JPH0943183A - ガス濃度測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非水溶性ガス濃度、特に低濃度域でのガス濃
度を高精度で測定することのできる、半導体ガスセンサ
ーを用いたガス濃度測定装置及び測定方法を提供する。 【解決手段】 ガス濃度測定装置は、ポンプ１と、ボン
ベ１６と、半導体ガスセンサー７を有する計測室８とを
備える。ポンプ１とボンベ１６は、ガス流路１７により
計測室１８と連通している。ガス流路１７の途中には加
湿室４が設置されている。被検ガス等は加湿室４の水中
に散気されて加湿される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非水溶性ガス濃度
を半導体ガスセンサーで測定する装置及び方法に係り、
更に詳細には、低濃度の非水溶性ガスを精度良く測定す
る装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ある種の半導体に可燃性ガス
などが吸着することにより、その抵抗値が変化すること
から、このような半導体をガスセンサーとして使用でき
ることが知られており、このような半導体ガスセンサー
は、理論上は可燃性ガス、アルコール及びアンモニアの
測定等の広い分野に使用することが可能である。ところ
が、かかる半導体ガスセンサーは、主としてガス漏れの
検知や飲酒運転のチェックなどの定性的な測定に使用さ
れている。また、定量的な測定にも使用されることがあ
るが、半導体ガスセンサー自体が有する検出限界（下
限）近傍での定量を行うことができず、検出限界よりは
るかに高濃度域における定量に使用されているのが実状
である。

【０００３】半導体ガスセンサーが上述のような用途に
限定して使用されていた理由としては、半導体ガスセン
サー自体としては検出感度が良好であるにも拘らず、そ
の抵抗値が湿度の影響を受け易く、ドリフトが大きくな
り安定な高感度測定ができないことが挙げられる。この
ため、従来より半導体ガスセンサーを用いてガス濃度を
測定する当たっては、冷却したり、乾燥剤を用いること
により被検ガスを除湿することが行われていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな除湿を施す半導体ガスセンサーによるガス濃度の測
定方法においては、被検ガスの水分を完全且つ長期に亘
って除去することは困難である。また、ガス濃度測定を
行う場合には、被検ガス成分を含み濃度既知の標準ガス
を使用することが不可欠であるが、この標準ガスはボン
ベに充填され、ほぼ完全に除湿されていることが多く、
湿度調整した標準ガスボンベを作成することは困難であ
る。従って、このような従来法においては、被検ガスと
標準ガスの湿度を一致させることが困難であり、高感度
なガス濃度測定を行えないという課題があった。本発明
は、このような従来技術の有する課題等に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、非水溶性ガス
濃度、特に低濃度域でのガス濃度を高精度で測定するこ
とのできる、半導体ガスセンサーを用いたガス濃度測定
装置及び測定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】本発明者は、上記目的を
達成すべく鋭意研究を重ねた結果、半導体ガスセンサー
の抵抗値の湿度係数が低濃度域で大きいことに着目し、
この領域を避け、高湿度域で被検ガスと標準ガスの湿度
を一致させることにより、上記目的が達成できることを
見出し、本発明を完成するに至った。

【０００６】即ち、本発明のガス濃度測定装置は、非水
溶性の被検ガスを導入する被検ガス導入手段と、標準ガ
スを導入する標準ガス導入手段と、半導体ガスセンサー
を有する計測室と、この計測室と両導入手段とを連結す
るガス流路と、を備えたガス濃度測定装置において、上
記両導入手段により導入される被検ガス及び標準ガスを
加湿するための加湿室を、これら導入手段と上記計測室
との間の上記ガス流路に設置したことを特徴とする。ま
た、本発明のガス濃度測定方法は、標準ガスと、半導体
ガスセンサーとを用いて非水溶性の被検ガスのガス濃度
を測定するに当たり、上記被検ガス及び標準ガスを、一
定湿度に加湿した後、半導体ガスセンサーに吸着させる
ことを特徴とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面を参照して
実施形態により詳細に説明するが、本発明はこれら実施
形態に限定されるものではない。 （実施形態１）図１は、本発明のガス濃度測定装置の一
実施形態を示す断面図である。同図において、この測定
装置は、被検ガス導入手段の一例であるポンプ１と、標
準ガス導入手段の一例であるボンベ１６と、半導体セン
サー７を有する計測室８とを備え、ポンプ１とボンベ１
６は、ガス流路１７を介して計測室８と連通している。
また、ガス流路１７のうち、ポンプ１及びボンベ１６と
計測室８との間の部分には、ポンプ１及びボンベ１６か
ら導入される被検ガス及び標準ガスを加湿する加湿室４
が配設されている。

