CN104591092B

CN104591092B - 含氧气体制备装置

Info

Publication number: CN104591092B
Application number: CN201410087732.9A
Authority: CN
Inventors: 伊藤征亲; 伊藤诚记; 竹康宏; 吉田惠太
Original assignee: Energy Support Corp
Current assignee: Energy Support Corp
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2017-09-19
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: JP5674898B1; KR101704730B1; CN104591092A; JP2015087310A; KR20150050309A; TWI492897B; TW201515991A

Abstract

当向气体流路（F1）导入载气（G1）时，控制部（6）将氧气生成部（3）连接到电压仪（4），从而使氧气生成部（3）作为氧传感器发挥作用。由此，氧气生成部（3）的单元电动势被监视，由电压仪（4）取得单元电动势的监视完成时的监视电压值。然后，根据由监视电压值计算出的载气氧浓度与设定氧气浓度之差来设定泵浦电流。另外，控制部（6）将氧气生成部（3）的连接对象从电压仪（4）切换到恒流电源（5），从而使氧气生成部（3）作为氧气泵发挥作用。然后，通过泵浦电流而由氧气生成部（3）生成的氧气被混合到载气（G1），从而制备被控制为设定氧气浓度的含氧气体（G2）。

Description

含氧气体制备装置

技术领域

本发明涉及一种制备含氧气体的含氧气体制备装置，该含氧气体在载气中含有预定浓度的氧气。

背景技术

在气体精制、半导体制备工艺、通过无氧化炉进行的钢铁·金属等的热处理、特殊金属焊接、食品包装等领域，使用高纯度气体。在氩气、氮气、氦气等高纯度气体中，需要以ppb的等级正确测定氧气浓度。在这种情况下，需要ppb水平的氧气浓度的校准气体。然而，氧气浓度小于1ppm的校准气体在市场上没有销售。因此，在现场，通过像日本专利第4406392号公报公开的那样的含氧气体制备装置制备气体。

日本专利第4406392号公报中公开的含氧气体制备装置构成为，使载气依次从载气主流路、除氧机构、流量控制机构通过后导入到氧气生成机构。根据在该文献中公开的含氧气体制备装置，存在于载气内的氧气被除氧机构去除，从而制备氧气浓度为零的载气。

然而，上述的含氧气体制备装置由于具备除氧机构，所以装置整体大型化、高重量化。另外，需要定期更换在除氧机构中填充的金属铜等。另一方面，含氧气体制备装置有时用于在发动机、锅炉、工业用炉等设备机器中设置的氧传感器的校准。因此，希望有一种小型、轻量、且便携的含氧气体制备装置。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种小型且轻量的含氧气体制备装置。

为了解决上述课题，根据本发明的第一方式，提供一种含氧气体制备装置，制备在载气中含有预定浓度的氧气的含氧气体。含氧气体制备装置具备：载气流动的气体流路；被设置于气体流路、生成氧气的氧气生成部；相对于氧气生成部可切换地连接的电压仪和恒流电源；以及对氧气生成部进行控制的控制部。当向气体流路导入载气时，控制部将氧气生成部连接到电压仪，从而使氧气生成部作为氧传感器发挥作用，监视氧气生成部的单元电动势，由电压仪取得单元电动势的监视完成时的监视电压值，根据由监视电压值计算出的载气氧浓度与设定氧气浓度之差来设定泵浦电流。并且，控制部将氧气生成部的连接对象从电压仪切换到恒流电源，从而使氧气生成部作为氧气泵发挥作用，将通过泵浦电流而由氧气生成部生成的氧气混合到载气，从而制备被控制为设定氧气浓度的含氧气体。

附图说明

图1是表示将本发明的含氧气体制备装置应用于气体分析装置的校准的构成的示意图。

图2是表示含氧气体制备装置的概要结构的框图。

图3是表示含氧气体制备装置的显示部和操作部的示意图。

图4是表示通过含氧气体制备装置进行的暖机处理的流程图。

图5是表示通过含氧气体制备装置进行的校准处理的流程图。

图6是表示含氧气体制备装置的其他应用例的框图。

具体实施方式

参照图1～图5，说明含氧气体制备装置的一实施方式。

如图1所示，含氧气体制备装置20用于气体分析装置10的校准。气体分析装置10被安装到发动机、锅炉、工业用炉等的排气管。在排气管内的烟道K中流过作为被测定气体的排气G3。气体分析装置10对排气G3中含有的O₂气体等检测气体进行检测以及分析。

