JP2004219386A - Concentration measuring instrument for gas mixture comprising two kinds of gases - Google Patents
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Abstract
Description
【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する。特に、混合気体の物性値を反映した圧力と、混合気体の物性値を反映しない絶対圧力とを、それぞれ同種の圧力測定子を用いて検出可能とした濃度測定装置に関する。
【0002】
【背景技術】
従来、2種類の気体からなる混合気体の濃度を求める方法として、紫外線吸光度測定法が知られている。この方法では、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、混合ガスに照射する。そして、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ていた。
【0003】
この紫外線吸光度測定法の種々の問題点を解決するために、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が開発された(特許文献1)。
【0004】
このために、2種類の圧力測定子を用いている。一つは、混合気体の物性値に敏感な圧力測定子であり、他の一つは混合気体の物性値に影響を受けない圧力測定子である。特許文献1では、前者の圧力測定子として水晶摩擦振動子が挙げられ、後者の圧力測定子として隔膜振動子が挙げられている。
【0005】
さらには、水晶振動子として、温度補償可能なものが提案されている(特許文献2)。
【0006】
【特許文献1】
特許第3336384号公報
【特許文献2】
米国特許第5,228,344号明細書(特公平7−97060)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1の方法は、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、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点で優れている。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点でも優れている。
【0008】
しかし、特許文献1の方法では、その発明の原理上、2種類の全く異なる原理の圧力測定子を用いることから、装置構成が複雑となり、かつ2種類の圧力測定子からのデータの整合性等、新たな課題が生じた。また、混合気体の物性値に影響を受けない圧力測定子として、隔膜を用いた圧力測定子が好適であるが、測定精度を上げるために隔膜の直径が大きくなり、装置の小型化にも限界があった。
【0009】
そこで、本発明の目的は、混合気体の物性値の影響を受けた圧力と受けない圧力を測定しながらも、それらを同種の圧力素子でそれぞれ測定でき、もって装置の大型化と複雑化の問題を解消できる2種混合気体の濃度測定装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様は、構成気体が既知で濃度が未知の2種混合気体の濃度測定装置において、
前記混合気体の圧力に応じて変位し、かつ、前記混合気体の物性値に敏感な第1の圧力測定子と、
物性値が実質的に変動しない既知の気体が内部に収容され、前記混合気体の圧力に応じて体積変化する容器と、
前記容器内に配置され、前記容器内の気体の圧力に応じて変位し、かつ前記容器内の気体の物性値に敏感な第2の圧力測定子と、
前記第1,第2の圧力測定子の出力にも基づいて、前記混合気体の濃度を測定する濃度検出部と、を有することを特徴とする。
【0011】
本発明の一態様によれば、第1の圧力測定子からは混合気体の物性に依存した圧力が求められ、第2の圧力測定子からは混合気体の物性に依存しない絶対圧力が求められる。濃度検出器は、この2種類の圧力値に基づいて、圧力の影響を除外した混合気体の物性を求め、その物性により混合気体の濃度を検出することができる。
【0012】
しかも、第1,第2の圧力測定子は共に、被測定気体の物性値に敏感な同一タイプの測定子となる。よって、異種タイプの圧力測定子を使用する特許文献1の発明と比較して、装置構成が簡易となり、かつ各圧力測定子からのデータが整合するので、データの取り込みが簡易となる。
【0013】
前記第1,第2の圧力測定子としては、共に音叉型水晶振動子を好適に用いることができる。
【0014】
前記濃度検出部は、前記第1,第2の圧力測定子に接続される発振器を有することができる。濃度検出器はさらに、前記発振器からの出力である前記第1,第2の圧力測定子の共振抵抗と、前記第1,第2の圧力測定子の固有共振抵抗とに基づいて、前記混合気体の濃度を演算する濃度演算器を含むことができる。
【0015】
この場合、前記発振器は、前記第1の圧力測定子に接続された第1の発振器と、
前記第2の圧力測定子に接続された第2の発振器とを含むことができる。あるいは、前記発振器は、前記第1,第2の圧力測定子に共用されてもよい。このとき、前記第1,第2の圧力測定子からの出力を、前記発振器に択一的に接続するスイッチを設ければよい。
【0016】
前記濃度検出部は、前記発振器からの前記第1,第2の圧力測定子の共振抵抗値と、前記第1,第2の圧力測定子の各固有共振抵抗値との差に基づいて、前記混合気体の濃度を測定することができる。
【0017】
この場合、前記発振器は、前記第1,第2の圧力測定子の各共振周波数を出力し、前記濃度検出部は、前記第1,第2の圧力測定子の前記各共振周波数に基づいて、前記第1,第2の圧力測定子の温度依存性を有する前記固有共振抵抗値を補正することができる。
