JPH10227757A - 限界電流酸素センサを用いる高い酸素濃度の測定装置 - Google Patents
限界電流酸素センサを用いる高い酸素濃度の測定装置Info
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- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 限界電流酸素センサに進入する前に、酸素サ
ンプルを９５％未満の濃度に薄める装置を提供すること
にある。 【解決手段】 この装置は、測定する空気と酸素サンプ
ルとの入力流の圧力を規制するレギュレータと、空気サ
ンプルとサンプルとの濃度の測定を可能にするバルブ
と、空気／サンプルの混合比を既知の空気サンプルの濃
度に基づいて計算し、既知の空気濃度と計算した混合比
とに基づいて、未知のサンプル濃度を酸素センサの出力
から計算するシステムとを搭載している。
ンプルを９５％未満の濃度に薄める装置を提供すること
にある。 【解決手段】 この装置は、測定する空気と酸素サンプ
ルとの入力流の圧力を規制するレギュレータと、空気サ
ンプルとサンプルとの濃度の測定を可能にするバルブ
と、空気／サンプルの混合比を既知の空気サンプルの濃
度に基づいて計算し、既知の空気濃度と計算した混合比
とに基づいて、未知のサンプル濃度を酸素センサの出力
から計算するシステムとを搭載している。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的に限界電流酸素
センサ、特に限界電流酸素センサを用いる高い酸素濃度
の測定装置に関する。
センサ、特に限界電流酸素センサを用いる高い酸素濃度
の測定装置に関する。
【０００２】
【従来技術】固形式の限界電流酸素センサが、大気の測
定や燃焼の制御から高機能の航空機にいたる広い範囲に
わたって用いられている。このようなアプリケーション
は、Ｌｉｓｔｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｉｎｃに譲渡さ
れた米国特許第５，０７１，４５３号に記載されてい
る。その基本構造として、直流で１．７〜３．０Ｖの加
熱電圧が印加され、４００〜７００℃の温度範囲で加熱
される、ディスク形状で、ＺｒＯ2−Ｙ2Ｏ3 を含有する
ジルコニア電解液を含んでいる。一対の多孔性白金電極
が、既知の電圧が印加されるジルコニア・ディスクの対
抗面側に設けてあるので、次に示すように、ディスクに
添加したサンプルの酸素濃度に関連するディスク内に限
界電流が発生することになる。その構造全体が、ディス
クの対抗面側の拡散穴で覆われている。
定や燃焼の制御から高機能の航空機にいたる広い範囲に
わたって用いられている。このようなアプリケーション
は、Ｌｉｓｔｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｉｎｃに譲渡さ
れた米国特許第５，０７１，４５３号に記載されてい
る。その基本構造として、直流で１．７〜３．０Ｖの加
熱電圧が印加され、４００〜７００℃の温度範囲で加熱
される、ディスク形状で、ＺｒＯ2−Ｙ2Ｏ3 を含有する
ジルコニア電解液を含んでいる。一対の多孔性白金電極
が、既知の電圧が印加されるジルコニア・ディスクの対
抗面側に設けてあるので、次に示すように、ディスクに
添加したサンプルの酸素濃度に関連するディスク内に限
界電流が発生することになる。その構造全体が、ディス
クの対抗面側の拡散穴で覆われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】限界電流センサは、動
作寿命の長い（例えば、１万時間以上）高精度（例え
ば、通常、±０．５％Ｏ2 ）で小形のように、従来技術
のセンサと比べると、数多くの長所を有することを特徴
にしている。
作寿命の長い（例えば、１万時間以上）高精度（例え
ば、通常、±０．５％Ｏ2 ）で小形のように、従来技術
のセンサと比べると、数多くの長所を有することを特徴
にしている。
