JP2007274908A - バッファーチャンバー方式ガス収支測定装置 - Google Patents

バッファーチャンバー方式ガス収支測定装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、簡素な構造で、かつ外気に影響されることなく、高精度に、水蒸気、水分蒸散量、二酸化炭素等のガス収支を測定する、汎用性のある測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するために、測定物を覆い又は格納する測定チャンバーに、給気管と排気管により、バッファーチャンバーを連結し、両チャンバー内部のガスをファンを用いて循環させ、測定物がターゲットガスを放出ないしは吸収することによる、チャンバー内のターゲットガスの濃度の変化を測定するセンサからなることを特徴とするガス収支測定装置を構成した。前記装置は、従来、測定チャンバーのデッドスペースを小さくすることに伴って生じる、ガス濃度変化が測定物に影響する問題に対して、ガス濃度変化速度を緩和し、安定した計測ができる測定時間を確保できるよう、バッファーチャンバーの容積を調節することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、チャンバーを用いた、植物の光合成、動植物の呼吸及び蒸散や土壌の呼吸及び地表面蒸発等に伴うターゲットガスの収支を測定するガス収支測定装置、同ガス収支測定装置の検定方法及び同ガス収支測定装置の連続測定機構に関するものである。
従来、チャンバーを用いたガス収支測定装置は、例えば、皮膚から蒸発する水分の測定、実験動物の呼吸量の測定、植物の光合成蒸散測定、土壌中の微生物の呼吸の測定、地表面からの蒸発測定など、多方面にわたって用いられている。その装置は大きく閉鎖式と開放式に分類される。
閉鎖式のガス収支測定装置は、測定物をチャンバーで覆い、あるいはチャンバー内に入れ、密閉したチャンバー内のガス濃度の変化を測定するもので、土壌呼吸の測定をその代表例にあげることができる。
開放式のガス収支測定装置は、チャンバーへの給気、排気の両方でガス濃度測定し、ガス濃度の差に給気量を乗じてガス収支を測定するもので、光合成の測定をその代表例にあげることができる。
閉鎖式のガス収支測定装置については、特許文献１に、測定環境を限定したプロ−ブ周囲の空気に影響されることなく、あらゆる角度で短時間に被験者の皮膚から蒸散された水分量を正確に測定できる水分蒸散量測定装置が公開されている。特許文献１に記載の水分蒸散量測定装置は、プロ−ブ周囲の空気に影響されないために、プロ−ブを皮膚に密着させた後は、密閉された空気回路にしてプロ−ブ周囲の空気が前記空気回路内に入らないようにするとともに、空気回路内で空気を環流してあらゆる角度においても空気回路内で蒸散する水分に応じた水分量を得られるようにし、さらに空気回路内の総体積を少なくして環流による水分増加の応答性を早め測定時間を短縮する。これらにより、密閉された空気回路内で環流される空気の絶対湿度の増加特性を検知することにより、正確な水分蒸散量を測定することができるというものである。
特開２００３−３３９６４７号公報
また、開放式のガス収支測定装置については、特許文献２に、チャンバーへの供給ガス及び各排気ガスをサンプリングして１つのセンサで交互に測定することにより、測定結果に機械的誤差が生じないようにした、ガス収支測定装置が公開されている。
特開２００５−３３３９２１号公報
閉鎖式、開放式を問わず、チャンバーを用いたガス収支測定では、チャンバー内のガス濃度のムラが問題となる。従来、この問題を解決するには、チャンバーのデッドスペースを小さくすることが効果的とされてきた。しかし、チャンバー容積の縮小はチャンバー内のガス濃度変化速度を大きくする。その結果、ガス濃度変化が測定物に影響を及ぼすという問題を生じる。
ガス濃度変化が測定物に影響する問題に対して、閉鎖式では、特許文献１に見られるように、測定時間を短縮することで対処しようとするが、測定時間の短縮は相対的にノイズを大きくし、測定の安定性を低下させるという問題を生じる。
一方、開放式のガス収支測定装置では、ガス濃度変化が測定物に影響する問題に対して、給気量を大きくすることで対処するが、それはチャンバー内のガス濃度変化を小さくするため、給気、排気の差の測定に高精度が要求される。給気、排気を別々のセンサで計測する場合、しばしば両センサの校正が問題となる。特許文献２では給気、排気を交互にサンプリングすることで、1本のセンサを利用し、この問題を解決しようとしているが、サンプリングの切換えに伴う、タイムラグの影響が問題となる。タイムラグを小さくするには、測定時間の短縮が必要で、測定時間の短縮は測定の安定性を低下させるという問題を生じる。
さらに、閉鎖式の一般的問題点として、例えば植物のように測定物が立体の場合、チャンバーの縮小には限界があり、測定対象は非常に限られることがある。また、開放式の一般的問題点として、給気がガス収支に影響することから、給気量の精密な制御、外気の変化への対策等が必要で、装置は複雑で大掛かりなものとなることがあげられる。
以上、述べてきたことから、ガス収支測定装置は測定対象ごとに専用の測定装置が使用され、汎用性が低い。
本発明は、斯かる実情に鑑み創案されたものであって、簡素な構造で、かつ外気に影響されることなく、高精度に、水蒸気、水分蒸散量、二酸化炭素等のガス収支を測定する、汎用性のある測定装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために、測定物を覆い又は格納する測定チャンバーに、給気管と排気管により、バッファーチャンバーを連結し、両チャンバー内部のガスをファンを用いて循環させ、測定物がターゲットガスを放出ないしは吸収することによる、チャンバー内のターゲットガスの濃度の変化を測定するセンサからなることを特徴とするガス収支測定装置を構成した。前記装置は、従来、測定チャンバーのデッドスペースを小さくすることに伴って生じる、ガス濃度変化が測定物に影響する問題に対して、ガス濃度変化速度を緩和し、安定した計測ができる測定時間を確保できるよう、バッファーチャンバーの容積を調節することを特徴とする。前記装置の応答感度、測定精度、チャンバーの実容積は次のようにして検定する。即ち、チャンバーに既知量のガスを入れ、ガスの循環によるガス濃度安定に要する時間を応答感度とし、ガスの投入量と測定値の相関係数によって、前記装置の測定精度を判定し、回帰式から前記空間内の容積を求める。前記装置のバッファーチャンバーに、外気の吸気ファンと圧力放出弁を付加し、バッファーチャンバーを換気することで、ターゲットガスの濃度を測定開始時の濃度にリセットして、ターゲットガスのチャンバー内の濃度変化が測定物に及ぼす影響を消去することを繰り返すことで、連続測定が可能となる。
