JPS61108959A - 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、酸素と水蒸気とを含んだ測定ガスをジルコニ
アのような固体電解質素子に設けた測定電極に供給し、
前記測定ガスから水蒸気を除去した乾燥ガスを基準ガス
として前記固体電解質素子に設けた基準電極に供給し、
前記両電極間に出力される電圧にもとづき前記測定ガス
中の水蒸気濃度を測定する、固体電解質式酸素濃度検出
器を用いた水分測定装置、特に測定ガス中の酸素濃度の
急激な変動にもとづく測定誤差を少なくすることができ
、かつ基準ガスを生成する機構を簡単にすることができ
る装置構成に関する。

〔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濃度を一台の
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
方法は、たとえば特開昭５７−１７８１５４号会報によ
って公知であって、この測定方法の原理は次の通りであ
る。

今、上記測定ガスの体積をＶとし、この体積Ｖ中の水蒸
気、酸素詔よぴその他のガスの各体積をそれぞれｖｗ、
ｖｏおよびｖａ、水蒸気詔よび酸素の測定ガス中の濃度
をそれぞれＡｗおよびＡ。

とすると、（１）式および（２）式が得られる。

ｖ＝ｖｗ＋ｖｏ＋Ｖａ　　　　　　　　・・・・・・・
・・（１）Ａｗ＝Ｖｗ／Ｖ、　　　人ｏ＝■ｏ／Ｖ　　
　−−・（２）次に前記測定ガスから水蒸気を除いて乾
燥ガスを得るとすると、この乾燥ガス中の酸素濃度Ａ。

ｒは（３）式で表される。

Ａｏｒ”Ｖｏ／（Ｖｏ＋’Ｙａ）　　　　・・−・−・
（３）故に前記測定ガスを固体電解質式酸素濃度検出器
の測定電極に導き前記乾燥ガスを該酸素濃度検出器の基
準電極に導くと、測定電極と基準電極との間に（４）式
で示す起電力Ｅが発生し、（４）式は（１）〜（３）式
を用いて（５）式のように書きかえられる。ここｆｃＫ
は比例定数である。

Ｅ−に−１ｎ　（Ａｏｒ／Ａｏ　）　　　　　−−＝−
（４１Ｂ＝−に−１ｎ　（１−Ａｗ）　　　　　　・−
川面・−−−（５）したがって起電力Ｅを測定すること
によって濃度Ａｗを求めることができる。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Ａ０の
影響を受けないことが（５）式から明らかである。

第３図は上記の測定原理を採用した従来の水分測定装置
の概略構成図で、図において１はジルコニア等で形成し
た有底円筒状の固体電解質素子、２．３は該素子１の底
部外面および内面にそれぞれ接合した測定電極、基準電
極である。ジルコニア素子１の開口端には取付フランジ
４が設けられている。５は酸素と水蒸気とを含む測定ガ
ス６が流れる流路、５ａは該流路の壁、７は一端が壁５
ａを貫通してかつ膣壁に固定され他端が流路５外に突出
して突出端に相フランジ８が固定された取付管である。

９は両端にそれぞれ第１フランジ９ａと第２フランジ９
ｂとが固定され中間側壁に内部に連通ずるガス抽出口９
Ｃが設けられたガス採取管で、ガス採取管９はフランジ
８と９ｂとを図示していない締結手段によってフランジ
結合することにより取付管７に固定され、ジルコニア素
子１は取付管７とガス採取管９とによって形成された一
連の円柱状内部空所１０に遊挿され、フランジ９ａと４
とのフランジ結合によってガス採取管９に固定されてい
る。１１は一端１１ａが基準電極３の近傍に配置され他
端１１ｂがジルコニア素子１外に引き出されたガス注入
管である。

１２は流路５から内部空所１０に流入してきた測定ガス
６をガス抽出口９　’ｃを介して吸引してドレン分離器
１３のガス流入口１３ａに送り込むようにしたポンプで
、ドレン分離器１３は両端有底の円筒状に形成され、そ
の天井板１３１には分離器１３内に開口するようにガス
流入口１３ａが設けられ、さらに該天井板１３１には流
入口１３ａから分離器１３内に導入された測定ガスが流
出するガス流出口１３ｂか設けられている。１３２はド
レン分離器１３の底板で、この底板１３２には内径９小
さいドレン排出管１４が分離器１３内に開口するように
該排出管の一端が固定されている。

