JPH0789110B2

JPH0789110B2 - 工業用酸素分析計の制御方法

Info

Publication number: JPH0789110B2
Application number: JP61244038A
Authority: JP
Inventors: 徹小太刀; 諄宇佐美
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-10-16
Filing date: 1986-10-16
Publication date: 1995-09-27
Anticipated expiration: 2010-09-27
Also published as: JPS6398556A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、工業用酸素分析計の制御方法に関し、特に工
業炉、ボイラー等の各種燃焼炉の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酸素濃度を検出
するに用いて好適な工業用酸素分析計の制御方法に関す
るものである。

（従来の技術）この種の装置は、昭和61年特許願第202382号明細書（特
開昭63−58150号公報）において開示されている。次
に、この装置における酸素濃度の検出原理について、第
７図の略図を参照しつつ説明する。

被測定ガスの酸素濃度を感知する酸素センサS₀は、前記
被測定ガスが拡散される拡散室１と、この拡散室１を基
にして配される酸素ポンプ部P₀および酸素濃淡電池部B₀
と、更には大気に連通している空気通路２とによって構
成されている。

まず、酸素濃淡電池部B₀によって、酸素ポンプ部P₀に設
けられたガス導入孔３を通じて拡散室１に侵入した被測
定ガスと、空気通路２からの基準空気である大気との比
較から、両者の酸素分圧比に応じた発生起電力E₀が生じ
る。この発生起電力E_oは、基準電圧V_f0（空気比ｍ≒１
相当の発生起電力；約400mV）と比較される。これら両
者の偏差である差電圧（E₀−V_f0）は、この偏差がなく
なるように酸素ポンプ部P₀のポンプ電流I_p0の電流量を
制御するPI制御部４に供給される。なお、PI制御部４か
らは電圧信号で出力されるために、この電圧信号は電圧
−電流変換部５によって所定のポンプ電流I_p0の電流量
に変換される。

即ち、PI制御部４は、前記偏差に応じて酸素ポンプ部Ｐ
により、図示されるように拡散室１内の酸素を外側に汲
み出すようにして、ポンプ電流I_p0の電流量の制御を行
なっている。そして、拡散室１内の酸素濃度が空気比ｍ
≒１に対応する0.002ppmに保たれるようにしている。

したがって、被測定ガスの酸素濃度はポンプ電流I_p0の
電流量に相関されることになり、これによって被測定ガ
スの酸素濃度が検出されている。

（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、被測定ガスの酸素
濃度を検出するに際して、基準空気が必要であり、必ず
大気に連通する空気通路２を設けねばならないものであ
る。このために、装置の設計においては設計の自由度が
極めて阻害されるという問題点がある。

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分析計の制御方法は、被測定ガスが
拡散される拡散室と、この拡散室を基にして配される酸
素濃淡電池、更には酸素ポンプとを有する感知手段；前
記酸素濃淡電池の起電力と比較される基準電圧を設定す
る設定電圧手段；およびこれら起動力と基準電圧との比
較による偏差によって、前記酸素ポンプのポンプ電流量
を制御する制御手段を具えて、前記ポンプ電流量に相関
する前記被測定ガスの酸素濃度を検出する工業用酸素分
析計の制御方法において、前記拡散室内の所定酸素濃度での前記酸素濃淡電池の起
電力と前記ポンプ電流量とのあらかじめ設定された相対
関係にもとづいて、前記基準電圧が、前記ポンプ電流量
に対応する前記酸素濃淡電池の起電力とほぼ等しくなる
よう制御することを特徴とするものである。

（作用）基準電圧が、拡散室内の所定酸素濃度での酸素濃淡電池
の起電力とポンプ電流量とのあらかじめ設定された相対
関係にもとづいて変化して平衡に達すれば、拡散室内の
酸素濃度は所定濃度に達する。したがって、この所定濃
度と被測定ガスの酸素濃度との差が、ポンプ電流量とな
る。

このために、例えば所定濃度を空気比ｍ≒１の酸素濃度
0.002ppmとすれば、この酸素濃度0.002ppmと被測定ガス
の酸素濃度Xppmとの差（Ｘ−0.002ppm）がポンプ電流量
となり、被測定ガスの酸素濃度Xppmに相関するようにな
る。

