JP2820783B2 - 水分および酸素の同時連続測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、気体中の水分ならびに酸素濃度の同時連続
測定装置に関するものであり、１本のプローブ管に同一
構造の酸素センサを２個配設することにより、それぞれ
の酸素センサにおいて水分およびに酸素濃度を同時連続
測定できる装置に関するものである。

（従来の技術およびその問題点） 従来から、ジルコニア等の酸素イオン伝導性のある固
体電解質を用いた酸素濃淡電池の原理によって各種工業
炉およびボイラ等から排出される燃焼排ガス中の酸素濃
度（若しくは酸素分圧）を検知し、それを工業炉、ボイ
ラの燃焼制御にフィードバックする技術は既に知られて
いる。

各種工業炉およびボイラ、とりわけ微粉炭ボイラの燃
焼排ガス中の水分測定は、使用石炭の性状のバラツキ等
に起因して、その定量的把握が極めて困難であるが、ボ
イラの日常熱効率管理を充実し、熱効率の維持向上を資
するために重要である。

また、燃焼排ガス中の酸素濃度は、省エネルギーの観
点から低酸素運転を行う目的のためにも必要不可欠なも
のである。

この目的で、例えば特開昭57−178154号公報に水分測
定方法が開示されている。この方法は、酸素イオン伝導
性を示す固体電解質素子の一方の側の電極に測定ガスを
接触させるとともに、他方の側の電極に水分除去後の測
定ガスを接触させ、これら両電極間に発生する起電力に
より測定ガス中の水分濃度を測定するものである。

しかし、この方法では水分を除去した測定ガスを基準
ガスとして用いるだけであり、測定ガス中の酸素濃度を
連続的に、しかも同時に測定できないという欠点があっ
た。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の課題は、非常に簡便な構成を有し、経済的に
コストが低く、しかも燃焼排ガス等の被測定ガス中の水
分濃度と酸素濃度（分圧）とを同時に、しかも連続的に
測定できる装置を提供することである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、ダクト内の被測定ガスの流れに接触するよ
うに固定された測定プローブと； 前記被測定ガスから前記水分を実質的に除去して乾燥
被測定ガスとする除湿器と； 前記被測定ガスを吸引して前記除湿器へと送り、更に
前記乾燥被測定ガスを前記測定ローブの内部へと送るた
めの吸引ポンプと； 前記被測定ガスと接触する測定電極と、前記測定プロ
ーブの内部へと面して前記乾燥被測定ガスに接触する基
準電極とを有し、前記被測定ガスの酸素濃度と前記乾燥
被測定ガスの酸素濃度との差によって生ずる起電力から
前記被測定ガスの水分濃度を測定できるように構成さ
れ、かつ前記測定プローブに固定された水分濃度測定用
ジルコニアセンサ部と； 酸素濃度が既知である外部基準ガスと接触する測定電
極と、前記測定プローブの内部へと面して前記乾燥被測
定ガスに接触する基準電極とを有し、前記外部基準ガス
の酸素濃度と前記乾燥被測定ガスの酸素濃度との差によ
って生ずる起電力から前記被測定ガスの酸素濃度を測定
できるように構成され、かつ前記水分濃度測定用ジルコ
ニアセンサ部と所定間隔をもって測定プローブに固定さ
れた酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部と を有する水分および酸素の同時連続測定装置に係るもの
である。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例に係る水分および酸素の同
時連続測定装置を示す構成説明図である。

この図において、１は被測定ガスである燃焼排ガスの
流れの中へ挿入、設置される測定プローブであり、この
測定プローブ１には、所定間隔で同一構造の酸素センサ
からなる酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部26と水分濃
度測定用ジルコニアセンサ部27とが設けられている。こ
れらの各センサ部26,27においては、それぞれ第２図に
示す酸素センサ10がフィルタカバー２の内側に取付けら
れている。またこの酸素センサ10を測定プローブ１に取
付け、さらに交換できるようにフィルタカバー２の対向
部分に、センサ裏蓋３が設けられている。酸素センサ10
の脱着の際にはセンサ裏蓋３が取り外され、その開口を
通じて酸素センサの脱着が行なわれる。測定プローブ１
の取付け部には、取付フランジ５および端子箱８が設け
られ、取付フランジ５によって炉壁７に設けられた炉壁
フランジ６に固定される。端子箱８には配線、配線孔９
が設けられている。

酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部26と水分濃度測定
用ジルコニアセンサ部27との中間部に、ガス吸引管28の
ガス吸引口を位置させ、吸引ポンプ29によって矢印Ａの
ように被測定ガスを吸引し、ダクトの外側へと取り出
す。取り出された被測定ガスは、除湿器30によって含有
水分を除去され、乾燥被測定ガスとして測定プローブ１
内部へと通気される。その後、測定プローブ１の先端に
位置する放出口４より矢印Ｂのようにダクト内部へと放
出させる。この一連の動作（被測定ガスの外部への取り
出し〜吸引ポンプ〜除湿器〜測定プローブ内部通気〜放
出）は連続して行われる。

従って、測定プローブ内部、すなわち酸素センサの基
準電極側では、常に乾燥被測定ガスの雰囲気で満たされ
ており、また一連の動作は連続して行われているので、
乾燥ガス中の各成分濃度は被測定ガス中の濃度変化に常
に対応することになる。

酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部26と水分濃度測定
用ジルコニアセンサ部27との間の間隔は煙道ダクトのガ
ス濃度の偏在の影響を小さくするために100mm以内とす
ることが好ましく、かつガス吸引管28のガス吸引口は上
記各センサ部26,27の中間に位置させることが好まし
い。即ち、燃焼排ガス等のダクト内ではその幅、深さ方
向において各成分ガス濃度の濃度分布が存在している。

このため、酸素センサの間隔距離を極力短くし、かつ
前記ガス吸引口を２個の酸素センサの中間位置とするこ
とによって、各濃度の偏在の影響をなくし、水分および
酸素濃度の測定の高精度化を確保できるからである。

次に、酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部26、水分濃
度測定用ジルコニアセンサ部27をそれぞれ構成する酸素
センサの構造の詳細について、第２図〜第５図を参照し
つつ説明する。

第２図には測定プローブ１に対する酸素センサの取付
構造が示されている。この図において、固体電解質より
成る有底円筒状の酸素センサ10は、有底円筒内の空間と
被測定ガス流の空間とが連通するように（即ち有底円筒
の開口部が燃焼排ガス流に向けて）配置されている。こ
の酸素センサ10の測定プローブ１への取付けは、まず有
底円筒状の酸素センサ10の開口部周辺にセンサ留金具11
を例えば燃嵌め法により気密に固定し、このセンサ留金
具11の測定プローブ１に嵌合されたセンサ保持具12に金
属性のＯリング17を介して締め付け固定することにより
為されている。このように取付けられた酸素センサ10に
はさらに、ヒータ13を内蔵する二重円筒状のヒータ保持
具14（これらがヒータユニットを構成する）がセンサ留
金具11に内側から嵌合され、セメント接着によって一体
的に固定されている。従って、酸素センサ10およびセン
サ留金具11並びにヒータ13およびヒータ保持具14（即ち
ヒータユニット）が一体構造となってセンサユニットを
構成する。

