WO2013038584A1 - イオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法 - Google Patents

イオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法 Download PDF

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ion
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欽朗 原本
康之 平野
裕道 吉田
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地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター
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    • G08B17/10—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means
    • G08B17/11—Actuation by presence of smoke or gases, e.g. automatic alarm devices for analysing flowing fluid materials by the use of optical means using an ionisation chamber for detecting smoke or gas

Definitions

  • the present invention relates to an ionized gas detector and an ionized gas detection method for detecting an ionized gas to be measured.
  • a charge amplifier including a capacitor is incorporated in the configuration, and charges are accumulated in the capacitor.
  • the present invention relates to an ionized gas detector and an ionized gas detection method capable of specifying the concentration of a measurement target gas based on the amount of change in the amount of charge over time.
  • a Photo Ionization ⁇ ⁇ Detector (hereinafter referred to as PID) is used to measure the concentration of a measurement target gas.
  • the principle of PID measurement is to induce a gas to be measured in an apparatus in which a pair of application electrodes are arranged, and to irradiate the short wavelength UV to ionize the gas and capture the ions with the application electrode.
  • the detected current having a correlation with the concentration is measured, and the current value is converted into the concentration, whereby the concentration of the volatile organic substance or the like is measured.
  • the PID 50 includes a detection chamber 52 into which the measurement target gas is introduced and discharged, a pair of electrodes 54 provided in the detection chamber 52, and a DC voltage applied to the electrode 54.
  • An application circuit 56 for applying, a UV lamp unit 58 for irradiating the measurement fluid (FL) in the detection chamber 54 with UV, a measurement circuit 60 for measuring a current flowing through the electrode 54, and a gas to be measured from the current value
  • the computer 62 is configured to perform a calculation for conversion into the concentration of the liquid.
  • the gas to be measured is introduced into the detection chamber 52 and discharged from the detection chamber 52 after UV irradiation by the UV lamp unit 58, but the gas to be measured is introduced into the detection chamber 52.
  • the measurement target gas is ionized by UV irradiated from a UV lamp unit 58 provided on the side wall of the detection chamber 52, and the ions or electrons provided in the detection chamber 52 are applied with a direct current voltage. As a result, the current is generated in the circuit.
  • this current is measured by the measurement circuit 60, and further, the calculation device 62 multiplies the current value by a coefficient for each substance (substance of the gas to be measured), thereby outputting the concentration of the gas to be measured. It is to be done. Since such a PID is sensitive to many gases to be measured, it is an effective means for measuring the gas to be measured, and since the device itself is not large, the gas to be measured can be easily measured. It is possible and very useful.
  • the above-described conventional PID has a constant direction of current flow, so that when used for a long time, one of the two electrodes to which a DC voltage is applied is contaminated with one electrode such as an insulator on the surface of the metal electrode. Accumulate and ionized gas to be measured is blocked from reaching the electrode, preventing the flow of current, making it impossible to measure the correct current value and reducing the measurement sensitivity of the gas to be measured Resulting in. Further, when the metal electrode is covered with a contaminant, there has been a problem that the measurement sensitivity is lost and the function as a PID cannot be performed.
  • Patent Document 1 discloses a detection electrode that detects a volatile organic compound in a measurement fluid, an application unit that applies an AC voltage or an AC current to the detection electrode, and a volatile organic compound in the measurement fluid.
  • a volatile organic compound having a UV lamp for irradiating a measurement fluid with ultraviolet rays to ionize the liquid, an excitation circuit for exciting the UV lamp, and a measurement means for measuring a current or voltage flowing through the detection electrode
  • An ion detector is disclosed.
  • the current in the applied electrode is generated not only by the ion current but also by the detection electrode itself acting as a capacitor. Since the dielectric loss of the detection electrode is changed by the ionized volatile organic compound, the amount of charge accumulated in the capacitor is changed, and the change in the current value can be measured. Therefore, even if contamination accumulates on the detection electrode, it is said that application of alternating current to the electrode can prevent loss of measurement sensitivity. In addition, in the case of application of alternating voltage or alternating current, even if contamination accumulates in one of the two detection electrodes, the volatile organic compound ionized by the other electrode can be captured. It is said that a decrease in speed sensitivity can be prevented.
  • the above-described conventional PID detects a gas to be measured by a DC voltage application method, and this generates an ionic current by providing electrodes in an ion atmosphere and applying a voltage between the electrodes. This is based on the theory that the current is detected. Usually, the ionic current flowing between the electrodes is very small. Therefore, the minute current is amplified by a DC amplifier circuit, and the ionic current is measured. It is said that the drift phenomenon of the amplifier circuit often affects the measurement of ion current.
  • Patent Document 1 is a method of generating an alternating electric field between the electrodes, the ion current flowing between the electrodes can be detected even if the electrodes are insulated. Resistant to dirt and corrosion, but if the parasitic capacitance component between the electrodes is large, the current due to the parasitic capacitance between the electrodes is larger than the minute ion current, making it difficult to detect the ion current Therefore, the measurement sensitivity is lowered. In addition, since a minute ion current is detected, a device such as synchronous detection is required, and the device itself becomes large.
  • the problem to be solved by the present invention is to cope with the above-mentioned problems.
  • the ion current is measured for each polarity of ions, and the concentration of the gas to be measured is detected. Even if the electrode is contaminated (even if an insulated electrode is used), the detection sensitivity is not impaired, and the parasitic capacitance between the electrodes is not affected.
  • An object of the present invention is to provide an ionized gas detector and an ionized gas detection method capable of eliminating the influence.
  • the present invention takes the following technical means. That is, according to the first aspect of the invention, at least one pair of ion detection electrodes for detecting ions of the ionized gas to be measured and a voltage polarity for applying a predetermined voltage to the ion detection electrodes can be reversed.
  • a time-dependent change in the amount of charge accumulated in the charge capacitor of the charge amplifier circuit and a charge amplifier circuit comprising a charge capacitor for accumulating charges generated by voltage application by the electrode application means;
  • An ion current calculation means for calculating an ion current value of ions of the measurement target gas, and a concentration determination means for determining the concentration of the volatile organic substance from the ion current value calculated by the ion current calculation means
  • the electrode applying means according to the amount of charge accumulated in the charge capacitor of the charge amplifier circuit. It is ionized gas detector; and a voltage polarity control means for inverting the.
  • the invention according to claim 2 is the ionized gas detector according to claim 1, wherein the voltage polarity is reversible between the ion detection electrode and the input side of the charge amplifier circuit.
  • a circuit having a voltage applying means having a voltage polarity different from that of the electrode applying means and a charge accumulating means for accumulating charges generated by application of voltage by the voltage applying means is connected, and the electrode application is performed by the voltage polarity control means.
  • Voltage polarity reversing means for inverting the voltage polarity of the voltage applying means and discharging the charge accumulated in the charge accumulating means toward the ion detection electrode when the polarity of the means is reversed is provided. It is characterized by.
  • the invention described in claim 3 is the ionized gas detector according to claim 1 or 2, characterized in that the ion detection electrode is covered with insulation.
  • the invention according to claim 4 is an ion detection step of detecting ions of the ionized gas to be measured by an ion detection electrode to which a predetermined voltage is applied, and ions detected by the ion detection electrode.
