JPS5950932B2

JPS5950932B2 - 酸素センサ−の検定装置

Info

Publication number: JPS5950932B2
Application number: JP52099230A
Authority: JP
Inventors: 和弘後藤; 邦夫小林
Original assignee: Oriental Engineering Co Ltd
Current assignee: Oriental Engineering Co Ltd
Priority date: 1977-08-19
Filing date: 1977-08-19
Publication date: 1984-12-11
Also published as: JPS5433092A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は酸素センサーの検定装置に関するものである
。

従来から行われている酸素センサー（酸素濃淡電池））
の検定には、酸素農奴の比較的高い範囲のガス（例えば
１００ｐｐｎ）を対象にした酸素分析器で、酸素セン
サーの使用可能な温度（例えば固体電解質が酸化ジルコ
ニウムの場合６００〜２００℃）に酸素センサーが保持
された状態のところに校正用ガスを流して校正する方法
が一般的に行われている。

しかし、この場合でも、酸素センサーを検定するための
校正用ガスを流すことのできない装置に酸素センサーを
用いるときには、校正が出来ない不便がある。また、酸
素濃度が非常に低いガス（例えば酸素分圧Ｐ０２が１０
−”゜ａｔｍ）については、校正用ガスを調製すること
が技術的に困難である。

このようなガス中の酸素濃度を測定する酸素分析器の酸
素センサーを検定することは未だ知られていない。従つ
て、現在、微量酸素の分析に酸素センサーが使用されて
いるが、その検定方法がないために使用されている酸素
センサーが正常に作動しているかどうかが不明であり、
これによつて、測定した値が正しいかどうかを確かめる
手段がないのがフ現状である。この発明は、かかる問題
を解決する為になされたものである。

次に本発明について以下に詳述する。

第１図を用いて酸素センサーＯＤの原理を説明５すれば
、固体電解質１の両側に白金電極２、３が取り付けられ
、高温中においてその両極に酸素分圧ＰＯ２’、ＰＯ。

”の異なるガスを導＜ならば、イオン伝導性によつてＮ
ｅｍｓｔの式による起電力ＥＭＦをその両極間に生じる
というものである。第１図の場合、酸素分圧はＰＯ２’
＞ＰＯ２”であり、４は直流電圧計を示す。そして、起
電力ＥＭＦは、Ｒを気体定数、Ｔを絶対温度、Ｆをフア
ラデー定数、酸素分圧をＰ。。′，ＰＯ。”（ＰＯ。
′＞ＰＯ。”）とすれば、次の（ｌ）式で表される。現
在この原理を利用した各種の酸素センサーが開発されて
いるが、この酸素センサーが正常に作動を続けるために
は、両電極が固体電解質にほどよく密着している必要が
ある。

即ち、正常に作動している酸素センサーは、常に「ある
範囲の内部抵抗」と「ある範囲の分極特性」とを示さな
ければならない。また、酸素センサーは、使用している
間に劣化して、内部抵抗が増大し、分極しやす＜なるが
、その原因として１電極が固体電解質１から剥離する
。

２第２図の如く清浄な状態の電極２又は３と固体電解
質１との間に第３図の如く副次反応生成物５がたまる。

３固体電解質１の組成変化により電解質抵抗が増大す
る。

などが考えられる。

この発明は、酸素センサーの内部抵抗と分極特性が正常
な場合では、どの位の範囲に入つているかを求めておき
、それが劣化した場合に正常値からどの位ずれるかを測
定することにより、酸素セ．ンサ一の使用限界を判定す
るものである。

そして、さらに詳しくは、電極２，３と固体電解質１と
の界面における電気的性質は、界面インピーダンスとし
て表され第４図のようなモデルとして考えられる。第４
図でＣｄは、電場により界面の両．側又は片側の相に空
間電荷層ができることによるものであつて電気二重層容
量と呼ばれる。ＺＦは電極反応の性質で決まるものであ
つて、一般的にフアラデーインピーダンスと呼ばれてい
る。更に、このフアラデーインピーダンスは、分極抵抗
（Ｒｓと擬似容量Ｃｓが直列に入つた等価回路で表され
る。このフアラデーインピーダンスのモデルを、前述の
酸素センサーに適用すれば、第５図の等価回路になる。
第５図でＲ１は、リード線抵抗、ＲＯは、電解質抵抗を
各表し、Ｃｄ，Ｒｓ，Ｃｓは、夫々第４図に用いたもの
と同意である。そして、第４図のモデルは、更に、第６
図のような等価回路に簡略化できる。また、第５図及び
第６図から等価回路の抵抗分と容量を計算すれば、下記
（２）式、（３）式となる。ここで、内部抵抗、分極特
性は、上記（２）式及び（３）式のＲｍ，Ｃｍを求める
ことに帰結する。

