JP6559443B2 - Oxygen sensor and measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、酸素センサ及び計測装置に関し、例えば、空気中の酸素濃度を計測する計測装置(酸素濃度計)等、空気中の酸素濃度に応じて動作する種々の装置に適用することができる。 The present invention relates to an oxygen sensor and a measurement device, and can be applied to various devices that operate according to the oxygen concentration in the air, such as a measurement device (oxygen concentration meter) that measures the oxygen concentration in the air.
従来、空気中の酸素濃度を検知する酸素センサとしては、隔膜ガルバニ電池式のセンサが主流であるが、高価であるため、設置できる場面は限られる。一方で、酸素は、この地球上のほとんどの動植物にとって生きていく上で必要不可欠な物質であるため、あらゆる場面で酸素濃度の計測を行うことの需要は存在する。例えば、あらゆる場面での安全性を確認するための酸素濃度測定や、学校教育上の教材(例えば、初等中等教育の理科教育の教材)等利用分野は幅広い。 Conventionally, as the oxygen sensor for detecting the oxygen concentration in the air, a diaphragm galvanic cell type sensor has been the mainstream, but since it is expensive, there are only a limited number of scenes where it can be installed. On the other hand, since oxygen is an indispensable substance for living for most animals and plants on the earth, there is a demand for measuring oxygen concentration in every situation. For example, there are a wide range of fields of use such as oxygen concentration measurement for confirming safety in every scene and educational materials for school education (for example, science education materials for primary and secondary education).
上述のような課題に鑑みて、安価な酸素センサとして空気電池を用いたものも存在する(例えば、特許文献1を参照)。空気電池は、いわゆるボタン形の電池として一般に普及しているものであり、小型で高エネルギーが得られることから、補聴器等の小型の医療器具等に用いられる。 In view of the above-described problems, there is an inexpensive oxygen sensor using an air battery (see, for example, Patent Document 1). Air batteries are commonly used as so-called button-type batteries, and are small and can be used for small medical instruments such as hearing aids because they can obtain high energy.
空気電池では、負極材料として亜鉛、電解液としてアルカリ水溶液、正極材量としてカーボンが用いられている。化学反応からみると空気電池は、酸素が正極活物質、亜鉛が負極活物質の電池である。そして、空気電池には、正極側に換気するための空気孔が設けられており、この孔から正活物質の酸素が電池内部に供給される。 In the air battery, zinc is used as a negative electrode material, an alkaline aqueous solution is used as an electrolytic solution, and carbon is used as a positive electrode material amount. From the viewpoint of chemical reaction, an air battery is a battery in which oxygen is a positive electrode active material and zinc is a negative electrode active material. The air battery is provided with an air hole for ventilation on the positive electrode side, and oxygen of the positive active material is supplied into the battery through this hole.
従来の空気電池を用いた酸素センサで酸素濃度を測定する場合、応答時間が極端に遅く測定精度も低いため、実用に耐えないという問題があった。また、従来の酸素センサはボディが大きいため、計測する場所が限定されていた。 When measuring the oxygen concentration with a conventional oxygen sensor using an air battery, there is a problem that the response time is extremely slow and the measurement accuracy is low, so that it cannot be put into practical use. Moreover, since the conventional oxygen sensor has a large body, the place to measure is limited.
そのため高性能(速い応答性で高い精度)でしかもコンパクトな酸素センサ及び計測装置を低コストで実現することが望まれている。 Therefore, it is desired to realize a high-performance (fast response and high accuracy) and compact oxygen sensor and measuring device at low cost.
第1の本発明の酸素センサは、(1)空気亜鉛電池を収容する酸素電池収容部と、(2)上記空気亜鉛電池の外部抵抗として機能し、上記空気亜鉛電池を電源とする電圧を計測部へ出力するための出力回路とを備え、(3)上記出力回路には上記空気亜鉛電池に対する外部抵抗値を変化させるための可変抵抗器がふくまれており、(4)上記出力回路による外部抵抗値は、上記空気亜鉛電池を定電圧源として用いる場合の抵抗値より下の範囲で、かつ、酸素濃度と上記空気亜鉛電池の出力電圧値の相関係数が概ねリニアな関係となるまで下げられた範囲で変化可能であることを特徴とする。 Oxygen sensor of the first invention, (1) and oxygen battery accommodating portion for accommodating the zinc-air battery, (2) functions as an external resistance of the zinc-air battery, a total voltage of the power supply the Zinc-Air battery And (3) the output circuit includes a variable resistor for changing an external resistance value with respect to the zinc-air battery , and (4) by the output circuit. The external resistance value is in a range lower than the resistance value when the air zinc battery is used as a constant voltage source, and until the correlation coefficient between the oxygen concentration and the output voltage value of the air zinc battery has a substantially linear relationship. It is possible to change within the lowered range .
第2の本発明の計測装置は、酸素濃度に応じた電圧を出力する酸素センサと、上記酸素センサから出力される電圧を計測する計測部と、計測した電圧値に応じた情報を出力する情報出力部とを備える計測装置において、上記酸素センサとして第1の本発明の酸素センサを適用したことを特徴とする。 Second measuring device of the present invention, an oxygen sensor which outputs a voltage corresponding to the oxygen concentration, the total measuring section you measure the voltage output from the oxygen sensor, the information corresponding to the voltage value measured output In the measuring device including the information output unit, the oxygen sensor according to the first aspect of the present invention is applied as the oxygen sensor.
