JP5172442B2 - Ammonia measuring device, ammonia measuring device, chlorine measuring device and chlorine measuring device - Google Patents

Ammonia measuring device, ammonia measuring device, chlorine measuring device and chlorine measuring device Download PDF

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Description

本発明は、アンモニア測定素子、アンモニア測定装置、アンモニアの測定方法、塩素測定素子、塩素測定装置及び塩素の測定方法に関するものである。   The present invention relates to an ammonia measuring element, an ammonia measuring apparatus, an ammonia measuring method, a chlorine measuring element, a chlorine measuring apparatus, and a chlorine measuring method.

アンモニアは各種素材等を生産する上で必要不可欠な物質の1つである。特に、化学工業では化合物生産において最も基本的な窒素源であるため重要である。このように使用範囲の広い物質であるものの、人体等動物の粘膜に対する毒性、刺激が強い化学特性があり、0.1%以上の濃度になると生命に影響を与えることもある。また、低濃度域では悪臭物質として取り扱われ、悪臭防止法によって特定悪臭物質の代表的な物質に挙げられている。例えば、室内空気中の微量のアンモニアは、美術館又は博物館等に展示されている文化財の変色や劣化を引き起こすことが知られている。また、半導体等製品の製造工程においては、半導体素子を劣化させる要因から、製品の歩留まりに影響を与えることが知られている。この他に、近年、医療機関及び介護施設等において、患者の老排泄物などから発生したアンモニアが居住空間の室内環境を劣悪化させる問題が増えている。そのため、排泄物等を適切なタイミングで交換することの要求が高まっている。   Ammonia is one of the substances indispensable for producing various materials. This is particularly important in the chemical industry because it is the most basic nitrogen source for compound production. Although it is a substance with a wide range of use in this way, it has chemical properties that are highly toxic and irritating to the mucous membranes of animals such as humans. In addition, it is treated as a malodorous substance in the low concentration range, and is listed as a representative substance of specific malodorous substances by the Malodor Control Law. For example, a trace amount of ammonia in indoor air is known to cause discoloration and deterioration of cultural properties displayed in art museums or museums. Also, in the manufacturing process of products such as semiconductors, it is known that the yield of products is affected due to factors that deteriorate semiconductor elements. In addition, in recent years, in medical institutions, nursing homes, etc., there has been an increasing problem that ammonia generated from patient excrement etc. deteriorates the indoor environment of the living space. Therefore, the request | requirement of exchanging excrement etc. at a suitable timing is increasing.

また、空気中において、アンモニア含有量が16〜25%の状態でかつ高温になると爆発する特性がある。   In addition, in the air, there is a characteristic of explosion when the ammonia content is 16 to 25% and the temperature becomes high.

このように、毒性、爆発性等の危険な化学特性があることから、その取り扱いは注意しなければならない。そのため、低濃度から高濃度の範囲を測定可能な新しいアンモニア測定方法が要求されている。   As such, there are dangerous chemical properties such as toxicity and explosiveness, so the handling must be careful. Therefore, a new ammonia measuring method capable of measuring a range from a low concentration to a high concentration is required.

アンモニア濃度を測定する装置として、一般的にはガスクロマトグラフに代表される電気化学的な分析装置、電気化学反応を利用した触媒を担持した半導体式ガスセンサ、アンモニアとリン酸との中和反応を利用したガス検知管による検知装置等がある。   In general, electrochemical analyzers such as gas chromatographs, semiconducting gas sensors that support catalysts using electrochemical reactions, and neutralization reactions between ammonia and phosphoric acid are used to measure ammonia concentration. There is a detector using a gas detector tube.

ところで、近年、圧電体の一種である水晶等をセンサとして用いる測定方法が注目されている。この測定方法では水晶の表面、又は水晶を挟んで形成した電極の表面に何らかの物質が付着すると、その質量の変化によって、水晶の周波数特性が変化することを利用する。この性質を利用して、極めて微量な物質の付着を検出し計測するセンサが実現されており、これはQCMセンサ(水晶振動子センサ)と呼ばれている。また、このQCMセンサの表面に物質の付着特性に選択性のある膜を形成して、特定の物質を検出したり計測したりすることも行われている(例えば、特許文献1〜5参照)。   By the way, in recent years, a measuring method using quartz or the like, which is a kind of piezoelectric body, as a sensor has attracted attention. This measurement method utilizes the fact that when a substance adheres to the surface of a crystal or the surface of an electrode formed with the crystal in between, the frequency characteristics of the crystal change due to a change in its mass. By utilizing this property, a sensor that detects and measures the attachment of a very small amount of substance has been realized, which is called a QCM sensor (quartz crystal sensor). In addition, a film having selectivity for the adhesion property of a substance is formed on the surface of the QCM sensor to detect or measure a specific substance (for example, see Patent Documents 1 to 5). .

水晶振動子センサを用いたアンモニア測定方法としては、電極表面に感応膜を形成したものを検知素子として利用する方法が知られている(特許文献6参照)。また、特許文献6では、一般的な温湿度素子で測定した結果を元に、演算回路により温度および湿度の影響を除外するための補正演算を行なって、アンモニア濃度を測定する手法も提案されている。   As a method for measuring ammonia using a quartz vibrator sensor, a method is known in which a sensing film formed on an electrode surface is used as a sensing element (see Patent Document 6). Patent Document 6 also proposes a method for measuring the ammonia concentration by performing a correction operation for excluding the influence of temperature and humidity by an arithmetic circuit based on the result of measurement with a general temperature and humidity element. Yes.

塩素ガスも同様に、常温常圧状態で特有の臭いを持つ気体であり、化学的特性として生体に対する毒性と、金属材料等に対する腐食特性を持っている。特に、強い漂白作用や殺菌作用があるため、一般的にはパルプや衣類の漂白剤として、また水道水などの殺菌剤として使用されている。特に、人体に対して非常に危険なガスであることから、殺菌や漂白など一般環境下で使用する場合は、低濃度かつ次亜塩素酸ナトリウムのような別の化学物質として利用することが多い。塩素ガス濃度を測定する装置として、一般的にはガスクロマトグラフに代表される電気化学的な分析装置やガス検知管による検知装置等がある。
特開2001−153777号公報(2001年6月8日公開) 特開2005−189076号公報(2005年7月14日公開) 特開2005−189133号公報(2005年7月14日公開) 特開2000−275157号公報(2000年10月6日公開) 特開2004−226177号公報(2004年8月12日公開) 登録実用新案第3094415号公報(2003年3月19日登録)
Similarly, chlorine gas is a gas having a characteristic odor at normal temperature and pressure, and has chemical properties such as toxicity to living organisms and corrosion properties to metal materials. In particular, since it has a strong bleaching action and a bactericidal action, it is generally used as a bleaching agent for pulp and clothing and as a bactericidal agent for tap water and the like. In particular, it is a very dangerous gas for the human body, so when used in general environments such as sterilization and bleaching, it is often used as another chemical substance such as low concentration sodium hypochlorite. . As an apparatus for measuring the chlorine gas concentration, there are generally an electrochemical analyzer represented by a gas chromatograph, a detector using a gas detector tube, and the like.
JP 2001-153777 A (released on June 8, 2001) JP 2005-189076 A (published July 14, 2005) JP 2005-189133 A (published July 14, 2005) JP 2000-275157 A (released on October 6, 2000) JP 2004-226177 A (released on August 12, 2004) Registered Utility Model No. 3094415 (registered on March 19, 2003)

しかしながら、ガスクロマトグラフ法等に代表される分析装置による測定は、高感度測定は可能であるものの、装置自体が非常に高価であり、利用に際しても分析の専門知識を有する熟練経験者が分析する必要がある。そのため、上述した居住空間等の測定現場で簡便に取り扱うことは困難である。また、装置が大型であるため、持ち運びが容易でなく、いつでもどこでも自由に測定するのは困難である。   However, although measurement with an analyzer represented by the gas chromatograph method, etc. can be performed with high sensitivity, the apparatus itself is very expensive, and it is necessary to analyze it by a skilled person who has expertise in analysis when using it. There is. Therefore, it is difficult to handle easily at the measurement site such as the living space described above. In addition, since the apparatus is large, it is not easy to carry, and it is difficult to measure freely anytime and anywhere.

半導体式ガスセンサについては、検知原理上、低濃度から高濃度までの広い測定範囲を測定することは難しく、特に高濃度域では検知エレメント上の触媒が被毒して劣化する。   For semiconductor gas sensors, it is difficult to measure a wide measurement range from a low concentration to a high concentration due to the detection principle. In particular, in the high concentration range, the catalyst on the detection element is poisoned and deteriorates.

ガス検知管については、従来から工場現場等で用いられてきたが、検知感度が低いという問題がある。また、測定範囲が検知管の反応薬剤の長さで決まるため、ダイナミックレンジの制限がある。さらに、アンモニアの測定の場合は、二酸化炭素、アミン類等のガスの影響を受けやすい。   Gas detector tubes have been used at factory sites and the like, but have a problem of low detection sensitivity. In addition, since the measurement range is determined by the length of the reactive agent in the detection tube, there is a limitation on the dynamic range. Furthermore, in the case of measuring ammonia, it is easily affected by gases such as carbon dioxide and amines.

また、アンモニアの場合、特許文献6に記載された装置では高感度な測定ができない。つまり、当該装置ではアンモニアが感応膜に吸着することにより測定するものであるが、吸着したアンモニアは感応膜から脱離しやすい。つまり、吸脱着反応は可逆性が高いため、一度吸着したアンモニアがすぐに脱離してしまう。そのため低濃度のアンモニアを測定することができない。   In the case of ammonia, the apparatus described in Patent Document 6 cannot perform highly sensitive measurement. That is, in this apparatus, measurement is performed by adsorbing ammonia on the sensitive film, but the adsorbed ammonia is easily detached from the sensitive film. That is, since the adsorption / desorption reaction is highly reversible, the ammonia once adsorbed is immediately desorbed. Therefore, it is impossible to measure low concentration of ammonia.

なお、水晶振動子を用いる測定方法のうち、上述した有機系膜又は高分子系膜を検知膜として利用する手法(特許文献1〜5)については、アンモニアを測定することについては開示されていない。また、アンモニア以外の測定対象中に含まれるガス及び水分(水分子)でも吸着反応(主に物理吸着)が起こるため、アンモニア以外のガスの影響を受け易く、高感度な測定を実現することは難しい。検知膜によってはアンモニアによる被毒によって検知特性の劣化が生じることもある。   Of the measurement methods using a quartz resonator, the methods (Patent Documents 1 to 5) that use the organic film or polymer film described above as a detection film are not disclosed for measuring ammonia. . In addition, since adsorption reactions (mainly physical adsorption) occur even in gases and moisture (water molecules) contained in measurement objects other than ammonia, it is easy to be affected by gases other than ammonia, and high-sensitivity measurement can be realized. difficult. Depending on the detection film, the detection characteristics may be deteriorated by poisoning with ammonia.

また、ここに記載したアンモニア測定に関する従来技術の課題については塩素の測定についても同様である。上述のように、塩素ガス濃度を測定する装置としては、ガスクロマトグラフ等の分析装置、ガス検知管による検知装置等がある。しかし、低濃度の塩素ガスを容易に測定できる原理や装置がない状況である。   Moreover, about the subject of the prior art regarding the ammonia measurement described here, it is the same also about the measurement of chlorine. As described above, devices for measuring the chlorine gas concentration include analyzers such as gas chromatographs, detectors using gas detector tubes, and the like. However, there is no principle or device that can easily measure low-concentration chlorine gas.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高感度かつ簡便にアンモニアを測定する測定素子、又は塩素を測定する素子、及びこれを利用した測定装置及び測定方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a measuring element that measures ammonia with high sensitivity and ease, or an element that measures chlorine, and a measuring apparatus and measuring method using the measuring element. It is to provide.

