JPS62238455A - 酸素分析方法及び装置 - 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】 （技術分野） 本発明は、酸素分析方法及び装置に係り、特に酸化、還
元側領域に不規則に交番、変化する被測定ガスを対象に
して、その酸素濃度、不足酸素濃度を、例えば−１０％
〜＋２０％の０２レンジで同一信号にて出力する、精度
の良い且つ簡便な酸素、不足酸素濃度の分析方法並びに
そのための装置に関するものである。

（背景技術） 従来から、ジルコニア等の高温において酸素イオン伝導
性のある固体電解質を用いて、電気化学反応を利用した
酸素濃淡電池の原理により、製鋼における各種の炉、そ
の他の工業炉、ボイラー等から排出される燃焼排ガス中
或いはそれら炉内の雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を
検出し、それら炉内の操炉状態やボイラーの燃焼状態を
制御する等の操作が行なわれている。

そして、この種の被測定ガス中の酸素濃度を知るための
酸素分析装置にあっては、一般に、固体電解質体に接し
て多孔質の一対の白金電極をそれぞれ設けて、電気化学
的酸素センサセルを構成し、そしてその一方の電極を基
準ガスとしての大気に接触せしめて、基準酸素分圧の基
準電極とする一方、他方の電極を被測定ガスである燃焼
排ガスや炉内雰囲気に晒して測定電極としており、そし
てそれら基準電極と測定電極との間の酸素分圧の差に基
づく起電力を測定することにより、被測定ガス中の酸素
分圧を測定している。なお、そのような二つの電極の間
に生ずる起電力は、良く知られているネルンストの式に
て表わされるところから、かかるネルンストの式を用い
て、測定された起電力から被測定ガス中の酸素分圧が容
易に算出され得るのである。

ところで、かかる測定されるべき燃焼排ガスや炉内雰囲
気などの被測定ガスの性状は、その生成条件によって種
々変化し、例えば燃料と空気が理論空燃比（空気比二μ
＝１）の状態にある混合ガスを燃焼せしめて得られる燃
焼排ガスにあっては、実質的に遊離の酸素が存在しない
中性の雰囲気となるが、かかる理論空燃比点を境にして
、燃料よりも空気が多い場合（μ〉１）にあっては、生
成する燃焼排ガス中には遊離の酸素が存在する酸化領域
の雰囲気となるのであり、また空気よりも燃料が多い場
合（μ〈１）にあっては、最早、燃焼排ガス中には遊離
の酸素は存在し得す、未燃焼成分の存在する還元領域の
雰囲気となるのである。

そして、このような酸化領域、還元領域に変化する雰囲
気を被測定ガスとする場合において、前記した酸素濃淡
電池の原理に基づいて起電力を出力する電気化学的酸素
センサセルを用いると、λカーブとして知られているよ
うに、その発生起電力がμ（空気比）−１のところにお
いて跳ね上がるジャンピング現象が惹起されるところか
ら、また酸化領域及び還元領域のそれぞれの領域のカー
ブの傾きが異なり、両領域にわたって一つのカーブとす
ることが出来ないために、従来では、酸化領域において
は０□計信号として取り出し、一方還元領域においては
α（還元度指標）計〔α＝（Ｈｚ　＋ＣＯ）／　（Ｈｚ
Ｏ＋ＣＯ□）〕として信号を出力するように構成し、以
てそれら０２計部とα計部とを組み合わせるか、または
それぞれを別個に作り、α値出力若しくは０２値出力を
並列に別個に出力して、酸化還元側領域の雰囲気の酸素
濃度の計測を行なっているのである。

このため、酸化領域の雰囲気を被測定ガスとした場合に
おいて得られる信号レンジと、還元領域の雰囲気を被測
定ガスとして得られる信号レンジとの間に同一性が無く
、そして二個の並列出力が必要であるところから、両領
域を同時に制御する場合、信号レンジの出力合わせとそ
のような信号出力の外部での切換機能が必要となり、そ
のため複数の計測機器、制御機器が必要となって、装置
の構造が複雑になる等、多くの問題が内在している。