このような酸素センサ10の被測定ガスに接触する側に
はダクトの流入を阻止するため、フィルタ15およびフィ
ルタ保持具16より構成されるフィルタユニットが連結さ
れ、さらにその外側にフィルタカバー２が設けられて、
ダストのフィルタ15への直撃を回避し、フィルタ15の目
詰まりを防止できるようにしている。このフィルタカバ
ー２には、被測定ガス流入孔24が例えば４個、90度の角
度で等分されて設けられて（第３図参照）、被測定ガス
をフィルタ15を介して酸素センサへ導入している。さら
に酸素センサ10の出力（起電力）を校正するための外部
基準ガス（酸素濃度既知）を導入するため、炉壁外部か
ら導入された外部ガス導入管18を測定プローブ１の外側
に沿って配設し、この外部ガス導入管18の開口部19をセ
ンサ保持具12に設けた外部ガス導入口20と結合し、これ
とフィルタ保持具16に設けられたガス出入口25と内部空
間21が連通することによってガス通路を形成し、内部空
間に上記の校正ガス又は外部基準ガスが導入されるよう
にしている。また、センサ保持具12には、外部ガス導入
口20が設けられた側とは反対側にガス排出口22が設けら
れている。さらにフィルタ保持具16のセンサ留金具11と
接する隅部に加工を施してフィルタ保持具16の円周上に
ガス通路23を形成している（第４図参照）。

このガス通路23は、内部空間21と、ダクト内の被測定
ガス空間とをガス出入口25およびガス排出口22を介して
連通させており、また、外部ガス導入管18の内部空間に
も外部ガス導入口20を介して連通している。したがっ
て、内部空間21に存在する被測定ガス、校正ガス又は外
部基準ガスを迅速に外部へ排出することができる。

なお、第２図に示される酸素センサ10は、有底円筒状
の他、平板状等を採用することができ、適宜用途に応じ
て選択することができる。

水分濃度測定用ジルコニアセンサ部27においては（第
１〜２図参照）、酸素センサ10の有底円筒内面側（測定
電極側）には被測定ガスが流入、接触し、基準電極側に
は乾燥被測定ガスが接触する。一方、酸素濃度測定用ジ
ルコニアセンサ部26においては、酸素センサ10の測定電
極側には、外部ガス導入管18から導入された酸素濃度既
知の外部基準ガス（例えば大気）が流入、接触し、基準
電極側には乾燥被測定ガスが接触する。また、両センサ
26,27はともに、適宜の外部ガス導入管18を通して校正
ガスを導入し、校正を行う。

次いで、水分濃度測定用ジルコニアセンサ部27の測定
電極側への被測定ガスの流入、排出について更に述べ
る。

被測定ガスは、第３図（Ａ）および（Ｂ）のフィルタ
カバーを取付けた状態の平面図およびその断面図に示さ
れるように、まずフィルタカバー２の４個所に設けられ
た被測定ガス流入孔24から入り、フィルタ15を通過し
て、酸素センサ10の上部の内部空間21に流入する。この
内部空間21から有底円筒状の酸素センサ10の内側深部に
設けられた測定電極までは、測定ガスの濃度差によるガ
ス拡散および熱対流によってガス置換が行われる。その
他の被測定ガスは、第４図（Ａ）および（Ｂ）に（フィ
ルタカバーを省略して）示すように、ガス出入口25、ガ
ス通路23およびガス排出口22を通り外部へ放出される。

次いで、酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部26での測
定電極側への外部基準ガスの流入、排出について、第５
図（Ａ），（Ｂ）を参照して述べる。ただし、図面を明
瞭にするためフィルタカバーを省略して図示している。
まず、外部基準ガスは、炉壁外部から外部ガス導入管18
を通り、外部ガス導入口20およびガス出入口25を経て、
内部空間21に充満される。このとき、内部空間21は正圧
状態になるため、被測定ガスの流入は阻止される。内部
空間21に充満した外部基準ガスの一部は加圧導入により
徐々に酸素センサ10の深部へ達し、測定電極と接触す
る。その他の外部基準ガスは、第５図（Ａ）に示すよう
に、内部空間が被測定ガス雰囲気の圧力に対し負圧状態
になった時点で、ガス通路23を経てガス排出口22から排
出される。

次に、本実施例の装置により得られる作用効果につ
き、順次説明する。

（１） 水分濃度測定用ジルコニアセンサ部27（第１図
参照）においては、測定電極側に連続的に流入、接触す
る被測定ガスと、基準電極側に連続的に通気される乾燥
被測定ガスの酸素濃度差から、これに対応して酸素セン
サに出力（起電力）が生じ、被測定ガス中の水分濃度を
測定できる。

