JPH02154140A

JPH02154140A - ガス測定装置およびその方法

Info

Publication number: JPH02154140A
Application number: JP63173878A
Authority: JP
Inventors: Daniel A Anderson; ダニエル　エー．アンダーソン; Ronald C Wojnar; ロナルド　シー・ウォイナー; Mark F A Warchol; マーク　エフ．エー．ワーコール
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1988-01-04
Filing date: 1988-07-14
Publication date: 1990-06-13
Anticipated expiration: 2009-03-30
Also published as: US4829810A; CA1319535C; JPH0623715B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、一般に、２つのガスの熱伝導率の差を用いて
２つのガスの分圧平衡の測定に関し、詳細には、熱フイ
ラメントセンサの温度の制御を行う回路配列に関する。

さらに、その回路配列は周には、極微量のトレースガス
（ｔａｒｃｅ　ｇａｓｅｓ）の測定における精度の必要
性が論じられている。また、米国特許第４．４５４．７
４８号にもこの必要性が論じられている。米国特許出願
第７６３．２９０号において、米国特許第２．８６１．
４５０号の“テレガス（Ｔｅｌｅｇａｓ）　”の工程お
よび装置には、カサロメータ（ｃａｔｈａｒｏ−ｍｅｔ
ｅｒ）による含有ガスおよびキャリヤーガスの熱伝導率
の読取りと、溶融した供給金属の温度の読取りとからガ
スの含有パーセントを算出することが可能な装置が接続
されている。公知のように、全てのガスの含有パーセン
トは溶融した供給合金の換算係数によって設定される。

米国特許出願第７６３、２９０号の開示以前には、上記
の読取り、測定および換算は温度表および合金表を用い
ることにより行っていた。温度表の読取りおよび換算係
数の取換えを伴う計算では、溶融した金属に含まれてい
るガスの量の決定に誤りがしばしば生じていた。演算装
置により全ての手順に従って演算することによって、そ
の誤りはなくなった。

米国特許出願第８２５．３４４号では、米国特許出願第
７６３．２９０号のカサロメータに用いられ、また米国
特許第２．８６１．４５０号にも用いられる基準電池（
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｅｌｌ）を除去し、残ったホッ
トワイヤセンサと直列な定電流源を特に使用している。

これにより、ホットワイヤセンサに到達する正味のガス
含有量に応じてのみ、ホットワイヤセンサでの電圧降下
は変化する。さらに、基準電池を除去することにより、
そのようなシステムに正確さを必要する同一のホットワ
イヤセンサを設けるという厄介な課題を排除した。米国
特許出願第８２５．３４４号で説明したように、そのよ
うなホットワイヤセンサはしばしば手で巻かれる。この
ことは退屈で時間を浪費し、結局、ホットワイヤセンサ
の正確なマツチングを保証しないという問題がある。

米国特許第４．４５４．７４８号では、周囲温度の変化
からホットワイヤセンサを分離することにより、テレガ
スの測定の精度を上げている。ハウジング内にホットワ
イヤセンサを配置し、ハウジング内部を排気することに
より、このことは成し遂げられる。識別されるように、
鋳造工程のライン上に使用されるポータプル装置である
ような計器に対して、コンパクトが要求されるような場
所では排気装置はコストおよび大きさを増大し、コスト
の削減（増加に対立するものとして）が競争上、要求さ
れているという問題がある。

米国特許第２．８６１．４５０号において、安定した読
取りの前に、分圧ガスの圧力を周囲の必要とされるいく
つかの読取りを変えることにより、分圧の表示が正確に
行われた。（分圧は、ガスが分散する溶融した金属体の
自由面に位置するガス分子の平衡圧力である。もし所定
の圧力［例えば７６０　＋＋＋ｍの水銀柱］でのガスの
溶解度が分かっているならば、溶融した金属内の所定の
ガスの含有量は内部圧力または平衡圧力に対して増加す
る。

さらにまた、米国特許第２．８６１．４５０号における
基準電池は空気にむきだしになっていたために、計器で
は湿度変化のために誤差を生じた。基準電池内のホット
ワイヤは読取り誤差を生じる空気の湿気の含有量の変化
に反応するために、湿気は空気の熱伝導率に直接影響を
与えるという問題がある。

本発明は、上記の諸問題を解決するためになされたもの
であり、基準電池を用いることがなく、湿度の変化によ
って誤差の生じないガス測定装置およびその方法を提供
するものである。

