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JPH0249657B2 - - Google Patents
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JPH0249657B2 - - Google Patents

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JPH0249657B2
JPH0249657B2 JP58193845A JP19384583A JPH0249657B2 JP H0249657 B2 JPH0249657 B2 JP H0249657B2 JP 58193845 A JP58193845 A JP 58193845A JP 19384583 A JP19384583 A JP 19384583A JP H0249657 B2 JPH0249657 B2 JP H0249657B2
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gas
oxygen
measured
concentration
partial pressure
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Makoto Noda
Takeshi Kajita
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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、酸素分圧若しくは濃度の測定方法及
びその装置に係り、特に酸素イオン伝導性のある
固体電解質の両側に電極を設けてなる酸素センサ
の複数を用いて、測定対象ガスの流れから、その
測定深さ方向がそれぞれ異なる個所の酸素分圧若
しくは濃度を測定するようにした方法並びにその
装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method and apparatus for measuring oxygen partial pressure or concentration, and in particular to a method and apparatus for measuring oxygen partial pressure or concentration, in particular, using a plurality of oxygen sensors each having electrodes on both sides of a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. The present invention relates to a method and an apparatus for measuring oxygen partial pressure or concentration at different locations in the measurement depth direction from the flow of a gas to be measured.

従来から、ジルコニア等の、高温において酸素
イオン伝導性のある固体電解質を用いて、電気化
学反応を利用した酸素濃淡電池の原理により、製
鋼における各種の炉、その他の工業炉、ボイラー
等から排出される燃焼排ガス中の酸素濃度(酸素
分圧)を検知し、それら炉、ボイラーの燃焼状態
を制御することが知られている。
Conventionally, the principle of oxygen concentration batteries that utilize electrochemical reactions using solid electrolytes such as zirconia that conduct oxygen ions at high temperatures has been used to reduce the amount of gas discharged from various steelmaking furnaces, other industrial furnaces, boilers, etc. It is known to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the combustion exhaust gas and control the combustion status of those furnaces and boilers.

ところで、この種の酸素センサとしては、所定
形状のジルコニア固体電解質の両面に多孔質の白
金電極をそれぞれ設け、そして一方の側の電極を
標準比較ガスとしての大気に接触せしめて、基準
酸素濃度(分圧)の基準電極とする一方、他方の
側の電極を測定対象ガスである燃焼排ガス中にさ
らして、測定電極としており、それら基準電極と
測定電極との間の酸素濃度(分圧)の差に基づく
起電力を測定することにより、測定対象ガス中の
酸素濃度(分圧)を測定しているのである。な
お、そのような二つの電極の間に生ずる起電力:
Eは、ネルンストの式と言われる次式(1)にて示さ
れるものである。
By the way, in this type of oxygen sensor, porous platinum electrodes are provided on both sides of a zirconia solid electrolyte of a predetermined shape, and the electrode on one side is brought into contact with the atmosphere as a standard comparison gas to obtain a reference oxygen concentration ( The oxygen concentration (partial pressure) between the reference electrode and the measurement electrode is used as the reference electrode, while the other side electrode is exposed to the combustion exhaust gas, which is the gas to be measured, and is used as the measurement electrode. By measuring the electromotive force based on the difference, the oxygen concentration (partial pressure) in the gas to be measured is measured. Furthermore, the electromotive force generated between such two electrodes:
E is expressed by the following equation (1), which is called the Nernst equation.

E=−RT/nF×2.303 ×logPo2(S)/Po2(A) ……(1) 但し、R:気体定数 T:絶対温度 n:電子数 F:フアラデー定数 Po2(S):測定対象ガス中の酸素分圧 Po2(A):標準比較ガス中の酸素分圧 である。 E=-RT/nF×2.303×logPo 2 (S)/Po 2 (A) ……(1) However, R: Gas constant T: Absolute temperature n: Number of electrons F: Faraday constant Po 2 (S): Measurement Oxygen partial pressure in target gas Po 2 (A): Oxygen partial pressure in standard comparison gas.

そして、かかる(1)式のうち、R,T,n,F,
Po2(A)は定数として取り扱えるところから、
起電力:Eを測定することによつて、測定対象ガ
ス中の酸素分圧:Po2(S)を求めることが出来
るのである。
Then, among the equation (1), R, T, n, F,
Since Po 2 (A) can be treated as a constant,
By measuring the electromotive force: E, the oxygen partial pressure: Po 2 (S) in the gas to be measured can be determined.

また、かかる(1)式は、酸素濃度に関して、下記
(2)式のように書き換えることが可能である。
In addition, regarding the oxygen concentration, equation (1) is as follows:
It is possible to rewrite equation (2) as shown below.