【0018】
さらに、前記濃度演算部は、前記第1,第2の圧力測定子間の共振抵抗−圧力のバラツキを、前記混合気体の圧力が異なる少なくとも2点にて校正する校正結果を記憶するメモリをさらに有することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の濃度検出原理の前提として、特許文献1(特許第3336384)に記載のように、粘性・熱伝導率・密度・分子量等の物性値に影響を受けた圧力と、その物性値の影響を受けない圧力とに基づいて、混合気体の濃度を算出する手法を採用するものである。本発明の改良点とし、混合気体の濃度に依存して変化する物性値例えば粘性などに敏感な2つの圧力測定子を用いる。一方の圧力測定子を混合気体と接触させて圧力測定を行い、他方は混合気体の圧力によって体積変化する気密容器内に収納して、前記混合気体とは非接触で該混合気体の物性の影響を受けない絶対圧力を測定する。そして、物性値が反映された圧力値と絶対圧力値とに基づいて、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。
【0020】
本発明における使用測定子の例としては、混合気体の圧力の変化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)を利用する水晶振動子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】
<第1の実施の形態>
図1に本発明の第1実施形態である濃度測定装置を示す。図1において、配管10は、混合気体例えばオゾン/酸素の2種混合気体を供給するものである。この配管10の一端には、ガス供給源が接続される。配管10の他端には、基板上に例えば酸化膜を形成する半導体製造装置に接続されている。ガス供給源として例えば液化オゾンを収容したボンベを用いた場合、配管10には気化された高濃度オゾンを供給することができ、成膜スピードを上げることができる。これに限らず、低濃度オゾンと高濃度酸素とを配管10に供給しても良い。なお、配管10に供給される混合気体の濃度が変動するため、その濃度測定の必要性がある。
【0022】
配管10の途中に連通する測定室12には、第1の圧力測定子と20、圧力によって体積変化する気密容器たとえばベローズ容器30が設けられている。このベローズ容器30内には、第2の圧力測定子40が配置されている。測定室12を別個に設けず、配管10内を測定室としても良い。
【0023】
第1,第2の圧力測定子20,40は共に、被測定気体の濃度変に応じて変化する物性値を反映した圧力を測定する圧力測定子であり、本実施形態では第1,第2の圧力測定子20,40を共に音叉型の水晶振動子を用いている。水晶振動子による圧力検出原理は、被測定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乗に比例することである。この水晶振動子は、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。
【0024】
ベローズ容器30内には一定濃度の気体、好ましくは不活性ガスであるアルゴンまたは窒素ガスが封入され、混合気体が配管10に導入される以前は、ベローズ容器30内の圧力は一定、例えば大気圧に設定されている。
【0025】
ここで、第1の圧力測定子20は、被測定対象の混合気体と直接接触するので、その物性例えば粘性や分子密度によって変動する圧力を測定することになる。
一方、第2の圧力測定子40はベローズ容器30内に収容され、被測定対象の混合気体とは非接触である。このベローズ容器30の体積は、混合気体の圧力によって変化する。つまり、混合気体の圧力がベローズ容器30内の圧力よりも高ければベローズ容器30の体積は収縮し、その逆であれば拡張する。これにより、ベローズ容器30内の不活性気体の圧力も変化する。第2の圧力測定子は、この不活性気体の物性によって変化する圧力を測定することになるが。不活性気体の濃度は一定である。結局、ベローズ容器30内の第2の圧力測定子40は、混合気体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として機能する。
【0026】
図1に示すように、第1の圧力測定子20には第1の発振器50が、第2の圧力測定子40には第2の発振器60が接続されている。また、第1,第2の発振器20,40に共用される周波数カウンタ70及びA/D変換器80が設けられている。これら周波数カウンタ70及びA/D変換器80は、濃度演算器として機能するCPU90に接続されている。CPU90にはさらにメモリ92が接続され、このメモリ92には濃度演算に必要な情報が予め記憶されている。
【0027】
図2は、第1,第2の発振器50,60に共用される発振回路の一例を示している。図2では、第1の発振器50について説明するが、第2の発振器60も同一の構成を有する。
【0028】
図2は、米国特許第5,228,344に開示された発振回路と同じ構成を有している。図2に示す第1の発振器50は、水晶振動子50の温度変化に起因した測定誤差を補償するものである。この第1の発振器50は、電流電圧変換器100、第1の全波整流器102、減衰器104、比較器106、電圧制御減衰器108、第2の全波整流器110を有する。
【0029】
ここで、水晶振動子20の固有共振抵抗をZ0とする。水晶振動子20が混合気体の雰囲気中に配置された時に、水晶振動子20が第1の発振器50を介して振動すると、第2の全波整流器110からは、測定された共振抵抗Z1の逆数1/Z1が得られる。この固有共振抵抗Z0と測定された共振抵抗Z1との差ΔZ(Z0−Z1)が、粘性(濃度)に依存した混合気体の圧力に相当する。ただし、固有共振抵抗Z0は、広い温度領域(−20〜+60℃)にて安定であるが、真空下ではその変化が無視できなくなる。