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、圧電体に設けた電極の表面に、アンモニアと化合物を形成する金属を存在させることで、当該金属とアンモニアが反応することで質量変化が生じ、その結果、周波数特性が変化することに着目し、アンモニア濃度を測定できる測定素子、測定装置及びそれらを用いる測定方法を見出した。また金属との化合物の形成の有無による測定では、特許文献6のようにアンモニアを吸着してもすぐに脱離する機構に比べて、不可逆性が高く、低濃度のアンモニアであっても高感度に検出できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor makes the metal and ammonia react by causing a metal that forms a compound with ammonia to exist on the surface of the electrode provided on the piezoelectric body. Focusing on the fact that the mass characteristics change and, as a result, the frequency characteristics change, the present inventors have found a measuring element, a measuring apparatus, and a measuring method using them that can measure the ammonia concentration. In addition, in the measurement based on the presence or absence of the formation of a compound with a metal, the irreversibility is high compared to a mechanism in which ammonia is immediately adsorbed as in Patent Document 6, and high sensitivity is obtained even with a low concentration of ammonia. As a result, the present invention was completed.

さらに、本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、圧電体に設ける電極の表面に、塩素と化合物を形成する金属を存在させることで、当該金属と塩素が反応することで質量変化が生じ、その結果、周波数特性が変化することに着目し、塩素濃度を高感度に測定できる測定素子を見出し、本発明を完成させるに至った。   Furthermore, as a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor allows the metal and chlorine to react by causing a metal that forms chlorine and a compound to exist on the surface of the electrode provided on the piezoelectric body. Attention has been paid to the fact that a change in mass occurs, resulting in a change in frequency characteristics, and a measuring element capable of measuring the chlorine concentration with high sensitivity has been found and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は以下の発明を包含する。   That is, the present invention includes the following inventions.

本発明に係るアンモニア測定素子は、圧電体及び当該圧電体をはさんで両側に設置されている電極を備え、当該電極の表面にアンモニアと化合物を形成する金属が存在することを特徴としている。   The ammonia measuring element according to the present invention includes a piezoelectric body and electrodes disposed on both sides of the piezoelectric body, and a metal that forms a compound with ammonia exists on the surface of the electrode.

さらに、本発明に係るアンモニア測定素子では、上記電極は、当該電極の表面がアンモニアと化合物を形成する金属により被覆されてなるもの、又はアンモニアと化合物を形成する金属により構成されているものであることがより好ましい。   Furthermore, in the ammonia measuring element according to the present invention, the electrode is formed by coating the surface of the electrode with a metal that forms a compound with ammonia or a metal that forms a compound with ammonia. It is more preferable.

さらに、本発明に係るアンモニア測定素子では、上記電極の表面が鏡面加工されていることがより好ましい。   Furthermore, in the ammonia measuring element according to the present invention, the surface of the electrode is more preferably mirror-finished.

さらに、本発明に係るアンモニア測定素子では、上記金属がモリブデンであることがより好ましい。   Furthermore, in the ammonia measuring element according to the present invention, the metal is more preferably molybdenum.

また、本発明に係るアンモニア測定装置は、上記のアンモニア測定素子と、上記電極の表面がアンモニアと化合物を形成したときに生じる上記アンモニア測定素子の周波数を測定する周波数測定装置と、を備えていることを特徴としている。   An ammonia measuring device according to the present invention includes the above ammonia measuring element, and a frequency measuring device that measures the frequency of the ammonia measuring element generated when the surface of the electrode forms a compound with ammonia. It is characterized by that.

さらに、本発明に係るアンモニア測定装置では、アンモニアの影響を受けずに湿度のみを測定する湿度測定素子をさらに備え、上記湿度測定素子が、圧電体及び当該圧電体を挟んで両側に設置される電極を備え、当該電極の表面に酸化クロムまたは白金粒子を担持した酸化クロムが存在するものであることがより好ましい。   Furthermore, the ammonia measuring device according to the present invention further includes a humidity measuring element that measures only humidity without being affected by ammonia, and the humidity measuring element is installed on both sides of the piezoelectric body and the piezoelectric body. More preferably, an electrode is provided, and chromium oxide or chromium oxide supporting platinum particles is present on the surface of the electrode.

さらに、本発明に係るアンモニア測定装置では、アンモニアの濃度が互いに異なる既知の2種類以上の気体が上記アンモニア測定素子に接触したときに、上記周波数測定装置により測定される、上記アンモニアが化合物を形成することによる上記アンモニア測定素子の周波数から、アンモニア濃度及び発振周波数の関係を求める計算手段と、当該関係を記憶する記憶手段と、当該記憶手段から参照する当該関係、及びアンモニア濃度の測定対象の気体が上記アンモニア測定素子に接触したときに、上記周波数測定装置により測定される周波数に基づいて、当該測定対象の気体中のアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出手段と、を備えることがより好ましい。   Furthermore, in the ammonia measuring apparatus according to the present invention, when two or more kinds of known gases having different concentrations of ammonia come into contact with the ammonia measuring element, the ammonia is measured by the frequency measuring apparatus to form a compound. Calculating means for obtaining the relationship between the ammonia concentration and the oscillation frequency from the frequency of the ammonia measuring element, the storage means for storing the relationship, the relationship referenced from the storage means, and the gas to be measured for the ammonia concentration It is more preferable to comprise ammonia concentration calculating means for calculating the ammonia concentration in the gas to be measured based on the frequency measured by the frequency measuring device when contacting the ammonia measuring element.

また、本発明に係る塩素測定素子は、圧電体及び当該圧電体をはさんで両側に設置されている電極を備え、当該電極の表面に塩素と化合物を形成する金属が存在することを特徴としている。   The chlorine measuring element according to the present invention includes a piezoelectric body and electrodes installed on both sides of the piezoelectric body, and a metal that forms chlorine and a compound is present on the surface of the electrode. Yes.

さらに、本発明に係る塩素測定素子では、上記電極は、当該電極の表面が塩素と化合物を形成する金属により被覆されてなるもの、又は塩素と化合物を形成する金属により構成されているものであることがより好ましい。   Furthermore, in the chlorine measuring element according to the present invention, the electrode is formed by coating the surface of the electrode with a metal that forms a compound with chlorine or a metal that forms a compound with chlorine. It is more preferable.

さらに、本発明に係る塩素測定素子では、上記金属がモリブデンであることがより好ましい。   Furthermore, in the chlorine measuring element according to the present invention, the metal is more preferably molybdenum.

また、本発明に係る塩素測定装置は、上記の塩素測定素子と、上記電極の表面が塩素と化合物を形成したときに生じる上記塩素測定素子の周波数を測定する周波数測定装置と、を備えていることを特徴としている。   A chlorine measuring device according to the present invention includes the above chlorine measuring device, and a frequency measuring device that measures the frequency of the chlorine measuring device generated when the surface of the electrode forms a compound with chlorine. It is characterized by that.

さらに、本発明に係る塩素測定装置では、塩素の濃度が互いに異なる既知の2種類以上の気体が上記塩素測定素子に接触したときに、上記周波数測定装置により測定される、上記塩素が化合物を形成することによる上記塩素測定素子の周波数から、塩素濃度及び発振周波数の関係を求める計算手段と、当該関係を記憶する記憶手段と、当該記憶手段から参照する当該関係、及び塩素濃度の測定対象の気体が上記塩素測定素子に接触したときに、上記周波数測定装置により測定される周波数に基づいて、当該測定対象の気体中の塩素濃度を算出する塩素濃度算出手段と、を備えることがより好ましい。   Furthermore, in the chlorine measuring device according to the present invention, when two or more kinds of known gases having different chlorine concentrations are in contact with the chlorine measuring element, the chlorine forms a compound that is measured by the frequency measuring device. Calculating means for obtaining the relationship between the chlorine concentration and the oscillation frequency from the frequency of the chlorine measuring element, the storage means for storing the relationship, the relationship referenced from the storage means, and the gas to be measured for the chlorine concentration It is more preferable to include a chlorine concentration calculating unit that calculates the chlorine concentration in the gas to be measured based on the frequency measured by the frequency measuring device when it contacts the chlorine measuring element.

また、本発明に係る塩素測定方法は、測定対象の気体と上記の塩素測定素子を接触させて共振周波数を測定する塩素測定工程を含むことを特徴としている。   The chlorine measuring method according to the present invention is characterized by including a chlorine measuring step of measuring the resonance frequency by bringing the gas to be measured into contact with the chlorine measuring element.

本発明に係るアンモニア測定素子は、上述のように、圧電体及び当該圧電体をはさんで両側に設置されている電極を備え、当該電極の表面にアンモニアと化合物を形成する金属が存在する。また、本発明に係る塩素測定素子は、圧電体及び当該圧電体をはさんで両側に設置されている電極を備え、当該電極の表面に塩素と化合物を形成する金属が存在する。そのため、高感度かつ簡便にアンモニア又は塩素を測定できるという効果を奏する。   As described above, the ammonia measuring element according to the present invention includes a piezoelectric body and electrodes disposed on both sides of the piezoelectric body, and a metal that forms a compound with ammonia exists on the surface of the electrode. The chlorine measuring element according to the present invention includes a piezoelectric body and electrodes disposed on both sides of the piezoelectric body, and a metal that forms chlorine and a compound exists on the surface of the electrode. Therefore, there is an effect that ammonia or chlorine can be measured with high sensitivity and ease.

また、本発明に係るアンモニア測定素子および本発明に係る塩素測定素子においては、いずれも、電極上での重量変化を周波数変化という形態で数値化しているため、分析者毎に生じる測定値の読み取り誤差を著しく小さくできるという更なる効果を奏する。特に、水晶振動子を用いた形態では、水晶振動子が電気機器などに使用されている汎用品であり、携帯型の小型で、低価格の測定器の製作が可能であるという効果も奏する。   Further, in the ammonia measuring element according to the present invention and the chlorine measuring element according to the present invention, since the weight change on the electrode is quantified in the form of frequency change, the measurement value generated for each analyst is read. There is an additional effect that the error can be significantly reduced. In particular, in the form using a crystal resonator, the crystal resonator is a general-purpose product that is used in electrical equipment and the like, and there is also an effect that it is possible to manufacture a portable and small-sized measuring instrument.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

<1.本発明に係るアンモニア測定素子>
本発明に係るアンモニア測定素子は、圧電体及び当該圧電体をはさんで両側に設置されている電極を備え、当該電極の表面にアンモニアと化合物を形成する金属が存在するものである。
<1. Ammonia Measuring Element According to the Present Invention>
An ammonia measuring element according to the present invention includes a piezoelectric body and electrodes disposed on both sides of the piezoelectric body, and a metal that forms a compound with ammonia exists on the surface of the electrode.

本明細書において、「アンモニアと化合物を形成する金属」とは、アンモニアと接触したときに、構成要素としてアンモニア分子由来の窒素原子及び水素原子と金属元素を少なくとも含み、各構成要素が物理的方法ではそれ以上分離できない化合物を形成する金属を意味し、アンモニアと吸脱着するのみの金属を意味しない。   In this specification, “a metal that forms a compound with ammonia” means that when it comes into contact with ammonia, it contains at least nitrogen atoms derived from ammonia molecules, hydrogen atoms, and metal elements as constituent elements, and each constituent element is a physical method. Means a metal that forms a compound that cannot be separated any more, and does not mean a metal that only adsorbs and desorbs with ammonia.

