JPH01262460A - 酸素センサの劣化自己診断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、酸素センサの使用中における劣化を診断する
劣化診断方法に関するものである。

（従来の技術） 気体中の酸素濃度を測定する酸素センサ（以下単にセン
サと呼ぶ）として固体電解質を用いた限界電流式センサ
が知られており、そのセンサの例を第４図に縦断面図で
示す。同図において、安定化ジルコニアなどの固体電解
質からなる酸素イオン伝導性を有するイオン伝導板４１
の両面に白金等からなる多孔質電極アノード４２及びカ
ソード４３を設け、気体拡散制御体４４として微小な気
体拡散孔４５を穿設したセラミックスなどからなるキャ
ンプ４６が冠着されイオン伝導板４１に一体に封着され
ており、キャップ４６の上面にはヒータ４７が設けられ
ている。

上記のセンサにおいて、ヒータ４７により高温に加熱さ
れた状態で両電極間に電圧を印加すると被測定気体中の
酸素はカソード４３で酸素イオンとなり、この酸素イオ
ンはイオン伝導板４１を透過してアノード４２に移送さ
れ、いわゆるボンピング作用によって酸素イオンをキャ
リヤとする電流が流れる。この電流は印加電圧の、ある
領域において気体拡散孔４５によって酸素流入の拡散律
速か起こり、第５図に示す如き電流特性を示し、その平
坦部の電流値がいわゆる限界電流値である。電流特性は
雰囲気気体中の酸素濃度によって異なり、その限界電流
値は酸素濃度に依存することから限界電流値を測定する
ことによって酸素濃度を知ることができる。

ところが、イオン伝導板４１を構成する固体電解質結晶
体の経年変化、白金などの電極の酸素イオン化能力の低
下などによりセンサの検知能力が劣化してくる。第５図
において、０曲線はある酸素濃度における正常なセンサ
の電流特性、０曲線は同一濃度における劣化したセンサ
の電流特性を模式的に示したものであり、図に示すとお
り、限界電流値１１を生ずる電圧の領域が、劣化したセ
ンサでは正常なセンサに比較して狭くなることが知られ
ている。従って、センサの劣化の診断方法としては、規
定酸素濃度下（例えば大気中）において正常なセンサの
限界電流値を生ずる電圧の領域内の少なくとも２か所の
電圧、例えば図においてｖｌとＶ、とを被診断センサに
印加したときの電流値■、及びＩ、を測定し、Ｉｂ＜Ｉ
□であればこのセンサは劣化していると判断する方法が
ある。しかし、センサが劣化しているとしても上記ｖａ
とＶ、の選び方が適当でなく、ｖ、とｖｃであったとす
れば電流値に差がなく劣化を認めることができない。こ
のように誤りのないように適切な電圧を確実に選ぶこと
はかなり難しいという難点がある。

このような難点を解決した方法として電流の立ち上がり
部に対応する電圧、例えば、図においてνｄを印加し、
このときの正常なセンサおよび被診断センサの出力電流
値がそれぞれＩ、及び■２であり１！＜Ｉ＋であれば、
被診断センサは劣化していると判断して、劣化を診断す
る方法が先行技術として特願昭６０−８２１４８号に示
されている。

（発明が解決しようとする課題） 例えば、病院のＣＣＵ内の酸素濃度を管理するとか、地
下洞道内の酸素濃度を常時監視するような場合には、セ
ンサを設置して常時作動状態にしておき酸素濃度を測定
している。従って、該センサには限界電流値を生ずる電
圧、例えば常時１．６シの電圧が印加されているが、前
記の如くセンサの出力電流の立ち上がり部においてセン
サの劣化を診断するために、この部分に対応する電圧を
、例えば０．５Ｖに変化させるとすると、センサの特性
上、ポンプ能力が大幅に変化し、センサの出力が安定す
るのに時間がかかる。これは印加電圧を急に変化させる
と出力にオーバシュート、アンダシュート、リンキング
などの現象が発生し、安定した所期の出力値になるのに
時間がかかるのであり、例えば０．１ｖの変化で約２０
分もかかる。このような現象は劣化診断を終了して酸素
濃度の測定状態に戻すときも同様である。従って、セン
サの劣化診断のために濃度測定の中断時間が長くなり好
ましくない。また、従来方法では被診断センサのほかに
比較のために正常なセンサが必要であった。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記の如き課題を解決するためになされたもの
で、被診断センサに、印加電圧を、出力電流の平坦部内
の上限値と、正常の非劣化時における出力電流特性の立
ち上がり部から平坦部に移行する変移点近傍の平坦部に
対応する下限値との間に、前記の如きオーバシュート、
アンダシュートなどが発生せず実用上無視できるぐらい
の誤差しか与えないような徐々に変化させて、下限値に
対応する出力電流を、実際には電圧値に変換させておき
、この電圧を比較して劣化の診断を行う方法を提供する
ものである。なお、この劣化診断は定期的に行ってもよ
いが、印加電圧を常時上限値と下限値との間で変化を繰
り返すように設定しておけば、常時濃度の測定とともに
常時劣化の程度を監視することができる。また、予め劣
化の許容レベルを設定しておき、劣化がこの許容レベル
に達したとき自動的に警告を発するようにすることがで
きる。

