JP2001305034A - ガス同定方法、ガス定量方法およびガス同定または定量装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多数のセンサを必要とせずコストを削減で
き、かつ経時変化するガス成分を容易に同定し、濃度の
定量と経時変化を求めることを可能とする方法および装
置を提供する。 【解決手段】 ガスセンサに脱着ガスを流すことによ
り、測定対象ガス成分の脱着応答曲線を測定し、その脱
着応答曲線の形状と、既知のガス成分の脱着応答曲線の
形状とを比較するガス成分の同定方法、および、ガス検
知センサをガス流路中に設置し、センサの前に測定対象
ガスと脱着ガスとの切り替え機構を備え、測定対象ガス
から脱着ガスに切り替えたのちの時間を計測する機構
と、ガスの応答量を記録する脱着応答曲線測定装置と、
脱着応答曲線からガス成分の同定を行なうソフトウエア
を含有する情報処理装置を共に有するガス同定または定
量装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料ガス中の測定
対象ガス成分の同定方法および濃度を定量する方法なら
びにそのためのガス同定または定量装置（ガスセンサ、
ガス検知装置）に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガスの吸着現象を利用するガスセ
ンサの開発が盛んに進められている。たとえば、ガス成
分の吸着による共振周波数の変化を利用した水晶振動子
式センサ、表面弾性波素子式センサ、ガス成分の吸着に
よる導伝率や熱伝導率を利用した金属酸化物半導体式セ
ンサ、有機導電性高分子を利用したセンサなどをあげる
ことができる。

【０００３】これらのガスセンサにおいて、未知の試料
ガス中の測定対象ガス成分の同定、濃度の定量および濃
度の経時変化を求めることができれば、種々の分野にお
ける安全管理、食品や化粧品などに代表される商品の品
質管理、悪臭の計測などの環境計測などの様々な分野で
非常に有効である。そのため、測定対象ガス成分の同定
方法および濃度の定量方法が盛んに研究されている。

【０００４】たとえば、性質の異なるセンサ素子をアレ
イ状に配置して、そこから得られる各素子の飽和吸着量
をパターン処理して、ガス成分の同定を行ない、かつ応
答量から濃度を定量する方法をあげることができる。ま
た、特開平５−１６４６７０号公報記載のように、ガス
成分の吸着時の応答曲線から時定数を求め、その時定数
を利用してガス成分の同定を行ない、かつ飽和吸着量か
ら濃度を定量する方法などをあげることができる。

【０００５】上述した従来のガス成分の同定方法および
濃度の定量と経時変化の導出方法には、以下のような欠
点があった。パターン処理による方法では、多数のセン
サが必要でありコストがかかり、また、応答速度の遅い
成分に対しては、飽和吸着量に達するのが遅く、同定と
定量に時間がかかる。

【０００６】また、吸着時の応答曲線の時定数から測定
対象ガス成分の同定を行なうには、センサに測定対象ガ
ス成分を濃度がステップ関数的になるように供給する必
要があり、時間とともに濃度が変化する場合においては
測定対象ガス成分の同定が困難であった。とくに、種々
の事故により発生したガスの計測や悪臭の測定に代表さ
れるような環境計測などに利用する場合には、測定対象
ガス成分の濃度は一定ではなく、時間とともに変化する
のが一般的であり、このような場合において測定対象ガ
ス成分を同定し、かつ濃度の経時変化を測定することは
困難であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、多数
のセンサを必要とすることなく、コストを削減でき、か
つ濃度が経時変化する測定対象ガス成分を容易に同定
し、濃度の定量と経時変化を求めることができる方法お
よび装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、測定対象ガス
成分の脱着応答曲線の形状を、既知のガス成分の脱着応
答曲線の形状と比較することを特徴とするガス成分の同
定方法（請求項１）、ガスセンサに、測定対象ガス成分
を含有する試料ガスを流したのちに、当該試料ガスより
も測定対象ガス成分の濃度が低い脱着ガスを流すことに
よって測定した脱着応答曲線を用いる請求項１記載のガ
ス成分の同定方法（請求項２）、脱着応答曲線をある関
数に近似し、その関数の係数を用いて脱着応答曲線の形
状を比較する請求項１記載のガス成分の同定方法（請求
項３）、ｔを脱着開始からの経過時間、Ｔｉを１つまた
は複数の実数とし、ある関数を指数関数ｅｘｐ（−ｔ／
Ｔｉ）を含む多項式とし、Ｔｉを係数として用いる請求
項３記載のガス成分の同定方法（請求項４）、脱着速
度、脱着応答曲線の接線の傾き、または、応答量の値を
用いて脱着応答曲線の形状を比較する請求項１記載のガ
ス成分の同定方法（請求項５）、応答量が設定値に達し
た時点で脱着ガスを流す請求項２記載のガス成分の同定
方法（請求項６）ある時点の脱着速度まはた脱着応答曲
線の接線の傾きを用いて脱着応答曲線の形状を比較する
請求項１記載のガス成分の同定方法（請求項７）、ある
時点を、応答量が設定値に達してから脱着を開始し、脱
着を開始してから一定の設定時間を経過した時点、また
は、脱着を開始してからの応答量の変化量が設定値に達
した時点とする請求項７記載のガス成分の同定方法（請
求項８）、複数のガスセンサで測定した複数の脱着応答
曲線を用いる請求項２記載のガス成分の同定方法（請求
項９）、請求項１、２、３、４、５、６、７、８または
９記載の方法によってガス成分の同定を行ない、同定さ
れたガス成分の吸脱着にかかわる既知の情報と、応答曲
線の大きさまたは形状にかかわる情報とから、試料ガス
中の測定対象ガス成分の濃度を定量する方法（請求項１
０）、脱着応答曲線の大きさまたは形状にかかわる情報
が、脱着速度、脱着応答曲線の接線の傾き、または、応
答量である請求項１０記載の試料ガス中の測定対象ガス
成分の濃度を定量する方法（請求項１１）、ガス流路、
ガス流路中に設置したガスセンサ、ガスの流れから見て
ガスセンサの前に設置したガス流路に流す試料ガスと脱
着ガスとを切り替える機構、試料ガスから脱着ガスに切
り替えたのちの時間または応答量の変化が脱着の開始を
示したのちの時間を計測する機構、ガスの応答量を記録
する脱着応答曲線測定装置、および、脱着応答曲線から
請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０また
は１１記載の方法により測定対象ガス成分の同定または
定量を行なうソフトウエアを含有する情報処理装置を有
するガス同定または定量装置（請求項１２）、ならびに
同一の性質を有する複数のガスセンサを備え、少なくと
も１つのセンサは試料ガスを流し続けられるようにした
請求項１２記載のガス同定または定量装置（請求項１
３）にかかわる。

