JPH0664000B2

JPH0664000B2 - 工業用ガス濃度測定装置

Info

Publication number: JPH0664000B2
Application number: JP61206681A
Authority: JP
Inventors: 徹小太刀; 諄宇佐美
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-09-04
Filing date: 1986-09-04
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: JPS6363960A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、工業用ガス濃度測定装置に関し、より詳しく
は、工業炉、ボイラー等の各種燃焼炉の炉壁または排ガ
ス通路壁に設置して、炉内または排ガス通路内の燃焼排
ガス中あるいは雰囲気中等のガス濃度を測定する工業用
ガス濃度測定装置に関するものである。

（従来の技術）従来、火力発電所のボイラーあるいは各種燃焼炉よりの
排ガス中の、例えば酸素濃度を検出する酸素濃度検出器
では、例えば、約600℃を境界としてその上下温度にお
いて、高温用および低温用に分けて測定装置が構成され
ていた。まず、約600℃以上の高温用の測定装置におい
ては、酸素センサ素子の稼働温度以上に達していること
から、その酸素センサ素子の温度を測る測定素子をセン
サ素子近傍に配置して、各温度における酸素センサ素子
の起電圧を各温度に対して補正を加えた後に、出力信号
として得ていた。

次に、約600℃未満から常温までの低温用の測定装置に
おいては、酸素センサ素子の稼動温度以下にあることか
ら加熱体にて酸素センサ素子近傍の温度調節を行なって
温度を稼動温度以上にし、測定ガス中の酸素分圧に対応
する起電力Ｅを、分析ユニット内の開対数変換回路によ
って演算し、直読できる酸素濃度として出力していた。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上述したように高温用、低温用に分かれ
た構成の酸素濃度測定装置では、常温から約1400℃まで
変化する雰囲気を測定する際には、測定温度領域に対応
して、上述の両測定装置を交換し設置して酸素濃度を測
定する必要があり、これは不便であった。

本発明は、例えば常温から約1400℃までの広い温度範囲
において、排ガス雰囲気中の酸素濃度を、別個の測定装
置を必要とすることなく、一個の測定装置にて測定し得
る工業用ガス濃度測定装置を提供せんとするにある。

（問題点を解決するための手段）本発明の工業用ガス濃度測定装置は、板状に積層一体に
形成されたセンシングセルおよび加熱体と、温度検知体
とを具える検出部を、被測定ガス中に少なくともその一
部が挿入されたプローブ先端に設けた工業用ガス濃度測
定装置であって、温度検知体の信号によりセンシングセ
ルの出力を補正する温度補正演算手段と、温度検知体の
信号によりセンシングセルが所定温度となるよう加熱体
を制御する温度制御手段とを有する温度演算処理部を設
け、被測定ガス温度がセンシングセルの目標稼働温度以
下の時は、温度制御手段でセンシングセルを目標稼働温
度以上の予め設定された温度補正温度にした後、この温
度補正温度を基準にして温度補正演算手段で温度補正を
行い、被測定ガス温度がセンシングセルの目標稼働温度
を超えた時は、予め設定された温度補正温度を基準にし
て温度補正演算手段で温度補正を行うことを特徴とする
ものである。

好ましくは前記演算処理部は、温度検知体の信号により
センシングセルが所定温度となるように加熱体を制御す
る温度制御手段を有する。

さらに好ましくは前記センシングセルおよび加熱体、並
びに温度検知体は板状に積層一体に形成されている。

（作用）上記構成により、検出部が小型軽量となり、また、温度
検知体の信号を補正する温度演算処理部を設けたことに
より、より精度の良いガス濃度を測定することができ、
さらに温度検知体の信号に基づいて加熱体を制御する温
度制御手段を設けたことにより、高温域のみならず、低
温域においてもガス濃度を測定することができる。

