JP2015206604A - 電気化学計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポテンショスタット回路を構成するオペアンプでオフセット電圧を発生させて、電気化学センサの接続不良や断線異常や感度劣化度合等を検出するためのパルス電圧が生成されるようにした電気化学計測装置を提供する。【解決手段】収納された電解液に少なくとも作用極１１と対極１２が浸漬された電気化学センサ１０と、所定の電圧を前記対極に印加するポテンショスタット回路とを備え、前記電気化学センサ１０の出力電流又は該出力電流を電圧変換した出力電圧を測定する電気化学計測装置において、前記ポテンショスタット回路をオペアンプで構成し、該オペアンプ２０にオフセット電圧発生手段を設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、電気化学センサの接続不良や断線異常や感度劣化度合等を検出することができるようにした電気化学計測装置に関する。

電気化学センサの１つとしての定電位電解式ガスセンサの内外リード線の接続不良や断線異常を検出する機能点検装置について特許文献１に記載がある。この機能点検装置は、図４に示すように、容器に収納した電解液に作用極１１、対極１２、照合極１３を浸漬した定電位電解式ガスセンサ１０に対し、パルス発生器８０により発生した数ｍＶ〜数十ｍＶの電圧パルスを、ポテンショスタット回路７０によりそのガスセンサ１０の対極１２に印加し、そのとき流れる電流を電流計６０により、そのとき発生する作用極１１と対極１２との間の電圧を電圧計５０により、それぞれ測定して、その測定結果により接続不良や断線異常の有無を判定するものである。

たとえば、パルス発生器８０により、振幅が２ｍＶでパルス幅が０．１秒のパルス電圧を発生してガスセンサ１０に印加したとき、
（１）測定電流値が１５μＡで測定電圧が０Ｖであれば正常
（２）測定電流値が０Ａで測定電圧が０Ｖであれば作用極１１が断線異常
（３）測定電流値が１５μＡで測定電圧が３００ｍＶであれば対極１２が断線異常
と判定するものである。また、上記したパルス電圧による測定結果をガスセンサ１０の使用初期と現在とで比較すれば、そのガスセンサ１０の感度劣化度合を判定できる。

上記したパルス発生器８０は、ポテンショスタット回路７０に、基準電圧（バイアス電圧）あるいは数ｍＶ〜数十ｍＶのパルス電圧を印加させるために、Ｄ／Ａ変換器を使用したり、あるいは図５に示すように、定電圧ダイオードＺＤで発生した定電圧を、抵抗Ｒ８０，Ｒ８１ａ，Ｒ８１ｂ，Ｒ８２ａ，Ｒ８２ｂ，Ｒ８３ａ，Ｒ８３ｂ，Ｒ８４ａ，Ｒ８４ｂからなる抵抗ラダーで分割する抵抗分割回路を使用している。ＳＷ８１は基準電圧あるいはパルス電圧を選択するためのスイッチである。

図５では、たとえば、抵抗Ｒ８１ａ，Ｒ８１ｂは第１の基準電圧Ｖref１用、抵抗Ｒ８２ａ，Ｒ８２ｂは第２の基準電圧Ｖref２用、抵抗Ｒ８３ａ，Ｒ８３ｂは第３の基準電圧Ｖref３用、抵抗Ｒ８４ａ，Ｒ８４ｂは第４の基準電圧Ｖref４用として設定される。また、抵抗値は、Ｒ８１ｂ＜Ｒ８１ａ、Ｒ８２ｂ＜Ｒ８２ａ、Ｒ８３ｂ＜Ｒ８３ａ、Ｒ８４ｂ＜Ｒ８４ａに設定される。

そして、通常のガスセンサとして使用するときは、当該ガスセンサ１０に応じてスイッチＳＷ８１を切り替えることにより、基準電圧Ｖref１〜Ｖref４のうちのいずれかが選択されて設定され、ポテンショスタット回路７０の正転入力端子に印加する。

