JPH02147854A - 酸素センサを用いた湿度測定方法および湿度測定装置 - 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、固体電解質の表面に一対の電極を設け、陰極
への気体拡散制限によって被測定気体中の酸素濃度を測
定するための酸素濃度検出用センサ（以下「酸素センサ
」とする）を利用して、被測定気体中の湿度（水分濃度
）を測定する湿度測定方法および湿度測定装置に関する
。

［従来の技術］ 酸素センサを利用して気体中の酸素濃度を測定する湿度
測定方法としては、特開昭６０−２２２７６１号公報に
紹介された発明のように、被測定気体中の酸素分圧を、
酸素拡散制限による平坦部の限界電流値として除湿前と
除湿後にそれぞれ測定して、各限界電流値に基づいて湿
度を求める方法、特開昭６２−１５０１５１号公報に紹
介された発明のように、拡散制限による限界電流値が、
被測定気体中の酸素濃度および水分濃度に応じて二段階
の平坦部で求められることを利用して、その差に基づい
て測定する方法、特開昭（＋２−１５０１５２号公報に
紹介された発明のように、被測定気体の酸＄濃度あるい
は水分濃度による２つの平坦部の限界電流値の少なくと
も一方と、除湿後の乾燥さぜな被測定気体における限界
電流値との差に基づいて測定する方法等が知られている
。

［発明が解決しようとする課題］ 以上の各測定方法による湿度測定方法では、被測定気体
を除湿、乾燥させるための乾燥装置が必要であるととも
に、除湿前の被測定気体と、除湿後の被測定気体のそれ
ぞれについて限界電流値を測定する必要があるため、大
規模な測定系が必要であるとともに、応答性が悪いとい
う問題がある。

本願発明者等は、上記事項に鑑み、被測定気体中の水分
濃度の簡便な湿度測定方法について研究および試験を重
ねた結果、酸素濃度に応じて現れる第１の平坦部Ｆ１に
おける限界電流値ＩＬＩは、単に酸素濃度のみによって
決定されるばかりではなく、同時に被測定気体中に含ま
れる水分濃度に応じて酸素分圧が変化することから、水
分濃度の影響を受けることを見出だした。

すなわち、被測定気体中の各水分濃度における酸素濃度
に応じた第１の平坦部Ｆ１における限界電流値ＩＬＩは
、第５図に示すとおり、各水分濃度毎に異なり、水分濃
度が高くなるほど限界電流値ＩＬＩは低下することを見
出だした。

また水分の分解による第２の平坦部Ｆ２における限界電
流値ＩＬ２は、上記各発明で示されたとおり、水分濃度
が高くなるほど士、昇する。

さらに本願発明者等は、各電極間に印加する電圧を士、
昇さぜた場合、第１のＹ爪部Ｆ１から第２の平坦部Ｆ２
へ変化する限界電流値が、被測定気体中の酸素濃度が一
定であれば、ある一定の電圧値■工においては水分濃度
に関係なく一定の電流値工、を示し、二次微分値の符号
が変わる変曲点Ｐとなることを見出だした。

同時にまた、この変曲点Ｐの電流値■１は、水分を含ま
ない場合（湿度０％）の第１の平坦部Ｆ１（第２の平坦
部Ｆ２と同じ）の限界電流値であり、これは被測定気体
の温度に関係なく酸素センサ毎に一定であることも見出
だした。

本発明は、以上の研究の結果得られた非常に優れた湿度
測定方法および湿度測定装置を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の第１の発明は、多孔質体からなる一対の電極が
、酸素イオン導電性を有する固体電解質の表面に密着し
て設けられるとともに、気体拡散制御手段によって前記
電極への気体拡散が制限される酸素センサの前記電極間
に電圧を印加して、前記気体拡散制御手段によって制限
される前記電極間の限界電流値に基づいて被測定気体中
の湿度を測定する湿度測定方法において、前記被測定気
体中の酸素濃度に応じて制限される第１の限界電流値と
前記被測定気体中の湿度に応じて制限される第２の限界
電流値との変曲点の電流値と、前記第１の限界電流値と
前記第２の限界電流値の少なくとも一方とに基づいて湿
度を求めることを特徴とする。

