JPH10505409A - 気体感知システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流動性媒質内の気体の濃度検出用気体感知システム（１０）は、室（８４）内の気体濃度を検出する気体センサ（５０）が配置されている室（８４）から流動性媒質を分離する通気性薄膜構造（６０）を有している。センサ（５０）は所定の環境動作範囲を有しており、システム（１０）は室内の気体の温度を動作範囲内に維持するヒート・シンク（５４）を、室（８４）につながっており、室（８４）から気体をパージし、気体の濃度をセンサの動作範囲を超えないように維持する気体ノズルとともに備えている熱ドレン（８６）を有している。

Description

【発明の詳細な説明】 気体感知システム 本発明は気体感知システムに関し、主として、溶液、気体混合物、液体および その他の流体媒質、たとえば、ジャムその他の保存食品などの食品中の気体濃度 を測定し、またこのような測定をその場で、好ましくは媒質の連続流中で行うた めに開発されたものである。このシステムは他にワイン、ビール、果汁、砂糖溶 液、砂糖、食品の細粒、および薬品調合剤や油などの非食品との集塊などの流動 性固形材料におけるガス感知の用途も有する。 ある種の媒質中のある種の気体の濃度を知るのが重要なことがしばしばあり、 また最も重要な用途は食品の受容性を判定することである。保存食品業界で生じ る主な例は、保存食品を作成する原料（たとえば、パルプ状果実）の保存料とし て、保管および輸送中に二酸化硫黄ガスＳＯ₂がしばしば使用されることである 。保存食品が製造されると、完成品に二酸化硫黄はもはや必要でなく、事実、保 存食品内の二酸化硫黄濃度が３０ｐｐｍ未満であることを要求するヨーロッパ共 同体の法規が施行されている。他の食品および飲料（ビールなど）においては、 規制が世界中でますます厳しくなってきており、米国の要件はビール中のＳＯ₂ 濃度を１０ｐｐｍ未満に制限している。しかしながら、ワインなどのいくつかの 製品においては、保管中の保存料として作用する、周知の濃度の二酸化硫黄が必 要である。いずれの場合においても、二酸化硫黄の濃度レベルがわかることが望 ましい。 保存食品内の気体の濃度を調整する従来の手順は、加熱によって気体を「加熱 除去」するか、保存食品を真空処理して、濃度が希望するレベルに下がるまで、 気体を溶液から十分に放出させることによるものである。加熱除去手順が有効な 条件は保存食品内の気体の濃度、および気体が保存食品と化学的にどのように結 合しているかに応じて変動する（二酸化硫黄がある種の自然に生じる有機物質、 特にアルデヒドおよびケトンとの弱い錯体を形成し、このような錯体が６０℃を 超える温度で破壊されることがわかっている）、したがって、完成品中の残留気 体濃度が変動するのはさけられない。 したがって、標準的な実験室手順を使用して、保存食品の試料を取り、試験し て、保存製品中の気体濃度を決定する品質管理チェックが頻繁に必要である。生 産環境において、周知の気体センサは、一般に必要とされる高温高圧で使用する には十分堅牢でも、適するものでもない。品質管理規則は、食品中での二酸化硫 黄などのいくつかの気体濃度が許容レベルを超えないことを要求している。さら に、二酸化硫黄濃度に関する品質管理チェックにより、気体濃度レベルが高すぎ ることが判明した場合、問題の原因を判定するために、食品の連続生産ラインを 停止するとともに、気体除去手順を改訂することとなる。通常、気体（ＳＯ₂な ど）濃度測定の周知の方法はオフラインのものであり、これによって生産試料が 取られ、気体濃度測定が湿式化学的手段、すなわち破壊試験によって行われ、３ ０〜６０分かかる。この期間中に、生産は毎時数トンの速度で継続する。したが って、受け入れられない気体濃度が判明したときには、疑わしく、他の処理を必 要とする数トンの製品が生産されてしまっている。さらに、より多くの気体が除 去されるように、制御を行うことなく、単に保存食品の加熱除去時間を延ばした だけで、生産コストが受け入れられないほど増加することになる。 さらに、既存の試験では、もっとも正確な商業的に利用可能な湿式化学的試験 方法（４０分かかる）を使用したとしても、１０ｐｐｍ程度の濃度を有する同一 の市販試料で繰り返し測定を行うと、約４ｐｐｍの標準偏差を示す試験結果が生 じる。関与する量がきわめて少量な試験結果からの試験データのこのように広い 変動は製造能力全体にとって有害であり、不正確な測定値（測定精度の欠如だけ による）により、不合格の製品が合格とされ、合格の製品が再処理される危険が 存在する。 本発明の目的は、上記の問題を軽減し、気体濃度の測定をその場で行うことを 可能とする気体感知システムを提供することである。 本発明は、流動性媒質から発散する気体の濃度の検出用気体感知システムであ って、前記流動性媒質と室の間に配置され、前記気体に対して透過性である一方 、前記流動性材料に対して不浸透性である薄膜構造と、内部の前記気体の濃度を 検出するために前記室に対して露出しており、所定の環境動作範囲を有している 気 体センサとを備えており、室内の気体の物理特性を前記センサに露出された気体 の特性に合わせて制御して、センサの所定の作動範囲と矛盾しないようにする手 段が設けられている気体感知システムが提供される。