JP6107122B2 - 酸素濃度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、各種の炉内雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置に関する。特に製造上の個体差が生じることなく、一定の測定精度を維持することができる酸素濃度測定装置に関する。

金属部品の熱処理、表面処理等に用いる炉内では、酸素は非常に微量である。このような微量の酸素を測定するために、主としてセラミックスを用いた酸素濃度測定装置が採用されている。

特許文献１には、従来の酸素濃度測定装置が開示されている。図８は、従来の酸素濃度測定装置のセンサ部分近傍の内部構造を模式的に示す部分断面図である。図８に示すように、従来の酸素濃度測定装置では、アルミナ管１３内部を流れる基準ガスと、測定対象となる測定ガスとの酸素濃度差によりジルコニア（素子）１２で発生する起電力を、内部電極１６に接続された白金電極１４と外部電極１７に接続された白金電極１５との電位差として測定する。

発生する起電力の大きさは、基準ガスの温度によっても変動する。そこで、熱電対１８を用いた熱電対温度測定部により基準ガスの温度を測定しておくことにより、ネルンストの式を用いて、周囲環境の温度変化に応じた測定ガスの酸素濃度を算出することができる。

特開平０３−１０５２４３号公報

特許文献１に開示された酸素濃度測定装置では、熱電対１８の結合部分を熱電対温度測定部として機能させている。しかし、特に結合部分を固定する構造ではないため、製品ごとに結合部分の位置にばらつき（個体差）が生じる。したがって、例えば熱電対１８を曲がった状態で挿入する等の製造上の誤差により、熱電対温度測定部における温度測定結果にばらつきが生じるという問題点があった。

つまり、熱電対１８の結合部分の位置にばらつきが生じることで、同一条件下で温度を測定した場合であっても、製品ごとに温度測定結果にばらつきが生じる。したがって、ネルンストの式を用いて算出された酸素濃度の測定結果の信頼性も低下する。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、製造上の個体差を抑制した、高い測定精度を有する酸素濃度測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る酸素濃度測定装置は、測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極と、基準ガスと接触する側において内部電極と、それぞれ接続され、前記測定ガスの酸素濃度と前記基準ガスの酸素濃度との差に応じて起電力を発生するジルコニア素子と、前記外部電極に接続された第１の白金電極と、前記内部電極に接続された第２の白金電極と、温度を測定する熱電対とを備える酸素濃度測定装置において、前記基準ガスが流入する基準ガス流入管の一端に円柱状の第１のセンサ保持部材と、該第１のセンサ保持部材に嵌め合わされている、前記ジルコニア素子を保持する円柱状の第２のセンサ保持部材とを備え、前記第１のセンサ保持部材と前記第２のセンサ保持部材との間に形成された空間に前記熱電対の結合部分が保持されていることを特徴とする。

上記構成では、基準ガスを流入する基準ガス流入管の一端に、円柱状の第１のセンサ保持部材と、第１のセンサ保持部材に嵌め合わされている、ジルコニア素子を保持する円柱状の第２のセンサ保持部材とを備え、第１のセンサ保持部材と第２のセンサ保持部材との間に形成された空間に熱電対の結合部分が保持されているので、熱電対の結合部分は、第１のセンサ保持部材と第２のセンサ保持部材との間に形成された空間にその位置が規制されるため、熱電対温度測定部が配置される位置に生じるばらつきが小さくなる。したがって、熱電対の結合部分の位置に個体差が生じにくく、製品ごとに温度測定結果にばらつきが生じることがなく、高い信頼性を有する酸素濃度測定装置を提供することが可能となる。

また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記第２のセンサ保持部材は中実であり、前記第１のセンサ保持部材は、前記熱電対を挿通することが可能な穴部を備えることが好ましい。

上記構成では、第１のセンサ保持部材の穴部に挿通されている熱電対の結合部分は、中実である第２のセンサ保持部材に当接することによりその位置がより確実に規制され、結合部分の位置にばらつきが生じにくくなる。したがって、熱電対の結合部分の位置に個体差が生じにくく、製品ごとに温度測定結果にばらつきが生じることがなく、高い信頼性を有する酸素濃度測定装置を提供することが可能となる。

また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記第１のセンサ保持部材及び前記第２のセンサ保持部材は、互いに嵌め合わせる側の端面をＶ字状に切り込んであり、前記空間は、前記端面の突出している部分と切り込んである部分とを嵌め合わせることにより形成されていることが好ましい。

