JP4876673B2

JP4876673B2 - ジルコニア式酸素濃度計

Info

Publication number: JP4876673B2
Application number: JP2006093362A
Authority: JP
Inventors: 行裕関; 健太郎間
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: JP2007263933A

Description

本発明は、センサ出力値の経時変化を防止するために校正動作を行うジルコニア式酸素濃度計に関するものである。

図３は、出力が経時変化をする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（測定ガス流路）に測定ガスを流すと、両電極１０１、１０２間には、比較ガスと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、測定ガスにおける酸素濃度を求めることができる。

図４は、このようなジルコニア式センサ１を使用した従来のジルコニア式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３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％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。１０〜１２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１０〜１２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ジルコニア式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、測定ガスが外部の煙筒などから取り込まれ、ジルコニア式センサ１の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、測定ガスと比較ガス（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により測定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、測定ガスの取り込みを停止し、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１１、１２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の測定ガス流路にはスパンガス８が流れ、スパンガス８の酸素濃度に応じた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センサ出力に対して、変換器２の校正（ゼロ校正）が行われる。

このような装置においては、多くのメーカは煤塵対策としてジルコニア式センサ１を保護するために微粒子を焼結した材料もしくはセラミック製のダストフィルタ１４を使用している。しかし、ダストフィルタ１４は使用時間と共にそのフィルタメッシュが煤塵により目詰まりを起こし、ジルコニア式センサ１の寿命や応答性などに影響を与える。

また、校正ガスは、実際の装置においてはダストフィルタ１４に穴を開けて内部にパイプを差し込むなどして、ダストフィルタ１４のメッシュを通らずに測定ガス流路に流入させる。したがって、ダストフィルタ１４が目詰まりした状態で校正を実施すると、校正ガスの流速によりジルコニアセル部は加圧された状態になり、実際の酸素濃度より高い指示値を示す。そのため校正データに誤差が生じる。これを防ぐためにはダストフィルタ１４の洗浄等の保守が必要になる。

そのため、ダストフィルタの詰まりを検知して校正誤差を防止するため、下記に示すようなジルコニア式酸素濃度計が提案がされている。

特開２００５−１０６４９４号公報

上記提案は、校正時にダストフィルタの詰まりを判断するジルコニア式酸素濃度計において、前回校正時の検量線のデータを記憶しておき、今回校正時の検量線が前回校正時の検量線とを比較して、前回校正時の検量線に対して略平行に所定量シフトした場合にダストフィルタの詰まりと判断するものである。

図５は特許文献１に示されたジルコニア式酸素濃度計の動作説明図である。検量線は、ゼロ校正とスパン校正で得られる起電力２点から求めたものである。Ｘ検量線は前回校時の検量線、Ｚ検量線は今回校正時の検量線である。この場合、Ｚ検量線はＸ検量線と比較して傾きの変化はなく、略並行にシフトしているため、ダストフィルタの詰まりが発生していると判断する。

しかしながら、ダストフィルタの詰まりが強い場合には、ゼロ校正とスパン校正から得られる検量線が略並行にシフトする傾向が強くなり、上記判断手法で正常に詰まりを検知できるが、あまり詰まりが強くない場合には検量線が略並行にシフトせず、正常に詰まりを検知できない場合がある。

図６は酸素濃度とセル起電力の関係を示す図である。ダストフィルタが詰まると、流入する校正ガスの圧力が増加する。実験によると、圧力増加により酸素濃度−起電力の関係は図中Ｍ１からＭ２のように変化する。圧力増加による起電力変化は、スパン校正時よりゼロ校正時の方が変化が小さい。したがって、特許文献１の提案では、詰まりの程度によってはダストフィルタの詰まりが検出できない場合がある。

本発明は、上記のような従来の問題をなくし、ダストフィルタの詰まりの程度に影響されず、より確実に詰まりを検出することができるジルコニア式酸素濃度計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、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ジルコニア式センサと、このセンサの前段に設けられ、このセンサを煤塵から保護するダストフィルタとを有し、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ダストフィルタのメッシュを通らずに前記センサにおける測定ガス流路に供給して変換器出力の校正を行うジルコニア式酸素濃度計において、
前々回および前回校正時の起電力を記憶するメモリ手段と、
前々回および前回校正時の起電力に応じた酸素濃度の差を算出する第１の演算手段と、
前回および今回校正時の起電力に応じた酸素濃度の差を算出する第２の演算手段と、
前記第１および第２の演算手段における算出結果がともに所定値を超えている場合に前記ダストフィルタの詰まりと判断する詰まり判断手段と、
を有することを特徴とする。

