JP3679065B2 - 大気中のガス濃度測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気中に含まれる特定のガスの濃度を測定する大気中のガス濃度測定装置に関し、特にラジオゾンデにより地上から数千メートル上空に至る二酸化炭素の濃度を測定することにより、大気中の二酸化炭素濃度の濃度分布等を解析するのに好適な大気中のガス濃度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球規模の大きな環境問題の一つとして、大気中での二酸化炭素の増大による地球温暖化の問題が指摘されている。この問題は、化石燃料の消費、バイオマス燃焼、農業活動等の人為的な原因で地球上に発生する二酸化炭素が、いわゆる地球規模の温室効果をもたらすとういものである。この二酸化炭素の温室効果により、大気の温度が上昇して地球全体が温暖化し、異常気象が生じたり、極地の氷山が溶けて海水面の上昇をもたらすという深刻な問題をもたらす。
【０００３】
このような地球の環境に影響を与える大気中の二酸化炭素の状態を把握するためには、大気中の二酸化炭素の濃度を測定することが必要となる。それも、地上から上空に至る二酸化炭素の濃度分布、いわゆる垂直濃度分布を測定することが必要とされる。
【０００４】
従来、地上から上空に至るまでの大気の状態を観測する手段として、気球を使用したラジオゾンデによる観測システムがある。このラジオゾンデは、本来が気象観測のため上空観測システムとして開発されたものであり、ヘリウムガスを使用した気球によりゾンデを上空高くまで上昇させ、その上昇過程あるいは上昇した上空で様々な大気や気象の観測を行うことを目的とする。観測データはゾンデから電波で発信し、これを地上で受信してデータ処理を行う。
【０００５】
大気中の特定物質を検出し、測定を行うには、ゾンデにセンサを搭載し、そのセンサにより物質を検出し、測定をした結果をゾンデに搭載した発信器より発信し、地上でこれを受信してデータ処理を行う。
現在、大気中に含まれる二酸化炭素濃度を測定する手段としては、セラミクス系の固体電解質を使用した二酸化炭素センサを使用するものが一般的である。この固体電解質を使用した二酸化炭素センサは、固体電解質が二酸化炭素ガスを電離、分解するときに固体電解質中に発生する起電力により二酸化炭素の濃度を測定するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、この固体電解質を使用した二酸化炭素センサに発生する起電力は、二酸化炭素の濃度に依存するだけでなく、その固体電解質の温度にも大きく依存する。特に、気球を使用したラジオゾンデによる二酸化炭素濃度の測定においては、ゾンデが位置する高度の違いにより、大気の温度が大きく異なるため、二酸化炭素センサの温度依存性は、その測定値に大きな影響を与えることになる。
【０００７】
固体電解質の温度依存性による起電力の相違については、予め固体電解質に生じる起電力と温度との関係を把握しておき、温度変動により生じる測定値の違いを補正するような補償を行う手段が考えられる。しかし、温度の違いによる測定値の補償は、有効且つ必要ではあるが、大きな温度の違いがあると、それだけでは正確な二酸化炭素の濃度を測定できない。
【０００８】
そこで本件発明者らは、固体電解質を使用した二酸化炭素センサの温度を一定に維持するため、氷により維持される±０℃の恒温雰囲気の中に二酸化炭素センサを収納し、そこに大気を導入し、その大気中の二酸化炭素濃度を測定する手段について検討を行った。
【０００９】
しかし、このような手段では、二酸化炭素の測定環境温度が±０℃付近と低いため、固体電解質中に生じる起電力が小さくなる。その結果、十分高い精度で二酸化炭素濃度を測定出来ないことが明らかになった。
