JP2003240751A

JP2003240751A - 燃焼システムにおけるガスを監視するための方法及び装置

Info

Publication number: JP2003240751A
Application number: JP2003002683A
Authority: JP
Inventors: Mark Khesin; マーク・ケシン; Carl A Palmer; カール・エー・パーマー; Don A Schneider; ドン・エー・シュナイダー; Doug S Byrd; ダグ・エス・バード; Lars P Andersson; ラールス・ピー・アンダースソーン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2003-08-27
Also published as: KR20030060815A; CN1434293A; EP1327880A2; TW200305719A; CN1288437C; ZA200300029B; US20030127325A1; EP1327880A3; TWI278621B; US7128818B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃焼器（１００）用途における、ガス濃度を
監視及び測定するための方法及び装置を提供する。【解決手段】該装置は、煙道ガス（２１２）のガス状
成分の存在及び濃度を検知するための単一の電解質セル
（２０２）と協働する複数の電極（２０４、２０６）を
有するガスセンサ（１０２）である。電圧は、電解質の
両側の電極によって検知される、異なるガス濃度によっ
て引き起こされたイオン流に基づいて生成される。電圧
の変化は相互に関連しており、煙道ガスに含まれる可燃
性ガス、窒素酸化物群、一酸化炭素などのガス濃度を求
めるために用いられる。燃焼器の作動は次に、最適化さ
れて効率を高め、煙道ガスにおける望ましくないガス濃
度を最小化する。較正ガスは装置を較正するために導入
され、基準ガスは、ガス濃度を互いに関連させるための
ベースとして電極に与えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボイラ、炉、燃焼
ガスタービン又は化石燃料を用いる燃焼器用途などの燃
焼用途に用いられる、センサを有するシステムを含む、
燃焼システムにおける煙道ガスの成分ガスのようなガス
を監視及び測定することに関する。

【０００２】

【発明の背景】本発明の特質及び作動を理解するために
は、幾つかの例示的な用途を考慮することが役立つであ
ろう。例えば、幾多の工業施設或いは環境において、炭
化水素燃料は燃焼器（例えばボイラ又は炉）で燃焼され
て、流体の温度を上昇させるための熱を生成する。燃焼
器が、効率的に作動し、燃焼の副生成物／生成物が環境
上の規制及び設計上の制約によって課される制限内にあ
って、許容できる程度に完全な燃焼を達成するようにす
るために、すべての個々のバーナはクリーンで効率的に
作動されるべきであり、かつすべてのフレーム後燃焼制
御システムは適当に均衡され、調整されるべきである。

【０００３】環境上の規制の順守を確実にするために、
未燃焼の炭素、窒素酸化物群（ＮＯ、ＮＯ₂、ＮＯ_X）、
一酸化炭素又はその他の副生成物のエミッションは、共
に監視される。本文及び特許請求の範囲において用いら
れる窒素酸化物群という用語は、一酸化窒素（ＮＯ）、
二酸化窒素（ＮＯ₂）及び窒素酸化物（ＮＯ_X、ここでＮ
Ｏ_XはＮＯとＮＯ₂の合計である）を含む。従来のエミッ
ションの監視は、必然的に、燃焼器からの総合エミッシ
ョン（すなわち、バーナの列を全体として）に対して行
われていた。高温煙道ガスにおけるガス状可燃性物質の
濃度のような幾つかのエミッションは、オンライン及び
連続的な監視が困難であり及び／又は高価である。典型
的には、これらのエミッションは、周期的又は不定期に
測定される。特定の燃焼副生成物が、許容することがで
きない程、高い濃度で生成されたことが見出されたと
き、燃焼器は適当な作動を回復するように調整されるべ
きである。しかしながら、総合エミッション測定、或い
は周期的又は不定期のエミッション測定は、どの特定の
燃焼器のパラメータがそうした調整に影響を与えるため
に変更されるべきかということに関する有益な情報を、
たとえあるとしても、ほとんど提供しない。

【０００４】燃焼プロセスを最適化し、エミッションを
最小レベルにして最大の効率を提供するという目標を達
成するためには、３つの主要な燃焼変数、すなわち
Ｏ₂、ＣＯ及びＮＯ_Xが連続的に監視されるべきである。
固体電解質（例えばジルコニア）をベースにした燃焼セ
ンサは周知であり、一般的に、化石燃料を用いる燃焼器
において用いられて、酸素及び可燃性物質を測定する
（商業的な供給者には、Rosemount Analytical, Ametek
Thermox,及び横河電機が含まれる）。これらのセンサ
は、通常は、２つの電極の一方に与えられる基準空気と
共に用いられる。ほとんどの場合、既存のセンサは抽出
性のものであり、高い維持管理費を必要とする。

【０００５】最近では、幾つかの供給業者が、連続的な
基準ガスの供給を利用しない酸素センサを市場投入して
いる。代わりに、これらのセンサは、金属／金属酸化物
の混合物で満たされたシールされた内部電極を有し、こ
の混合物が、シールされた容積内に一定のＯ₂分圧を生
成する。

【０００６】固体電解質を用いて煙道ガスの可燃性物質
（主にＣＯ）を測定するための方法は、数多くある。そ
の方法の１つは、特許文献１の「化石燃料を用いる燃焼
器におけるガス状可燃性物質を監視するためのシステム
及び方法」（ここでは’２６８特許と呼ぶ）において説
明されるように、高温の煙道ガス流内に直接位置させら
れた、測定位置配置の電位差方式固体電解質セルにおけ
る変動信号を用いることに基づくものである。これらの
センサは、比較的単純な設計であり、即時の応答を与え
る。生産されており市場で入手可能な既存のセンサの例
は、オハイオ州ツインズバーグのGeneral Electric Reu
ter-Stokes Companyによって製造されたＭＫＣＯセン
サである。

【０００７】

【特許文献１】米国特許第６，２７７，２６８号

【０００８】’２６８特許は、とりわけ、ある環境にお
ける少なくとも第１の種類のガス分子濃度の変化を監視
するための装置を開示する。その装置は、材料の塊と第
１及び第２の電極を含む。材料の塊は、第１の種類のガ
ス分子がイオン化されたときに形成されるイオンに対し
て透過性である。第１及び第２の電極は、第１の電極に
おける第１の種類のガス分子濃度が第２の電極における
第１の種類のガス分子濃度と異なるとき、第１の種類の
ガス分子が第１の電極においてイオン化されて、材料の
塊を介して第１の電極から第２の電極に流れ、第２の電
極において再結合されて、第１の種類のガス分子を形成
し、したがって、第１及び第２の電極の間に信号を生成
するように、材料の塊上に配置される。第１及び第２の
電極の各々は、環境と流体連通している。

【０００９】更に具体的に述べると、’２６８特許は、
ある環境に存在する酸素濃度の変化を監視するための、
少なくとも１つのネルンスト形式のガスセンサを含むシ
ステムを開示する。このセンサは、固体電解質材料の塊
と、第１及び第２の電極を含む。第１及び第２の電極
は、固体電解質の塊上に配設されて、その間に、第１の
電極における酸素濃度と、第２の電極における酸素濃度
との間の差を示す信号を生成する。第１及び第２の電極
の各々は、環境と流体連通している。しかしながら、ネ
ルンスト形式のガスセンサは、どんな数のガスについて
も、その濃度を監視するために用いることができる。セ
ンサに含まれる材料の塊は、第１の種類のガス分子がイ
オン化されたときに形成されるイオンに対し透過性であ
る。環境における第１の種類のガス分子濃度の変化に応
答して、信号が少なくとも第１及び第２の電極の間に生
成される。更に、センサは温度制御装置なしでもよい。

