JP2004085335A

JP2004085335A - 磁気式酸素計

Info

Publication number: JP2004085335A
Application number: JP2002246110A
Authority: JP
Inventors: Takashi Chiba; 千葉　隆司; Masayuki Sato; 佐藤　昌幸; Kaori Marumichi; 円道　香織
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP3721578B2

Abstract

【課題】高精度な恒温槽を不要とし、応答速度も速い磁気力式酸素計を提供する。
【解決手段】同等の断面積で同量のガスが流れるように形成された２つの流路と、これら流路の一方に配置された磁気印加手段と、これら流路のそれぞれに配置された流速センサからなり、該流速センサとして金属線を用いかつ、該金属線を所定の温度に加熱した。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素ガスの磁気的性質を利用して測定ガス中の酸素ガス濃度を検出する磁気式酸素計に関し、特に、高速応答、高精度を図った磁気式酸素計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気式酸素計は、酸素ガスの磁気的性質を利用してサンプルガス中の酸素ガス濃度を検出する分析計であり、次のような原理によってサンプルガス中の酸素ガス濃度を検出するようになっている。
【０００３】
図４（ａ）は酸素を含むガス中に磁界発生手段を配置したときの酸素分子と磁界の関係を示している。
ここで酸素分子に働くＸ軸方向の力Ｆは次式により表わすことができる。
Ｆ＝χ・（∂Ｈ／∂Ｘ）・Ｈ
χ：酸素の磁化率
Ｈ：磁界の強さ
∂Ｈ／∂Ｘ：磁界の変化率
つまり、図４（ｂ）に示すように磁界が強く、かつその強さが変化しているところ（磁極の端部　…不均一磁界）に酸素を引付ける力が作用し、磁極の端部で右向きの力と左向きの力が押し合ってバランスしている。
図４（ｃ）は磁界（磁石のギャップ）内では引付けられた酸素の圧力（濃度）が周囲に比較して高くなっている状態を示している。
【０００４】
図５は磁気力式酸素計の従来例の検出部の原理構成、図６は信号検出回路の構成を示している。
【０００５】
図５において、ガス導入口２０から導入されたサンプルガスは二方向に分流してのち、リング状のガス流路２１を通りサンプルガス出口２２へ合流するようにして流れる。また、補助ガス入口２３から導入された補助ガスは補助ガス流路２４で二方向に分流してのち、第１，第２フローセンサ２５，２６をそれぞれ経由し、その後、接続部Ａ，Ｂ付近でそれぞれサンプルガスと合流し、サンプルガスと共にサンプルガス出口２２へ流れる。第１，第２フローセンサ２５，２６は分流した補助ガスの流量を検出する。
【０００６】
流出部の片側には強力な磁界Ｃがあり測定ガス中に含まれる酸素は磁界発生部Ｄに吸引される。そのため補助ガス流路２６の両側に圧力差が発生し、補助ガスの左右の流量が変化する。この流量の変化を第１，第２フローセンサ２５，２６により検出し電気信号に変換する。ここで補助ガスとして磁気吸引力の非常に小さい窒素を使用すれば補助ガスの流量変化は測定ガス中の酸素濃度に比例することとなる。なお、補助ガスとして窒素ガスを使用するのはフローセンサの腐食防止のためである。
【０００７】
図６は流速検出の原理を示すもので、増幅器Ｅはフローセンサ（サーミスタ）の抵抗値がＲ１，Ｒ２とバランスするようにトランジスタＴｒをドライブする。流速が変化するとセンサ（Ｓ）の抵抗値が変化しバランスが崩れる。このとき増幅器Ｅはドライブ量（Ｖ_０）を変化させ回路のバランスを制御する。従って信号Ｖ_０は流速に比例する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、補助ガスが必要であり、サーミスタの特性のばらつきがセンサ特性に影響される。また、高精度な恒温化装置が必要という問題があった。
本発明は上記従来技術の問題点を解決するためになされたもので、補助ガスを不要とし、応答速度が早く、かつ温度特性がよく、高精度であり更に恒温化装置を必要としない磁気式酸素計を実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような問題点を解決するために請求項１においては、
同等の断面積で同量のガスが流れるように形成された２つの流路と、これら流路の一方に配置された磁気印加手段と、これら流路のそれぞれに配置された流速センサからなり、該流速センサとして金属線を用いかつ、該金属線を所定の温度に加熱したことを特徴とする。
【００１０】
請求項２においては、請求項１記載の磁気力式酸素計において、
前記所定の温度は１５０℃程度であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３においては、請求項１または２記載の磁気力式酸素計において、
前記磁気印加手段は電磁石による交流印加としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４においては、請求項１〜３いずれかに記載の磁気力式酸素計において、
前記フローセンサへの加熱電流として交流電流を用いたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５においては、請求項１〜４いずれかに記載の磁気力式酸素計において、
