JP3169115B2

JP3169115B2 - 酸素濃度計測方法及び計測装置

Info

Publication number: JP3169115B2
Application number: JP15963995A
Authority: JP
Inventors: 隆之鈴木; 穂積二田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 2001-05-21
Anticipated expiration: 2016-05-21
Also published as: JPH0915194A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス中の酸素濃度を計
測する方法及びそのための装置、特に高濃度の酸素濃度
の計測に適した計測方法、及び計測装置を提供すること
を目的とする。

【０００２】

【従来の技術】酸素イオン伝導体を挟んで配置された電
極に監視電圧を印加し、そのときの限界電流値を基に酸
素濃度値を得る酸素濃度計測方法は、特開平３−２６７
７５２号公報等で知られている。これら酸素濃度計測方
法に用いられているセンサの１つの例を図５に示す。図
５中、酸素イオン伝導体であるジルコニア膜１１を挟ん
でそれぞれ微細孔を有する電極１２及び電極１３が配置
されていて、多孔板１４を介して設けられたヒーター１
５によって、ジルコニア膜１の酸素イオン伝導に適した
温度に加熱されている。

【０００３】電極１２を正極とし、電極１３を陰極とし
て電圧が印加されると、電極１３付近の酸素ガスがイオ
ン化して酸素イオンとなる。この酸素イオンはジルコニ
ア膜中を伝導し、電極１２付近で再度酸素ガスとなるた
め、酸素は図中矢印の方向に移動する（この作用を「酸
素ポンプ作用」と云う）。

【０００４】このようなセンサの陰極を様々な混合比の
酸素窒素混合ガス雰囲気下に置いたときの、電流電圧特
性の例を図６に示した。図６より、このセンサに置いて
は印加電圧を１〜１．５Ｖ程度の範囲に設定すること
で、酸素濃度応答性の良い出力（電流値）が得られるこ
とが判る。

【０００５】このように電極に印加する電圧（以下、
「監視電圧」と記載する）を適当な範囲に設定すること
により、酸素イオンの伝導する量、即ち、センサに流れ
る電流値（以下「限界電流値」と記載する）は、そのセ
ンサの陰極に接するガス中の酸素濃度に比例する。

【０００６】なお、上記のような酸素イオン伝導体を用
いるセンサは、長期間の通電によって劣化する。即ち、
電極自体の劣化、及び電極と酸素イオン伝導体との界面
抵抗の増加が生じる。特に計測対象ガスが高濃度の酸素
を含むガスの場合に劣化が激しくなる。酸素濃度が高い
場合、センサの検出部に流れる電流密度が高く、また、
電極付近における酸素分子のイオン化及び酸素イオンの
酸素分子化によって生じる電極の多孔質化が早く進むこ
とによるものと考えられている。このような劣化を防止
し、特に高濃度の酸素を含むガスを安定して計測するた
めの手段を講じる必要があった。

【０００７】なお、前記特開平３−２６７７５２号公報
に記載の技術ではセンサ感度を補正する手段を有するこ
とで経時変化による感度の変化を補正していた。しか
し、この方法は、酸素濃度の極端に低い燃焼排ガス中の
酸素濃度計測を対象としたものであって、酸素吸入器等
で使用されている酸素発生装置等へは容易には応用でき
ない。また、この従来の方法は、計測装置全体を複雑か
つ高価なものとするが、センサ自体の寿命を長くするも
のではなく、一時的な延命手段にしか過ぎず、特に酸素
濃度が高いガスを計測対象ガスとした場合にはその効果
は極めて少ない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、酸素濃度を
長期間安定して計測できる方法、及び、長期間の使用に
耐える信頼性の高い酸素濃度計測装置を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記従来技術の問題点を
解決するため、本発明の酸素濃度計測方法は、加熱を要
する酸素イオン伝導体を挟んで配置された電極に監視電
圧を印加し、そのときの限界電流値を基に酸素濃度値を
得る酸素濃度計測方法において、酸素イオン伝導体の加
熱開始を検知し、その後所定時間が経過した後に断続的
な監視電圧印加を開始させる構成を有する。

