JP2020008511A - ガスセンサ及びガスセンサの使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】使用現場から取り外すことなく、簡易かつ手軽に校正を行うことができるガスセンサを提供する。【解決手段】固体電解質のセンサ素子５１が筒状のホルダ５２に支持されることにより第一空間Ｓ１及び第二空間Ｓ２が区画されているガスセンサ１の構成を、筒状の第一筒部１０と、第一筒部をスライド可能に挿入している有底筒状の第二筒部２０とを具備し、ホルダが第一筒部の内部に筒壁間空隙Ｓ３をあけた状態で、かつ第一空間を第一端部Ｅ１側として固定されており、第一筒部が第二筒部に挿入されない部分において筒壁間空隙に開口する第一孔部１１ｈを有していると共に、第二筒部が側周壁を貫通する第二孔部２１を有している構成とすることにより、第二筒部内での第一筒部のスライドに伴い、第二孔部が開放されて第一空間が外部空間と連通する開放状態と、第一筒部が第二孔部を閉塞する閉塞状態とに切り替えることができる。【選択図】図４

Description

本発明は、固体電解質をセンサ素子に使用して気相におけるガス濃度を検出するガスセンサ、及び、該ガスセンサの構成により可能となるガスセンサの校正方法を含む使用方法に関するものである。

固体電解質（イオン伝導性セラミックス）をセンサ素子に使用して、水素ガス、酸素ガス、炭酸ガス、水蒸気などのガス濃度を検出するガスセンサが種々提案されており、本出願人も過去に複数の提案を行っている。これらのガスセンサは、同一イオンの濃度差により固体電解質に電位差が生じる濃淡電池の原理を使用したものであり、センサ素子を挟んだ二つの空間で検出対象のガスの濃度が異なる場合に、センサ素子に生じる起電力を測定する。二つの空間のうち、一方の空間において検出対象ガスの濃度が既知であれば、ネルンストの式により、測定された起電力とセンサ素子の温度から、他方の空間におけるガス濃度を知ることができる。或いは、一方の空間のガス濃度を一定とした状態で、他方の空間におけるガス濃度を変化させて起電力を測定することによって、予めガス濃度と起電力との相関関係を調べておくことにより、ガス濃度が未知の場合の起電力の測定値からガス濃度を知ることができる。

センサ素子は、使用に伴い測定雰囲気で固体電解質に生じる酸化還元反応などに起因して、経時的に劣化するため、定期的に校正を行う必要がある。校正は、例えば、本来であればガス濃度が未知である測定ガスが導入されるべき空間に、濃度が既知の校正用ガスを導入し、そのガス濃度を変化させつセンサ素子に生じる起電力を測定することにより行われる。そして、必要に応じて、起電力の測定値からガス濃度を算出する際に用いる起電力とガス濃度との相関関係を修正する。

ここで、固体電解質をセンサ素子とするガスセンサは、大型の工業炉に挿入された状態で使用されていることが多い。具体的には、炉壁にセンサ用の孔部が穿設されており、その孔部からガスセンサを炉内に挿入した上で、ガスセンサの基部が炉壁に固定された状態で使用されている。ガスセンサの使用現場がこのような大型の工業炉である場合、ガスセンサの校正を現場で行うことは困難である。大型の炉の内部空間をガス濃度が既知である校正用のガスで満たし、更に濃度の異なる校正用のガスに切り替えることは、実際的ではないからである。

そこで、従来は、現場での使用期間が所定の期間に達した時点で、ガスセンサを工業炉から抜き取り、校正用の施設まで移送して、ガスセンサの校正を行っていた。そのため、校正のために工業炉からガスセンサが取り外されている時間が長く、その間は当然ながら現場でガス濃度の検出ができないという問題があった。また、工業炉からガスセンサを取り外し、校正用の施設に移送し、校正を行い、校正後のガスセンサを使用現場まで返送し、工業炉に再び取り付けるという一連の作業が必要であるため、校正をすること自体が大掛かりであった。そのため、仮に使用現場でガスセンサによる検出結果に疑義が生じたとしても、すぐに校正を行うことはできなかった。

