JP2016031363A - 磁気風式酸素計 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度を向上することができる磁気風式酸素計を提供する。
【解決手段】本体１に形成された測定室１１内に磁性体２が設けられており、当該磁性体２に磁力を付与することにより、測定室１１内に磁界が形成される。測定室１１内における磁界が形成される位置には加熱素子８が設けられ、測定室１１内に導入される測定ガスが加熱される。加熱素子８の抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度が測定される。互いに強度が異なる第１磁力状態と第２磁力状態との間で磁性体２に付与する磁力を変化させることにより、測定室１１内における磁気風の強度を変化させる。これにより、第１磁力状態と第２磁力状態とで、同一の測定室１１内にある同一の加熱素子８の抵抗値を検出し、その抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁界が形成された測定室内に測定ガスを導入して、当該測定ガスに含まれる酸素の濃度に応じた磁気風を発生させることにより、磁界中に設けられた加熱素子の抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定する磁気風式酸素計に関するものである。

測定ガス中の酸素濃度を測定する酸素計の一例として、いわゆる磁気風を用いて測定を行う磁気風式酸素計が知られている（例えば、下記特許文献１〜３参照）。磁気風式酸素計には、永久磁石が備えられており、当該永久磁石により形成される磁界中に設けられた加熱素子の抵抗値の変化に基づいて、測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。

図１０は、従来の磁気風式酸素計の構成例を示した概略側断面図である。また、図１１は、図１０の磁気風式酸素計の概略平断面図である。この磁気風式酸素計の本体１０１内には、測定室１１１及び比較室１１２が形成されている。測定室１１１及び比較室１１２は、連通路１１３を介して互いに連通している。

本体１０１には、導入口１１４及び導出口１１５が形成されている。導入口１１４から本体１０１内に導入された測定ガスは、連通路１１３を介して測定室１１１内及び比較室１１２内に流入した後、導出口１１５から本体１０１の外部に流出する。連通路１１３には、導入口１１４に対向し、当該導入口１１４から流入する測定ガスを測定室１１１内及び比較室１１２内に流入しやすくするための対向壁１１６が形成されている。

測定室１１１内には、互いに一定の空間を隔てて対向する１対の永久磁石１０２が設けられている。１対の永久磁石１０２の間の空間には、例えば金属線からなる加熱素子１０３が設けられている。当該加熱素子１０３は、１対の永久磁石１０２により測定室１１１内に形成された磁界中に配置されている。

測定ガスに酸素が含まれている場合、常磁性である酸素は、磁界が最も強い加熱素子１０３の周囲に引き込まれて、当該加熱素子１０３により加熱され、図１０に矢印で示すように測定室１１１内に対流が発生する。このとき、対流により生じる磁気風で加熱素子１０３が冷却され、加熱素子１０３の温度変化に伴って、当該加熱素子１０３の抵抗値が変化する。磁気風の強さは、測定ガス中の酸素濃度に比例するため、加熱素子１０３の抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。

しかし、加熱素子１０３の温度変化は、磁気風だけでなく、測定ガスの熱伝導率、密度、比熱、粘性といった他の要因にも左右される。そこで、これらの磁気風以外の要因を排除するために、比較室１１２における測定結果が用いられる。比較室１１２には、加熱素子１０４が設けられており、当該加熱素子１０４は、測定室１１１に設けられている加熱素子１０３と同一の形状からなる。

比較室１１２は、測定室１１１とほぼ同一の形状からなり、比較室１１２内における加熱素子１０４の位置は、測定室１１１における加熱素子１０３の位置に対応している。したがって、図１０に矢印で示すように、比較室１１２内には測定室１１１内と類似の態様で自然対流が発生し、加熱素子１０４が冷却される。

このとき、比較室１１２内の加熱素子１０４の温度変化に伴い、当該加熱素子１０４の抵抗値が変化する。したがって、各加熱素子１０３，１０４の抵抗値の変化に基づいて、磁気風以外の要因による冷却効果を排除し、磁気風による冷却効果のみに基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。具体的には、各加熱素子１０３，１０４を用いてホイートストンブリッジ（図示せず）を構成し、不平衡電圧を検出することにより、測定ガス中の酸素濃度の測定値を得ることができる。

