JP2015090349A - 磁気式酸素分析計及び磁気式酸素分析計用センサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】製作コストの低減化を図りながら測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定する。【解決手段】サンプル流路２０と、このサンプル流路の両端に形成された測定ガス入口４及び測定ガス出口５と、測定ガス出口側のサンプル流路に互いに対向して設けられた第１補助ガス流入口６及び第２補助ガス流入口７と、第１及び第２補助ガス流入口に接続された補助ガス流路９，１０と、第１補助ガス流入口側の補助ガス流路及び第２補助ガス流入口側の補助ガス流路を連通したバイパス流路２１ａ，２１ｂと、バイパス流路の途中に配置された流量センサ１２と、を備えた磁気式酸素分析計であり、流量センサから第１補助ガス流入口までの前記補助ガスが流れる流路体積と、流量センサから第２補助ガス流入口までの補助ガスが流れる流路体積とを調整可能とする流路体積調整手段２３，２４を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気式酸素分析計及び磁気式酸素分析計用センサユニットに関する。

磁気式酸素分析計の測定原理について、図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する（例えば特許文献１を参照）。
図３（Ａ）は、酸素を含むガス中に磁界を発生させる手段（磁石）を配置したときの酸素分子と磁界の関係を示したものである。図３（Ｂ）に示すように、磁界が強く、且つその強さが変化しているところ（不均一の磁界になっている磁極の端部）に酸素を引き付ける力が作用し、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、酸素分子は磁界の影響を受けて引き付けられ、磁界（磁石のギャップ）内へ移動する。これにより、図３（Ｃ）に示すように、磁界内では、引き付けられた酸素の圧力（濃度）が磁界の外と比較して高くなる。

上述した測定原理を採用した磁気式酸素分析計として、図４に示す装置が知られている。図４の磁気式酸素分析計は、測定ガスを流す流路を備えたサンプルセル１と、測定ガスに含まれている酸素濃度を検出する検出回路２と、を備えている。検出回路２は、サンプルセル１内に設置した熱線センサで構成した流量センサ１２からの信号に基づいて、測定ガス中の酸素濃度を検出する。

サンプルセル１は、サンプル流路３と、このサンプル流路３の軸方向の一端側に連通して設けた測定ガス導入口４と、サンプル流路３の軸方向の他端側に連通して設けた測定ガス導出口５と、測定ガス導出口５側のサンプル流路３に連通し、このサンプル流路３の軸方向に直交する径方向から互いに対向して設けた第１補助ガス流入口６及び第２補助ガス流入口７と、補助ガス供給流路８に流れてきた補助ガスを第１補助ガス流入口６及び第２補助ガス流入口７からサンプル流路３に同一流量で供給する第１補助ガス流路９及び第２補助ガス流路１０と、サンプル流路３の第１補助ガス流入口６が連通する付近に磁界Ｍｆの領域を形成するポールピース（不図示）と、第１補助ガス流路９及び第２補助ガス流路１０に連通するバイパス流路１１と、を備えている。
また、バイパス流路１１の中間位置に流量センサ１２が配置され、この流量センサ１２に検出回路２が接続している。検出回路２は、流量センサ１２の信号を受信して増幅することで、測定ガスに含まれている酸素濃度を検出する。

特開２００４−３２５０９８の図３

ところで、磁気式酸素分析計において実用化されている測定レンジは１〜２％であるが、近年、生成ガスの純度監視、或いはプロセス用ガスなどのように１％以下の低濃度の酸素を測定するために、酸素濃度を高感度で測定したいという要求が高まってきている。
上述した磁気式酸素分析計は、第１補助ガス流入口６から流量センサ１２までの補助ガス流路（第１補助ガス流路９及びバイパス流路１１の一部）の流路体積と、第２補助ガス流入口７から流量センサ１２までの補助ガス流路（第２補助ガス流路１０及びバイパス流路１１の一部）の流路体積とが一致するように製造すると、補助ガスに脈動が発生せず、流量センサ１２にはノイズ成分が入力しない。しかし、部品の加工精度を上げても、磁気式酸素分析計の加工上のバラツキや組立時の接着剤の塗布などにより、前述した第１補助ガス流入口６から流量センサ１２までの補助ガス流路と、第２補助ガス流入口７から流量センサ１２までの補助ガス流路との流路体積を一致させることは難しい。

