JP4009952B2

JP4009952B2 - 磁気式酸素測定方法及び磁気式酸素計

Info

Publication number: JP4009952B2
Application number: JP2003123289A
Authority: JP
Inventors: 秀章山岸
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: JP2004325368A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気式酸素測定方法及び磁気式酸素計に関するものであり、特に、補助ガス流路に改良を加えてリングセルの傾斜に依存しないで酸素ガスの量を検出できるようにした磁気式酸素測定方法及び磁気式酸素計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術における磁気式酸素計は、図３及び図４に示すように、被測定ガス（サンプルガス）を流す流路を備えたリングセル１１１と、このリングセル１１１内に設置した熱型流量センサ（サーミスタ）からの信号で被測定ガスに含まれている酸素ガスの流量を検出する検出回路１２０とからなる。
【０００３】
リングセル１１１は、円環形状に形成されたサンプル流路１１２に連通して設けた測定ガス導入口１１３と、この測定ガス導入口１１３の反対側に設けた測定ガス導出口１１４と、円環形状のサンプル流路１１２の中心位置を通り、対向する側のそれぞれに連通させて形成した第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂと、第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂに連通してあるサンプル流路１１２の片側である測定側サンプル流路１１２ａに磁界を形成するヨーク１１６（図４参照）と、第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂの中心位置に連通され補助ガスを流入する補助ガス導入口１１７と、第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂ内部に補助ガス導入口１１７を中心として同距離の位置に備えた第１及び第２のサーミスタ１１８ａ、１１８ｂとを備えた構成になっている。この第１及び第２のサーミスタ１１８ａ、１１８ｂは、検出回路１２０に接続されている。
【０００４】
検出回路１２０は、第１のサーミスタ１１８ａに接続してある第１の定抵抗回路１２１ａと、第２のサーミスタ１１８ｂに接続してある第２の定抵抗回路１２１ｂと、これらの第１及び第２の定抵抗回路１２１ａ、１２１ｂからの信号を受信する差動増幅器１２２とからなる。
【０００５】
このような構成のリングセル１１１において、測定ガス導入口１１３から導入された被測定ガスは二方向に分流したのち、測定ガス導出口１１４へ合流するように流れる。
また、補助ガス導入口１１７から導入された補助ガスは二方向に分流したのち、第１及び第２のサーミスタ１１８ａ、１１８ｂをそれぞれ経由し、その後、第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂとの接続部付近でそれぞれ被測定ガスと合流し、被測定ガスと共に測定ガス導出口１１４へ流れる。
【０００６】
このような状況下で、被測定ガス中に酸素分子が含まれていない場合、第１のサーミスタ１１８ａを経由する補助ガスの流量と第２のサーミスタ１１８ｂを経由する補助ガスの流量は同一となる。
【０００７】
このため、第１の定抵抗回路１２１ａに入力される第１のサーミスタ１１８ａの出力と第２の定抵抗回路１２１ｂに入力される第２のサーミスタ１１８ｂの出力も同一となり、第１の定抵抗回路１２１ａの出力信号と第２の定抵抗回路１２１ｂの出力信号も同一となり、これらの出力信号の差を増幅する差動増幅器１２２の出力は零になる。
【０００８】
一方、測定ガス中に酸素分子が含まれている場合、ヨーク１１６による磁界印加領域における磁力作用により測定ガス中の酸素分子が引き付けられて部分流れが生じる。このため、第１のサーミスタ１１８ａを経由する補助ガスの流量と第２のサーミスタ１１８ｂを経由する補助ガスの流量に差が生じるようになり、第１の定抵抗回路１２１ａに入力される第１のサーミスタ１１８ａの出力信号と第２の定抵抗回路１２１ｂに入力される第２のサーミスタ１１８ｂの出力信号が同一でなくなる。
従って、第１の定抵抗回路１２１ａの出力信号と第２の定抵抗回路１２１ｂの出力信号も異なるようになり、第１の定抵抗回路１２１ａの出力信号と第２の定抵抗回路１２１ｂの出力信号の差を増幅する差動増幅器１２２の出力信号が測定ガス中の酸素分子量に対応した値を示すようになる。
