JPH0629878B2 - 気体濃度測定方法 - Google Patents
気体濃度測定方法Info
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- JPH0629878B2 JPH0629878B2 JP60291571A JP29157185A JPH0629878B2 JP H0629878 B2 JPH0629878 B2 JP H0629878B2 JP 60291571 A JP60291571 A JP 60291571A JP 29157185 A JP29157185 A JP 29157185A JP H0629878 B2 JPH0629878 B2 JP H0629878B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、被測定気体中に含まれる異種の気体濃度を同
時に測定する方法に関するものである。
時に測定する方法に関するものである。
＜従来の技術＞ 被測定気体、例えば大気の場合、酸素（Ｏ2）を初めと
して、窒素（Ｎ2）、その他の含酸素物質、例えば水分
（Ｈ2Ｏ）、炭酸ガス（ＣＯ2）、亜硫酸ガス（Ｓ
Ｏ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ2、Ｎ
Ｏ、Ｎ2Ｏ），更には希ガス（Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ等）等
種々の気体が含まれている。
して、窒素（Ｎ2）、その他の含酸素物質、例えば水分
（Ｈ2Ｏ）、炭酸ガス（ＣＯ2）、亜硫酸ガス（Ｓ
Ｏ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ2、Ｎ
Ｏ、Ｎ2Ｏ），更には希ガス（Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ等）等
種々の気体が含まれている。
これら含有物質の気体濃度は従来より種々の方法で測定
されているが、近年、測定が簡単で且つ迅速に行え、し
かも検出情報の制御、取扱性が良いこと等から、電子部
品としてのセンサーがよく使用されている。
されているが、近年、測定が簡単で且つ迅速に行え、し
かも検出情報の制御、取扱性が良いこと等から、電子部
品としてのセンサーがよく使用されている。
現在、酸素濃度については、固体電解質の酸素イオン導
電板を用いた限界電流方式のセンサー、所謂、酸素セン
サーが使用されている。
電板を用いた限界電流方式のセンサー、所謂、酸素セン
サーが使用されている。
ここで、限界電流方式の酸素センサーとは、酸素イオン
導電性を有する固体電解質に対して、酸素分子（イオ
ン）供給を制限する（或いは拡散を律速する）手段を設
けたセンサーを総称するものであって、両面に電極が形
成された固体電解質に、外気の間の微小な気体流通口が
開けられた中空カプセルを被冠し、該気体流通口の気体
拡散抵抗によって生ずる限界電流特性を利用するもの、
或いは拡散抵抗を生じる気体流通口の代わりに多孔質物
質（微細な貫通孔を多数有する物質、例えばセラミッ
ク）を上記カプセルの一部に設けたもの、固体電解質の
一面或いは両面、又は該固体電解質全体を包囲するよう
に多孔質体を形成したもの、固体電解質面の電極上に拡
散制御層を設け更にその上に拡散を阻止する層を形成し
たもの、僅かな間隙を持たせた少なくともどちらか一方
が両面に電極が形成された固体電解質の板を並べその間
隙による気体の拡散抵抗作用を利用したもの、一端部が
閉塞された筒状の固体電解質の内外面に電極が設けら
れ、その一方の電極側に前述の如き拡散制御体を設けた
タイプ等、固体電解質の酸素イオン移送現象を制限（律
速）することによって濃度を測定する方式のセンサーを
総て含むものとする。
導電性を有する固体電解質に対して、酸素分子（イオ
ン）供給を制限する（或いは拡散を律速する）手段を設
けたセンサーを総称するものであって、両面に電極が形
成された固体電解質に、外気の間の微小な気体流通口が
開けられた中空カプセルを被冠し、該気体流通口の気体
拡散抵抗によって生ずる限界電流特性を利用するもの、
或いは拡散抵抗を生じる気体流通口の代わりに多孔質物
質（微細な貫通孔を多数有する物質、例えばセラミッ
ク）を上記カプセルの一部に設けたもの、固体電解質の
一面或いは両面、又は該固体電解質全体を包囲するよう
