(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業プロセスの排気流中の酸素を検出するように構成されたセンサシステムであって、
酸素検出センサを有するプローブであって、前記酸素検出センサが、前記排気流中の酸素濃度を検出し、前記検出された酸素濃度に少なくとも部分的に対応する信号を出力するプローブと、
前記センサに配置された触媒コンバータであって、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するように構成された触媒コンバータと、
前記信号の微分値を検出するように構成され、前記微分値が一酸化炭素発生を示す信号検出器と
を含むセンサシステム。
【請求項２】
前記一酸化炭素発生の検出が、警告をトリガする、請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項３】
前記一酸化炭素発生の検出が、前記産業プロセスに対する現在の燃料対酸素投入比の変更をトリガする、請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項４】
前記検出された一酸化炭素発生の指度を送信するように構成された送信器
をさらに含む、請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項５】
前記酸素検出センサが、電気化学ジルコニアベースセルを含み、前記電気化学ジルコニアベースセルが、前記排気流から基準ガスを分離する電極間の電圧を測定する、請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項６】
前記触媒コンバータが、白金触媒を含む、請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項７】
前記信号検出器が、前記検出された酸素濃度の変化に少なくとも部分的に基づいて、前記排気流中の一酸化炭素濃度を計算するようにさらに構成されている、請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項８】
産業プロセスの排気流中の一酸化炭素を検出するための方法であって、
前記産業プロセスの前記排気流中の酸素濃度を酸素センサの信号に基づいて検出するステップと、
前記酸素濃度の信号の微分値を用いて前記排気流中の一酸化炭素を検出するステップと
を含む方法。
【請求項９】
前記検出される一酸化炭素に少なくとも部分的に基づいて、現在の燃料対酸素比を新しい燃料対酸素比に変更するステップ
をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記検出される一酸化炭素の指度を送信するステップ
をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記産業プロセスの前記排気流中に一酸化炭素が存在することを示す警告をトリガするステップ
をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸素センサが、ジルコニアベース電気化学セルを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
産業プロセスの排気流中のガスを検出するためのセンサシステムであって、
酸素検出センサを有するプローブであって、前記酸素検出センサが、前記排気流中の酸素濃度を検出し、前記検出された酸素濃度に少なくとも部分的に対応する信号を提供するように構成されているプローブと、
前記酸素検出センサに動作可能に接続された電子装置であって、前記酸素検出センサから提供される前記信号の微分値を計算し、前記酸素検出センサによって提供される前記信号の前記微分値に少なくとも部分的に基づいて一酸化炭素濃度を求めるように構成された電子装置と
を含むセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
