JPH0692938B2 - Gas detection method and apparatus used therefor - Google Patents

Gas detection method and apparatus used therefor

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JPH0692938B2
JPH0692938B2 JP20762689A JP20762689A JPH0692938B2 JP H0692938 B2 JPH0692938 B2 JP H0692938B2 JP 20762689 A JP20762689 A JP 20762689A JP 20762689 A JP20762689 A JP 20762689A JP H0692938 B2 JPH0692938 B2 JP H0692938B2
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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、特定ガスの濃度を選択的に精度よく測定
し、又混合ガスの組成及び各成分濃度を分析的に測定で
きるようにしたガス検知方法と、この方法に用いる装置
に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION "Industrial field of application" The present invention relates to a gas capable of selectively and accurately measuring the concentration of a specific gas, and analytically measuring the composition and concentration of each component of a mixed gas. The present invention relates to a detection method and an apparatus used for this method.

「従来の技術」 従来のガス検知方法としては、以下のようなもの知られ
ている。
"Prior Art" As a conventional gas detection method, the following is known.

(1)触媒燃焼温度計法 固体触媒表面に於ける可燃性ガスの触媒燃焼速度が、気
相の可燃性ガスの濃度に比例することを利用し、燃焼熱
による触媒の温度上昇分ΔTを計測してガス濃度を得る
方法である。
(1) Catalytic combustion thermometer method Using the fact that the catalytic combustion rate of combustible gas on the surface of a solid catalyst is proportional to the concentration of gas phase combustible gas, the temperature rise ΔT of the catalyst due to combustion heat is measured. Is a method of obtaining the gas concentration.

(2)ガス敏感性半導体の電導度計測法 半導体の電気伝導度が雰囲気に依存して変化する現象を
利用したものである。
(2) Method for measuring electric conductivity of gas-sensitive semiconductor This method utilizes the phenomenon that the electric conductivity of a semiconductor changes depending on the atmosphere.

(3)隔膜ガルバニ電池法 隔膜を通して電解液中に溶解したガス分子の特定の電気
化学反応による電解電流を測定して、ガス濃度を得る方
法である。
(3) Diaphragm galvanic cell method This is a method of obtaining a gas concentration by measuring an electrolytic current due to a specific electrochemical reaction of gas molecules dissolved in an electrolytic solution through a diaphragm.

(4)ガスクロマトグラフィー サンプリングしたガスの吸着から脱離までの時間差を利
用して、ガスを選択的、分析的に検知する方法である。
(4) Gas chromatography This is a method of selectively and analytically detecting a gas by utilizing the time difference between adsorption and desorption of a sampled gas.

(5)光吸収法 ガス固有の光吸収スペクトルを計測して、ガスを選択
的、分析的に検知する方法である。
(5) Light absorption method This is a method of detecting the gas selectively and analytically by measuring the light absorption spectrum specific to the gas.

(6)光化学反応法 特定ガス間の固有の光化学反応を利用して、ガスを選択
的に検知する方法である。
(6) Photochemical reaction method This is a method of selectively detecting a gas by utilizing a unique photochemical reaction between specific gases.

「発明が解決しようとする問題点」 ところが上記方法には、次のような欠点があった。"Problems to be Solved by the Invention" However, the above method has the following drawbacks.

(1)の方法は、ガスの種類によらず、温度という情報
しか利用していないので、本質的に選択的、分析的検知
は不可能である。
Since the method (1) uses only the information of temperature regardless of the type of gas, it is essentially impossible to perform selective and analytical detection.

(2)は、ガスの種類によらず、電導度という情報しか
利用していない。従って本質的に選択的、分析的検知は
不可能である。又、高感度ではあるが基準雰囲気に於け
る電気伝導度の値σが不安定であり、感度がσに依存す
るので、経時安定性、計測精度、確度が悪い。
In (2), only the information on the electric conductivity is used regardless of the type of gas. Therefore, essentially selective, analytical detection is not possible. Further, although the sensitivity is high, the electric conductivity value σ in the reference atmosphere is unstable, and the sensitivity depends on σ, so that the temporal stability, the measurement accuracy, and the accuracy are poor.

(3)の方法は、特定の反応を利用しているので、選択
性は良いが、電流という量しか計測していないため、本
質的に分析的検知は不可能である。さらに、塵埃により
汚染した隔膜の交換と、反応により消耗、変質した電解
液の交換が必要であり、メンテナンスが面倒な欠点があ
る。
The method (3) uses a specific reaction and thus has good selectivity, but since it measures only the amount of current, analytical detection is essentially impossible. Furthermore, it is necessary to replace the diaphragm contaminated with dust and to replace the electrolyte solution that has been consumed or changed due to the reaction, which is a troublesome maintenance.

(4)バッチサンプリング方式であるから連続計測がで
きないし、ガスを熱脱離させるための恒温槽が大型かつ
高価である。
(4) Since it is a batch sampling method, continuous measurement is not possible, and a thermostatic chamber for thermally desorbing gas is large and expensive.