このようなシステムによっ て、気体濃度の測定を媒質そのものの上で行うことが可能となり、より正確なプ ロセスおよび品質管理を可能とし、かつ媒質の個別のバッチを混ぜ合わせる機会 を与える媒質の連続試験が可能となる。 従来の気体センサは所定の温度よりも低い動作温度限度を有していることがあ り、このようなセンサの場合、室およびこの室へ薄膜構造を通って進入する気体 から熱を除去し、これによってセンサにさらされる室内の気体の温度を所定の温 度よりも低い温度まで下げる温度制御手段を、好ましくは室内に設けることがで きる。温度制御手段は室からの熱を室外のヒート・シンクへ伝導する熱伝導性部 材などのヒート・シンクを備えていることが好ましい。通常、熱を気体感知シス テムから伝えることによって、センサの温度を所定温度未満に制御する伝導手段 も用いられ、このような伝導手段にはヒート・シンクが組み込まれているのが好 ましい。このような温度制御手段を使用すると、伝導により気体感知システムか らセンサへの熱伝達も軽減され、システムからのこのような熱伝導の結果として 、気体センサの加熱がその動作範囲以下に下げられる。 あるいは、さらに、周知の気体センサには、このようなセンサに対する所定の 濃度よりも低く、検出精度を上げたり、感度を高くしたりするための動作気体濃 度検出限度があることがある。このようなセンサには、室内の気体の濃度を必要 に応じて下げて、室内のその気体の濃度を所定の濃度未満に維持するためのパー ジ手段が設けられることもある。室を密封することが好ましく、またパージ手段 が入口と出口を備えており、入口が室内へのパージ・ガスの導入を制御でき、出 口が室内の混合気体を室から除去して、該室がパージ・ガスで充填されるように していることもある。 システムが流動性媒質のｐＨレベルを検出するｐＨセンサを備えていることが 好ましい。通常、ｐＨセンサはｐＨイオン感応電界効果トランジスタであり、こ のようなセンサは媒質のｐＨを正確に読み取るのに有利な働きをするものであり 、媒質から発散する気体濃度が媒質のｐＨレベルに比例しているため、この読み は 気体センサの読みから、媒質内の溶液中の実際の気体濃度を判定する際に重要な ものとなる。 本発明の好ましい態様において、システムはさらに流動性媒質の圧力を判定す る圧力検出手段と、流動性媒質の温度を判定する温度検出手段とを備えており、 これらのいずれか、あるいは両方は基本的には温度および圧力である媒質の物理 的状態を判定する際に有利な働きをし、この物理的状態は媒質から発散する気体 の濃度が媒質の圧力および／または温度に比例しているので、気体センサの読み から媒質内の溶液中の実際の気体濃度を判定する際に重要なものとなる。保存食 品中のＳＯ₂の場合、８５℃未満の温度に対して、媒質から発散する気体濃度の 温度依存性が顕著である。８５℃というこの温度を超えると、ＳＯ₂と有機物質 の間で形成される錯体が破壊される。この温度依存性は有機物質（それ故、これ と形成された錯体）に対しても依存しており、たとえば、ワイン中のＳＯ₂とビ ール中のＳＯ₂とでは異なっている。この錯体形成温度以上では、試験結果は保 存食品から発散するＳＯ₂の濃度が保存食品のｐＨレベルの圧力変動および温度 変動、ならびにその他の温度変動によって変動する。 媒質内の溶液中の気体の放出は、媒質の物理的特性、特に温度および圧力に比 例しており、これらのパラメータが変動することにより、放出される気体の濃度 に変動が生じる。媒質から発散する気体の濃度を測定し、かつ媒質の物理的特性 を知ることによって、媒質内の溶液中の気体の実際の濃度を判定することができ る。 通常、流動性媒質はパイプを通って流れ、その壁には薄膜構造が配置されてお り、薄膜構造の側面はパイプの中心軸に向かって内側に向けられ、通常、媒質と 接触している。薄膜構造をその機械的強度を高めるため格子フレームで支持して もよい。この薄膜構造は単一の層であっても、あるいは２つまたは３つの複数の 層であってもよい。 気体センサは周知の構造のものでよく、センサの気体検出構成要素と室の間に 配置された第２の通気性薄膜構造を有していてもよい。 気体感知システムは、典型的には液体、ペースト、ゲル、粉体または粒体であ る非気体流動性媒質内の溶液中の気体濃度を検出することを目的としたものであ ることが好ましい。 さらに、本発明は、所定の環境動作範囲を有している気体センサを使用して流 動性媒質から発散する気体の濃度を判定する方法であって、前記気体を流動性媒 質から分離し、隔離するステップと、前記の隔離された気体の物理的特性を気体 センサにさらされる前記気体に合わせて、その物理的特性が気体センサの所定の 動作範囲と矛盾しない状態に制御するステップとを備えている方法が提供される 。 通常、流動性媒質と室の間に、気体に対して透過性であり、流動性媒質に対し て不透過性である薄膜構造を配置し、気体センサによる室内での検出のために気 体を室内に拡散させることによって、気体は前記流動性媒質から分離される。 使用されるセンサは所定の温度よりも低い動作温度限度を有しており、加熱媒 質から発散する気体が所定の温度よりも高い温度である場合には、本発明の方法 によって、熱を室内の気体から除去して、気体の温度をこれが気体センサに露出 される所定の温度よりも低くし、これによって気体の温度をセンサの動作範囲以 内に調節することができる。