JP2007101374A - Measuring instrument and measuring method using gas adsorption - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To allow precise measurement, to allow a wide range of measurement free from selection of a measuring condition, to facilitate analysis, and to obtain a high S/N ratio. <P>SOLUTION: A sample chamber is constituted using a microchannel. A volume modulation means modulates a volume of the sample chamber. A pressure measuring means measures pressure in the sample chamber. An analytical means carries out analysis based on a response characteristic of the pressure measured by the pressure measuring means with respect to the modulation of the volume by the volume modulation means. The volume modulation means modulates the volume of the sample chamber. The pressure measuring means measures the pressure in the sample chamber. A volume control means feedback-controls the volume modulation means, based on the pressure measured by the pressure measuring means. The analytical means carries out the analysis based on the response characteristic of the pressure measured by the pressure measuring means with respect to the modulation of the volume by the volume modulation means. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ガス吸着の現象を利用して試料室内の試料について測定を行う測定装置および測定方法に関する。   The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method for measuring a sample in a sample chamber using a phenomenon of gas adsorption.

細孔分布の測定には、一般的にガス吸着法が使用される。この方法では、試料を試料セルに入れ、試料セルを脱気した後、液体窒素温度において窒素ガスの吸着量を測定し、吸着量に基づいて細孔分布を求める。   A gas adsorption method is generally used to measure the pore distribution. In this method, after putting a sample into a sample cell and degassing the sample cell, the adsorption amount of nitrogen gas is measured at the liquid nitrogen temperature, and the pore distribution is obtained based on the adsorption amount.

また、細孔分布の一測定法として、FR(Frequency Response)法が知られている。この方法は、真空排気装置およびガスのマニホールドを用い、試料室を測定したい気体分子で満たし密閉する。その後、ベローズにより密閉された空間の体積に正弦波の変調を与え、そのときの圧力を測定するものである。体積変化に対する圧力振幅の変化および圧力振幅の位相の遅れから、試料細孔内の分子の拡散速度を測定し、さらに解析により、細孔の断面積、体積を計算することができる。   Further, an FR (Frequency Response) method is known as a method for measuring the pore distribution. In this method, a vacuum chamber and a gas manifold are used, and the sample chamber is filled with gas molecules to be measured and sealed. Thereafter, the volume of the space sealed by the bellows is modulated with a sine wave, and the pressure at that time is measured. From the change in the pressure amplitude with respect to the volume change and the delay in the phase of the pressure amplitude, the diffusion rate of the molecules in the sample pore can be measured, and the cross-sectional area and volume of the pore can be calculated by further analysis.

解析の原理は、
(1)拡散の速度と変調の速度が一致したところで、圧力の位相の遅れが最大になるので、拡散速度が分かる。
(2)細孔径により、拡散速度が異なり、したがって、位相の遅れが最大となる周波数も異なる。ガスが既知なら細孔径が分かる。
(3)変調のほうが早いと体積変調の影響が細孔内部まで伝わらず、逆に拡散のほうが速いと細孔内部すべてに圧力変化が伝わるので、両者の振幅の差から細孔内の体積を計算できる。
というものである。
The principle of analysis is
(1) When the speed of diffusion coincides with the speed of modulation, the delay in pressure phase becomes maximum, so that the diffusion speed can be understood.
(2) The diffusion rate differs depending on the pore diameter, and therefore the frequency at which the phase delay is maximum also differs. If the gas is known, the pore diameter can be determined.
(3) If the modulation is faster, the effect of volume modulation will not be transmitted to the inside of the pores. Conversely, if the diffusion is faster, the pressure change will be transmitted to all the inside of the pores. Can be calculated.
That's it.

細孔のサイズ分布を測定する方法として、BET法がよく用いられるが、BET法よりもFR法が優れている点として、実際に反応に関与する種類の分子を用いて動的に測定できる点、および任意の温度で測定できる点が挙げられる。
鷲尾一裕 「ガス吸着法による比表面積/細孔分布測定」 島津評論 Vol.48 No.1(1991)p35〜49 J.Phys.Chem.B 1997,101,614−622
The BET method is often used as a method for measuring the size distribution of pores, but the FR method is superior to the BET method in that it can be measured dynamically using the types of molecules actually involved in the reaction. And points that can be measured at any temperature.
Kazuhiro Sugao “Specific surface area / pore distribution measurement by gas adsorption method” Shimadzu review Vol. 48 No. 1 (1991) p35-49 J. et al. Phys. Chem. B 1997, 101, 614-622

ガス吸着法による細孔分布の測定に際し、測定の効率化等を図るため、試料セルないし試料室の代わりにマイクロチャネルを用いることが考えられる。例えば、触媒の細孔分布を測定する場合、マイクロチャネル内に触媒を導入する方法として、以下の方法がある。
(1)チャネル内に触媒を充填する。
(2)チャネル壁に担体を介して触媒を付着させる。
(3)チャネル壁を担体として用い、触媒をチャネル壁面に付着させる。
(4)マイクロチャネルの構造体自体を触媒で構成する。
When measuring the pore distribution by the gas adsorption method, it is conceivable to use a microchannel instead of the sample cell or the sample chamber in order to improve the efficiency of the measurement. For example, when measuring the pore distribution of a catalyst, there are the following methods for introducing the catalyst into the microchannel.
(1) The catalyst is filled in the channel.
(2) The catalyst is attached to the channel wall via the carrier.
(3) The catalyst is adhered to the channel wall surface using the channel wall as a carrier.
(4) The microchannel structure itself is formed of a catalyst.

しかし、上記(1)および(2)の方法では、チャネル内の触媒の量を正確にコントロールすることは困難である。また、導入後の重量測定により導入量を測定しようとしても、試料に比べてマイクロチャネルデバイスの重量がはるかに大きく、精度よく測定できない。   However, in the methods (1) and (2), it is difficult to accurately control the amount of catalyst in the channel. In addition, even if it is attempted to measure the introduction amount by weight measurement after introduction, the weight of the microchannel device is much larger than that of the sample and cannot be accurately measured.

