JP6710826B2 - Combustible gas analysis method - Google Patents
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Description
本発明は、可燃性ガスの分析方法に関する。 The present invention relates to a combustible gas analysis method .
生活環境には、様々なニオイ成分が存在する。これらのニオイ成分の殆どは、極微量の有機分子であり、揮発性有機化合物(VOC)と呼ばれる。VOCには、様々な性質のものが存在する。室内には、建材、内装、家具等からの放散、居住者による化粧品や芳香剤の使用等により、合計で数十から百数十ppbに相当する様々な低濃度のVOCが存在する。よって、特定のVOCを検知しようとする雰囲気下には、通常、一定濃度の水蒸気と低濃度の揮発性不純物が存在する。 There are various odorants in the living environment. Most of these odor components are trace amounts of organic molecules and are called volatile organic compounds (VOC). VOCs have various properties. Various low-concentration VOCs equivalent to several tens to hundreds of tens of ppb are present in the room due to radiation from building materials, interiors, furniture, etc., and use of cosmetics and air fresheners by residents. Therefore, in an atmosphere where a specific VOC is to be detected, water vapor having a constant concentration and volatile impurities having a low concentration usually exist.
例えば、医療分野において、呼気中に含まれるVOCは、口臭、代謝、疾患との関連性が指摘されており、呼気中VOCと健康状態に相関があるとされている。また、食品の分野において、鮮度や品質とその食品から発するニオイに相当するVOCと相関があるとされている。そのため、これらの特定のVOCのモニタリングは、前者では、健康状態の管理に、後者では、食品管理として有効である。ただし、この計測は、必ず室内空気中で実施されることになり、空気中には、揮発性不純物が存在するため、揮発性不純物に影響せずに、特定のVOCを検知する方法が必要である。 For example, in the medical field, it has been pointed out that VOC contained in exhaled breath is associated with bad breath, metabolism and disease, and it is said that there is a correlation between the VOC in exhaled breath and the health condition. In the field of food, it is said that there is a correlation between freshness and quality and VOC corresponding to the odor emitted from the food. Therefore, the monitoring of these specific VOCs is effective in managing the health condition in the former case and as food control in the latter case. However, this measurement must be carried out in indoor air, and since volatile impurities are present in the air, a method for detecting a specific VOC without affecting volatile impurities is necessary. is there.
その一方、VOCに代表される可燃性ガスを検知するため、金属酸化物n型半導体による半導体式センサが従来から利用されている。半導体式センサは、価格やランニングコストが低いという特徴を有する。代表的な半導体式センサは、酸化スズであり、センサ素子感応部を構成する酸化スズ粒子の表面に大気中の酸素が吸着し、キャリア電子が吸着酸素に補足されることで粒子と粒子の界面、即ち粒界にポテンシャル障壁が形成され、粒界の電気抵抗が増大する。酸化スズ粒子の表面に可燃性ガスが到達し、表面の吸着酸素を消費して酸化することで、粒界のポテンシャル障壁が減少し、電気抵抗が減少する。酸化スズは、所謂、粒界応答型半導体式ガスセンサに分類される。 On the other hand, in order to detect a combustible gas represented by VOC, a semiconductor sensor using a metal oxide n-type semiconductor has been conventionally used. The semiconductor type sensor is characterized by low price and running cost. A typical semiconductor type sensor is tin oxide, and oxygen in the atmosphere is adsorbed on the surface of the tin oxide particles that compose the sensor element sensitive area, and the carrier electrons are captured by the adsorbed oxygen, and the interface between particles is That is, a potential barrier is formed at the grain boundary, increasing the electrical resistance of the grain boundary. When the flammable gas reaches the surface of the tin oxide particles and consumes the adsorbed oxygen on the surface to oxidize the particles, the potential barrier at the grain boundary is reduced and the electrical resistance is reduced. Tin oxide is classified as a so-called grain boundary responsive semiconductor gas sensor.
しかしながら、粒界応答型半導体式ガスセンサは、その性質上、個々のセンサ素子でのガス選択性を寄与させることが難しい。 However, it is difficult for the grain boundary responsive semiconductor gas sensor to contribute to the gas selectivity of each sensor element due to its nature.
このような状況ではあるが、揮発性不純物を含む空気中の特定の可燃性ガスを検知することが可能なガスセンサ群の開発が望まれている。 Under such circumstances, it is desired to develop a gas sensor group capable of detecting a specific combustible gas in the air containing volatile impurities.
簡便でかつ安価なガスセンサ群で特定のVOCを検知するために、半導体式センサを代表とするガスセンサを複数有するガスセンサ群を用いて、同時に検知し、得られたシグナルで主成分分析等の統計解析を行う方法が検討されている。 In order to detect a specific VOC with a simple and inexpensive gas sensor group, a gas sensor group having a plurality of gas sensors typified by a semiconductor sensor is simultaneously detected, and statistical analysis such as principal component analysis is performed using the obtained signals. Are being studied.
個々のガスセンサで、特定の可燃性ガスのみを検知するのは、その性質上、難しいが、複数のガスセンサから得られる多様なシグナルを統計解析することで、一定の傾向が得られる。 It is difficult for each gas sensor to detect only a specific combustible gas by its nature, but a certain tendency can be obtained by statistically analyzing various signals obtained from a plurality of gas sensors.
特許文献1には、セラミック半導体型センサを複数個組み合わせて構成したセンサアレイと、水晶振動子型センサを複数個組み合わせて構成したセンサアレイとを組み合わせて判別を行う複合型匂いセンサが開示されている。
特許文献2には、プラズマ有機薄膜にイオン液体を保持させたガス分子選択材料を水晶振動子の表面に形成したガス分子検知素子及びガス分子選択材料のイオン液体の濃度が異なる複数のガス分子検知素子をアレイ化したガスセンサアレイが開示されている。
特許文献3には、複数種のガスを、複数の半導体式ガスセンサにより識別検知するガスの識別検知方法が開示されている。
しかしながら、揮発性不純物を含む加湿空気中の可燃性ガスを充分に分離検知することができず、これを解決することが喫緊の課題であった。 However, the combustible gas in the humidified air containing volatile impurities cannot be sufficiently separated and detected, and it has been an urgent task to solve this problem.
本発明の一態様は、揮発性不純物を含む加湿空気中の可燃性ガスを充分に分離検知することが可能な可燃性ガスの分析方法を提供することを目的とする。 An aspect of the present invention is to provide a method for analyzing a combustible gas capable of sufficiently separating and detecting the combustible gas in humidified air containing volatile impurities.
本発明の一態様は、可燃性ガスの分析方法において、ガスセンサ群を用いて、可燃性ガスを検知する工程と、前記可燃性ガスを検知することにより得られた応答値を主成分分析する工程を含み、前記ガスセンサ群は、複数種の粒界応答型の半導体式ガスセンサと、1種以上のバルク応答型の半導体式ガスセンサを有し、前記バルク応答型の半導体式ガスセンサは、酸化セリウム又はセリウム−ジルコニウム系複合酸化物を含み、前記1種以上のバルク応答型の半導体式ガスセンサは、前記セリウム−ジルコニウム系複合酸化物の膜上に、アルミナ膜を介して、白金粒子が担持されている前記セリウム−ジルコニウム系複合酸化物の担体が形成されているセンサを含む。 One embodiment of the present invention is a method of analyzing a combustible gas, the step of detecting a combustible gas using a gas sensor group, and a step of performing a principal component analysis of a response value obtained by detecting the combustible gas. The gas sensor group includes a plurality of types of grain boundary response type semiconductor gas sensors and one or more types of bulk response type semiconductor gas sensors, and the bulk response type semiconductor gas sensor is cerium oxide or cerium oxide. - look containing zirconium-based composite oxide, semiconductor type gas sensor of the one or more bulk-responsive, the cerium - on the membrane of zirconium complex oxide, through the alumina film, the platinum particles are supported It includes a sensor in which a carrier of the cerium-zirconium-based composite oxide is formed .
本発明の一態様により、揮発性不純物を含む加湿空気中の可燃性ガスを充分に分離検知することが可能な可燃性ガスの分析方法を提供することができる。
According to one embodiment of the present invention, a method for analyzing a flammable gas capable of sufficiently separating and detecting the flammable gas in humidified air containing volatile impurities can be provided.
次に、本発明を実施するための形態を説明する。 Next, a mode for carrying out the present invention will be described.
[ガスセンサ群]
本実施形態のガスセンサ群は、可燃性ガスの検知に用いられ、複数種の粒界応答型の半導体式ガスセンサと、1種以上のバルク応答型の半導体式ガスセンサを有する。検知原理の異なるセンサを用いることで、後述する主成分分析の精度を向上させることができる。
[Gas sensor group]
The gas sensor group of the present embodiment is used for detection of combustible gas, and has a plurality of types of grain boundary responsive semiconductor gas sensors and one or more types of bulk responsive semiconductor gas sensors. By using a sensor having a different detection principle, the accuracy of the principal component analysis described later can be improved.