【０００４】このようなセンサは、特に高い酸素濃度を
測定する時に、幾つかの制限のために、使用が難しいこ
とが知られている。特に、このようなセンサの出力特性
は、次の式から表される。出力 ＝ Ｃｌｎ（１−Ｏ2
％）、ここで、Ｃは定数である。
測定する時に、幾つかの制限のために、使用が難しいこ
とが知られている。特に、このようなセンサの出力特性
は、次の式から表される。出力 ＝ Ｃｌｎ（１−Ｏ2
％）、ここで、Ｃは定数である。
【０００５】従って、Ｏ2 ％＝１００％の場合、出力＝
Ｃｌｎ（１−１）＝∞。そこで、このタイプの殆どのセ
ンサは９５％未満の酸素濃度の動作だけ対象にしてい
る。このタイプの従来技術の酸素センサの限界について
の詳細は、１９８６年度の第６回センサ・シンポジウム
の議事録２５７〜２６０頁に、アキヨシ・アサダとトシ
オ・ウスイが述べている、限界電流式酸素センサの出力
特性を参照すること。
Ｃｌｎ（１−１）＝∞。そこで、このタイプの殆どのセ
ンサは９５％未満の酸素濃度の動作だけ対象にしてい
る。このタイプの従来技術の酸素センサの限界について
の詳細は、１９８６年度の第６回センサ・シンポジウム
の議事録２５７〜２６０頁に、アキヨシ・アサダとトシ
オ・ウスイが述べている、限界電流式酸素センサの出力
特性を参照すること。
【０００６】多くの応用事例において、動作寿命や小型
化などに関して、このようなセンサが提供する長所を利
用するために、限界電流酸素センサを用いて、９５％を
越える酸素濃度を測定することが望まれている。
化などに関して、このようなセンサが提供する長所を利
用するために、限界電流酸素センサを用いて、９５％を
越える酸素濃度を測定することが望まれている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、装置
は、酸素サンプル（１００％のＯ2 まで）を、限界電流
酸素センサに進入する前に９５％未満の濃度に薄める。
この装置は、測定する空気と酸素サンプルの入力流の圧
力を規制するレギュレータと、空気サンプルの濃度の測
定を可能にするバルブと、空気／サンプルの混合比を既
知の空気サンプルの濃度に基づいて計算し、既知の空気
濃度と計算した混合比とに基づいて、未知のサンプル濃
度を酸素センサの出力から計算するシステムとを搭載し
ている。
は、酸素サンプル（１００％のＯ2 まで）を、限界電流
酸素センサに進入する前に９５％未満の濃度に薄める。
この装置は、測定する空気と酸素サンプルの入力流の圧
力を規制するレギュレータと、空気サンプルの濃度の測
定を可能にするバルブと、空気／サンプルの混合比を既
知の空気サンプルの濃度に基づいて計算し、既知の空気
濃度と計算した混合比とに基づいて、未知のサンプル濃
度を酸素センサの出力から計算するシステムとを搭載し
ている。
【０００８】好ましい実施例では、更なるレギュレータ
が、変動する雰囲気の圧力（例えば、航空機における異
なる高度）で動作している時に、酸素センサに進入する
空気と酸素サンプルとの混合圧力を規制するために設け
てある。
が、変動する雰囲気の圧力（例えば、航空機における異
なる高度）で動作している時に、酸素センサに進入する
空気と酸素サンプルとの混合圧力を規制するために設け
てある。
【０００９】
【実施例】図１は、オリフィスＯＲＦ１とＯＲＦ２を介
してサンプルと空気との発生源に連なるチェック・バル
ブ（ＲＥＧ１）を具備するサンプル／空気圧力レギュレ
ータを搭載する、好ましい実施例に準じる装置を示す。
正規の動作で、レギュレータＲＥＧ１は、サンプルと空
気の圧力の各々を約Ｐ１（各々、Ｐ１’とＰ１”として
示す）に規制するために、所定の圧力Ｐ１で動作するよ
うに設定されている。
してサンプルと空気との発生源に連なるチェック・バル
ブ（ＲＥＧ１）を具備するサンプル／空気圧力レギュレ
ータを搭載する、好ましい実施例に準じる装置を示す。
正規の動作で、レギュレータＲＥＧ１は、サンプルと空
気の圧力の各々を約Ｐ１（各々、Ｐ１’とＰ１”として
示す）に規制するために、所定の圧力Ｐ１で動作するよ