〔課題を解決するための手段および作用〕本発明は、単
一の加熱フィラメントを実質的に異なる熱伝導率を有す
る２つのガスに接触して用いる非常に安定な計器および
回路に向けるものである。２つのガスの異なる熱伝導率
によって生じる自然対流の熱伝達の変化分して別のガス
に含まれる一方のガス分圧の平衡を決定する工程に用い
られる。特に、計器は加熱フィラメントを含む能動のブ
リッジ回路を有する。フィラメントを一定レベルの電気
抵抗および一定温度に保持するために、ブリッジ回路を
フィードバックする。さらに、ブリッジ回路およびフィ
ラメントに非常に安定した電圧を供給するための手段を
設ける。混合ガスの熱伝導率が変化するときには、フィ
ラメントからの伝熱を変え、一定温度のフィラメントを
保持することによってフィラメントに与えられる電気力
を変える。電気力におけるこの変化は他のガス内の一つ
のガスの対流から測定される。基準電池を用いずに大気
電池を用いることにより、本システムが周囲の湿度に生
じる変化による誤差を被ることがなくなる。

〔実施例〕

本発明は、上記の目的および有利な点に沿って第１図お
よび以下の説明を参照するこにより最もよく理解される
。第１図は本発明における一つの好適な実施態様例を示
す略回路図である。本図において、回路ＩＯには、ホッ
トワイヤまたはホットフィルムセンサ１２（以下、“フ
ィラメント（ｆ　ｉｌａｍｅｎｔ）　”または“加熱フ
ィラメント（ｈｅａｔｅｄｆ　ｉ　ｌａｍｅｎｔ）　”
と称する）の一端は温度ドリフトの低い演算増幅器（オ
ペアンプ）１４の反転入力端子に接続されていることが
概略的に示されている。

以下説明するように、演算増幅器１４は温度オフセット
ドリフトの低い特性を有し、回路１０の他の構成部と結
合して、周囲温度が変化したときに、回路１０を非常に
安定した動作特性にする。

フィラメント１２は、白金でコートしたタングステン線
のような細い線かまたは薄い水晶ロッドのような基板上
に形成した白金層かのいずれかであってもよい。フィラ
メント１２の抵抗は、フィラメント１２に印加した電圧
をフィラメント１２の領域によって分圧した電圧、伝熱
係数およびフィラメント１２の温度と周囲温度との間の
温度差の二乗に比例する。フィラメント１２の領域は固
定しているが、周囲温度および伝熱係数は変化する。伝
熱係数はガス、温度および伝熱モードから構成される関
数である。フィラメントが流れ、すなわち強制対流から
の影響を受けないような機構が構成される。

したがって、白金ホットセンサ（４００℃以下の温度に
限定される）での最初のモードの伝熱は自然対流である
。水素の熱伝導率は、他のガス（ヘリウムおよび水蒸気
を除く）の熱伝導率よりは大きさの点でほとんど大きい
。この大きさにより自然対流の伝熱係数がかなり変えら
れる。伝熱係数についての水素の他の輸送特性への影響
は、他のガスと比べて、無視してもよい。

フィラメント１２の他端は、正端子１８を除いて、図示
しない直流（ＤＣ）電源の負端子１６に接続されている
。回路１０のシステムが鋳造設備に直結して使用される
携帯用測定装置の一部であるとき、直流電源は低電圧（
例えば１２ｖ）であることが好ましい。

抵抗２０はフィラメント１２と、抵抗２２および２４間
の共通接続との間に接続されている。もちろん、この配
列には演算増幅器１４の負入力端子にフィラメント１２
および抵抗２０が接続されている。抵抗２４の他端は抵
抗２６および演算増幅器１４の反転入力端子に接続され
ている。フィラメント１２．抵抗２０．２４および２６
は演算増幅器１４の入力端子にブリッジ回路２８を形成
する。ブリッジ回路２８の励起電圧は測定回路２７に与
えられる。ブリッジ電圧を測定し周囲温度の変化を補正
するた必にアナログ装置が使用されているが、ブリッジ
回路２８はディジタル計算装置であってもよい。

直流電源の正端子１８およびブリッジ回路２８の間には
、電流リミッタ２９．電圧レギユレータ３０およびトラ
ンジスタすなわちダーリントントランジスタ対３２（図
示のように）が直列に接続され、ている。

