JP4475971B2 - 匂い測定方法及び匂い測定システム - Google Patents
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Description
ところが、上記測定対象の臭気は、一般にその匂いの強度が強い場合が多い。そのため、その臭気の強さが匂い測定装置の測定範囲を超えてしまい、臭気指数や臭気濃度等の匂い強度の測定ができない場合があるという問題点があった。また、匂いセンサーが強い臭気に連続してさらされることにより、匂いセンサーの寿命が短くなってしまうという問題点もあった。
ここで、上記「匂い強度」は匂いの強さを表すパラメータである。この「匂い強度」としては、例えば臭気指数や臭気濃度が挙げられる。また、上記「希釈条件」としては、被測定気体の希釈に用いる気体の種類や希釈倍率等がある。希釈倍率nは、希釈前の気体の体積に対する希釈後の気体の体積の比で定義される。例えば、希釈前の気体の体積をV1とし、希釈後の気体の体積をV2とすると、希釈倍率nはV2/V1で表される。
また、請求項2の発明は、被測定気体の匂い強度を測定する匂い測定システムであって、被測定気体を所定の希釈条件で希釈する希釈処理部と、該被測定気体を希釈した希釈気体を収容する測定チェンバーと、該測定チェンバー内の該希釈気体の匂いを検知する匂いセンサーと、該匂いセンサーの出力値と該希釈条件とに基づいて、該被測定気体の匂い強度を算出するデータ処理部とを備えたことを特徴とするものである。
また、請求項3の発明は、請求項2の匂い測定システムにおいて、上記希釈処理部を、被測定気体を収容する被測定気体用チェンバーと無臭標準気体を収容する無臭標準気体用チェンバーと、希釈混合チェンバーとを用い、該被測定気体用チェンバー内に収容されている被測定気体と該無臭標準気体用チェンバー内に収容されている無臭標準気体とを所定の希釈倍率nの体積比で該希釈混合チェンバーに導入して混合希釈し、該希釈混合チェンバー内の希釈気体を上記測定チェンバーに導入するように構成し、上記希釈条件が、上記被測定気体を上記無臭標準気体で希釈したときの希釈倍率nであることを特徴とするものである。
また、請求項4の発明は、請求項3の匂い測定システムにおいて、上記希釈処理部を、上記測定チェンバー内の希釈気体を上記被測定気体用チェンバーに戻すように構成したことを特徴とするものである。
また、請求項5の発明は、請求項2の匂い測定システムにおいて、上記希釈処理部を、無臭標準気体を収容した無臭標準気体容器と、上記被測定気体と該無臭標準気体容器内の無臭標準気体とを互いに独立に設定した流量で上記測定チェンバーに導入する気体混合導入部とを用いて構成し、上記希釈条件が該被測定気体の流量及び該無臭標準気体の流量であることを特徴とするものである。
また、請求項6の発明は、請求項2乃至5のいずれかの匂い測定システムにおいて、互いに異なる複数の匂い強度について既知の気体の匂い測定を行ったときの匂いセンサーの出力値及び希釈条件と該匂い強度とからなる複数組のデータセットを記憶するデータ記憶部を備え、上記データ処理部は、上記被測定気体について測定したときの上記匂いセンサーの出力値及び上記希釈条件のデータセットと、該データ記憶部に記憶している該データセットとに基づいて、該被測定気体の匂い強度を算出するようにデータ処理することを特徴とするものである。
請求項2の匂い測定システムでは、被測定気体を希釈処理部で希釈し、希釈後の希釈気体を測定チェンバーに収容する。この測定チェンバー内の希釈気体を匂いセンサーで検知することにより、匂い強度が強い臭気の匂い強度を連続して測定する場合でも匂いセンサーの劣化を抑えることができる。しかも、被測定気体に対する希釈倍率n等の希釈条件と、その被測定気体の希釈前後の匂い強度との間には一定の関係がある。この関係を利用し、データ処理部により、被測定気体を希釈したときの希釈条件と、上記希釈後の相対的に高い検知感度範囲で検知した匂いセンサーの出力値と基づいて、希釈前の被測定気体の匂い強度を算出する。
請求項3の匂い測定システムでは、被測定気体用チェンバーに被測定気体を収容し、無臭標準気体用チェンバーに無臭標準気体を収容する。そして、希釈気体導入部により、被測定気体用チェンバー内に収容されている被測定気体と無臭標準気体用チェンバー内に収容されている無臭標準気体とを所定の希釈倍率nになる体積比で混合希釈した希釈気体を、測定チェンバーに導入して収容する。このように測定チェンバーには、無臭標準気体によって被測定気体が所定の希釈倍率nで希釈された希釈気体が収容される。
