Loading article…
酸素センサーとは、空気中または燃焼エンジンの排気ガスなどのガスマトリックス中の酸素分子の濃度を検出する電子部品である。
自動車用途では、酸素センサーはラムダセンサーと呼ばれ、ラムダは空気燃料当量比を指し、通常はλで表されます。これは、1960年代後半にギュンター・バウマンの監督の下、ロバート・ボッシュ社によって開発されました。 [ 1 ]オリジナルのセンシング素子は、排気側と基準側の両方に薄いプラチナ層でコーティングされた指ぬき型のジルコニアセラミックでできており、加熱型と非加熱型があります。平面型センサーは1990年に市場に登場し、セラミックセンシング素子の質量を大幅に削減するとともに、ヒーターをセラミック構造内に組み込みました。[ 2 ]これにより、起動が早く、応答が速いセンサーが実現しました。
最も一般的な用途は、自動車などの内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を測定し、触媒コンバーターが最適に機能するように空燃比を計算し、必要に応じて動的に調整すること、またコンバーターが正常に機能しているかどうかを判断することです。酸素センサーは、燃料混合比が濃く、排気ガス中の未燃焼酸素が少ない場合、通常約0.9ボルトまで電圧を出力します。
科学者は酸素センサーを用いて呼吸や酸素生成を測定し、異なるアプローチを採用しています。酸素センサーは酸素分析装置に用いられ、麻酔モニター、人工呼吸器、酸素濃縮器など、医療分野で幅広く利用されています。
ダイバーは酸素センサー（しばしばppO2センサーと呼ばれる）を使用して、呼吸ガス中の酸素分圧を測定します。オープンサーキット式スキューバダイバーは、潜水中に混合ガスが変化しないため、潜水前にガスをテストします。圧力による分圧の変化は単純に予測可能です。一方、混合ガス式リブリーザーダイバーは、潜水中に呼吸ループ内の酸素分圧が変化するため、潜水中ずっと酸素分圧を監視し、許容範囲内に収まるように制御する必要があります。
酸素センサーは、低酸素空気火災予防システムにおいても、保護対象空間内の酸素濃度を継続的に監視するために使用されます。
酸素濃度を測定する方法は数多く存在する。ジルコニア法、電気化学法（ガルバニック法とも呼ばれる）、赤外線法、超音波法、常磁性法、そしてごく最近ではレーザー法などが挙げられる。
自動車用酸素センサー（通称O₂センサー）は、現代の電子燃料噴射と排出ガス制御を可能にする。これらは、燃焼エンジンの空燃比がリッチかリーンかをリアルタイムで判断するのに役立つ。酸素センサーは排気流に配置されているため、エンジンに入る空気や燃料を直接測定するわけではない。しかし、酸素センサーからの情報を他のソースからの情報と組み合わせると、間接的に空燃比を判断するために使用できる。[ 3 ]閉ループフィードバック制御燃料噴射は、あらかじめ決められた（開ループ）燃料マップで動作するのではなく、リアルタイムのセンサーデータに基づいて燃料インジェクターの出力を変化させる。この排出ガス制御技術は、効率的な電子燃料噴射を可能にするだけでなく、大気中に放出される未燃焼燃料と窒素酸化物の量を減らすことができる。未燃焼燃料は、大気中の炭化水素の形で存在する汚染物質である。同時に、燃料混合物中の過剰な空気により燃焼室の温度が1300ケルビンを超えると窒素酸化物（NOxガス）が発生し、スモッグや酸性雨の原因となる。ボルボは1976年にこの技術を初めて採用した自動車メーカーであり、触媒コンバーターに三元触媒が使用された。[ 4 ] [ 5 ]
このセンサーは、酸素濃度そのものを測定するのではなく、排気ガス中の酸素含有量と空気中の酸素含有量の差を測定します。混合気が濃い場合、酸素需要が高まります。この需要によって、酸素イオンがセンサー層を通過する際に電圧出力が上昇します。混合気が薄い場合は、酸素が過剰になるため電圧が低くなります。
