JP2004093138A - 磁気式酸素計 - Google Patents

Abstract

【課題】輻射熱や熱衝撃波による誤差を除去した磁気式酸素計を提供する。
【解決手段】Ｕ字状に形成された管路と、
前記管路の両端から略等距離の管路内に配置されたセンサと、
前記管路の少なくとも一方の端部に配置された磁石と、
前記磁石の磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に配置された発熱手段と、を具備するセンサを有し、
前記センサを酸素を含む混合ガス中に配置したときに、前記磁界及び発熱手段の発熱と混合ガスに含まれる酸素濃度に関連して生じる熱磁気風を前記センサに当て、その熱磁気風の強さに関連して生じる前記センサの抵抗値変化を前記混合ガスに含まれる酸素濃度として検出するようにした。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば煙道中を流れる混合ガスに含まれる酸素濃度を測定する磁気式酸素計に関し、熱磁気風発生用発熱手段（ヒータ）からの輻射熱の影響を低減した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】
図３は磁気式酸素計の従来例のセンサの構成を示し、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
これらの図において、１は断面が長方形のガス流路１ａを有する本体であり、このガス流路１ａの中央付近には一対の熱磁気風センサ（例えばサーミスタ）２が配置されている。
【０００４】
３ａ，３ｂは本体１の両端の入口付近に配置されたヒータであり、断面が長方形の入出口の長手方向に沿って設けられている。
４ａ，４ｂは本体１の端部に近接して配置された磁石であり、ヒータ３ａ，３ｂは対向する磁極の磁界が変化する不均一磁界部分に配置されている。
【０００５】
上記の構成において、このセンサを酸素を含むガス中に配置すると、ガスはガス流路１ａ内に侵入し、不均一磁界部分に酸素ガスが吸引される。その状態で両端のヒータ３ａ，３ｂを交互にスイッチングすると流路１ａ内に侵入したガスがガス流路１ａ内を左右に移動する。その移動の速さはガス中に含まれる酸素濃度に対応した速さとなる。
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図３に示す従来構造ではヒータをＯＮした時にヒータから輻射熱が生じるため熱磁気風センサ２ａ，２ｂが温度変化を利用する素子（例えばサ−ミスタ、または金属線をペアで配置する場合）ではヒータ側の素子温度が上昇し熱磁気風センサ信号に誤差が生じる。輻射熱の影響を除去するためにヒータとセンサの距離を離せば良いが、管路が長くなり小型化の妨げになるという問題があった。
【０００６】
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、ヒータからの輻射熱による熱磁気風センサの出力信号の誤差を小さくした磁気式酸素計を実現することを目的とする。
【０００７】
【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、
Ｕ字状に形成された管路と、
前記管路の両端から約同一距離の管路内に配置されたセンサと、
前記管路の少なくとも一方の端部に配置された磁石と、
前記磁石の磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に配置された発熱手段と、を具備するセンサを有し、
前記センサを酸素を含む混合ガス中に配置したときに、前記磁界及び発熱手段の発熱と混合ガスに含まれる酸素濃度に関連して生じる熱磁気風を前記センサに当て、その熱磁気風の強さに関連して生じる前記センサの抵抗値変化を前記混合ガスに含まれる酸素濃度として検出するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２においては、請求項１記載の磁気式酸素計において、
前記Ｕ字管の他方の端部に磁石および発熱手段を配置し、両端の発熱手段を交互にオンオフするように構成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３においては、請求項１記載の磁気式酸素計において、
前記Ｕ字管は前記発熱手段が発する輻射熱の影響が前記センサに及ばない程度に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４においては、請求項１乃至３いずれかに記載の磁気式酸素計において、
管路の断面は矩形若しくは円形であることを特徴とする。
【００１１】
請求項５においては、請求項１乃至４いずれかに記載の磁気式酸素計において、
管路の両端に流路開閉機構を設けたことを特徴とする。
【００１２】
【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。
はじめに従来例および本発明で用いる酸素を含むガス中の酸素濃度の測定原理について図４，５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。
【００１３】
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（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。
【００１４】