  • the polarity of the voltage applied to the ion detection electrode is determined according to the concentration determination step for determining the concentration of the gas to be measured from the calculated ion current value and the amount of charge accumulated in the charge accumulation step.
  • a voltage polarity reversing step for reversing the ionized gas.
  • a fifth aspect of the present invention is the ionized gas detection method according to the fourth aspect, wherein the charge generated by applying a voltage different from the polarity of the voltage applied to the ion detection electrode is preliminarily accumulated.
  • the charge accumulated in the preliminary charge accumulation step is directed toward the ion detection electrode.
  • a charge discharging step of discharging is the charge generated by applying a voltage different from the polarity of the voltage applied to the ion detection electrode.
  • the influence of a DC drift such as a temperature drift is less than that of the detection by the DC application method, and even if the electrode is contaminated (insulating electrode is removed). Even if it is used), high detection sensitivity can be obtained and the polarity of the voltage can be reversed, so that positive ions and negative ions can be measured continuously. Further, it is possible to eliminate the influence of the parasitic capacitance between the electrodes.
  • FIG. 1 It is the schematic diagram which showed an example at the time of insulating the surface of an ion detection electrode. It is the figure which showed an example of the equivalent circuit at the time of expressing the capacity
  • FIG. 6 is an example showing the relationship between charge transfer caused by voltage polarity inversion and output response when a compensation circuit is connected, (a) is a diagram showing an example of the circuit configuration of a detector, and (b) is an output. It is the graph which showed an example of the relationship of a response. It is the schematic diagram which showed an example of the structure of the conventional PID. 4 is a graph showing experimental results obtained by measuring a change in an output voltage value from an operational amplifier with an oscilloscope in the first embodiment of the ionized gas detector according to the present invention. It is the graph which showed the experimental result which measured the change of the output voltage value from an operational amplifier with the oscilloscope in 2nd Embodiment of the ionization gas detector which concerns on this invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a detector in the first embodiment of the ionized gas detector according to the present invention, where (a) is a diagram showing an example of the circuit configuration of the detector, and (b). Represents the relationship between the voltage between the electrodes and the output of the charge amplifier circuit.
  • 2 is a diagram showing an example of the first embodiment of the ionized gas detector according to the present invention.
  • FIG. 2A is an example of the circuit configuration of the detector when the voltage polarity in FIG. 1 is reversed.
  • (B) shows the relationship between the voltage between electrodes and the output of the charge amplifier circuit before and after inversion of the voltage polarity.
  • 10 is an ionized gas detector
  • 12 is an ion detection electrode
  • 14 is an electrode application means
  • 16 is a charge amplifier circuit
  • 18 is a charging capacitor
  • 20 is an operational amplifier
  • 22 is an ion current calculation means
  • 24 is a concentration determination means
  • Reference numeral 26 denotes voltage polarity control means.
  • an ionization gas detector 10 has an ion detection electrode 12 that detects ions of an ionized measurement target gas flowing in, and a voltage with respect to the ion detection electrode 12.
  • a charge amplifier circuit 16 is provided.
  • the ion detection electrode 12 may be an insulating coating.
  • the voltage polarity control means 26 for inverting the voltage polarity of the electrode application means 14 according to the charge amount charged in the charge capacitor 18, and the temporal change in the charge amount charged in the charge capacitor 18 (operational amplifier) 20), an ion current calculation means 22 for calculating an ion current value from the output voltage value and a concentration determination means 24 for determining the concentration of the gas to be measured from the ion current value.
  • ionized ions of the measurement target gas are captured by the ion detection electrode 12 to which a predetermined voltage is applied by the electrode application unit 14. Then, when ions are captured by the ion detection electrode 12, a current is generated in the ion detection electrode 12, whereby the charge capacitor 18 of the charge amplifier circuit 16 is charged.
  • the operational amplifier 20 is preferably a CMOS operational amplifier having a small bias current (about several hundred fA).
  • the charging capacitor 18 If a capacitor having a small capacitance is used as the charging capacitor 18, a large output voltage can be obtained with a small ion current.
  • the interelectrode voltage V is 100 (V), and the resistance R due to ions between the electrodes is reduced.
  • a capacitor having 10 G ( ⁇ ) and a charging capacitor capacitance C of 100 (pF) is used, an output voltage value can be obtained as shown in the following equation.
  • the output voltage value changes with the passage of time, 0.1 V after 1 msec from the start of charge charging, and 0.2 V after 2 msec. Because of such a configuration, the ion current can be detected by a simple method.
  • the present invention adopts a configuration in which the polarity of the voltage applied to the ion detection electrode 12 is reversed when a certain amount of charge is charged in the charging capacitor 18.
  • the ion current between the ion detection electrodes 12 flows in the opposite direction, and the charge of the charging capacitor 18 can be discharged.
  • the voltage polarity control means 26 grasps the amount of charge charged in the charging capacitor 18 by measuring the value of the output voltage of the operational amplifier 20, and when the predetermined amount of charge is reached, the electrode application means 14 The voltage polarity is controlled to be inverted.
  • the voltage polarity of the electrode applying means 14 is reversed by the voltage polarity control means 26, as shown in FIG. 2A, the charges accumulated from the charging capacitor 18 are ionized gas (plus ions) between the electrodes. It will be discharged by. As shown in FIG. 2B, the output voltage value of the operational amplifier 20 gradually increases toward the output level 0 after the voltage polarity is inverted.
  • the collection of positive ions and negative ions can be controlled by the electric field between the ion detection electrodes 12 (positive ions). And negative ions can be measured continuously). Further, by measuring the change in the charging speed and the discharging speed of the charging capacitor 18, it is possible to measure the difference in the movement speed of the positive ions and negative ions of the ionized gas to be measured. is there.
  • the ion current calculation means 22 calculates the current value of the ion current from the temporal change amount of the output voltage value of the operational amplifier 20, that is, the temporal change amount of the charge charged in the charging capacitor 18. Specifically, it is based on the following formula.
  • the offset voltage may change due to temperature drift or the like, and this offset voltage directly affects the measured value.
  • the output voltages Vout1 and Vout2 are affected by the drift.
  • the concentration determination unit 24 determines the concentration of the measurement target gas from the current value of the ion current calculated by the ion current calculation unit 22. Note that the concentration determination by the concentration determination unit 24 is performed, for example, by multiplying the current value of the ionic current by a predetermined coefficient.
  • the relationship between the electric field between the ion detection electrodes 12 and the ion current can be represented as an example in FIG. 5, and the ion current is represented by the following equation.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram when the surface of the ion detection electrode 12 is insulated as an example.
  • electrode area (A): 10 mm ⁇ 10 mm Insulating film: polyimide (relative permittivity ⁇ r 4) Insulating film thickness (d): 10 ⁇ m Resistance value by ion (R): 10G ⁇ Electrode voltage (E): 100V
  • the capacitance C, time constant ⁇ , and initial current value i due to the insulating electrode are given by the following equations.
  • Equation 7 the rate of change between the direct current and the current due to the insulating film is as shown in equation (9).
  • the accuracy of the ionized gas detector is about ⁇ 10%, it can be seen that the influence of the insulating electrode is very small as described above.
