(57)【要約】【課題】運搬が容易で、牛や馬の呼気ガスに含まれる低濃度域の水素と高濃度域のメタンを共に検出することができる畜産用呼気検査装置を提供する。【解決手段】畜産用呼気検査装置は、清浄空気と共に牛又は馬の呼気ガスが供給され、呼気ガス中のガス成分に応じて流動遅延を生じさせる部材を充填したガス分離カラムと、１〜１００ｐｐｍの濃度範囲の水素、１０〜４０００ｐｐｍの濃度範囲のメタン及び１０〜１００ｐｐｍの濃度範囲の一酸化炭素に対して感度を有し、ガス分離カラムの排気側に設けられて、呼気ガスに含まれるＨ２、ＣＨ４、ＣＯのガス濃度に応じた出力を順次発生する半導体ガスセンサ３０と、半導体ガスセンサ３０の出力のピークおよびリテンションタイムをもとにＨ２、ＣＨ４、ＣＯのガス濃度をそれぞれ求める演算処理部３３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス成分に応じて流動遅延を生じさせる部材を充填したガス分離カラムと、空気をキャリアガスとして前記ガス分離カラムの吸気側からガス分離カラム内にガス流路を介して圧送する圧送手段と、前記ガス流路の途中に設けられ、該ガス流路内の前記キャリアガス中に牛又は馬の何れかの呼気ガスを供給するガス供給口と、１〜１００ｐｐｍの濃度範囲の水素、１０〜４０００ｐｐｍの濃度範囲のメタン及び１０〜１００ｐｐｍの濃度範囲の一酸化炭素に対して感度を有し、前記ガス分離カラムの排気側に設けられて、前記呼気ガスに含まれる水素、メタン、一酸化炭素のガス濃度に応じた出力を順次発生する半導体ガスセンサと、水素、メタン、一酸化炭素のリテンションタイムおよび前記半導体ガスセンサの出力のピークと該出力のピークに対応したガス濃度データとを対応付けた検量線データを記憶する記憶手段と、前記半導体ガスセンサの出力のピークおよびリテンションタイムと前記検量線データとをもとにして水素、メタン、一酸化炭素のガス濃度をそれぞれ求める濃度検出手段とを備えて成ることを特徴とする畜産用呼気検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、畜産用呼気検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、畜産の分野では、牛や馬の消化器疾患を発見するために、牛や馬の呼気ガスを採取し、呼気ガスに含まれている水素及びメタンのガス濃度を検出し、水素及びメタンのガス濃度を所定の判定値と比較することによって、消化器疾患のある疑いが高い牛や馬を選別することが行われている。そして、呼気ガスに含まれる水素及びメタンのガス濃度を分離、測定するために、ガスクロマトグラフ装置を用いることが検討されている。ガスクロマトグラフ装置は、ガス中の成分の定性・定量分析に広く用いられており、これは被測定ガスをキャリアガスと共に、充填材が充填されているガス分離カラムに導入し、被測定ガス中に含まれるガス成分がガス分離カラム中の充填材との相互作用によるリテンションタイム差により分離され、この分離されたガス成分をガス分離カラムから導出して、熱伝導度検出器（ＴＣＤ）や水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）等の検出器にて検出することにより、クロマトグラムが得られるものである（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２５４９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、馬や牛のような動物では、疾患の無い場合とある場合とで呼気ガス中の水素濃度及びメタン濃度が以下のように変化することが判明している。