JPS6358152A - Industrial oxygen concentration measuring apparatus - Google Patents

Industrial oxygen concentration measuring apparatus

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Publication number
JPS6358152A
JPS6358152A JP61202384A JP20238486A JPS6358152A JP S6358152 A JPS6358152 A JP S6358152A JP 61202384 A JP61202384 A JP 61202384A JP 20238486 A JP20238486 A JP 20238486A JP S6358152 A JPS6358152 A JP S6358152A
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JP
Japan
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oxygen
gas
oxygen concentration
probe
measured
Prior art date
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Pending
Application number
JP61202384A
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Japanese (ja)
Inventor
Toru Kodachi
小太刀 徹
Jun Usami
宇佐美 諄
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NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Publication date
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Priority to US07/088,276 priority patent/US4875990A/en
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Priority to EP87307543A priority patent/EP0259093B1/en
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enable measurement in a wide temperature range with a smaller size of the measuring apparatus, by providing a smaller detector section which is the integral laminate of a sending cell, a heating element and a thermosensor, at the tip of a probe to be inserted into a gas to be measured. CONSTITUTION:For example, a measuring probe 23 is inserted into a furnace wall of a burning furnace flue and mounted with a flange 35. An oxygen detecting section 21 is provided at the tip of the probe 23 through a ceramic filter 26 and a support 22. The oxygen detecting section 21 is formed by integrally laminating a sensing cell comprising an oxygen concentration cell and an oxygen pump, a heating element and a thermosensor in the form of plates. A reference air introduction tube 28 and a calibration gas introduction tube 27 are provided on the base side of the probe 23. A voltage is detected with the oxygen detecting section 21 corresponding to a difference in oxygen concentration between a gas to be measured from a ceramic filter 26 and a reference air to measure the concentration of oxygen in the gas being measured. Thus, the oxygen detecting section can be miniaturized to be set at the tip of the probe, thereby assuring a higher response time with a reduction in the detection space for the gas being measured.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、工業用酸素濃度測定装置に関し、より詳しく
は、各種燃焼炉の炉壁または排ガス1ltl路壁に設置
して、炉内または排ガス通路内の燃焼排ガス中あるいは
雰囲気中の酸素濃度を測定する工業用酸素濃度測定装置
に関するものである。
Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to an industrial oxygen concentration measuring device, and more specifically, it is installed on the furnace wall or exhaust gas 1ltl road wall of various combustion furnaces to measure the inside of the furnace or the exhaust gas. The present invention relates to an industrial oxygen concentration measuring device that measures oxygen concentration in combustion exhaust gas or atmosphere in a passage.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、プローブにて採取した排ガス中の酸素濃度を固体
電解質を用いて測定する工業用酸素濃度測定装置として
は、特開昭56−69553号明細書に開示されいる。
Conventionally, an industrial oxygen concentration measuring device for measuring the oxygen concentration in exhaust gas sampled with a probe using a solid electrolyte is disclosed in JP-A-56-69553.

即ち第10図に示すように、有底円筒状の固体電解質よ
りなる酸素濃度検出素子1の排ガスに接する面を、フィ
ルタ3とフィルタ3のガス導入側に設けられたガス衝突
板5とガス衝突板5およびフィルタ3を囲うように設け
られガス流入孔7とガス流出孔9とを有するガス捕集器
11とより構成される酸素濃度検出器が開示されている
That is, as shown in FIG. 10, the surface of the oxygen concentration detecting element 1 made of a solid electrolyte in the shape of a cylinder with a bottom, which is in contact with the exhaust gas, collides with the filter 3 and the gas collision plate 5 provided on the gas introduction side of the filter 3. An oxygen concentration detector is disclosed that includes a plate 5 and a gas collector 11 that is provided to surround a filter 3 and has a gas inflow hole 7 and a gas outflow hole 9.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかしながら、上記の酸素濃度検出器においては、その
構成上、ニクロム綜ヒーター、有底円筒状の酸素検出素
子を使用しているため、例えば、プローブの直径に約5
01ぐらい必要となり、装置全体で大型かつ重量も重く
なると共に、応答時間が遅く、かつ、使用温度範囲1お
よび、測定濃度範囲が狭い等の不都合が生じていた。
However, in the above-mentioned oxygen concentration detector, because it uses a nichrome heave heater and a cylindrical oxygen detection element with a bottom, for example, the diameter of the probe is approximately 5.
01 is required, and the entire device becomes large and heavy, and there are disadvantages such as a slow response time, a narrow working temperature range 1, and a narrow measurement concentration range.

本発明の工業用酸素濃度測定装置は、従来のこのような
不都合を解消するものであって、小型軽量かつ構造が簡
東であり、従来に比べて広い温度範囲および濃度領域の
測定を行うことができ、応答性能の良好な装置を擢供す
ることを目的とするものである。
The industrial oxygen concentration measuring device of the present invention solves these conventional inconveniences, is small and lightweight, has a simple structure, and can measure a wider temperature and concentration range than conventional devices. The purpose is to provide a device with good response performance.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明の工業用酸素濃度測定装置は、センシングセルと
、加熱体および/または温度検知体とを板状に積層一体
に成形した検出部を、被測定ガス中に少なくともその一
部が挿入されたプローブの先端部に設けたことを特徴と
する。
The industrial oxygen concentration measuring device of the present invention includes a detection section in which a sensing cell, a heating body and/or a temperature sensing body are laminated and integrally molded into a plate shape, and at least a portion thereof is inserted into a gas to be measured. It is characterized by being provided at the tip of the probe.

