JPS6363962A - 工業用酸素濃度測定装置 - Google Patents
工業用酸素濃度測定装置Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
-
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- G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、特に工業炉あるいは各種燃焼炉等の燃焼制御
系に対して用いて好適な工業用酸素濃度測定装置に関し
、詳しくは例えば前記炉からの燃焼排ガスを被測定ガス
としてその酸素濃度を検知するとともに、酸素？；淡電
池を有する検出部からの出力信号に、異常が発生した場
合における自己診断機能に関するものである。
系に対して用いて好適な工業用酸素濃度測定装置に関し
、詳しくは例えば前記炉からの燃焼排ガスを被測定ガス
としてその酸素濃度を検知するとともに、酸素？；淡電
池を有する検出部からの出力信号に、異常が発生した場
合における自己診断機能に関するものである。
（従来の技術）
この種の従来装置における自己診断機能については、例
えば検出部が酸素濃淡電池のみから構成される場合には
、この酸素濃淡電池の起電力出力の信号に、バイアス信
号を重畳させていた。そして、このバイアス信号によっ
て、前記検出部から例えば増幅器等に至るまでのリード
線等における断線の異常を検知していた。
えば検出部が酸素濃淡電池のみから構成される場合には
、この酸素濃淡電池の起電力出力の信号に、バイアス信
号を重畳させていた。そして、このバイアス信号によっ
て、前記検出部から例えば増幅器等に至るまでのリード
線等における断線の異常を検知していた。
（発明が解決しようとする問題点）
しかしながら、このものにおいては、異常を検出した後
に、例えば燃焼炉の燃焼制御系に出力する被測定ガスの
酸素濃度についての信号に対して、異常にもとづく具体
的処理を施さなかった。このために、リード線の断線の
異常が生じた場合には、被測定ガス中、具体的には前記
燃焼炉からの燃焼排ガス中に、その断線による酸素濃度
が高いという実際の被測定ガスの酸素濃度とは関連しな
い誤り信号が出力されて、この誤り信号により燃焼炉の
燃焼制御が行われた。したがって、燃焼が燃料過剰の状
態に急速に移行されるようになり、燃料過剰にもとづく
爆発の危険を招くというような問題点があった。
に、例えば燃焼炉の燃焼制御系に出力する被測定ガスの
酸素濃度についての信号に対して、異常にもとづく具体
的処理を施さなかった。このために、リード線の断線の
異常が生じた場合には、被測定ガス中、具体的には前記
燃焼炉からの燃焼排ガス中に、その断線による酸素濃度
が高いという実際の被測定ガスの酸素濃度とは関連しな
い誤り信号が出力されて、この誤り信号により燃焼炉の
燃焼制御が行われた。したがって、燃焼が燃料過剰の状
態に急速に移行されるようになり、燃料過剰にもとづく
爆発の危険を招くというような問題点があった。
本発明は、このような問題点を解消する目的でなされた
ものである。
ものである。
（問題点を解決するための手段）
本発明の工業用酸素濃度測定装置は、前記目的を達成す
るために、 被測定ガスが拡散される拡散室と、この拡散室を基にし
て配される酸素濃淡電池および酸素ポンプとを有する検
出部を具え、この検出部からの前記酸素濃淡電池の起電
力出力の信号にもとづき、前記拡散室内の酸素分子濃度
が所定？薯度になるように前記酸素ポンプの酸素ポンプ
電流を制御して、この酸素ポンプ電流に対応する前記被
測定ガスの酸素濃度についての信号を、その被測定ガス
に由来する制御系に供給する工業用酸素ン農度測定装置
であって、 （イ）前記検出部からの信号の異常を検知する検知手段
と、 （ロ）この検知手段によって異常が検知された時に、前
記制御系への前記酸素濃度についての信号を、その制御
対象を安全操業に誘導する所定値のバンクアップ信号に
切換える切換手段 とを具えることを特徴とするものである。
るために、 被測定ガスが拡散される拡散室と、この拡散室を基にし
て配される酸素濃淡電池および酸素ポンプとを有する検
出部を具え、この検出部からの前記酸素濃淡電池の起電
力出力の信号にもとづき、前記拡散室内の酸素分子濃度
が所定？薯度になるように前記酸素ポンプの酸素ポンプ
電流を制御して、この酸素ポンプ電流に対応する前記被
測定ガスの酸素濃度についての信号を、その被測定ガス
に由来する制御系に供給する工業用酸素ン農度測定装置
であって、 （イ）前記検出部からの信号の異常を検知する検知手段
と、 （ロ）この検知手段によって異常が検知された時に、前
記制御系への前記酸素濃度についての信号を、その制御
対象を安全操業に誘導する所定値のバンクアップ信号に
切換える切換手段 とを具えることを特徴とするものである。
（作 用）
所定値のバックアップ信号を、制御対象となる例えば燃
焼炉の燃焼を安全に操業できる酸素過剰の燃焼状態にな
るように設定することができる。
焼炉の燃焼を安全に操業できる酸素過剰の燃焼状態にな
