JP2006118999A - Gas detection device - Google Patents

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Takashi Nomi
隆 能美
Maya Tagaki
麻弥 太垣
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Nohmi Bosai Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To operate accurately a gas concentration even if water adheres to the inside of a chamber of a mass spectrometer. <P>SOLUTION: This gas detection device is equipped with: a sampling tube for sampling the air from a monitoring zone; and the mass spectrometer provided on the base end side of the sampling tube, for performing mass spectrometry by ionizing the sampled air. The spectrum intensity wherein a mass charge ratio (m/z) is 1(H+) and the spectrum intensity wherein the mass charge ratio (m/z) is 2(H2) are detected, and the spectrum intensity wherein the mass charge ratio (m/z) is 1(H+) is subtracted from the spectrum intensity wherein the mass charge ratio (m/z) is 2(H2), to thereby operate the hydrogen gas concentration. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明はガス検出装置に関するものである。   The present invention relates to a gas detection device.

水素ガスを検知する手段としては、従来より従来より、半導体式などのガスセンサが良く知られている。また近年では、質量分析計を使用した水素センサもある(特許文献1参照)。
特開平9−128992号公報
As means for detecting hydrogen gas, conventionally, a semiconductor type gas sensor has been well known. In recent years, there is also a hydrogen sensor using a mass spectrometer (see Patent Document 1).
JP-A-9-128992

質量分析計は、検知対象であるガスを一分子から100%までの範囲で検出できる優れた機器であるが、主に室内で使用する精密な分析用の機器であるため、屋外でのガスの漏洩の検出には適していない。また、質量分析計のチャンバ内に水が付着すると、低濃度のガス領域においては、正確なガス濃度の測定ができないという問題があった。そこで、本発明は、質量分析計のチャンバ内に水が付着しても正確にガス濃度を演算できるようにすることを目的とする。   A mass spectrometer is an excellent instrument that can detect the gas to be detected in the range of one molecule to 100%, but it is a precision analytical instrument that is mainly used indoors. Not suitable for leak detection. Further, when water adheres to the chamber of the mass spectrometer, there is a problem that accurate gas concentration cannot be measured in a low concentration gas region. Accordingly, an object of the present invention is to make it possible to accurately calculate a gas concentration even if water adheres to a chamber of a mass spectrometer.

本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、監視区域から空気をサンプリングするサンプリング管と、該サンプリング管の基端側に設けられ、サンプリングされた空気をイオン化して質量分析する質量分析計とを備えたガス検出装置において、質量電荷比が1のスペクトル強度と、質量電荷比が2のスペクトル強度とを検出して、前記空気中の水素ガス濃度を演算することを特徴とするものである。また、質量電荷比が2のスペクトル強度から前記質量電荷比が1のスペクトル強度を差分して、水素ガス濃度を演算することを特徴とするものである。   The present invention has been made to solve the above-described problems. A sampling tube that samples air from a monitoring area, and a mass that is provided on the proximal end side of the sampling tube and ionizes the sampled air to perform mass analysis. A gas detection apparatus comprising an analyzer detects a spectral intensity having a mass-to-charge ratio of 1 and a spectral intensity having a mass-to-charge ratio of 2, and calculates a hydrogen gas concentration in the air. Is. Further, the hydrogen gas concentration is calculated by subtracting the spectrum intensity having the mass to charge ratio of 1 from the spectrum intensity having the mass to charge ratio of 2.

本発明は、質量分析計において、質量電荷比が1)のスペクトル強度と、質量電荷比が2のスペクトル強度とスペクトル強度を検出して、質量電荷比が2のスペクトル強度から質量電荷比が1のスペクトル強度を差分して、水素ガス濃度を演算するように構成した。   The present invention detects a spectral intensity having a mass-to-charge ratio of 1), a spectral intensity having a mass-to-charge ratio of 2, and a spectral intensity in a mass spectrometer. The hydrogen gas concentration is calculated by subtracting the spectral intensities.

このため、チャンバ内に付着した水の影響によって、水分子から生じた水素イオンによって水素分子が生成されても、空気中から検出した水素分子からその生成した水素分子を差し引くことで、正確な水素ガス濃度の演算を行うことが可能となる。   For this reason, even if hydrogen molecules are generated by hydrogen ions generated from water molecules due to the influence of water adhering to the inside of the chamber, the generated hydrogen molecules are subtracted from the hydrogen molecules detected in the air, so that accurate hydrogen It becomes possible to calculate the gas concentration.

