JP6511282B2 - 酸素濃度測定装置及び酸素濃度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸素濃度測定装置及び酸素濃度測定方法に関する。

各種ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度測定装置は、酸素イオン伝導性の固体電解質層と基準ガスに晒される基準電極と測定ガスに晒される測定電極とからなる濃淡電池セルを設け、固体電解質層を挟む基準ガスと測定ガスとの酸素濃度による酸素分圧に応じた起電力を得るようにした酸素センサを用いている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１６０２７６号公報

ところで、ジルコニアを用いた酸素センサでは、測定ガス中で一酸化炭素、メタン、プロパン等の可燃性ガスが含まれる場合、可燃性ガスと酸素ガスとの燃焼反応により、酸素ガスが消費されるため、正確な酸素濃度の測定ができなかった。そこで、可燃性ガスが含まれる測定ガスの正確な酸素濃度を測定することのできる酸素濃度測定装置及び酸素濃度測定方法が求められている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、可燃性ガスが含まれる測定ガスの正確な酸素濃度を測定することのできる酸素濃度測定装置及び酸素濃度測定方法を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
上記課題を解決する酸素濃度測定装置は、酸素イオン伝導性の固体電解質層に一対の電極を設けて、その一方の電極は保護層を介した測定ガスに接触する測定電極であって、他方の電極は基準ガスが接触する基準電極であって、前記測定電極と前記基準電極との酸素分圧に応じて発生する両電極間の起電力を検出する酸素センサを用い、前記測定ガスに含まれる可燃性ガスの濃度に応じて前記測定電極と前記基準電極との間にポンピング電流を流すことで前記測定ガスに含まれる前記可燃性ガスを消費し、前記電極間に発生する起電力を前記ポンピング電流に応じて補正して酸素濃度を測定することをその要旨としている。

上記課題を解決する酸素濃度測定方法について、酸素イオン伝導性の固体電解質層に設けられた一対の測定電極と基準電極との酸素分圧に応じて発生する両電極間の起電力を検出する酸素センサを用い、測定ガスに含まれる可燃性ガスの濃度に応じて前記基準電極と前記測定電極との間にポンピング電流を流すことで前記測定ガスに含まれる前記可燃性ガスを消費し、前記電極間に発生する起電力を前記ポンピング電流に応じて補正して酸素濃度を測定することを要旨としている。

上記構成もしくは方法によれば、測定電極と基準電極との間にポンピング電流を流すことで基準ガスから測定ガスに酸素ガスを供給して測定ガスに含まれる可燃性ガスを消費することができ、測定ガスに含まれる可燃性ガスによる酸素濃度の測定への影響をなくすことができる。そして、ポンピング電流によって基準ガスに含まれる酸素ガスが減少するので、電極間に発生する起電力をポンピング電流に応じて補正することで、補正検出された起電力から酸素濃度を算出することができるので、正確な酸素濃度を測定することができる。

上記酸素濃度測定装置について、前記測定ガスに供給する酸素ガスの量は、前記測定ガスに含まれる前記可燃性ガスを消費するために必要な量よりも多く供給することが好ましい。

上記構成によれば、測定ガスに供給する酸素ガスの量を、測定ガスに含まれる可燃性ガスを消費するために必要な量よりも多く供給する。このため、測定ガスに含まれる可燃性ガスを確実に消費することができる。

上記酸素濃度測定装置について、前記ポンピング電流は、前記測定ガスに含まれる前記可燃性ガスの濃度に基づいて設定されることが好ましい。
上記構成によれば、測定ガスに含まれる可燃性ガスの濃度に基づいてポンピング電流が設定される。このため、測定ガスに含まれる可燃性ガスが予め分かる場合には、測定ガスに含まれる可燃性ガスを消費するために必要な酸素ガスを的確に供給することができる。

本発明によれば、可燃性ガスが含まれる測定ガスの正確な酸素濃度を測定することができる。

酸素センサの基本構成を示す図。 酸素センサの基本構成を示す図１の２−２断面図。 酸素濃度と起電力との関係を示す図。 酸素濃度測定装置の測定方法を示すフローチャート。

