JPH0623715B2 - ガス測定装置およびその方法 - Google Patents

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、熱フィ
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、その回路配列は周囲温度および湿度の変化の影
響を受けない。

〔従来の技術および発明が解決しようとする課題〕

米国特許出願第 763,290号および第 825,344号には、極
微量のトレースガス(trace 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
(catharometer)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 763,2
90号のカサロメータに用いられ、また米国特許第 2,86
1,450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ッ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ブ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 mmの水銀柱］でのガスの溶融度が分かって
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、加熱される１本のフィラメントが、熱伝導率
において実質的な差をもつ２つのガスと接触するように
用いられる非常に安定した装置および方法に関する。こ
の回路およびフィラメントは、他のガス中に含有されて
いる１つのガスの分圧平衡を測定するプロセスにおいて
用いられ、これは、自然対流状態において、該２つのガ
スが持つ異なる熱伝導率に起因される熱移動による変化
を通して測定される。

本発明によれば、溶融された金属内を巡回して該溶融さ
れた金属内にて溶解したガスを取り込んで密閉路内に運
び、異なる熱伝導率をもつこれらガスに晒されるとこれ
らガスの熱伝導率の変化に感応し且つ安定度の高いブリ
ッジ回路の一辺として接続されているフィラメントへ上
記溶解したガスを送るキャリアガスを用いることによ
り、上記溶解したガスの量を測定するガス測定方法であ
って、キャリアガスと上記溶解したガスとの混合体の熱
伝導率が変化するときフィラメントの電気抵抗値が変化
する温度範囲にフィラメントを加熱することと、フィラ
メントの熱を自然対流により上記ガス混合体内へ放熱
し、このガス混合体の熱伝導率の変化によって引き起こ
される温度変化に応答してフィラメントの電気抵抗を変
化させることと、フィラメントにおける温度変化に応答
して、ブリッジ回路に印加する電圧を変えることによ
り、フィラメントの抵抗値をオリジナル値へ復元し、こ
の電圧の変化を上記溶融した金属内で溶解したガスの量
の測定値とすることとを備えるガス測定方法が提供され
る。

また、本発明の他の形態によれば、溶融された金属内に
溶解したガスの含有量を測定するためのガス測定装置で
あって、密閉された経路を通して送られるガスの熱伝導
率を検出するためのフィラメントが一辺として接続され
たブリッジ回路を備えており、このブリッジ回路には、
フィラメントに電流を供給して、フィラメントに到達す
るガス混合体の熱伝導率が変わるときフィラメントの電
気抵抗が変化する温度範囲にフィラメントを加熱する電
源部が接続されており、且つこのブリッジ回路における
フィラメントの電気抵抗が、上記溶解したガスによって
キャリアガス内で引き起こされるフィラメントの温度変
化に応答して変わるガス測定装置において、電源部の両
端に接続されており、電源部の安定度の高い出力電圧を
供給する電圧レギュレータと、ブリッジ回路と電源レギ
ュレータとの間に接続され、ブリッジ回路に印加される
電圧を変えることによってフィラメントの抵抗値をフィ
ラメントにおける温度変化に応じたオリジナル値に復元
し、この電圧の変化を上記溶融された金属内に溶解した
ガスの含有値として測定するための回路とを設けたガス
測定装置が提供される。

上記装置は加熱されるフィラメントを収容する能動的な
ブリッジ回路を備える。このブリッジ回路にはフィード
バックが備えられ、フィラメントを一定レベルの電気抵
抗に維持する結果、該フィラメントを一定温度に維持す
る。更に、上記ブリッジ回路およびフィラメントへ非常
に安定した電圧を供給するための手段が備えられる。上
記ガスの混合体の熱伝導率に変化が起きるとき、上記フ
ィラメントからの熱移動が変化すると、フィラメントに
供給される電力は、フィラメントを一定温度に維持する
べく変化する。この電力の変化が、他のガス内に含まれ
る１つのガス濃度の測定値を提供する。基準セル（refe
rence cell）および大気セル（atmospheric cell）を使
用しないので、本発明は周囲の湿度状態で発生する変化
に起因される誤差を被らない。