るように設定することができる。
（実施例）
次に、本発明による工業用酸素温度測定装置の具体的一
実施例につき、図面を参照しつつ説明する。
実施例につき、図面を参照しつつ説明する。
第１図において、被測定ガスである燃焼排ガスを採取す
るプローブ２０は、例えば燃焼炉の２Ｉ道の炉壁２１に
形成される開口２２に挿通位置されて設けられている。
るプローブ２０は、例えば燃焼炉の２Ｉ道の炉壁２１に
形成される開口２２に挿通位置されて設けられている。
このプローブ２０は、先端が閉塞された外管２３と、両
端が開口された内管２４との内外２重管構造によって構
成されている。この外管２３の先端部側壁には、煙道内
に流動する燃焼排ガス（被測定ガス）に面する位置にガ
ス採取孔２５が穿設されているとともに、このガス採取
孔２５に先端側開口２６を臨ませて、前記内ｖ２４が外
管２３内に設けられている。この内管２４は、内部空間
が、前記先端側開口２６を介して外管２３と内管２４と
で形成される空間との間での導通を遮ぎるために、支持
板を兼ねる隔壁２７によって、外管２３の軸心部分に支
持されている。この隔壁２７より基部側の外管２３の側
壁において、煙道に流動する燃焼排ガス（被測定ガス）
に対して負圧となる位置に、ガス排出孔２８が穿設され
ている。したがって、ガス採取孔２５から採取された煙
道からの被測定ガスである燃焼排ガス（以下、「被測定
ガス」と称す）は、矢印で図示されるように、まず内管
２４の内部空間を通り、次に外管２３と内管２４との間
に形成される空間を通って、ガス排出孔２８を介して煙
道に排出される。
端が開口された内管２４との内外２重管構造によって構
成されている。この外管２３の先端部側壁には、煙道内
に流動する燃焼排ガス（被測定ガス）に面する位置にガ
ス採取孔２５が穿設されているとともに、このガス採取
孔２５に先端側開口２６を臨ませて、前記内ｖ２４が外
管２３内に設けられている。この内管２４は、内部空間
が、前記先端側開口２６を介して外管２３と内管２４と
で形成される空間との間での導通を遮ぎるために、支持
板を兼ねる隔壁２７によって、外管２３の軸心部分に支
持されている。この隔壁２７より基部側の外管２３の側
壁において、煙道に流動する燃焼排ガス（被測定ガス）
に対して負圧となる位置に、ガス排出孔２８が穿設され
ている。したがって、ガス採取孔２５から採取された煙
道からの被測定ガスである燃焼排ガス（以下、「被測定
ガス」と称す）は、矢印で図示されるように、まず内管
２４の内部空間を通り、次に外管２３と内管２４との間
に形成される空間を通って、ガス排出孔２８を介して煙
道に排出される。
一方、前記プローブ２０の基部には、ガス検出具２９が
連設されている。このガス検出具２９は、プローブ２０
に連通ずる状態で設けられる筒状部３０と、この筒状部
３０の内部空間に右側の基端側からねじ込みによって挿
入位置されて固定されかつ保護キャップで覆われる検出
部３１と、この検出部３１に前記プローブ２０内を流動
する被測定ガスを濾過して供給するために前記筒状部３
０の先端部に設けられるセラミックフィルタ部３２とよ
り構成されている。
連設されている。このガス検出具２９は、プローブ２０
に連通ずる状態で設けられる筒状部３０と、この筒状部
３０の内部空間に右側の基端側からねじ込みによって挿
入位置されて固定されかつ保護キャップで覆われる検出
部３１と、この検出部３１に前記プローブ２０内を流動
する被測定ガスを濾過して供給するために前記筒状部３
０の先端部に設けられるセラミックフィルタ部３２とよ
り構成されている。
なお、プローブ２０およびガス検出具２９は、取付はフ
ランジ３３を介して炉壁２１に取り付けられている。
ランジ３３を介して炉壁２１に取り付けられている。
また、３４はガス検出具２９に校正用ガスを供給する校
正ガス供給器であるとともに、３５ 、３６夫々は、検
出部３１に基準空気を供給する空気孔、および検出部３
１からの信号を取り出すリード線である。
正ガス供給器であるとともに、３５ 、３６夫々は、検
出部３１に基準空気を供給する空気孔、および検出部３
１からの信号を取り出すリード線である。
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；約５ｍ／ｍ（巾） Ｘｌ、５糟／ｍ （厚み
）×３０〜６０信／ｍ（長さ））について、第２図（Ａ
） 、 （Ｂ）および第３図を参照しつつ説明する。
造（寸法；約５ｍ／ｍ（巾） Ｘｌ、５糟／ｍ （厚み
）×３０〜６０信／ｍ（長さ））について、第２図（Ａ
） 、 （Ｂ）および第３図を参照しつつ説明する。
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４１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。
体４０の上下両側に配される上側ポンプ電極４１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。
