(57)【要約】【課題】  本発明は、煙道ガス中の成分ガスなどのガスを監視及び測定するための燃焼システム及び装置に関する。【解決手段】  この装置は、煙道ガスのガス状成分の存在及び濃度を検出するために単一の電解質セル（１７２）と協働する複数の電極（１７４、１７６）を有するガスセンサ（１０２）である。電圧は、電解質の両端の電極によって検出されるガス濃度の差によって生じるイオン流に基づいて生成される。電圧の変動は、煙道ガス中に含まれる可燃性ガス類、窒素酸化物類などのような検出されたガスの濃度と相関しており、このガス濃度を求めるために使用される。従って、燃焼器の運転を、その効率を高め、且つ所望の方法で煙道ガス中の望ましくないガスの濃度を最少化するよう最適化し、さらに、較正ガスを導入し、ガス濃度と相関させるための基準として電極に基準ガスを提供する。【選択図】      図３
2005181331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境内にプロセスガスを供給する燃焼器におけるガス状可燃性物質のレベルを監視するためのセンサ（１０２）であって、
センサセル（１７２）を囲むアウタシェル（１５４）を有するセンサ本体（１５０）を含み、
前記センサセルが、その両側に基準電極（１７６）とプロセス電極（１７４）とを含み、前記基準電極（１７６）と前記プロセス電極（１７４）のそれぞれにおける酸素濃度の差を表す信号を両電極間に発生させ、
前記センサ本体（１５０）が、信号分析装置へ電気信号を送るための前記基準電極と前記プロセス電極とに結合されたリード線（１７０、１８０）を支持し、
前記シェルが、前記プロセス電極と接触するためのプロセスガスを受ける開口（１９０）を有し、
前記プロセス電極（１７４）が、煙道ガスの流れ方向からの直線見通し線から外れたセンサ本体内に空間（２００）を形成するよう前記プロセスガス開口から離間して配置されており、
較正ガスを前記空間に配向するための通路（１９４、１９６、１９７、１９８、１９２）が、センサの較正を可能にするために十分な較正ガスが前記空間に供給されるように前記センサ本体内で前記空間と連通している、
ことを特徴とするセンサ（１０２）。
【請求項２】
前記センサ本体が１つの軸線の周りで細長く延びており、前記センサセルが前記軸線に対してほぼ垂直に置かれ、前記較正ガス通路が、前記センサの遠位先端から全体的に離れる軸方向で較正ガスを流すための出口を有する通路（１９２）を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記通路（１９２）が、前記センサの遠位先端に隣接する位置から前記プロセスガス開口（１９０）にわたり軸方向に延び、前記空間内で終端することを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記センサ本体が１つの軸線の周りで細長く延びており、前記センサセルが前記軸線に対してほぼ垂直に置かれ、前記較正ガス通路が、前記空間に露出された前記プロセス電極の一方側でほぼ半径方向内向き方向に較正ガスを配向するための出口を有する少なくとも１つの通路（２２２）を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記センサ本体が１つの軸線の周りで細長く延びており、前記センサセルが前記軸線に対してほぼ垂直に置かれ、前記較正ガス通路が、前記空間に露出された前記プロセス電極の一方側でほぼ半径方向内向き方向に較正ガスを配向するために、半径方向内向きの前記センサセル開口の周りに環状部（２２６）を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記較正ガス通路が、前記空間に隣接する熱電対（２１４）を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記基準電極に結合された前記リード線が、前記基準電極に固定されたリードワイヤ（１８０）を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
前記センサ本体が１つの軸線の周りで細長く延びており、前記センサセルが前記軸線に対してほぼ垂直に置かれ、前記基準電極に結合された前記リード線が、導電性部材（２４２）と、該部材を軸方向に付勢して前記基準電極と電気的に接触させるための、前記センサ本体によって支持されたバネ（２４０）とを含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
前記センサ本体が、１つの軸線の周りで細長く延びており、前記センサセルが、前記軸線に対してほぼ垂直に置かれ、前記センサ本体が、回転運動面を有する着座部（３０２）を含み、前記基準電極に結合された前記リード線（１８０ｄ）が、電気的接点を有するボール（３００）を含み、該ボールを前記回転運動面と前記基準電極との間に係合させて、これにより基準電極に対する電気的接触の維持が可能になることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記センサ本体が１つの軸線の周りで細長く延びており、前記センサセルが前記軸線に対してほぼ垂直に置かれ、前記本体が、前記基準電極に結合された前記リード線の一部を形成する軸方向に運動可能な部材（３４０）を含み、前記本体が、前記基準電極と前記部材との間の電気的接触を維持するために前記軸方向に運動可能な部材に対して軸方向で基準ガスを流すための通路を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、煙道ガス中の成分ガスなどのガスを監視及び測定するための燃焼システム及び装置に関する。特に本発明は、燃焼システムで使用するためのプローブ構造体、及び煙道ガス中の成分ガスなどのガスを監視及び測定する方法及び装置に関する。更に本発明は、限定ではないが、ボイラ、炉、燃焼ガスタービン、又は化石燃料を用いる燃焼器などの燃焼用途におけるガスの監視及び測定で使用するためのセンサの一部としてのプローブ構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼システム内のガスを監視し及び測定するために幾つかの方法及びシステムが提案されてきた。これらの方法及びシステムは、石炭ボイラ環境などの燃焼システム内に挿入されるセンサを含む。このようなセンサは、通常、比較的中程度の温度範囲、すなわち６００°Ｃよりも低い温度で、例えば酸素（Ｏ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）などのガスを監視するには十分である。
【０００３】
更に、これら公知のセンサは、典型的には、滞留的、周期的、又は不定期的な測定用に設計されている。一般にこれらのセンサは、リアルタイムで正確なセンサ測定値を提供することが望ましい燃焼システムのガス流の動的測定を行うのには十分な構造的構成を備えていない。更に、これら従来のセンサは、燃焼システム内のガス変動に対応してこれを感知することができると共に、センサセルを保護し、且つ燃焼システム内に較正ガスを流す時の較正領域を可能にするといったセンサの構造的構成を提供するものではない。
【０００４】
更に、これら公知のセンサは、通常６００°Ｃを超えない限られた温度範囲内で使用するように設計されているのが一般的である。この温度は、精密な測定値を得るために動的測定が行われるべき燃焼システムの中央内部位置において遭遇することが多い温度である。燃焼システムの中央内部位置にセンサを置く従来の試みでは、７００−８００°Ｃに等しいかこれよりも高いような温度に対応できる構造体は提供されない場合が多かった。
【０００５】
炭化水素燃料は、限定ではないが、ボイラ、炉、燃焼ガスタービン、又は化石燃料を用いる燃焼器などの燃焼器又は燃焼システム（以下、「燃焼システム」と称する）内で燃焼されて、流体温度を上昇させるための熱を生成することができる。様々な政府団体は、環境規制及び設計制約を遵守するために燃焼システムの操作者が範囲内に収めなくてはならない燃焼副生成物／生成物に対する制限を課している。燃焼システムが効率的に作動し、許容可能な「完全」燃焼（燃焼副生成物／生成物が環境規制及び設計制約によって課せられた範囲内にある燃焼）を行うように、燃焼システムの個々のバーナをクリーンで効率的に作動させるべきである。更に、燃焼システムが環境規制及び設計制約を遵守して作動するように、ポストフレーム燃焼制御システムは、適切に均衡され調節されるべきである。
【０００６】
環境規制に対する遵守を確実にするために、一般に、未燃焼の炭素、窒素酸化物（本出願ではＮＯ、ＮＯ２、ＮＯＸを意味する）、一酸化炭素、又は他の副生成物のエミッションが監視される。本明細書及び添付の請求項において使用される用語「窒素酸化物」には、酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）、及び窒素酸化物（ＮＯＸ、ＮＯＸはＮＯとＮＯ２との混合物）が含まれる。従来のエミッションの監視は、必然的に、燃焼器からの総合エミッションに対して行われていた。この監視は、燃焼システムのバーナアレイ全体を用いて達成されてきた。中央内部位置における高温煙道ガス中のガス状可燃性物質の濃度のような幾つかのエミッションは、オンライン及び連続的な監視が困難であり及び／又はコストがかかる。これらの高温煙道ガスエミッションは、典型的には周期的又は不定期的にのみ測定される。特定の燃焼副生成物が、許容することができない程、高い濃度で生成されたことが判明したときには、燃焼器は適切な作動を回復するように調整されるべきである。しかしながら、総合エミッション測定、或いは周期的又は不定期のエミッション測定は、どの特定の燃焼器のパラメータがそうした調整を行うよう変更されるべきかに関する有益な情報を、たとえあるとしても、ほとんど提供しない。
【０００７】