図1は本発明のガス検出装置Gを説明するためのシステムブロック図である。本発明のガス検出装置Gは、質量分析計MSと、サンプリング管10とドライポンプなどを備えたサンプリング部分とから構成される。   FIG. 1 is a system block diagram for explaining a gas detector G of the present invention. The gas detection device G according to the present invention includes a mass spectrometer MS and a sampling portion including a sampling tube 10 and a dry pump.

図において、MSは質量分析計である。質量分析計MSは、イオン化部2,質量分離部4(分析部ともいう),検出部6とで構成されており、サンプリング管10の基端側に設けられ、サンプリングされた空気をイオン化して質量分析する。   In the figure, MS is a mass spectrometer. The mass spectrometer MS includes an ionization unit 2, a mass separation unit 4 (also called an analysis unit), and a detection unit 6. The mass spectrometer MS is provided on the base end side of the sampling tube 10 and ionizes sampled air. Perform mass analysis.

質量分析計MSのイオン化部2としては、最も一般的な電子衝撃イオン化(EI)法が一例として使用される。これは、加速した電子を試料(中性)分子に衝突させ、イオン化させる方法である。   As the ionization unit 2 of the mass spectrometer MS, the most common electron impact ionization (EI) method is used as an example. This is a method in which accelerated electrons collide with a sample (neutral) molecule to be ionized.

質量分離部4については、例えば、最も普及している、四重極型を使用している。四重極型は4本のポール状電極の対角線各2本に同一極性の同一電圧をかけ、この極性を高速で切り換えるときにポール内を通過できるイオンの質量数がポールにかけた電圧に比例することを利用して、特定の質量電荷比(m/z)をもつイオン(本実施形態の場合は水素イオン)のみを通過させ分離を行うものである。なお、mは分子量、zは電荷数である。   For the mass separator 4, for example, the most popular quadrupole type is used. In the quadrupole type, the same voltage of the same polarity is applied to each of the two diagonal lines of the four pole-shaped electrodes, and the mass number of ions that can pass through the pole when this polarity is switched at high speed is proportional to the voltage applied to the pole. By utilizing this, only ions having a specific mass-to-charge ratio (m / z) (hydrogen ions in the present embodiment) are allowed to pass through and separation is performed. Here, m is the molecular weight and z is the number of charges.

検出部6は光電子増倍管などを備え、分離された1つのイオンを検出する。検出部6は、外部のデータ解析処理装置8と接続され、検出信号をデータ解析処理装置へ送るように構成されている。そして、イオンを質量ごとに分離して検出することにより、横軸(イオンの質量数)/縦軸(イオンの検出強度)からなるマススペクトルを得るように構成されている。データ解析処理装置8は、質量分析計MSからのスペクトルデータを処理して必要なピーク値のみ選択してデータ解析する。   The detection unit 6 includes a photomultiplier tube and the like, and detects one separated ion. The detection unit 6 is connected to an external data analysis processing device 8 and is configured to send a detection signal to the data analysis processing device. Then, by separating and detecting ions for each mass, a mass spectrum composed of a horizontal axis (ion mass number) / vertical axis (ion detection intensity) is obtained. The data analysis processing device 8 processes the spectrum data from the mass spectrometer MS, selects only necessary peak values, and analyzes the data.

データ解析処理装置8については、より具体的には後述するが、質量電荷比(m/z)が1(H+)のスペクトル強度と、質量電荷比(m/z)が2(H2)のスペクトル強度とを検出して、質量電荷比(m/z)が2(H2)のスペクトル強度から質量電荷比(m/z)が1(H+)のスペクトル強度を差分して、水素ガス濃度を演算する。   More specifically, the data analysis processing device 8 will be described later. The mass intensity-to-charge ratio (m / z) is 1 (H +) and the mass-to-charge ratio (m / z) is 2 (H2). The spectrum intensity is detected, and the hydrogen gas concentration is obtained by subtracting the spectrum intensity of the mass to charge ratio (m / z) of 1 (H +) from the spectrum intensity of the mass to charge ratio (m / z) of 2 (H2). Is calculated.

質量分析計MSを構成するイオン化部2,質量分離部4,及び検出部6は、ガス分析するにあたって、高い真空度を必要とするので、真空ポンプとしてのターボ分子ポンプTMPとドライポンプ9を2台直結して、質量分析計MSのチャンバ内の圧力を10↑−5Torr程度の圧力にしている。この圧力は、10↑−4〜10↑−6Torrの範囲で調整され、その中で好ましい値が、10↑−5Torrである。なお、ポンプの台数を増やして、イオン化部2、質量分離部4,検出部6のチャンバ内の圧力を、順次低下させるような差動排気系のシステムを構成するようにしてもよい。   Since the ionization unit 2, the mass separation unit 4, and the detection unit 6 constituting the mass spectrometer MS require a high degree of vacuum for gas analysis, two turbo molecular pumps TMP and two dry pumps 9 are used as vacuum pumps. The table is directly connected, and the pressure in the chamber of the mass spectrometer MS is set to a pressure of about 10 ↑ -5 Torr. This pressure is adjusted in the range of 10 ↑ -4 to 10 ↑ -6 Torr, and a preferable value is 10 ↑ -5 Torr. In addition, you may make it comprise the system of the differential exhaust system which increases the number of pumps and reduces the pressure in the chamber of the ionization part 2, the mass separation part 4, and the detection part 6 one by one.

