JP4224011B2 - Gas sensor and gas concentration measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、被測定ガス中の所定ガスの濃度を測定することができるガスセンサ及びガス濃度測定方法に関するものである。 The present invention relates to a gas sensor and a gas concentration measuring method capable of measuring the concentration of a predetermined gas in a gas to be measured.
従来より、空気中の酸素濃度を測定するセンサとして、例えば理論空燃比にてその出力が急変するλセンサが知られている。
このλセンサは、例えば固体電解質からなるコップ状の基体の外側と内側に電極を形成し、内側に基準ガスを導入するとともに、外側に被測定ガスを導入し、その際に両電極間に発生する起電力によって、被測定ガス中の酸素の濃度(理論空燃比)を検知しようとするものである(特許文献1参照)。
Conventionally, as a sensor for measuring the oxygen concentration in air, for example, a λ sensor whose output changes suddenly at a theoretical air-fuel ratio is known.
In this λ sensor, for example, electrodes are formed on the outside and inside of a cup-shaped substrate made of a solid electrolyte, a reference gas is introduced inside, and a gas to be measured is introduced outside. The oxygen concentration (theoretical air-fuel ratio) in the gas to be measured is to be detected by the electromotive force that is generated (see Patent Document 1).
また、これとは別に、いわゆる限界電流式ガスセンサが提案されている。この限界電流式ガスセンサは、固体電解質基板の両側に陰電極と陽電極とを設けるとともに、陰電極側に被測定ガスの拡散を制限する拡散律速部を設けたものであり、両電極間に所定の電圧を印加することによって陰電極から陽電極に流れる電流(限界電流)が、測定ガス中の酸素濃度に比例することを利用して、酸素濃度を測定するものである(特許文献2参照)。
ところが、上述した従来のλセンサの技術では、コップ状の基体の内側に基準ガスを導入する必要があるので、その構成が複雑になるという問題があった。
また、限界電流式ガスセンサでは、精度良く酸素濃度を測定できるものの、拡散律速部を設ける必要があるため、一層構造が複雑になるという問題があった。
However, the above-described conventional λ sensor technology has a problem in that the configuration is complicated because it is necessary to introduce the reference gas into the inside of the cup-shaped substrate.
In addition, although the limiting current type gas sensor can measure the oxygen concentration with high accuracy, there is a problem that the structure is further complicated because it is necessary to provide a diffusion rate controlling part.
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、基準ガス等が不要で構造を簡素化できるとともに、広い範囲のガス濃度を測定することができるガスセンサ及びガス濃度測定方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has as its object the gas sensor and gas concentration measurement capable of measuring a wide range of gas concentrations while simplifying the structure without requiring a reference gas or the like. Is to provide a method.
(1)請求項1の発明は、固体電解質を主成分とする基体に少なくとも1対の電極を設けたセンサ素子を有し、前記対をなす電極間の電気的特性(例えば電位差)に基づいて、被測定ガス中の所定ガスの濃度を検出するガスセンサにおいて、前記一対の電極のうちの一方の電極が、マンガン酸ニッケル(NiMn 2 O 4 )を含有する基準極であり、該基準極と対をなす他方の電極が検知極であることを特徴とする。
(1) The invention of
本発明では、固体電解質の基体に例えば一対の電極が設けられ、その対をなす電極のうちの一方の電極が、マンガン酸ニッケル(NiMn 2 O 4 )が含有されている基準極であり、この基準極と対をなす他方の電極が検知極である。従って、このセンサ素子を被測定ガスに晒して例えば両電極を測定ガスに接触させることにより、例えば両電極間の電位差から所定ガスの濃度を測定することができる。 In the present invention, for example, a pair of electrodes is provided on a solid electrolyte substrate, and one of the paired electrodes is a reference electrode containing nickel manganate (NiMn 2 O 4 ). The other electrode paired with the reference electrode is the detection electrode. Therefore, by exposing the sensor element to the gas to be measured and bringing both electrodes into contact with the measurement gas, for example, the concentration of the predetermined gas can be measured from the potential difference between the electrodes.
ここで、検知極とは、所定ガスに対して、電気化学反応(例えば酸素分子と酸素イオンと平衡反応)を、相手側の基準極よりもスムーズに平衡に到達させる電極である。そして、この検知極では、所定ガスの濃度に対応して電気化学反応の平衡状態が変化する。一方、基準極とは、接触するガスの種類や濃度が変化しても、その電極と固体電解質との界面での電気化学反応の平衡状態が変化しないか又は殆ど変化しないガス不活性電極である。
従って、基準極と検知極とでは、所定ガスに対する電気化学反応の平衡状態が異なるので、この両電極間の電気的特性(例えば電位差)から、所定ガスの濃度を求めることができる。
つまり、このマンガン酸ニッケル(NiMn 2 O 4 )を含有する基準極を用いた場合には、従来の例えば白金等からなる通常の電極に比べて、所定ガスに対する電気化学反応(例えば酸素分子と酸素イオンとの平衡反応)が制限されるので、例えば両電極間の電位差等の電気的特性の変化から、所定ガスの濃度を求めることができる。
Here, the detection electrode is an electrode that causes an electrochemical reaction (for example, an equilibrium reaction between oxygen molecules and oxygen ions) to reach a certain gas more smoothly than the counterpart reference electrode. In this detection electrode, the equilibrium state of the electrochemical reaction changes corresponding to the concentration of the predetermined gas. On the other hand, the reference electrode is a gas inert electrode in which the equilibrium state of the electrochemical reaction at the interface between the electrode and the solid electrolyte does not change or hardly changes even if the type or concentration of the gas in contact changes. .
