JP2016166824A - Oxygen sensor and measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸素センサ及び計測装置に関し、例えば、空気中の酸素濃度を計測する計測装置（酸素濃度計）等、空気中の酸素濃度に応じて動作する種々の装置に適用することができる。 The present invention relates to an oxygen sensor and a measurement device, and can be applied to various devices that operate according to the oxygen concentration in the air, such as a measurement device (oxygen concentration meter) that measures the oxygen concentration in the air.
従来、空気中の酸素濃度を検知する酸素センサとしては、隔膜ガルバニ電池式のセンサが主流であるが、高価であるため、設置できる場面は限られる。一方で、酸素は、この地球上のほとんどの動植物にとって生きていく上で必要不可欠な物質であるため、あらゆる場面で酸素濃度の計測を行うことの需要は存在する。例えば、あらゆる場面での安全性を確認するための酸素濃度測定や、学校教育上の教材（例えば、初等中等教育の理科教育の教材）等利用分野は幅広い。 Conventionally, as the oxygen sensor for detecting the oxygen concentration in the air, a diaphragm galvanic cell type sensor has been the mainstream, but since it is expensive, there are only a limited number of scenes where it can be installed. On the other hand, since oxygen is an indispensable substance for living for most animals and plants on the earth, there is a demand for measuring oxygen concentration in every situation. For example, there are a wide range of fields of use such as oxygen concentration measurement for confirming safety in every scene and educational materials for school education (for example, science education materials for primary and secondary education).
上述のような課題に鑑みて、安価な酸素センサとして空気電池を用いたものも存在する（例えば、特許文献１を参照）。空気電池は、いわゆるボタン形の電池として一般に普及しているものであり、小型で高エネルギーが得られることから、補聴器等の小型の医療器具等に用いられる。 In view of the above-described problems, there is an inexpensive oxygen sensor using an air battery (see, for example, Patent Document 1). Air batteries are commonly used as so-called button-type batteries, and are small and can be used for small medical instruments such as hearing aids because they can obtain high energy.
空気電池では、負極材料として亜鉛、電解液としてアルカリ水溶液、正極材量としてカーボンが用いられている。化学反応からみると空気電池は、酸素が正極活物質、亜鉛が負極活物質の電池である。そして、空気電池には、正極側に換気するための空気孔が設けられており、この孔から正活物質の酸素が電池内部に供給される。 In the air battery, zinc is used as a negative electrode material, an alkaline aqueous solution is used as an electrolytic solution, and carbon is used as a positive electrode material amount. From the viewpoint of chemical reaction, an air battery is a battery in which oxygen is a positive electrode active material and zinc is a negative electrode active material. The air battery is provided with an air hole for ventilation on the positive electrode side, and oxygen of the positive active material is supplied into the battery through this hole.
従来の空気電池を用いた酸素センサで酸素濃度を測定する場合、応答時間が極端に遅く測定精度も低いため、実用に耐えないという問題があった。また、従来の酸素センサはボディが大きいため、計測する場所が限定されていた。 When measuring the oxygen concentration with a conventional oxygen sensor using an air battery, there is a problem that the response time is extremely slow and the measurement accuracy is low, so that it cannot be put into practical use. Moreover, since the conventional oxygen sensor has a large body, the place to measure is limited.
そのため高性能（速い応答性で高い精度）でしかもコンパクトな酸素センサ及び計測装置を低コストで実現することが望まれている。 Therefore, it is desired to realize a high-performance (fast response and high accuracy) and compact oxygen sensor and measuring device at low cost.
第１の本発明の酸素センサは、（１）酸素電池を収容する酸素電池収容部と、（２）上記酸素電池の外部抵抗として機能し、上記酸素電池を電源とする電流を電流計測部へ出力するための出力回路とを備え、（３）上記出力回路には上記酸素電池に対する外部抵抗値を変化させるための可変抵抗器がふくまれていることを特徴とする。 The oxygen sensor according to the first aspect of the present invention includes: (1) an oxygen battery housing section that houses an oxygen battery; and (2) an electric current that functions as an external resistance of the oxygen battery and that uses the oxygen battery as a power source to a current measuring section. And (3) the output circuit includes a variable resistor for changing an external resistance value with respect to the oxygen battery.
第２の本発明は、酸素濃度に応じた電流を出力する酸素センサと、上記酸素センサから出力される電流の電流値を計測する電流計測部と、計測した電流値に応じた情報を出力する情報出力部とを備える計測装置において、上記酸素センサとして第１の本発明の酸素センサを適用したことを特徴とする。 2nd this invention outputs the information according to the oxygen sensor which outputs the electric current according to oxygen concentration, the electric current measurement part which measures the electric current value of the electric current output from the said oxygen sensor, and the measured electric current value In a measuring apparatus including an information output unit, the oxygen sensor according to the first aspect of the present invention is applied as the oxygen sensor.
本発明によれば、高性能でコンパクトな酸素センサ及び計測装置を低コストで提供することができる。 According to the present invention, a high-performance and compact oxygen sensor and measurement device can be provided at low cost.
