(57)【要約】【課題】装置コストの低減化を図りながら測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができる磁気式酸素分析計を提供する。【解決手段】サンプル流路３、サンプル流路の両端に形成された測定ガス入口４及び測定ガス出口５、測定ガス出口側のサンプル流路に互いに対向して設けられた第１補助ガス流入口６及び第２補助ガス流入口７、第１及び第２補助ガス流入口に接続された補助ガス流路８、第１補助ガス流入口側の補助ガス流路及び第２補助ガス流入口側の補助ガス流路を連通したバイパス流路１１、このバイパス流路に配置した熱線センサ１２を備えた磁気式酸素分析計において、補助ガスとして、測定ガスの濃度によって選択される基準ガスＮ２，Ｏ２，Ａｉｒ（空気））と比較して熱伝導率が低く、且つ比重が大きいガス（Ｘｅ、Ｋｒ、ＣＯ２、Ａｒのうち少なくとも１種類のガス）を使用した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル流路と、このサンプル流路の両端に形成された測定ガス入口及び測定ガス出口と、前記測定ガス出口側の前記サンプル流路に互いに対向して設けられた第１補助ガス流入口及び第２補助ガス流入口と、前記第１及び第２補助ガス流入口に接続された補助ガス流路と、前記第１補助ガス流入口側の前記補助ガス流路及び前記第２補助ガス流入口側の前記補助ガス流路を連通したバイパス流路と、このバイパス流路に配置した熱線センサと、を備え、前記補助ガス流路の中間位置から前記補助ガスを供給し、前記第１補助ガス流入口の近くの前記サンプル流路に磁界をかけることにより生じる前記バイパス流路の流量変化を前記熱線センサで検出することによって、前記測定ガスに含まれる酸素濃度を演算する磁気式酸素分析方法において、
前記補助ガスとして、前記測定ガスの濃度によって選択される基準ガスと比較して熱伝導率が低く、且つ比重が大きいガスを使用したことを特徴とする磁気式酸素分析方法。
【請求項２】
前記補助ガスを、Ｘｅ、Ｋｒ、ＣＯ２、Ａｒのうち少なくとも１種類のガスを含むものとしたことを特徴とする請求項１記載の磁気式酸素分析方法。
【請求項３】
サンプル流路と、このサンプル流路の両端に形成された測定ガス入口及び測定ガス出口と、前記測定ガス出口側の前記サンプル流路に互いに対向して設けられた第１補助ガス流入口及び第２補助ガス流入口と、前記第１及び第２補助ガス流入口に接続された補助ガス流路と、前記第１補助ガス流入口側の前記補助ガス流路及び前記第２補助ガス流入口側の前記補助ガス流路を連通したバイパス流路と、このバイパス流路に配置した熱線センサと、を備え、前記補助ガス流路の中間位置から前記補助ガスを供給し、前記第１補助ガス流入口の近くの前記サンプル流路に磁界をかけることにより生じる前記バイパス流路の流路の流量変化を前記熱線センサで検出することによって、前記測定ガスに含まれる酸素濃度を演算する磁気式酸素分析計において、
前記補助ガスとして、前記測定ガスの濃度によって選択される基準ガスと比較して熱伝導率が低く、且つ比重が大きいガスを使用したことを特徴とする磁気式酸素分析計。
【請求項４】
前記補助ガスを、Ｘｅ、Ｋｒ、ＣＯ２、Ａｒのうち少なくとも１種類のガスを含むものとしたことを特徴とする請求項３記載の磁気式酸素分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気式酸素分析方法及び磁気式酸素分析計に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気式酸素分析計の測定原理について、図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する（例えば特許文献１を参照）。
図３（Ａ）は、酸素を含むガス中に磁界を発生させる手段（磁石）を配置したときの酸素分子と磁界の関係を示したものである。図３（Ｂ）に示すように、磁界が強く、且つその強さが変化しているところ（不均一の磁界になっている磁極の端部）に酸素を引き付ける力が作用し、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、酸素分子は磁界の影響を受けて引き付けられ、磁界（磁石のギャップ）内へ移動する。これにより、図３（Ｃ）に示すように、磁界内では、引き付けられた酸素の圧力（濃度）が磁界の外と比較して高くなる。
【０００３】
上述した測定原理を採用した磁気式酸素分析計として、例えば特許文献２に記載の装置が知られている。
この特許文献２に記載の磁気式酸素分析計は、円環形状に形成され、分流させた測定ガスの測定側サンプル流路及び比較側サンプル流路と、測定側サンプル流路に磁界印加領域を形成する磁界発生手段と、前記測定側及び前記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、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の熱線センサと、第１流路と、第１及び第２の熱線センサから得られる信号に基づいて酸素濃度を検出する検出手段と、を備えた装置である。
【０００４】
