JPH067092B2

JPH067092B2 - 工業用ガス濃度測定装置

Info

Publication number: JPH067092B2
Application number: JP61206683A
Authority: JP
Inventors: 徹小太刀; 諄宇佐美
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-09-04
Filing date: 1986-09-04
Publication date: 1994-01-26
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: JPS6363934A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、燃焼炉等の煙道中に挿入して燃焼排ガス中の
ガス成分濃度を測定する工業用ガス濃度測定装置に関す
るものである。

（従来の技術）従来、焼却炉等の燃焼排ガス中のガス成分濃度を検出す
る工業用ガス濃度測定装置例えば工業用酸素濃度測定装
置としては、例えば第５図にその一例を示すように、プ
ローブ51の先端を炉壁52から煙道53に挿入するととも
に、プローブ51の基部に被測定ガス通路54を設け、この
被測定ガス通路54に面して有底円筒状のジルコニア電解
質からなる酸素センサー55とエゼクター56とを設置する
構造のものが知られている。

（発明が解決しようとする問題点）上述した従来の工業用ガス濃度測定装置においては、被
測定ガスをプローブ51を介して酸素センサー55まで取り
込んでいるため、被測定ガスの流速が変化すると応答時
間が変化するとともに測定に時間がかかる欠点があっ
た。

また、被測定ガス通路54、酸素センサー55をその耐熱性
を考慮して低温となる炉壁52の外部に設けているため、
エゼクター56により吸引・排出される被測定ガスの温度
が低下し、被測定ガス通路54、酸素センサー55の部分に
排ガス中の水分(H₂O)、酸性分（例えばSO₂等のSO_x）の
結露が生じこれらの部分を腐食したり、排ガス中のダク
ト等が水分と結合して管壁に粘着してしまい閉塞の原因
となる欠点もあった。

本発明の目的は上述した不具合を解消して、被測定ガス
のガス成分濃度を常時安定して高速度で測定可能である
とともに、水分等の結露を防止でき、さらに装置自体を
小型、軽量にすることができる工業用ガス濃度測定装置
を提供しようとするものである。

（問題点を解決するための手段）本発明の工業用ガス濃度測定装置は、プローブ内先端に
検出部を設けたガス濃度測定装置において、被測定ガス
をプローブ内の検出部に誘導するとともに、被測定ガス
をプローブ外に排出させるためのエゼクターを、プロー
ブ内の被測定ガスが結露温度以下とならない位置に設け
ることを特徴とするものである。

（作用）上述した構成において、空気等の気体を噴出可能なエゼ
クターを設け、被測定ガスを検出部に送るとともに、被
測定ガスが実質的に露点温度以下に降下する前に被測定
ガスを排出しているため、被測定ガスの流速が変化して
も応答時間が変化することなくすばやく計測できるとと
もに、排ガス中の水分や酸性分の結露に起因する腐食や
閉塞を効果的に防止することができる。

また、検出部を板状に積層一体形成されたセンシングセ
ルおよび加熱体および／または温度検知体により構成し
た場合は、検出部を大幅に小型化できるため、装置全体
を小型、軽量とすることができる。

（実施例）第１図は本発明の工業用ガス濃度測定装置、例えば工業
用酸素濃度測定装置の一実施例を示す線図である。本実
施例では、検出部１を支持具２によりプローブ３の先端
部に設け、プローブ３の先端部と基部とが気密に分かれ
るよう構成する。検出部１と支持具２との固定はガラ
ス、フリット等による溶着や銀ろう等によるろう付け等
で行っている。検出部１としては、板状に積層一体形成
された酸素濃淡電池とポンプよりなるセンシングセルお
よび加熱体および／または温度検知体よりなる酸素セン
サーを使用している。プローブ３の被測定ガスに接触す
る先端部には、外孔質セラミックスよりなるフィルター
４を設け、被測定ガス中のダスト等の固体分を除去して
いる。検出部１の基部側の端部には、酸素濃淡電池、ポ
ンプセル、ヒーター等へ電源を接続するための電極を設
けている。これらの電極の白金リード線５をろう付けし
て、これらの白金リード線５を絶縁管６によりお互いを
絶縁してプローブ３の基部に設けた端子台７に接続して
いる。また、プローブ３の基部側には基準エアーを検出
部１近傍に供給するための基準エアー供給管８と、その
先端がプローブ３の先端部にまで達する構造の校正ガス
を検出部１の先端部まで供給する校正ガス供給管９とを
設けている。

