KR20030060815A - 가스 센서 - Google Patents

Abstract

연소기(100) 응용예에서의 가스 농도를 모니터링하고 측정하기 위한 방법 및 장치가 제공되며, 장치는 연도 가스(212)의 가스 성분의 존재와 농도를 검출하도록 하나의 전해질 셀(202)과 협동하는 다수의 전극(204, 206)을 갖는다. 전해질에 걸쳐 전극에 의해 검출된 상이한 가스 농도에 의해 발생된 이온 흐름에 근거하여 전압이 발생된다. 전압의 변화가 연도 가스내에 포함된 가연물 가스, 산화질소, 일산화탄소 등과 같은 검출된 가스의 농도를 판정하기 위해 연관되고 사용된다. 그러면 연소기 운전이 최적상태로 될 수 있어 효율을 향상시킬 수 있고 소망의 형태에서 연도 가스내의 원하지 않는 가스 농도를 최소화할 수 있다. 교정 가스(calibration gas)가 장치를 교정하기 위해 도입될 수도 있으며 기준 가스가 가스의 농도를 연관시키는 기준으로서 전극에 공급될 수도 있다.

Description

가스 센서{METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING GASES IN A COMBUSTION SYSTEM}

본 발명은, 보일러, 노, 연소 가스 터빈 또는 화석연료 연소기 응용예와 같은 연소 제품에 사용된 센서를 갖는 시스템을 포함하는, 연소 시스템에서의 연도 가스(flue gas)내의 구성 가스와 같은 가스를 모니터링하고 측정하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 특징과 작용을 이해하기 위해서는, 일부 전형적인 응용예를 고려하는 것이 도움이 될 수 있다. 예를 들면, 수많은 산업용 설비 또는 환경에서, 탄화수소 연료는 연소기(예컨대, 보일러 또는 노)에서 연소되어 열을 발생시키거나 유체를 승온시킨다. 연소기가 효율적으로 작동되고 환경 규정과 설계 제한에 의해부여된 제한내에 속하는 연소 부산물/생성물을 갖는 용인할 수 있을 정도로 완전한 연소를 하기 위해서는, 개개의 버너 모두가 정확하고 효율적으로 작동되어야 하고, 모든 후염(post-flame) 연소 제어 시스템은 적합하게 균형을 이루고 조정되어야 한다.

연소되지 않은 탄소, 산화질소(NO, NO₂, NO_X), 일산화탄소 또는 그 외의 부산물의 방출은 일반적으로 환경 규정에 따르도록 모니터링된다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된, 용어 "산화질소(nitric oxide)"는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO₂), 및 질소산화물(NO_X, 여기서 NO_X는 NO와 NO₂의 합임)을 포함한다. 지금까지의 방출물의 모니터링은 필요에 의해 연소기로부터의 총 방출물(예컨대, 전체 버너 어레이를 전체적으로 취한 것)에 대하여 행해졌다. 고온의 연도 가스내의 가스 가연물의 농도와 같이, 일부 방출물은 온라인상에서 연속해서 모니터링하기가 곤란하고 및/또는 고가이다. 이들 방출물은 통상 주기적 또는 간헐적 기준으로 측정된다. 특정한 연소 부산물이 허용되지 않은 고농도로 발생되는 것으로 발견되는 경우, 연소기는 조정되어 적절한 운전을 회복하여야 한다. 그러나, 총 방출물의 측정, 또는 주기적 또는 간헐적 기준의 방출물의 측정은 이러한 조정을 실현하기 위해 어떠한 특정한 연소 파라미터가 변경되어야 하는 가에 대한 유용한 정보를 거의 제공하지 않는다.

3가지의 주된 연소 변수, 즉 O₂, CO 및 NO_X는 연소 공정을 최적상태로 하고 최소 수준의 방출물에서 최대의 효율을 제공하는 목적을 달성하기 위해 연속해서모니터링되어야 한다. 고체전해질(예컨대, 산화지르코늄)을 기초로 하는 연소 센서가 공지되어 있으며 일반적으로 화석연료용 연소기에 사용되어 산소와 가연물을 측정한다[상업적인 공급자로는 로즈마운트 어낼리티컬(Rosemount Analytical), 아메텍 서목스(Ametek Thermox), 및 요코가와(Yokogawa) 등이 있다]. 이러한 센서는 대개 2개의 전극중의 하나에 기준 공기가 인가된 상태로 사용된다. 대부분의 경우 기존의 센서는 추출가능하며 유지보수를 많이 필요로 한다.

최근, 일부 공급자들은 기준 공기의 연속 공급을 이용하지 않는 산소 센서를 도입했다. 그 대신, 이러한 센서는 밀봉된 체적내에 일정한 분압의 O₂를 발생시키는 금속/금속산화물의 혼합물로 충전된 밀봉형 내측 전극을 갖는다.

고체전해질을 사용하여 연도 가스 가연물(주로 CO)을 측정하는 다수의 방법이 있다. 이 방법 중의 하나는, "화석연료용 연소기내에서의 가스 가연물을 모니터링하는 시스템 및 장치(System And Method For Monitoring Gaseous Combustibles In Fossil Combustor)"라는 명칭의 미국 특허 제 6,277,268 호[케신(Khesin) 등]에 개시된 바와 같이, 고온의 연도 가스 흐름내에 직접 위치한 현장 전위차 고체전해질 셀내의 변동 신호를 사용하는 것에 기초한다. 이러한 센서는 형태가 비교적 단순하고 즉각적인 응답을 제공한다. 생산되고 있고 시장에서 입수 가능한 기존의 센서의 예로서, 미국 오하이오주 트윈스버그 소재의 제너럴 일렐트릭 로이터-스톡스 컴퍼니에의해 제조되는 MK CO 센서가 있다.

상기 특허는, 환경의 적어도 제 1 유형의 가스 분자의 농도 변화를 모니터링하는 장치를 개시한다. 이 장치는 일단의 재료와 제 1 및 제 2 전극을 포함한다. 일단의 재료는 제 1 유형의 가스 분자가 이온화될 때 형성된 이온이 투과할 수 있다. 제 1 및 제 2 전극은 일단의 재료상에 배치되어, 제 1 전극에서 제 1 유형의 가스 분자의 농도가 제 2 전극에서의 제 1 유형의 가스 분자의 농도와 다를 때, 제 1 유형의 가스 분자는 제 1 전극에서 이온화되어 일단의 재료를 거쳐 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로 흘러서 제 2 전극에서 재결합되어 제 1 유형의 가스 분자를 형성하여, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 신호를 발생시키게 된다. 제 1 전극과 제 2 전극의 각각은 환경과 유체 연통하고 있다.

보다 상세하게는, 상기 특허는 환경에 존재하는 산소의 농도 변화를 모니터링하는 시스템을 개시하며, 이 시스템은 적어도 하나의 네른스트형(Nernstian-type) 가스 센서를 구비한다. 센서는 일단의 고체전해질 재료와 제 1 및 제 2 전극을 구비한다. 제 1 및 제 2 전극은 일 매스의 고체전해질 재료상에 배치되어 제 1 전극에서의 산소 농도와 제 2 전극에서의 산소 농도간의 차이를 나타내는 신호를 발생시킨다. 제 1 및 제 2 전극의 각각은 환경과 유체 연통하고 있다. 그러나, 네른스트형 가스 센서는 임의의 수의 가스의 농도를 모니터링하는데 사용될 수도 있다. 센서내에 포함된 일단의 재료는 제 1 유형의 가스 분자가 이온화될 때 형성딘 이온에 투과 가능하다. 신호는 환경내의 제 1 유형의 가스 분자의 농도 변화에 응답하여 적어도 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 발생된다. 또한, 센서에는 온도 조절 장치가 없을 수도 있다.

상기 특허는 또한 가스 센서를 교정하는 방법을 개시하며, 이 방법은 제 1프로파일을 갖는 제 1 가스와 제 1 가스의 프로파일과는 상이한 제 2 프로파일을 제 2 가스의 각각을 소정의 절차로 가스 센서에 공급하는 단계를 포함한다. 가스 센서 또는 이와 결합된 신호 분석기가 가스 센서의 출력 신호에 근거하여 조정되어 가스 센서를 교정하게 된다. 가스 센서를 교정하는 장치는 스위칭 시스템과 시퀀서를 구비한다. 스위칭 시스템은 제 1 소정 가스 프로파일을 갖는 제 1 탱크와 제 2 소정 가스 프로파일을 갖는 제 2 탱크의 각각과 유체 연통하고 있다. 시퀀서가 스위칭 시스템이 제 1 및 제 2 탱크의 각각으로부터 소정 시퀀스에서 가스 센서로 가스를 공급하게 한다.