そして、この装置は、測定ガス導入口から導入された測定ガスが測定側サンプル流路及び比較側サンプル流路の二方向に分流した後、測定ガス導出口へ合流するように流れる。
また、補助ガス導入口から導入された補助ガスは、第１及び第２の熱線センサを配置した第１及び第２の流路を経由し、第１及び第２の補助ガス流路を経由して測定側サンプル流路及び比較側サンプル流路を流れる測定ガスと合流し、測定ガス導出口へ流れる。
【０００５】
このような状況下で、測定ガス中に酸素分子が含まれていない場合、第１の熱線センサから得られる出力信号と、第２の熱線センサから得られる出力信号が同一となり、検出手段が、測定ガス中の酸素濃度が「０」（ゼロ）であると出力する。
一方、測定ガス中に酸素分子が含まれている場合、測定側サンプル流路に形成した磁界印加領域の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の熱線センサ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の熱線センサの出力信号と第２の熱線センサの出力信号が同一でなくなり、検出手段は、測定ガス中の酸素分子量に対応した値を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２５０９８号公報の図３
【特許文献２】特開２００４−３２５３６８号公報の図１及び図２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、磁気式酸素分析計において実用化されている測定レンジは１〜２％であるが、近年、生成ガスの純度監視、或いはプロセス用ガスなどのように低濃度の酸素を測定するために、酸素濃度を高感度で測定する要求が高まってきている。
酸素濃度の測定感度を上げるために、磁界発生手段の磁性材料の磁気的性質の改善、コイルの巻き数を増大して磁界印加領域の磁界強度を大きくする方法、検出手段の駆動電流や周波数の最適化などを図ることなどが考えられるが、このようにすると、部品の高騰化、装置の大型化などによって装置コストが上昇するおそれがある。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、装置コストの低減化を図りながら測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができる磁気式酸素分析方法及び磁気式酸素分析計を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る磁気式酸素分析方法は、サンプル流路と、このサンプル流路の両端に形成された測定ガス入口及び測定ガス出口と、前記測定ガス出口側の前記サンプル流路に互いに対向して設けられた第１補助ガス流入口及び第２補助ガス流入口と、前記第１及び第２補助ガス流入口に接続された補助ガス流路と、前記第１補助ガス流入口側の前記補助ガス流路及び前記第２補助ガス流入口側の前記補助ガス流路を連通したバイパス流路と、このバイパス流路に配置した熱線センサと、を備え、前記補助ガス流路の中間位置から前記補助ガスを供給し、前記第１補助ガス流入口の近くの前記サンプル流路に磁界をかけることにより生じる前記バイパス流路の流量変化を前記熱線センサで検出することによって、前記測定ガスに含まれる酸素濃度を演算する磁気式酸素分析方法において、前記補助ガスとして、前記測定ガスの濃度によって選択される基準ガスと比較して熱伝導率が低く、且つ比重が大きいガスを使用している。
【００１０】
また、発明の一態様に係る磁気式酸素分析方法は、前記補助ガスを、Ｘｅ、Ｋｒ、ＣＯ２、Ａｒのうち少なくとも１種類のガスを含むものとすることが好ましい。
ここで、基準ガスは、Ｎ２，Ｏ２，Ａｉｒ（空気）である。
この発明の一態様に係る磁気式酸素分析方法によると、測定ガスの濃度レベルによって選択される基準ガス（Ｎ２，Ｏ２，Ａｉｒなど）と比較して熱伝導率が低く、且つ比重が大きいＸｅ、Ｋｒ、ＣＯ２、Ａｒの少なくとも１種類のガスを補助ガスとして使用すると、測定ガス中の低濃度の酸素を検出する場合であっても、熱線センサの出力値が高くなる。
【００１１】
また、Ｎ２，Ｏ２，Ａｉｒ（空気）などの基準ガスと比較して比重が大きい補助ガスは、周囲に配置されているプラントなどから振動を受けても流量変動が発生し難くなる。
また、発明の一態様に係る磁気式酸素分析計は、サンプル流路と、このサンプル流路の両端に形成された測定ガス入口及び測定ガス出口と、前記測定ガス出口側の前記サンプル流路に互いに対向して設けられた第１補助ガス流入口及び第２補助ガス流入口と、前記第１及び第２補助ガス流入口に接続された補助ガス流路と、前記第１補助ガス流入口側の前記補助ガス流路及び前記第２補助ガス流入口側の前記補助ガス流路を連通したバイパス流路と、このバイパス流路に配置した熱線センサと、を備え、前記補助ガス流路の中間位置から前記補助ガスを供給し、前記第１補助ガス流入口の近くの前記サンプル流路に磁界をかけることにより生じる前記バイパス流路の流路の流量変化を前記熱線センサで検出することによって、前記測定ガスに含まれる酸素濃度を演算する磁気式酸素分析計において、前記補助ガスとして、前記測定ガスの濃度によって選択される基準ガスと比較して熱伝導率が低く、且つ比重が大きいガスを使用した。