排出管１４の他端１４ａは大気に開放させられている。

１５は水蒸気濃度の高いガスを流すようにした内管１５
１とこの内管を遊挿した外管１５２とからなり、内管１
５１と外管１５２との間に水　　□蒸気濃度の低いガス
を流して、内管１５１内を流れるガスから該内管壁を水
蒸気を透過させて該ガスを除湿するようにした半透膜気
相除湿器で、内管１５１のガス流入口１５１ａはドレン
分離器１３のガス流出口１３ｂに接続されている。１５
１ｂは内管１５１のガス流出口で、この流出口１５１ｂ
から流出したガスは内径を細くしてガスの流動抵抗を高
くした絞り機構１６と、内管１５１と外管１５２との間
に形成された空所１７にガスを流入させるようにしたガ
ス流入口１５２ａと、に送り込まれるように構成されて
いる。１５２ｂは流入口１５２ａから空所１７内に導入
されたガスを大気に排出するガス排出口である。絞り機
構１６を通ったガスはガス注入管１１の端部１１ｂから
該注入管内に導入される。２０は、−面Ｃζフランジ４
が固定されたガス採取管９が貫挿、固定され、ポンプ１
２、ドレン分離器１３、ドレン排出管１４、除湿器１５
、絞り機構１６および後述の演算器１９が収納されたケ
ースである。

第３図の水分測定装置においては各部が上述のように構
成されているので、ポンプ１２を駆動すると測定ガス６
か空所１０．ガス抽出口９ｃを介して吸引されてドレン
分離器１３内に導かれる。

この時この測定ガスにはポンプ１２による加圧および測
定ガスが高温から常温に冷却されることによって水滴が
発生していることがあるが、この発生した水滴は、ドレ
ン分離器内では流路断面積の拡大によって測定ガス６の
流速が遅くなる結果、逐次落下してドレン排出管１４か
ら大気へ排出される。分離器１３はドレン排出管工４に
よって大気に連通させられているが、前述したようにド
レン排出管は内径が細くなっているので分離器１３内の
圧力が大気圧にまで倶下することはない。分離器１３に
導かれた測定ガスは前述のようにして水滴が除去されて
流出０１３ｂから除湿器の内管１５１に導入され、該内
管の流出口１５１ｂから乾燥ガス１８となって流出する
。乾燥ガス１８は絞り機構１６を介してガス注入管１１
に流入するが、該絞り機構１６と流出口１５１ｂとの間
においては該絞り機構のために乾燥ガス１８の圧力が高
くなっているので、該ガス１８は空所１７にも流入する
。除湿器１５では空所１７に乾燥ガス１８を流すことに
よって内管１５１内を流れるガスの除湿を行うようにし
ている。ガス注入管１１に導かれた乾燥ガス１８は注入
管の端部１１ａから基準ガスとして基準電極３に供給さ
れる。

第３図においては、上述のようにして測定電極２に測定
ガス６が接触し、基準電極３には測定ガス６を乾燥した
ガスが基準ガスとして接触するから、両電極間には（５
）式に示した電圧Ｅが発生する。

１９はこの電圧Ｈに対して（５）式にもとづく演算を行
い水蒸気濃度Ａｗに応じた信号１９ａを出力するように
した演算器である。故に第３図の水分測定装置では信号
１９ａによって測定ガス６の水分測定を行うことができ
るが、（５）式の関係を導くに当って用いた（４）式に
おける酸素濃度ＡＯｒは酸素濃度Ａ。を呈する測定ガス
６を脱湿して得られる乾燥ガス１８におけるものでなけ
ればならず、測定ガス６の酸素濃度Ａ０が短時間内に変
動して、基準電極３に酸素濃度Ａ。ｒ、の乾燥がス１８
が導かれた時に、測定電極２には濃度Ａｏ０の乾燥ガス
を生じた元の測定ガスにおける酸素濃度Ａ０１とは異な
る酸素濃度Ａｏｔを有する測定ガスが導かれると、第３
図の水分測定装置においては測定誤差を生じるという問
題がある。

このため従来第３図の測定装置のほかに次に説明するよ
うな測定装置が提案されている。すなわちこの測定装置
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
、このような測定装置では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
、高価格になるという問題がある。

