JPH063318A

JPH063318A - ジルコニアガス分析計

Info

Publication number: JPH063318A
Application number: JP4157978A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nishino; 廣西野; Masato Maeda; 眞人前田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1992-06-17
Filing date: 1992-06-17
Publication date: 1994-01-11
Anticipated expiration: 2015-08-28
Also published as: JP3082177B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】配線数を少なくし配線工事費を削減するとと
もにヒータ用電源による誘導ノイズを受けにくくして信
頼性を高めたジルコニアガス分析計を提供する。【構成】ジルコニアセンサ(2)，温度センサ(3)，ヒー
タ(4)からなる検出器(1)と,信号処理回路(5)，温度調節
回路(6)，演算制御回路(7)からなる変換器(10)と前記検
出器と変換器を接続する配線(12,13)からなり,前記ジル
コニアセンサの加熱手段として交流電流により１００％
未満の出力で十分な加熱エネルギーを出力するヒータ
と，前記交流電流のゼロクロス点を検出するゼロクロス
検出回路(23)とを有し，前記演算制御回路7は前記ジル
コニアセンサ(2)および温度センサ(3)からの電気信号の
取り込みタイミングをヒータに交流電流を流さないタイ
ミングの時に前記ゼロクロス検出回路(23)からのゼロク
ロス信号のタイミングに合わせて取り入れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，Ｏ₂ガス等の濃度を測
定するための濃淡電池式ジルコニアガス分析計に関し，
信号データの取り込み装置，ヒータ加熱装置およびヒー
タ回路の配線抵抗を自動計測することにより配線数の減
少を図ったジルコニアガス分析計に関すものである。

【０００２】

【従来の技術】濃淡電池式ジルコニアガス濃度計ではジ
ルコニアセンサを６００℃以上の高温度に加熱する必要
がある。図８はジルコニアガス分析計の一般的な構成説
明図である。図において１はジルコニアセンサ２，温度
センサ３，ヒータ４等からなる検出器であり，１０は信
号処理回路５，温度調節回路６，演算制御回路７等から
なる変換器である。ジルコニアセンサ２で酸素濃度に関
連して検出された電気信号は信号配線１２を介して信号
処理回路５に入力され，ここで処理された信号は演算制
御回路７に送出される。また，演算制御回路７からの指
令が温度調節回路６に送出され，ここからヒータ配線１
３を介して送出される信号によりヒータ４が加熱され
る。加熱された検出器１の温度は温度センサ３で検出さ
れ，信号配線１２，信号処理回路５，演算制御回路７を
介して温度制御回路６にフィードバックされて所定の温
度に維持される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで，このような
ジルコニア分析計のヒータ容量はジルコニアセンサの大
きさにより決まるものであるが，電源としては一般に大
型のものは商用電源（ＡＣ１００Ｖ系や２００Ｖ系）が
用いられて，小型のものは低電圧のＤＣ電源が用いられ
る。そして，ヒータ電源は温度調節のために常時オン／
オフが繰り返されている。

【０００４】一方ジルコニアセンサの信号（数ｍＶ〜数
１００ｍＶ）や温度センサ（例えば熱電対…数１０ｍ
Ｖ）は変換器との間の配線工事にヒータ配線からの誘導
ノイズをうけないように信号配線とヒータ配線を別々の
コンジットに収納したり，シールドケーブルやツイステ
ッドペア線を用いたりして十分なノイズ対策工事が必要
となるので，配線工事費が非常に高くなるという問題が
ある。また，商用電源の場合は特にヒータオン／オフの
周期は約２０ｍｓ（５０Ｈｚ，６０Ｈｚ）以上であり，
一般には数１００ｍｓ〜数ｓｅｃとなるため上記信号処
理回路５のアンプのローパスフィルタのカットオフ周波
数をかなり低く設定する必要がある。従って，その設定
によっては応答特性に悪影響を与えることとなる。

【０００５】また，このような温度制御回路においては
ヒータと温度センサを有しているため検出器と温度調節
回路の配線が４線となり，例えば温度センサを熱電対と
して冷接点補償センサを使用する場合には６線となるの
で配線数が多くなりコスト高になるという問題がある。
上述の問題を解決するためにヒータ素線の温度係数を利
用してヒータを温度センサとしても機能させる方式が提
案されている。この方式によればヒータ制御回路を２線
化することが可能である。

