JP3540701B2 - 酸素濃度測定装置及びそれを適用したプラント - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素濃度測定装置に係り、更に詳しくは、少なくとも鉛を含有した鉛系金属に含まれる酸素濃度をオンラインで測定する酸素濃度測定装置及びそれを適用したプラントに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
少なくとも鉛を含有した鉛系金属の循環ループや、鉛系金属を取扱うプラント等の設計及び製作を行なう場合、鉛系金属によって配管などの構造材（例えばステンレス綱、クロム・モリブデン合金等）が腐食される。この腐食の速度は、鉛系金属中のある酸素濃度において、著しく速くなる場合がある。
【０００３】
このように、鉛系金属中の酸素濃度は、腐食の進行に影響を与える重要な指標であるために、従来は、鉛系金属を定期的にサンプリングし、サンプリングした試料から、化学的方法等を用いた酸素濃度測定装置により鉛系金属中の酸素濃度を測定している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の酸素濃度測定装置では、以下のような問題がある。
【０００５】
すなわち、従来の酸素濃度測定装置は、循環ループやプラント等から鉛系金属を一旦サンプリングし、サンプリングした試料に含まれる酸素濃度を測定する、いわゆるオフライン測定であった。このため、サンプリング作業自体に手間を要するのみならず、測定結果を取得するまでに時間がかかるために、その間の腐食の進行を阻止することができないという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、鉛系金属中に溶存する酸素濃度をオンラインで連続的に測定し、もって、鉛系金属中の酸素濃度をリアルタイムで把握することにより、必要な場合には迅速なる腐食防止対策を講じることが可能な酸素濃度測定装置を提供することにある。
【０００７】
また、第２の目的は、このような酸素濃度測定装置を適用することによって、腐食の影響を低減し、もって、配管や機器等の耐用年数を延ばすことが可能なプラントを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。
【０００９】
すなわち、請求項１の発明は、中空形状の固体電解質センサと、流路側電極および酸素ガス側電極とからなる一対の電極と、温度測定手段と、電位差測定手段と、酸素濃度演算手段とを備えている。固体電解質式センサは、内部に予め定めた圧力で比較基準となる酸素ガスを充填すると共に、外部に被検流体を流通させる流路を備え、流路内を流通する被検流体に含まれる酸素ガスの圧力と比較基準となる酸素ガスの圧力との差に応じて酸素ガス側と流路側との間に電位差を発生させる。流路側電極は、固体電解質式センサの流路側に設けられ、多孔質構造からなる。酸素ガス側電極は、固体電解質式センサの酸素ガス側に設けられ、多孔質構造からなる。温度測定手段は、固体電解質式センサの温度を測定する。電位差測定手段は、流路側電極と酸素ガス側電極との間の電位差を測定することによって固体電解質式センサによって発生された電位差を取得する。酸素濃度演算手段は、電位差測定手段によって取得された電位差と、温度測定手段によって測定された温度と、比較基準となる酸素ガスの圧力とに基づいて、被検流体に含まれる酸素ガスの濃度を演算する。
【００１０】
従って、請求項１の発明の酸素濃度測定装置においては、以上のような手段を講じることにより、被検流体に含まれる酸素ガスの圧力と比較基準となる酸素ガスの圧力との差に応じて固体電解質式センサに発生した電位差を取得し、更に、この電位差と、固体電解質式センサの温度と、比較基準となる酸素ガスの圧力とに基づいて被検流体に含まれる酸素濃度を把握することが可能となる。
【００１１】
請求項２の発明では、請求項１の発明の酸素濃度測定装置において、被検流体を、少なくとも鉛を含有した鉛系金属とする。
【００１２】
従って、請求項２の発明の酸素濃度測定装置においては、以上のような手段を講じることにより、特に鉛系金属に含まれる酸素ガスの圧力と比較基準となる酸素ガスの圧力との差に応じた起電力を得ることができ、更にこの起電力から、鉛系金属に含まれる酸素濃度を把握することが可能となる。
