JPH0749324A

JPH0749324A - 可燃ガスのセンサー

Info

Publication number: JPH0749324A
Application number: JP6005399A
Authority: JP
Inventors: Riad M A Kocache; ムハメッドアデルコカシェリアド; Dany F Holman; フランシスホルマンダニー; James Swan; スワンジェームズ
Original assignee: Servomex Controls Ltd
Current assignee: Servomex Controls Ltd
Priority date: 1993-01-21
Filing date: 1994-01-21
Publication date: 1995-02-21
Also published as: US5549871A; CA2113664A1; DE69409138D1; EP0608122A3; DE69409138T2; GB9301104D0; EP0608122B1; EP0608122A2

Abstract

(57)【要約】【目的】比較的高い感度の可燃ガスを検出する触媒熱
量計を提供する。【構成】本発明の可燃ガスセンサーは、内部を通る流
路に沿ってガスを導くチャンバー２５と、このチャンバ
ー２５およびその内容物を予め定めた温度にまで加熱す
る加熱手段２７と、チャンバー２５内に対称的に配置さ
れた偶数の実質的に同じ感温抵抗部材６とを含み、この
部材６の半数は可燃ガスを燃焼させる触媒を組み合わさ
れた検出部材で、残りは触媒が組み合わされていない基
準部材とされて構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は混合ガス内の可燃ガスの
濃度を検出する触媒熱量計式のセンサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】酸素の存在する中で可燃ガスは危険混合
ガスを作り、鉱山、タンカーおよび多くの工業的処理は
このような混合ガスに曝されまたはこのような混合ガス
を取り扱っている。工業的な安全性はこのような環境の
中でこのような混合ガスを監視し制御することを要求す
る。他方、エネルギー工業はこのような混合ガスを制御
して燃焼させてエネルギーを作りだし、また効率を最適
化するためにこのような混合ガスの監視および制御にも
関心を払っている。

【０００３】温度に依存する触媒部材の抵抗変化を監視
し、この変化をその部材上で触媒作用により燃焼される
可燃ガスの濃度に対して関係付けることを基本とする装
置が長年にわたって使用されてきた。最も簡単なものは
ホイートストーン・ブリッジの一部を形成する加熱した
白金ワイヤーである。「ペリスター」（Ｐｅｌｌｉｓｔ
ｏｒ）はこの形式の装置のおそらく最も一般的な形態で
あろう（米国特許第３０９２７９９号／６３、米国特許
第３２０００１１号／６５、米国特許第３５６４４７７
号／７１）。その基本的な形態においては、装置は加熱
器および温度センサーの両方として作用する白金コイル
を有している。このコイルは多孔質アルミナの耐火ペレ
ットで覆われ、触媒は１つの部材の中に分散されてい
る。この白金コイルは、可燃ガスの酸化が触媒表面上で
誘発される適当な温度にまで触媒を加熱する。発生した
熱はコイルに伝わってその温度を高め、従ってその抵抗
値を変化させる。触媒を有さないペレット内部のコイル
は基準として使用される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
した周知の装置に比較して高い感度を有する可燃ガスを
検出する触媒熱量計を提供することである。

【０００５】

【課題を達成するための手段】本発明は、入口手段およ
び出口手段を有し、内部を通る流路に沿って試験すべき
ガスを前記入口手段から前記出口手段へ導くチャンバー
と、チャンバーおよびその内容物を予め定めた温度にま
で加熱するように配置された加熱手段と、およびチャン
バー内に且つ前記流路に対して対称的に配置された偶数
の実質的に同じ感温抵抗部材であって、前記部材の半数
は検出部材で、該検出部材の付近での前記可燃ガスの燃
焼を容易にしてそれらの温度を高めるために触媒が組み
合わされており、前記部材の残りは触媒が組み合わされ
ていない基準部材である前記感温抵抗部材とを有する可
燃ガスのセンサーを提供する。