現代の火花点火式燃焼エンジンは、酸素センサーと触媒コンバーターを使用して排気ガスを削減します。酸素濃度に関する情報は、エンジン管理コンピューターまたはエンジン制御ユニット（ECU）に送信され、過剰な空気または過剰な燃料を補償するためにエンジンに噴射される燃料の量を調整します。ECUは、酸素センサーからの情報を解釈して、平均的に特定の空燃比を維持しようとします。主な目標は、出力、燃費、および排出ガスの間の妥協であり、ほとんどの場合、理論空燃比に近い空燃比によって達成されます。火花点火エンジン（ディーゼルではなく、ガソリンまたはオートガス/液化石油ガス（LPG）を燃焼するものなど）の場合、現代のシステムが関心を持っている3種類の排出物は、炭化水素（失火やリッチ燃焼など、燃料が完全に燃焼しなかったときに放出される）、一酸化炭素（わずかにリッチ燃焼した結果）、およびNOx （混合気がリーンなときに支配的になる）です。これらのセンサーが、通常の経年劣化、有鉛燃料の使用、あるいはシリコーンやケイ酸塩で汚染された燃料の使用などによって故障すると、自動車の触媒コンバーターが損傷し、高額な修理費用が発生する可能性があります。
酸素センサーがエンジン コンピューターに送信する信号を改ざんまたは変更すると、排出ガス制御に悪影響を及ぼし、車両を損傷する可能性もあります。エンジンが低負荷状態にあるとき (非常にゆっくりと加速しているときや一定速度を維持しているときなど)、エンジンは「クローズド ループ モード」で動作します。これは、ECU と酸素センサー間のフィードバック ループを指し、ECU は燃料の量を調整し、その結果として酸素センサーの応答に変化が見られることを期待します。このループにより、エンジンは平均的にほぼ理論空燃比を維持しようとするため、連続するループでわずかにリーンとわずかにリッチの両方で動作するように強制されます。変更によりエンジンが中程度にリーンで動作するようになったとします。その場合、燃料効率はわずかに向上しますが、NO x排出量の増加、排気ガス温度の大幅な上昇、そして、超希薄な空燃比では、すぐに失火や出力の急激な低下、さらにはエンジンや触媒コンバーター (失火による) の損傷につながる可能性のある出力のわずかな増加といった代償を伴います。改造によってエンジンがリッチな状態で運転されるとします。その場合、ある時点までは出力がわずかに向上しますが (その後、エンジンは未燃焼燃料が多すぎてオーバーフローし始めます)、燃料効率の低下と排気中の未燃焼炭化水素の増加という代償を伴い、触媒コンバーターの過熱を引き起こす可能性があります。リッチな混合気での長時間の運転は、触媒コンバーターの壊滅的な故障を引き起こす可能性があります (バックファイアを参照)。 ECUは点火タイミングと燃料噴射パルス幅も制御するため、エンジンがリーン状態またはリッチ状態になりすぎるような改造を行うと、燃焼サイクルにおいて燃料が早すぎたり遅すぎたりして点火され、燃費が悪化する可能性がある。
内燃機関が高負荷状態（例えばスロットル全開時）にある場合、酸素センサーの出力は無視され、ECUは自動的に混合気を濃くしてエンジンを保護します。これは、負荷がかかった状態での失火がエンジンに損傷を与える可能性がはるかに高いためです。この状態は「オープンループモード」でエンジンが作動している状態と呼ばれます。この状態では、センサー出力の変化はすべて無視されます。多くの車（一部のターボチャージャー搭載モデルを除く）では、エアフローメーターからの入力も無視されます。これは、混合気が濃すぎたり薄すぎたりしてエンジン性能が低下したり、混合気が薄すぎるとノッキングによるエンジン損傷のリスクが高まる可能性があるためです。