請求項4の匂い測定システムでは、測定チェンバー内の希釈気体を被測定気体用チェンバーに戻して収容する。この被測定気体用チェンバーに戻された気体は、被測定気体を希釈倍率nで希釈した希釈気体であり、更に希釈倍率nで希釈することができる。その結果、最初の被測定気体は、希釈倍率n2で希釈されて測定チェンバーに収容される。ここで、希釈気体を被測定気体用チェンバーに戻して再度処理する回数をmとすると、最初の被測定気体は、希釈倍率n(m+1)で希釈されて測定チェンバーに収容される。このように希釈気体導入部での1回あたりの希釈における希釈倍率が小さい場合でも、被測定気体を高い希釈倍率で希釈して匂い強度を測定できる。
請求項5の匂い測定システムでは、被測定気体と無臭標準気体容器内の無臭標準気体とを互いに独立に設定した希釈条件としての流量で測定チェンバーに導入する。この測定チェンバーに導入するときの被測定気体の流量と無臭標準気体の流量を調整して両気体間の流量の関係を変えると、測定チェンバーに収容する希釈気体の希釈倍率が変わる。
請求項6の匂い測定システムでは、互いに異なる複数の匂い強度について既知の気体の匂い測定を行ったときの匂いセンサーの出力値及び希釈条件と該匂い強度とからなる複数組のデータセットを予めデータ記憶部に記憶しておく。そして、匂い強度が不明な被測定気体を所定の希釈条件で希釈し、その希釈気体について測定したときの匂いセンサーの出力値及び希釈条件と、上記データ記憶部に記憶しているデータセットとに基づいて、被測定気体の匂い強度を算出する。このように被測定気体の匂い強度の算出に、単一の直線的な検量線ではなく、上記複数の匂い強度について測定したときのデータセットを用いることにより、匂いセンサーの出力値と匂い強度との関係が線形の関係にない場合でも、被測定気体の匂い強度を正確に算出して測定できる。
特に、請求項3の発明によれば、所定の容積を有する被測定気体用チェンバー及び無臭標準気体用チェンバーそれぞれに収容した被測定気体と無臭標準気体とを混合して測定チェンバーに導入するという気体処理により、被測定気体を所定の希釈倍率nで希釈することができるという効果がある。
特に、請求項4の発明によれば、1回あたりの希釈における希釈倍率が小さい場合でも、被測定気体を高い希釈倍率で希釈して匂い強度を測定できるという効果がある。
特に、請求項5の発明によれば、測定チェンバーに導入するときの被測定気体の流量と無臭標準気体の流量を調整して両気体間の流量の関係を変えることにより、測定チェンバーに収容する希釈気体の希釈倍率を任意に変えることができる。しかも、所定の容積を有する被測定気体用チェンバーや無臭標準気体用チェンバーを備える必要がないという効果がある。
特に、請求項6の発明によれば、匂いセンサーの出力値と希釈条件及び匂い強度との関係が線形の関係にない場合でも、被測定気体の匂い強度を正確に算出して測定できるという効果がある。
まず、本発明の実施形態に係るチェンバー型自動希釈機構を備えた匂い測定システムの全体構成について説明する。図1は本発明の実施形態に係る匂い測定システムの全体構成図である。この匂い測定システムは、匂い測定装置10と、希釈処理部20と、採取気体導入部30とを備えている。
匂い測定装置10は、測定チェンバー11とセンサー信号処理部12とデータ処理部としての演算制御部13とデータ記憶部14と表示部15と内蔵ポンプ17とを備えている。内蔵ポンプ17としては、例えばエアーポンプやダイアフラム式のマイクロポンプを用いることができる。
測定チェンバー11は、被測定気体を希釈した希釈気体を収容するものであり、希釈気体の匂いを検知する複数の匂いセンサー16A、16Bを内蔵している。なお、本実施形態では、2種類の匂いセンサー16A、16Bが内部に取り付けられているが、測定対象の気体の種類に応じて1種類の匂いセンサーや3種類以上の匂いセンサーを取り付けるように構成してもよい。例えば、4種類の匂いセンサーを内部に取り付けることにより、多様な匂いの種類とその匂いの強度を同時に測定できるようにしてもよい。
