JP3758944B2

JP3758944B2 - Ion content measuring device in gas

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Publication number: JP3758944B2
Application number: JP2000167413A
Authority: JP
Inventors: 泰宏谷村; 善夫花里; 憲彰安居院; 淳一宇野; 美喜男森; 茂高杉; 勇二掛川; 明彦谷屋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Nagano Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Nagano Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2000-06-05
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2020-06-05
Also published as: JP2001343360A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、空気などの雰囲気中に存在しているイオンの濃度を計測するガス中イオン量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス中イオン濃度を測定する装置は、公知であり、例えば、特開平６−１９４３４０号に示されている。この装置は、図１９に示すように、被測定雰囲気中に球形電極１を配置し、この球形電極１に衝突する単位時間当たりのイオンの数をイオン電流として検出し、演算増幅器でイオン電流を電圧に変換増幅して、電圧としてイオン濃度を測定する方式が採用される。
【０００３】
イオンは、球形電極１に対しては、イオンの方向にほとんど依存することなく、イオンの拡散により、電荷を電極１に運び、それにより、イオン電流が流れる。電極１が球形であるとき、この球形電極に吸収される正のイオンによる電流I⁺は、次式
Ｉ⁺＝４πＲ・ｅ・ｎ⁺・κ⁺・Ｃ・Ｕ^-
により決定される。ここで、Ｒは球形電極の半径、ｅは基本電荷、ｎ⁺は正イオンの数、κ⁺は正イオンの移動度、Ｃは環境に対する球形のキャパシタンス、Ｕ^-はアース電位に対する球形の電圧（この場合は、負の電圧）である。負のイオンによって生じる電流Ｉ^-については、符号が逆になり、球形電極の電圧Ｕ⁺となる。
【０００４】
この例では、電極１は、演算増幅器３の反転入力に接続され、演算増幅器３の出力は、抵抗４を介して該演算増幅器３の反転入力に負帰還されており、電流／電圧変換器として働き、演算増幅器３の出力の交流分は、抵抗４と並列接続されたコンデンサ５を介して、負帰還されている。演算増幅器３の出力は、評価回路１０に接続され、この評価回路１０の出力は、ディスプレイ１１と比較回路１２と警報部１３とに接続されている。
【０００５】
演算増幅器３の非反転入力は、制御部９によって制御されるスイッチ８を介して、基準電位１４（接地電位）、正電圧源６又は負電圧源７に接続され、電極は、それに応じて、接地電位、正電位、又は負電位にバイアス設定され、電極１を通過して流れる空気などの雰囲気中のイオンのうち、正負イオンの濃度、負のイオンのみの濃度、又は正のイオンのみの濃度を測定することができる。これは、制御部９は、正または負の電圧源６、７に選択的に接続するよう制御すると、正または負の電圧が演算増幅器３の非反転入力に印加され、演算増幅器の性質により電極１の電圧はこの正または負の電圧に設定される。球形電極に設定された電位にイオンの中で、それぞれ、負のイオン又は正のイオンのみが電極１に衝突して、電荷を電極に渡すから、正負のイオンを分別して濃度測定をすることができる。
【０００６】
上記した式から分かるように、電流は、気体の速度に依存しない。センサを構成する電極１からスイッチ２を介して流れる電流は、電流／電圧変換器として機能する演算増幅器３及び抵抗４によって補償され、該演算増幅器の出力電圧は、抵抗４と電極１からの入力電流との積となる。電極１における電圧は、入力電流には依存せずに、常に演算増幅器３の非反転入力の印加電位となる。
【０００７】
この電流／電圧変換器は、コンデンサ５を介しての負帰還により、低域通過特性を有し、電極１上にたとえばイオン発生器によって生じる干渉は抑制される。このような電気的スプリアス信号は、低いセンサ・キャパシタンスを介して、干渉電流として干渉源に結合される。スプリアス交流電圧は、負帰還キャパシタンス５に対する干渉源へのセンサ・キャパシタンスの比によって減衰され、演算増幅器３の出力に現れる。評価回路１０において、演算増幅器３によって供給される電圧が一時的に記憶され、Ｒｉｅｃｋの式によって評価されて存在するイオンの数が決定され、この決定されたイオンの数がディスプレイ１１上に表示される。
【０００８】
他の先行技術の例として、特開平８−４５４５３号にガス中イオン量測定装置が開示されている。図２０は、この装置の概要を示すが、一定の間隔をもって対向させた１対の電極板２１a、２１bには、正電圧および負電圧が印加されており、電極板２１a、１bとの間には一定の電界を形成しておき、電極板の間にイオンを含む被測定ガス２４が供給される。電界により加速された正負のイオンが各電極に吸引されて衝突して、イオン電流が流れ、この電流をそれぞれ測定することにより、正イオンと負イオンのイオン量が測定できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の球形電極を利用する従来のガス中イオン量測定装置は、ガス中に、移動度が異なるイオンが数種類含まれているときには、ガス中のイオン濃度に誤差を生じ、移動度が小さいイオンほど、捕集効率が低くなる。
【００１０】
また、一対の対向電極を利用する上記の測定装置は、高い効率でイオンを電極に衝突させるには、できるだけ電極間の電界強度を強くする必要があるが、電極間距離を短くすると電極間を流れるガスの圧力損失が大きくなり、イオンを含有したガスを、電極間に効率よく供給できなかった。他方、電極間距離を大きくすると、電極に印加する電圧を高くしなければならない。さらにまた、従来のガス中イオン量測定装置では、イオンが変換した微小電流を測定する場合に、周囲のノイズや湿度の影響を受けて、微小電流を正確に測定できないといった問題があった。
【００１１】
この発明は、上記のような問題に鑑み、被測定ガス中のイオンを効率よく捕集することができ、イオンが変換してできた電流の量を正確に測定することができるガス中イオン量測定装置およびガス中イオン量測定方法を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるガス中イオン量測定装置は、ガス中に存在するイオンから電荷を取り除くイオン変換電極と、このイオン変換電極にイオンを含んだガスを供給する被測定ガス供給手段と、このイオン変換電極において発生した電気量を処理する電気量処理部と、処理した電気量の大きさを測定する電気量測定部とから構成されるようにしたものである。
【００１３】
即ち、本発明の装置は、雰囲気ガス流を形成する風胴内に、被測定ガス中に存在するイオンの電荷を受けるイオン変換電極と、イオン変換電極に該ガスを供給するガス供給手段とが、配置されて、ガス供給手段により風胴内に採りこんだガスをイオン変換電極に接触させて、イオンの電荷を電流として電気量処理部に入力し、イオン電荷量の比例する電気信号として出力するものである。
【００１４】
本発明においては、イオン変換電極に、風胴中に配置されてガスの流通可能な金属性多孔体が利用でき、さらに、好ましくは、金属性多孔体に金属網体が使用される。
【００１５】
本発明の電気量処理部には、電気量を電圧信号に変換する電流−電圧変換回路と、電圧信号のノイズ除去フィルタ回路とを含むものが好ましく、これにより、不要な雑音信号を除去して、電圧信号が得られる。
【００１６】
風胴には、少なくとも内面が電気絶縁体で構成され、これにより、風胴気流中のイオンの消耗を防ぎ、測定精度の低下を防止することができる。風胴は、さらに、導電体で構成されてもよく、この場合には、風胴が接地に対して電気的に絶縁されているものが採用できる。
【００１７】
本発明の測定装置において、イオン変換電極は、風胴に対して絶縁支持体を介して、絶縁的に支持されているのが好ましい。
さらに、イオン変換電極の基準電位を任意に変更できる電位調節手段を設けるのが好ましい。この基準電位を接地電位（或いは、空間電位）より正又は負の電位に設定することにより、イオン変換電極には、それぞれ、負のイオン又は正のイオンのみが選択的に電荷を渡し、その電気量からその極性のイオン濃度を測定することができる。
【００１８】
この場合に、イオン変換電極が、電流−電圧変換回路の差動演算器の反転入力に接続され、上記の電位調整手段には、電流−電圧変換回路の差動演算器の非反転入力に接続した正電位と負電位とに切り替え可能な直流電源回路が利用できる。
【００１９】
本発明は、風胴内の気流中のイオンをイオン変換電極に誘導するイオン誘導手段を風胴内に配置したものが採用できる。イオン誘導手段は、イオン変換電極で電荷を渡さずに通過して、測定誤差が生じるのを防止するものであり、イオン誘導手段は、気流中に配置された金属導体であり、金属導体には直流電圧を印加する直流電源を含んでいる。イオン誘導手段には、イオン変換電極の下流側に配置したイオン反発電極と、上流側に配置したイオン誘導電極とが利用でき、何れも、被測定イオンの電荷とは同じ極性の電位が付与される。
【００２０】
イオン反発電極には、金属網体が好ましく、後方に配置され、イオン変換電極を通過した被測定イオンを、上流側に反発させて、イオン変換電極での捕獲の効率を高める。
他方のイオン誘導電極は、開口面積比８０％以上を有する金属導体が利用でき、通過中の被測定イオンをイオン変換電極に収束させ、捕獲効率を高める。
【００２１】
イオン変換電極が、ガス吸引可能な開口部を有する風胴中に気流方向に配置された１つ又は２つ以上の導線が利用でき、このとき、各導線周りには両端開口の金属導管をガス流通可能に配置して被測定イオン電荷と反対の極性の電位を印加する測定装置も利用可能である。直流電位が印加された金属導管は、イオン反発電極ないし誘導電極として作用し、目的イオンを導線、即ち、金属線に捕獲させて、イオン電流を検出するものである。
【００２２】
本発明においては、ガス供給手段が、イオン変換電極に対して下流側に配置された吸引ファンであるのが好ましい。特に、ファンを駆動するモータに直流モータを採用して、回転速度の安定化を図り、被測定ガスの吸引速度を一定にして、測定精度を高める。
【００２３】
風胴の開口部が、イオン変換電極の配置位置の風胴径よりも拡径されて、層流での入力量を高めることが好ましい。逆に、風胴の開口部が、イオン変換部位置の風胴径よりも縮径されて、イオン変換電極付近での流速を下げ、これにより、イオンの捕獲効率を高めて、測定感度を高めることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１において、この実施形態では、イオン変換電極に、金網を使用したイオン交換電極３１を利用する例であるが、イオン交換電極３１は、これにイオンを含有する被測定ガス２４を導くための風胴３２内に配置され、風胴３２内には、イオン交換電極３１に被測定ガス２４を供給するための被測定ガス供給手段３３、即ち、送風機が配置されている。
【００２５】
イオン交換電極３１は、適当な流通孔を有する金属網体が利用される。金属網体は、適当な網目を形成して金属線又は帯が織成又は編成された網体や、打ち抜き多孔の金属板も含む。
ここでは、金属線を平織りにした金網が利用されている。イオン交換電極３１の外縁が、風胴内に支持台３４を介して絶縁的に取り付けられ、網面が、風胴の軸心方向にほぼ垂直に配されて、網目をガス流通に使用し、金属線を電極にする。
【００２６】
イオン交換電極３１は、電気量処理部３５に接続されて、電極に発生したイオン電流を容易に測定可能なレベルの電気量信号に変換され、電気量処理部３５は、電気量測定部３６に接続されて、電気量処理部３５から出力された電気量信号から、イオン交換電極３１に衝突したイオンの電気量を算出するものである。
【００２７】
風胴内は、送風機３３より被測定雰囲気のイオンを含有するガス２４が一定流量で吸引されて、イオン交換電極３１に導かれ、ガス２４中のイオンがイオン交換電極３１と衝突する。このとき、被測定雰囲気から取り込まれたガス２４をイオン交換電極３１に一様に供給できるように、風胴３２の断面形状に合わせてイオン交換電極３１の形状が定められている。
【００２８】
イオン交換電極３１にはイオンの衝突によって電荷が供給される。イオン交換電極３１は上記の支持板３４により風胴からは絶縁されているので、イオン交換電極３１の電荷は電気量処理部３５に向かってのみ電流として流れる。
イオン交換電極３１から電気量処理部３５に流れる電流のレベルは、多くともｎＡレベルであるため、容易に測定可能な信号レベルに電気量処理部３５で変換される。すなわち、電流に変換する場合には数ｍＡ〜数Ａレベルの電流に、電圧に変換する場合には数ｍＶ〜数Ｖレベルの電圧に変換される。このようにして電気量処理部３５で変換された信号は電気量測定部３６で、イオン交換電極３１から電気量処理部３５に流れた電流が求められる。イオン交換電極３１から電気量処理部３５に流れた電流をＩ［Ａ］とすると、被測定ガス中のイオン濃度ｎ［ｉｏｎｓ／ｃｍ³］は、
ｎ＝Ｉ／（ｅＱ）
で表すことができる。ここで、ｅはイオンの素電荷［Ｃ］、Ｑはイオン交換電極３１に供給される被測定ガス流量［ｃｍ³／ｓ］である。
【００２９】
この実施形態において、図１（Ｂ）に示すように、電気量処理部３５は、電流−電圧変換器３５１と、バッファアンプ３５２と、電圧−電流変換器３５３とを備えて構成されている。電流−電圧変換器３５１は、高入力インピーダンスの演算増幅器Ｄと超高抵抗Ｒとで構成され、非常に大きい利得で電流−電圧変換を行うと共に、そのフィードバック系にカットオフ周波数を決定するコンデンサＣを備えることによってローパスフィルタとして機能させる。この電流−電圧変換器Ｄは、イオン交換電極３１から出力されたｐＡ〜ｎＡレベルの電流を、数ｍＶ〜数Ｖの電圧レベルに増幅し、同時に、入力電流に重畳している雑音を除去する。これによって、イオン濃度にのみ対応する電流が精度よく電圧変換される。
【００３０】
バッファアンプ３５２は、図示しないが、低出力インピーダンスの演算増幅器で構成され、電流−電圧変換器の出力電圧を緩衝増幅してセンサー電圧を生成した後、そのセンサー電圧を電圧−電流変換器３５３および電気量測定部３６に出力する。電圧−電流変換器３５３は、専用アナログ集積回路で構成され、バッファアンプによって緩衝増幅されたセンサー電圧を電圧−電流変換することによって生成した数ｍＡ〜数十ｍＡの電流のセンサー電流を電気量測定部３６に出力する。
【００３１】
この図１（Ｂ）に示す例では、電気量処理部３５内の電流−電圧変換器３１を構成している高入力インピーダンスの演算増幅器Ｄの被反転入力端子Ｐは接地されており、前述の演算増幅器Ｄの基準電位はゼロ電位にされている。これにより、イオン交換電極３１は、ゼロ電位にされている。
【００３２】
このように、この実施の形態では、ガス中イオン量測定装置を、風胴内に配置した金網電極から構成されるイオン交換電極３１と、外部環境から風胴３２内に吸引してイオン交換電極３１にガスを導く送風機３３と、イオン交換電極３１で発生した電気量を、フィルタ回路を備えて処理する電気量処理部３５と、電気量の大きさを測定する電気量測定部３６とから構成されており、イオンが変換して得られた電気量のみを、周囲のノイズなどの影響を受けずに、正確に測定でき、イオン濃度を正確に測定することができる。また、イオン交換電極３１に効率良く被測定ガス２４を強制的に送るので、移動度が異なるイオンが数種類含まれていても、被測定ガス中のイオン濃度を明確にできる。
【００３３】
風胴３２は、被測定雰囲気からイオンを含有するガス２４をイオン交換電極３１に導く筒体ないし導管であり、好ましくは、少なくとも内面側が絶縁性材料で形成されて、内面絶縁体とされる。
【００３４】
ガス中のイオンは、物体に衝突すると、その物体との間で電荷の受け渡しを行うので、被測定ガス２４中のイオン濃度を正確に測定する際には、イオン変換電極であるイオン交換電極３１に効率良く被測定ガス２４を供給することが重要になる。風胴３２の材質が不導体（絶縁体）とすることにより、イオンは風胴３２内面に衝突して風胴３２内面を帯電させ、内面を構成する不導体の飽和帯電量に達するけれども、不導体は、表面部分のみが帯電することになり、飽和帯電量に達する時間が短く、イオンの測定を開始することができる。また、不導体の場合は風胴３２の厚み方向に電流は流れないので、風胴３２を構成する不導体の厚みを厚くすることにより、風胴３２外壁面の接触部からの漏れ電流を無くすことができる。
【００３５】
これに対して、風胴３２の材質が金属等の導体である場合には、ガス中のイオンは、風胴３２内面に衝突して風胴３２内面に電荷をわたすが、この場合には、風胴３２が接地されていると、電荷は留まらずに接地に流れるため、電極に到達する前にイオンは絶えず風胴３２内で消滅されることになり、大きな測定誤差になる。
【００３６】
他方で、風胴３２が接地されていない場合には、電荷は行き先を失って、風胴３２は徐々に帯電され、風胴３２の帯電量が飽和帯電量に達すると、イオンの壁面３２での消滅は停止し、イオンがイオン交換電極３１に供給されるようになる。しかしながら、金属の風胴３２は帯電容量が大きいために、イオンを測定するまでにかなりの時間を要することになる。金属は全体が帯電するため接触部からの漏れ電流があると、絶えずイオンが消費され続けることになる。
【００３７】
このように、風胴３２の内面を不導体で構成することにより、被測定ガス２４中のイオン量を正確に測定することができると共に、イオンの測定時間を短くすることができ、空間中に存在する被測定ガス２４中のイオンをオンラインで計測することができる効果が得られる。
【００３８】
図２には、風胴３２を金属導体から構成することもでき、この場合は、その風胴３２を、不導体の支持台３７で支持して接地電位から絶縁し、風胴３２に測定すべきイオンの極性と同じ極性で一定電圧を直流電源３８から供給するのがよい。直流電源３８で直流を印加すれば、外部から一定の電荷を即座に与えることができ、風胴３２内面を帯電させる時間が不要になり、即時にガス２４中のイオン量を測定することができる効果がある。
【００３９】
送風機３３は、被測定ガス２４をイオン交換電極３１に導くものであるが、被測定ガス２４中のイオン濃度を正確に測定するには、イオン変換電極であるイオン交換電極３１に効率良く被測定ガス２４を一定の割合で供給するかは、重要である。従って、被測定ガス２４をイオン交換電極３１に導くための送風機３３も、イオン濃度を正確に測定する上で、ガス中イオン量測定装置を構成する重要部品の一つである。
【００４０】
送風機３３は、好ましくは、イオン変換電極であるイオン交換電極３１よりも下流側に配置されるのが好ましい。吸引されたガス２４は、先に送風機３３を経由せずに、イオン交換電極３１に供給することができ、送風機３３におけるイオン消滅を避けることができる。この場合に、送風機３３には、イオン交換電極３１でイオンを除去されたガスを吸引するので、送風機３３の接地の有無にかかわらず、送風機３３の帯電による誤動作を防止でき、イオン交換電極３１に一定量の被測定ガスを供給することができる。
【００４１】
他方、送風機３３をイオン変換電極であるイオン交換電極３１よりも上流側に配置すると、被測定ガス２４中のイオンは送風機３３に衝突して送風機３３を帯電させるので、イオンは絶えず送風機３３で消滅され、イオン交換電極３１に一定風量でイオンを供給できなくなり、イオン量測定時の誤差になる。或いは、送風機３３が接地されていない場合、電荷は送風機３３を帯電させ、送風機３３の電気回路を誤動作させる可能性がある。
【００４２】
このように、送風機３３をイオン変換電極であるイオン交換電極３１よりも下流側に設置することにより、被測定ガス２４中のイオン量を正確に測定することができる、被測定ガス２４を一定風量でイオン交換電極３１に供給でき、一定容積中に存在するイオンの濃度を測定することができる。
【００４３】
次に、送風機３３は、ガス２４中のイオン濃度が、イオン交換電極３１に流れ込んだ電流を素電荷と風量の積で除して求めるので、イオン濃度を測定する際には被測定ガス２４の送風量を一定にすることが好ましい。このためには、送風機３３に供給する電力量を一定に維持すること、ガス中イオン量測定装置内での圧力損失を一定に維持することがなされる。
【００４４】
また、送風機３３には、連続羽根回転式の回転ポンプ、即ち、ファンが好ましく利用できる。往復ポンプを利用することもできるが、被測定ガス２４が脈動してイオン交換電極３１に輸送されるので、連続回転ファンと比較すると、イオン交換電極３１に供給されるガス２４の流量の安定性は低くなる。
【００４５】
ファンタイプの送風機３３は主にそのモータの違いによって、ＡＣコンデンサランモータ、ＡＣクマドリモータ、およびＤＣブラシレスモータに分けられるが、ＤＣブラシレスモータ（ホール素子モータ）が、電気雑音の皆無、回転数の安定制御、不要イオンの発生の防止の点で優れている。
【００４６】
ＤＣブラシレスモータは、図３に示すように、ＡＣ商用電源３９からＡＣ／ＤＣコンバータ４０によりＤＣ変換し、送風機３３内部に備え付けられているＤＣブラシレスモータを駆動するようにするのが好ましい。これは、入力電源に左右されずに送風機３３を動作することができ、一定風量の被測定ガス２４を安定的にイオン交換電極３１に供給することができ、被測定ガス２４中のイオン量を正確に測定できる。
【００４７】
このように、送風機３３に吸引ファンを使用して、駆動モータをＤＣブラシレスモータ（ホール素子モータ）にすることにより、被測定ガス２４を一定風量でイオン交換電極３１に供給でき、一定容積中に存在するイオンの濃度を正確に測定することができる効果が得られる。
【００４８】
風胴３２の構造について、前述したように、被測定ガス２４中のイオン濃度は被測定ガス２４中のイオンをイオン交換電極３１に衝突させて測定するので、イオン濃度を測定する際には被測定ガス２４をイオン交換電極３１に対して均一に流すことが重要である。このためには、風胴３２内における被測定ガス２４の流れが層流になることが好ましい。
【００４９】
図４は、風胴直径と、ガス流が層流になるためのガス流量との関係を示すが、室温で行った実験から斜線部分の風量に設定すると、層流になることがわかった。従って、風胴直径をＤ［ｃｍ］とすると、層流状態を維持できるガス流量Ｑ［ｃｍ³／ｓｅｃ］は、被測定ガスの粘度μ［ｇ／ｃｍ／ｓｅｃ］、被測定ガスの密度ρ［ｇ／ｃｍ³］として、
Ｑ＝１．９×１０³×μ／ρ×Ｄ
で表すことができ、この式で計算されるガス流量の値よりも被測定ガス流量を小さく設定することにより、効率的にイオンを電流に変換できることが明らかになった。
【００５０】
また、図５に示すように、被測定ガスを取り込む風胴３２の流入部分に拡径風胴４１を備え付けるようにしても、外部のかく乱による乱流の発生を抑える効果があることがわかった。これにより、風胴に取り込める被測定ガス流量を多くすることができるので、バッファアンプの増幅率を低減できるなどといった微少電流測定回路のスペックを低下させることが可能になり、微少電流測定回路の低コスト化を図れる効果がある。
【００５１】
図６には、層流化の他の例として、イオン変換電極であるイオン交換電極３１の後方で、送風機３３の前に、整流板、例えば、多孔板４２（多くの貫通孔が開いている板材）やハニカム板４３の通路を設けることもできる。整流板は、ファンの羽根の回転によって上流側に乱流が発生するのを抑えるものであり、これにより、風胴の拡径部４１を取り付ける場合と同様に、層流状態を維持して風胴３２に吸引できるガスの流量を大きくすることができ、バッファアンプの増幅率を低減できるなど、微少電流測定回路のスペックを低下させることが可能になり、微少電流測定回路の低コスト化を図れる効果がある。
【００５２】
このように、被測定ガスを取り込む風胴３２の開口部、即ち、流入部分に拡径部４１を備えたり、また、イオン変換電極であるイオン交換電極３１の後方に、多孔板ガイド４２やハニカム状の整流板４３を設けることにより、雰囲気から層流状態で、ガス２４の取り込み量を多くすることができ、相対的に、小型で安定なイオン測定装置を提供することができる。
【００５３】
イオン交換電極３１の構造は、図７にイオン交換電極３１の開口率とイオン交換電極３１におけるイオン捕集率の関係を示すように、イオン交換電極３１の開口率を１０％以下にすると、風胴３２内に吸引した被測定ガス２４中のイオンをほぼ１００％の捕集率で捕集できることが判る。イオン濃度を測定する際に、実用的な風胴３２内の風速では、イオン交換電極３１の開口率を少なくとも１０％以下にして、イオン交換電極３１を設計することができる。このように、イオン交換電極３１の開口率を１０％以下にすることにより、被測定ガス２４中のイオン濃度を正確に測定することができる効果が得られる。
【００５４】
イオン交換電極３１の材質は、電気抵抗の低い金属から構成され、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウム、アルミニウム、コバルト、ニッケル、鉄ないし鋼、特に、ステンレス鋼が利用される。
【００５５】
被測定ガス２４中のイオン濃度は、被測定ガス２４中のイオンをイオン交換電極３１に衝突させて測定するので、衝突したイオンから奪った電荷をイオン交換電極３１から電気量変換部３５に、減衰させずに、かつ、できるだけ早く供給することが重要である。このためには、イオン交換電極３１には電気抵抗が低い材質の金属を用いることが必要となる。尤も、金、銀、白金、パラジウムなどは高価であり、銅、アルミニウム、鉄などは酸化や腐食されやすく、特に、測定雰囲気ガスの腐食性に依存して被害を受ける惧れがある。時間経過とともに抵抗値が変化し、イオン交換電極３１として性能を長期間保証できないこともある。
【００５６】
従って、イオン交換電極３１には、コストが低く、電気抵抗が小さく、且つ耐食性があることを考慮して、ステンレス鋼を使用するのが最も実用的である。また、銅、アルミニウム、鉄などの基材金属の表面を金メッキして、イオン交換電極３１の表面の金属抵抗値を下げながら、イオン交換電極３１の酸化腐食を抑制することも可能である。
【００５７】
このように、イオン交換電極３１をステンレス鋼、または、金メッキされた銅、アルミニウム、鉄などの金属材料から構成することにより、ガス２４中イオン量を長期間にわたり正確に測定することができると共に、低コストのガス中イオン量測定装置を提供することができる。
【００５８】
電極から電気量処理部３５に接続する電線は、極めて微小な電流が流れるので、周囲からのノイズなどの影響を受けないように、電線部分が静電遮蔽されている電気シールド線を用いることが望ましい。
【００５９】
また、電気量処理部３５は、特に、電磁シールドされるのが好ましい。この例では、各構成部品が部品搭載用のプリント基板に搭載されており、そのプリント基板は、収納ケースに内蔵されている。具体的には、収納ケースは、ステンレス鋼で上面開口の箱状に形成され、その底部には、複数の支柱が立設されている。また、プリント基板は、その支柱にネジ止めされることによって、収納ケースの底部から離間した状態で内蔵されている。この電気量処理部３５では、収納ケースによってシールドされるため、外来雑音に起因する誤動作の発生が確実に防止されている。
【００６０】
さらに、電気量処理部３５は、防湿材により保護されているのが好ましい。この防湿のために、上記収納ケースの内部空間には、電気絶縁用のウレタン樹脂などの充填材（即ち、湿度防止材）が充填されている。また、結露時には充填材が各構成部品への水滴の付着を阻止するので、電気量処理部３５では、結露に起因する利得変動が防止される結果、電流−電圧変換処理が正確かつ確実に行われる。
【００６１】
また、電気量処理部３５および電気量測定部３６間を接続する接続ケーブルは、例えば同軸ケーブルなどの電気シールド線が用いられており、電気量処理部３５から出力されるセンサー電圧やセンサー電流への雑音の重畳が防止されている。以上の構成により、電気量測定部３６が、外来雑音や環境条件の変動に左右されることなく、ガス中のイオン濃度を正確に測定することが可能となる。
【００６２】
実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２によるガス中イオン量測定装置を示す構成図である。電気量処理部３５内の電流−電圧変換器３５１を構成している高入力インピーダンスの演算増幅器Ｄの基準電位を変更するための直流電圧調節装置５１が設けられる。
【００６３】
直流電圧調節装置５１は、図示しないが、正の電圧と負電圧とを選択スイッチを介して、電流−電圧変換器３５１を構成している高入力インピーダンスの演算増幅器Ｄの非反転入力端子Ｐに接続され（図１（Ｂ））、正電圧又は負電圧を賦与する。この演算増幅器Ｄの非反転入力端子Ｐの電位が正電位にされると、イオン交換電極３１が正極に帯電される。被測定ガス２４中の負イオンは、イオン交換電極３１と異極性であるため、イオン交換電極３１に向かって吸引され移動し、最終的にはイオン交換電極３１に衝突して負電荷をイオン交換電極３１に供給する。この場合、正イオンはイオン交換電極３１と同じ極性であるため、イオン交換電極３１とは反発して衝突することなく、送風機３３を通過して風胴３２外に放出される。このようにすることにより、被測定ガス２４中の負イオンだけを捕集して、そのイオン濃度を知ることができる。
【００６４】
イオン交換電極３１は支持板３４により絶縁設置されているので、イオン交換電極３１に供給された負電荷は電気量処理部３５に向かってのみ電流として流れる。イオン交換電極３１から電気量処理部３５に向かって流れる電流のレベルは、多くともｎＡレベルであるため、容易に測定可能な電気量レベルに電気量処理部３５で変換される。すなわち、電流に変換する場合には数ｍＡ〜数Ａレベルの電流に、電圧に変換する場合には数ｍＶ〜数Ｖレベルの電圧に変換される。このようにして電気量処理部３５で変換された信号は電気量測定部３６で電気量に変換され、イオン交換電極３１から電気量処理部３５に流れた単位時間当たりの電気量が求めら、ガス中の負イオン濃度が算出される。
【００６５】
