JP4761204B2 - 磁気式酸素測定方法および磁気式酸素計 - Google Patents

Description

本発明は、磁気式酸素測定方法および磁気式酸素計に関するものである。

従来技術における磁気式酸素計は、図３に示すように、測定ガス（サンプルガス）を流す流路を備えたリングセル１１１と、このリングセル１１１内に設置した熱型流量センサ（サーミスタ）からの信号で測定ガスに含まれている酸素ガスの量（酸素濃度）を検出する検出回路１２０とからなる。

リングセル１１１は、円環形状に形成されたサンプル流路１１２に連通して設けた測定ガス導入口１１３と、この測定ガス導入口１１３の反対側に設けた測定ガス導出口１１４と、円環形状のサンプル流路１１２の中心位置を通り、対向する側のそれぞれに連通させて形成した第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂと、サンプル流路１１２の一方の測定側サンプル流路１１２ａに磁界Ｍｆを形成するヨーク（図示せず）と、第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂの中心位置に連通され補助ガスを供給する補助ガス供給口１１７と、第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂ内部に補助ガス供給口１１７を中心として等距離の位置に配置された第１及び第２のサーミスタ１１８ａ、１１８ｂとを備えた構成になっている。この第１及び第２のサーミスタ１１８ａ、１１８ｂは、検出回路１２０に接続されている。

検出回路１２０は、第１のサーミスタ１１８ａに接続してある第１の定抵抗回路１２１ａと、第２のサーミスタ１１８ｂに接続してある第２の定抵抗回路１２１ｂと、これらの第１及び第２の定抵抗回路１２１ａ、１２１ｂからの信号を受信する差動増幅器１２２とからなる。

このような構成のリングセル１１１において、測定ガス導入口１１３から導入された測定ガスは二方向に分流したのち、測定ガス導出口１１４へ合流するように流れる。また、補助ガス供給口１１７から供給された補助ガスは、第１および第２の補助ガス流路の二方向に分流したのち、第１及び第２のサーミスタ１１８ａ、１１８ｂをそれぞれ経由し、その後、サンプル流路１１２ａ、１１２ｂとの接続部付近でそれぞれ測定ガスと合流し、測定ガスと共に測定ガス導出口１１４へ流れる。

ここで、酸素（常磁性の気体）は磁界の強い方に引きつけられ、その部分の圧力が上昇するという性質がある。
測定ガス中に酸素分子が含まれていない場合、測定側サンプル流路１１２ａに磁界Ｍｆが印加されても酸素分子は引き寄せられず、その部分の圧力は上昇しない。したがって、第１および第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂのそれぞれからサンプル流路１１２ａ、１１２ｂに補助ガスが流出する際の流体抵抗は同じになり、第１のサーミスタ１１８ａを経由する補助ガスの流量と第２のサーミスタ１１８ｂを経由する補助ガスの流量も同じとなる。

このため、第１の定抵抗回路１２１ａに入力される第１のサーミスタ１１８ａの出力と第２の定抵抗回路１２１ｂに入力される第２のサーミスタ１１８ｂの出力も同一となり、第１の定抵抗回路１２１ａの出力信号と第２の定抵抗回路１２１ｂの出力信号も同一となり、これらの出力信号の差を増幅する差動増幅器１２２の出力は零になる。

一方、測定ガス中に酸素分子が含まれている場合、測定側サンプル流路１１２ａに磁界Ｍｆが印加されると、その部分に酸素分子が引きつけられ、酸素の凝集圧により圧力が上昇する。そのため、第１の補助ガス流路１１５ａから測定側サンプル流路１１２ａに補助ガスが流出する際の流体抵抗が増大し、流出量が減少する。逆に比較側サンプル流路１１２ｂでは磁界Ｍｆが印加されていないため流体抵抗は増大せず、磁場印加側との比較により補助ガスの流出量が増加する。