本発明は、以上の構成であるから、簡素な構造で、精度が高く、汎用性を備えている。
即ち、本発明のガス収支測定装置は、チャンバーの容積を変えることで、センサを変えることなく、多様な測定を行うことができる。例えば、ＣＯ２センサにより、植物の光合成または呼吸、土壌呼吸、動物の代謝量が計測できる。温湿度センサにより、地表面からの蒸発量あるいは蒸発散量、植物の蒸散量、動物の水分蒸散量が計測できる。
さらにセンサを組み合わせて、たとえばＣＯ２センサと温湿度センサを同時に使用すれば、植物の光合成と蒸散量、動物の代謝量と蒸散量を同時に計測することが可能である。
また、本発明のガス収支測定装置は、広範な対象の測定が可能である。例えば、人体の皮膚の一部分、マウス、牛などの家畜、トマトの葉、植物体、樹木というように大きさ、設置場所に制限されることなく、種種の対象が測定可能である。
そして、ガス収支測定装置内に圧力を生じないことから、気密要求性が低く製作は容易である。さらに、簡易な構成であるから、従来のガス収支測定装置に比し数十分の１コストで製作できる。
以上は、本発明の利用例の一部にすぎないが、上述の例は全て、同一の環境測定用ＣＯ２センサと温湿度センサを用いてチャンバーを変更するだけで実施可能である。
ターゲットガスの収支を精度よく、簡易に、測定対象、測定場所を制限することなく、測定する目的を、測定物を覆い又は格納する測定チャンバーに、給気管と排気管により、バッファーチャンバーを連結し、両チャンバー内部のガスをファンを用いて循環させ、測定物がターゲットガスを放出ないしは吸収することによる、チャンバー内のターゲットガスの濃度の変化を測定するセンサからなることを特徴とするガス収支測定装置をの構成とすることで実現した。これにより、従来、測定チャンバーのデッドスペースを小さくすることに伴って生じる、ガス濃度変化が測定物に影響する問題に対して、ガス濃度変化速度を緩和し、安定した計測ができる測定時間を確保できるよう、バッファーチャンバーの容積を調節することができるようにしたことを特徴とする。
以下、添付図面に基づいて、本発明であるガス収支測定装置、ガス収支測定装置の検定方法及びガス収支測定方法について詳細に説明する。
図１は、本発明であるガス収支測定装置の第１の実施形態の概略図である。ガス収支測定装置１は、測定物８を覆う中空の密閉された測定チャンバー２と、前記測定チャンバー２の側面上部に接続したガス体が通る排気管４、及び前記測定チャンバー２の側面下部に接続したガス体が通る給気管５とを介して連結する中空のバッファーチャンバー３と、前記測定チャンバー２の内部と、前記バッファーチャンバー３の内部のガス体を循環させる循環ファン６と、ターゲットガスの濃度を測定する検出器に接続するセンサ７からなる。
測定チャンバー２は、中空な容器２ａと、蓋２ｂからなる。容器２ａの中に、測定物を入れた後、蓋２ｂを閉める。測定物が小さな場合は、望ましくは密閉する。また、測定チャンバー２の素材は、測定物８の性質に合わせ、ガラス、アクリル、金属、プラスチックなどから、適宜、選択する。例えば、自然光による植物などの測定物８の光合成量を測定する場合は、光を減衰させない、透明なガラス、アクリル素材を選択する。
ここで、測定物８とは、植物、動物、微生物、土壌、皮膚など、ガスの収支を測定することができる素材であり、目的により選択され、その測定物８の大きさに合わせ、測定チャンバー２の容積は任意に選択できる。
バッファーチャンバー３の容積を調節することにより、従来からの問題であった、ガス濃度変化が測定物に影響する問題に対して、ガス濃度変化速度を緩和し、安定した計測ができる測定時間を確保できる。
排気管４は、中が空洞の筒で、測定チャンバー２とバッファーチャンバー３とを連結し、ターゲットガスがその中を測定チャンバー２からバッファーチャンバー３へと流れる。
給気管５は、中が空洞の筒で、測定チャンバー２とバッファーチャンバー３とを連結し、ターゲットガスがその中をバッファーチャンバー３から測定チャンバー２へと流れる。
循環ファン６は、連続的に送風することができる送風機であればよい。特に、パソコン用ファンが、安定的な送風が可能でよい。なお、図中排気管４、給気管５内部に記載された矢印が、内部空間の気体の流れる方向である。
センサ７は、ターゲットガスに合わせ、選択し、複数使用することができる。例えば、ＣＯ２センサにより、植物の光合成または呼吸、土壌呼吸、動物の代謝量が計測できる。温湿度センサにより地表面からの蒸発量あるいは蒸発散量、植物の蒸散量、動物の水分蒸散量が計測できる。さらにＣＯ２センサと温湿度センサを同時に使用すれば植物の光合成と蒸散量、動物の代謝量と蒸散量を同時に計測することが可能である。
ここでは、センサ７は、給気管５内部に取り付けられ、内部気体の流れ方向に対して、循環ファン６より後方に位置するが、バッファーチャンバー３内部であっても、排気管４内部に挿入してもよい。循環ファン６より後方が、内部気体の濃度ムラが少ないため、より望ましい。
本発明であるガス収支測定装置１は、ガスの循環により強制給排気となることから、測定チャンバー２の内部の濃度ムラが生じにくく、ガス収支測定装置１の内部全体のガス収支はバッファーチャンバー３のガス濃度変化速度に比例する。また、閉鎖式であるため外気の変化の影響を受けない利点を有する。
