JP2873079B2 - 水分および酸素の同時連続測定装置およびその測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、工業炉およびボイラ等から排出される燃焼
排ガス中の水分並びに酸素濃度を同時かつ連続的に測定
する装置およびその測定方法に関するものである。

（従来の技術） 本願人は、先に、ボイラ等から排出される燃焼排ガス
中の水分ならびに酸素濃度を同時かつ連続的に測定する
ため、第４図にその一例を示すように、１本の測定プロ
ーブ21に同一構造の２個の酸素センサ22−1,22−２を測
定プローブ21の管軸方向に所定の距離だけ隔てて配設す
ることにより、それぞれ酸素センサ22−1,22−２におい
て水分と酸素濃度とを別個に測定する装置を開示してい
る。

第４図に示す装置においては、一方の酸素センサ22−
１は、その測定電極側ではダクト23内での湿りガス状態
である被測定ガスに接触させるとともに（装置A,装置Ｂ
とも）、基準電極側すなわち測定プローブ21の内部で
は、前記被測定ガスをいったん外部に取り出し除湿器24
によって水分を除去した乾きガスを通気して乾きガス状
態である被測定ガス（装置Ａ）または空気（装置Ｂ）に
接触させ、測定プローブ21の先端部より再びダクト23内
へと放出させている。これにより、酸素センサ22−１で
は、湿りガス酸素濃度と乾きガス酸素濃度との濃度差よ
り、被測定ガス中の水分濃度を測定している。

また、他方の酸素センサ22−２は、測定電極側には外
部から校正ガス導入管25を通じて、基準ガスとしての空
気（装置Ａ）または乾きガス状態にある被測定ガス（装
置Ｂ）を挿入して接触させるとともに、基準電極側では
上述した酸素センサ22−１と同様に乾きガス状態である
被測定ガス（装置Ａ）または空気（装置Ｂ）に接触させ
ている。これにより、酸素センサ22−２では、基準ガス
（空気）酸素濃度と乾きガス酸素濃度との濃度差より、
被測定ガス中の乾き酸素濃度を測定している。

（発明が解決しようとする課題） 従って、上述した水分及び酸素濃度の同時連続測定装
置では、それぞれの濃度差により、以下のように酸素セ
ンサ22−１からの起電力E₁（ｔ）と酸素センサ22−２か
らの起電力E₂（ｔ）を得ている。

ここで、 K:定数、 T:センサ温度（絶対温度）、 21.0:空気中の酸素濃度、 O₂W（ｔ）：被測定ガスの湿りガスベースにおける酸
素濃度、 O₂D（ｔ）：被測定ガスの乾きガスベースにおける酸
素濃度、 である。

装置Ａの場合、上記（１），（２）式を変形して、 O₂W（ｔ）＝10^{E1（ｔ）/KT}×O₂D（ｔ） …（５） O₂D（ｔ）＝21.0/10^{E2（ｔ）/KT} …（６） が得られ、この（５）式および（６）式から O₂W（ｔ）＝21.0×10^{E1（ｔ）/KT}/10^{E2（ｔ）/KT} …（７） が得られる。

装置Ｂの場合、上記（３），（４）式を変形して、 O₂W（ｔ）＝21.0×10^{E1（ｔ）/KT} …（８） O₂D（ｔ）＝21.0×10^{E2（ｔ）/KT} …（９） が得られる。

このO₂W（ｔ）とO₂D（ｔ）とより、水分濃度H₂O
（ｔ）が以下のように得られる。

しかしながら、上述した装置では、（10）式からもわ
かるように、時刻ｔにおける水分濃度H₂O（ｔ）をO₂D
（ｔ）とO₂W（ｔ）とより求めているため、実際の水分
濃度を正確に求めることができない問題があった。

すなわち、第４図の構成からもわかるように、湿りガ
ス状態の被測定ガスをむだ時間Ｌを要する除湿系統を通
して乾きガスとしているため、時刻ｔにおける乾きガス
ベースの酸素濃度O₂D（ｔ）を測定した被測定ガスに対
応する湿りガスベースの酸素濃度はO₂W（ｔ−Ｌ）であ
り、（10）式においてO₂W（ｔ）を使用している限りは
正確な水分濃度を求めることができない問題があった。

本発明の目的は上述した課題を解消して、むだ時間Ｌ
の補正をすることにより酸素濃度とともに正確な水分濃
度をも同時かつ連続的に測定可能な水分及び酸素の同時
連続測定装置およびその測定方法を提供しようとするも
のである。

