JPH06308071A - 熱伝導度型検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】反応速度が速くかつフィラメントの経時変化の
起こりにくい熱伝導度型検出器を提供する。 【構成】基準抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、ガスに晒される
フィラメント抵抗Ｆとを接続して、ブリッジ回路の四辺
を構成し、これら抵抗間の４点の接続点の内、対向する
２つの接続点を演算増幅器の２つの入力端子に接続する
とともに、その出力端子を残る２つの接続点の一方に接
続し、他の接続点を接地するように構成し、ブリッジ回
路への測定ガスの導入から平衡に至る増幅器出力を検出
すべく構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスの分析を行う、例
えばガスクロマトグラフ等に使用される熱伝導度型検出
器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガスクロマトグラフのカラムか
ら分離流出されたガスは、熱伝導度型検出器で測定され
る場合が多くあるが、この熱伝導度型検出器の一例を第
４図で説明する。図において、フィラメントＦと基準抵
抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３とでブリッジ回路を構成する。フィ
ラメントＦに流れるガスのためにフィラメントの温度が
変化し、この結果、その抵抗値が変化して、ブリッジが
不平衡になり、不平衡出力がブリッジ電圧検出回路Ｎで
検出され、この出力の大小により試料ガス中の成分が検
出される。なお、この場合、フィラメントは一定温度に
維持された金属ブロックで形成されたセル内に収納され
ており、ブリッジの駆動電源には定電圧回路または定電
流回路Ｍが一般に用いられていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上の従来の熱伝導度
検出器においては、セルの容積はフィラメントをセル内
に収納する必要から大きくなり（小型化には限界があ
る）、したがって、フィラメント及び金属ブロックで形
成されたセルの熱容量が大きく、即ち、熱時定数が大き
く、応答速度が悪くなるという問題点があった。また、
熱伝導度の低いガス成分が流れたときフィラメントの温
度が上がりすぎ、フィラメントを構成する金属が酸化し
たり、時によってはガスにより腐食したりするという結
果を招き、そのため、フィラメントに経時変化が発生し
て検出器として、つまりガスクロマトグラフとしての性
能が安定しないという問題点もあった。この場合、熱伝
導度の低いガスが流れてきても、フィラメントの温度が
上昇し過ぎないように、フィラメントに流れる電流値を
低く抑えるという方法も考えられるが、これでは検出精
度が低下するばかりか、測定可能ガスの種類が限定され
ることになり、この方法はあまり利用されていない。

【０００４】本発明は、これらの問題点（欠点）を解決
することを目的とし、ブリッジ回路と演算増幅器とを組
合せ、ブリッジ回路に組み込まれた測定ガスに晒される
フィラメントの温度を常に一定となるようにブリッジ回
路の不平衡出力に伴う電流をフィラメントにフィードバ
ックして流し実質的に温度変化を抑え、ブリッジ回路を
常に平衡させると共に、この演算増幅器の出力から、測
定ガス成分の濃度を測定できるようにした高精度で高速
応答の熱伝導度型検出器を得ることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明は一定の抵抗値を有する基準抵抗Ｒ１、Ｒ
２、Ｒ３と、ガスに晒されるフィラメント抵抗Ｆとを接
続してブリッジ回路の四辺を構成し、これら抵抗間の４
点の接続点のうち、対向する２つの接続点を演算増幅器
の２つの入力端子に接続するとともに、その出力端子を
残る２つの接続点の一方に接続し、他の接続点を接地す
るように構成し、ブリッジ回路への測定ガスの導入から
平衡に至る増幅器出力を検出しようとするものである。

【０００６】

【作用】フィラメントの抵抗値はフィラメントの温度に
比例して変化し、この温度はフィラメントに流れる電流
に比例して変化する。そこでブリッジに基準抵抗とフィ
ラメント抵抗とを組み込み、その基準抵抗とフィラメン
ト抵抗の比を一定にするように、例えば、フィラメント
抵抗が基準抵抗より小さくなるときはフィラメントに流
れる電流を増やし、フィラメント抵抗が基準抵抗より大
きくなるときはフィラメントに流れる電流を減らすよう
に演算増幅器の出力をブリッジ回路にフィードバック
し、基準抵抗とフィラメント抵抗の比が一定となるよう
に動作させる。基準抵抗に常に一定の値をとるもの（例
えば巻線抵抗）を用意することで、フィラメント抵抗値
は常に一定になるようになり、結果としてこのときの平
衡出力を測定することで試料ガスの測定が可能となる。

