JP2011106894A - 密閉空間に配置されるガス計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】密閉空間の内部に単体で収容可能なガス計測器により、毒物の気化成分や、食品材料の腐敗にともなって発生するアンモニアガス等の特定ガス成分、その他の環境の変化を長時間にわたり高精度に計測し、その計測結果を時間とともに記録し、密閉空間の環境の経時変化を長期間にわたり確認できるようにする。
【解決手段】ガス計測器を、本体と、水晶片を挟むように電極が形成され、この電極の表面に、特定のガス成分を吸着する有機系もしくは無機系の検知薄膜が設けられたガス測定素子と、この電極に所定の電圧を印加するとともに、ガス測定素子の振動周波数を測定し、測定した振動周波数を時間とともに記憶手段に記録させる計測回路と、該計測回路に電力を供給する電源部とから構成し、本体に、これらガス測定素子、計測回路、記憶手段及び電源部を内蔵させ、密閉空間に配置することにより、ガス計測器単体で、密閉空間内の特定ガス成分の経時変化を記憶手段に記録させるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、タンク、コンテナ、容器、貨物室等の密閉空間内の各種ガス成分を検知し、その経時的な環境条件、環境変化を検知するガス計測装置に関するものである。

従来から、空間内の各種ガス成分を検知するため、さまざまな検知素子が利用されている。
一般的に広く利用されているガス検知素子としては、フィラメントタイプで検知用素子と参照用素子の表面に酸化スズを主成分とした触媒を担持させた半導体式センサが挙げられる。
この検知素子を、公知のホーイストンブリッジ回路の両極に取り付け、残りの２極に公知の一般的な電気抵抗を取り付け、この回路内の抵抗変化、つまり流れる電流値の変化を高感度に検出する回路を備えている。

ここで、この検知素子をヒーターによって加熱し活性化させ、測定対象ガスが検知用素子に接触することによって、流れる電流値が変化し、その変化量からガス濃度に変換するものであり、この素子は非常に小型で安価、高感度であるため多くのガス測定分野で利用されている。

しかし、このようなガス検知素子は、消費電力が多いため、商用電力の確保が困難な環境ではアルカリ電池やニッケル水素に代表される充放電可能な２次電池を使用しなければならないが、このような電池を用いても、長期間にわたるガス検知は困難である。
そのため、長時間利用する場合は動作時間に必要な容量を確保しなければならないため、電池の容量が大きくなり、コストアップを招くとともに、センサ本体の大型化を余儀なくされ、限られた密閉空間内に配置することは困難である。

また、この種のガス検知素子は、その動作原理から酸素又は燃焼性ガスが必要であり、特にタンク、コンテナ、容器、貨物室等の密閉空間内のガス成分を検出する場合、検知素子自身が微量ながら酸素や他の気体を消費し、微量ではあるものの排気ガス成分が発生するため、密閉空間内のガス成分が、当初と比較して変化し、特に高精度にガス成分を分析する必要がある場合、検出値に誤差が生じるおそれがある。

特に密閉空間の体積（容量）が小さくなるほど、この影響が大きくなり、この密閉空間内に発生する特定ガスの変化量を正確に検知することが困難になる。

一方、ガス検知素子として、下記特許文献１ないし５にみられるように、水晶振動子の電極表面または電極金属そのものを検出部とし、この電極表面に対する物質の吸脱着現象を発振周波数の周波数変化に変換する、いわゆるＱＣＭセンサ（水晶振動子センサ）が提案されている。

この種の水晶振動子センサは、水晶の表面、又は水晶を挟む金属で形成した電極の表面に何らかの物質が付着すると、その質量の変化によって水晶の周波数特性が変化することを利用しており、その表面に特定の気体成分等、付着特性に選択性のある膜を形成して、特定の物質を検出したり、含有率を計測したりすることも行われている。

また、上記特許文献５では、一般的な温湿度素子で測定した結果をもとに、演算回路により温度及び湿度の影響を除外するための補正演算を行って、ガス濃度を測定する手法も提案されている。
一般に、こうした水晶振動子センサは、低電力で長期間駆動可能な水晶振動子を採用していることから、小容量の電源でも、長期間にわたり計測が可能である。

特開２００１−１５３７７７号公報 特開２００５−１８９０７６号公報 特開２００５−１８９１３３号公報 特開２０００−２７５１５７号公報 特開２００４−２２６１７７号公報

