JPS6358150A - 工業用酸素濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、工業用酸素濃度測定装置に関し、特に雰囲気
ガス中の酸素濃度測定、工業炉あるいは各種燃焼炉の炉
内または煙道内に挿入して燃焼排ガス中の酸素濃度の測
定等に用いて好適な工業用酸素濃度測定装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

この種の従来装置については、特開昭５４−９９４９２
号公開特許公報に開示されている。次に、この測定装置
につき、第１０図を参照しつつ説明する。

この測定装置においては、センシングセルが酸素濃淡電
池１から構成されている。この酸素濃淡電池１は、有底
円筒型固体電解質２と、この固体電解質２の閉鎖端部の
内外面に被着される内面電極３および外面電極４とより
成っている。そして、保持具５により支持された前記固
体電解質２の閉鎖端部をガス通路６中に位置させるとと
もに、この固体電解質２の開口端部を大気中に位置させ
て、筺体７に着脱自在に固定されている。なお、８゜９
は、前記内面電極３と外面電極４との間の電圧を取り出
すリード線である。

前記固体電解質２の閉鎖端部の外周面には、酸素濃淡電
池ｌを約５００〜１０００℃位に加熱するためのヒータ
１０が配置されている。このヒータ１０は、前記筐体７
のガス通路６に気密に設けられている。

また、エゼクタ−ノズル１１により燃焼排ガス（被測定
ガス）を、ガス通路６に吸引導入するプローブ１２が設
けられており、このプローブ１２の先端部には、除塵用
フィルタ１３が取り付けられている。

さらに、前記ヒータ１０を巻回した加熱管１４が配置さ
れており、この加熱管１４の外側には断熱層１５が巻か
れている。

なお、１６は校正ガス導管であるとともに、１７は排出
通路であり、１８は保温材である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このものにおいては、酸素濃淡電池１か
ら成るセンシングセルと、ヒータ１０および加熱管１４
等から成る加熱体とより構成される検出部は大きくて、
熱容量が非常に大きいものである。したがって、ヒータ
１０等による加熱源によって、酸素濃淡電池１のセンシ
ングセルが所定温度を得るまでには相当時間がかかり、
ヒータ１０等の加熱による加熱開始から実際の測定が始
まるまでの間の暖機時間が非常に長く、また検出部が大
きいため応答時間が遅いという問題点があった。

本発明は、このような問題点を解消する目的でなされた
ものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の工業用酸素濃度測定装置は、前記目的を達成す
るために、センシングセルと、加熱体および／または温
度検知体とを板状に積層一体に成形した検出部を具える
ことを特徴とするものである。

〔作　用〕

センシングセルと、加熱体および／または温度検知体と
を板状に積層一体に成形したことから、検出部が非常に
小型化され、熱容量が極めて小さくなるとともに、被測
定ガスの検出部の空間が小さくなり応答時間が早くなる
。

〔実施例〕

次に、本発明による工業用酸素濃度測定装置の具体的一
実施例につき、図面を参照しつつ説明する。

第１図において、被測定ガスであるガスを採取するプロ
ーブ２０は、例えば燃焼炉の煙道の炉壁２１に形成され
る開口２２に挿通位置されて設けられている。このプロ
ーブ２０は、先端が閉塞された外管２３と、両端が開口
された内管２４との内外２重管構造によって構成されて
いる。この外管２３の先端部側壁には、煙道内に流動す
る燃焼排ガス（被測定ガス）に面する位置にガス採取孔
２５が穿設されているとともに、このガス採取孔２５に
先端側開口２６を臨ませて、前記内管２４が外管２３内
に設けられている。この内管２４は、内部空間が、前記
先端側開口２６を介して外管２３と内管２４とで形成さ
れる空間との間での導通を遮ぎるために、支持板を兼ね
る隔壁２７によって、外管２３の軸心部分に支持されて
いる。この隔壁２７より基部側の外管２３の側壁におい
て、煙道に流動する燃焼排ガス（被測定ガス）に対して
負圧となる位置に、ガス排出孔２８が穿設されている。

したがって、ガス採取孔２５から採取された煙道からの
被測定ガスである燃焼排ガス（以下、被測定ガスと称す
る。）は、矢印で図示されるように、まず内管２４の内
部空間を通り、次に外管２３と内管２４との間に形成さ
れる空間を通って、ガス排出孔２８を介して煙道に排出
される。

