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JPH0687049B2 - Sensor probe with solid reference material - Google Patents
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JPH0687049B2 - Sensor probe with solid reference material - Google Patents

Sensor probe with solid reference material

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JPH0687049B2
JPH0687049B2 JP2078315A JP7831590A JPH0687049B2 JP H0687049 B2 JPH0687049 B2 JP H0687049B2 JP 2078315 A JP2078315 A JP 2078315A JP 7831590 A JP7831590 A JP 7831590A JP H0687049 B2 JPH0687049 B2 JP H0687049B2
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JP
Japan
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sensor element
sensor
solid
solid reference
probe
Prior art date
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JP2078315A
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Inventor
邦博 小出
保 矢嶋
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Original Assignee
TYK Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、ボイラ、焼結炉及び自動車等から排出される
排ガス中の水素又は水蒸気の濃度を測定するために使用
される固体基準物質を備えたセンサプローブに関し、特
にガルバニ起電力の基準として固体基準物質を使用した
固体基準物質を備えたセンサプローブに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention relates to a solid reference material used for measuring the concentration of hydrogen or water vapor in exhaust gas discharged from a boiler, a sintering furnace, an automobile or the like. More particularly, the present invention relates to a sensor probe provided with a solid reference material that uses a solid reference material as a reference for galvanic electromotive force.

[従来の技術] 高温排ガス中の水素及び水蒸気濃度を測定することは、
ボイラ、燃焼炉及び自動車エンジン等の燃焼効率を正確
に求めるために不可欠である。このため、高温排ガス中
において安定に作動し、信頼性が高い水素及び水蒸気濃
度測定装置の開発が要望されている。
[Prior Art] Measuring the concentration of hydrogen and water vapor in high temperature exhaust gas is
It is indispensable for accurately obtaining the combustion efficiency of boilers, combustion furnaces, automobile engines, etc. Therefore, there is a demand for the development of a highly reliable hydrogen and water vapor concentration measuring device that operates stably in high-temperature exhaust gas.

そこで、従来、酸化ストロンチウム及び酸化セリウム
(SrCeO3)等のペロブスカイト型酸化物からなるプロト
ン導電性を有する固体電解質をセンサ素子として使用す
る水素又は水蒸気センサが提案されている(特開昭58-5
0458,60-263853,61-2064,61-3054,61-14566号公報)。
この固体電解質は400℃以上の温度においてプロトン導
電性を有し、この固体電解質からなるセンナ素子を一端
閉塞型に形成し、その内表面及び外表面に夫々多孔質の
内面電極及び外面電極を被着して構成されている。そし
て、このセンサ素子内にガラウバニ起電力の基準となる
基準ガス、即ち所定濃度の水素又は水蒸気を含有するガ
スが封入されている。
Therefore, conventionally, there has been proposed a hydrogen or water vapor sensor which uses a proton conductive solid electrolyte made of a perovskite type oxide such as strontium oxide and cerium oxide (SrCeO 3 ) as a sensor element (JP-A-58-5).
0458,60-263853,61-2064,61-3054,61-14566).
This solid electrolyte has proton conductivity at a temperature of 400 ° C. or higher, a senna element made of this solid electrolyte is formed in a closed type, and the inner surface and the outer surface thereof are covered with a porous inner electrode and outer electrode, respectively. It is configured to wear. Then, a reference gas that serves as a reference for the Galauvani electromotive force, that is, a gas containing hydrogen or water vapor of a predetermined concentration is enclosed in this sensor element.

このペロブスカイト型プロトン導電性固体電解質を使用
して水素又は水蒸気の濃度を測定するセンサプローブを
被測定ガス中に挿入すると、基準ガスと被測定ガスとの
間の水素又は水蒸気濃度の差により、内面電極と外面電
極との間に起電力が発生する。そして、この起電力を検
出することにより、被測定ガス中の水素又は水蒸気の濃
度を測定することができる。
When a sensor probe for measuring the concentration of hydrogen or water vapor using this perovskite-type proton conductive solid electrolyte is inserted into the gas to be measured, the inner surface becomes different due to the difference in hydrogen or water vapor concentration between the reference gas and the gas to be measured. An electromotive force is generated between the electrode and the outer surface electrode. Then, by detecting this electromotive force, the concentration of hydrogen or water vapor in the gas to be measured can be measured.

しかしながら、上述の従来技術は、基準物質として所定
濃度の水素又は水蒸気を含有するガスを使用するので、
以下に示す問題点がある。
However, since the above-mentioned conventional technique uses a gas containing a predetermined concentration of hydrogen or water vapor as a reference substance,
There are the following problems.

