JPH0341351A - 熱伝導式計測装置 - Google Patents

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、熱伝導式計測装置に関し、特に高感度のガス
クロマトグラフ等に用いて好適なものである。

〔発明の概要〕

流路中に配されたフィラメントを定温（定抵抗）で加熱
して、加熱制御信号から流路の変化（流量、成分等）に
対応した測定信号を得るようにした熱伝導式計測装置で
ある。

〔従来の技術〕

白金等の熱線（フィラメント）をガス流中に置いて熱線
の温度−抵抗特性により、ガス成分、流量（流速）等を
検出する熱伝導式計測装置が、例えばガスクロマトグラ
フ等に応用されている。

この種の熱伝導式計測装置は、基準ガス流中に置いた白
金フィラメントと、測定ガス中に置いた白金フィラメン
トとがブリッジの２辺を威すように配置され、基準ガス
と測定ガスとの流量差、質量差等を各白金フィラメント
の温度差としてブリッジの不平衡電流により検出するよ
うに威されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の熱伝導式計測装置は、以下の理由により測定感度
及び測定ダイナミックレンジに限界があった。

即ち、白金フィラメントの温度−抵抗特性が非線形であ
るため、所要の測定精度を得るにはダイナミックレンジ
を制限しなければならない。また感度を高くするには、
フィラメントの熱容量を小さくするために極めて細い白
金フィラメントを使用する必要がある。すると発熱量が
制限されるので、自ずとダイナくツクレンジが制限され
る。逆に言えば、広いダイナミックレンジを確保するに
は、感度（測定ガス濃度又は流量が低い方の）を犠牲に
しなければならない。

また非常に細いフィラメントを使用すると、ガス流が中
断したときのフィラメントの焼損の問題及び長期にわた
ってフィラメントとしての機能を維持できる耐久性の問
題が生じる。

このため測定機の信頼性と感度を高めることとが両立し
ない。

本発明はこの問題にかんがみ、高感度、広ダイナミツク
レンジ、高信頼性が得られる熱伝導式測定装置を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の熱伝導式測定装置は、流路２中に配置された測
定用フィラメント１と、上記フィラメント１の抵抗変化
を検出する検出回路８と、上記検出回路８の抵抗変化を
検出するフィラメントが定抵抗を示すようにその加熱電
流を制御する加熱制御回路６とを備え、上記加熱制御回
路６の制御量に対応して上記流路の流量、流体成分等に
ついての測定信号を得るように構成されている。

定温加熱であるから、焼損の心配なく極細のフィラメン
トを用いて感度を上げることができ、温度−抵抗特性の
非線形性による誤差が無く、また原理的に無限大のダイ
ナミックレンジが得られる。

上記検出回路は交流加熱電流で駆動される交流ブリッジ
７であり、ブリッジ７の不平衡を差動アンプ９から成る
コンパレータで検出し、同期整流回路１０で直流に変換
している。同期整流により回路のドリフト等がキャンセ
ルされる。

基準側として同−構成の基準フィラメント２１、検出回
路２７、加熱制御回路２６を設け、測定側と減算結合し
て測定信号を得ている。これにより、回路の残留誤差は
完全にキャンセルされる。

測定回路の基準電位ライン（ベースライン１９）の電位
変動を検出し、サーボコントロールループ（オートゼロ
回路１８）によりそれをゼロに修正している。

〔実施例〕

第１図は本発明の熱伝導式測定装置の要部回路図である
。測定用白金フィラメント１は、例えば被測定ガス流の
流量、ガス成分等を検出するために、流路２に配置され
る。この白金フィラメント１は、キャリア発振器３、乗
算器４、アンプ５から威る加熱制御回路６から、一定温
度（即ち、定抵抗）となるように加熱電流の供給を受け
る。

キャリア発振器３からのキャリア信号Ｓは例えばＩＫＨ
ｚの正弦波であり、乗算器４のＸ入力に供給され、その
７人力の制御信号Ｖｃの大きさに比例した振幅に調整さ
れ、アンプ５を介して白金フィラメント１に供給される
。