（実施例）本発明の工業用ガス濃度測定装置の具体的一実施例とし
て、工業用酸素濃度測定装置につき、図面を参照しつ
つ、説明する。

第１図に断面図にて示すのは、工業用酸素濃度測定装置
の全体図である。これは、いわゆる直接挿入式と称され
るものであり、符号23は被測定ガスを採取する円筒状プ
ローブを示し、例えば燃焼炉の煙道の炉壁に形成された
孔に挿入され、取付けフランジ35により保持されてい
る。このプローブの先端側にアルミナ製の円板状の支持
具22を介して検出部21が装着される。この検出器21に接
続されたリード線30を経て外部制御回路に接続されてい
る。

次に検出部について以下に説明する。

第２図（Ａ），（Ｂ）および第３図は、本発明の工業用
酸素濃度測定装置の検出部即ち酸素センサ素子Ｓの一例
を示している。

この酸素センサ素子Ｓの構造は、まず、上部には、固定
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H1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46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4
8（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Th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H2と前記上部加熱部H1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ッ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41,42,44,45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H1,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57（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59,60が設けられて
いる。これにより、ヒータエレメント55,56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55,56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
するか、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Th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から成る多孔質層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
物等を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、またはサーメッ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Thおよびスペース部材47が図示さ
れるように積層され、一体的な狭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41,4
2、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。

このように構成された酸素センサ素子Ｓによる酸素濃度
測定について第４図のブロック図を参照しつつ以下に説
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、次式但し、R:気体定数 T:絶体温度 n:イオン化数 F:ファラデ定数 P_A:基準ガスの酸素濃度 P_S:測定ガスの酸素濃度で示される。

この発生起電力Ｅは引算器63にて設定電圧Vf（空気比ｍ
≒１に相当する発生起電力）との差を取られ、これら両
者の差電圧（Ｅ−Vf）が、酸素ポンプ電流（I_P）制御器
64に供給される。しかし、温度の上昇に伴って、空気比
ｍ≒１にするための所定値、即ち設定電圧Vfは、例えば
0mV乃至100mV程度小さくなる（第６図（Ａ）参照）た
め、この設定電圧Vfを温度変化に対応させて補正する必
要がある。この設定電圧Vfの補正のため、温度検知部Th
からの出力を利用する。

温度検知部Thに、例えばサーミスタを使用した場合に
は、サーミスタの抵抗Ｒは絶対温度Ｔに対し、のような特性を有している。サーミスタThから得られた
抵抗Ｒに応じた値は、サーミスタThに接続された増幅器
65にて増幅された後、増幅器65に接続された温度リニア
ライザ66に供給され、ここで対数関係を有する温度−抵
抗特性が、直接関係を有する温度−電圧特性に変換され
る。

さらに、この温度リニアライザ66の一例を、第５図を参
照しつつ説明する。増幅器65にて増幅された抵抗Ｒの値
は、Log変換回路67にて、Log Ｒと１／Ｔの関係に変換
される（１／Ｔ＝Ａ・Log Ｒ＋B,ただしA,Bは定数）。
このLog変換回路は、例えばトランジスタのエミッタ・
ベース間の電流−電圧特性を応用する方法、また抵抗と
ダイオードを組合せた縮小回路（直線折線近似回路）を
用いて構成することができる。Log変換回路67にて絶対
温度１／Ｔに対応する電圧値が得られ、この値を次段の
逆数変換回路68、実際には割算器にて絶対温度Ｔに比例
する電圧値となる。以上のようにして温度リニアライザ
66にて絶対温度に比例する電圧が得られる。

温度リニアライザ66の出力は、その一方がそこに接続さ
れる基準電圧設定回路69に供給されるとともに、その他
方は、同じく出力側に接続される係数補正回路70に供給
される。

基準電圧設定回路69では、例えば折線近似による関数変
換器およびバイアス回路にて、絶対温度Ｔの変化に応じ
た設定電圧値Vfとすることができ、この設定電圧Vfを引
算器63に供給する。

