(57)【要約】【課題】  被測定気体の種類に制約なく被測定気体中の水素濃度を高感度で測定することができる水素濃度測定装置及びそれに用いられる物性依存式圧力計を提供すること。【解決手段】  物性依存式圧力計３０は、圧力測定素子３１と、圧力測定素子を収容する、開口３４Ｂを有する容器３２と、容器の開口に配置される水素透過膜３５と、を有する。容器内には、水素以外の気体が収容され、かつ、水素透過膜を通過して水素が導入出可能である。圧力測定素子は、容器内の混合気体の物性に依存する圧力を検出する。【選択図】      図２
2015169581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力測定素子と、
前記圧力測定素子を収容する、開口を有する容器と、
前記容器の前記開口に配置される水素透過膜と、
を有し、
前記容器内には、水素以外の気体が収容され、かつ、前記水素透過膜を通過して水素が導入出可能であり、
前記圧力測定素子は、前記容器内の前記気体と水素との混合気体の物性に依存する圧力を検出することを特徴とする物性依存式圧力計。
【請求項２】
請求項１において、
前記気体は、水素の粘性値（μ・Ｐａ・ｓ）に対して一桁以上異なる粘性値を有することを特徴とする物性依存式圧力計。
【請求項３】
請求項２において、
前記気体は空気であることを特徴とする物性依存式圧力計。
【請求項４】
請求項２において、
前記気体は窒素であることを特徴とする物性依存式圧力計。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項において、
前記水素透過膜を不純物から保護するフィルターをさらに有することを特徴とする物性依存式圧力計。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項において、
前記圧力測定素子は、音叉型水晶振動子であることを特徴とする物性依存式圧力計。
【請求項７】
被測定気体中の水素濃度を測定する水素濃度測定装置であって、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の物性依存式圧力計と、
前記被測定気体と接して、前記被測定気体の物性値に依存しない圧力を測定する感圧式圧力計と、
前記物性依存式圧力計で測定される第１圧力と、前記感圧式圧力計で測定される第２圧力と、既知の水素濃度及び既知の被測定体の圧力の下で前記物性依存式圧力計により予め取得された検量線とに基づいて、前記被測定気体中の水素濃度を求める濃度演算器と、
を有することを特徴とする水素濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体中の水素濃度を計測するために用いられる物性依存式圧力計及びそれを用いた水素濃度測定装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原子力発電所での水素爆発を契機として、水素濃度の測定が注目されている。原子炉内のような過酷環境下での使用を予定している水素濃度計は、例えば特許文献１，２に開示されている。
【０００３】
一方、既知である２種類の気体からなる混合気体（例えばオゾンと酸素の混合気体）の濃度を求める方法として、混合気体の粘性・熱伝導率・密度・分子量およびそれらの関数としての混合気体の物性値を測定し、純粋気体固有の物性値をもとに気体の濃度を算出する手法が知られている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１３０１７７号公報
【特許文献２】特許第５１７０６００号公報