本発明ではアンモニアと化合物を形成する金属を電極表面に存在させる。これにより測定対象気体中にアンモニアが含まれると当該アンモニアと当該金属とが化合物を形成する。これは特許文献6のように吸脱着によりアンモニアを測定する方法に比べて高感度に測定できる。つまり、吸脱着のように可逆性が高いと、アンモニアが電極表面に吸着したり、脱離したりすることが頻繁に繰り返されるので、微量のアンモニアを吸着しても、すぐに電極表面から脱離してしまう。そのため低濃度のものを測りにくい。一方、本発明では化合物を形成する。化合物の形成は吸脱着に比べて可逆性が低い、すなわち、一度化合物を形成すれば、すぐにアンモニアが脱離することは少ない。この点は後述するモリブデンにおいて特に顕著である。そのため電極表面にはアンモニアが蓄積されていく。よって測定対象の気体中のアンモニアが低濃度であっても、高感度に検出することができる。   In the present invention, a metal that forms a compound with ammonia is present on the electrode surface. Thus, when ammonia is contained in the measurement target gas, the ammonia and the metal form a compound. This can be measured with higher sensitivity than the method of measuring ammonia by adsorption / desorption as in Patent Document 6. In other words, when reversibility is high like adsorption / desorption, ammonia is frequently adsorbed and desorbed on the electrode surface, so even if a small amount of ammonia is adsorbed, it is immediately desorbed from the electrode surface. End up. Therefore, it is difficult to measure a low concentration. On the other hand, in the present invention, a compound is formed. The formation of the compound is less reversible than the adsorption / desorption, that is, once the compound is formed, ammonia is rarely released immediately. This point is particularly remarkable in molybdenum described later. Therefore, ammonia accumulates on the electrode surface. Therefore, even if ammonia in the gas to be measured has a low concentration, it can be detected with high sensitivity.

〔1−1.圧電体〕
本発明に係るアンモニア測定素子が備える圧電体の具体例としては、特に限定されないが、水晶、酸化亜鉛、ロッシェル塩(酒石酸カリウム‐ナトリウム)、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、リチウムテトラボレート、ランガサイト、窒化アルミニウム、電気石(トルマリン)、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。中でも、周波数の精度、安定度に対して優れた性能を有する水晶が好ましい。
[1-1. Piezoelectric material
Specific examples of the piezoelectric body included in the ammonia measuring element according to the present invention are not particularly limited, but include quartz, zinc oxide, Rochelle salt (potassium tartrate-sodium tartrate), lead zirconate titanate, lithium niobate, lithium tantalate, Examples thereof include lithium tetraborate, langasite, aluminum nitride, tourmaline, and polyvinylidene fluoride. Among these, quartz having excellent performance with respect to frequency accuracy and stability is preferable.

水晶には種々のカットタイプがあり、カットタイプに応じて温度依存性が異なる。本発明に係るアンモニア測定素子が圧電体として備える水晶のカットタイプの具体例としては、特に限定されないが、ATカット、DTカット、SLカット、XYカット、CTカット、BTカット等が挙げられる。中でも、−20℃〜60℃において温度の影響を受けにくいATカットの水晶が好ましい。   There are various cut types of quartz, and the temperature dependence differs depending on the cut type. Specific examples of the crystal cut type that the ammonia measuring element according to the present invention includes as a piezoelectric body include, but are not limited to, AT cut, DT cut, SL cut, XY cut, CT cut, BT cut, and the like. Among them, an AT-cut quartz that is hardly affected by temperature at −20 ° C. to 60 ° C. is preferable.

また、水晶の共振周波数は、外形形状により決定される。例えば、数MHz〜数十MHzの周波数帯であり、ATカットの厚み滑り形状の水晶としては、棒状の人工水晶を結晶軸に対して所定の角度板状に切断し、丸板、矩形、短冊等の水晶片を用いればよい。このようなATカットの水晶では、水晶片の厚みによって共振周波数が決定される。従って、所望の共振周波数に応じて、水晶片の板面を研磨するとよい。   The resonance frequency of quartz is determined by the outer shape. For example, a frequency band of several MHz to several tens of MHz, and as an AT-cut thickness-slip-shaped quartz crystal, a rod-shaped artificial quartz crystal is cut into a plate at a predetermined angle with respect to the crystal axis, and a round plate, a rectangle, a strip A crystal piece such as the above may be used. In such AT-cut quartz, the resonance frequency is determined by the thickness of the quartz piece. Therefore, the plate surface of the crystal piece may be polished according to the desired resonance frequency.

また、同様な素子として、SAWデバイス(弾性表面波素子)があり、ここに例示した水晶の代わりに利用することも可能である。   Further, as a similar element, there is a SAW device (surface acoustic wave element), which can be used instead of the quartz exemplified here.

また、水晶振動子を利用した重量変化を測定する手法において、その測定原理上、水晶振動子の基本発振周波数を高くすることによって重量変化に比例した発振周波数の変化量が大きくなることが知られている。そこで、高感度な測定のために、後述する実施例で用いられている水晶振動子の基本発振周波数(9MHzの水晶振動子)よりも高い基本発振周波数(一例として、30MHzの水晶振動子)のものを用いてもよい。   In addition, in the method of measuring weight change using a crystal resonator, it is known that the amount of change in the oscillation frequency proportional to the weight change increases by increasing the fundamental oscillation frequency of the crystal resonator due to the measurement principle. ing. Therefore, for high-sensitivity measurement, a fundamental oscillation frequency (for example, a 30 MHz crystal resonator) that is higher than the fundamental oscillation frequency (9 MHz crystal resonator) of the crystal resonator used in the embodiments described later. A thing may be used.

〔1−2.電極〕
本発明に係るアンモニア測定素子が備える電極としては、アンモニアと化合物を形成する金属が表面に存在するものであればよい。圧電体の表面に、アンモニアと化合物を形成する金属が存在することによって、当該電極に測定対象であるアンモニアが接触すると、当該アンモニアは当該金属と化学反応し質量変化(増加)し、その変化に比例して水晶振動子の周波数特性が変化するので、この周波数を測定することによりアンモニアを簡便に短時間で容易に定めることができる。また、特許文献6の方法で用いられていた感応膜を用いなくてもよいので、湿度の影響を抑えることができる。
[1-2. electrode〕
As an electrode with which the ammonia measuring element which concerns on this invention is equipped, the metal which forms a compound with ammonia should just exist on the surface. Due to the presence of a metal that forms a compound with ammonia on the surface of the piezoelectric body, when ammonia to be measured comes into contact with the electrode, the ammonia chemically reacts with the metal and changes in mass (increases). Since the frequency characteristics of the quartz crystal resonator change proportionally, it is possible to easily determine ammonia in a short time by measuring this frequency. Moreover, since it is not necessary to use the sensitive film | membrane used by the method of patent document 6, the influence of humidity can be suppressed.

圧電体の上に電極を形成する方法としては、従来公知の方法を任意に採用することができる限り特に限定されない。例えば、真空蒸着、スパッタ法などの公知の手段を用いて、相対する面に励振電極を形成し、この励振電極を両側縁部へ導き出すようにしてもよい。これらの方法によれば、均質で緻密な薄膜を形成することができる。   The method for forming the electrode on the piezoelectric body is not particularly limited as long as a conventionally known method can be arbitrarily adopted. For example, a known means such as vacuum deposition or sputtering may be used to form excitation electrodes on the opposite surfaces, and the excitation electrodes may be led to both side edges. According to these methods, a homogeneous and dense thin film can be formed.

そして、圧電体の両側縁部をベースとした部分に設けた一対の端子の先端部に、固着した保持部材で挟持し、ここに導電性接着剤などを塗布して固着して、機械的に保持し、励振電極と端子との電気的な接続を行なうとよい。   Then, sandwiched between the distal ends of a pair of terminals provided at the base portion on both side edges of the piezoelectric body with a fixed holding member, and a conductive adhesive or the like is applied and fixed thereto, and mechanically It is preferable to hold and electrically connect the excitation electrode and the terminal.

圧電体上に形成する電極の厚みとしては、例えば5〜500nmとしてもよく、好ましくは50〜400nmである。また、圧電体板に対する電極の大きさ(面積)については、測定に支障がない範囲であれば任意で構わないが、好ましくは直径1〜10mm、より好ましくは2〜7mmであればよい。   The thickness of the electrode formed on the piezoelectric body may be, for example, 5 to 500 nm, and preferably 50 to 400 nm. In addition, the size (area) of the electrode with respect to the piezoelectric plate may be arbitrary as long as the measurement does not hinder the measurement, but the diameter is preferably 1 to 10 mm, more preferably 2 to 7 mm.

本発明に係るアンモニア測定素子が備える電極は、アンモニアと化合物を形成する金属が表面に存在していればよい。当該金属と他の金属とを、その表面にアンモニアと化合物を形成する金属が存在するように混合してもよいし、他の金属による電極の表面がアンモニアと化合物を形成する金属により被覆されてなるものであってもよいし、電極自体がアンモニアと化合物を形成する金属により構成されているものであってもよい。電極自体がアンモニア化合物を形成する金属で構成されている場合、密着性を向上させるために、圧電体と当該電極の間に、クロム、ニッケル、チタン等の薄膜を設けてもよい。   The electrode included in the ammonia measuring element according to the present invention is only required to have a metal that forms a compound with ammonia on the surface. The metal and another metal may be mixed so that a metal that forms a compound with ammonia exists on the surface, or the surface of the electrode made of another metal is coated with a metal that forms a compound with ammonia. The electrode itself may be composed of a metal that forms a compound with ammonia. When the electrode itself is made of a metal that forms an ammonia compound, a thin film of chromium, nickel, titanium, or the like may be provided between the piezoelectric body and the electrode in order to improve adhesion.

電極自体をアンモニアと化合物を形成する金属により構成するには上述の方法に従って行なうとよい。電極表面をアンモニアまたは塩素と化合物を形成する金属で被覆するには、蒸着、スパッタ法などの公知の方法によって行なうとよい。   In order to construct the electrode itself with a metal that forms a compound with ammonia, it is preferable to carry out according to the above-described method. In order to coat the electrode surface with ammonia or a metal that forms a compound with chlorine, a known method such as vapor deposition or sputtering may be used.

ところで、ナトリウム等のアルカリ金属は、アンモニアと化合物を形成する金属として使用可能であるが、一般環境(常温・常圧)下では不安定であることから、一般環境下で使用することを想定するとモリブデンを採用することが好ましい。   By the way, alkali metal such as sodium can be used as a metal that forms a compound with ammonia, but it is unstable under general environment (normal temperature and normal pressure). It is preferable to use molybdenum.

具体的には、モリブデンはアンモニアと結合して、パラモリブデン酸アンモニウム{(NHMo24・4HO}化合物を形成する。つまり本発明に係るアンモニア測定素子において、アンモニアと化合物を形成する金属としてモリブデンを採用した場合、モリブデンとアンモニアが反応することで質量変化が生じ、その結果、周波数特性が変化することを検出しているため、アンモニア濃度を測定できる。 Specifically, molybdenum combines with ammonia to form an ammonium paramolybdate {(NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O} compound. In other words, in the ammonia measuring element according to the present invention, when molybdenum is used as the metal that forms a compound with ammonia, the mass change is caused by the reaction between molybdenum and ammonia, and as a result, the change in frequency characteristics is detected. Therefore, the ammonia concentration can be measured.

