JPH05164670A - ガス判別方法 - Google Patents

ガス判別方法

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JPH05164670A
JPH05164670A JP33202491A JP33202491A JPH05164670A JP H05164670 A JPH05164670 A JP H05164670A JP 33202491 A JP33202491 A JP 33202491A JP 33202491 A JP33202491 A JP 33202491A JP H05164670 A JPH05164670 A JP H05164670A
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Masayuki Nakamura
雅之 中村
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岩雄 杉本
Hiroki Kuwano
博喜 桑野
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Abstract

(57)【要約】 【目的】ガス状の試料中の被検知ガスの種類を確実に同
定できるガス判別方法を提供する。 【構成】それぞれ異なる種類のガス吸着膜2を表面に設
けた複数の水晶発振子3を用いる。各水晶発振子3の共
振周波数は、発振回路4の出力を周波数カウンタ6で測
定することにより求められるようになっている。各水晶
発振子3をガス状の試料に曝し、各水晶発振子3ごとに
発振回路4の周波数を一定時間間隔でサンプリングする
ことにより、共振周波数の変化(周波数シフト)の時定
数Tと共振周波数の最大変化量(飽和吸着量)とを求
め、測定した各時定数と各最大変化量とから、コンピュ
ータ7によって被検知ガスの同定を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガス状の試料中の被検
知ガスの種類を判別するガス判別方法に関し、特に、表
面に吸着膜を設けた水晶発振子を用い、被検知ガスの前
記吸着膜への吸着による前記水晶発振子の共振周波数の
変化を求めることにより、被検知ガスの種類を同定する
ガス判別方法に関する。
【0002】
【従来の技術】火災報知器やにおいセンサなどでは、微
量の被検知ガスを感度良く検知し、判別する必要があ
る。従来よりこのような用途におけるガス判別方法とし
て、表面に吸着膜を設けた水晶発振子を用いる方法があ
る。この方法は、被検知ガス分子がこの吸着膜に吸着し
たとき、水晶発振子の共振周波数が吸着膜の質量変化
(吸着量)に比例して変化することを利用するものであ
り、共振周波数の最大変化量(すなわち飽和吸着量)か
ら被検知ガスの種類、濃度を同定するものである。この
場合、吸着膜に選択性を持たせることにより、特定の被
検知ガスのみを検出することが可能となる。候補となる
複数の被検知ガスの中から被検知ガスの特定を行なう場
合には、それぞれ異なる吸着膜を設けた複数の水晶発振
子を用い、それぞれの飽和吸着量の値からパタン認識な
どの方法によって同定を行なえばよいようになってい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のガス判
別方法では、以下のような欠点があった。すなわち、吸
着膜の種類が相互に異なって相関のないn個の水晶発振
子を配列して用いたとしても、得られる情報(パラメ
タ)はたかだかn個の飽和吸着量である。このn個のパ
ラメタを用いてパタン認識の手法で被検知ガスの同定を
行なうには、nの数はある程度大きくなければならな
い。しかしながら、特定のガスのみを選択的に吸着しか
つ相互に相関のない吸着膜を多種類作成することは困難
であり、ガスの同定に必要な数のパラメタを得ることが
できず、正確な判別を行なうことができないのが現状で
ある。
【0004】本発明の目的は、被検知ガスの種類を確実
に同定できるガス判別方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明のガス判別方法
は、それぞれ異なる種類の吸着膜を表面に設けた複数の
水晶発振子を用い、前記各水晶発振子をガス状の試料に
曝し、前記各水晶発振子ごとに、共振周波数の変化の時
定数と共振周波数の最大変化量とを求め、前記各時定数
と前記各最大変化量とから被検知ガスの同定を行なう。
【0006】
【作用】本発明は、吸着膜への被検知ガス分子の吸着の
過程を詳細に検討した結果なされたものである。ここ
で、本発明者らが得た知見を説明することにより、本発
明の作用を説明する。
【0007】ポリクロロトリフルオロエチレン(PCT
