JPS60105957A - 水分測定装置 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、水分を含有した測定ガス中の酸素濃度と、前
記測定ガスを基準ガス供給機構を貫流させて乾燥状態に
した基準ガス中の酸素濃度との比をめることにより前記
測定ガス中の水分濃度を測定する水分測定装置、特に測
定ガス中の酸素濃度の短時間内の変動の測定結果に及ぼ
す影響を少なくすることができ、かつ基準ガス供給機構
を構成する除湿器を有効に動作させて測定精度低下を防
止することのできる構成に関する。

〔従来技術とその問題点〕

酸素を含むベースガスと水蒸気とからなる測定ガス中の
水蒸気、すなわち水分濃度を固体電解質式酸素濃度検出
器を用いて測定する水分測定装置は公知であって、この
測定装置の測定原理は次の通りである。− すなわち、今上記測定ガスの体積をＶとし、この体積Ｖ
中の水蒸気、酸素およびその他のガスの各体積をそれぞ
れｖｗ、■ｏおよび■３、水蒸気および酸素の測定ガス
中の濃度をそれぞれＡｗおよびＡｏとすると（１）式お
よび（２）式が得られる。

Ｖ二Ｖ　ｗ　＋　Ｖ　ｏ　十Ａ　ａ　・・・・　・・・
・・・・・・　・・　・（１）Ａｗ＝ｖｗ／Ｖ、　ＡＯ
二■ｏ／■　・・・・・・・・・・・・・・　（２）次
に前記測定ガスから水蒸気を除いてベースガス状態にす
ると、このベースガスにおける酸素の濃度Ａｏｒは（３
）式で表される。以下ベースガスを乾燥ガスということ
もある。

Ａｏｒ＝■ｏ／（Ｖｏ＋■ａ）・・・・・・（３）した
がって水蒸気を含む測定ガスとこの測定ガスから水蒸気
を除いた乾燥ガスとをそれぞれ固体電解質式酸素濃度検
出器の測定電極部および比較電極部に導くと該検出器の
両電極間には（４）式に示す起電力Ｅが発生し、（４）
式は（１）弐〜（３）式を用いて（５）式のように書き
かえられる。ここにＫは比例常数である。

Ｅ−に−Ｉｎ（２０１７２０ｍ）　・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・（４）Ｅ　＝−に−Ｉｎ
（Ｉ　Ａｗ）　−・−・・・−・−−（５）故に起電力
Ｅを測定することによって濃度Ａｗをめることができ、
固体電解質式酸素濃度検出器を用いる水分測定装置はこ
のようにして水蒸気濃度Ａｗを測定するもので、この測
定結果は水分測定が上記のようにして行われる限り酸素
濃度ＡＯの影響を受けないことが（５）式から明らかで
ある。

ところが、上述の事柄から明らかなようにこの測定装置
において用いられる酸素濃度Ａｏｒは酸素濃度Ａｏを呈
する測定ガスを脱湿して得られる乾燥ガスにおけるもの
でなければならず、測定ガスの酸素濃度Ａｏが短時間内
に変動して、前記濃度検出器の比較電極部に酸素濃度Ａ
ｏｒ、の乾燥ガスが導かれた時、前記濃度検出器の測定
電極部に、酸素濃度Ａｏｒ、の乾燥ガスを生じた元の測
定ガスの酸素濃度Ａｏ、とは異なる酸素濃度Ａｏ、を有
する測定ガスが導かれると、この測定装置においては誤
差を生じる。

このため従来状のような測定方法が提案されている。す
なわちこの測定方法においては、２個の酸素濃度検出器
が使用され、一方の酸素濃度検出器には、水分を含む測
定ガスを導入し、他方の酸素濃度検出器には水分が除去
されたガスを導入しこの２個の酸素濃度検出器のそれぞ
れに到達するそれぞれのガスの速さに差異があるとき、
早い方のガスの酸素濃度検出器の検出信号を遅延回路を
経て遅らせて、２個の酸素濃度検出器の検出信号を同期
させる。このような同期演算処理により、酸素濃度の変
動に影響されない正確な水分濃度信号を得ることができ
る。しかしながら、２個の酸素濃度検出器および１個の
信号遅延回路を必要とし、その装置が複雑化して、高価
格になる。