【0030】
そこで、本実施形態では温度に依存した固有共振抵抗(Z0+Zt)を求め、この固有共振抵抗(Z0+Zt)と測定された共振抵抗Zとの差ΔZ(Z0+Zt−Z1)を、粘性(濃度)に依存した混合気体の圧力として求めている。
【0031】
第1の発振器50は、水晶振動子50の共振周波数f1を出力するように構成されている。この共振周波数f1は、後述する通り温度Tを求めるために測定されている。
【0032】
第1の発振器50からの第1の共振周波数f1は、図1に示す周波数カウンタ70にてカウントされた後に、デジタル値としてCPU90に入力される。第1の発振器50からの共振抵抗Z1の逆数1/Z1(アナログ値)は、図1に示すA/D変換器80を介してCPU90に入力される。
【0033】
同様にして、第2の発振器60からの共振周波数f2は、図1に示す周波数カウンタ70にてカウントされた後に、デジタル値としてCPU90に入力される。第2の発振器60からの共振抵抗Z2の逆数1/Z2(アナログ値)は、図1に示すA/D変換器80を介してCPU90に入力される。
【0034】
次に、CPU90での濃度演算について説明する。
【0035】
(温度補正)
まず、第1,第2の発振器50,60からのデータf1,f2,1/Z1,1/Z2に基づき、それぞれ温度補正された固有共振抵抗(Z0+Zt)を求める。以下では、第1の水晶発振子20について求めるが、第2の水晶発振子40についても同様に求められる。
【0036】
ここで、第1の水晶発振子20は、図3に示すように、温度Tと共振周波数f1との間で直線aの特性と、温度Tとそれに依存した固有共振抵抗(Z0+Zt)との間で曲線bの特性を有する。
【0037】
CPU90では、第1の発振器50にて求められた共振周波数f1から、例えば図3中のA点を求め、そのA点に対応する温度から図3中のB点を求めることで、続いてと、水晶振動子50の温度に依存した固有共振抵抗(Z0+Zt)を求めることができる。
【0038】
第2の水晶振動子40についても同様にして、温度に依存した固有共振抵抗を求めることができる。
【0039】
(混合気体の濃度演算)
上述した通り、温度に依存した固有共振抵抗(Z0+Zt)を求め、この固有共振抵抗(Z0+Zt)と測定された共振抵抗Zとの差ΔZ(Z0+Zt−Z)が、粘性(濃度)に依存した気体の圧力である。図4は、その差ΔZを、気体圧力Pを変化させて求めた測定図である。図4と同様な手法で、被測定気体として例えば2種類の濃度のオゾン/酸素混合気体と、ベローズ容器30内の一定濃度の不活性ガスについてそれぞれ、抵抗差ΔZと気体圧力Pとの関係を予め測定しておく。
【0040】
次に、これら3種類の測定データから、図5に示す検量線が作成される。図5の横軸は、第2の水晶振動子40側のデータから求められる圧力(絶対圧力)である。図5の縦軸は、第1の水晶振動子20側のデータから求められる混合気体の粘性に依存した圧力である。図5では、酸素100%の場合の特性Cと、酸素95%/オゾン5%の混合気体の場合の特性Dとについてプロットされている。
この図5に示す検量線データが、図1のメモリ92に記憶されている。
【0041】
ここで、濃度が未知の混合気体が配管10を通過した時、上述した手法により、第1の水晶振動子20からの情報に基づいて、その混合気体の粘性(濃度)に依存した圧力(図5の縦軸座標位置)が求められる。一方、第2の水晶振動子40からの情報に基づいて、その混合気体の粘性(濃度)に依存しない絶対圧力(図5の横軸座標位置)が求められる。この縦、横座標位置から、未知の混合気体の図5中の座標位置Eが求まる。CPU90は、図5中の座標位置Eと、特性C,Dとに基づいて、未知の混合気体中のオゾン濃度を測定することができる。
【0042】
なお、第1,第2の水晶振動子20,40との間に特性、つまり共振抵抗−圧力特性のバラツキが生ずることがある。この特性のバラツキは、異なるの2つの圧力点、例えば大気圧と真空の2点で構成すれば、その間の圧力下での共振抵抗Zから十分な精度で圧力を計算可能である。このために、図1に示すメモリ92に、第1,第2の水晶振動子20,40のそれぞれについて、例えば大気圧と真空との2点の校正結果を記憶し、演算時にその校正結果に基づいて圧力値を補正すればよい。
【0043】
<比較例>
図6は、特許第3336384号に開示された実施形態を示している。なお、図6中において図1と同一機能の部材には同一符号を付している。水晶摩擦真空計100は、水晶振動子20、発振器50、周波数カウンタ70、A/D変換器80及びCPU110を有しており、混合気体の物性(例えば粘性)に依存した圧力を測定する手法は、第1の実施形態と同じである。
【0044】
図6では、混合気体の物性に依存しない圧力を求めるために、隔膜真空計120を用いている。この隔膜真空計120は、混合気体の圧力によって変位するダイヤグラム121とその周辺検出回路の他、増幅器122、位相検出器124、A/D変換器126、発振器128及びCPU130などを有している。水晶摩擦真空計100のCPU110と、隔膜真空計120のCPU130との各出力が入力されるCPU140は、濃度計算機として機能する。その計算結果等はディスプレイ150に表示される。
【0045】
このように、図6に示す比較例の測定装置は、検出原理が全く異なる2種類の真空計を用いることからデータの取り込みが本実施例よりも複雑であり、しかも検出精度はダイヤグラム121の直径に依存するので、隔膜真空計120は小型化が困難である。
【0046】
