JP4756343B2 - 磁気式酸素計 - Google Patents

Description

本発明は、磁気式酸素計に関し、特に、磁気で検出する酸素測定の限界を改善した磁気式酸素計に関する。

混合ガス中の酸素濃度の正確な測定は、広範囲の工業的、臨床的及び研究的プロセスにおいて重要である。そのため、酸素濃度を測定するための装置が各種開発されている。
磁気式酸素計の従来技術としては下記の文献が知られている。

特開平２−１７４３９号公報 特開２００４−３２５０９８号公報 特開２００４−３６１２１０号公報

はじめに、従来例及び本発明で用いる磁気式酸素計の測定原理について、図を用いて簡単に説明する。
図２（Ａ）は、酸素を含むガス中に磁界を発生させる手段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。
ここで、酸素分子に働くＸ軸方向の力Ｆは次式により表わすことができる。
Ｆ＝χ・（∂Ｈ／∂Ｘ）・Ｈ
χ；酸素の磁化率
∂Ｈ／∂Ｘ；磁界の変化率

即ち、図２（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（磁極の端部…不均一磁界）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ている。図２（Ｃ）は、磁界（磁石のギャップ）内では引き付けられた酸素の圧力（濃度）が周囲に比較して高くなっている状態を示している。

上記説明した原理に基づく磁気式酸素計の従来例として図４に示すものが知られている。図４の磁気式酸素計は、測定ガス（サンプルガス）を流す２方向に分岐した流路を備えたリングセル１と、このリングセル１の分岐した流路に連通して配置された補助ガス流路４と、この補助ガス流路４内に設置された流量センサ（たとえばサーミスタ）２ａ,２ｂからの信号で被測定ガスに含まれている酸素ガスの流量を検出する検出回路（図示省略)とから構成されている。

リングセル１は、環状に形成された測定ガス流路１ａに連通して設けられた測定ガス導入口１ｂと、この測定ガス導入口１ｂの反対側に設けられた測定ガス導出口１ｃと、環状の測定ガス流路１ａの対向する側のそれぞれに連通させて形成された第１，第２補助ガス流路４ａ、４ｂからなる補助ガス流路４と、この補助ガス流路４と測定ガス流路１ａが合流する片側に磁気印加手段（図示省略）が設けられ、磁界印加領域Ａが形成されている。

そして、第１，第２補助ガス流路４ａ、４ｂからなる補助ガス流路４の中心付近に連通され補助ガスを流入する補助ガス導入口４ｃが形成され、第１，第２補助ガス流路４ａ、４ｂ内部に補助ガス導入口４ｃを中心として同距離の位置に流量センサ２ａ,２ｂを備えた構成とされている。

図４の構成において、測定ガス中の酸素濃度が上昇すると、磁場が印加された磁界印加領域Ａでは酸素の凝集圧（矢印Ｂで示す部分）の上昇作用により、流量センサ２ａが配置されている側に流出する際の測定ガス流路と連結する出口側の背圧が増大する。そして、磁場が印加されていない流量センサ２ｂが配置されている側の流れと比較すると、補助ガス流路の分岐点の圧力は共通であるのに磁場印加側の出口のみ圧力が上昇するので磁場印加側の流量が減少する。

その結果、第１，第２補助ガス流路４ａ、４ｂに補助ガスが分岐する際の分流比が変化する。
上述のように、従来の磁気式差酸素計では流量センサ２ａおよび２ｂの流量信号から、両者の差分流量を演算することにより、磁気圧変化すなわち酸素濃度を検出する仕組みとなっている。

ところで、このような従来例の磁気式酸素計においては次のような問題があった。
即ち、計測する酸素濃度が高くなると、補助ガスの磁場を印加した側の出口の圧力が上昇するため入り口である分岐点の圧力に接近する。その結果、差圧がゼロに近づき、流量はゼロに接近する。一方、比較側の流量は変化しない。

