KR102600381B1 - 프로브 디바이스, 배기가스 분석 장치 및 보정 방법 - Google Patents

프로브 디바이스, 배기가스 분석 장치 및 보정 방법 Download PDF

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가부시키가이샤 호리바 세이샤쿠쇼
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Abstract

연도 내를 흐르는 배기가스에 압력 변동이 생겼다고 해도 정확한 측정을 실현할 수 있는 프로브 디바이스를 제공하기 위해서, 연도를 흐르는 배기가스를 샘플링하는 프로브 디바이스로서, 배기가스와 접촉하는 센서부를 구비하는 가스 센서와, 상기 연도의 내외를 관통하도록 마련되고, 내부에 상기 가스 센서를 유지하는 센서 홀더와, 상기 연도 내로 돌출된 상기 센서 홀더의 선단부 내에 형성되고, 상기 가스 센서의 상기 센서부가 수용됨과 아울러 상기 연도로부터 배기가스 도입되는 배기가스 도입 공간과, 상기 센서 홀더에 형성되고, 상기 연도의 외측에 배치된 상기 센서 홀더의 기단부로부터 상기 배기가스 도입 공간에 이르는 가스 유통로와, 상기 가스 유통로, 또는, 상기 연도의 외측에서 상기 가스 유통로와 연통하는 유로의 압력을 측정하는 압력 센서와, 상기 가스 센서의 출력을 상기 압력 센서의 출력에 기초하여 보정하는 보정 처리부를 구비했다.

Description

프로브 디바이스, 배기가스 분석 장치 및 보정 방법{PROBE DEVICE, ANALYSIS APPARATUS FOR EXHAUST GAS AND CORRECTION METHOD}
본 발명은, 예를 들면 엔진, 보일러, 폐기물 연소로(爐), 공업용 로(爐) 등의 연소 장치의 배기관에 장착되는 프로브 디바이스, 및 프로브 디바이스로부터의 출력에 기초하여 상기 배기관 내의 연도(煙道)를 흐르는 배기가스에 포함되는 소정 성분을 분석하는 배기가스 분석 장치에 관한 것이다.
종래, 연도 내의 배기가스에 포함되는 성분을 검출하여 분석하는 배기가스 분석 장치로서, 특허 문헌 1에 나타내어지는 바와 같이, 연도 내에 프로브 디바이스를 직접 삽입하여 장착하고, 상기 프로브 디바이스에 의해 배기가스를 샘플링함과 아울러, 그 배기가스 중의 예를 들면 질소 산화물 등의 소정 성분을 분석하는 것이 있다.
이 프로브 디바이스는, 도 5에 나타내는 바와 같이 연도의 내외를 관통하도록 마련된 센서 홀더(2A)와, 상기 센서 홀더(2A) 내에 유지된 가스 센서(1A)를 구비하고 있다. 상기 센서 홀더(2A)의 선단부에는 연도로부터 배기가스가 도입되고, 상기 가스 센서(1A)의 센서부(11A)로 도입되는 배기가스 도입 공간(L1)이 형성되어 있다.
상기 센서 홀더(2A)는, 상기 가스 센서(1A)의 기단측을 둘러싸도록 마련된 내측관(21A)과, 내측관(21A)의 외측에 동심원 모양으로 마련된 외측관(23A)으로 이루어진다. 이 내측관(21A)의 내부로부터 상기 내측관(21A)의 외측면과 상기 외측관(23A)의 내측면과의 사이의 공간으로 냉각 공기가 유통하도록 하여, 상기 가스 센서(1A)가 상기 연도를 흐르는 배기가스의 열에 의해서 고장나는 것을 방지하도록 구성되어 있다.
게다가, 도 5 및 도 5의 B－B선 단면도인 도 6에 나타내는 바와 같이, 상기 내측관(21A)과 상기 외측관(23A)과의 사이에서 냉각 공기가 유통하는 공간 내에는 2개의 세관(細管)(P1, P2)이 마련되어 있으며, 각각이 상기 배기가스 도입 공간(L1)으로 연통시켜져 있다. 보다 구체적으로는 일방의 세관(P1) 내에는 교정(校正) 가스를 상기 배기가스 도입 공간(L1)으로 도입하는 교정 가스 유로(L2)가 형성되고, 또 일방의 세관(P2) 내에는 퍼지 가스를 상기 배기가스 도입 공간(L1)으로 도입하는 퍼지 가스 유로(L4)가 형성되어 있다.
그런데, 연도 내의 배기가스는 내연기관 등의 출력 변화에 의해서 그 압력이 변동하기 때문에, 상기 가스 센서로부터의 출력이 그 압력 변동의 영향을 받아 변화해 버리는 경우가 있다.
또, 상기 교정 가스 유로, 및 상기 퍼지 가스 유로는 상기 배기가스 도입 공간에 연통하고 있기 때문에, 통상 측정시에는 연도로부터 도입되는 고온의 배기가스의 일부가 흐르는 경우가 있다. 게다가, 상기 교정 가스 유로, 및 상기 퍼지 가스 유로의 주위는 냉각 공기로 채워져 있기 때문에, 배기가스 중의 수분이 냉각되어 물방울이 발생한다. 따라서, 배기가스 중의 황화물이나 질화물이 물방울에 녹음으로써 황산이나 질산이 발생하고, 교정 가스 유로나 퍼지 가스 유로를 형성하는 세관이 침식되어 버려, 프로브 디바이스로서의 수명이 짧아져 버릴 가능성이 있다.