【０００９】
さて、図４に示すように、リングセル１１１は、補助ガスを流す第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂが、補助ガス導入口１１７から分流するときに同一量のガスを分流させる必要がある。その分流したガスの量に応じて第１及び第２のサーミスタ１１８ａ、１１８ｂの温度の冷却状態を検出するからである。そのため、補助ガス導入口１１７を中心にして、第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂが平行になるように設置している。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−１７２７８４号公報（第２〜３頁第２図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術で説明した磁気式酸素計において、実際に補助ガス流路を平行に設置することは難しく、図５に示すように、磁界を発生させる測定側サンプル流路１１２ａが下に傾斜すると、補助ガスの熱対流は比較側サンプル流路１１２ｂ側に多く流れてしまうことになる。
又、図６に示すように、磁界を発生させる測定側サンプル流路１１２ａが上方向に傾斜すると、補助ガスの熱対流は、測定側サンプル流路１１２ａ側に多く流れてしまう。
【００１２】
このように、わずかなリングセル１１１の傾斜により、大きな誤差（信号オフセット）を生じてしまい、概略として、１度の傾斜で、０−１％０２レンジのほぼフルスケールに相当する信号オフセットを生じる。
これは、現状のリングセル１１１は、リングセル１１１を平面上に構成しているために、測定側サンプル流路１１２ａと比較側サンプル流路１１２ｂへの補助ガスはちょうど正反対方向に流れる構造となっているからである。
このような構造において、第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂ中に挿入されている第１及び第２のサーミスタ（自己加熱サーミスタ）１１８ａ、１１８ｂが発生する熱が、流路の傾斜により、信号への大きなオフセットを加える結果となる。
これは、現行製品が第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂの傾斜Θに対して、信号オフセットがｓｉｎΘに比例して依存する形になっているからである。非常に傾斜に敏感なセンサとなっているため、実際の製品の設置に際して、現場設置してからリングセル１１１の傾斜微調整を行い、水平出しを行う必要がある。
このため、防爆容器の外部から傾斜微調整を行う複雑なリンク機構を搭載している。この機構がコストアップ要因となり、又、コストダウン設計を実施する上で大きな障害となっている。
【００１３】
従って、このような構造上の問題を回避するため、補助ガスの流れる流路の構成を改良して、傾斜に依存しない信号を得るリングセル構造に解決しなければならない課題を有する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る磁気式酸素測定方法及び磁気式酸素計は、次に示す構成にすることである。
【００１５】
（１）磁気式酸素測定方法は、円環形状に形成され、分流させた被測定ガスの測定側サンプル流路に磁界を形成する第１のステップ、前記分流させたそれぞれの測定側及び比較側サンプル流路の対向する位置に導通させた同一量の補助ガスを流す第１及び第２の補助ガス流路を形成する第２のステップ、前記第１及び第２の補助ガス流路のそれぞれは、前記第１及び第２の補助ガス流路より下方の補助ガス導入口から平行同一方向に分流させた第１及び第２の流路を導通する第３のステップ、前記平行同一方向に分流させた第１及び第２流路のそれぞれに第１及び第２の熱型流量センサを配置して被測定ガス中の酸素の量を測定する第４のステップ、からなる。
（２）前記第１及び第２の熱型流量センサは、自己加熱サーミスタあるいは金属あるいは半導体からなる加熱型熱線である（１）に記載の磁気式酸素測定方法。
（３）前記第１及び第２流路は、前記第１及び第２の補助ガス流路に対して直交する方向に配置したことを特徴とする（１）または（２）に記載の磁気式酸素測定方法。
【００１６】