特開平３−２２５２６９号公報 実開平５−９０３６１号公報 特開昭６０−２５６０４７号公報

しかしながら、上記のような従来の磁気風式酸素計では、本体１０１に測定室１１１及び比較室１１２が備えられていることにより、以下のような問題が生じる。まず、測定室１１１及び比較室１１２を全く同じ形状にすることは困難であるため、測定室１１１と比較室１１２とで温度分布を等しくすることができない。また、測定室１１１及び比較室１１２にそれぞれ設けられた加熱素子１０３，１０４についても、全く同じ形状のものを準備することは困難であるため、各加熱素子１０３，１０４の特性を等しくすることができない。

そのため、磁気風式酸素計を長時間運転させた場合には、測定室１１１及び比較室１１２における温度分布のばらつきや、各加熱素子１０３，１０４の特性のばらつきなどに起因して、測定値のずれ（ドリフト）が生じ、測定精度が低下するおそれがある。また、本体１０１に測定室１１１及び比較室１１２を形成することにより、本体１０１が大型化してしまうという問題もある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、測定精度を向上することができる磁気風式酸素計を提供することを目的とする。また、本発明は、より小型化された磁気風式酸素計を提供することを目的とする。

本発明に係る磁気風式酸素計は、本体と、磁性体と、磁力付与機構と、加熱素子と、測定部とを備える。前記本体には、測定ガスが導入される測定室が形成されている。前記磁性体は、前記測定室内に設けられている。前記磁力付与機構は、前記磁性体に磁力を付与することにより、前記測定室内に磁界を形成するとともに、互いに強度が異なる第１磁力状態と第２磁力状態との間で前記磁性体に付与する磁力を変化させる。前記加熱素子は、前記測定室内における磁界が形成される位置に設けられ、前記測定室内に導入される測定ガスを加熱する。前記測定部は、前記加熱素子の抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定する。

このような構成によれば、磁性体に付与する磁力を第１磁力状態と第２磁力状態との間で変化させることにより、測定室内における磁気風の強度を変化させることができる。したがって、第１磁力状態における加熱素子の抵抗値と、第２磁力状態における加熱素子の抵抗値とに基づいて、磁気風以外の要因による冷却効果を排除し、磁気風による冷却効果のみに基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。

このとき、第１磁力状態と第２磁力状態とで、同一の測定室内にある同一の加熱素子の抵抗値を検出し、その抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。これにより、測定室及び比較室にそれぞれ設けられた加熱素子の抵抗値を検出するような構成とは異なり、測定室及び比較室における温度分布のばらつきや、各加熱素子の特性のばらつきなどに起因して、ドリフトが生じることがないため、測定精度を向上することができる。

また、測定室及び比較室の両方を本体に形成する必要がないため、本体を小型化することができる。その結果、より小型化された磁気風式酸素計を提供することができる。さらに、測定室及び比較室にそれぞれ設けられた加熱素子間のバランスを校正するための校正ガスが不要になるため、ランニングコストを低減することができるという効果もある。

前記磁力付与機構は、コイルを有していてもよい。この場合、前記磁力付与機構は、前記コイルへの通電状態を変化させることにより前記磁性体に付与する磁力を変化させてもよい。

このような構成によれば、磁性体及びコイルを用いて電磁石を構成し、当該電磁石により測定室内に磁界を形成することができる。これにより、コイルへの通電状態を変化させるだけの簡単な構成で、第１磁力状態と第２磁力状態とに変化させることができる。

前記磁力付与機構は、永久磁石を有していてもよい。この場合、前記磁力付与機構は、前記永久磁石を変位させることにより前記磁性体に付与する磁力を変化させてもよい。

このような構成によれば、永久磁石を変位させるだけの簡単な構成で、第１磁力状態と第２磁力状態とに変化させることができる。電磁石を用いた構成では、コイルに大電流を流す必要があるため、コイルの発熱が避けられず、その熱の影響により測定室内の温度が変化してしまうおそれがあるが、本発明のような永久磁石を変位させる構成であれば、そのような発熱による悪影響を防止することができる。

前記磁力付与機構は、前記第１磁力状態と前記第２磁力状態とに所定の周期で変化させてもよい。

このような構成によれば、前記第１磁力状態と前記第２磁力状態とに所定の周期で変化させることにより、各状態における加熱素子の抵抗値を交互に検出することができる。これにより、比較室が備えられていない構成であっても、交互に検出される各状態における加熱素子の抵抗値に基づいて、定期的に測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。

本発明によれば、第１磁力状態と第２磁力状態とで、同一の測定室内にある同一の加熱素子の抵抗値を検出し、その抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定することができるため、測定室及び比較室にそれぞれ設けられた加熱素子の抵抗値を検出するような構成と比べて、測定精度を向上することができる。

