JP3926949B2 - Oxygen sensor and electromotive force compensation method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ppbオーダーの極めて低い酸素濃度を高精度に測定することを可能ならしめた酸素センサと、この酸素センサに用いられる起電力補償方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造プロセス、鉄鋼・金属等の熱処理(無酸化炉)、特殊金属溶接、或いは食品包装といった多岐に渡る分野において、高純度ガスが使用されている。このような高純度ガスのうち、酸素濃度の制御が必要とされる高純度ガスの製造工程或いは製品の純度管理(酸素濃度管理)はppbオーダーで行われており、酸素濃度測定器として黄燐発光式や特殊なガルバニ式のものが用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、黄燐発光式やガルバニ式の酸素センサは、コスト高で短寿命であり、更に、細かな維持管理が必要といった種々の問題を抱えている。従って、小型で操作・保守が簡単で低コストであり、しかも長寿命である酸素センサが望まれている。
【0004】
このような要求に応えられる酸素センサの1つの候補として、高温で良好な酸素イオン伝導性を示すジルコニア(ZrO2)を用いた酸素センサを挙げることができる。しかしながら、ZrO2酸素センサにおいては、金属電極におけるガス吸着、ヒータ等の漏れ電流の基準極への流入による酸素イオンの移動、電極リードや電極保護層等の多孔性材料からの僅かな酸素の侵入等が原因となって、ppbオーダーの微量酸素濃度域では、センサ起電力(測定起電力)がネルンストの式によって与えられる理論起電力から外れて小さくなる問題がある。その結果、ZrO2酸素センサを用いての高精度な測定が可能な酸素濃度範囲は、1ppm以上の範囲に限られていた。つまり、ppbオーダーの微量酸素濃度の検出に従来のZrO2酸素センサを適用することは、これまで困難とされてきた。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ZrO2酸素センサによるppbオーダーの微量酸素濃度の検出を可能ならしめ、小型でメンテナンス性に優れ、しかも安価な酸素センサを提供することにある。
即ち、本発明によれば、酸素イオン伝導性固体電解質と金属電極を備えた酸素センサの起電力補償方法であって、0.1ppb〜1ppmの酸素濃度範囲において、センサ起電力にネルンスト式により求められる理論起電力から−0.5%より大きな負側へのずれがあるとき、基準極から検知極へ電極実効面積当たり30μA/cm2以下の所定の直流定電流を流すことで当該センサ起電力を補償することを特徴とする酸素センサの起電力補償方法、が提供される。
【0006】
この酸素センサの起電力補償方法においては、酸素センサを所定の温度に保ち、センサ起電力が理論起電力±0.5%の範囲内に収まるように直流定電流の大きさを定めることが好ましい。固体電解質としては、ジルコニアを主成分とするものが好適に用いられる。
【0007】
また、本発明によれば、上述した起電力補償方法を用いた酸素センサとして、酸素イオン伝導性固体電解質と金属電極を備えた酸素センサであって、0.1ppb〜1ppmの酸素濃度範囲において、センサ起電力にネルンスト式により求められる理論起電力から−0.5%より大きな負側へのずれがあるとき、基準極から検知極へ電極実効面積当たり30μA/cm2以下の所定の直流定電流を流すことで当該センサ起電力を補償する手段を有することを特徴とする酸素センサ、が提供される。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係る酸素センサ11の概略構成を示す説明図であり、(a)・(b)共に断面図であるが、(b)は(a)における破線AAを通り紙面に垂直な断面を示した断面図である。有底筒状のジルコニア製磁器(ZrO2磁器)12の内周面に基準極13が設けられ、ZrO2磁器12を挟んで基準極13の対面(ZrO2磁器12の外周側)に検知極14が設けられており、この部分がセンサ部21となる。なお、検知極14は多孔質である保護層15に埋設されている。また、センサ部21を所定の温度まで昇温し、一定温度に保持するためのヒータ16がZrO2磁器12に埋設されている。
【0009】
基準極13から検知極14へは一定の電流を流すことができるように、直流定電流電源31が設けられており、基準極13と検知極14との間の電圧、即ち酸素センサ11の起電力を測定するための電圧計32が設けられている。
【0010】
先ず、酸素センサ11のセンサ部21を構成する材料について説明する。酸素センサ11において、ZrO2磁器12は固体電解質の役割を果たすと共に、測定ガスと基準ガスとを分離する隔壁の役割を果たす。固体電解質の酸素イオン伝導性は高いことが好ましく、ZrO2においては、固溶させる元素の種類や量によってイオン伝導率を変化させることができることから、適宜、目的に適した組成のものを用いることが好ましい。
【0011】
