JP6875625B2 - 酸素センサ及び酸素分圧計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素センサ及び酸素分圧計測装置に係り、さらに詳しくは、測定対象ガスの酸素分圧を検出する酸素センサの改良に関する。

金属の表面層に炭素を浸透させる浸炭処理は、処理炉内に浸炭性の雰囲気を供給しながら行われる金属の熱処理であり、雰囲気の浸炭能力を表すカーボンポテンシャルは、処理炉内の酸素分圧から特定することができる。この様な高温雰囲気中における酸素分圧の測定には、例えば、処理炉に設けられたポートに検出部を挿入する直挿型の酸素センサが用いられる。

この種の酸素センサは、安定化ジルコニア等の固体電解質からなる検出セルを利用して測定対象ガスの酸素分圧を検出する。検出セルは、酸素濃淡電池であり、両端に接触するガスの酸素濃度に差があると、酸素イオンが固体電解質中を高濃度側から低濃度側へ移動し、濃度差に応じた起電力が発生する。処理炉内の雰囲気の酸素分圧を測定する場合、雰囲気ガスを測定対象ガスとして検出セルの一端に接触させ、酸素分圧が既知のガスを分圧参照用の基準ガスとして検出セルの他端に接触させる。検出部は、この様な検出セルからなり、検出セルの起電力を計測することにより、雰囲気ガスの酸素分圧が求められる。

酸素センサの検出セルは、機械的な衝撃や振動、急激な温度変化によって破損することがある。また、検出セルに接合された端子電極が機械的な衝撃等によって検出セルから剥離することもある。さらに、検出セルや端子電極が雰囲気ガスと反応して劣化することがある。このため、上述した様な従来の酸素センサは、処理炉内の酸素分圧を測定する際の信頼性が低いという問題があった。例えば、熱処理中に酸素センサの不具合が生じると、誤った酸素分圧に基づいて雰囲気ガスの制御が行われることになるため、製品の歩留まりが悪化してしまう。

処理炉に複数のポートを設け、これらのポートに複数の酸素センサをそれぞれ挿入し、酸素センサの検出結果を比較して酸素センサが正常に機能しているか否かを検知することが考えられる。しかしながら、処理炉内は、雰囲気ガスの流れが存在することから、計測位置によって酸素分圧が大きく異なることがある。このため、ポートが異なる複数の酸素センサの検出結果を比較しても酸素センサに不具合が生じているか否かを正しく識別することができなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、処理炉内の酸素分圧を測定する際の信頼性を向上させた酸素センサを提供することを目的とする。特に、処理炉の１つのポートに挿入して雰囲気ガスの酸素分圧を測定する際の信頼性を向上させることができる酸素センサを提供することを目的とする。

また、本発明は、熱処理中における酸素センサの異常を速やかに検知することができる酸素分圧計測装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による酸素センサは、一端が酸素分圧測定用の検出セルによってそれぞれ封止され、分圧参照用の基準ガスが他端から内部にそれぞれ導入される２つの検出管と、閉鎖された一端付近の周面上に測定対象ガスを内部に導入するための導入孔が形成され、２つの前記検出管が内部に配置される保護管と、前記検出セルの軸方向の位置を互いに略一致させた状態で、２つの前記検出管を支持する検出管支持手段とを備える。

この様な構成によれば、２つの検出管が１つの保護管内に配置され、検出セルの軸方向の位置を互いに略一致させた状態でこれらの検出管が支持されるため、計測位置が異なることによる酸素分圧のばらつきを抑制することができる。従って、検出セルの起電力情報を２つの検出管について比較することにより、酸素センサの異常を正しく検知することができる。

本発明の第２の態様による酸素センサは、上記構成に加え、前記検出管支持手段が、互いに間隔を空けた状態で２つの前記検出管を略平行に支持する。この様な構成によれば、２つの検出管が擦れ合うことによる検出管の破損を抑制することができる。

本発明の第３の態様による酸素センサは、上記構成に加え、２つの前記導入孔が、２つの前記検出セル間の空間を挟んで対向するように配置される。この様な構成によれば、２つの導入孔の一方から他方へ向かって保護管の内部を流れる気流が形成されると、当該気流が２つの検出セル間の空間を流れるため、検出セル間で酸素分圧がばらつくのを抑制することができる。