상기 특허는 또한 상기 특허의 도 8a 및 도 8b에서와 같이 현장 연소기 응용예의 센서의 조립과 설치를 위한 다편 파이프 및 커넥터 배치를 개시한다.

혼합 전위차 모드에서 네른스트형 고체전해질 센서를 사용하여 연도 가스내의 NO_X를 측정하는 다수의 방법이 있다. 이러한 구조에 있어서, 피분석 가스는 측정 전극에 도달하기 전에 NO 또는 NO 및 NO₂의 합인 NO_X에 대한 그 감도를 향상하기크는 다공성 필터를 통과한다. 실제로 이러한 필터형 NO_X센서를 사용하는 것은 다른 성분, 주로 CO와 O₂의 영향으로 인해 어렵게 된다.

본 발명은 연소 시스템내의 가스를 모니터링하는 개선된 방법 및 장치를 제공함으로써 상기 언급된 문제점을 해소하고 부가적인 장점을 제공한다. 본 발명은동력 보일러와 화석연료용 연소기를 포함하는 다수의 응용예에 사용될 수 있다. 일 방식에 있어서, 본 발명은 하나의 고체전해질을 기초로하는 현장 전위차 센서(in-situ potentiometric sensor)를 사용하여 산소, NO_X및 CO와 같은 핵심적인 연소 성분들을 동시에 모니터링 및/또는 측정하는 것을 제공한다. 이러한 센서들은 서로 그룹으로 될 수 있어 연소 최적화에 대한 효과적인 툴(tool)로서 연소 변수들에 대한 필요한 프로파일링(profiling) 및 매핑(mapping)을 제공하게 된다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 변동 가연물 센서는 복합 전위차 O₂+ CO 센서를 제공한다. 본 실시예에 있어서, 기준 가스(공기)가 가연물 센서의 하나의 전극(기준 전극)에 공급되며 이 기준 가스가 센서를 통해 흐르게 된다. 이 센서는 유통형(flow-thru) O₂+ CO 센서로서 불릴 수도 있다. 센서의 O₂성분은 네른스트 식에 따라 작용되므로 종래의 네른스트형 센서와 같이 작용한다. 그러나, 네른스트형이라는 용어는 종종, 고체전해질 산화지르코늄을 기초로하는 센서이고 네른스트 식을 따라서 작용하지 않는 센서들을 포괄적으로 지칭하는데 사용된다. 센서의 CO와 NO_X의 양상은 기술적 의미에서 네른스트형이 아니다. 오히려, 본 발명의 CO와 NO_X센서 형태는, CO와 NO_X의 농도를 판정하는 것과 관련된 과정이 온도, 사용된 재료 등과 같은 요인의 수에 근거하는 네른스트 식을 벗어나기 때문에 혼합 전위 모드에서 작용한다.

일 방식에 있어서, 본 발명은 MK CO 센서와 같은 기존의 센서 또는 센서 형태를 복합 전위차 O₂+ CO 센서로 변환하는데 사용될 수도 있다. 이 접근법은 센서가 2개의 측정 전극을 구비한 고체전해질 셀을 갖는 덜 복잡한 센서를 제공한다. 현장 전위차 센서는 DC와 AC의 2개의 성분으로 구성되는 출력 신호를 발생시킨다. 통상, DC 성분은 네른스트 식을 사용하여 O₂를 연산하는데 사용되었고 AC 성분은 신호로부터 제거되었다. 최근에는, 변동 AC 성분은 미국 특허 제 6,277,268 호에 개시된 바와 같이 일산화탄소(CO), 산화질소(NO_X) 또는 그 외의 가스 가연물의 농도를 판정하는데 사용된다. 도 2a 및 도 3a는 복합 O₂+ CO 센서의 2개의 예시적 형태를 도시하며, 그 중 하나의 센서는 양 단부가 개방된 고체전해질 셀을 갖고(도 2a), 다른 하나의 센서는 일단이 폐쇄된 고체전해질 셀을 갖는다(도 3a).

연소기가 평형통풍(balanced-draft) 모드에서(음압 하에서) 운전될 때, 기준 공기 공급의 위한 구동력으로서 자연 통풍이 사용될 수 있다. 기준 공기 공급 라인은 또한 기준 전극에 교정 가스를 공급함으로써 O₂와 CO 양자의 주기적 교정을 위해 사용될 수도 있다.

연속적인 센서 가열과 온도 조절 대신, 센서는 연도 가스 구역내에서 적합한 온도 윈도우에, 예컨대 다수의 보일러/로 응용예에서 대략 900 내지 1500℉ 연도 가스 온도 사이에서 배치된다. 온도가 연속해서 측정되고 사용되어 보상을 제공한다. 센서 헤드는 그 교정을 용이하게 하기 위해 보호쉘 내부에 설치되어, 연도 가스 속도의 영향을 감소시키고 재와 같은 퇴적물로부터 그 표면을 보호하게 된다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 가연물 센서는 상기 기술된 바와 같이 복합 O₂+ CO 센서로 구성되거나 변환되며, 추가적으로 밀봉형 O₂센서(밀봉형 O₂+ CO 센서)와 조합되어 구성된다. 이 구조에 있어서, 기준 가스의 연속 공급은 필요하지 않다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 가연물 센서는 필터형 NO_X센서와 조합되어 복합 전위차 O₂+ CO 센서로 구성되거나 변환된다. 센서는 2개의 측정 전극과 하나의 공통 기준 전극을 구비한 하나의 공통 고체전해질 셀을 갖는다. CO를 CO₂로 산화시켜 CO의 영향을 제거할 수 있는 재료로 이루어진 다공성의 얇은 필터가 측정 전극 중의 하나 위에 설치된다. 기술과 재료가 CO를 제거하는 데 적합하다. 이 전극은 혼합 전위 모드에서 작동하며 NO_X를 측정하는데 사용된다. 다른 하나의 측정 전극은 변동 CO 센서로서 작용한다. 그 결과, CO + NO_X의 2개의 신호가 하나의 전위차 고체전해질 센서내에 발생된다. 이 센서 구조는 연속적인 기준 공기 공급을 필요로 하지 않으며, 기준 공급 공급이 없다는 것을 제외하고는 도 4a에 도시된 것과 같다. 따라서, 본 실시예에서는 O₂농도를 판정하기 위한 어떠한 DC 성분도 없다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기 기술된 바와 같은 복합 O₂+ CO 센서는 복합 O₂+ NO_X+ CO 센서(도 4a)를 형성하도록 필터형 NO_X센서와 조합되어 사용될 수있다. 이 구성에서는, 센서는 2개의 측정 전극과 하나의 공통 기준 전극을 구비한 하나의 공통 고체전해질 셀을 갖는다. 전극 세트 중의 하나, 예컨대 기준 전극과 결합된 CO 전극이 네른스트형 센서로서 작용하고, 상기 기술된 바와 같이 DC 성분과 변동 AC 성분을 갖는 복합 O₂+ CO 센서로서 사용된다. 전극 세트 중의 다른 하나, 예컨대 NO_X전극은 상기 기술된 바와 같이 기준 전극과 결합되어 NO_X를 측정하는데 사용된다. 그 결과, O₂+ NO_X+ CO의 3개의 가스 농도가 하나의 전위차 고체전해질 센서에서 모니터링되고 측정된다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 상기 기술된 현장 고체전해질 센서에는 그 포장, 조립, 설치 및 보일러내의 유지를 용이하게 하기 위해 가요성의 스테인리스 호스 또는 도관이 설치된다. 실제의 가스 측정용 탐침은 20 내지 30피트 이상의 상당한 길이가 될 수 있다. 가스 측정용 탐침의 길이가 상당하면(6 내지 8피트를 넘으면), 탐침은 현장에서 조립될 필요가 있으며, 이로써 조립, 운송, 삽입 및 철수 절차를 복잡하게 한다. 가요성의 호스를 사용함으로써 후염 구역내에 장착된 지지 도관과 협력하여 현장 설치에 융통성을 크게 제공하게 되며, 전체 탐침의 제조가 공장에서 가능해진다. 그러면 유닛은 완전히 조립되어 현장으로 운송되며, 특히 과밀한 플랜트 환경에서 센서 탐침 유닛의 삽입과 철수가 크게 단순화된다. 도 4a는 가요성 호스를 구비한 가스 탐지용 탐침을 도시한다.