以上で説明した質量分析計MSに関する部分は、既に知られている他の質量分析計MSに置き換えることが可能である。例えば、イオン化や質量分離の原理の異なる、ソフトイオン化法や、イオントラップ式や、磁場型、TOF式などの他の質量分析計を使用してもよい。   The part related to the mass spectrometer MS described above can be replaced with another already known mass spectrometer MS. For example, other mass spectrometers such as a soft ionization method, an ion trap type, a magnetic field type, and a TOF type, which have different ionization and mass separation principles, may be used.

続いて、サンプリング部分について説明する。10はサンプリング管で、その先端は監視区域に設置され、基端にはドライポンプ12が接続されて、監視区域から空気をサンプリングしている。ここで監視区域は、例えば水素ステーションなどの水素を貯蔵した施設や燃料電池が設けられる区域などである。   Next, the sampling part will be described. Reference numeral 10 denotes a sampling pipe, the tip of which is installed in the monitoring area, and the dry pump 12 is connected to the base end to sample air from the monitoring area. Here, the monitoring area is, for example, a hydrogen storage facility such as a hydrogen station or an area where a fuel cell is provided.

本実施形態では、真空ポンプとして、油動作液を使用する「ウェットポンプ」を使用せずに、油動作液を使用しない「ドライポンプ」を使用している。これは、「ウェットポンプ」を使用すると、排気動作を行わせるのに必要な動作液である油が原因となって、質量分析計MS内で油汚染となって、スペクトルに油成分による干渉ピークが生じるからである。また油中にサンプルガスが溶存して、いつまでも残存ピークとしてサンプルピークが消滅しないといった問題も生じる。   In this embodiment, the “dry pump” that does not use the oil working liquid is used as the vacuum pump, without using the “wet pump” that uses the oil working liquid. This is because when the “wet pump” is used, oil, which is the working fluid necessary to perform the exhaust operation, causes oil contamination in the mass spectrometer MS, causing interference peaks due to oil components in the spectrum. This is because. There is also a problem that the sample gas is dissolved in the oil and the sample peak does not disappear as a residual peak indefinitely.

サンプリング管10の内径は、流速が低下しないように、できるだけ細くすることが望ましい。この内径は、監視区域からドライポンプ12までの距離によって調整され、例えばその距離が1m程度なら、内径が0.3mm程度以下のサンプリング管が使用される。また、その距離が10m程度なら、サンプリング管の内径を0.52mm程度に調整して、所定時間内に一定流量の空気をサンプリングできるように管径は調整される。   It is desirable to make the inner diameter of the sampling tube 10 as thin as possible so that the flow rate does not decrease. The inner diameter is adjusted according to the distance from the monitoring area to the dry pump 12. For example, if the distance is about 1 m, a sampling tube having an inner diameter of about 0.3 mm or less is used. If the distance is about 10 m, the inner diameter of the sampling tube is adjusted to about 0.52 mm, and the tube diameter is adjusted so that a constant flow rate of air can be sampled within a predetermined time.

サンプリング管10の先端部には、第1のメンブレンフィルタ13が設けられ、また、サンプリング管10の途中には、第2のメンブレンフィルタ15が設けられる。メンブレンフィルタとしては、ゴム等の高分子膜、セラミック多孔体、金属焼結体、液膜などが使用される。第1のメンブレンフィルタ13は例えば、高分子膜から形成され、孔径が0.01〜1μmのものが使用され、好ましくは0.05μmのものが使用される。また第2のメンブレンフィルタ15の孔径は1μm〜0.3mmのものが使用され、好ましくは、0.5μm程度のものが使用される。この第2のメンブレンフィルタ15としては、特に金属焼結体又は金網が使用される。   A first membrane filter 13 is provided at the tip of the sampling tube 10, and a second membrane filter 15 is provided in the middle of the sampling tube 10. As the membrane filter, a polymer film such as rubber, a ceramic porous body, a metal sintered body, a liquid film, or the like is used. The first membrane filter 13 is formed of, for example, a polymer film and has a pore diameter of 0.01 to 1 μm, preferably 0.05 μm. The pore diameter of the second membrane filter 15 is 1 μm to 0.3 mm, preferably about 0.5 μm. As the second membrane filter 15, a metal sintered body or a wire mesh is used in particular.