【０００６】本発明の重要な特徴は、反応温度にまでガ
スを加熱する機能と、感温部材による燃焼の検出機能と
の分離を含む。このことは感温部材がその機能を最適化
するように特別に設計されることを可能にする。本発明
では触媒の組み合わされていない基準の感温部材が提供
される。この基準の感温部材および検出部材は、可燃ガ
スの燃焼に関係しない影響をできるだけ相殺するように
ガス流れに関して正確に対称的に配置される。

【０００７】上述した分離は、チャンバーの加熱器がチ
ャンバーセンサーおよびガスの適当な加熱を行えるよう
に独立して設計できることも意味する。感度を高めるた
めには、センサーが所要の反応温度になるまで加熱さ
れ、ガスもそのセンサーに達するときはその温度になっ
ていることを保証することが好ましい。好ましい実施例
においてセンサーは温度勾配が非常に小さいかまたはゼ
ロである位置にて加熱容器内に配置される。

【０００８】本発明は、セラミック基体上に形成され、
中心点のまわりに対称的に配置された４個の同じ感温部
材を含んで構成されることが好ましい。１つおきの部材
が触媒を組み合わされて検出部材とされ、他は基準部材
である。触媒は部材を覆う多孔質基体内に分散されるこ
とが好ましい。触媒表面上での可燃ガスの触媒作用によ
る酸化のために反応部材が局部的に温度を高める状態の
もとで、部材の抵抗値の変化が可燃ガスの濃度の監視に
使用される。

【０００９】本発明は例として与えられ、添付図面に関
連する好ましい実施例の以下の説明から良く理解されよ
う。

【００１０】

【実施例】本発明の好ましい実施例では、４個の感温性
で径方向に延在する部材が厚膜または薄膜技術のような
適当な方法で基体上に対称的に形成される。これらの感
温部材は白金、適当に作られた半導体（サーミスタ）ま
たは温度依存性質を示す適当に付着されたダイヤモンド
粉末薄膜サーミスタのような物質とされ得る。

【００１１】図１に示された基体１０は適当なセラミッ
クのように熱伝導性の低い材料で作られ、温度勾配の影
響を受けない定温領域のもとで反応器の内側に配置でき
るように薄くなければならない。更に薄い断面の使用
は、周囲に対するおよび別の部材間の熱交換を低減す
る。部材間の熱交換は基体材料を選択することおよび伝
熱路を遮断するように部材間に細いスロット２を形成す
ることによって一層低減される。スロット２はガスを部
材の下側から部材の上側へ移動させて適当なガス交換を
促進させることもする。２個の部材だけが上に触媒を分
散されており、他の２個はその上で燃焼が行われない基
準部材であるので、感度を低下させることになる触媒部
材から基準部材へ至る熱の無いことが非常に重要であ
る。４個のセンサー部材はできるだけ同じでなければな
らない。図２は例として２つの適当な設計を示してお
り、これらはリードワイヤーが連結される抵抗部材６の
トラックおよびパッド７を有している。重要なことは、
バックグラウンドの不燃ガスの伝熱性、流れ振動の作
用、大気温度およびサンプルガス温度の変動などによる
影響のような共通モードの影響を低減するために、これ
らの部材が電気的特性（抵抗値および感温性）および物
理的形状においてできるだけ同じとされるということで
ある。

【００１２】これらの４個の部材はその上に置かれる全
てのものから部材を電気的に絶縁するが、部材に対して
熱を伝えることはできるような非常に薄いガラス層で覆
われる。４個の部材の各々は次に一様な多孔質セラミッ
ク被覆で覆われるが、２つの直径方向に相対する部材上
のセラミックの中にだけ触媒が分散される。この代わり
に、２個の直径方向に相対する部材はガラスまたは他の
何れかの不活性被覆で密封され、他の２個は先に説明し
たように処理されて触媒を塗られる。触媒は貴金属また
はそれらの酸化物の１種（Ｐｒ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄな
ど）、または通常は監視が要求される可燃ガスに適する
ように選択された他の何れかの適当な触媒とされ得る。
セラミックと混合され、または後で分解される化合物と
して分散され、または電着されることができる。適当量
の触媒だけを分散せることが重要である。少なすぎると
感度を損ない、多すぎると最終的に燒結してセラミック
の孔の閉塞をもたらす。