（実施例）次に、本発明による工業用酸素分析計の制御方法の具体
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、被測定ガスである燃焼排ガスを採取す
るとともに、この燃焼排ガス中の酸素濃度を感知する酸
素センサＳを有するプローブ11は、図示はされないが、
例えば燃焼炉の煙道の炉壁に形成される開口に挿通位置
されて設けられている。このプローブ11は、左右方向に
延びる有底円筒状の、例えばSUS等の耐熱金属から成る
外筒12等より成っている。この外筒12の左端底壁13に
は、円形状の孔14が穿設されている。この孔14には、左
端に前記酸素センサＳが挿入接続され、また右端にイン
コネル材から成るシースリード15が連設されたコネクタ
16が遊嵌されている。

前記外筒12の左端側には、左方に延出するダスト遮蔽部
17を有する環状のフィルタ支持体18が、螺合によって外
筒12に固着されている。このフィルタ支持体18の中空部
19には、図示されるように前記酸素センサＳおよびコネ
クタ16の一部が挿通位置されるようになっている。これ
ら酸素センサＳ等は、フィルタ支持体18にその中空部19
によって内嵌されるようになる有底円筒状の除塵用セラ
ミックフィルタ20によって覆い被されている。このセラ
ミックフィルタ20は多孔質であって、前記フィルタ支持
体18との間に隙間が形成されないようにしてアルミナセ
メント等によりフィルタ支持体18に固着されている。な
お、フィルタ支持体18のダスト遮蔽部17は、ダストを含
む燃焼排ガスがセラミックフィルタ20に直接に当たるの
を防いで、このセラミックフィルタ20がダストによって
目詰まりするのを防止している。

前記コネクタ16は、第２図に示されるように、右端側に
大径部21、また左端側に小径部22を有する低温焼成磁器
から成る筒状体23と、複数対の端子金物24とより構成さ
れている。この端子金物24の各々は、筒状体23の小径部
22の中空部において、ニッケル線25と電気的に接続され
る右端側の連結部26を水ガラス27内に埋め込むようにす
ることによって、筒状体23に固着されている。また、端
子金物24は、電導性の耐熱性弾性材から成るとともに、
左端側の接触部28,28間に前記酸素センサＳの一端を挿
入することによって、この酸素センサＳを挟持して電気
的に接続するようになっている。なお、筒状体23の大径
部21には、前記ニッケル線25が中空部に挿通された筒状
の前記シースリード15の左端部が内嵌されて、筒状体23
との間に隙間が形成されないようにしてアルミナセメン
ト等により筒状体23に固着されている。なお、シースリ
ード15の中空部には、前記ニッケル線25が互いに接触し
ないように酸化マグネシウム29が充填されている。

校正用ガスは、第１図に矢印で示されるように、前記外
筒12の中空部および外筒12の底壁13の孔14での前記コネ
クタ16との間の隙間を通って、前記セラミックフィルタ
20の中空部に供給されるようになっている。

前述のように、シースリード15およびコネクタ16が一体
的に構成されることにより、構造が簡素化され得、かつ
小型化が容易に図り得ている。また、組立構造も簡素化
され得ている。更に、コネクタ16に酸素センサＳが着脱
自在に装着され得ることから、酸素センサＳの交換が容
易にできるようになっている。

次に、前記酸素センサＳの構造（寸法；約5m/m（幅）×
1.0m/m（厚み）×30〜60m/m（長さ））について、第３
図（Ａ），（Ｂ）および第４図を参照しつつ説明する。

まず、上部には、個体電解質体30と、この個体電解質体
30の上下に各々配される上側ポンプ電極31および下側ポ
ンプ電極32とから成る酸素ポンプ部Ｐが設けられてい
る。

次に、中央部には、前記酸素ポンプ部Ｐと同様に、個体
電解質体33と、この個体電解質体33の上下に各々配され
る上側電池電極34および下側電池電極35とから成る酸素
濃淡電池部Ｂが設けられている。

前記酸素ポンプ部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36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37（37a,37b）が介在されている。な
お、前記酸素ポンプ部Ｐにおける拡散室36の中央部に相
当する位置には、この拡散室36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38（38a,38b,38c）が形
成されている。

したがって、このガス導入孔38（38a,38b,38c）によっ
て被測定ガスは拡散室36に導かれ、拡散室36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Ｐの
下側ポンプ電極32に接触するようになっている。また、
酸素濃淡電池部Ｂの上側電池電極34にも、前記下側ポン
プ電極32の付近で被測定ガスに接触するようになってい
る。なお、酸素ポンプ部Ｐの上側ポンプ電極31、更には
酸素濃淡電池部Ｂの下側電池電極35は、外部の被測定ガ
スの存在空間に面しており、外部の被測定ガスに直接的
に接触するようになっている。

