JP2018021767A - Device and method for detecting volatile organic - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定対象に含まれる揮発性有機物を検出する揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法、特に、揮発性有機物をイオン化させ、拡散定数の大きさを判別することで、被測定対象に含まれる揮発性有機物の種別を特定するイオン検出技術を安定化させる揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法に関するものである。 The present invention relates to a volatile organic substance detector and a volatile organic substance detection method for detecting a volatile organic substance contained in an object to be measured, in particular, by ionizing the volatile organic substance and determining the size of the diffusion constant. The present invention relates to a volatile organic substance detector and a volatile organic substance detection method for stabilizing an ion detection technique for specifying the type of volatile organic substance contained in a target.
従来から、測定対象物に含まれる揮発性有機物等の濃度を測定するために、揮発性有機物検出器、例えば、Photo Ionization Detector(以下、PIDとする)といったものが用いられている。このPIDの測定原理は、一対の印加電極が配置された装置内に測定対象の揮発性有機物等を誘導し、短波長の紫外線(UV)を照射することで、揮発性有機物等をイオン化させ、そのイオンを印加電極で捕捉することにより、濃度と相関のある検出電流を測定し、その電流値を濃度に換算することで、揮発性有機物等の濃度を測定するというものである。 Conventionally, in order to measure the concentration of a volatile organic substance or the like contained in a measurement object, a volatile organic substance detector such as a Photo Ionization Detector (hereinafter referred to as PID) has been used. The measurement principle of this PID is to induce a volatile organic substance to be measured in an apparatus in which a pair of application electrodes are arranged, and to irradiate a short wavelength ultraviolet ray (UV) to ionize the volatile organic substance, By capturing the ions with an applied electrode, a detection current having a correlation with the concentration is measured, and by converting the current value into a concentration, the concentration of a volatile organic substance or the like is measured.
そして、図8に一例として示すように、PID50は、揮発性有機物等が導入及び排出される検出室52と、検出室52内に設けられた1対の電極54と、電極54に電圧を印加する印加回路56と、検出室54内の測定流体(FL)にUVを照射するUVランプユニット58と、電極54を流れる電流を測定する測定回路60と、更に、電流値から揮発性有機物等の濃度へと換算するための計算を行う計算装置62などから構成されている。
As shown in FIG. 8 as an example, the
この従来のPIDでは、単一成分の揮発性有機物等は、検出室52に導入されてUVランプユニット58によるUV照射後、検出室52から排出される構成となっているが、検出室52に導入された揮発性有機物等が、検出室52の側壁部に設けられたUVランプユニット58から照射されるUVによってイオン化され、このイオン又は電子が、検出室52に設けられている電圧が印加された電極54に引き寄せられて捕捉されることにより、回路内に電流が生じることになる。
In this conventional PID, a single-component volatile organic substance or the like is introduced into the
そして、この電流を測定回路60によって測定し、更に、計算装置62により、当該電流値に対して物質毎(測定対象である揮発性有機物等の物質)の係数を乗じることで、揮発性有機物等の濃度が出力されるというものである。このようなPIDは、上述の他の検出器、検出方法と同様に多くの揮発性有機物等に対して感度があるため、揮発性有機物等の測定に有効な手段であり、その装置自体も大型ではないため、簡易に揮発性有機物等を測定でき、非常に有用なものであるとされる。
Then, this current is measured by the
続いて、従来のPIDとしては、例えば、特許文献1に、ガスイオン化チャンバと、少なくとも1つのイオン検知電極対と、少なくとも1つの増幅回路とを含む基板と、紫外(UV)光ビームを前記基板内の前記ガスイオン化チャンバ内に送出する、少なくとも1つのUVイオン化源とを備え、前記少なくとも1つの増幅回路及び前記少なくとも1つのイオン検知電極対が、漏れ電流信号を減らすための電気的ガードリングを内蔵する光イオン化検出器(PID)が開示されている。
Subsequently, as a conventional PID, for example,
さらに、特許文献2には、イオン検出装置において、イオン検出電極間に、障壁電極を設けることで、イオンによる漏れ電流を防ぐ構造が開示されている。そして、特許文献3には、被検体ガスを流通させる筐体内に、絶縁ブッシングを介してガス中の微量ナトリウムなどを熱解離によりイオン化するフィラメント、および生成されたイオンを捕集するコレクタ電極を設けた構成において、前記コレクタ電極の周囲を撓って、このコレクタ電極と同電位に保持される環状のガード電極を設けたことを特徴とする微量イオン検出器が開示されており、この構成によって、定常的に流れる漏れ電流を除去することができるようになっている。
Furthermore,
またさらに、従来のPIDとして、特許文献4には、揮発性有機物をイオン化させるために、前記揮発性有機物に対してイオン化エネルギーを供給するイオン化エネルギー供給手段と、前記イオン化されたイオンを検出する少なくとも1対のイオン検出電極と、前記イオン検出電極に対して所定の電圧を印加する電圧極性が反転可能な電圧印加手段と、前記イオン検出電極を流れる電流値を測定する電流測定手段と、前記電圧印加手段により電圧極性を反転させた際に、前記電流測定手段が測定した電圧極性反転前後の電流値に基づいた電流比から前記揮発性有機物の拡散定数を算出する拡散定数算出手段とを有し、前記イオン化エネルギー供給手段は、前記イオン検出電極間であって、一方のイオン検出電極に偏倚した範囲に前記イオン化エネルギーを供給するよう設けられていることで、前記イオン検出電極間に、前記イオン化エネルギーが供給されない範囲が生じることを特徴とする揮発性有機物検出器が開示されており、イオン検出電極間に非UV領域を設けることによって、イオン種を判別することを可能としている。
Furthermore, as a conventional PID,