E=−0.0469×T× logO2(%,S)×P(S)/O2(%,A)×P(
A)……(2) 但し、O2(%,S):測定対象ガス中の酸素濃
度 P(S):測定対象ガスの圧力 O2(%,A):標準比較ガス中の酸素濃
度 P(A):標準比較ガスの圧力 である。
E=-0.0469×T× logO2 (%, S)×P(S)/ O2 (%, A)×P(
A)...(2) However, O 2 (%, S): Oxygen concentration in the measurement target gas P (S): Pressure of the measurement target gas O 2 (%, A): Oxygen concentration in the standard comparison gas P (A): Pressure of standard comparison gas.

ところで、このような電気化学反応を利用した
従来からの酸素センサの測定対象となる、炉の燃
焼排ガスの如き測定対象ガスは、煙道等の通路の
中では層状に流れており、このため測定点の深さ
によつて、酸素濃度の値が大きく異なることが認
められている。そして、このために、従来にあつ
ては、煙道の略中央部分の一点で酸素濃度を測定
していたのである。けだし、中央部分は、流速が
速いところから、燃焼排ガスの大半が中央部を通
ると考えれば、燃焼排ガスの酸素濃度の代表値を
測定していることになると考えられたからであ
る。しかしながら、このような従来からの手法で
は、燃焼排ガスにおける酸素濃度の変化の傾向は
把握出来るものの、酸素濃度を正確に求めること
は困難であつたのである。
By the way, the gas to be measured, such as furnace combustion exhaust gas, which is the measurement target of conventional oxygen sensors that utilize such electrochemical reactions, flows in a layered manner in passages such as flues, so it is difficult to measure. It is recognized that the value of oxygen concentration varies greatly depending on the depth of the point. For this reason, conventionally, the oxygen concentration has been measured at one point in the approximate center of the flue. However, given that most of the combustion exhaust gas passes through the central part because the flow velocity is high in the central part, it was thought that the representative value of the oxygen concentration of the combustion exhaust gas was being measured. However, with such conventional methods, although trends in changes in oxygen concentration in combustion exhaust gas can be grasped, it is difficult to accurately determine oxygen concentration.

因みに、燃焼排ガスの圧力:P(S)は、例え
ば、炉が高負荷運転であるか、低負荷運転である
かによつても異なり、また炉の形式によつても異
なるのである。従つて、空気の圧力:P(A)が
一定であれば、前記(2)式の中でP(S)が変化す
ることであるから、起電力:Eの値が変化するこ
とになり、その故O2(%,S)が変わらなくて
も、ネルンストの式にそつてEの値から求めた酸
素濃度:O2(%,S)は、変動することとなるの
である。
Incidentally, the pressure of combustion exhaust gas: P(S) differs depending on, for example, whether the furnace is operated under high load or low load, and also differs depending on the type of furnace. Therefore, if the air pressure: P(A) is constant, P(S) changes in the above equation (2), so the value of the electromotive force: E changes, Therefore, even if O 2 (%, S) does not change, the oxygen concentration: O 2 (%, S) determined from the value of E according to Nernst's equation will change.

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景に
して為されたものであつて、その目的とするとこ
ろは、測定対象ガスの流れから、その酸素分圧、
ひいては酸素濃度をより正確に測定することが出
来る方法並びに装置を提供することにある。
The present invention has been made against this background, and its purpose is to calculate the oxygen partial pressure from the flow of the gas to be measured.
Another object of the present invention is to provide a method and apparatus that can more accurately measure oxygen concentration.

そして、かかる目的を達成するために、本発明
にあつては、酸素イオン伝導性のある固体電解質
の一方の側に測定対象ガスに接触せしめられる測
定電極を有し、且つ他方の側に基準酸素分圧若し
くは濃度の標準比較ガスに接触せしめられる基準
電極を有する酸素センサを、該測定対象ガスの流
れに対してその深さ方向に所定の距離を隔てて複
数個配置せしめる一方、前記標準比較ガスを該各
酸素センサの前記基準電極部分に、前記測定対象
ガスの流れ内に連続的に放出されて該測定対象ガ
スの圧力と略等しい圧力に維持される前記標準比
較ガスの供給管を通じて、連続的に供給せしめ
て、測定深さ方向がそれぞれ異なる個所における
酸素分圧若しくは濃度を前記各酸素センサにて測
定するようにしたものである。
In order to achieve this object, the present invention has a measurement electrode that is brought into contact with the gas to be measured on one side of the solid electrolyte that has oxygen ion conductivity, and a reference oxygen source on the other side. A plurality of oxygen sensors each having a reference electrode that is brought into contact with a standard comparison gas having a partial pressure or concentration are arranged at a predetermined distance in the depth direction with respect to the flow of the gas to be measured; to the reference electrode portion of each oxygen sensor through a supply tube of the standard comparison gas which is continuously discharged into the flow of the gas to be measured and maintained at a pressure substantially equal to the pressure of the gas to be measured. Oxygen partial pressure or concentration at different locations in the measurement depth direction is measured by each of the oxygen sensors.

