環境監視装置
【課題】ＱＣＭセンサを用いた、温度補正係数の測定が不要な環境監視装置の提供。
【手段】
共振子１の共振周波数を測定する共振周波数測定器２１と 環境温度を測定する温度センサ２と、測定された共振周波数および環境温度を、測定時刻と関連づけた共振周波数の時系列データＤ２および環境温度の時系列データＤ１として記憶する記憶装置３０と、記憶装置３０に記憶された環境温度の時系列データＤ１から、環境温度が第１の所定温度Ｔｃ１になる第１の時刻ｔ１を算出する第１の時刻算出部１２ａと、記憶装置３０に記憶された共振周波数の時系列データＤ２から、第１の時刻ｔ１における共振周波数を第１の共振周波数ｆ１として算出する第１の共振周波数算出部１３ａとを有する。
【手段】
共振子１の共振周波数を測定する共振周波数測定器２１と 環境温度を測定する温度センサ２と、測定された共振周波数および環境温度を、測定時刻と関連づけた共振周波数の時系列データＤ２および環境温度の時系列データＤ１として記憶する記憶装置３０と、記憶装置３０に記憶された環境温度の時系列データＤ１から、環境温度が第１の所定温度Ｔｃ１になる第１の時刻ｔ１を算出する第１の時刻算出部１２ａと、記憶装置３０に記憶された共振周波数の時系列データＤ２から、第１の時刻ｔ１における共振周波数を第１の共振周波数ｆ１として算出する第１の共振周波数算出部１３ａとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は環境監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境中の被測定物質濃度を監視する環境監視装置には、振動子、例えば水晶振動子に付着する被測定物質の重量変化を、振動子の共振周波数変動として測定するセンサ、例えばＱＣＭセンサ（Ｑｕａｒｔｓ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅセンサ）が広く用いられている。
【０００３】
このような環境監視装置のセンサとして使用される振動子は、環境物質、例えば大気に直接暴露されるため、環境の大きな温度変動を受けやすい。振動子の共振周波数は、温度依存性を有するため、付着物質の重量変化の他、振動子の温度に依存する。このため、被測定物質の付着量を精密に測定するためには、振動子の温度補正が不可欠である。
【０００４】
しかし、振動子の共振周波数の温度依存性は振動子ごとに異なる場合が多く、各振動子ごとに個々の温度補正係数を測定する必要がある。従来、振動子の温度補正係数は、振動子を環境監視装置に組み込む前に、あるいは組み込んだ後環境監視装置を使用する前に、温度試験を行い振動子の共振周波数の温度依存性を測定することで算出していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−０５８３１９号公報
【特許文献２】特開２００４−２９４３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、振動子の温度補正係数の算出は、環境監視装置を使用する前に予め温度試験を行い、振動子の共振周波数の温度依存性を測定することでなされていた。かかる温度試験は、振動子又は環境監視装置を恒温槽に収容し、温度を階段状に変化させ、一定温度に保持された状態で共振周波数を測定し、温度と共振周波数との関係を測定する必要があり、相当の工数がかかっていた。
【０００７】
さらに、恒温槽の温度を変化した後、定常温度に到達するまでには長時間を要する。とくに、環境監視装置の温度試験は、室温近傍から±十数℃以内の狭い温度範囲で測定されるため温度の変化量が小さく、恒温槽の温度を昇降した後定常温度に到達するまでの時間が長い。このため、温度補正係数の測定に長時間を要し、振動子のみならず環境監視装置の製造コストが高くなるという問題があった。
【０００８】