しかしながら、特許文献1〜3に開示されている技術の構成は、イオン検出室の内壁は、絶縁材料からなり、絶縁体へのイオンの付着や、イオン検出電極への電圧印加等による絶縁体表面に発生する漏れ電流を除去するガード電極を備えることで、イオン検出電極へと流れる電流の安定化が図れるものではあるが、検出室が大きく、内壁表面積が大きい場合、移動度の大きい電子と、酸素分子イオンは、プラス側電極に早く到達して消滅するため、検出室内は、揮発性有機物の陽イオンが多数となってしまう。
However, in the configuration of the technique disclosed in
そうなると、多数となった陽イオンが、内壁に局所的、或いは、島状に堆積(チャージ)し、その数と場所は時間とともに変化していくため、内壁面上の電荷によって、イオンの飛行速度及びイオン量が変動し、濃度検出電流が安定しないという問題が生じてしまう。なお、特許文献1〜3に開示されている技術は、物質を判定する構造とはなっていない。また、特許文献4に開示されている技術は、電極間にUVが照射されないイオン飛行チャンネル(非UV領域)を設けているため、検出室が大きく、上記同様、濃度検出電流が安定しないという問題がある。
Then, a large number of positive ions accumulate (charge) locally or in an island shape on the inner wall, and the number and location change with time, so the flight speed of ions depends on the charge on the inner wall surface. In addition, the amount of ions fluctuates and the concentration detection current becomes unstable. Note that the techniques disclosed in
本発明が解決しようとしている課題は、上述の問題に対応するためのもので、シンプルな構成且つ小型な装置で揮発性有機物の濃度とともに、揮発性有機物の重要な性質である拡散定数の大きさを判定可能とするとともに、揮発性有機物検出室の内壁における荷電粒子の移動量を制御することで、揮発性有機物が含まれるガスの判別精度を向上させることが可能な揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to cope with the above-mentioned problem, and the size of the diffusion constant, which is an important property of the volatile organic substance, together with the concentration of the volatile organic substance with a simple configuration and a small apparatus. Volatile organic matter detector and volatile organic substance detector capable of improving the discrimination accuracy of gas containing volatile organic matter by controlling the amount of movement of charged particles on the inner wall of the volatile organic matter detection chamber It is to provide a method for detecting an organic substance.
上述の課題を解決するために、本発明は、以下の技術的手段を講じている。
即ち、請求項1記載の発明は、揮発性有機物をイオン化させるために、前記揮発性有機物に対してイオン化エネルギーを供給するイオン化エネルギー供給手段と、前記イオン化されたイオンを検出する少なくとも1対のイオン検出電極と、前記イオン検出電極を内包する検出室と、前記イオン検出電極に対して所定の電圧を印加する電圧極性が反転可能な電圧印加手段と、前記イオン検出電極を流れる電流値を測定する電流測定手段と、前記電圧印加手段により電圧極性を反転させた際に、前記電流測定手段が測定した電圧極性反転前後の電流値に基づいた電流比から前記揮発性有機物の拡散定数を算出する拡散定数算出手段とを備え、前記イオン化エネルギー供給手段が、前記イオン検出電極間であって、一方のイオン検出電極に偏倚した範囲に前記イオン化エネルギーを供給するよう設けられていることで、前記イオン検出電極間に、前記イオン化エネルギーが供給されない範囲が生じる揮発性有機物検出器において、前記検出室の内壁が、導電体から構成され、前記検出室の内壁が、導電体から構成され、前記内壁に対し、前記イオン検出電極への印加電圧よりも低い電圧を印加する電圧極性が反転可能な内壁電圧印加手段が備えられていることを特徴とする揮発性有機物検出器である。
In order to solve the above-described problems, the present invention takes the following technical means.
That is, the invention according to
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の揮発性有機物検出器であって、前記イオン化エネルギー供給手段は、前記揮発性有機物に対してUVを照射させるUV照射手段、前記揮発性有機物に対して電離放射線を射出させる電離放射線射出手段、前記揮発性有機物に対してコロナ放電を起こさせるコロナ放電手段のうち、いずれか1つを備えていることを特徴としている。
The invention described in
そして、請求項3記載の発明は、内壁が導電体から構成されている検出室内に流入させる揮発性有機物に対してイオン化エネルギーを供給し、前記揮発性有機物をイオン化させるイオン化工程と、前記イオン化工程によりイオン化されたイオンを所定電圧が印加された少なくとも1対のイオン検出用の電極により検出するイオン検出工程と、前記内壁に対して、前記イオン検出用の電極に印加された所定電圧よりも低い電圧を印加する内壁電圧印加工程と、前記イオン検出用の電極に流れる電流値を測定する電流値測定工程と、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性を反転させることで、その反転前後の前記イオン検出用の電極に流れる電流値から電流比を求め、当該電流比から前記揮発性有機物の拡散定数を算出する拡散定数算出工程と、前記拡散定数算出工程において、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性が反転された際には、前記内壁電圧印加工程における前記内壁に対して印加する電圧の極性を判定させる内壁電圧印加反転工程とを含み、前記イオン化工程は、前記イオン検出用の電極間であって、一方のイオン検出用の電極に偏倚した範囲に前記イオン化エネルギーを供給することで、前記イオン検出用の電極間に、前記イオン化エネルギーが供給されない範囲を生じさせるとともに、前記揮発性有機物に対してイオン化エネルギーを供給することを特徴とする揮発性有機物検出方法である。
The invention according to
本発明に係る揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法によれば、検出室の内壁が導電体であり、さらに、その検出室内壁に対して、所定の電圧を印加することができるため、検出室内壁への荷電粒子の堆積が生じず、安定したイオン電流計測を行うことができる。 According to the volatile organic matter detector and the volatile organic matter detection method according to the present invention, the inner wall of the detection chamber is a conductor, and further, a predetermined voltage can be applied to the detection chamber wall. Charged particles do not accumulate on the detection chamber wall, and stable ion current measurement can be performed.
