JPH08122287A - ガス成分の濃度の測定装置および方法 - Google Patents

ガス成分の濃度の測定装置および方法

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JPH08122287A
JPH08122287A JP6258109A JP25810994A JPH08122287A JP H08122287 A JPH08122287 A JP H08122287A JP 6258109 A JP6258109 A JP 6258109A JP 25810994 A JP25810994 A JP 25810994A JP H08122287 A JPH08122287 A JP H08122287A
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oxygen
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chamber
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JP6258109A
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Tomonori Takahashi
知典 高橋
Toshihiro Yoshida
俊広 吉田
Takao Murase
隆生 村瀬
Nobuhide Kato
伸秀 加藤
Yuji Katsuta
祐司 勝田
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NGK Insulators Ltd
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    • G01N33/0004Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0011Sample conditioning
    • G01N33/0013Sample conditioning by a chemical reaction

Abstract

(57)【要約】 【目的】雰囲気を測定室中に導入し、測定室中に設置さ
れている酸化物半導体素子を雰囲気にさらしたときの抵
抗値を測定することによって特定のガスの濃度を測定す
る方式の測定装置において、酸素分圧が変動する場合に
も正確な測定ができるようにすることである。 【構成】雰囲気を導入するための測定室17中に、酸化
物半導体素子8が設置されている。素子8は、特定のガ
ス成分の濃度に応じて抵抗値が変化する。酸素イオン透
過性の固体電解質素子11と一対の電極12、13とを
備えた酸素ポンプ4が設けられ、酸素ポンプ4の一方の
電極が測定室17側に設けられている。ガス拡散抵抗手
段としての孔によって、測定室と外部雰囲気とが接続さ
れている。酸化物半導体素子8を雰囲気にさらしたとき
の抵抗値を測定することによって濃度を測定するのと共
に、酸素ポンプ4によって測定室17中の酸素分圧を制
御することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、酸素分圧が変化するよ
うなガスの中でも、特定のガス成分の濃度を測定できる
ようなガス成分の濃度の測定装置および方法に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】各種の特定のガス成分を含有する雰囲気
やガス流中に対して、酸化物半導体をさらすと、その電
気抵抗値が変化する現象が知られており、この抵抗値変
化を利用して特定のガス成分の濃度を測定することも知
られている。この方法で測定できる特定のガス成分とし
ては、CO、CO2 、NO、NO2 、H2、H2 O、S
2 、HCl、H2 S等がある。例えば、特開昭63─
313047号公報では、酸化物半導体としてSnO2
を使用し、H2 Sの濃度を測定している。特開平1─1