本発明は、振動子に付着する被測定物質の重量変化を振動子の共振周波数の変動として観測する環境監視装置において、温度補正係数を算出するための温度試験を必要としない環境監視装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するための本発明は、その一態様によれば、被測定物質の付着により共振周波数が変化する振動子と、複数の測定時刻を含む第１の測定時刻で前記共振周波数を測定する共振周波数測定器と、複数の測定時刻を含む第２の測定時刻で環境温度を測定する温度センサと、測定された前記共振周波数を、前記第１の測定時刻と関連づけた共振周波数の時系列データとして記憶し、かつ、測定された前記環境温度を、前記第２の測定時刻と関連づけた環境温度の時系列データとして記憶する記憶装置と、前記記憶装置に記憶された前記環境温度の時系列データから、前記環境温度が第１の所定温度になった第１の時刻を算出する第１の時刻算出部と、前記記憶装置に記憶された前記共振周波数の時系列データから、前記第１の時刻の共振周波数を第１の共振周波数として算出する第１の共振周波数算出部と、前記第１の時刻の共振周波数を被測定物質の付着量へ換算する換算部と、を有することを特徴とする環境監視装置として提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、測定された環境温度および共振周波数の時系列データから、環境温度が第１の所定温度となったときの共振周波数を抽出して、その抽出された共振周波数から被測定物質の付着量を換算する。この付着量は、常に所定の環境温度のときに測定された共振周波数から換算されるので、環境温度の変動の影響を受けない。従って、温度補正係数を算出するための温度試験を行う必要がない環境監視装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態の環境監視装置の構成図
【図２】本発明の第１実施形態の環境監視装置の機能構成図
【図３】本発明の第１実施形態のフローチャート
【図４】本発明の第１実施形態の測定データ
【図５】本発明の第１実施形態の環境温度の時系列データ（その１）
【図６】本発明の第１実施形態の環境温度の時系列データ（その２）
【図７】本発明の第１実施形態の共振周波数の時系列データ（その１）
【図８】比較例の共振周波数の時系列データ
【図９】本発明の第１実施形態におけるデータ処理を説明する図（その１）
【図１０】本発明の第１実施形態におけるデータ処理を説明する図（その２）
【図１１】本発明の第２実施形態の環境監視装置の機能構成図
【図１２】本発明の第２実施形態の環境監視装置のフローチャート
【図１３】本発明の第２実施形態におけるデータ処理を説明する図（その１）
【図１４】本発明の第２実施形態におけるデータ処理を説明する図（その２）
【図１５】本発明の第２実施形態の変形例におけるデータ処理を説明する図
【図１６】本発明の第３実施形態の環境監視装置の機能構成図
【図１７】本発明の第３実施形態の環境監視装置のフローチャート
【図１８】本発明の第３実施形態におけるデータ処理を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の第１実施形態は、環境温度が所定温度に一致する時刻における被測定物質の付着量を観測データとして出力する環境監視装置に関する。
【００１３】
図１は本発明の第１実施形態の環境監視装置の構成図であり、環境監視装置の主要なハードウエア構成を表している。
【００１４】
図１を参照して、本第１実施形態の環境監視装置１００は、ＣＰＵ１２０、メモリ１１０、記憶装置３０及び出力装置４１がバス１１１に接続されたコンピュータと、バス１１１に接続された観測部２０とを有する。
【００１５】
観測部２０は、環境温度を測定する温度センサ２と、環境中に含まれる被測定物質の付着により共振周波数が変化する振動子１とを備える。
【００１６】
温度センサ２は、環境温度を測定できるものであればよく、例えば温度を電圧または電流に変換する半導体温度センサを用いることができる。また、共振周波数の温度依存性が知られた振動子を用い、温度変化を共振周波数の変動として検知することもできる。この温度センサ２は、バス１１１に接続された温度測定回路２２により駆動され、測定された温度データはバス１１１に出力される。
