JP2024500844A - 固体電解質酸素センサ及び補助的出力を備えたin-situ酸素分析計 - Google Patents
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Abstract
改良された酸素分析計(100)は、酸素センサ信号を受信し、酸素濃度出力を提供するように構成されたコントローラ(500)を含む。プローブ(104)が、燃焼プロセスガスの供給源の中へ延びるように構成されている。酸素センサ(504)がプローブ(104)内に配置され、固体電解質(220)の一方の側に取り付けられた感知電極(218)と、固体電解質(220)の反対側に取り付けられた参照電極(222)とを有する。酸素センサ(504)は、プロセスガスと感知電極(216)との間に配置されるように構成されている触媒ビーズ(216)を有する。測定回路(502)が、酸素センサ(504)及びコントローラ(500)に動作可能に結合され、酸素センサ(504)の電気的応答に基づいて酸素センサ信号をコントローラ(500)に提供するように構成されている。コントローラ(500)は、酸素濃度出力の挙動を経時的に検出して、少なくとも一つの補助的出力を提供するように構成されている。
Description
背景
工業プロセスは、多くの場合、原料液のための蒸気又は熱を生成するために、燃焼などのエネルギー源に依存する。一部の燃焼プロセスは炉又はボイラの稼働を伴う。燃焼は比較的低コストのエネルギー源を提供するが、結果としてシステムから出る煙道ガスが有害ガスの排出に関する規制の対象となり得るため、プロセス内で燃焼効率を最大化することがしばしば求められる。したがって、燃焼プロセス管理産業一つの目標は、既存の炉及びボイラの燃焼効率を最大化することであり、それが、温室効果ガス及び他の有害な副生成物の生産を本質的に減らすことになる。
工業プロセスは、多くの場合、原料液のための蒸気又は熱を生成するために、燃焼などのエネルギー源に依存する。一部の燃焼プロセスは炉又はボイラの稼働を伴う。燃焼は比較的低コストのエネルギー源を提供するが、結果としてシステムから出る煙道ガスが有害ガスの排出に関する規制の対象となり得るため、プロセス内で燃焼効率を最大化することがしばしば求められる。したがって、燃焼プロセス管理産業一つの目標は、既存の炉及びボイラの燃焼効率を最大化することであり、それが、温室効果ガス及び他の有害な副生成物の生産を本質的に減らすことになる。
酸素測定の工業的用途においては、ジルコニアベースの電気化学的酸素センサが広く使用されている。この電気化学的酸素センサは、高温(たとえば650~800℃)で作動し、燃焼後に残る酸素過剰量を測定する。たとえば空気を使用する、参照電極上、固定分圧での酸素濃度差に対するセンサの応答は、ネルンストの式を使用して計算することができる。
式中、Cは、酸素プローブ中の参照/プロセス側温度変動及び熱ジャンクションに関連する定数であり、Rは普遍気体定数であり、Tはケルビン度単位のプロセス温度であり、Fはファラデー定数である。
改良された酸素分析計は、酸素センサ信号を受信し、酸素濃度出力を提供するように構成されたコントローラを含む。プローブが、燃焼プロセスガスの供給源の中へ延びるように構成されている。酸素センサがプローブ内に配置され、固体電解質の一方の側に取り付けられた感知電極と、固体電解質の反対側に取り付けられた参照電極とを有する。酸素センサは、プロセスガスと感知電極との間に配置されるように構成されている触媒ビーズを有する。測定回路が、酸素センサ及びコントローラに動作可能に結合され、酸素センサの電気的応答に基づいて酸素センサ信号をコントローラに提供するように構成されている。コントローラは、酸素センサ濃度出力の挙動を経時的に検出して、少なくとも一つの補助的出力を提供するように構成されている。
例示的な実施形態の詳細な説明
