JP2928306B2 - ガスの熱伝導率測定方法およびその装置 - Google Patents
ガスの熱伝導率測定方法およびその装置Info
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- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は、ガスの熱伝導率を測定する新規な方法お
よび新規な装置に関する。この発明は、これに限定され
るわけではないが特に、混合ガスの組成を、その熱伝導
率を測定することにより測定するための方法および装置
に関し、これはたとえば溶融金属のガス含有量の測定に
利用される。
よび新規な装置に関する。この発明は、これに限定され
るわけではないが特に、混合ガスの組成を、その熱伝導
率を測定することにより測定するための方法および装置
に関し、これはたとえば溶融金属のガス含有量の測定に
利用される。
従来技術の概要 ガスの熱伝導率の測定についての商業的に重要な適用
例は、溶融金属、特にアルミニウムおよびその合金の物
体中のガス、特に水素の量を決定することである。所定
少量の水素（たとえば0.1〜0.15mlH2/100g金属）より多
量の水素が存在することは、金属の特性に悪影響を与え
ることになり、したがって含有量がこの数値より低いこ
とを保証するため、正確な測定が必要になる。
例は、溶融金属、特にアルミニウムおよびその合金の物
体中のガス、特に水素の量を決定することである。所定
少量の水素（たとえば0.1〜0.15mlH2/100g金属）より多
量の水素が存在することは、金属の特性に悪影響を与え
ることになり、したがって含有量がこの数値より低いこ
とを保証するため、正確な測定が必要になる。
実際には、1988年12月21日に発行された、欧州特許公
開第A10295798号公報に開示されるような適切な多孔性
プローブ（さぐり針）が、溶融金属内に浸入され、窒素
のような担持ガスがプローブとカサロメータとの間の閉
ループ内を循環される。金属中に溶解されたガスは、そ
の金属中での濃度に比例して担持ガスに同伴され、ここ
で同伴ガスおよび担持ガスの熱伝導率が十分に相違して
いる場合は、基準ガスを構成する担持ガスのみについ
て、そしてテストガスを構成する結果としての混合物に
ついて、このパラメータに関するカサロメータによる測
定が、金属中に溶解されたガスの濃度を決定するために
利用され得る。
開第A10295798号公報に開示されるような適切な多孔性
プローブ（さぐり針）が、溶融金属内に浸入され、窒素
のような担持ガスがプローブとカサロメータとの間の閉
ループ内を循環される。金属中に溶解されたガスは、そ
の金属中での濃度に比例して担持ガスに同伴され、ここ
で同伴ガスおよび担持ガスの熱伝導率が十分に相違して
いる場合は、基準ガスを構成する担持ガスのみについ
て、そしてテストガスを構成する結果としての混合物に
ついて、このパラメータに関するカサロメータによる測
定が、金属中に溶解されたガスの濃度を決定するために
利用され得る。
これまで一般的に利用されてきたカサロメータ装置の
一タイプのものは、抵抗ブリッジの２つの対向アームと
して電気的に接続される２つのセルを利用しており、セ
ルの一方は基準ガスを受容または包含して、基準セルを
構成しており、また他方のセルは測定されるべきテスト
ガスの流れを受容して、測定セルを構成している。各セ
ルは加熱される微細白金ワイヤを包含し、その白金の抵
抗はその温度に依存しており、セルを通過するガスによ
るワイヤの冷却量はガスの熱伝導率に依存しており、こ
れは、異なるガスについて異なる値を有することから、
ガス組成により通常は変化する。その結果としての測定
セルの抵抗の変化がブリッジをアンバランス化し、その
アンバランス電圧値はテストガスの熱伝導率の関数であ
る。
一タイプのものは、抵抗ブリッジの２つの対向アームと
して電気的に接続される２つのセルを利用しており、セ
ルの一方は基準ガスを受容または包含して、基準セルを
構成しており、また他方のセルは測定されるべきテスト
ガスの流れを受容して、測定セルを構成している。各セ
ルは加熱される微細白金ワイヤを包含し、その白金の抵
抗はその温度に依存しており、セルを通過するガスによ
るワイヤの冷却量はガスの熱伝導率に依存しており、こ
れは、異なるガスについて異なる値を有することから、
ガス組成により通常は変化する。その結果としての測定
セルの抵抗の変化がブリッジをアンバランス化し、その
アンバランス電圧値はテストガスの熱伝導率の関数であ
る。
一貫した結果をもたらすカサロメータ装置の製造およ
び作動は、多くの困難をもたらす。先ず、静的および動
的補正回路素子（エレメント）を必要としないでバラン
ス化され得るブリッジを提供するために、十分に近似し
た静的および動的特性を有する２つのカサロメータセル
を、商業的に製造することが困難である。２つのセルは
可能な限り同一温度に近接して保持されなければならな
いが、これは、測定セルのフィラメントが必要なアンバ
ランスをもたらすために本来的に温度を変化する時、達
成することが困難である。したがって、２つのセルを所
定標準温度に維持し、その応答を可能な限り緊密に適合
させるようにすることが通常である。溶融アルミニウム
中の水素ガス濃度の典型的な範囲は0.1〜0.3mlH2/100g
で、これは担持ガスにおける１〜９容積％に相当する
が、このパーセンテージは25％まで高くすることが可能
であり、またこのタイプのカサロメータが0.4より高い
値を測定することが不可能であることが知られており、
そこでこれらの高い数値の正確な測定が不可能になる。
び作動は、多くの困難をもたらす。先ず、静的および動
的補正回路素子（エレメント）を必要としないでバラン
ス化され得るブリッジを提供するために、十分に近似し
た静的および動的特性を有する２つのカサロメータセル
を、商業的に製造することが困難である。２つのセルは
可能な限り同一温度に近接して保持されなければならな
いが、これは、測定セルのフィラメントが必要なアンバ
ランスをもたらすために本来的に温度を変化する時、達
成することが困難である。したがって、２つのセルを所
定標準温度に維持し、その応答を可能な限り緊密に適合
させるようにすることが通常である。溶融アルミニウム
中の水素ガス濃度の典型的な範囲は0.1〜0.3mlH2/100g
で、これは担持ガスにおける１〜９容積％に相当する
が、このパーセンテージは25％まで高くすることが可能
であり、またこのタイプのカサロメータが0.4より高い
値を測定することが不可能であることが知られており、
そこでこれらの高い数値の正確な測定が不可能になる。
これらの問題を避けるため、単一セルを利用するカサ
ロメータを提供する試みがなされている。米国特許第4,
685,325号明細書にこの種の単一セル型カサロメータが
開示されており、そこではセルは、そのフィラメントを
加熱するため定電流源から電流を供給される。バランス
化回路がセルを横切って接続されて、この定電流源に対
して電流をバランス化させており、したがって担持ガス
のみがセルを通過する時は、出力電圧は零であり、フィ
ラメントを横切って展開される電圧変化は、担持ガス中
の水素の割合いの関数である。
ロメータを提供する試みがなされている。米国特許第4,
685,325号明細書にこの種の単一セル型カサロメータが
開示されており、そこではセルは、そのフィラメントを
加熱するため定電流源から電流を供給される。バランス
化回路がセルを横切って接続されて、この定電流源に対
して電流をバランス化させており、したがって担持ガス
のみがセルを通過する時は、出力電圧は零であり、フィ
ラメントを横切って展開される電圧変化は、担持ガス中
の水素の割合いの関数である。
発明の定義 この発明の主目的は、カサロメータを利用してガスの
熱伝導率を測定する新規な方法を提供することである。
熱伝導率を測定する新規な方法を提供することである。
別の主目的は、単一の温度感応性カサロメータ素子を
利用する、前述のような測定のための新規なカサロメー
タ装置を提供することである。
利用する、前述のような測定のための新規なカサロメー
タ装置を提供することである。
この発明において、温度／抵抗特性を有する単一のカ
サロメータ素子を備えるカサロメータを利用して、ガス
熱伝導率を測定するための方法であって、 電源から電気リードを介してカサロメータ素子に電力
を供給し、該素子を所定温度値および対応する抵抗値に
加熱すること； 前記リードを各等温熱シンクに取付けて、その漏洩熱
抵抗を安定させること； 熱伝導率が測定されるべきテストガスをカサロメータ
素子上を通過させ、その温度を所定値から、そしてその
抵抗をその対応値から変化させること； 素子の抵抗の変化を利用して、素子に対する電力の供
給を変化させ、その温度を所定値に、そしてその抵抗を
対応する値に復帰させること；および 所定値に復帰された温度を有するテストガスの存在化
で素子に供給される電力量を測定し、テストガスの熱伝
導率を決定すること、からなることを特徴とする測定方
法、 が提供される。
サロメータ素子を備えるカサロメータを利用して、ガス
熱伝導率を測定するための方法であって、 電源から電気リードを介してカサロメータ素子に電力
を供給し、該素子を所定温度値および対応する抵抗値に
加熱すること； 前記リードを各等温熱シンクに取付けて、その漏洩熱
抵抗を安定させること； 熱伝導率が測定されるべきテストガスをカサロメータ
素子上を通過させ、その温度を所定値から、そしてその
抵抗をその対応値から変化させること； 素子の抵抗の変化を利用して、素子に対する電力の供
