JPH038705B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は酸素イオン伝導性を示す固体電解質、
たとえばジルコニアを用いた酸素ガスセンサにお
いて、該センサの汚損状態を、該センサを設置状
態のまゝで簡単に検出する汚損検出方法に関す
る。

以下説明を簡明にするために酸素ガスセンサを
単にセンサと記すこともある。

〔従来技術〕

次に従来のセンサの汚損検出方法を説明する
が、そのためにまずセンサの動作原理を図面を参
照して説明する。

第１図は公知のジルコニアを用いた酸素ガスセ
ンサの一例の概略縦断面図である。

第１図において１はイツトリアで結晶構造を安
定化したジルコニア製で半球状の底部１ａを有す
る管状の測定管、２は内部に空所２ｂを有し一端
２ａが半球状に形成された磁器製の細管、３は磁
器製で半球状の底部３ａを有する管状の保護管、
３ｂは保護管３の側面および底部３ａにおいて管
壁を貫通して設けた貫通孔、４および５は白金製
の網状の電極、６はＯリング、７はフランジ７ａ
を有する金属製の蓋、７ｂおよび７ｃは蓋７に設
けた貫通孔、８はパツキン、９は被測定ガス１１
をとり囲んでいる炉壁、１０は炉壁９の外部の大
気である。図において保護管３の開口端は、その
開口端が蓋７によつて塞がれるようにして蓋７に
接着剤を用いて気密に固定されていて、測定管１
は保護管３の内部に底部１ａと３ａとが対向する
ように、また細管２は測定管１の内部に端部２ａ
と底部１ａとが対向するようにそれぞれ挿入さ
れ、電極４および５はそれぞれ端部２ａと底部１
ａとの間および底部１ａと底部３ａとの間に介在
させられている。細管２はその端部２ａとは反対
側の端が図示していない手段によつて蓋７によつ
て端部２ａの方に押されているので、この押圧力
によつて電極４，５および底部１ａは底部３ａに
押しつけられている。細管２と蓋７との間の接触
状態は気密となるように構成されているが、細管
２内の空所２ｂは蓋７の貫通孔７ｂを介して図示
していないポンプに連通している。Ｏリング６は
保護管３の内部と測定管１の内部とが該測定管１
の開口端を介して連通することを防止するように
保護管３と測定管１との間に気密に設けられてい
て、測定管１の内部は蓋７の貫通孔７ｃを介して
大気１０に連通している。フランジ７ａはパツキ
ン８を介して図示していないボルト等の手段によ
つて炉壁９に気密に固定されている。被測定ガス
１１は本センサによつて検出されるべき酸素を含
んでいて、通常500℃程度以上の高温となつてい
る。

第１図のセンサは上述のように構成されている
ので被測定ガス１１は貫通孔３ｂを介して保護管
３の内部に流入し直接にまたは電極５の網目を通
つて測定管１の外面に接触する。細管２の空所２
ｂには貫通孔７ｂに接続された図示していないポ
ンプから空気等の基準ガス１２が一定圧力で吹き
こまれているので、この基準ガス１２は電極４の
網目を通つて測定管１の内面に接触し貫通孔７ｃ
を介して蓋７の外部へ流出する。この場合電極４
および５の部分における酸素ガスの分圧をそれぞ
れP₁およびP₂とすると、P₁≠P₂であれば分圧の
高い側から低い側へ酸素ガスが白金の触媒作用に
よつてイオンとなつて測定管１を構成するジルコ
ニア中を移動する。この結果電極４と５との間に
(1)式で示される起電力Ｅが発生する。

