JP3595461B2 - 水質分析計 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、池や川などの水質を測定する水質分析計に関し、例えば生活用水や半導体用水などのサンプルを気化・酸化してNOを含む気体を発生させ、窒素含有率を連続的に測定する燃焼式水質分析計に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃焼式水質分析計では有機物,N,P,S,C,Br,Na,K等が含まれるサンプルを気化・酸化させ、その気体に含まれるたとえばNを連続して測定している。従来の燃焼式水質分析計では、サンプルの気化・酸化を図4に示すような装置により行う。図4において、21は石英やガラスなどからなる反応管であり、注入層26、燃焼層27及び注出層28を備えている。5は液体状のサンプルSと空気あるいは不活性ガスからなるキャリアガスKとを反応管21内へ注入するテフロン製の注入管であり、注入管5の上流側は分岐していて一方からはサンプルSを、他方からはキャリアガスKを注入することができるようになっている。
【0003】
注入管5と反応管21は中央縦方向に注入管5が挿通できる穴が設けられたT字形でステンレス製の蓋部材23により連通連結される。すなわち蓋部材23の下部が反応管21の入口部30に嵌め込まれ、シール部材8,8’により蓋部材23の下部外面と反応管21の上部内面の間が密閉されると共に、蓋部材23と反応管21が固定される。また蓋部材23の上部中央には注入管5に外嵌された継手24の雄ねじ部24aが螺着できるための雌ねじ部23aが設けられており、継手24の雄ねじ部24aを蓋部材23の雌ねじ23aに螺着することで蓋部材23と注入管5が固定される。更に注入管5の下端部は蓋部材23の下端部と同一面上となるように構成されている。
【0004】
前記反応管21の燃焼層27はPt−Al2 O3 又はPd−Al2 O3 からなる酸化触媒2とネット11,11から構成され、注出層28は注出管29に連通している。また25は反応管21の入口部30を冷却するための冷却用ファンであり、22は反応管21を加熱するための電気炉である。
【0005】
次に上記サンプル気化・酸化装置の動作について説明する。まず、電気炉22によりあらかじめ反応管21内を熱しておくと共に冷却用ファン25も作動させておく。この状態で、所定量とされたサンプルSを注入管5へ流入させると同時にキャリアガスKも注入管5内へ流入させる。サンプルSは重力あるいは加圧器等により注入管5の下に設置された反応管21内へ注入される。
【0006】
反応管21内へ注入されたサンプルSは、注入層26及び燃焼層27で気化するが、その大半は燃焼層27内にある酸化触媒2の熱により気化される。このように気化したサンプルSは燃焼層27内の酸化触媒2によって酸化される。つまり燃焼層27の酸化触媒2によってサンプルSはほぼ同時に気化及び酸化する。
【0007】
この後、サンプルSはキャリアガスKにより注出層28、注出管29を経て分析計(図示せず)へと導かれる。
【0008】
ここでサンプルSの気化及び酸化時の前記サンプル気化・酸化装置における反応管21の温度分布について説明すると、シール部材8等が劣化するのを防止するため冷却用ファン25により蓋部材23は30°C、入口部30は30〜35°C程度に保たれており、このためその下の注入層26の上部は70°C程度であり、注入層26の下部から燃焼層27、注出層28は800〜850°C程度となっている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記装置では、電気炉22により間接的に熱せられる反応管21内の注入層26及び燃焼層27を分析に必要な温度である850°Cにまで上げるための暖機時間が20分もかかり、また850°C程度の温度におかれるため酸化触媒の劣化が早く、更に、燃焼層27内の酸化触媒2が破損した場合などの交換時には蓋部材23及び注入管5を外し、そこから酸化触媒2を取り出すため反応管21を冷却する必要があるが、その冷却の所要時間も20分と長い。また、前述したように反応管21内の注入層26の上部が低温なため、気化していたサンプルSの一部が冷やされて、注入層26の上部周辺の反応管21の内側などに結露し、サンプルSの全てがほぼ同時には分析計へと流れないことにより、測定誤差が生じる。