他の例としては、センサが所定の濃度よりも低い動 作濃度検出限度を有していることができ、媒質から発散する気体の濃度が所定の 濃度よりも高い場合、本発明の方法により、室内の気体の濃度を制御し、気体セ ンサに露出したときに所定の濃度に達しないようにすることができる。 主として、ジャムなどの保存食品内の二酸化硫黄濃度を検出するために開発さ れたものであるが、本発明を流動性媒質の溶液内の気体濃度（必ずしも、二酸化 硫黄である必要はない）を判定することが必要な多数のその他の状況、たとえば 、ワイン生産時の二酸化硫黄を判定することに適用できることがわかろう。 さらに、任意選択で、本発明による流動性媒質の溶液中の気体濃度の決定を、 定常状態の媒質、または流動している媒質によって行えることも理解されよう。 本発明にしたがって構成された気体感知システムの実施の形態を、添付図面を 参照して、単なる例として説明する。 第１図はシステムのパイプに接続された気体感知装置の断面図である。 第２図は第１図において総括的にＡで示されている薄膜支持手段の拡大図であ る。 第３図は第１図に気体感知装置の上から見た平面図である。 第４図は気体感知装置の第２の実施の形態の断面図である。 第５図は対象となる媒質の連続流生産パイプに接続された第１図の気体感知シ ステムの略図である。 第６図はシステムの気体感知装置内での気体濃度の時間による変化を示すグラ フである。 第７図は気体のパージ操作が行われるシステムの気体感知装置内での気体濃度 の時間による変化を示すグラフである。 気体感知システム１０（第５図）は、アルミニウムパイプ１４を取り囲み、こ れにクランプされた取付ブロック１３を備えた気体感知装置１２（第１図）を備 えている。この気体感知装置はボルト１６および１７（第３図）によって取付ブ ロック１３に接続されている。さらに、気体感知システム１０は、パイプ１４内 の圧力を判定する圧力トランスデューサ１８、パイプ１４の内容物のｐＨレベル を判定するｐＨセンサ・ヘッド２０を備えている。パイプ内容物の温度を判定す る周知のサーモカップルのアレイ（図示せず）がパイプ１４内に縦に配置されて いる。 第５図に示されているシステムにおいて、パイプ１４はメイン生産フロー・パ イプライン３０に対するバイパスであり、３方向分離バルブ３２が任意選択で、 ａ）バイパス・パイプ１４への流れを閉鎖するか、ｂ）メイン・パイプ３０とバ イパス・パイプ１４の両方に流すか、あるいは、ｃ）バイパス・パイプ１４だけ に流れを送るかするために用いられている（必要な動作手順によって異なる）。 しかしながら、気体感知システムを、必要に応じ、メイン・パイプ３２に直接接 続できることを理解されたい。パイプ内容物の流れの方向を矢印３４で示す。 ドレン・バルブ４０および流れ制限バルブ４２がバイパス・パイプ１４に配置 され、必要に応じ、適切なバルブの操作によってバイパス・パイプライン１４の 内容物の流量を変化させられるようになっている。バルブ４２を閉鎖することに よって、流量を減らし、バルブ４０を開くことによって、内容物を排出すること ができる。これらのバルブ４０および４２は気体感知システムの作動に必須のも のではない。 圧力トランスデューサ１８は周知の形態のものであり、ｐＨセンサ２０は、極 限動作状態で動作するように設計された堅牢なセンサである、標準的なｐＨイオ ン感応電界効果トランジスタを用いている。これらは両方とも周知のものであり 、市販されているものであるから、本明細書で詳細には検討しない。 本例のシステムを、ジャムなどの保存食品における二酸化硫黄（ＳＯ₂）の濃 度の検出に関して検討する。二酸化硫黄は保存食品を形成する製品において保存 料として一般的に用いられているものである。ＳＯ₂は自然発生の結果、装置ク リーニング・プロセスによる滅菌器の残留物、食品漂白プロセスの残留物として 、さらには食品の物理的または機械的特性を改変するプロセスによって食品その 他の製品に残留していることがある。しかしながら、製品に含有される気体の発 生源が何であるかにかかわらず、このような気体の濃度がわかることが望ましい ことが理解されよう。このことを念頭に置いて、気体感知装置１２はステンレス ・スチールのセンサ・ハウジング５２に取り付けられた従来からある、周知の二 酸化硫黄（電気化学的）気体センサ５０を備えている。センサ５０（ＳＩＥＧＥ Ｒという商標で販売されているものでよい）は通常、二酸化硫黄と反応して、存 在している二酸化硫黄の濃度を示す電気出力を与える水酸化カリウムゲルを含ん でいる。このセンサは他の気体の存在時に二酸化硫黄を選択的に検出することが できる。気体感応センサ構成要素は通常、通気性センサ薄膜（図示せず）によっ て保護されている。このようなセンサ技術は簡単に入手できるものであるから、 本明細書で詳細には検討しない。 感知装置１２が取り付けられているパイプ１４の領域は、これを貫通して延び ている開孔６８を有しており、この開孔は取付ブロック１３の開孔６９と整合し て、パイプ１４の内部と感知装置１２との間を連通させている。取付ブロック１ ３の開孔６９を横切って、通気性薄膜６０（二酸化硫黄ガスに対して通気性があ る）が密封係合して取り付けられている（第１図のＡ部の拡大図を示している第 ２図は、この薄膜６０を示している）。この薄膜６０はステンレス・スチールの メッシュ保持プレート６４の内面６１および外面６２の間に挟持されて支持され ている。