JPS6089741A - 酸素ガスセンサの汚損検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 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２態のままで簡便に検
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。

〔従来技術とその問題点〕

次に従来のセンサの汚損検出一方法を説明するが、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３
ａ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
っ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って蓋７によって端部２ａの方に押
されているので、この押圧力によりて電極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。０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
ト等の手段によって炉壁９に気密に固定されている。被
測定ガス１１は本センサによって検出されるべき酸素を
含んでいて、通常５００’０程度以上の高温となってい
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の網目を通って測定管１の外面
に接触する。細管２の空所２ｂ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の網目を通って測定管１の内面に接触し貫通孔７
Ｃを介して蓋７の外部へ流出する。この場合電極４およ
び５０部分における酸素ガスの分圧をそれぞれＰｌおよ
びＰ２とすると、Ｐ１″４Ｐ２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採作用によってイオンと
なって測定管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。

ここＫＲは普遍ガス定数、Ｆはファラデ一定数、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Ｐ、は一定値であるから
ＥはＴおよびＰ２に依存する。したがって起電力Ｆ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がら蓋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って分圧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Ｐｌは酸；にガス
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っても差し支え
ない。

炉や無酸化炉等に挿入して、それら炉内ｌ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、時間の経過に伴って固体状炭素いわゆ
るすすがセンサの電極５０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ｆｌｌ１１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Ｋ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の部分に到達し忙＜りなり
、またと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ＥＰ２よりも高〜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って測定管１の外へ出た
酸素が電極５と−リ定管１との間に滞留してこの部分の
酸素分圧が上昇し、この結果核部分の分圧は被測定ガス
中の酸素分圧Ｐ２とは異なった高い分圧となるのでセン
サの発生起電力は低下する。したがってこのようにすす
や塵埃によって電極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って汚損
状態を確認しているが、この取り外しおよび取り付は作
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図のようになっているので、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℃
・ものであった〇 〔発明の目的〕 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。

〔発明の要点〕

本発明の要点は、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出力値（Ｆｉｏ）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（Ｔｓ）流動させて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出力値（Ｆｌｓ）を測定保
持し、その後、その所定時間終了時から、前記酸素ガス
センサの出力に関連した信号値が前記第１出力値および
第２出力値によって与えられる基準値（Ｅｋ、　Ｉｕｋ
’　）まで到達するのに要する時間（Ｔｘ）を測定し、
この測定時間（Ｔｘ）を酸素ガスセンサの汚損状態の尺
度とすることにある。

本発明の１つの実施態様においては、前記基準値（Ｅｈ
）はＥｋ＝α（Ｅｏ　−′Ｂｓ　）　＋Ｆｌｓ　（但し
、αは定数）によって与えられ、一方前記酸素ガスセン
サの出力に関連した信号値はその酸素ガスセンサの出力
が用いられる。

本発明の別の実施態様においては、前記基準値（Ｅｋ）
はＢｋ＝ａ　（ｇｏ　−Ｉｓ　）　（但し、αは定数）
によって与えられ、一方前記酸素ガスセンサの出力に関
連した信号値はその酸素ガスセンサの出力（Ｅ）から第
２出力値（Ｂｓ　）を差引いた値（Ｅ−Ｅｓ）が用いら
れる。

〔発明の実施例〕

次に本発明による酸素ガスセンサの汚拶検出方法を第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
である。

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Ｑ　ＩＪソングとでとり囲まれた空所１
４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
通って被測定ガス１１中に流出し残部は電極５の網目を
通って該電極５の部分の測定管１に接触する。したがっ
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
空気以外の酸素な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、埋を説明する。

第３図においてＥはセンサの発生起電力、ｔは経過時間
、Ｔｓ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５０部分に流動させた時間、ｔｌお
よびｔ２はそれぞれ時間Ｔｓの始期および終゛期の時刻
、　Ｂｏ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Ｔｓ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
４０部分における基準ガス１２中の酸素分圧Ｐ、が電極
５の部分における被測定ガス１１中の４ｍ素分圧Ｐｚ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５０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Ｔｓの終期ｔ２にお
いてはセンサの発生起電力は前記起電力ｇｏよりも小さ
い値のＦｆｓとなっている。

なお本例では、起電力Ｅｓ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。Ｅｋは点検用ガス性の基準値で
あり、時間Ｔｘはそのセンサ起電力Ｅが基準値Ｅｋに到
達するまでに要する時間である。

すなわち、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１１
に置換されるので、センサ起電力Ｅは値Ｂｓから時間の
経過と共に上昇して値ＥＯに達する。