  • the time constant due to the insulating electrode is expressed by Equation 10, and the larger the time constant, the smaller the difference from the DC application method.
  • R depends on the ionized gas concentration
  • C is determined by the thickness of the insulating film and the relative dielectric constant of the insulating film.
  • the insulating film is made of polyimide and has a thickness of 10 ⁇ m, even when the insulating film is thick, it is possible to accurately measure the ionized gas by using a material having a high dielectric constant.
  • the output voltage value of the operational amplifier 20 is increased or decreased due to the reversal of the voltage polarity.
  • the ion detector in the present embodiment is used, even if an insulating electrode is used as the ion detection electrode, it is possible to detect the ionized gas with the same accuracy as the detection of the ionized gas by the DC application method due to a transient phenomenon. I understand.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of a detector in the second embodiment of the ionized gas detector according to the present invention, where (a) is a diagram showing an example of the circuit configuration of the detector, and (b). Represents the relationship between the voltage between the electrodes and the output of the charge amplifier circuit.
  • the reference numerals are the same as those in FIGS. 1 and 2 except that 28 is a voltage applying unit, 30 is a charge storage unit, 32 is a compensation circuit, and 34 is a voltage polarity inversion unit.
  • the ionization gas detector 10 is applied with a voltage to the ion detection electrode 12 that detects the ions of the ionized gas to be measured and the ion detection electrode 12.
  • a charge amplifier circuit having an electrode application means 14 configured to be capable of reversing the voltage polarity, and further comprising a charge capacitor 18 and an operational amplifier 20 for charging a charge generated by applying a voltage to the ion detection electrode 12. 16 is provided.
  • the ion detection electrode 12 may be an insulating coating.
  • the voltage polarity control means 26 for inverting the voltage polarity of the electrode applying means 14 according to the charge amount charged in the charge capacitor 18, and the temporal change in the charge amount charged in the charge capacitor 18,
  • An ion current calculation means 22 for calculating the value of the ion current and a concentration determination means 24 for determining the concentration of the gas to be measured from the value of the ion current are provided.
  • a voltage application unit 28 having a voltage polarity different from the electrode application unit 14 configured to be able to reverse the voltage polarity, and a voltage by the voltage application unit 28.
  • a compensation circuit 32 having a charge storage means 30 for storing charges generated by the application of the voltage, and at the timing of the polarity inversion control of the electrode application means 14 by the voltage polarity control means 26.
  • Voltage polarity reversing means 34 for reversing the voltage polarity is provided.
  • the voltage polarity control means 26 Inverts the voltage polarity of the electrode application means 14. At this time, the charge capacitor 18 and the ion detection electrode are reversed. Since there is no element such as a resistor between the capacitor 12 and the charge 12, the charge is suddenly moved from the charging capacitor 18 to the ion detection electrode 12 side. Then, since the value of the output voltage of the operational amplifier 20 changes suddenly, an error occurs in the calculation of the ion current value (see FIG. 8).
  • the sudden change in the value of the output voltage is caused when the voltage applied to the ion detection electrode 12 is increased or the parasitic capacitance between the ion detection electrodes 12 is large (for example, the distance between the electrodes is decreased and the electrodes themselves are increased).
  • the voltage applied to the ion detection electrode 12 it is necessary to increase the voltage applied to the ion detection electrode 12 and reduce the distance between the ion detection electrodes 12. It is important to suppress sudden changes in the output voltage value.
  • the charge is compensated by the charge storage means 30 (capacitor) of the compensation circuit 32 connected in parallel with the ion detection electrode 12 so that the charge of the charge capacitor 18 does not fluctuate rapidly.
  • the voltage applying unit 28 applies a voltage having a voltage polarity different from that of the electrode applying unit 14 to the charge accumulating unit 30 to charge the charge accumulating unit 30 in advance, and the voltage polarity controlling unit 26
  • the voltage polarity reversing unit 34 recognizes that the voltage polarity of the applying unit 14 has been reversed, the voltage polarity reversing unit 34 reverses the voltage polarity of the voltage applying unit 28.
  • the charge charged in the charge accumulating means 30 moves toward the ion detection electrode 12, and it is possible to suppress rapid fluctuation of the charge from the charge capacitor 18 to the ion detection electrode 12. It becomes.
  • the voltage of the voltage applying means 28 is adjusted to a value suitable for suppressing rapid fluctuations in the charge from the charging capacitor 18 to the ion detection electrode 12 or is automatically adjusted, The current calculation accuracy can be further improved.
  • ionized ions of the measurement target gas are captured by the ion detection electrode 12 to which a predetermined voltage is applied by the electrode application unit 14. Then, when ions are captured by the ion detection electrode 12, a current is generated in the ion detection electrode 12, whereby charges are charged in the charging capacitor 18 of the charge amplifier circuit 16.
  • the operational amplifier 20 is preferably a CMOS operational amplifier having a small bias current (about several hundred fA). Further, if a capacitor having a small capacitance is used as the charging capacitor 18, a large output voltage can be obtained with a small ion current.
  • the present invention adopts a configuration in which the polarity of the voltage applied to the ion detection electrode 12 is reversed when a certain amount of charge is charged in the charging capacitor 18.
  • the ion current between the ion detection electrodes 12 flows in the opposite direction, and the charge of the charging capacitor 18 can be discharged.
  • the voltage polarity control means 26 grasps the amount of charge charged in the charging capacitor 18 by measuring the value of the output voltage of the operational amplifier 20, and when the predetermined amount of charge is reached, the electrode application means 14 The voltage polarity is controlled to be inverted.
  • the voltage polarity of the electrode applying means 14 is reversed by the voltage polarity control means 26, the charges accumulated from the charging capacitor 18 are discharged by ionized gas (plus ions) between the electrodes.
  • the output voltage value of the operational amplifier 20 gradually increases toward the output level 0 when the voltage polarity is inverted.
  • the collection of positive ions and negative ions can be controlled by the electric field between the ion detection electrodes 12.
  • the change in the speed at which the charging capacitor 18 is charged and the speed at which it is discharged it is possible to measure the difference in the movement speed of positive ions and negative ions.
  • the voltage polarity reversing means 34 reverses the voltage polarity of the voltage applying means 28 at the timing when the voltage polarity controlling means 26 reverses the voltage polarity of the electrode applying means 14.
  • the voltage polarity control means 26 can stably obtain the value of the output voltage of the operational amplifier 20 even when the voltage polarity of the electrode application means 14 is inverted (between the electrodes). Can cancel the effects of parasitic capacitance). Note that the voltage of the voltage applying means 28 is adjusted to a value suitable for suppressing rapid fluctuations in the charge from the charging capacitor 18 to the ion detection electrode 12 or is automatically adjusted, The current calculation accuracy can be further improved.
  • Example 2 Here, in the first embodiment and the second embodiment of the ionized gas detector according to the present invention, an experiment was performed to measure a change in the output voltage value from the operational amplifier 20 with an oscilloscope. The experimental results are shown as graphs in FIG. 11 (first embodiment) and FIG. 12 (second embodiment).
