JP3633410B2

JP3633410B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP3633410B2
Application number: JP35468299A
Authority: JP
Inventors: 忠郎皆川; 秀木村; 智恵子西田
Original assignee: ティーエム・ティーアンドディー株式会社
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2019-12-14
Also published as: JP2001165900A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、微量ガス成分を検出するガスセンサに関するもので、とりわけ、ガス絶縁電気機器内部で放電等の異常が有ったときに生成されるＨＦ等の分解ガスを検出するガスセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体式ガスセンサでは、ガスの存在に応じてガス感知部で何らかの物理的、化学的反応を起こし、それを電気的な信号へと変換を行う。図５は例えば、特開平６−２５８２７８号公報に記載された従来のガスセンサを示したものである。図５において、２はガス検出電極、３は固体電解質、４は対向電極、５は電源、６は電流検出器、７はガス検出電極２と対向電極４間に電源５と電流検出器６とを直列接続するリード、１１は被検出ガスをガス検出電極２に通す複数の通気孔１１ａを有する拡散部材である。
【０００３】
上記のように構成されたガスセンサにおいては、固体電解質３の各対向面にそれぞれ設けたガス検出電極２と対向電極４に電源５によって電圧が印加される。この時、拡散部材１１の通気孔１１ａを通して被検出ガスがガス検出電極２に接触すると、ガス検出電極２上で電気化学反応が生じてその結果、被検出ガスの濃度に応じた電流がリード７から構成される電流検出回路に流れ、電流検出器６によりセンサ信号として検出される。
【０００４】
被検出ガスがフッ素Ｆ_２であると、被検出ガスは拡散部材１１の複数の通気孔１１ａを通ってガス検出電極２上へ移動する。ここで、ガス検出電極２と対向電極４間に予め５Ｖ程度の直流電圧が、ガス検出電極２側が負、対向電極４側が正になるように印加されている。
ガス検出電極２上でＦ_２には次のような反応が起きる。
【０００５】
Ｆ_２＋２ｅ⁻ →２Ｆ⁻
【０００６】
以上の反応により生じたイオン化したフッ素（Ｆ ⁻ ）は固体電解質３中を対向電極４へ向かって移動する。対向電極４上では、以下の反応が起きて両電極２，４に電流が流れる。
【０００７】
２Ｆ⁻ →Ｆ_２＋２ｅ⁻
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上に示した従来のガスセンサにおいては、被検出ガスの濃度に応じた電流が流れるので、原理的には被検出ガスの濃度が０の場合には電流値も０となる。ところが被検出ガスの無い雰囲気にあっても、固体電解質に各電極を通して電圧を印加すると微少な電流が流れる。
【０００９】
この電流は被検出ガスの電気化学反応に無関係な電流であり、主に電子伝導による漏れ電流成分である。被検出ガスによる電気化学反応の電流が漏れ電流に比較して十分に大きい場合には何ら問題は無いが、より微少なガス濃度にも応答するようにセンサ感度の向上を図る場合、漏れ電流がノイズ成分となってＳ／Ｎ比が低下し、センサ信号の精度が著しく悪化することにより、結果的にはガス検出の高感度化が実現できないという問題点があった。
【００１０】
この発明は、上記のような問題点を解消するためなされたもので、漏れ電流によるノイズ成分を除去しＳ／Ｎ比を向上させることでガス検出の高感度化を図ることができるガスセンサを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ガス絶縁電気機器の内部で異常放電時に発生する分解ガスを被検出ガスとするガスセンサであって、固体電解質と、この固体電解質の一方の面に被着させて設け、被検出ガスと接するガス検出電極と、固体電解質の他方の面に被着させて設けた対向電極と、固体電解質の一方の面にガス検出電極と分離して被着させ、且つ、被検出ガスの前記固体電解質への拡散を阻止するように形成された予備電極とを備えたものである。
また、この発明における予備電極は、その表面に前記被検出ガスと接触しないようにカバーを設けたものである。
また、この発明における予備電極は、ガス検出電極と同一の素材とし、その膜厚を厚くしたものである。
また、この発明は、対向電極と前記ガス検出電極間および前記予備電極間のそれぞれに電圧を印加する電源回路と、電圧印加により対向電極とガス検出電極間および対向電極と予備電極間に流れる電流をそれぞれ測定する第１の電流測定手段と、第２の電流測定手段とを備えたものである。
