JP3301015B2 - 水蒸気濃度測定方法 - Google Patents
水蒸気濃度測定方法Info
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- JP3301015B2 JP3301015B2 JP02081097A JP2081097A JP3301015B2 JP 3301015 B2 JP3301015 B2 JP 3301015B2 JP 02081097 A JP02081097 A JP 02081097A JP 2081097 A JP2081097 A JP 2081097A JP 3301015 B2 JP3301015 B2 JP 3301015B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、気体中の水蒸気濃
度を測定する方法に関する。
度を測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】限界電流式センサは気体中の酸素濃度測
定の分野で主に使われている。このものは基準酸素分圧
を不要としながら、その出力（電流値）が酸素濃度にほ
ぼ比例し、しかも応答性に優れ、高温に耐える等の特長
を有し、各種用途への応用開発が活発に行われている。
このような限界電流式のセンサにおいて、酸素イオンを
透過する固体電解質に印加する電圧を調整することによ
り、気体中の酸素のみならず水蒸気に対しても感度を持
たせるようにできることが知られていた。ここで、水蒸
気濃度測定に用いる試みがなされた。それは、酸素濃度
の影響を排除するため、固体電解質へ印加する電圧を高
低２段の電圧、すなわち、固体電解質表面で酸素分子が
分解して酸素イオンとなるが水分子は分解しない電圧
（低側電圧）及び酸素分子も水分子も分解して酸素イオ
ンが発生する電圧（高側電圧）とに交互に切り替えて、
酸素濃度に対応する電流値だけを測定する工程、およ
び、酸素濃度及び水蒸気濃度の両者に対応する電流値を
測定する工程を設け、これらの測定値の差から水蒸気濃
度を算出する方法であった。しかし、この場合電圧切り
替え後出力値が安定して測定可能となるまでの時間が長
く、その間に測定対象気体の組成が変化してしてしまう
おそれがあり、また、特に低濃度での測定値が不安定で
実用にならなかった。
定の分野で主に使われている。このものは基準酸素分圧
を不要としながら、その出力（電流値）が酸素濃度にほ
ぼ比例し、しかも応答性に優れ、高温に耐える等の特長
を有し、各種用途への応用開発が活発に行われている。
このような限界電流式のセンサにおいて、酸素イオンを
透過する固体電解質に印加する電圧を調整することによ
り、気体中の酸素のみならず水蒸気に対しても感度を持
たせるようにできることが知られていた。ここで、水蒸
気濃度測定に用いる試みがなされた。それは、酸素濃度
の影響を排除するため、固体電解質へ印加する電圧を高
低２段の電圧、すなわち、固体電解質表面で酸素分子が
分解して酸素イオンとなるが水分子は分解しない電圧
（低側電圧）及び酸素分子も水分子も分解して酸素イオ
ンが発生する電圧（高側電圧）とに交互に切り替えて、
酸素濃度に対応する電流値だけを測定する工程、およ
び、酸素濃度及び水蒸気濃度の両者に対応する電流値を
測定する工程を設け、これらの測定値の差から水蒸気濃
度を算出する方法であった。しかし、この場合電圧切り
替え後出力値が安定して測定可能となるまでの時間が長
く、その間に測定対象気体の組成が変化してしてしまう
おそれがあり、また、特に低濃度での測定値が不安定で
実用にならなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の欠点を解決する、すなわち、リアルタイムで水蒸気
濃度を測定でき、かつ、低濃度領域における誤差の少な
い測定方法を提供することを目的とする。
術の欠点を解決する、すなわち、リアルタイムで水蒸気
濃度を測定でき、かつ、低濃度領域における誤差の少な
い測定方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】ここで、酸素濃度測定用
と水蒸気濃度及び酸素濃度測定用との２つのセンサによ
り、水蒸気濃度を求める試みを行った。この場合、セン
サが２つ必要となって価格的に高価なものとなり、装置
が大型化する、故障率が上昇する、使用電力が大きくな
る等の欠点があるが、リアルタイムで水蒸気濃度を検知
できると云った利点がある。しかしこの方法では、低濃
度領域での測定誤差が大きいと云った欠点を有すること
が判った。
と水蒸気濃度及び酸素濃度測定用との２つのセンサによ
り、水蒸気濃度を求める試みを行った。この場合、セン
サが２つ必要となって価格的に高価なものとなり、装置