【００１０】また、本発明の酸素濃度計測装置は、加熱
を要する酸素イオン伝導体を挟んで配置された電極に監
視電圧を印加し、そのときの限界電流値を基に酸素濃度
値を得る酸素濃度計測装置において、図１の基本構成図
に示すように、センサ１の検出部１ｂの電極に監視電圧
を印加する電源２と、監視電圧を断続的に印加させる断
続手段３と、監視電圧印加時の限界電流値を測定する電
流測定手段４と、その限界電流値を基に計測対象ガスの
酸素濃度値を算出する演算手段５と、酸素イオン伝導体
の加熱開始を検知しその後所定時間が経過した後に監視
電圧印加を開始させる遅延手段６とを構成として有す
る。

【００１１】ここで前記演算手段５が、監視電圧印加開
始から一定時間後に計測した限界電流値を基に計測対象
ガスの酸素濃度値を得るものであると、電圧印加直後の
限界電流値の立ち上がり時の変化による、表示値のふら
つきを防止できるので好ましい。

【００１２】同様に、前記演算手段５が、監視電圧印加
時において、通電時の限界電流値の単位時間当たりの変
化が予め定められた値以下となったときに計測対象ガス
の酸素濃度値を得るものであると、電圧印加開始直後の
限界電流値の立ち上がり時の変化による、表示値のふら
つきを防止できるので好ましい。なお、上記監視電圧印
加時において、その印加期間の終了直前の限界電流を基
に計測対象ガスの酸素濃度値を得るようにしても同様の
効果が得られ、好ましい。

【００１３】前記酸素イオン伝導体が加熱を要するもの
であるとき、図１にあるように、その加熱開始を検知し
その後所定時間が経過した後に監視電圧印加を開始させ
る遅延手段６を設けて、センサ検出部１ｂの酸素イオン
伝導性膜が電圧印加されたヒーター１ａによって昇温し
てそのイオン伝導性が安定するまでの時間を予め調べて
おき、ヒーター１ａへの電圧印加開始後この時間内には
限界電流測定を行わないようにすることによって、昇温
時におけるセンサが不安定な状態での測定や表示が避け
られるので望ましい。

【００１４】なお、酸素イオン伝導性膜として安定化ジ
ルコニア膜を用いたセンサを利用する酸素発生装置用酸
素計測装置の場合、センサの形状、ジルコニア膜の厚さ
ヒーターの容量等の条件によって異なるが、通常電源投
入後、一般にセンサがヒーターによって加熱され、安定
するまでの時間は数秒〜数十秒である。

【００１５】また、図１に示すように、断続的な計測と
連続的な計測とを切換可能にするための切換手段７が付
属するならば、センサの校正時に連続計測に切り換える
ことで校正作業が容易になるので好ましい。また、本発
明に係る計測装置を酸素吸入器に応用する際にもこのよ
うな切換手段７があると、緊急時などでリアルタイムで
酸素濃度を計測することが必要な時に適応できると云っ
た効果もある。

【００１６】なお、本発明の酸素濃度計測装置を、酸素
吸入器やその酸素発生装置へ応用した場合、監視電圧印
加時間は２〜１０秒、その終了から次の印加開始までの
間隔は１０〜６０秒に設定することが、使用上望まし
い。

【００１７】

【作用】酸素発生装置等の場合、燃焼条件制御を目的と
する自動車等の燃焼排ガスの酸素濃度計測とは異なり、
停電時等の不可抗力的な場合を除くと、一般に急激な酸
素濃度の変動の要因は考えにくい。また、装置の感度校
正時や酸素呼吸器に応用した場合の緊急時等以外にはリ
アルタイムでの非常に細かい計測は不要である場合が多
い。