【特許文献３】特許第３３３６３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の水素濃度計の内部に例えばプラスチックを備えたものがあり、耐熱性の点で課題がある。特許文献２の水素濃度計は、中性子と陽子（水素の原子核）との弾性散乱によって生成された反跳陽子が有する電離能を用いることで監視対象気体の水素濃度を決定するものであるが、検出感度の点で課題がある。特許文献３は既知である２種類の気体からなる混合気体の濃度を測定するものであるので、多成分の気体を有する空気中の水素濃度の検出には適さない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、被測定気体である空気中の水素濃度を測定する場合を含め、被測定気体の種類に制約なく被測定気体中の水素濃度を高感度で測定することができる水素濃度測定装置及びそれに用いられる物性依存式圧力計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の一態様は、
圧力測定素子と、
前記圧力測定素子を収容する、開口を有する容器と、
前記容器の前記開口に配置される水素透過膜と、
を有し、
前記容器内には、水素以外の気体が収容され、かつ、前記水素透過膜を通過して水素が導入出可能であり、
前記圧力測定素子は、前記容器内の前記気体と水素との混合気体の物性に依存する圧力を検出する物性依存式圧力計に関する。
本発明の一態様によれば、水素透過膜を透過する水素透過量は、被測定気体中の水素分圧の平方根と、容器内の混合気体中の水素分圧の平方根の差に比例する。よって、被測定気体中の水素分圧（濃度）が高まれば、水素透過膜を介して被測定気体中の水素が容器内に導入される。容器内の混合気体（容器内の気体＋水素）の見掛け上の物性（粘性・熱伝導率・密度・分子量またはそれらの関数等）は、容器内の気体の物性と水素の物性とが異なることから、水素透過膜を介して容器内に導入される水素濃度に応じて変化する。物性依存式圧力計の圧力測定素子は、容器内の混合気体の物性に依存する圧力を検出する。この圧力測定素子にて測定される圧力は、被測定気体中の水素濃度を反映する。特に、水素透過膜は水素以外の気体を透過しないので、物性依存式圧力計内の圧力測定素子が環境に作用され難くなり、測定誤差の要因を排除して、高感度・高精度の水素濃度検出が可能となる。また、水素透過膜は水素以外の気体を透過しないので、水素以外の被測定気体は、物性依存式圧力計の圧力測定素子に接触しない。従って、物性依存式圧力計を用いる上で、被測定気体の種類に制約はない。
【０００８】
（２）本発明の一態様では、前記気体は、水素の粘性値（μ・Ｐａ・ｓ）に対して一桁以上異なる粘性値を有する気体とすることができる。
物性依存式圧力計は、依存する物性として例えば気体の粘性を挙げることができる。水素の粘性値は、８．８（μ・Ｐａ・ｓ）である。容器内の気体の粘性値が水素の粘性値に対して例えば大ききほど、水素透過膜を介して容器内に導入される水素が混合された容器内の混合気体の見掛け上の粘性値は小さくなり、物性（粘性）依存式圧力計にて測定されるね混合気体の見掛け上の圧力は下がる。容器内の気体の粘性値と水素の粘性値との差が大きければ、容器内に導入される水素濃度に応じて物性（粘性）依存式圧力計の出力変化は大きい。本発明の一態様によれば、水素の粘性値に対して一桁以上異なる粘性値を有する気体を用いることで、水素濃度に対する測定感度を向上させることができる。
【０００９】
（３）本発明の一態様では、前記気体は空気とすることができる。
空気の粘性値は１７．０８（μ・Ｐａ・ｓ）であり、水素の粘性値に対して一桁以上異なる粘性値を有する。
【００１０】
（４）本発明の一態様では、前記気体は窒素とすることができる。
窒素の粘性値は１７．６（μ・Ｐａ・ｓ）であり、水素の粘性値に対して一桁以上異なる粘性値を有する。
【００１１】
（５）本発明の一態様では、前記水素透過膜を不純物から保護するフィルターをさらに有することができる。
物性依存式圧力計が例えば原子炉内で使用される場合、原子炉事故時に多量に発生する水蒸気等により水素透過膜が汚染されることを防止できる。
【００１２】
（６）本発明の一態様では、前記圧力測定素子は音叉型水晶振動子とすることができる。
