JP3570666B2 - ガスセンサ、ガスセンサの測定値補正方法及び圧力センサユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス濃度測定技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
限界電流式センサ素子は気体中の酸素濃度測定の分野で主に使われている。このものは基準酸素分圧を不要としながら、その出力（電流値）が酸素濃度にほぼ比例し、しかも応答性に優れ、高温に耐える等の特長を有し、各種用途への応用開発が活発に行われている。
このような限界電流式センサ素子において、酸素イオンを透過する固体電解質に印加する電圧を調整することにより、気体中の酸素のみならず水蒸気に対しても感度を持たせるようにできることが知られている。
すなわち、燃焼排ガスのような水蒸気が多量に含まれる雰囲気中で限界電流式センサに監視電圧として比較的高い電圧を印加した場合、水蒸気が次化学式（Ｉ）のように分解還元されて精製した酸素ガスにより出力が上昇する。
【０００３】
【化１】
２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２ （Ｉ）
【０００４】
この上昇した出力分が水蒸気濃度に対応するため、印加電極を上記水蒸気の分解が生じない比較的低い電圧及び水蒸気の分解が生じる比較的高い電圧と切り替えて、あるいは、電極を２対設けてそれぞれ高低の電圧を印加して、水蒸気分圧を測定することができる。
【０００５】
本発明に用いる限界電流式センサ素子の一例について図１を用いて説明する。このものは多孔質基板を気体の拡散律速のために用いるものである。
ジルコニア製の固体電解質を挟んで多孔性（通気性）を有する白金製の陰極と陽極とが設けられていて、さらにこの陽極側を覆うように多孔質アルミナ基板が設けられている。多孔質アルミナ基板の他面には白金ヒータがあって、ジルコニア固体電解質の温度を酸素イオン伝導に適した温度（６００〜７００℃）に保っている。各電極及びヒータにはリード線が付していて、電気的接続が容易にできるようになっている。
【０００６】
このような限界電流センサ素子による測定値は検知対象の雰囲気の圧力変化の影響を受ける。図２に圧力を変化させたときの酸素濃度測定値への影響の調査結果を示す。なお、このとき検知対象の酸素濃度は一定である。
図２中実線は酸素濃度測定値、破線は半導体式圧力計の表示値である。
このように限界電流センサ素子による測定値は圧力の変動による影響が大きいことが判る。
そこで、この圧力計によって検出された圧力値により酸素濃度測定値を補正する検討を行った。結果を図３に示す。なお、補正は後述する式（Ｉ）によって行った。
【０００７】
補正により本来一定値を示すべき酸素濃度測定値が変動していることが図３により理解される。これは、用いた半導体式圧力計と限界電流式ガスセンサ素子との圧力変動に対する応答性や感度の違いによって、補正が適正でないことによると考察された。
なお、上記例においては半導体式圧力計を用いたが、そのほかの圧力計、例えば隔膜式あるいは歪みゲージ式圧力計などを用いても、適正な補正を行うことはできず、半導体式圧力計と同程度の補正しかできなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来の問題点を改善する、すなわち、測定対象の雰囲気の圧力変動による影響が少ない優れたガスセンサの測定値補正方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のガスセンサは上記課題を解決するため、請求項１に記載の通り、ガス濃度を検出する限界電流式センサ素子によるガス濃度測定結果を補正するために、限界電流式センサ素子が測定対象雰囲気と同圧に保たれた密閉ケース内に収納されてなる圧力センサユニットを圧力補正手段として有するガスセンサである。
また、本発明のガスセンサの測定値補正方法は請求項２に記載の通り、ガス濃度を検出する限界電流式センサ素子による酸素ガス濃度測定結果を、限界電流式センサ素子が測定対象雰囲気と同圧に保たれた密閉ケース内に収納されてなる圧力センサユニットを用いて補正することを構成として有する。
また、本発明の圧力センサユニットは限界電流式センサ素子を測定対象雰囲気と同圧に保たれた密閉ケース内に有する構成を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の構成において、ガス濃度を検出する限界電流式センサ素子における気体拡散は、測定対象雰囲気の圧力の変動の影響を受けるが、この影響は限界電流式センサ素子を測定対象雰囲気と同圧に保たれた密閉ケース内に有する圧力センサユニットにおいても同様に発現するため、圧力センサユニットの出力値を用いて、ガス濃度測定結果を補正することにより、正確なガス濃度を知ることが可能となる。