保持プレート６４は二酸化硫黄が貫通でき、それにより二酸化硫黄は薄 膜６０を貫通することができる。薄膜６０はパイプ１４の液体内容物に対しては 不透過性であり、その内部の二酸化硫黄ガスがこれを貫通することを許容する。 このような通気性薄膜は周知のものであり、一般的に入手できるものであり、ま たこのような薄膜の構造は単一の層または複数の層で構成されている。周知の通 気性薄膜により、二酸化硫黄だけではなく、他の気体も貫通することが可能とな るが、システム内で用いられているセンサは５０は室８４内の二酸化硫黄ガスを 選択的に検出することができる。 ニッケル・メッキされた銅の熱ドレン８６はセンサ５０が収納される凹所８５ を有しており、この凹所８５の上部開孔はセンサ・ハウジング５２によって密封 されて、センサ５０が収納される上部室９４を形成している。この上部室９４は それぞれがセンサ５０と熱ドレン８６の間、および熱ドレン８６とセンサ・ハウ ジング５２の間に係合している気密シリコン・ゴムのガスケット・シール７７お よび７９によって効果的に密封されている。 シール７７は、これを貫通し、センサ５０とメイン下部室８４の間を連通させ ている開孔８１を有している。この下部室８４はシール７７（およびセンサ５０ ）と通気性薄膜６０との間に画定されている。熱ドレン８６はこの第２の室８４ の側壁を形成するように延びており、室８４へ貫通して延びていて、室内の気体 に露出される熱ドレンの表面積を増やして、この気体からの熱放散を増加される 穿孔アーム８７を有している。これらのアームは室８４内での気体の拡散を制限 するものではない。熱ドレン８６は、シリコン・ゴム（絶縁）ガスケット・シー ル８８によって薄膜６０から離隔して保持されており、この絶縁材８８は熱ドレ ン８６を取付部ロック１３から離隔させて保持して、取付ブロック１３からの伝 導による熱ドレン８６の直接加熱を防止する働きもする（パイプから取付ブロッ クを介して熱ドレンへのこのような直接加熱伝導は、熱ドレンが室８４内の気体 から熱を伝導除去する能力を低下させる）。このガスケット・シール８８はさら に、取付ブロック１３から装置１２への熱伝導を制限する働きもする。熱ドレン ８６は室８４から延びており、室８４の外部で、ボルト１６および１７によって センサ・ハウジング５２に取り付けられているヒート・シンク５４に接触して保 持されている。ヒート・シンク５４はハウジング５２から外部へ延びている、そ の上を流れる空気だけによって冷却される熱放散フィンないしフランジ５６のア レイを含んでいる。さらに、ヒート・シンクは熱を気体感知装置１２から伝導す るこ とによって装置１２の本体を冷却する働きもする。 絶縁された環状の気密シール７７を使用して、室９４内でヒート・シンク５４ から離隔させてセンサ５０（センサ・ハウジング５２に接続されている）を支持 し、それ故、ヒート・シンクからセンサ５０への熱伝導を制限し、かつこのシー ル７７と薄膜６０の間で室８４を画定する。 実際問題として、ボルト１７はセンサ・ハウジング５２およびヒート・シンク ５４を貫通して、熱ドレン８４に係合し、また装置のこれらの部品を互いに押し つけ、ハウジング５２を上部シール７９に押しつけるように締め付けられている 。ボルト１６はヒート・シンク５４および熱ドレン８６を貫通して、取付ブロッ ク１３に係合し、装置１２を取付ブロック１３に向かって押しつけ、熱ドレン８ ６がシール８８に対して堅固に保持されるようにする。ボルト１６および１７が 担持している構成要素はボルト上に摺動可能に受けられており、装置を簡単に取 り外せるようになっており、またボルト１６および１７は構成要素をまとめてそ れぞれのシール７９および８８に押しつけ、気密室８４および９４を形成してい る。 室８４には、２つの気体ポート（図示せず）が設けられており、これらの各々 は導管によって、被制御バルブ（図示せず）に接続されている。これらの気体ポ ートの１つは周知の圧縮気体供給源（不活性ガス、制御気体または空気など）に 対するものであり、他方は大気または真空である低圧系に接続されている。この 構成により、室８４の気体内容物を、気体ポートを開くことによってパージし、 室８４を不活性ガスによって、あるいはセンサ５０を較正するための既知の濃度 の制御気体によって正圧に充填することができる。感知システムを使用する場合 、室８４から二酸化硫黄をバージし、２つの気体ポートを閉鎖する。 気体感知システム１０の主な用途は保存食品製造業界において、保存食品を瓶 詰めする前に、未硬化（すなわち、溶融）保存食品内の溶液中の二酸化硫黄ガス の濃度を検出することである。このような用途において、パイプ１４には流体（ 未硬化）保存食品が充填され、この保存食品は通常、保存食品内の溶液中にあり 、ガスが保存食品の成分に対する保存料として当初使用される二酸化硫黄を加熱 除去するため、８５℃を超える高い温度である。 二酸化硫黄は保存食品内のいくつかの自然に生じる有機物質、特にアルデヒド およびケトンと弱い錯体を形成する。これらの錯体は低温では安定しており、６ ０℃よりも高い温度で破壊されるだけである。したがって、保存食品を約８５℃ の温度まで加熱して、これらの錯体を破壊し、二酸化硫黄を保存食品から放出さ せる必要がある。 