本発明によれば、高性能でコンパクトな酸素センサ及び計測装置を低コストで提供することができる。 According to the present invention, a high-performance and compact oxygen sensor and measurement device can be provided at low cost.
(A)主たる実施形態
以下、本発明による酸素センサ及び計測装置の一実施形態を、図面を参照しながら詳述する。
(A) Main Embodiment Hereinafter, an embodiment of an oxygen sensor and a measuring device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(A−1)実施形態の構成
図1は、この実施形態に係る酸素濃度測定装置1の構成について示した回路図である。
(A-1) Configuration of Embodiment FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an oxygen
図2は、酸素センサ10の外観を示す平面図である。
FIG. 2 is a plan view showing the appearance of the
酸素濃度測定装置1は、大別すると酸素センサ10及びディジタルマルチメータ20で構成されている。
The oxygen
酸素センサ10は、空気電池Bを電源とし、周囲の酸素濃度に応じた電流(電圧)を出力するセンサである。酸素濃度測定装置1において、酸素センサ10の出力はディジタルマルチメータ20に接続されている。ディジタルマルチメータ20は、酸素センサ10から供給される電圧値を検知して、その検知結果(電圧値)を表示部に表示する。
The
ディジタルマルチメータ20としては、種々の電流測定機能に対応した試験装置に置き換えることができる。
The
酸素センサ10では、空気電池Bの外部抵抗として機能する外部抵抗回路100が備えられている。この実施形態では、外部抵抗回路100は、抵抗11、12、13、及び可変抵抗14で構成されているものとする。以下では、抵抗11、12、13の抵抗値をそれぞれR1、R2、R3と表すものとする。また、以下では、可変抵抗14の抵抗値をRvと呼ぶものとする。さらに、以下では、外部抵抗回路100の全体の抵抗値(空気電池Bの外部抵抗値)を外部抵抗値Reと呼ぶものとする。
The
抵抗11、12、13としては種々の固定抵抗を適用することができる。また、可変抵抗14には抵抗値を調整するためのつまみ141が設けられている。可変抵抗14としては種々の可変抵抗を適用することができる。
Various fixed resistors can be applied as the
この実施形態において、抵抗11は、空気電池Bに並列に接続されている。
In this embodiment, the
また、この実施形態において、抵抗12、13は並列に接続されている。そして、並列接続された抵抗12、13の一端が空気電池Bに接続され、抵抗12、13の他方の端が可変抵抗14に接続されている。そして、可変抵抗14の一端は並列接続された抵抗12、13の一端に接続され、可変抵抗14の他方の端は空気電池Bに接続されている。すなわち、並列接続された2つの抵抗12、13と、可変抵抗14とが直列に接続された回路が、空気電池Bと並列に接続されていることになる。以上のように、空気電池Bには、抵抗11により構成される第1の回路C1と、抵抗12、抵抗13、及び可変抵抗14により構成される第2の回路C2とが並列に接続されている。
In this embodiment, the
この実施形態では、抵抗11の抵抗値が4.7Ω、抵抗12の抵抗値が1Ω、抵抗13の抵抗値が1Ωであるものとする。また、可変抵抗14は、0Ω〜10Ωの範囲で調整可能な抵抗となっている。そうすると、第2の回路C2の抵抗値は、0.5Ω〜10.5Ωとなる。
In this embodiment, it is assumed that the resistance value of the
したがって、可変抵抗14の抵抗値が0Ωの場合、外部抵抗値Reは、0.45Ωとなる。また、可変抵抗14の抵抗値が最大値である10Ωの場合、外部抵抗値Reは、3.25Ωとなる。したがって、空気電池Bの外部抵抗値Reは0.45Ω〜3.25Ωで変化可能となっている。
Therefore, when the resistance value of the
次に、この実施形態における酸素センサ10の具体的な実装構成例について図2、図3を用いて説明する。図3は、酸素センサ10の外観を示す側面図(図2の矢印Aの方向から見た場合の側面図)である。
Next, a specific mounting configuration example of the
この実施形態の酸素センサ10では、矩形(長方形)の回路基板16上に、抵抗11、12、13、可変抵抗14、及び空気電池Bを着脱自在に搭載(回路基板16上の回路に接続)するための電池ホルダ15が配置されている。
In the
図2、図3では、回路基板16の長手方向の寸法をL1、短手方向の寸法をL2と図示している。また、図3では、酸素センサ10の厚さ(図2の矢印A方向から見た場合の酸素センサ10の高さ)の寸法をL3と図示している。
2 and 3, the longitudinal dimension of the
この実施形態では、空気電池Bとして、ネクセル(Nexcell)(登録商標)社製のPR44規格(標準)に対応した空気亜鉛電池(以下、単に「PR44空気電池」とも呼ぶものとする)を適用するものとする。さらに、この実施形態では、電池ホルダ15として、タカチ電機工業社製のPD23型電池ホルダを適用するものとする。さらにまた、この実施形態では、可変抵抗14として、BOURNS社製高精度多回転ボリューム3006Pを適用するものとする。可変抵抗14には抵抗値を調整するためのつまみ141が設けられている。図2、図3に示すように可変抵抗14は横型の可変抵抗であるため、つまみ141の回転軸は図2の寸法L1の方向となる。図2、図3では、可変抵抗14のつまみ141を含む部分(長手方向に3mm程度の部分)が回路基板16からはみでるように配置されている。これにより、酸素センサ10では、横型の可変抵抗14の操作性を向上させる(ユーザが指やドライバを用いて操作することを容易とする)ことができる。