특허 문헌 1 : 일본특허공개 제2010－276550호 공보
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 연도 내를 흐르는 배기가스에 압력 변동이 생겼다고 해도 정확한 측정을 실현할 수 있는 프로브 디바이스, 및 배기가스 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 본 발명은 예를 들면 교정 가스 유로와 같은 가스 센서에 연통하는 가스 유통로를 흐르는 배기가스 중의 수분이 액화되는 것을 방지하고, 교정 가스 유로를 형성하는 배관이 산(酸)에 의해 침식되지 않도록 하여 장기 수명화를 실현한 프로브 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명에 관한 프로브 디바이스는, 연도(煙道)를 흐르는 배기가스를 샘플링하는 프로브 디바이스로서, 배기가스와 접촉하는 센서부를 구비하는 가스 센서와, 상기 연도의 내외를 관통하도록 마련되고, 내부에 상기 가스 센서를 유지하는 센서 홀더와, 상기 센서 홀더에 형성되고, 상기 연도의 외측에 배치된 상기 센서 홀더의 기단부로부터 상기 센서부에 이르는 가스 유통로(流通路), 또는, 상기 연도의 외측에서 상기 가스 유통로와 연통하는 유로의 압력을 측정하는 압력 센서와, 상기 가스 센서의 출력을 상기 압력 센서의 출력에 기초하여 보정하는 보정 처리부를 구비한 것을 특징으로 한다.
이러한 것이면, 상기 연도를 흐르는 배기가스의 압력이 변동했다고 해도, 변동한 압력에 따라 상기 가스 센서의 출력이 상기 보정 처리부에 의해 보정되므로, 압력 변동의 영향을 배제한 측정치를 얻을 수 있다.
따라서, 예를 들면 배기가스의 발생원인 내연기관의 가동 상태 등에 의하지 않고, 배기가스의 안정 분석을 실현할 수 있다. 또, 가스 센서로부터 압력 변동의 영향을 없앨 수 있으므로, 예를 들면 배기가스의 발생원인 내연기관 등에서 교정용 운전을 행하여 소정의 압력으로 유지된 상태에서 교정을 행하지 않아도 되어, 보다 정확한 측정치를 쉽게 얻을 수 있다.
또, 상기 압력 센서는 상기 가스 유통로를 통과하고 있는, 또는, 통과한 후의 배기가스의 압력을 측정하므로, 상기 연도 중(中)보다도 온도가 저하된 배기가스를 상기 압력 센서에 접촉시킬 수 있다. 이 때문에, 상기 압력 센서에 고장이 발생되기 어렵게 할 수 있다.
상기 가스 유통로의 구체적인 구성예로서는, 상기 가스 유통로는, 교정 가스 유로 또는 퍼지 가스 유로 중 적어도 일방을 구성하는 것을 들 수 있다.
예를 들면 본래의 사용 목적 이외인 통상의 측정시에는 상기 가스 유통로에도 고온의 배기가스가 일부 유통된다. 이 때문에, 상기 센서 홀더 내에 유지되어 있는 상기 가스 센서에서 고온에 약한 전자 회로 등을 포함하는 본체부에 대해서는 상기 가스 유통로로부터의 열로부터 보호할 필요가 있다. 종래, 상기 가스 센서의 본체부는 상기 센서 홀더 내에서 냉각 매체가 도입되는 냉각 공간 내에 배치되어 있었다.
그런데, 상기 냉각 공간에 대해서 상기 가스 유통로가 근접하고 있으면, 상기 가스 유통로를 흐르는 배기가스 중의 수분이 냉각되어 응축하고, 배기가스 중의 질소 산화물이나 황화물이 녹아 산성액이 되어, 가스 유통로를 형성하는 금속 배관등을 부식시킬 가능성이 있다. 상기 가스 유통로에서의 수분의 응축을 방지하여, 상기와 같은 문제를 해결하려면, 상기 가스 센서가, 상기 배기가스 도입 공간의 외측에서 상기 센서 홀더 내에 유지되는 본체부를 더 구비하는 것이며, 상기 센서 홀더 내에 형성되고, 상기 가스 센서의 본체부가 수용됨과 아울러 냉각 매체가 도입되는 냉각 공간을 더 구비하며, 상기 냉각 공간과 상기 가스 유통로와의 사이에 단열층이 형성되어 있으면 좋다.
상기 연도를 흐르는 배기가스의 열에 의해서, 상기 가스 유통로를 유통하고 있는 배기가스를 따뜻하게 하여, 배기가스 중의 수분이 보다 응축되기 어렵게 하려면, 상기 가스 유통로의 적어도 일부가, 상기 연도 내로 돌출된 상기 센서 홀더의 선단부 내에 형성되어 있으면 된다.
상기 연도를 흐르는 배기가스의 열에 의해서, 상기 가스 유통로를 유통하고 있는 배기가스를 따뜻하게 하여 수분의 응축이 일어나기 어렵게 함과 아울러, 상기 가스 센서는 상기 연도를 흐르는 배기가스, 혹은, 상기 가스 유통로를 흐르는 배기가스에 의해서 온도가 상승되기 어렵게 하려면, 상기 센서 홀더가, 적어도 내측관 및 외측관으로 이루어지는 다중관 구조를 가지는 것이며, 상기 내측관의 내부에 상기 냉각 공간이 형성되고, 상기 내측관과 상기 외측관의 내측면과의 사이에 상기 가스 유통로가 형성되는 것이면 좋다.