また、接続不良や断線異常や感度劣化度合等を点検するときは、当該ガスセンサ１０の種類に応じて、スイッチＳＷ８１によって、たとえば基準電圧Ｖref１が設定されるときは、一時的にスイッチＳＷ８１を基準電圧Ｖref１＋αに切り替えることで、抵抗Ｒ８１ｂの抵抗分に相当する大きさα（＝数ｍＶ〜数十ｍＶ程度）のパルス電圧を生成する。また、基準電圧Ｖref２が設定されるときは、一時的にスイッチＳＷ８１を基準電圧Ｖref２＋βに切り替えることで、抵抗Ｒ８２ｂの抵抗分に相当する大きさβ（＝数ｍＶ〜数十ｍＶ程度）のパルス電圧を生成する。同様に、基準電圧Ｖref３，Ｖref４が設定されるときは、一時的にスイッチＳＷ８１を基準電圧Ｖref３＋γ、Ｖref４＋δに切り替えることで、抵抗Ｒ８３ｂ，Ｒ８４ｂの抵抗分に相当する大きさγ、δ（＝数ｍＶ〜数十ｍＶ程度）のパルス電圧を生成する。

特許第２６１３３１６号

しかしながら、前述のＤ／Ａ変換器を使用する場合は、回路規模や消費電流が大きくなるという問題がある。また、図５で説明した抵抗分割回路を使用する場合は、多種類のガスセンサに対応させるとき、複数種類の基準電圧が必要となるので、その各基準電圧についてそれぞれ数ｍＶ〜数十ｍＶ程度で変化するパルス電圧を発生させるための抵抗（図５では抵抗Ｒ８１ｂ，Ｒ８２ｂ，Ｒ８３ｂ，Ｒ８４ｂ）が必要となる。また、１．２５Ｖ程度の定電圧ダイオードＺＤから数ｍＶ〜数十ｍＶ程度で変化するパルス電圧を生成させるときは、必要な抵抗比（抵抗の重み付け、たとえばＲ８１ａとＲ８１ｂの抵抗比）が大きくなり、精度を確保することが難しくなる。

本発明の目的は、ポテンショスタット回路を構成するオペアンプでオフセット電圧を発生させて、電気化学センサの接続不良や断線異常や感度劣化度合等を検出するためのパルス電圧が生成されるようにし、消費電流の問題や抵抗分割回路の大規模化、さらには検出精度低下の問題を解決した電気化学計測装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、収納された電解液に少なくとも作用極と対極が浸漬された電気化学センサと、所定の電圧を前記対極に印加するポテンショスタット回路とを備え、前記電気化学センサの出力電流又は該出力電流を電圧変換した出力電圧を測定する電気化学計測装置において、前記ポテンショスタット回路をオペアンプで構成し、該オペアンプにオフセット電圧発生手段を設けたことを特徴とする。

請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の電気化学計測装置において、前記オペアンプの正転出力側負荷抵抗と反転出力側負荷抵抗を同一の抵抗値に設定し、前記オフセット電圧発生手段を、前記正転出力側負荷抵抗と前記反転出力側負荷抵抗の少なくとも一方の抵抗の抵抗値を別の抵抗値に切り替えるスイッチで構成したことを特徴とする。

請求項３にかかる発明は、請求項２に記載の電気化学計測装置において、前記スイッチは、前記正転出力側負荷抵抗と前記反転出力側負荷抵抗の少なくとも一方の抵抗の抵抗値を、互いに異なった複数の抵抗値のうちから選択した１つの抵抗値に設定する複数のスイッチからなることを特徴とする。

本発明によれば、ポテンショスタット回路を構成するオペアンプにオフセット電圧発生手段を設けたので、このオフセット電圧発生手段によりパルス電圧が発生させることができ、電気化学センサの接続不良や断線異常や感度劣化度合等を検出する際に、Ｄ／Ａ変換器を使用する場合のように追加のための回路や消費電流が小さくて済み、また大きな抵抗比を設定させた抵抗ラダーを設ける必要もなくなる。このため、回路の大規模化、検出精度低下等の問題を引き起こすことはない。オフセット電圧発生手段をスイッチで構成し、そのスイッチを複数用いれば、発生するパルス電圧の振幅をより細かく設定することができ、より多くの種類の電気化学センサの接続不良や断線異常や感度劣化度合等の検出に適用することができる。

本発明の１つの実施例の電気化学計測装置のブロック図である。 図１の電気化学計測装置のポテンショスタット回路の変形例の回路図である。 図１の電気化学計測装置のポテンショスタット回路の別の変形例の回路図である。 定電位電解式ガスセンサを使用した従来の電気化学計測装置のブロック図である。 図４の電気化学計測装置のパルス電圧発生回路の具体的な回路図である。

図１に本発明の１つの実施例の電気化学計測装置を示す。１０は電解液が容器に収納された定電位電解式ガスセンサであり、作用極１１、対極１２、照合極１３がその電解液内に浸漬されている。