また第３図においては、ガス流路断面積の非常に大きい
ドレン分離器１３を用いているのでこの部分でガス流速
が遅くなり、この結果ガス抽出口９Ｃで測定ガス６が抽
出されてから乾燥ガスとなって基準電極２に供給される
までの時間、すなわち基準ガスの供給遅れが長くなるの
で測定ガス６中の酸素濃度の変動にもとづく測定誤差が
発生し易くなるという問題があり、また第３図の水分測
定装置には構成要素が多いために重量が重くこの結果取
扱いが不便であるという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は、一台の固定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上述した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
動にもとづく測定誤差か生じることが殆どなく、その上
構成か簡単で取り扱いの容易な水分測定装置を提供する
ことを目的とする。

〔発明の要点〕

本発明は、上述の目的を達成するために、酸素と水蒸気
とを含む測定ガスの雰囲気内に配置され、該測定ガスが
流入しうる少なくとも一個の細孔を有するガス溜室と：
両面にそれぞれ測定電極および基準電極が設けられた固
体電解質素子を有し、ガス溜室に流入した測定ガスが測
定電極に接触するようにガス溜室内に配置された固体電
解質式酸素濃度検出器と；ガス溜室内の測定ガスを除湿
して基準ガスとして基準電極に供給する基準ガス供給機
構と：からなり、酸素濃度検出器の出力信号により前記
水蒸気の濃度を測定する水分測定装置において、基準ガ
ス供給機構を、ガス溜室内の測定ガスをガス溜室外に吸
引するガス吸引機構と、ガス吸引機構によって吸引され
た測定ガスを除湿して基準ガスを生成する除湿器と、基
準ガスを基準電極に案内するガス注入管と、ガス吸引機
構と除湿器とを接続する接続管から分岐するようにした
ドレン排出管と、で構成し、ドレン排出管には前記接続
管から分岐する部分に大内径部を設けるようにしたもの
で、このように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この変動がガス溜室内に
おいては該ガス溜室のタンク作用によって緩慢になるよ
うにして、もって酸素濃度の変動による測定誤差の少な
い水分測定装置が得られるようにしたものであり、また
第３図におけるようなドレン分離器１３を不要にして、
もって前述した基準ガスの供給遅れを少なくして測定誤
差を減少させると共に構成を簡単にすることができる水
分測定装置が得られるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例の構成図で、図においては、
ジルコニア素子１は底部に細孔２１を有する円筒状ガス
溜室２２内に遊挿されており、ガジ ス溜室２２の開口端は取付フラン−＄４に気密に固定さ
れている。２３は、ジルコニア素子工とガス溜室２２と
の間に形成された空所２４において、一端２３ａが測定
電極２に対向するように配置さ□れ他端２３ｂが取付フ
ランジ４を貫通してガス溜室２２外に引き出されたガス
吸引管、２５はガス溜室２２の底部外面を被うようにし
た除塵用フィルタである。上述のように構成されたガス
溜室２２はケース２０の”底板２０ａを貫通して該ケー
ス２０外に突出させられ、該ガス溜室が固定された取付
フランジ４は底板２０ａに図示していない手段によって
気密に固定されている。この場合フィルタ２５が設けら
れたガス溜室２２が取付管７内を通って流路５内に挿入
され、ケースの底板２０ａは相フランジ８に気密に固定
されている。ボン゛プ１２はガス吸引管２３を介して空
所２４のガスを吸引するように構成されており、２６は
ガス吸引管２３とポンプ１２とからなるガス吸引機構で
ある。２７はポンプ１２から吐出されたガスを除湿器の
内管１５１に導く接続管で、２８は接続管２７から分岐
してドレンが下方に落下するように設けられたドレン排
出管である。ドレン排出管２８の内部は大部分が第２図
に示したように小内径部２８ａで構成されているが、接
続管２７から分岐する部分には大内径部２８ｂが設けら
れている。

２９はガス吸引機構２６と除湿器１５と絞りＦＡ構１６
゛とガス注入管１１とドレン排出管２８とからなる基準
ガス供給機構である。

第１図においては各部が上述のように構成されているの
で、流路５における測定ガス６はフィルタ２５で除塵さ
れた後細孔２１を通ってガス溜室２２内に入り測定電極
２に接触する。一方測定電極２近傍の測定ガスはガス吸
引管２３を介してポンプ１２に吸い出され該ポンプによ
って接続９２７に送り込まれる。接続管２７に送り込ま
れたガスは、ドレン排出管２８が分岐する接続ｑ２７の
部分では、大内径部２８ｂのために流路断面積が大きく
なって流速が小さくなるので、ポンプ１２による吐出に
よって発生した水滴はこの部分でドレン排出管２８内に
落下し、該排出管を介してケース２０外に排出される。