具体的には、ZrO2磁器12としては、イットリア(Y2O3)、マグネシア(MgO)、カルシア(CaO)、セリア(CeO2)等の種々の安定化材を固溶させてなる安定化ZrO2或いは部分安定化ZrO2が好適に用いられる。なお、基準極13と検知極14との間の厚みを薄くすると、電極間の抵抗の低減が図られる。
【0012】
基準極13及び検知極14の重要な特性は、高い酸素イオン触媒性を有することである。検知極14における酸素イオン触媒性とは、測定ガス中の酸素分子をイオン化して固体電解質へ取り込む性質をいい、一方、基準極における酸素イオン触媒性は、逆に、検知極から移動してきた固体電解質中の酸素イオンから電子を奪い、酸素分子として気相(標準ガス)へ放出する性質をいう。
【0013】
このような特性に優れる電極材として、白金(Pt)電極が好適に用いられる。なお、これらの電極は性状を多孔質として、気相と電極と固体電解質の3相が接する三重点(三相界面)を多く形成することが好ましい。従って、基準極13及び検知極14として、PtとZrO2とからなるサーメット電極を用いることも好ましい。
【0014】
続いて、酸素センサ11に適用する本発明の起電力補償方法について、以下、作動原理を含めながら詳細に説明する。
測定ZrO2磁器12の内側空間18に酸素濃度が既知である空気等の基準ガス(基準ガスの酸素分圧をP1とする。)を流し、ZrO2磁器12の外側が測定ガス(測定ガスの酸素分圧をP2とする。)に接するようにすると、ZrO2磁器12を隔壁とした内側と外側とで酸素濃度分圧P1・P2に差が生じ、濃淡電池が形成される。このとき、基準極13と検知極14との間には、ネルンスト(Nernst)の式(E0=(RT/4F)・ln(P1/P2)、但し、R:気体定数、F:ファラデー定数、T:絶対温度)に基づく理論起電力E0が発生する。
【0015】
従って、温度Tが一定で、しかも基準ガスの種類と全圧を固定すれば酸素分圧P1も一定であるから、酸素分圧ln(1/P2)と理論起電力E0の関係は一次関数で表されることとなる。更に、基準ガスと測定ガスの圧力比が一定の場合には、それぞれの酸素分圧P1・P2の比は、酸素濃度の比に置き換えることができる。従って、図2に示すように、横軸に測定ガスの酸素濃度をとり、縦軸に起電力をとったときに、理論起電力E0と酸素濃度の関係は直線Bで示すことができる。
【0016】
これに対して、従来のZrO2酸素センサを用いた場合の実際のセンサ起電力(後述する起電力の補償がない場合の測定起電力をいうものとする。)E1の変化は、図2中の曲線Cで示される。つまり、測定ガスの酸素濃度が約1ppm以上の場合には、ほぼネルンストの式に従って、センサ起電力E1は、理論起電力E0と一致するため、精度のよい酸素濃度の測定が可能である。しかしながら、酸素濃度が1ppm以下となると、センサ起電力E1が理論起電力E0からずれて小さくなり、また、値の変化も小さくなる。その結果、このような微量酸素濃度域での測定精度が急激に低下する。
【0017】
このように、微量酸素濃度域でセンサ起電力E1が上がらない理由の1つとしては、検知極内部の酸素吸着及び/又は検知極の厚み方向の酸素拡散変化等による酸素濃度差が考えられる。従って、このような状態からセンサ部を解放することで、センサ起電力E1を理論起電力E0に近づけ、1ppm以下の微量酸素濃度の測定が可能となると考えられる。
【0018】
そこで、本発明においては、基準極13から検知極14へ微小な直流定電流IMを流して検知極14近傍の酸素(酸素イオン)を基準極13側へ排出することにより、検知極14における酸素吸着量を低減し、また、検知極14への酸素拡散を平準化することで、測定ガスの酸素濃度とセンサ起電力E1との関係をネルンストの式の関係と一致させる。
【0019】
具体的には、0.1ppb〜1ppmの酸素濃度範囲において、センサ起電力E1に、ネルンスト式により求められる理論起電力E0から−0.5%より大きな負側へのずれが生じているときに、基準極13から検知極14へ電極実効面積当たり30μA/cm2以下の所定の直流定電流IMを流すことでセンサ起電力E1を補償する。なお、このような方法により補償された後のセンサ起電力を、以下、補償起電力E2と表すこととする。
【0020】
図3は、検知極と基準極に多孔質白金電極を用い、また、電極実効面積が3.46mm2、両電極間の厚みが220μmであるZrO2磁器を用い、センサ部の温度を760℃に一定に保持した状態にある酸素センサを用いて、起電力補償を行った場合(IM=0.36μA)と行わなかった場合(IM=0μA)のそれぞれの起電力(補償起電力E2、センサ起電力E1)と酸素濃度との関係を示したグラフである。
【0021】
センサ起電力E1と補償起電力E2は共に、約10ppm以上の酸素濃度においては同等の測定値を示している。これは、検知極及び測定ガス並びにZrO2磁器が接する3重点から基準極へ、微弱な直流定電流IMによって移動する酸素イオン量が小さいためである。つまり、高酸素濃度域では直流定電流IMによる酸素濃度の変化が小さく、従って、高酸素濃度側で、微量酸素濃度域での起電力補償用の直流定電流IMを流しても、測定精度には何ら悪影響を及ぼさない。
【0022】
逆に、1ppm以下の微量酸素濃度域では、直流定電流IMによって移動する酸素イオン量が、測定ガス中の酸素濃度に対して無視できない程度に大きくなることから、起電力補償が可能となり、補償起電力E2を理論起電力E0に近づけることが可能となる。
【0023】