したがって、酸素濃度の測定感度を上げるために、他の手段で、流量センサ１２の信号Ｓ／Ｎを確保すると同時に、補助ガスの脈動の発生や、外部（プラント等）振動などの測定外乱の影響を低減する対策が必要になってくる。
測定外乱の影響を低減して酸素濃度の測定感度を上げる方法として、例えば、バイパス流路１１に補正用の流量センサを配置し、補正用の流量センサの信号と、測定用の流量センサ１２との信号を差動演算する方法がある。しかし、補正用の流量センサを新たに配置すると、コスト上昇の面で問題があるとともに、複雑な装置構成となるおそれがある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡便な装置構成として装置コストの低減化を図りながら測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができる磁気式酸素分析計及び磁気式酸素分析計用センサユニットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る磁気式酸素分析計は、サンプル流路と、このサンプル流路の両端に形成された測定ガス入口及び測定ガス出口と、前記測定ガス出口側の前記サンプル流路に互いに対向して設けられた第１補助ガス流入口及び第２補助ガス流入口と、前記第１及び第２補助ガス流入口に接続された補助ガス流路と、前記第１補助ガス流入口側の前記補助ガス流路及び前記第２補助ガス流入口側の前記補助ガス流路を連通したバイパス流路と、このバイパス流路の途中に配置された流量センサと、を備え、前記補助ガス流路の中間位置から前記補助ガスを供給し、前記第１補助ガス流入口の近くの前記サンプル流路に磁界をかけることにより生じる前記バイパス流路の流量変化を前記流量センサで検出することによって、前記測定ガスに含まれる酸素濃度を演算する磁気式酸素分析計において、前記流量センサから前記第１補助ガス流入口までの前記補助ガスが流れる流路体積と、前記流量センサから前記第２補助ガス流入口までの前記補助ガスが流れる流路体積とを調整可能とする流路体積調整手段を備えている。

本発明の一態様に係る磁気式酸素分析計によると、酸素濃度の測定感度を上げるために、例えば補正用の流量センサを新たに配置する必要がなく、補助ガスに脈動が発生しないので、流量センサにノイズ成分が入力しない。
また、本発明の一態様に係る磁気式酸素分析計は、前記流量センサから前記第１補助ガス流入口側の前記バイパス流路に、流路を拡大した第１バッファ流路を設け、前記流量センサから前記第２補助ガス流入口側の前記バイパス流路に、前記第１バッファ流路と同一体積の第２バッファ流路を設けることが好ましい。

本発明の一態様に係る磁気式酸素分析計によると、外部（プラント等）振動などにより補助ガスに流量変動が生じて脈動が発生する場合であっても、その脈動が流量センサに伝わり難くなり、流量センサにノイズ成分が入力しない。
一方、本発明の一態様に係る磁気式酸素分析計用センサユニットは、上述した磁気式酸素分析計の流量センサを備えたユニットであって、前記第１補助ガス流入口側の前記補助ガス流路に接続する第１バイパス流路と、前記第２補助ガス流入口側の前記補助ガス流路に接続する第２バイパス流路と、これら第１バイパス流路及び第２バイパス流路に連通するセンサ配置スペースと、を有するブロック体を備え、前記流量センサを前記センサ配置スペースに配置することで、前記バイパス流路の途中に前記流量センサを配置するとともに、前記ブロック体に、前記第１バイパス流路の体積を調整する第１流路体積調整装置と、前記第１バイパス流路の体積を調整する第２流路体積調整装置と、を装着することが好ましい。

また、本発明の一態様に係る磁気式酸素分析計用センサユニットは、前記第１流路体積調整装置が、前記ブロック体の外部から前記第１バイパス流路に連通している弁装着孔と、この弁装着孔に進退自在に装着され、前記バイパス流路の面積を拡縮する絞り弁と、を備えていることが好ましい。
また、本発明の一態様に係る磁気式酸素分析計用センサユニットは、前記第２流路体積調整装置が、前記ブロック体の外部から前記第２バイパス流路に連通している弁装着孔と、この弁装着孔に進退自在に装着され、前記バイパス流路の面積を拡縮する絞り弁と、を備えていることが好ましい。

さらに、本発明の一態様に係る磁気式酸素分析計用センサユニットは、前記流量センサを配置した前記センサ配置スペースに、前記第１バイパス流路に連通して流路を拡大する第１バッファ流路と、前記第２バイパス流路に連通する前記第１バッファ流路と同一体積の第２バッファ流路と、を設けていることが好ましい。
本発明の一態様に係る磁気式酸素分析計用センサユニットによると、簡便な装置構成であり、測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができる磁気式酸素分析計を容易に組み立てることができる。