本発明の第４の態様による酸素センサは、上記構成に加え、２つの前記検出セルが、前記保護管の中心軸を挟んで対称に配置される。この様な構成によれば、保護管内の狭いスペースを効率よく利用して２つの検出管が配置されるため、保護管が太くなるのを抑制することができる。

本発明の第５の態様による酸素センサは、上記構成に加え、２つの前記検出管の前記他端がともに連結される押え部材と、前記押え部材を軸方向に付勢する付勢手段とを備え、前記検出管支持手段が、前記保護管に対し前記検出管を軸方向に移動可能に支持する。

この様な構成によれば、検出管が検出管支持手段により軸方向に移動可能に支持されるため、検出管の温度変化による膨張又は収縮を吸収することができる。また、押え部材を介して検出管の他端が軸方向に付勢されるため、検出管の膨張又は収縮によって検出セルの位置が軸方向にずれるのを防止することができる。さらに、２つの検出管が共通の押え部材を介して付勢されるため、構造を簡略化することができる。従って、部品点数やサイズの増大を抑制することができる。

本発明の第６の態様による酸素センサは、上記構成に加え、２つの前記検出管から前記押え部材までの距離を相対的に調整可能な付勢力調整手段を備える。この様な構成によれば、２つの検出管について付勢力を独立して調整することができる。従って、熱膨張等の個体差を吸収することができる。

本発明の第７の態様による酸素センサは、上記構成に加え、前記押え部材には、２つの前記検出管の内部に前記基準ガスをそれぞれ導入するための２つのガイド孔が形成され、前記付勢力調整手段が、２つの前記ガイド孔とそれぞれ螺合する２つのスリーブ部材からなる。この様な構成によれば、スリーブ部材の軸方向の位置を調整することにより、付勢力を独立して調整することができる。

本発明の第８の態様による酸素センサは、上記構成に加え、前記検出管支持手段が、前記保護管の開放端を閉鎖する部材からなり、２つの前記検出管がそれぞれ配置される２つのガイド孔を有し、前記ガイド孔には、前記検出管を外囲し、前記測定対象ガスの漏出を防ぐための環状のシール部材を収容するシール溝が形成され、２つの前記シール溝が、軸方向の位置を異ならせて配置される。

この様な構成によれば、検出管をガイド孔に配置することにより、ガイド孔のシール溝に収容されたシール部材がガイド孔の内周面と検出管の外周面とで挟まれ、ガイド孔と検出管との間の間隙が封止される。このため、保護管内に導入された測定対象ガスが当該間隙を介して処理炉外へ漏出するのを防止することができる。また、２つのシール溝が軸方向の位置を異ならせて配置されるため、２つの検出管を軸方向と交差する方向により近づけて配置することができる。従って、計測位置が異なることによる酸素分圧のばらつきが抑えられるため、酸素センサの異常を検知する際の検知精度を向上させることができる。

本発明の第９の態様による酸素分圧計測装置は、測定対象ガスの酸素分圧を検出する固体電解質方式の酸素センサと、前記酸素センサから検出セルの起電力情報を取得し、前記酸素分圧を求める酸素分圧算出手段と、前記起電力情報に基づいて、前記酸素センサの異常を検知する異常検知手段とを備える。前記酸素センサは、一端が前記検出セルによってそれぞれ封止され、分圧参照用の基準ガスが他端から内部にそれぞれ導入される２つの検出管と、閉鎖された一端付近の周面上に前記測定対象ガスを内部に導入するための導入孔が形成され、２つの前記検出管が内部に配置される保護管と、前記検出セルの軸方向の位置を互いに略一致させた状態で、２つの前記検出管を支持する検出管支持手段とを備え、前記異常検知手段は、２つの前記検出セルの起電力を比較することにより、酸素センサの異常を検知するように構成される。

この酸素分圧計測装置では、検出セルの起電力を２つの検出管について比較することにより、酸素センサの異常が検知されるため、熱処理中における酸素センサの異常を速やかに検知することができる。

