JP2022135768A - 酸素濃度計、酸素濃度検出システム及びジルコニアセンサの抵抗検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ジルコニアセンサの抵抗測定の利便性を向上させる。
【解決手段】酸素濃度計は、ジルコニアセンサと、抵抗と、定電流回路と、抵抗検出部
と、酸素濃度検出部とを具備する。抵抗は、ジルコニアセンサに並列に接続される。定電流回路は、ジルコニアセンサ及び抵抗に並列に接続されて電流を供給する。抵抗検出部は、供給される電流に応じたジルコニアセンサの電圧に基づいてジルコニアセンサの抵抗を検出する。酸素濃度検出部は、ジルコニアセンサに供給される被測定ガス及び比較ガスの酸素濃度差に起因するジルコニアセンサの電圧に基づいて被測定ガスの酸素濃度を検出する。
【選択図】図１
【解決手段】酸素濃度計は、ジルコニアセンサと、抵抗と、定電流回路と、抵抗検出部
と、酸素濃度検出部とを具備する。抵抗は、ジルコニアセンサに並列に接続される。定電流回路は、ジルコニアセンサ及び抵抗に並列に接続されて電流を供給する。抵抗検出部は、供給される電流に応じたジルコニアセンサの電圧に基づいてジルコニアセンサの抵抗を検出する。酸素濃度検出部は、ジルコニアセンサに供給される被測定ガス及び比較ガスの酸素濃度差に起因するジルコニアセンサの電圧に基づいて被測定ガスの酸素濃度を検出する。
【選択図】図１
Description
本開示は、酸素濃度計、酸素濃度検出システム及びジルコニアセンサの抵抗検出方法に関する。
酸化ジルコニウム（ジルコニア）に安定化剤を添加して結晶構造を安定化した安定化ジルコニアを備えた酸素濃度計が使用されている。このような安定化ジルコニアは、酸素濃度差に応じた起電力を生じる。具体的には、安定化ジルコニアにより形成された隔壁の一方の面と他方の面とに酸素濃度が異なるガスを導入すると、高温下において安定化ジルコニアの隔壁に酸素濃度差に応じた起電力を生じる。このような安定化ジルコニアによるジルコニアセンサを使用して既知の酸素濃度のガス（比較ガス）と被測定ガスとの酸素濃度差を検出することにより、被測定ガスの酸素濃度を測定することができる。
このようなジルコニアセンサは、経時変化によりセンサ出力が変動する。このため、ジルコニアセンサを使用する酸素濃度計は、センサ出力の校正を適宜行う必要がある。この校正は、所定の酸素濃度のガスである基準ガスを使用して行うことができる。この基準ガスには、酸素及び窒素をそれぞれ１％及び９９％含んだ基準ガスであるゼロガスと酸素及び窒素をそれぞれ２１％及び７９％含んだ基準ガスであるスパンガスとを使用することができる。具体的には、ジルコニアセンサの隔壁の両方の面にスパンガスを導入した際の酸素濃度出力によりスパン校正を行い、ジルコニアセンサの隔壁の異なる面にスパンガス及びゼロガスをそれぞれ導入した際の酸素濃度出力によりゼロ点の校正を行うことができる。この校正の履歴に基づいて次回の校正実施日を決定する校正方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、上述の経時変化に伴い、ジルコニアセンサは、起電力や応答時間等の性能が劣化する。この劣化は、ジルコニアセンサの内部抵抗の上昇により把握できることが知られている。初期のジルコニアセンサの内部抵抗は２００Ω以下である。これに対し、経時変化したジルコニアセンサの内部抵抗は数ｋΩに上昇する。この内部抵抗は、ジルコニアセンサにスパンガス及びゼロガスを導入して起電力を生じさせた状態において、ジルコニアセンサの解放端子電圧と既知の抵抗により終端した際の端子電圧とに基づいて算出することができる。この抵抗の測定は、例えば、上述の校正の際に行うことができる。
上述の抵抗の測定では、スパンガス及び比較的高価なゼロガスが必要になり、利便性が低下するという問題がある。
そこで、本開示では、抵抗測定の利便性を向上させる酸素濃度計、酸素濃度検出システム及びジルコニアセンサの抵抗検出方法を提案する。
本開示の酸素濃度計は、ジルコニアセンサと、上記ジルコニアセンサに並列に接続される抵抗と、上記ジルコニアセンサ及び上記抵抗に並列に接続されて電流を供給する定電流回路と、上記供給される電流に応じた上記ジルコニアセンサの電圧に基づいて上記ジルコニアセンサの抵抗を検出する抵抗検出部と、上記ジルコニアセンサに供給される被測定ガス及び比較ガスの酸素濃度差に起因する上記ジルコニアセンサの電圧に基づいて上記被測定ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出部とを具備することを特徴とする。
