JPH02128155A - 酸素センサ - 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］ この発明は、安定化ジルコニアの濃淡電池作用と酸素ボ
ンピング作用とを利用することにより、長時間にわたっ
て感度の低下がなく、安定した測定が可能な酸素センサ
に関する。

［従来技術およびその課題］ 従来、酸素濃度が既知の基準ガスと試料ガスとの間にジ
ルコニア固体電解質を置き、その両側での酸素濃度の濃
淡による固体電解質の起電力を測定して、酸素濃度測定
を行う濃淡電池作用を利用した酸素センサが知られてい
る。ところが、この濃淡電池作用を利用した酸素センサ
では、測定時に基準ガスが不可欠であり、特に試料ガス
の酸素濃度が大気中の酸素濃度に近い場合には測定精度
が低いという問題があった。

このような問題を解決し、基準ガスを不要とした酸素セ
ンサとして、ジルコニア固体電解質の酸素ボンピング作
用を利用した酸素センサが知られている。この種の酸素
センサは、固体電解質中を移動する酸素イオンに伴う電
流変化から気体中の酸素濃度を測定するものであって、
測定時に基準ガスが不要となり、試料ガスの酸素濃度が
大気中の酸素濃度に近い場合であっても測定誤差が小さ
いものである。

第４図はこの酸素ボンピング作用を利用１．た酸素セン
サの一例を示すものである。第４図中、符号Ｅはセンサ
エレメントであり、このセンサエレメントＥは、２枚の
白金電極２．３間に挾着された固体電解質ｌと、この固
体電解質ｌの片面を覆うキャップ４とからなる。このキ
ャップ４には孔５が形成されており、この孔５によりキ
ャップ４内への酸素の流入が制限されるようになってい
る。

そして白金電極２．３には、直流電源ＤＣによって電圧
が印加され、この電圧は電圧計■によって検出されるよ
うになっている。また電圧の印加によって上記固体電解
質ｌを流れる電流が電流計Ａに検出され、この電流計Ａ
の出力が酸素濃度データとして出力されるようになって
いる。そして上記酸素センサにあっては、印加される電
圧にかかわらず固体電解質１を流れる電流が一定になる
場合のＮ流値（限界電流値）の値により、酸素濃度を４
１１定できるようになっている。

ところがこのような酸素センサを製造するにあたっては
、キャップ４の孔５に形成方法等の高度な技術が必要で
あった。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであ
って、長時間の使用に際しても感度の低下がなく、信頼
性の高い測定値が得られるような酸素センサを提供する
ことを目的としている。

［課題を解決するための手段］ この発明の酸素センサは、２枚の白金電極間に挾着され
た固体電解質の片面上に、気密の基準空間を形成するよ
うにキャップを設けてなるセンサエレメントと、このセ
ンサエレメントに電圧を印加し、上記基準空間中の酸素
を外部へ放出させる直流電源とを接続してなる基準回路
と、上記センサエレメントと、上記基準空間中の酸素濃
度と測定雰囲気の酸素濃度との差によって発生する起電
圧を測定する電圧計とを接続してなる測定回路とを有し
、上記基準回路と測定回路とを切り替えるスイッチング
素子を設けたことを解決手段とした。

［作用　］ 基準回路と測定回路とを設け、基準回路では固体電解質
の酸素ボンピング作用によって基準空間中の酸素を外部
に放出し、測定回路では固体電解質の酸素濃淡電池作用
によって測定回路中に発生する起電圧を測定するように
したので、長時間に亙る測定で固体電解質表面の白金電
極が劣化して、その有効面積が減少しても、白金電極の
面積に依存しない起電圧の大きさによって酸素濃度を正
確に測定することができる。