固体電解質又はガス導入管等が破損した場合、基準ガ
スが測定雰囲気中に漏出してしまい、測定不能になる
か、又は測定誤差が発生する。また、この場合には、漏
出した基準ガスにより測定雰囲気が汚染される。
When the solid electrolyte, the gas introduction pipe, or the like is damaged, the reference gas leaks into the measurement atmosphere, and the measurement becomes impossible or a measurement error occurs. Further, in this case, the leaked reference gas pollutes the measurement atmosphere.

基準ガスをプローブに供給して循環させるために、ガ
ス循環機等が必要になり、コンパクトな装置にすること
ができない。
In order to supply the reference gas to the probe and circulate it, a gas circulator or the like is required, and a compact device cannot be obtained.

そこで、本発明者等は高温で安定した水素活量を示す固
体基準物質を開発し、この固体基準物質を水素又は水蒸
気センサに使用する提案を行った(特開昭63-269053号
公報)。
Therefore, the present inventors have developed a solid reference material that exhibits a stable hydrogen activity at high temperatures, and have proposed using this solid reference material for a hydrogen or water vapor sensor (Japanese Patent Laid-Open No. 63-269053).

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上述した水素又は水蒸気センサは、セン
サ全体が高温に曝されるため、基準ガス又は固体基準物
質と測定雰囲気との間を完全にシールすることが困難で
あるという欠点がある。即ち、基準ガス又は固体基準物
質と測定雰囲気との間をシールするシール材には高耐熱
性が要求される。このため、従来は、基準ガス又は固体
基準物質と測定雰囲気との間をシールするシール材とし
て、ガラスOリング又はセラミックシール材等が使用さ
れている。しかし、これらのシール材を使用した場合、
シール材とセンサ素子との熱膨張率の差に起因して、セ
ンサ素子又はシール材に亀裂が発生しやすい。従って、
基準ガス又は固体基準物質と測定雰囲気とを長期間に亘
ってシールすることが困難である。また、センサ素子及
びシール材の亀裂を回避するためには、センサプローブ
を作動温度に加熱するとき、及び使用後に室温まで冷却
するときに、温度変化が緩慢になるように注意して行な
う必要があり、煩雑である。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the above-described hydrogen or water vapor sensor, it is difficult to completely seal between the reference gas or solid reference substance and the measurement atmosphere because the entire sensor is exposed to high temperature. There is a drawback. That is, a seal material that seals between the reference gas or solid reference substance and the measurement atmosphere is required to have high heat resistance. Therefore, conventionally, a glass O-ring, a ceramic sealing material or the like has been used as a sealing material for sealing between the reference gas or the solid reference material and the measurement atmosphere. However, when using these sealing materials,
A crack is likely to occur in the sensor element or the seal material due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the seal material and the sensor element. Therefore,
It is difficult to seal the reference gas or solid reference substance and the measurement atmosphere for a long period of time. In addition, in order to avoid cracks in the sensor element and the sealing material, it is necessary to take care so that the temperature change becomes slow when heating the sensor probe to the operating temperature and cooling it to room temperature after use. Yes, it is complicated.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、
センサ素子及びシール材の亀裂発生を抑制でき、センサ
使用時の加熱時間及び使用後の冷却時間を短縮すること
ができると共に、長期間に亘って固体基準物質を被測定
ガスから十分にシールすることができる固体基準物質を
備えたンサプローブを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems,
The occurrence of cracks in the sensor element and sealing material can be suppressed, the heating time when the sensor is used and the cooling time after use can be shortened, and the solid reference substance can be sufficiently sealed from the gas to be measured for a long period of time. It is an object of the present invention to provide a sensor probe provided with a solid reference substance capable of achieving the above.

[課題を解決するための手段] 本発明に係る固体基準物質を備えたセンサプローブは、
ペロブスカイト型プロトン導電性固体電解質により形成
された一端閉塞型のセンサ素子と、このセンサ素子の閉
塞端側部分に外嵌されセンサ素子の外側面に固定された
スリーブと、このスリーブと前記センサ素子との間に充
填されガルバニ起電力の基準となる固体基準物質と、前
記センサ素子の外側面に前記固体基準物質に接触して形
成された基準極と、前記センサ素子の内側面に形成され
た測定極と、前記センサ素子の開放端に設けられたシー
ル部と、被測定ガスを前記センサ素子内に導入する導入
部材とを有することを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] A sensor probe provided with a solid reference material according to the present invention is
A one-end closed sensor element formed of a perovskite-type proton conductive solid electrolyte, a sleeve externally fitted to the closed end side portion of the sensor element and fixed to the outer surface of the sensor element, and the sleeve and the sensor element. A solid reference material filled between the two and serving as a reference for galvanic electromotive force, a reference electrode formed on the outer surface of the sensor element in contact with the solid reference material, and a measurement formed on the inner surface of the sensor element. It is characterized by having a pole, a seal portion provided at the open end of the sensor element, and an introducing member for introducing the gas to be measured into the sensor element.

