JPS62150151A - 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、被測定気体中に含まれる異種の気体濃度を同
時に測定する方法に関するものである。

〈従来の技術〉 被測定気体、例えば大気の場合、酸素（０２）を初めと
して、窒素（Ｎ２　）　、その他の含酸素物質、例えば
水分（Ｎ２０）　、炭酸ガス（Ｃｏ２）、亜硫酸ガス（
Ｓｏ□）、−酸化炭素（Ｃｏ）　、窒素酸化物（ＮＯ２
、Ｎｏ、、Ｎ２ｏ）、更には希ガス（）（ｅ、Ａｒｓ　
Ｎｅ等）等種々の気体が含まれている。

これら含有物質の気体濃度は従来より種々の方法で測定
されているが、近年、測定がＦＪｊ４１で且つ迅速に行
え、しかも検出情報の制御、取扱性が良いこと等から、
電子部品としてのセンサーがよく使用されている。

現在、酸素濃度については、固体電解質の酸素イオン導
電板を用いた限界電流方式のセンサー、所謂、酸素セン
サーが使用されている。

ここで、限界電流方式の酸素センサーとは、酸素イオン
導電性を存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（或いは拡散を律速する）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、外気の間の微小な気体流通口が開
けられた中空カプセルを被冠し、該気体流通口の気体拡
散ｆｌＩ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
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、固体電解質面の電極上に拡
散制御層を設は更にその上に拡散を阻止する層を形成し
たもの、僅かな間隙を持たせた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の板を並べその間
隙による気体の拡散抵抗作用を利用したもの、一端部が
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制限（律速
）することによって濃度を測定する方式のセンサーを総
て含むものとする。

本発明者等も、か＼る酸素センサーの開発を継続的に行
っており、現在までに種々のものを提案している。

特に、最近、上記と同種の酸素センサーにおいて、印加
電圧を上げていくと、例えば大気にあって、酸素と同時
に水分が含まれている場合、第５図に示す如（，２段階
の平坦領域２．３を有する電圧−電流特性曲線１が得ら
れることに着目し、研究を進めてきている。

この電圧−電流特性曲線１の２段階平坦領域の発現現象
は、本発明者等の研究過程で明らかになったもので、最
初の平坦領域２（第１平坦部）は大気中の酸素に起因し
て形成され、次の平坦領域３（第２平坦部）は大気中の
酸素と同時に水分の分解による酸素原子（酸素イオン）
の存在が付加されることに起因して形成されるものと、
推定される。

この推定に立って、本発明者等は、既出願の明細書中（
特願昭６０−２０２１６９号）で、低い電圧ｖ。

の印加で酸素による限界電流値ＩＬＩを得、この値ＩＬ
Ｉから酸素濃度を求めると共に、高い電圧ｖ２の印加で
水分の分解により発生ずる酸素原子の存在による限界電
流値■１□を得、この値ｒｔｚと上記酸素のみによる限
界電流ＩＬｌの差Ｉｔ□−ＩＬ＋から、水分濃度（湿度
）を求める方法を明らかにし、且つ当該出願では、この
方法をスムーズに実現すべく複数の電極をもった特殊構
造のセンサーを提案しである。

本発明は、この電圧−電流特性曲線の２段階平坦領域の
発現現象そのものを利用してなされたものである。

く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、少な（とも水分の含有された被測定気
体中の酸素濃度及び水分濃度を測定するにおいて、固体
電解質を用いた限界電流方式の酸素センサーに電圧を印
加して第１平坦部の限界電流値と第２平坦部の限界電流
値を求め、前記第１平坦部の限界電流値から酸素濃度を
得、且つ第２平坦部の限界電流値と前記第１平坦部の限
界電流値との差から被測定気体中の水分濃度を得る気体
濃度測定方法にある。

以下、か＼る本発明方法を図面により更に詳しく説明す
る。

第１図は固体電解質を用いた限界電流方式〇酸素センサ
ーによる電圧−電流特性曲線を示したものである。尚、
ここで用いたセンサーは両面に電極が形成された固体電
解に、外気の間の微小な気体流通口が開けられた中空カ
プセルを被冠し、該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した構造のものである。