また、上記(3)および(4)の方法では、マイクロチャネルデバイスが測定対象となるが、従来の装置ではチャネル内部だけでなく構造体の全表面についての測定結果しか得られない、さらに、ガス吸着法では試料全体を液体窒素温度に保つ必要があるが、試料室を大きくすると液体窒素温度に保つことが困難となり高い測定精度が得られないという、装置側の制約もある。   In the above methods (3) and (4), the microchannel device is a measurement target, but the conventional apparatus can obtain only the measurement results not only on the inside of the channel but also on the entire surface of the structure. In the adsorption method, it is necessary to keep the entire sample at the liquid nitrogen temperature. However, if the sample chamber is enlarged, there is a restriction on the apparatus side that it is difficult to maintain the liquid nitrogen temperature and high measurement accuracy cannot be obtained.

本発明の一つの目的は、FR法による測定にマイクロチャネルを用いることで、上記問題点の解決を図ることにある。   One object of the present invention is to solve the above problems by using a microchannel for measurement by the FR method.

また、FR法では、容積(またはベローズの位置)が入力であり、試料室の圧力が出力であるため、本質的に非線形(圧力と体積が反比例する)であり、解析が困難である。実際には、非線形性を無視できるように体積変動分を小さくした(例えば、試料室の容積の1〜3%とした)条件で実験し、解析を容易にしている。   In the FR method, since the volume (or the position of the bellows) is an input and the pressure in the sample chamber is an output, it is essentially non-linear (pressure and volume are inversely proportional), and analysis is difficult. In practice, the analysis is facilitated by conducting an experiment under a condition in which the volume variation is reduced so that the nonlinearity can be ignored (for example, 1 to 3% of the volume of the sample chamber).

しかし、変動分を小さくすると、信号強度が小さくなり、SN比の低下を招くとともに、試料室の実質容量を増加させるために装置が大型化する、という問題がある。また、信号強度が小さいため、室温を恒温に保つなどの配慮が必要で、設置環境を整えないと高いSN比が得られない。   However, if the fluctuation is reduced, there is a problem that the signal intensity is reduced, the SN ratio is lowered, and the apparatus is enlarged to increase the substantial capacity of the sample chamber. In addition, since the signal intensity is low, considerations such as keeping the room temperature constant are necessary, and a high SN ratio cannot be obtained unless the installation environment is prepared.

本発明の他の一つの目的は、解析が容易で高いSN比が得られる測定装置および測定方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a measuring apparatus and a measuring method that are easy to analyze and can provide a high S / N ratio.

本発明の測定装置は、ガス吸着の現象を利用して試料室内の試料について測定を行う測定装置において、前記試料室を、マイクロチャネルを用いて構成し、前記測定装置は、前記試料室の容積を変調する容積変調手段と、前記試料室内の圧力を測定する圧力測定手段と、前記容積変調手段による容積の変調に対する、前記圧力測定手段により測定された前記圧力の応答特性に基づく解析を行う解析手段と、を備えることを特徴とする。
この測定装置によれば、容積変調手段による容積の変調に対する、圧力測定手段により測定された圧力の応答特性に基づく解析を行うので、試料室を、マイクロチャネルを用いて構成した場合に、高精度な測定が可能になるとともに、測定条件を選ばない広範な測定を行うことが可能となる。
The measurement apparatus of the present invention is a measurement apparatus that performs measurement on a sample in a sample chamber using a phenomenon of gas adsorption, wherein the sample chamber is configured using a microchannel, and the measurement device has a volume of the sample chamber. A volume modulation means for modulating the pressure, a pressure measurement means for measuring the pressure in the sample chamber, and an analysis for performing an analysis based on a response characteristic of the pressure measured by the pressure measurement means with respect to a volume modulation by the volume modulation means And means.
According to this measuring apparatus, since the analysis based on the response characteristic of the pressure measured by the pressure measuring unit with respect to the volume modulation by the volume modulating unit is performed, the sample chamber is configured with high accuracy when configured using a microchannel. Measurement is possible, and a wide range of measurements can be performed regardless of the measurement conditions.

前記解析手段は、前記試料室内の試料の細孔分布を解析してもよい。   The analysis means may analyze the pore distribution of the sample in the sample chamber.

前記試料室は、試料を収容する着脱可能なマイクロチャネルデバイスのマイクロチャネルと、前記容積変調手段が取り付けられた前記測定装置側のマイクロチャネルとを接続して構成されてもよい。   The sample chamber may be configured by connecting a microchannel of a detachable microchannel device that stores a sample and a microchannel on the measurement apparatus side to which the volume modulation unit is attached.

前記容積変調手段および前記圧力測定手段は、前記前記測定装置側のマイクロチャネルが形成された部材に取り付けられていてもよい。   The volume modulation means and the pressure measurement means may be attached to a member in which a microchannel on the measurement device side is formed.

前記圧力測定手段は、前記マイクロチャネルデバイスに組み込まれていてもよい。   The pressure measuring means may be incorporated in the microchannel device.

前記容積変調手段は、前記試料室の容積を変調する圧電素子を用いて構成されてもよい。   The volume modulation means may be configured using a piezoelectric element that modulates the volume of the sample chamber.

前記圧力測定手段は、半導体圧力センサを用いて構成されてもよい。   The pressure measuring means may be configured using a semiconductor pressure sensor.