本願明細書及び特許請求の範囲において、可燃性ガスを、気体として存在し得る物質であり、半導体式ガスセンサで検知することが可能なガスと定義する。即ち、可燃性ガスは、後述する半導体式ガスセンサを構成する金属酸化物(粒子)の表面で酸化することが可能な物質である。 In the present specification and claims, a combustible gas is defined as a gas that is a substance that can exist as a gas and that can be detected by a semiconductor gas sensor. That is, the flammable gas is a substance that can be oxidized on the surface of the metal oxide (particles) constituting the semiconductor gas sensor described later.
可燃性ガスとしては、VOC等の有機化合物、硫化水素、水素、一酸化炭素等の無機化合物が挙げられる。 Examples of the flammable gas include organic compounds such as VOC and inorganic compounds such as hydrogen sulfide, hydrogen, carbon monoxide and the like.
本願明細書及び特許請求の範囲において、VOCを、揮発性の有機化合物の全てと定義する。 In the present specification and claims, VOC is defined as all volatile organic compounds.
VOCとしては、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、エステル、アルコール、アルデヒド、ケトン、テルペン、ハロゲン化炭化水素等が挙げられる。中でも、ノナナール、デカン、アセトン、メチルイソブチルケトン、アセトイン等の患者の呼気に含まれる成分が好ましい。 Examples of VOCs include aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, esters, alcohols, aldehydes, ketones, terpenes and halogenated hydrocarbons. Of these, nonane, decane, acetone, methyl isobutyl ketone, acetoin, and other components contained in the breath of the patient are preferable.
本実施形態の粒界応答型の半導体式ガスセンサは、n型半導体の金属酸化物粒子でセンサ素子感応部が構成されている。このため、金属酸化物粒子の表面に大気中の酸素が吸着し、キャリア電子が吸着酸素に補足されることで粒子と粒子の界面、即ち、粒界にポテンシャル障壁が形成され、粒界の電気抵抗が増大する。ここで、金属酸化物粒子の表面に可燃性ガスが到達すると、表面の吸着酸素を消費して酸化することで、粒界のポテンシャル障壁が減少し、電気抵抗も減少する。そのため、可燃性ガスの種類や濃度によって電気抵抗が変動する。このため、湿度が変化すると、金属酸化物粒子の表面に吸着する水の量が変化し、金属酸化物粒子の表面に吸着する酸素の量に影響を与える。その結果、粒界応答型の半導体式ガスセンサは、センサ応答が湿度に影響され易い。 In the grain boundary responsive semiconductor type gas sensor of the present embodiment, the sensor element sensitive portion is composed of n-type semiconductor metal oxide particles. Therefore, oxygen in the atmosphere is adsorbed on the surface of the metal oxide particles, and the carrier electrons are captured by the adsorbed oxygen, so that a potential barrier is formed at the particle-particle interface, that is, at the grain boundary. Resistance increases. Here, when the flammable gas reaches the surface of the metal oxide particles, the adsorbed oxygen on the surface is consumed and oxidized, whereby the potential barrier at the grain boundary is reduced and the electrical resistance is also reduced. Therefore, the electric resistance varies depending on the type and concentration of the combustible gas. Therefore, when the humidity changes, the amount of water adsorbed on the surface of the metal oxide particles changes, which affects the amount of oxygen adsorbed on the surface of the metal oxide particles. As a result, in the grain boundary response type semiconductor gas sensor, the sensor response is easily affected by humidity.
本実施形態のバルク応答型の半導体式ガスセンサは、可燃性ガスの濃度に応じて、可燃性ガスの酸化反応に必要な酸素を結晶格子中の酸素原子から供給し易いn型半導体の金属酸化物でセンサ素子感応部が構成される。このため、金属酸化物の表面に可燃性ガスが到達すると、酸化反応により格子中の酸素原子が消費される。生成する酸素空孔の拡散速度は、非常に速く、酸素空孔が金属酸化物の表面で蓄積して律速することなく、バルク全体で担うため、酸素空孔の濃度は、可燃性ガスの濃度に依存する。酸素空孔の濃度が増大すると、キャリア電子の濃度も増大するため、金属酸化物の電気抵抗も減少する。そのため、可燃性ガスの種類や濃度によって、金属酸化物の電気抵抗が変動する。このため、バルク応答型の半導体式ガスセンサは、湿度の変化の影響を受け難い。 The bulk response type semiconductor gas sensor according to the present embodiment is an n-type semiconductor metal oxide that easily supplies oxygen necessary for the oxidation reaction of the combustible gas from oxygen atoms in the crystal lattice according to the concentration of the combustible gas. The sensor element sensitive section is constituted by. Therefore, when the flammable gas reaches the surface of the metal oxide, the oxygen atoms in the lattice are consumed by the oxidation reaction. The diffusion rate of the generated oxygen vacancies is very high, and the oxygen vacancies accumulate on the surface of the metal oxide and do not rate-control the entire bulk. Depends on. When the concentration of oxygen vacancies increases, the concentration of carrier electrons also increases, so that the electrical resistance of the metal oxide also decreases. Therefore, the electrical resistance of the metal oxide varies depending on the type and concentration of the combustible gas. Therefore, the bulk response type semiconductor gas sensor is unlikely to be affected by changes in humidity.
本実施形態のバルク応答型の半導体式ガスセンサのセンサ素子感応部としては、特に限定されないが、酸素貯蔵能を有する金属酸化物が挙げられ、二種以上併用してもよい。中でも、酸化セリウム、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物が好ましく、組成式
Ce1−xZrxO2
(式中、xは、0から0.4の範囲である。)
で示される化合物がさらに好ましい。
The sensor element sensitive part of the bulk response type semiconductor gas sensor of the present embodiment is not particularly limited, but a metal oxide having an oxygen storage capacity may be mentioned, and two or more kinds may be used in combination. Among them, cerium oxide and cerium-zirconium-based composite oxides are preferable, and the composition formula Ce 1-x Zr x O 2 is used.
(In the formula, x is in the range of 0 to 0.4.)
Compounds represented by are more preferable.
また、本実施形態のバルク応答型半導体式ガスセンサのセンサ素子感応部は、その上部に絶縁層を設け、センサ素子感応部と電気的絶縁がなされた状態として、更にその上部に、貴金属触媒粒子が担持されている金属酸化物の触媒担体を設けることができる。 Further, the sensor element sensitive part of the bulk response type semiconductor gas sensor of the present embodiment is provided with an insulating layer on the upper part thereof, and in a state where it is electrically insulated from the sensor element sensitive part, noble metal catalyst particles are further provided on the upper part thereof. A supported metal oxide catalyst carrier can be provided.
絶縁層は、電気的絶縁性を有するだけでなく、下部のセンサ素子感応部にVOCが到達できるようなガス透過性を有する必要があり、絶縁性の微粒子で構成される。 The insulating layer is required to have not only electrical insulation but also gas permeability that allows VOC to reach the lower sensor element sensitive portion, and is composed of insulating fine particles.
絶縁性の微粒子としては、特に限定されないが、絶縁性の金属酸化物、シリカ等が挙げられる。 The insulating fine particles are not particularly limited, but examples thereof include insulating metal oxides and silica.
絶縁性の金属酸化物としては、特に限定されないが、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、ハフニア、イットリア、カルシア等が挙げられる。中でも、アルミナが好ましい。 The insulating metal oxide is not particularly limited, but examples thereof include alumina, zirconia, magnesia, hafnia, yttria, and calcia. Of these, alumina is preferable.
貴金属触媒粒子を構成する材料としては、特に限定されないが、白金、パラジウム、金、銀、ロジウム、ルテニウム等が挙げられる。中でも、白金が好ましい。 The material constituting the noble metal catalyst particles is not particularly limited, but platinum, palladium, gold, silver, rhodium, ruthenium and the like can be mentioned. Of these, platinum is preferable.
金属酸化物の触媒担体としては、特に限定されないが、酸素貯蔵能を有する金属酸化物、の他、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、ハフニア、イットリア、カルシア等が挙げられる。中でも、酸化セリウム、セリウム−ジルコニウム系複合酸化物が好ましく、組成式
Ce1−xZrxO2
(式中、xは、0から0.4の範囲である。)
で示される化合物がさらに好ましい。
The catalyst carrier for the metal oxide is not particularly limited, and examples thereof include metal oxides having an oxygen storage capacity, alumina, zirconia, magnesia, hafnia, yttria, and calcia. Among them, cerium oxide and cerium-zirconium-based composite oxides are preferable, and the composition formula Ce 1-x Zr x O 2 is used.
(In the formula, x is in the range of 0 to 0.4.)
Compounds represented by are more preferable.
[可燃性ガスの分析方法]
本実施形態の可燃性ガスの分析方法は、本実施形態のガスセンサ群を用いて、可燃性ガスを検知する工程を含む。
[Combustible gas analysis method]
The flammable gas analysis method of the present embodiment includes a step of detecting the flammable gas using the gas sensor group of the present embodiment.
例えば、可燃性ガスを検知することにより得られたガスセンサ応答値を主成分分析することにより、揮発性不純物を含む加湿空気中の可燃性ガスを充分に分離検知することができる。 For example, by performing a principal component analysis on the gas sensor response value obtained by detecting the combustible gas, it is possible to sufficiently separate and detect the combustible gas in the humidified air containing volatile impurities.