〔作 用〕[For production]

」二記した構成において、センシングセルとヒータおよ
び/または温度検知体とを板状に積層して一体構造とし
たことにより、検出部が薄く小型軽量となり、それによ
り酸素濃度測定装置のプローブの先端部に配置してもプ
ローブ径が太くなるのを防止することができると共に、
使用温度範囲を拡げることが出来る。また、被測定ガス
検知時間が小さくなり応答時間が早くなる。さらに、セ
ンシングセルを酸素濃淡電池と酸素ポンプより構成した
場合は、酸素ポンプにより測定電極付近の酸素濃度を制
御することができ、より広い酸素濃度範囲に対して(詳
しくは酸化雰囲気から還元雰囲気まで)測定することが
できる。
In the configuration described in Section 2, the sensing cell, heater, and/or temperature sensing body are stacked in a plate shape to form an integral structure, making the sensing part thin, small, and lightweight, which makes it possible to make the tip of the probe of the oxygen concentration measuring device It is possible to prevent the probe diameter from increasing even if it is placed in the
The operating temperature range can be expanded. Furthermore, the detection time for the gas to be measured becomes shorter and the response time becomes faster. Furthermore, if the sensing cell is configured with an oxygen concentration battery and an oxygen pump, the oxygen concentration near the measurement electrode can be controlled by the oxygen pump, and the oxygen concentration can be controlled over a wider oxygen concentration range (from oxidizing atmosphere to reducing atmosphere). ) can be measured.

〔実施例〕〔Example〕

本発明の工業用酸素濃度測定装置の具体的一実施例を図
面につき説明する。
A specific embodiment of the industrial oxygen concentration measuring device of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図に断面図にて示す工業用酸素濃度測定装置は、い
わゆる直接挿入式と称されるものであり、符号23はガ
スを採取する円筒状プローブを示し、例えば燃焼炉の煙
道の炉壁に形成された孔に挿入され、取付はフランジ3
5により保持さている。このプローブ23は、両端部が
開放されており、その材質は、例えば600℃以下の低
温用の場合は金属を使用し、600°C以上の高温用の
場合はアルミナを使用している。このプローブの先端側
にアルミナ製の円板状の支持具22を介して検出部21
が装着される。支持具22とプローブ23との接着は、
低温用の場合には、例えば、焼きばめ、嵌合等の手段に
より、高温用の場合は、例えば、限ろう、白金ろう、ガ
ラス等により融着する。また、検出部21と支持具22
との接着も同様の材料にて融着する。
The industrial oxygen concentration measuring device shown in cross section in FIG. 1 is of the so-called direct insertion type, and reference numeral 23 indicates a cylindrical probe for sampling gas, for example, in the flue of a combustion furnace. It is inserted into a hole formed in the wall, and the installation is done using flange 3.
It is held by 5. This probe 23 is open at both ends, and its material is, for example, metal for use at low temperatures below 600°C, and alumina for use at high temperatures above 600°C. A detection part 21 is connected to the tip side of this probe via a disk-shaped support 22 made of alumina.
is installed. The adhesion between the support 22 and the probe 23 is as follows:
In the case of low-temperature use, for example, shrink fitting, fitting, etc. are used, and in the case of high-temperature use, for example, welding is carried out using limited solder, platinum solder, glass, or the like. In addition, the detection unit 21 and the support 22
The same material is used to fuse the adhesive.

プローブ23の先端面にはフィルタ取付は用の補助具2
4を耐熱性の0リング25等の密封手段により取付け、
この補助具24の他端には除塵用の多孔質のセラミック
フィルタ26をアルミナセメント等の手段により装着す
る。また、プローブ基部側側面およびプローブ23の内
部空間並びにプローブ先端側の肉厚部および補助具24
の肉厚部を貫通する校正ガス導入管27を設け、校正ガ
ス導入口34から導入した校正ガスを校正ガス導入管2
7を通って、検出部2】の先端部に供給できるように構
成している。
Auxiliary tool 2 for attaching a filter is attached to the tip of the probe 23.
4 with a sealing means such as a heat-resistant O-ring 25,
A porous ceramic filter 26 for dust removal is attached to the other end of this auxiliary tool 24 by means of alumina cement or the like. Also, the side surface of the probe base side, the internal space of the probe 23, the thick part of the probe tip side, and the auxiliary tool 24
A calibration gas introduction pipe 27 is provided that penetrates through the thick part of the calibration gas introduction pipe 2, and the calibration gas introduced from the calibration gas introduction port 34 is passed through the calibration gas introduction pipe 2.
7, and is configured so that it can be supplied to the tip of the detecting section 2].

こうすることにより、検出部21の検出信号の高温1月
ガスによる変移を校正ガスにより測定でき、その出力信
号を制御回路により、補正することができる。
By doing so, the change in the detection signal of the detection unit 21 due to the high temperature January gas can be measured using the calibration gas, and the output signal can be corrected by the control circuit.

さらに、プローブ23の校正ガス導入口34と対向する
側面を貫通しプローブの内部空間を通り検出部付近まで
延在する基準エア導入管28を設け、検出部21に常時
基準エアを供給することができる。
Furthermore, a reference air introduction pipe 28 is provided that penetrates the side surface of the probe 23 facing the calibration gas inlet 34 and extends through the internal space of the probe to the vicinity of the detection section, thereby making it possible to constantly supply reference air to the detection section 21. can.