抵抗２２はダーリントントランジスタ対３２にまたがっ
て接続されている。

フィラメント１２は公知のようにセンサチャンバ（ｓｅ
ｎｓｏｒ　ｃｈａｍｂｅｒ）　　（図示しない）内に配
置されている。このセンサチャンバは大気からフィラメ
ントを密封する。次に、センサチャンバは、金属材のブ
ロック３４（本図においてダッシュの輪郭線でのみ示す
）の空洞に配置される。抵抗２６（フィラメント１２に
並列にある）、抵抗２０および２４では電気抵抗の温度
係数が低い。そのために、周囲温度の変化に対して、こ
れらの抵抗は変化しないので、これらの抵抗はフィラメ
ントの電気特性および動作特性に影響を及ぼすことがな
い。電圧レギュレータ３０は直流電源にまたがって接続
し、電圧レギュレータ３０が周囲温度の変化に対して動
作特性が変化しないために、電圧レギユレータ３０はブ
リッジ回路２８およびフィラメント１２に非常に安定し
た電圧を与える。

電流リミッタ２９は、フィラメントが本来いくらか精巧
にできているために、出力過渡変動に対してフィラメン
ト１２を保護する。すなわち、演算増幅器１４およびダ
ーリントントランジスタ対３２によって得られる利得が
生じ、そのためにフィラメントは過電流により破壊され
る。

プローブ（ｐｒｏｂｅ＞　３６は、センサチャンバ３４
内の温度を測定するために、そのセンサチャンバ３４内
に配置される。このプローブ３６はトランスミッタ３８
に接続し、このトランスミッタ３８はセンサチャンバ３
４の温度に比例する電圧を演算装置２７に与える。この
測定の分解能は±０．０１℃である。

第１図の回路く以上述べたように）は次のように動作す
る。直流電源は負端子１６および正端子１８から回路の
構成部に電力を供給する。抵抗２２の値は、フィラメン
ト１２を含むブリッジ回路２８の電流の経路および主な
電流を設定する。一方では、フィラメント１２自体は、
上述したように印加した電圧に比例するような抵抗特性
を有する。抵抗２０．２４および２６の抵抗はその印加
電圧により影響されない。

上記のシステムはキャリヤーガスを除いた全てのガスを
取り除くためにそのキャリヤーガスによって清浄される
。そのとき、キャリヤーガスは、水素を調べるために溶
融した金属を通って注入される。

キャリヤーガスが溶融した金属を通るときに、水素の分
圧が平衡状態に達するまで、キャリヤーガスに乗って水
素量が増加する。キャリヤーガスおよび水素の混合ガス
はフィラメント１２の素子に運ばれる。このため、フィ
ラメント１２の抵抗が変化し、それにより、ブリッジ回
路２８を不均衡にする。

演算増幅器１４はブリッジ回路２８の不均衡を検知し、
ダーリントントランジスタ対３２を介してブリッジ回路
２８に与える電圧を増加または減少する。フィラメント
１２の抵抗が増加または減少することによって、ブリッ
ジ回路２８は均衡状態に戻される。Ｒ２４／Ｒ２６の抵
抗比がＲ２０／フイラメントの抵抗比と同じになるとき
に、ブリッジ回路２８は均衡状態に保たれる。もしフィ
ラメント１２のセンサチャンバ３４内のキャリヤーガス
の熱伝導率が変化するならば、加熱フィラメント１２の
温度が変化し、それによって加熱フィラメント１２の抵
抗が変化する。この変化は演算増幅器１４はこの変化を
検出し、上述したように、ブリッジ回路２８を再び平衡
状態にに戻すために印加する電圧を変える。これにより
、フィラメント１２は元の温度に戻る。したがって、上
記のシステムの出力はブリッジ回路２８を励起する印加
電圧であり、すなわち、周囲温度の変化に対して補償し
ていないが、溶融した金属体内のガス成分の直接の測定
量である。出力電圧およびセンサ温度の値は演算装置２
７にストアされ、演算装置２７によりキャリヤーガスの
みが示す値と比較される。

センサ温度はトランスミッタ３８を介して演算装置２７
に与えられる。

本発明のシステムはブリッジ回路２８の出力電圧の読込
みおよびキャリヤーガスを除いた全てのガスを清浄した
システムでの周囲温度の読込みによって零補償される。

この読み込んだ周囲温度は混合ガスの平衡状態に読み込
んだ周囲温度と比較していくらか差があるために、零電
圧は調整される。

この補償が小さいために、一般に分またはそれ以下の間
隔でこれらの読込みは行われる。温度修正した零電圧は
次に平衡状態の混合ガスでの電圧から差引つかれる。こ
の差電圧は、キャリヤーガス。