また、最近においては、酸化・還元側領域の被測定ガス
を対象とする酸素センサ素子として、被測定ガスに晒さ
れる測定電極と所定の基準ガスに晒される基準電極とを
有し、酸素濃淡電池の原理に基づいて起電力を出力する
電気化学的酸素センサセルと、該酸素センサセルの測定
電極の周りの雰囲気を酸素ポンプ作用によって制御する
電気化学的酸素ポンプセルとを一体的に備え、かかる酸
素センサセルの発生起電力が一定の値となるように、該
酸素センサセルの測定電極の周りの雰囲気中の酸素量を
前記酸素ポンプセルの酸素ポンプ作動にて制御せしめて
、この酸素ポンプセルの酸素ポンプ作動のためのポンプ
電流値（限界電流値）により、被測定ガスの酸化状態、
還元状態を評価するようにしたものも明らかにされてい
る。

しかしながら、このような酸素センサセルと酸素ポンプ
セルとを有する酸素センサ素子にあっても、被測定ガス
が還元領域にある場合にあっては、求められるポンプ電
流値：Ｉｐが温度により太きく変化し、これが大きな誤
差を惹起する問題があった。これは、被測定ガスが同一
の空燃比で燃焼させられて、同一の不足酸素濃度のもの
であっても、温度条件により、公知の水性ガス反応に従
ってＣＯとＨ２の発生の仕方が異なり、このためガス組
成が異なる被測定ガスとなるのであって、そしてこのｃ
ｏとＨ２の拡散定数値の違いにより、ポンプ電流値：Ｉ
ｐが変化させられることとなるからである。

（発明の構成） ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、その特徴とするところは、被測定ガ
スに晒される測定電極と所定の基準ガスに晒される基準
電極とを有し、酸素濃淡電池の原理に基づいて起電力を
出力する電気化学的酸素センサセルと、該酸素センサセ
ルの測定電極の周りの雰囲気を酸素ポンプ作用によって
制御する電気化学的酸素ポンプセルと、それら二つのセ
ルを加熱するヒータとを一体的に有する酸素センサ素子
を用い、かかるヒータによる加゛熱を制御して、該酸素
センサセル及び該酸素ポンプセルを７００〜９６０℃の
温度に保持する一方、該酸素センサセルの発生起電力が
一定の値となるように該酸素センサセルの測定電極の周
りの雰囲気を変化せしめるべく前記酸素ポンプセルを作
動させるポンプ電流を制御せしめ、そしてその制御され
たポンプ電流若しくはかかるポンプ電流の制御信号を出
力変換して、前記被測定ガスが酸化領域にあるときには
酸素濃度信号として、また前記被測定ガスが還元領域に
あるときには不足酸素濃度信号として、同一測定レンジ
における一つの信号として出力するようにしたことにあ
る。

なお、かくの如き本発明手法にあっては、好適には、前
記ヒータによる加熱制御が、前記酸素センサ素子内に一
体的に組み込まれた測温素子によるセル温度の検出に基
づいて、行なわれることとなる。

また、本発明の好ましい実施態様に従えば、前記酸素ポ
ンプセルのポンプ作動は、前記酸素センサセルの発生起
電力が中性領域の被測定ガスに対する発生起電力に相当
するように、制御せしめられ、これによって酸素センサ
セルの測定電極の周りの雰囲気中のＯｚｉｍ度をμ！＝
ｉ１の点に持ってきて、酸素濃度、不足酸素濃度のバイ
アス値をＯにすることにより、より簡便な回路構成を構
築することが可能となるのである。

