JPS60201233A - 成分濃度測定方法 - 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】 ０）、技術分野 本発明は、サンプルガス中の成分を吸着する吸着物質を
塗布した水晶振動子に乾燥ガスとサンプルガスを交互に
流し、その周波数差からサンプルガス中の成分濃度を検
出する水分濃度測定方法に関するものでおる。

（ロ）、従来技術 乾燥ガスとサンプルガスを、サンプルガス成分を吸着す
る吸着性物質を塗布した水晶振動子に交互に流し、乾燥
ガスを流したときの水晶振動子の発振周波数ｆ１と、サ
ンプルガスを流したときの水晶振動子の発振周波数人と
の周波数差ムｆをめ、これからサンプルガス中に含まれ
る成分濃度をめる成分濃度計において、水晶振動子が温
度変動などの影響を受けた場合に、サンプルガス中の成
分濃度は一定であるにも拘わらず、水晶振動子の発振周
波数が変動し、温度変動などの影響を受ける前の安定状
態から温度変動などの影響を受けた後の安定状態に移行
する際に、水晶振動子の発振周波数ムとｈがそれぞれ時
々刻々に変動する。

このため、発振周波数ムとｆ、の周波数差Δｆが変動す
るので、ディスプレイなどの出力装置にはあたかもサン
プルガス中の成分濃度に変動が生じたかの如く出力され
るという不都合な点があった。

（ハ）、１的 本発明は、前述の従来技術の有する欠点を解消するもの
で、温度変動などの外乱による水晶振動子のサンプルガ
スを流した時と乾燥ガスを流した時の発振周波数の変動
に基づく周波数差△ｆの変動幅をできる限シ小さくなる
ような補正を行なった成分濃度測定方法を提供すること
を目的とする。

に）、構成 本発明は、測定対象成分を吸着する物質を塗布された水
晶振動子に乾燥ガスとサンプルガスとを交互に流し、そ
の発振周波数ｆ、、ｆ、の差からサンプルガス中の測定
対象成分濃度を側建するものにおいて、発振周波数ｆｔ
＋ｆｔ＋・・・ｆ＋　ｒ　ｆｘ　＋　７’：”’　＋ｆ
；　・・・を実測し、実測した発振周波数ｆ：の時間軸
と同一の時間軸上における補正周波数ｆＬは、まず発振
周波数７７＋ｌとｆことの周波数差をめ、−この周波数
差を時間間隔ｔ、−４−ｔ、にょシ除算して周波数増加
率をめ、次に周波数増加率に時間間隔ｔｌを乗算して周
波数増加分をめ、周波ｖ、′Ｒ１加分に実測した発振周
波数ｆ：を加ｐ、することにょ請求め、そして実測した
発振周波数ｆ：と補正周波数、ａ２との周波数差をめ、
また実測した発振周波数１１　の時間軸と同一の時間軸
上における補正周波数ｆ：、は、まず発振周波数ｆ；＋
１とｆ島の周波数差をめ、これを時間間隔ｔ１−１−　
ｔ、にょシ除其して周加分に実測した発振周波ａｆ二を
加算することにょ請求め、その補正周波数ｆ−と実測し
た発振周波数ｆｓ＋１との周波数差をめることにょシ、
サンプルガス中の測定対象成分濃度を検出するものであ
る。

に）、実施例 以下において、本発明の成分濃度測定方法の実施例を説
明する。

第１図は温度変動などの外乱を受け、乾燥ガスとサンプ
ルガスを交互に流したときの水晶振動子の発振周波数Ｉ
、と１２の変動状態を示すグラフであシ、第２図は本発
明の詳細な説明するためのグラフであシ、第３図は本発
明の成分濃度測定方法を実施するための装置であシ、第
４図は温度変動などの外乱を受け、水晶振動子の発振周
波数１１１ムが減少する場合の状態を示すグラフであシ
、第５図は本発明の成分濃度測定方法を実施するための
７０−チャートを示す。