本発明の第２の発明は、上記第１の発明の方法を実施す
るための装置であって、前記酸素センサの電極間に電圧
を印加し°ζ、前記被測定気体中の酸素濃度に応じて制
限される第１の限界電流値と前記被測定気体中の湿度に
応じて制限される第２の限界電流値との変曲点の電流値
と、前記第１の限界電流値と前記第２の限界電流値の少
なくとも一方とに基づいて湿度を求めることを特徴とす
る。

［作用］ 本発明は、使用する酸素センサについて、陰電極への拡
散制限を行って電極間に電圧を印加した場合に、電極間
に流れる電流値が、酸素濃度に応じて現れる第１の甲・
黒部では水分濃度が高くなるほど減少し、水分濃度に応
じて現れる第２の平坦部の電流値が水分濃度が高くなる
ほど増大することと、第１の平坦部と第２の平坦部との
変曲点の電流値が、同一の酸素濃度においては水分濃度
の関係なく常に一定であり、このときの電流値は乾燥さ
ぜな場合の電流値に相当することに基づいて、水分濃度
が求められることを利用したものである。

以下、その手順を説明すると、使用する酸素センサにつ
い゛（ｙ”ｆ−め変曲点の電圧値を調べておき、その調
べられた変曲点の電圧１直を始めに印加して、そのとき
の電流値を求める。これによって、被測定気体の乾燥時
に相当する限界電流値を求めることができる。

次に同一の酸素センサを利用して、続けて第１の平坦部
あるいは第２の甲坦部となる電圧値を印加してその電流
値を求める。第１の平坦部および第２のＹ黒部における
各電流値は、被測定気体の水分濃度に応じて変化するこ
とから、前述の乾燥時に相当する電流値との比較によっ
て被測定気体中の水分濃度を求めることができる。

［発明の効果］ 本発明では、使用する酸素センサについて、あらかじめ
変曲点の電圧値を求めることによって、被測定気体の乾
燥状態に相当する電流値を簡単に調べることができる。

従って、被測定気体を乾燥させる必要がなく、また同一
の酸素センサを利用してその印加電圧を変えるだけで湿
度を測定することができるため、湿度測定装置等の測定
系が簡略（ヒされる。

また、酸素濃度が一定の場合には、−旦変曲点の電流値
を求めておけば、以後は、第１の平坦部あるいは第２の
平坦部の電圧を印加するだけで、そのときどきの水分濃
度を測定することができる。

従っ゛Ｃ応答性のよい測定を行うことができる。

さらに、被測定気体中の酸素濃度が変化する場合には、
変曲点の電圧と、各平坦部の電圧を交互に印加すること
により求めることができる。

［実施例１ 次に本発明の湿度測定方法を実施例に基づいて説明する
。

第２図は本発明を実施する際に用いられる酸素センサ１
を示す。

酸素センサ１は、センサ素−１’ｌＯとヒラミックヒー
タ２０とからなる。

センサ索子１０は、酸素イオン導電板１１、陽電極１２
、陰電極１３、アルミナ多孔質層１４、グレーズ層１５
からなる。

酸素イオン導電板１１は、酸化ジルコニウムに安定化剤
として酸化イツトリウムを添加固溶させた固体電解質と
しての安定化ジルコニア製の板である。本実施例では、
酸素イオン導電板１１は、５Ｘ７ｍｍ四方で）′７み０
．３ｍｍのものを使用している。

酸素イオン導電板１１の一方の面には、陽電極１２およ
び陰′屯極１３が間隔をおいて形成される。

各電極１２．１３は、酸素イオン導電板１１上に白金ペ
ーストを印刷し、酸素イオン導電板１１と同時に１５０
０°Ｃで焼成された多孔質をなす白金′、Ｅ極で、陽電
極１．２および陰＋Ｃ極１３は、それぞれ電極部１２ａ
、１３ａと通電用の接続部１２１１）、１３ｂとからな
る。