また、本開示の酸素濃度検出システムは、ジルコニアセンサと、上記ジルコニアセンサに並列に接続される抵抗と、上記ジルコニアセンサ及び上記抵抗に並列に接続されて電流を供給する定電流回路と、上記供給される電流に応じた上記ジルコニアセンサの電圧に基づいて上記ジルコニアセンサの抵抗を検出する抵抗検出部と、上記ジルコニアセンサに供給される被測定ガス及び比較ガスの酸素濃度差に起因する上記ジルコニアセンサの電圧に基づいて上記被測定ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、上記検出されたジルコニアセンサの抵抗に基づいて上記ジルコニアセンサの劣化を検出する劣化検出部とを具備することを特徴とする。
また、本開示のジルコニアセンサの抵抗検出方法は、ジルコニアセンサに抵抗を接続した際の上記ジルコニアセンサの電圧と定電流回路を上記ジルコニアセンサ及び上記抵抗に並列に接続して電流を供給した際の上記ジルコニアセンサの電圧とに基づいて上記ジルコニアセンサの抵抗を検出することを特徴とする。
以下に、本開示の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の各実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
［酸素濃度検出システムの構成］
図１は、実施形態に係る酸素濃度検出システムの構成例を示す図である。同図は、酸素濃度検出システム１の構成例を表すブロック図である。酸素濃度検出システム１は、酸素濃度計１０と、劣化検出部２０と、保持部３０と、伝達部４０とを備える。
図１は、実施形態に係る酸素濃度検出システムの構成例を示す図である。同図は、酸素濃度検出システム１の構成例を表すブロック図である。酸素濃度検出システム１は、酸素濃度計１０と、劣化検出部２０と、保持部３０と、伝達部４０とを備える。
酸素濃度計１０は、ジルコニアセンサ（同図のジルコニアセンサ１００）を備えて被測定ガスの酸素濃度を測定するものである。この酸素濃度計１０は、既知の酸素濃度の比較ガスと被測定ガスとの酸素濃度差を検出することにより、被測定ガスの酸素濃度を測定し、出力する。また、酸素濃度計１０は、ジルコニアセンサ１００の抵抗の測定を更に行う。この抵抗の変化によりジルコニアセンサ１００の異常を検出することができる。ここでジルコニアセンサ１００の異常とは、ジルコニアセンサ１００の経時変化に伴う劣化や破損が該当する。酸素濃度計１０は、測定したジルコニアセンサ１００の抵抗を更に出力する。
劣化検出部２０は、ジルコニアセンサ１００の異常を検出するものである。この劣化検出部２０は、酸素濃度計１０から出力されたジルコニアセンサ１００の抵抗に基づいてジルコニアセンサ１００の劣化を検出する。例えば、劣化検出部２０は、ジルコニアセンサ１００の抵抗が所定の閾値に達した場合に、ジルコニアセンサ１００が劣化したものと判断することができる。また、劣化検出部２０は、酸素濃度計１０から出力されたジルコニアセンサ１００の抵抗（抵抗値）を保持部３０に保持させる。劣化検出部２０は、保持部３０に保持された抵抗に基づいて抵抗の変化を検出し、ジルコニアセンサ１００の経時変化を検出することができる。劣化検出部２０は、この経時変化により劣化の進行を解析し、劣化を予測することもできる。また、劣化検出部２０は、ジルコニアセンサ１００の破損を検出することもできる。具体的には、ジルコニアセンサ１００の抵抗値が急に変化した場合にジルコニアセンサ１００の破損を検出することができる。
保持部３０は、ジルコニアセンサ１００の抵抗を保持するものである。この保持部３０は、例えば、ハードディスク等の記憶装置により構成することができる。保持部３０は、劣化検出部２０の制御に基づいてジルコニアセンサ１００の抵抗を時系列に保持する。例えば、劣化検出部２０は、ジルコニアセンサ１００の抵抗値に検出時刻を対応付けて保持（記憶）することができる。
伝達部４０は、劣化検出部２０が検出したジルコニアセンサ１００の異常を伝達するものである。例えば、伝達部４０は、表示装置により構成することができる。この表示装置にジルコニアセンサ１００の異常の解析結果を表示することにより、使用者に伝達することができる。また、例えば、伝達部４０には、上位のシステムに警報を発する装置を適用することもできる。
