JP2008111764A

JP2008111764A - 磁気式酸素計

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Publication number: JP2008111764A
Application number: JP2006295804A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Hazama; 健太郎間; Kaori Marumichi; 香織円道
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: JP4853234B2

Abstract

【課題】流量計ごとの特性の違いによって生じる影響を、作業者の技能によらずに除去することができる磁気式酸素計を実現する。
【解決手段】分岐した測定ガスの一方の流路に磁界を印加するとともに、分岐した測定ガス流路に補助ガスを流す補助ガス流路のそれぞれに流量計を配置し、これらの流量計出力の差に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定する磁気式酸素計において、前記流量計の出力をそれぞれデジタル値に変換する変換部と、この変換部の出力値に対し、前記それぞれの流量計の入出力特性を揃える補正演算を行う補正演算部と、この補正演算部から出力されるそれぞれの流量値の差を求める差分演算部と、この差分演算部の出力に基づいて前記測定ガス中の酸素濃度を求める酸素濃度演算部と、を有することを特徴とする磁気式酸素計。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定ガス中の酸素濃度を測定する磁気式酸素計に関するものである。

図３は従来の磁気式酸素計の一例を示す図である。図３（ａ）において、リングセル１１１は、円環形状に形成された測定ガス流路１１２に連通して設けた測定ガス導入口１１３と、この測定ガス導入口１１３の反対側に設けたガス導出口１１４と、円環形状の測定ガス流路１１２の中心位置を通り、対向する側のそれぞれに連通させて形成した第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂと、測定ガス流路１１２の一方の測定側測定ガス流路１１２ａに磁界を形成するヨーク（図示せず）と、第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂの中心位置に連通され補助ガスを供給する補助ガス供給口１１６と、第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂ内部に補助ガス供給口１１６を中心として等距離の位置に配置された第１及び第２のサーミスタ１１７ａ、１１７ｂとを備えた構成になっている。リングセル１１１とサーミスタ１１７ａ、１１７ｂは恒温槽１００内に設置されており、温度制御によって一定温度に保たれている。

サーミスタ１１７ａは定抵抗回路１０２ａに接続され、サーミスタ１１７ａと定抵抗回路１０２ａで流量計を構成する。また、サーミスタ１１７ｂは定抵抗回路１０２ｂに接続され、サーミスタ１１７ｂと定抵抗回路１０２ｂで流量計を構成する。作動増幅器１０８は、定抵抗回路１０２ａ、１０２ｂからの出力信号を受信し、これらの出力信号の差を増幅する。

図３（ｂ）はサーミスタ１１７ａおよび定抵抗回路１０２ａの構成を示す図である。なお、サーミスタ１１７ｂおよび定抵抗回路１０２ｂも図３（ｂ）と同様の構成であるとする。
サーミスタ１１７ａ（抵抗値：Ｒｈ）と、定抵抗回路１０２ａにおける比較抵抗（抵抗値Ｒ１，Ｒ２）でブリッジ回路が構成されている。これはサーミスタの温度変化を検出するための一般的な回路であり、サーミスタ１１７ａがガスの流れによって冷却される効果を抵抗値Ｒｈの低下として検出するものである。

定抵抗回路１０２ａはサーミスタ１１７ａへの供給電力を制御する回路であり、サーミスタ１１７ａを一定の温度、すなわち定抵抗となるように自己発熱させる。定抵抗回路１０２ａは、サーミスタ１１７ａがガスの流れによって冷却されても、サーミスタ１１７ａが一定温度（定抵抗）となるように帰還ＶＬをかける。そして、この帰還量ＶＬを補助ガス流路１１５ａを流れる補助ガスＱ_Ｌの流量値として出力する。

なお、サーミスタ１１７ａ、１１７ｂは周囲温度の変動によって影響されるため、定抵抗回路１０２ａ、１０２ｂの制御出力も影響を受ける。しかし、周囲温度の変動はサーミスタ１１７ａ、１１７ｂに対して共通に影響するため、差動増幅器１０８によってその影響を打ち消すことができる。

