JP2005241355A

JP2005241355A - ２成分混合気体の濃度測定装置

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Publication number: JP2005241355A
Application number: JP2004049769A
Authority: JP
Inventors: Akira Kurokawa; 明黒河; Shingo Ichimura; 信吾一村; Hisao Hojo; 久男北條; Takichi Kobayashi; 太吉小林
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Vacuum Products Corp
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Vacuum Products Corp
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: JP4266850B2

Abstract

【課題】組成既知の混合気体の濃度測定素子として、一つの水晶振動子を用いた２成分混合気体の濃度測定装置を提供すること。
【解決手段】構成気体が既知で濃度が未知の２成分合気体の濃度測定装置は、混合気体と接触する濃度測定用水晶振動子（２０）を有する。この水晶振動子（２０）に接続された測定部（４０）は、混合気体の濃度に応じて変化する水晶振動子（２０）の共振抵抗値及び共振周波数を計測する。演算部（５０）は、水晶振動子（２０）の共振抵抗値及び共振周波数に基づいて、混合気体の濃度を演算する。
【選択図】図１

Description

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、混合気体の圧力を計測する絶対圧力計が不要であって、水晶振動子のみを用いて混合気体の濃度を検出可能とした濃度測定装置に関する。

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。

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）。

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。

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）。
特許第３３３６３８４号公報米国特許第５，２２８，３４４号明細書（特公平７−９７０６０）

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。

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を配慮し、校正が不可欠である等の新たな課題が生じた。また、力学式圧力計には隔膜式圧力計が適しているが、水晶摩擦振動子型圧力計に比べてダイナミックレンジが劣っている。よって、測定圧力範囲によって隔膜式圧力計を選択する必要があった。このように、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。

そこで、本発明の目的は、混合気体の濃度を求めるために一つの水晶振動子を用いることとし、もって装置の大型化と複雑化の問題を解消できる２成分混合気体の濃度測定装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、混合気体の圧力が変化しても、混合気体の正確な濃度を測定することができ、特定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なう方法のように爆発引火の危険性がない２成分混合気体の濃度測定装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、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たり、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２成分混合気体の濃度測定装置を提供することにある。

本発明の一態様は、構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の濃度測定装置において、
前記混合気体と接触する濃度測定用水晶振動子と、
前記混合気体と接触した前記水晶振動子の共振抵抗値と共振周波数とを計測する計測部と、
計測された前記共振抵抗値と前記共振周波数とに基づいて、前記混合気体の濃度を算出する演算部と、
前記濃度測定用水晶振動子が特定温度範囲となるように、前記濃度測定用水晶振動子を温調する温調部と、
を有することを特徴とする。

濃度測定用水晶振動子は、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できる。この圧力Ｐは、水晶振動子の共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚとの関数、つまりＰ＝Ｆ（ｆ），Ｐ＝Ｆ（Ｚ）となる。結局、被測定気体の濃度変化に応じて変化する物性値を反映した圧力は、共振周波数ｆと共振抵抗値ｚとからそれぞれ求めることができる。よって、上記各関数から圧力Ｐを消去することで、被測定気体の濃度は、共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚとから一義的に求めることができる。この際、共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚは温度依存性を有するので、本発明の一態様では、温調部によって濃度測定用水晶振動子を特定温度範囲に保持している。

本発明の一態様において、前記混合気体が通過する通路と、前記通路に連通され、前記濃度測定用水晶振動子が配置される測定室と、前記測定室を温調する恒温槽とをさらに有することができる。こうして、測定室内の混合気体及び濃度測定用水晶振動子を特定温度範囲に保持できる。

本発明に一態様において、前記濃度測定用水晶振動子と接触する前記混合気体と、前記濃度測定用水晶振動子との温度差が一定値以下となるように、前記混合気体を前記濃度測定用水晶振動子まで案内する熱交換器をさらに有することができる。こうすると、混合気体は、熱交換器により熱交換され、濃度測定用水晶振動子に接触する前に、特定温度範囲に温調される。