本発明のガスセンサにおいて、圧力補正手段として用いる圧力センサユニットの限界電流式センサ素子を測定対象雰囲気と同圧に保たれた密閉ケース内に保つ必要がある。この構成によって、内部の限界電流式センサ素子周囲雰囲気の圧力は、ガス濃度測定対象雰囲気と同圧に保たれながらも酸素濃度が一定であるため、ガス濃度測定対象雰囲気の酸素濃度変化に影響を受けることなく、優れた圧力補正が可能となる。
【００１１】
ここで、密閉ケース内を測定対象雰囲気と同圧に保つには、密閉ケース自体をガスバリア性のある柔軟なフィルムで作成する、あるいは密閉ケースの一部をガスバリア性のある柔軟なフィルムで構成させることなどにより容易に行うことができる。ただし内部の限界電流式センサ素子はジルコニア製の固体電解質がイオン伝導に適した温度領域に保たれることが必要なことから、ガスバリア性を有するフィルムは比較的耐熱性の高いものである必要がある。このようなものとして、例えば、シリコーン、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などからなるフィルムが挙げられる。
なお、本発明においてケース自体の形状は問わない。すなわち箱状のものであっても袋状のものであっても良い。
また、密閉容器内の雰囲気は、できるだけガス濃度測定対象雰囲気に近いものであることが望ましい。このことによりより正確な補正が可能となる。
【００１２】
上記のような密閉ケース内に設置される限界電流式センサ素子は、ガス濃度を検出する限界電流式センサ素子と同スペックであるとより良好なガス濃度測定値の補正が可能となるため好ましい。
上記のような限界電流式センサ素子を測定対象雰囲気と同圧に保たれた密閉ケース内に有する圧力センサユニットにより、従来の圧力計を用いた補正に比べて極めて良好な補正が可能となる。
【００１３】
ここで本発明の圧力センサユニットについて、例を挙げて説明する。
図４に本発明に係る圧力センサユニットＡのモデル断面図を示した。
図中、符号１を付して示されているのは限界電流式センサ素子であり、その電極及びヒータは白金製リード線２に接続されている。このリード線２はセンサ取り付けピン３によって圧力センサユニットＡ外部と電気的に接合されている。
なおこの圧力センサユニットＡの限界電流式センサ素子１周囲は密閉容器となっており、この密閉容器はセンサハウジング下部４ａ、ＰＴＦＥからなる耐熱性樹脂薄膜５及びシール材６から構成されている。なお、耐熱性樹脂薄膜５はセンサハウジング上部４ｂにより保護されている。センサハウジング上部４ｂには圧力検知孔４ｂ１が設けられている。この圧力検知孔４ｂ１及び耐熱性樹脂薄膜５の働きにより限界電流式センサ素子１周囲の密閉容器内部は、圧力センサユニットＡ周囲の雰囲気圧力と等しくなるようになっていて、この圧力センサユニットＡ周囲に設置されたガス濃度測定用限界電流式センサ素子と共に正確なガス測定を可能にする。
【００１４】
ここで、圧力センサユニットＡの周囲雰囲気の圧力を変化させたときの圧力センサユニットＡの出力の様子を図５に示す。図中破線が圧力の変化、実線がセンサ出力を表す。なお、図５での測定・圧力変化等の諸条件はすべて図２及び図３におけるこれら条件と同じである。
図５によりこの圧力センサユニットＡの出力が雰囲気圧力の変化に応じて変化しているのが判る。
上記圧力センサユニットＡの出力値によるガス濃度測定値の補正は、例えばガス濃度測定用限界電流式センサ素子、圧力センサユニット、ＯＰアンプ、Ａ／Ｄコンバータ、マイクロプロセッサ等を用いて行うことができる。
すなわち、測定対象雰囲気中の測定対象ガス濃度を一定にして、初期の雰囲気に対する出力を０としたとき、その後の変動量が圧力による変動量と考え、圧力センサユニットＡの出力変動値をα、圧力センサユニットＡの初期の雰囲気における出力（標準出力）をβ、さらにガス濃度測定用限界電流式センサ素子の検出出力をγとして、圧力補正出力を式（Ｉ）により求めることができる。
【００１５】
【数１】
γ×（１−α／β） （Ｉ）
【００１６】
式（Ｉ）に従って圧力補正出力を求め、そのときの限界電流式センサ素子の出力の補正を行った結果を図６に示す。なお、図６中破線が圧力の変化を、実線が補正された酸素ガス濃度測定値を表す。