本発明に係る磁気式酸素分析計によると、酸素濃度の測定感度を上げるために、例えば補正用の流量センサを新たに配置する必要がなく、製作コストの低減化を図りながら測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができる磁気式酸素分析計を提供することができる。
また、本発明に係る磁気式酸素分析計用センサユニットによると、このセンサユニットを、磁気式酸素分析計を構成する他のユニットと接続することで、磁気式酸素分析計の組立て効率を大幅に向上させることができる。

本発明に係る一実施形態の磁気式酸素分析計を示す概略構成図である。 本発明に係る一実施形態の磁気式酸素分析計用センサユニットを示す図である。 磁気式酸素分析計の測定原理を示す図である。 従来の磁気式酸素分析計を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図４で示した磁気式酸素分析計の構成と同一構成部分には、同一符号を付して説明は省略する。
図１は、本発明に係る一実施形態の磁気式酸素分析計を示すものであり、本実施形態のサンプルセル２０は、第１補助ガス流路９及び第２補助ガス流路１０に連通するバイパス流路２１の中間位置に流量センサ１２が配置され、この流量センサ１２に検出回路２が接続されている。

バイパス流路２１は、流量センサ１２から第１補助ガス流路９に連通する第１バイパス流路２１ａと、流量センサ１２から第２補助ガス流路１０に連通する第２バイパス流路２１ｂとを備えているとともに、流量センサ１２を挟んで第１バイパス流路２１ａ側に流路を拡大した第１バッファ流路２２ａが形成され、流量センサ１２を挟んで第２バイパス流路２１ｂ側に流路を拡大した第２バッファ流路２２ｂが形成されている。第２バッファ流路２２ｂは、第１バッファ流路２２ａと同一体積である。

第１バイパス流路２１ａの第１バッファ流路２２ａより第１補助ガス流路９側には、第１バイパス流路２１ａの体積を調整する第１流路体積調整装置２３が設けられている。また、第２バイパス流路２１ｂの第２バッファ流路２２ｂより第２補助ガス流路１０側には、第２バイパス流路２１ｂの体積を調整する第２流路体積調整装置２４が設けられている。

次に、図２は、本発明に係る一実施形態のセンサユユニットＳＵを示すものである。
このセンサユニットＳＵは、図１で示した第１補助ガス流路９及び第２補助ガス流路１０などを形成している他のユニット（不図示）と接続することで磁気式酸素分析計を構成するものであり、ブロック体２５に、バイパス流路２１と、バイパス流路２１に連通するセンサ配置スペース２６とが形成されている。

センサ配置スペース２６は外部に開口するように形成され、このセンサ配置スペース２６の底側に連通するように、バイパス流路２１を構成する２本の第１バイパス流路２１ａ及び第２バイパス流路２１ｂが形成されている。
これら第１バイパス流路２１ａ及び第２バイパス流路２１ｂは、略等しい流路体積で
第１バイパス流路２１ａの体積を調整する第１流路体積調整装置２３は、第１バイパス流路２１ａの途中に連通して形成され、内周面に雌ねじが形成されている弁装着孔２３ａと、この弁装着孔２３ａの雌ねじに螺合する雄ねじが外周に形成され、先端がテーパ形状の絞り弁２３ｂとを備え、弁装着孔２３ａ内の絞り弁２３ｂを前進させていくことで第１バイパス流路２１ａの面積を縮小し、弁装着孔２３ａ内の絞り弁２３ｂを後退させていくことで第１バイパス流路２１ａの面積を拡げる装置である。

第２バイパス流路２１ｂの体積を調整する第１流路体積調整装置２４も、第２バイパス流路２１ｂの途中に連通して形成され、内周面に雌ねじが形成されている弁装着孔２４ａと、この弁装着孔２４ａの雌ねじに螺合する雄ねじが外周に形成され、先端がテーパ形状の絞り弁２４ｂとを備え、弁装着孔２４ａ内の絞り弁２４ｂを前進させていくことで第２バイパス流路２１ｂの面積を縮小し、弁装着孔２４ａ内の絞り弁２４ｂを後退させていくことで第２バイパス流路２１ｂの面積を拡げる装置である。

本実施形態の流量センサ１２は、図２に示すように、ガス通過穴２７ａを形成した基板２７と、基板２７に実装されたセンサ素子２８と、センサ配置スペース２６に配置した基板２７をブロック体２５に保持する固定リング２９と、を備えている。
この流量センサ１２をブロック体２５のセンサ配置スペース２６に装着し、センサ配置スペース２６の開口部を固定リング２９で閉塞することで、センサ配置スペース２６に、第１バイパス流路２１ａに連通する第１バッファ流路２２ａと、第２バイパス流路２１ｂに連通する第２バッファ流路２２ｂとが設けられた状態で、センサユニットＳＵが組み立てられる。