なお、本発明においてアンモニアと化合物を形成する金属としてモリブデンを採用した形態では、酸素、窒素、二酸化炭素、エタノールとは化合物を形成し難い。そのため、通常の環境(居住空間、工場現場等)に存在する酸素、窒素等のガス、濃度域に対して、モリブデンを表面に有する電極による吸着量は非常に少ない。つまり、通常の環境下においてアンモニアに対する選択性はとても高いといえる。また、モリブデンとアンモニアとの反応は、アンモニアが微量であっても迅速に進んで化合物を形成するので、アンモニア濃度を鋭敏に、かつ簡便に測定できるという更なる効果も奏する。   In the present invention, in a form in which molybdenum is used as a metal that forms a compound with ammonia, it is difficult to form a compound with oxygen, nitrogen, carbon dioxide, and ethanol. Therefore, the amount of adsorption by the electrode having molybdenum on the surface is very small with respect to oxygen, nitrogen and other gases existing in normal environments (residential spaces, factory sites, etc.) and concentration ranges. In other words, it can be said that the selectivity for ammonia is very high in a normal environment. In addition, the reaction between molybdenum and ammonia rapidly proceeds to form a compound even if the amount of ammonia is small, so that the ammonia concentration can be measured sensitively and easily.

ところで、モリブデンは、アンモニア測定のみならず塩素測定にも有効な金属である。上記通常の環境下でアンモニアを測定する場合、塩素と共存する環境はほとんどないので、アンモニア測定時に塩素の影響を受けることはほとんどない。同様に、塩素測定時にアンモニアの影響を受けることはほとんどないともいえる。なお、アンモニア測定時に塩素を併せて検出してしまうことはガス管理上の安全面から見て大きな問題にならないと考える。アンモニアを測定する際に、実際は塩素を検出してしまったとしても、使用者は測定値に基づいてガスの点検等することで安全管理を行ない、塩素のガス漏れ等を認識し得るからである。   Incidentally, molybdenum is an effective metal not only for ammonia measurement but also for chlorine measurement. When ammonia is measured in the above normal environment, there is almost no environment coexisting with chlorine, so there is almost no influence of chlorine when measuring ammonia. Similarly, it can be said that ammonia is hardly affected when measuring chlorine. In addition, it is considered that detecting chlorine at the time of ammonia measurement is not a big problem from the viewpoint of gas management safety. This is because even when chlorine is actually detected when measuring ammonia, the user can perform safety management by checking the gas based on the measured value, and can recognize chlorine gas leaks, etc. .

また、特許文献6ではアンモニアおよび塩素以外のガスが検知される場合がある。しかし、測定対象ガス以外のガスへの対応が開示されていない。このことから本発明において上記金属としてモリブデンを採用した形態では従来技術に比べて、アンモニアに高い選択性がある方法といえる。   Moreover, in patent document 6, gas other than ammonia and chlorine may be detected. However, correspondence to gases other than the measurement target gas is not disclosed. From this, it can be said that the embodiment in which molybdenum is used as the metal in the present invention is a method in which ammonia has a higher selectivity than the prior art.

なお、本発明に係るアンモニア測定素子の電極には、アンモニアと化合物を形成する金属の他に、本発明の効果を損なわない範囲内で他の成分(有機成分、金属塩等)が含まれていても差し支えない。   In addition, the electrode of the ammonia measuring element according to the present invention contains other components (organic component, metal salt, etc.) within a range not impairing the effects of the present invention, in addition to the metal that forms a compound with ammonia. There is no problem.

また、電極の表面を鏡面加工することが好ましい。湿度の影響を減少させることができる。鏡面加工の精度としては特に限定されないが、表面の粗さを0.06μm以下に鏡面加工することがより好ましい。下限値は特に限定されず、粗さは少なければ少ないほどよい。素子表面を鏡面状態した場合、水分子(水分)の物理吸着が、一般的な電極表面状態よりも著しく低下する。その結果、対象ガスに水分が含まれている場合であっても、水分(湿分)の影響を低減してアンモニア濃度の測定が可能となる。例えば、後述の実施例にも記載の通り、水の影響を1/7に抑えることができる。   Moreover, it is preferable that the surface of an electrode is mirror-finished. The influence of humidity can be reduced. Although it does not specifically limit as the precision of mirror surface processing, It is more preferable to carry out mirror surface processing of the surface roughness to 0.06 micrometer or less. The lower limit is not particularly limited, and the lower the roughness, the better. When the element surface is in a mirror state, the physical adsorption of water molecules (water) is significantly lower than the general electrode surface state. As a result, even if the target gas contains moisture, the influence of moisture (humidity) can be reduced and the ammonia concentration can be measured. For example, as described in Examples described later, the influence of water can be suppressed to 1/7.

<2.本発明に係るアンモニア測定装置>
本発明に係るアンモニア測定装置は、アンモニア測定素子と、上記電極の表面がアンモニアと化合物を形成したときに生じる上記アンモニア測定素子の周波数を測定する周波数測定装置と、を備えているものである。
<2. Ammonia Measuring Device According to the Present Invention>
An ammonia measuring apparatus according to the present invention includes an ammonia measuring element and a frequency measuring apparatus that measures the frequency of the ammonia measuring element generated when the surface of the electrode forms a compound with ammonia.

湿度の影響を極力抑えるには、上述のように電極表面を鏡面加工すること以外に、参照素子として湿度測定素子を設ければよい。湿度測定素子としては、公知のものとして高分子膜やセラミックを利用した湿度センサ等が挙げられるが、アンモニアの影響を受けずに湿度のみを測定する湿度測定素子をさらに備えることが好ましい。より好ましい湿度測定素子の一例は、圧電体及び当該圧電体を挟んで両側に設置される電極を備え、当該電極の表面に酸化クロムまたは白金粒子を担持した酸化クロムが存在する湿度測定素子ものである。湿度測定素子をさらに備えることにより、湿度の影響を補正することができ、湿度の影響をより抑えた測定を行なうことができる。   In order to suppress the influence of humidity as much as possible, a humidity measuring element may be provided as a reference element in addition to mirroring the electrode surface as described above. Examples of the humidity measuring element include a humidity sensor using a polymer film or ceramic as a known element, but it is preferable to further include a humidity measuring element that measures only humidity without being affected by ammonia. An example of a more preferable humidity measuring element is a humidity measuring element that includes a piezoelectric body and electrodes disposed on both sides of the piezoelectric body, and chromium oxide or chromium oxide carrying platinum particles is present on the surface of the electrode. is there. By further providing a humidity measuring element, the influence of humidity can be corrected, and measurement with a reduced influence of humidity can be performed.

白金粒子を担持した酸化クロムを湿度測定素子が備える電極とするにおいて、その具体的構成については特に限定されない。例えば酸化クロムが担持する白金粒子の量としては、特に限定されず、例えば、直径5mmで、厚さ500nm程度の酸化クロム電極に対して白金粒子10000ng、好ましくは1000〜15000ng(片面当たり)を担持させるとよい。この場合、白金はアンモニアと反応しないことから、より高感度、高精度の補正が可能となる。また、酸化クロムに白金粒子を担持させる方法としては特に限定されないが、電気めっき等の容易な手法を用いればよい。   In the case where the humidity measurement element is made of chromium oxide carrying platinum particles, the specific configuration thereof is not particularly limited. For example, the amount of platinum particles supported by chromium oxide is not particularly limited. For example, 10000 ng of platinum particles, preferably 1000 to 15000 ng (per one side) are supported on a chromium oxide electrode having a diameter of 5 mm and a thickness of about 500 nm. It is good to let them. In this case, since platinum does not react with ammonia, correction with higher sensitivity and higher accuracy is possible. Moreover, although it does not specifically limit as a method to carry | support a platinum particle on chromium oxide, What is necessary is just to use easy methods, such as electroplating.

このように湿度の補正することで、より高感度に検出できる。つまり、湿度が高いとアンモニアが水分子に取り込まれた上で電極表面に接触する。気体のアンモニアと金属との反応に比べて、アンモニア水溶液(アンモニアを取り込んだ水分子)と金属との反応性は高い。一方で、これは湿度の影響を受け易く測定誤差が生じやすいともいえるが、湿度測定素子によって湿度の影響を除去できる。よって、湿度の影響を受けずに、かつ高感度な測定が可能となる。   By correcting the humidity in this way, it can be detected with higher sensitivity. That is, when the humidity is high, ammonia is taken into water molecules and then contacts the electrode surface. Compared with the reaction between gaseous ammonia and metal, the reactivity between the aqueous ammonia solution (water molecules incorporating ammonia) and the metal is high. On the other hand, it can be said that this is easily affected by humidity and a measurement error is likely to occur, but the humidity measurement element can remove the influence of humidity. Therefore, highly sensitive measurement is possible without being affected by humidity.

なお、特許文献6では湿度の影響を除去するために一般的な公知の湿度検知素子を利用してその影響を補正するシステムとなっている。しかし、当該湿度検知素子のアンモニアガスに対する影響について示されておらず、必ずしも有効な補正が行なわれているとはいえない。そのため、本発明は従来技術に比べて湿度をもうまく活用して高感度な測定を実現したともいえる。   In Patent Document 6, a general known humidity detecting element is used to correct the influence in order to remove the influence of humidity. However, the effect of the humidity sensing element on ammonia gas is not shown, and it cannot be said that effective correction is necessarily performed. Therefore, it can be said that the present invention realizes highly sensitive measurement by utilizing the humidity well compared with the prior art.

図1を用いて、本発明に係るアンモニア測定装置の一実施形態について説明する。図1は本実施の形態に係るアンモニア測定装置1の構成を模式的に示す図である。   An embodiment of an ammonia measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an ammonia measuring apparatus 1 according to the present embodiment.

アンモニア測定装置1は、検出部2、周波数測定器3、計算部(計算手段・アンモニア濃度算出手段)4、記憶部(記憶手段)5を備えている。   The ammonia measuring apparatus 1 includes a detection unit 2, a frequency measuring device 3, a calculation unit (calculation unit / ammonia concentration calculation unit) 4, and a storage unit (storage unit) 5.

検出部2は、アンモニア測定素子2a、湿度測定素子2bを備えている。   The detection unit 2 includes an ammonia measuring element 2a and a humidity measuring element 2b.

アンモニア測定素子2aは、アンモニアを測定するための水晶振動子であり、水晶を挟むように電極が形成され、当該電極の表面にはモリブデンが存在している。なお、本発明に係るアンモニア測定装置が備えるアンモニア測定素子2aの態様はこれに限定されず上述した本発明に係るアンモニア測定素子の範疇に入るものであればよい。   The ammonia measuring element 2a is a crystal resonator for measuring ammonia, and an electrode is formed so as to sandwich the crystal, and molybdenum is present on the surface of the electrode. In addition, the aspect of the ammonia measuring element 2a with which the ammonia measuring apparatus which concerns on this invention is provided is not limited to this, What is contained in the category of the ammonia measuring element which concerns on this invention mentioned above.

湿度測定素子2bは、湿度を測定するための水晶振動子であり、水晶を挟むように電極が形成され、当該電極の表面には酸化クロムが存在している。なお、本発明に係るアンモニア測定装置が備える湿度測定素子2bの態様はこれに限定されず上述した本発明に係るアンモニア測定装置が備える湿度測定素子の範疇に入るものであればよい。   The humidity measuring element 2b is a crystal resonator for measuring humidity, and an electrode is formed so as to sandwich the crystal, and chromium oxide is present on the surface of the electrode. In addition, the aspect of the humidity measuring element 2b with which the ammonia measuring device which concerns on this invention is provided is not limited to this, What is contained in the category of the humidity measuring element with which the ammonia measuring device which concerns on this invention mentioned above is provided.