O 2センサーはエンジン制御ユニット(ECU)にフィードバックを提供します。該当する場合、ガソリン、プロパン、天然ガスエンジンには、路上車両の排出ガス規制に準拠するために三元触媒が装備されています。O 2センサー信号を使用すると、ECU は、三元触媒が効果的に機能するための理想的な動作混合比である 14.7:1 に非常に近い空燃比でエンジンを動作させることができます。[ 6 ] Robert Bosch GmbH は1976 年に最初の自動車用ラムダセンサーを導入し、[ 2 ]同年、ボルボとサーブが初めて使用しました。センサーは 1979 年頃から米国で導入され、1993 年までに多くのヨーロッパ諸国のすべての車種で義務付けられました。
センサー素子はセラミック製の円筒形で、内側と外側に多孔質の白金電極がメッキされており、全体は金属メッシュで保護されている。排気ガスと外気の酸素濃度差を測定し、それに応じて電圧を発生させたり、抵抗値を変化させたりすることで動作する。
センサーは、約 316 °C (600 °F ) まで加熱されて初めて効果的に機能し始めるため、最新のラムダプローブのほとんどは、セラミックチップを素早く加熱するための発熱体がセラミック内に内蔵されています。発熱体のない古いプローブは、最終的には排気ガスによって加熱されます。しかし、エンジンの始動から排気システム内のコンポーネントが熱平衡に達するまでには時間差があります。排気ガスがプローブを加熱するのに必要な時間は、周囲の空気温度と排気システムの形状によって異なります。ヒーターがない場合、このプロセスには数分かかることがあります。この始動プロセスの遅さに起因する汚染問題があり、触媒コンバーターの作動温度に関する同様の問題も含まれます。
プローブには通常4本の配線が接続されています。2本はラムダ出力用、残りの2本はヒーター電源用です。ただし、一部の自動車メーカーは金属ケースをセンサー素子信号のアースとして使用しているため、配線は3本になります。初期の非電気加熱式センサーは、1本または2本の配線でした。
二酸化ジルコニウム（ジルコニア）ラムダセンサーは、ネルンストセルと呼ばれる固体電気化学燃料電池をベースとしている。その2つの電極は、排気ガス中の酸素量と大気中の酸素量の比率に応じた出力電圧を出力する。
出力電圧が 0.2 V (200 mV) DCの場合、燃料と酸素の「希薄混合気」の状態を表します。この状態では、シリンダーに入る酸素の量が、空気と燃料の燃焼によって生成された一酸化炭素(CO) を完全に酸化して二酸化炭素(CO 2 ) にするのに適しています。出力電圧が 0.8 V (800 mV) DC の場合、「濃混合気」の状態を表します。これは、未燃焼燃料が多く、残存酸素が少ない状態です。理想的な設定値は約 0.45 V (450 mV) DC です。この設定値では、空気と燃料の量が最適な比率、つまり理論空燃比の約 0.5% 希薄な状態となり、排気ガス中の一酸化炭素が最小限になります。
センサーが生成する電圧は、酸素濃度に対して非線形である。センサーは化学量論点（λ = 1）付近で最も感度が高く、極端に希薄な場合や極端に濃い場合には感度が低くなる。
ECUは、センサーからのフィードバックを使用して燃料/空気混合比を調整する制御システムです。すべての制御システムと同様に、センサーの時定数は重要です。ECUが燃料空気比を制御する能力は、センサーの応答時間に依存します。老朽化または汚れたセンサーは応答時間が遅くなる傾向があり、システムのパフォーマンスが低下する可能性があります。時間間隔が短いほど、いわゆる「クロスカウント」[ 7 ]が高くなり、システムの応答性が高くなります。
このセンサーは、内部および外部ともに頑丈なステンレス鋼構造を採用しています。そのため、耐腐食性に優れており、高温高圧の過酷な環境下でも効果的に使用できます。
ジルコニアセンサーは「狭帯域」タイプであり、これはセンサーが反応する燃料／空気比の範囲が狭いことを指す。
