JPH11190710A

JPH11190710A - 酸素濃度測定方法及び酸素濃度検出センサ

Info

Publication number: JPH11190710A
Application number: JP36036897A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Saitou; 多正齋藤
Original assignee: Ohizumi Mfg Co Ltd
Current assignee: Ohizumi Mfg Co Ltd
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 1999-07-13

Abstract

(57)【要約】【課題】サーミスタ式の絶対湿度センサを酸素センサ
に用いて環境の酸素濃度を測定する。【解決手段】対のサーミスタを有している。一方のサ
ーミスタは、酸素ガスの検知用、他方のサーミスタは温
度補償用である。酸素ガス検知用のサーミスタは、酸素
ガス雰囲気に触れて酸素ガス濃度に比例して生ずる環境
の温度変化を検知し、温度補償用サーミスタは環境から
隔離されて基準となる温度を検知し、両出力差から環境
の酸素濃度に比例した出力が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高濃度酸素雰囲気中に
設置して酸素濃度を測定する方法と、その測定に用いる
酸素濃度検出用センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】雰囲気中の酸素濃度、例えば排ガス中の
酸素を連続的に測定する方法として、従来より磁気式と
電気化学式の方法が知られている。

【０００３】磁気式は、常磁性体である酸素分子が磁気
内で磁化された際に生ずる吸収力を利用し、電気化学式
は、酸素の電気化学的酸化還元反応を利用するものであ
る。現在プロセス用に使用されている酸素濃度計として
は、磁気方式と、ジルコニア方式が多い。

【０００４】磁気式は選択性がよく構造も簡単であるが
圧力の影響を受けやすいという欠点がある。一方、ジル
コニア方式は、ジルコニアに、数百℃の高温で酸素イオ
ンに対して導電性をもたせたものであり、ジルコニアの
両端に酸素分圧の異なるガスを導入すると、酸素分圧の
違いによって、酸素濃淡電池の作用が起きるという現象
を利用したものである（現代商品大辞典新商品版東
洋経済新報社昭６１発行Ｐ４４７参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の酸素濃度計は、
排ガスなど、各種の成分が含まれている混合ガス中から
酸素ガスを選択的に抽出してガス濃度を測定するもので
ある。

【０００６】一方、いわゆるガスセンサとして白金線を
触媒とした接触燃焼式やガスによる半導体の電気抵抗の
変化を利用した半導体方式のガスセンサがある。このよ
うなガスセンサは、手軽に用いることができるが、検出
ガスの選択性がなく、各種成分を含むガス総量の濃度が
検知される。このため、都市ガスやプロパンガスのガス
漏れ検知用あるいは火災検知用として用いたときにその
威力を発揮できる。

【０００７】本発明の目的は、検出ガスに選択性のない
いわゆるガスセンサを用いて特定の使用のもとで酸素濃
度の測定を行う方法とその方法に用いる酸素濃度検出セ
ンサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による酸素濃度測定方法においては、対のサ
ーミスタを用いて雰囲気の酸素濃度を測定する酸素濃度
測定方法であって、一方のサーミスタは、酸素ガスの検
知用、他方のサーミスタは温度補償用であり、他のガス
の影響を受けない、又は他のガスの濃度が既知の条件の
下で酸素ガス検知用サーミスタに酸素雰囲気の温度を検
出させ、温度補償用サーミスタに酸素雰囲気の影響を受
けない空間の温度を基準温度として検出させ、両サーミ
スタの検出温度の出力差から酸素ガス濃度を正の電圧変
化として出力させるものである。

【０００９】また、対のサーミスタを有する酸素濃度検
出センサであって、対のサーミスタのうちの一方のサ
ーミスタは、酸素ガスの検知用、他方のサーミスタは、
温度補償用であり、両サーミスタはブリッジ回路に組込
まれ、自己発熱し、酸素ガス検知用サーミスタは、酸
素ガス雰囲気に触れ、酸素ガス濃度に比例して生ずる環
境の温度変化を検出するものであり、温度補償用サーミ
スタは、環境から隔離された空間の温度を基準温度とし
て検知するものである。