【００１７】
振動子１は圧電板の表面に形成された電極を有する。その振動子１の共振周波数は、圧電板表面又は電極表面に吸着ないし化学反応により付着した被測定物質の重量に応じて変化する。本第１実施形態では、振動子１として、共振周波数の温度依存性が小さなＡＴカットの厚み滑り振動をする水晶振動子を用いた。かかる水晶振動子は、カット方位の僅かなずれにより共振周波数の温度特性が変化する。このため、個々の振動子１の温度特性は、それぞれ異なるものとなる。
【００１８】
なお、本第１実施形態で用いられる振動子１は、被測定物質が累積して付着するものであっても、被測定物質の付着量が環境中の濃度に応じて変化するものであってもよい。前者の振動子には、例えば環境中の腐食物質による電極の腐食量を測定する腐食センサがあり、後者の振動子には、例えば環境中の有機化学物質の濃度を測定する有機ガスセンサがある。第１実施形態の以下の説明では、被測定物質が累積して付着する振動子１、即ち被測定物質が非可逆的に累積して付着する振動子１について説明する。なお、被測定物質の付着量が環境中の濃度に応じて可逆的に変化する振動子１についても同様に説明される。
【００１９】
この振動子１は、バス１１１に接続された共振周波数測定器２１により駆動されてその共振周波数が測定され、測定された共振周波数はバス１１１に出力される。この共振周波数測定器２１は、振動子１の共振周波数を測定可能であればとくに制限はなく、例えば振動子１を含むコルピッツ発振回路と、その発振周波数を計測する周波数測定回路とから構成することができる。なお、振動子１は、交換可能なように、共振周波数測定器２１に着脱可能に接続されることが好ましい。
【００２０】
メモリ１１０は、ＣＰＵ１２０が実行するプログラムを収容する。このメモリ１１０として、例えばＲＯＭ、ＲＡＭの何れか又は両方を含む半導体メモリを用いることができる。記憶装置３０は、測定された環境温度および共振周波数のデータを測定時刻と関連づけて記憶する。この記憶装置３０として、大量のデータを少ない消費電力で記憶することができる記憶装置、たとえば磁気ディスク装置または不揮発性の半導体メモリ（例えばフラッシュメモリを用いたＵＳＢメモリ又はＳＤメモリ）を用いることが好ましい。
【００２１】
出力装置４１は、各種データ、例えば観測データあるいは各種のデータ処理がなされたデータを、ＣＰＵ１２０からの指示に従い外部機器へ出力する。
【００２２】
ＣＰＵ１２０は、メモリ１１０に収容されたプログラム（図２のプログラム１０を含む。）を実行し、プログラムに従って観測部２０、記憶装置３０及び出力装置４１の動作を制御する。
【００２３】
図２は本発明の第１実施形態の環境監視装置の機能構成図であり、環境監視装置１００が有する主な機能を表している。
【００２４】
図２を参照して、本第１実施形態の環境監視装置１００は、ＣＰＵ１２０がプログラム１０を実行することで、時刻発生部１１、第１の時刻算出部１２ａ、第１の共振周波数算出部１３ａ及び換算部１７が有する以下の各機能を実現する。
【００２５】
時刻発生部１１は、温度測定時刻を表す信号ｐ２及び共振周波数測定時刻を表す信号ｐ１を発生する。第１の時刻算出部１２ａは、記憶装置３０内に記憶された環境温度の時系列データＤ１に基づき、環境温度が所与の一定温度（第１の所定温度）になる第１の時刻ｔ１を算出する。第１の共振周波数算出部１３ａは、記憶装置３０内の共振周波数の時系列データＤ２に基づき、第１の時刻ｔ１における共振周波数（以下「第１の共振周波数ｆ１」という。）を算出する。換算部１７は、第１の共振周波数ｆ１を被測定物質の付着量に換算する。以下、これら各部の機能を、プログラム１０のフローチャートを参照して詳細に説明する。
【００２６】
図３は本発明の第１実施形態のフローチャートであり、図２のプログラム１０に従って環境監視装置１００が実行する工程を表している。
【００２７】