【００１８】従って、本発明においては、従来は常時行
っていた限界電流測定のための監視電圧印加を、装置の
目的に対応して信頼性を失わない程度に断続的なものに
することによって、長期的な累積電流密度を減少させる
とともに、酸素ガスのイオン化、酸素イオンのガス（分
子）化量を減少させることにより、電極自体或いは、電
極とジルコニア膜との界面の劣化を減少させ、センサ寿
命を長いものとすることができ、その結果、酸素濃度計
測装置としての長期的な信頼性を高めることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図２（ａ）に本発明に係る酸素濃度計測装置の一
実施例の回路図を示す。図中符号１は酸素イオン伝導性
を有する安定化ジルコニア膜を有するセンサである。ま
た、符号１ａはそのセンサ１のヒーター部であって、加
熱用電源８及びスイッチＳb に接続され、スイッチＳｂ
が入るとセンサ１は昇温され、その後適温に保たれる。

【００２０】符号１ｂはセンサ１の検出部であって、そ
の電極は監視電圧を印加するための電源２、リレーＲ及
び電流検出回路４に接続されている。リレーＲは外部か
ら操作可能となっている。また、電流検出回路４は、電
流を測定し、それに応じた電圧を出力するものである。

【００２１】この電流検出回路の出力はマイクロプロセ
ッシングユニット（以下、「ＭＰＵ」と記述する）３mp
のＡ／Ｄコンバータ付きの入力ポート３iaから入力され
て、その結果、センサ検出部１ｂの出力である電流Ｉの
値は数値化されＭＰＵ３mpで取り扱いできるようにな
る。

【００２２】ＭＰＵ３mpは、上記入力ポート３iaに加え
て、入力ポート３ib、入力ポート３ic、出力ポート３oa
及び出力ポート３obを有すると共に、制御プログラム、
予め測定されている昇温完了時間（スイッチＳｂが入れ
られた後、センサの昇温が完了して計測可能状態になる
までの時間）Ｔ1 、印加時間（監視電圧を印加すべき時
間）Ｔ2 、また、休止時間（監視電圧印加の終了後次の
印加開始までの時間）Ｔ3 、限界電流Ｉと酸素濃度Ｃと
の比例係数ｋなどを格納したＲＯＭ３ro（図２( ｂ−
１) 参照）及び、電源投入からの経過時間の計時データ
（以下、「タイマＩ」と記述する）や任意のスタート時
間からの経過時間の計時データ（以下、「タイマII」と
記述する）などを格納するＲＡＭ３ra（図２( ｂ−２)
参照）、或いは上記比例係数ｋを校正する校正データα
を入力するためのディップスイッチ３dp、また、上記プ
ログラムを実行するためのセントラルプロセッシングユ
ニット（以下、「ＣＰＵ」と記述する）３cpを内蔵して
いる。

【００２３】なお、比例係数の値はそのセンサ固有のも
のであるが、同一形状のセンサならばほぼ同一の値であ
るので、例えばＲＯＭ３ro内には比例係数の平均値ｋを
格納し、そのセンサを校正して得られた平均値ｋからの
偏差をαとして上記のディップスイッチ３dpから入力
し、実際にはＣ＝（ｋ＋ α ）Ｉとして酸素濃度を算出することができる。

【００２４】上記入力ポート３ibにはスイッチＳa が接
続されており、監視電圧の印加を連続的に行う（信号
「ＯＮ」時）か、或いは断続的に行う（信号「ＯＦＦ」
時）かの指示を入力できるようになっていて、装置の感
度の校正や、酸素吸入器等に応用した場合の緊急時など
では、このスイッチＳを切り換えて入力ポート３ibに信
号「ＯＮ」を入力することで、監視電流を連続して流さ
せ、その結果リアルタイムの酸素濃度を知ることができ
る。

【００２５】また入力ポート３icにはスイッチＳb の状
態が入力されるようになっている。即ち、このスイッチ
Ｓb が断の状態では信号「ＯＦＦ」が、入の状態でヒー
ター１b に電圧が印加されセンサ１が加熱されていると
きには信号「ＯＮ」が入力される。出力ポート３oaはリ
レーＲに接続されており、出力ポート３oaに信号「Ｏ
Ｎ」が出力されたときには監視電圧の印加を行い、信号
「ＯＦＦ」時には印加を行わないようになっている。

