JP3162836B2 - 排ガス中の水分濃度および酸素濃度の測定方法 - Google Patents
排ガス中の水分濃度および酸素濃度の測定方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ゴミ焼却炉、汚泥焼却
炉、ならびに石炭ボイラ等の排ガス中の水分濃度および
酸素濃度を測定する方法に関するものである。
炉、ならびに石炭ボイラ等の排ガス中の水分濃度および
酸素濃度を測定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、排ガス中の水分濃度および酸素濃
度を測定する方法として、通常の固体電解質を利用した
酸素濃淡電池により酸素濃度を測定するとともに、(a)
ジルコニア酸素ポンプの電圧Vpを、排ガス中の水蒸気を
電気分解しないような第１の設定電圧と、排ガス中の水
蒸気を電気分解するような第２の設定電圧とを交互に切
り替えて、それぞれの酸素ポンプ電流の差により水分濃
度を測定する方法、(b)ジルコニア酸素ポンプを２個準
備して、一方は上記第１の設定電圧とし、他は第２の設
定電圧として、それぞれのポンプ電流の差により水分濃
度を測定する方法（例えば、特開昭６３−８５３５１号
公報）、(c) ジルコニア２セル方式を用いて、酸素濃淡
電池の制御電圧を第１の設定電圧と第２の設定電圧とし
て、それぞれの酸素ポンプ電流を測定し、その差から水
分濃度を測定する方法等が知られている。
度を測定する方法として、通常の固体電解質を利用した
酸素濃淡電池により酸素濃度を測定するとともに、(a)
ジルコニア酸素ポンプの電圧Vpを、排ガス中の水蒸気を
電気分解しないような第１の設定電圧と、排ガス中の水
蒸気を電気分解するような第２の設定電圧とを交互に切
り替えて、それぞれの酸素ポンプ電流の差により水分濃
度を測定する方法、(b)ジルコニア酸素ポンプを２個準
備して、一方は上記第１の設定電圧とし、他は第２の設
定電圧として、それぞれのポンプ電流の差により水分濃
度を測定する方法（例えば、特開昭６３−８５３５１号
公報）、(c) ジルコニア２セル方式を用いて、酸素濃淡
電池の制御電圧を第１の設定電圧と第２の設定電圧とし
て、それぞれの酸素ポンプ電流を測定し、その差から水
分濃度を測定する方法等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た(a) に示す方法では、酸素ポンプに印加する第１の設
定電圧と第２の設定電圧を交互に取り替え、かつ同期を
とって酸素ポンプ電流Ipを測定しなければならないた
め、そのための回路構成が複雑になる問題があった。ま
た、ジルコニア酸素ポンプを長時間使用していると、H2
O の電気分解時におけるＨ+ イオンがチャージして、酸
素ポンプに発生する酸素濃淡電池の逆起電力が増加し
て、ジルコニア酸素ポンプ電流が時間と共に低下して、
指示誤差を発生する問題もあった。さらに、上述した
(b) 、(c) に示す方法では、酸素ポンプを２個必要とし
構成が複雑となるとともに、上述した(a) の方法と同様
に、H2O の電気分解によるＨ+ イオンのチャージによる
指示誤差が発生する問題があった。
た(a) に示す方法では、酸素ポンプに印加する第１の設
定電圧と第２の設定電圧を交互に取り替え、かつ同期を
とって酸素ポンプ電流Ipを測定しなければならないた
め、そのための回路構成が複雑になる問題があった。ま
た、ジルコニア酸素ポンプを長時間使用していると、H2
O の電気分解時におけるＨ+ イオンがチャージして、酸
素ポンプに発生する酸素濃淡電池の逆起電力が増加し
て、ジルコニア酸素ポンプ電流が時間と共に低下して、
指示誤差を発生する問題もあった。さらに、上述した
(b) 、(c) に示す方法では、酸素ポンプを２個必要とし
構成が複雑となるとともに、上述した(a) の方法と同様
に、H2O の電気分解によるＨ+ イオンのチャージによる
指示誤差が発生する問題があった。