（Ａ）主たる実施形態
以下、本発明による酸素センサ及び計測装置の一実施形態を、図面を参照しながら詳述する。
(A) Main Embodiment Hereinafter, an embodiment of an oxygen sensor and a measuring device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
（Ａ−１）実施形態の構成
図１は、この実施形態に係る酸素濃度測定装置１の構成について示した回路図である。
(A-1) Configuration of Embodiment FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an oxygen
図２は、酸素センサ１０の外観を示す平面図である。
FIG. 2 is a plan view showing the appearance of the
酸素濃度測定装置１は、大別すると酸素センサ１０及びディジタルマルチメータ２０で構成されている。
The oxygen
酸素センサ１０は、空気電池Ｂを電源とし、周囲の酸素濃度に応じた電流（電圧）を出力するセンサである。酸素濃度測定装置１において、酸素センサ１０の出力はディジタルマルチメータ２０に接続されている。ディジタルマルチメータ２０は、酸素センサ１０から供給される電圧値を検知して、その検知結果（電圧値）を表示部に表示する。
The
ディジタルマルチメータ２０としては、種々の電流測定機能に対応した試験装置に置き換えることができる。
The
酸素センサ１０では、空気電池Ｂの外部抵抗として機能する外部抵抗回路１００が備えられている。この実施形態では、外部抵抗回路１００は、抵抗１１、１２、１３、及び可変抵抗１４で構成されているものとする。以下では、抵抗１１、１２、１３の抵抗値をそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３と表すものとする。また、以下では、可変抵抗１４の抵抗値をＲｖと呼ぶものとする。さらに、以下では、外部抵抗回路１００の全体の抵抗値（空気電池Ｂの外部抵抗値）を外部抵抗値Ｒｅと呼ぶものとする。
The
抵抗１１、１２、１３としては種々の固定抵抗を適用することができる。また、可変抵抗１４には抵抗値を調整するためのつまみ１４１が設けられている。可変抵抗１４としては種々の可変抵抗を適用することができる。
Various fixed resistors can be applied as the
この実施形態において、抵抗１１は、空気電池Ｂに並列に接続されている。
In this embodiment, the
また、この実施形態において、抵抗１２、１３は並列に接続されている。そして、並列接続された抵抗１２、１３の一端が空気電池Ｂに接続され、抵抗１２、１３の他方の端が可変抵抗１４に接続されている。そして、可変抵抗１４の一端は並列接続された抵抗１２、１３の一端に接続され、可変抵抗１４の他方の端は空気電池Ｂに接続されている。すなわち、並列接続された２つの抵抗１２、１３と、可変抵抗１４とが直列に接続された回路が、空気電池Ｂと並列に接続されていることになる。以上のように、空気電池Ｂには、抵抗１１により構成される第１の回路Ｃ１と、抵抗１２、抵抗１３、及び可変抵抗１４により構成される第２の回路Ｃ２とが並列に接続されている。
In this embodiment, the
この実施形態では、抵抗１１の抵抗値が４．７Ω、抵抗１２の抵抗値が１Ω、抵抗１３の抵抗値が１Ωであるものとする。また、可変抵抗１４は、０Ω〜１０Ωの範囲で調整可能な抵抗となっている。そうすると、第２の回路Ｃ２の抵抗値は、０．５Ω〜１０．５Ωとなる。
In this embodiment, it is assumed that the resistance value of the
したがって、可変抵抗１４の抵抗値が０Ωの場合、外部抵抗値Ｒｅは、０．４５Ωとなる。また、可変抵抗１４の抵抗値が最大値である１０Ωの場合、外部抵抗値Ｒｅは、３．２５Ωとなる。したがって、空気電池Ｂの外部抵抗値Ｒｅは０．４５Ω〜３．２５Ωで変化可能となっている。
Therefore, when the resistance value of the
次に、この実施形態における酸素センサ１０の具体的な実装構成例について図２、図３を用いて説明する。図３は、酸素センサ１０の外観を示す側面図（図２の矢印Ａの方向から見た場合の側面図）である。
Next, a specific mounting configuration example of the
この実施形態の酸素センサ１０では、矩形（長方形）の回路基板１６上に、抵抗１１、１２、１３、可変抵抗１４、及び空気電池Ｂを着脱自在に搭載（回路基板１６上の回路に接続）するための電池ホルダ１５が配置されている。
In the
図２、図３では、回路基板１６の長手方向の寸法をＬ１、短手方向の寸法をＬ２と図示している。また、図３では、酸素センサ１０の厚さ（図２の矢印Ａ方向から見た場合の酸素センサ１０の高さ）の寸法をＬ３と図示している。
2 and 3, the longitudinal dimension of the
この実施形態では、空気電池Ｂとして、ネクセル（Ｎｅｘｃｅｌｌ）（登録商標）社製のＰＲ４４規格（標準）に対応した空気亜鉛電池（以下、単に「ＰＲ４４空気電池」とも呼ぶものとする）を適用するものとする。さらに、この実施形態では、電池ホルダ１５として、タカチ電機工業社製のＰＤ２３型電池ホルダを適用するものとする。さらにまた、この実施形態では、可変抵抗１４として、ＢＯＵＲＮＳ社製高精度多回転ボリューム３００６Ｐを適用するものとする。可変抵抗１４には抵抗値を調整するためのつまみ１４１が設けられている。図２、図３に示すように可変抵抗１４は横型の可変抵抗であるため、つまみ１４１の回転軸は図２の寸法Ｌ１の方向となる。図２、図３では、可変抵抗１４のつまみ１４１を含む部分（長手方向に３ｍｍ程度の部分）が回路基板１６からはみでるように配置されている。これにより、酸素センサ１０では、横型の可変抵抗１４の操作性を向上させる（ユーザが指やドライバを用いて操作することを容易とする）ことができる。
In this embodiment, as the air battery B, an air zinc battery (hereinafter simply referred to as “PR44 air battery”) corresponding to the PR44 standard (standard) manufactured by Nexcell (registered trademark) is applied. Shall. Further, in this embodiment, a PD23 type battery holder manufactured by Takachi Electric Industry Co., Ltd. is applied as the