In this embodiment, as the air battery B, an air zinc battery (hereinafter simply referred to as “PR44 air battery”) corresponding to the PR44 standard (standard) manufactured by Nexcell (registered trademark) is applied. Shall. Further, in this embodiment, a PD23 type battery holder manufactured by Takachi Electric Industry Co., Ltd. is applied as the
この実施形態では、回路基板16として、L1=34.55mm、L2=15.87mmの矩形のプリント基板を適用することができる。図2、図3に示すように各構成要素を配置することにより、回路基板16のサイズを上述の形状とすることができる。また、図3に示すように、酸素センサ10の厚さL3は、回路基板16の厚さに、空気電池Bを搭載した電池ホルダ15の厚さ(高さ)を加えた寸法となる。具体的には、図2、図3に示す酸素センサ10の厚さ(空気電池Bと搭載した状態)の寸法L3は10.78mm程度となった。
In this embodiment, a rectangular printed board having L1 = 34.55 mm and L2 = 15.87 mm can be applied as the
酸素センサ10は、より小型であるほうが被測定対象の空間に設置しやすくなる。特に、大型試験管、ビーカ、ペットボトルの中等、被測定対象の空間に至るまでの経路が狭い場合(ボトルネックが存在する場合)には、酸素センサ10の寸法L2、L3がより短くなっていることが重要となる。例えば、一般的な容量が500ccのペットボトルの口径は、25mmであるため、当該ペットボトルの中に酸素センサ10を設置しようとした場合、酸素センサ10寸法L2、L3は25mm以下とする必要がある。この実施形態の酸素センサ10では、寸法L2、L3は25mm以下とすることにより、ペットボトル内部の酸素濃度を測定することが可能となる。
The
次に、酸素センサ10の出力電圧値と、ディジタルマルチメータ20のディスプレイ21に表示される電圧値と、測定される酸素濃度(測定結果)との関係について説明する。
Next, the relationship between the output voltage value of the
酸素センサ10では、周囲の酸素濃度(酸素分子の密度)が高くなると空気電池Bに供給される酸素量が多くなり、空気電池Bの出力も大きくなる。酸素センサ10では、空気電池Bのこの特性を利用して、酸素濃度に応じたレベルの電流・電圧を出力することができる。
In the
例えば、空気電池PR44(この実施形態で空気電池Bとして適用したもの)について、外部抵抗を0Ω〜47kΩの間で変化させた場合の出力電圧値及び出力電流値を測定した実験結果を図4に示す。なお、図4に示す実験では、空気電池PR44を1気圧の大気中に設置している。 For example, for the air battery PR44 (applied as the air battery B in this embodiment), the experimental results of measuring the output voltage value and the output current value when the external resistance is changed between 0 Ω and 47 kΩ are shown in FIG. Show. In the experiment shown in FIG. 4, the air battery PR44 is installed in the atmosphere of 1 atm.
空気電池PR44には、正極側に空気孔が設けられており、この孔から正極活物質の酸素が内部に供給される。空気電池PR44を放電させる際に、電池電流が無く電池が平衡状態にあるときの起電力は1.65V程度である。また、空気電池PR44に1kΩ程度の外部抵抗を接続して電流を流すと過電圧の発生により、出力電圧は1.4V位になる。 The air battery PR44 is provided with an air hole on the positive electrode side, and oxygen of the positive electrode active material is supplied to the inside from this hole. When the air battery PR44 is discharged, the electromotive force when there is no battery current and the battery is in an equilibrium state is about 1.65V. Further, when an external resistance of about 1 kΩ is connected to the air battery PR44 and a current is passed, the output voltage becomes about 1.4V due to the occurrence of overvoltage.
さらに、空気電池PR44の接続する外部抵抗を小さくしていくと、出力電流値は大きくなる。しかし、出力電流は無制限に大きくなるのではなく、正極活物質である酸素の拡散で制限された電流(限界拡散電流)となる。この限界拡散電流は空気中の酸素と関係している電流である。この、酸素電池の特性が酸素センサの電源として使用できる可能性を示唆している。 Furthermore, when the external resistance connected to the air battery PR44 is reduced, the output current value is increased. However, the output current does not increase without limitation, but becomes a current limited by the diffusion of oxygen as the positive electrode active material (limit diffusion current). This limiting diffusion current is a current related to oxygen in the air. This characteristic of the oxygen battery suggests the possibility of being used as a power source for the oxygen sensor.
