JP2006138641A - Gas component analyzer - Google Patents

Gas component analyzer Download PDF

Info

Publication number
JP2006138641A
JP2006138641A JP2004325967A JP2004325967A JP2006138641A JP 2006138641 A JP2006138641 A JP 2006138641A JP 2004325967 A JP2004325967 A JP 2004325967A JP 2004325967 A JP2004325967 A JP 2004325967A JP 2006138641 A JP2006138641 A JP 2006138641A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sample gas
pressure
gas
mass spectrometer
correction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004325967A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kotaro Akashi
耕太郎 明石
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2004325967A priority Critical patent/JP2006138641A/en
Publication of JP2006138641A publication Critical patent/JP2006138641A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately and continuously measure a sample gas containing a mixture of a plurality of components different in molecular weight or viscosity. <P>SOLUTION: This gas component analyzer is equipped with a sample gas introducing part 1 for introducing the sample gas G, the mass analyzer 3 connected to the sample gas introducing part 1 through an throttle 2, the exhaust system 4 connected to the mass analyzer 3, a pressure gauge 5 for detecting the pressure on the downstream side of the throttle 2 and a data processing part 6 for correcting the analytic result of the sample gas G obtained by the mass analyzer 3 using the pressure detected by the pressure gauge 5 to calculate the concentrations of the components of the sample gas G on the basis of the analytic result after correction. By this constitution, the respective components can be continuously analyzed without impairing the measurement precision of the sample gas G even if the mixture ratio of the respective components in the sample gas G, containing a mixture of a plurality of the components different in molecular weight or viscosity, is varied. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、試料ガスの成分を分析するガス成分分析装置に関し、特に分子量や粘性が異なる複数の成分が混合した試料ガス中における各成分の混合比が変動したときでも、その試料ガスの測定精度を損なわずに、連続して各成分の分析が可能なガス成分分析装置に関するものである。   The present invention relates to a gas component analyzer for analyzing a component of a sample gas, and in particular, even when the mixing ratio of each component in a sample gas in which a plurality of components having different molecular weights and viscosities are mixed fluctuates, the measurement accuracy of the sample gas is measured. The present invention relates to a gas component analyzer that can continuously analyze each component without impairing the above.

従来のガス成分分析装置は、加熱された試料ガス導入部と、この試料ガス導入部にバルブを介して連結されている質量分析計と、この質量分析計に連通されている排気系と、前記質量分析計から出力されたデータを処理するデータ処理部とを備えて構成されていた。このような従来のガス成分分析装置は、試料ガス導入部と質量分析計との間に調圧された低真空室を設け、この低真空室と質量分析計を細管又はノズルで隔てて、これらの差圧によって質量分析計に試料ガスを導入するようになっていた(特許文献1参照)。
特開平2−141655号公報
A conventional gas component analyzer includes a heated sample gas inlet, a mass spectrometer connected to the sample gas inlet via a valve, an exhaust system connected to the mass spectrometer, And a data processing unit that processes data output from the mass spectrometer. In such a conventional gas component analyzer, a low-vacuum chamber is provided between the sample gas introduction unit and the mass spectrometer, and the low-vacuum chamber and the mass spectrometer are separated by a thin tube or a nozzle. The sample gas was introduced into the mass spectrometer by the differential pressure (see Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 2-141655

しかし、上記特許文献1に記載の従来技術においては、減圧状態で調圧された低真空室と、質量分析計とを細管又はノズルで隔てるように接続しているが、試料ガス中に例えば水素ガスのような分子量や粘性の比較的小さなガスが存在する場合には、低真空室の調圧を行ったとしても、質量分析計に導入される試料ガスの流量が変動し、正確な測定ができない、という問題点があった。   However, in the prior art described in Patent Document 1, a low vacuum chamber regulated in a reduced pressure state and a mass spectrometer are connected so as to be separated by a thin tube or nozzle. If there is a gas with a relatively low molecular weight or viscosity, such as a gas, the flow rate of the sample gas introduced into the mass spectrometer will fluctuate even if the pressure in the low vacuum chamber is adjusted. There was a problem that it was not possible.

また、試料ガス導入部と質量分析計との間に低真空室を設けたことにより、この部分に水素のような拡散速度が大きく、排気速度の小さな成分が選択的に滞留してしまうため、試料ガス中における各ガスの混合比が変動したときに、その変動を追従できない、という問題点があった。
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、分子量や粘性が異なる複数の成分が混合した試料ガス中における各成分の混合比が変動したときでも、その試料ガスの測定精度を損なわずに、連続して各成分の分析が可能なガス成分分析装置を提供することを目的とする。
In addition, by providing a low vacuum chamber between the sample gas introduction part and the mass spectrometer, a diffusion rate such as hydrogen is large in this part, and a component with a low exhaust rate is selectively retained. When the mixing ratio of each gas in the sample gas varies, there is a problem that the variation cannot be followed.
Therefore, the present invention addresses such problems and does not impair the measurement accuracy of the sample gas even when the mixing ratio of each component in the sample gas in which a plurality of components having different molecular weights and viscosities are mixed varies. Another object of the present invention is to provide a gas component analyzer capable of continuously analyzing each component.

上記目的を達成するために、本発明によるガス成分分析装置は、測定対象となる試料ガスを、試料ガス導入部から絞りを介して質量分析計に導入し、絞りの下流側の圧力を圧力検出手段で検出し、この検出した圧力を用いて試料ガスの分析結果を補正し、この補正後の分析結果に基づいて試料ガスの成分濃度を算出するものである。   In order to achieve the above object, a gas component analyzer according to the present invention introduces a sample gas to be measured from a sample gas introduction unit into a mass spectrometer through a restriction, and detects the pressure downstream of the restriction. The analysis result of the sample gas is corrected using the detected pressure, and the component concentration of the sample gas is calculated based on the corrected analysis result.