第１図において、横軸に時間ｔを、縦軸に周波数ｆをと
シ、八は乾燥ガスを流したときの水晶振動子の発振周波
数を、人はサンプルガスを流したときの水晶振動子の発
振周波数を示し、■は水晶振動子が温度変動などの外乱
を受けていない安定領域を、■は水晶振動子が温度変動
などの外乱の影響を受け、発振周波数ｆ、、ｆ、が変化
しながら増加する領域を、＠は温度変動などの外乱によ
る影響を受けた後の安定領域を示す。なお、領域■にお
いては発振周波数人とｆ、は直線関係をもって変化して
いるものとする。

さて、安定領域■と＠においては、発振周波数ｆＩとｆ
、の経時変化が一定であるため、周波数差△ｆ＝　ｆ２
−　ｆ、は常に不変であり、従ってディスプレイなどの
表示装置にはサンプルガス中の成分濃度が一定である旨
が表示される。

しかし、領域■においては水晶振動子が温度変動などの
外乱によシ影替を受け、発振周波数ｆｔ＋ｆ、は順次増
加して行くので、時間ｔａとｔ４における発振周波数人
とｆ、の差周波数△ｆと、時間ｔ２と１／における発振
周波数１１とｆ、の差周波数△ｆとに差が生じることは
、図よシ明らかである。さらに、領域■における時間を
−とｔ−における発振周波数ｆ、とｆ、との差周波数△
ｆと、時間を−とｔＩ。

における発振周波数１．とｆ、との差周波数△ｆとに差
が生じるのである。このように、領域■においては差周
波数△ｆか頻繁に変動するため、ディスプレイなどの表
示装置には、実際にはサンプルガスの成分濃度が一定で
あるのに、あたかもサンプルガスの成分濃度が頻繁に変
動しているかの如き表示が行なわれることになる。

このような欠点を解消した本発明の成分濃度測定方法の
実施例を、第２図乃至第５図に基いて説明する。なお、
この説明は領域■における周波数差をめることを要点と
しているが、安定領域■。

■においても同様な手法にて周波数差をめることができ
るものである。

第２図において、発振周波数１１は時間ｔ４を起点とし
て時間ｔ、、ｔ＝、ｔ４において順次増加し、周波数ｆ
　ｔ　３７１５１　＋　’ｔｆの値を示し、発振周波数
ｆ。

は時間り＋’＆＋ｔ／において順次増加し、周波数６ｆ
　、　８ｆ　、　１０ｆを示す。時間ｔ４．りの周波数
差Δｆは５ｆであシ、時間１．と１．　、１．と１Ｌお
よびｔｊとｔ４の周波数差Δｆは３ｆであシ、時間りと
ｔ□。

１Ｌとｔ、の周波数差△ｆは５ｆである。安定領域■か
ら＠に移行する領域■においては、前述したように周波
数差△ｆが交互に頻繁に増減するものであることかわか
る。

このように領域■における周波数差△ｆの変動幅をでき
るだけ小にするため、本発明においては、時間ｔ４の発
振周波数ｆ：と時間りにおける発振周波数ｆ、との周波
数差Δｆをめるにあたって、実測した発振周波数ｆ：と
、この発振周波数ｆ：の同一時間軸上における補正した
発振周波数ｆ、ｃとの差から周波数差△ｆをめ、そして
時間ｔ、の発振周波数１７と時間ｔｔＫおける発振周波
数ｆ：　との周波数差を、実測した発振周波数ｆ：と、
この発振周波数への同一時間軸上における補正した発振
周波数ｆｅｅとの差から周波数差△ｆを交互にめるので
ある。

そのめ方については後述するが、 発振周波数がｆ：→ｆ７→ｆｎ＋１に変動しているとき
の補正周波数ｆ　′：ｅは ｔ：ｅ＝＜＜ｔ’：”−ｔ：＞／＜ｔｒ＋ｔｔ＞＋ｘｔ
Ｉ＋ｔ’：　（りの０式よりめ、次に周波数差△ｆは △ｔ＝ｔ’；−ｔ：ｃ　■ の０式からめる。