周波数測定器3は、アンモニアと測定素子2aの電極表面に存在する金属とが、アンモニアと化合物を形成したことによる重量の増加に応じた、アンモニア測定素子2aの共振周波数を測定するものである。また、周波数測定装置3は、アンモニアと化合物を形成せずに、測定対象の気体中の水分を吸着したことによる重量の増加に応じた、湿度測定素子2bの共振周波数をも測定するものである。周波数測定器3としては従来公知の周波数測定装置を用いればよい。   The frequency measuring device 3 measures the resonance frequency of the ammonia measuring element 2a according to an increase in weight due to ammonia and a metal present on the electrode surface of the measuring element 2a forming a compound with ammonia. The frequency measuring device 3 also measures the resonance frequency of the humidity measuring element 2b according to an increase in weight due to adsorption of moisture in the gas to be measured without forming a compound with ammonia. . A conventionally known frequency measuring device may be used as the frequency measuring device 3.

また、周波数測定器3は、アンモニア測定素子2aおよび湿度測定素子2bと接続されているとともに、計算部4にも、当該計算部4を介して記憶部5にも接続されている。   The frequency measuring device 3 is connected to the ammonia measuring element 2 a and the humidity measuring element 2 b, and is also connected to the calculation unit 4 and the storage unit 5 via the calculation unit 4.

計算部4は、アンモニア測定素子2aの共振周波数から、アンモニア濃度及び発振周波数の関係を求めるものである。また、計算部4は当該関係を記憶部5に出力するものである。また、計算部4は、測定対象のガスがアンモニア測定素子2aに接触した際の共振周波数を周波数測定器3から受信し、当該共振周波数と上記関係とから、測定対象の気体中のアンモニア濃度を算出するものでもある。つまり、計算部4は本発明に係るアンモニア測定装置が備える計算手段およびアンモニア濃度算出手段の両方の機能を有しているものである。本発明に係るアンモニア測定装置の形態はこれに限定されず、計算手段として機能する計算部と、アンモニア濃度算出手段として機能する計算部と、を独立して備えていてもよい。また、計算部4の具体的な構成としては特に限定されず、従来公知のコンピュータ等を用いればよい。   The calculation unit 4 obtains the relationship between the ammonia concentration and the oscillation frequency from the resonance frequency of the ammonia measuring element 2a. The calculation unit 4 outputs the relationship to the storage unit 5. Further, the calculation unit 4 receives the resonance frequency when the gas to be measured comes into contact with the ammonia measuring element 2a from the frequency measuring device 3, and calculates the ammonia concentration in the gas to be measured from the resonance frequency and the above relationship. It is also what is calculated. That is, the calculation unit 4 has both functions of calculation means and ammonia concentration calculation means provided in the ammonia measuring device according to the present invention. The form of the ammonia measuring apparatus according to the present invention is not limited to this, and a calculation unit that functions as a calculation unit and a calculation unit that functions as an ammonia concentration calculation unit may be provided independently. The specific configuration of the calculation unit 4 is not particularly limited, and a conventionally known computer or the like may be used.

また、計算部4は、後述するアンモニアの濃度が互いに異なる既知の2種類以上の気体をそれぞれアンモニア測定装置1に導入する際に、導入する気体のアンモニア濃度を入力する手段を備えている。   Further, the calculation unit 4 includes means for inputting the ammonia concentration of the gas to be introduced when two or more kinds of known gases having different ammonia concentrations, which will be described later, are introduced into the ammonia measuring device 1.

記憶部5は、計算部4が出力した上記関係を記憶するものである。本実施の形態では、記憶部5は図1のように計算部4に対して外付けになっているが、本発明に係るアンモニア測定装置が備える記憶手段は、計算手段又はアンモニア濃度算出手段に内蔵されていてもよく外付けであってもよい。また計算手段の具体的態様としては、上記関係に関するデータを記憶することが可能なものであれば特に限定されず、例えばRAM(random access memory)またはHDD(ハードディスクドライブ)により構成すればよい。   The storage unit 5 stores the relationship output from the calculation unit 4. In the present embodiment, the storage unit 5 is externally attached to the calculation unit 4 as shown in FIG. 1, but the storage unit included in the ammonia measuring apparatus according to the present invention is a calculation unit or an ammonia concentration calculation unit. It may be built in or external. In addition, a specific aspect of the calculation means is not particularly limited as long as it can store data related to the above relationship, and may be configured by, for example, a RAM (Random Access Memory) or an HDD (Hard Disk Drive).

次にアンモニア測定装置1の使用方法について説明する。   Next, a method for using the ammonia measuring apparatus 1 will be described.

まず、アンモニアの濃度が互いに異なる既知の2種類以上の気体をアンモニア測定素子2aに接触させて、アンモニアが化合物を形成することによるアンモニア測定素子2aの共振周波数を周波数測定器3により測定する。   First, two or more known gases having different ammonia concentrations are brought into contact with the ammonia measuring element 2a, and the frequency measuring device 3 measures the resonance frequency of the ammonia measuring element 2a due to the formation of a compound by ammonia.

次に計算部4は周波数測定器3から受信した共振周波数と、予め入力された上記2種類以上の気体のアンモニア濃度からアンモニア濃度と共振周波数との関係を求める。具体的には、上記2種類以上の気体をそれぞれ検出部2に導入して、アンモニア測定素子2aに接触させる。このとき、導入する気体のアンモニア濃度を計算部4に入力しておく。また、計算部4は、湿度測定素子2bを介して測定された湿度影響分の周波数変化のみを演算除去する。これにより計算部4は、湿度の影響が除かれた、アンモニア濃度に対応する周波数を少なくとも2点把握することができる。そして、この2点からアンモニア濃度と周波数との関係を求めることができる。次に上記関係を記憶部5に出力する。上記関係については、例えば関係式として記憶しておけばよい。   Next, the calculation unit 4 obtains a relationship between the ammonia concentration and the resonance frequency from the resonance frequency received from the frequency measuring device 3 and the ammonia concentrations of the two or more kinds of gases input in advance. Specifically, the two or more kinds of gases are introduced into the detection unit 2 and brought into contact with the ammonia measuring element 2a. At this time, the ammonia concentration of the gas to be introduced is input to the calculation unit 4. Further, the calculation unit 4 calculates and removes only the frequency change corresponding to the humidity effect measured through the humidity measuring element 2b. Thereby, the calculation part 4 can grasp | ascertain at least 2 frequency corresponding to ammonia concentration from which the influence of humidity was removed. Then, the relationship between the ammonia concentration and the frequency can be obtained from these two points. Next, the above relationship is output to the storage unit 5. What is necessary is just to memorize | store the said relationship as a relational expression, for example.

次に、測定対象の気体が、アンモニア測定素子2aおよび湿度測定素子2bに接触したときに、周波数測定装置3は測定されるそれぞれの素子の周波数を計算部4に送る。計算部4は、記憶部4からアンモニア濃度及び周波数の関係を参照し、測定対象の気体中のアンモニア濃度を算出する。   Next, when the gas to be measured comes into contact with the ammonia measuring element 2a and the humidity measuring element 2b, the frequency measuring device 3 sends the frequency of each element to be measured to the calculating unit 4. The calculation unit 4 refers to the relationship between the ammonia concentration and the frequency from the storage unit 4 and calculates the ammonia concentration in the gas to be measured.

<3.本発明に係るアンモニアの測定方法>
本発明に係るアンモニア測定方法は、測定対象の気体と上記本発明に係るアンモニア測定素子を接触させて共振周波数を測定するアンモニア測定工程を含めばよい。
<3. Ammonia Measurement Method According to the Present Invention>
The ammonia measuring method according to the present invention may include an ammonia measuring step of measuring the resonance frequency by bringing the gas to be measured into contact with the ammonia measuring element according to the present invention.

アンモニア測定工程の具体的な方法として、本発明に係るアンモニア測定素子に測定対象の気体を接触させればよく、特に限定されない。当該気体をアンモニア測定素子に接触させるときの温度および圧力としては特に限定されず、常温、常圧下にて行なえばよい。アンモニアと化合物を形成する金属としてモリブデンを採用した形態では、常温(20〜40℃、好ましくは20℃〜25℃)、常圧(0.95気圧〜1.05気圧、好ましくは通常の大気圧)にて行なうことが好ましい。モリブデンは常温、常圧で好適にアンモニアと化合物を形成するので、簡便にアンモニアの検出を行なうことができる。   As a specific method of the ammonia measuring step, there is no particular limitation as long as the gas to be measured is brought into contact with the ammonia measuring element according to the present invention. The temperature and pressure when the gas is brought into contact with the ammonia measuring element are not particularly limited, and may be performed at normal temperature and normal pressure. In a form in which molybdenum is used as a metal forming a compound with ammonia, normal temperature (20 to 40 ° C., preferably 20 to 25 ° C.), normal pressure (0.95 to 1.05 atm, preferably normal atmospheric pressure). ) Is preferable. Molybdenum suitably forms a compound with ammonia at room temperature and normal pressure, so that ammonia can be easily detected.

さらに、湿度の影響を補正するために、アンモニアの影響を受けずに湿度のみを測定する湿度測定素子を用いて湿度の影響を測定する湿度測定工程を含むことが好ましい。より好ましくは、圧電体及び当該圧電体を挟んで両側に設置される電極を備え、当該電極の表面に酸化クロムまたは白金粒子を担持した酸化クロムが存在する湿度測定素子を用いて湿度の影響を測定する湿度測定工程を含めばよい。   Furthermore, in order to correct the influence of humidity, it is preferable to include a humidity measurement step of measuring the influence of humidity using a humidity measuring element that measures only humidity without being affected by ammonia. More preferably, a humidity measuring element having a piezoelectric body and electrodes installed on both sides of the piezoelectric body and having chromium oxide or chromium oxide carrying platinum particles on the surface of the electrode is used to control the influence of humidity. What is necessary is just to include the humidity measurement process to measure.

本発明に係るアンモニア測定方法は、上述した本発明に係るアンモニア測定装置を用いれば好適に実現できる。   The ammonia measuring method according to the present invention can be suitably realized by using the above-described ammonia measuring apparatus according to the present invention.

<4.本発明に係る塩素測定素子>
本発明に係る塩素測定素子は、圧電体及び当該圧電体をはさんで両側に設置されている電極を備え、当該電極の表面に塩素と化合物を形成する金属が存在するものである。
<4. Chlorine measuring element according to the present invention>
The chlorine measuring element according to the present invention comprises a piezoelectric body and electrodes disposed on both sides of the piezoelectric body, and a metal that forms chlorine and a compound is present on the surface of the electrode.

本明細書において、「塩素と化合物を形成する金属」とは、塩素と接触したときに、構成要素として塩素分子由来の窒素原子及び水素原子と金属元素を少なくとも含み、各構成要素が物理的方法ではそれ以上分離できない化合物を形成する金属を意味し、塩素と吸脱着するのみの金属を意味しない。   In the present specification, “a metal that forms a compound with chlorine” means at least a nitrogen atom derived from a chlorine molecule, a hydrogen atom, and a metal element as constituent elements when contacted with chlorine, and each constituent element is a physical method. Means a metal that forms a compound that cannot be separated any more, and does not mean a metal that only adsorbs and desorbs with chlorine.

〔4−1.圧電体〕
本発明に係る塩素測定素子が備える圧電体に関しては、上記〔1−1〕の項の説明を準用できる。
[4-1. Piezoelectric material
Regarding the piezoelectric body provided in the chlorine measuring element according to the present invention, the description in the section [1-1] can be applied mutatis mutandis.