さらに本実施例では、被測定ガスをフィルター４を介し
てプローブ３の先端部に設けた検出部１に強制的に供給
するため、エゼクター10をプローブ３の基部の外側に設
け、空気等のエゼクターエアーをエゼクターエアー供給
管11によりプローブ３の先端部まで供給できるよう構成
している。エゼクターエアー供給管11の先端部近傍に
は、被測定ガス排出管12をフィルター４外部まで設け、
供給されたエゼクターエアーにより被測定ガス排出管12
の入口部近傍を負圧として、プローブ３の先端部内の被
測定ガスを排出管12を介して外部へ排出可能なように構
成している。これらの基準エアー供給管８、校正ガス供
給管９、エゼクターエアー供給管11および端子台７から
コネクター等により取り出した図示しない電源リード線
は、プローブ３の基部側の端部に設けた保護カバー13を
介して外部の各種装置と接続している。

上述した構造の工業用酸素濃度測定装置は、プローブ３
の基部に設けた取付けフランジ14により炉壁15にこの炉
壁15に設けた孔16を介して固定して、燃焼排ガス中の酸
素濃度を測定している。そのため、検出部１およびエゼ
クターエアー供給管11の先端部等は高温にさらされるこ
ととなり、水分や酸性分の露点（最高でも約200℃）以
上の温度となるため、排ガス中の水分や酸性分の結露に
起因する腐食や閉塞を効果的に防止できる。また、上述
した構造の工業用ガス濃度測定装置では、２のエゼク
ターエアーを供給することにより20の被測定ガスを取
り込むことができる。

第２図は本発明の他の実施例を示す線図である。本実施
例において、第１図に示した実施例と同一の部材には同
一の符号を付し、その説明を省略する。本実施例におい
て第１図に示す実施例と相違するのは、エゼクターエア
ー供給管11からのエゼクターエアーによる被測定ガスの
取り込み方法が異なる点である。すなわち、そのＡ−
Ａ′断面図およびＢ−Ｂ′断面図からわかるように、円
筒状でエゼクターエアー供給管11のエアー吹出口11aが
その内部に挿入可能なように長手方向に沿ったスリット
12aを有す被測定ガス排出管12を、フィルター４と平行
に設けている。そのため、エゼクターエアー供給管11よ
りエゼクターエアーを供給すると、被測定ガス排出管12
内が負圧となり被測定ガスはフィルター４を介して検出
部１の近傍に取り込まれ、その後スリット12aから被測
定ガス排出管12内へ入り外部へ排出される。

次に、前記検出部１を構成する酸素センサ素子Ｓの構造
（寸法；約５m/m（巾）×1.5m/m（厚み）×30〜60m/m
（長さ））について、第３図(A),(B)および第４図を参
照しつつ説明する。

まず、上部には、固体電解質体20と、この固体電解質体
20の上下両側に配される上側ポンプ電極21および下側ポ
ンプ電極22とから成る酸素ポンプ部Ｐが設けられてい
る。なお、この酸素ポンプ部Ｐの上面側には、前記上側
ポンプ電極21を囲むようにして上部加熱部H1が設けられ
ている。

次に、前記酸素ポンプ部Ｐと同様に、固体電解質体23
と、この固体電解質体23の上下両側に配される測定電極
24および基準電極25とから成る酸素濃淡電池部Ｂが設け
られている。