燃焼プロセスを最適化し、エミッションレベルを最小ではないまでも最低にして、増大されほぼ最大の効率を提供するという目標を達成するためには、３つの主要燃焼変数、すなわちＯ２、ＣＯ、及びＮＯＸが、連続的に監視されるべきである。固体電解質（例えば、ジルコニア）をベースにした燃焼センサは周知であり、酸素及び可燃性物質を測定するために化石燃料用燃焼器において一般的に使用されている。これらのセンサは、通常、２つの電極の内の一方に基準空気を供給して使用され、抽出形センサであって高度なメンテナンスを必要とする。
【０００８】
最近、幾つかの供給業者が、基準ガスの連続供給を行わない酸素センサを導入した。代わりにこれらのセンサは、シールされた空間内部にＯ２の一定分圧を発生させる金属／金属酸化物の混合物が充填されたシール内部電極を有する。
【０００９】
更に、混合電位電位差方式で用いる、燃焼システム煙道ガス中のＮＯＸを測定する方法においてネルンスト形固体電解質センサが使用されることが知られている。このようなネルンスト形固体電解質センサ設計においては、分析されるガスは、測定電極に到達する前に多孔性フィルタを通過する。このフィルタは、ＮＯ又はＮＯとＮＯ２の混合物であるＮＯＸに対するネルンスト形固体電解質センサの感度を高めるためのものである。
【特許文献１】米国特許第６，２７７，２６８号公報
【非特許文献１】Ｋｈｅｓｉｎ，  Ｍ．  Ｊ．、Ｊｏｈｎｓｏｎ  Ａ．  Ｊ．による「Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ：  Ｎｅｗ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ」Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、シカゴ、１９９３
【非特許文献２】Ｋｈｅｓｉｎ，  Ｍ．  Ｊ．、Ｉｖａｎｔｏｔｏｖ，  Ａ．  Ａ．による「Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｆｌｕｅ  Ｇａｓ  Ｏｘｙｇｅｎ  ａｓ  Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ  ｏｆ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅｓ」Ｔｅｐｌｏｅｎｅｔｇｅｔｉｋａ、１９７８、５
【非特許文献３】マサチューセッツ州、クインシー「米国防火協会」（ＮＦＰＡ）による「ＮＦＰＡ  ８５Ｃ、ａｎ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄ」、ｐ．８５Ｃ−１１、１９９１年８月６日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、７００−８００°Ｃに等しいかこれを越える温度の燃焼システム内で、主としてＯ２及びＣＯを感知するために使用できるセンサを提供する必要性がある。更に、燃焼システム内のガス変動に対応してこれを感知することができると共に、センサセルを保護し、較正ガスが燃焼システム内に流入するときの較正領域を可能にするセンサ構造を提供する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、燃焼システム内のガスを監視するための改良された装置を提供することによって上記の問題を克服し、更なる利点を提供する。本発明は、発電機用ボイラ及び化石燃料用燃焼器を含む多数の用途に使用できる。１つの実施形態において、本発明は、１つの固体電解質をベースとする現場電位差センサを使用して、酸素、ＮＯＸ、及びＣＯなどの主要燃焼成分の同時監視及び／又は測定を提供する。燃焼最適化の有効な手段として必要な燃焼変数の特性及びマッピングを提供するために、このようなセンサはグループ化することができる。
【００１２】
本発明の１つの態様によれば、変動性の可燃性物質のセンサは、混合電位差Ｏ２＋ＣＯセンサを提供する。この実施形態においては、基準ガス（空気）が、可燃性物質センサを通って流れるように、該センサの１つの電極（基準電極）に供給される。これは貫流形Ｏ２＋ＣＯセンサと呼ぶことができる。センサのＯ２構成部は、ネルンストの式に従って動作する点で従来のネルンスト形ガスセンサと同様に動作する。しかしながら、「ネルンスト形」という用語は、ネルンストの式に従って動作しない固体電解質のジルコニアベースのセンサを総称して使用される場合が多い。このセンサのＣＯ及びＮＯＸの態様は、技術的な意味から言えば「ネルンスト形」ではない。むしろ本発明のＣＯ及びＮＯＸセンサ構成は、ＣＯ及びＮＯＸの濃度決定に関係した処理が、温度、使用材料などのような多数の因子に基づいたネルンストの式からは逸脱しているという点で、混合電位モードで作動する。
【００１３】
１つの態様において、本発明は、ＭＫ  ＣＯセンサのような既存のセンサ又はセンサ設計を複合電位差式Ｏ２＋ＣＯセンサに変換するために用いることができる。この方法は、センサが２つの測定電極を備えた固体電解質セルを有する場合のより複雑さの少ないセンサ設計を提案している。現位置（又は現場）電位差式センサは、ＤＣ成分とＡＣ成分の２成分から成る出力信号を発生する。従来、ＤＣ成分は、ネルンストの式を用いてＯ２を計算するために使用されてきたが、ＡＣ成分は、信号からフィルタを通して除去されてきた。最近になって変動ＡＣ成分は、米国特許第６，２７７，２６８号で説明されているように、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）、又は他のガス状可燃性物質の濃度を求めるために使用されるようになった。
【００１４】
燃焼器が平衡通風モードで（負圧下で）動作するときに、基準空気供給のための駆動力として自然通風を使用することができる。基準空気供給管は、較正ガスを基準電極に供給することによって、Ｏ２及びＣＯセンサの両方を周期的に較正するために使用できる。
【００１５】
センサを連続的に加熱し且つ温度制御する代わりに、センサは、例えば約９００〜１５００°Ｆ（４８０−８１５°Ｃ）の煙道ガス温度の多くのボイラ／炉用途において、適切な温度ウィンドウにある煙道ガスゾーンに置かれる。温度は、連続的に測定されて、補償を行うために使用される。センサヘッドは、該センサヘッドの較正を容易にし、煙道ガス速度の影響を低減し、灰の堆積からその表面を保護するために保護シェル内に置かれる。
【００１６】
本発明の更に別の態様によれば、上述のような現位置固体電解質センサは、可撓性のステンレスホース又は導管を備えて、ボイラにおけるパッケージング、組立て、取付け、メンテナンスを容易にする。実用のガス測定プローブは、２０〜３０フィート又はそれ以上のかなり大きな長さになる。ガス測定プローブの長さが大きい（６〜８フィートを超える）場合には、プローブは現場で組み立てられなくてはならず、従って、組立て、移送、挿入、及び取出し作業が複雑になる。可撓性ホースの使用は、ポストフレームゾーン内に装着された支持導管と共に、現場取付けに関連してより大きな柔軟性を与え、プローブ全体を工場で製造することが可能になる。次に、ユニットは、完全に組み立てられて現場に出荷され、センサプローブユニットの挿入及び取出しは、特に混雑したプラント環境において大いに簡易化される。
【００１７】
従って本発明の１つの態様は、１つの固体電解質をベースとした現位置電位差式センサを用いて、酸素及び他のガス状可燃性物質（ＣＯのような）の濃度などの幾つかの主要な燃焼変数の同時的且つ即時的測定を提供することである。既存の現位置固体電解質電位差式燃焼センサは、唯一の燃焼変数の測定を可能にするものであり、本質的に作動上の困難性を有する。幾つかの主要な燃焼変数を同時的且つ即時的に求める燃焼センサは、オンライン燃焼診断及び最適化を成功させる点において有意な利点を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、発電用ボイラ及び化石燃料燃焼器を含む多くの燃焼用途で用いることができる。本発明は、１つの方法において、電位差方式で作動する１つの共通の現位置（又は現場）センサを用いて、酸素、一酸化炭素、及び他のガス状可燃性物質を同時に監視及び／又は測定する。このようなセンサはまとめられて（例えば、均一に離間して配置された格子として、センサを特定バーナの変化に対応するように戦略的に位置付けて）、燃焼最適化の効果的な手段として、必要な燃焼変数のプロファイリング及びマッピングを提供することができる。
【００１９】
炭化水素燃料は、限定ではないが、ボイラ、炉、燃焼ガスタービン、又は化石燃料燃焼器などの燃焼器又は燃焼システム（以下においては「燃焼システム」と称する）内で燃焼し、流体の温度を上昇させるための熱を生成することができる。様々な規制機関及び政府団体は、環境規制及び設計制約を遵守するために燃焼システムの操作者が範囲内に収めなくてはならない燃焼副生成物／生成物に対する制限を課している。燃焼システムが効率的に作動し、許容可能な「完全」燃焼（燃焼副生成物／生成物が環境規制及び設計制約によって課せられた範囲内にある燃焼）を行うように、燃焼システムの個々のバーナをクリーンで効率的に作動させるべきである。更に、燃焼システムが環境規制及び設計制約を遵守して作動するように、ポストフレーム燃焼制御システムが、適切に均衡され調節されるべきである。
【００２０】
環境規制に対する遵守を確実にするために、一般に、未燃焼の炭素、窒素酸化物類（ＮＯ、ＮＯ２、ＮＯＸ）、一酸化炭素、又は他の副生成物のエミッションが監視される。本明細書及び請求項において使用される用語「ＣＯ（一酸化炭素）」は、ＣＯ並びに未燃焼炭化水素類及び不完全燃焼の他の反応生成物を含むガス状可燃性物質に相当する。従来のエミッションの監視は、必然的に、燃焼器からの総合エミッション（すなわち、全バーナのアレイ全体として）に対して行われていた。高温煙道ガスにおけるガス状可燃性物質濃度のような幾つかのエミッションは、オンライン及び連続的な監視が困難であり及び／又はコストがかかる。典型的には、これらのエミッションは、周期的又は不定期的に測定される。特定の燃焼副生成物が、許容することができない程高い濃度で生成されたことが判明したときには、燃焼器は適切な作動を回復するように調整されるべきである。しかしながら、総合エミッション測定、或いは周期的又は不定期のエミッション測定は、どの特定の燃焼器のパラメータがそうした調整を行うよう変更されるべきかに関する有益な情報を、たとえあるとしても、ほとんど提供しない。
