JP2943969B2

JP2943969B2 - ガス濃度の計測装置

Info

Publication number: JP2943969B2
Application number: JP6016806A
Authority: JP
Inventors: 隆之鈴木; 春夫嘉山; 穂積二田
Original assignee: Yazaki Sogyo KK
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1993-07-15
Filing date: 1994-02-10
Publication date: 1999-08-30
Anticipated expiration: 2014-08-30
Also published as: JPH0777513A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車エンジンの排
気ガス中に設置されて、エンジンへ供給される燃料の制
御等を行うための空燃比の計測や、陶磁器の焼成工程に
おいて使用される炉内のガス濃度の計測に係り、特に酸
化状態から還元状態にまで及ぶ広範囲に亙ったガスの雰
囲気を計測するのに好適なガス濃度の計測装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】酸素（Ｏ₂）センサには、一般的に理論
空燃比（空気過剰率λ＝１）で電気抵抗が急減する、い
わゆる抵抗変化式酸素センサと、一定電圧印加時に出力
電流の大きさが雰囲気中の酸素濃度によって変化する、
いわゆる限界電流式酸素センサと、また、これらを組合
わせたものなどがあるが、これらのうち、限界電流式酸
素センサは、広い範囲の空燃比計測ができ制御の幅が広
がるものと期待されているものである。

【０００３】いま、この限界電流式酸素センサの性能機
能を説明すると、一定電圧が印加される陰極・陽極を有
する多孔固体電解質層からなる酸素センサは、通常の正
極性の場合、図１４に示すように、空気過剰率λが１以
上、即ち余剰酸素のリーン雰囲気中ではその余剰分に対
応して出力電流がほぼリニアに変化する特性ａを示すの
で、その空燃比が計測可能となるものである。しかし、
その雰囲気が燃焼排ガスのように余剰酸素が零で還元性
の未燃ガス（ハイドロカーボンＨＣ）や不完全燃焼ガス
（一酸化炭素ＣＯ）の含まれる雰囲気中では、特性ｂの
ように還元電流が流れ、見かけの出力として酸素が多量
に存在する値を示すことになる。そこで、電子回路にて
逆転出力を打ち消し、空気過剰率がほぼ１（λ＝１）で
は、出力が零である、というように、図１６の点線出力
Ｃにして打消すようにする等の処置が施こされている
（特開昭６１−１５５７５１号公報参照）。この場合、
λが１以上でもその近辺の部分ａ´は、出力０となるよ
うに配慮し制御に便宜を与えている。

【０００４】なお、図１５に示すように、極性を逆の負
極性とした場合は、リッチとリーンが入れ代り、同様の
処置が施こされ、その場合は、リッチ側の空燃比計測が
できるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の限界電流式酸素センサは酸化雰囲気から還元雰囲気
までの広範囲の雰囲気の空燃比を計測することができな
い、という問題があった。

【０００６】すなわち、自動車エンジンの混合気は運転
状態により、定速時の燃費対策上良好なリーン混合気
と、加速高速時の出力良好なリッチ混合気とに広範囲に
変動するが、このような混合気状態を作り出す為には、
酸化、即ちリーン雰囲気から還元、即ちリッチ雰囲気ま
での広範囲の雰囲気の空燃比を排気中に設けた酸素セン
サにより正確に計測し、その計測値により所定の空燃比
になるようにフィードバック制御するなどの制御をする
必要がある。然るに、従来の当該酸素センサ（正極性の
もの）では、計測できる雰囲気が空気過剰率λが１以上
でのみリニアな出力を示すものであるため、空気過剰率
が１以上の酸化雰囲気の計測に限定されたものとなり、
前述の必要性を満足させるものではなかった。又、逆の
負極性の酸素センサでは、空気過剰率が１未満の還元雰
囲気の計測に限定されたものとなるのであった。

【０００７】また、このような問題は、自動車エンジン
の空燃比の計測のみに限られた問題ではなく、他の用途
においても酸化雰囲気から還元雰囲気まで広範囲に亙る
ガス濃度の計測が必要とされる場合が多い。