この実施形態では、回路基板１６として、Ｌ１＝３４．５５ｍｍ、Ｌ２＝１５．８７ｍｍの矩形のプリント基板を適用することができる。図２、図３に示すように各構成要素を配置することにより、回路基板１６のサイズを上述の形状とすることができる。また、図３に示すように、酸素センサ１０の厚さＬ３は、回路基板１６の厚さに、空気電池Ｂを搭載した電池ホルダ１５の厚さ（高さ）を加えた寸法となる。具体的には、図２、図３に示す酸素センサ１０の厚さ（空気電池Ｂと搭載した状態）の寸法Ｌ３は１０．７８ｍｍ程度となった。
In this embodiment, a rectangular printed board having L1 = 34.55 mm and L2 = 15.87 mm can be applied as the
酸素センサ１０は、より小型であるほうが被測定対象の空間に設置しやすくなる。特に、大型試験管、ビーカ、ペットボトルの中等、被測定対象の空間に至るまでの経路が狭い場合（ボトルネックが存在する場合）には、酸素センサ１０の寸法Ｌ２、Ｌ３がより短くなっていることが重要となる。例えば、一般的な容量が５００ｃｃのペットボトルの口径は、２５ｍｍであるため、当該ペットボトルの中に酸素センサ１０を設置しようとした場合、酸素センサ１０寸法Ｌ２、Ｌ３は２５ｍｍ以下とする必要がある。この実施形態の酸素センサ１０では、寸法Ｌ２、Ｌ３は２５ｍｍ以下とすることにより、ペットボトル内部の酸素濃度を測定することが可能となる。
The
次に、酸素センサ１０の出力電圧値と、ディジタルマルチメータ２０のディスプレイ２１に表示される電圧値と、測定される酸素濃度（測定結果）との関係について説明する。
Next, the relationship between the output voltage value of the
酸素センサ１０では、周囲の酸素濃度（酸素分子の密度）が高くなると空気電池Ｂに供給される酸素量が多くなり、空気電池Ｂの出力も大きくなる。酸素センサ１０では、空気電池Ｂのこの特性を利用して、酸素濃度に応じたレベルの電流・電圧を出力することができる。
In the
例えば、空気電池ＰＲ４４（この実施形態で空気電池Ｂとして適用したもの）について、外部抵抗を０Ω〜４７ｋΩの間で変化させた場合の出力電圧値及び出力電流値を測定した実験結果を図４に示す。なお、図４に示す実験では、空気電池ＰＲ４４を１気圧の大気中に設置している。 For example, for the air battery PR44 (applied as the air battery B in this embodiment), the experimental results of measuring the output voltage value and the output current value when the external resistance is changed between 0 Ω and 47 kΩ are shown in FIG. Show. In the experiment shown in FIG. 4, the air battery PR44 is installed in the atmosphere of 1 atm.
空気電池ＰＲ４４には、正極側に空気孔が設けられており、この孔から正極活物質の酸素が内部に供給される。空気電池ＰＲ４４を放電させる際に、電池電流が無く電池が平衡状態にあるときの起電力は１．６５Ｖ程度である。また、空気電池ＰＲ４４に１ｋΩ程度の外部抵抗を接続して電流を流すと過電圧の発生により、出力電圧は１．４Ｖ位になる。 The air battery PR44 is provided with an air hole on the positive electrode side, and oxygen of the positive electrode active material is supplied to the inside from this hole. When the air battery PR44 is discharged, the electromotive force when there is no battery current and the battery is in an equilibrium state is about 1.65V. Further, when an external resistance of about 1 kΩ is connected to the air battery PR44 and a current is passed, the output voltage becomes about 1.4V due to the occurrence of overvoltage.
さらに、空気電池ＰＲ４４の接続する外部抵抗を小さくしていくと、出力電流値は大きくなる。しかし、出力電流は無制限に大きくなるのではなく、正極活物質である酸素の拡散で制限された電流（限界拡散電流）となる。この限界拡散電流は空気中の酸素と関係している電流である。この、酸素電池の特性が酸素センサの電源として使用できる可能性を示唆している。 Furthermore, when the external resistance connected to the air battery PR44 is reduced, the output current value is increased. However, the output current does not increase without limitation, but becomes a current limited by the diffusion of oxygen as the positive electrode active material (limit diffusion current). This limiting diffusion current is a current related to oxygen in the air. This characteristic of the oxygen battery suggests the possibility of being used as a power source for the oxygen sensor.
