(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置された磁極から磁界を発生する磁界発生手段と、
通電により発熱するとともに抵抗値が変化する４つの同等の発熱素子で形成された全ブリッジと、交流電源からなり、
前記全ブリッジを構成する相対する２つの発熱素子を前記磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に対向して配置し、他方の相対する２つの発熱素子を前記磁界の影響が及ばない位置に配置し、前記全ブリッジに前記交流電源から交流電圧を印加したことを特徴とする磁気式酸素計。
【請求項２】
対向して配置された磁極から磁界を発生する磁界発生手段と、
通電により発熱するとともに抵抗値が変化する４つの同等の発熱素子で形成された全ブリッジと、交流電源からなり、
前記全ブリッジを構成する相対する２つの発熱素子を前記磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に対向して配置し、他方の相対する２つの発熱素子を前記２つの発熱素子の近傍に配置し、前記全ブリッジに前記交流電源から交流電圧を印加したことを特徴とする磁気式酸素計。
【請求項３】
対向して配置された磁極から磁界を発生する磁界発生手段と、
通電により発熱するとともに抵抗値が変化する２つの同等の発熱素子および抵抗値が同等の２つの抵抗体で形成された半ブリッジと、交流電源からなり、
前記半ブリッジは発熱素子と抵抗体が隣合うように接続され、相対する２つの発熱素子のうちの一つを前記磁界の強度が変化する領域に配置し、他方の発熱素子を前記磁界の影響が及ばない位置に配置し、相対する接続点に前記交流電源から交流電圧を印加したことを特徴とする磁気式酸素計。
【請求項４】
ヒータの駆動電圧とブリッジの出力電圧を所定の時間長で複数に分割し、下式により出力信号処理を行なうことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の磁気式酸素計。
記
Vout  ＝  Σ D(t)・S(t)
若しくは
Vout  ＝  ∫D(t)・S(t)ｄｔ
但し  D(t) ；ヒータの駆動電圧
S(t) ；ブリッジの出力電圧
【請求項５】
前記発熱素子はタングステン（Ｗ）、シリコン、シリコン化合物、若しくはプラチナ（Ｐｔ）からなることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の磁気式酸素計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば煙道中を流れる混合ガスに含まれる酸素濃度を測定する磁気式酸素計に関し、熱磁気風の制御性の自由度を向上させるとともに周囲温度変動の影響を低減した磁気式酸素計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
混合ガス中の酸素濃度の正確な測定は、広範囲の工業的、臨床的および研究的プロセスにおいて重要である。そのため、酸素濃度を測定するための装置が各種提案・開発されている。
【０００３】
図９（ａ）は磁気式酸素計の従来例の検出部の構成を示すものである。図において１ａ，１ｂは所定の面積を有し磁極が所定の間隔を隔てて対向して配置された磁界発生手段（永久磁石）。２ａ，２ｂは熱磁気風（以下、単に磁気風という）を発生させるためのサーミスタで磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に配置される。３ａ，３ｂは磁気風発生サーミスタ２ａ，２ｂの外側に近接して配置された磁気風を検出するサーミスタ（磁気風センサ）である。
【０００４】
上記の構成の磁気式酸素計を酸素を含む混合ガス中に配置すると、磁気により常磁性体である酸素ガスが磁界に引き寄せられる。そして引き寄せられた酸素ガスは磁界の端部で発熱したサーミスタ２ａ，２ｂで加熱されると磁化率が減少し、中央付近の酸素ガスの磁化率との間に差異が生ずる。その結果、加熱された部分と非加熱の部分では異なる磁気力が作用することになり力のバランスが崩れる。
【０００５】
磁界発生手段及び発熱体の配置には種々の構造のものがあるが、図９（ａ）に示すものは磁界の強度が変化する領域のうちで、発熱体の配置されていない磁界部分の磁化率の大きな酸素ガスは磁界の強度が変化する領域の加熱された側に押しやられることになる。加熱されていない磁界の強度が変化する領域には他から温度の低いガスが流れ込むので、連続的な流れが生じる。
【０００６】
