JPH03105243A - 酸素濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の目的】

（産業上の利用分野） 本発明は、例えば各種炉内雰囲気中の酸素濃度を測定し
てその雰囲気の性状を判断するのに利用される酸素濃度
測定装置に関するものである．（従来の技術） 各種ガス雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素分析計には
，磁気式，燃焼式，ガルバニ電池式．黄燐発光式等が使
用されているが、金属部品の熱処理や表面処理等に用い
る炉内雰囲気のように極微量の酸素を測定するには、セ
ラミックス式酸素センサが主に使用されている． このセラミックス式酸素センサは、Ｚｒ０２にＣａｏ　
，Ｙ２　０３　，ＭｇＯを置換固溶させた部分安定化ジ
ルコニアが、その温度が高まると酸素イオンだけを通過
させるイオン伝導性を示すことを利用したものであって
、この部分安定化ジルコニアからなるセラミックス素子
を酸素イオン伝導性固体電解買とした酸素濃淡電池を検
出部に取り付けることによって、可燃性ガスを含まない
あらゆる分野のガス中の酸素量を連続的に迅速に測定す
ることができるようにしたものである．ｗＳ３図（ａ）
、（ｂ）は、酸素濃淡電池の原理を示すものであり、図
に示す酸素濃淡電池３０は、部分安定化ジルコニアから
なるセラミックスパイプ３１の内側と外側とに白金の多
孔買電極３２．３３を取り付けたものである．そして、
電極の一方（この図では外側の電極３３）を基準極とし
て濃度既知の基準ガスＧ、例えば大気（空気）を導き、
電極の他方（この図では内側の電極３２）に測定ガスＭ
を導くと、両電極間にそれぞれの酸素分圧Ｐｃ　，ＰＭ
の比に応じて起電力が誘起される．この起電力Ｅは、ネ
ルンストの式で表わされ、例えば測定温度８５０”Ｃの
ときは、で与えられる． したがって、起電力Ｅを測定することによって測定ガス
Ｍの酸素濃度を知ることができる．なお、このような酸
素濃淡電池を備えたセラミックス式酸素センサの測定可
能な温度範囲は、使用するセラミックスの種類によって
多少の差はあるが、一般に６００〜１２００℃である．
すなわち、セラミックス式酸素センサは，セラミックス
が酸素イオン伝導性固体電解質になる温度以上で且つ絶
縁破壊を起こす温度以下の範囲でのみ使用することがで
きる． そこで、このようなセラミックス式酸素センサを用いて
酸素濃度を測定するには、例えば管状炉のような８００
〜９００℃の恒温炉内に酸素センサを設置し、当該酸素
センサにサンプリングした測定ガスを導入して測定する
方法があった．また、熱処理炉のような高温雰囲気の酸
素温度を測定する場合には、炉内に酸素センサを直接挿
入する測定方法が実施されていた． （発明が解決しようとする課題） しかしながら，上記サンプリング方式では、簡便である
もののサンプリング系のリークや配管の詰まりなどの問
題があるため、このような方式は実験用の短時間の測定
装置としての用途に限定されざるを得ない． 他方、直接挿入方式は，サンプリングが不要であると共
に連続的な測定が可能であるため、量産型加熱炉の酸素
分析装置として広く用いられているが、前述したセラミ
ックス式酸素センサの測定可能温度範囲の関係上、特に
低温雰囲気の測定には適用できないという問題点がある
。すなわち、炉内雰囲気温度が１２００℃以上の場合に
は、例えば、熱的遮蔽した低温部を炉内に設けるなどの
方法によって対処することも可能であるが、６００℃以
下の雰囲気ガスの場合には全く使用することができず２
このような問題点の解決がセラミックス式酸素センサを
利用した酸素濃度測定装置の課題となっていた． （発明の目的） 本発明は、セラミックス式酸素センサを利用した従来の
酸素濃度測定装置の上記課題を解決するためになされた
ものであって、６００℃以下の測定ガスの酸素濃度をも
測定することができる直接挿入方式の酸素濃度測定装置
を提供することを目的としている．

