JPH0676990B2 - 高温ガス中の二酸化炭素および水分測定装置 - Google Patents
高温ガス中の二酸化炭素および水分測定装置Info
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- JPH0676990B2 JPH0676990B2 JP61230128A JP23012886A JPH0676990B2 JP H0676990 B2 JPH0676990 B2 JP H0676990B2 JP 61230128 A JP61230128 A JP 61230128A JP 23012886 A JP23012886 A JP 23012886A JP H0676990 B2 JPH0676990 B2 JP H0676990B2
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Description
【発明の詳細な説明】 （発明の属する技術分野） 本発明は、水分を含有した被測定ガスにおいて、被測定
ガス中の酸素分圧のみの酸素濃度と、水分を電気分解し
て得た酸素分圧をも含む被測定ガスの酸素濃度との差を
とることにより、被測定ガス中の二酸化炭素濃度および
水分濃度を測定する高温ガス中の二酸化炭素および水分
測定装置に関するものである。
ガス中の酸素分圧のみの酸素濃度と、水分を電気分解し
て得た酸素分圧をも含む被測定ガスの酸素濃度との差を
とることにより、被測定ガス中の二酸化炭素濃度および
水分濃度を測定する高温ガス中の二酸化炭素および水分
測定装置に関するものである。
（従来の技術） 従来、酸素を含むベースガスと水蒸気とからなる被測定
ガス中の水蒸気、即ち水分濃度を固体電解質より成る酸
素濃度検出器を用いて測定する水分測定装置は公知であ
り、例えば特開昭60-105957号明細書に記載されている
ものがある。この明細書に記載されている水分測定装置
は、水蒸気と酸素とを含む被測定ガスが流入する細孔を
設けたガス溜室と、このガス溜室内に配置され、測定電
極がガス溜室に導入された被測定ガスに接触するように
設けられた固体電解質式酸素濃度検出器と、ガス溜室か
ら測定ガスを吸引してこのガスを前記酸素濃度検出器の
比較電極部に供給する基準ガス供給機構とで構成され、
前記基準ガス供給機構は、ガス溜室から被測定ガスを取
り出す基準ガス採取管と、この採取管によって取り出さ
れた被測定ガスから水蒸気を除去する除湿器と、前記ガ
ス採取管を介して測定ガスを吸引するポンプとで構成さ
れ、前記除湿器は、ガス採取管のガス出口に直結される
かまたはヒータ等によって加熱された連結管を介してガ
ス出口に接続されて、酸素濃度検出器によって測定ガス
中の水蒸気濃度、即ち水分を測定している。
ガス中の水蒸気、即ち水分濃度を固体電解質より成る酸
素濃度検出器を用いて測定する水分測定装置は公知であ
り、例えば特開昭60-105957号明細書に記載されている
ものがある。この明細書に記載されている水分測定装置
は、水蒸気と酸素とを含む被測定ガスが流入する細孔を
設けたガス溜室と、このガス溜室内に配置され、測定電
極がガス溜室に導入された被測定ガスに接触するように
設けられた固体電解質式酸素濃度検出器と、ガス溜室か
ら測定ガスを吸引してこのガスを前記酸素濃度検出器の
比較電極部に供給する基準ガス供給機構とで構成され、
前記基準ガス供給機構は、ガス溜室から被測定ガスを取
り出す基準ガス採取管と、この採取管によって取り出さ
れた被測定ガスから水蒸気を除去する除湿器と、前記ガ
ス採取管を介して測定ガスを吸引するポンプとで構成さ
れ、前記除湿器は、ガス採取管のガス出口に直結される
かまたはヒータ等によって加熱された連結管を介してガ
ス出口に接続されて、酸素濃度検出器によって測定ガス
中の水蒸気濃度、即ち水分を測定している。
（解決しようとする問題点） しかし、この既知の水分測定装置では、被測定ガスをポ
ンプにより炉外の除湿器に一旦導入して基準ガスとして
いるため、構造が複雑且つ大型となり、また、測定電極
に直接導かれた被測定ガスとこの被測定ガスが除湿され
て酸素濃度検出器の比較電極部に導かれた乾燥ガスとの
時間的ずれに基づく測定誤差は、酸素濃度の変動を平均
化により抑制するも、依然として解消されていない。さ
らに除湿器にて被測定ガスを乾燥させているためこの乾
燥に費やす時間分だけ応答時間が長くなるという問題点
があった。
ンプにより炉外の除湿器に一旦導入して基準ガスとして
いるため、構造が複雑且つ大型となり、また、測定電極
に直接導かれた被測定ガスとこの被測定ガスが除湿され
て酸素濃度検出器の比較電極部に導かれた乾燥ガスとの
時間的ずれに基づく測定誤差は、酸素濃度の変動を平均
化により抑制するも、依然として解消されていない。さ
らに除湿器にて被測定ガスを乾燥させているためこの乾
燥に費やす時間分だけ応答時間が長くなるという問題点
があった。
本発明の目的は、除湿器等の手段を用いずに、応答性が
良く、さらに形状が小型である二酸化炭素および水分測
定装置を提供することを目的とするものである。
良く、さらに形状が小型である二酸化炭素および水分測
定装置を提供することを目的とするものである。
（問題点を解決するための手段） 本発明の高温ガス中の二酸化炭素および水分測定装置
は、酸素ポンプを有するセンサ素子と、センサ素子を制
御する制御回路と、センサ素子の温度を制御する制御回