上記構成では、第１のセンサ保持部材及び第２のセンサ保持部材は、互いに嵌め合わせる側の端面をＶ字状に切り込んであり、空間は、端面の突出している部分と切り込んである部分とを嵌め合わせることにより形成されているので、円柱状の第１のセンサ保持部材及び第２のセンサ保持部材の中央部近傍に熱電対の結合部分を配置することができる。したがって、熱電対の結合部分の位置に個体差がより生じにくく、製品ごとに温度測定結果にばらつきが生じることがなく、高い信頼性を有する酸素濃度測定装置を提供することが可能となる。

上記構成によれば、基準ガスを流入する基準ガス流入管の一端に、円柱状の第１のセンサ保持部材と、第１のセンサ保持部材に嵌め合わされている、ジルコニア素子を保持する円柱状の第２のセンサ保持部材とを備え、第１のセンサ保持部材と第２のセンサ保持部材との間に形成された空間に熱電対の結合部分が保持されているので、熱電対の結合部分は、第１のセンサ保持部材と第２のセンサ保持部材との間に形成された空間にその位置が規制されるため、熱電対温度測定部が配置される位置に生じるばらつきが小さくなる。したがって、熱電対の結合部分の位置に個体差が生じにくく、製品ごとに温度測定結果にばらつきが生じることがなく、高い信頼性を有する酸素濃度測定装置を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の先端部分の構成を示す部分断面図である。 ジルコニア素子の起電力と測定ガスの酸素濃度との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の第１のセンサ保持部材の正面図である。 本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の第１のセンサ保持部材の部分側面図である。 本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の第１のセンサ保持部材と第２のセンサ保持部材との嵌め合わせ状態を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の先端部分の構成を拡大して示す部分拡大断面図である。 従来の酸素濃度測定装置のセンサ部分近傍の内部構造を模式的に示す部分断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置について、図面に基づいて具体的に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、酸素濃度を測定する基準となる基準ガスが流入する円筒状のアルミナ管（基準ガス流入管）１３の一端（先端）に、ジルコニア素子１２を含む酸素センサ部１０を備えている。アルミナ管１３の他端には、基準ガスを流入する基準ガス流入口２を備えている。また、アルミナ管１３を内挿するアルミナ管（基準ガス流出管）２０を備えており、アルミナ管１３とアルミナ管２０との間の空間を基準ガス流出経路として機能させている。

図２は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の先端部分の構成を示す部分断面図である。図２に示すように、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、ジルコニア素子１２を含む酸素センサ部１０を一端に備えたアルミナ管１３が、アルミナ管２０を内挿する保護管１９に収納されている。ジルコニア素子１２は、アルミナ管１３内部を流れる基準ガスと接触する側において内部電極１６と、酸素濃度の測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極１７とに、それぞれ接続されている。

また、白金電極（第１の白金電極）１５が外部電極１７に、白金電極（第２の白金電極）１４が内部電極１６に、それぞれ接続されている。なお、ジルコニア素子１２は、外部電極１７及び内部電極１６と一体化して形成されている。内部電極１６は、例えばジルコニア素子１２の基準ガスと接触する側に白金ペーストを塗布しておき、第２の白金電極１４を後述するセンサ保持部材で押しつけた状態で焼き付けることにより形成される。

ジルコニア素子１２は、一定の高温環境下では、酸素濃度が高い方から低い方へ電荷が移動するという性質を有している。したがって、電荷の移動によりジルコニア素子１２に発生する起電力を、内部電極１６と外部電極１７との電位差として測定することにより、測定ガスの酸素濃度を測定することができる。

つまり、基準ガスの酸素濃度をＰ_R （％）、測定ガスの酸素濃度をＰ_M （％）とした場合、（式１）のネルンストの式が成立する。

本実施の形態では、ジルコニア素子１２において、酸素濃度の高い側では酸素イオンが発生し、低い側では酸素イオンから酸素が発生するという、イオン電導が生じる。イオン電導の化学反応式は、（式２）のように表すことができる。

したがって、（式１）における「反応に含まれる電子数ｎ」は、‘４’となる。

基準ガスの酸素濃度Ｐ_R は既知であることから、ジルコニア素子１２で発生する起電力Ｅを測定することにより、測定ガスの酸素濃度Ｐ_M を（式１）から算出することができる。図３は、ジルコニア素子１２で発生する起電力Ｅと測定ガスの酸素濃度Ｐ_M との関係を示すグラフである。図３に示すように、酸素濃度Ｐ_M は起電力Ｅの対数関数値として変動していることがわかる。したがって、ジルコニア素子１２で発生する起電力Ｅを測定することにより、測定ガスの酸素濃度Ｐ_M を求めることができる。