そしてまた、本発明にあっては、その実施に好適な装置
として、（ａ）被測定ガスに晒される測定電極と所定の
基準ガスに晒される基準電極とを有し、酸素濃淡電池の
原理に基づいて起電力を出力する電気化学的酸素センサ
セルと、該酸素センサセルの測定電極の周りの雰囲気を
酸素ポンプ作用によって制御する電気化学的酸素ポンプ
セルと、該酸素センサセルの測定電極の周りに被測定ガ
スを所定の拡散抵抗の下に導く拡散抵抗手段と、それら
二つのセルを加熱するヒータとを一体的に有する酸素セ
ンサ素子と、（ｂ）該酸素センサ素子のヒータによる加
熱を制御して、前記酸素センサセル及び酸素ポンプセル
を所定の温度に保持する温度制御手段と、（Ｃ）前記酸
素センサセルの発生起電力が一定の値となるように該酸
素センサセルの測定電極の周りの雰囲気を変化せしめる
べく前記酸素ポンプセルを作動させるポンプ電流を制御
する電流制御手段と、（ｄ）該電流制御手段にて制御さ
れたポンプ電流若しくはかかるポンプ電流の制御信号を
出力変換して、前記被測定ガスが酸化領域にあるときに
は酸素濃度信号として、また前記被測定ガスが還元領域
にあるときには不足酸素濃度信号として、同一測定レン
ジにおける一つの信号として出力するようにした出力信
号変換手段とを含む酸素分析装置が有利に用いられるの
である。

なお、このような酸素分析装置における温度制御手段は
、好適には、前記酸素センサ素子内に一体的に組み込ま
れた測温素子を有し、該測温素子におけるセンサ温度の
検出に従って、前記ヒータによる加熱を制御して、前記
二つのセルを一定の温度に保持するように構成されるこ
ととなる。

（実施例） 以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明に従う実施例を図面に基づいて詳細に説明することと
する。

先ず、第１図は、本発明に従う酸素分析手法に係るブロ
ック図の一例を示すものであって、そこにおいて、酸素
センサ素子２は、その先端部の酸素検知部の横断面形態
において示されている。なお、この酸素センサ素子２は
、良（知られているように、狭幅な板状の長手形状を為
しており、その先端部に酸素濃淡電池の原理を利用した
酸素検出部が形成されている。

この酸素センサ素子２の酸素検出部は、第２図から明ら
かなように積層構造とされており、高温において酸素イ
オン伝導性を示す安定化ジルコニアからなる板状の固体
電解質体４と、その両側の面に接して設けられた内側及
び外側の多孔質なポンプ電極６．８とから構成される、
電気化学的セルである酸素ポンプセルと、同様に構成さ
れた、固体電解質体１０と、その両側の面に接して設け
られた多孔質層な測定電極１２、基準電極１４とからな
る、電気化学的セルである酸素センサセルとが、それら
の間に所定の拡散抵抗の下に被測定ガスを導く細隙な平
坦空間からなる拡散室１６が形成されるように、固体電
解質からなる所定厚さのスペーサ部材１８を挟んで積層
されて、一体的に構成されている。また、拡散室１６は
、その中心部において、酸素ポンプセルを貫通して設け
られたガス導入孔２０を通じて、外部の被測定ガス存在
空間に連通せしめられており、このガス導入孔５０を通
じて導かれた被測定ガスが、かかる拡散室１６内におい
て所定の拡散抵抗の下に拡散されて、酸素ポンプセルの
内側ポンプ電極６に接触せしめられるようになっており
、また酸素センサセルの測定電極１２も、かかる内側ポ
ンプ電極６の周りの拡散室１６内の雰囲気に接触せしめ
られるようになっている。

また、かかる酸素センサセルの基準電極１４が設けられ
た側には、板状の固体電解質体２２，２４が更に積層さ
れて、その内部に該基準電極１４が露呈せしめられる空
気通路２６が形成されている。そして、この空気通路２
６は、酸素センサ素子２の基部において大気に連通せし
められ、基準ガスとしての空気が該空気通路２６を通じ
て導かれて、基準電極１４に接触せしめられるようにな
っている。

なお、上記の固体電解質体４．１０，２２．２４やスペ
ーサ部材１８を構成する安定化ジルコニアは、良く知ら
れているように、酸化シルコニニウムに酸化イツトリウ
ムや酸化カルシウム等を固？容させることによって得ら
れるものであり、また電極６，８，１２．１４はそれぞ
れ多孔質な白金等から構成されている。

