JPH0480652A - 水分および酸素の同時連続測定装置 - 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、気体中の水分ならびに酸素濃度の同時連続測
定装置に関するものであり、１本のプローブ管に同一構
造の酸素センサを２個配設することにより、それぞれの
酸素センサにおいて水分およびに酸素濃度を同時連続測
定できる装置に関するものである。

（従来の技術およびその問題点） 従来から、ジルコニア等の酸素イオン伝導性のある固体
電解質を用いた酸素濃淡電池の原理によって各種工業炉
およびボイラ等から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度
（若しくは酸素分圧）を検知し、それを工業炉、ボイラ
の燃焼側価にフィードバックする技術は既に知られてい
る。

各種工業炉およびボイラ、とりわけ微粉炭ボイラの燃焼
排ガス中の水分測定は、使用石炭の性状のバラツキ等に
起因して、その定量的把握が極めて困難であるか、ボイ
ラの日常熱効率管理を充実し、熱効率の維持向上を資す
るために重要である。

また、燃焼排ガス中の酸素濃度は、省エネルギーの観点
から低酸素運転を行う目的のためにも必要不可欠なもの
である。

この目的で、例えば特開昭５７−１７８１５４号公報に
水分測定方法が開示されている。この方法は、酸素イオ
ン伝導性を示す固体電解質素子の一方の側の電極に測定
ガスを接触させるとともに、他方の側の電極に水分除去
後の測定ガスを接触させ、これら両電極間に発生する起
電力により測定ガス中の水分濃度を測定するものである
。

しかし、この方法では水分を除去した測定ガスを基準ガ
スとして用いるだけてあり、測定ガス中の酸素濃度を連
続的に、しかも同時に測定てきないという欠点があった
。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の課題は、非常に簡便な構成を有し、経済的にコ
ストが低く、しかも燃焼排ガス等の被測定ガス中の水分
濃度と酸素濃度（分圧）とを同時に、しかも連続的に測
定できる装置を提供することである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、ダクト内の被測定ガスの流れに接触するよう
に固定された測定プローブと：前記被測定ガスから前記
水分を実質的に除去して乾燥被測定ガスとする除湿器と
； 前記被測定ガスを吸引して前記除湿器へと送り、更に前
記乾燥被測定ガスを前記測定プローブの内部へと送るた
めの吸引ポンプと； 前記被測定ガスと接触する測定電極と、前記測定プロー
ブの内部へと面して前記乾燥被測定ガスに接触する基準
電極とを有し、前記被測定ガスの酸素濃度と前記乾燥被
測定ガスの酸素濃度との差によって生ずる起電力から前
記被測定ガスの水分濃度を測定できるように構成され、
かつ前記測定プローブに固定された水分濃度測定用ジル
コニアセンサ部と； 酸素濃度か既知である外部基準ガスと接触する測定電極
と、前記測定プローブの内部へと面して前記乾燥被測定
ガスに接触する基準電極とを有し、前記外部基準ガスの
酸素濃度と前記乾燥被測定ガスの酸素濃度との差によっ
て生ずる起電力から前記被測定ガスの酸素濃度を測定で
きるように構成され、かつ前記水分濃度測定用ジルコニ
アセンサ部と所定間隔をもって測定プローブに固定され
た酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部と を有する水分および酸素の同時連続測定装置に係るもの
である。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例に係る水分および酸素の同時
連続測定装置を示す構成説明図である。

この図において、ｌは被測定ガスである燃焼排ガスの流
れの中へ挿入、設置される測定プローブであり、この測
定プローブ１には、所定間隔て同一構造の酸素センサか
らなる酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部２６と水分濃
度測定用ジルコニアセンサ部２７とか設けられている。

これらの各センサ部２６．２７においては、それぞれ第
２図に示す酸素センサｌＯかフィルタカバー２の内側に
取付けられている。またこの酸素センサ１０を測定プロ
ーブ１に取付け、さらに交換できるようにフィルタカバ
ー２の対向部分に、センサ裏蓋３か設けられている。酸
素センサｌＯの脱着の際にはセンサ裏蓋３か取り外され
、その開口を通じて酸素センサの脱着が行なわれる。測
定プローブ１の取付は部には、取付フランジ５および端
子箱８が設けられ、取付フランジ５によって炉壁７に設
けられた炉壁フランジ６に固定される。端子箱８には配
線、配線孔９が設けられている。

酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部２６と水分濃度測定
用ジルコニアセンサ部２７との中間部に、ガス吸引管２
８のガス吸引口を位置させ、吸引ポンプ２９によって矢
印へのように被測定ガスを吸引し、ダクトの外側へと取
り出す。取り出された被測定ガスは、除湿器３０によっ
て含有水分を除去され、乾燥被測定ガスとして測定プロ
ーブ１内部へと通気される。その後、測定プローブ１の
先端に位置する放出口４より矢印Ｂのようにダクト内部
へと放出させる。この一連の動作（被測定ガスの外部へ
の取り出し〜吸引ボンプル除湿器〜測定プローブ内部通
気〜放出）は連続して行われる。

従って、測定プローブ内部、すなわち酸素センサの基準
電極側では、常に乾燥被測定ガスの雰囲気で満たされて
おり、また一連の動作は連続して行われているので、乾
燥ガス中の各成分濃度は被測定ガス中の濃度変化に常に
対応することになる。

酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部２６と水分濃度測定
用ジルコニアセンサ部２７との間の間隔は煙道ダクトの
ガス濃度の偏在の影響を小さくするために１００　ｍｍ
以内とすることが好ましく、かつガス吸引管２８のガス
吸引口は上記各センサ部２６．２７の中間に位置させる
ことか好ましい。即ち、燃焼排ガス等のダクト内ではそ
の幅、深さ方向において各成分ガス濃度の濃度分布が存
在している。

このため、酸素センサの間隔距離を極力短くし、かつ前
記ガス吸引口を２個の酸素センサの中間位置とすること
によって、各濃度の偏在の影響をなくし、水分および酸
素濃度の測定の高精度化を確保できるからである。

次に、酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部２６、水分濃
度測定用ジルコニアセンサ部２７をそれぞれ構成する酸
素センサの構造の詳細について、第２図〜第５図を参照
しつつ説明する。

第２図には測定プローブ１に対する酸素センサの取付構
造が示されている。この図において、固体電解質より成
る有底円筒状の酸素センサ１０は、有底円筒内の空間と
被測定ガス流の空間とか連通ずるように（即ち有底円筒
の開口部か燃焼排ガス流に向けて）配置されている。こ
の酸素センサ１０の測定プローブ１への取付けは、まず
有底円筒状の酸素センサ１０の開口部周辺にセンサ留金
具１１を例えば焼嵌め法により気密に固定し、このセン
サ留金具１１の測定プＳ−ブ１に嵌合されたセンサ保持
具１２に金属性の０リング１７を介して締め付は固定す
ることにより為されている。このように取付けられた酸
素センサｌＯにはさらに、ヒータ１３を内蔵する二重円
筒状のヒータ保持具１４（これらかヒータユニットを構
成する）がセンサ留金具１１に内側から嵌合され、セメ
ント接着によって一体的に固定されている。従って、酸
素センサ１０およびセンサ留金具１１並びにヒータ１３
およびヒータ保持具１４　（即ちヒータユニット）か一
体構造となってセンサユニットを構成する。

このような酸素センサ１０の被測定ガスに接触する側に
はダストの流入を阻止するため、フィルタ１５およびフ
ィルタ保持具１６より構成されるフィルタユニットが連
結され、さらにその外側にフィルタカバー２か設けられ
て、ダストのフィルタ１５への直撃を回避し、フィルタ
１５の目詰まりを防止できるようにしている。このフィ
ルタカバー２には、被測定ガス流入孔２４が例えば４個
、９０度の角度て等分されて設けられて（第３図参照）
、被測定ガスをフィルタ１５を介して酸素センサへ導入
している。さらに酸素センサ１０の出力（起電力）を校
正するための外部基準ガス（酸素濃度既知）を導入する
ため、炉壁外部から導入された外部ガス導入管１８を測
定プローブ１の外側に沿って配設し、この外部ガス導入
管１８の開口部１９をセンサ保持具１２に設けた外部ガ
ス導入口２０と結合し、これとフィルタ保持具１６に設
けられたガス出入口２５と内部空間２１か連通ずること
によってガス通路を形成し、内部空間に上記の校正ガス
又は外部基準ガスか導入されるようにしている。また、
センサ保持具１２には、外部ガス導入口２０が設けられ
た側とは反対側にガス排出口２２が設けられている。さ
らにフィルタ保持具１６のセンサ留金具１１と接する隅
部に加工を施してフィルタ保持具１６の円周上にガス通
路２３を形成している（第４図参照）。