保存食品が８５℃を超える温度でパイプ１４および装置１０を通って流れると 、その内部の溶液中の二酸化硫黄ガスが放出され、パイプ開孔６８および通気性 薄膜６０を通過する。薄膜６０は保存食品に対して不透過性であり、スチール・ プレート６１、６２が保存食品がかける機械的応力に対して薄膜６０を支持して いる。薄膜６０およびプレート６１、６２は通常、これらの部品に対する保存食 品の付着を軽減するため非粘着性材料を使用するか、非粘着性コーティングを有 している。溶融保存食品がパイプ１４内で静止していると、二酸化硫黄が保存食 品内の溶液から放出され、平衡に達するまで薄膜６０を通過する。これによって キャビティ８４内の二酸化硫黄の濃度が保存食品から放出される二酸化硫黄の濃 度と等しくなる。これを時間による室８４内の二酸化硫黄濃度の増加を示してい る第６図に示す。 保存食品が高温（８５℃以上程度の）であると、放出される二酸化硫黄ガスも この高い温度である。しかしながら、周知の気体センサ５０は３０〜４０℃まで の動作温度範囲を有するものと認識されており、それ故、正確に動作することが できず、二酸化硫黄ガスの加熱された濃度にさらされ、これによってその温度限 度以上に温度が上昇した場合、おそらくは破壊されることとなる。したがって、 室８４に進入する加熱二酸化硫黄ガスは、室８４内の気体からの過剰な熱をこの 熱を放散させるヒート・シンク５４に導く熱ドレン８６、８７を通る通路によっ て制御された温度の物理的特性を有している。場合によっては、冷気をヒート・ シンクのフィン５６を横切って吹き付け、熱の放散を増加させることもできる。 このようにして、室８４内の気体および室そのものが気体センサ５０の最高動作 温度以下の温度まで冷却されてから、気体は測定のためにセンサ５０のセンサ薄 膜を通過する。シール７７の開孔８１はセンサの構成要素と室８４の間で気体を 連通させる。さらに、ヒート・シンクは、センサ１２の本体および室８４の壁か ら熱を伝導させる働きをして、室内の気体を冷却し、またセンサの温度を温度作 動範囲より上げる働きもするセンサ５０への熱の伝導を軽減するのを援助し、し たがって、センサ５０の温度をその動作温度限度以下に維持するのを援助する。 センサ５０は次いで、室８４内の、それ故保存食品内の二酸化硫黄ガスの濃度 を示す電気出力を与える。さらに、センサの範囲内の保存食品のｐＨレベルを、 保存食品の温度および圧力とともに測定することができ、この情報とセンサの較 正測定値の組合せから、保存食品内の溶液中の二酸化硫黄ガスの真の濃度を決定 することができる。 気体センサ５０の出力は温度、ｐＨ、圧力などの所与のパラメータに対する試 料の気体濃度を示す。この出力をこのような試料の気体含有量を正確に判定する ために複雑で、低速な（ただし、周知の）試験技法を使用し、正確な結果をセン サの出力と比較し、このような測定値およびセンサの出力がどのようにさまざま な動作条件（および、製品）に対して変動するかを判定することによって較正す ることができる。製品試料中の気体含有量の絶対濃度を判定するこのような周知 の技法としては、ガス・クロマトグラフィ、液体クロマトグラフィ、熱分解分析 および極低温再集束技法または液体およびイオン・クロマトグラフィなどがある 。システム１０がこの方法によって較正されると、被検製品内の気体濃度をセン サの出力および動作条件から判定することができる。 上述の手順を使用することにより、オンラインの気体濃度測定を行うことがで き、その結果をほとんど遅延なしに利用することができる。このことによる明ら かな利点は、保存食品の合格可能度を迅速に決定できることであり、二酸化硫黄 ガス濃度が許容限度を超えた場合には、適切な処置を迅速に講じて、保存食品の 生産に多大な損失を招くことなく状況を補修することができる。 システム１０の上記の説明はバイパス・パイプ１４へ送られ、静的試験のため に保持される保存食品の試料で使用することを考慮したものである。しかしなが ら、システム１０の他の使い方を、保存食品を連続流動状態にして、二酸化硫黄 ガス濃度を連続的に測定するために用いることもできる。このような場合には、 気体感知システム１０をメイン生産ライン３０に直結する。しかしながら、感知 システム１０を上述したようにバイパス・パイプ１４に平行に接続することが好 ましいが、このような状況において、保存食品は測定手順中に薄膜６０上を流さ れる。この構成は、バイパス・パイプをメイン生産ライン３０から遮断するだけ で、生産を止めることを必要とすることなく、センサ装置１２の保守を行うこと を可能とする。 上述したような連続流測定構成に対するシステム１０の適用のいずれにおいて も、保存食品は再び８５℃を超える温度であるから、保存食品から放出される二 酸化硫黄は、気体が薄膜６０上で平衡に達するように、薄膜６０を通って拡散す る。このような状況の１つにおいて、平衡に達すると、室８４内の二酸化硫黄の 濃度が変動するのは、保存食品内の気体の濃度が変動したときだけとなり、平衡 状態を維持するために、薄膜６０上での両方向への二酸化硫黄の拡散が生じる。 センサ５０からの測定値はそれ故、製品の気体濃度で可能となる変動を示す揺ら ぎについて監視される。 しかしながら、気体感知システム１０のより洗練された使い方を用いて、連続 的な保存食品流中の二酸化硫黄濃度を検出することが好ましい。