本発明の測定装置は、ガス吸着の応答性に基づいて試料室内の試料について測定を行う測定装置において、前記試料室の容積を変調する容積変調手段と、前記試料室内の圧力を測定する圧力測定手段と、前記圧力測定手段により測定される圧力に基づいて前記容積変調手段をフィードバック制御する容積制御手段と、前記容積変調手段による容積の変調に対する、前記圧力測定手段により測定された前記圧力の応答特性に基づく解析を行う解析手段と、を備えることを特徴とする。
この測定装置によれば、測定時の圧力の非線形性を補正しつつ容積を変調することができるので、圧力について非線形性を考慮する必要がなく、圧力の応答特性に基づく解析が容易となる。また、変調幅を大きく取ることができるため、高いSN比が得られる。
The measuring apparatus according to the present invention is a measuring apparatus that measures a sample in a sample chamber based on gas adsorption responsiveness, a volume modulation unit that modulates the volume of the sample chamber, and a pressure measurement that measures the pressure in the sample chamber. Means, feedback control of the volume modulation means based on the pressure measured by the pressure measurement means, and response of the pressure measured by the pressure measurement means to volume modulation by the volume modulation means An analysis means for performing an analysis based on the characteristics.
According to this measuring apparatus, the volume can be modulated while correcting the nonlinearity of the pressure at the time of measurement. Therefore, it is not necessary to consider the nonlinearity of the pressure, and the analysis based on the response characteristic of the pressure becomes easy. Further, since the modulation width can be increased, a high S / N ratio can be obtained.

前記容積制御手段は、前記圧力測定手段により測定される圧力が正弦波となるように、前記容積変調手段をフィードバック制御してもよい。   The volume control means may feedback control the volume modulation means so that the pressure measured by the pressure measurement means becomes a sine wave.

前記容積制御手段は、前記圧力測定手段により測定される圧力と、前記容積を時間微分した値との積が正弦波となるように、前記容積変調手段をフィードバック制御してもよい。   The volume control means may feedback control the volume modulation means so that a product of a pressure measured by the pressure measurement means and a value obtained by differentiating the volume with respect to time becomes a sine wave.

本発明の測定方法は、ガス吸着の応答性に基づいて試料室内の試料について測定を行う測定方法において、前記試料室の容積を変調するステップと、前記試料室内の圧力を測定するステップと、前記圧力を測定するステップにより測定される圧力に基づいて前記容積を変調するステップにおける変調量をフィードバック制御するステップと、前記容積を変調するステップによる容積の変調に対する、前記圧力を測定するステップにより測定された前記圧力の応答特性に基づく解析を行うステップと、を備えることを特徴とする。
この測定方法によれば、測定時の圧力の非線形性を補正しつつ容積を変調することができるので、圧力について非線形性を考慮する必要がなく、圧力の応答特性に基づく解析が容易となる。また、変調幅を大きく取ることができるため、高いSN比が得られる。
The measurement method of the present invention is a measurement method for measuring a sample in a sample chamber based on gas adsorption responsiveness, the step of modulating the volume of the sample chamber, the step of measuring the pressure in the sample chamber, Feedback control of the modulation amount in the step of modulating the volume based on the pressure measured by the step of measuring pressure, and measuring the pressure relative to the modulation of the volume by the step of modulating the volume. And performing an analysis based on a response characteristic of the pressure.
According to this measurement method, the volume can be modulated while correcting the non-linearity of the pressure at the time of measurement. Therefore, it is not necessary to consider the non-linearity of the pressure, and the analysis based on the pressure response characteristic is facilitated. Further, since the modulation width can be increased, a high S / N ratio can be obtained.

前記変調量をフィードバック制御するステップでは、前記圧力を測定するステップにより測定される圧力が正弦波となるように、前記容積を変調するステップにおける変調量をフィードバック制御してもよい。   In the step of feedback controlling the modulation amount, the modulation amount in the step of modulating the volume may be feedback controlled so that the pressure measured in the step of measuring the pressure becomes a sine wave.

前記変調量をフィードバック制御するステップでは、前記圧力を測定するステップにより測定される圧力と、前記容積を時間微分した値との積が正弦波となるように、前記容積を変調するステップにおける変調量をフィードバック制御してもよい。   In the step of feedback controlling the modulation amount, the modulation amount in the step of modulating the volume so that the product of the pressure measured in the step of measuring the pressure and a value obtained by time differentiation of the volume becomes a sine wave. May be feedback controlled.

本発明の測定装置によれば、容積変調手段による容積の変調に対する、圧力測定手段により測定された圧力の応答特性に基づく解析を行うので、試料室を、マイクロチャネルを用いて構成した場合に、高精度な測定が可能になるとともに、測定条件を選ばない広範な測定を行うことが可能となる。   According to the measuring apparatus of the present invention, the analysis based on the response characteristic of the pressure measured by the pressure measuring unit with respect to the modulation of the volume by the volume modulating unit is performed. Therefore, when the sample chamber is configured using a microchannel, High-precision measurement is possible, and a wide range of measurements can be performed regardless of measurement conditions.

本発明の測定装置によれば、測定時の圧力の非線形性を補正しつつ容積を変調することができるので、圧力について非線形性を考慮する必要がなく、圧力の応答特性に基づく解析が容易となる。また、変調幅を大きく取ることができるため、高いSN比が得られる。   According to the measuring device of the present invention, the volume can be modulated while correcting the nonlinearity of the pressure at the time of measurement. Therefore, it is not necessary to consider the nonlinearity of the pressure, and the analysis based on the response characteristic of the pressure is easy. Become. Further, since the modulation width can be increased, a high S / N ratio can be obtained.

本発明の測定方法によれば、測定時の圧力の非線形性を補正しつつ容積を変調することができるので、圧力について非線形性を考慮する必要がなく、圧力の応答特性に基づく解析が容易となる。また、変調幅を大きく取ることができるため、高いSN比が得られる。   According to the measurement method of the present invention, the volume can be modulated while correcting the nonlinearity of the pressure at the time of measurement. Therefore, it is not necessary to consider the nonlinearity of the pressure, and the analysis based on the response characteristic of the pressure is easy. Become. Further, since the modulation width can be increased, a high S / N ratio can be obtained.

図1は本発明の測定装置を機能的に示すブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram functionally showing the measuring apparatus of the present invention.

図1において、試料室101はマイクロチャネルを用いて構成される。容積変調手段102は、試料室101の容積を変調する。圧力測定手段103は、試料室101内の圧力を測定する。解析手段104は、容積変調手段102による容積の変調に対する、圧力測定手段103により測定された圧力の応答特性に基づく解析を行う。   In FIG. 1, a sample chamber 101 is configured using a microchannel. The volume modulation unit 102 modulates the volume of the sample chamber 101. The pressure measuring unit 103 measures the pressure in the sample chamber 101. The analysis unit 104 performs an analysis based on the response characteristic of the pressure measured by the pressure measurement unit 103 with respect to the volume modulation by the volume modulation unit 102.