本発明によれば、試料ガスを導入するガス導入部と質量分析計部とが絞りを介して直接連結された構造であり、かつ試料ガス導入部の絞りの下流側に圧力検出手段が配置されているため、質量分析計に導入される試料ガス量の変動を検知し、質量分析計で得た試料ガスの分析結果を補正することができる。したがって、分子量や粘性が異なる複数の成分が混合した試料ガス中における各ガスの混合比が変動したときでも、その試料ガスの測定精度を損なわずに、連続して測定をすることができる。   According to the present invention, the gas introduction part for introducing the sample gas and the mass spectrometer part are directly connected via the restriction, and the pressure detection means is arranged downstream of the restriction of the sample gas introduction part. Therefore, the variation in the amount of sample gas introduced into the mass spectrometer can be detected, and the analysis result of the sample gas obtained by the mass spectrometer can be corrected. Therefore, even when the mixing ratio of each gas in the sample gas in which a plurality of components having different molecular weights and viscosities are mixed, measurement can be continuously performed without impairing the measurement accuracy of the sample gas.

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明によるガス成分分析装置の実施形態を示す概要図である。このガス成分分析装置は、複数の成分が混合した試料ガスGの成分を分析する装置であって、試料ガス導入部1と、絞り2と、質量分析計3と、排気系4と、圧力計5と、データ処理部6とを備えて成る。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a gas component analyzer according to the present invention. This gas component analyzer is an apparatus for analyzing a component of a sample gas G in which a plurality of components are mixed, and includes a sample gas introduction unit 1, a throttle 2, a mass spectrometer 3, an exhaust system 4, and a pressure gauge. 5 and a data processing unit 6.

試料ガス導入部1は、測定対象となる試料ガスGを導入する管路であり、その途中には試料ガスGの流量を規制する絞り2が挿入されている。この試料ガス導入部1の排気下流側には、絞り2を介して質量分析計3が直接連結されている。この質量分析計3は、例えば磁場偏向型質量分析計又は四重極型質量分析計などから構成されており、導入した試料ガスGの質量スペクトルを得て、原子質量の精密測定、同位体存在比の測定、元素分析等を行うものである。ここで得た分析結果は後述のデータ処理部6で処理される。   The sample gas introduction unit 1 is a pipe line for introducing a sample gas G to be measured, and a throttle 2 for restricting the flow rate of the sample gas G is inserted in the middle thereof. A mass spectrometer 3 is directly connected to the exhaust gas downstream side of the sample gas introduction unit 1 via a restriction 2. This mass spectrometer 3 is composed of, for example, a magnetic field deflection type mass spectrometer or a quadrupole mass spectrometer, and obtains a mass spectrum of the introduced sample gas G to accurately measure atomic mass and the presence of an isotope. The ratio is measured and elemental analysis is performed. The analysis result obtained here is processed by the data processing unit 6 described later.

この質量分析計3には排気系4が連結されている。この排気系4は、例えばターボポンプ(T.P)やロータリーポンプ(R.P)などの真空ポンプを、少なくとも1つ以上備えており、質量分析計3の内部を高真空に調圧するようになっている。このような質量分析計3と試料ガス導入部1とが絞り2を介して直接連通された構造であるので、試料ガスGは、試料ガス導入部1から絞り2を通過して質量分析計3に直接導入され、試料ガスGの各成分の混合比が変動したときでも、その変動に対する追従性を保つことができる。   An exhaust system 4 is connected to the mass spectrometer 3. The exhaust system 4 includes at least one vacuum pump such as a turbo pump (TP) or a rotary pump (RP), and adjusts the inside of the mass spectrometer 3 to a high vacuum. It has become. Since the mass spectrometer 3 and the sample gas introduction unit 1 are in such a structure that they are directly communicated with each other through the restriction 2, the sample gas G passes from the sample gas introduction part 1 through the restriction 2 and is connected to the mass spectrometer 3 Even when the mixing ratio of each component of the sample gas G varies, the followability to the variation can be maintained.

また、試料ガス導入管1の途中にて絞り2と質量分析計3との間には、圧力計5が取り付けられている。この圧力計5は、絞り2の下流側の圧力を検出する圧力検出手段となるもので、例えばダイアフラムを用いた全圧真空計で構成されている。この圧力計5によって、絞り2の下流側に導入された試料ガスGの圧力変化が連続的にモニターされている。そして、データ処理部6にて、質量分析計3で得た試料ガスGの分析結果を、圧力計5で検出した圧力値の信号を用いて補正するようになっている。   A pressure gauge 5 is attached between the throttle 2 and the mass spectrometer 3 in the middle of the sample gas introduction pipe 1. The pressure gauge 5 serves as a pressure detection means for detecting the pressure on the downstream side of the throttle 2, and is composed of, for example, a total pressure vacuum gauge using a diaphragm. The pressure gauge 5 continuously monitors the pressure change of the sample gas G introduced downstream of the throttle 2. Then, the data processing unit 6 corrects the analysis result of the sample gas G obtained by the mass spectrometer 3 using the signal of the pressure value detected by the pressure gauge 5.

