JP2001330543A

JP2001330543A - ２種類混合気体の濃度測定方法及び濃度測定装置

Info

Publication number: JP2001330543A
Application number: JP2000153979A
Authority: JP
Inventors: Akira Kurokawa; 明黒河; Shingo Ichimura; 信吾一村; Hidehiko Nonaka; 秀彦野中
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2001-11-30
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: JP3336384B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の混合気体の濃度測定に際して、混合気
体の圧力が大気圧以外の時には正確な混合比（濃度）が
測定できず、また、熱や光を照射する測定方法では、爆
発の危険性のある混合気体は測定できない等の問題があ
った。【解決手段】例えば酸素とオゾンのように予め構成す
る気体が知られているが混合比が不明な２種類混合気体
の配管４に対して、例えば隔膜真空計等の絶対圧力を測
定する絶対圧力測定子１と、気体の物性値として例えば
粘性に敏感な圧力計である水晶摩擦真空計、スピニング
ロータゲージ、あるいはその他の物性値に敏感な圧力測
定子２とを接続し、同時に圧力を測定する。両圧力測定
値から混合気体の真の物性値を求め、物性値と濃度の対
応データから濃度を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２種類の気体から
なる混合気体の濃度を計測する装置に関し、特に、被測
定気体の圧力に依存せず、計測時に被測定混合気体が分
解することなく、また、計測後に被測定混合気を廃棄す
ることがないようにした濃度計測方法、及びこの計測方
法を実施する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、２種類の気体からなる混合気体の
濃度を求めるるに際して、例えばオゾン酸素混合ガス中
のオゾン濃度を計測するとき、紫外線のうちオゾンは吸
収するが酸素はほとんど吸収しない特定の波長を選択し
てこれを混合ガスに照射し、紫外線の吸収率を測定する
ことにより濃度を求めるようにした紫外線吸光度測定法
が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような濃度測定に
際して一般に用いられている混合気体の圧力は大気圧で
あり、これ以外の圧力での濃度測定はほとんど想定され
ることがなかった。そのため、たとえば上記のように紫
外線吸光法をオゾン酸素混合気体に用いる場合、混合気
体圧力が減少するとオゾン濃度が同じでも紫外線吸光度
が減少してしまうため、圧力が低い状態のオゾン酸素混
合気体の濃度を正確に測定することはできなかった。

【０００４】即ち、例えば上記の例の場合のように混合
気体を紫外線吸光度によりを計測しているとき、混合気
体の濃度比が変化するとそれに対応して指示値が変化
し、濃度と物性指示値の間には相関がある。したがって
その指示値から混合気体の濃度を求めることができる。
その指示値と混合気体の模式的関係を図7曲線p１で示
す。しかしこの相関を示す曲線は、一般に圧力依存性が
あり、混合気体圧力が変わると、図７中のｐ２、ｐ３で
示すように相関曲線も変化する。そのため圧力が変動す
ると濃度を求めることができなかった。

【０００５】また、前記のような光吸収法による濃度測
定方法においては、ランプのような光源が必要である
が、このランプは寿命が有限であり、定期的な交換が必
要であり、メンテナンスが面倒であった。更に、前記紫
外線の吸光度を利用して濃度測定する手法は、気体の種
類毎に吸収波長が異なるため、一つの紫外線ランプで複
数の混合ガスに対応することは不可能であり、混合ガス
の種類によっては必要な光の波長を生成する光源が存在
しない場合もあり、汎用性に欠けていた。

【０００６】一方、濃度の測定法において熱や光を加え
ることで混合気体の分解率を測定する原理を利用した測
定法も存在するが、このような測定方法においては熱や
光を加えると爆発・引火の可能性がある混合気体を濃度
測定するとき、誘爆・引火の危険性があった。例えば、
大気圧オゾン酸素混合気体でオゾン濃度が５０％を越え
ると、引火したときに轟爆の危険性が伴うため、光照射
によるオゾン分解を伴う紫外線吸光法では高濃度オゾン
気体の測定には危険があった。

【０００７】また、上記のような熱や光を加えて分解率
を測定する原理の測定法においては、例えばオゾン酸素
混合気体の場合、サンプリングした混合気体中のオゾン
は紫外線の照射により分解されて酸素になるため、混合
気体中のオゾン濃度は減少してしまう。そのため精度の
高い濃度測定にはオゾン分解による混合気体濃度の変化
を無視できるような、混合気体の大量のサンプリングが
必要であった。しかも、測定によって被測定混合気体の
濃度が変化するため、サンプリングした気体は破棄して
非測定気体に混入しないような手段が必要であった。