【００２１】
燃焼プロセスを最適化し、エミッションを最小レベルにして最大の効率を提供するという目標を達成するためには、２つの主要な燃焼変数，すなわちＯ２及びＣＯが連続的に監視されるべきである。固体電解質（例えばジルコニア）をベースにした燃焼センサは周知であり、酸素及び可燃性物質を測定するために化石燃料用燃焼器において一般的に使用されている（商業的な供給業者には、Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ、Ａｍｅｔｅｋ  Ｔｈｅｒｍｏｘ、及び横河電機が含まれる）。これらのセンサは、通常、２つの電極の内の一方に基準空気が供給されて使用される。ほとんどの場合、既存のセンサは抽出型であって、高度のメンテナンスを必要とする。
【００２２】
固体電解質を使用して煙道ガス可燃性物質（主としてＣＯ）を測定するための方法は、名称が「Ｓｙｓｔｅｍ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｆｏｒ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  Ｇａｓｅｏｕｓ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅｓ  Ｉｎ  Ｆｏｓｓｉｌ  Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒｓ」の米国特許第６，２７７，２６８号（Ｋｈｅｓｉｎ他）（本明細書では以下’２６８特許と呼ぶ）において説明されるように、高温煙道ガス流内に直接位置付けられた現場電位差式固体電解質セル内の変動信号を用いることに基づくものである。これらのセンサは、設計が比較的単純であり、即時応答を与える。製造されており市場で入手可能な既存のセンサの実施例は、オハイオ州ツインズバーグのＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒｅｕｔｅｒ−Ｓｔｏｋｅｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ製のＭＫ  ＣＯセンサである。
【００２３】
’２６８特許は、とりわけ、ある環境内の少なくとも第１のタイプのガス分子濃度の変化を監視するための装置を開示している。この装置は、材料の塊と第１及び第２の電極とを含む。この材料の塊は、第１のタイプのガス分子がイオン化されたときに形成されるイオンに対して透過性である。第１の電極における第１のタイプのガス分子濃度が第２の電極における第１のタイプのガス分子濃度と異なるときには、第１のタイプのガス分子が第１の電極においてイオン化されてイオンを形成し、このイオンが、材料の塊を介して第１の電極から第２の電極に流れ、第２の電極において再結合されて第１のタイプのガス分子を形成し、これによって第１及び第２の電極間に信号を発生するように第１及び第２の電極が材料の塊上に配置される。第１及び第２の電極の各々は、環境と流体連通している。
【００２４】
更に具体的には、‘２６８特許は、環境内に存在する酸素濃度の変化を監視するための、少なくとも１つのネルンスト形ガスセンサを含むシステムを開示する。このセンサは、固体電解質材料の塊と、第１及び第２の電極とを含む。第１及び第２の電極は、固体電解質材料の塊上に配置され、該電極間に第１の電極における酸素濃度と第２の電極における酸素濃度との差を示す信号を生成する。第１及び第２の電極の各々は、環境と流体連通している。しかしながら、ネルンスト形ガスセンサを用いると、任意の数のガスの濃度を監視することができる。センサに含まれる材料の塊は、第１のタイプのガス分子がイオン化されたときに形成されるイオンに対して透過性である。環境内の第１のタイプのガス分子の濃度の変化に応答して、少なくとも第１及び第２の電極間に信号が生成される。更に、このセンサは温度制御装置がなくともよい。
【００２５】
‘２６８特許は更に、第１の特性を有する第１のガスと第１の特性とは異なる第２の特性を有する第２のガスの各々を所定のシーケンスでガスセンサに供給することを含む、ガスセンサを較正するための方法を開示する。ガスセンサ又はこれに関連する信号分析装置は、ガスセンサの出力信号に基づいて調節され、ガスセンサを較正する。ガスセンサを較正するための装置は、切換えシステムとシーケンサとを含む。切換えシステムは、第１の所定のガス特性を有する第１のタンクと、第２の所定のガス特性を有する第２のタンクの各々と流体連通している。シーケンサは、切換えシステムに第１及び第２のタンクの各々からガスセンサに所定のシーケンスでガスを供給させる。
【００２６】
本発明は、燃焼システム又は燃焼装置（以下「燃焼システム」）の安定した効率的な作動を可能にするためにガスを監視し測定する装置を提供する。ガスを監視し測定するためのセンサを含めて本発明によって具現化されるような燃焼システムは、様々な燃焼変数及びそれらの異なる燃焼域における分布特性の連続的なオンライン監視を達成するために有用である。本発明によって具現化される燃焼システムの監視が達成されると、個々のバーナ並びにポストフレーム燃焼制御装置は、燃料と空気流との間の強化された関係と、個々の空気流及び再燃焼燃料流の強化された分布と、並びに他のボイラ調節の最適化とを達成するように調節することができる。これらの強化は、個々に又は組み合せて燃焼器の効率が向上するように機能することができる。
【００２７】
酸素濃度を（現場で）監視するために、燃焼システムにおいて酸素センサを使用することは公知である。通常、このような現位置酸素センサは、固体電解質素子（限定ではないが、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）（ＹＳＺ））の両側に互いに隣接して配置された１対の多孔性金属電極（限定ではないが、例えば白金）を使用する。電極の一方（「基準電極」）は通常、所定の酸素濃度を有するガスによって囲まれ、他方の電極（「感知電極」）は通常、監視しているガスに曝露される。これらの現位置酸素センサにおいては、固体電解質素子は、十分な温度（限定ではないが、例えば約６００°Ｃよりも高い温度）まで加熱されたときに、酸素イオンに対して透過性になる。
【００２８】
この現位置酸素センサにおいては、一方の電極における酸素分子の濃度が他方の電極におけるよりも大きいときに、酸素イオンが一方の電極から他方の電極に移動することになる。従って、両電極の表面は、触媒表面として働き、これにより、酸素分子が酸素イオンになることができるようになる。この酸素イオンの流れによって生じる電子の不均衡、及びそれぞれの電極において起こるイオン化／脱イオン化は、両電極間に電圧を発生させることができる。この電圧は、２つの電極における酸素分圧比並びに固体電解質材料の温度の関数である。２つの電極間に生成された電圧は、いわゆる「ネルンスト」の式によって次のように表される。
Ｅ＝（ＲＴ／４Ｆ）×Ｌｎ（Ｐ１／Ｐ２）＋Ｃ
ここで、
Ｅ＝出力電圧、
Ｔ＝センサの絶対温度、
Ｒ＝普遍気体定数、
Ｆ＝ファラデー定数、
Ｐ１＝基準ガスにおける酸素分圧、
Ｐ２＝監視されているガスにおける酸素分圧、
Ｃ＝個々のセンサの各々についての定数、及び
Ｌｎ（Ｐ１／Ｐ２）は、Ｐ１／Ｐ２比の自然対数、
である。
【００２９】
ネルンストの式中の変数は、Ｅ、Ｔ、Ｐ１、及びＰ２である。基準ガス中の酸素分圧（Ｐ１）が一定に保たれるとき、このような先行技術の現位置酸素センサによる信号Ｅ出力は、（１）測定されるガス中の酸素分圧Ｐ２の変化、及び（２）センサの温度Ｔの変化、によって影響を受ける。電圧Ｅの値に対するセンサの温度Ｔの影響を排除することにより、このようなセンサによる電圧Ｅ出力は、値Ｐ２の変化にのみ応答する。従って、電圧Ｅは、測定されるガス中の酸素濃度の正確な指標として用いることができる（すなわち、Ｅ＝ｆ（Ｐ２））。ネルンスト形ガスセンサからの電圧Ｅ出力に対する該ガスセンサの温度Ｔの影響は、典型的には２つの方法の内の１つを用いて排除される。
【００３０】
公知の現位置酸素センサを使用する１つの方法によれば、現位置酸素センサ内にヒータが設けられ、該ヒータは、センサを一定温度Ｔに維持するよう選択的に作動させることができる。公知の現位置酸素センサを使用する別の方法によれば、センサの温度Ｔを測定するためにセンサ内に熱電対が配置され、電圧Ｅを調節して温度Ｔの変化を補償する。本明細書において使用される用語「温度制御装置」は、上述の２つの方法のいずれかを使用して、電圧Ｅ出力に対するネルンスト形ガスセンサの温度Ｔの影響を排除できる、任意の装置、回路構成、ハードウエア、ソフトウエア、又はそれらの任意の組合せを意味する。
【００３１】
ガス状可燃性物質が、少なくとも１つの多孔性触媒電極（限定ではないが、多孔性白金電極など）を使用したネルンスト形ガスセンサ内で触媒電極と適切な条件下で接触するときには、ガス状可燃性物質は、燃焼タイプの反応において酸素と化学的に結合して、不燃性副生成物を形成するようにされる。本発明を限定するものではないが、例えば、２つの一酸化炭素分子（２ＣＯ）は、１つの酸素分子（Ｏ２）と結合して、２つの二酸化炭素分子（２ＣＯ２）を形成する（２ＣＯ＋Ｏ２＝２ＣＯ２）ことができる。或いは、２つの水素分子（２Ｈ２）は、電極において１つの酸素分子（Ｏ２）と結合して、２つの水分子（２Ｈ２Ｏ）を形成する（２Ｈ２＋Ｏ２＝２Ｈ２Ｏ）ことができる。
【００３２】
