JPH01321508A - 酸素濃度制御装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、純酸素ガス又は酸素富化空気を純窒素ガス又
は空気により希釈混合して一定の酸素濃度のガスを発生
するための制御装置に関するものである。より特定すれ
ば、本発明は、希釈混合されたガスを酸素濃度センサに
より測定及び監視し、その濃度信号出力が一定値となる
ようにフィードバックして混合前のガス流量を調節する
自動制御装置に関するものである。

従来の技術 近年、種々の製造技術においては、酸素濃度を正確に維
持した酸素富化空気の制御供給装置が要求されるように
なってきた。特に、磁気テープ、フロッピーディスク及
び磁気カード用のフェライト磁性体の焼成等における助
燃ガスやバイオテクノロジーにおける培養槽への通気ガ
スとして、また、医療用機器や健康機器等の使用者吸入
空気としての需要が高まり、その性能も高精度、かつ高
安定度であることが要求されている。

これに対し、従来までの酸素濃度制御システムにおいて
は、Ｏｏ計の信号によってフィードバック制御を行う方
式は技術的に困難とされ、一般には、開放制御システム
であって、しかも、高濃度ガスの流量を固定し、希釈用
ガスとしての窒素や空気などの低濃度ガスの流量のみを
制御するものが主流であった。また、希にＯ２計の信号
によるフィードバック制御を行う方式であっても、やは
り一方のガス（主として希釈用ガス）のみを制御するも
のであった。

発明が解決しようとする課題 したがって、従来の酸素濃度制御方式においては、制御
量に応じて酸素濃度制御ガスの流量が異なることになり
、これとフィードバックシステム全体の応答速度や流路
条件等が重なって結局酸素濃度を正確に維持した一定流
量のガスを流通させたいという要求を満たすことができ
なかった。

すなわち、本発明は、酸素濃度値を任意に設定すること
が可能であって、しかも、その酸素濃度値を周囲温度や
ガス供給条件の変化、流路条件の相違等にかかわらず、
一定の酸素′富化ガス供給流量において、正確、かつ安
定に維持することができる酸素濃度制御装置を提供しよ
うとするものである。

課題を解決するための手段 本発明は、上記の目的を達するため、 高濃度又は高純度０２ガス源に接続されたＯ２ガスライ
ンと、 空気等の低濃度Ｏ２ガスまたは窒素等の不活性ガスから
なる希釈用ガス源に接続された希釈ガスラインと、 前記Ｏ２ガスライン及び希釈ガスラインにそれぞれ挿入
された制御信号入力端子を有する実質上同一規格からな
る第１及び第２の流量制御弁と、前記０２ガスライン及
び希釈ガスラインの終端に接続された一対のガス入口を
有するミキサーと、前記ミキサーから出た混合ガスのＯ
２濃度を測定するための０２計と、 前記０２計による測定信号をＰＩＤ演算することにより
制御信号を発生するＰＩＤ調節計と、前記ＰＩＤ制御信
号を所定範囲内の電圧信号に変換するための信号変換回
路と、 前記所定範囲の最大電圧から前記変換された電圧信号を
減じて補数電圧信号を発生する減算回路とを備え、 前記信号変換回路の変換出力を正動作信号として前記０
゜ガスラインに挿入された第１の流量制御弁の制御入力
端子に供給し、前記減算回路の補数出力を逆動作信号と
して前記希釈ガスラインに挿入された第２の流量制御弁
の制御入力端子に供給するようにしたことを特徴とする
酸素濃度制御装置を構成したものである。

作　　　　　用 上記の構成において、０２計、すなわち酸素濃度センサ
の検出応答速度は測定系統（測定用管路の流速及びセン
サの応答速度）によって規制され、フィードバックシス
テム全体の応答速度に関与する。また、上流での高濃度
Ｏ２ガス及び希釈ガスのの希釈混合比率の変化は、その
管路の容積や抵抗に応じて遅延してから０２計に検出さ
れる。このため、ＰＩＩ］調節計はこのようなフィード
バックシステム全体の応答速度に整合した最適制御のた
めの制御信号を比例、積分及び微分演算（ＰＩＤ演算）
により発生し、これが信号変換回路及び減算回路を通じ
て相補的に正動作信号及び逆動作信号として前記０２ガ
スライン及び希釈ガスラインの各流量制御弁に供給され
、これらのバルブは制御入力に対応したバルブ開度にお
いて、両ガスラインのガス流量の和を一定に保つように
各ガス流量を拮抗的に変化させ、酸素濃度を設定値に維
持するものである。