Ｅ＝RT／4Flnp₁／p₂ ………(1) こゝにＲは普遍ガス定数、Ｆはフアラデー定
数、Ｔは電極４と５との間の測定管の絶対温度で
ある。

(1)式においてＲ、ＦおよびP₁は一定値である
からＥはＴおよびp₂に依存する。したがつて起電
力Ｅを第１図においては図示していないリード線
を用いて電極４および５から蓋７の外部に取り出
し、図示していない受信部で受信して温度補正を
行なうことによつて分圧P₂、すなわちこの分圧
に比例する被測定ガス１１中の酸素の濃度が測定
されることになる。圧力P₁は酸素ガスの分圧で
あるから、このような酸素ガスを含むものであれ
ば基準ガス１２は空気以外のものであつても差し
支えない。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上が酸素ガスセンサの動作原理であるが、こ
のようなセンサを金属の表面処理等を行なう浸炭
炉や無酸化炉等に挿入して、それら炉内雰囲気の
酸素濃度の測定を行なうと、前記雰囲気中には大
量の炭素が含まれているので、時間の経過に伴つ
て固体状炭素いわゆるすすがセンサの電極５の部
分に蓄積する。また第１図に示したセンサを塵埃
の多い被測定ガス中に挿入すると、この塵埃が前
記と同様に電極５の部分に蓄積する。このように
すすや塵埃が電極５に蓄積すると電極５の網目は
目詰まり状態となるので、被測定ガスが電極５に
接している測定管１の部分に到達しにくくなり、
またこのセンサは通常電極４側の酸素分圧P₁が
電極５側の酸素分圧P₂よりも高い状態で使用さ
れるので、上記のような目詰まりが発生すると、
ジルコニア中をイオンとして移動して分子状とな
つて測定管１の外へ出た酸素が電極５と測定管１
との間に滞留してこの部分の酸素分圧が上昇し、
この結果該部分の分圧は被測定ガス中の酸素分圧
P₂とは異なつた高い分圧となるのでセンサの発
生起電力は低下する。したがつてこのようにすす
や塵埃によつて電極５が汚損されたセンサでは応
答速度が遅くなり測定誤差が発生するということ
になる。

このため従来汚損される可能性のあるセンサ
は、これを点検する際は設置場所から取り外して
目視によつて汚損状態を確認しているが、この取
り外しおよび取り付け作業はまことに煩わしく、
またセンサは仮りに取り外したとしても構造が第
１図のようになつているので、電極部５の汚損状
態の確認はセンサを分解して行なう必要があるた
めに、一層この汚損状態点検作業は作業効率の悪
いものであつた。

本発明は上述のような効率の悪い作業を行なう
必要のない酸素ガスセンサの汚損状態検出方法を
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本願の第１の方
法においては、 固体電解質式酸素ガスセンサが被測定ガス中に
配設された状態での前記酸素ガスセンサの第１出
力E_pを測定保持し、 次に、その状態で酸素ガスセンサの被測定ガス
側電極部に点検用ガスを所定時間T_s流動させそ
の所定時間終了時における酸素ガスセンサの第２
出力E_sを測定保持し、 所定時間T_s経過後直ちに点検用ガスの流動を
停止してから所定時間T_x経過した時点における
酸素ガスセンサの第３出力E_xを測定し、 所定時間T_xの間に酸素ガスセンサの出力が応
答変化する速度の指標としての所定の定数αと、
保持していた測定値E_pとE_sとを用いて、基準値
E_k＝α（E_p−E_s）＋E_sを演算し、 第３出力E_xを基準値E_kと比較する。

また、本願の第２の方法においては、 固体電解質式酸素ガスセンサが被測定ガス中に
配設された状態での前記酸素ガスセンサの第１出
力E_pを測定保持し、 次に、その状態で酸素ガスセンサの被測定ガス
側電極部に点検用ガスを所定時間T_s流動させそ
の所定時間終了時における酸素ガスセンサの第２
出力E_sを測定保持し、 所定時間T_s経過後直ちに点検用ガスの流動を
停止してから所定時間T_x経過した時点における
酸素ガスセンサの第３出力E_xを測定し、 所定時間T_xの間に酸素ガスセンサの出力が応
答変化する速度の指標としての所定の定数αと、
保持していた測定値E_pとE_sとを用いて、基準値
E_k′＝α（E_p−E_s）を演算し、 前記の測定したE_xと保持していたE_sとを用い
て、（E_x−E_s）を演算し、 この（E_x−E_s）を前記基準値E_k′と比較する。

〔作用〕

本願の第１、第２何れの方法においても、比較
結果α（E_p−E_s）＋E_s−E_xが正か負かによつて、
酸素ガスセンサの汚損状態を検出することにな
る。係数αは酸素ガスセンサの設計、時間T_xが
一定とすると、酸素ガスセンサの応答速度の指標
と見做せるものであるが、酸素ガスセンサ、特に
その被測定ガス側電極部が汚損していると、酸素
ガスセンサの応答速度は見掛け上小さくなり、従
つて係数αも小さくなる。そこで、実験的に或い
は経験的に知られる酸素ガスセンサの汚損の限界
（これ以上汚損が進行した場合最早酸素ガスセン
サとしての所期の機能が果たされない限界）に基
づいて予め定められた係数αを用いておけば、仮
に、点検用ガスとして、第２出力E_sが、E_s＜E_pと
なるようなものを用いたとすれば、第１の方法に
おいて、α（E_p−E_s）＋E_s−E_xが、第２の方法に
おいて、α（E_p−E_s）−（E_x−E_s）が、負か正かに
よつて、即ちセンサ出力の回復が速いか遅いかに
よつて、その酸素ガスセンサが正常に動作してい
るか、それとも汚損状態に達しているかが検知さ
れる。