このような構成のリングセル１１１において、測定ガス導入口１１３から導入された測定ガスは二方向に分流したのち、ガス導出口１１４へ合流するように流れる。また、補助ガス供給口１１６から供給された補助ガスは、第１および第２の補助ガス流路の二方向に分流したのち、第１及び第２のサーミスタ１１７ａ、１１７ｂをそれぞれ経由し、その後、測定ガス流路１１２ａ、１１２ｂとの接続部付近でそれぞれ測定ガスと合流し、測定ガスと共にガス導出口１１４へ流れる。

ここで、酸素（常磁性の気体）は磁界の強い方に引きつけられ、その部分の圧力が上昇するという性質がある。
測定ガス中に酸素分子が含まれていない場合、測定ガス流路１１２ａに磁界が印加されても酸素分子は引き寄せられず、その部分の圧力は上昇しない。そのため補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂの流量Ｑ_Ｌ、Ｑ_Ｒは等しくなる。
一方、測定ガス中に酸素分子が含まれている場合には、磁界の発生側である補助ガス流路１１５ａの流量Ｑ_Ｌは、磁界が酸素分子に作用する力により、補助ガス流路１１５ｂの流量Ｑ_Ｒより小さくなる。この流量の差（Ｑ_Ｒ−Ｑ_Ｌ）は測定ガス中に含まれる酸素分子の量に比例するため、この差を検出することにより測定ガス中の酸素量を測定することができる。

差動増幅器１０８からは酸素信号として定抵抗回路１０２ａと１０２ｂの出力信号の差が変換部１０３に出力される。酸素信号は変換部１０３においてＡＤ変換され、演算部１０４に出力される。演算部１０４では、ＡＤ変換された信号が酸素濃度に変換され、酸素濃度表示の出力レンジに応じたアナログ出力回路１０５を経て外部に出力される。
特開昭６４−６７５３号公報

しかしながら、上記のような従来技術では、流量計はサーミスタおよび定抵抗回路などのハードウェアで実現されているため、各流量計の感度自体に個体差が存在する。各流量計の感度や温度特性に差があると、周囲温度が変動した際などに各流量計の出力に現れる影響の度合いに差が生じ、差動増幅器１０８で減算してもその影響を打ち消すことができなくなってしまう。

そのため現状では、磁気式酸素計の組立時に定抵抗回路１０２ａ、１０２ｂのループゲインをそれぞれ調節することによって、サーミスタ１１７ａ、１１７ｂの感度差を補い、周囲温度の変動による影響の差を小さくしている。

ところが、このループゲインの調整は、サーミスタの周囲温度を実際に変化させ、出力の変動値によってゲイン抵抗を調節しなければならず、多大な時間を要する。また、調整しても周囲温度の変動による影響差を完全に除去することは困難である。さらに、調整作業は作業者がサーミスタの出力温度をモニタしながら手作業で定抵抗回路の抵抗値を調節するため、熟練した調整技能が必要となるなど、問題があった。

本発明は、上記のような従来の問題をなくし、流量計ごとの特性の違いによって生じる影響を、作業者の技能によらずに除去することができる磁気式酸素計を実現することを目的としたものである。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、分岐した測定ガスの一方の流路に磁界を印加するとともに、分岐した測定ガス流路に補助ガスを流す補助ガス流路のそれぞれに流量計を配置し、これらの流量計出力の差に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定する磁気式酸素計において、
前記流量計の出力をそれぞれデジタル値に変換する変換部と、
この変換部の出力値に対し、前記それぞれの流量計の入出力特性を揃える補正演算を行う補正演算部と、
この補正演算部から出力されるそれぞれの流量値の差を求める差分演算部と、
この差分演算部の出力に基づいて前記測定ガス中の酸素濃度を求める酸素濃度演算部と、
を有することを特徴とする。

請求項２では、請求項１に記載の磁気式酸素計において、前記補正演算部は、前記流量計ごとにあらかじめ記憶した個別の補正係数および流量計周辺の温度情報を利用して補正演算を行うことを特徴とする。

請求項３では、請求項２に記載の磁気式酸素計において、前記補正係数は、前記流量計の入出力特性を他方の流量計の入出力特性と一致させる係数であることを特徴とする。

請求項４では、請求項２または３のいずれかに記載の磁気式酸素計において、前記補正係数は、異なる２点の温度における、前記一方の流量計の測定値Ｖａ１，Ｖａ２と、前記他方の流量計の測定値Ｖｂ１，Ｖｂ２から、下記の式により求められることを特徴とする。
補正係数＝{（Ｖａ２−Ｖａ１）／（Ｖｂ２−Ｖｂ１）}×Ｃ（Ｃ：定数）