また、この発明はガス検出電極と対向電極、及び予備電極と対向電極との間にそれぞれ個別に電源回路と共に電流測定手段とを備えたものである。
また、この発明は第１の電流測定手段による電流測定値を前記第２の電流測定手段による電流測定値で補正してセンサ信号出力値を演算する演算手段を備えたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るガスセンサの構成を示す断面図で、３は、例えば、ふっ化ランタン（ＬａＦ_３）等のふっ化物固体電解質、２は固体電解質３の一方の面に密着して設けられたＡｕ等の金属からなるガス透過性のガス検出電極、４は固体電解質３のもう一方の面にガス検出電極２と対向するように密着して設けられ、同じくＡｕ等の金属からなる対向電極であり、２１はガス検出電極２と同一面上に設けられ、同じくＡｕ等の金属からなる予備電極、２２は被検出ガスが予備電極２１に接触しないように予備電極２１の上に設けられた予備電極カバーである。
ガス検出電極２と対向電極４間にはリード７０により電流検出器６０と電源５０とが直列接続され、そして予備電極２１と対向電極４間にはリード７１により電流検出器６１と電源５１が直列接続されている。
【００１３】
ガス検出電極２、対向電極４、予備電極２１は例えば蒸着等により固体電解質３の対向面に形成される。予備電極カバー２２は予備電極２１に被検出ガスが接触しないようにする必要があるため、被検出ガスを透過しない性質を有する必要がある。従って、カバーとして、例えばアルミナセラミックスや金属の薄板を予備電極２１上に重ねる構造や、またはエポキシ等の樹脂材料で予備電極２１をモールドする構造が良い。
【００１４】
以上のような構成において、ガス検出電極２に流れる電流は、被検出ガスの電気化学反応により流れる電流に、被検出ガスの電気化学反応に無関係な電子伝導等による漏れ電流を加えたものとなり、特に被検出ガスの濃度が低く、被検出ガスの電気化学反応による電流が小さい場合には、漏れ電流によるノイズ成分のためにＳ／Ｎ比が低下し、被検出ガスによる電流値を正確に求める事ができない。
【００１５】
しかし、予備電極２１においては、予備電極カバー２２によって被検出ガスが遮られるため、被検出ガスの濃度に関係なく電気化学反応による電流は流れず、常に漏れ電流のみがガス検出電極２と対向電極４間に流れることとなる。
従ってガス検出電極２に流れる電流を電流検出器６０で計測した結果を、予備電極２１に流れる電流を電流検出器６１で計測した結果で補正することにより、ガス検出電極２に流れる電流から漏れ電流の影響を排除し、被検出ガスの電気化学反応による電流のみを求める事ができるためＳ／Ｎ比が向上し被検出ガスが低濃度の場合でも正確な測定が可能となる。
【００１６】
なお、漏れ電流値が一定であれば、予め求めておいた漏れ電流値を被検出ガスより排除して電流値を正確に求めることは可能となるが、漏れ電流はセンサ素子間でまたは経時的に一定でないため、予備電極２１による測定以外に漏れ電流を正確に知る事ができない。
【００１７】
図３はガス検出電極２と予備電極２１の電流からセンサの最終的な補正出力を得るシステムを示す構成図である。８０、８１は電流検出器６０、６１からの電流値データを演算部９に送信する信号線であり、演算部９ではガス検出電極２の電流値を予備電極２１の電流値によって補正演算し、その結果を結果表示部１０に表示する。
【００１８】
図４はこの発明の実施の形態１に係るガスセンサによる、ＨＦガスに対する応答特性の一例を示す図である。図４の（ａ）はＨＦガスの濃度、０ｐｐｍ、１ｐｐｍ、２ｐｐｍ、３ｐｐｍに対して、ガス検出電極２と対向電極４間、予備電極２１と対向電極４間のそれぞれに流れる電流を示したものである。
一方、図４の（ｂ）は図４の（ａ）に示されたガス検出電極電流から予備電極電流を減算して補正演算を行った結果を示す図である。
【００１９】
ガス検出電極２には、ＨＦガスが０ｐｐｍすなわち被検出ガスが存在しない場合にも図４の（ａ）に示すとおり若干、電流が流れており、この電流が漏れ電流である。この漏れ電流のために例えば１ｐｐｍのＨＦに対する電流値にもバイアスがかかりガス検出電極電流値は不正確になる。
しかし、図４の（ｂ）に示す演算結果、即ち、ガス検出電極電流は、予備電極２１に流れる予備電極電流値により補正されているため、ガス検出電極電流にはバイアスがかからず高いＳ／Ｎ比が得られている。
【００２０】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係るガスセンサの断面図である。
尚、図中、図１と同一符号は同一または相当部分を示す。