本実施形態の可燃性ガスの分析方法は、例えば、医療分野では、呼気を検知することにより、健康状態を管理するシステム、食品分野では、食品を管理するシステムに適用することができる。 The flammable gas analysis method of the present embodiment can be applied to, for example, a system that manages a health condition by detecting exhaled breath in the medical field, and a system that manages food in the food field.
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。 Next, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
本実施例では、6種の粒界応答型半導体式ガスセンサ(TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2620(以上、フィガロ技研社製)、#31b、#33b)と、1種のバルク応答型半導体式ガスセンサ(No.71)を用いた。
[Example 1]
In this embodiment, six types of grain boundary responsive semiconductor type gas sensors (TGS2600, TGS2602, TGS2610, TGS2620 (above, manufactured by Figaro Giken Co., Ltd.), #31b, #33b) and one type of bulk response type semiconductor gas sensor ( No. 71) was used.
TGS2600、TGS2602、TGS2610及びTGS2620は、市販のガスセンサであり、有機化合物のガスに有効であると謳われている。本実施例では、製造元推奨のヒータ電圧5Vとなるように通電して使用した。これらのガスセンサは、酸化スズに添加物を加えて応答特性を調整されている。よって、これらのガスセンサは、粒界応答型半導体式センサである。 The TGS2600, TGS2602, TGS2610, and TGS2620 are commercially available gas sensors and are claimed to be effective for organic compound gases. In this example, the heater voltage recommended by the manufacturer was set to 5 V, and the current was applied. Response characteristics of these gas sensors are adjusted by adding an additive to tin oxide. Therefore, these gas sensors are grain boundary responsive semiconductor type sensors.
#31b及び#33bは、産業技術総合研究所で作製した、SnO2にPt、Pd及びAuを各1質量%添加したガスセンサ(Pt,Pd,Au/SnO2)である(Sens. Actuators B 187(2013)135-141参照)。ここで、様々なVOCに一定の感度を示すようにするため、SnO2にPt、Pd及びAuを添加して高度化している。よって、これらのガスセンサは、粒界応答型半導体式センサである。#31b及び#33bは、それぞれ膜厚が4.6μm及び2.8μmであるため、ガスセンサ応答特性が異なる。これらのガスセンサは、何れも動作温度250℃で用いた。#31b及び#33bは、Sens. Actuators B 187(2013)135-141に示された作製方法に従って作製した。
# 31b and # 33b were prepared by AIST is Pt on SnO 2, gas sensors Pd and Au were added each 1 wt% (Pt, Pd, Au / SnO 2) (Sens. Actuators B 187 (2013) 135-141). Here, in order to show constant sensitivity to various VOCs, Pt, Pd, and Au are added to SnO 2 to enhance the performance. Therefore, these gas sensors are grain boundary responsive semiconductor type sensors. Since the film thicknesses of #31b and #33b are 4.6 μm and 2.8 μm, respectively, the gas sensor response characteristics are different. All of these gas sensors were used at an operating temperature of 250°
No.71は、産業技術総合研究所で作製したガスセンサである(Sensors 15(2015)9427-9437参照)。センサ素子感応部を構成する材料は、酸化セリウムにジルコニウムを10mol%添加し、Ce0.9Zr0.1O2としたもの(CeZr10)である。No.71は、CeZr10厚膜の上に、アルミナ(Al2O3)の厚膜を載せ、更にその上に、Ptを3質量%添加したCeZr10(3質量%Pt−CeZr10)を載せたセンサ(CeZr10/Al2O3/3質量%Pt−CeZr10)である。よって、本ガスセンサは、バルク応答型半導体式センサである。本ガスセンサは、動作温度400℃で用いた。 No. Reference numeral 71 is a gas sensor manufactured by the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (see Sensors 15 (2015) 9427-9437). The material forming the sensor element sensitive portion is Ce 0.9 Zr 0.1 O 2 (CeZr10) obtained by adding 10 mol% of zirconium to cerium oxide. No. Reference numeral 71 is a sensor (CeZr10) in which a thick film of alumina (Al 2 O 3 ) is placed on the CeZr10 thick film, and CeZr10 (3 wt% Pt-CeZr10) containing 3% by mass of Pt is further mounted thereon. / Al 2 O 3/3 wt% Pt-CeZr10) is. Therefore, the present gas sensor is a bulk response type semiconductor sensor. This gas sensor was used at an operating temperature of 400°C.
図1に、本実施例で使用した計測システムのガスフロー図を示す。 FIG. 1 shows a gas flow diagram of the measurement system used in this example.
7種のガスセンサを、ガス雰囲気の制御が可能なセンサ室1に入れて密閉した。
Seven kinds of gas sensors were put in the
次に、センサ室1へ流すガスについて具体的に説明する。
Next, the gas flowing into the
まず、計測中のセンサ室1へのガス総流量は常に500mL/minとなるようにした。次に、計測中のセンサ室1への窒素と酸素の濃度比は、常に4:1となるようにした。即ち、窒素の流量は400mL/minで、酸素の流量は100mL/minとなる。このうち、窒素は、200mL/minを、酸素は、全量の100mL/minを、蒸留水の入った水バブラー2に通じた。ここで、水バブラー2は、水温が常に20℃となるように制御した。即ち、窒素200mL/min及び酸素100mL/minは、水蒸気で飽和されており、乾燥状態の窒素200mL/minと混合されて、センサ室1に到達するため、センサ室1に到達した時のガスの湿度は、20℃換算で60%RHに相当する(以下、これを合成空気と表記する)。
First, the total gas flow rate to the
本実施例で用いたターゲットVOCは、アセトイン、ノナナール、デカン、アセトン、メチルイソブチルケトンの5種であり、センサ室1に到達した時の濃度が1ppmとなるように調整した。なお、アセトイン(G. Songa, et al., Lung Cancer 67 (2010) 227-231)、ノナナール(P. Fuchs et al., Int. J. Cancer 126 (2010) 2663-2670.)、デカン(D. Poli et al., Respiratory Research 6 (2005) 71-80.)は、肺がん患者の呼気に、アセトンとメチルイソブチルケトン(C. Wang, et al., IEEE Sens. J. 10 (2010) 54-63.)は、糖尿病患者の呼気に相関があるとの報告がある。
The target VOCs used in this example were five kinds of acetoin, nonanal, decane, acetone, and methyl isobutyl ketone, and were adjusted so that the concentration when reaching the
また、本実施例では、室内空気に含まれる揮発性不純物を再現するために、TVOCとして、31種混合ガスを用いた。31種混合ガスは、国際標準化機構が発行する規格で揮発性有機化合物(VOC)と定義される成分のうち、厚生労働省、及び、欧州共同研究センターから発行された、人体への影響の観点からモニタすべきVOCのリストに記載されている、ガスボンベに充填することが可能な31種のVOCが充填された混合ガスである。TVOCの主成分は、芳香族炭化水素(30%)脂肪族炭化水素(37%)に分類される。センサ室1に到達した時のTVOCの濃度は、欧州、特にドイツ環境庁が示す室内の目標濃度300μg/m3を基準に、その0倍(0μg/m3)、1倍(300μg/m3)、2倍(600μg/m3)、3倍(900μg/m3)となるように調整した。なお、TVOCの濃度をppm表記にすると、順に、0倍(0ppm)、1倍(0.060ppm)、2倍(0.12ppm)、3倍(0.18ppm)に相当する。
In addition, in this example, in order to reproduce the volatile impurities contained in the room air, 31-type mixed gas was used as TVOC. 31 kinds of mixed gas is a component defined as a volatile organic compound (VOC) in the standard issued by the International Organization for Standardization, from the viewpoint of the effect on the human body issued by the Ministry of Health, Labor and Welfare and the European Joint Research Center. It is a mixed gas filled with 31 kinds of VOCs that can be filled in a gas cylinder described in the list of VOCs to be monitored. The main components of TVOC are classified into aromatic hydrocarbons (30%) and aliphatic hydrocarbons (37%). TVOC concentrations when reaching the
これらのターゲットVOC及びTVOCは、窒素ベースのガスボンベからのガス、又は、溶媒からガスを作製するガス発生器3としての、パーミエーター(ガステック社製)に窒素ガスを通じて作製したガスを用いた。具体的には、ターゲットVOCのうちのアセトン、メチルイソブチルケトン及びTVOCが前者に該当し、ターゲットVOCのうちのアセトイン、ノナナール、デカンが後者に該当する。これらのガスを流す際には、流したガスの流量に相当する分、乾燥状態の窒素の流量を減じることで、ガスの総流量500mL/min、窒素と酸素の濃度比4:1を常に維持した。
As these target VOCs and TVOCs, a gas produced from a nitrogen-based gas cylinder, or a gas produced by passing a nitrogen gas through a permeator (made by Gastec Co., Ltd.) as a
7種のガスセンサは、センサ室1に入れた後、TGS2600、TGS2602、TGS2610及びTGS2620は、製造元推奨のヒータ電圧5Vを印加し、#31b及び#33bは、所定の動作温度となるようヒータに電圧を印加し、ガスセンサを駆動温度に昇温させた。次に、合成空気500mL/minを2時間流し、ガスセンサの抵抗値が安定させてから抵抗値の記録を開始した。引き続き合成空気を30分間流した後、1ppmのターゲットVOCを含む合成空気を20分間流し、再度合成空気を30分間流しながら抵抗値を記録した。この操作を、アセトイン、ノナナール、デカン、アセトン、メチルイソブチルケトンの5種のターゲットガス全てにおいて実施した。
After putting the seven kinds of gas sensors in the
また、上記と同様にして、TVOC濃度1倍(300μg/m3)を含む合成空気を30分間流した後、TVOC濃度1倍及び1ppmのターゲットTVOCを含む合成空気を20分間流し、再度TVOC濃度1倍を含む合成空気を30分間流しながら抵抗値を記録した。同じ要領で、TVOC濃度2倍及び3倍でも実施した。これらの操作も、アセトイン、ノナナール、デカン、アセトン、メチルイソブチルケトンの5種のターゲットガス全てにおいて実施した。 Further, in the same manner as above, after flowing synthetic air containing a TVOC concentration of 1 time (300 μg/m 3 ) for 30 minutes, a synthetic air containing a TVOC concentration of 1 time and 1 ppm of target TVOC was flowed for 20 minutes, and the TVOC concentration was again adjusted. The resistance value was recorded while flowing synthetic air containing 1 time for 30 minutes. In the same manner, the TVOC concentration was doubled and tripled. These operations were also performed on all five target gases of acetoin, nonanal, decane, acetone, and methyl isobutyl ketone.
