JPS62112050A - 固体電解質酸素センサ−を用いた気体濃度測定方法 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、分解度が温度に依存する酸素含有物質を含む
被測定気体の当該酸素含有物質と同時に酸素濃度を測定
することができる固体電解質酸素センサーを用いた気体
濃度測定方法に関するものである。

〈従来の技術〉 従来、手術等の際用いられるの麻酔用ガスとじて、一般
に笑気ガスと言われるものが使用されている。

通常、この笑気ガスは、Ｎ２０（−酸化二窒素）が８０
％、０□　（酸素）が２０％の割合で混合されてなり、
その混合は、一般に流量計を用いて行っている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところが、この流量計を用いた混合の場合、操作ミス、
その他の原因により、混合割合を誤ることが多く、特に
、Ｎ２０ガス量を必要以上に多くした場合、患者を窒息
死させることがある。

このような事故に対応するため、麻酔ガス中のＮ、Ｏガ
ス濃度を測定するガスセンサーの提供が望まれている。

しかしながら、現在のところ、その要求に答える良好な
センサーは提供されてない。

本発明は、このような従来の要望に答えるもので、笑気
ガスのような酸素含有物質を含む被測定気体中の当該酸
素含有物質の濃度、及び酸素濃度を同時に測定できるよ
うにした測定方法を提供するものである。

〈問題点を解決するための手段及びその作用〉本発明の
特徴とする点は、分解度が温度に依存する酸素含有物質
を含む被測定気体の限界電流を、当該酸素含有物質の分
解度が相違する状態で、測定することによって得られる
各限界電流値から酸素含有物質の分解度の相違による酸
素量を算定して、被測定気体中の酸素含有物質の濃度と
酸素濃度を求める固体電解質酸素センサーを用いた気体
濃度測定方法にある。

〈実施例〉 か＼る本発明の気体濃度測定方法を、添付図面に基づい
て、より具体的に詳説する。

麻酔ガス中のＮＺＯガスは、その分解度が温度に依存し
、加熱により、次式のように窒素と酸素に分解される。

ＮｚＯ→Ｎｚ　＋１／２０□　・・・（１）この酸素含
有物質であるＮ２０ガスの濃度測定に当たって、固体電
解質酸素センサーを用いて、限界電流を測定する場合、
センサー駆動温度が約４００〜６００°Ｃ以」二とかな
り高いため、ＮｚＯガスが分解して生成された酸素量が
加わるため、当初からある酸素の存在量に比較して、大
きな酸素濃度に対応する限界電流値が得られる。

ここで、限界電流方式の酸素センサーとは、酸素イオン
導電性を有する固体電解質に対して、酸素分子（イオン
）供給を制限する手段を設けたセンサーを総称するもの
であって、両面に電極が形成された固体電解質に、外気
の間に微小な気体流通口が開けられた中空カプセルを被
冠し、この気体流通口の気体拡散抵抗によって生ずる限
界電流特性を利用するもの、或いは拡散抵抗を生しる気
体流通口の代わりに多孔質な物質（微細な貫通孔を多数
有する物質、例えば、セラミック）　　を上記カプセル
の一部に設けたもの、固体電解質の一面或いは両面、又
は該固体電解質全体を包囲するように多孔質体を形成し
たもの、僅かな間隙を持たせた板を並べ、少なくともど
ちらか一方が、両面に電極が形成された固体電解質とし
、その間隙による気体の拡散抵抗作用を利用したもの、
一端が閉塞された筒状の固体電解質の内外面に電極が設
けられ、その少なくとも一方の電極側に前述の如き拡散
制御体を設けたタイプ等、固体電解質の酸素イオン移送
現象を種々の拡散手段によって制限することによって生
ずる酸素イオン電流の飽和値を測定することによって、
気体濃度を測定する方式のセンサーを総て含むものとす
る。

この加算される酸素量（Ｎ２０ガスの分解による酸素量
）が測定できれば、Ｎｚ　Ｏガスの濃度測定が可能とな
る。

このような観点に立って、実験したところ、Ｎ２０ガス
の分解割合は、測定温度に依存し、その結果は次の如く
であった。

５５０°Ｃ−Ｎ２Ｏガス１００％分解・・・（２）４０
０℃−ＮｚＯガス　７５％分解・・・（３）この分解に
伴う印加電圧−限界電流特性を図示すると、第１図の如
くである。ここで、曲線ｌ−■５，５゜ハセンサー？Ｌ
度５５０℃におけるセンシング時の限界電流値、曲線Ｉ
Ｉ＝１．．。。はセンサ一温度４００℃におけるセンシ
ング時の限界電流値である。