図4に示すように、空気電池PR44は、外部抵抗値が600Ω以上の領域では、1.2V〜1.3V程度の電圧を出力する電圧源として動作する。空気電池を装置の電源(例えば、補聴器等の電源)として利用する場合は、この領域で駆動させる必要がある。なお、空気電池PR44の商品仕様では、標準負荷抵抗(外部抵抗)として620Ωと記載されている。また、図4に示すように、空気電池PR44は、外部抵抗値50Ω以下の領域では、13mA〜15mAの電流を出力する電流源として動作(概ね定電流源として動作)していることがわかる。この電流は、酸素分子の拡散で制限された限界拡散電流であり、酸素濃度と関係した電流である。空気電池PR44を酸素センサ10で使用する場合には、この電流を出力電流値(センサ電流)として計測するため、外部抵抗値Reを50Ω以下に設定する必要がある。
As shown in FIG. 4, the air battery PR44 operates as a voltage source that outputs a voltage of about 1.2 V to 1.3 V in the region where the external resistance value is 600Ω or more. When the air battery is used as a power source for the device (for example, a power source for a hearing aid), it is necessary to drive in this region. In the product specifications of the air battery PR44, 620Ω is described as the standard load resistance (external resistance). In addition, as shown in FIG. 4, it can be seen that the air battery PR44 operates as a current source that outputs a current of 13 mA to 15 mA (generally operates as a constant current source) in the region where the external resistance value is 50Ω or less. This current is a limiting diffusion current limited by the diffusion of oxygen molecules, and is a current related to the oxygen concentration. When the air battery PR44 is used in the
なお、この実施形態の酸素センサ10は、極めて高い応答性(高速に酸素濃度に対応する出力に収束させる能力)を備えるという実験結果が得られている。
In addition, the experimental result that the
図5は、酸素センサ10における外部抵抗値Reを0.5Ωから20.0Ωまで変化(必要に応じて別途固定抵抗を接続して変化)させた場合の応答特性の実験結果を示している。図5に示す実験では、酸素センサ10の各外部抵抗値Re(0.5Ω、1.0Ω、2.2Ω、5.1Ω、10.0Ω、20.0Ω)の6種類を選択して設定し、酸素濃度を大気圧中(1気圧の大気中)から0%の状態にした場合の時系列ごとの電流値の変化(電流値が下降する特性)を示している。図5の実験結果から、外部抵抗値Reを10Ωから20Ωとすると明らかに電流値の減衰が緩やかに落ちる傾向(応答時間が長くなる)になることがわかる。
FIG. 5 shows experimental results of response characteristics when the external resistance value Re in the
そして、図5に示す実験結果から、各外部抵抗値Reに係る95%応答時間(最終値の95%にまで到達する時間)を求め、この応答時間と外部抵抗の関係を図6に示した。 Then, from the experimental results shown in FIG. 5, 95% response time (time to reach 95% of the final value) related to each external resistance value Re was obtained, and the relationship between this response time and external resistance is shown in FIG. .
図6に示すように、この実施形態の酸素センサ10では、外部抵抗値Reが0.5Ωだと応答時間が23.5秒、外部抵抗値Reが5.0Ω以内だと1分以内の応答時間を示した。また、図6に示すように、この実施形態の酸素センサ10では、外部抵抗値Reが20.0Ωだと2分以上も応答時間がかかり、応答性が極端に悪くなっている。すなわち、図6より応答時間は外部抵抗値Reと直線関係にあること、及び外部抵抗値Reを小さくすれば応答時間を短くできることが分かる。従来では、空気電池が実用化されていなかた大きな点は、外部抵抗値Reがわずかでも応答性が大きく変わってしまうので、実用化されなかった。特に、実施形態の酸素センサ10は、図6に示すように、応答時間が30秒以内で計測可能なことが顕著で画期的な点となっている。
As shown in FIG. 6, in the
次に、酸素センサ10における外部抵抗値Reと出力電流値(外部抵抗回路100の出力電流値)との関係について説明する。
Next, the relationship between the external resistance value Re and the output current value (the output current value of the external resistance circuit 100) in the
図7は、酸素センサ10で、外部抵抗値Reを0.5Ωとした場合における酸素濃度と出力電流値(外部抵抗回路100の出力電流値)との関係について実験した結果について示している。図7では、0%〜50%の範囲で概ね10%刻みで酸素センサ10の出力電流値を測定した結果となっている。図7に示す実験において、検定用の基準酸素ボンベを各酸素濃度について用意し、当該基準酸素ボンベを用いて、酸素センサ10各酸素濃度の環境下に設置した。また図7の実験は、純空気で20.9%を可変抵抗を使って20.95mVに設定しキャリブレーションした後行っている。
FIG. 7 shows the results of experiments on the relationship between the oxygen concentration and the output current value (the output current value of the external resistance circuit 100) when the
図7に示す通り、酸素センサ10では、50%程度まで酸素濃度の測定を行っても、電流値と酸素濃度の相関係数が0.997を保つことができる。すなわち、酸素センサ10では、50%程度まで酸素濃度を上げても、精度よく酸素濃度に応じた電流値の電流を出力することができる。
As shown in FIG. 7, the
一般の酸素センサで計測可能な酸素濃度が30%程度(高価な酸素センサは高濃度まで対応している)であることに対して、この実施形態では酸素センサ10では50%まで計測可能である。また、上述の通り、酸素センサ10では、各酸素濃度と出力電流値とに直線性に優れており、相関性も0.997と高い精度を保っている。すなわち、図7に示すように、この実施形態の酸素センサ10(空気電池PR44として適用した場合)では、外部抵抗値Reを50Ω以下とした場合、酸素濃度と出力電流値の相関係数がリニアな関係になるという実験結果が得られている。
The oxygen concentration measurable with a general oxygen sensor is about 30% (the expensive oxygen sensor supports up to a high concentration), whereas in this embodiment, the
なお、図7に示す通り、この実施形態の酸素センサ10では、酸素濃度が0%でも、出力電流は完全に0mAにならず、約5mA程度の電流(残留電流)がある。
As shown in FIG. 7, in the
以上のように、通常補聴器等に用いられる空気電池PR44は、上述の通り620Ω程度の負荷が想定された構成となっているところ、その仕様の範囲外である50Ω以下とする領域で動作させることにより、非常に酸素濃度と相関性の高い出力電流値(センサ電流値)を得ることができる。 As described above, the air battery PR44 that is normally used for hearing aids and the like is configured to assume a load of about 620Ω as described above, and should be operated in a region of 50Ω or less that is outside the specification range. Thus, an output current value (sensor current value) having a very high correlation with the oxygen concentration can be obtained.
