JP3700779B2 - Magnetic oxygen meter - Google Patents
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Description
【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic oximeter that measures, for example, the concentration of oxygen contained in a mixed gas flowing in a flue, and relates to a magnetic oximeter that improves the degree of freedom of controllability of thermomagnetic wind and reduces the influence of ambient temperature fluctuations. About.
[0002]
[Prior art]
Accurate measurement of oxygen concentration in gas mixtures is important in a wide range of industrial, clinical and research processes. For this reason, various apparatuses for measuring the oxygen concentration have been proposed and developed.
[0003]
FIG. 9A shows a configuration of a detection unit of a conventional example of a magnetic oximeter. In the figure, reference numerals 1a and 1b denote magnetic field generating means (permanent magnets) having a predetermined area and magnetic poles arranged to face each other at a predetermined interval. 2a and 2b are thermistors for generating a thermomagnetic wind (hereinafter simply referred to as a magnetic wind), and are disposed in a region (inhomogeneous magnetic field) where the intensity of the magnetic field changes.
[0004]
When the magnetic oximeter having the above configuration is arranged in a mixed gas containing oxygen, the oxygen gas, which is a paramagnetic substance, is attracted to the magnetic field by magnetism. When the attracted oxygen gas is heated by the
[0005]
There are various arrangements of the magnetic field generating means and the heating element, but the one shown in FIG. 9A is the magnetization of the magnetic field portion where the heating element is not arranged in the region where the strength of the magnetic field changes. Oxygen gas having a high rate is pushed to the heated side of the region where the strength of the magnetic field changes. A gas having a low temperature flows into the region where the intensity of the unheated magnetic field changes, so that a continuous flow occurs.
[0006]
Since the flow of this gas is proportional to the concentration of oxygen gas contained in the mixed gas, the heat of the thermistor (magnetic wind sensor) arranged adjacent to the exothermic thermistor is lowered compared to the exothermic thermistor, and the resistance of the two thermistors The difference in values will be changed.
[0007]
FIG. 9B shows the configuration of FIG. 9A in which the temperature of the oxygen sensing element is controlled to eliminate the influence of fluctuations in the ambient temperature. The resistors Rc, Rd, Rs and the
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described prior art, the heat generating (winding) thermistor and the magnetic wind sensor are installed in the control circuit so as to be placed at a constant spatial distance and always have a constant resistance value. However, each thermistor is always heated, and the amount of heat generated by the wind-generating thermistor is not always transmitted stably to the magnetic wind sensor.
[0009]
For example, since the direction of natural heat convection due to the heat of the wind-generating thermistor changes due to the change in the attitude of the detector, the amount of heat received by the magnetic wind sensor changes. In addition, the thermal environment of the wind generation and magnetic wind sensor changes due to the change in ambient temperature, and the heat radiation amount of each thermistor changes. Furthermore, temperature fluctuations occur differently at each thermistor installation location.
Due to these phenomena, there has been a problem that the output of the oximeter is greatly fluctuated.
[0010]
For this reason, the detection unit including the thermistor requires strict temperature control, and has a problem that it requires a large and precise thermostat. Further, since direct current detection is performed, there is a problem that the noise band is wide and the S / N is not good.
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to realize a magnetic oximeter that is highly accurate and has few components without being affected by the posture and temperature drift.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, in
Magnetic field generating means for generating a magnetic field from the magnetic poles arranged opposite to each other;
It consists of an AC power supply and all bridges formed by four equivalent heating elements that generate heat when energized and the resistance value changes.
Positions where two opposing heating elements constituting the entire bridge are arranged opposite to a region (inhomogeneous magnetic field) where the intensity of the magnetic field changes, and the other two heating elements are not affected by the magnetic field. And an AC voltage is applied to all the bridges from the AC power supply.
[0012]
In
Magnetic field generating means for generating a magnetic field from the magnetic poles arranged opposite to each other;
It consists of an AC power supply and all bridges formed by four equivalent heating elements that generate heat when energized and the resistance value changes.
Two opposing heating elements constituting the entire bridge are arranged opposite to a region (inhomogeneous magnetic field) where the intensity of the magnetic field changes, and the other two heating elements are arranged in the vicinity of the two heating elements. And an AC voltage is applied to all the bridges from the AC power source.
In claim 3,
Magnetic field generating means for generating a magnetic field from the magnetic poles arranged opposite to each other;
It consists of two equivalent heating elements that generate heat when energized and the resistance value changes, and a half bridge formed by two resistors with the same resistance value, and an AC power supply,
The half bridge is connected so that a heating element and a resistor are adjacent to each other, and one of two opposing heating elements is arranged in a region where the intensity of the magnetic field changes (non-uniform magnetic field), and the other heating element Is arranged at a position where the influence of the magnetic field does not reach, and an AC voltage is applied from the AC power source to the opposite connection point.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in the magnetic oximeter according to any one of the first to third aspects, the heater drive voltage and the bridge output voltage are divided into a plurality of predetermined time lengths, and output signal processing is performed according to the following equation: It is characterized by that.