このＲｍ，Ｃｍはインデイシアル応答による方法で求め
ることができる。以下、この方法について詳述する。

第６図のＲｍ，Ｃｍ直列回路に於いて、入力信号＝Ｖｉ（電圧信号）出力信号＝（電流信号）とすれば、この回路の伝達関数Ｇ（ｓ）は、ただし、
Ｔｍ＝Ｃｍ− Ｒｍとなるから、ステツプ状電圧入力に
対するインデイシアル応答ＩＯ（ｔ）は、となり、この
応答波形（電流・時間曲線）は第７図の様になる。

そして、第７図から、低電圧として単位ステツプ状の電
圧を使用すれば、即ちとなり、Ｔｍ＝Ｃｍ・ＲｍであるからＣｍは、となる。

ただし、ＩＯ（ｔ＝ｏ）はｔ＝ｏにおける初期電流値で
あり、Ｔｍは初期電流が３７％に減衰するまでの時間で
ある。これでＲｍ，Ｃｍを得ることができ、酸素センサ
ーの内部抵抗及び分極特性を知ることができる。次に、
この測定原理に基づいて酸素センサーの検定を実現する
検定装置の一例を第８図について説明する。

まず、構成について説明すると、２５ａ，２５ｂは、検
定用の酸素センサー０Ｄの電極２，３が接続される測定
端子、２６は電圧供給回路としての定電圧源である。

この定電圧源２６は、後述する制御部３７からの制御信
号ＳＯによつて切り換えられるスイツチＳＷを介して測
定端子２５ａ，２５ｂに接続されたアイソレーシヨンア
ンプ２７と、その出力が供給され、これを後述する制御
部３７からの制御信号Ｓ−１によつて、平衡電位として
記憶する平衡電位記憶回路としてのサンプルホールド回
路２８と、その出力に所電圧ＥｘＣＶ〕だけ高い電圧を
加算する加算器２９とから構成されている。３０は、ス
イツチＳＷを介して酸素センサー０Ｄと直列に介挿され
た電流一電圧変換器であつて、その入力側から出力側を
絶縁するアイソレーシヨンアンプを内蔵し、酸素センサ
ー０Ｄの出力電流を電圧に変換する。

３１は、電流一電圧変換器３０の出力側に接続された記
録計、３２は、同様に電流一電圧変換器３０の出力側に
接続された初期値記憶回路としてのヒータホールド回路
で゛あつて、このヒータホールド回路３２は、電流一電
圧変換器３０から得られる出力のピーク値即ち初期電流
値を記憶する。

３３は、ピークホールド回路３２に記憶された初期電流
値を０．３７倍するポテンシヨメータ等の係数設定器、
３４は、係数設定器３３の出力と電流−電圧変換器の出
力とを比較する比較回路であつて、両者が一致したとき
のことを表す一致検出出力が送出される。

フ３５は、比較回路３４の出力が一方の否定入力側に供給
されたインヒビツト回路であつて、その肯定入力側に後
述する制御部３７からのクロツクパルスが供給され、ク
ロツタパルスの送出を比較出力によつて禁止する。

３６は、インヒビツト回路３５を通過して供給されるク
ロツクパルスを計数するカウンタであり、このカウンタ
３６及び゛インヒビツト回路３５で計数手段が構成され
ている。

３７は制御部であつて、クロツクパルス発振器３８から
のクロツクパルスが供給されていると共に、スタート釦
等によるスタート信号及びリセツト釦によるりセツト信
号が供給され、スタート信号が供給されることによつて
、まずサンプルホールド回路２８を作動させる制御信号
Ｓ−１が出力され、次いで定電圧源２６及び測定端子２
５ａ，２５ｂ間に介挿されたスイツチＳＷを切り換える
制御信号ＳＯを送出すると同時にクロツクパルス発生器
３８からのクロツクパルスをインヒビツト回路３５に供
給し、さらに、図示しないが、リセツト信号が供給され
ることによつて、スイツチＳＷを定電圧源２６側に切り
換えると共に、サンプルホールド回路２８、ピークホー
ルド回路３２及びカウンタ３６の内容を夫々りセツトす
るように構成されている。

次に、作用について説明する。

まず、制御部３７なりセツト信号を供給して、スイツチ
ＳＷを第８図図示の状態とすると共に、サンプルホール
ド回路２８、ヒータホールド回路３２及びカウンタ３６
を夫々りセツト状態とする。