Accordingly, since the equilibrium state of the electrochemical reaction with respect to the predetermined gas is different between the reference electrode and the detection electrode, the concentration of the predetermined gas can be obtained from the electrical characteristics (for example, potential difference) between the two electrodes.
That is, when the reference electrode containing nickel manganate (NiMn 2 O 4 ) is used, an electrochemical reaction (for example, oxygen molecules and oxygen) with respect to a predetermined gas as compared with a conventional normal electrode made of platinum or the like. (Equilibrium reaction with ions) is limited, so that the concentration of the predetermined gas can be determined from, for example, a change in electrical characteristics such as a potential difference between the two electrodes.
従って、従来のλセンサの様な基準ガス等が不要であり、その構造を簡素化でき、しかも、広い範囲のガス濃度を測定することができるという顕著な効果を奏する。
尚、前記基準極としては、前記マンガン酸ニッケル(NiMn 2 O 4 )を主成分とするもの(或いは電極全体が前記マンガン酸ニッケル(NiMn 2 O 4 )であるもの)が好ましい。
Therefore, there is no need for a reference gas or the like as in the conventional λ sensor, the structure can be simplified, and a wide range of gas concentrations can be measured.
The reference electrode is preferably composed of the nickel manganate (NiMn 2 O 4 ) as a main component (or the entire electrode is the nickel manganate (NiMn 2 O 4 )) .
尚、前記ガス濃度の測定には、その物質の存在の有無の検出も含まれるものとする。 Incidentally, the measurement of the gas concentration, it is also intended to be included detection of the presence or absence of the substance.
(2)請求項2の発明は、前記基準極と検知極との間の電位差を測定し、該電位差に基づいて、前記被測定ガス中の所定ガスの濃度を測定することを特徴とする。 ( 2 ) The invention of claim 2 is characterized in that a potential difference between the reference electrode and the detection electrode is measured, and a concentration of a predetermined gas in the measurement gas is measured based on the potential difference.
本発明では、両電極が被測定ガスと接触した場合には、両電極における電気化学反応の平衡状態が異なるので、両電極間に電位差が生じる。よって、基準極と検知極との間の電位差から、所定ガスの濃度を測定することができる。 In the present invention, when both electrodes come into contact with the gas to be measured, the equilibrium state of the electrochemical reaction between the two electrodes is different, so that a potential difference is generated between the two electrodes. Therefore , the concentration of the predetermined gas can be measured from the potential difference between the reference electrode and the detection electrode .
(3)請求項3の発明は、前記所定ガスが酸素ガスであることを特徴とする。
本発明は、所定ガスを例示したものである。両電極が酸素ガスと接触した場合には、両電極における電気化学反応の平衡状態が異なり、両電極間に電位差が生じるので、その電位差からガスの濃度を求めることができる。
( 3 ) The invention of
The present invention exemplifies a predetermined gas. When both electrodes are in contact with oxygen gas, the equilibrium state of the electrochemical reaction at both electrodes is different, and a potential difference is generated between the two electrodes, so that the gas concentration can be determined from the potential difference.
(4)請求項4の発明は、前記固体電解質が安定化ジルコニアであることを特徴とする。
本発明は、固体電解質を例示したものである。前記一対の電極を備えた固体電解質を酸素ガス等を含む被測定ガスに晒すことにより、両電極間に酸素濃度に応じた電位差(起電力)が生じるので、その電位差から酸素濃度等を求めることができる。
( 4 ) The invention of
The present invention illustrates a solid electrolyte. By exposing the solid electrolyte provided with the pair of electrodes to a gas to be measured containing oxygen gas or the like, a potential difference (electromotive force) corresponding to the oxygen concentration is generated between both electrodes, and thus the oxygen concentration or the like is obtained from the potential difference. Can do.
(5)請求項5の発明は、前記検知極が、白金族又は白金族の合金を主成分とする電極であることを特徴とする。
本発明は、検知極を例示したものである。この白金族又は白金族の合金を主成分とする電極を用いることにより、安定な電位差が発生するので、酸素濃度等を好適に測定することができる。
( 5 ) The invention of
The present invention exemplifies a detection electrode. By using an electrode whose main component is this platinum group or a platinum group alloy, a stable potential difference is generated, so that the oxygen concentration and the like can be suitably measured.
(6)請求項6の発明は、前記ガスの濃度を測定する際の測定温度が、300〜700℃であることを特徴とする。
本発明は、本発明のガスセンサの好ましい使用温度範囲(従ってセンサ素子の電極近傍の温度)を例示したものである。
( 6 ) The invention of claim 6 is characterized in that the measurement temperature when measuring the concentration of the gas is 300 to 700 ° C.
The present invention exemplifies a preferred operating temperature range of the gas sensor of the present invention (and hence the temperature near the electrode of the sensor element).
(7)請求項7の発明は、温度センサ及び/又はヒータを備えたことを特徴とする。
本発明では、温度センサやヒータを備えているので、例えば温度センサによりセンサ素子やその周囲の温度(即ち測定温度)をチェックし、ヒータによって所定の温度に制御することにより、被測定ガスの温度が低い場合やガスセンサに温度依存性がある場合でも、常に精度良くガス濃度を測定することができる。
( 7 ) The invention of
In the present invention, since the temperature sensor and the heater are provided, for example, the temperature of the gas to be measured is controlled by checking the temperature of the sensor element and its surroundings (that is, the measurement temperature) with the temperature sensor and controlling the temperature to a predetermined temperature with the heater. Even when the gas sensor is low or the gas sensor has temperature dependence, the gas concentration can always be accurately measured.