〔実施例〕

次に本発明による酸素ガスセンサの汚損検出方
法を第２図および第３図を用いて説明する。

第２図は本発明による検出方法を適用できるよ
うにしたセンサの一実施例の概略縦断面図、第３
図は本発明の検出原理を説明するためのセンサの
応答特性である。第２図においては第１図と同一
の部分には同一の符号が付してある。

第２図において、７ｄは蓋７に設けた貫通孔
で、測定管１と保護管３とＯリング６とでとり囲
まれた空所１４に開口し、図示していないポンプ
に接続されている。図において、点検用ガス１３
を図示していない前記ポンプを用いて被測定ガス
１１の圧力よりも高い圧力で空所１４に導入する
と、そのガス１３の一部は貫通孔３ｂを通つて被
測定ガス１１中に流出し残部は電極５の網目を通
つて該電極５の部分の測定管１に接触する。した
がつてこの場合電極５における点検用ガス１３中
の酸素分圧が被測定ガス１１中の酸素分圧より高
ければ、この時のセンサの発生起電力は(1)式から
明らかなように電極５に被測定ガス１１が到達し
ている場合に比べて低下し、電極５における点検
用ガス１３中の酸素分圧と電極４における基準ガ
ス１２中の酸素分圧とが等しければセンサの発生
起電力は零になる。点検用ガス１３としては、基
準ガス１２に空気を用いる場合、通常空気を用い
るが空気以外の酸素含むガスを用いても差し支え
ない。

ここで、本発明の汚損検出原理を説明する。

第３図においてＥはセンサの発生起電力、ｔは
経過時間、T_sは第２図において点検用ガス１３
を一定圧力で空所１４に導入し電極５の部分に流
動させた時間、t₁およびt₂はそれぞれ時間T_sの始
期および終期の時刻、E_pは第２図においてセンサ
が被測定ガス１１を測定している状態で点検用ガ
ス１３を電極５の部分に流動させ始める前、すな
わち前記時刻T_sの直前におけるセンサの発生起
電力である。本例では第２図において電極４の部
分における基準ガス１２中の酸素分圧P₁が電極
５の部分における被測定ガス１１中の酸素分圧
P₂より高い測定状態で、前記のようにして点検
用ガス１３を電極５に流動させたとき、該電極５
の部分における点検用ガス１３中の酸素分圧が前
記分圧P₂よりも高くなるように点検用ガス１３
の組成ならびに空所１４への導入圧力を選定して
いるので、前記時間T_sの終期t₂においてはセンサ
の発生起電力は前記起電力E_pよりも小さい値のE_s
となつている。なお本例では、起電力E_sが零にな
らないように点検用ガス１３の組成ならびに空所
１４への導入圧力と時間T_sとが選定されている。
E_xは点検用ガスの流動を停止させた後時間T_x経
過後つまり時刻t₃におけるセンサ起電力である。
点検用ガスの流動を停止させると、電極５におけ
るガスは徐々に点検用ガス１３から被測定ガス１
１に置換されるので、センサ起電力Ｅは値E_sから
時間の経過と共に上昇して値E_pに達する。

しかして、まず、センサ起電力E_pを測定保持す
る。つぎに、センサに対して点検用ガス１３を流
動させ、所定時間経過後にその流動を停止させ、
その時点t₂におけるセンサ起電力E_sを測定保持す
る。そして、センサ起電力E_p，E_sから汚損基準値
E_kを算出する。この基準値E_kはたとえば次式で
与えられる。

E_k＝α（E_p−E_s）＋E_s (1) 第(1)式において、αは汚損の許容度および時間
T_x等が考慮されて経験的に決められる定数で、
通常0.5〜0.95の間の値が選定される。たとえば、
酸素ガスセンサの清浄時の90％応答が0.7秒であ
るとすると、α＝0.9、T_x＝0.7（秒）に設定され
る。その後、時間T_x経過後の時点t₃におけるセン
サ起電力E_xを測定し、基準値E_kと比較する。セ
ンサ起電力E_xはセンサの汚損度によつて左右さ
れ、汚損が多ければ被測定ガス１１が点検用ガス
１３に代わつて電極５に接触するための拡散速度
が遅くなるので小さな値となり、一方、汚損が少
なければその拡散速度が速くなるので大きな値と
なる。従つて、時刻t₂以後におけるセンサ起電力
Ｅは次式で表わされる。