図２において、２１０は実施の形態１で示した予備電極２１を厚くすることによって固体電解質３に対する被検出ガスを完全に遮断できる構造にし、予備電極カバー２２を不要にした予備電極であり、被検出ガスが接しても電気化学反応を生じないようにしたものである。この実施の形態においても、実施の形態１と同様にセンサのＳ／Ｎ比を向上することが可能となる。
即ち、通常の薄膜によるガス検出電極であると、被検出ガスはガス検出電極２の全面を容易に拡散して固体電解質３に達し、ガス検出電極２と固体電解質３との界面で電気化学反応を生じる。そして、被検出ガスはイオン化して対向電極４に向かって移動し、固体電解質３と対向電極４の界面で反応して両電極に電流が流れる。
【００２１】
予備電極２１を、図２に示すように厚膜にして予備電極２１０に形成すると、予備電極２１０の近傍にある被検出ガスは、予備電極２１０を拡散して固体電解質３に達し得ず、予備電極２１０と固体電解質３との界面で電気化学反応が生じない。この結果、被検出ガスはイオン化しないため、両電極２１０、４には被検出ガスの濃度に関係なく電気化学反応による電流は流れず、常に、電子伝導による漏れ電流が流れる。
この漏れ電流成分を電流検出器６１により計測し、この計測された漏れ電流成分でガス検出電極２による電流出力を補正することでセンサ出力のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００２２】
【発明の効果】
この発明は、ガス絶縁電気機器の内部で異常放電時に発生する分解ガスを被検出ガスとするガスセンサであって、固体電解質と、この固体電解質の一方の面に被着させて設け、被検出ガスと接するガス検出電極と、固体電解質の他方の面に被着させて設けた対向電極と、固体電解質の一方の面にガス検出電極と分離して被着させ、且つ、被検出ガスの前記固体電解質への拡散を阻止するように形成された予備電極と、ガス検出電極と対向電極、及び予備電極と対向電極との間にそれぞれ個別に電源回路と共に設けた第１のおよび第２の電流測定手段と、第１の電流測定手段による電流測定値を前記第２の電流測定手段による電流測定値で補正してセンサ信号出力値を演算する演算手段とを備えたので、特に被検出ガスが低濃度である領域においてＳ／Ｎが向上し、ひいてはセンサ感度が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るガスセンサを示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係るガスセンサを示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るガスセンサを使用したシステムの構成図である。
【図４】この発明によるガスセンサの特性図である。
【図５】従来の発明のガスセンサを示す断面図である。
【符号の説明】
２ガス検出電極、３固体電解質、４対向電極、２１予備電極、２２予備電極カバー、５０、５１電源、６０、６１電流検出器、９演算部。

Claims

ガス絶縁電気機器の内部で異常放電時に発生する分解ガスを被検出ガスとするガスセンサであって、
固体電解質と、
この固体電解質の一方の面に被着させて設け、前記被検出ガスと接するガス検出電極と、
上記固体電解質の他方の面に前記ガス検出電極と対向するように被着させて設けた対向電極と、
前記固体電解質の一方の面に前記ガス検出電極と分離して被着させ、且つ、前記被検出ガスの前記固体電解質への拡散を阻止するように形成された予備電極と、
前記対向電極と前記ガス検出電極間および前記予備電極間のそれぞれに電圧を印加する電源回路と、
この電圧印加により前記対向電極と前記ガス検出電極間および前記対向電極と前記予備電極間に流れる電流をそれぞれ測定する第１の電流測定手段および第２の電流測定手段と
を備えたことを特徴とするガスセンサ。
前記予備電極は、その表面に前記被検出ガスと接触しないようにカバーを設けたことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記予備電極は、前記ガス検出電極と同一の素材とし、その膜厚を前記ガス検出電極に対して厚くしたことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記ガス検出電極と対向電極、及び予備電極と前記対向電極との間にそれぞれ個別に電源回路と共に電流測定手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のガスセンサ。
前記第１の電流測定手段による電流測定値を前記第２の電流測定手段による電流測定値で補正してセンサ信号出力値を演算する演算手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のガスセンサ。