【０００９】

【発明の実施の形態】実施の形態１ 本発明では、ガス成分の同定に脱着応答曲線を用いる。
脱着応答曲線とは、ガスセンサに吸着した測定対象ガス
成分を一定条件下で脱着させる際の応答量の経時変化を
示す曲線である。測定対象ガス成分の脱着応答曲線の形
状を、既知のガス成分の脱着応答曲線の形状と比較する
ことにより、測定対象ガス成分を同定する。未知の測定
対象ガス成分を、もっとも近い脱着応答曲線を与えた既
知のガス成分と同定する。

【００１０】脱着応答曲線は、ガスセンサに、測定対象
ガス成分を含有する試料ガスを流したのちに、当該試料
ガスよりも測定対象ガス成分の濃度が低い脱着ガスを流
すことにより、測定することができる。

【００１１】たとえば、ガスセンサに、試料ガスを流
し、ガスセンサが試料ガス中の測定対象ガス成分に対し
て応答したのちに、ガスセンサに流すガスを試料ガスか
ら脱着ガスに切り替えることにより脱着応答曲線を求め
ることができる。脱着ガスとしては、たとえば、乾燥チ
ッ素を用いることができる。

【００１２】ガスセンサとしては、たとえば、水晶振動
子式センサを用いることができる。水晶振動子式センサ
の概略図を図１に示す。図１中の１は測定対象ガス成分
を吸着させる吸着膜、２は下地蒸着金電極、３は水晶基
板（水晶振動子）である。水晶振動子式センサは、ガス
成分の吸着膜１への吸着による重量変化を、水晶振動子
３の共振周波数の変化として検知する。

【００１３】水晶振動子３の共振周波数の変化量を応答
量、この共振周波数の時間微分値、ある時間間隔で求め
た応答量の変化量を時間間隔で除した値、または、応答
曲線の接線の傾きを応答速度とする。また、ガスセンサ
から測定対象ガス成分が脱着していくことによる水晶振
動子３の共振周波数の時間微分値、ある時間間隔で求め
た応答量の差をその時間間隔で除した値、または、脱着
応答曲線の接線の傾きを脱着速度とする。

【００１４】実施の形態１は、試料ガス中の測定対象ガ
ス成分をガスセンサに吸着させる工程、ガスセンサに脱
着ガスを流して測定対象ガス成分を脱着させ、脱着応答
曲線を得る工程、および、得られた脱着応答曲線の形状
を既知のガス成分の脱着応答曲線の形状と比較する工程
とからなる。流速、温度、湿度、脱着時間、脱着ガスを
流す前の応答量などの測定条件を統一して、測定対象ガ
ス成分を含む試料ガスと既知のガス成分Ａ、ＢまたはＣ
を含む試料ガスの吸脱着の応答量を測定して、脱着応答
曲線を取得する。得られる脱着応答曲線の形状を、同一
図面上または同一画面上で重ねて比較して、たとえば、
測定対象ガス成分の脱着応答曲線と、既知のガス成分Ｂ
の脱着応答曲線が酷似している場合には、試料ガス中の
測定対象ガス成分を、ガス成分Ｂと同定することができ
る。

【００１５】試料ガス中の測定対象ガス成分の濃度変動
に妨害されることなく、測定対象ガス成分に固有の脱着
応答曲線を得ることができるので、ガス成分の同定に、
吸着応答曲線ではなく、脱着応答曲線を用いることによ
り、ガスセンサ１つでも測定対象ガス成分を同定するこ
とができる。

【００１６】実施の形態２ 実施の形態２では、測定対象ガス成分および既知のガス
成分の脱着応答曲線をある関数に近似し、その関数の係
数を用いて脱着応答曲線の形状を比較することにより、
ガス成分を同定する。測定対象ガス成分の係数の値を、
あらかじめ記録しておいた既知のガス成分の脱着応答曲
線をその関数に近似したときの係数の値と比較すること
により、測定対象ガス成分を同定する。脱着応答曲線を
近似した関数の係数の値の比較は、コンピュータなどで
自動化することができる。

【００１７】脱着応答曲線を近似する関数としては、た
とえば、ｔを脱着開始からの経過時間、Ｔｉを１つまた
は複数の実数とした指数関数ｅｘｐ（−ｔ／Ｔｉ）を含
む多項式を用いることができ、また、その関数の係数と
してＴｉを用いることができる。具体的には、脱着応答
曲線を近似する関数として、多項式Σ（ａｉ・ｅｘｐ
（−ｔ／Ｔｉ））＋ｂで表わされる関数を用いて、係数
として１つのＴｉ（Ｔ１）または複数のＴｉを用いるこ
とができる。ａｉは実数である。

【００１８】たとえば、既知の物質の脱着応答曲線から
求めた時定数を情報処理装置内に記憶させておき、測定
値と比較することにより未知の物質（測定対象ガス成
分）を同定することができる。