なお、前記センサ素子の前記開放端側部分の外側面に鍔
を設け、この鍔の両面との間に挟み込まれたシール材を
有するシール部により前記センサ素子の前記開放端を閉
塞することが好ましい。
It is preferable that a flange is provided on an outer surface of the open end side portion of the sensor element, and the open end of the sensor element is closed by a seal portion having a sealing material sandwiched between both sides of the flange. .

[作用] 本発明においては、固体基準物質が一端閉塞型のセンサ
素子の外側に配置されており、被測定ガスは導入部を介
してセンサ素子の内部に導入される。このように、本発
明においては、被測定ガスをセンサ内部に導入して水素
又は水蒸気の濃度を測定するために、センサ全体を高温
雰囲気に曝す必要がなく、センサ素子の閉塞端側のみを
起電力測定上の所定の温度に加熱すればよい。このよう
にすることにより、スリーブのセンサ素子への取り付け
部分及びセンサ素子の開放端側部分が比較的低温にな
り、センサ素子の熱膨張及び熱衝撃が抑制されて、前記
センサ素子及び前記シール材に亀裂が発生することを回
避できる。従って、使用開始時のセンサ加熱時間及び使
用後のセンサ冷却時間を短縮することができる。
[Operation] In the present invention, the solid reference substance is arranged outside the one-end closed type sensor element, and the gas to be measured is introduced into the sensor element through the introduction part. As described above, in the present invention, it is not necessary to expose the entire sensor to a high temperature atmosphere in order to measure the concentration of hydrogen or water vapor by introducing the gas to be measured into the sensor, and to raise only the closed end side of the sensor element. It may be heated to a predetermined temperature for power measurement. By doing so, the mounting portion of the sleeve to the sensor element and the open end side portion of the sensor element have a relatively low temperature, the thermal expansion and thermal shock of the sensor element are suppressed, and the sensor element and the sealing material. It is possible to avoid the occurrence of cracks. Therefore, the sensor heating time at the start of use and the sensor cooling time after use can be shortened.

この場合に、センサ素子の開放端側部分に鍔を設けてお
くと、シリコンゴム又は耐熱性ガスケット等のシール材
を介してこの鍔をシール部により両側から挟み込むこと
により、センサ素子の内部の被測定ガスの漏出を容易に
防止できる。鍔の部分の温度が200℃以下であればシー
ル材としてシリコンゴムを使用することができ、シール
材に亀裂が発生する虞れを著しく減少することができ
る。このため、センサ素子の寸法並びにセンサを加熱す
る加熱炉の位置及び形状等を適正に選択し、センサ使用
時におけるセンサ素子の開放端側部分の温度が200℃以
下となるようにして、このセンサ素子の端部に鍔を設
け、この鍔の部分でシリコンゴムをシール材として使用
してセンサ素子の開放端を閉塞することが好ましい。
In this case, if a flange is provided on the open end side portion of the sensor element, the flange is sandwiched from both sides by the seal portion via a sealing material such as silicon rubber or a heat resistant gasket, so that the inside of the sensor element is covered. Leakage of measurement gas can be easily prevented. If the temperature of the flange portion is 200 ° C. or lower, silicon rubber can be used as the sealing material, and the risk of cracks in the sealing material can be significantly reduced. For this reason, the size of the sensor element and the position and shape of the heating furnace that heats the sensor are properly selected so that the temperature of the open end side of the sensor element when using the sensor is 200 ° C or less, and this sensor is used. It is preferable that a flange is provided at the end of the element and the open end of the sensor element is closed by using silicon rubber as a sealing material at the flange.