図1は、本発明の実施形態が特に適用可能であるin-situ酸素分析計/トランスミッタの図である。トランスミッタ10は、たとえば、Rosemount Inc.(Emerson Automation Solutions Company)から市販されているModel 6888酸素トランスミッタであることができる。トランスミッタ10は、実質的に燃焼プロセスの煙突又は煙道14内に配置されたプローブアセンブリ12を含む。トランスミッタ10は、バーナ16で起こる燃焼によって発生した煙道ガス内の酸素濃度を測定するように構成されている。バーナ16は、空気供給源又は他の酸素供給源18及び燃焼燃料供給源20に動作可能に結合されることができる。燃焼コントローラ22が酸素バルブ24及び燃料バルブ20に動作可能に結合されている。燃焼コントローラ22からの信号に基づいて、バルブ18及び/又は20が、バーナ16で起こる燃焼プロセスに供給される空気及び/又は燃料を制御する。燃焼コントローラ22は、煙道ガス中の酸素の示度をトランスミッタ10から受信し、この示度を使用して、効率的かつ環境に優しい燃焼プロセス制御を提供する。トランスミッタ10は燃焼ゾーンに曝露されるように構成されているため、高温に耐えるように構築されることができる。
図1は、本発明の実施形態が特に適用可能であるin-situ酸素分析計/トランスミッタの図である。トランスミッタ10は、たとえば、Rosemount Inc.(Emerson Automation Solutions Company)から市販されているModel 6888酸素トランスミッタであることができる。トランスミッタ10は、実質的に燃焼プロセスの煙突又は煙道14内に配置されたプローブアセンブリ12を含む。トランスミッタ10は、バーナ16で起こる燃焼によって発生した煙道ガス内の酸素濃度を測定するように構成されている。バーナ16は、空気供給源又は他の酸素供給源18及び燃焼燃料供給源20に動作可能に結合されることができる。燃焼コントローラ22が酸素バルブ24及び燃料バルブ20に動作可能に結合されている。燃焼コントローラ22からの信号に基づいて、バルブ18及び/又は20が、バーナ16で起こる燃焼プロセスに供給される空気及び/又は燃料を制御する。燃焼コントローラ22は、煙道ガス中の酸素の示度をトランスミッタ10から受信し、この示度を使用して、効率的かつ環境に優しい燃焼プロセス制御を提供する。トランスミッタ10は燃焼ゾーンに曝露されるように構成されているため、高温に耐えるように構築されることができる。
図2は、本発明の実施形態が特に適用可能である燃焼酸素トランスミッタの斜視図である。トランスミッタ100は、ハウジング102、プローブ104及び電子機器106を含む。トランスミッタ100は通常、フランジ120を使用して煙突又は煙道ガス壁に結合される。
プローブ104は、ディフューザ又はフィルタ110が取り付けられる遠位端108を含む。ディフューザ110は、少なくともいくらかのガス拡散を許すが、他の点ではプローブ104内の構成要素を保護するように構成されている物理デバイスである。具体的には、ディフューザ110は、固体電解質ベースの酸素測定セル又はセンサ112を保護する。酸素測定セル112は、セル112がその熱動作範囲内で作動しているとき、参照酸素分圧に対する酸素分圧の電位差測定又は電流測定示度を提供する、ジルコニア又はバルクセラミックなどの固体電解質を利用する。電子機器106は通常、電気ヒータ及び温度センサ(図示せず)を使用してプローブ104に熱制御を提供するように構成されている。加えて、電子機器106は、セル112の電流測定又は電位差測定応答を取得し、酸素出力を計算するように構成されている。一例において、電子機器106は、そのような計算のために公知のネルンストの式(上述)を用いる。