FE)の高周波スパッタによって水晶発振子上に吸着膜
を形成し、この吸着膜への被検知ガス分子の吸着による
水晶発振子の共振周波数の変化を調べた。上述のように
水晶発振子の共振周波数は、吸着膜の質量の変化すなわ
ち吸着した被検知ガスの質量(吸着量)に比例すること
が知られている。その結果、被検知ガスが通常の有機化
合物、例えば各種のアルコールやケトン、芳香族化合物
である場合、被検知ガスを全く吸着していない状態のこ
の吸着膜を一定濃度の被検知ガスを含むガス試料に曝し
たところ、共振周波数のシフトすなわち吸着量の時間変
化(過渡応答)は、図4に示したもののようになった。
すなわち、飽和吸着量をAsatとすると、被検知ガスに
曝し始めたときから時間t経過後の吸着量A(t)は、 A(t) = Asat・{1−exp(−t/T)} と表わされるようになる。さらに、上式での値Tが、吸
着膜と被検知ガスの種類に深く関わっていることがわか
った。ここで、値Tを時定数と呼ぶことにする。なお、
上式においてt=Tとおくことから明らかになるよう
に、時定数Tは吸着量が飽和吸着量Asatの約63%に
なるまでの時間として表わされる。
【0008】また、共役結合を持っていたり、極性の大
きい化合物が被検知ガスである場合、必ずしも上式で表
わされる指数曲線で吸着量が変化したわけではないが、
この場合であっても、飽和吸着量Asatの例えば約63
%になるまでの時間を時定数Tとすることにより、この
時定数Tが、吸着膜と被検知ガスの種類に深く関わって
いることがわかった。
【0009】この知見から、従来の飽和吸着量について
の情報のみから被検知ガスの同定を行なう場合に比べ、
共振周波数の変化の時定数すなわち吸着量の変化の時定
数をも考慮して同定を行なうことにより、被検知ガスの
同定の精度が格段に上昇することが明らかになり、本発
明の方法によってガス判別の精度が向上することが分か
る。
【0010】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1は、本発明のガス判別方法の実施に用
いられるガス判別装置の一例の構成を示すブロック図で
ある。
【0011】ガス試料がガス発生器8から流れるセンサ
セル1には、複数個の水晶発振子3が配置され、各水晶
発振子3の表面には、それぞれ異なるガス吸着膜2が設
けられている。また、各水晶発振子3ごとに発振回路4
が設けられ、この発振回路4は対応する水晶発振子3の
共振周波数で発振するようになっている。各発振回路4
の出力は、共通に設けられたアナログスイッチ5の入力
にそれぞれ接続されている。このアナログスイッチ5
は、後述するコンピュータ7からの信号によって各発振
回路4のうちの1つを選択するためのものであり、その
出力は周波数カウンタ6の入力に接続されている。そし
て、周波数カウンタ6の出力はコンピュータ7に接続さ
れている。コンピュータ7は、一定時間間隔でアナログ
スイッチ5を切り替え、周波数カウンタ6で計測された
各発振回路4の発振周波数(すなわち水晶発振子3の共
振周波数)の変化を追跡し、各水晶発振子3の共振周波
数の変化の時定数Tと共振周波数の最大変化量とを求
め、センサセル1内の被検知ガスの種類の同定を行なう
ものである。コンピュータ7には表示装置9が接続され
ている。ガス吸着膜2は、例えば、グラファイト、ポリ
クロロトリフルオロエチレンなどをターゲットとしてス
パッタリングを行ない、水晶発振子3の表面に被覆を行
なうことによって形成することができる。
【0012】次に、このガス判別装置の動作について説
明する。
【0013】各発振回路4を動作状態にして、コンピュ
ータ7によりアナログスイッチ5を一定の時間間隔、例
えば0.12秒間隔で順次切り替える。水晶発振子3の
数をnとすれば、ある特定の水晶発振子3に対しては
0.12×n秒おきにデータを取り込むことができるよ
うになる。ガス吸着膜2への吸着の時定数Tは一般に数
分程度であることを考えると、nが10程度までであれ
ば、各水晶発振子3ごとに順次測定したとしても同時計
測であるとみなすことができる。
【0014】次に、ガス発生器8から被検知ガスを含む
ガス試料をセンサセル1内に送り出し、時定数Tに比べ
無視できる時間内に、センサセル1の内部の気体をガス
試料で置換する。ガス発生器8の代わりに、公知のガス
サンプラを用いてもよい。すると、各水晶発振子3のガ
ス吸着膜2への被検知ガス分子の吸着が開始し、吸着量
に応じてそれぞれの水晶発振子3の共振周波数がシフト
し、各発振回路4の発振周波数がシフトする。この発振
周波数のシフトは、それぞれの水晶発振子3のガス吸着
膜2に吸着した被検知ガスの質量(吸着量)に比例する
が、周波数カウンタ6で計測される周波数の変化として
検出され、各水晶発振子3ごとにコンピュータ7によっ
