ガス濃度のモニタリングの方法と装置
【課題】ガス濃度のモニタリングの方法と装置。
【解決手段】その方法と装置は、液体またはガス媒体などの流体媒体中のガスの濃度をモニタすることを意図されている。流体媒体中の温度とガス濃度を測るためのプローブにおいて、第１および第２の電極を備えるガス濃度センサが、管状支持部のプローブ端部で支えられる。プローブ端部は、使用中に、流体媒体に接触する。熱電対接合部と２つの熱電対ワイヤを備える熱電対が、管状支持部内を延びており、ガス濃度センサの第１の電極は、熱電対に電気的に接続される。ガス濃度をモニタする本方法において、ガス濃度は、熱電対ワイヤの少なくとも１つと、第２の電極との間の電圧をモニタすることによって、測定される。
【解決手段】その方法と装置は、液体またはガス媒体などの流体媒体中のガスの濃度をモニタすることを意図されている。流体媒体中の温度とガス濃度を測るためのプローブにおいて、第１および第２の電極を備えるガス濃度センサが、管状支持部のプローブ端部で支えられる。プローブ端部は、使用中に、流体媒体に接触する。熱電対接合部と２つの熱電対ワイヤを備える熱電対が、管状支持部内を延びており、ガス濃度センサの第１の電極は、熱電対に電気的に接続される。ガス濃度をモニタする本方法において、ガス濃度は、熱電対ワイヤの少なくとも１つと、第２の電極との間の電圧をモニタすることによって、測定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ガスの濃度、特に、ガス状あるいは液体媒体等の流体媒体のガスの濃度をモニタするための方法と装置に関するものである。本願発明は、また、流体媒体の温度のモニタリングに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶融金属等の流体媒体の温度をモニタするための従来の装置は、ブラインド端部の管の中に収容される熱電対を備える。熱電対先端または熱電対接合部が、管のブラインド端部と、管に沿って延びる２つの熱電対ワイヤとの近くに位置する。管またはさやは、典型的には鋼等の金属であり、外径は、およそ３ｍｍである。管の内部において、熱電対ワイヤは、熱電対ワイヤの間、および、ワイヤと管の間で、電気的絶縁を提供するために圧縮された不伝導性鉱物粉末によって囲まれ、分離される。ブラインド端部の反対側の管の端部において、管と熱電対ワイヤの端部は、モニタリング装置への接続を許容するように管の端部から延びる熱電対補償ケーブルに接続される。管の内部において熱電対コンポーネントを保護するために、管の端部は、典型的には、電気的絶縁とガス気密シールでシールされる。
【０００３】
流体媒体に溶けているガスの濃度を測るための既知のプローブとセンサは、例えば、ＷＯ２００４／０２５２８９、ＷＯ２００６／０３７９９２、ＷＯ２００７／０４２８０５及びＷＯ２００７／０４２８０８等の特許出願のドキュメントに記述されている。これらは、そのすべてを参照によってここに組み込まれる。これらのドキュメントは、高い温度での流体媒体における水素濃度の決定のためのセンサを記述している。この種のセンサは、金属／水素標準試料と接触する陽子伝導性固体電解質から成っている。その金属／水素標準試料は、固体電解質の片側の密封されたチャンバの中に含まれている。固体電解質の反対側の面に、電極が配置されるか、コートされている。その電解質の１つの面が、標準試料に露出され、他の面は、密封されたチャンバの外側で、測定される水素濃度に露出されている。同様のプローブは、酸素等の他のガスの測定のために構築することができる。その場合、当業者には理解されるように、酸素標準試料と酸素イオン伝導性固体電解質が使用される。
【０００４】
このタイプのセンサは、ＷＯ２００６／０３７９９２に記載されているように、種々の便利な幾何形状でインプリメントすることができる。特に、センサはセラミック管の中で都合良く実装することができ、一方の端で気密密閉することができる。また、他方の端において固体電解質シールすることができ、標準試料を含むことができる。第１の電極は、シールド管またはチャンバの中で、固体電解質の表面に配置される。電気的接続は、電極から金属突出部または接点まで、気密シールを通して延びてつくられる。したがって、第１の電極で電圧をモニタするのに都合の良い接続が、接点に作ることができる。第２の電極は、固体電解質の外面に配置され、電気的接続が、都合が良いようにこの電極に作ることができる。
【０００５】
このタイプのセンサは、適切な支持部の端部で、ＷＯ２００６／０３７９９２に記載されているように、プローブを形成するのに都合良く搭載することができる。センサを搭載するプローブ先端は、したがって、たとえば、高温で、流体媒体の中でガス濃度を測るために、流体媒体に浸漬することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２００４／０２５２８９
【特許文献２】ＷＯ２００６／０３７９９２
【特許文献３】ＷＯ２００７／０４２８０５
【特許文献４】ＷＯ２００７／０４２８０８
【発明の概要】
【０００７】
本願発明は、次に参照されるべき添付の独立請求項において規定されるような、プローブと、プローブを製造するための方法、流体媒体における温度とガス濃度をモニタするための方法、測定装置を提供する。本願発明の、好適な、あるいは、有利な特徴は、従属の請求項において述べられる。
【０００８】
第１の態様において、本願発明は、したがって、通常高い温度の、例えば、溶融金属など流体媒体における温度とガス濃度を測るためのプローブを提供することができる。プローブは、管状支持部と、使用中に、流体媒体の表面への、または、その下への浸漬のために適切な支持部のプローブ端部と、を備える。熱電対の熱電対接合部に、支持部のプローブ端部で、または、それの近くに、熱電対接合部を含む支持部のプローブ端部が、媒体に置かれるときに、それが流体媒体の温度で釣り合うことができるように、配置される。２つの熱電対ワイヤは、管状支持部の内部で熱電対接合部から延びている。プローブ端部から遠隔にある管状支持部の端部は、適切な保持装置において終端し、使用のプローブと熱電対ワイヤへの電気的接続の物理的なハンドリングを可能にすることができる。第１および第２の電極を備えているガス濃度センサは、管状支持部のプローブ端部において支持され、前記第１の電極は、前記熱電対に電気的に接続される。これは、有利なことに、熱電対ワイヤのうちの少なくとも１つが、ガス濃度測定の間の第１の電極の電気モニタリングのために使用されるのを可能にする。
【０００９】
使用の間、ガス濃度測定は、ガス濃度センサの第１および第２の電極の間の電圧をモニタすることによって達成できる。第２の電極への電気的接続は、いかなる好都合な方法ででも達成することができる。例えば、別々の電気ワイヤまたは導体は、第２の電極から保持装置まで通じることができ、又は、接続を、それが十分に良い電気伝導体であるならば、流体媒体自体を通して作ることができる。好適な実施形態において、しかしながら、管状支持部は電気伝導性であり、第２の電極は、管状支持部に電気的に接続されてきる。したがって、第１および第２の電極間の電圧は、管状支持部と熱電対ワイヤのうちの少なくとも１つの間での電圧をモニタすることによって、モニタすることができる。
【００１０】
適切なセンサは、第１および第２の電極が固体電解質によって切り離され、１つの電極が、使用中に、測定されているガス濃度に露出しており、第２の電極が、使用中に、基準ガス濃度または基準物質に露出している、上述のタイプかもしれない。第１または第２の電極のいずれかと固体電解質の対応する面が、測定されているガス濃度に露出するか、あるいは、その逆であってもよい。
【００１１】
第１の電極は、熱電対接合部より上に、熱電対ワイヤのうちの１つに、電気的に接続することができる。したがって、そのワイヤは、第１の電極上で電圧をモニタするために、好適には使用される。好適な実施形態において、しかしながら、第１の電極は、熱電対接合部に電気的に接続される。この実施形態において、熱電対ワイヤのどちらかを、第１の電極上で電圧をモニタするのに用いることができる。または、熱電対ワイヤの両方を、使用することができる。
【００１２】
上述の種々の実施形態において、熱電対への電気的接続は、圧着接続によって、または、溶接、ろう付けまたははんだ付けによっていかなる好都合な方法ででも作ることができる。
【００１３】