【０００８】更に、混合気体を一部抜きとった後別の場
所で化学分析する方法もあるが、その場合は気体濃度が
時間とともに変化していくために実時間で濃度を知るこ
とが必要な場合において、即時性の点で不都合であっ
た。

【０００９】したがって本発明は、圧力が変化しても正
確な濃度を測定することができ、特定の波長の紫外線ラ
ンプ等を必要とせず、メンテナンスが容易であり、ま
た、熱や光を加えて測定を行う方法のように爆発引火の
危険性が無く、かつ、被測定ガスの分解が無いことによ
りサンプリングガスを多量に用意し、またそれを廃棄す
る必要が無く、気体濃度の変化に対応して即時に濃度を
測定することができるようにした、２種類混合気体の濃
度測定方法、及びその方法を実施するための濃度測定装
置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記従来の課題を解決す
るため、本願の請求項１に係る発明は、予め構成する気
体が知られている２種類混合気体の濃度測定方法におい
て、混合気体の濃度に対応した物性値のデータを取得
し、物性値に敏感な圧力測定装置により被測定混合気体
の圧力を測定し、同時に前記物性値に影響を受けない圧
力測定装置により同気体の圧力を測定し、両圧力測定値
から混合気体の物性値を求め、該物性値から濃度を求め
ることを特徴とする２種類混合気体の濃度測定方法とし
たものである。

【００１１】また、請求項２に係る発明は、前記物性値
に敏感な圧力測定装置として、互いに特性の異なる複数
の圧力測定装置を用いて同時に被測定混合気体の圧力を
測定し、各圧力測定値と前記物性値に影響を受けない圧
力測定装置装置の測定値から混合気体の物性値を求める
ことを特徴とする請求項１記載の２種類混合気体の濃度
測定方法としたものである。

【００１２】また、請求項３に係る発明は、前記物性値
は粘性とし、該物性値に敏感な圧力測定装置として水晶
摩擦真空計またはスピニングロータゲージを用い、物性
値に影響を受けない圧力測定装置として隔膜真空計を用
いたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の２
種類混合気体の濃度測定方法としたものである。

【００１３】また、請求項４に係る発明は、予め構成す
る気体が知られている２種類混合気体の濃度測定装置に
おいて、物性値に敏感な圧力測定装置と、前記物性値に
影響を受けない圧力測定装置と、両圧力測定装置からの
圧力値を入力して物性値を求めると共に該物性値から予
め取得されている濃度に対応した物性値のデータに基づ
き濃度を求める濃度計算手段とを備えたことを特徴とす
る２種類混合気体の濃度測定装置としたものである。

【００１４】また、請求項５に係る発明は、前記物性値
に敏感な圧力測定装置として、互いに特性の異なる複数
の圧力測定装置を備えたことを特徴とする請求項４記載
の２種類混合気体の濃度測定装置としたものである。

【００１５】また、請求項６に係る発明は、前記物性値
に敏感な圧力測定装置として水晶摩擦真空計またはスピ
ニングロータゲージを用い、物性値に影響を受けない圧
力測定装置として隔膜真空計を用いたことを特徴とする
請求項４または請求項５記載の２種類混合気体の濃度測
定装置としたものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の基本原理は、粘性・熱伝
導率・密度・分子量およびそれらの関数としての混合気
体の物性値を測定し、純粋気体固有の物性値をもとに気
体の濃度を算出する手法を採用するものである。更に詳
細には、圧力と例えば粘性等の物性値に敏感な測定子A
と、圧力のみに敏感な測定子Bを同時に用いて対象混合
気体を計測し、演算処理によって圧力の影響を除いて混
合気体の例えば粘性等の物性値を算出することで、物性
値に応じた混合気体の濃度を求めるものである。

【００１８】上記測定子Aと測定子Bに、測定子Aの対象
圧力範囲以外に対応した測定子Cを追加することでさら
に測定圧力範囲を広げることができる。また、濃度の校
正は、混合ガスを構成する2種類の純気体をあらかじめ
既知割合で混合して各種濃度の標準気体を作成し、前記
濃度測定装置で標準気体を実測してみて検量線を得て、
この検量線を濃度計算機に記録させておくことで行うこ
とができる。