これらの匂いセンサーの中で、金属酸化物半導体を用いた匂いセンサーは、耐久性、耐環境性、再現性、応答速度が良い上に、測定濃度範囲が広い。また、この金属酸化物半導体を用いた匂いセンサーは、匂い分子の濃度(匂いガス濃度)に対して対数関数に近い感度特性を持っている。すなわち、この金属酸化物半導体を用いた匂いセンサーの匂いガス濃度Xに対するセンサー出力信号電圧(感応出力)Yは、次式のように対数関数で近似できる。ここで、式中のKは匂いの種類などによって異なる定数である。
なお、測定データや匂い強度等の演算結果を外部のコンピュータ等で利用できるように、外部のコンピュータ等との間におけるデータ送受信のための通信を制御する通信制御部を設けてもよい。
上記チェンバー等は、図1に示すようにパイプやホース等で連結され、所定位置に三方切替電磁弁211、215や通常の気体通過ON/OFF用の電磁弁212〜214、216〜220が取り付けられている。
まず、三方切替電磁弁32を流路B−Cが連通するように制御し、三方切替電磁弁211、215を流路A−Bが連通するように制御するとともに、各電磁弁212〜214、216〜220をオンするように制御する。この状態で真空ポンプ206を動作させておくことにより、各チェンバー11、201〜203、205内を無臭空気で洗浄する。所定時間だけ洗浄動作を実行した後、各電磁弁212〜214、216〜220をオフするように制御する。このとき各チェンバー11、201〜203、205は最小容積になり、それらの内部気圧は所定気圧まで低下している。
次に、採取気体導入部30の三方切替電磁弁32を流路A−Bが連通するように制御するとともに、電磁弁216と試料チェンバー201の気体導入ポンプ201aと無臭空気チェンバー203の気体導入ポンプ203aとをオンするように制御する。これにより、試料チェンバー201内に所定体積(V/n)の被測定気体を導入するとともに、無臭空気タンク204に収容されている所定体積{(n−1)・V/n}の無臭標準気体としての無臭空気を無臭空気チェンバー202内に導入する。その後、試料チェンバー201内が被測定気体で満たされ且つ無臭空気チェンバー202内が無臭空気で満たされ、各チェンバー201,202の容積が最大容積になったタイミングで、各気体導入ポンプ201a,202aをオフするように制御する。そして、三方切替電磁弁211を流路A−Cが連通するように制御する。以上により、試料チェンバー201内には所定体積(V/n)の被測定気体がほぼ大気圧で収容され、無臭空気チェンバー202内には所定体積{(n−1)・V/n}の無臭空気がほぼ大気圧で収容される。
また、上記試料チェンバー201及び無臭空気チェンバー202への気体導入制御にあわせて、電磁弁219をオンするように制御することにより、排気チェンバー205を介して希釈混合チェンバー203内の気体を排出し、所定の気圧まで真空引きする。その後、電磁弁219をオフするように制御する。このとき、希釈混合チェンバー203の容積は所定の最小容積(0リットル)まで低下している。
次に、電磁弁212、213をオンするように制御するとともに、希釈混合チェンバー203の気体導入ポンプ203a,203bをそれぞれ所定時間だけオンするように制御する。これにより、試料チェンバー201内の被測定気体と無臭空気チェンバー202内の無臭空気とが希釈混合チェンバー203内に流れ込む。この気体導入は、試料チェンバー201及び無臭空気チェンバー202それぞれの容積が最小容積(0リットル)になるまで続けられる。このとき、被測定気体と無臭空気とが1:2の割合で希釈混合チェンバー203内に流れ込み、被測定気体が希釈倍率3で希釈された希釈気体がほぼ大気圧で容積V/2の希釈混合チェンバー203内に収容される。その後、電磁弁212、213をオフするように制御するとともに、希釈混合チェンバー203の気体導入ポンプ203a,203bをオフするように制御する。
次に、三方切替電磁弁211を流路A−Bが連通するように制御するとともに、電磁弁214、220及び内蔵ポンプ17をオンするように制御する。これにより、希釈混合チェンバー203内の希釈気体が測定チャンバー11内に導入される。その後、所定のタイミングで各三方切替電磁弁215を流路B−Cが連通するように制御するとともに、電磁弁214、220及び内蔵ポンプ17をオフするように制御する。
以上により、測定チェンバー11内が密閉空間になり、被測定気体が希釈倍率3で希釈された希釈気体をほぼ大気圧で測定チャンバー11内に収容し、被測定気体の匂い測定を開始することができる。