馬の主な疾患は結腸捻転、腸炎、臍ヘルニアなどの消化器疾患であり、馬の呼気ガス中の水素濃度は正常時が３ｐｐｍ以下であるのに対して、疾患がある場合には１０ｐｐｍ以上に増加する。また、馬の呼気ガス中のメタン濃度は正常時が２００ｐｐｍ以上であるのに対して、疾患がある場合には１００ｐｐｍ以下に低下する。一方、牛の主な疾患はＬＤＡ（第四胃左方変異）やＲＤＡ（第四胃右方変異）であり、第一胃でもＬＤＡやＲＤＡが発生する場合がある。そして、牛の呼気ガス中の水素濃度は正常時が１５ｐｐｍ以上であるのに対して、疾患がある場合には５ｐｐｍ以下に低下する。また、牛の呼気ガス中のメタン濃度は正常時が６００ｐｐｍ以上であるのに対して、疾患がある場合には３００ｐｐｍ以下に低下する。
【０００４】
したがって、呼気ガス中の水素ガス濃度及びメタンガス濃度から疾患の有無を判定するためには、水素ガスでは数ｐｐｍから十数ｐｐｍの低濃度範囲でガスを検出することが求められ、またメタンガスでは数百ｐｐｍ程度の高濃度範囲でガスを検出することが要求されるのであるが、従来のガスクロマトグラフ装置では低濃度域の水素と高濃度域のメタンを共に検出することができず、牛や馬の疾患の有無を正確に判定することができなかった。
【０００５】
また従来のガスクロマトグラフ装置は、ガスボンベに蓄積されたガスをキャリアガスとして利用しているため、ガスクロマトグラフ装置を持ち運ぶ際にガスボンベを持って移動しなければならず、使い勝手が悪いという問題があった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、運搬が容易で、牛や馬の呼気ガスに含まれる低濃度域の水素と高濃度域のメタンを共に検出することができる畜産用呼気検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ガス成分に応じて流動遅延を生じさせる部材を充填したガス分離カラムと、空気をキャリアガスとしてガス分離カラムの吸気側からガス分離カラム内にガス流路を介して圧送する圧送手段と、ガス流路の途中に設けられ、該ガス流路内のキャリアガス中に牛又は馬の何れかの呼気ガスを供給するガス供給口と、１〜１００ｐｐｍの濃度範囲の水素、１０〜４０００ｐｐｍの濃度範囲のメタン及び１０〜１００ｐｐｍの濃度範囲の一酸化炭素に対して感度を有し、ガス分離カラムの排気側に設けられて、呼気ガスに含まれる水素、メタン、一酸化炭素のガス濃度に応じた出力を順次発生する半導体ガスセンサと、水素、メタン、一酸化炭素のリテンションタイムおよび半導体ガスセンサの出力のピークと該出力のピークに対応したガス濃度データとを対応付けた検量線データを記憶する記憶手段と、半導体ガスセンサの出力のピークおよびリテンションタイムと検量線データとをもとにして水素、メタン、一酸化炭素のガス濃度をそれぞれ求める濃度検出手段とを備えて成ることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、１〜１００ｐｐｍの濃度範囲の水素と、１０〜４０００ｐｐｍの濃度範囲のメタンとに感度を有する半導体ガスセンサを用い、この半導体ガスセンサの出力のピークおよびリテンションタイムと検量線データとをもとにして濃度検出手段が水素およびメタンのガス濃度をそれぞれ求めているので、低濃度域の水素と高濃度域のメタンを共に検出することができる。しかも半導体ガスセンサは、１０〜１００ｐｐｍの濃度範囲の一酸化炭素に対して感度を有しているので、濃度検出手段では、水素およびメタンに加えて、一酸化炭素を１０〜１００ｐｐｍの濃度範囲で検出することができる。