既知量の水素および水素を含まないガスすなわちキャリ
ヤーガスのみからなるガスを混合してなるスパンガスに
おいて同じように得られた差電圧と比較される。さらに
、測定した時の周囲温度と現在読み込んでいるときの周
囲温度との温度差に対して、スパンガスの差電圧は補正
される。スパンガスの電圧（以下スパン電圧と称する）
は、実験室の環境内で測定される。一方、一般に、現在
読込みは、溶融した金属の面前で、鋳造工場内のずっと
暑い環境内で行われる。したがって、周囲温度に対する
スパン電圧への修正は４または５パーセントである。ス
パン電圧に対する現在の差電圧の比にスパンガス内の水
素のパーセントを掛けることによって、現在の測定値の
水素のパーセントは決定される。この零補償の処理手順
は長期間補償し、かつ演算増幅器１４の熱ドリフトおよ
び測定装置２７を補償する。スパン電圧の温度補償は、
周囲温度の変化によって生じる成分ガス内の輸送特性の
変化による熱伝導係数の変化に対して修正する。この処
理手順は、好ましくは演算装置２７内で実行される方が
よい。

回路ｌＯのシステムは一定温度の風速計とは相違する。

この風速計は第１図の抵抗２２と同じ始動抵抗を使用す
る。しかしながら、風速計は非常に安定して供給される
電圧を用いない。また始動抵抗は大部分の動作電流を与
えない。風速計は移動流体の速さを測定するために用い
られるので、これらは必要とされない。この移動流体内
では、最初のモードの熱伝達が強制対流であるために熱
伝達はかなりめざましく変化する。ホットワイヤおよび
ホットフィルムの風速計について書かれた刊行物として
、ミネソタ州のセントポールのＴＳＩインコーボーレッ
ドによって配布したＴＳＩテクニカルブリティンＴＢ５
（日イ寸なし）およびサンエンスプレスによって刊行し
た、パークレー　プローブおよびローランダール　ウィ
ルソン著の表題“温度補償したガス対流の吸込みプロー
ブ（Ｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　１ｌｌｉｔｈ
　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ＾ｓ
ｐｉｒａｔｉｎｇ　Ｐｒｏｂｅ）”　（ミズーリ州のロ
ーラーで乱流についてのシンポジウムで提出した第２０
５頁から第２１０頁）がある。

風速計の回路では、自然対流の環境内の熱伝導率の変化
によって生じた熱伝導の影響を区別するにはあまり感度
が高くない。溶融した金属の工程で得られた少量の水素
によって押しつけられる低容量のものでは流速制御を実
質的に不可能にする。

従って、本発明における水素の測定では流速のない所で
使用するかまたはセンサを流速経路から外れた箇所に設
ける。

本発明において非常に安定した電圧源がなければ、供給
電圧のドリフト（例えば使用時にバッテリ電圧の減圧に
よって）は出力電圧においてドリフトを生じる。風速計
において、このドリフトは最大限の流速での電圧と比較
すると重要ではない。

本発明において零出力と最大限の出力との間の差がずっ
と小さいために、電圧源の電圧に関するドリフトでは１
０％または１０％以上の誤差を発生し得る。

流速計において、フィラメント電流は、ガスの流れにお
ける零から最大限の速度の範囲上では１００パーセント
変化する。本発明のシステムにおいて、フィラメント電
流は大部分の溶融したアルミニウム合金の溶融物内に現
存する水素の分圧の範囲上では数パーセントのみ変化す
る。抵抗２２がないと、第１図の回路は２つの安定モー
ドを取り得る。第１のモードはブリッジ回路（演算増幅
器１４の出力での正のオフセットがない）からの零電流
である。

このモードは測定のためにはとるに足らない無用のもの
である。別の安定したモードは、上記したように、演算
増幅器１４によって制御されるブリッジ回路を介して電
流が流れるときに存在する。風速計において、抵抗２２
は、回路が確実に自明のモードで動作しないために小さ
な不均衡を生じるために用いられる。−度始動すると、
抵抗２２は風速計には不必要となる。本発明において、
ダーリングトランジスタ対３２を介して流れる電流は始
動している抵抗２２を介して大部分の電流を供給するこ
とによって使用できる程の小さい。トランジスタの電流
利得は、一般に電流に反比例するために、このことはシ
ステムの利得を極大化する。実際の風速計からの差違は
本発明の安定性および感度を極大化する。