これに対して、本実施形態では比較的大型な隔膜真空計120を用いることなく、ベローズ容器30内に水晶振動子40を配置することで、混合気体の物性に依存しない圧力測定を可能としている。そして、本実施形態では同種の例えば水晶振動子を2つ用いるので、データの取り込みが共通化し、図1のように例えば周波数カウンタ70及びA/D変換器80は2つの水晶振動子20,40に兼用できる。しかも、水晶振動子20,40は直径2mm、長さ10mm程度にて構成できるので、隔膜真空計120と比較すれば小型化が可能である。
【0047】
<第2の実施の形態>
図7は、本発明の第2の実施形態に係る濃度測定装置を示している。図7に示すように、第1,第2の水晶振動子20,40の出力端に2連スイッチ200を設けることで、図1中の第1,第2の発振器50,60を一つの発振器210にて構成している。2連スイッチ200は、高速で切り換え可能な半導体スイッチなどにて構成することができる。
【0048】
このようにすれば、第1,第2の水晶振動子20,40に対して、周波数カウンタ70及びA/D変換器80に加えて、発振器210を共用させることができ、測測定装置がさらに小型化される。
【0049】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、第1,第2の圧力測定子として、上記実施形態では水晶振動子を用いたが、これに限定されない。ただし、特に混合気体がオゾン等の活性気体であると、発熱体があると爆発するが、水晶振動子はヒータなど用いないので、爆発の危険性がない点で、他の測定子と比較して優れている。
【0050】
また、上述の実施形態では水晶振動子の固有共振抵抗を温度補償したが、温度補償が必要でない圧力帯域例えば大気圧付近であれば、その補償動作を不要とすることができる。この場合、共振周波数f1,f2を検出する回路と、それをカウントする周波数カウンタが不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る濃度測定装置の概略説明図である。
【図2】図1中の第1,第2の発振器に共通な回路構成例を示す図である。
【図3】図1中の水晶振動子の共振周波数及び固有共振抵抗の温度異存特性を示す図である。
【図4】図1中の水晶振動子の固有共振抵抗と共振抵抗の差と、被測定対象気体の圧力との関係を示す特性図ある。
【図5】図1中のメモリに記憶される検量線の一例を示す特性図である。
【図6】本発明の比較例である濃度測定装置の概略説明図である。
【図7】本発明の第2の実施形態の濃度測定装置の概略説明図である。
【符号の説明】
10 配管、12 測定室、20 第1の圧力測定子(水晶振動子)、30 ベローズ容器、40 第2の圧力測定子(水晶振動子)、50 第1の発振器、60 第2の発振器、70 周波数カウンタ、80 A/D変換器、90 CPU(濃度計算機)、92 メモリ、200 2連スイッチ、210 発振器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for measuring the concentration of a mixed gas composed of two types of gases. In particular, the present invention relates to a concentration measuring device that can detect a pressure reflecting a physical property value of a mixed gas and an absolute pressure not reflecting a physical property value of a mixed gas using the same type of pressure gauge.
[0002]
[Background Art]
Conventionally, as a method for determining the concentration of a mixed gas composed of two types of gases, an ultraviolet absorbance measurement method is known. In this method, for example, when measuring the ozone concentration in the ozone-oxygen mixed gas, the mixed gas is irradiated with a specific wavelength of ultraviolet rays that absorbs ozone but hardly absorbs oxygen. Then, the concentration was determined by measuring the absorptivity of ultraviolet rays.
[0003]
In order to solve various problems of this UV absorbance measurement method, the viscosity, thermal conductivity, density, molecular weight and physical properties of the mixed gas as a function of them are measured, and based on the physical properties of the pure gas, A technique for calculating the concentration of gas has been developed (Patent Document 1).
[0004]