本発明は、気球を使用したラジオゾンデによる二酸化炭素濃度測定における前述の課題に鑑み、より高い精度で二酸化炭素濃度を測定することが出来る大気中のガス濃度測定装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明では、固体電解質を使用したガスセンサを一定の温度下に置くだけではなく、それにより測定される大気をも一定温度下に制御することが有効であるとの見地から、固体電解質を使用したガスセンサの雰囲気温度だけでなく、それにより測定される大気の温度もヒータで加熱しながら、その温度が一定になるように制御するようにしたものである。
【００１１】
すなわち、本発明による大気中のガス濃度測定装置は、外部から取り入れた大気を通過させるセンサ室１２と、このセンサ室１２の中に配置されたガスセンサ１３と、このセンサ室１２を通過する大気を加熱するヒータ１６と、このセンサ室１２内のガスセンサ１３付近の温度を測定する温度計１５と、この温度計１５により測定されるガスセンサ１３付近の温度により前記ヒータ１６の発熱温度を制御する温度制御回路２８とを有し、この温度制御回路２８でセンサ室１２を通過する大気を一定温度に調整するものである。
【００１２】
例えば、センサ室１２は、大気を取り入れる大気導入口４８から大気を排気する大気排気口４９に至る大気通路４７の途中に設けられており、この大気通路４７において、そこを通過する大気の流量が制御され、さらにセンサ室１２の内部の大気の圧力が制御される。
【００１３】
さらに、前記のようなセンサ室１２を通過する大気を加熱するヒータ１６の他に、このセンサ室１２内のガスセンサ１３を直接加熱するヒータ１４を設け、このヒータ１４の発熱温度を温度制御回路２８で制御することにより、ガスセンサ１３を一定の温度に調整する。
【００１４】
このような本発明による大気中のガス濃度測定装置では、ガスセンサ１３を一定の温度に調整するだけでなく、それにより測定される大気もヒータ１６で加熱しながら一定の温度に調整するため、ガスセンサ１３とそれにより測定される大気の温度変動の双方に影響を受けることなく、大気中に含まれる特定のガスの濃度を正確に測定することが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１は、本発明による気球を使用したラジオゾンデ観測システムの全体を示すものである。
【００１６】
図１に示すように、この観測システムは、気球５４により地上から上空に至るまで上昇され、その間で大気中の特定ガス成分の濃度を測定し、その測定結果を電波として発信する観測部Ａと、この観測部Ａで得られた観測データの電波を受信し、その観測データを処理する地上の観測データ受信処理部Ｂとを有する。
【００１７】
観測部Ａは、円筒形のケースの中に収納されたラジオゾンデシステムであり、これがヘリウムガスを充填した気球５４に接続され、吊り下げられている。さらにこの観測部Ａは、ライン５３に係留され、このライン５３は、ラインリード竿５２を通して動力付きのリール５１に巻回されている。このリール５１がラインリード竿５２を通してライン５３を繰り出しすことにより、気球５４の浮力により、観測部Ａを地上から高度数百ｍ程度の上空に至るまで上昇させることができる。その後、リール５１がラインリード竿５２を通してライン５３を巻き取ることにより、観測部Ａを下降させて、地上に回収するることが出来る。
【００１８】
後述するように、観測部Ａは外部から大気を取り込んでその特定成分のガスの濃度を測定する機能を有する装置を搭載している。具体的には二酸化炭素の濃度を測定する機能を有する装置を搭載している。そしてその測定結果は、観測部Ａに備えた図示してないアンテナから地上のデータ受信処理部Ｂへ向けて電波により発信される。
【００１９】
データ受信処理部Ｂでは、前記の観測部Ａから発射された測定結果の電波を、アンテナ４１を通して受信器４２で受信し、これをパソコン４５で処理し、測定結果のデータ処理と解析を行う。また、パソコン４４は、受信器４２の設定やその受信器４２の受信状態のモニタリングを行う。これら受信部４２とパソコン４４、４５は、ＡＣ電源４６により駆動される。
【００２０】
図２は、前述の観測部Ａと観測データ受信処理部Ｂを示す概念図である。特に、観測部Ａについては、大気の導入から排気に至る配管系統図と観測及び各種の制御をする観測制御回路のブロック図を併せて示している。