气体分析装置10具备检测部101和与检测部101电气连接的分析仪102。检测部101对排气G3中含有的检测气体的浓度进行检测。检测部101被插入以及固定到烟道K内。分析仪102被设置于烟道K的外部。分析仪102经由通信线100与含氧气体制备装置20连接。

在检测部101内固定有气体传感器41。在气体传感器41的顶端安装有供给含氧气体的校准气体供给用配管71。在气体传感器41的内部设置有高温作动型的气体传感器元件。气体传感器元件将氧离子传导性固体电解质形成为板状或棒状。在校准气体供给用配管71上连接有制备预定浓度的含氧气体G2的含氧气体制备装置20。含氧气体制备装置20经由压力调整阀80与氮气瓶81连接。作为载气G1的氮气从氮气瓶81供给到含氧气体制备装置20。

含氧气体制备装置20向从氮气瓶81供给的氮气G1内供给氧气，从而制备N₂-O₂的含氧气体G2。含氧气体G2从含氧气体制备装置20经由校准气体供给用配管71供给到气体传感器41的顶端，作为校准气体使用。

如图2所示，含氧气体制备装置20制备在载气G1中含有预定浓度的氧气的含氧气体G2。含氧气体制备装置20具备作为载气G1的流路的气体流路F1、对载气G1的流量进行调整的流量调整部2、以及生成氧气的氧气生成部3。电磁阀P1在气体流路F1上设置于流量调整部2的上游侧。电磁阀P2在气体流路F1上设置于氧气生成部3的下游侧。

含氧气体制备装置20具备电压仪4、恒流电源5、控制部6、显示部7以及操作部8。电压仪4以及恒流电源5可电切换地与氧气生成部3连接。控制部6对流量调整部2、氧气生成部3、电磁阀P1、P2等进行控制。显示部7以及操作部8与控制部6连接。

流量调整部2是质量流量控制器（Mass Flow Controller：MFC）。质量流量控制器根据电信号使流量控制阀工作，将载气G1的流量始终调整为设定流量。

氧气生成部3作为氧气传感器发挥作用，并且作为氧气供给泵发挥作用。氧气生成部3具备筒状体（锆管）31、氧气生成单元（cell）34、以及设置于氧气生成单元34的外侧的加热器35。筒状体31由固体电解质材料构成，并且与气体流路F1连通。氧气生成单元34由配置于筒状体31的内表面的内侧电极32和配置于筒状体31的外表面的外侧电极33构成。氧气生成单元34在与电压仪4连接的情况下作为浓淡电池型的氧气传感器发挥作用。氧气生成单元34在与恒流电源5连接的情况下作为氧气泵发挥作用。

如图3所示，显示部7具备5位以及3位的七段显示器7a和通过点亮而表示状态的状态表示LED7b。5位的七段显示器7a显示生成氧气浓度和装置内的信道数据。3位的七段显示器7a显示模式表示和信道号码。状态表示LED7b具备“POWER”、“READY”、“ALARM”的各LED。“POWER”表示向装置供电的电源处于接通状态。“READY”表示载气的置换已完成。“ALARM”表示装置处于异常状态。

操作部8具备4个预置按钮（preset button）8a和1个M按钮8b。预置按钮8a在生成了预定的氧气浓度时被操作。M按钮8b在产生了人设（manual）的氧气浓度时被操作。另外，操作部8具备在模式变更时被操作的“MODE”按钮8c、进行自动校准动作时被操作的“AUTOCAL”按钮8d、以及取消各操作时被操作的CLEAR按钮8e。此外，操作部8具备在数值变更时被操作的上下左右键8f和在数值输入的确定以及各动作的开始·停止时被操作的“ENTER”按钮8g。操作部8相当于选择部。