50849号公報では、酸化物半導体としてTiO2
使用し、NOの濃度を測定している。特公昭45─17
038号公報においては、酸化物半導体としてWO3
使用し、NH3 の濃度を測定している。いずれも、目的
のガスの濃度変化に応じて、酸化物半導体の電気抵抗値
が変化するのを検出し、この抵抗値を校正曲線と比較し
て、ガスの濃度を決定するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】例えば、自動車や内燃
機関の排気ガスや、各種塵埃の焼却処理施設等において
発生する排気ガスでは、その酸素濃度が大きく変動す
る。しかし、本発明者が確認したところでは、酸化物半
導体素子の電気抵抗値が、特定の目的とするガスの濃度
だけでなく、こうした酸素分圧の変動によっても大きく
変動する。そして、最終的に出力される電気抵抗値には
この両者が反映されるため、特定のガス成分の濃度を正
確に測定することができない。例えば、後述する図4に
示したように、酸素分圧が0.01気圧から0.20気
圧の間で変動した場合、NOの濃度が同じであっても、
抵抗値に非常に顕著な差が生ずることがわかった。
【0004】本発明の課題は、雰囲気を測定室中に導入
し、測定室中に設置されている酸化物半導体素子を雰囲
気にさらしたときの抵抗値を測定することによって特定
のガスの濃度を測定する方式の装置において、酸素分圧
が変動する場合にも正確な測定ができるようにすること
である。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明に係る測定装置
は:雰囲気中の特定のガス成分の濃度を測定する装置で
あって:前記雰囲気を導入するための測定室;前記雰囲
気と前記測定室とを接続するガス拡散抵抗手段;この測
定室中に設置されている酸化物半導体素子であって、前
記特定のガス成分の濃度に応じて抵抗値が変化する酸化
物半導体素子;および酸素イオン透過性の固体電解質素
子と一対の電極とを備えた酸素ポンプであって、その一
方の電極が前記測定室中の雰囲気に接触可能に設けられ
ている酸素ポンプを備えており、前記酸素ポンプによっ
て前記測定室中の酸素分圧を制御すると共に、前記酸化
物半導体素子を前記雰囲気にさらしたときの抵抗値を測
定することによって前記濃度を測定することを特徴とす
る。
【0006】また、本発明に係るガス成分の濃度の測定
方法は、被測定ガスをガス拡散抵抗手段を介して測定室
に導入し、この測定室内の酸素分圧を電気化学的素子に
よる酸素ポンプによって所定の値に制御しつつ、この測
定室内に設けた特定のガス成分の濃度に応じて抵抗値が
変化する酸化物半導体の抵抗値として、特定のガス成分
の濃度を測定することを特徴とする。
【0007】
【作用】本発明者は、ジルコニア固体電解質素子の両側
にそれぞれ電極を付けて酸素ポンプを構成し、この酸素
ポンプの一方の電極を、酸化物半導体素子のある測定室
側に配置することで、測定室中の酸素分圧を制御するこ
とに成功した。そして、雰囲気中のNO等の濃度と酸素
分圧とを共に大きく変動させつつ、実際に特定のガス成
分の測定実験を行った結果、ほとんど時間的な遅れもな
く、ほぼリアルタイムで正確にガス濃度を正確に測定で
きることを発見し、本発明に到達した。
【0008】これによって、各種の排気ガスや燃焼ガス
のように、酸素分圧が大きく変動するような雰囲気にお
いて、NO等の有害ガス等の濃度を測定する用途につい
て、酸化物半導体素子を用いた濃度測定装置によって正
確な濃度測定が実現できるようになった。この点で、計
測装置の分野における本発明の意義は、きわめて大き
い。
【0009】
【実施例】酸化物半導体素子としては、TiO2 、Sn
2 、ZnO2 、NiO、Fe−O、WO2 、In2
3 、Nb2 5 、V2 5 、Mn−O、Cu−O、Co
O等の酸化物、これらの各酸化物を含有する固溶体、複
合酸化物を例示することができる。酸化物半導体素子中
の金属イオンと酸素イオンとの組成比や、結晶構造は、
酸化物半導体素子を使用する環境、製造時の温度、酸素