本発明の一態様によれば、圧力測定素子としての音叉型水晶振動子は、粘性（摩擦）を利用して圧力を測定することから、混合気体の物性（粘性）に依存した圧力を測定することができる。
【００１３】
（７）本発明の他の態様は、
被測定気体中の水素濃度を測定する水素濃度測定装置であって、
上述した（１）〜（６）のいずれかに記載の物性依存式圧力計と、
前記被測定気体と接して、前記被測定気体の物性値に依存しない圧力を測定する感圧式圧力計と、
前記物性依存式圧力計で測定される第１圧力と、前記感圧式圧力計で測定される第２圧力と、既知の水素濃度及び既知の被測定体の圧力の下で前記物性依存式圧力計により予め取得された検量線とに基づいて、前記被測定気体中の水素濃度を求める濃度演算器と、
を有する水素濃度測定装置に関する。
本発明の他の態様によれば、（１）〜（６）にて説明した物性依存式圧力計と組み合わせて感圧式圧力計が用いられる。被測定気体と接する感圧式圧力計は、被測定気体の物性の影響を受けずに被測定気体の圧力を検出する。物性依存式圧力計は第１圧力を出力する。感圧式圧力計は第２圧力を出力する。濃度演算器は、第１圧力及び第２圧力と検量線とを用いて水素濃度を求めることができる。ここで検稜線は、既知の水素濃度及び被測定体の既知の圧力の下で物性依存式圧力計により予め取得されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る水素濃度測定装置のブロック図である。
【図２】図１に示す水素濃度測定装置に用いられる気体の物性に依存する圧力を測定する物性依存式圧力計（例えば粘性式圧力計）の分解斜視図である。
【図３】水素透過薄膜の一例であるパラジウム膜での水素の透過原理を示す図である。
【図４】窒素の粘性係数を用いたときの水晶振動子式圧力計の指示変化を示す特性図である。
【図５】水晶振動子の共振抵抗の気体圧力による変化を示す特性図である。
【図６】水素を混入させたときの水晶振動子式圧力計の指示変化を示す特性図である。
【図７】空気に水素を混合していったときの圧力に対する水晶振動子式圧力計の指示変化（検量線）を示す特性図である。
【図８】チャンバーを含む実験装置の概略図である。
【図９】図８の実験装置にてチャンバー内に水素を導入したときの水晶振動子式圧力計の表示出力の変化を示す特性図である。
【図１０】図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）は、容器内の気体を空気とし、温度を室温から１５０℃に昇温させたときの水素濃度（％）とプリアンプ出力（Ｖ）との関係を示す特性図である。
【図１１】図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）は、容器内の気体を空気とし、温度を２００℃から３００℃に昇温させたときの水素濃度（％）とプリアンプ出力（Ｖ）との関係を示す特性図である。
【図１２】図１２（Ａ）〜図１２（Ｄ）は、容器内の気体を窒素とし、温度を室温から１５０℃に昇温させたときの水素濃度（％）とプリアンプ出力（Ｖ）との関係を示す特性図である。
【図１３】図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、容器内の気体を窒素とし、温度を２００℃から３００℃に昇温させたときの水素濃度（％）とプリアンプ出力（Ｖ）との関係を示す特性図である。
【図１４】水素濃度測定装置の制御系システム図である。
【図１５】水素濃度測定装置の他の制御系システム図である。
【図１６】水素濃度測定装置の制御系ブロック図である。
【図１７】図２に示す物性依存式圧力計に、不純物の通過を阻止して水素透過膜を保護するフィルターを追加した例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
１．水素濃度測定装置の概要
