WO2013035307A1 - 異常を監視する装置 - Google Patents

Abstract

　複数の部品または製品を有するシステムの異常を監視する監視装置を提供する。複数の部品または製品の各々は、イオン移動度の異なる複数のマーカー用の化学物質であって、特定の要因により複数のマーカー用の化学物質をそれぞれ放出する複数種類のマイクロカプセルを含む。監視装置は、複数のマーカー用の化学物質を検出するイオン移動度センサーを有する。監視装置がマーカー用の化学物質を検出することにより、異常事態の発生や、異常事態の種類、発生場所、異常事態の程度などを識別できる。

Description

異常を監視する装置

　本発明は、イオン移動度センサーで検出可能なマーカー物質を利用した監視装置に関するものである。

　日本国特開２００９－１８７２２７号公報には、注意喚起の作用が強く、かつ安全性の高い臭気発生警報装置および異常事態報知方法を提供することが記載されている。この文献の臭気発生警報装置は、臭気物容器と、駆動部と、検知器と、制御部である回路部とを含んで構成される。臭気物容器は、臭気物質を収容する。空気中における臭気物質の、人間が匂いの強さに耐えられなくなる濃度は、臭気物質の最大無作用濃度よりも低い。駆動部は、臭気物容器から臭気物質を放出する。検知器は、異常事態の発生を検知し、検知信号を出力する。制御部は、検知器からの検知信号が入力され、検知信号に応じて駆動部に臭気物質を放出させる。

　日本国特表２００８－５０８６９３号公報（国際公開ＷＯ２００６／０１３３９６）には、物質毎のイオン移動度の差に起因する物理的現象を測定する装置が開示されている。この文献には、特に、複数の電極を有する少なくとも１つのイオンチャネルの形状のイオンフィルタを有するイオン移動度分光計について記載されている。このイオン移動度分光計は、導電層に印加される時間変化する電位により、充填剤はイオン種を選択的に入れることができる。電位は、駆動電界成分および横電界成分を有し、好ましい実施形態において、電極のそれぞれは、駆動電界および横電界の両方の成分を生成するのに関与する。この装置は、ドリフトガスフローがなくても用いることができる。

　日本国特開２００９－１８７２２７号公報に記載の臭気発生警報装置は、異常事態のときに人間が匂いの強さに耐えられなくなる濃度で臭気物質を放出することにより異常事態の発生を人間に知らせる。臭気の種類を増やしても人間が感知できる程度では、どこでどのような異常が発生したか知らせることは難しい。また、複数の臭気を放出できたとしても、複数の異常が同時発生したときに、どのような異常が発生したのかを判断することも難しい。

　本発明の一態様は、複数の部品または製品を有するシステムの異常を監視する装置である。複数の部品または製品の各々は、イオン移動度の異なる複数のマーカー用の化学物質であって、特定の要因により複数のマーカー用の化学物質をそれぞれ放出する複数種類のカプセル（マイクロカプセル）を含む。また、監視する装置は、複数のマーカー用の化学物質を検出するイオン移動度センサーを有する。カプセル（マイクロカプセル）は、たとえば、所定の耐圧性を備えており、所定の圧力以上の圧力が加わると破壊されるものである。カプセルは、さらに、所定の耐熱性、耐光性、耐候性または耐薬品性を備えているものであってもよい。

　このシステムにおいて監視要因は、カプセルの材質、強度などを選定することにより自由に設定できる。また、放出されるマーカー用の化学物質は、監視要因により変えたり、監視対象の部品または製品により変えることができる。したがって、監視要因の識別、監視対象の部品または製品の識別（具体的な個体の識別、設置された場所の識別などを含む）は、イオン移動度センサーによりマーカー用の化学物質を検出することで可能となる。

　本発明の他の態様の１つは、イオン移動度の異なる複数のマーカー用の化学物質と、複数のマーカー用の化学物質をそれぞれ内包する複数種類のカプセル（マイクロカプセル）であって、特定の要因により複数のマーカー用の化学物質をそれぞれ放出する複数種類のカプセルとを有する、イオン移動度センサー用の信号を発生する微粒子である。これらの微粒子は製品に含有させて提供してもよく、半製品、たとえば、塗料、樹脂、あるいは部材に含有させて提供してもよい。

　本発明の他の異なる態様の１つは、上記に記載の微粒子を含む監視対象の部品または製品と、複数のマーカー用の化学物質を検出するイオン移動度センサーとを有する監視システムである。