更に、固体電解質には、ガス濃度と起電力とが相関関係を示す温度範囲がある。従って、使用現場の温度でガス濃度と起電力とが相関関係を示す必要があり、使用現場の温度で校正を行う必要がある。そのため、校正用の施設において、ガスセンサが配される空間の温度を使用現場の温度まで昇温させるために時間を要すると共に、使用現場の温度に正確に一致させる温度制御が、使用現場ごとに必要であった。

そこで、本発明は、上記の実情を鑑み、使用現場から取り外すことなく、簡易かつ手軽に校正を行うことができるガスセンサ、及び、該ガスセンサの構成ゆえに可能となるガスセンサの校正方法を含む使用方法の提供を、課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明にかかるガスセンサは、
「固体電解質のセンサ素子が、筒状のホルダの端部または内部に封止材を介して支持されていることにより第一空間及び第二空間が区画されており、前記第一空間において前記センサ素子の表面に設けられた第一電極と前記第二空間において前記センサ素子の表面に設けられた第二電極によって前記センサ素子に生じる起電力を検出するガスセンサであって、
筒状で両端がそれぞれ少なくとも一部で開放している第一筒部と、
該第一筒部において一方の端部である第一端部側の部分をスライド可能に挿入している有底筒状の第二筒部と、を具備し、
前記ホルダは、前記第一筒部の内部に、前記ホルダの外周面と前記第一筒部の内周面との間の空隙である筒壁間空隙をあけた状態で、且つ、前記第一空間を前記第一端部側として固定されており、
前記第一筒部は、前記第二筒部に挿入されない部分において前記筒壁間空隙に開口する第一孔部を有していると共に、
前記第二筒部は、側周壁または底壁の少なくとも一方で貫通する第二孔部を有しており、
前記第二筒部内での前記第一筒部のスライドに伴い、前記第二孔部が開放されて前記第一空間が外部空間と連通する開放状態と、前記第一筒部が前記第二孔部を閉塞する閉塞状態とに切り替えられる」ものである。

「筒状のホルダ」、「筒状の第一筒部」及び「有底筒状の第二筒部」における「筒状」は、円筒状、楕円筒状、角筒状とすることができる。ただし、ホルダ、第一筒部、及び第二筒部それぞれの形状及び大きさは、第一筒部が第二筒部にスライド可能に挿入され、第一筒部の内部に固定されたホルダの外周面と第一筒部の内周面との間に空隙（筒壁間空隙）が形成され、且つ、第一筒部のスライドに伴い第二筒部の第二孔部が開放される状態と閉塞される状態とに切り替えられるように設定される。

本構成のガスセンサは、測定雰囲気とする外部空間に第二孔部を位置させる一方、第一孔部を測定雰囲気の外部に位置させて使用する。その状態で、第一筒部を第二筒部に対してスライドさせることにより、第二孔部が開放されている開放状態とすると、第二孔部を介して第二筒部の内部空間を測定雰囲気と連通させることができる。第一筒部の第一端部は少なくとも一部で開放しているため、第一空間は第二筒部の内部空間と連通している。すなわち、開放状態では、第一空間は測定雰囲気と連通する。従って、第二空間に基準ガスを導入し、第一電極及び第二電極によってセンサ素子に生じる起電力を測定することにより、測定雰囲気におけるガス濃度を検出することができる。

一方、第一筒部を第二筒部に対してスライドさせることにより、第二孔部が第一筒部によって閉塞されている閉塞状態とすれば、筒壁間空隙のみを第一空間と連通させることができる。そのため、ガス濃度が既知である校正用ガスを第一孔部から筒壁間空隙に導入することにより、第一空間を校正用ガスで満たすことができる。従って、第二空間に基準ガスを導入する一方で、第一空間に校正用ガスを導入した状態で、センサ素子に生じる起電力とガス濃度との相関関係を確認することにより、ガスセンサを校正することができる。

以上のように、本構成のガスセンサによれば、使用現場からガスセンサを取り外すことなく、校正を行うことができる。そのため、使用現場からガスセンサを取り外し、校正用施設で構成を行っていた従来に比べて、校正の作業に要する手間や時間が大幅に低減される。また、現場においてガスセンサを校正する必要性が感じられたとき、速やかに、且つ、手軽に構成を行うことができる。