本発明によれば、処理炉内の酸素分圧を測定する際の信頼性を向上させた酸素センサを提供することができる。特に、計測位置が異なることによる酸素分圧のばらつきが抑制されるため、検出セルの起電力情報を２つの検出管について比較することにより、酸素センサの異常を正しく検知することができる。従って、酸素センサを処理炉の１つのポートに挿入して雰囲気ガスの酸素分圧を測定する際の信頼性を向上させることができる。

また、本発明によれば、熱処理中における酸素センサの異常を速やかに検知することができる酸素分圧計測装置を提供することができる。

本発明の実施の形態による酸素センサ１を含む熱処理システム１００の一構成例を示したシステム図である。 図１の酸素センサ１の一構成例を示した斜視図である。 図２の検出部１０の構成例を示した断面図であり、中心軸Ｊを含む平面により酸素センサ１を切断した場合の切断面が示されている。 図２の本体部１２の構成例を示した断面図である。 酸素センサ１を含む酸素分圧計測装置２００の一構成例を示したブロック図である。

＜熱処理システム１００＞
図１は、本発明の実施の形態による酸素センサ１を含む熱処理システム１００の一構成例を示したシステム図である。図中には、バッチ式の処理炉２を用いて金属部材３の浸炭処理を行う熱処理システム１００が示されている。

金属部材３の熱処理は、処理炉２内に浸炭性の雰囲気ガスを供給しながら行われる。雰囲気ガスは、ガス供給路２３を介して処理炉２の内部に供給され、排気路２４を介して外部へ排出される。

処理炉２の側壁には、酸素センサ１を配置するためのポート２５が設けられている。このポート２５は、酸素センサ１を取り付けるための取付孔であり、断熱材２１やケーシング部材２２を水平方向に貫通している。

酸素センサ１は、雰囲気ガスを測定対象ガスとして酸素分圧を検出する直挿型の酸素分圧検出装置であり、測定対象ガスの酸素分圧を検出するための検出部１０が設けられている。

検出部１０をポート２５に挿入して酸素センサ１を処理炉２のケーシング部材２２に取り付けることにより、高温熱処理中における炉内の酸素分圧を検出することができる。なお、処理炉２は、連続式の生産炉であってもよい。また、酸素センサ１は、水平に寝かせた状態だけでなく、鉛直に立てた状態で配置してもよい。

＜酸素センサ１＞
図２は、図１の酸素センサ１の一構成例を示した斜視図であり、直挿型の酸素センサ１が示されている。本明細書では、保護管１１の中心軸Ｊが水平方向に延びているものとして説明するが、本発明による酸素センサ１の使用時における姿勢を制限するものではない。

この酸素センサ１は、水平方向に直線状に延びる保護管１１と、保護管１１の前端部に配置される検出部１０と、保護管１１の後端部を支持する本体部１２とを備える。保護管１１は、検出セルを保護するための円筒形状のケーシング部材である。

保護管１１の前端は、閉鎖されており、この閉鎖端付近の周面上には、測定対象ガスを内部に導入するための複数の導入孔１１１が形成されている。導入孔１１１は、例えば、円形状であり、周方向に一定の間隔で配置される。

本体部１２は、水平方向を長手方向とする直方体形状のケーシング部材からなり、前面から突出するように保護管１１が取り付けられている。本体部１２には、分圧参照用の基準ガスを内部に導入するための導入口１２１と、バーンアウトエアを内部に導入するための導入孔１２２と、検出信号を取り出すためのコネクタ１２３とが設けられている。

導入口１２１は、ボルト状の接続部材１２１ａに形成されており、接続部材１２１ａを介して基準ガスが導入される。この接続部材１２１ａは、本体部１２の上面及び下面にそれぞれ配置されている。基準ガスには、例えば、空気を用いることができる。

バーンアウトエアは、検出セル等に堆積した煤などの異物を燃焼させて除去するための空気である。導入孔１２２は、本体部１２の側面に形成されている。コネクタ１２３は、ソケット状の配線接続部材であり、検出セルごとに設けられ、本体部１２の対向する２つの側面にそれぞれ配置されている。