給を変化させ、その温度を所定値に、そしてその抵抗を
対応する値に復帰させること；および 所定値に復帰された温度を有するテストガスの存在化
で素子に供給される電力量を測定し、テストガスの熱伝
導率を決定すること、からなることを特徴とする測定方
法、 が提供される。
またこの発明において、テストガスのガス熱伝導率を
測定する新規な装置であって、 温度／抵抗特性を有する単一のカサロメータ素子を利
用するカサロメータ； カサロメータ素子に各等温熱シンクに取付けられた電
気リードを介して電力を供給し、該素子を所定温度値お
よび対応抵抗値に加熱する電力供給装置； 単一カサロメータ素子にテストガスを供給し、その温
度を所定値から変化させ、かつその抵抗をその対応値か
ら変化させる装置； 抵抗の変化に応答してカサロメータ素子に供給される
電力量を変化させ、その温度を所定値に、そしてその抵
抗をその対応値に維持する制御装置；および テストガスの存在状態において、カサロメータ素子を
その所定温度に維持するために必要な電力量を測定し、
テストガスの熱伝導率の測定値を提示する装置、 を備えることを特徴とする測定装置、 が提供される。
測定する新規な装置であって、 温度／抵抗特性を有する単一のカサロメータ素子を利
用するカサロメータ； カサロメータ素子に各等温熱シンクに取付けられた電
気リードを介して電力を供給し、該素子を所定温度値お
よび対応抵抗値に加熱する電力供給装置； 単一カサロメータ素子にテストガスを供給し、その温
度を所定値から変化させ、かつその抵抗をその対応値か
ら変化させる装置； 抵抗の変化に応答してカサロメータ素子に供給される
電力量を変化させ、その温度を所定値に、そしてその抵
抗をその対応値に維持する制御装置；および テストガスの存在状態において、カサロメータ素子を
その所定温度に維持するために必要な電力量を測定し、
テストガスの熱伝導率の測定値を提示する装置、 を備えることを特徴とする測定装置、 が提供される。
さらにこの発明において、担持ガスに同伴されるテス
トガスの割合いを決定するためのカサロメータの作動方
法であって、担持ガスおよびテストガスの混合体をカサ
ロメータを通して第１持続時間通過させ、その後第１測
定を行い、それからカサロメータを担持ガスにより浄化
し、混合ガスを除去し、かつ第１測定後短時間内に第２
測定を行い、それから第１および第２測定値を比較して
決定を行う方法において、 電力をカサロメータ素子（10）に供給するための電源
に接続される電気リード（44a,44b）を有するカサロメ
ータを作動するためのものであって、リードからの熱の
漏洩がカサロメータによる測定の感度に影響するものに
おいて、前記リードを各等温熱シンク（46a,46b）に取
付けて、その漏洩熱抵抗を安定化させることを特徴とす
る方法が提供される。
トガスの割合いを決定するためのカサロメータの作動方
法であって、担持ガスおよびテストガスの混合体をカサ
ロメータを通して第１持続時間通過させ、その後第１測
定を行い、それからカサロメータを担持ガスにより浄化
し、混合ガスを除去し、かつ第１測定後短時間内に第２
測定を行い、それから第１および第２測定値を比較して
決定を行う方法において、 電力をカサロメータ素子（10）に供給するための電源
に接続される電気リード（44a,44b）を有するカサロメ
ータを作動するためのものであって、リードからの熱の
漏洩がカサロメータによる測定の感度に影響するものに
おいて、前記リードを各等温熱シンク（46a,46b）に取
付けて、その漏洩熱抵抗を安定化させることを特徴とす
る方法が提供される。
さらにこの発明において、テストガスのガス熱伝導率
の測定のためのカサロメータ電気回路であって、温度抵
抗特性を有するカサロメータ素子を備えるカサロメータ
を包含する電気回路、を作動操作する方法であって、 抵抗がカサロメータ素子と直列に回路の基準点に接続
されていること； 抵抗およびカサロメータ素子が同一電源から電流を供
給されて、それを横切ってそれぞれの抵抗に対応する電
圧を確定し、その一方の電圧が前記基準点において測定
可能であること； 基準点に直接接続されていない抵抗およびカサロメー
タ素子の少なくとも他方の一つを横切る電圧が、基準点
に接続される別の回路素子に移送されること；および 共通の基準点を有する電圧が比較され、回路により抵
抗およびカサロメータ素子に供給される電流が、前記比
較量に対応して制御されること、を特徴とする方法が提
供される。
の測定のためのカサロメータ電気回路であって、温度抵
抗特性を有するカサロメータ素子を備えるカサロメータ
を包含する電気回路、を作動操作する方法であって、 抵抗がカサロメータ素子と直列に回路の基準点に接続
されていること； 抵抗およびカサロメータ素子が同一電源から電流を供
給されて、それを横切ってそれぞれの抵抗に対応する電
圧を確定し、その一方の電圧が前記基準点において測定
可能であること； 基準点に直接接続されていない抵抗およびカサロメー
タ素子の少なくとも他方の一つを横切る電圧が、基準点
に接続される別の回路素子に移送されること；および 共通の基準点を有する電圧が比較され、回路により抵
抗およびカサロメータ素子に供給される電流が、前記比
較量に対応して制御されること、を特徴とする方法が提
供される。
さらにこの発明において、テストガスのガス熱伝導率
を測定する装置であって、 温度／抵抗特性を有するカサロメータ素子と、カサロ
メータ素子に電力を供給する供給装置、とを利用するカ
サロメータを備えると共に、 抵抗がカサロメータ素子に直列に接続されること； 供給装置が直列のカサロメータ素子および抵抗に電力
を供給し、それぞれを横切ってそれぞれの抵抗に対応す
る電圧を発生すること； 制御装置がこうして発生された電圧の少なくとも一つ
を第１移送電圧として、他の電圧を有する回路の共通基
準点に移送すること；および 比較装置が共通基準点を有する２つの電圧を比較し、
２つの電圧の比較量にしたがって直列のカサロメータ素
子および抵抗に対する電力供給量を制御すること、 を特徴とする装置が提供される。
を測定する装置であって、 温度／抵抗特性を有するカサロメータ素子と、カサロ
メータ素子に電力を供給する供給装置、とを利用するカ
サロメータを備えると共に、 抵抗がカサロメータ素子に直列に接続されること； 供給装置が直列のカサロメータ素子および抵抗に電力
を供給し、それぞれを横切ってそれぞれの抵抗に対応す
る電圧を発生すること； 制御装置がこうして発生された電圧の少なくとも一つ
を第１移送電圧として、他の電圧を有する回路の共通基
準点に移送すること；および 比較装置が共通基準点を有する２つの電圧を比較し、
２つの電圧の比較量にしたがって直列のカサロメータ素
子および抵抗に対する電力供給量を制御すること、 を特徴とする装置が提供される。
この発明の特別の好ましい実施例が、図面を参照して
例示的に説明される。
例示的に説明される。
好ましい実施例の説明 ここに特別に述べられるこの発明の装置は、サーミス
タ10を温度感応性カサロメータ素子として利用し、その
電気抵抗はその絶対温度により変化し、またその抵抗の
絶対値は、所定温度値に対して十分に一定である。図示
の実施例においてはサーミスタは、通常の比較的重量が
ある比較的重い金属製カサロメータ包囲体12内に取付け
られ、これにはガス流入口14およびガス流出口16が設け
られ、テストおよび基準ガスの各流れは、包囲体内部に
送られる。この実施例において、素子は抵抗Ｒの固定抵
抗18に直列に接続され、連結部20を有する第１分圧器を
提供しており、連結部20に電圧V1が生じ、分圧器は電源
22から電力を供給される。
タ10を温度感応性カサロメータ素子として利用し、その
電気抵抗はその絶対温度により変化し、またその抵抗の
絶対値は、所定温度値に対して十分に一定である。図示
の実施例においてはサーミスタは、通常の比較的重量が
ある比較的重い金属製カサロメータ包囲体12内に取付け
られ、これにはガス流入口14およびガス流出口16が設け
られ、テストおよび基準ガスの各流れは、包囲体内部に
送られる。この実施例において、素子は抵抗Ｒの固定抵
抗18に直列に接続され、連結部20を有する第１分圧器を
提供しており、連結部20に電圧V1が生じ、分圧器は電源
22から電力を供給される。
それぞれ抵抗R1およびR2を有する２つの直列接続され
た固定抵抗24および26は、第２基準分圧器を構成すると
共に、これも電源22から供給され、かつ微分増幅器32の
一つの入力端子30に接続されて、そこに基準電圧V2を適
用する連結部28を備え、連結部20は他方の増幅器入力端
子34に接続される。増幅器は端子36から電力を供給さ
れ、かつ始動負荷抵抗38が電源22と回路との間に接続さ
れて、セルに適用される始動電圧（正または負）を設定
する。
た固定抵抗24および26は、第２基準分圧器を構成すると
共に、これも電源22から供給され、かつ微分増幅器32の
一つの入力端子30に接続されて、そこに基準電圧V2を適
用する連結部28を備え、連結部20は他方の増幅器入力端
子34に接続される。増幅器は端子36から電力を供給さ
れ、かつ始動負荷抵抗38が電源22と回路との間に接続さ
れて、セルに適用される始動電圧（正または負）を設定
する。
サーミスタ10はそれ自体を通る電流により加熱され、
その温度が増大するにつれて、その抵抗は減少し、V1の
値が減少する。電位V1およびV2が等しくない場合、増幅
器32はその差に比例してその出力電圧に変化を生じ、こ
れがサーミスタをさらに加熱し、したがってその抵抗が