【０００８】上記加湿室４には水３が充填されており、
ここを通過する被検ガス、標準ガスを水中に散気させる
ことにより加湿する構成となっている。また、加湿室４
は冷却源５に接続された熱交換ブロック６に収容されて
おり、水３の温度は熱交換ブロック６の温度を制御する
ことにより一定に保たれる。ここで、散気水３の温度
は、周囲温度より低く調整するのが好ましく、これによ
り、加湿された被検ガス及び標準ガスがその後に結露す
るのを防止することができる。また、上記計測室８は、
ヒートブロック９により包囲されて一定温度に保たれて
おり、ヒートブロック９は、温度センサー１３で温度を
検出し、これに応じて適宜ヒーター１４に通電すること
により一定温度に制御されている。

【０００９】次に、上述の測定装置を用いたガス濃度の
測定方法の一例について説明する。まず、ポンプ１によ
り吸引された被検ガスは、マスフローコントローラ２で
流量を制御され、加湿室４の水３中に散気される。この
散気により、被検ガスは、その湿度が２０〜１００％の
範囲の一定湿度となるように制御される。被検ガスの湿
度が２０％未満では好ましくない。次いで、このように
加湿された被検ガスは、ヒートブロック９の外周部に螺
旋状の溝として形成された流路１０を通過しながら温度
が一定となるように制御され、計測室入口１１から計測
室８に導入され、半導体ガスセンサー７によりガス濃度
を測定され、計測室出口１２から排出される。一方、標
準ガスの濃度測定も、弁１５を適宜切り換えることによ
り、被検ガスと同様に行うことができ、これによって、
検量線を作成したり、ガス濃度の測定値を校正すること
が可能である。

【００１０】上述の測定方法において、計測室８を一定
温度に制御することは必須の条件ではない。この理由
は、被検ガスの濃度は、このガスが半導体ガスセンサー
に吸着した時の電気抵抗値の変化により測定されるもの
であり、吸着したガスを半導体ガスセンサーから離脱さ
せるには、半導体ガスセンサーを約３００〜６００℃に
加熱すればよいからである。このため、一般的には、半
導体ガスセンサーを常時約３００〜６００℃に加熱して
いることが多い。但し、本実施形態の測定装置のよう
に、ヒーター１４を備え、半導体ガスセンサー７を適宜
加熱できるような装置においては、計測室８を一定温度
に保持することは必須の条件ではない。

【００１１】なお、半導体ガスセンサーが、前述の如く
湿度の影響を受け易いことを考慮すると、加湿室４にお
いて好ましくは周囲温度より低い範囲の一定温度で加湿
されたガスは、その後、計測室８に到達するまでに徐々
にガス温度が上昇して湿度が変化するので、計測室８内
でガス温度を一定に制御することによりガス湿度を一定
に制御した後に、半導体ガスセンサーで濃度測定する方
が望ましいと言える。即ち、ガスが加湿室より温度の高
い計測室へ導入されると、その湿度が低下するので、低
湿度域で過敏な半導体ガスセンサーの湿度特性（一定湿
度変化量に対するセンサー出力変化量）により測定誤差
を生じ易くなるので、計測室でのガス温度を一定にする
ことにより、ガス湿度を一定にする方がよいのである。
この場合、加湿室４の温度（一定値）と計測室８の温度
（一定値）とは、同一であっても異なっていてもよい
が、ガスの結露を防止すべく加湿室４の温度を周囲温度
より若干低めに制御するのが好ましいことなどを考慮す
ると、計測室８の温度を若干高温に保持するのが好まし
い。代表的には、加湿室４を周囲温度より約２〜１５℃
低くし、計測室８を周囲温度より約２〜１５℃高く制御
するのが好ましい。

