JPS60114765A - 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、固体電解質素子を用いて、水蒸気を含有した
測定カス中の酸素濃度とこの測定ガスから水蒸気を除去
した比較ガス中の酸素濃度との比に応じた信号を得るこ
とにより前記測定ガス中の水蒸気濃度を測定する水分測
定装置、特に１ｔｔｌｌ定カ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
る構成に関する。

〔従来技術とその問題点〕

水蒸気と酸素とを含む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
水分測定装置はたとえば特開昭５７−１７８１５４号公
報によって公知であって、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■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、　Ｖｏ、およびＶａ、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　＝　Ｖｗ　＋　Ｖｏ　＋　Ｖａ　−・・−＝　（１
）ＡＷ＝ＶＷ／Ｖ、Ａｏ＝Ｖｏ／Ｖ　−・・（２）次に
前記測定ガスから水蒸気を除いて乾燥ガスを得るとこの
ガス中の酸素の濃度ＡＯｒは（３）式で表わされる。

Ａｏ　ｒ＝’Ｖｏ　／　（Ｖｏ　−１−Ｖａ　）　・＝
・（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宇Ｍ１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　＝　Ｋ　−Ｉ　ｎ　（Ａｏｒ／Ａｏ）　−（４）Ｅ
＝　−Ｋ　＠Ｉｎ（１−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、
固体型１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わ、る限り
酸素濃度Ａ０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
ｏｒｌ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Ａｏｒｌの乾燥ガスを生じた元の測
定ガスの酸素濃度Ａｏｌとは異なる酸素濃度ＡＯ２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。

このため従来次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
ぞわ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、
るガス採織口を有するガス採取管と、前記ガス採取口に
近接して設けらイま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、前言６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六せることかできる。

ところが、こｒＬ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、この除湿時間内の酸素濃度の変
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り
、比較電いた水分測定装置ではこの時間遅れをできるだ
け短縮する必要かある。

〔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ど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。

〔発明の散点〕

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外側に
設けられ、比較電極が内側に設けられて袋状形状に形成
された固体電解質式酸素濃度検出器と、ガス溜室内の測
定ガスをポンプによって吸引し、この測定ガスから水蒸
気を除去したガスを比較ガスとして前記濃度検出器の比
較電極部に供給する比較ガス供給機構とで器により測定
ガス中の水蒸気セシテ度すなわち水分を測定するように
するこＬｌこよって、測定ガス中の酸素濃度の短時間内
の変動がガス溜室においては平均化され、この結果、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
の測定ガスが比較ガス供給機構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だものであり、
また比較電極に供給されるガスのガス溜室から該比較電
極に至るまでの時間が短くなるようにし、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櫃略構
成図、第２図は第１図の原理説明図である。

両図において１は炉壁２によってとり囲まれた空所内に
存在する酸素と水蒸気とを含む測定ガス、３は内面にめ
ねじが設けられ、た円筒状スカー）３ａの一端にフラン
ジ３ｂを固定した支持部材で、この支持部材３はフラン
ジ３ｂによって円板状本体取付台４に固定され、スカー
ト３ａには、少なくとも一個の細孔６が貫設されたカバ
ー７で一端が閉鎖さｎた円筒状筒体５の他端が螺着され
ている。

８は本体取付台４と筒体５とカバー７とでとり囲まれた
ガス溜室で、ガス溜室８は本体取付台４を炉壁２に装着
することにより測定ガス１の雰囲気内に配置され、この
ガス溜室８の先端にはカバー７をおおうように多孔質フ
ィルタ９が設けられている。１０は底部の外面および内
面にそれぞれ測定電極１１、比較電極１２が設けられた
有底円筒状の固体重質素子、たとえばジルコニア−エレ
メントで、このジルコニアエレメント１０は底部がガス
溜室８内にあるようにして本体取付台４に貫通、固定さ
ｎており、１３は電極１１および１２とジルコニアエレ
メント１０とからなる固体電解質式濃度検出器である。