さらに減少して、最終的にバランス状態に到達し、その
点において素子は、安定温度および対応安定抵抗値にあ
る。この安定状態において、一定電圧V0が増幅器の出力
端子40に発生され、出力端子42間において測定され得
る。さらに高い熱伝導率を有するガス流がここでカサロ
メータ内に導入された場合は、サーミスタ10は冷却し、
その結果その電気抵抗は増大し、V1が減少し、その結
果、電圧V0が増大し、サーミスタおよび抵抗18を通る電
流が増大し、サーミスタに適用される電力（毎秒当りの
エネルギー）が増大し、最終的にその温度および抵抗が
所定値まで復帰される。電圧V0の新しい値は下式によ
り、流れ中の混合ガスのガス熱伝導率に対して相関され
る； ここで、 Ｒは抵抗18の抵抗値、 R1は抵抗26の抵抗値、 R2は抵抗24の抵抗値、 Ｇは、カサロメータセルおよびサーミスタの幾何形状、
およびセル内での配置状態に基づくカサロメータの幾何
学的定数、 Ttはサーミスタ10の温度であり、可能な限り一定とされ
る、 Tbはケルビン値で測定されたカサロメータ本体の周囲温
度、 KLは、サーミスタ電気リード線による熱損失（漏洩）に
対応する等価ガス熱伝導率で、可能な限り小さく、かつ
一定に維持される、 Kiは、サーミスタ10の熱抵抗に対応する等価ガス熱伝導
率で、したがって一定である、 Kmは決定されるべきテストガスの熱伝導率で、したがっ
て変動性である。
その温度が増大するにつれて、その抵抗は減少し、V1の
値が減少する。電位V1およびV2が等しくない場合、増幅
器32はその差に比例してその出力電圧に変化を生じ、こ
れがサーミスタをさらに加熱し、したがってその抵抗が
さらに減少して、最終的にバランス状態に到達し、その
点において素子は、安定温度および対応安定抵抗値にあ
る。この安定状態において、一定電圧V0が増幅器の出力
端子40に発生され、出力端子42間において測定され得
る。さらに高い熱伝導率を有するガス流がここでカサロ
メータ内に導入された場合は、サーミスタ10は冷却し、
その結果その電気抵抗は増大し、V1が減少し、その結
果、電圧V0が増大し、サーミスタおよび抵抗18を通る電
流が増大し、サーミスタに適用される電力（毎秒当りの
エネルギー）が増大し、最終的にその温度および抵抗が
所定値まで復帰される。電圧V0の新しい値は下式によ
り、流れ中の混合ガスのガス熱伝導率に対して相関され
る； ここで、 Ｒは抵抗18の抵抗値、 R1は抵抗26の抵抗値、 R2は抵抗24の抵抗値、 Ｇは、カサロメータセルおよびサーミスタの幾何形状、
およびセル内での配置状態に基づくカサロメータの幾何
学的定数、 Ttはサーミスタ10の温度であり、可能な限り一定とされ
る、 Tbはケルビン値で測定されたカサロメータ本体の周囲温
度、 KLは、サーミスタ電気リード線による熱損失（漏洩）に
対応する等価ガス熱伝導率で、可能な限り小さく、かつ
一定に維持される、 Kiは、サーミスタ10の熱抵抗に対応する等価ガス熱伝導
率で、したがって一定である、 Kmは決定されるべきテストガスの熱伝導率で、したがっ
て変動性である。
この等式は、ここに記載されるカサロメータ回路の作
動を述べる熱モデルを包含し、３つの部分から構成され
るものと考えることができる。抵抗値を含む左側部分
は、回路の形態の電気依存性を説明している。温度値を
含む中央部分は重要な結果、すなわちTtの値が一定であ
り、これが、温度計のような独立の測定器具を用いるこ
とによりTbが正確に知られなければならないか、あるい
はTbが実質的に変化されず、このファクターが最終結果
から削除され得る時は、相互に極めて近接する２つの測
定値の比率が利用されることを意味する、という事実結
果を意味している。等式の右側部分は、カサロメータの
作動を特別に単純化しているものの、十分に正確な熱モ
デルを説明している。パラメータの一つは測定されるべ
き未知値Kmであり、したがってKiおよびKLについて適切
な値を得ることが必要であり、これらの値は所定温度に
おいて行われる任意の３つの既知ガス、好ましくは窒
素，アルゴンおよびヘリウム（または水素）の測定から
得られ、これらの値は得られるV0値の比から得られる。
動を述べる熱モデルを包含し、３つの部分から構成され
るものと考えることができる。抵抗値を含む左側部分
は、回路の形態の電気依存性を説明している。温度値を
含む中央部分は重要な結果、すなわちTtの値が一定であ
り、これが、温度計のような独立の測定器具を用いるこ
とによりTbが正確に知られなければならないか、あるい
はTbが実質的に変化されず、このファクターが最終結果
から削除され得る時は、相互に極めて近接する２つの測
定値の比率が利用されることを意味する、という事実結
果を意味している。等式の右側部分は、カサロメータの
作動を特別に単純化しているものの、十分に正確な熱モ
デルを説明している。パラメータの一つは測定されるべ
き未知値Kmであり、したがってKiおよびKLについて適切
な値を得ることが必要であり、これらの値は所定温度に
おいて行われる任意の３つの既知ガス、好ましくは窒
素，アルゴンおよびヘリウム（または水素）の測定から
得られ、これらの値は得られるV0値の比から得られる。
関係式の左側部分はカサロメータの特別の電気回路に
依存するから、それ自体回路定数と見ることができ、そ
の場合、関係式は他のタイプのカサロメータにも適用で
きる、さらに一般的な下記形態を有する； 素子10に供給される総電力は下記関係式により決定さ
れる； その温度を維持するものはサーミスタ10に供給される
電力量（毎秒当りのエネルギー）であるから、回路のす
べての抵抗が既知であり、かつ一定値であるから、ガス
熱伝導率を表示する測定値を得るために、電圧または電
流を測定することができ、通常は電圧の測定が好まし
い。
依存するから、それ自体回路定数と見ることができ、そ
の場合、関係式は他のタイプのカサロメータにも適用で
きる、さらに一般的な下記形態を有する； 素子10に供給される総電力は下記関係式により決定さ
れる； その温度を維持するものはサーミスタ10に供給される
電力量（毎秒当りのエネルギー）であるから、回路のす
べての抵抗が既知であり、かつ一定値であるから、ガス
熱伝導率を表示する測定値を得るために、電圧または電
流を測定することができ、通常は電圧の測定が好まし
い。
KLの値は第２図に示されるような構成装置により、実
質的に一定の値に保持でき、その場合、サーミスタへの
リードワイヤ44aおよび44bは可能な限り短く保持される
と共に、各等温熱シンク（sink）46aおよび46bに独立し
て溶接されており、このシンクはこの実施例においては
銅プレートにより構成され、このプレートは包囲体12に
取付けられる支持ブロック48に接合されると共に、包囲
体から、そして相互に電気的に絶縁されている。ここ
で、関係式（１）には項目V0 2が見られることから、V0
が正の値か負の値かは重要なことではなく、かつこれは
Kmの測定値に何ら影響を与えない。特別の実施例におい
て、サーミスタ10はゴウ・マック・コーポレーションか
ら入手でき、これは25℃において８キロオームの内部抵
抗を有する。Ｒの値は1k、またR1およびR2の値は10k
で、これらは３つともすべて、±50ppm/℃の熱係数で１
％の許容範囲を有する金属フィルムタイプのものであ
る。増幅器はLT1013AMタイプのもので、V+およびV-の値
はそれぞれ、＋15および−15ボルトである。
質的に一定の値に保持でき、その場合、サーミスタへの
リードワイヤ44aおよび44bは可能な限り短く保持される
と共に、各等温熱シンク（sink）46aおよび46bに独立し
て溶接されており、このシンクはこの実施例においては
銅プレートにより構成され、このプレートは包囲体12に
取付けられる支持ブロック48に接合されると共に、包囲
体から、そして相互に電気的に絶縁されている。ここ
で、関係式（１）には項目V0 2が見られることから、V0
が正の値か負の値かは重要なことではなく、かつこれは
Kmの測定値に何ら影響を与えない。特別の実施例におい
て、サーミスタ10はゴウ・マック・コーポレーションか
ら入手でき、これは25℃において８キロオームの内部抵
抗を有する。Ｒの値は1k、またR1およびR2の値は10k
で、これらは３つともすべて、±50ppm/℃の熱係数で１
％の許容範囲を有する金属フィルムタイプのものであ
る。増幅器はLT1013AMタイプのもので、V+およびV-の値
はそれぞれ、＋15および−15ボルトである。
溶融アルミニウム中の水素のパーセンテージを測定す
るためにカサロメータを利用する場合、これは閉回路に
おいて、前述特許公開公報に記載されるような多孔性プ
ローブに連結される。第３図において、プローブ要素74
が示されており、これはガス透過性，液体−金属不透過
性材料の単一体からなると共に、溶融金属体76、特に溶
融アルミニウムまたはその合金中に浸入される。金属体
76は、とりべまたは実験室サンプルとして得られるよう
な静止形態、あるいは鋳造炉から通じる移送トラフにお
いて得られるような金属流の形態、とすることができ
る。微細孔チューブ78がプローブ要素の本体のガス流入
口から、非戻りバルブ82を介して再循環ポンプ80まで延
び、それから別の非戻りバルブ84を介してカサロメータ
のガス流出口16へ延びている。別の微細孔チューブ86が
本体74からのガス流出口から、カサロメータへのガス流
入口14まで延び、プローブ要素，ポンプおよびセウを包
含する閉回路が完成される。チューブ30はＴ字形連結部
を包含し、それによりガス回路が制御自在なフラッシュ