また、ガスセンサの校正は使用現場の温度で行う必要があるところ、本構成のガスセンサは、使用現場で校正することができるため、温度の調整や制御を何ら必要とすることなく、まさに使用現場の温度において簡易に校正を行うことができる。

本構成のガスセンサは、上記構成に加え、
「前記第二筒部に対して前記第一筒部が挿入された深さを保持することにより、前記開放状態及び前記閉塞状態それぞれを維持する保持機構を、更に具備する」ものとすることができる。

本構成では、第二筒部に対して第一筒部が挿入された深さが保持機構によって保持されるため、開放状態としている最中（測定雰囲気のガス濃度を検出している最中）に意図せず閉塞状態となってしまうことや、閉塞状態としている最中（校正の作業中）に意図せず開放状態となってしまうことが防止される。

次に、本発明にかかるガスセンサの使用方法は、
「上記に記載のガスセンサを使用する使用方法であり、
ガス濃度が未知である測定雰囲気に前記第二孔部が位置すると共に、前記測定雰囲気の外部に前記第一孔部が位置するように前記ガスセンサを設置して、前記第二空間にガス濃度が既知である基準ガスを導入し、
前記測定雰囲気におけるガス濃度を検出するときは、前記ガスセンサを前記開放状態として前記測定雰囲気を前記第一空間と連通させる一方で、
前記ガスセンサを校正するときは、前記ガスセンサを前記閉塞状態とし、前記第一孔部から前記筒壁間空隙を介してガス濃度が既知である校正用ガスを前記第一空間に導入する」ものである。

これは、ガスセンサが上記構成であることにより可能となる使用法であり、現場で測定雰囲気中のガス濃度を検出していたガスセンサを、取り外すことなく、その場で校正を行うという使用方法である。

本発明にかかるガスセンサの使用方法は、上記構成に加え、
「前記ガスセンサを校正するとき、前記基準ガス及び前記校正用ガスとして濃度が同一のガスを使用し、前記センサ素子に起電力が生じた場合、その起電力値に基づいて校正を行う」ものとすることができる。

センサ素子を挟んで区画されている第一空間及び第二空間のガス濃度が同一のとき、本来はセンサ素子に起電力は生じない。従って、第一空間に導入される校正用ガスと第二空間に導入される基準ガスのガス濃度を同一としたときに、センサ素子に起電力が生じた場合は、この起電力値に基づいて、ガス濃度のゼロ点を簡易に補正することができる。

以上のように、本発明によれば、使用現場から取り外すことなく、簡易かつ手軽に校正を行うことができるガスセンサ、及び、該ガスセンサの構成ゆえに可能となるガスセンサの校正方法を含む使用方法を、提供することができる。

図１（ａ）は本発明の一実施形態であるガスセンサの斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のガスセンサの分解斜視図である。 図２は図１のガスセンサ（センサ本体部を省略）が、保持機構が保持状態にないと共に、固定機構が固定状態になく、且つ、開放状態にあるとき、縦方向に中央で切断した端面図である。 図３は図１のガスセンサ（センサ本体部を省略）が、保持機構が保持状態にある共に、固定機構が固定状態にあり、且つ、閉塞状態にあるとき、縦方向に中央で切断した端面図である。 図４（ａ）は図１のガスセンサ（センサ本体部を含む）が開放状態にあるとき、縦方向に中央で切断した端面図であり、図４（ｂ）は図１のガスセンサ（センサ本体部を含む）が閉塞状態にあるとき、縦方向に中央で切断した端面図である。

以下、本発明の一実施形態であるガスセンサ１、及び、ガスセンサ１の使用方法について、図１乃至図４を用いて説明する。まず、ガスセンサ１の構成について説明する。ガスセンサ１は、センサ本体部と、センサ本体部を収容するケーシングに大別され、ケーシングは、筒状で両端がそれぞれ少なくとも一部で開放している第一筒部１０と、第一筒部１０の一部をスライド可能に挿入している第二筒部２０とからなる。

具体的に説明すると、第一筒部１０は円筒状で、ここでは両端が開端である場合を図示している。第一筒部１０の両端をそれぞれ第一端部Ｅ１及び第二端部Ｅ２とすると、第二端部Ｅ２の近傍で、且つ、第二端部Ｅ２からは離れた位置に、側周壁を貫通する第一孔部１１ｈが二以上設けられている。ここでは、第一孔部１１ｈが二つであり、それぞれの周縁に小パイプ１１が気密に接続されている場合を例示する。

