JP2021015040A - 磁気式酸素分析計 - Google Patents
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Abstract
【課題】酸素濃度を測定する際の演算にフーリエ変換を用いる場合に問題となる条件下であっても直線性精度が確保された検量線を得ることができる磁気式酸素分析計を提供する。【解決手段】磁気式酸素分析計１は、測定用流量センサ１１０に到達する補助ガスのうち、スパンガス測定時の測定用流量センサ１１０の出力信号に対して逆位相のゼロガス測定時の測定用流量センサ１１０の出力信号を発生させるような流量の変化を吸収する補助ガスバッファスペース１１１が、基準側補助ガス検出用流路１０８ｂの途中に形成される。【選択図】図１
Description
本発明は、磁気式酸素分析計に関する。
従来、酸素分子が磁力に吸引される性質を利用してサンプルガス（測定ガス）に含まれる酸素ガスの濃度を測定する磁気式酸素分析計が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような磁気式酸素分析計について図を参照しながら説明する。
まず、磁気式酸素分析計の測定原理について、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照しながら説明する。図３（ａ）は、酸素分子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す。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）に酸素分子を引き付ける力が作用し、酸素分子が磁界中を移動する。さらに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分子の圧力（濃度）が磁界の外と比較して高くなる。
このような測定原理を採用した従来の磁気式酸素分析計の一例を図４に示す。この磁気式酸素分析計は、サンプルガスが流れるサンプルセル１００と、サンプルガスに含まれている酸素ガスの量（酸素濃度）を検出するための検出信号を出力する検出回路２００と、検出信号を酸素濃度値に変換する処理回路３００と、を備えている。
セル本体１０１の内部にサンプル流路１０２を備える。そして、このサンプル流路１０２の軸方向の一端側に連通して設けられて外部プロセスからサンプルガスが流入するサンプルガス流入口１０３と、このサンプルガス流入口１０３の反対側であってサンプル流路１０２の軸方向の他端側に連通して設けられたサンプルガス流出口１０４とを備える。
補助ガスを供給する補助ガス供給流路１０５は、測定側補助ガス供給流路１０６ａおよび基準側補助ガス供給流路１０６ｂに分岐点Ｐ０で連通する。また、測定側補助ガス供給流路１０６ａは、測定側補助ガス流路１０７ａおよび測定側補助ガス検出用流路１０８ａに分岐点Ｐ１で連通する。また、基準側補助ガス供給流路１０６ｂは、基準側補助ガス流路１０７ｂおよび基準側補助ガス検出用流路１０８ｂに分岐点Ｐ２で連通する。
測定側補助ガス流路１０７ａの測定側補助ガス流出口１０９ａがサンプルガス流出口１０４の付近でサンプル流路１０２と連通する。また、基準側補助ガス流路１０７ｂの基準側補助ガス流出口１０９ｂがサンプルガス流出口１０４の付近でサンプル流路１０２と連通する。これら測定側補助ガス流出口１０９ａおよび基準側補助ガス流出口１０９ｂは、サンプル流路１０２の流れ方向に直交する方向であって、互いに対向するように配置されている。また、測定側補助ガス流出口１０９ａの付近のサンプル流路１０２に磁界領域Ｍｆを形成するポールピース（不図示）を備える。
測定側補助ガス供給流路１０６ａおよび測定側補助ガス流路１０７ａにより形成される流路は、基準側補助ガス供給流路１０６ｂおよび基準側補助ガス流路１０７ｂにより形成される流路と等距離であり、補助ガス供給流路１０５に流れてきた補助ガスを分流して測定側補助ガス流出口１０９ａおよび基準側補助ガス流出口１０９ｂからサンプル流路１０２に同一流量で供給する。