（作用） 上記の如くセンサへの印加電圧を上限値と下限値との間
に徐々に変化させることにより、オーバシュート、アン
ダシュート等の不安定な現象を生じないため、返って所
期の安定した印加電圧に達するのに短時間ですむので劣
化診断による濃度測定の中断時間が極めて短くなる。上
限値の電圧における出力電流は下限値の電圧における正
常時の出力電流と同じであるから、この被診断センサに
おいて上限値の電圧における出力電流に対して下限値の
電圧における出力電流の低下の程度を知ることによって
も、劣化の診断ができることになる。

従って、比較のために正常なセンサを用意する必要がな
く被診断センサのみにて自身の劣化を診断することがで
きる。また、前記の如く印加電圧を上限値と下限値との
間に常時繰り返し変化させることにより、酸素濃度を常
時測定するだけではなく、下限値に達したときは劣化の
程度を測定することもできるので、常に濃度の測定と劣
化の程度の測定ができることになる。

センサの劣化は言うまでもなく極めて徐々に進行するの
で、下限値電圧に対応する出力電流の変化は掻めて徐々
であるが、若し酸素濃度の変化あるいは酸欠が生じた場
合は急激な出力電流の変化を生ずると同時に上限値の電
圧に対応する電流値にも変化が現れる。従って、最新の
過去のせいぜい数回の測定した出力電流値及び上限値の
電圧に対応する出力電流値を記憶させておき、この電流
に対応する変化を監視することにより出力電流の変化が
劣化に起因するものか、酸素濃度の変化によるものかど
うかを判断することができる。

（実施例） 第１図（イ）は、ある酸素濃度下におけるセンサの出力
電流特性を示すもので、０曲線は正常時の特性、■は劣
化時の特性を模式的に示したものである。Ｖ、は正常時
センサの出力電流の上部変移点Ｂの近傍の平坦部に対応
して酸素濃度の測定のために設定した電圧であり、ｖ４
は下部変移点への近傍の平坦部に対応して劣化を診断す
るために設定した電圧である。正常時センサ、即ち、０
曲線において、■、における電流もｖ４における電流も
Ｉ３であり、劣化時、即ち、０曲線においてはＶ４にお
ける電流は■４である。従って、ｖ４における正常時の
電流Ｉ：ｌと劣化時の電流Ｉ４とを比較し、１４＜Ｉｔ
であれば、該センサは劣化していることになる。そこで
、この劣化検知の具体的方法を説明してゆくとつぎの２
通りに分けられる。

（ｔ）　Ｖ）における出力電流と、ν４における出力電
流を比較し、ν４における出力電流値の低下が劣化によ
るものか、酸素濃度の低下によるものであるかどうかを
判定する方法。

（２）ν４における出力電流値を記憶しておき、その記
憶した値からの出力電流値の減少程度に応じて酸素濃度
の低下か、劣化の進行かを判断する。

つまり、酸素センサの劣化進行は、極めて僅かであるの
で、前回の測定電流値（あるいは、これらを平均した値
）からの低下の程度を予測計算することができるから、
その値よりも電流値が低ければ酸素濃度が低下したと判
断することができる。

