JP4793098B2

JP4793098B2 - 磁気式酸素測定方法及び磁気式酸素計

Info

Publication number: JP4793098B2
Application number: JP2006151372A
Authority: JP
Inventors: 仁原
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: JP2007322207A

Description

本発明は、磁気式酸素測定方法及び磁気式酸素計に関し、詳しくは測定対象のサンプルガス中の酸素濃度を計測する磁気式酸素測定方法及び磁気式酸素計に関する。

従来技術における磁気式酸素計は、図８及び図９に示すように、被測定ガス（サンプルガス）を流すリングチャンバーセル１１と、リングチャンバーセル１１で検出した信号から酸素の量を検出する検出回路３１とからなる。

リングチャンバーセル１１は、円環形状に形成されサンプルガス流路１２に連通して設けたサンプルガス入口１３と、このサンプルガス入口１３の反対側に設けたサンプルガス出口１４と、サンプルガス流路１２の内側であって略中心位置に設けた補助ガスを流入する補助ガス入口１５と、この補助ガス入口１５に連通し且つサンプルガス入口１３とサンプルガス出口１４との間のサンプルガス流路１２である測定側サンプルガス流路１６に導通するように連通した第１の補助ガス流路１８と、補助ガス入口１５に連通し且つ第１の補助ガス流路１８と反対側のサンプルガス流路１２である比較側サンプルガス流路１７に導通するように連通した第２の補助ガス流路１９と、第１の補助ガス流路１９に連通した測定側サンプルガス流路１６が交わる位置に磁界を印加する磁石とヨークからなる磁気回路２１と、第１の補助ガス流路１８の略中央位置に設けた第１のサーミスタ２７と、第２の補助ガス流路１９の略中央位置に設けた第２のサーミスタ２８と、から大略構成されている。
ここで、第１及び第２のサーミスタ２７、２８は、第１及び第２の補助ガス流路１８，１９のそれぞれに対して、第１及び第２の補助ガス流路１８、１９が分岐する位置に設けた補助ガス入口１５から等距離の位置に配置された構成になっている。

検出回路３１は、第１のサーミスタ２７に接続してある第１の定抵抗回路３２と、第２のサーミスタ２８に接続してある第２の定抵抗回路３３と、これらの第１及び第２の定抵抗回路３２、３３からの信号を受信する差動増幅器３４とからなる。

このような構成のリングチャンバーセル１１において、サンプルガス中に酸素分子が含まれていない場合は、リングチャンバーセル１１の測定側サンプルガス流路１６と比較側サンプルガス流路１７の流量は等しく、補助ガス入口１５から導入された窒素ガスが左右の流路（第１及び第２の補助ガス流路１８、１９）に流れる流量は等しくなる。
これに対して、サンプルガス中に酸素分子が含まれる場合は、酸素は磁化率が大きく磁界に引き寄せられる性質があることにより、磁界印加領域２２が酸素を引きつけることによって生じる第１及び第２の補助ガス流路１８、１９両端の圧力変化によって流量差が生じる。

ここで、磁界のある第１の補助ガス流路１８の流量をＱＬ、磁界のない第２の補助ガス流路１９の流量をＱＲとすると、サンプルガス中に酸素分子がない場合はＱＲ＝ＱＬで流量差ΔＱ＝０、酸素分子がある場合はＱＲ＞ＱＬで流量差ΔＱ＝ＱＲ−ＱＬとなる。
流量差ΔＱはサンプル中の酸素濃度に比例するので、各々の流量を第１のサーミスタ２７と第２のサーミスタ２８で測定して出力差をとると酸素濃度に応じた信号出力（Ｏ_２信号）が得られる。
特開２００４−３２５３６８号公報（第５頁〜第６頁第１図）

しかし、従来技術で説明した磁気式酸素計においては、補助ガスの流量変動がある場合、２分岐されて流路に流れる窒素の流量変動が生じ、サーミスタの熱の平衡が影響をうける。このため、補助ガスの流量変動を極力抑えるため、流量制御機構が必要となり、構造が複雑になり、部品点数が増え、流量調整が必要などの問題を有している。

又、２つのサーミスタは離れた位置に配置されるため、リングチャンバーセルに温度分布があった場合は各々のサーミスタの熱接地温度が異なるために、熱接地温度差が信号出力に影響を与えてしまう。このために、リングチャンバーセルを高精度に温度制御する恒温槽の機能を必要としている。

従って、流量比式検出器の２つのサーミスタを、４線熱線式フローセンサ２組に置き換えると共に流路形状の改善と演算方式の変更によって、補助ガスの流量変動とリングチャンバーセルの温度変動の影響を低減して、酸素濃度測定のＳ／Ｎを向上した磁気式酸素計を実現することに解決しなければならない課題を有する。