【００１３】
請求項３の発明では、請求項１の発明の酸素濃度測定装置において、少なくとも鉛を含有した鉛系金属をその内部に流通させる配管に備えられ、流路によって配管の一部を形成するようにするとともに、固体電解質式センサは、酸素ガス側と流路側との間の電位差を連続的に発生させる。
【００１４】
従って、請求項３の発明の酸素濃度測定装置においては、以上のような手段を講じることにより、配管内を流通する鉛系金属に含まれる酸素ガスの圧力と比較基準となる酸素ガスの圧力との差に応じて固体電解質式センサに発生した電位差を連続的に取得することができる。したがって、取得した電位差を用いることにより、被検流体に含まれる酸素濃度を連続的に把握することが可能となる。
【００１５】
請求項４の発明では、請求項１乃至３のうちいずれか１項の発明の酸素濃度測定装置を適用する。
【００１６】
従って、請求項４の発明のプラントにおいては、以上のような手段を講じることにより、配管等を流通する鉛系金属に含まれる酸素濃度をリアルタイムで把握することができる。
【００１７】
その結果、必要な場合には迅速なる腐食防止対策を講じることが可能なプラントを実現することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図１を用いて説明する。
【００２０】
図１は、第１の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の全体構成の一例を示す断面図である。
【００２１】
すなわち、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置は、固体電解質式センサ１と、一対の電極２と、レファレンスガス充填部３と、レファレンスガス側電極リード線４と、鉛系金属側電極リード線５と、起電力測定器６と、レファレンスガス注入装置８と、レファレンスガス注入ノズル１０と、熱電対１２と、温度測定器１４と、センサホルダ１５と、取付け座１６と、蓋１７と、封着用セラミックス１８と、取付けボルト２０とを備えており、循環ループやプラント等の鉛系金属配管２２の一部に直接挿入されることにより設置され、鉛系金属配管２２内を流通する鉛系金属中に溶存する酸素濃度を取得する機能を備えている。
【００２２】
この機能は、予め定めた圧力で、比較基準となる酸素ガスが充填されたレファレンスガス充填部３を備え、レファレンスガス充填部３に充填された酸素ガスと、鉛系金属中に含まれる酸素ガスの圧力との差に応じた起電力を発生する固体電解質式センサ１と、その起電力を測定し、測定された起電力から鉛系金属中に溶存する酸素濃度を算出する起電力測定器６によって実現される。
【００２３】
固体電解質式センサ１は、その内部に、後述するレファレンスガス注入装置８により予め定めた圧力で酸素ガスが注入されたレファレンスガス充填部３を備えている。また、固体電解質式センサ１の下端部は、多孔質構造を有する電極２でコーティングしている。そして、図中の矢印に示すとおり、鉛系金属配管２２内を流通する鉛系金属が、固体電解式センサ１の外部と接触する。
【００２４】
固体電解質式センサ１の材質は、ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）を主成分とし、第２成分としてＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＣａＯ（酸化カルシウム）、Ｙ_２Ｏ_３（酸化イットリウム）等を添加したものとする。
【００２５】
固体電解質式センサ１は、鉛系金属配管２２から導入された鉛系金属に含まれる酸素ガスの圧力と、固体電解質式センサ１の内部のレファレンスガス充填部３に充填された酸素ガスの圧力との差に応じて、固体電解質式センサ１を隔壁とした濃淡電池を形成し、下記に示すネルンストの原理に従って、起電力を発生させる。
【００２６】
ネルンストの原理は、以下に示す式（１）で表される。
Ｅ＝（Ｒ×Ｔ）／（４×Ｆ）×ｌｎ（Ｐ（基準）／Ｐ）…（１）