請求項２では、請求項１に記載のジルコニア式酸素濃度計において、前記メモリ手段に記憶する起電力は、基準ガスとしてスパンガスを使用して校正したときに得られる起電力であることを特徴とする。

請求項３では、請求項１または２に記載のジルコニア式酸素濃度計において、前記判断手段は、前記ジルコニア式酸素濃度計の保証精度に応じて所定値を決定することを特徴とする。

請求項４では、請求項１乃至３のいずれかに記載のジルコニア式酸素濃度計において、前記ダストフィルタの詰まりの判断は所定期間毎に行われることを特徴とする。

請求項５では、請求項１乃至４のいずれかに記載のジルコニア式酸素濃度計において、前記判断手段の判断結果に応じて前記ダストフィルタの詰まりの警報を発する警報発生手段を具備したことを特徴とする。

請求項６では、請求項１乃至５のいずれかに記載のジルコニア式酸素濃度計において、前記判断手段の判断結果に応じて前記ダストフィルタの詰まりの警報を表示する警報表示手段を具備したことを特徴とする。

このように、前回、前々回の校正履歴と今回の校正データを比較し、校正ごとの起電力の変化量からダストフィルタの詰まりを判断することで、ダストフィルタの詰まりの状況によらず、より確実に詰まりを検出することができるジルコニア式酸素濃度計を実現することができる。また、前々回の校正から連続２回にわたり起電力の変化をみることによって、起電力の変化がダストフィルタの詰まりによる継続的な変化であり、単なる変動であるにもかかわらずフィルタの詰まりと判断する可能性を低減することができる。

圧力増加による起電力変化は、スパン校正時よりゼロ校正時の方が変化が小さくなる傾向がある。そのため、基準ガスとしてゼロガスではなくスパンガスを使用して校正したときに得られる起電力を利用することにより、起電力の変化の比較をより容易に行うことができる。

ジルコニア式酸素濃度計の保証精度に応じて起電力の変化量の判断基準を決定することによって、装置の保証精度の範囲を超えて測定精度が悪化する前にダストフィルタの詰まりを検出することができる。

校正時のダストフィルタの詰まりの判断を所定期間毎に行うこととすれば、測定精度を維持でき、また、各校正時ごとの起電力を同じ期間ごとに比較することができる。

判断手段からの信号に基づき、ダストフィルタの詰まりあるいはセンサの劣化の警報を発する警報発生手段が設けることにより、装置を監視する必要はなく、警報により、直ちに対処し易く操作が容易なジルコニア酸素計が得られる。

判断手段からの信号に基づき、ダストフィルタの詰まりあるいはセンサの劣化の警報を表示する警報表示手段が設けることにより、装置を監視する必要はなく、また、騒音の大きな環境においても、直ちに対処し易く操作が容易なジルコニア酸素計が得られる。

以下、図面を用いて本発明のジルコニア酸素濃度計を説明する。

図１は本発明による計測装置の一実施例を示すブロック図である。ジルコニア式酸素濃度計自体の基本的構成は図３に示す従来例と同様であり、図１はダストフィルタの詰まり判断に関する部分を抜き出して表したものである。
図２は校正時の起電力の変化と詰まり判断の動作説明図である。

校正時にセンサ１からゼロ校正時およびスパン校正時の起電力が変換器２に入力される。メモリ手段２１は変換器２内に設けられ、校正時のセンサ起電力が校正履歴データとして記憶されている。ここで、一連の校正動作においては、ゼロ校正時とスパン校正時において２つの校正データ（センサ起電力）が得られることになるが、スパン校正時の起電力の方が詰まりが発生した際の起電力の変化量が大きく、詰まりの判断に利用しやすいため、校正履歴データとしてはスパン校正時のデータが記憶される。

メモリ手段２１には、たとえば、前々回校正時の起電力としてＥ１、前回校正時の起電力としてＥ２が記憶されているとする。そして、今回の校正で得られる起電力Ｅ３が新たにメモリ手段２１に記憶される。

第１演算手段２２は、メモリ手段２１から前々回および前回校正時の起電力Ｅ１，Ｅ２が入力される。第１演算手段２２は、ネルンストの式を用いて起電力Ｅ１，Ｅ２を酸素濃度Ｐ１，Ｐ２に変換し、その差Ｃ１を演算する。
Ｃ１＝Ｐ１―Ｐ２・・・（１）