〔4−2.電極〕
本発明に係る塩素測定素子が備える電極としては、塩素と化合物を形成する金属が表面に存在するものであればよい。圧電体の表面に、塩素と化合物を形成する金属が存在することによって、当該電極に測定対象である塩素と接触すると、当該塩素は当該金属と化学反応し質量変化(増加)し、その変化に比例して水晶振動子の周波数特性が変化するので、この周波数を測定することにより塩素を簡便に短時間で容易に定めることができる。また、特許文献6の方法で用いられていた感応膜を用いなくてもよいので、高感度に検出できる。
[4-2. electrode〕
As an electrode with which the chlorine measuring element which concerns on this invention is equipped, the metal which forms a compound with chlorine should just exist on the surface. When there is a metal that forms a compound with chlorine on the surface of the piezoelectric body, when the electrode comes into contact with the chlorine to be measured, the chlorine chemically reacts with the metal and changes in mass (increases). Since the frequency characteristics of the quartz crystal resonator change proportionally, chlorine can be determined easily in a short time by measuring this frequency. Moreover, since it is not necessary to use the sensitive film | membrane used by the method of patent document 6, it can detect with high sensitivity.

圧電体の上に電極を形成する方法、電極の態様に関しては、上記〔1−2〕の項の説明を準用できる。   Regarding the method of forming an electrode on the piezoelectric body and the mode of the electrode, the description in [1-2] above can be applied mutatis mutandis.

塩素と化合物を形成する金属としては、例えば、銅、マグネシウム、モリブデン等が挙げられる。中でもモリブデンは、一般環境下において反応する物質が非常に少ないため好ましい。また、モリブデンは、従来の装置では塩素の測定を妨害していた水分、エタノール、酸素等とは化合物を形成し難いため、その影響をほとんど受けない。つまり本発明に係る塩素測定素子において、塩素と化合物を形成する金属としてモリブデンを採用した場合、モリブデンと塩素が反応することで五塩化モリブデンとなり、質量変化(増加)し、その変化に比例して、周波数特性が変化することを検出しているため、塩素濃度を測定できる。また、モリブデンと塩素との反応は、塩素が微量であっても迅速に進んで化合物を形成するので、また湿度の影響がより抑えられるので、高湿度の条件下でも進行し、塩素濃度を鋭敏に、かつ簡便に測定できる。なお、本発明に係る塩素素子の電極には、塩素と化合物を形成する金属の他に、本発明の効果を損なわない範囲内で他の成分(有機成分、金属塩等)が含まれていても差し支えない。また、電極の表面を鏡面加工することが好ましい。鏡面加工については上記〔1−2〕の項の説明を準用できる。   As a metal which forms a compound with chlorine, copper, magnesium, molybdenum etc. are mentioned, for example. Among these, molybdenum is preferable because there are very few substances that react in a general environment. Molybdenum is hardly affected by moisture, ethanol, oxygen, and the like, which have been obstructing the measurement of chlorine in conventional apparatuses, and are difficult to form a compound. In other words, in the chlorine measuring element according to the present invention, when molybdenum is used as a metal that forms a compound with chlorine, molybdenum reacts with chlorine to become molybdenum pentachloride, which changes in mass (increases) and is proportional to the change. Since the change of the frequency characteristic is detected, the chlorine concentration can be measured. In addition, the reaction between molybdenum and chlorine proceeds rapidly even when the amount of chlorine is small, and since the influence of humidity is further suppressed, it proceeds even under high humidity conditions, and the chlorine concentration is sensitive. And can be measured easily. In addition, the electrode of the chlorine element according to the present invention contains other components (organic components, metal salts, etc.) within the range not impairing the effects of the present invention, in addition to the metal forming the compound with chlorine. There is no problem. Moreover, it is preferable that the surface of an electrode is mirror-finished. Regarding the mirror finishing, the description in the above section [1-2] can be applied.

<5.塩素測定装置および塩素の測定方法>
本発明に係る塩素測定装置は、本発明に係る塩素測定素子と、上記電極の表面が塩素と化合物を形成したときに生じる上記塩素測定素子の周波数を測定する周波数測定装置と、を備えていればよい。
<5. Chlorine measuring device and chlorine measuring method>
The chlorine measuring device according to the present invention comprises the chlorine measuring device according to the present invention, and a frequency measuring device for measuring the frequency of the chlorine measuring device generated when the surface of the electrode forms a compound with chlorine. That's fine.

また、塩素の濃度が互いに異なる既知の2種類以上の気体が上記塩素測定素子に接触したときに、上記周波数測定装置により測定される、上記塩素が化合物を形成することによる上記塩素測定素子の周波数から、塩素濃度及び発振周波数の関係を求める計算手段と、当該関係を記憶する記憶手段と、当該記憶手段から参照する当該関係、及び塩素濃度の測定対象の気体が上記塩素測定素子に接触したときに、上記周波数測定装置により測定される周波数に基づいて、当該測定対象の気体中の塩素濃度を算出する塩素濃度算出手段と、を備えることが好ましい。   In addition, when two or more known gases having different chlorine concentrations contact the chlorine measuring element, the frequency of the chlorine measuring element measured by the frequency measuring device when the chlorine forms a compound. From the calculation means for obtaining the relationship between the chlorine concentration and the oscillation frequency, the storage means for storing the relationship, the relationship referenced from the storage means, and the gas to be measured for the chlorine concentration is in contact with the chlorine measuring element It is preferable that the apparatus further comprises chlorine concentration calculating means for calculating a chlorine concentration in the measurement target gas based on the frequency measured by the frequency measuring device.

本発明に係る塩素測定装置の各手段に関する説明は上述した本発明に係るアンモニア測定装置の説明を準用できる。つまり、本発明に係るアンモニア測定装置が備えるアンモニア測定素子を本発明に係る塩素測定素子に置き換えたものが本発明に係る塩素測定装置であり、塩素測定素子以外の各手段については、アンモニア測定装置の対応する手段の説明を参照するとよい。   The description of each means of the chlorine measuring device according to the present invention can be applied to the description of the ammonia measuring device according to the present invention. In other words, the chlorine measuring device according to the present invention is obtained by replacing the ammonia measuring element included in the ammonia measuring device according to the present invention with the chlorine measuring device according to the present invention. Reference may be made to the description of the corresponding means.

また、本発明に係る塩素測定方法は、測定対象の気体と本発明に係る塩素測定素子を接触させて共振周波数を測定する塩素測定工程を含めばよい。塩素測定工程の説明については、上述のアンモニア測定工程の説明を準用できる。つまり、好ましい温度条件、圧力条件についてはアンモニア測定工程と同様である。   Moreover, the chlorine measuring method according to the present invention may include a chlorine measuring step of measuring the resonance frequency by bringing the gas to be measured into contact with the chlorine measuring element according to the present invention. About description of a chlorine measurement process, description of the above-mentioned ammonia measurement process can apply mutatis mutandis. That is, preferable temperature conditions and pressure conditions are the same as those in the ammonia measurement step.

塩素測定工程の具体的な方法として、本発明に係る塩素測定素子に測定対象を接触させればよく、特に限定されない。   As a specific method of the chlorine measuring step, the measuring object may be brought into contact with the chlorine measuring element according to the present invention, and is not particularly limited.

本発明に係る塩素測定方法は、本発明に係る塩素測定装置を用いれば好適に実現できる。   The chlorine measuring method according to the present invention can be suitably realized by using the chlorine measuring device according to the present invention.

<6.本発明の用途>
本発明に係るアンモニア測定素子によれば、高感度かつ簡便にアンモニアガスの濃度を測定できる。また、本発明に係る塩素測定素子によれば、高感度かつ簡便に塩素ガスの濃度を測定できる。
<6. Application of the present invention>
The ammonia measuring element according to the present invention can measure the concentration of ammonia gas with high sensitivity and ease. Further, according to the chlorine measuring element according to the present invention, the concentration of chlorine gas can be measured with high sensitivity and ease.

さらに、本発明に係るアンモニア測定素子および本発明に係る塩素測定素子においては、いずれも、電極上での重量変化を周波数変化という形態で数値化しているため、分析者毎に生じる測定値の読み取り誤差を著しく小さくできる。特に、水晶振動子を用いた形態では、アンモニアと化合物を形成する金属および塩素と化合物を形成する金属を電極表面に含まない水晶振動子であれば電気機器等に使用されている汎用品なので、携帯型の小型で、低価格の測定器の製作が可能である。   Furthermore, in the ammonia measuring element according to the present invention and the chlorine measuring element according to the present invention, since the weight change on the electrode is quantified in the form of frequency change, the measurement value generated for each analyst is read. The error can be remarkably reduced. In particular, in the form using a crystal resonator, it is a general-purpose product that is used in electrical equipment etc. if it is a crystal resonator that does not contain a metal that forms a compound with ammonia and a metal that forms a compound with chlorine on the electrode surface. It is possible to produce a portable and small-sized measuring instrument.

以上から、化学工業工場などの現場環境での管理濃度測定や、居住空間等の環境における悪臭測定、美術館や博物館などにおける管理測定のほか、病院や介護施設内の室内環境測定に利用可能である。特に、今後需要が増えることが予想される介護患者の排泄物早期感知システムへの利用も可能である。   From the above, it can be used for measurement of management concentration in the field environment such as chemical industry factory, measurement of bad odor in the environment of living space, management measurement in museums and museums, and indoor environment measurement in hospitals and nursing homes. . In particular, it can be used for an early detection system for excrement of a care patient whose demand is expected to increase in the future.

以下に実施例を示し、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。さらに、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。また、本明細書中に記載された文献の全てが参考として援用される。   Examples will be shown below, and the embodiments of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims, and the present invention is also applied to the embodiments obtained by appropriately combining the disclosed technical means. It is included in the technical scope of the invention. Moreover, all the literatures described in this specification are used as reference.

〔実施例1〕
図2を参照して本実施例で用いた装置(実験装置10)の構成について説明する。なお、本実施例では、実験室内において密閉瓶に試薬として任意の濃度のアンモニア水を入れ空気によって任意の一定濃度の気化したアンモニアを発生させることによって測定を行った。
[Example 1]
The configuration of the apparatus (experimental apparatus 10) used in this example will be described with reference to FIG. In this example, measurement was performed by putting ammonia water of an arbitrary concentration as a reagent in a closed bottle in a laboratory and generating vaporized ammonia of an arbitrary constant concentration by air.

本実施例で用いた実験装置10は、恒温装置11、コンプレッサ12、除湿剤入フィルター14、発振周波数測定器19、流量計13a、13bを備えている。また、恒温装置11の中には、密封瓶15、混合部(T字管)16、QCM測定部17、ガス検知管18を備えている。ガス検知管18は検量を行なうためのものであり、QCM測定部17に接続した。なお、ガス検知管は(株)ガステック社製、No.3Laを用いた。コンプレッサ12の代わりに吸引ポンプを用いて、吸引方式にて実験を行なってもよい。   The experimental apparatus 10 used in this example includes a thermostatic device 11, a compressor 12, a filter 14 with a dehumidifying agent, an oscillation frequency measuring device 19, and flow meters 13a and 13b. In addition, the thermostatic device 11 includes a sealed bottle 15, a mixing unit (T-shaped tube) 16, a QCM measuring unit 17, and a gas detection tube 18. The gas detection tube 18 is used for calibration and is connected to the QCM measurement unit 17. The gas detector tube was manufactured by Gastec Corporation, No. 3La was used. An experiment may be performed by a suction method using a suction pump instead of the compressor 12.

ガス検知管は、一般的にはガラス管内に測定対象ガスに対して化学反応する薬剤が詰められており、その薬剤が測定対象ガス化学反応して色変化し、ガス管表面に印字されているガス濃度読取用の目盛から色変化した長さを読み取り、それをガス濃度として変換するための簡易ガス濃度計である。   In general, a gas detection tube is filled with a chemical that chemically reacts with the gas to be measured in a glass tube, and the chemical undergoes a chemical reaction with the gas to be measured and changes color, and is printed on the surface of the gas tube. It is a simple gas concentration meter for reading the length of color change from a scale for reading gas concentration and converting it as gas concentration.