なお、これら酸素ポンプ部Ｐと酸素濃淡電池部Ｂとの間
には、所定の拡散抵抗のもとに被測定ガスを導く細隙平
坦空間の拡散室26が形成されるように、絶縁体から成る
所定厚さのスペース部材27(27a,27b)が介在されてい
る。また、前記酸素ポンプ部Ｐにおける拡散室26の中央
部に相当する位置には、この拡散室26を外部の被測定ガ
スの存在空間と連通させるガス導入孔28(28a,28b,28c,2
8d)が形成されている。したがって、このガス導入孔28
(28a,28b,28c,28d)により被測定ガスは導かれ、拡散室2
6内において所定の拡散抵抗のもとに拡散されて、酸素
ポンプ部Ｂの下側ポンプ電極22に接触する。また、酸素
濃淡電池部Ｂの測定電極24にも、前記下側ポンプ電極22
の付近で被測定ガスに接触する。

次に、酸素濃淡電池部Ｂの下側には、順次に固体電解質
体から成るスペース部材29、および固体電解質体30が設
けられている。これにより、前記基準電極25が露呈され
る空気通路31が形成されている。この空気通路31は、酸
素センサ素子Ｓの基部において大気に連通している。こ
の空気通路31を通じて大気である前記基準空気が導かれ
て、基準電極25に接触するようになっている。

なお、空気通路31内には、固体電解質体23の下面で基準
電極25の両側部に近接した位置に、温度検知部Ｔが設け
られている。

更に、下側には、下部加熱部H2が設けられている。した
がって、この加熱部H2と前記上部加熱部H1とが、酸素ポ
ンプ部Ｐおよび酸素濃淡電池部Ｂの両側において、これ
ら酸素ポンプ部Ｐおよび酸素濃淡電池部Ｂを挟むように
して、両側から所定温度（例えば600℃以上）に加熱で
きるようになっている。

前記固体電解質体20,23,30およびスペース部材29は、高
温において酸素イオン導電性を示す安定化または部分安
定化ジルコニア磁器から構成されている。この安定化ま
たは部分安定化ジルコニア磁器は、良く知られているよ
うに、酸化ジルコニウムに酸化イットリウムあるいは酸
化カルシウム等を固溶させることによって得られる。ま
た、電極21,22,24,25夫々は、多孔質白金等から構成さ
れている。これら電極21,22,24,25のうち、被測定ガス
に接触する上側ポンプ電極41、下側ポンプ電極22および
測定電極24夫々には、アルミナ等から成るポーラスセラ
ミック層32,33,34が積層された状態で設けられている。
したがって、これらポーラスセラミック層32,33,34を通
じて被測定ガスが、電極21,22,24夫々に接触されるよう
になる。

一方、前記加熱部H1,H2は、ヒータ素子であるヒータエ
レメント35,36の周りを、電気絶縁性を有するアルミナ
等から成る多孔質層37(37a,37b),38(38a,38b)によって
覆われた状態において設けられている。これら多孔質層
37(37a,37b),38(38a,38b)上には、更にジルコニア等の
固体電解質から成る気密層39,40が設けられている。こ
れにより、ヒータエレメント35,36夫々を外部の被測定
ガスから遮断もしくは隔離し得るようになっている。な
お、ヒータエレメント35,36は、例えばアルミナ粉末
と、白金粉とを主成分とするペーストを印刷配置する。
またはサーメット状にしたフィルムを配置する等の手法
によって形成される。

また、前記温度検知部Ｔは、温度変化によって電気抵抗
が大きく変化して正または負の温度係数をもつ抵抗体等
から成る構成を有している。温度検知素子41は、電気絶
縁性を有するアルミナ等から成る多孔質層42内に埋設さ
れて構成され、周囲の固体電解質体23およびスペース部
材29から電気的に絶縁されるようになっている。なお、
抵抗体の温度検知素子31は、ジルコニア，アルミナ等の
セラミック粉末と白金粉末とを主成分としたペーストま
たはサーメット、ジルコニア，アルミナ等のセラミック
粉末と白金粉末とを主成分はするものに0.1〜0.5％程度
の二酸化チタンを添加したペーストまたはサーメット、
あるいはジルコニア，アルミナ等のセラミック粉末を主
成分とするものにマンガン，コバルト，ニッケルの酸化
物等を添加したペーストまたはサーメット等のように、
積極的に抵抗の温度係数を高めたペーストまたはサーメ
ットを印刷積層すること、またはサーメット状のフィル
ムを配置することにより形成されたものである。なお、
これら白金線あるいは白金薄膜の印刷積層には、CVD、
真空蒸着またはスパッタリング等の手法を用いることが
できる。また抵抗体の温度検知素子31として、ジルコニ
ア磁器、白金線あるいは白金薄膜等を用いてもよい。さ
らに、抵抗体の温度検知素子31にかえて、夫々異なった
金属（例えば、白金、金）あるいはこれらの異なった金
属を含んだペーストまたはサーメットを組み合わせて熱
電対として印刷積層することにより熱電対の温度検知素
子31を構成してもよい。