なお、このプロトン導電性固体電解質とは、Ca,Sr及びB
aからなる群から選択された少なくとも1種の元素をA
成分とし、Ce,Zr,Ti及びHfからなる群から選択された少
なくとも1種の元素をB成分とし、Yb,Y,Sc,Zn,Nd,Mg,I
n,Sm,Dy,Eu,Ho,Gd,Tm,Ca及びLaからなる群から選択され
た少なくとも1種の元素をM成分とした場合に、一般式
AB1-x MX O3-Yにて表されるペロブスカイト型複合酸
化物である。但し、X及びYはいずれも0乃至0.5の範
囲の数値である。
The proton conductive solid electrolyte is Ca, Sr and B.
at least one element selected from the group consisting of a
As a component, at least one element selected from the group consisting of Ce, Zr, Ti and Hf is used as a B component, and Yb, Y, Sc, Zn, Nd, Mg, I
When M component is at least one element selected from the group consisting of n, Sm, Dy, Eu, Ho, Gd, Tm, Ca and La, the general formula
It is a perovskite complex oxide represented by AB 1-x M X O 3-Y . However, both X and Y are numerical values in the range of 0 to 0.5.

このようなペロブスカイト型複合酸化物としては、例え
ばSrCe0.95Yb0.05O3-Y,BaCe0.9Nd0.1O3-Y及びCaZr0.9I
n0.1O3-Y等がある。
Examples of such perovskite-type composite oxides include SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-Y , BaCe 0.9 Nd 0.1 O 3-Y and CaZr 0.9 I
n 0.1 O 3-Y etc.

[実施例] 以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照して
具体的に説明する。
EXAMPLES Examples of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings.

第1図は本発明の実施例に係るセンサプローブを示す断
面図である。センサ素子1は一端が閉塞された管状をな
し、開放端部の外周面が外方に突出してこの部分に鍔1a
が設けられている。そして、このセンサプローブ1の閉
塞端側部分の外周及び内面には多孔質材料を被着するこ
とにより夫々基準極3及び測定極4が形成されている。
FIG. 1 is a sectional view showing a sensor probe according to an embodiment of the present invention. The sensor element 1 has a tubular shape with one end closed, and the outer peripheral surface of the open end projects outward and the collar 1a
Is provided. A reference electrode 3 and a measurement electrode 4 are formed on the outer circumference and the inner surface of the closed end portion of the sensor probe 1 by depositing a porous material.

このセンサ素子1の閉塞端側の略半分には筒状のスリー
ブ5が外嵌されていて、センサ素子1の閉塞端部がスリ
ーブ5の内側の略中央に配置されている。このスリーブ
5のセンサ素子1側の端部はセラミック接着剤6により
センサ素子1の外周面略中央の位置に固定されており、
他方の端部はセラミック封止部8により封止されてい
る。このスリーブ5内にはその前記他方の端部側からセ
ラミック封止部8の近傍まで固定基準物質2が充填さ
れ、更にの固体基準物質2上にアルミナ粉7が充填さ
れ、これらの固体基準物質2及びアルミナ粉7がセラミ
ック封止部8によりスリーブ5内に封入されるようにな
っている。
A cylindrical sleeve 5 is externally fitted to approximately half of the sensor element 1 on the closed end side, and the closed end of the sensor element 1 is arranged substantially at the center inside the sleeve 5. The end of the sleeve 5 on the side of the sensor element 1 is fixed to the outer peripheral surface of the sensor element 1 at a substantially central position by a ceramic adhesive 6.
The other end is sealed by the ceramic sealing portion 8. The sleeve 5 is filled with the fixed reference substance 2 from the other end side thereof to the vicinity of the ceramic sealing portion 8, and further, the alumina powder 7 is filled on the solid reference substance 2, and these solid reference substances are filled. 2 and alumina powder 7 are sealed in the sleeve 5 by the ceramic sealing portion 8.

センサ素子1の外周面には基準極3からセンサ素子1の
長手方向略中央までその長手方向に沿って帯状のプリン
トリード配線9aが形成されている。また、このプリント
リード配線9aのセンサ素子1中央部側の端部にはリード
10aが接続されており、これにより、基準極3はこのプ
リントリード配線9a及びリード10aを介して外部測定装
置(図示せず)に導出されている。
On the outer peripheral surface of the sensor element 1, a strip-shaped printed lead wiring 9a is formed along the longitudinal direction from the reference electrode 3 to substantially the center of the sensor element 1 in the longitudinal direction. Also, at the end of the printed lead wiring 9a on the central side of the sensor element 1, a lead is provided.
10a is connected, whereby the reference electrode 3 is led to an external measuring device (not shown) via the printed lead wiring 9a and the lead 10a.

