2026年9月6日日曜日

環境計量士と酸素自動計測器(3)|ジルコニア方式

この記事では「酸素自動計測器(JIS B 7983)」のうち、酸素の電気化学的な性質を利用するもの(電気化学式)について、試験で問われやすいポイントを分かりやすく解説していく。

電気化学式の計測器は、酸素の電気化学的酸化還元反応を利用して,酸素濃度を連続的に求めるもので次の方式があるの。

  • ジルコニア方式
  • 電極方式

試験で主に出題されるのはジルコニア方式のほう。
だから、この記事ではジルコニア方式を中心に解説していく。


ジルコニア方式とは?

はじめに、JISの記述の確認ね。

この方式は,高温に加熱されたジルコニア素子の両端に電極を設け,その一方に試料ガス,他方に空気を流して酸素濃度差を与えて両極間に生じる起電力を検出する
...まあ、いきなりこれを読んで「なるほど!」となる人は、そう多くないでしょうね。
だから、もう少しかみ砕いて説明するわ。

ジルコニウムの酸化物であるジルコニアは、酸化イットリウムなどを添加して安定化すると、高温で酸素イオン(O2-)だけを通す(電導する)固体電解質になるの。

そして、ジルコニア素子の両端に電極を設け、一方に試料ガス、もう一方に空気を流す。 すると、両側の酸素濃度の違いによって電極間に起電力(電圧)が生じるのよ。

この起電力を測定して酸素濃度を求める。 これがジルコニア方式。


ジルコニア方式の特徴

ジルコニア方式では、ジルコニア素子を高温に加熱して使用するの。
だから、高温の試料ガスを測定できるという特徴がある。

一方で、注意しなければならないのが一酸化炭素(CO)や水素(H₂)などの未燃焼ガスによる干渉ね。
これらの未燃焼ガスを多く含む試料では、実際よりも低い酸素濃度を示すことがあるの。

なぜかって?

未燃焼ガスが白金電極表面で酸化される際に、酸素が消費されるからよ。
つまり、本来測定したい酸素が途中で使われてしまうから、測定値は実際より低く出てしまうってわけ。

だから、未燃焼ガスの影響を無視できる場合、または影響を除去できる場合に、ジルコニア方式は適用できるってJISに記載されているの。


ここまで説明したんだから、次の過去問くらい解けるわよね?
ほら、実力を試してみなさい!
⭐ 過去問演習(第63回, 問題文を一部編集・再構成)

問19 JIS B 7983「排ガス中の酸素自動計測器」に関する次の記述のうち、誤っているものを一つ選びなさい。

1.ジルコニア方式では、ジルコニア素子を高温に加熱して使用する。
2.電気化学式は、酸素の電気化学的な酸化還元反応を利用し、酸素濃度を測定する方式である。
3.ジルコニア方式は、未燃焼の炭化水素を多量に含む燃焼排ガスの測定に適している。
4.計測器を設置するときは、振動の少ない場所を選ぶ。
5.ダンベル形の計測器では、磁界中で酸素分子が受ける磁化の強さを測定することで、酸素濃度を求める。
解説

選択肢1から順番にみていく。
ジルコニア素子は、高温に加熱することで酸素イオン(O²⁻)を通す固体電解質として働くようになるの。だから、この記述は正しいわ。

選択肢2
これは、JIS B 7983の「4.2 電気化学式」に記載されている内容ね。 JISにそのまま書かれているんだから、この記述は正しいわよ。

選択肢3
ジルコニア方式では、未燃焼ガスを多く含む試料を測定すると、実際の酸素濃度よりも低い値を示すことがある。
さっき解説したでしょ?覚えてる?
だから、この記述は誤り

【解答】3


⭐ 過去問演習(第61回, 問題文を一部編集・再構成)

問19 JIS B 7983「排ガス中の酸素自動計測器」に関する次の記述に該当する方式を、1~5の中から一つ選びなさい。

「高温に加熱した固体電解質を用いて酸素濃淡電池を構成し、比較ガスと試料ガスとの酸素濃度の違いによって生じる起電力を検出する方式である。」

1.ジルコニア方式
2.磁気力方式(ダンベル型)
3.磁気力方式(圧力検出型)
4.電極方式(定電位電解形)
5.磁気風方式
解説

まず、問題文のキーワードを確認ね。
今回のポイントは、

「高温に加熱した固体電解質」
「酸素濃淡電池」
「酸素濃度の差によって生じる起電力」

この3つね。

「高温に加熱した固体電解質」は、ジルコニア素子のこと。
だから、ジルコニア方式が正解。

【解答】1


⭐ 過去問演習(第59回, 問題文を一部編集・再構成)

問19 JIS B 7983「排ガス中の酸素自動計測器」に関する次の記述の中から、正しいものを一つ選びなさい。

1.磁気式濃度計では、一酸化窒素を高濃度で含む被測定ガスを、そのまま導入して測定することができる。
2.ジルコニア方式濃度計に高濃度の可燃性ガスを含む被測定ガスを直接導入すると、実際の酸素濃度よりも低い測定値を示す。
3.ジルコニア方式と磁気風方式では、干渉影響試験に同一組成の試験用ガスを使用することができる。
4.磁気力方式では、熱線素子を用いて試料気流の速度変化を検出し、その変化から酸素濃度を測定する。
5.電極方式の濃度計では、高濃度の二酸化炭素を含む被測定ガスを直接導入して測定することができる。
解説

選択肢1から順番にみていく。
一酸化窒素(NO)は、酸素と同じく常磁性をもつ。
そのため、磁気式濃度計ではNOの影響を受け、酸素濃度を実際よりも高く示す「正の干渉」が生じることがあるの。
だから、磁気式濃度計を使用できる条件は、一酸化窒素の影響を無視できる場合のみよ。 つまり、1は誤りね。

選択肢2
ジルコニア方式では、未燃焼ガスを多く含む試料を測定すると、実際の酸素濃度よりも低い値を示すことがある。
さっき解説したでしょ?覚えてる?
だから、この記述は正しいの。

【解答】2


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