一方、前記プローブ２０の基部には、ガス検出具２９が
連設されている。このガス検出具２９は、プローブ２０
に連通ずる状態で設けられる筒状部３０と、この筒状部
３０の内部空間に右側の基端側からねじ込みによって挿
入位置されて固定されかつ保護キャップで覆われる検出
部３１と、この検出部３１に前記プローブ２０内を流動
する被測定ガスを濾過して供給するために前記筒状部３
０の先端部に設けられるセラミックフィルタ部３２とよ
り構成されている。

なお、プローブ２０およびガス検出具２９は、取付はフ
ランジ３３を介して炉壁２１に取り付けられている。

また、３４はガス検出具２９に校正用ガスを供給する校
正ガス供給器であるとともに、３５　、３６夫々は、検
出部３１に基準空気を供給する空気孔、および検出部３
０からの信号を取り出すリード線である。

次に、前記検出部３１を構成する酸素センサ素子Ｓの構
造（寸法；約５ｍ／ｍ（巾）　Ｘｌ、５ｍ／ｍ　（厚み
）Ｘ３０〜６０ｍ／ｍ（長さ））について、第２図（八
）　、　（Ｂ）および第３図を参照しつつ説明する。

まず、上部には、固体電解質体４０と、この固体電解質
体４０の上下両側に配される上側ポンプ電極４１および
下側ポンプ電極４２とから成る酸素ポンプ部Ｐが設けら
れている。なお、この酸素ポンプ部Ｐの上面側には、前
記上側ポンプ電極４１を囲むようにして上部加熱部旧が
設けられている。

次に、前記酸素ポンプ部Ｐと同様に、固体電解質体４３
と、この固体電解質体４３の上下両側に配される測定電
極４４および基準電極４５とから成る酸素濃淡電池部Ｂ
が設けられている。

なお、これら酸素ポンプ部Ｐと酸素濃淡電池部Ｂとの間
には、所定の拡散抵抗のもとに被測定ガスを導く細隙平
坦空間の拡散室４６が形成されるように、絶縁体から成
る所定厚さのスペース部材４７（４７ａ　、　４７ｂ）
が介在されている。また、前記酸素ポンプ部Ｐにおける
拡散室４６の中央部に相当する位置には、この拡散室４
６を外部の被測定ガスの存在空間と連通させるガス導入
孔４８（４８ａ　、　４８ｂ　。

４８ｃ　、　４８ｄ）が形成されている。したがって、
このガス導入孔４８（４８ａ　、　４８ｂ　、　４８ｃ
　、　４８ｄ）により被測定ガスは導かれ、拡散室４６
内において所定の拡散抵抗のもとに拡散されて、酸素ポ
ンプ部Ｂの下側ポンプ電極４２に接触する。また、酸素
濃淡電池部Ｂの測定電極４４にも、前記下側ポンプ電極
４２の付近で被測定ガスに接触する。

次に、酸素濃淡電池部Ｂの下側には、順次に固体電解質
体から成るスペース部材４９、および固体電解質体５０
が設けられている。これにより、前記基準電極４５が露
呈される空気通路５１が形成されている。この空気通路
５１は、酸素センサ素子Ｓの基部において大気に連通し
ている。この空気通路５１を通じて大気である前記基準
空気が導かれて、基準電極４５に接触するようになって
いる。

なお、空気通路５１内には、固体電解質体４３の下面で
基準電極４５の両側部に近接した位置に、温度検知部Ｔ
が設けられている。

更に、下側には、下部加熱部Ｈ２が設けられている。し
たがって、この加熱部■２と前記上部加熱部旧とが、酸
素ポンプ部Ｐおよび酸素濃淡電池部Ｂの両側において、
これら酸素ポンプ部Ｐおよび酸素濃淡電池部Ｂを挟むよ
うにして、両側から所定温度（例えば６００℃以上）に
加熱できるようになっている。

前記固体電解質体４０　、４３　、５０およびスペース
部材４９は、高温において酸素イオン導電性を示す安定
化または部分安定化ジルコニア磁器から構成さている。

この安定化または部分安定化ジルコニア磁器は、良く知
られているように、酸化ジルコニウムに酸化イツトリウ
ムあるいは酸化カルシウム等を固溶させることによって
得られる。また、電極４１　、４２　、４４　、４５夫
々は、多孔質白金等から構成されている。これら電極４
１　、４２　、４４　、４５のうち、被測定ガスに接触
する上側ポンプ電極４１、□下側ポンプ電極４２および
測定電極４４夫々には、アルミナ等から成るポーラスセ
ラミック層５２．５３　。