以下、図１〜図４を参照して、酸素濃度測定装置の一実施形態について説明する。本実施形態の酸素濃度測定装置は、一酸化炭素、メタン、プロパン等の可燃性ガスが含まれる測定ガスに用いられる。

図１及び図２に示されるように、酸素センサ１０は、ジルコニア等の酸素イオン伝導性のセラミックにて形成された固体電解質層１１に濃淡電池セル１２とヒータ１６とを備えた１セル方式で構成されている。

固体電解質層１１は、縦断面コ字状に形成されている（図１参照）。このコ字状の内側には、基準ガスとして大気が導かれる。固体電解質層１１の外面には、保護層１３が設けられている。測定ガスは、保護層１３を通じて測定電極１４に接する。固体電解質層１１の上部１１ａが濃淡電池セル１２として機能する。

固体電解質層１１の上部１１ａには、測定ガスに露呈する白金等からなる測定電極１４と、基準ガスに露呈する白金等からなる基準電極１５とが対向して設置されている。濃淡電池セル１２は、固体電解質層１１の上部１１ａと、測定電極１４と、基準電極１５とによって構成されている。

固体電解質層１１の下部１１ｂの内部には、固体電解質層１１を加熱するヒータ１６が設けられている。ヒータ１６と固体電解質層１１との間には、アルミナ等の絶縁材１７が充填されている。ヒータ１６には、ヒータ回路２２が接続されている。

測定電極１４と基準電極１５とは、リード線を介して制御装置２１に接続されている。制御装置２１は、測定ガスと基準ガスとの酸素濃度の違いによる酸素分圧によって測定電極１４と基準電極１５との間に発生する起電力を検出して、検出値を補正して酸素濃度を測定する。制御装置２１は、測定した酸素濃度を表示しない表示装置や外部装置に出力する。

また、制御装置２１は、測定電極１４と基準電極１５との間に電圧を印加して、濃淡電池セル１２にポンピング電流Ｉｃｐを流すことによって基準ガスから測定ガスに酸素ガスを供給する。基準ガスから測定ガスに供給された酸素ガスは、測定ガスに含まれる可燃性ガスによって消費される。よって、測定ガスに含まれる可燃性ガスは消滅する。制御装置２１は、ヒータ回路２２に電源を供給する。

濃淡電池セル１２の測定電極１４と基準電極１５との間には、測定電極１４が＋極で基準電極１５が−極となるように電圧が印加され、測定電極１４から基準電極１５へ向かう方向に通電される。この印加電圧によって、濃淡電池セル１２のポンピング作用により、基準ガスから固体電解質層１１の上部１１ａを介して保護層１３内へ酸素ガスが供給される。測定電極１４と基準電極１５との間の印加電圧を増加させると、ポンピング電流Ｉｃｐが増加し、保護層１３内に供給される酸素ガスの量が増加する。制御装置２１は、測定ガスに含まれる可燃性ガスの濃度に応じてポンピング電流Ｉｃｐを増減する。

制御装置２１は、メモリ２１ａを備えている。メモリ２１ａには、測定ガスに含まれる可燃性ガスの割合に応じて可燃性ガスを消費するために必要なポンピング電流の値や、測定ガスに含まれる可燃性ガスの割合に応じて両電極間の起電力から酸素濃度を算出するマップ等が記憶されている。メモリ２１ａには、測定ガスに一定量の可燃性ガスが含まれている場合には、入力装置を介して入力された測定ガスに含まれる可燃性ガスの割合が記憶される。

次に、図３を参照して、測定ガスに含まれる酸素ガスの濃度（酸素濃度）と、測定ガスと基準ガスとの酸素分圧によって測定電極１４と基準電極１５との間に発生する起電力との関係を説明する。