プロセス産業は、多くの場合、１つ以上の燃焼プロセスを含むエネルギー源に依存する。このような燃焼プロセスは、蒸気を発生させる又は原料液体を加熱する、炉又はボイラの動作を含む。燃焼は比較的低コストのエネルギーを提供するが、燃焼効率を最大化することが求められている。さらに、煙突から出る産業プロセスからの煙道ガスは多くの場合規制されており、危険なガスの量は多くの場合最小限に抑えなければならない。したがって、燃焼プロセス管理産業の１つの目標は、本質的に温室効果ガス及び他の規制ガスの生成を減少させもする、既存の炉及びボイラの燃焼効率の最大化を行うことである。燃焼効率は、そのような燃焼プロセスから生じる排気ガス又は煙道ガス中の酸素の理想レベルを維持することによって最適化され得る。
【０００２】
インサイツ又はインプロセス分析器は、燃焼プロセスの監視、最適化、及び制御に一般的に使用されている。典型的には、これらの分析器は、比較的高い温度に加熱され、炉又はボイラの燃焼ゾーンの真上又は近くで動作するセンサを使用する。公知のプロセスの燃焼酸素分析器は、典型的には、煙道ガス流の中に直接入れられるプローブの端部に配置される酸化ジルコニウムセンサを使用する。排気又は煙道ガスは、センサに流入するとき、センサの近傍に拡散する。センサは、ガス中に存在する酸素の量に関連する電気信号を提供する。
【発明の概要】
【０００３】
産業プロセスの排気流中の酸素を検出するように構成されたセンサシステムが提供される。一実施態様では、センサシステムは、酸素検出センサを有するプローブを含み、酸素検出センサは、排気流中の酸素濃度を検出する。システムはまた、センサの近くでプローブに配置された触媒コンバータを含むことができ、触媒コンバータは、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するように構成される。このシステムはまた、一酸化炭素発生（ｃａｒｂｏｎ  ｍｏｎｏｘｉｄｅ  ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ）を示す、酸素濃度の変化を検出するように構成された信号検出器を含むことができる。特許請求された実施態様を特徴付けるこれらの及び様々な他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明を読み、関連する図面を検討することで明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】本発明の実施態様が特に適用可能なインサイツプロセス酸素分析器／送信器の概略図である。
【図２】本発明の実施態様が特に適用可能な燃焼酸素送信器の概略斜視図である。
【図３Ａ】本発明の一実施態様による酸素センサを用いたＣＯ測定のグラフ表示である。
【図３Ｂ】本発明の一実施態様による酸素センサを用いたＣＯ測定のグラフ表示である。
【図３Ｃ】本発明の一実施態様による酸素センサを用いたＣＯ測定のグラフ表示である。
【図３Ｄ】本発明の一実施態様による酸素センサを用いたＣＯ測定のグラフ表示である。
【図３Ｅ】本発明の一実施態様による酸素センサを用いたＣＯ測定のグラフ表示である。
【図４Ａ】本発明の一実施態様による、一酸化炭素に対する酸素センサ応答のグラフ表示である。
【図４Ｂ】本発明の一実施態様による、一酸化炭素に対する酸素センサ応答のグラフ表示である。
【図４Ｃ】本発明の一実施態様による、一酸化炭素に対する酸素センサ応答のグラフ表示である。
【図４Ｄ】本発明の一実施態様による、一酸化炭素に対する酸素センサ応答のグラフ表示である。
【図５Ａ】本発明の一実施態様による酸素センサを利用して一酸化炭素の濃度を測定する例示的な方法を示す。
