JPH0619088Y2 - 高温雰囲気中連続酸素測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は高温雰囲気中の酸素濃度を連続的に測定する装
置に関する。

〔従来の技術〕

ガス中の酸素を連続的に測定するには吸引管によりガス
を吸引採取し外部に設けられたセンサーで酸素濃度を測
定する方法が一般的に知られている。

これは固体電解質の内外壁に電極を設置し、該固体電解
質内に標準極を設け、該固体電解質内外壁間に酸素濃度
差を起こし、これにより発生する電位差から酸素濃度を
測定するものである。

通常、ガスの場合、固体電解質への伝熱が小さいのでヒ
ーター等の加熱手段により固体電解質を加熱・昇温させ
るのが一般的である。

〔考案が解決しようとする課題〕

高温炉、例えばタンディシュにおいて、タンディシュ容
器と溶鋼湯面との間に形成される空間内の高温雰囲気
（約６００〜１，４００℃）中の酸素濃度を測定しよう
とする場合、センサー部を該雰囲気中に露出して測定す
ると次のような問題点があった。

センサー部へのガスの対流熱移動が小さいため真の作
動温度が把握できず測定誤差が生じ正確な酸素濃度の測
定が困難となる。

（約１，５５０℃）、炉壁等周囲物の温度は雰囲気温
度と異なるが、それら周囲物からの輻射熱がセンサー部
に達することにより正確なガス温度が把握できず測定誤
差が生じ正確な酸素濃度の測定が困難となる。

〔課題を解決するための手段〕

本考案者は、上記課題について、高温雰囲気中のガス
を積極的に吸引しつつセンサー部を通過せしめることに
より解決できることを知見した。また、上記課題につ
いて、センサー部を輻射シールドにより囲繞し、センサ
ー部に対し周囲物からの輻射熱による影響を与えないよ
うにすることにより解決できることを知見した。

ところで、酸素測定装置において前記のような高温雰囲
気中のガスを吸引する吸引構造を構成するに際しては、
構造の複雑化を招来することが不可避であり、このため
構成部品を組付を困難ならしめることが予想される。こ
の点について、本考案者は、装置の構成部品をユニット
化し、センサーユニットと外殻ユニットを構成すること
により、装置の組付を容易ならしめることができること
を知見した。

更に、高温雰囲気中のガスを連続的に吸引する場合、装
置自体が高温化し、各部の歪みや電極線への悪影響を及
ぼすことが懸念される。この点について、本考案者は、
前記ユニット化した外殻ユニットを冷却することによ
り、長時間の運転に際しても装置を正常な状態に保つこ
とができることを知見した。

而して、本考案が上記課題を解決するための手段として
構成したところは、センサーユニットと、該センサーユ
ニットを挿入保護する外殻ユニットとから成り：前記セ
ンサーユニットは，外部電極と内部電極の間に固体電解
質を介在せしめたセンサー部と、該センサー部から延長
して電極線を収納保護する保護管と、該保護管の尾端部
に設けられたターミナル部を含む頭部とを備えて成り：
前記外殻ユニットは、前記センサーユニットの頭部を固
着する固着部と、前記保護管を収納保護する筒状本体部
と、該筒状本体部より挿出されたセンサー部の先端を囲
繞する輻射シールドとを備え；更に、外殻ユニットは、
前記輻射シールドの開口部からセンサー部を通過し筒状
本体部を経由して吸引機構に連通されるガス吸引路と、
該ガス吸引路から隔絶されて筒状本体部を冷却する冷媒
路とを構成して成る点にある。

〔実施例〕

以下本考案の高温雰囲気中連続酸素測定装置を図面に示
す実施例に従い説明する。

第１図において、高温雰囲気中連続酸素測定装置は、セ
ンサーユニットＡと、該センサーユニットＡを挿入保護
する外殻ユニットＢと、該外殻ユニットＢに連結された
吸引機構ユニットＣとから成る。

（センサーユニットＡの構成） センサーユニットＡは、第１図及び第２図に示すよう
に、先端にセンサー部１を有し、該センサー部１から延
長して電極線を収納保護する保護管２を設け、該保護管
２の尾端部にターミナル部３を含む頭部４を設けてい
る。