路と、センサ素子から得られた信号を演算処理する演算
回路とを具え、第１のセンサを第１のセンサ温度で稼働
し、被測定ガス中の水蒸気およびCO2ガスを電気分解し
ない第１の電圧と、被測定ガス中の水蒸気およびCO2ガ
スを電気分解する第２の電圧とを印加し、それぞれに流
れるポンプ電流の差の電流△IP1を演算し、第２のセン
サを第２のセンサ温度で稼働し、前記第１のセンサと同
様に第１および第２の電圧を印加し、それぞれに流れる
ポンプ電流の差の電流△IP2を演算し、得られた△IP1お
よび△IP2から以下の式 ここで、K11、K12、K21、K22は比例常数 に基づき水蒸気の濃度およびCO2の濃度を演算するよう
にしたことを特徴とするものである。
は、酸素ポンプを有するセンサ素子と、センサ素子を制
御する制御回路と、センサ素子の温度を制御する制御回
路と、センサ素子から得られた信号を演算処理する演算
回路とを具え、第１のセンサを第１のセンサ温度で稼働
し、被測定ガス中の水蒸気およびCO2ガスを電気分解し
ない第１の電圧と、被測定ガス中の水蒸気およびCO2ガ
スを電気分解する第２の電圧とを印加し、それぞれに流
れるポンプ電流の差の電流△IP1を演算し、第２のセン
サを第２のセンサ温度で稼働し、前記第１のセンサと同
様に第１および第２の電圧を印加し、それぞれに流れる
ポンプ電流の差の電流△IP2を演算し、得られた△IP1お
よび△IP2から以下の式 ここで、K11、K12、K21、K22は比例常数 に基づき水蒸気の濃度およびCO2の濃度を演算するよう
にしたことを特徴とするものである。
（作用） 上記構成により、２個の酸素ポンプを、二酸化炭素また
は水分を含む被測定ガス中の酸素のみを組み入れる酸素
ポンプと、酸素のみならず被測定ガス中の二酸化炭素ま
たは水分を電気分解して得た酸素をも組み入れる酸素ポ
ンプとに、印加電圧を所定値に設定することにより、役
割分担させ、これら酸素ポンプに流れるポンプ電流の差
をとることにより、二酸化炭素または水分を電気分解し
て得た酸素のみの酸素濃度に相当する電流値を得る。こ
の電流値から得た酸素濃度は被測定ガス中の二酸化炭素
または水分量に比例するため、この酸素濃度の量により
二酸化炭素または水分測定が行なわれたこととなる。
は水分を含む被測定ガス中の酸素のみを組み入れる酸素
ポンプと、酸素のみならず被測定ガス中の二酸化炭素ま
たは水分を電気分解して得た酸素をも組み入れる酸素ポ
ンプとに、印加電圧を所定値に設定することにより、役
割分担させ、これら酸素ポンプに流れるポンプ電流の差
をとることにより、二酸化炭素または水分を電気分解し
て得た酸素のみの酸素濃度に相当する電流値を得る。こ
の電流値から得た酸素濃度は被測定ガス中の二酸化炭素
または水分量に比例するため、この酸素濃度の量により
二酸化炭素または水分測定が行なわれたこととなる。
（実施例） 次に本発明の実施例を図面を参照して説明する。
本発明の二酸化炭素および水分測定装置は、例えば燃焼
炉の煙道内に炉壁を貫通して挿入された円筒状プローフ
内に、取付けフランジを介してセンサ素子が保持されて
いる構成である。またプローブ内へのセンサ素子の取付
け位置は、プローブの先端側でも、プローブの基端側で
もどちらでも良い。これ以上の詳しい説明は、本発明で
はそれほど重要ではないので説明を省略し、これについ
ては、本発明の出願人の他の出願明細書を参照された
い。
炉の煙道内に炉壁を貫通して挿入された円筒状プローフ
内に、取付けフランジを介してセンサ素子が保持されて
いる構成である。またプローブ内へのセンサ素子の取付
け位置は、プローブの先端側でも、プローブの基端側で
もどちらでも良い。これ以上の詳しい説明は、本発明で
はそれほど重要ではないので説明を省略し、これについ
ては、本発明の出願人の他の出願明細書を参照された
い。
以下に、本発明で使用するセンサ素子とその制御・演算
系の構成およびその作動について詳細に説明する。
系の構成およびその作動について詳細に説明する。
第1,2図は、本発明の二酸化炭素および水分測定装置の
センサ素子の一例を分解斜視図および断面図にて示して
いる。
センサ素子の一例を分解斜視図および断面図にて示して
いる。
なお、本発明では、以下のセンサ素子を２組使用して、
二酸化炭素濃度および水分濃度を測定している。
二酸化炭素濃度および水分濃度を測定している。
まず、上部には、固体電解質体10と、この固体電解質体
10の上下両側に配される上側ポンプ電極11および下側ポ
ンプ電極12とから成る第１酸素ポンプ部P1が設けられて
いる。なお、この酸素ポンプ部P1の上面側には、例えば
前記上側ポンプ電極11を囲むようにして上部加熱部H1を
設けることもできる。以上、これらがセンサ素子S1を構
成する。
10の上下両側に配される上側ポンプ電極11および下側ポ
ンプ電極12とから成る第１酸素ポンプ部P1が設けられて
いる。なお、この酸素ポンプ部P1の上面側には、例えば
前記上側ポンプ電極11を囲むようにして上部加熱部H1を
設けることもできる。以上、これらがセンサ素子S1を構
成する。
次に、下部には、同じく固体電解質体30と、この固体電
解質体30の上下両側に配される上側ポンプ電極31および
下側ポンプ電極32とから成る第２酸素ポンプ部P2が設け
られている。同様に、この酸素ポンプ部P2の下面側に
は、例えば前記下側ポンプ電極32を囲むようにして下部