【００２６】一方、出力ポート３obには、液晶ディスプ
レイ（ＬＣＤ）が接続されており、測定された限界電流
値Ｉから上記比例係数ｋ及び校正データαによって求め
られた酸素濃度Ｃが出力され、ＬＣＤにはその値が表示
される。なお、ＬＣＤは出力ポート３obからの新たな入
力がない限り、表示を保持するようになっている。

【００２７】このような装置において、電源投入ととも
にＭＰＵ３mpが立ち上がる。その後、スイッチＳb が入
の状態になって、信号「ＯＮ」が入力ポート３ic経由で
ＭＰＵ内に取り込まれ、同時に加熱用電源８に接続され
たヒーター１ｂによってセンサ１が昇温開始されるまで
待機する。スイッチＳb が入となって後、ヒーター１b
による昇温が終了してセンサ１が計測可能状態になるま
での時間、即ち昇温完了時間Ｔ1 の経過まで待機状態が
続く。昇温完了時間Ｔ1 の経過後、スイッチＳａの状態
を入力ポート３ib経由で調べ、信号「ＯＮ」が入力され
ている場合には、連続測定状態（詳細は後述する）とな
る。一方、入力ポート３ibに信号「ＯＦＦ」が入力され
ている場合には、断続測定状態となる。まず、タイマII
がスタートされ、同時にリレーＲと電源２とによって監
視電圧がセンサ１の検出部1bに印加される。この監視電
圧印加直後は、出力が不安定であるが、徐々に安定す
る。ここで監視電圧印加時間Ｔ2 の長さは安定するまで
に要する時間を予め測定して設定されている。

【００２８】この監視電圧印加時間Ｔ2 中にも、スイッ
チＳａが切換えられる、即ち、連続測定する指示があっ
た場合には後述する連続測定状態となる。スイッチＳａ
が切り換えられない場合、この印加時間Ｔ2 経過直後
の、限界電流測定、計算、酸素濃度計測値の出力（表
示）の動作が行われる。即ち、そのときの限界電流Ｉの
電流値はＡ／Ｄコンバータ付の入力ポート３iaによって
ＭＰＵ３mp内に取り込まれ、ＣＰＵ３cpによって比例係
数ｋ及びディップスイッチによって設定された校正デー
タαとから酸素濃度Ｃが算出される。この値は出力ポー
ト３obに出力されて、ＬＣＤに表示される。なお、この
表示は次の酸素濃度計測値がポート３obに再び出力され
るまで継続される。

【００２９】印加時間Ｔ2 の経過後、リレーＲをオフに
して監視電圧印加を休止し、次いでタイマIIを０にリセ
ットしたのち再スタートさせ、予め決められた休止時間
Ｔ3が経過するまで待機状態に置かれる。なお、この待
機状態においてもスイッチＳａが切換られ、連続測定す
る指示があった場合には連続測定状態となる。

【００３０】上記待機期間が終了、即ちタイマIIによっ
て計測されている時間が休止時間Ｔ3 に達すると、再度
タイマIIはリセットされてスタートし、この値が印加時
間Ｔ2 に達するまで、上記同様にリレーＲがオンされて
計測が行われ、順次断続測定状態が繰り返される。図３
に上述の電源投入からの、ヒーター電源６、監視電圧印
加、出力電流及び計測値表示のタイムチャートを示す。

【００３１】一方、連続測定状態とは、スイッチＳａが
入の状態にされて開始し、その後このスイッチｓａが断
にされるまで継続される。このとき、センサ１の検出部
１ｂには監視電圧が印加され、連続的に限界電流が計測
され、酸素濃度が算出され、表示される一連の動作を繰
り返す状態である。なお、この連続測定状態では、セン
サの校正を容易に行うことができ、また、緊急時等での
酸素濃度をリアルタイムで測定したい場合にも対応でき
る。この連続測定状態中にスイッチＳａが切り換えられ
ると、入力ポート３ibに信号「ＯＦＦ」が入力され、そ
れに伴って、リレーＲはオフにされ監視電圧印加が休止
されて、断続測定状態に復帰する。