そして発振周波数がｆ；→ｆ「１→ｆ；＋１　に変動し
の０式よ請求め、次に周波数差Δｆは △ｔ　＝　７；、−，３＋Ｉ　■ の０式よ請求めるのである。

そこで、本発明の周波数補正を行なって周波数差をめる
手法について説明する。

まず、発振周波数が時間ｔ４＋’　ｔｊ　、　ｔ、にお
いて実測した発振周波数ｆ：→ｆ二→ｆ１に変動したと
きに、実測した発振周波数ｆＴ、の時間軸上に位置する
補正周波数ｆ：、を計算によりめ、この補正周波数ｆ１
ｃと発振周波数ｆ：との周波数差△ｆをめるのであるが
、これについて以下に説明する。

実測した周波数人とへの差をめると、その差は１１で示
される。次に、時間ｔ４とｔｊの時間間隔ｔ。

と時間りとりの時間間隔ｔ、との和をめ、前記した周波
数差ｆ：とｆ：との差を時間間隔ｔ１とｔ、の和で除算
すると、単位時間あたシの周波数増加率がめられる。こ
の周波数増加率に時間間隔ｔ、を乗算すると、時間ｔ４
から１．の増加した周波数分）、になる。この増加周波
数分！、に発振周波数ｆ１を加算すると、周波数ｆ；を
実測した時間ｔｊ上における補正周波数ｆＩ、がめられ
る。そして、発振周波数１．と補正周波数ｆルとの差か
ら、周波数差Δｆをめるのである。これを、前記した０
式と０式によシ示すと、補正周波数ｆＨｃと周波数差△
ｆとは ｆ：ｅ　＝　（（７：−ｆ：　）／（ｔ＋＋　ｔ＊＞）
　ｘ　ｉ１＋ｆ：Δｔ＝ｔ’、−ｔ：。

となる。

次に、時間ｔ／　＋　ｔＩ　＋　ｔＬにおいて実測した
発振周波数がｆ；→ｆ：→ｆ：に変動したときに、実測
した発振周波数ｆ：の時間軸上に位置する補正周波数ん
を計算によ請求め、この補正周波数ｆ：ｃと発振周波数
１１との周波数差△ｆをめるのであるが、これについて
以下に説明する。

実測した発振周波数ｆ：とｆ：との差をめると、その差
は、ｍｓで示される。次に、時間ｔｆとｔ。

の時間間隔ｔ、と時間ｔ、とｔ□の時間間隔１にとの和
をめ、前記した発振周波数ｆ：とｆ：との差を時間間隔
ｔ１＋ｔ’、で除算すると、その間の単位時間あたシの
周波数増加率がめられる。この周波数増加率に時間間隔
ｔ２を乗算すると、時間ｔ／からｔ　までの周波数増加
分ｍ２がめられる。この周？ 波ａ増加分に発振周波数ｆ：を加算すると、周波数バを
実測した時間り上における補正周波数ｆ：、がめられる
。そして、補正周波数ｆ：、と発振周波数ｆ２との差か
ら、周波数差△ｆをめるのである。

これを前記した０式と０式で示すと、補正周波数ｆ’ｔ
　ａと周波数差△ｆとはｆ’ｔｃ　＝　＜　（ｆｓ　−
ｆ：　）／ｌｔｒ　＋　＋ｔ）１×ｔ２＋ｆ：、Δｔ＝
ｙ’、、−ｆ：　となる。

ここで、前述した補正周波数ｆ：ｅとｆ：、と、周波数
差△ｆをめるのに例示的に数値を代入して説明する。

いま、発振周波数ｆ：　＋　ｆｔ　＋　ｆ：　＋　ｆｔ
の値をｆ、６ｆ。

３ｆ　、　８ｆで、時間間隔ｔ、とｔ、をそれぞれ１分
として、補正周波数ｆ：、と、発振周波数ｆ：と補正周
波数ｆ：ｃとの周波数差△ｆ１および補正周波数ｆ’ｉ
ｃと、これと発振周波数バとの周波数差△ｆとをめてみ
る。

