ジルコニア酸素分析装置の動作原理とメンテナンス

ジルコニア酸素プローブの構造タイプと動作原理

さまざまな検出方法に応じて、ジルコニア酸素プローブは、サンプリング検出酸素プローブと直接挿入酸素プローブの 2 つのカテゴリに分けられます。

1.サンプリング検出型酸素プローブ

サンプリング検出方式は、被測定ガスを導管を通して酸化ジルコニウム検出室に導き、加熱素子を通して酸化ジルコニウムを作動温度（750℃以上）まで加熱する。ジルコニアは一般的に管状であり、電極には多孔質白金電極を採用する。本発明は、被測定ガスの温度の影響を受けず、異なる導管形状を採用することで様々な温度のガス中の酸素含有量を検出できるという利点があり、その柔軟性は多くの産業用オンライン検出に応用できる。欠点は、反応時間が遅いことと、構造が複雑で検出精度に影響を与えやすいことである。被測定ガス中の不純物が多いと、サンプリング管が詰まりやすい。多孔質白金電極は、ガス中の硫黄やヒ素による腐食や微細粉塵の詰まりの影響を受けやすい。ヒーターは通常、電線で加熱され、寿命は短い。

検出対象ガスの温度が低い場合（0～650℃）、または検出対象ガスがクリーンな場合は、窒素製造機による酸素測定や実験室での酸素測定などのサンプリング式検出方法が適しています。

2.直接挿入検出酸素プローブ

直接挿入型検出は、ジルコニアを高温の測定ガスに直接挿入することで、ガス中の酸素濃度を直接検出する方式です。この検出方法は、測定ガスの温度が700℃～1150℃の範囲に適しており（特殊構造により1400℃の高温にも対応可能）、測定ガスの高温を利用してジルコニアを動作温度まで誘導するため、ヒーターは不要です（図3）。直接挿入型酸素プローブのキーテクノロジーは、高温シールとセラミック材料の電極問題です。2種類の直接挿入型酸素プローブの構造を以下に示します。

（1）一体型ジルコニアチューブ

この形状は、サンプリング検出方式で使用されている酸化ジルコニウム管の形状を発展させたもので、元の酸化ジルコニウム管を延長することで、酸化ジルコニウムを高温の測定ガスに直接挿入できるようにしています。この構造では、高温シールの問題を考慮する必要がありません。

（2）直挿入型ジルコニア酸素プローブ

検出ガスにジルコニアを直接挿入する必要があるため、酸素プローブの長さに対する要求が高く、有効長は約500mm～1000mmで、特殊な環境では1500mmに達することがあります。 検査精度、動作安定性、耐用年数など、いずれも非常に高い要求があるため、直接挿入型酸素プローブは従来のジルコニア酸素プローブのジルコニア管全体構造を採用することが難しく、より高度な技術要求を持つジルコニアとアルミナ管の接続構造を採用しています。 シール性能はこのジルコニア酸素プローブの最も重要な技術の1つです。 現在、世界で最も先進的な接続方法は、ジルコニアとアルミナ管を永久的に溶接することであり、そのシール性能は優れています。サンプリング検出方法と比較して、直接挿入検出には明らかな利点があります。酸化ジルコニウムがガスと直接接触するため、検出精度が高く、反応速度が速く、メンテナンス量が少ないなどの利点があります。

酸素プローブの産業応用

1.工業用ボイラーおよび加熱炉の応用

酸素プローブを使用する場合、測定ガスの導入方法は、直接挿入方式とサンプリング検出方式の2種類があります。直接挿入方式は応答時間が短く、ヒーターが不要で、構造がシンプルで小型かつ持ち運びに便利ですが、同時に測定ガスの温度も検出する必要があります。酸素プローブの温度はヒーターによって制御されるため、測定精度が高く、動作も安定していますが、応答時間はガスの流量に依存します。

直挿式酸素分析計は、ボイラーや加熱炉の排ガス中の酸素含有量の測定に広く利用されています（図4）。この用途に使用される酸素プローブは主に管状構造を採用しており、両端開放型または片側開放型があり、現在市場では後者が最も一般的です。ZrO2管の内壁と外壁には多孔質のPt電極がコーティングされており、内外の電極はそれぞれ管の先端まで伸びています。管の先端にはNi-Cr線が信号出力として接続されており、燃焼システムを制御し低酸素燃焼を実現することで、熱損失の低減と省エネを実現します。