このガスの流れは混合ガスに含まれる酸素ガスの濃度に比例するので発熱サーミスタに隣接して配置されたサーミスタ（磁気風センサ）の熱を発熱サーミスタに比較して降下させ、２つのサーミスタの抵抗値の差を変化させることとなる。
【０００７】
図９（ｂ）は図９（ａ）の構成において、酸素感知素子の温度を制御することによって、周囲温度の変動の影響を除去するようにしたもので、抵抗Ｒｃ，Ｒｄ，Ｒｓ及びサーミスタ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，Ｒａ及びＲｚで構成されるブリッジにより定温度用ブリッジが形成されている。可変抵抗Ｒｔはブリッジ温度調節用として利用され、アンプ４は接点ＸＹ間に電気的に不平衡がある場合にそれを検出し、ブリッジ電流を変化させてその不平衡を復旧させるために直列トランジスタ５を駆動する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、発熱（発風）サーミスタと磁気風センサが空間的に一定の距離に置かれ、かつ、常時定抵抗値になるように制御回路に組み込まれている。しかし、各サーミスタは常時加熱されており、発風サーミスタの熱量が、安定して磁気風センサに伝達されるとは限らない。
【０００９】
例えば、検出器の姿勢の変化により発風サーミスタの熱による自然熱対流の方向は変化してしまうので、磁気風センサの受け取る熱量が変化する。また、周囲温度の変化により発風および磁気風センサの熱的環境が変化し、各サーミスタの放熱量が変化する。更に温度の揺らぎが各サーミスタの設置場所毎に異なって生ずる。
これらの現象により酸素計の出力が大きな変動を受けるという問題があった。
【００１０】
そのためサーミスタを含む検出部は厳密な温度管理が必要となり大掛かりで精密な恒温槽を必要とするという問題があった。また、直流検出を行っているためノイズ帯域が広くＳ／Nがよくないという問題があった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、姿勢や温度ドリフトに影響されず、高精度で構成要素の少ない磁気式酸素計を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような問題点を解決するために、請求項１においては、
対向して配置された磁極から磁界を発生する磁界発生手段と、
通電により発熱するとともに抵抗値が変化する４つの同等の発熱素子で形成された全ブリッジと、交流電源からなり、
前記全ブリッジを構成する相対する２つの発熱素子を前記磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に対向して配置し、他方の相対する２つの発熱素子を前記磁界の影響が及ばない位置に配置し、前記全ブリッジに前記交流電源から交流電圧を印加したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２においては、
対向して配置された磁極から磁界を発生する磁界発生手段と、
通電により発熱するとともに抵抗値が変化する４つの同等の発熱素子で形成された全ブリッジと、交流電源からなり、
前記全ブリッジを構成する相対する２つの発熱素子を前記磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に対向して配置し、他方の相対する２つの発熱素子を前記２つの発熱素子の近傍に配置し、前記全ブリッジに前記交流電源から交流電圧を印加したことを特徴とする
【００１３】
請求項３においては、
対向して配置された磁極から磁界を発生する磁界発生手段と、
通電により発熱するとともに抵抗値が変化する２つの同等の発熱素子および抵抗値が同等の２つの抵抗体で形成された半ブリッジと、交流電源からなり、
前記半ブリッジは発熱素子と抵抗体が隣合うように接続され、相対する２つの発熱素子のうちの一つを前記磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に配置し、他方の発熱素子を前記磁界の影響が及ばない位置に配置し、相対する接続点に前記交流電源から交流電圧を印加したことを特徴とする。
【００１４】
請求項４においては、請求項１〜３いずれかに記載の磁気式酸素計において、ヒータの駆動電圧とブリッジの出力電圧を所定の時間長で複数に分割し、下式により出力信号処理を行なうことを特徴とする。
Vout  ＝  Σ D(t)・S(t)
若しくは
Vout  ＝  ∫D(t)・S(t)ｄｔ
但し  D(t) ；ヒータの駆動電圧
S(t) ；ブリッジの出力電圧
【００１５】