分圧によって、変化する。
【0010】また、酸化物半導体素子は、酸化物半導体
からなる多孔質体、緻密な焼結体であってよく、また支
持体と支持体上に形成された酸化物半導体薄膜からなっ
ていてよい。この酸化物半導体素子に、抵抗値測定用の
電極を取り付けて測定室中に収容する。
【0011】特定のガス成分としては、酸素以外のガス
成分であれば測定可能であるが、好ましくは、CO、C
2 、NO、NO2 、NH3 、H2 、H2 O、SO2
HCl、H2 Sが挙げられる。
【0012】酸素ポンプは、ジルコニア等の酸素イオン
透過性の固体電解質素子に、正極と負極とを設けたもの
である。正極で酸素をイオン化し、この酸素イオンが固
体電解質素子中を透過し、負極で酸素イオンが酸素分子
となり、放出される。従って、正極側から負極側へと酸
素イオンが移動し、酸素がくみ出されることになる。
【0013】この固体電解質素子の形状としては薄板が
好ましく、電極としては多孔質電極が好ましい。この多
孔質電極は、ペーストの塗布および焼き付けによって形
成できる。
【0014】酸化物半導体の温度を、ガス濃度の測定に
適した温度に温度上昇させるため、および酸素ポンプの
温度をその作動温度に温度上昇させるために、測定室を
構成する容器の壁面中に、抵抗加熱式等のヒーターを埋
設することが好ましい。
【0015】なお、酸素ポンプの一方の電極を測定室側
に設けるけれども、この電極は、測定室に直接面してい
ることが好ましいが、測定室内に直接面していなくと
も、所定の通路を通じて測定室内の雰囲気に接触可能に
なっていればよい。
【0016】本発明では、酸素ポンプの一対の電極の間
の印加電圧を一定値に設定できる。これによって、酸素
ポンプの一方の電極の側と他方の電極の側との酸素分圧
の割合が、一定値に設定され、制御される。
【0017】酸素ポンプの一対の電極のうちの他方の電
極を、測定室外の雰囲気側に設けた場合には、測定室中
に正極が位置し、測定室外に負極が位置するように、酸
化物半導体素子への印加電圧を設定すれば、雰囲気の酸
素分圧に比較して、測定室中の酸素分圧を小さくでき
る。これによって、雰囲気中の酸素分圧が大きく変動し
ても、測定室中の酸素分圧の変動を、相対的に小さくす
ることができる。
【0018】また、酸素ポンプの一対の電極のうちの他
方の電極を、測定室外の雰囲気側に設けた場合には、測
定室中に負極が位置し、測定室外に正極が位置するよう
に、酸化物半導体素子への印加電圧を設定すれば、雰囲
気の酸素分圧に比較して、測定室中の酸素分圧を大きく
できる。そして、この印加電圧を十分に大きくすれば、
測定室内の酸素分圧が常に所定のしきい値C以上となる
ようにすることができる。酸化物半導体素子の抵抗値
が、このしきい値C以上の酸素分圧では、あまり変化し
ない場合には、この構成を採用することができる。
【0019】更に、酸素濃度が一定範囲内に保持されて
いる酸素濃度基準室を設け、酸素ポンプの一対の電極の
うちの他方の電極をこの酸素濃度基準室側に設けること
ができる。この場合には、酸素濃度基準室の酸素濃度が
一定値に保持されるので、酸素ポンプの一対の電極の間
の印加電圧を一定値に設定すれば、測定室の酸素濃度も
一定値に保持される。従って、非常に容易かつ正確な酸
素濃度の制御が可能である。
【0020】また、測定室中の酸素濃度を測定する酸素
濃度計を備え、この酸素濃度計から得られた信号を酸素
ポンプの印加電圧にフィードバックし、測定室内の酸素
分圧を所定の範囲に制御する構成とすることができる。
【0021】このフィードバックの具体例としては、酸
素濃度計から得られた信号が所定の上限値を越えると、
測定室側の電極が正極となるように酸素ポンプに対して
電圧を印加できる。これによって、測定室側の正極から
酸素を吸引し、排出して、測定室中の酸素分圧を低下さ
せることができる。この場合には、また、酸素濃度計か
ら得られた信号が下限値未満になると、測定室側の電極
が負極となるように酸素ポンプに対して電圧を印加す
る。これによって、測定室側の負極から酸素を供給し