前者の観測部Ａは、エア制御部１、センサ部２、電源部３、環境計測部４、信号処理部５及び送信部６を備えている。このうち、センサ部２は、エア制御部１の中に含まれている。
【００２１】
電源部３は、バッテリ１９とＡＣ／ＤＣコンバータ２０を備えている。この電源部は、各機器及び回路に電力を供給する。
環境計測部４には、大気圧を測定する気圧計３１、大気の温度を測定する温度計３２、大気の湿度を測定する湿度計３３が設けられている。これらの気圧計３１、温度計３２及び湿度計３３でそれぞれ測定された大気圧、大気温度、大気湿度は、信号処理部５の大気計測回路２３に送られ、ここでそれぞれ信号として処理される。さらにこの信号はＡ／Ｄ変換回路に送られ、その信号がデジタル振動に変換される。
【００２２】
エア制御部１には、外部から大気を取り入れる大気導入口４８から観測済みの大気を排気する大気排気口４９に至る大気通路４７を有している。この大気通路４７には、前記バッテリ１９により駆動される大気導入ポンプ８が設けられており、さらにこの大気導入ポンプ８には脈動吸収器９が設けられている。この大気導入ポンプ８の駆動により前記大気導入口４８から大気通路４７に大気が取り込まれると共に、脈動吸収器９により大気導入ポンプ８の駆動時の大気の圧力の変動、いわゆる脈動が吸収され、均一な圧力で大気が取り込まれる。
【００２３】
大気通路４７の前記大気導入ポンプ８の先には、流量バルブ１０と流量計１１が接続されている。大気通路４７を流れる大気の流量は、流量計１１により測定され、その測定値が流量制御回路２７に送られ、大気通路４７を流れる大気の流量が所定の値になるように流量バルブ１０が調整される。また、前記流量計１１により測定された流量測定値は、流量制御回路２７において測定値信号として処理された後、この信号がＡ／Ｄ変換回路２４に送られ、そこでデジタル信号に変換される。
【００２４】
大気通路４７の前記流量計１１の先は、センサ部２のセンサ室１２に接続されている。このセンサ部２の構成については後に詳しく説明するが、小さな容積のセンサ室１２内には、イットリウム安定化ジルコニア等のセラミック系の固体電解質からなるセンサ１３と、センサ室１２内のセンサ１３近傍の温度を測定する温度計１５と、センサ１３を加熱するヒータ１４が配置されている。
【００２５】
センサ１３には、アンプ回路２９が接続され、センサ１３で発生する起電力はこのアンプ回路２９で増幅され、信号として処理される。この信号は前記Ａ／Ｄ変換回路２４に送られ、そこでデジタル信号に変換される。
センサ室１２の壁面には前記のヒータ１４とは別にヒータ１６が設けられている。前記のヒータ１４は、センサ室１２の中にあってセンサ１３を直接加熱するものであるが、後者のヒータ１６は、センサ室１２の外部からその内部に導入された大気を加熱するものである。これらヒータ１４とヒータ１６は、前記温度計１５により測定されるセンサ室１２内のセンサ１３近傍の温度測定値を基にして、温度制御回路２８により制御される。この制御により、センサ１３とセンサ室１２内の温度が所定の値になるように調整される。
【００２６】
センサ室１２には気圧計１７が接続されている。また、このセンサ室には、大気通路４７の終端である大気排気口４９側に圧力バルブ１８が接続されている。センサ室１２の内部の気圧は前記気圧計１７により測定され、その測定値が圧力制御回路３０に送られ、センサ室１２内の気圧が所定の値になるように圧力バルブ１８が調整される。また、前記気圧計１７により測定されたセンサ室１２の気圧は、圧力制御回路３０により測定値信号として処理され、さらにこの信号がＡ／Ｄ変換回路２４でデジタル信号に変換される。
【００２７】
このように、気圧計３１で測定された外部の大気圧、温度計３２で測定された外部の大気温度、湿度計３３で測定された外部の大気湿度は、大気計測回路２３で信号として処理され、これらの信号がＡ／Ｄ変換器でデジタル振動に変換される。同様にして大気通路４７を通してセンサ室１２に送られる大気の流量が流量計１１で測定され、センサ室１２内の大気温度が温度計１３で測定され、センサ室１２内の気圧が気圧計１７で測定される。これらの測定値はそれぞれ流量制御回路２７、温度制御回路２８及び圧力制御回路３０で信号として処理された後、Ａ／Ｄ変換器２４でデジタル振動に変換される。
