JP4089132B2

JP4089132B2 - 熱伝導度検出器

Info

Publication number: JP4089132B2
Application number: JP2000156559A
Authority: JP
Inventors: 雅人上田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2020-05-26
Also published as: JP2001337058A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスクロマトグラフ分析装置に使用される熱伝導度検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスクロマトグラフ装置は一定速度で流れるキャリアガス（ヘリウム、水素等）中に分析しようとするガス状態の試料を注入し、これを分離カラムに送ることによって試料を成分ごと分離した上で検出器に送ることでガス中の成分を検出する装置である。ここでガスクロマトグラフ装置に用いられる検出器のひとつに熱伝導度検出器がある。
【０００３】
熱伝導度検出器の原理図を図５に示す。フィラメント２ａ，２ｂが金属ブロック３ａ、３ｂによって封入されており、一方の金属ブロック３ａ内に分析ガス（試料ガスがキャリガス中に混合されているガス）、他方の金属ブロック３ｂ内に純キャリアガスが送り込まれるようにしてある。これら２つの金属ブロックによりＴＣＤセル（熱伝導度検出器セル）が構成される。ＴＣＤセルを構成するフィラメント２ａ、２ｂは調整用に用いられる他の抵抗２ｃ、２ｄとの組み合わせによりブリッジ回路を形成しており、このブリッジ回路に電流１を流すことによりフィラメント２ａ、２ｂが加熱される。このとき試料を含んだ分析ガスと試料を含まない純キャリアガスとがそれぞれの金属ブロック内でフィラメント近傍を流れる際に加熱されているフィラメントを冷却することになるが、分析ガスとキャリアガスとの熱伝導度の相違に起因してフィラメントを冷却する能力に差が生じるので２つのフィラメント間で温度差が生じ、この温度差に応じてフィラメントの電気抵抗値に差が生じる。この抵抗差に基づく信号を検出部４にて取り出すことにより分析ガスに対応した信号を検出することができる。
【０００４】
熱伝導度検出器では、上述したようにＴＣＤセルを構成する２つの加熱されたフィラメントの温度差に基づいて生じた電気抵抗値から分析ガスの検出を行うことから、ＴＣＤセルの温度をいかに安定に保ち、外気温度の影響を受けないようにするかが問題となる。そこで、温調機能を備えた熱容量の大きい温調ブロックをベース台とし、この上にＴＣＤセルを載置して室温より高い温度で一定温度に保持するように制御し、さらに他の周囲をカバーで覆い、カバー内に断熱材を充填するようにして温度の安定化を図っていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱伝導度検出器ではＴＣＤセルを一定温度に保持するためにＴＣＤセルを載置する温調ブロックの温調を行う。このとき温調ブロックの温度の安定度に依存してＴＣＤセルの温度の安定度も定まる。実際に用いる温調ブロックは適当な熱容量のものが用いられる。即ち、熱容量が大きくなるほど温度の安定性はよくなるが、加熱開始から設定温度にて安定するまでに長時間が必要となる。そのため、分析を開始するまでの待時間も長時間となり実用上問題がある。一方、熱容量が小さいほど設定温度になる時間は短縮できるが、その温度での安定性は低下する。
したがって、短時間で設定温度に至り、かつ恒温性も高いというような相反する課題を同時に満足したＴＣＤセルの構造とすることが困難であった。