バルブ88に連結され、このバルブ88は開放された時、担
持ガス、通常は窒素を適切な供給源、通常は圧縮ガスの
シリンダ（図示しない）から回路に導入する。カサロメ
ータセルはその制御回路90に連結され、これは制御コン
ピュータ92に連結される。熱電対94がプローブ要素に機
械的に連結されて、それと共に溶融金属76中に浸入され
て、金属温度の必要な測定がなされる。熱電対94,ポン
プ80、およびフラッシュバルブ88もコンピュータ制御装
置92に連結され、制御装置92は作動の各濃度決定サイク
ルを介して装置を自動制御すると共に、サイクルの結果
を当該技術において明白な単一または複数の、表示およ
び／また記録装置に送る。
るためにカサロメータを利用する場合、これは閉回路に
おいて、前述特許公開公報に記載されるような多孔性プ
ローブに連結される。第３図において、プローブ要素74
が示されており、これはガス透過性，液体−金属不透過
性材料の単一体からなると共に、溶融金属体76、特に溶
融アルミニウムまたはその合金中に浸入される。金属体
76は、とりべまたは実験室サンプルとして得られるよう
な静止形態、あるいは鋳造炉から通じる移送トラフにお
いて得られるような金属流の形態、とすることができ
る。微細孔チューブ78がプローブ要素の本体のガス流入
口から、非戻りバルブ82を介して再循環ポンプ80まで延
び、それから別の非戻りバルブ84を介してカサロメータ
のガス流出口16へ延びている。別の微細孔チューブ86が
本体74からのガス流出口から、カサロメータへのガス流
入口14まで延び、プローブ要素，ポンプおよびセウを包
含する閉回路が完成される。チューブ30はＴ字形連結部
を包含し、それによりガス回路が制御自在なフラッシュ
バルブ88に連結され、このバルブ88は開放された時、担
持ガス、通常は窒素を適切な供給源、通常は圧縮ガスの
シリンダ（図示しない）から回路に導入する。カサロメ
ータセルはその制御回路90に連結され、これは制御コン
ピュータ92に連結される。熱電対94がプローブ要素に機
械的に連結されて、それと共に溶融金属76中に浸入され
て、金属温度の必要な測定がなされる。熱電対94,ポン
プ80、およびフラッシュバルブ88もコンピュータ制御装
置92に連結され、制御装置92は作動の各濃度決定サイク
ルを介して装置を自動制御すると共に、サイクルの結果
を当該技術において明白な単一または複数の、表示およ
び／また記録装置に送る。
典型的な測定サイクルは、制御装置92によりフラッシ
ュバルブ88が開かれることにより開始され、そこでドラ
イ窒素が圧力下で回路全体を循環され、プローブのガス
流入口および流入口の両方に流入し、プローブ要素の多
孔性本体を介して流出し、この循環は窒素のみが回路中
に残るようになるまで、十分な時間にわたって維持され
る。このフラッシュ操作は、プローブが溶融体中に下降
されるまで維持され、その時バルブ88が閉じられて、回
路中の窒素の圧力は急速に安定値に到達する。ポンプモ
ータ80の運転により、回路中の担持ガス体はそこを定常
的に循環させられる。ドライ窒素が循環中に、V0の第１
の読取りが行われる。ガスがプローブおよびカサロメー
タ間を継続的に循環される間、アルミニウムからの水素
は窒素担持ガス中に蓄積し、最終的に、それぞれの部分
圧に基づいて平衡状態に到達し、これには通常、約10分
間かかり、そしてV0の第２の読取りが行われ、それから
ガス熱伝導率が決定される。これは、従来の装置に利用
される運転手順でもある。この比較的長い時間の間に、
ブロック48および包囲体12の温度は数度変化することに
なり、その結果、第１の読取り値は、もはや有効な零読
取り値にはならない。
ュバルブ88が開かれることにより開始され、そこでドラ
イ窒素が圧力下で回路全体を循環され、プローブのガス
流入口および流入口の両方に流入し、プローブ要素の多
孔性本体を介して流出し、この循環は窒素のみが回路中
に残るようになるまで、十分な時間にわたって維持され
る。このフラッシュ操作は、プローブが溶融体中に下降
されるまで維持され、その時バルブ88が閉じられて、回
路中の窒素の圧力は急速に安定値に到達する。ポンプモ
ータ80の運転により、回路中の担持ガス体はそこを定常
的に循環させられる。ドライ窒素が循環中に、V0の第１
の読取りが行われる。ガスがプローブおよびカサロメー
タ間を継続的に循環される間、アルミニウムからの水素
は窒素担持ガス中に蓄積し、最終的に、それぞれの部分
圧に基づいて平衡状態に到達し、これには通常、約10分
間かかり、そしてV0の第２の読取りが行われ、それから
ガス熱伝導率が決定される。これは、従来の装置に利用
される運転手順でもある。この比較的長い時間の間に、
ブロック48および包囲体12の温度は数度変化することに
なり、その結果、第１の読取り値は、もはや有効な零読
取り値にはならない。
したがってこの発明の方法においては、同伴水素との
平衡状態が達成されるまで担持窒素が循環された後で、
第１の読取りが行われており、この読取りの直後、純窒
素がバルブ88を開くことにより回路中に再び流入され、
セルから混合ガスが排除され、第２の読取りが第１の読
取り後、約10〜30秒間、好ましくは15〜20秒間行われ
る。カサロメータ本体は比較的大きい熱シンク性を有
し、したがってその温度変化は極めてゆっくりであるか
ら、これらの変化の影響は最少である。水素濃度は、時
間的に接近した２つの熱伝導率の読取り値からの計算に
より決定され；温度差は最少にされているから、測定精
度は増大される。
平衡状態が達成されるまで担持窒素が循環された後で、
第１の読取りが行われており、この読取りの直後、純窒
素がバルブ88を開くことにより回路中に再び流入され、
セルから混合ガスが排除され、第２の読取りが第１の読
取り後、約10〜30秒間、好ましくは15〜20秒間行われ
る。カサロメータ本体は比較的大きい熱シンク性を有
し、したがってその温度変化は極めてゆっくりであるか
ら、これらの変化の影響は最少である。水素濃度は、時
間的に接近した２つの熱伝導率の読取り値からの計算に
より決定され；温度差は最少にされているから、測定精
度は増大される。
こうして新規装置は単一熱素子を利用し、また精度
は、カサロメータの周囲温度が10℃〜60℃の比較的広範
に変化する場合でも維持できる。このような広範な温度
変化は、たとえば装置が炉または金属移送ランナーに近
接して利用されなければならない、アルミニウム溶融設
備におけるような産業環境分野において遭遇される。こ
の精度は、カサロメータ本体の温度が0.01℃の範囲内に
あることが知られているならば、あるいは時間が接近し
た２つの読取り値が前述のように比較されるならば、単
一測定により達成され得る。サーミスタ10の温度の制御
が簡単で、その電気抵抗を制御する必要があるだけであ
ること；装置がガス温度より高いその正常温度範囲内に
おいて運転され得ること、そしてそれがその温度に一定
に維持されることのみが必要であること、が特に明らか
である。
は、カサロメータの周囲温度が10℃〜60℃の比較的広範
に変化する場合でも維持できる。このような広範な温度
変化は、たとえば装置が炉または金属移送ランナーに近
接して利用されなければならない、アルミニウム溶融設
備におけるような産業環境分野において遭遇される。こ
の精度は、カサロメータ本体の温度が0.01℃の範囲内に
あることが知られているならば、あるいは時間が接近し
た２つの読取り値が前述のように比較されるならば、単
一測定により達成され得る。サーミスタ10の温度の制御
が簡単で、その電気抵抗を制御する必要があるだけであ
ること；装置がガス温度より高いその正常温度範囲内に
おいて運転され得ること、そしてそれがその温度に一定
に維持されることのみが必要であること、が特に明らか
である。
低熱伝導率値は、±0.03％の範囲内の絶対精度におい
て測定できる。水素／窒素混合ガスにおける水素のパー
センテージの対応精度は、１％水素混合体に関して約１
％である。達成できる信号レベルは構成素子、特にサー
ミスタ10の抵抗値に依存し、その抵抗／温度特性からは
独立している。また、十分な動的信号範囲において、か
つ関連増幅器が飽和されることなく、それより高い値
（100％水素まで）を測定することができる。従来の装
置における不正確性は、測定が測定から測定まで必ずし
も一定でない温度でなされること、そしてあらゆるガス
の熱伝導率が温度により変化する、という事実からもた
らされ；この発明の方法および装置においては、効果上
は同一温度における比率であり、したがってこれらの相
違は消失し、測定が運転作動範囲において実質的に温度
に感応しないものとされる。
て測定できる。水素／窒素混合ガスにおける水素のパー
センテージの対応精度は、１％水素混合体に関して約１
％である。達成できる信号レベルは構成素子、特にサー
ミスタ10の抵抗値に依存し、その抵抗／温度特性からは
独立している。また、十分な動的信号範囲において、か
つ関連増幅器が飽和されることなく、それより高い値
（100％水素まで）を測定することができる。従来の装
置における不正確性は、測定が測定から測定まで必ずし
も一定でない温度でなされること、そしてあらゆるガス
の熱伝導率が温度により変化する、という事実からもた
らされ；この発明の方法および装置においては、効果上
は同一温度における比率であり、したがってこれらの相
違は消失し、測定が運転作動範囲において実質的に温度
に感応しないものとされる。
アルミニウムの水素含有量を決定するために用いられ
る工業的テスト装置について望ましい性能特性は、一般
的条件において、10℃〜60℃の周囲温度範囲にわたっ