この第１図において、電圧−電流特性曲線１１は水分の
含まれた大気（ウェットエア）の場合で、センサーの印
加電圧を上昇させていくと、先ず、酸素の存在による第
１平坦部１２が現れ、次に水分の存在が付加されたこと
による第２平坦部１３が現れる。

従って、低い電圧■、を印加すれば酸素による限界電流
値ＩＬ＋が得られ、高い電圧■２を印加すれば水分の存
在が付加された限界電流値ＩＬ２が得られる。

以上の限界電流値’Ｉｌｌと限界電流値ｒＬ＋との差（
Ｔ　Ｌｍ　　Ｉ　ｔ＋）から差電流値Δ■、が求められ
る。

本発明者等が、この差電流値ΔＩＬウェットエア中の水
分濃度（湿度）との相関関係を求めたところ、第２図に
示したように両者の間には比例関係があることが分かっ
た。但し、横軸は絶対湿度である。

このことから、予め差電流値ΔＩＬに対応する水分濃度
を求めておけば、当該差電流値ΔＩＬから直ちに水分濃
度を求めることができる。

又、酸素濃度は、第３図に示す如く酸素の限界電流値Ｉ
　Ｌ”ｌに比例することが既に知られているため、やは
り当該限界電流値ＩＬＩから直ちに求めることができる
。

尚、実際の測定において、差電流値ΔＩＬは水分の分解
による酸素の絶対量に起因して生ずる値（絶対湿度）で
あるのに対して、ある気体に存在する水分量は温度よっ
て異なる（飽和水蒸気量の温度による変化）。一方、一
般の水分濃度（相対湿度）は気体温度との関係で相対的
に求められる値である。従って、相対湿度を求めるには
、温度を測定し、その温度での水蒸気の飽和蒸気圧を求
め、この値により絶対湿度を換算しなければならない。

これを数式化すると次の如くである。

〈実施例〉 拡散孔を有するカプセル型の酸素センサーを用いて、測
定温度（気体温度）５０°Ｃ５７０°Ｃ及び８０℃で、
種々の湿度（予め水分を入れて設定した設定湿度）の空
気（ウェットエア）ついて、実測したところ、第１表、
第２表及び第３表の如くであった。

第　１　表（測定温度５０’Ｃ） 第　２　表（測定温度７０°Ｃ） 第　３　表（測定温度８０℃） 上記第１表、第２表及び第３表により求められた値をプ
ロン１−シ、グラフ化すると第４図の如くであった。

このグラフから、Δ■、と実測値とがよく対応している
ことが分かる。

尚、本発明を実施するに当たっては、特願昭６０−２０
２１６９号に示される如く複数の内部電極に異なる電圧
を印加してもよいし、或いは又２個のセンサーを並列に
して用いてもよいし、更には印加電圧を掃引することに
よって、２段階の°平坦領域を実現し、測定してもよい
。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように本発明の気体濃度測定方
法によれば、被測定気体中の酸素濃度と水分濃度（湿度
）を簡単且つ迅速に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を説明するための限界電流方式の酸
素センサーにおける電圧−電流特性曲線を示したグラフ
、第２図は限界電流値間の差電流値Δ■、と水分濃度と
の関係を示したグラフ、第３図は限界電流値と酸素濃度
との関係を示したグラフ、第４図は限界電流値間の差電
流値Δ■１と実測値を示したグラフ、第５図は限界電流
方式の酸素センサーにおける一般的な電圧−電流特性曲
線を示したグラフである。 図中、 １１・・・水分含有気体の電圧−電流特性曲線、１２・
・・第１平坦部、 １３・・・第２平坦部、 第１図 Ｖ＋　　　　　　、　　　　　　　　　Ｖ２卸　１飛　
電　圧 第２図 第３門 酸参濃度

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも水分の含有された被測定気体中の酸素濃度及
   び水分濃度を測定するにおいて、固体電解質を用いた限
   界電流方式の酸素センサーに電圧を印加して第１平坦部
   の限界電流値と第２平坦部の限界電流値を求め、前記第
   １平坦部の限界電流値から酸素濃度を得、且つ第２平坦
   部の限界電流値と前記第１平坦部の限界電流値との差か
   ら被測定気体中の水分濃度を得ることを特徴とする気体
   濃度測定方法。