センサ電圧をモニタするのに用いられるどの熱電対ワイヤに沿ってでも発生する熱電電圧の考慮、あるいは、補償が必要かもしれない。これは、そのような熱電電圧が測定の間のセンサ電圧上に効果的に重畳されるかもしれないからである。熱電対電圧は、センサ電圧の測定の前に、測定することができ、測定温度を決定することができる。したがって、センサ電圧は、測定された熱電対電圧に基づいてどちら、あるいは、測定された熱電対電圧または温度に基づく所定のルック・アップ・テーブルまたは補正曲線から値を使用することにより、補償することができる。
【００１４】
代替的な実施形態において、第２のセンサ電極への電気的接続は、熱電対ワイヤのうちの１つと同じ材料から作ることができる。この場合には、測定温度の熱電対電圧のための自動補償は、第１の電極への接続として、第２のセンサ電極ワイヤと同じ材料から作られる熱電対ワイヤを選択することによって、達成することができる。
【００１５】
使用中に、管状支持部のプローブ端部を、流体媒体でガス濃度にさらさすことができ、管状支持部の内部で、ガスが拡散すること、流れることを防ぐことは、有利であり得る。気密なプラグは、したがって、管状支持部、好適にはプローブ端部の近くに配置することができる。これは、例えば、適切なガラスパウダーなど適切な粉末のプラグを管状支持部に挿入し、そして、粉末を溶かして、プラグを形成するために加熱することによって、好都合に達成することができる。
【００１６】
本願発明の更なる態様において、キャップが、管状支持部のプローブ端部において固定され、ガス濃度センサを囲んで、支持するのを助ける。キャップは、管状支持部と同じ断面形であることができ、典型的には、円形であることができる。キャップは、配置されたときに、プローブ先端は閉じられ、閉鎖端を有することができ、したがって、ダメージから保護することができる。しかし、ガス濃度測定を可能にするためには、ガス濃度センサの方へ、ガスが、溶融金属中を流れるか、拡散することが必要である。ガスの拡散を許容するために、キャップはしたがって、孔を空けていなければならないか、多孔性でなければならない。１つの実施形態において、キャップは、例えば鉄キャップなど金属キャップであることができる。代替的に、キャップは、セラミック材料であることができる。これは、改善された耐薬品性を溶融金属に提供することができる。いずれにせよ、少なくとも、ガスの拡散を許容するために、一部のキャップは孔を空けていなければならないか、多孔性でなければならない。１つの実施形態において、キャップは、例えば、無孔性金属またはセラミック・スリーブとスリーブの端部を閉鎖する多孔性先端などの複数のコンポーネントから製作することができる。多孔性先端は、多孔性黒鉛または他のいかなる適切な材料であってもよい。実際には、キャップのどの部分が、多孔性であっても、孔を空けていてもよい。
【００１７】
管状支持部は、低コストで、強い支持構造物を提供するために、例えば鋼などの金属で好都合に製作することができる。同様に、キャップは金属、例えば鋼、からなっていてもよい。これらのコンポーネントが作られる材料と、プローブが使用される流体媒体とに依存して、プローブのコンポーネントは、流体媒体によって化学攻撃を防ぐために、コートされる必要があるかもしれない。例えば、従来の熱電対プローブの場合のように、鋼を、融解したアルミニウムによる化学攻撃を減らすために、プラズマ・コートしてもよい。
【００１８】
本願発明の更なる態様は、流体媒体で温度とガス濃度を測るためにプローブを作る方法に関するものである。この方法は、第１および第２の電極を備えるガス濃度センサの第１の電極を、管状支持部の中で延びている熱電対接合部と２つの熱電対ワイヤを備える熱電対に電気的に接続することと、管状支持部のプローブ端部でセンサを支持することと、のステップを含む。その結果として生じる構造は、したがって、上で議論される利点を提供することができる。
【００１９】
有利なことに、支持部の中で延びている管状支持部と熱電対は、従来の熱電対プローブまたは熱電対装置に基づいたものであることができる。これは、ブラインド端部の管の中で延びている熱電対と、管の端部の近くに置かれている熱電対接合部を備える。管には、典型的には、熱電対ワイヤの間での、あるいは、熱電対ワイヤとブラインド端部の管の間での電気的コンタクトを防ぐために、絶縁粉末が詰められている。本願発明のこの態様をインプリメントするために、管のブラインド端部は除去され、熱電対接合部を露出させる。ガス濃度センサの第１の電極は、したがって、熱電対接合部に、または熱電対ワイヤのうちの１つに、また、結果として生じる管状支持部の終わりに支持されるガス濃度センサに、電気的に接続していることができる。
【００２０】
以上に記載したように、キャップは、したがって、管状支持部の終端において固定され、センサを囲むことができる。キャップは、いかなる好都合な方法ででも管状支持部に固定することができる。両方のコンポーネントが金属である場合には、それらは、ろう付けまたは溶接、例えばティグ溶接、によって一緒に固定することができる。キャップがセラミック材料であり、管状支持部が金属である場合には、したがって、コンポーネントは適切なガラスまたは他の材料を使用して、一緒に固定することができる。
【００２１】
本願発明のすべての態様において、電気的接続とシールは、好適には、それらの一体性が、プローブが使われる流体媒体の温度で影響を受けないように、インプリメントされなければならない。
【００２２】
プローブを作るための方法に関する本願発明のこの態様の他の特徴は、上で議論され、あるいは、添付の特許請求の範囲において述べられている。
【００２３】
本願発明の更なる態様は、先に述べたように、プローブを使用する流体媒体における温度とガス濃度をモニタするための方法を提供する。発明のこの態様は、ガス濃度センサの第１の電極で電圧をモニタするための熱電対ワイヤの使用に関するものである。第１の電極が熱電対ワイヤのうちの１つに電気的に接続される場合には、したがって、そのワイヤは、電圧のモニタに使用することができる。代替的に、第１の電極が熱電対接合部に電気的に接続される場合には、したがって、どちらの熱電対ワイヤでも使用することができる。
【００２４】
以上に記載したように、プローブ端部から遠隔の管状支持部の端部は、プローブにプローブと電気的接続の物理的なハンドリングを可能にするために適切な保持装置で終端することができる。したがって、測定装置は、保持装置によって、各々の熱電対ワイヤに、そして、ガス濃度センサの第２の電極に電気的に接続することができる。プローブ端部で温度を測定するために、測定装置は、従来の熱電対プローブの場合のように、熱電対ワイヤの間で電圧をモニタすることができる。ガス濃度センサの第１および第２の電極の間の電圧を測定するために、測定装置は、熱電対ワイヤと第２の電極の間の電圧を測定することができる。
【００２５】
本願発明の更なる態様は、これらの操作を実行するために適切な測定装置を提供する。
【００２６】
上で記述されたように、本願発明のこれらの種々の態様は、強くて好都合なプローブを有利に、流体媒体で温度とガス濃度を測ること、有利なことに、温度とガス濃度との測定が互いに相関することができるように、流体媒体の中で両方の測定値を同じ領域から取得すること、を可能にするかもしれないこれは、流体媒体の異なる温度または異なるガス濃度を有する異なる部分から生起するエラーの縮小を有利に可能にすることができる。また、プローブは、動作させるのに好都合であり、そして、単一の測定装置から読み取りを容易にすることができる。また、プローブを作る好適な方法は、従来の熱電対プローブを修正することによって、有利にコストを下げることができ、既存のプローブと発明を具体化したプローブの間での互換性を向上させることができる。しかし、発明を具体化したプローブは、また、従来の熱電対プローブを修正する方法を使用するのではなく、直接作ることができる。
【００２７】
本願発明の態様は、種々の流体媒体における水素または酸素濃度の測定を含むがこれに限らず多種多様なアプリケーションで使用することができる。その例は、固体の酸化物燃料セル（ＳＯＦＣ）のためなどの燃料電池アプリケーションにおける酸素供給モニタリング、内部水素再生のモニタリング、水素燃料ユーティライゼーションのモニタリング、燃焼制御のための酸素測定、例えば、陶製処理、焼結と焼鈍しなどの材料処理における酸素測定、たとえば、炉内ふん囲気およびガラス自体の酸素ポテンシャルの制御を含むガラス製造での酸素測定と制御、ガス混合のような他のアプリケーション、ガス純度測定と研究開発アプリケーション、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】発明の第１の実施形態によるプローブの側面図である。