따라서, 본 발명의 일 목적은 산소, 산화질소(NO₂, NO, NO_X를 포함함) 및 그 외의 가스 가연물(CO 등) 등의 농도와 같은 몇 가지의 핵심 연소 변수를 하나의 고체전해질을 기초로 하는 현장 전위차 센서를 사용하여 동시에 즉각적으로 측정하는 것을 제공하는 것이다. 기존의 현장 고체전해질 전위차 연소 센서는 단지 하나의 연소 변수의 측정만이 가능하여 본질적인 운용의 어려움을 갖는다. 몇 가지의 핵심 연소 변수를 특징으로 하는 연소 센서는 동시적이고 즉각적으로 성공적인 온라인상의 연소 진단과 최적화에 대한 현저한 장점을 제공한다.

일 방식에 있어서, 본 발명은 여러 가스, 예컨대 O₂, CO 및 NO_X를 동시에 모니터링할 수 있는 향상된 능력을 제공함으로써 공지된 방법을 개선한다. 본 발명의 일 실시예는 하나의 전극에 기준 공기를 공급하고, 다른 하나의 전극에 외부 필터를 제공하며, 연소기 응용예와 환경에서 보다 능률적인 조립과 설치와 유지를 위해 일 실시예에 있어서 스테인리스강으로 이루어지는, 교정용 외부 하우징과 가요성 호스를 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 몇 가지의 핵심 연소 변수에 대한 측정을 하나의 현장 전위차 고체전해질 센서내에 결합시킴으로써 가연물 센서의 능력을 향상시키는 것이다.

또 다른 목적은 기준 가스(공기) 유동을 가연물 센서의 하나(기준 공기 센서)의 전극에 공급하거나 또는 그것을 밀봉형 O₂센서와 조합하여 사용함으로써 기존의 변동 가연물 센서를 복합 O₂+ CO 센서로 변환하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 필터형 NO 센서와 조합하여 사용함으로써 복합 (NO_X+ CO) 센서로 변환될 수 있는 센서를 제공하는 것이다. 더욱이, 센서는 필터형 NO_X센서와 조합하여 유통형(또는 밀봉형) O₂센서를 사용함으로써 복합 (O₂+ NO_X+ CO) 센서로 변환될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 바람직하지 않은 방출을 최소화하고 연소기 운전을 최적화하기 위해 연도 가스 성분의 농도 수준을 동시에 모니터링하고 측정하는 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.

도 1a 및 도 1 b는 본 발명을 실시하고 가스 가연물의 수준을 나타내는 신호를 발생시키도록 배치된 고체전해질 센서를 갖는 보일러의 일 예를 도시하는 도면,

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제 1 실시예, 상세하게는 일 세트의 전극을 구비한 산소/가연물 센서를 합체한 가스 검출용 탐침의 단면도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 2 실시예, 상세하게는 한 세트의 전극(한쪽 단부가 폐쇄되어 있음)을 구비한 산소/가연물 센서를 합체한 가스 탐지용 탐침의 단면도,

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 제 3 실시예, 상세하게는 두 세트의 전극을 구비한 복합 O₂+ NO_X+ CO 센서를 도시하는 단면도,

도 5는 조립과 설치를 향상하기 위한 가요성 부품을 갖는 본 발명의 가스 검출용 탐침을 도시하는 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 연소기102 : 센서

104 : 가스 덕트106 : 연소 장치

108 : 화염 포락선110 : 후염 구역

112 : 연소기 출구114 : 연소기 벽

202 : 셀204 : 내측 전극

206 : 외측 전극212 : 연도 가스

218 : 실220 : 하우징

222 : 개구

본 발명은 동력 보일러 및 화석연료 연소기를 포함하는 다수의 연소 응용예에 채용될 수 있다. 일 방식에 있어서, 본 발명은 전위차 모드에서 작동하는 하나의 공통 현장 센서를 사용하여 산소, NO_X및 가스 가연물의 동시적 모니터링 및/또는 측정을 제공한다. 이러한 센서들은 연소 최적화의 효과적인 툴로서 필요한 연소 변수의 프로파일링과 매핑을 제공하기 위해 서로 그룹을 이룰수 있다.

임의의 연소 장치의 안정적이고 능률적 운전이라는 목적을 달성하기 위해서는, 여러 연소 변수들과 이들의 상이한 연소 구역내에서의 분포 프로파일에 대한 연속적인 온라인 모니터링을 달성하는 것이 유용하다. 이러한 모니터링이 효과적으로 달성될 때, 연료와 공기 유동간의 최적 관계, 개별 공기 유동 및 재연소 연료 유동의 최적 분배 및 그 외의 보일러 조정의 최적화를 달성하도록 후염(post-flame) 연소 제어뿐만 아니라 개별 버너가 조정될 수 있어, 연소기의 효율을 현저하게 증가시킬 수 있다.

연소기내의 산소 농도를 모니터링하는 현장 산소 센서(in-situ oxygen sensor)를 채용하는 것이 공지되어 있다. 일반적으로, 이러한 센서는 고체전해질[예컨대, 산화이트륨(Y₂O₃) 안정 산화지르코늄(ZrO₂)(YSZ)] 요소의 양측상에 서로 인접하여 배치된 한 쌍의 다공성 금속(예컨대, 백금) 전극을 채용하며, 이 전극중의 하나(기준 전극)는 소정의 산소 농드를 갖는 가스로 둘러싸이며, 다른 하나의 전극(검출용 전극)은 모니터링되는 가스에 노출된다. 이러한 센서에 있어서, 고체전해질 요소가 충분한 온도(예컨대, 600℃)까지 가열되면, 고형전해질 요소는 산소 이온에 투과 가능하게 된다. 그러므로, 산소 분자의 농도가 한 쪽의 전극에서 다른 쪽보다 크게 될 때, 산소 이온은 한 쪽의 전극에서 다른 쪽으로 옮겨가게 되며, 전극은 산소 분자가 산소 이온으로 될 수 있는 촉매 표면으로서 기능한다. 산소 이온의 이 유동과 각각이 전극에서 일어나는 이온화/탈이온화에서 기인하는 전자 불균형이 전극 사이에 고체전해질 재료의 온도와 2개의 전극에서의 산소의 분압의 비율의 함수인 전압을 발생시킨다. 2개의 전극간에 발생된 전압은 다음과 같이 소위 "네른스트(Nernst)" 식으로 규정된다.

E = (RT/4F)×Ln(P1/P2) + C

여기서, E는 출력 전압이고, T는 센서의 절대온도이고, R은 일반 기체 상수이고, F는 패러데이 상수이고, P1은 기준 가스내의 산소의 분압이고, P2는 모니터링된 가스내의 산소의 분압이고, C는 각 개별 센서에 대한 상수이며, Ln(P1/P2)는 P1/P2 비의 자연로그이다.

알수 있는 바와 같이, 네른스트 식에서의 변수는 단지 E, T, P1 및 P2이다. 기준 가스내의 산소의 분압(P1)이 일정하게 유지되는 경우, 이러한 종래 기술의 센서에 의해 출력된 신호(E)는, (1) 측정된 가스내의 산소의 분압(P2)의 변화와, (2) 센서의 온도(T)의 변화에 의해서만 영향을 받는다. 전압(E)의 값에 대한 센서의 온도(T)의 영향을 없앰으로써, 이러한 센서의 의해 출력된 전압(E)은 단지 P2 값의 변화에 대해서만 응답하며, 따라서 측정된 가스에서의 산소의 농도의 정확한 지표로서 사용될 수 있다[예컨대, E = f(P2)]. 출력된 전압(E)의 값에 대한 네른스트형 가스 센서의 온도(T)의 영향은 통상 2개의 기술 중 하나를 사용하여 제거된다. 그 중 하나의 기술에 의하면, 히터가 센서내에 제공되며, 히터는 센서를 일정 온도(T)로 유지하기 위해 선택적으로 기동된다. 다른 하나의 기술에 의하면, 열전대(thermocouple)가 센서의 온도(T)를 측정하기 위해 센서내에 배치되며, 전압(E)은 온도(T) 변화를 보상하도록 조정된다. 본 명세서에 사용된 용어 "온도 조절 장치(temperature control device)"는 회로, 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 임의의 조합을 말하며, 상기 기술된 2개의 기술 중의 어느 하나를 사용하여, 출력된 전압(E)에 의한 네른스트형 가스 센서의 온도(T)의 영향을 없애도록 채용된다.