また、次のような他の測定方法が提示されている。１台
の固体電解質式酸素濃度検出器と、延長された先端部に
測定ガスが導入されるガス採取口を有するガス採取管と
、前記ガス採取口に近接して設けられたガス導入口を有
しこのガス導入口より前記測定ガスを導入し除湿する除
湿器と、前記ガス採取管の前記酸素濃度検出器側に開口
するガス取出口と、前記酸素濃度検出器に到達する水分
を含む測定ガスに対する水分を除去したガスの時間的ず
れを調整する時間ずれ調整手段とを設けることにより、
従来２台の酸素濃度検出器が１台となり、しかも固体電
解質式酸素濃度検出器の測定電極および比較電極に到達
するガス中の酸素濃度の時間的変動をマツチングさせる
ことができる。

ところが、これらの方式は、いずれも同一酸素濃度にお
ける水分を含む酸素と、乾燥した酸素との比較であるか
ら、比較電極に到達する乾燥酸素は除湿に要する時間だ
け遅れることになり、この除湿時間内に酸素濃度の変動
が発生すれば、含湿酸素と乾燥酸素とを比較することは
無意味で、水分測定が不可能となるという問題がある。

また上述の各測定方法においては乾燥ガスを得るために
通常測定ガスをポンプで吸引して除湿器を貫流させるよ
うにするが、このような場合、測定ガスの温度が高いと
この測定ガスの存在する場所から除湿器のガス入口まで
の間のガス流路において測定ガスの温度が低下してこの
ガス中の水分が凝結し、この結果除湿器がたとえば半透
膜気相除湿器であると、この除湿器の除湿能力が低下し
て固体電解質式酸素濃度検出器の比較電極部に導かれる
ガスが完全乾燥ガスとならないために水分測定結果に誤
差を生じるという問題があり、さらにまた上記の凝結水
によって除湿器の除湿能力が低下しないようにするため
に、除湿器よりも上流側のガス流路に、ガスの流動する
部分の断面積を大きくしてガスの流速を遅くしこれによ
って凝結水を落下させて凝結水とガスとを分離するドレ
ンセパレータを設けると、このドレンセパレータのため
に乾燥ガスの濃度検出器に達する時期が遅くなって矢張
り水分測定結果に誤差を生じるという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は、上述したような固体電解質式酸素濃度検出器
を用いた水分測定装置における従来の問題点を解決して
、測定ガス中の酸素濃度が短時間内に変動してもこの変
動によって生じる測定誤差が殆んどなく、また測定ガス
を除湿して乾燥ガスを得るための除湿器がドレンセパレ
ータを用いないでも有効に動作して測定精度の低下が発
生することのない水分測定装置を提供することを目的と
するものである。

〔発明の要点〕

本発明は上述の目的を達成するために、水分測定装置を
、水蒸気と酸素とを含む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し、さらに
この基準ガス供給機構を、ガス溜室から測定ガスをとり
出す基準ガス採取管と、この採取管によってとり出され
た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し、そ
の上前記除湿器を前記ガス採取管のガス出口に直結する
かまたは前記除湿器をこのガス出口にヒータ等によって
加熱された連結管を介して接続して、前記酸素濃度検出
器によって測定ガス中の水蒸気濃度、すなわち水分を測
定するようにしたものであって、このように水分測定装
置を構成することによって、測定ガス中の酸素濃度が短
時間内に変動してもガス溜室においてはこの変動が平均
化されて、酸素濃度検出器の測定電極に測定ガスが接触
する時刻とこの測定ガスが基準ガス供給機格によって乾
燥されて前記検出器の比較電極に接触する時刻との間の
時間にもとづく水分測定の誤差が少なくなるようにした
ものであり、またこのように水分測定装置を構成するこ
とによって、測定ガス中の水蒸気が凝結しない状態でこ
のカスが除湿器に導入され、この結果除湿器が有効に動
作してほぼ完全に除湿された乾燥ガスが酸素濃度検出器
の比較電極部に供給され、これによっても高精度な水分
測定が行えるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

次に本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明による水分測定装置の一実施例の概略構
成図、第２図は第１図の原理説明図である。