【０００６】ヒータ素線の温度係数を利用する場合には
ヒータのある検出器と温度制御回路のある変換器との間
の配線抵抗が既知である必要があるが，この間の抵抗は
一般に設置現場の状況により変化する（すなわち，検出
器１と変換器１０の間の距離（抵抗）は配線の長さや配
線材の種類により変化する）。従ってヒータ配線１３の
みの抵抗を測定するためには配線工事後検出器１の設置
現場へ行きヒータ端子を短絡しなければならないという
問題があった。

【０００７】図９は比較的近い場所に複数のセンサを配
置して複数箇所のガス濃度を測定する場合の従来例を示
す概略構成図である。この様な場合には変換器は一台と
して検出器のみ複数台設置することが行なわれるが，そ
の場合ヒータは各センサ毎に必要なため検出器１と変換
器１０の間のヒータ配線１３が増加するという問題があ
った。本発明は上記従来技術の問題を解決するためにな
されたもので，配線工事費を安く，また，ジルコニアセ
ンサおよび熱電対の電気信号が誘導ノイズを受けにくく
して信頼性を高くすると共に応答特性を改善したジルコ
ニアガス分析計を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為に
本発明は，請求項１においては，ジルコニアセンサ，温
度センサ，ヒータからなる検出器と,信号処理回路，温
度調節回路，演算制御回路からなる変換器と前記検出器
と変換器を接続する配線からなり,所定の温度に加熱し
た前記ジルコニアセンサにガスを接触させ，ガスの濃度
に関連して発生する前記センサの電気信号から測定ガス
中の濃度を求めるジルコニアガス分析計において，前記
ジルコニアセンサの加熱手段として交流電流により１０
０％未満の出力で十分な加熱エネルギーを出力するヒー
タと，前記交流電流のゼロクロス点を検出するゼロクロ
ス検出回路とを有し，前記演算制御回路は前記ジルコニ
アセンサおよび温度センサからの電気信号の取り込みタ
イミングをヒータに交流電流を流さないタイミングの時
に前記ゼロクロス検出回路からのゼロクロス信号のタイ
ミングに合わせて取り入れるようにしたことを特徴とす
るものであり，

【０００９】請求項２においては，ジルコニアセンサ，
温度センサ，ヒータからなる検出器と,信号処理回路，
温度調節回路，演算制御回路からなる変換器と前記検出
器と変換器を接続する配線からなり,所定の温度に加熱
した前記ジルコニアセンサにガスを接触させ，ガスの濃
度に関連して発生する前記センサの電気信号から測定ガ
ス中の濃度を求めるジルコニアガス分析計において，前
記検出器側にヒータ端子を短絡して設けたヒューズと，
前記演算制御回路と前記変換器側のヒータ配線(13)の端
子間に設けられ前記ヒータの配線抵抗を測定する抵抗測
定回路と，前記ヒューズの定格よりも高い電流を流す定
電流回路と，前記定電流回路と前記ヒータ配線のオンオ
フを行う第１切換えスイッチと，前記温度調節回路とヒ
ータ配線のオンオフを行う第２切換えスイッチを備えた
ことを特徴とするものであり，

【００１０】請求項３においては，ジルコニアセンサ，
温度センサ，ヒータからなる検出器と,信号処理回路，
温度調節回路，演算制御回路からなる変換器と前記検出
器と変換器を接続する配線からなり,所定の温度に加熱
した前記ジルコニアセンサにガスを接触させ，ガスの濃
度に関連して発生する前記センサの電気信号から測定ガ
ス中の濃度を求めるジルコニアガス分析計において，前
記変換器一台に対して検出器を２台（第１検出器，第２
検出器）配置するとともにこれらの検出器側のヒータと
端子間のそれぞれに電流の流れ方向に対して順方向に設
けられた第１，第２ダイオードと，前記第１検出器のヒ
ータ端子の電流の流入側と第２検出器の電流の流出側を
結ぶ第１短絡配線と，第１検出器のヒータ端子の電流の
流出側と第２検出器の電流の流入側を結ぶ第２短絡配線
と，前記演算制御回路の指令に基づいて前記２台の検出
器の何れのヒータに電流を流すかを切り換える切換えス
イッチとを具備したことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】請求項１において，制御回路はゼロクロス検出
回路が検出したゼロクロス信号を入力し，この信号に同
期した一定周期のパルス幅変調信号に変換する。このパ
ルス幅変調信号のオン信号は予め決められたアルゴリズ
ムにより分散させた信号として電源のスイッチ回路に出
力される。パルス幅変調信号のオフ信号の間に各センサ
からの信号を取り入れる。