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。
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。
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４８（４８ａ 、 ４８ｂ 。
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４８（４８ａ 、 ４８ｂ 。
４８ｃ 、 ４８ｄ）が形成されている。したがって、
このガス導入孔４８（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の付近で被測定ガスに接触する。
このガス導入孔４８（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の付近で被測定ガスに接触する。
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、前記基準電極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。
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、前記基準電極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。
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。
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。
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と前記上部加熱部器とが、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？；淡電池部Ｂを挟む
ようにして、両側から所定温度（例えば６００℃以上）
に加熱できるようになっている。
たがって、この加熱部Ｈ２と前記上部加熱部器とが、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？；淡電池部Ｂを挟む
ようにして、両側から所定温度（例えば６００℃以上）
に加熱できるようになっている。
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
化または部分安定化ジルコニア磁器から構成さている。
部材４９は、高温において酸素イオン導電性を示す安定
化または部分安定化ジルコニア磁器から構成さている。
この安定化また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ンドリウ
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４
１ 、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
ミック層５２．５３ 。
られているように、酸化ジルコニウムに酸化インドリウ
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４
１ 、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
ミック層５２．５３ 。
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。
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。
一方、前記加熱部ｉｔ 、 ＋１２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Ｘ Ｒ５７（５７ａ
。
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Ｘ Ｒ５７（５７ａ
。
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 。
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） 、 ５８（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
５５ 、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配置するか、またはサーメッ
ト状にしたフィルムを配置する等の手法によって形成さ
れる。
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
５５ 、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配置するか、またはサーメッ
ト状にしたフィルムを配置する等の手法によって形成さ
