JP2004085428A

JP2004085428A - 磁気式酸素計

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Publication number: JP2004085428A
Application number: JP2002248397A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yamagishi; 山岸　秀章; Kaori Marumichi; 円道　香織
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】小型化が可能で、振動や衝撃に強く製造コストの低減が可能な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と、これら流速センサの信号から流路を流れるガス流量を演算する流量演算手段と、前記２つの流路を流れる流量の加算／減算手段を設け、加算手段からの信号に基づいてガスの全流量を求め、前記減算手段からの信号に基づいてガスに含まれる酸素濃度を求めるようにした
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば患者の呼気流量と酸素濃度を計測するような医療分野の呼吸モニターに用いて好適な磁気式酸素計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
混合ガス中の酸素濃度の正確な測定は、広範囲の工業的、臨床的および研究的プロセスにおいて重要である。そのため、酸素濃度を測定するための装置が各種提案・開発されている。
【０００３】
はじめに従来例および本発明で用いる磁気力式酸素計の測定原理について図４を用いて簡単に説明する。
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。
【０００４】
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。
【０００５】
図５は磁気力式酸素計の従来例の検出部の原理構成を示す図、図６（ａ）は図４のＺ視図、図６（ｂ）は酸素圧力とダンベルの挙動を示す模式図である。これらの図において１０ａ，１０ｂは先端がくさび状に形成された２対の磁石であり、それぞれが所定の距離（ａ）を隔てるとともに先端部分が所定の距離（ｂ）を隔てて対向して配置されている。これらの磁石には矢印方向（図では上から下）に磁力線が生じている。
【０００６】
１１（ａ，ｂ）はガラス製の球のなかにＮ_２ガス等を封入した一対のダンベル球である。これらのダンベル球は支持棒１２の両端に固定され対向するくさび状磁石の先端同士を結ぶ線に対して所定の距離（ｃ）をずらした状態（図６ａ参照）で空間に水平に配置されている。
【０００７】
１３はダンベル球１１（ａ，ｂ）を支持する支持棒１２の中心から上下方向に十字状に設けられた支持棒で支持棒１２と１３が交差する部分に光学ミラー１４が固定されている。１５は光源、１６はフォトダイオードであり、光源１５から出射した光が光学ミラー１４に反射してフォトダイオード１６に入射するようになっている。なお、前記支持棒１２，１３は例えばＰｔワイヤで形成されている。
【０００８】
上述の構成において、この酸素計をサンプルガス中に配置すると、サンプルガスに含まれる酸素ガスは対向する磁石間で形成される磁界に引寄せられ他の領域との間及びダンベル球１１（ａ，ｂ）に封入されたガス（実施例ではＮ２）の間に密度差が発生する。
【０００９】
その結果、図５（ｂ）に示すように、くさび磁石の先端付近に酸素が吸引されてその部分の酸素密度が上昇し、ダンベル内と外に密度差が発生し、ダンベル球が矢印方向に移動する力を受け、支持棒１２が回転力を受けて変位する。
この変位によりミラーで反射する光源１５からの光の方向が変化しフォトダイオード１６はその変化を電気出力の変化として検出する。そして変化の大きさはサンプルガスに含まれる酸素濃度に比例する。
【００１０】
【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、磁気ダンベル１１をガラスで形成し、このガラス球にＮ_２ガスを封入している。また、ダンベルは白金線により支持されているので振動や衝撃に対して極めて弱く、サンプルガスを酸素計に導入する際の突入圧でダンベルの支持構造（図示省略）が破壊されるという問題があった。
また、ダンベル球の作製は手作業によるものであり、加工性が悪く再現性にも問題があった。
【００１１】
また、このような方式の酸素計を用いて例えば医療用として呼気の計測をする場合は構成が複雑で大形となり、簡単に移動することが困難であった。また、振動や衝撃に弱いことから取扱いに熟練を要し、製造コストも高いという問題があった。
【００１２】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、小型化が可能で、振動や衝撃に強く製造コストの低減が可能な磁気力式酸素計を実現することを目的とする。
【００１３】
【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と、これら流速センサの信号から流路を流れるガス流量を演算する流量演算手段と、前記２つの流路を流れる流量の加算／減算手段を設け、加算手段からの信号に基づいてガスの全流量を求め、前記減算手段からの信号に基づいてガスに含まれる酸素量を求めるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
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、
前記磁気印加手段の上流側にこの磁気印加手段に近接して加熱手段を設けたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３においては、請求項１記載の磁気力式酸素計において、
前記流路の一方若しくは両方を流れるガス流量に基づいて前記酸素濃度の信号を補正したことを特徴とする。
【００１６】
請求項４においては、請求項１〜３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。
【００１７】