【図５Ｂ】本発明の一実施態様による酸素センサを利用して一酸化炭素の濃度を測定する例示的な方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図１は、本発明の実施態様が特に適用可能なインサイツプロセス酸素分析器／送信器設備の概略図である。送信器１０は、例えば、Rosemount Analytical Inc., of Solon, Ohio (an Emerson Process Management company)から入手可能なモデル６８８８酸素送信器であってもよい。一実施態様では、送信器１０は、煙突又は煙道１４内に実質的に配置され、バーナ１６で発生する燃焼に関連する煙道ガスの酸素含有量を測定するプローブアセンブリ１２を含む。一実施態様では、バーナ１６は、空気又は酸素源１８及び燃焼燃料源２０に動作可能に接続される。一実施態様では、供給源１８及び２０の各々は、燃焼プロセスを制御するためにバーナ１６に制御可能に接続される。送信器１０は、一実施態様では、燃焼排気流中の酸素量を測定し、酸素レベルの指度を燃焼コントローラ２２に提供する。コントローラ２２は、閉ループ燃焼制御を行うために弁２４及び２６の一方又は両方を制御する。一実施態様では、コントローラ２２は、排気流中のあまりに多い又はあまりに少ない酸素の指度が、燃焼室に供給される酸素又は燃料の量の変化をもたらすように自動的に動作する。一実施態様では、酸素分析器送信器は、送信器１０に接続された、較正ガス２８を有する較正ラインを含むこともできる。
【０００６】
図２は、本発明の実施態様が特に適用可能な燃焼酸素送信器の概略斜視図である。送信器１００は、ハウジング１０２と、プローブ本体１０４と、保護カバー１１６を備えた電子装置１０６とを含む。プローブ１０４は、拡散器１１０が取り付けられている遠位端１０８を有する。拡散器１１０は、その中を通るガスの拡散を可能にする一方で、フライアッシュのような固体粒子からプローブ１０４内の成分を保護する物理的装置である。具体的には、拡散器１１０は、図２の破線で示す測定セル又は測定センサ１１２を塵埃から保護する。
【０００７】
ハウジング１０２は、電子装置１０６を収容する大きさのチャンバ１１４を有する。さらに、ハウジング１０２は、気密シールを形成するためにカバー１１６の雄ねじを受け入れてこれと噛み合うように適合された雌ねじを含む。さらに、ハウジング１０２は、電子装置１０６と、プローブ１０４の遠位端１０８内に配置された測定セル又は測定センサ１１２との電気的相互接続を可能にするその中を通る穴又は開口を含む。
【０００８】
プローブ１０４は、煙道１４などの煙道内に延びるように構成される。プローブ１０４は、フランジ１２０に隣接する近位端１１８を含む。フランジ１２０は、送信器１００をダクトの側壁に取り付ける、あるいは固定するために使用される。そのように取り付けられた場合、送信器１００は、ダクト壁へのフランジ１２０の接続によって完全に支持され得る。
【０００９】
電子装置１０６は、ヒータ制御及び信号調整を提供し、煙道ガスの酸素濃度を表す４〜２０mAの線形信号をもたらす。好ましくは、電子装置１０６はまた、拡散器診断の機能を提供するためのプログラムステップを実行することができるマイクロプロセッサを含む。しかしながら、一部の実施態様では、送信器１００は、単に、電子装置を有さない「直接置換」プローブであってもよく、したがって、酸素濃度及びセル温度をそれぞれ表す指度を提供する検知セル及び熱電対の未処理のミリボルト信号を送信してもよい。「直接置換」プローブが使用される実施態様では、プローブは、Rosemount Analytical Inc.から入手可能な公知のXi Operator Interfaceなどの適切な分析器に接続される。Xi Operator Interfaceは、NEMA 4X(IP 66)ハウジング内のバックライト付きディスプレイ、信号調整、及びヒータ制御を提供する。
【００１０】
理想的には、産業プロセスにおける燃焼は完全であり、以下の式１によると、燃料と酸素は、燃焼して二酸化炭素と水を生成し、その場合、生成される二酸化炭素と水の化学量論量は、特定の産業プロセスで使用される燃料の種類に依存する。
【数１】
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【００１１】
