JPH09145666A - 炭酸ガス濃度測定器の固体電解質型炭酸ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体電解質型炭酸ガスセンサを有する炭酸
ガス濃度測定器において、上記のようなセンサ不使用時
の吸湿に起因する電源投入直後のセンサ出力を短時間で
安定させる制御装置を提供する。 【解決手段】 センサのヒーターに対して高電圧及び
低電圧の２段階のいずれかの電圧を供給する圧印加手段
と、電圧の切り換えを行う電圧切換手段と、電源投入
後、高電圧を供給する指示を行う初期設定手段と、セン
サ素子からの出力が基準レベルに達したことを検出する
信号検出手段と、基準レベルに達するまでに経過した時
間を基に保持時間を演算し、該保持時間に達したときに
電圧切換手段に対し、低電圧に切り換える指示を行う保
持時間演算部からなる制御装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒーターによって
センサ素子を加熱する固体電解質型炭酸ガスセンサを有
する炭酸ガス濃度測定器の炭酸ガスセンサ制御装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型炭酸ガスセンサには、特開
平４−１６８３５６号公報、或いは特開平４−２１３０
４９号公報等によって知られているものがある。それら
の多くはは、炭酸イオン伝導体を挟んで１対の電極を配
置し、一方の電極に炭酸ガス濃度が未知のガスを、他方
の電極には既知濃度のガスを接触させて、濃度差によっ
てこれら電極間に生じる起電力を測定するものである。

【０００３】ここで、特開平４−２１３０４９号公報に
記載されたものについて説明する。このものは、図５に
示すような構成である。即ち、ガス非透過性のセラミッ
ク等からなる基板１１上に形成されたセンサ素子は、白
金等からなる基準電極１２、アルカリ土類金属炭酸塩と
アルカリ金属炭酸塩との固溶体からなる固定電解質薄膜
層１３、パラジウムや銀などからなる検知電極１４、そ
して、基準電極付近の固定電解質薄膜層を外部雰囲気か
ら遮断するためのシール材１５からなっている。

【０００４】このようなセンサ素子は炭酸ガス雰囲気下
で、その炭酸ガスによって、固定電解質薄膜層における
検知電極付近及び基準電極付近の炭酸イオンの濃度差が
生じ、これら電極間に起電力が生じる。この起電力を電
圧測定手段によって計測することにより、雰囲気中の炭
酸ガス濃度を測定することができる。

【０００５】なお、充分なセンサ感度を得るために、セ
ンサ素子は、その固定電解質における炭酸イオンによる
導電性が良好な４００℃〜４５０℃に加熱される必要が
ある。そのため、このセンサにはそのセラミック基板１
１裏面に電気ヒーター１６を有している。

【０００６】このような電気ヒーターによる加熱を要す
るセンサのヒーターは電圧印加手段に接続され電圧が印
加されて使用される。なお、このようなセンサは、炭酸
ガスがない環境下、すなわち、ゼロ信号時においても、
基準電極と検知電極との材質の違い及び前記固定電解質
における導電性の温度依存性によって、温度に対応した
起電力を持つ。従って、このヒーターには一定の電圧が
印加されて、センサ温度は一定に保たれる。

【０００７】なお、固体電解質型炭酸ガスセンサ素子は
不使用時、即ちヒーターで加熱されていないときに吸湿
する。この水分の影響により電源投入直後の（ゼロ信号
での）センサ出力は低いものとなる。その後時間の経過
とともに徐々に上昇して最終的には安定して定常状態と
なるが、吸湿状況によってはこの安定には数日間要する
場合がある。このようにセンサが定常状態になるまでの
期間は、その測定値には信頼が置けないので、この炭酸
ガスセンサを製造工程の管理や、安全管理に用いる場合
には大きな問題となっていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術におけ
る問題点について図６を用いて説明する。この図は炭酸
ガスがない環境での、電源投入後からの時間とセンサ起
電力（出力）の関係を示した図である。なお、図中「基
準レベル」として示したのは、ゼロ信号時の安定した、
即ち定常状態でのセンサ出力である。