【0010】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、前記サンプル気化・酸化装置を改良することにより暖機及び冷却に要する時間を短縮し、また酸化触媒を高温下におかないことで劣化を遅らせ、更に気化したサンプルをもれなく分析計へと供給できる構造からなるサンプル気化・酸化装置を有する水質分析計を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明が講じた技術的手段は次の通りである。請求項1に記載の発明は、流体流路の上流側に黒鉛よりなる気化管を、下流側に酸化触媒を設け、さらに前記酸化触媒を含む下流側を加熱するヒータを設け、電流を流して昇温した前記気化管に液体サンプルを送って気化し、次いで気化したガスをキャリアガスと共に前記下流側に送って酸化した後、その酸化したガスを前記キャリアガスと共に検出器へ送って前記液体サンプル中の成分を分析するように構成した水質分析計である。
【0012】
請求項2に記載の発明では、前記気化管に電流を流すための電極が気化管のホルダーを兼ねている。
【0013】
請求項3に記載の発明では、前記成分が窒素又は炭素である。
【0014】
上記構成により、暖機及び冷却に要する時間を短縮し、また酸化触媒を高温下におかないことで劣化を遅らせ、更に、サンプルをもれなくほぼ同時に分析計へと供給できる構造からなるサンプル気化・酸化装置を有する水質分析計を提供できる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係る水質分析計の構成を示す概略図である。同図において、12はサンプルSを貯留しておくサンプルタンクであり、サンプルタンク12からサンプル気化・酸化装置DまでのサンプルSの流路SLには、上流側から順にフィルタ13と弁14が設けられており、また同流路SLにおいて、図示していないが、サンプルSの計量も行われている。
【0016】
一方、空気や不活性ガス(例えばN2 ,Arなど)をキャリアガスKとして導入口15より送り込み、導入口15からサンプル気化・酸化装置DまでのキャリアガスKの流路KLには、上流側から順にフィルタ16、弁17、ポンプ18、バッファタンク19が設けられている。
【0017】
20は除湿用2段冷却システムで一次冷却(室温冷却)用のドレンポット31と二次冷却用の電子冷却器32から構成されている。また、ドレンポット31と電子冷却器32の間には流量計33が設けられている。
【0018】
34はCO2 分析計で、サンプルS中の有機物による影響を考慮して化学発光式NO分析計35の上流に設けられている。また、35はNO濃度を測定する化学発光式NO分析計である。
【0019】
サンプル気化・酸化装置D内で気化及び酸化されたサンプルSは、ドレンポット31、流量計33、電子冷却器32、CO2 分析計34及び化学発光式NO分析計35を順に経て排出口36に至る。
【0020】
図2は前記水質分析計におけるサンプル気化・酸化装置Dの概略的な構成を示す図である。4はステンレス製で角筒状のブロックであり、そのほぼ中心を通る長手方向には流体流路を形成する貫通孔6が設けられ、その中をキャリアガスKが図中、左から右の方向に流れる。前記ブロック4の上流側には、気化管1を挿脱するための穴H及びこの穴Hを閉塞するための蓋9が設けられ、さらに蓋9には注入管5からサンプルSを注入するための注入孔10が設けられており、注入孔10の上部に注入管5が嵌め込まれ、注入管5及び注入孔10の上部はOリングなどのシール部材8によって固定及び密閉される。
【0021】
