JP6619250B2 - センサユニット - Google Patents

Description

本発明は、固体電解質をセンサ素子としてガス濃度を測定するセンサを備えるセンサユニットに関するものである。

固体電解質をセンサ素子として、気相や液相中の水素ガス、酸素ガス、炭酸ガスなどのガス濃度を測定する固体電解質センサが種々提案されており、本出願人も過去に複数の提案を行っている（例えば、特許文献１〜３参照）。固体電解質センサは、同一イオンの濃度差により電位差が生じる濃淡電池の原理を使用したものであり、固体電解質を挟んだ二つの相間で測定対象のガス濃度が異なる場合に、固体電解質に生じる起電力を測定する。一方の相におけるガス濃度が既知であれば、ネルンストの式により、測定された起電力と測定環境の温度から、他方の相におけるガス濃度を知ることができる。

従って、ガス濃度を測定するためには、電極が取り付けられたセンサ素子が保持されたセンサ本体に加え、起電力を測定するための電位計、温度を検出する装置、起電力と温度とからガス濃度を算出する演算装置などの種々の装置や、ガス濃度が既知である基準ガスを供給するボンベが必要である。従来、ガス濃度を測定する際には、これらの種々の機材を集めて揃えてから、測定の現場に出かけていた。また、測定の現場では、これらの種々の機材をカートやワゴンなどに積み込んで運搬していた。そのため、測定に出かける準備に手間や時間がかかると共に、必要な機材一式の運搬が不便であった。

特開平１０−３１８９７４号公報 特開２０１１−１７４８３２号公報 特開平８−２２００６３号公報

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、固体電解質をセンサ素子としてガス濃度を測定するセンサを備えるセンサユニットであって、測定に必要な機材の準備に手間や時間を要することなく、機材一式を運搬し易いセンサユニットの提供を、課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明にかかるセンサユニットは、
「固体電解質のセンサ素子、該センサ素子に生じた起電力を測定するための基準電極及び測定電極、被測定相の温度を検知する温度検知体、基準ガスを導入するためのガス導入管、並びに、前記基準電極、前記測定電極、及び前記温度検知体がそれぞれ接続されているセンサ側コネクタを備えているセンサ本体と、
前記基準電極と前記測定電極との間の起電力、及び前記被測定相の温度に基づいてガス濃度を演算する演算部を備えている制御装置と、
前記基準ガスを前記センサ素子に圧送する基準ガス圧送器と、
前記制御装置と前記基準ガス圧送器とを内部に収容していると共に、前記センサ本体を着脱可能に内部に保持しており、前記制御装置に接続されているケーシング側コネクタ、及び外部電源の供給を受ける電源コネクタを備えているケーシングと、を具備し、
前記センサ本体が前記ケーシングから取り出された状態で、前記センサ側コネクタは前記ケーシング側コネクタと接続可能であり、
前記基準ガス圧送器は、前記基準ガスを流出させる供給口を前記ケーシングから外部に露出させている」ものである。

「被測定相の温度を検知する温度検知体」としては、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体を例示することができる。「基準ガス圧送器」は、被測定ガスの濃度が既知である混合ガスが圧入されたガスボンベとすることができ、基準ガスとして大気を使用する場合は、大気を圧送するポンプを基準ガス圧送器とすることができる。

本構成では、被測定相のガス濃度の測定に必要な構成の一式が、ケーシングに収容されている。従って、測定の際には、必要な機材の準備に手間や時間を要することがない。また、ケーシングを運搬すれば、被測定相のガス濃度の測定に必要な構成の一式を、一度にまとめて運搬できるため、個々の機材を別個に運搬する場合に比べて運搬が極めて容易である。そして、測定の現場では、センサ本体をケーシングから取り出してセンサ側コネクタをケーシング側コネクタに接続し、基準ガス圧送器の供給口とセンサ本体のガス導入管とをチューブ等で接続し、電源コネクタに外部電源を接続するのみの簡易な作業で、測定を開始することができる。

本発明にかかるセンサユニットは、上記構成に加え、
「前記センサ本体は、前記センサ素子の温度を検知する熱電対、及び前記センサ素子を加熱するヒータを更に備えていると共に、前記熱電対及び前記ヒータは前記センサ側コネクタに接続されており、
前記制御装置は、前記センサ素子の温度と設定温度に基づいて前記ヒータへの出力を制御する温度制御部を更に備えている」ものとすることができる。