本発明の第１実施形態に係る磁気風式酸素計の構成例を示した概略側断面図である。 図１の磁気風式酸素計の概略正面図である。 図１の磁気風式酸素計の概略平断面図である。 永久磁石を回転させる際の態様について説明するためのタイムチャートである。 永久磁石を回転させる際の別の態様について説明するためのタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係る磁気風式酸素計の構成例を示した概略側断面図である。 図６の磁気風式酸素計の概略平断面図である。 コイルへの通電状態を切り替える際の態様について説明するためのタイムチャートである。 本体の変形例を示した概略平断面図である。 従来の磁気風式酸素計の構成例を示した概略側断面図である。 図１０の磁気風式酸素計の概略平断面図である。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁気風式酸素計の構成例を示した概略側断面図である。図２は、図１の磁気風式酸素計の概略正面図である。図３は、図１の磁気風式酸素計の概略平断面図である。この磁気風式酸素計には、中空状の本体１が備えられており、当該本体１内に測定室１１が形成されている。本体１には、それぞれ測定室１１に連通する導入口１２及び導出口１３が形成されている。

測定対象となるガス（測定ガス）は、図示しないポンプにより一定の流量で導入口１２に供給される。測定ガスは、導入口１２から測定室１１内に導入された後、当該測定室１１内を通って導出口１３から本体１の外部に流出する。測定ガスとしては、道路、焼却炉又は火力発電所といった排ガスが排出される場所で採取された空気などを例示することができるが、これに限らず、任意のガスを測定ガスとして測定室１１内に導入し、その測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。

測定室１１内には、互いに一定の空間を隔てて対向する１対の磁性体２が設けられている。各磁性体２は、例えばステンレス鋼などのように、測定ガスに対する耐食性が高い材料により形成されている。これらの磁性体２には、それぞれ永久磁石１５を介して別の磁性体１６が連結されている。当該磁性体１６は、例えば鉄により形成されている。ただし、各磁性体２，１６の材料は、ステンレス鋼又は鉄に限らず、他の材料により形成されていてもよいし、各磁性体２，１６が同一の材料で形成されていてもよい。

１対の永久磁石１５のうち一方（図１では上側）の永久磁石１５は、磁性体２側がＮ極、磁性体１６側がＳ極となるように設けられており、他方（図１では下側）の永久磁石１５は、磁性体２側がＳ極、磁性体１６側がＮ極となるように設けられている。これにより、互いに一定の空間を隔てて対向する１対の磁性体２に磁力が付与され、測定室１１内に磁界が形成されるようになっている。１対の永久磁石１５は、１対の磁性体２に効率よく磁力を付与するという観点から、本実施形態のように１対の磁性体２に近接して設けられ、測定室１１を挟んで対向するように配置されていることが好ましい。

磁性体１６は、本体１の外部に設けられており、それぞれの一端部が永久磁石１５に連結されるとともに、それぞれの他端部が互いに間隔を隔てて対向している。各磁性体１６の他端部間には、永久磁石１７が設けられている。これにより、１対の磁性体２、１対の永久磁石１５、１対の磁性体１６及び永久磁石１７からなる磁気回路が構成されている。永久磁石１５，１７は、例えばサマリウムコバルト磁石又はネオジム磁石などの希土類磁石であれば、磁力が強いため好ましいが、希土類磁石以外の磁石により構成されていてもよい。

永久磁石１７は、例えばモータ（図示せず）を含む回転駆動部１８の駆動により、軸線Ｌを中心に回転可能となっている。図２に示すように、永久磁石１７は軸線Ｌに対して対称な形状であり、軸線Ｌを挟んで両側の端部には、それぞれ円弧状の凸面１７１が形成されている。一方、各磁性体１６における永久磁石１７の凸面１７１に対向する位置には、凸面１７１よりも若干大きい曲率半径を有する円弧状の凹面１６１が形成されている。

永久磁石１７は、各磁性体１６と接触しない程度に近接して設けられている。すなわち、永久磁石の各凸面１７１と、各磁性体１６の凹面１６１とが、互いに微小な間隔を隔てて対向しており、永久磁石１７が軸線Ｌを中心に回転しても永久磁石１７が各磁性体１６に接触しないように構成されている。永久磁石１７は、一方の凸面１７１側（図１及び図２では上側）がＮ極、他方の凸面１７１側（図１及び図２では下側）がＳ極となっている。