本実施形態の流量センサ１２を備えた磁気式酸素分析計の動作について、図１及び図２を参照して説明する。
サンプルセル２０の測定ガス導入口４から導入された測定ガスが測定ガス導出口５に向けて流れる。また、補助ガス供給流路８から供給された補助ガスは、第１補助ガス流路９及び第２補助ガス流路１０に分流し、第１補助ガス流入口６及び第２補助ガス流入口７からサンプル流路３に流入し、測定ガスと合流して測定ガス導出口５に流れる。また、補助ガス供給流路８から第１補助ガス流路９及び第２補助ガス流路１０に分流した補助ガスの一部は、第１補助ガス流路９に接続するバイパス流路１１から流量センサ１２に向けて流れるとともに、第２補助ガス流路１０に接続するバイパス流路１１から流量センサ１２に向けて流れる。

そして、測定ガス中に酸素分子が含まれていない場合、サンプル流路３の第１補助ガス流入口６が連通する付近に磁界Ｍｆの領域を形成するが、酸素分子が引き寄せられず、その部分の圧力は上昇しない。これにより、第１補助ガス流路９及び第２補助ガス流路１０のそれぞれからサンプル流路３に補助ガスが流出する際の流体抵抗が同じになり、第１補助ガス流路９からバイパス流路１１内の流量センサ１２を経由する補助ガスの流量と、第２補助ガス流路１０からバイパス流路１１内の流量センサ１２を経由する補助ガスの流量が同じとなる。これにより、流量センサ１２の信号が得られず、検出回路２は酸素濃度を検出しない。

一方、測定ガス中に酸素分子が含まれている場合、サンプル流路３の第１補助ガス流入口６が連通する付近に磁界Ｍｆの領域を形成すると、その部分に酸素分子が引き付けられ、酸素の凝集圧により圧力が上昇する。そのため、第１補助ガス流路９からサンプル流路３に補助ガスが流出する際の流体抵抗が増大し、流出量が減少する。逆に、サンプル流路３の第２補助ガス流入口７が連通する付近では磁界が発生していないため流体抵抗は増大せず、第１補助ガス流入口６側との比較により補助ガスの流出量が増加する。

これにより、補助ガス供給流路８から第１補助ガス流路９及び第２補助ガス流路１０に分岐する地点Ｐ０（以下、分岐点Ｐ０と称する）で、補助ガスが第１補助ガス流路９及び第２補助ガス流路１０に分岐する際の分流比が変化し、第１補助ガス流路９からバイパス流路１１内の流量センサ１２を経由する補助ガスの流量と、第２補助ガス流路１０からバイパス流路１１内の流量センサ１２を経由する補助ガスの流量に差が生じ、流量センサ１２が補助ガスの流量変化の信号を得ることで、検出回路２が測定ガスの酸素濃度を検出する。

ここで、本発明に係る流路体積調整手段が、第１流路体積調整装置２３及び第２流路体積調整装置２４に対応し、本発明に係る測定ガス入口が測定ガス導入口４に対応し、本発明に係る測定ガス出口が測定ガス導出口５に対応し、本発明に係る補助ガス流路が第１補助ガス流路９及び第２補助ガス流路１０に対応している。
次に、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態の磁気式酸素分析計は、第１流路体積調整装置２３及び第２流路体積調整装置２４を操作することで、第１補助ガス流入口６から流量センサ１２までの補助ガスの流路（第１補助ガス流路９及び第１バイパス流路２１ａ）の流路体積と、第２補助ガス流入口７から流量センサ１２までの補助ガス流路（第２補助ガス流路１０及び第２バイパス流路２１ｂ）の流路体積とを一致させることができる。これにより、酸素濃度の測定感度を上げるために、例えば補正用の流量センサを新たに配置する必要がなく、簡便な構造の第１流路体積調整装置２３及び第２流路体積調整装置２４を設けるだけで、補助ガスに脈動を発生させず、流量センサ１２にノイズ成分が入力しないので、簡便な装置構成として装置コストの低減化を図りながら測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができる。

また、本実施形態によると、外部（プラント等）振動などにより補助ガスに流量変動が生じている場合であっても、バイパス流路２１の第１バイパス流路２１ａに第１バッファ流路２２ａが形成され、第２バイパス流路２１ｂに第２バッファ流路２２ｂが形成されていることので、補助ガスの流量変動により発生した脈動が流量センサ１２に伝わり難くなり、流量センサ１２にノイズ成分が入力しない。したがって、外乱の影響が受けにくい、さらに高感度の酸素濃度を測定する磁気式酸素分析計を提供することができる。