【図２】第１の実施形態によるプローブの先端の斜視図である。
【図３】図２のプローブ先端の分解斜視図である。
【図４】ガス濃度センサの第１の接点または電極ワイヤと、図３の実施形態の熱電対接合部との間の接続を図示する。
【図５】本願発明の第２の実施形態に従うプローブの先端の斜視図である。
【図６】従来の熱電対プローブの先端の側面図である。
【図７】熱電対接合部を露出させるために、図６の熱電対プローブの先端の取り除いたところを図示する。
【図８】本願発明の実施形態をインプリメントするために適切なガス濃度センサの断面図である。
【図９】本願発明の更なる態様を具体化する保持装置と測定装置を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、長い管状支持部４を備えるプローブ２を示す。キャップ６は、管状支持部のプローブ端部で固定される。プローブ接続または保持装置８は、管状支持部の反対側に固定され、プローブへの使用と電気的接続の間プローブの物理的なハンドリングを可能にし、溶融金属等、高い温度において、流体媒体での温度とガス濃度を測定するために、プローブを更なる装置（図示せず）に付ける手段を提供する。以下に記載する実施形態において、例として、参照は、溶融金属で水素濃度の測定になされる。本願発明は、溶融金属で水素濃度の測定において、有利なパフォーマンスを提供することができるが、しかし、このアプリケーションに限られるものではない。
【００３０】
図２は、プローブ・プローブ先端２の拡大されたビューである。この実施形態のキャップ６は、プローブが溶融金属で浸漬される時に、溶融金属からキャップの内部までガスの拡散を許容するために、丸い、閉じた端部とその側壁にパーフォレーション（穿孔）１０を有する。
【００３１】
図３はプローブ先端の分解立体図である。そして、アセンブリの前にそのコンポーネントを示す。熱電対は、管状支持部の中で延びている。熱電対接合部は、プローブ先端の近くに置かれ、２つの熱電対ワイヤは、接続装置８に管状支持部の中で延びている。図３において、熱電対接合部１２と熱電対ワイヤ１４、１６の部分は、管状支持部４の開放端から突き出ている。ガス濃度センサ１８が、熱電対接合部への接続のため配置されていること示される。
【００３２】
図８は、ガス濃度センサ１８の縦断面を示す。このセンサは、水素ガスの検出のためである。それは、平面的な陽子伝導性固体電解質ディスク２２によって一方の端で閉鎖したセラミック管２０を備える。このディスクは、管の中でその表面で形成される第１の多孔性白金電極２４と、その管からそれた方向の表面に形成された第２の多孔性白金電極２６とを有する。そのディスクは、シリカ・フリー・ガラス２８を用いて、管の端部におけるリセスにシールされる。金属−金属水素化物基準物質３０は、第１の電極の後に管に挿入される（それは、照合電極と呼ぶことができる）。電気伝導体（図示せず）が、管の内部壁に沿って第１の電極から延びている。基準物質の後の管の中の空間は、例えば、Ｙ２Ｏ３粉末など不活性緩衝材３２で満たされる。センサ・キャップ３４は管の開放端に挿入され、シリカ・フリー・ガラスを使用して固定される。電極ワイヤまたは接点３６は、センサ・キャップにおけるホールを通して延びており、第１の電極２４に至っている電気伝導体にコンタクトをもつ。電極ワイヤは、ガラスシール３８（好適にはシリカ・フリー・ガラスの）を使用して、ホールにおいてシールされる。固体電解質ディスク、管とセンサ・キャップは、密封空洞を囲むセンサ・ボディの盤を形成するキャビティは、キャビティの中で参照水素分圧を発生する固体基準物質を含む。電極ワイヤは、管と同軸なセンサ・ボディから、外側に延びている。
【００３３】
その固体電解質は、好適にはインジウムにドーピングされたカルシウム・ジルコン酸塩である。その管とセンサ・キャップは、無ドープ・カルシウム・ジルコン酸塩から好適には製造され、その場合、その管の熱膨張は、電解質ディスクとセンサ・キャップのそれと合っており、センサが過度の熱応力のビルドアップなしで熱的に循環するのを許容する。代替的に、管とセンサ・キャップは、どちらかがわずかに、インジウムにドーピングされたカルシウム・ジルコン酸塩電解質より高い熱膨張係数を有するマグネシア−マグネシウム・アルミン酸塩（ＭＭＡ）から製造することができる。この場合には、電解質は、永久に、測定条件の下に圧縮応力の状態にあり（溶融金属で浸漬される）、電解質の温度衝撃と熱のサイクリング抵抗を増加する。第２の電気伝導体（図示せず）は、第２の電極から電極ワイヤ３６に隣接したセンサの終端まで、管２０の外側に沿って、延びている。
【００３４】
使用中に、第２の電極２６は、測定されている水素濃度に、溶融金属から孔を空けたか多孔性のキャップ６まで拡散している水素のために、露出される。第１および第２の電極の水素分圧間の差異は、電極の間で電圧を発生する。それから、第２の電極の未知の水素分圧がどれでありえるかが得られる。
【００３５】
そのセンサ・キャビティの中の参照分圧は、センサの温度によって異なる。結局のところ、それは、熱電対が温度を取得し、ガス濃度センサの非常に近傍で読み取りするのに用いられることができる本願発明を具体化するプローブの重要な長所である。それはガス濃度測定の正確さを改善する。
【００３６】
図３において、熱電対に接続の前の、電極ワイヤないし接点３６が示される。図４は、電極ワイヤと熱電対接合部を金属口金４０の反対側に挿入し、そして、口金を折ることによって、熱電対接合部１２に電極ワイヤ３６を接続するための１つのオプションを図示する。このプロセスは、プローブ・コンポーネントを加熱することを避けることという長所がある、しかし、他の方法、例えば、はんだ付け、適用される金属塗装（例えばプラチナ・インク）、ろう付けまたは溶接も、選ばれた方法が、プローブが使用中に露出する温度において安定である限り、使用することもできる。
【００３７】
プローブが使用されるときに、プローブ先端の中でのガスの分圧が、溶融でガスの分圧で釣り合う時間を見込むことが必要である。これは、孔を空けたか多孔性のキャップに通した拡散によって起こり、平衡とされる時間は、キャップ内でガスによって占められるボリュームを減らすことによって、減らすことができる。したがって、支持部の中でのガスの拡散を避けるために、管状支持部の端部をシールすることが、有利であり得る。これは、管状支持部の端部の近くで、気密なプラグ４２を形成することによって達成することができる（図３において、ファントムで示される）。そのプラグは、ガラスパウダーのプラグを管状支持部に挿入することによって、また、プラグを形成するためにガラスを溶かすことによって，好都合に形成することができる。
【００３８】
いくつかの従来の熱電対プローブは、絶縁体として役に立ち、熱電対ワイヤの間、ワイヤと管状支持部の間で電気的絶縁を確実にする、圧縮鉱物の粉末を含む。プラグ４２は、管状支持部の中で絶縁体を保持するのに追加的に役立つことができる。
【００３９】
図５は、本願発明の更なる実施形態を図示する。図１、図２、図３のものと同様に、管状支持部４を備える。この実施形態において、プローブの熱電対とセンサの構造は、また、前の実施形態の場合と同じである。しかしながら、そのキャップ４４は、セラミック管から製作され、例えばガラスなどの適切な接合剤によって管状支持部の端部に固定される。セラミック管は、多孔性でないが、しかし、多孔性黒鉛４６のディスクが、管４４の開放端全体にシールされる。金属からのガスは、多孔性グラファイト・ディスクを通して拡散することができ、プローブ先端中で測定のためにガスの分圧をつくる。
【００４０】
少なくとも本願発明を具体化するプローブの外面は、使用される溶融金属対して十分に化学耐性でなければならないことが重要である。たとえば、ステンレス鋼コンポーネントは、多くの溶融金属に対して適切であり得る。しかし、例えばアルミニウムなどいくつかの溶融金属に対しては耐性がない。アルミニウムで使用するために、たとえば、ステンレス鋼でできているコンポーネントは、その化学耐性を改善するためにコートしなければならない。適切な材料選択は、当業者の能力の範囲内である。
【００４１】
本願発明を具体化するプローブを作るための１つのオプションは、従来の熱電対プローブを修正することである。そのようなプローブの端部が、図６に図示される。それは、典型的にステンレス鋼の、閉鎖端の管５０を備える。熱電対は、その管の中に収容され、熱電対接合部が、その管の閉鎖端の近くにある。