【００１２】次に、本実施形態の測定装置を構成する部
材の種類・材質等について説明すると、測定できる被検
ガスとしては、非水溶性のガスであれば特に限定され
ず、エチレン、メタン、水素及びプロパン等を挙げるこ
とができる。更に、標準ガスとしては、被検ガス成分を
含んでいれば十分であり、市販のボンベ詰めのガスを使
用できる。

【００１３】（性能評価１）従来、もやしの育成室に
は、成長ホルモンとして１０ｐｐｍ以下に制御されたエ
チレンガスが供給されているが、このエチレンガスの濃
度を連続的且つ簡易に計測する測定器が存在しなかっ
た。また、もやし育成室の湿度が５０〜７０％に制御さ
れていることから、これを除湿し、非分散型赤外線分析
計で測定することも試みられているが、検出感度１ｐｐ
ｍ以下での安定な計測は実現されていない。そこで、本
実施形態の測定装置を用いて、もやし育成室内のエチレ
ンガス濃度測定を行ったところ、０．１ｐｐｍの検出感
度が得られ、本実施形態の装置が良好な性能を有してい
ることが分かった。

【００１４】（実施形態２）図２は、本発明のガス濃度
測定装置の他の実施形態を示す部分断面図であり、図１
の装置と同様の部分については図示していない。図２に
おいて、この測定装置では、ガス流路１７の一部１７ｐ
が疎水性の多孔質チューブで形成されており、この多孔
質チューブ１７ｐが水３に浸漬されている。本実施形態
においては、加湿室４に導入された被検ガス及び標準ガ
スは、この多孔質チューブ１７ｐを通過する間に加湿さ
れる。従って、本実施形態では、この加湿の際に飛沫が
加湿室４の内壁に付着したり、加湿室４内を浮遊したり
することが回避される。この多孔質チューブ１７ｐの性
質としては、疎水性で多孔質であれば特に限定されるも
のではないが、加湿に必要とされる水分子を通過させる
ようなものであればよい。また、このチューブは被検ガ
スや標準ガスの分子も通過させるので、チューブ全体を
水に浸漬しておくのが好ましく、空隙率が６０％程度の
ものが好ましい。チューブの一部が気層中に露出してい
ると、ガスのその部分から気層中に拡散してしまうので
好ましくない。

【００１５】（性能評価２）性能評価１の操作を続行し
たところ、数時間は安定なエチレンガス濃度測定を行え
たが、２４時間の測定では測定値にドリフトが生じた。
このドリフトの周期を観察したところ、散気水３の温度
を周囲温度より低い一定温度に保っているにも拘らず、
周囲温度と連動していることが判明した。このことか
ら、ドリフトは、実施形態１の装置において、被検ガス
を水中に散気する際に発生する飛沫が加湿室４の内壁に
付着し又は加湿室４内に浮遊することにより加湿室４内
の空気層の湿度が変化し、この空気層を通過する際に被
検ガスの湿度が変化することに起因すると考えられる。
そして、このドリフトを防止するには、飛沫の発生を防
止し、被検ガスを加湿室内の空気層と接触させなければ
よいと考えられる。