加熱部H2を設けることもできる。以上、これらがセンサ
素子S2を構成する。
解質体30の上下両側に配される上側ポンプ電極31および
下側ポンプ電極32とから成る第２酸素ポンプ部P2が設け
られている。同様に、この酸素ポンプ部P2の下面側に
は、例えば前記下側ポンプ電極32を囲むようにして下部
加熱部H2を設けることもできる。以上、これらがセンサ
素子S2を構成する。
さらに、中間部には、固体電解質体50が設けられてお
り、この固体電解質体50と、上下固体電解質体10,30と
の間には、拡散抵抗手段としてアルミナ等から成るポー
ラス状のスペース部材51,52が夫々介在されている。被
測定ガスは所定の拡散抵抗のもとにスペース部材51,52
を経て、スペース部材51および固体電解質体10,50に囲
まれる細隙平坦空間の拡散室13と、スペース部材52およ
び固体電解質体30,50に囲まれる同じく拡散室33とに夫
々導入され、ポンプ電極12,32と夫々接触する。
り、この固体電解質体50と、上下固体電解質体10,30と
の間には、拡散抵抗手段としてアルミナ等から成るポー
ラス状のスペース部材51,52が夫々介在されている。被
測定ガスは所定の拡散抵抗のもとにスペース部材51,52
を経て、スペース部材51および固体電解質体10,50に囲
まれる細隙平坦空間の拡散室13と、スペース部材52およ
び固体電解質体30,50に囲まれる同じく拡散室33とに夫
々導入され、ポンプ電極12,32と夫々接触する。
ところで、前記固体電解質体10,30,50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1
1,12,31,32夫々は、多孔質白金等から構成されている。
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1
1,12,31,32夫々は、多孔質白金等から構成されている。
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14,34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15,35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15,35上には、更に
ジルコニア等の固体電解質から成る気密層16,36が設け
られている。これにより、ヒータエレメント14,34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14,34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
刷配置するか、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。
レメント14,34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15,35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15,35上には、更に
ジルコニア等の固体電解質から成る気密層16,36が設け
られている。これにより、ヒータエレメント14,34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14,34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
刷配置するか、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。
以上のようにシンメトリー（対称）に配置されたセンサ
素子S1,S2の夫々酸素ポンプ部P1,P2,加熱部H1,H2が図示
されるように積層され、一体的な狭巾な板状長尺形状の
積層構造にし、これらを焼結することにより一体的に形
成される。
素子S1,S2の夫々酸素ポンプ部P1,P2,加熱部H1,H2が図示
されるように積層され、一体的な狭巾な板状長尺形状の
積層構造にし、これらを焼結することにより一体的に形
成される。
これら一体的積層構造のセンサ素子には、制御回路およ
び演算回路が接続されている。以下にそれらについて第
２図を参照しつつ説明する。
び演算回路が接続されている。以下にそれらについて第
２図を参照しつつ説明する。
まず、センサ素子S1の電極11,12には設定電圧V1および
基準抵抗rfが直列に接続されている。基準抵抗rfの両端
には、基準抵抗rfと並列にO2変換器17の２個の入力端子
が接続され、このO2変換器17の出力端子は引算器53の入
力端子に接続される。この引算器53の出力端子には出力
変換器54の入力端子に接続され、この出力変換器54の出
力端子は外部の表示装置に接続されている。
基準抵抗rfが直列に接続されている。基準抵抗rfの両端
には、基準抵抗rfと並列にO2変換器17の２個の入力端子
が接続され、このO2変換器17の出力端子は引算器53の入
力端子に接続される。この引算器53の出力端子には出力
変換器54の入力端子に接続され、この出力変換器54の出
力端子は外部の表示装置に接続されている。
同様にして、センサ素子S2の電極31,32には設定電圧V2
および基準抵抗rfが直列に接続されている。基準抵抗rf
の両端にはO2変換器37の入力端子が並列に接続され、こ