【０００８】そこで、この発明は、限界電流式酸素セン
サを使用し、酸化雰囲気から還元雰囲気までの広範囲の
雰囲気の空燃比を計測することができると共に、被測定
雰囲気の酸化状態から還元状態までを定性的、定量的か
つ連続的に検出することができるガス濃度の計測装置を
提供することにより、前記問題点を解決することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は前記目的を達
成するために、請求項１は、限界電流式酸素センサを２
つ用い、一方の酸素センサに正極性の電圧を印加し、他
方の酸素センサに負極性の電圧を印加し、前記両酸素セ
ンサを同一雰囲気中に設置してなるセンサの基本回路
と、前記両酸素センサの出力により当該雰囲気が酸化状
態にあるか還元状態にあるかを判定する酸化還元判定部
と、該酸化還元判定部の出力に基づき測定の重点を当該
雰囲気状態に応じた極性の酸素センサに切替える酸化還
元切替部とを備えるガス濃度の計測装置であって、前記
基本回路は、前記両酸素センサの出力信号の差分を出力
し、この出力信号の時間的変化を前記酸化還元判定部が
検出することにより、前記雰囲気が酸化状態にあるか還
元状態にあるかを判定することを特徴とする。

【００１０】

【作用】酸素センサとして例えばジルコニアを用いた場
合、ジルコニアに正極性の直流電圧を印加すると、ジル
コニアに流れる電流の特性として、Ｏ₂ 濃度をパラメー
タとする定電流特性（飽和特性）が得られる。一方、こ
のジルコニアに逆極性の直流電圧を印加した場合にはＨ
₂ 濃度をパラメータとする定電流特性が得られる。

【００１１】従って、ジルコニアに正極性の直流電圧を
印加したときの電流と逆極性の直流電圧を印加したとき
の電流とが分ればジルコニアの置かれた雰囲気のＯ₂ 濃
度とＨ₂ 濃度とを知ることができる。また、燃焼ガスに
おけるＨ₂ 濃度とＣＯ濃度は一定定数のもとに相関性を
有する。

【００１２】以上のことを利用することにより、２つの
酸素センサに、それぞれ正極性の直流電圧および負極性
の直流電圧を印加し、各酸素センサからの検出信号に基
づき被検査雰囲気のＯ₂ 濃度およびＣＯ濃度を求めるこ
とができる。このため両極性酸素センサは、各々の雰囲
気での計測に重点を置くように切替えられるが、その切
替は、基本回路の出力信号の時間的変化を、酸化還元判
定部が検出することにより、前記雰囲気が酸化状態にあ
るか還元状態にあるかを判定することにより行われる。

【００１３】

【実施例】以下、この発明をより良く理解するための参
照例を図１〜図５により説明する。

【００１４】まず、構成を図１及び図２により説明す
る。図１において、１及び２は限界電流式酸素センサ
（以下、酸素センサ又は単にセンサと称することにす
る。）でＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃などからなる固体電解質層
に陰極及び陽極を設けたものである。左側のセンサ１は
正の電圧が印加されるように両極が電源６に電線６ａに
て接続されて正極性センサとなっているものであり、
又、右側のセンサ２は負の電圧が印加されるように両極
が電源７に電線７ａにて接続されて負極性センサとなっ
ているものである。センサ１及び２にはヒータ１ａ及び
２ａが設けられ、これらのヒータ１ａ及び２ａは各々電
源４及び５に電線４ａ及び５ａにて接続され、センサ１
及び２を有効に作動すべく加熱するようになっている。
電線６ａ及び７ａには、センサ１及び２の当該雰囲気中
の酸素濃度に応じた出力電流（以下単に出力とも称する
ことにする）を検出する電流計８及び９が介装されてい
る。電流計８及び９は電線８ａ及び９ａにてコンパレー
タ１０に接続されている。

【００１５】コンパレータ１０は図２に示すように構成
されている。即ち、コンパレータ１０は電線８ａ及び９
ａに接続されて当該雰囲気が酸化状態にあるか又は還元
状態にあるかを、基準値設定部１３及び１４の基準値と
の比較において判定する酸化還元判定部１１と、その出
力に基づき計測の重点を当該雰囲気状態に応じた極性の
センサ１又は２に切替え、出力電線１２ａにて当該雰囲
気の空燃比の計測値を出力する酸化還元切替部１２を有
するものである。

【００１６】基本回路３は、以上に述べられたセンサ１
及び２への電圧印加の回路、加熱の回路、またそれらの
出力による判定の回路、切替の回路及び出力の回路から
構成される。そして、両センサ１及び２は、例えば自動
車エンジン排気中であって同一雰囲気中に並設配置され
るものである。