Ｅ＝E_s＋（E_p−E_s） ｛１−exp（−βt）｝ (2) E_x＝E_s＋（E_p−E_s） ｛１−exp（−βT_x）｝ (3) なお、βは汚損度によつて左右される因子で、
汚損が大きければ小さく、少なければ大きな値と
なる。しかして、時刻t₃におけるセンサ起電力Ｅ
と汚損基準値E_kとの差は次式で示される。

Ｅ−E_k＝（E_p−E_s） ｛１−exp（−βt）−α｝ (4) この第(4)式から、センサ起電力Ｅが基準値E_k
に一致する条件は次式で示される。

exp（−βt）＝１−α＝一定 (5) この第(5)式から次のことがわかる。

〔〕 センサ起電力Ｅが基準値E_kに一致する条件
は時刻t₁、t₂におけるセンサ起電力E_p，E_sに左
右されず、因子βと時間ｔとによつてのみ左右
される。

〔〕 因子βが大きければ、つまり汚損が少なけ
れば、短時間のうちにセンサ起電力Ｅは基準値
E_kに到達し、一方、因子βが小さければ、つ
まり汚損が大きければ、センサ起電力Ｅが基準
値E_kに到達するまでに要する時間ｔは長時間
を要する。

そこで、本発明は、時間ｔをT_xに固定し、そ
の時間T_x後におけるセンサ起電力E_xが基準値E_k
よりも大きいか小さいかを比較することによつ
て、センサの汚損状態を検出するようにしたもの
である。

なお、第(1)式における基準値E_kの設定は時刻t₂
以後のセンサ起電力Ｅが時刻t₁、t₂におけるセン
サ起電力E_p，E_sの差（E_p−E_s）のα％まで時間
T_x後に回復するか否かをチエツクするという考
えに基づいている。従つて、基準値は次のように
も設定することができ、この場合にはこの基準値
E_k′とセンサ起電力E_xから時刻t₂におけるベース
分起電力E_sを引いた値（E_x−E_s）とを比較する。

E_k′＝α（E_p−E_s） (6) 次に、本発明による方法を実施するための検出
回路について説明する。

第４図は本発明による第１の検出方法を実施す
るための信号処理回路のブロツク図である。第４
図において、２０は第２図に示した酸素ガスセン
サを示し、このセンサ起電力はインピーダンス変
換器２１を介して増幅器２２に与えられる。増幅
器２２の出力信号は測定に供される。一方、イン
ピーダンス変換器２１の出力信号はスイツチ２
３，２４を介して保持回路２６，２７に導かれ
る。保持回路２６は後述するように時点t₁（第３
図参照）におけるセンサ起電力E_pを保持し、一方
保持回路２７は時点t₂におけるセンサ起電力E_sを
保持する。両保持回路２６，２７の出力信号はポ
テンシヨメータ２８の両端に導かれる。ポテンシ
ヨメータ２８の摺動端子によつて、上述した定数
αが設定される。その摺動端子は保持回路２９に
接続されており、従つて摺動端子つまり保持回路
２９からはα（E_p−E_s）なる信号が取出される。
この保持回路２９の出力信号と保持回路２７の出
力信号とは加算回路３０に導かれ、この加算回路
３０にて基準電圧E_kが算出される。

E_k＝α（E_p−E_s）＋E_s 加算回路３０の出力信号E_kは比較器３１にて
時点t₃におけるセンサ起電力E_xと比較され、その
比較結果に基づいて警報器３２によつてアラーム
信号が発信される。スイツチ２３，２４，２５は
タイミング回路３３によつて制御される。タイミ
ング回路３３はさらに点検用ガスのポンプ３４を
コントロールする。なお、３６はタイミング回路
３３の操作ボタン、３５は点検用ガスの弁であ
る。