そして測定側補助ガス供給流路１０６ａおよび測定側補助ガス検出用流路１０８ａにより形成される流路は、基準側補助ガス供給流路１０６ｂおよび基準側補助ガス検出用流路１０８ｂにより形成される流路と等距離であり、補助ガス供給流路１０５に流れてきた補助ガスを分流して測定用流量センサ１１０の両端に同一流量で供給する。この測定用流量センサ１１０は熱型流量センサ（マスフローセンサ）であり、検出回路２００に接続されている。
検出回路２００は、測定側補助ガス検出用流路１０８ａと基準側補助ガス検出用流路１０８ｂとの間の補助ガスの流れの増減に基づく信号を、測定用流量センサ１１０から受信して増幅し、サンプルガス中の酸素濃度を検出するための検出信号として処理回路３００へ出力する。
処理回路３００は、検出回路２００から出力された検出信号を、ＡＤ変換および所定の演算により酸素濃度値に変換する。これにより、サンプルガス中の酸素濃度が測定される。なお、ここでは、処理回路３００が行う所定の演算として、フーリエ変換を含む演算が行われる場合を想定する。このようにフーリエ変換を用いる場合は、波形分離後にノイズ成分を除去して測定信号を取り出すために、波数精度が高く、高Ｓ／Ｎ比を得ることができるという特徴がある。
このような磁気式酸素分析計では、サンプルガス流入口１０３から流入するサンプルガスＦ１は、サンプルガスＦ１ａやＦ１ｂというように、サンプル流路１０２全体を流通したのち、サンプルガス流出口１０４から流出される。
また、補助ガス供給流路１０５から供給された補助ガスは、分岐点Ｐ０で測定側補助ガス供給流路１０６ａおよび基準側補助ガス供給流路１０６ｂの二方向に分流し、さらに分岐点Ｐ１，Ｐ２で二方向に分流する。
このうち、分岐点Ｐ１，Ｐ２から測定側補助ガス流路１０７ａや基準側補助ガス流路１０７ｂをそれぞれ経由する補助ガスは、その後、測定側補助ガス流出口１０９ａや基準側補助ガス流出口１０９ｂから補助ガスＦ２ａ，Ｆ２ｂとして流出する。補助ガスＦ２ａ，Ｆ２ｂは、サンプル流路１０２を流れるサンプルガスＦ１ａ，Ｆ１ｂと合流する。この合流したサンプルガスＦ１と補助ガスＦ２がサンプルガス流出口１０４へ流れる。
また、分岐点Ｐ１，Ｐ２から測定側補助ガス検出用流路１０８ａおよび基準側補助ガス検出用流路１０８ｂを経由する補助ガスにより、測定用流量センサ１１０で流量が測定される。ここで、二箇所の分岐点Ｐ１，Ｐ２で圧力が同じであるならば、測定側補助ガス検出用流路１０８ａや基準側補助ガス検出用流路１０８ｂに補助ガスが流れないため、流量が測定されないことになる。
このサンプルセル１００では、サンプルガスの流れに対して垂直（例えば図４の紙面に対して垂直に裏表に向かう方向）であって測定側補助ガス流出口１０９ａの付近で磁界が印加されており、磁界領域Ｍｆが形成されている。他方の基準側補助ガス流出口１０９ｂの近傍には磁界は印加されておらず、磁界領域は形成されていない。
上記のように酸素（常磁性の気体）は磁界の強い方に引き付けられ、その部分の圧力が上昇するという性質がある。サンプルガス中に酸素分子が含まれていない場合、サンプルガスＦ１ａが磁界領域Ｍｆを流れても酸素分子は引き寄せられず、圧力は上昇しない。したがって、測定側補助ガス流路１０７ａおよび基準側補助ガス流路１０７ｂのそれぞれから補助ガスＦ２ａ，Ｆ２ｂが流出する際の流体抵抗は同じになるため、二箇所の分岐点Ｐ１，Ｐ２で圧力が同じになり、測定用流量センサ１１０には補助ガスの流量変化が生じない。このため、検出回路２００の出力は零になる。この出力が零のときは酸素がないものと検出する。
一方、サンプルガス中に酸素分子が含まれている場合、磁界領域ＭｆにサンプルガスＦ１ａが流れると、測定側補助ガス流出口１０９ａ付近で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、測定側補助ガス流出口１０９ａからサンプル流路１０２へ補助ガスＦ２ａが流出する際の流体抵抗が増大し、流出量が減少する。逆に基準側補助ガス流出口１０９ｂの付近では磁界領域Ｍｆが印加されていないため補助ガスＦ２ｂが流出する際の流体抵抗は増大しない。補助ガスＦ２ａ，Ｆ２ｂが流出する際の流体抵抗が異なり、図４で示す分岐点Ｐ２の圧力よりも分岐点Ｐ１の圧力が高くなる。