ガスセンサの応答値Sを用いて、主成分分析を行なった。なお、ガスセンサの応答値Sは、式
S=Ra/Rg
(式中、Raは、合成空気(又はTVOCを含む合成空気)を流したときのガスセンサの抵抗値であり、Rgは、1ppmのターゲットTVOCを含む合成空気(又はTVOCを含む合成空気)を流したときのガスセンサの抵抗値である。)
により定義される。
Principal component analysis was performed using the response value S of the gas sensor. The response value S of the gas sensor is expressed by the formula S=Ra/Rg
(In the formula, Ra is a resistance value of the gas sensor when flowing synthetic air (or synthetic air containing TVOC), and Rg is a synthetic air containing 1 ppm target TVOC (or synthetic air containing TVOC). The resistance value of the gas sensor when
Is defined by
図2に、第1主成分及び第2主成分、第1主成分及び第3主成分による主成分得点と固有ベクトルを示す。各軸に各主成分の寄与率を示す。 FIG. 2 shows the principal component scores and eigenvectors of the first principal component and the second principal component, and the first principal component and the third principal component. The contribution rate of each principal component is shown on each axis.
図2から、第3主成分までの累積寄与率が93.9%であることがわかる。これは、ガスセンサ7種のうち、6.573種分の価値が集約されていることを示す。なお、図2では、固有ベクトルを分かり易く示すため、ベクトルの大きさを3倍にしている。主成分得点のプロットは、揮発性不純物であるTVOCの濃度によってばらつきが発生した。図2中の矢印は、TVOCの濃度が高くなる方向を示す。よって、矢印の始点側がTVOCの濃度0倍(0ppm)で、終点が3倍(0.18ppm)である(図3から図11まで全て同じ)。図2に示す通り、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンは、主成分得点の重なりが見受けられるものの、アセトイン、ノナナール、デカン及びアセトン・メチルイソブチルケトンの間の主成分得点が分離されており、充分に分離検知できることがわかる。 From FIG. 2, it can be seen that the cumulative contribution rate up to the third principal component is 93.9%. This indicates that out of the seven gas sensors, the value of 6.573 is collected. In FIG. 2, the size of the vector is tripled in order to show the eigenvector in an easy-to-understand manner. The plot of the principal component score varied depending on the concentration of TVOC, which is a volatile impurity. The arrow in FIG. 2 indicates the direction in which the concentration of TVOC increases. Therefore, the concentration of TVOC is 0 times (0 ppm) on the starting point side of the arrow and 3 times (0.18 ppm) the ending point (all the same from FIG. 3 to FIG. 11). As shown in Fig. 2, acetone and methyl isobutyl ketone, which are ketone-based and very similar in structure, show overlapping main component scores, but the main component scores between acetoin, nonanal, decane, and acetone-methyl isobutyl ketone are It is understood that they are separated and can be sufficiently separated and detected.
なお、ターゲットVOCの主成分得点は、第2主成分の軸方向のバラツキが生じた。これは、TVOCの濃度を基準の0〜3倍に変化させたことで生じたものである。TVOCの主成分は、芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素である。よって、第2主成分は、VOCの総炭素数に由来する傾向があるといえる。これに対し、第1主成分は、主成分得点の高い方から、水酸基を持つアセトイン、アルデヒド基を持つノナナール、ケトン系のアセトンとメチルイソブチルケトン、脂肪族炭化水素のデカンの順となっており、VOCの族別、特に酸化性の官能基の有無に由来する傾向にあるといえる。 The principal component score of the target VOC varied in the axial direction of the second principal component. This is caused by changing the concentration of TVOC to 0 to 3 times the standard. The main components of TVOC are aromatic hydrocarbons and aliphatic hydrocarbons. Therefore, it can be said that the second main component tends to be derived from the total number of carbon atoms in VOC. On the other hand, the first main component is in the order of acetoin having a hydroxyl group, nonanal having an aldehyde group, ketone-based acetone and methyl isobutyl ketone, and decane of an aliphatic hydrocarbon in descending order of the main component score. , VOCs, especially in the presence or absence of oxidative functional groups.
第1主成分及び第2主成分の主成分得点においては、第1主成分の軸にほぼ平行の固有ベクトルを示すTGS2602、#31b、#33b、No.71が担っていることになる。一方、後述の比較例1では、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンだけでなく、構造の類似しないデカンも主成分得点の重なりが見られる。このことから、バルク応答型のNo.71が特にケトン系と脂肪族炭化水素の分離に寄与していると考えられる。 In the principal component scores of the first principal component and the second principal component, TGS2602, #31b, #33b, No. 2 which shows eigenvectors substantially parallel to the axis of the first principal component. 71 will be in charge. On the other hand, in Comparative Example 1 which will be described later, not only acetone and methyl isobutyl ketone, which are ketone-based and very similar in structure, but also decane, which is not similar in structure, overlap in the main component scores. From this, the bulk response type No. It is considered that 71 particularly contributes to the separation of the ketone system and the aliphatic hydrocarbon.
また、第1主成分及び第3主成分の主成分得点においても、後述の比較例1では、アセトン・メチルイソブチルケトンと、デカンの主成分得点の重なりが見られたが、実施例1では、アセトン・メチルイソブチルケトンと、デカンの主成分得点が分離されている。No.71の固有ベクトルは、その分離の方向に平行となっており、特にケトン系と脂肪族炭化水素の分離に寄与していると考えられる。 Also, regarding the main component scores of the first main component and the third main component, in Comparative Example 1 described later, the main component scores of acetone/methylisobutylketone and decane were overlapped, but in Example 1, The main component scores of acetone/methyl isobutyl ketone and decane are separated. No. The eigenvector of 71 is parallel to the direction of its separation, and is considered to particularly contribute to the separation of the ketone system and the aliphatic hydrocarbon.
[実施例2]
本実施例では、6種の粒界応答型半導体式ガスセンサ(TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2620(以上、フィガロ技研社製)、#31b、#33b)と、2種のバルク応答型半導体式ガスセンサ(No.9、No.71)を用いた。なお、実施例2は、実施例1にバルク応答型半導体式ガスセンサを1種追加したものに相当する。
[Example 2]
In this embodiment, six kinds of grain boundary response type semiconductor gas sensors (TGS2600, TGS2602, TGS2610, TGS2620 (above, manufactured by Figaro Giken Co., Ltd.), #31b, #33b) and two types of bulk response type semiconductor gas sensors ( No. 9 and No. 71) were used. In addition, Example 2 corresponds to Example 1 with one type of bulk response type semiconductor gas sensor added.
No.9は、産業技術総合研究所で作製した、酸化セリウムにジルコニウムを10mol%添加し、Ce0.9Zr0.1O2としたガスセンサ(CeZr10)である(Sens. Actuators B 108(2005)238-243参照)。よって、本ガスセンサは、バルク応答型半導体式センサである。本ガスセンサは、動作温度400℃で用いた。 No. 9 was fabricated by the Industrial Technology Research Institute, which is a zirconium oxide, cerium added 10 mol%, and a Ce 0.9 Zr 0.1 O 2 gas sensor (CeZr10) (Sens. Actuators B 108 (2005) 238 -243). Therefore, the present gas sensor is a bulk response type semiconductor sensor. This gas sensor was used at an operating temperature of 400°C.
本実施例では、実施例1と同様にして、8種のガスセンサの応答値Sを計測した後、8種のガスセンサの応答値Sで主成分分析を実施した。 In this example, as in Example 1, the response values S of the eight types of gas sensors were measured, and then the principal component analysis was performed using the response values S of the eight types of gas sensors.
図3に、第1主成分及び第2主成分、第1主成分及び第3主成分による主成分得点と固有ベクトルを示す。各軸に各主成分の寄与率を示す。 FIG. 3 shows the principal component scores and eigenvectors of the first principal component and the second principal component, and the first principal component and the third principal component. The contribution rate of each principal component is shown on each axis.
