(57)【要約】【課題】液体（溶液）中に溶解しているガスの濃度を短時間に正確に測定することができる溶存ガス濃度測定方法および装置を実現する。【解決手段】予め、ガスが溶解している液体１０の液流を溶存ガスセンサー１の気体透過膜７に作用させて気化分離してガス検出器３によってガス濃度を検出する測定をガス分圧が平衡状態になるまで行って測定経過時間と対にして保持する基準データ取得を行い、ガス濃度の実測では、被測定液体１０を通水ポンプによって基準データ取得時の液流と等しい流速に速めて溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させてガス検出器にガス濃度を検出する実測の途中において、実測データと基準データから比濃度を求めて比較し、両比濃度が整合したときには実測データに基づいて平衡状態における溶存ガス濃度を推定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが溶解している液体を溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて気化分離して該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換して溶存ガス濃度を測定する溶存ガス濃度測定方法において、
予め、ガスが溶解している液体の液流を前記溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて気化分離して該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を検出する測定をガス分圧が平衡状態になるまで行って測定経過時間と対にして保持する基準データ取得を行い、
ガス濃度の実測では、被測定液体の流速を通水ポンプによって前記基準データ取得時の液流と等しい流速に速めて前記溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を検出する実測の途中において、実測データと前記基準データから比濃度を求めて比較し、両比濃度が整合したときには前記実測データに基づいて平衡状態における溶存ガス濃度を推定することを特徴とする溶存ガス濃度測定方法。
【請求項２】
請求項１において、前記通水ポンプは、先端に前記気体透過膜に向けて開口する噴射ノズルを設けた円錐状のポンプ室内に円錐状のスクリュー型のインペラーを配置したものを使用することを特徴とする溶存ガス濃度測定方法。
【請求項３】
ガスが溶解している液体を溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて気化分離して該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換して溶存ガス濃度を測定する溶存ガス濃度測定装置において、
予め、ガスが溶解している液体の液流を前記溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて気化分離して該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を検出する測定をガス分圧が平衡状態になるまで行って測定経過時間と対にして保持する基準データ取得を行い、
ガス濃度の実測では、被測定液体の流速を通水ポンプによって前記基準データ取得時の液流と等しい流速に速めて前記溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を検出する実測の途中において、実測データと前記基準データから比濃度を求めて比較し、両比濃度が整合したときには前記実測データに基づいて平衡状態における溶存ガス濃度を推定する制御装置を設けたことを特徴とする溶存ガス濃度測定装置。
【請求項４】
請求項３において、前記通水ポンプは、先端に前記気体透過膜に向けて開口する噴射ノズルを設けた円錐状のポンプ室と、前記ポンプ室内に配置した円錐状のスクリュー型のインペラーを備えたことを特徴とする溶存ガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体（溶液）中に溶解しているガス（気体）の濃度を測定する溶存ガス濃度測定方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶液中に溶解しているガスの濃度（ガス分圧）を測定する溶存ガスセンサーは、溶液中に溶解しているガスを気体透過膜（メンブレン）によって気化分離し、分離したガスをガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を測定する構成である。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１２８２２３号公報
【特許文献２】特開平８−１５９９４３号公報
【特許文献３】特開２００１−３４８８５７号公報
【特許文献４】特開２００２−２１４１０６号公報
【特許文献５】特開２００５−１９５３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような溶存ガスセンサーを用いて溶液中に溶解している溶存ガスの濃度を測定するガス濃度測定方法および装置では、気体透過膜の界面に発生する気相と液相の境膜物質抵抗の存在により、気体透過膜を透過するガスの透過速度が低く、溶存ガスの濃度を正確に測定することができるようになるまでには極めて長時間（例えば、約１１時間）を要する問題がある。