しかしながら、多くの場合、産業プロセスにおける燃焼は完全ではなく、二酸化炭素及び水に加えて、排気中には過剰酸素が存在する。一実施態様では、産業プロセスが通常の動作モードの間にわたって、酸素センサ（例えば、プローブ１０４を有する酸素送信器１００）は、燃焼プロセスの排気中の残存酸素ガスを測定する。さらに、大抵の場合、不完全燃焼は、以下の式２に従って生じる。
【数２】
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【００１２】
不完全燃焼では、燃料は、いくらかの汚染物質と共に産業プロセスに入り、反応を起こして、微量の他のガス（燃料不純物及び窒素酸化から生じる二酸化硫黄、酸化窒素など）と共に、主に二酸化炭素ＣＯ２及び水Ｈ２Ｏを生成する。さらに、産業プロセスに不十分な酸素が供給されると、一酸化炭素が、不完全燃焼の一部として生成される。最高効率かつ最小排出の化学量論点（例えば、燃料対酸素の比）の達成は、燃料対空気の不完全な均一性、及び燃料エネルギー密度、及び燃料対空気の流れ変動のために、実際の燃焼では極めて困難である。
【００１３】
典型的には、煙道ガスの酸素過剰濃度は、ガスバーナについては２〜３パーセントであり、石炭燃焼ボイラ及びオイルバーナについては２〜６パーセントである。最も効率的な燃焼は、一実施態様では、０．７５パーセントから２パーセントの酸素過剰において生じ得る。良好な燃焼制御は、酸素測定だけで達成され得るが、一酸化炭素ＣＯの同時測定によって、燃焼の効率及び安定性を改善することができる。式２で上に示したように、一酸化炭素は、多くの場合、燃料及び酸素供給の不完全燃焼の結果であり、したがって、プロセス中の不完全燃焼の発生の良好な第１の指標となる。
【００１４】
一酸化炭素の発生は、多くの場合、酸素レベルが、産業プロセスが上記の式１を完遂するのに必要な量を下回っているときに起こる。一酸化炭素は、不完全燃焼の危険な副産物であるため、排気ガス中のその存在が規制される場合があり、産業プロセスは、以下の式３による、二酸化炭素への一酸化炭素の変換を可能にする触媒コンバータを含むように設計される場合がある。
【数３】
0006608970.tif 000004
【００１５】
一実施態様では、過剰酸素は、プローブ１０４によって燃焼の全体を通して周期的にサンプリングされる。一実施態様では、過剰酸素は、プローブ１０４によって燃焼プロセスの全体を通してほぼ連続的にサンプリングされる。酸素センサ出力は、一実施態様では、取り付けられたディスプレイで報告されてもよい。酸素センサ出力はまた、保存のためにデータベースに送信されてもよい。別の実施態様では、酸素センサ出力を、警報システムに関連させてもよく、その場合、特定の最大又は最小の閾値酸素濃度が、閾値を超えたことを知らせる、プロセスエンジニアに対するプロセス警報又は警告をトリガしてもよい。一実施態様では、警告は、テキストメッセージ、電子メール、又は別の無線ベースの配信メカニズムによって送信されてもよい。別の実施態様では、警告は、産業プロセス内の視聴覚警告であってもよく、閾値を超えたことを知らせる、ライトの点灯、音声の出力、又は警告機構の組み合わせのいずれかであってもよい。
【００１６】
別の実施態様では、酸素送信器１００は、酸素送信器からの測定値が、産業プロセスに入る酸素と燃料の比の自動変更をトリガすることができるようにコントローラ２４及び２６に接続される。例えば、高い量の未燃焼燃料及び低い残存酸素を示す、濃い排気混合気を表す測定値のとき、送信器１００は、コントローラ２４をトリガして、システム内へのより多くの酸素を許可してもよく、及び／又は、コントローラ２６をトリガして、システム内により少量の燃料を投入してもよい。システムは、一実施態様では、希薄混合気が達成されるまでコントローラ２４及び２６を自動的に調整するように較正されてもよい。一実施態様では、希薄混合気は、不完全燃焼生成物なしで燃料を水及び二酸化炭素に変換するのに十分な、燃料及び酸素の混合気として規定される。
【００１７】