図3から、第3主成分までの累積寄与率が93.2%であることがわかる。これは、ガスセンサ8種のうち、7.456種分の価値が集約されていることを示す。なお、図3では、固有ベクトルを分かり易く示すため、ベクトルの大きさを3倍にしている。図3に示す通り、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンは、主成分得点の重なりが見受けられるものの、アセトイン、ノナナール、デカン、アセトン・メチルイソブチルケトン間の主成分得点が分離されており、充分に分離検知できることがわかる。 From FIG. 3, it can be seen that the cumulative contribution rate up to the third principal component is 93.2%. This indicates that the value of 7.456 types out of the 8 types of gas sensors is collected. In FIG. 3, the size of the vector is tripled in order to make the eigenvector easy to understand. As shown in Fig. 3, acetone and methyl isobutyl ketone, which are ketone-based and very similar in structure, show overlapping main component scores, but the main component scores between acetoin, nonanal, decane, and acetone-methyl isobutyl ketone are separated. Therefore, it can be seen that the separation detection can be sufficiently performed.
なお、ターゲットVOCの主成分得点は、第2主成分の軸方向のバラツキが生じた。実施例1と同様、第2主成分は、VOCの総炭素数に由来する傾向があるといえる。これに対し、第1主成分は、実施例1と同様に、主成分得点の高い方から、アセトイン、ノナナール、アセトンとメチルイソブチルケトン、デカンの順となっており、VOCの族別、特に酸化性の官能基の有無に由来する傾向にあるといえる。 The principal component score of the target VOC varied in the axial direction of the second principal component. As in Example 1, it can be said that the second main component tends to be derived from the total number of carbon atoms in VOC. On the other hand, the first main component is in the order of acetoin, nonanal, acetone and methyl isobutyl ketone, and decane from the one having the highest main component score, as in the case of Example 1. It can be said that the tendency tends to be derived from the presence or absence of a functional group.
第1主成分及び第2主成分の主成分得点においては、第1主成分の軸にほぼ平行の固有ベクトルを示すTGS2602、#31b、#33b、No.9、No.71が担っていることになる。一方、後述の比較例1では、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンだけでなく、構造の類似しないデカンも主成分得点の重なりが見られる。このことから、バルク応答型のNo.9、No.71が特にケトン系と脂肪族炭化水素の分離に寄与していると考えられる。 In the principal component scores of the first principal component and the second principal component, TGS2602, #31b, #33b, No. 2 which shows eigenvectors substantially parallel to the axis of the first principal component. 9, No. 71 will be in charge. On the other hand, in Comparative Example 1 which will be described later, not only acetone and methyl isobutyl ketone, which are ketone-based and very similar in structure, but also decane, which is not similar in structure, overlap in the main component scores. From this, the bulk response type No. 9, No. It is considered that 71 particularly contributes to the separation of the ketone system and the aliphatic hydrocarbon.
また、第1成分及び第3主成分の主成分得点においても、後述の比較例1では、アセトン・メチルイソブチルケトンと、デカンの主成分得点の重なりが見られたが、実施例2では、アセトン・メチルイソブチルケトンと、デカンの主成分得点が分離されているだけでなく、実施例1よりも主成分得点の差が増大している。No.71の固有ベクトルは、その分離の方向に平行となっており、特にケトン系と脂肪族炭化水素の分離に寄与していると考えられる。ここで、No.9の固有ベクトルもNo.71の固有ベクトルとほぼ平行であることから、バルク応答型ガスセンサを1種追加したことで、主成分得点の分離性が増大したものと考えられる。 Also, regarding the main component scores of the first component and the third main component, in Comparative Example 1 described later, an overlap of the main component scores of acetone/methylisobutylketone and decane was observed, but in Example 2, acetone was used. Not only the main component scores of methyl isobutyl ketone and decane are separated, but the difference in the main component scores is larger than that in Example 1. No. The eigenvector of 71 is parallel to the direction of its separation, and is considered to particularly contribute to the separation of the ketone system and the aliphatic hydrocarbon. Here, No. The eigenvector of No. 9 is also No. Since it is almost parallel to the eigenvector of 71, it is considered that the separability of the principal component scores is increased by adding one type of bulk response type gas sensor.
[実施例3]
本実施例では、4種の粒界応答型半導体式ガスセンサ(TGS2602、TGS2610(以上、フィガロ技研社製)、#31b、#33b)と、1種のバルク応答型半導体式ガスセンサ(No.71)を用いた。なお、実施例3は、実施例1からTGS2600、TGS2620を除去したものに相当する。
[Example 3]
In this embodiment, four kinds of grain boundary responsive semiconductor type gas sensors (TGS2602, TGS2610 (above, manufactured by Figaro Giken Co., Ltd.), #31b, #33b) and one kind of bulk response type semiconductor gas sensor (No. 71). Was used. The third embodiment corresponds to the first embodiment with the TGS2600 and TGS2620 removed.
本実施例では、実施例1と同様にして、5種のガスセンサの応答値Sを計測した後、5種のガスセンサの応答値Sで主成分分析を実施した。 In this example, as in Example 1, the response values S of the five gas sensors were measured, and then the principal component analysis was performed using the response values S of the five gas sensors.
図4に、第1主成分及び第2主成分、第1主成分及び第3主成分による主成分得点と固有ベクトルを示す。各軸に各主成分の寄与率を示す。 FIG. 4 shows the principal component scores and eigenvectors of the first principal component and the second principal component, and the first principal component and the third principal component. The contribution rate of each principal component is shown on each axis.
図4から、第3主成分までの累積寄与率が97.6%であることがわかる。これは、ガスセンサ5種のうち、4.88種分の価値が集約されていることを示す。なお、図4では、固有ベクトルを分かり易く示すため、ベクトルの大きさを3倍にしている。図4に示す通り、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンは、主成分得点の重なりが見受けられるものの、アセトイン、ノナナール、デカン、アセトン・メチルイソブチルケトン間の主成分得点が分離されており、充分に分離検知できることがわかる。 It can be seen from FIG. 4 that the cumulative contribution rate up to the third principal component is 97.6%. This indicates that the value of 4.88 types among the 5 types of gas sensors is collected. In FIG. 4, the size of the vector is tripled in order to make the eigenvector easy to understand. As shown in Fig. 4, acetone and methyl isobutyl ketone, which are ketone-based and very similar in structure, have overlapping main component scores, but the main component scores between acetoin, nonanal, decane, and acetone/methyl isobutyl ketone are separated. Therefore, it can be seen that the separation detection can be sufficiently performed.
なお、TVOCの濃度に依存する第2主成分の軸方向のバラツキは、実施例1よりも低減した。これは、第2主成分の軸と平行に近い固有ベクトルを示し、TVOCの濃度の影響を強く示すTGS2600、TGS2620を除去して、目的に応じた適切なセンサを選択したことによるものである。 In addition, the variation in the axial direction of the second main component depending on the TVOC concentration was reduced as compared with the first embodiment. This is because TGS2600 and TGS2620, which show an eigenvector nearly parallel to the axis of the second principal component and strongly show the influence of the concentration of TVOC, were removed and an appropriate sensor was selected according to the purpose.
第1主成分及び第2主成分の主成分得点においては、第1主成分の軸にほぼ平行の固有ベクトルを示すTGS2602、#31b、#33b、No.71が担っていることになる。一方、後述の比較例2では、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンだけでなく、構造の類似しないデカンも主成分得点の重なりが見られる。このことから、バルク応答型のNo.71が特にケトン系と脂肪族炭化水素の分離に寄与していると考えられる。 In the principal component scores of the first principal component and the second principal component, TGS2602, #31b, #33b, No. 2 which shows eigenvectors substantially parallel to the axis of the first principal component. 71 will be in charge. On the other hand, in Comparative Example 2 to be described later, not only acetone and methylisobutylketone, which are ketone-based and very similar in structure, but also decane, which is not similar in structure, overlap in the main component scores. From this, the bulk response type No. It is considered that 71 particularly contributes to the separation of the ketone system and the aliphatic hydrocarbon.
また、第1主成分及び第3主成分の主成分得点においても、後述の比較例2では、アセトン・メチルイソブチルケトンと、デカンの主成分得点の重なりが見られたが、実施例3では、アセトン・メチルイソブチルケトンと、デカンの主成分得点が分離されている。ここで、No.71の固有ベクトルは、その分離の方向に平行となっており、特にケトン系と脂肪族炭化水素の分離に寄与していると考えられる。 Also, regarding the main component scores of the first main component and the third main component, in Comparative Example 2 described later, the main component scores of acetone/methylisobutylketone and decane were found to overlap, but in Example 3, The main component scores of acetone/methyl isobutyl ketone and decane are separated. Here, No. The eigenvector of 71 is parallel to the direction of its separation, and is considered to particularly contribute to the separation of the ketone system and the aliphatic hydrocarbon.
