JPS5819548A - 物質中の揮発性有機物の検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、物質中の揮発性有機物の検出装置に関するも
ので、特にガスによって抵抗値が変化するガス検出素子
を用いて物質中の残存溶剤、可塑剤、樹脂成分、リグニ
ン等の揮発性有機物を検出する装置に関するものである
。なお、ここにいう揮発性とは常温における性質のみを
いうのではなく、加熱された場合における性質をも含む
ものとする。

８ｎ　Ｏ□、ＺｎＯ１Ｆｅ２０３、ＣｏＯ等の金属酸化
物半導体の抵抗値が、雰囲気中の可燃性ガスにより変化
することはよく知られている。

また、金属・酸化物半導体の熱伝導度がガスの吸脱着に
より変化すること、酸化触媒の表面における可燃性ガス
の接触燃焼により酸化触媒の温度が変化しガスを検出し
うろことも広く知られていもこのような金属酸化物半導
体や触媒からなるガス検出素子を、物質中、すなわち固
体・液体中の残存溶媒等の検出に利用する場合には、以
下の問題が考えられる。

■　ガス検出素子は、雰囲気中の有機物蒸気を検出する
もので、直接固体や液体中の揮発性有機物を検出するも
のではない。

■　したがって、蒸発により気化した揮発性有機物を検
出して、間接的に物質中の揮発性有機物を検出するしか
ないが、蒸発を自然蒸発にゆだねると以下の理由により
検出精度が得られないＯ ■　常温での蒸気圧が低い有機物の場合には、検出が困
難である。

■　常温である程度の蒸気圧をもつ有機物でも、雰囲気
中の蒸気濃度は気流によ？て変化し、物質中の揮発性有
機物の濃度に直接対応しない。

■　物質中からの揮発性有機物の蒸発速度は１、周囲の
温度によって変化する。

■　これらの揮発性有機物を検出すべき作業環境中アは
、同時に他の溶剤が使用されたり、乾燥炉が用いら扛た
りするのが普通であるため、パックグラウンド中に含ｉ
詐る可燃性ガスの効果を除かねばならない。

本発明は、常温での蒸気王の低い揮発性有機物をも検出
しうるようにするとともに、周囲の気流や温度の影響、
バックグラウンドの影響を受けないようにした、物質中
の揮発性有機物の検出装置を提供することを目的にする
。

本発明は、ガ′スによって抵抗値が変化する金属酸化物
半導体からなるガス検出素子に直列に抵抗および電源を
接続し、前記抵抗への印加電子を増幅してブザー・メー
ター等の報知手段へ入力する増幅手段を設けるとともに
、ガス検出素子および被検物質の双方を加熱するヒータ
を設け、かつガス検出素子およびヒータと被検物質との
距離１一定に保つ位置制御手段と、被検物質から発生し
た気体をガス検出素子へ導く気体導入手段を設けた物質
中の揮発性有機物検出装置からなるものである。

以下に図面を参照しつつ、本発明の装置の実施例につい
て説明する。

第１図は、本発明に用いるガス検出素子、ヒータ、気体
導入手段、位置制御手段が一体に組み合さｎた状態の１
例を示すものである。図に３いて（１）は、有機蒸気を
検出するためのガス検出素子で、円筒状の耐熱性絶縁物
からなる基体（２）の上に、８ｎ０２．　Ｚｎ　０１Ｆ
ｅ２０３、ＣｏＯ等ノ金属酸化物半導体を塗布したもの
である。基体（２）の表面には図示しない一対の電極が
印刷により設けられて′＆狐金金属酸化物半導体抵抗値
を検出する。電極にはリード線を介しそ、１対の電極用
のピン（３）が接続してあり、ガス検出素子（１）の抵
抗値を外部に取りだす。なおここでは基体（２）を用い
たガス検出素子（１）について説明したが、これ以外に
ペレット状のもの等の種々の形状のガス検出素子を利用
してもよい。（４）はガス検出素子（１）＆よび図示し
ない被検物質の双方を加熱するだめのヒータで、基体（
２）の内部に挿通してあり、ヒータ用のビン（５）を介
して外部に接続される。なおヒータ（４）の形状はガス
検出素子（１）の形状にあわせて自由に変えることがで
きる。例えば、ベレット状のガス検出素子に対して、そ
の内部に埋鰻する、またはガス検出素子を取りかこむ位
置にコイル状にして設けてもよいつまたヒー″夕（４）
は、ガス検出素子（１）のみでなく被検物質をも加熱す
るものであるから、双方への一伝導を考慮し、双方とも
最適温度に加熱しうるような位置に取９つける必要があ
る。例えば第１藺のものは、ガス検出素子（１）を比較
的高温まで加熱し被検物質をあまり加熱しない場合に有
効である。