  • the voltage value applied to the ion detection electrode 12 was ⁇ 35 V, and the voltage polarity was inverted three times. As shown in FIG. 11, it was found that when the voltage polarity was inverted in the first embodiment, the charge was moved rapidly and a gap of about 0.9 V was generated. This gap causes an error in the calculation of the ion current value.
  • the voltage value applied to the ion detection electrode 12 was ⁇ 35 V, and the reversal of the voltage polarity was performed twice.
  • the voltage value of the voltage applying means 28 is configured to be automatically adjusted to an appropriate value so as to prevent the charge from moving abruptly (so as not to cause a gap). .
  • FIG. 12 in the second embodiment, it has been found that even if the polarity of the voltage is reversed, it is possible to suppress the rapid movement of charges.
  • the ionized gas detector and the ionized gas detection method according to the present invention it is possible to detect ionized gas with high accuracy with a simple configuration and a small apparatus, and to influence the temperature drift or the like as compared with the DC application method. Even if the ion detection electrode is contaminated, it is possible to detect with high accuracy in the same manner. Therefore, it is useful for detection of ionized gas that needs to be performed in various situations and environments.

Abstract

　簡易な構造でイオン電流を検波することで、イオンの極性別にイオン電流を測定し、被測定ガスの濃度を検出するものであって、直流印加方式による直流ドリフトの影響を受けず、たとえ、電極が汚染されても（絶縁電極を用いても）検出感度を損なうことがないイオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法を提供する。　イオン化ガス検出器（１０）を被測定対象ガスのイオンを検出する少なくとも１対のイオン検出電極（１２）と、イオン検出電極（１２）に対して所定の電圧を印加する電圧極性が反転可能に構成された電極印加手段（１４）と、電極印加手段（１４）による電圧の印加により生じる電荷を蓄積するチャージ用コンデンサ（１８）を備えるチャージアンプ回路（１６）と、チャージアンプ回路（１６）のチャージ用コンデンサ（１８）に蓄積される電荷量の時間的変化に基づいて、被測定対象ガスのイオンのイオン電流値を算出するイオン電流算出手段（２２）と、イオン電流算出手段（２２）により算出されたイオン電流値から、被測定対象ガスの濃度を判定する濃度判定手段（２４）と、チャージアンプ回路（１６）のチャージ用コンデンサ（１８）に蓄積されている電荷量に応じて、電極印加手段（１４）の極性を反転させる電圧極性制御手段（２６）とを有するよう構成した。

Description

イオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法
　本発明は、イオン化された被測定対象ガスを検出するイオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法であって、特に、構成中にコンデンサを備えたチャージアンプを組み込ませるとともに、当該コンデンサに電荷を蓄積させ、その電荷量の時間的変化量に基づいて被測定対象ガスの濃度を特定することが可能なイオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法に関するものである。
　従来から、測定対象ガスの濃度を測定するために、例えば、Photo Ionization Detector（以下、ＰＩＤとする）といったものが用いられている。このＰＩＤの測定原理は、一対の印加電極が配置された装置内に測定対象のガスを誘導し、短波長のＵＶを照射することで、ガスをイオン化させ、そのイオンを印加電極で捕捉することにより、濃度と相関のある検出電流を測定し、その電流値を濃度に換算することで、揮発性有機物等の濃度を測定するというものである。
　そして、ＰＩＤ５０は、図１０に一例として示すように、被測定対象ガスが導入及び排出される検出室５２と、検出室５２内に設けられた１対の電極５４と、電極５４に直流電圧を印加する印加回路５６と、検出室５４内の測定流体（ＦＬ）にＵＶを照射するＵＶランプユニット５８と、電極５４を流れる電流を測定する測定回路６０と、更に、電流値から被測定対象ガスの濃度へと換算するための計算を行う計算装置６２などから構成されている。
　この従来のＰＩＤ５０では、被測定対象ガスは、検出室５２に導入されてＵＶランプユニット５８によるＵＶ照射後、検出室５２から排出される構成となっているが、検出室５２に導入された被測定対象ガスが、検出室５２の側壁部に設けられたＵＶランプユニット５８から照射されるＵＶによってイオン化され、このイオン又は電子が、検出室５２に設けられている直流電圧が印加された電極５４に引き寄せられて捕捉されることにより、回路内に電流が生じることになる。
　そして、この電流を測定回路６０によって測定し、更に、計算装置６２により、当該電流値に対して物質毎（被測定対象ガスの物質）の係数を乗じることで、被測定対象ガスの濃度が出力されるというものである。このようなＰＩＤは、多くの被測定対象ガスに対して感度があるため、被測定対象ガスの測定に有効な手段であり、その装置自体も大型ではないため、簡易に被測定対象ガスを測定でき、非常に有用なものであるとされる。
　しかし、上述の従来のＰＩＤは、電流の流れる方向が一定であるため、長時間使用すると、２つの直流電圧が印加された電極のうち、一方の電極に金属電極表面に絶縁物等のコンタミネーションが蓄積し、イオン化した被測定対象ガスの電極への到達が阻害されることから、電流の流れが妨げられ、正確な電流値を測定することができなくなり、被測定対象ガスの測定感度が低下してしまう。また、金属電極が汚染物質で覆われた場合は、測定感度を失い、ＰＩＤとしての機能が果たせなくなるといった問題が指摘されていた。
　そこで、例えば、特許文献１には、測定流体中の揮発性有機化合物を検出する検出電極と、該検出電極に交流電圧又は交流電流を印加する印加手段と、前記測定流体中の揮発性有機化合物をイオン化するために測定流体に紫外線を照射するＵＶランプと、該ＵＶランプを励起するための励起回路と、前記検出電極に流れる電流又は電圧を測定する測定手段とを有する揮発性有機化合物の光イオン検出器が開示されている。