電位差測定ジルコニアセンサ112を備えた、トランスミッタ100などのin-situ酸素分析計は非常に堅牢であり、燃焼環境において何年間も機能することができる。理想的な燃焼状況において、酸素と燃料は理想的な比で合わさって、主に二酸化炭素(CO2)及び水(H2O)ならびに燃料不純物及び窒素酸化から生じる微量の他のガス、たとえば二酸化硫黄(SO2)及び窒素酸化物(NOX)を生成する。最高の効率及び最低の排出量を有するこの化学量論点は、不完全な燃料/空気均一性ならびに燃料エネルギー密度及び燃料/気流変動のせいで、実際の燃焼において達成することは非常に困難であろう。典型的な煙道ガス酸素過剰濃度は、ガスバーナの場合で約2~3%であり、ボイラ及びオイルバーナの場合で2~6%である。最良の動作点は、過剰酸素濃度1%~6%の間であると考えられる。この最適動作点はボイラ負荷及び燃焼速度に依存し、燃料速度によって影響を受ける。残念ながら、1000+PPM(part per million)レベルで発生する未燃焼燃料及び一酸化炭素は現在の酸素分析技術では検出されず、安全性の懸念及び低めの酸素濃度設定における燃焼制御の難しさを潜在的に招くおそれがある。
燃焼速度指数、燃料又は蒸気流量に基づいて理想的な酸素トリミング制御点を割り当てるために、通常、テストデータから関数生成曲線を作成する。最も効率的かつ安全な燃焼は一般に、危険な局所還元状態なしで0.75%~2%酸素過剰で発生すると考えられ、それは、燃焼において酸素制御のみを使用する場合、困難であろう。加えて、ボイラ又は燃焼器の壁に漏れがあるならば、さらなる酸素浸透を許すことになり、それにより、酸素濃度及び燃焼制御が損なわれる。酸素測定だけでも効果的な燃焼制御を達成することはできるが、一酸化炭素(CO)の同時並行測定により、燃焼効率及び安定性を改善することができる。約100~200PPMの近微量COレベル及びわずかな量の空気過剰における動作が、燃焼状態が、最高効率を示す化学量論点に近いことを示すであろう。
図3は、酸素のみを使用して燃焼制御を実施した場合の効果と、酸素と一酸化炭素の両方を使用して燃焼制御を実施した場合の効果とを例示するために、酸素濃度%値に対してガス濃度%値を示すグラフである。
職場の安全から排気ガス分析に至るまでの各種用途のための一酸化炭素センサ及び感知デバイスが市販されている。残念ながら、それらのいずれも、燃焼プロセスための信頼しうるin-situ一酸化炭素測定を提供し得ない。加えて、可燃性ガス検出のための半導体酸化物に基づく化学的ガスセンサに関する研究が実施されている。このタイプのセンサは、タグチセンサとして知られ、焼結n型金属酸化物(鉄、亜鉛及びスズ系)で作られたソリッドステートデバイスを用いるが、燃焼システムにおける使用の場合には選択性が比較的劣り、長期安定性が不十分である。加えて、赤外光吸収の測定に依存する赤外(IR)吸収技術を使用することもできるが、比較的複雑かつ高価である煙道ガスコンディショニングシステムを要するであろう。一酸化炭素情報を提供する可能性があるもう一つのタイプのセンサが、レーザ光をセンサに通す波長可変ダイオードレーザ分光センサとして知られている。しかし、このようなセンサは比較的強力なレーザを必要とし、そのようなセンサもまた、重い粒子負荷におけるファウリング、火球からの広範囲の背景放射及び必要な温度・圧力補正ならびに非常に高額な費用を免れないであろう。1970年代に発明されたソリッドステート電気化学混成電位型ジルコニア技術は、困難かつ厳しい燃焼環境においては信頼性があまり高くないことが示されている。市販されている唯一のin-situ一酸化炭素プローブは、現在、混成電位型ジルコニア技術に基づくものであり、非常にクリーンなガス燃焼用途のために開発されたものである。
本明細書に記載される実施形態にしたがって、ジルコニアベースの酸素センサからの信号を経時的にモニタリングして、一つ以上の非酸素ガスに関する追加的な出力を提供する能力を有する燃焼酸素分析計が提供される。これらの非酸素ガスの例は一酸化炭素及び可燃物を含む。本明細書に記載される実施形態は一般に、酸素分析計がジルコニアベースの酸素センサから信号を取得し、センサ出力を使用して燃焼プロセス中の残留酸素の示度(上述のネルンストの式にしたがって酸素濃度に対数的に依存する)を非常に正確に提供する、通常動作モードを有する。