＜検出部１０＞
図３は、図２の検出部１０の構成例を示した断面図であり、中心軸Ｊを含む平面により酸素センサ１を切断した場合の切断面が示されている。図中の（ａ）には、図２に示したＡ−Ａ切断線を含む平面により切断した場合が示され、（ｂ）には、Ｂ−Ｂ切断線を含む平面により切断した場合が示されている。

酸素センサ１は、前端が酸素分圧測定用の検出セル１５によってそれぞれ封止された２つの検出管１３及び１４と、２つの検出管１３及び１４が内部に配置される保護管１１とを備える。

検出セル１５は、安定化ジルコニア等の固体電解質１５０と、固体電解質１５０から起電力を取り出すための外部電極１５１及び内部電極１５２とにより構成される。安定化ジルコニアは、ジルコニア（二酸化ジルコニウム）に酸化物を添加することによって安定化された化合物であり、６００℃以上の高温で固体電解質になる。固体電解質１５０は、例えば、水平方向に延びる円柱形状からなり、前端面上に外部電極１５１が配置され、後端面上に内部電極１５２が配置される。

外部電極１５１及び内部電極１５２は、例えば、メッシュ状又は多孔質の金属板からなり、通気性を有する。検出セル１５は、固体電解質１５０の一部が検出管１３及び１４の前端から露出するように配置される。固体電解質１５０の前端は、外部電極１５１を介して測定対象ガスに曝され、後端は、内部電極１５２を介して基準ガスに曝される。

検出管１３及び１４は、いずれも中心軸Ｊに沿って直線状に延びる円筒形状の部材であり、分圧参照用の基準ガスがそれぞれ後端から内部に導入される。検出管１３及び１４は、例えば、耐熱性に優れるアルミナ（酸化アルミニウム）等のセラミック材料からなる。

検出管１３及び１４には、基準ガスを検出管１３及び１４の内部に導入するための導入管１６がそれぞれ配置されている。導入管１６は、中心軸Ｊに沿って直線状に延び、前端が検出セル１５に到達している中空の部材であり、後端から基準ガスが内部に導入される。導入管１６は、例えば、アルミナ等のセラミック材料からなる。検出セル１５の内部電極１５２は、導入管１６の内部に挿通される金属製のワイヤー（図示せず）を介して本体部１２のコネクタ１２３と電気的に接続される。導入管１６の前端付近には、温度検出のための熱電対１６１が配置されている。

保護管１１は、円柱形状の蓋部材１１２によって閉鎖されている。保護管１１及び蓋部材１１２は、例えば、耐熱性に優れるニッケル合金等の金属材料からなり、検出セル１５の外部電極１５１と電気的に接続される。

蓋部材１１２の背面には、検出セル１５の前端部を収容し、検出管１３及び１４をそれぞれ位置決めするための２つの凹部１１３が設けられている。凹部１１３は、検出セル１５と係合する係合部であり、互いに間隔を空けて配置されている。また、凹部１１３は、中心軸Ｊを挟んで対称に配置されている。

従って、２つの検出管１３及び１４が保護管１１内に配置された状態では、２つの検出セル１５が中心軸Ｊを挟んで対称に配置されることになる。すなわち、各検出セル１５は、中心軸Ｊと直交する方向に関し、中心軸Ｊから等距離であって、互いに反対側に配置される。保護管１１内の狭いスペースを効率よく利用して２つの検出管１３及び１４が配置されるため、保護管１１が太くなるのを抑制することができる。

保護管１１には、測定対象ガスを内部に導入するための４つの導入孔１１１ａ〜１１１ｄが形成されている。このうち、２つの導入孔１１１ｃ及び１１１ｄは、一方の導入孔から他方の導入孔へ向かって保護管１１の内部を流れる気流によって、酸素分圧が検出セル１５間でばらつくのを抑制するために、２つの検出セル１５間の空間を挟んで対向するように配置されている。具体的には、検出セル１５の近傍において、２つの検出セル１５を含む平面と対向するように２つの導入孔１１１ｃ及び１１１ｄが配置される。

この様に円周を４分割する４つの導入孔１１１ａ〜１１１ｄを保護管１１に設けることにより、炉内の不確定な雰囲気ガスの流れに対し、保護管１１の内側と外側とで酸素分圧がばらつくのを効果的に抑制することができる。