本発明の一態様において、前記演算部は、前記計測部からの前記濃度測定用水晶振動子の共振抵抗値と固有共振抵抗値との差、および前記計測部からの前記濃度測定用水晶振動子の共振周波数と固有共振周波数後の差に基づいて、前記混合気体の濃度を演算することができる。ここで、固有共振抵抗及び固有共振周波数は予め測定しておくことができる。なお、固有共振抵抗値及び固有共振周波数は温度が一定である限り不変のため、濃度演算から省略することもできるが、それらを演算の基礎として用いることもできる。

本発明の他の態様は、構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の濃度測定装置において、
前記混合気体と接触する濃度測定用水晶振動子と、
前記混合気体と接触した前記水晶振動子の共振抵抗値と共振周波数とを計測する計測部と、
前記濃度測定用水晶振動子と隣接して配置された温度測定子をさらに有し、
前記温度測定子からの測定情報に基づいて、前記濃度測定用水晶振動子の温度依存性を補正し、補正された前記共振抵抗値と前記共振周波数とに基づいて、前記混合気体の濃度を算出する演算部と、
を有することを特徴とする。

本発明の一態様では温調部を設けて濃度測定用水晶振動子を特定温度範囲に維持したが、本発明の他の態様では、それに代えて、あるいはそれに加えて、温度測定子からの測定情報に基づいて、濃度測定用水晶振動子の温度依存性を補正するように構成した。

本発明の他の態様において、前記温度測定子は、前記混合気体と隔離する密閉容器内に封入されるか、さらには、密閉容器内に既知の気体を封入することができる。こうして、温度測定素子は混合気体の物性に影響されずに温度を測定できる。

本発明の他の態様において、前記温度測定子は、温度測定用水晶振動子にて形成され、
前記計測部は、前記温度測定用水晶振動子の共振周波数を計測し、前記補正部は、前記温度測定用水晶振動子の共振周波数と温度との特性に基づいて、前記濃度測定用水晶振動子の温度依存性を補正することができる。

本発明の他の態様において、前記演算部は、前記計測部からの前記濃度測定用水晶振動子の共振抵抗値と固有共振抵抗値との差、前記計測部からの前記濃度測定用水晶振動子の共振周波数と固有共振周波数後の差、および前記温度測定用水晶振動子の共振周波数より得られる温度補償量に基づいて、前記混合気体の濃度を演算することができる。ここで、固有共振抵抗及び固有共振周波数は例えば特定温度下にて予め測定しておくことができる。

本発明の他の態様において、前記温度測定子は、熱電対にて形成することができる。この場合、前記演算部は、前記計測部からの前記濃度測定用水晶振動子の共振抵抗値と固有共振抵抗値との差、前記計測部からの前記濃度測定用水晶振動子の共振周波数と固有共振周波数後の差、および前記熱電対からの測定の温度より得られる温度補償量に基づいて、前記混合気体の濃度を演算することができる。

本発明の一態様及び他の態様において、前記演算部は、前記濃度測定用水晶振動子の共振抵抗値および共振周波数のばらつきを、組成既知の気体の圧力が異なる少なくとも２点、もしくは組成既知の気体の濃度が異なる少なくとも２点で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。これにより、濃度測定用水晶振動子を交換しても、濃度測定用水晶振動子の共振抵抗値および共振周波数のばらつきに依存した濃度測定精度の劣化を防止できる。

本発明の一態様及び他の態様において、前記濃度測定用水晶振動子は、音叉型水晶振動子にて形成することができる。

＜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成分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。

配管１０の途中に連通する測定室１２には、２成分混合気体の濃度を測定する濃度測定用水晶振動子２０が配置されている。この濃度測定用水晶振動子２０は、２成分混合気体の濃度に応じて、共振周波数ｆと共振抵抗値ｚとが変化する。なお、後述する通り、測定室１２を配管１０とは別個に設けず、配管１０内を測定室としても良い。