図５はこのような従来例の計測限界を示す説明図で、縦軸を圧力横軸を酸素濃度として補助ガス流路の圧力関係を示している。
図において、磁場印加側の流量が停止するのは、磁場印加による酸素凝集圧ＰＯ２が、補助ガス分岐路点Ｐの圧力Ｐ１に等しくなるポイントとなる。これ以上の酸素濃度では、酸素凝集圧ＰＯ２が上昇するものの、補助ガス分岐点Ｐの圧力が変わらない以上、補助ガスは流れずこれ以上の信号を得ることは出来ない。

信号を得るためには、分岐点Ｐの圧力を上昇させればよいが、そのためには補助ガスの入り口圧力を上昇させる必要がある。補助ガスの入り口圧力が上昇すると比較側の第２補助ガス流路の流量が増大する。そのため、補助ガスの全体の消費量が増大するという結果を招いてしまう。

また、磁場印加側と比較側において、極端な流量の差のある状況では、補助ガス配管の粘性などの絞り特性の影響が現れ、温度の影響が現れてしまう。このため得られる信号に非線形性が出てくるだけでなく、その特性が温度により変動するという特性を招く。

また、酸素濃度と磁気圧の発生は比例するが、従来では、磁気圧の検出を流量に換算しているために、管路の特性（流速、粘性、温度）の複雑な要因を持ち込むこととなる。
この特性は、酸素濃度に対応した磁気圧を圧力として計測するのでなく、補助ガスの流量に換算することに起因している。

本発明は上述の問題点を解決するためになされたもので、測定ガスとは別に補助ガスを用いる磁気式酸素計において、非線形性のない検量線特性を有する高濃度酸素濃度の計測が可能な磁気式酸素計を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る磁気式酸素計は、請求項１においては、
測定ガスが２方向に分流して流れる流路が形成されたリングセルと、前記２つの測定ガス流路に連通して形成された補助ガス導入管と、該補助ガス導入管の中央付近に形成された補助ガス分岐点と、該補助ガス分岐点が形成された部分を跨ぎ両端が前記補助ガス導入管に連通して形成された圧力バランス検出流路と、前記測定ガス流路と補助ガス導入管の一方の合流点に配置された磁気印加手段と、前記補助ガス導入管と測定ガス流路の他方の合流点と前記圧力バランス検出流路と前記補助ガス導入管の合流点の間に配置された可変絞り、を具備したことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１記載の磁気圧式酸素濃度計において、
前記圧力バランス検出流路内に流量センサを配置したことを特徴とする。
請求項３においては、請求項１又は２に記載の磁気圧式酸素濃度計において、
前記可変絞りの絞り弁を前記流量センサの出力に関連して変化させる絞り弁駆動手段を設けたことを特徴とする。

請求項４においては、測定ガスが２方向に分流して流れる流路が形成されたリングセルと、前記２つの測定ガス流路に連通して形成された補助ガス導入管と、該補助ガス導入管の中央付近に形成された補助ガス分岐点と、該分岐点を挟んで補助ガス導入管に形成された２つの流量センサと、前記測定ガス流路と補助ガス導入管の一方の合流点に配置された磁気印加手段と、前記補助ガス導入管と測定ガス流路の他方の合流点と前記圧力バランス検出流路と前記補助ガス導入管の合流点の間に配置された可変絞り、を具備したことを特徴とする。

請求項５においては、請求項４に記載の磁気圧式酸素濃度計において、前記可変絞りの絞り弁を前記２つの流量センサの出力に関連して変化させる絞り弁駆動手段を設けたことを特徴とする。

上記説明したように、本発明に係る磁気式酸素計の請求項１乃至３によれば、測定ガスが２方向に分流して流れる流路が形成されたリングセルと、前記２つの測定ガス流路に連通して形成された補助ガス導入管と、該補助ガス導入管の中央付近に形成された補助ガス分岐点と、該補助ガス分岐点が形成された部分を跨ぎ両端が前記補助ガス導入管に連通して形成された圧力バランス検出流路と、前記測定ガス流路と補助ガス導入管の一方の合流点に配置された磁気印加手段と、前記補助ガス導入管と測定ガス流路の他方の合流点と前記圧力バランス検出流路と前記補助ガス導入管の合流点の間に配置された可変絞りを備えている。