５４が積層された状態で設けられている。したがって、
これらポーラスセラミック層５２　、５３　、５４を通
じて被測定ガスが、電極４１，４２．４４夫々に接触さ
れるようになる。

一方、前記加熱部旧、　Ｈ２は、ヒータ素子であるヒー
タエレメント５５　、５６の周りを、電気絶縁性を有す
るアルミナ等から成る多孔質層５７（５７ａ　。

５７ｂ）　、　５８（５８ａ　、　５８ｂ）によって覆
われた状態において設けられている。これら多孔質層５
７（５７ａ　。

５７ｂ）　、　５８（５８ａ　、　５８ｂ）上には、更
にジルコニア等の固体電解質から成る気密層５９　、６
０が設けられている。これにより、ヒータエレメント５
５　、５６夫々を外部の被測定ガスから遮断もしくは隔
離し得るようになっている。なお、ヒータエレメント５
５　、５６は、例えばアルミナ粉末と、白金粉とを主成
分とするペーストを印刷配置する、またはサーメット状
にしたフィルムを配置する等の手法によって形成される
。

また、前記温度検知部Ｔは、温度変化によって電気抵抗
が大きく変化して正または負の温度係数をもつ抵抗体等
から成る構成を有している。温度検知素子６１は、電気
絶縁性を有するアルミナ等がら成る多孔質層６２内に埋
設されて構成され、周囲の固体電解質体４３およびスペ
ース部材４９から電気的に絶縁されるようになっている
。なお、抵抗体の温度検知素子６１は、ジルコニア、ア
ルミナ等のセラミック粉末と白金粉末とを主成分とした
ペーストまたはサーメット、ジルコニア、アルミナ等の
セラミック粉末と白金粉末とを主成分とするものに０．
１〜０．５％程度の二酸化チタンを添加したペーストま
たはサーメット、あるいはジルコニア。

アルミナ等のセラミック粉末を主成分とするものにマン
ガン、コバルト、ニッケルの酸化物等ヲ添加したペース
トまたはサーメット等のように、積極的に抵抗の温度係
数を高めたペーストを印刷積層すること、またはサーメ
ント状のフィルムを配置すること等の手法を用いること
により形成されたものである。また、抵抗体の温度検知
素子６１として、ジルコニア磁器、白金線あるいは白金
薄膜等を用いてもよい。なお、これら白金線あるいは白
金薄膜の印刷積層には、ＣｖＤ、真空蒸着またはスパッ
タリング等の手法を用いることができる。

さらに、抵抗体の温度検知素子６１にかえて、夫々異な
った金属（例えば、白金、金）あるいはこれらの異なっ
た金属を含んだペーストまたはサーメットを組み合わせ
て熱電対として印刷積層することにより熱電対の温度検
知素子６１を構成してもよい。

以上のような酸素ポンプ部Ｐ、酸素濃淡電池部Ｂ、加熱
部Ｈ１、Ｈ２、温度検知部Ｔおよびスペース部材４７が
図示されるように積層され、一体的な挟巾な板状の長手
形状の積層構造体にして、これを焼結することにより一
体的な構造に成形されている。なお、Ｍは、ポンプ電極
４１　、４２　、測定電極４４、基準電極４５、ヒータ
エレメント５５　、５６および温度検知素子６１の印刷
された電気接触端子である。

本実施例の場合には、酸素ポンプ部Ｐと酸素濃淡電池部
Ｂとが本発明におけるセンシングセルを構成している。

ところで、酸素濃度測定に際しては、温度検出部Ｔの温
度検知素子６１によって検出される温度により、酸素セ
ンサ素子Ｓ、具体的には酸素ポンプ部Ｐおよび酸素濃淡
電池部Ｂが所定の温度に保たれるように、ヒータ電流が
加熱部）Ｉｆ　、　ｌ（２のヒータ、：ｃｔｚメ７　）
５５　、５６に通電される。そして、酸素ポンプ部Ｐお
よび酸素濃淡電池部Ｂが所定温度に保持された状態で、
あるいは保持された時点で測定が始まる。なお、前記酸
素センサ素子Ｓが通電開始から所定温度に保持されるま
でには、約３分程度要する。また、電力消費量は、約８
ｗ程度である。