＜本体部１２＞
図４は、図２の本体部１２の構成例を示した断面図であり、保護管１１の中心軸Ｊと検出管１３及び１４の中心軸とを含む平面により本体部１２を切断した場合の切断面が示されている。

この本体部１２は、保護管支持部材１７、検出管支持部材１８、押え部材１９、締結部材４１〜４５、シール部材５１〜５３、スリーブ部材６、コイルばね７、接続部材８１，８３、ガイド管８２、ケーシング部材１２０、接続部材１２１ａ、コネクタ１２３、蓋部材１２４及びばね押え板１２５を備える。

保護管支持部材１７は、保護管１１を支持するための角柱形状の部材であり、保護管１１の後端が取り付けられている。保護管支持部材１７には、保護管１１の後端部と嵌合する円形状の貫通孔１７１が形成され、保護管１１の後端から延びる検出管１３及び１４を挿通させている。貫通孔１７１は、中心軸Ｊと略同軸に配置されている。

また、保護管支持部材１７の背面には、測定対象ガスの漏出を防ぐための環状のシール部材５１を収容するシール溝１７２が形成されている。シール部材５１は、例えば、Ｏリングである。シール溝１７２は、中心軸Ｊを中心とする円周の方向に延び、２つの検出管１３及び１４を取り囲む円環状の溝である。

また、保護管支持部材１７の背面には、検出管支持部材１８を保護管支持部材１７に取り付け、ばね押え板１２５の軸方向の位置を調整するための４つの締結部材４３をそれぞれ螺合させる４つのねじ穴が形成されている。このねじ穴は、保護管支持部材１７の４つのコーナー部にそれぞれ配置されている。

ケーシング部材１２０は、保護管支持部材１７、検出管支持部材１８、押え部材１９及びばね押え板１２５を収容するハウジングであり、前端部には保護管支持部材１７が配置され、後端の開口は、蓋部材１２４によって閉鎖されている。保護管支持部材１７及び蓋部材１２４は、それぞれ締結部材４１及び４２を用いてケーシング部材１２０に着脱可能に取り付けられている。

検出管支持部材１８は、検出セル１５の軸方向の位置を互いに略一致させた状態で、２つの検出管１３及び１４を支持するための矩形形状の板部材である。この検出管支持部材１８は、検出管同士が擦れ合うのを防止するために、互いに間隔を空けた状態で２つの検出管１３及び１４を略平行に支持するとともに、保護管１１の開放端を閉鎖する。

また、検出管支持部材１８は、前面を保護管支持部材１７の背面に接触させた状態で、締結部材４３及び４４を用いて保護管支持部材１７に取り付けられる。すなわち、検出管支持部材１８には、締結部材４３を挿通させる貫通孔が形成され、この貫通孔を介して保護管支持部材１７のねじ穴に螺合させた締結部材４３と、締結部材４３の軸部と係合するナット状の締結部材４４とを用いて検出管支持部材１８が保護管支持部材１７に固定される。

シール部材５１が保護管支持部材１７の背面と検出管支持部材１８の前面とで挟まれることにより、保護管支持部材１７及び検出管支持部材１８間の間隙が封止される。このため、保護管１１内に導入された測定対象ガスが当該間隙を介して処理炉２外へ漏出するのを防止することができる。

検出管支持部材１８には、２つの検出管１３及び１４がそれぞれ配置される２つのガイド孔１８１及び１８３が形成されている。ガイド孔１８１及び１８３は、いずれも中心軸Ｊに沿って延びる円形状の貫通孔であり、保護管１１に対し、検出管１３及び１４をそれぞれ軸方向に移動可能に支持する。検出管１３及び１４が検出管支持部材１８により軸方向に移動可能に支持されるため、検出管１３及び１４の温度変化による膨張又は収縮を吸収することができる。

ガイド孔１８１には、測定対象ガスの漏出を防ぐための環状のシール部材５２を収容するシール溝１８２が形成されている。ガイド孔１８３にも、測定対象ガスの漏出を防ぐための環状のシール部材５３を収容するシール溝１８４が形成されている。シール部材５２及び５３は、例えば、Ｏリングであり、検出管１３及び１４をそれぞれ外囲する。