【０００９】図７中符号ａはセンサのヒーターに印加さ
せる電圧として、電源投入直後から通常の印加電圧（以
下「定常印加電圧」と云う。）を供給した場合の出力の
経時変化を示す。このように、センサ出力は基準レベル
に比べると低い値でほぼ横這いとなり、最終的に基準レ
ベルに達して定常状態となるまでに数日を要する。

【００１０】なお、電源投入と同時にヒーター部へ定常
印加電圧より高い電圧を印加し、センサ素子を、センサ
素子が劣化しない程度の高温（４７０℃〜５５０℃）に
保って、その吸湿した水分を速やかに放出させる処理、
即ち、いわゆるヒートアップ処理によって、このセンサ
出力の基準レベルへの復帰に要する時間を短縮すること
が可能である。

【００１１】しかし、電源投入時のセンサの吸湿状況に
よって最適のヒートアップ時間が異なるため、状況に応
じたヒートアップを行う必要がある。ここで、最適のヒ
ートアップ時間を選択した場合、即ち、電源投入後高電
圧を印加し、時間Ｔｃで電圧を低電圧、すなわち定常印
加電圧に切り換えたとき、図６中符号ｃで示すようにセ
ンサ出力はヒートアップ処理後センサは速やかに定常状
態となってその出力は基準レベルに一致する。

【００１２】しかし、ヒートアップ時間が不足した場合
（切り換え時間：Ｔｂ）にはセンサ出力は基準レベルよ
り低くなる（図６中符号ｂ）。また、このヒートアップ
処理が過剰の場合（切り換え時間：Ｔｄ）には出力は高
くなり（図６中符号ｄ）、これらの場合、センサ出力が
基準レベルに回復するまでに数時間を要すると云った欠
点が残った。

【００１３】ここで、ヒートアップ終了条件を検討した
ところ、以下のことが判った。即ち、ヒートアップによ
ってセンサ出力が上昇するが、最適な終了時間はその上
昇が終了しピークに達したとき（図６中符号Ｔｃ）であ
る。従って、このセンサ起電力がピークに達したときＴ
ｃでヒートアップ処理を終了し、ヒーターへ供給する電
圧を定常印加電圧へ切り換えれば良いことが判った。

【００１４】しかし、このピーク到達の検出は、センサ
の出力が小さく、またノイズ等の影響等により困難であ
り、その検出は実際にピークに達したときより遅くなっ
てしまう。ここで、この検出の遅れは結果としてセンサ
出力の定常化を大幅に遅らせる。このように、ヒートア
ップ処理中のセンサ起電力のピーク検出によるヒーター
印加電圧制御する方法は最適なものであるとは云えず、
その解決手段が望まれていた。

【００１５】本発明は、上記課題、即ち、固体電解質型
炭酸ガスセンサを有する炭酸ガス濃度測定器において、
センサ不使用時の吸湿に起因する電源投入直後のセンサ
出力の不安定を短時間で解消する制御装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の炭酸ガス濃度測
定器のセンサ制御装置は、図１の基本構成図に示すよう
に、センサ素子１ｂを加熱するヒーター１ａに対して高
電圧及び低電圧の２段階のいずれかの電圧を供給するこ
とができる電圧印加手段２ａと、電圧の切り換えを行う
電圧切換手段２ｂと、電源投入後、この電圧切換手段２
ｂに対し高電圧を供給する指示を行う初期設定手段３ａ
と、センサ素子１ｂからの出力を計測して基準レベルに
等しくなったことを検出する信号検出手段３ｂと、初期
設定手段が高電圧を供給する前記指示を行ってからセン
サ素子出力が基準レベルに達するまでに経過した時間、
即ち基準レベル到達時間を基に保持時間を演算し、該保
持時間に達したときに電圧切換手段２ｂに対し、低電圧
に切り換える指示を行う保持時間演算部３ｃとを構成と
して有する。