なお、下部には、酸素ポンプ部Ｐおよび酸素濃淡電池部
Ｂを例えば600℃以上の所定温度に加熱する加熱部Ｈが
設けられている。

前記個体電解質体30,33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
構成されている。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ることができる。また、電極31,32,
34,35の各々は、多孔質白金等から構成されている。こ
れら電極31,32,34,35には、アルミナ等から成るポーラ
スセラミック層39,40,41,42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3
9,40,41,42を通じて被測定ガスが、電極31,32,34,35の
各々に接触されるようになっている。

一方、前記加熱部Ｈは、ヒータエレメント43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44（44
a,44b）によって覆われた状態において設けられてい
る。この多孔質層44（44a,44b）の囲りには、更にジル
コニア等の個体電解質から成る気密層45が設けられてい
る。これによって、ヒータエレメント43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43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
って構成されている。

以上のような酸素ポンプ部Ｐ、酸素濃淡電池部Ｂ、加熱
部Ｈおよびスペース部材37（37a,37b）が図示されるよ
うに積層され、一体的な板状の長手形状の積層構造体に
して、これらを焼結させ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31,32,電池電極
34,35およびヒータエレメント43の印刷された電気接触
端子であって、前記端子金物24,24の接触部28,28間に酸
素センサＳが挿入されることにより、この接触部28に当
接されて電気的に接続されるようになっている。

ところで、酸素濃度を検出するに際しては、ヒータ電流
が加熱部Ｈのヒータエレメント43に通電されて、酸素ポ
ンプ部Ｐおよび酸素濃淡電池部Ｂが所定温度以上になっ
た時点で検出が始まる。なお、前記酸素センサＳが通電
開始から所定温度以上になるまでには、２分程度要す
る。また、電力消費量は、約6Wである。

次に、第５図のブロック回路図を説明する。

酸素濃淡電池部Ｂによって、拡散室36内にガス導入孔38
を通じて拡散により侵入した被測定ガスと、外部の被測
定ガスとの比較から、両電池電極34,35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、設定電圧部50の基準電圧V_fと比較される。これ
ら両者の比較による偏差（Ｅ−V_f）が、酸素ポンプ部Ｐ
のポンプ電流I_pの電流量を制御するPI制御部51に供給さ
れる。このPI制御部51は、比例および積分制御を行なっ
て、前記偏差（Ｅ−V_f）が速やかになくなるように所定
の電圧信号を出力するものである。このPI制御部51から
の電圧信号は、電圧−電流変換部52に供給されて、所定
のポンプ電流I_pの電流量に変換される。

前記設定電圧部50の基準電圧V_fは、次のようにして設定
される。

前記拡散室36内の被測定ガスの酸素濃度が、空気比ｍ≒
１の0.002ppmの所定濃度であるとする。そして、ネルン
ストの式 R:気体定数 T:絶対温度 F:ファラデー定数 P₀₂:酸素センサＳの外部の被測定ガスの酸素濃度 P₀₂′：拡散室36内の被測定ガスの酸素濃度から、拡散室36内の被測定ガスの酸素濃度P₀₂′を所定
濃度の0.002ppmとして、酸素濃淡電池の起電力E_cとポン
プ電流I_pの電流量との相対関係を計算する。この相対関
係を図表にすると、第６図に示されるようになる。な
お、ポンプ電流I_pの電流量は、酸素センサＳの外部の被
測定ガスの酸素濃度P₀₂と拡散室36内の被測定ガスの酸
素濃度P₀₂′（＝0.002ppm）との差等から求まる。

前記相対関係によって、電圧−電流変換部52から出力さ
れるポンプ電流I_pの電流量の変化に応じて、実際にはPI
制御部51から出力される電圧信号に応じて、このポンプ
電流量に対応される起電力E_cが基準電圧V_fの電圧値とな
るように設定される。なお、ポンプ電流量が零である酸
素分析の開始時点においては、系が動作するように、前
記相対関係にかかわらず前記基準電圧V_fが零以外の、例
えば＋5mVの電圧値を採るように設定される。