第２演算手段２３は、メモリ手段２１から前回のスパンガス起電力Ｅ２が入力される。また、センサ１から起電力Ｅ３が入力される。第２演算手段２２は、ネルンストの式を用いて起電力Ｅ２，Ｅ３を酸素濃度Ｐ２，Ｐ３に変換し、その差Ｃ２を演算する。
Ｃ２＝Ｐ２―Ｐ３・・・（２）

詰まり判断手段２４は、第１演算手段２２および第２演算手段２３からＣ１、Ｃ２が入力され、以下に示す式（３）、式（４）を満たしているかどうかを検討する。
Ｃ１＞０．１２５・・・（３）
Ｃ２＞０．１２５・・・（４）
式（３）および式（４）の両方を満たしている場合には、詰まり判定手段２４はダストフィルタの目詰まりが発生したと判定し、判定信号を出力する。

式（３）および式（４）の右辺の数値０．１２５は、この値に限定されるものではなく、ジルコニア式酸素濃度計が保証する測定精度を満たすよう任意に決定する。

なお、校正毎の間隔が短いと、校正時の起電力の変化が小さくなり、Ｃ１，Ｃ２が式（３）、式（４）を満たさずダストフィルタの詰まりを検出できない可能性がある。そのため、ダストフィルタの詰まり判断に用いる校正データは、「最後の校正から５日未満の校正データは採用しない」など、校正と校正の間の期間に最小間隔を設ける。具体的な最小間隔は、測定対象に含まれる粉塵の量や装置の稼働時間など、ジルコニア式酸素濃度計が設置される現場の状況によりプラントごとに個別に決定する。たとえば、測定対象に含まれる粉塵の量が多い場合には最小間隔を短くし、粉塵の量が少ない場合には最小間隔を長くする。

警報発生手段２５は、詰まり判断手段２４からの信号に基づき、ダストフィルタの詰まりの警報を発する。警報表示手段２６は詰まり判断手段２４からの信号に基づき、ダストフィルタの詰まりの警報を表示する。

前記実施例１では、メモリ手段２１に起電力を記憶し、第１および第２演算手段で酸素濃度に変換して減算演算を行う構成とした。しかし、メモリ手段２１には起電力を酸素濃度に変換した後の酸素濃度データを記憶させ、第１演算手段と第２演算手段では除算処理のみを行う構成としてもよい。

前記実施例１では、起電力Ｅ２の酸素濃度への変換を、第１演算手段と第２演算手段の両方でそれぞれ行っていたが、本実施例のような構成とすれば、第１演算手段と第２演算手段で同じ処理をする手間を省くことができる。

図１は本発明によるジルコニア式酸素濃度計の一実施例を示すブロック図。図２は校正時の起電力の変化と詰まり判断の動作説明図。図３はジルコニア式センサの測定原理を示す断面図。図４は従来のジルコニア式酸素濃度計の一例を示す構成図。図５は特許文献１の図２に示されたジルコニア式酸素濃度計の動作説明図。図６は酸素濃度とセル起電力の関係を示す図。

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
１００ジルコニア管
１０１電極
１０２電極

Claims

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ジルコニア式センサと、このセンサの前段に設けられ、このセンサを煤塵から保護するダストフィルタとを有し、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ダストフィルタのメッシュを通らずに前記センサにおける測定ガス流路に供給して変換器出力の校正を行うジルコニア式酸素濃度計において、
前々回および前回校正時の起電力を記憶するメモリ手段と、
前々回および前回校正時の起電力に応じた酸素濃度の差を算出する第１の演算手段と、
前回および今回校正時の起電力に応じた酸素濃度の差を算出する第２の演算手段と、
前記第１および第２の演算手段における算出結果がともに所定値を超えている場合に前記ダストフィルタの詰まりと判断する詰まり判断手段と、
を有することを特徴とするジルコニア式酸素濃度計。
前記メモリ手段に記憶する起電力は、基準ガスとしてスパンガスを使用して校正したときに得られる起電力であることを特徴とする請求項１に記載のジルコニア式酸素濃度計。
前記判断手段は、前記ジルコニア式酸素濃度計の保証精度に応じて所定値を決定することを特徴とする請求項１または２に記載のジルコニア式酸素濃度計。
前記ダストフィルタの詰まりの判断は所定期間毎に行われ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ジルコニア式酸素濃度計。
前記判断手段の判断結果に応じて前記ダストフィルタの詰まりの警報を発する警報発生手段を具備したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のジルコニア式酸素濃度計。
前記判断手段の判断結果に応じて前記ダストフィルタの詰まりの警報を表示する警報表示手段を具備したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のジルコニア式酸素濃度計。