第二筒部２０は有底円筒状であり、円筒状部の内径は第一筒部１０の外径より僅かに大きい。従って、第一筒部１０における第一端部Ｅ１側の部分を、第二筒部２０の開端２５から挿入することができ、第一筒部１０はその外周面を第二筒部２０の内周面に沿わせながら第二筒部２０内をスライドする。第一筒部１０において第一孔部１１ｈから第一端部Ｅ１までの距離は、第二筒部２０の長さより大きく設定されている。そのため、第一筒部１０を第二筒部２０に最も深く挿入した状態で、第一筒部１０の第一端部Ｅ１は第二筒部２０の底壁２０ｂに当接すると共に、第一孔部１１ｈは第二筒部２０の開端２５から離隔している。

また、第二筒部２０の側周壁には、底壁２０ｂの近傍において、複数の第二孔部２１が貫設されている。

第二筒部２０は、開端２５で内径及び外径ともに拡径しており、その部分の外周面には雄ネジ２５ｓが形成されている。開端２５で内径が拡径していることにより、第二筒部２０の内周面には段部２５ｂが形成されているが、この段部２５ｂに、第一筒部１０の外径より大径で樹脂製のＯリング２６が載置されている。また、第二筒部２０は、雄ネジ２５ｓと螺合する雌ネジ２８ｓを有する締付けリング２８を備えている。締付けリング２８は、底部２８ｂに孔部２８ｈが貫設された有底円筒状であり、孔部２８ｈは第一筒部１０を挿入できる大きさである。締付けリング２８の円筒状部分２８ａは、長さが雄ネジ２５ｓと同程度であり、その内周面に雌ネジ２８ｓが形成されている。

これらの雄ネジ２５ｓ、Ｏリング２６、及び締付けリング２８は、本発明における「第二筒部に対して第一筒部が挿入された深さを保持する保持機構」に相当する。すなわち、第一筒部１０を第二筒部２０に開端２５から挿入し、第二筒部２０に対して第一筒部１０がある深さで挿入されている状態を保持させるときは、締付けリング２８の雌ネジ２８ｓを雄ネジ２５ｓに締付ける。それに伴い、締付けリング２８の底部２８ｂによってＯリング２６が段部２５ｂに向かって押し付けられ、弾性変形して第一筒部１０の外周面に圧接される（図３における一番上の拡大図を参照）。これにより、第一筒部１０が第二筒部２０に対してスライドすることが規制され、第一筒部１０が第二筒部２０に対してある深さで挿入された状態が保持されると共に、第二筒部２０の内周面と第一筒部１０の外周面との間が気密にシールされる。なお、ここでは、締付けリング２８とＯリング２６との間に剛体リング２７を介在させており、剛体リング２７を介して締付けリング２８がＯリング２６を押圧する場合を例示しているが、締付けリング２８によってＯリング２６を十分に弾性変形させられる場合は、剛体リング２７は不要である。

第二筒部２０は、ガスセンサ１が使用される現場においてガスセンサ１が測定雰囲気に挿入された状態を固定するための固定機構を、更に備えている。固定機構は、固定具３０、Ｏリング３１、及び、締付けリング３２を備えている。固定具３０は短い円筒状で、その内径は第二筒部２０の外径より僅かに大きい。従って、固定具３０は第二筒部２０を挿通させた状態で、第二筒部２０の外周面に沿ってスライド可能である。固定具３０の外周面には、一方の端部側に雄ネジ３０ａが形成されていると共に、他方の端部側に雄ネジ３０ｂが形成されている。固定具３０は、雄ネジ３０ｂが開端２５側となる向きで、第二筒部２０を挿通させている。

ガスセンサ１が使用される現場である工業炉では、炉壁にガスセンサ用孔部が設けられており、そのガスセンサ用孔部の内周面に雌ネジが形成されている。固定具３０の雄ネジ３０ａは、炉壁に設けられたガスセンサ用孔部の雌ネジに螺合するものである。