(5)の方法では、ガスの光吸収係数が小さいので長い
光路を必要とし、比較ガスとの吸光度の差を精密に計測
しなければならない。このため、装置が大型かつ高価に
なるという欠点を有する。
In the method (5), since the light absorption coefficient of gas is small, a long optical path is required, and the difference in absorbance with the comparative gas must be measured precisely. Therefore, there is a drawback that the device becomes large and expensive.

(6)の方法は、検知対象ガスと固有の反応をする反応
ガスを常時供給しなければならないので、ガスボンベ等
を備えた大型装置を必要とし、微弱な気相発光を検出す
るための装置が高価になる。
The method (6) requires a large-scale device equipped with a gas cylinder or the like because a reaction gas that causes a unique reaction with the gas to be detected must be constantly supplied, and a device for detecting weak gas phase emission is required. Get expensive.

ところで、理想的なガス検知方法は、(1)低濃度のガ
スを検知できる、即ち高感度であること、(2)選択
的、分析的検知が可能なこと、(3)長期間安定に計測
できること、(4)連続測定が可能なこと、(5)消耗
品を必要としないこと、(6)計測装置が小型で安価な
ことなどの要件を満たさなければならない。
By the way, the ideal gas detection method is (1) capable of detecting low-concentration gas, that is, having high sensitivity, (2) capable of selective and analytical detection, and (3) stable measurement for a long period of time. The requirements must be satisfied, (4) continuous measurement is possible, (5) no consumables are required, and (6) the measuring device is small and inexpensive.

しかしながら、従来の検知方法はいずれも一長一短があ
り、上記の全ての要件を満たすものはなかった。
However, each of the conventional detection methods has merits and demerits, and none of them satisfy all the above requirements.

「課題点を解決するための手段」 本発明者は、半導電性又は電気絶縁性固体触媒を、吸着
ガス間の表面触媒酸化反応が拡散律速状態で進行する温
度領域(即ち現象的に触媒酸化反応速度が触媒温度にほ
とんど依存しなくなる温度領域)に維持するとき、気相
成分ガス濃度と一対一に対応する光強度のルミネセンス
が触媒固体から放出されること、そして、そのルミネセ
ンスの放出が安定に持続すること、さらにそのルミネセ
ンスのスペクトルが吸着ガスの種類に依存することを、
発見した。
[Means for Solving the Problems] The present inventor has proposed a semiconductive or electrically insulating solid catalyst in a temperature range in which the surface catalytic oxidation reaction between adsorbed gases proceeds in a diffusion-controlled state (that is, the phenomenon of catalytic oxidation When the reaction rate is maintained in a temperature range where it is almost independent of the catalyst temperature), the luminescence of the light intensity corresponding to the gas-phase component gas concentration is emitted from the catalyst solid, and the emission of the luminescence. Is stable, and that its luminescence spectrum depends on the type of adsorbed gas.
discovered.

この発見に基づき本発明は、前述の全要件を満たす理想
的なガス検知方法と、これに用いる装置とを提供するこ
とを目的とするものであって、以下の構成を要旨とす
る。
Based on this discovery, the present invention aims to provide an ideal gas detection method satisfying all the requirements described above and an apparatus used for the method, and has the following configurations.

ガス検知方法は、半導電性又は電気絶縁性固体触媒を、
その表面でガスが拡散律速状態で表面酸化反応する温度
に保ち、前記触媒から放射されるルミネセンスを計測し
て、前記ルミネセンスのスペクトルからガスの種類、組
成を判定し、又、その強度からガスの濃度を測定するも
のである。
The gas detection method uses a semiconductive or electrically insulating solid catalyst,
The surface of the gas is maintained at a temperature at which a surface oxidation reaction occurs in a diffusion-controlled state, the luminescence emitted from the catalyst is measured, and the type and composition of the gas is determined from the luminescence spectrum. The gas concentration is measured.

このガス検知方法に用いるガス検知装置は、半導電性又
は電気絶縁性固体触媒の表面を光学的視野とする線上
に、1又は複数の分光装置と光センサとを順次配設す
る。そして、光センサの出力を測定する手段と、前記触
媒を加熱するヒータとを設ける。
In the gas detection device used in this gas detection method, one or a plurality of spectroscopic devices and an optical sensor are sequentially arranged on a line having a surface of a semiconductive or electrically insulating solid catalyst as an optical field of view. Then, a means for measuring the output of the optical sensor and a heater for heating the catalyst are provided.

なお前記ガス検知装置では前記ヒータにかえて、触媒表
面を照射する紫外光源或いは放射線源を設けることも可
能である。又はヒータ、紫外光源、放射線源のうち、2
以上を組あわせたものでもよい。
In the gas detection device, it is possible to provide an ultraviolet light source or a radiation source for irradiating the catalyst surface instead of the heater. Or, of the heater, UV light source, and radiation source, 2
It may be a combination of the above.