図３に示されるように、基準ガスに含まれる酸素ガスは一定なので、測定ガスに含まれる酸素ガスの濃度が減少すると、酸素分圧が大きくなって起電力が上昇する。図３に太線にて示されるように、測定ガスに可燃性ガスとしてのメタンが含まれていない場合には、酸素濃度の減少に伴い起電力が増加する。図３に破線にて示されるように、例えば測定ガスに可燃性ガスとしてのメタンが一定量含まれている場合には、酸素濃度の減少に伴い起電力が上昇して、酸素濃度の１０ｐｐｍ前後を境に急激に起電力が上昇する。そして、１０ｐｐｍ以下の領域では起電力は上昇し続け、ほぼ一定となる。図３に細線にて示されるように、測定ガスに可燃性ガスとしてのメタンが含まれていて、このメタンを消滅させるようにメモリ２１ａのマップを選択して、ポンピング電流を流した場合には、酸素濃度の減少に伴い起電力が上昇する。なお、この起電力は、測定ガスに含まれる可燃性ガスを消費するために必要な酸素ガスの量よりも若干多く供給されるため、測定ガスにメタンが含まれていない場合よりも同じ酸素濃度において小さい値を示し、起電力と酸素濃度とが一対一対応となる。

したがって、測定ガスに可燃性ガスが含まれている場合にポンピング電流を流すことで、測定ガスに可燃性ガスが含まれている場合の起電力の検出値を、測定ガスに可燃性ガスが含まれていない場合の起電力の検出値に近づけることができる。そして、ポンピング電流を流すことで可燃性ガスを消滅させた測定ガスの起電力と酸素濃度との関係に基づいて正確な酸素濃度を測定することができる。

次に、図４を参照して、前述のように構成された酸素濃度測定装置による酸素濃度測定方法について説明する。酸素濃度測定装置は、可燃性ガスが含まれている測定ガスと、可燃性ガスが含まれていない測定ガスとのいずれの測定ガスの酸素濃度も測定することができる。

まず、制御装置２１は、測定ガスに可燃性ガスが含まれているか否かを判断する（ステップＳ１）。すなわち、制御装置２１は、測定ガスに含まれた可燃性ガスの濃度がメモリ２１ａに記憶されていない場合には、測定ガスに可燃性ガスが含まれていないと判断する（ステップＳ１：ＮＯ）。そして、制御装置２１は、可燃性ガスについて考慮する必要がないので、ポンピング電流を流すことなく、起電力を検出する（ステップＳ１４）。すなわち、制御装置２１は、測定電極１４と基準電極１５との間の酸素分圧によって発生する起電力を検出する。

次に、制御装置２１は、検出した起電力から酸素濃度を算出する（ステップＳ１６）。すなわち、制御装置２１は、測定ガスに可燃性ガスが含まれていない場合の起電力と酸素濃度との関係（図３に太線参照）から得られるマップに基づいて、検出した起電力に対応する酸素濃度を算出する。

一方、制御装置２１は、測定ガスに含まれた可燃性ガスの濃度がメモリ２１ａに記憶されている場合には、測定ガスに可燃性ガスが含まれていると判断する（ステップＳ１：ＹＥＳ）。そして、制御装置２１は、測定ガスに含まれている可燃性ガスの濃度を取得する（ステップＳ２）。すなわち、制御装置２１は、メモリ２１ａに記憶された可燃性ガスの濃度を取得する。

次に、制御装置２１は、取得した可燃性ガスの濃度に基づいて基準ガスから測定ガスに供給する酸素ガスの量として、ポンピング電流を設定する（ステップＳ３）。すなわち、ポンピング電流の大きさによって基準ガスから測定ガスに供給する酸素ガスの量が決定するので、制御装置２１は、測定ガスに含まれる可燃性ガスを消費するために十分必要な量を供給する。ここで、ポンピング電流は、測定ガスに含まれる可燃性ガスを消費するために必要な酸素ガスの量よりも多く供給する電流である。

次に、制御装置２１は、測定電極１４と基準電極１５との間に電圧を印加してポンピング電流を流す（ステップＳ４）。すなわち、制御装置２１は、ポンピング電流によって基準ガスから測定ガスに酸素ガスを供給し、測定ガスに含まれる可燃性ガスが酸素ガスによって消費される。このとき、基準ガスから測定ガスに供給する酸素ガスの量は、測定ガスに含まれる可燃性ガスを消費するために必要な量よりも多く設定されている。このため、測定ガスに含まれる可燃性ガスは確実に消費される。