[実施例4]
本実施例では、4種の粒界応答型半導体式ガスセンサ(TGS2602、TGS2610(以上、フィガロ技研社製)、#31b、#33b)と、2種のバルク応答型半導体式ガスセンサ(No.9、No.71)を用いた。なお、実施例4は、実施例2からTGS2600、TGS2620を除去したものに相当する。また、実施例4は、実施例3にNo.9を追加したものにも相当する。
[Example 4]
In this embodiment, four kinds of grain boundary responsive semiconductor type gas sensors (TGS2602, TGS2610 (above, manufactured by Figaro Giken Co., Ltd.), #31b, #33b) and two kinds of bulk response type semiconductor gas sensors (No. 9, No. 71) was used. In addition, Example 4 corresponds to Example 2 from which
本実施例では、実施例1と同様にして、6種のガスセンサの応答値Sを計測した後、6種のガスセンサの応答値Sで主成分分析を実施した。 In this example, as in Example 1, the response values S of the six types of gas sensors were measured, and then the principal component analysis was performed using the response values S of the six types of gas sensors.
図5に、第1主成分及び第2主成分、第1主成分及び第3主成分による主成分得点と固有ベクトルを示す。各軸に各主成分の寄与率を示す。 FIG. 5 shows the principal component scores and eigenvectors of the first principal component and the second principal component, and the first principal component and the third principal component. The contribution rate of each principal component is shown on each axis.
図5から、第3主成分までの累積寄与率が95.6%であることがわかる。これは、ガスセンサ6種のうち、5.736種分の価値が集約されていることを示す。なお、図5では、固有ベクトルを分かり易く示すため、ベクトルの大きさを3倍にしている。図5に示す通り、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンは、主成分得点の重なりが見受けられるものの、アセトイン、ノナナール、デカン、アセトン・メチルイソブチルケトン間の主成分得点が分離されており、充分に分離検知できることがわかる。 From FIG. 5, it can be seen that the cumulative contribution rate up to the third principal component is 95.6%. This indicates that out of the 6 types of gas sensors, the value of 5.736 types is collected. In FIG. 5, the size of the vector is tripled in order to make the eigenvector easy to understand. As shown in Fig. 5, although acetone and methyl isobutyl ketone, which are ketone-based and very similar in structure, have overlapping main component scores, the main component scores between acetoin, nonanal, decane, and acetone-methyl isobutyl ketone are separated. Therefore, it can be seen that the separation detection can be sufficiently performed.
なお、TVOCの濃度に依存する第2主成分の軸方向のバラツキは、実施例2よりも低減した。これは、第2主成分の軸と平行に近い固有ベクトルを示し、TVOCの濃度の影響を強く示すTGS2600、TGS2620の情報を除去して、目的に応じた適切なセンサを選択したことによるものである。 In addition, the variation in the axial direction of the second main component depending on the TVOC concentration was smaller than that in the second embodiment. This is because the information of TGS2600 and TGS2620 showing an eigenvector nearly parallel to the axis of the second principal component and strongly showing the influence of the concentration of TVOC is removed, and an appropriate sensor is selected according to the purpose. ..
第1主成分及び第2主成分の主成分得点においては、第1主成分の軸にほぼ平行の固有ベクトルを示すTGS2602、#31b、#33b、No.9、No.71が担っていることになる。一方、後述の比較例2では、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンだけでなく、構造の類似しないデカンも主成分得点の重なりが見られる。このことから、バルク応答型のNo.9、No.71が特にケトン系と脂肪族炭化水素の分離に寄与していると考えられる。 In the principal component scores of the first principal component and the second principal component, TGS2602, #31b, #33b, No. 2 which shows eigenvectors substantially parallel to the axis of the first principal component. 9, No. 71 will be in charge. On the other hand, in Comparative Example 2 to be described later, not only acetone and methylisobutylketone, which are ketone-based and very similar in structure, but also decane, which is not similar in structure, overlap in the main component scores. From this, the bulk response type No. 9, No. It is considered that 71 particularly contributes to the separation of the ketone system and the aliphatic hydrocarbon.
また、第1主成分及び第3主成分の主成分得点においても、後述の比較例2では、アセトン・メチルイソブチルケトンと、デカンの主成分得点の重なりが見られたが、実施例4では、アセトン・メチルイソブチルケトンと、デカンの主成分得点が分離されているだけでなく、実施例3よりも主成分得点の差が増大している。ここで、No.71の固有ベクトルは、その分離の方向に平行となっており、特にケトン系と脂肪族炭化水素の分離に寄与していると考えられる。また、No.9の固有ベクトルもNo.71の固有ベクトルとほぼ平行であることから、バルク応答型ガスセンサを1種追加したことで、主成分得点の分離性が増大したものと考えられる。 Also, regarding the main component scores of the first main component and the third main component, in Comparative Example 2 described later, the main component scores of acetone/methylisobutylketone and decane were overlapped, but in Example 4, Not only are the main component scores of acetone/methylisobutylketone and decane separated, but the difference in the main component scores is larger than in Example 3. Here, No. The eigenvector of 71 is parallel to the direction of its separation, and is considered to particularly contribute to the separation of the ketone system and the aliphatic hydrocarbon. In addition, No. The eigenvector of No. 9 is also No. Since it is almost parallel to the eigenvector of 71, it is considered that the separability of the principal component scores is increased by adding one type of bulk response type gas sensor.
[実施例5]
本実施例では、3種の粒界応答型半導体式ガスセンサ(TGS2602(フィガロ技研社製)、#31b、#33b)と、1種のバルク応答型半導体式ガスセンサ(No.71)を用いた。実施例5は、実施例3からTGS2610を除去したものに相当する。
[Example 5]
In this example, three types of grain boundary responsive semiconductor type gas sensors (TGS2602 (manufactured by Figaro Giken Co., Ltd., #31b, #33b) and one type of bulk response type semiconductor gas sensor (No. 71) were used. Example 5 corresponds to Example 3 with the
本実施例では、実施例1と同様にして、4種のガスセンサの応答値Sを計測した後、4種のガスセンサの応答値Sで主成分分析を実施した。 In this example, as in Example 1, the response values S of the four gas sensors were measured, and then the principal component analysis was performed using the response values S of the four gas sensors.
図6に、第1主成分及び第2主成分、第1主成分及び第3主成分による主成分得点と固有ベクトルを示す。各軸に各主成分の寄与率を示す。 FIG. 6 shows principal component scores and eigenvectors of the first principal component and the second principal component, and the first principal component and the third principal component. The contribution rate of each principal component is shown on each axis.
図6から、第3主成分までの累積寄与率が99.9%であることがわかる。これは、ガスセンサ4種のうち、3.996種分の価値が集約されていることを示す。なお、図6では、固有ベクトルを分かり易く示すため、ベクトルの大きさを3倍にしている。図6に示す通り、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンは、主成分得点の重なりが見受けられるものの、アセトイン、ノナナール、デカン、アセトン・メチルイソブチルケトン間の主成分得点が分離されており、充分に分離検知できることがわかる。 From FIG. 6, it can be seen that the cumulative contribution rate up to the third principal component is 99.9%. This indicates that the value of 3.996 types among the 4 types of gas sensors is collected. In FIG. 6, the size of the vector is tripled in order to make the eigenvector easy to understand. As shown in Fig. 6, acetone and methyl isobutyl ketone, which are ketone-based and very similar in structure, show overlapping main component scores, but the main component scores between acetoin, nonanal, decane, and acetone-methyl isobutyl ketone are separated. Therefore, it can be seen that the separation detection can be sufficiently performed.
なお、TVOCの濃度に依存する第2主成分の軸方向のバラツキは、実施例3よりも低減した。これは、第2主成分の軸と平行に近い固有ベクトルを示し、TVOCの濃度の影響を強く示すTGS2610を除去して、目的に応じた適切なセンサを選択したことによるものである。 In addition, the variation in the axial direction of the second main component depending on the TVOC concentration was reduced as compared with the third embodiment. This is because TGS2610, which shows an eigenvector nearly parallel to the axis of the second principal component and strongly shows the influence of the concentration of TVOC, is removed, and an appropriate sensor is selected according to the purpose.
第1主成分及び第2主成分の主成分得点においては、第1主成分の軸にほぼ平行の固有ベクトルを示すTGS2602、#31b、#33b、No.71が担っていることになる。一方、後述の比較例3では、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンだけでなく、構造の類似しないデカンも主成分得点の重なりが見られる。このことから、バルク応答型のNo.71が特にケトン系と脂肪族炭化水素の分離に寄与していると考えられる。 In the principal component scores of the first principal component and the second principal component, TGS2602, #31b, #33b, No. 2 which shows eigenvectors substantially parallel to the axis of the first principal component. 71 will be in charge. On the other hand, in Comparative Example 3 to be described later, not only acetone and methyl isobutyl ketone, which are ketone-based and very similar in structure to each other, but also decane having a dissimilar structure overlaps in the main component scores. From this, the bulk response type No. It is considered that 71 particularly contributes to the separation of the ketone system and the aliphatic hydrocarbon.
また、第1主成分及び第3主成分の主成分得点においても、後述の比較例3では、アセトン・メチルイソブチルケトンと、デカンの主成分得点の重なりが見られたが、実施例5では、アセトン・メチルイソブチルケトンと、デカンの主成分得点が分離されている。ここで、No.71の固有ベクトルは、その分離の方向に平行となっており、特にケトン系と脂肪族炭化水素の分離に寄与していると考えられる。 Also, regarding the main component scores of the first main component and the third main component, in Comparative Example 3 described later, the overlap of the main component scores of acetone/methylisobutylketone and decane was observed, but in Example 5, The main component scores of acetone/methyl isobutyl ketone and decane are separated. Here, No. The eigenvector of 71 is parallel to the direction of its separation, and is considered to particularly contribute to the separation of the ketone system and the aliphatic hydrocarbon.