【０００５】
このような問題を解決するために、溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させる溶液の流速を速めることにより、溶存ガス濃度の測定時間を短縮する方法が提案されている。しかしながら、地下水に溶解しているガスの濃度を測定するために、このような溶存ガスセンサーを内蔵する測定装置をボーリング孔内に垂下して地下水に溶解しているガスの濃度を測定する構成では、気体透過膜に作用させる地下水の流速を速めようとすると、狭隘な孔内で多量の地下水が移動して該孔内の地下水を撹乱してしまうことにより測定精度が低下（不安定化）する問題がある。
【０００６】
本発明の１つの目的は、液体（溶液）中に溶解しているガスの濃度を短時間に正確に測定することができる溶存ガス濃度測定方法および装置を提案することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させる溶液の流速を好ましい状態で発生させることにある。具体的には、気体透過膜に作用させる溶液の流速を速めることによる周囲の溶液の撹乱を軽減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の溶存ガス濃度測定方法は、ガスが溶解している液体を溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて気化分離して該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換して溶存ガス濃度を測定する溶存ガス濃度測定方法において、
予め、ガスが溶解している液体の液流を前記溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて気化分離して該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を検出する測定をガス分圧が平衡状態になるまで行って測定経過時間と対にして保持する基準データ取得を行い、
ガス濃度の実測では、被測定液体の流速を通水ポンプによって前記基準データ取得時の液流と等しい流速に速めて前記溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を検出する実測の途中において、実測データと前記基準データから比濃度を求めて比較し、両比濃度が整合したときには前記実測データに基づいて平衡状態における溶存ガス濃度を推定することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の溶存ガス濃度測定装置は、ガスが溶解している液体を溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて気化分離して該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換して溶存ガス濃度を測定する溶存ガス濃度測定装置において、
予め、ガスが溶解している液体の液流を前記溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて気化分離して該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を検出する測定をガス分圧が平衡状態になるまで行って測定経過時間と対にして保持する基準データ取得を行い、
ガス濃度の実測では、被測定液体の流速を通水ポンプによって前記基準データ取得時の液流と等しい流速に速めて前記溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を検出する実測の途中において、実測データと前記基準データから比濃度を求めて比較し、両比濃度が整合したときには前記実測データに基づいて平衡状態における溶存ガス濃度を推定する制御装置を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、液体（溶液）中に溶解しているガスの濃度を短時間に正確に測定することができる溶存ガス濃度測定方法および装置を実現することができる。
【００１１】
また、本発明は、溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させる溶液の流速を好ましい状態で発生させることができる。具体的には、気体透過膜に作用させる溶液の流速を速めることによる周囲の溶液の撹乱を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の溶存ガス濃度測定方法は、ガスが溶解している液体を溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて気化分離して該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換して溶存ガス濃度を測定する溶存ガス濃度測定方法において、
