JPS5991359A - 酸素ガス検出器 - 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】

本発明社燃焼生成ガス等の中の酸素濃度を測定して該燃
焼工程等の制御、管理を行なう酸素ガス分析側の、酸素
イオン伝導性を示す固体電解質を用いた酸素ガス検出器
に関する。 次に従来の酸素ガス検出器を図面を参照して説明する。 第１図は従来の酸素ガス検ｍ器の一実施例を示す縦断面
図、第２図は他の実施例の縦断面図、第３図はさらに別
の実施例で第２図における要部Ｓに相当する部分の縦断
面図である。笹１図ないし第３図において同一の部分ま
たは同一の機能を有する部分に社同−の符号が付しであ
る。 第１図において１はたとえばＺ轡ＯｔにＹｔＯｓ’！ｅ
たはＣａ１ｌを添加して焼成した固体電解質製の有底の
検出管、３および４はそれぞれ検出管１の底部１ａの附
近において、該検出管１の外面および内面に設けた薄膜
状の第１電極および第２電極である。第１電極３および
第２電極４は化学メツ咋や真空蒸着によるかまたは金属
ペーストを塗布して焼成するかなどしてリング状に形成
したものである。５はフランジであって、検出管１はそ
の間

【−１端が７ランジ５に嵌入されて接着剤Ｐ１によ
っで７ランジ５に固定されている。５ａｉＪ、検出管１
の内部に連通したフランジ５の開口部、５ｂはフランジ
５を貫通した小孔でちる。３ａ、４ａはそれぞわ第１電
極３．電２電極４の各電位を取り出すリード、３ｂ、４
ｂはそれぞれ図示しでいないがフランジ５に設けた端子
箱内に固定した端子である１、リード３ａはフランジ５
の小孔５ｂを貫通して端子３ｂに接続され、リード４ａ
はフランジ５の開口部５ａを貫通して端子４ｂに接続さ
れている。リード３ａの小孔５ｂの部分は充填利によっ
て充填されて気密貫通部を形成し゛ている。１００は検
出管１゛ぐ゛第１電極３、第２電極４、リード３へ４ａ
、端子３ｂ、４ｂ、フランジ５からなる酸素ガス検出器
、２００は酸素を含有する高温の被測定ガス、３００は
被測定ガス２００の存在する容器の壁であって、検出器
１００は、検出管１が容器壁３００に設けられた貫通孔
３００ａから被測定ガス２００中に突出するようにして
、図示されていないボルト、ナツト等の手段によってフ
ランジ５を介して容器壁３００に固定されている。 し、たがって第１図の酸素ガス検出器では、検出管１の
内部は７ランジ５の開口部５ａを介して外気と連通して
いるので、検出管１の外面には高温の被測定ガス２００
が接触し内面には大気４００が接触することになり、こ
の結果検出管１の酸素イオン伝導性によって第１電極３
と第２電４’！ｉ、　４との間に被測定ガス２００中の
酸素濃度と大気４００中の酸素濃度との差に応じた起電
力が発生する１、故にこの起電力を端子３ｂ、４ｂに接
続した受信器によって測定することにより、被測定ガス
２００中の酸素濃度が大気４００を基準ガスとして測定
できることになる。 一般に、上記のような固体電解質を用いた酸素ガス検出
器では、被測定ガス２００が低温であると電極３．４間
の起電力が小さくなり、また被測定ガス２００の温度が
大幅に変動すると前記の起電力が変動する。このため酸
素ガス検出器の用途によっては、第１図の検出管１をヒ
ータによって強制的に加熱して酸素ガス検出器を測定状
態におくことも行なわれている。 第１図の酸素ガス検出器１００の１！極３　、４　＋、
４耐熱性、耐蝕性ならびに酸素分子のイオン化にかかわ
る触媒作用等を考慮して、従来白金で構成されているの
が通例である。ところがこの白金電極は上記のように薄
膜であるため、被測定がス２００が還元性であったシ該
ガス２００中に低融点の金属蒸気が含まれていたシする