このような起電力補償方法においては、高い測定精度を得るために、補償起電力E2が理論起電力E0±0.5%の範囲内に収まるように、直流定電流IMの大きさを定めることが好ましい。ここで、センサ部の温度が変わると、検知極における酸素吸着量や、ガス拡散係数が変化することから、センサ部の温度は一定に保つ必要がある。
【0024】
図1の酸素センサ11では、当然に、ヒータ16によってセンサ部21は所定の温度に保つことができる。従って、センサ部の温度管理は、ヒータの加熱電力を所定の値に保つことによっても行うことができる。そこで、図4(a)、(b)に、前述した図3の結果を与える酸素センサを用い、ヒータ加熱電力をそれぞれ9W(センサ部温度:811℃)と7W(センサ部温度:695℃)とした場合に、直流定電流IMの大きさが酸素センサの起電力へどのような影響を与えるかを示したグラフを示す。
【0025】
センサ温度が高い場合、つまり、ヒータ加熱電力が大きい場合に、図4において理論起電力E0を示すIM=0.36μAのグラフは、センサ起電力が高く、その対数酸素濃度に対する傾きが急になる。このことは先に示したネルンストの式からも明らかである。一方、センサ起電力E1(IM=0μA)の理論起電力E0とのずれは、ヒータ電力が小さいほど大きくなる。また、補償電流値IMが小さいと低い起電力のままとなり、大きいと起電力が高くなり過ぎることから、補償電流値IMには適正な電流値域がある。この適正電流値の巾は、直線性を要求する酸素濃度領域の下限が低いほど狭くなる。そこで、補償電流IMを通電すると、センサインピーダンスZPと補償電流IMの積で表わされる電圧降下分が酸素濃度全域に渡り、センサ起電力E2に一様に重畳される。なお、センサ温度が低い場合はその起電力増加分は無視できず、補償電流設定時に加算する必要がある。
【0026】
補償電流の設定方法は、先ず、酸素濃度が高く、起電力直線性(対数酸素濃度と起電力との相関性)が確保されている酸素濃度10ppm以上の領域で数点の起電力を測定し、直線式を求める。次に、求めた直線式から設定酸素濃度の起電力E0を外挿法で求めておき、設定酸素濃度(濃度既知のガス)にセンサを入れ、センサ起電力が計算した設定起電力となるように電極間に電流を流し、補償電流IMを求める。ここで、センサインピーダンスが高く電圧降下分が無視できない場合には、計算した設定起電力に電圧降下分を加算後、同様の手法で補償電流IMを求める。本発明が対象としている0.1ppb水準の微量酸素濃度のガスは、ボンベガスを脱酸素剤等を通すことで容易に得られる。
【0027】
なお、直流定電流IMを一定の値としたときに、一部の酸素濃度範囲で、補償起電力E2が理論起電力E0から大きく外れる場合には、測定レンジを複数に分けて、各測定レンジ毎に所定の直流定電流IMを定め、補償起電力E2を理論起電力E0に合わせることも可能である。この場合、各測定レンジにおいて検出されるべき理論起電力E0の範囲は既知であるから、補償起電力E2が理論起電力E0と合わなければ、測定レンジが適切でないこととなるので、別レンジでの測定に移ればよい。
【0028】
上述した通り、従来のZrO2酸素センサのセンサ部はそのままに、センサ部からの起電力信号の処理方法に、本発明の起電力補償方法を適用することにより、従来、ZrO2酸素センサでは測定が不可能であった0.1ppb〜1ppmの酸素濃度測定を高精度に行うことが可能となる。
【0029】
また、本発明の酸素センサの起電力補償方法は、その他のガスセンサにおける酸素濃度の校正にも用いることが可能である。例えば、本発明のZrO2酸素センサと同等な構造を有する一酸化炭素センサにおいては、酸素が一酸化炭素の検出を妨害するため、酸素濃度をモニターして、検出される一酸化炭素濃度を補正する方法が採られる。つまり、本発明の酸素センサの起電力補償方法は、酸素以外のガスセンサにおける酸素濃度補正の手段としても極めて有効である。
【0030】
【発明の効果】
本発明の酸素センサ及び起電力補償方法は、構造が簡単で低価格であり、また、取り扱いが容易でメンテナンス性に優れるZrO2酸素センサを用い、従来困難であったppbオーダーでの酸素濃度測定を高精度に行うことが可能となるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るジルコニア酸素センサの概略構成を示す説明図である。
【図2】 従来のジルコニア酸素センサにおけるセンサ起電力と理論起電力の関係を示すグラフである。
【図3】 本発明に係るジルコニア酸素センサの起電力補償方法を用いた場合の補償起電力と酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図4】 本発明に係るジルコニア酸素センサの起電力補償に用いる直流定電流の値と補償起電力の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
11…酸素センサ、12…ZrO2磁器、13…基準極、14…検知極、15…保護層、16…ヒータ、18…内側空間、21…センサ部、31…定電流電源、32…電圧計。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxygen sensor capable of measuring an extremely low oxygen concentration on the order of ppb with high accuracy, and an electromotive force compensation method used for the oxygen sensor.