請求項５では、請求項２乃至４のいずれかに記載の磁気式酸素計において、前記流量計の周囲温度を制御する温度制御手段を有し、前記流量計の周囲温度を異なる２点間で変化させ、その際に得られる前記流量計の測定値を利用して前記補正係数を求めることを特徴とする。

請求項６では、請求項５に記載の磁気式酸素計において、前記温度制御手段は恒温槽であることを特徴とする。

請求項７では、請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気式酸素計において、前記流量センサはサーミスタであることを特徴とする。

請求項８では、請求項７に記載の磁気式酸素計前記サーミスタは定抵抗制御されていることを特徴とする。

このように、各定抵抗回路の出力をそれぞれ直接変換部に入力し、デジタル値に直してから補正演算部に取り込むことによって、感度補正や減算処理、酸素濃度への変換などすべての処理を演算により行うことができ、流量計ごとの特性の違いによって生じる影響を、作業者の技能によらずに除去することができる磁気式酸素計を実現することができる。

従来例では定抵抗回路の温度係数を合わせるためのループゲインの調整をハードウェアで行っているため、作業者の手作業による調整工数が必要であった。本発明では、この調整をすべてソフトウェアで実現することができるため、手作業工数をほぼゼロにすることができ、調整工程の時間を削減することができる。また、熟練した調整技能も必要でないため、誰でも流量計の特性が揃った状態を安定して実現することができる。

また、補正演算に用いる補正係数を、一方の流量計の入出力特性を他方の流量計の入出力特性と一致させるようなものとすれば、一方の流量計の出力に対してのみ補正演算を行うだけで各流量計の特性が揃うため、演算処理を簡素化することができる。

さらに、流量計の周囲温度を制御する温度制御手段で流量計の周辺温度を変化させ、補正係数の算出に必要なデータを収集することにより、補正係数を自動で求めることができる。

以下、図面を用いて本発明の磁気式酸素計を説明する。

図１は本発明の磁気式酸素計の一実施例を示す図である。測定の原理は従来例の磁気式酸素計と同様であり、１１はリングセル、１２ａと１２ｂは測定ガス流路、１３は測定ガス導入口、１４はガス導出口、１５ａと１５ｂは補助ガス流路、１６は補助ガス供給口、１７ａと１７ｂは補助ガス流路に配置されたサーミスタである。従来例と同様に、リングセル１１とサーミスタ１７ａ、１７ｂは恒温槽１内に設置されており、温度制御によって一定温度に保たれている。

サーミスタ１７ａ、１７ｂはそれぞれ定抵抗回路２ａ、２ｂに接続され、流量計を構成する。サーミスタ１７ａ、１７ｂと定抵抗回路２ａ、２ｂの構成および作用は図３（ｂ）の従来例と同様である。定抵抗回路２ａ、２ｂはそれぞれサーミスタ１７ａ、１７ｂへの供給電力を制御する回路であり、サーミスタ１７ａ、１７ｂを一定の温度、すなわち定抵抗となるように自己発熱させる。

定抵抗回路２ａはサーミスタ１７ａがガスの流れによって冷却されても、サーミスタ１７ａが一定温度（定抵抗）となるように帰還ＶＬをかけ、この帰還量ＶＬを補助ガス流路１５ａを流れる補助ガスＱ_Ｌの流量値として出力する。同じく、定抵抗回路２ｂはサーミスタ１７ｂが一定温度（定抵抗）を保つように帰還ＶＲをかけ、この帰還量ＶＲを補助ガス流路１５ｂを流れる補助ガスＱ_Ｒの流量値として出力する。

定抵抗回路２ａ、２ｂから出力される帰還量ＶＬ，ＶＲは直接変換部３に入力される。差動増幅器に入力して差分を取る従来例とは異なり、低抵抗回路２ａ、２ｂの出力は両方とも直接変換部３に入力される。変換部３は定抵抗回路２ａ、２ｂの出力値をＡＤ変換し、デジタル値に変換後の各定抵抗回路の出力値をＣＰＵ４に入力する。