예를 들면 상기 냉각 공간과 상기 가스 유통로와의 사이에 공기층에 의해서 전열(傳熱)이 일어나기 어렵게 함으로써, 상기 냉각 매체에 의해서 상기 가스 유통로를 유통하는 배기가스가 냉각되기 어렵게 하고, 배기가스 중의 수분의 응축을 방지할 수 있도록 하려면, 상기 센서 홀더가, 상기 내측관과 상기 외측관과의 사이에 칸막이관을 더 구비하며, 상기 내측관의 외측면과 상기 칸막이관의 내측면과의 사이의 공간에 의해서 상기 단열층이 형성되어 있는 것이면 좋다.
상기 가스 유통로에 흘릴 수 있는 가스의 유량을 확보할 수 있음과 아울러, 상기 연도를 흐르는 배기가스의 열을 상기 센서 홀더의 전체 둘레에 걸쳐서 상기 가스 유통로에 의해 차단할 수 있도록 하고, 상기 가스 센서가 고온이 되기 어렵게 하려면, 상기 가스 센서를 상기 센서 홀더의 횡단면을 본 경우에 있어서, 상기 가스 유통로가, 상기 내측관의 외측면을 전체 둘레에 걸쳐서 둘러싸도록 형성되어 있으면 좋다.
상기 연도를 흐르는 배기가스 중에 포함되는 미소(微小)한 파티클 등이 상기 가스 센서에 접촉하여 측정이 저해되는 것을 방지할 수 있도록 필터를 마련했을 때에, 이 필터가 소정량 이상의 파티클을 포집하고, 측정의 계속이 곤란한 것을 자동적으로 검출할 수 있도록 하려면, 상기 연도 내로 돌출된 상기 센서 홀더의 선단부 내에 적어도 일부가 형성되고, 상기 가스 센서의 상기 센서부가 수용됨과 아울러 상기 연도로부터 배기가스가 도입되는 배기가스 도입 공간과, 상기 연도와 상기 배기가스 도입 공간을 나누는 필터와, 상기 압력 센서의 출력이 나타내는 측정 압력치와, 미리 정해진 기준치에 기초하여 상기 필터의 막힘 유무를 판정하는 막힘 판정부를 더 구비한 것이면 좋다.
본 발명에 관한 프로브 디바이스와, 상기 가스 센서로부터의 출력에 기초하여 상기 연도를 흐르는 배기가스에 대해 분석하는 분석 장치 본체를 구비한 배기가스 분석 장치이면, 상기 연도를 흐르는 배기가스의 압력 변동의 영향을 배제한 올바른 분석 결과를 얻을 수 있다. 또, 예를 들면 선박의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 분석과 같이 장기간에 걸쳐서 전문가에 의한 메인터넌스나 검증이 어려운 용도라도 신뢰할 수 있는 측정치를 얻는 것이 가능해진다.
또, 본 발명에 관한 보정 방법은, 배기가스와 접촉하는 센서부를 구비하는 가스 센서와, 상기 연도의 내외를 관통하도록 마련되고, 내부에 상기 가스 센서를 유지하는 센서 홀더를 구비하며, 연도를 흐르는 배기가스를 샘플링하는 프로브 디바이스를 이용한 상기 가스 센서의 출력의 보정 방법으로서, 상기 센서 홀더에 형성되고, 상기 연도의 외측에 배치된 상기 센서 홀더의 기단부로부터 상기 배기가스 도입 공간에 이르는 가스 유통로, 또는, 상기 연도의 외측에서 상기 가스 유통로와 연통하는 유로에 마련된 압력 센서의 출력에 기초하여, 상기 가스 센서의 출력을 보정하는 보정 방법이다. 상기 연도의 외측에서 상기 가스 유통로와 연통하는 유로의 압력을 측정하는 압력 센서를 마련하는 것, 상기 가스 센서의 출력을 상기 압력 센서의 출력에 기초하여 보정하는 것을 특징으로 한다.
이러한 것이면, 상기 연도를 흐르는 배기가스에 압력 변동이 생겨도 상기 가스 센서의 출력에는 그 영향이 나타나지 않도록 할 수 있다. 또, 상기 가스 센서는 상기 가스 유통로, 또는, 그것에 연통하는 유로를 흐르는 배기가스와 접촉하므로, 고온의 배기가스가 직접 접촉하지 않고, 고온 환경에 계속 노출되는 것에 의해서 고장나는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 관한 프로브 디바이스에 의하면, 연도를 흐르는 배기가스에 압력 변동이 생겼다고 해도, 가스 유통로 또는 이것에 연통하는 유로에 마련된 압력 센서의 측정치에 기초하여 상기 가스 센서로부터의 출력이 보정되므로 항상 소정의 측정 정밀도를 유지할 수 있다. 또, 상기 압력 센서에 대해서는 상기 연도 내에 직접 마련되어 있지 않으므로, 고온의 배기가스에 의해서 고장이 생기기 어려워, 장기간에 걸쳐서 신뢰할 수 있는 압력치에 의해 가스 센서의 출력을 보정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 프로브 디바이스, 및 배기가스 분석 장치를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에서의 센서 홀더 내의 구조의 상세를 나타내는 모식적 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에서의 센서 홀더 내의 구조의 상세를 나타내는 모식적 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에서의 프로브 디바이스의 기능 블록도이다.
도 5는 종래의 프로브 디바이스의 구성을 나타내는 모식적 종단면도이다.
도 6은 종래의 프로브 디바이스의 구성을 나타내는 모식적 횡단면도이다.