【００１０】また、酸素検出器と、温度補償器とをホル
ダ上に有する酸素濃度検出センサであって、酸素検出器
と、温度補償器とは、ホルダに取付けられたキャップ内
にそれぞれサーミスタを収容したものであり、一方のキ
ャップは気密に封止され、他方のキャップは、外気に通
ずる小孔を有するものであり、酸素検出器は、外気と通
ずるキャップ内にサーミスタを収容したものであり、サ
ーミスタのリード線は、ホルダを通して外部に引出さ
れ、温度補償器は、気密に封止されたキャップ内にサー
ミスタを収容したものであり、サーミスタのリード線
は、ホルダを通して外部へ引出され、酸素検出器と、温
度補償器のキャップは互いに接近して配置されたもので
ある。

【００１１】また、酸素検出器と、温度補償器とは、防
爆構造体に格納されているものである。

【００１２】本発明は、絶対湿度の測定に用いられてき
た対のサーミスタを有する絶対湿度センサを、他のガス
の影響を受けないか又は他のガスの濃度が既知の条件の
下で酸素濃度の測定に使用するものである。上記絶対湿
度センサは次のごとき構成のものである。すなわち、そ
れぞれ中空ケース又はキャップ内に内装された対のサー
ミスタを有し、ケース又はキャップは別個又は互いに隔
離された一室と他室とを形成し、一室は気密に封止さ
れ、他室は、外気と連通する孔を有するものであり、対
のサーミスタは、感湿器と、温度補償用であり、感湿器
は、外気と連通するケース又はキャップの一室にサーミ
スタを収容したものであり、環境の温度を検知し、温度
補償器は、気密に封止されたケース又はキャップの他室
にサーミスタを収容したものであり、基準温度として外
部から隔離された空間内の温度を検知するものである。
絶対湿度の測定値は、感湿器及び温度補償器を含むブリ
ッジ回路を用いて出力される。絶対湿度センサを酸素濃
度を測定する酸素濃度検出センサとして用いるときに
は、感湿器は、酸素検出器であり、温度補償器は、酸素
濃度検出センサとして使用するときにも温度補償器であ
ることには変りがない。

【００１３】以下に本発明に用いる酸素濃度検出センサ
の一実施形態を示すが、本発明に用いる酸素濃度検出セ
ンサは、以下の実施形態に限られるものではない。

【００１４】図１において、本発明による酸素濃度検出
センサは、ホルダ１に、酸素検出器２と、温度補償器３
とを設置し、酸素検出器２及び温度補償器３を必要によ
り、フード４で覆い、また、ホルダ１の裏面にはカバー
５が取付けられ、カバー５内で外部配線６を酸素検出器
２および温度補償器３に電気的に接続している。

【００１５】本発明において、酸素検出器２と、温度補
償器３とは、図２に示すように、キャップ７内にサーミ
スタ８を収容したものであり、キャップ７はベース９に
て係止され、ベース９にはリード線１０、１０の対が取
付けられている。サーミスタ８には、本実施形態におい
ては、ガラス封止型マイクロチップサーミスタを用いて
いる。サーミスタ８は、端子線１１として対の白金線を
有し、この白金線がサーミスタ８の両端から互いに逆方
向に引き出され、各々の端子線１１は、ベース９の長手
方向両端に保持された対のリード線１０、１０にそれぞ
れ結線されている。

【００１６】キャップ７は、両端縁に曲縁が付された略
直方体の中空容器であり、下面に開口を有し、その開口
縁をベース９に係合させてサーミスタ８をキャップ７内
に封止したものである。

【００１７】酸素検出器２に使用するキャップ７には、
その一部に小孔１２を開口してキャップ７内を外気に連
通させているが、温度補償器に用いるキャップ７には小
孔がなく、ベース９によって気密に封止されている。ホ
ルダ１は、キャップとの溶接の都合があるものの、でき
る限り熱伝導性に優れた金属板を使用するのが望まし
い。ホルダ１の板面には、酸素検出器２および温度補償
器３のリード線１０、１０を挿し込むべき挿入孔１３の
対が互いに近接して開口されており、酸素検出器２およ
び温度補償器３は、それぞれのリード線が挿入孔１３内
に差し込まれて互いに近接して配置され、ホルダ１の板
面には溶接によって固定されている。