【００２８】
これらの各測定値の信号は、Ａ／Ｄ変換器２４から送信部６の信号変換回路２５に送られ、ここで送信用信号として変換された後、送信機２６から送信される。
既に述べた通り、前記の観測部Ａの送信機２６から電波として送信された測定データ信号は、データ受信処理部Ｂでアンテナ４１を通して受信器４２で受信し、このデータがモデム４３を介してパソコン４５に取り込まれ、測定結果のデータ処理と解析が行われる。またパソコン４４により、受信器４２の設定と受信状態のモニタを行う。これら受信部４２とパソコン４４、４５は、ＡＣ電源４６により駆動される。
【００２９】
次に、図３と図４とにより、センサ部２のより詳細な構造について説明する。図４に示すように、センサ室１２は、図において下端が開口した円筒キャップ状のものであり、内周に雌ネジが切られている。このセンサ室１２の上端寄りの位置には、大気導入ポート６５、大気排出ポート６６及び気圧計接続ポート６７が設けられている。さらに、センサ室１２の上端面には、発熱線を螺旋状に曲げたヒータ１６が設けられている。
【００３０】
このキャップ状のセンサ室１２にねじ込まれる雄ネジを持ったセンサ台座７２を有しており、このセンサ台座７２の基部にフランジ７４が設けられている。図４の右側のＡ部拡大図に示すように、センサ台座７２の上にはヒータ１４が設けられ、その上にセラミック系の固体電解質からなるガスセンサ１３が設けられている。さらに、このガスセンサ１３の上にヒータ１５が設けられている。
【００３１】
図４の左側の図に示すように、センサ台座７２の下には、アンプ回路２９を構成するプリント配線基板７５が取り付けられている。このプリント配線基板７５の下端には、ソケット端子７３ａが設けられ、このソケット端子７３ａにリード線７１を接続したソケット端子７３ｂが着脱自在に取り付けられるようになっており、このソケット７３ａ、７３ｂの接続により、プリント配線基板７５上に構成されたアンプ回路２９がリード線７１を介して電源回路４や信号処理部５と接続される。
【００３２】
図４の左側の図の状態から前記のセンサ台座７２のフランジ７４がセンサ室１２の開口部の縁に当たるまで、同センサ台座７２をセンサ室１２の中にねじ込む。これにより、センサ室１２の下端が閉じられると共に、ガスセンサ１３がセンサ室１２内に配置される。
【００３３】
この状態から、図３に示すように、プリント配線基板７５を覆うように、円筒形のケース６１が被せられ、このケース６１の上端が前記センサ室１２の下端側に嵌め込まれる。さらにこのケース６１の下端には、キャップ６２が被せられ、ケース６１の下端が閉じられると共に、キャップ６２の中央の孔からリード線７１が引き出される。
【００３４】
センサ室１２の大気導入ポート６５に前記大気通路４７の流入側配管６９が接続されている。図３に示した例では、この大気通路４７の流入側配管６８がケース６１の下端側からその外周側に数回コイル状に巻いた状態でセンサ室１２側に案内され、その上端がセンサ室１２の大気導入ポート６５に接続されている。
【００３５】
他方、センサ室１２の大気排出ポート６６に前記大気通路４７の流出側配管６９が接続されている。さらに、センサ室１２の気圧計接続ポート６７には気圧計接続配管７０を介して図１に示した気圧計１７が接続されている。
図３に示すように、これらの配管６８、６９、７０がセンサ室１２に接続された状態で、センサ室１２とケース６２とは、グラスウール等の断熱材６４にで囲まれると共に、この断熱材６４と共に外側ケース６３に収納されている。前記の配管６８、６９、７０とリード線７１は、これら断熱材６４と外側ケース６３を貫通して外部に引き出され、それぞれ前述したように接続されている。なお、図３には図示してないが、ヒータ１６のリード線も同様にして断熱材６４と外側ケース６３を貫通して外部に引き出され、温度制御回路２８を介して電源回路３に接続される。
【００３６】