被測定相のガス濃度は、被測定相の温度と、センサ素子において基準電極及び測定電極間に生じる起電力に基づいて算出される。そのため、被測定相の温度とセンサ素子の温度が大きく相違している場合は、ガス濃度の正確な測定ができない。本構成では、センサ本体がヒータを備えており、センサ素子の温度と設定温度に基づいてヒータへの出力が制御される。従って、誤差を低減し、より正確に被測定相のガス濃度を測定することができる。なお、温度制御部は、センサ素子の温度と被測定相の温度に基づき、設定温度を変動させてヒータへの出力を制御する構成とすることができる。

本発明にかかるセンサユニットは、上記構成に加え、
「前記ケーシングは、前記起電力、前記被測定相の温度、及び前記ガス濃度の少なくとも一つを外方に向けて表示する表示器を備えている」ものとすることができる。

本構成では、被測定相の温度など、目的とするガス濃度を求めるために使用されるデータや、測定の結果として得られたガス濃度などが表示される表示器を、ケーシングに備えている。これにより、適正な測定が行われているか否かを確認しながら、測定を進めることができる。また、複数の表示器を備える場合であっても、何れも同一のケーシングに配置されているため、個々の機材のモニタをそれぞれ確認する場合に比べて、一見して複数のデータを確認しやすい利点を有している。

以上のように、本発明の効果として、固体電解質をセンサ素子としてガス濃度を測定するセンサを備えるセンサユニットであって、測定に必要な機材の準備に手間や時間を要することなく、機材一式を運搬し易いセンサユニットを、提供することができる。

本発明の一実施形態のセンサユニットの（ａ）平面視断面図、（ｂ）正面視断面図（Ａ−Ａ線断面図）、及び（ｃ）側面視断面図（Ｂ−Ｂ線断面図）である。 図１のセンサユニットの（ａ）平面図、及び（ｂ）正面図である。 図１のセンサユニットにおけるセンサ本体の縦断面図である。 図１のセンサユニットの機能的構成を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態であるいるセンサユニット１について、図１乃至図４を用いて説明する。ここでは、気相中のガス濃度を測定するセンサを備えるセンサユニットに、本発明を適用した場合を例示する。

センサユニット１は、センサ本体１０と、制御装置５０と、基準ガス圧送器としてのガスボンベ４０と、これらを収容するケーシング３０とを具備している。

センサ本体１０は、固体電解質のセンサ素子１１と、センサ素子１１に生じた起電力を測定するための基準電極１２及び測定電極１３と、被測定相の温度を検知する温度検知体としての熱電対１４と、センサ素子１１の温度を検知する熱電対１５と、センサ素子１１を加熱するヒータ１６と、基準ガスを導入するためのガス導入管１７とを備えている。そして、基準電極１２に接続されているリード線２２、測定電極１３に接続されているリード線２３、被測定相の温度を検知する熱電対１４、センサ素子１１の温度を検知する熱電対１５、及び、ヒータ１６に電力を供給するリード線２４は、それぞれ電気絶縁性の被覆を施された上で一つの樹脂製チューブ２８に挿通され、それぞれの先端がセンサ側コネクタ１８の端子に接続されている。

図３では、センサ素子１１が有底筒状で、底部の内周面に基準電極１２が取り付けられていると共に、底部の外周面に測定電極１３が取り付けられており、センサ素子１１が管状の保護ホルダ１９に支持されている場合を例示している。また、センサ素子１１の温度を検知する熱電対１５と、基準電極１２に接続されているリード線２２は、電気絶縁性のロッド２９を貫通する孔部に挿通されている。なお、ここでは、棒状のヒータ１６を図示により例示しているが、ヒータ１６の形状はこれに限定されず、例えば筒状とすることができる。

ケーシング３０は、前方に開放する函状のケーシング本体３１と、ケーシング本体３１にヒンジ３３で組み付けられてケーシング本体３１の開口を開閉するケーシング蓋体３２とからなる。なお、単なる例示ではあるが、本実施形態のケーシング３０は外形が幅（３５〜４５ｃｍ）×高さ（２５〜３５ｃｍ）×奥行（２０〜３０ｃｍ）の直方体であり、ポータブルな大きさである。そして、ケーシング本体３１には、ハンドル３５が取り付けられており、これを把持してセンサユニット１を運搬することができる。