【０００４】本発明の目的は上述した課題を解決して、
簡単な構成で精度良く長時間にわたって排ガス中の水分
濃度と酸素濃度を測定できる方法を提供しようとするも
のである。
簡単な構成で精度良く長時間にわたって排ガス中の水分
濃度と酸素濃度を測定できる方法を提供しようとするも
のである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の排ガス中の水分
濃度および酸素濃度の測定方法は、酸素ポンプに以下の
式で示される電圧Vpを印加し、
濃度および酸素濃度の測定方法は、酸素ポンプに以下の
式で示される電圧Vpを印加し、
【数５】 Vp＝V1＋((V2−V1)/2)＊(1＋Ｆ(t))＋Ip＊(Rp ＋rl＋Ro) ここで、 V1 ：排ガス中の水蒸気を電気分解しないような第
１の設定電圧、 V2 ：排ガス中の水蒸気を電気分解するような第２
の設定電圧、 F(t) ：重畳する交流電圧、ただし−１≦Ｆ(t) ≦
１、 Ip ：酸素ポンプ電流 Rp ：酸素ポンプの内部抵抗 rl ：リード線の抵抗 Ro ：Ipの検出抵抗 酸素ポンプ電流Ipの交流分を取り出し、整流し、ローパ
スフィルタで平滑化した平均値信号を水分信号として得
るとともに、酸素ポンプ電流IpからIpの交流分を引き算
した信号を酸素濃度信号として得、得られた水分信号お
よび酸素濃度信号から排ガス中の水分濃度および酸素濃
度を測定することを特徴とするものである。
１の設定電圧、 V2 ：排ガス中の水蒸気を電気分解するような第２
の設定電圧、 F(t) ：重畳する交流電圧、ただし−１≦Ｆ(t) ≦
１、 Ip ：酸素ポンプ電流 Rp ：酸素ポンプの内部抵抗 rl ：リード線の抵抗 Ro ：Ipの検出抵抗 酸素ポンプ電流Ipの交流分を取り出し、整流し、ローパ
スフィルタで平滑化した平均値信号を水分信号として得
るとともに、酸素ポンプ電流IpからIpの交流分を引き算
した信号を酸素濃度信号として得、得られた水分信号お
よび酸素濃度信号から排ガス中の水分濃度および酸素濃
度を測定することを特徴とするものである。
【０００６】
【作用】上述した構成において、排ガス中の水蒸気を電
気分解しないような第１の設定電圧V1に、所定の交流信
号を重畳させ、上記第１の設定電圧V1と排ガス中の水蒸
気を電気分解するような第２の設定電圧V2との間をVpが
繰り返し変化するようにしたため、従来方法における酸
素ポンプ電流の差をポンプ電流の交流分を整流しローパ
スフィルタで平滑した平均値として求めることができ、
その結果簡単な回路かつ１つの酸素ポンプで排ガス中の
水分濃度を測定することができる。
気分解しないような第１の設定電圧V1に、所定の交流信
号を重畳させ、上記第１の設定電圧V1と排ガス中の水蒸
気を電気分解するような第２の設定電圧V2との間をVpが
繰り返し変化するようにしたため、従来方法における酸
素ポンプ電流の差をポンプ電流の交流分を整流しローパ
スフィルタで平滑した平均値として求めることができ、
その結果簡単な回路かつ１つの酸素ポンプで排ガス中の
水分濃度を測定することができる。
【０００７】また、酸素濃度分は、所定の交流信号を重
畳させたポンプ電流を酸素濃度分＋水分濃度分として取
り出し、上述したようにして求めた水分濃度分を引き算
することにより酸素濃度分を得ることができる。このよ
うにして、本発明では、１個の酸素ポンプを構成するこ
とにより、排ガス中の水分濃度と酸素濃度とを簡単な回
路で測定することができる。
畳させたポンプ電流を酸素濃度分＋水分濃度分として取
り出し、上述したようにして求めた水分濃度分を引き算
することにより酸素濃度分を得ることができる。このよ
うにして、本発明では、１個の酸素ポンプを構成するこ
とにより、排ガス中の水分濃度と酸素濃度とを簡単な回
路で測定することができる。
【０００８】
【実施例】図１は本発明の排ガス中の水分濃度および酸
素濃度の測定方法を実施する装置の一例の構成を示すブ