センサ素子1の開放端側部分の外周面には、基本的に筒
状をなす金属製ホルダ11a,11bが外嵌されていて、この
ホルダ11a,11bは鍔1aを両側から挟むようにして鍔1aに
固定されている。このホルダ11a,11bと鍔1aとの間には
夫々耐熱製ゴムからなるOリング15が介装されており、
このOリング15により両者間が夫々気密的にシールされ
ている。
On the outer peripheral surface of the open end side portion of the sensor element 1, basically cylindrical metal holders 11a and 11b are externally fitted, and these holders 11a and 11b are arranged on the collar 1a so as to sandwich the collar 1a from both sides. It is fixed. O-rings 15 made of heat-resistant rubber are interposed between the holders 11a, 11b and the collar 1a, respectively.
The O-ring 15 hermetically seals the both.

また、センサ素子1内にはホルダ11bの下端開口部12を
介して導入管13が挿入され、この導入管13はその先端部
をセンサ素子1の閉塞端内面から若干離隔させてセンサ
素子1の内側に同心的に配置されている。この導入管13
は被測定ガスをセンサ素子1内に導入するものであり、
ホルダ11bの開口部12にて導入管13とホルダ11b内面との
間をガスの通流を可能にして固定されている。この導入
管13にはその長手方向に沿ってパターンリード配線9bが
形成されており、この配線9bの導入管先端部側の端部は
測定極4に接続されている。また、配線9bの導入管基端
部側の端部にはリード10bが接続されており、これによ
り、測定極4はこのパターンリード配線9b及びリード10
bを介して外部の前記測定装置に電気的に導出されてい
る。
Further, an introducing pipe 13 is inserted into the sensor element 1 through a lower end opening 12 of a holder 11b, and the introducing pipe 13 has a tip portion thereof slightly separated from an inner surface of the closed end of the sensor element 1. It is arranged concentrically inside. This introduction pipe 13
Is to introduce the gas to be measured into the sensor element 1,
An opening 12 of the holder 11b is fixed between the introduction pipe 13 and the inner surface of the holder 11b so that gas can flow therethrough. A pattern lead wiring 9b is formed on the introduction tube 13 along the longitudinal direction thereof, and the end of the wiring 9b on the tip end side of the introduction tube is connected to the measurement electrode 4. Further, a lead 10b is connected to an end portion of the wiring 9b on the proximal end side of the introduction tube, whereby the measurement electrode 4 is connected to the pattern lead wiring 9b and the lead 10b.
It is electrically led to the external measuring device via b.

センサ素子1はSrCe0.95Yb0.05O3-Y,CaZr0.9In
0.1O3-Y,BaCe0.95Y0.05O3-Y等のペロブスカイト型複合
酸化物からなるプロトン導電性固体電解質で成形されて
いる。
Sensor element 1 is SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-Y , CaZr 0.9 In
It is molded with a proton conductive solid electrolyte consisting of a perovskite type complex oxide such as 0.1 O 3-Y , BaCe 0.95 Y 0.05 O 3-Y .

また、基準極3及び測定極4はPt,Ni又は酸化物導電体
等の多孔質材料を焼き付けることにより形成されてい
る。
The reference electrode 3 and the measurement electrode 4 are formed by baking a porous material such as Pt, Ni or an oxide conductor.

更に、固体基準物質2としては、例えば、硫酸セリウム
とアルカリ炭酸塩との混合塩に、Ni粉末を混合したもの
又はハイドロキシアパタイト等がある。
Further, as the solid reference substance 2, for example, there is a mixture of cerium sulfate and an alkali carbonate mixed with Ni powder, or hydroxyapatite.

このように構成されたセンサプローブは、基準極3及び
測定極4が配置されたセンサ素子1の先端部が電気炉14
の加熱域の中央になるように電気炉14内に挿入される。
In the sensor probe configured as described above, the tip of the sensor element 1 on which the reference electrode 3 and the measurement electrode 4 are arranged is the electric furnace 14
It is inserted into the electric furnace 14 so as to be in the center of the heating area of the.

次に、本実施例に係るセンサプローブの動作について説
明する。
Next, the operation of the sensor probe according to the present embodiment will be described.