シール部材５２がガイド孔１８１の内周面と検出管１３の外周面とで挟まれることにより、ガイド孔１８１と検出管１３との間の間隙が封止される。また、シール部材５３がガイド孔１８３の内周面と検出管１４の外周面とで挟まれることにより、ガイド孔１８３と検出管１４との間の間隙が封止される。このため、保護管１１内に導入された測定対象ガスがこの様な間隙を介して処理炉２外へ漏出するのを防止することができる。

２つのシール溝１８２及び１８４は、２つの検出管１３及び１４をより近づけて配置するために、軸方向の位置を異ならせて配置される。このため、計測位置が異なることによる酸素分圧のばらつきを抑制することができる。また、２つの検出管１３及び１４が近づけて配置されるため、保護管１１の太さが増大するのを抑制することができる。

押え部材１９は、検出管１３及び１４の軸方向における後方への移動を制限する一方、コイルばね７の伸縮を案内する円柱形状のガイド部材であり、中心軸Ｊと略同軸に配置される。押え部材１９には、２つの検出管１３及び１４の後端がともに連結されている。押え部材１９を介して検出管１３及び１４の後端が軸方向に付勢されるため、検出管１３及び１４の膨張又は収縮によって検出セル１５の位置が軸方向にずれるのを防止することができる。さらに、２つの検出管１３及び１４が共通の押え部材１９を介して付勢されるため、構造を簡略化することができる。

この押え部材１９には、２つの検出管１３及び１４の内部に基準ガスをそれぞれ導入するための２つのガイド孔１９１及び１９２が形成されている。また、押え部材１９には、コイルばね７を当接させるフランジ部１９３が形成されている。

ガイド孔１９１及び１９２は、いずれも中心軸Ｊに沿って延びる円形状の貫通孔であり、検出管１３及び１４の後端からそれぞれ延びる２つの導入管１６の後端部がそれぞれ配置される。また、ガイド孔１９１及び１９２には、スリーブ部材６を後方から螺合させるねじ溝がそれぞれ形成されている。

スリーブ部材６は、ガイド孔１９１又は１９２と螺合する円筒形状のガイド部材であり、前端面を導入管１６の後端面に接触させることにより、導入管１６の後方への移動を制限している。また、スリーブ部材６は、２つの検出管１３又は１４から押え部材１９までの距離を相対的に調整可能な付勢力調整手段として機能する。すなわち、スリーブ部材６の軸方向の位置を調整することにより、２つの検出管１３及び１４について、コイルばね７による付勢力を独立して調整することができる。従って、熱膨張等の個体差を吸収することができる。このスリーブ部材６は、ナット状の締結部材４５を用いて押え部材１９に固定される。

コイルばね７は、押え部材１９を軸方向に付勢するための付勢部材であり、中心軸Ｊと略同軸に配置される。このコイルばね７は、一部が押え部材１９の外周面を外囲するように配置され、前端がフランジ部１９３の背面に接触し、後端がばね押え板１２５の前面に接触している。

ばね押え板１２５は、コイルばね７の軸方向における後方への移動を制限するための矩形形状の板部材であり、ガイド管８２などを挿通するための円形状の貫通孔１２６を有する。この貫通孔１２６は、中心軸Ｊと略同軸に配置される。

ばね押え板１２５には、当該ばね押え板１２５の軸方向の位置を調整するための４つの締結部材４３をそれぞれ挿通するための４つの貫通孔が形成されている。この貫通孔は、ばね押え板１２５の４つのコーナー部にそれぞれ配置されている。検出管１３及び１４は、導入管１６、押え部材１９及びスリーブ部材６を介して軸方向に付勢されている。ばね押え板１２５の位置が軸方向に調整可能であるため、コイルばね７の劣化による付勢力の低下を抑制することができる。

接続部材１２１ａの導入口１２１を介して供給された基準ガスは、接続部材８１，８３及びガイド管８２を介して導入管１６内に案内される。接続部材８１は、導入管１６とガイド管８２とを挿抜可能に接続するための中空のガイド部材であり、中心軸Ｊに沿って延び、後端部を導入管１６の後端から突出させた状態で導入管１６の内部に配置されている。