また、かかる空気通路２６を形成する固体電解質体２４
の更に外側には、ヒータ層２８が積層されて一体的に層
状に設けられている一方、酸素センサセルの外側面には
、外側のポンプ電極８を囲んだ状態において、他の一つ
のヒータＪｉ１３０が一体的に層状に設けられている。

換言すれば、二つのヒータ層２８．３０が、積層された
酸素ポンプセルと酸素センサセルの両側にそれを挟むよ
うに一体的に積層され、それらセル両側から所定の作動
温度に加熱せしめ得るようになっているのである。そし
て、それらヒータ層２８．３０は、それぞれヒータ素子
であるヒータエレメント２８ａ。

３０ａの周りを、電気絶縁性を有するアルミナ等からな
る多孔質層２８ｂ、３０ｂにて実質的に囲まれた状態に
おいて設けられており、またかかる多孔ｔ［２８ｂ、　
　３０　ｂの上には、更にジルコニア等の固体電解質か
らなる気密層２８ｃ、３０ｃが設けられて、それぞれの
ヒータエレメント２日ａ、３０ａを外部の被測定ガス雰
囲気から遮断乃至は隔離し得るようになっている。なお
、かかるヒータ層２８．３０のヒータエレメント２８ａ
。

３０ａは、例えばアルミナ粉末と白金粉を主成分とする
サーメット状にしたフィルムを配置する等の手法によっ
て形成されることになる。

さらに、積層された酸素ポンプセルと酸素センサセルの
間の拡散室１６内に実質的に露呈せしめられる内側のポ
ンプ電極６や測定電極１２上には、それぞれアルミナ等
からなるポーラスセラミック層３２．３４が積層された
状態で設けられており、更に同様なポーラスセラミック
層２６が酸素ポーラスセルの外側ポンプ電極８上にも設
けられており、それらポーラスセラミック層３２，３４
．３６を通じて被測定ガスがそれぞれの電極に接触させ
られるようになっている。

そして、このような積層構造の酸素センサ素子２の空気
通路２６内には、酸素センサセルの基準電極１４の側部
でそれに近接した状態において、測温素子層３８が層状
に設けられて、センサ素子２内に一体的に組み込まれた
構造とされている。

この測温素子層３８は、温度変化によって素子の電気抵
抗が大きく変化するサーミスタ等からなる構成を有する
ものであって、測温素子としての抵抗体３８ａが電気絶
縁性を有するアルミナ等からなる多孔質１３８ｂ内に埋
設されて構成され、周囲の固体電解質体（１０，２２）
から電気的に絶縁せしめられるようになっている。なお
、この測温素子としての抵抗体３８ａは、ジルコニア、
アルミナ等のセラミック粉末と白金粉末を主成分とした
サーメットやこれに０．１〜０．５％程度のＴｉＯ２を
添加したもので、積極的に抵抗の温度係数を高めたもの
を用いて、それをフィルム上に配置することによって形
成されたものである。

なお、かくの如き積層構造の酸素センサ素子２は、それ
を構成する各層、即ちヒータ層２８、固体電解質体２４
，２２、酸素センサセル（１０゜１２．１４）、測温素
子Ｎ３８、スペーサ部材１８、酸素ポンプセル（４，６
，８）　、ヒータ層３０を積層せしめて一体的な積層構
造体と為し、そしてそれを焼成することにより、一体的
な構造として形成されることとなる。

また、かかる構造の酸素センサ素子２においては、各ヒ
ータ１２８．３０のヒータエレメント２８ａ、３０ａと
測温素子層３８の抵抗体３８ａとは、その一端において
共通に電気的に接続され、端子ａに接続されている。ま
た、ヒータエレメント２８ａ、３０ａの他端は、端子Ｃ
に接続されている。更に、酸素ポンプセルの外側ポンプ
電極８が端子すに接続される一方、酸素ポンプセルの内
側ポンプ電極６と酸素センサセルの測定電極１２とが接
続され、端子ｅに接続されるようになっている。そして
、酸素センサセルの基準電極１４が端子ｆに接続され、
また測温素子層３８の抵抗体３８ａの他端が端子ｄに接
続されているのである。

