JPS6093951A - 酸素ガスセンサの汚損検出方法 - Google Patents

酸素ガスセンサの汚損検出方法

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JPS6093951A
JPS6093951A JP58201960A JP20196083A JPS6093951A JP S6093951 A JPS6093951 A JP S6093951A JP 58201960 A JP58201960 A JP 58201960A JP 20196083 A JP20196083 A JP 20196083A JP S6093951 A JPS6093951 A JP S6093951A
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JP
Japan
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gas sensor
sensor
oxygen gas
electromotive force
gas
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JP58201960A
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Takeo Tanaka
田中 猛夫
Yuji Sugiyama
杉山 裕司
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Fuji Electric Manufacturing Co Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

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  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

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】 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
サと記ずこともある。
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) IJ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3a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5はそれぞれ端部2aと底部1aとの間
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な
い手段によって蓋7によって端部2aのガミこ押されて
いるので、この押圧力によって電極4,5および底部1
a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は保陣管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
連通することを防上するように保護管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7
a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1
1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°C程度以上の高温となっている。
5− 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5の部分に力ける酸素ガスの分圧をそれぞれP、およ
びP、とすると、P1〜P2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な
って測定管1を構成するジルコシア中を移動する。この
結果1!極4と5との間に(1)式で示される起電力E
が発生する。
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JPおよびP、は一定値であるか6− らEはTおよびP、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P
い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。
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、時間の経過に伴なって固体状炭素いわ
ゆるすすがセンサの電極5の部分に蓄積する。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lこ電極5の部分に蓄積する
。こ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の部分に到達しにくくなり、またこ
のセンサは通常電極4側の酸素分圧P、が電極5側の酸
素分圧P2よりも高い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、ジルコロア中をイオンとし
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との間に滞溜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
業はまこ吉に煩わしく、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い
ものであった。
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
目的とするものであって、この目的は酸素ガスセンサが
被測定ガス中に配設された状態で、前記センサの前記被
測定ガス側の電極部に点検用ガスを一定圧力で流動させ
、前記点検用ガスの流動の状態に応じて発生する前記セ