が大型化する、故障率が上昇する、使用電力が大きくな
る等の欠点があるが、リアルタイムで水蒸気濃度を検知
できると云った利点がある。しかしこの方法では、低濃
度領域での測定誤差が大きいと云った欠点を有すること
が判った。
【０００５】すなわち、図５に印加電圧の異なる（０．
６Ｖ及び１．４Ｖ）２つのセンサの、酸素２１％及び窒
素７９％からなる気体に様々な濃度で水蒸気を加えて作
製したサンプルガスに対する出力電圧値（Output Volta
ge）を示す。なお出力電圧値とはセンサ出力の電流値
（Current）をインピーダンス変換回路、温度補正回
路、増幅回路等の電気回路により電圧に変換した値であ
る。
６Ｖ及び１．４Ｖ）２つのセンサの、酸素２１％及び窒
素７９％からなる気体に様々な濃度で水蒸気を加えて作
製したサンプルガスに対する出力電圧値（Output Volta
ge）を示す。なお出力電圧値とはセンサ出力の電流値
（Current）をインピーダンス変換回路、温度補正回
路、増幅回路等の電気回路により電圧に変換した値であ
る。
【０００６】図５より、異なる電圧を印加電圧させた２
つのセンサによる水蒸気濃度の測定は０．０５ｋｇ／ｋ
ｇ以上の領域では良好な直線性が得られることが判る。
しかし、０．０５ｋｇ／ｋｇ未満の領域では出力が小さ
く環境の影響を受けやすく実用化できなかった。ここで
本発明者等は、上記のような低水蒸気濃度でも環境の影
響を受けにくくい測定方法について検討を行った結果、
本発明に至った。
つのセンサによる水蒸気濃度の測定は０．０５ｋｇ／ｋ
ｇ以上の領域では良好な直線性が得られることが判る。
しかし、０．０５ｋｇ／ｋｇ未満の領域では出力が小さ
く環境の影響を受けやすく実用化できなかった。ここで
本発明者等は、上記のような低水蒸気濃度でも環境の影
響を受けにくくい測定方法について検討を行った結果、
本発明に至った。
【０００７】すなわち、本発明の限界電流式センサによ
る水蒸気濃度の測定方法は請求項１に記載のように、セ
ンサ素子の固体電解質に印加する印加電圧を、固体電解
質表面で酸素分子が分解して酸素イオンとなるが水分子
は分解しない低側電圧及び酸素分子も水分子も共に分解
して酸素イオンが発生する高側電圧との間で周期的に変
化させた際に、高側電圧と低側電圧との中間の印加電圧
を中間電圧とし、中間電圧時の固体電解質に流れる電流
を０としたとき、印加電圧が中間電圧から高側電圧を経
て中間電圧に戻るまでの間の電流の積分値を用いて水蒸
気濃度を算出するものである。
る水蒸気濃度の測定方法は請求項１に記載のように、セ
ンサ素子の固体電解質に印加する印加電圧を、固体電解
質表面で酸素分子が分解して酸素イオンとなるが水分子
は分解しない低側電圧及び酸素分子も水分子も共に分解
して酸素イオンが発生する高側電圧との間で周期的に変
化させた際に、高側電圧と低側電圧との中間の印加電圧
を中間電圧とし、中間電圧時の固体電解質に流れる電流
を０としたとき、印加電圧が中間電圧から高側電圧を経
て中間電圧に戻るまでの間の電流の積分値を用いて水蒸
気濃度を算出するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明に用いる限界電流式センサ
の一例について図１を用いて説明する。このものは多孔
質基板を気体の拡散律速のために用いるものである。ジ
ルコニア製の固体電解質を挟んで多孔性（通気性）を有
する白金製の陰極と陽極とが設けられていて、さらにこ
の陽極側を覆うように多孔質アルミナ基板が設けられて
いる。多孔質アルミナ基板の多面には白金ヒータがあっ
て、ジルコニア固体電解質の温度を酸素イオン伝導に適
した温度（６００〜７００℃）に保っている。各電極及
びヒータにはリード線が付していて、電気的接続が容易
にできるようになっている。
の一例について図１を用いて説明する。このものは多孔
質基板を気体の拡散律速のために用いるものである。ジ
ルコニア製の固体電解質を挟んで多孔性（通気性）を有
する白金製の陰極と陽極とが設けられていて、さらにこ
の陽極側を覆うように多孔質アルミナ基板が設けられて
いる。多孔質アルミナ基板の多面には白金ヒータがあっ
て、ジルコニア固体電解質の温度を酸素イオン伝導に適
した温度（６００〜７００℃）に保っている。各電極及
びヒータにはリード線が付していて、電気的接続が容易
にできるようになっている。
【０００９】固体電解質に電圧が印加されると、陽極側
に存在する酸素原子を有するガス分子が分解され、発生
した酸素イオンが固体電解質を伝導して陰極側に運ばれ
て陰極で酸素ガスを形成する。このように、陽極側の酸
素原子を有するガス分子は徐々に減少するが、ここでア
ルミナ多孔質基板の孔によって外気（測定対象ガス）か
ら供給される。このときの供給は拡散支配であり、その
量は測定対象ガス中の酸素原子を有するガス分子の濃度