このガス通路２３は、内部空間２１と、ダクト内の被測
定ガス空間とをガス出入口２５およびガス排出口２２を
介して連通させており、また、外部ガス導入管１８の内
部空間にも外部ガス導入口２０を介して連通している。

したかって、内部空間２１に存在する被測定ガス、校正
ガス又は外部基準ガスを迅速に外部へ排出することがで
きる。

なお、第２図に示される酸素センサ１０は、有底円筒状
の他、平板状等を採用することかでき、適宜用途に応じ
て選択することができる。

水分濃度測定用ジルコニアセンサ部２７においては（第
１〜２図参照）、酸素センサ１０の有底円筒内面側（測
定電極側）には被測定ガスか流入、接触し、基準電極側
には乾燥被測定ガスが接触する。

一方、酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部２６において
は、酸素センサ１０の測定電極側には、外部ガス導入管
１８から導入された酸素濃度既知の外部基準ガス（例え
ば大気）が流入、接触し、基準電極側には乾燥被測定ガ
スが接触する。また、両センサ部２６．２７はともに、
適宜の外部ガス導入管１８を通して校正ガスを導入し、
校正を行う。

次いて、水分濃度測定用ジルコニアセンサ部２７の測定
電極側への被測定ガスの流入、排出について更に述べる
。

被測定ガスは、第３図（Ａ）および（Ｂ）のフィルタカ
バーを取付けた状態の平面図およびその断面図に示され
るように、まずフィルタカバー２の４個所に設けられた
被測定ガス流入孔２４から入り、フィルタ１５を通過し
て、酸素センサ１０の上部の内部空間２１に流入する。

この内部空間２１から有底円筒状の酸素センサ１０の内
側深部に設けられた測定電極までは、測定ガスの濃度差
によるガス拡散および熱対流によってガス置換か行われ
る。その他の被測定ガスは、第４図（Ａ）および（Ｂ）
に（フィルタカバーを省略して）示すように、ガス出入
口２５、ガス通路２３およびガス排出口２２を通り外部
へ放出される。

次いで、酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部２６での測
定電極側への外部基準ガスの流入、排出について、第５
図（Ａ）、（Ｂ）を参照して述へる。

ただし、図面を明瞭にするためフィルタカバーを省略し
て図示している。まず、外部基準ガスは、炉壁外部から
外部ガス導入管１８を通り、外部ガス導入口２０および
ガス出入口２５を経て、内部空間２１に充満される。こ
のとき、内部空間２１は正圧状態になるため、被測定ガ
スの流入は阻止される。内部空間２Ｉに充満した外部基
準ガスの一部は加圧導入により徐々に酸素センサ１０の
深部へ達し、測定電極と接触する。その他の外部基準ガ
スは、第５図（Ａ）に示すように、内部空間か被測定ガ
ス雰囲気の圧力に対し負圧状態になった時点で、ガス通
路２３を経てガス排出口２２から排出される。

次に、本実施例の装置により得られる作用効果につき、
順次説明する。

（１）水分濃度測定用ジルコニアセンサ部２７（第１図
参照）においては、測定電極側に連続的に流入、接触す
る被測定ガスと、基準電極側に連続的に通気される乾燥
被測定ガスの酸素濃度差から、これに対応して酸素セン
サに出力（起電力）か生じ、被測定ガス中の水分濃度を
測定できる。