固体電解質式酸素濃度検出器１３は、平板状の固体電解
質製ペレットの表面および裏面にそれぞれ測定電極およ
び比較電極を設けた固体電解質素子を磁器製の支持体、
たとえば磁器管内に固定するなどしてｔ解質素子と支持
体とで比較電極が内面に存在する袋状に形成し、この袋
状形状の開口部が本体取付台４からガス溜室８外に突出
するようになされたものであってもよい。１４は一端が
ガス溜室８内にあるように本体取付台４に貫設された比
較ガス採取管、１５は一端がジルコニアエレメント１０
内にあるようにして、該エレメント１０の底部とは反対
側の端部に設けた蓋１０ａに貫設された比較ガス注入管
、１６は比較ガス採取管１４のガス溜室８外にあ、る一
端が半透膜製内管の一端に導管１８によって接続され、
その内管の他端がジルコニアエレメント１０外に突出し
た比較ガス注入管１５の端部に導管１９によって接続さ
れた半透膜気相除湿器で、除湿器１６は前記内管とこの
内管が挿入さｎた外管とからなっていて、２０はこｎら
内管と外管との間の空所に乾燥されたパージガスを注入
するパージガス注入管、２１は前記を所からパージガス
ると、このガスは該ガス中の水蒸気が半透膜製内管を透
過してパージガス中に移行するので乾燥される。２２は
ジルコニアエレメント１０の開口端に設けた蓋１０Ｈに
貫設された接続口に一端が接続され他端がポンプ１７の
吸入口に接続された導管、２３は本体取付台４に固定さ
れた枠体、２４はこの枠体２３のカバー、２５は端子台
で、除湿器１６は枠体２３内において濃度検出器１３の
端部に固定され、ポンプ１７および端子台２５はいずわ
も枠体２３に取り付けられている。２６は炉壁２を除く
上述の各部材からなる水分測定装置である。

この水分測定装置２６は上記の構成であるからポンプ１
７を動作させると、測定ガス１がフィルタ９で除塵され
た後細孔６を通ってガス溜室８に導入されて測定電極１
目こ接触すると共に、ガス溜室８に導入された測定ガス
は比較ガス採取管１４および導管１８を通って除湿器１
　（５に導かわで除湿され、除湿された乾燥ガスは導管
１９、比較ガス注入管１５を順次通って比較電極１２に
接触した後導管２２、ポンプ１７を順次通って大気へ排
出される。すなわちこの場合測定電極１１には水蒸気を
含む測定ガスが接触し、比較電極１２には乾燥ガスが接
触するので両電極間には測定ガス中の水蒸気濃度に応じ
た起電力が表れる。２７は上記のようにして乾燥ガスを
比較型１極１２の部分に供給する、比較ガス採取管１４
、導管１８、除湿器１６、導管１９、比較カス注入管１
５、導管２式ポンプ１７からなる比較ガス供給機構であ
る。

上述したように測定ガス１はポンプ１７によって吸引さ
れてフィルタ９を通った後ガス溜室８に流入する。この
ガス溜室８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
か低下すると共に、吸引さイする測定カス量が増加して
、多孔質フィルタ９に目づまりを生じやすくなり、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８は、第３図に示すように内径り
を約３５Ｗｍ程度、長さ寸法ｔを約７０ｍ程度、その内
容積を約７０　ＣＣ程度とする。さらに、カバー７に設
けられた細孔６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１１の１分間の吸気能力が約２００　ＣＣ程度であ
るにもかかわらず、ガス溜室８のガス置換時間を１分冊
程度に選定することがｉＪ能である。このようなガス溜
室８を、ジルコニアエレメント１０の外部に設けたこと
ζこより、測定ガスに含まイする酸素濃度の短時間内の
変動が平均化さｒＬ１比較ガス採取管１４、除湿器１６
および比較ガス注入管１５を経て比較電極１２に到達し
接触する、測定ガスより除湿されて乾燥した比較ガスと
、直接的に測定’ａ極１１に到達し接触する測定ガスと
の間の時間的ずわを無視でき、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８を装着した水分測定装置２６を、各種の乾燥
炉の炉壁２に装備するとき、この乾燥炉内の酸素濃度の
変動に対するガス溜室８内の酸素濃度の変動を、１分間
に約２．５係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多種度の酸素６度の変動は水
分量として約０．６　％程度である。従って、水分測定
のフルスケールを３０チとすわば、その測定精度は２チ
（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８が装着されない時は、酸素濃
度の変動は数１０チにも達し、水分測定は不可能となる
から、このガス溜室８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９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
るカス溜室８の効果を特ζこ有するものではない。

