JP4516309B2 - ガス測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス測定部にエアを流通させるエアポンプを設け、前記ガス測定部に流通されるエア量を制御する流量制御部を設けたガス測定装置に関する。

従来、前記ガス測定装置のエアポンプは、前記ガス測定部に定常的にエア供給すべく、常時稼働させるとともに、前記流量制御部で所定エア量や、所定エア圧のエアを流通させるように制御していた。通常、エアポンプは、少量のガスを常時安定供給することが困難であるため、前記エアポンプは、過剰なエア供給をしなければならず、そのため、前記流量制御部では、余剰に供給されるエアを逃がしたり、流量を絞ってエアを流通制御可能な構成としてある。

しかし、このような構成の流量制御を行うと、前記エアポンプの負荷が高くなり、長期耐久性に悪影響を与えたり、故障の原因になったりするという問題点があった。そこで、エアポンプとして耐久性の高い比較的大型のものを用いるような場合には、前記エアポンプが、過剰にエア供給したり、高負荷で運転したりするため、運転に要するエネルギー効率が低いという問題がある。また、ガス測定装置の小型化に伴い、エアポンプを小型化したいような場合は、特にこのような耐久性が問題となり、実用化が困難となる実情があった。

そこで、本発明のガス測定装置は、上記実状に鑑み、エアポンプを低負荷でエネルギー効率よく運転することができるガス測定装置を提供する点にある。

本発明のガス測定装置の特徴構成は、カラム分離部を有するガス測定部と、キャリアガスとしてのエアを前記ガス測定部に供給するエアポンプと、前記エアポンプの下流側に配設され、前記エアの流量を制御する流量制御部と、前記エアポンプに連接するよう、前記エアポンプと前記流量制御部との間に配置され、前記エアを一旦貯留するバッファ部と、前記バッファ部の内圧をモニタする圧力検知部と、前記バッファ部の内圧が下限しきい値を下回ったときに前記エアポンプを稼働させ、前記バッファ部の内圧が上限しきい値を上回ったときに前記エアポンプを停止させる制御部と、を備えた点にある。

つまり、前記エアポンプにバッファ部を連設するから、エアポンプによるキャリアガスとしてのエアの供給が前記バッファ部に迅速に行われ、前記バッファ部の内圧を応答性良く制御しやすい。前記エアポンプと流量制御部との間に配置すると、前記エアポンプにより流通されるエアは前記流量制御部を通るので、前記バッファ部の内圧に対応した圧力をモニタできる。

このとき、前記バッファ部を介して、前記ガス測定部に供給可能に配置してある場合、前記バッファ部内は、内圧を高めながら、供給されるエアを一旦貯留し、その内圧により、前記バッファ部内から前記ガス測定部に向けてエア供給可能となる。本装置では、前記バッファ部内の圧力が十分に高くなるまで前記エアポンプを供給稼働するだけで良く、前記バッファ部の内圧が低下して前記バッファ部から前記ガス測定部への十分な供給ができなくなるまでは、そのエアポンプを稼働停止していても前記ガス測定部への定常的なガス流通が維持されることになる。

具体的には、たとえば、前記エアポンプが、前記バッファ部を介して、前記ガス測定部に供給可能に配置してあるとともに、前記制御部が、前記バッファ部の内圧が下限しきい
値を下回ったときに前記エアポンプを稼働し、前記バッファ部の内圧が上限しきい値を上回ったときに前記エアポンプを稼働停止させる。

すなわち、エアポンプ−バッファ部−流量制御部の順にエアを流通する場合、前記制御部によって、前記バッファ部の内圧が下限しきい値と上限しきい値との間の加圧状態になるよう制御維持することができる。そのため、前記バッファ部の内圧を、前記ガス測定部へのガス供給可能な下限値よりも高く維持することができ、常に必要量のエアを前記ガス測定部へ供給することができる。また、前記バッファ部の内圧を前記エアポンプの負荷が大きくなりすぎない程度で、前記エアポンプが頻繁にＯＮ−ＯＦＦを繰り返さないでよい程度の上限しきい値よりも低く維持することができ、エアポンプに大きな負荷を与えず安定動作させることができる。