測定室１２は、濃度測定用水晶振動子２０が特定の温度範囲例えば２０℃±０．２℃に収まるように加熱または冷却する温調部を備え、本実施形態では温調部を恒温槽３０にて形成している。

濃度測定用水晶振動子２０は、混合気体に接触し、混合気体の濃度変化に応じて共振抵抗値及び共振周波数が変化する。本実施形態では水晶振動子２０を音叉型水晶振動子にて構成している。この水晶振動子２０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。

ここで、濃度測定用水晶振動子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できる。この圧力Ｐは、水晶振動子２０の共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚとの関数、つまりＰ＝Ｆ（ｆ），Ｐ＝Ｆ（Ｚ）となる。結局、被測定気体の濃度変化に応じて変化する物性値を反映した圧力は、共振周波数ｆと共振抵抗値ｚとからそれぞれ求めることができる。よって、上記各関数から圧力Ｐを消去することで、被測定気体の濃度は、共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚとから一義的に求めることができる（後述の図３参照）。この際、共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚは温度依存性を有するので、本実施形態では、恒温槽３０によって水晶振動子２０を一定温度範囲に保持している。

図１では、濃度測定用水晶振動子２０に接続される計測部４０が設けられ、この計測部４０より、濃度測定用水晶振動子２０の共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚが出力される。計測部４０に接続された濃度演算部５０がさらに設けられ、濃度測定用水晶振動子２０の共振周波数値ｆと共振抵抗値Ｚに基づいて、２成分混合気体の濃度が演算される。

図２は、計測部４０内に配置され、濃度測定用水晶振動子２０に接続された発振回路６０の一例を示している。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に示す発振器６０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。

ここで、水晶振動子２０の固有共振抵抗値をＺ_０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が発振器６０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値Ｚ_１の逆数１／Ｚ_１が得られる。発振器６０からの共振抵抗値Ｚ_１の逆数１／Ｚ_１（アナログ値）は、図２に示すＡ／Ｄ変換器１２０を介して濃度演算部５０に入力される。

この固有共振抵抗値Ｚ_０と測定された共振抵抗値Ｚ_１との差ΔＺ＝Ｚ_０−Ｚ_１が、粘性（濃度）に依存した混合気体の圧力に相当する。ここで、固有共振抵抗値Ｚ_０は温度依存性を有するが、本実施形態では温度は一定範囲に維持されるので、固有共振抵抗値Ｚ_０も一定とみなすことができる。よって、本実施形態での濃度演算では、固有共振抵抗値Ｚ_０を必ずしも測定する必要はない。

一方、発振器６０は、水晶振動子２０の共振周波数ｆ_１を出力するように構成されている。この共振周波数ｆ_１もまた、粘性（濃度）に依存した混合気体の圧力を反映している。Ｂここで、水晶振動子２０の固有共振周波数をｆ_０とする。この固有共振周波数ｆ_０と測定された共振周波数ｆ_１との差Δｆ＝ｆ_０−ｆ_１が、粘性（濃度）に依存した混合気体の圧力を反映している。ここで、固有共振周波数ｆ_０は温度依存性を有するが、本実施形態では温度は一定範囲に維持されるので、固有共振周波数ｆ_０も一定とみなすことができる。よって、本実施形態での濃度演算では、固有共振周波数ｆ_０を必ずしも測定する必要はない。

発振器６０からの共振周波数ｆ_１は、図２に示す周波数カウンタ１３０にてカウントされた後に、デジタル値として濃度演算部５０に入力される。

次に、濃度演算部５０での濃度演算方法について説明する。

濃度演算部５０はメモリ５２を有し、このメモリ５２には図３に示すように、純粋酸素の他、多数の既知濃度（図３では５ｖｏｌ％のオゾン−９５ｖｏｌ％の酸素混合気体のみを示す）について、予め測定した水晶振動子２０の共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚとの検量線Ａ，Ｂが記憶されている。図３はその一部を示しているが、例えば１ｖｏｌ％おきに異なる濃度の２成分混合気体を用いて水晶振動子２０の共振周波数ｆと共振抵抗値Ｚが予め測定されて、検量線としてメモリ５２に格納されている。