うに設定されている。
【００１０】摺動ソレノイド・バルブ（ＳＶ１）は、規
制された酸素サンプル流をオリフィス（ＯＲＦ３）に交
互に接続するか又は規制された空気流をオリフィスＯＲ
Ｆ３に信号プロセッサ・コントロール（ＳＰＣ）の制御
のもとで接続する。信号プロセッサ・コントローラ（Ｓ
ＰＣ）は、次に詳細に説明するように、測定した及び既
知の酸素濃度に基づいて計算するために、酸素センサ
（Ｓ）にも連なっている。規制された空気流は更なるオ
リフィス（ＯＲＦ４）にも流れている。オリフィスＯＲ
Ｆ３とＯＲＦ４は酸素センサ（Ｓ）のハウジング（室
内）に連なっている。
制された酸素サンプル流をオリフィス（ＯＲＦ３）に交
互に接続するか又は規制された空気流をオリフィスＯＲ
Ｆ３に信号プロセッサ・コントロール（ＳＰＣ）の制御
のもとで接続する。信号プロセッサ・コントローラ（Ｓ
ＰＣ）は、次に詳細に説明するように、測定した及び既
知の酸素濃度に基づいて計算するために、酸素センサ
（Ｓ）にも連なっている。規制された空気流は更なるオ
リフィス（ＯＲＦ４）にも流れている。オリフィスＯＲ
Ｆ３とＯＲＦ４は酸素センサ（Ｓ）のハウジング（室
内）に連なっている。
【００１１】従って、正規の動作中に、規制されたサン
プルと空気との流れがセンサ室内に送られ、そこで混合
作用が行われるが、空気レベルの確認中に、センサの両
側では、規制された空気流しか受け取らないことにな
る。
プルと空気との流れがセンサ室内に送られ、そこで混合
作用が行われるが、空気レベルの確認中に、センサの両
側では、規制された空気流しか受け取らないことにな
る。
【００１２】第２のレギュレータ（ＲＥＧ２）は、セン
サが変動する周囲の圧力（例えば、航空機の応用事例の
場合）のもとで動作している時に、センサＳにおいて混
合された酸素と空気の圧力Ｐ２を規制するように好都合
に設けてある。地上レベルでは、レギュレータＲＥＧ２
は、Ｐ２が周囲圧力に等しいので必要とされない。
サが変動する周囲の圧力（例えば、航空機の応用事例の
場合）のもとで動作している時に、センサＳにおいて混
合された酸素と空気の圧力Ｐ２を規制するように好都合
に設けてある。地上レベルでは、レギュレータＲＥＧ２
は、Ｐ２が周囲圧力に等しいので必要とされない。
【００１３】サンプル圧力Ｐ１’と空気圧力Ｐ１”とＰ
２とが一定なので、オリフィスＯＲＦ３（Ｆｓで示す流
れ）とＯＲＦ４（Ｆａで示す流れ）を通る流れも一定に
なる。そこで、空気とサンプルの混合比も一定になる。
２とが一定なので、オリフィスＯＲＦ３（Ｆｓで示す流
れ）とＯＲＦ４（Ｆａで示す流れ）を通る流れも一定に
なる。そこで、空気とサンプルの混合比も一定になる。
【００１４】較正中に、既知のガス（例えば、９９％の
Ｏ2 較正ガス（Ｃｃ））が、既知の酸素濃度（例えば、
２０．９％のＯ2 空気（Ｃａ））を含有する空気と共に
サンプルとしてサンプル・ポートに挿入される。空気
（Ｃａ）の酸素濃度は、航空機が地上にある間に、励磁
ソレノイドＳＶ１で較正中に決まる。混合濃度が、後の
使用のために既知の濃度と共に記録される。従って、９
９％Ｏ2 を較正ガス（Ｃｃ）として用いる時に、混合値
が６８％である場合に、Ｃｃ＝９９％とＣｒ＝６８％と
Ｃａ＝２０．９％とが、較正パラメータとして記録され
る。
Ｏ2 較正ガス（Ｃｃ））が、既知の酸素濃度（例えば、
２０．９％のＯ2 空気（Ｃａ））を含有する空気と共に
サンプルとしてサンプル・ポートに挿入される。空気
（Ｃａ）の酸素濃度は、航空機が地上にある間に、励磁
ソレノイドＳＶ１で較正中に決まる。混合濃度が、後の
使用のために既知の濃度と共に記録される。従って、９
９％Ｏ2 を較正ガス（Ｃｃ）として用いる時に、混合値
が６８％である場合に、Ｃｃ＝９９％とＣｒ＝６８％と
Ｃａ＝２０．９％とが、較正パラメータとして記録され
る。
【００１５】飛行状態の測定中に、空気レベルが最初に
確認され（すなわち、ソレノイド・バルブＳＶ１が励磁
され）、センサＳを用いて、酸素の空気源の濃度を調べ
る（例えば、２０．７％のＯ2 空気濃度（Ｃａ’））。