「作用」 半導電性又は電気絶縁性固体触媒を加熱すると、その表
面に気相成分が化学吸着することにより表面準位が形成
される。そして、一般に還元性ガスは前記触媒表面に表
面ドナ準位を、酸化性ガスは表面アクセプタ準位を形成
する。通常、表面ドナ準位は表面アクセプタ準位より電
子のポテンシャルエネルギが高いので、表面ドナ準位の
局在電子は表面アクセプタの局在正孔と直接再結合し、
そのエネルギ差に応じた光を放出する。或いは間接的に
再結合(例えば表面アクセプタの局在正孔が熱励起され
て、価電子帯中に自由正孔ができ、この自由正孔が表面
ドナの近くまで移動して、表面ドナの電子と再結合す
る)して、そのエネルギ差に応じた光を放出する。
"Operation" When a semiconductive or electrically insulating solid catalyst is heated, a gas phase component is chemically adsorbed on the surface thereof to form a surface level. Generally, the reducing gas forms a surface donor level on the catalyst surface, and the oxidizing gas forms a surface acceptor level. Usually, the surface donor level has a higher electron potential energy than the surface acceptor level, so that the localized electrons at the surface donor level directly recombine with the localized holes at the surface acceptor,
Light is emitted according to the energy difference. Or, indirectly, recombination (for example, localized holes of the surface acceptor are thermally excited to form free holes in the valence band, and these free holes move to the vicinity of the surface donor, and electrons of the surface donor are Recombine with) and emit light according to the energy difference.

いずれの場合も放出された光のスペクトルは、ガスの化
学吸着によって形成される表面準位のエネルギレベルを
反映しており、さらに表面準位は吸着ガスの種類に依存
して異なるので、その光スペクトルはガスの種類に関す
る情報を含んでいることになる。従って、スペクトルか
らガスの種類を判定することができる。
In each case, the spectrum of the emitted light reflects the energy level of the surface level formed by the chemisorption of the gas, and the surface level differs depending on the type of the adsorbed gas. The spectrum will contain information about the type of gas. Therefore, the type of gas can be determined from the spectrum.

一方、触媒を加熱すると、表面に吸着した還元性ガスと
酸化性ガスとの間で表面酸化反応を生じる。その結果、
光を放出した表面準位も消滅して反応生成物が新たに作
られるが、この反応生成物は触媒表面から脱離して気相
に戻る。
On the other hand, when the catalyst is heated, a surface oxidation reaction occurs between the reducing gas adsorbed on the surface and the oxidizing gas. as a result,
The surface level that emitted light also disappears and a new reaction product is created, but this reaction product desorbs from the catalyst surface and returns to the gas phase.

この吸着、ルミネセンスの発生、反応、脱離過程が継続
して繰り返されるので、ルミネセンスが持続する。つま
り、表面酸化反応により放出されるエネルギの一部が、
反応熱のかわりに光エネルギの形で放出されたことにな
る。その発光強度は当然表面反応速度に依存する。触媒
の温度を表面酸化反応速度が拡散律速となる温度に維持
するとき、ルミネセンスの放出過程が安定に持続するの
で、放出される光強度はガス濃度に対して一対一の対応
関係を示し、ガスの存在する限り一定の光強度を維持す
る。そこで、光強度からガス濃度を測定できる。
The adsorption, luminescence generation, reaction, and desorption processes are continuously repeated, so that the luminescence continues. In other words, part of the energy released by the surface oxidation reaction is
Instead of reaction heat, it is emitted in the form of light energy. The emission intensity naturally depends on the surface reaction rate. When the temperature of the catalyst is maintained at a temperature at which the surface oxidation reaction rate is diffusion-controlled, the emission process of luminescence is stable and the emitted light intensity shows a one-to-one correspondence with the gas concentration. A constant light intensity is maintained as long as the gas is present. Therefore, the gas concentration can be measured from the light intensity.

このようなガス検知方法に用いる装置では、半導電性又
は電気絶縁性固体触媒をヒータで加熱すれば、前述のよ
うにルミネセンスが放出される。
In an apparatus used for such a gas detection method, when a semiconductive or electrically insulating solid catalyst is heated by a heater, luminescence is emitted as described above.

このルミネセンスは、被検知ガスの種類によって特定の
スペクトル特性を有するので、プリズム、回折格子、光
フィルタなどの分光装置を用いて、分光してスペクトル
を計測することによって被検知ガスの種類を判別でき
る。
Since this luminescence has specific spectral characteristics depending on the type of gas to be detected, it is possible to determine the type of gas to be detected by spectrally measuring the spectrum using a spectroscopic device such as a prism, diffraction grating, or optical filter. it can.

又、ルミネセンスは、分光装置を介して光センサで電気
信号にかえられる。この電気信号の出力を測定する手段
によって、その強度を測定し、被検知ガスの濃度を測定
する。
Luminescence can also be converted to an electrical signal by a photosensor via a spectroscopic device. The intensity of the electric signal is measured by the means for measuring the output of the electric signal, and the concentration of the gas to be detected is measured.

