JPS6089742A - 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、該センサを設置状態のま＼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は保額管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０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をとシ囲んで
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２
ａ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５はそれぞれ端部２ａと底部１ａとの問およ
び底部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々い手
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、この押圧力によって電極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７０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。Ｏ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Ｉの開口端を介して連通ず
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７０貫通孔フ
Ｃ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℃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２ｂＫは貫通孔７ｂＫ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ｉ
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７Ｃ
を介して蓋７の外部へ流出する。この場合電極４および
５の部分における酸素ガスの分圧をそれぞれＰ、および
Ｐ、とすると、Ｐ、？Ｐ、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媒作用によってイオンと寿っ
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＼にＲ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）式において几、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Ｅ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から蓋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Ｐ３
、すなわちと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Ｐ、は酸素ガスの
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。

以上が酸素ガスセンサの動作原理であるが、このような
センナを金属の表面処理等を行なう浸炭炉や無酸化炉等
に挿入して、それら炉内雰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
を塵埃の多い被測定ガス中に挿入すると、この塵埃が前
記と同様に電極５０部分に蓄積する。仁のようにすすや
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
０部分に到達しにくくなり、またとのセンサは通常電極
４側の酸素分圧Ｐ１が電極５側の酸素分圧Ｐ２よシも高
い状態で使用されるので、上記のような目詰まシが発生
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と測定管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Ｃ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シ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シ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シ外した
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１一層この汚損状態点検作業は作業効率の７悪
いものであった。

〔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／すの第１
出力値（Ｅｏ）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、
その後所定時間（Ｔｘ）経過後における前記酸素ガスセ
ンサの第３出力値（Ｅｘ）に関連した信号値と前記第１
出力値および第２出力値から与えられる基準値（Ｅｋ、
Ｅｋｌ）とを比較し、この比較結果から前記酸素ガスセ
ンサの汚損状態を検知することにある。

本発明の１）の実施態様においては、前記基準値（Ｅｋ
）はＥｋ＝α（Ｅｏ−Ｅ、）＋Ｅｓ（但し、αは定数）
Ｋよって与えられ、一方前記第３出力値に関連した信号
値はその第３出力値自身によって与えられる。

本発明の他の実施態様においては、前記基準値（Ｅｋ’
　）はＥｋ＝α（Ｅｏ−Ｅ、）　（但し、αは定数）に
よって与えられ、一方前記第３出方値に関連した信号値
は（ＥＸ−Ｅｓ）によって与えられる。

〔発明の実施例〕

次に本発明による酸素ガスセンサの汚損検出方法を第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と保葭管３とＯリング６とでとり囲まれた空所１４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の圧力よシも高い圧力で空所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（１１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
以外の酸素を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理を説明する。

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５の部分に流動させた時間、ｔｌお
よび１．はそれぞれ時間Ｔ３の始期および終期の時刻、
Ｅｏ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Ｔ、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４の
部分における基準ガス１２中の酸素分圧Ｐ１が電極５の
部−分における被測定ガス１１中の酸素分圧Ｐ２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５の部分における点検用ガ
ス１３中の酸素分圧が前記分圧Ｐ雪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Ｔ５の終期ｔ２において
はセンサの発生起電力は前記起電力Ｅ。よシも小さい値
のＥｓとなっている。

なお本例では、起電力Ｅ、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
８とが選定されている。Ｅ遵点検用ガスの流動を停止さ
せた後時間Ｔｘ経過後つまり時刻ｔ。

におけるセンサ起電力である。点検用カスの流動を停止
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Ｅ、から時間の経過と共に上昇して値Ｅ。に達する
。

しかして、まず、センサ起電力Ｅ。を測定保持する。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ｈＫおける
センサ起電力Ｅ８を測定保持する。そして、センナ起電
力Ｅ。Ｅ、から汚損基準値塊を算出する。この基準値梅
はたとえば次式で与えられる。

Ｅｋ＝α（Ｂｏ−Ｅｓ）　十Ｅ、　（１１第（１）式に
おいて、αは汚損の許容度および時間Ｔｘ等が考慮され
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チ応答が０７秒であるとすると、α＝６．９．
−Ｔｘ＝ｏ、７　（秒）に設定される。その後、時間Ｔ
Ｉ通過後時点ｔ３におけるセンサ起電力Ｅｘｆ：測定し
、基準値Ｅｋと比較する。

センサ起電力Ｅ、Ｕセンサの汚損朋によって左右され、
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に接触するだめの拡散速度が遅くなるので小
さな値となり、一方、汚損が少なければその拡散速度が
速くなるので大きな値となる。従って、時刻ｔ２以後に
おけるセンサ起電力Ｅは次式で表わされる。

Ｅ　＝　Ｅ、＋　（Ｅｏ−Ｅ８）　（１−ｅｘｐ　（−
βｔ））　（２）Ｅｘ＝　Ｅ、＋（Ｅｏ−Ｅ、　）　（
１−ｅｘｐ　（−βＴｘ）　）　（３）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、時刻１ｓにお
けるセンサ起電力Ｅと汚損基準値Ｅｋとの差は次式で示
される。

Ｅ−Ｅｋ＝　（Ｅｏ−Ｅ８）　（１−ｅｘｐ　（−βｔ
）−（り　（４１この第（４）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。

ｅｘｐ　（−βｔ）＝１−α゛＝一定　（５）この第（
５）式から次のことがわかる。

〔Ｉ〕センサ起起電力外基準値ｖｋに一致する条件は時
刻ｔ＋＋ｈｌＣおけるセンサ起電力Ｅ。、Ｅ５に左右さ
れず、因子βと時間ｔとによってのみ左右される。

〔■〕因子βが太きければ、つまシ汚損が少々ければ、
短時間のうちにセンサ起電力Ｅは基準値Ｅ。

に到達し、一方、因子βが小さければ、つｌ）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
に要する時間ｔは長時間を要する。