また、容積変調手段111は、試料室101Aの容積を変調する。圧力測定手段112は、試料室101内の圧力を測定する。容積制御手段113は、圧力測定手段112により測定される圧力に基づいて容積変調手段111をフィードバック制御する。解析手段114は、容積変調手段111による容積の変調に対する、圧力測定手段112により測定された圧力の応答特性に基づく解析を行う。   The volume modulation unit 111 modulates the volume of the sample chamber 101A. The pressure measuring unit 112 measures the pressure in the sample chamber 101. The volume control unit 113 feedback-controls the volume modulation unit 111 based on the pressure measured by the pressure measurement unit 112. The analysis unit 114 performs an analysis based on the response characteristic of the pressure measured by the pressure measurement unit 112 with respect to the volume modulation by the volume modulation unit 111.

ここで、試料室101Aは装置専用のものとして、あるいは測定用の汎用的なものとして作成されたものに限定されない。アダプタを介して取り付けられる他の容器等も試料室101Aに該当する。例えば、測定目的に応じ、燃料電池のセル部分、自動車の排気ガス浄化触媒ユニットなどを取り付けることもできる。   Here, the sample chamber 101A is not limited to a device dedicated to the apparatus or created for general use for measurement. Other containers attached via adapters also correspond to the sample chamber 101A. For example, depending on the purpose of measurement, a cell portion of a fuel cell, an exhaust gas purification catalyst unit of an automobile, and the like can be attached.

また、容積変調手段111の構成は限定されない。例えば、ベローズを用いる方法、ピストンを用いる方法、機械的な応力により壁を変形させる方法等を適用できる。   Further, the configuration of the volume modulation means 111 is not limited. For example, a method using a bellows, a method using a piston, a method of deforming a wall by mechanical stress, and the like can be applied.

圧力測定手段103および圧力測定手段112の構成は限定されない。例えば、半導体圧力センサ等を使用できる。   The configurations of the pressure measuring unit 103 and the pressure measuring unit 112 are not limited. For example, a semiconductor pressure sensor can be used.

試料室101を構成するマイクロチャネルの形状は限定されない。マイクロチャネルは1mm以下の径あるいは幅のチャネルであればよく、直線状でもよいし、あるいは長さを稼ぐために屈曲した形状としてもよい。マイクロチャネルを構成する材質やマイクロチャネルのサイズは測定目的に応じて、適宜選択できる。   The shape of the microchannel constituting the sample chamber 101 is not limited. The microchannel may be a channel having a diameter or width of 1 mm or less, may be linear, or may be bent to increase the length. The material constituting the microchannel and the size of the microchannel can be appropriately selected according to the purpose of measurement.

以下、図2〜図4を参照して、実施例1の測定装置について説明する。本実施例は本発明の測定装置を、触媒評価装置に適用した例を示している。   Hereinafter, the measurement apparatus of Example 1 will be described with reference to FIGS. This embodiment shows an example in which the measuring apparatus of the present invention is applied to a catalyst evaluation apparatus.

図2は実施例1の測定装置の構成を示す断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the measurement apparatus according to the first embodiment.

図2に示すように、本実施例の測定装置は、試料室を構成する部材1と、マイクロチャネルデバイス2を固定するためのコネクタ31およびコネクタ32と、試料室へのガスの導入および導入を行うためのバルブ41およびバルブ42と、を備える。   As shown in FIG. 2, the measuring apparatus of the present embodiment is configured to introduce the member 1 constituting the sample chamber, the connector 31 and the connector 32 for fixing the microchannel device 2, and the introduction and introduction of gas into the sample chamber. A valve 41 and a valve 42 for performing.

部材1には試料室を構成するマイクロチャネル10が、マイクロチャネルデバイス2には試料室を構成するとともに触媒を受け入れるマイクロチャネル20が、それぞれ形成されている。後述のように、マイクロチャネル10およびマイクロチャネル20が接続されることで、試料室が形成される。   The member 1 is formed with a microchannel 10 constituting a sample chamber, and the microchannel device 2 is formed with a microchannel 20 constituting a sample chamber and receiving a catalyst. As will be described later, the sample chamber is formed by connecting the microchannel 10 and the microchannel 20.

図2に示すように、部材1には試料室の容積を変調するためのPZT薄膜等による圧電素子11と、試料室内の圧力を検出するための半導体圧力センサ12と、が取り付けられている。   As shown in FIG. 2, a piezoelectric element 11 made of a PZT thin film or the like for modulating the volume of the sample chamber and a semiconductor pressure sensor 12 for detecting the pressure in the sample chamber are attached to the member 1.

図3は実施例1の測定装置における制御系の構成を示すブロック図である。   FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a control system in the measurement apparatus according to the first embodiment.

図3に示すように、本実施例の測定装置は、半導体圧力センサ12からの信号を受けて解析を行う演算部51と、バルブ41およびバルブ42等を操作することで試料室へのガス供給を制御するガス供給機構52と、圧電素子11、半導体圧力センサ12、演算部51およびガス供給機構52を制御する制御部53と、を備える。   As shown in FIG. 3, the measuring apparatus of the present embodiment supplies gas to the sample chamber by operating a calculation unit 51 that receives a signal from the semiconductor pressure sensor 12 and performs analysis, a valve 41, a valve 42, and the like. A gas supply mechanism 52 that controls the piezoelectric element 11, the semiconductor pressure sensor 12, a calculation unit 51, and a control unit 53 that controls the gas supply mechanism 52.

次に、本実施例の測定装置を用いた測定方法について説明する。   Next, a measurement method using the measurement apparatus of this example will be described.