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る水素濃度測定装置のブロック図である。図１において、例えばチャンバー１０内の被測定気体の水素濃度を測定する水素濃度測定装置２０は、物性依存式圧力計３０と、感圧式圧力計４０と、濃度演算器５０とを有する。物性依存式圧力計３０及び感圧式圧力計４０は、パイプ１１を介してチャンバー１０と接続されている。
【００１６】
気体の物性（粘性・熱伝導率・密度・分子量またはそれらの関数等）に応じて圧力が変化する物性依存式圧力計３０としては、例えば粘性（摩擦）を利用する水晶摩擦真空計やスピニングロータゲージ、熱伝導を利用する熱電対真空計やピラニー真空計、そのほかクヌーセン真空計等を用いることができ、また、電離現象を利用する例えば熱陰極電離真空計、冷陰極電離真空計、放射線電離真空計等を使用することができる。
【００１７】
感圧式圧力計４０としては、例えば液柱差真空計、圧縮真空計、隔膜真空計、ブルドン管真空計等を用いることができる。
【００１８】
２．物性依存式圧力計
図２は、図１に示す水素濃度測定装置２０に用いられる物性依存式圧力計である例えば粘性式圧力計３０中のセンサー素子３０Ａの分解斜視図である。図２において、センサー素子３０Ａは、圧力測定素子である例えば音叉型水晶振動子３１と、音叉型水晶振動子３１を収容する容器３２とを含む。このため、粘性式圧力計３０を水晶振動子式圧力計３０とも称する。容器３２は、基部３３及びシリンダー３４を含む。シリンダー３４の一端側の開口３４Ａは基部３３と連結される。シリンダー３４の他端側の開口３４Ｂは、水素透過膜３５で覆われている。
【００１９】
水素透過膜３５は、水素を透過するものであれば種類は問わない。ただし、高分子膜、セラミック膜、ゼオライト膜、ナノカーボン材料等の細孔を利用すると、耐熱性や水素選択性の問題が生じる場合がある。よって、金属表面で分子が原子に解離して透過する水素透過性金属薄膜を用いることが好ましい。水素透過膜３５は、例えば多孔質体の上に水素透過性金属薄膜を形成することで、機械的強度が補償される。水素透過性金属薄膜は薄いほど水素透過性が良く、水素透過薄膜だけでは機械的強度を補償できないからである。水素透過性金属薄膜としては、パラジウム（ＰＤ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（ＮＢ）、タンタル（Ｔａ）、またはそのいずれかを含むの合金、Ｎｂ−ＴｉＮｉ合金、ジルコニウム（Ｚｒ）とニッケル（Ｎｉ）から成るアモルファス合金等を挙げることができる。
【００２０】
水素透過膜３５は、図１に示すパイプ１１を介してチャンバー１０内の被測定気体と接触可能である。基部３３が音叉型水晶振動子３１の電極３１Ａに接続されたリード線３１Ｂを支持することで、音叉型水晶振動子３１は、リード線３１Ｂ以外が容器３２と非接触の状態で容器３２内に収容される。基部３３には、リード線３１Ｂに導通し、かつ、容器３２の外部に露出する外部端子３６が設けられている。また、容器３２内には、水素とは異なる気体、例えば空気が封入されている。
【００２１】
なお、粘性式圧力計３０は、図２に示すセンサー素子３０Ａに接続される駆動・検出回路１００（図１６参照）。駆動・検出回路１００は、音叉型水晶振動子３１に駆動信号を供給し、その出力信号を検出するものである。駆動・検出回路１００をセンサー素子３０Ａの出力段として見ると前置増幅するプリアンプとしての機能を有することから、本明細書では駆動・検出回路１００をプリアンプとも称する。
【００２２】
３．水素透過膜の水素透過原理
図３は、水素透過膜３５中の水素透過薄膜の一例であるパラジウム膜３５Ａでの水素の透過原理を示している。図１に示すチャンバー１０内の被測定気体は、パイプ１１を介して粘性式圧力計３０のパラジウム膜３５Ａと接触する。チャンバー１０内の被測定気体中に水素が存在すれば、水素分子はパラジウム膜３５Ａの表面に吸着される。吸着水素分子は、パラジウム膜３５Ａにて水素原子に解離する。さらに水素原子は、原子状水素（プロトン）と電子へと解離する。この原子状水素（プロトン）と電子とは、パラジウム膜３５Ａ内に拡散する。パラジウム膜３５Ａ中にて容器３２側に拡散した原子状水素（プロトン）と電子とは、再結合して水素原子となる。その水素原子は水素分子に再結合して、パラジウム膜３５Ａから脱離して、容器３２中の空気と混合される。