【００１０】’２６８特許は更に、第１の特性を有する
第１ガスと、第１の特性とは異なる第２の特性を有する
第２ガスの各々をあらかじめ決められたシーケンスでガ
スセンサに供給することを含む、ガスセンサを較正する
ための方法を開示する。ガスセンサ又はそれと関連する
信号分析器は、ガスセンサの出力信号に基づいて調整さ
れて、ガスセンサを較正する。ガスセンサを較正するた
めの装置は、切り換えシステム及びシーケンサを含む。
切り換えシステムは、第１のあらかじめ決められたガス
特性を有する第１タンクと、第２のあらかじめ決められ
たガス特性を有する第２タンクの各々と流体連通してい
る。シーケンサは、切り換えシステムが、第１及び第２
タンクからガスセンサに、ガスをあらかじめ決められた
シーケンスで供給するようにさせる。

【００１１】’２６８特許は、更に、’２６８特許の図
８Ａ及び図８Ｂのように、現場燃焼器の用途におけるセ
ンサの組み立て及び取り付けのための、多部品からなる
管及びコネクタ配列を開示する。

【００１２】混成電位の電位差モードにおいて、ネルン
スト式電解質センサを用いて、煙道ガスにおけるＮＯｘ
を測定するための方法は多数ある。そうした設計におい
て、分析されるガスは、測定している電極に到達する前
に、ＮＯ又はＮＯｘ、ＮＯとＮＯ₂の合計に対する感度
を高めた多孔性フィルタを通り抜ける。そうした「フィ
ルタされた」ＮＯｘセンサを実際に使用することは、他
の成分、主にＣＯ及びＣＯ₂の影響のため、困難であ
る。

【００１３】

【発明の概要】本発明は、上に記載された問題を克服
し、燃焼システムにおけるガスを監視するための改良さ
れた方法及びシステムを提供することによって、付加的
な利点を提供する。本発明は、発電ボイラ及び化石燃料
を用いる燃焼器を含む多数の燃焼用途で用いることがで
きる。１つの方法において、本発明は、１つの固体電解
質ベースの測定位置配置の電位差方式センサを用いて、
酸素、ＮＯｘ及びＣＯのような、主要な燃焼成分を同時
に監視及び／又は測定することを提供する。そうしたセ
ンサはまとめられて、燃焼の最適化の効果的手段とし
て、必要な燃焼変数のプロファイリング及びマッピング
を提供することができる。

【００１４】本発明の１つの態様によると、変動性の可
燃性物質のためのセンサは、複合電位差Ｏ₂＋ＣＯセン
サを提供する。この実施形態において、基準ガス（空
気）は、該基準ガスがセンサを通って流れる状態で、可
燃性物質センサの１つの電極（参照電極）に供給され
る。これは、貫流型Ｏ₂＋ＣＯセンサと呼ぶことができ
る。センサのＯ₂成分は、ネルンストの式に基づいて作
動されるという点で、従来のネルンスト形式センサのよ
うに作動する。しかしながら、ネルンスト式という用語
は、固体電解質のジルコニアベースのセンサで、ネルン
ストの式に基づいて作動されないセンサを総称して用い
ることが多い。センサのＣＯ及びＮＯｘの態様は、技術
的な意味において「ネルンスト式」ではない。むしろ、
本発明のＣＯ及びＮＯｘセンサの構成は、ＣＯ及びＮＯ
ｘの濃度を求めることに関連する処理が、温度、用いら
れる材料などのような多数の要因に基づくネルンストの
式から離れているという点で、複合電位モードで作動す
るものである。

【００１５】１つの手法において、本発明は、ＭＫＣ
Ｏセンサのような既存のセンサ又はセンサ設計を複合電
位差Ｏ₂＋ＣＯセンサに変換するために用いられること
ができる。この手法は、複雑さの少ないセンサ設計を提
供するもので、センサは２つの測定電極を備える固体電
解質セルを有する。測定位置配置の電位差方式センサ
は、ＤＣ及びＡＣの２つの成分からなる出力信号を生成
する。従来、ＤＣ成分はネルンストの式を用いてＯ₂を
計算するために用いられ、ＡＣ成分は信号から伝えられ
ていた。より最近では、変動ＡＣ成分は、米国特許第
６，２７７，２６８号に述べられたように、一酸化炭素
（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）又は他のガス状可燃性
物質の濃度を求めるために用いられてきた。本件の図２
（Ａ）及び図３（Ａ）は、両端部が開放された固体電解
質を有するセンサ（図２（Ａ））と、一方の端部が閉じ
られた固体電解質を有するセンサ（図３（Ａ））の、２
つの例示的な複合Ｏ₂＋ＣＯセンサの型を示す。

【００１６】燃焼器が均衡通気モードにおいて（負圧の
下で）作動するとき、自然通気を基準空気供給のための
駆動力として用いることができる。基準空気供給ライン
は、更に、較正ガスを参照電極に供給することによっ
て、Ｏ₂及びＣＯセンサの両方の周期的な較正のために
用いることもできる。

【００１７】センサを連続的に加熱し、温度制御する代
わりに、センサは、例えば、約９００〜１５００°Ｆの
煙道ガス温度にある多くのボイラ／炉用途においては、
適当な温度ウィンドウにある煙道ガスゾーンに位置させ
られる。温度は連続的に測定され、補償を与えるために
用いられる。センサヘッドは保護シェルの内側に置かれ
て、その較正を助け、煙道ガス速度の影響を減らし、そ
の表面を灰の付着から保護する。

【００１８】本発明の別の態様によると、上述のよう
に、可燃性物質センサは、複合Ｏ₂＋ＣＯセンサとして
構成されるか又は変換され、更に、シールされたＯ₂セ
ンサとの組合せに構成される。この配列において、連続
的な基準ガスの供給は必要とされない。

【００１９】本発明の別の態様によると、可燃性物質セ
ンサは、「フィルタされた」ＮＯｘセンサと組み合わせ
て用いることにより、複合電位差ＣＯ＋ＮＯｘセンサと
して構成されるか又は変換される。センサは、２つの測
定電極と１つの共通参照電極とを備える１つの共通固体
電解質セルを有する。ＣＯをＣＯ₂に酸化させてＣＯの
影響を排除することができる材料で作られた薄い多孔性
フィルタが、測定電極の１つの上に置かれる。ＣＯをフ
ィルタするための技術と材料。この電極は、混成電位モ
ードで作動し、ＮＯｘを測定するために用いられる。別
の測定電極は、変動ＣＯセンサとして作動する。結果と
して、２つの信号、ＣＯ＋ＮＯｘが、１つの電位差方式
の固体電解質センサにおいて生成される。このセンサ配
列は、連続的な基準空気の供給を必要とせず、基準ガス
供給がないこと以外は、本質的に図４（Ａ）に示される
ようなものである。したがって、本実施形態において
は、Ｏ₂濃度を求めるためのＤＣ成分はない。

【００２０】本発明の別の態様によると、上述の複合Ｏ
₂＋ＣＯセンサは、「フィルタされた」ＮＯｘセンサと
組み合わせて用いられて、複合ＣＯ₂＋ＮＯｘ＋ＣＯセ
ンサを形成することができる（図４（Ａ））。この構成
において、センサは２つの測定電極と１つの共通参照電
極を備える１つの共通固体電解質セルを有する。１組の
電極、例えば参照電極と組み合わされたＣＯ電極は、ネ
ルンスト式センサとして作動し、上述のようなＤＣ及び
変動ＡＣ成分を有する複合Ｏ₂＋ＣＯセンサとして用い
られる。別の組の電極、例えば、参照電極と組み合わさ
れたＮＯｘ電極は、同様に上述されるように、ＮＯｘを
測定するために用いられる。結果として、３つのガス濃
度、Ｏ₂＋ＮＯｘ＋ＣＯが１つの電位差方式の固体電解
質センサにおいて監視及び測定される。

