JPS61107152A - 水分測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、酸素と水蒸気とを含んだ測定ガスをジルコニ
アのような固体電解質素子に設けた測定電極に供給し、
前記測定ガスから水蒸気を除去した乾燥ガスを基準ガス
として前記固体電解質素子に設けた基準電極に供給し、
前記両電極間に出力される電圧にもとづき前記測定ガス
中の水蒸気濃度を測定する、固体電解質式酸素濃度検出
器を用いた水分測定装置、特に測定ガス中の酸素濃度の
急激な変動にもとづく測定誤差を少なくすることができ
る装置構成に関する。

〔従来技術とその問題点〕

水蒸気と酸素とその他のガスとからなる測定ガスにおい
ては水蒸気濃度と酸素濃度との間に相互依存関係がある
ので、条件か整えば一方を測定することによって他方を
知ることができる。今、上記測定ガスの体積をＶとし、
この体積中の水蒸気、酸素およびその他のガスの各体積
をそれぞれＶ。

ｖｏおよび■３とし各濃度をＡｗｌＡｏおよびＡａとす
ると（１）式および（２）式が得られる。

Ａｗ：Ｖｗ／Ｖ、　　ＡＯ＝ＶＯ／Ｖ、　　ｈａ＝ｖａ
／Ｖ−（１）Ａｗ＋Ａｏ＋Ａａ＝１　　　　　　・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）（２）式
から濃度人、が一定であれば酸素濃度Ａ０を知ることに
よって水蒸気濃度Ａｗを知ることができるが、前記測定
ガスを除湿して乾燥ガスを得ると、この乾燥ガス中の酸
素濃変人。ｒは（３）式で表されるから、（１）〜（３
）式から（４）式が得られ、濃度Ａ０と濃度Ａ。ｒとを
知ることによって（４）式によっても水蒸気濃度Ａｗを
知ることができる。

Ａｏｒ”Ｖｏ／（ｖｏ＋ｖａ）　　　　−・・・・・・
・・・＝　（３）Ａｗ＝１−Ａｏ／Ａｏｒ　　　　　・
・・・・・・・・・・・・・・（４）このため、従来、
２個の酸素濃度検出器を用いて水蒸気濃度Ａｗを測定す
る方法が提案されており、この測定方法は、一方の酸素
濃度検出器には水分を含む測定ガスを導入し他方の酸素
濃度検出器には水分が除去されたガスを導入し、両検出
器のそれぞれに到達するガスの速さに差異があるときは
早い方のガスに対する酸素濃度検出信号を遅延回路を経
て遅らせて両検出器の検出信号を同期させ、最終的に（
４）式の演算を行って濃度Ａｗを得るようにしたもので
あるが、この測定方法には２個の酸素濃度検出器と１個
の信号遅延回路とを必要とし装置が複雑になるという問
題がある。

このため１個の固体電解質式酸素濃度検出器を用いて水
蒸気濃度Ａｗを測定する方法か特開昭５７−１７８１５
４号公報によって提案されており、この方法は、上記濃
度検出器の測定電極に測定ガスを導きこの測定ガスを除
湿して得た乾燥ガスを濃度検出器の基準電極に導き、両
電極間に発生する電圧Ｅを測定して水蒸気濃度Ａｗを得
るようにしたもので、この場合電圧Ｅは（５）式で表さ
れる。

Ｋは比例定数である。

ボ＝に−Ｉ　ｎ　（Ａｏ／Ａｏｒ）　　　　・・・・・
・・・・・・・・・・（５）（４）式と（５）式とから
（６）式が得られる。

１ｉ＝工に−Ａ’ｎ（１−Ａｗ）　　　　　・・・・・
・・・・・・・・・・（６）（６）式から電圧Ｅを測定
することにより水蒸気濃度Ａｗが得られることか明らか
であるが、こめ測定方法に用いられる酸素濃度Ａｏｒは
上述した所かられかるように酸素濃度Ａ０を呈する測定
ガスを除湿して得た乾燥ガスにおけるものでなければな
らず、測定ガスの酸素濃度Ａ０か急変して、前記基準電
極に酸素濃変人。ｒｌの乾燥ガスが導かれた時に、前記
測定電極に、酸素濃度Ａ０，１の乾燥ガスを生じた元の
測定ガスにおけ酸素濃度Ａ０１とは異なる酸素濃変人。