ＣＰＵ４は補正演算部４１、差分演算部４２、酸素濃度演算部４３からなり、変換部３の出力はまず補正演算部４１に入力される。

補正演算部４１は、各流量計ごとに決定される補正係数Ｒをあらかじめ記憶しておくとともに、各流量計周辺の温度情報を利用して、入力された流量計出力値の補正演算を行う。補正係数Ｒの求め方および補正演算の具体例については後述する。

流量計はサーミスタや定抵抗回路などのハードウェアで実現されているため、感度や温度特性自体に個体差が存在する。たとえば、Δｔ℃だけ温度が変化した際に、サーミスタ１７ａの出力変化がΔＶａであるのに対し、サーミスタ１７ｂの出力はΔＶｂ変化するなど、各流量計の変化は一致しない。
そのため、補正演算部４１において、各流量計間の感度差や温度特性の差を揃えるために、あらかじめ求めておいた補正係数Ｒを用いて補正演算を行う。

補正演算部４１において各流量計間の特性の差を揃える演算が実施された後に、各定抵抗回路の出力値は差分演算部４２に入力される。差分演算部４２では、入力された補正後の各定抵抗回路の出力値の差分を算出し、補助ガス流路１５ａと補助ガス流路１５ｂの流量の差を求める。補正演算部４１から出力される補正後の値を用いて差分を算出するため、算出した値からサーミスタ１７ａ、１７ｂや定抵抗回路２ａ、２ｂの特性の差による誤差を除去することができる。

算出した差分は差分演算部４２から酸素濃度演算部４３に入力される。酸素濃度演算部４３では、入力された差分からその大きさに応じた酸素濃度に変換し、酸素濃度表示の出力レンジに応じたアナログ出力回路５を経て外部に出力される。

以下に補正係数Ｒの求め方を説明する。なお、以下に説明する補正係数Ｒは、サーミスタ１７ｂおよび定抵抗回路２ｂの入出力特性を、サーミスタ１７ａおよび定抵抗回路２ａの入出力特性に合わせ込む補正を行うためのものである。このように、補正係数として一方の流量計を他方の流量計の特性に合わせる係数を求めておけば、一方の流量計の出力に対してのみ補正演算を行うだけで各流量計の特性が揃うため、演算処理を簡素化することができる。

図２は各定抵抗回路の出力とその周囲温度との関係を示す図である。
（１）まず、磁気式酸素計の組み立て後、恒温槽１の内部を通常動作温度Ｔ（たとえばＴ＝５５℃）に設定する。恒温槽１内部の温度が十分安定したら、定抵抗回路２ａ、２ｂの制御出力をＶａ１、Ｖｂ１として補正演算部４１に記憶する。
（２）次に、それぞれの定抵抗回路出力の周囲温度による影響度を測定するため、ＣＰＵ４から恒温槽１の温度制御を行う温度制御部６に制御信号を出力し、恒温槽１の内部温度をΔｔ℃上昇させる。恒温槽１内部の温度が（Ｔ＋Δｔ）℃で十分安定したら、定抵抗回路２ａ、２ｂの制御出力をＶａ２、Ｖｂ２として記憶する。
（３）以下の式により求まる値を補正係数Ｒとする。
Ｒ＝{（Ｖａ２−Ｖａ１）／（Ｖｂ２−Ｖｂ１）}×Ｃ・・・式１
（Ｃ：実測により求める定数）

式１右辺の（Ｖａ２−Ｖａ１）は、定抵抗回路２ａ出力に含まれる周辺温度による影響度である。また、（Ｖｂ２−Ｖｂ１）は定抵抗回路２ｂ出力に含まれる周辺温度による影響度である。各流量計の周囲温度による影響度の違いが、酸素濃度値に周囲温度の影響として現れる。一方の流量計出力の周辺温度に対する傾きと、他方の流量計出力の周辺温度に対する傾きが違うため、この傾きの違いを補正演算によって同じにすることが本発明の趣旨である。