そして、この状態で、測定用端子２５ａ，２５ｂに夫々
検定用の酸素センサー０Ｄの電極２，３を接続する。次
いで、この状態で制御部３７にスタート信号を供給する
と、まず時刻し、で制御信号Ｓ−１が出力され、これに
よつて酸素センサー０Ｄの平衡電位Ｖｂがサンプルホー
ルド回路２８に記憶される。

したがつて、加算器２９で平衡電位Ｖｂと設定電位Ｅｘ
とが加算される。次に、時刻ｔ−１より遅れた時刻ＴＯ
で制御部３７から制御信号ＳＯが送出され、スイツチＳ
Ｗが切り換えられて酸素センサー０Ｄに定電圧源２６か
ら定電圧Ｖｉが供給される。

このため、記録計３１に第７図に示すような酸素センサ
ー０Ｄの定電圧による電流・時間曲線が記録される。こ
れと同時に、制御部３７からクロツクパルスがインヒビ
ツト回路３５に供給される。このとき、比較回路３４は
、係数設定器３３の出力電圧に対して電流一電圧変換器
３０の出力電圧が高いので、一致検出出力は得られず、
このため、インヒビツト回路３５を通じてクロツクパル
スがカウンタ３６に供給され、カウンタ２６が計数を開
始する。そして、所要時間経過後に電流一電圧変換器３
０の出力電圧と係数設定器３３の出力電圧とが等しくな
ると、比較回路３４から第９図に示す一致検出出力が得
られる。

この一致検出出力は、インヒビツト回路３５に供給され
るので、このインヒビツト回路３５を通じて得られるク
ロツクパルスが阻止され、カウンタ３６の計数が停止さ
れ、時定数Ｔｍが測定される。

また、ピークホールド回路３２の出力の逆数がＲｍとな
るので゛、ピークホールド回路３２の出力を電圧計で読
み取ることによりＲｍの値を直読することができる。

これらＴｍ及びＲｍをＡＯ）式に代入することにより、
Ｃｍを求めることができる。なお、第９図に第８図の各
部の出力波形を示す。また、上記角実施例において、酸
素センサー０Ｄの平衡電位Ｖｂを検出するには、前記従
来例で述べたように、酸素センサー０Ｄをその使用可能
な温度（例えば固体電解質が酸化ジルコニウムの場合６
００〜１２００℃）の雰囲気中に挿入して加熱した状態
で行うこと勿論である。上述のように、従来酸素濃度の
非常に低いガスについて酸素濃度を測定する酸素分析器
の酸素センサーを検定することが不可能であつたものが
、この発明によれば検出出来るようになる。

従つて、測定下酸素分析値の信頼性が得られる。また、
校正用ガスで検定できない場合でも、使用中の酸素セン
サーでも簡単に検定することができ、測定した酸素分析
値は信頼できるようになる。また、校正用ガスを用いな
いで、検定が経済的に行え、酸素濃度の測定範囲により
多種類の校正用ガスを容易して置く必要もないなどの効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、酸素センサーの原理を説明する原理図、第２
図，第３図は、酸素センサーの劣化を説明する説明図、
第４図は、酸素センサーの電極と電解質との界面におけ
る電気的性質の界面インピーダンスを説明する説明図、
第５、第６図は、酸素センサーの等価回路を示す回路図
、第７図は、定電圧による酸素センサーの電流・時間曲
線図、第８図は、定電圧による酸素センサー検定装置を
説明するプロツク図、第９図は、第８図の選定装置の各
部の出力波形を示す動作波形図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１酸素を一成分として構成された気体中の酸素分圧を
測定する酸素センサーの検定を行う酸素センサーの検定
装置において、前記酸素センサーの平衡電位を記憶する
平衡電位記憶回路を有し、該平衡電位記憶回路の記憶電
位に所要電位を加算した加算電位を前記酸素センサーに
ステップ状に印加する電圧供給回路と、該電圧供給回路
からのステップ状電圧を前記酸素センサーに印加した状
態における当該酸素センサーから出力される出力電流を
電圧に変換する電流−電圧変換回路と、該電流−電圧変
換回路から出力される初期電圧を記憶する初期値記憶回
路と、該初期値記憶回路の記憶値を０．３７倍する係数
回路と、該係数回路の値と前記電流−電圧変換回路から
出力される電圧とを比較し、両者が一致したときに一致
検出信号を出力する比較回路と、前記電圧供給回路及び
記憶回路を起動制御すると共に、その起動時からクロッ
クパルスを出力する制御部と、該制御部からのクロック
パルスを前記比較回路からの一致検出検出信号が出力さ
れるまで計数する計数手段とを具備することを特徴とす
る酸素センサーの検定装置。