JP3114137B2 - 熱伝導率式ガス濃度分析計 - Google Patents
熱伝導率式ガス濃度分析計Info
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Description
測定対象ガスの濃度を測定する熱伝導率式ガス濃度分析
計に関するものである。
どのプラントに使用される熱伝導率式ガス濃度分析計と
して、その要部を図3に示すような熱伝導率式水素濃度
計が用いられている。同図において、1は試料ガス(例
えば、測定対象ガスとしてH2ガス、共存ガスとしてN
2 ガスを含むガス)の給送通路に配置された第1の測温
抵抗体(TCD)、2は熱伝導率が既知のリファレンス
ガスの給送通路に配置された第2の測温抵抗体(TC
D)、R1,R2は抵抗、3は比較器、4は定電流源又
は定電圧源であり、TCD1,TCD2,抵抗R1,R
2によりホイートストンブリッジが組まれている。
がTCD1に給送され、その熱伝導率に比例した熱を奪
う。これにより、TCD1の発熱温度が変化し、その抵
抗値が変化する。一方、TCD2には、リファレンスガ
スが給送されている。この場合、リファレンスガスの熱
伝導率は一定であるから、リファレンスガスによって奪
われる熱も一定であり、TCD2の発熱温度は一定とな
り、その抵抗値は一定となる。抵抗R1とTCD1との
接続点に生ずる電圧は比較器3の非反転入力へ、抵抗R
2とTCD2との接続点に生ずる電圧は比較器3の反転
入力へ与えられる。これにより、試料ガスとリファレン
スガスの熱伝導率の差に比例した抵抗値変化(発熱温度
の差)が、不平衡電圧ΔVとして検出される。ここで、
リファレンスガスを試料ガスに含まれる共存ガスと同一
成分(N2 ガス)とすれば、検出される不平衡電圧ΔV
に基づいて予め設定されている検量線を参照として、試
料ガスに含まれているH2 ガスの濃度を測定することが
できる。
うな従来の熱伝導率式ガス濃度分析計では、不平衡電圧
ΔVと測定対象ガスの濃度との関係を示す検量線を分析
計毎に固有に作成しており、このため多種類の校正ガス
を必要とし、その校正,調整(リニアライズ)に時間を
要するという問題があった。例えば、上述した熱伝導率
式水素濃度計について言えば、濃度(既知濃度)の異な
るH2 ガス(共存ガスはN2 ガス)を校正ガスとして多
数用意し、これら校正ガスをTCD1へ給送して不平衡
電圧ΔVを検出するものとし、この検出された各校正ガ
スの不平衡電圧ΔVとH2 ガス濃度との関係をプロット
して検量線を作成している。ここで、この作成される検
量線は、水素濃度計毎にその装置定数が異なるため、共
通として使用することはできない。このため、水素濃度
計毎に検量線を固有に作成しており、多種類の校正ガス
を必要とし、その校正,調整に時間を要するという問題
が生ずる。
なされたもので、その目的とするところは、固有の検量
線を用いることなく測定対象ガスの濃度を測定すること
ができ、校正,調整に要する時間の短縮化を図ることの
できる熱伝導率式ガス濃度分析計を提供することにあ
る。
るために、本発明は、試料ガスの給送通路に配置された
測温抵抗体と、この測温抵抗体の温度変化を出力電圧v
の変化として検出し、この検出される出力電圧vの変化
に基づいて測温抵抗体へのエネルギーの供給量を制御し
その発熱温度を一定値に保つ制御手段と、この制御手段
によりその発熱温度が一定値に保たれた状態での出力電
圧vを固有の装置定数を含む所定の演算式に代入して試
料ガスの熱伝導率を算出する熱伝導率算出手段と、この
熱伝導率算出手段の算出した熱伝導率に基づき、試料ガ
スに含まれる測定対象ガスおよび共存ガスの種類に応じ
て定められている試料ガスの熱伝導率に対する測定対象
ガスの濃度を示す検量線を参照として測定対象ガスの濃
度を導出する濃度導出手段とを備えたものである。ここ
で、熱伝導率算出手段における演算式中の固有の装置定
数は、既知の熱伝導率λ1の第1の校正ガスを測温抵抗
体へ給送して制御手段によりその発熱温度が一定値に保
たれた状態での出力電圧v1を測定し、既知の熱伝導率
λ2(λ1≠λ2)の第2の校正ガスを測温抵抗体へ給
送して制御手段によりその発熱温度が一定値に保たれた