また、直流電圧調節装置５１により、電気量処理部３５内の電流−電圧変換器を構成している高入力インピーダンスの演算増幅器の基準電位が負電位にされると、イオン交換電極３１が負極性に帯電される。被測定ガス２４中の正イオンは、イオン交換電極３１と異極性であるため、イオン交換電極３１に向かって移動し、最終的にはイオン交換電極３１に衝突して正電荷をイオン交換電極３１に供給する。一方、負イオンはイオン交換電極３１と同極性であるため、イオン交換電極３１とは衝突せずに、送風機３３を通過して風胴３１外に放出される。このようにすることにより、被測定ガス２４中の正イオンだけを捕集して、そのイオン電流を測定することができる。
【００６６】
このように、電気量処理部３５内の電流−電圧変換器を構成している高入力インピーダンスの演算増幅器の基準電位を変更するための直流電圧調節装置を設けるようにしたので、被測定ガス２４中の正極性のイオン量と負極性のイオン量を別個に測定することができ、測定したい極性のイオンのみを捕集でき、被測定ガス２４中の測定したい極性のイオンの濃度を正確に測定できる効果がある。
【００６７】
実施の形態３．
この実施形態は、図９において示すように、イオン誘導手段として反発電極６１を配置した例を示している。反発電極６１は、風胴内にイオン変換電極であるイオン交換電極３１を通過したイオンを再びイオン交換電極３１に導くためのもので、イオン交換電極３１の後方に配置している。
反発電極も、金属の網体が利用され、この反発電極６１には、測定しようとしているイオン種と同じ極性の電圧が直流電源３８より印加される。反発電極６１は、絶縁性の支持台６１を利用して、風胴３２に絶縁的に取り付けられている。
【００６８】
被測定ガス２４中の測定しようとするイオンは、ガス流と共にイオン交換電極３１を通過する際に金網極に衝突し、その電荷をイオン交換電極３１に与えるが、一部のイオンはイオン交換電極３１の網目を通りぬけて、イオン交換電極３１と反発電極６１の間の空間に進入する。反発電極６１には、測定しようとするイオンと同じ極性の電圧をかけているので、イオン交換電極３１を通りぬけたイオンは、反発電極で反発して、もとのイオン交換電極に戻され、イオン交換電極３１に電荷を渡すので、イオン捕獲効率が高く、電流が高くなり、測定精度を高くすることができる。
【００６９】
正イオン測定時には正極性の電圧が反発電極６１に印加され、負イオン測定時には負極性の電圧が反発電極６１に印加される。これにより、正イオン測定時には反発電極６１からイオン交換電極３１に向かう電界が、また、負イオン測定時にはイオン交換電極３１から反発電極６１に向かう電界が、イオン交換電極３１と反発電極６１の間に発生する。従って、イオン交換電極３１と反発電極６１の間に進入したイオンは電界の力を受けてイオン交換電極３１に向かって移動し、最終的にはイオン交換電極３１に衝突して電荷をイオン交換電極３１に供給する。イオン交換電極３１は支持板３４により絶縁設置されているので、イオン交換電極３１に供給された電荷は電気量処理部３５に向かってのみ電流として流れる。
【００７０】
次に、イオン交換電極３１と反発電極６１間に作る電界の強さは、イオンの捕集効率と関係があり、どちらも金網電極であるイオン交換電極３１と反発電極６１との間に電界強度が生じるが、図１０において、風胴３３内の被測定ガス２４の風速が１．４ｍ／ｓの場合、８ｋＶ／ｍ以上の電界を掛けることにより、イオンを１００％捕集できることが判る。同様に、風速が３．６ｍ／ｓの場合は１８ｋＶ／ｍの電界を掛け、風速が４．９ｍ／ｓの場合は２５ｋＶ／ｍの電界を掛けることにより、イオンを１００％捕集できることが判る。
【００７１】
図１１は、イオンを１００％捕集する時の風速と必要最小限の電界強度の関係を示したものであり、このように、風速ｖと電界強度Ｅとの間には以下に示す式の関係が成り立つことがわかった。
Ｅ[Ｖ／ｍ]＝５．５×１０³×ｖ[ｍ／ｓ]
【００７２】
従って、被測定ガス２４中のイオンを測定する際には、上記の式を満足するように、イオン交換電極３１と反発電極６１間の距離および反発電極６１に印加する電圧を設計するのが好ましい。
【００７３】
このように、イオン変換電極であるイオン交換電極３１の下流側に反発電極６１を絶縁的に風胴３２に取り付けることにより、被測定ガス２４のイオンを１００％捕集でき、被測定ガス２４中のイオン濃度を正確に測定することができる。
【００７４】
また、本実施の形態では、測定したい極性のイオンのみをイオン交換電極３１と反発電極６１との間の電界の力によって移動させて測定することができるから、イオン交換電極３１には、測定したくない極性のイオンを衝突させないようにすることにより、測定したい極性のイオンの濃度測定の精度を高めることができる。
【００７５】
すなわち、図７に示すように、イオン交換電極３１は、金網開口率を少なくとも８０％以上にすることにより、風速に依存せずに、風胴３２内に取り込んだ被測定ガス２４中のイオンをほぼ１００％通過させることができる。従って、反発電極６１が付設されているイオン量測定装置では、イオン交換電極３１の金網の開口率を少なくとも８０％以上にして、イオン交換電極３１を設計するのが好ましい。
【００７６】
このように、イオン交換電極３１の金網の開口率を大きくすることにより、被測定ガス２４中の意図しないイオン通過させ、測定しようとするイオンを反発電極により反発させてイオン交換電極３１に捕獲することができので、イオンを選択的にかつ効率良く捕集でき、被測定ガス２４中のイオン濃度をより精度良く測定できる。
【００７７】
なお、上記実施の形態では、イオン交換電極３１の電位はゼロとし、反発電極６１に所定量の正または負極性電荷が印加されるようにして、イオン交換電極３１と反発電極６１間に電界を作る場合について示したが、図１２に示すように、直流電圧調節装置５１を、電気量処理部３５内の電流−電圧変換器を構成している高入力インピーダンスの演算増幅器Ｄの被反転流力端子Ｐに接続して（図１（Ｂ））、正または負の電圧を切り替えて印加し、演算増幅器Ｄの基準電位を正または負電位に設定して、イオン交換電極３１を正または負極性に帯電されるようにしてもよい。これにより、測定したいイオンの電荷とは異なる極性のイオンがイオン交換電極３１に衝突することを防ぐことができ、被測定ガス２４中のイオン濃度をより正確に測定することができる効果がある。また、反発電極６１に印加する電圧値を小さくすることができ、直流電源３８の容量を小さくできるため、イオン量測定装置の性能を落とさずに低コスト化できる効果がある。
【００７８】
実施の形態４．
この実施の形態は、図１３〜１４に示すように、反発電極を、風胴内で、気流の方向に両端開口の１つ以上の金属導管７２をガス流通可能に配置して、イオン交換電極を、金属導管７２内に同軸状に張設した金属導線６１とし、導管には被測定イオン電荷と反対極性の電位が印加され、導線には、電気量処理部３５が接続される。
【００７９】
この実施形態は、反発電極を円筒形状金属導管７２から構成するようにし、金属導管７２は絶縁された風胴３２に絶縁的に取り付けられて、金属導管７２内の被測定ガス２４が流れる各流路内の中心部分に、絶縁支持板を介して導線、即ち、線電極７１を支持するようにし、金属導管７２に測定するイオンと同じ極性の電圧を直流電源３８より印加するものである。
【００８０】
このような測定装置で、被測定雰囲気から吸引ファン３３によって取り込まれた被測定ガス２４は、金属導管７２内の各流路に一定の割合で分割されて流路内に浸入する。反発電極としての金属導管７２には測定しているイオンと同じ極性の電圧が直流電源３８より印加されている。すなわち、正イオン測定時には正極性の電圧が金属導管７２に印加され、負イオン測定時には負極性の電圧が金属導管７２に印加される。これにより、正イオン測定時には金属導管７２から線電極７１に向かう電界が、また、負イオン測定時には金属導管７２から線電極７１に向かう電界が、金属導管７２の風胴内面と線電極７１の間に発生する。従って、金属導管７２と導線、即ち、線電極７１の間に浸入したイオンは電界の力を受けて線電極７１に向かって移動し、最終的には線電極７１に衝突して電荷を線電極７１に供給する。線電極７１は絶縁支持板７３により絶縁設置されているので、線電極７１に供給された電荷は電気量処理部３５に向かってのみ電流として流れ出す。
【００８１】
線電極７１から電気量処理部３５に向かって流れる電流のレベルは、多くともｎＡレベルであるため、容易に測定可能な電気量レベルに電気量処理部３５で変換される。すなわち、電流に変換する場合には数ｍＡ〜数Ａレベルの電流に、電圧に変換する場合には数ｍＶ〜数Ｖレベルの電圧に変換される。このようにして電気量処理部３５で変換された電気量は電気量測定部３６で測定され、線電極７１から電気量処理部３５に流れた電流が求められる。
【００８２】
次に、線電極７１と金属導管７２間に作る電界の強さとイオンの捕集効率の関係について述べる。前述したように、線電極７１と金属導管７２間の電界場に進入したイオンは、線電極７１と金属導管７２間に作られた電界によって線電極７１の方に向かって移動する。従って、イオンを効率良く線電極７１に捕集するためには、イオンが線電極７１と金属導管７２間の電界場に存在する間にイオンを線電極７１に衝突させることが必要である。イオンが電界場に存在する時間ｔ［ｓ］は、
ｔ＝Ｌ／Ｕ
で表すことができ、この時間内にイオンが線電極７１に衝突する必要がある。ここで、Ｌは線電極７１の長さ［ｃｍ］、Ｕは線電極７１と平行方向に向かって流れる被測定ガス２４の速度［ｃｍ／ｓ］である。
【００８３】
また、線電極７１と金属導管７２間の電界場に進入してきたイオンが線電極７１に衝突するために移動しなければならない最大距離は、金属導管７２の円筒穴の内面と線電極７１の外面との距離、すなわち、金属導管７２の円筒穴の半径Ｒから線電極７１の半径ｒの差で表すことができる。
【００８４】
一方、線電極７１と金属導管７２間の電界強度Ｅ［Ｖ／ｃｍ］は、
Ｅ＝Ｖ／{（Ｒ＋ｒ）／２×ｌｎ（Ｒ／ｒ）}
で表すことができる。ここで、Ｖは直流電源３８から金属導管７２に印加する電圧［Ｖ］である。また、イオンがこの電界によって線電極７１に向かって移動する際の速度Ｄ［ｃｍ／ｓ］は、
Ｄ＝μ×Ｅ
で表すことができる。ここで、μはイオンの移動度［ｃｍ²／Ｖ／ｓ］である。
【００８５】
よって、線電極７１と金属導管７２間の電界場に侵入してきたイオンが線電極７１に衝突するために必要とする最大時間τ［ｓ］は、
τ＝（Ｒ−ｒ）／Ｄ
で表すことができる。
【００８６】
イオンを効率良く線電極７１に捕集するためには、イオンが電界場に存在する時間ｔよりもイオンが線電極７１に衝突するまでにかかる時間τが短くなることが必要となる。すなわち、以下の関係式が成り立つように、金属導管７２に直流電源３８から印加する電圧を決定する必要がある。
Ｖ≧{（Ｒ²−ｒ²）×Ｕ×ｌｎ（Ｒ／ｒ）}／（２×Ｌ×μ）
【００８７】
このように、円筒形状の貫通孔が平行にいくつかあいている金属導管７２から構成し、金属導管７２内の被測定ガス２４が流れる各流路内の中心部分に絶縁支持板で線電極７１を支持すると共に、金属導管７２に測定するイオンと同じ極性の電圧を直流電源３８より印加するようにしたので、被測定ガス２４のイオンを極性別に分離しながら、測定したい極性のイオンのみを１００％捕集でき、被測定ガス２４中のイオン濃度を正確に測定することができる効果がある。
【００８８】
なお、上記実施の形態では、線電極７１の電位はゼロとし、金属導管７２に所定量の正または負極性電荷が印加されるようにして、線電極７１と金属導管７２間に電界を作る場合について示したが、図１４に示すように、直流電圧調節装置５１により、電気量処理部３５内の電流−電圧変換器を構成している高入力インピーダンスの演算増幅器の基準電位を正または負電位にして、線電極７１を正または負極性に帯電されるようにしても良い。これにより、測定したい極性とは異なる極性のイオンを線電極７１に衝突することを防ぐことができ、被測定ガス２４中のイオン濃度をより正確に測定することができる効果がある。また、金属導管７２に印加する電圧値を小さくすることができ、直流電源３８の容量を小さくできるため、イオン量測定装置の性能を落とさずに低コスト化できる。
【００８９】
実施の形態５．
図１５は、この発明の実施の形態５によるガス中イオン量測定装置を示すが、風胴の開口部が、イオン交換電極３１設置部の直径よりも縮径された例を示している。
【００９０】
異径風胴３２は、開口部側の異径風胴８１からイオン交換電極３１に近づくにつれて断面が大きくなっているので、取り込まれた被測定ガス２４中の流速はイオン交換電極３１に近づくほど遅くなる。このように流速が遅くなると、イオンの移動速度も遅くなるため、イオンがイオン交換電極３１と衝突する確率が高くなり、イオンの捕集効率がよく、イオン交換電極３１に電荷を供給することができるようになる。なお、空間から取り込んだ被測定ガス２４をイオン交換電極３１に一様に供給できるように、異径風胴８１の断面形状およびイオン交換電極３１の形状は円形とし、異径風胴８１とイオン交換電極３１は同軸直線状に存在するようにすることが望ましい。
【００９１】
このように、被測定ガス２４入口部の断面よりもイオン交換電極３１設置部の断面が大きくなっている異径風胴を備えるようにしたもので、被測定ガス中のイオンを捕集する効率をさらに高めることができ、被測定ガス２４中のイオン濃度をさらに正確に測定することができる効果がある。
【００９２】
実施の形態６．
この実施形態は、風胴中に、誘導電極をイオン交換の前に配置した例を示す。誘導電極９１は、測定しようとする極性のイオンのみを後方のイオン変換電極に供給するためのものであって、イオン誘導電極９１は、絶縁的に風胴３２に取り付けるための絶縁支持台９２に固定されており、直流電源３８に接続されて、所望の極性の電圧を誘導電極９２に印加することができる。
【００９３】
イオン誘導電極９１は開口率を高め、できるだけ被測定ガス２４中のイオンと衝突しない構造、すなわち、線径の小さい金属線で編んだ目が粗い金網のような形になっているため、イオンはイオン誘導電極に衝突せずに、イオン誘導電極９１とイオン交換電極３１の間の空間に進入する。なお、空間から取り込んだ被測定ガス２４をイオン交換電極３１に一様に供給できるように、風胴３２の断面および金網電極の形状は円形とし、風胴３２とイオン交換電極３１は同軸直線状に存在することが望ましい。支持台９２により絶縁的に風胴３２に取り付けられたイオン誘導電極９１には測定したいイオンと同じ極性の電圧が直流電源３８より印加される。すなわち、正イオン測定時には正極性の電圧がイオン誘導電極９１に印加され、負イオン測定時には負極性の電圧がイオン誘導電極９１に印加される。これにより、正イオン測定時にはイオン誘導電極９１からイオン交換電極３１に向かう電界が、また、負イオン測定時にはイオン交換電極３１からイオン誘導電極９１に向かう電界が、イオン交換電極３１とイオン誘導電極９１の間に発生する。
【００９４】
従って、被測定雰囲気からの被測定ガス２４は、一定風量で風胴３２を通って誘導電極９１を通過し、イオン誘導電極９１を通過したイオンは、イオン誘導電極９１とイオン交換電極３１の間に進入し、ここで、電界の力を受けて極性の違いによって、正イオンと負イオンとが分離され、測定する極性のイオンのみがイオン交換電極３１に向かって移動し、最終的にはイオン交換電極３１に衝突して電荷をイオン交換電極３１に渡す。
【００９５】
イオン交換電極３１は支持板３４により絶縁設置されているので、イオン交換電極３１に供給された電荷は電気量処理部３５に向かってのみ電流として流れ、電気量処理部３５により、測定可能な電圧レベルで変換される。
【００９６】
このように、測定したい極性のイオンのみをイオン交換電極３１に供給するための誘導電極を備えるようにしたので、被測定ガス２４中の正極性のイオン量と負極性のイオン量を別個に測定することができ、測定したい極性のイオンのみを捕集できるため、被測定ガス２４中の測定したい極性のイオンの濃度を正確に測定できる効果がある。
【００９７】
イオン誘導電極９１の構造については、図７に示すように、金網の開口率が８０％以上にすれば、風胴３２内に取り込んだ被測定ガス２４中のイオンをほぼ１００％通過させることができる。そこで、イオン濃度を測定する際に実用的な風胴３２内の風速では、イオン誘導電極９１の開口率を少なくとも８０％以上にして、イオン誘導電極３１を設計するのが好ましい。このように、イオン誘導電極９１の開口率を高くすることにより、被測定ガス２４のイオンを選択的に、かつ、効率良く捕集でき、被測定ガス２４中のイオン濃度をより精度よく測定できる効果が得られる。
【００９８】
なお、上記実施の形態では、イオン交換電極３１の電位はゼロとし、イオン誘導電極９１に所定量の正または負極性電荷が印加されるようにして、イオン交換電極３１とイオン誘導電極９１間に電界を作る場合について示したが、図１７に示すように、直流電圧調節装置５１を電気量処理部３５内の電流−電圧変換器を構成している高入力インピーダンスの演算増幅器Ｄの被反転入力端子Ｐに接続して、演算増幅器Ｄの基準電位を正または負電位に設定して、イオン交換電極３１を正または負極性に帯電されるようにしてもよい。これにより、反発電極６１に印加する電圧値を小さくすることができ、直流電源３８の容量を小さくできるため、イオン量測定装置の性能を落とさずに低コスト化できる効果がある。
【００９９】
さらに、また、上記実施の形態では、測定する極性のイオンのみをイオン変換電極であるイオン交換電極３１に供給するためのイオン誘導電極９１が金網構造である場合について示したが、図１８に示すように、イオンを分離するための電極を点状電極９３とし、その点状電極９３を絶縁的に風胴３２に取り付ける絶縁支持板９４で支えるようにしても良い。これにより、測定したい極性とは異なる極性のイオンがイオン誘導電極に衝突することを防ぐことができ、被測定ガス２４中のイオン濃度をより正確に測定することができる効果がある。
【０１００】
【発明の効果】
本発明のイオン量測定装置は、ガス中に存在するイオンから電荷を取り除くイオン変換電極と、このイオン変換電極にイオンを含んだガスを供給する被測定ガス供給手段と、このイオン変換電極において発生した電気量を処理する電気量処理部と、処理した電気量の大きさを測定する電気量測定部とから成るので、イオンが変換して得られた電気量のみを周囲のノイズなどの影響を受けずに正確に測定でき、イオン濃度を正確に計測できると共に、移動度が異なるイオンが数種類含まれていても、被測定ガス中のイオン濃度を明確にできる。
【０１０１】
イオン変換電極が風胴中に配置されてガスの流通可能な金属性多孔体であるので、電極の空間へのガスの流通と流通過程でのイオンの電荷の受け渡しが良好であり、イオン濃度の連続測定に適している。
【０１０２】
本発明は、金属性多孔体を金属網体とすれば、風胴への固定が容易で、且つ、ガスの流通抵抗が少なく、流通過程でイオン濃度の連続測定が容易になる。
【０１０３】
また、電気量処理部内に少なくとも電流−電圧変換回路、およびノイズ除去フィルタ回路を設けるようにしたので、イオン変換して得られた電気量のみを周囲のノイズなどの影響を受けずに正確に測定でき、イオン濃度を正確に計測できる。
【０１０４】
風胴の少なくとも内面を電気絶縁体とすれば、ガス中イオンの壁面での消耗を少なくでき、イオン量測定精度を向上することができる。
【０１０５】
風胴を導電体で構成することもでき、風胴が接地に対して電気的に絶縁されておれば、ガス中イオンの壁面での消耗を少なくでき、イオン量測定精度を向上することができる。
【０１０６】
イオン変換電極が、風胴に対して絶縁的に支持されておれば、イオン変換電極に所望の極性の電位を付加することができる。また、イオン変換電極で生成した電荷を電気量処理部以外に逃がさずに電気量処理部で計測することができ、イオン濃度を正確に計測できる効果がある。
【０１０７】
本発明が、特に、電位調節手段を設けて、イオン変換電極の基準電位を任意に変更できるようにすれば、イオン変換電極に所望の極性の電位を付加することができ、正負のイオンを分別してイオン量を測定できる。また、測定しない極性のイオンを排除して、測定したい極性のイオンだけの濃度を正確に測定できる効果がある。
【０１０８】
上記の電位調整手段が、イオン変換電極に接続する電流−電圧変換回路の作動増幅器の非反転入力に接続した正電位と負電位とに切り替え可能な直流電源回路とすれば、簡単に、イオン変換電極に所望の極性の電位を付加することができ、正負のイオンを分別してイオン量を容易に測定できる。
【０１０９】
風胴内の気流中でイオンをイオン変換電極に誘導するイオン誘導手段を風胴内に配置すれば、イオン変換電極をすりぬけるイオンの捕獲とそれに伴う精度向上に有効である。
【０１１０】
イオン誘導手段を、気流中に配置された金属導体で、さらに直流電圧を印加する直流電源を含むものとすれば、イオン変換電極をすりぬけるイオンの捕獲とそれに伴う精度向上に有効である。
【０１１１】
イオン誘導手段が、イオン変換電極の下流側に備えたイオン反発電極を含み、該イオン反発電極には、被測定イオン電荷と反対極性の電位を印加するものとすれば、イオン変換電極をすりぬけるイオンを反発させてイオン変換電極での捕獲の確率がたかまり、それに伴う精度向上に有効である。
【０１１２】
イオン反発電極が金属網体とすれば、構成が簡単であり、イオン変換電極での捕獲の確率がたかまり、それに伴う精度向上を簡便に実現することができる。
【０１１３】
イオン誘導手段が、イオン変換電極の上流側に配置したイオン誘導電極を含み、イオン誘導電極には、被測定イオン電荷と同極性の電位を印加するようにすれば、イオン変換電極でのイオン捕獲の効率を高め、測定精度の向上に有効である。
【０１１４】
イオン誘導電極を、開口面積比８０％以上を有するものとすれば、イオン誘導電極での被測定イオンの通過を確実にし得て、捕獲効率を高めることができる。
【０１１５】
イオン変換電極が、ガス吸引可能な開口部を有する風胴中に気流方向に配置された１つ又は２つ以上の導線を利用して、各導線周りには両端開口の金属導管をガス流通可能に配置して被測定イオン電荷と反対の極性の電位が印加されるので、被測定イオンのほぼ完全に捕獲を実現して、測定精度を高めることができる。
【０１１６】
ガス供給手段を、イオン変換電極に対して下流側に配置された吸引ファンとすれば、イオンの消耗を伴うことなく、安定した供給速度で、イオン変換電極に、気流中の被測定イオンを供給することができる。
【０１１７】
ガス供給手段には、ファンを駆動するモータに直流モータを使用すれば、ファンの回転が安定であり、雑音も少なく、イオン量測定精度の維持に有効である。
【０１１８】
風胴の開口部を、イオン変換電極の配置位置の風胴径よりも拡径しておくと、層流状態での吸入風量を大きくできて、イオン量測定感度を高めることができる。
【０１１９】
風胴の開口部が、イオン変換部位置の風胴径よりも縮径されていると、イオン変換部位置での流速を低下させることができ、イオンの捕獲効率を高めて、測定精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係るガス中イオン量測定装置の模式的断面図（Ａ）と電気量処理部のブロック図（Ｂ）。
【図２】この発明の実施の形態係るガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図３】この発明の実施の形態に係るガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図４】被測定ガス流が層流になる際のガス流量と風胴直径の関係を示すグラフ。
【図５】この発明の実施の形態による拡径した空洞のガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図６】この発明の実施の形態によるガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図７】イオン交換電極の金網の開口率とイオン交換電極におけるイオン捕集率の関係を示す図。
【図８】この発明の実施の形態によるガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図９】この発明の実施の形態によるガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図１０】イオン交換電極３１と反発電極６１間の電界強度がイオン交換電極３１におけるイオン捕集率に与える影響を示すグラフ。
【図１１】イオンを１００％捕集する時の風速と必要最小限の電界強度の関係を示すグラフ。
【図１２】この発明の実施の形態によるガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図１３】この発明の実施の形態によるガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図１４】この発明の実施の形態によるガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図１５】この発明の実施の形態によるガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図１６】この発明の実施の形態によるガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図１７】この発明の実施の形態によるガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図１８】この発明の実施の形態によるガス中イオン量測定装置の模式的断面図。
【図１９】従来のガス中イオン量測定装置のブロック図。
【図２０】従来のガス中イオン量測定装置の示す回路図。
【符号の説明】
３１イオン交換電極、３２風胴、３３送風機、３４支持台、３５電気量処理部、３６電気量測定部、４１開口部、５１直流電圧調節装置、６１反発電極、６２支持台、７１線電極、７２金属導管、８１異径風胴、９１イオン誘導電極、９２絶縁支持台、９３点状電極、９４絶縁支持板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas ion amount measuring device that measures the concentration of ions present in an atmosphere such as air.
[0002]
[Prior art]
An apparatus for measuring the ion concentration in a gas is known and disclosed in, for example, JP-A-6-194340. In this apparatus, as shown in FIG. 19, a spherical electrode 1 is arranged in the atmosphere to be measured, the number of ions per unit time colliding with the spherical electrode 1 is detected as an ion current, and the ion current is detected by an operational amplifier. A method of converting and amplifying the voltage and measuring the ion concentration as the voltage is adopted.
[0003]
With respect to the spherical electrode 1, the ions carry the electric charge to the electrode 1 by the diffusion of the ions almost without depending on the direction of the ions, so that an ionic current flows. When the electrode 1 is spherical, the current I due to positive ions absorbed by this spherical electrode⁺Is
I⁺= 4πR · e · n⁺・ Κ⁺・ C ・ U^-
Determined by. Where R is the radius of the spherical electrode, e is the basic charge, n⁺Is the number of positive ions, κ⁺Is the mobility of positive ions, C is the spherical capacitance to the environment, U^-Is a spherical voltage with respect to the ground potential (in this case, a negative voltage). Current I caused by negative ions^-For, the sign is reversed and the voltage U of the spherical electrode⁺It becomes.
[0004]
In this example, the electrode 1 is connected to the inverting input of the operational amplifier 3, and the output of the operational amplifier 3 is negatively fed back to the inverting input of the operational amplifier 3 through the resistor 4. As a current / voltage converter, The AC component of the output of the operational amplifier 3 is negatively fed back via the capacitor 5 connected in parallel with the resistor 4. The output of the operational amplifier 3 is connected to the evaluation circuit 10, and the output of the evaluation circuit 10 is connected to the display 11, the comparison circuit 12, and the alarm unit 13.