적어도 하나의 다공성 촉매 전극(예컨대, 다공성 백금 전극)을 채용하는 네른스트형 가스 센서에 있어서, 가스 가연물이 적절한 조건 하에서 촉매 전극과 접촉하게 되면, 이들은 연소형 반응에서 산소와 화학적으로 결합되어 불연성 부산물을 형성하게된다. 예를 들면, 2개의 일산화탄소 분자(2CO)는 하나의 산소 분자(O₂)와 결합하여 2개의 이산화탄소 분자(2CO₂)(예컨대, 2CO + O₂= 2CO₂)를 형성하거나, 또는 2개의 수소 분자(2H₂)가 전극에서 하나의 산소 분자(O₂)와 결합되어 2개의 물분자(2H₂O)(예컨대, 2H₂+ O₂= 2H₂O)를 형성한다. 본 명세서에 사용된 용어 "가스 가연물(gaseous combustible)"은 연소형 반응에서 산소와 화학적으로 결합될 수 있는 임의의 가스 분자를 말한다. 가스 가연물과 산소간의 촉매 전극에서의 이 화학 반응 때문에, 가스 가연물의 수준의 증가가 추가의 산소 분자를 전극 부근에서 소모시켜, 전극에서 산소 농도를 감소시키고 이에 상응하게 센서에 의해 출력된 전압을 변화시키게 된다. 마찬가지로, 전극 부근의 가스 가연물 수준의 감소가 산소 분자를 전극 부근에서 보다 적게 소모시켜, 전극에서 산소 농도를 증가시키고 이에 상응하게 센서에 의해 출력된 전압을 변화시킨다.

연소기의 후염 구역(post-flame zone)(이하에 설명됨)내의 연도 가스(flue gas)에 있어서, 일산화탄소(CO)가 일반적으로 가장 우세하게 존재하는 가스 가연물이다. 실제로, 일산화탄소는 연도 가스내에 존재하는 가스 가연물의 95% 이상을 차지한다. 그러므로, 연소기의 연도 가스를 검출하는 네른스트형 가스 센서로부터의 출력 신호가 그 내에 존재하는 CO의 수준에 대한 신뢰성 있는 지표로서 기능할 수 있다.

네른스트형 가스 센서로부터의 신호는 2개의 성분, 즉, (1) 강도("DC 성분")와, (2) 변동 주파수("AC 성분")를 포함한다. 네른스트 식에 의하면, DC 성분은 센서 온도와 분석된 기준 공기내의 산소 농도를 포함하는 몇 가지의 파라미터의 함수이다. DC 성분은 O₂농도를 판정하기 위한 이들 센서를 채용하는 시스템에서의 중요한 성분이 된다. 변동 AC 성분은 무익한 노이즈로 생각되기 때문에 보통 산소 센서의 출력 신호로부터 제거된다. 센서 요소가 후염 구역 외부에 있고 표본 연도 가스가 외부 센서로 추출되고 전달되는 추출 구조와 같은, 현장 설치되지 않는 센서에 있어서, 지연이 도입되어 변동 AC 성분의 정확성이 현저하게 손상되고 다수의 경우 실제로 손실된다. 따라서, 변동 성분은 일반적으로 이러한 시스템에서 거의 사용되지 않는 것으로 고려된다.

이론적 분석에 의해 뒷받침되는 보일러의 실험 테스트가 현장 산소 센서의 변동 AC 성분이 연소 효율의 지표로서 사용될 수도 있음을 입증했다. 이 논제는, 예컨대 (1) 미국 시카고 소재의 미국 전력 협의회(American Power Conference)의, 케신 엠 제이(Khesin, M.J.)와 존슨 에이 제이(Johnson, A.J.)에 의한 "연소 제어: 새로운 환경 차원(Combustion Control: New Environmental Dimension)"이라는 명칭의 1993년 논문과, (2) 테프로에넷게티카(Teploennetgetika)의, 케신 엠 제이(Khesin, M.J.)와 이반토토프 에이 에이(Ivantotov, A. A)에 의한 "연소 지표로서의 연도 가스 산소의 변동(Fluctuations of Flue Gas Oxygen as Indicator of Combustibles)"이라는 명칭의 1978년 5월 논문의 2개의 논문에 논의되어 있으며, 이들 각 논문은 본 명세서에 참조로서 인용된다. 이들 논문에 논의된 바와 같이, 고체전해질 현장 산소 센서에 의해 발생된 출력 신호는 이러한 신호의 변동 AC 성분을 가스 가연물과 연관시킴으로써 가스 가연물을 모니터링하는데 사용될 수 있다.

상기 참조된 참조문헌 (1)과 (2)에 기술된 현상을 실용적이고 유용한 방식으로 이용하기 위해서는, 중대한 기술적 난관이 극복되어야 한다. 이러한 난관에는, 높은 운전 온도(예컨대, 800℃ 이상), 센서 전극의 촉매 능력의 점진적 감소, 결과의 불일치 및 이러한 결과를 얻는데 사용된 신호 처리 알고리즘의 불확실성 등이 있다. 본 발명은, 개선되고 보다 다양한 용도의 센서 설계와, 연소기내의 가스 가연물을 모니터링하기 위한 효과적이고 보편적인 방법 및 장치를 제공함으로써, 이들 난관을 극복한다.

본 발명의 일 응용예에 있어서, 하나 이상의 고체전해질 가스 센서(102)가 연도 가스의 산소 농동의 변동을 측정하기 위해 연소기(100)의 후염 구역(도 1a와 관련하여 하기에 설명함)내의 연도 가스 유동내에 배치된다. 이들 센서에 의해 측정된 변동은 가스 가연물의 실시간 수준과 관련되는 있는 값을 연산하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 각 센서는 고체전해질(예컨대, YSZ) 요소와 이에 결합된 적어도 2개의 금속, 바람직하게는 다공성의(예컨대, 백금) 전극을 구비한다. 본 발명의 일 관점에 의하면, 전극 중의 적어도 하나는 연도 가스내의 구성 가스 분자를 모니터링하기 위해 연도 가스와 유체 연통하고 있다. 적어도 하나의 다른 하나의 전극은 연도 가스와 직접 유체 접촉하지 않도록 격리되어 있고 기준 가스내에 담겨질 수 있다. 모니터링될 가스는 예컨대 산소, CO, NO_X또는 그 외의 가연성 가스일 수 있다. 예로서, 연도 가스로부터 격리된 전극은 기준 가스, 예컨대 공기내에 담겨진다. 또한, 다른 전극이 연도 가스와 연통하며 산소의 농도를 모니터링하거나 또는 산소의 농도에 근거하여 그 외의 가스의 농도를 판정하기 위한 시스템에 접속된다. 이 방식에 있어서, 연도 가스내의 산소 농도가 제 1 수준으로부터 제 2 수준으로 변하는 경우, 연도 가스 전극에서의 산소 농도가 제 1 수준으로부터 제 2 수준으로 변하는 비율은, 일단 변화하면, 격리된 전극에서의 산소 농도가 제 1 수준으로부터 제 2 수준으로 변하는 비율과는 다르다. 즉, 각 전극은 그 전극에서 산소 농도가 얼마나 빨리 연도 가스와 격리된 기준 환경의 새로운 산소 농도로 상승하거나 떨어지는 지를 결정하는 시상수가 있도록 형성되고 배치된다.

시상수를 포함하는 임의의 다수의 상이한 관계가 각 전극에서의 산소 농도와 각각의 환경에서의 산소 농도 사이에 존재하며, 본 발명은 임의의 특정한 유형의 관계에 한정되지는 않는다. 전극에서의 산소 농도와 각각의 환경에서의 산소 농도 사이의 관계의 일 예로서 다음과 같이 시상수 Tc를 포함하는 지수 관계가 있다.

