JPS6358151A - 工業用酸素濃度測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、工業用酸素濃度測定装置に関し、より詳しく
は、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し才雰囲
気中の酸素濃度を測定する工業用酸素濃度測定装置に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来、プローブにて採取した排ガス中の酸素濃度を固体
電解質を用いて測定する工業用酸素濃度測定装置として
は、第１０図に示すように、エアエゼクタ−により吸引
された排ガスが流入する主流管２と、この主流管２より
分流された排ガスが再び主流管に返送される分流管４と
、この分流管４に着脱自在に設けられた有底円筒型固体
電解質よりなる酸素濃度検出器５と、この酸素濃度検出
器の外側近傍に固定される加熱炉６と、前記酸素濃度検
出器へのガス流入側の分流管壁に接続された校正ガス吹
出し管７および全体を保温する断熱材８とそれを囲う筐
体９とより構成されているものが知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のように、酸素濃度検出器が有底円
筒形状であること、およびこの検出器を適正に作動させ
る加熱炉を検出器とは別体に設けているため装置自体の
寸法および重量がかさみ、また、熱容量が増え、検出器
の暖機に対しても時間がかかり、応答性能が充分なもの
とは云えず、さらに寸法が大きいため検出器の取付は位
置も制限されるという欠点があった。

本発明の工業用酸素濃度測定装置は、従来のこのような
欠点を解決するものであって、小型軽量かつ構造が簡単
であり、応答性能の良好な装置を提供することを目的と
するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の工業用酸素濃度測定装置は、センシングセルと
、加熱体および／または温度検知体とを板状に積層一体
に成形した検出部を、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の基部に設けたことを特徴とす
る。

〔作　用〕 上記のような構成により、センシングセルとヒータおよ
び／または温度検知体とを積層して一体構造とし、さら
に、板状としたことにより、検出部が薄く小型軽量とな
り、被測定ガス検知空間が　　′小さくなり応答時間が
早くなるとともにそれにより取付は位置にも自由度が増
すとともに取付は作業も簡便となる。また積層一体構造
のためヒータから検出部まで間隔が小さくなり、効率良
くヒータからの熱を伝えることができ、そのためヒータ
加熱用の電力消費量が小さく、ランニングコストをセー
ブすることができる。

〔実施例〕

本発明の工業用酸素濃度測定装置の具体的一実施例を図
面につき説明する。

第１図に示す装置は、いわゆる炉壁直付式と称されるも
のであり、符号２０はガスを採取するステンレス製のプ
ローブを示し、例えば燃焼炉の煙道の炉壁２１に形成さ
れた孔２２に挿入され、取付はフランジ３７により保持
されている。このプローブ２０は、先端が閉塞された外
管２３と、両端が開口された内管２４との内外二重管構
造により構成されている。

外管２１の先端部側壁には、ガス流動方向に面する位置
にガス採取孔２５が穿設されており、このガス採取孔２
５に隣接し支持板をも兼ねる隔壁２７によって、内管２
４を外管２３と同芯状に支持するとともに内管の先端側
開口２６がガス採取孔２５に臨むように隔壁２７を外管
２３に接続する。また、この外管２３の側壁の前記隅壁
２７より基部側に、ガス流動方向に対して横方向となる
位置でガス排出孔２８が穿設されている。このため、ガ
ス採取孔２５では排ガス流速により加圧されて正圧とな
り、ガス排出孔２８では、排ガス流速により減圧されて
負圧となることにより、積極的にプローブ２０の内部に
測定ガスが取り込まれる。したがって、ガス採取孔２５
から採取されたガスは、矢印で図示されるように内管２
４の内部空間を通り、その一部が酸素センザ部２９に流
れ込み、その他は外管２３と内管２４との間に形成され
る空間を通って、ガス排出孔２日から煙道内に排出され
る。

酸素センサ部２９は、前記プローブ２０の基部に設けら
れ、プローブ２０に連通ずる状態で連設されて内部空間
を形成する筒状部３０と、この筒状部３０の基端側から
螺合されてガスを測定する検出部３１と、筒状部３０の
先端側に嵌合されてガスをろ過する多孔質のセラミック
フィルタ部３２により構成される。

さらに、検出部３１ば、そのガスに曝される側は保護キ
ャンプ３７で覆われており、逆に大気に曝される側は保
護筒部３８で覆われており、その内部に酸素濃度を電気
信号に変換するセンシングセル、ヒータ、酸素ポンプ（
これらを総称して酸素センサ素子とする）およびそれに
接続されてセンシングセルからの信号を取出すリード線
３６が配設さている。前記保護筒部３８にはセンシング
セルに基準空気を供給する空気孔３５が設けられている
。また好ましくは、センシングセルの出力が長期作動中
に当初の基準値より推移する場合に、校正ガスにより補
正し得るように、エアポンプに接続される校正ガスＷ入
管３３を、保護キャンプ近傍の筒状部３０に押通させる
ことができる。