れる。
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もつ抵抗体等
から成る構成を有している。温度検知素子６１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。
が大きく変化して正または負の温度係数をもつ抵抗体等
から成る構成を有している。温度検知素子６１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。
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、ニッケルのＭ化’ｈ等を添加したペー
ストまたはサーメット等のように、積掻的に抵抗の温度
係数を高めたペーストを印刷積層すること、またはサー
メット状のフィルムを配置すること等の手法を用いるこ
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。なお、これら白金線あるいは
白金薄膜の印刷積層には、ＣｖＤ、真空蒸着またはスパ
ッタリング等の手法を用いることができる。
ガン、コバルト、ニッケルのＭ化’ｈ等を添加したペー
ストまたはサーメット等のように、積掻的に抵抗の温度
係数を高めたペーストを印刷積層すること、またはサー
メット状のフィルムを配置すること等の手法を用いるこ
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。なお、これら白金線あるいは
白金薄膜の印刷積層には、ＣｖＤ、真空蒸着またはスパ
ッタリング等の手法を用いることができる。
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。
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。
以上のような酸素ポンプ部Ｐ、酸素濃淡電池部Ｂ、加熱
部Ｈ１、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、一体的な挟巾な板状の長手
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 、測定電極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。
部Ｈ１、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、一体的な挟巾な板状の長手
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 、測定電極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。
ところで、酸素濃度測定に際しては、温度検出部Ｔ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；農
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、）１２のヒータエレメント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。
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；農
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、）１２のヒータエレメント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。
次に、第４図のブロック図を参照しつつまず前記センサ
素子Ｓによる酸素濃度測定等について説明するとともに
、次にそのセンサ素子Ｓからの信号に異常があった場合
について説明する。
素子Ｓによる酸素濃度測定等について説明するとともに
、次にそのセンサ素子Ｓからの信号に異常があった場合
について説明する。
酸素濃淡電池部Ｂによって、拡散室４６に酸素ポンプ部
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Ｖｆ
（空気比ｍ’＝ｌ相当の発生起電力；約４００ ｍＶ
）と比較される。これら両者の差電圧（Ｅ−Ｖｆ）が、
酸素ポンプ電流（Ｉ、）を制御するＰＩ制御器６３に供
給される。このＰＩ制？ｆｆ１ｌ器６３は、酸素ポンプ
部Ｐの電圧が比較電圧Ｖｔの電圧と等しくなるように比
例および積分制御を行なって、所定の電圧信号を出力す
るものである。このｐｒ制御器６３からの電圧信号は、
電圧電流変換器６４に供給され、所定の酸素ポンプ電ｍ
（ＩＦ ）に変換される。
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Ｖｆ
（空気比ｍ’＝ｌ相当の発生起電力；約４００ ｍＶ
）と比較される。これら両者の差電圧（Ｅ−Ｖｆ）が、
酸素ポンプ電流（Ｉ、）を制御するＰＩ制御器６３に供
給される。このＰＩ制？ｆｆ１ｌ器６３は、酸素ポンプ
