JPH06501312A - 混合ガス中の常磁性ガスの比を測定する方法および装置 - 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】 混合ガス中の常磁性ガスの比を測定する方法および装置本発明は、すべてのガス か常磁性ガスではない混合ガス中に、存在する常磁性ガス、たとえば酸素の比を 測定する方法および装置に関する。

従来より、混合ガス中のガスを測定する多様な方法が提案されている。１９世紀 にファラディはすべての物質か磁性を有することを示した。磁場に強力に吸引さ れる物質は常磁性といわれ、磁場によって反撥される物質は反磁性といわれる。

少数のガスは強力な常磁性を有し、なかでも最も強力なガスは酸素、二酸化窒素 ＮＯ２および一酸化窒素ＮＯである。

過去において、このような少数のガスのみが有する性質を利用して、混合ガス中 の常磁性ガス、通常は酸素の比を測定することか、一般に４つの方法によって行 なわれてきた。

１、　磁気風　この方法は、バックグラウンドガスの熱伝導性、低い感度および 長い２答時間のような問題かあるので、現在は多く使用されていない。

２　差圧　この方法は、参照ガスを必要とし、また場合によっては交番磁場を必 要とする。幾らか迅速な応答をすることができるか、発生する差圧か小さいので 、極めて敏感な流量センサを必要とする。

３、磁気自動はかり　光学的系によって、自動的にフィードバック制御するねじ りばかり。これはもつとも使用される方法であるが、主として応答時間およびガ ス流の誤差の問題がある。

４、透磁性の相対的変化 多様な方法か試みられたが、透磁性の変化か極めて小さいので、大きな成功を収 めることができなかった。

このようなわけで、混合ガス中の常磁性ガスの比を測定する、使用が比較的容易 であって、測定すべき混合ガスの変化に迅速に応答する方法および装置に対する ニーズが残されている。

本発明によって、混合ガス中の常磁性ガスを測定する方法は、磁場と、この磁場 中に弾性的に取り付けられた部材とを設け、この弾性的に取り付けられた部材を 振動させ、振動の少なくとも１つの特定なパラメータの値を測定し、これによっ て、弾性的に取り付けられた部材を囲む混合ガス中の常磁性ガスの比を測定する 。

この部材は、必ずしも球形でなくてよいが、たとえば球形であって、体積磁化率 Ｋｏ、体積Ｖ１および質量Ｍを有する部材を、強さＨで、かつ次式で示される勾 配ｄＨ／ｄｘを有する磁場中におく。

Ｆ＝Ｈ（ｄＨ／ｄｘ）　Ｖ　（Ｋｏ−Ｋｓ）　（１）式中、Ｋｓは、部材を囲む ガスの正味の体積磁化率を表す。

この部材を囲むガス中の常磁性ガスの分圧の変化がＫｓを変化させることは、理 解できるであろう。従って、式（１）で示される部材に作用する力Ｆは、この部 材を囲む常磁性ガスの分圧によって変化する。

もし部材を磁場中で振動させると、振動のパラメータたとえば振動の減衰または 周波数は、式（１）で示される力Ｆによって影響を受け、またこの力Ｆは部材を 囲む常磁性ガスの分圧によって影響を受ける。本発明はこれに基づく。

本発明を一層理解するために、添付図面を参照して好ましい実施態様を示す。

図１は、本発明によって動作する基礎的な装置を示す。

図２は、図１の装置で使用する好ましい制御回路のブロック図を示す。

図３は、図１の装置を含む流体セルの線図を示す。

磁場中に、弾性部材によって１つの部材を懸垂し、この部材が唯１つの主要な振 動モードを育し、その方向は磁場に対して直角である。取り付ける部材の弾性常 数をＳとすると、この部材が振動する運動方程式は、外部減衰がないとして次式 で示される。

Ｍ！＋ＳＸ＝　Ｏ（２） 式中、Ｍは部材の質量を表し、Ｘは変位を表す。周知のようにこのような系の自 然周波数Ｗｏは次式で示される。

Ｗｏ＝ｆ「刀Ｊ　’　（３） 式（３）より明らかなように、ＳまたはＭの変化に等価な因子は、振動系の自然 周波数を変化させることになる。

図１は、上記のおいて概要を説明した特性を具体化する装置を示す。この装置は 、球であることが好ましい部材ｌを、金属細片２およびばね３によって弾性的に 取り付ける。この配置は、部材ｌが矢印Ａで示す方向にのみ振動するように設計 してあり、また部材１および細片２の領域において矢印Ｂの方向に磁場を与える 磁極片４ａを育する永久磁石４がある。

部材ｌを囲むガスか、たとえば窒素のように低磁化性（反磁性）であって、部材 ｌを振動させるときは、部材Ｉを囲むガスによる粘稠減衰力、および式（１）に よって与えられる定常減衰力が低い。