次に、試料ガス導入部1の具体的な構成について図2を参照して説明する。図2において、試料ガスGの流路である配管7の腹部には、第1の試料ガス導入管8と第2の試料ガス導入管9が連結されている。この第1の試料ガス導入管8と第2の試料ガス導入管9との間には隔壁10が設けられ、この隔壁10を貫通させて細管11が配設されている。この細管11は、上記絞り2に相当するもので、例えば内径が10μm、長さが30mm程度に形成されており、該細管11の上流側と下流側の圧力を隔てている。これにより、上記排気系4によって質量分析計3の内部を高真空(例えば10-3Pa程度)に調圧すると、細管11の上流側と下流側とに差圧が生じる。したがって、配管7を流れる高圧(例えば100kPa程度)の試料ガスGは、試料ガス導入管8から細管11を通過して試料ガス導入管9に導入され、質量分析計3に吸引される。このとき、質量分析計3に吸引される試料ガスGの流量は、約5μL/min程度となる。 Next, a specific configuration of the sample gas introduction unit 1 will be described with reference to FIG. In FIG. 2, a first sample gas introduction pipe 8 and a second sample gas introduction pipe 9 are connected to an abdomen of a pipe 7 that is a flow path for the sample gas G. A partition wall 10 is provided between the first sample gas introduction tube 8 and the second sample gas introduction tube 9, and a narrow tube 11 is disposed through the partition wall 10. The narrow tube 11 corresponds to the throttle 2, and has an inner diameter of about 10 μm and a length of about 30 mm, for example, and separates the pressure on the upstream side and the downstream side of the narrow tube 11. Thereby, when the pressure inside the mass spectrometer 3 is adjusted to a high vacuum (for example, about 10 −3 Pa) by the exhaust system 4, a differential pressure is generated between the upstream side and the downstream side of the thin tube 11. Therefore, the high-pressure (for example, about 100 kPa) sample gas G flowing through the pipe 7 passes through the thin tube 11 from the sample gas introduction pipe 8 and is introduced into the sample gas introduction pipe 9 and sucked into the mass spectrometer 3. At this time, the flow rate of the sample gas G sucked into the mass spectrometer 3 is about 5 μL / min.

なお、第1の試料ガス導入管8と第2の試料ガス導入管9の周囲にはヒータ12が取り付けられており、試料ガスG中に水蒸気が含まれている場合に結露が発生するのを防止するようになっている。このヒータ12は、試料ガスGの温度の変動による影響を防ぐために、水蒸気が凝縮しない温度に保たれている。また、上記説明において、質量分析計3の圧力は常時10-3Pa程度であり、試料ガスGを採取する配管7内の圧力は100kPa程度であるとしたが、本発明はこれに限られず、ある所定の幅を持っていてもかまわない。細管11についても、内径が10μm、長さが30mm程度のものに限られず、それ同じ程度の絞り効果を得られるものであれば、大きさや形状が限定されるものではない。 Note that a heater 12 is attached around the first sample gas introduction pipe 8 and the second sample gas introduction pipe 9, and condensation occurs when the sample gas G contains water vapor. It comes to prevent. The heater 12 is kept at a temperature at which the water vapor is not condensed in order to prevent the influence of the temperature fluctuation of the sample gas G. In the above description, the pressure of the mass spectrometer 3 is always about 10 −3 Pa and the pressure in the pipe 7 for collecting the sample gas G is about 100 kPa. However, the present invention is not limited to this, It may have a certain width. The capillaries 11 are not limited to those having an inner diameter of 10 μm and a length of about 30 mm, and the size and shape are not limited as long as the same narrowing effect can be obtained.

ここで、図2に示す質量分析計3に吸引される試料ガスGの流量は、厳密には、細管11の両端の圧力、試料ガスGの粘性や平均分子量、温度に依存している。細管11の下流側の圧力については、実質的には細管11を通過する試料ガスGの流量と、排気系4の排気量に依存しているが、圧力計5で細管11の下流側の圧力変動を検出しながら、質量分析計3の内部を常に排気しているため、その値は常時10-3Pa程度に保持されている。 Here, strictly speaking, the flow rate of the sample gas G sucked into the mass spectrometer 3 shown in FIG. 2 depends on the pressure at both ends of the narrow tube 11, the viscosity, average molecular weight, and temperature of the sample gas G. The pressure on the downstream side of the narrow tube 11 substantially depends on the flow rate of the sample gas G passing through the narrow tube 11 and the exhaust amount of the exhaust system 4. Since the inside of the mass spectrometer 3 is constantly evacuated while detecting the fluctuation, the value is constantly maintained at about 10 −3 Pa.

よって、上記試料ガスGの流量Fは、その試料ガスGの粘性係数をhmix、平均分子量をM、温度をTとし、また細管11の内径をa、長さをLとすると、
F=A/hmix ・a4/L・Pave + B・Z・a3/L・(T/M)0.5・・・(1)
の数式で表される。なお、符号A、Bは定数である。
ここで、上記(1)式における符号Zは、
Z=(1+C・a・Pave) / (1+D・a・Pave)・・・(2)
と表される。なお、符号C、Dは定数である。
Therefore, the flow rate F of the sample gas G is as follows. The viscosity coefficient of the sample gas G is h mix , the average molecular weight is M, the temperature is T, the inner diameter of the capillary tube 11 is a, and the length is L.
F = A / h mix・ a 4 / L ・ P ave + B ・ Z ・ a 3 / L ・ (T / M) 0.5・ ・ ・ (1)
It is expressed by the following formula. The symbols A and B are constants.
Here, the symbol Z in the above equation (1) is:
Z = (1 + C ・ a ・ P ave ) / (1 + D ・ a ・ P ave ) ・ ・ ・ (2)
It is expressed. The symbols C and D are constants.

ここで、上記(2)式における符号Paveは、細管11の両端の平均圧力を示す。上述のように、細管11の上流側の圧力Puは100kPa程度とされており、その下流側の圧力Pdは10-3Pa程度に保持されていることから、細管11の両端の平均圧力Paveは、
Pave=(Pu+Pd)/2 ≒ 0.5 Pu ・・・(3)
と近似することができる。
Here, the symbol P ave in the above equation (2) indicates the average pressure at both ends of the thin tube 11. As described above, the pressure P u in the upstream side of the capillary 11 is set to about 100 kPa, since the pressure P d at the downstream side is held at about 10 -3 Pa, the average pressure across the capillary 11 Pave
P ave = (P u + P d ) / 2 ≒ 0.5 P u (3)
And can be approximated.