尚、温度センサのみを備えているものは、温度を測定し、例えば所定の好ましい温度範囲の場合にガス濃度を測定するようにしてもよい。また、ヒータのみを備えているものは、例えば所定の加熱パターンで加熱することにより、測定温度をほぼ一定に保つことが可能である。 In addition, what has only a temperature sensor measures temperature, For example, you may make it measure gas concentration in the case of a predetermined preferable temperature range. In addition, in the case where only the heater is provided, the measurement temperature can be kept substantially constant by heating with a predetermined heating pattern, for example.
(8)請求項8の発明は、固体電解質を主成分とする基体に少なくとも1対の電極を設けたセンサ素子を用い、前記対をなす電極間の電気的特性に基づいて、被測定ガス中の所定ガスの濃度を検出するガス濃度測定方法において、前記一対の電極のうちの一方の電極として、マンガン酸ニッケル(NiMn 2 O 4 )を含有する基準極を用い、他方の電極として、前記基準極と対をなす検知極を用い、前記センサ素子を前記被測定ガス中に配置し、前記両電極を前記測定ガスに接触させて、前記所定ガスの濃度を測定することを特徴とする。 ( 8 ) The invention according to claim 8 uses a sensor element in which at least one pair of electrodes is provided on a base body having a solid electrolyte as a main component, and based on electric characteristics between the paired electrodes, In the gas concentration measurement method for detecting the concentration of the predetermined gas, a reference electrode containing nickel manganate (NiMn 2 O 4 ) is used as one of the pair of electrodes, and the reference is used as the other electrode. A sensing electrode that is paired with an electrode is used, the sensor element is disposed in the gas to be measured, and both electrodes are brought into contact with the measuring gas to measure the concentration of the predetermined gas.
前記請求項1の発明で述べた様に、本発明では、固体電解質の基体に基準極及び検知極の一対の電極が設けられ、その基準極にマンガンニッケル(NiMn 2 O 4 )が含有されている。よって、後述する実験例からも明かな様に、このセンサ素子を被測定ガスに晒して両電極を測定ガスに接触させることにより、例えば両電極間の電位差から所定ガスの濃度を測定することができる。
つまり、基準極と検知極とでは、所定ガスに対する電気化学反応の平衡状態が異なるので、この両電極間の電気的特性(例えば電位差)から、所定ガスの濃度を求めることができる。
As described in the first aspect of the present invention, in the present invention, a pair of electrodes of a reference electrode and a detection electrode is provided on a solid electrolyte substrate, and manganese nickel (NiMn 2 O 4 ) is contained in the reference electrode. Yes. Therefore, as is clear from the experimental examples described later, by exposing the sensor element to the gas to be measured and bringing both electrodes into contact with the measurement gas, for example, the concentration of the predetermined gas can be measured from the potential difference between the two electrodes. it can.
That is, since the equilibrium state of the electrochemical reaction with respect to the predetermined gas is different between the reference electrode and the detection electrode, the concentration of the predetermined gas can be obtained from the electrical characteristics (for example, potential difference) between the two electrodes.
(9)請求項9の発明は、前記基準極と検知極との間の電位差を測定し、該電位差に基づいて、前記被測定ガス中の所定ガスの濃度を測定することを特徴とする。
(9 ) The invention of
本発明は、前記請求項2の発明と同様な作用効果を奏する。 The present invention has the same effects as the invention of the second aspect .
(10)請求項10の発明は、前記基準極に対して参照ガス又は基準ガスを用いること
なく、前記所定ガスの濃度を測定することを特徴とする。
本発明では、検知極だけでなく基準極も被測定ガスに晒して所定ガスの濃度を測定することができる。よって、従来の様な基準となる参照ガスや基準ガスを用いる必要がないので、センサの構造を簡素化することができる。
( 10 ) The invention of
In the present invention, not only the detection electrode but also the reference electrode can be exposed to the gas to be measured to measure the concentration of the predetermined gas. Therefore, it is not necessary to use a reference gas or a reference gas that is a standard as in the conventional case, and the structure of the sensor can be simplified.
(11)請求項11の発明は、前記ガスの濃度を測定する際の測定温度を、300〜700℃に設定することを特徴とする。
本発明は、本発明のガスセンサの好ましい使用温度範囲を例示したものである。
( 11 ) The invention of
The present invention exemplifies a preferable use temperature range of the gas sensor of the present invention.
次に、本発明のガスセンサ及びガス濃度測定方法の最良の形態の例(実施例)について説明する。 Next, an example (example) of the best mode of the gas sensor and gas concentration measuring method of the present invention will be described.