前記流路は一本の流路の入口から入ったサンプルガスが２つの流路に分岐し再び合流して一つの流路から流出するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１（ａ，ｂ）は本発明の実施形態の一例を示す要部構成図であり、図（ａ）は斜視図、図（ｂ）は図（ａ）のＡ−Ａ断面図、図２は酸素濃度を検出するためのブロック構成図である。
これらの図において、１は流路であり、サンプルＩＮから流入したサンプルガスが２方向に等分に分岐し、再び合流してサンプルＯＵＴに流出するように構成されている。
なお、流路の断面は例えば直径３ｍｍ、長さ２０ｍｍ程度に形成されている。
【００１５】
２は磁石、２ａ，２ｂはヨークであり分岐した流路１の一方のヨーク２ａを介して磁石２の磁極が流路を挟むように対向して配置されている。
４ａ、４ｂは分岐した流路のそれぞれに設けられたフローセンサであり、この例では直径２０μｍのプラチナ（Ｐｔ）細線がコイル状に形成され、両端はハーメチックシールにより流路の端部に固定されている。
【００１６】
上述の構成において、サンプルＩＮから酸素を含むサンプルガスが流路１に流入し２方向に等分に分岐して再び合流してサンプルＯＵＴに流出する。実験では毎分１００ｃｃを流し、フローセンサは１５０℃程度に加熱した。
【００１７】
ここで、先に説明したようにサンプルに酸素ガスが含まれていると、磁石が配置された流路側では磁界（磁石のギャップ）に引付けられた酸素の圧力（濃度）が周囲に比較して高くなり、流れるガスに対して抵抗として作用する。
【００１８】
測定ガス中に酸素が入っていると酸素ガスの常磁性とフローセンサ４ａ側の外部磁界により、（酸素ガスが磁力を受けるため）流路抵抗が上がり流量が減少する。このため、フローセンサ４ａ側の温度は上昇し、Ｐｔ細線の抵抗値が増加する。そして、フローセンサ４ａ側の流量が減った分、フローセンサ４ｂ側の流量が増加するのでフローセンサ４ｂ側の温度は下降し、Ｐｔ細線の抵抗値が減少する。
【００１９】
この抵抗値変化は図２に示す検出回路の差動増幅器１０により検出することができる。ここでは、電源に＋４，５Ｖを用いブリッジの２辺の抵抗Ｒ_１，Ｒ_２を５０Ωとした。フローセンサ４ａの抵抗値が増加すれば、増幅器指示が増加する。２つのフローセンサ４ａ，４ｂの抵抗値の差が大きいほど酸素濃度が高く、抵抗の差が少なくなれば、酸素濃度は低くなる。この差動増幅器１０の出力はガスに含まれる酸素の濃度に関連したものとなる。
【００２０】
なお、差動増幅器１０の出力と酸素濃度の関係は予め既知の酸素濃度のサンプルを用いてキャリブレーションされているものとする。
ところで、磁界印加手段としては永久磁石の代わりに電磁石でも可能である。その場合磁石の形状は大きくなるが、電磁石による交流印加とした場合磁界０の時は酸素ガス０％と等しい指示をするため酸素ガス０％を簡易に測定することができる特徴を有する。
【００２１】
ところで、ヒータ（フローセンサ）温度上昇用の電流を直流とし、小型構成にすると磁石とヒータ線の間でローレンツ力が働きヒータ線の位置やフィラメント間隔が変わり、特性がずれる（磁石の位置が少しずれるだけでも指示誤差となる）。
【００２２】
図３は上述のローレンツ力による誤差を防止したもので、フローセンサ温度上昇用の電流を４．５Ｖの交流とし、差動増幅器１０の後段にＡＣ／ＤＣ変換器１２を付加したものである。
【００２３】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。例えば分岐した流路は必ずしも同等でなくともよく断面積の比率により流量の補正をするようにしてもよい。特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、フローセンサは金属線から作るため、きわめて良い温度特性を示す。従って高精度な恒温槽を不要となる。
また、フローセンサをサンプルガス中に直接挿入し、フローセンサを小さい熱容量で製作可能となるため、応答速度も速い磁気力式酸素計を実現することができる。
【００２５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気式酸素計の実施形態の一例を示す構成図である。
【図２】図１に示す酸素濃度計の検出回路のブロック構成図である。
【図３】図１に示す酸素濃度計の検出回路の他の実施例を示すブロック構成図である。
【図４】磁気式酸素計の原理を示す説明図である。
【図５】従来の磁気式酸素計の検出部の構成例を示す図である。
【図６】従来の磁気式酸素計の検出回路の一例を示すブロック構成図である。
【符号の説明】
１　　　　　　流路
２　　　　　　磁石
２ａ　　　　　ヨーク
４ａ，４ｂ　　フローセンサ
１０　　　　　差動増幅器
１１　　　　　電源
１２　　　　　ＡＣ／ＤＣ変換器

Claims

同等の断面積で同量のガスが流れるように形成された２つの流路と、これら流路の一方に配置された磁気印加手段と、これら流路のそれぞれに配置された流速センサからなり、該流速センサとして金属線を用いかつ、該金属線を所定の温度に加熱したことを特徴とする磁気式酸素計。
前記所定の温度は１５０℃程度であることを特徴とする請求項１記載の磁気式酸素計。
前記磁気印加手段は電磁石による交流印加としたことを特徴とする請求項１または２記載の磁気式酸素計。
前記フローセンサへの加熱電流として交流電流を用いたことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の磁気式酸素計。
前記流路は一本の流路の入口から入ったサンプルガスが２つの流路に分岐し再び合流して一つの流路から流出するようにしたことを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の磁気式酸素計。