部Ｐの電圧が比較電圧Ｖｔの電圧と等しくなるように比
例および積分制御を行なって、所定の電圧信号を出力す
るものである。このｐｒ制御器６３からの電圧信号は、
電圧電流変換器６４に供給され、所定の酸素ポンプ電ｍ
（ＩＦ ）に変換される。
このＰＩ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
Ｏｔ、水ＵＺＯ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、）ｌｚ＋ ’ＡＯ□−＋１２０
、 ＣＯ＋’ＡＯｔ→ＣＯ，と反応する。）酸素ポン
プ電流（ＩＦ ）を制御している。これにより、拡散室
４６内の酸素濃度が所定濃度にされる。
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
Ｏｔ、水ＵＺＯ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、）ｌｚ＋ ’ＡＯ□−＋１２０
、 ＣＯ＋’ＡＯｔ→ＣＯ，と反応する。）酸素ポン
プ電流（ＩＦ ）を制御している。これにより、拡散室
４６内の酸素濃度が所定濃度にされる。
この所定濃度の設定方法は、拡散室４６内の酸素濃度を
、空気圧ｍ＝ｌに相当する酸素濃度、具体的には酸素濃
度０％に設定する。
、空気圧ｍ＝ｌに相当する酸素濃度、具体的には酸素濃
度０％に設定する。
なお、被測定ガス中の酸素分子、−酸化炭素および水素
分子夫々は、窒素ガスに対しで異った拡散常数を有する
ために、酸素ポンプ電流（１，）は、次式で表わされる
。
分子夫々は、窒素ガスに対しで異った拡散常数を有する
ために、酸素ポンプ電流（１，）は、次式で表わされる
。
Ｉｐ＝に１・ＰＱｚ−にｚ・Ｐｃｏ Ｋｚ、Ｐ、ｌｚ
ただし、にＩ：酸素分子の拡散に比例した係数に２ニー
酸化炭素の拡散に比例した係数に３：水素分子の拡散に
比例した係数 Ｐ：酸素分子、−酸化炭素、水素分子の各分圧 である。
ただし、にＩ：酸素分子の拡散に比例した係数に２ニー
酸化炭素の拡散に比例した係数に３：水素分子の拡散に
比例した係数 Ｐ：酸素分子、−酸化炭素、水素分子の各分圧 である。
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、 １、＝Ｌ・Ｐｏ２ となる。
炭素および水素分子の濃度は０％であることから、 １、＝Ｌ・Ｐｏ２ となる。
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＝ （Ｋｚ・Ｐｃｏ十ＫｌＰＨｚ）となる。
は、０％であることから、 ＩＰ＝ （Ｋｚ・Ｐｃｏ十ＫｌＰＨｚ）となる。
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ｍ＝１）になるように酸
素ポンプ電流ＣＩＦ ）を制御して、原則として酸素ポ
ンプ電流（Ｉ２）を測定することにより、酸素濃度を測
定することである。
の酸素分子濃度が０％〔空気比ｍ＝１）になるように酸
素ポンプ電流ＣＩＦ ）を制御して、原則として酸素ポ
ンプ電流（Ｉ２）を測定することにより、酸素濃度を測
定することである。
したがって、前記酸素ポンプ電流（ＩＦ ）を制御する
ＰＩ制御器６３からの出力は、出力変換器６５にも供給
されて、前記酸素ポンプ電流（ＩＦ ）に対応する被測
定ガスの酸素濃度についての測定信号として、前記燃焼
炉の燃焼を制御対象とする燃焼制御系に供給される。
ＰＩ制御器６３からの出力は、出力変換器６５にも供給
されて、前記酸素ポンプ電流（ＩＦ ）に対応する被測
定ガスの酸素濃度についての測定信号として、前記燃焼
炉の燃焼を制御対象とする燃焼制御系に供給される。
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さ
れ、酸化・還元真領域にたがって操炉する酸化・還元真
領域の炉の燃焼を制御対象とする燃焼制御系の構築の場
合には、大いに役立て得ることになる。
域における酸素不足濃度とが１つの信号によって出力さ
れ、酸化・還元真領域にたがって操炉する酸化・還元真
領域の炉の燃焼を制御対象とする燃焼制御系の構築の場
合には、大いに役立て得ることになる。
次に、前記酸素センサ素子Ｓからの信号に異常があった
場合について説明する。
場合について説明する。
まず、酸素センサ素子Ｓ、具体的には酸素濃淡電池部Ｂ
および酸素ポンプ部Ｐに故障・破壊等がな（、またリー
ド線３６等に断線がない正常の場合には、酸素濃淡電池
部Ｂの発生起電力は、３０ｈ＋Ｖから５００ｍＶまでの
電圧値をとり、この値は第４図に示されるａ点に表われ
る。一方、酸素濃淡電池部Ｂおよび／または酸素ポンプ
部Ｐに故障・破壊等がある場合、あるいはリード線３６
等に断線がある場合には、前記ａ点に次のような電圧値
が表われる。
および酸素ポンプ部Ｐに故障・破壊等がな（、またリー
ド線３６等に断線がない正常の場合には、酸素濃淡電池
部Ｂの発生起電力は、３０ｈ＋Ｖから５００ｍＶまでの
電圧値をとり、この値は第４図に示されるａ点に表われ