検出部21の基端部にはリード線引出し用のターミナル
部29を設け、このターミナル部29はリード線30を
経て外部制御回路に接続されている。ターミナル部29
は検出部の構成に応じてその端子数が異なり、本例にお
いては酸素濃淡電池用の端子、加熱体用の端子、酸素ポ
ンプ用の端子から構成される。前記リード線の材質は耐
熱性を考慮して白金線とするがさほど耐熱性を要求され
ない雰囲気では他の材質とすることもできる。また、こ
のターミナル部29と引出しリード線30との接続は、
低温用の場合はコネクタ等の接触手段で充分であるが、
高温用の場合はコネクタ等の接触手段では接触不良が生
じるため、白金リード線30を銀ろう、白金ろう等によ
り、ろう付けして接続している。リード線30は、各リ
ード線同志を絶縁するため、アルミナ管31内に個々に
配置されており、このアルミす管内をimってプローブ
基端部のコネクタ部32に連通されており、さらに図示
しない前記外部制御回路に接続されている。
A terminal portion 29 for drawing out a lead wire is provided at the base end portion of the detection portion 21, and this terminal portion 29 is connected to an external control circuit via a lead wire 30. Terminal section 29
The number of terminals differs depending on the configuration of the detection section, and in this example, it is composed of terminals for an oxygen concentration battery, a terminal for a heating element, and a terminal for an oxygen pump. The material of the lead wire is platinum wire in consideration of heat resistance, but other materials may be used in an atmosphere where heat resistance is not so required. Moreover, the connection between this terminal part 29 and the drawer lead wire 30 is as follows.
For low temperature applications, contact means such as connectors are sufficient, but
In the case of high temperature applications, poor contact occurs with contact means such as connectors, so the platinum lead wire 30 is connected by brazing with silver solder, platinum solder, or the like. The lead wires 30 are individually arranged in an alumina tube 31 in order to insulate each lead wire from each other, and communicated through the aluminum tube to a connector portion 32 at the proximal end of the probe. Not connected to the external control circuit.

以]二、本発明の全体図について説明したが、煤?4量
が1、NG燃焼時の数w/Nm3、C重油燃焼時の20
0〜300■/Nm3程度である場合は、フィルタを有
底円筒状とし、その周囲にはガス捕集器を装着した第1
0図に示すような従来例の構造とすることもできる。ま
た、煤塵量が20〜50g/Nm3程度の多い場合には
、第11図に示すような捕集器とすることもできる。こ
の場合には酸素濃度測定装置自体を鉛直(大地)方向に
延在させる必要がある。
2. The overall diagram of the present invention has been explained, but what about soot? 4 quantity is 1, number w/Nm3 when NG is burned, 20 when C heavy oil is burned.
If it is about 0 to 300■/Nm3, the filter should be a cylinder with a bottom and a gas collector installed around it.
It is also possible to adopt a conventional structure as shown in FIG. Further, when the amount of soot and dust is as large as about 20 to 50 g/Nm3, a collector as shown in FIG. 11 may be used. In this case, it is necessary to extend the oxygen concentration measuring device itself in the vertical (earth) direction.

次に、前記検出部31を構成する酸素センサ素子Sの構
造(寸法;5龍(1)Xl、、5龍(厚み)×30〜6
01(長さ))について、第2図(八’) 、 (B)
および第3図を参照しつつ説明する。
Next, the structure of the oxygen sensor element S constituting the detection section 31 (dimensions: 5 dragons (1) Xl, 5 dragons (thickness) x 30 to 6
01 (length)), Fig. 2 (8'), (B)
This will be explained with reference to FIG.

まず、上部には、固体電解質体40と、この固体電解質
体40の上下両側に配される上側ポンプ電極旧および下
側ポンプ電極42とから成る酸素ポンプ部Pが設けられ
ている。なお、この酸素ポンプ部Pの上面側には、前記
上側ポンプ電極41を囲むようにして上部加熱部H1が
設けられている。
First, an oxygen pump section P is provided in the upper part, which includes a solid electrolyte body 40 and an upper pump electrode 42 and a lower pump electrode 42 arranged on both upper and lower sides of the solid electrolyte body 40. An upper heating section H1 is provided on the upper surface side of the oxygen pump section P so as to surround the upper pump electrode 41.

次に、前記酸素ポンプ部Pと同様に、固体電解質体43
と、この固体電解質体43の上下両側に配される測定電
極44および基準電極45とから成る酸素濃淡電池部B
が設けられている。
Next, similarly to the oxygen pump section P, the solid electrolyte body 43
An oxygen concentration battery section B consisting of a measuring electrode 44 and a reference electrode 45 arranged on both upper and lower sides of this solid electrolyte body 43.
is provided.

なお、これら酸素ポンプ部Pと酸素濃淡電池部Bとの間
には、所定の拡散抵抗のもとに被測定ガスを導く細隙平
坦空間の拡散室46が形成されるように、絶縁体から成
る所定厚さのスペース部材47(47a 、 47b)
が介在されている。また、前記酸素ポンプ部Pにおける
拡散室46の中央部に相当する位置には、この拡散室4
6を外部の被測定ガスの存在空間と連通させるガス導入
孔4B(48a 、 48b 。
Note that between the oxygen pump section P and the oxygen concentration battery section B, an insulator is formed so that a diffusion chamber 46, which is a slit flat space that guides the gas to be measured under a predetermined diffusion resistance, is formed. Space members 47 (47a, 47b) with a predetermined thickness consisting of
is mediated. Further, at a position corresponding to the center of the diffusion chamber 46 in the oxygen pump section P, this diffusion chamber 4
Gas introduction holes 4B (48a, 48b) that connect the gases 6 to the external space where the gas to be measured exists.