「実施例」 まず、第1図に示すガス検知装置の一実施例について説
明する。
"Embodiment" First, an embodiment of the gas detector shown in FIG. 1 will be described.

1は電気絶縁性の材質で形成された台で、2本の金属製
の柱2が挿通されている。3は金属線のコイル状ヒータ
で、台1の上方に位置しており、導線で2本の柱2の上
部に接続されている。
Reference numeral 1 denotes a base made of an electrically insulating material, and two metal columns 2 are inserted therethrough. A metal wire coil heater 3 is located above the pedestal 1 and is connected to the upper portions of the two columns 2 by a conductive wire.

4は固体触媒であって、前記ヒータ3を包みこんで焼結
成形されている。
Reference numeral 4 denotes a solid catalyst, which is sintered and molded by enclosing the heater 3.

5は、台1の中央に貫設された取付穴の上部に着脱自在
に固定された2種類の光学フィルタであり、各々異なっ
た特定波長領域の光を通過させる。このフィルタ5の下
方には、同じく取付穴に一対の光センサ6が固定されて
いて、触媒4の放出するルミネセンスを電気信号に変換
して出力するものである。
Reference numeral 5 denotes two types of optical filters that are detachably fixed to the upper part of a mounting hole penetratingly provided in the center of the base 1, and respectively pass light of different specific wavelength regions. Below the filter 5, a pair of optical sensors 6 are similarly fixed in the mounting holes to convert the luminescence emitted by the catalyst 4 into an electric signal and output the electric signal.

7は触媒4を保護する金網、8はヒータ3を加熱する電
源で、柱2に接続されている。
Reference numeral 7 is a wire mesh for protecting the catalyst 4, and 8 is a power source for heating the heater 3, which is connected to the pillar 2.

9は演算増幅器で、光センサ6の電気信号の出力信号を
増幅して演算処理する。10は演算増幅器9の出力信号を
表示するメータである。このメータ10は、光センサの出
力を測定する手段である。
Reference numeral 9 denotes an operational amplifier, which amplifies an output signal of an electric signal of the optical sensor 6 to perform an arithmetic process. Reference numeral 10 is a meter for displaying the output signal of the operational amplifier 9. The meter 10 is a means for measuring the output of the optical sensor.

以下、この装置に、触媒4としてAl2O3の粉末の焼結体
を用い、検知対象ガスとしてまずエタノールを、次いで
エタノールとアセトンとの混合気を選んだ場合の具体例
につき説明する。
Hereinafter, a specific example in which a sintered body of Al 2 O 3 powder is used as the catalyst 4 in this apparatus and ethanol is first selected as the gas to be detected and then a mixture of ethanol and acetone is selected will be described.

まず最初に、フィルタ5の一方を遮光し、他方を黒体輻
射による長波長域の光をカットするために、640nm以下
の光を透過するフィルタ5とした場合について述べる。
First, a case will be described in which one of the filters 5 is shielded and the other is a filter 5 that transmits light of 640 nm or less in order to cut light in a long wavelength range due to black body radiation.

ヒータ3に電流を流しジュール熱により触媒4を加熱し
て、触媒4の温度をT℃に維持する。この触媒4の周囲
の空気中にエタノール蒸気を導入すると、触媒4の表面
に吸着したエタノールと酸素との間の触媒酸化反応によ
り反応熱が発生し、触媒4の温度がΔTだけ上昇する。
An electric current is applied to the heater 3 to heat the catalyst 4 by Joule heat to maintain the temperature of the catalyst 4 at T ° C. When ethanol vapor is introduced into the air around the catalyst 4, reaction heat is generated by the catalytic oxidation reaction between ethanol and oxygen adsorbed on the surface of the catalyst 4, and the temperature of the catalyst 4 rises by ΔT.

同時に、吸着エタノールの持っている電子と吸着酸素か
ら熱励起された自由正孔との間の再結合過程が並行して
進行し、ルミネセンスが発生する。
At the same time, the recombination process between the electrons possessed by the adsorbed ethanol and the free holes thermally excited from the adsorbed oxygen proceeds in parallel, and luminescence occurs.

ここに第2図に於いて、ルミネセンス強度Iの対数とΔ
Tの対数とを、触媒4の温度Tの逆数に対してプロット
した結果をそれぞれ曲線I、曲線IIとして示す。
Here, in FIG. 2, the logarithm of the luminescence intensity I and Δ
The results of plotting the logarithm of T and the reciprocal of the temperature T of the catalyst 4 are shown as curves I and II, respectively.

触媒4の温度が300℃以上では曲線IIはTにほとんど依
存しなくなり、触媒酸化反応速度が触媒4の表面へのエ
タノールの拡散速度のみに依存し、表面の触媒活性度に
依存しない拡散律速状態に於ける特徴的な特性を示して
いる。
When the temperature of the catalyst 4 is 300 ° C. or higher, the curve II hardly depends on T, and the catalytic oxidation reaction rate depends only on the diffusion rate of ethanol to the surface of the catalyst 4 and does not depend on the catalytic activity of the surface. It shows the characteristic characteristics in.