次に、制御装置２１は、測定電極１４と基準電極１５との間に発生する起電力を検出する（ステップＳ５）。検出した起電力は、測定ガスに酸素ガスが供給された状態における検出値である。このため、測定ガスに供給された酸素ガスによる影響を考慮する必要がある。そこで、制御装置２１は、検出した起電力から酸素濃度を算出することができるように補正する（ステップＳ６）。すなわち、制御装置２１は、基準ガスから測定ガスに酸素ガスが供給されない場合における起電力と酸素濃度との関係（図３に太線参照）から得られるマップではなく、基準ガスから測定ガスに酸素ガスが供給された場合における起電力と酸素濃度との関係（図３に細線参照）から得られるマップを選択する。制御装置２１は、補正された起電力から酸素濃度を算出する（ステップＳ７）。すなわち、測定ガスに可燃性ガスが含まれていて、ポンピング電流によって酸素ガスを供給した場合の起電力は、測定ガスに可燃性ガスが含まれていない場合の起電力よりも小さい値となる。このため、制御装置２１は、マップを変更して選択したマップに基づいて補正した起電力から酸素濃度を算出する。制御装置２１は、測定した酸素濃度を図示しない表示装置や外部装置に出力する。

さて、本実施形態の酸素濃度測定装置は、測定ガスに含まれている可燃性ガスにポンピング電流によって基準ガスから測定ガスに酸素ガスを供給することで、可燃性ガスによる影響をなくし、ポンピング電流による酸素ガスの供給を加味したマップに基づいて起電力から酸素濃度を算出する。よって、可燃性ガスが含まれている測定ガスの酸素濃度を正確に測定することができる。

以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）測定電極１４と基準電極１５との間にポンピング電流Ｉｃｐを流すことで基準ガスから測定ガスに酸素ガスを供給して測定ガスに含まれる可燃性ガスを消費することができ、測定ガスに含まれる可燃性ガスによる酸素濃度の測定への影響をなくすことができる。また、ポンピング電流Ｉｃｐによって基準ガスに含まれる酸素ガスが減少するので、測定電極１４と基準電極１５との間に発生する起電力をポンピング電流Ｉｃｐに応じて補正することで、補正検出された起電力から酸素濃度を算出することができるので、正確な酸素濃度を測定することができる。

（２）測定ガスに供給する酸素ガスの量を、測定ガスに含まれる可燃性ガスを消費するために必要な量よりも多く供給する。このため、測定ガスに含まれる可燃性ガスを確実に消費することができる。

（３）測定ガスに含まれる可燃性ガスの濃度に基づいてポンピング電流Ｉｃｐが設定される。このため、測定ガスに含まれる可燃性ガスが予め分かる場合には、測定ガスに含まれる可燃性ガスを消費するために必要な酸素ガスを的確に供給することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記実施形態では、酸素濃度測定方法において、制御装置２１は、測定電極１４と基準電極１５との間に電圧を印加してポンピング電流を流し（ステップＳ４）、その後に、測定電極１４と基準電極１５との間に発生する起電力を検出した（ステップＳ５）。しかしながら、上記のステップＳ４の電圧印加とステップＳ５の起電力検出とを並列にして同時に実施することもできる。

・上記実施形態において、測定ガスに含まれる可燃性ガスの濃度と、ポンピング電流Ｉｃｐの大きさとによって決定される起電力と酸素濃度との関係から得られるマップを、組み合わせの数量だけ用意すれば、種々の可燃性ガスが含まれる測定ガスの酸素濃度を測定することができる。

・上記実施形態では、測定ガスに含まれる可燃性ガスの濃度が予め分かっている場合における酸素濃度の測定を記載した。しかしながら、測定ガスに含まれる可燃性ガスの濃度が予め分からない場合には、ポンピング電流Ｉｃｐを徐々に増加させて、検出される起電力が減少から増加に反転したところでポンピング電流Ｉｃｐを止めて、このポンピング電流Ｉｃｐに応じて補正して酸素濃度を測定する。すなわち、ポンピング電流Ｉｃｐから測定ガスに含まれる可燃性ガスの濃度が得られるので、この可燃性ガスの濃度に対応したマップに基づいて起電力から酸素濃度を算出する。