永久磁石１７を回転駆動部１８により回転させた場合には、永久磁石１７から各磁性体１６に作用する磁力が変化するため、各磁性体１６から各永久磁石１５を介して測定室１１内の各磁性体２に作用する磁力も変化することとなる。例えば図１及び図２のように、永久磁石１７のＮ極が上側にある状態では、測定室１１内の各磁性体２に作用する磁力が永久磁石１７により強められるため、１対の磁性体２の間に強い磁界が形成される。

一方、図１及び図２の状態から永久磁石１７を１８０°回転させ、永久磁石１７のＳ極を上側、Ｎ極を下側とした場合には、測定室１１内の各磁性体２に作用する磁力が永久磁石１７により弱められるため、１対の磁性体２の間に形成される磁界が弱くなる。永久磁石１７の磁力を適切に設定すれば、永久磁石１７のＳ極を上側としたときに１対の磁性体２の間に形成される磁界を解除させることも可能である。

１対の磁性体２の間の空間には、例えば金属線からなる加熱素子８が設けられている。加熱素子８は、通電時の電気抵抗により発熱する熱電素子であり、２００〜３００℃程度の温度で発熱する。測定室１１内に導入される測定ガスは、当該加熱素子８によって加熱される。

このように、本実施形態では、１対の磁性体２により測定室１１内に磁界が形成される位置に、加熱素子８が設けられている。したがって、測定ガスに酸素が含まれている場合、常磁性である酸素は、磁界が最も強い加熱素子８の周囲に引き込まれて、当該加熱素子８により加熱され、図１に矢印で示すように測定室１１内に対流が発生する。

導入口１２及び導出口１３は、１対の磁性体２の一方を挟んで対向するように配置されている。この例では、１対の磁性体２が鉛直方向に対向するように配置されており、導入口１２及び導出口１３は、加熱素子８よりも下方において、下側の磁性体２を挟んで水平方向に対向している。

これにより、導入口１２から測定室１１内に導入される測定ガスは、下側の磁性体２を迂回して導出口１３に導かれるとともに、一部が下側の磁性体２の側面に沿って加熱素子８側に導かれる。測定室１１内に対流を良好に発生させるという観点から、１対の磁性体２の各側面は、加熱素子８側に向かって徐々に先細りした円錐面により形成されていることが好ましい。

加熱素子８は、対流により冷却され、加熱素子８の温度変化に伴って、当該加熱素子８の抵抗値が変化する。対流の強さは、測定ガス中の酸素濃度に比例するため、加熱素子８の抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。加熱素子８には、本体１の外部へと延びる配線９１を介して、加熱素子８の抵抗を測定するための抵抗測定器９が接続されている。抵抗測定器９としては、加熱素子８を用いて構成されたホイートストンブリッジを例示することができるが、これに限られるものではない。

スイッチ７及び抵抗測定器９には、制御部１０が接続されている。制御部１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成であり、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、回転駆動部１８や抵抗測定器９などの各部の動作を制御することができる。

永久磁石１５、磁性体１６、永久磁石１７、回転駆動部１８及び制御部１０は、測定室１１内の磁性体２に磁力を付与するための磁力付与機構を構成している。制御部１０は、回転駆動部１８を駆動させて永久磁石１７を回転させることにより、互いに強度が異なる第１磁力状態と第２磁力状態との間で磁性体２に付与する磁力を変化させることができる。

具体的には、図１及び図２のように永久磁石１７のＮ極を上側にすれば、磁性体２に付与する磁力が強い第１磁力状態となる。一方、図１及び図２の状態から永久磁石１７を１８０°回転させ、永久磁石１７のＳ極を上側にすれば、磁性体２に付与する磁力が第１磁力状態よりも弱い第２磁力状態となる。

抵抗測定器９及び制御部１０は、加熱素子８の抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定する測定部を構成している。具体的には、第１磁力状態における加熱素子８の抵抗値（第１抵抗値）と、第２磁力状態における加熱素子８の抵抗値（第２抵抗値）とに基づいて、測定ガス中の酸素濃度が測定される。すなわち、第１抵抗値と第２抵抗値とを比較することにより、磁気風以外の要因による冷却効果を排除し、磁気風による冷却効果のみに基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。