［酸素濃度計の構成］
同図の酸素濃度計１０は、ジルコニアセンサ１００と、抵抗１１０と、定電流回路１２０と、電圧測定部１３０と、抵抗検出部１４０と、酸素濃度検出部１５０とを備える。また、同図の酸素濃度計１０は、接続部１６１及び１６２を更に備える。
同図の酸素濃度計１０は、ジルコニアセンサ１００と、抵抗１１０と、定電流回路１２０と、電圧測定部１３０と、抵抗検出部１４０と、酸素濃度検出部１５０とを備える。また、同図の酸素濃度計１０は、接続部１６１及び１６２を更に備える。
ジルコニアセンサ１００は、安定化ジルコニアにより構成されて酸素濃度を検出するセンサ素子である。このジルコニアセンサ１００は、２端子素子に構成され、被測定ガスと比較ガスとの酸素濃度差に応じた電圧を出力する。ジルコニアセンサ１００の構成の詳細については後述する。
抵抗１１０は、ジルコニアセンサ１００の抵抗の測定の際にジルコニアセンサ１００に並列に接続される抵抗である。
定電流回路１２０は、ジルコニアセンサ１００の抵抗の測定の際にジルコニアセンサ１００に並列に接続されて定電流を供給する回路である。この定電流回路１２０には、公知の回路を適用することができる。
接続部１６１は、ジルコニアセンサ１００の抵抗の測定の際に抵抗１１０をジルコニアセンサ１００に接続するものである。接続部１６２は、ジルコニアセンサ１００の抵抗の測定の際に定電流回路１２０をジルコニアセンサ１００に接続するものである。これら接続部１６１及び１６２には、後述するスイッチを使用することができる。
電圧測定部１３０は、ジルコニアセンサ１００の端子電圧を測定するものである。この電圧測定部１３０は、電圧計（後述する電圧計１３１）を備える。この電圧計１３１によりジルコニアセンサ１００の端子電圧を測定する。測定したジルコニアセンサ１００の電圧は、抵抗検出部１４０及び酸素濃度検出部１５０に対して出力される。
抵抗検出部１４０は、ジルコニアセンサ１００の抵抗を検出するものである。この抵抗検出部１４０は、電圧測定部１３０から出力されたジルコニアセンサ１００の電圧に基づいてジルコニアセンサ１００の抵抗を検出する。抵抗検出部１４０によるジルコニアセンサ１００の抵抗の検出の詳細については後述する。
酸素濃度検出部１５０は、酸素濃度を検出するものである。この酸素濃度検出部１５０は、電圧測定部１３０から出力されたジルコニアセンサ１００の電圧に基づいて被測定ガスの酸素濃度を検出する。酸素濃度検出部１５０による酸素濃度の検出の詳細については、後述する。
［ジルコニアセンサの構成］
図２は、実施形態に係るジルコニアセンサの構成例を示す図である。同図は、ジルコニアセンサ１００の構成例を表す模式断面図である。ジルコニアセンサ１００は、ジルコニア管１０１と、電極１０２及び１０３とを備える。
図２は、実施形態に係るジルコニアセンサの構成例を示す図である。同図は、ジルコニアセンサ１００の構成例を表す模式断面図である。ジルコニアセンサ１００は、ジルコニア管１０１と、電極１０２及び１０３とを備える。
ジルコニア管１０１は、安定化ジルコニアを管状に加工したものである。このジルコニア管１０１は、自身の内側及び外側にそれぞれ導入されたガスの酸素濃度差に応じて起電力を生じる。なお、ジルコニア管１０１は、前述の隔壁に相当する。
電極１０２及び１０３は、ジルコニア管１０１に配置される電極である。電極１０２はジルコニア管１０１の外側に配置され、電極１０３はジルコニア管１０１の内側に配置される。この電極１０２及び１０３は、多孔質の白金により構成することができる。電極１０２及び１０３により、ジルコニア管１０１の起電力を外部に取り出すことができる。電極１０２及び１０３は、ジルコニアセンサ１００の２つの出力端子にそれぞれ接続される。
ジルコニア管１０１は、不図示のヒータにより７５０℃に加熱される。高温のジルコニア管１０１は、固体電解質となり、酸素濃淡電池として作用する。同図は、このジルコニア管１０１の内側に被測定ガスを流し、ジルコニア管１０１の外側に比較ガスを流す場合の例を表したものである。この比較ガスには、空気のような既知の酸素濃度を有するガスを使用することができる。同図の白抜きの矢印が被測定ガスの流れを表し、黒の矢印が比較ガスの流れを表す。ジルコニア管１０１は、厚さ方向にこれらのガスの酸素濃度差に応じた起電力を生じる。この起電力に係る電圧を電極１０２及び１０３により取り出すことにより、酸素濃度差に応じた電圧を出力させることができる。