両図において固体電解質式酸素濃度検出器１は、炉壁２
に装着され、先端が閉鎖され円筒状に形成された固体電
解質素子、例えばジルコニアエレメント３を有する。こ
のジルコニアエレメント３の外面には測定電極４が設置
される。測定ガスは多孔質フィルタ６およびカバー８の
細孔９を経て、ガス溜室７に流入し、一方では測定電極
４に到達し接触する。他方、ジルコニアエレメント３の
内面には、測定電極４と対向して比較型Ａ＠　５が設置
される。ガス溜室７に流入した測定ガスは、他方では基
準ガス採取管１０、半透膜気相除湿器１１、吸気ポンプ
１２およびガス注入管１３からなる基準ガス供給機構２
０によって吸引され、乾燥された基準ガスとして比較電
極５に供給されて接触させられ、この接触により両電極
４，５間には測定ガスに含まれる水蒸気の濃度に応じた
起電力が現れる。半透膜気相除湿器１１はガス溜室７か
ら基準ガス採取管１０を介して吸引される測定ガスが導
入される半透膜製の内管とこの内管が挿入された外管と
からなる二重管構成で、この半透膜気相−除湿器１１に
おいては、内管に導入された測定ガスは、パージガス導
入管１１ａによって外管と内管との間の空所に流入させ
られた後パッジガス排出！Ｆ１１　ｌ　ｂによって排出
される乾燥されたパージガスによって除湿され、この除
湿は測定ガス中の水蒸気が半透膜を透過してパージガス
中に移行することによって行われる。２１は基準ガス採
取管１０の測定ガス出口と除湿器１１の内管の測定ガス
入口との間を接続する、ヒータ２１ａによって加熱され
た連結管である。なお、ガス溜室７は、円節状に形成さ
れた筒体１４およびこの筒体１４の先端部に溶接接着さ
れたカバー８とからなり、台 第１図に示すように本体取付＠１５に設けられた支持部
材１６に螺着される。１７は検出器枠体で、１８は枠体
カバー、１９は検出器枠体１７内に設けられた端子台で
ある。

上述の構成により、測定ガスは、基準ガス採取管１０を
経て吸気ポンプ１２により吸引されて、多孔質フィルタ
６にて除塵され、細孔９を経て、ガス溜室７に流入する
。−このガス溜室７の内容積が大き過ぎれば、測定ガス
の置換に要する時間が多くなり、水分濃度の変動に対す
る応答性が低下すると共に、吸引される測定ガス量が増
加して、多孔質フィルタ６に目づまりを生じ易くなり、
ドレン量が増加する等の取扱い上の問題が発生する。

従って、本発明によるガス溜室７は、第３図に示すよう
に内径りを約３５ｍｍ程度、長さ寸法４を約７Ｑｍｍ程
度、その内容積を約７０ｃｃ程度とする。

さらに、カバー８に設けられた細孔９は、目づまりを生
じない程度の微小孔であり、少なくとも１つ設けられて
いる。従って、吸気ポンプ１２の１分間の吸気能力が約
２００ｃｃ、程度であるにもかかわらず、ガス溜室７の
ガス置換時間を１公租度に選定することが可能である。

このようなガス溜室７を、ジルコニアエレメント３の外
部に設けたこ吉により、測定ガスに含まれる酸素濃度の
変動が平均化され、基準ガス採取管１０．除湿器１１、
吸気ポンプ１２およびガス注入管１３を経て比較電極５
に到達し接触する、測定ガスから除湿されて乾燥された
比較ガスと、直接的に測定電極４に到達し接触する測定
ガスとの間の時間的ずれを無視でき、確実で安定した水
分測定が可能となる。

なお、本発明者等の調査によれば、第２図に示すように
ガス溜室７を装着した固体酸解質式酸素濃度検出器１を
、各種の乾燥炉の炉壁２に装備すると、この乾燥炉内の
酸素濃度の変動に対するガス溜室７内の酸素濃度の変動
を、１分間に約２．５％程度に抑制することが可能であ
った。第４図に示すようにこの２．５％程度の酸素濃度
の変動は水分置きして約０６％程度である。従って、水
分測定のフルスケールを３０％とすれば、その測定精度
は２％（０，６／３０）となり、十分な信頼性を有する
。もし、このようなガス溜室７が装着されないときは、
酸素濃度の変動は数１０％にも達し、水分測定は不可能
となるから、このカス溜室７の装着は極めて有効である
。なお、第１および第２図に示したフィルタ６は多孔質
で、ダストの除去に有効であるが、酸素濃度の変動を平
均化するガス溜室７の効果を特に有するものではない。