【００３２】次に電源投入以降の動作の詳細につき、図
６のフローチャートを参照して説明する。ＭＰＵ３mpに
電源が投入されると、ＣＰＵ３cpがスタートする。ま
ず、ステップＳ１でＲＡＭ３ra等のイニシャライズが行
われる。その後スイッチＳｂが入ってセンサ１の昇温が
開始され、それと同時に入力ポート３icから信号「Ｏ
Ｎ」が入力するまでステップＳ２で待機する。

【００３３】スイッチＳｂが入れられ、入力ポート３ic
から信号「ＯＮ」が入力されると、ステップＳ３にてタ
イマＩがスタートする。次いで、このタイマＩの値が、
昇温完了時間Ｔ1 に達するまでＳ４が繰り返されて待機
する。タイマＩの値が昇温完了時間Ｔ1 に達したら、ス
テップＳ５でスイッチＳb の状態が調べられる。連続測
定の指示があった場合、即ち、入力ポート３ibに信号
「ＯＮ」が入力されていた場合、連続測定状態になりス
テップＳ２１に分岐する。

【００３４】一方、信号「ＯＦＦ」が入力された場合に
は断続測定状態となり、ステップＳ６に進む。即ち、ス
テップＳ６でタイマーIIがスタートされた後、ステップ
Ｓ７で信号「ＯＮ」が出力ポート３oaに出力され、その
結果、リレーＲと電源２によってセンサ１の検知部１ｂ
に監視電圧が印加される。この監視電圧印加に伴って、
検知部１ｂの陰極付近の雰囲気の酸素濃度に応じた電流
Ｉが流れる。

【００３５】なお、ステップＳ８で再度スイッチＳb の
状態が調べられ、入力ポート３ibに信号「ＯＮ」が入力
されていた場合には、連続測定状態となりステップＳ２
２に分岐し、信号「ＯＦＦ」が入力された場合にはステ
ップＳ９に進む。ステップＳ９でタイマIIの値が、監視
電圧を印加すべき時間である印加時間Ｔ2 に達していな
いかどうか調べられ、達していないときには達するまで
ステップＳ８及びステップＳ９を繰り返す。

【００３６】上記印加時間Ｔ2 の経過後、ステップＳ１
０で限界電流ＩはＡ／Ｄコンバーター付入力ポート３ia
によって数値化されＭＰＵ３mp内に取り込まれる。ステ
ップＳ１１で、この電流Ｉの値、及び比例係数ｋ、校正
データαによって酸素濃度Ｃが計算される。Ｃはステッ
プＳ１２で出力ポート３obに出力され、ＬＣＤに表示さ
れるが、この表示はＬＣＤが次にデータを受け取るまで
保持される。

【００３７】次いでステップＳ１３では、信号「ＯＦ
Ｆ」が出力ポート３oaに出力され、その結果リレーＲに
よって、センサ１の検出部１ｂへの監視電圧印加は終了
される。次にステップＳ１４でタイマIIがリセット、即
ち初期化された後、ステップＳ１５で再度スタートされ
る。ステップＳ１６で入力ポート３iaが「ＯＦＦ」とな
っているか、即ち、スイッチＳb によって計測が断続的
に行われるよう指示されているかどうかを調べ、「ＯＦ
Ｆ」の場合にはステップＳ１７に進み、信号が「ＯＮ」
の場合、即ち連続的に計測するよう指示されている場合
にはステップＳ２１へ分岐する。

【００３８】ステップＳ１７において、タイマIIの値
が、監視電圧印加が終了してから次の印加開始までの時
間である休止時間Ｔ3 に達するまでステップＳ１６〜ス
テップＳ１７が繰り返される。その後休止時間Ｔ3 に達
した後は、ステップＳ６に戻り、ステップＳ６〜ステッ
プＳ１８の一連の動作が繰り返されて断続測定状態が継
続する。