図4は、2%~10%の範囲にある様々な酸素濃度の場合の酸素分析計応答を示すグラフである。ジルコニア技術を使用する酸素測定の限界は、高濃度の可燃性ガスの存在下では正確な酸素レベルを測定し得ないことである。これらのガスが存在すると、それは、不規則かつ危険な燃焼を示唆する。ジルコニアセンサは、可燃物の存在下では、プロセス電極における燃焼反応中の酸素消費のせいで、示度が低くなる。図4は、酸素分析計の通常動作モードを示し、酸素が2%(左下)から10%(右上)まで変化するとき、酸素濃度を示す非常に正確な信号を提供する。
本発明の実施形態にしたがって、酸素分析計は、煙道中の一つ以上の非酸素ガスを検出及び/又は定量するために酸素センサの挙動が経時的に分析される第二のモードを有する。
図5は、本発明の実施形態に従うジルコニアベースの酸素センサの側断面図である。図5に示すように、酸素センサ212は、酸素濃度p(O2)を有するプロセスガス(参照番号214で図示される)に通じる、又はそれに曝露されるプロセスガス入口213を含み、このプロセスガスは、触媒ビーズ216中を拡散又は他のやり方で通過して、少なくとも部分的に白金で形成されていることが好ましいサーメット感知電極218にアクセスする。ジルコニアの層220が、サーメット感知電極218から参照電極222への酸素イオン移動を許し、この参照電極は、酸素濃度p(O2)’を有する空気(O220.9%)などの参照ガスと接触するように構成されている。参照電極222もまた、少なくとも部分的に白金で形成されていることが好ましい。この酸素センサ212は、in-situ酸素感知プローブ104の遠位端108に配置されるように構成されており、したがって、プロセスガス214は、燃焼からの煙道ガスである、又はそれを含む。触媒ビーズ216は、還元性雰囲気及び高硫黄環境においてサーメット感知電極218を保護するように機能する。触媒ビーズは、少なくとも部分的に、セラミック基板に蒸着又は他のやり方で付着された白金から形成されることができる。ジルコニア220がその動作温度にあるとき、プロセスガス側p(O2)と参照ガス側p(O2)’との間の酸素分圧の差が、サーメット電極218と220との間に電位差応答を発生させる。
規則的な正しく制御された燃焼中、可燃物濃度は非常に低い(200ppmを超えない)又は0.02%である。この状態で、酸素調節は比較的スムーズであり、急激で異常な酸素濃度低下はない(0.2%未満/分)。不規則な制御又は燃焼不安定が発生すると、それは、プロセス中で一酸化炭素形成を招き、したがって、特に炭素ベースの燃料が、以下の反応を完了させるに不十分な量の酸素と混合している場合、不完全燃焼を示す。
触媒電極フィルム及びビーズを有する酸素センサが、以下の式で、燃焼プロセス中に形成した一酸化炭素及び残りの燃料を変換し、それにより、感知電極218に到達する酸素を消費する。
酸素濃度が制御点まで非常にスムーズにトリミングされる規則的な燃焼とは異なり、これら二つの反応は、分析計の酸素濃度示度を突然(約5秒で)低下させる。これらの反応にしたがって、理想的には、酸素濃度は、一酸化炭素濃度の半分又はメタン濃度の約2倍、低下し、メタンに対して4倍多くの酸素消費を招く。
本発明の実施形態にしたがって、燃焼反応中のサーメット電極及び触媒ビーズ中でのこの酸素濃度低下が、一酸化炭素及び未燃焼燃料(CH4)の正確かつ信頼しうる検出に使用される。本明細書に記載される実施形態は、燃焼中の酸素濃度のより効率的かつ安全なトリミングのために酸素濃度制御を設定するのに役立つ。不完全燃焼の最初の生成物として一酸化炭素が出現するとき、分析計O2示度の突然の低下は、燃焼中、破過発生からミリ秒以内に一酸化炭素存在の主な指示となる。
図6は、酸素5%の場合の、様々なレベル(0%~1.0%の範囲)の一酸化炭素に対する酸素分析計ステップ応答を示すグラフである。図7は、1%一酸化炭素の存在における酸素分析計示度変化を示すグラフである。図6及び7から見てとれるように、一酸化炭素に対する酸素センサ応答は、一酸化炭素濃度に線形に依存しながら、最大1%の一酸化炭素まで高度に再現可能である。
