JPH09257746A - 限界電流式ガスセンサのクリーニング方法とその方法を利用したガス濃度検出装置 - Google Patents
限界電流式ガスセンサのクリーニング方法とその方法を利用したガス濃度検出装置Info
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- JPH09257746A JPH09257746A JP8093347A JP9334796A JPH09257746A JP H09257746 A JPH09257746 A JP H09257746A JP 8093347 A JP8093347 A JP 8093347A JP 9334796 A JP9334796 A JP 9334796A JP H09257746 A JPH09257746 A JP H09257746A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】陰電極が気体拡散制限孔を兼ねるシンプルな平
面型構造の限界電流式ガスセンサを用いて、ガス濃度を
長時間継続して正確に且つ簡易に測定することを可能な
らしめるセンサのクリーニング方法と検出装置を提供す
る。 【解決手段】酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板
の表面に多孔質体からなる一対の電極が密着して設けら
れ、陰電極の気孔が測定気体の拡散量を制限する気体拡
散制限孔を兼ねたセンサの、それら電極間に直流電圧を
印加したときに生じる限界電流値に基づいて気体濃度を
測定する方法において、センサの印加電圧対限界電流値
特性が劣化した場合に、測定時とは逆の電圧を印加する
ことにより、前記特性を正常に復帰させることを特徴と
する。
面型構造の限界電流式ガスセンサを用いて、ガス濃度を
長時間継続して正確に且つ簡易に測定することを可能な
らしめるセンサのクリーニング方法と検出装置を提供す
る。 【解決手段】酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板
の表面に多孔質体からなる一対の電極が密着して設けら
れ、陰電極の気孔が測定気体の拡散量を制限する気体拡
散制限孔を兼ねたセンサの、それら電極間に直流電圧を
印加したときに生じる限界電流値に基づいて気体濃度を
測定する方法において、センサの印加電圧対限界電流値
特性が劣化した場合に、測定時とは逆の電圧を印加する
ことにより、前記特性を正常に復帰させることを特徴と
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質を用い
て、その内部を移動する気体イオンに基づく限界電流値
から酸素又は水蒸気等のガス濃度を検出する限界電流式
ガスセンサのクリーニング方法及びそれを用いた検出装
置に属する。
て、その内部を移動する気体イオンに基づく限界電流値
から酸素又は水蒸気等のガス濃度を検出する限界電流式
ガスセンサのクリーニング方法及びそれを用いた検出装
置に属する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、図９に示すように、ジルコニ
ア等の固体電解質からなる基板３０の表面に陽電極３
１，陰電極３２を設けるとともに、外気から陰電極３２
に通じる気体流入口を微小な孔３３とし、陰電極３２に
向かう気体拡散を制限することにより、その制限された
気体が陰電極３２表面でイオン化されて固体電解質基板
３０内部を移動する際に生じる限界電流値から、ガス濃
度を検出するセンサ（以下、「限界電流式ガスセンサ」
という。）が知られている。さらに、陰電極３２自体を
多孔質とし、それによって気体拡散を制限する微小な孔
を兼用する構造のセンサも知られており、この構造によ
れば、センサがシンプルな平面型となる点で優れてい
る。
ア等の固体電解質からなる基板３０の表面に陽電極３
１，陰電極３２を設けるとともに、外気から陰電極３２
に通じる気体流入口を微小な孔３３とし、陰電極３２に
向かう気体拡散を制限することにより、その制限された
気体が陰電極３２表面でイオン化されて固体電解質基板
３０内部を移動する際に生じる限界電流値から、ガス濃
度を検出するセンサ（以下、「限界電流式ガスセンサ」
という。）が知られている。さらに、陰電極３２自体を
多孔質とし、それによって気体拡散を制限する微小な孔
を兼用する構造のセンサも知られており、この構造によ
れば、センサがシンプルな平面型となる点で優れてい
る。
【０００３】限界電流式センサを用いた酸素又は水蒸気
検出装置において、測定雰囲気によっては長期間使用す
ると、センサの印加電圧対限界電流値特性の劣化を生じ
測定誤差が大きくなる。このため、センサの特性劣化の
対策として特開平４ー２６４２５０号公報に記載されて
いるように、限界電流が示し始める印加電圧値の異なる
２つのセンサ素子を１つのセンサに組み込み、その電流
値の比を測定して、その比率が初期値より外れている程
度をもって劣化の判断をする方法や、特開平４ー５０７
６３号公報に記載されているように、測定雰囲気中の酸
素濃度に応じて制限される第１限界電流値と水分濃度に
応じて制限される第２限界電流値の比から湿度を求める
ことにより、センサが劣化しても誤差が少なくなる方法
が提案されている。
検出装置において、測定雰囲気によっては長期間使用す
ると、センサの印加電圧対限界電流値特性の劣化を生じ
測定誤差が大きくなる。このため、センサの特性劣化の
対策として特開平４ー２６４２５０号公報に記載されて
いるように、限界電流が示し始める印加電圧値の異なる
２つのセンサ素子を１つのセンサに組み込み、その電流
値の比を測定して、その比率が初期値より外れている程
度をもって劣化の判断をする方法や、特開平４ー５０７
６３号公報に記載されているように、測定雰囲気中の酸