본 발명의 일 실시 형태에 관한 프로브(probe) 디바이스(100), 및, 이 프로브 디바이스(100)를 구비한 배기가스 분석 장치(200)에 대해 각 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1에 나타내는 프로브 디바이스(100), 및 배기가스 분석 장치(200)는, 예를 들면 보일러, 가스 엔진, 선박용 엔진 등의 내연기관 혹은 외연 기관에 접속된 배기관(EP) 내의 연도(煙道)(LE)를 흐르는 배기가스에 포함되는 소정 성분(예를 들면, NOX, SOX, CO2, CO 등) 등을 분석하는 것이다. 또, 배기가스 분석 장치(200)에 의해 얻어진 분석 결과(예를 들면 소정 성분의 농도)는, 탈초(脫硝) 또는 탈류(脫硫)의 제어 등에 이용된다.
구체적으로는 상기 배기가스 분석 장치(200)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 배기관(EP)에 고정됨과 아울러, 그 선단부가 연도(LE) 내로 돌출하여 마련되고, 소정 성분을 검출하는 가스 센서(1)를 구비한 프로브 디바이스(100)와, 상기 프로브 디바이스(100)로부터의 검출 신호를 수신하여, 배기가스에 포함되는 소정 성분을 연속적 또한 고속으로 분석하는 분석 장치 본체(101)를 구비한다. 또, 이 분석 장치 본체(101)는, 컴퓨터 등의 연산처리장치 및 표시장치를 구비하고 있으며, 프로브 디바이스(100)와 분석 장치 본체(101)는 케이블에 의해 접속되어 있다.
상기 프로브 디바이스(100)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 연도(LE)를 흐르는 배기가스를 일부 샘플링하고, 그 샘플링한 배기가스에 포함되는 소정 성분을 검출하는 것이다. 도 1에 나타내는 바와 같이 이 프로브 디바이스(100)는, 원통 모양의 배기관(EP)에 대해서 측면으로부터 관통하도록 마련된 통 모양의 센서 홀더(2)와, 상기 센서 홀더(2)의 내부에 유지되는 가스 센서(1)를 구비하고 있다. 또, 상기 센서 홀더(2) 내에는, 상기 가스 센서(1)에 상기 연도(LE)로부터 샘플링된 배기가스가 도입되는 배기가스 도입 공간(L1)과, 상기 가스 센서(1)에 대해서 교정 가스를 공급하기 위한 교정 가스 유로(L2)와, 상기 가스 센서(1)의 일부가 냉각 매체에 의해서 냉각되는 냉각 공간(L3)이 형성되어 있다. 게다가, 상기 교정 가스 유로(L2)에 연통하도록 마련된 유로에는 압력 센서(3)가 마련되어 있고, 상기 교정 가스 유로(L2)와 상기 냉각 공간(L3)과의 사이에는 각각의 사이에서의 전열(傳熱)을 방해하는 단열층(TB)이 마련되어 있다.
또, 이 프로브 디바이스(100)는, 상기 가스 센서(1), 및, 상기 압력 센서(3)의 출력에 기초하여 소정의 연산 처리가 행하여지는 연산 처리부(COM)를 구비하고 있다. 본 실시 형태에서는 연산 처리부(COM)의 기능은, 상기 분석 장치 본체(101)의 연산 능력을 이용하여 실현되도록 되어 있지만, 예를 들면 상기 가스 센서(1) 또는 상기 압력 센서(3)에 마련되어 있는 마이크로 컴퓨터의 연산 능력에 의해 그 기능이 실현되도록 해도 괜찮다.
다음으로 상기 프로브 디바이스(100)의 각 부의 상세에 대하여 설명한다.
상기 가스 센서(1)는, 도 2 및 도 2의 A－A선 단면도인 도 3에 나타내는 바와 같이 개략 원통 모양의 것이며, 선단측이 상기 배기가스 도입 공간(L1) 내에 배치되고, 기단측이 상기 냉각 공간(L3) 내에 배치되는 것이다. 보다 구체적으로는, 상기 가스 센서(1)의 선단측은 배기가스와 접촉하는 센서부(11)이며, 기단측은 상기 센서부(11)의 출력을 신호 처리하기 위한 전기 회로 등이 수용된 본체부(12)이다. 또, 상기 센서부(11)에 대해 다른 표현을 하면, 상기 센서부(11)는, 상기 가스 센서(1)의 선단측은 상기 센서 홀더(2) 내에 샘플링된 배기가스와 접촉하고, 소정 성분에 반응하는 감응부이다. 소정 성분이 검출된 경우에는, 이 본체부(12)로부터 상기 분석 장치 본체(101)에 대해서 검출 신호가 케이블을 통하여 출력된다.
상기 센서 홀더(2)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 상기 연도(LE)를 형성하는 배기관(EP)의 측면에 마련된 장착 플랜지로부터 배기관(EP)의 반경 방향으로 삽입되는 개략 원통 모양의 부재이다. 환언하면, 상기 센서 홀더(2)는 그 축방향이, 배기가스의 흐름에 대해서 수직이 되도록 마련되어 있다. 본 실시 형태에서는 상기 센서 홀더(2)의 선단은 상기 연도(LE)의 축중심 근방에 배치되어 있다. 또, 이하의 설명에서는 상기 센서 홀더(2)의 선단부는, 상기 센서 홀더(2)에서 상기 연도(LE) 내에 삽입되어 있는 부분을 가리키며, 상기 센서 홀더(2)의 기단부는 상기 연도(LE)의 외측에 배치되어 있는 부분을 가리킨다.