【０００７】

【実施例】本発明に関する熱伝導度型検出器の実施例を
第１図に示し、この検出器を用いたガスクロマトグラフ
のシステム例を第２図を用いて説明する。

【０００８】第２図において１はヘリウム等の不活性ガ
スが充填されているキャリアガスボンベ、２はキャリア
ガスが所定の流量で流れるように制御をするキャリアガ
ス流量制御部、３は分離分析される試料を注入する試料
注入部、４は分離カラム、５は熱伝導度型検出器であ
り、点線で示す部分６は恒温槽で、上記の試料注入部
３、分離カラム４、熱伝導度型検出器５をそれぞれ所定
の温度に一定に保持するものである。以上の構成におい
て試料導入部３へ導入された分離分析されるべき試料ガ
スは、流量制御されたキャリアガスでカラム４に送ら
れ、ここで、ガス成分毎に分離され熱伝導度型検出器５
へと流出する。

【０００９】第３図は、この熱伝導度型検出器の概略で
あり、７は金属（またはセラミック等）で構成される小
容積をもつ容器（セル）で、点線で示す恒温槽６内に収
納され、一定温度に保持されている。このセル７の上端
部には第２図において説明したカラム４が接続されてお
り、カラムからのキャリアガスや分離された試料ガスが
矢印方向からセル内に流入し、他方から流出してゆく。
このセル７内には例えばタングステンまたはタングステ
ンレニウム合金等からなる金属フィラメントＦが収納さ
れており、このフィラメントＦは第１図において詳細に
説明するブリッジ回路の一辺に接続される。

【００１０】第１図は本発明の熱伝導度型検出器の実施
例であり、上記フィラメントＦをその一辺とするブリッ
ジ回路において、基準抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点Ｏとフィ
ラメントＦと基準抵抗Ｒ３との接続点Ｐとを演算増幅器
ＣＡの正負の入力端に接続するとともに、その出力側を
例えば基準抵抗Ｒ２、Ｒ３の接続点Ｑに接続したもので
ある。なお、ＲはフィラメントＦと基準抵抗Ｒ１との接
続点、Ｓは電源である。 以下に、この熱伝導度型検出
器の動作を説明する。基準抵抗Ｒ１、基準抵抗Ｒ２の抵
抗値の分圧比で決まる電圧が演算増幅器の正入力に与え
られ、演算増幅器の負入力には、基準抵抗Ｒ３、フィラ
メントＦの抵抗値の分圧比で決まる電圧が与えられる。
熱容量の大きいガスがフィラメントＦに流れてくると、
フィラメントＦの温度は下がり、その結果としてフィラ
メントＦの抵抗は小さくなる。そして、点Ｏと点Ｐの電
位を比べると、点Ｏの電位の方が高くなる。点Ｐの電位
は下がるが、演算増幅器の入力の正入力端に点Ｏが、ま
た、演算増幅器の負入力端に点Ｐが接続されているの
で、点Ｏの電位は大きくなり、この結果としてフィラメ
ントＦと基準抵抗Ｒ３に多くの電流が流れ、フィラメン
トの温度は高くなり、低くなっていたフィラメントの温
度は再び最初の温度に戻される。結果的に演算増幅器の
出力電圧は安定点に落ち着き、演算増幅器の正入力及び
負入力の電圧は等しくなる。この落ち着きの効果は演算
増幅器の出力電圧が下がる方向の時も同じである。つま
り演算増幅器の出力電圧が制御されることで演算増幅器
の正入力及び負入力の電圧は常に等しくなる。これらの
経過における演算増幅器の出力、あるいは演算増幅器の
入力端子からの信号を検出することによって試料ガスの
測定が可能となる。

【００１１】このように、基準抵抗を用意してフィラメ
ント電圧を一定とする制御回路を用いることで、結果と
して高精度で高速応答のガスクロマトグラフを構成する
ことができる。この回路は、一つだけで用いることがで
きるし、また、第５図のようにサンプルガスとリファレ
ンスガスの差を求めて差動出力を得るように用いること
もでき、この場合、サンプルガスにはキャリアガスとサ
ンプルガス、リファレンスガスにはキャリアガスのみが
流される。