また、本発明に係る揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法によれば、イオンを検出する検出電極に流れる電流値に基づいて、揮発性有機物の種類特定に有効な拡散定数の大きさを得ることができる。また、拡散定数から揮発性有機物を推定することも可能である。さらに、揮発性有機物の濃度のみならず、拡散定数を得ることができることから、例えば、工場等の換気の指針等についての情報も得ることが容易となる。さらに、揮発性有機物検出器自体が、複雑な構成を必要としないため、シンプル且つ、小型なものとして用いることができる。 Further, according to the volatile organic substance detector and the volatile organic substance detection method according to the present invention, the size of the diffusion constant effective for specifying the type of the volatile organic substance is determined based on the current value flowing through the detection electrode that detects ions. Can be obtained. It is also possible to estimate volatile organic substances from the diffusion constant. Furthermore, since it is possible to obtain not only the concentration of volatile organic substances but also the diffusion constant, for example, it is easy to obtain information on ventilation guidelines for factories and the like. Furthermore, since the volatile organic substance detector itself does not require a complicated configuration, it can be used as a simple and small-sized one.
続いて、本発明に係る揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明に係る揮発性有機物検出器の実施形態における検出器の構成の一例を示した模式図で、図2は、本発明に係る揮発有機物検出方法の実施形態における検出工程を示した一例図である。また、10は揮発性有機物検出器、12はイオン検出室、14はUVランプ、16はイオン検出電極、18は電圧印加手段、20は電流測定手段、22は拡散定数算出手段、24は検出室内壁、26は内壁電圧印加手段を示している。
Subsequently, embodiments of the volatile organic substance detector and the volatile organic substance detection method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a detector in an embodiment of a volatile organic substance detector according to the present invention, and FIG. 2 shows a detection process in an embodiment of a volatile organic substance detection method according to the present invention. FIG. Further, 10 is a volatile organic substance detector, 12 is an ion detection chamber, 14 is a UV lamp, 16 is an ion detection electrode, 18 is a voltage application means, 20 is a current measurement means, 22 is a diffusion constant calculation means, and 24 is a detection chamber. A
まず、図1に示すように、揮発性有機物検出器10は、被測定対象の揮発性有機物を流入させるイオン検出室12を有しており、イオン検出室12には、その内壁に揮発性有機物に対しイオン化エネルギーを供給するUVランプ14(イオン化エネルギー供給手段)が接続されている。
First, as shown in FIG. 1, the volatile
また、イオン検出室12内には、イオン化エネルギーによってイオン化された揮発性有機物のイオンを捕捉するためのイオン検出電極16が、少なくとも1対設けられている。なお、イオン検出電極16としては、ステンレス電極、金電極、白金電極、銅電極などを用いることができる。
The
本実施形態では、UVランプ14は、図1に示すように、イオン検出電極16の電極間であって、一方のイオン検出電極16に偏倚した範囲にイオン化エネルギーを供給する位置に設けられていることで、イオン検出電極16の電極間にイオン化エネルギーが供給されない範囲が生じるように構成されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
続いて、イオン検出電極16には、イオン検出電極16に対して、所定の電圧を印加することができる電圧印加手段22が接続されており、また、同様に、電流測定手段20も接続され、電圧印加手段18によって電圧が印加されることによりイオン検出電極16に流れる電流の値を測定することができるように構成されている。
Subsequently, to the
また、電圧印加手段18は、電圧極性を反転させることができるよう構成されており、電圧極性の反転前後に電流測定手段20によって計測されたイオン検出電極16を流れる電流値の電流比から、被測定対象の揮発性有機物の拡散定数を算出することができる拡散定数算出手段22が、電流測定手段20に接続されている。そして、算出された拡散定数により特定された揮発性有機物の種別は、拡散定数算出手段22に接続される表示手段(図示せず)によって表示させるようにしておく。
The voltage application means 18 is configured to be able to reverse the voltage polarity. From the current ratio of the current value flowing through the
また、電流測定手段20によって測定されるイオン検出電極16に流れる電流値に基づいて被測定対象である揮発性有機物の濃度も算出することができるようにもなっている。その算出方法としては、例えば、トルエンであれば、予め実験によって得たデータを記憶装置(図示せず)に蓄積させておき、そのデータを用いて算出するというものである。
In addition, the concentration of the volatile organic substance to be measured can also be calculated based on the value of the current flowing through the
さらに、例えば、被測定対象のガスに複数種別の揮発性有機物が含まれている場合、算出される拡散定数は、その複数種別の揮発性有機物の平均値が算出されるが、表示装置にこの平均値を表示させれば、換気の指針として有用なものとなる。また、算出された揮発性有機物の濃度とともに表示させても良い。 Furthermore, for example, when a gas to be measured contains a plurality of types of volatile organic substances, the calculated diffusion constant is calculated as an average value of the plurality of types of volatile organic substances. If an average value is displayed, it will be useful as a guideline for ventilation. Moreover, you may display with the density | concentration of the calculated volatile organic substance.
なお、本実施形態では、揮発性有機物に対するイオン化エネルギーの供給は、UVランプによるものとしているが、これは、揮発性有機物に対し電離放射線を照射する構成としても良いし、揮発性有機物に対しコロナ放電を起こさせる構成としても良い。 In this embodiment, the ionization energy is supplied to the volatile organic substance by a UV lamp. However, this may be configured to irradiate the volatile organic substance with ionizing radiation, or corona is applied to the volatile organic substance. It is good also as a structure which causes discharge.