まず、マイクロチャネルデバイス2の内部に触媒を導入する。マイクロチャネル内に触媒を導入する方法としては、
(1)チャネル内に触媒を充填する。
(2)チャネル壁に担体を介して触媒を付着させる。
(3)チャネル壁を担体として用い、触媒をチャネル壁面に付着させる。
(4)マイクロチャネルの構造体自体を触媒で構成する。
等の方法を採ることができる。
First, a catalyst is introduced into the microchannel device 2. As a method of introducing the catalyst into the microchannel,
(1) The catalyst is filled in the channel.
(2) The catalyst is attached to the channel wall via the carrier.
(3) The catalyst is adhered to the channel wall surface using the channel wall as a carrier.
(4) The microchannel structure itself is formed of a catalyst.
Etc. can be adopted.

次に、コネクタ31およびコネクタ32を介して、マイクロチャネルデバイス2を測定装置に取り付ける。さらに、バルブ41およびバルブ42により、部材1とマイクロチャネルデバイス2とを挟みこむ。これにより、マイクロチャネル10およびマイクロチャネル20が気密的に接続され、試料室が形成される。   Next, the microchannel device 2 is attached to the measurement apparatus via the connector 31 and the connector 32. Further, the member 1 and the microchannel device 2 are sandwiched between the valve 41 and the valve 42. Thereby, the microchannel 10 and the microchannel 20 are hermetically connected, and a sample chamber is formed.

図4は本実施例の測定装置における測定時の処理手順を示すフローチャートである。この処理手順は制御部53の制御に従い実行される。   FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure at the time of measurement in the measurement apparatus of the present embodiment. This processing procedure is executed under the control of the control unit 53.

上記のように気密状態が形成された後、図4のステップS1では、ガス供給機構52により測定したい気体が導入され、試料室内がこの気体により置換される。次に、ステップS2では、気体の導入を止め、気密状態を維持する。   After the airtight state is formed as described above, in step S1 of FIG. 4, a gas to be measured is introduced by the gas supply mechanism 52, and the sample chamber is replaced with this gas. Next, in step S2, introduction of gas is stopped and an airtight state is maintained.

次に、ステップS3では、FR法による測定を行う。ここでは、圧電素子11により、気密状態となっている試料室の容積に正弦波の変調を与える。圧電素子11を駆動すると、圧電素子11に対向する部材1の壁11aが応力を受けて振動し、これにより試料室の容積に変調が与えられる。正弦波の周波数を変化させながら、圧力センサ12により試料室内の圧力を検出する。演算部51では、圧力振幅の変化、および容積変化に対する圧力変化の位相の遅れに基づいて、触媒の細孔内の分子の拡散速度を算出する。さらに、演算部51における解析によって、細孔の断面積および体積を求めることができる。   Next, in step S3, measurement by the FR method is performed. Here, the piezoelectric element 11 applies sinusoidal modulation to the volume of the sample chamber in an airtight state. When the piezoelectric element 11 is driven, the wall 11a of the member 1 facing the piezoelectric element 11 receives a stress and vibrates, thereby modulating the volume of the sample chamber. The pressure in the sample chamber is detected by the pressure sensor 12 while changing the frequency of the sine wave. The calculation unit 51 calculates the diffusion rate of molecules in the pores of the catalyst based on the change in pressure amplitude and the phase delay of the pressure change with respect to the volume change. Furthermore, the cross-sectional area and volume of the pore can be obtained by analysis in the calculation unit 51.

解析の原理は、
(1)拡散の速度と変調の速度が一致したところで、圧力の位相の遅れが最大になるので、拡散速度が分かる。
(2)細孔径により、拡散速度が異なり、したがって、位相の遅れが最大となる周波数も異なる。ガスが既知なら細孔径が分かる。
(3)変調のほうが早いと体積変調の影響が細孔内部まで伝わらず、逆に拡散のほうが速いと細孔内部すべてに圧力変化が伝わるので、両者の振幅の差から細孔内の体積を計算できる。
というものである。
The principle of analysis is
(1) When the speed of diffusion coincides with the speed of modulation, the delay in pressure phase becomes maximum, so that the diffusion speed can be understood.
(2) The diffusion rate differs depending on the pore diameter, and therefore the frequency at which the phase delay is maximum also differs. If the gas is known, the pore diameter can be determined.
(3) If the modulation is faster, the effect of volume modulation will not be transmitted to the inside of the pores. Conversely, if the diffusion is faster, the pressure change will be transmitted to all the inside of the pores. Can be calculated.
That's it.

ステップS3の処理が終了すると、図4に示す一連の処理を終了する。   When the process of step S3 ends, the series of processes shown in FIG. 4 ends.

本実施例の測定装置において、フィードバック制御により圧電素子11を制御することで、測定時(図4のステップS3)の圧力の非線形性を補正しつつ、容積を変調する構成を適用できる。このような方法によれば、入力側に当たる容積で非線形性を補正するので、変調幅を大きくしても出力側に当たる圧力について非線形性を考慮する必要がなく、演算部51での解析が容易となる。   In the measuring apparatus of the present embodiment, a configuration in which the volume is modulated while correcting the nonlinearity of the pressure at the time of measurement (step S3 in FIG. 4) can be applied by controlling the piezoelectric element 11 by feedback control. According to such a method, since the nonlinearity is corrected by the volume corresponding to the input side, it is not necessary to consider the nonlinearity for the pressure corresponding to the output side even if the modulation width is increased, and the analysis in the calculation unit 51 is easy. Become.

圧電素子11を制御方法は、次のいずれかの方法による。
(1)Pが正弦波となるように、圧電素子11をフィードバック制御する。
(2)P・(dv/dt)が正弦波となるように、圧電素子11をフィードバック制御する。ただし、「P」は試料室の圧力、「v」は試料室の容積である。
The method for controlling the piezoelectric element 11 is one of the following methods.
(1) The piezoelectric element 11 is feedback-controlled so that P becomes a sine wave.
(2) The piezoelectric element 11 is feedback-controlled so that P · (dv / dt) becomes a sine wave. However, “P” is the pressure in the sample chamber, and “v” is the volume of the sample chamber.