従つて、かくの如き本発明手法によれば、測定
対象ガスに対して測定深さ方向がそれぞれ異なる
個所における酸素分圧若しくは濃度が効果的に求
められ、そしてそれらの測定値に基づいて、従来
の如き測定対象ガスの流れの中の一点における代
表値を測定する場合に比較して、酸素分圧若しく
は濃度のより正確な値を求めることが出来ること
となつたのである。
Therefore, according to the method of the present invention, the oxygen partial pressure or concentration of the gas to be measured at different locations in the measurement depth direction can be effectively determined, and based on these measured values, This makes it possible to obtain more accurate values of the oxygen partial pressure or concentration than when measuring a representative value at one point in the flow of the gas to be measured.

また、本発明にあつては、かかる手法の実施の
ために、(a)測定対象ガスの流れに対してその深さ
方向に挿入、設置せしめられる一方、連続的に導
入される基準酸素分圧若しくは濃度の標準比較ガ
スを、放出口より該測定対象ガスの流れ内に連続
的に放出せしめて、管内の標準比較ガスの圧力が
該測定対象ガスの圧力に略等しくなるように構成
した1本の主管と、(b)酸素イオン伝導性のある固
体電解質とその一方の側に設けられた測定電極と
他方の側に設けられた基準電極とを有し、該測定
電極が前記主管外を流れる測定対象ガスに接触せ
しめられる一方、該基準電極が該主管内を流通さ
せられる標準比較ガスに接触せしめられるよう
に、該主管の管壁に、管軸方向に所定の距離を隔
てて取り付けられた複数個の酸素センサとを含
み、それら複数個の酸素センサによつて、測定深
さ方向のそれぞれ異なる個所における酸素分圧若
しくは濃度を測定するようにした装置が、好適に
用いられるのである。
In addition, in the present invention, in order to implement such a method, (a) a reference oxygen partial pressure that is inserted and installed in the depth direction of the flow of the gas to be measured, and that is continuously introduced; Or a pipe configured to continuously discharge a standard comparison gas of concentration into the flow of the gas to be measured from the discharge port so that the pressure of the standard comparison gas in the pipe is approximately equal to the pressure of the gas to be measured. (b) a solid electrolyte with oxygen ion conductivity, a measuring electrode provided on one side thereof, and a reference electrode provided on the other side, the measuring electrode flowing outside the main pipe. The reference electrode is attached to the wall of the main pipe at a predetermined distance in the pipe axis direction so that it is brought into contact with the gas to be measured, and the reference electrode is brought into contact with a standard comparison gas flowing through the main pipe. A device that includes a plurality of oxygen sensors and that measures oxygen partial pressure or concentration at different locations in the measurement depth direction using the plurality of oxygen sensors is preferably used.

以下、本発明を更に具体的に明らかにするため
に、図面を参照しつつ、その構成を詳細に説明す
ることとする。
Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, its configuration will be explained in detail with reference to the drawings.

まず、第1図において、1は主管であり、この
主管1には、所定間隔で複数個の酸素センサがそ
の破損を防止するための酸素センサカバー2の内
側に取り付けられている。また、この酸素センサ
を主管1に取り付けるために、かかる酸素センサ
カバー2の対応する主管1部分には、センサ裏蓋
3が設けられ、酸素センサは、かかるセンサ裏蓋
3を取り外して、主管1に対して脱着が自在に行
なわれ得るようになつている。なお、これら酸素
センサは、主管1に対して、その管軸方向に所定
距離隔てて配置せしめられることとなるが、その
配置間隔としては、一般に50cm以上が採用され、
例示の装置では1m間隔で設けられている。そし
て、このような主管1は、その先端部に設けられ
た酸素センサが測定対象ガスの流れの略中心部以
上に達する長さの一体的なパイプ材料にて構成さ
れているのである。
First, in FIG. 1, 1 is a main pipe, and a plurality of oxygen sensors are attached to the main pipe 1 at predetermined intervals inside an oxygen sensor cover 2 for preventing damage to the oxygen sensors. In addition, in order to attach this oxygen sensor to the main pipe 1, a sensor back cover 3 is provided on the main pipe 1 portion corresponding to the oxygen sensor cover 2, and the oxygen sensor can be attached to the main pipe by removing the sensor back cover 3. It is designed so that it can be attached and detached freely. Note that these oxygen sensors are arranged at a predetermined distance from the main pipe 1 in the pipe axis direction, and the arrangement interval is generally 50 cm or more.
In the example device, they are spaced 1 m apart. The main pipe 1 is made of an integral pipe material having such a length that the oxygen sensor provided at its tip reaches approximately the center of the flow of the gas to be measured.

また、かかる主管1内には、標準比較ガスとし
ての空気が、図示しない絞り弁を介して、微量の
導入量において比較的高い圧力の空気通路から連
続的に導入されるようになつており、更にこのよ
うにして導入された主管1内の空気は、該主管1
の先端部に設けられた空気放出口4から連続的に
放出されるようになつている。さらに、主管1の
基部には、取付フランジ5及び端子箱8が取り付
けられている。
In addition, air as a standard comparison gas is continuously introduced into the main pipe 1 in a small amount through a relatively high pressure air passage through a throttle valve (not shown). Furthermore, the air introduced in this way into the main pipe 1
Air is continuously released from an air release port 4 provided at the tip of the air. Furthermore, a mounting flange 5 and a terminal box 8 are attached to the base of the main pipe 1.