また上述の実施例においてはヒータ２１ａによって加熱
された連結管２１を設けたので、基準ガス採取管１０か
ら流出した測定ガスが除湿器１１に流入する前にその測
定カス中の水蒸気が凝結することがなく、この結果除湿
器１１において凝結水にもとづく除湿能力の低下が発生
せず、したがってこの除湿器１１によって充分に乾燥さ
れたガスが比較電極５に導かれるから、このような水分
測定装置では凝結水に起因する測定誤差の発生ずること
がない。第２図のヒータ２１ａによって加熱された連結
管２１は、基準ガス採取管１０の測定ガス出口と除湿器
１１の測定ガス入口とを直結することによって省略され
るものであることは説明す”るまでもなく明らかである
。

なお、図示した実施クリにおいては、円筒状の固体寛解
質素子が使用されているが、平盤状のべしット形素子を
使用し、このペレッ゛トの表面および裏面にそれぞれ測
定電極および比較電極を取付け、このペレット形素子を
磁器管の内部に固定するようにして酸素濃度検出器を構
成するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

上述したように本発明においては、固体電解質式酸素濃
度検出器を用いて測定ガス中の水蒸気濃度を測定する水
分測定装置において、細孔を有するガス溜室内に前記検
出器を配置してこの検出器の測定電極に前記細孔を介し
てガス溜室内に導入された測定ガスが接触し、前記検出
器の比較電極には、ガス溜室に設けた基準ガス採取管を
通してポンプで吸い出されたガス溜室内の測定ガスが除
湿器で乾燥されて接触するように構成し、かつ基準ガス
採取管と除湿器とを直結するがまたは除湿器をヒータ等
で加熱された連結管を介して基準ガス採取管に接続する
ようにしたので、このような水分測定装置においては、
ガス溜室外の測定ガス中の酸素濃度の短時間内における
変動がガス溜室内では平均化されて抑制される結果、測
定電極に到達する測定ガスとこの測定ガスが除湿されて
比較電極に到達する乾燥ガスとの時間的ずれにもとづ≦
測定誤差が極めて小さくなる効果があり、またこのよう
な水分測定装置では除湿器に流入する測定ガス中に凝結
した水分が存在することがないから除湿器の除湿機能が
低下することがなく、この結果比較電極に充分に乾燥さ
れたガスが供給されて正確な水分測定が行われる効果が
あるうえ、さらに、このような水分測定装置では、除湿
器で比較電極に導かれる乾燥ガスが充分に乾燥されるの
で乾燥ガスの時間遅れを増大させるドレンセパレータを
必要とせず、この結果比較電極に導かれるガスの測定電
極に導かれるガスに対する時間遅れが短かくなるので、
本発明にはドレンセパレータを有する水分測定装置より
も測定精度が向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略構成図、第２図は第１
図の原理説明図、第３図はカス溜室の概略構成図で同図
（５）は正面断面図、同図（Ｂ）は同図（５）のＡ−Ａ
断面図、第４図は第３図のガス溜室による水分測定特性
図である。 １・固体電解質式酸素濃度検出器、３・固体電解質素子
としてのジルコニアエレメント、４・測定電極、５・・
比較α極、７　ガス溜室、９・・細孔、１０・・基準ガ
ス採取管、１１　・除湿器、１２　・ポンプ、２０　・
基準ガス供給機構、２１・連結管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）酸素を含むベースガスと水蒸気とからなる測定ガス
   の雰囲気内に配置され、前記測定ガスが流入し得る少な
   くとも１つの細孔を有するガス溜室吉、固体電解質素子
   の両面にそれぞれ測定電極および比較電極を有し、前記
   ガス溜室内に配置されて前記ガス溜室内に流入した前記
   測定ガスが前記測定電極に接触するようになされている
   固体電解質式酸素濃度検出器と、前記ガス溜室内の前記
   測定ガスを前記固体電解質式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からなり、前記基準ガ
   ス供給機構を、前記ガス溜室内の前記測定ガスを前記ガ
   ス溜室外に取り出す基準ガス保接 取管と、前記基準ガス採取管のガス出口にえ続され、前
   記測定ガス中の前記水蒸気を除去する除湿器と、前記除
   湿器を介して前記測定ガスを吸引するポンプとで構成し
   、前記固体電解質式酸素濃度検出器により前記測定ガス
   中の前記水蒸気の濃度を測定することを特徴とする水分
   測定装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の水分測定装置において
   、前記除湿器は前記ガス採取管′のガス出口に直結され
   ているこきを特徴とする水分測定装置。 ３）特許請求の範囲第１項記載の水分測定装置において
   、前記除湿器は加熱手段により加熱される連結管を介し
   て前記ガス採取管のガス出口に接続されていることを特
   徴とする水分測定装置。