【００２１】本発明の更に別の態様によると、上述の測
定位置配置の固体電解質センサは、可撓性のあるステン
レスホース又は導管を備えて、ボイラにおける組み込
み、組み立て、取り付け及び維持管理を容易にする。実
際のガス測定プローブは、２０〜３０フィート（１フィ
ート＝３０cm）又はそれ以上といった大きな長さにな
る。ガス測定プローブの長さが大きい（６〜８フィート
を越える）場合、プローブは現場で組み立てられなけれ
ばならず、したがって、組み立て、移送、挿入、及び引
き抜きの手順が複雑になる。可撓性のあるホースの使用
は、フレーム後ゾーンに取り付けられた支持導管と共
に、現場での取り付けに関連してより大きな融通性を与
え、プローブ全体の製造が工場で行われることを可能に
する。ユニットは次に、現場に、完全に組み立てられた
状態で出荷され、センサプローブユニットの挿入及び引
き抜きは、特に混雑した現場プラントの環境において大
いに簡易化される。図４（Ａ）は、可撓性のあるホース
を備えるガス感知プローブを示す。

【００２２】したがって、本発明の１つの目的は、１つ
の固体電解質をベースとする測定位置配置の電位差方式
センサを用いて、酸素、窒素酸化物群（ＮＯ₂、ＮＯ、
ＮＯｘを含む）、及びその他のガス状可燃性物質（ＣＯ
のような）のような幾つかの主要な燃焼変数についての
同時かつ即時の測定を提供することである。既存の測定
位置配置の固体電解質電位差方式燃焼センサは、唯一つ
の燃焼変数の測定を可能とするものであり、本質的な作
動上の困難性を有する。幾つかの主要な燃焼変数を同時
かつ即時に特定する燃焼センサは、首尾よいオンライン
燃焼診断及び最適化において重要な利点を提供する。

【００２３】１つの手法において、本発明は、例えばＯ
₂、ＣＯ及びＮＯｘのような種々のガスを同時に監視す
るための高度な能力を提供することによって、周知の方
法を改良する。本発明の１つの実施形態は、基準空気を
１つの電極に供給し、外部フィルタを別の電極に設け、
外部ハウジングを較正のために設け、一実施形態ではス
テンレス鋼製である可撓性ホースを設けて、燃焼用途と
環境における組み立て、取り付け、及び維持管理をより
効果的にする。

【００２４】本発明の別の目的は、１つの測定位置配置
の電位差方式固体電解質センサにおける、幾つかの主要
な燃焼変数の測定を組み合わせることによって、可燃性
物質センサの能力を高めることである。

【００２５】別の目的は、基準ガス（空気）流を可燃性
物質センサ（基準空気センサ）の１つ電極に供給するこ
と、又はそれをシールされたＯ₂センサと組み合わせて
用いることのいずれかによって、既存の変動性可燃性物
質のためのセンサを複合（Ｏ ₂＋ＣＯ）センサに変換す
ることである。

【００２６】本発明の更に別の目的は、フィルタされた
ＮＯセンサと組み合わせて用いることによって、複合
（ＮＯｘ＋ＣＯ）センサに変換することができるセンサ
を提供することである。更に、センサは、それをフィル
タされたＮＯｘセンサと組み合わせて、貫流型（又はシ
ールされた）Ｏ₂センサとして用いることによって、複
合（Ｏ₂＋ＮＯｘ＋ＣＯ）センサに変換することができ
る。

【００２７】本発明の更に別の目的は、煙道ガス成分の
濃度レベルを同時に監視及び測定して、望ましくないエ
ミッションを最小化し、燃焼器の作動を最適化するため
の装置及びシステムを提供することである。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明は、添付の図面と共に、以
下の例示的な実施形態についての詳細な説明を読むこと
によって、より完全に理解することができる。

【００２９】本発明は、発電ボイラ及び化石燃料を用い
る燃焼器を含む多数の燃焼用途に用いることができる。
１つの手法において、本発明は、電位差モードで作動す
る１つの測定位置配置の共通センサを用いて、酸素、Ｎ
Ｏｘ及びガス状可燃性物質を同時に監視し及び／又は測
定するものである。そうしたセンサは、まとめられて、
燃焼の最適化の効果的手段として、必要な燃焼変数のプ
ロファイリング及びマッピングを提供することができ
る。

【００３０】あらゆる燃焼装置の安定していて効果的な
作動の目標を達成するためには、種々の燃焼変数、及び
異なる燃焼ゾーンにおけるそれらの分布特性の、連続的
なオンライン監視を達成することが有益である。そうし
た監視が効果的に達成されたとき、個々のバーナ、並び
に、フレーム後燃焼制御が調整されて、燃料と空気流と
の間の最適な関係、個々の空気流と再燃焼燃料流の最適
な分布、及び他のボイラ調整の最適化を達成することが
でき、したがって燃焼器の効率を著しく高めることがで
きる。

【００３１】燃焼器における酸素濃度を監視するため
に、測定位置配置の酸素センサを用いることが知られて
いる。典型的には、そうしたセンサは、一方の電極（参
照電極）があらかじめ決められた酸素濃度を有するガス
によって囲まれており、他方の電極（感知電極）は監視
されるガスに露出された状態で、固体電解質（例えばイ
ットリア（Ｙ₂Ｏ₃）安定化ジルコニア（ＺｒＯ₂）（Ｙ
ＳＺ））素子の両側に互いに隣接して配設される、一対
の多孔性金属（例えば白金）電極を用いる。これらのセ
ンサにおいて、固体電解質素子は、十分な温度（例え
ば、６００℃以上）まで加熱されたとき、酸素イオンに
対し透過性になる。したがって、酸素分子濃度が、一方
の電極におけるより他方の電極における方が大きいと
き、電極は酸素分子が酸素イオンになることができるよ
うにする触媒表面として働き、酸素イオンは一方の電極
から他方の電極に移動することになる。この酸素イオン
の流れから生じる電子の不均衡と、各々の電極で起こる
イオン化／脱イオン化が電極の間に電圧を生成し、この
電圧は、２つの電極における酸素分圧比と固体電解質材
料の温度の関数である。２つの電極の間に生成された電
圧は、いわゆる「ネルンスト」の式によって定義され、
次のように表される。Ｅ＝（ＲＴ／４Ｆ）×Ｌｎ（Ｐ１／Ｐ２）＋Ｃここで、Ｅ＝出力電圧、Ｔ＝センサの絶対温度、Ｒ＝普遍気体定数、Ｆ＝ファラデー定数、Ｐ１＝基準ガスにおける酸素分圧、Ｐ２＝監視されているガスにおける酸素分圧、Ｃ＝個々のセンサの各々についての定数、及びＬｎ（Ｐ１／Ｐ２）は、Ｐ１／Ｐ２比の自然対数、である。

【００３２】気づかれるように、「ネルンスト」の式に
おける変数は、Ｅ、Ｔ、Ｐ１、及びＰ２だけである。し
たがって、基準ガスにおける酸素分圧（Ｐ１）が一定に
保持されるとき、このような従来技術のセンサによる信
号Ｅ出力は、（１）測定されたガスにおける酸素分圧Ｐ
２の変化と、（２）センサの温度Ｔの変化、によっての
み影響される。電圧Ｅ値に及ぼすセンサ温度Ｔの影響を
排除することによって、このようなセンサ応答による電
圧Ｅ出力は、Ｐ２値の変化にのみ反応し、したがって測
定されたガスにおける酸素濃度の正確な指標として用い
ることができる（すなわち、Ｅ＝ｆ（Ｐ２））。「ネル
ンスト」形式のガスセンサからの電圧Ｅ出力の値に及ぼ
す該ガスセンサの温度Ｔの影響は、典型的には、２つの
技術のうちの１つを用いて排除される。１つの技術によ
ると、センサ内にヒータが設けられ、該ヒータが選択的
に加熱されてセンサを一定温度Ｔに維持する。別の技術
によると、センサ内に熱電対が配設されてセンサの温度
Ｔを測定し、電圧Ｅを調節して温度Ｔの変化を補償す
る。ここで用いられる「温度制御装置」という用語は、
前記の２つの技術のどちらかを用いて、「ネルンスト」
形式のガスセンサからの電圧Ｅ出力に及ぼす該ガスセン
サの温度Ｔの影響を除去するために用いられる如何なる
装置、回路配線、ハードウェア、ソフトウェア、又はそ
れらの如何なる組合せをも意味する。