予め、ガスが溶解している液体の液流を前記溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて気化分離して該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を検出する測定をガス分圧が平衡状態になるまで行って測定経過時間と対にして保持する基準データ取得を行い、
ガス濃度の実測では、被測定液体の流速を先端に前記気体透過膜に向けて開口する噴射ノズルを設けた円錐状のポンプ室内に円錐状のスクリュー型のインペラーを配置した通水ポンプによって前記基準データ取得時の液流と等しい流速に速めて前記溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を検出する実測の途中において、実測データと前記基準データから比濃度を求めて比較し、両比濃度が整合したときには前記実測データに基づいて平衡状態における溶存ガス濃度を推定する。
【００１３】
また、本発明の溶存ガス濃度測定装置は、ガスが溶解している液体を溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて気化分離して該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換して溶存ガス濃度を測定する溶存ガス濃度測定装置において、
予め、ガスが溶解している液体の液流を前記溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて気化分離して該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を検出する測定をガス分圧が平衡状態になるまで行って測定経過時間と対にして保持する基準データ取得を行い、
ガス濃度の実測では、被測定液体の流速を先端に前記気体透過膜に向けて開口する噴射ノズルを設けた円錐状のポンプ室と、前記ポンプ室内に配置した円錐状のスクリュー型のインペラーを備えた通水ポンプによって前記基準データ取得時の液流と等しい流速に速めて前記溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させて該溶存ガスセンサー内のガス検出器によって電気信号に変換してガス濃度を検出する実測の途中において、実測データと前記基準データから比濃度を求めて比較し、両比濃度が整合したときには前記実測データに基づいて平衡状態における溶存ガス濃度を推定する制御装置を設ける構成とする。
【実施例１】
【００１４】
図１は、この実施例において使用する溶存ガスセンサーの縦断側面図である。
【００１５】
溶存ガスセンサー１は、円筒状の容器２内に、ガス検出器３と温度センサー４と制御回路を実装した制御回路基板５を水密状態に内蔵する。
【００１６】
溶解しているガスの濃度を検出する溶液を作用させる容器２の端面には焼結金属で形成した支持体６で支持するように気体透過膜（シリコン分離膜）７を設置し、その内側に気体透過膜７と支持体６を透過したガスを感知するガス検出器３を配置する。
【００１７】
ガス検出器３は、溶液（水）に溶解しているメタンガスの濃度測定に、熱伝導率型の検出器が適しているが、その他の形態の検出器を採用することも可能である。
【００１８】
ガス検出器３と温度センサー４は、制御処理回路基板（制御処理回路）５に接続し、防水コネクター８を介して検出ケーブル９に接続する。
【００１９】
この溶存ガスセンサー１は、１０００ｍもの高深度の溶液（地下水）中でのガス濃度測定に使用されるので、各部品やその組み合わせ部はそのような溶液中での高液圧に対応することができるように構成する。
【００２０】
この溶存ガスセンサー１は、詳しくは後述するように、気体透過膜７に被検出溶液１０を作用させると該溶液１０中に溶解しているガスが気体透過膜７によって気化分離して支持体６を透過してガス検出器２に到達することにより該ガス検出器２によってガス濃度を検出するように機能する。溶存ガス濃度は、ヘンリーの法則に従うものとして、制御処理回路基板５においてガス分圧と温度から変換して求める。
【００２１】
図２は、前述した溶存ガスセンサー１において気体透過膜７に作用させる溶液１０の流量を変えたときの測定特性であり、経過時間と測定される比濃度の関係を示している。溶液１０は、メタンガスが溶解している水である。
【００２２】
特性曲線ａは、気体透過膜７に作用させる溶液１０の流量が０ｍｌ／ｍｉｎのとき、特性曲線ｂは流量が１０ｍｌ／ｍｉｎのとき、特性曲線ｃは流量が４５ｍｌ／ｍｉｎのとき、特性曲線ｄは流量が９０ｍｌ／ｍｉｎのときのものである。
【００２３】
図３は、前記溶存ガスセンサーを使用した溶存ガス濃度測定装置の側面図であり、（ａ）は要部縦断側面図、（ｂ）は、外カバー（通水性カバー）の一部を開披して示す一部開披側面図である。
【００２４】
この実施例１における溶存ガス濃度測定装置１１は、両端をコーン状端蓋１２，１３で閉じた円筒状の通水性カバー１４で構成した細長い測定容器１５内に溶存ガスセンサー１と通水ポンプ１６とポンプ駆動モータ１７と制御箱１８を収納した構成である。
【００２５】
通水性カバー１４は、円筒状の周壁に設けた多数の通水孔１４ａによって溶液１０を内外に流通させる液流を分散して緩やかな内外流通液流にするように機能する構成である。
【００２６】