なお、（式１）に示すネルンストの式からもわかるように、起電力Ｅは、周囲の雰囲気の温度（絶対温度）Ｔによって変動する。そこで、熱電対１８を用いた熱電対温度測定部により基準ガスの温度（絶対温度）Ｔを測定しておくことにより、ネルンストの式から正しい起電力Ｅを求めることができ、より正確に測定ガスの酸素濃度Ｐ_M を求めることができる。

図２に戻って、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、アルミナ管１３の一端に、円柱状の第１のセンサ保持部材３１と、第１のセンサ保持部材３１と嵌め合わせることが可能な、ジルコニア素子１２を保持する円柱状の第２のセンサ保持部材３２とを備えている。第１のセンサ保持部材３１は中空であり、アルミナ管１３と連結することにより基準ガスを流入させる。第２のセンサ保持部材３２は、中実であるとともに、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間に形成される空間５０に基準ガスが流入する。第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間の空間５０に流入した基準ガスは、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２とを嵌め合わせたときに生じる隙間６０（図６参照）から、アルミナ管１３とアルミナ管２０との間の基準ガス流出経路６１を経て、外部へと流出する。

なお、アルミナ管１３の先端に備える第１のセンサ保持部材３１はアルミナ系の材料で形成されており、第１のセンサ保持部材３１と嵌め合わせる第２のセンサ保持部材３２も、アルミナ系の材料で形成されている。熱電対１８は、アルミナ管１３及び第１のセンサ保持部材３１の内部を貫通する穴部に挿通されている。なお、熱電対１８は、後述の図４に示すように、少なくとも一方の線がアルミナ管などに挿通されることにより、一方の線と他方の線とが絶縁された状態となっているが、図２では絶縁するために挿通させているアルミナ管の図示を省略している。

図４は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の第１のセンサ保持部材３１の正面図であり、図５は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の第１のセンサ保持部材３１の部分側面図である。図４（ａ）は、第１のセンサ支持部材３１の中央部分に、熱電対１８を挿通する貫通孔として穴部３１０を備える構成を示しており、図４（ｂ）は、熱電対１８を挿通する貫通孔として一対の穴部３１１を備える構成を示している。図５（ａ）は、第２のセンサ保持部材３２を嵌め合わせていない状態を示しており、図５（ｂ）は、第２のセンサ保持部材３２を嵌め合わせた状態を示している。

図４（ａ）に示すように、第１のセンサ保持部材３１の中央部分に貫通孔として穴部３１０を備えている場合、すなわち第１のセンサ保持部材３１が中空である場合には、アルミナ管１３に挿通させ、少なくとも一方の線がアルミナ管１８２などに挿通されることにより、一方の線と他方の線とが絶縁された熱電対１８を穴部３１０から引き出し、引き出された熱電対１８を互いに結合することで、熱電対温度測定部として機能させる結合部分１８１を形成している。基準ガスは、アルミナ管１３の穴部３１０から第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間の空間５０へと誘導される。

第１のセンサ保持部材３１は、基準ガスさえ流通させることができれば、全周にわたって中空である必要はない。例えば図４（ｂ）及び図５に示すように、熱電対１８を挿通する貫通孔を、基準ガスが流通する一対の穴部３１１として形成しても良い。この場合、基準ガスは、アルミナ管１３を通って一対の穴部３１１から第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間の空間５０へと誘導される。

そして、図５（ａ）に示す第１のセンサ保持部材３１を、図５（ｂ）に示すように、第２のセンサ保持部材３２と嵌め合わせた場合、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間に空間５０が形成され、熱電対１８の結合部分１８１を空間５０内に配置することができる。したがって、製品ごとに結合部分１８１の位置、つまり結合部分１８１とジルコニア素子１２との位置関係に大きなばらつきが生じることがない。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、図４（ｂ）の形状を有する第１のセンサ保持部材３１を用いる場合について説明しているが、図４（ａ）の形状を有する第１のセンサ保持部材３１を用いる場合においても、同様の効果を得ることができる。この場合、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間の空間５０は、図４（ｂ）の形状を有する第１のセンサ保持部材３１を用いる場合と同じとなる。

また、本実施の形態では、結合部分１８１の位置にばらつきが生じるのを抑制するために、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との嵌め合わせ部分の形状にも工夫がされている。図６は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との嵌め合わせ状態を模式的に示す斜視図である。