したがって、上記(1)〜(3)式から、試料ガスGの流量Fは、細管11の上流側における圧力Puに依存していることが分かる。
ここで、試料ガスGの粘性係数hmix 及び平均分子量Mがほぼ均一である場合、例えばその成分の多くが空気、窒素などで構成された試料ガスGを測定する場合には、上記特許文献1に記載の従来の装置でも測定することができるが、試料ガスG中に平均分子量や粘性係数が比較的小さいガスが存在しており、そのガスの混合割合が変動する場合には、試料ガスGの流量Fは変化してしまう。したがって、細管11の上流側における圧力Puのみを一定に保っていたとしても、試料ガスGの流量Fは、その組成変化に依存して変動してしまうので、従来の装置では正確な測定が困難となる。
Therefore, the above (1) to (3), the flow rate F of the sample gas G is seen to be dependent on the pressure P u in the upstream side of the capillary 11.
Here, when the viscosity coefficient h mix and the average molecular weight M of the sample gas G are substantially uniform, for example, when measuring the sample gas G in which most of the components are composed of air, nitrogen or the like, the above-mentioned Patent Document 1 is used. Can be measured by the conventional apparatus described in the above, but when the gas having a relatively small average molecular weight and viscosity coefficient exists in the sample gas G and the mixing ratio of the gas varies, the sample gas G The flow rate F changes. Therefore, even though keeping only the constant pressure P u in the upstream side of the capillary 11, the flow rate F of the sample gas G, so fluctuates depending on its composition change, accurate measurements in the conventional apparatus It becomes difficult.

図3は、窒素ガス(N2)と水素ガス(H2)との混合比を変化させたときに、質量分析計3で測定される水素ガスの出力値を示すグラフである。本来はグラフaに示すように、窒素ガス中における水素ガスの比率が0〜100(vol%)に増加するにともなって、質量分析計3の出力値が直線的に増加するのが理想的である。しかし、実際には、グラフbに示すような曲線的な増加傾向を示し、水素ガスの混合比率が増加するにしたがって、ガス流量の変動誤差ΔCは大きくなる。これは、水素ガスの分子量や粘性が、窒素ガスと比べて非常に小さいことによるものである。 FIG. 3 is a graph showing the output value of hydrogen gas measured by the mass spectrometer 3 when the mixing ratio of nitrogen gas (N 2 ) and hydrogen gas (H 2 ) is changed. Originally, as shown in the graph a, it is ideal that the output value of the mass spectrometer 3 increases linearly as the ratio of hydrogen gas in the nitrogen gas increases from 0 to 100 (vol%). is there. However, in actuality, the curve b tends to increase as shown in the graph b, and the fluctuation error ΔC of the gas flow rate increases as the mixing ratio of the hydrogen gas increases. This is due to the fact that the molecular weight and viscosity of hydrogen gas are very small compared to nitrogen gas.

このような試料ガスの例として、燃料電池で使用される燃料ガスが考えられる。燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に固体高分子電解質膜を挟んで構成された燃料電池構造体をセパレータで挟持し、これを複数組積層したものである。燃料極に供給する燃料ガスとしては水素が用いられ、酸化剤極に供給する酸化剤としては空気が用いられる。このような燃料電池で使用される試料ガスは、分子量や粘性が非常に小さな水素ガスが、大きな比率で、具体的には体積比で0%から100%まで変動するという特徴があるので、従来の装置では正確な測定が困難であるところ、本発明ではそれが可能である。   As an example of such a sample gas, a fuel gas used in a fuel cell can be considered. In a fuel cell, a fuel cell structure constituted by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxidant electrode is sandwiched by separators, and a plurality of these are laminated. Hydrogen is used as the fuel gas supplied to the fuel electrode, and air is used as the oxidant supplied to the oxidant electrode. The sample gas used in such fuel cells is characterized by the fact that hydrogen gas with a very low molecular weight and viscosity varies in a large proportion, specifically from 0% to 100% in volume ratio. Where accurate measurement is difficult with this device, this is possible with the present invention.

次に、上記の構成のガス成分分析装置による試料ガスGの測定について説明する。まず図1において、試料ガスGとして、粘性及び分子量が比較的小さいガスA(例えば水素ガス)と、粘性及び分子量が比較的大きいガスB(例えば窒素ガス)と、その中間の粘性及び分子量のガスC(例えば水蒸気)とを混合したガスの測定を行うとする。このような試料ガスGを測定する場合には、粘性及び分子量の小さなガスA、又は粘性及び分子量の大きなガスBのいずれか一方を基準ガスとして選択する。   Next, measurement of the sample gas G by the gas component analyzer having the above-described configuration will be described. First, in FIG. 1, as a sample gas G, a gas A (for example, hydrogen gas) having a relatively low viscosity and molecular weight, a gas B (for example, nitrogen gas) having a relatively high viscosity and molecular weight, and a gas having a viscosity and molecular weight in between. Assume that a gas mixed with C (for example, water vapor) is measured. When measuring such a sample gas G, either a gas A having a low viscosity and a low molecular weight or a gas B having a high viscosity and a high molecular weight is selected as a reference gas.

ここで、このような純粋な基準ガスの成分を質量分析計3で測定するとともに、この基準ガスの圧力を基準圧力PSとして圧力計5で予め測定しておき、その値を基準圧力記録部6aに事前に記録しておく。なお、分子量が最小のガスAを基準ガスとした場合は、ガスAの圧力が測定中に取り得る圧力の最大値に相当し、逆に分子量が最大のガスBを基準ガスとした場合は、ガスBの圧力が測定中に取り得る圧力の最小値に相当する。 Here, the component of such a pure reference gas is measured by the mass spectrometer 3, and the pressure of the reference gas is previously measured by the pressure gauge 5 as the reference pressure P S , and the value is obtained as a reference pressure recording unit. Record in advance in 6a. When the gas A having the smallest molecular weight is used as the reference gas, the pressure of the gas A corresponds to the maximum value of the pressure that can be taken during the measurement. Conversely, when the gas B having the largest molecular weight is used as the reference gas, The pressure of the gas B corresponds to the minimum pressure that can be taken during the measurement.