本明細書において使用される用語「ガス状可燃性物質」は、燃焼タイプの反応において酸素と化学的に結合できる任意のガス状分子を意味する。触媒電極におけるガス状可燃性物質と酸素との化学反応により、ガス状可燃性物質のレベルの上昇は、電極付近において追加的な酸素分子の消耗の原因となる。この作用により、電極における酸素濃度が低下し、これに応じてセンサによる電圧出力が変化する。同様に、電極付近におけるガス状可燃性物質のレベル低下により、電極付近の酸素分子の消耗が少なくなり、従って電極における酸素濃度が上昇し、これに応じてセンサによる電圧出力が変化する。
【００３３】
本発明によって具現化されるような、燃焼システムのポストフレームゾーン（後述される）内の煙道ガスにおいては、通常、一酸化炭素（ＣＯ）が主要なガス状可燃性物質である。一酸化炭素は、典型的には煙道ガス中に存在するガス状可燃性物質の約９５％よりも多くを占める。従って、燃焼器の煙道ガスを感知しているネルンスト形ガスセンサからの出力信号は、煙道ガス中に存在するＣＯのレベルの信頼できる指標として機能することができる。
【００３４】
一般に、ネルンスト形ガスセンサからの信号は、２つの成分、すなわち（１）強度（「ＤＣ成分」）と（２）変動周波数（「ＡＣ成分」）とを含む。ネルンストの式によれば、ＤＣ成分は、センサの温度と、分析されるガス及び基準ガス中の酸素濃度とを含む幾つかのパラメータの関数である。ＤＣ成分は、Ｏ２濃度を求めるためにセンサを用いる燃焼システムにおいて関心のある成分であった。変動するＡＣ成分は、ノイズと考えられる場合が多いので、酸素センサの出力信号から一般にフィルタを通して除去される。限定ではないが、センサ素子がポストフレームゾーンの外にあって、サンプル煙道ガスが抽出されて外部センサへ送られる抽出形構成のような非現場センサにおいては、一般に遅延が生じ、変動するＡＣ成分の精度が有意に低下し、事実上失われる可能性がある。従って、このようなシステムにおいては、変動するＡＣ成分は、典型的にはほとんど役に立たないと見なされてきた。
【００３５】
理論的分析によって支持されるボイラ試験により、現位置酸素センサの変動するＡＣ成分を燃焼効率の指標として使用できることが示された。この実証は、（１）Ｋｈｅｓｉｎ，  Ｍ．  Ｊ．、Ｊｏｈｎｓｏｎ  Ａ．  Ｊ．による「Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ：  Ｎｅｗ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ」Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、シカゴ、１９９３、及び（２）Ｋｈｅｓｉｎ，  Ｍ．  Ｊ．、Ｉｖａｎｔｏｔｏｖ，  Ａ．  Ａ．による「Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｆｌｕｅ  Ｇａｓ  Ｏｘｙｇｅｎ  ａｓ  Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ  ｏｆ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅｓ」Ｔｅｐｌｏｅｎｅｔｇｅｔｉｋａ、１９７８、５、の少なくとも２つの論文で説明されており、その各々は引用により本明細書に組み入れられる。これらの論文で説明されているように、固体電解質形の現位置酸素センサによって生成される出力信号は、このような信号の変動するＡＣ成分をガス状可燃性物質と相関させることにより、ガス状可燃性物質を監視するのに用いることができる。
【００３６】
上記引用文献記事（１）及び（２）で説明されたネルンスト現象は、本発明により具現化されるようなセンサを含む燃焼システム内のガスを監視する方法及びシステムにおいて実用的で有用な方法で適用することができる。本発明により具現化されるような燃焼監視システムにおいてネルンスト現象を使用するために、センサは、高い作動温度に曝されることになる。ここで言う高い作動温度とは、実現しなければならない約５００−８００°Ｃより高い温度を意味している。更に、本発明により具現化されるような燃焼監視システムにおいてネルンスト現象を用いるセンサを使用するために、センサ及び燃焼監視システムは、センサ電極の触媒能力の漸進的低下、その結果生じる結果の不整合、ひいてはこのような結果を得るために使用される信号処理アルゴリズムの不確実性に適合可能及び克服可能であるべきである。
【００３７】
本発明は、燃焼器内のガス状可燃性物質を監視するための、改良されたより融通性のあるセンサ設計、及び効果的且つ普遍的なシステムを提供することによって、これらの問題を克服する。
【００３８】
本発明の１つの適用例においては、１つ又はそれ以上の固体電解質ガスセンサが、燃焼器ポストフレームゾーンの煙道ガス流内に位置付けられて、煙道ガスの酸素濃度の変動を測定する。これらのセンサによって測定された変動を用いて、ガス状可燃性物質のリアルタイムのレベルと相関する値を計算することができる。
【００３９】
各センサは、限定ではないが、１つの固体電解質（例えばＹＳＺ）素子と、この素子に関連する好ましくは多孔性の少なくとも２つの金属（例えば、白金）電極とを含むことができる。本発明の１つの態様によれば、電極の少なくとも１つは、煙道ガス中の成分ガス分子を監視するために煙道ガスと流体連通している。少なくとも１つの他の電極は、煙道ガスと直接流体接触しないように隔離されており、基準ガスを供給することができる。監視されることになるガスは、例えば、酸素（Ｏ２）、ＣＯ、ＮＯＸ、又は他の可燃性ガスとすることができる。例証として、煙道ガスから隔離された電極は、例えば空気などの基準ガスが供給され、他の電極は煙道ガスと流体連通している。両電極は、酸素濃度を監視するため、又は酸素濃度に基づいて他のガスの濃度を求めるためにシステムに接続されている。このようにして、煙道ガス中の酸素濃度が第１のレベルから第２のレベルへと変化するとき、煙道ガス電極における酸素濃度が第１のレベルから第２のレベルに変化する速度は、少しでも変化する場合には、隔離された電極における酸素濃度が第１のレベルから第２のレベルまで変化する速度と異なるものとなる。言い換えると、各々の電極は、その電極における酸素濃度レベルが煙道ガス及び隔離された基準環境における新しい酸素濃度レベルにまでどのように迅速に上昇又は下降するかを定める時定数が当該電極に関係して存在するように構成及び配置することができる。
【００４０】
各電極における酸素濃度とそれぞれの環境中の酸素濃度との間には、時定数を含む多数の異なる関係のいずれもが存在する可能性があり、本発明は、いずれの特定タイプの関係にも限定されない。電極における酸素濃度とそれぞれの環境中の酸素濃度との間の関係の１つの実施例は、時定数Ｔｃを含む次のような指数関数的な関係である。
【００４１】
【数１】
2005181331.tif 000003
【００４２】
ここで、
ＣＥ＝基準電極における酸素濃度、
ＣＣ＝環境中の酸素濃度、
ΔＣＣ＝環境中の酸素濃度の変化、
ｅ＝指数関数演算子
ｔ＝酸素濃度の変化が起きてからの経過時間、
ＴＣ＝当該電極に固有の時定数、
である。
【００４３】
２つの電極の時定数ＴＣが異なるときには、電極は、異なる「程度」だけそれぞれの環境と流体連通する。電極は、これらの時定数ＴＣが互いに異なるように多くの方法の内のいずれかで構成及び／又は配置することができ、本発明は、これを達成するためのいずれの特定の方法にも限定されるものではない。種々の例示的な実施形態において、例えば、この目標は、設計、材料、及び／又は特性が異なる電極を使用することによって簡単に達成することができる。例えば、電極は異なる幾何学的形状を有することができ、異なる気孔率を有する材料で被覆することができ、異なる材料で被覆することもでき、及び／又は異なる量の材料、例えば多孔性高温エポキシのような材料で被覆することもできる。
【００４４】
電極が異なる時定数を有するように構成及び配置されているとき、両電極間で測定される電位は、１対のセンサの一方が所定の酸素濃度を有するガスで囲まれた上述の先行技術によるセンサによってなされたように、ＡＣ成分及びＤＣ成分の両方又は主としてＤＣ成分を表すのではなく、測定されるガス中の酸素濃度の変動的ＡＣ成分を主として表している。電極の時定数間の適切な差異を構成するものは、用途毎異なることができ、本発明は時定数間のどのような特定の差異にも限定されない。様々な実施形態において、例えば、電極の時定数の値は、数ミリ秒（例えば、２ミリ秒）から数分（例えば、１０分）の間のある値だけ互いに異なることができる。
【００４５】
本明細書に説明されるセンサ構成は、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）などの多くの他のタイプのガスの濃度を感知する場合にも同様に用途を見出すことができるので、酸素濃度の監視用途に限定されるものではないことが理解されるであろう。
【００４６】
現位置酸素センサからの出力信号は、例えばプログラムされたコンピュータのような信号分析装置に送られ、そこで分析されて燃焼状態と相関する１つ又はそれ以上の燃焼パラメータを生成するのに使用される。
【００４７】
１つの方法においては、センサの出力信号は、出力範囲を既知のガス濃度と相関付けるために分析される。例えば、特定の用途及び特定の燃料において、特に関心のあるＮＯＸ範囲は、０〜５００ｐｐｍ（百万分の１）ＮＯＸとすることができる。このことから、センサを既知の量のＮＯＸに露出して、測定された出力電圧応答（ｍＶにおけるような）を既知のＮＯＸ濃度とマッピングすることにより、応答曲線を確立することができる。同様に、０−１０％の酸素範囲に対しては、センサが既知の濃度の酸素に露出され、その結果得られた電圧応答曲線は、意図された用途において受信した信号の処理に適用される。同様に、０〜１０００ｐｐｍの範囲のＣＯに対して電圧応答曲線が確立され、意図された用途において測定された濃度の処理に適用される。所与の設計に従って作られたセンサは、本質的に同じように動作することが好ましいが、特定のセンサに「微調整する」か、或いは設計応答曲線に従うようにするために、現場又は現場外において何らかの調節又は補正が必要とされる場合がある。