【００１９】脱着応答曲線を、項数が多い多項式で表わ
される関数に近似すると、近似曲線の精度が向上し、そ
れとともにガス成分の同定の精度も向上する。たとえ
ば、ａ１、ａ２およびｂを実数として、ａ１・ｅｘｐ
（−ｔ／Ｔ１）＋ａ２・ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ２）＋ｂの３
項で表わされる関数に近似することにより、Ｔ１および
Ｔ２の２つの時定数を用いて同定することができる。同
様にして、４項以上の和で表わされる関数に近似して、
その定数を比較することにより、同定することができ
る。項数が多い関数（たとえば、３項以上で表わされる
関数）に近似することにより、ガスセンサ１１の吸着膜
１が必ずしも均一でないことや、膜の厚さ方向へガス成
分が拡散することや、ガス成分が多層吸着することによ
る精度の低下を補正することができる。

【００２０】なお、いずれの式においても、実数ｂが０
であれば、理想的な脱着応答曲線となり完全脱着する場
合を示す。しかし、試料ガス中に主成分の測定対象ガス
成分以外のガス成分が含まれ、これが非可逆的な吸着を
起こしたり、測定対象ガス成分と比較して非常に大きい
脱着時定数を有していたり、測定中にセンサの特性が部
分的に変化したりすると、０以外の値を有することにな
る。よって、脱着応答曲線を近似する関数（近似式）と
しては、はじめからｂを０とすることもできるが、場合
によってはｂも一緒に求める近似方法を選ぶことが必要
である。近似方法としては、たとえば、最小二乗法を利
用することができる。

【００２１】脱着応答曲線の時定数（係数）は、脱着応
答曲線が近似的に応答量ｆ＝ａ・ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）で
表わされる場合には、ｆと脱着速度ｄｆ／ｄｔを求め、
Ｔ＝−ｆ／（ｄｆ／ｄｔ）より容易に求めることができ
る。脱着速度ｄｆ／ｄｔは、１秒間〜５分間程度の時間
間隔で取得したｆの差をその時間間隔で除することや、
図面上で接線を引いて、その傾きを求めることによって
近似的に求めることができる。計算で求める場合には、
多点の平均化などのノイズ処理が必要な場合が多い。

【００２２】実施の形態３ 実施の形態３では、脱着速度、脱着応答曲線の傾き、ま
たは、応答量の値を用いて脱着応答曲線の形状を比較す
ることにより、ガス成分を同定する。

【００２３】たとえば、脱着速度または脱着応答曲線の
傾きと脱着時の応答量とを併用して脱着応答曲線の形状
を比較することにより、ガス成分を同定することができ
る。しかし、分子量の大きな高沸点化合物の場合には、
指数関数で近似することや、脱着時の応答量と脱着速度
の両方の値を用いなくとも、応答量を脱着開始時の応答
量で除してノーマライズした脱着速度のみを用いること
により、ガス成分の同定を行なうことができる。分子量
の大きな高沸点化合物は、吸着時定数および脱着時定数
が大きいので、１時間以内などの短時間であれば吸着曲
線および脱着応答曲線がほぼ一定の応答速度（脱着速
度）の直線的な応答曲線（脱着応答曲線）とみなすこと
ができるからである。これはＴがｔに比べて大きい場合
には数学的にａ・ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）がａ・（１−ｔ／
Ｔ）に近似できることに相当する。

【００２４】脱着応答曲線の時定数を近似曲線などを使
用して求める方法は、複雑なアルゴリズムを必要とする
が、応答量および脱着速度から求める方法によれば、複
雑なアルゴリズムを必要とすることなく、容易に測定対
象ガス成分を同定することができる。

【００２５】実施の形態４ 実施の形態４では、ガスセンサに、測定対象ガス成分を
含有する試料ガスを流したのちに、応答量が設定値に達
した時点で脱着ガスを流すことによって測定した脱着応
答曲線を用いて脱着応答曲線の形状を比較することによ
り、ガス成分を同定する。

【００２６】ガスセンサの測定対象ガス成分に対する応
答量が、設定値に達した時点で、試料ガスから脱着ガス
に切り替えることにより測定した脱着応答曲線から時定
数を求めること、または、脱着開始からの時間を決めて
おいて脱着応答量を求めることによって同定の正確度を
向上させることができる。未知のガス成分の時定数また
は脱着応答量を、既知のガス成分のそれらの値と比較す
ることによりガス成分の同定を行なうことができる。

【００２７】脱着応答曲線が、指数関数で完全に近似で
きる場合には、近似により求めた時定数は脱着開始時の
応答量には依存しないが、実際には不完全であるため、
前記のように脱着ガスに切り替える条件を統一すること
により、同定の精度を向上させることができる。

【００２８】実施の形態５ 実施の形態５では、ある時点の脱着速度または脱着応答
曲線の接線の傾きを用いて脱着応答曲線の形状を比較す
ることにより、ガス成分を同定する。ある時点は、たと
えば、応答量が設定値に達してから脱着を開始し、脱着
を開始してから一定の設定時間を経過した時点とするこ
とができる。

【００２９】既知のガス成分（既知試料）に対して設定
した応答量が得られた時点で、脱着ガスに切り替え脱着
開始後一定時間経過後の応答量と脱着速度を記録したデ
ータベースと未知の測定対象ガス成分（未知試料）の脱
着開始後一定時間経過後の応答量と脱着速度との比較を
行なうことによって同定を行なうことができる。

【００３０】近似曲線をａ・ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）とし、
既知試料のａおよびＴをａ０およびＴ０とする。一方未
知試料についても同様に、ａおよびＴをａｘおよびＴｘ
とすると、脱着開始時（ｔ=０）の式量はａｘとなる。
よって、脱着開始時の応答量を統一することはａ０＝ａ
ｘということであり、不明変数はＴｘのみとなる。