一方、固体電解質酸素センサーの限界電流値Ｉ、は温度
依存性を持ちことが知られている。

従って、限界電流Ｉ　ＬＳＳ。と限界電流Ｉ　Ｌ４ＧＧ
を比較するには、温度依存性の分を補正しなければなら
ない。

例えば、限界電流ＩＬ４゜。を限界電流Ｉ　ＬＳＳ。と
比較するためには、５５０℃での限界電流として温度補
正することが必要であり、この温度補正による補正限界
電流Ｉ　ＬａＯ２＊　　は次の計算式で求められる。

”　１．　１６　Ｘ　Ｉｔ４ｏ。

尚、ここで、０．７３は温度依存性の割合を表すα値で
、測定対象となるべき被測定気体の種類によって決まる
ものであり、Ｎ２０と０２のン昆合ガスの場合は０，７
３であることが分かっている。

上記計算式から、Ｎ２０ガスの分解度（分解割合）の相
違による酸素量は、第１図において、ΔＩＬで表され、
その値は次の関係式で求められる。

ΔＩＬ　＝　ＩＬＳＳＯＩＬ４ｏｏ＊・・・（５）結局
、この限界電流の増加分ΔＩ、は、Ｎ、　０ガス２５％
分の分解による酸素量に対応する。

ここで、単純に、４Δｒ、とすれば、この値はＮ２０ガ
ス１００％分解したときの酸素量を示すことになる。

ところが、Ｎ２０１モルから０□が１Ｘ２モル発生する
ので、気体の分解による体積増加を考慮しなければ、Ｎ
ｚＯガスの濃度は、近似的に次式％式％ 尚、ＩＬ（χ）は酸素１％当たりの■、値の大きさで、
この値は、実験値又は計算値から容易に求めることがで
きる。

一方、限界電流値ｒ　ＬＳＳ。からＮ、０ガス濃度分の
０２の値分を差し引けば、酸素濃度が求められる。この
関係を図示すると、第２図の如くで、酸素濃度は次式で
計算できる。尚、同第２図において、４　（Ｉ　Ｌ、Ｓ
ＯＩ　Ｌ４００　＊　）はＮ２０ガス分解による酸素量
、４１Ｌ４００”　　　３１Ｌ５ＳＯはもともと存在す
る酸素量を表す。

さて、上記の計算は近似的に濃度計算を扱ったものであ
る。

次に、精密にＮ２０ガス濃度を計算する。

るから酸素濃度Ｘ（％）、総モル数Ｎの気体が、Ｎｚ　
Ｏｙ　（％）分解すると、 となる。

分解前後のモル数の変化は、 分解前・・−Ｎ　（１−ｘ）＋Ｎｘ＝Ｎモル分解後・・
・Ｎ　（１−ｘ）（Ｉ　　Ｍ）　＋Ｎ　（１−ｘ）ｙ＋
Ｎｘ＋１／２（１−ｘ）Ｙ＝ Ｎ＋１／２（１ｘ）　Ｙモル であり、差引１／２（１−ｘ）　　ｙモルだけ増加した
ことになり、気体々積が増加する。

従って、Ｎ２０がｙ（％）分解した後の酸素の割合（モ
ル比）は次式で表される。

ＮＸ＋１／２　Ｎ（１ｘ）　！ Ｎ＋　１／２　Ｎ（１−ｘ）　ｙ ｌ−＋−１／２　（１−ｘ）　ｙ 限界電流値■、は酸素濃度に比例制るので、１　＋１／
２　（１−ｘ）　ｙ 尚、βは定数、ここで、例えば、 ４００℃テハ、Ｎ、Ｏは７５％分解するから、上記式（
１０１にｙ＝Ｑ、７５を代入する。又５５０’Ｃでは、
Ｎｚｏは１００％分解するから、上記式〇〇にｙ＝４を
代入する。

そうすると、夫々次式で表せる。

４００°Ｃでは、限界電流値ＴＬ４゜。は、３＋５ｘ β×□　・・・０υ １−３Ｘ ５００℃では、限界電流値Ｉ　ＬＳＳ。は、−ｘ 一方、上述の弐（４）より、ＩＬ４゜。’！’＝１．１
６１．４゜。であるから、５５０″Ｃにおける限界電流
値Ｉ１６，０と、補正した限界電流値Ｔ１．ａｏｏ＊の
差Δ■。