しかして、まず、センサ起電力ＥＯを８１１１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Ｅｓを測定保持する。そして、セ
ンサ起電力Ｐ！ｏ　、　Ｐｉｓから汚損基準値ｎｋを算
出する。この基準値Ｗｋはたとえば次式％式％ ） 第（１）式において、αは汚損の許容度が考慮されて経
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　’ｆｉ応答が０７秒であるとすると、α＝０．９
に設定される。その後、センサ起電力Ｅを基準値Ｅｋと
比較し、センナ起電力Ｅが基準値Ｅｋに等しくなるまで
の時間Ｔｘを測定する。時刻ｔ２以後のセンサ起電力Ｅ
はセンサ汚損度によって左右され、汚損が多ければ被測
定ガス１１が点検用ガス１３に代わって電極５に接触す
るための拡散速度が遅くなるので回復するのに長時間を
要し、一方、汚損が少なければその拡散速度が速くなる
ので短時間のうちに回復する。従って、時刻ｔ２以後に
おけるセンサ起電力Ｅ＃′ｉ一般的に次式で表わされる
。

Ｅ＝＝Ｅｓ−１−（Ｅｏ−Ｅｓ　）　（１−ｅｘＰ　（
−βｔ））　＋２１なお、βは汚損度によって左右され
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１時刻ｔ３におけるセンサ起電力Ｅ
と汚損基準値Ｅｋとの関係は次式で示される。

Ｅ’−Ｅｋ＝＝（ｇｏ−Ｅｓ）（１ｅｘｐ（−β）−α
）＝　Ｏ（３） この第（３）式から、センサ起電力Ｅが基準値Ｅｋに一
致する条件は次式で示される。

ｅｘゼ（−βＴｘ）＝ｌ−α＝一定　（４）この第（４
１式から次のことがわかる。

（Ｉ）センサ起電力Ｅが基準値Ｅｋに一致する条件は時
刻”１ｍ”２におけるセンサ起電力Ｅｏ、Ｅｓに左右さ
れず、因子βと時間Ｔｘとによってのみ左右される。

■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Ｅｋ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Ｅｋに到達するまでの時間Ｔｘ
は長時間を要する。

そこで、本発明は１時刻ｔ２以後のセンサ起電力Ｅが基
準値ｇｋに到達するまでに要する時間Ｔｘを測定し、こ
の測定時間Ｔｘをある基準時間Ｔと比較する。上述の如
く、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に設定されるが、その際には
、その基準時間ＴをＴ＝０．７と設定する。この基準時
間Ｔよりも測定時間Ｔｘが大であるならば、酸素ガスセ
ンサの汚損は許容度以上であると判断する。

なお、第（１）式で示した基準値は次のような基準値Ｅ
ｋ’として設定することもでき、この場合にはこの基準
値Ｅｋ’とセンサ起電力Ｅから時刻ｔ２に−おけるベー
ス分起電力Ｅｓを引いた値（Ｅ−Ｅｓ）とを比較する。

Ｅｋ’　＝　ａ　（Ｅｏ−Ｂｅ　）　（５１次に１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図はこの検出口−路の一実施例のプ四ツク図を示す
。この第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４に与えられる。増幅器ｎの゛出
力信号は通常の測定に供される。一方、インピーダンス
変換器２１の出力信号はスイッチ乙、２４を介して保持
回路５，２６に導かれる。

保持回路６は後述するように時点ｔｌ（第３図参照）に
おけるセンサ起電力Ｅｏを保持し、一方保持回路加は時
点１．におけるセンサ起電力Ｅｓを保持する。両保持回
路６．２６の出力信号はボテンシ百メータｎの両端に導
かれる。ポテンショメータｎの摺動端子によって、上述
した定数αが設定される。

その摺動端子は保持回路列に接続されており、従って摺
動端子つまり保持回路列からはα（Ｅｏ−Ｅｓ）なる信
号が取出される。この保持回路列の出力信号と保持回路
あの出力信号とは加算回路四に導かれ、この加算回路四
にて基準電圧Ｅｋが算出される。

′Ｅｋ：α（Ｅｏ−Ｅｓ　）　＋Ｅｓ 加算回路２９の出力信号は比較器（９）にてセンサ起電
力Ｅと比較される。その出力信号つまり基準値Ｅｋとセ
ンサ起電力Ｅとが等しくなったら、比較器Ｉは一致出力
（へ）を発信する。このとき、時間測定器あがタイミン
グ回路３１によって時点ｔ２から時間測定を開始させら
れており、従って比較器（９）の一致出力信号によって
時間測定器あが時間測定を終了すれば、第３区における
時間Ｔｘを測定することができる。時間測定器３５はた
とえば時間−電圧変換器あと比較器３７とから成る。時
間−電圧変換器３６はたとえばタイミング回路３１の出
力信号（ホ）と比較回路（９）の一致出力（へ）とが導
かれ両出力信＄ｉ。

（へ）のアンド条件の聞出力信号を発撥するアンド回路
と、このアンド回路の出力信号が発信されている間つま
り時間Ｔｘの間コンデンサを充電し１時間Ｔｘに比例し
た電圧出力を発信するＲＡＭＰ回路とから構成される。