２を有する測定ガスが導かれていると、この測定方法で
は測定誤差を生じる。

第２図はこのような測定方法を採用した従来の水分測定
装置の概略構成図で、図において１はジルコニア等で形
成した有底円筒状の固体電解質素子、２，３は該素子１
の底部外面および内面にそれぞれ接合した測定電極、基
準電極である。ジルコニア素子１の開口端には取付フラ
ンジ４が設けられている。５ば酸素と水蒸気とを含む測
定ガス６が流れる流路、５ａは該流路の壁、７は一端が
壁５ａを貫通してかつ皺壁に固定され他端が流路５外に
突出して突出端に相フランジ８が固定された取付管であ
る。９は両端にそれぞれ第１フランジ９ａと第２フラン
ジ９ｂとが固定され中間側壁に内部に連通ずるガス抽出
口９Ｃが設けられたガ　−ス採取管で、ガス採取管９は
フランジ８と９ｂとを図示していない締結手段によって
フランジ結合することにより取付管７に固定され、ジル
コニア素子１は取付管７とガス採取管９とによって形成
された一連の円柱状内部空所１０に遊挿され、フランジ
９ａと４とのフランジ結合によってガス採取管９に固定
されている。１１は一端１１ａか基準電極３の近傍に配
置され他端１１ｂがジルコニア素子１外に引き出された
ガス注入管である°。１２は流路５から内部空所１０に
流入してきた測定ガス６をガス抽出口９Ｃを介して吸引
して除湿し、乾燥ガス１３をガス注入管の他端１１ｂに
送り込むようにしたガス処理装置である。

第２図においては各部が上述のように構成されているの
で、測定１！Ｌ極２には測定ガス６が接触し、基準電極
３には乾燥ガス１３が接触し、両電極間に電圧Ｅが発生
する。１４は電圧Ｅが入力され（６）式にもとづく演算
を行って水蒸気濃度Ａｗに応じた信号１４ａを出力する
演算器、１５はジルコニア素子１と測定電極２と基準電
極３と演算器１４とからなる固体電解質式酸素濃度検出
器である。

８２図の水分測定装置は上記の信号１４ａによって測定
ガス６の水蒸気濃度Ａｗを測定しようとするものである
から、測定ガス６が測定電極２に接触してからこのガス
を除湿して得た乾燥ガス１３が基準電極３に接触するま
での間に時間差、換言すれば乾燥ガスの供給遅れがある
。故に、この遅れ時間が経過した時測定電極２に接触す
る測定ガス６の酸素濃度か変化していると前述したよう
にこの水分測定装置では測定誤差を生じる。

〔発明の目的〕

本発明は、上述したような従来の水分測定装置における
問題を解決して、水蒸気と酸素とを含む測定ガス中の水
蒸気濃度を、該測定ガス中の酸素濃度か急変しても小さ
い誤差で測定することのできろ水分測定装置を提供する
ことを目的とする。

〔発明の要点〕

本発明は、上述の目的を達成するために、酸素と水蒸気
とを含む測定ガスの雰囲気内に配置され、測定ガスが流
入しうる少なくとも一個の細孔を有するガス溜室と；両
面にそれぞれ測定電極および基準電極が設けられた固体
・電解質素子を有し、ガス溜室に流入した測定ガスが測
定電極に接触するようにガス溜室内に配置された固体電
解質式酸素濃度検出器と；ガス溜室内の測定ガスを除湿
して基準ガスとして基準電極に供給する基準ガス供給機
構と；からなり、酸素濃度検出器の出力信号により前記
水蒸気の濃度を測定する水分測定装置において、基準ガ
ス供給機構を、ガス溜室内の測定ガスをガス溜室外に吸
引するガス吸引機構と、ガス吸引機構によって吸引され
た測定ガスを除湿して基準ガスを生成する半透膜式除湿
器と、基準ガスを基準電極に案内するガス注入管と、で
構成し半透膜式除湿器は該除湿器における測定ガス流路
容積が基準ガス供給機構におけるガス流路容積の１／２
をこえないようにしたもので、このように構成すること
によって、測定ガス中の酸素濃度が急変してもこの変動
がガス溜室内においては該ガス溜室のタンク作用によっ
て緩慢になるようにして、もって酸素濃度の変動による
測定誤差の少ない水分測定装置が得られるようにしたも
のであり、また基準ガス供給機構におけるガス流路容積
を小さくして乾燥ガスの基準電極への供給遅れ時間を短
＜シ、もってガス溜室細孔の塵埃による目詰まりが起り
難くするようにしながら上述の酸素濃度変動にもとづく
測定誤差が生じることの少ない水分測定装置が得られる
ようにしたものである。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例の構成図で、図においては、
ジルコニア素子１は底部に細孔２１を有する円筒状ガス
溜室２２内に遊挿されており、ガス溜室２２の開口端は
取付フランジ４に気密に固定されている。２３は、ジル
コニア素子１とガス溜室２２との間に形成された空所２
４に一端２３ａが配置され他端２３ｂが取付フランジ４
を貫通してガス溜室２２外に引き出されたガス吸引管、
２５はガス溜室２２の底部外面を被うようにした除塵用
フィルタである。この場合フィルタ２５が設けられたガ
ス溜室２２は取付管７内を通って流路５内に挿入され、
該ガス溜室が取り付けられたフランジ４は相フランジ８
に気密に固定されている。２６はガス吸引管２３を介し
て空所２４のガスをガス溜室２２外に吸引しこの吸引し
たガスをドレン分離器２７に送り込むようにしたポンプ
で、２８はポンプ２６とガス吸引管２３とからなるガス
吸引機構である。ドレン分離器２７は、ポンプ２６から
吐出されたガスが流入口２７ａから流入して流出口２７
ｂから流出するように構成されており、さらに流入口２
７ａから流出口２７ｂに該ガスが流れる際流速が遅くな
るように該ガスの流路断面積が大きく形成されているの
で、ポンプ２６の吐出側ガス中に水滴が混在していると
この水滴はドレン分離器２７内で落下する。２９はこの
落下した水滴をポンプ２６の吐出ガスの一部と共に大気
に排出するようにしたドレン排出管である。