検出すべき揮発性有機物の沸点が高く、被検物質合には
、ヒータ（４）をガス検出素子（１）と防爆吊金−−タ
（４）のカバーであ転、その下面には防爆用の金銅（６
）が、その頂面には図示しない防爆用金鋼が設けられ、
カバー（７）および２つの防爆用金鋼、により、気体導
入手段を構成して伝る。（８）は位置制御手段で、カバ
ー（７）の底面に設けられた３つのテフロン製の突起か
らなり、ヒータ（４）およびガス検知素子＜１）と被検
物質との距離を例えばＩＷＭ程度に制御し、被検物質へ
のヒータ（４）からの熱伝導を制御するとともに、防爆
用金鋼（６）ヲ介しての周囲の気体のカバー（７）内部
へめ流入を制御する。すなわ転位置制御手段（８）の突
起の高さが小さい場合には、カバー（７）内部への周囲
の気体の対流が制御され、カバー（７）内の雰囲気は被
検物質内部からの気体の拡散によるものが主となる。従
って、カバー（７）内部の有−物蒸気の濃度は著しく高
くなる。これに対して、位置制御手段（８）の突起が大
きい場合は、カバー（７）内の気体は、カバー（７）と
被検物質の間のすきまから流入した周囲の気体を主とす
るものになり、カバー（７）内部の有機物蒸気の濃度は
低下する。な２位置制御手段として、突起に代えて、カ
バー（７）全体を他のアーム等によりつ抄さげて位置を
制御するようにしたもの等を用いることもできる。

第２図ないし第４図は、本発明において用いる検出回路
を例示したものである。第２図において、Ｑカはガス検
出素子で、直列に２つの抵抗（２）、（Ｌｌおよび電源
Ｑ４が接続しである。（至）はヒータでガス検出素子ａ
ｌｈよび図示しない被検物質を加熱する。

抵抗（至）には増幅器ａ″ｈが接続され、ガス検出素子
ＱＣの抵抗値は、増幅器α力を介して、ブザー、メータ
ー等の報知手段（至）へ入力さｎ１揮発性有機物の濃度
を表示する。

第３図は、ＮＴ（３サー薯スタａ・を利用して温度補償
を行ったものである。本発明で用いるガス検出素子は、
周囲温度への依存性をもつので、これをサーミスタｏ呻
により補償したものである。

第４図は、ＮＴＣサーミスタ（ホ）により、被検物質の
表面温度を検出して、ヒータ０１への通電量を制御する
ようにしたものである。

本発明は、ヒータ（至）により被検物質を加熱し、揮発
性有機物を気化させガス検知素子α力にょ秒検出するも
のであるが、有機物の蒸発速度は被検物質の表面温度に
よって変化するので被検物質の温度の変動に対応した補
償を行うことが検出精度の向上のために望ましい。サー
ミスタ（ホ）は、被検物質の表面一温度を検出するため
、防爆用金鋼の下面等に取りつけることが望ましいが、
ヒータの加熱による被検物質の温度上昇社はぼ一定であ
るので、周囲温度を検出する位置に取りつけてもよい。

なお、第８図の回路と第４図の回路を組み合せて２つの
サーミスタを用いて温度補償を行ってもよい。

つぎに、第１図のガス検出素子、ヒータ、位置制御手段
、気体導入手段を第２図の検出回路と組み合せて、物質
中の揮発性有機物を検出する場合について説明する。

ヒータ（４）に通電すると、ガス検出素子（１）は加熱
され、検出すべき揮発性有機物に対して大きな抵抗の変
化と応答速度をもつようになる。なおガス検出素子（１
）の特性は加熱温度により変化するため。

検出すべき有機物に対して、最良の感度と応答速度をも
つ温度に加熱するのが望ましい。ヒータ（４）からの熱
は、防爆用金鋼（６）を介して被検物質に伝わる。これ
によって被検物質は、内部での熱伝導とヒータからの熱
の流ｎの２つの要素によって定まる温度まで加熱される
。な訃被検物質の加熱ａ有機物を気化させることを目的
とするものであるから、気体導入手段に接した部分だけ
の局所的加熱でよく、また加熱が一時的で、被検物質の
表面温度が定常温度に遅さなくても、測定の再現性が保
たれる隣り問題がない。