そのうえ空気をキャリアガスとしているので、所定のガスをキャリアガスとして充填したガスボンベをガス検出装置と一緒に持ち運んで使用する必要が無く、運搬が容易なガス検出装置を実現することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、１〜１００ｐｐｍの濃度範囲の水素と、１０〜４０００ｐｐｍの濃度範囲のメタンとに感度を有する半導体ガスセンサを用い、この半導体ガスセンサの出力のピークおよびリテンションタイムと検量線データとをもとにして濃度検出手段が水素およびメタンのガス濃度をそれぞれ求めているので、低濃度域の水素と高濃度域のメタンを共に検出することができる。しかも半導体ガスセンサは、１０〜１００ｐｐｍの濃度範囲の一酸化炭素に対して感度を有しているので、濃度検出手段では、水素およびメタンに加えて、一酸化炭素を１０〜１００ｐｐｍの濃度範囲で検出することができる。そのうえ空気をキャリアガスとしているので、所定のガスをキャリアガスとして充填したガスボンベをガス検出装置と一緒に持ち運んで使用する必要が無く、運搬が容易なガス検出装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
本実施形態はガスクロマトグラフ装置を用いた畜産用呼気検査装置であり、図２に流路構成図を示す。この畜産用呼気検査装置Ａでは、エアーポンプ２０によってガス流路２１に供給される空気が浄化フィルタ２３を通過することにより清浄化され、この空気の流量が流量切替器２２にて調整された後、流量センサ２５を介してガス分離カラム１に流入する。エアーポンプ２０を駆動した状態で、予め検出対象の馬又は牛の呼気を集めておいた空気袋（図示せず）をガス供給口２６に接続するか、或いは空気袋よりシリンジで採取してガス供給口２６からガス流路２１に試料ガス（牛又は馬の呼気ガス）を送り込むと、試料ガスが空気と混合され、この混合ガスがガス分離カラム１に導入される。試料ガスを供給すると、流量センサ２５により流量変化が検出されるので、流量センサ２５の検出結果をもとに演算処理部３３では試料ガスを供給したタイミングを検出することができる。またこの時、試料ガスと空気との混合ガスがガス分離カラム１内部の固定相を通過すると、試料ガス中の各ガス成分と固定相との相互作用によって各ガス成分が分離され、各ガス成分のリテンションタイムに応じたタイミングでガス分離カラム１から導出される。ガス分離カラム１から導出された各ガス成分は半導体ガスセンサ３０により検出され、この検出情報が演算処理部３３に入力されて処理され、クロマトグラムが得られるものであり、またこの検出結果が表示部３４にて表示されるものである。なおエアーポンプ２０によってガス流路２１に供給された過剰な空気を排出するためにリーク流路２８を設けてある。リーク流路２８にはリーク弁２７を設けてあり、ガス流路２１の圧力を設定圧力以下に制限している。また、浄化フィルタ２３は内部に活性炭及びシリカゲルを充填するなどして構成され、ガス流路２１を流通するキャリアガス（空気）を清浄化するものである。
【００１２】
ガス分離カラム１は、図３に示すように外面にヒータ２を密接して配設して構成してある。このガス分離カラム１は、ステンレス、銅等の熱伝導性の高い金属にて形成された外筒１ａと、外筒１ａ内に内挿された例えばテフロン（登録商標）からなる内筒１ｂとの２重筒構造を有し、内筒１ｂ内には固定相となる充填材を充填している。この充填材は被測定ガス中の検出対象ガス成分（水素Ｈ２、メタンＣＨ４、一酸化炭素ＣＯ）やキャリアガスの種類に応じた適宜のものを用いれば良く、本実施形態では低級炭化水素を分離可能な充填剤を用いている。ヒータ２はシリコーンラバーシート等の絶縁性ラバーにて抵抗体３を絶縁したフレキシブルなヒータであり、抵抗体３がガス分離カラム１の外周面に一端側から他端側に亘って螺旋状に周回するようにして、ガス分離カラム１の外面に密着して配設される。また、このガス分離カラム１にはサーミスタ（熱電対）からなる温度センサ４が設けられており、この熱電対はポリフッ化エチレン樹脂（テフロン（登録商標）等）やガラスウール等の絶縁材にて絶縁被覆された状態でガス分離カラム１の外面に配設され、この温度センサ４にてガス分離カラム１の温度を検知するようにしている。