ドレン排出管２９は内径が細く形成されているのでドレ
ン分離器２７内の圧力が低下することは少なく、この結
果ドレン分離器２７において気水分離されたガスが流出
口２７ｂから除湿器３０の内管 ４３０１に導かれる。３０は水蒸気濃度の高いガスを流
すようにした内管３０１とこの内管を遊挿した外管３０
２とからなり、内管３０１と外管３０２との間に水蒸気
濃度の低いガスを流して、内管３０１内を流れるガスか
ら該内管壁を水蒸気を透過させて該ガスを除湿するよう
にした半透膜式気相除湿器で、この除湿器の内管３０１
から流出した、上記のようにして除湿された乾燥ガス１
３は、内径を細くシてガスの流動抵抗を高くした絞り機
構３１ど、内管３０１と外管３０２との間に形成された
空所３０ａにガスを流入させるようにしたガス流入口３
０２ａと、に送り込まれるように構成されている。３０
２ｂは流入口３０２ａから空所３０ａ内に導入されたガ
スを大気に排出するガス排出口である。絞り機構３１を
通った乾燥ガス１３はガス注入管の端部１１ｂに導かれ
ているＱ 第１図においては各部が上述のように構成されているの
で、流路５における測定ガス６はフィルタ２５で除塵さ
れた後細孔２１を通ってガス溜室内の空所２４に入り測
定電極２に接触する。また空所２４に入ってきた測定ガ
スはガス吸引管２３を介してポンプ２６によって吸い出
され、ドレン分離器２７および除湿器３０によって除湿
されて乾燥ガス１３となり、絞り機構３１およびガス注
入管１１を順次経由して基準ガスとして基準電極３に供
給される。ドレン分離器２７は流動ガス中に水滴が存在
することによって除湿器３０の除湿能力が低下すること
のないように設けられており、能 絞り機４も有するドレン排出管２９と絞り機構３１とは
各部を流れるガス流量を加減する機能を有している。３
２はドレン分離器２７とドレン排出管２９と除湿器３０
とからなる除湿機構、３３はガス吸引櫨構２８と除湿機
構３２と絞り機構３１とガス注入管１１とからなる基準
ガス供給機病、３４は、フィルタ２５か設けられたガス
溜室２２と、フランジ４が設けられかつ演算器１５が接
続された酸素濃度検出器１５と、基準ガス供給機構３３
と、からなる水分測定装置である。水分測定装置３４に
おいては基準ガス供給機構３３におけるガス流路容積が
約５（ｆＦ！Ｊ）、半透膜式除湿器３０における測定ガ
ス流路容積か約０．６〔ｆｎｌ〕、ガス吸引管２３によ
る吸引ガス流量が０．２　（Ｊ／ｍ１ｎ）、ガス注入管
１１によって電極３に供給される基準ガス流量が０．１
　（ｌ／ｍ１ｎ）であるように各部が構成されている。