［ジルコニアセンサの抵抗の測定］
図３Ａは、実施形態に係るジルコニアセンサの抵抗の測定の一例を示す図である。同図は、ジルコニアセンサ１００の抵抗を測定する際の回路の結線を表した図である。同図を使用してジルコニアセンサ１００の抵抗の測定を説明する。同図の回路は、ジルコニアセンサ１００と、抵抗１１０と、定電流回路１２０と、スイッチ１９１－１９３と、電圧計１３１とを備える。電圧計１３１は、電圧測定部１３０に含まれる電圧計である。
図３Ａは、実施形態に係るジルコニアセンサの抵抗の測定の一例を示す図である。同図は、ジルコニアセンサ１００の抵抗を測定する際の回路の結線を表した図である。同図を使用してジルコニアセンサ１００の抵抗の測定を説明する。同図の回路は、ジルコニアセンサ１００と、抵抗１１０と、定電流回路１２０と、スイッチ１９１－１９３と、電圧計１３１とを備える。電圧計１３１は、電圧測定部１３０に含まれる電圧計である。
なお、同図に表したように、ジルコニアセンサ１００は、直列に接続された電圧源１１１及び抵抗１１２により表すことができる。電圧源１１１は、酸素濃度差に応じた起電力に相当する電圧の電圧源である。抵抗１１２は、ジルコニアセンサ１００の内部抵抗である。同図の回路は、この抵抗１１２の抵抗値を測定する回路である。便宜上、ジルコニアセンサ１００において、抵抗１１２が接続される端子を高電位側端子と称し、電圧源１１１が接続される端子を低電位側端子と称する。
直列に接続された抵抗１１０及びスイッチ１９１がジルコニアセンサ１００の高電位側端子及び低電位側端子の間に接続される。電圧計１３１がジルコニアセンサ１００の高電位側端子及び低電位側端子の間に接続される。定電流回路１２０のシンク側端子がスイッチ１９２を介してジルコニアセンサ１００の高電位側端子に接続される。定電流回路１２０のソース側端子は、接地される。スイッチ１９３の一端はジルコニアセンサ１００の低電位側端子に接続され他端は接地される。
スイッチ１９１を閉じる（オンする）ことにより、抵抗１１０をジルコニアセンサ１００に並列に接続することができる。また、スイッチ１９２及び１９３をオンすることにより、定電流回路１２０をジルコニアセンサ１００に並列接続することができる。
定電流回路１２０の一端を接地し、スイッチ１９３を介して電圧源１１１の低電位側端子を接地することにより、定電流回路１２０の電流経路を構成することができ、定電流回路１２０の制御を簡略化することができる。また、定電流回路１２０を電圧測定部１３０の電圧計１３１と共通に接地することもできる。なお、電圧測定部１３０の内部においてジルコニアセンサ１００の低電位側端子が接地される場合には、スイッチ１９３を省略することができる。
図３Ｂは、実施形態に係るジルコニアセンサの抵抗の測定の他の例を示す図である。同図は、定電流回路１２０のソース側端子がスイッチ１９４を介してジルコニアセンサ１００の低電位側端子に接続される例を表したものである。定電流回路１２０の両端をスイッチ１９２及び１９４を使用してジルコニアセンサ１００に接続する構成を採ることにより、定電流回路１２０のジルコニアセンサ１００への接続を解除した後の定電流回路１２０の影響を低減することができる。
また、定電流回路１２０は、ジルコニアセンサ１００に対して同図の逆方向に電流を流すこともできる。また、抵抗の測定の度に、定電流回路１２０の電流の方向を切り替えることもできる。
［ジルコニアセンサの抵抗の測定手順］
図４は、実施形態に係るジルコニアセンサ電圧の変化の一例を示す図である。同図は、ジルコニアセンサ１００の抵抗１１２を測定する際のジルコニアセンサ１００の電圧の変化を表した図である。同図の「センサ電圧」は、電圧計１３１により測定したジルコニアセンサ１００の電圧を表す。当初、酸素濃度計１０は、酸素濃度を検出する状態にあり、ジルコニアセンサ１００の電圧は、ジルコニアセンサ１００に導入されたガスの酸素濃度に応じた電圧Ｖｇａｓを出力する。また、初期状態において、スイッチ１９１－１９３は、オフの状態となる。なお、抵抗１１０の抵抗値をＲｒｅｆと称する。
