JP3633745B2

JP3633745B2 - センサ装置

Info

Publication number: JP3633745B2
Application number: JP08590797A
Authority: JP
Inventors: 貴司宇佐見; 克彦堀井; 秀明八木
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2017-03-18
Also published as: JPH10260155A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、センサ装置に関し、特に、酸素濃度、湿度等をヒータを内蔵するガスセンサにて測定すると共に、該ガスセンサを温度補正するための温度測定用の温度センサを備えるセンサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術に係るガス濃度及び温度を測定する測定装置について、図７（Ａ）を参照して説明する。ガスセンサ１２０と温度センサ１３０とは、絶縁性のセンサ台座１４０に配置され、該センサ台座１４０は、金属パイプ１１４の先端に配設された接続金具１１６に取り付けられている。また、該測定装置には、ガスセンサ１２０と温度センサ１３０との防塵用のカバー１５０が配設されている。かかる構成においては、ガス濃度と温度とが一台の測定装置にて測定することができる。
【０００３】
現在、酸素濃度の測定等、例えば、工場等におけるガスボイラの排気ガス中の酸素濃度を測定し、空燃比を制御する場合、或いは、高温下で湿度を測定する場合、パン工場で加熱釜中の湿度を調整する場合等に、ジルコニア等の固体電解質センサが用いられている。かかる固体電解質のセンサは、高温下の活性状態においてのみ測定が可能であるため、ヒータ等の加熱装置を付加し５００°Ｃ〜８００°Ｃ程度の設定温度まで加熱して用いている。また、固体電解質のセンサは、被測定雰囲気の温度により出力値が偏位するため、正確に測定を行うためには、該雰囲気の温度を測定して温度補正を行う必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記加熱の必要なガスセンサと、該ガスセンサにて測定した値を温度補正するための温度測定用のセンサとを図７（Ａ）に示すように一台のセンサ装置に取り付けたとすると、加熱されたガスセンサからの熱的影響を受けて、温度センサが適切に周囲雰囲気の温度を測定できなくなる。このため、本発明者は、図７（Ｂ）に示すようにガスセンサ２２０と温度センサ１３０とを距離的に離して配置することを案出した。しかしながら、このようにしてガスセンサ２２０及び温度センサ１３０を配置すると、センサ装置が大型化するという課題が発生する。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、加熱式のガスセンサと温度センサとを同時に収容し得るコンパクトな構成のセンサ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、請求項１のセンサ装置では、
加熱用のヒータを内蔵するガス濃度又は湿度の少なくとも一方を測定する測定素子と、前記測定素子を温度補正するための温度検出素子と、
前記測定素子と前記温度検出素子とを保持する保持部材と、
前記保持部材を被測定雰囲気中に延在させて支持する支持部材と、を有するセンサ装置であって、
前記保持部材が、前記測定素子と前記温度検出素子とを、前記支持部材による支持方向とほぼ平行であって、且つ、所定距離離間させて保持すること技術的特徴とする。
【０００７】
また、請求項２のセンサ装置では、請求項１において、前記測定素子と前記温度検出素子との離間距離は、５０ｍｍ以上であることを技術的特徴とする。
【０００８】
また、請求項３のセンサ装置では、請求項１又は２において、前記保持部材は、筒状に形成され、前記温度検出素子を内部に保持していることを技術的特徴とする。
【０００９】
請求項１の発明では、保持部材が測定素子と温度検出素子とを保持しているため、測定素子と温度検出素子との交換が容易である。また、測定素子と温度検出素子が所定距離離間されているため、ヒータにて加熱された測定素子の温度の影響を温度検出素子が受けることがない。更に、保持部材が、測定素子と温度検出素子とを保持部材の支持方向とほぼ平行に保持しているため、測定素子と温度検出素子と離間して配置しても、センサ装置の幅が広がることがない。ここで、保持部材は、絶縁部材等を介して測定素子と温度検出素子を保持することも、また、測定素子と温度検出素子を直接保持することもできる。更に、保持部材は、複数の部材から構成されていてもよい。