　この技術によると、検出電極に交流電圧又は交流電流を印加する構成となっていることから、印加された電極における電流が、イオン電流のみでなく、検出電極そのものがコンデンサとして働くことによっても生じることになり、そして、イオン化された揮発性有機化合物により検出電極の誘電損失が変わるため、コンデンサに蓄積される電荷量が変わり、それによる電流値の変化を測定することが可能となる。従って、検出電極にコンタミネーションが蓄積しても、電極に交流を印加すること測定感度を失うことを防止することができるとされている。また、交流電圧又は交流電流の印加の場合は、２つの検出電極のうち、一方の検出電極にコンタミネーションが蓄積しても、他方の電極でイオン化した揮発性有機化合物を捕捉可能であるため、速度感度の低下を防止することができるとされている。
特開２０１０－２５６１６５公報
　しかしながら、上述の従来のＰＩＤは、直流電圧の印加方式により被測定対象ガスを検出するもので、これは、イオン雰囲気中に電極を設け、電極間に電圧をかけることにより、イオン電流を発生させ、その電流を検波するという理論によるものであるが、通常、電極間に流れるイオン電流は、微小であるため、その微小電流を直流増幅回路により増幅させ、イオン電流の計測を行っているが、増幅回路のドリフト現象が、イオン電流の計測に影響を及ぼすことが多いとされている。
　また、直流印加方式によるＰＩＤでは、イオンを電極で捕捉するため、イオン化したガスが直接電極に触れることになり、電極自体が腐食することや、電極に汚れが堆積する可能性が少なからずあり、こうした状況下では、電極間のイオン電流の検出感度が落ちるという問題が生じてしまう。
　またさらに、特許文献１に開示されている技術は、電極間に交流電界を発生させる方式であるため、電極が絶縁されていても電極間に流れるイオン電流を検波することができるため、電極の汚れや腐食に強いが、電極間の寄生容量成分が大きい場合、微小なイオン電流に対し、電極間の寄生容量に起因する電流の方が大きくなってしまうため、イオン電流を検出することが困難であり、測定感度が下がってしまう。また、微小なイオン電流を検波するため、同期検波等の装置が必要になり、装置そのものが大がかりなものとなってしまう。
　本発明が解決しようとしている課題は、上述の問題に対応するためのもので、簡易な構造でイオン電流を検波することで、イオンの極性別にイオン電流を測定し、被測定ガスの濃度を検出するものであって、直流印加方式による直流ドリフトの影響を受けず、たとえ、電極が汚染されても（絶縁電極を用いても）検出感度を損なうことがなく、さらに、電極間の寄生容量の影響をも無くすことが可能なイオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法を提供することにある。
　上述の課題を解決するために、本発明は、以下の技術的手段を講じている。
　即ち、請求項１記載の発明は、イオン化された被測定対象ガスのイオンを検出する少なくとも１対のイオン検出電極と、前記イオン検出電極に対して所定の電圧を印加する電圧極性が反転可能に構成された電極印加手段と、前記電極印加手段による電圧の印加により生じる電荷を蓄積するチャージ用コンデンサを備えるチャージアンプ回路と、前記チャージアンプ回路のチャージ用コンデンサに蓄積される電荷量の時間的変化に基づいて、前記被測定対象ガスのイオンのイオン電流値を算出するイオン電流算出手段と、前記イオン電流算出手段により算出されたイオン電流値から、前記揮発性有機物の濃度を判定する濃度判定手段と、前記チャージアンプ回路のチャージ用コンデンサに蓄積されている電荷量に応じて、前記電極印加手段の極性を反転させる電圧極性制御手段とを有することを特徴とするイオン化ガス検出器である。
　また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のイオン化ガス検出器であって、前記イオン検出電極と、前記チャージアンプ回路の入力側との間に、電圧極性が反転可能に構成された前記電極印加手段と電圧極性が異なる電圧印加手段と、前記電圧印加手段による電圧の印加により生じる電荷を蓄積する電荷蓄積手段とを有する回路が接続され、且つ、前記電圧極性制御手段により前記電極印加手段の極性が反転された際に、前記電圧印加手段の電圧極性を反転させ、前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を前記イオン検出電極に向けて放電させる電圧極性反転手段が設けられていることを特徴としている。さらに、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のイオン化ガス検出器であって、前記イオン検出電極は絶縁被覆されていることを特徴としている。
　さらに、請求項４記載の発明は、イオン化された被測定対象ガスのイオンを所定電圧が印加されたイオン検出用の電極により検出するイオン検出工程と、前記イオン検出用の電極に検出されたイオンにより生じる電荷を蓄積する電荷蓄積工程と、前記蓄積される電荷量の時間的変化に基づいて前記被測定対象ガスのイオン電流値を算出するイオン電流値算出工程と、前記イオン電流値算出工程により算出されるイオン電流値から、前記被測定対象ガスの濃度を判定する濃度判定工程と、前記電荷蓄積工程により蓄積される電荷量に応じて、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性を反転させる電圧極性反転工程とを含むことを特徴とするイオン化ガス検出方法である。
　そして、請求項５記載の発明は、請求項４記載のイオン化ガス検出方法であって、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性と異なる電圧を印加することにより生じる電荷を予め蓄積する予備電荷蓄積工程と、前記電圧極性反転工程により、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性が反転された際に、前記予備電荷蓄積工程において蓄積した電荷を前記イオン検出用の電極に向けて放電させる電荷放電工程とを含むことを特徴としている。
　本発明に係るイオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法によれば、直流印加方式による検出と比して、温度ドリフト等の直流ドリフトの影響が少なく、また、電極が汚染されても（絶縁電極を用いても）、高い検出感度が得られ、さらに、電圧極性を反転させることが可能であることから、プラスイオンとマイナスイオンの測定を連続的に行うことができる。そして、電極間の寄生容量の影響も無くすことが可能である。
本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態の一例を示した図で、（ａ）は検出器の構成回路の一例を表した図で、（ｂ）は電極間電圧と、チャージアンプ回路の出力との関係を表した一例図である。 本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態の一例を示した図で、（ａ）は図１における電圧極性を反転させた際の検出器の回路構成の一例を表した図で、（ｂ）は電圧極性の反転前後における、電極間電圧と、チャージアンプ回路の出力との関係を表した一例図である。 本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態において、イオン化された揮発性有機物であるトルエン（１０ｐｐｍ）を検出させた際の出力電圧と時間の関係を明らかにした実験結果を示したグラフである。 本発明に係るイオン化ガス検出器の第２の実施形態の一例を示した図で、（ａ）は検出器の回路構成の一例を示した図で、（ｂ）は電圧極性の反転前後における、電極間電圧と、チャージアンプ回路の出力との関係を表した一例図である。 イオン検出電極中の電界とイオン電流の関係を示した一例図である。 イオン検出電極の表面を絶縁した場合の一例を示した模式図である。 絶縁膜による絶縁電極の容量を２Ｃ、イオン雰囲気中のイオンの移動を抵抗Ｒとして表した場合の等価回路の一例を示した図である。 電圧極性の反転による電荷の移動と出力の応答の関係について表した一例で、（ａ）は検出器の回路構成の一例を示した図で、（ｂ）は出力応答の関係の一例を示したグラフである。 補償用回路を接続した場合の電圧極性の反転による電荷の移動と出力の応答の関係について表した一例で、（ａ）は検出器の回路構成の一例を示した図で、（ｂ）は出力応答の関係の一例を示したグラフである。 従来のＰＩＤの構成の一例を示した模式図である。 本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態において、オペアンプからの出力電圧値の変化をオシロスコープにより測定した実験結果を示したグラフである。 本発明に係るイオン化ガス検出器の第２の実施形態において、オペアンプからの出力電圧値の変化をオシロスコープにより測定した実験結果を示したグラフである。