のO2変換器37の出力端子は引算器53の他方の入力端子に
接続される。
および基準抵抗rfが直列に接続されている。基準抵抗rf
の両端にはO2変換器37の入力端子が並列に接続され、こ
のO2変換器37の出力端子は引算器53の他方の入力端子に
接続される。
なお、上部加熱部H1および下部加熱部H2のヒータエレメ
ント14,34の両端子にヒータ電源に接続されるヒータ制
御器55が接続されている。
ント14,34の両端子にヒータ電源に接続されるヒータ制
御器55が接続されている。
このように構成してなる水分測定装置による水分測定を
例にとって説明する。なお、二酸化炭素についても以下
の水分測定と同様に行っている。
例にとって説明する。なお、二酸化炭素についても以下
の水分測定と同様に行っている。
この水分測定の原理は、被測定ガスの成分が水蒸気、酸
素および窒素の場合において、酸素ポンプに印加する電
圧によって、酸素ガスのみが酸素イオンとして、酸素ポ
ンプを構成する固体電解質体を通過する場合と、酸素ガ
スのみならず水蒸気を電気分解して、 H2O→H2＋1/2O2 で示される酸素イオンをも固体電解質体を通過する場合
がある。そのため、酸素ポンプ電流Ipは、前記印加電圧
により、第３図のグラフ図のように変化する。
素および窒素の場合において、酸素ポンプに印加する電
圧によって、酸素ガスのみが酸素イオンとして、酸素ポ
ンプを構成する固体電解質体を通過する場合と、酸素ガ
スのみならず水蒸気を電気分解して、 H2O→H2＋1/2O2 で示される酸素イオンをも固体電解質体を通過する場合
がある。そのため、酸素ポンプ電流Ipは、前記印加電圧
により、第３図のグラフ図のように変化する。
そこで、前記の水蒸気を電気分解しない電圧V1で酸素ポ
ンプP1を駆動し、水蒸気を電気分解する電圧V2で酸素ポ
ンプP2を駆動すると、酸素ポンプP1にポンプ電流Ip1が
流れ、酸素ポンプP2にポンプ電流Ip2が流れる。このと
きの水蒸気の分圧pH2Oは、気相平衡状態において、 で表わされる。但し、 pH2O:被測定ガス中の水蒸気分圧 ko2:酸素のポンプ電流係数 △Ip:Ip2−Ip1 拡散室内の（電気分解を行なう設定電圧により決まる）
酸素分圧 ｋ（Ｔ）：圧平衡定数 この場合に は設定電圧により定まるため、上式の は定数となる。したがって、ポンプ電流の差△Ipを測定
し、この電気回路をゲイン調整にて補正することによ
り、被測定ガス中の水蒸気濃度を計測することができ
る。
ンプP1を駆動し、水蒸気を電気分解する電圧V2で酸素ポ
ンプP2を駆動すると、酸素ポンプP1にポンプ電流Ip1が
流れ、酸素ポンプP2にポンプ電流Ip2が流れる。このと
きの水蒸気の分圧pH2Oは、気相平衡状態において、 で表わされる。但し、 pH2O:被測定ガス中の水蒸気分圧 ko2:酸素のポンプ電流係数 △Ip:Ip2−Ip1 拡散室内の（電気分解を行なう設定電圧により決まる）
酸素分圧 ｋ（Ｔ）：圧平衡定数 この場合に は設定電圧により定まるため、上式の は定数となる。したがって、ポンプ電流の差△Ipを測定
し、この電気回路をゲイン調整にて補正することによ
り、被測定ガス中の水蒸気濃度を計測することができ
る。
実際の装置では、第１図に示すように、ポンプ電流Ipを
測定する代りに基準抵抗rfに並列に接続されたO2変換器
17,37で電圧値を測定し、引算器53にてこの電圧値17,37
の差をとり、この差電圧を出力変換器54にて所望の表示
形式、例えばvol％、で指示・表示される。
測定する代りに基準抵抗rfに並列に接続されたO2変換器
17,37で電圧値を測定し、引算器53にてこの電圧値17,37
の差をとり、この差電圧を出力変換器54にて所望の表示
形式、例えばvol％、で指示・表示される。
次に示す例は、上述したセンサ素子に、酸素ポンプを安
定に動作させるようにするため、センサ素子S1,S2に酸
素濃淡電池B1,B2を夫々追加し、これに合わせて、構造
を変形したものである（第４図参照）。
定に動作させるようにするため、センサ素子S1,S2に酸
素濃淡電池B1,B2を夫々追加し、これに合わせて、構造
を変形したものである（第４図参照）。
まず、センサ素子S1では、酸素ポンプP1の下に、安定化
または部分安定化ジルコニア磁器を材質とする固体電解
質体20と、この固体電解質体20の上下両側に配される多
孔質白金等を材質とする測定電極21および基準電極22と
から成る酸素濃淡電池部B1が設けられている。
または部分安定化ジルコニア磁器を材質とする固体電解
質体20と、この固体電解質体20の上下両側に配される多
孔質白金等を材質とする測定電極21および基準電極22と
から成る酸素濃淡電池部B1が設けられている。
なお、これら酸素ポンプ部P1と酸素濃淡電池部B1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13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23が介在されている。また、前
記酸素ポンプ部P1における拡散室13の中央部に相当する
位置には、この拡散室13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24が形成されている。したがっ
て、このガス導入孔24により被測定ガスは導かれ、拡散