図４は、実施形態に係るジルコニアセンサ電圧の変化の一例を示す図である。同図は、ジルコニアセンサ１００の抵抗１１２を測定する際のジルコニアセンサ１００の電圧の変化を表した図である。同図の「センサ電圧」は、電圧計１３１により測定したジルコニアセンサ１００の電圧を表す。当初、酸素濃度計１０は、酸素濃度を検出する状態にあり、ジルコニアセンサ１００の電圧は、ジルコニアセンサ１００に導入されたガスの酸素濃度に応じた電圧Ｖｇａｓを出力する。また、初期状態において、スイッチ１９１－１９３は、オフの状態となる。なお、抵抗１１０の抵抗値をＲｒｅｆと称する。
（１）において、酸素濃度計１０をシステムホールド状態に移行させる。これにより、酸素濃度の測定結果の上位の制御システムへの出力が停止される。
（２）において、スイッチ１９１をオン状態にする。抵抗１１０がジルコニアセンサ１００に並列に接続される。これにより、ジルコニアセンサ１００の出力電圧がレベルシフトする。この際のジルコニアセンサ１００の出力電圧をＶｒｅｆと称する。このＶｒｅｆを電圧計１３１により測定する（３）。
（４）において、スイッチ１９２及び１９３をオン状態にする。定電流回路１２０がジルコニアセンサ１００及び抵抗１１０に並列に接続される。ここで、定電流回路１２０が供給する電流をＩｒｅｆと称する。このＩｒｅｆによりジルコニアセンサ１００の出力電圧が更にレベルシフトする。この際の電圧をＶｃｅｌｌと称する。このＶｃｅｌｌを電圧計１３１により測定する（５）。
（６）において、スイッチ１９２及び１９３をオフ状態にする。定電流回路１２０からの電流の供給が停止される。
（７）において、スイッチ１９１をオフ状態にする。抵抗１１０の接続が解除される。ジルコニアセンサ１００の出力電圧がＶｇａｓに戻る。なお、ジルコニアセンサ１００の出力電圧がＶｃｅｌｌから変動（遷移）してＶｇａｓに戻るまでの時間を遷移時間と称する。
（８）において、システムホールド状態を解除する。
ジルコニアセンサ１００の抵抗１１２の抵抗値（Ｒｃｅｌｌ）は、Ｖｒｅｆ、Ｖｃｅｌｌ、Ｉｒｅｆ及びＲｒｅｆを用いて次式のように表すことができる。
図５は、実施形態に係るジルコニアセンサの抵抗の検出手順の一例を示す図である。まず、ジルコニアセンサ１００に並列抵抗を接続する（ステップＳ１０１）。これは、ジルコニアセンサ１００に抵抗１１０を並列に接続することにより行うことができる。次に、ジルコニアセンサ１００の出力電圧（Ｖｒｅｆ）を測定する（ステップＳ１０２）。次に、ジルコニアセンサ１００に定電流を供給する（ステップＳ１０３）。これは、ジルコニアセンサ１００に定電流回路１２０を接続することにより行うことができる。次に、ジルコニアセンサ１００の出力電圧（Ｖｃｅｌｌ）を測定する（ステップＳ１０４）。
次に、Ｖｒｅｆ及びＶｃｅｌｌに基づいてジルコニアセンサ１００の抵抗を検出する（ステップＳ１０５）。これは、上述の数式（１）を使用して抵抗値（Ｒｃｅｌｌ）を算出することにより行うことができる。次に、定電流の供給を停止する（ステップＳ１０６）。これは、定電流回路１２０の接続を解除することにより行うことができる。次に、並列抵抗の接続を解除する（ステップＳ１０７）。これは、抵抗１１０の接続を解除することにより行うことができる。以上の手順によりジルコニアセンサ１００の抵抗を検出することができる。
このように、基準ガス等を使用することなくジルコニアセンサ１００の抵抗１１２を測定することができ、利便性を向上させることができる。また、抵抗１１０をジルコニアセンサ１００に並列に接続することにより、更に利便性を向上させることができる。抵抗１１０の効果について説明する。
［並列抵抗の効果１］
図３の回路から抵抗１１０及びスイッチ１９１を除去した回路においても、ジルコニアセンサ１００の抵抗１１２を検出することは可能である。この場合、抵抗１１２は、次式により算出することができる。
Ｒｃｅｌｌ＝（Ｖｇａｓ－Ｖｃｅｌｌ）／Ｉｒｅｆ
ここで、ジルコニアセンサ１００の抵抗が比較的低い値、例えば、１００Ωの場合、Ｉｒｅｆを０．５ｍＡとすることにより、Ｖｇａｓ－Ｖｃｅｌｌの値を５０ｍＶ程度にすることができる。この電圧は、酸素濃度測定の際のジルコニアセンサ１００の出力電圧と略同じ電圧であり、電圧計１３１により容易に測定できる範囲の電圧である。
図３の回路から抵抗１１０及びスイッチ１９１を除去した回路においても、ジルコニアセンサ１００の抵抗１１２を検出することは可能である。この場合、抵抗１１２は、次式により算出することができる。
Ｒｃｅｌｌ＝（Ｖｇａｓ－Ｖｃｅｌｌ）／Ｉｒｅｆ