２０はポテンショスタット回路を構成するオペアンプであり、正転入力端子２１、反転入力端子２２、出力端子２３を有し、さらに、差動接続のＰＭＯＳトランジスタＭＰ１，ＭＰ２、電流源２４、カレントミラー接続の能動負荷としてのＮＭＯＳトランジスタＭＮ１，ＭＮ２、正転出力側負荷抵抗Ｒ１１，Ｒ１２、反転出力側負荷抵抗Ｒ２１，Ｒ２２、反転増幅器２５、および抵抗Ｒ１２を短絡するためのスイッチＳＷ１１を備える。そして、反転入力端子２２がガスセンサ１０の照合極１３に接続され、出力端子２３がガスセンサ１０の対極１２に接続されている。抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２の抵抗値は、Ｒ１１＝Ｒ２１，Ｒ１２＝Ｒ２２に設定されている。つまり、正転出力側負荷抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の合計抵抗値と反転出力側負荷抵抗Ｒ２１，Ｒ２２の合計抵抗値は同じである。

３０は電流／電圧変換回路を構成するオペアンプであり、発振防止抵抗Ｒ３１と帰還抵抗Ｒ３２を備え、ガスセンサ１０から出力する電流信号Ｉoutを電圧信号Ｖoutに変換して出力する。３１は正転入力端子、３２は反転入力端子、３３は出力端子である。

４０は基準電圧発生回路であり、電源電圧Ｖｄｄを５個の抵抗Ｒ４１〜Ｒ４５により分圧した４個の基準電圧Ｖref１〜Ｖref４から１つの電圧を、スイッチＳＷ４１により選択してオペアンプ２０の正転入力端子２１に供給し、スイッチＳＷ４２により選択してオペアンプ３０の正転入力端子３１に供給する。

５０はガスセンサの作用極１１と対極１２の間に印加された電圧を計測する電圧計、６０はガスセンサ１０の出力電流を計測する電流計である。

さて、ガスセンサ１０の通常の使用態様では、電圧計５０や電流計６０は取り外され、オペアンプ２０のスイッチＳＷ１１がオフに設定される。また、ガスセンサ１０の規格に応じた基準電圧が、基準電圧発生回路４０のスイッチＳＷ４１で選択されてオペアンプ２０の正転入力端子２１に入力し、スイッチＳＷ４２で選択された基準電圧がオペアンプ３０の正転入力端子３１に入力する。この設定状態でガスセンサ１０によるガス検知が行われ、検知結果に応じた出力電圧Ｖoutがオペアンプ３０の出力端子３３から出力する。

次に、ガスセンサ１０の接続不良や断線異常や感度劣化度合等を検出するときは、電圧計５０と電流計６０が取り付けられ、基準電圧発生回路４０のスイッチＳＷ４１，ＳＷ４２の切換状態はそのままにした状態において、オペアンプ２０のスイッチＳＷ１１を瞬間的にオン／オフさせる。これにより、オペアンプ１０から数ｍＶ〜数十ｍＶのオフセット電圧が、パルス電圧として発生して出力端子２３に現れる。

よって、スイッチＳＷ１１をオン→オフすることによって発生するオフセット電圧のパルス電圧が、図４で説明した場合と同様に２ｍＶでパルス幅が０．１秒であって、ガスセンサ１０が図４で説明したガスセンサ１０と同一であれば、
（１）測定電流値が１５μＡで測定電圧が０Ｖであれば正常
（２）測定電流値が０Ａで測定電圧が０Ｖであれば作用極１１が断線異常
（３）測定電流値が１５μＡで測定電圧が３００ｍＶであれば対極１２が断線異常
と判定することができる。また、上記したパルス電圧による測定結果をガスセンサ１０の使用初期と現在とで比較すれば、そのガスセンサ１０の感度劣化度合を判定できる。

図２は図１で説明したオペアンプ２０の変形例のオペアンプ２０Ａを示す回路であり、正転側負荷抵抗を４個の抵抗Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５，Ｒ１６で構成し、反転側負荷抵抗を４個の抵抗Ｒ２３，Ｒ２４，Ｒ２５，Ｒ２６で構成し、さらに、抵抗Ｒ１４〜Ｒ１６を短絡するスイッチＳＷ１２、抵抗Ｒ１５とＲ１６を短絡するスイッチＳＷ１３、抵抗Ｒ１６を短絡するスイッチＳＷ１４を設けたものである。抵抗値は、Ｒ１３＝Ｒ２３，Ｒ１４＝Ｒ２４，Ｒ１５＝Ｒ２５，Ｒ１６＝Ｒ２６に設定される。

