JPH0743340B2

JPH0743340B2 - 酸素濃度検出装置

Info

Publication number: JPH0743340B2
Application number: JP60079557A
Authority: JP
Inventors: 裕一玉置
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1985-04-15
Filing date: 1985-04-15
Publication date: 1995-05-15
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: JPS61237047A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は化学実験装置若しくは測定装置に用いられ、被
測定雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出装置に
関する。

（ロ）従来の技術本発明の適用対象であるジルコニア式センサー（１）を
第２図に示す。センサー（１）は酸化ジルコニウム（以
下ジルコニアと称す。）板に電圧を印加すると、高温で
酸素イオンの移動が起こることを利用して雰囲気中の酸
素濃度を検出するもので、ジルコニア板（２）の片側に
小孔（３）を穿設したキャップ（４）を被せ、ジルコニ
ア板（２）の両面には更に電極（５）（６）が取り付け
てある。電極（５）（６）はそれぞれリード線（７）
（８）が取り付けられ、このジルコニア板（２）をヒー
タ（10）によって例えば350℃等の一定の高温度に加熱
する。

第３図はセンサー（１）の特性を示した図である。
（V_S）はリード線（７）（８）を介し電極（５）（６）
間に印加される電圧であり、（Ｉ）はリード線（８）を
流れる電流である。（L₁）、（L₂）、（L₃）及び（L₄）
はそれぞれ酸素濃度が５％、20％、40％及び80％の時の
電圧（V_S）と電流（Ｉ）の関係を示す曲線である。即ち
図より一点鎖線（L₅）（L₆）で挾まれた範囲では一つの
酸素濃度に対して一つの電流（Ｉ）の値が定まることが
分る。この電流を限界電流と言う。限界電流を与える電
圧（V_S）は酸素濃度により異なってくる。

第５図はセンサー（１）を利用した酸素濃度検出装置の
従来の電気回路を示している。（ZD）は定電圧（V_E）を
作るツェナーダイオード、（Ｃ）はノイズ吸収用のコン
デンサであり、（V_E）と同一のコンデンサ（Ｃ）の端子
電圧（V_F1）は演算増幅器（100）の非反転入力（＋）に
入力される。演算増幅器（100）は抵抗（101）（102）
と共い、それらの値によって決まる所定のゲインを有し
た非反転増幅器（111）を構成し、その出力電圧（V₁₁）
にはセンサー（１）のリード線（７）が接続される。セ
ンサー（１）のリード線（８）は抵抗（104）に接続さ
れ、抵抗（104）の端子電圧（V₂₁）は、抵抗（106）（1
07）と共に、それらの値で決まる所定のゲインを有する
非反転増幅器（112）を構成する演算増幅器（108）の非
反転入力（＋）に入力される構成である。

（ハ）発明が解決しようとする問題点第５図の回路に於いて、センサー（１）の電極（５）
（６）間に印加される電圧（V_S1）は電圧（V₁₁）と（V
₂₁）の差の値である。ここで抵抗（104）の抵抗値を極
めて小さい値とし、非反転増幅器（112）のゲインを大
なる値とすれば、リード線（８）を流れる電流（Ｉ）の
変化に対して電圧（V_S1）は殆ど影響されず、（V₁₁）は
一定であるから、第３図中点線で示す略一定の値（例え
ば1.5V）となる。この状態でセンサー（１）の設けられ
た雰囲気中の酸素濃度が変化すると電流（Ｉ）が変化す
るから（V₂₁）の値が（微小ではあるが）変化するの
で、それを増幅した電圧（V₀₁）の値により酸素濃度を
検出することができるが、電圧（V_S1）が（L₅）と
（L₆）の間にあるのは、高々酸素濃度が30％程の値まで
であるから、それ以上の濃度になると限界電流の外に出
てしまい、測定不可能となってしまう。この状態は第６
図に示される。即ち、酸素濃度が30％までは濃度の変化
に応じて出力電圧（V₀₁）も変化するが、それより上の
値になると飽和状態となり濃度に応じた出力電圧とはな
らなくなってしまう。

この様な不都合は、抵抗（104）の値が大きいと電流
（Ｉ）による影響が生ずるため、第３図の点線（V_S1）
が更に負の係数で傾くようになるので、更に低い濃度ま
でしか限界電流の範囲に入らなくなるので、一層深刻な
問題となる。

（ニ）問題点を解決するための手段本発明は斯かる問題点を解決するために、ジルコニア板
２の片側に小孔３を形成したキャップ４を被せ、前記ジ
ルコニア板２両側に設けた電極5,6に流れる電流値によ
って雰囲気中の酸素濃度を検出するジルコニア式センサ
ー１と、このセンサーの入力側の電極５に出力端子を接
続する非反転増幅器19と、前記センサー１の出力側の電
極６に非反転入力端子を接続する非反転増幅器25とで構
成し、前記非反転増幅器19の非反転入力端子に定電圧V_E
を分圧する抵抗15を介して定電圧端子V_CCと、前記非反
転増幅器25の出力電圧V₀を分圧する抵抗28を介してこの
非反転増幅器25の出力端子とを接続したものである。

（ホ）作用本発明は上記のように構成したことにより、ジルコニア
式センサーの電極に印加する電圧を酸素濃度に応じて出
力される出力電圧をフィードバックして変化させて各酸
素濃度の限界電流の範囲内に逐次変更させられ、０〜10
0％の全ての範囲での酸素濃度の検出を可能にしてい
る。