固体電解質で形成されたセンサ素子1内に導入管13を介
して被測定ガスを供給すると共に、電気炉14によりセン
サ素子1の基準極3及び測定極4が配置された閉塞端部
を所定の起電力測定温度に加熱する。そうすると、水素
又は水蒸気を含有する被測定ガスと接触する固体電解質
の内面と、固体基準物質2と接触する固体電解質の外面
との間を、被測定ガス中の水素又は水蒸気濃度と、固体
基準物質2の基準濃度との間の相違に起因して、プロト
ンが移動する。このプロトンの移動により、測定極3と
基準極4との間には、ガルバニ起電力が発生する。この
起電力を、リード10a,10bを介して検出することによ
り、被測定ガスの水素又は水蒸気濃度を検出することが
できる。被測定ガスは開口部12を介してセンサ素子1の
外部に排出され、被測定ガスが導入管13を介してセンサ
素子1の内部に連続的に供給される。これにより、連続
的に被測定ガスの水素濃度又は水蒸気濃度を測定するこ
とができる。
The gas to be measured is supplied into the sensor element 1 formed of a solid electrolyte through the introduction pipe 13, and the closed end portion of the sensor element 1 in which the reference electrode 3 and the measurement electrode 4 are arranged is fixed by the electric furnace 14. Heat to the electromotive force measurement temperature. Then, between the inner surface of the solid electrolyte contacting the measurement gas containing hydrogen or water vapor and the outer surface of the solid electrolyte contacting the solid reference substance 2, the concentration of hydrogen or water vapor in the measurement gas and the solid reference substance Due to the difference between the reference concentrations of 2, the protons migrate. A galvanic electromotive force is generated between the measurement electrode 3 and the reference electrode 4 due to the movement of the protons. By detecting this electromotive force via the leads 10a and 10b, the hydrogen or water vapor concentration of the gas to be measured can be detected. The gas to be measured is discharged to the outside of the sensor element 1 through the opening 12, and the gas to be measured is continuously supplied to the inside of the sensor element 1 through the introduction pipe 13. As a result, the hydrogen concentration or the water vapor concentration of the measurement gas can be continuously measured.

この場合に、本実施例においては、センサ使用時には電
気炉14は主としてセンサ素子1の閉塞端部を加熱する。
そして、スリーブ5の取付け部(接着剤6)及び鍔1a
は、電気炉14の加熱域の外に位置しているため、比較的
低い温度に維持される。これにより、スリーブ5の取付
け部及びセンサ素子1の開放端におけるセンサ素子1の
熱膨張が抑制され、センサ素子1及びシール材(Oリン
グ15)等の亀裂を回避することができる。なお、センサ
使用時にセンサ素子1の鍔1aの温度が200℃以下であれ
ば、シリコンゴム製のOリング15を使用することができ
る。これにより、Oリング15の亀裂発生が著しく減少す
る。
In this case, in this embodiment, the electric furnace 14 mainly heats the closed end of the sensor element 1 when the sensor is used.
Then, the mounting portion (adhesive 6) of the sleeve 5 and the collar 1a
Is located outside the heating zone of the electric furnace 14 and is therefore maintained at a relatively low temperature. As a result, thermal expansion of the sensor element 1 at the mounting portion of the sleeve 5 and the open end of the sensor element 1 is suppressed, and cracks in the sensor element 1 and the sealing material (O-ring 15) can be avoided. If the temperature of the collar 1a of the sensor element 1 is 200 ° C. or lower when using the sensor, the O-ring 15 made of silicon rubber can be used. This significantly reduces cracking of the O-ring 15.

次に、上述の本実施例に係るセンサプローブを使用して
実際にアルゴンガス中の水素の濃度を複数回繰り返し測
定したヒートサイクル試験の結果について説明する。
Next, the result of the heat cycle test in which the hydrogen concentration in the argon gas was repeatedly measured a plurality of times using the sensor probe according to the present embodiment described above will be described.

水素濃度の測定 第1図に示す構成のセンサプローブを使用した。このセ
ンサプローブのセンサ素子1はSrCe0.95Yb0.05O3-Y,Ca
Zr0.9In0.1O3-Y又はBaCe0.95Y0.05O3-Y等の組成を有す
るペロブスカイト型プロトン導電性固体電解質で成形さ
れている。
Measurement of Hydrogen Concentration A sensor probe having the structure shown in FIG. 1 was used. The sensor element 1 of this sensor probe is SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-Y , Ca
It is formed of a perovskite-type proton conductive solid electrolyte having a composition such as Zr 0.9 In 0.1 O 3-Y or BaCe 0.95 Y 0.05 O 3-Y .

