JPH0799364B2 - 酸素分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、酸素分圧若しくは酸素濃度の測定装置の改良
に関するものである。

（従来の技術） 従来から、ジルコニア等の、高温において酸素イオン伝
導性のある固体電解質を用い、電気化学反応を利用した
酸素濃淡電池の原理により、製鋼における各種の炉、そ
の他の工業炉、ボイラー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、それら炉、
ボイラーの燃焼状態を制御することが知られている。

このような電気化学反応を利用した従来からの酸素セン
サの測定対象となる、工業炉の燃焼排ガスの如き被測定
ガスは、煙道等の通路の中では層状に流れており、この
ため測定点の深さによって酸素濃度の値が大きく異なる
ことが認められている。

特開昭60−85360号公報には、酸素センサを測定ガスの
流れに対してその深さ方向に所定の距離を隔てて複数個
配置し、測定深さ方向がそれそれ異なる個所における酸
素分圧若しくは酸素濃度が効果的に求められる測定装置
が開示されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、この既知の測定装置において、被測定ガ
スの流入から流出に至るガス流路がないため、フィルタ
内部の空間でのガス置換が遅く、そのためガス測定の応
答性（時間）も悪く（遅く）なる。

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） 本発明の酸素分析装置では、有底円筒状の固体電解質の
基端部を被測定ガス雰囲気中に位置する姿勢で、その外
周部を気密に主管壁に装着し、さらに前記固体電解質の
基端部近傍を通過する被測定ガスの流路を設けたことを
要旨とするものである。

（作 用） 本発明の酸素分析装置では、被測定ガスの流入から流出
に至るガス流路を設けたため、被測定ガスの置換が速
く、そのためガス測定の応答性（時間）が良く（速く）
なる。しかも固体電解質の基端部を被測定ガス雰囲気に
接触するように配置したため、固体電解質の内側深部に
設けられた測定電極へ、被測定ガスが直接吹きつけるこ
とがなく、そのため測定電極が熱衝撃から良好に保護さ
れる。また、本発明の好適例として、校正ガス導入管が
主管の外側に沿って配設されている場合は、被測定ガス
によって校正ガスを加熱することができ、また、校正ガ
ス導入管からの校正ガス導入を測定電極に直接あたらな
い方向にできるため、校正時に校正ガスが導入された場
合でも測定電極を急冷することがない。したがって、測
定時と校正ガス導入時との間の、センサ温度の変化が少
なくなり、より精度の高い校正が可能になる。

（実施例） 本発明の実施例を図面に基づき説明する。

第１図は酸素センサを深さ方向の所定の距離を隔てて複
数個配置することができる主管の構成を示している。こ
の図において、１は被測定ガスである燃焼排ガスの流れ
の中へ挿入、設置される主管であり、この主管１には、
所定間隔で複数個の酸素センサ10がフィルタカバー２の
内側に取り付けられている。また、この酸素センサ10を
主管１に取付けおよび交換を行い得るように、フィルタ
カバー２に対向する主管部分に、開口を形成し、それに
センサ裏蓋３が被せられている。酸素センサ10の脱着の
際にはセンサ裏蓋３が取り外され、その開口を通じて酸
素センサの脱着が行われる。酸素センサ10は主管１に対
して、その管軸方向に所定距離隔てて配置され、この所
定間隔としては一般に50cm以上が採用される。主管１の
基部には、取付フランジ５及び端子箱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に取り付けられて固定される。端子箱８には配線、配
管孔９が設けられている。

なお、主管１の先端部には空気放出口４を設けて、図示
しない空気弁を介して主管１内に連続的に導入された標
準ガスとしての例えば空気（大気）がこの空気放出口４
から連続的に放出されるようにしている。

第２図には主管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、主管１の所定の取付け位置に、
有底円筒内の空間と燃焼排ガス流の空間とが連通するよ
うに（即ち有底円筒の開口部が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の主管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の主管１に嵌合されたセンサ保持具12に
金属性のＯリング17を介して締め付け固定することによ
り為されている。このように取付けられた酸素センサ10
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（これらが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。したがって、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）が一体構造となってセンサユニ
ットを構成する。

かかる酸素センサ10の被測定ガスに曝される側には、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より成るフィルタユニットが嵌合され、さらに
その外側にフィルタカバー２が設けられて、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。ところで、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
度で等分されて設けられて、被測定ガスをフィルタ15を
経て酸素センサへ導入し得るようにしている。さらに酸
素センサ10の出力（即ち起電力）を校正するため、炉壁
外部から導入された校正ガス導入管18を主管１の外側に
沿って配設し、この校正ガス導入管18の開口部19をセン
サ保持具12に設けた校正ガス導入口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とが相俟っ
て内部空間21に連通するガス通路を形成し、内部空間に
校正ガスが導入されるようにしている。センサ保持具12
には、校正ガス導入口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。

このガス通路23は、内部空間21と、外部の被測定ガス空
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、校正ガス導入管18の内部空間にも校正
ガス導入口20を介して連通している。したがって、内部
空間21に存在する被測定ガスおよび校正ガスを迅速に外
部へ排出することができる。