【００４８】
出力信号は、信号の周波数領域振幅スペクトルを使用することによって周波数領域で処理されて、極値関数を生成することができ、１つ又はそれ以上の燃焼パラメータが、このようにして生成された極値関数の１つ又はそれ以上の特性に基づいて計算される。別の実施形態において、信号は、時間領域（後述のような）において、選択された時間間隔の間に信号の時間領域表示の１つ又はそれ以上の特性を分析することによって処理される。更に別の実施形態においては、信号は、周波数領域及び時間領域の両方において処理され、各領域における計算の結果が組み合わされて、１つ又はそれ以上の燃焼パラメータが得られる。次に、ガス状可燃性物質のレベルは、例えば、温度、酸素のレベル、及び／又は制御されたガス中の可燃性物質に依存することができる限界条件と共に、これらの計算された燃焼パラメータの組合せを用いて推定することができる。これらの限界条件は、例えば、センサ信号のＤＣ成分から求めることができる。
周波数及び／又は時間領域における酸素センサからの信号を処理して燃焼パラメータを得るための新規な技術に関する本発明のこの態様は、１つの電極を基準ガスで囲む上述の先行技術による酸素センサ、少なくとも２つの電極の各々が共通のガス状環境と流体連通している上述の酸素センサ、或いはガス（例えば、酸素）又は他の流体濃度を表す変動ＡＣ成分を含む信号を生成する他の任意のタイプのセンサのいずれかと共に使用することができることが理解されるべきである。
【００４９】
単一のセンサが使用されるとき、センサは、分析されるガスがセンサと接触する特定位置におけるガス状可燃性物質のレベルを表す信号を発生する。このような単一のセンサからの信号は、小形の単一バーナ型工業用燃焼器の作動を最適化するのを可能にする十分な情報量を提供することができる。幾つかのセンサが燃焼器の煙道ガス流に挿入されるとき（例えば、煙道ガス流の幅方向にわたって、又は格子を形成するように複数の列を成して）、センサの出力は、燃焼器内におけるガス状可燃性物質の分布特性を表す。このような特性は、燃焼器を均衡化及び最適化のために利用することができる。例えば、個々のバーナ及び／又はポストフレーム燃焼システムは、最適で均衡のとれた燃焼条件が達成されたことを反映するまで、生成された特性を変更するよう調整することができる。（１）このような最適且つ均衡のとれた燃焼状態が達成されたときに、特性がどのように現れるか、及び（２）個々のバーナ及び／又はポストフレーム燃焼システムが、異なる特性の態様にどのように影響を及ぼすか、に関する理解は、手動による収集か或いはニューラルネットワークなどの自動統計システムによるいずれかで分析される経験的評価により得ることができる。このボイラの均衡及び最適化は、大形のマルチバーナ型燃焼システム用に特に有用とすることができる。
【００５０】
図１を参照すると、燃焼器１００の断面図と、ポストフレームの位置で燃焼器１００の煙道ガスダクト１１４の幅方向にわたって位置付けられてポストフレームゾーンにおいて煙道ガスダクト１１４を通って流れる高温煙道ガス流を監視する幾つかの現位置酸素センサ１０２の典型的な配置とが示されている。センサ１０２は、例えば、煙道ガス中の酸素濃度（及び／又は濃度の変化）を測定する固体電解質センサとすることができ、或いは煙道ガス内に存在する１つ又はそれ以上の他のタイプのガス濃度（及び／又は濃度の変化）を表す信号を発生することのできる任意の他のセンサであってよい。実際には、任意の数のセンサ１０２を煙道ガスダクト１１４の幅方向にわたって取り付けることができる（好ましくは１列に）。センサはまた、垂直方向の列、又は格子状形態、或いは他の効果的なパターンで配列することができ、更にダクト内に様々な深さで延びるようにしてガス状可燃性物質の分布特性を監視することができる。
【００５１】
燃焼器１００は、１００フィート、２００フィート、或いは３００フィートより高くすることさえできる。図１に示すように、燃焼器１００は、燃料と空気を混合して、燃焼器１００内にフレームエンベロープ１０８状のフレームを発生させる複数の燃焼装置（例えば、燃焼装置１０６）を含むことができる。燃焼装置は、多くのタイプのフレーム発生装置のいずれかであってもよく、本発明は、特定のタイプの燃焼装置に限定されるものではない。例えば、１つの実施形態によれば、燃焼装置は、バーナ（例えば、ガス燃焼バーナ、石炭燃焼バーナ、石油燃焼バーナ、など）を含むことができる。このような実施形態においては、バーナは、任意の形態で配列することができ、本発明は、どのような特定の配列にも限定されない。バーナは、例えば、壁面燃焼配列、対向燃焼配列、接線燃焼配列、又はサイクロン配列に位置付けることができ、更に、独立した複数のフレーム、１つの共通の火球、又はこれらの任意の組合せを発生するように配列することができる。或いは、燃焼器１００内でフレームを発生させるために、移動床又は振動床を含む「ストーカ」と呼ばれる燃焼装置を使用することができる。
【００５２】
本明細書及び請求項において用いられる「フレーム」とは、「燃料及び空気を燃焼生成物に迅速に変換する化学的プロセスの可視的又は他の物理的証拠」を意味し、「フレームエンベロープ」とは、「燃料及び空気を燃焼生成物に変換する個々のプロセスの境界（必ずしも可視的ではない）」を意味する。この意味は、マサチューセッツ州、クインシーの「米国防火協会」（ＮＦＰＡ）による、「ＮＦＰＡ  ８５Ｃ、ａｎ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄ」というタイトルの刊行物のｐ．８５Ｃ−１１、１９９１年８月６日での定義と整合する。
【００５３】
図１を参照すると、燃焼器１００内の燃焼装置１０６が活発に燃料を燃焼しているとき、燃焼器１００内部では、（１）フレームエンベロープ１０８、及び（２）出口１１２に向かって幾らかの距離にわたるフレームエンベロープ１０８の外側のゾーンである、いわゆる「ポストフレーム」ゾーン１０９、という２つの別個の位置を識別することができる。フレームエンベロープ１０８の外側では、高温燃焼ガス及び燃焼生成物を周りに乱流的に押し出すことができる。総称して「煙道ガス」と呼ばれるこれらの高温燃焼ガス及び生成物は、フレームエンベロープ１０８から離れて燃焼器１００の出口１１２に向かって進む。水又は別の流体（図示せず）が、燃焼器１００の壁（例えば、壁１０４）を通って流れることができ、そこで加熱されて蒸気に変換され、例えばタービンを駆動するエネルギーを発生するのに用いることができる。図示した実施形態においては、センサ１０２は、燃焼器１００のポストフレームゾーン１０９内に配置されている。しかしながら、本発明は、この点に限定されず、或いはセンサ１０２がフレームエンベロープの過酷な高温環境に耐えるように構成されている場合には、該センサをフレームエンベロープ１０８内に配置することもできることが理解されるであろう。
【００５４】
上述のように、本発明の１つの実施形態においては、各センサとその基準電極との間の電位差は、ガス状可燃性物質の濃度を測定するために分析することができる変動成分を含む。この相関関係の理由は、次のようなものであると考えられる。個々のバーナフレームは、フレームエンベロープ１０８の内部及び周りに様々なサイズの多数の渦を含む。これらの渦は、燃料及び空気ジェットの縁部における乱流混合の結果として、種々の周波数でよく知られたフレーム揺らぎを発生する原因となる。渦は、燃焼プロセスにおいて変形され、炉出口１１２の一般的な方向へ移動する。全体の燃焼乱流は、大規模な渦から徐々に小さな渦になり、分子レベルに至るまでのエネルギー伝達のプロセスを反映する。混合プロセスの速度、及びその結果として得られるこれらの乱流活動の強さは、燃焼安定性を決定付け、ガス状可燃性物質の形成及び分解のプロセスに直接関係する。これらの無秩序で乱流的な活動の大部分は、フレームエンベロープ１０８において始まり、且つ発生する。
【００５５】
乱流活動がポストフレームゾーン１０９の煙道ガス流内で起こる場合もある。しかしながら、燃焼の動力学と関係する小さな渦（すなわち、小規模の高周波乱流）は、急速に放散する傾向にあり、一般にポストフレームゾーンに到達しない。典型的には、大きな渦（すなわち、大規模な低周波乱流）のみが、ポストフレームゾーン内に存在する。この低周波乱流は、燃焼変数（例えば、未燃焼炭素及び他の可燃性物質の量）、特に２次燃焼空気及び再燃焼などのポストフレーム燃焼制御システムによって影響を受ける２次燃焼プロセスと関連する燃焼変数を反映する。煙道ガスダクト１１４内を通過する高温煙道ガスの乱流は、ガス状可燃性物質を含む不完全燃焼生成物を運ぶ。上述のように、これらのガス状可燃性物質は、比較的大きな渦として煙道ガス乱流内を移動する。そしてガス状可燃性物質を含むこのような渦は、非常に低濃度の酸素を含むであろう。センサ１０２近傍での触媒の存在及び高温度（例えば、９００〜１５００°Ｆの間）のような適正な条件が生じる度に、ガス状可燃性物質が燃焼して、センサ近傍の酸素濃度が低下する。センサ電極近傍における酸素濃度のこれらの変動により、センサ１０２による信号出力にパルスが生成される。これらのパルスの周波数及び振幅は、分析された煙道ガス流内に存在するガス状可燃性物質のレベルを表す。
【００５６】
センサ出力信号とガス状可燃性物質レベルとの間の関係は、作動時における燃焼パラメータ、物理的パラメータ、及び化学反応を含む種々の要因によって影響を受けることになる。この多変数プロセスをより正確に監視するために、本発明の１つの実施形態によれば、２つ又はそれ以上の数学的に異なる信号処理アルゴリズムを同時に用いて、センサによる信号出力を分析し、この幾つかのアルゴリズムの結果が組み合わされる。