ンサの応答特性を、前記センサが汚損されていない場合
と汚損されている場合とについて測定し、両応答特性の
差をめる方法によって達成される。
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lこし
たセンサの一実施例の概略縦断面図、第3図は被測定ガ
スを測定している状態にある第2図に示したセンサの応
答特性の一例である。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7b。
9− 7Cとは異なる貫通孔で、その一端は測定管1と保護管
3とOリング6(!:できり囲まれた空所14に開口し
、他端は図示していないが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1
4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
気以外の酸素を含むガスを用いても差し支えない。
第3図においてEはセンサの発生起電力、tは10− 経過時間、T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およびちはそれぞれ時間T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’!IL
(i4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P、
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Pt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T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。よりも小さ
い値のEsすなっている。
Edは時間Tの間におけるセンサの発生起電力で、この
起電力Edは点検用ガス13を電極5に流動番させ始め
ると電極5の部分におけるガスが徐々に被測定ガス11
から点検用ガス13に置き換えられるこみになるので、
時間経過と共に低下してEsの値に達する起電力である
。なお本例では、起電力BS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(!:が選定されている。Buは時刻t2、すなわち
点検用ガス13の流動を停止させた時刻以後のセンサの
発生起電力で、この場合電極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に置き換えられるので
、該起電力Euは値Esから時間の経過と共に上昇して
値Eoに達する起電力である。上記の起電力Edおよび
Euは実験結果から(2)式のように表わされるこ吉が
わかっている。
こ\にτ、およびτ2はそれぞれ時刻t1およびt、を
始点とする経過時間、TdおよびTuはそれぞれ時間的
に変化する起電力EdおよびI8uの時定数であって、
EdおよびEuの値は電極5におけるすすや塵埃等によ
る蓄積が多い程大きくなることが実験により明らかとな
っている。
次に(2)式におけるEdの特性を利用してセンサの汚
損状態を検出する方法を第2図および第3図をも参照し
て説明する。
(2)式のEdおよび第3図から次の(3)式が得られ
る。
(Eo Es)/Eo=1 exp(T/Td) 、、
、、・、、・43)(3)式において時間Tを一定とす
ると、iit、極5が汚損された場合は汚損されていな
い場合に比べて時定数Tdが大きいので(Eo−E s
 )/ F:oの値は前者の場合よりも後者の場合の方
が小さくなり、また(3)式において(Eo−Es )
 /Eoの値を一定とすると時間Tは前者の場合よりも
後者の場合の方が大きくなる。
故に電極5が汚損されていないセンサを第2図のように
炉壁9内に挿入し設置して該センサに所定の酸素分圧p
rを有する基準ガス12を導入し、この状態で被測定ガ
ス11中の酸素分正にもとづくセンサの発生起電力鳥、
を測定した後、所定の酸素分圧Pcを有する点検用ガス
13を所定時間Tx13− だけ電極5に流動させ、該時間Txの終期にセンサの発
生起電力ES Iを測定して”l = (Eot −E
81 )/ Eotをめておき、そのセンサが汚損され
て電極5にすすや塵埃が蓄積した時、前記と同じ所定の
酸素分圧Prを有する基準ガス12を該センサに導入し
、この状態で被測定ガス11中の酸素分圧にもとづくセ
ンサの発生起電力Eo、を測定した後、前記と同じ所定
の酸素分圧Pcを有する点検用ガス13を前記時間Tx
だけ電極5に流動させ、該時間Txの終期にセンサの発
生起電力Estを測定して鳥=(Eot Bst )/
Eotをめると、鳥とRoとの差から電極5の汚損状態
を検出できることになる。
また電極5が汚損されていないセンサを第2図のように
炉壁9内に挿入し設置して該センサに所定の酸素分圧P
rを有する基準ガス12を導入し、この状態で被測定ガ
ス11中の酸素分圧にもとづくセンサの発生起電力E0
.を測定した後、所定の酸素分圧PCを有する点検用ガ
ス13を時間TyIの間電極5に流動させ、該時間Ty
1の終期ζこセンサの発生起電力EsIを測定してR+
 ” (Eot B S+ )/ Eo+二14− をめ、このR,が所定の値に、になる時の時間T、。
の値を測定しておき、そのセンサが汚損されて電極5に
すすや塵埃が蓄積した時、前記と同じ所定の酸素分圧P
rを有する基準ガス12を咳センサに導入し、この状態
で被測定ガス11中の酸素分圧にもとづくセンサの発生
起電力E。、を測定した後、前記と同じ所定の酸素分圧
Pcを射る点検用ガス13を時間Ty、の間電極に流動
させ、該時間Ty、の終期にセンサの発生起電力Es、
を測定してR・t=(Ens−Eat )/ Eotを
め、このR,が前記所定の値に1になる時の時間Ty、
の値を測定すると、T7.とTy。
との差から電極5の汚損状態を検出することもできるこ
とになる。
以上は(2)式に・おけるEdの特性を利用したセンサ
の汚損検出方法であるが、次に(2)式におけるEuの
特性を利用した方法を述べる。
損された場合は汚損されていない場合に比べて時定数T