【００３１】よって、脱着時間を、たとえば、ｔ１で統
一すれば、未知試料に対する応答量はａ０・ｅｘｐ（−
ｔ１／Ｔｘ）となるので、想定される物質に対する応答
量ａ０・ｅｘｐ（−ｔ１／Ｔ０）の値を、あらかじめ測
定して求めておいたり、最小二乗法によりあらかじめ求
めておいた既知試料に対するａおよびＴ０を用いて計算
で求めておき、未知試料の応答量ａ０・ｅｘｐ（−ｔ１
／Ｔｘ）と比較することにより、未知試料中の測定対象
ガス成分を同定することができる。

【００３２】このように脱着ガス開始後一定時間経過後
の応答量を既知試料の脱着ガス開始後一定時間経過後の
応答量と比較することにより未知試料（測定対象ガス成
分）の同定を行なうことができる。この方法では、実施
の形態２記載の方法に比べて複雑な演算を行なう必要が
なく、容易に測定対象ガス成分の同定を行なうことがで
きる。

【００３３】実施の形態６ 実施の形態６では、応答量が設定値に達してから脱着を
開始し、脱着を開始してからの応答量の変化量が設定値
に達した時点の脱着速度または脱着応答曲線の接線の傾
きを用いて脱着応答曲線の形状を比較することにより、
ガス成分を同定する。周波数が設定量（この場合には１
０Ｈｚ）だけ減少するまでの経過時間が物質により異な
るので一定時間経過後の応答量を用いてガス成分の同定
をすることができる。

【００３４】すなわち、設定した応答量が得られた時点
で試料ガスから脱着ガスに切り替え、脱着開始後一定の
応答量の減少が確認された時点の脱着速度と経過時間か
らガス成分の同定を行なうことができる。既知のガス成
分に対して脱着開始後一定の応答量の減少が確認される
までの経過時間とその時点の脱着速度を記録したデータ
ベースと未知の測定対象ガス成分の脱着開始後一定の応
答量の減少が確認されるまでの時間と脱着速度との比較
を行なうことによって同定を行なう。

【００３５】以上に示した実施の形態１〜６では、同定
すべき試料ガス（測定対象ガス成分）として、ドデカン
などの純粋な炭化水素蒸気の例を示したが、ガソリン、
灯油、軽油、重油などの有機化合物の混合物でも同様に
同定できる。これらの石油系の試料は非常に多岐にわた
る混合物であるので、脱着応答曲線は完全な形で指数関
数に近似することはできないが、不完全ながらもそれに
近似できるし、また、同じサンプルに対しては同じ形状
の脱着曲線を示すので、同定が可能となる。

【００３６】ただし、油種により脱着速度が遅いものが
あるため、早期の同定を必要とする場合は、実施の形態
５記載の方法、すなわち一定時間経過後の脱着応答量を
利用することにより同定することができる。

【００３７】実施の形態７ 本発明の定量方法では、実施の形態１、２、３、４、５
または６記載の方法によってガス成分の同定を行ない、
同定されたガス成分の吸脱着にかかわる既知の情報と、
応答曲線の大きさまたは形状にかかわる情報とから、試
料ガス中の測定対象ガス成分の濃度を定量する。すなわ
ち、実施の形態１、２、３、４、５または６記載の方法
により同定したガス成分に対するガスセンサの応答量の
変化から、測定対象ガス成分の濃度の定量と経時変化を
求める。したがって、本発明の定量方法によれば、定量
したい時点のリアルタイムの応答曲線（すなわち、試料
ガスを検出中の応答曲線）と、測定対象ガス成分の定性
結果（物質名）から、すぐに測定対象ガス成分の定量を
することができる。本発明の定量方法では、たとえば、
（１）応答の測定、（２）脱着応答曲線の取得、（３）
計算による物質名の特定（定性）、（４）その物質の吸
脱着情報の取得、（５）応答の測定、（６）応答曲線か
ら計算によりリアルタイムで定量評価という手順で、測
定対象ガス成分の定量をすることができる。応答曲線の
大きさまたは形状にかかわる情報としては、たとえば、
脱着速度、脱着応答曲線の傾き、または応答量を用いる
ことができる。

【００３８】測定対象ガス成分の濃度が一定でかつ変化
しない場合は、その応答量とそのガス成分固有の変換係
数の積を求めることにより濃度を定量することができ
る。測定対象ガス成分の濃度が変化する場合は、そのガ
ス成分固有の応答量と応答速度を利用することにより、
濃度変化を求めることができる。

【００３９】濃度が変化しても、ヘキサンなどのように
定常状態に達する時間が早い物質に対しては、応答量と
換算係数の積をとることにより、濃度変化を求めること
ができる。しかし、分子量の大きなオクタデカンや軽油
や重油のように応答が定常状態に達するのに時間がかか
るものについては、応答速度と応答量を用いて濃度の経
時変化を求める必要がある。応答量と応答速度から濃度
の経時変化を求める演算方法には、使用するセンサとガ
ス成分に適した演算方法を用いる必要がある。

【００４０】応答量と応答速度から濃度の定量と経時変
化を求める方法の一例を以下に説明する。一例としてガ
スセンサとして、ＥＢセンサを用い、試料が炭化水素で
あるときの濃度と濃度の経時変化を導出する方法につい
て説明する。

【００４１】吸着膜１が炭素原子と水素原子で構成され
たＥＢであり、測定対象ガス成分がが炭素原子と水素原
子で構成された炭化水素である場合、吸着サイトが無限
にあると仮定した演算式を利用するのが適している。こ
れまでの実験結果より、測定の範囲（１０００ｎｇの吸
着）では吸着サイトが無限であるという挙動が得られて
いる。