なお、図３に示す検量線は、横軸を固有共振抵抗値Ｚ_０と測定された共振抵抗値Ｚ_１との差ΔＺ＝Ｚ_０−Ｚ_１とし、縦軸を固有共振周波数ｆ_０と測定された共振周波数ｆ_１との差Δｆ＝ｆ_０−ｆ_１とすることができる。ただし、上述した通り、温度が一定である限り、固有共振抵抗値Ｚ_０及び固有共振周波数ｆ_０は一定とみなせるので、横軸を共振抵抗値Ｚ_１とし、縦軸を共振周波数ｆ_１としても良い。

ここで、濃度が未知の混合気体が配管１０を通過した時、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）に依存した共振周波数ｆ_１（図５の縦軸座標位置）が求められる。一方、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）に依存した共振抵抗値Ｚ_１（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３中の座標位置Ｃが求まる。濃度演算部４０は、図３中の座標位置Ａと、純粋酸素の特性Ａと、５ｖｏｌ％のオゾン−酸素濃度の特性Ｂとに基づいて、未知の混合気体中のオゾン濃度を、補間演算などにて測定することができる。

このように、本実施形態によれば、一つの水晶振動子２０によって、組成既知の２成分混合気体の濃度を正確に測定することができる。

＜第２の実施の形態＞
図４は、通路１０と測定室１２とを結ぶ連結通路２００に熱交換器２１０を配置した変形例を示している。熱交換器２１０は、通路１０より測定室１２に導入されて濃度測定用水晶振動子２０と接触する混合気体と、濃度測定用水晶振動子２０との温度差が一定値以下となるように、混合気体を濃度測定用水晶振動子２０まで案内するものである。この熱交換器２１０は、例えば、連結通路２００の相対向する内壁２００ａ，２００ｂより交互に突出する熱交換用フィン２０２を有する。なお、熱交換器２１０の構造は、図４に示すものに限らず、上述の機能を有するものであれば良い。そして、温調部である恒温槽３０は、測定室１２及び連結通路２００を囲んで配置される。

通路１０に導入された混合気体は、恒温槽３０にて温調された連結通路２００及び熱交換用フィン２０２と接触することで熱交換され、濃度測定用水晶振動子２０に到達する前に、恒温槽３０の温調温度まで加熱または冷却される。この結果、濃度測定用推進振動子２０の共振抵抗値及び共振周波数値を一定温度範囲で計測することができ、検出される混合気体濃度の精度がより高まる。

＜第３の実施の形態＞
図５は、通路１０中に濃度測定用水晶振動子２０を配設した変形例を示している。通路１０中に配置した濃度測定用水晶振動子２０と接触する混合気体の温度をコントロールするために、濃度測定用水晶振動子２０を囲んで、金属メッシュ２２０が一重、二重もしくは多重に配設されている。

図５では、濃度測定用水晶振動子２０及びその周囲の混合気体を温調する温調部は、例えば金属メッシュ２２０を特定温度範囲例えば２０℃±０．２℃に温調するものであっても良い。

図５に示す実施形態では、通路１０内に配設された濃度測定用水晶振動子２０に接触する混合気体は、金属メッシュ２２０を通過する際に、さらには金属メッシュ２２０内にて停留することで、温調部にて温調される。よって、図４の実施形態と同様に、濃度測定用水晶振動子２０と接触する混合気体と、濃度測定用水晶振動子２０との温度差が一定値以下となる。