【００１７】

【発明の実施の形態】前記初期設定手段３ａが、前記電
圧切換手段２ｂに対し、電源投入直後低電圧を供給する
指示を行い、それから一定時間経過後、高電圧を供給す
る指示を行うタイマ手段であると、電源投入直後の高電
圧印加による、センサ素子の温度の急上昇による劣化を
防ぐことが可能となるので好ましい。また、前記高電圧
を供給する保持時間が、該高電圧に起因する高温暴露に
よるセンサ素子の劣化が開始する時間より短いことが望
ましい。

【００１８】以下、本発明の一例を図面に基づいて説明
する。図２（ａ）は本発明に係る固体電解質型炭酸ガス
センサ制御装置を有する炭酸ガス濃度測定器の回路図で
ある。同図において、１はセンサで、１ａはヒーター、
１ｂはセンサ素子である。また、２は電圧印加回路であ
り、ヒーター１ａはその電圧印加回路２の出力に接続さ
れている。

【００１９】センサ素子１ｂの出力端はマイクロプロセ
ッシングユニット（以下、「ＭＰＵ」と記述する）３の
Ａ／Ｄコンバータ付きの入力ポート３i に接続されてい
て、センサ素子１ｂの出力である起電力は入力ポート３
i で数値化される。ＭＰＵ３は、上記入力ポート３i に
加えて、出力ポート３o を有すると共に、制御プログラ
ム、センサ定数、基準レベル値などを格納したＲＯＭ３
ro（図２(ｂ−１) 参照）及び、電源投入からの経過時
間の計時データ（以下、「タイマＩ」と記述する）や任
意のスタート時間からの経過時間の計時データ（以下、
「タイマII」と記述する）等の各種のデータなどを格納
するＲＡＭ３ra（図２(ｂ−２) 参照）、上記プログラ
ムを実行するためのセントラルプロセッシングユニット
（以下、「ＣＰＵ」と記述する）３cpを内蔵している。

【００２０】電圧印加回路２は、ＭＰＵ３の出力ポート
３o の出力信号の変化によりセンサ１のヒーター１ａに
高電圧及び低電圧の２段階の電圧を印加するものであ
る。即ち、出力信号として出力ポート３o のＨｉが出力
されたときは高電圧が、出力信号として出力ポート３o
にＬｏが出力されたときは低電圧が、ヒーター１ａに電
圧として印加される。なお、この電圧印加回路２として
は具体的にはスイッチ機構と電源回路とを組み合わせて
用いた。

【００２１】上記炭酸ガス濃度測定器は、本発明に係る
固体電解質型炭酸ガスセンサ制御装置の構成を有するの
で、電源投入直後、ヒーター１ａは電圧印加回路２によ
って低電圧が印加されて徐々に昇温される。このため、
センサ素子は急激な昇温による劣化が生じない。

【００２２】このとき、ＣＰＵ３cpはＲＡＭ３raのタイ
マＩによって電源投入からの経過時間を調べ、電源投入
から一定時間後（この場合１０秒後）にヒーターに印加
する電圧を高電圧に切り換える。このとき、センサ素子
１ｂは昇温されて、吸湿された水分が速やかに放出され
るとともに、その出力は上昇する。なお、この切換の時
にタイマIIはスタートされる。

【００２３】前記高電圧によって、センサ素子１ｂが昇
温し、そのセンサ素子１ｂの出力値がＲＯＭ３roに格納
された基準レベルに到達したときを検知し、この時のタ
イマIIの値、即ち基準レベル到達時間を基に演算によっ
て、高電圧が印加されるべき時間、即ち、保持時間が算
出される。

【００２４】その後、タイマIIの値がこの保持時間の値
と等しくなるまで高電圧印加が継続された後低電圧に切
り換わる。しかし、電源投入前のセンサ素子１ｂの吸湿
が異常に多かったことなどにより、この保持時間が余り
に長くなるとセンサ素子１ｂが劣化する。従ってこの劣
化を防止するために、前記ＭＰＵ３がこれを監視し、一
定時間以上のヒートアップ処理が中断される。この例で
は１２０秒で中断するが、最大でも１８０秒以下で中断
することが望ましい。