補正周波数ｆ：ｃは０式によると、ｔ：、−＜＜１−バ
）／（ｔ１＋　ｔ、））　Ｘ　ｔ、十バで示されるから
、ｔ：＝ｔ、ｔ”。

３ｆを代入すると、ｆ：、＝　（（３ｆ−ｆ）／ｃｔ＋
１ｚ）ｘ　１＋ｆ＝２ｆとなシ、周波数差△ｆ＝６ｆ−
２ｆ＝４ｆとなる。

補正周波数ｆｔ、は０式　ｆＳ、＝　ｔげ”ｗ−ｆ’ｓ
　）／（ｔ＋　＋’Ｊ　’２　＋ｆｔ！で示されるから
、ｔ：＝　６１．　ｔ”ｙ　＝　ｓｆの値を代入すると
、ｔ’ｔｃ＝　（（ｓｆ−６７）１０＋１））ｘ１＋６
ｆ＝７ｆとなシ、周波数差△ｆは０式より△ｆ＝７ｆ−
３ｆ＝４ｆとなる。

このように、発振周波数ｆ、、ｆｔが直線関係をもって
増加しても、第２図に関する説明の冒頭の部分で述べた
ように周波数差△ｆが５ｆと３ｆとの値を交互に頻繁に
とることがなく、周波数差△ｆが４ｆの一定の値をとる
。

次に、本発明の成分濃度測定方法を実施するための装置
を第３図について説明する。

同図において、１は発振周波数検出器であり、この内部
にはサンプルガス中の成分を吸着する吸着性物質を塗布
した水晶振動子が設けられ、この水晶振動子に乾燥ガス
とサンプルガスが交互に流され、乾燥ガスを流したとき
の発振周波数ムとサンプルガスを流したときの発振周波
数ムとが検出される。３は、測定信号と制御信号の流れ
るパスラインである。４はＣＰＵであり、５はＲＡＭと
ＲＯＭで、発振周波数検出器１から出力される発振周波
数ｆ、、ｆ２をそれぞれのメモリに書込み、またＣＰＵ
４からの制御信号によシそれぞれのメモリに書込まれた
値を読み出されるものである。６はＤＡ変換器で、ＣＰ
Ｕ４によシ演算処理された周波数差△ｆをアナログ信号
に変換し、アナログ出力装（ｄ、　７に出力する。なお
、２はＬＥＤなどから成るディスプレイ装置である。

かかる構成の装置の作用について説明すると、発振周波
数検出器１によシ検出された発振周波数Ｌ　＋　ｆｔ　
＋ｆ：　＋　ｆ：＋１　＋・・・ｆ＊＋Ｌ”　・・・が
パスラインを経由してＲＡＭ５のメモリＭ、　、　Ｍ２
．ｅ・・に書込まれる。そして、補正周波数ｆ＋ｃ＋ｆ
ｔｃ＋ｆＩ、、・・・を順次計算するため、ＲＡ　Ｍ　
５に書込まれた発振周波数、：、ｌをＣＰ　’Ｕ　４に
読出し、その差をめる。次に、ＲＯＭにプログラムされ
た時間間隔１．　＋　１２を読出し、前記した周波数差
ｆニー八を時間間隔ｔ、　−１−ｔ、によシ除算し単位
時間あたシの周波数増加率をめ、ＲＡＭ５のメモリに書
込む。次に、周波数増加率をＲＡＭ５からＣＰＵ４に読
出し、ＲＯＭにプログラムされた時間間隔ｔ１を読出し
て時間間隔ｔ、を乗算し、発振周波数ｆ：を実測した時
間から時間間隔１．における発振周波数の増加分を演算
し、その演算値をＲＡＭ５のメモリに書込む。そして、
ＲＡＭ５のメモリに書込まれた発振周波数の増加分と発
振周波数ｆ：をＣＰＵ４に読出し、両者の加算を行なっ
て補正周波数Ｌｃをめ、これをＲＡＭ５のメモリに書込
む。そして、ＣＰＵ４にその補正周波数ｆＩｃと発振周
波数ｆＳを読出し、両者の減算を行なって周波数差△ｆ
をめ、適当な演算式によって水分濃度に換算し、ディス
プレイ装置２に表示すると共に、これをＤＡ変換器６に
よりデジタル信号に変換し、アナログ出力装置７に出力
する。