このように温度補正された差電圧（E-Vf）は、引算器63
に接続されるPI制御器71に供給されて、ポンプ電流
（I_P）を制御する所定の制御信号が出力されるようにな
っている。このPI制御器71は、酸素ポンプ部Ｐの起電力
が、基準電圧設定回路69の出力電圧と等しくなるように
比例、積分制御を行ない、所定の制御信号を出力するも
のである。例えば、ｉ）Ｅ＜Vfの場合には、酸素ポンプ部Ｐによって、第３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、 ii）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CO
_２，水Ｈ_２Ｏを電気分解して、第３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、Ｈ_２＋１／2O_２→Ｈ_２O,CO＋１／2O
_２→CO_２と反応する。）酸素ポンプ電流（I_P）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。

なお、このようなポンプ電流（I_P）を制御するため、PI
制御器71の次段に電圧−電流変換器72を接続して、PI制
御器71の出力電圧をポンプ電流（I_P）に変換している。

前記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、一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（I_P）は、次式で表わされる。

I_P＝Ｋ_１・Po_２‐Ｋ_２・Pco-K_３・P_H _２ただし、Ｋ_１：酸素分子の拡散に比例した係数Ｋ_２：一酸化炭素の拡散に比例した係数Ｋ_３：水素分子の拡散に比例した係数 P:酸素分子、一酸化炭素、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、一酸化
炭素および水素分子の濃度は０％であることから、 I_P＝Ｋ_１・Po_２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、 I_P＝₋〔Ｋ_２・Pco＋Ｋ_３・P_H _２〕となる。

電圧−電流変換器72の出力電流、即ちポンプ電流（I_P）
は、一方では酸素ポンプ部Ｐに供給されるともに、他方
では、掛算器73を経て出力変換器74に供給される。

掛算器73では、酸素濃度が一定である際に、ポンプ電流
（I_P）が絶対温度Ｔによって変化する（第６図（Ｂ）参
照）のため、温度リニアライザ66の絶対温度に対応する
出力電圧を利用して、係数補正回路70、実際の場合に
は、折線近似による関数変換器およびバイアス回路に
て、ポンプ電流（I_P）が絶対温度Ｔに対し一定となるよ
うな関数Ｋ（ｔ）（第６図（Ｂ）参照）を出力させ、こ
の関数Ｋ（ｔ）を掛算器73にて掛け合わせることによ
り、或る酸素濃度のポンプ電流I_Pが絶対温度Ｔに無関係
に一定となるようにしている。

斯様にして、掛算器73からポンプ電流I_Pと酸素濃度とが
一対一の関係で得られ、次段の出力変換器74にて、所望
の表示形式、例えば被測定ガス中の酸素濃度、不足酸素
濃度を示すＯ_２値信号、に変換される。

ところで、常温から約1400℃程度までの温度範囲に対
し、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の動作温度（例えば約600℃）以下
の場合には、前記部分ＰおよびＢが所定の温度に保たれ
るように、ヒータ電流が加熱部H1,H2のヒータエレメン
ト55,56に通電される。また、酸素ポンプ部Ｐおよび酸
素濃淡電池部Ｂが排ガスにより動作温度以上となる場合
にも、加熱部H1,H2は加熱し続けてもよいし、或いは温
度リニアライザ66からの電圧が所定値以上となった際に
ヒータ温度制御器75内のスイッチにてヒータ電流を遮断
することもできる。何れの場合においても、温度検知は
行っており、常に温度補正の演算をしているため、温度
に無関係に常に確かな酸素濃度を測定することができ
る。

次に、変形例について説明するが、前記実施例と同一部
分については、同一符号を付し、さらに重複する説明も
省略する（第１変換例−第７図）この例では、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、温度検知部Thが固体電
解質43の上面に設けられ、固体電解質50の下面に下部加
熱部H2が設けられている酸素センサ素子Ｓを用いてい
る。この場合に温度検知部Thからの電圧信号は増幅器65
を経て温度リニアライザ66に入力され、前述したように
絶対温度Ｔにつき直線的に比例する電圧Ｖ（ｔ）が出力
される。この出力電圧Ｖ（ｔ）は、電圧補正回路76に入
力される。