続いて、本実施形態における揮発性有機物検出器10は、イオン検出室12の検出室内壁24が、導電体から構成され、さらに、イオン検出室12の内壁(検出室内壁24)に対し、イオン検出電極16への印加電圧よりも低い電圧を印加する内壁電圧印加手段26が備えられている。このような構成を採用することで、内壁への荷電粒子の堆積が生じないことから、イオンの大部分が、イオン検出電極16よりも、イオン検出室12の内壁(検出室内壁24)へ移動する事を防ぎ、イオン検出の感度を保つことができ、より安定したイオン電流の計測が可能となる。なお、内壁電圧印加手段26は、電圧極性が反転可能となっており、電圧印加手段18の電圧極性が反転された際には、同時に、内壁電圧印加手段26に印加されている電圧の極性も反転させるようになっている。
Subsequently, in the volatile
次に、本実施形態における揮発性有機物検出方法の流れについて説明する。図2に示すように、まず、内壁が導電体から構成されているイオン検出室内に被測定対象である揮発性有機物を導入し、この揮発性有機物に対し、UVランプからUVを照射し(イオン化エネルギー供給)、揮発性有機物をイオン化させる。 Next, the flow of the volatile organic substance detection method in the present embodiment will be described. As shown in FIG. 2, first, a volatile organic substance to be measured is introduced into an ion detection chamber whose inner wall is made of a conductor, and the volatile organic substance is irradiated with UV from a UV lamp (ionization). Energy supply) and ionize volatile organics.
イオン検出室の内壁(検出室内壁)を導電体によって構成することで、イオン検出室内の電荷の偏りを抑え、安定したイオン電流の計測が可能となる。続いて、イオン化されたイオンをそれぞれ所定の電圧が印加された少なくとも1対のイオン検出用の電極により検出(捕捉)させていく。 By configuring the inner wall (detection chamber wall) of the ion detection chamber with a conductor, it is possible to suppress the bias of charge in the ion detection chamber and to stably measure the ion current. Subsequently, the ionized ions are detected (captured) by at least one pair of ion detection electrodes to which a predetermined voltage is applied.
さらに、イオン検出室の内壁に対して、イオン検出用の電極に印加された所定の電圧よりも低い電圧を印加していく。このように、イオン検出室の内壁に対して、イオン検出用の電極に印加された所定の電圧よりも低い電圧を印加していくことで、イオン検出用の電極により検出(捕捉)されないイオンが、イオン検出室の内壁により捕捉されることになる。 Further, a voltage lower than a predetermined voltage applied to the ion detection electrode is applied to the inner wall of the ion detection chamber. In this way, by applying a voltage lower than the predetermined voltage applied to the ion detection electrode to the inner wall of the ion detection chamber, ions that are not detected (captured) by the ion detection electrode can be obtained. It will be captured by the inner wall of the ion detection chamber.
その結果、イオン検出室の内壁への荷電粒子の堆積が生じず、イオンの大部分が、イオン検出電極よりも、イオン検出室の内壁(検出室内壁)へ移動する事を防ぎ、イオン検出の感度を保つことができるため、より安定したイオン電流の計測が可能となる。そして、イオン又は電子がイオン検出用の電極に検出(捕捉)されることにより、イオン検出用の電極に電流が流れるため、その電流の値を電流値測定器によって測定する。 As a result, accumulation of charged particles does not occur on the inner wall of the ion detection chamber, and most ions are prevented from moving to the inner wall (detection chamber wall) of the ion detection chamber rather than the ion detection electrode. Since the sensitivity can be maintained, the ion current can be measured more stably. Then, when ions or electrons are detected (captured) by the ion detection electrode, a current flows through the ion detection electrode, and the current value is measured by a current value measuring device.
次に、一旦、電流値測定器によって電流の値を測定した後、イオン検出用の電極に印加する電圧の極性を反転させる。そうすると、UV照射によってイオン化されたイオンが、他方の電極へと移動し、再度捕捉されることになる。すると、イオン検出用の電極に電流が流れるので、この電流の値を再度電流値測定器によって測定することになる。なお、イオン検出用の電極に印加する電圧の極性が反転された際には、同時に、イオン検出室の内壁に対して印加された電圧の極性も反転させるようにする。 Next, once the current value is measured by the current value measuring device, the polarity of the voltage applied to the ion detection electrode is reversed. If it does so, the ion ionized by UV irradiation will move to the other electrode, and will be captured again. Then, since a current flows through the ion detection electrode, the value of this current is again measured by the current value measuring device. When the polarity of the voltage applied to the ion detection electrode is reversed, the polarity of the voltage applied to the inner wall of the ion detection chamber is also reversed at the same time.
なお、UVを照射する範囲は、イオン検出用の電極間であって、一方のイオン検出用の電極へ偏倚した範囲となっているため、反転前後に測定される電流値は、それぞれ異なる値となる。そして、拡散定数を算出する計算装置が、測定された反転前後の電流値から電流比を求め、その電流比から被測定対象である揮発性有機物の拡散定数を算出し、この算出された拡散定数から揮発性有機物の種別を特定することができるようになっている。また、算出された拡散定数により特定された揮発性有機物の種別は、計算装置に設けられている表示手段によって表示させるようにしておく。 The UV irradiation range is between the ion detection electrodes and is a range biased to one of the ion detection electrodes. Therefore, the current values measured before and after inversion are different from each other. Become. Then, the calculation device for calculating the diffusion constant obtains the current ratio from the measured current values before and after inversion, calculates the diffusion constant of the volatile organic substance to be measured from the current ratio, and calculates the calculated diffusion constant. The type of volatile organic matter can be specified from the above. In addition, the type of the volatile organic substance specified by the calculated diffusion constant is displayed by a display unit provided in the calculation apparatus.