上記課題を解決するために、本願発明の磁気式酸素測定方法及び磁気式酸素計は、次に示す構成にしたことである。

（１）磁気式酸素測定方法は、サンプルガス入口から導入されたサンプルガスを分岐している測定側サンプルガス流路と比較側サンプルガス流路のそれぞれに同一分量流すと共に、前記測定側サンプルガス流路及び前記比較側サンプルガス流路に導通し、補助ガス入口から導入された補助ガスを分岐している第１の補助ガス流路と第２の補助ガス流路のそれぞれに同一分量流すようにした第１のステップ、前記第１の補助ガス流路と前記測定側サンプルガス流路の交わる部分に磁界を印加する第２のステップ、前記第１及び第２の補助ガス流路のそれぞれに垂直方向にクランク状の流路を形成し、ブリッジを形成する４つの熱線抵抗体を前記クランク状の流路に配置した第３のステップ、からなる。

（２）磁気式酸素計は、サンプルガスを導入するサンプルガス入口を基点にしてサンプルガスを同一分量分流させる測定側サンプルガス流路及び比較側サンプルガス流路と、
前記測定側サンプルガス流路及び比較側サンプルガス流路のそれぞれに導通させ、同一量の補助ガスを流す第１及び第２の補助ガス流路と、前記第１の補助ガス流路と前記測定側サンプルガス流路の交わる部分に磁界を印加する磁界発生手段と、前記第１及び第２の補助ガス流路のそれぞれに垂直方向にクランク状の流路を形成し、該クランク状の流路にブリッジを形成する４つの熱線抵抗体を配置したフローセンサと、を備えたことである。

本提案によれば、センサに４線熱線式フローセンサを搭載した構成にしたことで、補助ガス変動、周囲温度変動の影響が低減できるため補助ガス流量や温度変動を抑えるための部品のコストが大幅に削減でき、従来の磁気式酸素計のフルスケールに対する最大誤差は１桁ほど改善でき、高精度な酸素濃度の設定が可能になる。

次に、本願発明に係る磁気式酸素測定方法及び磁気式酸素計の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、従来技術で説明したものと同じものには同じ符号を付与して説明する。

本願発明の磁気式酸素測定方法を具現化できる磁気式酸素計は、図８及び図９に示した従来例とほとんど変わらないが、第１の補助ガス流路と第２の補助ガス流路のそれぞれに、クランク状の流路を形成し、第１のクランク状の流路に４線の熱線（図３のＦＳ１、ＦＳ２、ＦＳ３、ＦＳ４）を配置した第１の４線熱線式フローセンサと、第２のクランク状の流路に４線の熱線（図３のＦＳ５、ＦＳ６、ＦＳ７、ＦＳ８）を配置した第２の４線熱線式フローセンサを配置することを特徴としている。

その構成は、図１及び図２に示すように、被測定ガス（サンプルガス）を流すリングチャンバーセル１１と、リングチャンバーセル１１で検出した信号から酸素の量を検出する検出回路３１とからなる。

リングチャンバーセル１１は、円環形状に形成されサンプルガス流路１２に連通して設けたサンプルガス入口１３と、このサンプルガス入口１３の反対側に設けたサンプルガス出口１４と、サンプルガス流路１２の内側であって略中心位置に設けた補助ガスを流入する補助ガス入口１５と、この補助ガス入口１５に連通し且つサンプルガス入口１３とサンプルガス出口１４との間のサンプルガス流路１２である測定側サンプルガス流路１６に導通するように連通した第１の補助ガス流路１８と、補助ガス入口１５に連通し且つ第１の補助ガス流路１８と反対側のサンプルガス流路１２である比較側サンプルガス流路１７に導通するように連通した第２の補助ガス流路１９と、第１の補助ガス流路１８と測定側サンプルガス流路１６が交わる位置に磁界を印加する磁石とヨークからなる磁気回路（磁界発生手段）２１と、第１の補助ガス流路１８の略中央位置にクランク状の流路２３を形成し、このクランク状の流路２３に４線の熱線（図３のＦＳ１、ＦＳ２、ＦＳ３、ＦＳ４）を配置した第１の４線熱線式フローセンサ２５と、第２の補助ガス流路１９の略中央位置にクランク状の流路２４を形成し、このクランク状の流路２４に４線の熱線（図３のＦＳ５、ＦＳ６、ＦＳ７、ＦＳ８）を配置した第２の４線熱線式フローセンサ２６と、から大略構成されている。
ここで、第１及び第２の４線熱線フローセンサ２５、２６は、第１及び第２の補助ガス流路１８，１９のそれぞれに対して、第１及び第２の補助ガス流路１８、１９が分岐する位置に設けた補助ガス入口１５から等間隔の位置に配置された構成になっている。