そして、かかる主管1は、ボイラーの煙道等の
測定点において、測定対象ガスである燃焼排ガス
の流れの中へ挿入、設置せしめられることとなる
のである。すなわち、図示の如く、主管1は、炉
壁7に設けられた炉壁フランジ6に取付フランジ
5によつて取り付けられるのである。なお、端子
箱8には配線、配管孔9が設けられており、配
線、配管は、第1図には図示されていないが、適
宜に行なわれている。
The main pipe 1 is then inserted and installed into the flow of combustion exhaust gas, which is the gas to be measured, at a measurement point such as a flue of a boiler. That is, as shown in the figure, the main pipe 1 is attached to a furnace wall flange 6 provided on a furnace wall 7 by a mounting flange 5. Note that the terminal box 8 is provided with wiring and piping holes 9, and although the wiring and piping are not shown in FIG. 1, they are properly performed.

また、第2図には、かかる主管1に対する酸素
センサの取付け形態が示され、更に第3図には、
かかる酸素センサの構造の一例が拡大して示され
ている。これらの図において、酸素センサとして
のジルコニアセンサ11は、その基部においてセ
ンサ留金具13に固定された状態で、第2図に示
される如く、主管1に設けられた所定の取付け位
置に、その円筒内が主管1内に連通するように開
口せしめられて、センサ押え金具14にて気密に
取り付けられているのである。なお、このジルコ
ニアセンサ11の取付け、取外しは、前述の如
く、主管1に設けられたセンサ裏蓋3を取り外し
て行なわれることとなる。また、かかるジルコニ
アセンサ11の外側には、ダストの通過を防止す
るためのフイルター10が取り付けられており、
その外側に設けられた酸素センサカバー2によつ
て、かかるフイルター10及びジルコニアセンサ
11の破損が防止され得るようになつている。さ
らに、酸素センサとしてのジルコニアセンサ11
の起電力を検査するための校正ガス管12が設け
られており、かかる校正ガス管12を通じて供給
される校正ガスが、ジルコニアセンサ11の測定
対象ガスに接触せしめられる側の面に供給され、
これによつて、かかるセンサの起電力が検査され
るようになつている。
Further, FIG. 2 shows how the oxygen sensor is attached to the main pipe 1, and FIG. 3 shows the following:
An example of the structure of such an oxygen sensor is shown enlarged. In these figures, a zirconia sensor 11 as an oxygen sensor is fixed to a sensor fastener 13 at its base, and its cylindrical body is mounted at a predetermined mounting position provided in the main pipe 1, as shown in FIG. The inside is opened so as to communicate with the inside of the main pipe 1, and the sensor holding fitting 14 is used to airtightly mount the sensor. The zirconia sensor 11 is attached and detached by removing the sensor back cover 3 provided on the main pipe 1, as described above. Furthermore, a filter 10 is attached to the outside of the zirconia sensor 11 to prevent dust from passing through.
The oxygen sensor cover 2 provided on the outside of the filter 10 and the zirconia sensor 11 can be prevented from being damaged. Furthermore, a zirconia sensor 11 as an oxygen sensor
A calibration gas pipe 12 is provided for testing the electromotive force of the zirconia sensor 11, and the calibration gas supplied through the calibration gas pipe 12 is supplied to the side of the zirconia sensor 11 that is brought into contact with the gas to be measured.
This allows the electromotive force of such a sensor to be tested.

また、かかるジルコニアセンサ11の如き酸素
センサは、高温において酸素イオン伝導性のある
固体電解質の一方の側に測定電極、他方の側に基
準電極をそれぞれ設けたものである。なお、この
固体電解質には、従来からの電気化学反応を利用
した酸素センサにおいて用いられている固体電解
質の何れもが使用可能であり、例えば、酸化ジル
コニウムに酸化カルシウムを固溶させたもの、酸
化ジルコニウムに酸化イツトリウムを固溶させた
もの、酸化トリウムに酸化イツトリウムを固溶さ
せたもの、酸化セリウムに酸化ランタンを固溶さ
せたもの等がある。また、かかる固体電解質の形
状としては、第3図に示される如き有底円筒状
(試験管状)の他、平板状、円筒状等を採用する
ことが出来、センサの構造に応じて適宜に選択さ
れることとなる。
Further, an oxygen sensor such as the zirconia sensor 11 has a measurement electrode on one side and a reference electrode on the other side of a solid electrolyte that has oxygen ion conductivity at high temperatures. Note that any of the solid electrolytes used in conventional oxygen sensors that utilize electrochemical reactions can be used as this solid electrolyte, such as solid electrolytes with calcium oxide dissolved in zirconium oxide, Examples include those in which yttrium oxide is dissolved in zirconium, those in which yttrium oxide is dissolved in thorium oxide, and those in which lanthanum oxide is dissolved in cerium oxide. In addition, the shape of the solid electrolyte can be a cylinder with a bottom (test tube shape) as shown in FIG. It will be done.