Vout = Σ D (t) ・ S (t)
Or
Vout = ∫D (t) ・ S (t) dt
Where D (t): heater drive voltage
S (t): Bridge output voltage
According to a fifth aspect of the present invention, in the magnetic oximeter according to any one of the first to fourth aspects, the heating element is made of tungsten (W), silicon, a silicon compound, or platinum (Pt).
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, the measurement principle of the oxygen concentration in the gas containing oxygen used in the conventional example and the present invention will be briefly described with reference to FIGS.
FIG. 7A shows the relationship between oxygen molecules and the magnetic field when the magnetic field generating means is arranged in a gas containing oxygen.
[0017]
Here, the force F in the X-axis direction acting on oxygen molecules can be expressed by the following equation.
F = χ · (∂H / ∂X) · H
χ: oxygen magnetic susceptibility H: magnetic field strength ∂H / ∂X: magnetic field change rate In other words, as shown in FIG. 7B, the magnetic field is strong and its strength changes (the magnetic pole The force attracting oxygen acts on the edge (non-uniform magnetic field), and the right and left forces are balanced against each other at the end of the magnetic pole.
FIG. 7C shows a state in which the attracted oxygen pressure (concentration) is higher in the magnetic field (magnet gap) than in the surrounding area.
[0018]
FIGS. 8A and 8B show a case where a heater is arranged in a region where the intensity of the magnetic field changes (non-uniform magnetic field) and the susceptibility of oxygen is changed. Only the right side is heated to reduce the leftward pressure and pressure. It shows the state that lost the balance.
FIG. 8C shows a state in which the pressure balance is lost, a differential pressure is generated, and a rightward magnetic wind is blowing. This differential pressure (magnetic wind strength) is determined by the oxygen concentration, the magnetic field strength, and the heater heating amount.
[0019]
FIGS. 1A and 1B are main part configuration diagrams of a detection unit showing an example of an embodiment related to
[0020]
FIG. 1B shows all bridges formed by four heating elements (heating filaments, such as W or Pt) having the same performance (the four electronic parts constituting the bridge are the same, and the resistance value changes due to heat generation are the same). The two opposing heating elements (2a, 2c) are arranged in a region where the intensity of the magnetic field changes (non-uniform magnetic field), and the other two opposing heating elements (2b, 2d) ) Is arranged at a position not affected by the magnetic field.
[0021]
[0022]
Even in such a configuration, when placed in a mixed gas containing oxygen, the oxygen gas is attracted to the magnetic field by magnetism, and the attracted oxygen gas is a region where the strength of the magnetic field changes (non-uniform magnetic field). ) Is heated by a heating element arranged in (1). Oxygen with reduced magnetic susceptibility in the vicinity of the heating element due to a difference between the oxygen gas in the region where the intensity of the magnetic field where the magnetic susceptibility has been reduced by heating and the oxygen gas in the non-uniform magnetic field that has not been heated is changed. The gas is pushed away to generate a magnetic wind in the directions of A and B ′ in FIG.
[0023]
In this case, since the applied power source is alternating current, all the heating elements (2a to 2d) are heated at the same time, but the opposing heating elements (2a, 2c) arranged in the non-uniform magnetic field generate magnetic wind, so Only the opposing heating elements (2a, 2c) of all bridges are cooled by the magnetic wind.
As a result, while all the heating elements are heated simultaneously, there is a difference in temperature between 2a, 2c and 2b, 2d. Therefore, an AC bridge output is generated due to the presence of oxygen.
[0024]
2A to 2C show output waveforms depending on the applied voltage and the presence or absence of oxygen. When the AC voltage shown in FIG. 2A is applied, the output when oxygen is present is shown in FIG. The waveform is as shown in FIG. 2C when oxygen is not present.
[0025]
3A to 3C show the relationship between the drive voltage waveform, the output voltage, and the zero-cross detection signal voltage. The period during which the drive voltage is zero-crossed is detected, and the time corresponding to the midpoint of the zero-cross is obtained.
Next, the output voltage at the zero cross point and the output voltage at the mid point between the zero cross point and the zero cross point are obtained and the difference (V−v) is obtained. Since this difference changes in relation to the strength of the magnetic wind, the oxygen concentration can be known.
In this way, even if there is a disturbance that is not related to the oxygen concentration due to a change in posture or an uneven distribution in the ambient temperature, the influence can be reduced.
