JPH0368338B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、測定範囲が広いという特長を有する
ガス分圧の分析的測定（analytical
determination）装置に関する。この装置は、電
気化学的センサーを備えこのセンサーは、センサ
ー表面に拡散されるガスを通す中空室を有する。
この装置はまた、当該ガス成分の濃度測定装置と
しても使用できる。

この種類のセンサーは、たとえば、ドイツ公開
明細書第2436261号と第2621676号に記載されてい
る。これらが基礎としている原理は、測定される
べきガスの分子が拡散によつて中空室に入り、そ
してセンサー表面に衝突すると、センサー表面で
の物理的反応により検出されて計測されるという
ことである。この反応は、電解質／電極／ガス室
の三相の境界で起る。測定効果の特性上、このよ
うなセンサーの測定範囲は、上限と下限において
制約がある。下限すなわち検知限界はゼロポイン
トの水準により予め決定される。上限は、三相の
境界上の、測定されるべきガスの分子を除去する
能力によつて決定される。理由は、引続く反応体
の供給または電解質の再生が、測定されるべきガ
スの分子の到来にもはや間に合わない場合、時間
特性は非直線的となり、そして、精度が明らかに
低下するからである。電気化学的センサーが高濃
度ガスに対して使用可能となるためには、センサ
ー表面に衝突する拡散流は制限されねばならな
い。このために、適当な入口のダイヤフラムが拡
散室の上流に接続される（ヨーロツパ公開明細書
第16423号参照）。しかし、測定範囲は、入口のダ
イヤフラムの寸法によつて不変に固定される。別
の濃度範囲に転用する場合は、ダイヤフラムヘツ
ドを手で交換する必要がある。

ガス分析装置は今日でも、安全を保証するため
にその工業的利用がますます増えている。危険な
取扱物質を検出して測定する問題の場合は、これ
らの装置には特に高い信頼性を要求せねばならな
い。

この種の測定装置は、空気中で危険濃度が発生
した場合、信頼できる警報を迅速に与えねばなら
ない。このような測定装置は、典型的には固定設
備として設置されるか、危険にさらされる人間に
携帯用装置として使用される。固定測定装置は、
空気のごとき被測定ガス試料を１個所または２個
所以上の場所から採取し、この試料は、吸引管路
または自由拡散によつて分析測定手段（たとえば
前記センサー）へ送られる。このように、測定装
置は接近できない場所に設置されることが多いの
で、事態を評価するためには、操作員は記録計に
記録された試験信号に全面的に頼らねばならな
い。同じことが、めつたに人の来ない部屋につい
ても当てはまる。人がその部屋に入る前に、いつ
の場合も、そこに危険濃度のガスが存在しないこ
とを確認できねばならない。

したがつて、このような固定測定装置の特定要
件は次の通り特徴づけることができる： １ 濃度の増加と低下のいずれに対しても応答時
間が短いこと。

２ 測定されるべきガスの高濃度のピークにより
測定特性が低下しないこと。

３ 特に、センサーの感度が低下したとき、測定
装置の操作的または機能的状態を確実に検出す
ること。

４ 特に、遠いサンプリング場所、または遠隔の
測定装置において、保守費用が低いこと。

５ 操作員による誤操作を効果的に防ぐこと（誤
調節の回避）。

高感度と好適時間特性に対する要求は、電気化
学的センサーの使用により効果的に満足させ得
る。しかし、このセンサーの弱点は、過負荷能力
が低いことである。高濃度によつてしばしば再生
時間が長くなり、したがつて、感度が低下し、時
間特性が悪くなる。機能的状態の検出に関する信
頼性の要求は、補助装置として設けられる高価で
複雑な監視装置によりその一部は満たされる。

本発明の目的は、所定の感度と所定の時間特性
をもつた電気化学的センサーを備えた測定範囲の
広いガス分圧測定装置を提供することであり、こ
の装置は、過負荷を受けることなく、高濃度のガ
スも測定でき、そしてこの装置の完全な操作は、
複雑な補助装置を必要とせずに行われ、かつ、い
つでも遠隔制御ができる。

本発明は、測定値の電気信号を出す電気化学的
センサー１を備え、中空室２を有し、該中空室２
を通じて被測定ガスが前記のセンサーの表面の方
に流動するように構成されたガス分圧の分析的測
定装置において、被測定ガス成分を含まない洗浄
ガスを導入するために、前記中空室２はポンプ３
を備えた管６と通じており、前記センサー１およ
びその下流側の測定用増幅器１６は前記ポンプ３
に接続されて制御ループを構成し、該制御ループ
は、センサー信号がしきい値の信号であつたとき
に前記ポンプにスイツチを入れ、そして、センサ
ー信号の値がさらに上昇したときにポンプの送給
量をさらに増大させるように制御を行うものであ
ることを特徴とする、測定範囲の広いガス分圧の
分析的測定装置に関するものである。