【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は本発明の実施形態の一例を示す要部構成図、図２はサンプルガスの流量及び酸素濃度を検出するためのブロック構成図である。
図１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幅２０ｍｍ、高さ３ｍｍ、長さ５０ｍｍ程度に形成されている。
【００１８】
２は磁石であり分岐した流路の一方に磁石２の磁極が流路を挟むように対向して配置されている。３は磁石２の上流側に近接して設けられたヒータであり、磁界（磁極）の端部（不均一磁界）に沿って線状に設けられている。
【００１９】
４は分岐した流路のそれぞれに設けられた例えばサーミスタやフィラメントからなる流速検出手段であり、この例では磁石の下流側の略同位置に配置されている。
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、再び合流してサンプルＯＵＴに流出する。
【００２０】
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。
【００２１】
その結果、分岐した流路に流れるガス流量（速度）がそれぞれ変化する。この流量変化は流速検出手段４で検出される。この検出手段４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。
【００２２】
図２は流量及び酸素濃度の検出回路を示すブロック構成図である。図２において、３１ａは比較側の流量換算回路で流速検出手段４ａの出力を流量に換算する。
３１ｂは測定側の流量換算回路で流速検出手段４ｂの出力を流量に換算する。
【００２３】
これら流量換算回路４ａ，４ｂの出力はそれぞれ減算回路３２，及び加算回路３３に入力されて減算／加算が行なわれ、減算結果は酸素濃度信号となり、加算結果は流量信号となる。つまりサンプルガスを呼気とした場合、その全量とそれに含まれる酸素濃度を知ることができる。
【００２４】
なお、減算回路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、本発明者らの実験によれば、ガスの酸素濃度は同じでも流速が異なると酸素濃度の出力が変化する。
【００２５】
その場合、既知の酸素濃度のサンプルを用いて流量と出力信号の関係を求めておき、各流量の変化に応じて酸素濃度の出力を補正すれば流量依存性のない正確な酸素濃度を検出することができる。３６は前記酸素濃度補正のために使用する各流量での酸素補正データであり、サンプル流量信号を入力して予め定めた補正信号を用いて酸素濃度信号の補正を行う。
【００２６】
次に図１における磁気風用ヒータに付いて説明する。
図３（ａ，ｂ）は磁界（磁極）の端部（不均一磁界）にヒータを配置し、酸素の磁化率を変化させたもので、右側だけを加熱して左向きの圧力を弱くし圧力のバランスを崩した状態を示している。
【００２７】
図３（ｃ）は圧力バランスが崩れて差圧が発生し、右向きの磁気風が吹いている状態を示している。この差圧（磁気風の強さ）は、酸素濃度、磁界の強さ、ヒータ加熱量により決まる。
【００２８】
即ち、本発明では磁石２の上流側に近接してヒータを配置しているのでサンプルガスの流れに対して逆方向の磁気風が吹く状態となっている。このようにヒータを配置することによりより感度の高い磁気式酸素計を実現することができる。
なお、２つの流路の断面を同等に形成した場合、ヒータを流路に配置すると断面形状のバランス及びガス温度のバランスが崩れるが、比較側の流路にダミーヒータを挿入してもよい。
【００２９】
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。例えば流量検出手段４は磁石の前段に配置してもよい。また、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。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、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と、これら流速センサの信号から流路を流れるガス流量を演算する流量演算手段と、前記２つの流路を流れる流量の加算／減算手段を設け、加算手段からの信号に基づいてガスの全流量を求め、前記減算手段からの信号に基づいてガスに含まれる酸素濃度を求めるようにしたので、小型化が可能となり、振動や衝撃に強く製造コストの低減が可能な磁気力式酸素計を実現することができる。
【００３１】
【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に示すサンプルガスの流量及び酸素濃度を検出するためのブロック構成図である。。
【図３】磁界にヒータを配置した場合の磁気風の挙動を示す図である。
【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原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１　　　　　　流路
２　　　　　　磁石
３　　　　　　ヒータ
４　　　　　　流速検出手段
３１ａ　　　　流量換算回路（比較側）
３１ｂ　　　　流量換算回路（測定側）
３２　　　　　減算回路
３３　　　　　加算回路
３４　　　　　酸素濃度信号
３５　　　　　サンプルガス流量信号
３６　　　　　酸素濃度補正データ

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と、これら流速センサの信号から流路を流れるガス流量を演算する流量演算手段と、前記２つの流路を流れる流量の加算／減算手段を設け、前記加算手段からの信号に基づいてガスの全流量を求め、前記減算手段からの信号に基づいてガスに含まれる酸素濃度を求めるようにしたことを特徴とする磁気式酸素計。
前記磁気印加手段の上流側にこの磁気印加手段に近接して加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の磁気式酸素計。
前記流路の一方若しくは両方を流れるガス流量に基づいて前記酸素濃度の信号を補正したことを特徴とする請求項１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１〜３記載の磁気式酸素計。