そこで、本発明は、時間ｔをＴＸに固定し、その時間Ｔ
Ｘ後におけるセンサ起電力Ｅｘが基準値Ｅｋよシも大き
いか小さいかを比較することによって、センサの汚損状
態を検出するようにしたものである。

なお、第＋１１式における基準値Ｅｋの設定は時刻ｔ２
以後のセンサ起電力Ｅが時刻’Ｉ＋Ｆにおけるセンナ起
電力Ｅ。、Ｅｓの差（Ｅｏ−Ｅ８）のαチまで時間ＴＸ
後に回復するか否かをチェックするという考えに基づい
ている。従って、基準値は次のようにも設定することが
でき、この場合にはこの基準値Ｅ、′とセンサ起電力Ｅ
ｘから時刻ｔ２におけるベース分起電力Ｅ、を引いた値
（Ｅｘ−Ｅ、）とを比較する。

ＥＩＣＩ＝α（Ｅｏ　”ｓ）　ｆ６１ 次に、本発明による方法を実施するだめの検出回路につ
いて説明する。

第４図はこの検出回路の一実施例のブロック図を示す。

第４図に藝いて−１２０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２
１を介して増幅器２２に与えられる。増幅器２２の出力
信号は測定に供される。

一方、インピーダンス変換器２１の出力信号はスイッチ
２３．２４を介して保持回路２６．２７に導かれる。保
持回路２６は後述するように時点ｔ１（第３図参照）に
おけるセンサ起電力Ｅ。を保持し、一方保持回路２７は
時点１．におけるセンサ起電力Ｅ、を保持する。両保持
回路２６．２７の出力信号はポテンショメータ２８の両
端に導かれる。ポテンショメータ２８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２９に接続されており、従って摺動端子つまシ保持
回路２９からはα（Ｅｏ−Ｅ、）なる信号が取出される
。

この保持回路２９の出力信号と保持回路２７の出力信号
とは加算回路３０に導かれ、この加算回路３０にて基準
電圧Ｅｋが算出される。

Ｅｋ＝α（Ｅｏ−Ｅ、）　＋Ｅ。

加算回路３０の出力信号Ｅｋは比較器３１にて時点ｔ３
におけるセンサ起電力ＥＸと比較され、その比較結果に
基づいて餐報器３２によってアラーム信号が発信される
。スイッチ２３．２４．２５ｉｄタイミング回路３３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３４をコントロールする。なお、３６はタ
イミング回路３３の操作ボタン、３５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（ロ）、ｔ／→。

に）、（ホ）は第４図における信号（ロ）、（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２３．２４は開成している。しかして、
時点１．にて操作ボタン３６を押すと、ポンプ３４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２３が開成され、従っ
てその時点１．におけるセンサ起電力Ｅ。が保持回路２
６によって保持される。その後時間Ｔ、が経過すると、
ポンプ３４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２４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２７にて保持される
。このようにして、上述の如く、加算回路３０によって
、Ｅｋ＝α（Ｅｏ−Ｂ５）＋Ｅ、なる基準値Ｅｋが作成
される。

さらに、時間ＴＪｓ短時間スイッチ２５が閉成され、そ
の時点ｔ３におけるセンサ起電力Ｅｘが比較器３１に導
かれ、この比較器３１にて基準値Ｅｋ＆比較される。基
準値Ｅｋよシもセンサ起電力へか小さい場合には、比較
器３１から出力信号が発信されて警報器３２が駆動され
、アラーム信号が発信される。このアラーム信号は音響
的あるいは光学的信号であってもよい。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　１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
１　は４１＝α（Ｅｏ−Ｅ、）にて与えられており、そ
れゆえ時点ｔ３におけるセンサ起電力Ｅｘからベース分
起電力Ｅｓを差引いた値（ＥＸ−４：、）が基準値Ｅａ
　と比較されるように彦っている。値（Ｅｘ−Ｅ、）は
減算回路３７にて作成される。

〔発明の効果〕

以上に説明するように、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Ｔ、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だめの酸
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、す出力応答特性図
、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。 ■・・・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、２０・・・
酸素ガスセンサ、２６　、２７　、２”９・・・保持回
路、２８・・・ポテンショメータ、３０・・・加算回路
、３１・・・比較器、３２・・・警報器、３３・・・タ
イミング回路、３７・・・減算回路。

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（Ｅｏ
   ）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（Ｔ、）
   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
   ｙすの第２出力値（Ｅｓ）を測定保持し、その後所定時
   間（ＴＸ）経過後罠おける前記酸素ガスセンサの第３出
   力値（Ｅｘ）に関連した信６号値と前記第１出力値およ
   び第２出力値から与えられる基準値（Ｅｋ、Ｅ’）とを
   比較し、この比較結果から前記酸素ガスセンサの汚損状
   態を検知することを特徴とする酸素ガスセンサの汚損検
   出方法。 ２、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（Ｅｌｃ）はＥ、＝α（Ｅｏ　Ｅ５）＋Ｅ
   。 （但し、αは定数）Ｋよって与えられ、一方前記第３出
   力値に関連した信号値はその第３出力値自身によって与
   え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（塀）はＥｋ＝α（Ｅｏ−Ｅ、）（但し、
   αは定数）によって与えられ、一方前記第３出力値に関
   連した信号値は（Ｅｘ−Ｅ５）によって与えられること
   を特徴とする酸素ガスセンサの汚損検出方法。