（４）磁気式酸素計は、円環形状に形成され、分流させた被測定ガスの測定側サンプル流路に磁界を形成する磁界発生手段と、前記分流させたそれぞれの測定側及び比較側サンプル流路の対向する位置に導通させた同一量の補助ガスを流す第１及び第２の補助ガス流路と、前記第１及び第２の補助ガス流路に連通し、前記第１及び第２の補助ガス流路より下方の補助ガス導入口から平行同一方向に分流させた第１及び第２の流路と、前記平行同一方向に分流させた第１及び第２の流路のそれぞれに配置した第１及び第２の熱型流量センサと、を備えたことである。
（５）前記第１及び第２の熱型流量センサは、自己加熱サーミスタあるいは金属あるいは半導体からなる加熱型熱線である（４）に記載の磁気式酸素計。
（６）前記第１及び第２の流路は、前記第１及び第２の補助ガス流路に対して直交する方向に配置したことを特徴とする（４）または（５）に記載の磁気式酸素計。
【００１７】
このように、平行に分流された第１及び第２の流路のそれぞれにセンサを配置した構成にすることで、流路自体が傾斜してもセンサを組み込んである第１及び第２の流路も同じく傾斜することになり、その環境条件は常に一定にすることができるため、傾斜に依存しないで酸素の量を測定することが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る磁気式酸素測定方法及び磁気式酸素計の実施形態について、図面を参照して、以下、説明する。
【００１９】
本発明に係る磁気式酸素測定方法を具現化できる磁気式酸素計は、図１及び図２に示すように、被測定ガスを流すリングセル１１と、リングセルで検出した信号から酸素の量を検出する検出回路２０とからなる。
【００２０】
リングセル１１は、円環形状に形成されたサンプル流路１２に連通して設けた測定ガス導入口１３と、この測定ガス導入口１３の反対側に設けた測定ガス導出口１４と、測定ガス導入口１３と測定ガス導出口１４との間のサンプル流路である測定側サンプル流路１２ａに導通するように連通した第１の補助ガス流路１５ａと、第１の補助ガス流路１５ａと反対側のサンプル流路である比較側サンプル流路１２ｂに導通するように連通した第２の補助ガス流路１５ｂと、第１の補助ガス流路１５ａに連通してある測定側サンプル流路１２ａに磁界を形成するヨーク１６と、補助ガス導入口１７から枝分かれし、平行に同一方向を向き且つ所定長さに形成した第１及び第２の流路１９ａ、１９ｂと、第１の流路１９ａに配置した第１の熱型流量センサ１８ａと、第２の流路１９ｂに配置した第２の熱型流量センサ１８ｂとからなり、第１の流路１９ａは第１の補助ガス流路１５ａと直交する方向に配置されて連通し、第２の流路１９ｂは第２の補助ガス流路１５ｂと直交する方向に連通した構成になっている。この第１及び第２の熱型流量センサ１８ａ、１８ｂは、自己加熱サーミスタあるいは金属あるいは半導体からなる加熱型熱線であり、検出回路２０に接続されている。
【００２１】
検出回路２０は、第１の熱型流量センサ１８ａに接続してある第１の定抵抗回路２１ａと、第２の熱型流量センサ１８ｂに接続してある第２の定抵抗回路２１ｂと、これらの第１及び第２の定抵抗回路２１ａ、２１ｂからの信号を受信する差動増幅器２２とからなる。
【００２２】
このような構成のリングセル１１において、測定ガス導入口１３から導入された被測定ガスは二方向に分流したのち、測定ガス導出口１４へ合流するように流れる。
また、補助ガス導入口１７から導入された補助ガスは平行な第１及び第２の流路１９ａ、１９ｂを経由して、第１及び第２の熱型流量センサ１８ａ、１８ｂをそれぞれ経由し、その後、第１及び第２の補助ガス流路１５ａ、１５ｂを経由して接続部付近でそれぞれ被測定ガスと合流し、被測定ガスと共に測定ガス導出口１４へ流れる。
【００２３】
このような状況下で、被測定ガス中に酸素分子が含まれていない場合、第１の熱型流量センサ１８ａを経由する補助ガスの流量と第２の熱型流量センサ１８ｂを経由する補助ガスの流量は同一となる。
【００２４】
このため、第１の定抵抗回路２１ａに入力される第１の熱型流量センサ１８ａの出力と第２の定抵抗回路２１ｂに入力される第２の熱型流量センサ１８ｂの出力も同一となり、第１の定抵抗回路２１ａの出力信号と第２の定抵抗回路２１ｂの出力信号も同一となり、これらの出力信号の差を増幅する差動増幅器２２の出力は零になる。
【００２５】
一方、測定ガス中に酸素分子が含まれている場合、磁界印加領域における磁力作用により測定ガス中の酸素分子が引き付けられて部分流れが生じる。このため、第１の熱型流量センサ１８ａを経由する補助ガスの流量と第２の熱型流量センサ１８ｂを経由する補助ガスの流量に差が生じるようになり、第１の定抵抗回路２１ａに入力される第１の熱型流量センサ１８ａの出力信号と第２の定抵抗回路２１ｂに入力される第２の熱型流量センサ１８ｂの出力信号が同一でなくなる。従って、第１の定抵抗回路２１ａの出力信号と第２の定抵抗回路２１ｂの出力信号も異なるようになり、第１の定抵抗回路２１ａの出力信号と第２の定抵抗回路２１ｂの出力信号の差を増幅する差動増幅器２２の出力信号が測定ガス中の酸素分子量に対応した値を示すようになる。