ここで、ガス収支測定装置１を用いたガスの測定方法を説明する。測定チャンバー２およびバッファーチャンバー３は外気等で満たしておく。バッファーチャンバー３から循環ファン６により測定チャンバー２にガスが給気される。測定物８がターゲットガスを放出ないしは吸収することで、循環する空気中のターゲットガスの濃度が変化する。給気管５に設置したセンサ７によりターゲットガスの濃度変化を測定することでガス収支を測定する。
測定チャンバー２は、測定物８に応じて有底または無底のものを使用する。循環機構のため、測定チャンバー２への供給に等しい量のガスがバッファーチャンバー３に吸引されるため、測定チャンバー２の機密性は測定にほとんど影響しない。
ガス収支測定装置１の全体の内容積は、測定物のガス放出量ないしは吸収量をもとに使用するセンサ７の感度に合わせて決定する。測定チャンバー２は測定物に合わせて作成し、残りの容積をバッファーチャンバーの容積とする。測定物が、例えば地表面蒸発のように、測定面積で調節可能なものであれば、測定チャンバーの形状を変更して、測定面積を変えることで調節してもよい。
図２は、本発明であるガス収支測定装置の第２の実施形態の概略図である。ガス収支測定装置１ａは、第１の実施形態において、測定チャンバー１０が、地植えされた植物８ａの周りの地表を覆う底板２ｃと、植物を覆う容器２ａと、前記植物８ａと前記底板２ｃとの隙間を埋めるシール部材９とからなることを特徴とするガス収支測定装置１ａの構成とした。
底板２ｃは、複数枚に分割（ここでは２枚）でき、植物８ａの幹などを取り囲むように配置する。このとき植物８ａと、底板２ｃの孔２ｄとの隙間をシール部材９で埋める。シール部材９は、測定物、測定目的に合わせ選択する。ゴム、シリコン、綿などでよい。接合部２ｅは、分割した底板２ｃの接合部分である。
ここでは、センサ７として、ＣＯ２センサ７ａ、温湿度センサ７ｂを使用している。市販のハンディータイプのものでもよい。その他構成は、第１の実施形態で説明した通りである。
これによるガス収支測定装置１ａは、地面からの影響を遮断し、地面に植生した植物などの測定物８のガス収支を測定することができる。このような場合、測定チャンバー１０とバッファーチャンバー３の内部の容積比はおよそ１：５とすればよい。
図３は、本発明であるガス収支測定装置の第３の実施形態の概略図である。ガス収支測定装置１ｂは、地植えされた植物８ａの周りの地表を覆う底板２ｃと、前記植物８ａと前記底板２ｃとの隙間を埋めるシール部材９と、植物８ａを覆う容器２ｇよりなる測定チャンバー１０と、前記測定チャンバー１０の側面上部又は上面に接続したガス体が通る排気管４ｂ、及び前記測定チャンバーの側面下部に接続したガス体が通る給気管５ａとを介して、排気管４ｂを下部に、給気管５ａを側面上部又は上面に、連結する中空のバッファーチャンバー３と、前記測定チャンバー１０の内部と、前記バッファーチャンバー３の内部のガス体を循環させる循環ファン６と、ターゲットガスの濃度を測定する検出器に接続するセンサ７からなる。容器２ｇの連結孔２ｆで排気間４ｂと接続する。
ガス収支測定装置１ｂは、ガス収支測定装置１ｂにおいて、排気管４と給気管５の接続位置がクロスするようにしたものである。これにより、空間内部の気体の循環がスムーズになり、濃度ムラが一層解消され、優れている。特に、屋外で測定する場合、即ち外部の温度条件を管理することが出来ない環境では、測定チャンバー１０、バッファーチャンバー３の内部に上昇気流が生じることから、特にこの排気管４ａ、給気管５ａの接続方法を採用することで、ガスの濃度ムラが解消され、測定精度が増す。その他構成は、第１の実施形態で説明した通りである。
図４は、本発明であるガス収支測定装置の第４の実施形態の概略図である。ガス収支測定装置１ｃは、測定物を覆う中空で底が開放した測定チャンバー１０ａと、前記測定チャンバー１０ａの側面上部又は上面に接続したガス体が通る排気管４ｂ、及び前記測定チャンバー１０ａの側面下部に接続したガス体が通る給気管５ａとを介して連結する中空のバッファーチャンバーと、前記測定チャンバー１０の内部と、前記バッファーチャンバー３の内部のガス体を循環させる循環ファン６と、ターゲットガスの濃度を測定する検出器に接続するセンサ７からなる。
ガス収支測定装置１ｃは、ガス収支測定装置１ｂにおいて、底板２ｃを使用しないガス収支測定に使用するのに適している。その他構成は、第３の実施形態で説明した通りである。
図５は、バッファーチャンバーの他の形態の概略図である。バッファーチャンバー３ａは、上面に換気ファン３ｂと、圧力開放弁３ｃを付加したチャンバーである。
バッファーチャンバーの換気により、ガス収支測定装置のガスの濃度を測定初期の状態にリセットすることができ、測定物により放出または吸収されるターゲットガスの濃度変化が測定物に及ぼす影響を消去して、ガス収支を連続的に測定することができる。これらの制御は、必要に応じて、手動、タイマー、あるいはマイクロコンピュータによってセンサ７の測定値に連動させる
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明に係るガス収支測定装置は上記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得る。
以下、上記ガス収支測定装置を用いた、検査方法、測定方法、測定結果について述べる。
図６は、第３の実施形態を用いて本発明であるガス収支測定装置を検定した結果を示す図である。なお、横軸は蒸発量（ｇ）、縦軸は露点温度（℃）である。
第３の実施形態であるガス収支測定装置１ｃの構成について、詳細に説明する。測定チャンバー１０ａは、約４０Ｌの底部が開放したプラスチック製容器２ｇ及び孔２ｄが穿孔されない底板２ｃからなる。バッファーチャンバー３は、プラスチックの約１３０Ｌの容器と蓋からなる。排気管４ｂ、給気管５ａは、プラスチック製チューブを使用した。
循環ファン６は、パソコン電源ＢＯＸ用ファン（電圧１０Ｖで使用）を用いた。センサ７として、ハンディータープの温湿度センサ（Ｅｘｔｅｃｈ社製、ＥＡ−２０）、ＣＯ２センサ（ＴＥＳＴＯ社製、５３５）を使用した。