［実施例〕 以下、この発明の詳細な説明する。

第１図および第２図はいずれもこの発明の酸素センサの
一実施例を示したものである。第１図および第２図に示
した酸素センサが第４図に示した従来のものと異なると
ころは、キャップ４に孔５を設けずに固体電解質ｌとキ
ャップ４とで密閉された基準空間６を設けるとともに、
測定回路中にスイッチング素子Ｓを設け、基準回路Ａと
測定回路Ｂとに切り替え可能なようにしたところであり
、第１図はこの発明の酸素センサの基準回路Ａを示し、
第２図はこの発明の酸素センサの測定回路Ｂを示してい
る。第１図に示した基準回路Ａは、センサエレメントＥ
と、このセンサエレメントＥに電圧を印加する直流電源
ＤＣと、回路中の電流量を測定する電流計Ａと、この基
準回路Ａを測定回路Ｂに切り替えるスイッチング素子Ｓ
とからなる。

第２図に示した測定回路Ｂは、上記基準回路Ａのスイッ
チング素子Ｓを切り替えたものであって、センサエレメ
ントＥと、固体電解質１の濃淡電池作用により発生する
起電圧を測定する電圧計■と、回路中の電流量を測定す
る電流計Ａと、スイッチング索子Ｓとからなるものであ
る。

このような酸素センサにあっては、基準回路Ａと測定回
路Ｂとはスイッチング素子Ｓによって容易に切り替え可
能であり、酸素濃度を測定する際には、第１図に示した
基準回路Ａを一定時間駆動させ、スイッチング索子Ｓを
切り替えて測定回路Ｂを駆動させる。酸素濃度を測定す
る際には、まず初めに第１図に示した基準回路Ａとし、
直流電源ＤＣによって固体電解質１に電圧を印加し、キ
ャツブ４と固体電解質Ｉとの間に形成された基準空間６
内の酸素を固体電解質１の酸素ボンピング作用により外
部空間へ放出する。固体電解質ｌへの電圧印加時間は、
基準空間６内の酸素濃度が０％となるまでであって、基
準回路Ａ内に設けられた電流計Ａが一定値を示すように
なるまでである。

こののちスイッチング素子Ｓを切り替えて駆動回路を基
準回路Ａから測定回路Ｂにして、固体電解質１への印加
を終了させる。次に測定回路Ｂでは、基準空間６内の酸
素濃度が０％となっているので、試料ガスとの間に酸素
濃度差が生じ、これにより固体電解質ｌが濃淡電池作用
を起こし、起電圧を生じる。この起電圧を測定回路Ｂ中
に設けられた電圧計Ｖによって測定する。電圧計Ｖによ
って測定された起電圧の大きさは、固体電解質ｌの濃淡
電池作用の大きさに比例し、固体電解質ｌの濃淡電池作
用は基準空間６内と外部空間の酸素濃度差に比例するの
で、予め基準空間６内の酸素濃度は０％としであるので
、外部空間の酸素濃度を測定することができる。

第３図にこの発明の酸素センサの基準回路Ａと測定回路
Ｂの各回路での印加電圧の変化と、基準空間６内の酸素
濃度の変化と、電流量の変化と、濃淡電池作用による起
電圧の変化とを共に示した。

基準回路Ａでは、直流電圧ＤＣによって固体電解質１に
電圧が印加されると、固体電解質１の酸素ボンピング作
用により基準空間６内の酸素が酸素イオンとして固体電
解質！内を移動し、外部空間へ放出され基準空間６内の
酸素濃度が徐々に減少する。固体電解質ｌの酸素ボンピ
ング作用は基準空間６中の酸素濃度に依存し、固体電解
質１中を移動する酸素イオン濃度によって電流量が変化
するので、基準空間６内の酸素濃度が減少すると共に電
流量は減少する。そして基準空間６内の酸素濃度が０％
となると、固体電解質１中を移動する酸素イオンがなく
なるので、印加電圧に対応した一定値を示すようになる
。よって逆に電流量が一定値を示すことにより基準空間
６内の酸素濃度が一定となったこと、即ち０％となった
ことが確認できる。このように電流量が一定となったの
ちに、スイッチング素子Ｓを切り替え、測定回路Ｂを駆
動させろ。測定回路Ｂでは基準空間６内の酸素濃度が先
の基準回路Ａの駆動により０％にされているので、外部
空間となる試料ガスとの間に酸素濃度差が生じる。一固
体電解質Ｉはこの酸素濃度差によって濃淡電池作用を起
こして起電圧を生じる。