[実施例6]
本実施例では、3種の粒界応答型半導体式ガスセンサ(TGS2602(フィガロ技研社製)、#31b、#33b)と、2種のバルク応答型半導体式ガスセンサ(No.9、No.71)を用いた。実施例6は、実施例4からTGS2610を除去したものに相当する。また、実施例6は、実施例5にNo.9を追加したものにも相当する。
[Example 6]
In this embodiment, three types of grain boundary responsive semiconductor type gas sensors (TGS2602 (manufactured by Figaro Giken Co., Ltd., #31b, #33b) and two types of bulk response type semiconductor gas sensors (No. 9, No. 71). Was used. Example 6 corresponds to Example 4 with the
本実施例では、実施例1と同様にして、5種のガスセンサの応答値Sを計測した後、5種のガスセンサの応答値Sで主成分分析を実施した。 In this example, as in Example 1, the response values S of the five gas sensors were measured, and then the principal component analysis was performed using the response values S of the five gas sensors.
図7に、第1主成分及び第2主成分、第1主成分及び第3主成分による主成分得点と固有ベクトルを示す。各軸に各主成分の寄与率を示す。 FIG. 7 shows the principal component scores and eigenvectors of the first principal component and the second principal component, and the first principal component and the third principal component. The contribution rate of each principal component is shown on each axis.
図7から、第3主成分までの累積寄与率が96.1%であることがわかる。これは、ガスセンサ5種のうち、4.805種分の価値が集約されていることを示す。なお、図7では、固有ベクトルを分かり易く示すため、ベクトルの大きさを3倍にしている。図7に示す通り、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンは、主成分得点の重なりが見受けられるものの、アセトイン、ノナナール、デカン、アセトン・メチルイソブチルケトン間の主成分得点が分離されており、充分に分離検知できることがわかる。 From FIG. 7, it can be seen that the cumulative contribution rate up to the third principal component is 96.1%. This indicates that the value of 4.805 types among the 5 types of gas sensors is collected. In FIG. 7, the size of the vector is tripled in order to make the eigenvector easy to understand. As shown in Fig. 7, although acetone and methyl isobutyl ketone, which are ketone-based and very similar in structure, have overlapping main component scores, the main component scores between acetoin, nonanal, decane, and acetone-methyl isobutyl ketone are separated. Therefore, it can be seen that the separation detection can be sufficiently performed.
なお、TVOCの濃度に依存する第2主成分の軸方向のバラツキは、実施例4よりも低減した。これは、第2主成分の軸と平行に近い固有ベクトルを示し、TVOCの濃度の影響を強く示すTGS2610の情報を除去して、目的に応じた適切なセンサを選択したことによるものである。 In addition, the variation in the axial direction of the second main component depending on the TVOC concentration was reduced as compared with the fourth embodiment. This is because the information of TGS2610 which shows the eigenvector nearly parallel to the axis of the second principal component and which strongly shows the influence of the concentration of TVOC is removed, and an appropriate sensor is selected according to the purpose.
第1主成分及び第2主成分の主成分得点においては、第1主成分の軸にほぼ平行の固有ベクトルを示すTGS2602、#31b、#33b、No.9、No.71が担っていることになる。一方、後述の比較例3では、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンだけでなく、構造の類似しないデカンも主成分得点の重なりが見られる。このことから、バルク応答型のNo.9、No.71が特にケトン系と脂肪族炭化水素の分離に寄与していると考えられる。 In the principal component scores of the first principal component and the second principal component, TGS2602, #31b, #33b, No. 2 which shows eigenvectors substantially parallel to the axis of the first principal component. 9, No. 71 will be in charge. On the other hand, in Comparative Example 3 to be described later, not only acetone and methyl isobutyl ketone, which are ketone-based and very similar in structure to each other, but also decane having a dissimilar structure overlaps in the main component scores. From this, the bulk response type No. 9, No. It is considered that 71 particularly contributes to the separation of the ketone system and the aliphatic hydrocarbon.
また、第1主成分及び第3主成分の主成分得点においても、後述の比較例3では、アセトン・メチルイソブチルケトンと、デカンの主成分得点の重なりが見られたが、実施例6では、アセトン・メチルイソブチルケトンと、デカンの主成分得点が分離できているだけでなく、実施例5よりも主成分得点の差が増大した。ここで、No.71の固有ベクトルは、その分離の方向に平行となっており、特にケトン系と脂肪族炭化水素の分離に寄与していると考えられる。また、No.9の固有ベクトルもNo.71の固有ベクトルとほぼ平行であることから、バルク応答型ガスセンサを1種追加したことで、主成分得点の分離性が増大したものと考えられる。 Also, regarding the main component scores of the first main component and the third main component, in Comparative Example 3 described later, the main component scores of acetone/methylisobutylketone and decane were overlapped, but in Example 6, Not only the main component scores of acetone/methylisobutylketone and decane were separated, but the difference in the main component score was larger than in Example 5. Here, No. The eigenvector of 71 is parallel to the direction of its separation, and is considered to particularly contribute to the separation of the ketone system and the aliphatic hydrocarbon. In addition, No. The eigenvector of No. 9 is also No. Since it is almost parallel to the eigenvector of 71, it is considered that the separability of the principal component scores is increased by adding one type of bulk response type gas sensor.
[比較例1]
本比較例では、6種の粒界応答型半導体式ガスセンサ(TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2620(以上、フィガロ技研社製)、#31b、#33b)を用いた。なお、比較例1は、実施例1又は実施例2からバルク応答型半導体式ガスセンサを除去したものに相当する。
[Comparative Example 1]
In this comparative example, six kinds of grain boundary responsive semiconductor gas sensors (TGS2600, TGS2602, TGS2610, TGS2620 (above, manufactured by Figaro Giken Co., Ltd.), #31b, #33b) were used. The comparative example 1 corresponds to the one obtained by removing the bulk response type semiconductor gas sensor from the example 1 or the example 2.
本比較例では、まず、湿度が20℃換算で0%RHに相当するように変更した以外は、実施例1と同様にして、6種のガスセンサの応答値Sを計測した後、6種のガスセンサの応答値Sで主成分分析を実施した。このとき、窒素及び酸素は、全て水バブラー2に通じなかった。次に、実施例1と同様にして、6種のガスセンサの応答値Sを計測した後、6種のガスセンサの応答値Sで主成分分析を実施した。
In this comparative example, first, the response values S of 6 types of gas sensors were measured in the same manner as in Example 1 except that the humidity was changed to correspond to 0% RH in terms of 20° C., and then 6 types of Principal component analysis was performed using the response value S of the gas sensor. At this time, all of nitrogen and oxygen did not pass through the
図8及び図9に、湿度が20℃換算でそれぞれ0%RH及び60%RHに相当する場合の、第1主成分及び第2主成分、第1主成分及び第3主成分による主成分得点と固有ベクトルを示す。各軸に各主成分の寄与率を示す。 FIG. 8 and FIG. 9 show the principal component scores of the first principal component and the second principal component, the first principal component and the third principal component when the humidity corresponds to 0% RH and 60% RH at 20° C., respectively. And eigenvectors are shown. The contribution rate of each principal component is shown on each axis.
図8及び図9から、第3主成分までの累積寄与率がそれぞれ94.2%及び98.3%であることがわかる。これは、ガスセンサ6種のうち、5.652種分及び5.898種分の価値が集約されていることを示す。なお、図8及び図9では、固有ベクトルを分かり易く示すため、ベクトルの大きさを3倍にしている。 From FIGS. 8 and 9, it can be seen that the cumulative contribution rates up to the third principal component are 94.2% and 98.3%, respectively. This indicates that the value of 5.652 types and the value of 5.898 types of 6 types of gas sensors are aggregated. In FIGS. 8 and 9, the size of the vector is tripled for easy understanding of the eigenvector.
図8に示す通り、第1主成分及び第2主成分による主成分得点においては、メチルイソブチルケトンとアセトン、アセトンとデカンの主成分得点が近接してはいるものの、主成分得点の重なりは見られず、分離検知できることがわかる。また、第1主成分及び第3主成分による主成分得点においても、ノナナールとアセトンの主成分得点が近接しているものの、主成分得点の重なりは見られず、分離検知できることがわかる。 As shown in FIG. 8, in the main component scores by the first main component and the second main component, although the main component scores of methyl isobutyl ketone and acetone and acetone and decane are close to each other, the overlap of the main component scores is not found. It can be seen that separation detection can be performed without being carried out. Also, regarding the principal component scores of the first principal component and the third principal component, although the principal component scores of nonanal and acetone are close to each other, no overlapping of the principal component scores is seen, and it can be seen that separation detection is possible.