白金フィラメントｌは他の３つの固定抵抗Ｒ１〜Ｒ３と
共に構成されたブリッジ７の１辺を威している。このブ
リッジ７は白金フィラメント１の抵抗変化を検出する検
出回路８として働き、白金フィラメント１の抵抗変化（
ガス流の流量又は成分の変化による温度変化）をブリッ
ジのバランス変化として検出するために、橋絡点Ａ、Ｂ
が差動アンプ９　（コンパレータ）の正負の入力端に接
続されている。なお白金フィラメント１を定抵抗（定温
）にするために、ブリッジ７の給電電圧が制御されてい
るが、橋絡点Ａ、Ｂ間の差電圧は、この給電電圧の変化
に影響されることなく、フィラメント１の抵抗変化によ
るブリッジ７のバランス変化のみを代表する。

差動アンプ９の出力は同期整流回路１０に供給され、キ
ャリア信号との掛算によって直流信号に整流され、更に
ローパスフィルタ１１によす平滑される。フィルタ■１
の出力レヘルの変化が白金フィラメント１の抵抗変化に
対応する。なお同期整流回路１０に与えるキャリア信号
は例えばアンプ５の出力を用いることができるが、ブリ
ッジ７のＡ点又はＢ点からとってもよい。同期整流回路
１０はキャリア信号から整流スイッチング信号を形成す
るゼロクロスコンパレータを内蔵している（例えば、米
国アナログ・デバイセズ社ＡＤ６３０形平衡変調／復訓
器を使用）。

フィルタ１１の出力は制御信号Ｖｃとして加熱制ｍ回路
６の乗算器４のＹ入力に帰還される。この帰還により、
乗算器４の出力のキャリア信号Ｓの振幅が制御されて、
白金フィラメントの発熱量が制御される。この帰還ルー
プは負帰還になっていて、白金フィラメント１を定抵抗
で加熱するように作動する。

即ち、流路２のガス流が増加した場合、熱伝導により、
フィラメント１がより冷却され、その抵抗値が下がる。

すると、ブリッジ７のＡ点の電位が上昇するため、差動
アンプ９の出力振幅が増大し、同期整流回路１０及びフ
ィルタ１１の直流信号（制御信号Ｖｃ）のレベルが上昇
する。このため乗算器４の出力のキャリア振幅が増加さ
れ、白金フィラメント１の加熱電流が増える。従って白
金フィラメント１は設定された温度に戻るように加熱さ
れる。安定状態ではブリッジ７がバランスし、白金フィ
ラメント１は定温、定抵抗となる。

流路２の流量が減少した場合も同様に動作する。

また、流路２を流れるガスの成分が例えば二酸化炭素か
ら一酸化炭素に変るような場合でも、同様にフィラメン
ト１が定温、定抵抗で作動する、これらの流路２の流量
、成分等の変化は、フィルタ１１の出力の加熱制御信号
Ｖｃの直流レベルに対応（比例）するので、Ｖｃを測定
信号として加算積分器１２を介して出力端子１３から導
出させ、例えばペンプロッタ等に供給する。

一方、上述と全く同一の構成の測定回路が基準側に設け
られている。即ち、例えば窒素等の基準ガス又はガスク
ロマトグラフではキャリアガスを流す基準流路２２に基
準白金フィラメン）２１が配され、このフィラメント２
１と抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３とでブリッジ２７を構成してい
る。なお測定側及び基準側の白金フィラメント１．２１
、プリンシフ、２７を含む検出回路８は、周囲温度条件
が同一となるように、同一の密閉筐体内に収容されてい
る。

基準側のブリッジ２７に接続される差動アンプ２９、同
期整流回路３０、フィルタ３１及び乗算器２４、アンプ
２５から成る加熱制御回路２６も、各々測定側と全く同
様に設けられている。なお基準側同期整流回路３０は、
アンプ２５からのキャリア信号Ｓを逆相（−）で受ける
ので、フィルタ０ ３１からは、フィラメント２１を定温、定抵抗で加熱す
る負極性の加熱制御信号−Ｖ　Ｃ＋ＲＩ：Ｆ）　　とし
て得られる。この制御信号は乗算器２４に帰還されるが
、乗算出力は交流であって極性を持たないので、基準側
フィラメント２１は、測定側フィラメントｌと全く同様
に加熱制御される。