したがって、分岐点Ｐ１０で補助ガスが分岐する際の分流比が変化し、第１のサーミスタ１１８ａを経由する補助ガスの流量と第２のサーミスタ１１８ｂを経由する補助ガスの流量に差が生じ、第１の定抵抗回路１２１ａに入力される第１のサーミスタ１１８ａの出力信号と第２の定抵抗回路１２１ｂに入力される第２のサーミスタ１１８ｂの出力信号が同一でなくなる。

そのため、第１の定抵抗回路１２１ａの出力信号と第２の定抵抗回路１２１ｂの出力信号も異なるようになり、第１の定抵抗回路１２１ａの出力信号と第２の定抵抗回路１２１ｂの出力信号の差を増幅する差動増幅器１２２の出力信号が測定ガス中の酸素分子量に対応した値を示すようになる。

特開平０１−００６７５３号公報 特開２００４−３２５３６８号公報

しかしながら、上記のような方式では、供給される補助ガス全体の流量が変動すると、分岐点Ｐ１０を介して補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂに流れる補助ガス量が変動するため、サーミスタ１１８ａ、１１８ｂそれぞれの信号量も変動する。このとき補助ガス流路１１５ａの流量の変動量と補助ガス流路１１５ｂの流量の変動量は同じ量とはならず、そのためサーミスタ１１８ａ、１１８ｂの出力信号に差が生じ、測定ガス中の酸素量を正確に測定できなくなってしまう。

そのため、従来より、供給する補助ガスの流量を一定に保つため、補助ガスの供給側に精密な圧力制御弁を準備したり、圧力制御弁や各流路の温度変動の回避のために必要機器を恒温槽の中に配置するなど、流量の変動を起きにくくする工夫がなされているが、機構や部品の増大、コスト上昇などが問題となっていた。

本発明は、上記のような従来技術の問題をなくし、大掛かりな設備を必要とすることなく補助ガスの流量変動に強い磁気式酸素測定方法および磁気式酸素計を実現することを目的としたものである。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、測定ガス用入口と出口とが設けられ、これらの入口と出口の間が左右対称に形成された測定流路と、この測定流路の左右の対向する位置に接続された補助ガス流路とを有し、
この補助ガス流路の中央から補助ガスを供給するとともに、前記測定流路の左右どちらか一方の流路に磁界をかけることにより生じる、補助ガス供給口より分岐する左右の補助ガス流路の流量変化を検出することによって、測定ガスに含まれる酸素量を測定する磁気式酸素測定方法において、
前記補助ガス供給口より分岐する左右の補助ガス流路をバイパス流路で連結し、このバイパス流路に流れる補助ガスの流量を検出するとともに、前記補助ガス供給口から供給する補助ガスの流量を検出し、
検出したバイパス流路の流量から測定ガス中の酸素の量を算出し、
検出した補助ガス流路に供給する補助ガスの流量データを利用し、算出した酸素量の補正を行うことを特徴とする。

請求項２では、請求項１に記載の磁気式酸素測定方法において、前記バイパス流路および補助ガス供給口の流量の検出に２線式熱型流量センサを用いることを特徴とする。

請求項３では、請求項１または２に記載の磁気式酸素測定方法において、前記バイパス流路に流れる補助ガスの流量を検出する動作は、前記バイパス流路を前記補助ガス供給口から等距離の位置に接続して行うことを特徴とする。

請求項４では、請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気式酸素測定方法において、前記バイパス流路に流れる補助ガスの流量の検出は、前記バイパス流路の中間点で行うことを特徴とする。

請求項５では、測定ガス用入口と出口とが設けられ、これらの入口と出口の間が左右対称に形成された測定流路と、この測定流路の左右の対向する位置に接続された補助ガス流路とを有し、
この補助ガス流路の中央から補助ガスを供給するとともに、前記測定流路の左右どちらか一方の流路に磁界をかけることにより生じる、補助ガス供給口より分岐する左右の補助ガス流路の流量変化を検出することによって、測定ガスに含まれる酸素量を測定する磁気式酸素計において、
前記補助ガス供給口より分岐する左右の補助ガス流路を連結するバイパス流路と、
前記バイパス流路に配置された第１の流量センサと、
前記補助ガス供給口に配置された第２の流量センサと、
前記第１の流量センサの出力から測定ガス中の酸素の量を算出するとともに、前記第２の流量センサの出力を利用して算出した酸素量の補正を行う検出部と、
を有することを特徴とする。