図8は、一酸化炭素濃度に対する酸素分析計示度変化の線形依存性のグラフである。図8に示すように、CO濃度が0.0~1.0%範囲にあるとき、CO濃度は、酸素濃度値の変化の関数として計算することができる。図8に示す例において、CO濃度は、酸素濃度の変化の-2.17倍に等しい。
図9は、古い又は劣化した酸素センサを利用する酸素センサの場合の、酸素5%環境における一酸化炭素0%と1%との間の酸素分析計応答を示すグラフである。本明細書に記載される実施形態に従う酸素分析計は、古い又は損耗した酸素センサ(すなわち、酸素キャリブレーションに失敗し、あまり信頼しうる酸素測定値を有しないもの)を用いてさえ、一酸化炭素を再現可能に検出する。これは、少なくとも部分的に、酸素センサ中の触媒ビーズ216のおかげである。
図10は、一酸化炭素1%に対する酸素分析計応答を示すグラフである。見てとれるように、一酸化炭素に対する酸素分析計応答は非常に高速である(90%応答の場合で約10秒程度)。酸素トリミングが非常にスムーズであり、酸素の変化率の結果がこの値の10倍の大きさであることを考慮すると、一酸化炭素に対するこの応答は信頼しうると考えられる。より高い酸素濃度又はより低い一酸化炭素もしくはメタン濃度は、わずかにより効率的なCO/CH4燃焼に寄与するであろうが、たとえ低い(酸素濃度約1.5%)場合でさえ、変換率は90%を超える。
図11は、メタンに対する酸素分析計応答を示すグラフである。一酸化炭素検出と同様に、本明細書に記載される実施形態に従う酸素分析計は、突然(約10秒)の酸素示度低下に基づいて、メタン(CH4)などの未燃焼燃料を検出することができる。酸素センササーメット感知電極218及び触媒ビーズ216におけるメタン及び一酸化炭素変換率は100%に近く、図11に示すように、メタンに対して非常に急激な1%を超える酸素低下が見られる(一酸化炭素に対しては0.1~0.4%のO2低下―図10を参照)。
図12は、0.1~1.5%CH4の存在における酸素分析計示度変化を示すグラフである。図13は、メタン濃度に対する酸素分析計示度低下の線依存性を示すグラフである。図13に示すように、メタン濃度が0.0~1.5%の範囲にあるとき、メタン濃度は、酸素濃度値の変化の関数として計算することができる。図13に示す例において、メタン濃度は酸素濃度の変化の-0.468倍に等しい。
図14は、古い又は劣化した酸素センサセルの場合のメタン濃度に対する酸素分析計示度低下の線依存性を示すグラフである。メタンに対する酸素分析計感度は非常に良好であり、図12~14に示すように、メタン濃度に線形に依存し、経年劣化した酸素センサを使用する場合でさえ、キャリブレーションフリーなメタン検出を可能にする。加えて、図14に示すように、酸素濃度変化とメタン濃度との関係は、酸素濃度の変動によって影響を受けることがある(図14は2%対5%を示す)。したがって、酸素濃度変化の関数としてメタン濃度を提供するとき、最後に測定された酸素濃度に基づいて関係を調整することが有用である。図14に示す例において、酸素濃度が5%であるとき、メタン濃度は酸素濃度の変化の-0.506倍である。しかし、酸素濃度が2%であるとき、メタン濃度は酸素濃度の変化の-0.585倍である。
メタンとの燃焼反応におけるはるかに大きな酸素消費を考慮して、本明細書に記載される実施形態に従う酸素分析計は、酸素レベルが0.5%まで低下し、酸素濃度による未燃焼燃料の検出が0.5%を超えて低下する、一酸化炭素破過の信頼しうる示度を提供するであろう。この新たな先進の酸素分析計の特徴は、効率的で信頼しうる安全な燃焼制御のための効果的な酸素トリミングオプションを提供するであろう。