測定物として、水を採用した。検定方法は、精密天秤に蒸発皿を置き、２００ｇの水を注ぎ、重量変化と、露点温度（絶対温度）を１分間隔で測定した。５分経過後、蒸発皿を取り除き、さらに２分間測定した。なお、外気温は、２３．３℃であった。図６中の△は、蒸発皿取り除いた後、１分後、２分後の値であり、同位置にプロットされている。
その結果、露点温度と蒸発量の相関関数は、０．９９７１で、ガス収支測定装置１ｃ内部空間の湿度の均一性は極めて高いことが分かる。また、蒸発量と露点温度の関係から、ここで使用したガス収支測定装置の空間内部の実容積１７３Ｌであった。さらに、蒸発皿を取り除いた後、1分後と2分後の測定値が等しかったことから気密性に問題がなく、応答感度は、１分以下と判断された。
なお、実容積の算出は次式による。
飽和水蒸気圧(hPa) E(t)=6.11×10^(7.5t/(t+237.3) Tetens(1930)の式
絶対湿度(g/m3) a=217×e/(t+273.15) 水蒸気の状態方程式から導かれる式
いま、蒸発質量xと露点温度yがy=bx+cの関係にあるとき、測定システムの容積V(m3)は
V=1/(1325.87*10^((7.5*(b+c)/((b+c)+237.3)))/((b+c)+273.15)-
1325.87*10^((7.5*c/(c+237.3)))/(c+273.15))で求められる。
この式に、検定によって得られた係数ｂ＝８．１７２４、ｃ＝８．８２３４を代入すると、
1/(1325.87*10^((7.5*(8.1724+8.8234)/((8.1724+8.8234)+237.3)))/((8.1724+8.8234)+273.15)-1325.87*10^((7.5*8.8234/(8.8234+237.3)))/(8.8234+273.15))
=0.173
この結果から、本発明であるガス収支測定装置は、内部空間の実容積を測定することができ、ガス収支測定に十分な測定速度、濃度の均一性、即ち精度があると言える。なお、ここでは水を測定物としたが、既知の揮発性溶液あるいはガスと、その濃度を測定できるセンサ７を使用すれば、検定方法の測定物とし、水に限定されることなく、測定物を試験の目的に合わせて適宜選択することができる。
図７は、第３の実施形態を用いて地植え植物（トマト）の同化速度、蒸散速度を測定したときの測定結果を示す図である。なお、横軸は経過時間（秒）、第１縦軸はＣＯ２濃度（ｐｐｍ）、第２縦軸は露点温度（０．１℃間隔）である。図７中の■はＣＯ２濃度、▲は露点温度の各経過時間における値である。
地植えトマトを測定物として、トマトの茎、葉、全ての部位の同化速度、蒸散速度を、第３の実施形態のガス収支測定装置１ｃを用いて圃場（屋外）で測定した。なお、底板２ｃは、孔２ｄが穿孔され、孔とトマトの茎の隙間は、トマトの葉面積に比して極めて小さい上、土壌が乾燥してガスの放出が無かったことから、そのままとした。これ以外は、図７における説明と同様なガス収支測定装置１ｃの構成である。
測定方法は、センサ７として、ＣＯ２センサ７ａ、温湿度センサ７ｂを用いて、３０秒ごとにＣＯ２濃度（ｐｐｍ）、露点温度を測定した。
その結果、ＣＯ２濃度と測定時間の相関関数は、０．９８０９で、極めて安定した測定ができていることが分かる。また、蒸散量と測定時間の相関関数は、０．９８５１で、同様に極めて安定した測定ができていることが分かる。また、同化量と蒸発量の変化の傾向は、一般に言われている変化傾向を示し、ガス収支測定装置１ｃで地植え植物の同化量と、蒸散量を同時に測定できることが分かった。
これから、本発明であるガス収支測定装置は、測定場所を選ばす、簡易に、且つ精度よく地植え植物の同化量、蒸散量を測定することができると言える。また、測定チャンバー１０およびバッファーチャンバー３の容積を変えることで気体濃度の変化速度を測定物およびセンサ７の感度に合うよう調節することで安定したガス収支計測を行うことが可能になる。
図８は、第４の実施形態を用いて野菜（トマト）の同化速度、蒸散速度を連続的に長時間測定した時の測定結果を示す図である。図８（Ａ）は同化量（ｇ／ｃｍ２／ｄａｙ）であり、図８（Ｂ）は蒸散量（ｇ／ｃｍ２／ｄａｙ）である。なお、横軸は（Ａ）（Ｂ）共に測定時間を表す。
測定物であるトマトの果実を地面に直接置き、底が開放した透明なアクリル製の容器２ｇで前記トマトの果実を覆い、約１日間連続的に測定を行った。
測定方法は、センサ７として、ＣＯ２センサ７ａ、温湿度センサ７ｂを用いて、約３時間ごとにＣＯ２濃度（ｐｐｍ）、蒸散量を測定した。
その結果、同化量変化と、蒸散量変化が相関している様子が、よく確認することができた。従って、このことから、本発明であるガス収支測定装置によって、有効にガス収支を測定することができると言える。
本発明であるガス収支測定装置の第１の実施形態の概略図である。 本発明であるガス収支測定装置の第２の実施形態の概略図である。 本発明であるガス収支測定装置の第３の実施形態の概略図である。 本発明であるガス収支測定装置の第４の実施形態の概略図である。 バッファーチャンバーの他の形態の概略図である。 第３の実施形態を用いて本発明であるガス収支測定装置を検定した結果である。 第２の実施形態を用いて地植え植物（トマト）の同化速度、蒸散速度を測定したときの測定結果である。 第４の実施形態を用いて野菜（トマト）の同化速度、蒸散速度を連続的に長時間測定した時の測定結果である。
符号の説明
１ ガス収支測定装置
１ａ ガス収支測定装置
１ｂ ガス収支測定装置
２ 測定チャンバー
２ａ 容器
２ｂ 蓋
２ｃ 底板
２ｄ 孔
２ｅ 接合部
２ｆ 連結孔
２ｇ 容器
３ バッファーチャンバー
３ａ バッファーチャンバー
３ｂ 換気ファン
３ｃ 圧力開放弁
４ 排気管
４ａ 排気管
４ｂ 排気管
５ 給気管
５ａ 給気管
６ 循環ファン
７ センサ
７ａ ＣＯ２センサ
７ｂ 温湿度センサ
８ 測定物
８ａ 植物
９ シール部材