図４に示すように、空気電池ＰＲ４４は、外部抵抗値が６００Ω以上の領域では、１．２Ｖ〜１．３Ｖ程度の電圧を出力する電圧源として動作する。空気電池を装置の電源(例えば、補聴器等の電源)として利用する場合は、この領域で駆動させる必要がある。なお、空気電池ＰＲ４４の商品仕様では、標準負荷抵抗（外部抵抗）として６２０Ωと記載されている。また、図４に示すように、空気電池ＰＲ４４は、外部抵抗値５０Ω以下の領域では、１３ｍＡ〜１５ｍＡの電流を出力する電流源として動作（概ね定電流源として動作）していることがわかる。この電流は、酸素分子の拡散で制限された限界拡散電流であり、酸素濃度と関係した電流である。空気電池ＰＲ４４を酸素センサ１０で使用する場合には、この電流を出力電流値（センサ電流）として計測するため、外部抵抗値Ｒｅを５０Ω以下に設定する必要がある。
As shown in FIG. 4, the air battery PR44 operates as a voltage source that outputs a voltage of about 1.2 V to 1.3 V in the region where the external resistance value is 600Ω or more. When the air battery is used as a power source for the device (for example, a power source for a hearing aid), it is necessary to drive in this region. In the product specifications of the air battery PR44, 620Ω is described as the standard load resistance (external resistance). In addition, as shown in FIG. 4, it can be seen that the air battery PR44 operates as a current source that outputs a current of 13 mA to 15 mA (generally operates as a constant current source) in the region where the external resistance value is 50Ω or less. This current is a limiting diffusion current limited by the diffusion of oxygen molecules, and is a current related to the oxygen concentration. When the air battery PR44 is used in the
なお、この実施形態の酸素センサ１０は、極めて高い応答性（高速に酸素濃度に対応する出力に収束させる能力）を備えるという実験結果が得られている。
In addition, the experimental result that the
図５は、酸素センサ１０における外部抵抗値Ｒｅを０．５Ωから２０．０Ωまで変化（必要に応じて別途固定抵抗を接続して変化）させた場合の応答特性の実験結果を示している。図５に示す実験では、酸素センサ１０の各外部抵抗値Ｒｅ（０．５Ω、１．０Ω、２．２Ω、５．１Ω、１０．０Ω、２０．０Ω）の６種類を選択して設定し、酸素濃度を大気圧中（１気圧の大気中）から０％の状態にした場合の時系列ごとの電流値の変化（電流値が下降する特性）を示している。図５の実験結果から、外部抵抗値Ｒｅを１０Ωから２０Ωとすると明らかに電流値の減衰が緩やかに落ちる傾向（応答時間が長くなる）になることがわかる。
FIG. 5 shows experimental results of response characteristics when the external resistance value Re in the
そして、図５に示す実験結果から、各外部抵抗値Ｒｅに係る９５％応答時間（最終値の９５％にまで到達する時間）を求め、この応答時間と外部抵抗の関係を図６に示した。 Then, from the experimental results shown in FIG. 5, 95% response time (time to reach 95% of the final value) related to each external resistance value Re was obtained, and the relationship between this response time and external resistance is shown in FIG. .
図６に示すように、この実施形態の酸素センサ１０では、外部抵抗値Ｒｅが０．５Ωだと応答時間が２３．５秒、外部抵抗値Ｒｅが５．０Ω以内だと１分以内の応答時間を示した。また、図６に示すように、この実施形態の酸素センサ１０では、外部抵抗値Ｒｅが２０．０Ωだと２分以上も応答時間がかかり、応答性が極端に悪くなっている。すなわち、図６より応答時間は外部抵抗値Ｒｅと直線関係にあること、及び外部抵抗値Ｒｅを小さくすれば応答時間を短くできることが分かる。従来では、空気電池が実用化されていなかた大きな点は、外部抵抗値Ｒｅがわずかでも応答性が大きく変わってしまうので、実用化されなかった。特に、実施形態の酸素センサ１０は、図６に示すように、応答時間が３０秒以内で計測可能なことが顕著で画期的な点となっている。
As shown in FIG. 6, in the
次に、酸素センサ１０における外部抵抗値Ｒｅと出力電流値（外部抵抗回路１００の出力電流値）との関係について説明する。
Next, the relationship between the external resistance value Re and the output current value (the output current value of the external resistance circuit 100) in the
図７は、酸素センサ１０で、外部抵抗値Ｒｅを０．５Ωとした場合における酸素濃度と出力電流値（外部抵抗回路１００の出力電流値）との関係について実験した結果について示している。図７では、０％〜５０％の範囲で概ね１０％刻みで酸素センサ１０の出力電流値を測定した結果となっている。図７に示す実験において、検定用の基準酸素ボンベを各酸素濃度について用意し、当該基準酸素ボンベを用いて、酸素センサ１０各酸素濃度の環境下に設置した。また図７の実験は、純空気で２０．９％を可変抵抗を使って２０．９５ｍＶに設定しキャリブレーションした後行っている。
FIG. 7 shows the results of experiments on the relationship between the oxygen concentration and the output current value (the output current value of the external resistance circuit 100) when the
図７に示す通り、酸素センサ１０では、５０％程度まで酸素濃度の測定を行っても、電流値と酸素濃度の相関係数が０．９９７を保つことができる。すなわち、酸素センサ１０では、５０％程度まで酸素濃度を上げても、精度よく酸素濃度に応じた電流値の電流を出力することができる。
As shown in FIG. 7, the
一般の酸素センサで計測可能な酸素濃度が３０％程度（高価な酸素センサは高濃度まで対応している）であることに対して、この実施形態では酸素センサ１０では５０％まで計測可能である。また、上述の通り、酸素センサ１０では、各酸素濃度と出力電流値とに直線性に優れており、相関性も０．９９７と高い精度を保っている。すなわち、図７に示すように、この実施形態の酸素センサ１０（空気電池ＰＲ４４として適用した場合）では、外部抵抗値Ｒｅを５０Ω以下とした場合、酸素濃度と出力電流値の相関係数がリニアな関係になるという実験結果が得られている。
The oxygen concentration measurable with a general oxygen sensor is about 30% (the expensive oxygen sensor supports up to a high concentration), whereas in this embodiment, the
なお、図７に示す通り、この実施形態の酸素センサ１０では、酸素濃度が０％でも、出力電流は完全に０ｍＡにならず、約５ｍＡ程度の電流（残留電流）がある。
As shown in FIG. 7, in the
以上のように、通常補聴器等に用いられる空気電池ＰＲ４４は、上述の通り６２０Ω程度の負荷が想定された構成となっているところ、その仕様の範囲外である５０Ω以下とする領域で動作させることにより、非常に酸素濃度と相関性の高い出力電流値（センサ電流値）を得ることができる。 As described above, the air battery PR44 that is normally used for hearing aids and the like is configured to assume a load of about 620Ω as described above, and should be operated in a region of 50Ω or less that is outside the specification range. Thus, an output current value (sensor current value) having a very high correlation with the oxygen concentration can be obtained.