[0002]
[Prior art]
High-purity gas is used in a wide variety of fields such as semiconductor manufacturing processes, heat treatment of steel and metals (non-oxidation furnace), special metal welding, and food packaging. Among such high-purity gases, the production process of high-purity gas that requires oxygen concentration control or product purity management (oxygen concentration management) is performed in the ppb order, and yellow phosphorescence is used as an oxygen concentration measuring device. A formula or special galvanic type is used.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, yellow phosphorescent or galvanic oxygen sensors have various problems such as high cost and short life, and the need for fine maintenance. Therefore, there is a demand for an oxygen sensor that is small in size, easy to operate and maintain, low in cost, and has a long lifetime.
[0004]
One candidate for an oxygen sensor that can meet such demands is an oxygen sensor using zirconia (ZrO 2 ) that exhibits good oxygen ion conductivity at high temperatures. However, in the ZrO 2 oxygen sensor, gas adsorption at the metal electrode, oxygen ion movement due to the leakage current of the heater etc. flowing into the reference electrode, and slight oxygen intrusion from the porous material such as the electrode lead and electrode protective layer As a result, there is a problem that the sensor electromotive force (measured electromotive force) deviates from the theoretical electromotive force given by the Nernst equation in the ppb order trace oxygen concentration region. As a result, the oxygen concentration range in which high-precision measurement using a ZrO 2 oxygen sensor is possible is limited to a range of 1 ppm or more. That is, it has been difficult to apply the conventional ZrO 2 oxygen sensor to the detection of a trace oxygen concentration of the ppb order.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and the object of the present invention is to enable detection of a trace oxygen concentration on the order of ppb with a ZrO 2 oxygen sensor, which is small and excellent in maintainability. In addition, it is to provide an inexpensive oxygen sensor.