この濃度はサンプル濃度の計算に用いられる。
確認され（すなわち、ソレノイド・バルブＳＶ１が励磁
され）、センサＳを用いて、酸素の空気源の濃度を調べ
る（例えば、２０．７％のＯ2 空気濃度（Ｃａ’））。
この濃度はサンプル濃度の計算に用いられる。
【００１６】次に、ソレノイド・バルブＳＶ１は、セン
サＳが空気とサンプルとの混合物（規制された流れのＦ
ａとＦｓ）を受け取るように再び励磁される。空気濃度
と混合比が分かると、未知のサンプルの酸素濃度が、前
述のセンサ出力特性に準じて且つ多くの計算方式のなか
の任意の１つの方式を用いて、センサＳに進入した希薄
サンプルに基づいて、酸素センサの出力電流から計算で
きる。最も単純な計算方式のなかの１つは線形近似概算
方式を用いている。前述の事例の濃度を用いると、線形
近似概算は次のようにして行われる。
サＳが空気とサンプルとの混合物（規制された流れのＦ
ａとＦｓ）を受け取るように再び励磁される。空気濃度
と混合比が分かると、未知のサンプルの酸素濃度が、前
述のセンサ出力特性に準じて且つ多くの計算方式のなか
の任意の１つの方式を用いて、センサＳに進入した希薄
サンプルに基づいて、酸素センサの出力電流から計算で
きる。最も単純な計算方式のなかの１つは線形近似概算
方式を用いている。前述の事例の濃度を用いると、線形
近似概算は次のようにして行われる。
【００１７】１． ９９％の較正ガス（Ｃｃ）と２０．
９％の空気（Ｃａ）とで較正中に、較正値（Ｃｒ）は６
８％として読み取られる。これらの濃度の全てが、前述
のように、後の検索のために較正パラメータとして保存
される。 ２． 正規の動作（例えば、飛行試験）中に、混合濃度
値（Ｃｍ）が６８．３％であると想定し、空気状態の確
認中に、空気濃度（Ｃａ’）が２０．７％だったと想定
すると、 ３． 線形近似概算方式を用いると、サンプル濃度（Ｃ
ｓ）は、
９％の空気（Ｃａ）とで較正中に、較正値（Ｃｒ）は６
８％として読み取られる。これらの濃度の全てが、前述
のように、後の検索のために較正パラメータとして保存
される。 ２． 正規の動作（例えば、飛行試験）中に、混合濃度
値（Ｃｍ）が６８．３％であると想定し、空気状態の確
認中に、空気濃度（Ｃａ’）が２０．７％だったと想定
すると、 ３． 線形近似概算方式を用いると、サンプル濃度（Ｃ
ｓ）は、
【数４】 又は
【数５】
【００１８】前述のように、センサＳは酸素濃度を０〜
９５％にわたって測定できる。選択したオリフィスのサ
イズに基づいて、希薄又は混合したサンプルは、２５〜
９５％、好ましくは５０〜８０％の酸素濃度を有するこ
とになる。混合比は、サンプルと空気との流れ（Ｆｓと
Ｆａ）に基づいている。流れは、オリフィス・サイズ及
びＰ１’〜Ｐ２の範囲とＰ１”〜Ｐ２の範囲の差動圧力
に基づいている。希望した流れ又は混合比に基づいてオ
リフィスのサイズを計算できることは、当業者には自明
のことと思われる。
９５％にわたって測定できる。選択したオリフィスのサ
イズに基づいて、希薄又は混合したサンプルは、２５〜
９５％、好ましくは５０〜８０％の酸素濃度を有するこ
とになる。混合比は、サンプルと空気との流れ（Ｆｓと
Ｆａ）に基づいている。流れは、オリフィス・サイズ及
びＰ１’〜Ｐ２の範囲とＰ１”〜Ｐ２の範囲の差動圧力
に基づいている。希望した流れ又は混合比に基づいてオ
リフィスのサイズを計算できることは、当業者には自明
のことと思われる。
【００１９】
【発明の効果】本発明の代替実施例と変形実施例は、特
許請求の範囲に記載する本発明の精神と範囲から逸脱し
ない限り可能である。
許請求の範囲に記載する本発明の精神と範囲から逸脱し
ない限り可能である。
【図１】好ましい実施例について、限界電流酸素センサ
を用いる高い酸素濃度の測定装置を示す略図である。
を用いる高い酸素濃度の測定装置を示す略図である。
Ｃｃ 較正ガス Ｃａ 空気 ＯＲＦ１ オリフィス ＯＲＦ２ オリフィス ＲＥＧ１ チェック・バルブ（レギュレータ） Ｓ センサ ＳＰＣ 信号プロセッサ・バルブ ＳＶ１ 摺動ソレノイド・バルブ