【００１３】図３に示されるように、基体１０は保護シ
ュラウド組立体１１の内側に取り付けられ、このシュラ
ウドは例えば段部１６でセラミックテーブル１７上に着
座されて端部組立体１５上に嵌合される。テーブル１７
は端部組立体１５上に且つ４孔セラミックユニット１３
の真上に載置される。４部材センサーに対するワイヤー
１２は４孔セラミックユニット１３の内部に気密に密閉
され、セラミックユニット自体は面１４にて金属の端部
組立体１５に対して気密にシールされる。

【００１４】図３に示される部品を含むセンサー装置の
全組立体が図４に示されている。このセンサーヘッドユ
ニットは適当に設計された反応容器２５の中に挿入さ
れ、端部の適当なシール２６を介して気密にねじ止めさ
れる。この反応容器はそれを密接に取り巻く適当な加熱
器２７により外側を空間的に加熱される。白金抵抗サー
モメーター２８のような温度センサー、および適当な電
子機器により反応器の内側温度が制御される。

【００１５】本体内部の温度センサーの位置は、その位
置が、センサープレートからの距離に対してプロットし
た温度を示す図５に示されるような反応器の軸線に沿う
温度形状（勾配）の平坦部分に位置されるように、注意
して選定される。明白なように、反応器の内側の温度分
布はその長手軸線を横断する反応器のほぼ中央位置で極
大となって平坦となり、各端部へ向けてほぼ対称的に低
下する。（図５のプロットは外気温度が２５゜Ｃの状態
で２６０゜Ｃの反応温度に関して得られた。）

【００１６】センサー部材１０はその平面を反応器の軸
線に直角にして、温度勾配がほぼ平坦な位置に位置決め
される。この位置決めと、部材が非常に薄いという事実
とがセンサーまわりの非常に一定した大気温度条件を保
証し、それ故にセンサーがその触媒面での非常に小さな
温度変化を分析するのを可能にする。

【００１７】混合ガスは矢印２９で示される反応器の一
端部に流入し、反応器本体の内側および部材のシュラウ
ドの外側のまわりに分配され、反応器の内側温度に徐々
に近づき、小さな温度勾配の位置でガスはその領域の温
度に正確に達する。流入ガスはその位置で図６に示され
るようにシュラウド内側の形状部分４２および容器２５
の内側頂端部４３によって部材に向かって部分的に戻り
を生じる。流れおよび拡散の組み合わせがガスを触媒作
用による反応の行われる部材表面に到達させる。燃焼生
成物４０は或量の流入ガスと合流して出口パイプ３０を
通して容器から出る。これは反応容器２５の内側の頂部
４３の形状によって促進される。

【００１８】上述において、流入ガスが部材と同じ温度
に達しなければならないこと、およびセンサーディスク
は容器内側の温度勾配の平坦部分に位置決めされねばな
らないことが非常に重要である。反応容器の内側特に頂
部は、部材が速いガス流に曝されないように設計される
ことも重要である。部材は非常に遅い直接流だけを受け
止め、このセンサー部材におけるガスの到達は主として
拡散によるものでなければならない。ガス流の主部は、
部材表面のガスが出口へ吸い出されて燃焼生成物を排除
するようにさせ、新しいガスが部材表面に達することを
可能にする。