＜第４の実施の形態＞
図６は、測定室１２を恒温槽３０にて囲む代わりに、測定室１２内に、濃度測定用水晶振動子２０と隣接させて、温度測定子２３０を配設した実施形態を示している。図６に示す温度測定子２３０は温度測定用水晶振動子例えば音叉型水晶振動子にて形成されている。この温度測定用水晶振動子２３０は、混合気体と隔離するための密閉容器２４０内に配置されている。この密閉容器２４０内は真空とされるか、あるいは組成既知の気体、好ましくは窒素、アルゴン等の不活性気体が封入される。

温度測定用水晶振動子２３０には、温度計測部２５０が接続され、温度計測部２５０にて検出される温度Ｔ（または温度Ｔと相関を有する温度測定用水晶振動子２３０の共振周波数ｆ）が、濃度演算部２６０に出力される。

図６に示す計測部４０及び温度計測部２４０は、図２に示す発振回路６０にてそれぞれ形成するものでもよいが、図７に示すように構成することもできる。

図７に示すように、濃度測定用水晶振動子２０及び温度測定用水晶振動子２３０の出力端に２連スイッチ３１０を設けることで、図２発振器６０を２つ設ける代わりに、一つの発振器３００にて構成している。２連スイッチ３１０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。

このようにすれば、濃度測定用及び温度測定用水晶振動子２０，２３０に対して、周波数カウンタ１３０及びＡ／Ｄ変換器１２０に加えて、発振器３００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。

次に、温度測定用水晶振動子２３０の共振周波数ｆに基づいて、濃度演算の温度補償を行なう例について説明する。

図８は、温度測定用水晶振動子２３０の共振周波数ｆと温度との相関を示す特性図である。この温度測定用水晶振動子２３０は、密閉容器２４０内に配置されるため混合気体の圧力の影響を受けずに、図８に示すようにほぼリニアな特性を有する共振周波数ｆ−温度Ｔ特性に基づいて、測定された共振周波数ｆから温度Ｔを測定することができる。この温度測定用水晶振動子２３０の共振周波数ｆ−温度Ｔ特性は、図６に示す温度計測部２５０または濃度演算部２６０内のメモリに記憶され、その特性に基づいて測定された共振周波数ｆ（例えば３２．７４６ｋＨｚ）から温度Ｔ（例えば２４℃）を求めることができる。

図９は、濃度測定用水晶振動子２０より計測される共振抵抗値Ｚｔ（＝ｚ１＋ΔＺｔ）及び共振周波数ｆｔ（＝ｆ１＋Δｆｔ）の温度依存性を示す特性図である。

ここで、共振周波数ｆ１とは、特定温度例えば２０℃の時の濃度測定用水晶振動子２０の共振周波数であり、恒温槽３０を用いた第１〜第３の実施形態の濃度測定用水晶振動子２０にて検出できるデータである。しかし、恒温槽３０を用いない本実施の形態では、例えば温度Ｔ＝２４℃では、濃度測定用水晶振動子２０の共振周波数ｆｔ＝ｆ_１＋Δｆｔとなり、温度依存成分Δｆｔだけ変位している。よって、濃度演算部５０には、補正部が設けられ、この補正部にて任意温度Ｔにて測定された濃度測定用水晶振動子２０の共振周波数ｆｔをΔｆｔだけ修正して、２０℃±０．２℃の時の濃度測定用水晶振動子２０の共振周波数ｆ１を温度補償して求める。

図９に示すように、任意温度ｔでの濃度測定用水晶振動子２０の共振周波数ｆｔは、２０℃の時の共振周波数ｆ１に加えて温度変動成分Δｆｔを含んでいる。図６の温度計測部２５０または濃度演算部２６０は、温度ｔと対応付けて温度変動成分Δｆｔを記憶するメモリを有している。よって、温度測定用水晶振動子２４０より温度Ｔが計測されると、それに対応する温度変動成分Δｆｔが分かる。このため、特定温度例えば２０℃の時の濃度測定用水晶振動子２０の共振周波数ｆ１は、ｆ１＝ｆｔ−Δｆｔを演算して求めることができる。温度依存性を有する共振抵抗値Ｚｔの温度補償についても同様にして行なうことができる。