このとき、第１磁力状態と第２磁力状態とで、同一の測定室１１内にある同一の加熱素子８の抵抗値を検出し、その抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。これにより、図１０及び図１１に示した従来例のように測定室１１１及び比較室１１２にそれぞれ設けられた加熱素子１０３，１０４の抵抗値を検出するような構成とは異なり、測定室１１１及び比較室１１２における温度分布のばらつきや、各加熱素子１０３，１０４の特性のばらつきなどに起因して、ドリフトが生じることがないため、測定精度を向上することができる。

また、図１０及び図１１に示した従来例のように測定室１１１及び比較室１１２の両方を本体１に形成する必要がないため、本体１を小型化することができる。その結果、より小型化された磁気風式酸素計を提供することができる。さらに、測定室１１１及び比較室１１２にそれぞれ設けられた加熱素子１０３，１０４間のバランスを校正するための校正ガス（例えば、窒素ガス）が不要になるため、ランニングコストを低減することができるという効果もある。

特に、本実施形態では、永久磁石１７を回転させるだけの簡単な構成で、第１磁力状態と第２磁力状態とに変化させることができる。永久磁石１７を回転させるような構成では、第１磁力状態と第２磁力状態との間で変化させる際に発熱が生じないため、熱の影響により測定室１１内の温度が変化してしまうといった悪影響を防止することができる。ただし、永久磁石１７は、回転することによって磁性体２に付与する磁力を変化させるような構成に限らず、スライドなどの他の態様で変位するような構成であってもよい。

図４は、永久磁石１７を回転させる際の態様について説明するためのタイムチャートである。本実施形態では、永久磁石１７が１８０°回転されて、永久磁石１７のＮ極の位置が図１及び図２における上側又は下側に交互に切り替えられることにより、第１磁力状態と第２磁力状態とに所定の周期で変化する。

すなわち、本実施形態に係る磁気風式酸素計の運転中は、永久磁石１７のＮ極の位置が上側の期間（第１磁力期間Ｔ１１）と、永久磁石１７のＮ極の位置が下側の期間（第２磁力期間Ｔ１２）とが交互に現れる。第１磁力期間Ｔ１１及び第２磁力期間Ｔ１２は、同じ長さであってもよいし、異なる長さであってもよい。また、第１磁力期間Ｔ１１及び第２磁力期間Ｔ１２は、それぞれ常に一定の長さであってもよいし、変化してもよい。第１磁力期間Ｔ１１及び第２磁力期間Ｔ１２の少なくとも一方を任意の時間に設定することができるような構成とすることも可能である。

このように、本実施形態では、第１磁力状態と第２磁力状態とに所定の周期で変化させることにより、各状態における加熱素子８の抵抗値を交互に検出することができる。これにより、図１０及び図１１に示すような比較室１１２が備えられていない構成であっても、交互に検出される各状態における加熱素子８の抵抗値に基づいて、定期的に測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。

図４では、永久磁石１７のＮ極の位置を変化させたときの加熱素子８の温度の変化が二点鎖線で示されている。この図４に示すように、加熱素子８の温度は、永久磁石１７のＮ極の位置が下側から上側に切り替わった後、徐々に低くなり、一定の温度で安定してから永久磁石１７のＮ極の位置が上側から下側に切り替えられる。その後、加熱素子８の温度は徐々に高くなり、一定の温度で安定してから永久磁石１７のＮ極の位置が下側から上側に切り替えられる。

この場合、永久磁石１７のＮ極の位置を上側から下側に切り替えるタイミングＰ１１（第１磁力状態）と、下側から上側に切り替えるタイミングＰ１２（第２磁力状態）とで、それぞれ加熱素子８の抵抗値を測定し、それらの抵抗値の変化に基いて測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。酸素が加熱素子８の周囲に引き込まれる力は、１対の磁性体２の間に形成される磁界の強さの２乗に比例するため、第１磁力状態と第２磁力状態との間の磁力の差分は大きいことが好ましい。したがって、上記のようなタイミングＰ１１，Ｐ１２で測定した加熱素子８の抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定すれば、高い感度で測定を行うことができる。

図５は、永久磁石１７を回転させる際の別の態様について説明するためのタイムチャートである。この図５の例では、永久磁石１７のＮ極の位置を図１及び図２における上側又は下側に交互に切り替える際の周期が、図４の例よりも短くなっている。そのため、図５に二点鎖線で示すように、加熱素子８の温度は、永久磁石１７のＮ極の位置が下側から上側に切り替わった後、徐々に低くなり、一定の低い温度で安定するよりも前に永久磁石１７のＮ極の位置が上側から下側に切り替えられる。その後、加熱素子８の温度は徐々に高くなり、一定の高い温度で安定するよりも前に永久磁石１７のＮ極の位置が下側から上側に切り替えられる。