【００１２】請求項２において，ヒータ電源投入に先立
って抵抗測定回路を用いて配線の抵抗を測定する。その
後定電流回路をオンとしてヒューズを除去する。請求項
３によりおいて，第１検出器のヒータに電流を流す場合
は第１検出器側のダイオードは順方向，第２検出器側の
ダイオードは逆方向となり，第２検出器のヒータに電流
を流す場合は第１検出器側のダイオードは逆方向，第２
検出器側のダイオードは順方向となる。従って切換えス
イッチによりヒータ電源を切り換えることにより２台の
検出器に電流を供給することができる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明によるジルコニアガス分析計の
一実施例を示す構成ブロック図である。図において図８
と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略す
るが，２０は切換えスイッチ（例えばソリッドステート
リレー），２１はＡＣ電源、２２は電源トランス，２３
はＡＣ電源２１のゼロクロスポイントを検出するゼロク
ロス検出回路である。２５，２５’は入力アンプ，２７
はスキャナ回路，２８はローパスフィルタ，２９はＡ／
Ｄ変換器である。

【００１４】上記の構成において，ヒータ４は１００％
未満のデューティでも十分な昇温能力を持つもってお
り，制御回路７はスキャナ回路２７への切り替え信号や
Ａ／Ｄ変換タイミング信号を算出したり，温度センサ３
からの温度信号を入力してヒータの温調信号を算出し，
ゼロクロスポイントタイミング信号と同調をとってソリ
ッドステートリレー２０へ温調信号を送出することがで
きる。本発明においては温調信号の基本動作はパルス幅
変調信号で行い，そのオンオフ信号のオフ時において信
号のＡ／Ｄ変換を行うことにあるが，Ａ／Ｄ変換データ
の取り込み周期との関係から，パルス幅変調のデューテ
ィは結果的に同じとし，そのパルス幅変調データ更新周
期内におけるオンオフ動作を頻繁に行い，オフ動作の状
態を間欠的に多く発生させることにある。そして，先に
も述べたようにヒータの容量はデューティが１００％未
満（例えば８０％）でも十分な昇温能力を持ったものを
使用し，温調動作とヒータ信号のデューティとオンオフ
パターンは予め決められている。

【００１５】ここで図２を用いてゼロクロス検出を行う
場合の制御回路７のタイムチャートを説明する。なお，
この制御回路ではパルス幅変調信号の基本周期が２００
ｍ秒で温調している場合を示している。図において
（Ａ）はゼロクロス検出信号，（Ｂ）は基本的なパルス
幅変調信号，（Ｃ）はオン信号を分散させたパルス幅変
調信号，（Ｄ）はＡＣ電源の場合のヒータ信号，（Ｅ）
はＡ／Ｄの変換タイミングを示している。

【００１６】温調信号は（Ａ）のゼロクロス検出信号に
同期したパルス幅変調信号（Ｂ）として作られ，更にそ
の信号のオン信号値は予め決められたアルゴリズムによ
り分散させた信号（Ｃ）として作り直してＡ／Ｃ電源の
スイッチ回路に送り出される。（Ｃ）の信号でＡはＡ₁
＋Ａ₂＋Ａ₃，ＢはＢ₁＋Ｂ₂＋Ｂ₃，ＣはＣ₁＋Ｃ₂等の様
に分割される。そして切り替えスイッチで変調を受けた
Ａ／Ｃ電源はヒータ信号（Ｄ）となり，この信号により
ある周期毎にオフとなる区間が発生する。従ってこのオ
フ区間内で信号のＡ／Ｄ変換を行う。（Ｅ）の変換タイ
ミングにおいて，例えばで示す部分は温度センサ入
力，は熱電対の冷接点補償センサ入力，はジルコニ
アＯ₂センサ入力，はＡｍｐ系のオフセットゲイン調
整入力に対応させる。なお，Ａ／Ｄ変換器の変換スピー
ドによりそれぞれのオフ期間中に全ての入力のＡ／Ｄ変
換を完了させることも可能である。