C_E= C_C+ ΔC_C*(1-e^-t/Tc).

여기서, C_E는 전극에서의 산소 농도이고, C_C는 환경세서의 산소 농도이고, ΔC_C는 환경에서의 산소 농도의 변화이고, e는 지수 연산자이고, t는 산소 농도의 변화가 일어난 이후 경과된 시간이며, Tc는 전극에 특정한 시상수이다.

전극은 2개의 전극의 시상수(Tc)가 상이한 경우의 상이한 정도만큼 그들의각각의 환경과 유체 연통하고 있다. 전극은 그들의 시상수(Tc)가 서로 상이하도록 임의의 다수의 방식으로 형성 및/또는 배치될 수 있으며, 본 발명은 이를 달성하기 위해 임의의 특별한 기술에 한정되지는 않는다. 다양한 도시적 실시예에 있어서, 예를 들면, 이 목적은 전극의 형태, 재료 및/또는 특성에서 상이한 전극을 채용함으로써 단순히 달성될 수도 있다. 예를 들면, 전극은 다른 기하학적 형태를 가질 수도 있고, 상이한 다공성을 갖는 재료로 코팅될 수도 있고, 상이한 재료로 코팅될 수도 있으며 및/또는 상이한 양의 재료(예컨대, 다공성의 고온 에폭시)로 코팅될 수도 있다.

전극이 상이한 시상수(time constant)를 갖도록 형성되고 배치되는 경우, 전극간에 측정된 전위는 AC 및 DC 성분의 양자를 표시하기보다는 주로 측정된 가스내의 산소 농도의 변동 AC 성분을 표시하거나, 센서 쌍 중의 하나가 소정의 산소 농도를 갖는 가스로 둘러싸이는 상기 기술된 종래기술의 센서로 행해진 것과 같이, 주로 DC 성분을 표시한다. 전극의 시상수간의 적합한 차이를 구성하는 것은 응용예마다 다를 수 있으며, 본 발명은 시상수간의 임의의 특별한 차이에 한정되지는 않는다. 여러 실시예에 있어서, 예컨대, 전극의 시상수는 수 밀리세컨드(예컨대, 2밀리세컨드)에서 몇 분(예컨대, 10분) 사이의 어떤 값만큼 서로 다를 수 있다.

본 명세서에 기술된 신규한 센서 형태는, 이 센서가 또한 다수의 다른 유형의 가스, 예컨대, 일산화탄소(CO), 산화질소(NO_X) 등을 검출하는 응용예에 사용될 수 있으므로, 산소 농도를 모니터링하는 응용예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 현장 산소 센서로부터의 출력 신호는 신호 분석기, 예컨대 프로그램된 컴퓨터에 전달되며, 그곳에서 신호는 분석되고 연소 조건과 연관되는 하나 이상의 연소 파라미터를 발생시키는데 사용된다.

일 방식에 있어서, 센서 신호 출력은 출력 범위를 공지된 가스 농도와 연관시키도록 분석된다. 예를 들면, 특별한 응용예와 특별한 연료의 경우, 특별히 중요한 NO_X의 범위는 는 0 내지 550ppm의 NO_X가 될 수도 있다. 이로부터, 센서를 공지된 양의 NO_X에 노출시키고 측정된 출력 전압 응답(예컨대, ㎷)을 공지된 NO_X농도와 매핑함으로써 응답 곡선이 확립될 수 있다. 마찬가지로, 0 내지 10%의 산소 범위의 경우, 센서는 공지된 산소 농도에 노출될 수 있고 그에 따른 전압 응답 곡선이 목적하는 응용예에 수용된 신호의 처리시에 적용된다. 마찬가지로, 0 내지 1000ppm의 CO 범위의 경우, 전압 응답 곡선이 확립되고 목적하는 응용예에서의 측정된 농도의 처리시에 적용된다. 주어진 설계에 준한 센서가 본질적으로 동일하게 행동하는 것이 바람직할지라도, 특별한 센서를 설계 응답 곡선에 따르게 하기 위해, 현장에서 또는 현장 외에서 약간의 조정 또는 오프셋이 필요할 수도 있다. 가스 농도 범위들에 대한 약간의 예가 제공되지만, 범위는 특별한 연소기 응용예 또는 구조, 운전 모드 및 특정 사용 연료에 크게 의존한다.

일 실시예에 있어서, 출력 신호는 극함수(아래에 설명됨)를 생성하기 위해 신호의 주파수 영역 진폭 스펙트럼을 사용하여 주파수 영역에서 처리되며, 하나 이상의 연소 파라미터가 그렇게 하여 생성된 하나 이상의 극함수의 특성에 근거하여연산된다. 다른 실시예에 있어서, 신호는 선택된 시구간 도중의 신호를 표시하는 시간 영역의 하나 이상의 특성을 분석함으로써 시간 역역(아래에 설명됨)에서 처리된다. 또 다른 실시예에 있어서, 신호는 주파수 및 시간 영역 양자에서 처리되며 각 영역에서의 연산 결과가 결합되어 하나 이상의 연소 파라미터를 산출하게 된다. 그러면 가스 가연물의 수준은, 예컨대 제어된 가스내의 온도, 산소의 수준 및/또는 가연물에 의존하는 제한 조건과 함께, 이들 연산된 연소 파라미터의 조합을 사용하여 추정될 수 있다. 이들 제한 조건은, 예컨대 센서 신호의 DC 성분으로부터 결정될 수도 있다. 산소 센서로부터의 신호를 처리하여 주파수 및/또는 시간 영역에서 연소 파라미터를 산출하는 신규한 기술과 관련된 본 발명의 이 관점이, 상기 기술된 기준 가스로 하나의 전극을 둘러싸는 종래 기술의 산소 센서와 함께, 또는 상기 기술된 적어도 2개의 전극이 공통의 가스 환경과 각각 유체 연통하는 산소 센서와 함께, 또는 가스(예컨대, 산소) 또는 다른 유체의 농도를 표시하는 변동 AC 성분을 포함하는 신호를 발생시키는 임의의 다른 유형의 센서와 함께 채용될 수 있다.

하나의 센서가 사용되는 경우, 센서는 피분석 가스가 센서와 접촉하는 특별한 점에서 가스 가연물의 수준을 나타내는 신호를 발생시킨다. 이러한 하나의 센서로부터의 신호는 소형의 산업용 단식버너 연소기의 운전이 최적상태가 되게 하는 충분한 양의 정보를 제공할 수 있다. 몇 개의 센서가 연소기의 연도 가스 유동에(예컨대, 폭을 가로질러서) 삽입되는 경우, 센서의 출력은 연소기내의 가스 가연물의 분포 프로파일을 표시한다. 이러한 프로파일은 연소기 균형설정 및 최적화를 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 개개의 버너 및/또는 후염 연소 시스템은 최적균형의 연소 조건이 달성되었다는 것을 반영할 때까지 발생된 프로파일을 변경하도록 조정될 수 있다. (1) 이러한 최적 균형의 연소 조건이 달성될 때 프로파일이 어떻게 나타나는가와, (2) 개개의 버너 및/또는 후염 연소 시스템이 상이한 프로파일의 양상에 어떻게 영향을 미치는 가에 대한 이해는 경험적 측정을 통해 얻어질 수 있다. 이 보일러 균형설정 및 최적화는 대형의 버너 연소 시스템에서 특히 유용하다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 연소기(100)의 단면과, 후염 구역내에서 유동하는 고온의 연도 가스 흐름을 모니터링하기 하기 위한 연소기(100)의 후염 연도 가스 덕트(104)의 폭을 가로질러 배치된 몇 개의 현장 산소 센서(102)의 전형적인 예가 도시되어 있다. 센서(102)는, 예컨대, 연도 가스내의 산소의 농도(및/또는 농도 변화)를 측정하는 고체전해질 센서일 수 있거나, 또는 연도 가스내에 존재하는 하나 이상의 다른 유형의 가스의 농도(및/또는 농도 변화)를 나타내는 신호를 발생시킬 수 있는 임의의 다른 센서일 수 있다. 실제로, 임의의 수의 센서(102)가 연도 가스 덕트(104)의 폭을 가로질러(바람직하게는, 일렬로) 설치될 수도 있다. 센서는 또한 수직으로 배향된 열, 또는 격자형 방식 또는 그 외의 효과적 패턴으로 배열될 수도 있으며, 가스 가연물의 분포 프로파일을 모니터링하기 위해 덕트내로 여러 깊이로 연장될 수 있다.