陰電極１３側の酸素イオン導電板１１上には、アルミナ
粉にガラス３混ぜたペーストを塗布したアルミナ多孔質
層１４が陰電極１３の電極部１３ａと接続部１．３ｂの
一部のみを覆うようにして設けられ、さらにアルミナ多
孔質ＪＶＪ１４は、陰電極１３の電極部Ｌ３ａへ被測定
気体が触れないようにするためにガラスを塗布したグレ
ーズ層１５によって゛電極部１３ａおよび接続部１３ｂ
の一部とともに覆われ、アルミナ多孔質層１４およびグ
レーズ層１５は８５０℃〜９００℃で１素イオン導電板
１１に焼付けられている。

従って、第３図に示すとおり、陰電極１３の電極部１３
ａは被測定気体と隔離され、陰電極１３の接続部１３ｂ
はグレーズ層１５から露出するため、グレーズＷＪｉ５
の端部１５ａと酸素イオン導電板１１との間の接続部１
３ｂでは、各電極１２．１３に電圧が印加されたとき、
酸素拡散量および水蒸気拡散散を制御するための気体拡
散制御体を兼用することになる。

ここでは各電極１２．１３は、厚みｔを２０−とし、各
電極部１２ａ、１３ａは、−辺を２．５閣とする正方形
とした。

また、接続部１３ｂでは、第１図に示すとおり、幅Ｗを
１賭とし、グレーズ層１５によって覆われる長さＬ５を
２閣とした。

ここで、電極部１２ａ、１３ａの面積をＳ、接続部１３
ｂの幅Ｗと厚みｔとの桔によって与えられる断面積をＳ
とすると、電極部１３ａへの酸素の拡散量は、断面積Ｓ
に比例し、長さしに反比例する。

これらの値に基づいて、限界電流値を得る実用上特に有
効な陰電極１３の電極部１３ａの面積Ｓに対する気体拡
散電極としての接続部１３ｂとの比Ｒの範囲を求めると
、 Ｒ＝ｓ／Ｌ　／Ｓ−Ｉ　Ｘ　１０”’〜８×１０−２で
あり、本実施例では、ｓ＝０．０２、Ｌ、＝２、Ｓ＝６
．２５であることから、この比Ｒの値は、Ｒ＝１．６Ｘ
１０”であった。

センサ素−子１０は、セラミックヒータ２０にガラスを
塗布して約８００℃で焼付装着される。

セラミックヒータ２０は、第４図に示すとおり、アルミ
ナ（Ａｌ１　ＯＮ　）９６％のグリーンシーＩ・２ＯＡ
面に、ヒータパターン２０ａを形成するようにタングス
テン（Ｗ）からなる金属ベーストを印刷し、さらに同種
のグリーンシート２０Ｂを被覆して焼成した板状のヒー
タで、セラミックヒータ２０内のヒータパターン２０ａ
の両端は、導体パターン２０ｂ、２０ｃによって、セラ
ミックヒータ２０の表面２０ｄの電極２１．２２とそれ
ぞれ接続されている。

ここでは、多孔質からなる陰電極１３の接続部１３ｂに
よって気体拡散制限を行うため、セラミックヒータ２０
のヒータパターン２０ａは、各電極１２．１３の電極部
１２ａ、１３ａのみを局所加熱するようにして、接続部
１３ｂによるボンピングを防止している。

セラミックヒータ２０の中央部には、センサ素子１０へ
の加熱効率をよくするために、通気口２３が形成され、
またセンサ素子１０が焼付けられる部分には、表裏を貫
通した貫通孔２４．２５．２６がそれぞれ複数列に渡っ
て設けられている。

また、セラミックヒータ２０の表面２０（Ｉには、セン
サ素子１０の各電極１２．１３への通電のために、酸化
ルテニウムのプリントパターンによって各接続部１２ｂ
、１３ｂと接続されたセンサ電極２７．２８が設けられ
ている。なお、センサ電極２７．２８は、パターン形成
用ペーストをプリントし、センサ素子１０を焼付装着さ
せる際に、同時に焼付けされる。

以」−の構成からなる本実施例の酸素センサ１は、第１
図に示すとおり、各センサ電極２７．２８間に電圧可変
式の電源Ｅから電圧が印加される湿度測定装置Ａのセン
サ部として用いられ、印加電圧と電流値がそれぞれ測定
される。またこのとき、セラミックヒータ２０は通電さ
れて、センサ素子１０の各電極部１２ａ、１３ａを中心
として３００°Ｃ・〜７００℃に維持する。