他方の雄ネジ３０ｂは、締付けリング３２の雌ネジ３２ｓと螺合する。締付けリング３２は、底部３２ｂに孔部３２ｈが貫設された有底円筒状であり、孔部３２ｈは第二筒部２０を挿入できる大きさである。締付けリング３２の円筒状部分３２ａは、長さが雄ネジ３０ｂと同程度で、その内周面に雌ネジ３２ｓが形成されている。そして、締付けリング３２の底部３２ｂ及び円筒状部分３２ａと、固定具３０の雄ネジ３０ｂ側の端部とで囲まれた空間に、樹脂製のＯリング３１が嵌め込まれている。

使用現場では、炉壁に設けられたガスセンサ用孔部の雌ネジに固定具３０の雄ネジ３０ａを留め付けた状態で、締付けリング３２の雌ネジ３２ｓを雄ネジ３０ｂに締付ける。それに伴い、締付けリング３２の底部３２ｂによってＯリング３１が固定具３０の端部に向かって押し付けられ、弾性変形して第二筒部２０の外周面に圧接される（図３における中央の拡大図を参照）。これにより、固定具３０が第二筒部２０に対してスライドすることが規制され、工業炉内の測定雰囲気中に、ある長さで挿入された状態でガスセンサ１が固定される。

なお、第二筒部２０において固定具３０と開端２５との間にストッパ３９が取り付けられていると共に、第一筒部１０において第一孔部１１ｈより第一端部Ｅ１側にストッパ１９が取り付けられている。ストッパ３９及びストッパ１９は、それぞれボルト３９ｂ，１９ｂの締付けにより縮径するリング状である。ガスセンサ１が工業炉内の測定雰囲気中に、ある長さで挿入されている状態を固定具３０で固定した上で、固定具３０にストッパ３９を当接させてボルト３９ｂを締付けることにより、ストッパ３９が第二筒部２０の外周面に圧着される。これにより、固定具３０に何らかの異常が生じたとしても、ガスセンサ１が炉内に引き込まれることが防止される。同様に、第一筒部１０が第二筒部２０に対して、ある深さで挿入されている状態を保持機構で保持した上で、締付けリング２８にストッパ１９を当接させてボルト１９ｂを締付けることにより、ストッパ１９が第一筒部１０の外周面に圧着される。これにより、保持機構に何らかの異常が生じたとしても、第一筒部１０が第二筒部２０に引き込まれることが防止される。

センサ本体部は、固体電解質のセンサ素子５１と、センサ素子５１を支持している筒状のホルダ５２と、センサ素子５１に設けられた第一電極６１及び第二電極６２と、ガスを導入する導入管５３と、センサ素子５１の温度を測定するための熱電対５４とを、主な構成とする。そして、センサ素子５１とホルダ５２の内周面との間が封止材５６で気密に封止されていることにより、センサ素子５１を挟んだ二つの空間である第一空間Ｓ１及び第二空間Ｓ２が気密に区画されている。センサ素子５１の表面には、第一空間Ｓ１において第一電極６１が形成されていると共に、第二空間Ｓ２において第二電極６２が形成されている。

ホルダ５２は円筒状であり、その外径は第一筒部１０の内径より小さい。従って、ホルダ５２を第一筒部１０の内部に位置させると、ホルダ５２の外周面と第一筒部１０の内周面との間には空隙が存在し、この空隙が筒壁間空隙Ｓ３である。センサ本体部は、第一空間Ｓ１が第一筒部１０の第一端部Ｅ１側となる向きで、第一筒部１０の内部に固定されている。

ここで、ホルダ５２の長さは、一方の端部が第一筒部１０の第一端部Ｅ１まで達しない長さである共に、他方の端部が第一孔部１１ｈより第二端部Ｅ２側に達する長さである。また、第一孔部１１ｈより第二端部Ｅ２側で、第一筒部１０の内周面とホルダ５２の外周面との間は封止材５９によって気密に封止されている。

次に、上記構成のガスセンサ１の使用方法について説明する。ガスセンサ１の使用現場では、工業炉の炉壁に形成されたセンサ用孔部にガスセンサ１を挿入し、炉内の測定雰囲気に第二筒部２０の第二孔部２１が位置すると共に、第一筒部１０の第一孔部１１ｈが測定雰囲気の外部（炉外）に位置する状態とする。この状態で、測定雰囲気に所定の長さで挿入されているガスセンサ１を、固定具３０によって炉壁に固定する。

