(57)【要約】【課題】低濃度の酸素のときには強磁界が形成されている補助ガス流路を利用し、高濃度の酸素のときは、弱磁界が形成されている補助ガス流路を利用するようにして、酸素の濃度に応じて幅広く測定することが可能な磁気式酸素計を提供する。【解決手段】被測定ガスを流すサンプル流路に、磁界が形成されている補助ガス流路を連通させ、この磁界により発生する酸素分子の引き付けに基づく磁気圧力の上昇を利用した補助ガス流の変化から被測定ガスに含まれている酸素の量を測定する磁気式酸素計において、サンプル流路に磁界強度が異なる複数の補助ガス流路を連通させ、且つ比較用として磁気が印加されていない補助ガス流路を設けたことである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスを流すサンプル流路に、磁界が形成されている補助ガス流路を連通させ、該磁界により発生する酸素分子の引き付けに基づく磁気圧力の上昇を利用した補助ガス流の変化から被測定ガスに含まれている酸素の量を測定する磁気式酸素計において、
前記サンプル流路に磁界強度が異なる複数の補助ガス流路を連通させ、且つ比較用として磁気が印加されていない補助ガス流路を設けたことを特徴とする磁気式酸素計。
【請求項２】
前記複数の補助ガス流路は、２個の補助ガス流路で形成され、一方の補助ガス流路には低濃度の酸素を計測するための強磁界の磁界領域を形成し、他方の補助ガス流路には高濃度の酸素を計測するための弱磁界の磁界領域を形成することを特徴とする請求項１に記載の磁気式酸素計。
【請求項３】
前記磁界強度が異なる複数の補助ガス流路及び前記磁気が印加されていない補助ガス流路は、共通の元圧から補助ガスを流すようにしたことを特徴とする請求項１又は２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、磁気式酸素計に関し、特に、磁気で検出する酸素測定の限界を改善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、臨床的及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開発されている。
【０００３】
はじめに、従来例及び本発明で用いる磁気式酸素計の測定原理について、図を用いて簡単に説明する。
図３（Ａ）は、酸素を含むガス中に磁界を発生させる手段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。
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／∂Ｘ；磁界の変化率
【０００４】
即ち、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（磁極の端部…不均一磁界）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ている。
図３（Ｃ）は、磁界（磁石のギャップ）内では引き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。
【０００５】
上記説明した原理に基づく従来技術における磁気式酸素計は、図４及び図５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（たとえばサーミスタ）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。
【０００６】
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５参照）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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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の出力も零になる。
【００１１】
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。
【００１２】
さて、図５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。
【００１３】
このような構成からなるリングセルの構造において、図６に示すように、磁界領域での酸素分子が引き付けられた分流が発生したときの補助ガスの流量及び圧力について考察すると、特に第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂから測定側及び比較側サンプル流路１１２ａ、１１２ｂに流れ込む補助ガスの流量及び圧力について検討する。
補助ガス導入口１１７からの補助ガスの流量ＱＯ、第１及び第２の補助ガス流路１１５ａ、１１５ｂに分岐する点での元圧ＰＯ、第１の補助ガス流路１１５ａが測定側サンプル流路１１２ａへの出口での流量Ｑｍｅａｓ、圧力Ｐｍｅａｓ、第２の補助ガス流路１１５ｂが比較側サンプル流路１１２ｂへの出口での流量Ｑｒｅｆ、圧力Ｐｒｅｆ、とし、磁界領域での磁界強度は充分に大きいものとする。
【００１４】
このような関係で、測定側サンプル流路１１２ａを通過する被測定ガスに含まれている酸素分子が磁界により引き付けられることにより、測定側サンプル流路１１２ｂにおける圧力Ｐｍｅａｓが、比較側サンプル流路１１２ｂにおける圧力Ｐｒｅｆとは、Ｐｍｅａｓ＞Ｐｒｅｆの関係になる。
【００１５】
ここで、図７に示すように、磁気吸引力により引き付けられる酸素分子の濃度が上昇すると、比例して測定側サンプル流路１１２ａで発生する圧力Ｐｍｅａｓが上昇し、元圧ＰＯに近づくことになる。
【００１６】
【特許文献１】
特開平５−１７２７８４号公報  （第２〜３頁  第２図）
【００１７】
【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リングセル構造の磁気式酸素計において、感度を向上させるために、強い磁石を用いて強磁界の磁界領域を形成し、リングセル１１１の測定側サンプル流路１１２ａに印加しているため、低濃度感度を実現できるとしても、例えば２５パーセント以上の酸素濃度への対応ができなくなるという問題がある。
【００１８】
それは、リングセル１１１の測定側サンプル流路１１２ａに開口している第１の補助ガス流路１１５ａにおいて、２５パーセント程度の酸素濃度により、出口側の磁気吸引力により酸素分子の引き付けが上昇することに比例して圧力Ｐｍｅａｓが上昇し、元圧ＰＯと同等となるために、この第１の補助ガス流路１１５ａの流量が零化するためである。その結果、それ以上の酸素濃度になっても、出力は増加せず、出力飽和に陥るためである。
