JP4379695B2

JP4379695B2 - 酸素濃度計およびその校正方法

Info

Publication number: JP4379695B2
Application number: JP2003415986A
Authority: JP
Inventors: 順一鈴木; 昌幸佐藤; 香織円道
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2023-12-15
Also published as: JP2005172726A

Description

本発明は、ジルコニア式センサの如き濃淡電池型のセンサを有する酸素濃度計およびその校正方法に関するものである。

図４は、濃淡電池型センサの一例であるジルコニア式センサの測定原理を示す断面図である。図において、センサ１はジルコニア管１００と、その内外周に設けられた電極１０１、１０２より構成されており、一般に、電極１０１、１０２には多孔質の白金電極が用いられている。このような構成を有するジルコニア式センサ１において、ジルコニア管１００を７５０℃程度の高温に熱した後、管の外側（比較ガス流路）に比較ガスを流すとともに、管の内側（被測定ガス流路）に被測定ガスを流すと、両電極１０１、１０２間には、比較ガスと被測定ガスとの酸素濃度差に応じた起電力Ｖｏｕｔが発生する。この起電力Ｖｏｕｔは、酸素濃度の比の対数に比例したもので、比較ガスとして空気のような既知の酸素濃度を有するガスを使用することにより、起電力Ｖｏｕｔの大きさから、被測定ガスにおける酸素濃度を求めることができる。

図５は、このようなジルコニア式センサ１を使用した従来の酸素濃度計の一例を示す構成図である。図において、１は前記図４に示す如きジルコニア式センサ、２はこのジルコニア式センサ１から発生される起電力を受け、これを被測定ガスの酸素濃度に対応した測定出力信号に変換する変換器、３はジルコニア式センサ１を加熱するヒータ、４はヒータ３に電力を供給するヒータ電力線、５はヒータ３の温度制御を行うための温度制御信号線、６はジルコニア式センサ１の起電力を伝送するセンサ出力線、７は変換器２から得られる測定出力信号を伝送する出力信号線である。変換器２には、図示していないが、ヒータ３を介してジルコニア式センサ１の温度を所定の温度に維持するための温度制御装置が含まれている。

また、８はスパンガスと呼ばれる基準ガス、９はゼロガスと呼ばれる基準ガスで、ここでは、ガスボンベに封入されている。一般に、スパンガス８は酸素２１％、窒素７９％を含むガス、ゼロガス９は酸素１％、窒素９９％を含むガスであり、スパンガス８には空気が使用される。１０〜１３はジルコニア式センサ１に供給するガスの流路を切り換える制御弁である。制御弁１０〜１３の動作は、変換器２によって制御される。

このように構成された酸素濃度計において、測定動作時には、スパンガス８が制御弁１０を介して、ジルコニア式センサ１の比較ガス流路に供給されるとともに、制御弁１３によりサンプリングガス（測定目的ガス）が選択され、制御弁１１を介して、ジルコニア式センサ１の被測定ガス流路に供給される。この結果、ジルコニア式センサ１からは、被測定ガス（サンプリングガス）と比較ガス（スパンガス８）との酸素濃度の差に応じた起電力が発生される。また、この起電力は、変換器２により被測定ガス（サンプリングガス）の酸素濃度に対応した測定出力信号（４〜２０ｍＡ）に変換され、出力信号線７を介して伝送される。

次に、校正動作時においては、スパンガス８が制御弁１０を介して、ジルコニア式センサ１の比較ガス流路に供給されるとともに、制御弁１３は校正ガス側に切り換えられ、制御弁１１〜１３を介して、スパンガス８またはゼロガス９が選択的にジルコニア式センサ１の被測定ガス流路に供給される。すなわち、制御弁１２をスパンガス８側に切り換えることにより、ジルコニア式センサ１の被測定ガス流路にはスパンガス８が流れ、比較ガスと被測定ガスとの酸素濃度差がなくなるので、この時のセンサ出力に対して、変換器２の校正（スパン校正）が行われる。また、制御弁１２をゼロガス９側に切り換え、ジルコニア式センサ１の被測定ガス流路にゼロガス９を流すことにより、ゼロガス９の酸素濃度に応じた変換器２の校正（ゼロ校正）が行われる。

特開２０００−２６６７１９号公報

しかしながら、このように既知の酸素濃度を有する基準ガスを順次測定する従来の校正方法においては、変換器２を２点で校正するためには、酸素濃度の異なる２種類の基準ガス（スパンガス８、ゼロガス９）を用意しなければならない。特に、ゼロガス９は酸素濃度を所定の値に調整したものであり、空気と同成分のスパンガス８に比べて高価なものとなってしまう。