【発明の構戒】

（課題を解決するための手段） 本発明に係わる酸素濃度測定装置は、筒形断熱体と前記
筒形断熱体の中空部に設けたセラミックス式酸素センサ
保持体との間に測定ガス流通路を形成すると共に前記セ
ラミックス式酸素センサを酸素イオン伝導可能な温度に
まで加熱する発熱体を備えた酸素濃度測定部を有し、前
記筒形断熱体には、前記測定ガス流通路に測定ガスを流
す測定ガス流入口を設けると共に前記測定ガス流通路を
流れたのちの測定ガスを流し出す測定ガスの流出口を設
けた構或としたものであり，このような酸素濃度測定装
置の構威を前述した従来の課題を解決するための手段と
したことを特徴としている． （作用） 本発明に係わる酸素濃度測定装置は、筒状断熱体の中空
部にセラミックス式酸素センサ保持体を備え、前記筒状
断熱体とセラミックス式酸素センサ保持体との間に測定
ガス流通路を形成すると共に前記セラミックス式酸素セ
ンサを所定の温度，すなわち当該セラミックス式酸素セ
ンサのセラミックスが酸素イオン伝導性固体電解質とな
る温度に加熱する発熱体を設けたものとなっている． 前記測定ガス流通路内の測定ガスは、前記発熱体により
加熱されることによって生ずる対流により，筒状断熱体
に設けた測定ガス流入口を経て測定ガス流通路に入った
ものであり、加熱された前記セラミックス式酸素センサ
に接触する．このとき、前記酸素センサのセンサ素子で
あるセラミックスは、前記発熱体によって加熱されて酸
素イオン伝導性の固体電解質となっているので、測定ガ
スの温度に係わりなく、セラミックスの両側における酸
素濃度の比に応じた起電力を出力して、酸素濃度を知ら
せる仕組みになっている． 一方、測定ガス流通炉を流れた測定ガスは測定ガス流出
口から流れ出し、新たな測定ガスが常時測定ガス流通路
を循環するようになっている．（実施例） 以下に、本発明を実施例によってさらに具体的に説明す
る． 第１図は、本発明に係わる酸素濃度測定装置の一実施例
を示す縦断面図であり、この実施例において，図に示す
酸素濃度測定装置１は、熱処理炉２の炉壁断熱体２ａに
設けた取付孔にその酸素濃度測定部３を挿着することに
よって取り付けられており、前記測定部３を前記熱処理
炉２の炉内（図中炉壁断熱体２ａより下方部分）に突出
させて当該炉内雰囲気の酸素濃度を測定するようにした
ものである． 前記酸素濃度測定部３は、セラミックスファイバ成形品
よりなる筒状断熱体５および成形断熱体よりなる筒形断
熱体５の中空部にセラミックス式酸素センサ６を保持す
るセラミックス式酸素センサ保持体７を備え、前記筒形
断熱体４，５と酸素センサ保持体７との間に測定ガス流
通路８を形成すると共に、前記セラミックス式酸素セン
サ６を所定の温度に加熱する発熱体であるモジュールヒ
ータ９を設けている．この場合、前記筒形断熱体４，５
の外周は耐熱鋼、この実施例ではＳＵＳ３１０Ｓステン
レス鋼からなる外皮１０で覆ってある． 前記酸素センサ保持体７によって保持された酸素センサ
６は、この実施例では部分安定化ジルコニアをセンサ素
子とするもので、第２図に拡大して示すように、耐熱合
金製の保護管１１の先端部分に収容されている． すなわち、センサ素子であるジルコニア１２は、円柱形
状のものであり，アルミナ管１３の先端部に取り付けら
れている．そして前記ジルコニア１２の図中上下端には
白金電極１４．１５が取り付けてあり、これら白金電極
１４および１５には内部電極１６および外部電極１７が
それぞれ接続されている．また、前記アルミナ管１３の
内部１３＆には，前記内部電極１６が挿通すると共に基
準ガスである空気が送給されるようになっており、さら
に温度制御用のクロメルーアルメルや白金一白金ロジウ
ムからなる熱電対１８が設置してある． 測定ガス流通路８を流れる測定ガスは，前記保護管１１
の側面に設けたガス孔１１ａ，ｌｌａから入り、前記ジ
ルコニア１２の外表面１２ａに接触するようになってお
り、このとき、アルミナ管１３の内部１３ａの空気中の
酸素濃度と測定ガス中の酸素濃度との比に応じて発生し
た起電力は、内部側（空気側）電極電位が白金電極１４
および内部電極１６を通じて、外部側（Ｉ定ガス側）電
極電位が白金電極１５，外部電極１７および保護管１１
を通じてそれぞれ炉外に伝えられ、測定されるようにな
っている． 前記モジュールヒータ９は、セラミックスファイバ戒形
品よりなる筒形断熱体４にヒータを埋め込んだもので、
熱衝撃に強〈、急速な昇温・冷却に耐えることができ、
この実施例では前記酸素センサ５のセンサ素子であるジ
ルコニア１２が酸素イオン伝導性固体電解質となって酸
素濃度の測定が可能となる８００〜９００℃程度に前記
酸素センサ６を加熱する． また、前記筒形断熱体４および５は、酸素センサ６の温
度を酸素濃度の測定が可能となる８００〜９００℃程度
に保持すると共に、この内部温度が外部に影響しないよ
うに断熱している． さらに，この実施例では、前記酸素センサ６の下方に位
置する前記筒形断熱体４の底部に測定ガスの入口である
ガス流入口１９を設けると共に、前記酸素センサ６より
上方の炉壁断熱体２ａの直下位置には、筒形断熱体５の
側面に開口する測定ガス流出口２０．２０が設けてあり
，前記モジュールヒータ９の発熱で生ずる対流によって
前記流入口１９から取り入れた測定ガスを測定ガス流通
路８に流したあと測定ガス流出口２０　．　２０から再
度炉内に流出することによって、常に新たな測定ガスが
測定ガス流通路８内に取り入れられるようになっている
． また，当該酸素濃度測定装置１の炉外部分には、前記モ
ジュールヒータ９に給電するヒータ端子２１．２１が設
置され、これらは端子カバー２２によって覆われている
． そして、前記酸素センサ保持体７の保護管１１の上端部
のセンサヘッド２３には、前記内部電極１６および保護
管１１に接続して酸素濃度情報である酸素センサ６の起
電力を取り出すと共に、温度制御あるいは前記起電力を
酸素濃度に換算するための温度情報である熱電対１８の
起電力を外部に取り出すためのコネクタ端子や、前記ア
ルミナ管１３の内部１３ａに基準ガスである空気を送給
するためのエアホースが取り付けられるようになってい
る． このような構造を有する酸素濃度測定装置１は、前記熱
電対１Ｂを用いた温度制御によって、前記モジュールヒ
ータ９への給電がコン｝ｅＦ−ルされ、セラミックス式
酸素センサ６が８００〜９００℃の範囲内の適当な温度
に保持されるようになっている．この状態において、前
記モジュールヒータ９の発熱で生ずる対流によってガス
流入口１９から測定ガス流通路８内に導入された炉内雰
囲気ガス（測定ガス）は、酸素センサ保持体７によって
保持された酸素センサ６のジルコニア１２に接触したの
ち測定ガス流出口２０から再び炉内に流出される．この
とき，ジルコニア１２は前記温度に加熱された酸素イオ
ン伝導性固体電解質となっているので、炉内の温度に係
わりなくアルミナ管１３の内部１３ａの空気および雰囲
気ガスの酸素濃度の比に応じた起電力が前記ジルコニア
１２の白金電極１４および１５の間に生じる．この起電
力は，内部電極１６および外部電極１７，保持管１１を
通じて取り出され、酸素濃度情報として種々の炉内雰囲
気制御等に利用される． 当該酸素濃度測定装置１は、直接挿入方式であるのでサ
ンプリングが不要であり、測定ガスの温度に係わりなく
使用することができるので６００℃以下の低温炉にも適
用することができる．また、前述のように測定ガス流通
路８内には新たな雰囲気ガスが常時循環するようになっ
ているため炉内雰囲気の酸素濃度を適確しかも速やかに
把握することができる．さらに，前記酸素濃度測定装置
１は、比較的安価でコンパクトにまとめられており，既
存の設備にも容易に取り付けることができる．