일부 실시예에 있어서, 연소기(100)의 높이는 100피트, 200피트, 또는 심지어 300피트 이상일 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 연소기(100)는 연료와 공기를 혼합하여 연소기(100) 내부에 화염 포락선(flame envelope)(108)내에 화염을발생시키는 다수의 연소 장치[예컨대, 연소 장치(106)]를 구비할 수 있다. 연소 장치는 다수의 유형의 화염발생 장치 중 어느 것일 수도 있으며, 본 발명은 특정한 유형의 연소 장치에 한정되지는 않는다. 예컨대, 일 실시예에 의하면, 연소 장치는 버너(예컨대, 가스연소형 버너, 석탄연소형 버너, 석유연소형 버너 등)를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 버너는 임의의 방식으로 배치될 수 있으며, 본 발명은 임의의 특정한 배치에 한정되지 않는다. 예를 들면, 버너는 벽연소형, 대향연소형, 우각연소형(tangential-fired) 또는 사이클론 배치로 설치될수 있으며, 다수의 별개의 화염, 공통의 화구(fireball), 또는 그 조합 등을 발생시키도록 배치될 수 있다. 변형예로서, 소위 "스토커(stoker)"로 불리는 이동형 또는 진동형 화상(grate)을 포함하는 연소 장치는 화염을 발생시키기 위해 연소기(100) 내부에 채용될 수도 있다.

미국 메사추세츠주 퀸시 소재의 전국 방화 협회(National Fire Protection Association; NFPA)에서, 1991년 8월 6일 발간한 "NFPA 85C, 미국 국가 표준"이라는 명칭의 정기 간행물 85면 11칼럼에 규정된 바와 같이, "화염(flame)"은 연료와 공기를 연소 생성물로 급속히 전환시키는 화학 작용의 가시적 또는 다른 물리적 증거"를 말하며, "화염 포락선"은 "연료와 공기를 연소 생성물로 전환시키는 개별 작용의 경계(반드시 가시적이지는 않음)"를 말한다.

도 1a를 참조하면, 연소기(100)내의 연소 장치(106)가 활발하게 연료를 태우는 경우, (1) 화염 포락선(108)과, (2) 출구(112) 쪽으로 약간의 거리를 두고 있는 화염 포락선(108)의 외측 구역인 소위 "후염(post-flame)" 구역(110)의, 2개의 별개의 위치가 연소기(100)내에 확인될 수 있다. 화염 포락선(108)의 외부에서, 고온의 연소 가스와 연소 생성물은 난류 유동으로 밀려나갈 수 있다. 일괄적으로 "연도 가스"로 지칭되는 이들 고온 연소 가스와 생성물은 화염 포락선(108)으로부터 연소기(100)의 출구(112)를 향해 진행한다. 물 또는 다른 유체(도시되지 않음)가 연소기(100)의 벽[예컨대, 벽(114)]을 관통해 흐를 수 있으며, 이 곳에서 이들은 가열되고 증기로 전환되어, 에너지를 발생시키도록, 예컨대 터빈을 구동하도록 사용될 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 센서(102)는 연소기(100)의 후염 구역(110)내에 위치한다. 그러나, 본 발명은 이 점에 한정되지 않으며, 변형예로서 센서(102)는 가혹한 고온 환경에 견디도록 구성되는 경우 화염 포락선(108)내에 배치될 수도 있다.

상기 언급된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 센서와 기준 전극을 가로지르는 전압차가 가스 가연물의 농도를 측정하도록 분석될 수 있는 변동하는 성분을 포함한다. 이 상관 관계에 대한 이유는 다음과 같다고 생각된다. 개별 버너 화염은 화염 포락선 내부와 그 둘레에 다양한 크기의 다수의 소용돌이를 포함한다. 이들 소용돌이는 연료와 공기 제트의 경계에서의 난류적 혼합의 결과로서 흔히 볼수 있는 화염의 명멸을 여러 빈도에서 발생시키게 된다. 이 소용돌이는 연소 작용으로 변환되고, 노 출구(112)의 방향으로 이동한다. 전체 연소 난류가 대규모의 소용돌이로부터 보다 작은 소용돌이로의 분자 수준까지의 에너지전달의 과정을 반영한다. 혼합 작용의 속도와 그에 따른 이들 난류 활동의 강도가 연소 안정성을 결정하며 가스 가연물의 형성과 소멸의 과정에 직접 관련된다. 이들 혼돈적인 난류 활동의 대부분은 화염 포락선(108)내에서 시작되어 발생한다.

일부 난류 활동은 후염 구역(110)의 연도 가스 유동내에서 일어난다. 그러나, 연소 운동학과 관련된 작은 소용돌이(예컨대, 소규모 고빈도의 난류)는 빨리 소산되는 경향이 있으며 일반적으로 후염 구역(110)에 도달하지 못한다. 일반적으로, 큰 소용돌이(예컨대, 대규모 저빈도의 난류)만이 후염 구역(110)내에 존재한다. 이 저빈도 난류가 연소 변수(예컨대, 연소하지 않은 탄소와 그 외의 가연물의 양), 특히 과연소(overfire) 공기와 재연소와 같은 후염 연소 제어 시스템에 의해 영향을 받는 제 2 연소 작용과 관련된 변수를 반영한다. 연도 가스 덕트(104)내를 통과하는 고온 연도 가스의 난류 흐름은 가스 가연물을 포함한 불완전 연소 생성물을 가지고 있다. 상기 언급된 바와 같이, 이들 가스 가연물은 비교적 큰 소용돌이로서 난류인 연도 가스 유동내에서 이동한다. 가스 가연물을 함유하는 이러한 소용돌이는 산소의 농도가 매우 낮다. 센서(102) 부근에서 촉매와 고온(예컨대, 900 내지 1500℉ 사이의 온도)이 존재하는 것과 같은 적합한 조건이 일어날 때마다. 가스 가연물은 연소되고 센서 부근의 산소 농도가 감소된다. 센서의 전극 부근에서의 산소 농도의 이러한 변동이 센서(102)에 의해 출력된 신호에 펄스를 발생시킨다. 이들 펄스의 주파수와 진폭은 피분석 연도 가스 유동내에 존재하는 가스 가연물의 수준을 특징으로 한다.

센서 출력 신호와 가스 가연물의 수준 사이의 관계는, 운전 연소 파라미터, 물리적 파라미터 및 화학 작용을 포함한 여러 요인에 의해 영향 받을 수 있다. 이 다변수 작용을 보다 정확하게 모니터링하기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 2개 이상의 수학적으로 상이한 신호를 처리하는 알고리즘이 센서의 의해 출력된 신호를 동시에 분석하기 위해 채용되며, 몇 개의 알고리즘의 결과가 조합된다.

상기 기술된 유형의 가스 센서로부터의 수용된 정보와 신호를 처리하는 방법 및 알고리즘의 예가 미국 특허 제 6,277,268 호에 개시되어 있으며, 상기 특허의 전체 개시 내용이 본 명세서에 참조로서 인용된다. 상기 특허는 본 명세서에 기술된 센서 실시예와 함께 적용될 수 있는, 신호 처리 시스템과 시간 영역 및 주파수 영역에서 수행되는 신호 처리 연산을 개시한다. 그러나, 본 발명의 가스 센서는 본 명세서 또는 상기 특허에 기술된 처리 시스템에 사용되는 것에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 가스 센서의 유익한 사용으로부터 얻어질 수 있는 정보를 실현하고 평가하기에 적합한 임의의 시스템에 사용될 수 있다.