【００４２】
図７で図示されるように、熱電対プローブの端部５２は、熱電対接合部１２と熱電対ワイヤ１４、１６の端部とを露出させるために、切り離すことができる。熱電対プローブ外被の残り部分は、したがって、本願発明を具体化するプローブの管状支持部４として役立つ。前の実施形態において記載されたキャップは、製作され、管状支持部の終端に固定することができる。
【００４３】
本願発明の更なる態様の実施形態において、図９で図示されるように、モニタリング装置６０が提供される。その装置は、複合ハンドルと電気ソケット６２を備え、その電気ソケットをプローブ２のコネクタ端部８に差込み、物理的に支持する。また、測定装置６４は、リード６６によってハンドルに接続される。使用中に、複合ハンドルとソケットは、オペレータが溶融金属でプローブ先端を浸漬することができるように、プローブを支持するだけでなく、また、電気的接続で、２つの熱電対ワイヤと第２の電極にコンタクトするようにする。通常、第２の電極への接続は、管状支持部４によってつくることができる。しかし、適切であるならば、別々の電気伝導体を使用することができる。測定装置６４は、リード６６によって、熱電対ワイヤに電気的に接続され、第２の電極は、したがって、以上に記載したように、温度とガス濃度の測定を行うことができる。
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ガスの濃度、特に、ガス状あるいは液体媒体等の流体媒体のガスの濃度をモニタするための方法と装置に関するものである。本願発明は、また、流体媒体の温度のモニタリングに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶融金属等の流体媒体の温度をモニタするための従来の装置は、ブラインド端部の管の中に収容される熱電対を備える。熱電対先端または熱電対接合部が、管のブラインド端部と、管に沿って延びる２つの熱電対ワイヤとの近くに位置する。管またはさやは、典型的には鋼等の金属であり、外径は、およそ３ｍｍである。管の内部において、熱電対ワイヤは、熱電対ワイヤの間、および、ワイヤと管の間で、電気的絶縁を提供するために圧縮された不伝導性鉱物粉末によって囲まれ、分離される。ブラインド端部の反対側の管の端部において、管と熱電対ワイヤの端部は、モニタリング装置への接続を許容するように管の端部から延びる熱電対補償ケーブルに接続される。管の内部において熱電対コンポーネントを保護するために、管の端部は、典型的には、電気的絶縁とガス気密シールでシールされる。
【０００３】
流体媒体に溶けているガスの濃度を測るための既知のプローブとセンサは、例えば、ＷＯ２００４／０２５２８９、ＷＯ２００６／０３７９９２、ＷＯ２００７／０４２８０５及びＷＯ２００７／０４２８０８等の特許出願のドキュメントに記述されている。これらは、そのすべてを参照によってここに組み込まれる。これらのドキュメントは、高い温度での流体媒体における水素濃度の決定のためのセンサを記述している。この種のセンサは、金属／水素標準試料と接触する陽子伝導性固体電解質から成っている。その金属／水素標準試料は、固体電解質の片側の密封されたチャンバの中に含まれている。固体電解質の反対側の面に、電極が配置されるか、コートされている。その電解質の１つの面が、標準試料に露出され、他の面は、密封されたチャンバの外側で、測定される水素濃度に露出されている。同様のプローブは、酸素等の他のガスの測定のために構築することができる。その場合、当業者には理解されるように、酸素標準試料と酸素イオン伝導性固体電解質が使用される。
【０００４】
このタイプのセンサは、ＷＯ２００６／０３７９９２に記載されているように、種々の便利な幾何形状でインプリメントすることができる。特に、センサはセラミック管の中で都合良く実装することができ、一方の端で気密密閉することができる。また、他方の端において固体電解質シールすることができ、標準試料を含むことができる。第１の電極は、シールド管またはチャンバの中で、固体電解質の表面に配置される。電気的接続は、電極から金属突出部または接点まで、気密シールを通して延びてつくられる。したがって、第１の電極で電圧をモニタするのに都合の良い接続が、接点に作ることができる。第２の電極は、固体電解質の外面に配置され、電気的接続が、都合が良いようにこの電極に作ることができる。
【０００５】
このタイプのセンサは、適切な支持部の端部で、ＷＯ２００６／０３７９９２に記載されているように、プローブを形成するのに都合良く搭載することができる。センサを搭載するプローブ先端は、したがって、たとえば、高温で、流体媒体の中でガス濃度を測るために、流体媒体に浸漬することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２００４／０２５２８９
【特許文献２】ＷＯ２００６／０３７９９２
【特許文献３】ＷＯ２００７／０４２８０５
【特許文献４】ＷＯ２００７／０４２８０８
【発明の概要】
【０００７】
本願発明は、次に参照されるべき添付の独立請求項において規定されるような、プローブと、プローブを製造するための方法、流体媒体における温度とガス濃度をモニタするための方法、測定装置を提供する。本願発明の、好適な、あるいは、有利な特徴は、従属の請求項において述べられる。
【０００８】
第１の態様において、本願発明は、したがって、通常高い温度の、例えば、溶融金属など流体媒体における温度とガス濃度を測るためのプローブを提供することができる。プローブは、管状支持部と、使用中に、流体媒体の表面への、または、その下への浸漬のために適切な支持部のプローブ端部と、を備える。熱電対の熱電対接合部に、支持部のプローブ端部で、または、それの近くに、熱電対接合部を含む支持部のプローブ端部が、媒体に置かれるときに、それが流体媒体の温度で釣り合うことができるように、配置される。２つの熱電対ワイヤは、管状支持部の内部で熱電対接合部から延びている。プローブ端部から遠隔にある管状支持部の端部は、適切な保持装置において終端し、使用のプローブと熱電対ワイヤへの電気的接続の物理的なハンドリングを可能にすることができる。第１および第２の電極を備えているガス濃度センサは、管状支持部のプローブ端部において支持され、前記第１の電極は、前記熱電対に電気的に接続される。これは、有利なことに、熱電対ワイヤのうちの少なくとも１つが、ガス濃度測定の間の第１の電極の電気モニタリングのために使用されるのを可能にする。
【０００９】
使用の間、ガス濃度測定は、ガス濃度センサの第１および第２の電極の間の電圧をモニタすることによって達成できる。第２の電極への電気的接続は、いかなる好都合な方法ででも達成することができる。例えば、別々の電気ワイヤまたは導体は、第２の電極から保持装置まで通じることができ、又は、接続を、それが十分に良い電気伝導体であるならば、流体媒体自体を通して作ることができる。好適な実施形態において、しかしながら、管状支持部は電気伝導性であり、第２の電極は、管状支持部に電気的に接続されてきる。したがって、第１および第２の電極間の電圧は、管状支持部と熱電対ワイヤのうちの少なくとも１つの間での電圧をモニタすることによって、モニタすることができる。
【００１０】
適切なセンサは、第１および第２の電極が固体電解質によって切り離され、１つの電極が、使用中に、測定されているガス濃度に露出しており、第２の電極が、使用中に、基準ガス濃度または基準物質に露出している、上述のタイプかもしれない。第１または第２の電極のいずれかと固体電解質の対応する面が、測定されているガス濃度に露出するか、あるいは、その逆であってもよい。
【００１１】
第１の電極は、熱電対接合部より上に、熱電対ワイヤのうちの１つに、電気的に接続することができる。したがって、そのワイヤは、第１の電極上で電圧をモニタするために、好適には使用される。好適な実施形態において、しかしながら、第１の電極は、熱電対接合部に電気的に接続される。この実施形態において、熱電対ワイヤのどちらかを、第１の電極上で電圧をモニタするのに用いることができる。または、熱電対ワイヤの両方を、使用することができる。
【００１２】
上述の種々の実施形態において、熱電対への電気的接続は、圧着接続によって、または、溶接、ろう付けまたははんだ付けによっていかなる好都合な方法ででも作ることができる。
【００１３】