と、高温であるが故に急速に消耗し極端な場合消滅する
ことさえある。 したがって端子３ｂ、４ｂにおいて電極３．４間の起電
力を測定している時このような消耗が発生すると、電極
３．４間の電気抵抗が増大するので起電力の測定値が低
下して酸素ガス濃度の測定値に誤差を生じ極端な場合は
測定不能となるという問題がある。 第２図は第１図における上述の問題を除去しようとした
もので、図において６および７社それぞれ検出管１の半
球状の底部１ａの外面および内面に設けられた網状の白
金製電極、８は半球状の底部８ａを有し側面に複数のガ
ス流通孔８ｂ、８ｂを有する焼結アルミナ等の磁器製の
保護管−１９は円筒状のハウジングである。保護管８は
底部８ａとは反対側の開口端がハウジング９の一端に嵌
入されて接着剤Ｐ２によって該ハウジング９に固定され
ており、この結果ノ・ウジング９の内部と保護管８の内
部とで一連の空所を形成している。保護管８はその内部
の部材を、外部から加えられる機械的障害から保護する
ものである。ハウジング９の他端は開口部１１ａを形成
している。１０はその軸心を貫通した細孔１０ｂを有す
る焼結アルミナ等の磁器製の絶縁管であって、その一端
ははゾ半球状に形成された底部１０　’ａとなっており
、その他端は開口部１１ａを有するキャップ１１に嵌入
されて接着剤Ｐ３によって該キャップ１１に固定されて
いる。細孔１０ｂと開口部１１ａとは連通している。１
２はハウジング９内に蝉嵌された押さえ金具、１３．１
４はい−ｊれもコイルスプリング、１５はＯリングであ
る。検出管１は、電極６を介して、ハウジング９の開口
部９ａから該ハウジング９の内部を通って保護管８の内
部に挿入されており、円板状のフランジ５はＯリング１
５を介してハウジング９０円筒状の内面に接している３
、仁のため被測定ガス２００がガス流入孔８ｂから保護
管８の内部に流入した場合、該ガス２００が７ランジ５
の右側のハウジング９の内部に洩れ出るととはない。コ
イルスプリング１３はフランジ５と押さえ金具１２との
間に設けられているので、押さえ金具１２がハウジング
９内にねじ込まれた結果、コイルスプリング１３の圧縮
に対する弾性によって、検出管１の底部１ａは電極６を
介して保護管８の底部８ａに押し付けられている。 絶縁管１０は、電極７を介して、押さえ金具１２の貫通
孔１２ａから７ランジ５の開口部５ａｆｃ通つで検出管
１の内部に挿入されているが、この場合コイルスプリン
グ１４０両端がそれぞれキャップ１１および押さえ金具
１２に固定されているので、該金具１２がハウジング９
内にねじ込まれた結果、コイルスプリング１４の引張に
対する弾性によって、絶縁管１ｏの底部１０ａＩ／ｉ電
極７を介して検出管１の底部１ａに押しつけられている
。 リード３ａは電極６からフランジ５を気密に貝通し、押
さえ金具１２に設けられた貫通孔１２ｂをの開口部１１
ａを経て端子４ｂに導かれている。 端子３ｂ、４ｂは、それぞれ図示されていない１４０口
部９ａにふたをするようにしてハウジング９に固定され
た端子箱内に設けられている。 したがって第２図の酸素ガス検出器では、被測定ガス２
００がガス流通孔８ｂを通って検出管ｌの外面に接触し
、基準ガスとしての大気が、図示されていない端子箱の
大気開口部、該端子箱およびハウジング９の各内部、絶
縁管１ｏの細孔１０ｂ、網状の白金電極７の内部の空隙
、検出管１の内１１１Ｘ空所および押さえ金具１２の貫
通孔１２ａ、１２ｈからなる一連の空所を貝流しで検出
管ｌの内面に接触すると、端子３ｂ、４ｂ間に起１にカ
が発４１ニーＪるので被測定ガス２００中の酸素濃度が
測定できる。この第２図の検出器では電極６および７　