【００１９】本発明における使用測定子の例としては、
例えば液柱差真空計、圧縮真空計、隔膜真空計、ブルド
ン管真空計等の圧力のみに敏感なものや、圧力に依存し
て変わると共に、運動固体が気体から受ける摩擦力変化
・固体から気体への熱伝導率変化・固体表面近傍で気体
が反応したときの固体が受ける分解生成熱といった物理
量のうち、いずれかの物理量が変化する圧力計が使用で
きる。

【００２０】前記圧力が変化すると共に物理量が変化す
る圧力計としては、例えば粘性（摩擦）を利用する水晶
摩擦真空計やスピニングロータゲージ、熱伝導を利用す
る熱電対真空計やピラニー真空計、そのほかクヌーセン
真空計等を用いることができ、また、電離現象を利用す
る例えば熱陰極電離真空計、冷陰極電離真空計、放射線
電離真空計等を使用することができる。これら測定子
は、引火性・爆発性といった気体の性質・対象混合気体
の濃度・圧力によって使い分けることができる。

【００２１】図１に本発明を実施する装置の概要を示
す。同図に示されるように、被測定混合ガスが供給され
る配管４に連通管を接続し、この連通管に対して混合ガ
スの粘性や分子密度等の物性によって測定値が変化しな
い絶対圧力を測定することができる絶対圧力測定子１を
接続すると共に、気体の粘度等の物性により表示圧力が
変化し、且つ予めその特性が知られている圧力測定子、
即ち圧力・物性値測定子２を接続している。また、前記
絶対圧力測定子１、及び圧力・物性測定子２のデータを
入力し、純粋気体固有の物性値に基づき、混合ガスの濃
度と物性値により変化した表示圧力の関係を示すデータ
から濃度を計算する濃度計算機３を備えている。

【００２２】上記のような本発明による濃度測定の基本
原理の元に、例えば図２に示すような具体的な装置によ
り実施することができる。図２に示す装置においては、
オゾン酸素混合ガスに対する測定装置の実施例であり、
絶対圧力測定子として隔膜真空計５を用いている。この
隔膜真空計５は物性値に無関係に気体圧力の絶対値を得
ることができ、それにより気体の種別に無関係に気体圧
力の絶対値を計測することができる。

【００２３】また、圧力・物性値測定子としては水晶摩
擦真空計６を用いている。この水晶摩擦真空計６の特性
を図３に示す。これは例えば表１に示すように気体の分
子量と粘性係数の違いによって水晶摩擦真空計の指示値
が見かけ上異なる圧力を表示していることを示すもので
ある。この理由は、水晶摩擦真空計が、気体に接した水
晶振動子の受ける気体との摩擦力が、圧力が粘性流の領
域では気体の分子量と気体の粘性係数の積の１／２乗に
比例することから生じるものである。この水晶摩擦真空
計は、常温で動作し、また気体への接触面も金、石英、
ステンレスのみであり、オゾンを分解する要因がない。

【表１】

【００２４】図４は、測定装置を校正するための検量線
作成に用いた実測結果であり、測定装置でオゾン酸素混
合濃度標準気体（オゾン濃度５％、酸素濃度９５％）を
計測したものである。混合ガスの圧力を測定すると水晶
摩擦真空計は粘性・分子量の大きいオゾン気体の混入の
ため純酸素圧力測定時よりも見かけ上圧力指示値が大き
くなる。この実測値を元に検量線を作成し、濃度計算器
に記憶させ、濃度の算出を行う。このような検量線デー
タは各混合比に応じて予め計測しておくことができ、絶
対圧力を示す隔膜真空計圧力の圧力測定値と、水晶摩擦
真空計の圧力表示値に基づいて混合比を得ることができ
る。

【００２５】図５は、前記図２に示す実施例の装置に、
更に配管１５の連通管にスピニングロータゲージ１３を
接続し、３種類の真空計で構成された濃度計測装置の実
施例を示す。隔膜式真空計１１は前記のように気体の種
別に無関係に絶対圧力を計測し、水晶摩擦真空計２は気
体の粘性・分子量の物性値と圧力の双方に敏感であって
使用圧力範囲は１０^−２paから１０^５paであり、スピニ
ングロータゲージ１３は水晶摩擦真空計１２と同様に気
体の粘性・分子量の物性値と圧力の双方に敏感であっ
て、使用圧力範囲は１０^−５Paから１Paである。図６に
は前記スピニングロータゲージ５の特性を示しており、
この測定子は水晶摩擦真空計よりも真空度の高い領域を
計測できる。