　以下、本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
　図１は、本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態における検出器の構成の一例を示した図で、（ａ）は検出器の回路構成の一例を表した図、（ｂ）は電極間電圧と、チャージアンプ回路の出力との関係を表している。さらに、図２は、本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態の一例を示した図で、（ａ）は図１における電圧極性を反転させた際の検出器の回路構成の一例を表した図で、（ｂ）は電圧極性の反転前後における、電極間電圧と、チャージアンプ回路の出力との関係を表している。また、１０はイオン化ガス検出器、１２はイオン検出電極、１４は電極印加手段、１６はチャージアンプ回路、１８はチャージ用コンデンサ、２０はオペアンプ、２２はイオン電流算出手段、２４は濃度判定手段、２６は電圧極性制御手段を示している。
　まず、図１（ａ）に示すように、イオン化ガス検出器１０には、流入されてくるイオン化された被測定対象ガスのイオンを検出するイオン検出電極１２と、イオン検出電極１２に対して電圧を印加する電圧極性が反転可能に構成されている電極印加手段１４が設けられており、さらに、イオン検出電極１２に電圧を印加することによって生じる電荷をチャージするチャージ用コンデンサ１８及びオペアンプ２０を有するチャージアンプ回路１６が設けられている。なお、イオン検出電極１２は、絶縁被覆されたものを用いても良い。
　そして、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる電荷量に応じて、電極印加手段１４の電圧極性を反転させる電圧極性制御手段２６、また、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる電荷量の時間的変化（オペアンプ２０の出力電圧値の時間的変化）から、イオン電流の値を算出するイオン電流算出手段２２と、そのイオン電流の値から被測定対象ガスの濃度を判定する濃度判定手段２４が設けられている。
　続いて、イオン化された被測定対象ガスを検出する流れについて説明する。まず、イオン化された被測定対象ガスのイオンは、電極印加手段１４によって所定の電圧が印加されたイオン検出電極１２により捕捉される。そして、イオン検出電極１２によりイオンが捕捉されると、イオン検出電極１２に電流が生じ、それにより、チャージアンプ回路１６のチャージ用コンデンサ１８に電荷がチャージされていく。
　そして、図１（ｂ）に示すように、チャージ用コンデンサ１８に電荷がチャージされていくにつれ、オペアンプ２０の出力電圧値が徐々に減少していくことになる。なお、オペアンプ２０には、ＣＭＯＳオペアンプ等のバイアス電流が小さいもの（数百ｆＡ程度）を使用することが好ましい。
　チャージ用コンデンサ１８にコンデンサ容量の小さいものを使用すれば、微小なイオン電流で大きな出力電圧を得ることが可能となり、例えば、電極間電圧Ｖを１００（Ｖ）、電極間のイオンによる抵抗Ｒを１０Ｇ（Ω）、チャージ用コンデンサ容量Ｃを１００（ｐＦ）のものを使用すると、次式の通り出力電圧値を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記の式では、電荷のチャージ開始から１ｍ秒後に０．１Ｖ、そして、２ｍ秒後には、０．２Ｖと、時間の経過により出力電圧値が変化していくことになる。このような構成となっているため、簡便な方法でイオン電流を検波することができるわけである。
　続いて、イオン電流により、チャージ用コンデンサ１８に電荷がチャージされ続けると、オペアンプ２０のサチュレーションが起こってしまうため、チャージ用コンデンサ１８の電荷を所定のタイミングで放電させる必要がある。通常は、チャージ用コンデンサの電荷を放電させるために、チャージ用コンデンサの両端にスイッチ等を設けるが、このスイッチ等を設けると、イオン電流を継続的に計測することができないという問題が生じてしまう。
　そのため、本発明は、本実施形態にあるように、チャージ用コンデンサ１８にある程度の電荷がチャージされた時点で、イオン検出電極１２にかける電圧の極性を反転させる構成を採っている。電圧の極性を反転させることにより、イオン検出電極１２間のイオン電流が逆向きに流れ、チャージ用コンデンサ１８の電荷を放電させることができるわけである。
　つまり、電圧極性制御手段２６が、オペアンプ２０の出力電圧の値を計測することによりチャージ用コンデンサ１８にチャージされていく電荷量を把握し、所定の電荷量に達した時点で、電極印加手段１４の電圧極性を反転させるよう制御するというものである。
　電圧極性制御手段２６により、電極印加手段１４の電圧極性が反転されると、図２（ａ）に示すように、チャージ用コンデンサ１８から蓄積されていた電荷が電極間のイオン化ガス（プラスイオン）により放電されることになる。そして、オペアンプ２０の出力電圧値は、図２（ｂ）に示すように、電圧極性の反転時から、出力のレベル０に向けて、徐々に増加していくことになる。
　チャージ用コンデンサ１８にチャージされている電荷は、イオン検出電極１２から収集したものであるため、プラスイオンとマイナスイオンの収集をイオン検出電極１２間の電界により制御することが可能となる（プラスイオンとマイナスイオンの測定を連続的に行うことができる）。また、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる速度と、放電される速度の変化を計測することによって、イオン化された被測定対象ガスのプラスイオンとマイナスイオンの移動速度の違いも計測することが可能である。
　次に、イオン電流算出手段２２が、オペアンプ２０の出力電圧値の時間的変化量、つまり、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる電荷の時間的変化量からイオン電流の電流値を算出する。具体的には、次式によるものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　通常の直流増幅回路では、温度ドリフト等によりオフセット電圧が変化することがあり、このオフセット電圧が直接的に計測値に影響を与えてしまうが、ここで、出力電圧Ｖout1とＶout2にドリフトの影響による測定誤差δＶout1とδＶout2を加えると、次式の通りになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　しかし、Ｖout1と、Ｖout2の測定時間差は短いため（長くても１秒程度）、δＶout1とδＶout2は、同じ値となり、結果的に上記数２に示す式となり、直流ドリフトの影響を無くすことが可能となっている。
　そして、イオン電流算出手段２２によって算出されたイオン電流の電流値から、濃度判定手段２４が、被測定対象ガスの濃度を判定する。なお、濃度判定手段２４による濃度判定は、例えば、イオン電流の電流値に所定の係数を乗じることによって行うものである。
　続いて、イオン検出電極１２間中の電界とイオン電流の関係は、図５に一例として表すことができ、さらに、イオン電流は次式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ところで、例えば、イオン検出電極１２の表面の５０％が汚染されてしまった場合は、イオンを検出できる電極の面積が、５０％減ってしまうことになり、直流電界によるイオン電流も５０％減少してしまうことになる。イオン検出電極１２の表面を絶縁した場合の模式図を図６に一例として示す。