【００５７】
上述のタイプのガスセンサから受け取った情報及び信号を処理するための方法及びアルゴリズムの実施例が、例えば、全体が引用により本明細書に組み込まれている’２６８特許に説明されている。この’２６８特許は、時間及び周波数領域において行われるような信号処理システム及び計算を開示しており、これは本明細書に説明されるセンサの実施形態に用いる場合に適用できる。しかしながら、本発明のガスセンサは、本明細書又は’２６８特許で説明される処理システムにおける使用に限定されず、本発明のガスセンサの有利な使用により得られる情報を認識し理解するように適合される任意のシステムにおいて使用できると理解される。
【００５８】
図２は、センサシステム全体を示す。各センサ１０２は、典型的には１０００〜１５００°Ｆの温度範囲の燃焼プロセスの下流側に配置される。典型的な施設には、複数のバーナ全体にわたる燃焼プロセスの均衡、調整、及び最適化に使用するセンサの大きな格子を有するであろう。センサの測定端部は、通常４フィートから３０フィートより大な距離（すなわちボイラ／燃焼チャンバの壁１３０からの離間距離）だけ燃焼プロセス内に配置される。
【００５９】
シェル１５４（図３）は、較正機能を提供しながら、プロセス環境の最も過酷な態様からセンサセルを保護する。セルを含む各センサ１０２の端部は、以下に説明する特定の実施形態においては、溶接部を切断することなく現場で交換することができる。
【００６０】
高温（〜＞５００°Ｃ）で作動する固体電解質セルは、次式で表されるネルンストの原理により酸素成分に基づいた電圧を生成する。
【００６１】
【数２】
2005181331.tif 000004
【００６２】
この式において、比は、測定セルの内側（基準）電極及び外側（プロセス）電極における酸素の分圧を表している。典型的には、内側すなわち基準電極は、一定値の「基準空気」（酸素２０．９５％）を見込むように設計される。従ってセンサ１０２は、基準空気の小さな流れを形成し、２つのガス流が連通しないようセンサの内側と外側との間で十分なシールが維持されるように設計される。一方の側から他方の側へのガスの漏出は、センサ性能に悪影響を及ぼすことになり、センサ内のシールは、プロセスガスすなわち煙道ガスと基準ガスとを混合しないように維持する。
【００６３】
プロセス電極と基準電極との間で電位差が測定される。プロセス電極は、通常、センサケーシングに接地される。基準電極には電気的接触が形成され、信号リード線は、センサの外側に短絡することなく全てセンサの外部まで延びる。この電気的接触を形成し信号を伝達するための幾つかの方法が、本明細書で説明された種々のセンサの実施形態において開示されている。
【００６４】
次に図３を参照すると、センサ１０２は、雄ネジ管継ぎ手１５２で終端する細長い円筒状管体の形態のセンサ本体１５０を含み、該雄ネジ管継ぎ手１５２には、その近位端に雌ネジを有するアウタシェル１５４が螺装される。該管体１５０内には、軸方向開口１５８を囲む金属製の支持構造体１５６がある。好ましくはアルミナセラミックで形成されるセラミックブロック１６０は、開口１５８内に配置され、更に中央通路１６２を含む。また、支持構造体１５６は、その遠位端で通路１６２と連通する中央通路１６４を含む。構造支持体１５６の端部には、例えばボルト１６８によって環状フランジ１６６が固定される。その遠位端においてセンサセル１７２において終端する円筒状管体体１７０が、フランジ１６６から突出している。セル１７２は、両側上に白金電極を備えてジルコニアから形成され、円筒状管体体１７０にろう付けされる。その結果、ジルコニアセル１７２の外側面はプロセス電極１７４を形成し、一方、内側面が基準電極１７６を形成する。
【００６５】
基準ガス供給管１７８は、基準電極１７６と接触する管体１７０内に基準ガス（例えば空気）を供給するよう通路１６２及び１６４を通ってセンサ１０２中央を延びている。基準ガスは、ほぼセンサの軸線に沿って流れ、支持構造体１５６、セラミックスリーブ１６０、及び供給管１７８周囲の間を戻ることが理解されるであろう。リード線１８０が、例えばろう付けによって基準電極１７６に固定され、中央通路を通って制御装置１８２（図２）へ戻される。プロセス電極１７４は、管体１７０とセンサ本体１５０とに接地される。センサ本体１５０は、ボイラにフランジで接地され、該ボイラは制御装置１８２に接続されて回路が完成する。
【００６６】
センサシェル１５４は、その遠位端すなわち先端で隣接し対角線上に相対する開口１９０（図３には１つの孔のみ示す）を有する円筒スリーブを含み、相対する開口１９０を介してセンサ内を流れる煙道ガスすなわちプロセスガスを受ける。較正管体１９２が、センサシェル１５４の先端からセンサの近位端に向かって延びて、プロセス電極１７４の手前で終端する。管体１９２は、センサ本体１５０を貫通する細長い通路１９４（ステンレス鋼管などの）、フランジ１６６内の開口１９６、プレナム１９７、及び、較正管１９２と連通し該較正管１９２の遠位端にあるアウタシェル１５４に沿う通路１９８を介して較正管１９２に供給される較正ガスと連通している。その結果、較正ガスをセンサを通ってプロセス電極１７４に供給することができ、更に煙道ガス開口１９０とプロセス電極１７４との間のセンサシェル内の空間２００に供給することができる。プロセスガスではなく較正ガスがプロセス電極に触れるように、空間２００は、開口１９０を通るプロセスガス流から後方に十分間隔を置いて配置されることが重要である。フランジ１６６の直径が図示したよりも小さい場合には、フランジ内の開口１９６は省くことができ、較正ガスは、小さいサイズのフランジの外側の周辺を通って通路１９４から直接プレナム１９７へ流れることができる。
【００６７】
センサシェル１５４は、幾つかの目的に役立つ。シェル５４は、スートブロアからの流れ、又はセラミックセル１７２に亀裂を生じさせるおそれのある直接的な温度変動を含む環境からセル１７２を保護する。外側のセンサシェル１５４はまた、プロセスガスのガス状成分の急速な変化を空間２００を介してセンサセルに到達させることができ、これによりガス状可燃性物質（ＣＯ）パラメータの計算が可能となる。更にシェル１５４は、較正ガスを十分な量でセル、すなわち空間２００に配向することができ、その結果、セルのプロセス電極に最も近接する区域又は空間を較正ガスで満たすことができるようになる。最後に、シェル１５４は、測定のためにプロセスガスを十分に流すことができると同時に、灰や粒子状物質が感知素子面上に堆積しないように維持することができる。
【００６８】
図４（Ａ）〜（Ｄ）を参照すると、センサの幾つかの変形形態が示されている。図４（Ａ）において、シェル１５４は、直線的な円筒状管体設計であって、プロセスガスは、シェルの端部にある単一の開口２０１を介して空間２００内に受けるようになっている。開口２０１は、図４（Ａ）に矢印で示したプロセスガス流の方向に対して直角である。図４（Ｂ）には、図３で前述した貫流すなわちストーブ管設計が示されている。シェルの直径方向で相対して両側にある開口１９０は、矢印で表したプロセスガスの流れ方向に対応している点に留意されたい。図４（Ｃ）においては、シェル１５４は、プロセスガスの流れ方向下流側に面する、シェルの直径に沿って配置された単一の開口２１０を含む。従って、セル１７２のプロセス電極１７４は、直径方向下流側位置にあるプロセスガスへの開口２１０だけを介して空間２００内のプロセスガスに露出される。図４（Ｄ）には貫流形設計を示す。この図においては、プロセスガス流の接近方向すなわち上流側方向に面する開口２１２が、センサセル１７２の１つの軸方向側面に置かれる。出口開口２１４は、シェル１５４の直径方向反対側で且つセンサセル１７２の軸方向反対側に置かれる。これらのシェル設計の変形形態において、測定セル面、すなわちプロセス電極１７４は、プロセスガスに対して部分的に開放されていることが理解されるであろう。すなわち、セル１７２は、厚いスクリーン、焼結金属、又は他のフィルタ装置の背後にはない。また、様々な孔及び通路をシェル１５４内に形成してシェルの外に灰及び粒子状物質を落とすことができるようにする。幾つかの変形形態においては、プロセスガスの動きを有意に妨げることのない極めて薄いスクリーン又はフィルタを用いて、センサセル１７２上へ灰が直接衝突するのを低減することができる。
【００６９】
図３及び図５を参照すると、通路１９４、１９６、１９８及び管体１９２内にある較正ガス回路は、既知の較正ガスをセル１７２へ送出することを可能にする。較正ガスは、プロセスガスの温度に近い温度まで加熱されなければならない。センサが長い場合には、ガスは、センサ本体自体内で管体を通って流れることにより十分に加熱することができる。短いセンサにおいては、較正ガス供給管をセンサ本体の外部に出して、較正管体の全熱伝達面積を増大させるようセンサ本体の周りに巻かれたコイルを含むことができる。較正ガスは、例えば管体１９２からセンサセル１７２の面にわたり吹き付けられ、該プロセスガスがセンサから離れて確実に掃引されるようにする。
【００７０】
図５においては、通路１９８は、以下に説明するように区分された開口又は環状部の形態でセル１７２の前方で終端することができる。通路１９８には、該通路１９８の端部近く又は較正ガスがセンサ面を横切って流れる区域内のセンサ本体の外側に置かれた熱電対２１４を設けることができる。このことは、較正係数を求めるために使用される温度（例えば、ネルンスト式における）が正確であることを保証する。これは、較正ガスがプロセスガスとは異なる温度の可能性があることによる。これらの構成の全てにおいて、較正ガスは、空間２００からプロセスガスを強制的に排出又は除去するのに十分な速度がある。
【００７１】