上述のように、外部抵抗回路１００の出力電流値は、１気圧の大気中で概ね０．９ｍＡ〜１４．０ｍＡの範囲内で推移（外部抵抗値Ｒｅに応じて推移）するが、これをディジタルマルチメータ２０で測定した場合、ユーザは測定された電流値を酸素濃度に変換する計算を自身で行うか、ディジタルマルチメータ２０の測定結果を補正処理（例えば、出力電流値に補正計数を乗じて酸素濃度[％]に正規化する処理）する演算装置（例えば、コンピュータ）を用意しなければ測定された酸素濃度を知ることができないことになる。
As described above, the output current value of the
そこで、この実施形態の酸素センサ１０では、外部抵抗回路１００に可変抵抗１４を設け、可変抵抗１４を変化させることで、外部抵抗値Ｒｅを０．４５Ω〜３．２５Ωの範囲内で可変としている。そして、ここで、例として、酸素濃度が２０．９％（１気圧時の酸素濃度）であり、外部抵抗回路１００の出力電流値が可変抵抗１４の抵抗値Ｒｖに関わらず１４．０ｍＡと一定となる場合を想定する。この場合、外部抵抗回路１００の外部抵抗値Ｒｅが約１．５Ωとなるように可変抵抗１４の抵抗値Ｒｖが調整されると、外部抵抗回路１００が出力する電圧値は２０．９ｍＶとなる。この場合、例えば、外部抵抗値Ｒｅを１．５Ωとし、ディジタルマルチメータ２０の測定レンジを０．１ｍＶ単位で測定可能な測定モードとして測定することで、ディジタルマルチメータ２０の表示を２０．９ｍＶとすることが可能となる。すなわち、この場合ディジタルマルチメータ２０を視認したユーザは、ディジタルマルチメータ２０のディスプレイ２１に表示された数字「２０．９」を単純に「２０．９％」と読み替えるだけで、計算や補正装置等を用いずに酸素濃度を把握することが可能となる。図４に示すように、空気電池Ｂが定電流源として駆動する場合、外部抵抗回路１００の出力電流値は、酸素濃度に対してリニアに変化するため、一度外部抵抗回路１００が調整されれば、ユーザはディジタルマルチメータ２０に表示された数値（ｍＶ単位の数値）をそのまま酸素濃度[％]として視認することができる。これにより、ユーザは出力された値を補正することなく、リアルタイムに酸素濃度を知ることができる。
Therefore, in the
以上のように、この実施形態の酸素センサ１０では、空気電池Ｂについて定電流源として動作する外部抵抗Ｒｅのレンジを探索し、外部抵抗Ｒｅを当該探索したレンジの範囲内で可変（可変抵抗１４により可変）とすることで、ディジタルマルチメータ２０に表示させる電圧値のレベルを調整することができる。この実施形態の酸素センサ１０では、１気圧で２０．９％の酸素濃度の環境下（１気圧の大気中）の場合、概ね１４ｍＡで動作するため、１４ｍＡ時に出力電圧値が２０．９ｍＶとなるように、外部抵抗値Ｒｅを１．５Ω前後で可変となるように設定した。この実施形態では、空気電池ＢとしてＰＲ４４を適用した例について説明したが、補聴器等に用いられる一般的な空気電池であれば、概ね同様の電気的特性を示すため、概ね定電流源として駆動する外部抵抗値の範囲と、その時の出力電流値が分かれば、ディジタルマルチメータ２０に表示される数値をそのまま酸素濃度とするための外部抵抗値を調べることは可能である。すなわち、この実施形態では、説明を簡易とするために、空気電池ＢとしてＰＲ４４を適用した例について説明したが、他の種類の酸素電池を用いる場合でも、上述と同様のプロセスにより、ディジタルマルチメータ２０に表示される数値をそのまま酸素濃度とするための、外部抵抗値Ｒｅと可変抵抗Ｒｖの範囲を設計することは可能である。
As described above, in the
また、厳密には、ディジタルマルチメータ２０に表示される数値は、空気電池Ｂの個体差、外部抵抗回路１００の各構成要素の温度変化や個体差、ディジタルマルチメータ２０の測定誤差等が含まれることになるが、１気圧の大気中（標高０ｍの大気中）の酸素濃度は２０．９％というのは不変であるため、ユーザが酸素センサ１０を１気圧の大気中に置き、可変抵抗１４を操作してディジタルマルチメータ２０に表示させる数値を「２０．９」とするだけで、精密なチューニング（レベル調整）を行うことが可能となる。
Strictly speaking, the numerical values displayed on the
次に、空気電池Ｂの出力の時間的変化（放電特性）について説明する。 Next, the temporal change (discharge characteristics) of the output of the air battery B will be described.
