酸素濃度計の測定方式と長所および短所は?

現在市販されている酸素濃度計の測定方法を分類すると下記のようになります。

ジルコニア式:
濃淡電池式 (弊社製品形名:ZR22G/ZR402G, ZR202G, ZS8D/ZS8C, OX400)
限界電流式 (弊社製品形名:OX100, OX102)

磁気式:
磁気流量比式 (弊社製品形名:MG8G, MG8E)
磁気風式
磁気力式ダンベル形

レーザ分光式:
レーザ分光式(弊社製品形名:TDLS8000)

電極式:
ガルバニ電池式
ポーラログラフ式

測定方式により、それぞれ長所および短所を併せ持っていますので、アプリケーションおよび使用目的に合わせて適切な方式の酸素濃度計を選択することが重要です。下記にそれぞれの測定方式の概説と長所および短所を述べます。

(1)ジルコニア式:濃淡電池式
ジルコニアのような固体電解質は、高温状態になると酸素イオンに対して導電性を示します。下図のように、ジルコニア素子の両面に多孔質の白金電極を貼り付けて加熱し、それぞれの面に酸素分圧の異なるガスを接触させると、酸素濃淡電池の作用を起こします。この反応によって、両電極間にはネルンストの式による起電力が発生します。

ジルコニア式:濃淡電池式

長所:
比較ガスが不要で直接挿入で使用できます。また、校正はスパン側(空気)1点だけです。

短所:
測定ガス中に可燃性ガスが含まれていると測定誤差になります。
また、測定ガス中にダストがあると、陰極側の気体拡散孔が詰まり測定不能になります。

(2)ジルコニア式:限界電流式
下図のように、高温に加熱したジルコニア素子の陰極側の酸素の流入を制限すると、印加電圧を増加させても電流値が一定になる領域ができます。この限界電流は酸素濃度に比例します。

ジルコニア式:限界電流式

長所:
比較ガスが不要で直接挿入で使用できます。また、校正はスパン側(空気)1点だけです。

短所:
測定ガス中に可燃性ガスが含まれていると測定誤差になります。また、測定ガス中にダストがあると、陰極側の気体拡散孔が詰まり測定不能になります。

(3)磁気式:磁気流量比式
酸素の常磁性を利用した方式の一つです。測定ガス中に酸素があると、酸素が磁界に引き付けられるため、B方向に流れる補助ガスの流量が減少します。この絞り効果によって生じる、B方向とA方向の流量比の差異は、測定ガス中の酸素濃度に比例します。これを検出用サーミスタで検出し出力します。

磁気式:磁気流量比式

長所:
ジルコニア式では測定できない可燃性ガスを含む混合ガスの測定ができます。
検出部のセンサ部分は測定ガスに接しないため、腐食性のガスも測定できます。
磁気式の中では、他の方式に比べ、応答時間が短く、振動や衝撃に強い構造です。

短所:
測定ガスの性状やアプリケーションに対応したサンプリング装置が必要なため、他の方式に比べ高価になります。

(4)波長可変半導体レーザ分光式
レーザガス分析計で、波長可変半導体レーザ(TDL)による吸収分光計測法を利用し、レーザ光が測定対象ガスを通過するときに吸収(損失)される光の量からガス濃度を測定します。レーザガス分析計の基本的構成は、近赤外線を出射するレーザ、測定対象ガスを通過し受光部まで届くようにレーザ光を集光する光学レンズ、検出器、レーザを制御し検出器の信号をガス濃度の信号に変換する電子回路部です。ガス分子は吸収線と呼ばれる特定の色の光を吸収し、吸収の強さはベールの法則に従います。レーザガス分析計はランベルト・ベールの法則に従った近赤外線分析計です。

I = Io e-EGL
  I : 透過光の強さ
  Io : 入射光の強さ
  E : 吸光係数
  G : ガス濃度v
  L : 測定光路の長さ

波長可変半導体レーザ分光式

長所:
・高温、高圧、腐食性ガスや刺激性ガス雰囲気、高ダスト濃度等厳しい条件下で長期安定測定が可能
・他ガスの干渉の影響を殆ど受けることなく測定が可能
・ガスサンプリング装置が不要で、交換部品が少なくメンテナンスコストを低減

短所:
・プロセスの両サイドにフランジの取り付けが必要

(5)電極式:ガルバニ電池式
陽極(卑金属)と陰極(貴金属)が接している電解液に隔膜を介して酸素を溶解させると、溶解した酸素量に比例した電流が発生します。隔膜を透過する酸素量は、測定ガスの酸素分圧に比例するので、電流を測定することで酸素濃度を知ることができます。

電極式:ガルバニ電池式

長所:
検出部を小型にできるので、携帯形や可搬形が可能です。また、他の方式に比べ、比較的安価です。
可燃性ガス中のO2も測定できます。

短所:
セルの寿命に限界があります(一種の酸素電池ですので、使用していないときでも劣化します)。
通常、1年程度で交換が必要です。

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