本発明は、このような問題を解決し、短時間でＴＣＤセルを設定温度に保持できるようにした熱伝導度検出器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明の熱伝導度検出器は、内部に感温素子を有するＴＣＤセルと、前記ＴＣＤセルが載置されるとともにこのＴＣＤセルを温度調節するための温度調節手段を取り付けたベースとを備え、前記温度調節手段により一定温度に保持されたＴＣＤセルに分析ガスを流して内部の感温素子と接触させ、感温素子の抵抗値の変化に基づいて分析ガス中の被測定物質の検出を行う熱伝導度検出器であって、前記ＴＣＤセルは前記ベースに断熱薄材を介して載置され、前記温度調節手段は分析開始前に、分析時設定温度よりも高い温度で一定時間保持したのちに分析時設定温度に再設定する制御を行うことを特徴とする。
本発明の熱伝導度検出器では、断熱薄材により温調ブロックの温度変動がＴＣＤセルに直接伝わりにくいようにし、その一方で加熱開始時に設定温度より高い温度で一定時間加熱してＴＣＤセルを一時的に設定温度より高温状態にする。そして少なくとも加熱当初は、高温状態から設定温度に近づけるようにする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例を用いて説明する。
図１は本発明の一実施例である熱伝導度検出器の概略構成図である。サンプル側ブロック１１は金属ブロックで構成され、内部にフィラメント２ａが封入され、分析ガス導入口１６から送り込まれたガスがフィラメント２ａの周囲を通過して分析ガス排出口１８から排出されるように構成されている。フィラメント２ａはフィラメント線１４から電流が供給されることにより加熱される。フィラメント線１４は図５に示したブリッジを構成するように図示しない外部の抵抗と結線されている。同様にリファレンス側ブロック１２は内部にフィラメント２ｂが封入され、キャリアガス導入口２０から送り込まれたガスがフィラメント２ｂの周囲を通過してキャリアガス排出口２２から排出されるように構成されている。フィラメント２ｂもフィラメント線１４から電流が供給されることにより加熱されるようになっており、図５に示したブリッジを構成するように図示しない抵抗と結線されている。これらサンプル側ブロック１１とリファレンス側ブロック１２とによりＴＣＤセル１３（熱伝導度検出器セル）が構成される。
温調ブロック２６は熱伝導度のよい金属（銅など）からなり、その上に断熱性薄材２８が敷かれている。断熱性薄材２８としては加熱温度に耐える程度の耐熱性が必要であり、例えばポリイミドフィルムが好適である。温調ブロック２６のブロック内部には図示しないヒータ線および温度センサが取り付けられており、これらと結線されたヒータ制御器２４によって温度制御がなされる。
外気温度（熱伝導度検出器が設置された場所の室温）の影響を受けてＴＣＤセル温度が変動しないようにするためＴＣＤセルカバー３０によりＴＣＤセル１３の周囲が覆われるとともにＴＣＤセルカバー３０の内空間にはガラスウール等の断熱材３２が充填されている（図では省略してある）。
【０００８】
次に、本発明で行われる温度制御部の動作について説明する。
まず、本発明の特徴を明らかにするための比較例として、加熱開始当初からヒータ制御器２４の温度設定を本来の設定温度に維持したままＴＣＤセル１３を加熱した場合の設定温度とＴＣＤセル１３の温度変化との様子を図４に示す。
ヒータ制御器２４による温調としては通常オンオフ制御とＰＩＤ制御が考えられる。オンオフ制御により行う場合、加熱を開始するとヒータには当初フルパワーの電力が投入される。やがて温調ブロック２６が設定温度に到達すると加熱パワー（ヒータ電力）がオフ状態になる。その後オン状態とオフ状態を繰り返しつつ設定温度に暫時近づいていく。ＰＩＤ制御による温調を行う場合でも、加熱当初はフルパワーの電力が投入され、温調ブロック２６が設定温度に近づくと、オーバーシュートを抑える（あるいはオーバーシュートを起こさない）方向に制御が働くので加熱パワー（ヒータ出力電力）が制限される。