상기 센서 홀더(2)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 상기 연도(LE)를 형성하는 배기관(EP)을 기준으로 하여 상기 연도(LE) 내에 배치되는 선단부 내에 상기 배기가스 도입 공간(L1)이 형성되어 있다. 또, 본 실시 형태에서는 상기 배기가스 도입 공간(L1) 전부가, 상기 센서 홀더(2)의 선단부 내에 형성되어 있지만, 상기 배기가스 도입 공간(L1)의 일부가 상기 센서 홀더(2)의 선단부 내에 형성되고, 나머지의 부분이 상기 센서 홀더(2)의 기단부에 형성되어 있어도 괜찮다.
이 배기가스 도입 공간(L1) 내에 상기 가스 센서(1)의 상기 센서부(11)가 배치된 상태로 고정된다. 상기 센서 홀더(2)의 선단에는 상기 배기가스 도입 공간(L1)으로 상기 연도(LE)로부터 배기가스가 도입되는 배기가스 도입구가 형성되어 있고, 이 배기가스 도입구에 필터(F)를 마련함으로써 상기 연도(LE)와 상기 배기가스 도입 공간(L1)과의 사이가 나누어져 있다.
또, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이 상기 센서 홀더(2)에서 상기 배기가스 도입 공간(L1)보다도 기단측의 부분은 복수의 지름이 다른 관이 동심원 모양으로 배치된 다중관 구조가 형성되어 있다. 상기 다중관 구조는, 도 3에 나타내는 바와 같이 내측으로부터 외측을 향해 상기 냉각 공간(L3), 상기 단열층(TB), 상기 교정 가스 유로(L2)가 형성되도록 내측관(21), 칸막이관(22), 외측관(23)이 내측으로부터 이 순서대로 3개 마련되어 있다. 즉, 도 3에 나타내는 바와 같이, 원형 모양의 상기 냉각 공간(L3)의 주위에 횡단면에서 보아 토러스(torus, 원환면(圓環面)) 모양(도너츠 모양)의 상기 단열층(TB)이 배치되고, 또한 상기 단열층(TB)의 외측에 횡단면에서 보아 토러스 모양의 교정 가스 유로(L2)가 배치되어 있다.
상기 냉각 공간(L3)은, 상기 내측관(21)의 내부에 형성되고, 상기 가스 센서(1)의 본체부(12)가 수용되어 있는 원통 모양의 공간이다. 도 1에 나타내는 바와 같이 상기 내측관(21)의 기단 근방 측면에 형성된 냉각 매체 도입구(24)를 통해서 내부에 냉각 매체가 도입되도록 되어 있다. 예를 들면, 상기 냉각 매체 도입구(24)를 통해서 냉각 매체로서 저온으로 조정된 기체가 냉각 공간(L3) 내를 순환하도록 하여 소정의 온도가 유지되도록 해도 괜찮다.
상기 교정 가스 유로(L2)는, 상기 센서 홀더(2) 내에 형성된 유로로서, 상기 연도(LE)의 외측에 배치된 상기 센서 홀더(2)의 기단부로부터 상기 배기가스 도입 공간(L1)에 이르는 가스 유통로(流通路)이다. 본 실시 형태에서는, 가스 유통로는 상기 배기가스 도입 공간(L1)으로 교정 가스를 공급하는 교정 가스 유로(L2)로서 구성되어 있다. 상기 교정 가스 유로(L2)는, 상기 배기가스 도입 공간(L1) 근방을 제외하고 상기 센서 홀더(2) 내에서 가장 외측 부분을 축방향을 따라서 교정 가스가 흐르도록 구성되어 있다. 보다 구체적으로는, 상기 연도(LE)의 외측에 배치된 상기 센서 홀더(2)의 기단부에서 상기 외측관(23)의 측면으로 개구된 교정 가스 도입구(25)로부터 상기 배기가스 도입 공간(L1)으로 교정 가스를 공급하는 유로이다. 본 실시 형태에서는, 상기 교정 가스 유로(L2)는, 상기 칸막이관(22)과 상기 외측관(23)으로 이루어지는 이중관에 의해 형성된 유로와 상기 배기가스 도입 공간(L1)과 연통하는 연통 유로(L21)를 구비하고 있다.
이 교정 가스 유로(L2)에는, 도 1에 나타내는 바와 같이 상기 교정 가스 도입구(25)를 통해서 제로점(zero点) 가스 공급원(ZG)과, 스팬(span) 조정 가스 공급원(SG)에 각각 접속되어 있다. 또, 제로점 가스 공급원(ZG), 스팬 조정 가스 공급원(SG)에는 각각 개폐 밸브가 마련되어 있으며, 상기 교정 가스 유로(L2)로 어떤 가스를 공급할지, 혹은 각 가스를 공급하지 않을지를 제어할 수 있다. 제로점 가스는, 상기 가스 센서(1)에서 검출되는 소정 성분을 실질적으로 포함하지 않는 가스이며, 이 가스는 상기 교정 가스 유로(L2) 및 상기 배기가스 도입 공간(L1) 내에 있는 가스를 퍼지하기 위한 퍼지 가스로서도 이용된다. 즉, 본 실시 형태에서는 종래와 같이 교정 가스 유로(L2)와 퍼지 가스 유로를 따로 따로 상기 센서 홀더(2) 내에 마련하는 것은 아니고, 공용하도록 하고 있다. 또, 스팬 조정 가스는 상기 가스 센서(1)에서 검출되는 소정 성분을 소정 농도 포함하는 것이며, 스팬 교정을 위해서 이용된다.