上述のように、外部抵抗回路100の出力電流値は、1気圧の大気中で概ね0.9mA〜14.0mAの範囲内で推移(外部抵抗値Reに応じて推移)するが、これをディジタルマルチメータ20で測定した場合、ユーザは測定された電流値を酸素濃度に変換する計算を自身で行うか、ディジタルマルチメータ20の測定結果を補正処理(例えば、出力電流値に補正計数を乗じて酸素濃度[%]に正規化する処理)する演算装置(例えば、コンピュータ)を用意しなければ測定された酸素濃度を知ることができないことになる。
As described above, the output current value of the
そこで、この実施形態の酸素センサ10では、外部抵抗回路100に可変抵抗14を設け、可変抵抗14を変化させることで、外部抵抗値Reを0.45Ω〜3.25Ωの範囲内で可変としている。そして、ここで、例として、酸素濃度が20.9%(1気圧時の酸素濃度)であり、外部抵抗回路100の出力電流値が可変抵抗14の抵抗値Rvに関わらず14.0mAと一定となる場合を想定する。この場合、外部抵抗回路100の外部抵抗値Reが約1.5Ωとなるように可変抵抗14の抵抗値Rvが調整されると、外部抵抗回路100が出力する電圧値は20.9mVとなる。この場合、例えば、外部抵抗値Reを1.5Ωとし、ディジタルマルチメータ20の測定レンジを0.1mV単位で測定可能な測定モードとして測定することで、ディジタルマルチメータ20の表示を20.9mVとすることが可能となる。すなわち、この場合ディジタルマルチメータ20を視認したユーザは、ディジタルマルチメータ20のディスプレイ21に表示された数字「20.9」を単純に「20.9%」と読み替えるだけで、計算や補正装置等を用いずに酸素濃度を把握することが可能となる。図4に示すように、空気電池Bが定電流源として駆動する場合、外部抵抗回路100の出力電流値は、酸素濃度に対してリニアに変化するため、一度外部抵抗回路100が調整されれば、ユーザはディジタルマルチメータ20に表示された数値(mV単位の数値)をそのまま酸素濃度[%]として視認することができる。これにより、ユーザは出力された値を補正することなく、リアルタイムに酸素濃度を知ることができる。
Therefore, in the
以上のように、この実施形態の酸素センサ10では、空気電池Bについて定電流源として動作する外部抵抗Reのレンジを探索し、外部抵抗Reを当該探索したレンジの範囲内で可変(可変抵抗14により可変)とすることで、ディジタルマルチメータ20に表示させる電圧値のレベルを調整することができる。この実施形態の酸素センサ10では、1気圧で20.9%の酸素濃度の環境下(1気圧の大気中)の場合、概ね14mAで動作するため、14mA時に出力電圧値が20.9mVとなるように、外部抵抗値Reを1.5Ω前後で可変となるように設定した。この実施形態では、空気電池BとしてPR44を適用した例について説明したが、補聴器等に用いられる一般的な空気電池であれば、概ね同様の電気的特性を示すため、概ね定電流源として駆動する外部抵抗値の範囲と、その時の出力電流値が分かれば、ディジタルマルチメータ20に表示される数値をそのまま酸素濃度とするための外部抵抗値を調べることは可能である。すなわち、この実施形態では、説明を簡易とするために、空気電池BとしてPR44を適用した例について説明したが、他の種類の酸素電池を用いる場合でも、上述と同様のプロセスにより、ディジタルマルチメータ20に表示される数値をそのまま酸素濃度とするための、外部抵抗値Reと可変抵抗Rvの範囲を設計することは可能である。
As described above, in the
また、厳密には、ディジタルマルチメータ20に表示される数値は、空気電池Bの個体差、外部抵抗回路100の各構成要素の温度変化や個体差、ディジタルマルチメータ20の測定誤差等が含まれることになるが、1気圧の大気中(標高0mの大気中)の酸素濃度は20.9%というのは不変であるため、ユーザが酸素センサ10を1気圧の大気中に置き、可変抵抗14を操作してディジタルマルチメータ20に表示させる数値を「20.9」とするだけで、精密なチューニング(レベル調整)を行うことが可能となる。
Strictly speaking, the numerical values displayed on the
次に、空気電池Bの出力の時間的変化(放電特性)について説明する。 Next, the temporal change (discharge characteristics) of the output of the air battery B will be described.