次に、ＲＡＭ５に書込まれた発振周波数ｆ：とＡをＣＰ
Ｕ４に読出し、その差をめた後にＲＡＭ５のメモリに書
込む。ＲＡＭ５に書込まれた前記した発振周波数差をＣ
ＰＵ４に読出し、時間間隔１．＋１．により除算し、単
位時間あたシの周波数増加率をめ、これをＲＡＭ５のメ
モリに書込む。

ＲＡＭ５のメモリに書込まれた周波数増加率をＣＰＵ４
に読出し、これに時間間隔ｔ２を乗算して周波数増加分
をめ、これをＲＡＭ５のメモリに書込む。ＣＰＵ４にＲ
ＡＭ５に書込まれた周波数増加分と発振周波数ｆ、とを
読出し、両者の加算を行なって補正周波数バ。をめ、こ
れをＲＡＭ５のメモリに書込む。次に、ＣＰＵ４にＲＡ
　ＩＶＩ　５に書込まれた補正周波数ｆ：、と発振周波
数ｆ：を読出し、両者の減算を行なって周波数差△ｆを
め、濃度換算のための演算処理を行ない、ディスプレイ
装置２に表示すると共にこれをＤＡ変換器６によりアナ
ログ量に変換し、これをアナログ出力装置７に出力する
。このようにして、補正周波数と周波数差とが順次求め
られ、出力される。

ここで、発振周波数ｆ、、ｆ、が温度変動などの外乱の
影響を受けて、安定状態から減少して行く場合を第４図
に基いて説明する。

発振周波数がｆ：→ｆ％→ｆ：に変化する場合の補正周
波数ｆ　ｌ、と周波数斃△ｆは、前記した■式、■式か
ら同様にしてめられる。即ち、補正周波数ｆ：、は、ｆ
：、＝　（（ｆ　：　−ｆ：　）／＜ｔ＊十へ））　ｘ
ｔｓ　＋　ｆ’ｔ　によシ、周波数差△ｆは、△ｔ　＝
　ｔニーｔ：、よ請求められる。

次に、発振周波数がｆ；→ｆｔ、→ｆ：に変化する場合
の補正周波数ｆＳ、と周波数差△ｆも、前記した■式、
■式から同様にしてめられる。即ち、補正す 周波数ｆ：、は、ｆ’ｓ、＝　（（ｆ：　−ｆ’ｓ　）
／（ら＋ｔ、））　ｘへ＋ｆ：によシ、周波数差△ｆは
、△ｆ＝ｆｔ、−バ　よ請求められる。

次に、第５図に示すフローチャートを用いて本発明の詳
細な説明する。なお、■から０はステップを示す。

測定開始によシ、ステップ■において発振周波数検出器
１から出力された発振周波数７１　＋ｆｔ　ｅｆ：’＋
ｆ：・−・かＲＡＭ５のメモリにそれぞれ読込まれる。

ステップ■において、発振周波数１７とｆ：の減算を行
なって、両者の周波数差をめる。ステップ■において、
前記した周波数差を時間間隔１．＋ｔ、によシ除算して
、単位時間あたシの周波数増加率をめる。ステップ■に
おいて、前記した周波数増加率に時間間隔ｔ、を乗算し
て周波数増加分をめる。ステップ■において、発振周波
数ｆ、に周波数増加分を加算して補正周波数ｆ：ｅをめ
る。