次に、排気系4で質量分析計3の内部を高真空に調圧することにより、上記複数の成分が混合した試料ガスGが、試料ガス導入部1から絞り2を介して質量分析計3に吸引される。そして、質量分析計3で試料ガスGの元素分析等を行って、その結果を分析結果入力部6bに入力する。それと同時に、絞り2の下流側の圧力Pmを圧力計5で測定して、その値を圧力検出部6cに入力する。そして、係数算出部6dにおいて、圧力検出部6cに入力した試料ガスGの測定圧力Pmと、基準圧力記録部6aに事前に記録しておいた基準圧力Psとの比から係数α(=Pm/Ps)を求める。この係数αは、水素ガスの組成変化による試料ガスGの流量の変動量の比と等しくなる。したがって、この係数αを用いて質量分析計3で得た試料ガスGの分析結果を補正することができる。   Next, by adjusting the inside of the mass spectrometer 3 to a high vacuum with the exhaust system 4, the sample gas G mixed with the plurality of components is transferred from the sample gas introduction unit 1 to the mass spectrometer 3 through the restriction 2. Sucked. Then, the elemental analysis of the sample gas G is performed by the mass spectrometer 3 and the result is input to the analysis result input unit 6b. At the same time, the pressure Pm on the downstream side of the throttle 2 is measured by the pressure gauge 5, and the value is input to the pressure detector 6c. Then, in the coefficient calculation unit 6d, a coefficient α (= Pm / Pm) is obtained from the ratio between the measured pressure Pm of the sample gas G input to the pressure detection unit 6c and the reference pressure Ps recorded in advance in the reference pressure recording unit 6a. Ps). This coefficient α is equal to the ratio of the fluctuation amount of the flow rate of the sample gas G due to the change in the composition of the hydrogen gas. Therefore, the analysis result of the sample gas G obtained by the mass spectrometer 3 can be corrected using this coefficient α.

図4は、試料ガスG中における窒素ガスと水素ガスとの混合比が変化するときに、窒素ガスを基準ガスとして選択した場合の例を示す。図4(b)において、窒素ガス中における水素ガスの組成比が所定の割合k(vol%)であるときにおいて、基準圧力Psに対する測定圧力Pmの比がα(=Pm/Ps)であるとすると、図4(a)に示すように、質量分析計3の現実の出力値CAは、理想値CBに対してα倍の関係にある。 FIG. 4 shows an example in which nitrogen gas is selected as a reference gas when the mixing ratio of nitrogen gas and hydrogen gas in the sample gas G changes. In FIG. 4B, when the composition ratio of hydrogen gas in nitrogen gas is a predetermined ratio k (vol%), the ratio of the measured pressure Pm to the reference pressure Ps is α (= Pm / Ps). Then, as shown in FIG. 4A, the actual output value C A of the mass spectrometer 3 has a relationship of α times the ideal value C B.

したがって、図5に示すように、質量分析計3で得た補正前の分析結果Aに対して、αの逆数を連続的に掛けることで、質量分析計3の出力結果を補正し、本来示すべき値Bを得ることができる。このことから、図1に示すガス組成出力補正部6eにおいて、試料ガスGの分析結果の値に係数αの逆数を連続的に掛け合わせて、本来示すべき値Bが得られる。このようにして得られた値Bは、質量分析計3で得た分析結果の補正値として、補正濃度出力部6fに出力し、これを例えば画面上に表示する。また、この値Bを他の記録手段(図示せず)に記録しておいてもよい。図4においては、窒素ガスと水素ガスの2つの成分が混合した試料ガスGについて説明したが、本発明は3つ以上の成分が混合した試料ガスについても適用できる。   Therefore, as shown in FIG. 5, the output result of the mass spectrometer 3 is corrected by continuously multiplying the uncorrected analysis result A obtained by the mass spectrometer 3 by the reciprocal of α, and originally shown. The power value B can be obtained. From this, in the gas composition output correction unit 6e shown in FIG. 1, the value B to be originally shown is obtained by continuously multiplying the value of the analysis result of the sample gas G by the reciprocal of the coefficient α. The value B obtained in this way is output to the corrected concentration output unit 6f as a correction value of the analysis result obtained by the mass spectrometer 3, and displayed on the screen, for example. Further, this value B may be recorded in other recording means (not shown). In FIG. 4, the sample gas G in which two components of nitrogen gas and hydrogen gas are mixed has been described. However, the present invention can also be applied to a sample gas in which three or more components are mixed.

図6は、水素ガスと窒素ガスと水蒸気との3つの成分が混合した資料ガスGの分析結果についての補正前と、補正後との関係を示すグラフである。ここでは、水蒸気濃度が一定で、窒素ガスと水素ガスの比率を変化させた場合において、上記係数αと、質量分析計3で得た各ガスの分析結果の補正前及び補正後の値との関係を示す。この場合でも、窒素ガス中における水素ガスの比率が0〜100(vol%)に増加するにともなって、水素ガスについては、H2の補正後の値△をプロットした太線のグラフに示すように、直線的に増加するようになる。また、窒素ガスについては、N2の補正後の値○をプロットした太線のグラフに示すように、直線的に減少するようになる。そして、水蒸気については、H2Oの補正後の値□をプロットした太線のグラフに示すように、その値は一定となる。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between before and after correction of the analysis result of the sample gas G in which three components of hydrogen gas, nitrogen gas and water vapor are mixed. Here, when the water vapor concentration is constant and the ratio of nitrogen gas to hydrogen gas is changed, the coefficient α and the values before and after correction of the analysis results of each gas obtained by the mass spectrometer 3 are as follows. Show the relationship. Even in this case, as the ratio of hydrogen gas in the nitrogen gas increases to 0 to 100 (vol%), as shown in the thick line graph plotting the corrected value Δ of H 2 for hydrogen gas, as shown in FIG. , Will increase linearly. Further, the nitrogen gas decreases linearly as shown by the thick line graph in which the corrected value O of N 2 is plotted. And, for the steam, as shown in the thick line of the plot of the value □ after correction H 2 O, the value is constant.