前記センサー部１は、ＭｇＯ等で安定化させたＺｒＯ_２
等の固体電解質から成る先端閉塞管状の固体電解質管５
を有する。該固体電解質管５の内部には標準極（図示せ
ず）として金属とその金属の酸化物との混合物、例え
ば、Ｍｏ−ＭｏＯ_２の基準物質が封入される（標準極と
しては公知の様に空気極を使用してもよい）。固体電解
質管５内には白金線等の内部電極６が当接しており、該
内部電極６は、保護管２内に収納されたアルミナ質絶縁
管７を通じてターミナル部３に延長接続されている。固
体電解質管５の外壁には白金線等の外部電極８が電気的
に接触せしめられており、該外部電極８も、保護管２内
に収納されたアルミナ質絶縁管９を通じてターミナル部
３に延長接続されている。図示の実施例ではＲ熱電対線
の一極（白金線）を温接点部から延長させ、固体電解質
管５の外壁に巻回し取付けている。この場合、固体電解
質管５の温度も測定される。

前記保護管２は、両端開放状の高気密性磁製保護管から
成り、前記一対のアルミナ質絶縁管７、９を挿通すると
共に、先端部において、前記センサー部１を構成する固
体電解質管５を突出状に保持する。好ましくは、一対の
アルミナ質絶縁管７、９の先端部と固体電解質管５とを
保護管２の先端部内において封止栓１０及び耐火セメン
ト１１等により固定している。尚、高気密性磁製保護管
とは、例えば、アルミナ保護管のように高温状態（約
１，２００〜１，４００℃）において内部電極線６及び
外部電極線８（図示の実施例の場合、熱電対素線）の劣
化を促進させるような金属蒸気をそれ自体発生しない高
温状態で安定したものである。尚、約１，２００℃以下
の温度においては、保護管２としてステンレス管を使用
しても安定性を得ることができる。

保護管２の尾端部は、頭部４のフランジ付スリーブ１２
に挿入固着されている。

頭部４は、ターミナル部３を収納保持する端子箱１３を
備え、該端子箱１３を前記フランジ付スリーブ１２の尾
部に固着している。該端子箱１３とスリーブ１２のフラ
ンジ１２ａとの間には、内ねじ１４ａを備えた固着環１
４が外挿入されている。この固着環１４は、後述するよ
うに、センサーユニットＡを外殻ユニットＢに固着する
ために用いられる。

（外殻ユニットの構成） 外殻ユニットＢは、第１図に示すように、上記センサー
ユニットＡの頭部４を固着する固着部１５と、上記保護
管２を収容保護する筒状本体部１６と、該筒状本体部１
６より挿出されたセンサー部１の先端を囲繞する輻射シ
ールド１７とを備えている。

固着部１５は、筒状本体部１６の尾端に固着された筒体
から成り、該固着部１５の尾端外周に、上記センサーユ
ニットＡの頭部４に設けられた固着環１４の内ねじ１４
ａを着脱自在に螺着するための外ねじ１５ａを形成して
いる。

筒状本体部１６は、それぞれステンレス管により形成さ
れた内管１８と、中管１９と、外管２０の三重管を構成
し、内管１８と中管１９の間に送り路２１を、中管１９
と外管２０の間に戻り路２２を形成し、両路２１、２２
により冷媒路２３を構成している。即ち、内管１８と外
管２０とは先端部において閉塞状に連結される反面、中
管１９は先端を内外管１８，２０の間にて自由端とな
し、前記送り路２１から戻り路２２に連なる折返路２４
を構成しており、従って、送り路２１内を圧送される冷
媒は、折返路２４を経て戻り路２２へと圧送される。筒
状本体部１６の尾端近傍部において、前記送り路２１に
連通するインレットポート２５が中管１９に設けられ、
また、前記戻り路２２に連通するアウトレットポート２
６が外管２０に設けられている。尚、アウトレットポー
ト２６に近傍する戻り路２２には、外管２０を膨出せし
めることにより熱膨張差の緩和と圧力補償のためのベロ
ーズ空間２７が形成されている。