本発明は好適な実施態様例の見地から述べると同時に、
上記の特許請求の範囲の欄に記載したものは本発明の思
想および見地内にある全ての実施態様を包含しようとす
るものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、基準電池を用いる
ことがな（、湿度の変化によって誤差の生じないガス測
定装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における一つの好適な実施態様例を示す
略回路図である。１２・・・フィラメント、　１４・・・演算増幅器、２
８・・・ブリッジ回路。

Claims

【特許請求の範囲】

１．　混合ガス内で異なる熱伝導率を有する２つのガス
の相対的な割合を決定するためのガス測定装置において
、前記混合ガスによって接触されるように適合され、直接
電気力の流れによって加熱される単一のセンサと、一定レベルの電気抵抗および一定温度に前記センサを保
持するための手段とからなることを特徴とするガス測定
装置。
２．　前記センサの温度を一定に保持する前記手段は演
算増幅器を有する特許請求の範囲第１項に記載のガス測
定装置。
３．　前記センサはブリッジ回路の一脚部として接続さ
れ、演算増幅器は該ブリッジ回路にまたがって接続され
る特許請求の範囲第１項に記載のガス測定装置。
４．　異なる熱伝導率を有する２つのガスの分圧の平衡
を決定するためのガス測定装置において、前記２つのガ
スに物理的に接触するように適合され、電気力の供給に
より加熱される単一のセンサと、一定レベルの電気抵抗および一定温度に前記センサを保
持するための手段とからなることを特徴とするガス測定
装置。
５．　前記センサの温度を一定に保持する前記手段は演
算増幅器を有する特許請求の範囲第４項に記載のガス測
定装置。
６．　前記センサはブリッジ回路の一脚部として接続さ
れ、演算増幅器は該ブリッジ回路にまたがって接続され
る特許請求の範囲第４項に記載のガス測定装置。
７．　溶融した金属体内に異なる熱伝導率を有する水素
ガスおよびキャリヤーガスの分圧を決定するためのガス
測定装置において、前記２つのガスに接触するように適合され、電流の流れ
により加熱される単一のセンサと、ブリッジ回路と、前記ブリッジ回路にまたがって接続される演算増幅器と
を有してなり、前記センサは前記ブリッジ回路の一脚部として接続され
ること特徴とするガス測定回路装置。
８．　混合ガス内で異なる熱伝導率を有する２つのガス
の相対的な割合を決定するためのガス測定方法において
、前記ガスの熱伝導率を検出するための単一のフィラメン
トを設け、前記ガスの混合物の前記熱伝導率が変化するときに、前
記フィラメントの電気抵抗が変化する温度範囲に該フィ
ラメントを加熱し、前記ガスと前記フィラメントとを接触し、前記フィラメントの電気抵抗を一定値に保持することを
特徴とするガス測定方法。
９．　前記フィラメントが一つの支流を形成するブリッ
ジ回路を設け、前記フィラメントに接触する前記ガスの熱伝導率に生じ
る変化に応答して該フィラメントの温度を一定に保持す
るため有効であるフィードバック配列を有し、前記ガス
の熱伝導率に生じる変化出力電圧を示す前記ブリッジ回
路を設け、周囲温度の変化に対して前記ブリッジ回路の出力電圧を
補償することのステップを有する特許請求の範囲第８項
に記載のガス測定方法。
１０．　前記周囲温度の変化に対して前記ブリッジ回路
の出力電圧を補償することのステップは、周囲温度の変
化に対しての計算を補正するようにして前記２つのガス
の平衡圧力の算出するステップである特許請求の範囲第
９項に記載のガス測定方法。
１１．　異なる熱伝導率を有する２つのガスの分圧の平
衡を決定するためのガス測定方法において、前期ガスの
熱伝導率を検出するための単一のフィラメントを設け、前記ガスの混合物の前記熱伝導率が変化するときに、前
記フィラメントの電気抵抗が変化する温度範囲に該フィ
ラメントを加熱し、前記ガスと前記フィラメントとを接触し、前記フィラメントの電気抵抗を一定値に保持することを
特徴とするガス測定方法。