センサ電圧をモニタするのに用いられるどの熱電対ワイヤに沿ってでも発生する熱電電圧の考慮、あるいは、補償が必要かもしれない。これは、そのような熱電電圧が測定の間のセンサ電圧上に効果的に重畳されるかもしれないからである。熱電対電圧は、センサ電圧の測定の前に、測定することができ、測定温度を決定することができる。したがって、センサ電圧は、測定された熱電対電圧に基づいてどちら、あるいは、測定された熱電対電圧または温度に基づく所定のルック・アップ・テーブルまたは補正曲線から値を使用することにより、補償することができる。
【００１４】
代替的な実施形態において、第２のセンサ電極への電気的接続は、熱電対ワイヤのうちの１つと同じ材料から作ることができる。この場合には、測定温度の熱電対電圧のための自動補償は、第１の電極への接続として、第２のセンサ電極ワイヤと同じ材料から作られる熱電対ワイヤを選択することによって、達成することができる。
【００１５】
使用中に、管状支持部のプローブ端部を、流体媒体でガス濃度にさらさすことができ、管状支持部の内部で、ガスが拡散すること、流れることを防ぐことは、有利であり得る。気密なプラグは、したがって、管状支持部、好適にはプローブ端部の近くに配置することができる。これは、例えば、適切なガラスパウダーなど適切な粉末のプラグを管状支持部に挿入し、そして、粉末を溶かして、プラグを形成するために加熱することによって、好都合に達成することができる。
【００１６】
本願発明の更なる態様において、キャップが、管状支持部のプローブ端部において固定され、ガス濃度センサを囲んで、支持するのを助ける。キャップは、管状支持部と同じ断面形であることができ、典型的には、円形であることができる。キャップは、配置されたときに、プローブ先端は閉じられ、閉鎖端を有することができ、したがって、ダメージから保護することができる。しかし、ガス濃度測定を可能にするためには、ガス濃度センサの方へ、ガスが、溶融金属中を流れるか、拡散することが必要である。ガスの拡散を許容するために、キャップはしたがって、孔を空けていなければならないか、多孔性でなければならない。１つの実施形態において、キャップは、例えば鉄キャップなど金属キャップであることができる。代替的に、キャップは、セラミック材料であることができる。これは、改善された耐薬品性を溶融金属に提供することができる。いずれにせよ、少なくとも、ガスの拡散を許容するために、一部のキャップは孔を空けていなければならないか、多孔性でなければならない。１つの実施形態において、キャップは、例えば、無孔性金属またはセラミック・スリーブとスリーブの端部を閉鎖する多孔性先端などの複数のコンポーネントから製作することができる。多孔性先端は、多孔性黒鉛または他のいかなる適切な材料であってもよい。実際には、キャップのどの部分が、多孔性であっても、孔を空けていてもよい。
【００１７】
管状支持部は、低コストで、強い支持構造物を提供するために、例えば鋼などの金属で好都合に製作することができる。同様に、キャップは金属、例えば鋼、からなっていてもよい。これらのコンポーネントが作られる材料と、プローブが使用される流体媒体とに依存して、プローブのコンポーネントは、流体媒体によって化学攻撃を防ぐために、コートされる必要があるかもしれない。例えば、従来の熱電対プローブの場合のように、鋼を、融解したアルミニウムによる化学攻撃を減らすために、プラズマ・コートしてもよい。
【００１８】
本願発明の更なる態様は、流体媒体で温度とガス濃度を測るためにプローブを作る方法に関するものである。この方法は、第１および第２の電極を備えるガス濃度センサの第１の電極を、管状支持部の中で延びている熱電対接合部と２つの熱電対ワイヤを備える熱電対に電気的に接続することと、管状支持部のプローブ端部でセンサを支持することと、のステップを含む。その結果として生じる構造は、したがって、上で議論される利点を提供することができる。
【００１９】
有利なことに、支持部の中で延びている管状支持部と熱電対は、従来の熱電対プローブまたは熱電対装置に基づいたものであることができる。これは、ブラインド端部の管の中で延びている熱電対と、管の端部の近くに置かれている熱電対接合部を備える。管には、典型的には、熱電対ワイヤの間での、あるいは、熱電対ワイヤとブラインド端部の管の間での電気的コンタクトを防ぐために、絶縁粉末が詰められている。本願発明のこの態様をインプリメントするために、管のブラインド端部は除去され、熱電対接合部を露出させる。ガス濃度センサの第１の電極は、したがって、熱電対接合部に、または熱電対ワイヤのうちの１つに、また、結果として生じる管状支持部の終わりに支持されるガス濃度センサに、電気的に接続していることができる。
【００２０】
以上に記載したように、キャップは、したがって、管状支持部の終端において固定され、センサを囲むことができる。キャップは、いかなる好都合な方法ででも管状支持部に固定することができる。両方のコンポーネントが金属である場合には、それらは、ろう付けまたは溶接、例えばティグ溶接、によって一緒に固定することができる。キャップがセラミック材料であり、管状支持部が金属である場合には、したがって、コンポーネントは適切なガラスまたは他の材料を使用して、一緒に固定することができる。
【００２１】
本願発明のすべての態様において、電気的接続とシールは、好適には、それらの一体性が、プローブが使われる流体媒体の温度で影響を受けないように、インプリメントされなければならない。
【００２２】
プローブを作るための方法に関する本願発明のこの態様の他の特徴は、上で議論され、あるいは、添付の特許請求の範囲において述べられている。
【００２３】
本願発明の更なる態様は、先に述べたように、プローブを使用する流体媒体における温度とガス濃度をモニタするための方法を提供する。発明のこの態様は、ガス濃度センサの第１の電極で電圧をモニタするための熱電対ワイヤの使用に関するものである。第１の電極が熱電対ワイヤのうちの１つに電気的に接続される場合には、したがって、そのワイヤは、電圧のモニタに使用することができる。代替的に、第１の電極が熱電対接合部に電気的に接続される場合には、したがって、どちらの熱電対ワイヤでも使用することができる。
【００２４】
以上に記載したように、プローブ端部から遠隔の管状支持部の端部は、プローブにプローブと電気的接続の物理的なハンドリングを可能にするために適切な保持装置で終端することができる。したがって、測定装置は、保持装置によって、各々の熱電対ワイヤに、そして、ガス濃度センサの第２の電極に電気的に接続することができる。プローブ端部で温度を測定するために、測定装置は、従来の熱電対プローブの場合のように、熱電対ワイヤの間で電圧をモニタすることができる。ガス濃度センサの第１および第２の電極の間の電圧を測定するために、測定装置は、熱電対ワイヤと第２の電極の間の電圧を測定することができる。
【００２５】
本願発明の更なる態様は、これらの操作を実行するために適切な測定装置を提供する。
【００２６】
上で記述されたように、本願発明のこれらの種々の態様は、強くて好都合なプローブを有利に、流体媒体で温度とガス濃度を測ること、有利なことに、温度とガス濃度との測定が互いに相関することができるように、流体媒体の中で両方の測定値を同じ領域から取得すること、を可能にするかもしれないこれは、流体媒体の異なる温度または異なるガス濃度を有する異なる部分から生起するエラーの縮小を有利に可能にすることができる。また、プローブは、動作させるのに好都合であり、そして、単一の測定装置から読み取りを容易にすることができる。また、プローブを作る好適な方法は、従来の熱電対プローブを修正することによって、有利にコストを下げることができ、既存のプローブと発明を具体化したプローブの間での互換性を向上させることができる。しかし、発明を具体化したプローブは、また、従来の熱電対プローブを修正する方法を使用するのではなく、直接作ることができる。
【００２７】
本願発明の態様は、種々の流体媒体における水素または酸素濃度の測定を含むがこれに限らず多種多様なアプリケーションで使用することができる。その例は、固体の酸化物燃料セル（ＳＯＦＣ）のためなどの燃料電池アプリケーションにおける酸素供給モニタリング、内部水素再生のモニタリング、水素燃料ユーティライゼーションのモニタリング、燃焼制御のための酸素測定、例えば、陶製処理、焼結と焼鈍しなどの材料処理における酸素測定、たとえば、炉内ふん囲気およびガラス自体の酸素ポテンシャルの制御を含むガラス製造での酸素測定と制御、ガス混合のような他のアプリケーション、ガス純度測定と研究開発アプリケーション、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】発明の第１の実施形態によるプローブの側面図である。