前記輻射シールド１７は、第１図及び第３図に示すよう
に、それぞれ耐火物により形成された内チューブ２８、
中チューブ２９、外チューブ３０の三重構造とされてい
る。耐火物としては、例えば、高純度アルミナ（Ａｌ_２
Ｏ_３の９９．５％以上）や窒化珪素、又はシリコンカー
バイト等が用いられる。内チューブ２８と中チューブ２
９は、尾端をカラー３２により保持され、両チューブ２
８、２９の間に両端が開口された吸引補助路３１を形成
している。中チューブ２９の尾端外周にはステンレス製
のガイド筒３３が嵌着されており、該ガイド筒３３のフ
ランジ３３ａに外チューブ３０の端部を固着することに
より、該外チューブ３０をフランジ３３ａより前方の区
域において中チューブ２９の外周に間隔をおいて同心状
に位置せしめている。これにより、輻射シールド１７
は、前記ガイド筒３３を筒状本体部１６の開口端に差込
み、耐火セメントを介して接着することにより組付けら
れるものであり、輻射シールドユニットＤを構成してい
る。

而して、センサーユニットＡを外殻ユニットＢに挿着し
た状態で、筒状本体部１６の先端から挿出されたセンサ
ー部１は、輻射シールド１７により囲繞される。この状
態で、外殻ユニットＢとセンサーユニットＡとの間に
は、ガス吸引路３４が形成される。即ち、ガス吸引路３
４は、輻射シールド１７の内チューブ２８の開口部３５
からセンサー部１を通過し筒状本体部１６の内管１８内
を経由して前記固着部１５内に至り、固着部１５に設け
られた吸引ポート３６に連通する。尚、輻射シールド１
７の先端部には除塵のためのステンレス網等からなるフ
ィルタ３７が固着されており、図例の場合、該フィルタ
３７の周縁部を中チューブ２９と外チューブ３０の間の
空隙に挿着している。

（吸引機構ユニットの構成） 吸引機構ユニットＣは、第１図に示すように、前記吸引
ポート３６に連結されるベンチュリユニット３８と該ベ
ンチュリユニット３８に連結されるエジェクタユニット
３９とから成る。

ベンチュリユニット３８は、吸引ポート３６からエジェ
クタユニット３９に至るガス流量を制御する差圧タップ
４０を有するベンチュリ管４１を構成し、該ベンチュリ
管４１の一端を外殻ユニットＢの吸引ポート３６に継手
４２により、他端をエジェクタユニット３９のインレッ
トポート４３に継手４４により、それぞれ連通連結して
いる。

エジェクタユニット３９は、前記インレットポート４３
に交差する方向において、一端にエジェクタノズル４５
を、他端にアウトレットポート４６を配置している。

（その他の図示構成） 第１図に示すように、外殻ユニットＢは、筒状本体部１
６の長手方向中途部に取付用フランジ４７ａを固着し、
該取付用フランジ４７ａと筒状本体部１６の先端との間
において、外管２０を断熱チューブ４７ｂにより被覆し
ている。断熱チューブ４７ｂは、例えば、アルミナ・シ
リカから成るセラミックファイバ（商品名：カオウー
ル）により形成されている。

また、外殻ユニットＢの尾端側には、カバー部材４８が
取付けられている。このカバー部材４８は、一側部の開
口から、上記冷媒路２３のインレットポート４３とアウ
トレットポート２６並びにガス吸引路３４の吸引ポート
３６を突出せしめた状態で、外殻ユニットＢの外周を包
囲し、該カバー部材４８の一端部を外管２０に固着した
環体４９に支持せしめている。

〔実施例の作用〕

上記実施例に基づく高温雰囲気中連続酸素測定装置は、
例えば、第４図に示すように、連続鋳造装置のタンディ
ッシュ５０内の高温雰囲気中の酸素を測定するために用
いられる。