[0005]
The non-inverting input of the operational amplifier 3 is connected to the reference potential 14 (ground potential), the positive voltage source 6 or the negative voltage source 7 through the switch 8 controlled by the control unit 9, and the electrodes are Among ions in an atmosphere such as air that is biased to ground potential, positive potential, or negative potential and flows through the electrode 1, the concentration of positive and negative ions, the concentration of only negative ions, or the concentration of only positive ions Can be measured. This is because when the control unit 9 controls to selectively connect to the positive or negative voltage sources 6, 7, a positive or negative voltage is applied to the non-inverting input of the operational amplifier 3. The voltage of 1 is set to this positive or negative voltage. Among the ions at the potential set to the spherical electrode, only negative ions or positive ions collide with the electrode 1 and charge is transferred to the electrodes. Therefore, it is possible to measure the concentration by separating positive and negative ions. it can.
[0006]
As can be seen from the above equation, the current does not depend on the velocity of the gas. The current flowing from the electrode 1 constituting the sensor through the switch 2 is compensated by the operational amplifier 3 and the resistor 4 functioning as a current / voltage converter, and the output voltage of the operational amplifier is input from the resistor 4 and the electrode 1. The product of the current. The voltage at the electrode 1 does not depend on the input current and is always the applied potential of the non-inverting input of the operational amplifier 3.
[0007]
This current / voltage converter has a low-pass characteristic due to the negative feedback through the capacitor 5, and interference caused by, for example, an ion generator on the electrode 1 is suppressed. Such electrical spurious signals are coupled to the interference source as an interference current through a low sensor capacitance. The spurious AC voltage is attenuated by the ratio of the sensor capacitance to the interference source to the negative feedback capacitance 5 and appears at the output of the operational amplifier 3. In the evaluation circuit 10, the voltage supplied by the operational amplifier 3 is temporarily stored, evaluated by the Rieck equation to determine the number of ions present, and this determined number of ions is displayed on the display 11. The
[0008]
As another prior art example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-45453 discloses a gas ion content measuring apparatus. FIG. 20 shows an outline of this apparatus. A positive voltage and a negative voltage are applied to a pair of electrode plates 21a and 21b opposed to each other with a certain interval, and between the electrode plates 21a and 1b. Forms a constant electric field, and a measurement gas 24 containing ions is supplied between the electrode plates. Positive and negative ions accelerated by an electric field are attracted to and collide with each electrode, and an ion current flows. By measuring this current, the amount of positive ions and negative ions can be measured.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional gas ion amount measuring apparatus using the spherical electrode described above has an error in the ion concentration in the gas when the gas contains several types of ions having different mobilities. , The collection efficiency is low.
[0010]
In addition, in order to cause ions to collide with the electrodes with high efficiency, it is necessary to increase the electric field strength between the electrodes as much as possible. The pressure loss of the flowing gas was increased, and the gas containing ions could not be efficiently supplied between the electrodes. On the other hand, when the distance between the electrodes is increased, the voltage applied to the electrodes must be increased. Furthermore, in the conventional ion amount measuring device in gas, there is a problem that when measuring a minute current converted by ions, the minute current cannot be measured accurately due to the influence of ambient noise and humidity.
[0011]
In view of the above problems, the present invention can efficiently collect ions in a gas to be measured, and can accurately measure the amount of current generated by ion conversion. An object is to obtain a measuring device and a method for measuring the amount of ions in a gas.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
An apparatus for measuring the amount of ions in a gas according to the present invention comprises an ion conversion electrode for removing charges from ions present in a gas, a gas supply means to be measured for supplying a gas containing ions to the ion conversion electrode, and this ion conversion. An electric quantity processing unit for processing the electric quantity generated in the electrode and an electric quantity measuring unit for measuring the magnitude of the processed electric quantity are configured.
[0013]
That is, the apparatus of the present invention includes an ion conversion electrode that receives charges of ions existing in a gas to be measured and a gas supply unit that supplies the gas to the ion conversion electrode in a wind tunnel that forms an atmospheric gas flow. The gas that has been placed and brought into the wind tunnel by the gas supply means is brought into contact with the ion conversion electrode, and the electric charge of the ions is input to the electric quantity processing unit as an electric current, and is output as an electric signal proportional to the amount of the ion electric charge. To do.
[0014]
In the present invention, a metallic porous body that is arranged in a wind tunnel and allows gas flow can be used for the ion conversion electrode, and more preferably, a metallic network is used for the metallic porous body.
[0015]
The electric quantity processing unit of the present invention preferably includes a current-voltage conversion circuit for converting electric quantity into a voltage signal and a noise removal filter circuit for the voltage signal, thereby removing unnecessary noise signals. A voltage signal is obtained.
[0016]
At least the inner surface of the wind tunnel is made of an electrical insulator, whereby it is possible to prevent consumption of ions in the wind tunnel airflow and to prevent a reduction in measurement accuracy. The wind tunnel may further be made of a conductor. In this case, a wind tunnel in which the wind tunnel is electrically insulated from the ground can be employed.
[0017]
In the measuring apparatus of the present invention, the ion conversion electrode is preferably supported in an insulating manner with respect to the wind tunnel via an insulating support.
Furthermore, it is preferable to provide a potential adjusting means capable of arbitrarily changing the reference potential of the ion conversion electrode. By setting this reference potential to a positive or negative potential from the ground potential (or space potential), only negative ions or positive ions selectively pass charges to the ion conversion electrode, respectively. The ion concentration of the polarity can be measured from the quantity.
[0018]
In this case, the ion conversion electrode is connected to the inverting input of the differential arithmetic unit of the current-voltage conversion circuit, and the potential adjusting means is connected to the non-inverting input of the differential arithmetic unit of the current-voltage conversion circuit. A DC power supply circuit that can be switched between a positive potential and a negative potential can be used.
[0019]
The present invention can employ one in which ion guiding means for guiding ions in the airflow in the wind tunnel to the ion conversion electrode is disposed in the wind tunnel. The ion guiding means prevents the measurement error from being caused by passing through the ion conversion electrode without passing the electric charge. The ion guiding means is a metal conductor arranged in the air current. A DC power supply for applying a DC voltage is included. As the ion guiding means, an ion repelling electrode arranged on the downstream side of the ion conversion electrode and an ion guiding electrode arranged on the upstream side can be used, and both are given a potential having the same polarity as the charge of the ion to be measured. The
[0020]
The ion repelling electrode is preferably a metal mesh body, and is disposed rearward to repel ions to be measured that have passed through the ion conversion electrode to the upstream side, thereby increasing the efficiency of capture at the ion conversion electrode.
As the other ion induction electrode, a metal conductor having an aperture area ratio of 80% or more can be used, and the ions to be measured are converged on the ion conversion electrode to increase the capture efficiency.
[0021]
One or two or more conducting wires can be used in which the ion conversion electrode is disposed in the airflow direction in a wind tunnel having an opening capable of sucking gas. A measuring device that is arranged so as to be able to flow and applies a potential having a polarity opposite to the ionic charge to be measured can also be used. A metal conduit to which a direct current potential is applied acts as an ion repulsion electrode or induction electrode, and captures target ions on a conductive wire, that is, a metal wire, and detects an ionic current.
[0022]
In the present invention, the gas supply means is preferably a suction fan disposed downstream of the ion conversion electrode. In particular, a DC motor is employed as a motor for driving the fan to stabilize the rotational speed, to make the suction speed of the gas to be measured constant, and to improve the measurement accuracy.
[0023]
It is preferable that the wind tunnel opening is larger than the wind tunnel diameter at the position where the ion conversion electrode is arranged to increase the input amount in the laminar flow. On the contrary, the wind tunnel opening is reduced in diameter than the wind tunnel diameter at the ion conversion part position to reduce the flow velocity in the vicinity of the ion conversion electrode, thereby increasing the ion capture efficiency and increasing the measurement sensitivity. be able to.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
In FIG. 1, in this embodiment, an ion exchange electrode 31 using a wire mesh is used as an ion conversion electrode. However, the ion exchange electrode 31 is used to guide a gas to be measured 24 containing ions therein. Arranged in the wind tunnel 32, a measured gas supply means 33 for supplying the measured gas 24 to the ion exchange electrode 31, that is, a blower is disposed in the wind tunnel 32.
[0025]
As the ion exchange electrode 31, a metal net having appropriate flow holes is used. The metal network includes a network formed by woven or knitted metal wires or bands by forming an appropriate network, and a punched porous metal plate.
Here, a wire mesh made of plain metal wire is used. The outer edge of the ion exchange electrode 31 is insulatively attached in the wind tunnel via the support base 34, the mesh surface is arranged substantially perpendicular to the axial center direction of the wind tunnel, and the mesh is used for gas flow. A metal wire is used as an electrode.
[0026]
The ion exchange electrode 31 is connected to the electricity quantity processing unit 35, and the ion current generated in the electrode is converted into an electric quantity signal at a level that can be easily measured. The electricity quantity processing unit 35 is connected to the electricity quantity measurement unit 36. The amount of electricity of ions that collide with the ion exchange electrode 31 is calculated from the amount of electricity signal that is connected and output from the electricity amount processing unit 35.
[0027]
In the wind tunnel, the gas 24 containing ions of the atmosphere to be measured is sucked at a constant flow rate from the blower 33 and guided to the ion exchange electrode 31, and the ions in the gas 24 collide with the ion exchange electrode 31. At this time, the shape of the ion exchange electrode 31 is determined according to the cross-sectional shape of the wind tunnel 32 so that the gas 24 taken in from the atmosphere to be measured can be uniformly supplied to the ion exchange electrode 31.
[0028]
Charges are supplied to the ion exchange electrode 31 by collision of ions. Since the ion exchange electrode 31 is insulated from the wind tunnel by the support plate 34, the charge of the ion exchange electrode 31 flows only as an electric current toward the electric quantity processing unit 35.
Since the level of current flowing from the ion exchange electrode 31 to the electric quantity processing unit 35 is at most an nA level, the electric quantity processing unit 35 converts it to a signal level that can be easily measured. That is, when converting to current, it is converted to a current of several mA to several A level, and when converting to voltage, it is converted to a voltage of several mV to several V level. The signal converted in this way by the electric quantity processing unit 35 is obtained by the electric quantity measuring unit 36 and the current flowing from the ion exchange electrode 31 to the electric quantity processing unit 35 is obtained. Assuming that the current flowing from the ion exchange electrode 31 to the electricity quantity processing unit 35 is I [A], the ion concentration n [ions / cm in the gas to be measured.^Three]