また、電流値測定器によって測定される電流値に基づいて、被測定対象である揮発性有機物の濃度も算出することができるようになっており、その算出方法は、上述の通り、例えば、トルエンであれば、予め実験によって得たデータを記憶装置に蓄積させておき、そのデータを用いて算出するというものである。さらに、例えば、被測定対象のガスに複数種別の揮発性有機物が含まれている場合、算出される拡散定数は、その複数種別の揮発性有機物の平均値であるが、この平均値を表示手段に表示させれば、工場等の換気の指針として有用な情報を得ることが可能となる。 In addition, based on the current value measured by the current value measuring device, the concentration of the volatile organic substance to be measured can also be calculated. The calculation method is, for example, toluene as described above. If so, data obtained by an experiment in advance is stored in a storage device, and calculation is performed using the data. Furthermore, for example, when the gas to be measured contains a plurality of types of volatile organic substances, the calculated diffusion constant is the average value of the plurality of types of volatile organic substances, and this average value is displayed on the display means. If it is displayed, it becomes possible to obtain useful information as a guideline for ventilation in factories and the like.
(揮発性有機物検出理論)
以下、上記の揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法によって、被測定対象である揮発性有機物の拡散定数が算出される理論についてより詳細に説明していく。
(Volatile organic substance detection theory)
Hereinafter, the theory for calculating the diffusion constant of the volatile organic substance to be measured by the volatile organic substance detector and the volatile organic substance detection method will be described in more detail.
まず、揮発性有機物にUVを照射すると、揮発性有機物の分子は、電子を放出して、陽イオンになる。一方、空気中において放出された電子は、電子親和力の大きい酸素分子に捕捉され、陰イオンを形成する。 First, when the volatile organic material is irradiated with UV, the molecules of the volatile organic material emit electrons and become cations. On the other hand, electrons released in the air are trapped by oxygen molecules having a high electron affinity and form anions.
ここで、正負イオンの電極への飛行に特徴付けを行うため、図3に示すように、UVランプを一方の電極に偏倚した位置に設け、電極間の一部分のみを照射する構成を用いてみる。一方のイオンは、UVが照射されていない空間を飛行して、電極に到達するため、イオンの移動のしやすさにより、系に流れる電流が異なってくることになる。イオン密度n、移動度μのイオンが、断面積Sの空間を距離dだけ移動するときに流れる電流Iは、電位差をV、電荷素量をecとすると、次式で表されることになる。 Here, in order to characterize the flight of positive and negative ions to the electrodes, as shown in FIG. 3, a configuration in which a UV lamp is provided at a position biased to one electrode and only a part between the electrodes is irradiated is used. . One of the ions flies in a space not irradiated with UV and reaches the electrode, so that the current flowing through the system varies depending on the ease of ion movement. Ion density n, the ion mobility μ is, the current I flowing when moving space of the cross-sectional area S by a distance d, a potential difference V, and elementary charge When e c, to be represented by the following formula Become.
そして、陽イオンの移動度をμ+、陰イオンの移動度をμ−、UVが照射される距離を2d1、UVが照射されない距離をd2と表し、イオン密度と、断面積は同じとすると、図3(a)の抵抗値は、次式で表される。 The positive ion mobility is μ + , the negative ion mobility is μ − , the UV irradiation distance is 2d 1 , the UV irradiation distance is d 2, and the ion density and the cross-sectional area are the same. Then, the resistance value of FIG. 3A is expressed by the following equation.
次に、図3(a)に流れる電流をI−、(b)をI+とし、電位差の絶対値が等しい時に流れる電流の比は、次式で表される。 Next, the current flowing in FIG. 3A is I − , and (b) is I +, and the ratio of the current flowing when the absolute value of the potential difference is equal is expressed by the following equation.
また、図3の構造から、d2>d1、揮発性有機物と酸素分子の移動度の関係から、μ+<μ−であり、上記の式(数3)は、次式で近似される。 From the structure of FIG. 3, d 2 > d 1 , and from the relationship between the mobility of volatile organic substances and oxygen molecules, μ + <μ − , and the above equation (Equation 3) is approximated by the following equation: .
次に、拡散定数Dは、μと比例関係であり、また、空気中において、陰イオンは、酸素分子イオンであるため、電流比の定数及び定数項をC1、C2とおくと、次式の通りとなる。 Next, the diffusion constant D is proportional to μ, and since the anion is an oxygen molecular ion in the air, if the constant and constant terms of the current ratio are C 1 and C 2 , then The equation is as follows.
上記の式(数5)から、拡散定数は、正負のイオン電流の関数として表され、この拡散定数を得ることで、測定物質を推定することが出来る。また、上記の式(数4)に拡散定数を用いると、次式で表され、左辺の電流比を得ることによって、拡散定数に基づく揮発性有機物の判定が可能となるわけである。従って、イオン電流を安定化させ、I+、I−の変動を抑えることが、判別精度の向上に繋がることになり、本発明は、それを可能とするものである。 From the above equation (Equation 5), the diffusion constant is expressed as a function of positive and negative ion currents, and the measurement substance can be estimated by obtaining this diffusion constant. Further, when a diffusion constant is used in the above equation (Equation 4), it is expressed by the following equation, and by obtaining the current ratio on the left side, it becomes possible to determine volatile organic substances based on the diffusion constant. Therefore, stabilizing the ionic current and suppressing fluctuations in I + and I − leads to improvement in discrimination accuracy, and the present invention makes it possible.
(実験1)
次に、本発明に係る揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法の実施形態において揮発性有機物であるo-キシレン(乾燥空気ベースにて40ppm、流量400mL/分)を検出させた際の内壁印加電圧と、陽イオン電流の関係を明らかにするために行った実験について説明する。
(Experiment 1)
Next, in the embodiment of the volatile organic substance detector and the volatile organic substance detection method according to the present invention, the inner wall when o-xylene (40 ppm on a dry air basis, flow rate 400 mL / min), which is a volatile organic substance, is detected. An experiment conducted to clarify the relationship between the applied voltage and the cation current will be described.