このセンサ素子1の内面及び外面にPt,Ni又は酸化物導
電体等からなる多孔質電極(基準極3,測定極4)を焼き
付けた後、このセンサ素子1の外側にセラミック又は金
属製のスリーブ5をセラミック接着剤6により固定し
た。そして、スリーブ5の内側に、例えば硫酸セリウム
及びアルカリ炭酸塩の混合塩とNi粉末とを混合したもの
又はハイドロキシアパタイト等の固体基準物質2を充填
し、この固体基準物質2の上部にアルミナ粉末7を充填
した後、スリーブ5の上端部をセラミック封止部8で封
止した。
After the porous electrodes (reference electrode 3 and measurement electrode 4) made of Pt, Ni or an oxide conductor are baked on the inner surface and the outer surface of the sensor element 1, the sleeve made of ceramic or metal is formed on the outer side of the sensor element 1. 5 was fixed with a ceramic adhesive 6. Then, the inside of the sleeve 5 is filled with a solid reference substance 2 such as a mixture of mixed salt of cerium sulfate and alkali carbonate and Ni powder, or hydroxyapatite, and the alumina powder 7 is added on top of the solid reference substance 2. After filling with, the upper end portion of the sleeve 5 was sealed with a ceramic sealing portion 8.

更に、センサ素子1の外側の基準極3と、センサ素子1
の内側の測定極4とをシールするために、センサ素子1
の鍔1aの部分を2本の耐熱性ゴムOリング15を介して金
属性ホルダ11a,11bで挟み込んでシールした。
Further, the reference electrode 3 outside the sensor element 1 and the sensor element 1
In order to seal the measuring electrode 4 inside the
The flange 1a of the above was sandwiched between the metal holders 11a and 11b via the two heat resistant rubber O-rings 15 and sealed.

このように構成された装置を使用して、サルゴンガス中
の水素濃度を測定した。即ち、センサプローブの先端を
室温から700℃まで加熱し、アルゴンガス中の水素濃度
とセンサプローブの起電力との関係を調べた。その後、
センサプローブを室温まで冷却した。そして、この加熱
及び冷却(ヒートサイクル)を50回繰り返してセンサプ
ローブの起電力特性の変化を調べた。
The hydrogen concentration in the Sargon gas was measured using the apparatus thus configured. That is, the tip of the sensor probe was heated from room temperature to 700 ° C., and the relationship between the hydrogen concentration in argon gas and the electromotive force of the sensor probe was investigated. afterwards,
The sensor probe was cooled to room temperature. Then, this heating and cooling (heat cycle) was repeated 50 times, and changes in the electromotive force characteristics of the sensor probe were investigated.

第2図は横軸に水素濃度をとり、縦軸に起電力をとっ
て、前記ヒートサイクルを1回、2回及び50回繰り返し
たときのセンサプローブの起電力特性を示すグラフ図で
ある。この第2図から明らかなように、本実施例に係る
センサプローブは50回のヒートサイクルによっても、起
電力特性が変化することはなかった。このことから、本
実施例に係るセンサプローブは、固体基準物質の気密性
が優れており、信頼性が高いものであることが明白であ
る。
FIG. 2 is a graph showing the electromotive force characteristics of the sensor probe when the heat cycle is repeated once, twice and 50 times, with the horizontal axis representing hydrogen concentration and the vertical axis representing electromotive force. As is clear from FIG. 2, the electromotive force characteristics of the sensor probe according to this example did not change even after 50 heat cycles. From this, it is clear that the sensor probe according to the present embodiment is excellent in airtightness of the solid reference material and has high reliability.

[発明の効果] 以上説明したように本発明によれば、センサ素子の外側
に固体基準物質を配置し、センサ素子の内側に被測定ガ
スを導入するから、水素又は水蒸気濃度の測定時にはセ
ンサ素子の閉塞端のみを加熱すればよい。このため、セ
ンサ素子の開放端を閉塞するシール部及びスリーブ取付
け部を比較的低温部に設けることができる。従って、ヒ
ートサイクルを繰り返してもセンサ素子及びシール材の
亀裂発生を回避できる。また、センサ使用開始時のセン
サ素子の加熱及び使用後の冷却時間を短縮することがで
きる。更に、センサの保守維持が容易になり、小型で信
頼性が高いセンサプローブを得ることができる。
As described above, according to the present invention, the solid reference substance is arranged outside the sensor element and the gas to be measured is introduced inside the sensor element. Therefore, when measuring the hydrogen or water vapor concentration, the sensor element is It suffices to heat only the closed end of. Therefore, the seal portion and the sleeve mounting portion that close the open end of the sensor element can be provided at a relatively low temperature portion. Therefore, even if the heat cycle is repeated, the generation of cracks in the sensor element and the sealing material can be avoided. Further, it is possible to shorten the heating time of the sensor element at the start of use of the sensor and the cooling time after use. Furthermore, the maintenance of the sensor is facilitated, and a small and highly reliable sensor probe can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の実施例に係る固体基準物質を備えたセ
ンサプローブ、第2図は同じくそのヒートサイクル試験
の結果を示すグラフ図である。 1;センサ素子、1a;鍔、2;固体基準物質、3;基準極、4;
測定極、5;スリーブ、6;接着剤、7;アルミナ粉、8;セラ
ミック封止部、9a,9b;パターンリード配線、10a,10b;リ
ード、11a,11b;ホルダ、12;開口部、13;導入管、14;電
気炉、15;Oリング
FIG. 1 is a sensor probe provided with a solid reference material according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a graph showing the result of the heat cycle test. 1; Sensor element, 1a; Tsuba, 2; Solid reference material, 3; Reference electrode, 4;
Measurement electrode, 5; Sleeve, 6; Adhesive, 7; Alumina powder, 8; Ceramic sealing part, 9a, 9b; Pattern lead wiring, 10a, 10b; Lead, 11a, 11b; Holder, 12; Opening part, 13 ; Introduction tube, 14; Electric furnace, 15; O-ring