また上述の実施例では比較ガス供給機構２７のガス流路
において、比較的大きい流路容積を有するポンプ１７を
ジルコニアエレメント１０よりも下流側に設け、このポ
ンプ１７で比較カス注入管１５からジルコニアエレメン
ト１０内に注入された乾燥ガスを吸引するようにしたの
で、このような比較ガス供給機構２７では、測定ガス１
がガス溜室８内の比較ガス採取管１４の管端から採取さ
れてから乾燥ガスとなって比較電極１２に接触するまで
の時間が、ポンプ１７がジルコニアエレメント１０の上
流側に設けられている場合よりも大幅に短くなる。した
がって比較ガス供給機＋ｈ２７を有する水分測定装（置
２６では、測定ガス１に含まれる酸素の濃度が短時間の
間に変動した時に発生する、測定カス１が測定電極に接
触してからこのガスが乾燥されて比較電極に接触するま
での時間遅れにもとづく水分測定の誤差が小さくなる利
点がある。

〔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、前記濃度検出器を、測定電極と比
較電極とが両面の各々に設けられた固体電解質素子とこ
れを支持する支持体とで比較電極が内■１１１にくるよ
うにして一部に開口部を有する袋状ｌこ形成し、この濃
度検出器を細孔を有するガス溜室内に配置してこの細孔
を通してガス溜室内に遂いた測定ガスを測定電極に接触
させ、さらにガス溜室内の測定ガス供給機構によって該
ガス溜室外に導いた後このガスを乾燥して濃度検出器の
比較電極に接触させるように構成し、その際、比較ガス
供給機構を構成するポンプの吸入口を＃度検出器の袋状
形状の開口部に接続してこのポンプの吸引力によって測
定ガスを才ず細孔を通してガス溜室に流入させ、さらに
ガス溜室に流入した測定ガスを比較ガス供給機構におけ
るガス流路、濃度検出器の袋状形状の内部、この袋状形
状の開口部、ポンプを順次通して排出するようにしたの
で、このような水分測定装置ｉこおいては、ガス溜室外
の測定ガス中の酸素濃度の比較的短時間内における変動
ガス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く
測定誤差が極めて小さくなる効果があり、才たこのよう
な水分測定装置では比較ガス供給機構を構成する、比較
的大きい流路容積を有するポンプか比較ガス流路におい
ては濃度検出器の比較’を極部よりも下流側に配置され
る結果、比較ガス供給機構によってガス溜室から採取さ
れた後除湿されて比較電極に達するガスの採取から比較
電極到達才での時間が短縮され、したがって、本水分測
定装置においてはこのような作用によっても測定ガス中
の酸素濃度が短時間の間に変動した時に生じる１ｊｌｌ
ｌ定ｆＦＡ４．が低減される効果がある。

【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図はガス溜室の概略構成図で同図
（Ａ）は正面断面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）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・・・・・・測定ガス、６・・・・・・細孔、８・・
・・・・ガス溜室、１０・・・・・・固体電解素子とし
てのジルコニアエレメント、１１・・・・・・測定電極
、１２・・・・・・比較電極、１３・・・固体電解質式
酸素濃度検出器、１７・・・・・・ポンプ、２７・・・
・・・比較ガス供給機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 酸素と水蒸気とを含む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一個の細孔を有す
   るガス溜室と、両面にそｎぞれ測定電極および比較電極
   が設けられた固体電解質素子の前記比較電極が内側にあ
   るようにして前記固体電解質素子と該固体電解質素子を
   支持する支持体とで袋状工形状に形成され、前記ガス溜
   室に流入した前記測定ガスが前記測定電極に接触するよ
   うに前記ガス溜室内に配置さｎた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ポンプによ
   って吸引し、この測定ガスから前記水蒸気を除去したガ
   スを比較ガスとして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比較ガス供給機構とを備え、前記
   ポンプの吸入口を前記固体電解質式酸素濃度検出器の前
   記袋状形状の開口部に接続したことを特徴とする水分測
   定装置。