ケーシング本体３１の内部には、ガスボンベ４０が着脱可能に固定されている。ガスボンベ４０から基準ガスを流出させる供給口４１と、供給口４１を開閉するバルブ４２は、ケーシング本体３１に貫設された孔部を介してケーシング３０から外部に露出している。なお、本実施形態のガスボンベ４０の容積は０．４５Ｌであり、圧力７ＭＰａで基準ガスを圧入すると約３２Ｌのガスを収容可能である。例えば、毎分２０ｍＬでガスを流出させた場合、約２６時間連続して使用することができるため、小型ではあるが通常のガス濃度の測定には十分である。ガスが消費された後のガスボンベ４０は、ケーシング本体３１から取り外して、新しいガスボンベと交換する。

また、ケーシング本体３１の内部には、制御装置５０が収容されている。制御装置５０は、ハード構成として、中央処理装置及び記憶装置を有するコントローラ５１と温度調節器５２を主な構成としている。また、制御装置５０は、機能的構成として、熱電対１４，１５の起電力をそれぞれ被測定相の温度及びセンサ素子１１の温度に変換する温度変換手段６１，６２と、基準電極１２及び測定電極１３間に生じた起電力、被測定相の温度、及び基準ガスにおける被測定ガスの濃度から、ネルンストの式を用いて被測定相におけるガス濃度（ガス分圧）を算出するガス濃度演算手段６３と、算出されたガス濃度を起電力及び被測定相の温度と共に記憶装置に記憶させる記憶手段６４と、被測定相の温度及びセンサ素子１１の温度に基づいて、センサ素子１１の温度の目標値である設定温度を決定し、温度調節器５２の設定温度を変更する温度設定手段６５とを、主に備えている。

温度調節器５２は、設定温度とセンサ素子１１の温度とを対比し、ヒータ１６に通電する電流を調整する。ここで、コントローラ５１の温度変換手段６１，６２及びガス濃度演算手段６３が、本発明の「演算部」に相当し、コントローラ５１の温度設定手段６５と温度調節器５２が、本発明の「温度調節部」に相当する。

そして、ケーシング蓋体３２には、制御装置５０と接続されている表示器７１，７２が取り付けられている。表示器７１は、ボタン操作による切り替えにより、記憶装置に記憶されたデータベースを参照し、ガス濃度、被測定相の温度、基準電極１２と測定電極１３との間に生じた起電力を表示する。一方、表示器７２は、温度調節器５２のモニタであり、ボタン操作による切り替えにより、その時点での設定温度、センサ素子１１の温度を表示する。

更に、ケーシング本体３１には、外部電源から電力を供給する電源ケーブル９９を接続するための電源コネクタ８１が取り付けられている。電源コネクタ８１には、コントローラ５１や温度調節器５２に電力を供給するためのケーブル（図示を省略）が、ケーシング本体３１の内部において接続されている。

また、ケーシング本体３１には、センサ側コネクタ１８を接続するための、ケーシング側コネクタ８２が取り付けられている。ケーシング側コネクタ８２には、センサ本体１０からの出力を、制御装置５０に入力するためのケーブルが接続されている。そして、ケーシング側コネクタ８２と制御装置５０とを接続するケーブル、制御装置５０と表示器７１，７２とを接続するケーブル、制御装置５０と電源コネクタ８１とを接続するケーブルは、ケーシング本体３１に設けられた配電盤８３を介して、適宜束ねられた上でケーシング本体３１の内部空間内にすっきりと配設されている。

更に、ケーシング本体３１の内部には、平板状の固定板８４が立設されており、ここにセンサ本体１０が着脱可能に支持されている。

センサユニット１を運搬する際は、センサ本体１０が固定板８４に支持されており、且つ、電源コネクタ８１に電源ケーブル９９が接続されていない状態で、ケーシング３０ごとセンサユニット１を運搬する。これにより、ガス濃度の測定に必要な機材の一式を、一度にまとめて運搬することができる。特に、本実施形態のセンサユニット１は、ケーシング３０の外形が小さく、人ひとりで運搬することができる。

ガス濃度を測定する際は、センサ本体１０を固定板８４から外し、ケーシング３０から取り出す。そして、センサ本体１０のセンサ側コネクタ１８を、ケーシング３０の外部からケーシング側コネクタ８２に接続する。また、商用電源やバッテリ電源など外部電源の電源ケーブル９９を、ケーシング３０の外部から電源コネクタ８１に接続する。そして、ガスボンベ４０の供給口４１と、センサ本体１０のガス導入管１７とを、適当な長さのチューブで接続する。以上の僅かな作業により、測定の準備が完了する。