一実施態様では、送信器１００は、電気化学ジルコニアベースセル技術に基づく。一実施態様では、プローブ１０４は、一方の側の排気ガスサンプルと他方の側の基準サンプルとの間に配置された少なくとも１つのジルコニアセラミックからなる固体電気化学セルに基づき、その場合、ガス透過性電極が、ジルコニアセラミックの両側に配置される。ジルコニアベースセンサ１０４は、基準サンプル中の酸素量に対して測定される、産業プロセスの排気中の酸素量に対応する、ジルコニアセラミックの出力電圧を測定することによって排気ガス中の残存酸素濃度を測定する。測定された電圧は、２つのサンプル間の酸素の濃度差に対応し、したがって、上記の式１による燃焼反応で消費される酸素の量に対応する。一実施態様では、基準サンプルは、実質的に大気品質の空気を含有する。
【００１８】
酸素センサの測定値は、以下のネルンストの式（式４）によると、酸素濃度に対数的に依存し得る。
【数４】
0006608970.tif 000005
【００１９】
ジルコニアベース電気化学酸素センサは、酸素測定のために産業用途に広く使用されている。一実施態様では、センサ１０４は、６５０〜８００℃超の範囲の温度で動作し、燃焼後に残っている過剰酸素を測定する。例えば空気を用いて固定された、基準電極の固定酸素分圧と異なる酸素濃度に対するセンサの応答は、上記の式４を用いて計算され得る。式４において、Ｃは基準／プロセス側の温度変化及び酸素プローブの熱接点に関連する定数であり、Ｒは普遍的な気体定数であり、Ｔはプロセス温度（ケルビン度で測定される）であり、Ｆはファラデー定数である。
【００２０】
燃焼プロセスにおいて、一酸化炭素は、多くの場合、不完全燃焼の主要な指標である。約１００〜２００ppmの極微量ＣＯレベル及びわずかな量の過剰空気での動作は、最高効率の化学量論点付近での燃焼状態を示す。作業空間の安全性から排気ガス分析に及ぶ用途に利用可能な多くのＣＯセンサが存在するが、典型的な産業プロセスの高温は、信頼できるインサイツＣＯ測定を燃焼プロセスに提供することを困難にしている。
【００２１】
世界中で可燃性ガスの検出に現在使用されている半導体酸化物に基づく化学ガスセンサに関して多くの研究がなされている。Taguchiセンサとして知られているこの種類のセンサは、焼結されたｎ型金属酸化物（鉄、亜鉛、及びスズ系）で作られる固体素子を使用するが、低い選択性及び不十分な長期安定性が、プロセス環境におけるこれらの半導体センサの主な困難となっている。
【００２２】
赤外線吸収の測定に依存する赤外線吸収技術は、大部分が煙道ガス調整システムを必要とし、したがって、産業プロセスに比較的大きな費用を追加する。新しい、非常に高性能の、高度に進化した調整可能ダイオードレーザー分光法は、はるかに強力なレーザー光を使用し、より信頼でき、煙道ガスの予備調整を必要としない。残念なことに、重い微粒子負荷の付着物、火球からの広いバックグラウンド放射、及び必要な温度及び圧力の補償、並びに非常に高い価格は、この技術を化学産業の用途及び燃焼関連プロセスなどの、高温を必要とする用途に限定している。これまでに、将来性のある混合ジルコニア技術に基づく、市販されている唯一のインサイツＣＯプローブは、非常にクリーンなガス燃焼用途のために開発された。
【００２３】
一実施態様では、プロセスにおける酸素測定のための固体電位差測定ガスセンサは、チューブ、ディスク、又はシンブルの形態の酸化物イオン伝導性セラミックと、プロセス及び基準ガスのそれぞれに曝される２つの金属又は酸化物触媒電極とを含む。一実施態様では、イオン伝導性セラミックは、ほとんどが、添加されたジルコニアであるが、安定化セリウム又は酸化ビスマス又は他の酸化物イオン伝導性固体電解質であってもよい。プロセス基準電極は、一実施態様では白金であるが、任意の他の電子伝導性の金属若しくは金属酸化物、又は混合伝導性純粋材料若しくは複合材料も使用されてよい。酸素センサのプロセス電極は、煙道ガスに曝され、酸素センサは、燃焼プロセス煙道ガス中の過剰酸素濃度を正確に測定する通常の電位差測定モードで酸化環境内にある。酸素センサ信号の微分値の最高ピークは、追加の一酸化炭素検知出力として使用される。