素濃度に応じて制限される第１限界電流値と水分濃度に
応じて制限される第２限界電流値の比から湿度を求める
ことにより、センサが劣化しても誤差が少なくなる方法
が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】２つのセンサ素子を用
いる特開平４−２６４２５０号公報の方法では、センサ
が複雑となるし、又これはセンサの劣化を知ることがで
きるのみに止まり、継続して正確に測定できるものでは
ない。又、２つの限界電流値の比を用いる方法では、セ
ンサに印加する電圧を第１限界電流値を示す印加電圧と
第２限界電流値を示す印加電圧との間で交互に変更する
必要があるため、測定が間欠的になる。
いる特開平４−２６４２５０号公報の方法では、センサ
が複雑となるし、又これはセンサの劣化を知ることがで
きるのみに止まり、継続して正確に測定できるものでは
ない。又、２つの限界電流値の比を用いる方法では、セ
ンサに印加する電圧を第１限界電流値を示す印加電圧と
第２限界電流値を示す印加電圧との間で交互に変更する
必要があるため、測定が間欠的になる。
【０００５】それ故、この発明の目的は、陰電極が気体
拡散制限孔を兼ねるシンプルな平面型構造の限界電流式
ガスセンサを用いて、ガス濃度を長時間継続して正確に
且つ簡易に測定することを可能ならしめるセンサのクリ
ーニング方法と検出装置を提供することにある。
拡散制限孔を兼ねるシンプルな平面型構造の限界電流式
ガスセンサを用いて、ガス濃度を長時間継続して正確に
且つ簡易に測定することを可能ならしめるセンサのクリ
ーニング方法と検出装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の限界電流式ガスセンサのクリーニング方
法は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板の表面
に多孔質体からなる一対の電極が密着して設けられ、陰
電極の気孔が測定気体の拡散量を制限する気体拡散制限
孔を兼ねたセンサの、それら電極間に直流電圧を印加し
たときに生じる限界電流値に基づいて気体濃度を測定す
る方法において、センサの印加電圧対限界電流値特性が
劣化した場合に、測定時とは逆の電圧を印加することに
より、前記特性を正常に復帰させることを特徴とする。
に、この発明の限界電流式ガスセンサのクリーニング方
法は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板の表面
に多孔質体からなる一対の電極が密着して設けられ、陰
電極の気孔が測定気体の拡散量を制限する気体拡散制限
孔を兼ねたセンサの、それら電極間に直流電圧を印加し
たときに生じる限界電流値に基づいて気体濃度を測定す
る方法において、センサの印加電圧対限界電流値特性が
劣化した場合に、測定時とは逆の電圧を印加することに
より、前記特性を正常に復帰させることを特徴とする。
【０００７】同じく、この発明のガス濃度検出装置は、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板の表面に多孔
質体からなる一対の電極が密着して設けられ、陰電極の
気孔が測定気体の拡散量を制限する気体拡散制限孔を兼
ねたセンサと、前記電極間に印加する電圧を測定用電圧
又はそれと逆のクリーニング用電圧に切り換える電圧切
り換え回路と、前記電極間に測定用電圧を印加している
際のセンサの出力を測定気体の分圧に変換するリニア回
路と、前記電極間にクリーニング用電圧を印加している
期間中、そのクリーニング電圧印加直前にリニア回路か
ら出力された前記分圧を保持するホールド回路とを備え
たことを特徴とする。
酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板の表面に多孔
質体からなる一対の電極が密着して設けられ、陰電極の
気孔が測定気体の拡散量を制限する気体拡散制限孔を兼
ねたセンサと、前記電極間に印加する電圧を測定用電圧
又はそれと逆のクリーニング用電圧に切り換える電圧切
り換え回路と、前記電極間に測定用電圧を印加している
際のセンサの出力を測定気体の分圧に変換するリニア回
路と、前記電極間にクリーニング用電圧を印加している
期間中、そのクリーニング電圧印加直前にリニア回路か
ら出力された前記分圧を保持するホールド回路とを備え
たことを特徴とする。
【０００８】限界電流式ガスセンサにおいて、長期間使
用した場合の特性劣化の原因は定かでないが、気体拡散
制限孔である陰電極を通じて常に測定雰囲気中のガスを
吸い込んでいるので、おそらく雰囲気中の測定気体以外
の成分が陰電極表面又は陰電極と固体電解質基板との界
面にたまり、陰電極内を拡散する気体の制限量が変わる
ものと考えられる。
用した場合の特性劣化の原因は定かでないが、気体拡散
制限孔である陰電極を通じて常に測定雰囲気中のガスを
吸い込んでいるので、おそらく雰囲気中の測定気体以外
の成分が陰電極表面又は陰電極と固体電解質基板との界
面にたまり、陰電極内を拡散する気体の制限量が変わる
ものと考えられる。
【０００９】そこで、この発明では、電極間に通常とは
逆の電圧を印加することにより、測定中とは逆に測定中
の陽電極側から酸素を取り込み、測定中の陰電極へ固体
電解質基板を通して酸素イオンを移動させ陰電極側から
放出することにより陰電極の電極表面又は固体電解質基
板と電極の界面に生じた汚れを除去させ、限界電流値を
初期値に復帰させるものである。しかも従来の限界電流
式ガスセンサでは、気体拡散制限孔が機械加工にて設け
られた大きな孔であることから、その限界電流値がｍＡ
オーダーと大きいのに対し、この発明のセンサでは、陰
電極が多孔質材料からなり気体拡散制限孔を兼ねている
ので、その限界電流値が従来の１／１００と小さい。従