ここで、ジルコニアセンサ１００の抵抗が比較的低い値、例えば、１００Ωの場合、Ｉｒｅｆを０．５ｍＡとすることにより、Ｖｇａｓ－Ｖｃｅｌｌの値を５０ｍＶ程度にすることができる。この電圧は、酸素濃度測定の際のジルコニアセンサ１００の出力電圧と略同じ電圧であり、電圧計１３１により容易に測定できる範囲の電圧である。
その後、経時変化によりジルコニアセンサ１００の抵抗が５ｋΩに上昇すると、Ｖｇａｓ－Ｖｃｅｌｌの値は、２．５Ｖに上昇する。この電圧を測定するため、電圧計１３１のレンジ切り替え等が必要となる。電圧計１３１の構成が複雑になるという問題がある。
これに対し、１００Ω程度の抵抗１１０を並列に接続することにより、ジルコニアセンサ１００の抵抗１１２が数ｋΩに上昇した場合であっても、Ｖｇａｓ－Ｖｃｅｌｌを数１００ｍＶにすることができる。電圧計１３１による電圧の測定を簡略化することができる。
［並列抵抗の効果２］
また、抵抗１１０を接続することによりジルコニアセンサ１００の抵抗測定後の復帰時間を短縮することもできる。これについてジルコニアセンサ１００の交流等価回路を用いて説明する。
また、抵抗１１０を接続することによりジルコニアセンサ１００の抵抗測定後の復帰時間を短縮することもできる。これについてジルコニアセンサ１００の交流等価回路を用いて説明する。
［ジルコニアセンサの等価回路］
図６は、実施形態に係るジルコニアセンサの等価回路の一例を示す図である。同図は、容量分を付加したジルコニアセンサ１００の等価回路を表した図である。同図に表したように、ジルコニアセンサ１００は、電圧源１１１、抵抗１１３－１１６及びキャパシタ１１７－１１９により構成される。同図のジルコニアセンサ１００は、並列接続された抵抗１１３及びキャパシタ１１７と、抵抗１１４と、並列接続された抵抗１１５及びキャパシタ１１８と、並列接続された抵抗１１６及びキャパシタ１１９と、電圧源１１１とが直列に接続されて構成される。同図は、ジルコニアセンサ１００の交流的な等価回路を表す。これに対し、図３のジルコニアセンサ１００は、直流等価回路に該当する。
図６は、実施形態に係るジルコニアセンサの等価回路の一例を示す図である。同図は、容量分を付加したジルコニアセンサ１００の等価回路を表した図である。同図に表したように、ジルコニアセンサ１００は、電圧源１１１、抵抗１１３－１１６及びキャパシタ１１７－１１９により構成される。同図のジルコニアセンサ１００は、並列接続された抵抗１１３及びキャパシタ１１７と、抵抗１１４と、並列接続された抵抗１１５及びキャパシタ１１８と、並列接続された抵抗１１６及びキャパシタ１１９と、電圧源１１１とが直列に接続されて構成される。同図は、ジルコニアセンサ１００の交流的な等価回路を表す。これに対し、図３のジルコニアセンサ１００は、直流等価回路に該当する。
抵抗１１３及び１１６は、電極界面抵抗を表す。抵抗１１４は、粒子抵抗を表す。抵抗１１５は、粒界抵抗を表す。これら、抵抗１１３－１１６が図３における抵抗１１２を構成する。また、抵抗１１３、１１５及び１１６には、それぞれキャパシタ成分（キャパシタ１１７－１１９）を有する。これらのキャパシタ成分は、比較的大きな静電容量となる。このキャパシタにより、図４において説明した遷移時間が増加する。
［ジルコニアセンサ電圧の変化］
図７Ａは、実施形態に係るジルコニアセンサ電圧の変化の一例を示す図である。同図は、並列抵抗（抵抗１１０）がない場合のジルコニアセンサ１００の出力電圧の変化を比較例として表した図である。同図の実線は、ジルコニアセンサ１００にキャパシタ成分が付加されない場合の電圧の変化を表す。点線は、キャパシタ成分を考慮した場合の電圧の変化を表す。
図７Ａは、実施形態に係るジルコニアセンサ電圧の変化の一例を示す図である。同図は、並列抵抗（抵抗１１０）がない場合のジルコニアセンサ１００の出力電圧の変化を比較例として表した図である。同図の実線は、ジルコニアセンサ１００にキャパシタ成分が付加されない場合の電圧の変化を表す。点線は、キャパシタ成分を考慮した場合の電圧の変化を表す。
並列抵抗がない場合、（４）において電圧の遷移に遅れを生じる。しかし、キャパシタ成分は定電流回路１２０により急速に充電されるため、比較的短い遅延時間となる。一方、（６）において、定電流回路１２０の接続が解除された際にも遅れを生じる。キャパシタ成分の放電時間の影響によるものである。キャパシタ成分の放電は並列に接続された抵抗１１３等を介して行われるため、比較的長い遅延時間となる。このため、システムホールド状態の解除タイミングを遅らせる等により、システムホールド状態の時間を長くする必要がある。