メンブレンフィルタ13,15には、その孔径によって、「防滴」、「水素の選択性」、「消炎(水素ガスによる爆発を防止)」という3つの機能(効果)がある。孔径が0.6mm未満であれば、消炎の効果があり、50μm以下であれば防滴の効果がある。そして、孔径が10μm以下であれば、酸素分子などをカットして、分子径の小さい水素分子だけを効率よく選択して透過させる膜(フィルタ)となる。   The membrane filters 13 and 15 have three functions (effects) depending on the pore diameters: “drip-proof”, “hydrogen selectivity”, and “extinguishing (preventing explosion caused by hydrogen gas)”. If the hole diameter is less than 0.6 mm, there is an effect of extinguishing the flame. When the pore size is 10 μm or less, a membrane (filter) that cuts oxygen molecules and efficiently selects and transmits only hydrogen molecules having a small molecular diameter.

サンプリング管10において、ドライポンプ12の一次側と質量分析計MSは、細い管径のガス導入管20によって接続されている。そして、ガス導入管20の途中には、流量制御用のニードルバルブ22が設けられ、ガス導入管20の流路を絞っている。なお、ニードルバルブ22に代えてオリフィスを使用してもよい。ここで、サンプリング管10のドライポンプ側12の圧力は、760torr(およそ10↑3torr)で、質量分析計MSの圧力は、10↑−5torrで、高い真空状態にあり、両者の圧力差は大きい。このため、サンプリング管10と質量分析計MSとを、ガス導入管20を介して接続し、ニードルバルブ22によってその流路を絞ってある。こうすることで、質量分析計MSの真空状態を保ち、かつガス成分も通過できるようにすることが可能となり、いわゆる差動排気系が構成されている。このような差動排気系のシステムを介して質量分析計MSにサンプリングした空気を導入するので、質量分析計MSに不純物が入りにくく、長期のモニタリングが可能となる。   In the sampling tube 10, the primary side of the dry pump 12 and the mass spectrometer MS are connected by a gas introduction tube 20 having a thin tube diameter. A needle valve 22 for controlling the flow rate is provided in the middle of the gas introduction pipe 20 to restrict the flow path of the gas introduction pipe 20. In place of the needle valve 22, an orifice may be used. Here, the pressure on the dry pump side 12 of the sampling tube 10 is 760 torr (approximately 10 ↑ 3 torr), the pressure of the mass spectrometer MS is 10 ↑ −5 torr, and is in a high vacuum state, and the pressure difference between the two is large. . For this reason, the sampling tube 10 and the mass spectrometer MS are connected via the gas introduction tube 20, and the flow path is narrowed by the needle valve 22. By doing so, it becomes possible to maintain the vacuum state of the mass spectrometer MS and also allow gas components to pass through, so that a so-called differential exhaust system is configured. Since sampled air is introduced into the mass spectrometer MS through such a differential exhaust system, impurities are unlikely to enter the mass spectrometer MS, and long-term monitoring is possible.

なお、図において、30は加熱手段としてのヒータである。ヒータ30は100℃で質量分析計MS全体とガス導入管20を加熱するものである。これは、質量分析計MS内部では圧力が低いことから、質量分析計MS内のガス用の配管(キャピラリ)内に水滴が付着したりすると、大気圧下に比べ凍結しやすいからで、この凍結を防止するためである。特に、ガス導入管20におけるニードルバルブ22で絞られ、細くなった部分は凍結の可能性が高いので、ヒータ30による加熱が望まれる。   In the figure, reference numeral 30 denotes a heater as a heating means. The heater 30 heats the entire mass spectrometer MS and the gas introduction tube 20 at 100 ° C. This is because the pressure inside the mass spectrometer MS is low, and if water drops adhere to the gas pipe (capillary) in the mass spectrometer MS, it is more likely to freeze than under atmospheric pressure. It is for preventing. In particular, since the portion narrowed and narrowed by the needle valve 22 in the gas introduction pipe 20 has a high possibility of freezing, heating by the heater 30 is desired.

次に、屋外の監視区域にある図示しない水素ステーションなどの施設において、配管などの亀裂箇所から、水素が漏洩する場合について説明する。水素ガスは空気中へと拡散されるが、その一部は、サンプリング管10の先端部にあるメンブレンフィルタを通って、サンプリングされる。   Next, a case where hydrogen leaks from a cracked part such as a pipe in a facility such as a hydrogen station (not shown) in an outdoor monitoring area will be described. Although hydrogen gas is diffused into the air, a part of the hydrogen gas is sampled through a membrane filter at the tip of the sampling tube 10.