接続部材８３は、ケーシング部材１２０の貫通孔に挿通された接続部材１２１ａとガイド管８２とを連通する円筒形状のガイド部材である。基準ガスは、接続部材１２１ａ，８３、ガイド管８２、接続部材８１及び導入管１６をこの順序で順に通過して検出セル１５に供給される。

検出セル１５に供給された基準ガスは、検出管１３又は１４と導入管１６との間の間隙や導入管１６と接続部材８１との間の空隙を介してケーシング部材１２０の内部の空間に排出され、その後、ケーシング部材１２０と保護管支持部材１７との間の間隙等を介してケーシング部材１２０の外部へ排出される。

保護管１１の蓋部材１１２は、２つの検出セル１５に共通の電極として機能する。従って、各検出セル１５の外部電極１５１は、蓋部材１１２及び保護管１１を介してコネクタ１２３と電気的に接続される。一方、各検出セル１５の内部電極１５２は、導入管１６内に挿通されたワイヤーを介してそれぞれコネクタ１２３と電気的に接続される。熱電対１６１用の配線は、導入管１６を介してコネクタ１２３に接続される。

締結部材４１，４３，４４や接続部材１２１ａをケーシング部材１２０や保護管支持部材１７から取り外すことにより、検出管１３及び１４を保護管１１から取り外して交換することができる。

＜酸素分圧計測装置２００＞
図５は、酸素センサ１を含む酸素分圧計測装置２００の一構成例を示したブロック図である。この酸素分圧計測装置２００は、酸素センサ１、酸素分圧算出部２０１、異常検知部２０２及び出力部２０３により構成される。

酸素分圧算出部２０１は、酸素センサ１から検出セル１５の起電力情報を取得し、測定対象ガスの酸素分圧を求める。測定対象ガスの酸素分圧は、検出セル１５の起電力情報と熱電対１６１の温度情報と基準ガスの酸素分圧とに基づいて、求められる。例えば、ネルンストの関係式を用いて算出することができる。

この酸素分圧算出部２０１は、２つの検出管１３及び１４のいずれか一方又は両方の起電力情報に基づいて、測定対象ガスの酸素分圧を求め、計測値として出力部２０３へ出力する。

異常検知部２０２は、酸素センサ１から検出セル１５の起電力情報を取得し、取得した起電力情報に基づいて、酸素センサ１の異常を検知する。すなわち、異常検知部２０２は、２つの検出セル１５の起電力を比較することにより、酸素センサ１の異常を検知する。例えば、起電力の差分値を予め定められた判定用閾値と比較し、差分値の絶対値が判定用閾値を上回っていれば、いずれかの検出管１３又は１４に異常が生じていると判断される。一方、差分値の絶対値が判定用閾値以下であれば、検出管１３及び１４は正常であると判断される。

出力部２０３は、起電力、温度及び酸素分圧の計測値を表示し、或いは、外部機器へ出力する。また、出力部２０３は、異常検知部２０２による検知結果を表示し、或いは、外部機器へ出力する。

検出セル１５の起電力を２つの検出管１３及び１４について比較することにより、酸素センサ１の異常が検知されるため、熱処理中における酸素センサ１の異常を速やかに検知することができる。

本実施の形態によれば、２つの検出管１３及び１４が１つの保護管１１内に配置され、検出セル１５の軸方向の位置を互いに略一致させた状態でこれらの検出管１３及び１４が支持されるため、計測位置が異なることによる酸素分圧のばらつきを抑制することができる。従って、検出セル１５の起電力情報を２つの検出管１３及び１４について比較することにより、酸素センサ１の異常を正しく検知することができる。

また、検出管１３及び１４が検出管支持部材１８により軸方向に移動可能に支持されるため、検出管１３及び１４の温度変化による膨張又は収縮を吸収することができる。また、押え部材１９を介して検出管１３及び１４の後端が軸方向に付勢されるため、検出管１３及び１４の膨張又は収縮によって検出セル１５の位置が軸方向にずれるのを防止することができる。さらに、２つの検出管１３及び１４が共通の押え部材１９を介して付勢されるため、本体部１２の構造を簡略化することができる。