ロック図である。図１において、信号発生回路２〜４に
おいてそれぞれ発生した信号 V1 ＋Ａ、Ａsin ωｔ、Ip
＊（Rp＋rl＋Ro）は加算器１において加算され印加電圧
Vpを得る。ここで、V1は限界電流に対応した基準酸素ポ
ンプ電圧、Ａは（V2−V1）／２、Ipは酸素ポンプに流れ
る電流、Rpは酸素ポンプの内部抵抗、rlはリード線の抵
抗、RoはIpの検出抵抗、Ａsin ωｔは重畳する交流電圧
であり、上述したようにV1は排ガス中の水蒸気を電気分
解しないような第１の設定電圧、V2はジルコニア磁器の
黒化を引き起こす電圧を越えない排ガス中の水蒸気を電
気分解するような第２の設定電圧で、さらに
素濃度の測定方法を実施する装置の一例の構成を示すブ
ロック図である。図１において、信号発生回路２〜４に
おいてそれぞれ発生した信号 V1 ＋Ａ、Ａsin ωｔ、Ip
＊（Rp＋rl＋Ro）は加算器１において加算され印加電圧
Vpを得る。ここで、V1は限界電流に対応した基準酸素ポ
ンプ電圧、Ａは（V2−V1）／２、Ipは酸素ポンプに流れ
る電流、Rpは酸素ポンプの内部抵抗、rlはリード線の抵
抗、RoはIpの検出抵抗、Ａsin ωｔは重畳する交流電圧
であり、上述したようにV1は排ガス中の水蒸気を電気分
解しないような第１の設定電圧、V2はジルコニア磁器の
黒化を引き起こす電圧を越えない排ガス中の水蒸気を電
気分解するような第２の設定電圧で、さらに
【数６】 Vp＝V1＋((V2−V1)/2)＊(1＋Ｆ(t))＋Ip＊(Rp ＋rl＋Ro) の関係にある。
【０００９】加算器１で加算された信号Vpは、抵抗５を
介して酸素ポンプ６に供給される。酸素ポンプ６の構造
は従来から公知の構造のものを使用することができ、例
えばジルコニア基板の表裏に電極を形成したものを使用
できる。酸素ポンプ電流Ipは一旦抵抗５の両端に発生す
る電圧として差動増幅器７に供給され、Ipの電圧信号と
して取り出される。取り出されたIpの電圧信号は信号入
力部９から供給されるVpと割算処理部８において(Rp ＋
rl＋Ro) はVp／Ipとして計算され、信号発生回路４へ供
給する。信号発生回路４へは酸素ポンプ電流Ipも供給さ
れ、所定の信号を発生している。
介して酸素ポンプ６に供給される。酸素ポンプ６の構造
は従来から公知の構造のものを使用することができ、例
えばジルコニア基板の表裏に電極を形成したものを使用
できる。酸素ポンプ電流Ipは一旦抵抗５の両端に発生す
る電圧として差動増幅器７に供給され、Ipの電圧信号と
して取り出される。取り出されたIpの電圧信号は信号入
力部９から供給されるVpと割算処理部８において(Rp ＋
rl＋Ro) はVp／Ipとして計算され、信号発生回路４へ供
給する。信号発生回路４へは酸素ポンプ電流Ipも供給さ
れ、所定の信号を発生している。
【００１０】酸素ポンプ電流Ipは、キャパシタ11および
抵抗12からなるAC分離回路により、重畳した交流分を取
り出される。そして、取り出された酸素ポンプ電流Ipの
交流分は、整流器13において整流され、ローパスフィル
タ14において平滑した平均値信号とされる。最後に、平
均値信号はH2O 出力変換器15において所望の出力形式の
データに変換され、水分濃度として出力される。これと
同時に、酸素ポンプ電流Ipは、前記AC分離回路により取
り出された交流分を減算器17において先の水分濃度分を
引いた後、ローパスフィルタ16で平滑化され酸素濃度分
として取り出され、O2出力変換器18において所望の出力
形式のデータに変換され、酸素濃度として出力される。
抵抗12からなるAC分離回路により、重畳した交流分を取
り出される。そして、取り出された酸素ポンプ電流Ipの
交流分は、整流器13において整流され、ローパスフィル
タ14において平滑した平均値信号とされる。最後に、平
均値信号はH2O 出力変換器15において所望の出力形式の
データに変換され、水分濃度として出力される。これと
