JP4051589B2

JP4051589B2 - ガス分析装置

Info

Publication number: JP4051589B2
Application number: JP17535199A
Authority: JP
Inventors: 玄松野
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2019-06-22
Also published as: JP2001004517A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相中のガス濃度およびガスの種類を判定するためのガス分析装置に関し、センサ素子の製造、経時劣化、などに伴う特性バランスのばらつきや変化を最小限に押さえ、温・湿度の影響を相殺したガス分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６のセンサセル１内には複数個の水晶振動子式においセンサ（以下単に、においセンサという）２ａ，２ｂ …が設置されている。それぞれのセンサの感応膜には、図７に示すようなそれぞれ異なる物質が塗布された互いに異なる特性を持つセンサが配置されている。
【０００３】
なお、恒温槽６には例えば香料などの測定サンプルが入れられた容器１０が配置され、容器内のサンプルはエア９によって気化されバルブ７、分配器８を介してセンサセル１内に導かれる。
【０００４】
各センサの出力端子は発振回路３を介して周波数カウンタ４に接続されており、水晶振動子式においセンサ２ａ，２ｂ …の出力は、共振周波数変化として測定される。各周波数カウンタ４の出力はコンピュータ（以下、単にＣＰＵという）５に入力されて演算処理が行われ、ガスの成分や濃度が表示される。
【０００５】
なお、ＣＰＵ５にはガスの成分や濃度と周波数との関係を示すテーブルが予め入力され、そのテーブルの数値と測定ガスの共振周波数に基づいてガスの成分や濃度が演算される。
【０００６】
即ち、センサセル１には、測定対象となるガスが供給され、そのとき各センサは、ガス中の特定成分（におい成分）の濃度に対し、各センサ（の感応膜）に特有の感度で出力が変化する。
【０００７】
どのセンサがどの程度変化するかという出力パターンは、におい成分ごとに固有であり、様々なにおい成分に対してどのような出力を示すかをあらかじめ調べてデータベースにしておけば、出力パターンを（ＣＰＵなどで）演算することによって、におい成分の種類を特定することができる。
【０００８】
上記と同じ構成で、におい成分に対する各センサの応答パターンの情報として、各センサの応答量だけでなく、各センサの過渡応答パターン、ないし応答速度情報を使用する例もある。
その場合、応答だけでなく、時定数情報もパターン判定に用いているため、パターン判別の精度が向上するという利点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例においては、互いに異なる特性を持った複数種類のセンサが必要となる。そのため、センサ間の感度比の調整、各センサの品質管理（製造時のばらつきを押さえるなど）が難かしいという問題がある。
【００１０】
また、各センサの開発に当たっては、特性の経時劣化がきわめて小さいか、均等に劣化が起こる材料を選定開発しなければならず、研究としては興味深いが、実用化を考えると大きなコストアップにつながるという問題がある。
【００１１】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、センサ素子の製造、経時劣化、などに伴う特性バランスのばらつきや変化を最小限に押さえるとともに、温・湿度の影響を相殺したガス分析装置を実現することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明では、請求項１においては、
水晶振動子の片面または両面にガス感応膜を製膜した構造の少なくとも２つの同一特性の水晶振動子式においセンサと、これらのガスセンサに同一のサンプルガスをそれぞれ異なった流速で供給するガス供給手段と、それぞれのセンサのサンプルガスに対する応答速度を測定する手段を備え、前記少なくとも２つのセンサにゼロガスを供給し次にサンプルガスを供給したとき、またはサンプルガスに濃度変化が生じたときに発生する応答速度の差からガスの成分を特定するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の要部断面構成図である。図において、１１，１２はセンサセル１３内に設置された同一特性の水晶振動子式においセンサである。センサ１１が設置されている部分は流路断面積が小さく、センサ１２が設置されている部分は流路断面積が大きく作られている。１４はガス供給口、１５はガス排気口、１６はセンサ１１の時定数及びその差を演算する演算器である。
【００１７】
上記の構成において、最初、ガス供給口１４からはゼロガスが供給され、各センサの出力はゼロ点で安定している。センサ１１とセンサ１２が設置されている個所は、それぞれ流路断面積が異なるため、各センサ素子表面での流速が異なる（センサ１１の方が流速が大きい）。
【００１８】
次にガス供給口１４からサンプルガスが供給される。センサ１１，センサ１２はそれぞれサンプルに対して応答を開始する。
図２はドデカン、ヘキサデカンに対する各センサの応答を示すもので、水晶振動子式においセンサの過渡応答（時定数）は、物質の種類と流速に依存することがわかる。
【００１９】
水晶振動子式においセンサの応答の絶対値（十分時間が経ったあとの出力）は、流速に依存しない。センサ１１，センサ１２は同じ特性のセンサ素子であるため、最終的にセンサ１１とセンサ１２の出力は同じ値になる。
【００２０】
図３は図２の応答の差成分、すなわち、（センサ１１−センサ１２）のトレンドである。この出力に、例えばローパスフィルタをかけることによって、出力のうち変化の速い成分を除去し、変化の遅い成分のみに注目することにすれば、サンプル中のドデカンの存在を無視してヘキサデカンの存在だけを検出することができる。