この時、サンプリング管10の先端部にはメンブレンフィルタ13が設けてあるので、雨粒がサンプリング管10に入ることはなく、サンプリング管10内部へは気体のみを通過させて、空気中の水分(液体)の浸入を阻止する事が可能となる。つまり、雨粒などの水滴の大きさは、20〜50μmの粒径でメンブレンフィルタ13より大きいので、メンブレンフィルタ13を設けることで防滴効果が向上し、屋外にガス検出装置Gを設置しても支障がない。   At this time, since the membrane filter 13 is provided at the tip of the sampling tube 10, raindrops do not enter the sampling tube 10, and only gas is allowed to pass into the sampling tube 10, so that moisture in the air (liquid ) Can be prevented from entering. In other words, the size of water droplets such as raindrops is 20-50 μm larger than the membrane filter 13, so that the drip-proof effect is improved by providing the membrane filter 13, and even if the gas detection device G is installed outdoors. There is no hindrance.

またメンブレンフィルタ13に0.05μmという孔径の小さいものを使用することで、検知対象である分子径の小さい水素分子のみを透過させて酸素分子がサンプリング管10に流入するのを防止できる。このように水素分子だけを選択することで、サンプリング管10に入る水素ガスを濃縮することができる。   Further, by using a membrane filter 13 having a small pore diameter of 0.05 μm, it is possible to prevent only oxygen molecules having a small molecular diameter to be detected from permeating and flowing oxygen molecules into the sampling tube 10. By selecting only hydrogen molecules in this way, the hydrogen gas entering the sampling tube 10 can be concentrated.

サンプリング管10によって吸い込まれた水素ガスは、大部分がドライポンプ12側へ導かれて、排気され大気中に放出されるが、その一部は、ガス導入管20及びニードルバルブ22を通って、質量分析計MSに導入される。   Most of the hydrogen gas sucked in by the sampling pipe 10 is led to the dry pump 12 side, exhausted and released into the atmosphere, and part of the hydrogen gas passes through the gas introduction pipe 20 and the needle valve 22, Introduced into the mass spectrometer MS.

ところで、「サンプリング管10の内径は、流速が低下しないように、できるだけ細くすることが望ましい」と前述した。これは、一つは流速を低下させないことで、ガスの漏洩時は、早期にガスを検出するためであるが、もう一つ理由がある。それは、太い径の管を使用すると、水素ガスをサンプリングしている際に爆発を起こす危険があるからである。   By the way, “the inner diameter of the sampling tube 10 is desirably as thin as possible so as not to reduce the flow velocity”. One reason is that the flow rate is not reduced, and at the time of gas leakage, the gas is detected at an early stage, but there is another reason. This is because the use of a large diameter tube may cause an explosion when sampling hydrogen gas.

水素ガスの消炎距離、即ち、爆発によって炎が生じるのに必要な最低限の距離は、0.6mmである。つまり、サンプリング管10の内径を0.6mm未満にしておけば、サンプリング管10の距離を伸ばしても、その途中で爆発が生じることを防ぐことができる。本実施形態では、0.6mm未満の内径のサンプリング管10を使用しているので、特に爆発の問題は生じることはないが、水素ガスの消炎距離よりも小さい孔径の第2のメンブレンフィルタ(金属製フィルタ)15を設けることで、吸引した水素ガスによる爆発をより確実に防止することが可能となる。   The flame extinguishing distance of hydrogen gas, that is, the minimum distance necessary for generating a flame by explosion is 0.6 mm. That is, if the inner diameter of the sampling tube 10 is less than 0.6 mm, it is possible to prevent an explosion from occurring in the middle of the sampling tube 10 even if the distance of the sampling tube 10 is increased. In this embodiment, since the sampling tube 10 having an inner diameter of less than 0.6 mm is used, there is no particular problem of explosion, but the second membrane filter (metal) having a pore diameter smaller than the flame extinguishing distance of hydrogen gas. By providing the (manufactured filter) 15, it becomes possible to more reliably prevent explosion due to the sucked hydrogen gas.

また管径が小さく、管内がより低い圧力下では、そのサンプリング管10を流れる気体分子の流れは、粘性流から分子流となり、分子が互いに衝突しない平均自由工程が大きくなるので、結果として水素ガスが濃縮された状態となる。   When the tube diameter is small and the pressure in the tube is lower, the flow of gas molecules flowing through the sampling tube 10 changes from a viscous flow to a molecular flow, and the mean free path in which molecules do not collide with each other increases. Becomes a concentrated state.