420℃以上ではルミネセンス強度もTに依存しなくなる
が、少なくとも300℃以上に於いては、ルミネセンスは
エタノールの濃度変化に対して安定した応答を示す。
At 420 ° C or higher, the luminescence intensity does not depend on T either, but at 300 ° C or higher, luminescence shows a stable response to changes in ethanol concentration.

例えば、Al2O3触媒温度T=275℃、300℃、325℃、350
℃に於いて、空気中に0.32%のエタノールが、計測開始
時点から300〜600秒の間導入されたときの応答波形を、
第3図の曲線I、II、III、IVに示す。
For example, Al 2 O 3 catalyst temperature T = 275 ° C., 300 ° C., 325 ° C., 350
The response waveform when 0.32% ethanol was introduced into the air at 300C for 300 to 600 seconds from the start of measurement,
It is shown by curves I, II, III and IV in FIG.

拡散律速の温度領域以下の275℃に於けるルミネセンス
強度を表す曲線Iは、ガスが導入された時点から徐々に
増加し、ガス濃度がゼロになった後にピークを示すとい
う不規則、不安定な応答波形を示している。これは、30
0℃以下の反応律速の状態では、吸着したエタノールが
直ちに反応して取り去られないので、触媒4の表面に吸
着エタノールが蓄積し、そのため吸着酸素が少なくなっ
て吸着エタノールの電子と再結合すべき吸着酸素起原の
正孔が不足することによると考えられる。
The curve I representing the luminescence intensity at 275 ° C., which is below the diffusion-controlled temperature region, gradually increases from the time when the gas is introduced, and shows a peak after the gas concentration becomes zero. Shows a response waveform. This is 30
In the reaction rate-limited state of 0 ° C. or lower, the adsorbed ethanol cannot be immediately removed by reaction, so that the adsorbed ethanol accumulates on the surface of the catalyst 4, so that the adsorbed oxygen decreases and recombines with the electrons of the adsorbed ethanol. It is thought that this is due to a shortage of holes in the origin of adsorbed oxygen.

一方、拡散律速の温度領域の325℃及び350℃に於けるル
ミネセンス強度を表す曲線III、IVは、ガス濃度の変化
にほぼ対応した安定な応答波形を示している。即ち拡散
律速と反応律速との境界で、ルミネセンスの応答が質的
に変化するということを新たに見出した。
On the other hand, curves III and IV representing the luminescence intensity at 325 ° C. and 350 ° C. in the diffusion-controlled temperature region show stable response waveforms almost corresponding to changes in gas concentration. That is, it was newly found that the response of luminescence changes qualitatively at the boundary between the diffusion-controlled and the reaction-controlled.

第4図は、Al2O3触媒について、安定した応答を示す触
媒温度T=350℃に於ける空気中のエタノール濃度とル
ミネセンス強度との関係を示している。
FIG. 4 shows the relationship between the ethanol concentration in air and the luminescence intensity at a catalyst temperature T = 350 ° C. at which the Al 2 O 3 catalyst shows a stable response.

次に簡単な例として、空気中に2成分系の混合ガスが漏
洩した場合、その組成分析をする一つの方法について説
明する。
Next, as a simple example, one method for analyzing the composition of a binary gas mixture leaking into the air will be described.

Al2O3触媒温度T=350℃に於いて、空気中にエタノール
のみが混合された場合と、空気中にアセトンのみが混合
された場合のルミネセンススペクトルを、第5図の曲線
I、IIに各々示す。これはフィルタ5のかわりに回折格
子分光装置を設けて、その透過波長を順次変化させ、透
過光強度を光電子増倍管を用いて計測した結果である。
At the Al 2 O 3 catalyst temperature T = 350 ° C., the luminescence spectra of the case where only ethanol is mixed in the air and the case where only acetone is mixed in the air are shown in curves I and II of FIG. Are shown in each. This is a result of providing a diffraction grating spectroscope instead of the filter 5, changing the transmission wavelength thereof sequentially, and measuring the transmitted light intensity using a photomultiplier tube.

この場合、触媒が単結晶でなく粉末の焼結体からなるた
め、スペクトルはブロードであるが、各々のガスについ
てピーク波長は明らかに異なっている。
In this case, since the catalyst is not a single crystal but a sintered body of powder, the spectrum is broad, but the peak wavelengths are clearly different for each gas.