（課題を解決するための手段） 本発明の水分および酸素の同時連続測定装置の第１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
定した測定プローブと；測定プローブ外に取り出した湿
りガス状態である被測定ガスを除湿して測定プローブ内
へ供給する除湿器と；測定プローブの先端に設けられた
湿りガス状態である被測定ガスに接触する測定電極と乾
きガス状態である被測定ガスに接触する基準電極とを有
する固体電解質を利用した湿りガスベース酸素濃度用セ
ンサと；測定プローブの先端に前記湿りガスベース酸素
濃度用センサと一定間隔を隔てて設けられた、基準ガス
としての大気に接触する測定電極と乾きガス状態である
被測定ガスに接触する基準電極とを有する固体電解質を
利用した乾きガスベース酸素濃度用センサと；被測定ガ
スが除湿器を通過することにより生じるむだ時間Ｌを電
気的に補償して、補償した値から水分量を測定する位相
補償演算手段とを有することを特徴とするものである。

また、本発明の水分および酸素の同時連続測定装置の
第２発明は、ダクト内の被測定ガスの流れに接触するよ
うに固定した測定プローブと；測定プローブ外に取り出
した湿りガス状態である被測定ガスを除湿して酸素濃度
用センサの測定電極側へ供給する除湿器と；測定プロー
ブの先端に設けられた湿りガス状態である被測定ガスに
接触する測定電極と空気に接触する基準電極とを有する
固体電解質を利用した湿りガスベース酸素濃度用センサ
と；測定プローブの先端に前記湿りガスベース酸素濃度
用センサと一定間隔を隔てて設けられた、前記除湿器に
より除湿された乾きガス状態の被測定ガスに接触する測
定電極と空気に接触する基準電極とを有する固体電解質
を利用した乾きガスベース酸素濃度用センサと；被測定
ガスが除湿器を通過することにより生じるむだ時間Ｌを
電気的に補償して、補償した値から水分量を測定する位
相補償演算手段とを有することを特徴とするものであ
る。

さらに、本発明の水分および酸素の同時連続測定方法
は、上記水分および酸素の同時連続測定装置において、 （ａ）前記湿りガスベース酸素濃度用センサから得られ
る起電力と、前記乾きガスベース酸素濃度用センサから
得られる起電力とから、湿りガス状態の被測定ガスの酸
素濃度O₂W（ｔ）と乾きガス状態の被測定ガスの酸素濃
度O₂D（ｔ）とを求め； （ｂ）求めたO₂W（ｔ）を電気的に模擬して、むだ時間
Ｌだけ前の状態O₂W（ｔ−Ｌ）を求め； （ｃ）求めたO₂W（ｔ−Ｌ）とO₂D（ｔ）とから水分量H₂
O（ｔ）を求め； （ｄ）求めたH₂O（ｔ）とO₂D（ｔ）を比例・微分演算し
て一次遅れ要素を除去し； （ｅ）処理後のH₂O（ｔ）とO₂D（ｔ）を水分量および酸
素量として出力する； ことを特徴とするものである。

（作 用） 上述した構成において、水分濃度測定における除湿系
統を通過することにより発生するむだ時間Ｌの影響を補
償するため、時刻ｔにおける水分濃度H₂O（ｔ）を求め
る際、O₂W（ｔ）からむだ時間Ｌおよび一次遅れの影響
をなくす電気的模擬を実施してO₂W（ｔ−Ｌ）を求め、
この値を用い、 を計算することにより、正確な水分濃度を求めることを
可能としている。本発明では、そのための位相補償手段
を装置に設けるとともに、その位相補償手段における最
良の電気的模擬方法を見いだしている。

（実施例） 第１図は本発明の水分および酸素の同時連続測定装置
の一例の構成を示す図である。第１図に示す例では、１
本の測定プローブ１に同一構造の２個の酸素センサ２−
1,2−２を測定プローブ１の管軸方向に所定の距離だけ
隔てて配設して、湿りガスベース酸素濃度用センサ部３
および乾きガスベース酸素濃度用センサ部４を構成して
いる。

湿りガスベース酸素濃度用センサ部３は、その測定電
極側ではダクト５内での湿りガス状態である被測定ガス
に接触させるとともに、基準電極側すなわち測定プロー
ブ１の内部では、被測定ガスを吸引ポンプ６によりいっ
たん外部に取り出し、除湿器７によって水分を除去した
乾きガスを通気して乾きガス状態である被測定ガスに接
触させ、測定プローブ１の先端部1aより再びダクト５内
へと放出させている。これにより、酸素センサ２−１で
は湿りガス酸素濃度と乾きガス酸素濃度との濃度差よ
り、被測定ガス中の水分を含む酸素濃度を示す起電力を
得る。