て、測定室中の酸素分圧を上昇させることができる。
【0022】このように制御を行うと、雰囲気中の酸素
濃度が大きく変動する場合に、酸素濃度基準室を設けず
に、酸素ポンプの一対の電極のうちの他方の電極を雰囲
気中に露出させた場合でも、ある所定の範囲内に測定室
内の酸素分圧を維持することが、容易に実施できる。
【0023】本発明においては、雰囲気と測定室との間
に、ガス拡散抵抗手段を設ける。このガス拡散抵抗手段
は、雰囲気ガスを測定室内へと適度に流入させ、かつ適
度に排出させるためのものである。このガス拡散抵抗手
段は、一個でもよく、複数個でもよい。
【0024】以下、図面を参照しつつ、更に本発明の実
施例を述べる。図1は、酸素濃度基準室を備えた測定装
置を示す。容器2内に測定室17が形成されており、容
器2の壁面に、ガス拡散抵抗手段としての孔3が設けら
れており、孔3から外部雰囲気16の雰囲気ガスを、矢
印Bのように適度に流入および排出させうるように、構
成されている。
【0025】酸化物半導体素子8の両側に各電極6.7
を形成し、特定のガス成分の濃度を測定する測定素子5
を作成している。この測定素子5を、測定室17内に形
成し、封着部分10で封着する。各電極6、7は、外部
の公知の制御装置18に接続されている。
【0026】測定室17の下側に、酸素濃度基準室1が
設けられており、孔14から基準気体を導入できるよう
になっている。隔壁21内に固体電解質素子11が設置
されており、隔壁21の両側にそれぞれ電極12、13
が形成されている。この酸素ポンプ4の電極12が測定
室17に面しており、電極13が酸素濃度基準室1に面
している。各電極12、13が、外部の制御装置19に
接続されている。また、隔壁21内にはヒーター9が埋
設されている。
【0027】図2に示す測定装置においては、容器22
内に測定室17が形成されており、容器22の壁23に
孔3が設けられている。壁23内に固体電解質素子11
が設置されており、壁23の両側にそれぞれ電極12、
13が形成されている。この酸素ポンプ15の電極12
が測定室17に面しており、電極13が外部雰囲気16
に面している。また、壁23内にはヒーター9が埋設さ
れている。
【0028】図3に示す測定装置においては、容器22
内に測定室17が形成されており、容器22の壁23に
孔3が設けられている。壁23内に固体電解質素子11
が設置されており、壁23の両側にそれぞれ電極12、
13が形成されている。この酸素ポンプ15の電極12
が測定室17に面しており、電極13が外部雰囲気16
に面している。壁23内にはヒーター9が埋設されてい
る。
【0029】そして、前記測定室内に酸素濃度計20が
設置されており、酸素濃度計20が制御装置19に接続
されている。そして、酸素濃度計20から得られた信号
が上限値を越えると、測定室17側の電極12が正極と
なるように酸素ポンプ15に対して電圧を印加する。酸
素濃度計20から得られた信号が下限値未満になると、
測定室17側の電極12が負極となるように酸素ポンプ
に対して電圧を印加する。
【0030】以下、更に具体的な実験結果について述べ
る。 (実験1)図1に示す、本発明例の測定装置を作成し
た。容器2としては、孔3を有するジルコニア製の気密
質の焼結体を使用した。この容器2内に、粒径約0.5
μmのTiO2 の粉体のスラリーを流し込み、このスラ
リーを乾燥し、焼成して、多孔質のTiO2 焼結体から
なる酸化物半導体素子8を作成した。そして、スラリー
を流し込むための開放端部を、ガラス封着材10によっ
て密封した。固体電解質素子はジルコニアによって形成
した。
【0031】一方、比較例として、図1の測定装置にお
いて酸素ポンプ11を取り除いたものを作成した。ただ
し、この材料は、上記した本発明例の測定装置と同じで
ある。
【0032】まず、比較例の測定装置について、測定実
験をおこなった。測定温度を600℃とし、雰囲気中の
NOの濃度を図4に示すように0〜500ppmの間で
変更し、かつ酸素分圧を0.01、0.10および0.