現在、例えば、厳しい食品安全基準下で管理される、生鮮食料品や食品の原材料をコンテナ、タンク、貨物室等の密閉容器、密閉空間に収容して輸送する場合、毒物等の混入がないか、あるいは、出荷から納入までの間に、腐敗等劣化が発生していないかの確認は、納入後の抜き取り検査で、臭気、変色、さらには成分分析などを行っており、コストと時間を要し、しかも、全数を厳密に検査することは不可能である。
また、輸送期間が長期にわたる場合、こうした生鮮食料品や食品の原材料の納入後、どのくらいの期間使用できるかは、出荷からの環境変化にも依存するが、輸送期間に、どのような環境で管理されていたかの確認を行うことも不可能であった。

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、水晶振動子の電極表面または電極金属そのものを検出部とし、この電極表面に対する物質の吸脱着現象を発振周波数の周波数変化に変換する、水晶振動子センサによるガス検知を利用すれば、コンパクトなガス計測器を構成でき、狭い密閉空間であっても収容可能であり、しかも、単体で長期間の作動が可能となり、密閉空間内における特定ガスの経時変化を正確に記録可能になることを見出した。

水晶振動子センサによるガス検知では、水晶の表面、又は水晶を挟んで形成した電極の表面に何らかの物質が付着すると、その質量の変化によって、水晶の周波数特性が変化することを利用するため、電極表面の吸脱着原理から検出対象ガスを変化させず、酸素や燃焼性ガスがなくても検出可能であり、しかも、低電力で長期間にわたり特定のガス成分を正確に検出することが可能になる。

そこで、本発明では、上記先行技術文献に開示されているような水晶振動子センサの低電力性に着目し、こうした密閉空間の内部に、単体で収容可能であり、例えば、毒物の気化成分や、食品材料の腐敗にともなって発生するアンモニアガス等の特定ガス成分に対し、その密閉空間における成分濃度、さらには、その他の環境の変化を長時間にわたり高精度に計測し、その計測結果を時間とともに記録し、密閉空間の環境の経時変化を長期にわたり確認できるようにすることを目的とする。
なお、水晶振動子センサの電極表面に、アンモニアと化合物を形成する金属を設け、環境中のアンモニアガス濃度を検出するセンサについては、出願人が先に出願した特願2008-101752号に開示されている。

上記の課題を解決するため、本発明のガス計測器は、つぎのような技術的手段を講じた。すなわち、
（１）ガス計測器を、本体と、水晶片を挟むように電極が形成され、当該電極の表面に、特定のガス成分を吸着する有機系の検知薄膜が設けられたガス測定素子と、前記電極に所定の電圧を印加するとともに、前記ガス測定素子の振動周波数を測定し、測定した振動周波数を時間とともに記憶手段に記録させる計測回路と、該計測回路に電力を供給する電源部とから構成し、前記本体に、前記ガス測定素子、計測回路、記憶手段及び電源部を内蔵させ、密閉空間に配置することにより、ガス計測器単体で、前記密閉空間内の前記特定ガス成分の経時変化を前記記憶手段に記録させるようにした。

（２）上記のガス計測器において、前記本体に、それぞれ個別のガス成分を吸着する有機系の検知薄膜が設けられたガス測定素子を複数設け、前記計測装置が、各ガス測定素子の前記電極に所定の電圧を印加するとともに、各ガス測定素子の振動周波数を測定し、ガス測定素子毎に測定した振動周波数を時間とともに前記記憶手段に記録させるようにした。

（３）上記のガス計測器において、前記本体に、温度、湿度、気圧、光強度、振動を検出する他の検知素子の少なくともひとつが内蔵され、前記計測装置が、前記特定ガス成分の時間変化に加え、温度、湿度、気圧、光強度、振動の少なくともひとつの時間変化を前記記憶手段に記録させるようにした。

（４）前記計測回路が、任意の時間間隔でガス測定素子または他の検知素子を起動し、その検知結果を前記記憶手段に記録させるようにした。

本発明による上記（１）の技術的手段によれば、ガス計測器本体に、水晶振動子センサを利用したガス測定素子、計測回路、記憶手段及び電源部を内蔵させ、ガス計測器を単体で密閉空間に配置することにより、この空間内の特定ガス成分の経時変化を記憶手段に記録させることができ、この記憶手段の記録内容を、パーソナルコンピュータ等に読み取らせることにより、密閉空間における特定ガスの成分濃度の経時的変化を確認することができる。

水晶振動子センサを利用したガス測定素子によれば、測定対象ガスを消費することなく別の物質に変換することもないため、密閉容器内のガス成分を変化させることがなく、検知素子の測定値の変化を測定することによって、内部の変化状況をリアルタイムに測定することが可能である。
さらに、酸素や燃焼性ガスが存在しなくとも、対象ガスを検出することが可能である。つまり、密閉容器内が真空であっても、その状態から内部のガス雰囲気状況を検出することが可能であり、種々の密閉空間の計測に適用できる。