以下、酸素センサ１の作用を説明する。

酸素センサ１が被測定気体中に配され、陽電極１２、陰
電極１３間に電圧が印加されると、グレーズ層１５で覆
われた電極部１３ａ内の酸素はイオン化されて酸素イオ
ンとなり、被測定気体中の酸素は、陰電極１３から陽電
極１２へ印加電圧に応じて陽電極１２ヘボンビングされ
る。

このとき、陰電極１３では、電極部１３ａのみが局所加
熱され、接続部１３ｂは酸素イオン導電性を示す程十分
に加熱されないため、酸素は、接続部１３ｂからグレー
ズ層１５で覆われた電極部１３ａ内へ拡散する。

電極間に流れる電流値は、印加電圧を高くすると、印加
電圧に応じて電流値が増大する。

電極部１３ａ内への酸素拡散量は陰電極１３の接続部１
３ｂで制御さＪし、被測定気体中の酸素）欝度に応じて
制限されるため、拡散量が制限されるとそれに伴って電
流値も制限され′Ｃ１拡散制限電流値り、、＋（第１の
平坦部Ｆ　１．　）を示す。

酸素の分圧は、被測定気体中の水分濃度が高くなると、
それに応じて成子するため、拡散制限電流値■、は、第
５１％に示すとおり、水分濃度が高くなるほど低くなる
。なお第５［４では、被測定気体の温度が８０℃の場合
を示す。

印加電圧が、拡散制限電流値ＩＬＩが得られる電圧値よ
りさらに高くなると、被測定気体中の水分（水蒸気）の
分解され、その分解で牛ｌ′：、た酸素イオン化が、陽
電極１２ヘボンビングされるため、このとき水分も陰電
極１３の接続部１．３ｂがら電極部１３　ａ内へ拡散し
、拡散量に応じて電流値が増大する。

印加電圧をさらに高くすると、電流値は水分濃度に応じ
てさらに増大するが、陰電極１３の接続部１３ｂで水分
の拡散量が制限されると、それ（ご件って電流値も制限
されて、水分濃度に応じた拡散制限電流値ＩＬ２（第２
の平坦部ｌ？２）を示す。

こＪ−で、これらの拡散制限電流値１１．１、■１，２
は、前述のとおり、被測定気体中の湿度（水分濃度）に
応じてそれぞれ変化し、酸素濃度が一定の場合には、拡
散制限電流値１１−８は湿度が高いほど少なくなり、逆
に拡散制限電流値ＩＬ２は湯度が高いほど多くなる。

また、電極間の印加電圧を拡散制限電流値ＩＬＩの電圧
値から拡散制限電流１１ηＩＬ２の電圧値へ高くしたと
き、拡散制限電流値■１−１から拡散制限電流値■Ｌ２
へ電流値が変化する過程で生じる変曲点Ｐの電流値Ｉ工
は、本願発明者等の研究および考察の結果、被測定気体
の酸素濃度のみによって決まり、水分濃度には関係なく
酸素濃度が一定の場合には一定の値を示すことと、この
値が、被測定気体中の水分濃度が０％の乾燥状１ふに相
当することが明らかになった。

従って、使用する酸素センサ１について、ｆめ変曲点Ｐ
が得られる電圧値■ヨを求めておくと、被測定気体につ
いては、変曲点Ｐの電圧値■、を印加してその電流値■
、をＪｉｌｔ定１−５その後、電流値１．が拡散制限電
流値Ｉ　Ｌｌとなる第１の平坦部Ｆ１あるいは拡散制限
電流値ＩＬ２となる第２の平坦部Ｆ２の電圧値を印加し
て、そのときの電流値を測定して、各電流値を比較する
ことによって、水分濃度（湿度）を求めることができろ
。

この場合、変曲点Ｐの電流値Ｉｌｌは、被測定気体につ
いて一度３１１定しておけば、ぞの後は、いずれかの平
坦部について電流値を求めるだ（Ｊでよいため、応答性
２１：＜水分濃度を簡す１．に１ｌｌｌ定することがで
きる。