【００３３】少なくとも１つの多孔性触媒電極（例え
ば、多孔性白金電極）を用いる「ネルンスト」形式のガ
スセンサでは、ガス状可燃性物質が適当な条件の下で触
媒電極と接触するとき、該物質は燃焼形式の反応で酸素
と化学的に結合して、不燃性副生成物を形成する。例え
ば、２つの一酸化炭素分子（２ＣＯ）は、１つの酸素分
子（Ｏ₂）と結合して、２つの二酸化炭素分子（２Ｃ
Ｏ₂）を形成することができ（すなわち、２ＣＯ＋Ｏ₂＝
２ＣＯ₂）、又は２つの水素分子（２Ｈ₂）は、電極で１
つの酸素分子（Ｏ₂）と結合して、２つの水分子（２Ｈ₂
Ｏ）を形成することができる（即ち、２Ｈ₂＋Ｏ₂＝２Ｈ
₂Ｏ）。ここで用いられる「ガス状可燃性物質」という
用語は、燃焼形式の反応で酸素と化学的に結合すること
ができるあらゆるガス状分子を意味する。触媒電極での
ガス状可燃性物質と酸素との間のこの化学反応のため
に、ガス状可燃性物質のレベルの上昇が、電極近傍にお
ける付加的な酸素分子の消耗の原因となり、したがって
電極での酸素濃度は減少し、それに対応してセンサによ
る電圧出力が変化する。同様に、電極近傍のガス状可燃
性物質のレベルの低下は、消耗されるべき電極近傍の酸
素分子をより少なくし、したがって電極での酸素濃度が
増加し、これに対応してセンサによる電圧出力が変化す
る。

【００３４】一酸化炭素（ＣＯ）は、燃焼器のフレーム
後ゾーン（後述される）における煙道ガスに存在する、
典型的には、最も普遍的なガス状可燃性物質である。事
実、一酸化炭素は、典型的には、煙道ガスに存在するガ
ス状可燃性物質の９５％より多くを占める。したがっ
て、燃焼器の煙道ガスを感知する「ネルンスト」形式の
ガスセンサからの出力信号は、そこに存在するＣＯのレ
ベルの信頼できる指標として働くことができる。

【００３５】「ネルンスト」形式のガスセンサからの信
号は、２つの成分、すなわち（１）強さ（「ＤＣ成
分」）及び（２）変動周波数（「ＡＣ成分」）を含む。
「ネルンスト」の式によると、ＤＣ成分は、センサ温度
と、分析されるガス及び基準ガスにおける酸素濃度を含
む幾つかのパラメータの関数である。ＤＣ成分は、Ｏ₂
濃度を求めるためにこれらのセンサを用いるシステムに
おいて関心ある成分であった。変動ＡＣ成分は、不要の
ノイズであると考えられるので、一般的に、酸素センサ
の出力信号からフィルタされる。センサ素子がフレーム
後ゾーン領域の外にあり、サンプル煙道ガスが抽出され
て外部センサに送られる、抽出性の配列のような非測定
位置配置のセンサにおいては、遅れが生じ、変動ＡＣ成
分の精度は著しく低下し、多くの場合において事実上な
くなる。従って、変動成分は、典型的に、そうしたシス
テムにおいてはほとんど役に立たないと考えられてい
た。

【００３６】理論的解析によって支持されるボイラの実
験的試験により、測定位置配置の酸素センサの変動ＡＣ
成分を、燃焼効率の指標として用い得ることが明示され
た。この課題は、例えば、（１）Khesin, M. J.とJohns
on A. J.による「燃焼制御：新しい環境ディメンション
（Combustion Control: New Environmental Dimensio
n）」米国動力評議会（American Power Conference）、
シカゴ、１９９３、及び（２）Khesin, M. J.とIvantot
ov, A. A.による「可燃性物質の指標としての煙道ガス
酸素の変動（Fluctuations of Flue Gas Oxygen as Ind
icator of Combustibles）」Teploenetgetika、１９７
８、５、という２つの論文で説明されており、その各々
は、引用により本明細書に組み入れられる。これらの論
文で説明されているように、固体電解質型の、測定位置
配置の酸素センサによって生成される出力信号は、そう
した信号の変動ＡＣ成分をガス状可燃性物質と相互に関
連させることによって、ガス状可燃性物質を監視するた
めに用いることができる。

【００３７】しかしながら、上掲の引用文献（１）及び
（２）に説明される現象を、実用的かつ有益な形で利用
するためには、克服されるべき深刻な技術的困難があ
る。これらの困難には、高い作動温度（例えば、摂氏８
００℃以上）、センサ電極の触媒性能が徐々に低下する
こと、結果の不一致、及びそうした結果を得るために用
いられる信号処理演算法の不確定さが含まれる。本発明
は、燃焼器におけるガス状可燃性物質を監視するため
の、改良され、より融通性のあるセンサ設計、及び効果
的かつ普遍的な方法及びシステムを提供することによっ
て、これらの問題を克服する。

【００３８】本発明の１つの適用例においては、１つ又
はそれ以上の固体電解質ガスセンサ１０２が、燃焼器１
００のフレーム後ゾーン（図１（Ａ）と関連して後述さ
れる）における煙道ガス流内に置かれて、煙道ガスの酸
素濃度の変動を測定する。これらのセンサによって測定
される変動は、ガス状可燃性物質のリアルタイムでのレ
ベルと相互に関連する値を計算するために用いることが
できる。

【００３９】本発明の一実施形態において、各々のセン
サは、固体電解質（例えば、ＹＳＺ）素子、及びそれら
と互いに関連する、多孔性（例えば白金）電極であるこ
とが好ましい少なくとも２つの金属を含む。本発明の一
態様によると、電極の少なくとも１つが、煙道ガス内の
成分ガス分子を監視するために煙道ガスと流体連通して
いる。少なくとも１つの他の電極は、煙道ガスと直接的
に流体接触しないように隔離されており、基準ガス中に
浸されることができる。監視されるべきガスは、例え
ば、酸素、ＣＯ、ＮＯｘ、又はその他の可燃性ガスであ
る。一例として、煙道ガスから隔離された電極は、基準
ガス、例えば空気中に浸される。そして他方の電極は、
例えば煙道ガスに連通していて、酸素濃度を監視する
か、又は酸素濃度に基づき他のガス濃度を求めるために
システムに接続されている。このようにして、煙道ガス
における酸素濃度が第１レベルから第２レベルに変化す
るとき、煙道ガス電極において酸素濃度が第１レベルか
ら第２レベルへ変化する速度は、少しでも変化がある場
合には、隔離された電極において酸素濃度が第１レベル
から第２レベルに変化する速度とは異なるものとなる。
言い換えると、各々の電極は、その電極における酸素濃
度レベルが如何に迅速に煙道ガス及び隔離された基準環
境における新しい酸素濃度レベルにまで上がるか又は下
がるかを定める時定数が電極に関連して存在するよう
に、構成し、配置することができる。

【００４０】各々の電極における酸素濃度と各々の環境
における酸素濃度との間に、時定数を含む多くの異なる
関係が存在することができ、本発明は、如何なる特定の
種類の関係にも限定されるものではない。電極における
酸素濃度と、その各々の環境における酸素濃度との間の
関係の一例は、Ｃ_E＝Ｃ_C＋ΔＣ_C＊（１−ｅ^-t/Tc）のような時定数Ｔ_Cを含む指数関数的な関係である。こ
こで、Ｃ_E＝電極での酸素濃度、Ｃ_C＝環境における酸素濃度、 ΔＣ_C＝環境における酸素濃度の変化、ｅ＝指数関数演算子、ｔ＝酸素濃度変化が起きてからの経過時間、及びＴｃは、電極特有の時定数、である。