てサンプリングされる。そして、コンピュータ7は、各
水晶発振子3ごとに周波数のシフトの時間変化(過渡応
答)を追跡し、共振周波数の最大変化量と変化の時定数
とを決定する。周波数のシフトの変化が上記の式にした
がって起こる場合、厳密には最大変化量となるのは無限
時間後であるが、実際には数点のサンプリングで最大変
化量を推算することができ、推算した最大変化量×0.
63となるまでの時間を計測することによって時定数T
を求めることができる。
【0015】そののちコンピュータ7は、求めた最大変
化量および時定数Tから、予め標準試料について行なっ
た測定に基づく最大変化量と時定数Tの値を主成分分析
して得た値を参考にして、被検知ガスの種類が何である
かの判定を行なう。
【0016】次に、本実施例に基づき本発明の有効性を
調べた結果について説明する。
【0017】水晶発振子3は3個とし、ガス吸着膜2と
して、グラファイト、ポリクロロトリフルオロエチ
レン、ポリエチレンとポリテトラフルオロエチレンと
の混合物の各ターゲットを用いた高周波スパッタリング
により、それぞれの水晶発振子3の表面に形成したもの
を用いた。そして、被検知ガスとして、メタノール、エ
タノール、アセトン、2−ブタノン、ベンゼン、トルエ
ンをそれぞれ用い、各被検知ガスごとに4種類の濃度の
ガス試料を作成し、測定を行なった。被検知ガスの濃度
の最大のものは、最小のものの4倍の濃度となるように
した。
【0018】そして、共振周波数の最大変化量から求め
られる飽和吸着量について、各水晶発振子3ごとの飽和
吸着量を総飽和吸着量の和で規格化したものを特性値と
し、この特性値と測定した時定数Tとによって主成分分
析を行なった。その結果、図3に示されるような散布図
が得られた。なお、この散布図は統計的な扱いによって
得られたものであるから、その各軸は特定の物理的な意
味を有するものではないが、時定数の測定値は主として
横軸に反映している。一方、従来の方法と同様に、上記
の特性値のみで主成分分析を行なった結果を図3に示
す。図3の結果では、異なる被検知ガスであってもほぼ
同じ場所にプロットされているものがある。
【0019】以上の結果から、本発明の方法のように時
定数Tも主成分分析の対象としたものは、従来の飽和吸
着量のみを主成分分析の対象としたものに比べ、分析結
果の分布が被検知ガスの種類ごとにはっきりと分かれて
おり、本発明の方法によってガスの判別が良好に行なえ
ることが示された。また、図2に示した結果では、アル
コール類、ケトン類、ベンゼン類といった分類もなされ
ており、本発明の方法によると、被検知ガスの物理化学
的性質を反映した分類も可能であることが分かった。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、それぞれ
異なる種類の吸着膜を表面に設けた複数の水晶発振子を
用いて、各水晶発振子ごとに共振周波数の変化の時定数
と共振周波数の最大変化量とを求め、各時定数と各最大
変化量から被検知ガスの同定を行なうので、少ない数の
水晶発振子を用いて正確に被検知ガスの同定が行なえる
ようになるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガス判別方法の実施に用いられるガス
判別装置の一例の構成を示すブロック図である。
【図2】飽和吸着量と時定数について主成分分析を行な
った場合の散布図である。
【図3】飽和吸着量のみについて主成分分析を行なった
場合の散布図である。
【図4】吸着量の時間変化を示す特性図である。
【符号の説明】
1 センサセル 2 ガス吸着膜 3 水晶発振子 4 発振回路 5 アナログスイッチ 6 周波数カウンタ 7 コンピュータ 8 ガス発生器 9 表示装置

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面に吸着膜を設けた水晶発振子を用
    い、被検知ガスの前記吸着膜への吸着による前記水晶発
    振子の共振周波数の変化を求めることにより、ガス状の
    試料中の被検知ガスの種類を同定するガス判別方法にお
    いて、 それぞれ異なる種類の吸着膜を表面に設けた複数の水晶
    発振子を用い、前記各水晶発振子をガス状の試料に曝
    し、前記各水晶発振子ごとに、共振周波数の変化の時定
    数と共振周波数の最大変化量とを求め、前記各時定数と
    前記各最大変化量とから被検知ガスの同定を行なうこと
    を特徴とするガス判別方法。
JP33202491A 1991-12-16 1991-12-16 ガス判別方法 Expired - Lifetime JPH0812141B2 (ja)

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