例えば、排気チェンバー205内に収容した希釈倍率nの希釈気体を、三方切替電磁弁211を介して試料チェンバー201内に戻す。そして、前述と同様な無臭空気による希釈動作を実行することにより、被測定気体が希釈倍率n2(上記例のようにn=3の場合は32=9)で希釈された希釈気体をほぼ大気圧で希釈混合チェンバー203に収容し、その希釈倍率n2の希釈気体を測定チャンバー11に導入することができる。この希釈動作を繰り返していくと、被測定気体を希釈倍率nm(mは希釈回数)で希釈することができる。
また、希釈混合チェンバー203内に無臭空気を追加導入することにより、被測定気体の希釈倍率を高めるようにしてもよい。例えば、上記希釈混合チェンバー203から希釈倍率nの希釈気体を排出し、希釈混合チェンバー203の容積を最大容積の1/2まで低下させる。そして、その容積の低下分と同じ量の無臭空気を無臭空気チェンバー202から導入する。これにより、被測定気体が希釈倍率n2(上記例のようにn=3の場合は32=9)で希釈された希釈気体をほぼ大気圧で希釈混合チェンバー203に収容し、その希釈倍率n2の希釈気体を測定チャンバー11に導入することができる。
まず、測定対象の匂いの測定に先立って、測定チェンバー11に無臭標準気体を導入し、各匂いセンサー16A,16Bの出力信号を測定する。この測定値のデータは、演算制御部13内のメモリに保存され、その後の測定対象の匂いの測定値の補正に用いられる。この補正処理により、温度などの環境条件の変動やセンサー特性のばらつき等の影響を排除することができる。以下、この補正後の測定値を「センサー出力補正値」という。
上記複合臭の臭気(悪臭)の総合的な匂いの強さを示す「総合匂い強度」Sは、次式(2)に示すように、2つの匂いセンサー16A,16Bに対応するセンサー出力補正値a,bそれぞれを二乗して加算したものの平方根の値として求める。
上記(2)式の総合匂い強度Sで複合臭の臭気(悪臭)の総合的な匂いの強さを表現する場合、その匂いの種類(香質)によっては、人の嗅覚で感じる匂いの強さと乖離する場合がある。この乖離の原因としては、匂いセンサーの匂い感度特性が人の嗅覚の特性と完全に一致していないことと、各匂いセンサー間で匂い感度特性が干渉すること等が挙げられる。
そこで、次式(3)に示すように、匂いの種類(香質)ごとに決められた所定の定数Ωを乗算して総合匂い強度Stを算出するのが好ましい。この定数Ωは、匂いの種類(香質)ごとに、その種類と人の嗅覚による匂い強度とがそれぞれわかっている複数の臭気(悪臭)について測定し、その測定値Ωをデータ記憶部14に保存しておく。
なお、上記(3)式では、センサー出力補正値a,bそれぞれを二乗して加算したものの平方根の値の全体に一つの定数Ωを乗算して重み付けているが、センサー出力補正値a,bそれぞれを二乗したもののそれぞれに、互いに異なる定数Ωa,Ωbを乗算して重み付けするようにしてもよい。
上記構成の匂い測定装置を用いた臭気の種類(香質)の特定は、次のように行うことができる。すなわち、各匂いセンサー16A,16Bのセンサー出力補正値それぞれを平面直交座標系の原点から延びる互いに異なる座標軸(X軸、Y軸)上にとり、その平面直交座標系の第1象限それぞれにおいて定義される「要素匂いベクトル」を用いて行うことができる。
上記2つの匂いセンサー16A,16Bのセンサー出力補正値のデータから得られる要素匂いベクトルは、2次元の平面直交座標系上に表示することができる。この要素匂いベクトルは、匂い測定装置の表示部15に表示していいし、外部のコンピュータ等にデータを送って表示するようにしてもよい。この要素匂いベクトルの振る舞いを視覚によって確認することにより、被測定気体の複合臭の種類(香質)をある程度直感的に判断することができる。
また、上記匂い測定装置で測定した測定結果は、外部のコンピュータ等に送ってディスプレイに表示したり、コンピュータに組み込んだ所定のプログラムを使って演算処理したりするようにしてもよい。外部のコンピュータにおいて複合臭の種類(香質)を特定するためのプログラムは、一般的な数値パターン一致法を基本手法として、上記要素強度率及び要素香質のデータセットの数値パターンの一致処理を行うように作成したものを用いることができる。また、要素強度率と要素香質のデータのバラツキに対しては標準偏差による幅を設定して被測定気体の複合臭の種類(香質)を判定するようにしてもよい。