１０ 測定チャンバー
１０ａ測定チャンバー
本発明は、チャンバーを用いた、植物の光合成、動植物の呼吸及び蒸散や土壌の呼吸及び地表面蒸発等に伴うターゲットガスの収支を測定するガス収支測定装置、同ガス収支測定装置の検定方法及び同ガス収支測定装置の連続測定機構に関するものである。
従来、チャンバーを用いたガス収支測定装置は、例えば、皮膚から蒸発する水分の測定、実験動物の呼吸量の測定、植物の光合成蒸散測定、土壌中の微生物の呼吸の測定、地表面からの蒸発測定など、多方面にわたって用いられている。その装置は大きく閉鎖式と開放式に分類される。
閉鎖式のガス収支測定装置は、測定物をチャンバーで覆い、あるいはチャンバー内に入れ、密閉したチャンバー内のガス濃度の変化を測定するもので、土壌呼吸の測定をその代表例にあげることができる。
開放式のガス収支測定装置は、チャンバーへの給気、排気の両方でガス濃度測定し、ガス濃度の差に給気量を乗じてガス収支を測定するもので、光合成の測定をその代表例にあげることができる。
閉鎖式のガス収支測定装置については、特許文献１に、測定環境を限定したプロ−ブ周囲の空気に影響されることなく、あらゆる角度で短時間に被験者の皮膚から蒸散された水分量を正確に測定できる水分蒸散量測定装置が公開されている。特許文献１に記載の水分蒸散量測定装置は、プロ−ブ周囲の空気に影響されないために、プロ−ブを皮膚に密着させた後は、密閉された空気回路にしてプロ−ブ周囲の空気が前記空気回路内に入らないようにするとともに、空気回路内で空気を環流してあらゆる角度においても空気回路内で蒸散する水分に応じた水分量を得られるようにし、さらに空気回路内の総体積を少なくして環流による水分増加の応答性を早め測定時間を短縮する。これらにより、密閉された空気回路内で環流される空気の絶対湿度の増加特性を検知することにより、正確な水分蒸散量を測定することができるというものである。
特開２００３−３３９６４７号公報
また、開放式のガス収支測定装置については、特許文献２に、チャンバーへの供給ガス及び各排気ガスをサンプリングして１つのセンサで交互に測定することにより、測定結果に機械的誤差が生じないようにした、ガス収支測定装置が公開されている。
特開２００５−３３３９２１号公報
閉鎖式、開放式を問わず、チャンバーを用いたガス収支測定では、チャンバー内のガス濃度のムラが問題となる。従来、この問題を解決するには、チャンバーのデッドスペースを小さくすることが効果的とされてきた。しかし、チャンバー容積の縮小はチャンバー内のガス濃度変化速度を大きくする。その結果、ガス濃度変化が測定物に影響を及ぼすという問題を生じる。
ガス濃度変化が測定物に影響する問題に対して、閉鎖式では、特許文献１に見られるように、測定時間を短縮することで対処しようとするが、測定時間の短縮は相対的にノイズを大きくし、測定の安定性を低下させるという問題を生じる。
一方、開放式のガス収支測定装置では、ガス濃度変化が測定物に影響する問題に対して、給気量を大きくすることで対処するが、それはチャンバー内のガス濃度変化を小さくするため、給気、排気の差の測定に高い精度が要求される。給気、排気を別々のセンサで計測する場合、しばしば両センサの校正が問題となる。特許文献２では給気、排気を交互にサンプリングすることで、1本のセンサを利用し、この問題を解決しようとしているが、サンプリングの切換えに伴う、タイムラグの影響が問題となる。タイムラグを小さくするには、測定時間の短縮が必要で、測定時間の短縮は測定の安定性を低下させるという問題を生じる。
さらに、閉鎖式の一般的問題点として、例えば植物のように測定物が立体の場合、チャンバーの縮小には限界があり、測定対象は非常に限られることがある。また、開放式の一般的問題点として、給気がガス収支に影響することから、給気量の精密な制御、外気の変化への対策等が必要で、装置は複雑で大掛かりなものとなることがあげられる。
以上、述べてきたことから、ガス収支測定装置は測定対象ごとに専用の測定装置が使用され、汎用性が低い。
本発明は、斯かる実情に鑑み創案されたものであって、簡素な構造で、かつ外気に影響されることなく、高精度に、水蒸気、水分蒸散量、二酸化炭素等のガス収支を測定する、汎用性のある測定装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために、測定物を覆い又は格納する測定チャンバーに、給気管と排気管により、バッファーチャンバーを連結し、両チャンバー内部のガスをファンを用いて循環させ、測定物がターゲットガスを放出ないしは吸収することによる、チャンバー内のターゲットガスの濃度の変化を測定するセンサからなることを特徴とするガス収支測定装置を構成した。前記装置は、従来、測定チャンバーのデッドスペースを小さくすることに伴って生じる、ガス濃度変化が測定物に影響する問題に対して、ガス濃度変化速度を緩和し、安定した計測ができる測定時間を確保できるよう、バッファーチャンバーの容積を調節することを特徴とする。前記装置の応答感度、測定精度、チャンバーの実容積は次のようにして検定する。即ち、チャンバーに既知量のガスを入れ、ガスの循環によるガス濃度安定に要する時間を応答感度とし、ガスの投入量と測定値の相関係数によって、前記装置の測定精度を判定し、回帰式から前記空間内の容積を求める。前記装置のバッファーチャンバーに、外気の吸気ファンと圧力放出弁を付加し、バッファーチャンバーを換気することで、ターゲットガスの濃度を測定開始時の濃度にリセットして、ターゲットガスのチャンバー内の濃度変化が測定物に及ぼす影響を消去することを繰り返すことで、連続測定が可能となる。
本発明は、以上の構成であるから、簡素な構造で、精度が高く、汎用性を備えている。
即ち、本発明のガス収支測定装置は、チャンバーの容積を変えることで、センサを変えることなく、多様な測定を行うことができる。例えば、ＣＯ２センサにより、植物の光合成または呼吸、土壌呼吸、動物の代謝量が計測できる。温湿度センサにより、地表面からの蒸発量あるいは蒸発散量、植物の蒸散量、動物の蒸散量が計測できる。