これにより、測定側補助ガス供給流路１０６ａおよび基準側補助ガス供給流路１０６ｂに分岐点Ｐ０で、分岐する際の分流比が変化し、測定側補助ガス供給流路１０６ａから測定側補助ガス検出用流路１０８ａを流れる補助ガスの流量と、基準側補助ガス供給流路１０６ｂから基準側補助ガス検出用流路１０８ｂを流れる補助ガスの流量に差が生じ、測定側補助ガス検出用流路１０８ａから基準側補助ガス検出用流路１０８ｂへ補助ガスが流れ、測定用流量センサ１１０には補助ガスの流量の変化が生じる。検出回路２００はこの変化を検出して出力する。この出力の変化があるときは酸素があることが検出される。また、変化量の大きさに基づいて濃度が検出される。
このような磁気式酸素分析計では、特定の周期の交番磁界を磁界領域Ｍｆに発生させることにより、測定用流量センサ１１０の出力信号として、交番磁界に同期したＡＣ信号が得られる。そして、検出回路２００が、そのＡＣ信号を増幅して検出信号として出力し、処理回路３００が、その検出信号をＡＤ変換および所定の演算（フーリエ変換を含む）により酸素濃度値に変換している。
測定用流量センサ１１０の出力信号が得られる際の条件として、図５に示すように、ゼロ点信号がスパン点信号に対して同位相になる場合の条件（条件１）と、ゼロ点信号がバランスしている場合の条件（条件２）と、ゼロ点信号がスパン点信号に対して逆位相になる場合の条件（条件３）が考えられる。なお、ゼロ点信号は、ゼロ点（ゼロガス測定時）における測定用流量センサ１１０の出力信号であり、スパン点信号は、スパン点（スパンガス測定時）における測定用流量センサ１１０の出力信号である。条件１でのゼロ点信号は、磁界の印加による測定側補助ガス流出口１０９ａ付近の圧力上昇に起因するものである。条件２でのゼロ点信号は、磁界の印加による測定側補助ガス流出口１０９ａ付近の圧力変動無しに起因するものである。条件３でのゼロ点信号は、磁界の印加による測定側補助ガス流出口１０９ａ付近の圧力低下に起因するものであり、例えば、ゼロガスとして使用される窒素等の反磁性の気体（マイナス磁界の気体）の磁界からの反発による圧力低下に起因するものである。
各条件下でのサンプルガス中の酸素濃度に対する演算値の変化の例を図６に示す。ここで、演算値は、処理回路３００が検出回路２００からの検出信号に対してＡＤ変換およびフーリエ変換を行った後の値である。図６に示すように、条件１，２では、酸素濃度に対する演算値の変化が直線状になるのに対し、条件３では、酸素濃度に対する演算値の変化が低濃度域にてＶ字状になる。このように条件３では低濃度域にてＶ字状の変化になる理由は、スパン点信号に対して逆位相になる測定用流量センサ１１０の出力信号（例えばゼロ点信号）に対して、本来はマイナス符号の演算値が算出されるべきところ（図６の点線参照）、フーリエ変換では二乗和平方根の演算が行われるためにプラス符号の演算値として算出されてしまうからである。
このような演算値に基づいて校正が行われた後の各条件下でのサンプルガス中の酸素濃度に対する表示値の変化（所謂検量線）を図７に示す。ここで、表示値は、磁気式酸素分析計が備える図示しない表示部に表示される酸素濃度値であり、処理回路３００により得られた酸素濃度値でもある。図７に示すように、条件１，２では、直線性精度が確保された検量線が得られるのに対し、条件３では、低濃度域にてＶ字状になる検量線、即ち直線性精度が確保されていない検量線が得られてしまうという問題がある。なお、条件３での検量線では、符号判別不可の濃度域（上述のマイナス符号の演算値が得られるべきところプラス符号の演算値が得られてしまう濃度域）において、酸素濃度値がマイナス側へ推移することとなる。
本発明は、上記実状に鑑み、酸素濃度を測定する際の演算にフーリエ変換を用いる場合に問題となる条件下であっても直線性精度が確保された検量線を得ることができる磁気式酸素分析計を提供することを目的の１つとする。