[0026]
4A to 4C show the output state when the zero point drift occurs, and a large output error occurs in the conventional DC current measurement. In the present invention, the average value and the intermediate point of the output at the zero cross point are shown. Since the output difference (V-v) is detected, only the oxygen signal can be detected without being affected by the fluctuation of the zero point.
[0027]
FIGS. 5A and 5B show another embodiment of the magnetic oximeter of the present invention, which differs from the embodiment shown in FIG. 1B only in the positions of the two heating elements.
That is, as shown in FIG. 5a, two opposing heating elements (2a, 2c) are arranged in a region where the intensity of the magnetic field changes (non-uniform magnetic field), and the other two opposing heating elements (2b, 2d). Are also arranged opposite to each other in the vicinity of the two opposing heating elements (2a, 2c).
FIG. 5B shows the relationship of the temperature of each heating element at the position AA ′ of the heating element when the magnetic oximeter of FIG. 5A is placed in a gas containing oxygen and an alternating current is applied. A curve indicated by a solid line indicates a state where no oxygen is present and no magnetic wind is generated, and a curve indicated by a dotted line indicates a state where a magnetic wind due to oxygen is generated. That is, the dotted curve shows that the
[0028]
By the way, the above-mentioned oxygen meter uses W, Pt, Si, or Si compound as a heating element, but these heating elements are expensive and are manufactured with the same accuracy or matched with four temperature conditions. There is a problem that is difficult.
[0029]
FIG. 6 shows a case where two opposing heating elements have the same accuracy, for example, a carbon film resistor, a half-bridge (two of the four electronic components constituting the bridge that have the same resistance value change due to heat generation, a simple resistor 2), and only the
[0030]
According to such a configuration, the sensitivity is halved as compared with the case where four heating elements are used, but the carbon film resistor that is less expensive than the heating element is used as a component of the bridge. Since it is sufficient to produce two products having the above accuracy and match the two temperature conditions, the cost can be reduced as a whole.
[0031]
By the way, the principle of the present invention is as described in FIGS.
When a magnet is disposed in a gas containing oxygen, oxygen is attracted to the non-uniform magnetic field at both ends of the magnet, and the right and left forces are balanced against each other at the ends of the magnetic poles.
Heating oxygen at one end of the oxygen attracted by the non-uniform magnetic fields at both ends changes the susceptibility of the oxygen at that portion, and the pressure balance is lost to generate a differential pressure, thereby generating a magnetic wind.
Since the magnetic wind is proportional to the oxygen concentration, the proportion of oxygen in the gas can be measured. That's it.
[0032]
However, noise due to various disturbances is superimposed on the output, and the output is not necessarily proportional to the oxygen concentration. FIG. 9 shows that the magnetic wind passing through the flow path of the magnetic oximeter causes noise generation due to various factors.
FIG. 10 shows the relationship between the drive waveform (a) and the detected waveform (b) when there is no noise. However, in actuality, it becomes a signal including noise, for example, a waveform as shown in FIG. 11B (in these figures, the mark ● indicates the sampling timing). FIG. 11A shows only the noise component superimposed on the output waveform.
[0033]
Here, as shown in FIG. 11A, the noise amplitude and appearance frequency have a Gaussian distribution as shown in FIG. 11C, and it is known that the average value of noise approaches zero. Here, this is utilized to realize a magnetic oximeter with less noise.
[0034]
FIG. 12 is a flowchart from magnetic wind drive input (filament lighting) to output signal processing. This will be described with reference to the drawings.
B) Magnetic wind drive input D (t) is input.
B) Magnetic wind w (t) is generated.
The generated magnetic wind w (t) is expressed by the following equation.
w (t) = f (H, dH / dX, T, O2, K) · D (t)
Here, f (H, dH / dX, T, O2, K) is a magnetic wind generating ability,
H: magnetic field strength dH / dX; gradient of magnetic field change T; temperature O2; oxygen concentration K; device coefficient, and the sensitivity of the magnetic oximeter is determined by these values.
[0036]
C) The magnetic air volume (w ′ (t)) in the detection unit is detected by the following equation.
w ′ (t) = α · w (t) + ε (t)
Where α: damping coefficient due to pipe resistance (α <1)
ε (t): Disturbance wind (random)
D) The detection signal S (t) is detected by the following equation.
S (t) = k · w ′ (t) = k · α · w (t) + ε (t)
Where k: wind detection coefficient
E) The output Vout (t) as an oximeter is calculated by the following equation.
Vout (t) = ΣD (t) · (k · α · w (t) + k · ε (t))
= K · α · f (H, dH / dX, T, O2, K) ΣD 2 (t) + kΣD (t) · ε (t)
Here, the term due to the disturbance of the second term approaches zero due to the randomness of the disturbance as the integration interval becomes longer by integrating or integrating.
as a result,
Vout (t) ≈k · α · f (H, dH / dX, T, O2, K) ΣD 2 (t)
Thus, the influence of turbulence can be reduced.
