JPS6358152A - 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１ｌｔｌ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、特開昭５６−６９５５３号明細書に開示されいる。

即ち第１０図に示すように、有底円筒状の固体電解質よ
りなる酸素濃度検出素子１の排ガスに接する面を、フィ
ルタ３とフィルタ３のガス導入側に設けられたガス衝突
板５とガス衝突板５およびフィルタ３を囲うように設け
られガス流入孔７とガス流出孔９とを有するガス捕集器
１１とより構成される酸素濃度検出器が開示されている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記の酸素濃度検出器においては、その
構成上、ニクロム綜ヒーター、有底円筒状の酸素検出素
子を使用しているため、例えば、プローブの直径に約５
０１ぐらい必要となり、装置全体で大型かつ重量も重く
なると共に、応答時間が遅く、かつ、使用温度範囲１お
よび、測定濃度範囲が狭い等の不都合が生じていた。

本発明の工業用酸素濃度測定装置は、従来のこのような
不都合を解消するものであって、小型軽量かつ構造が簡
東であり、従来に比べて広い温度範囲および濃度領域の
測定を行うことができ、応答性能の良好な装置を擢供す
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先端部に設けたことを特徴と
する。

〔作　用〕

」二記した構成において、センシングセルとヒータおよ
び／または温度検知体とを板状に積層して一体構造とし
たことにより、検出部が薄く小型軽量となり、それによ
り酸素濃度測定装置のプローブの先端部に配置してもプ
ローブ径が太くなるのを防止することができると共に、
使用温度範囲を拡げることが出来る。また、被測定ガス
検知時間が小さくなり応答時間が早くなる。さらに、セ
ンシングセルを酸素濃淡電池と酸素ポンプより構成した
場合は、酸素ポンプにより測定電極付近の酸素濃度を制
御することができ、より広い酸素濃度範囲に対して（詳
しくは酸化雰囲気から還元雰囲気まで）測定することが
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図に断面図にて示す工業用酸素濃度測定装置は、い
わゆる直接挿入式と称されるものであり、符号２３はガ
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、取付はフランジ３
５により保持さている。このプローブ２３は、両端部が
開放されており、その材質は、例えば６００℃以下の低
温用の場合は金属を使用し、６００°Ｃ以上の高温用の
場合はアルミナを使用している。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。支持具２２とプローブ２３との接着は、
低温用の場合には、例えば、焼きばめ、嵌合等の手段に
より、高温用の場合は、例えば、限ろう、白金ろう、ガ
ラス等により融着する。また、検出部２１と支持具２２
との接着も同様の材料にて融着する。

プローブ２３の先端面にはフィルタ取付は用の補助具２
４を耐熱性の０リング２５等の密封手段により取付け、
この補助具２４の他端には除塵用の多孔質のセラミック
フィルタ２６をアルミナセメント等の手段により装着す
る。また、プローブ基部側側面およびプローブ２３の内
部空間並びにプローブ先端側の肉厚部および補助具２４
の肉厚部を貫通する校正ガス導入管２７を設け、校正ガ
ス導入口３４から導入した校正ガスを校正ガス導入管２
７を通って、検出部２】の先端部に供給できるように構
成している。

こうすることにより、検出部２１の検出信号の高温１月
ガスによる変移を校正ガスにより測定でき、その出力信
号を制御回路により、補正することができる。

さらに、プローブ２３の校正ガス導入口３４と対向する
側面を貫通しプローブの内部空間を通り検出部付近まで
延在する基準エア導入管２８を設け、検出部２１に常時
基準エアを供給することができる。

検出部２１の基端部にはリード線引出し用のターミナル
部２９を設け、このターミナル部２９はリード線３０を
経て外部制御回路に接続されている。ターミナル部２９
は検出部の構成に応じてその端子数が異なり、本例にお
いては酸素濃淡電池用の端子、加熱体用の端子、酸素ポ
ンプ用の端子から構成される。前記リード線の材質は耐
熱性を考慮して白金線とするがさほど耐熱性を要求され
ない雰囲気では他の材質とすることもできる。また、こ
のターミナル部２９と引出しリード線３０との接続は、
低温用の場合はコネクタ等の接触手段で充分であるが、
高温用の場合はコネクタ等の接触手段では接触不良が生
じるため、白金リード線３０を銀ろう、白金ろう等によ
り、ろう付けして接続している。リード線３０は、各リ
ード線同志を絶縁するため、アルミナ管３１内に個々に
配置されており、このアルミす管内をｉｍってプローブ
基端部のコネクタ部３２に連通されており、さらに図示
しない前記外部制御回路に接続されている。