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、校正の際に、一種類の基準ガスのみで複数点の校正動作を行うことのできる酸素濃度計およびその校正方法を実現することを目的としたものである。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、濃淡電池型のセンサを有し、被測定ガスと比較ガスとの酸素濃度の差に応じた起電力を発生する酸素濃度計において、既知の酸素濃度を有する基準ガスを前記比較ガスとして前記センサにおける比較ガス流路に供給する手段と、酸素濃度を測定すべき被測定ガスを前記センサにおける被測定ガス流路に供給する手段と、前記センサに供給する被測定ガスの圧力を調整する圧力調整手段とを具備し、校正動作時には前記基準ガスを前記圧力調整手段を介して前記センサにおける被測定ガス流路に供給することを特徴とする。

請求項２では、請求項１の酸素濃度計において、前記圧力調整手段は減圧手段であることを特徴とする。

請求項３では、請求項２の酸素濃度計において、前記減圧手段は吸引ポンプであることを特徴とする。

請求項４では、請求項１乃至３のいずれかの酸素濃度計において、前記基準ガスは空気であることを特徴とする。

請求項５では、請求項１乃至３のいずれかの酸素濃度計において、前記基準ガスは計装エアであることを特徴とする。

請求項６では、酸素濃度計の校正方法であり、濃淡電池型のセンサを有し、被測定ガスと比較ガスとの酸素濃度の差に応じた起電力を発生する酸素濃度計の校正方法において、校正動作時には既知の酸素濃度を有する基準ガスを前記比較ガスとして前記センサにおける被測定ガス流路に供給するステップと、このセンサに供給する基準ガスの圧力を調整するとともにその時の酸素分圧に応じた酸素濃度値を利用して校正を行うステップとを有することを特徴とする。

請求項７では、請求項６の酸素濃度計の校正方法において、前記圧力の調整は減圧により行うことを特徴とする。

請求項８では、請求項６または７の酸素濃度計の校正方法において、前記圧力を任意の２値に変化させ、２点において校正を行うことを特徴とする。

請求項９では、請求項８の酸素濃度計の校正方法において、前記２つの校正点の内の片方は大気圧を使用することを特徴とする。

請求項１０では、請求項６乃至９のいずれかの酸素濃度計の校正方法において、前記基準ガスは空気であることを特徴とする。

請求項１１では、請求項６乃至９のいずれかの酸素濃度計の校正方法において、前記基準ガスは計装エアであることを特徴とする。

このように、校正動作時には、センサの被測定ガス流路に供給する基準ガスの圧力を調整するとともに、その時の酸素分圧に応じた酸素濃度値を利用して校正を行うようにすると、校正の際に、一種類の基準ガスのみで複数点の校正動作を行うことのできる酸素濃度計およびその校正方法を実現することができる。
また、基準ガスに空気を使用すれば、ガスの入手コストをより低減することができる。
さらに、基準ガスに計装エアを利用すれば、湿度や清浄性の面で良好な基準ガスを得ることができる。

以下、図面を用いて、本発明の酸素濃度計およびその校正方法を説明する。

図１は、本発明の酸素濃度計およびその校正方法の一実施例を示す構成図である。図において、前記図５と同様のものは同一符号を付して示す。２０はジルコニア式センサ１の被測定ガス流路に供給する被測定ガスの圧力を調整する圧力調整手段である。すなわち、制御弁１３により選択されたサンプリングガス（測定目的ガス）または校正ガスは、圧力調整手段２０を介して、ジルコニア式センサ１の被測定ガス流路に供給される。

このように構成された酸素濃度計およびその校正方法において、測定動作時には、スパンガス８が制御弁１０を介して、ジルコニア式センサ１の比較ガス流路に供給されるとともに、制御弁１３によりサンプリングガス（測定目的ガス）が選択され、圧力調整手段２０を介して、ジルコニア式センサ１の被測定ガス流路に供給される。この時、圧力調整手段２０は、被測定ガス（サンプリングガス）になんら圧力変化を与えることはなく、ほぼ大気圧のままの状態を維持する。この結果、ジルコニア式センサ１からは、被測定ガス（サンプリングガス）と比較ガス（スパンガス８）との酸素濃度の差に応じた起電力が発生され、この起電力は、変換器２により被測定ガス（サンプリングガス）の酸素濃度に対応した測定出力信号（４〜２０ｍＡ）に変換されて、出力信号線７を介して伝送される。