ジルコニアセンサーのバリエーションである「ワイドバンド」センサーは、1992年にNTKによって導入され[ 8 ]、燃費向上、排出ガス低減、エンジン性能向上という高まる要求に応えるため、自動車のエンジンマネジメントシステムに広く使用されています[ 9 ] 。これは平面ジルコニア素子をベースとしていますが、電気化学ガスポンプも組み込まれています。フィードバックループを含む電子回路がガスポンプ電流を制御して電気化学セルの出力を一定に保つため、ポンプ電流は排気ガスの酸素含有量を直接示します。このセンサーは、狭帯域センサーに固有のリーン/リッチサイクルを排除し、制御ユニットがエンジンの燃料供給と点火タイミングをより迅速に調整できるようにします。自動車業界では、このセンサーはUEGO （ユニバーサル排気ガス酸素）センサーとも呼ばれています。UEGOセンサーは、アフターマーケットのダイノチューニングや高性能ドライバーの空燃比表示装置にも一般的に使用されています。広帯域ジルコニアセンサーは、成層燃料噴射システムに使用されており、今後施行されるEUROおよびULEV排出ガス規制に対応するため、ディーゼルエンジンにも使用できるようになりました。
広帯域センサーは3つの要素から構成されています。
広帯域センサーの配線図には、通常6本の配線があります。
あまり一般的ではない狭帯域ラムダセンサーには、二酸化チタン（チタニア）製のセラミック素子が用いられています。このタイプのセンサーは、自ら電圧を発生させるのではなく、酸素濃度に応じて電気抵抗を変化させます。二酸化チタンの抵抗値は、酸素分圧と温度の関数です。そのため、温度による抵抗変化を補償するために、ガス温度センサーと併用されるセンサーもあります。どの温度においても、抵抗値は酸素濃度の変化の約1/1000です。幸いなことに、λ = 1 では酸素濃度が大きく変化するため、温度にもよりますが、リッチ状態とリーン状態の間で抵抗値は通常1000倍変化します。
二酸化チタンは構造がTiO 2− xのN型半導体であるため、結晶格子中のx欠陥が電荷を伝導します。したがって、燃料が濃い排気（酸素濃度が低い）の場合は抵抗が低く、燃料が薄い排気（酸素濃度が高い）の場合は抵抗が高くなります。制御ユニットはセンサーに小さな電流を供給し、センサーの両端の電圧降下を測定します。この電圧降下はほぼ0ボルトから約5ボルトまで変化します。ジルコニアセンサーと同様に、このタイプは非線形であるため、単純に「リッチ」または「リーン」のいずれかを読み取るバイナリインジケーターとして説明されることがあります。二酸化チタンセンサーはジルコニアセンサーよりも高価ですが、応答速度も速いです。
自動車用途では、チタニアセンサーはジルコニアセンサーとは異なり、正常に動作するために大気の基準サンプルを必要としません。これにより、センサーアセンブリを水による汚染に対して容易に設計できます。ほとんどの自動車用センサーは水中対応ですが、ジルコニアベースのセンサーは、大気からごく少量の基準空気の供給を必要とします。理論上、センサーのワイヤーハーネスとコネクタは密閉されています。ワイヤーハーネスを通してセンサーに漏れる空気は、ハーネスの開口部（通常はトランクや車内などの密閉空間に収容されているECU）から来ると考えられます。
プローブは通常、排気システムの分岐マニホールドが合流した後、触媒コンバーターの前にある排気システムのねじ穴にねじ込まれます。米国の規制では、すべての排出ガス部品の故障を監視することが義務付けられているため、新車には排気触媒の前後にセンサーを設置する必要があります。触媒の効率を判断するために触媒前後の信号が監視され、コンバーターが期待どおりに機能しない場合は、車載診断システムを通じて、たとえば車両のダッシュボードのインジケーターを点灯させることで、ユーザーに警告が通知されます。さらに、一部の触媒システムでは、触媒を負荷し、不要な排気成分の酸化還元を促進するために、希薄（酸素を含む）ガスの短いサイクルが必要です。