って、従来センサが固体電解質基板の温度を７００℃付
近まで上げないと作動しなかったのと異なり、５００℃
程度で作動する。その結果、従来センサより固体電解質
の分解すなわちブラックニングを生じ難いので、クリー
ニング用の電圧の絶対値を高く設定することができ、効
率よくクリーニングすることができる。
逆の電圧を印加することにより、測定中とは逆に測定中
の陽電極側から酸素を取り込み、測定中の陰電極へ固体
電解質基板を通して酸素イオンを移動させ陰電極側から
放出することにより陰電極の電極表面又は固体電解質基
板と電極の界面に生じた汚れを除去させ、限界電流値を
初期値に復帰させるものである。しかも従来の限界電流
式ガスセンサでは、気体拡散制限孔が機械加工にて設け
られた大きな孔であることから、その限界電流値がｍＡ
オーダーと大きいのに対し、この発明のセンサでは、陰
電極が多孔質材料からなり気体拡散制限孔を兼ねている
ので、その限界電流値が従来の１／１００と小さい。従
って、従来センサが固体電解質基板の温度を７００℃付
近まで上げないと作動しなかったのと異なり、５００℃
程度で作動する。その結果、従来センサより固体電解質
の分解すなわちブラックニングを生じ難いので、クリー
ニング用の電圧の絶対値を高く設定することができ、効
率よくクリーニングすることができる。
【００１０】なお、クリーニング用の逆電圧印加中は、
測定できないが、この発明の検出装置によれば、電極間
にクリーニング用電圧を印加している期間中、そのクリ
ーニング電圧印加直前にリニア回路から出力された測定
気体の分圧を保持するホールド回路を備えているので、
雰囲気が余程急変しない限り、実際のガス濃度と表示さ
れるガス濃度との間に大きな誤差はない。
測定できないが、この発明の検出装置によれば、電極間
にクリーニング用電圧を印加している期間中、そのクリ
ーニング電圧印加直前にリニア回路から出力された測定
気体の分圧を保持するホールド回路を備えているので、
雰囲気が余程急変しない限り、実際のガス濃度と表示さ
れるガス濃度との間に大きな誤差はない。
【００１１】
【発明の実施の形態】測定気体が水蒸気であるときは、
この限界電流式ガスセンサは湿度センサとして機能す
る。前記特性を正常に復帰させるために印加される電圧
は、その絶対値が水蒸気測定用の印加電圧の上限より小
さく設定されていれば良い。クリーニング用の印加電圧
の絶対値が過大であると、ＺｒＯ2→Ｚｒ＋Ｏ2の反応が
起こり、ジルコニア表面が黒色に脆化する、いわゆるブ
ラックニングを生じるからである。ただし、この発明の
センサは、既述の通り５００℃程度で作動するので、水
蒸気測定用の印加電圧の上限は、かなり大きい。従っ
て、クリーニング用の印加電圧もかなり大きく設定する
ことができ、クリーニング効率がよい。
この限界電流式ガスセンサは湿度センサとして機能す
る。前記特性を正常に復帰させるために印加される電圧
は、その絶対値が水蒸気測定用の印加電圧の上限より小
さく設定されていれば良い。クリーニング用の印加電圧
の絶対値が過大であると、ＺｒＯ2→Ｚｒ＋Ｏ2の反応が
起こり、ジルコニア表面が黒色に脆化する、いわゆるブ
ラックニングを生じるからである。ただし、この発明の
センサは、既述の通り５００℃程度で作動するので、水
蒸気測定用の印加電圧の上限は、かなり大きい。従っ
て、クリーニング用の印加電圧もかなり大きく設定する
ことができ、クリーニング効率がよい。
【００１２】測定用電圧及びクリーニング用電圧の各電
圧を印加する間隔を設定し、それを電圧切り換え回路及
びホールド回路に支持するタイマー回路をさらに備えて
いると、自動的にクリーニングされる。
圧を印加する間隔を設定し、それを電圧切り換え回路及
びホールド回路に支持するタイマー回路をさらに備えて
いると、自動的にクリーニングされる。
【００１３】
【実施例】この発明の限界電流式ガスセンサ（以下、単
に「センサ」という。）のクリーニング方法及びガス濃
度検出装置の実施例を図面とともに説明する。図１は、
実施例に係わる限界電流式ガスセンサを示す斜視図、図
２は、図１のＡＡ断面図、図３は、図２の変形例を示す
断面図、図４は、図１のセンサに用いるセラミックヒー
タを示す一部破断斜視図である。
に「センサ」という。）のクリーニング方法及びガス濃
度検出装置の実施例を図面とともに説明する。図１は、
実施例に係わる限界電流式ガスセンサを示す斜視図、図
２は、図１のＡＡ断面図、図３は、図２の変形例を示す
断面図、図４は、図１のセンサに用いるセラミックヒー
タを示す一部破断斜視図である。
【００１４】センサ１は、板状のセラミックヒータ２０
とその主面に一体的に設けられる酸素イオン伝導性を示
す固体電解質板である安定化ジルコニア基板１０とこの
安定化ジルコニア基板１０中に並べられて埋設される陽
電極３、陰電極２及びガス出口穴８とを備える。
とその主面に一体的に設けられる酸素イオン伝導性を示
す固体電解質板である安定化ジルコニア基板１０とこの
安定化ジルコニア基板１０中に並べられて埋設される陽
電極３、陰電極２及びガス出口穴８とを備える。
【００１５】安定化ジルコニア基板１０は酸化ジルコニ
ウムに安定化剤として酸化イットリウムを添加固溶させ
た固体電解質であり、本実施例では厚さ０．３ｍｍ、縦
５ｍｍ、横２３ｍｍの大きさで、厚さ方向に貫通した通
気口９が中央に設けられている。なお、セラミックヒー
タ２０と安定化ジルコニア基板１０とは、ガス出口孔８
を除く他は平面視同一形状で、通気口９に整合する通気
口１５がセラミックヒータ２０にも設けられている。
ウムに安定化剤として酸化イットリウムを添加固溶させ
た固体電解質であり、本実施例では厚さ０．３ｍｍ、縦
５ｍｍ、横２３ｍｍの大きさで、厚さ方向に貫通した通
気口９が中央に設けられている。なお、セラミックヒー
タ２０と安定化ジルコニア基板１０とは、ガス出口孔８
を除く他は平面視同一形状で、通気口９に整合する通気