請求項５においては、請求項１〜４いずれかに記載の磁気式酸素計において、前記発熱素子はタングステン（Ｗ）、シリコン、シリコン化合物、若しくはプラチナ（Ｐｔ）からなることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
はじめに従来例および本発明で用いる酸素を含むガス中の酸素濃度の測定原理について図７，８を用いて簡単に説明する。
図７（ａ）は酸素を含むガス中に磁界発生手段を配置したときの酸素分子と磁界の関係を示している。
【００１７】
ここで酸素分子に働くX軸方向の力Ｆは次式により表わすことができる。
Ｆ＝χ・（∂Ｈ／∂Ｘ）・Ｈ
χ：酸素の磁化率
Ｈ：磁界の強さ
∂Ｈ／∂Ｘ：磁界の変化率
つまり、図７（ｂ）に示すように磁界が強く、かつその強さが変化しているところ（磁極の端部 …不均一磁界）に酸素を引付ける力が作用し、磁極の端部で右向きの力と左向きの力が押し合ってバランスしている。
図７（ｃ）は磁界（磁石のギャップ）内では引付けられた酸素の圧力（濃度）が周囲に比較して高くなっている状態を示している。
【００１８】
図８（ａ，ｂ）は磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）にヒータを配置し、酸素の磁化率を変化させたもので、右側だけを加熱して左向きの圧力を弱くし圧力のバランスを崩した状態を示している。
図８（ｃ）は圧力バランスが崩れて差圧が発生し、右向きの磁気風が吹いている状態を示している。この差圧（磁気風の強さ）は、酸素濃度、磁界の強さ、ヒータ加熱量により決まる。
【００１９】
図１（ａ，ｂ）は本発明の請求項１に関する実施形態の一例を示す検出部の要部構成図である。図１（ａ）において、１は端部が所定の面積を有し所定の間隔を隔てて配置された磁界印加装置で、向き合った一対の磁極（１ａ，１ｂ）面の中程（２点鎖線で示すホの部分）に均一磁界が形成され、磁界の端部は磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）となっていることを示している。
【００２０】
図１（ｂ）は同等の性能を有する４つの発熱素子（加熱フィラメント …ＷまたはＰｔ等）で形成された全ブリッジ（ブリッジを構成する４つの電子部品が同等で発熱による抵抗値変化が同等のものを使用している）であり、相対する２つの発熱素子（２ａ，２c）が磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に配置され、他方の相対する２つの発熱素子（２b，２ｄ）は磁界の影響が及ばない位置に配置されている。
【００２１】
２０は例えば１０〜１００Ｈｚ程度の交流電源であり、一方の接続端子が加熱素子２ａ，２ｄの接続点に接続され、他方の接続端子が加熱素子２ｂ，２ｃの接続点に接続されている。また、加熱素子２ａ，２ｂの接続点および加熱素子２ｃ，２ｄの接続点には出力端子が接続されている。
【００２２】
このような構成においても先に延べたと同じ原理で、酸素を含む混合ガス中に配置すると磁気により酸素ガスが磁界に引き寄せられ、引き寄せられた酸素ガスは磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に配置された発熱素子で加熱される。加熱されて磁化率が減少した磁界の強度が変化する領域の酸素ガスと加熱されていない不均一磁界の酸素ガスの磁化率との間に差異が生じ、発熱体付近の磁化率の低下した酸素ガスが、遠方に押しやられて図１(b)のイおよびイ'の方向に磁気風が発生する。
【００２３】
その場合、印加電源が交流なので全ての発熱素子（２ａ〜２ｄ）は同時に加熱されるが、不均一磁界に配置された相対する発熱素子（２ａ，２ｃ）は磁気風を起こすので全ブリッジの相対する全ブリッジの相対する発熱素子（２ａ，２ｃ）のみ、磁気風によって冷却される。
その結果、全ての発熱素子は同時に加熱されながらも２ａ，２ｃと２ｂ，２ｄでは温度に差が生じる。従って酸素の存在により交流のブリッジ出力が発生する。
【００２４】
図２（ａ〜ｃ）は印加電圧と酸素の有無による出力波形を示すもので、図２（ａ）で示す交流電圧を印加すると、酸素が存在する場合の出力は図２（ｂ）で示すような波形となり、酸素が存在しない場合は図２（ｃ）で示すような波形となる。
【００２５】
図３（ａ〜ｃ）は駆動電圧波形と出力電圧およびゼロクロス検出信号電圧の関係を示すもので、駆動電圧がゼロクロスする期間を検出し、更にゼロクロスの中点にあたる時間を求める。
次にゼロクロス点における出力電圧とゼロクロス点とゼロクロス点の中点における出力電圧を求めその差分（Ｖ−ｖ）を求める。この差分は磁気風の強さに関連して変化するので酸素濃度を知ることができる。
このようにすることで、姿勢の変化や周囲温度に不均一な分布があって酸素濃度とは関係のない外乱が生じてもその影響を小さくすることができる。