【００１７】次に前記参照例の作用を図３、図４及び図
５並びに図１４及び図１５をも加味参照して説明する。

【００１８】センサ１は正極性電圧が印加されているた
め、図１４に示すように、酸化雰囲気では、ほぼリニア
な特性ａの出力を示し、還元雰囲気では特性ｂのように
急激な出力上昇を示す。一方、センサ２には負極性電圧
が印加されているため、図１５に示すように、センサ１
と逆に、還元雰囲気ではリニアな特性ｄの出力を示し、
酸化雰囲気では特性ｅの急激な出力上昇を示す。而して
計測せんとする当該雰囲気が酸化状態にあるか、還元状
態にあるかの判定は次のようにして行なわれる。

【００１９】ＮＯ．まず、当該雰囲気が酸化状態に
あるとして計測重点がセンサ１を主体に行なわれている
場合（図４参照）に、センサ１の出力Ｉ_pが０．０５ｍ
Ａ（設定基準値）以下であり、センサ２の出力Ｉ_Mが
０．４５ｍＡ（設定基準値）以下である場合は還元雰囲
気に移動していると判定するものである。つまり、図４
に示すように、センサ１は特性ｆのうちのλ＝１近辺の
屈曲部ｆ´以下の出力になっており、また、センサ２は
還元領域計測限界の特性ｇ´内で特性ｇの出力になって
いるので還元雰囲気であると判定される。

【００２０】これらの設定基準値は基準値設定部１３及
び１４（図２参照）で設定されているものである。この
ような判定が酸化還元判定部１１から出された場合に
は、その出力により酸化還元切替部１２にて計測重点が
還元雰囲気のものに切替えられ、今度は、主としてセン
サ２による計測が行なわれる（図５参照）。

【００２１】又、センサ１の出力Ｉ_pが０．０５ｍＡ以
上（図４の特性ｆ）であり、センサ２の出力Ｉ_Mが０．
４５ｍＡ以上（図４の特性ｇ´）である場合は酸化雰囲
気にあると判定されそのまま、計測を続行することにな
る。

【００２２】ＮＯ．次に、還元雰囲気状態が計測重
点としてとりあげられている場合（図５参照）には、セ
ンサ２の出力Ｉ_Mが０．０５ｍＡ以下、センサ１の出力
Ｉ_pが０．４５ｍＡ以下であると、特性ｌが出力される
ので、酸化雰囲気と判定され、切替えが行なわれるもの
である。またセンサ２の出力Ｉ_Mが０．０５ｍＡ以上で
あり、センサ１の出力Ｉ_Pが０．４５ｍＡ以上（特性ｌ
´）であれば、特性ｈが出力されているので、還元雰囲
気と判定され、計測がそのまま続行される。以上の判定
基準の及びの例をまとめて図３に示してある。な
お、前記基準値の設定は、応答速度がｍｓのオーダであ
り、又、安定時間は２秒以内であると判断して決めたも
のである。

【００２３】このように、当該雰囲気が酸化状態にある
と判定した場合、酸化状態の計測、即ちセンサ１に重点
を於いて計測することにより、広い範囲のリーン雰囲気
での空燃比の計測が有効かつ確実に可能となり、又、当
該雰囲気が還元状態にあると判定した場合は、還元状態
の計測、即ち、センサ２に重点を置いて計測することに
より、広い範囲のリッチ雰囲気での空燃比の計測が同様
に可能となる。

【００２４】この結果、前記実施例によれば、限界電流
式酸素センサを使用して酸化雰囲気から還元雰囲気まで
の広範囲の空燃比を確実に計測することができるもので
ある。

【００２５】さて、本発明の技術的思想は、上記参照例
に開示されたような空燃比計測に適用範囲が限定される
ものではなく、酸化状態および還元状態の計測が必要と
される多くの場合に適用することができる。例えば、陶
磁器の焼成工程が挙げられる。陶磁器を陶芸用炉内で焼
成する場合、炉内の燃焼ガス濃度は陶磁器作品の発色に
深い関係を持つ。このため、芸術性を追及する陶芸家
は、炉内のガス濃度を大気に連通させるべく炉体に設け
られた貫通孔から炉内の状況を目視し、この状況から炉
内の酸化・還元状態を知ろうとする。しかし、このよう
な技術は経験と感を必要とするものであり、体得するの
に長期間を要する。従って陶芸を趣味とする殆どの愛好
家は、炉内のガス濃度の調整を他人である熟練者に頼っ
ているのが現状である。