状態での出力電圧v2を測定し、これら測定した出力電
圧v1,v2および熱伝導率λ1,λ2に基づいて定め
ている。
抵抗体へ給送すると、この測温抵抗体の温度変化が出力
電圧vの変化として検出され、この検出される出力電圧
vの変化に基づいて測温抵抗体へのエネルギーの供給量
が制御され、その発熱温度が一定値に保たれる。そし
て、発熱温度が一定値に保たれた状態での出力電圧vが
固有の装置定数を含む所定の演算式に代入され、試料ガ
スの熱伝導率が算出される。この算出された熱伝導率に
基づき、試料ガスに含まれる測定対象ガスおよび共存ガ
スの種類に応じて定められている試料ガスの熱伝導率に
対する測定対象ガスの濃度を示す検量線を参照として、
測定対象ガスの濃度が導出される。この場合、固有のも
のとしては、熱伝導率算出手段における演算式中の装置
定数を、既知の熱伝導率λ1の第1の校正ガスおよび既
知の熱伝導率λ2の第2の校正ガスを測温抵抗体へ給送
して出力電圧v1およびv2を測定し、これら測定した
出力電圧v1,v2および熱伝導率λ1,λ2に基づい
て定めてやるのみでよい。
る。図1はこの発明に係る熱伝導率式水素濃度計の要部
を示す図である。同図において、1は試料ガス(例え
ば、測定対象ガスとしてH2 ガス、共存ガスとしてN2
ガスを含むガス)の給送通路に配置された測温抵抗体
(TCD)、R1,R2,R3は抵抗、3は比較器、4
は熱伝導率算出部、5は濃度導出部、6はROMであ
り、TCD1,抵抗R1,R2,R3により恒温槽7内
でホイートストンブリッジが組まれている。
がTCD1に給送され、その熱伝導率に比例した熱を奪
う。これにより、TCD1の発熱温度TRhが変化し、そ
の抵抗値Rhが変化する。抵抗R1とTCD1との接続
点に生ずる電圧は出力電圧vとして比較器3の反転入力
へ、抵抗R3とR2との接続点に生ずる電圧は比較器3
の非反転入力へ与えられる。これにより、TCD1の温
度変化が、出力電圧vの変化Δvとして検出される。比
較器3は、この検出した出力電圧vの変化Δvに基づい
て、TCD1へ流れる電流iを制御し、TCD1の抵抗
値Rhを一定(Rh=(R1×R2)/R3)に保つ。
これにより、出力電圧vが変化し、TCD1の発熱温度
TRhが一定に保たれる。
ことは下記(1)式を見ても分かる。すなわち、TCD
1は白金薄膜抵抗体であり、その抵抗値Rhは(1)式
で示され、TCD1の抵抗値Rhを一定に制御すれば、
同時に発熱温度TRhも一定に保たれる。 Rh=Rh20{1+α20・(TRh−20)+β20・(TRh−20)2 } ・・ ・(1) なお、この式において、Rh20は20℃におけるTCD
1の抵抗値(Ω)、α20は20℃におけるTCD1の1
次抵抗温度係数、β20は20℃におけるTCD1の2次
抵抗温度係数である。
T は、下記(2)式で示される。なお、この式におい
て、QG は熱伝導により試料ガスに伝わる熱量、QS は
TCD1を構築するダイヤフラム(シリコン)および抵
抗パターンを通してシリコン台座に伝わる熱量、QC は
対流(強制対流および自然対流)により伝わる熱量、Q
R は輻射により伝わる熱量である。 QT =QG +QS +QC +QR ・・・(2) この熱量QT は、さらに、下記(3)式として表現され
る。なお、この式において、TRR2 は恒温槽7の温度
(℃)、λmは試料ガスの熱伝導率(w/k・m)、G
は装置定数(m)、λsiはダイヤフラムおよび抵抗パタ
ーンの熱伝導率(w/k・m)、GS はダイヤフラムお
よび抵抗パターンにおける装置定数(m)である。
て変化しないし、QC,QR はQG ,QS に比べて十分
小さな値(または一定値)であり、λsiも一定と考えら
れる。また、TRh,TRR2 は一定にコントロールされる
ので、上記(3)式はA,Bを固有の装置定数(運転状
態を含めた形状係数)として、下記(4)式で示され
る。 QT =A・λm+B ・・・(4) 一方、QT は、 QT =i2 ・Rh=v2 /Rh ・・・(5) として表され、QT =A・λm+B=v2 /Rhより、
試料ガスの熱伝導率λmは下記(6)式で表されるもの
となる。 λm=(v2 /Rh−B)/A ・・・(6)
ば、出力電圧vを上記(6)式に代入することにより、