る。一方、酸素濃淡電池部Ｂおよび／または酸素ポンプ
部Ｐに故障・破壊等がある場合、あるいはリード線３６
等に断線がある場合には、前記ａ点に次のような電圧値
が表われる。
＋１） 酸素濃淡電池部Ｂに故障・破壊等があるか、
酸素濃淡電池部Ｂからのリード線３６等に断線がある時
には、接地された抵抗Ｒにより、ａ点にＯｍＶが表われ
る。
酸素濃淡電池部Ｂからのリード線３６等に断線がある時
には、接地された抵抗Ｒにより、ａ点にＯｍＶが表われ
る。
（２）酸素濃淡電池部Ｂに故障・破壊等がなく、また酸
素濃淡電池部Ｂからのリード線３６等に断線がない場合
において、酸素ポンプ部Ｐに故障・破壊等があるか、酸
素ポンプ部Ｐへのリード線３６等に断線がある時には、 ■ 被測定ガスが空気比ｍ＞ｌで燃焼している燃焼排ガ
スであるならば、ａ点に２００ｍＶ以下の電圧値が表わ
れ、 ■ また被測定ガスが空気比ｍａｌで燃焼している燃焼
排ガスであるならば、ａ点に６００ｍＶ以上の電圧値が
表われる。
素濃淡電池部Ｂからのリード線３６等に断線がない場合
において、酸素ポンプ部Ｐに故障・破壊等があるか、酸
素ポンプ部Ｐへのリード線３６等に断線がある時には、 ■ 被測定ガスが空気比ｍ＞ｌで燃焼している燃焼排ガ
スであるならば、ａ点に２００ｍＶ以下の電圧値が表わ
れ、 ■ また被測定ガスが空気比ｍａｌで燃焼している燃焼
排ガスであるならば、ａ点に６００ｍＶ以上の電圧値が
表われる。
したがって、ａ点の電圧値は、その電圧値が２００１１
１ｖから６００ ｍＶまでの間にあるか否かでもって、
比較回路より構成される異常検知器６６によって監視さ
れている。この異常検知器６６は、ａ点の電圧値が２０
０ｍＶから６００ｍＶまでの間取外になった場合、要す
るに前述のような故障等が生じた場合には、酸素ポンプ
電ｍ（ＩＦ）を遮断する第１リレーＲ，１と、前記出力
変換器６５に所定値のバンクアップ信号Ｑに切換え供給
する第２リレーＲ，２とを作動させる。また、警報回路
６７を作動させて警報を発するようにさせる。このバッ
クアップ信号Ｑは、前記燃焼炉の燃焼制御系が空気過剰
の燃焼を押し進め、最終的には消火するような電圧信号
値になるように設定されている。なお、この電圧信号値
は、可変抵抗ＶＲによって任意に変更できる。
１ｖから６００ ｍＶまでの間にあるか否かでもって、
比較回路より構成される異常検知器６６によって監視さ
れている。この異常検知器６６は、ａ点の電圧値が２０
０ｍＶから６００ｍＶまでの間取外になった場合、要す
るに前述のような故障等が生じた場合には、酸素ポンプ
電ｍ（ＩＦ）を遮断する第１リレーＲ，１と、前記出力
変換器６５に所定値のバンクアップ信号Ｑに切換え供給
する第２リレーＲ，２とを作動させる。また、警報回路
６７を作動させて警報を発するようにさせる。このバッ
クアップ信号Ｑは、前記燃焼炉の燃焼制御系が空気過剰
の燃焼を押し進め、最終的には消火するような電圧信号
値になるように設定されている。なお、この電圧信号値
は、可変抵抗ＶＲによって任意に変更できる。
以上により、異常が検知された場合には、酸素ポンプ電
流（ｌ、）が遮断されることから、過剰の酸素ポンプ電
流（Ｉ、）が流れて酸素ポンプ部Ｐ自体が破壊するよう
なことを防止できる。また、前記バックアップ信号に切
換えられることにから、燃料過剰の燃焼にもとづく爆発
の危険を防ぐことができ、酸素過剰状態の燃焼による安
全操業炉に誘導される。
流（ｌ、）が遮断されることから、過剰の酸素ポンプ電
流（Ｉ、）が流れて酸素ポンプ部Ｐ自体が破壊するよう
なことを防止できる。また、前記バックアップ信号に切
換えられることにから、燃料過剰の燃焼にもとづく爆発
の危険を防ぐことができ、酸素過剰状態の燃焼による安
全操業炉に誘導される。
次に、酸素センサ素子Ｓの変形例について、第５図を参
照しつつ説明するが、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。
照しつつ説明するが、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。
前記実施例から上部加熱部器と、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Ｈ２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
を行っている。他は、前記実施例と同様である。
なったものである。この場合には、下部加熱部Ｈ２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
を行っている。他は、前記実施例と同様である。
（発明の効果）
異常検知により、バックアップ信号によって制御対象が
安全操業に誘導されることができる。したがって、制ｊ
′ｎ系の安全保障が図れる。
安全操業に誘導されることができる。したがって、制ｊ
′ｎ系の安全保障が図れる。
第１図乃至第４図は、本発明による工業用酸素濃度測定
装置の具体的一実施例を説明するための図面であって、