【００２５】ここで、上記保持時間の意義及びその算出
方法について説明する。前述のように、ヒーターによる
センサ素子の加熱を行う固体電解質型炭酸ガスセンサに
おいて、高電圧でヒートアップを行った場合、センサ出
力は基準レベルを越えた後も上昇し、その後ピークに達
して経時変化がなくなる。

【００２６】種々検討の結果の結果、印加電圧を高電圧
としてからこの基準レベルに達する迄の基準レベル到達
時間をｘ、その後のピークに達する時間（ピーク到達時
間）Ｔｃとすると、図３に示すように、 Ｔｃ ＝ ａ ｘ ＋ ｂ （ａはこの直線の傾き、ｂは基準レベル到達時間を０秒
としたときの切片であって、これらはセンサ固有の定数
（以下「センサ定数」と記述する）である。）の一次の
関係があることが判った。

【００２７】ここで、これらセンサ定数の値を予め調べ
ておけば、センサ出力が基準レベルに達するまでの時間
ｘを測定することで、ピーク到達時間Ｔｃの予測が可能
となり、その予想値、即ち、高電圧を保持すべき時間
（保持時間ｙ）を求めることができる。

【００２８】従って本発明の構成により、ヒーターに供
給する電圧をヒートアップのために高電圧としてからセ
ンサ出力信号値が基準レベルに達するまでの時間ｘを計
測し、この時間ｘ及び上記のセンサ固有の値ａ及びｂか
ら適切な保持時間ｙを算出し、この保持時間ｙだけ高電
圧を印加することにより、センサを速やかに定常状態に
することができる。

【００２９】次に、電源投入時からセンサ出力の安定ま
での動作の詳細を図４のフローチャートを参照して説明
する。ＭＰＵ３はスイッチ（図示せず）のオンによる電
源等により動作を開始し、まずステップＳ１においてタ
イマＩがスタートする。ステップＳ２において出力ポー
ト３o に信号Ｌｏが出力され、その結果、ヒーター１ａ
には電圧印加回路２によって低電圧である通常印加電圧
が印加され、センサ素子は劣化しないよう緩やかに昇温
される。

【００３０】ついでステップＳ３によって低電圧印加後
から一定時間（ここでは１０秒）経過するまで低電圧が
印加されて、その後ステップＳ４に進行し、出力ポート
３oに信号Ｈｉが出力され、これにより電圧印加回路２
によってヒーター１ａには高電圧が印加され、センサ素
子はヒートアップされる。

【００３１】その後、入力ポート３i によって測定され
たセンサの出力が基準レベルに達するまでステップＳ６
が繰り返され、この起電力が基準レベルに達したとき
は、直ちにステップ７で、タイマIIの値、即ち、ヒータ
ー１ａに高電圧を印加してからの経過時間が基準レベル
到達時間ｘとされる。次いでステップＳ８に進み、この
ｘと、センサ定数ａ及びｂによって、保持時間ｙが算出
される。

【００３２】ステップＳ９において、ヒーター１ａに高
電圧を印加してからの経過時間、即ちタイマIIの値が、
一定時間（ここでは１２０秒）未満の場合にはステップ
Ｓ１０に進み、この経過時間が一定時間超である場合に
はステップＳ１１に進んで、過剰ヒートアップによるセ
ンサ素子の劣化が防止される。

【００３３】ステップＳ１０において、ヒーター１ａに
高電圧を印加してからの経過時間と保持時間ｙを比較
し、この経過時間が保持時間に達した場合にはステップ
Ｓ１１に進み、保持時間未満の場合にはステップＳ９に
戻る。ステップＳ１１では出力ポート３o に信号Ｌｏを
送出する。これにより、ヒーター１ａに印加される電圧
は低電圧、即ち定常印加電圧となってヒートアップが終
了し、センサ出力は速やかに定常状態となって、測定可
能状態となる。