さらにセンサを組み合わせて、たとえばＣＯ２センサと温湿度センサを同時に使用すれば、植物の光合成と蒸散量、動物の代謝量と蒸散量を同時に計測することが可能である。
また、本発明のガス収支測定装置は、広範な対象の測定が可能である。例えば、人体の皮膚の一部分、マウス、牛などの家畜、トマトの葉、植物体、樹木というように大きさ、設置場所に制限されることなく、種種の対象が測定可能である。
そして、ガス収支測定装置内に圧力を生じないことから、気密要求性が低く製作は容易である。さらに、簡易な構成であるから、従来のガス収支測定装置に比し数十分の１のコストで製作できる。
以上は、本発明の利用例の一部にすぎないが、上述の例は全て、同一の環境測定用ＣＯ２センサと温湿度センサを用いてチャンバーを変更するだけで実施可能である。
ターゲットガスの収支を精度よく、簡易に、測定対象、測定場所を制限することなく、測定する目的を、測定物を覆い又は格納する測定チャンバーに、給気管と排気管により、バッファーチャンバーを連結し、両チャンバー内部のガスをファンを用いて循環させ、測定物がターゲットガスを放出ないしは吸収することによる、チャンバー内のターゲットガスの濃度の変化を測定するセンサからなることを特徴とするガス収支測定装置をの構成とすることで実現した。これにより、従来、測定チャンバーのデッドスペースを小さくすることに伴って生じる、ガス濃度変化が測定物に影響する問題に対して、ガス濃度変化速度を緩和し、安定した計測ができる測定時間を確保できるよう、バッファーチャンバーの容積を調節することができるようにしたことを特徴とする。
以下、添付図面に基づいて、本発明であるガス収支測定装置、ガス収支測定装置の検定方法及びガス収支測定方法について詳細に説明する。
図１は、本発明であるガス収支測定装置の第１の実施形態の概略図である。ガス収支測定装置１は、測定物８を覆う中空の密閉された測定チャンバー２と、前記測定チャンバー２の側面上部に接続したガス体が通る排気管４、及び前記測定チャンバー２の側面下部に接続したガス体が通る給気管５とを介して連結する中空のバッファーチャンバー３と、前記測定チャンバー２の内部と、前記バッファーチャンバー３の内部のガス体を循環させる循環ファン６と、ターゲットガスの濃度を測定する検出器に接続するセンサ７からなる。
測定チャンバー２は、中空な容器２ａと、蓋２ｂからなる。容器２ａの中に、測定物を入れた後、蓋２ｂを閉める。測定物が小さな場合は、望ましくは密閉する。また、測定チャンバー２の素材は、測定物８の性質に合わせ、ガラス、アクリル、金属、プラスチックなどから、適宜、選択する。例えば、自然光による植物などの測定物８の光合成量を測定する場合は、光を減衰させない、透明なガラス、アクリル素材を選択する。
ここで、測定物８とは、植物、動物、微生物、土壌、皮膚など、ガスの収支を測定することができる素材であり、目的により選択され、その測定物８の大きさに合わせ、測定チャンバー２の容積は任意に選択できる。
バッファーチャンバー３の容積を調節することにより、従来からの問題であった、ガス濃度変化が測定物に影響する問題に対して、ガス濃度変化速度を緩和し、安定した計測ができる測定時間を確保できる。
排気管４は、中が空洞の筒で、測定チャンバー２とバッファーチャンバー３とを連結し、ターゲットガスがその中を測定チャンバー２からバッファーチャンバー３へと流れる。
給気管５は、中が空洞の筒で、測定チャンバー２とバッファーチャンバー３とを連結し、ターゲットガスがその中をバッファーチャンバー３から測定チャンバー２へと流れる。
循環ファン６は、連続的に送風することができる送風機であればよい。特に、パソコン用ファンが、安定的な送風が可能でよい。なお、図中排気管４、給気管５内部に記載された矢印が、内部空間の気体の流れる方向である。
センサ７は、ターゲットガスに合わせ、選択し、複数使用することができる。例えば、ＣＯ２センサにより、植物の光合成または呼吸、土壌呼吸、動物の代謝量が計測できる。温湿度センサにより地表面からの蒸発量あるいは蒸発散量、植物の蒸散量、動物の水分蒸散量が計測できる。さらにＣＯ２センサと温湿度センサを同時に使用すれば植物の光合成と蒸散量、動物の代謝量と蒸散量を同時に計測することが可能である。
ここでは、センサ７は、給気管５内部に取り付けられ、内部気体の流れ方向に対して、循環ファン６より後方に位置するが、バッファーチャンバー３内部であっても、排気管４内部に挿入してもよい。循環ファン６より後方が、内部気体の濃度ムラが少ないため、より望ましい。
本発明であるガス収支測定装置１は、ガスの循環により強制給排気となることから、測定チャンバー２の内部の濃度ムラが生じにくく、ガス収支測定装置１の内部全体のガス収支はバッファーチャンバー３のガス濃度変化速度に比例する。また、閉鎖式であるため外気の変化の影響を受けない利点を有する。
ここで、ガス収支測定装置１を用いたガスの測定方法を説明する。測定チャンバー２およびバッファーチャンバー３は外気等で満たしておく。バッファーチャンバー３から循環ファン６により測定チャンバー２にガスが給気される。測定物８がターゲットガスを放出ないしは吸収することで、循環する空気中のターゲットガスの濃度が変化する。給気管５に設置したセンサ７によりターゲットガスの濃度変化を測定することでガス収支を測定する。
測定チャンバー２は、測定物８に応じて有底または無底のものを使用する。循環機構のため、測定チャンバー２への供給に等しい量のガスがバッファーチャンバー３に吸引されるため、測定チャンバー２の機密性は測定にほとんど影響しない。
ガス収支測定装置１の全体の内容積は、測定物のガス放出量ないしは吸収量をもとに使用するセンサ７の感度に合わせて決定する。測定チャンバー２は測定物に合わせて作成し、残りの容積をバッファーチャンバーの容積とする。測定物が、例えば地表面蒸発のように、測定面積で調節可能なものであれば、測定チャンバーの形状を変更して、測定面積を変えることで調節してもよい。