今回使用した水晶振動子は、素子として形成された水晶板の表裏に中心部に直径約5mmでチタン金属を蒸着またはスパッタ成膜して下地とし、その上に同一径でモリブデン金属を蒸着またはスパッタ成膜するという公知の手法を用いて作成した素子を利用した。なお、水晶振動子の場合、水晶板と電極金属の密着度を高める(剥がれないようにする)ため、下地金属とその上に金属薄膜を成膜する方法は公知で一般的な手法となっている。   The quartz crystal used this time is vapor-deposited or sputtered with titanium metal with a diameter of about 5 mm at the center on the front and back of the quartz plate formed as an element, and molybdenum metal with the same diameter is vapor-deposited or sputtered on it. An element prepared by using a known method of forming a film was used. In the case of a quartz resonator, in order to increase the adhesion between the quartz plate and the electrode metal (so as not to be peeled off), a method for forming a base metal and a metal thin film thereon is a known and general method. Yes.

恒温装置11は一定の温度状態を保持可能である。コンプレッサ12、発振周波数測定器19等、実験時に温度の影響を無視できる機器以外は、恒温装置11内に入れて実験を行なった。また、供給用ガスとして空気を用いた。なお、供給用ガスは測定系に影響を与えないものであればよく、例えば窒素等でもよい。   The thermostat 11 can maintain a constant temperature state. Except for the devices such as the compressor 12 and the oscillation frequency measuring device 19 that can ignore the influence of temperature at the time of the experiment, the experiment was performed in the thermostatic device 11. Air was used as the supply gas. The supply gas may be any gas that does not affect the measurement system, and may be nitrogen, for example.

具体的な実験方法は次の通りである。まず、コンプレッサ12から、配管、流量計13a、13bを介して空気を導入した。片方の配管からアンモニア水が入っている密封瓶15に空気を導入した。ここで、アンモニア水が入っている密封瓶15内では、恒温装置11の温度に依存した飽和濃度となっている。そこで、この飽和した状態の気化したアンモニアを、測定を行なうための水晶振動子素子が設置されたQCM測定部17に導入した。これにより、空気は、アンモニアが入っている密封瓶15を経て、気化したアンモニアを含んで、接続パイプを経由してQCM測定部17に導入された。次に、水晶振動子の電極金属と当該空気中に含まれるアンモニアとが化合物を形成することによって生じる重量変化を、発振周波数測定器19によって周波数変化に変換して測定した。   The specific experimental method is as follows. First, air was introduced from the compressor 12 through piping and flow meters 13a and 13b. Air was introduced from one pipe into the sealed bottle 15 containing ammonia water. Here, in the sealed bottle 15 containing ammonia water, the saturation concentration depends on the temperature of the thermostatic device 11. Therefore, this vaporized ammonia in a saturated state was introduced into the QCM measurement unit 17 in which a crystal resonator element for performing measurement was installed. Thus, the air was introduced into the QCM measurement unit 17 via the connection pipe through the sealed bottle 15 containing ammonia and containing the vaporized ammonia. Next, a change in weight caused by the formation of a compound by the electrode metal of the crystal resonator and ammonia contained in the air was converted into a change in frequency by the oscillation frequency measuring device 19 and measured.

本実施例では水晶振動子としてモリブデン電極を備えたものを用いた。また、水晶としてはATカット、9MHzのものを用いた。つまり、アンモニアがモリブデン電極と化学反応することによって重量変化による共振周波数値と実際のアンモニア濃度と、を比較するため、ガス検知管18の指示値を読み取った。ガス検知管18の指示値の読み取りは実験終了後、またはその途中など実験に影響を及ぼさないタイミングで行なった。また、ガス検知管18は測定原理上、温度および測定流量によって読み取り値の補正が必要であるため、公知のデータに従って補正を行なった。なお、この補正は使用するガス検知管の取り扱いとして記載されているもので公知であり、一般的に基準温度(室温レベルの20℃)と比較して、測定温度が高い場合は除算、低い場合は乗算する例が多いが、ガス検知管によって異なるため、使用するガス検知管に附属のマニュアル等に記載された指示に従うとよい。また、流量については、規定吸引量(一般的には100ml)に対して、多い場合は規定流量比で除算、少ない場合は規定流量比で乗算する例が多いが、ガス検知管によって異なるため、使用するガス検知管に附属のマニュアル等に記載された指示に従うとよい。本実施例では、使用したガス検知管が、(株)ガステック社製No.3Laであるため、この製品に記載された指示に従って必要に応じて補正を行った。   In the present embodiment, a quartz vibrator having a molybdenum electrode is used. The crystal used was AT cut, 9 MHz. That is, the indicated value of the gas detection tube 18 was read in order to compare the resonance frequency value due to weight change and the actual ammonia concentration due to the chemical reaction of ammonia with the molybdenum electrode. Reading of the indicated value of the gas detector tube 18 was performed after the experiment was completed or at a timing that does not affect the experiment, such as in the middle of the experiment. Further, the gas detection tube 18 needs to be corrected according to the temperature and the measured flow rate on the measurement principle. This correction is described as handling of the gas detector tube to be used, and is generally known. In general, when the measured temperature is higher than the reference temperature (room temperature level 20 ° C.), the division is lower. There are many examples of multiplication, but since it differs depending on the gas detector tube, it is better to follow the instructions described in the manual attached to the gas detector tube to be used. As for the flow rate, there are many examples of dividing by a specified flow rate ratio when it is large with respect to a specified suction amount (generally 100 ml), and multiplying by a specified flow rate ratio when it is low. It is recommended to follow the instructions described in the manual attached to the gas detector tube to be used. In this example, the gas detector tube used was No. manufactured by Gastec Corporation. Since it was 3 La, correction was performed as necessary according to the instructions described in this product.

ここで、任意のアンモニア濃度とするために、密閉瓶15とQCM測定部17の間に、T字管16が設置されており、コンプレッサ12のもう一方から送られてきた空気をここで混合することで任意の濃度としている。この場合、それぞれに取り付けられた流量計13a、13bの流量を調整することによって、任意の濃度とする構造となっている。なお、コンプレッサ12を用いる代わりに外部のガスボンベなどを使用するなどして実験に影響を及ぼさないようにすることで同様の実験が可能である。   Here, in order to obtain an arbitrary ammonia concentration, a T-shaped tube 16 is installed between the airtight bottle 15 and the QCM measuring unit 17, and the air sent from the other side of the compressor 12 is mixed here. It has an arbitrary concentration. In this case, an arbitrary concentration is obtained by adjusting the flow rates of the flow meters 13a and 13b attached thereto. A similar experiment can be performed by using an external gas cylinder or the like instead of using the compressor 12 so as not to affect the experiment.

以上の装置および方法で、アンモニア濃度25%溶液を100μl気化させて、実験温度20℃、湿度80%RH、流量200ml、測定時間開始後3分の読取値の条件で測定した。   Using the above apparatus and method, 100 μl of a 25% ammonia concentration solution was vaporized, and measurement was performed under the conditions of an experimental temperature of 20 ° C., a humidity of 80% RH, a flow rate of 200 ml, and a reading value of 3 minutes after the start of the measurement time.

下記表1にその結果を示す。また、同様の実験を、モリブデンの代わりに別の金属を用いて試験を行なった。その結果を表1に示す。表1の値は、アンモニアを含まない湿度80%RHの周波数変化量を求め、アンモニア濃度25%で気化させた条件の湿度80%RHにおける周波数変化量の差を示している。   The results are shown in Table 1 below. A similar experiment was conducted using another metal instead of molybdenum. The results are shown in Table 1. The values in Table 1 show the difference in frequency change at a humidity of 80% RH under the condition where the frequency change at a humidity of 80% RH not containing ammonia is obtained and vaporized at an ammonia concentration of 25%.

Figure 0005172442
Figure 0005172442

表1に示すように、モリブデン電極以外の金属にて電極を形成した場合では、共振周波数変化は僅かであるが、モリブデン電極素子を使用した場合、3000Hz程度の検知感度が得られた。   As shown in Table 1, when the electrode was formed of a metal other than the molybdenum electrode, the change in the resonance frequency was slight, but when a molybdenum electrode element was used, a detection sensitivity of about 3000 Hz was obtained.

〔実施例2〕
実施例1に記載の測定装置を用いて、各湿度条件におけるアンモニア濃度100ppm、実験温度20℃、測定流量100ml、測定開始後3分後の周波数変化値を読み取り、モリブデン電極の水晶振動子、酸化クロム電極の水晶振動子をそれぞれ用いて測定を行なった(いずれも基本発振周波数9MHz)。その結果を図3に示す。ここで、比較のため、水分のみのデータも示す。図3において横軸は相対湿度(RH)を示し、縦軸は周波数変化を示し、実線はアンモニアを含むガスを用いた結果を示し、破線は水分のみのガスを用いた結果を示す。また、丸印はモリブデン電極を用いた結果を示し、バツ印は酸化クロム電極を用いた結果を示す。
[Example 2]
Using the measurement apparatus described in Example 1, the ammonia concentration is 100 ppm in each humidity condition, the experimental temperature is 20 ° C., the measurement flow rate is 100 ml, and the frequency change value is measured 3 minutes after the start of the measurement. Measurement was performed using a quartz electrode crystal resonator (both had a fundamental oscillation frequency of 9 MHz). The result is shown in FIG. Here, data for moisture only is also shown for comparison. In FIG. 3, the horizontal axis indicates relative humidity (RH), the vertical axis indicates frequency change, the solid line indicates the result using a gas containing ammonia, and the broken line indicates the result using a gas containing only moisture. The circles indicate the results using the molybdenum electrode, and the crosses indicate the results using the chromium oxide electrode.

実験の結果、酸化クロム電極は、アンモニアの有無にかかわらず周波数変化はほとんど同様であったが、モリブデン電極は、湿度60%RH以上になると湿度変化以上にアンモニアに対する周波数変化が大きくなり、アンモニアに対して特異的な周波数変化特性が示された。   As a result of the experiment, the frequency change of the chromium oxide electrode was almost the same regardless of the presence or absence of ammonia. However, when the humidity of the molybdenum electrode exceeded 60% RH, the frequency change with respect to ammonia increased more than the humidity change. On the other hand, a specific frequency change characteristic was shown.

モリブデンとアンモニアの反応に湿度が密接に関係している結果となった原因として、モリブデンとアンモニアが生成する化合物の形態が関係しており、モリブデンとアンモニアは化学反応してモリブデン酸アンモニウムとなるが、この化合物は水和物の形をとるため、モリブデンとアンモニアとの反応には水分子が必要であることが示されている。これは、水分子の存在は反応に必要な材料としての役割だけではなく、アンモニアをイオン化するための役割の上からも重要である。   The reason why humidity is closely related to the reaction between molybdenum and ammonia is related to the form of the compound produced by molybdenum and ammonia, and molybdenum and ammonia react chemically to become ammonium molybdate. Since this compound takes the form of a hydrate, it has been shown that the reaction of molybdenum with ammonia requires water molecules. This is because the presence of water molecules is important not only for the role as a material necessary for the reaction but also for the role of ionizing ammonia.