比較器訂には上述の基準時間Ｔに対応する電圧を発生す
ることのできる設定手段あによって比較電圧が与えられ
る。時間測定器部の出力は警報器間に与えられ、それゆ
え測定時間Ｔｘが基準時間Ｔよりも長い場合には比較器
３７から出力信号が発信されるので、警報器あからアラ
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ってもよい。なお、スイッチｎ、２
４はタイミング回路３１によって制御される。タイミン
グ回路３３はさらに点検用ガスのポンプ別をコントロー
ルする。３２はタイミング回路３１の操作ボタン、３４
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１０）、ｌ／１゜に）
、（ホ）は第４図における信号１口）、（ハ）、に）、
（ホ）に対応している。従って、測定開始時においては
、スイッチ乙、２４は閉成している。しかして、時点ｔ
１にて操作ボタン３２を押すと、ポンプおが制御されて
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、スイッチ乙が開成され、薇ってその時
点１１におけるセンサ起電力ｇｏが保持回路２によって
保持される。その後１時間Ｔｓが経過すると、ポンプお
が停止されて点検用ガス１３の流動が停止され、かつ、
スイッチ冴が開成されて、その時点ｔ２におけるセンサ
起電力Ｅｓが保持回路％によって保持される。このよう
にして、上述の如く、加算回路四によってＥｋ＝ａ　（
ＦＪｏ−Ｅｓ　）＋Ｅｓなる基準値Ｅｋが作成される。

基準値Ｅｋはセンサ起電力Ｅと比較され１両者が一致し
た時点ｔ３にて比較器（資）から一致出力信号が発信さ
れる。一方、タイミング回路３１によって１時間測定器
あの時間−電圧変換器あにおけるＲＡＭＰ回路のコンデ
ンサが時点ｔ２にて充電を開始させられており、比較器
（９）の一致出力信号によってその充電を停止させられ
る。それゆえ、時間−電圧変換器あからは。

時間Ｔｘに比例した電圧を取出すことができる。

この時間Ｔｘに比例した電圧は基準時間Ｔに比例した電
圧が設定されている比較器３７にてその設定電圧と比較
される。しかして、時間Ｔｘが基準時間Ｔよりも長けれ
ば、比較器３７から出力信号が発信されて警報器側が駆
動され、アラーム信号が発信される。このアラーム信号
によって、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図は本発明による方法を実施するための検出回路の
他の実施例のブロック図である。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Ｅｋ’は
Ｅｋ’　：α（Ｅｏ−Ｅｓ　）にて与えられており、そ
れゆえこの基準値Ｅｋ’とセンサ起電力Ｅから時点ｔ２
におけるセンサ起電力Ｅｓを差引いた値（Ｅ−ｇｓ）と
が比較される。値（Ｅ−Ｅｓ）は減算回路３９にて作成
される。

なお、第４図および第６図の実施例において。

時間測定器間を主として時間−電圧変換器によって構成
する例について述べたが、時間測定変換器３５は、たと
えば１時点ｔ２にてタイミング回路３１によりセットさ
れ時点ｔ３にて比較器間によってリセットされるフリッ
プフロップと、このフリップフロップの出力が発生され
ている間クロックパルスを通過させるアンド回路と、ア
ンド回路を通るクロックパルスを計数するカウンタとか
ら構成し、このカウンタに基準時間Ｔに対応する数Ｎを
設定値として与えておき、時間Ｔｘに相当するカウンタ
計数値と数Ｎとを比較するような時間−パルス数変換方
式を用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上をこ説明するように１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Ｔｓ
流動させ、その後所定時間Ｔｘ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図は本発明による検出方法を実施するための信号処
理回路の一例を示すブロック図、第５図はその各部にお
ける信号波形図、第６図はその信号処理回路部の他の例
を示すブロック図である。 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、加・・・酸
素ガスセンサ。 ２５．２６．２８・・・保持回路、ｎ・・・ポテンショ
メータ。 四・・・加算回路、蜀・・・比較器、３１・・・タイミ
ング回路。 都・・・警報器、３９・・・減算回路。 ｆｚ　図 ｆ　３　図

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出力値（Ｂｏ
   ）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（Ｔｓ　
   ）流動させて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出力値（Ｅｓ　）を測定保持し、その後、
   その所定時間終了時から、前記酸素ガスセンサの出力に
   関連した信号値が前記第１出力値および第２出力値によ
   りて与えられる基準値（Ｆｌｋ、Ｅｓｃ’）まで到達す
   るのに要する時間（Ｔｘ）を測定し、この測定時間（Ｔ
   ｘ）を酸素ガスセンサの汚損の尺度とすることを特徴と
   する酸素ガスセンサの汚損検出方法。 αは定数）によって与えられ、一方前記酸素ガスセンサ
   の出力に関連した信号値はその酸素ガスセンサの出力が
   用いられることを特徴とする酸素ガスセンサの汚損検出
   方法。 ３）特許請求の範囲第１項記載の汚損検出方法において
   、前記基準値（ｕｋ）はＢｋ＝ａ（３ｏ　−Ｅｉ）　（
   但し、αは定数）によって与えられ、一方前記酸素ガス
   センサの出力に関連した信号値はその酸素ガスセンサの
   出力（Ｂ）から第２出力値（Ｆｌｓ　）を差引いた値（
   Ｂ−Ｅｓ）が用いられることを特徴とする酸素ガスセン
   サの汚損検出方法。