て、60℃の窒素担持ガスの水素濃度１％に関して、１％
の含有量まで測定できる能力である。この精度は従来
は、実験室条件においてのみ達成されたが、この発明の
方法および装置においては、一般的条件においても達成
される。
る工業的テスト装置について望ましい性能特性は、一般
的条件において、10℃〜60℃の周囲温度範囲にわたっ
て、60℃の窒素担持ガスの水素濃度１％に関して、１％
の含有量まで測定できる能力である。この精度は従来
は、実験室条件においてのみ達成されたが、この発明の
方法および装置においては、一般的条件においても達成
される。
ソリッドステート温度感応性装置であると共に、通常
は小ビードセラミック材料からなるサーミスタは、予期
できない程特に有利に、カサロメータの温度感応素子と
して利用される。一般に、その抵抗はその対応する作動
温度に、正確かつ一様に相関を有すると共に、広範な温
度／抵抗特性を有するものが商業的に容易に入手でき、
したがって必要な広範な温度範囲10℃〜60℃に適合する
ことが可能である。またこれは、従来利用されてきたホ
ットフィラメント・カサロメータ素子の正の特性に対比
して、所望作動範囲にわたって負の温度／抵抗特性（す
なわち、抵抗が温度の増大と共に増大する）を有するも
のも入手でき、それにより付随する電気回路の設計が簡
単になる。これはさらに、加熱されるフィラメントでは
なく、物理的にさらに頑丈なものとすることができる。
は小ビードセラミック材料からなるサーミスタは、予期
できない程特に有利に、カサロメータの温度感応素子と
して利用される。一般に、その抵抗はその対応する作動
温度に、正確かつ一様に相関を有すると共に、広範な温
度／抵抗特性を有するものが商業的に容易に入手でき、
したがって必要な広範な温度範囲10℃〜60℃に適合する
ことが可能である。またこれは、従来利用されてきたホ
ットフィラメント・カサロメータ素子の正の特性に対比
して、所望作動範囲にわたって負の温度／抵抗特性（す
なわち、抵抗が温度の増大と共に増大する）を有するも
のも入手でき、それにより付随する電気回路の設計が簡
単になる。これはさらに、加熱されるフィラメントでは
なく、物理的にさらに頑丈なものとすることができる。
ビード形態のサーミスタは第4Aおよび4B図に示される
ように、その構造から得られる特別の熱的利点をカサロ
メータにおいて備えており、前記各図面はそれぞれカサ
ロメータにおけるサーミスタおよび加熱されるフィラメ
ントの典型的な取付け状態を示している。物理的に小ビ
ードからなるサーミスタ本体10は、端子ロッドにはんだ
付けされた約0.025mm（0.001in.）径の、２つの比較的
細い端子ワイヤ50により、通常は約1.25mm（0.05in.）
径の２つの比較的太い端子ロッド44aおよび44b間に取付
けられる。したがって、電流によりサーミスタ内に発生
される熱量は、カサロメータを通過するガスに対する漏
洩通路に比較して、ワイヤ50を通る比較的高い抵抗の漏
洩通路を有する。
ように、その構造から得られる特別の熱的利点をカサロ
メータにおいて備えており、前記各図面はそれぞれカサ
ロメータにおけるサーミスタおよび加熱されるフィラメ
ントの典型的な取付け状態を示している。物理的に小ビ
ードからなるサーミスタ本体10は、端子ロッドにはんだ
付けされた約0.025mm（0.001in.）径の、２つの比較的
細い端子ワイヤ50により、通常は約1.25mm（0.05in.）
径の２つの比較的太い端子ロッド44aおよび44b間に取付
けられる。したがって、電流によりサーミスタ内に発生
される熱量は、カサロメータを通過するガスに対する漏
洩通路に比較して、ワイヤ50を通る比較的高い抵抗の漏
洩通路を有する。
等式（１）を参照すると、KLの値はそれ故、Kmおよび
Kiに比較して小さく、またサーミスタに対して、KmはKL
より極めて大きく、かつKiより小さいから、その結果と
しての総熱伝導率の変動は大きく、したがって総電圧が
大きく変動する。加熱されるフィラメントはこのような
小熱流動スロットルワイヤを備えず、太い端子ロッド44
aおよび44bに直接はんだ付けされており、それから発生
熱は外部へ容易に移送される。その結果、漏洩値KLは高
く、実際にはKmの値の数倍になる。フィラメントは通常
は金属からなり、その結果、Kiも極めて高く、それ故、
発生されたほとんどの熱は、循環ガスにより除去される
ことなく、端子ロッドを介して外部へ排除されることに
なる。ガスの変化によるKmの変化は、総熱伝導率に小さ
な変動をもたらすにすぎず、その結果、出力電圧は小さ
な変動にすぎない。これは増幅器のゲインを増大するこ
とによってのみ補償され、得られる変動は、必要な感度
を与えるための増幅器の満足できる作動にとって必要な
入力オフセット電圧より低くなる。
Kiに比較して小さく、またサーミスタに対して、KmはKL
より極めて大きく、かつKiより小さいから、その結果と
しての総熱伝導率の変動は大きく、したがって総電圧が
大きく変動する。加熱されるフィラメントはこのような
小熱流動スロットルワイヤを備えず、太い端子ロッド44
aおよび44bに直接はんだ付けされており、それから発生
熱は外部へ容易に移送される。その結果、漏洩値KLは高
く、実際にはKmの値の数倍になる。フィラメントは通常
は金属からなり、その結果、Kiも極めて高く、それ故、
発生されたほとんどの熱は、循環ガスにより除去される
ことなく、端子ロッドを介して外部へ排除されることに
なる。ガスの変化によるKmの変化は、総熱伝導率に小さ
な変動をもたらすにすぎず、その結果、出力電圧は小さ
な変動にすぎない。これは増幅器のゲインを増大するこ
とによってのみ補償され、得られる変動は、必要な感度
を与えるための増幅器の満足できる作動にとって必要な
入力オフセット電圧より低くなる。
等式（１）のTt（サーミスタ温度）の値は一定である
から、その抵抗も対応して一定であり、最大出力電圧V0
を得るためには、サーミスタ抵抗は、したがって可能な
限り高くなければならない。ほとんどの商業的に入手で
きるサーミスタの温度／抵抗特性は、所定のしきい温度
値を越えると逆転するという制限が存在し、この逆転は
作動温度が増大するにつれて早く開始される。したがっ
てサーミスタは、この温度で最大抵抗値を与えるため、
60℃にしきい温度値を有するものが選定され、他の低作
動温度において抵抗が低くなるこが容認される。第５図
は、サーミスタの抵抗値Rtに対してフラット化された値
Ｂについての、異なる周囲温度における一連の曲線を示
しており、ここでＢは等式（１）から誘導される下式に
より与えられる； サーミスタは、60℃の温度においてＢの最大値を与え
るように、60℃の周囲温度で選定され、他の低周囲温度
における値は高くなることが容認される。
から、その抵抗も対応して一定であり、最大出力電圧V0
を得るためには、サーミスタ抵抗は、したがって可能な
限り高くなければならない。ほとんどの商業的に入手で
きるサーミスタの温度／抵抗特性は、所定のしきい温度
値を越えると逆転するという制限が存在し、この逆転は
作動温度が増大するにつれて早く開始される。したがっ
てサーミスタは、この温度で最大抵抗値を与えるため、
60℃にしきい温度値を有するものが選定され、他の低作
動温度において抵抗が低くなるこが容認される。第５図
は、サーミスタの抵抗値Rtに対してフラット化された値
Ｂについての、異なる周囲温度における一連の曲線を示
しており、ここでＢは等式（１）から誘導される下式に
より与えられる； サーミスタは、60℃の温度においてＢの最大値を与え
るように、60℃の周囲温度で選定され、他の低周囲温度
における値は高くなることが容認される。
この特別の例において、60℃におけるRThのしきい値
は960オームで、Ｂの値は231であり;15℃の低周囲温度
においては、Ｂの値は373.8で、これらは等式（１）の
この部分の最大および最小値であり；この発明の方法お
よび装置により得ることができるRt（周囲）の所定値に
対して、これは一定になる。
は960オームで、Ｂの値は231であり;15℃の低周囲温度
においては、Ｂの値は373.8で、これらは等式（１）の
この部分の最大および最小値であり；この発明の方法お
よび装置により得ることができるRt（周囲）の所定値に
対して、これは一定になる。
回路から明らかなように総熱伝導率を示す等式（１）
の最終表現部、すなわち が唯一の変数となり、またKLはサーミスタを用いること
により無視できる値となり、その結果の水素含有量に対
するこの表現部の値のプロットは、第６図のグラフによ
り示されるように高度に線型になり、その縦座標はこの
最終表現部の特別の数値を表示している。曲線は、水素
以外のガス、たとえばアルゴンについて得られる値を表
示できるように、零から下方に取られており、キャリブ
レーションのために用いられて、−13％H2のほぼ同一値
が与えられる。低水素濃度においては、KLの値はKmとほ
ぼ同一のオーダーの大きさを有し、傾斜は大きくなり；
中間領域においてはグラフは実質的に線型であり、高い
値においては、Kmの値はkiと同一のオーダーの大きさで
あり、これは一定であり、したがって線型性は維持され
る。さらに、グラフは100％水素までの全領域にわたっ
て実質的に正の勾配を維持しており、したがってこの点
から、高水素濃度の測定に対して何の制限もない。
の最終表現部、すなわち が唯一の変数となり、またKLはサーミスタを用いること
により無視できる値となり、その結果の水素含有量に対
するこの表現部の値のプロットは、第６図のグラフによ