同時に、酸素ポンプ電流Ipは、前記AC分離回路により取
り出された交流分を減算器17において先の水分濃度分を
引いた後、ローパスフィルタ16で平滑化され酸素濃度分
として取り出され、O2出力変換器18において所望の出力
形式のデータに変換され、酸素濃度として出力される。
【００１１】上述した構成の装置においては、長時間ジ
ルコニア酸素ポンプ６を使用すると、H2O の電気分解に
よりＨ+ イオンが電極にチャージされるため、定期的に
出力信号をホールドしてV1≦０として交流信号の重畳分
で酸素ポンプ６の電極にチャージしたＨ+ イオンをディ
スチャージすることが好ましい。その後、交流信号をof
f して、酸素ポンプ６の印加電圧をキャパシタ20、及び
抵抗19からなるランプ信号回路からのランプ信号で徐々
に増加させ、このときのIpを計測してRp＋rl＋Ro＝Vp／
Ipを演算で求め、ほぼ一定の値が継続する期間のVp／Ip
をジルコニア酸素ポンプ６の内部抵抗およびリード線の
抵抗、Ipの検出抵抗の和とすることが好ましい。
ルコニア酸素ポンプ６を使用すると、H2O の電気分解に
よりＨ+ イオンが電極にチャージされるため、定期的に
出力信号をホールドしてV1≦０として交流信号の重畳分
で酸素ポンプ６の電極にチャージしたＨ+ イオンをディ
スチャージすることが好ましい。その後、交流信号をof
f して、酸素ポンプ６の印加電圧をキャパシタ20、及び
抵抗19からなるランプ信号回路からのランプ信号で徐々
に増加させ、このときのIpを計測してRp＋rl＋Ro＝Vp／
Ipを演算で求め、ほぼ一定の値が継続する期間のVp／Ip
をジルコニア酸素ポンプ６の内部抵抗およびリード線の
抵抗、Ipの検出抵抗の和とすることが好ましい。
【００１２】また、酸素ポンプ電流より排ガス中の酸素
濃度を求め、予め酸素ポンプ６のギャップ側の酸素濃度
を0.002 ppm として、ネルンストの酸素濃淡電池の発生
起電力EMF をEMF ＝(RT ／nF）Log(O2／0.002)から求
め、このEMF をジルコニア酸素ポンプ６に供給する基準
限界電圧V1とすることが好ましい。なお、V1は大気エア
で換算して500 〜700 ｍＶが好ましい。
濃度を求め、予め酸素ポンプ６のギャップ側の酸素濃度
を0.002 ppm として、ネルンストの酸素濃淡電池の発生
起電力EMF をEMF ＝(RT ／nF）Log(O2／0.002)から求
め、このEMF をジルコニア酸素ポンプ６に供給する基準
限界電圧V1とすることが好ましい。なお、V1は大気エア
で換算して500 〜700 ｍＶが好ましい。
【００１３】さらに、重畳する交流電圧をＦ(t) とし
て、一定の周期で同一の波形が繰り返えされ、かつ−１
≦Ｆ（ｔ）≦１を満たす電圧であれば何でも使用するこ
とができ、例えば三角波、ノコギリ波等を使用すること
ができる。なお、V1＋Ａ（１＋Ｆ(t))の電圧は、酸素ポ
ンプ６のジルコニア磁器の黒化を引き起こす電圧を越え
ない電圧とすることが好ましい。
て、一定の周期で同一の波形が繰り返えされ、かつ−１
≦Ｆ（ｔ）≦１を満たす電圧であれば何でも使用するこ
とができ、例えば三角波、ノコギリ波等を使用すること
ができる。なお、V1＋Ａ（１＋Ｆ(t))の電圧は、酸素ポ
ンプ６のジルコニア磁器の黒化を引き起こす電圧を越え
ない電圧とすることが好ましい。
【００１４】図２は本発明における交流電圧を重畳する
際の状態を説明するためのグラフである。図２におい
て、Ｘ軸は設定電圧Vpを、Ｙ軸は酸素ポンプ電流Ipを示
しており、Ioを基準にIoより酸素ポンプ電流が小さい領
域が酸素ガス領域を、Ioより酸素ポンプ電流が大きい領
域が水蒸気を含む水蒸気領域をそれぞれ示している。な
お、ここでは、理解を簡単にするため、実際に印加する
電圧からIp*(Rp＋rl＋Ro) を除いて表示している。ここ
で、図２に示すように、水蒸気を電気分解しないような
第１の設定電圧V1を酸素ガス領域にとり、水蒸気を電気