【００１２】第５図においてフィラメントＦ１はサンプ
ルガス用のフィラメントで、このフィラメントに熱容量
の高いガスが流れてきたとき、演算増幅器ＣＡ１の負入
力の電圧が下がるので演算増幅器ＣＡ１の出力電圧が上
昇する。一方、フィラメントＦ２には一定量のリファレ
ンスガスが流れているので、一定の出力が演算増幅器Ｃ
Ａ２の出力となる。また、演算増幅器ＣＡ１の出力は演
算増幅器ＣＡ３の正入力となり、演算増幅器ＣＡ２の出
力は演算増幅器ＣＡ３の負入力となるので、演算増幅器
ＣＡ１と演算増幅器ＣＡ２との出力差が演算増幅器ＣＡ
３の出力として検出される。この回路の場合、キャリア
ガスが両方のフィラメントを流れている際の出力は演算
増幅器ＣＡ３で差引されているので、検出出力のクロマ
トグラムはバックグラウンドがゼロに近いクロマトグラ
ムが得られる。熱容量の小さいガスが流れてきたときは
演算増幅器ＣＡ１の負入力の電圧が上がるので演算増幅
器ＣＡ１の出力電圧は下がり結果的に演算増幅器ＣＡ３
の出力は負になり、動作は上記の逆になる。

【００１３】

【発明の効果】この発明を実施することで、フィラメン
トの温度が実質的に変わらないため、検出出力は、フィ
ラメント及び金属ブロックで形成されたセルの熱容量に
よる熱時定数と無関係になり、フィラメントを形成する
ブロックの体積を小型化出来ると共に、応答速度を上げ
ることが出来る。そのため、応答速度が上がる為にクロ
マトグラムのチャート上での裾野の広がりつまりテーリ
ング現象が小さくなり、スペクトルの分解能が上昇する
ことになる。これの生データを実験例で表したのが第６
図、第７図である。第６図は従来の第４図の検出器での
クロマトグラムで、第７図は本発明による第１図の検出
器によるクロマトグラムである。この第６図、第７図か
らも明かなように、本発明の検出器では、反応応答性が
速くなるためにフィラメントの温度が常にほぼ一定とな
ることから、フィラメントの応答性が改善されピークは
シャープなものになる。第６図ではプロピオン酸(PROPI
ONICACID)とイソ酪酸(ISO-BUTYRIC ACID)の２つのピー
クが重なっているが、本願発明のチャートの例では、第
７図のように、これらの２つのピークは分離されたシャ
ープなピークになるという顕著な効果を有する。また、
フィラメントには常に電流が流れているが、熱容量の低
いガスが流れてきた時でも、フィラメントの温度は過熱
されることなく、一定の値に落ち着き、酸化したり、腐
食したりすることもない。そのため、フィラメントの経
時変化がなく、検出器としての性能が安定する。また、
フィラメントの電流値を低く抑える必要もないため、感
度を上げることができ、測定可能なガスの種類も多くな
り、ガスの種類が限定されることもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱伝導度型検出器の制御回路

【図２】熱伝導度型検出器を用いたガスクロマトグラフ
のシステム

【図３】熱伝導度型検出器

【図４】従来技術のブリッジ構成による検出回路

【図５】本発明の熱伝導度型検出器の組合わせ例

【図６】従来技術の熱伝導度検出器を使ったクロマトグ
ラフのチャート例

【図７】本発明の熱伝導度検出器を使ったクロマトグラ
フのチャート例

【符号の説明】

１…キャリアガスボンベ、２…キャリアガス流量制御
部、３…試料注入部、４…分離カラム、５…熱伝導度型
検出器、６…恒温槽、７…セル、８…検出器制御回路、
フィラメント…Ｆ，Ｆ１，Ｆ２、基準抵抗…Ｒ１〜Ｒ
６、演算増幅器…ＣＡ，ＣＡ１，ＣＡ２，ＣＡ３、電源
…Ｓ、定電流又は定電圧回路…Ｍ、ブリッジ電圧検出回
路…Ｎ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】４個の抵抗を接続してブリッジ回路を構成
   し、４個の接続点の対向する２つの接続点と演算増幅器
   の２つの入力端子とを接続し、かつ、この出力端子を他
   の接続点の１つに接続するとともに抵抗の１つをガスに
   晒されるフィラメント抵抗とし、残る抵抗を一定の抵抗
   値を有する基準抵抗としたことを特徴とする熱伝導度型
   検出器。