ここで、図1において、例えば質量分析計3に連結された排気系4を構成する真空ポンプについて、その回転数が何らかの理由で変動した場合には、圧力計5で検出する値Pmは変動し、質量分析計3からの信号はその影響を受けることとなる。しかし、上述したように、質量分析計3に連通された排気系4の排気能力の変動に起因して絞り2の下流側の検出圧力Pmが変動したときには、その変動量も同時に圧力計5によって連続的に検出される。そして、その変動量は係数αに繰り込まれるため、排気系4の排気能力の変動による影響に対しても、質量分析計3で得た分析結果の値について、測定中は連続的に補正することができる。   Here, in FIG. 1, for example, when the rotational speed of the vacuum pump constituting the exhaust system 4 connected to the mass spectrometer 3 fluctuates for some reason, the value Pm detected by the pressure gauge 5 fluctuates. The signal from the mass spectrometer 3 is affected by that. However, as described above, when the detected pressure Pm on the downstream side of the throttle 2 fluctuates due to fluctuations in the exhaust capacity of the exhaust system 4 communicated with the mass spectrometer 3, the fluctuation amount is also simultaneously measured by the pressure gauge 5. Detected continuously. Since the fluctuation amount is transferred to the coefficient α, the value of the analysis result obtained by the mass spectrometer 3 is continuously corrected during the measurement even for the influence of the fluctuation of the exhaust capacity of the exhaust system 4. be able to.

また、基準ガス測定時の基準圧力Psを基準圧力記録部6aに記録するときに、前回の測定時に記録された基準圧力Psの値との差が所定の誤差範囲を超えたときは、今回の基準圧力Psが大きく変化したことになる。この場合には、質量分析計3又は排気系4が経時変化したか、あるいは圧力計5が経時変化したと判断できるので、質量分析計3、排気系4、圧力計5のいずれかに問題がある旨のエラー表示をすることができる。   Further, when the reference pressure Ps at the time of measuring the reference gas is recorded in the reference pressure recording unit 6a, if the difference from the value of the reference pressure Ps recorded at the previous measurement exceeds a predetermined error range, this time This means that the reference pressure Ps has changed greatly. In this case, since it can be determined that the mass spectrometer 3 or the exhaust system 4 has changed over time or the pressure gauge 5 has changed over time, there is a problem with any of the mass spectrometer 3, the exhaust system 4 and the pressure gauge 5. An error message can be displayed.

さらに、図1に示す実施例において、試料ガスGを構成する全ての成分を質量分析計3で検出した場合には、質量分析計3で得た試料ガスGの各ガスの成分濃度を総て加算した値は100Vol%とならなければならない。すなわち、補正濃度出力部6fに出力した各ガス成分の濃度値(vol%)を、それぞれC1、C2、・・・Cnと置くと、
C1+C2+・・・+Cn =100(vol%)・・・(4)
の関係を満たさなければならない。よって補正係数βを
β=(C1+C2+・・・+Cn)/100・・・(5)
とおくと、通常はβ=1となる。ところが、測定中に例えば圧力計5にドリフトなどの不具合が発生した場合には、質量分析計3で得た出力を補正した値は、この影響を受けるため、上記(5)式に示すβの値は1とはならない。よって、このような不具合の影響は、質量分析計3の分析結果から各ガスの成分濃度を補正した値に、補正係数βの逆数を掛けて補正する。
Furthermore, in the embodiment shown in FIG. 1, when all the components constituting the sample gas G are detected by the mass spectrometer 3, all the component concentrations of each gas of the sample gas G obtained by the mass spectrometer 3 are obtained. The added value must be 100Vol%. That is, the concentration value of each gas component output to the correction density output section 6f the (vol%), C 1, C 2 , respectively, placing a · · · C n,
C 1 + C 2 + ... + C n = 100 (vol%) (4)
Must satisfy the relationship. Therefore, the correction coefficient β is set to β = (C 1 + C 2 +... + Cn) / 100 (5)
Then, usually β = 1. However, if a problem such as drift occurs in the pressure gauge 5 during the measurement, for example, the value obtained by correcting the output obtained by the mass spectrometer 3 is affected by this. The value will not be 1. Therefore, the influence of such a defect is corrected by multiplying the value obtained by correcting the component concentration of each gas from the analysis result of the mass spectrometer 3 by the reciprocal of the correction coefficient β.

すなわち、各ガスの成分濃度の値(vol%)を補正した値を、それぞれC1’、C2’、・・・Cn’と置くと、
C1'=C1/β、C2'=C2/β、・・・、Cn'=Cn/β・・・(6)
となる。
ここで、通常時の補正係数βの値(β=1)からの変動量Δβについて所定の閾値を設定し、この変動量Δβが所定の閾値を越えたときは、圧力計5にドリフトなどの不具合が発生していると判断して、その旨をエラー表示することができる。また、時間の経過によらずに、変動量Δβが常に閾値を超えている場合は、(4)式に示す関係が成立しなくなっており、n個のガス成分以外の未知のガス成分が試料ガスGに含まれていると判断できるので、その旨をエラー表示することができる。このようにして、補正演算時に得られた補正係数βの値又はその変動量Δβから、試料ガスGの成分濃度の誤差要因を得ることができる。
That is, the correction value a value (vol%) of the component concentration of the gas, C 1 respectively ', C 2', putting the · · · C n ',
C 1 ′ = C 1 / β, C 2 ′ = C 2 / β,..., C n ′ = C n / β (6)
It becomes.
Here, a predetermined threshold is set for the fluctuation amount Δβ from the normal correction coefficient β value (β = 1), and when the fluctuation amount Δβ exceeds the predetermined threshold value, the pressure gauge 5 has a drift or the like. It is possible to determine that a problem has occurred and display an error message to that effect. If the variation Δβ always exceeds the threshold value regardless of the passage of time, the relationship shown in the equation (4) is not established, and unknown gas components other than the n gas components are not sampled. Since it can be determined that it is contained in the gas G, an error can be displayed. In this way, the error factor of the component concentration of the sample gas G can be obtained from the value of the correction coefficient β obtained at the time of the correction calculation or the fluctuation amount Δβ thereof.