分解するような第２の設定電圧V2を水蒸気領域にとる
と、交流電圧Ｆ(t) を重畳したVpはV1とV2との間を繰り
返すこととなる。この状態のIpの変化は図２に示すよう
になり、斜線で囲んだ交流分１周期を整流しローパスフ
ィルタを通過させて平均値をとれば、従来のΔIp＝（Ip
2 −Ip1 ）に対応した値を得ることができる。
際の状態を説明するためのグラフである。図２におい
て、Ｘ軸は設定電圧Vpを、Ｙ軸は酸素ポンプ電流Ipを示
しており、Ioを基準にIoより酸素ポンプ電流が小さい領
域が酸素ガス領域を、Ioより酸素ポンプ電流が大きい領
域が水蒸気を含む水蒸気領域をそれぞれ示している。な
お、ここでは、理解を簡単にするため、実際に印加する
電圧からIp*(Rp＋rl＋Ro) を除いて表示している。ここ
で、図２に示すように、水蒸気を電気分解しないような
第１の設定電圧V1を酸素ガス領域にとり、水蒸気を電気
分解するような第２の設定電圧V2を水蒸気領域にとる
と、交流電圧Ｆ(t) を重畳したVpはV1とV2との間を繰り
返すこととなる。この状態のIpの変化は図２に示すよう
になり、斜線で囲んだ交流分１周期を整流しローパスフ
ィルタを通過させて平均値をとれば、従来のΔIp＝（Ip
2 −Ip1 ）に対応した値を得ることができる。
【００１５】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、酸素ポンプに印加する電圧として交流分を含
む所定の電圧を使用しているため、ジルコニア酸素ポン
プ１個で排ガス中の酸素濃度と水分濃度とを測定するこ
とができる。また、長時間使用してもジルコニア酸素ポ
ンプの劣化が少なく、水分濃度の測定精度を高く維持す
ることができる。さらに、好ましい実施例においては、
ジルコニア酸素ポンプの電極界面の抵抗増加に対して定
期的に抵抗補正をすることができる。
によれば、酸素ポンプに印加する電圧として交流分を含
む所定の電圧を使用しているため、ジルコニア酸素ポン
プ１個で排ガス中の酸素濃度と水分濃度とを測定するこ
とができる。また、長時間使用してもジルコニア酸素ポ
ンプの劣化が少なく、水分濃度の測定精度を高く維持す
ることができる。さらに、好ましい実施例においては、
ジルコニア酸素ポンプの電極界面の抵抗増加に対して定
期的に抵抗補正をすることができる。
【図１】本発明の排ガス中の水分濃度および酸素濃度の
測定方法を実施する装置の一例の構造を示すブロック図
である。
測定方法を実施する装置の一例の構造を示すブロック図
である。
【図２】本発明における交流電圧を重畳する際の状態を
説明するためのグラフである。
説明するためのグラフである。
１ 加算器 ２〜４ 信号発生器 ５, 12, 19 抵抗 ６ 酸素ポンプ ７ 差動増巾器 ８ 割算処理部 ９ 信号入力部 11, 20 キャパシタ 13 整流器 14, 16 ローパスフィルタ 15 H2O 出力変換器 17 減算器 18 O2出力変換器
Claims (5)
- 【請求項１】 酸素ポンプに以下の式で示される電圧Vp
を印加し、 【数１】 Vp＝V1＋((V2−V1)/2)＊(1＋Ｆ(t))＋Ip＊(Rp ＋rl＋Ro) ここで、 V1 ：排ガス中の水蒸気を電気分解しないような第
１の設定電圧、 V2 ：排ガス中の水蒸気を電気分解するような第２
の設定電圧、 F(t) ：重畳する交流電圧、ただし−１≦Ｆ(t) ≦
１、 Ip ：酸素ポンプ電流 Rp ：酸素ポンプの内部抵抗 rl ：リード線の抵抗 Ro ：Ipの検出抵抗 酸素ポンプ電流Ipの交流分を取り出し、整流し、ローパ
スフィルタで平滑化した平均値信号を水分信号として得
るとともに、酸素ポンプ電流IpからIpの交流分を引き算
した信号を酸素濃度信号として得、得られた水分信号お
よび酸素濃度信号から排ガス中の水分濃度および酸素濃
度を測定することを特徴とする排ガス中の水分濃度およ
び酸素濃度の測定方法。 - 【請求項２】 前記交流電圧Ｆ(t) がsin （ωｔ）であ