図８は、空気電池ＢとしてＰＲ４４を搭載した酸素センサ１０における空気電池Ｂの出力電流値の時間的変化（放電特性）について示したグラフである。図８では、外部抵抗値Ｒｅを０．５Ωとした場合の放電特性について示している。図８に示すように空気電池Ｂ（ＰＲ４４）は、放電開始から１時間位までは放電電流は指数関数的に減少し、その後放電電流は直線的に減少している。放電開始から１時間経過した時点での電流経時変化率は２．６％／ｈ、１０時間経過した時点での電流経時変化率は１．１％／ｈで、電池寿命は約４０時間程度であった。すなわち、空気電池Ｂとして新品のＰＲ４４を適用した場合、計測時間が短時間の場合（例えば、１分以内程度の場合）は、１時間程度放電（エイジング）させてから使用した方が、空気電池Ｂの出力が安定することがわかる。そして、酸素センサ１０では、空気電池Ｂとして新品のＰＲ４４を適用した場合、４０時間程度の酸素濃度測定が可能となる。
FIG. 8 is a graph showing the temporal change (discharge characteristic) of the output current value of the air battery B in the
（Ａ−２）実施形態の動作
次に、以上のような構成を有するこの実施形態の酸素濃度測定装置１の動作を説明する。
(A-2) Operation | movement of embodiment Next, operation | movement of the oxygen
図９は、この実施形態に係る酸素濃度測定装置１を用いた酸素濃度測定の動作の例（酸素濃度測定方法の例）について示したフローチャートである。
FIG. 9 is a flowchart showing an example of an oxygen concentration measurement operation (an example of an oxygen concentration measurement method) using the oxygen
まず、酸素センサ１０の電池ホルダ１５に、新品（未使用）の空気電池Ｂをセットする（Ｓ１０１）。なお、空気電池Ｂは必ずしも新品（未使用）である必要はないが、ここでは、空気孔Ｂ１を覆う位置にシールが貼りつけられた新品（未使用）の空気電池Ｂを用いるものとして説明する。
First, a new (unused) air battery B is set in the
次に、酸素センサ１０を１気圧の大気中に設置して（Ｓ１０３）、１時間程度放置する（Ｓ１０４）。セットした空気電池Ｂの出力を安定させるためにはエイジングは必須である。
Next, the
次に、ディジタルマルチメータ２０の測定レンジを調整する（Ｓ１０５）。この実施形態では、１ｍＶの単位で電圧値を測定するレンジに設定するものとして説明する。ディジタルマルチメータ２０の操作は、ダイヤル操作部２２等を用いて行われる。なお、ディジタルマルチメータ２０の操作（レンジ設定等）の詳細についてはディジタルマルチメータ２０の仕様に応じた操作となるため詳しい説明は省略する。
Next, the measurement range of the
次に、酸素センサ１０の可変抵抗１４（つまみ１４１）を操作して、外部抵抗Ｒｅを調整し、ディジタルマルチメータ２０の測定値（ディスプレイ２１に表示される値）が、１気圧の大気中に存在する酸素濃度である２０．９％に対応する値（２０．９ｍＶ）となるように調整する（Ｓ１０６）。理想的には、酸素センサ１０を、完全に１気圧の環境下（例えば、標高０ｍの大気中）に設置してチューニングすることが望ましいが、測定精度によっては、酸素センサ１０を初期チューニングする際の設置環境は完全に１気圧の環境下（標高０ｍの環境下）でなくてもよい。例えば、酸素濃度計測の誤差を０．１％以下程度としたい場合には、標高−３０〜＋３０ｍ程度の環境下であっても良い。なお、以下では、説明を簡易とするため、酸素センサ１０を完全に１気圧の大気中に設置したものとして説明する。
Next, the variable resistance 14 (knob 141) of the
次に、酸素センサ１０を被検査環境下に設置すると（Ｓ１０７）、酸素センサ１０は周囲の酸素濃度に応じた出力電流を出力し、当該出力電流がディジタルマルチメータ２０により検知され、検知された出力電流値がディスプレイ２１に表示されることになる。
Next, when the
すなわち、ステップＳ１０６では、ディスプレイ２１の表示値が現在の酸素センサ１０の設置環境に合わせた値となるように調整する必要がある。仮に、酸素センサ１０が１気圧（酸素濃度２０．９％）とは異なる環境下に設置されている場合には、当該設置環境下での酸素濃度（例えば、他の基準となる酸素濃度計等により予め測定された値であってもよい）に対応する値に調整する必要がある。
That is, in step S106, it is necessary to adjust the display value on the
（Ａ−３）実施形態の効果
この実施形態によれば、以下のような効果を奏することができる。
(A-3) Effects of Embodiment According to this embodiment, the following effects can be achieved.