n = I / (eQ)
Can be expressed as Here, e is the elementary charge of ions [C], Q is the flow rate of the gas to be measured [cm supplied to the ion exchange electrode 31]^Three/ S].
[0029]
In this embodiment, as shown in FIG. 1B, the electric quantity processing unit 35 includes a current-voltage converter 351, a buffer amplifier 352, and a voltage-current converter 353. The current-voltage converter 351 includes an operational amplifier D having a high input impedance and an ultrahigh resistance R. The capacitor C performs current-voltage conversion with a very large gain and determines a cutoff frequency in the feedback system. To function as a low-pass filter. The current-voltage converter D amplifies the pA to nA level current output from the ion exchange electrode 31 to a voltage level of several mV to several V, and at the same time removes noise superimposed on the input current. . As a result, the current corresponding to only the ion concentration is voltage-converted with high accuracy.
[0030]
Although not shown, the buffer amplifier 352 is composed of an operational amplifier having a low output impedance, and after buffering and amplifying the output voltage of the current-voltage converter to generate a sensor voltage, the sensor voltage is converted into the voltage-current converter 353 and Output to the electrical quantity measuring unit 36. The voltage-current converter 353 is composed of a dedicated analog integrated circuit, and measures the electric current of the sensor current of several mA to several tens mA generated by voltage-current conversion of the sensor voltage buffered and amplified by the buffer amplifier. To the unit 36.
[0031]
In the example shown in FIG. 1B, the inverted input terminal P of the operational amplifier D having a high input impedance constituting the current-voltage converter 31 in the electric quantity processing unit 35 is grounded. The reference potential of the operational amplifier D is set to zero potential. Thereby, the ion exchange electrode 31 is set to zero potential.
[0032]
As described above, in this embodiment, the ion amount measuring device in the gas is sucked into the wind tunnel 32 from the ion exchange electrode 31 constituted by the wire mesh electrode disposed in the wind tunnel and the ion exchange electrode. A blower 33 that guides gas to 31, an electric quantity processing unit 35 that processes the electric quantity generated by the ion exchange electrode 31 with a filter circuit, and an electric quantity measuring unit 36 that measures the magnitude of the electric quantity Therefore, it is possible to accurately measure only the amount of electricity obtained by ion conversion without being affected by ambient noise and the like, and to accurately measure the ion concentration. In addition, since the gas to be measured 24 is forcibly sent to the ion exchange electrode 31, the ion concentration in the gas to be measured can be clarified even if several types of ions having different mobilities are included.
[0033]
The wind tunnel 32 is a cylinder or a conduit that guides the gas 24 containing ions from the atmosphere to be measured to the ion exchange electrode 31, and is preferably an inner surface insulator formed of an insulating material at least on the inner surface side.
[0034]
When ions in the gas collide with an object, the charge is transferred to and from the object. Therefore, when the ion concentration in the gas to be measured 24 is accurately measured, the ion exchange electrode 31 which is an ion conversion electrode. It is important to supply the measurement gas 24 efficiently. When the material of the wind tunnel 32 is a nonconductor (insulator), the ions collide with the inner surface of the wind tunnel 32 to charge the inner surface of the wind tunnel 32 and reach the saturation charge amount of the nonconductor constituting the inner surface. Only the surface portion of the conductor is charged, and the time to reach the saturation charge amount is short, and the measurement of ions can be started. Further, in the case of a nonconductor, no current flows in the thickness direction of the wind tunnel 32. Therefore, by increasing the thickness of the nonconductor constituting the wind tunnel 32, the leakage current from the contact portion of the outer wall surface of the wind tunnel 32 is eliminated. be able to.
[0035]
On the other hand, when the material of the wind tunnel 32 is a conductor such as a metal, ions in the gas collide with the inner surface of the wind tunnel 32 and give charge to the inner surface of the wind tunnel 32. In this case, If the wind tunnel 32 is grounded, the charge flows to the ground without staying, so that the ions are constantly annihilated in the wind tunnel 32 before reaching the electrode, resulting in a large measurement error.
[0036]
On the other hand, when the wind tunnel 32 is not grounded, the charge loses its destination, the wind tunnel 32 is gradually charged, and when the charge amount of the wind tunnel 32 reaches the saturation charge amount, the ion wall surface 32 Disappears and ions are supplied to the ion exchange electrode 31. However, since the metal wind tunnel 32 has a large charging capacity, it takes a considerable time to measure ions. Since the metal is charged as a whole, if there is a leakage current from the contact portion, ions are continuously consumed.
[0037]
Thus, by configuring the inner surface of the wind tunnel 32 with a non-conductor, the amount of ions in the gas to be measured 24 can be accurately measured, and the ion measurement time can be shortened. The effect that the ion in the to-be-measured gas 24 which exists exists can be measured online is acquired.
[0038]
In FIG. 2, the wind tunnel 32 can also be made of a metal conductor. In this case, the wind tunnel 32 is supported by a non-conductive support base 37 to be insulated from the ground potential and measured on the wind tunnel 32. It is preferable to supply a constant voltage from the DC power supply 38 with the same polarity as that of the power ions. If a direct current is applied by the direct current power source 38, a constant charge can be immediately applied from the outside, and the time for charging the inner surface of the wind tunnel 32 becomes unnecessary, and the amount of ions in the gas 24 can be measured immediately. effective.
[0039]
The blower 33 guides the gas to be measured 24 to the ion exchange electrode 31, but in order to accurately measure the ion concentration in the gas to be measured 24, the ion exchange electrode 31 that is an ion conversion electrode is efficiently measured. It is important whether the gas 24 is supplied at a constant rate. Therefore, the blower 33 for guiding the gas to be measured 24 to the ion exchange electrode 31 is also one of the important components constituting the ion amount measuring device in the gas in accurately measuring the ion concentration.
[0040]
The blower 33 is preferably disposed on the downstream side of the ion exchange electrode 31 that is an ion conversion electrode. The sucked gas 24 can be supplied to the ion exchange electrode 31 without first passing through the blower 33, and ion disappearance in the blower 33 can be avoided. In this case, since the gas from which ions have been removed by the ion exchange electrode 31 is sucked into the blower 33, malfunction due to charging of the blower 33 can be prevented regardless of whether the blower 33 is grounded or not. A certain amount of gas to be measured can be supplied.
[0041]
On the other hand, when the blower 33 is arranged on the upstream side of the ion exchange electrode 31 that is an ion conversion electrode, ions in the gas to be measured 24 collide with the blower 33 to charge the blower 33, so that the ions are constantly extinguished by the blower 33. As a result, ions cannot be supplied to the ion exchange electrode 31 with a constant air flow, resulting in an error in measuring the amount of ions. Alternatively, when the blower 33 is not grounded, the charge may charge the blower 33 and cause the electric circuit of the blower 33 to malfunction.
[0042]
Thus, by installing the blower 33 on the downstream side of the ion exchange electrode 31 that is an ion conversion electrode, the amount of ions in the gas to be measured 24 can be accurately measured. Can be supplied to the ion exchange electrode 31, and the concentration of ions existing in a certain volume can be measured.
[0043]
Next, since the blower 33 calculates the ion concentration in the gas 24 by dividing the current flowing into the ion exchange electrode 31 by the product of the elementary charge and the air volume, when measuring the ion concentration, It is preferable to keep the air flow constant. For this purpose, the amount of power supplied to the blower 33 is kept constant, and the pressure loss in the gas ion amount measuring device is kept constant.
[0044]
The blower 33 is preferably a continuous blade rotary pump, that is, a fan. Although a reciprocating pump can be used, since the gas to be measured 24 is pulsated and transported to the ion exchange electrode 31, the flow rate of the gas 24 supplied to the ion exchange electrode 31 is more stable than the continuous rotation fan. Becomes lower.
[0045]
The fan type blower 33 can be divided into an AC condenser run motor, an AC bearer motor, and a DC brushless motor mainly depending on the difference in motors. It is excellent in terms of stable control and prevention of unnecessary ions.
[0046]
As shown in FIG. 3, the DC brushless motor is preferably DC-converted from an AC commercial power supply 39 by an AC / DC converter 40 to drive a DC brushless motor provided in the blower 33. This can operate the blower 33 without being influenced by the input power source, can stably supply the gas under measurement 24 with a constant air volume to the ion exchange electrode 31, and reduce the ion amount in the gas under measurement 24. It can be measured accurately.
[0047]
In this way, by using a suction fan for the blower 33 and using a DC brushless motor (Hall element motor) as the drive motor, the gas to be measured 24 can be supplied to the ion exchange electrode 31 with a constant air volume, and within a certain volume. An effect of accurately measuring the concentration of existing ions is obtained.
[0048]
Regarding the structure of the wind tunnel 32, as described above, the ion concentration in the gas to be measured 24 is measured by causing the ions in the gas to be measured 24 to collide with the ion exchange electrode 31, so that the ion concentration is measured when the ion concentration is measured. It is important that the measurement gas 24 flows uniformly to the ion exchange electrode 31. For this purpose, it is preferable that the flow of the measurement gas 24 in the wind tunnel 32 is a laminar flow.
[0049]
FIG. 4 shows the relationship between the wind tunnel diameter and the gas flow rate for making the gas flow into a laminar flow. From experiments conducted at room temperature, it was found that the laminar flow was obtained when the air volume in the shaded area was set. Therefore, when the wind tunnel diameter is D [cm], the gas flow rate Q [cm that can maintain the laminar flow state]^Three/ Sec] is the viscosity μ [g / cm / sec] of the gas to be measured and the density ρ [g / cm of the gas to be measured.^Three] As
Q = 1.9 × 10^Three× μ / ρ × D
It was clarified that ions can be efficiently converted into current by setting the measured gas flow rate smaller than the gas flow rate value calculated by this equation.
[0050]
Further, as shown in FIG. 5, it has been found that even when the enlarged wind tunnel 41 is provided at the inflow portion of the wind tunnel 32 for taking in the gas to be measured, there is an effect of suppressing the generation of turbulent flow due to external disturbance. . As a result, the flow rate of gas to be measured that can be taken into the wind tunnel can be increased, so it is possible to reduce the specifications of the microcurrent measurement circuit, such as to reduce the amplification factor of the buffer amplifier. There is an effect that costs can be reduced.
[0051]
In FIG. 6, as another example of laminar flow, a rectifying plate, for example, a porous plate 42 (many through holes are opened) in front of the blower 33 behind the ion exchange electrode 31 that is an ion conversion electrode. Plate) and a passage for the honeycomb plate 43 can also be provided. The rectifying plate suppresses the occurrence of turbulent flow upstream due to the rotation of the fan blades. As a result, as in the case where the enlarged diameter portion 41 of the wind tunnel is attached, The flow rate of the gas that can be sucked into the cylinder 32 can be increased, the amplification factor of the buffer amplifier can be reduced, and the specifications of the minute current measuring circuit can be lowered, and the cost of the minute current measuring circuit can be reduced. effective.
[0052]
