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酸素計
メーカー12社一覧 【2024年】
酸素計についての概要、用途、原理などをご説明します。また、酸素計のメーカー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。酸素計関連企業の2024年3月注目ランキングは1位:東レエンジニアリングDソリューションズ株式会社となっています。
酸素計とは
図1. 酸素計の概要
酸素計は、空気中の酸素濃度を測定するための計測器です。
酸素センサー、酸素モニタと呼ばれることもあります。酸素は人間の生命活動に必須の物質であるため、環境中の酸素濃度をモニターすることは極めて重要です。
また、種々の科学・産業分野において正確な酸素濃度管理が必要となるケースも多く、用途に合わせた機器が製造されています。
酸素計の使用用途
酸素計の使用用途は、下記の2種類に大別されます。
- 酸欠防止を目的とする酸素濃度のモニタリング (検知・監視)
- 工業プロセスなどにおける酸素濃度管理
酸欠防止では、トンネルなどの密閉空間における生命維持を目的とし、酸素濃度の監視を行います。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が起こり、さらに4%以下になると死に至ると言われているためです。機器の形状には、携行型・壁掛け型があります。
また、化学工業、セラミックス、金属、などの工業熱処理プロセスの中には、酸素濃度を低く保たなければいけないケースもあります。工業炉の燃焼工程でも、燃焼効率と酸化還元プロセスの最適化のため、酸素濃度の監視制御が必要です。これら工業目的の酸素計は、高温の化学反応場などの過酷環境に対する耐久性を要します。
酸素計の原理
酸素計の主な動作原理は、「ガルバニ電池式」と「ジルコニア固体電解質方式」の2つです。その他にも、「磁気式」「波長可変半導体レーザ分光式」などが挙げられます。
1. ガルバニ電池式
図2. ガルバニ電池式酸素計の模式図
外界からの酸素を通過させる樹脂隔膜、金 (Au) 電極と鉛 (Pb) 電極、および電解液 (水酸化カリウム水溶液)から構成されます。各電極では下記の反応が起こります。
- 陽極: Pb + 2OH- → Pb2+ +H2O + 2e-
- 陰極: O2 + 2H2O + 4e- → 4H2O
陽極で放出された電子が陰極に達し、陰極では空気中から取り込まれた酸素が、陽極で放出された電子を取り込みます。この電子の流れ (電流) が酸素濃度に比例するため、電流を測定することで酸素濃度が測定できるという仕組みです。この反応は、自発的に起るため、センサ駆動用の電源は必要ありません。
2. ジルコニア固体電解質方式
図3. ジルコニア固体電解質方式酸素計の模式図
ジルコニアが500℃以上の高温状態において固体電解質の性質を示すことを利用し、ジルコニアセルを用いた手法です。
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 (大気中) から酸素濃度の低い雰囲気 (工業炉内など) へとイオンが伝導します。
このイオンの伝導によって電位差が発生しますが、O2高濃度側とO2低濃度側にはそれぞれ電極が設置されており、起電力が生じます。ちょうど電池の正極と負極のような関係です。
- O2高濃度側: O2 + 4e- → 2O2-
- O2低濃度側: 2O2- → O2 + 4e-
電極間に発生した起電力はネルンストの式 (下記参照)に従うため、それぞれの電極における酸素分圧を求めることができます。
- E=(RT/4F)·ln(PA/PB)
- (R: 気体定数、T: 温度、F: ファラデー定数、PA: 高濃度側(大気中)酸素分圧、PB: 低濃度側酸素分圧)
なお、温度はジルコニアに備え付けた熱電対により計測されます。
なお、概ね400℃以下の雰囲気下では、対象ガスをサンプリングチューブで装置内に導入し、白金ヒータなどでジルコニアセルを所定の温度まで加熱します (サンプリング方式)。ジルコニアが固体電解質として機能するためには500℃以上の温度が必要となるためです。
酸素計の選び方
酸欠防止を目的とした酸素計と工業プロセスにおける低酸素濃度維持を目的とした酸素計では、異なった製品を使用する必要があります。
酸欠防止を目的とした携行・定置タイプの酸素系では、ガルバニ電池式が採用されており、このタイプではセンサ駆動用の電源も必要がありません。センサの寿命は、凡そ2～3年とされています。ただし、使用可能な環境は一般環境に近い雰囲気下に限定され、精度は±0.5％O2程度です。防爆仕様になっている製品もあります。
一方、工業炉などをはじめとする、高温の工業プロセスにおける酸素濃度の計測では、ジルコニア式の製品が使用されます。700℃以上の雰囲気下では、直接その雰囲気にセンサー部分を挿入する直挿式が利用されますが、400℃以下ではサンプリングチューブなどで炉内雰囲気ガスを引き込み、別途ジルコニアセルを加熱するサンプリング方式の製品が適切です。
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