【００１６】そこで、本実施形態の装置を用いて、上記
同様のエチレンガス濃度測定を行ったところ、ドリフト
が防止でき安定な測定結果が得られた。なお、ドリフト
を防止するには、空気層も含めて加湿室全体を一定温度
に保ってもよいが、温度制御装置が大型化して、ガス濃
度測定装置が全体として大型化してしまいコスト高とな
る。これに対して、本実施形態の装置によれば、小型化
と低コスト化を図れるという利点がある。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体ガスセンサーの抵抗値の湿度係数が低濃度域で大
きいことに着目し、この領域を避け、高湿度域で被検ガ
スと標準ガスの湿度を一致させることとしたため、非水
溶性ガス濃度、特に低濃度域でのガス濃度を高精度で測
定することのできるガス濃度測定装置及び測定方法を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス濃度測定装置の一実施形態を示す
断面図である。

【図２】本発明のガス濃度測定装置の他の実施形態を示
す部分断面図である。

【符号の説明】

１・・・ポンプ、２・・・マスフローコントローラ、３・・・散
気水、４・・・加湿室、５・・・冷却源、６・・・熱交換ブロッ
ク、７・・・半導体ガスセンサー、８・・・計測室、９・・・ヒ
ートブロック、１０・・・流路、１６・・・ボンベ、１７・・・
ガス流路、１７ｐ・・・多孔質チューブ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非水溶性の被検ガスを導入する被検ガス
   導入手段と、標準ガスを導入する標準ガス導入手段と、
   半導体ガスセンサーを有する計測室と、この計測室と両
   導入手段とを連結するガス流路と、を備えたガス濃度測
   定装置において、 上記両導入手段により導入される被検ガス及び標準ガス
   を加湿するための加湿室を、これら導入手段と上記計測
   室との間の上記ガス流路に設置したことを特徴とするガ
   ス濃度測定装置。
2. 【請求項２】 上記計測室が一定温度に制御されている
   ことを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
3. 【請求項３】 上記加湿室が周囲温度より低い一定温度
   に制御されていることを特徴とする請求項１又は２記載
   のガス濃度測定装置。
4. 【請求項４】 上記加湿室が水を充填した容器から成
   り、この水中に浸漬されているガス流路が疎水性の多孔
   質チューブで構成されていることを特徴とする請求項１
   〜３項のいずれか１つの項に記載のガス濃度測定装置。
5. 【請求項５】 非水溶性被検ガスを吸引するポンプ、当
   該ガスを水中で散気する加湿装置及び半導体ガスセンサ
   ーを備えた計測室を有することを特徴とするガス測定装
   置。
6. 【請求項６】 半導体ガスセンサーを備えた計測室を一
   定温度に調節する機構を備えたことを特徴とする請求項
   ５記載のガス測定装置。
7. 【請求項７】 標準ガスと、半導体ガスセンサーとを用
   いて非水溶性の被検ガスのガス濃度を測定するに当た
   り、 上記被検ガス及び標準ガスを、一定湿度に加湿した後、
   半導体ガスセンサーに吸着させることを特徴とするガス
   濃度測定方法。
8. 【請求項８】 上記加湿を、上記被検ガス及び標準ガス
   を周囲温度より低い一定温度に制御された水中に散気す
   ることにより行う請求項７記載のガス濃度測定方法。
9. 【請求項９】 上記加湿により、上記被検ガス及び標準
   ガスの湿度を２０〜１００％の範囲の一定湿度に制御す
   ることを特徴とする請求項７又は８記載のガス濃度測定
   装置。
10. 【請求項１０】 上記被検ガス及び標準ガスを一定温度
    で半導体ガスセンサーに吸着させることを特徴とする請
    求項７〜９のいずれか１つの項に記載のガス濃度測定方
    法。
11. 【請求項１１】 上記被検ガス及び標準ガスを散気する
    水の温度が、これらガスを半導体ガスセンサーに吸着さ
    せる温度より低いことを特徴とする請求項１０記載のガ
    ス濃度測定方法。
12. 【請求項１２】 非水溶性ガスを一定湿度及び温度に調
    節して半導体ガスセンサーを備えた計測室に導入するこ
    とを特徴とするガス測定方法。