この場合、永久磁石１７のＮ極の位置を上側から下側に切り替えるタイミングＰ２１（第１磁力状態）と、下側から上側に切り替えるタイミングＰ２２（第２磁力状態）とで、それぞれ加熱素子８の抵抗値を測定し、それらの抵抗値の変化に基いて測定ガス中の酸素濃度を測定すると、第１磁力状態と第２磁力状態との間の加熱素子８の温度の差分が図４の場合よりも小さくなる。そのため、酸素濃度の測定の感度は低下することとなるが、酸素濃度を短い周期で測定し、よりリアルタイムで測定結果を出力することが可能となる。なお、図４のような態様と、図５のような態様とで、モードを切り替えることができるような構成としてもよい。

＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る磁気風式酸素計の構成例を示した概略側断面図である。また、図７は、図６の磁気風式酸素計の概略平断面図である。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、図に同一符号を付している。この磁気風式酸素計には、中空状の本体１が備えられており、当該本体１内に測定室１１が形成されている。本体１には、それぞれ測定室１１に連通する導入口１２及び導出口１３が形成されている。

測定対象となるガス（測定ガス）は、図示しないポンプにより一定の流量で導入口１２に供給される。測定ガスは、導入口１２から測定室１１内に導入された後、当該測定室１１内を通って導出口１３から本体１の外部に流出する。測定ガスとしては、道路、焼却炉又は火力発電所といった排ガスが排出される場所で採取された空気などを例示することができるが、これに限らず、任意のガスを測定ガスとして測定室１１内に導入し、その測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。

測定室１１内には、互いに一定の空間を隔てて対向する１対の磁性体２が設けられている。各磁性体２は、例えばステンレス鋼などのように、測定ガスに対する耐食性が高い材料により形成されている。これらの磁性体２は、本体１の外部において、別の磁性体３により連結されている。当該磁性体３は、例えば鉄により形成されている。ただし、各磁性体２，３の材料は、ステンレス鋼又は鉄に限らず、他の材料により形成されていてもよいし、各磁性体２，３が同一の材料で一体的に形成されていてもよい。

磁性体３には、コイル４が巻回されている。これらの磁性体３及びコイル４により電磁石５が構成されており、当該電磁石５に電源６から電力が供給される。電源６からコイル４への通電状態は、スイッチ７により切り替えることができる。すなわち、スイッチ７をオン状態とすれば、コイル４が通電状態となることにより磁性体２，３に磁力が付与され、スイッチ７をオフ状態とすれば、コイル４が非通電状態となることにより磁性体２，３への磁力の付与が解除される。

磁性体２に磁力が付与された場合には、測定室１１内に磁界が形成される。本実施形態のように、互いに一定の空間を隔てて対向する１対の磁性体２に磁力を付与した場合には、１対の磁性体２の間に強い磁界が形成される。１対の磁性体２の間の空間には、例えば金属線からなる加熱素子８が設けられている。加熱素子８は、通電時の電気抵抗により発熱する熱電素子であり、２００〜３００℃程度の温度で発熱する。測定室１１内に導入される測定ガスは、当該加熱素子８によって加熱される。

このように、本実施形態では、１対の磁性体２により測定室１１内に磁界が形成される位置に、加熱素子８が設けられている。したがって、測定ガスに酸素が含まれている場合、常磁性である酸素は、磁界が最も強い加熱素子８の周囲に引き込まれて、当該加熱素子８により加熱され、図６に矢印で示すように測定室１１内に対流が発生する。

導入口１２及び導出口１３は、１対の磁性体２の一方を挟んで対向するように配置されている。この例では、１対の磁性体２が鉛直方向に対向するように配置されており、導入口１２及び導出口１３は、加熱素子８よりも下方において、下側の磁性体２を挟んで水平方向に対向している。

これにより、導入口１２から測定室１１内に導入される測定ガスは、下側の磁性体２を迂回して導出口１３に導かれるとともに、一部が下側の磁性体２の側面に沿って加熱素子８側に導かれる。測定室１１内に対流を良好に発生させるという観点から、１対の磁性体２の各側面は、加熱素子８側に向かって徐々に先細りした円錐面により形成されていることが好ましい。