また、バッファ部を介してエアを流通させるための力を発揮させているから、エアポンプの機械的な脈動等を緩衝して、安定したエア流を形成することができ、ガス測定が安定して行えるようになる。

さらに、前記バッファ部の内圧をモニタする圧力検知部を設けて、その圧力を検知しておけば、その検知圧力が上述の前記ガス測定部への定常的なガス流通が維持される範囲に維持されるように、前記制御部により前記エアポンプの動作を制御するだけで、前記ガス測定部における定常的なガス流通が維持できる。

従って、上述のようにエアポンプを稼働制御すると、エアポンプは、前記バッファ部内の圧力の状態に応じて稼働停止することができるので、常時稼働していた従来の装置に比べ、エネルギー効率よくエアを流通させることができる。また、ガス測定装置の運転時間中における前記エアポンプの稼働割合を短くできるので、長期耐久性を発揮できるように運転することができる。また、このように稼働制御した場合、前記バッファ部の内圧は必要以上に負荷が高くならないようにできるから、前記エアポンプを低負荷で稼働して、長期耐久性を発揮できるように運転することができる。

尚、制御部は、上限、下限しきい値に基づく制御のみならず、前記内圧の変化度をモニタして、前記エアポンプの動作を予測制御する等種々公知の制御方法を適用することもできる。

さらに、前記ガス測定部がカラム分離装置を備えているため、種々夾雑ガスと混合した被検知ガスを成分分離しつつ成分毎に出力を得ることができ、より正確なガス測定を行える。また、バッファ部によって、ガス測定部に対するガス供給が供給圧の脈動が少なくなるから、前記カラム分離装置内のガス流通が安定し、前記カラム分離装置の性能を十分に発揮させることができる。

また、前記バッファ部に夾雑ガス吸着用のガス吸着剤を内装してあることが好ましい。

つまり、前記バッファ部ではガスを一時的に貯留してその中に含まれる夾雑ガスや有害ガス等を一時的に保持して滞留させることになる。そのため、前記バッファ部にガス吸着剤を内装していれば、そのガスの滞留時間中に、前記夾雑ガスを吸着除去してガス測定の妨害になるのを防止したり、前記有害ガスを吸着除去して大気放出されるのを防止したりすることができる。

さらに、エアポンプ−バッファ部−流量制御部の順にエアが流通することになるため、前記バッファ部では、夾雑ガスが加圧状態でガス吸着剤に接触することになる。したがって、ガス吸着反応がガス脱離反応より、より有利に進行するようになり、流通されるキャリアガスとしてのエアをガス測定に適したより清浄なものとすることができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

本発明のガス測定装置は、図１に示すように、カラム分離部としてのガスクロマトグラム分離部（カラム）１にキャリアガスとしての空気を流通させるためのエアポンプ２を設ける。前記カラム１に試料ガスを流通させる供給部１ａおよび排出部１ｂを備える。試料ガスは、前記供給部１ａに対するガス流通路の給気路３に設けられた試料導入部４から供給されて、前記供給部１ａに導かれ、前記供給部１ａに導入された試料ガスは、排出部１ｂからガス流通路の排気路５に排出される。前記排気路５にガス検知部６を設け、前記ガス検知部６からの出力に基づき、試料ガス中の被検知ガス種および被検知ガス濃度を求める演算部８を設けてある。本発明においては、前記カラム１、ガス検知部６をガス測定部と総称するものとする。

前記カラム１は、充填剤の充填されている長尺管状体の一端側の接続される供給部１ａから流入する流体を他端側の接続される排出部１ｂに移流させつつ分離可能に構成してある。