ここで、Ｅ：起電力（Ｖ）、Ｒ：ガス定数、Ｔ：絶対温度（Ｋ）、Ｆ：ファラデー定数（Ｃ／ｍｏｌ）、Ｐ（基準）：レファレンスガスの酸素ガス分圧（ａｔｍ）、Ｐ：鉛系金属に含まれる酸素ガス分圧（ａｔｍ）。
【００２７】
一対の電極２は、それぞれ固体電解質式センサ１のレファレンスガス充填部３および鉛系金属配管２２側とに接続しており、上述したネルンストの原理に従って固体電解質式センサ１により発生した起電力に応じた電位が、レファレンスガス充填部３側と鉛系金属配管２２側との電極２にそれぞれ生じる。一対の電極２には、レファレンスガス充填部３側にレファレンスガス側電極リード線４を、鉛系金属配管２２側に鉛系金属側電極リード線５をそれぞれ接続している。
【００２８】
レファレンスガス充填部３は、後述するレファレンスガス注入装置８により注入された酸素ガスをリファレンスガスとして保持する。
【００２９】
レファレンスガス側電極リード線４は、固体電解質式センサ１の内部にあるレファレンスガス充填部３側の電極２と、後述する起電力測定器６とを接続している。また、鉛系金属側電極リード線５は、鉛系金属配管２２側の電極２と、後述する起電力測定器６とを接続している。
【００３０】
起電力測定器６は、レファレンスガス側電極リード線４と鉛系金属側電極リード線５とを介して、固体電解質式センサ１のレファレンスガス充填部３側の電位と鉛系金属配管２２側の電位とをそれぞれ取得し、それらの電位差を起電力として取得する。そして、このように取得された起電力と、後述する温度測定器１４によって測定された固体電解質式センサ１の温度の値とから、上述した（１）式に基づいて、鉛系金属に含まれている酸素ガス分圧Ｐを算出する。更に、この圧力Ｐを濃度に換算することによって、鉛系金属に含まれる酸素濃度を演算する。
【００３１】
レファレンスガス注入装置８は、後述するレファレンスガス注入ノズル１０を介して、予め定めた圧力で、レファレンスガス充填部３に、レファレンスガスである酸素ガスを注入する。
【００３２】
レファレンスガス注入ノズル１０は、レファレンスガス注入装置８から注入されるレファレンスガスである酸素ガスをレファレンスガス充填部３に導入するためのノズルである。
【００３３】
熱電対１２は、固体電解質式センサ１の内側に接触するように設けられ、固体電解質式センサ１の温度に応じて電位を発生し、その電位を後述する温度測定器１４に出力する。
【００３４】
温度測定器１４は、熱電対１２から出力された電位を演算して、固体電解質式センサ１の温度を取得する。
【００３５】
センサホルダ１５は、鉛系金属配管２２の一部に設けられた取付け座１６（後述する）に装着された固体電解質式センサ１の周りを囲むように設けたメッシュ状の部材であり、固体電解質式センサ１を保護するとともに、鉛系金属配管２２内を流通する鉛系金属を固体電解質式センサ１の外側に接触可能としている。
【００３６】
取付け座１６は、鉛系金属配管２２の一部に設けられ、固体電解質式センサ１を挿入し取付けるための開口部である。
【００３７】
蓋１７は、取付け座１６の上部開口部を塞ぐためのものであり、蓋１７の下面と固体電解質式センサ１の上端部とが接続されるようにしており、固体電解質式センサ１と一体化した構成としている。これによって、蓋１７で取付け座１６の上部開口部を塞ぐことによって、固体電解質式センサ１が取付け座１６に装着されるようにしている。なお、蓋１７には熱電対１２、レファレンスガス注入ノズル１０、レファレンスガス側電極リード線４、鉛系金属側電極リード線５のための貫通孔を適宜設けた構成としている。
【００３８】
封着用セラミックス１８は、固体電解質式センサ１を蓋１７に固定するために固体電解質式センサ１の上部外周に設け、蓋１７に固設した固定材であり、これにより、固体電解質式センサ１が、鉛系金属の流れにより生じる流体応力を受けても振動しないようにしている。
【００３９】
取付けボルト２０は、蓋１７を取付け座１６に固定する。
【００４０】
このように、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置は、鉛系金属配管２２に設けられ、鉛系金属配管２２内を流通する鉛系金属を直接的かつ連続的に固体電解質式センサ１の外部に接触させる構成としている。
【００４１】
次に、以上のように構成した本実施の形態に係る酸素濃度測定装置の作用について説明する。