故にこのような水分測定装置では、ガス吸引管２３によ
る吸引ガス流量が少ないのでフィルタ２５に付着する塵
埃か少なく、この結果該フィルタを掃除する時間間隔が
長くなる利点であり、また基準ガス供給機構３３におけ
るガス流路容積が小さいのでガス吸引管２３による吸引
ガス流量が少ないにもかかわらず、測定ガスか測定電極
２に接触する時刻と基準ガスか基準電極３に接触する時
刻との間の時間差、換言すれば基準ガスの基準電極３へ
の供給遅れが短く、約２秒となっている。したがってこ
のような水分測定装置によれば、一台の固体電解質式酸
素濃度検出器を用いたものであるにもかかわらず、測定
ガス６の酸素濃度変動による測定誤差か少なくなる。ま
た水分測定装置３４においては、流路５における測定ガ
ス６中の酸素濃度が急激に変動してもこの変動はガス溜
室２２内においては該ガス溜室のタンク作用によって緩
慢になる。このため基準ガスの基準電極３への供給遅れ
か若干存在しても、測定ガス６中の酸素濃度の変動にも
とづく測定誤差は発生し難くなる。なお第１図の測定装
置は、測定電極２近傍の測定ガスをポンプ２６によって
強制的に吸い出すようにしているので、応答速度の早い
水分測定装置となっていることは明らかである。

第３図は本発明の他の実施例の構成図である。

この実施例と第１図に示した実施例との相違は、第１図
の実施例では除湿器３０の内管と外管との間に流すガス
を内管を経た乾燥ガスによって形成しているが、この実
施例ではその内管と外管との間に乾燥空気を流すように
した点にある。このようにすることにより、加圧を小さ
くでき、かつ、必要な基準ガスだけを除湿すればよいの
で、除湿器に能力の小さいものを使用可能となる。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明においては、酸素と水蒸気とを
含む測定ガスの雰囲気内に配置され、測定ガスが流入し
うる少なくとも一個の細孔を有するガス溜室と二側面に
それぞれ測定電極および基準電極が設けられた固体電解
質素子を有し、ガス溜室に流入した測定ガスが測定電極
に接触するようにガス溜室内に配置された固体電解質式
酸素製置検出器と；ガス溜室内の測定ガスを除湿して基
準ガスとして基準電極に供給する基準ガス供給機構と；
からなり、酸素濃度検出器の出力信号により前記水蒸気
の濃度を測定する水分測定装置において、基準ガス供給
機構を、ガス溜室内の測定ガスをガス溜室外に吸引する
ガス吸引機構と、ガス吸引機構によって吸引された測定
ガスを除湿して基準ガスを生成する半透膜式除湿器と、
基準ガスを基準゛電極に案内するガス注入管と、で構成
し、半透膜式除湿器は該除湿器における測定ガス流路容
積が基準ガス供給機構におけるガス流路容積の１／２を
こえないようにしたので、このように構成することによ
って、測定ガス中の酸素濃度が急変してもこの変動がガ
ス溜室内においては該ガス溜室のタンク作用によって緩
慢になる結果、酸素濃度の変動による測定誤差の少ない
水分測定装置が得られる効果があり、また基準ガス供給
機構におけるガス流路容積を小さくして乾燥ガスの基準
・１極への供給遅れ時間を短くすることによって、ガス
溜室細孔の塵埃による目詰まりが起り雌くするようにし
ながら上述の酸素濃度変動にもとづく測定誤差が生じる
ことの少ない水分測定装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は従来の水
分測定装置の構成図、第３図は本発明の他の実施例の構
成図である。 １・・・固体１４ｔ％質素子としてのジルコニア素子、
２・・・測定゛電極、３・・・基準電極、６・・・測定
ガス、１１・・・ガス注入管、１３・・・基準ガスとし
ての乾燥ガス、１５・・・固体′成解質式酸素濃胚検出
器、２１・・・細孔、２２・・ガス溜室、２８・・・ガ
ス吸引機構、３０・・・半透膜式除湿器、３３・・基準
ガス供給機構、３４・・・水分測定装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 酸素と水蒸気とを含む測定ガスの雰囲気内に配置され、
   前記測定ガスが流入しうる少なくとも一個の細孔を有す
   るガス溜室と；両面にそれぞれ測定電極および基準電極
   が設けられた固体電解質素子を有し、前記ガス溜室に流
   入した前記測定ガスが前記測定電極に接触するように前
   記ガス溜室内に配置された固体電解質式酸素濃度検出器
   と；前記ガス溜室内の前記測定ガスを除湿して基準ガス
   として前記基準電極に供給する基準ガス供給機構と；か
   らなり、前記酸素濃度検出器の出力信号により前記水蒸
   気の濃度を測定する水分測定装置であつて、前記基準ガ
   ス供給機構を、前記ガス溜室内の前記測定ガスを前記ガ
   ス溜室外に吸引するガス吸引機構と、前記ガス吸引機構
   によつて吸引された前記測定ガスを除湿して前記基準ガ
   スを生成する半透膜式除湿器と、前記基準ガスを前記基
   準電極に案内するガス注入管と、で構成し、前記除湿器
   は該除湿器における測定ガス流路容積が前記基準ガス供
   給機構におけるガス流路容積の１／２をこえないものと
   したことを特徴とする水分測定装置。