【００１９】この４部材センサーは、基準ユニットとし
て作用する無触媒部材および可燃ガス検出ユニットとし
て作用する触媒部材と共にブリッジ回路（ＤＣまたはＡ
Ｃ）として接続できる。このブリッジは空気のような不
燃ガスの存在する中で釣り合わされ、既知濃度の可燃ガ
ス／空気の混合ガスを入れて較正される。適当な電子回
路および表示装置により、下側に位置する部材の抵抗値
を変化させるような可燃ガスの触媒作用による燃焼のた
めに生じるブリッジの不釣り合いは、発生した熱により
可燃ガスの濃度に関係付けられ得る。ガスの選定は適当
な触媒および適当な作動温度の選定を必然的に伴う。

【００２０】以下に、上述で説明した構成における部材
の特に好ましい材料および寸法が記載される。

【００２１】薄い（０．２ｍｍ）安定化したジルコニア
のディスク（１０ｍｍ径）が基体として選定された。ジ
ルコニアはアルミナよりも約４倍も伝熱性が悪く、従っ
て燃焼で加熱される触媒部材から無触媒部材（基準部
材）への熱フィードバックを最小限にする。溶融石英は
基体として可能な他の材料であり、その選定は全体的な
材料互換性の観点から成されるべきである。図１に示さ
れた十字形のスロット２はディスクを４分割する。スロ
ットの形状およびその寸法（約０．１５×１．５ｍｍ）
は４分円部材の間の熱抵抗を高めることを目的とし、そ
れ故にディスクの強度を損なわずに部材間の熱フィード
バックを減少させる。スロットはまた、ディスク下側の
ガスがディスクの表面へ至る通路を提供し、ガスの循環
を改善する。ディスクはまた４つのノッチ３を外周に有
する（０．１５×０．７ｍｍ）。これらはリードワイヤ
ーのアンカー点を形成し、溶接点の歪みを取り除く。こ
れらはディスク周辺のまわりに等間隔で配置され、十字
パターンの片側に僅かに変位されている。このことは抵
抗部材の終端に関する正しい位置決めを保証する。

【００２２】４個の同じ抵抗部材は４分円のそれぞれに
１つずつ作られる。図２に示されたデザインは厚膜スク
リーン印刷技術のためのものであるが、部材を作り出す
他の技術も使用できる。パターンのデザインは実施に使
用されるべき技術に関連して考慮されねばならず、でき
るだけ近い同じ電気的および空間的な特性を作り出すこ
とを目的としなければならない。パターン（ａ）または
（ｂ）の各々は適当なスクリーンと共に使用されるなら
ば適当な性質を生む。エンジェルハート（Ｅｎｇｅｌｈ
ａｒｄｔ）Ｔ−１１５０２のような白金抵抗インクは、
正確に燃成および燒結されると非常に良好な部材を作り
出し、それらは抵抗ブリッジ部材が０．１％より良好な
釣り合いを生じるように更に釣り合わせることができ
る。

【００２３】各抵抗６の終端７の一方の側は先に説明し
たノッチ３６と重なり、端部を僅かに平坦化された約
０．２ｍｍ直径の白金／１０％Ｉｒワイヤーがノッチを
通して導かれ、パッド上で曲げられてそのパッドに対し
て白金ペーストでハンダ付け、溶接または接着され、従
って良好なオーム接触を保証する。このデザインの対称
性および一定温度のもとにディスクを位置決めすること
が、熱電効果の無視できることを保証する。熱膨張係数
がジルコニアのそれに近いこと、および合金は純白金ワ
イヤーよりも強力であることから、このワイヤーが好ま
しい。

【００２４】次に、非常に薄い電気的絶縁ガラス被覆が
全てのディスクの上に付与されて、４つの部材の全てを
一様に覆う。ヘリアウス・セルマレイ（Ｈｅｒｅａｕｓ
Ｃｅｒｍａｌｌａｙ）−ＥＭＤ１−９０５３のような
ガラスが適当な被覆を形成する。