【発明の効果】

以上説明したように、本発明に係わる酸素濃度測定装置
は、筒形断熱体と前記筒形断熱体の中空部に設けたセラ
ミックス式酸素センサ保持体との間に測定ガス流通路を
形成すると共に前記セラミックス式酸素センサを加熱す
る発熱体を備えた酸素濃度測定部を有し、前記筒形断熱
体には、前記測定ガス流通路に測定ガスを流すガス流入
口を設けると共に前記測定ガス流通路を流れたのちの測
定ガスを流し出すガス流出口を設けた構或としたもので
あるから、測定ガスのサンプリングが不要で、測定ガス
の温度が低くても酸素濃度を連続的に測定することがで
きるという極めて優れた効果を有するものであって、例
えば各種熱処理における雰囲気制御技術の向上に大きく
寄与するものである．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる酸素濃度測定装置の一実施例を
示す縦断面図、第２図は第１図に示した酸素濃度測定装
置の酸素センサ保持体の内部構造を説明する拡大縦断面
図、第３図（ａ）（ｂ）はいずれもセラミックス式酸素
センサの原理を示す説明図であり、第３図（ｂ）は第３
図（ａ）の電極部分の拡大図である． １・・・酸素濃度測定装置、 ３・・・酸素濃度測定部、 ４．５・・・筒形断熱体、 ６・・・セラミックス式酸素センサ、 ７・・・セラミックス式酸素センサ保持体，８・・・測
定ガス流通路、 ９・・・モジュールヒータ（発熱体）、１９・・・ガス
流入口、 ２０・・・ガス流出口．

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）筒形断熱体と前記筒形断熱体の中空部に設けたセ
   ラミックス式酸素センサ保持体との間に測定ガス流通路
   を形成すると共に前記セラミックス式酸素センサを加熱
   する発熱体を備えた酸素濃度測定部を有し、前記筒形断
   熱体には、前記測定ガス流通路に測定ガスを流すガス流
   入口を設けると共に前記測定ガス流通路を流れたのちの
   測定ガスを流し出すガス流出口を設けたことを特徴とす
   る酸素濃度測定装置。