接着，参照图4，说明含氧气体制备装置20的暖机处理。

如图4所示，含氧气体制备装置20在电源开关被接通时开始暖机（步骤S11）。也就是说，控制部6使显示部7的“POWER”的LED点亮。控制部6使设置于装置内部的排气风扇作动，使加热器35工作，从而使氧气生成单元34升温。另外，控制部6使电磁阀P1、P2全开。此外，控制部6将流量调整部2的电源接通，并且为了气体吹扫（gas purge），而将流量调整部2全开10秒钟。然后，流量调整部2开始进行流量调整动作。

而且，控制部6使氧气生成部3与电压仪4电气连接，开始单元电动势的测定。与电压仪4连接的氧气生成部3作为氧传感器发挥作用。控制部6开始与分析仪102进行通信。当氧气生成单元34升温至850℃以上时，控制部6开始单元电动势的监视（步骤S12）。将在从含氧气体制备装置20的电源接通起至氧气生成单元34升温到预定温度（例如850℃）为止的期间进行的处理设为暖机处理。预定温度是氧气生成单元34的单元电动势稳定的温度，只要是700℃以上即可。

控制部6在从电源接通起经过了120分钟之后，判断单元电动势是否为300mV以上（步骤S13）。也就是说，氧气生成部3利用电压仪4测定内侧电极32与外侧电极33之间的电压，根据电压的测定值，计算导入到氧气生成部3的载气G1的氧气浓度。在此，在氧气生成单元34为850℃的情况下，从电源接通起经过了120分钟之后，判断单元电动势是否为300mV以上。替代于此，只要氧气生成单元34为700℃以上，则也可以根据设定温度，适当变更经过时间、单元电动势的值。在判断为单元电动势小于300mV的情况下（步骤S13：否），控制部6在显示部7上显示错误，结束处理流程（步骤S20）。而且，控制部6将显示部7的“ALARM”的LED点亮。由此，含氧气体制备装置20通报氧气生成单元34的异常·故障。

另外，在经过了120分钟之后判断为单元电动势为300mV以上的情况下（步骤S13：是），控制部6继续进行单元电动势的监视（步骤S14）。接着，控制部6判断单元电动势的10分钟的变化量是否为2mV以下（步骤S15）。而且，在判断为单元电动势的10分钟的变化量大于2mV的情况下（步骤S15：否），控制部6转移到步骤S14，继续进行单元电动势的监视。

另外，在判断为单元电动势的10分钟的变化量为2mV以下的情况下（步骤S15：是），控制部6结束单元电动势的监视（步骤S16）。也就是说，在单元电动势的10分钟的变化量为2mV以下的情况下，控制部6判断为气体流路F1被载气G1净化。于是，控制部6检测单元电动势监视时的单元电动势，由单元电动势计算载气G1中的氧气浓度，进行登记（步骤S17）。载气G1中的氧气浓度相当于载气氧浓度。

控制部6通过单元电动势监视的结束和载气氧浓度的登记而判断载气G1的置换已完成（步骤S18）。而且，控制部6将氧气生成部3的连接对象从电压仪4切换到恒流电源5（步骤S19），从而使氧气生成部3作为氧气泵发挥作用。另外，控制部6将显示部7的“READY”的LED点亮。

接着，参照图5来说明分析仪102的校准处理。

如图5所示，显示部7的“READY”的LED点亮时，含氧气体制备装置20能够开始校准处理。最初，作业者按下操作部8的预置按钮8a，进行校准浓度设定操作。由此，控制部6开始进行校准点的确认以及修正。在具有校准浓度设定操作的情况下，控制部6在显示部7的七段显示器7a上显示表示有无校准设定的数值（步骤S21）。例如，在校准点为4点的情况下，控制部6将4位的数值显示到七段显示器7a上。校准设定的有无用“1”或“0”表示，“1”表示有设定，“0”表示无设定。具体地讲，表示为“1110”，从左侧起，依照从最低浓度氧气至高浓度氧气的顺序显示。此时，校准点数可通过按下操作部8的上下左右键8f而变更。作业者在输入了校准点数之后，按下操作部8的“ENTER”按钮8g，确定校准点数。