に依存するため、系に流れる電流を測定することによ
り、酸素原子を有するガス分子の濃度を知ることができ
る。なお、酸素ガスは、固体電解質に印加された電圧が
０．３Ｖ〜０．７Ｖであると測定可能となる。一方水蒸
気は印加電圧が０．７Ｖ未満では分解されないため、検
出されないが、０．７Ｖ以上で検出されるようになる。
ここで高側電圧は固体電解質が還元されない電圧とする
ことが必要であるため、低側電圧は０．３Ｖ以上０．７
Ｖ以下、高側電圧は０．９Ｖ以上１．６Ｖ以下であるこ
とが好ましい。
に存在する酸素原子を有するガス分子が分解され、発生
した酸素イオンが固体電解質を伝導して陰極側に運ばれ
て陰極で酸素ガスを形成する。このように、陽極側の酸
素原子を有するガス分子は徐々に減少するが、ここでア
ルミナ多孔質基板の孔によって外気（測定対象ガス）か
ら供給される。このときの供給は拡散支配であり、その
量は測定対象ガス中の酸素原子を有するガス分子の濃度
に依存するため、系に流れる電流を測定することによ
り、酸素原子を有するガス分子の濃度を知ることができ
る。なお、酸素ガスは、固体電解質に印加された電圧が
０．３Ｖ〜０．７Ｖであると測定可能となる。一方水蒸
気は印加電圧が０．７Ｖ未満では分解されないため、検
出されないが、０．７Ｖ以上で検出されるようになる。
ここで高側電圧は固体電解質が還元されない電圧とする
ことが必要であるため、低側電圧は０．３Ｖ以上０．７
Ｖ以下、高側電圧は０．９Ｖ以上１．６Ｖ以下であるこ
とが好ましい。
【００１０】本発明では印加電圧を低側電圧と高側電圧
との間で周期的に変化させることが必要であるが、この
周期としては０．１Ｈｚから１０Ｈｚであることが好ま
しい。０．１Ｈｚ未満であると応答が緩慢となりやす
く、また１０Ｈｚ超であると出力応答が不充分で誤差が
大きくなりやすい。なお上記印加電圧の周期的変化は矩
形波状、正弦波状、鋸歯状のような、半波長位相をずら
して重ねるとフラットになるような形状の変化であるこ
とが望ましく、特に正弦波状の波形であることが望まし
い。
との間で周期的に変化させることが必要であるが、この
周期としては０．１Ｈｚから１０Ｈｚであることが好ま
しい。０．１Ｈｚ未満であると応答が緩慢となりやす
く、また１０Ｈｚ超であると出力応答が不充分で誤差が
大きくなりやすい。なお上記印加電圧の周期的変化は矩
形波状、正弦波状、鋸歯状のような、半波長位相をずら
して重ねるとフラットになるような形状の変化であるこ
とが望ましく、特に正弦波状の波形であることが望まし
い。
【００１１】
【実施例】以下本発明の実施例について具体的に説明す
る。図２に評価時に用いたサンプルガス作製・測定装置
を示す。酸素ガス、窒素ガスをそれぞれマスフローメー
タにて流量を調整して酸素ガス２１％と窒素ガス７９％
との混合ガス、あるいは酸素ガス１０％と窒素ガス９０
％との混合ガスを作製し、ここのガスを水を容れたガス
洗浄瓶（恒温槽内で一定温度に保たれている）を通過さ
せて加湿する。この時の水蒸気濃度は上記恒温槽の温度
を調整することにより制御される。この加湿ガスをチャ
ンバに導入し、多孔質基板型限界電流式酸素センサの検
出部に接触させる。センサは昇温用電源（図示せず）及
び基本測定回路が接続されていて、低側電圧０．６Ｖ、
高側電圧１．４Ｖ（したがって中間電圧１．０Ｖ）、１
Ｈｚの周期で正弦波状に変化する電圧が印加されてい
る。このときの電圧の変化の例を図３に示す。
る。図２に評価時に用いたサンプルガス作製・測定装置
を示す。酸素ガス、窒素ガスをそれぞれマスフローメー
タにて流量を調整して酸素ガス２１％と窒素ガス７９％
との混合ガス、あるいは酸素ガス１０％と窒素ガス９０
％との混合ガスを作製し、ここのガスを水を容れたガス
洗浄瓶（恒温槽内で一定温度に保たれている）を通過さ
せて加湿する。この時の水蒸気濃度は上記恒温槽の温度
を調整することにより制御される。この加湿ガスをチャ
ンバに導入し、多孔質基板型限界電流式酸素センサの検
出部に接触させる。センサは昇温用電源（図示せず）及
び基本測定回路が接続されていて、低側電圧０．６Ｖ、
高側電圧１．４Ｖ（したがって中間電圧１．０Ｖ）、１
Ｈｚの周期で正弦波状に変化する電圧が印加されてい
る。このときの電圧の変化の例を図３に示す。
【００１２】図３中符号ａで示されるのは酸素ガス２１
％・窒素ガス７９％の混合ガスに水蒸気が０．４７５ｋ
ｇ／ｋｇとなるよう添加したガスを用いた結果、符号ｂ
で示されるのは酸素ガス２１％・窒素ガス７９％の混合
ガスに水蒸気が０．１２９ｋｇ／ｋｇとなるよう添加し
たガスを用いた結果、符号ｃで示されるのは酸素ガス１
０％・窒素ガス９０％の混合ガスに水蒸気が０．４７５
ｋｇ／ｋｇとなるよう添加したガスを用いた結果をそれ
ぞれ示す。また図中一点鎖線で示されるのが中間電圧で