【００１８】なお、酸素検出器２および温度補償器３
は、それぞれのベース９の下面がホルダ１の板面に溶接
接合されるのであるが、ベース９とホルダ１の板面との
溶接接合性が悪いときには、ベースを溶接すべきホルダ
の板面一部をポンチなどで叩き、その打痕による突起１
４を付して溶接による接合強度を高める。溶接は、スポ
ット溶接で足りるが、ベース９の全円周をシーム溶接す
ればより確実に固定できる。

【００１９】図３に、ホルダ１の下面に引き出された酸
素検出器２および温度補償器３の各リード線１０、１
０、…と、出力線及び共通線を有する外部配線１５との
接続要領を示す。

【００２０】本発明においては、リードフレーム１６を
介在させて酸素検出器２および温度補償器３の各リード
線１０と、外部配線１５とを接続するものである。図３
（ａ）において、ホルダ１の裏面には、酸素検出器２お
よび温度補償器３には、各々２本ずつのリード線１０
（以下１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとして区別す
る）が引き出されており、各１本が出力端子、他の１本
が共通端子である。

【００２１】酸素検出器２および温度補償器３が取付け
られたホルダ１をリードフレーム１６の搬送ラインに搬
入するに際し、矢印にて示すラインの搬送方向に対し、
酸素検出器２および温度補償器３の方向を約４５°傾け
ると、リードフレーム１６の３本のセグメント１６ａ〜
１６ｃに対し、それぞれ順に１本のリード線１０ａ、２
本のリード線１０ｂ，１０ｃ、１本のリード線１０ｄが
対応するようになる。

【００２２】図３（ｂ）において、各リード線１０ａ〜
１０ｄの端末をセグメント１６ａ〜１６ｃの方向に直角
に折曲し、その折曲部分を対応するセグメントに溶接
し、図３（ｃ）のように各セグメント１６ａ〜１６ｃを
その基部でタイバー１７から切離し、次いで外部配線１
５の出力端子線１５ａ，１５ｂ及び共通端子線１５ｃの
圧着素子をそれぞれのセグメント１６ａ〜１６ｃに溶接
又は超音波接合によって固定する。

【００２３】すなわち、図３（ｃ）において、３本のセ
グメント１６ａ，１６ｂ，１６ｃを順に第１段、第２
段、第３段としたときに、例えば酸素検出器２の出力端
子となる１本のリード線１０ａが取付けられた第１段の
セグセメント１６ａに外部配線１５の第１の出力端子線
１５ａが接続され、酸素検出器２および温度補償器３の
共通端子となる２本のリード線１０ｂ，１０ｃが取付け
られた第２段のセグメント１６ｂに外部配線１５の共通
端子線１５ｂが接続され、温度補償器３の出力端子とな
る１本のリード線１０ｄが取付けられた第３段のセグメ
ント１６ｃに外部配線１５の第２の出力端子線１５ｃが
接続されることになる。

【００２４】次いで、図４のように、裏面側にはリード
線１０と、外部配線１５との接続部分を覆ってカバー５
を取付けて酸素センサを完成するが、さらに図５のよう
に、ホルダ１の上面側に、酸素検出器２及び温度補償器
３を覆って、フード４が取り付けられることがある。フ
ード４の上面には多数の小孔１８，１８・・・が開口さ
れてフード内外の通気性が保たれている。

【００２５】以上の実施形態においては、サーミスタ８
を収容する容器として略直方体をなすキャップ７を用い
るため、酸素検出器２と温度補償器３との組合せをホル
ダ１上に設置するに際し、酸素検出器２のサーミスタ８
と、温度補償器３のサーミスタ８とを極く接近させて配
置することが可能となり、両サーミスタ８、８の設置環
境を一致させ、ひいては測定精度を向上することができ
る。しかも、酸素検出器２と、温度補償器３とは別体の
ため、両器の組合せを自在に選定してサーミスタ８、８
の特性をあわせることができる。