接着，控制部6按照从最低浓度氧气向高浓度氧气的氧气浓度增高的顺序开始设定氧气浓度的显示。控制部6设定为N=1（步骤S22），显示第N次的设定氧气浓度（步骤S23）。作业者确认被显示的设定氧气浓度。如果需要进行设定氧气浓度的再设定，作业者按下操作部8的上下左右键8f，变更数值。如果无需进行设定氧气浓度的设定，则作业者按下操作部8的“ENTER”按钮8g，在每个校准点进行设定结束操作。控制部6判断是否进行了设定结束操作（步骤S24）。在判断为没有进行设定结束操作的情况下（步骤S24：否），控制部6待机直至进行设定结束操作。

在判断为进行了设定结束操作的情况下（步骤S24：是），控制部6确认全部的设定氧气浓度的设定已结束，所以判断是否为N=4（步骤S25）。在判断为不是N=4的情况下（步骤S25：否），控制部6对N加1（N=N+1）（步骤S35），转移至步骤S23。

在判断为N=4的情况下（步骤S25：是），控制部6自动开始校准动作（步骤S26）。也就是说，针对最后的高氧气浓度，按下“ENTER”按钮8g，设定结束操作完成时，控制部6自动开始气体传感器41的校准。

控制部6按照从最低浓度氧气至高浓度氧气的顺序自动开始设定氧气浓度的校准。具体地讲，控制部6设定为N=1（步骤S27），设定相当于第N次的设定氧气浓度的泵浦电流（步骤S28）。也就是说，控制部6根据由监视电压值计算的载气氧浓度与设定氧气浓度之差，设定泵浦电流。具体地讲，控制部6设定从第N次的设定氧气浓度减去了载气氧浓度得到的值再乘以系数a得到的泵浦电流（pumping current）。系数是出厂时设定的调整值。

泵浦电流（mA）=系数a×（设定氧气浓度-载气氧浓度）

控制部6对电压进行PID控制，使得氧气生成单元34具有第N次的设定氧气浓度（步骤S29）。也就是说，控制部6对电压进行PID控制，以便设定为相当于第N次的设定氧气浓度的泵浦电流。氧气生成部3在其连接对象切换到恒流电源5之后作为氧气泵发挥作用。载气G1在通过流量调整部2被控制成恒定量（例如、500mL/min）。之后，从氧气生成部3生成的氧气混合到载气G1。这样，得到将载气G1内的氧气浓度精密地控制为预定浓度的含氧气体G2。在这种情况下，含氧气体G2的氧气浓度根据由恒流电源5控制的电流值来决定。

接着，控制部6确认要校准的气体传感器41的电动势值（步骤S30）。控制部6按照从最低氧气浓度至高氧气浓度的氧气浓度降低的顺序自动进行电动势值的确认。例如，在氧气浓度为1ppm的情况下，控制部6判断30分钟的变化量是否在0.4mV以下（步骤S31）。

该情况下的预定时间以及变化量分别被设定为气体传感器41稳定的值。在判断为30分钟的变化量大于0.4mV的情况下（步骤S31：否），控制部6待机直至30分钟的变化量达到0.4mV以下。

另外，在判断为30分钟的变化量为0.4mV以下的情况下（步骤S31：是），控制部6结束要校准的氧传感器的电动势值的确认。然后，控制部6对登记到分析仪102上的气体传感器41的电动势进行改写之后，实施校准（步骤S32）。此改写经由通信线100进行。在此，在氧气生成单元34为850℃的情况下，判断30分钟的变化量是否为0.4mV以下。替代于此，只要氧气生成单元34为700℃以上，则可以根据设定温度，适当变更经过时间、单元电动势的变化量。

之后，这样实施步骤S31，变更为下述数值，同样地进行判断。例如，在氧气浓度为9ppm的情况下，控制部6判断20分钟的变化量是否为0.2mV以下。另外，在氧气浓度为90ppm的情况下，控制部6判断10分钟的变化量是否为0.1mV以下。在氧气浓度为900ppm的情况下，控制部6判断10分钟的变化量是否为0.05mV以下。