次に、校正動作時においては、スパンガス８が制御弁１０を介して、ジルコニア式センサ１の比較ガス流路に供給されるとともに、制御弁１３は校正ガス側に切り換えられ、スパンガス８が圧力調整手段２０を介して、ジルコニア式センサ１の被測定ガス流路に供給される。

ここで、圧力調整手段２０が被測定ガス（スパンガス８）になんら圧力変化を与えることはなく、ほぼ大気圧のままの状態を維持したとすると、比較ガスと被測定ガスとの酸素濃度差はなく、この時のセンサ出力に対しては、スパン校正が行われる。

また、圧力調整手段２０が被測定ガス（スパンガス８）の圧力を０．０１Ｐａに調整したとすると、ジルコニア式センサ１内における被測定ガス（スパンガス８）の酸素分圧は、

0.01Pa×0.206＝0.00206Pa （１）
但し、0.206 はスパンガス８中の酸素含有率（20.6%）

となり、ジルコニア式センサ１により検出される酸素濃度は、１気圧のスパンガス８に換算して、

0.00206Pa/101.325×1000Pa＝2.03ppm （２）
但し、１気圧＝101.325kPa

となる。

したがって、この時のセンサ出力を利用して校正を行えば、２．０３ｐｐｍの酸素濃度に対応した校正（ゼロ校正）を行うことができる。

このように、圧力調整手段２０により被測定ガス（スパンガス８）の圧力を調整し、その時の酸素分圧に応じた酸素濃度値を利用して校正を行うようにすると、一種類の基準ガス（スパンガス８）により、スパン校正およびゼロ校正を行うことができる。
また、校正する点は、スパンおよびゼロの２点に限らず、圧力調整手段２０の圧力値により、２点以上の任意の点が可能である。

なお、上記の説明においては、基準ガスとして供給するスパンガス８に空気を使用した場合を例示したが、既知の酸素濃度を有するガスであれば、必ずしも空気に限られるものではない。
更に、被測定ガスを、常に圧力調整手段２０を介して、ジルコニア式センサ１の被測定ガス流路に供給する場合を例示したが、測定動作時およびゼロ校正時には、圧力調整手段２０を介さず、被測定ガスを直接、ジルコニア式センサ１の被測定ガス流路に供給するように構成しても、同様の動作を行わせることができる。

図２は、本発明の酸素濃度計およびその校正方法に使用される圧力調整手段２０の一実施例を示す構成図である。図において、前記図１と同様のものは、同一符号を付して示す。２０１は吸引ポンプ、２０２はフィルタ、２０３は流量計、２０４は圧力計、２０５、２０６は絞りバルブ、２０７はリーク用バルブである。吸引ポンプ２０１は、制御弁１３を介して供給される被測定ガスをジルコニア式センサ１の被測定ガス流路に供給するものであり、流量計２０３および圧力計２０４は、ジルコニア式センサ１内における被測定ガスの流量および圧力を監視するものである。また、吸引ポンプ２０１および絞りバルブ２０５、２０６、リーク用バルブ２０７の動作は、変換器２によって制御される。

測定動作時には、制御弁１３を介して供給される被測定ガスＱｔ（サンプリングガス）は、吸引ポンプ２０１により吸引され、フィルタ２０２を通過した後、一部はバイパスＱ１として絞りバルブ２０５および吸引ポンプ２０１を通して、そのまま排気される。また、一方の被測定ガスＱ２は、流量計２０３および絞りバルブ２０６を介してジルコニア式センサ１の被測定ガス流路に流れ、吸引ポンプ２０１を通して排気される。
ここで、リーク用バルブ２０７は閉じられており、絞りバルブ２０５および２０６は、ジルコニア式センサ１に供給される被測定ガスＱ２の圧力が、ほぼ大気圧と等しくなるように、その開度が制御される。また、同時に、流量計２０３により、ジルコニア式センサ１の被測定ガス流路に流れる被測定ガスＱ２の流量が監視され、この流量が所定の値となるように制御される。

校正動作時において、スパン校正を行う際には、上記の測定動作時と同じ働きをして、ジルコニア式センサ１に供給される被測定ガスＱ２（スパンガス８）の圧力が、ほぼ大気圧と等しくなるように調整する。