・上記実施形態では、ポンピング電流Ｉｃｐによる基準ガスから測定ガスへの酸素ガスの供給量を、測定ガスに含まれる可燃性ガスを消費するために必要な酸素ガスの量よりも多く供給した。しかしながら、ポンピング電流Ｉｃｐによる基準ガスから測定ガスへの酸素ガスの供給量を、測定ガスに含まれる可燃性ガスを消費するために必要な酸素ガスの量にしてもよい。なお、ポンピング電流Ｉｃｐによって供給される酸素ガスの供給量に合わせて、起電力と酸素濃度との関係から得られるマップを変更する。

・上記実施形態では、測定ガスに可燃性ガスが含まれていると判定した場合には（ステップＳ１：ＹＥＳ）、補正して（ステップＳ６）、酸素濃度を算出した（ステップＳ７）。しかしながら、図３に示されるように、酸素濃度の１０ｐｐｍ前後を境に起電力が急激に上昇する。このため、酸素濃度が２０ｐｐｍ以下となった場合に、可燃性ガスが含まれていない測定ガスの酸素濃度の測定（ステップＳ１５，Ｓ１７）から、可燃性ガスが含まれている測定ガスの酸素濃度の測定（ステップＳ２〜Ｓ７）に設定変更するようにしてもよい。

・また、起電力の急激な上昇に対し、可燃性ガスが含まれていない測定ガスの酸素濃度と、可燃性ガスが含まれている測定ガスの酸素濃度との差が所定値以上となるときに、可燃性ガスが含まれていない測定ガスの酸素濃度の測定（ステップＳ１５，Ｓ１７）から、可燃性ガスが含まれている測定ガスの酸素濃度の測定（ステップＳ２〜Ｓ７）に設定変更するようにしてもよい。

１０…酸素センサ、１１…固体電解質層、１１ａ…上部、１１ｂ…下部、１２…濃淡電池セル、１３…保護層、１４…測定電極、１５…基準電極、１６…ヒータ、１７…絶縁材、２１…制御装置、２１ａ…メモリ、２２…ヒータ回路、Ｉｃｐ…ポンピング電流。

Claims (4)

1. 酸素イオン伝導性の固体電解質層に一対の電極を設けて、その一方の電極は保護層を介した測定ガスに接触する測定電極であって、他方の電極は基準ガスが接触する基準電極であって、前記測定電極と前記基準電極との酸素分圧に応じて発生する両電極間の起電力を検出する酸素センサを用い、
   前記測定ガスに含まれる可燃性ガスの濃度に応じて前記測定電極と前記基準電極との間にポンピング電流を流すことで前記測定ガスに含まれる前記可燃性ガスを消費し、前記電極間に発生する起電力を前記ポンピング電流に応じて補正して酸素濃度を測定する
   ことを特徴とする酸素濃度測定装置。
2. 前記測定ガスに供給する酸素ガスの量は、前記測定ガスに含まれる前記可燃性ガスを消費するために必要な量よりも多く供給する
   請求項１に記載の酸素濃度測定装置。
3. 前記ポンピング電流は、前記測定ガスに含まれる前記可燃性ガスの濃度に基づいて設定される
   請求項１又は２に記載の酸素濃度測定装置。
4. 酸素イオン伝導性の固体電解質層に設けられた一対の測定電極と基準電極との酸素分圧に応じて発生する両電極間の起電力を検出する酸素センサを用い、
   測定ガスに含まれる可燃性ガスの濃度に応じて前記基準電極と前記測定電極との間にポンピング電流を流すことで前記測定ガスに含まれる前記可燃性ガスを消費し、前記電極間に発生する起電力を前記ポンピング電流に応じて補正して酸素濃度を測定する
   ことを特徴とする酸素濃度測定方法。