要するに、ここでは、端子ａ及び端子Ｃが加熱ヒータ端
子とされ、また端子ａと端子ｄが酸素センサセル温度測
温端子とされ、更に端子ｅと端子ｆとが比較電圧端子と
され、そして端子すと端子ｅが限界電流端子とされてい
るのである。

そして、このような酸素センサ素子２の端子ａ〜ｆに対
して、第１図に示される如く、所定の機器が接続される
のである。即ち、端子ａ、ｃ及びｄがヒータ温度制御器
４０に接続され、酸素センサ素子２内に組み込まれた測
温素子（３８ａ）にて検出されるセル温度に基づいて、
かかる酸素センサ素子、より具体的には酸素ポンプセル
及び酸素センサセルが所定の温度に保持されるように、
ヒータ温度制御器４０によって、それぞれのヒータ（２
８ａ、　　３０　ａ）に通電されるヒータ電流が制御さ
れ、以てセンサ素子２の均一加熱が行なわれるようにな
っているのである。

また、酸素センサセルの測定電極１２と基準電極１４の
接触する雰囲気中の酸素濃度差に基づいて、酸素濃淡電
池の原理により基準電極１４から出力される起電力は、
端子ｆから外部に取り出され、そして参照電源４２と比
較され、ポンプ電流（Ｉ　ｐ）を制御するＰＩ制御器４
４によって、所定の制御信号が出力されるようになって
いる。このＰＩ制御器４４は、酸素ポンプセルの起電力
が参照電源４２の電圧と等しくなるように比例、積分制
御を行ない、所定の制御信号を出力するものである。

さらに、かかるＰＩ制御器４４から出力された制御信号
は、それが電圧レベルのものであるところから、電圧電
流変換器４６によって所定のポンプ電流１ｐに変換され
、端子す及びｅを通じて、酸素センサ素子２の酸素ポン
プセルの外側及び内側のポンプ電極８及び６間に流され
、以て酸素ポンプセルの酸素ポンプ作用に従って、拡散
室１６内に酸素が汲み込まれたり（還元領域の被測定ガ
スの場合）或いは拡散室１６から酸素が汲み出されたり
（酸化領域の被測定ガスの場合）して、かかる拡散室１
６内の雰囲気が参照電源４２の電圧に対応する雰囲気と
なるように調整されるのである。

そして、かくの如き酸素センサ素子２の酸素ポンプセル
のポンプ作動は、被測定ガスの雰囲気の変化に従って、
かかる酸素ポンプセルに流されるポンプ電流ｉｐは種々
変化することとなるが、そのような酸素ポンプ電流１ｐ
を制御するＰＩ制御器４４の電圧レベルからは、出力変
換器４８によって、所望のレンジの０□値として一つの
０２値信号が出力されるのである。

すなわち、ガス導入孔２０を通じて酸素センサ素子２の
拡散室１６内に導かれる被測定ガスが、酸化領域にある
か或いは還元領域にあるかによって、酸素ポンプセルに
流されるポンプ電流Ｉｐは全く逆方向となるが、そのよ
うな酸素ポンプ電流Ｉｐ乃至はその制御信号は、予め出
力変換器４Ｂに入力されている酸化領域における酸素濃
度と１ｐ　（制御信号）との関係から、また還元領域に
おける不足酸素濃度とＩｐ（制御信号）との関係から、
被測定ガス中の酸素濃度、不足酸素濃度を示す０□値信
号に変換されるのである。

ところで、このような酸素センサ素子２において、その
拡散室１６内の雰囲気中の酸素濃度、より具体的には拡
散室１６内に実質的に露呈せしめられる、酸素センサセ
ルの測定電極１２の周りの雰囲気中の酸素濃度が、一定
に保たれるように、酸素ポンプセルの２つのポンプ電極
６，８間に流されるポンプ電流：Ｉｐを、ＰＩ制御器４
４及び電圧電流変換器４６によって制御することにより
、被測定ガス中のＯｚ濃度二〇□（Ｓ）は、下式（１）
にて表わすことができる。