図６に示すように、第１のセンサ保持部材３１及び第２のセンサ保持部材３２は、円柱状であり、嵌め合わせる側の端面を互いに嵌め合わせることが可能なようにＶ字状に切り込んである。そして、第１のセンサ保持部材３１に対して、第２のセンサ保持部材３２の突出する部分を、互いに対向する位置から９０度回転させて嵌め合わせる。すなわち、第１のセンサ保持部材３１及び第２のセンサ保持部材３２の各端面の突出する部分と切り込んである部分とを嵌め合わせることにより、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間に空間５０が形成される。このような形状の空間５０に結合部分１８１を配置することにより、結合部分１８１とジルコニア素子１２との距離だけでなく、結合部分１８１を円柱形状の中央近傍に維持することができる。したがって、製品ごとに熱電対温度測定部として機能する結合部分１８１の位置にばらつきが生じることがないので、温度測定結果にもばらつきが生じない。

なお、第２の白金電極１４は、ジルコニア素子１２（内部電極１６）の一方の面に圧着させることが好ましい。起電力Ｅをより確実に測定するためである。本実施の形態では、第２の白金電極１４の先端部分を、ジルコニア素子１２（内部電極１６）とジルコニア素子１２へ第２の白金電極１４を押しつけて保持する第２のセンサ保持部材３２とで挟持している。

図７は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の先端部分の構成を拡大して示す部分拡大断面図である。図７に示すように、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、第２の白金電極１４の先端部分を略直角に折り曲げて、ジルコニア素子１２（内部電極１６）と接触するように形成している。そして、形成された第２の白金電極１４の先端部分を、ジルコニア素子１２（内部電極１６）と、ジルコニア素子１２へ第２の白金電極１４を押しつけて保持する第２のセンサ保持部材３２とで挟持している。

第２のセンサ保持部材３２は、アルミナ管１３及び第１のセンサ保持部材３１によってジルコニア素子１２側へと押しつけられ、第２の白金電極１４の先端部分と、ジルコニア素子１２（内部電極１６）とを圧着している。これにより、第２の白金電極１４の先端部分と、ジルコニア素子１２（内部電極１６）とを、確実に密着させることができる。

以上のように本実施の形態によれば、基準ガスを流入するアルミナ管１３の一端に、円柱状の第１のセンサ保持部材３１と、第１のセンサ保持部材３１と嵌め合わせることが可能な、ジルコニア素子１２を保持する円柱状の第２のセンサ保持部材３２とを備え、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間に形成された空間５０において、熱電対１８が互いに結合されているので、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間の空間５０に熱電対１８の結合部分１８１の位置が規制され、熱電対温度測定部が配置される位置に生じるばらつきが小さくなる。したがって、熱電対１８の結合部分１８１の位置に個体差が生じにくく、製品ごとに温度測定結果にばらつきが生じることがなく、高い信頼性を有する酸素濃度測定装置１を提供することが可能となる。

その他、上述した実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができることは言うまでもない。

１ 酸素濃度測定装置
１０ 酸素センサ部
１２ ジルコニア素子
１３ アルミナ管（基準ガス流入管）
１４ 白金電極（第２の白金電極）
１５ 白金電極（第１の白金電極）
１６ 内部電極
１７ 外部電極
１８ 熱電対
２０ アルミナ管
３１ 第１のセンサ保持部材
３２ 第２のセンサ保持部材
５０ 空間
１８１ 結合部分
３１０、３１１ 穴部

Claims (3)

1. 測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極と、基準ガスと接触する側において内部電極と、それぞれ接続され、前記測定ガスの酸素濃度と前記基準ガスの酸素濃度との差に応じて起電力を発生するジルコニア素子と、
   前記外部電極に接続された第１の白金電極と、
   前記内部電極に接続された第２の白金電極と、
   温度を測定する熱電対と
   を備える酸素濃度測定装置において、
   前記基準ガスが流入する基準ガス流入管の一端に円柱状の第１のセンサ保持部材と、該第１のセンサ保持部材に嵌め合わされている、前記ジルコニア素子を保持する円柱状の第２のセンサ保持部材とを備え、
   前記第１のセンサ保持部材と前記第２のセンサ保持部材との間に形成された空間に前記熱電対の結合部分が保持されていることを特徴とする酸素濃度測定装置。
2. 前記第２のセンサ保持部材は中実であり、前記第１のセンサ保持部材は、前記熱電対を挿通することが可能な穴部を備えることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度測定装置。
3. 前記第１のセンサ保持部材及び前記第２のセンサ保持部材は、互いに嵌め合わせる側の端面をＶ字状に切り込んであり、
   前記空間は、前記端面の突出している部分と切り込んである部分とを嵌め合わせることにより形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素濃度測定装置。

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