図8は、空気電池BとしてPR44を搭載した酸素センサ10における空気電池Bの出力電流値の時間的変化(放電特性)について示したグラフである。図8では、外部抵抗値Reを0.5Ωとした場合の放電特性について示している。図8に示すように空気電池B(PR44)は、放電開始から1時間位までは放電電流は指数関数的に減少し、その後放電電流は直線的に減少している。放電開始から1時間経過した時点での電流経時変化率は2.6%/h、10時間経過した時点での電流経時変化率は1.1%/hで、電池寿命は約40時間程度であった。すなわち、空気電池Bとして新品のPR44を適用した場合、計測時間が短時間の場合(例えば、1分以内程度の場合)は、1時間程度放電(エイジング)させてから使用した方が、空気電池Bの出力が安定することがわかる。そして、酸素センサ10では、空気電池Bとして新品のPR44を適用した場合、40時間程度の酸素濃度測定が可能となる。
FIG. 8 is a graph showing the temporal change (discharge characteristic) of the output current value of the air battery B in the
(A−2)実施形態の動作
次に、以上のような構成を有するこの実施形態の酸素濃度測定装置1の動作を説明する。
(A-2) Operation | movement of embodiment Next, operation | movement of the oxygen
図9は、この実施形態に係る酸素濃度測定装置1を用いた酸素濃度測定の動作の例(酸素濃度測定方法の例)について示したフローチャートである。
FIG. 9 is a flowchart showing an example of an oxygen concentration measurement operation (an example of an oxygen concentration measurement method) using the oxygen
まず、酸素センサ10の電池ホルダ15に、新品(未使用)の空気電池Bをセットする(S101)。なお、空気電池Bは必ずしも新品(未使用)である必要はないが、ここでは、空気孔B1を覆う位置にシールが貼りつけられた新品(未使用)の空気電池Bを用いるものとして説明する。
First, a new (unused) air battery B is set in the
次に、酸素センサ10を1気圧の大気中に設置して(S103)、1時間程度放置する(S104)。セットした空気電池Bの出力を安定させるためにはエイジングは必須である。
Next, the
次に、ディジタルマルチメータ20の測定レンジを調整する(S105)。この実施形態では、1mVの単位で電圧値を測定するレンジに設定するものとして説明する。ディジタルマルチメータ20の操作は、ダイヤル操作部22等を用いて行われる。なお、ディジタルマルチメータ20の操作(レンジ設定等)の詳細についてはディジタルマルチメータ20の仕様に応じた操作となるため詳しい説明は省略する。
Next, the measurement range of the
次に、酸素センサ10の可変抵抗14(つまみ141)を操作して、外部抵抗Reを調整し、ディジタルマルチメータ20の測定値(ディスプレイ21に表示される値)が、1気圧の大気中に存在する酸素濃度である20.9%に対応する値(20.9mV)となるように調整する(S106)。理想的には、酸素センサ10を、完全に1気圧の環境下(例えば、標高0mの大気中)に設置してチューニングすることが望ましいが、測定精度によっては、酸素センサ10を初期チューニングする際の設置環境は完全に1気圧の環境下(標高0mの環境下)でなくてもよい。例えば、酸素濃度計測の誤差を0.1%以下程度としたい場合には、標高−30〜+30m程度の環境下であっても良い。なお、以下では、説明を簡易とするため、酸素センサ10を完全に1気圧の大気中に設置したものとして説明する。
Next, the variable resistance 14 (knob 141) of the
次に、酸素センサ10を被検査環境下に設置すると(S107)、酸素センサ10は周囲の酸素濃度に応じた出力電流を出力し、当該出力電流がディジタルマルチメータ20により検知され、検知された出力電流値がディスプレイ21に表示されることになる。
Next, when the
すなわち、ステップS106では、ディスプレイ21の表示値が現在の酸素センサ10の設置環境に合わせた値となるように調整する必要がある。仮に、酸素センサ10が1気圧(酸素濃度20.9%)とは異なる環境下に設置されている場合には、当該設置環境下での酸素濃度(例えば、他の基準となる酸素濃度計等により予め測定された値であってもよい)に対応する値に調整する必要がある。
That is, in step S106, it is necessary to adjust the display value on the
(A−3)実施形態の効果
この実施形態によれば、以下のような効果を奏することができる。
(A-3) Effects of Embodiment According to this embodiment, the following effects can be achieved.
この実施形態の酸素濃度測定装置1では、図9のような手順で酸素センサ10を用いた酸素濃度測定を行うことができる。特に、空気電池Bは補聴器等で用いられる一般的なものを使用することができるため非常に安価に作成することができる。また、酸素センサ10を構成する抵抗や可変抵抗も非常に安価な一般的な素子を用いて構成することができる。また、この実施形態で空気電池Bとして用いたボタン型の空気電池(例えば、補聴器用の空気電池)は従来の酸素センサに用いられるガルバニ電池の100〜200分の1程度の価格で購入することができる。また、ボタン型の空気電池は、ガルバニ電池よりもはるかに小さいサイズであるため、酸素センサ10を非常に小型に実現し、ペットボトルやビーカ等の小さなスペースに挿入することが可能となる。また、酸素センサ10自体も一般的で安価な抵抗器や可変抵抗器、ボタン電池のホルダだけで実現することができるため、既存のガルバニ式電池を用いた酸素センサ(プローブ)の100〜200分の1程度の価格で実現することができる。この程度の価格であれば、酸素センサを使い捨て(ディスポーザブル)に使用することも可能であるため酸素センサの利用可能な分野を広げることも可能となる。
In the oxygen
また、酸素センサ10では、空気電池Bについて定電流源として動作する外部抵抗Reのレンジを探索し、外部抵抗Reを当該探索したレンジの範囲内で可変(可変抵抗14により可変)とすることで、ディジタルマルチメータ20に表示させる電圧値のレベルを調整することができる。これにより、酸素センサ10では、1気圧の大気中に酸素センサ10を配置して、可変抵抗14を操作するだけで、ディジタルマルチメータ20に表示される数値(mV単位の数値)をそのまま酸素濃度(%単位の数値)とすることができる。すなわち、酸素濃度測定装置1では、酸素センサ10を用いることにより、特に数値の補正等を必要とせずに一般的なディジタルマルチメータ20(テスタ)を用意するだけで酸素濃度の測定を行うことができる。
The
また、この実施形態の酸素センサ10は、上述の図10に示すように非常に高い精度(相関性)で、酸素濃度を測定することができる。
Further, the
図10は、図9の手順に従って酸素センサ10を動作させた場合の各酸素濃度と出力電圧との関係を示したグラフとなっている。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between each oxygen concentration and the output voltage when the