被検物質の加熱によって、揮発性有機物の蒸気圧は著し
く増大し、多量の有機物蒸気が気体導入手段を経てガス
検出素子（１）へ流入する。有機物の蒸発量やｉ発速度
は、その含有量ｐよび加熱温度によって定まるが、加熱
温度はヒータ（４）により制御さｎて一定であるので、
揮発性有機物の含有量のみで定まる仁とになる。従って
物質中の揮発性有機物の含有量に対応した濃度の蒸気が
得られる。

また加熱によって気化させるので、高濃度の蒸気が得ら
れ、含有量が少ない場合、沸点が高い物質の場合でも有
−に検出できる。な訃揮発性有機物が２種以上含まれる
場合には、検出すべき有機物が選択的に気化するように
加熱温度と加熱時間をえらぶようにする。例えば、グリ
セリン中のエタノールを検出する場合には、加熱温度を
６０℃程度に低くシ、エタノールのみを気化させるよう
にする。

加熱により気化した有機物は、気体導入手段を経て、ガ
ス検出素子（１）にふれて恰出される。この場合に、蒸
気の流れは、拡散νよび加熱によって制御しであるので
、周囲の気流の影響がない。

な２以上の説明は、金属酸化物半導体からなるガス検出
素子を用いた場合を例として説明した力ことｎに代えて
他のガス検出素子、例えば接触燃焼型ガス検出素子、あ
るいは熱伝導度型ガス検出素子を用いても〜よい。これ
らのガス検出素子は、測温抵抗体をヒータとして兼用す
るもの゛であり、本発明にいうヒータには、これらの測
温抵抗体も含まれる。なお、接触燃焼型ガス検出素子を
用いる場合や熱伝導度型ガス検出素子を用いる場合の検
出回路を第１０図に示す。図において、（ロ）はガス検
出素子、（至）はガス検出素子の補償素子、（至）は差
動増幅器、（至）はブザー、メーター等の表示手段であ
る。

このようｉ本発明では、揮発性有機物の蒸発過程を制御
するとともに、蒸気の流れを制御しているため、物質中
の揮発性有機物の含有量に対応した有機物の蒸気を高濃
度で得ることができ、気温の変動や周囲気流の影響や、
パックグラウンド中の可燃性ガスの影響を受けずに高感
度で検出ができる。また本来気体中のガス成分しか検出
できないガス検出素子によって、固体や液体中の揮発性
有機物の検出ができる。

以下に、本発明の効果の確認のため行った実験例につい
て説明する。

鉱石の浮遊選鉱に用いた溶剤の残存量を検出す乞０銅鉱
石を粉砕、したものを試料とし、これに溶剤としてパイ
ン油（沸点１ｔ９ｏ℃）を添加し混合する。添加範囲は
０．１重量％から０．６重量％である。これに第１図の
装置と第２図の検出回路を組み合せたものを検出装置と
して検出を行った。

なｐガス検出素子Ω温度は、試料と未接触の状態で４７
０℃、試料と接触中は４５０℃であった。

また室温は２５℃で、銅鉱石の表面温度を約４５℃にな
るように加熱°した。その結果を第５図に示す。図中、
横軸はパイン油の重量％ｆＩ１１度を、縦軸はガス検出
素子の電気伝導度をμｎ単位で示したものである。

実験例−２ 被検物質の加熱温度の影響を調べるために、以下の実験
を行った。試料として、鋼板に油性塗料（ポリ酢酸ビニ
ル４０重量部及び酸化亜鉛粉末４０重量部を２０重量部
の酢酸イソブチルと混和したもの）を塗布し、室温で５
分間乾燥させたものを用いた。なお酢酸イソブチルの飽
和蒸気子は下表の通りである。

第１表 実験装置は、実験例−１と同じものを用い、室温は２５
℃で、ガス検出素子の温度は、大気中で４７０℃、試料
に接している状態で４３０℃であった、また試料の温度
を変えるため、防場面の下部に補助ヒータを取りつけた
。結果を第６図に示す。図において、横軸は試料の表面
温度、縦軸はガス検出素子の電気伝導度を示す。試料の
加熱温度が低いと、酢酸インブチルの蒸気子が低いたべ
検出感度も低く検出結果の温度依存性も゛大きい。

加熱温度を高めると、６０℃附近から検出感度は飽和し
はじめ、加熱温度への依存性が小さくなんこれは、飽°
和蒸気田の一温度依存性が高温で小さくなること、及び
蒸発速度が大きいため酢酸イソブチルがただちに蒸発し
□、温度をあげ１も蒸発量があまり変らないことによる
ものと思ゎｎる。