エタノールとアセトンが、各々単独に空気中に混合され
たときのルミネセンスのピーク波長を、各々λ、λ
とする。又、単位ガス濃度に於いてλ、λの波長に
於けるエタノールによるルミネセンス強度をa1、a2
し、アセトンによるルミネセンス強度をb1、b2とする。
ルミネセンス強度に対して線形加算則が成立するので、
エタノール濃度がca、アセトン濃度がcbのとき、 波長λのルミネセンス強度I1 =a1、ca+b1、cb ・・・・ 波長λ2のルミネセンス強度I2 =a2、ca+b2、cb ・・・・ となる。
The peak wavelengths of luminescence when ethanol and acetone are mixed in air independently are λ 1 and λ 2 respectively.
And Further, luminescence intensities by ethanol at wavelengths of λ 1 and λ 2 at unit gas concentration are defined as a 1 and a 2, and luminescence intensity by acetone at b 1 and b 2 .
Since the linear addition rule holds for the luminescence intensity,
Ethanol concentration is c a, when acetone concentration of c b, luminescence intensity of the wavelength λ 1 I 1 = a 1, c a + b 1, c b ···· wavelength lambda 2 of the luminescence intensity I 2 = a 2 , C a + b 2 , c b ...

a1、a2、b1、b2を予め計測して決めておけば、I1、I2
計測して、上記の連立方程式、を解いてca、cbを求
め得ることは明らかであり、これをアナログ或いはデジ
タル演算処理装置で実現できることは周知である。
It is clear that if a 1 , a 2 , b 1 , b 2 are measured and determined in advance, then I 1 , I 2 can be measured and the above simultaneous equations can be solved to obtain c a , c b. It is well known that this can be realized by an analog or digital arithmetic processing device.

とくにニュートラル・デンシティ・フィルタやピンホー
ルを用いて、λ、λの波長を計測する光センサに入
射するルミネセンスの強度を調節することにより、 I1=ca+b1′cb ・・・・′ I2=ca+b2′cb ・・・・′ とすることは容易である。
Especially, by adjusting the intensity of the luminescence incident on the optical sensor that measures the wavelengths of λ 1 and λ 2 by using a neutral density filter and a pinhole, I 1 = c a + b 1 ′ c b. .. 'I 2 = c a + b 2 ' c b ... 'It is easy to set.

このときI1、I2の光センサ出力を差動増幅器へ入力する
ことにより、 I1−I2=(b1′−b2′)cb cb=(I1−I2)/(b1′−b2′) ・・・・ となるから、増幅器の出力の1/(b1′−b2′)がそのま
まアセトン濃度を表す。
At this time, by inputting the optical sensor outputs of I 1 and I 2 to the differential amplifier, I 1 −I 2 = (b 1 ′ −b 2 ′) c b c b = (I 1 −I 2 ) / ( Since b 1 ′ −b 2 ′) ..., 1 / (b 1 ′ −b 2 ′) of the output of the amplifier directly represents the acetone concentration.

又、I1、I2の光センサ出力を各々b2′倍、b1′倍の増幅
器を通した後、差動増幅器へ入力すれば、 b2′I1−b1′I2 =(b2′−b1′)ca ca=(b1′I1−b1′I2)/(b2′−b1′)・・・・
となるから、増幅器の出力1の/(b2′−b1′)がその
ままエタノール濃度caを表すようにすることができる。
Moreover, if the photosensor outputs of I 1 and I 2 are passed through the amplifiers of b 2 ′ times and b 1 ′ times respectively and then input to the differential amplifier, b 2 ′ I 1 −b 1 ′ I 2 = ( b 2 ′ −b 1 ′) c a c a = (b 1 ′ I 1 −b 1 ′ I 2 ) / (b 2 ′ −b 1 ′) ...
Since the can output of the amplifier 1 / (b 2 '-b 1' ) is to directly represent the ethanol concentration c a.

第1図の実施例に於いては、触媒4の下方に設けられた
2枚のフィルタ5の透過波長を各々前記のλ、λ
し、光センサ6の出力を、式の演算を実行する演算
増幅器9へ入力することによって、メータ10に2種のガ
ス濃度のいずれかを切り換えて表示することが可能とな
る。
In the embodiment shown in FIG. 1, the transmission wavelengths of the two filters 5 provided below the catalyst 4 are set to λ 1 and λ 2 , respectively, and the output of the optical sensor 6 is calculated by the equation. By inputting it to the operational amplifier 9, it is possible to switch and display either of the two gas concentrations on the meter 10.

さらに多成分系の混合ガスの検知に於いては、より多く
の波長域に於けるルミネセンス強度の計測と、複雑な演
算処理とが必要となるが、これは今日の技術では容易に
実現できることである。
Furthermore, in the detection of mixed gas of multi-component system, it is necessary to measure the luminescence intensity in more wavelength range and to perform complicated arithmetic processing, which can be easily realized by today's technology. Is.

特定のガスのみを選択的に検知するときには、当然その
ガスに固有のスペクトル領域のルミネセンスを計測する
だけでよい。とくに触媒として粉体のかわりに単結晶、
例えばサファイアを用いると、ルミネセンス強度は弱く
なるが、各ガス固有のスペクトルが強調されて線スペク
トルに近くなることを認めた。勿論ホイスカーや、配向
した針状結晶を用いて、ルミネセンス強度をあまり下げ
ずにスペクトルをシャープにすることも可能である。
When selectively detecting only a specific gas, it is only necessary to measure the luminescence in the spectral region peculiar to the gas. Especially as a catalyst, instead of powder, single crystal,
For example, when sapphire was used, the luminescence intensity was weakened, but the spectrum peculiar to each gas was emphasized and it was confirmed that the spectrum became close to the line spectrum. Of course, whiskers or oriented needle crystals can be used to sharpen the spectrum without significantly lowering the luminescence intensity.