As described above, the opening portion of the wind tunnel 32 for taking in the gas to be measured, that is, the diameter-increasing portion 41 is provided at the inflow portion. By providing the rectifying plate 43, the amount of gas 24 taken up can be increased in a laminar flow state from the atmosphere, and a relatively small and stable ion measuring device can be provided.
[0053]
The structure of the ion exchange electrode 31 is such that when the aperture ratio of the ion exchange electrode 31 is 10% or less, as shown in FIG. 7, the aperture ratio of the ion exchange electrode 31 and the ion collection rate of the ion exchange electrode 31 are It can be seen that ions in the gas 24 to be measured sucked into the cylinder 32 can be collected at a collection rate of almost 100%. When measuring the ion concentration, the ion exchange electrode 31 can be designed with the aperture ratio of the ion exchange electrode 31 being at least 10% or less at a practical wind speed in the wind tunnel 32. As described above, by setting the aperture ratio of the ion exchange electrode 31 to 10% or less, an effect of accurately measuring the ion concentration in the gas to be measured 24 is obtained.
[0054]
The material of the ion exchange electrode 31 is made of a metal having a low electrical resistance, and for example, gold, silver, copper, platinum, palladium, aluminum, cobalt, nickel, iron or steel, particularly stainless steel is used.
[0055]
The ion concentration in the gas to be measured 24 is measured by causing the ions in the gas to be measured 24 to collide with the ion exchange electrode 31. Therefore, the charge taken from the collided ions is transferred from the ion exchange electrode 31 to the electric quantity conversion unit 35. It is important to supply as soon as possible without damping. For this purpose, it is necessary to use a metal having a low electric resistance for the ion exchange electrode 31. However, gold, silver, platinum, palladium, and the like are expensive, and copper, aluminum, iron, and the like are easily oxidized and corroded, and may be damaged depending on the corrosivity of the measurement atmosphere gas. The resistance value changes with time, and the performance of the ion exchange electrode 31 may not be guaranteed for a long time.
[0056]
Therefore, it is most practical to use stainless steel for the ion exchange electrode 31 in consideration of low cost, low electrical resistance, and corrosion resistance. It is also possible to suppress oxidative corrosion of the ion exchange electrode 31 while lowering the metal resistance value of the surface of the ion exchange electrode 31 by gold plating the surface of a base metal such as copper, aluminum or iron.
[0057]
As described above, the ion exchange electrode 31 is made of stainless steel or a metal material such as gold-plated copper, aluminum, iron, etc., so that the amount of ions in the gas 24 can be accurately measured over a long period of time. A low-cost device for measuring the amount of ions in a gas can be provided.
[0058]
Since an extremely small current flows through the electric wire connected from the electrode to the electric quantity processing unit 35, an electric shield wire in which the electric wire portion is electrostatically shielded is used so as not to be affected by noise from the surroundings. desirable.
[0059]
Moreover, it is particularly preferable that the electrical quantity processing unit 35 is electromagnetically shielded. In this example, each component is mounted on a printed circuit board for component mounting, and the printed circuit board is built in a storage case. Specifically, the storage case is formed of stainless steel in a box shape having an upper surface opening, and a plurality of support columns are erected on the bottom. Further, the printed circuit board is built in a state separated from the bottom of the storage case by being screwed to the support column. Since the electric quantity processing unit 35 is shielded by the storage case, the malfunction due to the external noise is surely prevented.
[0060]
Furthermore, it is preferable that the electrical quantity processing unit 35 is protected by a moisture-proof material. In order to prevent this moisture, the interior space of the storage case is filled with a filler such as urethane resin for electrical insulation (that is, a moisture prevention material). In addition, since the filler prevents water droplets from adhering to each component during dew condensation, the electric quantity processing unit 35 prevents the gain fluctuation caused by dew condensation, so that the current-voltage conversion process is performed accurately and reliably. Is called.
[0061]
In addition, the connection cable that connects between the electric quantity processing unit 35 and the electric quantity measuring unit 36 uses, for example, an electric shield wire such as a coaxial cable, and the sensor voltage or sensor current output from the electric quantity processing unit 35 is used. The superimposition of noise is prevented. With the above configuration, the electric quantity measuring unit 36 can accurately measure the ion concentration in the gas without being affected by external noise or fluctuations in environmental conditions.
[0062]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 8 is a block diagram showing a gas ion content measuring apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. A DC voltage adjusting device 51 for changing the reference potential of the operational amplifier D having a high input impedance constituting the current-voltage converter 351 in the electric quantity processing unit 35 is provided.
[0063]
Although not shown, the DC voltage adjusting device 51 is connected to the non-inverting input terminal P of the operational amplifier D having a high input impedance constituting the current-voltage converter 351 via a selection switch between a positive voltage and a negative voltage. Connected (FIG. 1 (B)) and applies a positive or negative voltage. When the potential of the non-inverting input terminal P of the operational amplifier D is set to a positive potential, the ion exchange electrode 31 is charged to the positive electrode. Since the negative ions in the gas to be measured 24 have a different polarity from the ion exchange electrode 31, the negative ions are attracted and moved toward the ion exchange electrode 31 and finally collide with the ion exchange electrode 31 to exchange the negative charge. Supply to the electrode 31. In this case, since the positive ions have the same polarity as the ion exchange electrode 31, the positive ions pass through the blower 33 and are released out of the wind tunnel 32 without colliding with the ion exchange electrode 31. By doing so, it is possible to collect only negative ions in the measurement gas 24 and know the ion concentration.
[0064]
Since the ion exchange electrode 31 is insulated and installed by the support plate 34, the negative charge supplied to the ion exchange electrode 31 flows as an electric current only toward the electric quantity processing unit 35. Since the level of current flowing from the ion exchange electrode 31 toward the electric quantity processing unit 35 is at most nA level, the electric quantity processing unit 35 converts the electric current level to an easily measurable electric quantity level. That is, when converting to current, it is converted to a current of several mA to several A level, and when converting to voltage, it is converted to a voltage of several mV to several V level. The signal converted by the electric quantity processing unit 35 in this manner is converted into an electric quantity by the electric quantity measuring unit 36, and the electric quantity per unit time flowing from the ion exchange electrode 31 to the electric quantity processing unit 35 is obtained. The negative ion concentration in the gas is calculated.
[0065]
Further, when the reference potential of the operational amplifier having a high input impedance constituting the current-voltage converter in the electric quantity processing unit 35 is set to a negative potential by the DC voltage adjusting device 51, the ion exchange electrode 31 becomes negative. Is charged. Since positive ions in the gas to be measured 24 have a different polarity from the ion exchange electrode 31, the positive ions move toward the ion exchange electrode 31 and finally collide with the ion exchange electrode 31 to transfer positive charges to the ion exchange electrode 31. To supply. On the other hand, since the negative ions have the same polarity as the ion exchange electrode 31, they do not collide with the ion exchange electrode 31, pass through the blower 33, and are discharged outside the wind tunnel 31. By doing in this way, only the positive ion in the to-be-measured gas 24 can be collected, and the ion current can be measured.
[0066]
As described above, since the DC voltage adjusting device for changing the reference potential of the operational amplifier having a high input impedance constituting the current-voltage converter in the electric quantity processing unit 35 is provided, the gas to be measured 24 The amount of positive ions and the amount of negative ions in the gas can be measured separately. Only polar ions to be measured can be collected, and the concentration of polar ions to be measured in the measured gas 24 can be accurately measured. There is an effect that can be done.
[0067]
Embodiment 3 FIG.
In this embodiment, as shown in FIG. 9, an example is shown in which a repulsive electrode 61 is arranged as an ion guiding means. The repulsion electrode 61 is for guiding the ions that have passed through the ion exchange electrode 31 that is an ion conversion electrode in the wind tunnel to the ion exchange electrode 31 again, and is arranged behind the ion exchange electrode 31.
A metal net is also used for the repulsion electrode, and a voltage having the same polarity as the ion species to be measured is applied to the repulsion electrode 61 from the DC power supply 38. The repulsive electrode 61 is insulatively attached to the wind tunnel 32 using an insulating support base 61.
[0068]
The ions to be measured in the measurement gas 24 collide with the metal mesh electrode when passing through the ion exchange electrode 31 together with the gas flow, and give the charge to the ion exchange electrode 31, but some ions are ion exchange electrodes. It passes through the mesh 31 and enters the space between the ion exchange electrode 31 and the repulsion electrode 61. Since the voltage having the same polarity as the ion to be measured is applied to the repulsive electrode 61, the ions that have passed through the ion exchange electrode 31 repelled by the repellent electrode and returned to the original ion exchange electrode, Since the charge is transferred to the ion exchange electrode 31, the ion capture efficiency is high, the current is increased, and the measurement accuracy can be increased.
[0069]
A positive voltage is applied to the repulsion electrode 61 during positive ion measurement, and a negative voltage is applied to the repulsion electrode 61 during negative ion measurement. Thereby, an electric field directed from the repulsive electrode 61 to the ion exchange electrode 31 during positive ion measurement, and an electric field directed from the ion exchange electrode 31 to the repellent electrode 61 during negative ion measurement are generated between the ion exchange electrode 31 and the repellent electrode 61. appear. Accordingly, the ions that have entered between the ion exchange electrode 31 and the repulsion electrode 61 are moved toward the ion exchange electrode 31 by receiving the force of the electric field, and finally collide with the ion exchange electrode 31 to charge the ion exchange electrode. 31. Since the ion exchange electrode 31 is insulated and installed by the support plate 34, the electric charge supplied to the ion exchange electrode 31 flows as an electric current only toward the electric quantity processing unit 35.
[0070]
Next, the strength of the electric field created between the ion exchange electrode 31 and the repulsion electrode 61 is related to the ion collection efficiency, and the electric field strength between the ion exchange electrode 31 and the repulsion electrode 61, both of which are wire mesh electrodes. However, in FIG. 10, when the wind speed of the gas to be measured 24 in the wind tunnel 33 is 1.4 m / s, it can be seen that 100% of ions can be collected by applying an electric field of 8 kV / m or more. Similarly, it can be understood that 100% of ions can be collected by applying an electric field of 18 kV / m when the wind speed is 3.6 m / s and applying an electric field of 25 kV / m when the wind speed is 4.9 m / s. .
[0071]
FIG. 11 shows the relationship between the wind speed when 100% of ions are collected and the minimum required electric field strength. Thus, between the wind speed v and the electric field strength E, the following equation is shown. I found the relationship to hold.
E [V / m] = 5.5 × 10^Three× v [m / s]
[0072]
Therefore, when measuring the ions in the gas 24 to be measured, it is preferable to design the distance between the ion exchange electrode 31 and the repulsion electrode 61 and the voltage applied to the repulsion electrode 61 so as to satisfy the above-described equation. .
[0073]