試料ガスの熱伝導率λmを求めることができる。そこ
で、本実施例においては、上記(6)式を演算式として
熱伝導率算出部4へ設定する一方、この演算式における
固有の装置定数A,Bを次のようにして定めている。す
なわち、熱伝導率が既知の第1の校正ガス(例えば、1
00%N2 ガス)をTCD1へ給送して出力電圧v(v
N2=v1)を測定し、熱伝導率が既知の第2の校正ガス
(例えば、100%H2 ガス)をTCD1へ給送して出
力電圧v(vH2=v2)を測定し、この測定した出力電
圧vN2,vH2を下記(7)式および(8)式に代入して
固有の装置定数A,Bを求め、この求めた装置定数A,
Bを熱伝導率算出部4における演算式中の装置定数A,
Bとして設定している。
ガスの(TRh+TRR2)/2における熱伝導率(w/k
・m)、λH2(=λ2)は100%H2 ガスの(TRh+
TRR2 )/2における熱伝導率(w/k・m)である。
また、上記(7)式および(8)式は、A・λm+B=
v2 /Rhを変形して得られるv2 =Rh・A・λm+
Rh・BにvN2,λN2およびvH2,λH2を代入して得ら
れる下記(9)および(10)式の連立方程式を解いて
得られるものである。 vN2 2 =Rh・A・λN2+Rh・B ・・・(9) vH2 2 =Rh・A・λH2+Rh・B ・・・(10)
試料ガスに含まれる測定対象ガスおよび共存ガスの種類
に応じ分析計全体として共通に定められる検量線が、複
数種類格納されている。すなわち、測定対象ガスをH2
とし共存ガスをN2 としたときの試料ガスの熱伝導率λ
mに対するH2 ガスの濃度を示す検量線(図2参照:N
2 −H2 検量線)や、測定対象ガスをH2 とし共存ガス
をCH4 としたときの試料ガスの熱伝導率λmに対する
H2 ガスの濃度を示す検量線(CH4 −H2 検量線)
や、測定対象ガスをH2 とし共存ガスをCO2 としたと
きの試料ガスの熱伝導率λmに対するH2 ガスの濃度を
示す検量線(CO2 −H2 検量線)など、多種類の検量
線が格納されている。これら、検量線は、物理データと
してすでに求められているものもあるが、求められてい
ない場合には実測のうえ作成する。
は、試料ガスの構成に応じ、ROM6に格納されている
検量線の中から所要の検量線を読み出す。本実施例で
は、測定対象ガスをH2 とし共存ガスをN2 としている
ので、外部からの指定に応じ、N2 −H2 検量線を読み
出す。そして、この読み出したN2 −H2 検量線を参照
として、熱伝導率算出部4にて算出された試料ガスの熱
伝導率λmに基づき、試料ガスに含まれるH2 ガスの濃
度を求め、この濃度を測定濃度値として出力する。
を熱伝導率の高いH2 としたが、Heなどの高熱伝導率
のガスとしてもよい。また、これとは逆に、熱伝導率の
低いCl2 などのガスを測定対象ガスとしてもよい。す
なわち、熱伝導率の変化が大きいガスであれば、H2 と
同様にしてその濃度を測定することが可能である。ま
た、本実施例では、第1の校正ガスを100%N2 ガ
ス、第2の校正ガスを100%H2 ガスとしたが、熱伝
導率が既知のガスであれば如何なるガスも校正ガスとな
り得る。また、本実施例では、ROM6に多種類の検量
線を格納しておくものとしたが、これら検量線は近似式
に置き換えて格納しておくようにしてもよい。
発明によれば、試料ガスを測温抵抗体へ給送すると、こ
の測温抵抗体の温度変化が出力電圧vの変化として検出
され、この検出される出力電圧vの変化に基づいて測温
抵抗体へのエネルギーの供給量が制御され、その発熱温
度が一定値に保たれ、発熱温度が一定値に保たれた状態
での出力電圧vが固有の装置定数を含む所定の演算式に
代入され、試料ガスの熱伝導率が算出されるものとな
り、この算出された熱伝導率に基づき、試料ガスに含ま
れる測定対象ガスおよび共存ガスの種類に応じて定めら
れている試料ガスの熱伝導率に対する測定対象ガスの濃
度を示す検量線を参照として、測定対象ガスの濃度が導
出されるものとなり、分析計毎に固有の検量線を用いる
ことなく、測定対象ガスの濃度を測定することができ
る。この場合、固有のものとしては、熱伝導率算出手段
における演算式中の装置定数を、既知の熱伝導率λ1の