０□（Ｓ）　＝　ＫＩｐＯｔ　　−１ｐＯ□−ＫＩｐＨ
ｚ・Ｉｐ）Ｉ。

−Ｋｒｐｃｏ・ＩｐＣＯ＋０ｚ（Ｃ）　　　・・・（１
）但し、ＫＩｐＯ□　：酸素の電流係数 ＩｐＯ□　；酸素濃度の寄与０２ポンプ電流にＩｐＨｚ
　　：水素の電流係数 ＩｐＨ□　：水素濃度を打ち消すためのＯ２ポンプ電流 ＫＩｐＣＯニー酸化炭素の電流係数 ＩｐＣＯニー酸化炭素濃度を打ち消すための０２ポンプ
電流 Ｏ，（Ｃ）　　：拡散室１６中の０２濃度また、酸素セ
ンサ素子２における酸素ポンプセルの２つのポンプ電極
６．８間に制御されて流される酸素ポンプ電流：Ｉｐは
、下式（２）％式％ にて表わされ、測定されるべき被測定ガスが酸化領域に
ある場合にあっては、ＩｐＨｚ＝ＩｐＣＯ＝０となり、
また還元領域の被測定ガスにあっては、ｒｐｏ、＝ｏと
なる。

従って、上式（２）は、酸化領域の被測定ガスを対象と
する場合にあっては、 Ｉｐ＝ＩｐＯ□≧０ となり、また還元領域の被測定ガスを対象とする場合に
あっては、 １　ｐ　＝　　Ｉ　ｐ　Ｈｔ　　　Ｉ　ｐ　ＣＯ≦０と
なるのである。

なお、酸化、還元側領域を同時に計測するためには、酸
素センサ素子２の拡散室１６内の雰囲気中の０□濃度を
、空気比（μ）＃１の状態で燃焼して得られる、実質的
に遊離の酸素が存在しない中性領域の点にもってきて、
かかるＩｐのバイアス分を０にすることによって、より
簡便な回路構成が構築出来ることとなる。尤も、空気比
＝１以外の燃焼排ガス中の酸素濃度に対応するように、
拡散室１６内の雰囲気中の酸素濃度：０□　（Ｃ）を設
定すれば、この濃度骨だけのバイアス補正をすることが
必要となる。

一方、被測定ガスが還元領域にある場合においては、 Ｈｚ　＋ｃｏｚ←→ｃｏ＋Ｈｚ　Ｏ の周知の水性ガス反応があり、温度条件により、同一の
空燃比で燃焼せしめられた場合にあっても、Ｈ２とＣＯ
の発生の仕方が異なることとなる。

そして、酸素センサ素子２の拡散室１６近傍で再び水性
ガス反応が起こり、略センサ拡散室１６の温度条件によ
ってＨ２およびＣＯの発生割合が決まってくるのである
。

このことより、被測定ガス中の不足酸素量（理論値）を
表わす指標を、下式（３）： ％式％） とすれば、前記（１）式から誘導される酸素ポンプ電流
：Ｉｐからの不足酸素濃度（０□　′）の下記計算式（
４）： ％式％ において、ＫＩｐ’　を一定とした時、それら（３）式
と（４）式との間の不足酸素濃度の誤差は、下記（５）
式にて表わされることとなる。

そして、かかる（５）式に基づいて、ガス組成シュミレ
ーションにより誤差計算を行なうと、その直線性誤差：
εとセンサ温度の特性、換言すれば直線性誤差−濃度一
温度特性は、第３図の如く示されるのである。なお、測
定レンジ幅としては、そこでは、０〜−１３％０２とし
て、ＦＳ（フルスケール）換算誤差として示されている
。また、その直線性最大ふくらみ誤差とセンサ温度との
関係が、第４図に示されている。

これら第３図及び第４図の結果から明らかなように、レ
ンジ幅の取り方にもよるが、精度±２．０％ＦＳ以下に
するには、センサ温度、より具体的には酸素センサセル
及び酸素ポンプセルの温度を７００℃〜９６０℃の範囲
内の温度とすることが必要であり、そのような範囲内の
温度に酸素センサ素子２の稼動温度を保持することによ
って、その直線性誤差を少なくし、以て予め求められた
校正値乃至は検量線に基づいて、ポンプ電流値：Ｉｐ乃
至はその制御信号から、目的とする被測定ガス中の不足
酸素濃度を誤差少なく求めることが出来るのである。