この実施形態の酸素濃度測定装置１では、図９のような手順で酸素センサ１０を用いた酸素濃度測定を行うことができる。特に、空気電池Ｂは補聴器等で用いられる一般的なものを使用することができるため非常に安価に作成することができる。また、酸素センサ１０を構成する抵抗や可変抵抗も非常に安価な一般的な素子を用いて構成することができる。また、この実施形態で空気電池Ｂとして用いたボタン型の空気電池（例えば、補聴器用の空気電池）は従来の酸素センサに用いられるガルバニ電池の１００〜２００分の１程度の価格で購入することができる。また、ボタン型の空気電池は、ガルバニ電池よりもはるかに小さいサイズであるため、酸素センサ１０を非常に小型に実現し、ペットボトルやビーカ等の小さなスペースに挿入することが可能となる。また、酸素センサ１０自体も一般的で安価な抵抗器や可変抵抗器、ボタン電池のホルダだけで実現することができるため、既存のガルバニ式電池を用いた酸素センサ（プローブ）の１００〜２００分の１程度の価格で実現することができる。この程度の価格であれば、酸素センサを使い捨て（ディスポーザブル）に使用することも可能であるため酸素センサの利用可能な分野を広げることも可能となる。
In the oxygen
また、酸素センサ１０では、空気電池Ｂについて定電流源として動作する外部抵抗Ｒｅのレンジを探索し、外部抵抗Ｒｅを当該探索したレンジの範囲内で可変（可変抵抗１４により可変）とすることで、ディジタルマルチメータ２０に表示させる電圧値のレベルを調整することができる。これにより、酸素センサ１０では、１気圧の大気中に酸素センサ１０を配置して、可変抵抗１４を操作するだけで、ディジタルマルチメータ２０に表示される数値（ｍＶ単位の数値）をそのまま酸素濃度（％単位の数値）とすることができる。すなわち、酸素濃度測定装置１では、酸素センサ１０を用いることにより、特に数値の補正等を必要とせずに一般的なディジタルマルチメータ２０（テスタ）を用意するだけで酸素濃度の測定を行うことができる。
The
また、この実施形態の酸素センサ１０は、上述の図１０に示すように非常に高い精度（相関性）で、酸素濃度を測定することができる。
Further, the
図１０は、図９の手順に従って酸素センサ１０を動作させた場合の各酸素濃度と出力電圧との関係を示したグラフとなっている。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between each oxygen concentration and the output voltage when the
図１０に示す実験結果では、酸素濃度１０％〜６０％の範囲で１０％刻みで、酸素センサ１０の出力電圧（ディジタルマルチメータ２０で検知される電圧）を示している。図１０に示す実験結果では、酸素濃度約１０％（９．８６％）、２０％（２０．９％）、約３０％（３０．４７％）、約４０％（４０．４２％）、約５０％（５０．１３％）、約６０％（６０．８％）に対する出力電圧が、それぞれ、１０．６ｍＶ、２０．９５ｍＶ、３０．７４ｍＶ、４０．５２ｍＶ、５０．５２ｍＶ、５８．９８ｍＶとなった。図１０の実験結果では、実際の酸素濃度と出力電圧との相関係数が０．９９９となり、非常に高い相関関係を示している。 In the experimental results shown in FIG. 10, the output voltage of the oxygen sensor 10 (voltage detected by the digital multimeter 20) is shown in increments of 10% in the range of oxygen concentration of 10% to 60%. In the experimental results shown in FIG. 10, the oxygen concentration is about 10% (9.86%), 20% (20.9%), about 30% (30.47%), about 40% (40.42%), about The output voltages for 50% (50.13%) and about 60% (60.8%) are 10.6 mV, 20.95 mV, 30.74 mV, 40.52 mV, 50.52 mV, and 58.98 mV, respectively. It was. In the experimental result of FIG. 10, the correlation coefficient between the actual oxygen concentration and the output voltage is 0.999, indicating a very high correlation.
すなわち、この実施形態の酸素センサ１０は、高性能（高精度、高応答性）でかつきわめて低コストで実現可能となっている。既存のボタン型の空気電池を用いた酸素センサは、応答性や精度の点で実用化が難しかったが、この実施形態の酸素センサ１０では、この点が大きく解決されている。既存のガルバニ電池を用いたものと精度や応答性の点では遜色がない性能が得られる。
That is, the
また、図１０にも示されるように、酸素センサ１０では酸素濃度と出力電圧とが非常に良い相関性を示している。これにより、ディジタルマルチメータ２０によって簡単に酸素濃度を計測できるようになった。このような特性により、酸素センサ１０は、安価で簡単に組み立てることができ応答性か良い空気電池式酸素センサは、理科教育の分野で大きく活躍することが期待される。
Further, as shown in FIG. 10, the
酸素センサは、一般的に高価で理科教育で導入するには、難しいのが現状である。それは全国の公立学校の小学校・中学校の理科の実験費は、年間１０万円程度しかなく、酸素濃度を定量的に実験を行うことは予算的な制約が大きく難しい状況である。そのため、これまで殆どか定性実験しかできなかった。しかしながら、この実施形態の酸素センサ１０が広まると、理科実験に定量性を導入することができ、しかも扱い方が簡単で誰でも簡単に操作できるように工夫されたもので、しかも高性能（速い応答性で高い精度）なため、酸素に関わる自然現象など、微妙な酸素濃度変化を取ら得ることができ、従来の理科実験では行えなかった、経時変化を連続的に計測することもできるようになる。
Oxygen sensors are generally expensive and difficult to introduce in science education. This is because the science experiment costs of elementary and junior high schools in public schools nationwide are only about 100,000 yen per year, and it is difficult to conduct quantitative experiments on oxygen concentration because of budgetary constraints. For this reason, until now, almost only qualitative experiments were possible. However, when the
さらに、この実施形態の酸素センサ１０では、図１１に示すように、非常に低い酸素濃度での測定も可能となっている。図１１では、図１０の測定結果（約１０％〜約６０％）に加えて、酸素濃度約１％（１．０２６％）と、概ね０％（１．０×１０-３％）のサンプルを追加した内容となっている。図１１に示すように、この実施形態の酸素センサ１０では、酸素濃度約１％（１．０２６％）や概ね０％（１．０×１０-３％）という極低濃度の酸素濃度でもある程度の精度と応答速度で酸素濃度の測定を行うことができる。図１１に示す実験結果では、酸素濃度約１％（１．０２６％）、概ね０％（１．０×１０-３％）に対する出力電圧が、それぞれ、６．８６ｍＶ、５．８８ｍＶとなった。ただし、図１０の測定結果（約１０％〜約６０％）に、上述の低濃度の２つのサンプル（約１％、概ね０％）を追加すると、相関係数は０．９９２６と若干落ちることになる。
Furthermore, in the
しかしながら、通常市販の酸素センサでも、相関係数が下２桁の０．９９程度で十分使用に耐える。すなわち、この実施形態の酸素センサ１０は、約１０％〜６０％の酸素濃度だけでなく、条件付きながら酸素濃度約１％（１．０２６％）や概ね０％（１．０×１０-３％）という極低濃度の酸素濃度でも使用することができる。
However, even a commercially available oxygen sensor usually withstands the use with a correlation coefficient of about 0.99, the last two digits. That is, the
既存で市販されているガルバニ型の酸素センサの測定範囲は「０．０〜２５．０％の場合測定精度が±１．０％」や「０．５〜３０．０％精度±１％」程度となっている。０〜１００％計測できるガルバニ式酸素センサも存在するが、上述よりも悪い精度でしか測定できないのが現状である。また、従来のガルバニ型の酸素センサを用いた場合、表示される値は通常１％単位（小数点以下は切り捨て）となる。したがって、この実施形態の酸素センサ１０を用いた酸素濃度測定装置１は、従来の空気電池だけでなく従来のガルバニ型の酸素センサを考慮しても非常に高精度かつ広レンジで使用できる酸素センサであるといえる。これにより、この実施形態の酸素センサ１０を用いれば、例えば、酸素が大量に発生する実験や、真空に近い状態での実験を行う場合でも、従来より広いレンジで、高精度に測定することが可能となる。
The measurement range of existing commercially available galvanic oxygen sensors is “measurement accuracy is ± 1.0% when 0.0-25.0%” or “0.5-30.0% accuracy ± 1%” It is about. There are galvanic oxygen sensors that can measure from 0 to 100%, but the current situation is that they can be measured only with an accuracy worse than that described above. When a conventional galvanic oxygen sensor is used, the displayed value is usually in units of 1% (the fractional part is rounded down). Therefore, the oxygen
（Ｂ）他の実施形態
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するような変形実施形態も挙げることができる。
(B) Other Embodiments The present invention is not limited to the above-described embodiments, and may include modified embodiments as exemplified below.