以上のような酸素ポンプ部Ｐ、酸素濃淡電池部Ｂ、加熱
部H1,H2、温度検知部Ｔおよびスペース部材27が図示さ
れるように積層され、一体的な挟巾な板状の長手形状の
積層構造体にして、これを焼結することにより一体的な
構造に成形されている。なお、Ｍは、ポンプ電極21,2
2、測定電極24、基準電極25、ヒータエレメント35,36お
よび温度検知素子41の印刷された電気接触端子である。

本実施例の場合には、酸素ポンプ部Ｐと酸素濃淡電池部
Ｂとが本発明におけるセンジングセルを構成している。
必要に応じて酸素ポンプ部を省くこともできる。また、
ヒーターと温度検知部は必ずしも両方が必要なわけでは
なく、どちらか一方を省くこともできる。

ところで、酸素濃度測定に際しては、温度検出部Ｔの温
度検知素子41によって検出される温度により、酸素セン
サ素子Ｓ、具体的には酸素ポンプ部Ｐおよび酸素濃淡電
池部Ｂが所定の温度に保たれるように、ヒータ電流が加
熱部H1,H2のヒータエレメント35,36に通電される。そし
て、酸素ポンプ部Ｐおよび酸素濃淡電池部Ｂが所定温度
に保持される状態で、あるいは保持された時点で測定が
始まる。なお、前記酸素センサ素子Ｓが通電開始から所
定温度に保持されるまでには、約３分程度要する。ま
た、電力消費量は、約８Ｗ程度である。

本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではな
く、幾多の変形、変更が可能である。例えば上述した実
施例では、検出部をプローブ先端に設けたが、排ガスの
熱により水分や酸性分の露点以上の温度になる場合であ
れば、プローブの中に設けることも可能である。また、
検出部として板状に一体形成した酸素センサーを使用し
たが、装置全体がある程度大きくてもよい場合は有底円
筒状等他の形状の酸素センサーを使用することもでき
る。

（発明の効果）以上詳細に説明したところから明らかなように、本発明
の工業用ガス濃度測定装置によれば、エゼクターにより
被測定ガスを検出部に送るとともに、被測定ガスが実質
的に露点温度以下に降下する前に排出しているため、被
測定ガスの流速が変化しても応答時間が変化することな
く計測できるとともに、排ガス中の水分や酸性分の結露
に起因する腐食や閉塞を効果的に防止可能で小型の工業
用ガス濃度測定装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明の工業用ガス濃度
測定装置の一実施例を示す線図、第３図(A),(B)および第４図はそれぞれ本発明の工業用
ガス濃度測定装置に使用する検出部の一実施例を示す分
解斜視図および断面図、第５図は従来の工業用ガス濃度測定装置の一実施例を示
す線図である。１……検出部、２……支持具３……プローブ、４……フィルター５……白金リード線、６……絶縁管７……端子台、８……基準エアー供給管９……校正ガス供給管、10……エゼクター 11……エゼクターエアー供給管 11a……エアー吹出口、12……被測定ガス排出管 12a……スリット、13……保護カバー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プローブ内先端に検出部を設けたガス濃度
測定装置において、被測定ガスをプローブ内の検出部に
誘導するとともに、被測定ガスをプローブ外に排出させ
るためのエゼクターを、プローブ内の被測定ガスが結露
温度以下とならない位置に設けることを特徴とする工業
用ガス濃度測定装置。
【請求項２】前記検出部が、板状に積層一体形成された
センシングセルおよび加熱体および／または温度検知体
とを具えることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の工業用ガス濃度測定装置。