請求項６では、請求項５に記載の磁気式酸素計において、前記第１および第２の流量センサは、２線式熱型流量センサであることを特徴とする。

請求項７では、請求項５または６に記載の磁気式酸素計において、前記バイパス流路は、前記補助ガス供給口から等距離の位置に接続されたことを特徴とする。

請求項８では、請求項５乃至７のいずれかに記載の磁気式酸素計において、前記第１の流量センサは、前記バイパス流路の中間点に配置されたことを特徴とする。

請求項９では、請求項５乃至８のいずれかに記載の磁気式酸素計において、前記第１および第２の流量センサは同一基板上に形成されたことを特徴とする。

このように、補助ガス自体の流量変動を検出することにより、補助ガスの流量変動が酸素量の測定値に与える影響を補正することができ、大掛かりな設備を必要とすることなく補助ガスの流量変動に強い磁気式酸素測定方法および磁気式酸素計を実現することができる。
また、補助ガス供給口より分岐する左右の補助ガス流路を連結するバイパス流路を設け、このバイパス流路の流量から測定ガスの酸素量の測定を行うことによって、従来複数の流量センサを使う（図３の従来例では第１および第２の補助ガス流路の両方に流量計が設置されていた）ことによって生じていた、個々の流量計の出力変動のばらつきによる誤差をなくすことができ、酸素測定の精度向上を図ることができる。

また、請求項２および請求項６によれば、流量の検出に２線式熱型流量センサを用いるため、従来のサーミスタよりも周囲の温度変動の影響を受けにくくすることができる。

請求項３および請求項７によれば、バイパス流路が補助ガス供給口から等距離の位置に接続されるため、どちらか一方の補助ガス流路の影響を強く受けることもなく、構造的な偏りをなくすことができる。

請求項４および請求項８によれば、バイパス流路の中間点で流量の検出が行われるため、流量センサの前後でバイパス流路の配管粘性や温度分布などの影響が偏るのを防止することができる。

請求項９によれば、第１および第２の流量センサが同一基板上に形成されるため、各流量センサの温度分布の減少や組み立て性の向上を図ることができる。さらに、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ：微小電気機械システム）などの技術を利用してこのような基板を形成すれば、アレイ化しやすく小型化や特性の均一化を図ることができる。

以下、図面を用いて本発明の磁気式酸素測定方法および磁気式酸素計を説明する。

図１は本発明による磁気式酸素測定方法および磁気式酸素計の一実施例を示す図であり、測定ガスを流すリングセル１１と、リングセル１１で検出した信号から酸素量を検出する検出回路２０からなる。

リングセル１１は、円環形状に形成されたサンプル流路１２に連通して設けた測定ガス導入口１３と、この測定ガス導入口１３の反対側に設けた測定ガス導出口１４と、測定ガス導入口１３と測定ガス導出口１４との間のサンプル流路である測定側サンプル流路１２ａに導通するように連通した第１の補助ガス流路１５ａと、第１の補助ガス流路１５ａと反対側のサンプル流路である比較側サンプル流路１２ｂに導通するように連通した第２の補助ガス流路１５ｂと、測定側サンプル流路１２ａに磁界Ｍｆを形成するヨーク（図示せず）と、第１の補助ガス流路１５ａと第２の補助ガス流路１５ｂを接続するバイパス流路１９と、バイパス流路１９の中間点に配置した第１の流量センサ１８ａと、補助ガス供給口１７に設けられた第２の流量センサ１８ｂとからなる。この第１および第２の流量センサ１８ａ、１８ｂは２線式熱流量計であり、検出回路２０に接続されている。なお、流量センサ１８ａ、１８ｂは、ＭＥＭＳなどの半導体微細加工技術を利用して同一基板上に形成する。