以上のように、本実施形態のセンサユニット１によれば、ガス濃度の測定に必要な機材の一式が、ケーシング３０に収容されているため、測定を開始するに当たり必要な機材の準備に手間や時間を要することがない。また、小型のケーシング３０に必要な構成の一式が収容されているため、運搬が極めて容易である。

また、センサ本体１０がヒータ１６を備えており、センサ素子１１の温度と被測定相の温度に基づいて、設定温度を変動させてヒータ１６への出力が制御される。従って、被測定相の温度とセンサ素子１１の温度とをほぼ一致させて、被測定相のガス濃度を正確に測定することができる。

加えて、ケーシング蓋体３２に外方に向けて表示器７１，７２が設けられており、切り替えにより、測定されたガス濃度、被測定相の温度、センサ素子１１の温度、センサ素子１１の設定温度、基準電極１２及び測定電極１３間に生じた起電力が表示される。これにより、ガス濃度の測定が適正に行われているか否かを確認しながら、測定を進めることができる。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、上記の実施形態では、気相におけるガス濃度を測定するセンサを備えるセンサユニット１に、本発明を適用した場合を例示したが、これに限定されず、液相におけるガス濃度を測定するセンサを備えるセンサユニットに、本発明を適用することができる。例えば、液相が溶融金属である場合、センサ素子１１の一端側に設けられた測定電極１３に代替して、センサ素子には接しておらず溶融金属に浸漬されるタイプの測定電極とすることができる。

また、上記の実施形態では、基準ガス圧送器としてガスボンベ４０を使用する場合を例示したが、基準ガスが大気である場合は、大気を圧送するポンプを基準ガス圧送器として使用することができる。

１ センサユニット
１０ センサ本体
１１ センサ素子
１２ 基準電極
１３ 測定電極
１４ 熱電対（被測定相の温度を検知する温度検知体）
１５ 熱電対（センサ素子の温度を検知する温度検知体）
１６ ヒータ
１７ ガス導入管
１８ センサ側コネクタ
３０ ケーシング
４０ ガスボンベ（基準ガス圧送器）
４１ 供給口
５０ 制御装置
５２ 温度調節器（温度制御部）
６５ 温度設定手段（温度制御部）
６１，６２ 温度変換手段（演算部）
６３ ガス濃度演算手段（演算部）
７１，７２ 表示器
８１ 電源コネクタ
８２ ケーシング側コネクタ

Claims (3)

1. 固体電解質のセンサ素子、該センサ素子に生じた起電力を測定するための基準電極及び測定電極、被測定相の温度を検知する温度検知体、基準ガスを導入するためのガス導入管、並びに、前記基準電極、前記測定電極、及び前記温度検知体がそれぞれ接続されているセンサ側コネクタを備えているセンサ本体と、
   前記基準電極と前記測定電極との間の起電力、及び前記被測定相の温度に基づいてガス濃度を演算する演算部を備えている制御装置と、
   前記基準ガスを前記センサ素子に圧送する基準ガス圧送器と、
   前記制御装置と前記基準ガス圧送器とを内部に収容していると共に、前記センサ本体を着脱可能に内部に保持しており、前記制御装置に接続されているケーシング側コネクタ、及び外部電源の供給を受ける電源コネクタを備えているケーシングと、を具備し、
   前記センサ本体が前記ケーシングから取り出された状態で、前記センサ側コネクタは前記ケーシング側コネクタと接続可能であり、
   前記基準ガス圧送器は、前記基準ガスを流出させる供給口を前記ケーシングから外部に露出させている
   ことを特徴とするセンサユニット。
2. 前記センサ本体は、前記センサ素子の温度を検知する熱電対、及び前記センサ素子を加熱するヒータを更に備えていると共に、前記熱電対及び前記ヒータは前記センサ側コネクタに接続されており、
   前記制御装置は、前記センサ素子の温度と設定温度に基づいて前記ヒータへの出力を制御する温度制御部を更に備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサユニット。
3. 前記ケーシングは、前記起電力、前記被測定相の温度、及び前記ガス濃度の少なくとも一つを外方に向けて表示する表示器を備えている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサユニット。

Images