図７Ｂは、実施形態に係るジルコニアセンサ電圧の変化の他の例を示す図である。同図は、並列抵抗（抵抗１１０）がある場合のジルコニアセンサ１００の出力電圧の変化を表した図である。この場合、（６）において抵抗１１０がキャパシタ成分の放電に寄与することになるため、放電時間が短くなる。システムホールド状態の時間を短くすることができる。このように、抵抗１１０をジルコニアセンサ１００に並列に接続することにより、システムホールド状態の時間を短くすることができる。ジルコニアセンサ１００の抵抗の測定のためにシステムを停止する時間を短くすることができる。
このような抵抗１１０は、経時変化前のジルコニアセンサ１００の抵抗値の２乃至１０倍の抵抗値にすると好適である。電圧計１３１によるジルコニアセンサ１００の抵抗の測定を容易に行うことができるためである。また、抵抗１１０は、経時変化前のジルコニアセンサ１００の抵抗値の４乃至５倍にすると更に好適である。ジルコニアセンサ１００のキャパシタ成分の放電時間をより短縮することができるためである。
［ジルコニアセンサの劣化検出］
図８は、実施形態に係るジルコニアセンサの劣化の検出の一例を示す図である。同図は、ジルコニアセンサ１００の抵抗の変化を表した図である。同図の横軸は経過時間を表す。縦軸は、ジルコニアセンサ１００の抵抗を表す。また、閾値２は、ジルコニアセンサ１００の劣化を検出する抵抗値を表す。抵抗値が閾値２に達したジルコニアセンサ１００は、劣化により酸素濃度の測定に使用できなくなったと判断することができる。また、閾値１は、ジルコニアセンサ１００が劣化するまでの時間を予測する予測診断を行う抵抗値である。閾値１に達したジルコニアセンサ１００は、予測診断の対象にすることができる。この予測診断は、図１において説明した劣化検出部２０により行うことができる。
図８は、実施形態に係るジルコニアセンサの劣化の検出の一例を示す図である。同図は、ジルコニアセンサ１００の抵抗の変化を表した図である。同図の横軸は経過時間を表す。縦軸は、ジルコニアセンサ１００の抵抗を表す。また、閾値２は、ジルコニアセンサ１００の劣化を検出する抵抗値を表す。抵抗値が閾値２に達したジルコニアセンサ１００は、劣化により酸素濃度の測定に使用できなくなったと判断することができる。また、閾値１は、ジルコニアセンサ１００が劣化するまでの時間を予測する予測診断を行う抵抗値である。閾値１に達したジルコニアセンサ１００は、予測診断の対象にすることができる。この予測診断は、図１において説明した劣化検出部２０により行うことができる。
同図のグラフ３０１－３０３は、それぞれ異なるジルコニアセンサ１００における抵抗の変化を表すグラフである。これらは、使用状態等により異なる形状のグラフとなる。閾値１に達したグラフ３０１及び３０２のジルコニアセンサ１００は、予測診断を行うことができる。同図の一点鎖線のグラフは、予測診断の結果を表したものである。この予測診断は、図１において説明した保持部３０に保持した抵抗値により行うことができる。例えば、劣化検出部２０は、同図のグラフ３０１等を延長することにより予測診断を行うことができる。また、回帰分析等により近似曲線を算出し、予測診断を行うこともできる。予測診断の結果は、伝達部４０を介して使用者等に伝達される。
また、劣化検出部２０は、予測診断に加えてジルコニアセンサ１００の酸素濃度のデータや周囲温度及び湿度等の環境データからなるビックデータを使った機械学習や、ＡＩによる診断を行うこともできる。これにより、使用条件に応じたジルコニアセンサ１００の寿命予測等の解析を行うことが可能となる。
なお、劣化検出部２０や保持部３０は、パソコンやサーバのアプリケーションソフトとして実現することもできる。
このように、定電流回路１２０をジルコニアセンサ１００に接続してジルコニアセンサ１００の抵抗を測定することにより、基準ガス等を省略することができ、利便性を向上させることができる。また、ジルコニアセンサ１００の抵抗の測定を容易に行うことができるため、抵抗測定データの母数を増やすことができ、ジルコニアセンサ１００の寿命予測等の解析が可能となる。