a)まず、本実施例のガスセンサのシステム構成について説明する。
図1に示す様に、本実施例のガスセンサ(ガス濃度測定装置)1は、被測定ガス中の酸素ガスの濃度(ガス濃度)を測定する酸素センサであり、センサ素子3と、センサ素子3の温度を調節する温度調節部5と、センサ素子3からの信号によってガス濃度を測定するガス測定部7から構成されている。
a) First, the system configuration of the gas sensor of this embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, a gas sensor (gas concentration measuring device) 1 of this embodiment is an oxygen sensor that measures the concentration (gas concentration) of oxygen gas in a gas to be measured, and includes a
前記センサ素子3は、先端(同図左側)が閉塞され後端が開放された試験管状の基体9と、基体9の側方の外周面の先端側に環状に形成された基準電極11と、同外周面にて基準電極11より後端側に環状に形成された検知電極13から構成されており、基準電極11と検知電極13とには、ガス測定部7との接続のために、それぞれリード部15、17が設けられている。
The
このうち、前記基体9は、固体電解質であり、イットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)からなる。また、基準電極11は、マンガン酸ニッケル(NiMn2O4)を主成分とする電極であり、検知電極13は、白金を主成分とする電極である。
Of these, the
前記温度調節部5は、基体9の内部空間19に配置された熱電対(温度センサ)21及びヒータ23と、熱電対21及びヒータ23に接続された電子制御装置である温度制御器25とから構成されている。
The
この温度制御器25は、熱電対21の起電力からセンサ素子3の温度(従って測定部位の温度である測定温度)を求め、この測定温度に基づいて、センサ素子3が所定の測定温度となる様に、ヒータ23に通電してセンサ素子3を加熱する制御を行うものである。
The
尚、ここでは、熱電対21、ヒータ23、及び温度制御器25を用いて温度を調節するが、温度調節が可能な構成であればこれに限定されることはない。また、温度調節を必要としない場合は、これらを省略してもよい。更に、ヒータ23は、センサ素子3を加熱できれば良いので、必ずしもセンサ素子3の内側に配置しなくともよい。例えばセンサ素子3の外側に配置してもよく、或いは基体9内に埋め込んでもよい。
Here, the temperature is adjusted using the
前記ガス測定部7は、リード部15、17に接続されており、基準電極11と検知電極13との間の電位差(電圧)を測定するデジタルエレクトロメータ27と、測定した電位差から酸素濃度を求める電子制御装置29と、電子制御装置29によって求めた酸素濃度を表示するディスプレイ31とを備えている。
The
従って、本実施例では、前記センサ素子3、温度調節部5、及びガス測定部7を用いることにより、後に詳述する様にして、両電極11、13間の電位差に基づいて被測定ガス中の酸素ガスの濃度を求めることができる。
Therefore, in the present embodiment, by using the
b)次に、本実施例のガスセンサ1の要部であるセンサ素子3の製造方法について説明する。
まず、純度99%以上のジルコニア(ZrO2):100molに対して、純度99%以上のイットリアを8molの割合で配合し、湿式混合した後、1300℃の温度で仮焼した。
b) Next, the manufacturing method of the
First, yttria with a purity of 99% or more was blended at a ratio of 8 mol with respect to zirconia (ZrO 2 ): 100 mol with a purity of 99% or more, wet-mixed, and then calcined at a temperature of 1300 ° C.
この仮焼物に水を加え、ボールミルにて粉砕した後、水溶性バインダーを添加し、スプレードライ法により造粒した。
この造粒物を、ラバープレス法によりコップ状の有底円筒状(又は平板状:実施例2、3)に成形し、砥石によって研削し、その形状を整えた。
Water was added to the calcined product and pulverized with a ball mill, and then a water-soluble binder was added and granulated by a spray drying method.
This granulated product was formed into a cup-shaped bottomed cylindrical shape (or flat plate shape: Examples 2 and 3) by a rubber press method, and ground with a grindstone to adjust the shape.
次いで、この成型体を、1500℃の温度で3時間焼成し、固体電解質のジルコニアセラミックからなる基体9を得た。
また、基準電極11用として、マンガン酸ニッケル(NiMn2O4)の粉末に、バインダとして20重量%のポリエチレングリコール(PEG)を加えるとともに、溶剤としてαーテルピネオールを適当な粘度となるように混合して、ペーストを調製した。例えば「前記(粉末+バインダ):溶剤=2:1」の重量比で混合したペーストを調製した。
Next, this molded body was fired at a temperature of 1500 ° C. for 3 hours to obtain a
For the
更に、検知電極13用として、白金(Pt)の粉末に、バインダとして10重量%のエチルセルロースを加えるとともに、溶剤としてパーピネオール(商品名)を適当な粘度となるように混合して、ペーストを調製した。
Further, for
次に、前記基準電極11用のペーストを、基体9の先端側の側方の外周面上に、環状(ベルト状に)に塗布する。また、同様に、検知電極13用のペーストも、基体9の先端側の側方の外周面上に、環状に塗布した。
Next, the paste for the
そして、各ペーストを塗布した後、130℃の乾燥器中で1時間乾燥させ、その後、基体9を、管状炉に入れ、大気雰囲気下にて1400℃で2時間焼成し、基準電極11及び検知電極13を備えた基体9、即ちセンサ素子3を得た。
And after apply | coating each paste, it was made to dry in 130 degreeC dryer for 1 hour, after that, the base |
尚、検知電極13としては、無電解白金メッキ法により、1〜2ミクロンの厚みで白金薄膜を形成してもよい。また、熱電対21やヒータ23は、センサ素子3の完成後、センサ素子3内に配置すればよい。
As the
c)次に、本実施例のガスセンサ1を用いたガス濃度測定方法について説明する。
本実施例のガス濃度測定方法としては、所定ガスとして酸素ガスを含む被測定ガス(例えばエンジンの排気ガス)を用いる。
c) Next, a gas concentration measurement method using the
As a gas concentration measuring method of the present embodiment, a gas to be measured (for example, engine exhaust gas) containing oxygen gas as a predetermined gas is used.