に多孔質体を形成したもの、固体電解質面の電極上に拡
散制御層を設け更にその上に拡散を阻止する層を形成し
たもの、僅かな間隙を持たせた少なくともどちらか一方
が両面に電極が形成された固体電解質の板を並べその間
隙による気体の拡散抵抗作用を利用したもの、一端部が
閉塞された筒状の固体電解質の内外面に電極が設けら
れ、その一方の電極側に前述の如き拡散制御体を設けた
タイプ等、固体電解質の酸素イオン移送現象を制限（律
速）することによって濃度を測定する方式のセンサーを
総て含むものとする。
本発明者等も、かゝる酸素センサーの開発を継続的に行
っており、現在までに種々のものを提案している。
っており、現在までに種々のものを提案している。
特に、最近、上記と同種の酸素センサーにおいて、印加
電圧を上げていくと、例えば大気にあって、酸素と同時
に水分が含まれている場合、第５図に示す如く、２段階
の平坦領域２，３を有する電圧−電流特性曲線１が得ら
れることに着目し、研究を進めてきている。
電圧を上げていくと、例えば大気にあって、酸素と同時
に水分が含まれている場合、第５図に示す如く、２段階
の平坦領域２，３を有する電圧−電流特性曲線１が得ら
れることに着目し、研究を進めてきている。
この電圧−電流特性曲線１の２段階平坦領域の発現現象
は、本発明者等の研究過程で明らかになったもので、最
初の平坦領域２（第１平坦部）は大気中の酸素に起因し
て形成され、次の平坦領域３（第２平坦部）は大気中の
酸素と同時に水分の分解による酸素原子（酸素イオン）
の存在が付加されることに起因して形成されるものと、
推定される。
は、本発明者等の研究過程で明らかになったもので、最
初の平坦領域２（第１平坦部）は大気中の酸素に起因し
て形成され、次の平坦領域３（第２平坦部）は大気中の
酸素と同時に水分の分解による酸素原子（酸素イオン）
の存在が付加されることに起因して形成されるものと、
推定される。
一方、従来の炭酸ガス（ＣＯ2）の測定方法としては、
例えば、ＣＯ2のカルボニル基（Ｃ＝Ｏ）の赤外線吸収
スペクトル（ＩＲ吸収スペクトル）により定量する方法
が一般に行われている。
例えば、ＣＯ2のカルボニル基（Ｃ＝Ｏ）の赤外線吸収
スペクトル（ＩＲ吸収スペクトル）により定量する方法
が一般に行われている。
＜発明が解決しようとする問題点＞ この赤外線吸収スペクトルによる炭酸ガス測定方法で
は、ランベルト−ベールの法則（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅ
ｅｒ′ｓ Ｌｏｗ）に基づく吸光度とサンプル濃度の関
係式により定量するわけであるが、一般にｐｐｍオーダ
ーの低濃度測定ではある程度良好な精度が得られるもの
の、パーセントオーダーのような高濃度（濃い濃度、例
えば微生物の醗酵槽中の炭酸ガス濃度）では測定精度が
かなり悪くなる。又、一酸化炭素（ＣＯ）、アルデヒド
類（Ｒ−ＣＨＯ）、カルボン酸類（Ｒ−ＣＯＯＨ）、ケ
トン類（Ｒ−ＣＯ−Ｒ′）のようにカルボニル基を有す
る化合物が混在すると、それらの化合物が炭酸ガス（Ｃ
Ｏ2）と同じ波長領域の赤外線を吸収してしまうので、
測定誤差として現れ、やはり良好な測定精度が得られな
い。つまり、炭酸ガス（ＣＯ2）とこれらの化合物とを
測定上区別することは原理的に困難である。
は、ランベルト−ベールの法則（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅ
ｅｒ′ｓ Ｌｏｗ）に基づく吸光度とサンプル濃度の関
係式により定量するわけであるが、一般にｐｐｍオーダ
ーの低濃度測定ではある程度良好な精度が得られるもの
の、パーセントオーダーのような高濃度（濃い濃度、例
えば微生物の醗酵槽中の炭酸ガス濃度）では測定精度が
かなり悪くなる。又、一酸化炭素（ＣＯ）、アルデヒド
類（Ｒ−ＣＨＯ）、カルボン酸類（Ｒ−ＣＯＯＨ）、ケ
トン類（Ｒ−ＣＯ−Ｒ′）のようにカルボニル基を有す
る化合物が混在すると、それらの化合物が炭酸ガス（Ｃ
Ｏ2）と同じ波長領域の赤外線を吸収してしまうので、
測定誤差として現れ、やはり良好な測定精度が得られな
い。つまり、炭酸ガス（ＣＯ2）とこれらの化合物とを
測定上区別することは原理的に困難である。
そこで、本発明者等は、前述の電圧−電流特性曲線１の
２段階平坦領域の発現現象を更に押し進め、先ず、脱水
した後の乾燥大気について、同様の試験をしたところ、