【００４２】吸着の式はｄＮ／ｄｔ＝ｋａ’’・α・μ
・Ａ、脱着の式はｄＮ／ｄｔ＝−ｋｄ’・Ｎで表わすこ
とができる。Ｎは単位面積あたりの吸着分子数、ｋ
ａ’’は吸着定数、αは吸着確率、μは単位面積単位時
間あたりの衝突数、Ａは吸着サイト数、ｋｄ’は脱着定
数である。よって吸脱着の式はｄＮ／ｄｔ＝ｋａ’’・
α・μ・Ａ−ｋｄ’・Ｎとなる。μは気相濃度Ｃに比例
する量であり、前式はｄＮ／ｄｔ＝ｋａ’・Ｃ−ｋｄ’
・Ｎで表わされる。ｋａ’は定数である。また、応答量
（周波数変化量ｆ）は、吸着数Ｎに比例するため、前式
を下記式（１）と書ける。 ｄｆ／ｄｔ＝ｋａ・Ｃ−ｋｄ・ｆ （１） ここで、ｋａは吸着定数、ｋｄは脱着定数である。未定
定数ｋａとｋｄは、既知濃度のガス成分の濃度をステッ
プ関数的に変化させ、吸脱着時の吸着曲線と脱着応答曲
線のそれぞれを指数関数近似することにより求めること
ができる。式（１）は濃度を求める下記式（２）に変形
することができる。 Ｃ＝［ｄｆ／ｄｔ＋ｋｄ・ｆ］／ｋａ （２） 式（２）を差分式で表わすと、下記式（３）になる。 Ｃ＝［（ｆ（ｔ＋Δｔ）−ｆ（ｔ））／Δｔ＋ｋｄ・ｆ（ｔ）］／ｋａ （３） ここでΔｔは１秒〜５分程度の時間を表わす。（ｆ（ｔ
＋Δｔ）−ｆ（ｔ））／Δｔは応答曲線の接線の傾きと
考えることができる。ｋａとｋｄはガス成分に固有の値
であり、以上の考察から、その固有の値と応答曲線の接
線の傾きおよび応答量を用いて、任意の時点の濃度を求
めることができることがわかる。

【００４３】以上のように、定常状態になるのが遅い物
質に対しても、応答量と応答速度から逐次濃度を求める
ことができる。

【００４４】ここでは、吸着サイトは無限にあると仮定
した式を用いたが、ガスセンサとガス物質の関係によ
り、ラングミュアー式のように、吸着サイトの数が確定
しているという式やそのほかの最適な式を用い、応答量
と応答速度から濃度を導出することが可能である。

【００４５】実施の形態８ 本発明のガス同定または定量装置は、ガス流路、ガス流
路中に設置したガスセンサ、ガスの流れから見てガスセ
ンサの前に設置したガス流路に流す試料ガスと脱着ガス
とを切り替える機構、試料ガスから脱着ガスに切り替え
たのちの時間または応答量の変化が脱着の開始を示した
のちの時間を計測する機構、ガスの応答量を記録する脱
着応答曲線測定装置、および、脱着応答曲線から実施の
形態１、２、３、４、５、６または７記載の方法により
測定対象ガス成分の同定または定量を行なうソフトウエ
アを含有する情報処理装置を有する。

【００４６】本発明のガス同定または定量装置によれ
ば、種々の分野における安全管理や環境計測などの様々
な分野などでセンサを使用し、検知、監視を行なう場合
に求められる、発生したガス成分の同定、濃度の定量、
濃度の経時変化の追跡をすることができる。

【００４７】１素子のガスセンサを用いた本発明のガス
同定または定量装置（ガス検出装置）の一実施の形態の
構成を図６に示す。

【００４８】雰囲気空気の検知、監視を行なう場合には
雰囲気空気が試料ガスとなる。本装置は、エアフィルタ
ー１７を備え、脱着ガスとして、エアフィルタ１７を通
過した空気（清浄化空気）、または、ボンベ中の圧縮ガ
スを用いることができる。雰囲気空気および清浄化空気
は常にポンプ１６により一定流速でガスセンサ１１の方
向に流れている。ガスセンサ１１直前には雰囲気空気と
清浄化空気とを切り替える装置、たとえば電磁４方バル
ブ（コック）１８が備えられており、コンピュータ１４
の指令により、雰囲気空気または清浄化空気がガスセン
サ１１に流れる。必要でない空気は大気解放される。セ
ンサ１１からでた空気は大気中に解放される。ガスセン
サ１１の出力（応答量）は、アナログ／デジタル変換器
（インターフェース）１５を通してコンピュータ１４に
入力される。

【００４９】ガスセンサ１１としてＥＢセンサを用い、
既知試料としてヘキサン、ドデカン、ヘキサデカンおよ
びオクタデカンの定性結果および定量結果については、
すでに述べたとおりである。コンピュータ１４は、たと
えば、既知のガス成分のデータを保有し、脱着応答曲線
を指数関数などに近似することができるソフトウエア、
既知のガス成分のデータと測定対象ガス成分の脱着応答
曲線から求めた係数などとを比較してガス成分を同定す
るソフトウエア、実施の形態７記載の方法によりガスの
定量をすることができるソフトウエアを含んでおり、そ
れを実行することができる。

【００５０】水をバブリングした清浄化空気を試料ガス
として、ガス成分の定性および定量をすることによっ
て、水質汚染を検知することもできる。すなわち、試料
ガスの調製装置として、たとえば、軽油や重油などの油
類、トリクロロエチレンなどの有機塩素化合物、ジェオ
スミンなどの悪臭物質など揮発性物質が懸濁または溶解
した水を清浄化空気でバブリングする装置を前記ガス定
性または定量装置（ガス検知装置）に装着することによ
り、水の油臭検知や悪臭検知などの水中の揮発成分の検
知装置を構成することができる。