保存食品の流量 が、保存食品の一部が正規レベル、すなわち合格レベルよりも高い二酸化硫黄濃 度を有している場合、高いレベルの濃度を示す平衡に達するのに時間がかかり（ 平衡状態に近づくと、拡散速度が低下するため）、それ故、濃度の変化を希望し ているほど迅速に検出できなくなることがある。この不都合を軽減するため、一 連の独立した気体濃度の測定を、上述したものと類似した装置を使用して、間欠 的、かつ連続的に行うことができる。第６図は保存食品の静的試料を試験する（ 上述したような）ための室８４内での二酸化硫黄の濃度の増加を示すグラフであ り、室８４内の濃度の増加は、濃度が当初高い速度で増加し、その後、濃度が数 分後に薄膜６０上で平衡状態に近づくにつれて、徐々に遅くなる速度で増加する という認識済みのパターンにしたがっている。しかしながら、標準的な数学的補 間原理を使用することにより、約１０〜１５秒後に、第６図の領域１００で示さ れているようなグラフの初期勾配を研究して、最終的な平衡気体濃度を決定する ことができる。それ故、感知システム１０を用いて、各々が室８４のパージ後に 平衡状態（薄膜６０上での）に達成するための室８４中への気体の拡散の始まり から１０ないし１５秒という初期期間に対するものである連続した気体濃度の測 定を行うことができる。これらの結果から、保存食品の連続した平衡濃度を数 学的に決定することができる。これが平衡状態に達するのに通常必要とされる数 分間に比べて、通常は２０秒未満というより迅速な態様で気体濃度を決定すると いう利点を与えることは明らかである。 連続した測定値を使用する上述の原理を利用するため、基本的な気体感知シス テム１０を若干改変することが必要となる。溶融保存食品内の二酸化硫黄の正規 の気体濃度は、３０ｐｐｍ未満であると考えられ（製品が不良品である場合には 、これを超えることがあるが）、したがって、気体センサ５０は通常、３０ｐｐ ｍ超の二酸化硫黄濃度まで効率よく動作することが必要である。しかしながら、 システム１０の改変された使い方の場合には、平衡状態に達する前の気体濃度の 初期増加を迅速かつ正確に判定するために、感度がもっと高いセンサ５０が好ま しく、このため、たとえば１０ｐｐｍまでの範囲を有するセンサ５０を用いるこ とができ、このセンサはこの低い濃度まで迅速で正確な読みを行うことができる ものである。このような改変の場合には、したがって、室８４内の濃度が、たと えば１０ｐｐｍというセンサの限度を超えないようにすることが必要である（そ うでないと、センサが「焼き切れ」てしまう）。これを念頭に置いて、室８４か ら二酸化硫黄を周期的に（たとえば１５秒ごとに）パージしてから、室８４内の その濃度がセンサ５０に対して推奨または許容されているものよりも高い範囲ま で増加するようにする。このパージ、および室内の二酸化硫黄の物理的特性の効 果的な制御は、空気または不活性ガスを、室８４内に設けられている気体ポート （図示せず）の一方から吹き込み、室８４内の二酸化硫黄濃度がセンサ５０に対 して推奨または許容されているものを超える前に、第２の気体ポートによって混 合気体をパージすることによって達成される。 各パージ段階に引き続き、２つの気体ポートが閉鎖されるが、保存食品中の二 酸化硫黄ガスは薄膜６０を通って拡散を続け、室８４内での初期に酸化硫黄ガス の濃度レベルの増加が測定される。同時に、パイプ中の保存食品のｐＨの測定お よび温度の測定が同様に行われて、保存食品中の二酸化硫黄濃度の計算に使用さ れる。パイプ内の保存食品の圧力も必要に応じ測定される。パイプを通る保存食 品の流量は気体濃度が各（約）１５秒の測定時間中に大幅に変動しないようなも のであるから、保存食品内の気体濃度の測定値が正確なものとなると考えられる 。 さらに、パージ／測定プロセスを間欠的に繰り返すことによって（この測定／パ ージ・プロセス中のキャビティ８４内での二酸化硫黄濃度を示すグラフについて は、第７図を参照されたい）、二酸化硫黄濃度のあらゆる変動がきわめて迅速に 検出でき、製造プロセスに対して必要なあらゆる変更を直ちに行うことができる 。 上述した２つの使い方のいずれにおいても、保存食品から放出される二酸化硫 黄の割合が高くなるため、高温時の保存食品においてシステムの精度が向上し、 したがって、システムの感度が高くなる。保存食品の加熱が最終製品に悪影響を 与えることはないが、しかしながら、ある種の他の製品、たとえばワインでは、 最終製品の品質が加熱によって悪影響を受ける。したがって、本発明の特徴は製 品から発散される気体の測定を、広い範囲の温度で行えることである。たとえば 、ワインの生産において、一連の二酸化硫黄の測定値を、本システムを使用して ６０℃超の温度でワインから取って、一連の較正結果を得ることができ、また同 様な測定値を６０℃未満の温度で取ることもできる。これら２組の結果から、真 の二酸化硫黄含有量と周囲温度における二酸化硫黄含有量との間の関係を決定し 、大多数の製品で非破壊試験を行うことができる。真の気体含有量と低い温度で 測定した気体含有量との間の関係は、異なる材料に対して変動するものであるが 、本システムにより、高温での測定が可能となり、またこのような読みを低い温 度での読みを較正するのに使用することができる。それ故、本明細書記載の気体 感知システムを低い温度での気体の測定値の較正に使用することができる。 