【００２３】
パラジウム膜３５Ａの水素透過量Ｊ（Ｎｍｌ／ｍｉｎ・ｃｍ２）は、次式（２）で求められる。
Ｊ＝α（ＰＨ２（１）１／２−ＰＨ２（２）１／２）…（２）
ここで、αは水素透過速度、ＰＨ２（１）はチャンバー１０内の被測定気体の水素分圧、ＰＨ２（２）は容器３２内の混合気体中の水素分圧である。上述の通りパラジウム膜３５Ａでは水素分子が解離して原子状水素（プロトン）となることから、チャンバー１０内の被測定気体の水素分圧ＰＨ２（１）の平方根と、容器３２内の混合気体中の水素分圧ＰＨ２（２）の平方根との差に比例する。また、水素透過量Ｊはパラジウム膜３５Ａの膜厚に反比例する。従って、水素透過量Ｊは、（ＰＨ２（１）１／２−ＰＨ２（２）１／２）が大きいほど、及び／又はパラジウム膜３５Ａの膜厚が薄いほど、大きくなる。なお、（ＰＨ２（１）１／２−ＰＨ２（２）１／２）の値が正であれば水素は容器３２側に透過し、（ＰＨ２（１）１／２−ＰＨ２（２）１／２）の値が負であれば水素はチャンバー１０側に透過する。よって、容器３２内の水素濃度は、チャンバー１０内の水素濃度と相関がある。
【００２４】
このように、容器３２に水素透過膜３５を配置することにより、水素透過膜３５は容器３２内に水素以外は透過させない。そのため、音叉型水晶振動子３１に不純物が付着することを防止でき、チャンバー１０内の被測定気体の組成変動による悪影響が音叉型水晶振動子３１に及ばなくなる。そのため、環境に作用され難くなり、測定誤差の要因を排除して、高感度・高精度の水素濃度検出が可能となる。
【００２５】
４．音叉型水晶振動子による気体の計測原理
振動している音叉型水晶振動子３１の受ける抗力は、容器３２内の混合気体（例えば空気又は窒素＋水素）の圧力のみならず混合気体の粘性にも敏感である。気体の粘性はガス種固有のものであるから、ガス種が異なれば音叉型水晶振動子３１の受ける抗力も異なる。その例を図４に示す。水晶振動子式圧力計３０にて各種ガス（水素、アルゴン、ヘリウム）の圧力をそれぞれ計測した場合（いずれも、容器３２内に窒素を収容することを想定して、水晶振動子式圧力計３０は窒素の粘性値を使用する）、計測対象の気体の圧力に対する該気体（水素、アルゴン、ヘリウム）の圧力測定値を示している。窒素よりも粘性の低い水素は見かけ上圧力が低く計測され、粘性が大きいアルゴンは計測した圧力が大きくなる。これは粘性が小さい気体では同じ圧力でも抗力が小さくなることによる。水晶振動子の共振インピーダンスの変化ΔＺは全圧力領域（分子流・中間流・粘性流）において次の統一式で表されることが知られている。
【００２６】
【数１】
2015169581.tif 000003
ここで、式（１）において、Ｃは定数、Ｒは音叉型水晶振動子３１の厚さ、ωは共振周波数、ηは気体の粘性率、ρは気体の密度である。
【００２７】
実際の水晶振動子式圧力計３０では、音叉型水晶振動子３１の共振抵抗の変化を読み取り、それを圧力変化として算出している。共振抵抗の圧力による変化の理論上の特性を図５に示す。圧力１０Ｐａ以上、特に大気圧付近では共振抵抗は粘性と気体分子の密度の双方に依存し、ともにそれらの平方根に比例して変化する。減圧から大気圧まで圧力を変えた場合に、共振抵抗の変化分はガスの分子量が大きいほど大きくなり、その大きさは気体分子の分子量の平方根に比例する。
【００２８】
なお、水晶振動子式圧力計３０の出力から気体分子の密度に依存した圧力を除外することができる。気体分子の密度に依存した圧力は、感圧式圧力計４０の出力と相関がある。つまり、同じ水素濃度であっても、チャンバー１０内の気体圧力が高ければ、水晶振動子式圧力計３０の出力も大きくなる。このことから、水晶振動子式圧力計３０の出力を感圧式圧力計４０の出力でオーサライズして、気体の粘性に依存した圧力を取得することが好ましい。それにより、測定される水素濃度の精度を高めることができる。