【００２６】
さて、第１及び第２の熱型流量センサ１８ａ、１８ｂが配置してある第１及び第２の流路１９ａ、１９ｂは、平行に同一方向を向いて形成され、且つ第１及び第２の補助ガス流路１５ａ、１５ｂに直交する方向で形成されている。このことは、リングセル１１自体が傾斜、特に僅かに傾斜しても第１及び第２の流路１９ａ、１９ｂを流れる補助ガスは同一の環境を維持できるため、その流量に変化はない。従って、傾斜に依存した信号オフセットを発生することがない。
従って、図示しないが、従来技術の如くリングセル１１を平行な状態に微調整する調整機構が不要になる。
【００２７】
又、第１及び第２の熱型流量センサ１８ａ、１８ｂが配置してなる第１及び第２の流路１９ａ、１９ｂを、第１及び第２の補助ガス流路１５ａ、１５ｂと直交させて配置しているが、特に垂直方向にすれば、傾斜変化に対して鈍感な構造とすることが可能になる。即ち、垂直にすることで、オフセットがｃｏｓΘに比例する依存性をもつようになる。従って、Θの零付近の変動に対して効果を持たなくなる。
【００２８】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明に係る磁気式酸素測定方法及び磁気式酸素計は、補助ガスが流れる流路を平行な第１及び第２の流路にし、その流路の中にそれぞれ第１及び第２の熱型流量センサを配置したことにより、傾斜変動による信号オフセットを、激減させることができ、この結果、傾斜微調整機構を省略できるので、センサ機構が簡単になり、コストダウンにつながるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気式酸素計を示す説明図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】従来技術における磁気式酸素計を示す説明図である。
【図４】図３のＡ―Ａ線断面図である。
【図５】図４において比較側流路が上がって傾斜した状態を示した説明図である。
【図６】図４において測定側流路が上がって傾斜した状態を示した説明図である。
【符号の説明】
１１リングセル
１２サンプル流路
１２ａ測定側サンプル流路
１２ｂ比較側サンプル流路
１３測定ガス導入口
１４測定ガス導出口
１５ａ第１の補助ガス流路
１５ｂ第２の補助ガス流路
１６ヨーク
１７補助ガス導入口
１８ａ第１の熱型流量センサ
１８ｂ第２の熱型流量センサ
１９ａ第１の流路
１９ｂ第２の流路
２０検出回路。

Claims

円環形状に形成され、分流させた被測定ガスの測定側サンプル流路に磁界を形成する第１のステップ、
前記分流させたそれぞれの測定側及び比較側サンプル流路の対向する位置に導通させた同一量の補助ガスを流す第１及び第２の補助ガス流路を形成する第２のステップ、
前記第１及び第２の補助ガス流路のそれぞれは、前記第１及び第２の補助ガス流路より下方の補助ガス導入口から平行同一方向に分流させた第１及び第２の流路を導通する第３のステップ、
前記平行同一方向に分流させた第１及び第２流路のそれぞれに第１及び第２の熱型流量センサを配置して被測定ガス中の酸素の量を測定する第４のステップ、
からなる磁気式酸素測定方法。
前記第１及び第２の熱型流量センサは、自己加熱サーミスタあるいは金属あるいは半導体からなる加熱型熱線である請求項１に記載の磁気式酸素測定方法。
前記第１及び第２流路は、前記第１及び第２の補助ガス流路に対して直交する方向に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気式酸素測定方法。
円環形状に形成され、分流させた被測定ガスの測定側サンプル流路に磁界を形成する磁界発生手段と、
前記分流させたそれぞれの測定側及び比較側サンプル流路の対向する位置に導通させた同一量の補助ガスを流す第１及び第２の補助ガス流路と、
前記第１及び第２の補助ガス流路に連通し、前記第１及び第２の補助ガス流路より下方の補助ガス導入口から平行同一方向に分流させた第１及び第２の流路と、
前記平行同一方向に分流させた第１及び第２の流路のそれぞれに配置した第１及び第２の熱型流量センサと、
を備えたことを特徴とする磁気式酸素計。
前記第１及び第２の熱型流量センサは、自己加熱サーミスタあるいは金属あるいは半導体からなる加熱型熱線である請求項４に記載の磁気式酸素計。
前記第１及び第２の流路は、前記第１及び第２の補助ガス流路に対して直交する方向に配置したことを特徴とする請求項４または５に記載の磁気式酸素計。