そして、この被測定ガスに、センサ素子3の両電極11、13を晒し、ヒータ23により、両電極11、13を300〜700℃の範囲内の所定温度に保つ。
このとき、基準電極11側では、基準電極11の構成成分(即ちNiMn2O4)のために、一定電位を示すが、検知電極13側では、検知電極13の構成成分(即ちPt)により、酸素ガスの濃度に応じた電気化学反応が平衡に達する。
Then, both
At this time, the
つまり、主として検知電極13側で、酸素分子と酸素イオンとが関与する電気化学反応が平衡に達することにより、両電極11、13間に電位差が生じるので、この電位差をデジタルエレクトロメータ27で検出するとともに、ガス測定部7にて、この電位差に基づいて酸素ガスの濃度を求める。
That is, since the electrochemical reaction involving oxygen molecules and oxygen ions reaches equilibrium mainly on the
すなわち、基準電極11側の電位は、酸素ガスの濃度に変化に対して不活性であるが、検知電極13側では、酸素濃度に応じて電気化学反応が平衡に達するので、両電極11、13の電位差に基づいて酸素ガスの濃度を求めることができる。
That is, the potential on the
この様に、本実施例では、ガスセンサ1のセンサ素子3として、ジルコニア質の固体電解質の基体9に、マンガン酸ニッケルを主成分とする基準電極11と白金を主成分とする検知電極13とが設けられた素子を用い、両電極11、13を被測定ガスに晒すことにより、酸素濃度に対応した起電力を得ることができるので、その起電力から被測定ガスの酸素濃度を求めることができる。
As described above, in this embodiment, the
従って、従来のλセンサの様に、基準ガス等を導入することが不要となり、その構造を簡素化でき、また、従来の拡散制限手段を省略でき、しかも、広い範囲のガス濃度を測定することができるという顕著な効果を奏する。 Therefore, it is not necessary to introduce a reference gas or the like as in the conventional λ sensor, the structure can be simplified, the conventional diffusion limiting means can be omitted, and a wide range of gas concentrations can be measured. There is a remarkable effect of being able to.
また、このガスセンサを用いることにより、特に、300〜700℃の測定温度にて、好適に酸素濃度を測定することができる。
d)次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。
Further, by using this gas sensor, the oxygen concentration can be suitably measured particularly at a measurement temperature of 300 to 700 ° C.
d) Next, an experimental example performed to confirm the effect of the present embodiment will be described.
(1)実験例1
本実験例1は、本発明の範囲の基準電極を用いた場合の各ガスに対する応答(起電力:センサ出力)を調べたものである。
(1) Experimental example 1
In Experimental Example 1, the response (electromotive force: sensor output) to each gas when using the reference electrode within the scope of the present invention was examined.
図2に示す様に、本実験例では、前記実施例1と同様に、基体の外側に基準電極Kと外側検知電極Pt-outを設け、両電極間の電位差を第1電圧計V1で測定する構成とした。更に、基体の内側にも(外側検知電極Pt-outと同様な)内側検知電極Pt-inを設け、基準電極Kと内側検知電極Pt-inとの間の電位差を第2電圧計V2で測定する構成とした。 As shown in FIG. 2, in the present experimental example, the reference electrode K and the outer detection electrode Pt-out are provided outside the substrate, and the potential difference between the two electrodes is measured with the first voltmeter V1 as in the first embodiment. It was set as the structure to do. Further, an inner detection electrode Pt-in (similar to the outer detection electrode Pt-out) is also provided inside the substrate, and the potential difference between the reference electrode K and the inner detection electrode Pt-in is measured with the second voltmeter V2. It was set as the structure to do.
また、センサ素子の内部空間には、実験のために、基準ガスとして空気を供給した。尚、本発明のガスセンサには基準ガスが不要であるが、ここでは、実験のために基準ガスを用いた。 In addition, air was supplied to the internal space of the sensor element as a reference gas for experiments. The gas sensor of the present invention does not require a reference gas, but here, the reference gas was used for experiments.
そして、測定温度を600℃とし、5分づつ5分間隔で、6種類のガスを、100cm3/minの流量で供給した。具体的には、CO、CH4、C3H8、H2、NO、NO2の6種のガスを、それぞれ400ppmづつベースガスに含ませた被測定ガスを供給した。尚、ベースガスは、窒素に酸素を5%(以下ガス濃度の%は容積%を示す)と水蒸気を5%含んだものである。
Then, the measurement temperature was set to 600 ° C., and 6 kinds of gases were supplied at a flow rate of 100 cm 3 / min at intervals of 5 minutes every 5 minutes. Specifically, a gas to be measured was supplied by adding 400 ppm each of six gases of CO, CH 4 , C 3 H 8 , H 2 , NO, and NO 2 to the base gas. The base gas contains nitrogen in an amount of 5% oxygen (hereinafter, gas concentration% indicates volume%) and
そして、前記被測定ガスを供給した際に、基準電極Kと外側検知電極Pt-outとの間に生じる電位差(起電力EMF)を測定した。また、同様にして、基準電極Kと内側検知電極Pt-inとの間に生じる電位差も測定した。 Then, the potential difference (electromotive force EMF) generated between the reference electrode K and the outer detection electrode Pt-out when the gas to be measured was supplied was measured. Similarly, the potential difference generated between the reference electrode K and the inner detection electrode Pt-in was also measured.
その結果を、図3に示す。この図3は縦軸に起電力をとり横軸に時間(分)をとったものである。図3から明かな様に、本実験例のガスセンサは、各種のガスに対して特に応答を示さないので、酸素ガスを検出する際の誤検出の恐れがないことが分かる。 The result is shown in FIG. In FIG. 3, the vertical axis represents electromotive force and the horizontal axis represents time (minutes). As is apparent from FIG. 3, the gas sensor of this experimental example does not show any particular response to various gases, so that it can be seen that there is no risk of erroneous detection when oxygen gas is detected.