以上から、拡散室36内の被測定ガスの酸素濃度は、偏差
（Ｅ−V_f）に応じてPI制御部51がポンプ電流I_pの電流量
を制御して、拡散室36内の酸素の外部への汲み出し量を
制御することにより0.002ppmに保持される。なお、この
保持されている状態は、拡散室36内への被測定ガスの導
入拡散量と、拡散室36内の酸素の外部への汲み出し量と
が等しい平衡状態である。したがって、汲み出し量、言
い換えればポンプ電流I_pの電流量は被測定ガスの酸素濃
度に比例するために、ポンプ電流量によって酸素濃度が
検出される。

ところで、ポンプ電流I_pの電流量を制御するPI制御部51
からの電圧信号は、出力変換部53にも供給されて、ポン
プ電流量に相関する被測定ガスの酸素濃度を検出する分
析信号として、出力変換部53から出力される。

前記酸素濃淡電池の起電力E_cとポンプ電流I_pの電流量と
の相対関係によって、設定電圧部50においてポンプ電流
I_pの電流量に対応する起電力E_cを得る方法には、（１）ネルンストの式にもとづいてディジタル的に計算
する手段、（２）メモリに対応する数値を記憶させておいて読み出
す手段（３）アナログ的に抵抗とダイオードとを組み合わせた
縮小、折線、近似回路等の手段等がある。

なお、前記実施例では、起電力E_cとポンプ電流I_pの電流
値の相対関係は、一定の酸素濃度（0.002ppm）のもとで
得るようにしたが、区間毎に異なる酸素濃度を設定して
得ることも可能である。しかし、この場合には、この異
なる設定の酸素濃度のもとに、出力変換部53からの出力
信号によって被測定ガスの酸素濃度が検出されなければ
ならない。

また、前記相対関係はネルンストの式から算出したが、
直接的に実験等によって求めることもできる。

なお、本明細書に用いられている“起電力”という言葉
は、起電力相当値をも含んで意味している。

（発明の効果）拡散室内の所定酸素濃度での酸素濃淡電池の起電力とポ
ンプ電流量とのあらかじめ設定された相対関係にもとづ
いて、基準電圧を変化させることにより、基準空気を必
要とすることなくして被測定ガスの酸素濃度を検出する
ことができる。したがって、装置の設計において大気に
連通する空気通路を考慮する必要がなくなり、設計の自
由度が確保される。

また、大気の連通する空気通路が必要でないために、装
置の簡素化およびコストダウンが図れるとともに、特に
感知手段のコンパクト化が可能になる。

更に、このようにして被測定ガスの酸素濃度が検出され
ることから、酸素ポンプの経時変化による界面抵抗によ
る電圧降下を補償することにより、感知手段の寿命を延
ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図は、本発明による工業用酸素分析計の
制御方法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図は第１図の一部拡大図、第３図（Ａ），（Ｂ）各々は酸素センサの分解斜視図お
よび全体斜視図、第４図は第３図（Ａ），（Ｂ）におけるIV−IV横断面
図、第５図はブロック図、第６図は拡散室内の被測定ガスの所定濃度における酸素
濃淡電池の起電力E_cとポンプ電流I_pの電流量との相対関
係を示す図である。また、第７図は、従来の技術を説明するための図であ
る。 36……拡散室、50……設定電圧部 51……PI制御部、Ｂ……酸素濃淡電池部Ｐ……酸素ポンプ部、Ｓ……酸素センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定ガスが拡散される拡散室と、この拡
散室を基にして配される酸素濃淡電池、更には酸素ポン
プとを有する感知手段；前記酸素濃淡電池の起電力と比
較される基準電圧を設定する設定電圧手段；およびこれ
ら起電力と基準電圧との比較による偏差によって、前記
酸素ポンプのポンプ電流量を制御する制御手段；を具え
て、前記ポンプ電流量に相関する前記被測定ガスの酸素
濃度を検出する工業用酸素分析計の制御方法において、前記拡散室内の所定酸素濃度での前記酸素濃淡電池の起
電力と前記ポンプ電流量とのあらかじめ設定された相対
関係にもとづいて、前記基準電圧が、前記ポンプ電流量
に対応する前記酸素濃淡電池の起電力とほぼ等しくなる
よう制御することを特徴とする工業用酸素分析計の制御
方法。
【請求項２】前記ポンプ電流量が零である場合に、前記
拡散室内の所定酸素濃度での酸素濃淡電池の起電力とポ
ンプ電流量との相対関係にかかわらず前記基準電圧が零
以外の所定電圧値を採ることを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載の工業用酸素分析計の制御方法。