ゼロ校正を行う際には、絞りバルブ２０５、２０６およびリーク用バルブ２０７は全て閉じられ、ジルコニア式センサ１内の被測定ガスＱ２（スパンガス８）は吸引ポンプ２０１により吸引される。被測定ガスＱ２（スパンガス８）の圧力を所定の値に調整するためには、吸引ポンプ２０１の吸引力や絞りバルブ２０６の開度を制御する。例えば、吸引ポンプ２０１の動作により、圧力を最小の値まで低下させ、後に、絞りバルブ２０６の開度を制御して、圧力を所望の値まで上昇させる。
また、スパンガス８に空気を使用している場合には、リーク用バルブ２０７を開けて、外部空気を導入し、被測定ガスＱ２（スパンガス８）の圧力を上昇させても良い。

なお、上記の説明においては、圧力調整手段２０を吸引ポンプ２０１よりなる減圧手段により実現した場合を例示したが、圧力調整手段２０の構成はこれに限られるものではない。

図３は、本発明の酸素濃度計およびその校正方法の他の実施例を示す構成図である。図において、前記図１と同様のものは同一符号を付して示す。１４は計装エアであり、図に示す例は、計装エア１４を基準ガス（スパンガス）として使用したものである。酸素濃度計が使用されるような計装プラントにおいては、プラント内に計装用のエア配管が設置されている場合が多く、この計装エア１４を利用すれば、基準ガス（スパンガス）用のボンベを用意する必要がなくなる。

計装エア１４はダストなどの不純物が除去され、湿度もほぼ一定に保たれているので、この計装エア１４を基準ガス（スパンガス）として利用すれば、湿度や清浄性の面で良好な基準ガス（スパンガス）を得ることができる。また、酸素濃度計においては、常に、基準ガス（スパンガス）を使用した校正動作を行っているので、計装エア１４の成分が急激に変動しない限り、測定精度に悪影響を与えてしまうことはない。

図１は本発明の酸素濃度計およびその校正方法の一実施例を示す構成図。図２は本発明の酸素濃度計およびその校正方法に使用される圧力調整手段の一実施例を示す構成図。図３は本発明の酸素濃度計およびその校正方法の他の実施例を示す構成図。図４はジルコニア式センサの測定原理を示す断面図。図５はジルコニア式センサを使用した従来の酸素濃度計の一例を示す構成図。

符号の説明

１ジルコニア式センサ
２変換器
３ヒータ
４ヒータ電力線
５温度制御信号線
６センサ出力線
７出力信号線
８スパンガス
９ゼロガス
１０制御弁
１１制御弁
１２制御弁
１３制御弁
１４計装エア
２０圧力調整手段
１００ジルコニア管
１０１電極
１０２電極
２０１ポンプ
２０２フィルタ
２０３流量計
２０４圧力計
２０５絞りバルブ
２０６絞りバルブ
２０７リーク用バルブ

Claims

濃淡電池型のセンサを有し、被測定ガスと比較ガスとの酸素濃度の差に応じた起電力を発生する酸素濃度計において、既知の酸素濃度を有する基準ガスを前記比較ガスとして前記センサにおける比較ガス流路に供給する手段と、酸素濃度を測定すべき被測定ガスを前記センサにおける被測定ガス流路に供給する手段と、前記センサに供給する被測定ガスの圧力を調整する圧力調整手段とを具備し、校正動作時には前記基準ガスを前記圧力調整手段を介して前記センサにおける被測定ガス流路に供給することを特徴とする酸素濃度計。
前記圧力調整手段は減圧手段であることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度計。
前記減圧手段は吸引ポンプであることを特徴とする請求項２に記載の酸素濃度計。
前記基準ガスは空気であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の酸素濃度計。
前記基準ガスは計装エアであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の酸素濃度計。
濃淡電池型のセンサを有し、被測定ガスと比較ガスとの酸素濃度の差に応じた起電力を発生する酸素濃度計の校正方法において、校正動作時には既知の酸素濃度を有する基準ガスを前記比較ガスとして前記センサにおける被測定ガス流路に供給するステップと、このセンサに供給する基準ガスの圧力を調整するとともにその時の酸素分圧に応じた酸素濃度値を利用して校正を行うステップとを有することを特徴とする酸素濃度計の校正方法。
前記圧力の調整は減圧により行うことを特徴とする請求項６に記載の酸素濃度計の校正方法。
前記圧力を任意の２値に変化させ、２点において校正を行うことを特徴とする請求項６または７に記載の酸素濃度計の校正方法。
前記２つの校正点の内の片方は大気圧を使用することを特徴とする請求項８に記載の酸素濃度計の校正方法。
前記基準ガスは空気であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の酸素濃度計の校正方法。
前記基準ガスは計装エアであることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の酸素濃度計の校正方法。