なお、ＣＰＵ４は、恒温槽１の温度を制御して異なる２点間の温度における定抵抗回路の出力値を取り込み、補正係数Ｒを求めるまでの動作を自動で行う。

通常の測定時に補正演算部４１が行う補正演算について説明する。
（１）まず、補正演算部４１には、窒素ガスなどのゼロガスを流通させて行うゼロ校正時に、ゼロガス流通中の定抵抗回路２ａ、２ｂの出力をＶｚａ、Ｖｚｂとしてあらかじめ記憶させておく。
（２）通常測定時に変換部３からの出力として得られる定抵抗回路２ａ、２ｂの出力をＶｏａ、Ｖｏｂとし、補正演算後の定抵抗回路２ｂの出力をＶｏｂ’とする。定抵抗回路２ｂの入出力特性を定抵抗回路２ａに合わせるために、補正係数Ｒを用いて下記の演算を行う。
Ｖｏｂ’＝（Ｖｏｂ−Ｖｚｂ）×Ｒ＋Ｖｚｂ・・・式２

式２の演算をＶｏｂに対して行うことにより、定抵抗回路２ｂの入出力特性を定抵抗回路２ａの入出力特性に合わせることができ、補正演算部４１の後段の差分演算部４２および酸素濃度演算部４３において、各流量計の特性の差による影響を取り除いた酸素濃度の演算が可能になる。

このように、定抵抗回路２ａ、２ｂの制御出力をまずＡＤ変換し、その後ＣＰＵ４に入力する構成としたことにより、差分演算や酸素濃度変換だけでなく、サーミスタの感度補正など個体差による影響の補正をすべて演算により行うことができるようになる。

なお、本実施例では、流量計として定抵抗回路で制御されたサーミスタを用いたが、流量計はこの方式に限られない。本発明は、磁気式酸素計の２つの流量測定部の感度差を補う方法として応用可能である。

図１は本発明の磁気式酸素計の一実施例を示す図。図２は各定抵抗回路の出力とその周囲温度との関係を示す図。図３は従来の磁気式酸素計の一例を示す図。

符号の説明

１恒温槽
１１リングセル
１２ａ、１２ｂ測定ガス流路
１３測定ガス導入口
１４ガス導出口
１５ａ、１５ｂ補助ガス流路
１６補助ガス供給口
１７ａ、１７ｂサーミスタ
２ａ、２ｂ定抵抗回路
３変換部
４ＣＰＵ
４１補正演算部
４２差分演算部
４３酸素濃度演算部
５アナログ出力回路
６温度制御部
７ヒータ

Claims

分岐した測定ガスの一方の流路に磁界を印加するとともに、分岐した測定ガス流路に補助ガスを流す補助ガス流路のそれぞれに流量計を配置し、これらの流量計出力の差に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定する磁気式酸素計において、
前記流量計の出力をそれぞれデジタル値に変換する変換部と、
この変換部の出力値に対し、前記それぞれの流量計の入出力特性を揃える補正演算を行う補正演算部と、
この補正演算部から出力されるそれぞれの流量値の差を求める差分演算部と、
この差分演算部の出力に基づいて前記測定ガス中の酸素濃度を求める酸素濃度演算部と、
を有することを特徴とする磁気式酸素計。
前記補正演算部は、前記流量計ごとにあらかじめ記憶した個別の補正係数および流量計周辺の温度情報を利用して補正演算を行うことを特徴とする請求項１に記載の磁気式酸素計。
前記補正係数は、前記流量計の入出力特性を他方の流量計の入出力特性と一致させる係数であることを特徴とする請求項２に記載の磁気式酸素計。
前記補正係数は、異なる２点の温度における、前記一方の流量計の測定値Ｖａ１，Ｖａ２と、前記他方の流量計の測定値Ｖｂ１，Ｖｂ２から、下記の式により求められることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の磁気式酸素計。
補正係数＝{（Ｖａ２−Ｖａ１）／（Ｖｂ２−Ｖｂ１）}×Ｃ（Ｃ：定数）
前記流量計の周囲温度を制御する温度制御手段を有し、前記流量計の周囲温度を異なる２点間で変化させ、その際に得られる前記流量計の測定値を利用して前記補正係数を求めることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の磁気式酸素計。
前記温度制御手段は恒温槽であることを特徴とする請求項５に記載の磁気式酸素計。
前記流量センサはサーミスタであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気式酸素計。
前記サーミスタは定抵抗制御されていることを特徴とする請求項７に記載の磁気式酸素計。