48c 、 48d)が形成されている。したがって、
このガス導入孔4B(48a 、 48b 、 48c
 、 48d)により被測定ガスは導かれ、拡散室46
内において所定の拡散抵抗のもとに拡散されて、酸素ポ
ンプ部Bの下側ポンプ電極42に接触する。また、酸素
濃淡電池部Bの測定電極44にも、前記下側ポンプ電極
42の(=J近で被測定ガスに接触する。
48c, 48d) are formed. therefore,
These gas introduction holes 4B (48a, 48b, 48c
, 48d), the gas to be measured is introduced into the diffusion chamber 46.
The oxygen is diffused within the oxygen pump under a predetermined diffusion resistance and comes into contact with the lower pump electrode 42 of the oxygen pump section B. Further, the measurement electrode 44 of the oxygen concentration battery section B also comes into contact with the gas to be measured near (=J) of the lower pump electrode 42.

次に、酸素濃淡電池部Bの下側には、順次に固体電解質
体から成るスペース部材49、および固体電解質体50
が設けられている。これにより、前記基i1i電極45
が露呈される空気通路51が形成されている。この空気
通路51は、酸素センサ素子Sの基部において大気に連
通している。この空気通路51を通じて大気である前記
基準空気が導かれて、基準電極45に接触するようにな
っている。
Next, below the oxygen concentration battery part B, a space member 49 made of a solid electrolyte body and a solid electrolyte body 50 are sequentially provided.
is provided. As a result, the base i1i electrode 45
An air passage 51 is formed in which the air is exposed. This air passage 51 communicates with the atmosphere at the base of the oxygen sensor element S. The reference air, which is the atmosphere, is guided through this air passage 51 and comes into contact with the reference electrode 45 .

なお、空気通路51内には、固体電解質体43の下面で
基準電極45の両側部に近接した位置に、温度検知部T
が設けられている。
In addition, in the air passage 51, a temperature sensing portion T is provided at a position close to both sides of the reference electrode 45 on the lower surface of the solid electrolyte body 43.
is provided.

更に、下側には、下部加熱部H2が設けられている。し
たがって、この加熱部H2と前記上部加熱部111とが
、酸素ポンプ部Pおよび酸素濃淡電池部Bの両側におい
て、これら酸素ポンプ部Pおよび酸素濃淡電池部Bを挟
むようにして、両側から所定温度(たとえば600℃以
上)に加熱できるようになっている。
Further, a lower heating section H2 is provided on the lower side. Therefore, this heating section H2 and the upper heating section 111 sandwich the oxygen pump section P and the oxygen concentration battery section B on both sides of the oxygen pump section P and the oxygen concentration battery section B, so that a predetermined temperature (for example, It can be heated to temperatures above 600°C.

前記固体電解質体40 、43 、50およびスペース
部材49は、高温において酸素イオン導電性を示す安定
化又は部分安定化ジルコニア磁器から構成されている。
The solid electrolyte bodies 40, 43, 50 and the space member 49 are made of stabilized or partially stabilized zirconia porcelain that exhibits oxygen ion conductivity at high temperatures.

この安定化又は部分安定化ジルコニア磁器は、良く知ら
れているように、酸化ジルコニウムに酸化イツトリウム
あるいは酸化カルシウム等を固溶させることによって得
られる。また、電極41 、42 、44 、45夫々
は、多孔質白金等から構成されている。これら電極41
 、42 、44 、45のうち、被測定ガスに接触す
る上側ポンプ電極41、下側ポンプ電極42および測定
電極44夫々には、アルミナ等から成るポーラスセラミ
ンク層52.53 。
As is well known, this stabilized or partially stabilized zirconia porcelain is obtained by dissolving yttrium oxide, calcium oxide, etc. in zirconium oxide. Further, each of the electrodes 41, 42, 44, and 45 is made of porous platinum or the like. These electrodes 41
, 42 , 44 , and 45 , the upper pump electrode 41 , the lower pump electrode 42 , and the measurement electrode 44 in contact with the gas to be measured are each provided with a porous ceramic layer 52 , 53 made of alumina or the like.

54が積層された状態で設けられている。したがって、
これらポーラスセラミック層52 、53 、54を通
じて被測定ガスが、電極41,42.44夫々に接触さ
れるようになる。
54 are provided in a stacked state. therefore,
The gas to be measured comes into contact with the electrodes 41, 42, and 44 through these porous ceramic layers 52, 53, and 54, respectively.

一方、前記加熱部旧、 H2は、ヒータ素子であるヒー
タエレメント55 、56の周りを、電気絶縁性を有す
るアルミナ等から成る多孔質層57(57a 。
On the other hand, in the heating section H2, the heater elements 55 and 56 are surrounded by a porous layer 57 (57a) made of alumina or the like having electrical insulation properties.

57b) 、 58(58a 、 58b)によって覆
われた状態において設けられている。これら多孔質層5
7(57a 。
57b) and 58 (58a, 58b). These porous layers 5
7 (57a.

57b) 、 5B(58a 、 58b)上には、更
にジルコニア等の固体電解質から成る気密層59 、6
0が設けられている。これにより、ヒータエレメント5
5 、56夫々を外部の被測定ガスから遮断もしくは隔
離し得るようになっている。なお、ヒータエレメント5
5 + 56は、例えばアルミナ粉末と、白金粉とを主
成分とするペーストを印刷積層する等の手法によって形
成される。
57b), 5B (58a, 58b) are further provided with airtight layers 59, 6 made of solid electrolyte such as zirconia.
0 is set. As a result, the heater element 5
5 and 56 can be shut off or isolated from the external gas to be measured. In addition, the heater element 5
5 + 56 is formed by, for example, printing and laminating a paste containing alumina powder and platinum powder as main components.