酸素センサは、一実施態様では、固定ＣＯ濃度を用いて較正される。これは、例えば、図３及び図４に示す結果と相関し得る。測定された、酸素センサの未処理mV信号は、式４（ネルンストの式）に従って酸素濃度を計算するために使用され、酸素センサ信号の微分値の最高ピークは、一酸化炭素較正ガスで検証された開発された一酸化炭素アルゴリズムを用いる一酸化炭素発生計算に適用される。一実施態様では、酸素及び一酸化炭素の測定値を変化させる可能性のある、産業用途における寄生電気スパイクを除去するために、追加の酸素センサ信号ノイズ低減を適用することができる。
【００２４】
一酸化炭素を検出する酸素センサ
一酸化炭素は、プロセスに現れる、不完全燃焼の主要な生成物の１つであることが知られている。一酸化炭素の存在は、酸素濃度の低下をもたらす。なぜなら、燃焼プロセスにおける一酸化炭素の発生は、一実施態様では、上記の式３に従って、センサ１１２に配置された白金電極触媒で直ちに二酸化炭素に変換されるからである。一実施態様では、白金電極触媒は、センサ１１２の酸素検知部の非常に近くに配置される。これは、二酸化炭素への一酸化炭素の触媒変換の結果として、酸素検知電気化学セルの近くでの酸素濃度の著しい低下をもたらし、この結果、センサ１１２によって生成される未処理mV信号の突然の増加をもたらす。この結果、酸素センサ出力信号は、酸素濃度の即時低下（特に、燃焼状況における一酸化炭素発生後のミリ秒内の）を示す。これは、上で示したように、プロセスエンジニアに提供される警告をトリガしてもよいし、制御装置２６及び２４のそれぞれの変更によって燃料源２０及び酸素源１８の比の変化をトリガしてもよい。
【００２５】
排気中の酸素ガス濃度の低下の検出は、変換前の排気ガス中に存在した一酸化炭素の量的指度を提供し、したがって、燃焼の結果として生成された一酸化炭素濃度の指度を提供する。以下の表１から分かるように、ＣＯの存在は、ＣＯ濃度のほぼ５０パーセントだけ酸素信号を減少させる。なお、ＣＯ変換率は、１０００ppmのＣＯでは８０〜１００％の間、２％のＣＯでは６０〜１００％の間で変動する。
【表１】
0006608970.tif 000006
【００２６】
表１において、センサ信号の変化は、理論的なΔＥｔであり、白金触媒コンバータによる１００％のＣＯ燃焼を仮定して計算されている。測定された信号変化ΔＥｍは、理論的な変化ΔＥｔに近く、表１は、産業環境において一酸化炭素を検出するための、プローブ１１２などの酸素センサの有効性を証明している。
【００２７】
酸素センサによる一酸化炭素検出の例
図３Ａ〜図３Ｅは、本発明の一実施態様による酸素センサを用いたＣＯ測定のグラフ表示である。具体的には、図３Ａ〜図３Ｅは、産業プロセスにおける、経時的な、様々な酸素レベルでの、一酸化炭素の存在に対する酸素センサ１１２の応答を示す。より具体的には、図３Ａ及び図３Ｄは、センサの直接応答を示す。図３Ｂ、図３Ｃ、及び図３Ｅは、二酸化炭素に対する酸素センサ信号応答の微分値を示す。
【００２８】
図３Ａは、２パーセントの酸素濃度の環境での、一酸化炭素に対する酸素センサ１１２の経時的な応答を示しており、Ｘ軸に時間をとり、Ｙ軸に酸素センサ応答をmVで示している。約４分の時点には、産業プロセスにおける約１０００ppmの一酸化炭素の存在に対応するスパイク３０２が示されており、約４４．５mVの測定値によって示されている。約１０分の時点では、スパイク３０４は、２０００ppmの一酸化炭素の存在に対応し、わずかに４５mVを下回る測定値によって示されている。約１５分の時点では、スパイク３０６は、０．５％の一酸化炭素濃度に対応し、約４６mVの測定値となっている。約２１分の時点では、１パーセントの一酸化炭素のスパイクが検出されており、約４８mVの測定値によって示されている。約２７分の時点では、２パーセントの一酸化炭素の存在を示す、センサ１１２による５３mVの対応する測定値を有するスパイク３１０が検出されている。図３Ａから分かるように、酸素センサの未処理mV信号は、２％の酸素濃度における一酸化炭素ガスの存在に対して非常に敏感であり、９mVのセンサ測定値の変化が検出されている。