uが大きいので(gu Es)/(J!3o Es)の
値は前者の場合よりも後者の場合の方が小さくなり、ま
た(4)式においてcEu−Es)/(Eo−Es)の
値を一定にすると時間τ2は前者の場合よりも後者の場
合の方が大きくなる。
故に電極5が汚損されていないセンサを第2図のように
炉壁9内に挿入し設置して該センサに酸素分圧Prを有
する基準ガス12を導入し、この状態で被測定ガス11
中の酸素分圧にもとづくセンサの発生起電力E。1を測
定した後、所定の酸素分圧PCを有する点検用ガス13
を所定時間Txだけ電極5に流動させて該時間TXの終
期にセンサの発生起電力B S +を測定し、さらlこ
前記時間Txの後所定時間Tzだけ経過した時のセンサ
の発生起電力Eulを測定してRs=(Eat Eat
 )/ (got ]’!3s+)をめておき、そのセ
ンサが汚損されて電極5にすすや塵埃が蓄積した時、前
記と同じ所定の酸素分圧Prを有する基準ガス12を該
センサに導入し、この状態で被測定ガス11中の酸素分
圧にもとづくセンサの発生起電方塊、を測定した後、前
記と同じ所定の酸素分圧Pcを有する点検用ガス13を
前記時間TXだけ電極5に流動させて該時間Txの終期
にセンサの発生起電力Es、を測定し、さらに前記時間
Txの後前記と同じ所定時間T2だけ経過した時のセン
サの発生起電力Eutを測定してR+=(Eu2−Es
z)/(Eat Eat)をめると、It3と瓜との差
から電極5の汚損状態を検出することができる。
また電極5が汚損されていないセンサを第2図のようζ
こ炉壁9内に挿入し設置して該センサに所定の酸素分圧
Prを有する基準ガス12を導入し、この状態で被測定
ガス11中の酸素分圧にもとづくセンサの発生起電力E
OIを測定した後、所定の酸素分圧Pcを有する点検用
ガス13を所定時間Txだけ電極5に流動させて該時間
Txの終期にセンサの発生起電力ESIを測定し、さら
に前記時間TXの後時間TWIだけ経過した時のセンサ
の発生起電力Eulを測定してRs=(Eat Ess
 )/(Eat Eat )をめ、このR3が所定の値
に、になる時の時間’I’wtの値を測定しておき、そ
のセンサが汚損されて電極5にすすや塵埃が蓄積した時
、前記と同じ所定の酸17− 素分圧Prを有する基準ガス12をセンサに導入し、こ
の状態で被測定ガス11中の酸素分圧にもとづくセンサ
の発生起電力E。、を測定した後、前記き同じ所定の酸
素分圧P。を有する点検用ガス13を前記と同じ所定時
間Txだけ電極5に流動させて該時間Txの終期にセン
サの発生起電力Es2を測定し、さらに前記時間Txの
後時間T’wtだけ経過した時のセンサの発生起電力E
utを測定してR4=(Eut Est)/(EO! 
Esx)をめ、この几。が前記所定の値に2になる時の
時間Tw、の値を測定すると、TwIと1w2との差か
ら電極5の汚損状態を検出することもできることになる
すなわち、以上に説明したように本発明による酸素ガス
センサの汚損状態検出方法においては、該センサの汚損
状態を、該センサが被測定ガス中に配設された状態で、
該センサが新しくてまだ電極5が汚損されていない時点
と該センサの使用時間が経過してその電極5にすすや塵
埃が蓄積した可能性のある時点との両時点において、所
定の酸素分圧Prを有する基準ガス12を該センサに導
入18− してこの時のセンサの発生起電方塊を測定した後、その
基準ガス12を流したままで所定の酸素分圧Pcを有す
る点検用ガスJ3を所定時間゛rXだけ電極5に流動さ
せて該時間Txの終期にセンサの発生起電力E、を測定
して”= (Eo −E8)/乍E。を演算し、前記両
時点における演算結果凡の差から検出するか、または前
記両時点において、所定の酸素分圧Prを有する基準ガ
ス12を該センサに導入してこの時のセンサの発生起・
成力E0を測定した後、その基準ガス12を流したまま
で所定の酸素分圧PCを有する点検用ガス13を時間T
yの間1!棒5に流動させて該時間Tyの終期にセンサ
の発生起電力Esを測定してR=(Eo Es)/Eo
を演算し、このRが所定の値に、になる時の時間Tyを
測定して前記両時点における時間Tyの差から検出する
か、または前記両時点において、所定の酸素分圧P「を
有する基準ガス12を該センサに導入してこの時のセン
サの発生起電力E。を測定した後、その基準ガス12を
流したままで所定の酸素分圧Pcを有する点検用ガス1
3を所定時間Txだけ電極5に流動させて該時間Txの
終期にセンサの発生起電力E5を測定し、さらに前記時
間Txの後所定時間Tzだけ経過した時のセンサの発生
起電力Ellを測定してk(Eu−Es)/(Eo E
s)を演算し、前記両時点における演算結果Rの差から
検出するか、または前記両時点において、所定の酸素分
圧Prを有する基準ガス12を該センサに導入してこの
時のセンサの発生起電力E。を測定した後、その基準ガ
ス12を流したままで所定の酸素分圧PCを有する点検
用ガス13を所定時間Txだけ電極5に流動させて該時
間Tx’ −−’ −の終期にセ ンサの発生起電力Esを測定し、さらに前記時間TXの
後時間Twだけ経過した時のセンサの発生起電力Euを
測定してR=(Eu−Es)/(Eo−Bs)を演算し
、このRが所定の値に、になる時の時間TWを測定して
前記両時点における時間TwO差から検出するようにし
たので、このような方法によれば、酸素ガスセンサの汚
損状態の検出を該センサを被測定ガス中に配設したまま
で行なうことができるので、該センサの汚損状態点検作
業に際して該センサを設置場所から取り外す必要がなく
、このためこのような作業の効率が向上するという効果
がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は公知のジルコニアを用いた酸素ガスセンサの概
略縦断面図、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
は測定状態ζこある第2図のセンサの応答特性の一例で
ある。 各図において、4,5・・・電極、】1・・・被測定ガ
ス、13・・・点検用ガス、E + Ell + F)
S・・・センサの発生起電力、T・・・点検用ガスの流
動時間。 −’21−

