JPH0732564U - ガス中の酸素濃度測定用の酸素検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 精度の高い酸素検出器を提供すること。 【構成】 所定の第１の電磁石および第２の電磁石と、
所定の透磁率の物質と、所定の電流供給手段と、所定の
ガス導入手段と、所定の第１のホール効果センサおよび
第２のホール効果センサと、所定の補助コイルと、前記
第１および第２のホール効果センサに接続され、ガス中
の酸素濃度に比例する磁束密度の任意の変化を測定する
ための手段とを具備する酸素検出器。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は一般的にはガスセンサに関し、詳しくいうと、ガス中の酸素の量を決 定するために酸素の常磁性特性およびホール効果センサを利用する新規な、有用 な酸素センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

種々のガス中の酸素の濃度を測定することはしばしば重要になっている。燃焼 プロセスの煙道ガス中の酸素含有量を感知するための酸素センサの使用は燃焼効 率を決定するのに利用できる。 現在知られているＯ_２の検出器には次のものがある。まず、湿式化学的セルが あるが、これは寿命が短かく、しかもしばしば再較正をしなければならない欠点 がある。次に酸化ジルコニウムセンサはこわれやすく、通常の煙道ガスの成分に よって劣化し、高い動作温度を必要とし、そして製造するのがむずかしいという 欠点がある。次に、常磁性分析器は酸素の常磁性特性を利用して熱伝導率の測定 値から、または圧力の測定値からＯ_２濃度を推定できる状態をつくり出すもので あるが、この推定はガス全体の組成、温度および計器の姿勢の影響を受けるため に不正確である。終りに、磁気ダイナミック分析器は磁界を介してのサンプルガ スの移動による力を測定することによって磁化率を引き出すものであるが、生じ る力が小さいことにより限界があり、そして直線性をとるか振動および衝撃に耐 えるようにするかで妥協をはからねばならない。

【０００３】

【考案の概要】

本考案のＯ_２測定装置は、直線性ホール効果センサを直接使用してガスの磁化 率を測定するという点で上記した従来の装置とは相違する。測定値が熱伝導率か らの推定または温度の影響に依存しないから、キャリヤガスの組成は小さな誤差 しか生じない。潜在的重要性をもつものとして知られている唯一の推定物体は一 酸化窒素（ＮＯ）であり、このＮＯは室温で酸素の相対磁化率の４３％を有する （次表参照）。

【０００４】

【表１】 しかしながら、代表的な煙道ガス混合物中のＯ_２に対するＮＯの相対容積は１ ／２０以下であり、ジルコニアに基づいたセンサに対して代表的に特定されてい る範囲にまで較正誤差を減少させる。高温でこの分析器を注意深く制御すること によりさらにこの誤差を減少させることができる。オフセットゼロの代表的な応 用例では通常の（通常は一定の）ＮＯ濃度による誤差は除去できる。このセンサ はソリッドステートの非接触デバイスであるから、現存するオンラインの酸素セ ンサにくらべて寿命が相当に長くなることが予測され、また直線性および耐衝撃 性の点でも相当にすぐれている。

【０００５】 本考案はホール効果を利用して酸素の常磁性の影響を直接測定するものである 。 常磁性は物質に印加される磁界が物質の電子軌道の整列によって増大するとい う特定の物質の特性である。常磁性材料の透磁率は空の空間の透磁率より僅かに 大きい。常磁性材料は、反磁性材料がこれら材料に印加される磁界を僅かに減少 させ、かつ空の空間の透磁率より僅かに小さい透磁率を有するという点で反磁性 材料とは対照的である。 大部分の他のガス、特定すると煙道ガス中に見られるガスの大部分よりも酸素 の磁化率（従って常磁性特性）はかなり高いから、酸素の常磁性特性は有用な測 定手段となる。

【０００６】 ホール効果は、リボン形状の導体がこの導体中の電流と直角な方向の磁界を受 けたときに、磁界および電流による電荷の流れる方向の両方向に直角な方向に静 電界が現われるという現象である。この効果はホール効果センサにおいて利用さ れる。このホール効果センサはテストされるガス中の酸素の存在による磁界の変 化を測定するのに使用できる。このガスは公称磁束が知られている電磁石のコア にまたは永久磁石のギャップに供給される。 ホール効果出力（Ｐ_Ｈ）は磁束密度（Ｂ）に比例し、電磁石によって発生され る磁束は透磁率（μ）、コイルのターン数（ｎ）、コイルを流れる電流（Ｉ）、 およびコイルの半径（ｒ）によって次式で表わすことができる。