このときの酸素センサの出力は次の通りである。

ここで、E₁:酸素センサの出力 K:定数 T:酸素センサ加熱温度（絶対温度） PO₂（Ｗ）：被測定ガス中の酸素分圧 PO₂（Ｄ）：乾燥被測定ガス中の酸素分圧 また、水分濃度を〔H₂O〕（vol％）、被測定ガス中の
酸素濃度を〔O₂（Ｗ）〕（vol％）、乾燥被測定ガス中
の酸素濃度を〔O₂（Ｄ）〕（vol％）とすると、下記の
関係が成り立つ。

従って、 従って、上記、式より、 〔H₂O〕＝（１−10^E1/KT）×100（vol％） このように、被測定ガス中の酸素分圧と乾燥被測定ガ
ス中の酸素分圧との差から、被測定ガス中の水分濃度を
算出できる。

（２） 酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部26（第１図
参照）においては、測定電極側に外部ガス導入管18を通
じて連続的に流入する外部基準ガス（大気、乾燥大気
等）と、基準電極側に連続的に通気される乾燥被測定ガ
スとの酸素濃度差から、これに対応して酸素センサに出
力が生じ、被測定ガス中の酸素濃度を測定できる。

このときの酸素センサの出力は以下の通りである。

E₂:酸素センサの出力 0.206:大気中の酸素濃度 従って、乾燥被測定ガス中の酸素濃度は O₂（Ｄ）＝（0.206/10^E2/KT）×100（vol％） ここで測定された酸素濃度O₂（Ｄ）は、乾燥被測定ガ
ス中の酸素濃度であるが、乾燥前の被測定ガス中の酸素
濃度も、上記式を利用し、下式演算から容易に求める
ことができる。

（３） ここで重要なことは、第１図に示すように、一
本の測定プローブに酸素センサを２個取付け測定プロー
ブ内に乾燥被測定ガスを通気し、一方の酸素センサに湿
りガス状態にある被測定ガス、もう一方の酸素センサに
は外部基準ガスを導入するという極めて簡便な構成で水
分と酸素との同時測定を実現したことである。これによ
り、測定プローブのダクト壁への取付座が１つとなり、
設備費、コストを低減できるので極めて有利である。

従って、本実施例の装置を各種工業炉およびボイラ、
とりわけ微粉炭ボイラの燃焼排ガス中の水分、酸素濃度
測定に適用すると、低廉なコストで、ボイラの熱効率管
理の充実、熱効率の維持向上、電気集塵器の高効率運
転、煙道等の腐蝕防止に絶大な効果がある。

（４） しかも、本実施例の装置では、水分濃度測定用
ジルコニアセンサ部においては、測定電極側に被測定ガ
スの流入から流出へと至る測定ガス流通路を設けてお
り、また酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部において
は、測定電極側に、外部ガス導入管から導入された外部
基準ガスが流入から流出へと至るガス流通路を設けてい
る。従って、被測定ガス又は外部基準ガスが内部空間21
（第２図参照）へと速やかに導入され、しかも、酸素セ
ンサの測定電極へはほぼ平衡状態を保ちながらガス置換
を行えるので、酸素センサの応答性を高く維持しなが
ら、熱衝撃に対する保護をも同時に行うことができる。
そして、このように酸素センサの応答性が高まる結果、
水分および酸素を同時に、しかも連続的に測定する際、
時間的な遅延やズレを有効に防止できる。

上述の例では、第１図において、酸素濃度測定用ジル
コニアセンサ部26を水分濃度測定用ジルコニアセンサ部
27の上側に設けたが、この位置関係を逆にしてもよく、
また各センサ部26,27をそれぞれ複数個設けることも可
能である。

（発明の効果） 本発明に係る水分および酸素の同時連続測定装置によ
れば、被測定ガスと接触する測定電極と、測定プローブ
の内部へと面して乾燥被測定ガスに接触する基準電極と
を有し、被測定ガスの酸素濃度と乾燥被測定ガスの酸素
濃度との差によって生ずる起電力から被測定ガスの水分
濃度を測定できるように構成された水分濃度測定用ジル
コニアセンサ部を有しているので、被測定ガス中の水分
濃度を連続的に測定できる。