【００１０】
請求項２の発明では、測定素子と温度検出素子とが５０ｍｍ以上離されているため、ヒータにて加熱される測定素子の温度の影響として温度検出素子が受ける値が１°Ｃ以下となり、温度検出素子が正確に雰囲気温度を測定できる。
【００１１】
請求項３の発明では、筒状の保持部材が温度検出素子を内部に保持しており、外部雰囲気に晒されることがないため、温度検出素子に故障が発生し難い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセンサ装置について図を参照して説明する。
図１は本実施形態のセンサ装置を示す図であり、図中で一点鎖線の左側を切り欠いて示している。本実施態様のセンサ装置１０は、支持部材であるプローブパイプ１４の先端にセンサユニット１２が取り付けられ、後端に配線ケース５２が取り付けられて成る。該プローブパイプ１４としては、直径２５ｍｍで長さ１００〜１０００ｍｍのステンレスパイプを用いている。該センサユニット１２側の周囲には、ステンレスを焼結させてなる多孔質の防塵用プロテクタ５０が取り付けられ、センサユニット１２の先端に取り付けられているガスセンサ２０の保護が図られている。
【００１３】
センサ装置１０は、排気ダクト内の酸素濃度及び湿度を検出するため、該排気ダクトの壁面６０に設けられた通孔６０ａに該プローブパイプ１４を挿通し、排気ダクト内部にセンサユニット１２を延在させ、他方、排気ダクト外部側に配線ケース５２が位置するように配設されている。該センサユニット１２からの後述するリード線は、該プローブパイプ１４内を通って、配線ケース５２側まで引き込まれる。
【００１４】
図１中にサイクルＣで示すセンサユニット１２を拡大して図２に示し、また、該プローブパイプ１４から該センサユニット１２を外した状態を図３に、更に、図３に示すセンサユニット１２の縦断面を図４に示す。
図３に示すように、センサユニット１２は、先端部に酸素濃度及び湿度を同時に検出する測定素子であるガスセンサ２０が、セラミック等の絶縁体から成るガスセンサ台座４０を介して保持部材である筒状のセンサ取り付け金具４２に取り付けられている。該センサ取り付け金具４２は、ステンレスから成り上端にボルト部４２ｂが、ボルト部４２ｂの下方にはネジ山４２ａが形成されている。
【００１５】
図４に示すように、センサユニットとして、該センサ取り付け金具４２の内部には、セラミック等の絶縁体から成る温度センサ台座４６を介して温度測定素子である温度センサ１８が取り付けられている。該温度センサは、検出精度の高い白金側温抵抗体から成る。図中でＤとして示すガスセンサ２０から温度センサ１８までの距離は、約６５ｍｍに設定され、加熱されたガスセンサ２０からの熱的影響を温度センサ１８が受けないように構成されている。ガスセンサ２０からのリード線は、温度センサ台座４６を介して外部へ引き出されている。同様に温度センサ１８からのリード線も該温度センサ台座４６を介して引き出されている。このリード線は、図１を参照して上述したようにプローブパイプ１４を介して配線ケース５２まで引き出されている。
【００１６】
該センサ取り付け金具４２の内部は、ガスセンサ台座４０及び温度センサ台座４６とによって気密状態に保たれ、温度センサ１８は、外部雰囲気に晒させないように構成されている。従って、該温度センサ１８は、酸素濃度の測定を行っている被測定ガスの温度を直接測定する訳ではないが、金属部分或いは空気部分を介した熱伝導によってセンサ取り付け金具４２も被測定ガスの温度と等しくなるため、温度センサ１８は、被測定ガス温度を正確に測定し、ガスセンサ２０の測定値の温度補正を適切に行うことができる。
【００１７】
ここで、温度センサ１８を構成する白金側温抵抗体は、正確に温度を測定できる反面、比較的外部からの機械的衝撃に弱いと共に、高湿度下で用いると、配線に腐食が生じて故障し易い。このため、本実施態様では、温度センサ１８を気密構造のセンサ取り付け金具内に収容し、機械的な外力が加わらないようにすると共に、配線等に腐食を発生させないようにしてある。なお、この実施態様では、温度センサとして白金側温度抵抗体を用いているが、この代わりにサーミスタ、熱伝対等種々の測温素子を用いることができる。
【００１８】
この実施態様のセンサユニット１２においては、ガスセンサ２０と温度センサ１８とが一対で用いられている。即ち、正確な測定を行う得るように、ガスセンサ２０の特性と、温度センサ１８との特性とを校正するデータが、両センサからの出力に基づき酸素濃度及び湿度を演算する演算回路（図示せず）中のメモリに保持されており、ガスセンサ２０或いは温度センサ１８のいずれが劣化した場合にもセンサユニット１２ごと交換を行い、この際には、該センサユニット１２の特性に合わせて単体調整されている演算回路を交換、又は、メモリ内の構成データを入れ替える。