[0038]
As described above, the influence of noise can be reduced by processing the high frequency noise among the output fluctuation factors due to noise using the above-described integration or integration method. That is, it corresponds to adding a high-performance bandpass filter by passing only a very narrow frequency band around the frequency of the drive voltage in the noise spectrum.
Note that although zero bias remains in Vout (t) described above, the actual output is calculated in consideration of that amount.
In the embodiment, the drive voltage waveform is a sine waveform, but may be a rectangular or triangular waveform.
[0039]
The foregoing description of the present invention has only shown certain preferred embodiments for purposes of illustration and illustration. Accordingly, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be modified and modified in many ways without departing from the essence thereof. The scope of the present invention defined by the description in the appended claims is intended to include modifications and variations within the scope.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the two opposing heating elements constituting the bridge are arranged to face the non-uniform magnetic field, and the other two heating elements are not affected by the magnetic field. Since the AC voltage was applied to the bridge from the AC power supply,
A magnetic oximeter with high accuracy and few components can be realized without being affected by the posture and temperature drift.
[0041]
In addition, two opposing heating elements constituting the entire bridge are arranged facing a region where the intensity of the magnetic field changes (nonuniform magnetic field), and the other two heating elements are arranged in the vicinity of the two heating elements. Since it is arranged, the output of the bridge is larger than that of the embodiment shown in FIG. 1B, and the S / N can be improved.
[0042]
Further, if two of the components constituting the bridge are made of inexpensive carbon film resistors, the overall cost can be reduced.
[0043]
In addition, by dividing the heater drive voltage and the bridge output voltage into a plurality of predetermined time lengths, multiplying the drive voltage and output, and integrating or integrating the multiplied values, a magnetic oxygen sensor with less noise is obtained. The total can be realized.
[0044]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of an embodiment of a magnetic oximeter according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an output waveform depending on the presence or absence of oxygen when an AC voltage is applied.
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a drive voltage waveform, an output voltage, and a zero-cross detection signal voltage.
FIG. 4 is a diagram illustrating an output state when a zero point drift occurs.
FIG. 5 is a block diagram showing an example of an embodiment related to
FIG. 6 is a block diagram showing an example of an embodiment related to
FIG. 7 is an explanatory diagram of the measurement principle of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram of the measurement principle of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram of the cause of noise generation.
FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between a drive waveform and a detection waveform.
FIG. 11 is an explanatory diagram of noise, a waveform on which noise is superimposed, and a Gaussian distribution of noise.
FIG. 12 is a flowchart from magnetic wind driving input to output signal processing;
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a configuration of a detection unit and a detection circuit of a conventional magnetic oximeter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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。Magnetic field generating means for generating a magnetic field from the magnetic poles arranged opposite to each other;
It consists of all bridges formed by four equivalent heating elements that generate heat and change resistance as well as an AC power supply.
Positions where two opposing heating elements constituting the entire bridge are arranged opposite to a region (inhomogeneous magnetic field) where the intensity of the magnetic field changes, and the other two heating elements are not affected by the magnetic field. The magnetic oximeter is characterized in that an AC voltage is applied to all the bridges from the AC power source.
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。Magnetic field generating means for generating a magnetic field from the magnetic poles arranged opposite to each other;
It consists of all bridges formed by four equivalent heating elements that generate heat and change resistance as well as an AC power supply.
Two opposing heating elements constituting the entire bridge are arranged opposite to a region (inhomogeneous magnetic field) where the intensity of the magnetic field changes, and the other two heating elements are arranged in the vicinity of the two heating elements. Arranged and applied with an AC voltage from the AC power supply to all the bridges.
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。Magnetic field generating means for generating a magnetic field from the magnetic poles arranged opposite to each other;
It consists of two equivalent heating elements that generate heat when energized and the resistance value changes, and a half bridge formed by two resistors with the same resistance value, and an AC power supply,
The half bridge is connected so that the heating element and the resistor are adjacent to each other, and one of the two opposing heating elements is arranged in a region where the intensity of the magnetic field changes, and the other heating element is influenced by the magnetic field. The magnetic oximeter is arranged at a position where the AC voltage does not reach, and an AC voltage is applied from the AC power source to the opposite connection point.
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The magnetic oximeter according to any one of claims 1 to 3, wherein the heater drive voltage and the bridge output voltage are divided into a plurality of predetermined time lengths, and output signal processing is performed according to the following equation.
Record
Vout = Σ D (t) ・ S (t)
Or
Vout = ∫D (t) ・ S (t) dt
Where D (t): heater drive voltage
S (t): Bridge output voltage
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