【００２６】
図４（ａ〜ｃ）はゼロ点ドリフトが発生した場合の出力状態を示すもので、従来の直流電流測定では大きな出力誤差を生じるが、本発明ではゼロクロス点での出力の平均値と中間点での出力の差（Ｖ−ｖ）を検出しているのでゼロ点の変動の影響を受けず酸素信号のみを検出することができる。
【００２７】
図５（ａ，ｂ）は本発明の磁気式酸素計の他の実施例を示すもので、図１（ｂ）に示す実施例とは２つの発熱素子の位置のみが異なっている。
即ち、図５ａに示すように、相対する２つの発熱素子（２ａ，２c）が磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に配置され、他方の相対する２つの発熱素子（２ｂ，２ｄ）も相対する２つの発熱素子（２ａ，２c）のそれぞれの近傍に対向して配置されている。
図５（ｂ）は図５（ａ）の磁気式酸素計を酸素を含むガス中に配置して交流電流を印加した場合の発熱素子のＡ−Ａ'の位置における各発熱素子の温度の関係を示すもので、実線で示す曲線は酸素が存在せず磁気風が発生していない状態を示し、点線で示す曲線は酸素による磁気風が発生した状態を示している。即ち、点線の曲線は磁気風により発熱素子２ａは冷却され、その下流に配置された発熱素子２ｂは発熱素子２ａの熱の影響を受けて温度が上昇し温度差（抵抗値変化）が大きくなる。その結果ブリッジの出力としては図１（ｂ）に示す実施例に比較して大きなものとなりＳ／Ｎを改善することができる。
【００２８】
ところで、上述の酸素計は発熱素子としてＷやＰｔ、Ｓｉ、Ｓｉ化合物を使用するが、これらの発熱素子は高価格であるとともに、同等の精度のものを作製したり４つの温度条件を合わせるのが難しいという問題がある。
【００２９】
図６は相対する２つの発熱素子を同等の精度を有する例えば炭素皮膜抵抗体として半ブリッジ（ブリッジを構成する４つの電子部品のうち発熱による抵抗値変化が同等のものを２個、単なる抵抗体を２個使用している）とし、発熱素子２ａのみを不均一磁界に配置したもので、この場合も駆動電圧波形と出力電圧波形およびゼロクロス信号は図３に示すものとなる。そして、ゼロクロス信号の中点に対して一つ置きに出力する出力波形との差（Ｖ'−ｖ'）を検出することによりゼロ点の変動の影響を受けず酸素信号のみを検出することができる。
【００３０】
このような構成によれば４つの発熱素子を使用する場合に比較して感度的には半分となるが、ブリッジの構成部品として発熱素子に比較して安価な炭素皮膜抵抗体を用いるので、同等の精度のものを２個作製しその２つの温度条件を合わればよいので全体として安価なものとすることができる。
【００３１】
ところで、本発明の原理は図７，８で説明したように、
酸素を含むガス中に磁石を配置すると酸素は磁石の両端の不均一磁界に吸引され、磁極の端部で右向きの力と左向きの力が押し合ってバランスする。
両端の不均一磁界に吸引された酸素のうち一端の酸素を加熱するとその部分の酸素の磁化率が変化して圧力バランスが崩れて差圧が発生し、磁気風が発生する。
その、磁気風は酸素濃度に比例するのでガス中の酸素の割合を測定することができる。というものである。
【００３２】
しかしながら、出力には様々な外乱によるノイズが重畳されており、必ずしも酸素濃度に比例した出力とはならない。図９は磁気式酸素計の流路を通る磁気風が様々な要因がノイズ発生の原因となることを示している。
図１０は駆動波形（ａ）とノイズのない場合の検出波形（ｂ）の関係を示している。しかし、実際にはノイズを含む信号となり例えば図１１（ｂ）に示すような波形となる（これらの図において●印はサンプリングするタイミングを示している）。図１１（ａ）は出力波形に重畳したノイズ成分のみを示している。
【００３３】
ここで、図１１（ａ）に示すようにノイズの振幅と出現頻度は図１１（ｃ）に示すようなガウシアン分布となっており、ノイズの平均値はゼロに近づくことが知られている。ここではこのことを利用してノイズの少ない磁気酸素計を実現する。
【００３４】
図１２は磁気風駆動入力（フィラメント点灯）から出力の信号処理までの流れ図である。図に従って説明する。
イ）磁気風駆動入力Ｄ（ｔ）が入力される。
ロ）磁気風ｗ（ｔ）が発生する
【００３５】
発生磁気風ｗ（ｔ）は下式により表わされる。
ｗ（ｔ）＝ｆ（Ｈ、ｄＨ／ｄＸ、Ｔ、Ｏ２、Ｋ）・Ｄ（ｔ）
ここで、ｆ（Ｈ、ｄＨ／ｄＸ、Ｔ、Ｏ２、Ｋ）は磁気風発生能力であり、
Ｈ；磁界強度    ｄＨ／ｄＸ；磁界変化の勾配    Ｔ；温度
Ｏ２；酸素濃度    Ｋ；装置係数
であり、磁気式酸素計の感度はこれらの数値により決まる。
【００３６】
ハ）検出部における磁気風量（ｗ'（ｔ））を次式により検出する。