第１図は全体図、 第２図（＾） 、 （Ｂ）夫々は検出部（酸素センサ素
子）の分解斜視図および全体斜視図、 第３図は第２図におけるｍ−ｍ横断面図、第４図はブロ
ック図である。 また、第５図は、検出部（酸素センサ素子）の変形例を
説明すめための第３図に相当する図面である。 ３１・・・検出部（酸素センサ素子５）４６・・・拡散
室 ６３・・・Ｐ１制御器６４・・・電圧電
流変換器 ６５・・・出力変換器６６・・・異常検知
器 ６７・・・警報回路Ｂ・・・酸素濃淡電池部
Ｐ・・・酸素ポンプ部Ｒｄ Ｒ，２・・・第１およ
び２リレーＶＲ・・・可変抵抗器 第２図 ＣＢ）８ 手 続 補 正 書 昭和６２年１０月 １日 特許庁長官 小 川 邦 夫 殿１、事件の
表示 昭和６１年特許願第２０６６８６号 ２、発明の名称 ３、補正をする者 事件との関係 特許出願人 ４゜代理人 １、明細書第１０頁第７行中「さている。」を「されっ
て」と訂正する。 ３、同第１９頁第１行中ｒ、ｍ＞１」を「ｍく１」と訂
正する。 ４、同第２０頁第３行中「ことにから」を「ことになる
から」と訂正する。
装置の具体的一実施例を説明するための図面であって、
第１図は全体図、 第２図（＾） 、 （Ｂ）夫々は検出部（酸素センサ素
子）の分解斜視図および全体斜視図、 第３図は第２図におけるｍ−ｍ横断面図、第４図はブロ
ック図である。 また、第５図は、検出部（酸素センサ素子）の変形例を
説明すめための第３図に相当する図面である。 ３１・・・検出部（酸素センサ素子５）４６・・・拡散
室 ６３・・・Ｐ１制御器６４・・・電圧電
流変換器 ６５・・・出力変換器６６・・・異常検知
器 ６７・・・警報回路Ｂ・・・酸素濃淡電池部
Ｐ・・・酸素ポンプ部Ｒｄ Ｒ，２・・・第１およ
び２リレーＶＲ・・・可変抵抗器 第２図 ＣＢ）８ 手 続 補 正 書 昭和６２年１０月 １日 特許庁長官 小 川 邦 夫 殿１、事件の
表示 昭和６１年特許願第２０６６８６号 ２、発明の名称 ３、補正をする者 事件との関係 特許出願人 ４゜代理人 １、明細書第１０頁第７行中「さている。」を「されっ
て」と訂正する。 ３、同第１９頁第１行中ｒ、ｍ＞１」を「ｍく１」と訂
正する。 ４、同第２０頁第３行中「ことにから」を「ことになる
から」と訂正する。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、被測定ガスが拡散される拡散室と、この拡散室を基
にして配される酸素濃淡電池および酸素ポンプとを有す
る検出部を具え、この検出部からの前記酸素濃淡電池の
起電力出力の信号にもとづき、前記拡散室内の酸素分子
濃度が所定濃度になるように前記酸素ポンプの酸素ポン
プ電流を制御して、この酸素ポンプ電流に対応する前記
被測定ガスの酸素濃度についての信号を、その被測定ガ
スに由来する制御系に供給する工業用酸素濃度測定装置
であって、 （イ）前記検出部からの信号の異常を検知する検知手段
と、 （ロ）この検知手段によって異常が検知された時に、前
記制御系への前記酸素濃度についての信号を、その制御
対象を安全操業に誘導する所定値のバックアップ信号に
切換える切換手段 とを具えることを特徴とする工業用酸素濃度測定装置。 ２、前記検知手段によって異常が検知された時に、前記
酸素ポンプ電流を遮断する遮断手段を具えることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の工業用酸素濃度測定
装置。 ３、前記バックアップ信号の所定値は、任意に可変でき
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
記載の工業用酸素濃度測定装置。 ４、前記検知手段によって異常が検知された時に、異常
警報を発することを特徴とする特許請求の範囲第１項、
第２項または第３項記載の工業用酸素濃度測定装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61206686A JPS6363962A (ja) | 1986-09-04 | 1986-09-04 | 工業用酸素濃度測定装置 |
| DE19873729337 DE3729337A1 (de) | 1986-09-04 | 1987-09-02 | Vorrichtung zur messung einer sauerstoffkonzentration |
| GB8720705A GB2194846B (en) | 1986-09-04 | 1987-09-03 | An oxygen concentration measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61206686A JPS6363962A (ja) | 1986-09-04 | 1986-09-04 | 工業用酸素濃度測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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