室13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P1の下側ポンプ電極12に接触する。また、酸
素濃淡電池部B1の測定電極21にも、前記下側ポンプ電極
12の付近で被測定ガスに接触する。
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13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23が介在されている。また、前
記酸素ポンプ部P1における拡散室13の中央部に相当する
位置には、この拡散室13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24が形成されている。したがっ
て、このガス導入孔24により被測定ガスは導かれ、拡散
室13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P1の下側ポンプ電極12に接触する。また、酸
素濃淡電池部B1の測定電極21にも、前記下側ポンプ電極
12の付近で被測定ガスに接触する。
次に、センサ素子S2では、酸素ポンプP2の上に、安定化
または部分安定化ジルコニア磁器の固体電解質体40と、
この固体電解質体40の上下両側に配される多孔質白金等
の基準電極42および測定電極41とから成る酸素濃淡電池
部B2が設けられている。
または部分安定化ジルコニア磁器の固体電解質体40と、
この固体電解質体40の上下両側に配される多孔質白金等
の基準電極42および測定電極41とから成る酸素濃淡電池
部B2が設けられている。
これら酸素濃淡電池部B2と酸素ポンプ部P2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33が形成されるように、電気絶縁体から成る所定
厚さのスペース部材43が介在されている。また、前記酸
素ポンプ部P2における拡散室33の中央部に相当する位置
には、この拡散室33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44が形成されている。したがって、
このガス導入孔44により被測定ガスは導かれ、拡散室33
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P2の上側ポンプ電極31に接触する。また、酸素濃
淡電池部B2の測定電極41にも、前記上側ポンプ電極31の
付近で被測定ガスに接触する。
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33が形成されるように、電気絶縁体から成る所定
厚さのスペース部材43が介在されている。また、前記酸
素ポンプ部P2における拡散室33の中央部に相当する位置
には、この拡散室33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44が形成されている。したがって、
このガス導入孔44により被測定ガスは導かれ、拡散室33
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P2の上側ポンプ電極31に接触する。また、酸素濃
淡電池部B2の測定電極41にも、前記上側ポンプ電極31の
付近で被測定ガスに接触する。
これらセンサ素子S1,S2の間には、基準ガスを基準電極2
2,42に導くガス通路45が形成されるように電気絶縁性の
スペース部材46が介在されている。このスペース部材46
を中心にして、センサ素子S1およびS2がシンメトリーに
配置されている。
2,42に導くガス通路45が形成されるように電気絶縁性の
スペース部材46が介在されている。このスペース部材46
を中心にして、センサ素子S1およびS2がシンメトリーに
配置されている。
さらに、これら電極のうち、被測定ガスに接触する上側
ポンプ電極11,32、下側ポンプ電極12,31および測定電極
21,41夫々には、アルミナ等から成るポーラスセラミッ
ク層61〜66が積層された状態で設けられている。したが
って、これらポーラセラミック層61〜66を通じて被測定
ガスが、電極11,12;21,31,32;41夫々に接触されるよう
になる。
ポンプ電極11,32、下側ポンプ電極12,31および測定電極
21,41夫々には、アルミナ等から成るポーラスセラミッ
ク層61〜66が積層された状態で設けられている。したが
って、これらポーラセラミック層61〜66を通じて被測定
ガスが、電極11,12;21,31,32;41夫々に接触されるよう
になる。
この変形例の二酸化炭素および水分測定装置の動作を第
５図のブロック図を参照しつつ説明する。
５図のブロック図を参照しつつ説明する。
酸素濃淡電池部B1,B2によって、拡散室13,33に酸素ポン
プ部P1,P2のガス導入孔24,44夫々を通じて拡散により侵
入した被測定ガスと、基準空気との比較から、測定電極
21,41と基準電極22,42との間に、両者の酸素分圧比に応
じた発生起電力E1,E2が生じる。
プ部P1,P2のガス導入孔24,44夫々を通じて拡散により侵
入した被測定ガスと、基準空気との比較から、測定電極
21,41と基準電極22,42との間に、両者の酸素分圧比に応
じた発生起電力E1,E2が生じる。
この発生起電力E1,E2は次式 但し、R:気体定数 T:絶体温度 n:イオン化数 F:ファラデ定数 PA:基準ガスの酸素濃度 PS:測定ガスの酸素濃度 で示される。