図10に示す実験結果では、酸素濃度10%〜60%の範囲で10%刻みで、酸素センサ10の出力電圧(ディジタルマルチメータ20で検知される電圧)を示している。図10に示す実験結果では、酸素濃度約10%(9.86%)、20%(20.9%)、約30%(30.47%)、約40%(40.42%)、約50%(50.13%)、約60%(60.8%)に対する出力電圧が、それぞれ、10.6mV、20.95mV、30.74mV、40.52mV、50.52mV、58.98mVとなった。図10の実験結果では、実際の酸素濃度と出力電圧との相関係数が0.999となり、非常に高い相関関係を示している。 In the experimental results shown in FIG. 10, the output voltage of the oxygen sensor 10 (voltage detected by the digital multimeter 20) is shown in increments of 10% in the range of oxygen concentration of 10% to 60%. In the experimental results shown in FIG. 10, the oxygen concentration is about 10% (9.86%), 20% (20.9%), about 30% (30.47%), about 40% (40.42%), about The output voltages for 50% (50.13%) and about 60% (60.8%) are 10.6 mV, 20.95 mV, 30.74 mV, 40.52 mV, 50.52 mV, and 58.98 mV, respectively. It was. In the experimental result of FIG. 10, the correlation coefficient between the actual oxygen concentration and the output voltage is 0.999, indicating a very high correlation.
すなわち、この実施形態の酸素センサ10は、高性能(高精度、高応答性)でかつきわめて低コストで実現可能となっている。既存のボタン型の空気電池を用いた酸素センサは、応答性や精度の点で実用化が難しかったが、この実施形態の酸素センサ10では、この点が大きく解決されている。既存のガルバニ電池を用いたものと精度や応答性の点では遜色がない性能が得られる。
That is, the
また、図10にも示されるように、酸素センサ10では酸素濃度と出力電圧とが非常に良い相関性を示している。これにより、ディジタルマルチメータ20によって簡単に酸素濃度を計測できるようになった。このような特性により、酸素センサ10は、安価で簡単に組み立てることができ応答性か良い空気電池式酸素センサは、理科教育の分野で大きく活躍することが期待される。
Further, as shown in FIG. 10, the
酸素センサは、一般的に高価で理科教育で導入するには、難しいのが現状である。それは全国の公立学校の小学校・中学校の理科の実験費は、年間10万円程度しかなく、酸素濃度を定量的に実験を行うことは予算的な制約が大きく難しい状況である。そのため、これまで殆どか定性実験しかできなかった。しかしながら、この実施形態の酸素センサ10が広まると、理科実験に定量性を導入することができ、しかも扱い方が簡単で誰でも簡単に操作できるように工夫されたもので、しかも高性能(速い応答性で高い精度)なため、酸素に関わる自然現象など、微妙な酸素濃度変化を取ら得ることができ、従来の理科実験では行えなかった、経時変化を連続的に計測することもできるようになる。
Oxygen sensors are generally expensive and difficult to introduce in science education. This is because the science experiment costs of elementary and junior high schools in public schools nationwide are only about 100,000 yen per year, and it is difficult to conduct quantitative experiments on oxygen concentration because of budgetary constraints. For this reason, until now, almost only qualitative experiments were possible. However, when the
さらに、この実施形態の酸素センサ10では、図11に示すように、非常に低い酸素濃度での測定も可能となっている。図11では、図10の測定結果(約10%〜約60%)に加えて、酸素濃度約1%(1.026%)と、概ね0%(1.0×10-3%)のサンプルを追加した内容となっている。図11に示すように、この実施形態の酸素センサ10では、酸素濃度約1%(1.026%)や概ね0%(1.0×10-3%)という極低濃度の酸素濃度でもある程度の精度と応答速度で酸素濃度の測定を行うことができる。図11に示す実験結果では、酸素濃度約1%(1.026%)、概ね0%(1.0×10-3%)に対する出力電圧が、それぞれ、6.86mV、5.88mVとなった。ただし、図10の測定結果(約10%〜約60%)に、上述の低濃度の2つのサンプル(約1%、概ね0%)を追加すると、相関係数は0.9926と若干落ちることになる。
Furthermore, in the
しかしながら、通常市販の酸素センサでも、相関係数が下2桁の0.99程度で十分使用に耐える。すなわち、この実施形態の酸素センサ10は、約10%〜60%の酸素濃度だけでなく、条件付きながら酸素濃度約1%(1.026%)や概ね0%(1.0×10-3%)という極低濃度の酸素濃度でも使用することができる。
However, even a commercially available oxygen sensor usually withstands the use with a correlation coefficient of about 0.99, the last two digits. That is, the
既存で市販されているガルバニ型の酸素センサの測定範囲は「0.0〜25.0%の場合測定精度が±1.0%」や「0.5〜30.0%精度±1%」程度となっている。0〜100%計測できるガルバニ式酸素センサも存在するが、上述よりも悪い精度でしか測定できないのが現状である。また、従来のガルバニ型の酸素センサを用いた場合、表示される値は通常1%単位(小数点以下は切り捨て)となる。したがって、この実施形態の酸素センサ10を用いた酸素濃度測定装置1は、従来の空気電池だけでなく従来のガルバニ型の酸素センサを考慮しても非常に高精度かつ広レンジで使用できる酸素センサであるといえる。これにより、この実施形態の酸素センサ10を用いれば、例えば、酸素が大量に発生する実験や、真空に近い状態での実験を行う場合でも、従来より広いレンジで、高精度に測定することが可能となる。
The measurement range of existing commercially available galvanic oxygen sensors is “measurement accuracy is ± 1.0% when 0.0-25.0%” or “0.5-30.0% accuracy ± 1%” It is about. There are galvanic oxygen sensors that can measure from 0 to 100%, but the current situation is that they can be measured only with an accuracy worse than that described above. When a conventional galvanic oxygen sensor is used, the displayed value is usually in units of 1% (the fractional part is rounded down). Therefore, the oxygen
(B)他の実施形態
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するような変形実施形態も挙げることができる。
(B) Other Embodiments The present invention is not limited to the above-described embodiments, and may include modified embodiments as exemplified below.