【００４１】電極は、２つの電極の時定数Ｔｃが異なる
とき、異なる「程度」だけ各々の環境と流体連通する。
電極は、幾多の方法のいずれかにより、時定数Ｔｃが互
いに異なるように構成し及び／又は配置することがで
き、本発明は同じことを達成するためのいずれの特定の
技術にも限定されるものではない。種々の例示的な実施
形態において、例えば、この目標は、設計、材料及び／
又は特性が異なる電極を単に用いることによって達成す
ることができる。例えば、電極は異なる幾何学的形状を
有することができ、異なる気孔率を有する材料で被覆す
ることができ、異なる材料で被覆することもでき、及び
／又は異なる量の材料、例えば多孔性高温エポキシ樹脂
のような材料で被覆することもできる。

【００４２】電極が異なる時定数を有するように構成さ
れ、かつ配置されるとき、電極間の測定された電位は、
一対のセンサの１つが所定の酸素濃度を有するガスで囲
まれている、上述の従来技術のセンサでなされたよう
に、ＡＣ及びＤＣの両成分、又は主にＤＣ成分を表すの
ではなく、主として測定されるガス内における酸素濃度
の変動ＡＣ成分を表すものとなる。電極の時定数間の適
切な差を構成するものは、用途によって異なることがで
き、本発明は特定の時定数間の差のいずれにも限定され
ない。種々の実施形態において、例えば、電極の時定数
は、数（例えば２）ミリ秒と数（例えば１０）分の間の
ある値だけ、互いに異ならせることができる。

【００４３】ここに述べられる新規なセンサ構成は、幾
多の他の種類のガス、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、窒素
酸化物（ＮＯｘ）などの濃度を感知する場合においても
同様に用途を見出すことができ、酸素濃度の監視用途に
限定されるものではないことが理解されるであろう。

【００４４】本発明の１つの実施形態において、測定位
置配置の酸素センサからの出力信号は、例えば、プログ
ラムされたコンピュータのような信号分析器に送られ、
信号はそこで分析され、燃焼状態と相互に関連する１つ
又はそれ以上の燃焼パラメータを生成するために用いら
れる。

【００４５】１つの手法において、センサ出力信号は、
出力範囲と周知のガス濃度とを相互に関連させるために
分析される。例えば、特定の用途及び特定の燃料におい
て、所定のＮＯｘ範囲は、０〜５００ｐｐｍ（１００万
分の１）ＮＯｘまでである。これにより、センサを周知
の量のＮＯｘに露出し、かつ測定された出力電圧応答
（ｍボルトにおけるような）を周知のＮＯｘ濃度とマッ
ピングすることによって応答曲線を確立することができ
る。同様に、酸素が０〜１０％の範囲では、センサは周
知の酸素濃度に露出することができ、その結果得られた
電圧応答曲線は、意図された用途で受信した信号を処理
するのに用いられる。同様に、０〜１０００ｐｐｍの範
囲のＣＯに対しても、電圧応答曲線が確立されて、意図
された用途において測定された濃度を処理するのに用い
られる。所定の設計に従って作られたセンサは、本質的
に同じように動作することが好ましいが、「微調整す
る」か、或いは特定のセンサを設計応答曲線に従うよう
にするために、幾らかの調整又はオフセットが、現場又
は現場外で必要とされることがある。幾つかのガス濃度
範囲の例が与えられるが、その範囲は、特定の燃焼器の
用途又は設計、作動モード及び用いられる特定の燃料に
大いに依存する。

【００４６】１つの実施形態において、出力信号は、信
号の周波数領域振幅スペクトルを用いることによって周
波数領域で処理されて、（後述のような）極値関数を生
成し、１つ又はそれ以上の燃焼パラメータが、このよう
に生成された極値関数の１つ又はそれ以上の特性に基づ
いて計算される。別の実施形態において、信号は、（後
述のような）時間領域において、選択された時間間隔の
間に、信号の時間領域表示の１つ又はそれ以上の特性を
分析することによって処理される。更に別の実施形態に
おいて、信号は周波数及び時間の両領域で処理されて、
各々の領域における計算結果が組み合わされて、１つ又
はそれ以上の燃焼パラメータを生み出す。ガス状可燃性
物質のレベルは次に、例えば、温度、酸素レベル、及び
／又は制御されたガスにおける可燃性物質に依存する可
能性がある限界条件と併せて、これらの計算された燃焼
パラメータの組合せを用いて見積もることができる。こ
れらの限界条件は、例えば、センサ信号のＤＣ成分から
求めることができる。周波数及び／又は時間領域におけ
る酸素センサからの信号を、燃焼パラメータを生み出す
ために処理する新規な技術に関する本発明のこの態様
は、１つの電極を基準ガスで囲む上述の従来技術の酸素
センサ、少なくとも２つの電極の各々が共通のガス状環
境に流体連通している上述の酸素センサ、又は、ガス
（例えば酸素）又は他の流体濃度を表す変動ＡＣ成分を
含む信号を生成するあらゆる他の種類のセンサのいずれ
かと共に使用可能であることが理解されるであろう。

【００４７】単一のセンサが用いられるとき、センサ
は、分析されたガスがセンサと接触する特定の位置での
ガス状可燃性物質のレベルを示す信号を生成する。そう
した単一のセンサからの信号は、小型の単一バーナ工業
用燃焼器の作動を最適化するのを可能にする十分な情報
量を提供することができる。幾つかのセンサが、燃焼器
の煙道ガス流に挿入されるとき（例えば、その幅を横切
って）、センサの出力は、燃焼器内のガス状可燃性物質
の分布特性を表す。そうした特性は、燃焼器の均衡化及
び最適化のために利用することができる。例えば、個々
のバーナ及び／又はフレーム後燃焼システムは、それが
最適で均衡状態の燃焼条件が達成されたことを反映する
まで、生成された特性を改変されるように調整すること
ができる。（１）そうした最適かつ均衡状態の燃焼条件が達成され
たとき、その特性がどのように現れるか、及び（２）個
々のバーナ及び／又はフレーム後燃焼システムが、異な
る特性の態様にどのように影響を与えるか、についての
理解は、経験的な測定によって得ることができる。ボイ
ラの均衡化と最適化は、大型の多バーナ燃焼器システム
に特に有益である。

【００４８】図１（Ａ）及び図１（Ｂ）を参照すると、
燃焼器１００の断面と、燃焼器１００のフレーム後ゾー
ンにおいて煙道ガスダクト１０４を通って流れる高温煙
道ガス流を監視するためにフレーム後の位置で幅方向に
配置された幾つかの測定位置配置の酸素センサ１０２の
典型的な見通し図が示されている。例えば、センサ１０
２は、煙道ガスにおける酸素濃度（及び／又は濃度変
化）を測定する固体電解質センサとすることができ、或
いは煙道ガスに存在する１つ又はそれ以上の他の種類の
ガス濃度（及び／又は濃度変化）を示す信号を生成する
ことができるものであれば、如何なる他の形式のセンサ
であってよい。実際には、センサ１０２は幾つでも、煙
道ガスダクト１０４の幅方向に取り付けることができる
（一列であることが好ましい）。センサは、更に、垂直
に向けた列、又は格子状の形態、或いは他の効果的なパ
ターンで並べることができ、かつ異なる深さでダクト内
に延びるようにして、ガス状可燃性物質の分布特性を監
視することができる。

【００４９】幾つかの実施形態において、燃焼器１００
は、１００フィート（１フィート＝３０cm））、２００
フィートより高く、或いは３００フィートより高くする
ことさえできる。図１（Ａ）に示すように、燃焼器１０
０は、燃料と空気を混合して、燃焼器１００内にフレー
ムエンベロープ１０８状のフレームを生成する複数の燃
焼装置（例えば、燃焼装置１０６）を含むことができ
る。燃焼装置は、幾多の種類のフレーム生成装置のいず
れであってもよく、本発明は、特定の種類の燃焼装置に
限定されない。例えば、１つの実施形態によると、燃焼
装置はバーナ（例えば、ガス焚きバーナ、石炭焚きバー
ナ、油焚きバーナなど）を含むことができる。そうした
実施形態において、バーナは、どんな形態で並べてもよ
く、かつ本発明は如何なる特定の配置にも限定されな
い。例えば、バーナは、壁面燃焼配列、対向燃焼配列、
接線方向燃焼配列、又はサイクロン配列に位置させるこ
とができ、かつ複数の区別できるフレーム、一般的な火
玉、又はそれらの組合せを生成するように配置すること
ができる。或いは、移動床又は振動床を含む「ストー
カ」と呼ばれる燃焼装置を、燃焼器１００内にフレーム
を生成させるために用いることができる。