この発生起電力E1,E2は引算器71,72にて設定電圧V1,V2
との差を取られ、これら両者の差電圧（E1-V1），（E2,
V2）が、PI制御器73,74に供給される。このPI制御器73,
74は、酸素ポンプ部P1,P2の起電力E1,E2が、基準電圧
V1,V2と等しくなるように比例、積分制御を行ない、所
定の制御信号を出力するものである。例えば、 ｉ）E1＜V1若しくはE2＜V2の場合には、酸素ポンプ部P
1,P2によって、拡散室13,33内の酸素を夫々外側に汲み
出すように酸素ポンプ電流（Ip）を制御している。
との差を取られ、これら両者の差電圧（E1-V1），（E2,
V2）が、PI制御器73,74に供給される。このPI制御器73,
74は、酸素ポンプ部P1,P2の起電力E1,E2が、基準電圧
V1,V2と等しくなるように比例、積分制御を行ない、所
定の制御信号を出力するものである。例えば、 ｉ）E1＜V1若しくはE2＜V2の場合には、酸素ポンプ部P
1,P2によって、拡散室13,33内の酸素を夫々外側に汲み
出すように酸素ポンプ電流（Ip）を制御している。
ii）E1＜V1,E2＜V2の場合には、 酸素ポンプ部P1,P2によって、被測定ガス中の水H2Oをさ
らに電気分解して、拡散室13,33内に酸素を夫々汲み入
れるように酸素ポンプ電流（Ip）を制御している。これ
により、拡散室13,33内の酸素濃度を所定値にする。
らに電気分解して、拡散室13,33内に酸素を夫々汲み入
れるように酸素ポンプ電流（Ip）を制御している。これ
により、拡散室13,33内の酸素濃度を所定値にする。
なお、このようなポンプ電流（Ip）を制御するため、PI
制御器73,74の次段にV/I変換器（電圧‐電流変換器）7
5,76を接続して、PI制御器73,74の出力電圧をポンプ電
流（Ip）に変換している。
制御器73,74の次段にV/I変換器（電圧‐電流変換器）7
5,76を接続して、PI制御器73,74の出力電圧をポンプ電
流（Ip）に変換している。
斯様にして、センサ素子S1,S2の拡散室13,33は所定の酸
素濃度に夫々維持される。この両方のポンプ電流（Ip1,
Ip2）計測値から水蒸気の濃度を求めるため、各PI制御
器73,74の出力にO2変換器75,76を経て引算器77に接続す
る。まず、O2変換器75,76ではPI制御器73,74に出力され
た制御信号を夫々酸素濃度に換算し、その換算したO2信
号を引算器77に供給して、差信号を得る。この差信号
は、水蒸気を電気分解して得た酸素濃度に相当する。こ
の差信号は次段に接続されている出力変換器78で水蒸気
の濃度を表わす量に変換されて、外部の表示装置（図示
せず）にて表示される。このような構成の水分測定装置
は、センサ素子がシンメトリー形状であるため、同時に
基準酸素濃度と水分を含む酸素濃度とを測ることがで
き、そのため応答差がなく、計測誤差が少なくなるとい
う利点がある。また、前記実施例の酸素ポンプのみを使
用している場合に比べて、より酸素濃度を精度良く計測
できるため、水分測定が良好に行えるという利点があ
る。
素濃度に夫々維持される。この両方のポンプ電流（Ip1,
Ip2）計測値から水蒸気の濃度を求めるため、各PI制御
器73,74の出力にO2変換器75,76を経て引算器77に接続す
る。まず、O2変換器75,76ではPI制御器73,74に出力され
た制御信号を夫々酸素濃度に換算し、その換算したO2信
号を引算器77に供給して、差信号を得る。この差信号
は、水蒸気を電気分解して得た酸素濃度に相当する。こ
の差信号は次段に接続されている出力変換器78で水蒸気
の濃度を表わす量に変換されて、外部の表示装置（図示
せず）にて表示される。このような構成の水分測定装置
は、センサ素子がシンメトリー形状であるため、同時に
基準酸素濃度と水分を含む酸素濃度とを測ることがで
き、そのため応答差がなく、計測誤差が少なくなるとい
う利点がある。また、前記実施例の酸素ポンプのみを使
用している場合に比べて、より酸素濃度を精度良く計測
できるため、水分測定が良好に行えるという利点があ
る。
本発明の二酸化炭素および水分測定装置において、二酸
化炭素を含有する燃焼排ガス中の水分および二酸化炭素
濃度を計測する場合には、例えば第５図のブロック図に
示す回路を２回路準備して、そのうちの第１回路におい
て、第１のセンサの温度をT1＝800℃、第１センサの第
１の酸素ポンプセルに二酸化炭素（CO2）、水分（H2O）
が電気分解しない設定電圧V11＝400mVを加え測定ガスを
第１のセンサに流した時の酸素ポンプ電流IP11とする。
化炭素を含有する燃焼排ガス中の水分および二酸化炭素
濃度を計測する場合には、例えば第５図のブロック図に
示す回路を２回路準備して、そのうちの第１回路におい
て、第１のセンサの温度をT1＝800℃、第１センサの第
１の酸素ポンプセルに二酸化炭素（CO2）、水分（H2O）
が電気分解しない設定電圧V11＝400mVを加え測定ガスを
第１のセンサに流した時の酸素ポンプ電流IP11とする。
第１のセンサの第２のポンプセルに二酸化炭素（C
O2）、水分（H2O）が電気分解する設定電圧V12＝900mV
を加え、測定ガスを流した時の酸素ポンプ電流をIP12と
する。引算器77の出力△IP1は、△IP1＝G12＊IP12−G11
＊IP11＝０、校正ガスの酸素濃度O2＝G11＊IP11となる