また、前記温度検知部Tは、温度変化によって電気抵抗
が大きく変化して正または負の温度係数を持つ抵抗体等
から成る構成を有する。温度検知素子6Iは、電気絶縁
性を有するアルミナ等から成る多孔質層62内に埋設さ
れて構成され、周囲の固体電解質体43およびスペース
部材49から電気的に絶縁されるようになっている。な
お、抵抗体の温度検知素子61は、ジルコニア、アルミ
ナ等のセラミック粉末と、白金粉末とを主成分としたペ
ーストまたはサーメット、ジルコニア、アルミナ等のセ
ラミック粉末と白金粉末とを主成分とするものに0.1
〜0.5%程度の二酸化チタンを添加したペーストまた
はサーメット、あるいはジルコニア。
Further, the temperature detection section T has a configuration consisting of a resistor or the like whose electrical resistance changes greatly depending on temperature changes and has a positive or negative temperature coefficient. The temperature sensing element 6I is embedded in a porous layer 62 made of electrically insulating alumina or the like, and is electrically insulated from the surrounding solid electrolyte body 43 and space member 49. The temperature sensing element 61 of the resistor may be a paste mainly composed of ceramic powder such as zirconia or alumina and platinum powder, or a paste mainly composed of ceramic powder such as cermet, zirconia or alumina and platinum powder. 0.1
Paste, cermet, or zirconia with ~0.5% titanium dioxide added.

アルミナ等のセラミック粉末を主成分とするものにマン
ガン、コバルト1ニツケルの酸化物等を添加したペース
トまたはザーメソト等のように、積極的に抵抗の温度係
数を高めたペーストまたはサーメットを印刷積層するこ
とにより形成されたものである。また抵抗体の温度検知
素子61として、ジルコニア磁器、白金線あるいは白金
薄膜等を用いてもよい。さらに、抵抗体の温度検知素子
61にかえて、夫々異なった金属(例えば、白金、金)
あるいはこれらの異なった金属を含んだペーストまたは
サーメットを組み合わせて熱電対として印刷積層するこ
とにより熱電対の温度検知素子61を構成してもよい。
Printing and laminating a paste or cermet with an aggressively increased temperature coefficient of resistance, such as paste or cermet, which is made by adding manganese, cobalt 1 nickel oxide, etc. to a ceramic powder such as alumina as the main component. It was formed by Further, as the temperature sensing element 61 of the resistor, zirconia porcelain, a platinum wire, a platinum thin film, or the like may be used. Furthermore, instead of the temperature sensing element 61 of the resistor, different metals (for example, platinum, gold) are used.
Alternatively, the thermocouple temperature sensing element 61 may be constructed by printing and laminating a combination of pastes or cermets containing these different metals as a thermocouple.

以上のような酸素ポンプ部P、酸素濃淡電池部B、加熱
部旧、 H2、温度検知部Tおよびスペース部材47が
図示されるように積層され、一体部な狭巾な板状の長手
形状の積層構造体にして、これを焼結することにより一
体的な構造に成形されている。なお、Mは、ポンプ電極
41 、42 、測定型極44、基準電極45、ヒータ
エレメント55 、56および温度検知素子61の印刷
された電気接触端子である。
The oxygen pump section P, oxygen concentration battery section B, heating section old, H2, temperature sensing section T, and space member 47 are stacked as shown in the figure to form an integrated narrow plate-like longitudinal structure. The laminated structure is formed into an integral structure by sintering it. Note that M is an electrical contact terminal on which pump electrodes 41 , 42 , measuring electrode 44 , reference electrode 45 , heater elements 55 , 56 and temperature sensing element 61 are printed.

本実施例の場合には、酸素ポンプ部Pと酸素濃淡電池部
Bとが本発明におけるセンシングセルを構成している。
In the case of this embodiment, the oxygen pump section P and the oxygen concentration battery section B constitute the sensing cell in the present invention.

ところで、酸素濃度測定に際しては、温度検出部の温度
検知素子61によって検出される温度により、酸素セン
サ素子S、具体的には酸素ポンプ部Pおよび酸素濃淡電
池部Bが所定の温度に保たれるように、ヒータ電流が加
熱部旧、 H2のヒータニレメン1−55 、56に通
電される。そして、酸素ポンプ部Pおよび酸素濃淡電池
部Bが所定温度(たとをば600°C以上)に保持され
た状態で、あるいは保持された時点で測定が始まる。な
お、前記酸素センサ素子Sが通電開始から所定温度に保
持されるまでには、約3分程度要する。また、電力消費
量は、約8W程度である。
By the way, when measuring oxygen concentration, the oxygen sensor element S, specifically the oxygen pump part P and the oxygen concentration battery part B, are maintained at a predetermined temperature by the temperature detected by the temperature detection element 61 of the temperature detection part. As such, the heater current is applied to the heater elements 1-55 and 56 of the heating section H2. Then, the measurement starts when the oxygen pump section P and the oxygen concentration battery section B are maintained at a predetermined temperature (for example, 600° C. or higher) or at a time when the temperature is maintained at a predetermined temperature. Note that it takes about 3 minutes for the oxygen sensor element S to be maintained at a predetermined temperature after the start of energization. Further, power consumption is about 8W.