図２は、本発明であるガス収支測定装置の第２の実施形態の概略図である。ガス収支測定装置１ａは、第１の実施形態において、測定チャンバー１０が、地植えされた植物８ａの周りの地表を覆う底板２ｃと、植物を覆う容器２ａと、前記植物８ａと前記底板２ｃとの隙間を埋めるシール部材９とからなることを特徴とするガス収支測定装置１ａの構成とした。
底板２ｃは、複数枚に分割（ここでは２枚）でき、植物８ａの幹などを取り囲むように配置する。このとき植物８ａと、底板２ｃの孔２ｄとの隙間をシール部材９で埋める。シール部材９は、測定物、測定目的に合わせ選択する。ゴム、シリコン、綿などでよい。接合部２ｅは、分割した底板２ｃの接合部分である。
ここでは、センサ７として、ＣＯ２センサ７ａ、温湿度センサ７ｂを使用している。市販のハンディータイプのものでもよい。その他構成は、第１の実施形態で説明した通りである。
これによるガス収支測定装置１ａは、地面からの影響を遮断し、地面に植生した植物などの測定物８のガス収支を測定することができる。このような場合、測定チャンバー１０とバッファーチャンバー３の内部の容積比はおよそ１：５とすればよい。
図３は、本発明であるガス収支測定装置の第３の実施形態の概略図である。ガス収支測定装置１ｂは、地植えされた植物８ａの周りの地表を覆う底板２ｃと、
前記植物８ａと前記底板２ｃとの隙間を埋めるシール部材９と、
植物８ａを覆う容器２ｇよりなる測定チャンバー１０と、
前記測定チャンバー１０の側面上部又は上面に接続したガス体が通る排気管４ｂ、
及び前記測定チャンバーの側面下部に接続したガス体が通る給気管５ａとを介して、
排気管４ｂを下部に、給気管５ａを側面上部又は上面に、連結する中空のバッファーチャンバー３と、
前記測定チャンバー１０の内部と、前記バッファーチャンバー３の内部のガス体を循環させる循環ファン６と、
ターゲットガスの濃度を測定する検出器に接続するセンサ７からなる。
容器２ｇの連結孔２ｆで排気間４ｂと接続する。
ガス収支測定装置１ｂは、ガス収支測定装置１ａにおいて、排気管４と給気管５の接続位置がクロスするようにしたものである。これにより、空間内部の気体の循環がスムーズになり、濃度ムラが一層解消され、優れている。特に、屋外で測定する場合、即ち外部の温度条件を管理することが出来ない環境では、測定チャンバー１０、バッファーチャンバー３の内部に上昇気流が生じることから、特にこの排気管４ａ、給気管５ａの接続方法を採用することで、ガスの濃度ムラが解消され、測定精度が増す。その他構成は、第１の実施形態で説明した通りである。
図４は、本発明であるガス収支測定装置の第４の実施形態の概略図である。ガス収支測定装置１ｃは、測定物を覆う中空で底が開放した測定チャンバー１０ａと、前記測定チャンバー１０ａの側面上部又は上面に接続したガス体が通る排気管４ｂ、及び前記測定チャンバー１０ａの側面下部に接続したガス体が通る給気管５ａとを介して連結する中空のバッファーチャンバーと、前記測定チャンバー１０の内部と、前記バッファーチャンバー３の内部のガス体を循環させる循環ファン６と、ターゲットガスの濃度を測定する検出器に接続するセンサ７からなる。
ガス収支測定装置１ｃは、ガス収支測定装置１ｂにおいて、底板２ｃを使用しないガス収支測定に使用するのに適している。その他構成は、第３の実施形態で説明した通りである。
図５は、バッファーチャンバーの他の形態の概略図である。バッファーチャンバー３ａは、上面に換気ファン３ｂと、圧力開放弁３ｃを付加したチャンバーである。
バッファーチャンバーの換気により、ガス収支測定装置のガスの濃度を測定初期の状態にリセットすることができ、測定物により放出または吸収されるターゲットガスの濃度変化が測定物に及ぼす影響を消去して、ガス収支を連続的に測定することができる。これらの制御は、必要に応じて、手動、タイマー、あるいはマイクロコンピュータによってセンサ７の測定値に連動させる。
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明に係るガス収支測定装置は上記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得る。
以下、上記ガス収支測定装置を用いた、検査方法、測定方法、測定結果について述べる。
図６は、第３の実施形態を用いて本発明であるガス収支測定装置を検定した結果を示す図である。なお、横軸は蒸発量（ｇ）、縦軸は露点温度（℃）である。
第３の実施形態であるガス収支測定装置１ｃの構成について、詳細に説明する。測定チャンバー１０ａは、約４０Ｌの底部が開放したプラスチック製容器２ｇ及び孔２ｄが穿孔されない底板２ｃからなる。バッファーチャンバー３は、プラスチックの約１３０Ｌの容器と蓋からなる。排気管４ｂ、給気管５ａは、プラスチック製チューブを使用した。
循環ファン６は、パソコン電源ＢＯＸ用ファン（電圧１０Ｖで使用）を用いた。センサ７として、ハンディータイプの温湿度センサ（Ｅｘｔｅｃｈ社製、ＥＡ−２０）、ＣＯ２センサ（ＴＥＳＴＯ社製、５３５）を使用した。
測定物として、水を採用した。検定方法は、精密天秤に蒸発皿を置き、２００ｇの水を注ぎ、重量変化と、露点温度（絶対温度）を１分間隔で測定した。５分経過後、蒸発皿を取り除き、さらに２分間測定した。なお、外気温は、２３．３℃であった。図６中の△は、蒸発皿取り除いた後、１分後、２分後の値であり、同位置にプロットされている。
その結果、露点温度と蒸発量の相関関数は、０．９９７１で、ガス収支測定装置１ｃ内部空間の湿度の均一性は極めて高いことが分かる。また、蒸発量と露点温度の関係から、ここで使用したガス収支測定装置の空間内部の実容積は１７３Ｌであった。さらに、蒸発皿を取り除いた後、１分後と２分後の測定値が等しかったことから気密性に問題がなく、応答感度は、１分以下と判断された。
なお、実容積の算出は次式による。
飽和水蒸気圧(hPa) E(t)=6.11×10^(7.5t/(t+237.3) Tetens(1930)の式
絶対湿度(g/m3) a=217×e/(t+273.15) 水蒸気の状態方程式から導かれる式
いま、蒸発質量xと露点温度yがy=bx+cの関係にあるとき、測定システムの容積V(m3)は