炭酸ガスの分解により供給される酸素原子（酸素イオ
ン）が水分の場合と同様の関わりを持つことを見出し
た。
２段階平坦領域の発現現象を更に押し進め、先ず、脱水
した後の乾燥大気について、同様の試験をしたところ、
炭酸ガスの分解により供給される酸素原子（酸素イオ
ン）が水分の場合と同様の関わりを持つことを見出し
た。
本発明は、この電圧−電流特性曲線の２段階平坦領域の
発現現象を利用してなされたものである。
発現現象を利用してなされたものである。
＜問題点を解決するための手段及びその作用＞ 本発明の特徴とする点は、少なくとも炭酸ガスの含有さ
れた被測定気体中の酸素濃度及び炭酸ガスを測定するに
おいて、前記被測定気体中の水分を脱水した後、固体電
解質を用いた限界電流方式の酸素センサーに電圧を印加
して第１平坦部の限界電流値と第２平坦部の限界電流値
を求め、前記第１平坦部の限界電流値から酸素濃度を
得、且つ第２平坦部の限界電流値と前記第１平坦部の限
界電流値との差から被測定気体中の炭酸ガス濃度を得る
気体濃度測定方法にある。
れた被測定気体中の酸素濃度及び炭酸ガスを測定するに
おいて、前記被測定気体中の水分を脱水した後、固体電
解質を用いた限界電流方式の酸素センサーに電圧を印加
して第１平坦部の限界電流値と第２平坦部の限界電流値
を求め、前記第１平坦部の限界電流値から酸素濃度を
得、且つ第２平坦部の限界電流値と前記第１平坦部の限
界電流値との差から被測定気体中の炭酸ガス濃度を得る
気体濃度測定方法にある。
以下、かゝる本発明方法を図面により更に詳しく説明す
る。
る。
第１図は固体電解質を用いた限界電流方式の酸素センサ
ーによる電圧−電流特性曲線を示したものである。尚、
ここで用いたセンサーは両面に電極が形成された固体電
解質に、外気の間の微小な気体流通口が開けられた中空
カプセルを被冠し、該気体流通口の気体拡散抵抗によっ
て生ずる限界電流特性を利用した構造のものである。
ーによる電圧−電流特性曲線を示したものである。尚、
ここで用いたセンサーは両面に電極が形成された固体電
解質に、外気の間の微小な気体流通口が開けられた中空
カプセルを被冠し、該気体流通口の気体拡散抵抗によっ
て生ずる限界電流特性を利用した構造のものである。
この第１図において、電圧−電流特性曲線１１は脱水さ
れた混合ガス（Ｏ2、Ｎ2、ＣＯ2を主成分とする混合ガ
ス）の場合で、センサーの印加電圧を上昇させていく
と、先ず、酸素の存在による第１平坦部１２が現れ、次
に炭酸ガスの存在が付加されたことによる第２平坦部１
３が現れ、この後一旦下降して谷部１４を作った後、上
昇する。
れた混合ガス（Ｏ2、Ｎ2、ＣＯ2を主成分とする混合ガ
ス）の場合で、センサーの印加電圧を上昇させていく
と、先ず、酸素の存在による第１平坦部１２が現れ、次
に炭酸ガスの存在が付加されたことによる第２平坦部１
３が現れ、この後一旦下降して谷部１４を作った後、上
昇する。
ここで、第２平坦部１３が現れるのは、 ＣＯ2→ＣＯ＋1/2Ｏ2 の反応がカソード電極で起こり、酸素Ｏ2が供給される
からと、推定される。尚、大気の場合、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）やその他のカルボニル基含有物質が含まれている恐
れがあるが、一酸化炭素の場合、熱力学的に安定性が高
く一般にセンサー駆動温度程度では分解することがな
く、その他のカルボニル基含有物質の場合は、微量のた
め、測定上、無視しても何等差支えないものである。
又、脱水するのは水分の分解により供給される酸素原子
（酸素イオン）の存在による測定誤差をなくすためで、
その脱水方法としては、特に限定されないが、例えばシ
ルカゲルや五酸化リン等の乾燥剤を通したり、或いは電
子冷却等により除湿を行えばよい。
からと、推定される。尚、大気の場合、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）やその他のカルボニル基含有物質が含まれている恐
れがあるが、一酸化炭素の場合、熱力学的に安定性が高
く一般にセンサー駆動温度程度では分解することがな
く、その他のカルボニル基含有物質の場合は、微量のた
め、測定上、無視しても何等差支えないものである。
又、脱水するのは水分の分解により供給される酸素原子
（酸素イオン）の存在による測定誤差をなくすためで、
その脱水方法としては、特に限定されないが、例えばシ