为了确认是否对全部的设定氧气浓度结束了控制，控制部6判断是否为N=4（步骤S33）。在判断为不是N=4的情况下（步骤S33：否），控制部6对N加1（N=N+1）（步骤S36），转移到步骤S28。接着，按照下面的高设定氧气浓度的顺序进行改写之后，实施校准。

在判定为N=4的情况下（步骤S33：是），控制部6将校准动作结束（步骤S34），将改写校准处理全部结束。此时，控制部6停止氧气生成单元34的控制，将流量调整部2的电源断开，使电磁阀P1、P2全闭。另外，控制部6结束与分析仪102之间的通信，在显示部7上显示校准结束。从显示起经过了30分钟之后，控制部6使装置内部的排气风扇停止工作。

以上，根据本实施方式，能够发挥以下的效果。

（1）含氧气体制备装置20包括流动有载气G1的气体流路F1、设置于气体流路F1且生成氧气的氧气生成部3、相对于氧气生成部3可切换地连接的电压仪4和恒流电源5、以及对氧气生成部3进行控制的控制部6。也就是说，含氧气体制备装置20不具备从载气G1除去氧气的机构。因此，含氧气体制备装置20被小型化以及轻量化、可便携。由此，能够在现场实施在发动机、锅炉、工业用炉等设备机器上设置的氧传感器的校准。另外，由于没有从载气G1除去氧气的机构，所以无需像以往那样更换构成除氧机构的消耗品。此外，无需具有不同的多个氧气浓度的校准气体（标准气体）。另外，能够容易地制备校准气体。

（2）向气体流路F1导入载气G1时，氧气生成部3与电压仪4连接，所以作为氧传感器发挥作用。由此，氧气生成部3的单元电动势被监视，由电压仪4取得单元电动势的监视完成时的监视电压值。接着，根据由监视电压值计算出的载气氧浓度与设定氧气浓度之差来设定泵浦电流。接着，通过泵浦电流而由氧气生成部3生成的氧气被混合到载气G1，得到被控制为设定氧气浓度的含氧气体G2。也就是说，即使使用含有低浓度氧气的载气，通过由与设定氧气浓度之间的浓度差设定的泵浦电流，能够校准氧气浓度。也就是说，由于能够在没有除去氧气的机构的状况下减少从氧气生成部3生成的氧气量，所以即使载气G1含有低浓度的氧气，也能够将含氧气体G2的氧气浓度设为正确的值。

（3）控制部6按照从低浓度氧气至高浓度氧气的顺序实施分析仪102的校准。因此，与作业者依次实施校准的情况相比，能够以短时间实施分析仪102的校准。

（4）含氧气体制备装置20具备显示生成氧气浓度、校准内容的显示部7。根据此结构，作业者能够通过显示部7来确认生成氧气浓度、校准内容。另外，能够抑制由作业者进行误设定。

另外，也可以采用如下方式变更上述实施方式。

·在上述实施方式中，将含氧气体制备装置20用于对在发动机、锅炉、工业用炉等的排气管内的烟道K中流动的排气G3中的O₂气体进行分析的分析仪102的校准。替代于此，也可以将含氧气体制备装置20用于图6所示的分析仪103的校准。也就是说，如图6所示，分析仪103具备作为样品气体G4的流路的气体流路F2、抽吸样品气体G4的泵104、以及对样品气体G4的流量进行调整的流量调整部105。另外，分析仪103在泵104与流量调整部105之间具备适配器106。在适配器106上固定有测定氧气浓度的气体传感器107。分析仪103具备对泵104以及流量调整部105等进行控制的控制部6。分析仪103经由通信线100与含氧气体制备装置20连接。即使在该情况下，也能够得到与上述实施方式相同的作用效果。

·在上述构成中，也可以在操作部8上设置作为选择部的选择按钮。也就是说，通过在显示部7的“READY”的LED点亮之后按下选择按钮，从而可以从预先设定的初始设定浓度值和在分析仪102中设定的分析设定浓度值中选择用于校准的氧气浓度值。在这种情况下，只要选择分析仪102的分析设定浓度值，就能够向含氧气体制备装置20取入分析仪102的分析设定浓度值，所以能够省略设定变更的手续。