図６を参照すると、図３に示すセンサと同様のセンサが示されており、「ａ」を後置した同じ参照符号で同じ部材を表している。この実施形態においては、通路１９４ａ及び１９６ａを流れる較正ガスはまた、アウタシェル内に形成されてセル１７２ａのプロセス電極１７４ａに隣接した軸方向位置において終端する通路２１８にも流れる。複数の通路２１８は、通路１９４ａ及び１９６ａから較正ガスを受けるプレナム１９７ａと連通して、シェル１５４ａの周りで円周方向に離間した位置に設けられる。半径方向開口２２２が、セル１７２ａとプロセスガス開口１９０ａとの間で空間２００ａ内に較正ガスを供給するために設けられる。このようにして、個別の半径方向孔２２２は、プロセス電極１７４ａに隣接した空間２００ａ内に較正ガスを供給する。
【００７２】
同様な構成が図７に示すセンサにおいて開示されており、ここでは「ｂ」を後置して同じ参照符号が同じ部材を表している。センサのこの形態においては、プレナム１９７ｂ内で受けられる較正ガスは、環状チャンバ２２６と連通させるために、管体１７０ｂの外側の周りを流れる。チャンバ２２６は、較正ガスを空間２００ｂ内のセンサセル１７２ｂの前方で半径方向内方に配向する。このようにして、較正ガスは、プロセスガス開口１９０ｂとプロセス電極１７４ｂとの間で空間２００ｂに供給される。
【００７３】
図３、図６、及び図７に示すセンサの前出の実施形態の全てにおいては、センサへのリード線は、例えば、ろう付けによって基準電極１７６に接続されたワイヤを含む。これは満足できる十分なものであるが、多くの場合時間が経過するとセンサを交換する必要であり、従って、センサセルの交換時に、例えばろう付けを必要とするといったリード線を取り外して接続し直す必要のないセンサを提供することが有用である。従って、「ｃ」を後置した同じ参照符号が先出の実施形態と同じ部材を表す図８のセンサを参照すると、管状スリーブ２３０が、セラミックブロック１６０ｃ及びフランジ１６６ｃを貫通して延び、フランジ１６６ｃの前方で終端している。シンブル状セラミックセンサセル１７２ｃが、管体２３０の前端部分を囲み、その近位端にあるフランジ２３２で終端し、更に基準電極１７６ｃとプロセス電極１７４ｃとをそれぞれ装着した先端部２３４で終端する。管体２３０は、基準ガスをシンブル状センサ１７２ｃ内に供給し、該基準ガスは管体２３０とセンサ１７２ｃとの間の環状空間を介しブロック１６０ｃを通って戻される。保持リング２３８が、管体２３０の周りに固定され、螺旋コイルバネ２４０の一方端のストップを形成する。バネ２４０の反対側の端部は、センサセル１７２ｃ内で軸方向に運動可能な金属ボタン又は部材２４２を支持する。バネ２４０は、部材２４２と接して支持し、該部材と基準電極１７６ｃとの電気的接触を維持する。リード線１８０ｃは、上で示したように信号を戻すために部材２４２に結合される。その結果、部材２４２及びリード線１８０ｃはいずれもセンサセル１７２ｃに対して物理的に固定されない。図１４において、リード線（酸化のない接触を保証するために通常は白金製）はまた、接触部材２４２ｇ及びバネ２４０ｇの軸線と直接交差して、接触面積を大きくするために捻って終端するように作ることができる。ワイヤは、バネにより基準電極に対して直接押し付けられる。この実施形態は、ワイヤが真直ぐにされており、センサセル自体を交換する場合には、バネと接触部材とを滑脱させて必要に応じて交換することができるので、部材交換がより容易に行うことができる。
【００７４】
この形態においては、フランジ１６６ｃは、支持構造体１５６ｃにボルト固定されない。むしろ、アウタシェル１５４ｃが、フランジ１６６ｃに当接する肩部２４７を含む。従って、管体１５０ｃ上へのシェルの螺装は、フランジ１６６ｃを構造体１５６ｃにボルト固定する必要なしに、フランジ１６６ｃを支持構造体１５６ｃに接触した状態で保持する。また、通路１９４ｃ、１９６ｃ及び連通路２０９は、前述の方法で空間２００ｃに較正ガス流を提供する。このセンサの全ての実施形態は、シール力を提供するために主要本体のネジを使用することができ、センサフランジ１６６をセンサハウジング１５０上に保持するための小ボルト１６８が必要でなくなる。
【００７５】
センサ内で基準ガスとプロセスガスとの間のシールを維持するために、１対の環状圧縮シール部材２４６が、フランジ２３２の両側に置かれ、センサセル１７２ｃの一方側を支持構造体１５６ｃに対してシールし、センサセル１７２ｃの反対側をフランジ１６６ｃに対してシールする。シール部材２４６の各々は、内部バネによって支持されるＣ形断面を有するか、加圧ガスが充填された閉じられたＯ形断面を有することができる。シール部材は、Ａｌｌｏｙ  ｘ−７５０又は適切なハステロイ級などのハイテク合金で形成することができる。センサの全ての実施形態は、フランジをハウジングに対してシールするために少なくとも１つのシール部材を利用できる点に留意されたい。この実施形態においては、センサホルダに対するセンサセル１７２のろう付けは、追加のシールリングによって置き換えられている。センサセル１７２ｃは、容易に取り外すことができ、且つリード線１８０ｃをセンサから物理的に分離することなく交換できることが理解されるであろう。この場合には、アウタシェル１５４ｃを管体１５０ｃから螺装解除し、これによってフランジ１６６ｃとセンサ１７２ｃとを解放することができる。その結果、リード線１８０ｃを切断するか或いは接続解除することなく、センサ１７２ｃを交換することができる。新しいセンサ１７２ｃが交換されると、センサ内に部材２４２を受け入れて、該センサをフランジ１６６ｃ、２４７間でクランプする。バネ２４０は、部材２４２を基準電極１７６ｃに電気的に接触させた状態に維持する。リード線１８０ｃの代わりに、バネ自体が部材２４２から制御装置へ戻す電気信号を伝送することができることが理解されるであろう。部材２４２及びバネ２４０は、接触と耐酸化性をより良好にするために白金メッキすることができる。高温用バネにおいては、ａｌｌｏｙ１８８、ａｌｌｏｙ２３０、ｎｉｍｏｎｉｃ９０、Ｒｅｎｅ４１、及び他の高温用合金から形成することができる。バネは、８００°Ｃの高温で連続的で繰り返しの使用に耐える必要があり、更にセンサに対する電気的接触を維持する十分な力を提供する必要がある。
【００７６】
次に「ｄ」を後置した同じ参照符号が同じ部材を表している図９を参照すると、リード線１８０ｄとセンサセル１７２ｄとの間の電気的接触は、重力ボール３００によって形成される。ボール３００は、リード線１８０ｄを介して制御装置１８２（図２）に電気的に結合される。基準ガスを供給し、リード線１８０ｄのためのチャネルを形成し、及び重力ボール３００を支持するよう機能する案内管３０４の端部上に形成された着座部３０２によって、ボール３００は、所定位置で基準電極１７６ｄと電気的に接触した状態で維持される。着座部３０２は、例えば溝付きの切頭円錐断面の形状にされ、ボールは、基準電極１７６ｄと着座部３０２との間から出ることができない。その結果、センサのあらゆる実用時の向きにおいて、ボール３００は、切頭円錐状着座部３０２との接触により重力下で前方へ移動する傾向があり、基準電極１７６ｄと電気的に接触する。前出の実施形態の場合と同様に、センサシェル１５４ｄは、管体１５０ｄから螺装解除することができ、センサ及びフランジ１６６ｄを装着した管体１７０ｄを取り外すことができ、これによりリード線を接続解除することなくセンサの交換が可能になる。
【００７７】
次に図１０の実施形態を参照すると、電気的接触を空気圧によって維持することができる。「ｅ」を後置した同じ参照符号が同じ部材を表しているこの実施形態においては、管体３０４ｅは、通路１７８ｅを介して管体３０４ｅ内に流入する基準ガスの圧力下でピストンとして作用する摺動部材３４０を支持する。従って基準ガスは、部材又はピストン３４０を基準電極１７６ｅに対して軸方向に付勢して部材３４０と電極１７６ｅとの間の電気的接触を維持する。このようにして、リード線１８０ｄを介し、又は要求に応じて管体３０４ｅを介してセンサから電気信号を伝送することができる。
【００７８】
「ｆ」を後置した同じ参照符号が同じ部材を表している図１１に示す本発明の実施形態を参照すると、図３のセンサと同様のセンサが示されている。しかしながら、この形態においては、基準電極１７６ｆと制御装置１８２へ信号を送るリード線１８０ｆとの間の電気的接触は、バネ付勢されたプラグ３５０によって維持される。バネ３５２は、管体２３０ｆ上の肩部とプラグ３５０の基部にあるフランジとの間で係合する。管体２３０ｆは、バネのバッキングを防止し、ワイヤ１８０ｆがバネのコイル側面と短絡しないように、或いはバネのコイルと干渉しないように保持する。この管体は、電気的に「流れて」おり、従って、ブロック（１６０）のようなセラミック部材によって所定位置に保持される必要がある。その結果、バネ３５２は、電極を接続解除することなくセンサの取り外し及びその交換を可能にする方法で、基準電極に対するプラグ３５０の電気的接触を維持する。
【００７９】
次に図１２を参照すると、先出の実施形態と同様のセンサの一部が示されており、「ｇ」を後置した同じ参照符号が同じ部材を表している。ここでは、基準ガス管体３７０は、センサ１７２ｇ及び基準電極１７６ｇの後方にある区域３７４内に基準ガスを供給するための孔３７２を有する。基準電極１７６ｇとこれに結合されたワイヤ３７６によって電気的接触が形成される。ワイヤ３７６の反対側の端部は、基準空気管体３７０上の所定位置において挟んで締め付けるか、又は圧着される。センサセルを交換するためには、基準空気管体３７０の端部が切断されて、新しいセンサの端部が基準空気管体の端部に取り付けられる。ワイヤ３７６が空気管体の内部に置かれて所定位置に圧着される。端部がボルト固定位置に到達して最終的に固定されると、管体３７０の外側のワイヤは束になり、その結果、セラミックスリーブ３７８が管体３７０を囲みワイヤが短絡するのを防止する。
【００８０】
可燃性ガスの濃度を監視する値は、燃焼不安定性の評価値でもある。ＣＯ（又は可燃性ガス）を計算するための方法は、次のようにして提供される。可燃性ガスの評価値は、セルのＡＣ電圧の関数である。
ＣＯ＝ｆ（セルからのＡＣ電圧）