【０００７】

【数１】 コイル半径およびターン数は明らかに一定であり、電流は所望のように制御する ことができる。それ故、磁束（従って比例的にホール出力）に影響を与える唯一 の変数は磁界の空間にある物質に依存する透磁率μである。 酸素を含むサンプルを電磁石のコア（または永久磁石のギャップ）中に通すこ とによって、ガスの組成は変化する磁束から次式によってその透磁率または磁化 率を知って計算することができる。

【０００８】

【数２】 ここでＸは磁化率、μはガスの透磁率、μ_０は体積の透磁率である。混合物の体 積磁化率はその成分の濃度に比例し、温度に反比例する。酸素は、一酸化窒素の ６０．３×１０^−９、窒素の−９．３９×１０^−９、水素の−０．１６５×１０^−９ 、二酸化炭素の−０．７８×１０^−９、メタンの−１．６７×１０^−９、お よびプロパンの−１．８８×１０_−９に対して、１４１．３×１０^−９の体積磁 化率を有する。それ故、電磁石のコアは他の煙道ガスではなくて酸素で満たされ ると、より高い磁束密度を発生する。一酸化窒素は唯一の主な既知の妨害要素で あるが、通常の煙道ガス濃度においては重大な誤差を生じさせるものではない。 １００％のＯ_２から１００％のＮ_２への磁界の変化は印加磁界の絶対値に比例 して非常に小さいということを注意すべきである。

【０００９】

【数３】 しかしながら、非常に強い磁界が印加されると、Ｂの絶対値の変化は非常に大き くなる。

【００１０】

【数４】 従って、Ｈ（磁界）が非常に大きいと、例えばＨ＝１０^６であると、ΔＢ＝１． ４＝０．００００１４％Ｂ。 ホール効果センサで正確に測定するためには、スパンはΔＢに等しくなければ ならず、かつＢの公称値でゼロを読むようにオフセットされなければならない。 これは磁界が第１の磁界（μＢ）と対抗し、かつＯ_２濃度によって影響を受けな い第２の磁石を追加することによって達成できる。この第２の磁石はまた、第１ の磁石に類似する電磁石を使用することによって変化する温度、電源の影響等に よる磁気変動を除去するように使用することもできる。両方をパルス駆動するこ とによって磁気流量計において行なわれているように磁気パーミアンスの誤差を 除去することができる。

【００１１】

【考案の目的】

ガス中の酸素濃度を測定するための酸素検出器において、第１のコアを有する 第１の電磁石と、当該第１の電磁石と実質的に同一であり且つ第２のコアを有す る第２の電磁石と、当該第２のコア中に配置された既知の透磁率の物質と、前記 第１の電磁石に既知の値の電流を流して前記第１のコア中に既知の公称磁束密度 を有する磁界を発生させるための電流供給手段であって、前記第２の電磁石に接 続されてこの第２の電磁石の前記第２のコア中に前記第１の電磁石と実質的に同 じ公称磁束密度を発生させる前記電流供給手段と、前記第１のコアにガスを導く ための手段と、前記第１のコアのほぼ最大磁束密度に対応した位置で当該第１の コア内に配置された第１のホール効果センサと、前記第２のコアのほぼ最大磁束 密度に対応した位置で当該第２のコア内に配置された第２のホール効果センサと 、前記第２の電磁石に接続されており、可変電流を受け入れて、前記ガス中に酸 素が存在しない場合に、前記第１および第２のコア内の磁界をバランスさせるた めの補助コイルと、前記第１および第２のホール効果センサに接続されており、 ガス中の酸素濃度に比例する当該第１および第２のコア間の磁束密度の任意の変 化を測定するための手段とを具備する酸素検出器を提供することである。

【００１２】 本考案の他の目的は前記ガスが燃焼プロセスからの煙道ガスである前記ガス中 の酸素濃度検出方法を提供することである。 本考案の他の目的は設計が簡単で、堅固な構造を有し、かつ安価に製造できる 酸素検出器を提供することである。 本考案を特徴付ける種々の新規な特徴は実用新案登録請求の範囲に詳細に指摘 されている。本考案の十分な理解のために、以下添付図面を参照して本考案の好 ましい実施例につき詳細に説明する。