　本発明のさらに異なる他の態様の１つは、複数の部品または製品を有するシステムの異常（不具合）を監視する装置の制御方法である。複数の部品または製品の各々は、イオン移動度の異なる複数のマーカー用の化学物質であって、特定の要因により複数のマーカー用の化学物質をそれぞれ放出する複数種類のカプセルを含み、さらに、監視する装置は、複数のマーカー用の化学物質を検出するイオン移動度センサーを有する。そして、制御方法は、複数のマーカー用の化学物質のいずれかのマーカー用の化学物質をイオン移動度センサーが検出すると、複数の部品または製品の内の、検出されたマーカー用の化学物質に関連付された部品または製品を判断することを有する。

監視システムの概要を示す図。 監視対象の配管の断面図。 圧力を検出する微粒子を含む層を拡大して示す図。 監視システムにより異常を監視するプロセスを示すフローチャート。 監視システムの異なる例。 温度を検出する微粒子を含む塗料を拡大して示す図。

発明の実施の形態

　図１に、イオン移動度センサー用の信号を発生する微粒子を用いた監視システムの概要を示している。この監視システム１０は、閉鎖または半閉鎖された空間１に配置、設置あるいは組み立てられている監視対象物１１のダメージの有無を監視するものである。この例では、監視対象物１１は配管であり、配管の壁１２に微粒子を含む監視層１３が形成されている。また、監視システム１０は、異常時に監視対象の配管１１から放出される化学物質（分子、化合物、組成物などを含む）を検出する監視ユニット５０を有する。

　監視ユニット（監視装置、モニター）５０は、空間１の内部の空気をサンプリングするサンプリングポンプ５１と、サンプリングされたガスに含まれる化学物質を測定または検出するイオン移動度センサー５５と、検出結果を無線ＬＡＮなどの手段を通じて出力する通信ユニット５７とを含む。監視ユニット５０は、異常事態の情報８０を、たとえば、基地局６１を介してインターネット６２に接続されたホスト、たとえば、パーソナルコンピュータ６３に送信する。

　監視ユニット５０は、データベース５８と、データベース５８に格納された情報に基づいて異常事態を判断する制御ユニット（プロセッサ）５９とを含んでいてもよい。データベース５８は、モニタリングする化学物質を特定する情報と、モニタリングする部品、製品または要因と化学物質との関連を示す情報とを含む。データベース５８および異常事態を判断する機能５９は、ホスト６３に含んでいてもよい。

　図２に監視対象の配管１１の断面を示している。図３に、微粒子３０を含む監視層１３を拡大して示している。信号発生用の微粒子３０は、大きさが０．１μｍ～５ｍｍ程度のマイクロカプセル３５と、マイクロカプセル３５に封入されたマーカー物質（化学物質）３１とを含む。マイクロカプセル３５に内包されたマーカー物質３１は、イオン移動度センサー５５に検出される多数の化学物質のいずれかであり、マーカー物質３１がイオン移動度センサー５５により検出されたときのスペクトルがデータベース５８などに登録されているものである。

　イオン移動度センサー５５としては、たとえば、ＦＡＩＭＳ（ＦＡＩＭＳ、Ｆｉｅｌｄ　Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　Ｉｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、フィールド非対称質量分析計、またはＤＩＭＳ、Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｉｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を採用できる。他のタイプのイオン移動度センサーであってもよい。ＦＡＩＭＳの測定対象（検出対象）となる化学物質はイオン化できる化合物、組成物、分子であり、イオン移動度が化学物質毎にユニークである性質を利用して、バッファガス中を移動させながら、差動型電圧（ＤＶ、Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ、Ｖｄ電圧、電界電圧、交流電圧、以降ではＶｆ）と補償電圧（ＣＶ、Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ、補償電圧、直流電圧、以降ではＶｃ）とを印加する。検出目標のイオン化された化学物質は、ＶｆおよびＶｃの値が適切に制御されれば、検出器まで到達して電流値として検出される。

　マイクロカプセル３５は、破壊温度・圧力領域が重複しないよう設計された材質および／または壁膜を有する複数種類のマイクロカプセルのいずれかである。マイクロカプセル３５の製造方法はいくつかあるが、たとえば、界面重合法、in situ法マイクロカプセルがあり、それらにより製造されるマイクロカプセルの代表的なものとして、多価イソシアネートを用いたポリウレタンカプセルと、メラミン－ホルムアルデヒド樹脂カプセルがある。ポリウレタンからなるカプセルの場合、多価イソシアネートとポリヒドロキシ化合物の両者を同時に油相中に溶解しておき、これを保護コロイド水溶液中に乳化分散し、さらに昇温して反応を起こさせてカプセル壁を形成させる。メラミン－ホルムアルデヒド樹脂からなるカプセルの場合、水に可溶性のメラミン－ホルムアルデヒドプレポリマーを用いる。染料前駆体を溶解したオイルを保護コロイド水溶液中に乳化分散したＯ／Ｗエマルジョンに、このプレポリマー水溶液を加えて弱酸性領域（ｐＨ３～６）で加熱攪拌すると、Ｏ／Ｗ界面に高分子が沈着してマイクロカプセルが得られる。保護コロイドとしては、メラミン－ホルムアルデヒド樹脂の重縮合反応を促進する酸触媒としての機能を有するもの（例えば、スチレンスルホン酸系ポリマー、スチレンと無水マレイン酸の共重合体、エチレンと無水マレイン酸の共重合体、アラビアゴム、ポリアクリル酸等）を用いることができる。