洗浄ガスは好ましくは、測定操作の間にポンプ
が吸引側で、測定されるべき成分を吸収するフイ
ルターを介して、試験されるべき大気と連通する
ことにより供給される。

中空室に導入された洗浄ガスは、被測定ガス成
分の拡散流を希釈するので、センサーの表面に衝
突する被測定ガス成分の濃度は低下する。

スイツチ操作を含む手段により、被測定ガス成
分の濃度の上昇に伴つて自動的に洗浄ガス流を増
加することができる。このために、測定用増幅器
を下流側にもつたセンサーが、制御ループとして
ポンプのモーターにフイードバツク形式で接続さ
れ、センサーの信号が増大するとポンプ吐出能力
が増大する。この場合、センサー信号のしきい値
以上の場合のみ制御手段を操作させることができ
る。このような配置によつて、所望測定値である
ガス分圧はポンプのモーターの電流値または電圧
値から導かれ、すなわち、該電流値または電圧値
から被測定ガス成分の分圧を知ることができる。
勿論、高いガス分圧の場合でも測定可能である。

本発明により、信頼性向上という効果が得ら
れ、すなわち、確実な測定値が得られる。一方で
は、高ガス濃度での既述の有害な過負荷は、セン
サーに洗浄ガスを送給することにより回避され
る。もし所望ならば、センサーの機能は、被測定
ガス成分と同じガス成分を既知濃度で含む試験用
ガスを用いて試験することができる。この試験の
場合には、前記試験用ガスの給源を一時的に本装
置に接続する。該試験は手前で（スイツチ操作
で）、または一定時間毎に完全に自動的に実施す
ることができる。センサーを備えた区域、すなわ
ち測定ヘツドは、前記の試験に不合格であつた場
合だけ修理すればよい。

本発明を以下の実施例についてさらに詳細に説
明する。

第１図に示した実施例に使用される測定ヘツド
の本質的な要素は、中空室２が上流に接続された
電気化学的センサー１、ポンプ（たとえばベンチ
レーター）３、ガス発生器セル４およびエアーフ
イルター５である。センサー１はパイプライン６
内に位置し、このパイプラインは一方ではダイヤ
フラム７とダストフイルター８を介して、被測定
ガスである大気９と連通し、そして他方ではエア
ーフイルター５を介して大気と連通している。測
定されるべきガス成分、たとえば空気中の硫化水
素は、ダストフイルター８、ダイヤフラム７およ
び隣接する中空室２を経て、センサー１のセンサ
ー表面に拡散して、対応する電気信号を生じさせ
る。適当なセンサー１は、たとえば、ドイツ公開
明細書第2436261号と第2621676号に記載されてい
る。たとえば小さなベンチレーターをポンプ３と
して使用することができる。ガス発生器セル４
は、センサーの機能の試験の際に、被測定成分と
同じガス成分を既知濃度で含む試験用のガスを発
生させるのに使用される。セル４は、たとえば、
電解セルからなり、これに脈動電流が送られる。
こうして、短時間に試験ガスの脈動が発生する。
このような発生器セルは公知であり、その詳細な
説明はドイツ特許第2621677号に示されている。

センサー１を備えた測定ヘツドの作動について
説明する。ポンプ（たとえばベンチレーター）３
が大気９から粒状フイルター５および管路６を経
て洗浄ガスを吸引し、そしてこのガスは、測定セ
ル１、管路６および中空室２の間の環状通路１０
を経て大気中へもどされる。粒状フイルター５は
大気９中の被測定ガス成分（硫化水素）を吸収
し、これによつて、被測定成分を含まない洗浄ガ
スが確実に得られる。こうして、ポンプ３は拡散
室２内に対向流（すなわち、被測定ガスと洗浄ガ
スとの対向流）を生じ、これによつて被測定ガス
成分の拡散流の濃度が確実に低下し、測定装置の
過負荷状態が避けられる。ポンプの吐出量を、そ
れに加える電圧によつて調節することにより、ガ
ス分圧の測定範囲を広い範囲内で変化させること
ができ、そして実際の測定条件に適合させること
ができる。