以］二、本発明の全体図について説明したが、煤？４量
が１、ＮＧ燃焼時の数ｗ／Ｎｍ３、Ｃ重油燃焼時の２０
０〜３００■／Ｎｍ３程度である場合は、フィルタを有
底円筒状とし、その周囲にはガス捕集器を装着した第１
０図に示すような従来例の構造とすることもできる。ま
た、煤塵量が２０〜５０ｇ／Ｎｍ３程度の多い場合には
、第１１図に示すような捕集器とすることもできる。こ
の場合には酸素濃度測定装置自体を鉛直（大地）方向に
延在させる必要がある。

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；５龍（１）Ｘｌ、、５龍（厚み）×３０〜６
０１（長さ））について、第２図（八’）　、　（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旧および下
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４Ｂ（４８ａ　、　４８ｂ　。

４８ｃ　、　４８ｄ）が形成されている。したがって、
このガス導入孔４Ｂ（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（＝Ｊ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ｉ１ｉ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１１１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
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、　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５
７（５７ａ　。

５７ｂ）　、　５Ｂ（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　、６
０が設けられている。これにより、ヒータエレメント５
５　、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５
５　＋　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
から成る構成を有する。温度検知素子６Ｉ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１ニツケルの酸化物等を添加したペース
トまたはザーメソト等のように、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
部旧、　Ｈ２、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　、４２　、測定型極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
熱部旧、　Ｈ２のヒータニレメン１−５５　、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（たとをば６００°Ｃ以上）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
Ｏ□、水１（２０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、１１□十’ＡＯｚ→１１□０
　、　ＣＯ４＋ＡＯｚ　’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
４６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に相当の酸素濃度、具体的には酸素を店度
を０％に設定する。

なお、比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（■、）は、次式で表わされる
。

１、　＝　Ｋ、−ＰＯＺ　−Ｋｇ−ＰＣＯ−Ｋ３−ＰＨ
まただし、Ｋ、；酸素分子の拡散に比例した係数に２ニ
ー酸化炭素の分子の拡散に比例した係数 に３：水素分子の分子の拡散に比例した係数 Ｉ）：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、 Ｉ、　＝　Ｋ、−Ｐｏ。

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、 Ｉｐ　＝　−（ＫｚＪｃｏ　＋　Ｋ３・Ｐｏｚ）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ｍζ１〕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
、）を基準抵抗（ｒ、）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・還元円領域にまたがって操
炉する酸化・還元円領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ｉｌｌ、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で所定温度板」
二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＋１２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１１２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レノられている。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■２
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
型軽量となり、そのため、プローブの直径を例えば約２
０ｎ程度までに小さくすることができ、被測定ガス検出
空間が小さくなるため応答時間が早くなり、また、重量
も軽減されたことにより、プローブ強度をもさほど要す
ることなく、装置全体の重量を軽減することができる。

また、センシングセルの構成部品を適宜選択することに
より、広範囲な温度条件で、しかも酸化雰囲気および還
元雰囲気までも電気的手段により測定範囲とすることが
できるという利点がある。

【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だめの図面であって、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１０図は、従来例を説明するための説明図第１１図は
第１図の変形例を説明する説明図である。 ２１・・・検出部　　　　　２３・・・プローブＢ・・
・酸素濃淡電池部 Ｉｌｌ　、　＋１２・・・上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） Ｖδｉ４４ ゝＵニニニニニニ２（ニニニ〉Σ、４３：　Ｖにｎ６２
ａ て二＝二＝ｆ６′ Ｖ５二二［ニー ＼く；ゴ　　　　　　　　　　　６二で５１第３図 第４図 只 第５図 へＢ ρ 第６図 第７図 第８図 ｑ 第９図 第１０図 （Ａ） （Ｂ） 第 １１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先端部に
   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
   ンプより成ることを特徴とする工業用酸素濃度測定装置
   。