り示されるように高度に線型になり、その縦座標はこの
最終表現部の特別の数値を表示している。曲線は、水素
以外のガス、たとえばアルゴンについて得られる値を表
示できるように、零から下方に取られており、キャリブ
レーションのために用いられて、−13％H2のほぼ同一値
が与えられる。低水素濃度においては、KLの値はKmとほ
ぼ同一のオーダーの大きさを有し、傾斜は大きくなり；
中間領域においてはグラフは実質的に線型であり、高い
値においては、Kmの値はkiと同一のオーダーの大きさで
あり、これは一定であり、したがって線型性は維持され
る。さらに、グラフは100％水素までの全領域にわたっ
て実質的に正の勾配を維持しており、したがってこの点
から、高水素濃度の測定に対して何の制限もない。
回路の感度は第６図のグラムの勾配により与えられ、
この特別の装置について、測定にあたり必要な１％の精
度を与えるためのV0の変動は、約227ボルトであり、こ
のような値は多くの低コスト作動増幅器の能力の範囲内
にある。この種の低コスト増幅器は、総30ボルトおよび
約10Amの出力電流のサーミスタを利用するカサロメータ
により必要とされる、適度な電力要件を満足することも
できる。
この特別の装置について、測定にあたり必要な１％の精
度を与えるためのV0の変動は、約227ボルトであり、こ
のような値は多くの低コスト作動増幅器の能力の範囲内
にある。この種の低コスト増幅器は、総30ボルトおよび
約10Amの出力電流のサーミスタを利用するカサロメータ
により必要とされる、適度な電力要件を満足することも
できる。
したがって、特に後述のサーミスタを用いるこの発明
のカサロメータは、作動およびキャリブレーションが安
定かつ容易である所望特性を有し、所望の１％の精度の
作動を提供し、範囲をスイッチする必要なく100％の水
素含有量までのテストガスを測定することができ、かつ
10℃〜60℃の所望周囲温度範囲において作動できること
が明らかである。サーミスタ利用装置は、携帯装置のバ
ッテリーにより容易に供給され得る、100ミリワットの
電力より小さい要件において作動される。
のカサロメータは、作動およびキャリブレーションが安
定かつ容易である所望特性を有し、所望の１％の精度の
作動を提供し、範囲をスイッチする必要なく100％の水
素含有量までのテストガスを測定することができ、かつ
10℃〜60℃の所望周囲温度範囲において作動できること
が明らかである。サーミスタ利用装置は、携帯装置のバ
ッテリーにより容易に供給され得る、100ミリワットの
電力より小さい要件において作動される。
第７図の回路において、同一または類似素子は可能な
限り、同一参照番号が付与される。サーミスタ・カサロ
メータ素子10は抵抗18に直列に接続され、かつ分割素子
52の入力部を横切って接続されており、この素子52の入
力は、サーミスタ素子の端子においてポテンシャルV1お
よびV2であり、またその出力はV2／V1であり、この出力
は作動増幅器54に送られる。抵抗18の値は、素子の所定
作動温度および抵抗において、この比率に所望値（たと
えば、２）を与えるように設定され、また増幅器54の電
力出力は、この比率をその値において安定に維持するた
めに十分なものである。サーミスタ10が冷却し、その抵
抗が減少すると、比率の値が減少し、増幅器54の出力が
増大し、素子を加熱し、抵抗をその最初の平衡値に復帰
させる。V0の値は増幅器54の出力部において測定され
る。
限り、同一参照番号が付与される。サーミスタ・カサロ
メータ素子10は抵抗18に直列に接続され、かつ分割素子
52の入力部を横切って接続されており、この素子52の入
力は、サーミスタ素子の端子においてポテンシャルV1お
よびV2であり、またその出力はV2／V1であり、この出力
は作動増幅器54に送られる。抵抗18の値は、素子の所定
作動温度および抵抗において、この比率に所望値（たと
えば、２）を与えるように設定され、また増幅器54の電
力出力は、この比率をその値において安定に維持するた
めに十分なものである。サーミスタ10が冷却し、その抵
抗が減少すると、比率の値が減少し、増幅器54の出力が
増大し、素子を加熱し、抵抗をその最初の平衡値に復帰
させる。V0の値は増幅器54の出力部において測定され
る。
第３実施例が第８図に示され、ここでは回路の精度お
よび感度は、前述の２つの回路の基準抵抗18および増幅
器に対する周囲温度効果を除去し、かつ、零にすること
を必要にする代りに、合理的に低い（たとえば、50ppm/
℃）温度係数を有する抵抗の使用を可能にし、あるいは
結果としての低感度を容認することにより改良される。
増幅器32は、直列のサーミスタ10および基準抵抗18に作
動電流を供給し、したがってこれら両者は同一電流を受
け、したがってそれを横切る電圧は各抵抗に対して等し
く；その場合、回路はサーミスタ値RThを、電圧が同一
の時に平衡状態で抵抗18の値に等しくなるように制御す
るように、あるいはある便利な所定比率にするように構
成される。抵抗およびサーミスタの直列接続は、その電
圧の比較を困難にしており、その理由はこれらが、接地
点56のような共通基準点に直接関連づけられないからで
ある。この困難は、この発明の回路において、抵抗18を
横切る電圧値を保持コンデンサ58へ送り、かつサーミス
タ10を横切る電圧を保持コンデンサ60へ送ることによ
り、克服される。２つの保持コンデンサは、同一接地基
準点56と増幅器32への各入力部との間に接続され、した
がってこれは、２つの電圧が等しい、あるい所定比率に
等しいという出力を、より正確に発生することができ
る。このような回路は高精度（たとえば、約2ppm）にお
いて、電圧値の比率を制御することができる。精密コン
デンサは不要であり、また増幅器の作動は周囲温度から
独立している。感度は主として、増幅器の入力感度によ
り決定され、また全体的精度は等価ブリッジ回路より良
好であり、かつ安定性を有することが明らかである。２
つの抵抗ＲおよびRTh間の比率は小さく保持されなけれ
ばならないが、これは値１が極めて満足できるものであ
るから、不利ではなく、サーミスタの作動範囲に十分に
近接した抵抗値を選択することが、比較的容易である。
よび感度は、前述の２つの回路の基準抵抗18および増幅
器に対する周囲温度効果を除去し、かつ、零にすること
を必要にする代りに、合理的に低い（たとえば、50ppm/
℃）温度係数を有する抵抗の使用を可能にし、あるいは
結果としての低感度を容認することにより改良される。
増幅器32は、直列のサーミスタ10および基準抵抗18に作
動電流を供給し、したがってこれら両者は同一電流を受
け、したがってそれを横切る電圧は各抵抗に対して等し
く；その場合、回路はサーミスタ値RThを、電圧が同一
の時に平衡状態で抵抗18の値に等しくなるように制御す
るように、あるいはある便利な所定比率にするように構
成される。抵抗およびサーミスタの直列接続は、その電
圧の比較を困難にしており、その理由はこれらが、接地
点56のような共通基準点に直接関連づけられないからで
ある。この困難は、この発明の回路において、抵抗18を
横切る電圧値を保持コンデンサ58へ送り、かつサーミス
タ10を横切る電圧を保持コンデンサ60へ送ることによ
り、克服される。２つの保持コンデンサは、同一接地基
準点56と増幅器32への各入力部との間に接続され、した
がってこれは、２つの電圧が等しい、あるい所定比率に
等しいという出力を、より正確に発生することができ
る。このような回路は高精度（たとえば、約2ppm）にお
いて、電圧値の比率を制御することができる。精密コン
デンサは不要であり、また増幅器の作動は周囲温度から
独立している。感度は主として、増幅器の入力感度によ
り決定され、また全体的精度は等価ブリッジ回路より良
好であり、かつ安定性を有することが明らかである。２
つの抵抗ＲおよびRTh間の比率は小さく保持されなけれ
ばならないが、これは値１が極めて満足できるものであ
るから、不利ではなく、サーミスタの作動範囲に十分に
近接した抵抗値を選択することが、比較的容易である。
この回路において、２つの別々のスイッチブロック64
aおよび64bを提供する、商業的に入手できる２重スイッ
チモジュール62により電圧移送がもたらされ、これら各
ブロックは各対の「イン」スイッチ66aおよび66b、およ
び一対の「アウト」スイッチ68aおよび68bを包含する。
ブロック64aは抵抗18から移送コンデンサ70aを介して、
コンデンサ58への電圧移送を制御し、またブロック64b
は抵抗10から移送コンデンサ70bを介して、コンデンサ6
0への移送を制御する。各２つの「イン」スイッチが閉
じられる時、各「アウト」スイッチは開かれ、またその
逆がもたらされ、スイッチは、開閉順序を同期させる内
部発振器の制御下において、両方向に入る前に遮断する
ように作動される。スイッチブロックについての適切な
作動周波数範囲は100Hzから1kHzであり、この周波数は
外部的に調整できるコンデンサ72により制御される。
aおよび64bを提供する、商業的に入手できる２重スイッ
チモジュール62により電圧移送がもたらされ、これら各
ブロックは各対の「イン」スイッチ66aおよび66b、およ
び一対の「アウト」スイッチ68aおよび68bを包含する。
ブロック64aは抵抗18から移送コンデンサ70aを介して、
コンデンサ58への電圧移送を制御し、またブロック64b
は抵抗10から移送コンデンサ70bを介して、コンデンサ6
0への移送を制御する。各２つの「イン」スイッチが閉
じられる時、各「アウト」スイッチは開かれ、またその