溶存ガスセンサー１は、気体透過膜７を上向きにして測定容器１５内の下部に位置するようにジャケット１９に嵌着し、このジャケット１９の上方には、ポンプ駆動モータ１７によって駆動されて前記気体透過膜７に向けて溶液１０を噴射する通水ポンプ１６を嵌着する。そして、このようにジャケット１９によって一体的に構成した溶存ガスセンサー１と通水ポンプ１６とポンプ駆動モータ１７のユニットは、通水性カバー１４の周壁との間に間隙を介在させるように該通水性カバー１４内に設置する。
【００２７】
通水ポンプ１６は、先端に前記気体透過膜７に向けて開口する噴射ノズル１６ａを設けた円錐状のポンプ室１６ｂ内に円錐状のスクリュー型のインペラー１６ｃを配置して該インペラー１６ｃをポンプ駆動モータ１７の回転軸１７ａによって回転駆動することにより、ポンプ室１６ｂの大径側部分に連通するようにジャケット１９の上方部位に形成した吸液スリット１９ａから溶液１０をポンプ室１６内に吸い込んで該ポンプ室１６ｂの先端の噴射ノズル１６ａに向けて加圧する構成である。インペラー１６ｃの先端部には上下方向を円錐形状に形成した整流器１６ｄを設けることにより、噴射ノズル１６ａに供給する溶液１０を流れを安定化する。
【００２８】
噴射ノズル１６ａは、溶存ガスセンサー１の気体透過膜７に作用させる溶液１０の速い液流の発生を少量の溶液１０によって実現することを可能にする。
【００２９】
通水ポンプ１６の噴射のズル１６ａから噴射されて溶存ガスセンサー１の気体透過膜７に当って拡散した溶液１０は、ジャケット１９の前記上方部位から離れた下方部位に設けた排液スリット１９ｂを通して排出する。
【００３０】
制御箱１８は、測定容器１５の上部に位置するように内蔵し、溶存ガスセンサー１から導出した検出ケーブル９は、ジャケット１９によって一体的に構成した溶存ガスセンサー１と通水ポンプ１６とポンプ駆動モータ１７のユニットの外周と通水性カバー１４の間の間隙を通して制御箱１８に接続し、ポンプ駆動モータ１７はポンプ制御ケーブル２０によって制御箱１８に接続し、制御箱１８から導出した外部接続ケーブル２１は、コーン状端蓋１２を貫通させて外部（地上）の主制御装置２２に接続するように延伸させる。
【００３１】
この溶存ガス濃度測定装置１１は、１０００ｍもの高深度の溶液（地下水）中でガス濃度の測定を行うので、そのような溶液中での高液（水）圧に対応することができるように構成する。
【００３２】
主制御装置２２は、制御処理回路基板５やポンプ駆動モータ１７や制御箱１８に給電する電源装置２２ａと計測制御や検出データの処理を実行する情報処理装置（小型コンピュータ）２２ｂを備える。
【００３３】
次に、通水ポンプ１６によって溶存ガスセンサー１の気体透過膜７に作用させる溶液１０の好ましい流速について説明する。
【００３４】
図４は、ポンプ駆動モータ１７に印加する印加電圧と通水ポンプ１６の噴射ノズル１６ａから噴射する溶液１０の流量の関係を示す特性図、図５は、ポンプ駆動モータ１７に印加する印加電圧と通水ポンプ１６の噴射ノズル１６ａから噴射する溶液１０の流速の関係を示す特性図であり、それぞれ、溶液１０はメタンガスが溶解している水であり、噴射ノズル１６ａの開口径φが２ｍｍと４ｍｍの場合を示している。
【００３５】
通水ポンプ１６の噴射ノズル１６ａから噴射する水１０の流量は、図４に示すように、ポンプ駆動モータ１７に印加する印加電圧の上昇に伴って増加し、流速は、図５に示すように、ポンプ駆動モータ１７に印加する印加電圧の上昇に伴って増加する。
【００３６】
このように少ない流量で速い流速の水（溶液）１０を溶存ガスセンサー１の気体透過膜７に作用させる水流発生装置は、円錐状のポンプ室１６ｂと円錐状のスクリュー型のインペラー１６ｃを組み合わせて水１０を加圧して小径の噴射ノズル１６ａから気体透過膜７に向けて噴射するように構成した通水ポンプ１６が好適であり、噴射ノズル１６ａの先端の開口径ψは、２〜４ｍｍ程度が実用的である。
【００３７】
また、このような水流発生装置は、単純な装置構成であることから、装置の小型化が容易であり、耐水圧性能の確保も容易である。
【００３８】
そして、このような溶存ガス濃度測定装置１１は、狭隘なボーリング孔内に垂下して地下水に溶解しているガスの濃度を測定する場合に、気体透過膜７に作用させる水の流速を速めても、前記通水性カバー１０の液流緩和作用も機能することにより、狭隘な孔内で移動する地下水は少量，低水流で済むことから該孔内の地下水を撹乱して測定精度が不安定になるようなことがない。
【００３９】
次に、この溶存ガス濃度測定装置１１を使用した溶存ガス測定方法について説明する。この実施例における溶存ガス測定方法は、溶存ガス濃度測定装置１１を使用した溶存ガス測定の途中までの検出データに基づいて溶液１０中のガス濃度（またはガス分圧）を推定する方法である。この測定（推定）は、主制御装置２２における情報処理装置が実行する測定処理プログラムによる支援によって実施する。
【００４０】