センサー機能の試験を行なうためには、試験ガ
ス発生器セル４を前記の仕方で作動させればよ
い。吸引された洗浄ガスには次に、試験ガス発生
器の接続時間の間に、被測定ガス成分と同じガス
成分が既知量入れられる。この結果、所定範囲内
にあるはずの信号がセンサー１で発生する。発生
器セル４の代わりに、試験用ガスをみたした受器
を設け、これを、弁を介して管路６に一時的に接
続して試験を行うことも、もちろん可能である。

第１図からわかるように、測定装置の要素１〜
５は小型の測定ヘツド内に一体化しており、その
ベースプレート１１は、被測定ガスの入口である
開口１２と、洗浄ガスの入口である開口１３を有
する。

第２図の装置は、本測定装置の一変更態様であ
る。この場合、洗浄ガスは管路６を通り、センサ
ー１の上流で中空室２内に横方向の排出を行な
う。この接続部は、孔１５をもつた環状管１４と
して設計され、孔１５を通つて洗浄ガスが中空室
内に流入し、そこからダイヤフラム７とダストフ
イルター８を経て流出する。このようにして、中
空室２内で、洗浄ガスと被測定ガスが均一に分布
し混合する。

第２図において、電気化学的センサー１の機能
を試験するために使用される試験用ガス発生器４
は、洗浄ガス供給管路に直接接続されている。ポ
ンプ３は、第１図の実施態様の場合のように、洗
浄ガスを入口開口１３からフイルター（硫化水素
のごとき被測定ガス成分を吸収するフイルター）
５を通して吸引するものであり、標準的な小型ロ
ータリーピストンポンプである。第１図の実施態
様でのベンチレーター型のポンプに比べて、ロー
タリーピストンポンプは吸引力が大きいので、よ
り大きな流量の洗浄ガスが得られる。この手段を
用いた結果、相当高濃度のガスでも確実に測定で
きる。測定範囲が拡大される外に、第２図の測定
装置はまた、一層好ましい（一層迅速な）時間特
性をもつている。

第３図は、本発明の測定装置の電子的信号処理
を図式的に示している。電気化学的センサー１が
低抵抗で終端していると仮定すると、センサー
は、センサー表面に衝突する被測定ガス成分の濃
度に比例した電流を発生する。この電流は測定用
増幅器１６で増幅され、そして記録装置１７に記
録される。さらに、この増幅された試験信号は電
力増幅器１８に送られ、この増幅器１８は洗浄ガ
ス管路６のポンプ３に給電する。センサー１の信
号が、調節可能なしきい値（しきい値スイツチ）
を超えると、ポンプ３が始動して洗浄ガス流を生
じ、前記の通り被測定ガスを希釈する。ポンプの
速度、したがつてその吐出能力は試験信号の値の
増加に伴つて増大する。こうして、センサー１
（測定用センサー）は増幅器１６，１８およびポ
ンプ３（調節部材）と共に制御ループを形成す
る。制御作用の間（センサーの信号が電圧しきい
値より大）は、ポンプの電圧が有利に使用されて
測定値が得られる。記録装置１９は測定値の記録
のために設けられている。

第４図は、センサー１の信号値（電流値）を、
一定ガス流（200と400ppmの硫化水素）における
ポンプ電圧の関数としてプロツトしたグラフであ
る。この場合、ポンプの電圧は外部から変化さ
せ、第３図に示したようには自動的に再調整させ
なかつた。この図からわかるように、センサー１
の信号値（電流値）は、ポンプ３への印加電圧の
増加と、それに対応するポンプ速度すなわち吐出
量の増加と共に低下する。こうして、ポンプ３か
ら出る洗浄ガスの流量が大きいほど、センサー表
面に衝突する被測定成分の拡散流がますます少な
くなり、センサー１への負荷が著しく軽減され、
測定が正確に行われる。