センサーユニットＡと外殻ユニットＢと吸引機構ユニッ
トＣとを組付けた装置は、外殻ユニットＢの先端部をタ
ンディッシュ５０の蓋５１を挿通せしめて、該タンディ
ッシュ５０内の高温雰囲気中に挿入され、取付用フラン
ジ４７ａを蓋５１に固着することにより固定される。図
示省略しているが、溶鋼５２の湯面には、溶鋼表面の酸
化防止及び保温のため焼もみ等が載せられている。タン
ディッシュ５０の湯面上方の空間５３は、蓋５１により
密閉された高温雰囲気を成し、窒素、アルゴン等の不活
性ガスの供給により、不活性雰囲気とされ、溶鋼の酸化
防止が行われている。

外殻ユニットＢにおける冷媒路２３のアウトレットポー
ト２６と、吸引機構ユニットＣにおけるエジェクタユニ
ット３９のエジェクタノズル４５とは、連通管５４によ
り連結される。また、冷媒路２３のインレットポート２
５は、コンプレッサ又はエアーポンプ等のエアー供給源
５５の吐出口に連結されている。尚、センサーユニット
Ａの電極線は、ターミナル部３を経て起電力表示器５６
に連絡されている。

而して、エアー供給源５５から窒素等の冷却エアーを圧
送すると、冷媒路２３のインレットポート２５から送り
路２１に圧送されたエアーは、送り路２１より折返路２
４を経て戻り路２２を通過し、アウトレットポート２６
より連結路５４を介して吸引機構ユニットＣのエジェク
タノイズ４５より噴出する。噴出したエアーはエジェク
タユニット３９のアウトレットポート４６より排出され
るが、循環路５７を設けて再度エアー供給源５５に戻さ
れるようにしても良い。

前記エジェクタノズル４５からエアーが噴射されるに際
し、吸引機構ユニットＣは、エジェクタユニット３９に
対してベンチュリユニット３８側を負圧とし、これによ
りガス吸引路３４を介して輻射シールド１７の開口部３
５よりタンディッシュ空間５３内の雰囲気ガスを吸引す
る。開口部３５から吸引されたガスはセンサー部１を通
過してガス吸引路３４に導かれ吸引機構ユニットＣのア
ウトレットポート４６からエアーと共に排出される。同
時に、輻射シールド１７の吸引補助路３１からもガスが
吸引され、吸引ガス流量を増加せしめる。この際、開口
部３５及び吸引補助路３１にはフィルタ３７が設けられ
ているので、焼もみ等の塵芥が侵入することはない。

従って、タンディッシュ空間５３内の雰囲気ガスは、吸
引されつつ高速で連続してセンサー部１を通過するの
で、雰囲気中のガスが大きく対流してセンサー部１に接
し、真のガス温度を把握することができ、正確な酸素濃
度測定を可能とする。

また、従来のようにセンサー部が高温雰囲気中に露出す
る場合は、溶鋼湯面又は炉壁からの輻射熱がガス温度測
定誤差として生じ、その結果、酸素濃度測定誤差の原因
となっていたのに対し、上記のように、センサー部１
は、輻射シールド１７に囲繞されているので、輻射熱に
よる影響を受けることがなく、正確な酸素濃度測定を行
うことができる。

更に、上記実施例においては、エアー供給源５５から圧
送されるエアーが冷媒路２３を通過するに際し、外殻ユ
ニットＢの筒状本体部１６を好適に冷却するので、各ユ
ニットの取付個所に歪みを生じたり、センサーユニット
Ａの電極線を劣化することもなく、長時間の連続運転が
可能になる。

本考案者による実験の結果によれば、従来の固体電解質
セル露出型のセンサーを用い、１，２００℃の空気中の
酸素量（約２１％）を測定した場合、センサー部へ伝わ
るガス温度が±３０℃の場合、起電力値は±１２ｍＶの
誤差を生じ、酸素量にして±３０％の測定誤差を生じた
のに対して、本考案の装置を使用した場合、測定誤差を
ほとんど見ることができなかった。