【００１２】
また、発明の一態様に係る磁気式酸素分析計は、前記補助ガスを、Ｘｅ、Ｋｒ、ＣＯ２、Ａｒのうち少なくとも１種類のガスを含むものとすることが好ましい。
この発明の一態様に係る磁気式酸素分析計によると、測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができるとともに、酸素濃度の測定感度を上げるために、磁界発生領域の磁界強度を大きくし、或いは、検出回路の精度を高めるための機構や装置を使用しておらず、部品点数の増大や装置の大型化を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る磁気式酸素分析方法によれば、測定ガスの濃度レベルによって選択される基準ガスと比較して熱伝導率が低く、且つ比重が大きいガスを補助ガスとして使用したことで、測定ガス中の低濃度の酸素を検出する場合であっても、熱線センサの出力値が高くなり、測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができる。
また、本発明に係る磁気式酸素分析計によれば、測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができるとともに、酸素濃度の測定感度を上げるために、磁界発生領域の磁界強度を大きくし、或いは、検出回路の精度を高めるための機構や装置を使用しておらず、部品点数の増大や装置の大型化を抑制しているので、装置コストの低減化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る一実施形態の磁気式酸素分析計を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る一実施形態の磁気式酸素分析計で使用する補助ガスの種類の特性について示すグラフである。
【図３】磁気式酸素分析計の測定原理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る１実施形態の磁気式酸素分析計を示すものであり、測定ガスを流す流路を備えたサンプルセル１と、このサンプルセル１内に設置した熱線センサ１２からの信号で測定ガスに含まれている酸素濃度を検出する検出回路２とからなる。
【００１６】
サンプルセル１は、円筒形状のサンプル流路３と、このサンプル流路３の軸方向の一端側に連通して設けた測定ガス導入口４と、サンプル流路３の軸方向の他端側に連通して設けた測定ガス導出口５と、測定ガス導出口５側のサンプル流路３に連通し、このサンプル流路３の軸方向に直交する径方向から互いに対向して設けた第１補助ガス流入口６及び第２補助ガス流入口７と、補助ガス供給流路８に流れてきた補助ガスを第１補助ガス流入口６及び第２補助ガス流入口７からサンプル流路３に同一流量で供給する第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０と、サンプル流路３の第１補助ガス流入口６が連通する付近に磁界Ｍｆの領域を形成するポールピース（（不図示）と、第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０に連通するバイパス流路１１と、を備えている。
【００１７】
そして、バイパス流路１１の中間位置に熱線センサ１２が配置され、この熱線センサ１２に検出回路２が接続している。
熱線センサ１２は、バイパス流路１１内の補助ガスとの接触による温度変化に伴う抵抗変化に応じて電圧が変化し、その電圧変化の信号を検出回路２に出力する。検出回路２は、熱線センサ１２からの電圧信号を受信して増幅することで、測定ガスに含まれている酸素濃度を検出する。
【００１８】
上記構成の磁気式酸素分析計は、サンプルセル１の測定ガス導入口４から導入された測定ガスが測定ガス導出口５に向けて流れる。また、補助ガス供給流路８から供給された補助ガスは、第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０に分流し、第１補助ガス流入口６及び第２補助ガス流入口７からサンプル流路３に流入し、測定ガスと合流して測定ガス導出口５に流れる。また、補助ガス供給流路８から第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０に分流した補助ガスの一部は、第１補助ガス分岐流路９に接続するバイパス流路１１から流量センサ１２に向けて流れるとともに、第２補助ガス分岐流路１０に接続するバイパス流路１１から流量センサ１２に向けて流れる。
【００１９】
そして、測定ガス中に酸素分子が含まれていない場合、サンプル流路３の第１補助ガス流入口６が連通する付近に磁界Ｍｆを印加しても、酸素分子が引き寄せられず、その部分の圧力は上昇しない。これにより、第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０のそれぞれからサンプル流路３に補助ガスが流出する際の流体抵抗が同じになり、第１補助ガス分岐流路９からバイパス流路１１内の流量センサ１２を経由する補助ガスの流量と、第２補助ガス分岐流路１０からバイパス流路１１内の流量センサ１２を経由する補助ガスの流量が同じとなる。これにより、流量センサ１２の信号が得られず、検出回路２は酸素濃度を検出しない。