実　　施　　例 第１図は本発明の流路構成の実施例を示すものであり、
高濃度０２ガス源に接続されたＯ２ガスライン（１）に
は上流より順次圧力調整器（２）、圧力計ＰＣＩ及び電
気信号により動作する流量制御器ＰＣＩ（３）が挿入さ
れている。また、空気等の低濃度０２ガス又は窒素等の
不活性ガスからなる希釈用ガス源からのびる希釈ガスラ
イン（４）には、上流側より順次圧力調整器（５）、圧
力計ＰＧ２及び前記ＦＣＩ（３）と同様な流量制御器Ｆ
Ｃ２（６’）が挿入されている。流量制御器ＰＣＩ（３
）およびＦｅ２（６）の下流側における０２ガスライン
（１）及び希釈用ガスライン（４）の下流端は、ガス均
一混合用のミキサー（７）における一対のガス人口（７
ａ）、（７ｂ）にそれぞれ接続される。ミキサー（７）
の出口流路（８）はバッファタンク（９）を介して酸素
富化ガス供給口（１０）に導かれ、この供給口（ｌＯ）
は制御酸素を必要とする目的系に接続される。バッファ
タンク（９）の下流側と供給口（１０）との間には、０
２計（１１）が分岐接続され、このＯ２信号出力はプロ
セス制御用ＰＩＤ調節計（Ｉ２）に接続される。ＰＩＤ
調節計の出力ラインは信号処理回路（１３）の入力に接
続され、この信号処理回路（Ｉ３）の第１及び第２出力
端子（１３ａ　）、（１３ｂ）からは、それぞれ０２ガ
スラインにおける流量制御器ＰＣＩ（３）及び希釈ガス
ラインにおける流量制御器ＦＣ２（６）の信号入力端子
にそれぞれ正動作信号及び逆動作信号として供給される
ようなっている。

上記の流路構成において、０２ガスライン（１）を通る
高濃度酸素ガスは、圧力調整器（２）によって適当な圧
力（例えば、１〜３　ｋｇ　／　ｃｄ　）に調圧され、
その圧力は圧力計ＰＣＩにおいて確認される。

同様に、希釈用ガスライン（４）を流れる低酸素濃度又
は希釈用ガスは圧力調整器（５）により調圧され、その
圧力は圧力計ＰＧ２において確認される。

流量制御器ＰＣＩ（３）、Ｆｅ２（６”）は電気信号で
動作する流量制御器であり、少流量の場合には、マスフ
ローコントローラと呼ばれる電子式質量流量制御器を使
用する。流量制御器ＰＣＩ（３）は正動作信号を受けて
負帰還系における制御操作信号の増減が生じた場合と同
じ働きをする。また、流量制御器ＦＣ２（６）は逆動作
信号を受けて上記ＰＣＩと逆の動作をする。この場合、
バルブ開度と動作信号とは直線的に対応するようにしで
あるため、これらは相補信号となり、高濃度０２ガス流
量と希釈用ガスのガス流量との和は一定に維持される。

これらのガスを受は入れるミキサー（７）は、可動部分
のない分散拡散方式において２種類のガスを均一に混合
するものである。さらに、バッファタンク（９）は混合
ガスを一時的に滞留させ、混合ガスの濃度変化の速度を
０２計の応答速度に整合させるものである。バッファタ
ンク（９）の出口管路内のガスの一部は、０２計（１１
）に導入され、ここで測定された酸素濃度は電気信号と
してＰＩＤ調節計に送られ、酸素濃度の設定値と比較さ
れ、同時にＰＩＤ演算されてから制御操作信号として出
力される。制御信号回路（１３）は前記制御操作信号を
適当に処理し、正動作信号と逆動作信号に分離した後、
流量制御器ＦＣＨ３）及びＦｅ２（６）を作動させるも
のである。

信号処理回路（１３）の構成例は、第２図に示す通りで
ある。すなわち、（１４）はＰＩＤ調節計（１２）から
−膜内にＤＣ４〜２０ｍＡの電流信号として送られて（
る制御操作信号を受は取り、これをＤＣＯ〜５ｖの電圧
信号に変換する電流−電圧変換回路、（１５）は前記電
圧範囲ＤＣＯ〜５ｖの最大値である５ｖを発生する基準
電圧発生回路、（Ｉ６）は前記信号変換回路（１４）か
らの電圧信号を前記流量制御器ＰＣＩ（３）の制御信号
端子に供給するためのバッファアンプ、（１７）は前記
基準電圧５ｖから信号変換回路（１４）より出力された
Ｏ〜５ｖの変換電圧を差し引き、その変換電圧の補数出
力を発生するための減算器、そして、（１８）は減算器
（１７〉からの補数出力を流量制御器ＦＣ２（６）の制
御信号端子に供給するためのバッファアンプである。