【００５１】コンピュータ１４は必ずしも同じ装置内に
ある必要はなく、有線または無線のデータ回線で結ばれ
た遠隔地にあってもよい。また、装置内または遠隔地に
あるコンピュータ１４は、測定したデータ（脱着応答曲
線）および解析結果を表示したり、この結果に基づきほ
かの指令を行なったり、ほかのコンピュータにデータや
解析結果を電送してもよい。また、コンピュータ１４は
マイクロプロセッサを含み指令した命令を実行できるも
のなら何でもよい。

【００５２】実施の形態９ 実施の形態９では、複数のガスセンサで測定した複数の
脱着応答曲線を用いてガス成分を同定し、また、ガス成
分の濃度を定量する。実施の形態９では、ガス成分の同
定または定量に、同一の性質を有する複数のガスセンサ
を備え、少なくとも１つのガスセンサは試料ガスを流し
続けられるようにした装置を用いる。

【００５３】ガスセンサを１つ有する装置では、ガスセ
ンサに脱着ガスを流しているあいだ（脱着中）は、試料
ガスを流し続けること（ガスセンサに測定対象ガス成分
を吸着させること）ができない。

【００５４】複数のガスセンサを備えた装置を用いるこ
とによって、少なくとも１つのガスセンサは試料ガスを
流し続けることができる。

【００５５】実施の形態９では、２つのセンサ１１ａ、
１１ｂで測定した複数の脱着応答曲線を用いて、ガス成
分を同定し、ガス成分の濃度を定量し、ガス成分の濃度
の経時変化を求める。図７に２つのセンサ１１ａ、１１
ｂを備えたガス検出装置の一例を示す。

【００５６】この装置は実施の形態８（図７）記載の装
置（ここに示したガスセンサ１１ａをガスセンサＡ、電
磁４方バルブ１８ａを電磁バルブＡとする）に、ガスセ
ンサＡと同一のガスセンサ（ガスセンサＢ）１１ｂと、
電磁４方バルブ（電磁バルブＢ）１８ｂを備える。測定
時には、試料ガスをガスセンサに供給する前に清浄化空
気を両センサに供給するが、測定開始後、試料ガスをガ
スセンサに供給し始めたのちは、ガスセンサＢには清浄
化空気を流さない。

【００５７】一方、ガスセンサＡについては実施の形態
１〜８に示したように必要に応じて清浄化空気である脱
着ガスをコンピュータの指令で流すことができる。これ
により、ガスセンサＢにより常に試料ガスに対する応答
を取得できると同時に、ガスセンサＡを用いて試料ガス
中の未知成分（測定対象ガス成分）の同定を行なうこと
ができる。

【００５８】実施の形態８と同様に、バブリング装置な
どをもうけて油臭検出装置などの水中の揮発成分の検知
装置としても用いることができる。

【００５９】実施の形態１０ 実施の形態１０では、異なる性質を有する複数のガスセ
ンサで測定した複数の脱着応答曲線を用いてガス成分を
同定し、また、ガス成分の濃度を定量する。

【００６０】実施の形態９においては、同一のセンサを
２つ使用したが、異なるセンサを用いてもガス成分の同
定、濃度の定量と経時変化を前記の方法により求めるこ
とができる。この場合、それぞれのセンサの脱着定数や
脱着応答曲線の形状の組み合わせから、未知試料を主成
分分析などの手法により同定することができる。

【００６１】

【実施例】実施例１（実施の形態２） 図２に示す装置を用いて、未知の測定対象ガス成分の脱
着応答曲線を測定し、脱着応答曲線を指数関数ａ・ｅｘ
ｐ（−ｔ／Ｔ）＋ｂに近似し、時定数Ｔを用いて、脱着
応答曲線の形状を、既知のガス成分の脱着応答曲線の形
状と比較して、ガス成分の同定を行なった。

【００６２】ガス成分の吸脱着現象を利用するガスセン
サとして図１に示す水晶振動子式センサを用いた。ＡＴ
カット９ＭＨｚの水晶振動子３を用い、吸着膜１として
エチレンブテン共重合体を用いた。エチレンブテン共重
合体をＥＢ、エチレンブテン共重合体をガス吸着膜１と
した水晶振動子センサをＥＢセンサと記載する。ＥＢセ
ンサは、炭化水素に高感度であるので、炭化水素の同定
にとくに有用である。

【００６３】ＥＢセンサを用いて、ヘキサン、ドデカン
およびテトラデカンの脱着応答曲線を測定し、その脱着
応答曲線を指数関数ａ・ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）＋ｂに近似
して、係数Ｔ（時定数とも呼ばれる）を求めた。脱着応
答曲線を求める際には、試料の蒸気（測定対象ガス成
分）を所定の濃度になるようにチッ素ガスで希釈し、そ
の希釈した試料ガスの測定を行なった。

【００６４】マスフローコントローラ７を制御して、チ
ッ素ガスによる試料蒸気の希釈率を変えることによって
種々の濃度の試料ガスの測定をすることができる。マス
フローコントローラ７を制御して、水晶振動子式センサ
１１に、試料蒸気を流さないようにし、チッ素ガスのみ
を流すことによって、良好な脱着ガスを得ることができ
た。

【００６５】図２中、４は試料を入れるためのガラス製
試料ビンであり、恒温槽中に設置し、常に一定の温度に
保持した。５は試料、６はチッ素ボンベ、７はマスフロ
ーコントローラ、８はガスを加湿するために蒸留水を入
れた加湿ビン、９は湿度調整を行なうための調湿器、１
０は水晶振動子式センサを設置する測定セルである。水
晶振動子式センサ１１は発振器１２により共振周波数で
発振しており、測定対象ガス成分の吸着による水晶振動
子の共振周波数の変化は、周波数カウンタ１３で読み取
り、コンピュータ１４に表示した。

【００６６】それぞれの測定対象ガス成分に対して、あ
る応答量が得られた時点で、試料ガスから脱着ガス（チ
ッ素ガス）に切り替えることにより、脱着応答曲線を測
定した。