従って、本発明にあっては、先ず、予め第５図に示され
るように、それぞれ校正ガスを用いて酸化領域における
校正値乃至は検ｉｔ線ａ及び還元領域における校正値乃
至は検量線すが求められることとなる。この酸化領域に
おける校正値乃至は検量線ａは、酸素濃度既知の校正ガ
スを用いて、酸素ポンプ電流：Ｉｐ乃至はその制御信号
と対比させることにより容易に得られ、また還元領域に
おける校正値乃至は検量線すについては、Ｈ２濃度及び
ＣＯ濃度既知の校正ガスを用いて、−〇□＝（ＣＯ＋Ｈ
ｚ　）／２の関係式に基づいて、求められた酸素ポンプ
電流：Ｉｐ乃至はその制御信号と対比させることによっ
て求められ、それが、第１図における出力変換器４８に
セットされることにより、ＰＩ制御器４４の電圧レベル
（そこではＩｐの制御信号）から所望のレンジにおいて
、例えばＯ〜ＩＶや４ｍＡ〜２０ｍＡ等の出力記号にお
いて、統一されたレンジで±０２値信号を出力すること
が出来るのである。

換言すれば、第５図に示されるように、出力変換を行な
うことによって、被測定ガス中の酸素濃度、不足酸素濃
度を同一出力、同一レンジに統一して、且つその誤差を
少なくして、求めることが可能となったのである。そし
て、これにより、酸化領域における酸素過剰濃度と還元
領域における酸素不足濃度とが一つに信号にて出力され
ることとなるところから、酸化、還元側領域に跨がって
操炉する酸化、還元側領域の工業炉の雰囲気制御の制御
システムの構築に、多いに役立て得ることとなったので
ある。

なお、本発明は、上記例示の具体例に限定されて解釈さ
れるものでは決してなく、本発明の趣旨を逸脱しない限
りにおいて、当業者の知識に基づいて種々なる変形、修
正、改良等を加えた形態において実施され得るものであ
って、本発明がそのような実施形態のものをも含むもの
であることは、言うまでもないところである。

例えば、酸素センサ素子２に関して、第６図に示される
ように、センサ素子２の側端面に露呈するポーラスセラ
ミック層５０を通じて、外部の被測定ガスが所定の拡散
抵抗の下に導かれ、そして内側ポンプ電極６や測定電極
１２に接触せしめられるようになっている一方、測温素
子層３８が酸素ポンプセルと酸素センサセルとの間の拡
散室１６内に設けられた構造とした酸素センサ素子を用
いることも可能である。なお、ここでは、測温素子層３
８は、前例とは異なり、外部の被測定ガスに晒されるよ
うになるところから、測温素子としての抵抗体３８ａが
埋設された多孔質層３８ｂの周囲を取り巻いて、それを
気密と為す気密層３８Ｃが設けられている。