상기 단열층(TB)은, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이 상기 칸막이관(22)의 내주면과 상기 내측관(21)의 외주면과의 사이에 형성된 예를 들면 공기층이다. 이 단열층(TB)은 통상의 측정시에서 상기 냉각 공간(L3)의 냉각 매체에 의해서 상기 배기가스 도입 공간(L1)으로부터 상기 교정 가스 유로(L2)로 유입될 가능성이 있는 배기가스가 냉각되는 것을 방해할 수 있다. 여기서, 단열층(TB)은 예를 들면 도 5 및 도 6에 나타내어지는 교정 가스 유로(L2)의 배관과 냉각 공간(L3)을 형성하는 내측관(21)이 근접하고 있는 상태보다도 열이 전해지기 어렵게 되어 있는 것으로서 정의할 수 있다. 또, 단열층(TB)으로서 공기층이 아니고, 수지 등의 충전물을 봉입(封入)하여 열의 이동을 더 방해하도록 한 것이라도 좋다. 혹은, 상기 내측관(21)과 상기 칸막이관(22)과의 사이까지를 금속에 의해 중실(中實)로 하고, 적어도 상기 외측관(23)보다도 두꺼운 1개의 관으로서 형성해도 좋다.
연산 처리부(COM)는, 메모리에 격납되어 있는 프로브 디바이스용 프로그램이 실행되고, 각종 기기가 협업하는 것에 의해, 적어도 보정 처리부(4), 막힘 판정부(5)로서의 기능을 실현하는 것이다.
상기 보정 처리부(4)는, 상기 가스 센서(1)의 출력을 상기 압력 센서(3)의 출력에 기초하여 보정한다. 예를 들면 소정 농도의 소정 성분이 상기 가스 센서(1)에서 검출될 때의 출력이 나타내는 값과, 배기가스의 압력과의 사이의 관계를 나타내는 압력을 파라미터로 하는 보정 계수를 미리 실험 등에 의해 구해 두고, 이 보정 계수와 상기 압력 센서(3)에서 측정되는 압력에 기초하여 상기 보정 처리부(4)는, 상기 가스 센서(1)의 출력을 보정한다. 즉, 상기 보정 처리부(4)는 상기 연도(LE)를 흐르는 배기가스에 압력 변동이 있었다고 해도, 소정 성분의 농도에 따른 출력치로 환산한다.
상기 막힘 판정부(5)는, 상기 압력 센서(3)의 출력이 나타내는 측정 압력치와, 미리 정해진 기준치에 기초하여 상기 필터(F)의 막힘 유무를 판정한다. 예를 들면 필터(F)가 막히지 않은 상태에서 상기 압력 센서(3)에 의해 측정되는 측정 압력치에 기초하여 기준치가 설정된다.
이와 같이 구성된 본 실시 형태의 프로브 디바이스(100) 및 배기가스 분석 장치(200)에 의하면, 상기 압력 센서(3)에 의해서 상기 연도(LE)를 흐르는 배기가스의 압력 변동을 모니터링하고, 상기 보정 처리부(4)가 압력 변동을 보정하므로, 압력의 영향을 배제한 배기가스의 소정 성분의 농도를 정확하게 얻을 수 있다.
또, 교정시에서는 상기 교정 가스 유로(L2)를 흐르는 교정 가스는 상기 연도(LE)를 흐르는 배기가스의 압력 변동에 따라 상기 연도(LE)로의 배기가 변동하지만, 상기 압력 센서(3)에서 교정시의 압력을 측정할 수 있으므로, 그러한 변동을 보정하여 상기 가스 센서(1)를 교정하는 것도 가능하다. 즉, 압력 센서(3)는 교정 가스 유로(L2)에 연통함과 아울러 제로점 가스 공급원(ZG) 및 스팬 조정 가스 공급원(SG)에 연통하는 유로에 마련되어 있으므로, 가스 센서(1)의 측정치의 압력 보정 뿐만 아니라, 교정시에서의 가스 센서(1)의 출력의 압력 보정에도 이용할 수 있다.
게다가, 상기 압력 센서(3)가 나타내는 측정 압력치를 상기 막힘 판정부(5)가 모니터링함으로써 상기 필터(F)의 막힘 상태를 감시할 수 있으므로, 상기 필터(F)의 교환 시기를 자동적으로 얻을 수 있다. 예를 들면, 상기 연도(LE)를 흐르는 배기가스의 상태를 크게 변동시키는 용도에서는, 사용 기간 등으로 교환 시기를 설정하고 있으면 상기 필터(F)가 측정에 적합하지 않는 상태로 되어 있는 경우가 있다. 한편, 상기 프로브 디바이스(100)라면, 상기 필터(F)가 막혀 상기 필터(F)를 통과한 후의 배기가스의 압력이 저하되어 있는 것을 검지할 수 있으므로, 측정에 문제가 발생하기 전에 메인터넌스를 실행할 수 있다.
상기 교정 가스 유로(L2)와 상기 냉각 공간(L3)과의 사이는 상기 단열층(TB)으로 나누어져 있기 때문에, 상기 교정 가스 유로(L2) 안에 상기 배기가스 도입 공간(L1)으로부터 상기 연도(LE)를 흐르고 있던 고온의 배기가스가 흘렀다고 해도, 배기가스 중에 포함되는 수분이 응축할 정도로는 냉각되지 않는다. 따라서, 응축한 수분에 배기가스 중의 질소 산화물, 황화물이 녹아들어가 산성 액체가 되어 상기 외측관(23) 또는 상기 칸막이관(22)를 침식하는 것을 방지할 수 있다.