酸素センサーの設置

酸素センサーの信頼性の高い動作を確保するには、適切な設置が鍵となります。多くの使用上の問題は、酸素センサーの不適切な設置によって引き起こされます。

1.サンプリング測定点

測定ポイントの決定は主な作業であり、次の原則に従う必要があります。

（1）選択された測定点は、炉内の検出されたガスを正確に反映し、酸素センサーの出力信号の信頼性を確保し、戻り空気の死角を可能な限り回避する必要があります。

（2）測定点は燃焼点やノズルに近づきすぎないようにしてください。これらの部分ではガスが激しく反応し、酸素センサーの検出値が変動して急激に歪みます。また、ファンなどの空気発生装置に近づきすぎないようにしてください。モーターの振動によってセンサーが損傷するのを防ぐためです。

（３）本発明は、衝突の可能性がある位置に配置されないようにすることで、衝突によるプローブの損傷を回避し、センサの安全性を確保することができる。

2.酸素センサーの取り付けと接続方法

（1）酸素プローブの設置方法は、水平または垂直のいずれの設置方法も採用できますが、垂直設置が理想的です。いずれの設置方法を採用する場合でも、プローブ採取管のガイドプレートの方向は、測定対象の気流の方向に可能な限り沿うようにする必要があります。初期設置時には、プロセスを把握することで基本的な方向を決定します。システムの電源を入れ、プローブを加熱した後、採取管の方向を回転させ、デジタルマルチメーターで出力酸素ポテンシャルの変動を観察し、最終的に最適なガイド方向を決定します。

（2）酸素センサーの取り付けに使用するジョイントは特殊なフランジジョイントであり、アスベストパッドを押さえて密閉性を確保する。そうでないと、一般的な炉は負圧になっているため、フランジジョイントでの漏れが測定精度に影響を与えたり、信号変動を引き起こしたりする可能性がある。

（3）酸素センサーの信号引き出し線は、干渉を排除するためにシールド線とすることが望ましい。最適な方法は、2芯ケーブルを2本使用し、1本は酸素電位出力用の2芯シールドケーブル、もう1本はプローブを制御して接続端を加熱するための2芯KVV制御ケーブルである。現場条件がない場合は、4芯KVVケーブルを使用してプローブの酸素電位信号と加熱端を直接接続することができる。

（4）酸素プローブの標準ガスポートは通常閉じられており、ガス校正時にのみ使用されます。吹き出しポートはエアポンプまたは圧縮空気パイプラインに接続され、吹き出しポートの空気入口は通常、電磁弁などのバルブによって制御され、一定期間に1回バルブが開かれ、ガスがガス吹き出しサンプリングチューブに導入されます。プローブが正常に検出されたらバルブが閉じられ、他のガスがサンプリングチューブに入ることはありません。メーカーの圧縮空気スキャンプローブは、圧縮空気に水分が含まれていないことを保証する必要があり、つまり、採用する圧縮空気は水分から分離されている必要があります。

酸素センサーの使用とメンテナンス

1.接続加熱制御

サンプリング検出型酸素プローブは、酸素センサーを加熱制御装置に接続して初めて正常に作動します。冷間時の出力はランダム信号で、意味をなさないため、酸素センサーを加熱制御装置に接続した後、室温で正常なガス検知を開始できます。一般的なプローブのゼロ設定は室温で行われ、プローブを加熱した後、空気を測定し、デジタルマルチメーターを使用してこの時のプローブの出力ミリボルト値を測定し、この値がプローブのゼロ位置偏差の値です。ゼロ位置偏差を表示計器に加算することで、計器に表示される酸素濃度を補正する必要があります。

2.酸素センサーの設置または交換時の考慮事項

酸素センサーの設置または交換時には、酸素分析計の酸素濃度表示値を補正する必要があります。この作業を行わないと、新しいセンサーに交換した後、酸素分析計で検出された酸素濃度が実際の濃度と乖離し、測定結果に影響を与える可能性があります。