以上、図示の実施例に基づいて本考案を説明したが、本
考案は、実用新案登録請求の範囲に基づき種々の設計変
更や構成の付加を行うことが可能である。例えば、上記
実施例では、冷媒路２３のアウトレットポート２６をエ
ジェクタノズル４５に連結することにより、冷媒路２３
とガス吸引路３４とを一系統に構成し、経済的に有利と
したものを説明したが、冷媒路２３とガス吸引路３４を
別個の独立系統のものに構成しても良い。即ち、冷媒路
２３に窒素等のエアーを圧送するエアー供給源５５を設
ける一方、ガス吸引路３４を作動させるためのエジェク
タノズル４５に別個独立のエアー供給源を連結したり、
又は吸引ポート３６に吸引ポンプ等を連結することによ
り独立系統を構成することが自由である。この場合、冷
媒路２３は、インレットポート２５とアウトレットポー
ト２６とを循環器に連結して、独立した空冷又は水冷系
統を構成することができる。

また、上記実施例では、外殻ユニットＢと、吸引機構ユ
ニットＣとを独立ユニットにしたものを示したが、吸引
機構ユニットＣを予め外殻ユニットＢに不可分に組込ん
だ構成としても良い。

更に、上記はタンディッシュについて説明したが、転
炉、コークス炉、加熱炉等、高温炉の高温雰囲気中の酸
素濃度測定に広く使用することができる。

〔考案の効果〕

本考案は、以上のように構成した結果、次の技術的効果
を奏する。

(1)ガス吸引路により、測定すべき高温雰囲気中のガス
を積極的に吸引してセンサー部を連続的に通過せしめる
ものであるから、高温雰囲気中のガスのセンサー部に対
する対流熱移動が容易に行われ、ガスの真の温度を把握
し、これにより酸素濃度の正確な測定を行うことができ
る。

(2)輻射シールドにより、センサー部を高温雰囲気中の
周囲物による輻射熱から遮断せしめるものであるから、
これら輻射熱の影響による温度測定誤差を生じることが
なく、以て、酸素濃度の正確な測定を可能にできる。

(3)外殻ユニット筒状本体部を冷却する冷媒路を構成す
ることにより、長時間の測定に充分耐えることができ
る。

(4)ガス吸引路と冷媒路とを備えた複雑構造としつつ
も、これらの複雑構造は全て外殻ユニットに具備せし
め、一方、該外殻ユニットとは別にセンサーユニットを
構成し、このセンサーユニットを外殻ユニットに着脱自
在に挿入し収納することにより装置の組付けを行うよう
にしているので、その組付作業及び分解洗浄作業が簡単
容易であり、また、センサーユニットのみの交換を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案装置の１つの実施例を一部破断して示す
断面図、第２図は同実施例のセンサーユニットを取出し
た状態を一部省略して示す拡大断面図、第３図は第１図
のIII−III線拡大断面図、第４図は同実施例に係る装置
の使用例を示す説明図である。 Ａ……センサーユニット、Ｂ……外殻ユニット、Ｃ……
吸引機構ユニット、Ｄ……輻射シールドユニット、１…
…センサー部、２……保護管、３……ターミナル部、４
……頭部、５……固体電解質管、６、８……電極、１４
……固着環、１５……固着部、１６……筒状本体部、１
７……輻射シールド、２３……冷媒路、３１……吸引補
助路、３４……ガス吸引路、３５……開口部、３７……
フィルタ、３８……ベンチュリユニット、３９……エジ
ェクタユニット。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】センサーユニットと、該センサーユニット
   を挿入保護する外殻ユニットとから成り： 前記センサーユニットは，外部電極と内部電極の間に固
   体電解質を介在せしめたセンサー部(1)と、該センサー
   部から延長して電極線を収納保護する保護管(2)と、該
   保護管の尾端部に設けられたターミナル部(3)を含む頭
   部(4)とを備えて成り： 前記外殻ユニットは、前記センサーユニットの頭部を固
   着する固着部(15)と、前記保護管を収納保護する筒状本
   体部(16)と、該筒状本体部より挿出されたセンサー部の
   先端を囲繞する輻射シールド(17)とを備え；更に、外殻
   ユニットは、前記輻射シールドの開口部からセンサー部
   を通過し筒状本体部を経由して吸引機構に連通されるガ
   ス吸引路(34)と、該ガス吸引路から隔絶されて筒状本体
   部を冷却する冷媒路(23)とを構成して成る：ことを特徴
   とする高温雰囲気中連続酸素測定装置。