【００２９】
ｘ軸に時間をとり、ｙ軸に微分値をとる図３Ｂに示すように、経時的なセンサ信号の微分値も示されている。微分値dE／dtの最高ピーク値は、１０００ppmと２％の一酸化炭素の間の範囲の一酸化炭素濃度に対数的に依存する。約４分の時点には、約１０００ppmの一酸化炭素の濃度に対応するスパイク３１２が示されており、約０．２の測定値を有する。約１０分の時点では、スパイク３１４は、約２０００ppmの一酸化炭素濃度を示し、センサ１１２による約１．０の測定値をもたらしている。約１５分の時点では、スパイク３１６は、０．５％の一酸化炭素濃度を示し、センサ１１２による約１．５の測定値をもたらしている。約２１分の時点では、スパイク３１８は、約１％の一酸化炭素濃度の一酸化炭素濃度を示し、センサ１１２による約２．２の測定値をもたらしている。約２７分の時点では、スパイク３２０は、２％の一酸化炭素濃度を示し、センサ１１２による約２．７の測定値を有する。
【００３０】
一実施態様では、センサ１１２は、図３Ａに示すように未処理mVデータをグラフで出力する。別の実施態様では、センサ１１２は、図３Ｂに示すように微分値dE／dtをグラフで出力する。別の実施態様では、センサ１１２は、例えば図３Ａ又は図３Ｂに示すように、センサから得られたデータから計算された現在の一酸化炭素濃度を出力する。別の実施態様では、排気ガス中の一酸化炭素濃度の最小閾値の検出が、産業プロセスに投入される燃料対酸素の比の変化をトリガする。別の実施態様では、排気ガス中の一酸化炭素の最小閾値濃度の検出が警告をトリガする。
【００３１】
図３Ｃは、ｘ軸に一酸化炭素濃度を対数的に示し、ｙ軸にdE／dt値をとる、図３Ｂに示したＯ２センサ信号応答の微分値のグラフ表示３７０を示す。以下に示す式５も線３２０として示されている。式５は、０．９９１２のＲ値を有する。
【数５】
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【００３２】
図３Ｄは、２％の酸素の環境における、１０００ppmの反復的な一酸化炭素発生に対する酸素センサ１１２の再現性を示す。指示３０２は、約４分、９分、１６分、２１分、及び２７分の時点に発生したものとして示されている。図３Ｄに示すように、酸素センサ１１２の未処理のmV値は、１０００ppmの一酸化炭素の存在に対する応答においてわずかなドリフトを示すことがある。
【００３３】
図３Ｅは、酸素センサ信号の微分値を用いて、検出された一酸化炭素の向上した再現性を示しており、このとき、反復的な１０００ppmの一酸化炭素発生は、９、１５、２１、及び２７分の時点で起こっており、これらはすべて、棒３５２によって示されているように、約０．１７の検出測定値をもたらしている。さらに、酸素センサ信号の最高ピークの微分値が、図３Ｅに示すように約７０ppmの一酸化炭素の誤差を伴う１０００ppmの一酸化炭素の時点に示されている。
【００３４】
図４Ａ〜図４Ｄは、一酸化炭素に対する酸素センサ応答のグラフ表示である。図４Ａは、２％の一酸化炭素濃度の検出の再現性を示すグラフ４１０を示しており、このとき、ピークは、約４分、９分、１５分、２１分、及び２７分の時点にあり、これらはすべて、約５２mVの検出測定値をもたらしている。図４Ｂは、２％の一酸化炭素濃度の検出時の酸素センサ応答の微分値の再現性を示すグラフ４２０を示しており、このとき、ピークは、約４分、９分、１５分、２１分、及び２７分の時点にあり、これらはすべて、約２．８の検出測定値をもたらしており、検出における誤差率は、約±０．０２％のＣＯであるか、又は誤差率は１％である。図４Ｃは、５％の酸素環境における、１％の一酸化炭素濃度の検出時の酸素センサ応答の微分値の再現性を示すグラフ４３０を示しており、このとき、ピークは、約９分、１５分、２１分、及び２７分の時点にあり、これらはすべて、約１．３の検出測定値をもたらしている。図４Ｄは、２０％の酸素環境における、１％の一酸化炭素濃度の検出時の酸素センサ応答の微分値の再現性を示すグラフ４４０を示しており、このとき、ピークは、約４分、９分、１５分、２１分、及び２７分の時点にあり、これらはすべて、約１．０の検出測定値をもたらしている。