【００６７】未知の炭化水素（測定対象ガス成分）、ヘ
キサン、ドデカンおよびテトラデカンの測定を行なった
ときの応答量の変化（脱着開始時における応答量を１に
ノーマライズした）、およびこのノーマライズしたデー
タをｅｘｐ（−ｔ／Ｔ）に最小二乗法により近似した近
似曲線を図３に示す。

【００６８】未知の炭化水素、ヘキサン、ドデカンおよ
びテトラデカンの時定数Ｔは最小二乗法によりそれぞれ
９０秒、３０秒、１００秒、３００秒と求められ、未知
の炭化水素の時定数はドデカンのそれに近く、ドデカン
であると同定された。

【００６９】実施例２（実施の形態３） 図４に未知の試料（測定対象ガス成分）、テトラデカン
およびオクタデカンの脱着応答曲線（脱着開始時の応答
量で応答量を除することによりノーマライズしてある）
とこれを１−ｔ／Ｔで近似した近似曲線を併せて示す。
また、表１には、未知の試料の測定時と前測定時との差
を測定間隔時間で除した脱着速度を示す。

【００７０】図４から、未知の試料はオクタデカンであ
ることが分かった。このとき未知の試料およびオクタデ
カンに対する係数１／Ｔはそれぞれ０．０００８８［１
／秒］および０．０００９１［１／秒］であった。一
方、表１からは、脱着初期においては、傾きは０．００
１４［１／秒］などと大きすぎるが、２００秒以降は
０．０００８７［１／秒］などと近似曲線とほぼ一致
し、２点間の差から充分に脱着速度を求めることができ
ることがわかった。

【００７１】

【表１】

【００７２】実施例３（実施の形態５） 実施例１と同様にして測定した測定対象ガス成分の脱着
応答曲線の形状を、応答量が５０Ｈｚに達してから脱着
を開始し、脱着を開始してから２０秒後の脱着速度（脱
着応答曲線の接線の傾き）を用いて比較することによ
り、ガス成分の同定を行なった。

【００７３】図３に、応答量が約５０Ｈｚに達した時点
からの脱着応答曲線を示す。未知試料、ヘキサン、ドデ
カンおよびヘキサデカンの脱着開始２０秒後の応答量は
それぞれ１０Ｈｚ、２４.３Ｈｚ、９.１Ｈｚおよび３.
２Ｈｚであった。未知試料の応答量１０Ｈｚはドデカン
の応答量９．１Ｈｚに最も近いので未知試料はドデカン
であると推定できた。

【００７４】実施例３では、２０秒後の応答量と脱着速
度からガス成分を同定したが、この２０秒という値に限
定されるものではなく、測定対象ガス成分により脱着速
度が大きく異なるため、目的に適した時間を選定するこ
とができる。

【００７５】実施例４（実施の形態６） 実施例１と同様にして測定した測定対象ガス成分の脱着
応答曲線の形状を、応答量が５０Ｈｚに達してから脱着
を開始し、脱着を開始してからの応答量が１０Ｈｚ減少
した時点の脱着速度（脱着応答曲線の接線の傾き）を用
いて比較することにより、ガス成分の同定を行なった。

【００７６】図３より、１０Ｈｚ減少したときに相当す
る応答量４０Ｈｚ（図３ではノーマライズしてあるので
０．８Ｈｚ）のときの応答時間を求めると、未知試料、
ヘキサン、ドデカンおよびヘキサデカンそれぞれに対し
て約２０秒、約１５秒、約２０秒および約３５秒となっ
た。未知試料の脱着時間はドデカンに対する脱着時間と
等しいので未知試料はドデカンであることが分かる。

【００７７】上記説明において、５０Ｈｚの応答量が得
られた時点で試料ガスから脱着ガスに切り替え、そのの
ち、応答量が１０Ｈｚ減少した時点での脱着速度と経過
時間を比較したが、脱着ガスに切り替えるときの応答量
や応答減少量の値は、上記の値に限定されるものではな
く、状況に応じて最適な値を使用することができる。

【００７８】実施例５（実施の形態７） 測定対象ガス成分の脱着応答曲線の形状を、既知のガス
成分の脱着応答曲線の形状と比較することによってガス
成分の同定を行ない、脱着応答曲線の大きさまたは形状
にかかわる情報と、同定されたガス成分の吸脱着にかか
わる既知の情報とから、試料ガス中の測定対象ガス性分
の濃度を定量した。

【００７９】ＥＢセンサを用い、試料には炭化水素であ
るオクタデカンを用い、オクタデカンの濃度を変化させ
たときの測定を行ない、濃度の経時変化を導出した。

【００８０】測定には図２の測定評価装置を用いた。チ
ッ素ガスによるオクタデカン蒸気の希釈率を変化させる
ことにより濃度を変化させた。図５にオクタデカンの濃
度変化、それに対するＥＢセンサの応答曲線、また、あ
らかじめ、実施の形態１〜５の方法で定性した物質に対
する吸着定数と脱着定数をハードディスクなどの記憶装
置の中から呼び出しておく。

【００８１】式（３）により導出した濃度変化を示す。
これより、上記演算式で導出した濃度の定量値と経時変
化が実際の濃度と経時変化と類似していることが確認さ
れた。

【００８２】実施例６（実施の形態９） 同一の性質を有する２つのガスセンサで測定した２つの
脱着応答曲線を用いて、軽油の同定および濃度の定量を
行なった。ガスセンサＡの脱着応答曲線から脱着定数を
求め、これを用いて試料ガス中の成分を軽油と同定し、
あらためてガスセンサＢの脱着応答曲線から軽油の濃度
変化を求めてプロットした。結果を図８に示す。