That is, according to the present invention, an electromotive force compensation method for an oxygen sensor including an oxygen ion conductive solid electrolyte and a metal electrode, wherein the sensor electromotive force is obtained by a Nernst equation in an oxygen concentration range of 0.1 ppb to 1 ppm. When there is a deviation from the theoretical electromotive force to the negative side larger than -0.5%, a predetermined DC constant current of 30 μA / cm 2 or less per effective electrode area is passed from the reference electrode to the detection electrode to thereby generate the sensor electromotive force. A method for compensating an electromotive force of an oxygen sensor is provided.
[0006]
In this oxygen sensor electromotive force compensation method, it is preferable to keep the oxygen sensor at a predetermined temperature and determine the magnitude of the DC constant current so that the sensor electromotive force is within the range of the theoretical electromotive force ± 0.5%. . As the solid electrolyte, those containing zirconia as a main component are preferably used.
[0007]
Moreover, according to the present invention, as an oxygen sensor using the above-described electromotive force compensation method, an oxygen sensor including an oxygen ion conductive solid electrolyte and a metal electrode, in an oxygen concentration range of 0.1 ppb to 1 ppm, When the sensor electromotive force deviates from the theoretical electromotive force obtained by the Nernst equation to the negative side larger than -0.5%, a predetermined DC constant current of 30 μA / cm 2 or less per effective electrode area from the reference electrode to the detection electrode There is provided an oxygen sensor characterized by having means for compensating the sensor electromotive force by flowing.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an explanatory view showing a schematic configuration of an
[0009]
A DC constant
[0010]
First, the material which comprises the
[0011]
Specifically, as the ZrO 2 porcelain 12, a stabilization made by dissolving various stabilizing materials such as yttria (Y 2 O 3 ), magnesia (MgO), calcia (CaO), and ceria (CeO 2 ). ZrO 2 or partially stabilized ZrO 2 is preferably used. If the thickness between the
[0012]
An important characteristic of the
[0013]
A platinum (Pt) electrode is suitably used as an electrode material having excellent characteristics. In addition, it is preferable that these electrodes have a porous property, and a large number of triple points (three-phase interfaces) where the gas phase, the electrode, and the three phases of the solid electrolyte are in contact with each other are formed. Therefore, it is also preferable to use a cermet electrode made of Pt and ZrO 2 as the
[0014]
Next, the electromotive force compensation method of the present invention applied to the
Reference gas, such as air, oxygen concentration is known the
[0015]
Accordingly, since the oxygen partial pressure P 1 is also constant if the temperature T is constant and the type and total pressure of the reference gas are fixed, the relationship between the oxygen partial pressure ln (1 / P 2 ) and the theoretical electromotive force E 0 is It is expressed by a linear function. Further, when the pressure ratio between the reference gas and the measurement gas is constant, the ratio of the oxygen partial pressures P 1 and P 2 can be replaced with the ratio of oxygen concentration. Therefore, as shown in FIG. 2, the relationship between the theoretical electromotive force E 0 and the oxygen concentration can be represented by a straight line B when the horizontal axis represents the oxygen concentration of the measurement gas and the vertical axis represents the electromotive force.
[0016]
On the other hand, the actual sensor electromotive force when the conventional ZrO 2 oxygen sensor is used (referred to as measured electromotive force when there is no compensation of electromotive force described later) E 1 changes in FIG. Indicated by curve C in the middle. That is, when the oxygen concentration of the measurement gas is about 1 ppm or more, the sensor electromotive force E 1 coincides with the theoretical electromotive force E 0 almost according to the Nernst equation, so that the oxygen concentration can be accurately measured. . However, when the oxygen concentration is 1 ppm or less, the sensor electromotive force E 1 deviates from the theoretical electromotive force E 0 and decreases, and the change in value also decreases. As a result, the measurement accuracy in such a trace oxygen concentration region is drastically lowered.
[0017]
As described above, one of the reasons why the sensor electromotive force E 1 does not increase in the trace oxygen concentration range is considered to be oxygen adsorption inside the detection electrode and / or oxygen concentration difference due to oxygen diffusion change in the thickness direction of the detection electrode. . Therefore, it is considered that by releasing the sensor unit from such a state, the sensor electromotive force E 1 is brought close to the theoretical electromotive force E 0 and a trace oxygen concentration of 1 ppm or less can be measured.