同一の溶存ガスセンサー１の気体透過膜７に溶液１０の液流を作用させることにより該溶液１０に溶解しているガスの濃度を測定するとき、気体透過膜７に作用する溶液１０の液流が同一であると、ガス検出器３が検出するガスの比濃度（ガス分圧比）と測定時間の関係は、図６に示すように、溶液１０中の溶存ガス濃度の違いによらずに一義的な関係を示す。ここで、比濃度，分圧比は、ガス検出器３の測定（検出）値を平衡状態、つまり、溶液１０中のガス濃度とガス検出器３の測定（検出）濃度が等しくなり定常状態に至ったときの値で正規化して得られる値のことである。従って、図７に示すように、予め溶存ガス測定装置１１によって平衡状態になるまでの基準データを取得しておき、実測するときの測定途中の段階において該途中段階までの実測データから求めた実測比濃度と予め取得しておいた基準データから求めた基準比濃度を比較し、両者が等しくなれば、基準データの検出特性と途中までの実測データに基づいて定常状態に至るときのガス濃度を推定することができる。
【００４１】
図８は、このようにして溶存ガスを測定および推定する方法と該方法を支援するために主制御装置２２における情報処理装置２２ｂが実行する処理のブロック図である。
【００４２】
まず、基準データを取得するための処理について説明する。
【００４３】
ステップＳ１０１
通水ポンプ１６を起動して溶存ガス濃度測定装置１１における溶存ガスセンサー１の気体透過膜７に向けて実測と等しい条件で溶液１０の液流を継続的に作用させる。
【００４４】
ステップＳ１０２
所定の経過時間毎に溶存ガスセンサー１から検出データ（ガス濃度検出信号）を取得して経過時間と対にして保持する。
【００４５】
ステップＳ１０３
検出データ（検出ガス濃度）が平衡状態（溶液１０中に溶解しているガスの濃度）に到達したかどうかを監視して処理を分岐する。検出データが平衡状態に未達のときにはステップＳ１０２に戻る。
【００４６】
ステップＳ１０４
検出データが平衡状態に到達したときには、ステップＳ１０２で保持した検出データを基準データとして取得して保持する。
【００４７】
ステップＳ１０５
通水ポンプ１６の運転を停止して基準データの取得を終了する。
【００４８】
次に、溶液１０に溶解している溶存ガスの実測および推定について説明する。
【００４９】
ステップＳ２０１
溶存ガス濃度を測定する被測定溶液１０中に溶存ガス濃度測定装置１１を投入し、通水ポンプ１６を起動して溶存ガス濃度測定装置１１における溶存ガスセンサー１の気体透過膜７に向けて溶液１０の液流を継続的に作用させる。
【００５０】
ステップＳ２０２
所定の経過時間毎に溶存ガスセンサー１から検出データ（実測ガス濃度検出信号）を取得して経過時間と対にして保持する。
【００５１】
ステップＳ２０３
検出データ（実測ガス濃度）の比濃度（実測比濃度）を先に取得して保持している基準データ（基準ガス濃度）の基準比濃度と等しい経過時間において対比する。
【００５２】
ステップＳ２０４
検出データの比濃度と基準データの比濃度が整合したかどうかを監視して処理を分岐する。両比濃度が不整合のときにはステップＳ２０２に戻る。
【００５３】
ステップＳ２０５
検出データの比濃度と基準データの比濃度が整合したときには、保持している実測ガス濃度の値を表示する。後述するように測定ガス濃度を推定するときに好ましい推定精度を確保するためには、比濃度が０．５以上になるまで実測ガス濃度信号を取得することが望ましい。
【００５４】
ステップＳ２０６
取得した実測ガス濃度に基づいて平衡状態に到達したときの測定ガス濃度を推定して表示すると共に保持する。
【００５５】
ステップＳ２０７
通水ポンプ１６の運転を停止して溶存ガス濃度の実測および推定を終了する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施例１において使用する溶存ガスセンサーの縦断側面図である。
【図２】本発明の実施例１において使用する溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用させる溶液の流量を変えたときの測定特性図である。
【図３】本発明の実施例１の溶存ガス濃度測定装置の側面図であり、（ａ）は要部縦断側面図、（ｂ）は、通水性カバーの一部を開披して示す一部開披側面図である。
【図４】ポンプ駆動モータに印加する印加電圧と通水ポンプの噴射ノズルから噴射する溶液の流量の関係を示す特性図である。
【図５】ポンプ駆動モータに印加する印加電圧と通水ポンプの噴射ノズルから噴射する溶液の流速の関係を示す特性図である。
【図６】溶存ガスセンサーの気体透過膜に作用する溶液の液流が同一であるときのガス検出器が検出するガスの比濃度（ガス分圧比）と測定時間の関係を示す特性図である。
【図７】本発明の実施例１の溶存ガス濃度測定における濃度推定方法の概念を示す図である。
【図８】本発明の実施例１の溶存ガス濃度測定装置における主制御装置の情報処理装置が実行する処理のブロック図である。
【符号の説明】
【００５７】
１…溶存ガスセンサー、２…容器、３…ガス検出器、５…制御処理回路基板、７…気体透過膜、１０…被検出溶液、１１…溶存ガス濃度測定装置、１４…通水性カバー、１４ａ…通水孔、１５…測定容器、１６…通水ポンプ、１６ａ…噴射ノズル、１６ｂ…ポンプ室、１６ｃ…インぺラー、１６ｄ…整流器、１７…ポンプ駆動モータ、１９…ジャケット、１９ａ…吸液スリット、１９ｂ…排液スリット、２２…主制御装置、２２ａ…情報処理装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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