【００１７】また，ヒータの電源をＤＣとした場合はゼ
ロクロス検出信号は不要なので，図２のパルス幅変調信
号（Ｃ）から直接Ａ／Ｄ変換タイミングを決めることが
できる。上記の構成によれば，ジルコニアセンサ，温度
センサのＡ／Ｄ変換タイミングをヒータ電源のゼロクロ
ス時のタイミングで取り込む様にプログラミングしてい
るので，ヒータの温調信号による誘導ノイズの受けるこ
となく信号処理が可能となり，ヒータ配線と信号配線の工事において電磁シールド
やツイステッドペア線等を使用する必要がないのでコン
ジット配管を含む配線工事が容易となり安価にできる。特にジルコニアＯ₂検出器を複数台接続し，主に大
型ボイラの煙道内におけるＯ₂濃度分布の平均値を求め
るような多点のＯ₂測定に使用されるアベレージングコ
ンバータにおいて効果が顕著である。アンプの入力フィルタとして商用周波数を考慮すれ
ば良いので装置の応答特性を落とすことがない。

【００１８】図３は本発明の請求項２を説明するための
構成ブロック図である。図において図８と同一要素には
同一符号を付して重複する説明は省略する。３０は検出
器１の端子側（Ａ−Ｂ間）にヒータ配線に並列に取り付
けられた抵抗(r)のヒューズ，３１はヒータ配線の抵抗
を測定するための抵抗測定回路であり，測定結果は演算
制御回路７に伝送される。３３は第１切換えスイッチで
定電流回路３２のヒータ配線へのオンオフを行う。３４
は温調回路６のヒータ４への切換えを行う第２切換えス
イッチである。

【００１９】図４は配線抵抗（Ｒ_1,Ｒ₂）を測定するた
めのフローを示すものである。フローに従って配線抵抗
測定の手順を説明する。始めに検出器１と変換器１０の
機器間の配線を行い，変換器側の電源をオンにして配線
抵抗測定モード（第１，第２切換えスイッチをオフ）と
する。配線抵抗測定モードになると抵抗測定回路３１が
動作し，図中の（Ｅ−Ｃ−Ａ−（ヒューズ＋ヒータ）−
Ｂ−Ｄ−Ｆ間の経路の抵抗値を測定する（この場合Ｅ−
Ｃ，Ｆ−Ｄ間は他の部分の抵抗値に比較して無視できる
程小さい値に形成されており，ヒューズ３０の抵抗値も
ヒータ配線１３に比較して十分小さい値のものが選定さ
れているものとする。

【００２０】１）始めにヒータ４の抵抗をＲ₀として
上記経路の全抵抗値Ｒ_xを求めると，Ｒ_x＝Ｒ₁＋Ｒ₂＋｛ｒ・Ｒ₀／（ｒ＋Ｒ₀）｝となる。ここで，ｒ・Ｒ₀／（ｒ＋Ｒ₀）の項はＲ₁，Ｒ₂に比較し
て十分小さな値となるrが選択され（あるいはrの値は既
知の値のものを取り付けておく）ており，ヒータ配線の
正味の配線抵抗値（Ｒ₁＋Ｒ₂）を求めることができる。２）次に第１切換えスイッチ３３をオンとして定電流
回路３２からヒータ配線１３にヒューズの定格の数倍の
定電流を流してヒューズ３０を溶断する。３）次に第１切換えスイッチ３３をオフとして定電流
回路３２からの電流を切り，抵抗測定回路３１で上記経
路の全抵抗値を測定してヒューズ３０の溶断を確認し，
第２切換えスイッチ３４をオンとして温調回路６をヒー
タ配線１３に接続する。４）３）項で求めた全抵抗値と１）項で求めた配線抵
抗値の差から抵抗Ｒ₀の抵抗値を算出する。なお，温度
調節はヒータ抵抗値と予め求めた温度係数を元にヒータ
温度を算出して行う。