ここでＣＯは、可燃性ガスの評価値を表す。これを拡張して、アルゴリズムをより一般的な関数として表すことができる。
ＣＯ＝ｆ（Ｏ２変数，Ｔｃｅｌｌ，Ｒ，Ｏ２，ＦＭ，Ｓｈｅｌｌ）
ここで、
Ｏ２変数＝セルから生じる酸素（又はｍＶ信号）の時間依存（ＤＣではなくＡＣ）変動性の評価値
Ｔｃｅｌｌ＝セルの温度
Ｒ＝セルの応答係数、例えば実験室で測定されたＴ９０値
ＦＭ＝おそらくはセンサに到達する標準的な渦のサイズを反映する炉内流体力学係数
Ｓｈｅｌｌ＝感知電極を保護するシェルの設計を説明する係数。例えば、測定しているセルをより多くプロセス流体に露出させるシェルは、測定しているセルを保護する度合の高いものよりも、一般により高レベルのＯ２変数を認識することになる。
【００８１】
この関係におけるＣＯの実際の関数関係の計算は、多くの方法で記述することができ、その全ては、計算への基本的な入力としてセル電圧の変動性（又はＯ２変動性、ＡＣ信号）を使用する。変数に対する算出されたＣＯの関数関係は、次のように陽関数とすることができる。
ＣＯ＝ｆ１（Ｏ２variation）＊ｆ２（Ｔcell）＊ｆ３（Ｒ）＊ｆ４（Ｏ２）＊ｆ５（ＦＭ）＊ｆ６（Ｓｈｅｌｌ）
【００８２】
この関数関係はまた、例えば学習ニューラルネットワークを使用いるなどの統計学的方法を用いて計算される場合には、陰関数であってもよい。
【００８３】
ＣＯ較正−計算
較正方法１−現場内のセンサのためのＣＯに対する第１の較正は、算出されたＣＯが抽出されたＣＯ値と一致するように、抽出されたデータと変化するモデルパラメータとを比較することによって行うことができる。しかしながら、較正設定における後続の変化は、Ｏ２に対する現場較正によって行うことができる。すなわち、Ｔ、ＦＭ、Ｓｈｅｌｌ、及びＯ２変動に対するセンサの関係は変化せず、他方、Ｒ及びＯ２に対する関数は、酸素に対する較正中に行われたように、較正ガス流によって計算することができる。
【００８４】
較正方法２−実験室において、酸素成分は、不活性ガス（Ｎ２のような）をバックグラウンドにした３％と０．５％などの２つの値の間で周期的な頻度で変えられる。これらの条件に対するＣＯの値（標準的アルゴリズムを使用して計算される）が、これらの条件に対して算出されることが期待されるＣＯの値と比較される。次に、計算値が標準的な期待値と一致するように、較正係数が変更される。
【００８５】
較正方法３−現場にあるセンサのＣＯに対する第１の較正は、算出されたＣＯが抽出されたＣＯ値と一致するように、抽出されたデータと変化するモデルパラメータとを比較することによって行うことができる。この最初の較正のすぐ後で、較正ガスがセンサ内に流入され、そこでは酸素成分が、不活性ガス（Ｎ２のような）をバックグラウンドにした３％と０．５％などの２つの値の間で変えられる。該変動に基づくセンサから得られたＣＯに対する算出された値が（ＣＯ＿Ａとして）記録される。後日、ＣＯセンサが再較正されることになると、較正ガスがセンサ内に流入され、ここで酸素成分がこの場合もまた同様の方法で変更される。この変動に基づくＣＯに対する算出された値が（ＣＯ＿Ｂとして）記録される。これら２つの値の比（ＣＯ＿Ａ／ＣＯ＿Ｂ）が、計算の桁上げ（又は桁下げ）のためにＣＯ計算アルゴリズムで使用される。
【００８６】
Ｏ２較正−計算
酸素センサを較正する方法は、「低」酸素較正ガス（窒素をバックグラウンドとした１％又は３％の酸素など）を流して電圧及び温度を測定し、次に「高」較正ガス（８％、１０％、又は計装用空気―２０．９５％など）を流して電圧及び温度を測定することになる。これらの２つの値は、ネルンストの式における定数に適合するように使用される。これは、センサ較正の１つの選択枝である。
【００８７】
別の方法は、プロセスガス側ではなく基準ガス側に較正ガスを流すことになる。この基準ガス側の較正ガスは、１）計装用空気、２）プロセス値（〜５％酸素）に近い低い値の酸素を含むガス、及び３）非常に高い酸素成分を含む空気（２０．９５％よりも高く、最も好ましくは６０％に近い）を含む。この期間中にプロセスガス濃度が劇的に変化しないと仮定すると、２つのネルンストの式の定数は、これら３つの異なる基準ガス流により測定される電圧を用いて適合される。幾つかの簡約化を用いると、上記３つのガスの内の２つのみを流すことによっても較正係数を算出することができる。
【００８８】
この方法を用いることにより、シェル設計内でセンサ面（測定電極）前方の十分な空間の必要性が無くなる。
【００８９】
更に別の方法は、抽出された酸素のセンサ測定値を較正することである。抽出されたガスは、通常はセンサヘッドへ較正ガスを流すために使用される内部較正管を介して流れるか、もしくは主としてセンサヘッド近傍から流れを抽出するために使用されるセンサ本体の外部又は内部に置かれた追加の管体から流れることになる。
【００９０】
ボイラなどの過酷な環境で使用される上述のような現場センサは、感知素子すなわちセンサセル１７２上に灰及び他の化学物質が堆積しやすいことが理解されるであろう。このような堆積は、感知素子をプロセスガスから隔離して、センサがガスを適正に測定することを妨げる。本発明の酸素／一酸化炭素表示プローブにおいては、ガス状可燃性物質の計算は、ネルンスト形セラミック電極センサによるプロセスガスの急速な変動の読取りに依存している。これらのタイプのセンサは、フィルタが変動を減衰させることからセンサを保護するために厚い機械的フィルタを利用することはできない。従って本発明は、灰、他の屑、又は化学的蓄積物などの堆積物を除去して、センサが長期間にわたり適正に機能できるようにセンサの感知素子に、或いはその全体にわたって空気又は他のガスを周期的に流すための自動回路及び送出機構を提供する。
【００９１】
次に図１３を参照すると、センサの面すなわちプロセス電極１７４に配向された出口を有する空気／ガス回路が概略的に示されている。図１３に示すように、圧縮ガスの供給源３８０は、例えば発電所の「所内空気」などの圧縮ガス源に由来する。給気は、レギュレータ３８２を介して流れ、水フィルタ３８４及びオイルフィルタ３８６によってそれぞれろ過されて、ソレノイド弁３８８を通過する。弁３８８は、感知システムの制御装置１８２の一部を形成する電子モジュールによって制御される。電子モジュールは、信号を送って弁を周期的に開放して、圧縮ガスがセンサ面を清浄にすることができるようにする。
【００９２】
センサ１０２を通る圧縮ガスの供給管は、較正ガス管を供用してもよい。例えば図３を参照すると、圧縮ガスは、通路１９４、１９６、プレナム１９７、通路１９８、及び管体１９２から構成される既存の較正管を流れることができる。従ってソレノイドは、周期的に開いてガスを供給し、センサ面すなわちプロセス電極１７４を浄化して灰及び他の望ましくない物質を除去することができる。特に過酷な環境においては、電子モジュールは、センサ面を浄化するためにガスの連続的な流れを供給し、読取りが要求される時だけ流れを遮断することができ、このようにして、センサ素子を清浄に維持するために、ガスはほとんど連続的に供給される。浄化用ガスは、例えば個別の半径方向通路（図６、９、及び１０）によって、又は環状通路（図７）を介してセンサ面全体に供給され、或いはセンサ面に対して直角に配向することができ（図３）、もしくはセンサ面の周りにスワールを形成するように、又はこれらの組合せを提供することが理解されるであろう。
【００９３】
圧縮ガスは、較正ガス管とは別個の管でセンサ面に供給できることも理解されるであろう。従って、浄化ガスをセンサ面に流すように配向された個別的な半径方向口、環状口、或いは単一又は多数の軸方向口で終端する別個の流管をセンサ内に設けることができる。
【００９４】
現在のところ最も実用的で好ましいと考えられる実施形態と関連させて本発明を説明してきたが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】ガス状可燃性物質のレベルを表す信号を生成するように煙道ガス内に位置付けられた固体電解質センサを有するボイラの例示的な実施例を示す図。
【図２】センサシステム全体の概略図。
【図３】センサの端部の軸方向断面図。
【図４】較正のために十分な空間を提供しながら、センサセルに隣接した空間内にプロセスガスを導入する方法の概略図。
【図５】較正ガス通路内に熱電対を備えた較正ガス回路の概略図。
【図６】較正ガスのための半径方向孔を示す図５と同様の図。
【図７】センサの様々な実施形態を示す図６と同様の図。
【図８】センサの様々な実施形態を示す図６と同様の図。
【図９】センサの様々な実施形態を示す図６と同様の図。
【図１０】センサの様々な実施形態を示す図６と同様の図。
【図１１】センサの様々な実施形態を示す図６と同様の図。
【図１２】センサの様々な実施形態を示す図６と同様の図。
【図１３】センサ面を浄化するための装置の概略図。
【図１４】基準電極に対するバネ付勢式電気的接触の部分斜視図。
【符号の説明】
【００９６】
１０２  現位置酸素センサ
１５０  センサ本体
１５４  アウタシェル
１７２  センサセル
１７４  プロセス電極
１７６  基準電極
１８０  リード線
【図１】
2005181331.tif 000005
【図２】
2005181331.tif 000006
【図３】
2005181331.tif 000007
【図４】
2005181331.tif 000008
【図５】
2005181331.tif 000009
【図６】
2005181331.tif 000010
【図７】
2005181331.tif 000011
【図８】
2005181331.tif 000012
【図９】
2005181331.tif 000013
【図１０】
2005181331.tif 000014
【図１１】
2005181331.tif 000015
【図１２】
2005181331.tif 000016
【図１３】
2005181331.tif 000017
【図１４】
2005181331.tif 000018