上記のような信号処理回路（１３）の構成において、そ
れぞれ生成された正動作信号及び逆動作信号が完全に相
補関係にあることは、第３図に示す通りである。また、
これに基づいて目的酸素濃度を、例えば１００％から１
０％まで段階的に変化した場合の酸素濃度の応答性は、
第４図に示す通りである。この第４図において、１つの
目的濃度設定期間は１０分間であり、したがって、その
切換えに伴う立ち下がりからアンダーシュート及びオー
バーシュートを経て設定濃度に集束するまでの時間は、
約２〜３分程度であり、それ以後切換えまで正確に目標
濃度に維持されることがわかる。

第５図は一定酸素濃度（約２１％）の空気をコンプレッ
サのみにより目的系に供給する場合、及び本発明の制御
システムにより制御酸素濃度３０％とした酸素富化ガス
を目的系に供給する場合の安定度を示すグラフである。

このグラフから明らかな通り、本発明のシステムを通さ
ない場合には、一定酸素濃度のガスであっても、コンプ
レッサの動作周期に応じて、この場合は１時間に１回程
度の濃度測定値の落ち込みが見られるのに対し、本発明
のシステムを通した場合には、制御濃度がきわめて安定
に維持されることがわかる。

発明の効果 本発明は、以上の通り任意の設定酸素濃度値を一定の出
力ガス流量において、種々の測定パラメータに左右され
ることなく正確に維持することが可能であり、これによ
って酸素富化ガスを要求する種々の分野において、きわ
めて有用な酸素濃度制御装置を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流路構成の１例を示す線図、第２図は
信号処理回路の構成例を示すブロック線図、 第３図は本発明の信号処理回路による相補性制御信号を
示すグラフ、 第４図は本発明の装置による濃度切換設定状態を示す記
録ヂャート、 第５図は制御安定度を示す記録チャートである。 （１）・・・・・・・・・・・・・・・・・・０２ガス
ライン（２）、（５）・・・・・・・・・圧力調整器（
３）、（６）・・・・・・・・・流量制御器（４）・・
・・・・・・・・・・・・・・・・希釈ガスライン（７
）・・・・・・・・・・・・・・・・・・ミキサー（８
）・・・・・・・・・・・・・・・・・・出口流路（９
）・・・・・・・・・・・・・・・・・・バッファタン
ク（１０）・・・・・・・・・・・・・・・・・・酸素
富化ガス供給口（１１）・・・・・・・・・・・・・・
・・・・０２計（１２）・・・・・・・・・・・・・・
・・・・ＰＩＤ調節計（１３）・・・・・・・・・・・
・・・・・・・信号処理回路（１４）・・・・・・・・
・・・・・・・・・・電流−電圧変換回路（１５）・・
・・・・・・・・・・・・・・・・基準電圧発生回路（
１６）、（１８）・・・・・・・・・バッファアンプ（
１７）・・・・・・・・・・・・・・・・・・減算器特
許出顯大　　株式会社　小島製作所 代　　　理　　　人　　　新　　実　　健　　部（外１
名） 第３図 ［Ｖ］ 刊にう乍′７色号入力

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 高濃度又は高純度Ｏ＿２ガス源に接続されたＯ＿２ガス
   ラインと、 空気等の低濃度Ｏ＿２ガスまたは窒素等の不活性ガスか
   らなる希釈用ガス源に接続された希釈ガスラインと、 前記Ｏ＿２ガスライン及び希釈ガスラインにそれぞれ挿
   入された制御信号入力端子を有する実質上同一規格から
   なる第１及び第２の流量制御弁と、前記Ｏ＿２ガスライ
   ン及び希釈ガスラインの終端に接続された一対のガス入
   口を有するミキサーと、前記ミキサーから出た混合ガス
   のＯ＿２濃度を測定するためのＯ＿２計と、 前記Ｏ＿２計による測定信号をＰＩＤ演算することによ
   り制御信号を発生するＰＩＤ調節計と、 前記ＰＩＤ制御信号を所定範囲内の電圧信号に変換する
   ための信号変換回路と、 前記所定範囲の最大電圧から前記変換された電圧信号を
   減じて補数電圧信号を発生する減算回路とを備え、 前記信号変換回路の変換出力を正動作信号として前記Ｏ
   ＿２ガスラインに挿入された第１の流量制御弁の制御入
   力端子に供給し、前記減算回路の補数出力を逆動作信号
   として前記希釈ガスラインに挿入された第２の流量制御
   弁の制御入力端子に供給するようにしたことを特徴とす
   る酸素濃度制御装置。