＋；１．’　ｉＱ径が０２〜０．３ｕ程度の白金細線で
絹状に形成されている。したがって第１図の電＆３．４
のような薄膜ではないので、高温１で消耗してもこの市
耗が電極６．７間の電気抵抗の増大に及ぼす影響は少な
い。しかしながらこの電極６．７は網状であるので、第
１図の電極３．４と比較して検出管１に対する接触面積
が本来少なく、このため第２図の検出器の電極間抵抗は
第１図の検出器のそれよりも大となり、この結果第２図
の検出器に対しては入力抵抗の大きな高価な受信器を必
要とするという問題がある。このため電極６．７自体の
面積を大きくして該電極間の電気抵抗を減少させる方法
が考えられるが、この場合、該電極の保護管８、検出管
１および絶縁管１０の各底部の面の曲率は、入手可能な
それら各部材の形状９寸法や加工精度の関係で必ずしも
一致させることが出来ず、また仮にこれらの曲率が一致
しても検出管１の電極６．７に対する押圧力はスプリン
グ１３．１４によって一方向にのみ加えられるので、該
電極６゜７の検出管１に対する有効接触面積は該電極６
゜７自体の面積より小さくなる。したがって電極６゜７
自体の面積を大きくして電極間抵抗の減少をはかる方法
ｔよ、第２図の検出器においては有効ではない。 第３図は第１図および第２図の各検出器における上述の
欠点を除去しようとしたものであって、この場合保護管
８．検出管１および絶縁管１０の各底部８ａ、ｌａおよ
び１０ａはそれぞれ平板状に形成されている。したがっ
て第３図のガス検出器においては電極６．７の検出管１
に対する有効接触面積が大きいので、このガス検出器の
電極間抵抗は第２図のガス検出器のそれよりも小さく、
また電極６．７は線材で形成した網状の電極であるから
第１図の電極３．４に比べて耐久性があるととＫなる。 しかしながらこの場合でも電極６゜７は依然として網状
であるのて、第３１ン１のガス検出器には、第２図の場
合と同様に本質的に電極間抵抗が大きいという欠点があ
り、さらにまた、保護管８．検出管１．絶縁管ｌＯの各
底部８　ａ　＋　１　ａｔ１０＆の面は、各部材の成形
精度および組立ＩＩｖｌｌｌ−等の関係上必ずしも平行
でなくかつ前記各面仁１、平滑でもないから、電極６，
７の検出管１に対する接触圧力は一様でなく、この結果
第３図のガス栓出器には電極６．７の検出管１の底部１
ａに接する面積のすべてが有効面積とはならないという
欠点もある。 本発明は以上に説明したような電極間抵抗にかかわる従
来の酸素ガス検出器の欠点に鑑み、酸素イオン伝導性を
示す固体電解質からなる有底の検出管を用いた酸素ガス
検出器において、前記検出管の底部附近の被測定ガスに
接する面を円錐状に形成し、この円錐状の面に円錐面を
有するホルダーを用いて網状の電極を押しつけて固定す
ることによって有効接触面積の大きい電極形成を可能と
し、この結果電極間抵抗が小さくかつ電極消耗に対する
剛久性の高い酸素ガス検出器を得ることを目的とするも
のである。 次に本発明の実施例を図面にもとづいて説明する０ 第４図は本発明による酸素ガス検出器の一実施例の縦断
面図、第５図は他の実施例で第４図におりる要部Ｔに相
当する部分の縦断面図である。各Ｈにおいて第１図ない
し第３図における部分と同一の部分または同一の機能な
有する部分にＱよ同一の符号が伺しである。 ｔｇｄ図において、ｔｂｉｔ検出管１の底部１ａの附近
の被測定ガス２００に接する面が頂角αを有する円錐状
に形成された円錐面である。１６は焼結アルミナ等の磁
器製でかつ筒状をしたボルダであって、ホルダ１６の内
面し１頂角βを有する円ｔｆ６面１６ｂを形成している
、１β２αであ２．。電極６はリボン状の白金網を検出
管１の円錐面１ｂに一様に巻き付けて形成したものであ