ように、O2変換器79、80のゲインG11、G12を調整する。
O2）、水分（H2O）が電気分解する設定電圧V12＝900mV
を加え、測定ガスを流した時の酸素ポンプ電流をIP12と
する。引算器77の出力△IP1は、△IP1＝G12＊IP12−G11
＊IP11＝０、校正ガスの酸素濃度O2＝G11＊IP11となる
ように、O2変換器79、80のゲインG11、G12を調整する。
一方、測定ガスにO2、CO2、H2O、N2ガスを含む燃焼排ガ
スを第１のセンサに流すと、第１のセンサの第１の酸素
ポンプの酸素ポンプ電流IP11は、IP11＝O2/G11の電流が
流れる。第１のセンサの第２の酸素ポンプを制御する設
定電圧V12と酸素ポンプセルの温度によって、最初排ガ
ス中のO2がすべて汲み上げられる。その後、CO2からO2
が、H2OからO2が汲み上げられて、PCO2/（PCO＊P
O2 2/1）＝Ka（Ｔ）、PH2O/（PH2＊PO2 2/1）＝Kb（Ｔ）
の気相平衡反応が生じ、この酸素分圧PO2に対応する発
生起電力が、設定電圧V12に相当する。
スを第１のセンサに流すと、第１のセンサの第１の酸素
ポンプの酸素ポンプ電流IP11は、IP11＝O2/G11の電流が
流れる。第１のセンサの第２の酸素ポンプを制御する設
定電圧V12と酸素ポンプセルの温度によって、最初排ガ
ス中のO2がすべて汲み上げられる。その後、CO2からO2
が、H2OからO2が汲み上げられて、PCO2/（PCO＊P
O2 2/1）＝Ka（Ｔ）、PH2O/（PH2＊PO2 2/1）＝Kb（Ｔ）
の気相平衡反応が生じ、この酸素分圧PO2に対応する発
生起電力が、設定電圧V12に相当する。
このため、排ガス中のCO2濃度はm/2＊排ガス中のCO2濃
度のO2が酸素ポンプによって汲み上げられて、ｍ％CO濃
度に変換される。一方、排ガス中のH2O濃度はn/2＊排ガ
ス中のH2OのO2が酸素ポンプで汲み上げれて、ｎ％H2濃
度に変換される。その結果、酸素濃淡電池の発生起電力
がV12となる。
度のO2が酸素ポンプによって汲み上げられて、ｍ％CO濃
度に変換される。一方、排ガス中のH2O濃度はn/2＊排ガ
ス中のH2OのO2が酸素ポンプで汲み上げれて、ｎ％H2濃
度に変換される。その結果、酸素濃淡電池の発生起電力
がV12となる。
従って、第１センサの第２酸素ポンプ電流IP12は重ねの
理によって IP12＝（O2＋K11＊CO2＋K12＊H2O）/G12 の酸素ポンプ電流IP12が流れる。
理によって IP12＝（O2＋K11＊CO2＋K12＊H2O）/G12 の酸素ポンプ電流IP12が流れる。
従って、引算器の出力△IP1は △IP1＝K11＊CO2＋K12＊H2O となる。
同様に、他の第２の回路において、第２のセンサの温度
T2＝900℃、第２のセンサの第１の酸素ポンプの設定電
圧V21＝400mVとし、酸素ポンプ電流IP21、第２のセンサ
の第２の酸素ポンプの設定電圧V22＝900mV、酸素ポンプ
電流IP22とすると、O2変換器はそれぞれ、O2−N2混合ガ
ス校正ガスによる校正によって、 O2＝G21＊IP21＝G22＊IP22 即ち、引算器の出力△IP2は △IP2＝G22＊IP22−G21＊IP21＝０ となり、排ガスを第２のセンサに流した時、上述した例
と同様に、 △IP2＝K21＊CO2＋K22＊H2O を得る。
T2＝900℃、第２のセンサの第１の酸素ポンプの設定電
圧V21＝400mVとし、酸素ポンプ電流IP21、第２のセンサ
の第２の酸素ポンプの設定電圧V22＝900mV、酸素ポンプ
電流IP22とすると、O2変換器はそれぞれ、O2−N2混合ガ
ス校正ガスによる校正によって、 O2＝G21＊IP21＝G22＊IP22 即ち、引算器の出力△IP2は △IP2＝G22＊IP22−G21＊IP21＝０ となり、排ガスを第２のセンサに流した時、上述した例
と同様に、 △IP2＝K21＊CO2＋K22＊H2O を得る。
以上のように、第１のセンサ、第２のセンサに同時に同
じ排ガスを流すと、第１の回路の引算器および第２の回
路の引算器の出力は、それぞれ以下のようになる。
じ排ガスを流すと、第１の回路の引算器および第２の回
路の引算器の出力は、それぞれ以下のようになる。
△IP1＝K11＊CO2＋K12＊H2O △IP2＝K21＊CO2＋K22＊H2O それ故、 これより、 となり、排ガス中のO2濃度とH2O濃度を計測することが
できる。
できる。
以下に、実際の測定の一例を示す。
設定条件 T1＝800℃、V11＝400mV、V12＝900mV、 T2＝900℃、V21＝400mV、V22＝900mV 係数行列結果 K11＝0.0531732 K12＝0.0556574 K21＝0.1097618 K22＝0.0974537 係数の逆マトリックス演算結果 gK11＝‐105.1131 gK12＝60.031908 gK21＝118.38864 gK22＝‐57.35247 混合ガス中のCO2、H2O濃度と第１のセンサのポンプ電流
差信号△IP1、第２のセンサのポンプ電流差信号△IP2の
結果と、本発明による演算CO2濃度、演算H2Oの濃度およ
びその誤差量の結果を以下の第１表に示す。
差信号△IP1、第２のセンサのポンプ電流差信号△IP2の
結果と、本発明による演算CO2濃度、演算H2Oの濃度およ
びその誤差量の結果を以下の第１表に示す。