또, 상기 교정 가스 유로(L2)는 상기 센서 홀더(2)에서 가장 외주측에 배치되어 있으며, 그 일부가 상기 연도(LE) 내에 배치되므로, 측정시에는 상기 연도(LE)로부터 상기 교정 가스 유로(L2)로 역류하고 있는 배기가스를, 상기 연도(LE)를 흐르는 고온의 배기가스에 의해서 따뜻하게 하여 수분의 응축이 발생하지 않도록 할 수 있다. 한편, 교정시에는 상기 연도(LE) 내를 흐르는 배기가스의 열이 상기 외측관(23)을 통해서 전열(傳熱)하여 교정 가스를 따뜻하게 할 수 있다. 따라서, 히터 등을 이용하지 않아도 교정 가스를 실제의 측정시의 온도로 접근시켜 보다 정확한 교정을 실현할 수 있다.
상기 압력 센서(3)는, 상기 교정 가스 유로(L2)에 연통하는 유로에 마련되어 있으므로, 상기 연도(LE)를 흐르는 고온의 배기가스에 직접 접촉하지 않아, 열에 의해서 고장나는 것을 방지할 수 있다.
게다가, 상기 가스 센서(1)의 본체부(12)는 상기 냉각 공간(L3) 내에 배치되어 있으므로 상기 연도(LE) 내에 일부가 배치되어 있었다고 해도 배기가스의 고온으로 고장이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
다음으로 본 발명의 그 외의 실시 형태에 대해 설명한다.
상기 실시 형태에서는 상기 압력 센서는 상기 교정 가스 유로와 연통하는 유로에 마련되어 있었지만, 예를 들면 교정 가스 유로에 압력 센서를 마련해도 좋다.
상기 보정 처리부는, 상기 가스 센서의 출력이 나타내는 값을 상기 압력 센서의 측정 압력치에 기초하여 컴퓨터 상의 값으로서 보정 처리하는 것이었지만, 상기 본체부로부터 출력되는 출력 신호 자체를 보정 처리하는 것이라도 좋다. 또, 가스 센서는 소정 성분의 농도에 따른 출력을 하는 것에 한정되지 않고, 그 외의 물리적인 파라미터에 따른 출력을 하는 센서라도 상관없다.
상기 실시 형태에서는 교정 가스 유로와 퍼지 가스 유로를 공용하도록 하고 있었지만, 각각의 가스를 위한 전용의 유로로 나누어도 좋다. 또, 압력 센서가 마련되는 것은, 교정 가스나 퍼지 가스를 상기 배기가스 도입 공간에 공급하기 위한 유로에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 배기가스 도입 공간과 연통하고, 상기 센서 홀더 내에서 상기 연도의 외측에 배치되어 있는 기단부로 도달하는 가스 유통로를 별도 마련해 두고, 교정 가스나 퍼지 가스를 상기 가스 유통로에 흘리지 않도록 해도 괜찮다.
상기 실시 형태에서는 상기 센서 홀더는 상기 내측관, 상기 칸막이관, 상기 외측관으로 이루어지는 삼중관 구조를 가지고 있었지만, 예를 들면 내측관과 외측관으로 이루어지는 이중관 구조로서 구성해도 괜찮다. 즉, 상기 내측관의 내측을 가스 센서의 냉각 공간으로 하고, 상기 내측관과 상기 외측관과의 사이를 교정 가스 유로로 해도 괜찮다. 이 경우에는, 상기 내측관의 두께를 상기 외측관보다도 두껍게 하여 단열층으로서의 기능을 발휘하도록 하면 좋다. 이러한 것이라도, 상기 교정 가스 유로를 흐르는 고온의 배기가스가 상기 냉각 공간에 도입되는 냉각 매체에 의해서 냉각되기 어렵게 하여 수분의 응축을 방지하고, 황산 등의 산성 액체의 발생을 방지할 수 있다. 또, 센서 홀더는 동축의 다중 구조가 아니라도 좋고, 예를 들면 외측관에 대해서 내측관이 편심하고 있도록 해도 괜찮다. 또, 가스 유통로인 교정 가스 유로의 횡단면 형상에 대해서는 토러스 모양에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 상기 외측관과 상기 내측관의 사이에서 일부가 폐색되어 있고, 가스 유통로의 횡단면 형상이 C자 모양 등의 부분 링 모양으로 형성되어 있어도 괜찮다.
그 외, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한에서 여러가지 실시 형태의 변형이나 조합을 행해도 상관없다.
