JP4765657B2 - 揮発性有機化合物測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素炎イオン化検出器を利用して試料ガス中の有機化合物の濃度を測定する揮発性有機化合物測定装置に関する。

例えば塗装ブースからの排気中に含まれる有機溶剤蒸気等の濃度を測定する装置として、水素炎イオン化検出器（以下、ＦＩＤと記す）を利用した揮発性有機化合物測定装置が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
ＦＩＤは、水素ガスが助燃ガスの存在下で燃焼する炎の中に試料ガスを通し、試料ガス中の有機物質を構成する炭素原子（有機性炭素）が水素炎中でイオン化することによって生じるイオン電流を測定するもので、ガスクロマトグラフ用の検出器としてよく知られている。ＦＩＤは有機性炭素の原子数にほぼ比例する出力が得られるので、有機化合物を個々の成分に分離せずに試料ガスをそのままＦＩＤに通すことにより全有機化合物濃度を有機性炭素の濃度として測定することができる。これがＦＩＤを用いる有機化合物濃度測定の原理であるが、この場合試料が気体であるから、その中に含まれる有機化合物は揮発性に限られるので揮発性全有機化合物（Ｔｏｔａｌ Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）測定装置とも呼ばれる（以下、ＴＶＯＣ測定装置と記す）。

図３に従来のＴＶＯＣ測定装置の構成の一例を示す。
同図において１はＦＩＤであって、内部にノズル１１、コレクタ電極１２が設けられ、下部に試料ガス流路１４、水素ガス流路１５、助燃ガス流路１６がそれぞれ接続され、頂部には大気に連通する排気口１３が開設されている。２は、このＦＩＤ１を収容し所定温度に保つ恒温槽であり、また３はコレクタ電極１２に流れるイオン電流を増幅して出力信号とする増幅器である。４は試料ガスを取り込むためのポンプ、５、６はそれぞれ水素ガス、助燃ガスの流量を制御する流量制御装置、７は恒温槽２の温度を制御する温度制御装置である。

次に、図３に示す従来のＴＶＯＣ測定装置の動作について説明する。
水素ガスは流量制御装置５でその流量が制御されて水素ガス流路１５を経てノズル１１から噴出し燃焼して水素炎１７を形成する。助燃ガス（有機物や水分を除去した空気）は同様に流量制御装置６で制御されて助燃ガス流路１６を経てＦＩＤ１の内部に送り込まれ、水素炎１７に燃焼に必要な酸素を供給する。試料ガスはポンプ４により試料ガス流路１４を通って水素炎１７中に送給され、ここで試料中の有機化合物を構成する炭素原子がイオン化される。水素炎１７の周辺には図示しない電圧印加手段により電場が形成されており、発生したイオンはこの電場に導かれコレクタ電極１２に到達することで電流として検出される。これを増幅器３で増幅してＦＩＤ１の出力信号とする。
水素ガスに点火するときは、図示しないフィラメント、または放電点火器により電気的に点火する。

カタログＣ１８０−０１５５「ＦＩＤ形ＶＯＣ分析計ＶＭＳ−１０００Ｆ」（株）島津製作所、２００５年１２月

上記のように構成されたＴＶＯＣ測定装置においては、恒温槽の温度、即ちＦＩＤの温度は、測定対象が空気等の気体に限られることから特に高温に保つ必要がないので、比較的低温（４０〜６０℃）に設定される。従って、水素炎を点火したとき水素の燃焼によって発生する水蒸気によりＦＩＤ内部のコレクタ電極やこれを支持する絶縁碍子等の表面に結露が発生することがある。特に、装置の電源投入直後でまだ恒温槽温度が十分に上がっていない状態で点火した場合には、結露が生じやすい。結露が生じると、ＦＩＤの出力信号は通常の測定レンジを越えて大きく振れ、所謂「振り切れた」状態となる。結露は恒温槽の熱と水素炎から発する熱により徐々に蒸発して消失するから、出力信号も徐々に正常なレベルに戻るが、測定可能な状態となるまでの時間（安定化時間）は１時間程度を要することがある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ＦＩＤを用いたＴＶＯＣ測定装置において、水素炎点火後の結露発生を防ぎ、以て安定化時間を短縮することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、水素ガスの流量設定値、助燃ガスの流量設定値、及びＦＩＤの温度設定値のうちいずれか１または複数の設定値を水素炎を点火する前後の暫定期間だけ通常測定時の設定値よりも大きい設定値に制御するように構成し、点火後に出力信号レベルに基づき、または予め設定したタイムプログラムにより上記設定値を通常測定時の設定値に戻すように構成する。