【００３５】
したがって、図３Ａ〜図３Ｅ及び図４Ａ〜図４Ｄは、ジルコニア電気化学酸素センサの使用及びセンサ信号応答の微分値により、種々の一酸化炭素発生状況で、信頼できる一酸化炭素測定を提供することができることを示している。
【００３６】
一酸化炭素を検出する方法
図５Ａ及び図５Ｂは、酸素センサを利用した、一酸化炭素の発生を測定する例示的な方法を示す。図５Ａは、酸素センサを用いて一酸化炭素発生を検出して表示する例示的な方法５００を示す。一実施態様では、酸素センサは、上で説明したジルコニアベース電気化学セルを含んでもよい。
【００３７】
方法５００は、ブロック５０２において、産業プロセスにおける燃焼開始から開始される。方法５００は、ブロック５０４に示すように一酸化炭素発生が起こることで続けられる。一実施態様では、燃焼プロセスの開始と一酸化炭素発生が起こることとの間には、数分、数時間、又はより長い時間がある。一実施態様では、方法５００は、生成された一酸化炭素が触媒で二酸化炭素に変換されることで続けられる。一実施態様では、触媒は、白金系触媒である。一実施態様では、これは、式３に関して上述したように起こる。一酸化炭素が二酸化炭素に変換されると、排気ガス中の測定酸素濃度が低下する。この低下は、ブロック５０８でプローブ１０４によって検出される。一実施態様では、この検出は、ブロック５１０で報告される。一実施態様では、方法５００によって示されるように、一酸化炭素の濃度は、検出プロセスの一部として計算されない。任意の実施態様では、方法５００は、ブロック５１２に進み、そこで、燃料対酸素の投入比が変更される。この変更は、一実施態様では、一酸化炭素の検出時に自動的に行われてもよい。一実施態様では、これにより、さらなる空気又は酸素が、供給源１８によってシステムに投入されてもよい。一実施態様では、これにより、減らされた燃料が、供給源２０によってシステムに投入されてもよい。
【００３８】
図５Ｂは、酸素センサ１１２を用いて排気流中の一酸化炭素濃度を計算するための方法５５０を示す。方法５５０は、ブロック５５２において、産業プロセス環境に対して酸素センサ１１２が準備されることから開始される。次に、ブロック５５４において、酸素信号スパイクが検出され、例えば、酸素信号スパイクは、図３及び図４のいずれかに示したものである。一実施態様では、センサ１１２は、微分値検知モードではなく通常モードで動作する。別の実施態様では、センサ１１２は、通常モード又は微分値検知モードのいずれかで動作し、微分値検知モードは、ブロック５６０で任意で開始される。一実施態様では、酸素センサは、酸素センサ信号応答及び酸素センサ信号応答の微分値の両方を検出してもよい。しかしながら、別の実施態様では、センサは、酸素センサ信号応答の微分値のみを検出してもよい。
【００３９】
次に、方法は、ブロック５５６に進み、そこで、一酸化炭素濃度は、上述した式４に少なくとも部分的に基づいて計算される。次に、方法は、一実施態様では続いてブロック５５８に進んでもよく、そこで、検出された一酸化炭素濃度は、例えば接続されたコンピュータ又は他の表示装置に表示される。さらに、別の実施態様では、一酸化炭素濃度を表示することは、例えば無線技術又は他の技術を用いてプロセスエンジニアに警告を送ることを含んでもよい。これは、一酸化炭素発生が起こったこと及び燃料対空気比を変更する必要があり得ることを産業プロセスのオペレータに示すことをトリガしてもよい。警告は、視覚的に、聴覚的に、又は別の通知手段によってトリガされてもよい。さらに、別の実施態様では、一酸化炭素発生の検出は、ブロック５６２に示すように、燃料対酸素比の自動変化をもたらしてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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