また、乾きガスベース酸素濃度用センサ部４は、測定
電極側には外部からの校正ガス導入管８を通じて、基準
ガスとしての空気を送入して接触させるとともに、基準
電極側では上述した湿りガスベース酸素濃度用センサ部
３と同様に乾きガス状態である被測定ガスに接触させて
いる。これにより、酸素センサ２−２では、基準ガス
（空気）酸素濃度と乾きガス酸素濃度との濃度差より、
被測定ガス中の乾燥した酸素濃度を示す起電力を得る。

そして、湿りガスベース酸素濃度用センサ部３からE₁
（ｔ）と乾きガスベース酸素濃度用センサ部４からのE₂
（ｔ）とを、測定プローブ１の外部に設けた位相補償部
９へ供給しE₁（ｔ）とE₂（ｔ）とに基きO₂W（ｔ）とO₂D
（ｔ）を求めるとともに、O₂W（ｔ）から電気的模擬に
よりO₂W（ｔ−Ｌ）を求めて、正確な水分濃度H₂O（ｔ）
を求めている。

以下、本発明の測定方法における位相補償演算のアル
ゴリズムについて、第２図に示すフローチャートに基き
説明する。まず、湿りガスベース酸素濃度用センサ部３
からのE₁（ｔ）と乾きガスベース酸素濃度用センサ部４
からのE₂（ｔ）とから、式（１）〜（５）に基きO₂W
（ｔ）とO₂D（ｔ）を求める。このうちO₂D（ｔ）は、上
述したように被測定ガスが除湿系統で湿りガス状態から
乾きガス状態に変成され、測定センサ部に到達するまで
にむだ時間Ｌの分だけO₂W（ｔ）より遅れているため、O
₂D（ｔ）に対応するO₂W（ｔ−Ｌ）を電気的に模擬して
求める。

この電気的模擬は、O₂W（ｔ）に対してむだ時間の補
償と一次遅れの補償とを［e^-LS/（１＋Ｔ・Ｓ）:Sは伝
達関数］を乗ずることにより、除湿系統および測定プロ
ーブ内部を被測定ガスが通過することによる遅れを補償
してO₂W（ｔ−Ｌ）に対応する値を電気的に求めること
により行なわれる。

その後、得られたO₂D（ｔ）とO₂W（ｔ−Ｌ） とより上述した（７）式に基いてH₂O（ｔ）を求める。
最後に、O₂D（ｔ）およびH₂O（ｔ）に対して、位相補償
のための電気的な信号処理により加わった一次遅れを解
消するため、比例微分演算を実施し、これにより水分濃
度出力には湿りガス状態の酸素濃度に対してむだ時間Ｌ
の補償のみを施した形とする。

第３図（ａ）〜（ｆ）に、第２図のフローチャート中
（ａ）〜（ｆ）の点における信号波形を示す。第３図
（ａ）〜（ｆ）では、むだ時間をＬとし、ｔ＝t₁におい
て被測定ガスの乾きガス状態の酸素濃度が変化する例を
示している。すなわち、O₂D（ｔ）は第３図（ｂ）に示
すように変化するのに対し、O₂W（ｔ）は第３図（ａ）
に示すように変化する。そのため、第３図（ａ）に示す
信号に対し、まずむだ時間Ｌの補償をして第３図（ｃ）
に示す信号を得、さらに一次遅れの補償をして第３図
（ｄ）に示すO₂W（ｔ−Ｌ）を模擬した信号を得る。第
３図（ｂ）に示すO₂D（ｔ）の信号と第３図（ｄ）に示
すO₂W（ｔ−Ｌ）を模擬した信号から第３図（ｅ）に示
すように比をとってH₂O（ｔ）を求める。最後に、比例
・微分演算をして一次遅れの項を除去して、第３図
（ｆ）に示すように出力を得ている。