(2)実験例2
本実験例2は、本発明のガスセンサのセンサ出力における酸素濃度の依存性を調べたものである。
(2) Experimental example 2
In Experimental Example 2, the dependency of the oxygen concentration on the sensor output of the gas sensor of the present invention was examined.
本実験例では、前記実験例1と同様なセンサ素子を用い、センサ素子の内部空間には、基準ガスとして空気を供給した。
そして、測定温度を600℃とし、5分づつ3分間隔で、5種類の酸素濃度の異なるガスを、100cm3/minの流量で供給した。具体的には、ベースガスである窒素ガスに、(測定対象の所定ガスとして)酸素ガスを5%、10%、20%、50%、80%含む5種の酸素濃度の異なる被測定ガスを供給した。尚、被測定ガスとしては、5%の水蒸気を含むものと水蒸気無しのものとを供給した。
In this experimental example, the same sensor element as in Experimental Example 1 was used, and air was supplied as a reference gas to the internal space of the sensor element.
Then, the measurement temperature was set to 600 ° C., and five kinds of gases having different oxygen concentrations were supplied at a flow rate of 100 cm 3 / min at intervals of 3 minutes every 5 minutes. Specifically, five types of gases having different oxygen concentrations, including 5%, 10%, 20%, 50%, and 80% oxygen gas (as a predetermined gas to be measured) are added to the nitrogen gas that is the base gas. Supplied. As the measurement gas, one containing 5% water vapor and one containing no water vapor were supplied.
そして、前記被測定ガスを供給した際に、基準電極Kと外側検知電極Pt-outとの間に生じる電位差(起電力EMFgas)を測定した。また、ベースガスを供給した場合の電位差(起電力EMFbase)を測定した。更に、ガスセンサの感度として、両起電力の差ΔEMF(=EMFgas−EMFbase)を求めた。 Then, a potential difference (electromotive force EMFgas) generated between the reference electrode K and the outer detection electrode Pt-out when the measurement gas was supplied was measured. Further, the potential difference (electromotive force EMFbase) when the base gas was supplied was measured. Furthermore, the difference ΔEMF (= EMFgas−EMFbase) between the two electromotive forces was obtained as the sensitivity of the gas sensor.
その結果を、図4に示す。この図4は検知電極(外側検知電極Pt-out)を基準として示したものであり、縦軸に感度ΔEMFをとり横軸に対数にて酸素濃度をとったものである。図4から明かな様に、本実験例のガスセンサは、酸素濃度に対応した感度が得られることが分かる。従って、起電力に基づく感度から酸素濃度を求めることができることが分かる。 The result is shown in FIG. FIG. 4 shows the detection electrode (outside detection electrode Pt-out) as a reference. The vertical axis represents sensitivity ΔEMF and the horizontal axis represents logarithmic oxygen concentration. As is clear from FIG. 4, it can be seen that the gas sensor of this experimental example can obtain a sensitivity corresponding to the oxygen concentration. Therefore, it can be seen that the oxygen concentration can be obtained from the sensitivity based on the electromotive force.
また、図5に、図4を基準電極を基準として書き直したグラフを示す。図5から明かな様に、本実験例のガスセンサは、酸素濃度が増加すると感度が増加することが分かる。
(3)実験例3
本実験例3は、本発明のガスセンサにセンサ出力における酸素濃度の依存性を調べたものである。
FIG. 5 is a graph obtained by rewriting FIG. 4 with reference electrodes as references. As is clear from FIG. 5, it can be seen that the sensitivity of the gas sensor of this experimental example increases as the oxygen concentration increases.
(3) Experimental example 3
In Experimental Example 3, the dependency of oxygen concentration on the sensor output of the gas sensor of the present invention was examined.
本実験例では、前記実験例1と同様なセンサ素子を用い、センサ素子の内部空間には、基準ガスとして空気を供給した。
そして、測定温度を600℃とし、5分づつ3分間隔で、5種類の酸素濃度の異なるガスを、100cm3/minの流量で供給した。具体的には、ベースガスである窒素ガスに、酸素ガスを5%、10%、20%、50%、80%含む5種の酸素濃度の異なる被測定ガスを供給した。尚、被測定ガスとしては、5%の水蒸気を含むものと水蒸気無しのものとを供給した。
In this experimental example, the same sensor element as in Experimental Example 1 was used, and air was supplied as a reference gas to the internal space of the sensor element.
Then, the measurement temperature was set to 600 ° C., and five kinds of gases having different oxygen concentrations were supplied at a flow rate of 100 cm 3 / min at intervals of 3 minutes every 5 minutes. Specifically, five types of measured gases having different oxygen concentrations including 5%, 10%, 20%, 50%, and 80% of oxygen gas were supplied to the nitrogen gas as the base gas. As the measurement gas, one containing 5% water vapor and one containing no water vapor were supplied.
そして、前記被測定ガスを供給した際に、基準電極Kと内側検知電極Pt-inとの間に生じる電位差(起電力EMFgas)を測定した。また、ベースガスを供給した場合の電位差(起電力EMFbase)した。更に、ガスセンサの感度として、両起電力の差ΔEMF(=EMFgas−EMFbase)を求めた。 Then, a potential difference (electromotive force EMFgas) generated between the reference electrode K and the inner detection electrode Pt-in when the gas to be measured was supplied was measured. Further, the potential difference (electromotive force EMFbase) when the base gas was supplied was obtained. Furthermore, the difference ΔEMF (= EMFgas−EMFbase) between the two electromotive forces was obtained as the sensitivity of the gas sensor.