また、本実施形態の磁気式酸素分析計を構成するセンサユニットＳＵは、第１バイパス流路２１ａの体積を調整する第１流路体積調整装置２３と、第２バイパス流路２１ｂの体積を調整する第２流路体積調整装置２４をブロック体２５に装着したものであり、磁気式酸素分析計を構成する他のユニットと接続することで、磁気式酸素分析計を容易に組み立てることができる。

１…サンプルセル、２…検出回路、３…サンプル流路、４…測定ガス導入口、５…測定ガス導出口、６…第１補助ガス流入口、７…第２補助ガス流入口、８…補助ガス供給流路、９…第１補助ガス流路、１０…第２補助ガス流路、１２…流量センサ、２１…バイパス流路、２１ａ…第１バイパス流路、２１ｂ…第２バイパス流路、２２ａ…第１バッファ流路、２２ｂ…第２バッファ流路、２３…第１流路体積調整装置、２３ａ…弁装着孔、２３ｂ…絞り弁、２４…第２流路体積調整装置、２４ａ…弁装着孔、２４ｂ…絞り弁、２５…ブロック体、２６…センサ配置スペース、２７…基板、２７ａ…ガス通過穴、２８…センサ素子、２９…固定リング、ＳＵ…センサユニット

Claims (6)

1. サンプル流路と、このサンプル流路の両端に形成された測定ガス入口及び測定ガス出口と、前記測定ガス出口側の前記サンプル流路に互いに対向して設けられた第１補助ガス流入口及び第２補助ガス流入口と、前記第１及び第２補助ガス流入口に接続された補助ガス流路と、前記第１補助ガス流入口側の前記補助ガス流路及び前記第２補助ガス流入口側の前記補助ガス流路を連通したバイパス流路と、このバイパス流路の途中に配置された流量センサと、を備え、前記補助ガス流路の中間位置から前記補助ガスを供給し、前記第１補助ガス流入口の近くの前記サンプル流路に磁界をかけることにより生じる前記バイパス流路の流量変化を前記流量センサで検出することによって、前記測定ガスに含まれる酸素濃度を演算する磁気式酸素分析計において、
   前記流量センサから前記第１補助ガス流入口までの前記補助ガスが流れる流路体積と、前記流量センサから前記第２補助ガス流入口までの前記補助ガスが流れる流路体積とを調整可能とする流路体積調整手段を備えていることを特徴とする磁気式酸素分析計。
2. 前記流量センサから前記第１補助ガス流入口側の前記バイパス流路に、流路を拡大した第１バッファ流路を設け、前記流量センサから前記第２補助ガス流入口側の前記バイパス流路に、前記第１バッファ流路と同一体積の第２バッファ流路を設けたことを特徴とする請求項１記載の磁気式酸素分析計。
3. 請求項１に記載した磁気式酸素分析計の前記流量センサを備えたユニットであって、
   前記第１補助ガス流入口側の前記補助ガス流路に接続する第１バイパス流路と、
   前記第２補助ガス流入口側の前記補助ガス流路に接続する第２バイパス流路と、
   これら第１バイパス流路及び第２バイパス流路に連通するセンサ配置スペースと、を有するブロック体を備え、
   前記流量センサを前記センサ配置スペースに配置することで、前記バイパス流路の途中に前記流量センサを配置するとともに、
   前記ブロック体に、前記第１バイパス流路の体積を調整する第１流路体積調整装置と、前記第１バイパス流路の体積を調整する第２流路体積調整装置とを装着してなることを特徴とする磁気式酸素分析計用センサユニット。
4. 前記第１流路体積調整装置は、前記ブロック体の外部から前記第１バイパス流路に連通している弁装着孔と、この弁装着孔に進退自在に装着され、前記バイパス流路の面積を拡縮する絞り弁と、を備えていることを特徴とする請求項３記載の磁気式酸素分析計用センサユニット。
5. 前記第２流路体積調整装置は、前記ブロック体の外部から前記第２バイパス流路に連通している弁装着孔と、この弁装着孔に進退自在に装着され、前記バイパス流路の面積を拡縮する絞り弁と、を備えていることを特徴とする請求項３又は４記載の磁気式酸素分析計用センサユニット。
6. 前記流量センサを配置した前記センサ配置スペースに、前記第１バイパス流路に連通して流路を拡大する第１バッファ流路と、前記第２バイパス流路に連通する前記第１バッファ流路と同一体積の第２バッファ流路と、を設けたことを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項記載の磁気式酸素分析計用センサユニット。

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