こうして、実温度Ｔにおける濃度測定用水晶振動子２０の共振抵抗値Ｚｔ及び共振周波数ｆｔを温度補償して、特定温度例えば２０℃の時の濃度測定用水晶振動子２０の共振抵抗値Ｚ１及び共振周波数ｆ１を求め、それらに基づいて図３の検量線から混合気体の濃度を演算することができる。

なお、図６では測定室１２の周囲に恒温槽を配置していないが、測定室１２に恒温槽を配置することもできる。この場合、濃度測定用水晶振動子２０及びその周囲の混合気体を温調でき、しかも、温度測定用水晶振動子２３０からの測定情報に基づいて検出される温度に基づいて、検出される混合気体濃度を温度補償することができ、濃度検出精度がさらに高まる。

図６に示す温度測定子２３０は、必ずしも水晶振動子に限らず、他の温度測定素子例えば熱電対であってもよい。熱電対も混合気体と接触して汚染されることを防止するために、真空あるいは組成既知の気体が封入された密閉容器２４０内に配置される。

また、図６の演算部２６０は、計測部４０からの濃度測定用水晶振動子２０の共振抵抗値と固有共振抵抗値との差、計測部４０からの濃度測定用水晶振動子の共振周波数と固有共振周波数後の差、および温度測定用水晶振動子２３０の共振周波数（または熱電対から得られる温度）より得られる温度補償量に基づいて、混合気体の濃度を演算することができる。ここで、固有共振抵抗及び固有共振周波数は例えば特定温度例えば２０℃下にて予め測定しておくか、あるいは任意温度で測定したものを特定温度例えば２０℃での固有共振抵抗値及び固有共振周波数に補正して求めることができる。

また、演算部２６０は、濃度測定用水晶振動子２０の共振抵抗値および共振周波数のばらつきを、組成既知の気体の圧力が異なる少なくとも２点、もしくは組成既知の気体の濃度が異なる少なくとも２点で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。これにより、濃度測定用水晶振動子２０を交換しても、濃度測定用水晶振動子の共振抵抗値および共振周波数のばらつきに依存した濃度測定精度の劣化を防止できる。

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。

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１中の計測部に配置される発振器の一例を示す回路図である。図１中の濃度測定用水晶振動子の共振抵抗値及び共振周波数と、混合気体の濃度との相関を示す特性図ある。通路と測定室との間に熱交換器を配設した変形例を示す概略説明図である。濃度測定用水晶振動子を通路内に設けた金属メッシュ内に配置した変形例を示す概略説明図である。濃度測定用水晶振動子に加えて温度測定素子を追加した変形例の概略説明図である。図６に示す濃度測定用及び温度測定用水晶振動子に共用される発振器を有する濃度測定装置の概略説明図である。温度測定用水晶振動子の共振周波数−温度の相関を示す特性図である。濃度測定用水晶振動子の共振抵抗値及び共振周波数の温度依存特性を示す特性図である。

符号の説明

１０配管、１２測定室、２０濃度測定用水晶振動子、３０温調部（恒温槽）、４０計測部、５０，２６０濃度演算部、５２メモリ、６０発振器、１２０Ａ／Ｄ変換器、１３０周波数カウンタ、２１０熱交換器、２２０金属メッシュ、２３０温度測定用水晶振動子、２４０密閉容器、２５０温度計測部