【００２６】以下説明する実施例は、本発明を陶磁器の
焼成工程に適用した場合の実施例を開示するものであ
り、炉内のガス濃度を経験と感に頼ることなく客観的か
つ正確に計測することを可能にするものである。

【００２７】本実施例では、電流限界特性を有するジル
コニアを素材とした酸素濃度センサを用いる。このジル
コニアは、図６に示す特性を有することが知られてい
る。すなわち、ジルコニアに正極性の直流電圧を印加す
ると、ジルコニアに流れる電流の特性として、Ｏ₂濃度
をパラメータとする定電流特性（飽和特性）が得られ
る。一方、このジルコニアに逆極性の直流電圧を印加し
た場合にはＨ₂濃度をパラメータとする定電流特性が得
られる。従って、ジルコニアに正極性の直流電圧を印加
したときの電流と逆極性の直流電圧を印加したときの電
流とが分ればジルコニアの置かれた雰囲気のＯ₂濃度と
Ｈ₂濃度とを知ることができる。また、炉内の燃焼ガス
におけるＨ₂濃度とＣＯ濃度は一定定数のもとに相関性
を有することも知られている。本実施例は以上のことを
利用することにより、ＣＯ過多の状態（以下、ＣＯ領域
という）からＯ₂過多の状態（以下、Ｏ₂領域という）
まで広範囲に変化する炉内の雰囲気を測定するものであ
る。さらに詳述すると、本実施例は、２つのジルコニア
素子に正極性の直流電圧および負極性の直流電圧を各々
印加し、各ジルコニア素子からの検出信号に基づき炉内
のＯ₂濃度およびＣＯ濃度を求めるものである。

【００２８】以下、図７〜図９を参照し、本実施例によ
るガス濃度測定装置の回路構成について説明する。この
ガス濃度測定装置は、図７に示すセンサ部２０、信号処
理部３０、図８に示す判定部６０および図９に示す出力
部７０によって構成されている。ここで、センサ部２０
は、上記第１実施例における基本回路に相当し、信号処
理部３０および判定部６０は、上記第１実施例における
酸化還元判定部１１相当の処理を行うものである。ま
た、出力部７０は上記第１実施例における酸化還元切替
部１２に相当する。

【００２９】まず、図７を参照し、センサ部２０の構成
について説明する。センサ部２０は、２個の直流電源Ｖ
ＦおよびＶＲを有している。これらのうち直流電源ＶＦ
は、負電圧端子が接地されており、正電圧端子は上述の
ジルコニア素子からなるセンサＳＦの正極端子に接続さ
れている。また、直流電源ＶＲは、正電圧端子が接地さ
れており、負電圧端子はジルコニア素子からなるセンサ
ＳＲの負極端子に接続されている。そして、センサＳＦ
の負極端子とセンサＳＲの正極端子は共通接続され、そ
の共通接続点が抵抗ＲＸを介して接地されている。この
ような接続がなされた結果、センサＳＦは正方向の電圧
が印加された正極性センサとして機能し、センサＳＲは
逆方向の電圧が印加された負極性センサとして機能す
る。そして、抵抗ＲＸにはセンサＳＦの出力電流からセ
ンサＳＲの出力電流を差し引いた電流が流れる。また、
各センサＳＦおよびＳＲは各々発熱抵抗を有しており、
各発熱抵抗には可変直流電源ＶＨＦおよびＶＨＲの各出
力電圧が印加される。ここで、可変直流電源ＶＨＦおよ
びＶＨＲの出力電圧を増減させれば、各センサＳＦおよ
びＳＲの感度を増減させることができ、従って、可変直
流電源ＶＨＦおよびＶＨＲの調整により各センサ間の特
性のバラツキを補償することができる。増幅器２１は、
抵抗ＲＸの両端の電圧を所定の増幅率にて増幅して出力
する。上述の通り、抵抗ＲＸにはセンサＳＦおよびセン
サＳＲの各出力電流の差に相当する電流が流れるから、
この各センサの電流差に比例した出力電圧が増幅器２１
から出力されることとなる。