加熱素子８は、対流により生じる磁気風で冷却され、加熱素子８の温度変化に伴って、当該加熱素子８の抵抗値が変化する。磁気風の強さは、測定ガス中の酸素濃度に比例するため、加熱素子８の抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。加熱素子８には、本体１の外部へと延びる配線９１を介して、加熱素子８の抵抗を測定するための抵抗測定器９が接続されている。抵抗測定器９としては、加熱素子８を用いて構成されたホイートストンブリッジを例示することができるが、これに限られるものではない。

スイッチ７及び抵抗測定器９には、制御部１０が接続されている。制御部１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成であり、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、スイッチ７や抵抗測定器９などの各部の動作を制御することができる。

磁性体３、コイル４、電源６、スイッチ７及び制御部１０は、測定室１１内の磁性体２に磁力を付与するための磁力付与機構を構成している。制御部１０は、スイッチ７をオン状態又はオフ状態に切り替えることにより、磁性体２に磁力を付与する状態（磁力付与状態）と、磁性体２に磁力を付与しない状態（磁力解除状態）とに切り替えることができる。すなわち、スイッチ７及び制御部１０は、磁力付与状態と磁力解除状態とに切り替えることにより、測定室１１内における磁気風の有無を切り替えるための切替部を構成している。上記磁力付与状態は、磁性体２に付与する磁力が強い第１磁力状態であり、上記磁力解除状態は、磁性体２に付与する磁力が第１磁力状態よりも弱い第２磁力状態である。

抵抗測定器９及び制御部１０は、加熱素子８の抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定する測定部を構成している。具体的には、磁力付与状態における加熱素子８の抵抗値（第１抵抗値）と、磁力解除状態における加熱素子８の抵抗値（第２抵抗値）とに基づいて、測定ガス中の酸素濃度が測定される。すなわち、第１抵抗値と第２抵抗値とを比較することにより、磁気風以外の要因による冷却効果を排除し、磁気風による冷却効果のみに基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。

このとき、磁気風が発生する状態と、磁気風が発生しない状態とで、同一の測定室１１内にある同一の加熱素子８の抵抗値を検出し、その抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。これにより、図１０及び図１１に示した従来例のように測定室１１１及び比較室１１２にそれぞれ設けられた加熱素子１０３，１０４の抵抗値を検出するような構成とは異なり、測定室１１１及び比較室１１２における温度分布のばらつきや、各加熱素子１０３，１０４の特性のばらつきなどに起因して、ドリフトが生じることがないため、測定精度を向上することができる。

また、図１０及び図１１に示した従来例のように測定室１１１及び比較室１１２の両方を本体１に形成する必要がないため、本体１を小型化することができる。その結果、より小型化された磁気風式酸素計を提供することができる。さらに、測定室１１１及び比較室１１２にそれぞれ設けられた加熱素子１０３，１０４間のバランスを校正するための校正ガス（例えば、窒素ガス）が不要になるため、ランニングコストを低減することができるという効果もある。

特に、本実施形態では、磁性体２，３及びコイル４を用いて電磁石５を構成し、当該電磁石５により測定室１１内に磁界を形成することができる。これにより、コイル４への通電状態を切り替えるだけの簡単な構成で、磁力付与状態と磁力解除状態とに切り替えることができる。

図８は、コイル４への通電状態を切り替える際の態様について説明するためのタイムチャートである。本実施形態では、スイッチ７がオン状態又はオフ状態に交互に切り替えられることにより、磁力付与状態と磁力解除状態とに所定の周期で切り替えられる。

すなわち、本実施形態に係る磁気風式酸素計の運転中は、スイッチ７がオン状態の期間（磁力付与期間Ｔ３１）と、スイッチ７がオフ状態の期間（磁力解除期間Ｔ３２）とが交互に現れる。磁力付与期間Ｔ３１及び磁力解除期間Ｔ３２は、同じ長さであってもよいし、異なる長さであってもよいが、できるだけ短い時間であることが好ましい。また、磁力付与期間Ｔ３１及び磁力解除期間Ｔ３２は、それぞれ常に一定の長さであってもよいし、変化してもよい。磁力付与期間Ｔ３１及び磁力解除期間Ｔ３２の少なくとも一方を任意の時間に設定することができるような構成とすることも可能である。

