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
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Description
【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】
2H2O→2H2+O2 (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)
- 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。
- 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。
- 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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