（ヘ）実施例図面により実施例を説明する。適用するジルコニア式セ
ンサーは第３図の特性を有した第２図と同一であり、
又、第１図中第５図と同一符号のものは同一であるとす
る。第１図は本発明の酸素濃度検出装置（14）の回路を
示し、定電圧（V_E）は抵抗（15）を介してコンデンサ
（Ｃ）に接続され、コンデンサ（Ｃ）の端子電圧（V_F）
は演算増幅器（16）の非反転入力（＋）に入力される。
演算増幅器（16）は抵抗（17）（18）と共に所定のゲイ
ンを有した非反転増幅器（19）を構成している。演算増
幅器（16）の出力電圧（V₁）にはセンサー（１）のリー
ド線（７）が接続され、リード線（８）は抵抗（21）に
接続される。抵抗（21）の端子電圧（V₂）は抵抗（23）
（24）と共に所定のゲインを有した非反転増幅器（25）
を構成する演酸増幅器（26）の非反転入力（＋）に入力
される。演算増幅器（26）の出力電圧（V₀）は抵抗（2
8）を介してコンデンサ（Ｃ）に接続される。

本発明の回路では電圧（V_F）は電圧（V_E）と出力電圧
（V₀）を抵抗（15）（28）で分圧した値であり、出力電
圧（V₀）の変化に比例して変化し、（V₀）が上昇すれば
（V_F）は上昇し、下降すれば同様に下降する様になる。

一方、センサー（１）の雰囲気中の酸素濃度が例えば上
昇すると第３図より電極（６）とリード線（８）を流れ
る電流（Ｉ）が上昇するので電圧（V₂）も上昇する。
（V₂）が上昇すると、それを増幅した出力電圧（V₀）も
上昇するから、前述の如く（V_F）が上昇し、同様に増幅
された電圧（V₁）も上昇する。この（V₁）の上昇分を
（V₂）の上昇分より大なる如く設定しておけば（V₁）
（V₂）の差である電極（５）（６）間の印加電圧
（V_S0）も上昇する。同様にセンサー（１）周囲の酸素
濃度が減少すると、電流（Ｉ）が減少するため電圧
（V₂）が下降し、上述と同様に最終的に（V₁）が（V₂）
の下降よりも大きい割合で降下するので印加電圧
（V_S0）が降下する。この模様を第３図中の直線状実線
で示す。即ち、各抵抗の値を適当に設定する事によって
酸素濃度が変化しても常に電圧（V_S0）が（L₅）と
（L₆）の間即ち限界電流を与える範囲中に自動的に移行
するようになる。この時の酸素濃度に対する出力電圧
（V₀）の値を第４図に示す。即ち酸素濃度０％から略10
0％の範囲で、それに比例した出力電圧（V₀）を得る事
ができる。又、ここでは抵抗（21）の値の制約が少なく
なる。

第２図に示す小孔（３）付キャップ（４）を用いたジル
コニア式センサー（１）は従来の標準ガスを用いるジル
コニア式センサーに比してセンサー自体が小型化でき、
又、加熱用のヒータの発熱量が小さくて済む等種々の利
点を有するものである。しかし乍ら従来では酸素濃度の
測定範囲が狭いと言う欠点があったが、本発明によれば
広範囲な測定が可能となり、前述の利点のみを享受でき
るようになる。

（ト）発明の効果本発明によれば、ジルコニア板２の片側に小孔３を形成
したキャップ４を被せ、前記ジルコニア板２両側に設け
た電極5,6に流れる電流値によって雰囲気中の酸素濃度
を検出するジルコニア式センサー１と、このセンサーの
入力側の電極５に出力端子を接続する非反転増幅器19
と、前記センサー１の出力側の電極６に非反転入力端子
を接続する非反転増幅器25とで構成し、前記非反転増幅
器19の非反転入力端子に定電圧V_Eを分圧する抵抗15を介
して定電圧端子V_CCと、前記非反転増幅器25の出力電圧V
₀を分圧する抵抗28を介してこの非反転増幅器25の出力
端子とを接続したので、ジルコニア式センサー１に入力
する電圧V₁を増幅する非反転増幅器19の非反転入力端子
に出力側の非反転増幅器25の出力電圧V₀と定電圧V_Eとを
抵抗15,28で分圧した電圧V_Fを入力し、前記センサー１
の電極5,6間へ印加する印加電圧を酸素濃度に応じて出
力側の非反転増幅器25の出力電圧V₀に比例させることが
でき、酸素濃度の変化に応じてこの酸素濃度の限界電流
の範囲内に印加電圧を変化させることができ、０〜100
％の全ての範囲の測定を可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の実施例を示し、第１図は酸
素濃度検出装置の電気回路図、第２図はジルコニア式セ
ンサーの断面図、第３図はジルコニア式センサーの特性
を示す図、第４図は第１図の電気回路の出力電圧を示す
図であり、第５図は従来の電気回路図、第６図は第５図
の電気回路の出力電圧を示す図である。（１）……ジルコニア式センサー、（２）……ジルコニ
ア板、（３）……小孔、（４）……キャップ、（５）
（６）……電極、（14）……酸素濃度検出装置、
（V_S0）……印加電圧。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ジルコニア板２の片側に小孔３を形成した
キャップ４を被せ、前記ジルコニア板２両側に設けた電
極5,6に流れる電流値によって雰囲気中の酸素濃度を検
出するジルコニア式センサー１と、このセンサーの入力
側の電極５に出力端子を接続する非反転増幅器19と、前
記センサー１の出力側の電極６に非反転入力端子を接続
する非反転増幅器25とで構成し、前記非反転増幅器19の
非反転入力端子に定電圧V_Eを分圧する抵抗15を介して定
電圧端子V_CCと、前記非反転増幅器25の出力電圧V₀を分
圧する抵抗28を介してこの非反転増幅器25の出力端子と
を接続したことを特徴とする酸素濃度検出装置。