る。円（Ｍ１面］ｌ）に対向する検出管１の内面１ｃも
はソ円件状の面を形成しておシ、この円錐面】Ｃに対向
する絶縁管１０の外面も円錐面１ｃとはソ同一の頂角を
有する円錐面１０ｃに形成されている。検出管ｌの底部
１ａの内面および絶縁管１ｏの底部１０ａの外面は第２
図の検出器と同様なはヌ半球状をなしている。電極７は
一枚の白金網である。し７たがって押さえ金具１２をハ
ウジング９に螺嵌すると、ホルダ１６はスプリング１３
によって検出管１および電極６を介して保獲霧８の底部
８ａの内面ｐｒ−押しつけられるので、反作用により、
電極６は検出管１の円錐面１ｂに対してホルダ１６の円
錐面１６ｂによって強固に押しつけられ、該円錐面１ｂ
に固定されることになる。この場合、電極６の検出管１
に対する接触面積はたとえば４２２ｍｍ’であり、第４
図の場合と同じ外径および内径寸法を有−ノーる保護管
８．検出管１および絶縁管１０を用いた第３図の構成に
おいては、電極６の検出器１に対する接触面積は−１３
３−である。したがって第４図における電極６の接触面
積は第３図における該面積の３倍以上である。またこの
際電極７はスプリング１４によって絶縁管１０を介して
検出管１の底部１ａの内面に押しつけられるので、該電
極７は該底部１ａの内面および円錐面１ｃとそれらに対
向する絶縁管の外面との各形状の関係から袋状に形成さ
れて、検出管１と電極７との間にも第３図におけるより
も広い面積にわたってかつ強固な接触状態が発生する。 なお第４図の電極構成では、電極６は検出管１の円錐面
１ｂに対してホルダ１６の円錐面１６ｂによって押圧さ
れるわけであるから、電極６と検出管１との間の接触圧
は電極６の全接触面積にわたってす１は一様である。 このため電極６の全接触面積に対する有効接触面積の割
合が増加する。円錐面１ｂおよび１６ｂの頂角αおよび
βが小さくなると電極６の検出ｒＩｌに対する接触面積
は増大するが、その場合接触圧が減少するので有効接触
面積は必ずしも増大するとはいえず、またこの際円錐面
１ｂの円錐面１６ｂへの喰い込みがきつくなるので電極
６を交換するときの分解作業が困難になるという問題が
ある１、したがって本発明者等はこの点について実験を
行ない、その結果頂角αおよびβｔま有効接触面積」、
・よび分解作業を考慮して１５°〜６ｏ０の範囲内であ
ればよいことを見出している。 第５図において１７は頂角ｒを有する円ψ［１゛台状を
した焼結アルミナ等の磁器製のホルダである。 １７ａはホルダ１７の軸心に沿って該ポルダヲ５１“１
通した貫通孔、１７ｂはホルダ１７の底面に設（Ｊた円
板状の凹部、１７ｃはホルダ１７の円錐面である。絶縁
管１０の底部１０ａの端面は平面状イｉなして前記凹部
１７ｂに嵌入されており、絶縁管１０の細孔１０ｂとホ
ルダ１７の貫通孔１７ａとは連通して、この一連の連通
空所をリード４ａが通っている。検出管１の底部１ａの
附近の内面ＩＣは頂角δを有する円錐面に形成され、こ
の円錐面ＩＣに電極７としての一枚の白金網がホルダ１
７によって押しつけられている。この場合ｒｚδで、さ
らに第４図におけると同様な理由によってその角度の値
は１５０〜６０°の範囲内の値であって、またホルダ１
７は、図示されていないが第４図におけると同様な機構
によって絶縁管１０を介して検出管ｌの底部１ａの方向
に押圧力を受けている０したがってホルダ１７の円錐面
１７ｃが電極網７を円錐面ＩＣに押しつけることになる
。３は検出管１の電極６にｔ１ソ対向する表面に、リン
グ状に設けた第１図におけると同様な膜状の白金電極で
ある。第５図のガス検出器においては、被測定ガスは絶
縁管１０の細孔１０ｂ、網状の電極７の内部の空隙、検
出管１の内部空所等からなる一連の空所を貝流し、基準