　マイクロカプセルの材料および製造方法は上記に限定されない。使用前の保管もしくは輸送中に生じる加圧あるいは加熱条件下では破壊されず内容物を十分に保持できるマイクロカプセルであって、所定条件での加熱・加圧に供されると破壊され、内包している化学物質３１を放出し得るマイクロカプセルであれば、特に限定されることはなく、公知の様々な材料および製造方法により製造されたカプセルを用いることができる。

　信号発生用の微粒子３０は、マイクロカプセル３５が所定の条件で破壊、損傷、溶解、消滅すると、マイクロカプセル３５に内包されていた所定の化学物質３１を放出する。したがって、破壊される要因により化学物質３１の種類を変え、監視ユニット５０が、大気に放出された化学物質３１を検出することにより、マイクロカプセル３５が破壊された要因を識別できる。

　さらに、破壊される要因が同一のマイクロカプセル３５であって、異なる種類の化学物質３１を含む微粒子３０を用意し、種類の異なる化学物質３１を含む微粒子３０を異なる部材、機器あるいは異なる場所にセットすることも可能である。この場合は、監視ユニット５０が、大気に放出された化学物質３１を検出することにより、破壊された部材、機器あるいは場所、および破壊された要因を識別（特定）することが可能となる。

　監視対象の配管１１の監視層１３は、微粒子３０を含む樹脂を含むものであってもよく、微粒子３０を含む部材であってもよい。配管１１に過大な圧力が加えられたり、衝撃が加えられて配管１１の壁１２にクラック１９が発生すると、監視層１３の微粒子３０に過大な圧力が加わる。マイクロカプセル３５の耐圧以上の圧力が微粒子３０に加わると、マイクロカプセル３５が破壊または損傷し、内包（埋包、包含）されていた化学物質３１が放出される。監視ユニット５０は、放出された化学物質３１を検出すると、検出対象の配管１１が損傷したことを識別し、異常事態の発生を含む情報８０をコンピュータ６３に送信する。

　監視対象の配管１１の異なる場所、あるいは厚さ方向の場所が異なる第２の監視層に、異なる化学物質３１が内包された微粒子３０が含まれていると、監視ユニット５０は、微粒子３０から放出された化学物質３１を検出することにより、クラック１９の発生した場所、および／またはクラック１９の深さに関する情報を得ることができる。したがって、監視ユニット５０は、異常事態の要因だけではなく、異常事態の発生場所、異常事態による損傷の程度も含めた情報８０をコンピュータ６３に提供できる。

　図４に、監視システム１０により異常事態を監視するプロセスをフローチャートにより示している。ステップ８１において、監視ユニット５０のイオン移動度センサー５５がマーカー用の化学物質（化合物、マーカー物質）３１を検出すると、ステップ８２において、制御ユニット５９は、データベース５８を参照して、監視対象の部品、製品または要因の内の、検出されたマーカー用の化学物質３１に関連付けされた部品、製品または要因を識別する。そして、ステップ８３において、アラームを出力したり、異常事態の発生のみならず、異常事態の種類、発生場所、異常事態の程度などを含む情報８０をホスト６３に出力する。監視システム１０の監視対象または要因によっては、監視ユニット５０が、監視対象の部品または製品を含む装置やシステムの稼働を強制的に停止させるなどの適当な処理を行ってもよく、情報８０を受信したホスト６３が、そのような処理を行ってもよい。

　図５に、監視システムの異なる例を示している。この監視システム１０も、閉鎖空間１に配置された監視対象の配管１１と、監視ユニット５０とを有する。監視対象の配管１１には、複数種類の材料（半製品）、たとえば、塗料７１～７７が塗られている。それぞれの塗料７１～７７には、溶融温度の異なるマクロカプセル３５に、それぞれ異なる種類の化学物質３１が包含された微粒子３０が含まれている。