Claims (8)
- 【請求項１】 高い濃度の酸素を測定する装置であっ
て、 既知の酸素濃度を有する較正ガス（Ｃｃ）又は１００％
までの未知の酸素濃度を有するサンプル・ガス（Ｃｓ）
のいずれかのサンプル流を受けるサンプル・ポートと、 所定の酸素濃度を有する周囲空気（Ｃａ）の空気流を受
ける周囲空気ポートと、 前記のサンプル流と前記の空気流との混合物を受ける前
記のサンプル・ポートと前記の周囲空気ポートとに連な
る入力を備える限界電流酸素センサにおいて、前記のサ
ンプル流は較正ガスと空気流との前記の混合物における
酸素成分を示す較正値（Ｃｒ）を生成する較正ガスであ
り、前記のサンプル流はサンプル・ガスと空気流との前
記の混合物における酸素成分を示す混合濃度値（Ｃｍ）
を生成するサンプル・ガスである、前記の限界電流酸素
センサと、 前記の較正ガスの前記の既知の酸素濃度（Ｃｃ）と前記
の空気流の前記の所定の酸素濃度（Ｃａ）と前記の較正
値（Ｃｒ）と前記の混合濃度値（Ｃｍ）とを、前記のサ
ンプル・ガスにおける前記の未知の酸素濃度（Ｃｓ）の
計算結果に対応して、受けて保存する、前記の限界電流
酸素センサに連なる、コントローラとを搭載する、前記
の装置。 - 【請求項２】 各々前記のサンプル流と前記の空気流と
を所定の圧力に規制するために、前記のサンプル・ポー
トと雰囲気空気ポートとに連なる、レギュレータを更に
搭載する、特許請求の範囲第１項に記載の装置。 - 【請求項３】 センサが変動する雰囲気空気の圧力のも
とで動作する時に、前記の混合物の圧力を第２の所定の
圧力に更に規制する更なるレギュレータを更に搭載す
る、特許請求の範囲第２項に記載の装置。 - 【請求項４】 前記のセンサに対する（１）前記のサン
プル流又は（２）前記の空気流のいずれかを選択するた
めに、前記のセンサの第１の入力と前記のレギュレータ
とに連なるバルブを更に搭載し、前記のセンサの第２の
入力は前記の周囲空気ポートに連なり、前記のセンサは
前記のバルブが前記のサンプル流を選択する時に前記の
混合物の酸素濃度（Ｃｍ）を測定し、前記のセンサは前
記のバルブが前記の空気流を選択する時に前記の空気流
の酸素濃度（Ｃａ）を測定することを特徴にする、特許
請求の範囲第２項に記載の装置。 - 【請求項５】 前記のコントローラは、線形近似概算方
式から前記のサンプル・ガスの前記の未知の酸素濃度
（Ｃｓ）を計算する手段を更に搭載している、特許請求
の範囲第１項に記載の装置。 - 【請求項６】 前記の計算手段は、前記の線形近似概算
を次のようにして行うことを特徴にする、特許請求の範
囲第５項に記載の装置。 【数１】 - 【請求項７】 限界電流酸素センサを用いて、サンプル
・ガスの１００％までの高い酸素濃度を測定する方法で
あって、 既知の酸素濃度を有する較正ガス（Ｃｃ）と既知の酸素
濃度を有する周囲空気（Ｃａ）との混合物を、較正ガス
と空気との前記の混合物における酸素成分を示す較正値
（Ｃｒ）を対応して生成する、前記の限界電流酸素セン
サに進入させ、 前記の既知の酸素濃度（ＣｃとＣａ）と前記の較正値
（Ｃｒ）とを保存し、 前記のサンプル・ガスと周囲空気との混合物を、サンプ
ル・ガスと空気との前記の混合物における酸素成分を示
す混合濃度値（Ｃｍ）を対応して生成する、前記の限界
電流酸素センサに進入させ、 前記の混合濃度値（Ｃｍ）を保存し、 前記の既知の酸素濃度（ＣｃとＣａ）と前記の較正値
（Ｃｒ）と前記の混合濃度値（Ｃｍ）とを検索し、 前記のサンプル・ガスの酸素濃度（Ｃｓ）を次のよう
に、 【数２】 計算するステップを備えている、前記の方法。 - 【請求項８】 前記の周囲空気を、前記の周囲空気の酸
素成分を示す調整された空気濃度値（Ｃａ’）を対応し
て生成する、前記の限界電流センサに進入させて、前記
のサンプル・ガスの酸素濃度（Ｃｓ）を次のように 【数３】 計算するステップを備えている、特許請求の範囲第７項
に記載の方法。
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