次に、前記センサ素子Ｓによる酸素濃度測定の原理につ
いて、第４図のブロック図を参照しつつ説明する。

酸素濃淡電池部Ｂによって、拡散室４６に酸素ポンプ部
Ｐのガス導入孔４８を通じて拡散により侵入した被測定
ガスと、基準空気の大気との比較から、測定電極４４と
基準電極４５との間に、両者の酸素分圧比に応じた発生
起電力Ｅが生じる。この発生起電力Ｅは、比較電圧Ｖｆ
　（空気比ｍ＃１相当の発生起電力）と比較される。こ
れら両者の差電圧（Ｅ−Ｖｆ）が、酸素ポンプ電流（１
，）制御器６３に供給される。

このポンプ電流（■、）制御器６３は、差電圧（Ｆ、−
Ｖｆ）に応じて、 ｉ）Ｅ＜Ｖｆの場合には、 酸素ポンプ部Ｐによって、第４図に実線の矢印で示され
るように、拡散室４６内の酸素を外側に汲み出すように
、 １ｉ）Ｅ＞Ｖｆの場合には、 酸素ポンプ部Ｐによって、被測定ガス中の二酸化炭素Ｃ
Ｏ□、水）１２０を電気分解して、第４図に点線の矢印
で示されるように、拡散室４６内に酸素を汲み入れるよ
うに（拡散室４６内では、Ｈ２＋　’ＡＯ□→１１２０
　、　Ｇｏ　＋％Ｏ□−ＣＯ□と反応する。）酸素ポン
プ電流（ＩＰ　）を制御している。これにより、拡散室
４６内の酸素濃度を所定値にする。

この所定値の設定方法は、拡散室４６内の酸素濃度を、
空気比ｍ＃１に相当する酸素濃度、具体的には酸素濃度
を０％に設定する。

なお、被測定ガス中の酸素分子、−酸化炭素および水素
分子夫々は、窒素ガスに対して異った拡散常数を有する
ために、酸素ポンプ電流（ｒｐ　）は、次式で表わされ
る。

Ｉｐ　＝　Ｋ＋・Ｐｏｚ　−Ｋｚ・Ｐｃｏ　−Ｋ＋・ｐ
Ｈｚただし、Ｋ１：酸素分子の拡散に比例した係数に２
ニー酸化炭素の拡散に比例した係数に３：水素分子の拡
散に比例した係数 Ｐ：酸素分子、−酸化炭素、水素分子の各分圧 である。

したがって、被測定ガスが酸化領域のときには、−酸化
炭素および水素分子の濃度は０％であることから、 Ｉｐ　＝　Ｋ、−Ｐｏ２ となる。

また、被測定ガスが還元領域のときには、酸素分子濃度
は、０％であることから、 Ｉｐ　＝　−（Ｋｇ・Ｐｃｏ　＋　Ｋ＊・ＰＨｚ）とな
る。

以上の酸素濃度測定の原理を要約すれば、拡散室４６内
の酸素分子濃度が０％〔空気比ｍ＃１〕になるように酸
素ポンプ電流（■、）を制御して、酸素ポンプ電流（■
、）を基準抵抗（ｒ、）を介して測定すること等により
、酸素濃度を測定することである。

これにより、酸化領域における酸素過剰濃度と、還元領
域における酸素不足濃度とが１つの信号によって出力す
ることが可能となり、酸化・還元両頭域にまたがって操
炉する酸化・還元両頭域の工業炉の雰囲気制御の制御シ
ステムの構築の場合には、大いに役立て得ることになる
。

次に、酸素センサ素子Ｓの変形例について説明するが、
前記実施例との同一符号は同一内容を示し、重複する説
明は省略する。

（第１変形例−第５図） 前記実施例から上部加熱部旧と、温度検出部Ｔとが無く
なったものである。この場合には、下部加熱部■２のヒ
ータエレメント５６の抵抗値が温度によって変化するこ
とにより酸素センサ素子Ｓの温度を検出して、温度制御
を行っている。他は、前記実施例と同様である。

（第２変形例−第６図） センシングセルが酸素濃淡電池部Ｂのみによって構成さ
れるものであって、温度検出部Ｔが固体電解質体４３の
上面に設けられている。この場合には、酸素濃淡電池機
構により、測定電極４４と基準電極４５との間の電位差
によって被測定ガス中の酸素濃度を測定する。したがっ
て、基本的には、酸素領域における酸素過剰濃度と、還
元領域における酸素不足濃度とを一つの信号で出力する
ことはできない。