（効果） 本発明の二酸化炭素および水分測定装置は、除湿器等の
ガス乾燥手段が不要であり、かつ、センサ素子が小型で
あるため装置全体が小形化され、また、乾燥に要する時
間も不要となり、応答が早くなるとともに時間的ずれに
基づく測定誤差も解消したものであって、工業的な利用
価値が極めて大である。
ガス乾燥手段が不要であり、かつ、センサ素子が小型で
あるため装置全体が小形化され、また、乾燥に要する時
間も不要となり、応答が早くなるとともに時間的ずれに
基づく測定誤差も解消したものであって、工業的な利用
価値が極めて大である。
第１および第２図は本発明の二酸化炭素および水分測定
装置のセンサ素子の分解斜視図および断面図、 第３図は、水分測定の原理を示すグラフ図、 第４図および第５図は本発明の第２実施例を示すセンサ
素子の断面図、およびブロック回路図である。 B1,B2……酸素濃淡電池 P1,P2……酸素ポンプ S1,S2……センサ素子 V1,V2……設定電圧、17,84……O2変換器 53,71,72,91……引算器 73,74,82……PI制御器 75,76,83……V/I変換器 85,86,87,93……スイッチ素子 88,89,94……サンプル・ホールド回路
装置のセンサ素子の分解斜視図および断面図、 第３図は、水分測定の原理を示すグラフ図、 第４図および第５図は本発明の第２実施例を示すセンサ
素子の断面図、およびブロック回路図である。 B1,B2……酸素濃淡電池 P1,P2……酸素ポンプ S1,S2……センサ素子 V1,V2……設定電圧、17,84……O2変換器 53,71,72,91……引算器 73,74,82……PI制御器 75,76,83……V/I変換器 85,86,87,93……スイッチ素子 88,89,94……サンプル・ホールド回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 9218−2Ｊ ３２５ Ｐ
Claims (1)
- 【請求項１】酸素ポンプを有するセンサ素子と、センサ
素子を制御する制御回路と、センサ素子の温度を制御す
る制御回路と、センサ素子から得られた信号を演算処理
する演算回路とを具え、第１のセンサを第１のセンサ温
度で稼働し、被測定ガス中の水蒸気およびCO2ガスを電
気分解しない第１の電圧と、被測定ガス中の水蒸気およ
びCO2ガスを電気分解する第２の電圧とを印加し、それ
ぞれに流れるポンプ電流の差の電流△IP1を演算し、第
２のセンサを第２のセンサ温度で稼働し、前記第１のセ
ンサと同様に第１および第２の電圧を印加し、それぞれ
に流れるポンプ電流の差の電流△IP2を演算し、得られ
た△IP1および△IP2から以下の式 ここで、K11、K12、K21、K22は比例常数 に基づき水蒸気の濃度およびCO2の濃度を演算するよう
にしたことを特徴とする高温ガス中の二酸化炭素および
水分測定装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61230128A JPH0676990B2 (ja) | 1986-09-30 | 1986-09-30 | 高温ガス中の二酸化炭素および水分測定装置 |
| US07/100,457 US4851103A (en) | 1986-09-30 | 1987-09-24 | Moisture measuring device for high temperature gas |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61230128A JPH0676990B2 (ja) | 1986-09-30 | 1986-09-30 | 高温ガス中の二酸化炭素および水分測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6385351A JPS6385351A (ja) | 1988-04-15 |
| JPH0676990B2 true JPH0676990B2 (ja) | 1994-09-28 |
Family
ID=16903010
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61230128A Expired - Fee Related JPH0676990B2 (ja) | 1986-09-30 | 1986-09-30 | 高温ガス中の二酸化炭素および水分測定装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4851103A (ja) |
| JP (1) | JPH0676990B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2833135A1 (en) | 2013-08-02 | 2015-02-04 | NGK Insulators, Ltd. | Gas sensor |
| EP3051282A1 (en) | 2015-01-30 | 2016-08-03 | NGK Insulators, Ltd. | Gas sensor |
| KR102565376B1 (ko) * | 2023-03-14 | 2023-08-09 | 신종민 | 수분 측정 장치 |
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