【００５０】マサチューセッツ州、クインシーの「国際
防火協会」（ＮＦＰＡ）による、「ＮＦＰＡ８５Ｃ、
米国標準規格」というタイトルの刊行物のｐ．８５Ｃ−
１１、１９９１年８月６日で定義されるように、「フレ
ーム」は、「燃料と空気を燃焼生成物に素早く変換する
化学プロセスの可視的又は他の物理的な証拠」を意味
し、「フレームエンベロープ」は、「燃料と空気を燃焼
生成物に変換する個々のプロセスの境界（必ずしも可視
的ではない）」を意味する。

【００５１】図１（Ａ）を参照すると、燃焼器１００に
おける燃焼装置１０６が活発に燃料を燃焼していると
き、燃焼器１００内には、（１）フレームエンベロープ
１０８、及び（２）出口１１２に向かって幾らかの距離
に渡っているフレームエンベロープ１０８の外側のゾー
ンである、いわゆる「フレーム後」ゾーン１１０、の２
つの区別できる位置が認識できる。フレームエンベロー
プ１０８の外側では、高温燃焼ガス及び燃焼生成物が周
りに乱流的に押し出される。総称して「煙道ガス」と呼
ばれるこれらの高温燃焼ガス及び生成物は、フレームエ
ンベロープ１０８から離れて燃焼器１００の出口１１２
に向かって進む。水又は別の流体（図示せず）は、燃焼
器１００の壁（例えば壁１１４）を通って流れることが
でき、そこで水又は別の流体は、加熱され蒸気に変換さ
れて、例えばタービンを駆動するエネルギーを生成する
ために用いられる。図示する実施形態において、センサ
１０２は、燃焼器１００のフレーム後ゾーン１１０に配
置される。しかしながら、本発明は、この点に限定され
ず、代わりに、センサ１０２が苛酷で高温の環境に耐え
るように構成されている場合には、該センサは、フレー
ムエンベロープ１０８内に配設することもできることが
理解されるであろう。

【００５２】上述のように、本発明の１つの実施形態に
おいて、センサと参照電極との間の電位差は、ガス状可
燃性物質濃度を測定するために分析することができる変
動成分を含む。この相関関係の理由は、次のようである
と考えられる。個々のバーナフレームは、フレームエン
ベロープ１０８の内部及び周りに種々の大きさの多くの
渦を含む。これらの渦は、燃料及び空気ジェットの縁部
での乱流的な混合の結果として、種々の周波数で、よく
知られたフレームの揺れを生成することになる。渦は、
燃焼プロセスにおいて変形され、炉の出口１１２の一般
的な方向に移動する。全体の燃焼乱れは、大規模な渦か
ら徐々に小規模の渦になり、分子レベルにまで至るエネ
ルギー伝達のプロセスを反映する。混合プロセスの速
度、及び結果として得られるこれらの乱流活動の強さ
は、燃焼の安定性を定めるものであり、ガス状可燃性物
質の形成及び分解のプロセスに直接関係する。これらの
無秩序で乱流的な活動の大部分は、フレームエンベロー
プ１０８において始まり、かつ発生する。

【００５３】幾つかの乱流活動は、フレーム後ゾーン１
１０の煙道ガス流において起こる。しかしながら、燃焼
の動力学と関連する小さな渦（すなわち、小規模な、高
周波の乱れ）は、素早く放散する傾向にあり、一般にフ
レーム後ゾーン１１０に到達しない。典型的には、大き
な渦（すなわち、大規模な、低周波の乱れ）のみがフレ
ーム後ゾーン１１０に存在する。この低周波の乱れは、
燃焼の変数（例えば、未燃炭素その他の可燃性物質の
量）、特に、２次燃焼用空気及び再燃焼のようなフレー
ム後燃焼制御システムによって影響される２次燃焼プロ
セスと関連する変数を反映する。煙道ガスダクト１０４
の中を通る高温の煙道ガスの乱流は、ガス状可燃性物質
を含む不完全燃焼生成物を運ぶ。上述のように、これら
のガス状可燃性物質は、比較的大きな渦として煙道ガス
乱流内を移動する。そしてガス状可燃性物質を含むそう
した渦は、非常に低い濃度の酸素を含むであろう。セン
サ１０２の近傍に触媒及び高温度（例えば、９００〜１
５００°Ｆ（約４８２〜８１６°Ｃ）の間）のような適
当な条件が生じる度に、ガス状可燃性物質が燃焼して、
センサ近傍の酸素濃度は低下する。センサの電極近傍で
の酸素濃度のこれらの変動のために、センサ１０２によ
る信号出力にパルスが生成される。これらのパルスの周
波数と振幅は、分析された煙道ガス流に存在するガス状
可燃性物質のレベルを特徴づける。

【００５４】センサ出力信号とガス状可燃性物質レベル
との間の関係は、作動している燃焼パラメータ、物理的
パラメータ、及び化学反応を含む種々の要因によって影
響されることになる。この多変数プロセスをより正確に
監視するために、本発明の１つの実施形態によると、２
つ又はそれ以上の数学的に異なる信号処理演算法を同時
に用いて、センサによる信号出力を分析し、その幾つか
の演算法の結果が組み合わされる。

【００５５】情報を処理するための方法及び演算法の
例、及び上述の種類のガスセンサから受信した信号の例
が、例えば、全体が引用によりここに組み入れられる米
国特許第６，２７７，２６８号において説明されてい
る。この’２６８特許は、時間及び周波数領域において
行われる信号処理システム及び計算を開示しており、こ
れは、ここに説明されるセンサの実施形態を用いる場合
に適用できる。しかしながら、本発明のガスセンサは、
ここに説明されるか、又は’２６８特許に説明される処
理システムにおける使用に限定されず、本発明のガスセ
ンサの有益な使用により得られる情報を認識して理解す
るようになった、如何なるシステムにおいても使用でき
ることを理解すべきである。

【００５６】次に、限定としてではなく例として与えら
れる図の例示的なガスセンサの実施形態を参照すると、
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、本発明を燃焼システムに
おいて用いるために組み込んだセンサ素子２００の断面
図を示す。特に、複合Ｏ₂＋ＣＯセンサ２００は、次の
ように配列される。固体電解質（例えばジルコニア）セ
ル２０２は、内部電極２０４及び外部電極２０６を備え
る１組の電極と、それに対応するリード線２０８及び２
１０を有する。セルは、分析されるガス自体か、又は付
加的なヒータ又は他の熱源によって与えられる必要な高
温条件（通常９００〜１５００°Ｆの範囲）にあるプロ
セスガス流２１２の中に置かれる。１つの配列におい
て、セル２０２は、開放された管の形状に作られる。小
さい方の管２１４は、基準ガス（例えば空気）の供給源
に連結されて、基準ガスをセルに供給し（先端が開放さ
れている場合）、基準ガス導管はセルを通り抜けてお
り、基準ガス（空気）はセル２０２を通って流れる。こ
の型は「貫流型」センサと呼ばれる。管２１４は、セル
２０２の固体電解質材料と適合する熱膨張係数を有する
材料で作成されていることが好ましい。この管は、セル
に形成された感知チャンバ内に一定濃度の酸素を供給す
るために、内側に開口部２１６を有する。内部の管２１
４とセル２０２との間の隙間は、高温度シール、シール
リング又はシール接着剤２１８によってセルの端部で完
全にシールしなければならず、このシールは更に、セン
サの熱膨張とも適合しなければならない。