【００１３】
次に本実施形態の回路構成について図１を参照して説明する。本実施形態のガスクロマトグラフ装置は電源部３１と、カラムヒータ制御部３２と、マイクロコンピュータからなる演算処理部３３（濃度検出手段）と、表示部３４と、流量計測部３５とからなり、電源部３１は電源スイッチＳＷがオンされると、各部３３〜３５の動作用電源電圧＋Ｖとを生成する機能を備えている。
【００１４】
カラムヒータ制御部３２は、ガス分離カラム１を加熱するヒータ２の温度をサーミスタからなる温度センサ４で検出し、その検出温度に基づいてＰＩＤ制御部３２ａが位相制御部３２ｂを通じてヒータ２への通電電力を制御することで、ガス分離カラム１の温度を予め設定した所定温度に保つようになっている。
【００１５】
演算処理部３３は、流量センサ２５の検出出力を流量計測部３５から取り込み、表示部３４に流量を表示する。また演算処理部３３は半導体ガスセンサ３０のヒータ３０ａの通電を制御して、半導体ガスセンサ３０の感ガス体３０ｂの温度をヒートクリーニングのための高温期間と検出出力を取り込むための低温期間とに交互に設定する温度制御機能と、高温期間及び低温期間で取り込んだ検出出力と注入タイミングの検出とに基づいて検出対象ガス成分の分析及び定量決定を行う分析処理機能と、表示部３４に表示データを送出する機能とを備えている。
【００１６】
半導体ガスセンサ３０は感ガス体３０ｂとして酸化錫を用いており、メタン感度を高めるために、触媒としてパラジウムを酸化錫に対し約１．５重量％添加してある。またパラジウムを添加すると、一酸化炭素に対する感度が低下するので、一酸化炭素の感度不足を補うために、タングステンを酸化錫に対し約１５重量％添加している。図４（ａ）はパラジウムの添加量とメタン感度との関係を示している。なおメタン感度は、清浄大気中の抵抗値Ｒairに対するメタンガス中の抵抗値Ｒの抵抗比Ｒ／Ｒairで表され、この抵抗比が小さいほどガス感度が高くなっており、パラジウムの添加量を１．２〜３．５％とした時にメタンに対して十分なガス感度が得られることが判明した。また図４（ｂ）はタングステンの添加量とガス感度（清浄大気中の抵抗値Ｒairに対する対象ガス中の抵抗値Ｒの抵抗比Ｒ／Ｒair）との関係を示し、図中のＡは一酸化炭素に対するガス感度を、Ｂはメタンに対するガス感度をそれぞれ示している。この図より、タングステンの添加量が多いほど、一酸化炭素及びメタンに対するガス感度が高くなることが判り、タングステンの添加量を５〜２０％とした時に一酸化炭素及びメタンの両方に対して十分なガス感度が得られることが判明した。このように感ガス材料である酸化錫にパラジウムおよびタングステンを適量添加することによって、メタンおよび一酸化炭素に対するガス感度をそれぞれ調整でき、１０ｐｐｍ以上且つ４０００ｐｐｍ以下の濃度範囲のメタンに加えて、１０ｐｐｍ以上且つ１００ｐｐｍ以下の濃度範囲の一酸化炭素を検出することが可能になる。また酸化錫からなる感ガス体３０ｂは水素ガスに対して高感度であるため、水素に対する増感のために触媒を添加する必要はなく、１ｐｐｍ以上且つ１００ｐｐｍ以下の濃度範囲の水素ガスを検出することができる。図５（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本実施形態の感ガス体３０ｂを用いて水素、メタン、一酸化炭素のガス濃度を測定した結果を示しており、水素に対しては約１ｐｐｍ以上且つ約１５０ｐｐｍ以下の濃度範囲で感度を有している。またメタンに対しては約１０ｐｐｍ以上且つ約４０００ｐｐｍ以下の濃度範囲で感度を有しており、一酸化炭素に対しては約１ｐｐｍ以上且つ約１５０ｐｐｍ以下の濃度範囲で感度を有している。