また、本発明に従って被測定ガス中の酸素分析を行なう
先立って、被測定ガスを予め加熱し、特にセンサ素子の
温度と略同−の温度に加熱せしめて水性ガス反応を固定
して、その後本発明に従うセンサ素子にて酸素分析を行
なう手段を採用することも可能である。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明に従う酸素分析
方式によれば、簡単な信号処理で、酸化領域と還元領域
を連続して一つの信号にて信号変換することが容易とな
るのであり、しかもそのような信号から少ない誤差を以
て±０□値を表示することかできることとなったのであ
り、これによって酸化、還元側領域において、雰囲気制
御する工業炉に有利に利用することが出来、そこに大き
な工業的価値を見い出すことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う酸素分析装置の一例を示すブロッ
ク図であり、第２図はそのような装置に用いられる酸素
センサ素子の一例を示す先端検出部の横断面略図であり
、第３図は直線性誤差とセンサ温度との関係を示すグラ
フであり、第４図は第３図における直線性最大膨らみ誤
差とセンサ温度との関係を示すグラフであり、第５図は
酸素ポンプ電流：Ｉｐの出力変換形態を示すグラフであ
り、第６図は本発明に用いられる酸素センサ素子の他の
一例を示す、第２図に対応する断面説明図である。 ２：酸素センサ素子　　　４：固体電解質体６：内側ポ
ンプ電極　　　８：外側ポンプ電極１０：固体電解質体
　　１２：測定電極１４：基準電極　　　　１６：拡散
室 ２０：ガス導入孔　　　２６：空気通路２８．３０：ヒ
ータ層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定ガスに晒される測定電極と所定の基準ガス
   に晒される基準電極とを有し、酸素濃淡電池の原理に基
   づいて起電力を出力する電気化学的酸素センサセルと、
   該酸素センサセルの測定電極の周りの雰囲気を酸素ポン
   プ作用によって制御する電気化学的酸素ポンプセルと、
   それら二つのセルを加熱するヒータとを一体的に有する
   酸素センサ素子を用い、かかるヒータによる加熱を制御
   して、該酸素センサセル及び該酸素ポンプセルを７００
   〜９６０℃の温度に保持する一方、該酸素センサセルの
   発生起電力が一定の値となるように該酸素センサセルの
   測定電極の周りの雰囲気を変化せしめるべく前記酸素ポ
   ンプセルを作動させるポンプ電流を制御せしめ、そして
   その制御されたポンプ電流若しくはかかるポンプ電流の
   制御信号を出力変換して、前記被測定ガスが酸化領域に
   あるときには酸素濃度信号として、また前記被測定ガス
   が還元領域にあるときには不足酸素濃度信号として、同
   一測定レンジにおける一つの信号として出力するように
   したことを特徴とする酸素分析方法。
2. （２）前記ヒータによる加熱制御が、前記酸素センサ素
   子内に一体的に組み込まれた測温素子によるセル温度の
   検出に基づいて、行なわれる特許請求の範囲第１項記載
   の酸素分析方法。
3. （３）前記酸素ポンプセルのポンプ作動が、前記酸素セ
   ンサセルの発生起電力が中性領域の被測定ガスに対する
   発生起電力に相当するように、制御せしめられる特許請
   求の範囲第１項または第２項記載の酸素分析方法。
4. （４）被測定ガスに晒される測定電極と所定の基準ガス
   に晒される基準電極とを有し、酸素濃淡電池の原理に基
   づいて起電力を出力する電気化学的酸素センサセルと、
   該酸素センサセルの測定電極の周りの雰囲気を酸素ポン
   プ作用によって制御する電気化学的酸素ポンプセルと、
   該酸素センサセルの測定電極の周りに被測定ガスを所定
   の拡散抵抗の下に導く拡散抵抗手段と、それら二つのセ
   ルを加熱するヒータとを一体的に有する酸素センサ素子
   と、 該酸素センサ素子のヒータによる加熱を制御して、前記
   酸素センサセル及び酸素ポンプセルを所定の温度に保持
   する温度制御手段と、 前記酸素センサセルの発生起電力が一定の値となるよう
   に該酸素センサセルの測定電極の周りの雰囲気を変化せ
   しめるべく前記酸素ポンプセルを作動させるポンプ電流
   を制御する電流制御手段と、 該電流制御手段にて制御されたポンプ電流若しくはかか
   るポンプ電流の制御信号を出力変換して、前記被測定ガ
   スが酸化領域にあるときには酸素濃度信号として、また
   前記被測定ガスが還元領域にあるときには不足酸素濃度
   信号として、同一測定レンジにおける一つの信号として
   出力するようにした出力信号変換手段とを、含むことを
   特徴とする酸素分析装置。
5. （５）前記温度制御手段が前記酸素センサ素子内に一体
   的に組み込まれた測温素子を有し、該測温素子によるセ
   ル温度の検出に従って前記ヒータによる加熱を制御して
   、前記二つのセルを所定の温度に保持するようにしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の酸素分析装
   置。