図4は、本発明に係る揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法の実施形態において検出器を用いて実験をした際の、その構成の一例を示した模式図で、(a)は陽イオンが非UV領域を飛行している状態、(b)は陰イオンが非UV領域を飛行している状態を表している。符号については、図1と同様である。また、図5は、本発明に係る揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法の実施形態において、揮発性有機物としてo-キシレン(乾燥空気ベースにて40ppm、流量400mL/分)を検出させた際の内壁印加電圧と、陽イオン電流の関係の実験結果を示したグラフである。 FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of the configuration when an experiment is performed using the detector in the embodiment of the volatile organic substance detector and the volatile organic substance detection method according to the present invention. A state in which ions are flying in the non-UV region, and (b) represents a state in which negative ions are flying in the non-UV region. The reference numerals are the same as those in FIG. FIG. 5 is a graph showing the detection of o-xylene (40 ppm on a dry air basis, flow rate 400 mL / min) as a volatile organic substance in the embodiment of the volatile organic substance detector and the volatile organic substance detection method according to the present invention. It is the graph which showed the experimental result of the relationship between the inner wall applied voltage at the time, and a cation current.
本実験に用いた揮発性有機物検出器10は、図4に示すように、揮発性有機物をイオン化するUVランプ14と、イオンを検出するイオン検出電極16と、イオン検出電極16を内包する内壁(検出室内壁24)が導電体から構成されるイオン検出室12と、イオン検出電極16に電圧を印加する電圧印加手段18と、イオン電流を計測する電流測定手段20と、電圧印加手段18よりも低い電圧をイオン検出室12の検出室内壁24に印加する内壁電圧印加手段26、及び、イオン検出電極16とイオン検出室12とを絶縁する手段とから構成されている。
As shown in FIG. 4, the volatile
さらに、詳しくは、電圧印加手段18及び電流測定手段20には、微小電流計(日置電器株式会社、DSM−8104)と、内壁電圧印加手段26には、分圧器(株式会社東京電子回路、電圧分圧器)を用いた。なお、本図では、電圧印加手段18が、その極性を反転可能に構成されていないよう表現されているが、これは、便宜上のもので、実際は、(a)と(b)、相互に極性が反転された状態を示している。
More specifically, the voltage application means 18 and the current measurement means 20 include a microammeter (Hioki Denki Co., Ltd., DSM-8104), and the inner wall voltage application means 26 includes a voltage divider (Tokyo Electronics Circuit Co., Ltd., voltage). Voltage divider) was used. In this figure, the
また、イオン検出電極16を内包する内壁が導電体から構成されるイオン検出室12は、アルミニウムで製作し、揮発性有機物をイオン化するUVランプ14は、ヘレウス株式会社製(PKR106−6、発光部半径:2mm)のものを用い、イオン検出電極16とイオン検出室12とは、イオン検出電極16の固定部分にポリオレフィンを被覆させることによって絶縁した。そして、イオン検出電極16間の距離は、12mm(非UV領域:8mm)とし、イオン検出電極16間には、非UV領域を設けた。
The
また、本実験では、イオン検出室12への導入ガスは、o-キシレン(乾燥空気ベースにて40ppm、流量400mL/分)とし、これを校正用ガス調整装置(ガステック製、PD−1B−2)によりイオン検出室12へと導入させるようにした。そして、電圧印加手段18による印加電圧は、−300Vとし、陽イオンが非UV領域を飛行時において、内壁電圧印加手段26による内壁に対する印加電圧を−2V〜−300Vの範囲において変化させた場合のイオン電流の変化を計測した。
In this experiment, the gas introduced into the
実験結果を図5に示す。グラフに示すように、内壁電圧印加手段26による印加電圧は、−60V付近にイオン電流の最大値を持ち、−60V〜−300Vでは、イオン検出電極16よりも、検出室内壁24へのイオンの移動量が多い事が分かる。従って、内壁電圧印加手段26による印加電圧は、絶対値において−60Vより大きな電圧は適さない。
The experimental results are shown in FIG. As shown in the graph, the voltage applied by the inner wall
(実験2)
続いて、本発明に係る揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法の実施形態において、揮発性有機物として、ベンゼン、p-キシレン(乾燥空気ベースにて)40ppm、流量400mL/分)を検出させた際のイオン電流比の時間変化を明らかにするために行った実験について説明する。
(Experiment 2)
Subsequently, in the embodiment of the volatile organic substance detector and the volatile organic substance detection method according to the present invention, benzene, p-xylene (on a dry air basis) 40 ppm, and a flow rate of 400 mL / min) are detected as volatile organic substances. An experiment conducted to clarify the temporal change of the ion current ratio at the time is described.
図6は、本発明に係る揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法の実施形態において、揮発性有機物として、ベンゼン、p-キシレン(乾燥空気ベースにて、40ppm、流量400mL/分)を検出させた際のイオン電流比の時間変化を示したグラフで、(a)は従来の検出器によるもの、(b)は本実施形態によるものを表している。 FIG. 6 shows detection of benzene and p-xylene (40 ppm on a dry air basis, flow rate of 400 mL / min) as volatile organic substances in the embodiment of the volatile organic substance detector and the volatile organic substance detection method according to the present invention. In the graph which showed the time change of the ion current ratio at the time of making it, (a) represents the thing by the conventional detector, (b) represents the thing by this embodiment.