【００２１】上記の構成によれば検出器内に予めヒータ
端子間のショート用ヒューズ３０を設けヒータ配線１３
の抵抗値を求め，この配線抵抗とヒータの正味の抵抗か
ら温度調節が可能となる。従って配線工事が終了した後
に足場の危険な検出器の設置場所まで行ってヒータ配線
１３を短絡し配線抵抗を測定する必要がなく，ヒータ制
御回路を２線化することが可能である。

【００２２】図５は本発明の請求項３を説明するための
構成ブロック図である。図において図８と同一要素には
同一符号を付して重複する説明は省略するが，この場合
もヒータ４は１００％未満のデューティでも十分な昇温
能力を持つものとする。４１は第１検出器１側のヒータ
と端子間に電流の流れ方向に対して順方向に設けられた
第１ダイオード，４２は第２検出器１’側のヒータと端
子間に電流の流れ方向に対して順方向に設けられた第２
ダイオードである。４５は第１検出器１のヒータ端子の
電流の流入側と第２検出器１’のヒータ端子の電流の流
出側を結ぶ第１短絡配線，４６は第１検出器１のヒータ
端子の電流の流出側と第２検出器１'のヒータ端子の電
流の流入側を結ぶ第２短絡配線である。４８は切換えス
イッチで，ヒータ電源６ａからの電流を第１検出器１の
流入側に対して正または負の電圧を印加するかを演算制
御回路７の指令に基づいて切り換える。

【００２３】上記の構成において，切換えスイッチ４８
をａ側に接続するとヒータ電源からの電流はａ＋側から
ヒータ４，第１ダイオード４１を経てａ−側に流れる。
次に切換えスイッチ４８をｂ側に接続するとヒータ電源
からの電流はｂ＋側から第２短絡配線４６，ヒータ
４’，第２ダイオード４２，第１短絡配線４５を経てｂ
−側に流れる。図６は温度制御のための基本的な動作フ
ローを示す図であるが，実際の処理は例えば検出器１の
温度データ取り込みと温度演算及び制御出力演算は検出
器１’が制御出力を送出している期間に実行する。制御
出力はパルス幅変調出力として出力されるがその動作は
割込み処理として行われるようにプログラムして上記の
条件を満たすようにする。図７はそのタイムチャートの
一例を示す図である。図７において▼はこの時点で割込
み処理を行うタイミングを示している。

【００２４】図６，図７において演算制御回路は
（ｃ），（ｄ）に示すように検出器１および２のセンサ
信号を信号処理回路を介して交互に入力し，制御出力を
演算している。そして始めに（ｅ）に示すようにｅ₁の
時点で切り替えスイッチ４８（図５参照）をａ側に接続
しＴ₁の間検出器１のヒータ電源をオンとする。次にｆ₁
の時点で切り替えスイッチ４８をｂ側に接続しＴ₃の間
検出器１’のヒータ電源をオンとする。以後ｅ₂，ｆ₂，
ｅ₃，ｆ₃の時点において同様の動作を繰り返して検出器
内の温度を所定の温度に維持する。上記の構成によれば
ヒータ配線を２台の検出器で共有することが可能とな
り，ヒータ用の線径の太い配線を少なくすることができ
る。

【００２５】

【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明した様
に本発明によれば，配線数を少なくし配線工事費を削減
したジルコニアガス分析計を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１に関する一実施例を示すジル
コニアガス分析計の構成ブロック図である。