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)酸素イオン伝導性を示す固体電解質を用いた酸素ガ
    スセンサにおいて、前記酸素ガスセンサが被測定ガス中
    に配設された状態で、前記酸素ガスセンサの前記被測定
    ガス側の電極部に点検用ガスを流動させ、前記点検用ガ
    スの流動の状1/Mlこ応じて発生する前記酸素ガスセ
    ンサの応答特性を、前記酸素ガスセンサが汚損されてい
    ない場合と汚損されている場合とについて測定し、両応
    答特性の差を検出の尺度とするようにしたことを特徴と
    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項に記載の検出方法において、
    酸素ガスセンサの応答特性を、点検用ガスを流動させ始
    める直前と、前記点検用ガスを所定時間流動させたとき
    の前記所定時間の終期とにおける前記酸素ガスセンサの
    両発生起電力の間の差の起電力に対する、前記点検用ガ
    スを流動させ始める直前における前記酸素ガスセンサの
    前記発生起電力の比とした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項をこ記載の方法において、酸
    素ガスセンサの応答特性を、点検用ガスを流動させ始め
    たのち、前記点検用ガスを流動させ始める直前と、前記
    点検用ガスを流動させているときとにおける前記酸素ガ
    スセンザの両発生起電力の間の差の起電力に対する、前
    記点検用ガスを流動させ始める直前における前記酸素ガ
    スセンサの前記発生起電力の比の値が、所定の値になる
    までの経過時間としたことを特徴とする酸素ガスセンサ
    の汚損検出方法。 4)特許請求の範囲第1項に記載の方法において、酸素
    ガスセンサの応答特性を、点検用ガスを第1の所定時間
    流動させた後筒2の所定時間経過した時と、前記第1の
    所定時間の終期とにおける前記酸素ガスセンサの両発生
    起電力の差の起電力に対する、前記点検用ガスを流動さ
    せ始める直前と、前記第1の所定時間の終期とにおける
    前記酸素ガスセンサの両発生起電力の間の差の起電力の
    比としたことを特徴とする酸素ガスセンサの汚損検出方
    法。 5)特許請求の範囲第1項に記載の方法において、酸素
    ガスセンサの応答特性を、点検用ガスを所定時間流動さ
    せた後被測定時間経過した時と、前記の 所定時間≠終期とにおける前記酸素ガスセンサの両光生
    起電力の差の起電力に対する、前記点検用ガスを流動さ
    せ始める直前と、前記所定時間の終期とにおける前記酸
    素ガスセンサの両光生起電力の間の差の起電力の比の値
    が、所定の値になるまでの前記被測定時間としたことを
    特徴とする酸素ガスセンサの汚損検出方法。
JP58201960A 1983-10-28 1983-10-28 酸素ガスセンサの汚損検出方法 Pending JPS6093951A (ja)

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JPS6093951A true JPS6093951A (ja) 1985-05-25

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JP58201960A Pending JPS6093951A (ja) 1983-10-28 1983-10-28 酸素ガスセンサの汚損検出方法

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JP (1) JPS6093951A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010210252A (ja) * 2009-03-06 2010-09-24 Fuji Electric Systems Co Ltd 酸素センサ検査方法

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JP2010210252A (ja) * 2009-03-06 2010-09-24 Fuji Electric Systems Co Ltd 酸素センサ検査方法

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