このような構成のリングセル１１において、測定ガス導入口１３から導入された測定ガスは、測定側サンプル流路１２ａと比較側サンプル流路１２ｂの二方向に分流したのち、測定ガス導出口１４へ合流するように流れる。
補助ガス供給口１７から供給された補助ガスは、補助ガス流路１５ａと１５ｂの二方向に分流する。また、補助ガス流路１５ａの分岐点Ｐ１からは補助ガスの一部がバイパス流路１９に流入し、同様に補助ガス流路１５ｂの分岐点Ｐ２からも補助ガスの一部がバイパス流路１９に流入する。
補助ガスはその後サンプル流路１２ａ、１２ｂとの接続部付近で測定ガスと合流し、測定ガスと共に測定ガス導出口１４へ流れる。

測定ガス中に酸素分子が含まれていない場合、測定側サンプル流路１２ａに磁界Ｍｆが印加されても酸素分子は引き寄せられず、その部分の圧力は上昇しない。したがって、第１および第２の補助ガス流路１５ａ、１５ｂのそれぞれからサンプル流路１２ａ、１２ｂに補助ガスが流出する際の流体抵抗は同じになり、第１および第２の補助ガス流路の流量は同じとなる。そのため、バイパス流路１９には補助ガス流路１５ａ、１５ｂから同量の補助ガスが流入し、第１の流量センサ１８ａを流れる補助ガスは平衡し、流量はゼロとなる。

一方、測定ガス中に酸素分子が含まれている場合、測定側サンプル流路１２ａに磁界Ｍｆが印加されると、その部分に酸素分子が引きつけられ、酸素の凝集圧により圧力が上昇する。そのため、第１の補助ガス流路１５ａから測定側サンプル流路１２ａに補助ガスが流出する際の流体抵抗が増大し、流出量が減少する。逆に比較側サンプル流路１２ｂでは磁界Ｍｆが印加されていないため流体抵抗は増大せず、磁場印加側との比較により補助ガスの流出量が増加する。

したがって、分岐点Ｐ０で補助ガスが分岐する際の分流比が変化し、第１および第２の補助ガス流路の流量に差が生じ、分岐点Ｐ１からバイパス流路１９に流入する補助ガスの量と分岐点Ｐ２からバイパス流路１９に流入する補助ガスの量にも差が生じるようになる。そのため、第１の流量センサ１８ａを経由する補助ガスに流れが生じ、第１の流量センサ１８ａの出力信号は測定ガス中の酸素分子量に対応した値を示すようになる。

ここで、補助ガスの供給元の圧力変動や、補助ガス流路１５ａ、１５ｂの分岐点Ｐ０にいたる経路の温度揺らぎなどによる配管の粘性抵抗の変化などにより、補助ガス流量の変動が発生すると、バイパス流路１９を流れる補助ガスの流量も変動を受けてしまう。

そこで、補助ガス供給口１７に配置した第２の流量センサ１８ｂで補助ガス流路１５ａ、１５ｂに流入する補助ガスの流量自体の変動を検出し、第１の流量センサ１８ａの出力信号に対して補助ガス自体の流量変動分の影響除去に利用する。

図２は検出回路２０の動作を示す動作説明図である。
流量センサ１８ａから測定ガスの酸素量に対応した信号が入力される（Ｓ１）。また、流量センサ１８ｂからは供給される補助ガスの流量を示す信号が入力される（Ｓ２）。本来供給されるべき補助ガスの基準流量を検出回路２０に記憶させておき（Ｓ３）、その基準流量と流量センサ１８ｂで検出した補助ガス流量を比較し、実際に供給された補助ガスの変動量の演算を行う（Ｓ４）。Ｓ１の酸素信号に対し補助ガスの変動量に応じた補正を行い、補正後の信号を酸素量の測定結果として出力する（Ｓ５）。