サンプリングした水素ガスを含んだ空気が、質量分析計MSに導入されると、イオン化部2でイオン化され、質量分離部4で、特定の質量電荷比をもつ水素イオンのみを通過させ分離を行い、検出部6が、その分離されたイオンを検出する。そして、検出部6は、検出信号をデータ解析処理装置8へ送る。ここで、質量電荷比2にピークを有するマススペクトルが得られることから、そのピークを水素分子と認識して検出する。このようにして、質量分析計MSにより、屋外(監視区域)において空気中に漏洩した水素ガスを検知する。   When the air containing the sampled hydrogen gas is introduced into the mass spectrometer MS, it is ionized by the ionization unit 2, and the mass separation unit 4 performs separation by passing only hydrogen ions having a specific mass-to-charge ratio. The detection unit 6 detects the separated ions. Then, the detection unit 6 sends a detection signal to the data analysis processing device 8. Here, since a mass spectrum having a peak at a mass to charge ratio of 2 is obtained, the peak is recognized as a hydrogen molecule and detected. In this manner, the hydrogen gas leaked into the air is detected outdoors (monitoring area) by the mass spectrometer MS.

次に、データ解析処理装置8における水素ガスの濃度の演算方法について図2〜図4を用いて説明する。まず濃度を演算する下準備とした水素ガスの検量線を作成し、検量線のデータをデータ解析処理装置8に登録しておく。検量線の作成にあたっては、濃度の異なる水素ガスの試料ガスをいくつか用意し、サンプリング管10から試料ガスをサンプリングさせ、質量分析計MSで試料ガスを検出させる。そして、マススペクトルを得て、質量電荷比(m/z)2のピーク強度(スペクトル強度ともいう)を求める。用意した濃度の異なる試料ガスについて、順次、ピーク強度を求め、図2に示すようなガス濃度とピーク強度の高さの関係を示す対数グラフを作成して、データ解析処理装置8に登録する。この検量線データを作成しておくことによって、マススペクトルからピーク強度を求めて、水素ガスの濃度を演算することができる。なお、図2の検量線において、水素濃度が0にも係わらず、わずかにピーク強度があるのは、チャンバ内に付着した水分子が水素イオンとなり、その水素イオンが他の水素イオンと結合して水素分子となるためである。   Next, a method for calculating the concentration of hydrogen gas in the data analysis processing apparatus 8 will be described with reference to FIGS. First, a calibration curve of hydrogen gas prepared as a preparation for calculating the concentration is created, and calibration curve data is registered in the data analysis processing device 8. In preparing the calibration curve, several sample gases of hydrogen gas having different concentrations are prepared, sample gas is sampled from the sampling tube 10, and the sample gas is detected by the mass spectrometer MS. Then, a mass spectrum is obtained, and a peak intensity (also referred to as spectrum intensity) of mass to charge ratio (m / z) 2 is obtained. For the prepared sample gases having different concentrations, the peak intensities are sequentially obtained, and a logarithmic graph showing the relationship between the gas concentration and the peak intensity as shown in FIG. 2 is created and registered in the data analysis processing device 8. By creating this calibration curve data, the peak intensity can be obtained from the mass spectrum and the concentration of hydrogen gas can be calculated. In the calibration curve of FIG. 2, although the hydrogen concentration is 0, there is a slight peak intensity because water molecules adhering to the chamber become hydrogen ions, and the hydrogen ions are combined with other hydrogen ions. This is because it becomes a hydrogen molecule.

続いて、質量分析計MSの検出部6等を構成するチャンバ内に水が付着した場合の影響について、図3,図4のマススペクトルをもとに説明する。図3は質量分析計MSのマススペクトルで、検知対象である水素ガス濃度が高濃度である場合を示し、図4は、検知対象である水素ガス濃度が低濃度である場合を示している。図3,図4のマススペクトルにおいて、X軸の質量電荷比(m/z)2に現れるのが、水素分子(H2)のスペクトルである。これに対し、X軸の質量電荷比(m/z)1に現れるのが、水素イオン(H+)のスペクトルである。     Next, the effect of water adhering to the chamber constituting the detection unit 6 of the mass spectrometer MS will be described based on the mass spectra shown in FIGS. FIG. 3 is a mass spectrum of the mass spectrometer MS, and shows a case where the hydrogen gas concentration as a detection target is high, and FIG. 4 shows a case where the hydrogen gas concentration as a detection target is low. In the mass spectra of FIGS. 3 and 4, what appears at the mass-to-charge ratio (m / z) 2 of the X axis is the spectrum of the hydrogen molecule (H2). On the other hand, what appears in the mass-to-charge ratio (m / z) 1 on the X axis is a spectrum of hydrogen ions (H +).