　図６に、例として塗料７５が溶けた状態を示している。塗料７１～７７は耐熱性の異なる塗料であることが望ましい。塗料７５は、配管１１の周囲の温度が所定の温度に達すると溶け、さらに、マイクロカプセル３５も溶解する。したがって、マイクロカプセル３５に内包されていた化学物質３１が放出され、監視ユニット５０が放出された化学物質３１を識別することにより、配管１１の周囲あるいは内部の温度を知ることができる。さらに、同一の耐熱性を備えたマイクロカプセル３５を含む微粒子３０であって、異なる化学物質３１がマイクロカプセル３５に内包された微粒子３０を用意し、配管１１の異なる場所に塗布すれば、配管１１に沿って配管１１が到達した温度と、その温度に到達した場所とを監視ユニット５０は知ることができる。したがって、監視ユニット５０は、異常事態だけではなく、異常事態の発生場所、発生内容も含めた情報８０をコンピュータ６３に送信できる。

　このように、信号発生用の微粒子３０は、マイクロカプセル３５の特性と、マイクロカプセル３５に内包される化学物質３１との組み合わせにより、微粒子３０が設置された環境に関する情報に加え、微粒子３０が設置された場所および機器・部材などを特定する信号（情報）を、化学物質３１を介して監視ユニット５０に供給できる。したがって、監視対象の物品、場所などが視覚的に監視ユニット５０から見えなかったり、測定機器が入らなかったり、測定機器が装着できないような物品あるいは場所であっても、化学物質３１により異常事態の信号を監視ユニット５０は取得できる。

　信号発生用のマイクロカプセル３５は、所定の耐圧性、耐熱性を備えたものに限定されない。耐候性、耐光性、耐薬品性などを備えたマクロカプセル３５を提供することが可能であり、さまざまな条件の発生を微粒子３０と、イオン移動度センサー５５を備えた監視ユニット５０との組み合わせにより検出できる。

　イオン移動度センサー５５を備えた監視ユニット５０は、固定されたものに限定されず、移動型、たとえば、移動端末であってもよい。信号発生用の微粒子３０を採用することにより、異常事態の発生を積極的に、また、適格に監視ユニット５０に伝達することが可能である。また、機器の損傷だけではなく、何らの事態により発生した破片、ごみ、異物などであっても、信号発生用の微粒子３０が含まれていれば、その破片などから放出される化学物質３１を検出することにより、破片の存在を容易に検出することができる。したがって、食料品に異物が混入したりする事態の発生を未然に防止できる。

Claims (7)

1. 　複数の部品または製品を有するシステムの異常を監視する装置であって、
   　前記複数の部品または製品の各々は、イオン移動度の異なる複数のマーカー用の化学物質であって、特定の要因により前記複数のマーカー用の化学物質をそれぞれ放出する複数種類のカプセルを含み、さらに、
   　当該装置は、前記複数のマーカー用の化学物質を検出するイオン移動度センサーを有する装置。
2. 　請求項１において、前記複数種類のカプセルは、それぞれ所定の耐圧性、耐熱性、耐光性、耐候性または耐薬品性を備えている、装置。
3. 　イオン移動度の異なる複数のマーカー用の化学物質と、
   　前記複数のマーカー用の化学物質をそれぞれ内包する複数種類のカプセルであって、特定の要因により前記複数のマーカー用の化学物質をそれぞれ放出する複数種類のカプセルとを有する、イオン移動度センサー用の信号を発生する微粒子。
4. 　請求項３において、前記複数種類のカプセルは、それぞれ所定の耐圧性、耐熱性、耐光性、耐候性または耐薬品性を備えている、微粒子。
5. 　請求項３または４に記載の微粒子を含む半製品。
6. 　請求項３または４に記載の微粒子を含む監視対象の部品または製品と、
   　前記複数のマーカー用の化学物質を検出するイオン移動度センサーとを有する監視システム。
7. 　複数の部品または製品を有するシステムの異常を監視する装置の制御方法であって、
   　前記複数の部品または製品の各々は、イオン移動度の異なる複数のマーカー用の化学物質であって、特定の要因により前記複数のマーカー用の化学物質をそれぞれ放出する複数種類のカプセルを含み、さらに、前記装置は、前記複数のマーカー用の化学物質を検出するイオン移動度センサーを有し、
   　当該制御方法は、前記複数のマーカー用の化学物質のいずれかのマーカー用の化学物質を前記イオン移動度センサーが検出すると、前記複数の部品、製品または要因の内の、検出されたマーカー用の化学物質に関連付けされた部品、製品または要因を判断することを有する、制御方法。

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