部材１を囲むガスが、たとえば酸素のように高磁化性（常磁性）であるときは、 反磁性ガスの存在におけると実質的に同一に粘稠減衰力か低い。（酸素および窒 素は同様な密度を有する。）しかし磁化性が増加するので、式（１）で与えられ る定常減衰力Ｆは遥かに大きい。この力は、酸素分子に作用し、磁場の強い領域 に入るように部材ｌを運動させる磁力に関連するということができる。

下付き「１」は、窒素が存在するときの位置を示し、下付き「２」は、酸素が存 在するときの位置を示すとすると、式（１）より次式が導かれる。

Ｆｌ　＝Ｈ（ｄＨ／ｄｘ）　Ｖ　（Ｋｏ−Ｋｓ’　）Ｆ　ｔ　＝Ｈ（ｄＨ／ｄｘ ）　Ｖ　（Ｋｏ−Ｋｓ”　）窒素を酸素で置き換えるとき、力Ｆの増加は次式で 示される。

Ｆ’＝Ｆ＊−Ｆｌ ＝Ｈ（ｄＨ／ｄｘ）　Ｖ　（Ｋｓ’　−Ｋｓ”　）　（４）典型的な例として、 振動部材ｌは体積を４・ｌ０Ｘ１０″’ｍ　（半径１０１ｍの球）とし、実質的 に非磁性材料をたとえばパースペックス（Ｋｏ＝−０，３ＸＩＯ”）から作るこ とができる。部材は球形でなくともよく、平板、直方形または他の幾何学的形状 の部材を使用することができる。磁石４によって生ずる磁場は、強さが０．５　 ＸＩＯ’　Ａ１１１−’、この部材の領域における勾配が８０Ｘ１０’Ａａ−’ である。また上記記号において、Ｋｓ’　＝−０，７ｘｌｏ−＋ｉおよびＫｓ” 　＝１９１　ｘｌＯ−”であるので、Ｋｓ’−Ｋｓ”の量は約１９２　Ｘｌ０− ”　となる。これより、部材に与える力の変化は次のように示される。

Ｆ’　＝　（０，５ＸＩＯ’）Ｘ（８０ＸＩＯ＠）Ｘ（４，ｌＸ１０−”）　Ｘ （１９２Ｘ１０−”）＃３００μＮ 振動部材に作用する定常力の増加による効果は、慣性の増加と考えることができ る。従って式（３）のＭの有効な増加、または減衰効果の増加と考えられ、部材 の振動周波数に影響するであろう。この力は部材の近傍に存在する常磁性ガスの 体積に直接に関連し、従ってこのガスの分圧に関連する。

部材ｌを取り付けるための導電性細片２を使用することによって、この細片２が 部材ｌを通る電流の通路となる。これは、装置の動作中に、２つの仕方で使用す ることができる。

もし細片２の両端を通して電気的パルスを印加すると、矢印Ｃで示すように過渡 電流が流れる。これは磁場に相互作用を行って、細片２および部材ｌを方向Ａに 移動させ、従って部材ｌは振動を開始する。ひとたび部材ｌか振動を開始すると 、磁場中の導体２の運動は、この導体に方向Ｃの電流を誘起する。これは起電力 の変化としてモニタすることかでき、この起電力は振動の周波数および振幅を直 接に示す表示となる。

このように、導電性細片２を使用することによって、部材を刺激して振動させ、 かつこの振動の周波数および振幅を観察する手段を与える。

存在する常磁性ガスを定量する目的で、この部材の振動の変化を多くの方法にお いて使用することができる。

ａ）力Ｆの増加は、振動する部材の質量の有効な増加と考えることができ、これ によって系の自然周波数か変化する。従って、もし、振動部材を電子系に結合し て、非磁性ガスたとえば窒素の存在で振動の保持を開始すると、常磁性ガスたと えば酸素をこの振動系の近傍に導入するときに、常磁性ガスの濃度に関連して振 動の周波数が低下する。

周波数の変化は極めて小さいので、極めて安定な参照振動、または非磁性ガスた とえば窒素中で振動する第２の振動部材を使用することが、必要となる。こうし て、うなり周波数は常磁性ガス濃度の変化に関連することかできる。

ｂ）あるいは、近傍に非磁性ガスたとえば窒素があって、次に常磁性ガスたとえ ば酸素を置き換えるときに、振動系のＱを電子系によって測定することができる 。Ｑの値の変化は常磁性ガスの濃度に関連するであろう。

図２に、このような系の例を示す。振動センサ１１　（図１の系）は、掃引発振 器（＊ｏｂｕｌａｔｏｒ）　１０によって駆動される。増幅器１２は振動センサ からの出力と掃引発振器からの出力とを減算する。掃引発振器１０は、増幅器１ ２からの出力に周波数ロックされ、この出力も部幅検知器１３に供給する。振幅 検知器Ｉ３は、振幅の情報をバンド幅コンピュータ１４に供給し、このコンピュ ータ１４はまた掃引発振器１０から周波数の情報も受信する。バンド幅コンピュ ータ１４からの出力は、ディスプレー１５上に表示される。