図15は、燃焼プロセス中の酸素濃度%値、一酸化炭素濃度及び酸素/一酸化炭素最適化を示すグラフである。これは、燃焼プロセス問題、たとえば欠陥のあるバーナ、誘引通風機及び/又は燃料/空気混合物不均衡の効果的な診断を可能にする。本明細書に記載される実施形態に従う酸素分析計が酸素濃度をモニタリングするとき、酸素濃度示度の変化率が電子機器及び/又はソフトウェアによってモニタリングされる。測定された酸素濃度の低下が約5~10秒の期間で0.2~0.4%の範囲であるならば、それは一酸化炭素の存在を示唆し、一酸化炭素アルゴリズムを酸素センサ示度に適用して、その低下に基づいて一酸化炭素濃度を計算することができる。追加的又は代替的に、「高い一酸化炭素値」を示すように構成されることができるアラートを発することもできる。酸素濃度示度の変化の大きさが同期間中で0.5%よりも大きいならば、酸素分析計は、メタン又は同等の可燃物が煙道ガス中に存在することを示唆し、異なる計算を使用してメタン濃度を計算したり、「高CH4アラート」を設定したりする。
図16は、本発明の実施形態に従うin-situ酸素分析計動作の図である。ブロック400で、分析計は、起動時、オンライン酸素測定値を測定して、酸素濃度を10%未満までトリミングする。その後、通常の酸素測定動作中、酸素分析計は、5秒間にわたり、酸素センサ示度の比較的急激な低下を検出する。図16に示すように、示度の低下が酸素濃度0.2%~0.4%の間であるならば、制御はライン402に沿ってブロック404に進み、そこで、プロセス中で一酸化炭素が破過しているという指示が提供される。加えて、ブロック404で、分析計は、一酸化炭素検出アルゴリズムを適用し、ジルコニアベースの酸素センサからの信号に基づいて一酸化炭素比濃度を計算することができる。コントローラが、救済措置を講じることができるよう、適当な有線又は無線通信を介して、燃焼プロセスを制御する制御室にアラートを送信することができる。一例において、制御室は、一酸化炭素破過に対処するために、ブロック406に示すように、燃焼システムへの酸素を応答的に増すことができる。
同じく図16に示すように、5秒間の酸素センサ示度の低下が酸素濃度0.5%よりも大きいならば、制御はライン408に沿ってブロック410に進み、そこで、未燃焼燃料の検出の指示が提供される。加えて、ブロック410で、分析計は、メタン(又は可燃物)検出アルゴリズムを適用して、メタン濃度を実際に計算することができる。さらに、煙道ガス中のメタン又は可燃物の存在及び/又は濃度を示すアラートが制御室に送信されてもよい。次いで、ブロック412に示すように、燃焼器のバーナをチェックし、燃料の流れを止め、システムを安全な状態で再点火する救済措置を講じることができる。
図17は、本発明の実施形態に従う改良された酸素分析計内の電子機器106のシステムブロック図である。電子機器106は、いくつかの実施形態においてはマイクロプロセッサであることができるコントローラ500を含む。コントローラ500は測定回路502に結合され、この測定回路は、測定回路502に結合された酸素センサ504から電位差応答を得るのに適した増幅、線形化及びアナログ・デジタル変換回路を含むことができる。測定回路502は、酸素センサ504の電位差応答のデジタル示度をコントローラ500に提供する。コントローラ500は、上述した周知のネルンストの式を使用して酸素濃度出力を計算することができる。加えて、コントローラ500は、上述したように、一酸化炭素破過及び/又は可燃物指示を提供するために、酸素センサ504の電位差信号の時間ベースの応答を評価することができる。一つの実施形態において、コントローラ500は、5秒又は10秒などの所定の期間にわたり酸素センサ504の電位差応答の差を記憶又は他のやり方で検出することができる。次いで、所定の期間にわたるこの応答の差を、一つ以上の選択された閾値と比較して、上記補助的な(すなわち、非酸素関連の)出力を提供することができる。