また、ジルコニアセンサ１００の抵抗の測定の際、抵抗１１０を並列に接続することにより、出力電圧の測定範囲を狭くするとともに定常状態への復帰時間を短縮することができる。これにより、利便性を更に向上させることができる。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。
また、上述の実施の形態において説明した処理手順は、これら一連の手順を有する方法として捉えてもよく、また、これら一連の手順をコンピュータに実行させるためのプログラム乃至そのプログラムを記憶する記録媒体として捉えてもよい。この記録媒体として、例えば、ＣＤ（Compact Disc）、ＭＤ（MiniDisc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、メモリカード、ブルーレイディスク（Blu-ray（登録商標）Disc）等を用いることができる。
１ 酸素濃度検出システム
１０ 酸素濃度計
２０ 劣化検出部
３０ 保持部
４０ 伝達部
１００ ジルコニアセンサ
１１０ 抵抗
１２０ 定電流回路
１３０ 電圧測定部
１３１ 電圧計
１４０ 抵抗検出部
１５０ 酸素濃度検出部
１０ 酸素濃度計
２０ 劣化検出部
３０ 保持部
４０ 伝達部
１００ ジルコニアセンサ
１１０ 抵抗
１２０ 定電流回路
１３０ 電圧測定部
１３１ 電圧計
１４０ 抵抗検出部
１５０ 酸素濃度検出部
Claims (8)
- ジルコニアセンサと、
前記ジルコニアセンサに並列に接続される抵抗と、
前記ジルコニアセンサ及び前記抵抗に並列に接続されて電流を供給する定電流回路と、
前記供給される電流に応じた前記ジルコニアセンサの電圧に基づいて前記ジルコニアセンサの抵抗を検出する抵抗検出部と、
前記ジルコニアセンサに供給される被測定ガス及び比較ガスの酸素濃度差に起因する前記ジルコニアセンサの電圧に基づいて前記被測定ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と
を具備することを特徴とする酸素濃度計。 - 前記抵抗検出部は、前記抵抗が接続された際の前記ジルコニアセンサの電圧と前記定電流回路が更に接続されて電流が供給された際の前記ジルコニアセンサの電圧とに基づいて前記ジルコニアセンサの抵抗を検出することを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度計。
- 前記ジルコニアセンサの電圧を測定する電圧測定部を更に具備し、
前記抵抗検出部は、前記測定されたジルコニアセンサの電圧に基づいて前記抵抗を検出し、
前記酸素濃度検出部は、前記測定されたジルコニアセンサの電圧に基づいて前記酸素濃度を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度計。 - 前記定電流回路は、前記電圧測定部と共通に接地されることを特徴とする請求項３に記載の酸素濃度計。
- ジルコニアセンサと、
前記ジルコニアセンサに並列に接続される抵抗と、
前記ジルコニアセンサ及び前記抵抗に並列に接続されて電流を供給する定電流回路と、
前記供給される電流に応じた前記ジルコニアセンサの電圧に基づいて前記ジルコニアセンサの抵抗を検出する抵抗検出部と、
前記ジルコニアセンサに供給される被測定ガス及び比較ガスの酸素濃度差に起因する前記ジルコニアセンサの電圧に基づいて前記被測定ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、
前記検出されたジルコニアセンサの抵抗に基づいて前記ジルコニアセンサの異常を検出する劣化検出部と
を具備することを特徴とする酸素濃度検出システム。 - 前記検出されたジルコニアセンサの抵抗を保持する保持部を更に具備し、
前記劣化検出部は、前記保持されたジルコニアセンサの抵抗に基づいて前記ジルコニアセンサの劣化の予測を更に行う
ことを特徴とする請求項５に記載の酸素濃度検出システム。 - 前記劣化を伝達する伝達部を更に具備することを特徴とする請求項６に記載の酸素濃度検出システム。
- ジルコニアセンサに抵抗を並列に接続した際の前記ジルコニアセンサの電圧と定電流回路を前記ジルコニアセンサ及び前記抵抗に並列に接続して電流を供給した際の前記ジルコニアセンサの電圧とに基づいて前記ジルコニアセンサの抵抗を検出することを特徴とするジルコニアセンサの抵抗検出方法。
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