ある。図３において、酸素濃度が変化した場合、全体の
出力電流は系の絶対値は変化しているものが、水蒸気濃
度に変化がなければ、波形の形自体は等しいことが判っ
た。
％・窒素ガス７９％の混合ガスに水蒸気が０．４７５ｋ
ｇ／ｋｇとなるよう添加したガスを用いた結果、符号ｂ
で示されるのは酸素ガス２１％・窒素ガス７９％の混合
ガスに水蒸気が０．１２９ｋｇ／ｋｇとなるよう添加し
たガスを用いた結果、符号ｃで示されるのは酸素ガス１
０％・窒素ガス９０％の混合ガスに水蒸気が０．４７５
ｋｇ／ｋｇとなるよう添加したガスを用いた結果をそれ
ぞれ示す。また図中一点鎖線で示されるのが中間電圧で
ある。図３において、酸素濃度が変化した場合、全体の
出力電流は系の絶対値は変化しているものが、水蒸気濃
度に変化がなければ、波形の形自体は等しいことが判っ
た。
【００１３】ここで酸素ガス２１％と窒素ガス７９％と
からなる混合ガスに水蒸気を様々な比率で混合して作製
したサンプルガスについて同様に測定を行い、電圧値が
中間電圧となったときの電流値を０として、印加電圧が
中間電圧から高側電圧を経て再び中間電圧に戻るまでの
間の電流の積分値を得て、これを基本測定回路内のイン
ピーダンス変換回路ユニット、温度補正回路ユニット、
増幅回路ユニットによって電圧に変換した出力値と水蒸
気濃度のとの関係を図４に示す。
からなる混合ガスに水蒸気を様々な比率で混合して作製
したサンプルガスについて同様に測定を行い、電圧値が
中間電圧となったときの電流値を０として、印加電圧が
中間電圧から高側電圧を経て再び中間電圧に戻るまでの
間の電流の積分値を得て、これを基本測定回路内のイン
ピーダンス変換回路ユニット、温度補正回路ユニット、
増幅回路ユニットによって電圧に変換した出力値と水蒸
気濃度のとの関係を図４に示す。
【００１４】図４により本発明に係る水蒸気測定方法で
は、水蒸気濃度の出力値への影響が０．０５ｋｇ／ｋｇ
未満の水蒸気濃度でもほぼ直線に近いことが判る。さら
に、この直線関係は原点を通るものであり、水蒸気濃度
と出力値とはほぼ比例関係にある。したがって上記出力
値から水蒸気濃度への換算は非常に容易である。なお、
酸素ガス１０％と窒素ガス９０％とからなる混合ガスに
水蒸気を様々な比率で混合して作製したサンプルガス、
及び酸素ガス５％と窒素ガス９５％とからなる混合ガス
に水蒸気を様々な比率で混合して作製したサンプルガス
についても同様に検討を行ったが、これらデータも、図
４の検量線上にないしその近傍にプロットできることが
確認された。
は、水蒸気濃度の出力値への影響が０．０５ｋｇ／ｋｇ
未満の水蒸気濃度でもほぼ直線に近いことが判る。さら
に、この直線関係は原点を通るものであり、水蒸気濃度
と出力値とはほぼ比例関係にある。したがって上記出力
値から水蒸気濃度への換算は非常に容易である。なお、
酸素ガス１０％と窒素ガス９０％とからなる混合ガスに
水蒸気を様々な比率で混合して作製したサンプルガス、
及び酸素ガス５％と窒素ガス９５％とからなる混合ガス
に水蒸気を様々な比率で混合して作製したサンプルガス
についても同様に検討を行ったが、これらデータも、図
４の検量線上にないしその近傍にプロットできることが
確認された。
【００１５】
【発明の効果】本発明の水蒸気測定方法は、ガス温度が
高くても測定可能で、また、酸素の影響を受けることが
なく、またリアルタイムで測定でき、さらにセンサ素子
が１つで測定可能なため装置価格が廉価となるとともに
小型化が可能である優れた方法である。
高くても測定可能で、また、酸素の影響を受けることが
なく、またリアルタイムで測定でき、さらにセンサ素子
が１つで測定可能なため装置価格が廉価となるとともに
小型化が可能である優れた方法である。
【図１】本発明の実施例で用いた多孔質基板型限界電流
式酸素センサのモデル説明図である。
式酸素センサのモデル説明図である。
【図２】本発明の実施例で用いた実験装置を示すモデル
図である。
図である。
【図３】本発明の原理を示す説明図である。
【図４】本発明の実施例での水蒸気濃度と出力電圧との
関係を示す図である。
関係を示す図である。
【図５】従来の測定方法での水蒸気濃度と出力電圧との
関係を示す図である。