ガスとしての大気が検出管１の外面に接触するように構
成されている。し／こがってこのガス検出器における電
極７の検出器１に対する接触面積は、第３図の４１・ｑ
成で検出管１の内部に被測定ガスを導く場合の該接触面
積よりも大きいという特徴がある。 次に本発明の詳細な説明する。 以上に説明したように本発明によれば、酸素イオン伝導
性を示す固体電解質製の有底の検出管１を用いた酸素ガ
ス検出器において、被測定ガス２００を該検出管１の外
面に導き基準ガスと１〜Ｃの大気を該検出管ｌの内面に
導いて測定をする唱”合は、検出管１の底部１ａ附近の
外面ｋ　１５”−６０゜程度の頂角を有する円錐面１　
ｂに形成し１、内面がこの円錐面１ｂとほぼ同じ頂角を
有する円錐面１６ｂに形成された筒状のホルダ１６を用
い−Ｃ１網状の白金電極６を円錐面１６ｂと円錐面１１
）との間にはさんで該円錐面１ｂに押しつけて固５ニジ
し、また被測定ガス２００を検出管１の内面に導きノ、
（準ガスとしての大気を検出管１の外面に導いて測定す
る場合は、検出管１の底部１ａ附近の内面４・１５°〜
６０″程度の頂角を有する円錐面ＩＣに形成し、該円錐
面ＩＣとｔｌは同じ頂角を有する円錐台状に形成された
ホルダ１７を用いて、網状の白金電極７を円錐面ＩＣと
ホルダ１７の円錐面１７ｃとの間にはさんで該円錐面Ｉ
Ｃに押しつけて固定したので、このような構成の酸素カ
ス検出器は、被測定ガスが還元性であったり該ガス中に
低融点金属の蒸気が含まれていて白金電極が消粍しても
、電極間抵抗の変化の測定値に及はす影響が少なくなり
、このため電極に薄膜を採用した検出器よりも耐久性が
向上するという効果があり、また第２図および第３図に
おいて説明したような検出管１の底部１ａが半球状や平
板状をし九構成の検出器よりも電極６．７の検出管１に
対する接触面積が広いので電極間抵抗が少なくなり、こ
のため内部抵抗の大きい高価な受信器を使用しないでも
済むという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の酸素ガス検出器の一実施例を示す縦断面
図、第２図は他の実施例の縦断面図、第３図はさらに別
の実施例で第２図におりる要部Ｓに相当する部分の縦断
面図、第４図は本発明（こ、する酸素ガス検出器の一実
施例の絖断■１図、第５［：／−１は他の実施例で第４
図の要部Ｔに相当すＺ）部分ｑ）縦断面図である。 各図において、１・・検出管、１ａ・・・検出管Ｉ　Ｃ
）底部、１ｂ・・・検出管１の外部円錐面、ＩＣ検出管
１の内部円錐面、６．７・・・絹状の電極、１６ホルダ
、１６ｂ・・ホルダ１６の内部円錐１ｎｉ、　Ｉ　７・
・・ホルダ、１７Ｃ・ホルダ１７の外部円錐部、２００
・・・被測定ガス、４００・・基準ガスとし°（（ｊ）
大気、α、β、γ、δ・・・それぞれ円錐面１ｂ。 １６　ｂ　ｅ　１７　ｃ　Ｈ１ｃの円錐面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被測定ガス中の酸素濃度と基準ガス中の酸素濃度と
   の差に応じた起電力を発生する酸素イオン伝導性の固体
   電解質からなる有底の検出管を用いた酸素ガス検出器に
   おいて、前記検出管の底部附近の前記被測定ガスに接す
   る面を円錐状に形成し、この円錐状の面に、円錐面を有
   するホルダを用いて網状の電極を押しつけて固定したこ
   とを特徴とする酸素ガス検出器。 ２、特許請求の範囲第１項記載の検出器において、検出
   管の底部附近の被測定ガスに接する円錐状の面の頂角と
   ホルダの円錐面の頂角とを、はぼ同一の１５°〜６０°
   の範囲内の角度としたことを特徴とする酸素ガス検出器
   。