人の嗅覚による匂い強度の公的な表現単位として、「臭気濃度」及び「臭気指数」がある。臭気濃度は、測定対象の匂いを有する気体(空気)を無臭気体(無臭空気)で希釈していったとき、はじめて匂いを感じなくなる希釈倍数で定義される。臭気指数は、臭気濃度の常用対数値を10倍した値である。本実施形態の匂い測定装置を用いて被測定気体の臭気濃度や臭気指数を測定するには、予め臭気濃度や臭気指数がわかっている匂いを含む複数種類のサンプル気体について測定を行っておく。この測定結果から検量曲線を求め、検量曲線のデータを演算制御部13内のメモリやデータ記憶部14に記憶して保存しておく。
また、本実施形態によれば、所定の容積を有する試料チェンバー201及び無臭空気チェンバー202それぞれに収容した被測定気体と無臭空気とを混合して希釈混合チェンバー203に一旦収容し測定チェンバー11に導入するという気体処理により、被測定気体を所定の希釈倍率nで希釈することができる。
また、本実施形態によれば、1回あたりの希釈動作で希釈した希釈気体を更に無臭空気で希釈することにより、1回あたりの希釈動作で希釈した希釈気体の希釈倍率nが小さい場合でも、被測定気体を高い希釈倍率で希釈して匂い強度を測定できる。
図8は流量制御型自動希釈機構を採用した希釈処理部20を備えた匂い測定システムの全体構成図である。図中の匂い測定装置10は、上記図1の匂い測定システムと同様な構成であり、その説明は省略する。また、採取気体導入部30は、測定箇所から採取した被測定気体を導入する導入パイプ31と、希釈処理部20への気体の導入を制御するための電磁弁33とを用いて構成されている。
なお、図8の匂い測定システムにおける匂い測定の測定手順及びデータ処理は、上記図1の匂い測定システムの場合と同様であるので、説明を省略する。
11 測定チェンバー
12 センサー信号処理部
13 演算制御部
14 データ記憶部
15 表示部
16A,16B 匂いセンサー
17 内蔵ポンプ
18 電磁弁
20 希釈処理部
30 採取気体導入部
201 試料チェンバー
202 無臭空気チェンバー
203 希釈混合チェンバー
204 無臭空気タンク
205 排気チャンバー
206 真空ポンプ
207,208 マスフローコントローラ
211〜220 電磁弁
Claims (3)
- 被測定気体の匂い強度を測定する匂い測定システムであって、
被測定気体を所定の希釈条件で希釈する希釈処理部と、
該被測定気体を希釈した希釈気体を収容する測定チェンバーと、
該測定チェンバー内の該希釈気体の匂いを検知する匂いセンサーと、
該匂いセンサーの出力値と該希釈条件とに基づいて、該被測定気体の匂い強度を算出するデータ処理部と、
を備え、
上記希釈処理部を、被測定気体を収容する被測定気体用チェンバーと無臭標準気体を収容する無臭標準気体用チェンバーと、希釈混合チェンバーとを用い、該被測定気体用チェンバー内に収容されている被測定気体と該無臭標準気体用チェンバー内に収容されている無臭標準気体とを所定の希釈倍率nの体積比で該希釈混合チェンバーに導入して混合希釈し、該希釈混合チェンバー内の希釈気体を上記測定チェンバーにポンプを用いて導入するように構成し、
上記無臭標準気体用チェンバーと被測定気体用チェンバーとが容積可変であり、
上記希釈条件が、上記被測定気体を上記無臭標準気体で希釈したときの希釈倍率nである、
ことを特徴とする匂い測定システム。 - 上記希釈処理部を、上記測定チェンバー内の希釈気体を上記被測定気体用チェンバーに戻すように構成した、
ことを特徴とする請求項1に記載の匂い測定システム。 - 被測定気体の匂いを測定する匂い測定方法であって、
被測定気体を所定の希釈条件で希釈する希釈工程と、
該被測定気体を希釈した希釈気体の匂いを匂いセンサーを用いて検知する検知工程と、
該匂いセンサーの出力値と該希釈条件とに基づいて該被測定気体の匂い強度を算出するデータ処理工程と、
互いに異なる複数の匂い強度について既知の気体の匂い測定を行ったときの匂いセンサーの出力値及び希釈条件と該匂い強度とからなる複数組のデータセットを記憶するデータ記憶工程と、
を備え、
上記データ処理工程は被測定気体について測定したときの上記匂いセンサーの出力値及び上記希釈条件のデータセットと該データ記憶工程で記憶している上記データセットとに基づいて被測定気体の匂い強度を算出するようにデータ処理する、
ことを特徴とする匂い測定方法。
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