【００２６】図６に酸素濃度の検出回路を示す。図にお
いて、酸素検出器２及び温度補償器３と、抵抗器Ｒ1、
Ｒ2とを組合せてブリッジ回路１８を構成し、その出力
端子に制御装置１９を結線して酸素ガスに固有の出力特
性の変化を検知する。本発明の酸素濃度検出センサとし
て用いるサーミスタ式の絶対湿度センサは、図７に示す
ように水素ガス、メタン・ガス、アンモニア・ガスなど
を検知したときには空気に対して正の出力変化となり、
フレオン・ガス、アルゴンガス、炭酸ガスには負の出力
変化となる。また、センサの置かれている環境の大気圧
が変化すると、センサの熱放散定数が変化し、出力が変
化する。もっともその変化量は約１０ヘクトパスカルの
変化で０．０１ｍＶレベルの変化であって、通常の生活
圏では問題にはならない。制御装置は、酸素の出力変化
特性を記憶し、検出回路に得られた出力電圧の値から環
境の酸素濃度を測定するものである。ブリッジ回路１８
のバランス調整は、抵抗器ＶＲで行うが、酸素を含まな
い空気中ではブリッジ回路１８の出力を０Ｖに調整す
る。

【００２７】本発明による酸素濃度検出センサは、例え
ば、図８に示す酸素富化空気製造機（コンセントレー
タ）の酸素濃度測定に用いる、酸素富化空気製造機２０
は、空気取入口２１から取り入れた外気を酸素濃縮機２
２内へ導入し、気体分離膜に通して空気中の酸素濃度を
高め、得られた酸素富化空気を圧縮保存容器２３内に保
存し、必要時に酸素富化空気を取り出し、加湿フィルタ
２４を経由して酸素取出口２５に送気するものであり、
本発明による酸素酸素濃度検出センサ３１は、圧縮保存
容器２３から加湿フィルタ２４に到る酸素富化空気の送
気管路２６内に設置し、酸素取出口２５から送気される
酸素富化空気中の酸素濃度を測定するものである。

【００２８】（実施例）以下に本発明の実施例を示す。
本発明の酸素濃度検出センサを酸素富化空気製造機に用
いるに際し、以下の試験により、酸素濃度検出の適応性
を検討した。

【００２９】１．試験方法（１）湿度発生装置を用い、窒素ガス／酸素ガスの混合
比を変えて出力特性を測定する。試料数は５個、酸素濃
度検出センサとして（株）大泉製作所製ガラス型絶対湿
度センサ（０４ＡＨＮ２−ＧＲ−０６００）を使用し
た。図９に試験に用いた装置を示す。この装置は、酸素
ボンベ２７と窒素ボンベ２８とを混合器２９に接続し、
窒素ガス／酸素ガスの混合ガスを湿度発生装置３０に導
入し、酸素濃度検出センサ３１で酸素濃度を測定し、そ
のデータを記録計３２に記録するものである。

【００３０】窒素は乾燥窒素（９９．９９％）、酸素
は医療用酸素（９９．９％）とする。流量は下記の
表１の通りとする。但し、湿度発生装置の流量計を基準
に５リットルとする。ガス温度制御は湿度発生装置のコントローラを利用す
る。

【００３１】

【表１】 ※ＴＯＴＡＬ流量を５リットルとして混合器から発生装置への流量を基準とした。

【００３２】（２）測定温度は＋５、１０、２０、３
０、４０、６０、８０、１００℃とする。なお、４０℃
以上は０％、５０％、１００％のみを測定した各温度毎
に、ブリッジ回路の出力ゼロ点補正を行い測定した。

【００３３】（３）実際のセンサの使用状況を考えて、
大気からの出力を測定する必要があるため空気ボンベ１
０リットルで出力のゼロ調整を行い、窒素１００％：１
０リットル、酸素：１００％：１０リットルの測定も行
った。

【００３４】２．測定結果（１）各温度における酸素濃度と出力の関係を表２〜表
１０に示す。本試験に使用したセンサの湿度に対する基
本特性を表１１に示す。また、＋１０℃→＋４０℃（３
０℃幅）の乾燥空気、及び酸素１００％の温度特性も示
した。