この電圧補正回路76にて、測定電極45から増幅器65を経
て供給された電圧Ｅと電圧Ｖ（ｔ）とが割算され、例え
ば1000倍されて、温度1000（Ｋ）の時の発生起電力に換
算される。即ち仮想温度1000（Ｋ）の時の酸素濃度に対
応する起電力Ｅが得られる。したがって、仮想的に温度
一定における酸素濃度を測定したこととなる。

次に、電圧補正回路76の出力は、次段の開対数回路77に
て開対数されて、測定空間の酸素濃度に変換され、そして次段の出力変換回路74にて所望の出
力表示に変換される。

（第２変形例−第８図）この酸素センサ素子は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、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81が介在されており、そして下部加熱部
H2の上面には、温度検知部Th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81を介して酸素ポン
プ部Ｐの下面側にも供給され、したがって、酸素ポンプ
部Ｐの両面側に供給される。

このように構成された酸素センサ素子Ｓでは酸素ポンプ
機構によって、酸素ポンプ電流（I_P）を測定することに
より、酸素濃度が測定される。この酸素ポンプ電流I_Pは
電流計82で測定され、増幅器65を経て掛算器73に供給さ
れる。またこの掛算器73には、温度検知部Th、具体的に
は抵抗体61からの抵抗値を係数補正回路70にて所望の関
数Ｋ（ｔ）としたものが入力される。そして、掛算器73
内でポンプ電流I_Pと関数Ｋ（ｔ）とが掛け合わされて、
温度に無関係なI_P−酸素濃度の関係が得られる。

（発明の効果）本発明の工業用ガス濃度測定装置では、検出部が小型軽
量となり、また、温度補正演算手段、さらには温度制御
手段を設けたことにより、被測定ガスの広範囲の温度で
（例えば、常温から1400℃まで）、酸素濃度を測定する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の装置の全体図、第２図（Ａ），（Ｂ）は、本発明の装置の検出部（酸素
センサ素子）の分解斜視図および一体構成における斜視
図、第３図は、第１図におけるIII−III横断面図、第４図は、温度補正、温度制御を説明するブロック図、第５図は、温度リニアライザを説明するブロック図、第６図（Ａ），（Ｂ）は、温度に対し、Vf,I_PおよびＫ
（ｔ）が変化する様子を示すグラフ図、第７図および第８図は、本発明の装置の変形例を説明す
る第２図および第３図に相当するブロック図である。 21……検出部、23……プローブ 66……温度リニアライザ、69……基準電圧設定回路 70……係数補正回路、73……掛算器Ｂ……酸素濃淡電池部 H1,H2……上部および下部加熱部Ｐ……酸素ポンプ部、Th……温度検知部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｎ 27/419 7363−2ＪＧ０１Ｎ 27/58 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状に積層一体に形成されたセンシングセ
ルおよび加熱体と、温度検知体とを具える検出部を、被
測定ガス中に少なくともその一部が挿入されたプローブ
先端に設けた工業用ガス濃度測定装置であって、温度検
知体の信号によりセンシングセルの出力を補正する温度
補正演算手段と、温度検知体の信号によりセンシングセ
ルが所定温度となるよう加熱体を制御する温度制御手段
とを有する温度演算処理部を設け、被測定ガス温度がセ
ンシングセルの目標稼働温度以下の時は、温度制御手段
でセンシングセルを目標稼働温度以上の予め設定された
温度補正温度にした後、この温度補正温度を基準にして
温度補正演算手段で温度補正を行い、被測定ガス温度が
センシングセルの目標稼働温度を超えた時は、予め設定
された温度補正温度を基準にして温度補正演算手段で温
度補正を行うことを特徴とする工業用酸素濃度測定装
置。
【請求項２】前記センシングセルおよび加熱体、並びに
温度検知体は板状に積層一体に形成されている特許請求
の範囲第１項記載の工業用ガス濃度測定装置。