そして、このような所定形状の固体電解質に対
して、その一方の側の面に燃焼排ガス等の測定対
象ガスが接触せしめられる一方、その他方の側の
面には、基準酸素分圧若しくは濃度の標準比較ガ
ス、通常大気(空気)が接触せしめられることと
なるが、固体電解質が円筒乃至は有底円筒形状で
ある場合においては、一般に、その外側表面に測
定対象ガスが接触せしめられる一方、その内側表
面が大気に接触せしめられるように構成されるこ
ととなるのである。
Then, one side of the solid electrolyte having a predetermined shape is brought into contact with the gas to be measured such as combustion exhaust gas, while the other side is exposed to the reference oxygen partial pressure or concentration. The standard comparison gas, usually the atmosphere (air), is brought into contact with it, but if the solid electrolyte is cylindrical or has a cylindrical shape with a bottom, the gas to be measured is generally brought into contact with the outer surface of the solid electrolyte. The inner surface will be configured to be in contact with the atmosphere.

また、かかる固体電解質のそれぞれの側の面に
設けられる測定電極及び基準電極としては、何れ
も、従来からの酸素センサに設けられているもの
と同様な多孔質の金属電極であり、一般に白金電
極が好適に用いられるが、その他、白金・ロジウ
ム合金、白金・パラジウム合金、銀、白金・銀合
金等の金属材料にて形成されるものであつても何
等差支えない。また、このような多孔質の金属電
極の上には、所定のセラミツクの被覆が施されて
いる場合もある。なお、第3図に例示のジルコニ
アセンサ11においては、測定電極としての外側
電極16及び基準電極としての内側電極18は、
何れも白金にて形成されている。
Furthermore, the measurement electrodes and reference electrodes provided on each side of the solid electrolyte are porous metal electrodes similar to those provided in conventional oxygen sensors, and are generally made of platinum electrodes. is preferably used, but other metal materials such as platinum/rhodium alloy, platinum/palladium alloy, silver, platinum/silver alloy, etc. may be used without any problem. Further, such a porous metal electrode may be coated with a certain ceramic. In the zirconia sensor 11 illustrated in FIG. 3, the outer electrode 16 as the measurement electrode and the inner electrode 18 as the reference electrode are as follows.
Both are made of platinum.

そして、かかるジルコニアセンサ11は、セン
サ留金具13に気密に固定されており、その外側
電極16が、外側電極接続部17によつて、セン
サ留金具13と電気的に導通せしめられるように
なつており、また内側電極18からの電気信号
は、外側電極接続部19を介してリード線20に
導かれ、該リード線20によつて取り出されるよ
うになつているのである。
The zirconia sensor 11 is hermetically fixed to the sensor clasp 13, and its outer electrode 16 is electrically connected to the sensor clasp 13 through the outer electrode connecting portion 17. Furthermore, the electrical signal from the inner electrode 18 is guided to a lead wire 20 via the outer electrode connecting portion 19 and taken out by the lead wire 20.

なお、ジルコニアセンサ11の内側には、電気
ヒータ15が支持体22によつて取り付けられ、
電気ヒータリード線21を通じての電力の供給に
よつて、かかる電気ヒータ15が、ジルコニアセ
ンサ11(より具体的には固体電解質)を所定の
温度、一般に約500℃以上の温度に加熱せしめる
ようになつている。
Note that an electric heater 15 is attached to the inside of the zirconia sensor 11 with a support 22.
By supplying power through the electric heater lead wire 21, the electric heater 15 heats the zirconia sensor 11 (more specifically, the solid electrolyte) to a predetermined temperature, generally about 500° C. or higher. ing.