る請求項１記載の排ガス中の水分濃度および酸素濃度の
測定方法。 - 【請求項３】 酸素ポンプ電流より排ガス中の酸素濃度
を求め、予め酸素ポンプのギャップの濃度を0.002 ppm
として、ネルンストの酸素濃淡電池の発生起電力EMF を 【数２】EMF ＝(RT/nF) ×LOG(O2／0.002 ） として、 【数３】V1＝EMF と限界電流に対応した基準酸素ポンプ電圧を作ることを
特徴とする請求項１記載の排ガス中の水分濃度および酸
素濃度の測定方法。 - 【請求項４】 【数４】V1＋((V2−V1)/2)＊(1＋Ｆ(t)) がジルコニア磁器の黒化を引き起こす電圧を越えない電
圧とする請求項１記載の排ガス中の水分濃度および酸素
濃度の測定方法。 - 【請求項５】 定期的に出力信号をホールドして、V1≦
０にセットして、酸素ポンプの電極にチャージしたＨ＋
イオンを交流信号によりディスチャージし、交流信号を
off して、徐々にVpを増加しながらIpを計測して、Rp＋
rl＋Ro＝Vp／IpとしてRp＋rl＋Roの値が近似的に一定と
なる範囲の値となるRp＋rl＋Roを求めることを特徴とす
る請求項１記載の排ガス中の水分濃度および酸素濃度の
測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29893792A JP3162836B2 (ja) | 1992-11-09 | 1992-11-09 | 排ガス中の水分濃度および酸素濃度の測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29893792A JP3162836B2 (ja) | 1992-11-09 | 1992-11-09 | 排ガス中の水分濃度および酸素濃度の測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06148130A JPH06148130A (ja) | 1994-05-27 |
| JP3162836B2 true JP3162836B2 (ja) | 2001-05-08 |
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ID=17866122
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29893792A Expired - Fee Related JP3162836B2 (ja) | 1992-11-09 | 1992-11-09 | 排ガス中の水分濃度および酸素濃度の測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3162836B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102016207516B4 (de) | 2016-05-02 | 2021-10-28 | Vitesco Technologies GmbH | Verfahren zur Alterungsbestimmung einer zur Ermittlung einer Gaskonzentration eines Gasgemischs ausgebildeten Sonde einer Brennkraftmaschine |
| JP6805072B2 (ja) * | 2017-05-08 | 2020-12-23 | 日本特殊陶業株式会社 | ガス濃度検出装置 |
-
1992
- 1992-11-09 JP JP29893792A patent/JP3162836B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH06148130A (ja) | 1994-05-27 |
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