次に、前記センサ素子Sによる酸素濃度測定の原理につ
いて、第4図のブロック図を参照しつつ説明する。
Next, the principle of oxygen concentration measurement using the sensor element S will be explained with reference to the block diagram of FIG. 4.

酸素濃淡電池部Bによって、拡散室46に酸素ボボンブ
部Pのガス導入孔48を通じて拡散により侵入した被測
定ガスと、基準空気の大気との比較から、測定電極44
と基準電極45との間に、両者の酸素分圧比に応じた発
生起電力Eが生じる。この発生起電力Eは、比較電圧V
f (空気比m#1相当の発生起電力)と比較される。
The measurement electrode 44 is compared with the reference air and the gas to be measured that has entered the diffusion chamber 46 through the gas introduction hole 48 of the oxygen bomb section P by the oxygen concentration battery section B.
An electromotive force E is generated between the reference electrode 45 and the reference electrode 45 in accordance with the oxygen partial pressure ratio between the two. This generated electromotive force E is equal to the comparison voltage V
It is compared with f (generated electromotive force equivalent to air ratio m#1).

これら両者の差電圧(E−Vf)が、酸素ポンプ電流(
IF ) 、制御器63に供給される。
The difference voltage between these two (E-Vf) is the oxygen pump current (
IF) is supplied to the controller 63.

このポンプ電流(IP ) 、制御器63は、差電圧(
E−Vf)に応じて、 i)E<Vfの場合には、 酸素ポンプ部Pによって、第4図に実線の矢印で示され
るように、拡散室46内の酸素を外側に汲み出すように
、 1i)E>Vfの場合には、 酸素ポンプ部Pによって、被測定ガス中の二酸化炭素C
O□、水1(20を電気分解して、第4図に点線の矢印
で示されるように、拡散室46内に酸素を汲み入れるよ
うに(拡散室46内では、11□十’AOz→11□0
 、 CO4+AOz ’Co□と反応する。)酸素ポ
ンプ電流(I、)を制御している。これにより、拡散室
46内の酸素濃度を所定値にする。
This pump current (IP), the controller 63 controls the differential voltage (
i) In the case of E<Vf, the oxygen pump part P pumps the oxygen in the diffusion chamber 46 to the outside as shown by the solid arrow in FIG. , 1i) In the case of E>Vf, the oxygen pump part P removes carbon dioxide C in the gas to be measured.
O□, water 1 (20) is electrolyzed and oxygen is pumped into the diffusion chamber 46 as shown by the dotted arrow in FIG. 11□0
, reacts with CO4+AOz 'Co□. ) is controlling the oxygen pump current (I, ). This brings the oxygen concentration within the diffusion chamber 46 to a predetermined value.

この所定値の設定方法は、拡散室46内の酸素濃度を、
空気比m#1に相当の酸素濃度、具体的には酸素を店度
を0%に設定する。
This method of setting the predetermined value sets the oxygen concentration in the diffusion chamber 46 to
The oxygen concentration corresponding to the air ratio m#1, specifically, the oxygen concentration is set to 0%.

なお、比測定ガス中の酸素分子、−酸化炭素および水素
分子夫々は、窒素ガスに対して異った拡散常数を有する
ために、酸素ポンプ電流(■、)は、次式で表わされる
Note that since oxygen molecules, -carbon oxide, and hydrogen molecules in the ratio measurement gas each have different diffusion constants with respect to nitrogen gas, the oxygen pump current (■, ) is expressed by the following equation.

1、 = K、−POZ −Kg−PCO−K3−PH
まただし、K、;酸素分子の拡散に比例した係数に2ニ
ー酸化炭素の分子の拡散に比例した係数 に3:水素分子の分子の拡散に比例した係数 I):酸素分子、−酸化炭素、水素分子の各分圧 である。
1, = K, -POZ -Kg-PCO-K3-PH
Also, K: 2 for the coefficient proportional to the diffusion of oxygen molecules; 3 for the coefficient proportional to the diffusion of carbon oxide molecules; I): the coefficient proportional to the diffusion of hydrogen molecules; Each partial pressure of hydrogen molecules.

したがって、被測定ガスが酸化領域のときには、−酸化
炭素および水素分子の濃度は0%であることから、 I、 = K、−Po。
Therefore, when the gas to be measured is in the oxidation region, the concentrations of -carbon oxide and hydrogen molecules are 0%, so I, = K, -Po.

となる。becomes.

また、被測定ガスが還元領域のときには、酸素分子濃度
は、0%であることから、 Ip = −(KzJco + K3・Poz)となる
Furthermore, when the gas to be measured is in the reduction region, the oxygen molecule concentration is 0%, so Ip = -(KzJco + K3·Poz).

以上の酸素濃度測定の原理を要約すれば、拡散室46内
の酸素分子濃度が0%〔空気比mζ1〕になるように酸
素ポンプ電流(■、)を制御して、酸素ポンプ電流(I
、)を基準抵抗(r、)を介して測定すること等により
、酸素濃度を測定することである。
To summarize the above principle of oxygen concentration measurement, the oxygen pump current (■,) is controlled so that the oxygen molecule concentration in the diffusion chamber 46 becomes 0% [air ratio mζ1], and the oxygen pump current (I
, ) through a reference resistance (r, ), etc., to measure the oxygen concentration.