第４図の回路の動作を第５図の信号波形図を参
照しながら説明する。第５図における信号ロ，
ハ，ニ，ホは第４図における信号ロ，ハ，ニ，ホ
に対応している。従つて、測定開始時において
は、スイツチ２３，２４は開成している。しかし
て、時点t₁にて操作ボタン３６を押すと、ポンプ
３４が制御されて点検用ガス１３を酸素ガスセン
サの電極５の部分に流動させると共に、スイツチ
２３が開成され、従つてその時点t₁におけるセン
サ起電力E_pが保持回路２６によつて保持される。
その後時間T_sが経過すると、ポンプ３４が停止
されて点検用ガス１３の流動が停止され、かつ、
スイツチ２４が開成されて、その時点t₂における
センサ起電力E_sが保持回路２７にて保持される。
このようにして、上述の如く、加算回路３０によ
つて、E_k＝α（E_p−E_s）＋E_sなる基準値E_kが作成
される。さらに、時間T_x後、短時間スイツチ２
５が閉成され、その時点t₃におけるセンサ起電力
E_xが比較器３１に導かれ、この比較器３１にて
基準値E_kと比較される。基準値E_kよりもセンサ
起電力E_xが小さい場合には、比較器３１から出
力信号が発信されて警報器３２が駆動され、アラ
ーム信号が発信される。このアラーム信号は音響
的あるいは光学的信号であつてもよい。このアラ
ーム信号によつて、酸素ガスセンサが許容以上に
汚損されていることを知ることができる。

第６図は本発明による第２の検出方法を実施す
るための信号処理回路のブロツク図である。この
第６図において、第４図の実施例と同一機能を有
する部分には同一符号が付されている。この実施
例においては、基準値E_k′はE_k′＝α（E_p−E_s）に
て与えられており、それゆえ時点t₃におけるセン
サ起電力E_xからベース分起電力E_sを差引いた値
（E_X−E_s）が基準値E_k′と比較されるようになつて
いる。値（E_x−E_s）は減算回路３７にて作成さ
れる。

〔発明の効果〕

以上に説明するように、本発明によれば、酸素
ガスセンサの被測定ガス側電極部に点検用ガスを
所定時間T_s流動させ、その後所定時間T_x後にお
けるセンサ起電力の回復状態から汚損度を判定す
るようにしたので、酸素ガスセンサを設置した状
態にてその汚損検出を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のジルコニア式酸素ガスセンサの
概略断面図、第２図は本発明による検出方法を実
施するための酸素ガスセンサ部の一例を示す概略
断面図、第３図は本発明の検出原理を説明するた
めのセンサ出力応答特性図、第４図は本発明によ
る第１の検出方法を実施するための信号処理回路
のブロツク図、第５図はその各部における信号波
形図、第６図は本発明による第２の検出方法を実
施するための信号処理回路のブロツク図である。 １……ジルコニア製測定管、４，５……電極、
１１……被測定ガス、１３……点検用ガス、２０
……酸素ガスセンサ、２６，２７，２９……保持
回路、２８……ポテンシヨメータ、３０……加算
回路、３１……比較器、３２……警報器、３３…
…タイミング回路、３７……減算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固体電解質式酸素ガスセンサが被測定ガス中
   に配設された状態での前記酸素ガスセンサの第１
   出力E_pを測定保持し、 次に、その状態で前記酸素ガスセンサの被測定
   ガス側電極部に点検用ガスを所定時間T_s流動さ
   せその所定時間終了時における前記酸素ガスセン
   サの第２出力E_sを測定保持し、 前記所定時間T_s経過後直ちに前記点検用ガス
   の流動を停止してから所定時間T_x経過時におけ
   る前記酸素ガスセンサの第３出力E_xを測定し、 前記所定時間T_xの間に前記酸素ガスセンサの
   出力が応答変化する速度の指標としての所定の定
   数αと、保持していた前記のE_pとE_sとを用いて、
   基準値E_k＝α（E_p−E_s）＋E_sを演算し、 前記第３出力E_xを前記基準値E_kと比較して、
   前記酸素ガスセンサの汚損状態を検知する、こと
   を特徴とする酸素ガスセンサの汚損検出方法。 ２ 固体電解質式酸素ガスセンサが被測定ガス中
   に配設された状態での前記酸素ガスセンサの第１
   出力E_pを測定保持し、 次に、その状態で前記酸素ガスセンサの被測定
   ガス側電極部に点検用ガスを所定時間T_s流動さ
   せその所定時間終了時における前記酸素ガスセン
   サの第２出力E_sを測定保持し、 前記所定時間T_s経過後直ちに前記点検用ガス
   の流動を停止してから所定時間T_x経過時におけ
   る前記酸素ガスセンサの第３出力E_xを測定し、 前記所定時間T_xの間に前記酸素ガスセンサの
   出力が応答変化する速度の指標としての所定の定
   数αと、保持していた前記のE_pとE_sとを用いて、
   基準値E_k′＝α（E_p−E_s）を演算し、 前記第３出力E_xと保持していた前記E_sとを用
   いて、（E_x−E_s）を演算し、 この（E_x−E_s）を前記基準値E_k′と比較して、
   前記酸素ガスセンサの汚損状態を検知する、こと
   を特徴とする酸素ガスセンサの汚損検出方法。