20気圧に変更した。雰囲気の全圧は1気圧にした。各
酸素分圧について、酸化物半導体素子の抵抗値を測定し
た結果を、図4に示す。
【0033】図4からわかるように、酸素分圧が変化す
ると、抵抗値はきわめて大きく変動することがわかる。
この条件下では、酸素分圧が大きく変動する場合には、
NOの濃度の測定は不可能であるし、酸素分圧の変化が
たとえ小さい場合であっても、正確な測定値を得ること
は困難である。
【0034】一方、図1に示す本発明例の測定装置につ
いて、測定実験を行った。測定温度を600℃とし、雰
囲気中のNOの濃度を、図5に示すように0〜500p
pmの間で変更した。また、雰囲気中の酸素分圧を0.
01、0.10および0.20気圧にそれぞれ変更し
た。雰囲気の全圧は1気圧にした。
【0035】ただし、酸素濃度基準室1中における酸素
分圧を0.20気圧に設定し、かつ電極13側の酸素分
圧と電極12側の酸素分圧との比率が20:1となるよ
うに、電極12と13との間に56mVの電圧を印加し
た(電極12を正極とした)。各酸素分圧について、酸
化物半導体素子の抵抗値を測定した結果を、図5に示
す。
【0036】更に、電極13側の酸素分圧と電極12側
の酸素分圧との比率が20000:1となるように、電
極12と13との間に186mVの電圧を印加した(電
極12を正極とした)。各酸素分圧について、酸化物半
導体素子の抵抗値を測定した結果を、図6に示す。
【0037】これらの結果から分かるように、雰囲気中
の酸素分圧が大きく変動した場合にも、正確にNO濃度
を測定できることが判明した。
【0038】(実験2)実験1と同様にして本発明例と
比較例の測定装置を作成し、測定実験を行った。ただ
し、酸化物半導体素子を多孔質のWO3 焼結体によって
製造した。
【0039】最初に、比較例の測定装置について、測定
実験を行った。測定温度を400℃とし、雰囲気中のC
Oの濃度を、図7に示すように0〜2000ppmの間
で変更し、かつ酸素分圧を0.01、0.10および
0.20気圧に変更した。雰囲気の全圧は1気圧にし
た。各酸素分圧について、酸化物半導体素子の抵抗値を
測定した結果を、図7に示す。
【0040】図7からわかるように、酸素分圧が変化す
ると、抵抗値はきわめて大きく変動することがわかる。
この条件下では、酸素分圧が大きく変動する場合には、
COの濃度の測定は不可能であるし、酸素分圧の変化が
たとえ小さい場合であっても、正確な測定値を得ること
は困難である。
【0041】次に、本発明例の測定装置について、測定
実験を行った。測定温度を400℃とし、雰囲気中のC
Oの濃度を、図8に示すように0〜2000ppmの間
で変更した。また、雰囲気中の酸素分圧を0.01、
0.10および0.20気圧にそれぞれ変更した。雰囲
気の全圧は1気圧にした。
【0042】ただし、酸素濃度基準室1中における酸素
分圧を0.20気圧に設定し、かつ電極13側の酸素分
圧と電極12側の酸素分圧との比率が2:1となるよう
に、電極12と13との間に12mVの電圧を印加した
(電極12を正極とした)。各酸素分圧について、酸化
物半導体素子の抵抗値を測定した結果を、図8に示す。
【0043】この結果から分かるように、雰囲気中の酸
素分圧が大きく変動した場合にも、正確にNO濃度を測
定できることが判明した。これによって、酸素濃度が大
きく変動するような雰囲気中の特定のガス成分の濃度測
定を実用化できるし、またその測定値の精度を向上させ
ることもできる。
【0044】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、特
定のガス成分の濃度を測定するガスセンサーにおいて、
測定する雰囲気やガス流の酸素分圧が変化しても、これ
に影響されることなく、正確な測定値を得ることが可能
である。従って、各種の排気ガスや燃焼ガスのように、
酸素分圧が大きく変動するような雰囲気において、有害
ガス、可燃性ガス等の濃度を測定する用途について、酸
化物半導体素子を用いた濃度測定装置による測定を実用
化することが可能になり、また測定精度が一層高い正確
な濃度測定が実現できるようになった。この点で、計測
装置の分野における本発明の意義は、きわめて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る測定装置の構造を概略的