비제한적인 예로서 제공되어 있는 도면의 예시적 가스 센서 실시예를 참조하면, 도 2a 및 도 2b는 연소 시스템 용도의 본 발명을 합체한 센서 요소(200)의 단면을 도시한다. 상세하게는, 복합 O₂+ CO 센서(200)는 다음과 같이 배치된다. 고체전해질(예컨대, 산화지르코늄) 셀(202)은, 내측 전극(204)과 외측 전극(206)과 상응하는 리드(208, 210)를 구비한 한 세트의 전극을 갖는다. 셀은 처리 가스(212)의 흐름내에, 피분석 가스 자체에 의해 또는 추가 히터 또는 다른 에너지원에 의해 제공되는 필요 고온 조건(대체로 900 내지 1500℉ 범위)에 설치된다. 일 배치예에 있어서, 셀(202)은 개방된 튜브의 형태로 제조된다. 보다 작은 튜브(214)가 기준 가스(예컨대, 공기)의 공급부에 접속되어 기준 가스를 셀에 공급하고, 개방 단부의 경우 기준 가스 도관은 셀을 통과하며 기준 가스(공기)는 셀(202)을 통해 흐른다. 이 형태는 "유통형(flow-thru)" 센서로 불린다. 튜브(214)는 셀(202)의 고체전해질 재료와 양립하는 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 이 튜브는 셀내에 형성된 검출 챔버 내측에 일정한 농도의 O₂를 제공하도록 개구(216)를 갖는다. 내측 튜브(214)와 셀(202) 사이의 간극은 고온 실, 밀봉 링 또는 밀봉 접착제(218)에 의해 셀의 단부에서 완전히 밀봉되어야 하며, 이 실은 또한 센서의 열팽창에 대하여 양립하여야 한다.

구성 가스, 예컨대 산소를 측정할 때, 셀 내외의 약간의 누출이 센서 작용에 해가 될 수 있는데, 예컨대, 이것은 O₂측정 결과를 심하게 왜곡시킬 수 있다. 이것이, (a) 내측 튜브가 적절히 밀봉되고, (b) 측정 결과에 대한 잠재적 누출의 영향을 방지하도록 센서가 설계되어야 하는 것을 확보하는 것이 왜 중요한 가에 대한 이유가 된다. O₂측정시, 상기에 기술된 바와 같은 네른스트 식을 사용하는 처리가 사용된다. CO 측정의 경우, 상기에 또한 상기 특허에 기술된 일반적 방법이 사용될 수 있다. CO 농도는 시간 영역 및/또는 주파수 영역을 사용하여 분석될 수도 있다. CO 농도를 판정하기 위해 변동 성분을 처리하도록 선택된 형태는, 연소기 유형, 연료 유형 및 소망되거나 요구되는 정확성 수준과 같은 몇 가지의 요인에 의존할 수도 있다. 단순한 연소기 또는 CO 측정에 고수준의 정밀성 또는 감도가 요구되지 않는 일부 상황에 있어서, 예컨대 신호 변동(AC 성분)의 표준편차를 연산하는 단순한 처리가 허용될 수도 있다.

현장 센서는 몇 가지의 설계 특징을 갖는다. 일 실시예에 있어서, 셀(202)은 충분히 길게(예컨대 3 내지 5인치 길이까지) 제조되며, 전극(204, 206)은 그 중앙 섹션(대략, 총길이의 1/4)에 배치된다. 셀의 단부 섹션은 보다 효과적인 기밀 밀봉을 제공하고 또한 누설이 발생하는 경우에도 누설이 피분석 처리 가스의 흐름에 의해 휩쓸려가는 조건을 생성하도록 전극에 의해 덮이지 않는 것이 바람직하다. 이를 위해, 일 실시예에 있어서, 처리 가스가 외측 전극(206)에 접근하는 것을 제공하는 중앙 개구(222)와 잠재적 누출에 대한 추가적 통풍을 생성하는 단부 개구(224, 226)의 3개의 개구를 구비한 외부 하우징(220)내로 설치된다. 도 2b는 개구(216, 222)와 전극(204, 206)을 따라서 취한 단면도이다. 부식과 퇴적을 방지하기 위해, 개구(222 내지 226)는 유입하는 연도 가스 유동으로부터 비켜나 있어야 한다. 밀봉 재료(218)가 다공성 전극(예를 들면 백금으로 제조된 다공성 전극)과 접촉하지 않는 것이 또한 중요하다.

추가 튜브(228)가 교정(calibration) 목적을 위해 하우징(220) 내측에 제공된다. O₂농도가 불변인 교정 가스가 외부로부터 외측 전극(206)으로 공급될 수 있거나, 또는 피분석 가스의 표본이 기준 가스 분석기로 배출될 수 있다. 열전대(230)는 온도 모니터링, 조절 및/또는 보상을 위해 사용되도록 셀(202) 부근에 배치된다.

본 발명을 합체한 복합 O₂+ CO 가스 센서(300)의 제 2 실시예를 도시하는 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 고체전해질 셀(302)은 한쪽 단부가 폐쇄되어 있고, 내측 전극(304)과, 상응하는 리드(308, 310)를 구비한 외측 전극(306)의 유사한 전극 세트를 갖는다. 셀은 필요 고온 조건에서 처리 가스 흐름(312)내에 설치된다. 이 구조에 있어서 기준 가스(공기)는 튜브(314)를 통해 공급된다. 보호 슬리브(322)는 처리 가스가 외측 전극(306)에 도달할 수 있게 하는 측면 개구(316) 또는 단부 개구(318)를 가질 수 있다. 고체전해질 셀(302)은 어댑터(324)에 브레이즈 용접되는 금속 요소(320)에 장착되어 접합된다. 마운트(320)가 또한 외측 리드(310)와의 전기적 접속을 제공한다.

마운트(320)는 셀(302)의 재료와 양립하는 열팽창 계수를 갖는 재료로 제조된다. 기준 가스(공기)는 튜브(314)를 거쳐 셀(302)의 내부에 공급되고 보호 슬리브(322)를 통해 빠져나간다. 셀(302)은 보호 슬리브(322)에 장착되며 어댑터(324)에 의해 밀봉된다.

추가 튜브(328)가 교정 목적을 위해 조립체 내부에 제공된다. O₂+ CO의 농도가 불변인 교정 가스는 셀(302)의 외측 전극(306)에 공급될 수 있거나, 또는 피분석 처리 가스의 표본이 기준 가스 분석기로 배출될 수 있다. 도 3b는 개구(316)와 전극(304, 306)을 따라서 취한 단면도이다. 열전대(326)는 온도 모니터링, 조절 또는 보상을 위해 사용되도록 측정 셀 부근에 배치된다.

본 발명의 다른 관점에 의하면, 가연물 센서는 밀봉형 O₂센서(밀봉형 O₂+ CO 센서)를 사용하여 복합 O₂+ CO 센서로 구성되거나 변환된다. 밀봉형 O₂센서의 일례로서 미국 메사추세츠주 월담(Waltham) 소재의 파나메트릭스인코포레이티드(Panametrics, Inc.)에 의해 제조되는 FGA411 모델이 있다. 이러한 밀봉형 O₂센서는 기준 가스의 사용을 필요로 하지 않는다. 이 경우 센서 구조는, 기준 공기의 공급이 없으며 전극이 밀봉되지 않고 내측 기준 센서를 실현하기 위한 매체 또는 재료에 의해 둘러싸여 있다는 것만을 제외하고는, 기본적으로 도 3a의 센서와 동일하다.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 가연물 센서는 필터형 NO_X센서와의 조합을 사용함으로써 복합 CO + NO_X센서로 구성되거나 변환될 수 있다. 센서는 2개의 측정용 전극과 하나의 공통 기준 전극을 구비한 하나의 공통 고체전해질 셀을 갖는다. CO의 영향을 없애기 위해 CO를 CO₂로 산화시키기에 적합한 재료로 제조된 다공성의 얇은 필터가 측정용 전극 중의 하나 위에 설치된다. 이 전극은 혼합 전위 모드에서 작용하며 NO_X를 측정하는데 사용된다. 혼합 전위 모드에서의 작용과 NO_X분석에 사용되는 필터 장치의 예가, 오하이오 주립대학 2001년 발간 니콜라스 스자보(Nicholas Szabo) 등의 "가혹 환경에서의 산화질소 판정용 미공성 제올라이트 개질 산화이트륨 아정 산화지르코늄 센서(Microporous Zeolite Modified Yttria Stabilized Zirconia Sensor For Nitric Oxide Determination In Harsh Environments)"와, 고상 이온 장치 Ⅱ - 세라믹 센서 전기화학 학회의 2001년판 2000-32, 298-304의 에릭 왁스만(Eric Wachsman) 등의 "상이한 전극 평형에 의한 NO_X의 선택적 검출(Selective Detectin of NO_xBy Differential ElectrodeEquilibria)"의 참조문헌에 기술되어 있으며, 이들은 본 명세서에 참조로서 인용된다. 상기 기술된 바와 같이 다른 하나의 측정용 전극이 변동 CO 센서로서 작용한다. 그 결과, CO + NO_X의 2개의 신호가 하나의 전위차 고체전해질 센서에서 발생된다. 이 구조에 있어서, 센서는 연속적인 기준 공기 공급을 필요로 하지 않는다.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 상기 기술된 복합 O₂+ CO 센서는 상기 기술된 필터형 NO_X센서를 조합함으로써 복합 O₂+ NO_X+ CO 센서로 변환될 수 있다. 이러한 센서의 "유통(flow-thru)" 형태가 도 4a 및 도 4b에 개략적으로 도시되어 있다. 센서(400)는 하나의 공통 기준 전극(404)과, 상응하는 접속 리드(A, B, C)를 구비한 2개의 측정용 전극(406, 408)의 2세트의 전극을 갖는 셀(402)을 구비한다. 기준 가스(예컨대, 공기)가 공급 튜브(414)내의 개구(416)를 거쳐 전극(404)을 둘러싸는 밀봉된 공간에 전달된다. 이 공간은 셀(402)에 의해 부분적으로 규정되며 도 2a에 도시된 것과 유사한 고온 실 또는 밀봉재(418)에 의해 격리되어 있다. 도 4b는 전극(404, 406)을 따라서 취한 단면도이다.