逆がもたらされ、スイッチは、開閉順序を同期させる内
部発振器の制御下において、両方向に入る前に遮断する
ように作動される。スイッチブロックについての適切な
作動周波数範囲は100Hzから1kHzであり、この周波数は
外部的に調整できるコンデンサ72により制御される。
各スイッチブロックは微分電圧中継装置（トランスレ
ータ）として作動を行うが、理論的には例示されるよう
な回路において、サーミスタ10から移送するブロック64
bは重要なものではなく、その理由は、それが既に基準
点に接続されているからである。増幅器への各入力部に
コンデンサを設けることが、この特別の回路においては
実際には必要になり；各入力部におけるバイアス電流が
両コンデンサに等しい電圧変化を発生させ、より円滑な
出力が得られる。各移送コンデンサは最初に、それぞれ
の抵抗素子を横切って接続され、その電圧がその素子を
横切る電圧に等しくなるまで充電または放電され；これ
はそれから遮断されて、各保持コンデンサに接続され、
それに対して電圧が等しくなるまで、充電または放電が
行われる。スイッチ過程は繰返され、最終的に各セット
の抵抗素子，移送コンデンサおよび保持コンデンサを横
切る電圧は、必要な高精度をもって等しくなる。この発
明の移送システムは、サーミスタ以外の温度感応性素子
を用いるカサロメータにも適用できる。
ータ）として作動を行うが、理論的には例示されるよう
な回路において、サーミスタ10から移送するブロック64
bは重要なものではなく、その理由は、それが既に基準
点に接続されているからである。増幅器への各入力部に
コンデンサを設けることが、この特別の回路においては
実際には必要になり；各入力部におけるバイアス電流が
両コンデンサに等しい電圧変化を発生させ、より円滑な
出力が得られる。各移送コンデンサは最初に、それぞれ
の抵抗素子を横切って接続され、その電圧がその素子を
横切る電圧に等しくなるまで充電または放電され；これ
はそれから遮断されて、各保持コンデンサに接続され、
それに対して電圧が等しくなるまで、充電または放電が
行われる。スイッチ過程は繰返され、最終的に各セット
の抵抗素子，移送コンデンサおよび保持コンデンサを横
切る電圧は、必要な高精度をもって等しくなる。この発
明の移送システムは、サーミスタ以外の温度感応性素子
を用いるカサロメータにも適用できる。
第１図は第１実施例の概略回路図、第２図はカサロメー
タ素子のリードの温度を安定化するための、等温熱シン
クプレートの利用を示すカサロメータの斜視図、第３図
は溶融金属のガス含有量を測定する装置の概略図、第4A
および4B図はそれぞれ、サーミスタ・カサロメータ素子
および加熱されるフィラメント・カサロメータ素子が、
カサロメータ本体に取付けられる状態を示す概略図、第
５図は異なる周囲温度におけるサーミスタ・カサロメー
タ素子についてのファクターＢのグラフ、第６図はテス
トガスの水素含有量の変化に対するこの発明の回路の応
答を示すグラフ、第７および８図はそれぞれ、第２およ
び第３実施例の概略回路図である。 10…カサロメータ素子、22…電源、80…テストガス供給
装置、90…制御装置。
タ素子のリードの温度を安定化するための、等温熱シン
クプレートの利用を示すカサロメータの斜視図、第３図
は溶融金属のガス含有量を測定する装置の概略図、第4A
および4B図はそれぞれ、サーミスタ・カサロメータ素子
および加熱されるフィラメント・カサロメータ素子が、
カサロメータ本体に取付けられる状態を示す概略図、第
５図は異なる周囲温度におけるサーミスタ・カサロメー
タ素子についてのファクターＢのグラフ、第６図はテス
トガスの水素含有量の変化に対するこの発明の回路の応
答を示すグラフ、第７および８図はそれぞれ、第２およ
び第３実施例の概略回路図である。 10…カサロメータ素子、22…電源、80…テストガス供給
装置、90…制御装置。
フロントページの続き (72)発明者 ダニエル・ラマール カナダ国ケベック州，ジー・１・エム, ３・ケイ・１，デュバーガー，ド・ラ・ タミーズ2478 (72)発明者 ジャック・マルコット カナダ国ケベック州，ジー・７・エス, ３・エム・７，ジョンキエール，ベリー 2308 (56)参考文献 特開 昭62−180256（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 25/00 - 25/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (27)
- 【請求項１】温度／抵抗特性を有する単一カサロメータ
素子を備えるカサロメータを利用する、ガス熱伝導率の
測定方法であって、 電力を電源から電気リード（44a,44b）を介してカサロ
メータ素子（10）へ供給し、該素子（10）を所定温度値
および対応抵抗値まで加熱すること； 前記リードを各等温熱シンク（46a,46b）に取付けて、
その漏洩熱抵抗を安定化させること； その熱伝導率が測定されるべきテストガスを、カサロメ
ータ素子（10）上に通過させ、その温度を所定値から、
かつその抵抗を対応値から変化させること； 素子（10）の抵抗の変化を利用して、素子（10）への電
力の供給量を変化させ、その温度を所定値に、そしてそ
の抵抗を対応値に復帰させること；かつ 所定値に復帰された温度を有するテストガスの存在状態
で、素子（10）に供給される電力量を測定し、テストガ
スの熱伝導率を決定すること、 からなることを特徴とする方法。 - 【請求項２】カサロメータ素子（10）が抵抗（18）に直
列に接続され、第１連結部（20）を有する第１分圧器を
提供すること； 第１連結部（20）における電位（V1）が、電源から電力
を供給される第２分圧器の連結部（28）における電位
（V2）と比較されること； そして比較結果がカサロメータ素子（10）への電力の供
給量を変化させるために利用されること、 を特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項３】第１および第２分圧器連結部（20,28）に
おける電位が微分増幅器（32）により比較され、その出
力がカサロメータ素子（10）への電力の供給量を制御す
ること、 を特徴とする請求項２記載の方法。 - 【請求項４】微分増幅器（32）入力部における電圧
（V0）が、ガス熱伝導率を決定するために測定されるこ
と、 を特徴とする請求項３記載の方法。 - 【請求項５】テストガスが担持ガスに同伴することによ
り溶融金属から除去されること、を特徴とする請求項１
〜４のいずれか１項記載の方法。 - 【請求項６】テストガスが水素、かつ溶融金属がアルミ
ニウムであること、を特徴とする請求項５記載の方法。 - 【請求項７】カサロメータを通して、テストガスを同伴
する担持ガスの混合ガスを通過させ、それから第１測定
を行うこと； それからカサロメータを担持ガスにより浄化し、混合ガ
スを除去し、かつ第１測定後短時間内に第２測定を行う
こと；そして それから第１および第２測定値を比較し、決定するこ
と、 を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。 - 【請求項８】担持ガスに同伴されるテストガスの割合い
を決定するためのカサロメータの作動方法であって、担
持ガスおよびテストガスの混合体をカサロメータを通し
て第１持続時間通過させ、その後第１測定を行い、それ
からカサロメータを担持ガスにより浄化し、混合ガスを
除去し、かつ第１測定後短時間内に第２測定を行い、そ
れから第１および第２測定値を比較して決定を行う方法
において、 電力をカサロメータ素子（10）に供給するための電源に
接続される電気リード（44a,44b）を有するカサロメー
タを作動するためのものであって、リードからの熱の漏
洩がカサロメータによる測定の感度に影響するものにお
いて、前記リードを各等温熱シンク（46a,46b）に取付
けて、その漏洩熱抵抗を安定化させることを特徴とする
方法。 - 【請求項９】第１持続時間が約10〜15分間のオーダーで
あり、かつ第２持続時間が10〜30秒、好ましくは15〜20
秒のオーダであることを特徴とする、請求項８記載の方
法。 - 【請求項１０】ガスの熱伝導率kmを得るためのカサロメ
ータの作動方法であって、前記カサロメータが、温度／
抵抗特性を有すると共に、ガスの冷却効果にさらされる
カサロメータ素子（10）を利用するものにおいて、所定
温度に素子（10）を維持するために必要な電力を測定
し、それから下式によりkmの値を決定することを特徴と
する方法： ここで、 Ｇはカサロメータの幾何学的定数、 Ttはカサロメータ素子（10）の温度、 Tbはカサロメータ本体の温度、 KLはカサロメータ素子（10）の電気リード（44a,44b）
による熱損失に対応する等価ガス熱伝導率、 Kiはカサロメータ素子（10）の熱抵抗に対応する等価ガ
ス熱伝導率、そして Kmは決定されるべきガスの熱伝導率。 - 【請求項１１】Tbの値が独立の測定により得られ、また
Kmの値を得るために単一の測定が利用されることを特徴
とする、請求項10記載の方法。 - 【請求項１２】実質的に一定であるTbについて、十分に
近接した時間間隔で２つの測定が行われ、かつ２つの測
定値が、変数Tbを削除してKmの値を得るために利用され
ることを特徴とする、請求項10または11記載の方法。 - 【請求項１３】カサロメータ包囲体（12）を備えるカサ
ロメータを利用する、テストガスのガス熱伝導率の測定
方法であって、前記包囲体（12）において、温度抵抗特
性を有するサーミスタ・カサロメータ素子（10）を前記