また、水晶振動子センサを利用したガス測定素子は、水晶振動子が電気機器などに広く使用されている汎用品を利用することができ、低価格の測定器の製作が可能であり、その大きさも一般的な半導体式センサと同様、またはそれ以下であるため、どのような場所でも利用しやすい形態である。さらに、半導体式センサと比較すると、動作に使用する電力消費も僅かであるため、同容量の電池を使用した場合、はるかに長時間の測定が可能となる。

本発明による上記（２）の技術的手段によれば、ガス計測器本体に、複数の特定ガス成分を検出する水晶振動子センサを利用したガス測定素子を内蔵させたから、複数の特定ガス成分に基づき、密閉空間内の環境の経時的変化を確認することができる。

本発明による上記（３）の技術的手段によれば、特定ガス成分の経時的変化のみならず、温度、湿度、気圧、光強度、振動等の経時変化も合わせて確認することができ、特定ガス成分の発生原因を究明したり、密閉空間内の環境の経時的変化を多角的に確認することができる。
特に、水晶振動子センサを利用したガス測定素子は、温度や湿度の変化によって、測定値が変化する場合があるため、温度センサや湿度センサの検出値に基づいて、計測結果を分析したり、このような影響を排除して、正確な検出値に補正することができる。
また、食品などの輸送中の安全性評価・測定において、ガス検知同様に温度、湿度などの環境データは不可欠であるため、水晶振動子の補正用として温湿度データを利用するのと同様に、劣化など衛生管理上も必要なデータである。これは、同様に、気圧や照度（光強度）、振動などの要因も衛生管理上の原因究明には不可欠なデータであるとともに、水晶振動子センサの出力変化の補正用としても場合によっては必要であることから、これら公知のセンサ出力の記録も同時に行うことが好ましい。

本発明による上記（４）の技術的手段によれば、任意の時間間隔で特定ガス成分の経時変化を記憶手段に記録させることができ、密閉空間の環境や収容される物質、さらには輸送時間などに応じ、最適なサンプリングタイミングに設定することができる。

本発明に係る環境測定装置の一実施形態の構造を模式的に示す図である。

本発明に係る測定装置は、対象ガス測定素子の周波数を測定する周波数測定装置と、その他の環境条件、つまり温度、湿度、気圧、光強度、振動を測定する部分を備えており、かつその測定した値を記録し保存する記憶部から構成されている。
ここで、この水晶振動子を利用したガス測定手法は、他のガス測定用素子同様、環境条件の影響を受けることがある。つまり、ガス濃度変化がなくても温度や湿度の変化によって、測定値が変化する場合がある。このような影響を排除する必要がある場合、他のガス測定素子同様に一般的な公知の原理に基づく温度や湿度測定用検知素子を備え、ガス測定と同様に温度や湿度の測定も行い、測定値を記録する構成を有するものである。

さらに、密閉空間の環境変化に影響を及ぼす、気圧（内部圧力）や光強度、振動などについても、温度や湿度同様に測定し記録するようにしている。
これは、密閉空間がどのような環境変化を経てきたものか確認するとともに、例えば密封容器内に貯蔵、保存されている物質が温度や湿度、気圧や光の影響、さらに振動など環境条件の変化によって、物質の変化が起こり、それに伴って異常なガス成分が発生することも考えられるためである。その場合の原因究明のために、各種変化要因を検知する素子が必要であることから、これらのデータも記録する必要がある。なお、その記録を行う際に時間情報も同時に記録するようにするとよい。

図１を用いて、本発明に係る環境条件を検知する装置の一実施形態について説明する。
図１は本実施の形態に係る測定装置１の構成を模式的に示す図である。
測定装置１は、水晶振動子センサを利用したガス測定素子２、測定部３及び計算部４とからなる計測回路、記憶部（記憶手段）５、及びアルカリ電池や２次電池等からなる電源部を備えている。
検出部２は、検知すべき気体を測定するための圧電素子型の測定用素子２ａが備えられており、さらに環境条件を測定する、温度測定素子２ｂ、湿度測定素子２ｃ、圧力（気圧）測定素子２ｄを備えている。ここでは、明記していないが、この他に必要に応じて光強度、振動などの測定素子を併せて備えてもよい。