関係を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−190153（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−50763（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−22858（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−22856（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−147854（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−38645（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−12258（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−42459（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−175657（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−150152（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−150151（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−45964（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 27/416 G01N 27/41
Claims (5)
- 【請求項１】 限界電流式センサを用いる水蒸気濃度測
定方法であって、センサ素子の固体電解質に印加する印
加電圧を、固体電解質表面で酸素分子が分解して酸素イ
オンとなるが水分子は分解しない低側電圧、及び酸素分
子も水分子も共に分解して酸素イオンが発生する高側電
圧との間で周期的に変化させた際に、該印加電圧が高側
電圧と低側電圧との中間の電圧である中間電圧時に固体
電解質に流れる電流を０としたとき、該印加電圧が中間
電圧から高側電圧を経て再び中間電圧に戻るまでの間の
電流の積分値を用いて水蒸気濃度を算出することを特徴
とする水蒸気濃度測定方法。 - 【請求項２】 上記印加電圧の変化が正弦波状、矩形波
状、鋸波状のいずれかであることを特徴とする請求項１
に記載の水蒸気濃度測定方法。 - 【請求項３】 上記印加電圧の変化の周期が０．１Ｈｚ
以上１０Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１また
は請求項２に記載の水蒸気濃度測定方法。 - 【請求項４】 上記低側電圧が０．３Ｖ以上０．７Ｖ以
下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のい
ずれかに記載の水蒸気濃度測定方法。 - 【請求項５】 上記高側電圧が０．９Ｖ以上１．６Ｖ以
下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のい
ずれかに記載の水蒸気濃度測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02081097A JP3301015B2 (ja) | 1997-02-03 | 1997-02-03 | 水蒸気濃度測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02081097A JP3301015B2 (ja) | 1997-02-03 | 1997-02-03 | 水蒸気濃度測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10221300A JPH10221300A (ja) | 1998-08-21 |
| JP3301015B2 true JP3301015B2 (ja) | 2002-07-15 |
Family
ID=12037405
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02081097A Expired - Fee Related JP3301015B2 (ja) | 1997-02-03 | 1997-02-03 | 水蒸気濃度測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3301015B2 (ja) |
-
1997
- 1997-02-03 JP JP02081097A patent/JP3301015B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10221300A (ja) | 1998-08-21 |
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|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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