従つて、かかる構成の装置にあつては、主管1
の長手方向に所定間隔で取り付けられた4個のジ
ルコニアセンサ11は、測定対象ガスの流れの中
で、その深さ方向がそれぞれ異なる個所におい
て、かかる測定対象ガスに接触せしめられること
となるのである。すなわち、測定対象ガスの流れ
内に挿入、設置された主管1に取り付けられた各
ジルコニアセンサ11は、酸素センサカバー2及
びフイルター10を通過した測定対象ガスに対し
て、その測定電極16において接触せしめられる
こととなり、一方主管1内には、標準比較ガスと
しての空気が主管1の先端の放出口4に向かつて
流されているところから、かかるジルコニアセン
サ11の内側電極18には、空気が接触せしめら
れることとなり、これによつて、酸素センサとし
ての4個のジルコニアセンサ11からは、個別に
起電力が得られることとなるのである。そして、
このジルコニアセンサ11の起電力と酸素分圧、
ひいては酸素濃度との関係はネルンストの式で得
られ、前記(1)乃至は(2)式で示されるところから、
この起電力の値を用いて、酸素分圧、ひいては酸
素濃度を求めることが出来るのである。
Therefore, in a device with such a configuration, the main pipe 1
The four zirconia sensors 11 installed at predetermined intervals in the longitudinal direction of the sensor are brought into contact with the gas to be measured at different depths within the flow of the gas to be measured. . That is, each zirconia sensor 11 attached to the main pipe 1 inserted and installed in the flow of the gas to be measured is brought into contact with the gas to be measured that has passed through the oxygen sensor cover 2 and the filter 10 at its measurement electrode 16. On the other hand, inside the main pipe 1, air as a standard comparison gas is flowing toward the discharge port 4 at the tip of the main pipe 1, so that the air comes into contact with the inner electrode 18 of the zirconia sensor 11. As a result, electromotive force can be obtained individually from the four zirconia sensors 11 as oxygen sensors. and,
The electromotive force and oxygen partial pressure of this zirconia sensor 11,
Furthermore, the relationship with oxygen concentration can be obtained from the Nernst equation, and from the above equations (1) and (2),
Using the value of this electromotive force, the oxygen partial pressure and eventually the oxygen concentration can be determined.

因みに、かかる例示の装置において、主管1に
設けられた4個のセンサを、その取付け側基部か
ら先端に向かつてS1,S2,S3,S4とした場合にお
いて、これらS1,S2,S3,S4からの起電力から求
まる酸素濃度の実測データを、模式的に図示すれ
ば、第4図のようになるのである。なお、第4図
においては、その左側部分が、高負荷運転時にお
ける燃焼排ガスの流れに対する測定深さ方向がそ
れぞれ異なる個所の酸素濃度を示しており、また
右半分が、低負荷運転時における燃焼排ガス中の
各位置での酸素濃度をそれぞれ示している。この
第4図から明らかなように、炉の燃焼排ガスは煙
道の中で層状に流れており、測定点の深さによつ
て、酸素濃度の値は大きく異なつているのであ
る。そして、炉の燃焼排ガスは、煙道の中央部分
において、流速が速くなつているのである。それ
故、S1,S2,S3,S4の値のうち、煙道の中央部分
の値を加重して平均値を出すことにより、換言す
れば各酸素センサの測定値を、流量を基準にして
加重平均することにより、燃焼排ガス中の酸素濃
度をより正確に求めることが出来るのである。な
お、煙道内の流速が略均一な場合は、各測定値を
単純平均することにより、酸素分圧、ひいては酸
素濃度を正確に求めることが出来る。
Incidentally, in this exemplary device, when the four sensors provided in the main pipe 1 are designated S 1 , S 2 , S 3 , and S 4 from the base on the installation side toward the tip, these S 1 , S If the measured data of oxygen concentration determined from the electromotive force from 2 , S 3 and S 4 is schematically illustrated, it will be as shown in FIG. In addition, in Fig. 4, the left side shows the oxygen concentration at different measurement depths with respect to the flow of combustion exhaust gas during high-load operation, and the right half shows the oxygen concentration at different measurement depths with respect to the flow of combustion exhaust gas during high-load operation. The oxygen concentration at each location in the exhaust gas is shown. As is clear from FIG. 4, the combustion exhaust gas from the furnace flows in a layered manner in the flue, and the oxygen concentration value varies greatly depending on the depth of the measurement point. The flow velocity of the combustion exhaust gas from the furnace increases in the center of the flue. Therefore, among the values of S 1 , S 2 , S 3 , and S 4 , by weighting the values in the center of the flue and calculating the average value, in other words, the measured value of each oxygen sensor is By performing a weighted average using a reference, the oxygen concentration in the combustion exhaust gas can be determined more accurately. Note that when the flow velocity in the flue is substantially uniform, the oxygen partial pressure and, by extension, the oxygen concentration can be accurately determined by simply averaging each measured value.

ところで、燃焼排ガスの圧力は、炉の燃焼状
態、或いは炉の形式等によつて異なる。そして、
標準比較ガスとしての空気の圧力:P(A)が一
定であれば、前記(2)式の中で、測定対象ガスたる
燃焼排ガスの圧力:P(S)が変化することとな
るものであるところから、起電力:Eの値が変化
することとなり、それ故燃焼排ガス中の実際の酸
素濃度が変わらなくても、ネルンストの式にそつ
て該Eの値から求めた酸素濃度:O2(%,S)
は、変動するようになるのである。
Incidentally, the pressure of the combustion exhaust gas varies depending on the combustion state of the furnace, the type of the furnace, etc. and,
If the pressure of air as the standard comparison gas: P(A) is constant, the pressure of combustion exhaust gas, which is the gas to be measured, P(S) will change in the above equation (2). From this, the value of the electromotive force: E changes, so even if the actual oxygen concentration in the combustion exhaust gas does not change, the oxygen concentration: O 2 ( %,S)
will begin to fluctuate.