【００２９】
５．水素濃度測定装置での測定原理
容器３２内の空気に水素を混入していったときの粘性の変化を水晶振動子式圧力計３０の指示値変化として観測した例を図６に示す。ここで、水晶振動子式圧力計３０の容器３２には空気が収容され、水晶振動子式圧力計３０は空気の粘性値を使用している。
【００３０】
ここで、水素と空気等の物性の相違は次の通りである。先ず、水素の分子量は２．００１６（ｇ／ｍｏｌｅ）であり、水素の粘性は８．８（μ・Ｐａ・ｓ）である。空気は、窒素７８％、酸素２１％、Ａｒ０．９％、ＣＯ２０．０３％等を含む。空気の分子量は２８．９６６（ｇ／ｍｏｌｅ）であり、空気の粘性は１７．０８（μ・Ｐａ・ｓ）であり、いずれも水素と比較して一桁以上大きい。空気の主要気体である窒素の分子量は２８．０１３４（ｇ／ｍｏｌｅ）であり、窒素の粘性は２８．０１３４（μ・Ｐａ・ｓ）であり、いずれも水素と比較して一桁以上大きい。空気の他の主要気体である酸素の分子量は３１．９９８８（ｇ／ｍｏｌｅ）であり、酸素の粘性は２０．４（μ・Ｐａ・ｓ）であり、いずれも水素と比較して一桁以上大きい。
【００３１】
図６では、チャンバー１０内の被測定気体の圧力を計測する感圧式圧力計（BARATRON）４０の指示値は、水素の導入前後でほとんど変化しない。一方、水晶振動子式圧力計３０の指示値としては、水素の混入によって空気のみの粘性よりも小さくなり、見かけの圧力が下がる。このように水素と空気とでは質量及び粘性が大きく異なるため、容器３２内にて空気と水素とが混合した場合には、その混合気体の平均質量及び粘性が低下する。そこで、チャンバー１０内での水素漏洩前後の水晶振動子式圧力計３０により、容器３２内の混合気体の物性変化に依存した圧力することにより、水素濃度を見積ることは容易である。
【００３２】
水素混入による水晶振動子式圧力計３０の圧力指示値の変化は、図７に示すように全圧力領域で観測され、減圧下でも観測される。水晶振動子式圧力計３０での計測圧力の変化量は、気体の粘性と被測定気体の濃度比と単調な関係がある。水晶振動子式圧力計３０による水素検出の応答速度は、図８に示す実験装置での実験により求めることができる。図８に示すように、ロータリーポンプ（ＲＰ）６０により空気を導入可能なチャンバー１０に、空気を大気圧まで導入後、既知の水素ガスをマスフローメータ（ＭＦＣ）６１を介して導入する。その時のチャンバー１０内の圧力変化から求めた。図９がその結果を示し、横軸に時間、左縦軸に音叉型水晶振動子３１の出力変化を、水素導入前の出力を１．０として表している。図９の右縦軸は水素濃度を示している。水素導入後の指示値の不規則な変化は、流れの乱れによるものである。この結果から、水晶振動子式圧力計３０の水素検出の応答速度は約１秒と短いことが分かる。
【００３３】
図２に示す水晶振動子式圧力計３０では、大気圧近傍において、音叉型水晶振動子３１の共振抵抗が粘性と圧力の双方のパラメータに依存する。そのため、容器３２内の混合気体の圧力を感圧式圧力計４０で計測し、水晶振動子式圧力計３０の圧力成分を消去することにより、容器３２内の混合気体の粘性に依存した圧力を得る。
【００３４】
水晶振動子式圧力計３０の圧力と、感圧式圧力計４０の圧力と、図６に示す既知濃度及び圧力に対する水晶振動子式圧力計３０の指示値の取得データ（検量線）とから、水素濃度を算出できる。すなわち図１において、チャンバー１０内の被測定気体の絶対圧力を感圧式圧力計４０で計測し、容器３２内の混合気体の粘性に依存した圧力を水晶振動子式圧力計３０で計測し、濃度演算器５０は図６に示す既知の検量線と計測圧力との比較を行い、水素濃度を算出することができる。この際、上述した通り、水晶振動子式圧力計３０の出力は、感圧式圧力計４０の出力によりオーソライズして、気体の粘性に依存した圧力を用いることが好ましい。
【００３５】
６．測定結果