【００１３】

【実施例の説明】

図面を参照すると、第１図には本考案の一実施例である酸素検出器が示されて おり、この酸素検出器は管体１０を介して電磁石のコアに供給されるガス中の酸 素濃度を検出するためのものである。電磁石２０は多数ターンのコイルを含み、 このコイルには電流供給手段２２から電流が供給される。管体１０は電磁石２０ によって発生される磁界の矢印によって示された磁束密度Ｂに対して既知の透磁 率を有する材料より作られている。電磁石２０のコイル内には、磁束密度Ｂを測 定するためにホール効果センサ３０が用意されている。この磁束密度は、管体１ ０内のガス中の酸素の濃度が変化すると変化し、従って回路４０を使用して酸素 濃度の測定を行なうのに利用できる。 第１図において、センサ３０に対する破線の位置３０’は製造を容易にするた めに使用できる。また、本考案のある形式において使用される第２の電磁石を提 供するために別のセンサを位置３０’に用意してもよい。しかしながら、センサ ３０に対する実線の位置は最大磁束密度に対する最良の位置である。

【００１４】 第２図を参照すると、センサ３０の本体１１０はシリコンのような半導体材料 の扁平な長方形ストリップであることが分る。電流Ｉはリード１１８からリード １１６の方向へストリップ中を通される。１２０で指示された磁界Ｂは感知され るべき物理的変数であり、ストリップの扁平な表面に直角な方向においてセンサ 中を通る。磁界は流れる電流と相互作用してＩおよびＢの両方に直角な、端子１ １２および１１４間に現われる電圧を発生する。この電圧はＩとＢの積に比例す る。 第３図は２つの電磁石２０および５０を使用する本考案の一具体例を示す。第 ２図と同じ参照番号が同じまたは類似する部品を指示するために第３図において 使用されている。

【００１５】 電磁石２０のコアは管体１０によって運ばれるガス中の酸素濃度を測定するた めに管体１０を備えているけれど、電磁石５０のコアは既知のガスサンプルを含 む両端の閉じた管体１５を備えている。既知の透磁率を有する任意の他の材料が 電磁石５０のコア内に用意できる。電磁石２０および５０は、酸素の常磁性と関 連しないすべてのファクタが測定手順から除去されるように、できるだけ同一で あるように選択される。これら電磁石２０および５０には同じ電流源（電流供給 手段）２２から同じ電流が供給される。このように設計することにより、温度変 動や電源の影響による磁気変動を除去することができる。

【００１６】 ホール効果センサ３０および３５はそれぞれ実際上可能な限り同一設計である 電磁石２０および５０のそれぞれのコアのほぼ最大磁束密度に対応した位置でそ れぞれのコア内に位置付けされるのが好ましい。かかる位置に配置することによ って微小な磁束密度の変化が測定できるからである。補助コイルが主コイルの磁 界に抗するためまたは助長するために電磁石５０に含まれている。これはガス中 にＯ_２が存在しない場合にそれぞれのコア内の磁界をバランスさせるために使用 される。可変電流源４２がこの調整を行なうために使用される。かかる補助コイ ルを設けることにより磁束密度の変化を正確に測定できる。磁界分路手段２４お よび３８が電磁石２０および５０からの外部磁界をそれぞれ含ませるために使用 される。これは外部径路を既知の状態に制限する。測定されるガスは管体１０中 を流れる。基準ユニットはＯ_２ではない既知のガスを含む封止された管体１５を 含む。

【００１７】 回路４０は両センサ３０および３５に接続されており、２つのコアの磁束密度 の差を測定する。ファクタのすべてが一定に保持されていると、この測定は測定 用コイル内のＯ_２濃度を表わす信号を与える。回路４０は各センサに４本の線に よって接続されており、２本は電流用であり、他の２本は誘起される電圧の測定 用である。第４図はこの回路のブロック図を示す。 第４図を参照すると、センサは制御回路６０によって発生される電流によって 駆動されることが分る。これら電流は回路６０によって互に振巾および方向が同 一であるように維持される。ライン６２は電流を第３図の測定用センサ３０に送 り、ライン６４は電流を第３図の基準センサ３５に送る。

【００１８】 ライン７２は誘起されたホール効果電圧を差増幅器７０に供給する。この増幅 器７０はライン７２間の真の電圧差に比例する電圧をライン７４上に提供する。 同様に、ライン８４上には基準センサに誘起されたホール効果電圧を供給するラ イン８２間の電圧差に比例する信号が差増幅器８０を通じて与えられる。 Ｏ_２信号はライン７４と８４間の電圧差に比例するから、増幅器７０および８ ０と類似する真の差増幅器９０がこの電圧差を得るために使用される。増幅器９ ０はＯ_２に関連した信号をライン７４および８４から引き出してそれをライン９ ０に与える。

【００１９】 差増幅器７０、８０および９０としてアナログデバイスＡＤ５２２またはバー ・ブラウン３６２６に類似する増幅器が使用できる。単一シリコンチッフ上の、 またはハイブリッド回路基板上の３つの整合したトラッキング増幅器を電流源と 一緒に使用することによって精度を一層向上させることができる。 ホール効果センサに使用される電流はＤＣでよく、増幅器は同様に帯域制限さ れ、ＤＣ動作において超安定である。別のモードはセンサに対して正弦波の電流 を使用することであり、増幅器はこの周波数に同調される。ＡＣまたは正弦波の 使用は非常に高い感度の動作を可能にする。