加熱パワーがオフあるいは制限された時点では、断熱薄材２８の存在によりＴＣＤセル１３の温度自体はいまだ設定温度には達していない。それゆえ、その後は破線で示すように低温側から暫時、到達温度に近づいていくことになる。その際、温調ブロック１３の温度変化をなます目的で設けられた断熱薄材２８の影響を受け、さらにはオンオフの繰り返し（ＰＩＤ制御の場合には制限されたパワー）によりＴＣＤセル温度の安定を待つことになるので、ＴＣＤセルは低温側からゆっくり昇温することになり安定までに長時間を有する。この場合実験では２時間程度の待時間が必要になった。つまり、断熱薄材２８の存在により温調動作によって発生する温度変化を吸収することはできるが、加熱開始からＴＣＤセルの安定までの時間を短縮することができない。
そこで、断熱薄材２８を取り付けるとともに、制御動作を図２に示すように変更する。即ち、ヒータ制御器２４に設定温度Ａを入力すると（ｓｔ１）、ヒータ制御器２４は入力された設定温度Ａを読み取り、そして加熱開始時点では一時的に設定温度を本来の設定温度Ａではなく、Ａ＋αに設定温度を読み替えて一定時間の加熱を開始する（ｓｔ２）。この加熱時間はＴＣＤセルの熱容量やヒータ電力により異なるので、予め予備実験等により最適時間を求めるのがよい。このとき必要なことはＴＣＤセル１３の温度がＡ＋αで加熱する期間の終了時点で本来の到達温度よりも一時的に高い温度になっておく必要がある。通常、設定温度より高める温度αとしては１０℃ぐらい、又、Ａ＋αでの加熱時間としては１０分ぐらいあればよい。この時間経過後は本来の設定温度Ａに再設定する（ｓｔ３）。このような制御を行ったときの設定温度とＴＣＤセル１３の温度変化との様子を図３に示す。図に見られるようにＴＣＤセル１３の温度は加熱当初の高め設定（Ａ＋α）の影響を受けて一時的に最終到達温度以上になる。その後、設定温度がＡとなるように再設定されると暫時高温側から最終到達温度に至る。高温側から最終到達温度に近づけることにより最終到達温度に至る時間は大幅に短縮することができ、２時間程度必要であった待時間は１時間以下に抑えることができる。即ち、設定温度Ａで加熱開始当初から温調を行えば、ＴＣＤセルは断熱薄材２８の存在の影響で昇温させるには時間がかかってしまうのであるが、予め過剰に間屡させておいて高温側から近づけることにより時間短縮を図ることができるのである。
【０００９】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の熱伝導度検出器では、断熱薄材を用いるとともに分析開始前の準備工程時に設定温度より高い温度で一時的に保持するようにしたので、熱伝導度のＴＣＤセルの温度が安定するまでの待時間を大幅に短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である熱伝導度検出器の概略構成を示す図。
【図２】本発明で実行する温調ブロックの温度制御のフローチャート図。
【図３】本発明を実施した場合の温調ブロックの設定温度とＴＣＤセルの温度との関係を示す図。
【図４】従来方式での温調ブロックの設定温度とＴＣＤセルの温度との関係を示す図。
【図５】熱伝導度検出器の検出信号を得るブリッジ回路の構成図。
【符号の説明】
２ａ、２ｂ：フィラメント
１１：サンプル側ブロック
１２：リファレンス側ブロック
１３：ＴＣＤセル
２４：ヒータ制御器
２６：温調ブロック
２８：断熱薄材
３０：ＴＣＤセルカバー
３２：断熱材

Claims

内部に感温素子を有するＴＣＤセルと、前記ＴＣＤセルが載置されるとともにこのＴＣＤセルを温度調節するための温度調節手段を取り付けたベースとを備え、前記温度調節手段により一定温度に保持されたＴＣＤセルに分析ガスを流して内部の感温素子と接触させ、感温素子の抵抗値の変化に基づいて分析ガス中の被測定物質の検出を行う熱伝導度検出器であって、前記ＴＣＤセルは前記ベースに断熱薄材を介して載置され、前記温度調節手段は分析開始前の準備工程時に、分析時設定温度よりも高い温度に設定温度を読み替えて一定時間経過したのちに分析時設定温度に再設定する制御を行うことを特徴とする熱伝導度検出器。