図５（ａ，ｂ）は磁界（磁極）の強度が変化する領域（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。
図５（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。
【００１５】
図１（ａ，ｂ）は本発明の請求項１〜３に関する実施形態の一例を示すセンサの正面図（ａ）及び（ａ）図の一部断面（Ａ−Ａ）図である。これらの図において、図３の従来例と同一要素には同一符号を付している。
【００１６】
本発明では従来流路が直線状であったものをＵ字状とし、このＵ字状流路１ｂの中央に熱磁気風センサ２ａ，２ｂを配置し、流路の両端に熱磁気風を発生させるためのヒータ３ａ，３ｂを配置する。
【００１７】
この場合、熱磁気風センサと熱磁気風発生部におけるヒータとは流路壁で死角になるように配置する。
その結果、ヒータをＯＮした時に生じる輻射熱は流路壁に遮断され、熱磁気風センサでの温度分布は変化しない。すなわち、熱磁気風による出力信号の誤差を小さくすることができる。
【００１８】
ところで、ヒータをＯＮ，ＯＦＦするとヒータ近辺における雰囲気の体積変化によるガスの流れ（以降、熱衝撃波と呼ぶ）のため、熱磁気風センサでは熱磁気風と熱衝撃波信号が重畳する。このため熱衝撃波を熱磁気風センサと対向する流路開口部外側に設けた空間に排除することで熱磁気風信号と熱衝撃波信号を分離しているが、熱磁気風センサ側にも一部熱衝撃波が生じるため少なからず酸素濃度信号に熱衝撃波信号が重畳するという問題があった。
【００１９】
図２はこのような熱衝撃波による影響を除去した検出器の構成を示すもので、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。これらの図において、ヒータＯＮ時にはその付近の温度上昇により雰囲気の体積膨張が起こり、熱衝撃波が発生する（ヒータＯＦＦ時には付近の温度が降下するため体積圧縮が起こり、熱源に向かって熱衝撃波が発生する）。なお、ここでは熱衝撃波対策を述べるので管路は直線で示している。
【００２０】
ヒータＯＮ／ＯＦＦと同期させて左右に設けられた流路開閉機構５を閉じると、流路内は密閉されるため熱衝撃波は発生しなくなる。なお、加熱源と熱磁気風検出素子を死角になるように配置しなくても、輻射熱の影響が出ない程度に距離をとって配置してもよい。
【００２１】
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。例えば管路の断面は矩形として表示したが円形であっても良い。各部の形状は実施例に限ることなく任意に変更可能である。
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。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、磁気式酸素計において、加熱源と熱磁気風検出素子を流路壁で死角になるように配置することで、輻射熱による熱磁気風出力信号の誤差を小さくした磁気式酸素計を実現することができる。
【００２３】
また、管路の両端に流路開閉機構を設けヒータのＯＮ／ＯＦＦに連動して開閉するようにしたので、熱磁気風信号と熱衝撃波信号を完全に分離し、酸素濃度信号のみを取り出すことが可能な磁気式酸素計を実現することができる。
【００２４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気式酸素計の検出部の実施形態の一例を示す構成図である。
【図２】熱衝撃波の影響を除去した検出部の実施形態の一例を示す図である。
【図３】従来の磁気式酸素計の一例を示す図である。
【図４】本発明の測定原理の説明図である。
【図５】本発明の測定原理の説明図である。
【符号の説明】
１　　　　　本体
１ａ　　　　流路
２　　　　　磁気風センサ
３　　　　　ヒータ
４　　　　　磁石
５　　　　　流路開閉機構

Claims (5)

1. Ｕ字状に形成された管路と、
   前記管路の両端から約同一距離の管路内に配置されたセンサと、
   前記管路の少なくとも一方の端部に配置された磁石と、
   前記磁石の磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に配置された発熱手段と、を具備するセンサを有し、
   前記センサを酸素を含む混合ガス中に配置したときに、前記磁界及び発熱手段の発熱と混合ガスに含まれる酸素濃度に関連して生じる熱磁気風を前記センサに当て、その熱磁気風の強さに関連して生じる前記センサの抵抗値変化を前記混合ガスに含まれる酸素濃度として検出するようにしたことを特徴とする磁気式酸素計。
2. 前記Ｕ字管の他方の端部に磁石および発熱手段を配置し、両端の発熱手段を交互にオンオフするように構成したことを特徴とする請求項１記載の磁気式酸素計。
3. 前記Ｕ字管は前記発熱手段が発する輻射熱の影響が前記センサに及ばない程度に形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気式酸素計。
4. 管路の断面は矩形若しくは円形であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の磁気式酸素計。
5. 管路の両端に流路開閉機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の磁気式酸素計。

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