ルカゲルや五酸化リン等の乾燥剤を通したり、或いは電
子冷却等により除湿を行えばよい。
従って、低い電圧Ｖ1を印加すれば酸素による限界電流
値ＩL1が得られ、高い電圧Ｖ2を印加すれば炭酸ガスの
存在が付加された限界電流値ＩL2が得られる。
値ＩL1が得られ、高い電圧Ｖ2を印加すれば炭酸ガスの
存在が付加された限界電流値ＩL2が得られる。
以上の限界電流値ＩL2と限界電流値ＩL1との差（ＩL2−
ＩL1）から差電流値ΔＩＬが求められる。
ＩL1）から差電流値ΔＩＬが求められる。
本発明者等が、この差電流値ΔＩＬと上記脱水混合ガス
中の炭酸ガスとの相関関係を求めたところ、第２図に示
したように両者の間には比例関係があることが分かっ
た。
中の炭酸ガスとの相関関係を求めたところ、第２図に示
したように両者の間には比例関係があることが分かっ
た。
このことから、予め差電流値ΔＩＬに対応する炭酸ガス
濃度を求めておけは、当該差電流値ΔＩＬから直ちに炭
酸ガス濃度を求めることができる。
濃度を求めておけは、当該差電流値ΔＩＬから直ちに炭
酸ガス濃度を求めることができる。
又、酸素濃度は、第３図に示す如く酸素の限界電流値Ｉ
L1に比例することが既に知られているため、やはり当該
限界電流値ＩL1から直ちに求めることができる。
L1に比例することが既に知られているため、やはり当該
限界電流値ＩL1から直ちに求めることができる。
＜実施例＞ 拡散孔を有するカプセル型の酸素センサーを用いて、測
定温度（気体温度）２５℃で、脱水された種々の炭酸ガ
ス濃度（予め既知の炭酸ガスを入れて設定した設定濃
度）の空気（乾燥空気）ついて、実測したところ、第１
表の如くであった。
定温度（気体温度）２５℃で、脱水された種々の炭酸ガ
ス濃度（予め既知の炭酸ガスを入れて設定した設定濃
度）の空気（乾燥空気）ついて、実測したところ、第１
表の如くであった。
上記第１表により求められた値をプロットし、グラフ化
すると第４図の如くであった。
すると第４図の如くであった。
このグラフから、ΔＩＬと実測値とがよく対応している
ことが分かる。
ことが分かる。
尚、本発明を実施するに当たっては、特願昭60-202169
号に示される如く複数の内部電極に異なる電圧を印加し
てもよいし、或いは又２個のセンサーを並列にして用い
てもよいし、更には印加電圧を掃引することによって２
段階の平坦領域を実現して測定してもよい。
号に示される如く複数の内部電極に異なる電圧を印加し
てもよいし、或いは又２個のセンサーを並列にして用い
てもよいし、更には印加電圧を掃引することによって２
段階の平坦領域を実現して測定してもよい。
＜発明の効果＞ 以上の説明から明らかなように本発明の気体濃度測定方
法によれば、被測定気体中の酸素濃度と炭酸ガス濃度を
簡単且つ迅速に測定することができる。特に、パーセン
トオーダーの比較的高濃度の炭酸ガスを高精度で測定す
ることができる。
法によれば、被測定気体中の酸素濃度と炭酸ガス濃度を
簡単且つ迅速に測定することができる。特に、パーセン
トオーダーの比較的高濃度の炭酸ガスを高精度で測定す
ることができる。
第１図は本発明方法を説明するための限界電流方式の酸
素センサーにおける電圧−電流特性曲線を示したグラ
フ、第２図は限界電流値間の差電流値ΔＩＬと炭酸ガス
濃度との関係を示したグラフ、第３図は限界電流値と酸
素濃度との関係を示したグラフ、第４図は限界電流値間
の差電流値ΔＩＬと実測値を示したグラフ、第５図は限
界電流方式の酸素センサーにおける一般的な電圧−電流
特性曲線を示したグラフである。 図中、 １１……炭酸ガス含有脱水気体の電圧−電流特性曲線、 １２……第１平坦部、 １３……第２平坦部、 １４……谷部、
素センサーにおける電圧−電流特性曲線を示したグラ
フ、第２図は限界電流値間の差電流値ΔＩＬと炭酸ガス
濃度との関係を示したグラフ、第３図は限界電流値と酸
素濃度との関係を示したグラフ、第４図は限界電流値間
の差電流値ΔＩＬと実測値を示したグラフ、第５図は限
界電流方式の酸素センサーにおける一般的な電圧−電流
特性曲線を示したグラフである。 図中、 １１……炭酸ガス含有脱水気体の電圧−電流特性曲線、 １２……第１平坦部、 １３……第２平坦部、 １４……谷部、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−217151（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−64243（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−128153（ＪＰ，Ａ) 「計装」，Ｖｏｌ．28，Ｎｏ．８ （1985），Ｐ．70〜76