空燃比、そして当然ながらセンサーの状態は、センサーの出力電圧を表示する空燃比計を使用することで監視できます。
通常、非加熱式センサーの寿命は約30,000～50,000マイル（50,000～80,000km ）です。加熱式センサーの寿命は通常100,000マイル（160,000km ）です。非加熱式センサーの故障は、通常、セラミック素子に煤が蓄積することによって発生し、これにより応答時間が長くなり、酸素を感知する能力が完全に失われる可能性があります。加熱式センサーの場合、通常の堆積物は動作中に燃焼除去され、触媒の消耗によって故障が発生します。すると、プローブは混合気が薄いと報告する傾向があり、ECUは混合気を濃くし、排気ガス中の一酸化炭素と炭化水素が濃くなり、燃費が悪化します。
有鉛ガソリンは酸素センサーと触媒コンバーターを汚染します。ほとんどの酸素センサーは有鉛ガソリン存在下でも一定の耐用年数が保証されていますが、鉛濃度によってはセンサーの寿命が15,000マイル（24,000km ）程度に短縮されます。鉛によって損傷したセンサーは、通常、先端が薄く錆びたように変色します。
ラムダセンサーの早期故障のもう一つの一般的な原因は、燃料がシリコーン（一部のシール材やグリースに使用されている）やケイ酸塩（一部の不凍液の腐食防止剤として使用されている）で汚染されることです。この場合、センサーに付着する物質は、光沢のある白色から粒状の薄灰色まで、様々な色合いになります。
エンジン内部へのオイル漏れにより、プローブの先端が油っぽい黒い堆積物で覆われ、応答性が低下する可能性があります。
混合気が濃すぎると、プローブに黒い粉状の堆積物が付着します。これは、プローブ自体の故障、または燃料配分システムの他の箇所に問題があることが原因である可能性があります。
ジルコニアセンサーに外部電圧を印加する（例えば、一部のオームメーターで測定するなど）と、センサーが損傷する可能性があります。
一部のセンサーはリード線にセンサーへの空気吸入口があるため、水や油の漏れによってリード線から汚染物質が吸い込まれてセンサーが故障する可能性がある。[ 10 ]
酸素センサーの故障の症状[ 11 ]には以下が含まれます。
ほとんどの水中ダイビング用途で使用される酸素センサーの種類は、電気ガルバニック酸素センサー、つまり燃料電池の一種で、酸素分析計またはppO 2メーターと呼ばれることもあります。これらは、ナイトロックスやトライミックスなどの呼吸ガス混合物の酸素濃度を測定するために使用されます。[ 12 ]また、酸素分圧を安全な範囲内に保つために、閉鎖回路リブリーザーの酸素制御機構内でも使用されます。 [ 13 ]さらに、飽和潜水システムおよび水面供給混合ガスの呼吸ガスの酸素含有量を監視するためにも使用されます。このタイプのセンサーは、小型の電気ガルバニック燃料電池によって生成される電圧を測定することによって動作します。
土壌呼吸の研究では、酸素センサーを二酸化炭素センサーと併用することで、土壌呼吸の特性評価を向上させることができます。一般的に、土壌酸素センサーはガルバニ電池を使用して、測定対象の酸素濃度に比例した電流を生成します。これらのセンサーはさまざまな深さに埋設され、時間の経過に伴う酸素の減少を監視し、それに基づいて土壌呼吸速度を予測します。一般的に、これらの土壌センサーには、土壌中の相対湿度が100%に達することがあるため、透過性膜に結露が発生するのを防ぐためにヒーターが内蔵されています。[ 14 ]