【００１９】
従って、低濃度酸素への感度を確保しながら、且つ高濃度対応が可能な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。
【００２０】
【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計は、次に示す構成にすることである。
【００２１】
（１）磁気式酸素計は、被測定ガスを流すサンプル流路に、磁界が形成されている補助ガス流路を連通させ、該磁界により発生する酸素分子の引き付けに基づく磁気圧力の上昇を利用した補助ガス流の変化から被測定ガスに含まれている酸素の量を測定する磁気式酸素計において、前記サンプル流路に磁界強度が異なる複数の補助ガス流路を連通させ、且つ比較用として磁気が印加されていない補助ガス流路を設けたことである。
（２）前記複数の補助ガス流路は、２個の補助ガス流路で形成され、一方の補助ガス流路には低濃度の酸素を計測するための強磁界の磁界領域を形成し、他方の補助ガス流路には高濃度の酸素を計測するための弱磁界の磁界領域を形成することを特徴とする（１）に記載の磁気式酸素計。
（３）前記磁界強度が異なる複数の補助ガス流路及び前記磁気が印加されていない補助ガス流路は、共通の元圧から補助ガスを流すようにしたことを特徴とする（１）又は（２）に記載の磁気式酸素計。
【００２２】
このように、低濃度の酸素のときには強磁界が形成されている補助ガス流路を利用し、高濃度の酸素のときは、弱磁界が形成されている補助ガス流路を利用するようにしたことで、酸素の濃度に応じて幅広く測定することが可能になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る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。
【００２４】
本発明に係る磁気式酸素計は、図１に示すように、被測定ガスを流すサンプル流路１１と、このサンプル流路１１に連通し且つ磁気が印加されていない第１の補助ガス流路１２と、サンプル流路１１に連通し且つ弱磁界領域が形成されている第２の補助ガス流路１３と、サンプル流路１１に連通し且つ強磁界領域が形成されている第３の補助ガス流路１４と、第１及び第２及び第３の補助ガス流路１２、１３、１４に同一の圧力の元圧ＰＯの補助ガスを供給する補助ガスバッファ部１５と、この補助ガスバッファ部１５に補助ガスを供給する補助ガス導入口１６とから大略構成されている。これらの第１及び第２及び第３の補助ガス流路１２、１３、１４は平行に整列状態で形成されており、その流路の径も同じに形成されている。
【００２５】
更に、この第１の補助ガス流路１２には第１のサーミスタ１７、第２の補助ガス流路１３には第２のサーミスタ１８、第３の補助ガス流路１４には第３のサーミスタ１９が配置され、それぞれの第１及び第２及び第３のサーミスタ１７、１８、１９は検出回路２０に接続されている。
【００２６】
第１及び第２及び第３のサーミスタ１７、１８、１９は、自己加熱型流量センサであり、補助ガスの流れるガス流量によって、加熱状態が変化し、その変化した熱の状態を電気信号に変換して酸素分子の引付け状態を得る。
検出回路２０は、この第１及び第２及び第３のサーミスタ１７、１８、１９からの信号の差信号を検出して酸素流量を演算により算出する。
【００２７】
このような構成において、異なる強度の磁界が印加された第２及び第３の補助ガス流路１３、１４出口の圧力ｐｍｅａｓ１、Ｐｍｅａｓ２の変化は、図２に示すように、酸素濃度に比例して圧力は上昇する。
強磁界を形成してある第３の補助ガス流路１４における圧力Ｐｍｅａｓ２は、低濃度計測に使用され、酸素濃度が少なくとも、強磁界であるため、酸素分子の引き付けが強いため、そのぶん圧力Ｐｍｅａｓ２が元圧ＰＯに達する飽和点２は短くなる。
弱磁界を形成してある第２の補助ガス流路１３における圧力Ｐｍｅａｓ１は、高濃度計測に使用され、酸素濃度が多くても、弱磁界であるため、酸素分子の引き付けが弱いため、そのぶん圧力Ｐｍｅａｓ１が元圧ＰＯに達する飽和点１は長くなる。
【００２８】
このように、元圧ＰＯとの差圧により補助ガス流路１３、１４の流量が決まるのであるが、圧力Ｐｍｅａｓ２では飽和点２の低濃度で飽和するが、一方、圧力Ｐｍｅａｓ１では、より高濃度側に飽和点１が来る。
それぞれの第２及び第３の補助ガス流路１３、１４の流量を計測することにより、低濃度から高濃度までレンジを切り替えながら計測することができる。
具体的には、低濃度では、第３の補助ガス流路１４での流量Ｑ２と第１の補助ガス流路１２での比較流量Ｑｒｅｆから、高濃度では、第２の補助ガス流路１３での流量Ｑ１と第１の補助ガス流路１２での比較流量Ｑｒｅｆから求めることができる。
【００２９】
【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計は、磁界の異なる複数の補助ガス流路を備え、低濃度計測では強磁界の補助ガス流路を利用し、高濃度計測では弱磁界の補助ガス流路を利用するようにしたことで、広いレンジにわたる酸素濃度計測を実現でき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の構成を示す略示的なブロック図である。
【図２】図１における補助ガス流路の圧力と酸素濃度との関係を示した略示的なグラフである。
【図３】磁気式酸素計の測定原理を表した説明図である。
【図４】従来技術における磁気式酸素計の構成を示す略示的なブロック図である。
【図５】図４におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図６】従来技術における磁気式酸素計のブロック図である。
【図７】図６における補助ガス流路の圧力と酸素濃度との関係を示した略示的なグラフである。
【符号の説明】
１１      サンプル流路
１２      第１の補助ガス流路
１３      第２の補助ガス流路
１４      第３の補助ガス流路
１５      補助ガスバッファ部
１６      補助ガス導入口
１７      第１のサーミスタ
１８      第２のサーミスタ
１９      第３のサーミスタ
２０      検出回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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