なお、酸素センサ10は、すでに既知であるように、高温
において酸素イオン伝導性のある固体電解質の一方の側
に測定電極、他方の側に基準電極を設けた構成であり、
この固体電解質として、例えば酸化ジルコニウムに酸化
カルシウムを固溶させたもの、酸化ジルコニウムに酸化
イットリウムを固溶させたもの、酸化トリウムに酸化イ
ットリウムを固溶させたもの、酸化セリウムに酸化ラン
タンを固溶させたもの等がある。また、かかる固体電解
質の形状として、第２図に示されるような有底円筒状の
他、平板状等を採用することができ、適宜用途に応じて
選択することができる。

また、かかる固体電解質に設けられる測定電極として
は、一般に多孔質の金属電極であり、例えば白金、白金
・ロジウム合金、白金・パラジウム合金、銀、白金・銀
合金等の金属材質より形成される。

斯様な所定形状の酸素センサに対して、その一方の側の
電極面に燃焼排ガス等の被測定ガスを接触するように
し、その他方の側の電極面には、基準酸素分圧若しくは
濃度の標準比較ガス、または通常大気（空気）を接触さ
せるようにする。例えば本例のように酸素センサが有底
円筒状である場合に、特に、その内側表面に被測定ガス
を接触させ、その外側表面に基準となる大気を接触させ
るように構成している。

このように構成された酸素分析装置において、主管１の
長手方向に所定間隔で取り付けられた例えば４個の酸素
センサ10は、煙道内等の被測定ガスの流れの中に設置さ
れ、深さのそれぞれ異なる個所における被測定ガスと接
触する。これを第３図に基づいてさらに詳しく説明す
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
れた被測定ガル流入孔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が行われる。
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。したがって、本発明の装置において、被測定ガス
の流入から流出へ至るガス流通路を設けているため、被
測定ガスが内部空間に速やかに導入され、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
が行われることによって、酸素センサ10の応答性を高く
保ちつつ、熱衝撃に対する保護をも同時に行うことがで
きる。

次に、酸素センサの出力を校正するため、校正ガスを導
入する場合について第５図（Ａ）および（Ｂ）に基づい
て述べる。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、校正ガスは、炉壁外部
から校正ガス導入管18を通り、校正ガス導入口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21に充満した校正ガスの一部
は加圧導入により序々に酸素センサ10の深部へ達し、測
定電極と接触する。その他の校正ガスは、第５図（Ａ）
に示すように、内部空間が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。したがって、校正ガスは導入時に
直接酸素センサ10の測定電極を直撃することがなく、即
ち急冷することがないため、被測定ガスの測定時と、校
正ガス導入時との酸素センサの測定電極における温度変
化が少なく、精度の高い校正を可能にする。

（効 果） 以上の説明から明らかなように、本発明では、被測定ガ
スのダストを有効に除去しつつ、被測定ガスを固体電解
質の基端部を通り再び被測定ガスの流れの中に排出する
ガス流路を設けたことにより、被測定ガスのガス置換が
迅速に行われ、しかも固体電解質の基端部から内側深部
まではガス拡散および熱対流等により序々に行われるた
め、急加熱および急冷等の熱衝撃から酸素センサの測定
電極を有効に保護し、且つ被測定ガスに対する応答性を
良くし、しかも酸素センサの温度分布の変化が少なくな
ったことにより酸素センサの精度を高くすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の一例を示す外観図、 第２図は斯る装置の酸素センサ設置部分を示す縦断面
図、 第３乃至５図は酸素センサに被測定ガスが流入乃至流出
する様子および校正ガスの流入乃至流出する様子を示す
夫々縦断面図である。 １……主管、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、16……フィルタ保持具 17……Ｏリング、18……校正ガス導入管 19……開口、20……校正ガス導入口 21……内部空間、22……ガス排出口 23……ガス通路、24……測定ガス流入孔 25……ガス出入口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小太刀 徹 愛知県名古屋市瑞穂区新開町24番18号 新 開住宅402号 (72)発明者 山田 博 愛知県名古屋市緑区鳴海町字鶴ケ沢49番地 の３ (56)参考文献 特開 昭60−85360（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−3461（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定ガスの流れに対してその深さ方向に
   挿入、設置せしめられる一方、連続的に導入される標準
   比較ガスを、放出口より前記被測定ガスの流れ内に連続
   的に放出せしめて、管内の標準比較ガスの圧力が被測定
   ガスの圧力にほぼ等しくなるように構成した少なくとも
   １本の主管と、 先端部が閉鎖され、基端部が開口せしめられた有底円筒
   状の酸素イオン伝導性のある固体電解質と、その一方の
   側に設けられた測定電極と、その他方の側に設けられた
   基準電極とを有し、前記測定電極が前記主管外を流れる
   被測定ガスに接触せしめられる一方、前記基準電極が前
   記主管内を流通せられる標準比較ガスに接触せしめられ
   るように、前記主管の管壁に、管軸方向に所定の距離を
   隔てて取り付けられた複数個の酸素センサとを具え、そ
   れら複数個の酸素センサによって、測定深さ方向のそれ
   ぞれ異なる個所における酸素分圧若しくは濃度を測定す
   る酸素分析装置において、 前記酸素センサの基端部が被測定ガス雰囲気中に位置す
   る姿勢で、その外周部を気密に主管壁に装着し、さらに
   前記酸素センサの基端部近傍を通過する被測定ガスの流
   路を設けるようにしたことを特徴とする酸素分析装置。
2. 【請求項２】前記主管の外側に沿って校正ガス導入管を
   配設し、この校正ガス導入管と前記複数個の酸素センサ
   とを接続することで、校正ガスを酸素センサに供給でき
   るよう構成した請求項１記載の酸素分析装置。