【００３０】図１０にセンサ部２０の特性を例示する。
この図において、＋Ｘ軸はセンサ部２０が配置された雰
囲気内のＯ₂濃度であり、−Ｘ軸は同雰囲気内のＣＯ濃
度である。そして、実線Ｑａは正極性センサＳＦの出力
電流、実線Ｑｂは負極性センサＳＲの出力電流であり、
破線Ｑｃは増幅器２１から出力される各センサの出力電
流差に応じた電圧である。ここで、破線Ｑｃに現れる各
点について説明すると、Ａ点は破線Ｑｃにおける正のピ
ーク点であり、測定雰囲気におけるＯ₂濃度が低下し増
幅器２１の出力信号の符号が反転しようとする点であ
る。また、Ｂ点は同信号の反転が始まり同信号の符号が
負へ変化した点、Ｃ点は炉内の雰囲気がＣＯ領域からＯ
₂領域へと切り換わる点、Ｄ点はＣＯ領域において増幅
器２１の出力電圧が極小となる負のピーク点である。

【００３１】次に信号処理部３０について説明する。セ
ンサ部２０における増幅器２１の出力電圧は整流器３１
および４１と比較器５１および５３に与えられる。比較
器５１は増幅器２１の出力電圧が正である場合に“１”
信号を出力し、負である場合に“０”信号を出力する。
これに対し、比較器５３は増幅器２１の出力電圧が負で
ある場合に“１”信号を出力し、正である場合に“０”
信号を出力する。これらの比較器５１および５３の各出
力信号は各々インバータ５２および５４によって反転さ
れ、状態遷移検出信号ＢおよびＣとして出力される。こ
れらの状態遷移検出信号ＢおよびＣ変化は、増幅器２１
の出力信号が前掲図１０における点ＢおよびＣを通過し
たことを示すものである。

【００３２】整流器３１は増幅器２１の出力電圧のうち
正の成分ＡＦのみを通過させ、整流器４１は負の成分Ａ
Ｒのみを通過させる。ピークホールド回路３２および４
２は、抵抗および容量からなる保持回路と、スイッチ手
段とからなる。ここで、スイッチ手段は、後述する単安
定マルチバイブレータ４４からの放電指令パルスにより
ピークホールド回路３２内の容量の充電電圧（すなわ
ち、保持されたピーク電圧）を放電させるものである。
ピークホールド回路４２のスイッチ手段についても同様
であり、後述する単安定マルチバイブレータ３４からの
放電指令パルスによってピークホールド回路４２内の容
量の充電電圧を放電させる。

【００３３】比較器３３は、ピークホールド回路３２の
出力電圧を基準電圧ＶＲＲ（正の所定電圧）と比較する
回路であり、前者が後者以上となった場合に出力信号
Ａ’が“０”となる。また、比較器４３は、ピークホー
ルド回路４２の出力電圧を基準電圧ＶＲＦ（負の所定電
圧）と比較する回路であり、前者が後者以下となった場
合に出力信号Ｄ’が“０”となる。比較器３３および４
３の各出力信号はインバータ３５および４５により各々
反転され、状態遷移検出信号ＡおよびＤとして出力され
る。これらの状態遷移検出信号ＡおよびＤの変化は、増
幅器２１の出力信号が前掲図１０における点ＡおよびＤ
を通過したことを示すものである。単安定マルチバイブ
レータ３４は、比較器３３の出力信号が“１”となった
場合に所定のパルス幅のパルスを出力する。また、単安
定マルチバイブレータ４４は、比較器４３の出力信号が
“１”となった場合に所定のパルス幅のパルスを出力す
る。これらの単安定マルチバイブレータ３４および４４
の各出力パルスは、上述した放電指令パルスとしてピー
クホールド回路４２および３２の各スイッチ手段に供給
される。ＲＳＷはリセットスイッチであり、これがオン
状態とされることによりピークホールド回路３２および
４２のホールド値の初期化および単安定マルチバイブレ
ータ３４および４４の初期化がなされる。