·在上述构成中，也可以在显示部7上设置手动设定变更按钮。也就是说，在显示部7的“READY”的LED点亮之后按下手动设定变更按钮，从而将校准中使用的氧气浓度值、预先设定的初始设定浓度值变更为任意的浓度值。在这种情况下，能够在含氧气体制备装置中设定任意的浓度值。

·在上述构成中，也可以在气体流路F1上设置测定含氧气体的氧气浓度的氧气浓度测定部。具体地讲，在含氧气体制备装置20的含氧气体的排出侧设置氧气浓度确认用的氧气浓度测定部，根据来自氧气浓度测定部的信号来控制氧气生成部3。在这种情况下，能够制备更加正确地控制了氧气浓度的含氧气体。

·在上述实施方式中，作为载气G1使用了氮气，然而也可以使用氩气等惰性气体。

·在上述实施方式中，氧气生成部3具备筒状体31、分别设置于筒状体31的内外表面的内侧电极32以及外侧电极33。替代于此，只要是能够泵浦氧气的构成，则也可以使用其他形状的氧气生成部。

·在上述实施方式中，在气体传感器41的内部设置了将氧离子传导性固体电解质形成为板状或棒状的高温作动型的气体传感器元件。替代于此，气体传感器元件可以是板状或棒状以外的形状，也可以是高温作动型以外的气体传感器元件。

·在上述实施方式中，控制部6从最低浓度氧气向高浓度氧气的氧气浓度变高的顺序开始氧气浓度的显示，然而也可以从最高浓度氧气向低浓度氧气的顺序开始显示。

·在上述实施方式中，控制部6从最低浓度氧气向高浓度氧气的氧气浓度变高的顺序自动进行校准，然而也可以从最高浓度氧气向低浓度氧气的氧气浓度降低的顺序自动进行校准。

Claims

1.一种含氧气体制备装置，制备在载气中含有预定浓度的氧气的含氧气体，其特征在于，所述含氧气体制备装置具备：

所述载气流动的气体流路；

被设置于所述气体流路、生成氧气的氧气生成部；

相对于所述氧气生成部可切换地连接的电压仪和恒流电源；以及

对所述氧气生成部进行控制的控制部，

当向所述气体流路导入所述载气时，所述控制部将所述氧气生成部连接到所述电压仪，从而使所述氧气生成部作为氧传感器发挥作用，监视所述氧气生成部的单元电动势，

在判断所述含氧气体制备装置的电源开关被接通后经过一定时间后的所述单元电动势为一定电压值以上的情况下，判断所述单元电动势不存在异常，

之后，在判断所述单元电动势的10分钟的变化量为2mV以下的情况下，判断对所述单元电动势的监视完成，

由所述电压仪取得所述单元电动势的监视完成时的监视电压值，在确认对所述含氧气体的设定氧气浓度进行设定后，根据由所述监视电压值计算出的载气氧浓度与设定氧气浓度之差来设定泵浦电流，

所述控制部将所述氧气生成部的连接对象从所述电压仪切换到所述恒流电源，从而使所述氧气生成部作为氧气泵发挥作用，将通过所述泵浦电流而由所述氧气生成部生成的氧气混合到所述载气，从而制备被控制为设定氧气浓度的含氧气体。

2.根据权利要求1所述的含氧气体制备装置，其特征在于，

所述含氧气体制备装置与对被测定气体的氧气浓度进行分析的分析仪连接，

所述控制部按照从低浓度氧气向高浓度氧气的顺序依次实施所述分析仪的校准。

3.根据权利要求2所述的含氧气体制备装置，其特征在于，

还具备选择部，该选择部从预先设定的初始设定浓度值和在所述分析仪上设定的分析设定浓度值中选择在校准中使用的氧气浓度值。

4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的含氧气体制备装置，其特征在于，

具备显示生成氧气浓度以及校准内容的显示部。

5.根据权利要求1-3中的任意一项所述的含氧气体制备装置，其特征在于，

还具备测定所述含氧气体的氧气浓度的氧气浓度测定部，该氧气浓度测定部被设置于所述气体流路。