その結果を、図6に示す。この図6は検知電極(内側検知電極Pt-in)を基準として示したものであり、縦軸に感度をとり横軸に対数にて酸素濃度をとったものである。
この実験では、基準電極Kは酸素濃度が変化する被測定ガスに接し、内側検知電極Pt-inは酸素濃度が変化しない基準ガスに接しているが、図6から明かな様に、殆ど感度が無いことが分かる。
The result is shown in FIG. FIG. 6 shows the detection electrode (inner detection electrode Pt-in) as a reference, with the vertical axis representing sensitivity and the horizontal axis representing logarithmic oxygen concentration.
In this experiment, the reference electrode K is in contact with the gas to be measured whose oxygen concentration changes, and the inner detection electrode Pt-in is in contact with the reference gas whose oxygen concentration does not change. As is clear from FIG. I understand that there is no.
つまり、被測定ガスに接する基準電極では電気化学反応は殆ど起こらず、よって基準電極としての機能を発揮していることが分かる。
(4)実験例4
本実験例では、図7に示す様に、基準電極Kと内側検知電極Pt-inを設け、両電極間の電位差を電圧計で測定する構成とした。その他の構成は、前記実施例1と同様である。また、センサ素子の内部空間には、実験のために、基準ガスとして空気を供給した。尚、基準電極を作製する際にはPEGを用いなかった。
That is, it can be seen that the electrochemical reaction hardly occurs at the reference electrode in contact with the gas to be measured, and thus the function as the reference electrode is exhibited.
(4) Experimental example 4
In this experimental example, as shown in FIG. 7, the reference electrode K and the inner detection electrode Pt-in are provided, and the potential difference between both electrodes is measured with a voltmeter. Other configurations are the same as those of the first embodiment. In addition, air was supplied to the internal space of the sensor element as a reference gas for experiments. In addition, PEG was not used when producing the reference electrode.
そして、測定温度を500℃、550℃、600℃、700℃とし、酸素濃度を違えたガスを、100cm3/minの流量で供給した。具体的には、ベースガスである窒素ガスに、酸素ガスを、0%、0.01%、0.05%、0.1%、0.5%、1%、5%、10%、20%、50%、80%含む被測定ガスを供給し、その際に、基準電極Kと内側検知電極Pt-inとの間に生じる電位差(起電力EMF)を測定した。 Then, the measurement temperatures were 500 ° C., 550 ° C., 600 ° C., and 700 ° C., and gases with different oxygen concentrations were supplied at a flow rate of 100 cm 3 / min. Specifically, oxygen gas is added to nitrogen gas as a base gas at 0%, 0.01%, 0.05%, 0.1%, 0.5%, 1%, 5%, 10%, 20 %, 50%, and 80% of the measurement gas were supplied, and the potential difference (electromotive force EMF) generated between the reference electrode K and the inner detection electrode Pt-in was measured.
その結果を、図8〜図11に示す。この図8〜図11は縦軸に起電力をとり横軸に時間(分)をとったものである。尚、図8〜図11に示す%も(酸素濃度の)容積%である。
前記図8、図10に示す500℃、600℃における実験では、実験開始後50分を経過した後は、酸素濃度を80%に設定した。また、図9に示す550℃における実験では、実験開始後55分を経過した後は、酸素濃度を0%に設定した。更に、図11に示す700℃における実験では、実験開始後40分〜130分は、酸素濃度を20%に設定した。
The results are shown in FIGS. 8 to 11, the vertical axis represents electromotive force and the horizontal axis represents time (minutes). Note that% shown in FIGS. 8 to 11 is also volume% (of oxygen concentration).
In the experiments at 500 ° C. and 600 ° C. shown in FIGS. 8 and 10, the oxygen concentration was set to 80% after 50 minutes had elapsed since the start of the experiment. In the experiment at 550 ° C. shown in FIG. 9, the oxygen concentration was set to 0% after 55 minutes had elapsed since the start of the experiment. Furthermore, in the experiment at 700 ° C. shown in FIG. 11, the oxygen concentration was set to 20% for 40 to 130 minutes after the start of the experiment.
この実験では、基準電極Kは酸素濃度が変化する被測定ガスに接し、内側検知電極Pt-inは酸素濃度が変化しない基準ガスに接しているが、図8及び図9から明かな様に、測定温度が500℃及び550℃では、両電極間の起電力は、酸素濃度が変化しても殆ど変化しないことが分かる。 In this experiment, the reference electrode K is in contact with the gas to be measured whose oxygen concentration changes, and the inner detection electrode Pt-in is in contact with the reference gas whose oxygen concentration does not change. As is apparent from FIGS. It can be seen that at the measurement temperatures of 500 ° C. and 550 ° C., the electromotive force between the two electrodes hardly changes even if the oxygen concentration changes.
つまり、この測定温度では、被測定ガスに接する基準電極では、電気化学反応は酸素濃度によらずに平衡状態を維持しており、よって基準電極としての機能を発揮していることが分かる。 In other words, at this measurement temperature, it can be seen that the reference electrode in contact with the gas to be measured maintains the equilibrium state of the electrochemical reaction regardless of the oxygen concentration, and thus exhibits the function as the reference electrode.