【００３４】次に図８を参照し判定部６０について説明
する。ＮＡＮＤゲート６１は状態遷移検出信号Ａおよび
ＢのＮＡＮＤ演算結果を出力し、ＮＡＮＤゲート６２は
状態遷移検出信号ＣおよびＤのＮＡＮＤ演算結果を出力
する。これらのＮＡＮＤゲート６１および６２の各出力
信号はインバータ６４および６５により各々反転される
一方、ＮＡＮＤゲート６３に入力される。単安定マルチ
バイブレータ６６および６７は、インバータ６４および
６５によって各々トリガされる。リレーコイルＲＲ，Ｒ
ＳおよびＲＤは後述する出力部７０内の各リレー接点を
開閉させるものであり、各々の一端がバイアス電源ＥＲ
に共通接続され、各々の他端には単安定マルチバイブレ
ータ６６、単安定マルチバイブレータ６７およびＮＡＮ
Ｄゲート６３の各出力信号が与えられる。

【００３５】次に図９を参照し出力部７０について説明
する。増幅器７１は、信号処理部３０内の整流器４１の
出力信号ＡＲ、すなわち、増幅器２１の出力信号のうち
負の成分に相当する信号の符号を反転して出力する。増
幅器７２は、増幅器７１の出力信号に対し下限設定電圧
ＥＥを正のオフセット電圧として加算し、所定の増幅率
で増幅して出力する。増幅器７３は、信号処理部３０内
の整流器３１の出力信号ＡＦ、すなわち、増幅器２１の
出力信号のうち正の成分に相当する信号に対し下限設定
電圧ＥＥを正のオフセット電圧として加算し、所定の増
幅率で増幅して出力する。リレー接点７４は、上述した
リレーコイルＲＳに通電が行われた場合には増幅器７２
の出力信号を通過せしめ、リレーコイルＲＲに通電が行
われた場合には増幅器７３の出力信号を通過せしめる。
リレー接点７５は、上述したリレーコイルＲＤに通電が
行われた場合には下限設定電圧ＥＥを測定結果出力端７
６へ導き、それ以外の場合は増幅器７２のリレー接点７
４を介して出力される増幅器７２または７３の出力信号
を測定結果出力端７６へ導く。発光ダイオード７８およ
び７９は、各々のアノードが抵抗を介してバイアス電源
ＥＲに接続されている。また、リレー接点７７は、上述
したリレーコイルＲＳに通電が行われた場合には発光ダ
イオード７９のカソードを接地せしめ、リレーコイルＲ
Ｒに通電が行われた場合には発光ダイオード７８のカソ
ードを接地せしめる。

【００３６】図１１はこのガス濃度測定装置の各部の信
号波形を示すタイムチャート、図１２は測定結果出力端
７６から得られる測定結果信号のガス濃度に対する変化
を示す図である。以下、これらの図を参照し本実施例の
動作を説明する。

【００３７】炉内の雰囲気がＯ₂状態からＣＯ状態へ移
行する場合の動作について説明すると次のようになる。
まず、本装置の使用に際し、リセットスイッチＲＳＷが
押下され、ピークホールド回路３２，４２および各単安
定マルチバイブレータ３４，４４が初期化される。そし
て、測定中において、Ｏ₂濃度が低下すると、増幅器２
１の出力信号は図１０において破線Ｑｃに従い、ピーク
点Ａに向って上昇する（矢印Ｍ１）。この増幅器２１の
出力信号が整流器３１を介してピークホールド回路３２
に与えられる。この結果、このピークホールド回路３２
の出力電圧が上昇し、ピークホールド回路３２によりピ
ーク点Ａ相当の電圧が保持される。このピークホールド
回路３２の出力電圧が上昇する過程において、該出力電
圧が基準電圧ＶＲＲを越えることにより比較器３３の出
力信号Ａ’が立ち下がり（図１１における時刻ｔ₁）、
これに伴って状態遷移検出信号Ａが立ち上がる。また、
信号Ａ’が立ち下がることによって単安定マルチバイブ
レータ３４がトリガされ、この結果発生する放電指令パ
ルスＰＡによりピークホールド回路４２内の保持電圧が
クリアされる。

【００３８】そして、Ｏ₂濃度がさらに低下し、増幅器
２１の出力信号が図１０におけるピーク点Ａを越えてＣ
Ｏ領域へ向って変化すると（矢印Ｍ２）、その際、増幅
器２１の出力信号は点ＣおよびＢに相当する電圧を順次
通過することとなる。この結果、状態遷移検出信号Ｃが
立ち下がり、状態遷移検出信号Ｂが立ち上がることとな
る。