【００５７】成分ガス、例えば酸素を測定するときは、
セル内外における少しの漏れでさえ、センサの作動に弊
害をもたらすことになり、例えば、酸素測定結果を著し
く歪めることがある。このような理由で、（ａ）内部の
管を適当にシールすることと、（ｂ）潜在的な漏れが測
定結果に及ぼす影響を防止するようにセンサを設計する
こと、を確実にすることが重要になるのである。Ｏ₂の
測定においては、上述したネルンストの式を用いる処理
が適している。ＣＯの測定では、上述及び’２６８特許
の一般的な方法を用いることができる。ＣＯ濃度は、時
間領域及び／又は周波数領域を用いて分析することがで
きる。変動成分を処理してＣＯ濃度を求める選択された
形状は、燃焼器の種類、燃料の種類、及び所望され又は
要求される精度のレベルのような、幾つかの要因に依存
することが理解されるであろう。簡易燃焼器の場合、又
はＣＯ測定において高いレベルの精度又は感度が必要と
されないような特定の状況においては、例えば信号変動
（ＡＣ成分）の標準偏差を計算するというような、簡易
化された処理が適するであろう。

【００５８】測定位置配置のセンサには、設計の特徴が
幾つかある。１つの実施形態において、セル２０２は、
十分に長く（例えば３〜５インチ（１インチ＝２．５４
cm）長さまで）作られ、電極２０４及び２０６は、その
中央部分（全長のほぼ１／４）に位置している。セルの
端部は、より効果的な気密シールを構成するため、及び
漏れが生じたとしてもその漏れが分析されたプロセスガ
ス流によって運び去られるような状態を生成するため
に、電極によって覆われないことが好ましい。このため
に、１つの実施形態において、センサは、３つの開口
部、即ちプロセスガスが外部の電極２０６に通るように
するための中央開口部２２２と、潜在的な漏れのために
付加的な通気を生成するための端部開口部２２４及び２
２６とを備える外部ハウジング２２０の中に置かれる。
図２（Ｂ）の断面図は、開口部２１６及び２２２と電極
２０４及び２０６を横切って取られている。侵食及び堆
積物を防ぐために、開口部２２２〜２２６は、入ってく
る煙道ガス流から離れる方向に向いているべきである。
また、シール材料２１８が、多孔性電極（例えば白金
製）と接触しないことも重要である。

【００５９】付加的な管２２８が、較正の目的でハウジ
ング２２０の内側に設けられる。一定濃度のＯ₂を含む
較正ガスを、外側から外部電極２０６に供給することも
できるし、又は分析されたガスのサンプルを基準ガス分
析器に取り出すこともできる。熱電対２３０が、セル２
０２のすぐ近くに位置させられ、温度の監視、制御及び
／又は補償のために用いられる。

【００６０】次に図３（Ａ）及び図３（Ｂ）の断面図を
参照すると、本発明を組み込む複合Ｏ₂＋ＣＯガスセン
サ３００の第２の実施形態が示されており、固体電解質
セル３０２は、一方の端部が閉じられ、内部電極３０４
及び外部電極３０６と、それに対応するリード線３０８
及び３１０という、同様の1組の電極を有する。セル
は、必要とされる高温条件でプロセスガス流３１２内に
置かれる。この配列において、基準ガス（空気）は、管
３１４を通して供給される。保護スリーブ３２２は、側
部開口部３１６又は端部開口部３１８を有し、プロセス
ガスを外部電極３０６に到達させることができる。固体
電解質セル３０２は、アダプタ３２４にろう付けされた
金属要素３２０に取り付けられ、かつ結合される。ま
た、取り付け台３２０は、外部リード線３１０と電気的
な連結を形成する。

【００６１】取り付け台３２０は、セル３０２の材料と
適合する熱膨張係数を備える材料で作製される。基準ガ
ス（空気）は、管３１４を介してセル３０２の内側に供
給されて、保護スリーブ３２２を通って後方に排出され
る。セル３０２は、保護スリーブ３２２に取り付けられ
てアダプタ３２４によってシールされる。

【００６２】付加的な管３２８が、較正の目的で組立体
の内側に設けられる。一定濃度のＯ ₂＋ＣＯを含む較正
ガスをセル３０２の外部電極３０６に供給することもで
きるし、分析されたプロセスガスのサンプルを基準ガス
分析器に取り出すこともできる。図３（Ｂ）の断面図
は、開口部３１６と電極３０４及び３０６を横切って取
られている。熱電対３２６は、測定セルのすぐ近くに位
置させられ、温度の監視、制御及び／又は補償のために
用いられる。

【００６３】本発明の別の態様によると、可燃性物質セ
ンサは、シールされたＯ₂センサ（シールされたＯ₂＋Ｃ
Ｏセンサ）を用いる複合Ｏ₂＋ＣＯセンサに構成される
か、又は変換される。シールされたＯ₂センサの例は、
マサチューセッツ州ウォルサムのPanametrics Inc. に
よって製造されたモデルＦＧＡ４１１である。このよう
なシールされたＯ₂センサは、基準ガスの使用を必要と
しない。この場合、センサ設計は、本質的には図３
（Ａ）のものと同じにすることができるが、基準ガスの
供給は無く、電極はシールオフされた状態であり、内部
参照センサに影響を与える媒体又は材料によって囲まれ
ている点で異なる。

【００６４】本発明の別の態様によると、可燃性物質セ
ンサは、「フィルタされた」ＮＯｘセンサと組み合わせ
て用いることにより、複合ＣＯ＋ＮＯｘセンサとして構
成されるか、又は変換されることができる。センサは、
２つの測定電極と１つの共通参照電極とを備える１つの
共通固体電解質セルを有する。ＣＯをＣＯ₂に酸化させ
て、ＣＯの影響を排除するのに適している材料で作られ
た薄い多孔性フィルタが、測定電極の１つの上に置かれ
る。この電極は、混成電位モードで作動し、ＮＯｘを測
定するために用いられる。混成電位モードにおける作動
の例、及びＮＯｘ分析において用いるためのフィルタ装
置の例は、引用によりここに組み入れられる次の引用文
献、すなわちNicholas Szabo らによる「過酷な環境に
おける窒素酸化物測定のためのミクロポーラスゼオライ
ト修正イットリア安定化ジルコニアセンサ（Microporou
s Zeolite Modified Yttria Stabilized Zirconia Sens
ors For Nitric Oxide Determination In Harsh Enviro
nments）」オハイオ州立大学、２００１年、及びEric W
achsmanらによる「差動電極平衡によるＮＯｘの選択的
検出（Selective Detection Of NOx By Differential E
lectrode Equilibria）」、固体イオニック装置ＩＩ−
セラミックセンサ、電気化学学会編、２０００−３２、
２９８−３０４（２００１）に説明されている。別の測
定電極は、上述のように変動ＣＯセンサとして作動す
る。結果として、２つの信号、ＣＯ＋ＮＯｘが、１つの
電位差方式の固体電解質センサにおいて生成される。こ
の配列において、センサは連続的な基準空気の供給を必
要としない。

【００６５】本発明の別の態様によると、上述の複合Ｏ
₂＋ＣＯセンサは、上述の「フィルタされた」ＮＯｘセ
ンサと組み合わせて用いることにより、複合ＣＯ₂＋Ｎ
Ｏｘ＋ＣＯセンサに変換することができる。この種のセ
ンサの貫流型が、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に概略的に
示される。センサ４００は、２組の電極、すなわち対応
する連結リード線Ａ、Ｂ、Ｃを備える、１つの共通参照
電極４０４と、２つの測定電極４０６及び４０８とを有
するセル４０２を含む。基準ガス、例えば空気は、供給
管４１４における開口部４１６を介して、電極４０４を
囲むシールされた空間に供給される。その空間は、一部
分が、セル４０２によって構成され、図２（Ａ）で示し
たものと同様な、高温シール又はシーラント４１８によ
って隔離される。図４（Ｂ）の断面図は、電極４０４及
び４０６を横切って取られている。