一例において、コントローラ500は、第一のタイミングで電位差測定応答を取得し、第一のタイミングよりも後の予め選択された期間(たとえば5秒)で第二の電位差測定応答を取得するだけの一連の命令を実行するようにプログラムされたマイクロプロセッサであることができる。次いで、これら二つの電位差応答を比較して、差が選択された閾値の一つ以上を超えるかどうかを判定することができる。もちろん、酸素センサの電位差測定信号の時間ベースの応答を評価するための他の技術を用いることもできる。
コントローラ500はまた、適当なプロセス通信セグメント又はループを介して通信する能力を酸素分析計に提供するために、通信回路506に結合される。プロセス通信は、有線接続を介するものでもよいし、無線接続を介するものでもよい。プロセス通信とは、特にリアルタイムプロセス制御に適合されているタイプの通信である。プロセス通信の例は、HART(Highway Addressable Remote Transducer)(登録商標)プロトコル又はFOUNDATION(商標)フィールドバスプロトコルに準拠する通信を含むが、これらに限定されない。しかし、本発明の実施形態にしたがって、他の適当なプロセス通信プロトコル(有線及び/又は無線)を使用することもできる。そのうえ、本明細書に記載される実施形態は、IEC62591などの無線プロセス通信プロトコルにしたがって情報を送信することを含んでもよい。
加えて、コントローラ500は、トランスミッタのハウジング上の酸素濃度示度ならびに適当なオペレータ入力デバイス、たとえばボタン、ノブ、ダイヤルなどの形態で提供されることができるユーザインターフェース508に結合される。さらに、いくつかの実施形態において、電子機器106は、酸素センサを650~800℃などの有効熱動作範囲に維持するためにプローブ内のヒータを付勢するための、コントローラ500に結合されたヒータ制御回路510を含むことができる。
図18は、本発明の実施形態に従うジルコニアベースの酸素燃焼分析計を作動させる方法の流れ図である。方法600はブロック602から出発し、そこで、燃焼分析計が5秒などの所定の期間にわたって酸素センサ値を測定する。次に、ブロック604で、燃焼分析計は、所定の期間にわたる酸素センサ値の差を計算する。次に、ブロック606で、計算された差を第一の閾値と比較して、たとえば、差が酸素濃度の0.5%よりも大きいかどうかを判定する。これが起こるならば、制御はライン608に沿ってブロック610に進み、そこで、燃焼分析計が可燃物又は未燃焼燃料(メタン)アラームを発し始め、コントローラ500をして可燃物アルゴリズムを使用させて、酸素センサ電位差応答に基づいてプロセスガス中の可燃物(たとえばメタン)の濃度を計算させる。上述したように、これが、燃焼制御の管理者がバーナをチェックし、燃料の流れを止め、安全な状態で再点火することを許す。
図18に示すように、方法600はまた、ブロック612に示すように、計算された差を第二の閾値又はバンドと比較することを含む。たとえば、第二の閾値又はバンドは、0.2%と0.4%との間の酸素濃度値の差であることができる。差がこのバンド内であるならば、制御はライン614に沿ってブロック616に進み、そこで、一酸化炭素破過アラームなどの第二のアラームが提供される。加えて、コントローラ500は、ネルンストの式とは異なる計算の使用を始めるよう切り替わることができ、この技術は、酸素センサの電位差応答を利用して一酸化炭素濃度示度を提供する。
上記のように、信頼しうる酸素濃度測定値ならびに燃焼煙道ガス中の先進の未燃焼燃料検出及び一酸化炭素検出を提供することができるジルコニアベースの酸素分析計設計が提供される。これらの実施形態において使用されるジルコニア酸素センサは一般に、ジルコニア酸素センサパッケージ中で触媒活性サーメット電極及び保護触媒ビーズを用い、このビーズが、可燃物(たとえばCH4)及びCOを変換して、セル内の酸素濃度を約5~10秒で突然に低下させる。燃焼制御の一部としてのスムーズな酸素トリミングに基づき、酸素分析計の信号の突然の低下を変化率アルゴリズムによって分析し、展開して、プロセス中の未燃焼燃料(たとえばメタン)及び一酸化炭素検出のキャリブレーションフリーの信頼しうる示度を提供する。本明細書に記載される実施形態は一般に、効率的で信頼しうる安全な燃焼制御のための効果的な酸素トリミングオプションを提供し、それにより、欠陥のあるバーナ、燃料/空気混合不均衡及び誘引通風機などのプロセス問題の診断を容易にする。