Thus, by attaching the repelling electrode 61 to the wind tunnel 32 in an insulating manner on the downstream side of the ion exchange electrode 31 that is an ion conversion electrode, 100% of the ions of the gas to be measured 24 can be collected. Can be accurately measured.
[0074]
Further, in the present embodiment, only ions having the polarity to be measured can be measured by being moved by the force of the electric field between the ion exchange electrode 31 and the repulsion electrode 61. By preventing collision of ions having a polarity that is not desired, the concentration measurement accuracy of the ions having a polarity to be measured can be improved.
[0075]
That is, as shown in FIG. 7, the ion exchange electrode 31 allows ions in the measurement gas 24 taken into the wind tunnel 32 to be independent of the wind speed by setting the wire mesh aperture ratio to at least 80% or more. Almost 100% can be passed. Therefore, in the ion amount measuring apparatus provided with the repulsion electrode 61, it is preferable to design the ion exchange electrode 31 with an aperture ratio of the wire mesh of the ion exchange electrode 31 being at least 80%.
[0076]
In this way, by increasing the aperture ratio of the wire mesh of the ion exchange electrode 31, unintended ions in the gas to be measured 24 are passed, and ions to be measured are repelled by the repulsion electrode and captured by the ion exchange electrode 31. Therefore, ions can be collected selectively and efficiently, and the ion concentration in the gas to be measured 24 can be measured with higher accuracy.
[0077]
In the above embodiment, the electric field is applied between the ion exchange electrode 31 and the repulsion electrode 61 so that the potential of the ion exchange electrode 31 is zero and a predetermined amount of positive or negative charge is applied to the repulsion electrode 61. As shown in FIG. 12, as shown in FIG. 12, the DC voltage adjusting device 51 is connected to the inverted flow force of the operational amplifier D having a high input impedance constituting the current-voltage converter in the electric quantity processing unit 35. Connected to the terminal P (FIG. 1 (B)), a positive or negative voltage is switched and applied, the reference potential of the operational amplifier D is set to a positive or negative potential, and the ion exchange electrode 31 is made positive or negative. You may make it electrically charged. Thereby, it is possible to prevent an ion having a polarity different from the charge of the ion to be measured from colliding with the ion exchange electrode 31, and there is an effect that the ion concentration in the measured gas 24 can be measured more accurately. Moreover, since the voltage value applied to the repulsive electrode 61 can be reduced and the capacity of the DC power supply 38 can be reduced, there is an effect that the cost can be reduced without degrading the performance of the ion content measuring apparatus.
[0078]
Embodiment 4 FIG.
In this embodiment, as shown in FIGS. 13 to 14, the repulsion electrode is arranged in the wind tunnel so that one or more metal conduits 72 having both ends opened in the direction of the air flow so that the gas can flow. Is a metal conductor 61 stretched coaxially in the metal conduit 72, a potential having a polarity opposite to the ion charge to be measured is applied to the conduit, and the electric quantity processing unit 35 is connected to the conductor.
[0079]
In this embodiment, the repelling electrode is constituted by a cylindrical metal conduit 72, and the metal conduit 72 is insulatively attached to the insulated wind tunnel 32 so that each flow of the gas under measurement 24 in the metal conduit 72 flows. A conductive wire, that is, a wire electrode 71 is supported through an insulating support plate at the center portion in the path, and a voltage having the same polarity as ions to be measured is applied to the metal conduit 72 from the DC power supply 38.
[0080]
In such a measuring apparatus, the gas to be measured 24 taken in from the atmosphere to be measured by the suction fan 33 is divided into each flow path in the metal conduit 72 at a certain ratio and enters the flow path. A voltage having the same polarity as the ion being measured is applied from a DC power supply 38 to the metal conduit 72 as a repelling electrode. That is, a positive voltage is applied to the metal conduit 72 during positive ion measurement, and a negative voltage is applied to the metal conduit 72 during negative ion measurement. As a result, an electric field directed from the metal conduit 72 to the line electrode 71 during positive ion measurement and an electric field directed from the metal conduit 72 to the line electrode 71 during negative ion measurement are generated between the wind tunnel inner surface of the metal conduit 72 and the line electrode 71. Occurs. Therefore, the ions that have entered between the metal conduit 72 and the conductive wire, that is, the line electrode 71, move toward the line electrode 71 under the force of the electric field, and finally collide with the line electrode 71 to cause the charge to flow into the line electrode. 71. Since the line electrode 71 is insulated and installed by the insulating support plate 73, the electric charge supplied to the line electrode 71 flows out as a current only toward the electric quantity processing unit 35.
[0081]
Since the level of current flowing from the line electrode 71 toward the electric quantity processing unit 35 is at most nA level, the electric quantity processing unit 35 converts the electric current level to an easily measurable electric quantity level. That is, when converting to current, it is converted to a current of several mA to several A level, and when converting to voltage, it is converted to a voltage of several mV to several V level. The amount of electricity converted in this way by the amount of electricity processing unit 35 is measured by the amount of electricity measuring unit 36, and the current flowing from the line electrode 71 to the amount of electricity processing unit 35 is obtained.
[0082]
Next, the relationship between the strength of the electric field created between the line electrode 71 and the metal conduit 72 and the ion collection efficiency will be described. As described above, ions that have entered the electric field between the line electrode 71 and the metal conduit 72 move toward the line electrode 71 by the electric field created between the line electrode 71 and the metal conduit 72. Therefore, in order to efficiently collect ions on the line electrode 71, it is necessary to cause the ions to collide with the line electrode 71 while the ions are present in the electric field between the line electrode 71 and the metal conduit 72. The time t [s] during which ions are present in the electric field is
t = L / U
The ions need to collide with the line electrode 71 within this time. Here, L is the length [cm] of the line electrode 71, and U is the velocity [cm / s] of the measurement gas 24 flowing in the direction parallel to the line electrode 71.
[0083]
Further, the maximum distance that ions that have entered the electric field between the line electrode 71 and the metal conduit 72 must move to collide with the line electrode 71 is the inner surface of the cylindrical hole of the metal conduit 72 and the outer surface of the line electrode 71. , That is, the difference between the radius R of the cylindrical hole of the metal conduit 72 and the radius r of the line electrode 71.
[0084]
On the other hand, the electric field strength E [V / cm] between the line electrode 71 and the metal conduit 72 is
E = V / {(R + r) / 2 × ln (R / r)}
Can be expressed as Here, V is a voltage [V] applied to the metal conduit 72 from the DC power supply 38. Further, the speed D [cm / s] when the ions move toward the line electrode 71 by this electric field is
D = μ × E
Can be expressed as Where μ is the ion mobility [cm²/ V / s].
[0085]
Therefore, the maximum time τ [s] required for ions that have entered the electric field between the line electrode 71 and the metal conduit 72 to collide with the line electrode 71 is:
τ = (R−r) / D
Can be expressed as
[0086]
In order to efficiently collect ions in the line electrode 71, it is necessary that the time τ required for the ions to collide with the line electrode 71 is shorter than the time t during which the ions exist in the electric field. That is, it is necessary to determine the voltage applied to the metal conduit 72 from the DC power supply 38 so that the following relational expression is satisfied.
V ≧ {(R²-R²) × U × ln (R / r)} / (2 × L × μ)
[0087]
In this way, it is constituted by a metal conduit 72 having several cylindrical through-holes in parallel, and the line electrode 71 is formed by an insulating support plate at the center of each flow path through which the gas to be measured 24 flows in the metal conduit 72. Since the voltage of the same polarity as the ions to be measured is applied to the metal conduit 72 from the DC power source 38, only ions having the polarity to be measured are separated while separating the ions of the gas to be measured 24 by polarity. % Can be collected, and the ion concentration in the gas to be measured 24 can be accurately measured.
[0088]
In the above embodiment, the electric potential is generated between the line electrode 71 and the metal conduit 72 by setting the potential of the line electrode 71 to zero and applying a predetermined amount of positive or negative charge to the metal conduit 72. As shown in FIG. 14, the reference potential of the operational amplifier with high input impedance constituting the current-voltage converter in the electric quantity processing unit 35 is set to a positive or negative potential by the DC voltage adjusting device 51 as shown in FIG. Thus, the line electrode 71 may be charged positively or negatively. Thereby, it is possible to prevent ions having a polarity different from the polarity to be measured from colliding with the line electrode 71, and there is an effect that the ion concentration in the measured gas 24 can be measured more accurately. In addition, since the voltage value applied to the metal conduit 72 can be reduced and the capacity of the DC power supply 38 can be reduced, the cost can be reduced without degrading the performance of the ion content measuring apparatus.
[0089]
Embodiment 5. FIG.
FIG. 15 shows an apparatus for measuring the amount of ions in a gas according to Embodiment 5 of the present invention, and shows an example in which the opening of the wind tunnel is made smaller than the diameter of the ion exchange electrode 31 installation portion.
[0090]
Since the cross section of the different diameter wind tunnel 32 becomes larger as it approaches the ion exchange electrode 31 from the different diameter wind tunnel 81 on the opening side, the flow velocity in the taken-in measured gas 24 approaches the ion exchange electrode 31. Become slow. When the flow velocity is reduced in this way, the moving speed of the ions is also reduced, so that the probability that the ions collide with the ion exchange electrode 31 increases, the ion collection efficiency is good, and the charge can be supplied to the ion exchange electrode 31. become able to. The cross-sectional shape of the different diameter wind tunnel 81 and the shape of the ion exchange electrode 31 are circular so that the gas to be measured 24 taken from the space can be uniformly supplied to the ion exchange electrode 31. It is desirable that the exchange electrode 31 exists in a coaxial linear shape.
[0091]
As described above, the ion exchange electrode 31 is provided with a different diameter wind tunnel in which the cross section of the ion exchange electrode 31 is larger than the cross section of the inlet of the gas to be measured 24, and the efficiency of collecting ions in the gas to be measured. The ion concentration in the gas to be measured 24 can be measured more accurately.
[0092]
Embodiment 6 FIG.
This embodiment shows an example in which an induction electrode is arranged in a wind tunnel before ion exchange. The induction electrode 91 is for supplying only ions of the polarity to be measured to the rear ion conversion electrode, and the ion induction electrode 91 is provided on an insulating support base 92 for insulatingly attaching to the wind tunnel 32. It is fixed and connected to the DC power supply 38 so that a voltage having a desired polarity can be applied to the induction electrode 92.
[0093]
Since the ion induction electrode 91 increases the aperture ratio and does not collide with ions in the gas to be measured 24 as much as possible, that is, because the shape of the wire knitted with a metal wire having a small wire diameter is a rough wire mesh, It enters the space between the ion induction electrode 91 and the ion exchange electrode 31 without colliding with the ion induction electrode. Note that the cross section of the wind tunnel 32 and the shape of the wire mesh electrode are circular so that the gas to be measured 24 taken from the space can be uniformly supplied to the ion exchange electrode 31, and the wind tunnel 32 and the ion exchange electrode 31 are coaxially linear. It is desirable to exist. A voltage having the same polarity as the ions to be measured is applied from a DC power source 38 to the ion induction electrode 91 that is insulatedly attached to the wind tunnel 32 by the support base 92. That is, a positive voltage is applied to the ion induction electrode 91 during positive ion measurement, and a negative voltage is applied to the ion induction electrode 91 during negative ion measurement. As a result, an electric field directed from the ion induction electrode 91 to the ion exchange electrode 31 during the positive ion measurement, and an electric field directed from the ion exchange electrode 31 to the ion induction electrode 91 during the negative ion measurement are represented by the ion exchange electrode 31 and the ion induction electrode 91. Occurs during.