【００３５】（２）酸素濃度とセンサ出力特性を図１０
に示す。酸素濃度と出力は、ほぼリニアな関係になって
いる。また、１０℃、２０℃、３０℃のみを図１１に示
した。

【００３６】（３）１０℃、２０℃、３０℃のそれぞれ
について乾燥空気１０リットルを流してゼロ調整した
後、窒素１００％：１０リットル、酸素１００％：１０
リットルを順次流して安定したセンサ出力の測定結果を
図１２に示す。なお２０℃での近似式は図１３のように
なる。

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】

【表４】

【００４０】

【表５】

【００４１】

【表６】

【００４２】

【表７】

【００４３】

【表８】

【００４４】

【表９】

【００４５】

【表１０】

【００４６】

【表１１】

【００４７】３．考察（１）大気（酸素：２１％）からのセンサ出力が約１５
ｍＶ（ａｔ２０℃、Ｏ2：１００％）と比較して大きい
出力が得られる。（２）試料５個（１０〜３０℃）のセンサ出力の試料間
のバラツキは０．７６ｍＶ程度である。（３）酸素１００％においての１０℃〜４０℃の温度特
性は約１ｍＶである。（４）酸素１００％、流量５リットルと１０リットルで
のセンサ出力の差はない。また、１リットルから１０リ
ットルまで、１リットルごとに変化させても瞬時的な変
化だけで、２〜３分後に安定する。以上の結果より、サ
ーミスタ式絶対湿度センサを用いてＡＨＳ−ＧＲで、酸
素濃度の検出ができることが分った。乾燥酸素であれ
ば、酸素濃度検出センサとして利用が可能であることが
実証された。

【００４８】以上実施例においては、窒素１００％を基
準（０％）として測定した。その結果、約１８ｍＶの出
力が得られている。対湿度出力の６ｍＶ（４０℃、３５
ｇ／ｍ3）の出力からみれば３倍の出力が得られてい
る。このことは、酸素濃度検出センサとしては使い易い
と考えられる。しかし、実際には大気からの出力を検出
することになる。大気中の酸素量は、体積百分比２０．
９３％（量百分比２３．０１％）であり、出力は１５ｍ
Ｖ程度になる。

【００４９】一方、このセンサの持つ＋１０→＋４０℃
の３０℃幅においての酸素１００％での温度特性は約±
１ｍＶである。湿度０％ＲＨの＋１０→＋４０℃の温度
特性が０．２％のセンサであるから、出力の大きい分、
温度特性も大きくなっている。

【００５０】酸素濃度検出センサとしての出力は、大気
中の酸素濃度を検知したときに１５ｍＶ程度（Ｏ₂１０
０％）であり、その値は大きいため、温度特性が±２ｍ
Ｖ程度あっても、各センサについてブリッジ調整すれば
特に問題はないと考える。

【００５１】実際に使用する場合の問題点として下記の
点が検討課題として考えられる。すなわち、水分を含んだ酸素の場合には誤差が生じる。ブリッジ回路を使用するため、出荷時の基準に対する
調整が必要である。振動に弱い。酸素濃度の温度に対する補正をする必要がある。防爆構造にする必要がある。（２００℃自己加熱のた
め）といった点である。

【００５２】酸素富化空気製造機（コンセントレータ
ー）は気体分離膜にゼオライトを使用して酸素製造をす
るものであり、すべて乾燥酸素になるための問題はな
い。については湿度センサとしての実績がある。
は回路的に処理することができる。は図６に示すよう
に＃１００メッシュの金網３２を防爆構造体に用い、金
網３２内にセンサの酸素検出器、温度補償器とりわけ酸
素検出器を格納することによって防爆できる。

【００５３】

【発明の効果】以上の実施例に明らかなとおり、サーミ
スタ式の湿度センサを酸素濃度検出センサとして利用
し、他のガスの影響を受けないか、又は他のガスの濃度
が既知の条件の下で酸素ガスの濃度を低濃度から高濃度
まで安定に測定できる。特に高濃度の酸素を安定して検
知し続けられるセンサは従来考えられなかったことであ
る。本発明は、富化酸素製造装置（コンセントレータ）
のほか保育器、人工呼吸器のように明らかに酸素雰囲気
によって形成されている環境の酸素濃度の測定に広く利
用することができる。もっとも、本発明のセンサは、酸
素濃度が問題になるような環境、例えばトンネル内、地
下駐車場のような場所に設置し、平常時の値と現在の測
定値とを比較して異常事態発生かどうかの判断をするた
めのセンサとしても利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す説明図である。