また、製品を攪拌して、パイプ１４内の感知装置１２の領域で乱流を発生され ることによって、製品からのＳＯ₂の排除を促進できることも判明した。較正さ れた攪拌技法で、より多くのＳＯ₂が放出され、装置１２内のより高い気体濃度 がより容易に測定されるため、これは測定プロセスを助けるものである。しかし ながら、このような攪拌技法を使用するに当たり、試料中の気体濃度を正確に判 定し、制御攪拌技法を考慮して、センサ５０の測定値を適宜較正するには、試料 の正確に制御された測定も必要であることを理解されたい。 感知システム１０は最終的には、保存食品の生産を自動化するために使用され る。たとえば、システム１０を、センサ５０の結果を分析して、保存食品内の気 体濃度を計算するコンピュータ制御システムに直結することができ、濃度レベル が所定の濃度よりも高くなった場合には、制御システムが不合格な保存食品を、 たとえば、瓶詰めラインから自動的にはずすとともに、保存食品の加熱を調節し て、二酸化硫黄の「加熱除去」速度を高くし、これによって不合格な保存食品が 消費者にわたらないようにし、かつ過剰な二酸化硫黄濃度の問題を迅速に補正し て、製品の無駄を最小限とすることができる。 ポート（図示せず）の１つから室８４中へ直接注入される二酸化硫黄の試験試 料（既知の濃度の）を使用して、気体センサを定期的に較正し、システムの出力 がセンサ装置の室８４内の気体の濃度を正確に反映するようにすることができる 。 本発明の他の利点は、センサ５０が損傷を受けた場合、システム１０を取り外 し、損傷または摩耗した部品を交換するだけで、センサ５０を簡単に交換できる ことである。 パイプ１３内の製品（静止しているか、移動しているかを問わず）の温度およ び圧力を監視する感知システムについて検討してきたが、温度センサおよび圧力 センサを感知装置１２の室８４に挿入して、室内の温度および圧力を測定するこ ともできる。このような測定値はセンサ・システム１０をさらに較正するために 使用できるし、また何らかの急激な内圧および温度の変動による通気性薄膜６０ の障害を検出するのにも有用である。本発明の量産モデルにおいては、室８４の 設計に液体ドレン・バルブを含め、長期間使用することによって蓄積する凝縮物 を除去できるようにするのが有用なことが判明した。 本発明の他の実施の形態は室８４内の気体（および、システム１２の本体およ びセンサ５０）を冷却するのに、室内の水冷／流体冷パイプのアレイや、室を包 囲するウォータ・ジャケットを使用して、センサ５０を気体に露出する前に、気 体から熱を除去することなどの他の方法を利用することができる。あるいは、ペ ルチェ冷却装置を室８４内に用いて、その内部の気体から熱を除去することもで きる。第４図は第５図に示したものよりもコンパクトなセンサのアレイを備えて おり、水冷センサ装置を用いている、このような気体感知システム１０の他の実 施の形態を示す。第４図はパイプ１４の周囲に取り付けられた取付ブロック２１ ３を備えている気体感知システム２１０を示す。第１図の第１の実施の形態の装 置１２と同様な構成の気体感知装置２１２が取付ブロックに取り付けられ、通気 性薄膜（図示せず）を介して、パイプ１４の内容物と気体を連通している。ただ し、この装置２１２の熱ドレンは水冷ジャケット２２０に接続されている。さら に、ｐＨセンサ２２２と圧力センサ２２４（それぞれ、パイプ１４内の製品のｐ Ｈおよび圧力を測定する）が両方とも取付ブロック２１３に固定されている。サ ーモカップルやプラチナ抵抗温度計などの温度プローブも、製品の温度を判定す るために、この領域でパイプ２１３に挿入されている。システム１０を次いで、 ワイヤ・フレーム・カバー２３０に収納し、システムのｐＨセンサ、気体センサ 、圧力センサおよび温度センサ（ならびに、これらの電気出力）を、このような 読みに悪影響を及ぼすことのある大気の干渉から保護する。これらの遮蔽センサ の出力をシールド・ケーブル２３２によって適切なモニタに送って、センサ２１ ２内の気体濃度、ならびに製品の温度、圧力およびｐＨレベルを測定し、このデ ータを上述したように、システム１０を参照して解釈する。 本発明が保存食品製造業での用途、さらには食品および飲料業界での用途に限 定されるものではなく、流動性媒質の気体（必ずしも、二酸化硫黄である必要は ない）含有量を判定するのが必要なさまざまな状況で有利に使用できるものであ る。特別な用途はワイン業界でのものであり、この場合も、ワイン中の二酸化硫 黄の濃度が判定される。しかしながら、この用途では、室内の気体を冷却する必 要がない（ワインを加熱する必要がないため）。また、本発明はフルーツ・ジュ ース、フルーツ・ベースの飲料およびフルーツ・シロップの生産および管理でも 広く応用されると考えられる。 さらに、本発明が二酸化硫黄濃度の判定に限定されるものではなく、他の気体 センサを使用することによって、気体感知システムを該当する気体の濃度の判定 に適用できることが理解されよう。必要に応じ、センサ・システム１０を流動性 媒質に浸漬するだけにすることもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０１Ｎ 27/46 ３７１Ｇ 27/30 ３４１Ｚ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ (72)発明者 スミス，ロドニー・エドワード イギリス国 シィビー10 １ティエス・エ セックス・サフロン ウォールデン・リト ル チェスタフォード・レバン ハウス・ （番地なし) (72)発明者 スターンズ，ロジャー・ケビン イギリス国 シィダブリュ７ ２アールエ ス・チェシア・ウィンズフォード・ザ ブ ロッケンズ・バルモラル クローズ・２ (72)発明者 スカーロット，ジョン・ウィルフレッド イギリス国 エスケー12 １エヌエヌ・チ ェシア・ストックポート・ポイントン・デ ィッケンズ レーン 53 (72)発明者 ターナー，コリン・エドウィン イギリス国 エスジー８ ９エイチエス・ ハートフォードシア・ロイストン・スタイ ル プランテーション 11