しかし、図9に示す通り、湿度が20℃換算で60%RHに相当する場合は、主成分得点の分離は充分でない。湿度が20℃換算で60%RHに相当すると、固有ベクトル及び主成分得点が大きく変動する。その結果、第1主成分及び第2主成分による主成分得点においては、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンだけでなく、構造の類似しないデカンも主成分得点の重なりが見られた。また、第1主成分及び第3主成分による主成分得点においても、アセトン・メチルイソブチルケトン・デカン・アセトインの主成分得点の重なりが見られた。これは、粒界応答型半導体式ガスセンサは、表面に吸着した酸素がVOCの酸化で消費されることが応答のメカニズムであるが、湿度が20℃換算で60%RHに相当すると、酸素の吸着サイトの一部に水分子が吸着することで感度が低下するため、粒界応答型半導体式ガスセンサの間の特徴の差が減少し、情報量が減少したことに由来すると考えられる。即ち、本比較例で用いた6種の粒界応答型半導体式ガスセンサだけでは、自然界と同様の湿度が20℃換算で60%RHに相当する環境下では、充分に分離検知できないことがわかる。 However, as shown in FIG. 9, when the humidity corresponds to 60% RH at 20° C., the separation of the main component scores is not sufficient. When the humidity corresponds to 60% RH in terms of 20° C., the eigenvector and the principal component score greatly change. As a result, in the principal component scores of the first and second principal components, not only acetone and methyl isobutyl ketone, which are ketone-based and very similar in structure, but also decane having a dissimilar structure, overlaps in the principal component scores. Was given. Also, in the main component scores of the first and third main components, overlapping of the main component scores of acetone/methylisobutylketone/decane/acetoin was observed. This is because the mechanism of response in the grain boundary responsive semiconductor type gas sensor is that oxygen adsorbed on the surface is consumed by the oxidation of VOC, but when the humidity corresponds to 60% RH at 20° C., the adsorption of oxygen It is considered that this is because the sensitivity decreases due to the adsorption of water molecules on a part of the sites, which reduces the difference in characteristics between the grain boundary responsive semiconductor gas sensors and reduces the amount of information. That is, it can be seen that the six kinds of grain boundary responsive semiconductor gas sensors used in this comparative example cannot sufficiently separate and detect under the environment where the humidity, which is the same as in nature, is 60% RH in terms of 20°C.
[比較例2]
本比較例では、4種の粒界応答型半導体式ガスセンサ(TGS2602、TGS2610(以上、フィガロ技研社製)、#31b、#33b)を用いた。なお、比較例2は、実施例3又は実施例4からバルク応答型半導体式ガスセンサを除去したものに相当する。また、比較例2は、比較例1からTGS2600、TGS2620を除去したものにも相当する。
[Comparative example 2]
In this comparative example, four kinds of grain boundary responsive semiconductor gas sensors (TGS2602, TGS2610 (above, manufactured by Figaro Giken Co., Ltd., #31b, #33b) were used. In addition, Comparative Example 2 corresponds to the one obtained by removing the bulk response type semiconductor gas sensor from Example 3 or Example 4. Comparative Example 2 also corresponds to Comparative Example 1 with the
実施例1と同様にして、4種のガスセンサの応答値Sを計測した後、4種のガスセンサの応答値Sで主成分分析を実施した。 In the same manner as in Example 1, the response values S of the four gas sensors were measured, and then the principal component analysis was performed using the response values S of the four gas sensors.
図10に、第1主成分及び第2主成分、第1主成分及び第3主成分による主成分得点と固有ベクトルを示す。各軸に各主成分の寄与率を示す。 FIG. 10 shows principal component scores and eigenvectors of the first principal component and the second principal component, and the first principal component and the third principal component. The contribution rate of each principal component is shown on each axis.
図10から、第3主成分までの累積寄与率が100%であることがわかる。これは、4種のガスセンサの実質的に全ての価値が集約されていることを示す。なお、図10では、固有ベクトルを分かり易く示すため、ベクトルの大きさを3倍にしている。 It can be seen from FIG. 10 that the cumulative contribution rate up to the third principal component is 100%. This shows that virtually all of the values of the four gas sensors are aggregated. In FIG. 10, the size of the vector is tripled in order to make the eigenvector easy to understand.
図10に示す通り、第1主成分及び第2主成分による主成分得点においては、比較例1よりも、ノナナールとアセトインの主成分得点の差が大きくなり、第1主成分及び第3主成分による主成分得点においては、比較例1よりも、アセトインとアセトン・メチルイソブチルケトン・デカンの主成分得点の差が大きくなった。しかし、ケトン系で構造が非常に類似するアセトンとメチルイソブチルケトンだけでなく、構造の類似しないデカンも主成分得点の重なりが見られた。即ち、本比較例においても、充分に分離検知できないことがわかる。 As shown in FIG. 10, in the main component score by the first main component and the second main component, the difference between the main component scores of nonanal and acetoin is larger than that in Comparative Example 1, and the first main component and the third main component The difference in the main component scores of acetoin and acetone/methylisobutylketone/decane was larger than that of Comparative Example 1 in the main component score. However, not only acetone and methylisobutylketone, which have very similar structures in the ketone system, but also decane, which has a dissimilar structure, showed overlapping main component scores. That is, it can be seen that even in this comparative example, separation and detection cannot be sufficiently performed.
[比較例3]
本比較例では、3種の粒界応答型半導体式ガスセンサ(TGS2602(フィガロ技研社製)、#31b、#33b)を用いた。なお、比較例3は、実施例5又は実施例6からバルク応答型半導体式ガスセンサを除去したものに相当する。また、比較例3は、比較例2からTGS2610を除いたものにも相当する。
[Comparative Example 3]
In this comparative example, three kinds of grain boundary responsive semiconductor type gas sensors (TGS2602 (manufactured by Figaro Giken Co., Ltd., #31b, #33b) were used. In addition, Comparative Example 3 corresponds to the one obtained by removing the bulk response type semiconductor gas sensor from Example 5 or Example 6. In addition, Comparative Example 3 corresponds to Comparative Example 2 with the
実施例1と同様にして、3種のガスセンサの応答値Sを計測した後、3種のガスセンサの応答値Sで主成分分析を実施した。 In the same manner as in Example 1, the response values S of the three types of gas sensors were measured, and then the principal component analysis was performed using the response values S of the three types of gas sensors.
図11に、第1主成分及び第2主成分、第1主成分及び第3主成分による主成分得点と固有ベクトルを示す。各軸に各主成分の寄与率を示す。 FIG. 11 shows the principal component scores and eigenvectors of the first principal component and the second principal component, and the first principal component and the third principal component. The contribution rate of each principal component is shown on each axis.
図11からも明らかなように、3種の粒界応答型半導体式ガスセンサによる主成分分析であり、第3主成分までとなるため、第3主成分までの累積寄与率は100%である。なお、図11では、固有ベクトルを分かり易く示すため、ベクトルの大きさを3倍にしている。 As is clear from FIG. 11, the principal component analysis is performed by three types of grain boundary response type semiconductor gas sensors, and since the third principal component is included, the cumulative contribution rate up to the third principal component is 100%. Note that in FIG. 11, the size of the vector is tripled in order to make the eigenvector easy to understand.
図11に示す通り、TVOCの濃度に依存する第2主成分の軸方向のバラツキは、比較例2よりも低減したが、アセトン・メチルイソブチルケトン・デカンの主成分得点の重なりが見られた。即ち、本比較例においても、充分に分離検知できないことがわかる。 As shown in FIG. 11, although the variation in the axial direction of the second main component depending on the TVOC concentration was smaller than that in Comparative Example 2, the main component scores of acetone/methylisobutylketone/decane were overlapped. That is, it can be seen that even in this comparative example, separation and detection cannot be sufficiently performed.
1 センサ室
2 水バブラー
3 ガス発生器
4 弁
5 ニードル弁を有する流量計
6 三方弁
7 クロスオーバー四方弁
1
Claims (4)
前記可燃性ガスを検知することにより得られた応答値を主成分分析する工程を含み、
前記ガスセンサ群は、複数種の粒界応答型の半導体式ガスセンサと、1種以上のバルク応答型の半導体式ガスセンサを有し、
前記バルク応答型の半導体式ガスセンサは、酸化セリウム又はセリウム−ジルコニウム系複合酸化物を含み、
前記1種以上のバルク応答型の半導体式ガスセンサは、前記セリウム−ジルコニウム系複合酸化物の膜上に、アルミナ膜を介して、白金粒子が担持されている前記セリウム−ジルコニウム系複合酸化物の担体が形成されているセンサを含むことを特徴とする可燃性ガスの分析方法。 A step of detecting a combustible gas using a gas sensor group,
Comprising a step of principal component analysis of the response value obtained by detecting the flammable gas,
The gas sensor group includes a plurality of types of grain boundary response type semiconductor gas sensors and one or more types of bulk response type semiconductor gas sensors,
The semiconductor gas sensor of the bulk response type, cerium oxide or cerium - see containing zirconium-based composite oxide,
The one or more bulk response type semiconductor gas sensors include a carrier of the cerium-zirconium-based composite oxide in which platinum particles are supported on the cerium-zirconium-based composite oxide film via an alumina film. A method for analyzing flammable gas, comprising:
Ce1−xZrxO2
(式中、xは、0から0.4の範囲である。)
で示される化合物であることを特徴とする請求項1又は2に記載の可燃性ガスの分析方法。 The cerium oxide or cerium - zirconium based compound oxide represented by the composition formula Ce 1-x Zr x O 2
(In the formula, x is in the range of 0 to 0.4.)
The analysis method of the combustible gas according to claim 1 or 2, characterized in that in a compound represented.
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