しかしながら、本発明にあつては、主管1内を
流通せしめられる標準比較ガスとしての空気は、
その先端の空気放出口4から連続的に放出され
る、一般に僅かに放出される構成となつていると
ころから、主管1内の空気の圧力は、測定対象ガ
スの圧力と略釣り合うこととなるのである。な
お、空気が主管1の放出口4から僅かに放出され
るのであるから、測定対象ガスの圧力より空気の
圧力は極くわずかにプラス圧であるが、これは測
定上の許容誤差として無視することが出来るので
ある。そして、前記(2)式の中で、測定対象ガスの
圧力:P(S)が変化しても、空気の圧力:P
(A)がかかるP(S)と釣り合うように変化する
ので、測定対象ガスの圧力変化によつて起電力:
Eの値は変化せず、これによつて、測定対象ガス
中の酸素濃度:O2(%,S)を正しく求めること
が出来るのである。
However, in the present invention, air as a standard comparison gas that is made to flow through the main pipe 1 is
The air pressure inside the main pipe 1 is approximately balanced with the pressure of the gas to be measured because the air is continuously released from the air release port 4 at the tip of the main pipe 1, and generally only a small amount is released. be. Note that since a small amount of air is released from the outlet 4 of the main pipe 1, the air pressure is only slightly higher than the pressure of the gas to be measured, but this is ignored as a measurement tolerance. It is possible. In equation (2) above, even if the pressure of the gas to be measured: P(S) changes, the air pressure: P
Since (A) changes in balance with P(S), the electromotive force is:
The value of E does not change, and as a result, the oxygen concentration: O 2 (%, S) in the gas to be measured can be determined correctly.

以上、本発明の方法並びに装置について、図示
した一つの装置について詳しく述べてきたが、本
発明が、かかる例示の具体例にのみ限定して解釈
されるものでは決してなく、本発明の趣旨を逸脱
しない限りにおいて、本発明には当業者の知識に
基づいて種々なる変更、修正、改良等を加え得る
ものであり、そして本発明は、そのような実施形
態のものをも何れも含むものであること、言うま
でもないところである。
Although the method and apparatus of the present invention have been described in detail with respect to one illustrated apparatus, the present invention is by no means to be construed as being limited to such specific example, and it is not intended to deviate from the spirit of the present invention. Unless otherwise specified, the present invention may be subject to various changes, modifications, improvements, etc. based on the knowledge of those skilled in the art, and the present invention includes all such embodiments; It goes without saying.

例えば、前例においては、主管1は1本の一体
的なパイプにて構成されているが、これを複数個
のパイプ部分を接続することによつて1本の主管
と為すことも可能であり、また1本の主管に代え
て、複数本の標準比較ガスの供給管を用いて、そ
れぞれの酸素センサに標準比較ガスが供給される
ようにしても、何等差支えないのである。
For example, in the previous example, the main pipe 1 is composed of one integral pipe, but it is also possible to form one main pipe by connecting multiple pipe parts, Furthermore, instead of one main pipe, a plurality of standard comparison gas supply pipes may be used to supply the standard comparison gas to each oxygen sensor.