ドレン排出管２８によって水滴が除去されたガスはさら
に除湿器１５に導かれて乾燥がス１８となり、絞り機構
１６、ガス注入′Ｗ１１を順次経由してこの乾燥ガス１
８は基準ガスとして基準電極３に供給される。故に第１
図の水分測定装置においては、流路５における測定ガス
６中の酸素濃度が短時間内に変動してもこの変動はガス
溜室２２内においては該ガス溜室のタンク作用によって
緩慢になる。したがって測定ガスか測定電極２に接触す
る時刻と基準ガスが基準電極３に接触する時刻との間に
時間差があっても、換言すれば基準ガスの供給遅れがあ
っても、測定ガス６中の酸素濃度の変動にもとづく測定
誤差が発生し難くなる。また第１図においては第３図に
おけるようなドレン分離器１３がないので基準ガスの供
給遅れ時間が短くなっており、これによっても上記測定
誤差の発生が少なくなっている。

なお第１図の装置では上述のドレン分離器１３や第３図
におけるガス採取管９がないので装置構成が簡単で、こ
の結果取り扱いか容易になっていることは明らかである
。なおこのような水分測定装置は、測定電極２近傍の測
定ガスをポンプ１２によって強制的に吸い出すようにし
ているので、応答速度が速くなっていることもまた明ら
かである。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明においては、酸素と水蒸気とを
含む測定ガスの雰囲気内に配置され、該測定ガスが流入
しうる少なくとも一個の細孔を有するガス溜室と；両面
にそれぞれ測定電極および基準電極が設けられた固体電
解質素子を有し、ガス溜室に流入した測定ガスが測定電
極に接触するようにガス溜室内に配置された固体電解質
式酸素濃度検出器と；ガス溜室内の測定ガスを除湿して
基準ガスとして基準電極に供給する基準ガス供給機構と
；からなり、酸素濃度検出器の出力信号により前記水蒸
気の濃度を測定する水分測定装置において、基準ガス供
給機構を、ガス溜室内の測定ガスをガス溜室外に吸引す
るガス吸引機構と、ガス吸引機構によって吸引された測
定ガスを除湿して基準ガスを生成する除湿器を、基準ガ
スを基準電極に案内するガス注入管と、ガス吸引機構と
除湿器とを接続する接続管から分岐するようにしたドレ
ン排出管と、で構成し、ドレン排出管には前記接続管か
ら分岐する部分に大内径部を設けるようにしたので、こ
のように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ｌζ変動してもこの変動がガス溜室内におい
ては該ガス溜室のタンク作用によって緩慢になるため、
酸素濃度の変動による測定誤差の少ない水分測定装置が
得られる効果があり、また第３図におけるようなドレン
分離器１３が不要になるため、これによっても基準ガス
の供給遅れが少なくしたがって測定誤差が少なくなると
共に構成が簡単になる水分測定装置が得られる効果があ
る。因みに、−例では、かかる供給遅れは、第１図の従
来装置では約３分であったが、第１図の本発明の一実施
例では約１０秒に改善されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は第１図に
おけるＡ部拡大断面図、第３図は従来の水分測定装置の
構成図である。

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うる少なくとも一個の細孔を有す
   るガス溜室と；両面にそれぞれ測定電極および基準電極
   が設けられた固体電解質素子を有し、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
   記ガス部室内に配置され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除湿して基準ガス
   として前記基準電極に供給する基準ガス供給機構と、か
   らなり、前記酸素濃度検出器の出力信号により前記水蒸
   気の濃度を測定する水分測定装置であつて、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
   ス溜室外に吸引するガス吸引機構と、前記ガス吸引機構
   によつて吸引された前記測定ガスを除湿して前記基準ガ
   スを生成する除湿器と、前記基準ガスを前記基準電極に
   案内するガス注入管と、前記ガス吸引機構と前記除湿器
   とを接続する接続管から分岐するようにしたドレン排出
   管と、で構成し、前記ドレン排出管には前記接続管から
   分岐する部分に大内径部を設けたことを特徴とする水分
   測定装置。