上記(1)の方法では、非線形性による圧力Pの歪みを直接取り除くように制御することで、非線形性を補正している。   In the method (1), the nonlinearity is corrected by controlling so as to directly remove the distortion of the pressure P due to the nonlinearity.

また、上記(2)の方法は、圧力Pの変化が無視できる短い時間δtを考えると、
PV=nRTより、
δ(PV)=PδV=δnRT,p(dV/dt)=(dn/dt)RT
となり、
P(dv/dt)が正弦波になるように制御することは、試料室内に送り込む分子数が正弦波になるように制御することに等しくなる。一般に、ある系内の気体分子数と圧力は比例する(線形である)ので、この制御方法により非線形性が補正できる。
In the method (2), considering a short time δt in which the change in the pressure P can be ignored,
From PV = nRT,
δ (PV) = PδV = δnRT, p (dV / dt) = (dn / dt) RT
And
Controlling P (dv / dt) to be a sine wave is equivalent to controlling the number of molecules fed into the sample chamber to be a sine wave. In general, since the number of gas molecules and pressure in a certain system are proportional (linear), nonlinearity can be corrected by this control method.

このような圧電素子11の制御は、演算部51での演算により実行できる。演算部51は圧力センサ12で検出された圧力に基づき、上記(1)または(2)の方法に従う演算を行い、制御部53はその演算結果に従って圧電素子11をフィードバック制御する。   Such control of the piezoelectric element 11 can be executed by calculation in the calculation unit 51. Based on the pressure detected by the pressure sensor 12, the calculation unit 51 performs a calculation according to the method (1) or (2), and the control unit 53 feedback-controls the piezoelectric element 11 according to the calculation result.

以上のように、本実施例によれば、試料室をマイクロチャネルにより構成したうえで、FR法による測定を行っているので、ガス吸着法において、試料室をマイクロチャネルにより構成する場合の問題を解消することができる。すなわち、FR法では、本質的に試料の量に影響を受けない測定が可能であるため、チャネル内の触媒の量を正確にコントロールし、あるいは正確に測定できなくても、高精度の測定が可能となる。また、試料を液体窒素温度に保つ必要がなく、任意の温度での測定が可能となる。さらに、任意のガスを導入できるので、触媒に対する測定の場合等、実際に反応に関与する種類のガスによる動的な測定も可能となる。   As described above, according to the present embodiment, since the measurement is performed by the FR method after the sample chamber is configured by the microchannel, there is a problem in the case of configuring the sample chamber by the microchannel in the gas adsorption method. Can be resolved. In other words, the FR method allows measurement that is essentially unaffected by the amount of sample, so that even if the amount of catalyst in the channel is accurately controlled or cannot be measured accurately, high-precision measurement is possible. It becomes possible. Further, it is not necessary to keep the sample at the liquid nitrogen temperature, and measurement at an arbitrary temperature is possible. Furthermore, since any gas can be introduced, dynamic measurement with a gas of a type actually involved in the reaction, such as in the case of measurement with respect to a catalyst, is also possible.

また、上記のように、測定時の圧力の非線形性を補正しつつ容積を変調することで、圧力について非線形性を考慮する必要がなく、解析が容易となる。また、変調幅を大きく取ることができるため、高いSN比が得られる。さらに、試料室の容積に対する変調の比率を大きく、例えば、容積と同程度の変調幅とすることもできるので、試料室の容積を抑制でき、装置の小型化を図ることができる。さらにまた、設置環境に関する負担も発生しない。なお、本発明による、測定時の圧力の非線形性を補正しつつ容積を変調する手法は、試料室の構成による限定を受けない。試料室がマイクロチャネルにより構成されない場合にも同様に適用でき、試料室の容積の大小と無関係に、本発明を適用できる。   Further, as described above, by modulating the volume while correcting the nonlinearity of the pressure at the time of measurement, it is not necessary to consider the nonlinearity of the pressure, and the analysis becomes easy. Further, since the modulation width can be increased, a high S / N ratio can be obtained. Furthermore, since the modulation ratio with respect to the volume of the sample chamber can be made large, for example, the modulation width can be set to the same level as the volume, the volume of the sample chamber can be suppressed, and the apparatus can be downsized. Furthermore, there is no burden on the installation environment. Note that the method of modulating the volume while correcting the nonlinearity of the pressure during measurement according to the present invention is not limited by the configuration of the sample chamber. The present invention can be similarly applied to a case where the sample chamber is not constituted by a microchannel, and the present invention can be applied regardless of the volume of the sample chamber.

以下、図5を参照して、実施例2の測定装置について説明する。本実施例は本発明の測定装置を、触媒評価装置に適用した例を示している。   Hereinafter, the measurement apparatus of Example 2 will be described with reference to FIG. This embodiment shows an example in which the measuring apparatus of the present invention is applied to a catalyst evaluation apparatus.

図5は実施例2の測定装置の構成を示す断面図である。実施例1と同一構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the measuring apparatus according to the second embodiment. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図5に示すように、本実施例の測定装置では、試料室内の圧力を検出するための半導体圧力センサ21がマイクロチャネルデバイス2に取り付けられている。この場合には、触媒が収容された部位の圧力が検出できるので、測定時におけるマイクロチャネルデバイス2内の圧力モニタ用に圧力センサ21を流用することができる。   As shown in FIG. 5, in the measurement apparatus of this embodiment, a semiconductor pressure sensor 21 for detecting the pressure in the sample chamber is attached to the microchannel device 2. In this case, since the pressure of the part in which the catalyst is accommodated can be detected, the pressure sensor 21 can be used for monitoring the pressure in the microchannel device 2 at the time of measurement.

実施例1と同様、本実施例によれば、試料室をマイクロチャネルにより構成したうえで、FR法による測定を行うので、ガス吸着法において、試料室をマイクロチャネルにより構成する場合の問題を解消することができる。   Similar to Example 1, according to this example, the sample chamber is configured with a microchannel and then the measurement is performed by the FR method, which eliminates the problem when the sample chamber is configured with a microchannel in the gas adsorption method. can do.