【００６６】例えば、上記により組み入れられた参考文
献に説明されているように、酸化してＣＯの影響を事実
上排除することができる材料で作られた薄い多孔性フィ
ルタ４１０が、測定電極４０８上に置かれる。図４
（Ｃ）の断面図は、電極４０４、４０８及びフィルタ４
１０を横切って取られている。この電極は、混成電位モ
ードで作動し、ＮＯｘを測定するために用いられる。別
の測定電極は、ネルンスト式センサとして作動し、図２
（Ａ）に示し及び上述したように、複合Ｏ₂＋ＣＯセン
サとして用いられる。このセンサは、連続的な基準ガス
の供給が必要である。結果として、３つの信号Ｏ₂＋Ｎ
Ｏｘ＋ＣＯのすべてが、１つの電位差方式の固体電極セ
ンサにおいて生成される。

【００６７】ＮＯｘ測定のためには、センサは、上述の
ような方法において、予想される応答曲線を確立するた
めに、フィルタされた電極で測定された電圧と周知のＮ
Ｏｘ濃度との間の関係に基づいてあらかじめ較正され
て、特定の設計又は用途に適すると判断されたＮＯｘ濃
度範囲をカバーするべきである。特定のセンサ及び処理
機能は、現場又は現場外で、特定のセンサを周知のＮＯ
ｘ濃度に露出し、センサ応答を予想される応答曲線又は
設計応答曲線に、より密接に一致するように調整するこ
とによって、更に較正することができる。

【００６８】本発明の更に別の態様によると、測定位置
配置の固体電解質センサ５０２は、図５に示すように、
可撓性のあるステンレスホース又はジャケット５０４を
備えており、ボイラにおけるその組み込み、組み立て、
取り付け及び維持管理を容易にする。既存の測定位置配
置の燃焼センサは、２０〜３０フィート又はそれ以上の
かなりの長さになる。これらのセンサは、従来は現場で
組み立てられたが、それらの組み立て、移送、挿入、及
び引き抜きは困難である。可撓性のあるステンレスホー
スの使用は、工場でのセンサの完全な組み立て及び試験
を可能にする。センサは、現場で容易に組み立てて、永
久支持用の管の中に挿入することができる。現場組み立
て中の破損リスクが排除され、取り外し及び取り替えは
簡易化される。センサの全重量は、３０％以上も減少さ
れる。可撓性のある配列はまた、センサが狭い空間に位
置しているような、物理的に近づくことが困難な位置に
おけるセンサの取り付け及び後付けを容易にする。

【００６９】前述の説明は、多くの詳細及び特定のもの
を含むが、これらは、説明の目的のためだけに含まれた
ものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべ
きではないことを理解されたい。本発明の技術思想及び
技術的範囲内から離れることなく、上述の実施形態に対
する修正を行うことができ、特許請求の範囲に記載され
た符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的
範囲を実施例に限縮するものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化して、ガス状可燃性物質のレ
ベルを示す信号を生成するように位置させられた固体電
解質センサを有するボイラの例を示す図。

【図２】特に１組の電極を備える酸素／可燃性物質セ
ンサとして本発明の第１の実施形態を組み込むガス感知
プローブの断面図。

【図３】特に１組の電極（一端が閉じられた）を備え
る酸素／可燃性物質センサとしての本発明による第２の
実施形態を示す断面図。

【図４】特に２組の電極を備える複合Ｏ₂＋ＮＯｘ＋
ＣＯセンサとしての本発明による第３の実施形態の断面
図。

【図５】組み立て及び取り付けを助けるための可撓性
構成部品を有する本発明のガス感知プローブを示す図。

【符号の説明】

１００燃焼器１０２センサ１０４ダクト１０６燃焼装置１０８フレームエンベロープ１１０フレーム後ゾーン１１２出口１１４壁

フロントページの続き (72)発明者カール・エー・パーマーアメリカ合衆国、オハイオ州、ハドソン、アブナー・レーン、2031番 (72)発明者ドン・エー・シュナイダーアメリカ合衆国、オハイオ州、レイクウッド、デールビュー・ドライブ、17510番 (72)発明者ダグ・エス・バードアメリカ合衆国、オハイオ州、コプリー、レッドフィールド・レーン、645番 (72)発明者ラールス・ピー・アンダースソーンアメリカ合衆国、オハイオ州、クリーブランド、アパートメント・エヌオー・308、イースト・12ティーエイチ・ストリート、 1801番Ｆターム(参考） 2G004 BB07 BC02 BD05 BF15 BF30 BG05 BG13 BM01 BM04 BM07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼器（１００）によって生成された煙
道ガスのガス濃度を監視するためのシステムにおいて、前記燃焼器のフレーム後ゾーン（１１０）における煙道
ガス流内に配設され、該煙道ガス（２１２）と流体連通
する、少なくとも１つの開口部（２２２）を有する外側
シェル（２２０）と、該外側シェル内に配設された固体電解質セル（２０２）
と、該電解質セルと協働して、前記煙道ガスから隔離された
感知チャンバを形成する少なくとも１つのシール（２１
８）と、前記感知チャンバ内に配設され、前記煙道ガスと直接流
体接触しないように該煙道ガスから隔離された第１の電
極（２０４）と、前記外側シェル内に配設され、前記煙道ガスと流体接触
するように前記少なくとも１つの開口部の直近に位置し
た第２の電極（２０６）と、を備え、少なくとも２つの状態を表す電圧が前記第１及び第２の
電極間に生成されるようになっている、ことを特徴とす
るガスセンサ（１０２）。
【請求項２】前記外側シェル内に配設され、前記煙道
ガスと流体連通し、前記第１及び第２の電極の１つと協
働して、前記煙道ガスにおける意図したガスの濃度を感
知する第３電極（４０８）を更に備え、前記意図したガ
スは、酸素、一酸化炭素、及び窒素酸化物群からなるグ
ループの１つであることを特徴とする、請求項１に記載
のガスセンサ。
【請求項３】前記第３電極が、前記煙道ガスにおける
第２ガスに反応するフィルタ（４１０）によって少なく
とも部分的に覆われて、前記第２ガスの影響を排除し、
前記意図したガスの測定濃度の精度を高めるようになっ
ていることを特徴とする、請求項２に記載のガスセン
サ。
【請求項４】前記第１及び第２の電極が協働して、第
１の意図したガスの濃度を表す第１信号を生成し、前記
第２及び第３電極が協働して、第２の意図したガスの濃
度を表す第２信号を生成し、前記第１及び第２の意図し
たガスの各々は、酸素、一酸化炭素、及び窒素酸化物群
からなるグループの１つであることを特徴とする、請求
項２に記載のガスセンサ。
【請求項５】前記第１及び第２信号の１つが更に分析
されて、第３の意図したガスの濃度を求めることができ
ることを特徴とする、請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】前記第１及び第２の電極のそれぞれによ
って感知されたガス濃度を表す電気信号が生成され、該
信号は、１つ又はそれ以上の時間又は周波数領域におい
て前記システムによって処理されて、燃焼パラメータを
生み出すことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】前記電気信号が、１つ又はそれ以上の変
動ＡＣ成分及びＤＣ成分であることを特徴とする、請求
項６に記載のガスセンサ。
【請求項８】前記燃焼器が、ボイラ、炉、及びガスタ
ービンからなるグループの１つであることを特徴とす
る、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項９】前記燃焼器が、煙道ガスを生成するバー
ナ（１０６）を含み、該バーナが、ガス焚きバーナ、石
炭焚きバーナ、油焚きバーナ、及び化石燃料焚きバーナ
からなるグループの１つであることを特徴とする、請求
項１に記載のガスセンサ。
【請求項１０】前記第１及び第２の電極が、多孔性で
触媒となる材料から作られていることを特徴とする、請
求項１に記載のガスセンサ。