このように構成することにより、補助ガスの元圧変動や温度分布などによる流量変動分を補償することができ、補助ガスの流量変動に強い磁気式酸素測定方法および磁気式酸素計を実現することができる。

また、流量センサ１８ａと１８ｂをＭＥＭＳなどを利用して同一基板上に形成することで、温度分布の減少、部品点数の減少、小型化や特性の均一化を図ることができる。

図１は本発明による磁気式酸素測定方法および磁気式酸素計の一実施例を示す図。 図２は検出回路２０の動作を示す動作説明図。 図３は従来の磁気式酸素測定方法および磁気式酸素計の一例を示す図。

符号の説明

１１ リングセル
１２ サンプル流路
１２ａ 測定側サンプル流路
１２ｂ 比較側サンプル流路
１３ 測定ガス導入口
１４ 測定ガス導出口
１５ａ 第１の補助ガス流路
１５ｂ 第２の補助ガス流路
１７ 補助ガス供給口
１８ａ 第１の流量センサ
１８ｂ 第２の流量センサ
１９ バイパス流路
２０ 検出回路

Claims (9)

1. 測定ガス用入口と出口とが設けられ、これらの入口と出口の間が左右対称に形成された測定流路と、この測定流路の左右の対向する位置に接続された補助ガス流路とを有し、
   この補助ガス流路の中央から補助ガスを供給するとともに、前記測定流路の左右どちらか一方の流路に磁界をかけることにより生じる、補助ガス供給口より分岐する左右の補助ガス流路の流量変化を検出することによって、測定ガスに含まれる酸素量を測定する磁気式酸素測定方法において、
   前記補助ガス供給口より分岐する左右の補助ガス流路をバイパス流路で連結し、このバイパス流路に流れる補助ガスの流量を検出するとともに、前記補助ガス供給口から供給する補助ガスの流量を検出し、
   検出したバイパス流路の流量から測定ガス中の酸素の量を算出し、
   検出した補助ガス流路に供給する補助ガスの流量データを利用し、算出した酸素量の補正を行うことを特徴とする磁気式酸素測定方法。
2. 前記バイパス流路および補助ガス供給口の流量の検出に２線式熱型流量センサを用いることを特徴とする請求項１に記載の磁気式酸素測定方法。
3. 前記バイパス流路に流れる補助ガスの流量を検出する動作は、前記バイパス流路を前記補助ガス供給口から等距離の位置に接続して行うことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気式酸素測定方法。
4. 前記バイパス流路に流れる補助ガスの流量の検出は、前記バイパス流路の中間点で行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気式酸素測定方法。
5. 測定ガス用入口と出口とが設けられ、これらの入口と出口の間が左右対称に形成された測定流路と、この測定流路の左右の対向する位置に接続された補助ガス流路とを有し、
   この補助ガス流路の中央から補助ガスを供給するとともに、前記測定流路の左右どちらか一方の流路に磁界をかけることにより生じる、補助ガス供給口より分岐する左右の補助ガス流路の流量変化を検出することによって、測定ガスに含まれる酸素量を測定する磁気式酸素計において、
   前記補助ガス供給口より分岐する左右の補助ガス流路を連結するバイパス流路と、
   前記バイパス流路に配置された第１の流量センサと、
   前記補助ガス供給口に配置された第２の流量センサと、
   前記第１の流量センサの出力から測定ガス中の酸素の量を算出するとともに、前記第２の流量センサの出力を利用して算出した酸素量の補正を行う検出部と、
   を有することを特徴とする磁気式酸素計。
6. 前記第１および第２の流量センサは、２線式熱型流量センサであることを特徴とする請求項５に記載の磁気式酸素計。
7. 前記バイパス流路は、前記補助ガス供給口から等距離の位置に接続されたことを特徴とする請求項５または６に記載の磁気式酸素計。
8. 前記第１の流量センサは、前記バイパス流路の中間点に配置されたことを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の磁気式酸素計。
9. 前記第１および第２の流量センサは同一基板上に形成されたことを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の磁気式酸素計。
   

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