図7は、本発明の第2の実施形態を示す概要図である。この実施形態は、試料ガス導入部1の絞り2の上流側に、第2の圧力計(圧力検出手段)13を配置したものである。この場合は、データ処理部6において、第2の圧力計13で検出した圧力もさらに用いて、質量分析計3で得た試料ガスGの分析結果を補正するようになっている。
図8(a)に示すように、絞り2の上流側において質量分析計で得た水素ガス(H2)の出力値bは、試料ガスGの流量変動により本来示すべき値aと誤差がある。これは試料ガスG中の窒素ガス(N2)についても同様である(図8(b)参照)。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a second embodiment of the present invention. In this embodiment, a second pressure gauge (pressure detection means) 13 is arranged on the upstream side of the throttle 2 of the sample gas introduction unit 1. In this case, the data processor 6 further uses the pressure detected by the second pressure gauge 13 to correct the analysis result of the sample gas G obtained by the mass spectrometer 3.
As shown in FIG. 8A, the output value b of the hydrogen gas (H 2 ) obtained by the mass spectrometer on the upstream side of the aperture 2 has an error from the value a that should be originally shown due to the flow rate fluctuation of the sample gas G. . The same applies to the nitrogen gas (N 2 ) in the sample gas G (see FIG. 8B).

したがって、図7に示す絞り2の上流にも圧力計13を配置することによって、試料ガス導入部1から導入する試料ガスGの流量変動についても考慮して、その成分濃度を算出することができる。具体的には、基準ガスの絞り下流側における基準圧力Psを採取すると同時に、第2の圧力計13でその時の絞り2の上流側の圧力Ps'を測定し、その値を基準圧力PS'として基準圧力記録部6gに記録しておく。 Therefore, by disposing the pressure gauge 13 also upstream of the throttle 2 shown in FIG. 7, the component concentration can be calculated in consideration of the flow rate fluctuation of the sample gas G introduced from the sample gas introduction unit 1. . Specifically, the reference pressure Ps on the downstream side of the throttle of the reference gas is sampled, and at the same time, the pressure Ps ′ on the upstream side of the throttle 2 at that time is measured by the second pressure gauge 13, and the value is used as the reference pressure P S ′. Is recorded in the reference pressure recording section 6g.

次に、絞り2の下流側の試料ガスGを測定すると同時に、第2の圧力計13で絞り2の上流側の圧力Pm'を連続的に測定して、その値を絞り上流圧力検出部6hに入力する。この入力した圧力Pm'と、前記絞り上流側の基準圧力Ps'との比γ(=Pm'/Ps')を係数算出部6iで求め、こうして求めたγに基づいて係数xを求める。そして、第2のガス組成出力補正部6jで、第1のガス組成出力補正部6eで得た補正後の値に、係数xを連続的に掛けることで、試料ガス導入部1の圧力変動による影響を補正することができる。なお、係数xはγの値に依存するが、これは事前に基準ガスを用いて係数xとγとの関係を表すマップ等を作成しておき、このマップを用いてγから係数xを得るようになっている。   Next, simultaneously with the measurement of the sample gas G on the downstream side of the throttle 2, the second pressure gauge 13 continuously measures the pressure Pm 'on the upstream side of the throttle 2, and the value is obtained as the throttle upstream pressure detector 6h. To enter. A ratio γ (= Pm ′ / Ps ′) between the input pressure Pm ′ and the reference pressure Ps ′ on the upstream side of the throttle is obtained by the coefficient calculation unit 6i, and the coefficient x is obtained based on γ thus obtained. Then, the second gas composition output correction unit 6j continuously multiplies the corrected value obtained by the first gas composition output correction unit 6e by the coefficient x, thereby changing the pressure of the sample gas introduction unit 1. The influence can be corrected. The coefficient x depends on the value of γ, but this is done by creating a map or the like representing the relationship between the coefficient x and γ in advance using the reference gas, and obtaining the coefficient x from γ using this map. It is like that.

本発明によるガス成分分析装置の実施例形態を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the Example form of the gas component analyzer by this invention. 図1に示す試料ガス導入部の具体的な構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the specific structure of the sample gas introduction part shown in FIG. 窒素と水素との混合比の変化に対する水素の出力誤差を示すグラフである。It is a graph which shows the output error of hydrogen with respect to the change of the mixing ratio of nitrogen and hydrogen. 係数αと質量分析計で得た出力の補正前及び補正後の値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between coefficient (alpha) and the value before correction | amendment of the output obtained with the mass spectrometer. 質量分析計で得た分析結果の値を補正して試料ガスの成分濃度を得る説明図である。It is explanatory drawing which correct | amends the value of the analysis result obtained with the mass spectrometer, and obtains the component concentration of sample gas. 試料ガスを構成する3成分について、補正前と補正後の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship before correction | amendment about three components which comprise sample gas before correction | amendment. 本発明の第2の実施例を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the 2nd Example of this invention. 試料ガスの流量変動による水素及び窒素の出力誤差を示すグラフである。It is a graph which shows the output error of hydrogen and nitrogen by the flow volume fluctuation | variation of sample gas.