【００４２】
鉛系金属配管２２の一部に備えられた取付け座１６に挿入されることによって、鉛系金属配管２２に直接設けられた本実施の形態に係る酸素濃度測定装置は、固体電解質式センサ１の外表面が、鉛系金属配管２２内を流通する鉛系金属によって接触される。
【００４３】
一方、固体電解質式センサ１の内部のレファレンスガス充填部３には、レファレンスガス注入装置８によって、所定の圧力で注入されたレファレンスガスである酸素ガスが充填されている。
【００４４】
鉛系金属が固体電解質式センサ１の外側に接触したときに、固体電解質式センサ１では、レファレンスガス充填部３に充填されている酸素ガスの圧力と、鉛系金属に含まれる酸素ガスの圧力との差に応じて、ネルンストの原理に基づいて一対の電極２に起電力が発生し、レファレンスガス側電極リード線４と鉛系金属側電極リード線５を介して起電力測定器６によって起電力が計測される。
【００４５】
一方、熱電対１２によって固体電解質式センサ１の温度に応じた電位が温度測定器１４に出力され、更に温度測定器１４では、出力された電位から、固体電解質式センサ１の温度に換算される。
【００４６】
上述したようにして測定された起電力と、固体電解質式センサ１の温度の値とから、上述した（１）式を用いて、鉛系金属に含まれる酸素ガス分圧Ｐが算出される。更に、この圧力Ｐが濃度に換算することによって、鉛系金属に含まれる酸素濃度が算出される。
【００４７】
すなわち、鉛系金属の流れに応じて得られる起電力を常時測定することによって、鉛系金属に含まれる酸素濃度が連続的に算出される。
【００４８】
上述したように、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置においては、上記のような作用により、鉛系金属中の酸素濃度を直接的かつ連続的に取得することができる。
【００４９】
その結果、鉛系金属中の酸素濃度をリアルタイムで把握することが可能な酸素濃度測定装置を実現することが可能となる。
【００５０】
鉛系金属中の酸素濃度は、配管等の腐食の進行速度に大きな影響を与える指標であることから、このように鉛系金属中の酸素濃度をリアルタイムで把握することが可能な酸素濃度測定装置を適用することによって、腐食の進行速度が速い酸素濃度に至った場合など必要な場合には、迅速なる腐食防止対策を講じることが可能となる。
【００５１】
また、このような酸素濃度測定装置を適用することによって、腐食の影響を低減し、配管や機器等の耐用年数を延ばすことができるプラントを実現することが可能となる。
【００５２】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態を図２を用いて説明する。
【００５３】
図２は、第２の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の全体構成の一例を示す断面図である。
【００５４】
第２の実施の形態に係る酸素濃度測定装置は、第１の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の鉛系金属側電極リード線５を省略し、鉛系金属側電極２４と、鉛系金属側電極リード線２６とを付加した構成としており、更に、取付け座１６を導電体で形成している。その他の構成は第１の実施の形態と同一である。
【００５５】
よって、ここでは、第１の実施の形態と同一の部分については、図２において図１中の符号と同一符号で示すとともにその説明を省略し、以下に異なる部分についてのみ述べる。
【００５６】
鉛系金属側電極２４は、片端が取付け座１６と、他端が鉛系金属側電極リード線２６とそれぞれ電気的に接続している。
【００５７】
鉛系金属側電極リード線２６は、鉛系金属側電極２４と起電力測定器６とを電気的に接続しており、鉛系金属側電極２４の電位を起電力測定器６に出力する。
【００５８】
次に、以上のように構成した本実施の形態に係る酸素濃度測定装置の作用について説明する。
【００５９】
本実施の形態において、鉛系金属側電極２４における電位は、固体電解質式センサ１の鉛系金属配管２２側の電位と等しくなる。更に、鉛系金属側電極２４における電位が、鉛系金属側電極リード線２６を介して起電力測定器６に出力される。