【００３９】ここで、状態遷移検出信号ＡおよびＢが
“１”となったことからＮＡＮＤゲート６１の出力信号
が“０”となり、インバータ６４の出力信号が“１”と
なる（図１１における時刻ｔ₂）。このため、単安定マ
ルチバイブレータ６６によりリレーコイルＲＲにパルス
が通電され、リレー接点７４により増幅器７２の出力信
号が選択される。そして、ＮＡＮＤゲート６１の出力信
号が“０”となったことからＮＡＮＤゲート６３の出力
信号が“１”となり、リレーコイルＲＤに通電が行われ
る。このため、リレー接点７５により下限設定電圧ＥＥ
が選択され、測定結果出力端７５へ出力される（図１２
における無効域）。

【００４０】その後、炉内の雰囲気がＣＯ状態に移り変
ると、増幅器２１の出力信号は図１０において破線Ｑｃ
に従い、ピーク点Ｄに向って下降する（矢印Ｍ３）。こ
の増幅器２１の出力信号が整流器４１を介してピークホ
ールド回路４２に与えられる。この結果、このピークホ
ールド回路４２の出力電圧が下降し、ピークホールド回
路４２によりピーク点Ｄ相当の電圧が保持される。この
ピークホールド回路４２の出力電圧が下降する過程にお
いて、該出力電圧が基準電圧ＶＲＦを下回ることにより
比較器４３の出力信号Ｄ’が立ち下がり（図１１におけ
る時刻ｔ3 ）、これに伴って状態遷移検出信号Ｄが立ち
上がる。また、信号Ｄ’が立ち下がることによって単安
定マルチバイブレータ４４がトリガされ、この結果発生
する放電指令パルスＰＤによりピークホールド回路３２
内の保持電圧がクリアされる。この結果、比較器３３の
出力信号Ａ’が立ち上がり、状態遷移検出信号Ａが立ち
下がる。このため、ＮＡＮＤゲート６１の出力信号が
“１”となり、これによりＮＡＮＤゲート６３の出力信
号が“０”となり、リレーコイルＲＤに対する通電が断
たれる。そして、リレー接点７５によりリレー接点７４
の出力が選択されることとなり、増幅器７３の出力信号
がリレー接点７４および７５を介して測定結果出力端７
６に出力されることとなる。

【００４１】ここで、増幅器７３の出力信号は、増幅器
２１の出力信号のうち正の成分に相当するもの、すなわ
ち、炉内のＣＯ濃度に対応した電圧にオフセットＥＥを
加算した電圧となっている。このようにして図１２の第
４象限におけるＣＯ領域に対応した測定結果が得られ
る。

【００４２】逆に炉内の雰囲気がＣＯ状態からＯ₂状態
へ移行する場合は、増幅器２１の出力信号がＤ点相当の
電圧を通過することとなる（時刻ｔ₄）。ここで、増幅
器２１の出力信号がＤ点相当の電圧を通過する前にピー
クホールド回路４２の保持電圧が基準電圧ＶＲＦよりも
低下していた場合には、時刻ｔ₄において状態遷移検出
信号Ｄが“０”から“１”に立ち上がることとなる（図
１１において実線表示されたＤ）。これに対し、時刻ｔ
₄以前にピークホールド回路４２の保持電圧が基準電圧
ＶＲＦ以上であった場合には状態遷移検出信号Ｄは
“１”のままである（図１１において破線表示された
Ｄ）。そして、増幅器２１の出力信号がＣ点相当の電圧
を越えると（矢印Ｍ４）、状態遷移検出信号ＣおよびＤ
が“１”となり（時刻ｔ₅）、単安定マルチバイブレー
タ６７によりリレーコイルＲＳの通電が行われ、リレー
接点７４により増幅器７２の出力信号が選択される。そ
して、ＮＡＮＤゲート６２の出力信号が“０”となるこ
とによりＮＡＮＤゲート６３の出力信号が“１”とな
り、リレーコイルＲＤが通電される。この結果、リレー
接点７５により下限設定電圧ＥＥを選択され、測定結果
出力端７６へ出力される。その後、増幅器２１の出力信
号がＡ点相当の電圧を通過するまでの間はリレー接点７
５により下限設定電圧ＥＥが選択され（無効域）、Ａ点
通過により単安定マルチバイブレータ３４から放電指令
パルスＰＡが出力され（時刻ｔ₆）、ピークホールド回
路４２の保持電圧がクリアされ、状態遷移検出信号Ｄが
立ち下がる。この結果、ＮＡＮＤゲート６２の出力信号
が立ち上がり、ＮＡＮＤゲート６３の出力信号が立ち下
がり、リレーコイルＲＤに対する通電が断たれる。そし
て、リレー接点７５によりリレー接点７４の出力が選択
されることとなり、増幅器７２の出力信号がリレー接点
７４および７５を介して測定結果出力端７６に出力され
ることとなる。