図２および図３を参照して、ステップＳ１１で、時刻発生部１１は、環境温度の測定時刻ｔｐ２に立ち上がる信号ｐ２および共振周波数の測定時刻ｔｐ１に立ち上がる信号ｐ１を生成し、バス１１１を介して観測部２０へ出力する。なお、本第１実施形態では、信号ｐ１、ｐ２として、予め定められた時間間隔、例えば１時間間隔で発生し、同一タイミングで立ち上がるパルスを発生した。
【００２８】
次いで、ステップＳ１２で、観測部２０は、信号ｐ１を受信すると、共振周波数測定器２１を駆動して振動子１の共振周波数を測定する。さらに、信号ｐ２を受信すると、温度測定回路２２を駆動して温度センサ２が感知する環境温度を測定する。本第１実施形態では信号ｐ１、ｐ２は同時に立ち上がるので、共振周波数および環境温度の測定は同一時刻になされる。もちろん、立ち上がり時刻が異なる信号ｐ１、ｐ２発生して、共振周波数と環境温度を異なる時刻で測定してもよい。
【００２９】
次いで、ステップＳ１３で、ステップＳ１２で測定された環境温度及び共振周波数のデータを記憶装置３０に記憶する。このとき、測定された環境温度は、測定時刻ｔｐ２に関連づけて記憶され、測定時刻ｔｐ２に関連づけられた環境温度の時系列データＤ１として保存される。また，測定された共振周波数は、測定時刻ｔｐ１に関連づけて記憶され、測定時刻ｔｐ１に関連づけられた共振周波数の時系列データＤ２として保存される。
【００３０】
次いで、ステップＳ１４で、予め与えられた観測期間、例えば１ヶ月間の観測期間が終了したか否かが判定される。観測期間が終了していないと判定された場合は、ステップＳ１１〜Ｓ１４のルーチンを繰り返す。終了したと判定されると、次のステップＳ１５を実行する。従って、ステップＳ１４で観測期間が終了したと判定されたとき、記憶装置３０には全観測期間にわたり測定された環境温度および共振周波数の時系列データＤ１、Ｄ２が記憶されている。
【００３１】
上述したステップＳ１１〜ステップＳ１４とは独立して、ステップＳ１８で、第１の所定温度Ｔｃ１を設定する。第１の所定温度Ｔｃ１として、任意の温度を与えることができる。第１の所定温度Ｔｃ１として、例えば通常ＡＴカットの水晶振動子１の温度特性の基準とされる常温、即ち２５℃に設定することができる。これにより、振動子１の温度依存性が小さくなり、付着量の精密な測定がなされる。また、観測期間のうちの任意の期間、例えは３日間〜１月間の期間中に測定された環境温度の平均値あるいは最高温度と最低温度の中央値とすることもできる。これにより、後述するように、多くの時点において付着量が算出されるので、付着量の変動を緻密な時間間隔で算出することができる。
【００３２】
次いで、ステップＳ１５で、第１の時刻算出部１２ａは、環境温度が第１の所定温度Ｔｃ１に一致する時刻ｔ１（ｉ）（以下、「第１の時刻ｔ１」という。）を算出する。ここで、ｉは自然数である。ステップＳ１５では、まず、記憶装置３０から環境温度の時系列データＤ１を読み出す。
【００３３】
図４は本発明の第１実施形態の測定データであり、記憶装置３０に記憶された環境温度および共振周波数の時系列データＤ１、Ｄ２をグラフに表示したものである。なお、図４の上部に環境温度の時系列データＤ１を、下部に共振周波数の時系列データＤ２を表示した。また、共振周波数は、観測開始時点からの周波数変動幅により表示した。図５は本発明の第１実施形態の環境温度の時系列データ（その１）であり、図４中の環境温度の時系列データＤ１のうち、測定開始から１日〜３日間のデータの詳細を表している。図６は本発明の第１実施形態の環境温度の時系列データ（その２）であり、図４中の環境温度の時系列データＤ１のうち、測定開始後２３日〜２５日間のデータの詳細を表している。
【００３４】
図４を参照して、測定された環境温度は、ほぼ日周期で変動している。一方、観測された振動子１の共振周波数は、日周期で階段状に低減している。この共振周波数の変動が日周期で変動する環境温度に影響される程度は、このままでは振動子１の温度補正係数が未知なため明らかでない。
【００３５】