この場合でも、酸素濃度の測定を行ないながら、特にＤ
点において劣化の程度を測定していることになる。

なお、上記方法を仕様に合わせて適宜選択する手段を講
じてもよい。

このような方法によれば、正常時のセンサがなくとも被
診断センサのみの特性を知ることによってそれ自身の劣
化の程度を知ることができる。第１図（ロ）に示す如＜
Ｖ３とｖ４との間に印加電圧を常時繰り返し変化させて
おけば、濃度の測定を行ないながら、特にＤ点において
は劣化の程度を測定していることになる。

第２図は上記の方法を実施するための劣化診断のフロー
チャートである。まず、上記第１の方法にもとづいて説
明する。２１は酸素濃度測定状態であり、印加電圧Ｖ、
は第１図仲）において０点、即ち、Ｖ３となっており、
これを徐々に変化させて２２において第１図（ロ）にお
けるＤ点、即ち、Ｖ、＝Ｖ、となったら、このときの出
力電流Ｉ４を２３の出力ラッチに記憶させ、２４におい
てこの電流■４が第１図におけるＩ、以下かどうかの判
断をし、２５において１１−Ｔ。

が過去のデータと比較して劣化によるものか酸欠による
ものかを判断し、劣化によるものであれば、２６の劣化
情報として出力される９次に第２の方法にもとづいて説
明すれば、印加電圧Ｖ、を徐々に変化させ、ｖ４におけ
る出力電流値をラッチする点では同じであるが、劣化と
酸素濃度低下の判断が、上記ｖ４における出力電流値を
もとにするのであるから、この値（あるいは平均値）か
ら出力電流値を計算された劣化の進行による電流値の低
下分の値を差し引くことが必要となる。

第３図は上記の如き劣化診断を行うための装置の実施例
のブロック図を示すものである。同図において、３１は
被診断センサである。センサの出力電流特性はセンサの
温度によって異なるので、３２はセンサ温度を一定に保
つためのヒータ制御部である。３３は前記の如く印加電
圧をＶｊ；＝Ｖイに徐々に変化させるためのタイマーで
、３４により電圧を印加する。３５は出力電流を電圧に
変換するためのＩ／Ｖ変換部であり、３６は第１図（ロ
）の６点における出力電流を電圧に変換して得られた酸
素濃度を表示するモニタであり、３７は酸欠（例えば濃
度が１８％以下）になったときに発する警報装置である
。３８はＶ、およびν４の値を一時記憶させる検知電圧
ラッチであり、３９においてシイにおける過去のデータ
の平均処理を行い、４０においてｖ４の低下を判断し、
予め設定した許容劣化レベルに達したら警告を発するよ
うな構成になっている。

（発明の効果） 本発明の酸素センサの劣化自己診断方法によれば、劣化
診断が短時間でなされるとともに、常時酸素濃度の測定
と劣化程度の状況を知ることができ、劣化が進行し許容
劣化レヘルに達したら自動的に警告を発することができ
るので、酸素濃度の測定値の信頼度が極めて高くなる。

また、劣化診断において比較のために正常なセンサを用
意する必要もない。なお、劣化診断は必要により常時行
うことも定期的に行うことも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）は本発明による酸素センサの劣化の診断方
法を原理的に説明するための出力電流特性図、（ψはセ
ンサへの印加電圧の変化状況を説明するための図、第２
図は本発明の劣化診断方法のフローチャート、第３図は
本発明の劣化診断のための装置の実施例のブロック図、
第４図は酸素センサの断面図、第５図は酸素センサの一
般的な出力電流特性を示す図である。 ４１：イオン伝導板、４２，４３　：多孔質電極、４Ａ
：気体拡散制御体、シュ：印加電圧の上限値、ｖ、：印
加電圧の下限値。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）固体電解質からなるイオン伝導板の両面に多孔質
   電極を設け、かつ、その一方の面に気体拡散制御体を有
   する限界電流式酸素センサにおいて、被診断酸素センサ
   に、印加電圧を、出力電流特性の平坦部内の上限値と、
   正常な非劣化時における出力電流特性の立ち上がり部か
   ら平坦部に移行する変移点近傍の平坦部電流に対応する
   下限値との間に、自動的に繰り返し徐々に変化させて印
   加電圧の下限値における出力電流の低下の程度によって
   劣化の状況を診断することを特徴とする酸素センサの劣
   化自己診断方法。