口１５がセラミックヒータ２０にも設けられている。
【００１６】陽電極３、陰電極２は多孔質の白金層（厚
さ数十μｍ）であり、一辺約２ｍｍの電極部３ａ，２
ａ、長寸のリード部３ｂ，２ｂ及び取り出し部３ｃ，２
ｃからなる。リード部２ｂは、その中間で白金層が分岐
して安定化ジルコニア基板１０の側面に導出しており、
ガス導入部６を形成している。そして、リード部２ｂの
うち、このガス導入部６から電極部２ａに至るまでの長
さ分がガス拡散制限部７として機能する。
さ数十μｍ）であり、一辺約２ｍｍの電極部３ａ，２
ａ、長寸のリード部３ｂ，２ｂ及び取り出し部３ｃ，２
ｃからなる。リード部２ｂは、その中間で白金層が分岐
して安定化ジルコニア基板１０の側面に導出しており、
ガス導入部６を形成している。そして、リード部２ｂの
うち、このガス導入部６から電極部２ａに至るまでの長
さ分がガス拡散制限部７として機能する。
【００１７】ガス出口孔８は、電極部３ａ位置に対応し
て安定化ジルコニア基板１０に設けられた孔であり、電
極部３ａと外部とを連通する。なお、ガス出口孔８は電
極部３ａと外部とが通じていればどんな形状、大きさで
あっても良い。
て安定化ジルコニア基板１０に設けられた孔であり、電
極部３ａと外部とを連通する。なお、ガス出口孔８は電
極部３ａと外部とが通じていればどんな形状、大きさで
あっても良い。
【００１８】次に、センサ１の製造方法を述べる。セラ
ミックヒータ２０は、無機成分中のアルミナ含有率が９
６重量％で、焼成後に通気口１５となる孔を打ち抜いた
グリーンシートの上面に白金ペーストでヒータパターン
１２を印刷し、端部に白金端子１３，１４をのせた後、
同質のグリーンシートを被せ、これを焼成し一体化して
製造される（図４）。
ミックヒータ２０は、無機成分中のアルミナ含有率が９
６重量％で、焼成後に通気口１５となる孔を打ち抜いた
グリーンシートの上面に白金ペーストでヒータパターン
１２を印刷し、端部に白金端子１３，１４をのせた後、
同質のグリーンシートを被せ、これを焼成し一体化して
製造される（図４）。
【００１９】一方、ジルコニア９２モル％及びイットリ
ア８モル％の割合で配合した固体電解質原料を含むグリ
ーンシートに、焼成後に通気口９となる孔をあけ、その
グリーンシート上に、焼成後に陽電極３、陰電極２とな
るように白金ペーストを印刷し、端部に白金端子４，５
をのせた後、同質のグリーンシートを積層し、約１５０
０℃で一体焼成することにより、安定化ジルコニア基板
１０、陰陽電極２，３及び白金端子４，５からなるセン
サ素子を製造する。２枚のグリーンシートは、焼成後に
断面を観察しても図２のように一体化したジルコニア基
板１０となり、見分けがつかなくなる。なお、白金ペー
ストの印刷されるグリーンシートは、固体電解質として
ジルコニア、ハフニア等を主成分とすることが必要であ
るが、その上に積層されるグリーンシートは、ジルコニ
アに限らず、例えばアルミナを主成分とするもののよう
に白金電極を密封できるものであれば良い。その場合
は、断面を観察すると、図３の符号１０で示されるよう
に両シート間の境界線が残る。センサ素子は、封着ガラ
ス等を用いてセラミックヒータ２０の表面に約８００℃
で固着されセンサ１となる。
ア８モル％の割合で配合した固体電解質原料を含むグリ
ーンシートに、焼成後に通気口９となる孔をあけ、その
グリーンシート上に、焼成後に陽電極３、陰電極２とな
るように白金ペーストを印刷し、端部に白金端子４，５
をのせた後、同質のグリーンシートを積層し、約１５０
０℃で一体焼成することにより、安定化ジルコニア基板
１０、陰陽電極２，３及び白金端子４，５からなるセン
サ素子を製造する。２枚のグリーンシートは、焼成後に
断面を観察しても図２のように一体化したジルコニア基
板１０となり、見分けがつかなくなる。なお、白金ペー
ストの印刷されるグリーンシートは、固体電解質として
ジルコニア、ハフニア等を主成分とすることが必要であ
るが、その上に積層されるグリーンシートは、ジルコニ
アに限らず、例えばアルミナを主成分とするもののよう
に白金電極を密封できるものであれば良い。その場合
は、断面を観察すると、図３の符号１０で示されるよう
に両シート間の境界線が残る。センサ素子は、封着ガラ
ス等を用いてセラミックヒータ２０の表面に約８００℃
で固着されセンサ１となる。
【００２０】次にセンサ１の動作を説明する。センサ１
を測定ガス中に配し、電極部２ａ，３ａが５００℃とな
るようにセラミックヒータ２０に通電し、陽電極３と陰
電極２の間に電圧（Ｖ）を印加する。この時、陰電極２
の電極部２ａ内部の酸素は、イオン化されて酸素イオン
となり、測定ガス中の酸素は、印加電圧Ｖに応じて陰電
極２から陽電極３に輸送される。この時、安定化ジルコ
ニア基板１０において陰電極２では電極部２ａ近傍のみ
局所加熱され、ガス拡散制限部７を設けた部分は酸素イ
オン伝導性を示す程充分に加熱されないため、酸素は安
定化ジルコニア基板１０内を伝導することなくガス導入
部６からガス拡散制限部７を通って電極部２ａ内に拡散
する。このとき陽電極３−陰電極２間に流れる電流Ｉ
は、図５に示すように変化する。
を測定ガス中に配し、電極部２ａ，３ａが５００℃とな
るようにセラミックヒータ２０に通電し、陽電極３と陰
電極２の間に電圧（Ｖ）を印加する。この時、陰電極２
の電極部２ａ内部の酸素は、イオン化されて酸素イオン
となり、測定ガス中の酸素は、印加電圧Ｖに応じて陰電
極２から陽電極３に輸送される。この時、安定化ジルコ
ニア基板１０において陰電極２では電極部２ａ近傍のみ
局所加熱され、ガス拡散制限部７を設けた部分は酸素イ
オン伝導性を示す程充分に加熱されないため、酸素は安
定化ジルコニア基板１０内を伝導することなくガス導入
部６からガス拡散制限部７を通って電極部２ａ内に拡散
する。このとき陽電極３−陰電極２間に流れる電流Ｉ