本発明は上記のように構成されているので、点火直後の結露発生が防止され、装置の安定化時間を短縮することができる。

本発明が提供するＴＶＯＣ測定装置は次のような特徴を有する。即ち、第１の特徴は水素ガスの流量設定値、助燃ガスの流量設定値、及びＦＩＤの温度設定値のうち１または２以上の設定値を水素炎を点火する前後の暫定期間だけ通常測定時の設定値よりも大きい設定値に制御するように構成した点にあり、第２の特徴は点火後に、例えば出力信号レベルに基づき上記設定値を通常測定時の設定値に戻すように構成した点である。
従って、最良の形態の基本的な構成は、上記２件の特徴を具備するＴＶＯＣ測定装置である。

図１に本発明の一実施例の構成を示す。同図において、図３に示す従来例と同符号を付すものは図３と同一物であるから再度の説明を省く。本実施例が従来例と相違する点は、設定値切換手段８を設けたことである。
前述したように、水素ガス、助燃ガス、及びＦＩＤ１の温度はそれぞれ流量制御装置５、６及び温度制御装置７で制御されるが、これらの通常測定時の設定値（通常設定値）は、一例として水素ガスは４０〜５０ｍｌ／ｍｉｎ、助燃ガスは１００ｍｌ／ｍｉｎ、ＦＩＤ１の温度は４０〜６０°Ｃ程度である。設定値切換手段８はこれらのうちいずれか１つまたは複数の設定値を水素炎１７を点火する前後の期間（暫定期間）だけ暫定的に上記の通常設定値よりも大きい値に切り換えるものである。各制御装置５、６、７はいずれも電子式で構成されているから電気的入力信号により設定可能であり、設定値切換手段８はこのような設定用の信号ａ、ｂ、ｃを発信する電子的機能ブロックであって、このＴＶＯＣ測定装置全体をコントロールするコンピュータの一部として構成されている。

本実施例においては、設定値切換手段８は、点火の前後の期間だけ信号ａにより水素ガスの流量設定値を変更する。即ち、水素炎１７点火の直前、または点火とほぼ同時に水素ガス流量設定を通常設定値の１．５倍程度に、即ち６０〜７０ｍｌ／ｍｉｎに変更する。これにより水素炎１７は通常よりも大きくなり、発熱量も増加するから水素炎１７周辺のノズル１１やコレクタ電極１２の温度が上昇し、結露が起こり難くなる。点火後は、ＦＩＤ１の出力信号のレベルは一時的に大きく振れるが、次第に通常のレベルに戻って来る。設定値切換手段８は出力信号レベルを基準値と比較する比較器を備え、出力信号レベルが基準値まで下がったとき水素ガス流量の設定値を通常設定値に戻す。これにより測定開始までの安定化時間を短縮することができる。
図２は、上記の水素流量設定の変化をグラフで示した（同図中の実線）もので、この例では点火から１５分後に通常設定値に戻り、さらに若干の安定化時間を要して点火から約３０分後には測定可能な状態となっている。

他の実施例として、図１の構成において水素炎１７の点火後の暫定期間中、助燃ガスの流量設定値を増加するようにしてもよい。助燃ガスの流量設定値を、例えば通常設定値１００ｍｌ／ｍｉｎのところを２００〜３００ｍｌ／ｍｉｎ程度に増加させるように設定値切換手段８により切り換える。これにより、水素の燃焼により発生する水蒸気が希釈され、ＦＩＤ１の内部の相対湿度が低下するので結露が起こり難くなる。
その後、ＦＩＤ１の出力信号レベルを設定値切換手段８で判定して、通常設定値に戻すことは実施例１の場合と同様である。