また注入管5の下部には、両端部39,39’がそれぞれ貫通孔6と連通し上部のほぼ中央に注入孔10と連通する注入口38が設けられた円筒状の気化管1が設けられている。図3に示すように気化管1はほぼY字形で黄銅製のホルダー7及び7’によって保持される。尚、42,42’はホルダー7,7’の脚部分41,41’を挿入するための穴である。気化管1の材料には導電性で比熱の小さい材料、例えば黒鉛などが使用される。更に前記ホルダー7,7’は端部41,41’においてそれぞれ大電流(数十A)を流すことが可能な電源40の+極と−極からの導線に接続され、スイッチSWをONにして通電すると、電流は導線を通りホルダー7,気化管1,ホルダー7’と流れ、電源40において任意の電流量を設定すれば気化管1はそれに対応した温度となる。このように前記ホルダー7,7’は、前記気化管1の支持と、気化管1に通電するための電極とを兼用している。また、ホルダー7,7’の脚部分41,41’の端部は電源40からの導線と接続するために、ホルダー穴42,42’からブロック4の外部へ露出している。
【0022】
また、気化管1とホルダー7,7’において、両者が接触していない部分には、その周辺(ブロック4及び蓋9)への断熱及び絶縁の目的で例えば石英ウールやガラスウールなど37が設けられている。
【0023】
前記ブロック体4及び貫通孔6の下流側にはヒータ3及びPt−Al2 O3 又はPd−Al2 O3 よりなる酸化触媒2が設けられ、貫通孔6内に設けられた前記酸化触媒2はネット11によって保持されている。
【0024】
次に前記水質分析計の動作について説明する。
まず、準備段階として、分析に用いる系内の洗浄をした後、図2に示すサンプル気化・酸化装置D内のヒータ3を200°Cにまで昇温しておく。
【0025】
次に、サンプルタンク12内のサンプルSを流路SLに通し、所定量(数十μL)だけサンプル気化・酸化装置Dに注入し、気化及び酸化した後キャリアガスKと共に前記除湿用2段冷却システムへと流す。ここで前記サンプル気化・酸化装置Dにおける動作を図2を用いて詳述する。
【0026】
流路SLを経て所定量とされた液体状のサンプルSは注入管5内へ流入し、注入孔10及び注入口38を経て常温のままの気化管1内へと落下する。このとき、サンプルSはまだ液体状態を保っているが、微量(数十μL)であり、また気化管1はほぼ水平に設置されているため、サンプルSが気化管1の両端39,39’から流出することはない。
【0027】
サンプルSが気化管1内に落下した後、電源40から気化管1へ通電し、約10秒間、気化管1内を150〜200°Cとする。更にその後の10秒間は気化管1へ流す電流を大にし気化管1内を600〜800°Cとする。このように昇温過程を2段階に分けたのは、サンプルSを早くかつ確実に気化させるためである。
【0028】
そして、気化したサンプルSはキャリアガスKを流すことで、サンプル気化・酸化装置Dの下流側へと運ばれる。下流側にはヒータ3により200°C位にまで昇温した酸化触媒2があり、この酸化触媒2によって気化したしたサンプルS中のNはNOへと変換されると同時に、気化管1が炭素である黒鉛からできているために発生するCOなどもCO2 へと変換される。
【0029】
また前記キャリアガスKは、図1に示す導入口15から流路KLを通し、サンプル気化・酸化装置D,ドレンポット31,流量計33,電子冷却器32,CO2 分析計34,化学発光式NO分析計35を順に経て排出口36まで流れるので、サンプルSをサンプル気化・酸化装置Dから排出口36まで運搬できるのは勿論だが、高温になったサンプルSを冷却し、水質分析計の損傷を防止する役目も果たす。
【0030】
気化及び酸化されたサンプルSは除湿用2段冷却システム20へと運ばれ、CO2 分析計34及び化学発光式NO分析計35により測定されたあと排出口36へと至る。化学発光式NO分析計35はオゾンとサンプルガスS中のNOとを反応発光させ、それによりNO濃度を検出し、それに基づいてNの量を測定するものであるが、サンプルS中の有機物や気化管1中の炭素から変換されたCO2 による影響が考えられるため、化学発光式NO分析計35の上流に設けられているCO2 分析計34を補正手段として用い、CO2 分析計34でのCO2 の検出結果によりNOの分析結果は補正される。また、CO2 分析計34を単独でCO2 の分析に使用することでCの量が測定できるのは勿論のこと、CO2 分析計34と化学発光式NO分析計35を両方用いることでNとCの計測を同時に行うことも可能である。