第1の校正ガスおよび既知の熱伝導率λ2の第2の校正
ガスを測温抵抗体へ給送して出力電圧v1およびv2を
測定し、これら測定した出力電圧v1,v2および熱伝
導率λ1,λ2に基づいて定めてやるのみでよいので、
校正,調整に要する時間を従来のものに比して大幅に短
縮することが可能となる。
示す図である。
れている検量線を例示する図である。
である。
3…比較器、4…熱伝導率算出部、5…濃度導出部、6
…ROM、7…恒温槽。
Claims (1)
- 【請求項1】 試料ガスの給送通路に配置された測温抵
抗体と、 この測温抵抗体の温度変化を出力電圧vの変化として検
出し、この検出される出力電圧vの変化に基づいて前記
測温抵抗体へのエネルギーの供給量を制御しその発熱温
度を一定値に保つ制御手段と、 この制御手段によりその発熱温度が一定値に保たれた状
態での出力電圧vを固有の装置定数を含む所定の演算式
に代入して前記試料ガスの熱伝導率を算出する熱伝導率
算出手段と、 この熱伝導率算出手段の算出した熱伝導率に基づき、試
料ガスに含まれる測定対象ガスおよび共存ガスの種類に
応じて定められている試料ガスの熱伝導率に対する測定
対象ガスの濃度を示す検量線を参照として測定対象ガス
の濃度を導出する濃度導出手段とを 備え、前記熱伝導率算出手段における演算式中の前記固有の装
置定数は、 既知の熱伝導率λ1の第1の校正ガスを前記
測温抵抗体へ給送して前記制御手段によりその発熱温度
が一定値に保たれた状態での出力電圧v1を測定し、既
知の熱伝導率λ2(λ1≠λ2)の第2の校正ガスを前
記測温抵抗体へ給送して前記制御手段によりその発熱温
度が一定値に保たれた状態での出力電圧v2を測定し、
これら測定した出力電圧v1,v2および前記熱伝導率
λ1,λ2に基づいて定められていることを特徴とする
熱伝導率式ガス濃度分析計。
Priority Applications (1)
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JP06066528A JP3114137B2 (ja) | 1994-03-11 | 1994-03-11 | 熱伝導率式ガス濃度分析計 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP06066528A JP3114137B2 (ja) | 1994-03-11 | 1994-03-11 | 熱伝導率式ガス濃度分析計 |
Publications (2)
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JPH07248304A JPH07248304A (ja) | 1995-09-26 |
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Family
ID=13318472
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP06066528A Expired - Lifetime JP3114137B2 (ja) | 1994-03-11 | 1994-03-11 | 熱伝導率式ガス濃度分析計 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3114137B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1994
- 1994-03-11 JP JP06066528A patent/JP3114137B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JP4505842B2 (ja) * | 2006-03-15 | 2010-07-21 | 株式会社山武 | 熱伝導率測定方法とその装置およびガス成分比率測定装置 |
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JPH07248304A (ja) | 1995-09-26 |
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