なお、この酸素センサ素子Ｓは、素子Ｓ自身が高温被測
定ガスにより高温化され、温度検出部Ｔで所定温度以上
になることを検出した後に、測定を始めるようになって
いる。したがって、高温被測定ガスを測定する場合に好
適である。

（第３変形例−第７図） 前記第２変形例に、更に下部加熱部＋１２を設けたもの
である。この酸素センサ素子Ｓは、前記実施例と同様に
、温度検出部Ｔに検出される温度によって、ヒータ電流
が加熱部Ｈ２に通電され、素子が所定温度に保たれるも
のである。したがって、低温被測定ガスを測定する場合
に好適である。他は、第２変形例と同様である。

（第４変形例−第８図） センシングセルが酸素ポンプ部Ｐのみによって構成され
るものであって、温度検出部Ｔが固体電解質体４０の上
面に設けられている。また、この固体電解質体４０の両
側夫々には、拡散抵抗手段としてアルミナ等から成る上
部および下部のポーラスセラミック層６４　、６５が、
図示されるように積層状に設けられている。両ポーラス
セラミンク層６４゜６５には、被測定ガスが拡散するよ
うになっている。この場合には、酸素ポンプ機構によっ
て、酸素ポンプ電流を測定することにより酸素濃度が測
定される。基本的には、酸化領域における酸素過剰濃度
、あるいは還元領域における酸素不足濃度が測定できる
。温度検出部Ｔのみを有することで、第２変形例と同様
に、高温被測定ガスを測定する場合に好適である。

（第５変形例−第９図） 前記第４変形例と同様に、センシングセルが酸素ポンプ
部Ｐのみによって構成されている。この酸素ポンプ部Ｐ
と下部加熱部Ｈ２との間には、拡散抵抗手段としてアル
ミナ等から成るスペース部材６６が介在されている。そ
して、下部加熱部■２の上面には、温度検出部Ｔが設け
られている。被測定ガスは、ポーラス状のスペース部材
６６を介して酸素ポンプ部Ｐの下面側にも供給される。

したがって、酸素ポンプ部Ｐの両面側に供給される。な
お、本変形例では、温度検出部Ｔおよび下部加熱部＋１
２を有することで、第３変形例と同様に低温被測定ガス
を測定する場合に好適である。他は、第４変形例と同様
である。

〔発明の効果〕

検出部が小型化され、熱容量が非常に小さくなったこと
から、加熱体あるいは被測定ガス等の加熱源による加熱
により、センシングセルが所定温度を得るのに時間が短
くて済むとともに、被測定ガス検出部の空間が小さくな
り応答時間が早くなる。したがって、加熱源による加熱
開始から実際の測定が始まるまでの暖機時間が非常に短
かくなり、かつ応答時間が従来法の１７２〜１／３とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は、本発明による工業用酸素濃度測定
装置の具体的一実施例を説明するための図面であって、
第１図は全体図、 第２図（Ａ）　、　（Ｂ）夫々は検出部（酸素センサ素
子）の分解斜視図および全体斜視図、 第３図は第２図における■−■横断面図、第４図はブロ
ック図、 第５図乃至第９図は、本発明による工業用酸素濃度測定
装置の変形例を説明するための第３図に相当する図面、 第１０図は、従来例を説明するための説明図である。 ３１・・・検出部　　　　　　Ｂ・・・酸素濃淡電池部
旧、　＋１２・・・上部および下部加熱部Ｐ・・・酸素
ポンプ部　　　Ｔ・・・温度検知部第。 ２図 Ａ） 又さＶπ→旨− ゝくミニ■■■■■■ニニコｆｆ■二≧さ、ｄ３マさ■
二二ｎΣ５ ０：＝二＝ｆ６′ ←−−−ｌブ （５ニ二ｍ６２１ ゝく５＝＝＝＝＝＝＝＝；：＝＝ブ痩ニア５１第３図 第４図 第５図 」 第６図 第７図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．　センシングセルと、加熱体および／または温度検
   知体とを板状に積層一体に成形した検出部を具えること
   を特徴とする工業用酸素濃度測定装置。
2. ２．　前記センシングセルが、酸素濃淡電池より構成さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の工業
   用酸素濃度測定装置。
3. ３．　前記センシングセルが、酸素ポンプより構成され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の工業用
   酸素濃度測定装置。
4. ４．　前記センシングセルが、酸素濃淡電池と酸素ポン
   プとより構成されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の工業用酸素濃度測定装置。