（Ｂ−１）上記の実施形態では、空気電池Ｂとして空気孔が２つのＰＲ４４空気電池を適用する例について示したが、補聴器用の空気電池としては、同じＰＲ４４に準拠したものでも、空気孔が多い高出力用の電池（放電電流の大きい空気電池）も存在する。例えば、空気孔が２つのＰＲ４４空気電池向けに設計された酸素センサ１０に、空気孔数が５以上のＰＲ４４空気電池（放電電流の大きい空気電池）を使用したとき、１気圧の大気中に設置しても、出力電圧を２０．９ｍＶに調整（校正）できない（可変抵抗１４を０Ωとしても調整できない）。上記の実施形態の酸素センサ１０では、抵抗１２（Ｒ２＝１Ω）と抵抗１３（Ｒ３＝１Ω）が並列に接続されていて、抵抗１２、１３で０．５Ωの抵抗を構成していた。そして、可変抵抗１４の抵抗値を０Ωとした場合、第２の回路Ｃ２の抵抗値は全体として０．５Ωとなる。
(B-1) In the above-described embodiment, an example in which a PR44 air battery having two air holes is applied as the air battery B is shown. However, as an air battery for a hearing aid, a battery that conforms to the same PR44 may be used. There are also high output batteries (air batteries having a large discharge current) with a large amount of. For example, when a PR44 air battery (air battery with a large discharge current) with 5 or more air holes is used for the
空気孔数が２個のＰＲ４４の場合、酸素濃度２０．９％での放電電流は約１０〜１５ｍＡである。しかし、空気孔数が５を超えるＰＲ４４では、酸素濃度２０．９％での放電電流が４２ｍＡを超える場合がある。この場合、第２の回路Ｃ２の負荷抵抗が０．５Ωであると出力が２０．９ｍＶ以上になる。このような事態を避けるためには、可変抵抗１４の値を０Ωにしたとき、第２の回路Ｃ２の負荷抵抗が０Ωになるようにすることが望ましい。そのためには、例えば、抵抗１３を０Ωとすることが挙げられる。抵抗１３を０Ωの固定抵抗器に置き換えることにより、上記の実施形態と同じ構成の回路基板１６を用いて酸素センサ１０を機能させることができる。このように、酸素センサ１０では、適用する空気電池Ｂの出力が異なる場合でも、外部抵抗回路１００を構成する各抵抗器のパラメータを変更することにより、１気圧の大気中に配置されたときに、２０．９ｍＶの出力が得られるように調整することができる。
In the case of PR44 having two air holes, the discharge current at an oxygen concentration of 20.9% is about 10 to 15 mA. However, with PR44 having more than 5 air holes, the discharge current at an oxygen concentration of 20.9% may exceed 42 mA. In this case, if the load resistance of the second circuit C2 is 0.5Ω, the output becomes 20.9 mV or more. In order to avoid such a situation, it is desirable that the load resistance of the second circuit C2 be 0Ω when the value of the
１…酸素濃度測定装置、２０…ディジタルマルチメータ、Ｂ…空気電池、１０…酸素センサ、１１、１２、１３…抵抗、１４…可変抵抗、１５…電池ホルダ、１６…回路基板、１００…外部抵抗回路。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記酸素電池の外部抵抗として機能し、上記酸素電池を電源とする電流を電流計測部へ出力するための出力回路とを備え、
上記出力回路には上記酸素電池に対する外部抵抗値を変化させるための可変抵抗器がふくまれている
ことを特徴とする酸素センサ。 An oxygen battery housing part for housing the oxygen battery;
An output circuit that functions as an external resistance of the oxygen battery and outputs a current from the oxygen battery as a power source to a current measurement unit;
The oxygen sensor, wherein the output circuit includes a variable resistor for changing an external resistance value with respect to the oxygen battery.
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| CN107703470A (en) * | 2017-10-25 | 2018-02-16 | 广东天圣高科股份有限公司 | A kind of digital multimeter automatic debugging device |
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2015
- 2015-03-10 JP JP2015047331A patent/JP6559443B2/en active Active
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