検出回路３１は、第１の４線熱線式フローセンサ２５に接続してある第１の定抵抗回路３２と、第２の４線熱線式フローセンサ２６に接続してある第２の定抵抗回路３３と、これらの第１及び第２の定抵抗回路３２、３３からの信号を受信する差動増幅器３４とからなる。

このような構成をした磁気式酸素計において、先ず、サンプルガス入口１３から導入されたサンプルガスは、測定側サンプルガス流路１６と比較側サンプルガス流路１７に２分岐され、同一分量分流される。補助ガス入口１５から導入された補助ガス（例えば窒素、酸素分子を含まないガス）は、第１の補助ガス流路１８と第２の補助ガス流路１９に２分岐され、同一分量分流される。

第１の捕助ガス流路１８と測定側サンプルガス流路１６の交わる部分には、磁気回路２１によって磁界印加領域２２が形成されている。サンプルガスと補助ガスは、混合した状態でサンプルガス出口１４から排出される。

本提案の第１の４線熱線式フローセンサ２５の流路２３はクランク状に形成され、２本ずつの熱線の流路の流れの向き逆となるように流路がターンしており、熱線ＦＳ１とＦＳ２が一対、熱線ＦＳ３とＦＳ４が一対となるように、例えば０．５ｍｍ程度近接して配置されている。定常的なガスの流れによって、上流側の熱線ＦＳ１の温度が下がって下流側の熱線ＦＳ２の温度が上がり、上流側の熱線ＦＳ３の温度が下がって下流側の熱線ＦＳ４の温度が上がる。４つの熱線でフルブリッジ回路を構成してブリッジ電圧を印加するとガスの流量に応じた信号Ｖ_１が得られる。

同様にして、第２の４線熱線式フローセンサ２６の流路２４はクランク状に形成され、２本ずつの熱線の流路の流れの向き逆となるように流路がターンしており、熱線ＦＳ５とＦＳ６が一対、熱線ＦＳ７とＦＳ８が一対となるように、例えば０．５ｍｍ程度近接して配置されている。定常的なガスの流れによって、上流側の熱線ＦＳ５の温度が下がって下流側の熱線ＦＳ６の温度が上がり、上流側の熱線ＦＳ７の温度が下がって下流側の熱線ＦＳ８の温度が上がる。４つの熱線でフルブリッジ回路を構成してブリッジ電圧を印加するとガスの流量に応じた信号Ｖ_２が得られる。

この第１及び第２の４線熱線式フローセンサについて、図３に示す電気回路を用いて、動作を説明する。
第１及び第２の補助ガス流路１８，１９に設置された第１及び第２の４線熱線式フローセンサ２５，２６の信号は、各熱線の抵抗値が全て等しいときは平衡状態にありブリッジ出力である信号Ｖ_１と信号Ｖ_２はＶ_１＝Ｖ_２＝０となるが、一般的には抵抗値バラツキがあるため、オフセット出力が発生する。サンプルガス中の酸素分子がない酸素濃度ゼロで、補助ガスが２分岐されているときの初期のブリッジ出力を信号Ｖ_１と信号Ｖ_２とする。

サンプルガスに酸素分子が存在している場合の、磁界印加領域２２のある第１の補助ガス流路１８の流量ＱＬと磁界のない第２の補助ガス流路１９の流量ＱＲは、ＱＲ＞ＱＬで流量差△Ｑ＝ＱＲ一ＱＬとなる。流量差△Ｑによって生じる信号変化の係数をαとすると、信号Ｖ_１と信号Ｖ_２をＶ_１（１‐α）とＶ_２（１＋α）で記述する。
補助ガスの流量変動の係数をβとすると、酸素濃度の増加と補助ガス流量の変動による信号は下記のように表すことができる。

ここで、信号の大小関係は、Ｖ_１’＝＜Ｖ_２’となる。補助ガス流量の変動を除くため、信号Ｓを下記の演算方式で得ると、上辺と下辺のβを除くことができ、αのみが係数として残る。

抵抗値バラツキによる２つのブリッジ出力の差分をγとして、Ｖ_１＝γＶ_２とすると、式３は次に示すようになる。

となる。この式（４）の動作を確認するため、一例として以下の条件で演算信号Ｓと酸素濃度の関係を図４に示す。
酸素濃度０からフルスケールＦＳ：α＝０〜１．０、ステップ０．１
２つのブリッジ出力のバラツキ（非平衡分）：γ＝０．７（平衡状態に対して０．３の変動）、１．０（平衡状態）であるとすると、
式（４）にそれぞれの値を入れて演算すると、２つのブリッジ出力のバラツキ（非平衡分）が反映され、バラツキがない状態からシフトしたグラフになるが、酸素濃度０、０．５ＦＳ、ＦＳの３点で校正すると図５のようにリニアリティが良好な検量線が得られ、フルスケールに対する最大誤差は０．１％ＦＳ程度となる。一般にはブリッジに非平衡は１０％以下であることから、最大誤差は０．１％ＦＳ未満となり、従来の磁気式酸素計より１桁ほど改善できる。