【0031】
また、前記気化管1を直接加熱するため電力を効率良く熱に変換でき、また気化管1には比熱の小さな黒鉛が用いられているため、熱し易く冷め易く、暖機時間が殆ど不要で、また劣化した気化管1の取り換えは前記蓋9を外して行うが、冷却時間も短いため取り換えを早く行うことができる。更に従来はサンプルの気化と酸化を同じポイントで行っていたのに対し、本発明では気化する場所と酸化する場所を分けたことから酸化する場所を気化する場所に必要なほど高温にしなくて済むので電力の消費を更に節減でき、また酸化する場所にある酸化触媒2の劣化が遅くなる。更に劣化した酸化触媒2の取り換えは前記ブロック4の下流側から行われるが、酸化触媒2の温度が低温であることから冷却時間が短くなり、酸化触媒2の取り換えを早く行うことができる。
【0032】
ここで、NO濃度の測定時間に触れると、NO濃度の1回の測定所要時間は、系内洗浄並びにサンプルSを所定量とするための計量に約120秒要し、気化管1内へのサンプルS注入後の化学発光応答時間の60秒を合わせて約3分である。よって、例えば1時間測定を行った場合、20回の測定ができ、その結果は20回の結果の平均を求めることで得られる。
【0033】
また、上記実施例では、気化管1全体が熱せられ気化管1内に極端に低温な場所が無いため気化されたサンプルSが冷えて結露したり付着することなどがなく、そのままもれなくほぼ同時に気化管1内から排出される。
【0034】
上記実施例では、サンプル気化・酸化装置D内のブロック4を角筒状としたが円筒状でも問題なく、また貫通孔6と気化管1内部の形状は、両者の断面が共通していれば円形でも多角形でもよい。また、サンプル気化・酸化装置D内のヒータ3の設定温度を200°Cとしたが、必要に応じて600°Cなどの高温に設定しても勿論良い。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、流体流路の上流側に黒鉛よりなる気化管を、下流側に酸化触媒を設け、さらに前記酸化触媒を含む下流側を加熱するヒータを設け、電流を流して昇温した前記気化管に液体サンプルを送って気化し、次いで気化したガスをキャリアガスと共に前記下流側に送って酸化した後、その酸化したガスを前記キャリアガスと共に検出器へ送って前記液体サンプル中の成分を分析するように構成したことにより、暖機及び冷却に要する時間を短縮し、また酸化触媒を高温下におかないことで劣化を遅らせ、更にサンプルをもれなくほぼ同時に分析計へと供給できる構造からなるサンプル気化・酸化装置を有する水質分析計を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る水質分析計の構成を概略的に示す図である。
【図2】上記水質分析計におけるサンプル気化・酸化装置の概略的な構成を示す図である。
【図3】上記サンプル気化・酸化装置における気化管及びホルダーの斜視図である。
【図4】サンプル気化・酸化装置の従来例を示す概略的構成図である。
【符号の説明】
1…気化管、2…酸化触媒、3…ヒータ、S…サンプル、K…キャリアガス。
Claims (3)
- 流体流路の上流側に黒鉛よりなる気化管を、下流側に酸化触媒を設け、さらに前記酸化触媒を含む下流側を加熱するヒータを設け、電流を流して昇温した前記気化管に液体サンプルを送って気化し、次いで気化したガスをキャリアガスと共に前記下流側に送って酸化した後、その酸化したガスを前記キャリアガスと共に検出器へ送って前記液体サンプル中の成分を分析するように構成した水質分析計。
- 前記気化管に電流を流すための電極が気化管のホルダーを兼ねている請求項1に記載の水質分析計。
- 前記成分が窒素又は炭素である請求項1又は2に記載の水質分析計。
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