【００２０】

【考案の効果】

本考案によれば、最大磁束密度に対応した位置で第１および第２のホール効果 センサを配置しているので、微小な磁束密度の変化（したがってガス中の酸素濃 度）を測定できるので測定感度が高く、またガス中に酸素が存在しないときに第 １および第２のコア内の磁界をバランスさせる補助コイルを具備しているので磁 束密度の変化を正確に測定でき、さらにほぼ同じ第１の電磁石と第２の電磁石と を具備しているので温度変動や電源の影響による磁気変動を除去できるという効 果を奏する。 本考案の原理の応用を例示するために本考案の特定の実施例を図示し、詳細に 記載したけれど、そのような原理から逸脱することなく本考案が他の態様で実施 できることは理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による酸素検出器の一実施例を示す一部
分を切除した斜視図である。

【図２】図１の検出器と関連して使用されるホール効果
センサの斜視図である。

【図３】２つの電磁石を使用した本考案の具体例を示す
構成図である。

【図４】図３の検出器に使用される回路のブロック図で
ある。

【符号の説明】

１０、１５ 管体 ２０、５０ 電磁石 ２２ 電流供給手段 ３０、３５ ホール効果センサ ４０ 回路 ４２ 可変電流源 ６０ 制御回路 ７０、８０、９０ 差増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 バリー・ジェイ・ユーマンス アメリカ合衆国オハイオ州リットマン、ノ ーティラス・レイン287

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス中の酸素濃度を測定するための酸素
   検出器において、第１のコアを有する第１の電磁石と、
   当該第１の電磁石と実質的に同一であり且つ第２のコア
   を有する第２の電磁石と、当該第２のコア中に配置され
   た既知の透磁率の物質と、前記第１の電磁石に既知の値
   の電流を流して前記第１のコア中に既知の公称磁束密度
   を有する磁界を発生させるための電流供給手段であっ
   て、前記第２の電磁石に接続されてこの第２の電磁石の
   前記第２のコア中に前記第１の電磁石と実質的に同じ公
   称磁束密度を発生させる前記電流供給手段と、前記第１
   のコアにガスを導くための手段と、前記第１のコアのほ
   ぼ最大磁束密度に対応した位置で当該第１のコア内に配
   置された第１のホール効果センサと、前記第２のコアの
   ほぼ最大磁束密度に対応した位置で当該第２のコア内に
   配置された第２のホール効果センサと、前記第２の電磁
   石に接続されており、可変電流を受け入れて、前記ガス
   中に酸素が存在しない場合に、前記第１および第２のコ
   ア内の磁界をバランスさせるための補助コイルと、前記
   第１および第２のホール効果センサに接続されており、
   ガス中の酸素濃度に比例する当該第１および第２のコア
   間の磁束密度の任意の変化を測定するための手段とを具
   備することを特徴とする酸素検出器。
2. 【請求項２】 第１および第２のホール効果センサに接
   続された前記測定手段は、前記第２のコアの公称磁束密
   度に対する前記第１のコアの磁束密度の変化を測定する
   実用新案登録請求の範囲第１項記載の酸素検出器。
3. 【請求項３】 前記第１および第２のホール効果センサ
   は、当該ホール効果センサに誘起されたホール効果電圧
   に対応する信号を供給する実用新案登録請求の範囲第１
   項記載の酸素検出器。
4. 【請求項４】 前記第１のホール効果センサに接続され
   ており、当該第１のホール効果センサに誘起されたホー
   ル効果電圧に対応した第１の信号を受容する第１の差増
   幅器と、前記第２のホール効果センサに接続されてお
   り、当該第２のホール効果センサに誘起されたホール効
   果電圧に対応した第２の信号を受容する第２の差増幅器
   と、前記第１および第２の差増幅器に接続されており、
   前記第１および第２の信号を受容しそして当該第１およ
   び第２の信号間の差に対応するガス中の酸素濃度に比例
   した出力信号を提供する第３の差増幅器とを具備した実
   用新案登録請求の範囲第３項載の酸素検出器。
5. 【請求項５】 前記第１および第２の電磁石に電流を流
   す前記電気電流供給手段はパルス駆動せられ、それによ
   り第１および第２の電磁石の磁気パーミアンスの誤差が
   できるだけ最小限とされる実用新案登録請求の範囲第１
   項記載の酸素検出器。