一方、図10から明かな様に、測定温度が600℃の場合は、酸素濃度が5%以上の場合から、徐々に起電力が増加し、80%では起電力が急激に増加する。また、図11から明かな様に、測定温度が700℃の場合は、酸素濃度が5%以上の場合、起電力が急激に増加する。 On the other hand, as is apparent from FIG. 10, when the measurement temperature is 600 ° C., the electromotive force gradually increases from the case where the oxygen concentration is 5% or more, and at 80%, the electromotive force increases rapidly. As is clear from FIG. 11, when the measurement temperature is 700 ° C., the electromotive force increases rapidly when the oxygen concentration is 5% or more.
従って、測定温度が高い場合には、そのままでは、測定濃度の範囲に制限があることが分かる。 Therefore, when the measurement temperature is high, it can be seen that there is a limit to the range of the measured concentration as it is.
次に、実施例2について説明するが、前記実施例1と同様な箇所の説明は省略する。
本実施例は、前記実施例1とはセンサ素子の構造が異なる。
図12に示す様に、本実施例のガスセンサ41のセンサ素子43は、平板状の基体(基板)45の両側に、それぞれマンガン酸ニッケル(NiMn2O4)を主成分とする基準電極47とPtを主成分とする検知電極49とを配置したものであり、この基準電極47と検知電極49とが被測定ガスに接するように構成されている。
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same parts as the first embodiment will be omitted.
This embodiment differs from the first embodiment in the structure of the sensor element.
As shown in FIG. 12, the
また、基板45の近傍には、間隙を介してヒータ基板51が平行に配置されており、このヒータ基板51内には、温度を検出するための熱電対とヒータとが配置されている(図示せず)。
In addition, a
尚、両電極47、49間の電位差から酸素濃度を測定するガス測定部53以外に、前記実施例1と同様に、温度制御器等(図示せず)が接続されている。
本実施例でも、前記実施例1と同様な効果を奏するとともに、センサ素子43の構造を簡素化できるという利点がある。
In addition to the
This embodiment also has the advantages that the same effects as those of the first embodiment can be obtained and the structure of the
次に、実施例3について説明するが、前記実施例1と同様な箇所の説明は省略する。
本実施例は、前記実施例1とはセンサ素子の構造が異なる。
図13に示す様に、本実施例のガスセンサ61のセンサ素子63は、平板状の基体(基板)65の一方の表面(同図の上面)に、マンガン酸ニッケル(NiMn2O4)を主成分とする基準電極67とPtを主成分とする検知電極69とを並べて配置したものであり、この基準電極67と検知電極69とが被測定ガスに接するように構成されている。
Next, although Example 3 will be described, description of the same parts as those in Example 1 will be omitted.
This embodiment differs from the first embodiment in the structure of the sensor element.
As shown in FIG. 13, the
また、基板65の他方の表面(下面)には、ヒータ基板71が接合されており、このヒータ基板71内には、温度を検出するための熱電対とヒータとが配置されている(図示せず)。
A
尚、両電極67、69間の電位差から酸素濃度を測定するガス測定部73以外に、前記実施例1と同様に、温度制御器等(図示せず)が接続されている。
本実施例でも、前記実施例1と同様な効果を奏するとともに、センサ素子63の構造を簡素化できるとともに、その強度を向上できるという利点がある。
In addition to the
This embodiment also has the advantages that the same effects as those of the first embodiment can be obtained, the structure of the
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
(1)例えば、前記実施例では、基準電極として、マンガン酸ニッケル(NiMn2O4)を主成分とする電極を用いたが、基準電極全体をマンガン酸ニッケルで構成してもよく、或いは、基準電極の一部をマンガン酸ニッケルで構成してもよい。
In addition, this invention is not limited to the said Example at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from the summary of this invention.
(1) For example, in the above embodiment, as a reference electrode, but using an electrode composed mainly of manganese, nickel (NiMn 2 O 4), the entire reference electrode may be formed of a manganese, nickel, or, A part of the reference electrode may be composed of nickel manganate.
1、41、61…ガスセンサ
3、43、63…センサ素子
5…温度調節部
7、53、73…ガス測定部
9、45、65…基体
11、47、67…基準電極
13、49、69…検知電極
21…熱電対
23…ヒータ
27…デジタルエレクトロメータ
51、71…ヒータ基板
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記一対の電極のうちの一方の電極が、マンガン酸ニッケル(NiMn 2 O 4 )を含有する基準極であり、該基準極と対をなす他方の電極が検知極であることを特徴とするガスセンサ。 A gas sensor having a sensor element in which at least one pair of electrodes is provided on a substrate having a solid electrolyte as a main component, and detecting the concentration of a predetermined gas in the gas to be measured based on the electrical characteristics between the paired electrodes In
One of the pair of electrodes is a reference electrode containing nickel manganate (NiMn 2 O 4 ) , and the other electrode paired with the reference electrode is a detection electrode. .
前記一対の電極のうちの一方の電極として、マンガン酸ニッケル(NiMn 2 O 4 )を含有する基準極を用い、他方の電極として、前記基準極と対をなす検知極を用い、前記センサ素子を前記被測定ガス中に配置し、前記両電極を前記測定ガスに接触させて、前記所定ガスの濃度を測定することを特徴とするガス濃度測定方法。 A gas concentration for detecting a concentration of a predetermined gas in a gas to be measured based on an electrical characteristic between the paired electrodes, using a sensor element in which at least one pair of electrodes is provided on a substrate mainly composed of a solid electrolyte In the measurement method,
A reference electrode containing nickel manganate (NiMn 2 O 4 ) is used as one electrode of the pair of electrodes, and a sensing electrode paired with the reference electrode is used as the other electrode. A gas concentration measuring method, wherein the concentration of the predetermined gas is measured by placing the electrode in the measurement gas and bringing the electrodes into contact with the measurement gas.
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