【図２】第１の実施形態によるプローブの先端の斜視図である。
【図３】図２のプローブ先端の分解斜視図である。
【図４】ガス濃度センサの第１の接点または電極ワイヤと、図３の実施形態の熱電対接合部との間の接続を図示する。
【図５】本願発明の第２の実施形態に従うプローブの先端の斜視図である。
【図６】従来の熱電対プローブの先端の側面図である。
【図７】熱電対接合部を露出させるために、図６の熱電対プローブの先端の取り除いたところを図示する。
【図８】本願発明の実施形態をインプリメントするために適切なガス濃度センサの断面図である。
【図９】本願発明の更なる態様を具体化する保持装置と測定装置を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、長い管状支持部４を備えるプローブ２を示す。キャップ６は、管状支持部のプローブ端部で固定される。プローブ接続または保持装置８は、管状支持部の反対側に固定され、プローブへの使用と電気的接続の間プローブの物理的なハンドリングを可能にし、溶融金属等、高い温度において、流体媒体での温度とガス濃度を測定するために、プローブを更なる装置（図示せず）に付ける手段を提供する。以下に記載する実施形態において、例として、参照は、溶融金属で水素濃度の測定になされる。本願発明は、溶融金属で水素濃度の測定において、有利なパフォーマンスを提供することができるが、しかし、このアプリケーションに限られるものではない。
【００３０】
図２は、プローブ・プローブ先端２の拡大されたビューである。この実施形態のキャップ６は、プローブが溶融金属で浸漬される時に、溶融金属からキャップの内部までガスの拡散を許容するために、丸い、閉じた端部とその側壁にパーフォレーション（穿孔）１０を有する。
【００３１】
図３はプローブ先端の分解立体図である。そして、アセンブリの前にそのコンポーネントを示す。熱電対は、管状支持部の中で延びている。熱電対接合部は、プローブ先端の近くに置かれ、２つの熱電対ワイヤは、接続装置８に管状支持部の中で延びている。図３において、熱電対接合部１２と熱電対ワイヤ１４、１６の部分は、管状支持部４の開放端から突き出ている。ガス濃度センサ１８が、熱電対接合部への接続のため配置されていること示される。
【００３２】
図８は、ガス濃度センサ１８の縦断面を示す。このセンサは、水素ガスの検出のためである。それは、平面的な陽子伝導性固体電解質ディスク２２によって一方の端で閉鎖したセラミック管２０を備える。このディスクは、管の中でその表面で形成される第１の多孔性白金電極２４と、その管からそれた方向の表面に形成された第２の多孔性白金電極２６とを有する。そのディスクは、シリカ・フリー・ガラス２８を用いて、管の端部におけるリセスにシールされる。金属−金属水素化物基準物質３０は、第１の電極の後に管に挿入される（それは、照合電極と呼ぶことができる）。電気伝導体（図示せず）が、管の内部壁に沿って第１の電極から延びている。基準物質の後の管の中の空間は、例えば、Ｙ２Ｏ３粉末など不活性緩衝材３２で満たされる。センサ・キャップ３４は管の開放端に挿入され、シリカ・フリー・ガラスを使用して固定される。電極ワイヤまたは接点３６は、センサ・キャップにおけるホールを通して延びており、第１の電極２４に至っている電気伝導体にコンタクトをもつ。電極ワイヤは、ガラスシール３８（好適にはシリカ・フリー・ガラスの）を使用して、ホールにおいてシールされる。固体電解質ディスク、管とセンサ・キャップは、密封空洞を囲むセンサ・ボディの盤を形成するキャビティは、キャビティの中で参照水素分圧を発生する固体基準物質を含む。電極ワイヤは、管と同軸なセンサ・ボディから、外側に延びている。
【００３３】
その固体電解質は、好適にはインジウムにドーピングされたカルシウム・ジルコン酸塩である。その管とセンサ・キャップは、無ドープ・カルシウム・ジルコン酸塩から好適には製造され、その場合、その管の熱膨張は、電解質ディスクとセンサ・キャップのそれと合っており、センサが過度の熱応力のビルドアップなしで熱的に循環するのを許容する。代替的に、管とセンサ・キャップは、どちらかがわずかに、インジウムにドーピングされたカルシウム・ジルコン酸塩電解質より高い熱膨張係数を有するマグネシア−マグネシウム・アルミン酸塩（ＭＭＡ）から製造することができる。この場合には、電解質は、永久に、測定条件の下に圧縮応力の状態にあり（溶融金属で浸漬される）、電解質の温度衝撃と熱のサイクリング抵抗を増加する。第２の電気伝導体（図示せず）は、第２の電極から電極ワイヤ３６に隣接したセンサの終端まで、管２０の外側に沿って、延びている。
【００３４】
使用中に、第２の電極２６は、測定されている水素濃度に、溶融金属から孔を空けたか多孔性のキャップ６まで拡散している水素のために、露出される。第１および第２の電極の水素分圧間の差異は、電極の間で電圧を発生する。それから、第２の電極の未知の水素分圧がどれでありえるかが得られる。
【００３５】
そのセンサ・キャビティの中の参照分圧は、センサの温度によって異なる。結局のところ、それは、熱電対が温度を取得し、ガス濃度センサの非常に近傍で読み取りするのに用いられることができる本願発明を具体化するプローブの重要な長所である。それはガス濃度測定の正確さを改善する。
【００３６】
図３において、熱電対に接続の前の、電極ワイヤないし接点３６が示される。図４は、電極ワイヤと熱電対接合部を金属口金４０の反対側に挿入し、そして、口金を折ることによって、熱電対接合部１２に電極ワイヤ３６を接続するための１つのオプションを図示する。このプロセスは、プローブ・コンポーネントを加熱することを避けることという長所がある、しかし、他の方法、例えば、はんだ付け、適用される金属塗装（例えばプラチナ・インク）、ろう付けまたは溶接も、選ばれた方法が、プローブが使用中に露出する温度において安定である限り、使用することもできる。
【００３７】
プローブが使用されるときに、プローブ先端の中でのガスの分圧が、溶融でガスの分圧で釣り合う時間を見込むことが必要である。これは、孔を空けたか多孔性のキャップに通した拡散によって起こり、平衡とされる時間は、キャップ内でガスによって占められるボリュームを減らすことによって、減らすことができる。したがって、支持部の中でのガスの拡散を避けるために、管状支持部の端部をシールすることが、有利であり得る。これは、管状支持部の端部の近くで、気密なプラグ４２を形成することによって達成することができる（図３において、ファントムで示される）。そのプラグは、ガラスパウダーのプラグを管状支持部に挿入することによって、また、プラグを形成するためにガラスを溶かすことによって，好都合に形成することができる。
【００３８】
いくつかの従来の熱電対プローブは、絶縁体として役に立ち、熱電対ワイヤの間、ワイヤと管状支持部の間で電気的絶縁を確実にする、圧縮鉱物の粉末を含む。プラグ４２は、管状支持部の中で絶縁体を保持するのに追加的に役立つことができる。
【００３９】
図５は、本願発明の更なる実施形態を図示する。図１、図２、図３のものと同様に、管状支持部４を備える。この実施形態において、プローブの熱電対とセンサの構造は、また、前の実施形態の場合と同じである。しかしながら、そのキャップ４４は、セラミック管から製作され、例えばガラスなどの適切な接合剤によって管状支持部の端部に固定される。セラミック管は、多孔性でないが、しかし、多孔性黒鉛４６のディスクが、管４４の開放端全体にシールされる。金属からのガスは、多孔性グラファイト・ディスクを通して拡散することができ、プローブ先端中で測定のためにガスの分圧をつくる。
【００４０】
少なくとも本願発明を具体化するプローブの外面は、使用される溶融金属対して十分に化学耐性でなければならないことが重要である。たとえば、ステンレス鋼コンポーネントは、多くの溶融金属に対して適切であり得る。しかし、例えばアルミニウムなどいくつかの溶融金属に対しては耐性がない。アルミニウムで使用するために、たとえば、ステンレス鋼でできているコンポーネントは、その化学耐性を改善するためにコートしなければならない。適切な材料選択は、当業者の能力の範囲内である。
【００４１】
本願発明を具体化するプローブを作るための１つのオプションは、従来の熱電対プローブを修正することである。そのようなプローブの端部が、図６に図示される。それは、典型的にステンレス鋼の、閉鎖端の管５０を備える。熱電対は、その管の中に収容され、熱電対接合部が、その管の閉鎖端の近くにある。
【００４２】