〔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10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(filament)”または“加熱フィラメント(heate
d filament) ”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、フィラメントの大きさ（例えば断面
積），フィラメントの伝熱係数，及びフィラメント／周
囲温度間の温度差により除算されたフィラメントにおけ
る供給電圧の２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はほとんど大きい。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１
２ｖ）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めにアナログ装置が使用されてい
るが、回路27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，電圧レギュレータ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（sensor
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の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
圧レギュレータ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34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（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/フィ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27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
引っかれる。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、現在の読込み
は、溶融した金属の直前で、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、
好ましく演算装置27内で実行される方がよい。

回路10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作動電流を与えな
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掛かれた刊行物として、
ミネソタ州のセントポールのＴＳＩインコーポーレッド
によって配布したＴＳＩテクニカルブリンティンＴＢ５
（日付なし）およびサンエンスプレスによって刊行し
た、バークレー ジョーン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(Gas concentration with Temperatur Compensated A
spirating 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 205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源圧に
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10％または10％以上の誤差を発生し
得る。

流速計において、フィラメントの電流は、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。一度始動すると、
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、
上記の特許性空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
ことがなく、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、 ２８……ブリッジ回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク エフ．エー．ワーコール アメリカ合衆国，ペンシルベニア 15068, ニュー ケンジントン，テーラー アベニ ュ 1334 (56)参考文献 特開 昭59−12348（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−15597（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶融された金属内を巡回して、該溶融され
   た金属内にて溶解したガスを取り込んで密閉路内に運
   び、異なる熱伝導率をもつこれらガスに晒されるとこれ
   らガスの熱伝導率の変化に感応し且つ安定度の高いブリ
   ッジ回路の一辺として接続されている前記フィラメント
   へ該溶解したガスを送るキャリアガスを用いることによ
   り、前記溶解したガスの量を測定するガス測定方法であ
   って、 前記キャリアガスと前記溶解したガスとの混合体の熱伝
   導率が変化するとき前記フィラメントの電気抵抗値が変
   化する温度範囲に該フィラメントを加熱することと、 前記フィラメントの熱を自然対流により前記ガス混合体
   内へ放熱し、前記ガス混合体の熱伝導率の変化によって
   引き起こされる温度変化に応答して該フィラメントの電
   気抵抗を変化させることと、 前記フィラメントにおける温度変化に応答して、前記ブ
   リッジ回路に印加する電圧を変えることにより、該フィ
   ラメントの抵抗値をオリジナル値へ復元し、該電圧の変
   化を前記溶融した金属内で溶解したガスの量の測定値と
   することと、 を具備するガス測定方法。
2. 【請求項２】溶融された金属内に溶解したガスの含有量
   を測定するためのガス測定装置であって、密閉された経
   路を通して送られるガスの熱伝導率を検出するためのフ
   ィラメントが一辺として接続されたブリッジ回路を備え
   ており、該ブリッジ回路には、該フィラメントに電流を
   供給して、該フィラメントに到達するガス混合体の熱伝
   導率が変わるとき該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する電源部が接続され
   ており、且つ該ブリッジ回路におけるフィラメントの電
   気抵抗が、前記溶解したガスによってキャリアガス内で
   引き起こされる該フィラメントの温度変化に応答して変
   わるガス測定装置において、 前記電源部の両端に接続されており、該電源部に安定度
   の高い出力電圧を供給する電圧レギュレータと、 前記ブリッジ回路と電源レギュレータとの間に接続さ
   れ、該ブリッジ回路に印加される電圧を変えることによ
   って、該フィラメントの抵抗値を前記フィラメントにお
   ける温度変化に応じたオリジナル値に復元し、この電圧
   の変化を前記溶融された金属内に溶解したガスの含有値
   として測定するための回路と、 を具備するガス測定装置。