For this purpose, two types of pressure gauges are used. One is a pressure gauge that is sensitive to the physical properties of the gas mixture, and the other is a pressure gauge that is not affected by the physical properties of the gas mixture. In
[0005]
Further, a crystal resonator that can be temperature-compensated has been proposed (Patent Document 2).
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3336384 [Patent Document 2]
U.S. Pat. No. 5,228,344 (Japanese Patent Publication No. 7-97060)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The method of
[0008]
However, the method disclosed in
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to measure the pressure affected by the physical property value of the gas mixture and the pressure not affected by the physical property value, and to measure them with the same type of pressure element, thereby increasing the size and complexity of the apparatus. It is an object of the present invention to provide an apparatus for measuring the concentration of a mixture of two gases, which can solve the above problem.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
One embodiment of the present invention is a concentration measurement device for a two-component gas mixture whose constituent gas is known and whose concentration is unknown.
A first pressure gauge that is displaced in accordance with the pressure of the gas mixture and is sensitive to the physical property value of the gas mixture;
A known gas whose physical property value does not substantially fluctuate is housed therein, and a container that changes its volume according to the pressure of the mixed gas,
A second pressure gauge disposed in the container, displaced in accordance with the pressure of the gas in the container, and sensitive to the physical property value of the gas in the container;
A concentration detector that measures the concentration of the mixed gas based on the outputs of the first and second pressure gauges.
[0011]
According to one embodiment of the present invention, a pressure dependent on the physical properties of the gas mixture is determined from the first pressure gauge, and an absolute pressure independent of the physical properties of the gas mixture is determined from the second pressure gauge. The concentration detector obtains the physical properties of the mixed gas excluding the influence of the pressure based on the two types of pressure values, and can detect the concentration of the mixed gas based on the physical properties.