〔実施例3〕
本実施例では、モリブデン電極の水晶振動子(基本発振周波数9MHz)を備えた実施例1に記載の装置を用いて、相対湿度80%RH、アンモニア濃度0〜225ppm、実験温度20℃、測定開始後5分後の周波数変化値を読み取ったものである。その結果を図4に示す。図4は本実施例におけるアンモニア測定結果を示す図であり、横軸はアンモニア濃度(ppm)を示し、縦軸は周波数変化(Hz)を示す。
Example 3
In this example, using the apparatus described in Example 1 equipped with a quartz crystal resonator (basic oscillation frequency 9 MHz) of molybdenum electrode, relative humidity 80% RH, ammonia concentration 0 to 225 ppm, experimental temperature 20 ° C., start of measurement The frequency change value after 5 minutes is read. The result is shown in FIG. FIG. 4 is a diagram showing ammonia measurement results in the present example, in which the horizontal axis indicates ammonia concentration (ppm) and the vertical axis indicates frequency change (Hz).

図4に示すように、ガス検知管の読取値(アンモニア濃度)と発振周波数変化の間には比例関係が成り立つことが分かり、これから水晶振動子の金属電極とアンモニアとの化学反応を利用したアンモニア濃度測定が可能であることが分かった。   As shown in FIG. 4, it can be seen that there is a proportional relationship between the reading value (ammonia concentration) of the gas detector tube and the change in oscillation frequency. From this, ammonia using the chemical reaction between the metal electrode of the crystal resonator and ammonia. It was found that concentration measurement was possible.

〔実施例4〕
本実施例では鏡面加工の有無による湿度の影響を確認した。
Example 4
In this example, the influence of humidity due to the presence or absence of mirror finishing was confirmed.

具体的には、電極表面を鏡面加工した水晶振動子(鏡面0.06μm)と、鏡面加工していない水晶振動子(粗面0.6μm)を用いて、相対湿度90%RHの空気を用いた以外は実施例1と同じ方法で周波数変化量の差を測定した。結果を表2に示す。   Specifically, using a crystal resonator (mirror surface 0.06 μm) whose surface is mirror-finished and a crystal resonator (rough surface 0.6 μm) which is not mirror-finished, air with a relative humidity of 90% RH is used. The difference in frequency variation was measured by the same method as in Example 1 except that. The results are shown in Table 2.

Figure 0005172442
Figure 0005172442

表2に示すように、鏡面の水晶振動子と、水晶振動子(粗面)との電極表面形状の違いによる湿度(水分子)の影響として、鏡面加工の水晶振動子は粗面の素子の1/7以下であった。これにより、湿度の影響を受けにくいことが示された。   As shown in Table 2, due to the influence of humidity (water molecules) due to the difference in the electrode surface shape between the mirror surface crystal resonator and the crystal resonator (rough surface), the mirror surface processing crystal resonator 1/7 or less. Thereby, it was shown that it was hard to be influenced by humidity.

〔実施例5〕
本実施例では白金担持の有無による湿度の影響を確認した。
Example 5
In this example, the effect of humidity due to the presence or absence of platinum was confirmed.

具体的には、白金を担持させた酸化クロム電極を備える水晶振動子と、白金を担持させていない酸化クロム電極を備える水晶振動子を用いて、相対湿度80%RHの空気を用いた以外は実施例1と同じ方法で周波数変化量の差を測定した。結果を表3に示す。   Specifically, a crystal resonator including a chromium oxide electrode supporting platinum and a crystal resonator including a chromium oxide electrode not supporting platinum, except that air having a relative humidity of 80% RH is used. The difference in frequency variation was measured by the same method as in Example 1. The results are shown in Table 3.

Figure 0005172442
Figure 0005172442

表3に示すように、酸化クロム電極の水晶振動子と、白金を担持した酸化クロム電極の水晶振動子との違いによる湿度(水分子)の影響として、白金を担持した電極を用いた場合、白金を担持していない電極に比べて5倍湿度の影響を受けやすいことが示された。   As shown in Table 3, as the influence of humidity (water molecules) due to the difference between the quartz vibrator of the chromium oxide electrode and the quartz vibrator of the platinum oxide electrode carrying platinum, when using the electrode carrying platinum, It was shown that it is 5 times more susceptible to humidity than an electrode not carrying platinum.

本発明に係るアンモニア測定素子、アンモニア測定装置およびアンモニア測定方法は、化学工業工場などの現場環境での管理濃度測定、居住空間等の環境における悪臭測定、美術館や博物館などにおける管理測定のほか、病院や介護施設内の室内環境測定に利用可能である。特に、今後需要が増えることが予想される介護患者の排泄物早期感知システムへの利用も可能である。   The ammonia measuring element, the ammonia measuring device and the ammonia measuring method according to the present invention include a management concentration measurement in a field environment such as a chemical industrial factory, a bad odor measurement in an environment such as a living space, a management measurement in a museum or a museum, a hospital It can be used to measure the indoor environment in nursing homes. In particular, it can be used for an early detection system for excrement of a care patient whose demand is expected to increase in the future.

また、本発明に係る塩素測定素子、塩素測定装置および塩素測定方法は、化学工業工場などの現場環境での管理濃度測定、漂白・殺菌現場等での管理濃度測定、有害ガスの有無を判断するためのスクリーニング機器に利用可能である。   In addition, the chlorine measuring element, chlorine measuring apparatus and chlorine measuring method according to the present invention determine the management concentration in a field environment such as a chemical industrial factory, the management concentration measurement in a bleaching / sterilization site, etc., and determine the presence or absence of harmful gases. Can be used for screening equipment.

本発明に係るアンモニア測定装置の一実施形態の構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of one Embodiment of the ammonia measuring apparatus which concerns on this invention. 実施例1で用いたアンモニア測定装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the ammonia measuring apparatus used in Example 1. FIG. 実施例2におけるアンモニア測定結果を示す図である。It is a figure which shows the ammonia measurement result in Example 2. FIG. 実施例3におけるアンモニア測定結果を示す図である。It is a figure which shows the ammonia measurement result in Example 3.

符号の説明Explanation of symbols

1 アンモニア測定装置
2 検出部
2a アンモニア測定素子
2b 湿度測定素子
3 周波数測定器
4 計算部
5 記憶部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ammonia measuring device 2 Detection part 2a Ammonia measuring element 2b Humidity measuring element 3 Frequency measuring device 4 Calculation part 5 Memory | storage part

Claims (10)

圧電体及び当該圧電体をはさんで両側に設置されている電極を備え、当該電極の表面にアンモニアと化合物を形成する金属が存在し、上記金属がモリブデンであることを特徴とするアンモニア測定素子。 An ammonia measuring element comprising a piezoelectric body and electrodes disposed on both sides of the piezoelectric body, wherein a metal that forms a compound with ammonia exists on the surface of the electrode, and the metal is molybdenum . 上記電極は、当該電極の表面がアンモニアと化合物を形成する金属により被覆されているもの、又はアンモニアと化合物を形成する金属により構成されているものであることを特徴とする請求項1に記載のアンモニア測定素子。   2. The electrode according to claim 1, wherein a surface of the electrode is coated with a metal that forms a compound with ammonia or a metal that forms a compound with ammonia. Ammonia measuring element. 上記測定素子の表面が鏡面加工されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のアンモニア測定素子。   The ammonia measuring element according to claim 1, wherein the surface of the measuring element is mirror-finished. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のアンモニア測定素子と、上記電極の表面がアンモニアと化合物を形成したときに生じる上記アンモニア測定素子の周波数を測定する周波数測定装置とを備えていることを特徴とするアンモニア測定装置。The ammonia measuring element according to any one of claims 1 to 3, and a frequency measuring device for measuring a frequency of the ammonia measuring element generated when the surface of the electrode forms a compound with ammonia. An ammonia measuring device characterized by the above. アンモニアの影響を受けずに湿度のみを測定する湿度測定素子をさらに備え、It is further equipped with a humidity measuring element that measures only humidity without being affected by ammonia,
上記湿度測定素子が、圧電体及び当該圧電体を挟んで両側に設置される電極を備え、当該電極の表面に酸化クロムまたは白金粒子を担持した酸化クロムが存在するものであることを特徴とする請求項4に記載のアンモニア測定装置。The humidity measuring element includes a piezoelectric body and electrodes installed on both sides of the piezoelectric body, and chromium oxide or chromium oxide carrying platinum particles is present on the surface of the electrode. The ammonia measuring device according to claim 4.
アンモニアの濃度が互いに異なる既知の2種類以上の気体が上記アンモニア測定素子に接触したときに、上記周波数測定装置により測定される、上記アンモニアが化合物を形成することによる上記アンモニア測定素子の周波数から、アンモニア濃度及び発振周波数の関係を求める計算手段と、When two or more kinds of known gases having different concentrations of ammonia are in contact with the ammonia measuring element, the frequency of the ammonia measuring element is measured by the frequency measuring device, and the ammonia forms a compound. A calculation means for obtaining the relationship between the ammonia concentration and the oscillation frequency;
当該関係を記憶する記憶手段と、Storage means for storing the relationship;
当該記憶手段から参照する当該関係、及びアンモニア濃度の測定対象の気体が上記アンモニア測定素子に接触したときに、上記周波数測定装置により測定される周波数に基づいて、当該測定対象の気体中のアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出手段と、The ammonia concentration in the measurement target gas based on the frequency measured by the frequency measurement device when the measurement target gas of the ammonia concentration is in contact with the relationship referred to from the storage means. Ammonia concentration calculating means for calculating
を備えることを特徴とする請求項4又は5に記載のアンモニア測定装置。The ammonia measuring device according to claim 4, comprising:
圧電体及び当該圧電体をはさんで両側に設置されている電極を備え、当該電極の表面に塩素と化合物を形成する金属が存在し、上記金属がモリブデンであることを特徴とする塩素測定素子。A chlorine measuring element comprising a piezoelectric body and electrodes disposed on both sides of the piezoelectric body, wherein a metal that forms chlorine and a compound is present on the surface of the electrode, and the metal is molybdenum . 上記電極は、当該電極の表面が塩素と化合物を形成する金属により被覆されてなるもの、又は塩素と化合物を形成する金属により構成されているものであることを特徴とする請求項7に記載の塩素測定素子。8. The electrode according to claim 7, wherein the surface of the electrode is covered with a metal that forms a compound with chlorine or a metal that forms a compound with chlorine. Chlorine measuring element. 請求項7又は8に記載の塩素測定素子と、上記電極の表面が塩素と化合物を形成したときに生じる上記塩素測定素子の周波数を測定する周波数測定装置と、を備えていることを特徴とする塩素測定装置。A chlorine measuring element according to claim 7 or 8, and a frequency measuring device for measuring a frequency of the chlorine measuring element generated when the surface of the electrode forms a compound with chlorine. Chlorine measuring device. 塩素の濃度が互いに異なる既知の2種類以上の気体が上記塩素測定素子に接触したときに、上記周波数測定装置により測定される、上記塩素が化合物を形成することによる上記塩素測定素子の周波数から、塩素濃度及び発振周波数の関係を求める計算手段と、When two or more kinds of known gases having different chlorine concentrations come into contact with the chlorine measuring element, the frequency is measured by the frequency measuring device, and from the frequency of the chlorine measuring element by the chlorine forming a compound, A calculation means for obtaining the relationship between the chlorine concentration and the oscillation frequency;
当該関係を記憶する記憶手段と、Storage means for storing the relationship;
当該記憶手段から参照する当該関係、及び塩素濃度の測定対象の気体が上記塩素測定素子に接触したときに、上記周波数測定装置により測定される周波数に基づいて、当該測定対象の気体中の塩素濃度を算出する塩素濃度算出手段と、Based on the frequency measured by the frequency measuring device when the gas to be measured for the chlorine concentration comes into contact with the chlorine measuring element, the chlorine concentration in the gas to be measured is referred to from the storage means Chlorine concentration calculating means for calculating
を備えることを特徴とする請求項9に記載の塩素測定装置。The chlorine measuring device according to claim 9, comprising:
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