[0018]
Therefore, in the present invention, a small DC constant current I M is passed from the
[0019]
Specifically, in the oxygen concentration range of 0.1 ppb to 1 ppm, the sensor electromotive force E 1 deviates from the theoretical electromotive force E 0 obtained by the Nernst equation to a negative side larger than −0.5%. Sometimes, the sensor electromotive force E 1 is compensated by flowing a predetermined DC constant current I M of 30 μA / cm 2 or less per effective electrode area from the
[0020]
In FIG. 3, a porous platinum electrode is used for the detection electrode and the reference electrode, a ZrO 2 porcelain having an electrode effective area of 3.46 mm 2 and a thickness between both electrodes of 220 μm is used, and the temperature of the sensor unit is 760 ° C. Each of the electromotive forces (compensated electromotive force E) when the electromotive force compensation is performed (I M = 0.36 μA) and when the electromotive force compensation is not performed (I M = 0 μA) is performed using the oxygen sensor held in a constant state. 2 is a graph showing the relationship between the sensor electromotive force E 1 ) and the oxygen concentration.
[0021]
Both the sensor electromotive force E 1 and the compensated electromotive force E 2 show the same measured value at an oxygen concentration of about 10 ppm or more. This is because the amount of oxygen ions moving by the weak DC constant current I M from the triple point where the detection electrode, the measurement gas, and the ZrO 2 porcelain are in contact to the reference electrode is small. That is, the change in oxygen concentration due to the DC constant current I M is small in the high oxygen concentration region, and therefore, even if the DC constant current I M for compensating electromotive force in the minute oxygen concentration region is supplied on the high oxygen concentration side, the measurement is performed. The accuracy is not adversely affected.
[0022]
Conversely, in a trace oxygen concentration range of 1 ppm or less, the amount of oxygen ions that are moved by the DC constant current I M becomes so large that it cannot be ignored with respect to the oxygen concentration in the measurement gas. The compensation electromotive force E 2 can be brought close to the theoretical electromotive force E 0 .
[0023]
In such an electromotive force compensation method, in order to obtain high measurement accuracy, the magnitude of the DC constant current I M is set so that the compensated electromotive force E 2 falls within the range of the theoretical electromotive force E 0 ± 0.5%. Is preferably determined. Here, when the temperature of the sensor unit changes, the oxygen adsorption amount and the gas diffusion coefficient at the detection electrode change, so the temperature of the sensor unit needs to be kept constant.
[0024]
In the
[0025]
When the sensor temperature is high, that is, when the heater heating power is large, the graph of I M = 0.36 μA indicating the theoretical electromotive force E 0 in FIG. 4 shows that the sensor electromotive force is high and the slope with respect to the logarithmic oxygen concentration is steep. become. This is clear from the Nernst equation shown above. On the other hand, the deviation of the sensor electromotive force E 1 (I M = 0 μA) from the theoretical electromotive force E 0 increases as the heater power decreases. Further, when the compensation current value I M is small, the electromotive force remains low, and when the compensation current value I M is large, the electromotive force becomes too high. Therefore, the compensation current value I M has an appropriate current value range. The width of the appropriate current value becomes narrower as the lower limit of the oxygen concentration region requiring linearity is lower. Therefore, when the compensation current I M is applied, the voltage drop represented by the product of the sensor impedance Z P and the compensation current I M is uniformly superimposed on the sensor electromotive force E 2 over the entire oxygen concentration. If the sensor temperature is low, the increase in electromotive force cannot be ignored and must be added when setting the compensation current.
[0026]
The compensation current is set by first measuring electromotive force at several points in a region where the oxygen concentration is high and the electromotive force linearity (correlation between logarithmic oxygen concentration and electromotive force) is ensured and the oxygen concentration is 10 ppm or more. Find a linear equation. Next, an electromotive force E 0 of the set oxygen concentration is obtained by extrapolation from the obtained linear equation, a sensor is inserted into the set oxygen concentration (gas having a known concentration), and the sensor electromotive force is the calculated set electromotive force. Thus, a current is passed between the electrodes to obtain a compensation current I M. When the sensor impedance is high and the voltage drop cannot be ignored, the compensation current I M is obtained by the same method after adding the voltage drop to the calculated set electromotive force. A gas having a trace oxygen concentration of 0.1 ppb targeted by the present invention can be easily obtained by passing a cylinder gas through an oxygen scavenger or the like.