は、図５に示すように変化する。
【００２１】印加電圧Ｖが電圧値Ｖ１〜Ｖ２において
は、電極部２ａ内への酸素拡散量は、陰電極２のガス拡
散制限部７で制御され、測定ガス中の酸素濃度に応じて
制限されるため、それに伴い電流値も制限されて拡散制
限電流値ＩL1となり第一の平坦部Ｆ１となる。印加電圧
Ｖが拡散制限電流ＩL1が得られる電圧値Ｖ２よりさらに
高くなると（通常１．２Ｖ以上）、測定ガス中の水蒸気
が電気分解され、その分解で生じた酸素イオンが陽電極
部２ａから陽電極部３ａにポンピングされるため、水蒸
気も陰電極２のガス導入部６から陰電極部２ａ内へ拡散
し、拡散量に応じて電流値が増大する。
は、電極部２ａ内への酸素拡散量は、陰電極２のガス拡
散制限部７で制御され、測定ガス中の酸素濃度に応じて
制限されるため、それに伴い電流値も制限されて拡散制
限電流値ＩL1となり第一の平坦部Ｆ１となる。印加電圧
Ｖが拡散制限電流ＩL1が得られる電圧値Ｖ２よりさらに
高くなると（通常１．２Ｖ以上）、測定ガス中の水蒸気
が電気分解され、その分解で生じた酸素イオンが陽電極
部２ａから陽電極部３ａにポンピングされるため、水蒸
気も陰電極２のガス導入部６から陰電極部２ａ内へ拡散
し、拡散量に応じて電流値が増大する。
【００２２】印加電圧Ｖをさらに高くして電圧値Ｖ３〜
Ｖ４にすると、電流値は水蒸気濃度に応じてさらに増大
するが、陰電極２のガス拡散制限部７で水蒸気の拡散量
が制限され、それに伴い電流値も制限され、水蒸気濃度
に応じた拡散電流値ＩL2となり第二の平坦部Ｆ２を示
す。
Ｖ４にすると、電流値は水蒸気濃度に応じてさらに増大
するが、陰電極２のガス拡散制限部７で水蒸気の拡散量
が制限され、それに伴い電流値も制限され、水蒸気濃度
に応じた拡散電流値ＩL2となり第二の平坦部Ｆ２を示
す。
【００２３】これら２つの電流値ＩL1、ＩL2は酸素濃度
一定の場合（大気中では酸素濃度２１％）、水蒸気濃度
に応じて図６のように前者は右下がり、後者は右上がり
に直線的に変化を表すことができる。いずれの場合も、
本例ではガス拡散制限部７が、従来ガスセンサのような
巨視的に観察できる貫通孔ではなく、白金ペーストの焼
成によって形成される微視的な気孔であるので、電流値
は数十μＡオーダーと小さい。
一定の場合（大気中では酸素濃度２１％）、水蒸気濃度
に応じて図６のように前者は右下がり、後者は右上がり
に直線的に変化を表すことができる。いずれの場合も、
本例ではガス拡散制限部７が、従来ガスセンサのような
巨視的に観察できる貫通孔ではなく、白金ペーストの焼
成によって形成される微視的な気孔であるので、電流値
は数十μＡオーダーと小さい。
【００２４】このセンサを用いて図７のような回路構成
の検出装置で出力を取り出すようにする。検出装置は、
センサ１と、センサ１の電極２，３間に印加する電圧を
水蒸気濃度測定用電圧Ｖa、酸素濃度測定用電圧Ｖb又は
それらと極性が逆のクリーニング用電圧Ｖcに切り換え
る電圧切り換え回路と、センサ１から出力される電流信
号を増幅し電圧信号に変換するプリアンプと、前記電極
間にＶaを印加している際のセンサ１の出力を水蒸気分
圧に変換するリニア回路１と、前記電極間にＶbを印加
している際のセンサ１の出力を酸素分圧に変換するリニ
ア回路２と、前記電極間にＶcを印加している期間中、
そのＶc印加直前にリニア回路１又は２から出力された
前記分圧を保持するホールド回路と、測定用電圧Ｖa，
Ｖb及びクリーニング用電圧Ｖcの各電圧を印加する時間
間隔を設定し、それを電圧切り換え回路及びホールド回
路に支持するタイマー回路とを備えている。
の検出装置で出力を取り出すようにする。検出装置は、
センサ１と、センサ１の電極２，３間に印加する電圧を
水蒸気濃度測定用電圧Ｖa、酸素濃度測定用電圧Ｖb又は
それらと極性が逆のクリーニング用電圧Ｖcに切り換え
る電圧切り換え回路と、センサ１から出力される電流信
号を増幅し電圧信号に変換するプリアンプと、前記電極
間にＶaを印加している際のセンサ１の出力を水蒸気分
圧に変換するリニア回路１と、前記電極間にＶbを印加
している際のセンサ１の出力を酸素分圧に変換するリニ
ア回路２と、前記電極間にＶcを印加している期間中、
そのＶc印加直前にリニア回路１又は２から出力された
前記分圧を保持するホールド回路と、測定用電圧Ｖa，
Ｖb及びクリーニング用電圧Ｖcの各電圧を印加する時間
間隔を設定し、それを電圧切り換え回路及びホールド回
路に支持するタイマー回路とを備えている。
【００２５】図５に示したように、センサ印加電圧Ｖが
酸素濃度に応じた拡散制限電流ＩL1の得られる電圧範囲
Ｖ１〜Ｖ２に設定されたとき、出力は酸素濃度に比例し
たものとなり酸素濃度を検出することができる。従っ
て、Ｖ１＜Ｖb＜Ｖ２となるようにＶbを定める。
酸素濃度に応じた拡散制限電流ＩL1の得られる電圧範囲
Ｖ１〜Ｖ２に設定されたとき、出力は酸素濃度に比例し
たものとなり酸素濃度を検出することができる。従っ
て、Ｖ１＜Ｖb＜Ｖ２となるようにＶbを定める。
【００２６】又、センサ印加電圧Ｖが水蒸気濃度に応じ
た拡散制限電流ＩL2の得られる電圧範囲Ｖ３〜Ｖ４に設
定されたとき、出力は水蒸気濃度に比例したものとなり
水蒸気濃度を検出することができる。従って、Ｖ３＜Ｖ
a＜Ｖ４となるようにＶaを定める。
た拡散制限電流ＩL2の得られる電圧範囲Ｖ３〜Ｖ４に設
定されたとき、出力は水蒸気濃度に比例したものとなり
水蒸気濃度を検出することができる。従って、Ｖ３＜Ｖ
a＜Ｖ４となるようにＶaを定める。
【００２７】ここで、リニア回路１は図６のＩL2の直線
に相当するものであり、プリアンプからの出力をそれに
対応する水蒸気圧（水蒸気濃度）に変換するものであ
り、リニア回路２は図６のＩL1の直線に対応するもので
ある。
に相当するものであり、プリアンプからの出力をそれに