この起電圧の大きさは測定回路Ｂ中に設けられた電圧計
Ｖによって測定され、上記基準回路Ａにおける起電圧と
の差を検出することにより、基準空間６と外部空間との
酸素濃度差である試料ガス中の酸素濃度の測定を行うこ
とができる。

このようにこの発明の酸素センサでは、基準回路Ａと測
定回路Ｂとを設けたことにより、固体電解質１の濃淡電
池作用による起電圧を測定する従来の酸素セ°ンサのよ
うに基準ガスを必要としなくなるので、測定が容易に行
うことができる。さらにこの発明の酸素センサで測定デ
ータとして用いられる濃淡電池作用による起電圧の大き
さは、固体電解質ｌの化学特性に依存しているので、白
金電極２．３の劣化などの外部要因によって変化しにく
い。よって電流値によって酸素濃度の測定を行う従来の
酸素センサに比へて信頼性および耐久性の高いものとな
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明の酸素センサは、２枚の
白金電極間に挾着された固体電解質の片面上に、気密の
基準空間を形成するようにキャップを設けてなるセンサ
エレメントと、このセンサエレメントに電圧を印加し、
上記基準空間中の酸素を外部へ放出させる直流電源とを
接続してなる基準回路と、上記センサエレメントと、上
記基準空間中の酸素濃度と測定雰囲気の酸素濃度との差
によって発生する起電圧を測定する電圧計とを接続して
なる測定回路とを有し、上記基準回路と測定回路とを切
り替えるスイッチング素子を設けたちので、基準回路で
は直流電圧を固体電解質に印加することにより基準空間
中の酸素を外部空間へ放出し、測定回路では基準空間と
外部空間との間に生じた酸素濃度差で固体電解質が濃淡
電池作用を起こす際に生じる起電圧を測定するものであ
るので、長時間に亙る測定で白金電極が劣化しても、電
極面積に依存しない起電圧により測定を行うので、信頼
性と耐久性とが向上する。

さらに従来の酸素センサのようにキャップに孔を設ける
必要がなくなったので、製造が容易であり、安価で酸素
センサを提供することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はいずれもこの発明の酸素センサの
一実施例を示したしので、第１図はこの発明の酸素セン
サの基帛回路を示した概略構成図、第２図はこの発明の
酸素センサの測定回路を示した概略構成図、第３図は第
１図および第２図に示したこの発明の酸素センサの基準
回路と測定回路での印加電圧、基準空間中の酸素濃度、
電流量、起電圧を併せて示したグラフ、第４図は従来の
酸素センサを示した概略構成図である。 １・・固体電解質、 ２．３・・白金電極、 ４・・キャップ、 ６・・・基準空間、 Ｅ・・・センサエレメント、 Ａ・・・基準回路、 Ｂ・・・測定回路、 ＤＣ・・直流電圧、 ■・・・電圧計、 Ｓ・・スイッチング素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ２枚の白金電極間に挾着された固体電解質の片面上に、
   気密の基準空間を形成するようにキャップを設けてなる
   センサエレメントと、このセンサエレメントに電圧を印
   加し、上記基準空間中の酸素を外部へ放出させる直流電
   源とを接続してなる基準回路と、 上記センサエレメントと、上記基準空間中の酸素濃度と
   測定雰囲気の酸素濃度との差によって発生する起電圧を
   測定する電圧計とを接続してなる測定回路とを有し、 上記基準回路と測定回路とを切り替えるスイッチング素
   子を設けたことを特徴とする酸素センサ