実′験例−３ 検出結果への周囲温度の影響をしらべるため、実験例２
の装置と試料をそのまま用いたものと、第１図の装置と
第４図の回路を組み合せた装置で同じ試料について検出
を行ったものを比較する。

実験では、周囲温度を０℃から４０゛℃まで変化させた
。

試料の加熱温度は、室温が２−０℃のときに７０℃とな
るようにした。結果を゛第７図に示す。図において破線
は、第２図の横置回路を用いた場合の結果を、実線は第
４図′の検出回蕗を用いて温度補償を行った場合の結果
を示す。

実験例−４ 本発明により塗料皮膜の乾燥状態を検出し−うろことを
確認するため、塗布後の乾燥時間の異なる各試料につい
て測ｅｔ行った。実験装置には実験例２のものを、試料
には実験例２のもので、塗布後、５分間、１０分間、２
０分間、１時間、自然乾燥したものをそれぞれ用いた。

結果を第８図に示す。図において横軸は時間を分単位で
示し、縦軸はガス検出素子の電気伝導度をμ６単位で示
したものである。装置は、時刻１分から２分の間は未塗
装の鋼板に、３分から４分の間は塗布後５分の鋼板に、
５分から６分の間は塗布後１０分の鋼板に、７分から８
分の間は塗布後２０分の鋼板に、９分から１０分の間は
塗布後１時間の鋼板にそれぞれ接している。図からあき
らかなように、塗料皮、漠の乾燥状態によって、ガス検
出素子の出力は大きく変化し、また応答時間も短い。

実験例−５ 本発明を、厚膜印刷ペーストの乾燥状態の検出に用いた
。ペーストとして、銀粉５０重量部、鉛ガラス粉末３０
重量部に種々の濃度のヒマシ油を混和したものを用い、
シート状のアルミナ基板にペーストを塗布し、最高温度
１２０℃のトンネル炉により乾燥して試料とじた。なお
アルミナシートの移動速間は４０ｃＩｌ／分とした。検
出装置には、第１図のものを第２図の回路と組み合せた
ものを用い、ペーストの汚染をさけるため、第１図の位
置制御手段（８）ヲ取９はすし、アームによりペースト
から０．８　ｗｇ浮かして検出を行った。ペースト表面
の加熱温度は９０℃とした。結果を第９図に示す。図に
Ｐいて、１での試料はヒマシ油２０重量部を混和したペ
ースｉ用いた場合のもので、ｌでの試料はヒマシ油８０
重量部、■での試料はヒマシ油４０重量部を、それぞれ
混和したものである。

実験例−６ 本発明を種々の用途に適応した場合の結果を第２表に示
す。なお検出条件は、実験例−１と同じである。表に２
いて、Ｔｌは試料と接触している時のガス検出素子の温
度を、ｌ１２は、試料の表面加熱温度を、ＲＯは大気中
でのガス検出素子の抵抗値を、Ｒは試料と接触中のガス
検出素子の抵抗値をそれぞれ示している。

゛　なｈ−１本発明の効、果について、金属酸化物半一
体からなるガス検出素子を例として説明したが、他のガ
ス検出素子、例えば接触燃焼型ガス検出素子、あるいは
熱伝導度型ガス検出素子を用いた場合も同様の効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる素子の一部切り欠き側面図であ
る。第２図ないし第４図は、本発明に用いる検出回路を
例示したものである。第５図ないし第９図は、本発明に
よる検出結果を示すものである。第５図は、銅鉱石中の
パイン油の含有量を検出した結果を、第６２図は、塗料
皮膜の表面加熱温度と素子の電気伝導度の関係を、第７
図は周囲温度と素子の電気伝導度の関係を、第８図は塗
料皮膜の乾燥時間と素子の電気伝導度の関係を、第９図
は、厚膜ペーストの乾燥状態と素子の電気伝導度の関係
を示す。第１θ図は、本発明に用いる他の検出回路の１
例を示すものである。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５１！Ｘ 第７図 第８図 Ｔ（ｍｉｒｄ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガスによって抵抗値が変化する金属酸化物半導体からな
   るガス検出素子に直列に抵抗および電源を接続し、前記
   抵抗への印加電王を増幅してブザー・メーター等の報知
   手段へ入力する増幅手段を設けるとともに、ガス検出素
   子および被検物質の双方を加熱するヒータを設け、かつ
   ガス検出素子およびヒータと被検物質との距離を一定に
   保つ位置制御手段と、被検物質から発生した気体をガス
   検出素子へ導く気体導、入手段を設けたことを特徴とす
   る物質中の揮発性有機物の検出装置。