測定側及び基準側の各制御信号Ｖｃ及びＶ　ｃ　（Ｈ■
）は、加算積分器１２の抵抗Ｒ３１、Ｒ３２を介して加
算（減算結合）され、帰還抵抗Ｒ３３、帰還コンデンサ
Ｃを持ったオペアンプ■５により積分され、出力端子１
３から測定信号Ｍとして導出される。この測定信号は基
準に対する変化又は相違を表すことになる。

測定側と基準側とで流路２及び２７の条件が全く同一の
ときに、測定信号Ｍに非ゼロ電圧が生じている場合、こ
れはフィルタ１６及びボルテージフォロワ１７から成る
オートゼロ回路１８により補正される。即ち、ペンレコ
ーダの接地端子等に接続されるベースライン１９に微小
なレベル変動（ドリフト）があると、この変動分はブリ
ッジ７を介して検出系に重畳し、制御信号Ｖｃ（測定信
号）に非ゼロ電圧として現われる。この非ゼロ電圧は測
定側と基準側の各測定信号Ｖｃ及び−Ｖｃ（ＲＥＦ）に
同極性で現われるから、加算積分回路１２の抵抗Ｒ３１
、Ｒ３２で加算しても互にキャンセルすることなく、測
定信号Ｍに残る。

測定信号Ｍから測定成分を除いたドリフト成分（非ゼロ
電圧）はローパスフィルタ１６で抽出され、ボルテージ
ホロワ１７　（ゲイン１）を介してブリッジ７の橋絡点
Ｂ４こ加えられる。正の非ゼロ電圧が残っている場合、
点Ｂの電位が上昇して、差動アンプ９の出力を下げるの
で、測定信号Ｍ中の非ゼロ成分は消去される。負の非ゼ
ロ電圧が残っている場合も同様である。

このオートゼロ回路１８は、測定側のみに設けければよ
い。測定側と基準側との加算（減算）結果である測定信
号Ｍをゼロ調整の対象としているからである。このよう
にしてゼロ調整された測定信号Ｍは、出力端子１３及び
ベースライン１９に連らなる接地端子２０の夫々に結合
されたペンーコーグのような表示（記録）装置により、
そのゼロ表示点を中心にして正確に表示又は記録される
。

以上の構成により、１０６〜１０９の感度又はダイナＳ
ツクレンジにより、数十〜数百ｎΩのフィラメント抵抗
変化に相当する流量、成分等の検出対象の変化を検出で
きるようになった。つまりｌｐｐｍ（百方分率）以下の
変化を正しく読取ることができる。これは１ｖ／１目盛
のペンレコーダのゲインを切換えて１μ■〜ｌｎＶ／１
目盛程度まで正し目盛縁して読取ることができることを
意味し、極めて高感度である。

白金フィラメント１．２７は、定温、定抵抗で使用され
、焼損のおそれが無いので、微小な温度変化を検出する
ために、極めて細い線材を使用することが可能となった
。また常に定抵抗で測定が行われるので、白金フィラメ
ントの温度−抵抗特性の非線形誤差が測定値に含まれる
ことが無くなり、測定精度が高くなった。

更に白金フィラメント１が交流キャリア信号で加熱され
て、抵抗変化を同期整流して検出してい３ るから、電流電圧の変動及びノイズ、差動アンプ９のド
リフト、接地電位ノイズ等の不平衡成分を同期整流時に
キャンセルすることができ、Ｓ／Ｎを一層良くすること
ができた。更に、全く対称構造の測定側回路と基準側回
路とを用いて、各回路で発生する固有残留誤差を減算に
よりキャンセルしたので、−段と精度が上った。

以上のとおり極めて高感度で広いダイナＳツクレンジの
熱伝導式測定装置が得られた。この測定装置は、ガスク
ロマトグラフに応用することができ、極めて高い精度で
試料の定性（成分〉分析、定量（Ｎａ度）分析を行うこ
とができる。