[0012]
Moreover, both the first and second pressure gauges are of the same type that are sensitive to the physical property values of the gas to be measured. Therefore, as compared with the invention of
[0013]
As the first and second pressure measuring elements, a tuning-fork type crystal resonator can be suitably used.
[0014]
The concentration detector may include an oscillator connected to the first and second pressure gauges. The concentration detector further includes the mixed gas based on a resonance resistance of the first and second pressure measuring elements, which are outputs from the oscillator, and a specific resonance resistance of the first and second pressure measuring elements. May be included.
[0015]
In this case, the oscillator includes a first oscillator connected to the first pressure gauge,
A second oscillator connected to the second pressure gauge. Alternatively, the oscillator may be shared by the first and second pressure gauges. At this time, a switch may be provided for selectively connecting the output from the first and second pressure gauges to the oscillator.
[0016]
The concentration detector is configured to determine a resonance resistance value of the first and second pressure measuring elements from the oscillator and a difference between each of the natural resonance resistance values of the first and second pressure measuring elements. The concentration of the gas mixture can be measured.
[0017]
In this case, the oscillator outputs the respective resonance frequencies of the first and second pressure measuring elements, and the concentration detecting section is configured based on the respective resonance frequencies of the first and second pressure measuring elements, It is possible to correct the specific resonance resistance value having the temperature dependency of the first and second pressure measuring elements.
[0018]
Further, the concentration calculating unit further includes a memory for storing a calibration result for calibrating a variation in resonance resistance-pressure between the first and second pressure gauges at at least two points where the pressure of the mixed gas is different. Can have.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As a premise of the concentration detection principle of the present invention, as described in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 3336384), pressure affected by physical properties such as viscosity, thermal conductivity, density, molecular weight, and the like, and the influence of the physical properties are described. The method adopts a method of calculating the concentration of the mixed gas based on the pressure that does not receive the gas. As an improvement of the present invention, two pressure gauges that are sensitive to physical property values, such as viscosity, that vary depending on the concentration of the mixed gas are used. One of the pressure gauges is brought into contact with the gas mixture to measure the pressure, and the other is housed in an airtight container whose volume changes according to the pressure of the gas mixture, and is not in contact with the gas mixture, but is affected by the physical properties of the gas mixture. Measure the absolute pressure that will not be affected. Then, based on the pressure value reflecting the physical property value and the absolute pressure value, the physical property value such as viscosity of the mixed gas is calculated by an arithmetic processing, excluding the influence of the pressure, thereby obtaining the mixed gas corresponding to the physical property value. Is determined.
[0020]
Examples of the measuring element used in the present invention include a pressure gauge in which a physical quantity changes with a change in pressure of a mixed gas. Examples of the pressure gauge include a quartz oscillator using viscosity (friction), a spinning rotor gauge, and a thermocouple using heat conduction. A vacuum gauge, a Pirani vacuum gauge, a Knudsen vacuum gauge, or the like can be used. Further, for example, a hot cathode ionization vacuum gauge, a cold cathode ionization vacuum gauge, a radiation ionization vacuum gauge, or the like using an ionization phenomenon can be used. These probes can be used properly depending on the properties of gas such as flammability and explosiveness, the concentration and pressure of the target mixed gas.
[0021]
<First embodiment>
FIG. 1 shows a concentration measuring device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a
[0022]
The
[0023]
Each of the first and second pressure gauges 20 and 40 is a pressure gauge that measures a pressure reflecting a physical property value that changes according to a change in the concentration of the gas to be measured. Both of the
[0024]
A constant concentration of gas, preferably argon or nitrogen gas, which is an inert gas, is sealed in the
[0025]
Here, since the first
On the other hand, the second
[0026]
As shown in FIG. 1, a
[0027]
FIG. 2 shows an example of an oscillation circuit shared by the first and
[0028]
FIG. 2 has the same configuration as the oscillation circuit disclosed in US Pat. No. 5,228,344. The
[0029]
Here, the natural resonance resistance of the
[0030]
Thus, in the present embodiment, a temperature-dependent natural resonance resistance (Z 0 + Zt) is obtained, and a difference ΔZ (Z 0 + Zt−Z 1 ) between the natural resonance resistance (Z 0 + Zt) and the measured resonance resistance Z is calculated. And the pressure of the mixed gas depending on the viscosity (concentration).