なお、本実験は、実験1においても用いた揮発性有機物検出器10を用いた。また、イオン検出室12への導入ガスは、ベンゼン、p-キシレン(乾燥空気ベースにて)40ppm、流量400mL/分)とし、これを校正用ガス調製装置(ガステック製、PD−1B−2)によりイオン検出室12へと導入させるようにした。そして、電圧印加手段18による印加電圧は、±300Vとし、陰イオン又は陽イオンが、非UV領域を飛行時の正負のイオン電流を計測し、イオン電流比を求めた。また、内壁電圧印加手段26による印加電圧は±4Vとした。
In this experiment, the volatile
実験結果を図6に示す。なお、グラフ中、「Ben」が付されているのは、ベンゼンを導入ガスとしたもので、それぞれ、最大値が(Max)、平均値が(Ave)、最小値が(Min)として表している。また、「pXy」が付されているのは、p-キシレンを導入ガスとしたもので、これらも、それぞれ、最大値が(Max)、平均値が(Ave)、最小値が(Min)として表している。グラフに示すように、ベンゼン及びp-キシレンのイオン電流比の時間変化において、(a)に示す従来技術(PTFE製検出器)と、(b)に示す本実施形態における揮発性有機物検出器10(アルミニウム製のイオン検出室12)の比較から、本実施形態における揮発性有機物検出器10は、従来技術よりも出力が安定して得られることが判明した。
The experimental results are shown in FIG. In the graph, “Ben” is attached to benzene as the introduced gas. The maximum value is (Max), the average value is (Ave), and the minimum value is (Min). Yes. In addition, “pXy” is attached to p-xylene as the introduced gas, and these also have a maximum value (Max), an average value (Ave), and a minimum value (Min), respectively. Represents. As shown in the graph, in the time variation of the ionic current ratio of benzene and p-xylene, the prior art (PTFE detector) shown in (a) and the volatile
(実験3)
さらに、本発明に係る揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法の実施形態において、揮発性有機物として、ベンゼン、o-キシレン、p-キシレン(乾燥空気ベースにて、40ppm、流量400mL/分)を検出させた際の内壁印加電圧(ガード電圧)と、イオン電流比の関係を明らかにする実験について説明する。
(Experiment 3)
Furthermore, in the embodiments of the volatile organic substance detector and the volatile organic substance detection method according to the present invention, benzene, o-xylene, p-xylene (40 ppm on a dry air basis, flow rate 400 mL / min) are used as volatile organic substances. An experiment for clarifying the relationship between the inner wall applied voltage (guard voltage) and the ion current ratio at the time of detecting the ion is described.
図7は、本発明に係る揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法の実施形態において、揮発性有機物として、ベンゼン、o-キシレン、p-キシレン(乾燥空気ベースにて40ppm、流量400mL/分)を検出させた際の内壁印加電圧(ガード電圧)と、イオン電流比の関係を示したグラフである。 FIG. 7 shows volatile organic substances in the embodiment of the volatile organic substance detector and the volatile organic substance detection method according to the present invention. As volatile organic substances, benzene, o-xylene, p-xylene (40 ppm on a dry air basis, flow rate 400 mL / min) ) Is a graph showing the relationship between the inner wall applied voltage (guard voltage) and the ionic current ratio.
なお、本実験は、実験1においても用いた揮発性有機物検出器10を用いた。また、イオン検出室12への導入ガスは、ベンゼン、o-キシレン、p-キシレン(乾燥空気ベースにて、40ppm、流量400mL/分)とし、これを校正用ガス調整装置(ガステック製、PD−1B−2)によりイオン検出室12へと導入させるようにした。そして、イオン検出室12の検出室内壁24へ印加する電圧(ガード電圧)を2V〜20Vの範囲において変化させた場合の、その電圧と、イオン電流比の関係を求めた。
In this experiment, the volatile
実験結果を図7に示す。なお、グラフ中の理論値は、酸素の拡散定数と、電極間距離と、UV照射半径から求めたものである。グラフにおける誤差範囲は、5回の実験での最大及び最小値を表している。そして、各ガスの誤差範囲は、全ての実験点において重ならず、イオン電流比から、対象ガスが高精度に判別可能であることが明らかになった。 The experimental results are shown in FIG. The theoretical values in the graph are obtained from the oxygen diffusion constant, the interelectrode distance, and the UV irradiation radius. The error range in the graph represents the maximum and minimum values in five experiments. And it became clear that the error range of each gas does not overlap in all the experimental points, and the target gas can be discriminated with high accuracy from the ion current ratio.
また、図7において、内壁印加電圧(ガード電圧)が低い場合は、誤差範囲が大きく、一方、高い場合は、理論値との差異が大きい。このことから、内壁印加電圧(ガード電圧)は、4V〜10Vの範囲に最適値が存在することが分かる。 In FIG. 7, when the inner wall applied voltage (guard voltage) is low, the error range is large, while when it is high, the difference from the theoretical value is large. From this, it can be seen that the inner wall applied voltage (guard voltage) has an optimum value in the range of 4V to 10V.
(実験4)
ここで、図8に一例として示した検知室52がPTFEによって製作された従来のPIDと、本実施形態における揮発性有機物検出器にて実験した際の、陽イオンの電流値の比較データを図9に示す。グラフ中、「Al I+」が付されているのは、本実施形態における揮発性有機物検出器のもので、それぞれ、最大値が(max)、平均値が(a)、最小値が(min)として表している。また、「PTFE I+」が付されているのは、従来のPIDのもので、これらも、それぞれ、最大値が(max)、平均値が(a)、最小値が(min)として表している。
(Experiment 4)
Here, the comparison data of the current value of the cation when the
図9に示すとおり、従来のPIDによる電流値は小さく、本実施形態における揮発性有機物検出器による電流値は、平均値で約0.3nA大きいことが分かる。これは、従来のPIDでは、イオンが検知室52の内壁に吸着されてしまうからである。つまり、本発明に係る揮発性有機物検出器は、従来のPID等と比較して、イオン吸着を低減することができるという優れた効果が奏されるわけである。
As shown in FIG. 9, it can be seen that the current value by the conventional PID is small, and the current value by the volatile organic substance detector in the present embodiment is about 0.3 nA larger on average. This is because ions are adsorbed on the inner wall of the
本発明に係る揮発性有機物検出器及び揮発性有機物検出方法によれば、検出室の内壁が導電体であることから、内壁への荷電粒子の堆積が生じず、検出室内の電荷の偏りを抑え、また、検出室内壁へ電圧を印加する事により、安定したイオン電流の計測ができる。また、シンプルな構成且つ小型な装置で揮発性有機物の濃度とともに、揮発性有機物の重要な性質である拡散定数の大きさを判定可能であるため、多様な場面で行う必要がある揮発性有機物の検出に有用である。またさらに、拡散定数の大きさから揮発性有機物の種別を特定可能であることから、揮発性有機物の種別に基づく揮発性有機物検出器の感度補正も行うことができるため、高い検出精度を求められる場面において、極めて有用なものとなる。 According to the volatile organic substance detector and the volatile organic substance detection method of the present invention, since the inner wall of the detection chamber is a conductor, charged particles do not accumulate on the inner wall, and the bias in the detection chamber is suppressed. Moreover, a stable ion current can be measured by applying a voltage to the detection chamber wall. In addition, it is possible to determine the diffusion constant, which is an important property of volatile organic matter, as well as the concentration of volatile organic matter with a simple device and a small device. Useful for detection. Furthermore, since the type of the volatile organic substance can be specified from the size of the diffusion constant, the sensitivity of the volatile organic substance detector can be corrected based on the type of the volatile organic substance, and thus high detection accuracy is required. It will be extremely useful in the scene.