なお上述の実施例ではフィラメント１．２１を交流加熱
しているが、定温、定抵抗で加熱する目的だけであれば
、直流加熱してもよい。

〔発明の効果〕

請求項１の発明によると、定温、定抵抗で加熱されたフ
ィラメントにより、流路の熱伝導変化（流量、成分等）
を検出するようにしたので、フィ■ ラメントの焼損のおそれが無くなり、極細のフィラメン
ト線材を用いて検出感度を高めることが可能となる。ま
たフィラメントと温度−抵抗特性の非線形性の影響を受
けることが無くなり、高精度の検出が可能となる。また
フィラメントの寿命時間が長くなり、長期にわたり安定
な性能を得ることができる。

請求項２の発明によると、ブリッジ構成により、フィラ
メントの温度制御のための加熱電流変化による影響を受
けずにフィラメントの抵抗変化分のみを検出することが
可能となり、これにより定温、定抵抗のフィラメント制
御が可能となる。

請求項３の発明によると、フィラメントを交流加熱する
ので、同期整流によりブリッジの不平衡を検出する際に
、回路のドリフト等の偏倚電位成分をキャンセルするこ
とができ、測定値のＳ／Ｎを高めることができる。

請求項４の発明によると、測定側回路と対称形に基準フ
ィラメントを有する基準側回路を設けて、夫々の測定出
力を互に減算結合したので、回路の■ 残留誤差をキャンセルして測定精度を一段と高めること
ができる。

請求項５の発明によると、上記の減算結合によって得た
測定信号のドリフトが無くなるように測定系のゼロ点を
自動修正したので、環境変動に影響されない安定な測定
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す熱伝導式測定装置の回路
図である。 なお図面に用いた符号において、 １・−一−−−−−−−−−−−−−−−−−一−−−
−−−−−−白金フィラメント２−−−−−−−−一−
−−−−−−−−−−−−−−−流路３−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−−キャリア発振器４−−−
−−・−−−−−−−−−−−一−−−〜−−−−−乗
算器６−一−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−一加熱制御回路７−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−ブリッジ８−一−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−一検出回路９　−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−−一差動アンプ１０−−−
−−−−−−−−−−−−−−−一同期整流回路−・・
−フィルタ 加算積分回路 −・−オートゼロ回路 −・基準白金フィラメント 基準側流路 ・・−−−−一−・−乗算器 加熱制御回路 −ブリッジ 差動アンプ ー・−同期整流回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流路中に配置された測定用フィラメントと、上記フ
   ィラメントの抵抗変化を検出する検出回路と、 上記検出回路の出力に基いて上記フィラメントが定抵抗
   を示すようにその加熱電流を制御する加熱制御回路とを
   備え、 上記加熱制御回路の制御量に対応して上記流路の流量、
   流体成分等についての測定信号を得ることを特徴とする
   熱伝導式計測装置。 ２、上記検出回路が、上記フィラメントを一辺に含むブ
   リッジ回路と、このブリッジ回路の不平衡を検出するよ
   うにブリッジの各橋絡点に接続されたコンパレータとを
   備えることを特徴とする請求項１の熱伝導式計測装置。 ３、上記加熱制御回路が交流加熱信号源を備え、上記検
   出回路が、上記コンパレータの出力を交流加熱信号でも
   って同期整流する同期整流回路を備えた請求項２の熱伝
   導式計測装置。 ４、基準流路中に配置された基準フィラメントと、 上記基準フィラメントの抵抗変化を検出する基準側検出
   回路と、 上記基準側検出回路の出力に基いて上記基準フィラメン
   トが定抵抗を示すようにその加熱電流を制御する基準側
   加熱制御回路と、 上記測定側及び基準側の各加熱制御回路の各制御量に対
   応した各測定信号の差をとる減算器とを更に備え、 この減算器の出力を測定信号とすることを特徴とする請
   求項１〜３のいずれか１つに記載の熱伝導式計測装置。 ５、上記測定信号のドリフト成分を検出するローパスフ
   ィルタを備え、このローパスフィルタの出力を上記コン
   パレータの入力に負帰還することを特徴とする請求項２
   の熱伝導式計測装置。