【図２】ゼロクロス検出を行う場合の制御回路のタイム
チャートの説明図である。

【図３】本発明の請求項２に関する一実施例を示すジル
コニアガス分析計の構成ブロック図である。

【図４】図３の配線抵抗を測定するためのフローを示す
図である。

【図５】本発明の請求項３に関する一実施例を示すジル
コニアガス分析計の構成ブロック図である。

【図６】図５の温度制御のための基本的な動作フローを
示す図である。

【図７】図５の温度制御のためのタイムチャートの一例
を示す図である。

【図８】ジルコニアガス分析計の一般的な構成説明図で
ある。

【図９】複数のセンサを配置して複数箇所のガス濃度を
測定する場合の従来例を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１検出器２ジルコニアセンサ３温度センサ４ヒータ５信号処理回路６温度調節回路７演算制御回路１０変換器１２信号配線１３ヒータ配線２０，３３，３４，４８切換えスイッチ２３ゼロクロス検出回路３０ヒューズ３１抵抗測定回路３２定電流回路４１，４２ダイオード４５，４６短絡配線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ジルコニアセンサ(2)，温度センサ(3)，ヒ
ータ(4)からなる検出器(1)と,信号処理回路(5)，温度調
節回路(6)，演算制御回路(7)からなる変換器(10)と前記
検出器と変換器を接続する配線(12,13)からなり,所定の
温度に加熱した前記ジルコニアセンサにガスを接触さ
せ，ガスの濃度に関連して発生する前記センサの電気信
号から測定ガスの濃度を求めるジルコニアガス分析計に
おいて，前記ジルコニアセンサの加熱手段として交流電
流により１００％未満の出力で十分な加熱エネルギーを
出力するヒータと，前記交流電流のゼロクロス点を検出
するゼロクロス検出回路(23)とを有し，前記演算制御回
路は前記ジルコニアセンサ(2)および温度センサ(3)から
の電気信号の取り込みタイミングをヒータに交流電流を
流さないタイミングの時に前記ゼロクロス検出回路(23)
からのゼロクロス信号のタイミングに合わせて取り入れ
るようにしたことを特徴とするジルコニアガス分析計。
【請求項２】ジルコニアセンサ(2)，温度センサ(3)，ヒ
ータ(4)からなる検出器(1)と,信号処理回路(5)，温度調
節回路(6)，演算制御回路(7)からなる変換器(10)と前記
検出器と変換器を接続する配線(12,13)からなり,所定の
温度に加熱した前記ジルコニアセンサにガスを接触さ
せ，ガスの濃度に関連して発生する前記センサの電気信
号から測定ガスの濃度を求めるジルコニアガス分析計に
おいて，前記検出器(1)側にヒータ端子を短絡して設け
たヒューズ(30)と，前記演算制御回路(7)と前記変換器
側のヒータ配線(13)の端子間に設けられ前記ヒータ(4)
の配線抵抗(13)を測定する抵抗測定回路(31)と，前記ヒ
ューズ(30)の定格よりも高い電流を流す定電流回路(32)
と，前記定電流回路(32)と前記ヒータ配線のオンオフを
行う第１切換えスイッチ(33)と，前記温度調節回路(6)
とヒータ配線のオンオフを行う第２切換えスイッチ(34)
を備えたことを特徴とするジルコニアガス分析計。
【請求項３】ジルコニアセンサ(2)，温度センサ(3)，ヒ
ータ(4)からなる検出器(1)と,信号処理回路(5)，温度調
節回路(6)，演算制御回路(7)からなる変換器(10)と前記
検出器と変換器を接続する配線(12,13)からなり,所定の
温度に加熱した前記ジルコニアセンサにガスを接触さ
せ，ガスの濃度に関連して発生する前記センサの電気信
号から測定ガスの濃度を求めるジルコニアガス分析計に
おいて，前記変換器(10)一台に対して検出器を２台（第
１検出器(1)，第２検出器(1)'）配置するとともにこれ
らの検出器側のヒータと端子間のそれぞれに電流の流れ
方向に対して順方向に設けられた第１，第２ダイオード
(41,42)と，前記第１検出器(1)のヒータ端子の電流の流
入側と第２検出器(1)'の電流の流出側を結ぶ第１短絡配
線(45)と，第１検出器(1)のヒータ端子の電流の流出側
と第２検出器(1)'の電流の流入側を結ぶ第２短絡配線(4
6)と，前記演算制御回路(7)の指令に基づいて前記２台
の検出器の何れのヒータに電流を流すかを切り換える切
換えスイッチ(48)とを具備したことを特徴とするジルコ
ニアガス分析計。