예컨대 상기 인용된 참조문헌에 기술된 바와 같이, CO를 산화시켜 CO의 영향을 실제로 없앨 수 있는 재료로 이루어진 다공성의 얇은 필터(410)가 측정용 전극(408) 위에 설치된다. 도 4c는 전극(404, 408)과 필터(410)를 따라서 취한 단면도이다. 이 전극은 혼합 전위 모드에서 작용하며 NO_X를 측정하는데 사용된다. 다른 하나의 전극은, 도 2a와 도시되고 상기에 기술된 바와 같이, 네른스트 센서로서 작용하고 O₂+ CO 센서로서 사용된다. 이 센서는 연속적인 기준 공기의 공급을 필요로 한다. 그 결과, O₂+ NO_X+ CO의 3개의 신호 모두가 하나의 전위차 고체전해질 센서에서 발생된다.

NO_X판정과 관련하여, 센서는 특별한 형태 또는 응용예에 적합하도록 결정된 NO_X농도 범위를 커버하도록 상기 기술된 방식으로 기대 응답 곡선을 확립하도록 필터형 전극으로부터 측정된 전압과 공지된 NO_X농도 사이의 관계에 근거하여 사전에 교정(calibration)되어야 한다. 특별한 센서와 처리 기능은 특정 센서를 공지된 NO_X농도에 노출시키고 센서 응답을 기대 또는 설계 응답 곡선에 보다 가깝게 정렬되도록 조정함으로써 현장에서 또는 현장 외에서 더 교정될 수 있다.

본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 현장 고체전해질 센서(502)에는 도 5에 도시된 바와 같이 그 포장, 조립, 설치 및 유지를 용이하게 하도록 가요성 스테인리스 호스 또는 재킷(504)이 설치된다. 기존의 현장 연소 센서는 20 내지 30피트 또는 그 이상의 길이가 될 수 있다. 이러한 센서는 통상 현장에서 조립되었으며, 이들의 조립, 운송, 삽입 및 철수가 곤란했다. 가요성 호스를 사용함으로써 공장에서 센서의 완전한 조립 및 테스트가 가능하다. 현장에서 센서는 용이하게 조립되어 영구 지지 튜브내로 삽입될 수 있다. 현장 조립 도중의 손상의 위험이 없어지며, 제거 및 교체가 단순해진다. 센서의 총중량이 30% 이상 감소된다. 가요성 구조는 또한 센서가 한정된 공간에 위치하는 경우과 같이 신체적 접근이 곤란한 위치에 센서를 설치하고 재설치하는 것을 용이하게 한다.

상기 기술은 많은 세부사항과 특이사항을 포함하지만, 이것들은 단지 설명을 위해 포함되었으며, 본 발명의 제한으로서 해석되어서는 안되다는 것을 유념하기 바란다. 하기의 특허청구범위와 그 법적 등가물에 의해 포함되도록 의도된, 상기 기술된 실시예에 대한 다수의 변형예가 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 행해질 수 있다.

본 발명에 의한, 연소기에 의해 발생된 연도 가스내의 가스 농도를 모니터링하기 위한 시스템내의 가스 센서에 의하면, 연도 가스내에 포함된 가연물 가스, 산화질소, 일산화탄소 등과 같은 가스의 농도를 판정하여, 연소기 운전을 최적상태로 할 수 있어, 연소기 효율을 향상시킬 수 있고 연도 가스내에 원하지 않는 가스의 농도를 최소로 할 수 있다.

Claims (10)

1. 연소기(100)에 의해 발생된 연도 가스내의 가스 농도를 모니터링하기 위한 시스템내의 가스 센서(102)에 있어서,

   상기 연소기의 후염(post-flame) 구역(110)내의 연도 가스 흐름내에 배치되고 상기 연도 가스(212)와 유체 연통하는 적어도 하나의 개구(222)를 갖는 외측 쉘(220)과,

   상기 외측 쉘내에 배치된 고체전해질 셀(202)과,

   상기 전해질 셀과 협동하여 상기 연도 가스와 격리된 검출 챔버를 형성하는 적어도 하나의 실(seal)(218)과,

   상기 검출 챔버내에 배치되고 상기 연도 가스와 직접 접촉하지 않도록 상기 연도 가스로부터 격리되어 있는 제 1 전극(204)과,

   상기 외측 쉘내에 배치되고 상기 연도 가스와 유체 연통하도록 적어도 하나의 개구 부근에 위치되는 제 2 전극(206)으로서, 상기 제 1 및 제 2 전극에 걸쳐 발생된 전압이 적어도 2개의 조건을 표시하는, 상기 제 2 전극을 포함하는

   가스 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 외측 쉘내에 배치되고 상기 연도 가스와 유체 연통하는 제 3 전극(408)을 더 포함하며, 상기 제 3 전극은 상기 연도 가스내의 목적 가스의 농도를 검출하기 위해 상기 제 1 및 제 2 전극 중의 하나와 협동하고, 상기 목적 가스는 산소, 일산화탄소 및 산화질소로 구성되는 그룹 중의 하나인

   가스 센서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 3 전극은 상기 목적 가스의 측정 농도의 정확성을 향상시키도록 상기 연도 가스내의 제 2 가스와 작용하여 상기 제 2 가스의 영향을 없애는 필터(410)에 의해 적어도 부분적으로 덮여있는

   가스 센서.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 전극은 제 1 목적 가스의 농도를 표시하는 제 1 신호를 발생시키고 상기 제 2 및 제 3 전극은 제 2 목적 가스의 농도를 표시하는 제 2 신호를 발생시키며, 상기 제 1 및 제 2 목적 가스 각각은 산소, 일산화탄소 및 산화질소로 구성되는 그룹 중의 하나인

   가스 센서.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 신호 중의 하나가 제 3 목적 가스의 농도를 판정하기 위해 더 분석될 수 있는

   가스 센서.
6. 제 1 항에 있어서,

   제 1 및 제 2 전극에 의해 검출된 각각의 가스 농도를 표시하는 전기 신호가 발생되고, 상기 신호는 연소 파라미터를 산출하는 하나 이상의 시간 또는 주파수 영역에서 상기 시스템에 의해 처리되는

   가스 센서.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 전기 신호는 하나 이상의 변동 AC 성분과 DC 성분인

   가스 센서.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 연소기는 보일러, 로 및 가스 터빈으로 구성되는 그룹 중의 하나인

   가스 센서.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 연소기는 연도 가스를 발생시키는 버너(106)를 구비하며, 상기 버너는 가스연소형 버너, 석탄연소형 버너, 석유연소형 버너 및 화석연료연소형 버너로 구성되는 그룹 중의 하나인

   가스 센서.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 전극은 다공성의 촉매 재료로 제조되는

    가스 센서.