この系において、掃引発振器は、共鳴点を通して、振動部材と周期的に連絡して 、窒素の状態と酸素の状態の間で与えられた振動におけるバンド幅を比較する。

Ｃ）また他の方法として、系の振動を開始し、振動を保持しないで、振動部材の 振動の減衰を観察する。これも、常磁性ガスの濃度に関連することになる。

酸素の存在において減衰する振動のエンベロープは、窒素の存在において減衰す る振動のエンベロープと比較することができる。あるいは、元の振幅の半分にな るまでに要する時間を、２つのガスの存在において比較することができる。

ｄ）なお他の方法として、参照ガスたとえば窒素の下で、系の振動を開始し、所 定の振幅に振動を保持して、電子系を形成し、ここに常磁性ガスたとえば酸素の 減衰効果が振幅を減少させるとき、この系が部材へのエネルギー人力を増加して 、モニタした振幅を同一レベルに保持するようにする。これをするのに必要なエ ネルギーの特別の量が試料ガス中の酸素の量に関連する。

図３は、図１の装置を流体セル内で使用する略図である。同一の数字が対応する 部材を表す。このセルはガス人口５および出口６を存する。このセルはラインを 通して流れるガスをモニタするどのようなガスのラインにも設けることができる 。部材１を囲む常磁性ガスの比は、断続的または連続的に上記のように測定する ことにより、ラインを流れる常磁性ガスの量をモニタすることができる。入口お よび／または出口の形状は、部材の振動に悪影響を与えるガスの物理的流れを防 止するように特に設計することができる。

本発明の装置は、多様な試料たとえば溶剤、腐食性ガスまたは不活性ガスを試験 するのに使用することができる。振動部材は、試験すべき試料の性質に応じて、 適当な材料、たとえばプラスチックまたはガラスで作ることができる。

国際調査報告 １ｍ１ｗ５．、、．１４＠１１ｍ１１ｍ　ｌｌａ　Ｎゴ／ＧＢ　９１１０１６３ １国際調査報告 ）＝−７＝”’：ｍ”＊　−’ｅｍｂｌ二”ｍ’ｉ”Ｉｅ’：７二Ｆ４２；；； 、＋３；　；＋ｍ　ｄｌｓｄ　Ｉｓ　ｔｈｅ　ａｍ＋＋７１VＴ　’２訂”’− ”　ｓｍｒｅｈ　−ｒＬマーＥｕｒｏｐｅｓ輯Ｐａｌ＠＋＋１ｍ１ｌａｌＩｓ＋ 内ＭＭｌｌｌｅｌｌｓｍｌｈｍｍ鴫ａｌｆｉｄｉｄ＠Ｍ−門喝１−園−ｙ＠←− ｍｌ■窒hｈ・−鴫１ｒ−−１−・ｅｌＩｍａｒｍｓｌｌｍ。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．混合ガス中の常磁性ガスの比を測定する方法であって、磁場と、この磁場中 に弾性的に取り付けられた部材とを設け、この弾性的に取り付けられた部材を振 動させ、振動の少なくとも１つの特定なパラメータの値を測定し、これによって 、弾性的に取り付けられた部材を囲む混合ガス中の常磁性ガスの比を測定する工 程を含む方法。
2. ２．少なくとも１つの特定なパラメータが、振動の減衰である、請求項１に記載 の方法。
3. ３．少なくとも１つの特定なパラメータが、振動の周波数である、請求項１に記 載の方法。
4. ４．少なくとも１つの特定なパラメータが、振動の因子Ｑである、請求項１に記 載の方法。
5. ５．少なくとも１つの特定なパラメータが、振動を保持するために振動系に供給 するのに必要なエネルギーである、請求項１に記載の方法。
6. ６．弾性的に取り付けられた部材が、磁場に対して実質的に直角な長手方向の軸 を有する細片によって取り付けられている、請求項１〜５のいずれかに記載の方 法。
7. ７．細片が導電性であり、この細片にそって電流を通すことにより、細片本体を 振動させることができる、請求項６に記載の方法。
8. ８．ガス気流中の常磁性ガスの比を測定する装置であって、ガス気流の入口およ び出口を有する室を規定する手段と、この室内に磁場を形成する手段と、 試験用部材と、 この室内において磁場中に試験用部材を弾性的に取り付ける手段と、 試験用部材を振動させる手段と、 振動の少なくとも１つの特定なパラメータの値を測定することにより、室内にあ って試験用部材を囲むガス中の常磁性ガスの比を測定する手段とを有する装置。
9. ９．試験用部材が、球形である、請求項８に記載の装置。
10. １０．試験用部材が、プラスチック材を含む、請求項８または９に記載の装置。
11. １１．試験用部材が、ガラスを含む、請求項８または９に記載の装置。
12. １２．試験用部材が、磁場に対して実質的に直角な長手方向の軸を有する細片に よって取り付けられている、請求項８〜１１のいずれかに記載の装置。
13. １３．細片が導電性であり、試験用部材を振動させる手段が、この細片にそって 電流を通す手段を含む、請求項１１に記載の装置。