【００２１】
また、サンプル中にドデカンとヘキサデカンの何れがどの程度含まれているかわからず、かつ、サンプルの濃度変化が不明の場合（ステップ応答とは限らない場合）でも、例えばセンサ１２が図２中のカーブＢを示したときに、センサ１１の応答を見ることによって、サンプル中のガスの種類と濃度変化の両方を推定することが可能である。
【００２２】
すなわち、センサ１１が図２中のカーブＡのように変化すれば、ヘキサデカンのステップ状濃度変化であり、カーブＢの様に変化すれば（センサ１１とセンサ１２が遅れなく同様に変化すれば）、ドデカンがカーブＢ状に濃度変化していると推定できる。
【００２３】
図４はセンサ１１，センサ１２の「水」に対するステップ応答を示すもので、水に対する応答は図２のヘキサデカンに対する応答に比べて十分に時定数が小さいため、サンプルガス中に湿度変化があっても、ヘキサデカンに対する応答のみを測定することができる。
【００２４】
本システムは、センサ１１とセンサ１２に同じ特性のセンサを用いているため、センサ素子の製造、経時劣化、などに伴う特性バランスのばらつきや変化を最小限に押さえることが可能である。
【００２５】
また、どんなサンプルに対しても、最終的には両者の出力は同じになることを前提におくことができる。特に、温・湿度特性が同じであるため、温・湿度の影響を相殺して、目的のガスに対する応答を測定することができる。（ただし時定数がある程度以上大きいガスに対してのみ）
【００２６】
各センサに対するサンプルの流速を変える手段としては、本実施例のように、直列に流路を構成して同一流量のガスを流し、流路断面積の違いによって流速を変える方法のほかに、並列に接続した同一構造のセンサセルに対し、流量の異なるガスを流す方法、センサセル内に設置された２個のセンサのうち、片方のセンサをガス供給口のごく近くに設置し、センサ表面に直接ガスを吹き付ける方法などを用いてもよい。
【００２７】
図５は更に他の実施例を示すもので、２１は水晶振動子式においセンサ素子、２２は時定数演算器、２３はセンサセル、２４は吸気口、２５は排気口である。
最初、吸気口２４からはゼロガスが供給されている。次にサンプルガスが供給され、センサ２１の出力が立ち上がる。このとき、サンプルガスの濃度は一定で、濃度変動はないものとする。
【００２８】
時定数演算器２２はセンサ２１のステップ応答出力から、時定数τを演算する。
時定数と物質の種類の間には、例えば図８のような関係がある。応答の絶対値はガスの濃度に比例するが、時定数はガスの種類に依存する。これにより、サンプル中に含まれるガスの濃度と種類を判定することができる（このセンサでは、時定数はガス分子の沸点にほぼ依存するため、ガスの沸点と種類を知ることができることになる）。
【００２９】
時定数の判定は、上述のように、ゼロガスから一定濃度のサンプルに切り替えたときの立ち上がりの過渡応答から演算する方法のほかに、サンプルからゼロガスへの立ち下がりの過渡応答を用いることもできる。この場合、測定中のサンプルガス濃度は一定でなくても、概略の時定数を演算することができる。また、他の方法として、サンプルガスとゼロガスを交互に適当な周期で切り替え、出力の振幅を観測する、すなわち周波数応答を利用する方法も可能である。
【００３０】
なお、本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した様に本発明によれば、
水晶振動子の片面または両面にガス感応膜を製膜した構造の少なくとも２つの同一特性の水晶振動子式においセンサと、これらのガスセンサに同一のサンプルガスをそれぞれ異なった流速で供給するガス供給手段と、それぞれのセンサのサンプルガスに対する応答速度を測定する手段を備え、前記少なくとも２つのセンサにゼロガスを供給し次にサンプルガスを供給したとき、またはサンプルガスに濃度変化が生じたときに発生する応答速度の差からガスの成分を特定するようにしたので、センサ素子の製造、経時劣化、などに伴う特性バランスのばらつきや変化を最小限に押さえるとともに、温・湿度の影響を相殺したガス分析装置を実現することができる。
【００３２】
また、センサセル内に設置されたガスセンサ素子と、このガスセンサにゼロガスとサンプルガスを所定の時間間隔で供給するガス供給手段と、前記ガスセンサのステップ応答出力から時定数を演算する時定数演算手段を備えているので、センサ素子ひとつでもガスの種類と濃度を同時に測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガス分析装置の実施の形態の一例を示す要部断面構成図である。
【図２】異なる２つのガス成分に対する各センサの応答を示す図である。
【図３】図２のセンサの応答の差成分のトレンドを示す図である。
【図４】２つのセンサ水に対するステップ応答を示す図である。
【図５】他の実施例を示す図である。
【図６】従来のガス分析装置の一例を示す図である。
【図７】脂質膜（感応膜）の種類を示す図である。
【図８】におい成分の沸点と時定数の関係を示す図である。
【符号の説明】
１，１３，２３センサセル
２，１１，１２，２１ガスセンサ（水晶振動子）
３発振回路
４周波数カウンタ
５ＣＰＵ
６恒温槽
７バルブ
８分配器
１４，２４ガス供給口
１５，２５ガス排出口
１６時定数及び差演算器
２２時定数演算器

Claims

水晶振動子の片面または両面にガス感応膜を製膜した構造の少なくとも２つの同一特性の水晶振動子式においセンサと、これらのガスセンサに同一のサンプルガスをそれぞれ異なった流速で供給するガス供給手段と、それぞれのセンサのサンプルガスに対する応答速度を測定する手段を備え、前記少なくとも２つのセンサにゼロガスを供給し次にサンプルガスを供給したとき、またはサンプルガスに濃度変化が生じたときに発生する応答速度の差からガスの成分を特定するようにしたことを特徴とするガス分析装置。