図２および図５を参照して、第１の時刻算出部１２ａは、記憶装置３０から読み出した環境温度の時系列データＤ１を、近似式により、例えば折れ線グラフにより近似する。次いで、その近似式が第１の所定温度Ｔｃ１と交差する第１の時刻ｔ１（１）〜ｔ１（１１）を算出する。即ち、環境温度の近似式が第１の所定温度Ｔｃ１に一致する時刻を、第１の時刻ｔ１（１）〜ｔ１（１１）として求める。
【００３６】
図６を参照して、測定開始後２３日〜２５日間の環境温度の時系列データは、第１の所定温度Ｔｃ１＝２５℃と一致することがない。従って、この期間では、第１の時刻ｔ１（ｉ）の数が零になる。このように、第１の時刻ｔ１（ｉ）の数が零ないし少ない場合、後述する第１の共振周波数の算出時点が少なくなり、時間間隔が粗いデータしか得られず好ましくない。このため、第１の所定温度Ｔｃ１を第１の所定温度Ｔｃ１’に変更して、環境温度の近似式が第１の所定温度Ｔｃ１’と交差する第１の時刻ｔ１’（ｉ）の数（交差点の数）を多くすることが好ましい。本第１実施形態では、第１の所定温度Ｔｃ１’をＴｃ１’＝２８℃とすることで、２３日〜２５日の３日間で１４時点の第１の時刻ｔ１’（１）〜ｔ１’（１４）を算出した。なお、第１の所定温度Ｔｃ１’は第１の所定温度Ｔｃ１とともに予め設定してもよく、観測結果を参照して第１の時刻ｔ１’（ｉ）の数が多くなるように、例えば観測開始から２３日目〜２５日目の３日間の平均環境温度あるいは最大最小温度の中央値に設定してもよい。
【００３７】
次いで、ステップＳ１６で、第１の共振周波数算出部１３ａは、記憶装置３０から読み出した共振周波数の時系列データＤ２を近似式、例えば折れ線グラフで近似する。そして、第１の時刻算出部１２ａが算出した第１の時刻ｔ１（ｉ）および必要ならば第１の時刻ｔ１’（ｉ）における共振周波数を、以下に説明するようにその近似式から算出する。
【００３８】
図７は本発明の第１実施形態の共振周波数の時系列データ（その１）であり、図４に示す本発明の第１実施形態の測定データのうち、記憶装置３０に記憶されている共振周波数の時系列データＤ２の１日〜３日間に測定されたデータをグラフに表したものである。図８は、比較例の共振周波数の時系列データであり、温度補正された共振周波数を表している。図７〜図８では、共振周波数を、測定開始時の共振周波数からの周波数変動幅（周波数差）により表示した。
【００３９】
なお、この比較例は、第１実施形態の環境監視装置１００の振動子１の温度補正係数を予め測定し、その温度補正係数を用いて第１実施形態の測定結果を温度補正したものである。温度補正係数は、−７Ｈｚ／℃（−０．２８ｐｐｍ／℃）であった。
【００４０】
図７を参照して、振動子１の共振周波数は、おおよそ階段状に減少している。しかし、一部区間で上昇が見られる。ここで用いた振動子１は、被測定物質が非可逆的に累積する型であり、温度が一定であれば共振周波数は常に一定または減少しなければならない。従って、この上昇は被測定物質の付着によるものではなく、環境温度の変動に起因すると推測される。図８を参照して、予め測定されていた温度補正係数を用いて補正された比較例の共振周波数は、階段状に変動しており、上昇は観測されない。このことは、共振周波数の測定データを温度補正なしに直接用いたのでは、被測定物質の付着量を精密に測定することが困難であることを示している。
【００４１】
図９は本発明の第１実施形態におけるデータ処理を説明する図（その１）であり、第１の共振周波数算出部１３ａが実行するデータ処理方法を表している。なお、図９上部の白抜きの小径の円は、図６に図示する環境温度の時系列データＤ１を表示し、図９下部の塗り潰した小径の円は、図７に図示する共振周波数の時系列データＤ２を表示している。
【００４２】