3.酸素濃度の補正原理と方法

酸素センサーの出力は、測定対象ガスの濃度と標準空気の電位差の値であり、酸素電位と呼ばれます。この電位値はゼロ点（つまり、空気測定）での値であり、プローブの初期出力電位偏差と出力電位モデル変換による出力酸素濃度の誤差が生じる可能性があります。そのため、酸素分析装置ではプローブ信号を校正することが非常に重要な作業です。校正しないと、酸素濃度と実際の測定対象ガス濃度に大きな偏差が生じ、現場での生産ニーズを満たすことができず、生産制御に誤影響を及ぼす可能性があります。

具体的な補正は通常、標準ガスによって行われ、その方法は、計量によって確認された標準ガスを標準ガスポートを通してプローブに導入し、このときの出力酸素電位と計器表示酸素濃度を測定します。計器表示酸素濃度は標準ガス濃度と同じである必要があります。偏差がある場合、計器線形パラメータを修正します。標準計量には少なくとも 3 つの異なる濃度の標準ガス校正システムが必要であり、システムの線形性は 3 回の校正を通じて繰り返し修正され、システムの正常な動作が保証されます。

4.酸素センサーへの粉塵蓄積の影響とパージ・洗浄方法

酸素センサーは長期オンライン検出および測定装置であるため、ボイラーやその他の設備（特に石炭燃焼炉や粉体燃焼炉など）によって生成された粉塵がガス誘導サンプリング パイプラインをブロックし、測定の数値が歪んで測定できなくなることがあります。このとき、サンプリング パイプ内の粉塵を定期的にスキャンし、スキャン時間の長さで灰の堆積度合いを決定する必要があります。このスキャン方式では、酸素分析装置に対応する機能、または対応する酸素センサー メンテナンス デバイスが必要です。これらのデバイスがない場合、手動バルブを設置して圧縮空気を制御するか、エア ポンプを定期的に吹き出しポートに入れてプローブに粉塵を吹き込むしかありませんが、このとき次の状況に注意する必要があります。

（1）酸素センサーの酸素電位はパージの過程で低下し、最低でも1、2mVまで低下しますが、このとき検出された酸素電位は炉内の雰囲気を代表していないので、この点には注意が必要です。

（2）掃引空気の流量は煤塵を確実に除去できる量である必要があります。掃引中に酸素センサーの酸素ポテンシャル出力値を確認します。酸素ポテンシャル値が低下していない場合は、空気流量が少なすぎる、または煤塵が除去されていないことを示しているため、掃引配管を調整または点検する必要があります。

（3）吹き出し口の通路は炉に直接連通しており、吹き出しが終了したらバルブを閉じ、吹き出し口を塞ぎ、炉内の負圧空気の侵入を防ぎ、酸素センサーの検出に影響を与えることを防ぐ必要があります。

酸素センサーの品質を分析する際には、酸素センサーを独立した検出部品として扱う必要があります。酸素センサーの酸素電位を検出する際には、酸素センサーに接続されているすべての配線を外し、内部抵抗の高いデジタルメーターを用いて酸素センサーの出力端で酸素電位を直接検出します。酸素電位を検出することで、通常使用時の値と比較します。

実際の運用

2003年以来、当社工場の分解炉はZGP2 + ZDT高温直挿式ジルコニア分析計を採用しており、主に排ガス中の酸素含有量の測定に使用され、分解炉の燃焼制御に関与し、動作は安定して信頼性があります。 2005年5月、指示値の偏差が比較的大きく、すべて正の偏差であることが判明し、ガス経路が漏れていると判断され、ゼロ点ガスが標準ガス経路で連通し、ローター流量計の漏れが見つかりました。測定システム内の負圧により外気が入り込み、空気中の酸素の体積分率が高いため、測定値が高く、処理は正常です。 実際の注意点をいくつかまとめます。

⑴ジルコニウム管は750℃で正常に動作する必要があるため、機器は一定温度を保つ必要があります。

⑵ガス管の漏洩がないこと

⑶インジェクター圧力を0.15MPaで安定させる

⑷ エジェクタガス源は標準ガスのチェック時には閉じ、測定時には開いておく必要があります。

⑸測定ガス中にH2、CO、CH4などの可燃性ガスが存在すると、測定結果が低くなります。

結論

ジルコニア酸素測定器は、構造が簡単で、応答時間が短く、測定範囲が広く、使用温度が高く、操作が信頼でき、設置が簡単で、メンテナンスが容易などの利点があります。

そのため、冶金、化学工業、電力、セラミック、自動車、環境保護などの産業部門で広く使用されています。