これにより、酸化領域における酸素過剰濃度と、還元領
域における酸素不足濃度とが1つの信号によって出力す
ることが可能となり、酸化・還元円領域にまたがって操
炉する酸化・還元円領域の工業炉の雰囲気制御の制御シ
ステムの構築の場合には、大いに役立て得ることになる
This makes it possible to output the excess oxygen concentration in the oxidation region and the oxygen deficiency concentration in the reduction region with a single signal, allowing industrial furnaces in the oxidation/reduction circle region to be operated across the oxidation/reduction region. It will be of great help in building a control system for atmosphere control.

次に、変形例について説明するが、前記実施例との同一
符号は同一内容を示し、重複する説明は省略する。
Next, a modification will be described, in which the same reference numerals as in the above embodiment indicate the same contents, and redundant explanation will be omitted.

(第1変形例−第5図) 前記実施例から上部加熱部111と、温度検出部Tとが
無くなったものである。この場合には、下部加熱部11
2のヒータエレメント56の抵抗値が温度によって変化
することにより酸素センサ素子Sの温度を検出して、温
度制御を行なっている。他は、前記実施例と同様である
(First Modification - FIG. 5) The upper heating section 111 and the temperature detection section T are omitted from the previous embodiment. In this case, the lower heating section 11
The temperature of the oxygen sensor element S is detected by the resistance value of the second heater element 56 changing depending on the temperature, and temperature control is performed. The rest is the same as in the previous embodiment.

(第2変形例−第6図) センシングセルが酸素濃淡電池部Bのみによって構成さ
れるものであって、温度検出部Tが固体電解質体43の
」二面に設けられている。この場合にill、酸素濃淡
電池機構により、測定電極44と基準電極45との間の
電位差によって被測定ガス中の酸素濃度を測定する。し
たがって、基本的には、酸素領域における酸素過剰濃度
と、還元領域における酸素不足濃度とが一つの信号で出
力することはできない。
(Second Modification - FIG. 6) The sensing cell is constituted only by the oxygen concentration battery section B, and the temperature detection section T is provided on two sides of the solid electrolyte body 43. In this case, the oxygen concentration in the gas to be measured is measured by the potential difference between the measurement electrode 44 and the reference electrode 45 using an oxygen concentration cell mechanism. Therefore, basically, the oxygen excess concentration in the oxygen region and the oxygen deficiency concentration in the reduction region cannot be output as one signal.

なお、この酸素センサ素子Sは、素子S自身が高温被測
定ガスにより高温化され、温度検出部Tで所定温度板」
二になることを検出した後に、測定を始めるようになっ
ている。したがって、高温被測定ガスを測定する場合に
好適である。
Note that this oxygen sensor element S is heated to a high temperature by the high-temperature gas to be measured, and the temperature detecting section T reaches a predetermined temperature plate.
Measurement begins after detecting that 2. Therefore, it is suitable for measuring a high temperature gas to be measured.

(第3変形例−第7図) 前記第2変形例に、更に下部加熱部+12を設けたもの
である。この酸素センサ素子Sは、前記実施例と同様に
、温度検出部Tに検出される温度によって、ヒータ電流
が加熱部112に通電され、素子が所定温度に保たれる
ものである。したがって、低温被測定ガスを測定する場
合に好適である。他は、第2変形例と同様である。
(Third Modification - Fig. 7) This is the second modification in which a lower heating section +12 is further provided. In this oxygen sensor element S, in accordance with the temperature detected by the temperature detection part T, a heater current is applied to the heating part 112 to maintain the element at a predetermined temperature, as in the previous embodiment. Therefore, it is suitable for measuring low-temperature gases to be measured. The rest is the same as the second modification.

(第4変形例−第8図) センシングセルが酸素ポンプ部Pのみによって構成され
るものであって、温度検出部Tが固体電解質体40の」
二面に設けられている。また、この固体電解質体40の
両側夫々には、拡散抵抗手段としてアルミナ等から成る
上部および下部のポーラスセラミンク層64 、65が
、図示されるように積層状に設レノられている。両ポー
ラスセラミンク層64゜65には、被測定ガスが拡散す
るようになっている。この場合には、酸素ポンプ機構に
よって、酸素ポンプ電流を測定することにより酸素濃度
が測定される。基本的には、酸素領域における酸素過剰
濃度、あるいは還元領域における酸素不足濃度が測定で
きる。温度検出部Tのみを有することで、第2変形例と
同様に、高温被測定ガスを測定する場合に好適である。
(Fourth modification - FIG. 8) The sensing cell is composed only of the oxygen pump part P, and the temperature detection part T is the solid electrolyte body 40.
It is located on two sides. Further, on each of both sides of the solid electrolyte body 40, upper and lower porous ceramic layers 64 and 65 made of alumina or the like are provided in a laminated manner as shown in the figure as diffusion resistance means. The gas to be measured is configured to diffuse into both porous ceramic layers 64 and 65. In this case, the oxygen concentration is measured by the oxygen pump mechanism by measuring the oxygen pump current. Basically, the oxygen excess concentration in the oxygen region or the oxygen deficiency concentration in the reduction region can be measured. Having only the temperature detection section T is suitable for measuring a high temperature gas to be measured, similarly to the second modification.