測定雰囲気のガス濃度を検出する際は、第一筒部１０を第二筒部２０に対してスライドさせることにより、第二孔部２１が開放されている開放状態、すなわち、第二孔部２１が第一筒部１０によって閉塞されていない状態とする（図４（ａ）参照）。この開放状態は、上記の保持機構により保持することができる。開放状態では、第二筒部２０の内部空間が第二孔部２１を介して測定雰囲気と連通する。また、第一筒部１０の第一端部Ｅ１が少なくとも一部で開放していることにより、センサ本体部の第一空間Ｓ１は第二筒部２０の内部空間と連通している。従って、開放状態では第一空間Ｓ１は測定雰囲気と連通しているため、導入管５３を介して第二空間Ｓ２に基準ガスを導入し、第一電極６１及び第二電極６２によってセンサ素子５１に生じる起電力を測定することにより、測定雰囲気におけるガス濃度を検出することができる。

なお、このような開放状態では、筒壁間空隙Ｓ３も第一空間Ｓ１と連通している。第一孔部１１ｈより第二端部Ｅ２側では、筒壁間空隙Ｓ３は封止材５９によって閉塞されているため、小パイプ１１に栓部材６０を嵌めることにより第一孔部１１ｈを閉塞すれば、工業炉内の測定雰囲気に炉外の空気が混入することや、工業炉内のガスが第一孔部１１ｈを介して炉外に漏れ出ることを防止することができる。なお、工業炉内の測定雰囲気に、第二孔部２１を介して第二筒部２０の内部空間に向けてガスを圧入するガス圧があり、工業炉内のガスが炉外に漏れ出ても問題がないガスである場合は、第一孔部１１ｈを開放しておいても問題はない。

ガスセンサ１の校正を行う際は、第一筒部１０を第二筒部２０に対してスライドさせることにより、第二孔部２１が第一筒部１０によって閉塞されている閉塞状態とする（図４（ｂ）参照）。ここでは、第一筒部１０の第一端部Ｅ１が第二筒部２０の底壁２０ｂに当たるまで第一筒部１０を第二筒部２０内に押し込んでいる場合を例示している。この場合、第一筒部１０の側周壁が第二孔部２１を被覆することに加え、第一筒部１０の第一端部Ｅ１と第二筒部２０の底壁２０ｂとが当接することにより、測定雰囲気が第二孔部２１を介して第二筒部２０の内部空間に流入することが防止される。この閉塞状態は、上記の保持機構により保持することができる。

閉塞状態では、筒壁間空隙Ｓ３が第一空間Ｓ１と連通する。第一筒部１０の第一端部Ｅ１側で、ホルダ５２は第一端部Ｅ１に達していない長さであり、第一筒部１０の第一端部Ｅ１は少なくとも一部で開放しているからである。そのため、ガス濃度が既知である校正用ガスを、小パイプ１１を介して第一孔部１１ｈから筒壁間空隙Ｓ３に導入することにより、第一空間Ｓ１を校正用ガスで満たすことができる。上記のように、第一孔部１１ｈより第二端部Ｅ２側で筒壁間空隙Ｓ３は封止材５９によって閉塞されているため、第一孔部１１ｈから導入された校正用ガスが第二端部Ｅ２から流出することが防止されており、筒壁間空隙Ｓ３を通って第一空間Ｓ１に流入する。

従って、導入管５３を介して第二空間Ｓ２に基準ガスを導入する一方で、第一孔部１１ｈから校正用ガスを第一空間Ｓ１に導入し、第一電極６１及び第二電極６２によってセンサ素子５１に生じる起電力を測定することにより、ガスセンサ１の校正を行うことができる。その際、校正用ガスを濃度の異なるガスに切り替えることにより、起電力とガス濃度との相関関係を確認することができる。また、第一空間Ｓ１に導入する校正用ガスを、第二空間Ｓ２に導入する基準ガスと同一のガス濃度としたときに、センサ素子５１に起電力が生じた場合は、その起電力値に基づいてガス濃度のゼロ点を補正する校正を行うことができる。