このときの酸素センサの出力は次の通りである。

ここで、Ｅに酸素センサの出力 に：定数 Ｔ：酸素センサ加熱温度（絶対温度） ＰＯ２（Ｗ）　：被測定ガス中の酸素分圧ＰＯ２（Ｄ）
　：乾燥被測定ガス中の酸素分圧また、水分濃度を（Ｈ
２Ｏ）　（ｖｏ１％）、被測定ガス中の酸素濃度を〔０
□（Ｗ）　）　（ｖｏ１％）、乾燥被測定ガス中の酸素
濃度を〔０□（Ｄ）　）　（ｖｏ１％）とすると、下記
の関係か成り立つ。

〔０□（Ｗ）　）　　　１００−　　（Ｈ２Ｏ）従って
、 従って、上記■、２式より、 （Ｈ２Ｏ）　＝　（１１０””　）　Ｘ１００（Ｖｏ１
％）このように、被測定ガス中の酸素分圧と乾燥被測定
ガス中の酸素分圧との差から、被測定ガス中の水分濃度
を算出できる。

（２）酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部２６（第１図
参照）においては、測定電極側に外部ガス導入管Ｉ８を
通じて連続的に流入する外部基準ガス（大気、乾燥大気
等）と、基準電極側に連続的に通気される乾燥被測定ガ
スとの酸素濃度差から、これに対応して酸素センサに出
力か生じ、被測定ガス中の酸素濃度を測定できる。

このときの酸素センサの出力は以下の通りである。

Ｅ２：酸素センサの出力 ０．２０６　：大気中の酸素濃度 従って、乾燥被測定ガス中の酸素濃度は０２（Ｄ）　＝
（０，２０６／１０”′Ｋ”）　Ｘ１００（ｖｏ１％）
ここで測定された酸素濃度０□（Ｄ）は、乾燥被測定ガ
ス中の酸素濃度であるが、乾燥前の被測定ガス中の酸素
濃度も、上記３式を利用し、下式演算から容易に求める
ことができる。

ＵＵ （３）　　ここで重要なことは、第１図に示すように、
−本の測定プローブに酸素センサを２個取付は測定プロ
ーブ内に乾燥被測定ガスを通気し、一方の酸素センサに
湿りガス状態にある被測定ガス、もう一方の酸素センサ
には外部基準ガスを導入するという極めて簡便な構成で
水分と酸素との同時測定を実現したことである。これに
より、測定プローブのダクト壁への取付座か１つとなり
、設備費、コストを低減できるので極めて有利である。

従って、本実施例の装置を各種工業炉およびボイラ、と
りわけ微粉炭ボイラの燃焼排ガス中の水分、酸素濃度測
定に適用すると、低廉なコストで、ボイラの熱効率管理
の充実、熱効率の維持向上、電気集塵器の高効率運転、
煙道等の腐蝕防止に絶大な効果がある。

（４）シかも、本実施例の装置では、水分濃度測定用ジ
ルコニアセンサ部においては、測定電極側に被測定ガス
の流入から流出へと至る測定ガス流通路を設けており、
また酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部においては、測
定電極側に、外部ガス導入管から導入された外部基準ガ
スか流入から流出へと至るガス流通路を設けている。従
って、被測定ガス又は外部基準ガスか内部空間２１（第
２図参照）へと速やかに導入され、しかも、酸素センサ
の測定電極へはほぼ平衡状態を保ちながらガス置換を行
えるので、酸素センサの応答性を高く維持しながら、熱
衝撃に対する保護をも同時に行うことができる。そして
、このように酸素センサの応答性か高まる結果、水分お
よび酸素を同時に、しかも連続的に測定する際、時間的
な遅延やズレを有効に防止できる。

上述の例では、第１図において、酸素濃度測定用ジルコ
ニアセンサ部２６を水分濃度測定用ジルコニアセンサ部
２７の上側に設けたか、この位置関係を逆にしてもよく
、また各センサ部２６．２７をそれぞれ複数個設けるこ
とも可能である。