　図６の状態では、厚さｄの絶縁膜の表面にイオンが帯電し、それに伴い、イオン検出電極１２の表面に電荷が帯電する。絶縁膜による絶縁電極の容量を２Ｃとし、イオン雰囲気中のイオンの移動を抵抗として表した場合、等価回路は、図７のようになり、電圧と電流の関係は、次式の通りとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　例えば、下記の通りの条件とすると
　電極面積（Ａ）：１０ｍｍ×１０ｍｍ
　絶縁膜：ポリイミド（比誘電率εｒ＝４）
　絶縁膜の厚み（ｄ）：１０μｍ
　イオンによる抵抗値（Ｒ）：１０ＧΩ
　電極電圧（Ｅ）：１００Ｖ
　絶縁電極による容量Ｃ、時定数τ及び初期電流値iは、次式のものとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、チャージ用コンデンサを１００ｐＦとし、チャージアンプの出力電圧が２Ｖになるまで検出を行うとすると、出力電圧が、数７の通りとなるので、i(t)を１０ｎＡとして近似すると、数８の通りとなり、直流方式の電流と絶縁膜による電流の変化率は、数９の通りとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　通常、イオン化ガス検出器の精度は±１０％程度あるので、上記の通り、絶縁電極の影響は非常に小さいことが分かる。また、絶縁電極による時定数は数１０で表され、時定数が大きいほど、直流印加方式との差は小さくなる。なお、Ｒは、イオン化ガス濃度に依存し、Ｃは、絶縁膜の厚さと絶縁膜の比誘電率によって決定されるものである。また、絶縁膜をポリイミドで厚さが１０μｍとしているが、絶縁膜が厚い場合でも誘電率の高い素材を用いる事で、精度良くイオン化ガスの測定を行うことが可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　（実験１）
　ここで、本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態において、下記測定条件にてイオン化ガスの検出実験を行った。実験結果は、図３に一例として示す。
　イオン化ガス：トルエン１０ｐｐｍ
　印加電圧：２０Ｖ
　コンデンサ容量：１００ｐＦ
　イオン検出電極：ポリイミドによる絶縁電極
　図３に一例として示すように、電圧極性の反転により、オペアンプ２０の出力電圧値の増加又は減少が起きている。つまり、本実施形態におけるイオン検出器を用いれば、イオン検出電極に絶縁電極を用いたとしても、過渡現象により、直流印加方式によるイオン化ガスの検出並の精度で、イオン化ガスの検出ができるということが分かる。
　続いて、本発明に係るイオン化ガス検出器の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
　図４は、本発明に係るイオン化ガス検出器の第２の実施形態における検出器の構成の一例を示した図で、（ａ）は検出器の回路構成の一例を表した図、（ｂ）は電極間電圧と、チャージアンプ回路の出力との関係を表している。なお、符号については、２８が電圧印加手段、３０が電荷蓄積手段、３２が補償用回路、３４が電圧極性反転手段である以外は、図１及び図２と同様である。
　まず、図４に示すように、イオン化ガス検出器１０には、流入されてくるイオン化された被測定対象ガスのイオンを検出するイオン検出電極１２と、イオン検出電極１２に対して電圧を印加する電圧極性が反転可能に構成されている電極印加手段１４が設けられており、さらに、イオン検出電極１２に電圧を印加することによって生じる電荷をチャージするチャージ用コンデンサ１８及びオペアンプ２０を有するチャージアンプ回路１６が設けられている。なお、イオン検出電極１２は、絶縁被覆されたものを用いても良い。
　そして、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる電荷量に応じて、電極印加手段１４の電圧極性を反転させる電圧極性制御手段２６、また、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる電荷量の時間的変化から、イオン電流の値を算出するイオン電流算出手段２２と、そのイオン電流の値から被測定対象ガスの濃度を判定する濃度判定手段２４が設けられている。
　また、イオン検出電極１２と、オペアンプ２０の入力側との間には、電圧極性が反転可能に構成されている電極印加手段１４と電圧極性が異なる電圧印加手段２８と、電圧印加手段２８による電圧の印加により生じる電荷を蓄積する電荷蓄積手段３０を有する補償用回路３２が接続されており、さらに、電圧極性制御手段２６による電極印加手段１４の極性反転の制御のタイミングで、電圧印加手段２８の電圧極性を反転させる電圧極性反転手段３４が設けられている。
　チャージ用コンデンサ１８に電荷がチャージされていき、所定の電荷量に到達すると、電圧極性制御手段２６が、電極印加手段１４の電圧極性を反転させるが、その際、チャージ用コンデンサ１８とイオン検出電極１２との間に抵抗等の素子が無いことから、チャージ用コンデンサ１８から急激にイオン検出電極１２側に電荷が移動してしまう。そうすると、オペアンプ２０の出力電圧の値が急変してしまうため、イオン電流値の算出にエラーが生じてしまうことに繋がる（図８参照）。
　上記出力電圧の値の急変は、イオン検出電極１２に印加する電圧を高くするか、イオン検出電極１２間の寄生容量が大きい（例えば、電極間距離を小さくし、電極自体を大きくする）場合に、顕著に現れることが分かっているが、イオン化ガスの検出精度を上げるためには、イオン検出電極１２に印加する電圧を高くし、イオン検出電極１２間の距離を小さくする必要があるため、上記出力電圧の値の急変を抑えることが重要である。
　そのため、本実施形態では、チャージ用コンデンサ１８の電荷が急激に変動しないように、イオン検出電極１２と並列の関係に接続した補償用回路３２の電荷蓄積手段３０（コンデンサ）で電荷を補償する構成を採っている。つまり、電圧印加手段２８が、電極印加手段１４と異なる電圧極性の電圧を電荷蓄積手段３０に印加することで、予め電荷蓄積手段３０に電荷をチャージさせておき、電圧極性制御手段２６が、電極印加手段１４の電圧極性を反転させたことを電圧極性反転手段３４が認識した際に、電圧極性反転手段３４が、電圧印加手段２８の電圧極性を反転させる。
　そうすると、電荷蓄積手段３０にチャージされていた電荷が、イオン検出用電極１２に向かって移動することになり、チャージ用コンデンサ１８からイオン検出用電極１２への電荷の急激な変動を抑えることが可能となるのである。なお、電圧印加手段２８の電圧は、チャージ用コンデンサ１８からイオン検出用電極１２への電荷の急激な変動を抑えるのに適した値に調整しておくか、或いは、自動調整としておくと、イオン電流の算出精度の向上がより図れる。
　また、電圧極性反転手段３４によって電圧印加手段２８の電圧極性が反転されると、再び、電荷蓄積手段３０に電荷がチャージされていくが、このチャージされていく電荷によって、後にチャージ用コンデンサ１８にチャージされる電荷の再度の放電（プラスイオン、マイナスイオン交互による放電）に伴う急激な変動をそれぞれ抑えることができることになる。
　このような構成とすることで、図９に一例として表すように、電圧極性を反転させても、オペアンプ２０の出力電圧の値を安定して得ることができるわけである（電極間の寄生容量の影響をキャンセルすることができる）。
　続いて、イオン化された被測定対象ガスを検出する流れについて説明する。まず、イオン化された被測定対象ガスのイオンは、電極印加手段１４によって所定の電圧が印加されたイオン検出電極１２により捕捉される。そして、イオン検出電極１２によりイオンが捕捉されると、イオン検出電極１２に電流が生じ、それにより、チャージアンプ回路１６のチャージ用コンデンサ１８に電荷がチャージされていく。
　そして、チャージ用コンデンサ１８に電荷がチャージされていくにつれ、オペアンプ２０の出力が徐々に減少していくことになる。なお、オペアンプ２０には、ＣＭＯＳオペアンプ等のバイアス電流が小さいもの（数百ｆＡ程度）を使用することが好ましい。また、チャージ用コンデンサ１８にコンデンサ容量の小さいものを使用すれば、微小なイオン電流で大きな出力電圧を得ることが可能となる。