カサロメータが利用する方法において、 カサロメータ電気回路において、抵抗（18）がサーミス
タ素子（10）と直列に回路の基準点に接続されること、 抵抗（18）およびサーミスタ素子（10）が、同一電源か
ら電流を供給されて、それを横切るそれぞれの抵抗に対
応する電圧を確立させると共に、その一つの電圧が前記
基準点から測定され得ること、 直接基準点に接続されない抵抗（18）およびサーミスタ
素子（10）の少なくとも他の一つを横切る電圧が、基準
点に接続される別の回路に移送されること、そして 共通の基準点を有する電圧が比較されると共に、抵抗
（18）およびサーミスタ素子（10）に供給される電流が
前記比較に応じて制御されて、その抵抗を所定比率に維
持すること、 を特徴とする方法。 - 【請求項１４】抵抗（18）またはサーミスタ素子（10）
を横切る電圧が、最初にそれを移送コンデンサ（transf
er capacitor）（70aまたは70b）に移送（transfer）
し、そして移送コンデンサ（70aまたは70b）から基準点
に接続される保持コンデンサ（58または60）に移送する
ことにより移送されることを特徴とする、請求項13記載
の方法。 - 【請求項１５】抵抗（18）およびサーミスタ素子（10）
を横切る各電圧が、最初にそれらを各移送コンデンサ
（70aまたは70b）に移送し、そしてそれを共に基準点に
接続される各保持コンデンサ（58または60）に移送する
ことにより移送されることを特徴とする、請求項13記載
の方法。 - 【請求項１６】直列の抵抗（18）およびサーミスタ素子
（10）に供給される電流が、２つの保持コンデンサ（58
または60）を横切る電圧を入力とする微分増幅器により
制御されることを特徴とする、請求項15記載の方法。 - 【請求項１７】カサロメータを通して、テストガスを同
伴する担持ガスの混合ガスを通過させ、それから第１測
定を行うこと； それからカサロメータを担持ガスにより浄化し、混合ガ
スを除去し、かつ第１測定後短時間内に第２測定を行う
こと；そして それから第１および第２測定値を比較し、決定するこ
と、 を特徴とする請求項13〜16のいずれか１項記載の方法。 - 【請求項１８】テストガスのガス熱伝導率を測定する装
置であって、 温度／抵抗特性を有する単一カサロメータ素子（10）を
利用するカサロメータ； 電力を各等温熱シンク（46a,46b）に取付けられた電気
リード（44a,44b）を介してカサロメータ素子（10）に
供給し、該素子（10）を所定温度値および対応抵抗値ま
で加熱する電力供給装置（22）； テストガスを単一カサロメータ素子（10）に供給し、そ
れによりその温度を所定値から変化させ、かつその抵抗
を対応値から変化させる装置（80）； 抵抗の変化に応答してカサロメータ素子（10）に供給さ
れる電力量を変化させ、その温度を所定値に、そしてそ
の抵抗を対応値に維持する制御装置（90）；そして テストガスの存在下でカサロメータ素子（10）を、その
所定温度に維持するために必要な電力量を測定し、テス
トガスの熱伝導率の測定値を提示する装置、 を備えることを特徴とする装置。 - 【請求項１９】制御装置（90）が、カサロメータ素子
（10）に直列に接続されて、第１連結部（20）を有する
第１分圧器を構成する抵抗（18）と、第２連結部（28）
を有すると共に、供給装置（22）から電力を供給される
第２分圧器（R1，R2）と、各連結部（20,28）から供給
される２つの入力部を有する微分増幅器であって、その
出力部がカサロメータ素子（10）に接続されて、そこに
供給される電力量を制御するようにされた微分増幅器
（32）、とを備えることを特徴とする請求項18記載の装
置。 - 【請求項２０】増幅器（32）の出力部の電圧が測定され
ると共に、これがテストガスの熱伝導率を表示するもの
であることを特徴とする、請求項19記載の装置。 - 【請求項２１】サーミスタ素子（10）に直列に接続され
る抵抗を備える制御装置（90）、 電力を直列のサーミスタ素子（10）および抵抗に供給し
て、それぞれを横切るそれぞれの抵抗に対応する電圧を
発生させる装置、 こうして発生された電圧の少なくとも一つを第１移送電
圧として、他の電圧との回路の共通基準点へ移送する装
置（64a,64b）、そして 共通基準点を有する２つの電圧を比較し、２つの電圧の
比較にしたがって、直列のサーミスタ素子（10）および
抵抗への電力の供給量を制御する装置、 を備えることを特徴とする請求項18記載の装置。 - 【請求項２２】制御装置（90）がさらに、こうして発生
された２つの電圧の他方を第２移送電圧として、共通基
準点へ移送する装置を包含すること、そして 前記比較装置が第１および第２移送電圧を比較し、その
比較にしたがって電力の供給量を制御すること、 を特徴とする請求項21記載の装置。 - 【請求項２３】抵抗またはサーミスタ素子（10）のため
の移送装置が、移送コンデンサ（70a,70b）、共通基準
点に接続される保持コンデンサ（58または60）、および
スイッチ装置（64a,64b）であって、移送コンデンサ（7
0aまたは70b）を充電または放電されるべき抵抗または
サーミスタ素子（10）に並列に週期的に接続し、それか
ら移送コンデンサ（70aまたは70b）を、充電または放電
されるように保持コンデンサ（58または60）に並列に接
続する前記スイッチ装置、を備えることを特徴とする請
求項21または22記載の装置。 - 【請求項２４】移送装置が、各抵抗およびサーミスタ素
子（10）に対して各移送コンデンサ（70aまたは70b）、
共に共通基準点に接続される各保持コンデンサ（58また
は60）、およびスイッチ装置（64a,64b）であって、各
移送コンデンサ（70aまたは70b）をそれぞれ、充電また
は放電されるべきその抵抗およびサーミスタ素子（10）
に並列に週期的に接続し、それから各移送コンデンサ
（70aまたは70b）を、充電または放電されるようにその
各保持コンデンサ（58または60）に並列に接続する前記
スイッチ装置、を備えることを特徴とする請求項21記載
の装置。 - 【請求項２５】前記比較装置が、２つの保持コンデンサ
（58または60）を横切る電圧を入力として有する微分増
幅器（32）であることを特徴とする、請求項24記載の装
置。 - 【請求項２６】テストガスのガス熱伝導率を測定するカ
サロメータ電気回路の作動方法であって、前記電気回路
が、温度抵抗特性を有するカサロメータ素子を備えるカ
サロメータを包含するものにおいて、 抵抗（18）がカサロメータ素子（10）に直列に回路の基
準点に接続されていること、 抵抗（18）およびカサロメータ素子（10）が同一電源か
ら電流を供給され、それを横切るそれぞれの抵抗に対応
する電圧を確立し、その一方の電圧が前記基準点から測
定可能であること、 基準点に直接接続されていない抵抗（18）およびカサロ
メータ素子（10）の少なくとも他のものを横切る電圧
が、基準点に接続される他方の回路素子（10）に移送さ
れること、そして 共通の基準点を有する電圧が比較され、回路により抵抗
（18）およびカサロメータ素子（10）に供給される電流
が、前記比較にしたがって制御されること、 を特徴とする方法。 - 【請求項２７】温度／抵抗特性を有するカサロメータ素
子（10）、および電力をカサロメータ素子（10）に供給
する供給装置（22）を利用するカサロメータ、を備える
テストガスのガス熱伝導率の測定装置において、 抵抗が直列にカサロメータ素子（10）に接続されるこ
と、 供給装置（22）が、直列のカサロメータ素子（10）およ
び抵抗に電力を供給し、それぞれを横切るそれぞれの抵
抗に対応する電圧を発生させること、 こうして発生された電圧の少なくとも一つを第１移送電
圧（first transfer voltage）として、他の電圧とのこ
の回路の共通基準点に移送（transfer）する制御装置
（90）が設けられること、そして 共通基準点を有する２つの電圧を比較し、直列のカサロ
メータ素子（10）および抵抗に対する電力の供給量を、
前記２つの電圧の比較にしたがって制御する装置、 を備えることを特徴とする装置。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US448,548 | 1982-12-10 | ||
| US07/307,318 US4918974A (en) | 1989-02-06 | 1989-02-06 | Method and apparatus for the measurement of the thermal conductivity of gases |
| US307,318 | 1989-02-06 | ||
| US07/448,548 US5081869A (en) | 1989-02-06 | 1989-12-11 | Method and apparatus for the measurement of the thermal conductivity of gases |
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ID=26975664
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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Families Citing this family (23)
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