次に、前記検出部３１を構成する酸素センサ素子Ｓの構
造（寸法；約５ｍｍ（巾）　Ｘｌ、５　＊＊　（厚み）
×３０〜６０龍（長さ））について、第２図（Ａ）　、
　（Ｂ）および第３図を参照しつつ説明する。

まず、上部には、固体電解質体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」−面側には、
前記」二側ポンプ電極４１を囲むようにして上部加熱部
旧が設けられている。

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４
６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　、　４８ｃりが形成されている。したがって、
このガス導入孔４８（４８ａ　、　４８ｂ　、　４８ｃ
　、　４８ｄ）により被測定ガスは導かれて、拡散室４
６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
が設げられている。これにより、前記基Ｙ１１１電極４
５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、固体電極質体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Ｔ
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Ｉ１１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（たとえば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
定化又は部分安定化ジルコニア磁器から構成されている
。この安定化又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ツトリウ
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４
１　＋　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
セラミンク層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、前記加熱部旧、１■２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）　、　５Ｂ（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５
７　（５７ａ　。

５７１１）　、　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積層する等の手法によって形
成される。

また、前記温度検知部Ｔ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持つ抵抗体等
から成っている。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４
９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また
はサーメットを印刷積層す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。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Ｉ１１　、　）１２　、温度検知部Ｔおよびスペース
部材４７が図示されるように積層され、一体部な挟１１
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　、４２　、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。

ところで、酸素濃度測定に際しては、温度検出部の温度
検知素子６１によって検出される温度により、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が所定の温度に保たれるように、ヒータ電流が加
熱部１（１、１１２のヒータエレメント５５　、５６に
通電される。そして、酸素ポンプ部Ｐおよび酸素濃淡電
池部Ｂが所定温度（たとえば６００℃以」二）に保持さ
れた状態で、あるいは保持された時点で測定が始まる。

なお、前記酸素センサ素子Ｓが通電開始から所定温度に
保持されるまでには、約３分程度要する。また、電力消
費量は、約８Ｗ程度である。

次に、前記センサ素子Ｓによる酸素濃度測定の原理につ
いて、第４図のブロック図を参照しつつ説明する。

酸素濃淡電池部Ｂによって、拡散室４６に酸素ボボンブ
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、比較電圧Ｖ
ｆ　（空気比ｍ＃１相当の発生起電力）と比較される。

これら両者の差電圧（Ｅ−Ｖｆ）が、酸素ポンプ電流（
ＩＦ　）　、制御器６３に供給される。

このポンプ電流（ＩＰ　）制御器６３は、差電圧（Ｅ−
Ｖｆ）に応じて、 ｉ）Ｅ＜Ｖｆの場合には、 酸素ポンプ部Ｐによって、第４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
、 １ｉ）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Ｃ
Ｏ２，水１１．０を電気分解して、第４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，＋　’ＡＯ□＝１１ｉｏ
　、　Ｇｏ　＋％０□→ＣＯ□と反応する。）酸素ポン
プ電流（Ｉ、）を制御している。これにより、拡散室４
６内の酸素濃度を所定値にする。

この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、−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（ＩＰ　）は、次式で表わされ
る。

ＩＰ＝　Ｋ＋・Ｐｏｚ　−Ｋｚ・Ｐｃｏ　−Ｋ３・Ｐｕ
ｚただし、Ｋ、：酸素分子の拡散に比例した係数に２ニ
一酸化炭素分子の拡散に比例した係数に、ｌ：水素分子
の拡散に比例した係数Ｐ：酸素分子、−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、−酸化
炭素および水素分子の濃度は０％であることから、 １、　＝　Ｋ、・Ｐｏｚ 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、 ＩＦ　＝　−ＣＫｚ・Ｐｃｏ　＋　Ｋｓ・Ｐ）１２）と
なる。

以上の酸素濃度測定の原理を要約すれば、拡散室４６内
の酸素分子濃度が０％〔空気比ｍ＃１〕になるように酸
素ポンプ電流（■、）を制御して、酸素ポンプ電流（Ｉ
Ｐ）を基準抵抗（ｒｆ）を介して測定すること等により
、酸素濃度を測定することである。

これにより、酸化領域における酸素過剰濃度と、還元領
域における酸素不足濃度とが１つの信号によって出力す
ることが可能となり、酸化・還元両頭域にまたがって操
炉する酸化・還元両頭域の工業炉の雰囲気制御の制御シ
ステムの構築の場合には、大いに役立て得ることになる
。

次に、変形例について説明するが、前記実施例との同一
符号は同一内容を示し、重複する説明は省略する。

（第１変形例−第５図） 前記実施例から上部加熱部１１１と、温度検出部Ｔとが
無くなったものである。この場合には、下部加熱部１１
２のヒータエレメント５６の抵抗値が温度によって変化
することにより酸素センサ素子Ｓの温度を検出して、温
度制御を行なっている。他は、前記実施例と同様である
。