対応する水蒸気圧（水蒸気濃度）に変換するものであ
り、リニア回路２は図６のＩL1の直線に対応するもので
ある。
【００２８】次にセンサを長期間使用しセンサの特性が
劣化した場合について述べる。センサを長期間使用した
場合、センサの電極表面又は固体電解質基板と電極の界
面が汚れ、電圧−電流特性が図８の一点鎖線のように変
化しＩL1、ＩL2の低下が見られ、さらに進むと二点鎖線
のように変化して平坦部Ｆ１，Ｆ２が表れなくなり、出
力に大幅な誤差を生じてしまう。
劣化した場合について述べる。センサを長期間使用した
場合、センサの電極表面又は固体電解質基板と電極の界
面が汚れ、電圧−電流特性が図８の一点鎖線のように変
化しＩL1、ＩL2の低下が見られ、さらに進むと二点鎖線
のように変化して平坦部Ｆ１，Ｆ２が表れなくなり、出
力に大幅な誤差を生じてしまう。
【００２９】ここで、センサの電極に通常の測定中とは
逆の電圧すなわち陽電極が負、陰電極が正になるように
電圧ＶCを印加するとセンサ特性を初期値に復帰させる
ことができる。従って、再度正確に酸素又は水蒸気の濃
度を測定することができる。
逆の電圧すなわち陽電極が負、陰電極が正になるように
電圧ＶCを印加するとセンサ特性を初期値に復帰させる
ことができる。従って、再度正確に酸素又は水蒸気の濃
度を測定することができる。
【００３０】これは測定中とは逆の電圧を印加すること
により、測定中の陽電極側から酸素を取り込み、測定中
の陰電極側へ固体電解質基板を通して酸素イオンを移動
させ陰電極側から放出することにより、陰電極の電極の
表面又は、固体電解質基板と電極の界面に生じた汚れを
除去させ、センサ特性を初期値に復帰させるからと考え
られる。
により、測定中の陽電極側から酸素を取り込み、測定中
の陰電極側へ固体電解質基板を通して酸素イオンを移動
させ陰電極側から放出することにより、陰電極の電極の
表面又は、固体電解質基板と電極の界面に生じた汚れを
除去させ、センサ特性を初期値に復帰させるからと考え
られる。
【００３１】逆電圧ＶCは通常の測定とは極性が逆で、
値はＶ４以下であればよい。その値はＶ１〜Ｖ４の範囲
すなわち０．５〜２．５Ｖが適当であるが、本発明のガ
スセンサの場合、電極温度を５００℃と比較的低温にす
ることができるので、従来のガスセンサよりも比較的高
電圧を印加することができ、クリーニング効率に優れ
る。印加する時間は、センサの劣化の程度により数十秒
〜数十分までの範囲で選択すればよい。
値はＶ４以下であればよい。その値はＶ１〜Ｖ４の範囲
すなわち０．５〜２．５Ｖが適当であるが、本発明のガ
スセンサの場合、電極温度を５００℃と比較的低温にす
ることができるので、従来のガスセンサよりも比較的高
電圧を印加することができ、クリーニング効率に優れ
る。印加する時間は、センサの劣化の程度により数十秒
〜数十分までの範囲で選択すればよい。
【００３２】又、タイマー回路を付加しているので、セ
ンサの劣化の程度により一定期間ごとに逆電圧ＶCを印
加することにより、長期間にわたって精度よく酸素濃度
又は水蒸気濃度を測定することができる。
ンサの劣化の程度により一定期間ごとに逆電圧ＶCを印
加することにより、長期間にわたって精度よく酸素濃度
又は水蒸気濃度を測定することができる。
【図１】実施例のガス検出装置に用いる限界電流式ガス
センサを示す斜視図である。
センサを示す斜視図である。
【図２】図１のＡＡ断面図である。
【図３】図２の変形例を示す断面図である。
【図４】図１の限界電流式ガスセンサに用いるセラミッ
クヒータを示す一部破断斜視図である。
クヒータを示す一部破断斜視図である。
【図５】限界電流式ガスセンサを酸素及び水分を含む測
定ガス中に配置したとき、センサへの印加電圧とセンサ
に流れる電流の特性を示すグラフである。
定ガス中に配置したとき、センサへの印加電圧とセンサ
に流れる電流の特性を示すグラフである。
【図６】限界電流式ガスセンサを用いた場合の水蒸気濃
度と第一及び第二の拡散制限電流の特性を示すグラフで
ある。
度と第一及び第二の拡散制限電流の特性を示すグラフで
ある。
【図７】実施例のガス検出装置の回路構成を示す図であ
る。
る。
【図８】限界電流式ガスセンサを酸素及び水分を含む測
定ガス中に配置したとき、センサへの印加電圧とセンサ
に流れる電流の特性の劣化状況を示すグラフである。
定ガス中に配置したとき、センサへの印加電圧とセンサ
に流れる電流の特性の劣化状況を示すグラフである。
【図９】従来の限界電流式ガスセンサを示す断面図であ
る。
る。
１ ガスセンサ ２ 陰電極 ２ａ 陰電極部 ２ｂ リード部 ２ｃ 取り
出し部 ３ 陽電極 ３ａ 陽電極部 ３ｂ リード部 ３ｃ 取り
出し部 ６ ガス導入部 ７ ガス拡散制限部 ４，５，１３，１４ 白金端子 ８ ガス出口孔 ９，１５ 通気孔 １０ 安定化ジルコニア基板 ２０ セラミックヒータ
出し部 ３ 陽電極 ３ａ 陽電極部 ３ｂ リード部 ３ｃ 取り
出し部 ６ ガス導入部 ７ ガス拡散制限部 ４，５，１３，１４ 白金端子 ８ ガス出口孔 ９，１５ 通気孔 １０ 安定化ジルコニア基板 ２０ セラミックヒータ
Claims (6)
- 【請求項１】酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板
の表面に多孔質体からなる一対の電極が密着して設けら
れ、陰電極の気孔が測定気体の拡散量を制限する気体拡
散制限孔を兼ねたセンサの、それら電極間に直流電圧を
印加したときに生じる限界電流値に基づいて気体濃度を
測定する方法において、 センサの印加電圧対限界電流値特性が劣化した場合に、
測定時とは逆の電圧を印加することにより、前記特性を
正常に復帰させることを特徴とする限界電流式ガスセン
サのクリーニング方法。 - 【請求項２】測定気体が水蒸気である請求項１に記載の