V=1/(1325.87*10^((7.5*(b+c)/((b+c)+237.3)))/((b+c)+273.15)-
1325.87*10^((7.5*c/(c+237.3)))/(c+273.15))で求められる。
この式に、検定によって得られた係数ｂ＝８．１７２４、ｃ＝８．８２３４を代入すると、
1/(1325.87*10^((7.5*(8.1724+8.8234)/((8.1724+8.8234)+237.3)))/((8.1724+8.8234)+273.15)-1325.87*10^((7.5*8.8234/(8.8234+237.3)))/(8.8234+273.15))
=0.173
この結果から、本発明であるガス収支測定装置は、内部空間の実容積を測定することができ、ガス収支測定に十分な測定速度、濃度の均一性、即ち精度があると言える。なお、ここでは水を測定物としたが、既知の揮発性溶液あるいはガスと、その濃度を測定できるセンサ７を使用すれば、検定方法の測定物とし、水に限定されることなく、測定物を試験の目的に合わせて適宜選択することができる。
図７は、第３の実施形態を用いた、地植え植物（トマト）の同化速度、蒸散速度の測定結果である。なお、横軸は経過時間（秒）、第１縦軸はＣＯ２濃度（ｐｐｍ）、第２縦軸は露点温度（０．１℃間隔）である。図７中の■はＣＯ２濃度、▲は露点温度の各経過時間における値である。
地植えトマトを測定物として、トマトの茎、葉、全ての部位の同化速度、蒸散速度を、第３の実施形態のガス収支測定装置１ｃを用いて圃場（屋外）で測定した。なお、底板２ｃは、孔２ｄが穿孔され、孔とトマトの茎の隙間は、トマトの葉面積に比して極めて小さい上、土壌が乾燥してガスの放出が無かったことから、そのままとした。これ以外は、図７における説明と同様なガス収支測定装置１ｃの構成である。
測定方法は、センサ７として、ＣＯ２センサ７ａ、温湿度センサ７ｂを用いて、３０秒ごとにＣＯ２濃度（ｐｐｍ）、露点温度を測定した。
その結果、ＣＯ２濃度と測定時間の相関関数は、０．９８０９で、極めて安定した測定ができていることが分かる。また、蒸散量と測定時間の相関関数は、０．９８５１で、同様に極めて安定した測定ができていることが分かる。また、同化量と蒸発量の変化の傾向は、一般に言われている変化傾向を示し、ガス収支測定装置１ｃで地植え植物の同化量と、蒸散量を同時に測定できることが分かった。
これから、本発明であるガス収支測定装置は、測定場所を選ばす、簡易に、且つ精度よく地植え植物の同化量、蒸散量を測定することができると言える。また、測定チャンバー１０およびバッファーチャンバー３の容積を変えることで気体濃度の変化速度を測定物およびセンサ７の感度に合うよう調節することで安定したガス収支計測を行うことが可能になる。
図８は、第４の実施形態を用いて野菜（トマト）の同化速度、蒸散速度の日変化の測定結果を示す図である。図８（Ａ）は同化量（ｇ／ｃｍ２／ｄａｙ）であり、図８（Ｂ）は蒸散量（ｇ／ｃｍ２／ｄａｙ）である。なお、横軸は（Ａ）（Ｂ）共に測定時間を表す。
図７と同じく地植え植物（トマト）を、底が開放した透明なアクリル製の容器２ｇで覆い、約１日間連続的に測定を行った。
測定方法は、センサ７として、ＣＯ２センサ７ａ、温湿度センサ７ｂを用いて、約３時間ごとにＣＯ２濃度（ｐｐｍ）、蒸散量を測定した。
その結果、同化量変化と、蒸散量変化が相関している様子が、よく確認することができた。従って、このことから、本発明であるガス収支測定装置によって、有効にガス収支を測定することができると言える。
本発明であるガス収支測定装置の第１の実施形態の概略図である。 本発明であるガス収支測定装置の第２の実施形態の概略図である。 本発明であるガス収支測定装置の第３の実施形態の概略図である。 本発明であるガス収支測定装置の第４の実施形態の概略図である。 バッファーチャンバーの他の形態の概略図である。 第３の実施形態を用いて本発明であるガス収支測定装置を検定した結果である。 第３の実施形態を用いた、地植え植物（トマト）の同化速度、蒸散速度の測定結果である。 第４の実施形態を用いて野菜（トマト）の同化速度、蒸散速度の日変化の測定結果である。
符号の説明
１ ガス収支測定装置
１ａ ガス収支測定装置
１ｂ ガス収支測定装置
２ 測定チャンバー
２ａ 容器
２ｂ 蓋
２ｃ 底板
２ｄ 孔
２ｅ 接合部
２ｆ 連結孔
２ｇ 容器
３ バッファーチャンバー
３ａ バッファーチャンバー
３ｂ 換気ファン
３ｃ 圧力開放弁
４ 排気管
４ａ 排気管
４ｂ 排気管
５ 給気管
５ａ 給気管
６ 循環ファン
７ センサ
７ａ ＣＯ２センサ
７ｂ 温湿度センサ
８ 測定物
８ａ 植物
９ シール部材
１０ 測定チャンバー
１０ａ測定チャンバー












Claims (4)

  1. 測定物を覆い又は格納する測定チャンバーに、給気管と排気管により、バッファーチャンバーを連結し、両チャンバー内部のガスをファンを用いて循環させ、測定物がターゲットガスを放出ないしは吸収することによる、チャンバー内のターゲットガスの濃度の変化を測定するセンサからなることを特徴とするガス収支測定装置。
  2. 前記装置のチャンバーの容積を変化させることで、ガス濃度変化速度をセンサの感度に合わせて調節することを特徴とする、前記装置の使用方法。
  3. 前記装置のチャンバーに既知量のガスを入れ、ガスの循環によるガス濃度安定に要する時間を応答感度とし、ガスの投入量と測定値の相関係数によって、前記装置の測定精度を判定し、ガスの投入量と測定値の直線回帰式から前記装置の空間内の容積を求める前記装置の検定方法。
  4. 前記装置のバッファーチャンバーに、外気の吸気ファンと圧力放出弁を付加し、バッファーチャンバーを換気することで、ターゲットガスの濃度を測定開始時の濃度にリセットして、ターゲットガスのチャンバー内の濃度変化が測定物に及ぼす影響を消去し、連続測定を可能とする機構。
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