なお、第一孔部１１ｈは二以上設けられているため、そのうちの少なくとも一つを残して校正用ガスを導入すれば、第一空間Ｓ１を満たした後の校正用ガスは、残る第一孔部１１ｈを介して外部に排出される。図示は省略するが、校正用ガスが導入される第一孔部１１ｈに細管の一端を接続し、他端が第一筒部１０の下端近傍まで至るように、その細管を筒壁間空隙Ｓ３に配設すれば、第一電極６１が設けられている第一空間Ｓ１のガスが校正用ガスに速やかに置換されるため、より望ましい。

また、第一筒部１０による第二孔部２１の閉塞は、完璧に気密された閉塞状態であることまでは要請されない。仮に、第一空間Ｓ１と第二孔部２１との間に極く小さな空隙がありガスが僅かに流通可能であったとしても、校正用ガスは第一孔部１１ｈ及び筒壁間空隙Ｓ３を介して第一空間Ｓ１に送り込まれるガス圧を有している。そのため、極く小さな空隙を介して校正用ガスは第二孔部２１から外部に排出されるため、極く小さな空隙の存在は、第一空間Ｓ１を校正用ガスで満たすことの障害とはならない。

以上のように、本実施形態のガスセンサ１、及び、ガスセンサ１の使用方法によれば、使用現場からガスセンサ１を取り外すことなく、校正を行うことができる。そのため、ガスセンサを取り外して校正用施設まで移送して校正を行っていた従来に比べて、校正のために要する時間や手間が大幅に低減される。また、測定雰囲気のガス濃度を検出している際に、検出結果に疑義が生じた場合であっても、速やかに、且つ、手軽に校正を行うことができる。

更に、ガスセンサ１の校正は使用現場の温度で行われる必要があるため、校正用施設で校正を行う場合は、使用現場の温度まで昇温する時間や、使用現場の温度に正しく一致させる温度制御が必要であった。これに対し、本実施形態のガスセンサ１は使用現場で校正を行うことができるため、温度の調整や制御のために何らの作業を要することなく、まさに使用現場の温度で簡易に校正を行うことができる。

また、本実施形態のガスセンサ１は、第二筒部２０に対して第一筒部１０が挿入された深さを保持する保持機構を備えているため、測定雰囲気のガス濃度を検出している際に第一筒部１０が意図せずスライドして閉塞状態となってしまうおそれや、校正の作業中に第一筒部１０が意図せずスライドして開放状態となってしまうおそれがない。

加えて、本実施形態のガスセンサ１は、測定雰囲気に挿入されている状態を固定するための固定機構を備えており、固定機構は第二筒部２０に対してスライドする固定具３０を有している。そのため、異なる使用現場それぞれで、測定雰囲気にガスセンサ１が挿入されるべき長さに応じて、ガスセンサ１が炉壁に固定される位置を調整できる利点がある。なお、ガスセンサが使用される現場が定まっており、測定雰囲気に挿入されるべきガスセンサの長さが一定の場合は、固定具は第二筒部２０に固着されていても良い。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、上記では、形状が有底筒状であるセンサ素子５１が筒状のホルダ５２の内部空間を閉塞している場合を図示により例示したが、センサ素子を挟んで第一空間と第二空間とが区画されるようにセンサ素子がホルダに保持されるものであれば、センサ素子の形状及びホルダによる保持の態様は限定されない。例えば、有底筒状のセンサ素子が、その開口をホルダの内部または外部に向けた状態で、ホルダの一端を閉塞している態様、柱状または平板状のセンサ素子がホルダの内部空間を閉塞している態様、或いは、柱状または平板状のセンサ素子がホルダの一端を閉塞している態様のガスセンサを、何れも使用することができる。

また、第一筒部１０の両端が開端である場合を例示したが、両端それぞれが少なくとも一部で開放されていれば開端でなくても良い。つまり、第一筒部１０の第一端部Ｅ１は、第一筒部１０の内部に配置されたセンサ本体部における第一空間Ｓ１を、第二筒部２０の内部空間と連通させられるだけの開口を有して入れば足りる。また、第一筒部１０の第二端部Ｅ２は、導入管５３、熱電対５４、第一電極６１及び第二電極６２に電気的に接続されるリード線（図示を省略）を、外部から第一筒部１０内に引き込むことできるだけの開口を有していれば足りる。