チャンバ内に水が付着していると、その水分子は質量分析計MSによって、水分子(H2O)として検出され、マススペクトルで質量電荷比18のピークを生じるが、その一方で、僅かではあるが、水分子が水素イオンと水酸基イオンに分離して、質量電荷比1のピークも生じる。この分離生成された水素イオンは、更に水素イオン同士がくっつくことによって水素分子を生じる。つまり結果として水分子の存在により、わずかではあるが水素分子が生成されることになる。   When water is attached in the chamber, the water molecule is detected as a water molecule (H 2 O) by the mass spectrometer MS, resulting in a mass-to-charge ratio 18 peak in the mass spectrum, but only slightly. However, water molecules are separated into hydrogen ions and hydroxyl ions, and a peak with a mass-to-charge ratio of 1 also occurs. The hydrogen ions separated and generated generate hydrogen molecules by further adhering to each other. That is, as a result, a small amount of hydrogen molecules are generated due to the presence of water molecules.

従って、質量電荷比2のピークにおいて、その大部分は、検知した水素ガスの水素分子によるものであるが、非常にわずかではあるが、水分子を基に生成された水素分子の影響が、そのピークには現れることになる。このため検知する水素ガス濃度が高濃度の場合には、特に影響はないが、ある程度低い水素ガス濃度、例えば、1%以下のガス濃度の場合、単純にピーク強度から検量線を使用してガス濃度を演算すると、正確なガス濃度が得られなくなる。   Therefore, in the peak of mass-to-charge ratio 2, the majority is due to the hydrogen molecules of the detected hydrogen gas, but the influence of the hydrogen molecules generated based on the water molecules is very slight. It will appear at the peak. For this reason, when the hydrogen gas concentration to be detected is high, there is no particular effect. However, when the hydrogen gas concentration is somewhat low, for example, when the gas concentration is 1% or less, the gas is simply determined using the calibration curve from the peak intensity. If the concentration is calculated, an accurate gas concentration cannot be obtained.

そこで本実施の形態においては、データ解析処理装置8において、濃度演算を行う際には、質量電荷比(m/z)が1(H+)のスペクトル強度と、質量電荷比(m/z)が2(H2)のスペクトル強度を検出して、質量電荷比(m/z)が2(H2)のスペクトル強度から質量電荷比(m/z)が1(H+)のスペクトル強度を差分して、水素ガス濃度を演算する。   Therefore, in the present embodiment, when the concentration calculation is performed in the data analysis processing device 8, the spectrum intensity with the mass to charge ratio (m / z) of 1 (H +) and the mass to charge ratio (m / z). Detects the spectral intensity of 2 (H2) and subtracts the spectral intensity of the mass to charge ratio (m / z) of 1 (H +) from the spectral intensity of the mass to charge ratio (m / z) of 2 (H2). The hydrogen gas concentration is calculated.

水分子から生じる質量電荷比1のピークの大きさと、質量電荷比2のピーク内に現れる水分子によって生じる水素分子のピークの大きさがほぼ等しいものと仮定すれば、このような演算方法をとることで、質量電荷比2のピーク内の水分子によって生じた水素分子による影響を排除することが可能になり、より正確なガス濃度を演算することが可能になる。     Assuming that the size of the peak of mass-to-charge ratio 1 generated from water molecules and the size of the peak of hydrogen molecules generated by water molecules appearing in the peak of mass-to-charge ratio 2 are almost equal, this calculation method is used. Thus, it becomes possible to eliminate the influence of hydrogen molecules caused by water molecules in the peak of mass to charge ratio 2, and to calculate a more accurate gas concentration.

なお、大気中には湿度があり、この湿度は時間や場所によって変化する。このため本実施の形態の質量分析計MSで、湿度の高い地域で空気をサンプリングすると、質量電荷比1のピークが大きくなり、ピーク2にも影響を与えるので、上述したような水分子の影響を排除できる濃度の演算方法が望まれる。   Note that there is humidity in the atmosphere, and this humidity varies depending on time and place. For this reason, when air is sampled in a high humidity area in the mass spectrometer MS of the present embodiment, the peak of the mass-to-charge ratio 1 becomes large and also affects the peak 2. Therefore, the influence of water molecules as described above A method of calculating the concentration that can eliminate the above is desired.

ところで、本実施形態のように、質量分析計を用いて、希薄な濃度の水素ガスを測定する際には、気圧の変動の影響が現われるので、気圧の変動の影響を除いて正確な測定を行う必要があり、そのためのキャリブレーションが必要となる。   By the way, when measuring a dilute concentration of hydrogen gas using a mass spectrometer as in this embodiment, the influence of fluctuations in atmospheric pressure appears, so accurate measurement is performed except for the influence of fluctuations in atmospheric pressure. It is necessary to carry out calibration for that.