Claims

構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の濃度測定装置において、
前記混合気体と接触する濃度測定用水晶振動子と、
前記混合気体と接触した前記水晶振動子の共振抵抗値と共振周波数とを計測する計測部と、
計測された前記共振抵抗値と前記共振周波数とに基づいて、前記混合気体の濃度を算出する演算部と、
前記濃度測定用水晶振動子が特定温度範囲となるように、前記濃度測定用水晶振動子を温調する温調部と、
を有することを特徴とする２成分混合気体の濃度測定装置。
請求項１において、
前記混合気体が通過する通路と、
前記通路に連通され、前記濃度測定用水晶振動子が配置される測定室と、
前記測定室を温調する恒温槽と、
を有することを特徴とする２成分混合気体の濃度測定装置。
請求項１または２において、
前記濃度測定用水晶振動子と接触する前記混合気体と、前記濃度測定用水晶振動子との温度差が一定値以下となるように、前記混合気体を前記濃度測定用水晶振動子まで案内する熱交換器をさらに有することを特徴とする２成分混合気体の濃度測定装置。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記演算部は、前記計測部からの前記濃度測定用水晶振動子の共振抵抗値と固有共振抵抗値との差、および前記計測部からの前記濃度測定用水晶振動子の共振周波数と固有共振周波数後の差に基づいて、前記混合気体の濃度を演算することを特徴とする２成分混合気体の濃度測定装置。
構成気体が既知で濃度が未知の２成分混合気体の濃度測定装置において、
前記混合気体と接触する濃度測定用水晶振動子と、
前記混合気体と接触した前記水晶振動子の共振抵抗値と共振周波数とを計測する計測部と、
前記濃度測定用水晶振動子と隣接して配置された温度測定子と、
前記温度測定子からの測定情報に基づいて前記濃度測定用水晶振動子の温度依存性を補正し、補正された前記共振抵抗値と前記共振周波数とに基づいて、前記混合気体の濃度を算出する演算部と、
を有することを特徴とする２成分混合気体の濃度測定装置。
請求項５において、
前記温度測定子は、前記混合気体と隔離する密閉容器内に封入されていることを特徴とする２成分混合気体の濃度測定装置。
請求項５において、
前記温度測定子は、前記混合気体と隔離する密閉容器内に配置され、かつ、前記密閉容器内には既知の気体が封入れさていることを特徴とする２成分混合気体の濃度測定装置。
請求項５乃至７のいずれかにおいて、
前記温度測定子は、温度測定用水晶振動子にて形成され、
前記計測部は、前記温度測定用水晶振動子の共振周波数を計測し、
前記補正部は、前記温度測定用水晶振動子の共振周波数と温度との特性に基づいて、前記濃度測定用水晶振動子の温度依存性を補正することを特徴とする２成分混合気体の濃度測定装置。
請求項８において、
前記演算部は、前記計測部からの前記濃度測定用水晶振動子の共振抵抗値と固有共振抵抗値との差、前記計測部からの前記濃度測定用水晶振動子の共振周波数と固有共振周波数後の差、および前記温度測定用水晶振動子の共振周波数より得られる温度補償量に基づいて、前記混合気体の濃度を演算することを特徴とする２成分混合気体の濃度測定装置。
請求項５乃至７のいずれかにおいて、
前記温度測定子は、熱電対にて形成されていることを特徴とする２成分混合気体の濃度測定装置。
請求項１０において、
前記演算部は、前記計測部からの前記濃度測定用水晶振動子の共振抵抗値と固有共振抵抗値との差、前記計測部からの前記濃度測定用水晶振動子の共振周波数と固有共振周波数後の差、および前記熱電対からの測定温度より得られる温度補償量に基づいて、前記混合気体の濃度を演算することを特徴とする２成分混合気体の濃度測定装置。
請求項１乃至１１のいずれかにおいて、
前記演算部は、前記濃度測定用水晶振動子の共振抵抗値および共振周波数のばらつきを、組成既知の気体の圧力が異なる少なくとも２点、もしくは組成既知の気体の濃度が異なる少なくとも２点で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成分混合気体の濃度測定装置。
請求項１乃至１２のいずれかにおいて、
前記濃度測定用水晶振動子は、音叉型水晶振動子にて形成されていることを特徴とする２成分混合気体の濃度測定装置。