【００１７】
表示部３４は液晶表示器とコントローラから構成され、演算処理部３３からの表示データによって、キャリアガスの流量や、分析処理機能によって求められた検出対象ガス成分の分析結果や、ガス分離カラム１の温度などを表示するようになっている。
【００１８】
流量センサ２５はサーミスタを使用しており、サーミスタに電圧を印加して、その温度を一定に保つようになっている。ここで、流量が変化すると、サーミスタの温度を一定に保つために、サーミスタに印加する電流が変化するので、この電流量を流量信号として流量計測部が検知し、Ａ／Ｄ変換された後に演算処理部３３に取り込まれ、キャリアガス流量を監視するようになっている。
【００１９】
本実施形態の畜産用呼気検査装置を用いて牛又は馬の呼気ガスを検査するに当たっては、先ず牛や馬の口に専用のマスクを装着し、このマスクにホースを通じて連結された袋に呼気ガスを１０Ｌ収集する。
【００２０】
別途電源スイッチＳＷをオンして、ガスクロマトグラフ装置を動作させた後、エアーポンプ２０を駆動させると、エアーポンプ２０によってガス流路２１に供給される空気が浄化フィルタ２３により清浄化され、その流量が流量切替器２２にて調整された後、ガス分離カラム１に圧送される。キャリアガスの流量は上述の流量センサ２５によって常時検出されており、演算処理部３３はこの流量センサ２５の検知出力に基づいてキャリアガスの流量を監視する。
【００２１】
このようにしてキャリアガスをガス分離カラム１内へ送っている状態で、呼気ガスを収集した袋から例えばシリンジなどで１ｍＬの呼気ガスを採取してガス供給口２６に注入する打ち込み操作を行うと、呼気ガスがガス流路２１内に送られることで、ガス供給口２６よりも上流側のガス流路２１内を流れるキャリアガスの流速（流量）が瞬間的に減少することになる。
【００２２】
この瞬間的な減少によって流量センサ２５の負特性サーミスタの検知温度が瞬間的に上昇することになる。この瞬間的な検知温度の変化は流量センサ２５の検知出力と予め設定している基準レベルとの比較により演算処理部３３で検知され、この検知されたタイミングで呼気ガスが注入されたと判断し、このタイミングに基づいて半導体ガスセンサ３０で検出されるガス成分のリテンションタイムを計測する。
【００２３】
ここで本実施形態はガスクロマトグラフ装置を用いて畜産用呼気検査装置装置を構成したもので、牛又は馬の呼気ガスに含まれる水素、メタン、一酸化炭素のガス濃度をそれぞれ検出することで、牛や馬の消化器系疾患の有無を一次判定するために用いられるものである。この場合、呼気ガスに含まれる複数種のガス成分の内、疾患の判定に一般的に用いるガス成分は水素及びメタンの２種であり、一酸化炭素のガス濃度についても疾患の判定などに使用する可能性があるので、本実施形態では水素、メタン、一酸化炭素の３つの対象ガスに対する半導体ガスセンサ３０の検出出力と、ガス濃度換算値とを示す検量線データ（図５（ａ）〜（ｃ）参照）およびリテンションタイムを演算処理部３３のメモリ３３ａ（記憶手段）に予め登録しておく。尚、図５（ａ）は水素濃度と検出出力のピーク値との関係を、同図（ｂ）はメタン濃度と検出出力のピーク値との関係を、同図（ｃ）は一酸化炭素濃度と検出出力のピーク値との関係をそれぞれ示している。
【００２４】
ところで半導体ガスセンサ３０は、検出対象のガス成分のガス濃度に応じて感ガス体３０ｂの抵抗値が変化するものであり、この抵抗値変化を電圧変化として演算処理部３３が取り込んでいる。
【００２５】