　続いて、イオン電流により、チャージ用コンデンサ１８にチャージされ続けると、オペアンプ２０のサチュレーションが起こってしまうため、チャージ用コンデンサ１８の電荷を所定のタイミングで放電させる必要がある。通常は、チャージ用コンデンサの電荷を放電させるために、チャージ用コンデンサの両端にスイッチ等を設けるが、このスイッチ等を設けると、イオン電流を継続的に計測することができないという問題が生じてしまう。
　そのため、本発明は、本実施形態にあるように、チャージ用コンデンサ１８にある程度の電荷がチャージされた時点で、イオン検出電極１２にかける電圧の極性を反転させる構成を採っている。電圧の極性を反転させることにより、イオン検出電極１２間のイオン電流が逆向きに流れ、チャージ用コンデンサ１８の電荷を放電させることができるわけである。
　つまり、電圧極性制御手段２６が、オペアンプ２０の出力電圧の値を計測することによりチャージ用コンデンサ１８にチャージされていく電荷量を把握し、所定の電荷量に達した時点で、電極印加手段１４の電圧極性を反転させるよう制御するというものである。
　電圧極性制御手段２６により、電極印加手段１４の電圧極性が反転されると、チャージ用コンデンサ１８から蓄積されていた電荷が電極間のイオン化ガス（プラスイオン）により放電されることになる。そして、オペアンプ２０の出力電圧値は、電圧極性の反転時から、出力レベル０に向けて、徐々に増加していくことになる。
　チャージ用コンデンサ１８にチャージされている電荷は、イオン検出電極１２から収集したものであるため、プラスイオンとマイナスイオンの収集をイオン検出電極１２間の電界により制御することが可能となる。また、チャージ用コンデンサ１８にチャージされる速度と、放電される速度の変化を計測することによって、プラスイオンとマイナスイオンの移動速度の違いも計測することが可能である。
　また、電圧極性制御手段２６により、電極印加手段１４の電圧極性が反転されると、チャージ用コンデンサ１８から蓄積されていた電荷が急激にイオン検出電極１２側に電荷が移動してしまうため、それを防ぐために、電圧極性反転手段３４が、電圧極性制御手段２６による電極印加手段１４の電圧極性を反転させるタイミングで、電圧印加手段２８の電圧極性を反転させる。
　そうすると、予め、電極印加手段１４の電圧極性とは異なる電圧の印加によって電荷がチャージされていたイオン検出電極１２と並列の関係に接続した補償用回路３２の電荷蓄積手段３０（コンデンサ）から、イオン検出電極１２に向けて当該電荷が放電されることになる。
　このような制御を行うことにより、電圧極性制御手段２６が、電極印加手段１４の電圧極性を反転させても、オペアンプ２０の出力電圧の値を安定して得ることができるわけである（電極間の寄生容量の影響をキャンセルすることができる）。なお、電圧印加手段２８の電圧は、チャージ用コンデンサ１８からイオン検出用電極１２への電荷の急激な変動を抑えるのに適した値に調整しておくか、或いは、自動調整としておくと、イオン電流の算出精度の向上がより図れる。
　（実験２）
　ここで、本発明に係るイオン化ガス検出器の第１の実施形態と、第２の実施形態において、オペアンプ２０からの出力電圧値の変化をオシロスコープにより測定する実験を行った。実験結果は、図１１（第１の実施形態）、図１２（第２の実施形態）にグラフとして示している。
　まず、第１の実施形態では、イオン検出電極１２に印加する電圧値は±３５Ｖとし、電圧極性の反転は、３回行った。図１１に示すように、第１の実施形態において電圧極性の反転を行うと、電荷の移動が急激に行われ、約０．９Ｖのギャップが生じしまうことが分かった。このギャップが、イオン電流値の算出にエラーを生じさせてしまうわけである。
　次に、第２の実施形態では、イオン検出電極１２に印加する電圧値は±３５Ｖとし、電圧極性の反転は、２回行った。なお、電圧印加手段２８の電圧値は、上記電荷の移動が急激に行われないようにするため（ギャップが生じないようにするため）の適正な値へと自動に調整されるよう構成させた。図１２に示すように、第２の実施形態においては、電圧極性の反転を行ったとしても、電荷の急激な移動を抑えることが可能であることが分かった。
　本発明に係るイオン化ガス検出器及びイオン化ガス検出方法によれば、シンプルな構成且つ小型な装置で精度の高いイオン化ガスの検出を行うことができ、また、直流印加方式に比べ温度ドリフト等の影響が少なく、さらにイオン検出電極が汚染されたとしても、同様に精度の高い検出が可能であるため、多様な場面及び環境で行う必要があるイオン化ガスの検出に有用である。
１０　イオン化ガス検出器
１２　イオン検出電極
１４　電極印加手段
１６　チャージアンプ回路
１８　チャージ用コンデンサ
２０　オペアンプ
２２　イオン電流算出手段
２４　濃度判定手段
２６　電圧極性制御手段
２８　電圧印加手段
３０　電荷蓄積手段
３２　補償用回路
３４　電圧極性反転手段

Claims (5)

  1. 　イオン化された被測定対象ガスのイオンを検出する少なくとも１対のイオン検出電極と、
    　前記イオン検出電極に対して所定の電圧を印加する電圧極性が反転可能に構成された電極印加手段と、
    　前記電極印加手段による電圧の印加により生じる電荷を蓄積するチャージ用コンデンサを備えるチャージアンプ回路と、
    　前記チャージアンプ回路のチャージ用コンデンサに蓄積される電荷量の時間的変化に基づいて、前記被測定対象ガスのイオンのイオン電流値を算出するイオン電流算出手段と、
    　前記イオン電流算出手段により算出されたイオン電流値から、前記揮発性有機物の濃度を判定する濃度判定手段と、
    　前記チャージアンプ回路のチャージ用コンデンサに蓄積されている電荷量に応じて、前記電極印加手段の極性を反転させる電圧極性制御手段と、
    　を有することを特徴とするイオン化ガス検出器。
  2. 　前記イオン検出電極と、前記チャージアンプ回路の入力側との間に、
    　電圧極性が反転可能に構成された前記電極印加手段と電圧極性が異なる電圧印加手段と、
    　前記電圧印加手段による電圧の印加により生じる電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、
    　を有する回路が接続され、且つ、
    　前記電圧極性制御手段により前記電極印加手段の極性が反転された際に、前記電圧印加手段の電圧極性を反転させ、前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を前記イオン検出電極に向けて放電させる電圧極性反転手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載のイオン化ガス検出器。
  3. 　前記イオン検出電極は絶縁被覆されていることを特徴とする請求項１又は２記載のイオン化ガス検出器。
  4. 　イオン化された被測定対象ガスのイオンを所定電圧が印加されたイオン検出用の電極により検出するイオン検出工程と、
    　前記イオン検出用の電極に検出されたイオンにより生じる電荷を蓄積する電荷蓄積工程と、
    　前記蓄積される電荷量の時間的変化に基づいて前記被測定対象ガスのイオン電流値を算出するイオン電流値算出工程と、
    　前記イオン電流値算出工程により算出されるイオン電流値から、前記被測定対象ガスの濃度を判定する濃度判定工程と、
    　前記電荷蓄積工程により蓄積される電荷量に応じて、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性を反転させる電圧極性反転工程と、
    　を含むことを特徴とするイオン化ガス検出方法。
  5. 　前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性と異なる電圧を印加することにより生じる電荷を予め蓄積する予備電荷蓄積工程と、
    　前記電圧極性反転工程により、前記イオン検出用の電極に印加する電圧の極性が反転された際に、前記予備電荷蓄積工程において蓄積した電荷を前記イオン検出用の電極に向けて放電させる電荷放電工程と、
    　を含むことを特徴とする請求項４記載のイオン化ガス検出方法。
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