200 - 배기가스 분석 장치 100 - 프로브 디바이스
1 - 가스 센서 11 - 센서부
12 - 본체부 2 - 센서 홀더
21 - 내측관 22 - 칸막이관
23 - 외측관 L1 - 배기가스 도입 공간
L2 - 교정 가스 유로 L3 - 냉각 공간
TB - 단열층 3 - 압력 센서
4 - 보정 처리부 5 - 막힘 판정부

Claims (10)

  1. 연도(煙道)를 흐르는 배기가스를 샘플링하는 프로브(probe) 디바이스로서,
    상기 연도로부터 샘플링된 배기가스가 도입되는 배기가스 도입 공간과,
    상기 배기가스 도입 공간 내에 배치되어 배기가스와 접촉하는 센서부를 구비하는 가스 센서와,
    상기 연도의 내외를 관통하도록 마련되고, 내부에 상기 가스 센서를 유지하는 센서 홀더와,
    상기 센서 홀더에 형성되고, 상기 연도의 외측에 배치된 상기 센서 홀더의 기단부로부터 상기 배기가스 도입 공간에 이르는 가스 유통로(流通路)와,
    상기 가스 유통로, 또는, 상기 연도의 외측에서 상기 가스 유통로와 연통하는 유로에서, 상기 연도를 흐르는 배기가스의 압력 변동을 모니터링 가능한 위치에서의 압력을 측정하는 압력 센서와,
    상기 가스 센서의 출력을 상기 압력 센서의 출력에 기초하여 보정하는 보정 처리부를 구비하고,
    상기 가스 유통로는, 교정(校正) 가스 유로 또는 퍼지(purge) 가스 유로 중 적어도 일방을 구성하고,
    상기 가스 센서가, 상기 센서 홀더 내의 상기 센서부보다도 기단부측에 유지되는 본체부를 더 구비하는 것이며,
    상기 센서 홀더가, 적어도 내측관 및 외측관으로 이루어지는 다중관(多重管) 구조를 가지는 것이며,
    상기 내측관의 내부에 상기 가스 센서의 본체부가 수용됨과 아울러 냉각 매체가 도입되는 냉각 공간이 형성되고,
    상기 내측관과 상기 외측관과의 사이에 상기 가스 유통로가 형성되고,
    상기 냉각 매체에 의해서 상기 가스 유통로를 유통하는 배기가스가 냉각되기 어렵게 하고, 상기 배기가스 중의 수분의 응축을 방지하기 위하여, 상기 냉각 공간과 상기 가스 유통로와의 사이에, 상기 냉각 공간과 상기 가스 유통로를 단열하는 단열층이 형성되어 있는 프로브 디바이스.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 유통로의 적어도 일부가, 상기 연도 내로 돌출된 상기 센서 홀더의 선단부 내에 형성되어 있는 프로브 디바이스.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 홀더가, 상기 내측관과 상기 외측관과의 사이에 칸막이관을 더 구비하며,
    상기 내측관의 외측면과 상기 칸막이관의 내측면과의 사이의 공간에 의해서 상기 단열층이 형성되어 있는 프로브 디바이스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 홀더의 횡단면을 본 경우에 있어서,
    상기 가스 유통로가, 상기 내측관의 외측면을 전체 둘레에 걸쳐서 둘러싸도록 형성되어 있는 프로브 디바이스.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연도 내로 돌출된 상기 센서 홀더의 선단부 내에 적어도 일부가 형성되고, 상기 가스 센서의 상기 센서부가 수용됨과 아울러 상기 연도로부터 배기가스가 도입되는 배기가스 도입 공간과,
    상기 연도와 상기 배기가스 도입 공간을 나누는 필터와,
    상기 압력 센서의 출력이 나타내는 측정 압력치와, 미리 정해진 기준치에 기초하여 상기 필터의 막힘 유무를 판정하는 막힘 판정부를 더 구비한 프로브 디바이스.
  8. 청구항 1에 기재된 프로브 디바이스와,
    청구항 1에 기재된 가스 센서로부터의 출력에 기초하여 연도를 흐르는 배기가스에 대해 분석하는 분석 장치 본체를 구비한 배기가스 분석 장치.
  9. 연도로부터 샘플링된 배기가스가 도입되는 배기가스 도입 공간과, 상기 배기가스 도입 공간 내에 배치되어 배기가스와 접촉하는 센서부를 구비하는 가스 센서와, 상기 연도의 내외를 관통하도록 마련되고, 내부에 상기 가스 센서를 유지하는 센서 홀더를 구비하며, 상기 연도를 흐르는 배기가스를 샘플링하는 프로브 디바이스를 이용한 상기 가스 센서의 출력의 보정 방법으로서,
    상기 센서 홀더에 형성되고, 상기 연도의 외측에 배치된 상기 센서 홀더의 기단부로부터 상기 배기가스 도입 공간에 이르는 가스 유통로, 또는 상기 연도의 외측에서 상기 가스 유통로와 연통하는 유로에서, 상기 연도를 흐르는 배기가스의 압력 변동을 모니터링 가능한 위치에 마련된 압력 센서의 출력에 기초하여, 상기 가스 센서의 출력을 보정하고,
    상기 가스 유통로는, 교정 가스 유로 또는 퍼지 가스 유로 중 적어도 일방을 구성하고,
    상기 가스 센서가, 상기 센서 홀더 내의 상기 센서부보다도 기단부측에 유지되는 본체부를 더 구비하는 것이며,
    상기 센서 홀더가, 적어도 내측관 및 외측관으로 이루어지는 다중관 구조를 가지는 것이며,
    상기 내측관의 내부에 상기 가스 센서의 본체부가 수용됨과 아울러 냉각 매체가 도입되는 냉각 공간이 형성되고,
    상기 내측관과 상기 외측관과의 사이에 상기 가스 유통로가 형성되고,
    상기 냉각 매체에 의해서 상기 가스 유통로를 유통하는 배기가스가 냉각되기 어렵게 하고, 상기 배기가스 중의 수분의 응축을 방지하기 위하여, 상기 냉각 공간과 상기 가스 유통로와의 사이에, 상기 냉각 공간과 상기 가스 유통로를 단열하는 단열층이 형성되어 있는 보정 방법.
  10. 삭제
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