前記カラム１にキャリアガスとしての空気を流通させる給気路３には、前記エアポンプ２の下流側に、夾雑ガスを吸着するガス吸着剤１３ａを内装したバッファ部１３を連設してある。前記ガス吸着剤は、空気中の雑ガスを吸着する。これにより、キャリアガスとして好適に用いられる清浄エアを得る。前記バッファ部には、そのバッファ部の内圧を検知する圧力検知部を設け、前記圧力検知部の検知圧力に基づいて前記エアポンプをＯＮ−ＯＦＦする制御部を設けてある。また、前記給気路３の前記バッファ部１３の下流側には流
量制御部１６を設け、前記カラム１に供給されるエア量を一定に維持すべく調整可能に構成してある。

たとえば、エアポンプとして、最大流量１．３Ｌ／分、最高出力圧２０３ｋＰａ（２．０気圧）のものを用い、２０ｍＬ／分の流量のエアを定常供給すべき給気路に対して、２８０ｍＬのバッファ部を設ける。
このとき、前記制御部による前記エアポンプの動作は、前記バッファ部の内圧を、下限しきい値の１４２ｋＰａ（１．４気圧）に達すると、エアポンプを稼働し、上限しきい値の１８２ｋＰａ（１．８気圧）に達すると、エアポンプを停止させるように制御する。
すると、バッファ部の内圧が、上限しきい値から下限しきい値に達するまでの約１２分間エアポンプを停止することができる。逆に、下限しきい値から上限しきい値に達するまでには約１５秒で済み、エアポンプの稼働効率を極めて少なくできた。しかも、その間、エア流量は２０ｍＬ／分で極めて安定し、脈動もなかった。そのため、従来の装置では、装置全体としての通気抵抗が大きく、エアポンプの負荷が大きくなっていたのに対して、エアポンプの消費電力を極めて少なくでき、しかも、寿命を大きく延ばすことができた。

前記ガス検知部６は、前記排気路５にガス検知素子６ａをガス検知室に各別に設けて形成してある。前記ガス検知素子６ａとしては、半導体式ガス検知素子が好適に用いられ、たとえば、以下の構成のものから選択して用いられる。

ガス検知素子６ａ：
＜熱線型ガス検知素子＞
図２に示すように、ガス検知素子６ａは、白金を主成分とし、線径３０μｍ、巻き数１５ｔｕｒｎ、長さ５５０μｍの導線コイル６ｂに、金属酸化物半導体を塗布焼成して球状に形成した感応層６ｃを設けてある。
尚、前記導線コイル６ｂとしては、白金に代えて白金ロジウム、白金パラジウム等の貴金属線コイルを用いると、熱的安定性が高いので好ましい。また、酸化スズに代えて酸化インジウム、酸化鉄、酸化亜鉛、等の金属酸化物半導体も利用可能である。さらに、感応層には、ガス選択性を高める等の目的で、必要に応じてコーティング層６ｄが設けられる。

＜基板型ガス検知素子＞
図３に示すように、ガス検知素子６ａは、アルミナ基板６ｅ上に金属酸化物半導体を主成分とする膜層（感応層）６ｃを備えて構成されており、この金属酸化物半導体膜層６ｃに電気的に接続された検出電極としての白金薄膜電極６ｇを備えて構成されている。そして、この白金薄膜電極６ｇに対して、この電極間における抵抗値の変化を検出するように、検出端子が設けられる。さらに、アルミナ基板６ｅの裏面側に白金薄膜ヒーター６ｈが備えられ、これにセンサ温度制御装置への加熱端子６ｆを設けて加熱手段が構成されている。この加熱手段は、センサの動作に適する４５０〜５５０℃にガス検知素子６ａを加熱維持する。さらに、感応層には、ガス選択性を高める等の目的で、必要に応じてコーティング層６ｄが設けられる。

前記ガス検知部において、それぞれのガス検知素子は、ブリッジ回路等からなるガス検知回路９に組み込まれ、前記ガス検知素子６ａの被検知ガス検知による抵抗値の変化等に基づく出力をガス検知出力として取り出すことができるよう接続される。