10 揮発性有機物検出器
12 イオン検出室
14 UVランプ
16 イオン検出電極
18 電圧印加手段
20 電流測定手段
22 拡散定数算出手段
24 検出室内壁
26 内壁電圧印加手段
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記イオン化されたイオンを検出する少なくとも1対のイオン検出電極と、
前記イオン検出電極を内包する検出室と、
前記イオン検出電極に対して所定の電圧を印加する電圧極性が反転可能な電圧印加手段と、
前記イオン検出電極を流れる電流値を測定する電流測定手段と、
前記電圧印加手段により電圧極性を反転させた際に、前記電流測定手段が測定した電圧極性反転前後の電流値に基づいた電流比から前記揮発性有機物の拡散定数を算出する拡散定数算出手段と、
を備え、前記イオン化エネルギー供給手段が、前記イオン検出電極間であって、一方のイオン検出電極に偏倚した範囲に前記イオン化エネルギーを供給するよう設けられていることで、前記イオン検出電極間に、前記イオン化エネルギーが供給されない範囲が生じる揮発性有機物検出器において、
前記検出室の内壁が、導電体から構成され、前記内壁に対し、前記イオン検出電極への印加電圧よりも低い電圧を印加する電圧極性が反転可能な内壁電圧印加手段が備えられていることを特徴とする揮発性有機物検出器。 Ionization energy supply means for supplying ionization energy to the volatile organic matter in order to ionize the volatile organic matter;
At least one pair of ion detection electrodes for detecting the ionized ions;
A detection chamber containing the ion detection electrode;
Voltage application means capable of reversing the voltage polarity for applying a predetermined voltage to the ion detection electrode;
Current measuring means for measuring a current value flowing through the ion detection electrode;
A diffusion constant calculating means for calculating a diffusion constant of the volatile organic substance from a current ratio based on a current value before and after voltage polarity reversal measured by the current measuring means when the voltage polarity is reversed by the voltage applying means;
The ionization energy supply means is provided between the ion detection electrodes, and is provided so as to supply the ionization energy in a range biased to one of the ion detection electrodes. In the volatile organic matter detector where a range in which the ionization energy is not supplied occurs,
The inner wall of the detection chamber is made of a conductor, and is provided with inner wall voltage application means capable of reversing the voltage polarity for applying a voltage lower than the voltage applied to the ion detection electrode to the inner wall. Features volatile organic matter detector.
前記イオン化工程によりイオン化されたイオンを所定電圧が印加された少なくとも1対のイオン検出用の電極により検出するイオン検出工程と、
前記内壁に対して、前記イオン検出用の電極に印加された所定電圧よりも低い電圧を印加する内壁電圧印加工程と、
前記イオン検出用の電極に流れる電流値を測定する電流値測定工程と、
前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性を反転させることで、その反転前後の前記イオン検出用の電極に流れる電流値から電流比を求め、当該電流比から前記揮発性有機物の拡散定数を算出する拡散定数算出工程と、
前記拡散定数算出工程において、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性が反転された際には、前記内壁電圧印加工程における前記内壁に対して印加する電圧の極性を判定させる内壁電圧印加反転工程と、
を含み、
前記イオン化工程は、前記イオン検出用の電極間であって、一方のイオン検出用の電極に偏倚した範囲に前記イオン化エネルギーを供給することで、前記イオン検出用の電極間に、前記イオン化エネルギーが供給されない範囲を生じさせるとともに、前記揮発性有機物に対してイオン化エネルギーを供給することを特徴とする揮発性有機物検出方法。 An ionization step of ionizing the volatile organic substance by supplying ionization energy to the volatile organic substance flowing into the detection chamber having an inner wall made of a conductor;
An ion detection step of detecting ions ionized by the ionization step with at least one pair of ion detection electrodes to which a predetermined voltage is applied;
An inner wall voltage application step of applying a voltage lower than a predetermined voltage applied to the ion detection electrode to the inner wall;
A current value measuring step of measuring a current value flowing through the ion detection electrode;
By inverting the polarity of the voltage applied to the ion detection electrode, the current ratio is obtained from the current value flowing through the ion detection electrode before and after the inversion, and the diffusion constant of the volatile organic matter is determined from the current ratio. A diffusion constant calculating step to calculate;
In the diffusion constant calculation step, when the polarity of the voltage applied to the ion detection electrode is reversed, the inner wall voltage application reversal for determining the polarity of the voltage applied to the inner wall in the inner wall voltage application step. Process,
Including
In the ionization process, the ionization energy is supplied between the ion detection electrodes by supplying the ionization energy to a range biased to one of the ion detection electrodes. A volatile organic matter detection method characterized by causing a range not to be supplied and supplying ionization energy to the volatile organic matter.
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