また、本発明に係る磁気式酸素計の請求項４，５によれば、該補助ガス導入管の中央付近に形成された補助ガス分岐点と、該分岐点を挟んで補助ガス導入管に形成された２つの流量センサと、前記測定ガス流路と補助ガス導入管の一方の合流点に配置された磁気印加手段と、前記補助ガス導入管と測定ガス流路の他方の合流点と前記圧力バランス検出流路と前記補助ガス導入管の合流点の間に配置された可変絞りを備えているので、

１）高濃度酸素計測の際の信号の非線形性現象を回避でき、直線性が大幅に改善される。
２）酸素により発生した圧力を直接検出する方式なので、補助ガスの流通路中の流れ特性
（温度、粘性など）の影響を原理的に受けない。
という磁気式酸素計を実現することができる。

図１は本発明の磁気式酸素計の実施形態の一例を示す構成図である。なお、図４に示す
従来例と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。
図１において、１０は圧力バランス検出流路であり、補助ガス分岐点８の部分を跨ぎ両
端が補助ガス導入管４に連通して形成されている。１７および１８は圧力バランス検出流
路の両端付近に形成された、圧力を保持するための固定絞りである。

この検出流路４の中心付近には流量センサ１１が配置されている。１２は流量センサからの流量信号を増幅する増幅器である。１３は可変絞り弁であり、第２補助ガス導入管４ｂと測定ガス流路の他方の合流点と圧力バランス検出流路と前記補助ガス導入管の合流点の間に配置されている。

１４は絞り弁駆動回路で増幅器１２の出力信号に関連した駆動信号を可変絞り１３に送出する。１５は補助ガス導入口４ｃを介して補助ガス流路４に供給する補助ガスの流量を制限する固定絞りである。

上述の構成において、補助ガスＩＮより流入する補助ガスは、磁場印加側の第１補助ガス流路４ａと、非印加側の第２補助ガス流路４ｂに等しく分配される。
ここで、測定ガス中に酸素が含有されている場合、磁場印加側の磁界に吸い寄せられた酸素分子の凝集圧が発生し、その結果、磁場印加側の第１補助ガス流路４ａの補助ガスの流れが減少する。

その結果、第１補助ガス流路４ａ側に流れていた補助ガスは圧力バランス検出流路１０側に流入し可変絞り弁１３側に流れ、流量センサ１１はその流量を検出する。
流量センサ１１が流れを検出すると、その流量信号が増幅器１２で増幅され、絞り弁駆動回路１４はその信号に関連して流量をゼロ化するように絞り弁１３に対して駆動信号を出力する。

絞り弁１３により流れが絞られることで、非磁場印加側の第２補助ガス流路４ｂの出口圧力が高まり、やがては磁場印加側の第１補助ガス流路４ａに発生した酸素分子の凝集圧に等しくなるところまで上昇し、流量センサ１１の出力がゼロとなる。

図３は本発明の請求項４に関する実施例を示すものである。図４の従来例と同一要素には同一符号を付している。
図３において、１２ａ，１２ｂは増幅器で、それぞれ流量センサ２ａ及び２ｂからの出力を増幅する。これらの増幅器からの出力信号は差演算手段１８に出力され、その差が演算される。その出力信号は絞り弁駆動回路１４に出力され、絞り弁駆動回路１４はその信号に関連して流量をゼロ化するように絞り弁１３に対して駆動信号を出力する。

上記の動作により、酸素濃度に対応した凝集圧に等しい圧力が、絞り弁動作により検出されるので、あらかじめ校正作業により、この絞り弁駆動回路１４の駆動信号と、酸素濃度とを対応させておけば、絞り弁駆動回路の信号により酸素濃度を検出することが可能となる。

また、高濃度酸素が含まれる際に発生する凝集圧よりも、高い補助ガス源を準備し、固定絞りにより流量を制限する方式（定流量動作）にすれば、従来例で起きていた高濃度酸素を計測する場合の検出流路の補助ガスの停止現象が回避でき、比較側流路の補助ガスが大量に流出する現象が抑えられるので補助ガスの消費量も減少できる。