[0031]
The
[0032]
The first resonance frequency f 1 from the
[0033]
Similarly, the resonance frequency f 2 from the
[0034]
Next, the density calculation in the
[0035]
(Temperature correction)
First, based on the data f 1 , f 2 , 1 / Z 1 , 1 / Z 2 from the first and
[0036]
The
[0037]
In
[0038]
Similarly, the temperature-dependent natural resonance resistance of the
[0039]
(Calculation of gas mixture concentration)
As described above, the temperature-dependent natural resonance resistance (Z 0 + Zt) is obtained, and the difference ΔZ (Z 0 + Zt−Z) between the natural resonance resistance (Z 0 + Zt) and the measured resonance resistance Z is determined by the viscosity ( Concentration) depending on the gas pressure. FIG. 4 is a measurement diagram in which the difference ΔZ is obtained by changing the gas pressure P. In the same manner as in FIG. 4, the relationship between the resistance difference ΔZ and the gas pressure P is determined for each of the ozone / oxygen mixed gas having two concentrations and the inert gas having a constant concentration in the
[0040]
Next, a calibration curve shown in FIG. 5 is created from these three types of measurement data. The horizontal axis in FIG. 5 is the pressure (absolute pressure) obtained from the data on the
The calibration curve data shown in FIG. 5 is stored in the
[0041]
Here, when the mixed gas whose concentration is unknown passes through the
[0042]
Note that there may be variations in characteristics between the first and
[0043]
<Comparative example>
FIG. 6 shows an embodiment disclosed in Japanese Patent No. 3336384. In FIG. 6, members having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The quartz
[0044]
In FIG. 6, a
[0045]
As described above, the measurement device of the comparative example shown in FIG. 6 uses two types of vacuum gauges whose detection principles are completely different from each other, so that data acquisition is more complicated than that of this embodiment, and the detection accuracy is the diameter of the diagram 121. , It is difficult to reduce the size of the
[0046]
On the other hand, in the present embodiment, by arranging the
[0047]
<Second embodiment>
FIG. 7 shows a concentration measuring device according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, by providing a
[0048]
By doing so, the
[0049]
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made within the scope of the present invention. For example, a quartz oscillator is used as the first and second pressure measuring elements in the above embodiment, but the present invention is not limited to this. However, especially when the mixed gas is an active gas such as ozone, it explodes when there is a heating element.However, since a quartz oscillator is not used, there is no danger of explosion. Excellent.
[0050]
In the above-described embodiment, the natural resonance resistance of the crystal unit is temperature-compensated. However, the compensation operation can be omitted in a pressure band where temperature compensation is not required, for example, near the atmospheric pressure. In this case, a circuit for detecting the resonance frequencies f 1 and f 2 and a frequency counter for counting them are not required.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory view of a concentration measuring device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration example common to first and second oscillators in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing a temperature dependence characteristic of a resonance frequency and a natural resonance resistance of the crystal unit shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a difference between a natural resonance resistance and a resonance resistance of the crystal unit shown in FIG. 1 and a pressure of a gas to be measured.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing an example of a calibration curve stored in a memory in FIG.
FIG. 6 is a schematic explanatory view of a concentration measuring device as a comparative example of the present invention.
FIG. 7 is a schematic explanatory view of a concentration measuring device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Claims (8)
前記混合気体の圧力に応じて変位し、かつ、前記混合気体の物性値に敏感な第1の圧力測定子と、
物性値が実質的に変動しない既知の気体が内部に収容され、前記混合気体の圧力に応じて体積変化する容器と、
前記容器内に配置され、前記容器内の気体の圧力に応じて変位し、かつ前記容器内の気体の物性値に敏感な第2の圧力測定子と、
前記第1,第2の圧力測定子の出力に基づいて、前記混合気体の濃度を測定する濃度検出部と、を有することを特徴とする2種混合気体の濃度測定装置。In a concentration measuring device for a mixture of two gases whose constituent gases are known and whose concentration is unknown,
A first pressure gauge that is displaced in accordance with the pressure of the gas mixture and is sensitive to the physical property value of the gas mixture;
A known gas whose physical property value does not substantially fluctuate is housed therein, and a container that changes its volume according to the pressure of the mixed gas,
A second pressure gauge disposed in the container, displaced in accordance with the pressure of the gas in the container, and sensitive to the physical property value of the gas in the container;
A concentration detector for measuring the concentration of the mixed gas based on the outputs of the first and second pressure gauges.