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、前記サンプル流路の両端に形成されたサンプルガス流入口およびサンプルガス流出口と、補助ガスが供給される補助ガス供給流路から分岐して補助ガスが流れる測定側補助ガス供給流路および基準側補助ガス供給流路と、前記測定側補助ガス供給流路から分岐して補助ガスが流れる測定側補助ガス検出用流路および測定側補助ガス流路と、前記基準側補助ガス供給流路から分岐して補助ガスが流れる基準側補助ガス検出用流路および基準側補助ガス流路と、前記サンプルガス流出口側の前記サンプル流路に互いに対向して設けられて補助ガスを流出させる前記測定側補助ガス流路の測定側補助ガス流出口および前記基準側補助ガス流路の基準側補助ガス流出口と、前記測定側補助ガス検出用流路および前記基準側補助ガス検出用流路の両側から流入する補助ガスの差の流量に応じた信号を出力する測定用流量センサと、を備え、前記測定側補助ガス流出口の付近の前記サンプル流路に形成した磁界領域へ酸素分子を引き付けたときの圧力上昇により生じる前記測定側補助ガス検出用流路および前記測定側補助ガス流路の流量変化に応じた信号を前記測定用流量センサが出力して、当該信号に基づく信号を、フーリエ変換を含む演算により酸素濃度値に変換する磁気式酸素分析計であって、前記測定用流量センサに到達する補助ガスのうち、スパンガス測定時の前記測定用流量センサの出力信号に対して逆位相のゼロガス測定時の前記測定用流量センサの出力信号を発生させるような流量の変化を吸収する補助ガスバッファスペースが、前記基準側補助ガス検出用流路の途中に形成される。
本発明によれば、酸素濃度を測定する際の演算にフーリエ変換を用いる場合に問題となる条件下であっても直線性精度が確保された検量線を得ることができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態に係る磁気式酸素分析計の一例を示す図である。図１に示すように、磁気式酸素分析計１は、サンプルセル１０と、検出回路２００と、処理回路３００とを備えている。図４を用いて説明した従来の磁気式酸素分析計と比較すると、そのサンプルセル１００内に、さらに、補助ガスバッファスペース１１１を設けたことが新規な点である。以下、図４を用いて説明した従来の磁気式酸素分析計と同じ構成については同じ符号を付すとともに重複する説明を省略し、新規に設けられた補助ガスバッファスペース１１１について説明する。
補助ガスバッファスペース１１１は、磁界領域が付近に形成されない基準側補助ガス流出口１０９ｂを有する基準側補助ガス流路１０７ｂと分岐点Ｐ２で連通する基準側補助ガス検出用流路１０８ｂの途中に形成される空間である。補助ガスバッファスペース１１１は、測定用流量センサ１１０に到達する補助ガスのうち、スパン点信号に対して逆位相のゼロ点信号を発生させるような流量の変化を吸収する目的で設けられ、その目的が達成される程度の空間容量を有する。これにより、例えば、ゼロガスとして使用される窒素等の反磁性の気体の磁界からの反発に起因する流量変化を補助ガスバッファスペース１１１で吸収することができ、ゼロ点信号がスパン点信号に対して逆位相になることを防止することができる。その結果、上述の条件３においてフーリエ変換等を行う処理回路３００での演算値に基づいて校正が行われた後の検量線で問題になっていた直線性が改善され、直線性精度が確保された検量線を得ることが可能になる。また、フーリエ変換を用いる場合の特徴である、波数精度が高く、高Ｓ／Ｎ比を得ることができる、という効果も得られる。
磁気式酸素分析計１は、図２に示すように、さらに、測定側補助ガス絞り調整機構１１２ａおよび基準側補助ガス絞り調整機構１１２ｂを測定側補助ガス供給流路１０６ａおよび基準側補助ガス供給流路１０６ｂに設けるように変形してもよい。この場合、測定側補助ガス絞り調整機構１１２ａおよび基準側補助ガス絞り調整機構１１２ｂは、分岐点Ｐ０から等距離の位置に設けられる。
測定側補助ガス絞り調整機構１１２ａおよび基準側補助ガス絞り調整機構１１２ｂは、測定側補助ガス供給流路１０６ａおよび基準側補助ガス供給流路１０６ｂの流路体積が等しくなるように微調整を可能にする絞りである。図示はしないが、例えば、先端が流路に接するような送りネジを形成し、ネジの位置により流路体積を変化させるような機構である。これにより、機械的要因による流路体積の非対称性を調整することができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。
１ 磁気式酸素分析計
１０、１００ サンプルセル
１０１ セル本体
１０２ サンプル流路
１０３ サンプルガス流入口
１０４ サンプルガス流出口
１０５ 補助ガス供給流路