[0027]
When the constant DC current I M is a constant value and the compensation electromotive force E 2 deviates significantly from the theoretical electromotive force E 0 in a part of the oxygen concentration range, the measurement range is divided into a plurality of ranges. It is also possible to set a predetermined DC constant current I M for each measurement range and match the compensated electromotive force E 2 with the theoretical electromotive force E 0 . In this case, since the range of the theoretical electromotive force E 0 to be detected in each measurement range is known, the measurement range is not appropriate unless the compensated electromotive force E 2 matches the theoretical electromotive force E 0 . Move to a measurement in another range.
[0028]
As described above, as it is the sensor unit of the conventional ZrO 2 oxygen sensor, the processing method of the electromotive force signal from the sensor unit, by applying an electromotive force compensation method of the present invention, conventionally measured in ZrO 2 oxygen sensor This makes it possible to measure the oxygen concentration of 0.1 ppb to 1 ppm with high accuracy.
[0029]
Further, the electromotive force compensation method of the oxygen sensor of the present invention can be used for calibration of oxygen concentration in other gas sensors. For example, in a carbon monoxide sensor having a structure equivalent to the ZrO 2 oxygen sensor of the present invention, oxygen interferes with the detection of carbon monoxide, so the oxygen concentration is monitored and the detected carbon monoxide concentration is corrected. The method to do is taken. That is, the method for compensating the electromotive force of the oxygen sensor of the present invention is extremely effective as a means for correcting the oxygen concentration in a gas sensor other than oxygen.
[0030]
【The invention's effect】
The oxygen sensor and the electromotive force compensation method according to the present invention are simple in structure, low in price, easy to handle and excellent in maintainability, and using a ZrO 2 oxygen sensor, which has been difficult in the past, measures oxygen concentration on the ppb order. Can be performed with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a zirconia oxygen sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between sensor electromotive force and theoretical electromotive force in a conventional zirconia oxygen sensor.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the compensated electromotive force and the oxygen concentration when the electromotive force compensation method for a zirconia oxygen sensor according to the present invention is used.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the value of the DC constant current used for electromotive force compensation of the zirconia oxygen sensor according to the present invention and the compensated electromotive force.
[Explanation of symbols]
11 ... oxygen sensor, 12 ... ZrO 2 porcelain, 13 ... reference electrode, 14 ... detection electrode, 15 ... protective layer, 16 ... heater, 18 ... inner space, 21 ... sensor unit, 31 ... constant current source, 32 ... voltmeter .
Claims (5)
0.1ppb〜1ppmの酸素濃度範囲において、センサ起電力にネルンスト式により求められる理論起電力から−0.5%より大きな負側へのずれがあるとき、基準極から検知極へ電極実効面積当たり30μA/cm2以下の所定の直流定電流を流すことで当該センサ起電力を補償することを特徴とする酸素センサの起電力補償方法。An electromotive force compensation method for an oxygen sensor comprising an oxygen ion conductive solid electrolyte and a metal electrode,
When the sensor electromotive force has a deviation from the theoretical electromotive force obtained by the Nernst equation to the negative side larger than -0.5% in the oxygen concentration range of 0.1 ppb to 1 ppm, per effective electrode area from the reference electrode to the detection electrode An electromotive force compensation method for an oxygen sensor, wherein the sensor electromotive force is compensated by flowing a predetermined DC constant current of 30 μA / cm 2 or less.
0.1ppb〜1ppmの酸素濃度範囲において、センサ起電力にネルンスト式により求められる理論起電力から−0.5%より大きな負側へのずれがあるとき、基準極から検知極へ電極実効面積当たり30μA/cm2以下の所定の直流定電流を流すことで当該センサ起電力を補償する手段を有することを特徴とする酸素センサ。An oxygen sensor comprising an oxygen ion conductive solid electrolyte and a metal electrode,
When the sensor electromotive force has a deviation from the theoretical electromotive force obtained by the Nernst equation to the negative side larger than -0.5% in the oxygen concentration range of 0.1 ppb to 1 ppm, per effective electrode area from the reference electrode to the detection electrode An oxygen sensor comprising means for compensating the sensor electromotive force by flowing a predetermined DC constant current of 30 μA / cm 2 or less.
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