[0094]
Accordingly, the gas to be measured 24 from the atmosphere to be measured passes through the induction electrode 91 through the wind tunnel 32 with a constant air volume, and the ions that have passed through the ion induction electrode 91 are between the ion induction electrode 91 and the ion exchange electrode 31. Here, positive ions and negative ions are separated due to the difference in polarity in response to the force of the electric field, and only ions of the polarity to be measured move toward the ion exchange electrode 31, and finally the ions The electric charge is transferred to the ion exchange electrode 31 by colliding with the exchange electrode 31.
[0095]
Since the ion exchange electrode 31 is insulated and installed by the support plate 34, the electric charge supplied to the ion exchange electrode 31 flows as a current only toward the electric quantity processing unit 35, and a voltage that can be measured by the electric quantity processing unit 35. Converted by level.
[0096]
As described above, since the induction electrode for supplying only the ion of the polarity to be measured to the ion exchange electrode 31 is provided, the positive ion amount and the negative ion amount in the measured gas 24 are separately measured. Since only the ions having the polarity to be measured can be collected, there is an effect that the concentration of the ions having the polarity to be measured in the gas to be measured 24 can be accurately measured.
[0097]
With respect to the structure of the ion induction electrode 91, as shown in FIG. 7, when the aperture ratio of the wire mesh is 80% or more, almost 100% of the ions in the measured gas 24 taken into the wind tunnel 32 can pass through. it can. Therefore, it is preferable to design the ion induction electrode 31 with an aperture ratio of the ion induction electrode 91 of at least 80% at a practical wind speed in the wind tunnel 32 when measuring the ion concentration. Thus, by increasing the aperture ratio of the ion induction electrode 91, ions of the gas to be measured 24 can be selectively and efficiently collected, and the ion concentration in the gas to be measured 24 can be measured with higher accuracy. An effect is obtained.
[0098]
In the above embodiment, the potential of the ion exchange electrode 31 is set to zero, and a predetermined amount of positive or negative charge is applied to the ion induction electrode 91 so that the ion exchange electrode 31 and the ion induction electrode 91 are electrically connected. As shown in FIG. 17, the inverting input of the operational amplifier D having a high input impedance that constitutes the current-voltage converter in the electric quantity processing unit 35 is shown in FIG. The ion exchange electrode 31 may be charged positively or negatively by connecting to the terminal P and setting the reference potential of the operational amplifier D to a positive or negative potential. Thereby, the voltage value applied to the repulsive electrode 61 can be reduced, and the capacity of the DC power supply 38 can be reduced. Therefore, there is an effect that the cost can be reduced without degrading the performance of the ion content measuring apparatus.
[0099]
Furthermore, in the above embodiment, the case where the ion induction electrode 91 for supplying only the ion of the polarity to be measured to the ion exchange electrode 31 which is an ion conversion electrode has a wire mesh structure is shown in FIG. As described above, the electrode for separating ions may be a point electrode 93, and the point electrode 93 may be supported by an insulating support plate 94 attached to the wind tunnel 32 in an insulating manner. Thereby, it is possible to prevent ions having a polarity different from the polarity to be measured from colliding with the ion induction electrode, and there is an effect that the ion concentration in the measurement target gas 24 can be measured more accurately.
[0100]
【The invention's effect】
The ion amount measuring apparatus of the present invention includes an ion conversion electrode that removes electric charges from ions present in a gas, a gas supply means to be measured that supplies a gas containing ions to the ion conversion electrode, and a gas generated in the ion conversion electrode. Since the electricity quantity processing unit that processes the quantity of electricity that has been processed and the electricity quantity measurement part that measures the magnitude of the quantity of electricity that has been processed, only the quantity of electricity obtained by ion conversion is affected by ambient noise and other factors. The ion concentration can be measured accurately without being received, the ion concentration can be accurately measured, and the ion concentration in the gas to be measured can be clarified even if several types of ions having different mobilities are included.
[0101]
Since the ion conversion electrode is disposed in the wind tunnel and is a metallic porous body through which gas can flow, the gas flow into the electrode space and the transfer of ions during the flow process are good, and the ion concentration Suitable for continuous measurement.
[0102]
In the present invention, if the metallic porous body is a metal net body, it is easy to fix to the wind tunnel, and the gas flow resistance is low, and the continuous measurement of the ion concentration is facilitated in the flow process.
[0103]
In addition, since at least a current-voltage conversion circuit and a noise removal filter circuit are provided in the electricity quantity processing unit, only the quantity of electricity obtained by ion conversion is accurately measured without being affected by ambient noise. It is possible to accurately measure the ion concentration.
[0104]
If at least the inner surface of the wind tunnel is an electrical insulator, the consumption of ions in the gas on the wall surface can be reduced, and the accuracy of measuring the amount of ions can be improved.
[0105]
The wind tunnel can also be made of a conductor, and if the wind tunnel is electrically insulated from the ground, the consumption of ions in the gas on the wall surface can be reduced and the ion content measurement accuracy can be improved. .
[0106]
If the ion conversion electrode is supported in an insulating manner with respect to the wind tunnel, a potential having a desired polarity can be applied to the ion conversion electrode. In addition, the electric charge generated by the ion conversion electrode can be measured by the electric quantity processing unit without escaping other than the electric quantity processing unit, and the ion concentration can be accurately measured.
[0107]
In particular, according to the present invention, if a potential adjusting means is provided so that the reference potential of the ion conversion electrode can be arbitrarily changed, a potential having a desired polarity can be added to the ion conversion electrode, and positive and negative ions can be separated. Separately, the amount of ions can be measured. In addition, there is an effect that it is possible to accurately measure the concentration of only the polar ions to be measured by eliminating polar ions that are not measured.
[0108]
If the above-described potential adjusting means is a DC power supply circuit that can be switched between the positive potential and the negative potential connected to the non-inverting input of the operational amplifier of the current-voltage conversion circuit connected to the ion conversion electrode, the ion conversion can be easily performed. A potential having a desired polarity can be applied to the electrode, and the amount of ions can be easily measured by separating positive and negative ions.
[0109]
If an ion guiding means for guiding ions to the ion conversion electrode in the air flow in the wind tunnel is arranged in the wind tunnel, it is effective for capturing ions passing through the ion conversion electrode and improving the accuracy associated therewith.
[0110]
If the ion guiding means is a metal conductor arranged in an air stream and further includes a direct current power source for applying a direct current voltage, it is effective in capturing ions passing through the ion conversion electrode and improving the accuracy associated therewith.
[0111]
If the ion induction means includes an ion repulsion electrode provided on the downstream side of the ion conversion electrode, and the ion repulsion electrode is applied with a potential having a polarity opposite to the ion charge to be measured, ions that pass through the ion conversion electrode The probability of trapping at the ion conversion electrode is increased, and this is effective in improving accuracy.
[0112]
If the ion repulsion electrode is a metal network, the configuration is simple, the probability of capture by the ion conversion electrode is increased, and the accuracy improvement associated therewith can be easily realized.
[0113]
If the ion induction means includes an ion induction electrode arranged on the upstream side of the ion conversion electrode, and the potential of the same polarity as the ion charge to be measured is applied to the ion induction electrode, ion capture at the ion conversion electrode This is effective for improving the efficiency of measurement and improving measurement accuracy.
[0114]
If the ion induction electrode has an opening area ratio of 80% or more, the ions to be measured can be reliably passed through the ion induction electrode, and the capture efficiency can be increased.
[0115]
The ion-conversion electrode can flow gas through a metal conduit at both ends around each conductor using one or more conductors arranged in the airflow direction in a wind tunnel having an opening capable of gas suction Since the electric potential having the opposite polarity to the ion charge to be measured is applied in the arrangement, the measurement ion can be almost completely captured and the measurement accuracy can be improved.
[0116]
If the gas supply means is a suction fan located downstream from the ion conversion electrode, the ions to be measured in the airflow are supplied to the ion conversion electrode at a stable supply speed without any consumption of ions. can do.
[0117]
If a direct current motor is used as the motor for driving the fan as the gas supply means, the rotation of the fan is stable, the noise is small, and it is effective for maintaining the ion quantity measurement accuracy.
[0118]
If the opening of the wind tunnel is made larger than the wind tunnel diameter at the position where the ion conversion electrode is arranged, the intake air volume in the laminar flow state can be increased and the ion quantity measurement sensitivity can be increased.
[0119]
If the wind tunnel opening is smaller than the wind tunnel diameter at the ion converter position, the flow velocity at the ion converter position can be reduced, increasing the ion capture efficiency and improving the measurement accuracy. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view (A) of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention and a block diagram (B) of an electric quantity processing unit.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a gas flow rate and a wind tunnel diameter when a gas flow to be measured becomes a laminar flow.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for measuring the amount of ions in a gas having a diameter increased according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the aperture ratio of the wire mesh of the ion exchange electrode and the ion collection rate of the ion exchange electrode.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing the influence of the electric field strength between the ion exchange electrode 31 and the repulsion electrode 61 on the ion collection rate in the ion exchange electrode 31. FIG.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the wind speed and the necessary minimum electric field strength when 100% of ions are collected.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of a gas ion content measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a block diagram of a conventional gas ion amount measuring apparatus.
FIG. 20 is a circuit diagram showing a conventional ion amount measuring device in gas.
[Explanation of symbols]
31 ion exchange electrode, 32 wind tunnel, 33 blower, 34 support base, 35 electrical quantity processing part, 36 electrical quantity measurement part, 41 opening, 51 DC voltage regulator, 61 repulsion electrode, 62 support base, 71 wire electrode, 72 Metal conduit, 81 Different diameter wind tunnel, 91 Ion induction electrode, 92 Insulation support base, 93 Point electrode, 94 Insulation support plate.