従って、演算処理部３３は、ガス分離カラム１から出てくるガス成分を検出する半導体ガスセンサ３０の検出出力をもとに、ガス注入タイミングからそのピークの発生タイミングまでの時間を測定することで当該ガス成分のリテンションタイムを計測するとともに、そのリテンションタイムと検出されたピークをメモリ３３ａに登録してあるデータと照合して検出対象ガス成分を判定し、またそのときの検出出力のピーク値と、上述の検量線データとをもとに検出ガス成分の濃度（定量値）を求め、その測定結果（ガス種及びガス濃度）を表示部３４に表示するのである。尚。ガス濃度の換算は検出出力のピーク高さによらず、ピーク波形の面積から算出しても良い。
【００２６】
図６は本実施形態のガスクロマトグラフ装置により測定された標準ガスのクロマトグラムを示している。ここで、水素、一酸化炭素及びメタンのリテンションタイムはそれぞれ約３０秒、約７０秒、約１５０秒であり、時刻ｔ１，ｔ３，ｔ４に発生するピークがそれぞれ水素、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）に対応している。また時刻ｔ２に発生する小さいピークは、バランスガスとして使用する窒素に対応したピークである。また図６中の一番下側の波形ａは水素が１ｐｐｍ、ＣＨ４が１０ｐｐｍの場合の波形を、下から２番目の波形ｂは水素が１０ｐｐｍ、ＣＯが１０ｐｐｍ、ＣＨ４が２００ｐｐｍの場合の波形を、下から３番目の波形ｃは水素が５０ｐｐｍ、ＣＯが５０ｐｐｍ、ＣＨ４が５００ｐｐｍの場合の波形を、一番上側の波形ｄは水素が１００ｐｐｍ、ＣＯが１００ｐｐｍ、ＣＨ４が４０００ｐｐｍの場合の波形をそれぞれ示しており、ガス濃度に応じて各々のピーク高さが異なっているので、時刻ｔ１，ｔ３，ｔ４のピーク値をもとに水素、一酸化炭素、メタンのガス濃度を検出することができる。つまり、図５（ａ）〜（ｃ）に示す検量線データから、ガス濃度とピーク高さとの関係を示す近似式を求めておき、この近似式を用いて演算処理部３３が呼気ガス中の各ガス濃度を演算により求めるのである。
【００２７】
このように本実施形態の畜産用呼気検査装置を用いれば、牛又は馬の呼気ガスに含まれる水素、メタン、一酸化炭素のガス濃度を検出することができるので、水素、メタン、一酸化炭素の各ガス濃度をもとにして、牛や馬の消化器系疾患の有無を判定することができる。
【００２８】
なお、本発明の精神と範囲に反することなしに、広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は、特定の実施形態に制約されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態の回路構成図である。
【図２】同上の流路構成図である。
【図３】同上に用いるガス分離カラムの斜視図である。
【図４】同上に用いる半導体ガスセンサのガス感度を示し、（ａ）はパラジウムの添加量とガス感度との関係を示す図、（ｂ）はタングステンの添加量とガス感度との関係を示す図である。
【図５】同上を用いて測定したクロマトグラムのピーク値とガス濃度の関係を示し、（ａ）は水素濃度とピーク値との関係を示す図、（ｂ）はメタン濃度とピーク値との関係を示す図、（ｃ）は一酸化炭素濃度とピーク値との関係を示す図である。
【図６】同上を用いて測定したクロマトグラムの例図である。
【符号の説明】
【００３０】
３０    半導体ガスセンサ
３０ａ  ヒータ
３０ｂ  感ガス体
３３    演算処理部
３３ａ  メモリ
【図１】
2007183223.tif 000003
【図２】
2007183223.tif 000004
【図３】
2007183223.tif 000005
【図４】
2007183223.tif 000006
【図５】
2007183223.tif 000007
【図６】
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