なお、前述の如くルミネセンスを生じるためには、触媒
表面に吸着したガスが還元性であるときは自由正孔が、
又、酸化性であるときは自由電子が必要である。これら
の自由キャリヤを熱励起で作る以外に、紫外線或いは放
射線を照射して作り、より低温でルミネセンスを発生さ
せることも可能であることを、実験的に確認した。
In order to generate luminescence as described above, when the gas adsorbed on the catalyst surface is reducing, free holes are
Also, free electrons are required when oxidizable. It was experimentally confirmed that it is possible to generate luminescence at a lower temperature by irradiating ultraviolet rays or radiation to generate these free carriers by thermal excitation.

例えば、触媒としてAl2O3を用いた場合、エタノールの
触触媒酸化によるルミネセンスは通常200℃以上でなけ
れば現れなかったが、22Na或いは90Srの放射線を照射す
ることにより、50℃でルミネセンスが発生した。
For example, when Al 2 O 3 was used as a catalyst, the luminescence due to the catalytic catalytic oxidation of ethanol generally did not appear unless the temperature was 200 ° C. or higher, but by irradiating with 22 Na or 90 Sr radiation, at 50 ° C. Luminescence has occurred.

又、触媒には、SnO2、ZnOなどの半導電体、Al2O3粉末、
サファイア、CaCO3粉末、永州石、BaSO4、CaSO4、MgO、
BeOなどの電気絶縁性固体を用いて実験したが、試料に
よるルミネセンスの強度の大小はあっても、触媒反応が
拡散律速状態で生じる温度領域に於いて、ガスに対して
安定したルミネセンス応答を示すという、新たに発見し
た規則に反する例はなかった。
Further, the catalyst, SnO 2 , a semiconductive material such as ZnO, Al 2 O 3 powder,
Sapphire, CaCO 3 powder, Yongju stone, BaSO 4 , CaSO 4 , MgO,
An experiment was conducted using an electrically insulating solid such as BeO, but a stable luminescence response to gas was obtained in the temperature range in which the catalytic reaction occurs in the diffusion-controlled state, although the luminescence intensity of the sample was large or small. There was no example that violates the newly discovered rule of indicating.

上記触媒にPt、Rhなどの金属触媒を若干混合してルミネ
センス感度を高めることはできたが、表面が完全に金属
で覆われるとルミネセンスは消滅した。
Although it was possible to enhance the luminescence sensitivity by slightly mixing the above catalyst with a metal catalyst such as Pt or Rh, the luminescence disappeared when the surface was completely covered with metal.

実験に用いた触媒のなかでは、Al2O3、CaCO3がとくに強
いルミネセンスを発した。なお、触媒固体の内部又は表
面に発光中心となるような不純物をドープすることによ
り、ルミネセンス強度を増し、又スペクトルをよりシャ
ープにしてガスの選択検知特性を改善することができ
た。
Among the catalysts used in the experiment, Al 2 O 3 and CaCO 3 emitted particularly strong luminescence. By doping the inside or the surface of the catalyst solid with an impurity serving as an emission center, the luminescence intensity was increased and the spectrum was made sharper to improve the gas selective detection characteristics.

例えば、BaSO4に対してΕuをドープすると、Εu3+の励
起準位からの発光が615nm付近に出現し、その結果エタ
ノールを含む空気中に於けるルミネセンスが強調され
た。
For example, when BaSO 4 was doped with Εu, emission from the Εu 3+ excited level appeared near 615 nm, and as a result, luminescence in the air containing ethanol was emphasized.

これは直接遷移が許されていない表面準位からの無輻射
遷移によるエネルギを、発光中心が受け取って励起状態
になり、再び基底状態に戻るときにルミネセンスを放出
したと考えられる。
It is considered that this is because the emission center receives the energy due to the non-radiative transition from the surface level where the direct transition is not allowed, becomes the excited state, and emits luminescence when returning to the ground state again.

なお、前記実施例では、電熱線ヒータで触媒を加熱した
が、光ファイバーを介して触媒に赤外線を照射する赤外
線ヒータを用いることによって加熱し、又、発生したル
ミネセンスを光ファイバーを介して光センサに導き、触
媒から隔たれた地点でガスを検知することもできた。こ
れは電気火花によるガスの引火爆発防止を必要とする雰
囲気のガス検知手段として有効である。
Although the catalyst was heated by the heating wire heater in the above example, the catalyst was heated by using an infrared heater that irradiates the catalyst with infrared rays through an optical fiber, and the generated luminescence was sent to an optical sensor through an optical fiber. It was also possible to guide and detect the gas at a point remote from the catalyst. This is effective as a gas detection means in an atmosphere that requires the prevention of ignition and explosion of gas by electric sparks.