１ 酸素センサ
１０ 検出部
１１ 保護管
１１１，１１１ａ〜１１１ｄ 測定対象ガスの導入孔
１１２ 蓋部材
１１３ 凹部
１２ 本体部
１２０ ケーシング部材
１２１ 基準ガスの導入口
１２１ａ 接続部材
１２２ バーンアウトエアの導入孔
１２３ コネクタ
１２５ ばね押え板
１３，１４ 検出管
１５ 検出セル
１５０ 固体電解質
１５１ 外部電極
１５２ 内部電極
１６ 導入管
１６１ 熱電対
１７ 保護管支持部材
１８ 検出管支持部材
１９ 押え部材
２ 処理炉
２５ ポート
５１〜５３ シール部材
６ スリーブ部材
７ コイルばね
８１，８３ 接続部材
８２ ガイド管
１００ 熱処理システム
２００ 酸素分圧計測装置
２０１ 酸素分圧算出部
２０２ 異常検知部
２０３ 出力部
Ｊ 中心軸

Claims (8)

1. 一端が酸素分圧測定用の検出セルによってそれぞれ封止され、分圧参照用の基準ガスが他端から内部にそれぞれ導入される２つの検出管と、
   閉鎖された一端付近の周面上に測定対象ガスを内部に導入するための導入孔が形成され、２つの前記検出管が内部に配置される保護管と、
   前記検出セルの軸方向の位置を互いに略一致させた状態で、２つの前記検出管を支持する検出管支持手段と、
   ２つの前記検出管の前記他端がともに連結される押え部材と、
   前記押え部材を軸方向に付勢する付勢手段とを備え、
   前記検出管支持手段は、前記保護管に対し前記検出管を軸方向に移動可能に支持することを特徴とする酸素センサ。
2. 前記検出管支持手段は、互いに間隔を空けた状態で２つの前記検出管を略平行に支持することを特徴とする請求項１に記載の酸素センサ。
3. ２つの前記導入孔が、２つの前記検出セル間の空間を挟んで対向するように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素センサ。
4. ２つの前記検出セルは、前記保護管の中心軸を挟んで対称に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸素センサ。
5. ２つの前記検出管から前記押え部材までの距離を相対的に調整可能な付勢力調整手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の酸素センサ。
6. 前記押え部材には、２つの前記検出管の内部に前記基準ガスをそれぞれ導入するための２つのガイド孔が形成され、
   前記付勢力調整手段は、２つの前記ガイド孔とそれぞれ螺合する２つのスリーブ部材からなることを特徴とする請求項５に記載の酸素センサ。
7. 前記検出管支持手段は、前記保護管の開放端を閉鎖する部材からなり、２つの前記検出管がそれぞれ配置される２つのガイド孔を有し、
   前記ガイド孔には、前記検出管を外囲し、前記測定対象ガスの漏出を防ぐための環状のシール部材を収容するシール溝が形成され、
   ２つの前記シール溝は、軸方向の位置を異ならせて配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の酸素センサ。
8. 測定対象ガスの酸素分圧を検出する固体電解質方式の酸素センサと、
   
   前記酸素センサから検出セルの起電力情報を取得し、前記酸素分圧を求める酸素分圧算出手段と、
   前記起電力情報に基づいて、前記酸素センサの異常を検知する異常検知手段とを備え、
   前記酸素センサは、一端が前記検出セルによってそれぞれ封止され、分圧参照用の基準ガスが他端から内部にそれぞれ導入される２つの検出管と、
   閉鎖された一端付近の周面上に前記測定対象ガスを内部に導入するための導入孔が形成され、２つの前記検出管が内部に配置される保護管と、
   前記検出セルの軸方向の位置を互いに略一致させた状態で、２つの前記検出管を支持する検出管支持手段と、
   ２つの前記検出管の前記他端がともに連結される押え部材と、
   前記押え部材を軸方向に付勢する付勢手段とを備え、
   前記検出管支持手段は、前記保護管に対し前記検出管を軸方向に移動可能に支持し、
   前記異常検知手段は、２つの前記検出セルの起電力を比較することにより、酸素センサの異常を検知することを特徴とする酸素分圧計測装置。

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