【００１９】
図５を参照して本実施態様に係るガスセンサ２０の構成について説明する。
図５（Ａ）は、ガスセンサ２０の斜視図であり、図５（Ｂ）は、図１に示すガスセンサ２０のＡ−Ａ断面図である。
該ガスセンサ２０は、幅が約５mmで、高さが約２０mmで、厚みが約１mmに構成されている。ガスセンサ２０は、タングステン製のヒータ線２３を内蔵する３〜４Ｗのセラミックヒータ２２の両面に、安定化ジルコニア板（固体電解質）２４、２６が配設されて成る。該安定化ジルコニア板２４には、多孔質の白金層から成る陽電極２６Ａ及び陰電極２８Ａが埋設されている。同様に、安定化ジルコニア板２６側には、陽電極２６Ｂ及び陰電極２８Ｂが埋設されている。そして、安定化ジルコニア板２４側には、ガス出口穴３０Ａ及びガス導入部３２が穿設され、同様に、安定化ジルコニア板２６側には、ガス出口穴３０Ｂ及びガス導入部（図示せず）が穿設されている。
【００２０】
このガスセンサ２０は、ヒータ２２によって約５００°Ｃまで加熱され、一方の安定化ジルコニア板、例えば、安定化ジルコニア板２４側にて、酸素濃度に比例した限界電流値が得られる印加電圧値から酸素濃度を測定すると同時に、他方の安定化ジルコニア板、例えば、安定化ジルコニア板２６側にて、水分子を分解した酸素濃度値から湿度を測定する。このガスセンサ２０の製造方法及び動作については、本出願人の出願に係る特開平５−８７７７３号公報中に詳細に述べられているため、ここでは説明を省略する。
【００２１】
引き続き、図２を参照して本実施態様のセンサユニット１２の取り付け方法について説明する。
プローブパイプ１４の先端には、中央にネジ山１６ａの穿設された通孔１６ｂを有する金属製の接続金具１６が溶接により取り付けられている。先ず、センサユニット１２のリード線４８を該接続金具１６の通孔１６ｂに挿通する。そして、センサユニット１２のセンサ取り付け金具４２のネジ山４２ａを、該通孔１６ｂ内のネジ山１６ａにねじ込むことにより、該センサユニット１２を固定する。該センサユニット１２を覆うように、プロテクタ５０を接続金具１６のねじ山１６ｃにねじ込む。他方、該センサユニット１２のリード線４８を、図１に示す配線ケース５２内で演算回路側（図示せず）へ接続する。この演算回路は、該センサユニット１２に取り付けられているガスセンサ２０及び温度センサ１８の特性に合わせて単体調整がなされている。
【００２２】
即ち、本実施態様では、上述したように、ガスセンサ２０又は温度センサ１８が劣化した際、或いは、所定運転時間が経過し定期交換する際には、該センサユニット１２を新しい物に取り替えると共に、該新しいセンサユニット１２に合わせて単体調整された演算回路へと取り替え、或いは、メモリ内の構成データを入れ替える。
【００２３】
引き続き、ガスセンサ２０と温度センサ１８との配設距離Ｄと、熱的影響の関係について図６のグラフを参照して説明する。
この実験では、ガスセンサ２０から温度センサ１８までの距離を変えながら、温度センサ１８側でのガスセンサ２０からの熱的影響について測定した。ここでは、上記実施態様のガスセンサ２０のヒータ（３〜４Ｗ）に定格電流を流し、設定温度である５００°Ｃまで加熱し、また、温度センサ１８にて１５０°Ｃ（ボイラの排気温度に対応）を測定した際の値を示している。
【００２４】
グラフ中に示すように、１５０ｍｍ以上離すことにより、熱的影響を殆ど受けなく成ることが分かった。また、５０ｍｍ以上離せば、熱的影響が１°Ｃ以下、即ち、測定温度が雰囲気温度＋１°Ｃとなり、ガスセンサ２０の出力値の温度補正をほぼ正確に行い得ることが判明した。このため、本実施態様の構成では、ガスセンサ２０と温度センサ１８とを５０ｍｍ以上離間させることが望ましい。
【００２５】
上記実施態様では、センサ取り付け金具４２にガスセンサ２０と温度センサ１８との両方を保持するユニット構成としているため交換が容易である。また、ガスセンサ２０と温度センサ１８とを６５ｍｍ離間してあるため、ヒータにて加熱されたガスセンサ２０の温度の影響を温度センサ１８が受けることがない。更に、センサ取り付け金具４２が、ガスセンサ２０と温度センサ１８とをプローブパイプ１４の支持方向とほぼ平行に保持しているため、図７（Ｂ）を参照した配置例と異なり、ガスセンサ２０と温度センサ１８と離間して配置しても、センサ装置１０の幅が広がることがない。
【００２６】