(第5変形例−第9図) 前記第4変形例と同様に、センシングセルが酸素ポンプ
部Pのみによって構成されている。この酸素ポンプ部P
と下部加熱部H2との間には、拡散抵抗手段としてアル
ミナ等から成るスペース部材66が介在されている。そ
して、下部加熱部H2の上面には、温度検出部Tが設け
られている。被測定ガスは、ポーラス状のスペース部材
66を介して酸素ポンプ部Pの下面側にも供給される。
(Fifth Modification - FIG. 9) Similarly to the fourth modification, the sensing cell is composed of only the oxygen pump section P. This oxygen pump part P
A space member 66 made of alumina or the like is interposed between the lower heating portion H2 and the lower heating portion H2 as a diffusion resistance means. A temperature detection section T is provided on the upper surface of the lower heating section H2. The gas to be measured is also supplied to the lower surface side of the oxygen pump section P via the porous space member 66.

したがって、酸素ポンプ部Pの両面側に供給される。な
お、本変形例では、温度検出部Tおよび下部加熱部■2
を有することで、第3変形例と同様に低温被測定ガスを
測定する場合に好適である。他は、第4変形例と同様で
ある。
Therefore, it is supplied to both sides of the oxygen pump section P. In addition, in this modification, the temperature detection part T and the lower heating part ■2
By having this, it is suitable for measuring a low-temperature gas to be measured similarly to the third modification. The rest is the same as the fourth modification.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明の工業用酸素濃度測定装置では、検出部が薄く小
型軽量となり、そのため、プローブの直径を例えば約2
0n程度までに小さくすることができ、被測定ガス検出
空間が小さくなるため応答時間が早くなり、また、重量
も軽減されたことにより、プローブ強度をもさほど要す
ることなく、装置全体の重量を軽減することができる。
In the industrial oxygen concentration measuring device of the present invention, the detection section is thin, small and lightweight, and therefore the diameter of the probe is, for example, approximately 2.
It can be made as small as 0n, which shortens the detection space for the gas to be measured, resulting in faster response time.The weight is also reduced, which reduces the overall weight of the device without requiring much strength of the probe. can do.

また、センシングセルの構成部品を適宜選択することに
より、広範囲な温度条件で、しかも酸化雰囲気および還
元雰囲気までも電気的手段により測定範囲とすることが
できるという利点がある。
In addition, by appropriately selecting the components of the sensing cell, there is an advantage that the measurement range can be set using electrical means under a wide range of temperature conditions, and even in an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図乃至第4図は、本発明による工業酸素濃度測定装
置の具体的一実施例を説明するだめの図面であって、第
1図は本発明の装置の全体図、第2図は検出部(酸素セ
ンサ素子)の分解斜視図・ 第3図は第2図におけるm−m横断面図、第4図はブロ
ック図、 第5図乃至第9図は、本発明による工業用濃度測定装置
の変形例を説明するための第3図に相当する図面、 第10図は、従来例を説明するための説明図第11図は
第1図の変形例を説明する説明図である。 21・・・検出部     23・・・プローブB・・
・酸素濃淡電池部 Ill 、 +12・・・上部および下部加熱部P・・
・酸素ポンプ部   T・・・温度検知部第 2図 A) Vδi44 ゝUニニニニニニ2(ニニニ〉Σ、43: Vにn62
a て二=二=f6′ V5二二[ニー \く;ゴ           6二で51第3図 第4図 只 第5図 へB ρ 第6図 第7図 第8図 q 第9図 第10図 (A) (B) 第 11図
1 to 4 are diagrams for explaining a specific embodiment of the industrial oxygen concentration measuring device according to the present invention, in which FIG. 1 is an overall view of the device of the present invention, and FIG. 2 is a detection Figure 3 is an mm-m cross-sectional view in Figure 2, Figure 4 is a block diagram, and Figures 5 to 9 are an exploded perspective view of the oxygen sensor element. FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining a conventional example, and FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining a modification of FIG. 1. 21...Detection section 23...Probe B...
・Oxygen concentration battery section Ill, +12... Upper and lower heating section P...
・Oxygen pump section T...Temperature detection section Fig. 2 A) Vδi44 ゝU Ninini Ninini 2 (Ninini>Σ, 43: n62 to V
a Te2 = 2 = f6' V522 (A) (B) Figure 11

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.センシングセルと、加熱体および/または温度検知
体とを板状に積層一体に成形した検出部を被測定ガス中
に少なくともその一部が挿入されたプローブの先端部に
設けたことを特徴とする工業用酸素濃度測定装置。
1. A detecting section in which a sensing cell, a heating body and/or a temperature detecting body are laminated and integrally molded into a plate shape is provided at the tip of the probe, at least a part of which is inserted into the gas to be measured. Industrial oxygen concentration measuring device.
2.前記センシングセルが、酸素濃淡電池より成ること
を特徴とする工業用酸素濃度測定装置。
2. An industrial oxygen concentration measuring device, wherein the sensing cell comprises an oxygen concentration battery.
3.前記センシングセルが、酸素ポンプより成ることを
特徴とする工業用酸素濃度測定装置。
3. An industrial oxygen concentration measuring device, wherein the sensing cell comprises an oxygen pump.
4.前記センシングセルが、酸素濃淡電池および酸素ポ
ンプより成ることを特徴とする工業用酸素濃度測定装置
4. An industrial oxygen concentration measuring device, wherein the sensing cell comprises an oxygen concentration battery and an oxygen pump.
JP61202384A 1986-08-28 1986-08-28 Industrial oxygen concentration measuring apparatus Pending JPS6358152A (en)

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US07/088,276 US4875990A (en) 1986-08-28 1987-08-24 Oxygen concentration measuring device
DE87307543T DE3786127T2 (en) 1986-08-28 1987-08-26 Oxygen concentration measuring device.
EP87307543A EP0259093B1 (en) 1986-08-28 1987-08-26 An oxygen concentration measuring device

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