（第２変形例−第６図） 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、温度検出部Ｔが固体電解質体４３の
」二面に設けられている。この場合にしＪ、酸素濃淡電
池機構により、測定電極４４と基準電極４５との間の電
位差によって被測定ガス中の酸素濃度を測定する。した
がって、基本的には、酸素領域における酸素過剰濃度と
、還元領域における酸素不足濃度とが一つの信号で出力
することはできない。

なお、この酸素センサ素子Ｓは、素子Ｓ自身が高温被測
定ガスにより高温化され、温度検出部Ｔで所定温度以上
になることを検出した後に、測定を始めるようになって
いる。したがって、高温被測定ガスを測定する場合に好
適である。

（第３変形例−第７図） 前記第２変形例に、更に下部加熱部１１２を設けたもの
である。この酸素センサ素子Ｓは、前記実施例と同様に
、温度検出部Ｔに検出される温度によって、ヒータ電流
が加熱部Ｈ２に通電され、素子が所定温度に保たれるも
のである。したがって、低温被測定ガスを測定する場合
に好適である。他は、第２変形例と同様である。

（第４変形例−第８図） 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
るものであって、温度検出部Ｔが固体電解質体４０の」
二面に設けられている。また、この固体電解質体４０の
両側夫々には、拡散抵抗手段としてアルミナ等から成る
上部および下部のポーラスセラミンク層６４　、６５が
、図示されるように積層状に設Ｌ−１られている。両ポ
ーラスセラミンク層６４゜６５には、被測定ガスが拡散
するようになっている。この場合には、酸素ポンプ機構
によって、酸素ポンプ電流を測定することにより酸素濃
度が測定される。基本的には、酸素領域における酸素過
剰濃度、あるいは還元領域における酸素不足濃度が測定
できる。温度検出部Ｔのみを有することで、第２変形例
と同様に、高温被測定ガスを測定する場合に好適である
。

（第５変形例−第９図） 前記第４変形例と同様に、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ている。この酸素ポンプ部Ｐ
と下部加熱部＋１２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６６が介在されている。

そして、下部加熱部Ｈ２の上面には、温度検出部Ｔ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６６を介して酸素ポンプ部Ｐの下面側にも供給される
。したがって、酸素ポンプ部Ｐの両面側に供給される。

なお、本変形例では、温度検出部Ｔおよび下部加熱部１
１２を有することで、第３変形例と同様に低温被測定ガ
スを測定する場合に好適である。他は、第４変形例と同
様である。

〔発明の効果〕

本発明の工業用酸素濃度測定装置では、検出部が薄く小
型軽量（例えば、その重量において、従来装置で約２０
ｋｇ程度であったものが、本発明では約５ｋｇ程度とな
ったこと）となり、被測定ガス検出空間が小さくなった
ため、応答時間が従来の１７２〜１／３と早くなり、ま
た、取付作業もより簡便となる。また板状に積層一体構
造としたことにより、伝熱性が向上し、このため加熱す
る電力も少なくすることができる。例えば、消費電力が
、従来では約３００に程度であるのに対し、本発明では
約８Ｗ程度となる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は、本発明による工業酸素濃度測定装
置の具体的一実施例を説明するための図面であって、第
１図は本発明の装置の全体図、第２図は検出部（酸素セ
ンサ素子）の分解斜視図、 第３図は第２図におけるｍ−ｍ横断面図、第４図はブロ
ック図、 第５図乃至第９図は、本発明による工業用濃度測定装置
の変形例を説明するための第３図に相当する図面、 第１Ｏ図は、従来例を説明するための説明図である。 ２０・・・プローブ　　　　３１川検出部■３・・・酸
素濃淡電池部 Ｉｌｌ　、　＋１２・・・−に部および下部加熱部Ｐ・
・・酸素ポンプ部　　　Ｔ・・・温度検知部第 ２図 Ａ） ■さＶ４４ ゝく５二■ニニニニ］コ【二≧〉、４３でさニニニＸ二
５６２＝ 一二二二二二二６′ 一一一一一一一−４５ （千［二二Ｖ二と６２１゜ ＼くＳゴ＝＝＝＝＝＝：＝：；：＝言；＝了５１第３図 第４図 々 第５図 へＢ Ｏｔｌ　　　　５Ｂ５１ 第６図 第７図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．センシングセルと、加熱体および／または温度検知
   体とを板状に積層一体に成形した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の基部に設
   けたことを特徴とする工業用酸素濃度測定装置。
2. ２．前記センシングセルが、酸素濃淡電池より成ること
   を特徴とする工業用酸素濃度測定装置。
3. ３．前記センシングセルが、酸素ポンプより成ることを
   特徴とする工業用酸素濃度測定装置。
4. ４．前記センシングセルが、酸素濃淡電池および酸素ポ
   ンプとより成ることを特徴とする工業用酸素濃度測定装
   置。