酸素センサーをチェックした人はこんな商品もチェックしています
酸素センサー
メーカー12社一覧 【2024年】
酸素センサーについての概要、用途、原理などをご説明します。また、酸素センサーのメーカー12社一覧や企業ランキング、製品ランキングも掲載しておりますので是非ご覧ください。酸素センサー関連企業の2024年3月注目ランキングは1位:株式会社フジクラ、2位:日本特殊陶業株式会社、3位:セラミックセンサ株式会社となっています。
酸素センサーとは
酸素センサーとは、測定空間の大気中における酸素濃度を計測するためのセンサーです。
隔離された密閉空間において、生命活動を維持するために酸素濃度を計測することは極めて重要です。この酸素濃度計測で酸素センサーは、大きな役割を担います。
酸素濃度が15％以下になると、人間は呼吸困難になり、7%以下になると、脳機能への障害、さらに4%以下になると死に至るといわれています。さまざまな科学・産業分野において、酸素センサーが必要とされ、その分野の要請に応じて酸素濃度の測定条件やシステムが多岐に渡って開発されています。
代表的なセンサーは、ジルコニアセンサーです。ジルコニアセンサーは半導体製造における製品管理や自動車等における省エネ、排ガス浄化にも利用されています。
酸素センサーの使用用途
酸素濃度の計測は、大きく2つの役割として行われます。1つ目は、人の命を守る酸欠防止としての検知や監視です。2つ目は、工業製品の生産過程などにおける酸素濃度の管理です。
1. 酸欠防止
酸欠防止としての使用例は、トンネルや地下工事などの土木作業現場での安全管理、医療分野では酸素吸入管理や高圧蘇生などです。これらの用途で用いる製品には、携行できたり壁掛け型で使えたりするものがあります。
2. 酸素濃度の管理
工業製品製造の工程管理としては、化学工業、セラミックス、金属の分野で用いられます。工業製品製造においては、熱処理工程の高温環境下で使用されることが多いのも特徴の1つです。
私たちの生活に身近な例では、自動車やオートバイのエンジンに使用されています。排気ガス中の酸素濃度を検知することによって、燃料の濃さを調整する役割を担っています。
酸素センサーの原理
酸素センサーの測定原理にはガルバニ電池式、ジルコニア個体電解質方式、磁気式、波長可変半導体レーザ分光式などがあります。
1. ガルバニ電池式
ガルバニ電池式は構造が簡便で、携行タイプの酸素計で使われている方式です。金と鉛の電極、樹脂隔膜と電解液で構成され、隔膜を通過した酸素が電解液に溶ける際に酸素濃度に応じた電流が流れる仕組みを利用しています。
2. ジルコニア個体電解質方式
ジルコニア個体電解質方式は、固体電解質であるジルコニアを用いる方式です。ジルコニアは固体の中で酸素負イオン (O2-) を伝導できる性質があり、酸素濃度の高いガス (O2高圧側) から酸素濃度の低い雰囲気 (O2低圧側) へとイオンが伝導します。
ジルコニア個体電解質方式の酸素センサーでは、O2高圧側とO2低圧側にはそれぞれ電極が設置され、これらは電気的に接続された状態です。O2は、負イオンとしてジルコニア内部を透過しようとするため、O2高圧側の電極において電子を捕獲し、負イオンとなる一方で、O2低圧側では、透過してきたO2-から電子を受け取ります。
ちょうど電池の正極と負極のような関係であり、O2低圧側 (負極) で解放された電子は、再びO2高圧側 (正極) へと流れ込むという仕組みです。電極間に発生した起電力は、次のようなネルンストの式と呼ばれる関係を用い、それぞれの電極における酸素分圧を求められます。
E= (RT/4F) · 1n (PA/PB)
ここでRは気体定数、Tは温度、Fはファラデー定数、PA・PBは、それぞれO2高圧側とO2低圧側の酸素分圧を示しています。なお、温度はジルコニアに備え付けた熱電対により計測し、PAは通常大気中の酸素分圧を基準としています。
酸素センサーのその他情報
酸素センサーの劣化
工業製品の製造工程で使用されるジルコニア式酸素センサーは、劣化に注意が必要です。高温環境下で使用され、さまざまなガスもジルコニアセルを劣化させたり影響を与えたりすることがあります。ハロゲンといった還元ガスも、劣化となる因子です。
自動車用では酸素センサーが劣化や故障すると、排気ガス中の有害物質が増加してしまいます。また、必要以上に燃料が濃くなると、燃費が悪化することもあります。O2センサーが劣化した際には、ディーラーやサービス工場で部品交換が必要です。
参考文献
https://www.motoyama.co.jp/engineer/engO201.htm
https://www.jstage.jst.go.jp/article/sfj/56/9/56_9_507/_pdf/-char/ja