【図２】酸素検出器および温度補償器の構成図である。

【図３】リード線を外部配線に接続する要領を示す図で
ある。

【図４】（ａ）は本発明の一実施形態を示す断面側面
図、（ｂ）は同平面図である。

【図５】他の実施形態を示す断面側面図である。

【図６】酸素濃度の検出回路を示す図である。

【図７】ガスに対する出力特性の変化を示す図である。

【図８】酸素富化空気製造機の構成を示す図である。

【図９】試験装置の構成図である。

【図１０】酸素濃度とセンサ出力特性（＋５℃〜１００
℃）を示す図である。

【図１１】酸素濃度とセンサ出力特性（＋１０℃〜＋３
０℃）を示す図である。

【図１２】酸素濃度とセンサ出力特性（＋１０℃〜３０
℃）を示す図である。

【図１３】酸素濃度とセンサ出力特性（＋２０℃）を近
似式にて表わした図である。

【符号の説明】

１ホルダ２酸素検出器３温度補償器４フード５カバー６外部配線７キャップ８サーミスタ９ベース１０，１０ａ〜１０ｄリード線１１端子線１２小孔１３挿入孔１４突起１５外部配線１６リードフレーム１６ａ〜１６ｃセグメント１７タイバー１８ブリッジ回路１９制御装置２０酸素富化空気製造機２１空気取入口２２酸素濃縮機２３圧縮保存容器２４加湿フィルタ２５酸素取出口２６送気管路２７酸素ボンベ２８窒素ボンベ２９混合器３０湿度発生装置３１酸素センサ３２記録計３３金網

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対のサーミスタを用いて雰囲気の酸素濃
度を測定する酸素濃度測定方法であって、一方のサーミ
スタは、酸素ガスの検知用、他方のサーミスタは温度補
償用であり、他のガスの影響を受けないか、又は他のガスの濃度が既
知の条件の下で酸素ガス検知用サーミスタに酸素雰囲気
の温度を検出させ、温度補償用サーミスタに酸素雰囲気
の影響を受けない空間の温度を基準温度として検出さ
せ、両サーミスタの検出温度の出力差から酸素ガス濃度
を正の電圧変化として出力させることを特徴とする酸素
濃度測定方法。
【請求項２】対のサーミスタを有する酸素濃度検出セ
ンサであって、対のサーミスタのうちの一方のサーミスタは、酸素ガス
の検知用、他方のサーミスタは、温度補償用であり、両
サーミスタはブリッジ回路に組込まれ、自己発熱し、酸素ガス検知用サーミスタは、酸素ガス雰囲気に触れ、
酸素ガス濃度に比例して生ずる環境の温度変化を検出す
るものであり、温度補償用サーミスタは、環境から隔離
された空間の温度を基準温度として検知するものである
ことを特徴とする酸素濃度検出センサ。
【請求項３】酸素検出器と、温度補償器とをホルダ上
に有する酸素濃度検出センサであって、酸素検出器と、温度補償器とは、ホルダに取付けられた
キャップ内にそれぞれサーミスタを収容したものであ
り、一方のキャップは気密に封止され、他方のキャップは、
外気に通ずる小孔を有するものであり、酸素検出器は、外気と通ずるキャップ内にサーミスタを
収容したものであり、サーミスタのリード線は、ホルダ
を通して外部に引出され、温度補償器は、気密に封止されたキャップ内にサーミス
タを収容したものであり、サーミスタのリード線は、ホ
ルダを通して外部へ引出され、酸素検出器と、温度補償器のキャップは互いに接近して
配置されたものであることを特徴とする酸素濃度検出セ
ンサ。
【請求項４】酸素検出器と温度補償器とは、防爆構造
体に格納されていることを特徴とする請求項３に記載の
酸素濃度検出センサ。