また、従来補助ガスとしては窒素などの磁化率を有しないガスを用いるのが通例であったが、本発明の構成によれば、空気など酸素を一定濃度含むガスの測定も可能となる。
大気には約２１％の酸素が含まれているため、大気を補助ガスとして用いる場合、図１の構成においては、サンプルガスとして大気が流入したときに流量センサ１１がゼロ信号を発信する。
その理由は磁界を印加した領域において、補助ガス側およびサンプルガス側の酸素凝集圧が等しくなるため、ここには磁界による圧力上昇が発生しないためである。

一方、大気を補助ガスとして用い、サンプルガスとして酸素を含まないゼロガスが流入するとき、磁界印加領域においては、補助ガス側の酸素分子が磁界から離脱する流れを阻害するため、磁界印加側の補助ガス流量が減少する。

その結果、２つの補助ガス流路の圧力のバランスが大きくくずれることにより、流量センサ１１の信号がゼロの状態から大きくずれることになり、増幅器１２の飽和現象や信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）の劣化を招いてしまう。

しかしながら、本発明の構成においては、可変絞り弁の開度を閉める方向に制御することで、２つの補助ガス流路の圧力をバランスさせることができ、従来の窒素ガスなどによる補助ガスを使用した場合と同様に計測することができる。そのため、大気を補助ガスとして用いることでランニングコストの小さい磁気式酸素計を実現することが可能である。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。本実施例ではリングセルを構成する測定ガス流路を矩形状として表示たが円形であってもよい。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明に係る磁気式酸素計の一例を示す要部構成図である。 本発明の測定原理を説明するための説明図である。 本発明に係る磁気式酸素計の他の実施例を示す要部構成図である。 従来の磁気式酸素計を示す要部構成図である。 従来例の磁気式酸素計の計測限界を示す説明図である。

符号の説明

１ リングセル
１ａ 測定ガス流路
１ｂ 測定ガス導入口
１ｃ 測定ガス導出口
２，１１ 流量センサ
４ 補助ガス流路
４ａ 第１補助ガス流路
４ｂ 第２補助ガス流路
１１ 補助ガス導入口
１２ 増幅器
１３ 可変絞り弁
１４ 絞り弁駆動回路
１５，１６，１７ 固定絞り
１８ 差演算手段

Claims (5)

1. 測定ガスが２方向に分流して流れる流路が形成されたリングセルと、前記２つの測定ガス流路に連通して形成された補助ガス導入管と、該補助ガス導入管の中央付近に形成された補助ガス分岐点と、該補助ガス分岐点が形成された部分を跨ぎ両端が前記補助ガス導入管に連通して形成された圧力バランス検出流路と、前記測定ガス流路と補助ガス導入管の一方の合流点に配置された磁気印加手段と、前記補助ガス導入管と測定ガス流路の他方の合流点と前記圧力バランス検出流路と前記補助ガス導入管の合流点の間に配置された可変絞り、を具備したことを特徴とする磁気圧式酸素濃度計。
2. 前記圧力バランス検出流路内に流量センサを配置したことを特徴とする請求項１記載の
   磁気圧式酸素濃度計。
3. 前記可変絞りの絞り弁を前記流量センサの出力に関連して変化させる絞り弁駆動手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気圧式酸素濃度計。
4. 測定ガスが２方向に分流して流れる流路が形成されたリングセルと、前記２つの測定ガス流路に連通して形成された補助ガス導入管と、該補助ガス導入管の中央付近に形成された補助ガス分岐点と、該分岐点を挟んで補助ガス導入管に形成された２つの流量センサと、前記測定ガス流路と補助ガス導入管の一方の合流点に配置された磁気印加手段と、前記補助ガス導入管と測定ガス流路の他方の合流点と前記圧力バランス検出流路と前記補助ガス導入管の合流点の間に配置された可変絞り、を具備したことを特徴とする磁気圧式酸素濃度計。
5. 前記可変絞りの絞り弁を前記２つの流量センサの出力に関連して変化させる絞り弁駆動手段を設けたことを特徴とする請求項４に記載の磁気圧式酸素濃度計。
   
   

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