また、両センサの基準電極側すなわち測定プローブ１
の内部に空気を送入し、湿りガスベース酸素濃度用セン
サ部３の測定電極側にはダクト内の湿り状態である被測
定ガスを接触させ、乾きガスベース酸素濃度用センサ部
４の測定電極側には除湿器により水分を除去した乾き状
態である被測定ガスを接触させた場合も、前述と同様に
して被測定ガス中の水分、及び酸素濃度を求めることが
できる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明の水分および
酸素の同時連続測定装置およびその測定方法によれば、
水分濃度測定における除湿系統を通過することにより発
生するむだ時間Ｌ等の影響を補償するため、O₂W（ｔ）
からむだ時間Ｌおよび一次遅れの影響をなくす電気的模
擬を実施してO₂W（ｔ−Ｌ）に対応する値を求め、この
値を用い を計算することにより、酸素濃度と同時に正確な水分濃
度を連続的に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の水分および酸素の同時連続測定装置の
一例の構成を示す図、 第２図は本発明の測定方法における位相補償演算のアル
ゴリズムの一例を示すフローチャート、 第３図（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ第２図のフローチャー
ト中（ａ）〜（ｆ）の点における信号波形を示す図、 第４図は従来の水分および酸素の同時連続測定装置の一
例の構成を示す図である。 １……測定プローブ 1a……先端部 ２−1,2−２……酸素センサ ３……湿りガスベース酸素濃度用センサ部 ３……乾きガスベース酸素濃度用センサ部 ５……ダクト、６……吸引ポンプ ７……除湿器、８……校正ガス導入管 ９……位相補償部

フロントページの続き (72)発明者 山田 博 愛知県名古屋市緑区鳴海町字鶴ケ沢49番 地の３ (72)発明者 成瀬 真一 愛知県春日井市惣中町３丁目61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 (3)

(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
   うに固定した測定プローブと；測定プローブ外に取り出
   した湿りガス状態である被測定ガスを除湿して測定プロ
   ーブ内へ供給する除湿器と；測定プローブの先端に設け
   られた湿りガス状態である被測定ガスに接触する測定電
   極と乾きガス状態である被測定ガスに接触する基準電極
   とを有する固体電解質を利用した湿りガスベース酸素濃
   度用センサと；測定プローブの先端に前記湿りガスベー
   ス酸素濃度用センサと一定間隔を隔てて設けられた、基
   準ガスとしての大気に接触する測定電極と乾きガス状態
   である被測定ガスに接触する基準電極とを有する固体電
   解質を利用した乾きガスベース酸素濃度用センサと；被
   測定ガスが除湿器を通過することにより生じるむだ時間
   Ｌを電気的に補償して、補償した値から水分量を測定す
   る位相補償演算手段とを有することを特徴とする水分お
   よび酸素の同時連続測定装置。
2. 【請求項２】ダクト内の被測定ガスの流れに接触するよ
   うに固定した測定プローブと；測定プローブ外に取り出
   した湿りガス状態である被測定ガスを除湿して酸素濃度
   用センサの測定電極側へ供給する除湿器と；測定プロー
   ブの先端に設けられた湿りガス状態である被測定ガスに
   接触する測定電極と空気に接触する基準電極とを有する
   固体電解質を利用した湿りガスベース酸素濃度用センサ
   と；測定プローブの先端に前記湿りガスベース酸素濃度
   用センサと一定間隔を隔てて設けられた、前記除湿器に
   より除湿された乾きガス状態の被測定ガスに接触する測
   定電極と空気に接触する基準電極とを有する固体電解質
   を利用した乾きガスベース酸素濃度用センサと；被測定
   ガスが除湿器を通過することにより生じるむだ時間Ｌを
   電気的に補償して、補償した値から水分量を測定する位
   相補償演算手段とを有することを特徴とする水分および
   酸素の同時連続測定装置。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２記載の水分および
   酸素の同時連続測定装置において、 （ａ）前記湿りガスベース酸素濃度用センサから得られ
   る起電力と、前記乾きガスベース酸素濃度用センサから
   得られる起電力とから、湿りガス状態の被測定ガスの酸
   素濃度O₂W（ｔ）と乾きガス状態の被測定ガスの酸素濃
   度O₂D（ｔ）とを求め；（ｂ）求めたO₂W（ｔ）を電気的
   に模擬して、むだ時間Ｌだけ前の状態O₂W（ｔ−Ｌ）を
   求め； （ｃ）求めたO₂W（ｔ−Ｌ）とO₂D（ｔ）とから水分量H₂
   O（ｔ）を求め； （ｄ）求めたH₂O（ｔ）とO₂D（ｔ）を比例・微分演算し
   て一次遅れ要素を除去し； （ｅ）処理後のH₂O（ｔ）とO₂D（ｔ）を水分量および酸
   素量として出力する； ことを特徴とする水分および酸素の同時連続測定方法。