このように、本実施形態では、磁力付与状態と磁力解除状態とに所定の周期で切り替えることにより、各状態における加熱素子８の抵抗値を交互に検出することができる。これにより、図１０及び図１１に示すような比較室１１２が備えられていない構成であっても、交互に検出される各状態における加熱素子８の抵抗値に基づいて、定期的に測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。

ただし、第２磁力状態は、第１磁力状態よりも磁性体２に付与する磁力が弱ければよく、本実施形態のような磁力解除状態に限られるものではない。すなわち、第１実施形態と同様に、第２磁力状態において磁性体２に磁力が全く付与されないような構成に限らず、第１磁力状態のときよりも弱い磁力が付与されるような構成であってもよい。この場合、スイッチ７によりコイル４への通電状態を切り替えるような構成に限らず、コイル４に流れる電流を変化させるような構成であってもよい。

図９は、本体１の変形例を示した概略平断面図である。この例では、導入口１２及び導出口１３が、磁性体２を挟まずに互いに対向している。すなわち、導入口１２と導出口１３とを結ぶ直線からずれた位置に、磁性体２が配置されている。また、導入口１２と導出口１３とを結ぶ直線上には、対向壁１４が配置されている。これらの構成を除き、他の構成については上記実施形態と同様であるため、同様の構成については、図に同一符号を付して詳細な説明を省略する。

対向壁１４は、導入口１２に対向する面が、例えば導入口１２と導出口１３とを結ぶ直線に対して直交しない角度で傾斜している。これにより、導入口１２から流入する測定ガスを測定室１１内の磁性体２側に導き、対流を良好に生じさせることができる。測定ガスは、測定室１１内で対流を生じさせた後、導出口１３から本体１の外部に流出する。

このように、導入口１２及び導出口１３は、本体１における任意の位置に形成することができる。したがって、導入口１２及び導出口１３は、互いに対向する位置に限らず、互いに対向しない位置に形成されていてもよい。また、対向壁１４に例示されるような流路部材を用いて、導入口１２から導出口１３へと任意の経路で測定ガスを導くことができる。

以上の実施形態では、永久磁石１７の回転位置又はコイル４への通電状態を変化させることにより、第１磁力状態と第２磁力状態とに変化させるような構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、永久磁石１７又はコイル４以外の部材を用いて、第１磁力状態と第２磁力状態とに変化させるような構成であってもよい。すなわち、互いに強度が異なる第１磁力状態と第２磁力状態との間で磁性体２に付与する磁力を変化させることができるような構成であれば、永久磁石１７又は電磁石５を用いた構成に限らず、他の任意の構成を採用することができる。

また、磁性体２は、１対に限らず複数対設けられていてもよいし、１つだけ設けられた構成であってもよい。すなわち、磁性体２によって測定室１１内に磁界を形成することができ、その磁界が形成される位置に加熱素子８が設けられた構成であれば、１対の磁性体２を用いた構成に限らず、他の任意の構成を採用することができる。

１ 本体
２ 磁性体
３ 磁性体
４ コイル
５ 電磁石
６ 電源
７ スイッチ
８ 加熱素子
９ 抵抗測定器
１０ 制御部
１１ 測定室
１２ 導入口
１３ 導出口
１４ 対向壁
１５ 永久磁石
１６ 磁性体
１７ 永久磁石
１８ 回転駆動部
９１ 配線

Claims (4)

1. 測定ガスが導入される測定室が形成された本体と、
   前記測定室内に設けられた磁性体と、
   前記磁性体に磁力を付与することにより、前記測定室内に磁界を形成するとともに、互いに強度が異なる第１磁力状態と第２磁力状態との間で前記磁性体に付与する磁力を変化させる磁力付与機構と、
   前記測定室内における磁界が形成される位置に設けられ、前記測定室内に導入される測定ガスを加熱する加熱素子と、
   前記加熱素子の抵抗値の変化に基づいて測定ガス中の酸素濃度を測定する測定部とを備えたことを特徴とする磁気風式酸素計。
2. 前記磁力付与機構は、コイルを有しており、前記コイルへの通電状態を変化させることにより前記磁性体に付与する磁力を変化させることを特徴とする請求項１に記載の磁気風式酸素計。
3. 前記磁力付与機構は、永久磁石を有しており、前記永久磁石を変位させることにより前記磁性体に付与する磁力を変化させることを特徴とする請求項１に記載の磁気風式酸素計。
4. 前記磁力付与機構は、前記第１磁力状態と前記第２磁力状態とに所定の周期で変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気風式酸素計。

Images