前記第1,第2の圧力測定子は、共に音叉型水晶振動子であることを特徴とする2種混合気体の濃度測定装置。In claim 1,
The apparatus for measuring the concentration of a mixture of two gases, wherein the first and second pressure measuring elements are both tuning-fork type quartz vibrators.
前記濃度検出部は、
前記第1,第2の圧力測定子に接続される発振器と、
前記発振器からの出力である前記第1,第2の圧力測定子の共振抵抗と、前記第1,第2の圧力測定子の固有共振抵抗とに基づいて、前記混合気体の濃度を演算する濃度演算器と、を含むことを特徴とする2種混合気体の濃度測定装置。In claim 1 or 2,
The concentration detector,
An oscillator connected to the first and second pressure gauges;
A concentration calculating a concentration of the gas mixture based on a resonance resistance of the first and second pressure measuring elements, which are outputs from the oscillator, and a specific resonance resistance of the first and second pressure measuring elements; An apparatus for measuring the concentration of a mixture of two gases, comprising: a computing unit.
前記発振器は、
前記第1の圧力測定子に接続された第1の発振器と、
前記第2の圧力測定子に接続された第2の発振器と、
を含むことを特徴とする2種混合気体の濃度測定装置。In claim 3,
The oscillator comprises:
A first oscillator connected to the first pressure gauge;
A second oscillator connected to the second pressure gauge;
An apparatus for measuring the concentration of a mixture of two gases, comprising:
前記発振器は、前記第1,第2の圧力測定子に共用され、
前記第1,第2の圧力測定子からの出力を、前記発振器に択一的に接続するスイッチをさらに有することを特徴とする2種混合気体の濃度測定装置。In claim 2,
The oscillator is shared by the first and second pressure gauges,
An apparatus for measuring the concentration of a mixture of two gases, further comprising a switch for selectively connecting the outputs from the first and second pressure gauges to the oscillator.
前記濃度検出部は、前記発振器からの前記第1,第2の圧力測定子の共振抵抗値と、前記第1,第2の圧力測定子の各固有共振抵抗値との差に基づいて、前記混合気体の濃度を測定することを特徴とする2種混合気体の濃度測定装置。In any one of claims 3 to 5,
The concentration detector is configured to determine a resonance resistance value of the first and second pressure measuring elements from the oscillator and a difference between each of the natural resonance resistance values of the first and second pressure measuring elements. An apparatus for measuring the concentration of a mixture of two gases, which measures the concentration of a mixture of gases.
前記発振器は、前記第1,第2の圧力測定子の各共振周波数を出力し、
前記濃度検出部は、前記第1,第2の圧力測定子の前記各共振周波数に基づいて、前記第1,第2の圧力測定子の温度依存性を有する前記固有共振抵抗値を補正することを特徴とする2種混合気体の濃度測定装置。In claim 6,
The oscillator outputs each resonance frequency of the first and second pressure gauges,
The concentration detector corrects the specific resonance resistance having the temperature dependency of the first and second pressure measuring elements based on the respective resonance frequencies of the first and second pressure measuring elements. An apparatus for measuring the concentration of a mixture of two gases.
前記濃度検出部は、前記第1,第2の圧力測定子間の共振抵抗−圧力のバラツキを、前記混合気体の圧力が異なる少なくとも2点にて校正する校正結果を記憶するメモリをさらに有することを特徴とする2種混合気体の濃度測定装置。In any one of claims 1 to 7,
The concentration detecting unit further includes a memory for storing a calibration result for calibrating a variation in resonance resistance-pressure between the first and second pressure gauges at at least two points where the pressure of the mixed gas is different. An apparatus for measuring the concentration of a mixture of two gases.
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