前述したように、センサ台座７２に取り付けられた図４の右側の図に示すヒータ１４は、ガスセンサ１３を直接加熱する。他方、センサ室１２の外端面に設けられた図３に示すヒータ１６は、センサ室１２内に導入された大気を加熱する。何れもセンサ室１２内に配置される図４の右側の図に示す温度計１５により測定される温度を基に図２に示す温度制御回路２８により制御され、それぞれ所定の温度になるよう調整される。
【００３７】
なお、前述した実施形態では、主として大気中の二酸化炭素濃度を測定する場合の例を説明したが、ガスセンサの種類を二酸化炭素濃度以外に、例えばオゾン濃度や酸素濃度等、他のガス濃度を測定するシステムに適用できることは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明による大気中のガス濃度測定装置では、ガスセンサ１３を一定の温度に調整するだけでなく、それにより測定される大気の温度も一定の温度に調整するため、大気の温度変化が大きい気球を使用したラジオゾンデ観測システムにあっても、ガスセンサ１３とそれにより測定される大気との温度変動を無くし、大気中に含まれる特定のガスの濃度を正確に測定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による大気中のガス濃度測定装置の一実施形態として、気球を使用したラジオゾンデ観測システムの例を示す概念図である。
【図２】同大気中のガス濃度測定装置の一実施形態の観測部と観測データ受信処理部を示す配管系統図、観測及び各種の制御をする観測制御回路のブロック図及び機器構成を示す概念図である。
【図３】同大気中のガス濃度測定装置の一実施形態のセンサ部の具体的構成を示す外部ケースと断熱材を断面した要部側面図である。
【図４】同大気中のガス濃度測定装置の一実施形態のセンサ部の要部の内部構造を示すセンサ室のみを断面した分解側面図とそのＡ部拡大図である。
【符号の説明】
１２ センサ室
１３ ガスセンサ
１５ 温度計
１６ ヒータ
２８ 温度制御回路
４７ 大気通路
４８ 大気通路の大気導入口
４９ 大気通路の大気排気口

Claims (5)

1. 大気中に含まれる特定のガスの濃度を測定する装置であって、外部から取り入れた大気を通過させるセンサ室（１２）と、このセンサ室（１２）の中に配置されたガスセンサ（１３）と、このセンサ室（１２）を通過する大気を加熱するヒータ（１６）と、このセンサ室（１２）内のガスセンサ（１３）付近の温度を測定する温度計（１５）と、この温度計（１５）により測定されるガスセンサ（１３）付近の温度により前記ヒータ（１６）の発熱温度を制御する温度制御回路（２８）とを有し、この温度制御回路（２８）でセンサ室（１２）を通過する大気を一定温度に調整することを特徴とする大気中のガス濃度測定装置。
2. センサ室（１２）は、大気を取り入れる大気導入口（４８）から大気を排気する大気排気口（４９）に至る大気通路（４７）の途中に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の大気中のガス濃度測定装置。
3. センサ室（１２）を通過する大気を加熱するヒータ（１６）の他に、このセンサ室（１２）内のガスセンサ（１３）を直接加熱するヒータ（１４）を有し、このヒータ（１４）の発熱温度を温度制御回路（２８）で制御することにより、ガスセンサ（１３）の温度を一定に調整することを特徴とする請求項１または２に記載の大気中のガス濃度測定装置。
4. 大気通路（４７）は流量計（１１）を有し、この流量計（１１）で測定される大気の流量により、流量調整バルブ（１０）を制御して大気通路（４７）の大気の流量を調整する流量制御回路（２７）を有することを特徴とする請求項２に記載の大気中のガス濃度測定装置。
5. センサ室（１２）には圧力計（１７）が接続され、この圧力計（１７）により測定されたセンサ室（１２）内の圧力により圧力調整バルブ（１８）を制御して、センサ室（１２）内の圧力を調整する圧力制御回路（３０）を有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の大気中のガス濃度測定装置。

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