また、酸素濃度が既知である外部基準ガスと接触する
測定電極と、測定プローブの内部へと面して乾燥被測定
ガスに接触する基準電極とを有し、外部基準ガスの酸素
濃度と乾燥被測定ガスの酸素濃度との差によって生ずる
起電力から被測定ガスの酸素濃度を測定できるように構
成された酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部を有してい
るので、被測定ガス中の酸素濃度を連続的に測定でき
る。

そして、水分濃度測定用ジルコニアセンサ部と酸素濃
度測定用ジルコニアセンサ部とを所定間隔をもって測定
プローブの管壁に固定しておりこれにより、プローブ管
の取付座が一つで済むので、設備費、コストを著しく低
減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の構成概要図、 第２図は酸素センサの取付け状態を示す要部断面図、 第３図（Ａ）は酸素センサに被測定ガスが流入する状態
を示す正面図、同図（Ｂ）は同じく縦断面図、 第４図（Ａ）は酸素センサから被測定ガスを流出する状
態を示す正面図、同図（Ｂ）は同じく縦断面図、 第５図（Ａ）は酸素センサへと外部基準ガスが流入、流
出する状態を示す断面図、同図（Ｂ）は同じく縦断面図
である。 １……測定プローブ、２……フィルタカバー ３……センサ裏蓋、４……空気放出口 ５……取付フランジ、６……炉壁フランジ ７……炉壁、８……端子箱 ９……配線・配管孔、10……酸素センサ 11……センサ留金具、12……センサ保持具 13……ヒータ、14……ヒータ保持具 15……フィルタ、16……フィルタ保持具 17……Ｏリング、18……外部ガス導入管 19……開口、20……外部ガス導入口 21……内部空間、22……ガス排出口 23……ガス通路、24……測定ガス流入孔 25……ガス出入口 26……酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部 27……水分濃度測定用ジルコニアセンサ部 28……ガス吸引管、29……吸引ポンプ 30……除湿器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早坂 勝彦 宮城県宮城郡七ケ浜町代ケ崎浜字前島１ 番地 (72)発明者 渡部 照継 宮城県宮城郡七ケ浜町代ケ崎浜字前島１ 番地 (56)参考文献 特開 昭61−117447（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−292058（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−178154（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−250746（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−250745（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−87245（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−146152（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 27/409

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダクト内の被測定ガスの流れに接触するよ
   うに固定された測定プローブと； 前記被測定ガスから前記水分を実質的に除去して乾燥被
   測定ガスとする除湿器と； 前記被測定ガスを吸引して前記除湿器へと送り、更に前
   記乾燥被測定ガスを前記測定プローブの内部へと送るた
   めの吸引ポンプと； 前記被測定ガスと接触する測定電極と、前記測定プロー
   ブの内部へと面して前記乾燥被測定ガスに接触する基準
   電極とを有し、前記被測定ガスの酸素濃度と前記乾燥被
   測定ガスの酸素濃度との差によって生ずる起電力から前
   記被測定ガスの水分濃度を測定できるように構成され、
   かつ前記測定プローブに固定された水分濃度測定用ジル
   コニアセンサ部と； 酸素濃度が既知である外部基準ガスと接触する測定電極
   と、前記測定プローブの内部へと面して前記乾燥被測定
   ガスに接触する基準電極とを有し、前記外部基準ガスの
   酸素濃度と前記乾燥被測定ガスの酸素濃度との差によっ
   て生ずる起電力から前記被測定ガスの酸素濃度を測定で
   きるように構成され、かつ前記水分濃度測定用ジルコニ
   アセンサ部と所定間隔をもって測定プローブに固定され
   た酸素濃度測定用ジルコニアセンサ部と を有する水分および酸素の同時連続測定装置。