加えて、第二孔部２１が第二筒部２０の側周壁に貫設されている場合を例示したが、これに限定されず、第二筒部２０の底壁２０ｂに第二孔部が貫設されていても良い。具体的には、第一筒部１０が第一端部Ｅ１に底壁を有していると共に、この底壁に第一空間Ｓ１を第二筒部２０の内部空間と連通させる開口が設けられており、その開口の位置が第二孔部の位置とずれている構成とすることができる。かかる構成では、第一筒部１０の底壁を第二筒部２０の底壁２０ｂに当接させることにより、第二孔部を閉塞することができ、第一筒部１０の底壁を第二筒部２０の底壁２０ｂから離隔させれば、第二孔部を開放することができる。また、このように第二筒部２０の底壁２０ｂに貫設された第二孔部と、側周壁に貫設されて第一筒部１０の側周壁によって閉塞される上記の第二孔部２１との、双方を有していても良い。

更に、第一孔部１１ｈに小パイプ１１が接続されている場合を例示したが、小パイプ１１は必須ではない。例えば、校正用ガスを供給する装置の側で、ガス供給用のパイプの先端を第一孔部１１ｈに挿し込んでその状態を固定できる固定具を有してれば足りる。

１ ガスセンサ
１０ 第一筒部
１１ｈ 第一孔部
２０ 第二筒部
２１ 第二孔部
５１ センサ素子
５２ ホルダ
６１ 第一電極
６２ 第二電極
Ｅ１ 第一端部
Ｓ１ 第一空間
Ｓ２ 第二空間
Ｓ３ 筒壁間空隙

Claims (4)

1. 固体電解質のセンサ素子が、筒状のホルダの端部または内部に封止材を介して支持されていることにより第一空間及び第二空間が区画されており、前記第一空間において前記センサ素子の表面に設けられた第一電極と前記第二空間において前記センサ素子の表面に設けられた第二電極によって前記センサ素子に生じる起電力を検出するガスセンサであって、
   筒状で両端がそれぞれ少なくとも一部で開放している第一筒部と、
   該第一筒部において一方の端部である第一端部側の部分をスライド可能に挿入している有底筒状の第二筒部と、を具備し、
   前記ホルダは、前記第一筒部の内部に、前記ホルダの外周面と前記第一筒部の内周面との間の空隙である筒壁間空隙をあけた状態で、且つ、前記第一空間を前記第一端部側として固定されており、
   前記第一筒部は、前記第二筒部に挿入されない部分において前記筒壁間空隙に開口する第一孔部を有していると共に、
   前記第二筒部は、側周壁または底壁の少なくとも一方で貫通する第二孔部を有しており、
   前記第二筒部内での前記第一筒部のスライドに伴い、前記第二孔部が開放されて前記第一空間が外部空間と連通する開放状態と、前記第一筒部が前記第二孔部を閉塞する閉塞状態とに切り替えられる
   ことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記第二筒部に対して前記第一筒部が挿入された深さを保持することにより、前記開放状態及び前記閉塞状態それぞれを維持する保持機構を、更に具備する
   ことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスセンサを使用する使用方法であり、
   ガス濃度が未知である測定雰囲気に前記第二孔部が位置すると共に、前記測定雰囲気の外部に前記第一孔部が位置するように前記ガスセンサを設置して、前記第二空間にガス濃度が既知である基準ガスを導入し、
   前記測定雰囲気におけるガス濃度を検出するときは、前記ガスセンサを前記開放状態として前記測定雰囲気を前記第一空間と連通させる一方で、
   前記ガスセンサを校正するときは、前記ガスセンサを前記閉塞状態とし、前記第一孔部から前記筒壁間空隙を介してガス濃度が既知である校正用ガスを前記第一空間に導入する
   ことを特徴とするガスセンサの使用方法。
4. 前記ガスセンサを校正するとき、前記基準ガス及び前記校正用ガスとして濃度が同一のガスを使用し、前記センサ素子に起電力が生じた場合、その起電力値に基づいて校正を行う
   ことを特徴とする請求項３に記載のガスセンサの使用方法。

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