【００３４】以上、フローチャートを参照して行った説
明から明らかなように、ＭＰＵ３はフローチャートの実
行によって、電源投入後この電圧切換手段２ｂに対し電
源投入直後低電圧を供給する指示を行って一定時間経過
後に高電圧を供給する指示を行うタイマ手段と、高電圧
を供給する指示を行う初期設定手段３ａと、センサ素子
１ｂからの出力を計測して基準レベルに等しくなったこ
とを検出する信号検出手段３ｂと、初期設定手段が高電
圧を供給する前記指示を行ってからセンサ素子出力が基
準レベルに達するまでに経過した時間、即ち基準レベル
到達時間を基に保持時間を演算し、該保持時間に達した
ときに電圧切り換え手段に対し、低電圧に切り換える指
示を行う保持時間演算部３ｃとして働く。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明の構成によって、セ
ンサ素子１ｂの出力を信号検出手段３ｂで検出し、その
基準レベル到達時間を計時し、この時間を基に、吸湿し
たセンサ素子の水分を速やかに放出させるヒートアップ
処理、即ち、高電圧を印加する時間の最適値を推定演算
してこれを保持時間として、この保持時間だけ、ヒータ
ー１ａに高電圧を印加し、その後、低電圧に切り換える
ことによってセンサ出力はごく短時間で定常状態に達
し、測定可能となる。このように、本発明によれば基準
レベル到達時間を基に最適のヒートアップ処理の時間を
設定することができるので、センサ出力の安定化に要す
る時間を短くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の炭酸ガス濃度測定器の固体電解質型炭
酸ガスセンサ制御装置の基本構成ブロックを示すブロッ
ク図である。

【図２】本発明による固体電解質型炭酸ガスセンサのヒ
ーター制御回路の一例を示す回路図である。

【図３】基準レベル到達時間とピーク到達時間の関係を
示す図である。

【図４】図２中のＭＰＵが行う仕事の手順を示すフロー
チャートである。

【図５】固体電解質型炭酸ガスセンサの一例である。

【図６】ヒートアップ条件がセンサ出力に及ぼす影響を
示す図である。

【符号の説明】

１ 固体電解質型炭酸ガスセンサ １ａ ヒーター １ｂ センサ素子 ２ａ 電圧印加手段 ２ｂ 電圧切換手段 ３ａ 初期設定手段 ３ｂ 信号検出手段 ３ｃ 保持時間演算部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヒーターによってセンサ素子を加熱する
   固体電解質型炭酸ガスセンサを有する炭酸ガス濃度測定
   器のセンサ制御装置において、 ヒーターに対して高電圧及び低電圧の２段階のいずれか
   の電圧を供給することができる電圧印加手段と、 電圧の切り換えを行う電圧切換手段と、 電源投入後、この電圧切換手段２ｂに対し高電圧を供給
   する指示を行う初期設定手段と、 センサ素子からの出力を計測して基準レベルに等しくな
   ったことを検出する信号検出手段と、 初期設定手段が高電圧を供給する前記指示を行ってから
   センサ素子出力が基準レベルに達するまでに経過した時
   間、即ち基準レベル到達時間を基に保持時間を演算し、
   該保持時間に達したときに電圧切換手段に対し、低電圧
   に切り換える指示を行う保持時間演算部とを備えること
   を特徴とする炭酸ガスセンサ制御装置。
2. 【請求項２】前記初期設定手段が、前記電圧切換手段に
   対し、電源投入直後低電圧を供給する指示を行い、それ
   から一定時間経過後、高電圧を供給する指示を行うタイ
   マ手段であることを特徴とする請求項１記載の炭酸ガス
   センサ制御装置。
3. 【請求項３】前記高電圧を供給する保持時間が、該高電
   圧に起因する高温暴露によるセンサ素子の劣化が開始す
   る時間より短いことを特徴とする請求項１又は請求項２
   記載の固体電解質型炭酸ガスセンサ炭酸ガスセンサ制御
   装置。