このようにして、本願発明の磁気式酸素計は、（１）補助ガスの流量変動の影響が低減できる、（２）４線熱線式フローセンサブリッジ回路は、熱接地温度の変動を差動で低減できる、（３）熱接地温度の影響が少ないため、従来製品より恒温槽の温度制御の精度を下げることができる、（４）熱線の抵抗値バラツキによる２つの熱線式フローセンサの非平衡分は本提案の演算方法と校正方法によって低減できる。
このような効果を得ることができるため、補助ガス変動、周囲温度変動の影響が低減でき、補助ガス流量や温度変動を抑えるための部品コストが大幅に削減でき、従来の磁気式酸素計のフルスケールに対する最大誤差は１桁ほど改善でき、高精度な酸素濃度の測定が可能になるのである。

次に、４線熱線フローセンサの変形例について、図６及び図７を参照して説明する。
上記説明した４線熱線式フローセンサの流路がリングチャンバーセルの同一平面上に配置されている構成であるが、本提案は補助ガス流路とフローセンサの流路が屈曲して流れがＵターンできればよいことから、第１及び第２の補助ガス流路１８、１９に形成されたクランク状の流路２３、２４を第１及び第２の補助ガス流路１８、１９に対して垂直方向に配置した構成になっている。
その他の構成は上記した図１及び図２に示す構成と同じであるためその説明は省略する。

補助ガス流路にクランク状の流路を形成し、そこに４線熱式フローセンサを配置した構成にすることで、補助ガスの流量変動とリングチャンバーセルの温度変動の影響を低減して、酸素濃度測定のＳ／Ｎを向上した磁気式酸素計を提供する。

本願発明の磁気式酸素計のリングチャンバーセルを略示的に示した構成図である。同、図１におけるリングチャンバーセルのＡ―Ａ'線断面図である。同、図１における４線熱線フローセンサを２組組み込んだ磁気流量比式検出器の電気回路を示した説明図である。同、補助ガス流量の変動成分による酸素計出力への影響を示したグラフである。同、補助ガス流量の変動成分による酸素計出力の影響に対して、酸素濃度の３点で校正したときのグラフである。同、４線熱式フローセンサの配置を補助ガス流路に対して直交方向に配置した様子を示した説明図である。同、図６におけるリングチャンバーセルのＢ−Ｂ'線断面図である。従来技術における磁気式酸素計のリングチャンバーセルを略示的に示した構成図である。同、図８におけるリングチャンバーセルのＣ―Ｃ'線断面図である。

符号の説明

１１リングチャンバーセル
１２サンプルガス流路
１３サンプルガス入口
１４サンプルガス出口
１５補助ガス入口
１６測定側サンプルガス流路
１７比較側サンプルガス流路
１８第１の補助ガス流路
１９第２の補助ガス流路
２１磁気回路
２２磁界印加領域
２３クランク状の流路
２４クランク状の流路
２５第１の４線熱線式フローセンサ
２６第２の４線熱線式フローセンサ
３１検出回路
３２第１の定抵抗回路
３３第２の定抵抗回路
３４差動増幅器。

Claims

サンプルガス入口から導入されたサンプルガスを分岐している測定側サンプルガス流路と比較側サンプルガス流路のそれぞれに同一分量流すと共に、前記測定側サンプルガス流路及び前記比較側サンプルガス流路に導通し、補助ガス入口から導入された補助ガスを分岐している第１の補助ガス流路と第２の補助ガス流路のそれぞれに同一分量流すようにした第１のステップ、
前記第１の補助ガス流路と前記測定側サンプルガス流路の交わる部分に磁界を印加する第２のステップ、
前記第１及び第２の補助ガス流路のそれぞれに垂直方向にクランク状の流路を形成し、ブリッジを形成する４つの熱線抵抗体を前記クランク状の流路に配置した第３のステップ、
からなる磁気式酸素測定方法。
サンプルガスを導入するサンプルガス入口を基点にしてサンプルガスを同一分量分流させる測定側サンプルガス流路及び比較側サンプルガス流路と、
前記測定側サンプルガス流路及び比較側サンプルガス流路のそれぞれに導通させ、同一量の補助ガスを流す第１及び第２の補助ガス流路と、
前記第１の補助ガス流路と前記測定側サンプルガス流路の交わる部分に磁界を印加する磁界発生手段と、
前記第１及び第２の補助ガス流路のそれぞれに垂直方向にクランク状の流路を形成し、該クランク状の流路にブリッジを形成する４つの熱線抵抗体を配置したフローセンサと、
を備えたことを特徴とする磁気式酸素計。