符号の説明Explanation of symbols

1…試料ガス導入部
2…絞り
3…質量分析計
4…排気系
5…圧力計(圧力検出手段)
6…データ処理部
7…試料ガスの流路
8,9…試料ガス導入管
10…隔壁
11…細管
12…ヒータ
13…圧力計(圧力検出手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sample gas introduction part 2 ... Restriction 3 ... Mass spectrometer 4 ... Exhaust system 5 ... Pressure gauge (pressure detection means)
6 ... Data processing unit 7 ... Sample gas flow path 8, 9 ... Sample gas introduction tube 10 ... Partition 11 ... Narrow tube 12 ... Heater 13 ... Pressure gauge (pressure detection means)

Claims (5)

試料ガス導入部と、
この試料ガス導入部に絞りを介して連結された質量分析計と、
この質量分析計に連結された排気系と、
前記絞りの下流側の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記質量分析計で得た試料ガスの分析結果を前記圧力検出手段で検出した圧力を用いて補正する補正手段とを備え、
前記補正後の分析結果に基づいて試料ガスの成分濃度を算出することを特徴とするガス成分分析装置。
A sample gas introduction part;
A mass spectrometer connected to the sample gas inlet through a restriction,
An exhaust system coupled to the mass spectrometer;
Pressure detecting means for detecting pressure downstream of the throttle;
Correction means for correcting the analysis result of the sample gas obtained by the mass spectrometer using the pressure detected by the pressure detection means,
A gas component analyzer that calculates a component concentration of a sample gas based on the corrected analysis result.
前記試料ガス導入部の絞りの上流側の圧力と、前記排気系により真空状態とされている質量分析計の圧力との差圧によって該質量分析計に試料ガスを吸引し、前記圧力検出手段で前記絞りの下流側の圧力を連続的に検出することを特徴とする請求項1に記載のガス成分分析装置。   The sample gas is sucked into the mass spectrometer by the differential pressure between the pressure upstream of the throttle of the sample gas introduction unit and the pressure of the mass spectrometer that is evacuated by the exhaust system, and the pressure detection means The gas component analyzer according to claim 1, wherein the pressure downstream of the throttle is continuously detected. 基準となるガス成分の圧力を基準圧力として予め求めておき、前記圧力検出手段で検出した試料ガスの圧力と前記基準圧力との比を用いて、前記質量分析計で得た分析結果の値を補正して試料ガスの成分濃度を算出することを特徴とする請求項1又は2に記載のガス成分分析装置。   The pressure of the gas component serving as a reference is obtained in advance as a reference pressure, and the value of the analysis result obtained by the mass spectrometer is calculated using the ratio of the pressure of the sample gas detected by the pressure detection means and the reference pressure. The gas component analyzer according to claim 1 or 2, wherein the component concentration of the sample gas is calculated after correction. 前記補正手段による補正は、前記排気系の排気能力の変動による影響に対しても行われることを特徴とする請求項1に記載のガス成分分析装置。   The gas component analyzer according to claim 1, wherein the correction by the correction unit is also performed with respect to an influence caused by a change in exhaust capacity of the exhaust system. 前記試料ガスの成分濃度を算出する際の補正値又はその変動量から、該試料ガスの成分濃度の誤差要因を得ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のガス成分分析装置。   The gas component according to any one of claims 1 to 3, wherein an error factor of the component concentration of the sample gas is obtained from a correction value at the time of calculating the component concentration of the sample gas or a variation amount thereof. Analysis equipment.
JP2004325967A 2004-11-10 2004-11-10 Gas component analyzer Pending JP2006138641A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004325967A JP2006138641A (en) 2004-11-10 2004-11-10 Gas component analyzer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004325967A JP2006138641A (en) 2004-11-10 2004-11-10 Gas component analyzer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006138641A true JP2006138641A (en) 2006-06-01

Family

ID=36619568

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004325967A Pending JP2006138641A (en) 2004-11-10 2004-11-10 Gas component analyzer

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006138641A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009121710A (en) * 2007-11-12 2009-06-04 Denso Corp Adsorption type heat pump device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009121710A (en) * 2007-11-12 2009-06-04 Denso Corp Adsorption type heat pump device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8424367B2 (en) Systems and methods for measurement of gas permeation through polymer films
JP5419082B2 (en) Calibration method and calibration device for standard mixed gas leak micropore filter
US11874199B2 (en) Device and process for determining the size of a leak hole in a sample
KR102475663B1 (en) Method and device for measuring permeation by mass spectrometry
Jousten et al. Partial pressure measurement standard for characterizing partial pressure analyzers and measuring outgassing rates
CN102928485A (en) Self-calibrated electrochemical gas sensor
JPH05118972A (en) Gas diluting system and method of diluting gas
Brewer et al. A dynamic gravimetric standard for trace water
JP2006138641A (en) Gas component analyzer
JP4452801B2 (en) Gas sampling method and apparatus
Schuler et al. Local online gas analysis in PEFC using tracer gas concepts
JP5657904B2 (en) Gas analyzer and gas analysis method
JP5963204B2 (en) Pre-calibrated micro leak filter for gas leak
CN111929227B (en) Switching method, device, equipment and storage medium of infrared detection pool
JP2006266774A (en) Analyzing method and analyzing apparatus for mixed gas
JPS5949532B2 (en) Gas concentration analyzer
JP4068928B2 (en) Sector type mass spectrometer
Bolmgren et al. Differential Cross Section Measurements for the Elastic Scattering of Protons by N 14
JP2010243180A (en) Gas composition analyzer, gas composition analysis method, and fuel cell system
JP5048592B2 (en) Fuel cell gas analyzer
EP4310965A1 (en) Fuel cell evaluation system and fuel cell evaluation method
Scheepers et al. A new setup for the quantitative analysis of drying by the use of gas-phase FTIR-spectroscopy
JP2005062056A (en) Measuring device of exhaust gas flow rate and exhaust gas measuring system using the same
RU2616927C1 (en) Stand for calibrating device of mass-spectrometric gas flow measurements
US20240123410A1 (en) Apparatus for enriching the concentration of trace components in air flow