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

第1図は本発明に係る装置の一例を示す外観図
であり、第2図はかかる装置の酸素センサ設置部
分を示す縦断面図であり、第3図は酸素センサ部
分のみを取り出して示す拡大断面説明図であり、
第4図は4個の酸素センサからの起電力から求め
られた酸素濃度の実測データを模式的に示すグラ
フである。 1:主管、2:酸素センサカバー、3:センサ
裏蓋、4:空気放出口、7:炉壁、10:フイル
ター、11:ジルコニアセンサ、12:校正ガス
管、13:センサ留金具、14:センサ押え金
具、15:電気ヒータ、16:外側電極、18:
内側電極、20:リード線、22:支持体。
FIG. 1 is an external view showing an example of a device according to the present invention, FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the oxygen sensor installation part of the device, and FIG. 3 is an enlarged view showing only the oxygen sensor part. It is a cross-sectional explanatory diagram,
FIG. 4 is a graph schematically showing measured data of oxygen concentration determined from the electromotive force from four oxygen sensors. 1: Main pipe, 2: Oxygen sensor cover, 3: Sensor back cover, 4: Air discharge port, 7: Furnace wall, 10: Filter, 11: Zirconia sensor, 12: Calibration gas pipe, 13: Sensor fastener, 14: Sensor holding metal fitting, 15: Electric heater, 16: Outer electrode, 18:
Inner electrode, 20: lead wire, 22: support body.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 酸素イオン伝導性のある固体電解質の一方の
側に測定対象ガスに接触せしめられる測定電極を
有し、且つ他方の側に基準酸素分圧若しくは濃度
の標準比較ガスに接触せしめられる基準電極を有
する酸素センサを、該測定対象ガスの流れに対し
てその深さ方向に所定の距離を隔てて複数個配置
せしめる一方、前記標準比較ガスを該各酸素セン
サの前記基準電極部分に、前記測定対象ガスの流
れ内に連続的に放出されて該測定対象ガスの圧力
と略等しい圧力に維持される前記標準比較ガスの
供給管を通じて、連続的に供給せしめて、測定深
さ方向がそれぞれ異なる個所における酸素分圧若
しくは濃度を前記各酸素センサにて測定すること
を特徴とする酸素分圧若しくは濃度の測定方法。 2 前記各酸素センサにて測定して得られた測定
値を加重平均して酸素分圧若しくは濃度を求める
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の方
法。 3 前記酸素センサによる酸素分圧若しくは濃度
の測定が、前記固体電解質を500℃以上に加熱し
た状態下において行なわれることを特徴とする特
許請求の範囲第1項又は第2項記載の方法。 4 前記測定対象ガスが燃焼排ガスであり、且つ
前記標準比較ガスが空気であることを特徴とする
特許請求の第1項乃至第3項の何れかに記載の方
法。 5 測定対象ガスの流れに対してその深さ方向に
挿入、設置せしめられる一方、連続的に導入され
る基準酸素分圧若しくは濃度の標準比較ガスを、
放出口より該測定対象ガスの流れ内に連続的に放
出せしめて、管内の標準比較ガスの圧力が該測定
対象ガスの圧力に略等しくなるように構成した1
本の主管と、 酸素イオン伝導性のある固体電解質とその一方
の側に設けられた測定電極と他方の側に設けられ
た基準電極とを有し、該測定電極が前記主管外を
流れる測定対象ガスに接触せしめられる一方、該
基準電極が該主管内を流通させられる標準比較ガ
スに接触せしめられるように、該主管の管壁に、
管軸方向に所定の距離を隔てて取り付けられた複
数個の酸素センサとを、 含み、それら複数個の酸素センサによつて、測定
深さ方向のそれぞれ異なる個所における酸素分圧
若しくは濃度を測定するようにしたことを特徴と
する酸素分圧若しくは濃度測定装置。 6 前記酸素センサが、前記主管に対して着脱自
在に取り付けられていることを特徴とする特許請
求の範囲第5項記載の装置。 7 前記放出口が、前記主管の先端部に設けられ
ていることを特徴とする特許請求の範囲第5項又
は第6項記載の装置。 8 前記酸素センサが加熱手段を備え、該加熱手
段にて前記固体電解質が所定の温度に加熱せしめ
られ得るように構成したことを特徴とする特許請
求の範囲第5項乃至第7項の何れかに記載の装
置。
[Scope of Claims] 1. A solid electrolyte with oxygen ion conductivity has a measurement electrode that is brought into contact with a gas to be measured on one side, and a standard comparison gas having a standard oxygen partial pressure or concentration on the other side. A plurality of oxygen sensors each having a reference electrode that can be applied to the oxygen sensor are arranged at a predetermined distance from each other in the depth direction with respect to the flow of the gas to be measured, and the standard comparison gas is connected to the reference electrode portion of each oxygen sensor. The standard comparison gas is continuously discharged into the flow of the gas to be measured and maintained at a pressure substantially equal to the pressure of the gas to be measured, and is continuously supplied through the supply pipe in the measurement depth direction. A method for measuring oxygen partial pressure or concentration, characterized in that the oxygen partial pressure or concentration at different locations is measured by each of the oxygen sensors. 2. The method according to claim 1, wherein the oxygen partial pressure or concentration is determined by weighted averaging of the measured values obtained by measuring with each of the oxygen sensors. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the measurement of oxygen partial pressure or concentration by the oxygen sensor is performed under a state in which the solid electrolyte is heated to 500° C. or higher. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas to be measured is a combustion exhaust gas, and the standard comparison gas is air. 5. A standard comparison gas with a standard oxygen partial pressure or concentration that is inserted and installed in the depth direction of the flow of the gas to be measured, while being continuously introduced.
1, which is configured to continuously discharge the gas to be measured from the discharge port into the flow of the gas to be measured so that the pressure of the standard comparison gas in the pipe is approximately equal to the pressure of the gas to be measured;
A measurement object having a main pipe, a solid electrolyte with oxygen ion conductivity, a measurement electrode provided on one side thereof, and a reference electrode provided on the other side, the measurement electrode flowing outside the main pipe. on the wall of the main pipe, such that the reference electrode is brought into contact with a standard comparison gas flowing through the main pipe;
It includes a plurality of oxygen sensors installed at a predetermined distance in the direction of the tube axis, and the oxygen partial pressure or concentration at different locations in the measurement depth direction is measured by the plurality of oxygen sensors. An oxygen partial pressure or concentration measuring device characterized by: 6. The device according to claim 5, wherein the oxygen sensor is detachably attached to the main pipe. 7. The device according to claim 5 or 6, wherein the discharge port is provided at a distal end of the main pipe. 8. Any one of claims 5 to 7, characterized in that the oxygen sensor is equipped with a heating means, and is configured such that the solid electrolyte can be heated to a predetermined temperature by the heating means. The device described in.
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