【００２５】次にジルコニアのスラリーが部材上でスク
リーン処理され、適当に燒成されて安定した約０．１ｍ
ｍ厚で平均孔径が約０．５〜５ミクロンの多孔質マトリ
ックスを形成する。例えばアルミナのような他の適当な
セラミック材料を使用することができる。

【００２６】選定された触媒、可燃ガスとしてＣＯを検
出する場合には白金、がジルコニア粉末中に非常に微細
な粉末として予め混合され得る。それを導入する簡単な
方法は２個の所要部材上に分散された後、白金を形成す
るために分解されるように加熱されるヘキサクロロ白金
（ＩＶ）酸を使用することである。電気メッキのような
他の技術も使用し得る。

【００２７】表面に特別な保護が必要とされるならば、
最終的な薄いセラミック被覆（例えばジルコニア、アル
ミナ）が加えられ得る。これはフィルターとして有効に
作用する。その存在は通常はセンサーの感度を低下させ
る。再び述べるが、無触媒の基準部材はジルコニア以外
の材料例えばガラスでシールされることができる。

【００２８】図７（ａ）の端面図および図７（ｂ）の側
面図に示された短い長さの４孔アルミナロッド１３（約
６ｍｍの長さ、５ｍｍの径および０．７５ｍｍ径の孔）
は適当なシールガラスで内部に気密にシールされた４本
のニクロムワイヤー１２の長さを有し、同時にこのロッ
ドは同じガラスでステンレス鋼の基部１５の中にシール
される。図８（ａ）、図８（ｂ）および図８（ｃ）の第
１および第２の端面図および側面図に示されたテーブル
１７（１４ｍｍの径、２ｍｍの頂部のおよび６ｍｍの脚
部）は頂部（図８（ｃ））に４個の孔を有し、ディスク
から延在するワイヤーがこれらの孔を通ってテーブル上
方約１ｍｍにディスクを残す。テーブルの下端部は十字
（図８（ａ））状に切除されて効果的に４つの脚部５０
を残しており、ロッド上でシュラウドの内側に正確に位
置決め且つ着座させるようにし、また空間５１がワイヤ
ーを収容して側方からそれらを溶接または溶融するため
にアクセスできるようにしている。ディスクから延在す
るワイヤーおよびロッドからのワイヤーは曲げられて互
いに溶接される。テーブルの下側のスロットはこれを行
うために広い空間を残す。ステンレス鋼のシュラウド１
１は段部１６がテーブル頂部に係合するまで所定位置に
押し込められて、テーブルを底部と整合させる。適当な
リードワイヤーが端部ワイヤーに連結される。

【００２９】センサーヘッドは次にステンレス鋼で作ら
れた反応ユニット２５の中に押し込められ、ねじおよび
高温ガスケツト２６で気密にシールされる。温度センサ
ー２８および加熱器２７が正しい位置に置かれる。

【００３０】加熱器２７を駆動して白金抵抗サーモメー
タ２８で温度を検出する温度制御装置（図示せず）は一
定した作動温度を保証する。ＣＯに関しては、良好な作
動温度は２８０゜Ｃである。発振器がブリッジに交流Ａ
Ｃを供給し、その出力は先ず空気が反応器を通過されて
最初に釣り合わされる。この電子装置は読みをゼロに較
正される。空気中のスパンガス（ｓｐａｎｇａｓ）、
例えば２０００ｐｐｍのＣＯが反応器に流入すると、ブ
リッジの釣り合いは乱れ、電子装置からの例えば１ボル
トの出力電圧が２０００ｐｐｍのＣＯに対応される。Ｃ
Ｏ（２０００ｐｐｍ）に対する出力電圧のプロットであ
る図９は、ガス濃度に対する典型的な電圧出力曲線を示
す。

【００３１】

【発明の効果】説明した装置の利点は結果を調べれば明
白となる。高い感度は大体数ｐｐｍのＣＯの分析を可能
にし、ペリスター（Ｐｅｌｌｉｓｔｏｒ）のような装置
でこれまで可能とされたことを少なくとも１０倍改良す
る。水蒸気および大気の影響は少なくとも１０の要因で
低減され、基準の安定性を改善し、小さな範囲を監視で
きるようにする。