更に、筒状のセンサ取り付け金具４２の内部に温度センサ１８を保持しているため、センサユニット１２取り付けの際に、温度センサ１８が他の部材と接触して機械的衝撃を受けることが無い。また、ボイラ等の高温多湿度、或いは、亜硫酸ガス等を含む腐食性の高いガス中でも、外部雰囲気に晒されることがないため、温度センサ１８に腐食によって故障が発生しない。
【００２７】
なお、この実施態様では、酸素濃度と湿度とを同時に測定するガスセンサ２０を例示したが、ガス濃度のみ、或いは、湿度のみを検出するセンサにも本発明を適用し得る。また、この例では、固体電解質のガスセンサ２０により、酸素濃度を測定する場合を例に挙げたが、ＮＯx、ＳＯx等の濃度を測定する場合にも、本構成を適用できる。また、この例では、固体電解質のガスセンサを用いたが、ヒータを備えるセンサであれば、例えば、金属酸化物を用いる半導体式等のセンサにも本実施態様の構成を適用できる。
【００２８】
更に、本実施態様では、センサ取り付け金具４２内に温度センサ１８を収容したが、該温度センサ１８を外部に取り付けることも可能である。例えば、図４に示ように温度センサ台座４６から上方を指向して取り付けられている温度センサ１８を、該温度センサ台座４６から下方を指向させ、外部へ取り付けることも可能である。また、本実施態様では、金属製のセンサ取り付け金具４２が、セラミック製のガスセンサ台座４０、温度センサ台座４６を介してガスセンサ２０及び温度センサ３０を保持したが、該センサ取り付け金具４２をセラミックにより構成することで、ガスセンサ２０及び温度センサ３０を直接保持することも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明では、保持部材が測定素子と温度検出素子とを一体的にユニット方式で保持しているため、交換が容易である。また、測定素子と温度検出素子とが所定距離離間されているため、ヒータにて加熱された測定素子の温度の影響を温度検出素子が受けることがない。更に、保持部材が、測定素子と温度検出素子とを支持部材の支持方向とほぼ平行に保持しているため、測定素子と温度検出素子と離間して配置しても、センサ装置の幅が広がることがない。
【００３０】
請求項２の発明では、測定素子と温度検出素子とが５０ｍｍ以上離されているため、ヒータにて加熱される測定素子の温度の影響として温度検出素子が受ける値が１°Ｃ以下となる。このため、温度検出素子が正確に雰囲気温度を測定できるので、温度検出素子の測定した雰囲気温度に基づいて測定素子の検出値を適切に補正することが可能となる。
【００３１】
請求項３の発明では、筒状の保持部材が温度検出素子を内部に保持しており、外部雰囲気に晒されることがないため、温度検出素子に故障が発生し難い。また、取り付けの際に、該温度検出素子を他の部材等と接触させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のセンサ装置の一部を切り欠いて示す説明図である。
【図２】図１のサイクルＣを拡大して示す説明図である。
【図３】本実施形態のセンサユニットの側面図である。
【図４】図３に示すセンサユニットの縦断面図である。
【図５】図５（Ａ）は本実施態様のガスセンサの斜視図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図６】ガスセンサから温度センサまでの距離と温度差との関係を示すグラフである。
【図７】図７（Ａ）は従来技術に係るセンサを示す断面図であり、図７（Ｂ）はセンサ装置の一構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０センサ装置
１２センサユニット
１４プローブパイプ（支持部材）
２０ガスセンサ（測定素子）
３０温度センサ（温度測定素子）
４０ガスセンサ台座
４２センサ取り付け金具（保持部材）
４６温度センサ台座
４８リード線

Claims

加熱用のヒータを内蔵するガス濃度又は湿度の少なくとも一方を測定する測定素子と、
前記測定素子を温度補正するための温度検出素子と、
前記測定素子と前記温度検出素子とを保持する保持部材と、
前記保持部材を被測定雰囲気中に延在させて支持する支持部材と、を有するセンサ装置であって、
前記保持部材が、前記測定素子と前記温度検出素子とを、前記支持部材による支持方向とほぼ平行であって、且つ、所定距離離間させて保持すること特徴とするセンサ装置。
前記測定素子と前記温度検出素子との離間距離は、５０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
前記保持部材は、筒状に形成され、前記温度検出素子を内部に保持していることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ装置。