さらに他の実施例として、図１の構成において点火に先立って設定値切換手段８からの信号ｃにより温度制御装置７の設定値を切り換えて、暫定期間中の恒温槽２の温度を通常設定値よりも高く設定しておくことも可能である。即ち、恒温槽２の温度の通常設定値は前述のように、例えば４０〜６０°Ｃのところを１００〜１５０°Ｃとする。ＦＩＤ１の内部は排気口１３を通して大気に連通しているので内部の気圧は１気圧であり、温度１００°Ｃ以上であれば理論上結露は起こり得ない。この状態で水素炎１７を点火し、その後、ＦＩＤ１の出力信号レベルを設定値切換手段８で判定して、恒温槽２の温度を通常設定値に戻すことは実施例１または２の場合と同様である。
この場合の温度設定値の変化を図２に点線で示す。
なお、恒温槽２の温度を常時１００°Ｃ以上に設定しておくことも結露防止のためには効果的であるが、一方、電力消費の増大、或いは恒温槽２の近傍に配置される電子装置の熱防護対策等の問題が生じるので好ましくない。

以上の実施例は、いずれも複数の条件設定値のうちいずれか１つだけを点火の前後の期間に変更するようにした例であるが、２つ以上の設定値を組み合わせて変更することでさらに効果を高めることも可能である。また、通常設定に戻すタイミングを決める方法として、上記は出力信号レベルで判定する例を挙げたが、予め設定したタイムプログラムによって切り換えるようにしてもよい。
なお、上記は試料ガス中の揮発性有機化合物をトータルに測定するＴＶＯＣ測定装置について説明したが、前段に例えばクロマトグラフィ的な分離手段を設けて有機化合物を各成分に分離して測定するように構成した揮発性有機化合物測定装置に対しても本発明を適用することができる。

本発明は、例えば塗装ブースからの排気中に含まれる有機溶剤蒸気等の濃度を測定する揮発性有機化合物測定装置に利用できる。

本発明の一実施例を示す図である。 本発明の動作を説明する図である。 従来の構成を示す図である。

符号の説明

１ ＦＩＤ
２ 恒温槽
３ 増幅器
４ ポンプ
５ 流量制御装置
６ 流量制御装置
７ 温度制御装置
８ 設定値切換手段
１１ ノズル
１２ コレクタ電極
１３ 排気口
１４ 試料ガス流路
１５ 水素ガス流路
１６ 助燃ガス流路
１７ 水素炎

Claims (3)

1. 水素炎イオン化検出器用恒温槽と、水素ガスが助燃ガスの存在下で燃焼する水素炎中で試料ガス中の有機性炭素がイオン化することによって生じるイオン電流を測定する水素炎イオン化検出器と、前記水素ガス及び前記助燃ガスの流量を制御する流量制御装置と、前記恒温槽の温度を制御する温度制御装置とを備えた揮発性有機化合物測定装置において、前記水素炎を点火する前後の暫定期間だけ、以下の(a)〜(c)のうち、１以上の切替えを行う設定値切換手段を備えたことを特徴とする揮発性有機化合物測定装置。(a) 前記水素ガスの流量設定値を通常設定値よりも大きい値に切換える(b) 前記助燃ガスの流量設定値を通常設定値よりも大きい値に切換える(c) 前記温度制御装置を前記恒温槽の温度を100℃以上に切換える
2. 水素炎点火前後の暫定期間の終了が前記水素炎イオン化検出器の出力信号に基づいて定められることを特徴とする請求項１に記載する揮発性有機化合物測定装置。
3. 水素炎点火前後の暫定期間がタイムプログラムにより定められることを特徴とする請求項１に記載する揮発性有機化合物測定装置。

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