Claims (1)
- 【請求項１】少なくとも炭酸ガスの含有された被測定気
体中の酸素濃度及び炭酸ガスを測定するにおいて、前記
被測定気体中の水分を脱水した後、固体電解質を用いた
限界電流方式の酸素センサーに電圧を印加して第１平坦
部の限界電流値と第２平坦部の限界電流値を求め、前記
第１平坦部の限界電流値から酸素濃度を得、且つ第２平
坦部の限界電流値と前記第１平坦部の限界電流値との差
から被測定気体中の炭酸ガス濃度を得ることを特徴とす
る気体濃度測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60291571A JPH0629878B2 (ja) | 1985-12-24 | 1985-12-24 | 気体濃度測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60291571A JPH0629878B2 (ja) | 1985-12-24 | 1985-12-24 | 気体濃度測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62150153A JPS62150153A (ja) | 1987-07-04 |
| JPH0629878B2 true JPH0629878B2 (ja) | 1994-04-20 |
Family
ID=17770644
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60291571A Expired - Lifetime JPH0629878B2 (ja) | 1985-12-24 | 1985-12-24 | 気体濃度測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0629878B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5981398B2 (ja) * | 2013-07-12 | 2016-08-31 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | 内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置 |
| US9732659B2 (en) | 2013-07-12 | 2017-08-15 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | SOx concentration detection device of internal combustion engine |
| JP5969433B2 (ja) * | 2013-07-12 | 2016-08-17 | トヨタ自動車株式会社 | 内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置 |
| JP6235270B2 (ja) * | 2013-08-23 | 2017-11-22 | 株式会社Ｓｏｋｅｎ | 内燃機関の制御装置および制御方法 |
| JP7407008B2 (ja) | 2020-02-10 | 2023-12-28 | ローム株式会社 | ガス濃度測定システム及びガス濃度測定方法 |
-
1985
- 1985-12-24 JP JP60291571A patent/JPH0629878B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 「計装」，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．８（１９８５），Ｐ．７０〜７６ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62150153A (ja) | 1987-07-04 |
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