に示す概略断面図である。
【図2】本発明の他の実施例に係る測定装置の構造を概
略的に示す概略断面図である。
【図3】本発明の更に他の実施例に係る測定装置の構造
を概略的に示す概略断面図である。
【図4】酸化物半導体素子が多孔質TiO2 焼結体であ
る場合について、比較例の測定装置によるNO濃度の測
定結果を示すグラフである。
【図5】酸化物半導体素子が多孔質TiO2 焼結体であ
る場合について、本発明の実施例の測定装置によるNO
濃度の測定結果を示すグラフである。
【図6】酸化物半導体素子が多孔質TiO2 焼結体であ
る場合について、本発明の実施例の測定装置によるNO
濃度の測定結果を示すグラフである。
【図7】酸化物半導体素子が多孔質WO3 焼結体である
場合について、比較例の測定装置によるCO濃度の測定
結果を示すグラフである。
【図8】酸化物半導体素子が多孔質WO3 焼結体である
場合について、本発明の実施例の測定装置によるCO濃
度の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1 酸素濃度基準室 2、22 容器 3 孔
4、15酸素ポンプ 5 特定のガス成分の濃度測定
素子 6、7 酸化物半導体素子の電極 8 酸化
物半導体素子 9 ヒーター 10 封着部分 11 酸素透過性の固体電解質素子 12、13 多
孔質電極 16 外部雰囲気 17 測定室 1
8 酸化物半導体素子の制御装置 19 酸素ポンプ
の制御装置 20 酸素濃度計
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 伸秀 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 勝田 祐司 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 雰囲気中の特定のガス成分の濃度を測定
    する装置であって:前記雰囲気を導入するための測定
    室;前記雰囲気と前記測定室とを接続するガス拡散抵抗
    手段;この測定室中に設置されている酸化物半導体素子
    であって、前記特定のガス成分の濃度に応じて抵抗値が
    変化する酸化物半導体素子;および酸素イオン透過性の
    固体電解質素子と一対の電極とを備えた酸素ポンプであ
    って、その一方の電極が前記測定室中の雰囲気に接触可
    能に設けられている酸素ポンプを備えており、 前記酸素ポンプによって前記測定室中の酸素分圧を制御
    すると共に、前記酸化物半導体素子を前記雰囲気にさら
    したときの抵抗値を測定することによって前記濃度を測
    定することを特徴とする、ガス成分の濃度の測定装置。
  2. 【請求項2】 前記一対の電極の間の印加電圧を一定値
    に設定することによって前記測定室中の酸素分圧を制御
    することを特徴とする、請求項1記載のガス成分の濃度
    の測定装置。
  3. 【請求項3】 酸素濃度が一定範囲内に保持されている
    酸素濃度基準室を備えており、前記一対の電極のうちの
    他方の電極がこの酸素濃度基準室側にあることを特徴と
    する、請求項1〜2のいずれか一つの請求項に記載のガ
    ス成分の濃度の測定装置。
  4. 【請求項4】 前記測定室中の酸素濃度を測定する酸素
    濃度計を備えており、この酸素濃度計から得られた信号
    を前記酸素ポンプの印加電圧にフィードバックし、前記
    測定室内の酸素分圧を所定の範囲に制御する構成とした
    ことを特徴とする、請求項1記載のガス成分の濃度の測
    定装置。
  5. 【請求項5】被測定ガスをガス拡散抵抗手段を介して測
    定室に導入し、この測定室内の酸素分圧を電気化学的素
    子による酸素ポンプによって所定の値に制御しつつ、こ
    の測定室内に設けた特定のガス成分の濃度に応じて抵抗
    値が変化する酸化物半導体の抵抗値として、特定のガス
    成分の濃度を測定することを特徴とする、ガス成分の濃
    度の測定方法。
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