ここでは、キャリブレーションの一例について説明する。大気中には平均してアルゴンが約9300ppm程度の濃度で含まれ、しかもアルゴンは社会の産業活動や人の日常生活活動等からはほとんど排出されないので、大気中のこれらの濃度はほぼ一定に保たれており、前記の諸活動の影響を受けて変動することが少ない。そこで、このアルゴンを指標として気圧変動による濃度の変化を補正して大気中の水素ガスを測定できるようにする。   Here, an example of calibration will be described. In the atmosphere, argon is contained at an average concentration of about 9300 ppm, and since argon is hardly emitted from social industrial activities and human daily activities, these concentrations in the atmosphere are kept almost constant. It is less likely to fluctuate under the influence of the above activities. Therefore, the hydrogen gas in the atmosphere can be measured by correcting the change in concentration due to the fluctuation of atmospheric pressure using this argon as an index.

本実施形態発明において、水素ガスBをモニタリングしたい場合は、まず予めある標準的な状態で、大気中のアルゴンの濃度A0を測定しておく。モニタリング中の任意の時間tにおけるアルゴンの濃度Atを測定して、この初期濃度A0に対するAtの変化を、補正係数(A0/At)として演算する。   In the present embodiment, when the hydrogen gas B is desired to be monitored, the argon concentration A0 in the atmosphere is first measured in advance in a standard state. The argon concentration At at an arbitrary time t during monitoring is measured, and the change in At with respect to the initial concentration A0 is calculated as a correction coefficient (A0 / At).

そして、気圧変動があった場合には、ある時間tに測定した水素ガス濃度Btに補正係数(A0/At)を乗算することで、時間tにおける補正された水素ガス濃度Btを測定するものである。   When the atmospheric pressure varies, the corrected hydrogen gas concentration Bt at time t is measured by multiplying the hydrogen gas concentration Bt measured at a certain time t by the correction coefficient (A0 / At). is there.

本発明のガス検出装置Gを説明するためのシステムブロック図である。It is a system block diagram for demonstrating the gas detection apparatus G of this invention. 水素ガス濃度とピーク強度の関係を示す検量線のグラフである。It is a graph of a calibration curve showing the relationship between hydrogen gas concentration and peak intensity. 質量分析計のマススペクトルで、高濃度の水素ガスを検出した場合を示す。The case where high concentration hydrogen gas is detected in the mass spectrum of the mass spectrometer is shown. 質量分析計のマススペクトルで、低濃度の水素ガスを検出した場合を示す。The case where low concentration hydrogen gas is detected in the mass spectrum of the mass spectrometer is shown.

符号の説明Explanation of symbols

2 イオン化部、 4 質量分離部、 6 検出部、
8 データ解析処理装置、 10 サンプリング管、 12 ドライポンプ、
13 メンブレンフィルタ、 15 メンブレンフィルタ、 20 ガス導入管、
22 ニードルバルブ、 30 ヒータ、
MS 質量分析計、 TMP ターボ分子ポンプ、

2 ionization section, 4 mass separation section, 6 detection section,
8 Data analysis processor, 10 Sampling tube, 12 Dry pump,
13 membrane filter, 15 membrane filter, 20 gas inlet tube,
22 needle valve, 30 heater,
MS mass spectrometer, TMP turbo molecular pump,

Claims (2)

監視区域から空気をサンプリングするサンプリング管と、該サンプリング管の基端側に設けられ、サンプリングされた空気をイオン化して質量分析する質量分析計とを備えたガス検出装置において、
質量電荷比が1のスペクトル強度と、質量電荷比が2のスペクトル強度とを検出して、前記空気中の水素ガス濃度を演算することを特徴とするガス検出装置。
In a gas detection apparatus comprising: a sampling tube that samples air from a monitoring area; and a mass spectrometer that is provided on a proximal end side of the sampling tube and ionizes the sampled air to perform mass analysis.
A gas detection apparatus that detects a spectral intensity having a mass-to-charge ratio of 1 and a spectral intensity having a mass-to-charge ratio of 2, and calculating a hydrogen gas concentration in the air.
前記質量電荷比が2のスペクトル強度から前記質量電荷比が1のスペクトル強度を差分して、水素ガス濃度を演算することを特徴とする請求項1記載のガス検出装置。 The gas detection apparatus according to claim 1, wherein a hydrogen gas concentration is calculated by subtracting a spectral intensity having a mass-to-charge ratio of 1 from a spectral intensity having a mass-to-charge ratio of 2. 5.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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