限界電流式ガスセンサのクリーニング方法。 - 【請求項３】前記特性を正常に復帰させるために印加さ
れる電圧の絶対値が、測定時の印加電圧より小さく設定
されている請求項１又は２に記載の限界電流式ガスセン
サのクリーニング方法。 - 【請求項４】酸素イオン伝導性を有する固体電解質基板
の表面に多孔質体からなる一対の電極が密着して設けら
れ、陰電極の気孔が測定気体の拡散量を制限する気体拡
散制限孔を兼ねたセンサと、 前記電極間に印加する電圧を測定用電圧又はそれと逆の
クリーニング用電圧に切り換える電圧切り換え回路と、 前記電極間に測定用電圧を印加している際のセンサの出
力を測定気体の分圧に変換するリニア回路と、 前記電極間にクリーニング用電圧を印加している期間
中、そのクリーニング電圧印加直前にリニア回路から出
力された前記分圧を保持するホールド回路とを備えたこ
とを特徴とするガス濃度検出装置。 - 【請求項５】測定用電圧及びクリーニング用電圧の各電
圧を印加する間隔を設定し、それを電圧切り換え回路及
びホールド回路に支持するタイマー回路をさらに備えた
請求項４に記載のガス濃度検出装置。 - 【請求項６】 測定気体が水蒸気である請求項４又は５
に記載のガス濃度検出装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8093347A JPH09257746A (ja) | 1996-03-21 | 1996-03-21 | 限界電流式ガスセンサのクリーニング方法とその方法を利用したガス濃度検出装置 |
| US08/821,283 US6007697A (en) | 1996-03-21 | 1997-03-20 | Method for cleaning a limiting current type gas sensor |
| DE19711894A DE19711894A1 (de) | 1996-03-21 | 1997-03-21 | Verfahren zur Reinigung eines Gassensors vom Grenzstromtyp und Vorrichtung für den Nachweis einer Gaskonzentration unter Anwendung des Verfahrens |
| GB9705947A GB2311377B (en) | 1996-03-21 | 1997-03-21 | Method for cleaning a limiting current type gas sensor and apparatus for detecting gas concentration employing the method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8093347A JPH09257746A (ja) | 1996-03-21 | 1996-03-21 | 限界電流式ガスセンサのクリーニング方法とその方法を利用したガス濃度検出装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09257746A true JPH09257746A (ja) | 1997-10-03 |
Family
ID=14079749
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8093347A Pending JPH09257746A (ja) | 1996-03-21 | 1996-03-21 | 限界電流式ガスセンサのクリーニング方法とその方法を利用したガス濃度検出装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6007697A (ja) |
| JP (1) | JPH09257746A (ja) |
| DE (1) | DE19711894A1 (ja) |
| GB (1) | GB2311377B (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009266742A (ja) * | 2008-04-28 | 2009-11-12 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 燃料電池用水蒸気センサの制御装置、燃料電池用水蒸気センサ、及び燃料電池システム |
| JP2015169635A (ja) * | 2014-03-11 | 2015-09-28 | 日本碍子株式会社 | ガスセンサの処理方法 |
| JP2016114511A (ja) * | 2014-12-16 | 2016-06-23 | ローム株式会社 | 限界電流式ガスセンサ用電極およびその製造方法、限界電流式ガスセンサおよびその製造方法、およびセンサネットワークシステム |
| JP2016166780A (ja) * | 2015-03-09 | 2016-09-15 | 日本特殊陶業株式会社 | センサ制御装置およびセンサ制御システム |
| KR20200051279A (ko) * | 2018-11-05 | 2020-05-13 | 삼성전자주식회사 | 공정 환경 감시 시스템 |
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| JP3534612B2 (ja) * | 1998-05-18 | 2004-06-07 | 日本特殊陶業株式会社 | 平面型限界電流式センサ |
| EP1059524A1 (en) * | 1998-12-24 | 2000-12-13 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Hydrocarbon sensor |