図７で図示されるように、熱電対プローブの端部５２は、熱電対接合部１２と熱電対ワイヤ１４、１６の端部とを露出させるために、切り離すことができる。熱電対プローブ外被の残り部分は、したがって、本願発明を具体化するプローブの管状支持部４として役立つ。前の実施形態において記載されたキャップは、製作され、管状支持部の終端に固定することができる。
【００４３】
本願発明の更なる態様の実施形態において、図９で図示されるように、モニタリング装置６０が提供される。その装置は、複合ハンドルと電気ソケット６２を備え、その電気ソケットをプローブ２のコネクタ端部８に差込み、物理的に支持する。また、測定装置６４は、リード６６によってハンドルに接続される。使用中に、複合ハンドルとソケットは、オペレータが溶融金属でプローブ先端を浸漬することができるように、プローブを支持するだけでなく、また、電気的接続で、２つの熱電対ワイヤと第２の電極にコンタクトするようにする。通常、第２の電極への接続は、管状支持部４によってつくることができる。しかし、適切であるならば、別々の電気伝導体を使用することができる。測定装置６４は、リード６６によって、熱電対ワイヤに電気的に接続され、第２の電極は、したがって、以上に記載したように、温度とガス濃度の測定を行うことができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状支持部であって、使用中に、該支持部のプローブ端部が、前記流体媒体において接触するための管状支持部と、
熱電対接合部と前記管状支持部内に広がる２つの熱電対ワイヤを備える熱電対と、
第１および第２の電極を備えるガス濃度センサであって、該センサは、前記管状支持部の前記プローブ端部において支持され、前記第１の電極は、前記熱電対に電気的に接続される、ガス濃度センサと、
を備える流体媒体で温度とガス濃度を測るためのプローブ。
【請求項２】
前記管状支持部は電気伝導性であり、前記第２の電極は、前記管状支持部に電気的に接続される、請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記センサは、
固体電解質と、
該電解質の第１の面であって、該第１の面に前記第１の電極があり、使用中に、測定すべきガス濃度に露出している、第１の面と、
該電解質の第２の面であって、該第２の面に前記第２の電極があり、使用中に、基準物質に露出している、第２の面と、を備える、
請求項１又は請求項２に記載のプローブ。
【請求項４】
前記センサは、
固体電解質と、該電解質の第１の面であって、該第１の面に前記第１の電極があり、使用中に、基準物質に露出している、第１の面と、
該電解質の第２の面であって、該第２の面に前記第２の電極があり、使用中に、測定すべきガス濃度に露出している、第２の面と、を備える、
請求項１又は請求項２に記載のプローブ。
【請求項５】
前記基準物質は、固体基準物質である、請求項４又は請求項５に記載のプローブ。
【請求項６】
前記センサは、前記第１の電極に電気的に接続された第１の接点を備える自己内蔵型ユニットであり、前記第１の接点は、圧着接続の手段により、または溶接、ろう付けまたははんだ付けによって前記熱電対に接続される、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項７】
前記第１の電極は、前記熱電対接合部に電気的に接続される、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項８】
どちらの熱電対ワイヤも、使用中に、前記第１の電極において電圧を感知するために用いることができる、請求項７に記載のプローブ。
【請求項９】
前記第１の電極は、前記熱電対ワイヤの１つに電気的に接続され、該ワイヤは、使用中に、該第１の電極において電圧を感知するため用いることができる、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１０】
前記支持部内においてガスの流れを防止するための前記管状支持部の中のプラグを備える請求項１ないし９のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１１】
管状支持部のプローブ端部に固定されるキャップであって、前記センサが該キャップの内部に存在する、キャップを備える請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１２】
前記キャップは、金属キャップであって、使用中に、前記ガスが前記流体媒体から前記センサの方への拡散するのを許容するために孔が空いている、請求項１１に記載のプローブ。
【請求項１３】
前記キャップは、前記流体媒体による化学的攻撃に抵抗するためにコートされている、請求項１２に記載のプローブ。
【請求項１４】
前記管状支持部は、前記流体媒体による化学攻撃に抵抗するためにコートされている、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１５】
前記キャップは、セラミック材料を備える、請求項１１に記載のプローブ。
【請求項１６】
前記キャップは、使用中に、前記ガスが前記流体媒体から前記センサの方への拡散するのを許容するために、多孔質黒鉛部等の多孔質部分を備える、を備える請求項１１ないし１５のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１７】
流体媒体における温度とガス濃度を測るためのプローブを製造するための方法であって、
第１および第２の電極を備えるガス濃度センサの第１の電極を、熱電対接合部と管状支持部の内部に延びる２つの熱電対ワイヤを備える熱電対に電気的に接続するステップと、
前記管状支持部の端部で前記センサを支持するステップと、
を含む方法。
【請求項１８】
ブラインド端部の管内で延びる熱電対を備え、管状支持部を形成するために管からブラインド端部を除去する熱電対装置を得ることによって、前記管状支持部と該支持部の内部に延びる前記熱電対を提供するステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
管状支持部は電気伝導性であり、前記管状支持部に前記第２の電極を電気的に接続するステップを含む、請求項１７又は請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
圧着、金属塗装、溶接、ろう付け、又は、はんだ付けによって前記熱電対に前記第１の電極を電気的に接続するステップを含む請求項１７ないし１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記管状支持部内にガス気密シールを形成するステップを含む請求項１７ないし２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記管状支持部の端部上にセンサを含んでいるキャップを固定するステップを含む請求項１７ないし２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のプローブを使用して、流体媒体中の温度とガス濃度とのモニタリングの方法であって、
前記プローブ端部を前記流体媒体と接触させるようにするステップと、
温度を測るために、熱電対ワイヤの間で電圧をモニタするステップと、
ガス濃度を測るために、前記熱電対ワイヤの少なくとも１つと、前記第２の電極と間の電圧をモニタするステップと、
を含む方法。
【請求項２４】
請求項２に記載のプローブに対して、前記第２の電極の電圧は、前記管状支持部を通して作られる電気的接続によって、モニタされる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ガスは、水素または酸素である、請求項１ないし２４のいずれか１項に記載のプローブ又は方法。
【請求項２６】
前記流体媒体は、溶融金属である、請求項１ないし２５のいずれか１項に記載のプローブ又は方法。
【請求項２７】
請求項２３又は請求項２４で規定された温度測定及びガス濃度測定を実施する測定装置。
【請求項２８】
実質的にここに、図面を参照して記述されるプローブ。
【請求項２９】
実質的にここに、図面を参照して記述されるプローブを製造するための方法。
【請求項３０】
実質的にここに、図面を参照して記述される、流体媒体における温度とガス濃度を測るための方法。
【請求項３１】
実質的にここに、図面を参照して記述される、測定装置。
【請求項１】