【００４３】ここで、増幅器７２の出力信号は、増幅器
２１の出力信号のうち負の成分に相当するもの、すなわ
ち、炉内のＯ₂濃度に対応した電圧にオフセットＥＥを
加算した電圧となっている。このようにして図１２の第
１象限におけるＯ₂領域に対応した測定結果が得られ
る。

【００４４】以上説明したように本実施例によれば、Ｃ
Ｏ領域からＯ₂領域まで広範囲に変化する炉内の雰囲気
が測定され、ＣＯ濃度およびＯ₂濃度を表わす信号が得
られる。

【００４５】なお、上記実施例によれば図１２に特性を
示す出力信号が炉内のガス濃度を表わす信号として得ら
れるが、この信号を炉の空気制御バルブの制御信号とし
て使用してもよい。また、測定結果出力端７６から得ら
れる信号をＡ／Ｄ変換し、その結果をデジタル表示する
ようにしてもよい。また、センサ部２０に代え、図１３
に示すように各センサＳＦおよびＳＲの出力電流に対応
した電圧を差動増幅器により差動増幅して出力し、信号
処理部３０へ供給するようにしてもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、２つの限界電流式酸素センサを使用し、酸化雰囲気
から還元雰囲気にわたる広範囲の雰囲気中のガス濃度を
計測することができるという効果が得られる。例えば、
陶磁器の焼成工程における炉内のガス濃度を、経験と感
に頼ることなく客観的かつ正確に計測することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の参照例の基本回路を示すブロック図
である。

【図２】図１の要部の詳細ブロック図である。

【図３】この発明の参照例の判定基準例を表にした図で
ある。

【図４】図３の判定例ＮＯ．の判定レベルによる出力
を示す性能曲線図である。

【図５】図３の判定例ＮＯ．の判定レベルによる出力
を示す性能曲線図である。

【図６】この発明の実施例で使用するジルコニアの特性
を示す図である。

【図７】この発明の実施例によるガス濃度測定装置の回
路図である。

【図８】この発明の実施例によるガス濃度測定装置の回
路図である。

【図９】この発明の実施例によるガス濃度測定装置の回
路図である。

【図１０】この発明の実施例における増幅器の出力信号
を説明する図である。

【図１１】実施例の動作を説明するタイムチャートであ
る。

【図１２】実施例により得られる出力信号を説明する図
である。

【図１３】実施例の変形例を示す図である。

【図１４】正極性センサの出力を示す性能曲線図であ
る。

【図１５】負極性センサの出力を示す性能曲線図であ
る。

【図１６】従来の限界電流式酸素センサの出力処理を施
こしたものの性能曲線図である。

【符号の説明】

１，ＳＦ限界電流式酸素センサ（正極性センサ）２，ＳＲ限界電流式酸素センサ（負極性センサ）３，２０基本回路４，５センサ加熱用ヒータ電源６，７，ＶＨＦ，ＶＨＲ電極印加用電源８，９出力電流検出用電流計１０コンパレータ１１，３０，６０酸化還元判定部１２，７０酸化還元切替部１３，１４基準値設定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−83048（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−200157（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−35360（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 27/41

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】限界電流式酸素センサを２つ用い、一方
の酸素センサに正極性の電圧を印加し、他方の酸素セン
サに負極性の電圧を印加し、前記両酸素センサを同一雰
囲気中に設置してなるセンサの基本回路と、前記両酸素
センサの出力により当該雰囲気が酸化状態にあるか還元
状態にあるかを判定する酸化還元判定部と、該酸化還元
判定部の出力に基づき測定の重点を当該雰囲気状態に応
じた極性の酸素センサに切替える酸化還元切替部とを備
えるガス濃度の計測装置であって、前記基本回路は、前記両酸素センサの出力信号の差分を
出力し、この出力信号の時間的変化を前記酸化還元判定
部が検出することにより、前記雰囲気が酸化状態にある
か還元状態にあるかを判定することを特徴とするガス濃
度の計測装置。