このオペアンプ２０Ａでは、ガスセンサ１０を通常動作させるときは、スイッチＳＷ１２〜ＳＷ１４をオフにしておく。また、ガスセンサ１０の接続不良や断線異常や感度劣化度合等を検出するときは、スイッチＳＷ１２〜ＳＷ１４のいずれか１つをオン／オフさせる。スイッチＳＷ１２をオン→オフしたときはオフセット電圧が最大となるので最大振幅のパルス電圧が発生し、スイッチＳＷ１３をオン→オフしたときはオフセット電圧が中位となるので中位の振幅のパルス電圧が発生し、スイッチＳＷ１４をオン→オフしたときはオフセット電圧が最小となるので最小振幅のパルス電圧が発生する。これにより、数ｍＶ〜数十ｍＶの複数のパルス電圧を発生できるので、複数種類のガスセンサ１０の接続不良や断線異常や感度劣化度合等の検出が可能となる。

図３は図１で説明したオペアンプ２０の別の変形例のオペアンプ２０Ｂを示す回路であり、図２で説明したスイッチＳＷ１２〜ＳＷ１４に加えて、抵抗Ｒ２４〜Ｒ２６を短絡するスイッチＳＷ２２、抵抗Ｒ２５とＲ２６を短絡するスイッチＳＷ２３、抵抗Ｒ２６を短絡するスイッチＳＷ２４をさらに追加したものである。

このオペアンプ２０Ｂでは、ガスセンサ１０を通常動作させるときは、スイッチＳＷ１２〜ＳＷ１４、ＳＷ２２〜ＳＷ２４をオフにしておく。また、ガスセンサ１０の接続不良や断線異常や感度劣化度合等を検出する際に、スイッチＳＷ１２〜ＳＷ１４をオン／オフさせる場合は、図２の回路の場合と同様に、大、中、小のパルス電圧が発生するが、スイッチＳＷ２２〜ＳＷ２４をオン／オフさせる場合は、図２の回路の場合と異なり、大、中、小の負パルス電圧が発生する。このように、図３のオペアンプ２０Ｂでは、正および負の複数のパルス電圧（±数ｍＶ〜±数十ｍＶ）を発生させることができる。

なお、以上説明した実施例では、定電位電解式ガスセンサ１０について、その接続不良や断線異常や感度劣化度合等の検出の場合について説明したが、定電位電解式ガスセンサに限られるものではなく、照合極を有しないものも含めてすべての種類の電気化学センサについて、接続不良や断線異常や感度劣化度合等の検出が可能となるものである。

１０：定電位電解式ガスセンサ、１１：作用極、１２：対極、１３：照合極
２０：オペアンプ、２１：正転入力端子、２２：反転入力端子、２３：出力端子、２４：電流 源、２５：反転増幅器
３０：オペアンプ、３１：正転入力端子、３２：反転入力端子、３３：出力端子
４０：基準電圧発生回路
５０：電圧計
６０：電流計
７０：オペアンプ
８０：パルス電圧発生回路

Claims (3)

1. 収納された電解液に少なくとも作用極と対極が浸漬された電気化学センサと、所定の電圧を前記対極に印加するポテンショスタット回路とを備え、前記電気化学センサの出力電流又は該出力電流を電圧変換した出力電圧を測定する電気化学計測装置において、
   前記ポテンショスタット回路をオペアンプで構成し、該オペアンプにオフセット電圧発生手段を設けたことを特徴とする電気化学計測装置。
2. 請求項１に記載の電気化学計測装置において、
   前記オペアンプの正転出力側負荷抵抗と反転出力側負荷抵抗を同一の抵抗値に設定し、前記オフセット電圧発生手段を、前記正転出力側負荷抵抗と前記反転出力側負荷抵抗の少なくとも一方の抵抗の抵抗値を別の抵抗値に切り替えるスイッチで構成したことを特徴とする電気化学計測装置。
3. 請求項２に記載の電気化学計測装置において、
   前記スイッチは、前記正転出力側負荷抵抗と前記反転出力側負荷抵抗の少なくとも一方の抵抗の抵抗値を、互いに異なった複数の抵抗値のうちから選択した１つの抵抗値に設定する複数のスイッチからなることを特徴とする電気化学計測装置。