【００８３】

【発明の効果】本発明のガス成分の同定方法（請求項１
〜８）によれば、多数のセンサを必要とすることなく、
コストを削減でき、かつ濃度が経時変化する測定対象ガ
ス成分を容易に同定することができる。

【００８４】本発明のガス成分の同定方法（請求項９）
によれば、脱着にかかわる評価を複数のガス検知センサ
に対して行なうので、試料ガス中の測定対象ガス成分を
効率よく同定することができる。

【００８５】本発明の試料ガス中の測定対象ガス成分の
濃度を定量する方法（請求項１０および１１）によれ
ば、濃度が経時変化する測定対象ガス成分を容易に同定
し、濃度の定量と経時変化を求めることができる。

【００８６】本発明のガス同定または定量装置（請求項
１２および１３）によれば、濃度が経時変化する測定対
象ガス成分を容易に同定し、濃度の定量と経時変化を求
めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 水晶振動子式センサの断面図である。

【図２】 本発明の一実施の形態のガス同定または定量
装置の模式図である。

【図３】 ヘキサン、ドデカン、テトラデカンおよび未
知試料の脱着応答曲線（実施例１の結果）を示すグラフ
である。

【図４】 テトラデカン、オクタデカンおよび未知試料
の脱着応答曲線（実施例２の結果）を示すグラフであ
る。

【図５】 濃度変化推定時のセンサ応答、気相濃度およ
び計算気相濃度の変化（実施例５の結果）を示すグラフ
である。

【図６】 本発明の一実施の形態のガス同定または定量
装置の模式図である。

【図７】 本発明の一実施の形態のガス同定または定量
装置の模式図である。

【図８】 ２センサによるガス検知器を用いた軽油濃度
推定結果（実施例６の結果）を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 吸着膜、２ 下地蒸着金電極、３ 水晶基板、４
試料ビン、５ 試料、６ チッ素ボンベ、７ マスフロ
ーコントローラ、８ 加湿ビン、９ 調湿器、１０ 測
定セル、１１ 水晶振動子式センサ、１２ 発振器、１
３ 周波数カウンタ、１４ コンピュータ、１５ イン
ターフェース、１６ エアポンプ、１７ フィルタ、１
８ 電磁４方コック。

フロントページの続き (72)発明者 土方 健司 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2G046 AA22 AA23 AA34 DC16 DC17 DC18 EB01 2G047 AA01 BA04 BC04 BC15 2G060 AA01 AB16 AB19 AE19 BA01 HC19 HC21 KA01

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象ガス成分の脱着応答曲線の形状
   を、既知のガス成分の脱着応答曲線の形状と比較するこ
   とを特徴とするガス成分の同定方法。
2. 【請求項２】 ガスセンサに、測定対象ガス成分を含有
   する試料ガスを流したのちに、当該試料ガスよりも測定
   対象ガス成分の濃度が低い脱着ガスを流すことによって
   測定した脱着応答曲線を用いる請求項１記載のガス成分
   の同定方法。
3. 【請求項３】 脱着応答曲線をある関数に近似し、その
   関数の係数を用いて脱着応答曲線の形状を比較する請求
   項１記載のガス成分の同定方法。
4. 【請求項４】 ｔを脱着開始からの経過時間、Ｔｉを１
   つまたは複数の実数とし、ある関数を指数関数ｅｘｐ
   （−ｔ／Ｔｉ）を含む多項式とし、Ｔｉを係数として用
   いる請求項３記載のガス成分の同定方法。
5. 【請求項５】 脱着速度、脱着応答曲線の接線の傾き、
   または、応答量の値を用いて脱着応答曲線の形状を比較
   する請求項１記載のガス成分の同定方法。
6. 【請求項６】 応答量が設定値に達した時点で脱着ガス
   を流す請求項２記載のガス成分の同定方法。
7. 【請求項７】 ある時点の脱着速度まはた脱着応答曲線
   の接線の傾きを用いて脱着応答曲線の形状を比較する請
   求項１記載のガス成分の同定方法。
8. 【請求項８】 ある時点を、応答量が設定値に達してか
   ら脱着を開始し、脱着を開始してから一定の設定時間を
   経過した時点、または、脱着を開始してからの応答量の
   変化量が設定値に達した時点とする請求項７記載のガス
   成分の同定方法。
9. 【請求項９】 複数のガスセンサで測定した複数の脱着
   応答曲線を用いる請求項２記載のガス成分の同定方法。
10. 【請求項１０】 請求項１、２、３、４、５、６、７、
    ８または９記載の方法によってガス成分の同定を行な
    い、同定されたガス成分の吸脱着にかかわる既知の情報
    と、応答曲線の大きさまたは形状にかかわる情報とか
    ら、試料ガス中の測定対象ガス成分の濃度を定量する方
    法。
11. 【請求項１１】 脱着応答曲線の大きさまたは形状にか
    かわる情報が、脱着速度、脱着応答曲線の接線の傾き、
    または、応答量である請求項１０記載の試料ガス中の測
    定対象ガス成分の濃度を定量する方法。
12. 【請求項１２】 ガス流路、ガス流路中に設置したガス
    センサ、ガスの流れから見てガスセンサの前に設置した
    ガス流路に流す試料ガスと脱着ガスとを切り替える機
    構、試料ガスから脱着ガスに切り替えたのちの時間また
    は応答量の変化が脱着の開始を示したのちの時間を計測
    する機構、ガスの応答量を記録する脱着応答曲線測定装
    置、および、脱着応答曲線から請求項１、２、３、４、
    ５、６、７、８、９、１０または１１記載の方法により
    測定対象ガス成分の同定または定量を行なうソフトウエ
    アを含有する情報処理装置を有するガス同定または定量
    装置。
13. 【請求項１３】 同一の性質を有する複数のガスセンサ
    を備え、少なくとも１つのセンサは試料ガスを流し続け
    られるようにした請求項１２記載のガス同定または定量
    装置。