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．流動性媒質から発散する気体濃度の検出用気体感知システムにおいて、前記 流動性媒質と室の間に配置され、前記気体に対して透過性で、前記流動性材料に 対して不浸透性である薄膜構造と、内部の前記気体の濃度を検出するために前記 室に対して露出し、所定の環境動作範囲を有している気体センサとを備えており 、センサの所定の作動範囲と矛盾しないようにするために前記室内の気体の物理 特性を調整する手段が設けられている気体感知システム。 ２．センサが所定の温度よりも低い動作温度限度を有していて、室および前記気 体から熱を除去して、室内の気体の温度を所定の温度よりも低くする温度制御手 段が室内に設けられている請求項１に記載のシステム。 ３．温度制御手段が室内に室の外部の熱伝導フィンに接続された熱伝導部材を有 するヒート・シンクを備えており、熱がフィンによって室外へ伝えられる請求項 ２に記載のシステム。 ４．センサが検出精度を上げるため、所定の濃度よりも低い動作濃度検出限度を 有しており、これにより室内の気体の濃度を、所定の濃度よりも低くするパージ 手段が設けられている請求項１ないし３のいずれか一項に記載のシステム。 ５．室が密閉されており、パージ手段が少なくとも２本の導管を備えており、少 なくとも１本の導管が室内への制御気体の導入を制御し、少なくとも１本の第２ の導管が気体を室から除去する請求項４に記載のシステム。 ６．流動性媒質のｐＨレベルを検出するためのｐＨセンサをさらに含んでいる請 求項１ないし５のいずれか一項に記載のシステム。 ７．ｐＨセンサがｐＨイオン感応電界効果トランジスタ・センサからなる請求項 ６に記載のシステム。 ８．流動性媒質の圧力を判定するための圧力検出手段をさらに含んでいる請求項 １ないし７項のいずれか一項に記載のシステム。 １０．流動性媒質の温度を判定するための温度検出手段を含んでいる請求項１な いし８のいずれか一項に記載のシステム。 １１．流動性媒質がパイプを通って流れ、薄膜構造が前記パイプの壁部に、パイ プの中心軸に向かって内方に向いている薄膜構造の側面が流動性媒質に少なくと も部分的に浸漬されるように配置されている請求項１ないし１０のいずれか一項 に記載のシステム。 １２．薄膜構造が強度を上げるため剛性の格子フレームによって支持されている 請求項１１に記載のシステム。 １３．気体センサが電気化学的二酸化硫黄検出器であり、薄膜手段が二酸化硫黄 に対して透過性である請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のシステム。 １４．センサがセンサ構成要素と室の間に配置された第２の通気性薄膜構造を有 している請求項１ないし１３のいずれか一項に記載のシステム。 １５．非気体流動性媒質内の溶液中に保持されている気体の濃度を検出する請求 項１ないし１４のいずれか一項に記載のシステム。 １６ 前記薄膜構造が単一の層または２層以上の複数層からなっている請求項１ ないし１５のいずれか一項に記載のシステム。 １７．所定の環境動作範囲を有している気体センサを使用して流動性媒質から発 散する気体の濃度を判定する方法において、前記気体を流動性媒質から分離し、 隔離するステップと、前記の隔離された気体の物理的特性を気体センサにさらさ れる前記気体に合わせて、その物理的特性が気体センサの所定の動作範囲と矛盾 しない状態に制御するステップとを備えている方法。 １８．気体に対して透過性であり、流動性媒質に対して不透過性である薄膜構造 を前記流動性媒質と絶縁された室の間に配置することによって気体が分離されて 、気体が前記絶縁室へ拡散できるようになる請求項１７に記載の方法。 １９．センサが所定の温度よりも低い動作温度限度を有しており、熱が隔離され た気体から除去されて、気体の熱を所定の温度より低くする請求項１７または１ ８に記載の方法。 ２０．センサが所定の濃度よりも低い動作濃度検出限度を有しており、隔離され たガスの濃度が所定の濃度に達するのを防止する請求項１７ないし１９のいずれ か一項に記載の方法。 ２１．平衡状態に達するように隔離された気体が薄膜を通って拡散したときに、 前記気体の濃度を時間について測定し、気体の平衡濃度を平衡状態に達する前の 気体濃度の増加速度から計算し、気体の濃度が所定の濃度に達する前に、室から 気体をパージする請求項１８に付加した場合の請求項２０に記載の方法。 ２２．添付図面を参照して実質的に説明したごとき気体感知システム。 ２３．請求項１７に記載し、本明細書で実質的に説明したごとき流動性媒質から 発散される気体の濃度を検出する方法。