気体を測定する素子２ａは、密閉容器中のガス濃度を測定するための水晶振動子であり、水晶を挟むように電極が形成され、当該電極の表面には有機系の検知薄膜が配設されている。この検知被膜は、特定ガス成分を吸着するものであり、密閉空間の特定ガス成分濃度に応じて、重量が変化するものである。
測定部３は、ガス測定素子２ａの電極に、所定電圧の交流電界を印加し、その表面での重量の増加に応じて発振周波数を測定するものである。さらに、温度測定素子２ｂ、湿度測定素子２ｃ、圧力測定素子２ｄの各測定原理に基づく検知信号も測定するものである。

また、測定器３は、各測定素子と接続されているとともに、計算部４にも、当該計算部４を介して記憶部５にも接続されており、計算部４は、発振周波数−特定ガス成分濃度のマップ等を用いて、各測定素子から得られた信号を必要に応じて必要な物理量などに変換し当該関係を記憶部５に出力するものである。

記憶部５は、計算部４の出力をその時間とともに記憶するものである。なお、記録したデータは、一般的な記憶媒体（メモリカードなど）や公知のインターフェイスなどを介してＰＣ等公知の計算機またはそれに類する電子機器に出力可能な構造を有するものである。
なお、計測回路が、任意の時間間隔でガス測定素子または他の検知素子を起動し、その検知結果を記憶手段に記録させるよう、ＰＣ等公知の計算機を介して、設定できるようにしている。

本発明によれば、コンパクトな構造でガス測定素子を構成することができ、狭い密閉空間であっても単体で配置することが可能であり、高感度かつ簡便にガス濃度を測定できる。
さらに、本発明に係るガス測定素子は、いずれも、電極上での重量変化を周波数変化という形態で数値化しているため、分析者毎に生じる測定値の読み取り誤差を著しく小さくでき、また、水晶振動子自体は電気機器等に使用されている汎用品であり、しかも、低電力で長時間作動可能であるから、低価格で、電源部も含め、携帯も可能なコンパクトなガス計測器にすることができる。

また、水晶振動子センサによるガス検知は、電極表面の吸脱着原理から検出対象ガスを変化させず、酸素や燃焼性ガスがなくても検出可能な原理であることから、排気ガスの影響がなく、密閉容器内の長期間の状況変化測定などで有利に使用できる。
特に、総合的な環境情報の記録が必要な分野で有効に利用可能であり、コンテナ、トラックなどの輸送部門や食品輸送などの個別輸送容器内の管理測定に活用することにより、輸送の安全性、品質、さらには食品安全性を格段に高めることができる。

本発明に係るガス測定素子、データ記録装置及び測定記録方法は、物品管理などの分野で広く利用されることが期待され、特に食品などの安全性に関わる品質劣化や毒物混入など、さらにトレーサビリティ測定全般など、記録計測する分野で広く利用可能である。

１ 測定装置
２ 検出部
２ａ ガス測定素子
２ｂ 温度測定素子
２ｃ 湿度測定素子
２ｄ 気圧（圧力）測定素子
３ 測定部
４ 計算部
５ 記憶部

Claims (4)

1. ガス計測器を、本体と、水晶片を挟むように電極が形成され、当該電極の表面に、特定のガス成分を吸着する有機系の検知薄膜が設けられたガス測定素子と、前記電極に所定の電圧を印加するとともに、前記ガス測定素子の振動周波数を測定し、測定した振動周波数を時間とともに記憶手段に記録させる計測回路と、該計測回路に電力を供給する電源部とから構成し、前記本体に、前記ガス測定素子、計測回路、記憶手段及び電源部を内蔵させ、密閉空間に配置することにより、ガス計測器単体で、前記密閉空間内の前記特定ガス成分の経時変化を前記記憶手段に記録させるようにしたことを特徴とするガス計測器。
2. 前記本体に、それぞれ個別のガス成分を吸着する有機系もしくは無機系の検知薄膜が設けられたガス測定素子を複数設け、前記計測装置が、各ガス測定素子の前記電極に所定の電圧を印加するとともに、各ガス測定素子の振動周波数を測定し、ガス測定素子毎に測定した振動周波数を時間とともに前記記憶手段に記録させることを特徴とする請求項１記載のガス計測器。
3. 前記本体に、温度、湿度、気圧、光強度、振動を検出する他の検知素子の少なくともひとつが内蔵され、前記計測装置が、前記特定ガス成分の時間変化に加え、温度、湿度、気圧、光強度、振動の少なくともひとつの時間変化を前記記憶手段に記録させるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載のガス計測器。
4. 前記計測回路が、任意の時間間隔でガス測定素子または他の検知素子を起動し、その検知結果を前記記憶手段に記録させるようにしたことを特徴とする請求項１ないし３に記載のガス計測器。

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