ここで、酸素ガス濃度一定で雰囲気の圧力のみを変化させたときの、従来の半導体式圧力センサを用いて補正した酸素ガス濃度測定結果、及び、本発明に係る圧力センサユニットを圧力補正手段として有するガスセンサによる酸素ガス濃度測定結果を図７に合わせて示した。
【００１７】
図７より本発明に係る圧力センサユニットを圧力補正手段として有するガスセンサによって、誤差の少ない正確な測定が可能であることが判る。
なお、上記例は圧力センサユニットとガス濃度測定用限界電流式センサ素子を別々に用いる例を示したが、これら２つを一体化した構造の例について図８を用い説明する。
図８に限界電流式センサ素子を測定対象雰囲気と同圧に保たれた密閉ケース内に有する圧力センサユニットを圧力補正手段として有する一体化ガスセンサＢのモデル断面図を示す。
符号１を付して示されているのは、限界電流式センサ素子であり、その電極及びヒータは白金製リード線２に接続されている。このリード線２はセンサ取り付けピン３によって一体化ガスセンサＢ外部と電気的に接合されている。
なお、この一体化ガスセンサＢの限界電流式センサ素子１周囲は密閉容器となっており、この密閉容器はセンサハウジング下部４ａ、ＰＴＦＥからなる耐熱性樹脂薄膜５及びシール材６から構成されている。なお、図中耐熱性樹脂薄膜５より下の部分は図４の圧力センサユニットと同構造である。
【００１８】
耐熱性樹脂薄膜５はセンサハウジング上部４ｂ’により保護されている。センサハウジング上部４ｂ’は多孔質板７ａがシール材６’を介して固定されている。この多孔質板７ａ及び耐熱性樹脂薄膜５の働きにより限界電流式センサ素子１周囲の密閉容器内部は、一体化ガスセンサＮＢ周囲の雰囲気圧力と等しくなるようになっている。
一方多孔質板７ａにはガス濃度測定用限界電流式センサ素子７が設けられており
このセンサ素子７のヒーター及び電極に接続されたリード線８により、一体化ガスセンサＢ周囲の雰囲気のガス濃度を測定できるようになっている。
このような構造を有する一体化ガスセンサＢは、極めてコンパクトで、設置場所をえらばない。また、ガス濃度測定用限界電流式センサ素子の位置と圧力センサユニットの位置とが極めて近いため、より正確な測定値の補正が可能となる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明のガスセンサは、圧力の影響をほぼ完全に排除することができるため、圧力変動の大きな雰囲気においても正確な測定が可能な優れたガスセンサである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる限界電流式センサ素子の一例を示す図である。
【図２】従来技術の限界電流センサ素子による測定値が検知対象の雰囲気の圧力変化の影響を受けることを示す図である。
【図３】従来技術による圧力補正を測定値に対して行った結果を示す図である。
【図４】本発明に係る圧力センサユニットＡのモデル断面図である。
【図５】圧力センサユニットＡの周囲雰囲気の圧力を変化させたときの圧力センサユニットＡの出力の様子を示す図である。
【図６】圧力センサユニットＡの出力値を用い、式（Ｉ）に従って圧力補正を行った結果を示す図である。
【図７】従来技術による圧力補正を行った場合と、本発明に係る圧力補正を行った場合とを比較して示す図である。
【図８】限界電流式センサ素子を測定対象雰囲気と同圧に保たれた密閉ケース内に有する圧力センサユニットを圧力補正手段として有する一体化ガスセンサＢのモデル断面図である。
【符号の説明】
Ａ 本発明に係る圧力センサユニット
Ｂ 本発明に係る一体化ガスセンサ
１ 限界電流式センサ素子
２ リード線
３ センサ取り付けピン
４ａ センサハウジング下部
４ｂ センサハウジング上部
４ｂ１ 圧力検知孔
５ 耐熱性樹脂薄膜
６，６’ シール材
７ ガス濃度測定用限界電流式センサ素子
７ａ 多孔質板
８ リード線

Claims (3)

1. ガス濃度を検出する限界電流式センサ素子によるガス濃度測定結果を補正するために、限界電流式センサ素子が測定対象雰囲気と同圧に保たれた密閉ケース内に収納されてなる圧力センサユニットを圧力補正手段として有することを特徴とするガスセンサ。
2. ガス濃度を検出する限界電流式センサ素子による酸素ガス濃度測定結果を、限界電流式センサ素子が測定対象雰囲気と同圧に保たれた密閉ケース内に収納されてなる圧力センサユニットを用いて補正することを特徴とするガスセンサの測定値補正方法。
3. 限界電流式センサ素子を測定対象雰囲気と同圧に保たれた密閉ケース内に有することを特徴とする圧力センサユニット。

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