ステップ■において、発振周波数ｆ：と補正周波数７’
＋ｃとの差から周波数差△ｆをめる。ステップ■におい
て、周波数差△ｆかめられたか否かの判断を行ない、Ｎ
Ｏの場合はステップ■に戻Ｊ、ＹＥＳであるならば濃度
換算し表示すると同時にＤＡ変換器６を介してアナログ
出力装置７に出力すると共にステップ■に進む。ステッ
プ■において、発振周波数ｆ：とｆ：との周波数差をめ
る。ステップ■において、前記の周波数差を時間間隔１
１＋ｔ、で除算し、単位時間あたシの周波数増加率をめ
る。ステップ［相］において、周波数増加率に時間間隔
ｔ、を乗算し、周波数増加分をめる。ステップ＠におい
て、周波数増加分と発振周波数ｆ：とを加算し、補正周
波数ｆ：、をめる。ステップ＠において、補正周波数ｆ
二、と発振周波数ｔｔとの差をめ、周波数差Δｆをめる
。ステップ＠において、周波数差ムｆがめられたか台か
の判断をし、ＮＯであるならステップ■に戻ｊ５、ＹＥ
Ｓであるならディスプレイ装置２とアナログ出力装置７
に出力すると共にステップ［相］に進む。ステップ■に
おいて、測定が終了したか否かの判断をし、ＮＯである
なら、ステップ■に戻９、ＹＥＳでめるなら終了する。

以上説明した実施例において、領域■における発振周波
数は直線関係をもって増加する場合について述べである
が、非直線関係をもって増加する場合についても本発明
を適用できることは勿論である。

また、水晶振動子にサンプルガス中に含まれる測定対象
ガスを成層する物質を適宜選択することによシ、水分ば
かシではなく、例えばＳＯ，ガスやＮＨ，ガス、ｆ（、
Ｓガスなどの測定にも本発明を適用することができる。

（へ）、効果 以上説明したように本発明によると、水晶振動子にサン
プルガス中の測定対象成分を成層する物質を塗布し、こ
れに乾燥ガスとサンプルガスを交互に流し、その発振周
波数の差から測定対象成分製置を検出する成分濃度測定
方法において、実測した周波数の時間軸と同一時間軸上
において補正周波数をめ、この補正周波数と実測した周
波数との差から周波数差をめるものであるから、水晶振
動子が温度変動などの外乱を与えられてその発振周波数
が変動しても、外乱による周波数差の変動幅をできるか
ぎり抑制してその平均化をはかることができ、このため
表示装置や制御機器などの出力装置に対して外乱による
影響を与えることを防止することが可能となり、また水
晶振動子に対して温度を厳密に一定ならしめるための温
度対策が不要となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は温度変動などの外乱を受けた場合の水晶振動子
の発振周波数ｆ、とムが増加傾向で変動する状態を示す
グラフ、第２図は本発明の成分濃度測定方法の実施例を
説明するためのグラフ、第３図は本発明の成分濃度測定
方法を実施するための装置のブロック図、第４図は温度
変動などの外乱を受けた場合の水晶振動子の発振周波数
ｆ、、ｆ、が減少傾向で変動する状態を示すグラフ、第
５図は本発明の成分濃度測定方法を説明するためのフロ
ーチャートである。 図中、ムは乾燥ガスを流したときの水晶振動子の発振周
波数、ｆ２はサンプルガスを流したときの水晶振動子の
発振周波数、ｆ＋ａ＋ｆｔｅは補正周波数、１は発振周
波数検出器、２はディスプレイ装置、３はパスライン、
４はＣＰＵ、５はＲＡＭおよびＲＯＭ、　６はＤＡ変換
器、７はアナログ出力装置を示す。 第１図 第２図 −一１−首

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）、測定対象成分を吸着する物質を塗布された水晶
   振動子に乾燥ガスとサンプルガスとを交互に流し、その
   ときの発振周波数ｆ、、ｆ、の差からサンプルガス中の
   測定対象成分濃度を測定するものであって、発振周波数
   ７ｔ＋Ｚｔ＋・”　”　ｆｌ　、ｆ：’　ｌ　ｆ：”’
   　、ｆｌ”　”　”　”　ｔ”ｌ’ｌ　Ｌ／、前記実測
   した発振周波数ｆ；”の時間軸と同一の時間軸上におけ
   る補正周波数ｆｅｅをその関係式１式％ 前記した発振周波数ｆ：と補正周波数ｆｅｅとの周波数
   差をめ、前記実測した発振周波数１１　の時間軸と同一
   の時間軸上における補正と発振周波数人　との周波数差
   をめることを特徴とする成分ガス濃度測定方法。