【００６０】
一方、起電力測定器６には、レファレンスガス側電極リード線４を介して、レファレンスガス充填部３側の電位も出力され、レファレンスガス充填部３側の電位と鉛系金属側電極２４における電位とから電位差、すなわち、固体電解質式センサ１に発生した起電力が算出される。
【００６１】
このように算出された起電力から、第１の実施の形態で説明したものと同様の方法で、鉛系金属に含まれる酸素ガスの濃度が算出される。
【００６２】
よって、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００６３】
なお、第２の実施の形態において、一対の電極２の鉛金属側を削除しても第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００６４】
以上、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、鉛系金属中に溶存する酸素濃度をオンラインで連続的に測定することができる。
【００６６】
以上により、鉛系金属中の酸素濃度をリアルタイムで把握するとともに、必要な場合には迅速なる腐食防止対策を講じることが可能な酸素濃度測定装置を実現することができる。また、このような酸素濃度測定装置を適用することによって、腐食の影響を低減し、もって、配管や機器等の耐用年数を延ばすことが可能なプラントを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の全体構成の一例を示す断面図。
【図２】第２の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の全体構成の一例を示す断面図。
【符号の説明】
１…固体電解質式センサ、
２…電極、
３…レファレンスガス充填部、
４…レファレンスガス側電極リード線、
５…鉛系金属側電極リード線、
６…起電力測定器、
８…レファレンスガス注入装置、
１０…レファレンスガス注入ノズル、
１２…熱電対、
１４…温度測定器、
１５…センサホルダ、
１６…取付け座、
１７…蓋、
１８…封着用セラミックス、
２０…ボルト、
２２…鉛系金属配管、
２４…鉛系金属側電極、
２６…鉛系金属側電極リード線。

Claims (4)

1. 内部に予め定めた圧力で比較基準となる酸素ガスを充填すると共に、外部に被検流体を流通させる流路を備え、前記流路内を流通する被検流体に含まれる酸素ガスの圧力と前記比較基準となる酸素ガスの圧力との差に応じて前記酸素ガス側と前記流路側との間に電位差を発生させる中空形状の固体電解質式センサと、
   前記固体電解質式センサの流路側に設けられ、多孔質構造からなる流路側電極と、
   前記固体電解質式センサの酸素ガス側に設けられ、多孔質構造からなる酸素ガス側電極と、
   前記固体電解質式センサの温度を測定する温度測定手段と、
   前記流路側電極と前記酸素ガス側電極との間の電位差を測定することによって前記固体電解質式センサによって発生された電位差を取得する電位差測定手段と、
   前記電位差測定手段によって取得された電位差と、前記温度測定手段によって測定された温度と、前記比較基準となる酸素ガスの圧力とに基づいて、前記被検流体に含まれる酸素ガスの濃度を演算する酸素濃度演算手段と
   を備えたことを特徴とする酸素濃度測定装置。
2. 請求項１に記載の酸素濃度測定装置において、
   前記被検流体を、少なくとも鉛を含有した鉛系金属としたことを特徴とする酸素濃度測定装置。
3. 請求項１に記載の酸素濃度測定装置において、
   少なくとも鉛を含有した鉛系金属をその内部に流通させる配管に備えられ、前記流路によって前記配管の一部を形成するようにするとともに、前記固体電解質式センサは、前記酸素ガス側と前記流路側との間の電位差を連続的に発生させるようにしたことを特徴とする酸素濃度測定装置。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の酸素濃度測定装置を適用したことを特徴とするプラント。

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