【図面の簡単な説明】

【図１】好ましい実施例に使用された基体の形状を示す
平面図。

【図２】好ましい実施例においてセンサー部材の可能と
される２つの形状を示す平面図。

【図３】好ましい実施例のセンサーヘッドユニットの断
面図。

【図４】好ましい実施例によるセンサー装置の分解図。

【図５】図４の反応容器内の温度分布を示すグラフ。

【図６】容器内のガス流れを示す反応容器の断面図。

【図７】好ましい実施例によるセンサーのアルミナロッ
ドおよびワイヤーの特別に好ましい構造を示す図。

【図８】好ましい実施例によるテーブルの特別に好まし
い構造を示す図。

【図９】本発明の好ましい実施例により作られた装置で
得られた典型的な試験結果を示すグラフ。

【符号の説明】

２スロット３ノッチ６抵抗部材７パッド１０基体すなわちセンサー部材１１保護シュラウド１２ワイヤー１３セラミックユニット１４面１５端部組立体１６段部１７セラミックテーブル２５反応容器２６シール２７加熱器２８温度センサー３０出口パイプ４０生成物４２形状部分４３内側頂端部５０脚部５１空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ダニーフランシスホルマンイギリス国イーストサセックス，クロウボロウ，ハーティスヒル，ジャマイスフィニス（番地なし) (72)発明者ジェームズスワンイギリス国イーストサセックス，イーストボーン，イーストディーン，ザリンク５

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可燃ガスのセンサーであって、入口手段および出口手段を有し、内部を通る流路に沿っ
て試験すべきガスを前記入口手段から前記出口手段へ導
くチャンバーと、チャンバーおよびその内容物を予め定めた温度にまで加
熱するように配置された加熱手段と、およびチャンバー
内に且つ前記流路に対して対称的に配置された偶数の実
質的に同じ感温抵抗部材であって、前記部材の半数は検
出部材で、該検出部材の付近での前記可燃ガスの燃焼を
容易にしてそれらの温度を高めるために触媒が組み合わ
されており、前記部材の残りは触媒が組み合わされてい
ない基準部材である前記感温抵抗部材とを有することを
特徴とする可燃ガスのセンサー。
【請求項２】請求項１に記載のセンサーであって、前
記流路に沿って流れるガスが前記感温部材に達するとき
に予め定めた温度となるように加熱されることを保証す
るために前記加熱手段が配置されているセンサー。
【請求項３】請求項１に記載のセンサーであって、前
記感温部材がチャンバー内の実質的にゼロ温度勾配の位
置に配置されているセンサー。
【請求項４】請求項１に記載のセンサーであって、前
記チャンバーは全体的に円筒形をしており、前記流路は
前記円筒形に関して基本的に軸線方向に延在しているセ
ンサー。
【請求項５】請求項１または請求項４に記載のセンサ
ーであって、前記感温部材が互いに共面であり、前記流
路を横断して配置されているセンサー。
【請求項６】請求項１に記載のセンサーであって、前
記感温部材がそれらの部材間の熱伝導を最小限に抑える
ようになされた共通の基体上に形成されているセンサ
ー。
【請求項７】請求項６に記載のセンサーであって、前
記基体がセラミックであるセンサー。
【請求項８】請求項６に記載のセンサーであって、前
記部材が多孔質セラミック被覆で覆われ、前記触媒は前
記多孔質セラミック内で前記検出部材上に配置されてい
るセンサー。
【請求項９】請求項１に記載のセンサーであって、２
個の検出部材および２個の基準部材を有するセンサー。
【請求項１０】請求項１に記載のセンサーと、前記可
燃ガスの濃度を計算するための前記感温部材の抵抗値に
応答する計算手段とを含んで構成された可燃ガスの検出
装置。