【００３９】一方、ステップＳ５或いはステップＳ１６
で分岐しＳ２１に進んだ場合には、信号「ＯＮ」が出力
ポート３oaに出力され、その結果、リレーＲによって監
視電圧がセンサ１の検出部１ｂに印加された後ステップ
Ｓ２２に進む。ステップＳ２２では上記と同様に限界電
流Ｉが入力ポート３iaから入力され、その値を基にステ
ップＳ２３で酸素濃度Ｃが算出され、その値はステップ
Ｓ２４で出力ポート３obに出力されＬＣＤに表示され
る。その後ステップＳ２５で入力ポート３iaの状態を調
べ、信号が「ＯＦＦの場合」、即ち、スイッチＳによっ
て計測が断続的に行うよう指示されている場合にはステ
ップＳ１３に進み、信号が「ＯＮ」の場合、即ち連続的
に計測するよう指示されている場合にはステップＳ２２
へ戻り、ステップＳ２２〜ステップＳ２５の一連の動作
が繰り返されて連続測定状態が継続する。

【００４０】以上、フローチャートを参照して行った説
明から明らかなように、ＭＰＵ３mpはフローチャートの
実行によって、監視電圧を断続的に印加させる断続手段
３、その限界電流値を基に計測対象ガスの酸素濃度値を
算出する演算手段４、電源投入後所定時間が経過した後
に監視電圧印加を開始させる遅延手段６、及び、前記断
続手段に付属する断続的な計測と連続的な計測とを切換
可能にするための切換手段７として働く。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、センサに印加する監視電流を
断続的なものとすることにより、センサの劣化を小さい
ものとし、その結果として、信頼性の高い、特に高濃度
の酸素濃度を計測するのに適した酸素濃度計測方法であ
る。また、本発明の酸素濃度計測装置は、高価な制御装
置を必要とせず、寿命が長く、かつ信頼性が高く、特に
高濃度の酸素を計測するのに適したものある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素濃度計測装置の基本構成図であ
る。

【図２】本発明の酸素濃度計測装置に係る一実施例の回
路図である。

【図３】ヒーター、監視電圧、出力電流及び表示の状態
を示すタイムチャートである。

【図４】図２中のＭＰＵが行う仕事の手順を示すフロー
チャートである。

【図５】酸素イオン伝導体の酸素ポンプ作用を利用した
限界電流式センサの断面図である。

【図６】センサの陰極雰囲気の酸素濃度を変化させたと
きの、電流電圧特性の例である。

【符号の説明】

１センサ１ａセンサのヒーター１ｂセンサの検出部２電源３断続手段４電流測定手段５演算手段６遅延手段７切換手段

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱を要する酸素イオン伝導体を挟んで
配置された電極に監視電圧を印加し、そのときの限界電
流値を基に酸素濃度値を得る酸素濃度計測方法におい
て、酸素イオン伝導体の加熱開始を検知し、その後所定時間
が経過した後に断続的な監視電圧印加を開始させること
を特徴とする酸素濃度計測方法。
【請求項２】加熱を要する酸素イオン伝導体を挟んで
配置された電極に監視電圧を印加し、そのときの限界電
流値を基に酸素濃度値を得る酸素濃度計測装置におい
て、センサの検出部の電極に監視電圧を印加する電源と、監視電圧を断続的に印加させる断続手段と、監視電圧印加時の限界電流値を測定する電流測定手段
と、その限界電流値を基に計測対象ガスの酸素濃度値を算出
する演算手段と酸素イオン伝導体の加熱開始を検知しそ
の後所定時間が経過した後に監視電圧印加を開始させる
遅延手段とを有することを特徴とする酸素濃度計測装
置。
【請求項３】断続的な計測と連続的な計測とを切換可
能にするための切換手段が付属することを特徴とする請
求項２に記載の酸素濃度計測装置。