図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）及び図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）は、容器３２内の気体を空気とし、温度を室温から３００℃に昇温させたときの水素濃度（％）とプリアンプ出力電圧（Ｖ）との関係を示す特性図である。図１２（Ａ）〜図１２（Ｄ）及び図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、容器３２内の気体を窒素とし、温度を室温から３００℃に昇温させたときの水素濃度（％）とプリアンプ出力（Ｖ）との関係を示す特性図である。ここで、図１０〜図１３の横軸が水素濃度（％）であり、縦軸がプリアンプ出力電圧（Ｖ）である。また、図１０〜図１３中のＱＯは水晶振動子式圧力計３０の出力であり、ＰＱＯはＱＯを感圧式圧力計４０の出力である全圧でノーマライズした値であり、ＮＱＯはＰＱＯをさらに温度でノーマライズした値である。容器３２内の気体を空気としても窒素としても、水素とは表１に示すように粘性値が大きく異なるので、高感度でリニアな特性を得ることができた。なお、２５０℃及び３００℃でのデータのばらつきは、装置に使用された半田が溶融したことが原因であり、ワイヤーボンディングなどの接合手段への変更により解消できる。
【００３６】
７．水素濃度測定装置の制御部
水晶振動子式圧力計３０と感圧式圧力計４０とを含む図１に示す水素濃度測定装置２０うち、感圧式圧力計４０はチャンバー１０内に設置されている感圧式圧力計をそのまま利用することができる。
【００３７】
図１４は、チャンバー（例えば原子炉）１０に、図２のセンサー素子３０Ａに駆動・検出動回路（プリアンプ）１００を加えた水晶振動子式圧力計３０を例えば最大１６個設置し、最大１６個のコントロールユニット８０（濃度演算器５０）で濃度を算出する。各々の水晶振動子式圧力計３０で１秒以内に測定される測定結果は、図示しない表示部にて表示することができる。
【００３８】
図１５は図１４と同じく最大１６個の水晶振動子式圧力計３０の信号を、アナログスイッチ９１によって切り換えて一台のコントロールユニット９０（濃度演算器５０）で濃度を算出する例を示している。この場合、各水晶振動子式圧力計３０のサンプリング時間は１秒／ｃｈとなり、最大１６チャンネルを使用したときは１チャンネルの濃度表示は１６秒毎となる。
【００３９】
なお、図１３に示すコントロールユニット８０及び図１４に示すコントロールユニット９０には、チャンバー１０内に設置されている感圧式圧力計４０も接続されるが、図１３及び図１４では省略されている。
【００４０】
図１６に、図１４または図１５に示す水晶振動子式圧力計３０及びコントロールユニット８０（９０）の制御系ブロック図を示す。図１５において、水晶振動子式圧力計３０のセンサー素子３０Ａは、駆動・検出回路（プリアンプ）１００に接続される。駆動・検出回路１００（プリアンプ）は、センサー素子３０Ａ内の音叉型水晶振動子３１に駆動回路１０１から駆動信号を供給し、音叉型水晶振動子３１で検出された信号を増幅して出力するものである。
【００４１】
センサー素子３０Ａからの信号は、電流電圧変換器１０２にて電圧変換され、３２ＫＨｚ増幅器１０３で増幅された後、全波整流回路１０４で３２ＫＨｚ交流信号を直流にして、濃度演算器５０に出力する。また、３２ＫＨｚ増幅器１０３からの３２ＫＨｚ交流信号は、位相検出器１０５に入力されて位相検出される。アナログスイッチ１０６は、位相検出器１０５の出力に基づいて３２ＫＨｚの正負に交互に反転する矩形波信号を生成し、駆動回路１０１に供給する。駆動回路１０１は正負の矩形波信号を駆動信号として用いて音叉型水晶振動子３１を駆動する。駆動・検出回路（プリアンプ）１００内の回路に供給される基準電圧は、基準電圧生成部１０９にて生成される。基板温度が変化すると、駆動・検出回路（プリアンプ）１００は同一水素濃度であっても出力電圧が変動する。そのため、駆動・検出回路（プリアンプ）１００が搭載される基板には温度センサー１０７が設けられる。電圧補正部１０８は、温度センサー１０７からの検出信号に基づいて、基準電圧生成部１０９にて生成される基準電圧を補正する補正信号を出力する。それにより、駆動・検出回路（プリアンプ）１００は温度補償される。なお、基準電圧生成部１０９からは温度モニター信号が出力され、濃度演算部５０に供給される。