【００２６】したがって、図５の濃度計算器１４におい
ては、真空度の高い領域ではスピニングロータゲージ１
３の表示値に基づいた濃度の計算を行い、低い領域では
水晶摩擦真空計１２の表示値に基づいた濃度の計算を行
うことによってより正確な濃度の計算を行うことがで
き、また、両者の値の有効な範囲では両者の値を用い、
圧力の影響を演算処理して取り除くことで、気体の物性
値を得ることにより、気体の濃度をより正確に算出する
ことができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明は上記のような測定方法を採用
し、また上記測定装置としたので、混合気体の圧力が大
気圧以外の時でも、また圧力が変化しても常に正確な濃
度を測定することができる。また、熱や光を照射しない
手法を採用することができるため、熱や光による刺激に
よって爆発の起こる混合気体でも安全に測定することが
できる。また、特定の波長の紫外線ランプ等を必要とせ
ず、メンテナンスが容易であり、更に気体濃度の変化に
対応して即時に濃度を測定することが可能となる

【００２８】また、物性値に敏感な圧力測定装置とし
て、互いに特性の異なる複数の圧力測定装置を用いたも
のにおいては、各特性の最も適切な部分を用いて物性値
を求め、それにより混合比を求めることができるので、
より正確な濃度測定装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定原理を説明する測定機器構成図で
ある。

【図２】本発明の第１実施例の測定機器構成図である。

【図３】本発明の実施例で用いる水晶摩擦真空計の特性
を示すグラフである。

【図４】本発明の実施例で用いる隔膜真空計と水晶摩擦
真空計の指示値の相違の例を示すグラフである。

【図５】本発明の第２の実施例の測定機器構成図であ
る。

【図６】本発明の実施例で用いるスピニングロータゲー
ジの特性図である。

【図７】従来の濃度計の圧力依存性を示す特性図であ
る。

【符号の説明】

１絶対圧力測定子２圧力・物性値測定子３濃度計算器４配管５隔膜真空計６水晶摩擦真空計１３スピニングロータ真空計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F055 AA39 BB08 CC03 CC42 CC43 CC44 CC45 CC46 DD20 EE40 FF17 FF38 FF41 FF45

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】予め構成する気体が知られている２種類
混合気体の濃度測定方法において、混合気体の濃度に対応した物性値のデータを取得し、物性値に敏感な圧力測定装置により被測定混合気体の圧
力を測定し、同時に前記物性値に影響を受けない圧力測定装置により
同気体の圧力を測定し、両圧力測定値から混合気体の物性値を求め、該物性値から濃度を求めることを特徴とする２種類混合
気体の濃度測定方法。
【請求項２】前記物性値に敏感な圧力測定装置とし
て、互いに特性の異なる複数の圧力測定装置を用いて同
時に被測定混合気体の圧力を測定し、各圧力測定値と前
記物性値に影響を受けない圧力測定装置装置の測定値か
ら混合気体の物性値を求めることを特徴とする請求項１
記載の２種類混合気体の濃度測定方法。
【請求項３】前記物性値は粘性とし、該物性値に敏感
な圧力測定装置として水晶摩擦真空計またはスピニング
ロータゲージを用い、物性値に影響を受けない圧力測定
装置として隔膜真空計を用いたことを特徴とする請求項
１または請求項２記載の２種類混合気体の濃度測定方
法。
【請求項４】予め構成する気体が知られている２種類
混合気体の濃度測定装置において、物性値に敏感な圧力測定装置と、前記物性値に影響を受けない圧力測定装置と、両圧力測定装置からの圧力値を入力して物性値を求める
と共に該物性値から予め取得されている濃度に対応した
物性値のデータに基づき濃度を求める濃度計算手段とを
備えたことを特徴とする２種類混合気体の濃度測定装
置。
【請求項５】前記物性値に敏感な圧力測定装置とし
て、互いに特性の異なる複数の圧力測定装置を備えたこ
とを特徴とする請求項４記載の２種類混合気体の濃度測
定装置。
【請求項６】前記物性値に敏感な圧力測定装置として
水晶摩擦真空計またはスピニングロータゲージを用い、
物性値に影響を受けない圧力測定装置として隔膜真空計
を用いたことを特徴とする請求項４または請求項５記載
の２種類混合気体の濃度測定装置。