１０６ａ 測定側補助ガス供給流路
１０６ｂ 基準側補助ガス供給流路
１０７ａ 測定側補助ガス流路
１０７ｂ 基準側補助ガス流路
１０８ａ 測定側補助ガス検出用流路
１０８ｂ 基準側補助ガス検出用流路
１０９ａ 測定側補助ガス流出口
１０９ｂ 基準側補助ガス流出口
１１０ 測定用流量センサ
１１１ 補助ガスバッファスペース
１１２ａ 測定側補助ガス絞り調整機構
１１２ｂ 基準側補助ガス絞り調整機構
２００ 検出回路
３００ 処理回路
１０、１００ サンプルセル
１０１ セル本体
１０２ サンプル流路
１０３ サンプルガス流入口
１０４ サンプルガス流出口
１０５ 補助ガス供給流路
１０６ａ 測定側補助ガス供給流路
１０６ｂ 基準側補助ガス供給流路
１０７ａ 測定側補助ガス流路
１０７ｂ 基準側補助ガス流路
１０８ａ 測定側補助ガス検出用流路
１０８ｂ 基準側補助ガス検出用流路
１０９ａ 測定側補助ガス流出口
１０９ｂ 基準側補助ガス流出口
１１０ 測定用流量センサ
１１１ 補助ガスバッファスペース
１１２ａ 測定側補助ガス絞り調整機構
１１２ｂ 基準側補助ガス絞り調整機構
２００ 検出回路
３００ 処理回路
Claims (2)
- サンプル流路と、
前記サンプル流路の両端に形成されたサンプルガス流入口およびサンプルガス流出口と、
補助ガスが供給される補助ガス供給流路から分岐して補助ガスが流れる測定側補助ガス供給流路および基準側補助ガス供給流路と、
前記測定側補助ガス供給流路から分岐して補助ガスが流れる測定側補助ガス検出用流路および測定側補助ガス流路と、
前記基準側補助ガス供給流路から分岐して補助ガスが流れる基準側補助ガス検出用流路および基準側補助ガス流路と、
前記サンプルガス流出口側の前記サンプル流路に互いに対向して設けられて補助ガスを流出させる前記測定側補助ガス流路の測定側補助ガス流出口および前記基準側補助ガス流路の基準側補助ガス流出口と、
前記測定側補助ガス検出用流路および前記基準側補助ガス検出用流路の両側から流入する補助ガスの差の流量に応じた信号を出力する測定用流量センサと、
を備え、前記測定側補助ガス流出口の付近の前記サンプル流路に形成した磁界領域へ酸素分子を引き付けたときの圧力上昇により生じる前記測定側補助ガス検出用流路および前記測定側補助ガス流路の流量変化に応じた信号を前記測定用流量センサが出力して、当該信号に基づく信号を、フーリエ変換を含む演算により酸素濃度値に変換する磁気式酸素分析計において、
前記測定用流量センサに到達する補助ガスのうち、スパンガス測定時の前記測定用流量センサの出力信号に対して逆位相のゼロガス測定時の前記測定用流量センサの出力信号を発生させるような流量の変化を吸収する補助ガスバッファスペースが、前記基準側補助ガス検出用流路の途中に形成される、
ことを特徴とする磁気式酸素分析計。 - 前記測定側補助ガス供給流路の流路体積を調整する測定側補助ガス絞り調整機構が前記測定側補助ガス供給流路に設けられると共に、前記基準側補助ガス供給流路の流路体積を調整する基準側補助ガス絞り調整機構が前記基準側補助ガス供給流路に設けられる、
ことを特徴とする請求項１記載の磁気式酸素分析計。
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|---|---|---|---|
| JP2019129769A JP2021015040A (ja) | 2019-07-12 | 2019-07-12 | 磁気式酸素分析計 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2021015040A true JP2021015040A (ja) | 2021-02-12 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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2019
- 2019-07-12 JP JP2019129769A patent/JP2021015040A/ja not_active Withdrawn
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