【００４２】
濃度演算器５０では、全波整流回路１０４の出力を、１６ビット分解能のＡ／Ｄ変換器５１でデジタル値に変換し、ＲＡＭ及びＲＯＭ内蔵のＣＰＵ５２に入力される。ＣＰＵ５２に接続されたフラッシュメモリー５３には、気体の粘性と気体濃度の関係（図７に示す検量線）及び駆動・検出回路（プリアンプ）１００の出力電圧対温度特性のデータを予め記憶させている
【００４３】
駆動・検出回路（プリアンプ）１００が搭載されるプリアンプ基板に設置してある温度センサー１０７によってプリアンプ基板温度を決定し、プリアンプ基板温度による出力電圧を補正した後、実際に計測された水晶振動子式圧力計３０の粘性情報と検量線データから、水素濃度をＣＰＵ５２で算出し、ディスプレス１１０に表示する。水晶振動子式圧力計３０の出力に含まれる上述した気体密度に依存した圧力成分を除去するために、チャンバー１０内の圧力を検出する感圧式圧力計４０の出力が利用される。
【００４４】
水素濃度の測定精度は、粘性式圧力計として採用している水晶振動子式圧力計３０のセンサーである音叉型水晶振動子３１のインピーダンス変化量を可能な限り安定、かつ分解能よく読み取るためのコストパフォーマンスの良い電子回路とソフト等で決定される。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、被測定気体は空気に限らずどのような気体であっても良い。容器３２に収容される気体も、空気や窒素に限らず、水素とは異なる粘性値を有し、水素とは反応せず、しかも水素に対する粘性値の差が大きいものほど良い。水素の粘性値（μ・Ｐａ・ｓ）に対して一桁以上異なる粘性値を有する他の気体として、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ等を挙げることができる。容器３２内に収容される水素以外の気体は、単体ガスに限らず、空気のように各種気体の混合気体であってもよい。
【００４６】
図１７は、図２に示す物性依存式圧力計３０に、不純物の通過を阻止して水素透過膜３５を保護するフィルター３７を追加した例を示している。フィルター３７は、支持体３８に固定され、支持体３８は物性依存式圧力計３０のシリンダー３４に例えばコバールガラス等を介在して装着される。物性依存式圧力計３０が例えば原子炉内で使用される場合、原子炉事故時に多量に発生する水蒸気により水素透過膜３５が汚染されることをフィルター３７により防止できる。フィルター３７は、例えばＳＵＳ３１６Ｌ微粒子焼結体等の多孔質体を用いることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０  チャンバー、１１  パイプ、２０  水素濃度測定装置、３０  物性依存式圧力計（粘性式圧力計、水晶振動子式圧力計）、３０Ａ  センサー素子、３１  圧力測定素子（音叉型水晶振動子）、３２  容器、３３  基部、３４  シリンダー、３４Ｂ  開口、３５  水素透過膜、４０  感圧式圧力計、５０  濃度演算器、５１  ＡＤ変換器、５２  ＣＰＵ、５３  フラッシュメモリ、８０，９０  コントロールユニット、１００  駆動・検出回路（プリアンプ）、１０１  駆動回路、１０２  電流電圧変換器、１０３  ３２ＫＨｚ増幅器、１０４  全波整流回路、１０５  位相検出器、１０６  アナログスイッチ、１１０  ディスプレイ
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図１７】
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