第５図と第６図のグラフは、第３図の装置を用
いて行つた実験の結果を示したものである。測定
されるべきガスはやはり、硫化水素を低分圧で含
有する空気からなるものである。第５図が示すよ
うに、低H₂S濃度の範囲（０〜10ppm）では、セ
ンサー１の電流は該濃度値に比例して直線的に増
大する。ポンプ３が始動して洗浄ガスの流動が始
まる電圧しきい値は数10分の１ボルトであり、こ
れはセンサー１の電流100nAに相当する。そのと
きのH₂S濃度は10ppmである。ポンプ３が作動を
開始して洗浄ガスを、センサー１の上流側の中空
拡散室２へ吹き込む。この挙動は第６図に示され
ている。この場合、H₂S濃度が横座標として対数
目盛でプロツトされており（10〜1000ppm）、セ
ンサー１の電流とポンプのモーターへの印加電圧
が縦座標としてプロツトされている。点線はセン
サー１の電流の変化を表し、実線はポンプ電圧の
変化を表す。センサー１における100nAまでの最
初の電流増加は、第５図の場合と同じである。
10ppmで直線ははつきり曲がつている。その後、
センサー１の電流は洗浄ガス流の増加のために、
被測定ガスの濃度のゆるやかな増加と共にゆるや
かに増加する。ポンプの電圧（実線）は吐出量を
直接に左右する値である。したがつて、10〜
1000ppmの範囲内の所定のH₂S濃度になるよう
に、電圧値を調節することができる。こうして、
ポンプの電圧は、この範囲内の濃度に対して調節
可能な変数として使用することができる。制御開
始のためのしきい値は、それぞれの場合、初期条
件（０〜10ppm、第５図参照）でセンサー１がま
だ過負荷にならない充分低い値になるように選ば
ねばならない。制御ループにマイクロプロセツサ
ーを使用することにより、所望の制御特性を電子
的に得ることができる。このようにして、測定装
置の制御特性を、個々の操作の場合に最適となる
ように適合させることができる。本発明のガス分
圧測定装置の測定範囲の広いことは、第５図と第
６図から容易にわかる。測定されるべきガスの濃
度を洗浄ガスにより薄めなければ、センサー１
（たとえば、ゲル電解質を含む電気化学的測定用
セル）は、たとえばH₂S濃度10〜100ppmの範囲
で不可逆的に過負荷状態になるであろう。２つの
手段、すなわち高濃度の際の洗浄ガス（および任
意手段としての測定精度）試験用のガスの発生
器）の使用は、こうして本発明の装置の信頼性の
明確な向上に寄与する。この新規な測定装置は、
室内の空気を監視するための、固定設備内の遠隔
測定用手段としてその真価が認められた。この装
置の別の重要な用途には、過圧下のガス輸送パイ
プラインの漏れの探知がある。このためには、パ
イプライン中に当該ガス用の特別なセンサーを測
定装置に取付ける必要がある。漏れ探知装置の場
合、それに使用されるセンサーについて、第６図
に示したようなセンサー特性を測定しておく必要
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の測定装置の一実施態様を示
し、この場合には、洗浄ガスがセンサーを通つて
導入され、第２図は、洗浄ガスが横方向に中空拡
散室に供給される実施態様を示し、第３図は、本
測定装置のブロツク図を示し、そして第４図〜第
６図の各々は測定用センサー特性を示すグラフで
ある。 １……センサー、２……中空室、３……ポン
プ、４……発生器セル、５……フイルター、６…
…管または管路、７……ダイヤフラム、８……ダ
ストフイルター、９……大気、１０……環状通
路、１２，１３……ガス入口、１６……増幅器、
１７……記録装置、１８……増幅器、１９……記
録装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定値の電気信号を出す電気化学的センサー
   １を備え、中空室２を有し、該中空室２を通じて
   被測定ガスが前記のセンサーの表面の方に流動す
   るように構成されたガス分圧の分析的測定装置に
   おいて、被測定ガス成分を含まない洗浄ガスを導
   入するために、前記中空室２はポンプ３を備えた
   管６と通じており、前記センサー１およびその下
   流側の測定用増幅器１６は前記ポンプ３に接続さ
   れて制御ループを構成し、該制御ループは、セン
   サー信号がしきい値の信号であつたときに前記ポ
   ンプにスイツチを入れ、そして、センサー信号の
   値がさらに上昇したときにポンプの送給量をさら
   に増大させるように制御を行うものであることを
   特徴とする、測定範囲の広いガス分圧の分析的測
   定装置。 ２ 前記ポンプ３の吸引側が、被測定ガス成分を
   吸収するフイルター５を介して、大気のごとき被
   測定ガス体に連通している特許請求の範囲第１項
   に記載の測定装置。 ３ センサー１の機能の検査のために、濃度既知
   の被測定ガス試料の供給源が、洗浄ガス用の管６
   に接続できるように構成された特許請求の範囲第
   １項または第２項に記載の測定装置。 ４ 所望測定値であるガス濃度の値が、ポンプの
   モーターの電流値または電圧値の測定値から導か
   れるように構成された特許請求の範囲第１項−第
   ３項のいずれか一項に記載の測定装置。