ｗ'（ｔ）＝α・ｗ（ｔ）＋ε（ｔ）
ここで、α：配管抵抗による減衰係数（α＜１）
ε（ｔ）：外乱風（ランダム）
ニ）検出信号S(t)を次式により検出する。
S(t)＝ｋ・ｗ'（ｔ）＝ｋ・α・ｗ（ｔ）＋ε（ｔ）
ここで、ｋ：風検出係数
【００３７】
ホ）酸素計としての出力Vout（ｔ）を次式により演算する。
Vout（ｔ）＝ ΣD(t)・（ｋ・α・ｗ（ｔ）＋ｋ・ε（ｔ））
＝ ｋ・α・f（Ｈ、ｄＨ／ｄＸ、Ｔ、Ｏ２、Ｋ）ΣD２（ｔ）＋ｋΣD(t)・ε（ｔ）
ここで、第２項の外乱による項は積算或いは積分を重ねることにより積分区間が長くなるにつれて、外乱のランダム性によりゼロに近づく。
その結果、
Vout（ｔ）≒ ｋ・α・f（Ｈ、ｄＨ／ｄＸ、Ｔ、Ｏ２、Ｋ）ΣD２（ｔ）
となり、外乱風の影響を低減することができる。
【００３８】
このように、ノイズによる出力の変動要因のうち、高い周波数のノイズに対しても上述の積算或いは積分方式を用いて処理することによりノイズの影響を低減することができる。つまり、ノイズスペクトルのうち、駆動電圧の周波数の周辺の極めて狭帯域の周波数のみを通過させることで高性能バンドパスフィルタを加えたことに相当する。
なお、上述のVout（ｔ）においてはゼロバイアス分が残留するが、実際の出力としてはその分を考慮して演算を行なうものとする。
また、実施例においては、駆動電圧波形は正弦波形としたが矩形状や三角形状の波形であっても良い。
【００３９】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ブリッジを構成する相対する２つの発熱素子を磁界の不均一磁界に対向して配置し、他方の相対する２つの発熱素子を磁界の影響が及ばない位置に配置し、ブリッジに交流電源から交流電圧を印加したので、
姿勢や温度ドリフトに影響されず、高精度で構成要素の少ない磁気式酸素計を実現することができる。
【００４１】
また、全ブリッジを構成する相対する２つの発熱素子を磁界の強度が変化する領域（不均一磁界）に対向して配置し、他方の相対する２つの発熱素子を前記２つの発熱素子の近傍に配置したので、ブリッジの出力としては図１（ｂ）に示す実施例に比較して大きなものとなりＳ／Ｎを改善することができる。
【００４２】
また、ブリッジを構成する部品の内の２つを安価な炭素皮膜抵抗体とすれば全体として安価なものとすることができる。
【００４３】
また、ヒータの駆動電圧とブリッジの出力電圧を所定の時間長で複数に分割し、その駆動電圧と出力を乗じ、乗じた値を積算または積分する信号処理を行なうことによりノイズの少ない磁気式酸素計を実現することができる。
【００４４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気式酸素計の実施形態の一例を示す構成図である。
【図２】交流電圧を印加した場合の酸素の有無による出力波形を示す図である。
【図３】駆動電圧波形と出力電圧およびゼロクロス検出信号電圧の関係を示す図である。
【図４】ゼロ点ドリフトが発生した場合の出力状態を示す図である。
【図５】本発明の請求項２に関する実施形態の一例を示す構成図である。
【図６】本発明の請求項４に関する実施形態の一例を示す構成図である。
【図７】本発明の測定原理の説明図である。
【図８】本発明の測定原理の説明図である。
【図９】ノイズ発生の原因の説明図である。
【図１０】駆動波形と検出波形の関係を示す図である。
【図１１】ノイズ及びノイズが重畳した波形とノイズのガウシアン分布の説明図である。
【図１２】磁気風駆動入力から出力の信号処理までの流れ図である。
【図１３】従来の磁気式酸素計の検出部の構成と検出回路の一例を示す図である。
【符号の説明】
１            磁極
２（ａ〜ｄ）  発熱素子
２ｅ，２ｆ    抵抗体
２０          交流電源
【図１】
0003700779.tif 000002
【図２】
0003700779.tif 000003
【図３】
0003700779.tif 000004
【図４】
0003700779.tif 000005
【図５】
0003700779.tif 000006
【図６】
0003700779.tif 000007
【図７】
0003700779.tif 000008
【図８】
0003700779.tif 000009
【図９】
0003700779.tif 000010
【図１０】
0003700779.tif 000011
【図１１】
0003700779.tif 000012
【図１２】
0003700779.tif 000013
【図１３】
0003700779.tif 000014