また、被測定気体の酸素濃度が変化する可能性がある場
合には、変曲点Ｐの電流値■工を求めてから、いずれか
の平坦部につい”ζ電流値を求めるだ番ｊでよい。

また、第６図には、被測定気体中（大気）の酸素濃度が
一定の場合の、湿度変化に対する各平坦部Ｆｌ、Ｐ２の
電流値■７，１、ＩＬ２の特性を示す。

第６図中、実線は第１の平坦部Ｆ１における拡散制限電
流値ＩＬＩを、破線は第２の平坦部Ｆ２における拡散制
限電流値１１−７と、被測定気体中（大気）の温度がそ
わそれ４０°（入６０℃、８０″Ｃの場合について示す
。なお、−点鎖線は変曲点■）における′電流値１．を
示ず。

以上のとおり、本発明によえＬば、従来のように、被測
定気体を乾燥させる必要がないｔ：め、湿度測定装置の
測定系が簡略化される。まｌ−、、酸素濃度が一定の場
合には、応答性のよい湿度測定を行うことができる。さ
らに、被測定気体中の酸素濃度が変化する場合にも測定
系を変史することなく簡単に対応できる。

以」二の実施例て′は、第１図等に示１−１．記の酸素
センサ１を使用したが、使用する酸素センサは第７図に
示すように、酸素イオン導電板３０の対向する面に陽電
極３１と陰電極３２をそれぞれ設け、陰電極３２を微小
孔３３を価え／′コ函体３４によって覆い、空隙部３５
への酸素拡散制限および水蒸気拡散制限を微小社３３に
よって行うものや、第８図に示すように、陰電極３２を
多孔質からなる函体３６で覆って、空隙部３５／＼の酸
素拡散制限および水蒸気拡散制限を行うものでもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図はいずれも本発明方法の実施のための
第１実施例を示し、第１図は湿度測定装置の概略図、第
２図は酸素センサの斜視図、第３図は酸素センサの断面
図、第４図は本実施例のセラミックヒータの構成を示す
斜視図、第５図は第１実施例の湿度測定装置による測定
を示す電圧−電流特性図、第６図は第１実施例における
湿度に対する各平坦部の電流値特性を示す特性図、第７
図は本発明を実施するための第２実施例を示す概略図、
第８図は本発明を実施するための第３実施例を示す概略
図である。 図中、１・・・酸素センサ、１１・・・酸素イオン導電
板（固体電解質）、１２・・・陽電極、１３・・・陰電
極、１３ｂ・・・接続部（気体拡散制御手段）、Ａ・・
・湿度測定装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　多孔質体からなる一対の電極が、酸素イオン導電
   性を有する固体電解質の表面に密着して設けられるとと
   もに、気体拡散制御手段によって前記電極への気体拡散
   が制限される酸素センサの前記電極間に電圧を印加して
   、前記気体拡散制御手段によって制限される前記電極間
   の限界電流値に基づいて被測定気体中の湿度を測定する
   湿度測定方法において、 前記被測定気体中の酸素濃度に応じて制限される第１の
   限界電流値と前記被測定気体中の湿度に応じて制限され
   る第２の限界電流値との変曲点の電流値と、前記第１の
   限界電流値と前記第２の限界電流値の少なくとも一方と
   に基づいて湿度を求めることを特徴とする酸素センサを
   用いた湿度測定方法。 ２）　多孔質体からなる一対の電極が、酸素イオン導電
   性を有する固体電解質の表面に密着して設けられるとと
   もに、気体拡散制御手段によつて前記電極への気体拡散
   が制限される酸素センサの前記電極間に電圧を印加して
   、前記気体拡散制御手段によって制限される前記電極間
   の限界電流値に基づいて被測定気体中の湿度を測定する
   湿度測定装置において、 前記被測定気体中の酸素濃度に応じて制限される第１の
   限界電流値と前記被測定気体中の湿度に応じて制限され
   る第２の限界電流値との変曲点の電流値と、前記第１の
   限界電流値と前記第２の限界電流値の少なくとも一方と
   に基づいて湿度を求めることを特徴とする酸素センサを
   用いた湿度測定装置。