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ペロブスカイト型プロトン導電性固体電解
質により形成された一端閉塞型のセンサ素子と、このセ
ンサ素子の閉塞端側部分に外嵌されセンサ素子の外側面
に固定されたスリーブと、このスリーブと前記センサ素
子との間に充填されガルバニ起電力の基準となる固体基
準物質と、前記センサ素子の外側面に前記固体基準物質
に接触して形成された基準極と、前記センサ素子の内側
面に形成された測定極と、前記センサ素子の開放端に設
けられたシール部と、被測定ガスを前記センサ素子内に
導入する導入部材とを有することを特徴とする固体基準
物質を備えたセンサプローブ。
1. A one-end closed sensor element formed of a perovskite-type proton conductive solid electrolyte, a sleeve externally fitted to a closed end side portion of the sensor element and fixed to an outer surface of the sensor element, and this sleeve. And a solid reference material serving as a reference for galvanic electromotive force between the sensor element, a reference electrode formed on the outer surface of the sensor element in contact with the solid reference material, and an inner surface of the sensor element. A sensor provided with a solid reference substance, comprising: a measuring electrode formed on the substrate; a seal portion provided at the open end of the sensor element; and an introducing member for introducing a gas to be measured into the sensor element. probe.
【請求項2】前記センサ素子の前記開放端側部分の外側
面には鍔が設けられており、前記シール部はこの鍔の両
面との間に挟み込まれたシール材を有し、これにより前
記センサ素子の開放端側部分を閉塞することを特徴とす
る請求項1に記載の固体基準物質を備えたセンサプロー
ブ。
2. A flange is provided on an outer surface of the open end side portion of the sensor element, and the seal portion has a seal material sandwiched between both sides of the flange, whereby the flange is formed. The sensor probe provided with the solid reference substance according to claim 1, wherein an open end side portion of the sensor element is closed.
【請求項3】前記シール材はシリコンゴムからなること
を特徴とする請求項2に記載の固体基準物質を備えたセ
ンサブローブ。
3. The sensor probe having a solid reference material according to claim 2, wherein the sealing material is made of silicone rubber.
【請求項4】前記ペロブスカイト型プロトン導電性固体
電解質は、ストロンチウムとセリウムとの複合酸化物、
バリウムとセリウムとの複合酸化物及びカルシウムとジ
ルコニウムとの複合酸化物からなる群から選択されたい
ずれか1種を主成分とすることを特徴とする請求項1乃
至3のいずれか1項に記載の固体基準物質を備えたセン
サプローブ。
4. The perovskite type proton conductive solid electrolyte is a composite oxide of strontium and cerium,
The main component is any one selected from the group consisting of a complex oxide of barium and cerium and a complex oxide of calcium and zirconium. Sensor probe with solid reference material of.
【請求項5】前記ペロブスカイト型プロトン導電性固体
電解質は、インジウム、スカンジウム、イッテルビウ
ム、マグネシウム、ビスマス、アルミニウム、ガリウ
ム、イットリウム及びネオジムからなる群から選択され
た少なくとも1種の元素を含有することを特徴とする請
求項4に記載の固体基準物質を備えたセンサプローブ。
5. The perovskite-type proton conductive solid electrolyte contains at least one element selected from the group consisting of indium, scandium, ytterbium, magnesium, bismuth, aluminum, gallium, yttrium and neodymium. A sensor probe comprising the solid reference material according to claim 4.
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