(B−1)上記の実施形態では、空気電池Bとして空気孔が2つのPR44空気電池を適用する例について示したが、補聴器用の空気電池としては、同じPR44に準拠したものでも、空気孔が多い高出力用の電池(放電電流の大きい空気電池)も存在する。例えば、空気孔が2つのPR44空気電池向けに設計された酸素センサ10に、空気孔数が5以上のPR44空気電池(放電電流の大きい空気電池)を使用したとき、1気圧の大気中に設置しても、出力電圧を20.9mVに調整(校正)できない(可変抵抗14を0Ωとしても調整できない)。上記の実施形態の酸素センサ10では、抵抗12(R2=1Ω)と抵抗13(R3=1Ω)が並列に接続されていて、抵抗12、13で0.5Ωの抵抗を構成していた。そして、可変抵抗14の抵抗値を0Ωとした場合、第2の回路C2の抵抗値は全体として0.5Ωとなる。
(B-1) In the above-described embodiment, an example in which a PR44 air battery having two air holes is applied as the air battery B is shown. However, as an air battery for a hearing aid, a battery that conforms to the same PR44 may be used. There are also high output batteries (air batteries having a large discharge current) with a large amount of. For example, when a PR44 air battery (air battery with a large discharge current) with 5 or more air holes is used for the
空気孔数が2個のPR44の場合、酸素濃度20.9%での放電電流は約10〜15mAである。しかし、空気孔数が5を超えるPR44では、酸素濃度20.9%での放電電流が42mAを超える場合がある。この場合、第2の回路C2の負荷抵抗が0.5Ωであると出力が20.9mV以上になる。このような事態を避けるためには、可変抵抗14の値を0Ωにしたとき、第2の回路C2の負荷抵抗が0Ωになるようにすることが望ましい。そのためには、例えば、抵抗13を0Ωとすることが挙げられる。抵抗13を0Ωの固定抵抗器に置き換えることにより、上記の実施形態と同じ構成の回路基板16を用いて酸素センサ10を機能させることができる。このように、酸素センサ10では、適用する空気電池Bの出力が異なる場合でも、外部抵抗回路100を構成する各抵抗器のパラメータを変更することにより、1気圧の大気中に配置されたときに、20.9mVの出力が得られるように調整することができる。
In the case of PR44 having two air holes, the discharge current at an oxygen concentration of 20.9% is about 10 to 15 mA. However, with PR44 having more than 5 air holes, the discharge current at an oxygen concentration of 20.9% may exceed 42 mA. In this case, if the load resistance of the second circuit C2 is 0.5Ω, the output becomes 20.9 mV or more. In order to avoid such a situation, it is desirable that the load resistance of the second circuit C2 be 0Ω when the value of the
1…酸素濃度測定装置、20…ディジタルマルチメータ、B…空気電池、10…酸素センサ、11、12、13…抵抗、14…可変抵抗、15…電池ホルダ、16…回路基板、100…外部抵抗回路。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記空気亜鉛電池の外部抵抗として機能し、上記空気亜鉛電池を電源とする電圧を計測部へ出力するための出力回路とを備え、
上記出力回路には上記空気亜鉛電池に対する外部抵抗値を変化させるための可変抵抗器がふくまれており、
上記出力回路による外部抵抗値は、上記空気亜鉛電池を定電圧源として用いる場合の抵抗値より下の範囲で、かつ、酸素濃度と上記空気亜鉛電池の出力電圧値の相関係数が概ねリニアな関係となるまで下げられた範囲で変化可能であること
を特徴とする酸素センサ。 An oxygen battery housing part for housing a zinc-air battery;
Functions as an external resistance of the zinc-air battery, and an output circuit for outputting a voltage to power the zinc-air battery to the meter measuring unit,
The output circuit includes a variable resistor for changing the external resistance value for the zinc-air battery ,
The external resistance value by the output circuit is in a range lower than the resistance value when the air zinc battery is used as a constant voltage source, and the correlation coefficient between the oxygen concentration and the output voltage value of the air zinc battery is approximately linear. An oxygen sensor characterized by being able to change within a lowered range until it becomes a relationship .
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