また、上記のように、測定時の圧力の非線形性を補正しつつ容積を変調することで、圧力について非線形性を考慮する必要がなく、解析が容易となる。また、変調幅を大きく取ることができるため、高いSN比が得られる。さらに、設置環境に関する負担も発生しない。   Further, as described above, by modulating the volume while correcting the nonlinearity of the pressure at the time of measurement, it is not necessary to consider the nonlinearity of the pressure, and the analysis becomes easy. Further, since the modulation width can be increased, a high S / N ratio can be obtained. Furthermore, there is no burden on the installation environment.

本発明による測定装置および測定方法において、測定対象は限定されない。測定対象は触媒に限らず、例えば、触媒の担体、吸着剤、モレキュラーシーブ、ゼオライト等の細孔の大きさを測定することもできる。特定のガス分子が細孔内に入るか否か、あるいは細孔内での拡散速度を測定することで、最適な触媒の担体、吸着剤、モレキュラーシーブの選定等のための情報を得ることもできる。さらに、カーボンナノチューブのチューブ径の測定に適用することもできる。   In the measuring apparatus and the measuring method according to the present invention, the measurement target is not limited. The measurement object is not limited to the catalyst, and for example, the size of the pores of the catalyst carrier, the adsorbent, the molecular sieve, the zeolite and the like can be measured. By measuring whether specific gas molecules enter the pores, or by measuring the diffusion rate in the pores, it is possible to obtain information for selecting the optimal catalyst carrier, adsorbent, molecular sieve, etc. it can. Furthermore, it can also be applied to the measurement of the tube diameter of carbon nanotubes.

また、例えば、ゼオライト等、細孔の大きさが予め分かっているものを試料室に収容し、未知のガスを導入して測定することで、未知のガスについての分析を行うことができる。   In addition, for example, an unknown gas can be analyzed by accommodating a sample whose pore size is known in advance, such as zeolite, in a sample chamber, and introducing and measuring the unknown gas.

以上説明したように、本発明の測定装置によれば、容積変調手段による容積の変調に対する、圧力測定手段により測定された圧力の応答特性に基づく解析を行う。このため、試料室を、マイクロチャネルを用いて構成した場合に、高精度な測定が可能になるとともに、測定条件を選ばない広範な測定を行うことが可能となる。また、本発明の測定装置によれば、測定時の圧力の非線形性を補正しつつ容積を変調することができる。このため、圧力について非線形性を考慮する必要がなく、圧力の応答特性に基づく解析が容易となる。また、変調幅を大きく取ることができるため、高いSN比が得られる。さらに、本発明の測定方法によれば、測定時の圧力の非線形性を補正しつつ容積を変調することができる。このため、圧力について非線形性を考慮する必要がなく、圧力の応答特性に基づく解析が容易となる。また、変調幅を大きく取ることができるため、高いSN比が得られる。   As described above, according to the measuring apparatus of the present invention, the analysis based on the response characteristic of the pressure measured by the pressure measuring unit with respect to the volume modulation by the volume modulating unit is performed. For this reason, when the sample chamber is configured using a microchannel, high-precision measurement is possible, and a wide range of measurements can be performed regardless of measurement conditions. Further, according to the measuring apparatus of the present invention, the volume can be modulated while correcting the nonlinearity of the pressure at the time of measurement. For this reason, it is not necessary to consider non-linearity in the pressure, and the analysis based on the response characteristic of the pressure becomes easy. Further, since the modulation width can be increased, a high S / N ratio can be obtained. Furthermore, according to the measurement method of the present invention, the volume can be modulated while correcting the nonlinearity of the pressure at the time of measurement. For this reason, it is not necessary to consider non-linearity in the pressure, and the analysis based on the response characteristic of the pressure becomes easy. Further, since the modulation width can be increased, a high S / N ratio can be obtained.

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、ガス吸着の現象を利用して試料室内の試料について測定を行う測定装置および測定方法に対し、広く適用することができる。   The scope of application of the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be widely applied to a measuring apparatus and a measuring method for measuring a sample in a sample chamber using the phenomenon of gas adsorption.

本発明の測定装置を機能的に示すブロック図。The block diagram which shows the measuring apparatus of this invention functionally. 実施例1の測定装置の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the measuring apparatus of Example 1. FIG. 実施例1の測定装置における制御系の構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a control system in the measurement apparatus according to the first embodiment. 実施例1の測定装置における測定時の処理手順を示すフローチャート。5 is a flowchart illustrating a processing procedure during measurement in the measurement apparatus according to the first embodiment. 実施例2の測定装置の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the measuring apparatus of Example 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 マイクロチャネル
11 圧電素子(容積変調手段、容積制御手段)
12 半導体圧力センサ(圧力測定手段)
20 マイクロチャネル
51 演算部(解析手段、容積制御手段)
101 試料室
102 容積変調手段
103 圧力測定手段
104 解析手段
111 容積変調手段
112 圧力測定手段
113 容積制御手段
114 解析手段
10 Microchannel 11 Piezoelectric element (volume modulation means, volume control means)
12 Semiconductor pressure sensor (pressure measuring means)
20 microchannel 51 calculation unit (analysis means, volume control means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Sample chamber 102 Volume modulation means 103 Pressure measurement means 104 Analysis means 111 Volume modulation means 112 Pressure measurement means 113 Volume control means 114 Analysis means

Claims (13)