管状支持部であって、使用中に、該支持部のプローブ端部が、前記流体媒体において接触するための管状支持部と、
熱電対接合部と前記管状支持部内に広がる２つの熱電対ワイヤを備える熱電対と、
第１および第２の電極を備えるガス濃度センサであって、該センサは、前記管状支持部の前記プローブ端部において支持され、前記第１の電極は、前記熱電対に電気的に接続される、ガス濃度センサと、
を備える流体媒体で温度とガス濃度を測るためのプローブ。
【請求項２】
前記管状支持部は電気伝導性であり、前記第２の電極は、前記管状支持部に電気的に接続される、請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記センサは、
固体電解質と、
該電解質の第１の面であって、該第１の面に前記第１の電極があり、使用中に、測定すべきガス濃度に露出している、第１の面と、
該電解質の第２の面であって、該第２の面に前記第２の電極があり、使用中に、基準物質に露出している、第２の面と、を備える、
請求項１又は請求項２に記載のプローブ。
【請求項４】
前記センサは、
固体電解質と、該電解質の第１の面であって、該第１の面に前記第１の電極があり、使用中に、基準物質に露出している、第１の面と、
該電解質の第２の面であって、該第２の面に前記第２の電極があり、使用中に、測定すべきガス濃度に露出している、第２の面と、を備える、
請求項１又は請求項２に記載のプローブ。
【請求項５】
前記基準物質は、固体基準物質である、請求項４又は請求項５に記載のプローブ。
【請求項６】
前記センサは、前記第１の電極に電気的に接続された第１の接点を備える自己内蔵型ユニットであり、前記第１の接点は、圧着接続の手段により、または溶接、ろう付けまたははんだ付けによって前記熱電対に接続される、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項７】
前記第１の電極は、前記熱電対接合部に電気的に接続される、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項８】
どちらの熱電対ワイヤも、使用中に、前記第１の電極において電圧を感知するために用いることができる、請求項７に記載のプローブ。
【請求項９】
前記第１の電極は、前記熱電対ワイヤの１つに電気的に接続され、該ワイヤは、使用中に、該第１の電極において電圧を感知するため用いることができる、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１０】
前記支持部内においてガスの流れを防止するための前記管状支持部の中のプラグを備える請求項１ないし９のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１１】
管状支持部のプローブ端部に固定されるキャップであって、前記センサが該キャップの内部に存在する、キャップを備える請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１２】
前記キャップは、金属キャップであって、使用中に、前記ガスが前記流体媒体から前記センサの方への拡散するのを許容するために孔が空いている、請求項１１に記載のプローブ。
【請求項１３】
前記キャップは、前記流体媒体による化学的攻撃に抵抗するためにコートされている、請求項１２に記載のプローブ。
【請求項１４】
前記管状支持部は、前記流体媒体による化学攻撃に抵抗するためにコートされている、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１５】
前記キャップは、セラミック材料を備える、請求項１１に記載のプローブ。
【請求項１６】
前記キャップは、使用中に、前記ガスが前記流体媒体から前記センサの方への拡散するのを許容するために、多孔質黒鉛部等の多孔質部分を備える、を備える請求項１１ないし１５のいずれか１項に記載のプローブ。
【請求項１７】
流体媒体における温度とガス濃度を測るためのプローブを製造するための方法であって、
第１および第２の電極を備えるガス濃度センサの第１の電極を、熱電対接合部と管状支持部の内部に延びる２つの熱電対ワイヤを備える熱電対に電気的に接続するステップと、
前記管状支持部の端部で前記センサを支持するステップと、
を含む方法。
【請求項１８】
ブラインド端部の管内で延びる熱電対を備え、管状支持部を形成するために管からブラインド端部を除去する熱電対装置を得ることによって、前記管状支持部と該支持部の内部に延びる前記熱電対を提供するステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
管状支持部は電気伝導性であり、前記管状支持部に前記第２の電極を電気的に接続するステップを含む、請求項１７又は請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
圧着、金属塗装、溶接、ろう付け、又は、はんだ付けによって前記熱電対に前記第１の電極を電気的に接続するステップを含む請求項１７ないし１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記管状支持部内にガス気密シールを形成するステップを含む請求項１７ないし２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記管状支持部の端部上にセンサを含んでいるキャップを固定するステップを含む請求項１７ないし２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のプローブを使用して、流体媒体中の温度とガス濃度とのモニタリングの方法であって、
前記プローブ端部を前記流体媒体と接触させるようにするステップと、
温度を測るために、熱電対ワイヤの間で電圧をモニタするステップと、
ガス濃度を測るために、前記熱電対ワイヤの少なくとも１つと、前記第２の電極と間の電圧をモニタするステップと、
を含む方法。
【請求項２４】
請求項２に記載のプローブに対して、前記第２の電極の電圧は、前記管状支持部を通して作られる電気的接続によって、モニタされる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ガスは、水素または酸素である、請求項１ないし２４のいずれか１項に記載のプローブ又は方法。
【請求項２６】
前記流体媒体は、溶融金属である、請求項１ないし２５のいずれか１項に記載のプローブ又は方法。
【請求項２７】
請求項２３又は請求項２４で規定された温度測定及びガス濃度測定を実施する測定装置。
【請求項２８】
実質的にここに、図面を参照して記述されるプローブ。
【請求項２９】
実質的にここに、図面を参照して記述されるプローブを製造するための方法。
【請求項３０】
実質的にここに、図面を参照して記述される、流体媒体における温度とガス濃度を測るための方法。
【請求項３１】
実質的にここに、図面を参照して記述される、測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１２−５１１７１３（Ｐ２０１２−５１１７１３Ａ）
【公表日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４０１９５（Ｐ２０１１−５４０１９５）
【出願日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００９／００２８５６
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０６７０７３
【国際公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【出願人】（５０７１０３５２５）エンバイロンメンタル モニタリング アンド コントロール リミティド (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００９／００２８５６
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０６７０７３
【国際公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【出願人】（５０７１０３５２５）エンバイロンメンタル モニタリング アンド コントロール リミティド (2)
【Ｆターム（参考）】
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