好ましい実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者は、発明の精神及び範囲を逸脱することなく、形態及び詳細において変更を加え得ることを認識するであろう。
Claims (18)
- 酸素センサ信号を受信し、酸素濃度出力を提供するように構成されたコントローラと;
燃焼プロセスガスの供給源の中へ延びるように構成されたプローブと;
固体電解質の一方の側に取り付けられた感知電極と、前記固体電解質の反対側に取り付けられた参照電極とを有し、また、前記プロセスガスと前記感知電極との間に配置されるように構成されている触媒ビーズを有する、前記プローブ内に配置された酸素センサと;
前記酸素センサの電気的応答に基づいて前記酸素センサ信号を前記コントローラに提供するように構成されている、前記酸素センサ及び前記コントローラに動作可能に結合された測定回路と;
を含み、前記コントローラが、前記酸素センサ濃度出力の挙動を経時的に検出して、少なくとも一つの補助的出力を提供するように構成されている、酸素分析計。 - 前記感知電極がサーメット感知電極である、請求項1記載の酸素分析計。
- 前記測定回路が、前記サーメット感知電極とサーメット参照電極との間の電圧を測定するように構成されている、請求項2記載の酸素分析計。
- 前記サーメット感知電極及び前記触媒ビーズが少なくとも部分的に白金で形成されている、請求項2記載の酸素分析計。
- 前記固体電解質がジルコニアの層である、請求項1記載の酸素分析計。
- 前記固体電解質がバルクセラミックである、請求項1記載の酸素分析計。
- 前記少なくとも一つの補助的出力が、未燃焼燃料を示すアラートである、請求項1記載の酸素分析計。
- 前記少なくとも一つの補助的出力が、一酸化炭素を示すアラートである、請求項1記載の酸素分析計。
- 前記補助的出力が遠隔デバイスに送られて、燃焼に関する燃料・酸素比の変更を誘発する、請求項1記載の酸素分析計。
- 前記コントローラに動作可能に結合されたプロセス通信モジュールをさらに含み、前記プロセス通信モジュールが、プロセス通信を使用して前記補助的出力を送信するように構成されている、請求項7記載の酸素分析計。
- 前記コントローラがさらに、経時的な前記酸素センサ濃度出力の挙動に基づいて前記プロセスガス中の非酸素ガスの濃度を計算するように構成されている、請求項1記載の酸素分析計。
- 燃焼プロセス中で酸素トランスミッタを作動させて補助的出力を提供する方法であって、
第一のタイミングで得られた酸素センサ濃度を、第二のタイミングで得られた酸素センサ濃度と比較して酸素センサ差を得るステップと;
前記酸素センサ差を少なくとも一つの閾値と比較して補助的状態を決定するステップと;
前記補助的状態を示す出力を提供するステップと
を含み、前記少なくとも一つの閾値が酸素濃度0.5%であり、前記補助的状態が燃焼煙道ガス中の未燃焼燃料である、方法。 - 前記第二のタイミングが前記第一のタイミングののち少なくとも5秒である、請求項12記載の方法。
- 前記第二のタイミングが前記第一のタイミングののち10秒を超えない、請求項13記載の方法。
- 前記酸素センサが、プロセスガスとサーメット感知電極との間に配置された触媒ビーズを含む、請求項12記載の方法。
- 前記燃焼煙道ガス中の未燃焼燃料の濃度を計算するステップをさらに含む、請求項12記載の方法。
- 計算された前記燃焼煙道ガス中の未燃焼燃料の濃度を報告するステップをさらに含む、請求項16記載の方法。
- 前記補助的状態を示す出力がアラートである、請求項12記載の方法。
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