| DE19947239B4 (de) * | 1999-09-30 | 2004-01-15 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur Funktionsüberwachung und/oder Regenerierung einer Gassonde |
| JP4123895B2 (ja) * | 2001-12-20 | 2008-07-23 | 株式会社デンソー | ガスセンサ素子及びその製造方法，再生方法 |
| DE10248033B4 (de) * | 2002-03-29 | 2018-09-27 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Gassensorelement mit mindestens zwei Zellen |
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| TW200902968A (en) * | 2007-07-06 | 2009-01-16 | Univ Nat Taiwan Science Tech | Gas sensor |
| DE102008020802A1 (de) * | 2008-04-23 | 2009-11-05 | Universität Rostock | Verfahren zur elektrochemischen Behandlung einer Sensorvorrichtung |
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| US9854743B2 (en) * | 2012-05-31 | 2018-01-02 | Harvest Tec, Inc. | Device and method for measuring the moisture of hay in the pre-compression chamber of a rectangular baler |
| US10203302B2 (en) | 2015-08-13 | 2019-02-12 | Carrier Corporation | State of health monitoring and restoration of electrochemical sensor |
| JP6421771B2 (ja) * | 2016-02-29 | 2018-11-14 | トヨタ自動車株式会社 | 硫黄酸化物検出装置 |
| 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 |
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|---|---|---|---|---|
| US28792A (en) * | 1860-06-19 | Adjustable carriage-seat | ||
| BE516935A (ja) * | 1952-01-16 | |||
| DE3627799A1 (de) * | 1986-08-16 | 1988-02-25 | Programmelectronic Eng Ag | Verfahren zur regeneration von potentiometrischen festelektrolyt-messzellen und anordnung zum aufschalten auf eine messzelle |
| JPH07104319B2 (ja) * | 1986-09-10 | 1995-11-13 | 株式会社日立製作所 | 空燃比センサ |
| JPS6423155A (en) * | 1987-07-17 | 1989-01-25 | Daikin Ind Ltd | Electrode refreshing device for biosensor |
| DE68928441T2 (de) * | 1988-11-29 | 1998-03-12 | Ngk Spark Plug Co | Ein Feuchtigkeitssensor unter Verwendung einer elektrochemischen Zelle |
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-
1996
- 1996-03-21 JP JP8093347A patent/JPH09257746A/ja active Pending
-
1997
- 1997-03-20 US US08/821,283 patent/US6007697A/en not_active Expired - Lifetime
- 1997-03-21 GB GB9705947A patent/GB2311377B/en not_active Expired - Fee Related
- 1997-03-21 DE DE19711894A patent/DE19711894A1/de not_active Withdrawn
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Also Published As
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|---|---|
| GB2311377A (en) | 1997-09-24 |
| US6007697A (en) | 1999-12-28 |
| DE19711894A1 (de) | 1997-10-30 |
| GB2311377B (en) | 1999-07-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20031217 |