ガス吸着の現象を利用して試料室内の試料について測定を行う測定装置において、
前記試料室を、マイクロチャネルを用いて構成し、
前記測定装置は、
前記試料室の容積を変調する容積変調手段と、
前記試料室内の圧力を測定する圧力測定手段と、
前記容積変調手段による容積の変調に対する、前記圧力測定手段により測定された前記圧力の応答特性に基づく解析を行う解析手段と、
を備えることを特徴とするガス吸着を用いた測定装置。
In a measuring device that measures the sample in the sample chamber using the phenomenon of gas adsorption,
The sample chamber is configured using a microchannel,
The measuring device is
Volume modulation means for modulating the volume of the sample chamber;
Pressure measuring means for measuring the pressure in the sample chamber;
Analysis means for performing an analysis based on a response characteristic of the pressure measured by the pressure measurement means with respect to modulation of the volume by the volume modulation means;
A measuring apparatus using gas adsorption, comprising:
前記解析手段は、前記試料室内の試料の細孔分布を解析することを特徴とする請求項1に記載のガス吸着を用いた測定装置。 2. The measuring apparatus using gas adsorption according to claim 1, wherein the analyzing means analyzes a pore distribution of the sample in the sample chamber. 前記試料室は、試料を収容する着脱可能なマイクロチャネルデバイスのマイクロチャネルと、前記容積変調手段が取り付けられた前記測定装置側のマイクロチャネルとを接続して構成されることを特徴とする請求項1または2に記載のガス吸着を用いた測定装置。 The sample chamber is configured by connecting a microchannel of a detachable microchannel device for storing a sample and a microchannel on the measurement apparatus side to which the volume modulation unit is attached. A measuring apparatus using gas adsorption according to 1 or 2. 前記容積変調手段および前記圧力測定手段は、前記測定装置側のマイクロチャネルが形成された部材に取り付けられていることを特徴とする請求項3に記載のガス吸着を用いた測定装置。 The measurement apparatus using gas adsorption according to claim 3, wherein the volume modulation means and the pressure measurement means are attached to a member on which a microchannel on the measurement apparatus side is formed. 前記圧力測定手段は、前記マイクロチャネルデバイスに組み込まれていることを特徴とする請求項3に記載のガス吸着を用いた測定装置。 The measurement apparatus using gas adsorption according to claim 3, wherein the pressure measurement unit is incorporated in the microchannel device. 前記容積変調手段は、前記試料室の容積を変調する圧電素子を用いて構成されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス吸着を用いた測定装置。 The measuring apparatus using gas adsorption according to claim 1, wherein the volume modulation means is configured using a piezoelectric element that modulates the volume of the sample chamber. 前記圧力測定手段は、半導体圧力センサを用いて構成されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のガス吸着を用いた測定装置。 The said pressure measurement means is comprised using a semiconductor pressure sensor, The measuring apparatus using the gas adsorption | suction of any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. ガス吸着の応答性に基づいて試料室内の試料について測定を行う測定装置において、
前記試料室の容積を変調する容積変調手段と、
前記試料室内の圧力を測定する圧力測定手段と、
前記圧力測定手段により測定される圧力に基づいて前記容積変調手段をフィードバック制御する容積制御手段と、
前記容積変調手段による容積の変調に対する、前記圧力測定手段により測定された前記圧力の応答特性に基づく解析を行う解析手段と、
を備えることを特徴とするガス吸着を用いた測定装置。
In the measuring device that measures the sample in the sample chamber based on the responsiveness of gas adsorption,
Volume modulation means for modulating the volume of the sample chamber;
Pressure measuring means for measuring the pressure in the sample chamber;
Volume control means for feedback controlling the volume modulation means based on the pressure measured by the pressure measurement means;
Analysis means for performing an analysis based on a response characteristic of the pressure measured by the pressure measurement means with respect to modulation of the volume by the volume modulation means;
A measuring apparatus using gas adsorption, comprising:
前記容積制御手段は、前記圧力測定手段により測定される圧力が正弦波となるように、前記容積変調手段をフィードバック制御することを特徴とする請求項8に記載のガス吸着を用いた測定装置。 9. The measuring apparatus using gas adsorption according to claim 8, wherein the volume control means feedback-controls the volume modulation means so that the pressure measured by the pressure measurement means becomes a sine wave. 前記容積制御手段は、前記圧力測定手段により測定される圧力と、前記容積を時間微分した値との積が正弦波となるように、前記容積変調手段をフィードバック制御することを特徴とする請求項8に記載のガス吸着を用いた測定装置。 The volume control means feedback-controls the volume modulation means so that a product of a pressure measured by the pressure measurement means and a value obtained by differentiating the volume with respect to time becomes a sine wave. 8. A measuring apparatus using gas adsorption according to 8. ガス吸着の応答性に基づいて試料室内の試料について測定を行う測定方法において、
前記試料室の容積を変調するステップと、
前記試料室内の圧力を測定するステップと、
前記圧力を測定するステップにより測定される圧力に基づいて前記容積を変調するステップにおける変調量をフィードバック制御するステップと、
前記容積を変調するステップによる容積の変調に対する、前記圧力を測定するステップにより測定された前記圧力の応答特性に基づく解析を行うステップと、
を備えることを特徴とするガス吸着を用いた測定方法。
In a measurement method for measuring a sample in a sample chamber based on the gas adsorption response,
Modulating the volume of the sample chamber;
Measuring the pressure in the sample chamber;
Feedback controlling the modulation amount in the step of modulating the volume based on the pressure measured by the step of measuring the pressure;
Performing an analysis based on a response characteristic of the pressure measured by the step of measuring the pressure with respect to modulation of the volume by the step of modulating the volume;
A measurement method using gas adsorption, comprising:
前記変調量をフィードバック制御するステップでは、前記圧力を測定するステップにより測定される圧力が正弦波となるように、前記容積を変調するステップにおける変調量をフィードバック制御することを特徴とする請求項11に記載のガス吸着を用いた測定方法。 The feedback control of the modulation amount in the step of modulating the volume is performed so that the pressure measured in the step of measuring the pressure becomes a sine wave in the step of feedback controlling the modulation amount. A measurement method using gas adsorption described in 1. 前記変調量をフィードバック制御するステップでは、前記圧力を測定するステップにより測定される圧力と、前記容積を時間微分した値との積が正弦波となるように、前記容積を変調するステップにおける変調量をフィードバック制御することを特徴とする請求項11に記載のガス吸着を用いた測定方法。
In the step of feedback controlling the modulation amount, the modulation amount in the step of modulating the volume so that the product of the pressure measured in the step of measuring the pressure and a value obtained by time differentiation of the volume becomes a sine wave. The measurement method using gas adsorption according to claim 11, wherein feedback control is performed.
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