（発明の効果） 本発明に係る水分および酸素の同時連続測定装置によれ
ば、被測定ガスと接触する測定電極と、測定プローブの
内部へと面して乾燥被測定ガスに接触する基準電極とを
有し、被測定ガスの酸素濃度と乾燥被測定ガスの酸素濃
度との差によって生ずる起電力から被測定ガスの水分濃
度を測定できるように構成された水分濃度測定用ジルコ
ニアセンサ部を有しているので、被測定ガス中の水分濃
度を連続的に測定できる。

また、酸素濃度か既知である外部基準ガスと接触する測
定電極と、測定プローブの内部へと面して乾燥被測定ガ
スに接触する基準電極とを有し、外部基準ガスの酸素濃
度と乾燥被測定ガスの酸素濃度との差によって生ずる起
電力から被測定ガスの酸素濃度を測定できるように構成
された酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部を有している
ので、被測定ガス中の酸素濃度を連続的に測定できる。

そして、水分濃度測定用ジルコニアセンサ部と酸素濃度
測定用ジルコニアセンサ部とを所定間隔をもって測定プ
ローブの管壁に固定しておりこれにより、プローブ管の
取付座か−って済むので、設備費、コストを著しく低減
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の構成概要図、第２図は酸素
センサの取付は状態を示す要部断面図、 第３図（Ａ）は酸素センサに被測定ガスが流入する状態
を示す正面図、同図（Ｂ）は同じく縦断面図、 第４図（Ａ）は酸素センサから被測定ガスを流出する状
態を示す正面図、同図（Ｂ）は同じく縦断面図、 第５図（Ａ）は酸素センサへと外部基準ガスか流入、流
出する状態を示す断面図、同図（Ｂ）は同じく縦断面図
である。 １・・・測定プローブ　　　　２・・・フィルタカバー
３・・・センサ裏蓋　　　　　４・・・空気放出口５・
・・取付フランジ　　　　６・・・炉壁フランジ７・・
・炉壁　　　　　　　　８・・・端子箱９・・・配線・
配管孔　　　　１０・・・酸素センサ１１・・・センサ
留金具　　　　１２・・・センサ保持具１３・・・ヒー
タ　　　　　　　１４・・・ヒータ保持具１５・・・フ
ィルタ １７・・・０リング １９・・・開口 ２１・・・内部空間 ２３・・・ガス通路 ２５・・・ガス出入口 ２６・・・酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部２７・・
・水分濃度測定用ジルコニアセンサ部２８・・・ガス吸
引管　　　　　２９・・・吸引ポンプ３０・・・除湿器 １６・・・フィルタ保持具 １８・・・外部ガス導入管 ２０・・・外部ガス導入口 ２２・・・ガス排出口 ２４・・・測定ガス流入孔 第２図 第３図 （Ａ） （Ｂ） 第４図 （Ａ） （Ａ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ダクト内の被測定ガスの流れに接触するように固定
   された測定プローブと； 前記被測定ガスから前記水分を実質的に除去して乾燥被
   測定ガスとする除湿器と； 前記被測定ガスを吸引して前記除湿器へと送り、更に前
   記乾燥被測定ガスを前記測定プローブの内部へと送るた
   めの吸引ポンプと； 前記被測定ガスと接触する測定電極と、前記測定プロー
   ブの内部へと面して前記乾燥被測定ガスに接触する基準
   電極とを有し、前記被測定ガスの酸素濃度と前記乾燥被
   測定ガスの酸素濃度との差によって生ずる起電力から前
   記被測定ガスの水分濃度を測定できるように構成され、
   かつ前記測定プローブに固定された水分濃度測定用ジル
   コニアセンサ部と；酸素濃度が既知である外部基準ガス
   と接触する測定電極と、前記測定プローブの内部へと面
   して前記乾燥被測定ガスに接触する基準電極とを有し、
   前記外部基準ガスの酸素濃度と前記乾燥被測定ガスの酸
   素濃度との差によって生ずる起電力から前記被測定ガス
   の酸素濃度を測定できるように構成され、かつ前記水分
   濃度測定用ジルコニアセンサ部と所定間隔をもって測定
   プローブに固定された酸素濃度測定用ジルコニアセンサ
   部と を有する水分および酸素の同時連続測定装置。