は、Ｎ２０の２５％分の分解差分による０２放出量であ
ることにより、 Δｌ。

ＩＬ（χ） なる関係が成立する。

ここで、弐〇蜀を整理すると、 従って、 酸素濃度（Ｚ）は・・・１００　ｚ　（り　　　　　・
−−ａりＮ２０濃度（χ）は・・・１００　　（１−ｘ
）（χ）の弐により求めることができる。

尚、圧力変化による影響も厳密には考えられるが、通常
の使用状態ではそれほど大きな値ではないので、これは
無視しである。

又、本発明においては、必要な計算のプログラムを予め
マイコンに投入しておき、２個のセンサーによる測定デ
ータの入力により、直ちにＮ２０ガス濃度及びＯｚ４度
の数値が求められるようにすることも可能である。又、
本発明では、被測定気体中の酸素含有物質として、上記
Ｎ２０ガスに限定されず、分解度が温度に依存する同種
の物質の濃度測定に応用できること勿論である。

更に、前述の実施例においては、２個の測定温度が異な
る酸素センサーを並べる例を示したが、１個のセンサー
の加熱動作温度を変化させ、酸素４度を測定する場合に
も同様なるＮｚＯガス濃度の測定が可能となる。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように、本発明の固体電解質酸
素センサーを用いた気体濃度測定力法によれば、酸素含
有物質の分解度が異なる状態に於いて得られる各限界電
流値から所望の算定方法により、被測定気体中の酸素含
有物質の濃度と同時に酸素濃度を簡単に求めることがで
きる。特に、被測定気体中の酸素含有物質が笑気ガスの
場合、従来の流量計によるガス混合に対して、各ガスの
濃度がセンサーで直接且つ簡単に測定することができる
ため、混合ミス等による患者の窒息死等の事故を効果的
に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は測定温度の相違による固体電解質酸素センサー
の各印加電圧−限界電流時曲線を示したグラフ、第２図
は印加電圧−限界電流時曲線において被測定気体中の酸
素含有物質と酸素の寄与を模式的に示したグラフである
。 特許出願人　　　藤倉電線　株式会社 第１図 ｇｐη口゛ｔ１王− 第２図 〔Ｃ力０′１屯匡 手続補正書（自制 昭和６１年　３月　６旧 昭和６０年特許願第２５２４４９号 ２、発明の名称 固体？ｆ解質酸素センサーを用いた気体１・眉度測定方
法３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　東京都江東区木場−丁目５番１号名称　藤　倉　
電　線　株式会社 代表者加賀谷誠− ４、代理人■１４１１！０３　（４４０）−６７６１住
所　東京部品用区東五反田五丁目２３番１号ユニハイツ
池田山７０３号　　　　　　、−氏名　（８０３６）弁
理士　石　戸　谷　重　徳５、補正命令の日付　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　″ミ、−６、補正の対
象 ｆｉｌ　　願書中、発明の名称の欄及び発明者の欄（２
）　　明細書中、発明の詳細な説明の憫（１）明細書中
、第２頁第１行目から第７行目の「従来手術等・・・行
っている。」を次のように補正する。 「従来、手術等の際用いられる麻酔用ガスとして一般に
Ｎ２０（−酸化二窒素）が使用されている通常、麻酔用
ガスの場合、このＮ２０が６７〜５０％、０２　　（酸
素）が３３〜５０％程度の割合で混合されてなり、その
混合は、−ｉに流量計を用いて行っている。」 （２）明細書中、第８頁第８行目の「精密」を「厳密」
と補正する。 （３）明細書中、第８頁の第１０行目から第１１行目に
かけての「酸素濃度Ｘ・・・分解すると、」を、［酸素
濃度の割合を”Ｌ？ａモル数Ｎの気体のうちＮ２０が割
合ｙだけ分解すると、」と補正する。 （４）明細書中、第９頁第４行目のｒｙ　（％）」を「
ｙ」と補正する。 （５）明細書中、第９頁第８行目の「比例制るので、」
を、「比例するので、」と補正する。 （６）明細書中、第９頁の末尾から第１０頁文頭にかけ
、　　ての式θＯの分母と分子を揃え、次のように補正
する。 （７）明細書中、第１１頁第１行目のｒｌｏＯｚ　　（
％）・・・αつ」をｒｌｏＯＸ　ｃ％）・・・０ω」と
補正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 分解度が温度に依存する酸素含有物質を含む被測定気体
   の当該酸素含有物質の分解度が相違する状態に於いて得
   られる各限界電流値から上記酸素含有物質の分解度の相
   違による酸素量を算定して、被測定気体中の酸素含有物
   質の濃度と酸素濃度を求めることを特徴とする固体電解
   質酸素センサーを用いた気体濃度測定方法。