海洋生物学や湖沼学では、酸素測定は通常、生物群集や生物の呼吸を測定するために行われますが、藻類の一次生産量を測定するためにも使用されてきました。水サンプル中の酸素濃度を測定する従来の方法は、ウィンクラー滴定法などの湿式化学技術を使用することでした。しかし、液体中の酸素濃度を非常に高い精度で測定できる市販の酸素センサーも存在します。酸素センサーには、電極（電気化学センサー）とオプトード（光センサー）の2種類があります。
ビール醸造所では、麦汁の曝気時の溶存酸素（DO）制御から、充填ラインでの微量酸素センサー（低ppb；低ppb）による測定まで、ビール製造工程の複数の場所で溶存酸素が測定されます。これらの測定は、インライン溶存酸素センサーまたは携帯型溶存酸素計で行われます。[ 15 ]
酸素センサーは、細胞培養または発酵によってバイオリアクター内で製造される医薬品有効成分の生産において重要な役割を果たします。酸素は細胞呼吸に重要であるため、酸素センサーは、バイオリアクター内の細胞が生産を最大化するために必要な酸素を得ていることを確認するための重要な測定値を提供します。酸素センサーの精度は非常に重要です。酸素不足は生産性に悪影響を及ぼし、過剰な酸素は細胞代謝の変化を引き起こす可能性があるためです。バイオリアクターでは、酸素センサーは垂直または斜めに設置できます。垂直設置の場合、角度付き先端酸素センサーは正確な測定値を提供するのに役立ちます。[ 16 ]
クラーク型電極は、液体に溶解した酸素を測定するために最も広く用いられている酸素センサーです。その基本原理は、電解液に浸された陰極と陽極から構成されています。酸素は透過膜を通して拡散によってセンサー内部に入り込み、陰極で還元されることで、測定可能な電流が発生します。
酸素濃度と電流の間には線形関係がある。2点校正（空気飽和度0%と100%）を用いることで、試料中の酸素濃度を測定することが可能である。
この方法の欠点の1つは、測定中に酸素がセンサー内の拡散速度と同じ速度で消費されることです。つまり、正確な測定値を得て水の滞留を避けるためには、センサーを攪拌する必要があります。センサーのサイズが大きくなるにつれて、酸素消費量も増加し、攪拌に対する感度も高くなります。大型センサーでは、電解質の消費により、時間の経過とともに信号がドリフトする傾向があります。しかし、クラーク型センサーは、先端サイズが10μmという非常に小さなサイズにすることができます 。このようなマイクロセンサーの酸素消費量は非常に小さいため、攪拌の影響をほとんど受けず、堆積物や植物組織内部などの停滞した媒体でも使用できます。
酸素オプトードは、酸素濃度を光学的に測定するセンサーです。化学膜が光ケーブルの先端に接着されており、この膜の蛍光特性は酸素濃度に依存します。酸素が存在しないときに蛍光は最大になります。酸素濃度が高いほど、蛍光の寿命は短くなります。[ 17 ] [ 18 ] O2 分子が近づくと、膜と衝突し、光ルミネセンスが消光されます。特定の酸素濃度では、任意の時点で膜と衝突するO2分子の数が一定になり、蛍光特性は安定します。
信号（蛍光）と酸素の比率は線形ではなく、オプトードは低酸素濃度で最も感度が高くなります。つまり、Stern–Volmer の関係に従って、酸素濃度が増加するにつれて感度が低下します。ただし、オプトードセンサーは、水中の酸素飽和度が 0% から 100% までの全領域で動作でき、校正は Clark 型センサーと同じ方法で行います。酸素は消費されないため、センサーは攪拌の影響を受けませんが、サンプルに入れた後にセンサーを攪拌すると、信号はより早く安定します。これらのタイプの電極センサーは、水分解反応における酸素生成のその場でのリアルタイムモニタリングに使用できます。白金化電極は、水分解装置における水素生成のリアルタイムモニタリングを実現できます。
平面型オプトードは、白金箔中の酸素濃度の空間分布を検出するために使用される。オプトードプローブと同じ原理に基づき、デジタルカメラを用いて特定領域の蛍光強度を撮影する。