「効果」 以上詳述したように、この発明のガス検知方法は、検知
ガスが触媒表面で触媒酸化反応するときに触媒固体から
放出されるルミネセンスを測定することによって、ガス
の種類と濃度を知るものであるから、計測値のバックグ
ラウンドとなるものは黒体輻射しかない。黒体輻射は経
時変化することがほとんどなく、又そのスペクトルがル
ミネセンスとは完全に異なるので、フィルタを用いて除
去できる。従って、光計測のゼロ点が事実上ゼロである
ため、ルミネセンスを検知する光センサの感度を上げる
ことができ、微小濃度のガスを精確に検知することがで
きる。
[Effect] As described above in detail, the gas detection method of the present invention determines the type and concentration of gas by measuring the luminescence emitted from the catalyst solid when the detection gas undergoes a catalytic oxidation reaction on the catalyst surface. Since we know it, the only background of measured values is blackbody radiation. Blackbody radiation hardly changes over time, and its spectrum is completely different from luminescence, so it can be removed using a filter. Therefore, since the zero point of the optical measurement is practically zero, the sensitivity of the optical sensor for detecting luminescence can be increased, and the gas of minute concentration can be accurately detected.

また、反応速度がガスの拡散速度という本質的に安定な
量に比例する条件で、安定に発生するルミネセンスを計
測するものであるから、長期間にわたってガス感度が経
時変化することがない。
In addition, since the luminescence that is stably generated is measured under the condition that the reaction rate is proportional to the essentially stable amount of the gas diffusion rate, the gas sensitivity does not change over time for a long period of time.

さらに最も重要なことは、この発明がガスの種類によっ
て変化するルミネセンススペクトルを計測して、混合ガ
スの組成を分析できるという、固体センサを用いた唯一
のガス分析方法とこれに用いる装置であるということで
ある。
More importantly, the present invention is the only gas analysis method using a solid-state sensor and the apparatus used therefor, which can measure the luminescence spectrum that changes depending on the type of gas and analyze the composition of the mixed gas. That's what it means.

しかも装置が、従来のものに比べて小型かつ安価である
など多くの利点がある。
Moreover, the device has many advantages such as being smaller and cheaper than the conventional device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図はこの発明の一実施例を説明するためのガス検知
装置の構成略図である。 第2図はガスによるルミネセンス強度と触媒の温度変化
分との温度依存性を表す図、第3図はルミネセンスのエ
タノール応答波形の温度による相違を表す図、第4図は
ルミネセンス強度のエタノール濃度依存を表す図であ
る。 第5図はエタノールとアセトンとによるルミネセンスス
ペクトルの相違を表す図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a gas detection device for explaining an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing the temperature dependence of the luminescence intensity due to gas and the temperature change of the catalyst, FIG. 3 is a diagram showing the difference in the ethanol response waveform of luminescence with temperature, and FIG. 4 is a diagram showing the luminescence intensity. It is a figure showing ethanol concentration dependence. FIG. 5 is a diagram showing a difference in luminescence spectrum between ethanol and acetone.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導電性又は電気絶縁性固体触媒を、その
表面でガスが拡散律速状態で表面酸化反応する温度に保
ち、前記固体触媒から放射されるルミネセンスを計測し
て、前記ルミネセンスのスペクトルからガスの種類を判
定するとともに、強度からガスの濃度を測定することを
特徴とするガス検知方法。
1. A semiconductive or electrically insulating solid catalyst is kept at a temperature at which a surface oxidation reaction occurs in a diffusion-controlled state of a gas on the surface thereof, and the luminescence emitted from the solid catalyst is measured to measure the luminescence. The method for detecting gas is characterized by determining the type of gas from the spectrum and measuring the concentration of gas from the intensity.
【請求項2】半導電性又は電気絶縁性固体触媒の表面を
光学的視野とする線上に、1又は複数の分光装置と光セ
ンサとを順次配設するとともに、光センサの出力を測定
する手段と、前記触媒を加熱するヒータとを設けたこと
を特徴とするガス検知装置。
2. A means for sequentially arranging one or a plurality of spectroscopic devices and an optical sensor on a line having an optical field of view of the surface of a semiconductive or electrically insulating solid catalyst and measuring the output of the optical sensor. And a heater for heating the catalyst.
【請求項3】請求項2記載のガス検知装置に於いて、ヒ
ータにかえて、触媒表面を照射する紫外光源或いは放射
線源を設けるか、又はヒータ、紫外光源、放射線源のう
ち2以上を組合わせたことを特徴とするガス検知装置。
3. The gas detection device according to claim 2, wherein an ultraviolet light source or a radiation source for irradiating the catalyst surface is provided instead of the heater, or two or more of the heater, the ultraviolet light source and the radiation source are combined. A gas detection device characterized by being combined.
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