Claims

A wind tunnel forming an atmospheric gas flow;
An ion conversion electrode disposed in the wind tunnel and receiving charges of ions present in the gas to be measured;
Gas supply means for supplying the gas to the ion conversion electrode;
An electric quantity processing unit for converting electric quantity generated in the ion conversion electrode into an electric signal;
An apparatus for measuring the amount of ions in a gas, comprising: an electric quantity measuring unit that calculates the magnitude of ion electric quantity from an electric signal ;
In the wind tunnel, ion guiding means for guiding ions to the ion conversion electrode in the air flow in the wind tunnel is disposed,
The ion induction means includes an ion repulsion electrode provided on the downstream side of the ion conversion electrode, and a DC power source that applies a DC voltage to the ion repulsion electrode,
A measuring apparatus, wherein a voltage having the same polarity as an ion charge to be measured is applied to an ion repelling electrode.

The measuring apparatus according to claim 1, wherein the ion conversion electrode is a metallic porous body that is disposed in a wind tunnel and through which a gas can flow.

The measuring apparatus according to claim 2, wherein the metallic porous body is a metal net.

The measuring apparatus according to claim 1, wherein the electric quantity processing unit includes a current-voltage conversion circuit that converts an electric quantity into a voltage signal, and a noise removal filter circuit for the voltage signal.

The inner surface of the wind tunnel is less and measuring device according to claim 1 or 2 also electrical insulator.

The measuring apparatus according to claim 1, wherein the wind tunnel is made of a conductor, and the wind tunnel is electrically insulated from the ground.

The measuring apparatus according to claim 1, wherein the ion conversion electrode is supported in an insulating manner with respect to the wind tunnel.

The measuring apparatus according to claim 1, further comprising a potential adjusting unit capable of arbitrarily changing a reference potential of the ion conversion electrode.

The reference potential of the ion-exchange electrodes are provided potential adjusting means can be arbitrarily changed, ion conversion electrode, a current - are connected to the inverting input of the arithmetic amplifier circuit of the voltage conversion circuit, the above potential regulatory means, current The measuring apparatus according to claim 4 , which is a DC power supply circuit that can be switched between a positive potential and a negative potential connected to a non-inverting input of an operational amplifier of the voltage conversion circuit.

The measuring apparatus according to claim 1 , wherein the ion repelling electrode is a metal net.

Ion guiding means comprises an ion induction electrode disposed on the upstream side of the ion conversion electrode, the said ion induction electrode, measuring device according to claim 1 for applying a potential of the same polarity and the measured ionic charge.

The measuring apparatus according to claim 11 , wherein the ion induction electrode has an opening area ratio of 80% or more.

A wind tunnel forming an atmospheric gas flow;
An ion conversion electrode disposed in the wind tunnel and receiving charges of ions present in the gas to be measured;
Gas supply means for supplying the gas to the ion conversion electrode;
An electric quantity processing unit for converting electric quantity generated in the ion conversion electrode into an electric signal;
A device for measuring the amount of ions in a gas, comprising:
The ion conversion electrode is two or more conductors arranged along the airflow direction in a wind tunnel having an opening capable of gas suction,
Around each conductor, a metal conduit openings at both ends and arranged to be gas circulation, the said metallic conduit measuring device, characterized in that you apply a voltage having the same polarity and the measured ionic charge.

Gas supply means, the measuring device according to 13 or claims 1 a suction fan disposed on the downstream side with respect to the ion conversion electrode.

The measuring apparatus according to claim 14 , wherein the gas supply means is a DC motor as a motor for driving the fan.

The measuring device according to any one of claims 1 to 15 , wherein an opening of the wind tunnel has a diameter larger than a wind tunnel diameter at an arrangement position of the ion conversion electrode.

The measuring device according to any one of claims 1 to 15 , wherein an opening of the wind tunnel has a diameter smaller than a wind tunnel diameter at an arrangement position of the ion conversion electrode .