得られたガス測定装置では、シリンジ等により試料ガスを前記試料導入部４より前記カラム１にチャージする。前記エアポンプ２により、前記カラム１からガスを吸引すると、前記カラム１の供給部上流側の給気部１０より前記カラム１に空気が導入され、チャージされた試料が展開される。展開された試料は、順次成分毎に分離されつつ、前記排出部１
ｂ側に排出される。この排出された各成分が順次ガス検知部６に誘導され、ガス検知素子６ａに接触する。すると、前記ガス検知素子６ａの見かけ抵抗値は変化するので、前記ガス検知回路９からその抵抗値の変化に対応するガス検知出力が得られる。

前記ガス検知素子６ａからのガス検知出力は演算部８に入力され、前記演算部８において前記ガス検知出力を基に演算して、種々のガスを識別するとともに、検知された被検知ガスの濃度を求められる。
演算により求められたガス種および被検知ガスのガス濃度は、表示部１２に表示され、分析結果を知ることができる。

また、前記給気路３には前記試料導入部４とは別に、装置校正用の標準空気を導入する標準空気導入部１７、および、現場雰囲気ガスを試料ガスとして吸引自在にする試料吸引導入部１８を設けてあり、種々の態様でのガス分析を可能とするとともに、その態様に応じた装置の校正を可能にしてある。

本発明のガス測定装置は、図４に示すように、ガス検知部６に検知対象ガスとして被検知ガスを含有する空気を吸引流通させるためのエアポンプ２を設ける。前記ガス検知部の上流側には、ガス吸引部１０を設け、給気路３を介して、検知対象ガス中の被検知ガスを、ガス検知部６、流量制御部１６、バッファ部１３の順に吸引し、エアポンプ下流側の排気部１１に排出される。前記ガス検知部６からの出力に基づき、検知対象ガス中の被検知ガス種および被検知ガス濃度を求める演算部８を設けてある。本発明においては、前記ガス検知部６をガス測定部と総称するものとする。

前記バッファ部１３には、そのバッファ部１３の内圧を検知する圧力検知部１４を設け、前記圧力検知部１４の検知圧力に基づいて前記エアポンプ２をＯＮ−ＯＦＦする制御部１５を設けてある。

たとえば、エアポンプ２として、最大流量１．３Ｌ／分、最高出力圧２０３ｋＰａ（２．０気圧）のものを用い、２０ｍＬ／分の流量のエアを定常供給すべき給気路に対して、２８０ｍＬのバッファ部を設ける。
このとき、前記制御部による前記エアポンプの動作は、前記バッファ部の内圧を、下限しきい値の３０ｋＰａ（０．３気圧）に達すると、エアポンプを停止し、上限しきい値の６１ｋＰａ（０．６気圧）に達すると、エアポンプを稼働させるように制御する。

図中、その他の実施例１と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。

ガス測定装置のエアポンプを低負荷でエネルギー効率よく運転することができる。

ガス測定装置の概略図 熱線型ガス検知素子の概略図 基板型ガス検知素子の概略図 ガス測定装置の概略図

１ カラム（カラム分離部）
２ エアポンプ
１，６ ガス測定部
１６ 流量制御部
１３ バッファ部
１３ａ ガス吸着剤
１５ 制御部

Claims (2)

1. カラム分離部を有するガス測定部と、
   キャリアガスとしてのエアを前記ガス測定部に供給するエアポンプと、
   前記エアポンプの下流側に配設され、前記エアの流量を制御する流量制御部と、
   前記エアポンプに連接するよう、前記エアポンプと前記流量制御部との間に配置され、前記エアを一旦貯留するバッファ部と、
   前記バッファ部の内圧をモニタする圧力検知部と、
   前記バッファ部の内圧が下限しきい値を下回ったときに前記エアポンプを稼働させ、前記バッファ部の内圧が上限しきい値を上回ったときに前記エアポンプを停止させる制御部と、を備えたガス測定装置。
2. 前記バッファ部に夾雑ガス吸着用のガス吸着剤を内装してある請求項１に記載のガス測定装置。

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