【００２０】
一方、測定ガス中に酸素分子が含まれている場合、サンプル流路３の第１補助ガス流入口６が連通する付近に磁界Ｍｆが印加されると、その部分に酸素分子が引き付けられ（図５（Ｃ）参照）、酸素の凝集圧により圧力が上昇する。そのため、第１補助ガス分岐流路９からサンプル流路３に補助ガスが流出する際の流体抵抗が増大し、流出量が減少する。逆に、サンプル流路３の第２補助ガス流入口７が連通する付近では磁界Ｍｆが印加されていないため流体抵抗は増大せず、第１補助ガス流入口６側との比較により補助ガスの流出量が増加する。
【００２１】
これにより、補助ガス供給流路８から第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０に分岐する地点Ｐ０（以下、分岐点Ｐ０と称する）で、補助ガスが第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０に分岐する際の分流比が変化し、第１補助ガス分岐流路９からバイパス流路１１内の流量センサ１２を経由する補助ガスの流量と、第２補助ガス分岐流路１０からバイパス流路１１内の流量センサ１２を経由する補助ガスの流量に差が生じ、流量センサ１２が補助ガスの流量変化の信号を得ることで、検出回路２が測定ガスの酸素濃度を検出する。
【００２２】
ここで、図２を参照して本実施形態の補助ガスの種類について説明する。
従来の磁気式酸素分析計では、補助ガスとしてＮ２，Ｏ２，Ａｉｒ（空気）が使用されていた。これらＮ２、Ｏ２、Ａｉｒは、測定ガスの濃度レベルによって選択されるガスであり、以下では、基準ガスと称する。
本実施形態は、図２に示すように、Ｘｅ（キセノン）、Ｋｒ（クリプトン）、ＣＯ２（二酸化炭素）及びＡｒ（アルゴン）の少なくとも１種類のガスを、補助ガスとして使用している。
【００２３】
これらＸｅ、Ｋｒ、ＣＯ２、Ａｒは、基準ガス（例えばＮ２を基準ガス）と比較して、熱伝導率が低く、且つ比重（空気１に対する比重）が大きいガスである。なお、図２では示していないが、Ｏ２の熱伝導率は０．０２２９（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、比重が１．１０５３程度であり、Ａｉｒの熱伝導率は０．０２４１（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、比重が１である。
このように、基準ガスと比較して熱伝導率が低く、且つ比重が大きいガスは、例えばＣＯ２、Ａｒを補助ガスとして使用した場合には基準ガスに対して２倍の熱線センサ１２の出力値を得ることができ、Ｘｅを補助ガスとして使用した場合には基準ガスに対して３倍の熱線センサ１２の出力値を得ることができる。
【００２４】
このように、熱伝導率が低く、且つ比重が大きいＸｅ、Ｋｒ、ＣＯ２、Ａｒを補助ガスとして使用すると、熱線センサ１２から多くの熱を奪い易くなるので、熱線センサ１２の出力値が高くなるのである。
また、Ｎ２，Ｏ２，Ａｉｒ（空気）などの基準ガスと比較して比重が大きい補助ガスは、周囲に配置されているプラントなどから振動を受けても流量変動が発生し難い。
【００２５】
ここで、本発明に係る測定ガス入口が測定ガス導入口４に対応し、本発明に係る測定ガス出口が測定ガス導出口５に対応し、本発明に係る補助ガス流路が第１補助ガス分岐流路９及び第２補助ガス分岐流路１０に対応している。
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態によると、測定ガスの濃度レベルによって選択される基準ガス（Ｎ２，Ｏ２，Ａｉｒなど）と比較して熱伝導率が低く、且つ比重が大きいＸｅ、Ｋｒ、ＣＯ２、Ａｒの少なくとも１種類のガスを補助ガスとして使用すると、測定ガス中の低濃度の酸素を検出する場合であっても熱線センサ１２の出力値が高くなるので、測定ガス中の酸素濃度を高感度で測定することができる。
【００２６】
また、Ｎ２，Ｏ２，Ａｉｒ（空気）などの基準ガスと比較して比重が大きい補助ガスは、周囲に配置されているプラントなどから振動を受けても流量変動が発生し難いので、高精度の測定ガスの酸素濃度を測定することができる。
さらに、酸素濃度の測定感度を上げるために、磁界Ｍｆの領域の磁界強度を大きくし、或いは、検出回路の精度を高めるための機構や装置を使用しておらず、部品点数の増大や装置の大型化を抑制しているので、装置コストの低減化を図ることができる。
【符号の説明】
【００２７】
１…サンプルセル、２…検出回路、３…サンプル流路、４…測定ガス導入口、５…測定ガス導出口、６…第１補助ガス流入口、７…第２補助ガス流入口、８…補助ガス供給流路、９…第１補助ガス分岐流路、１０…第２補助ガス分岐流路、１１…バイパス流路、１２…熱線センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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