図９を参照して、第１の共振周波数算出部１３ａは、第１の時刻算出部１２ａが算出した第１の時刻ｔ（ｉ）における振動子１の共振周波数ｆ１（ｉ）を算出する。具体的には、記憶装置３０から読み出した共振周波数の時系列データＤ２を近似式、たとえば折れ線グラフにより近似する。そして、第１の時刻ｔ（ｉ）における近似式の値、即ち折れ線グラフが第１の時刻ｔ（ｉ）を表す線（図９中一点鎖線）と交差する点の共振周波数ｆ１（ｉ）を、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）として算出する。言い換えれば、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）は、第１の時刻ｔ（ｉ）の前後の測定時刻で測定された共振周波数を、直線補完することで算出される。もちろん、他の近似方法を用いて算出してもよい。
【００４３】
算出された第１の共振周波数ｆ１（ｉ）を、図９中にｆ１（１）〜ｆ１（１１）を付した大径の白塗りの円（○）で示した。ここでｆ１（１）〜ｆ１（１１）はそれぞれ、第１の時刻ｔ（１）〜ｔ（１１）における第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（１１）表している。
【００４４】
本第一実施形態では、この算出された第１の共振周波数ｆ１（ｉ）を用いて被測定物質の付着量を算出する。即ち、図９中の第一の共振周波数ｆ１（ｉ）を表す円を結ぶ折れ線グラフＧ１（太い実線）を、温度補正された共振周波数（の変動幅）と見做して、付着量に換算する。
【００４５】
上述したように、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）は、第１の時刻ｔ１（ｉ）における共振周波数を、即ち環境温度が第１の所定温度になるときの共振周波数を近似している。言い換えれば、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）は、その全てが同一温度（第１の所定温度Ｔｃ１）で測定されている。即ち、第１の共振周波数ｆ（ｉ）相互間では測定時の環境温度の差がない。このため、この第１の共振周波数ｆ１（ｉ）は、温度変動の影響を受けず、環境物質の付着量の変動のみに起因して変動する。このため、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）の変動を、被測定物質の付着量の変動に換算しても、環境温度変動の影響を受けない正確な付着量が算出される。このように、本第１実施形態の環境監視装置１００では、振動子１の測定された共振周波数を温度補正することなくそのまま用いて、被測定物質の付着量の変動を正確に測定することができる。
【００４６】
図９中のｔ１（１）〜ｔ１（２）、ｔ１（３）〜ｔ１（６）およびｔ１（９）〜ｔ１（１０）の区間（時刻間）では、共振周波数の変動が小さく１Ｈｚ以下である。被測定物質が非可逆的に累積して付着する振動子１では、かかる共振周波数の変動幅が小さな区間は、非測定物質の付着速度が遅く、非測定物質の濃度が低いことを意味する。この共振周波数の変動幅が小さな区間において、算出された第１の共振周波数の変動幅ｄｆ（観測開始時点からの変動幅）は、ｆ１（１）〜ｆ１（２）でｄｆ＝０Ｈｚ、ｆ１（３）〜ｆ１（６）でｄｆ＝−１５５Ｈｚ、およびｆ１（９）〜ｆ１（１０）でｄｆ＝−３１７Ｈｚであった。この変動幅ｄｆは、これらの区間における、２５℃を基準温度として温度補正された図８に示す共振周波数の変動幅と一致している。また、図９中の第１の共振周波数ｆ１（ｉ）を直線で結んだ折れ線グラフＧ１（太い実線）は、図８に示す温度補正された比較例のデータを良く近似している。このように、第１の共振周波数を用いて、温度補正をすることなく温度補正されたデータを近似することができる。
【００４７】
なお、折れ線グラフＧ１により温度補正されたデータをより精密に近似するには、第１の共振周波数が算出される時刻を多くかつその時間間隔を短くすることが望ましい。そのため、第１の時刻ｔ１（ｉ）の間隔が短くかつ多くなるように、第１の所定温度Ｔｃ１を選択することが好ましい。
【００４８】
図１０は本発明の第１実施形態におけるデータ処理を説明する図（その２）であり、第１の共振周波数算出部１３ａが実行する測定開始から２３日〜２５日間のデータ処理を表している。なお、図１０上部の白塗りの小径の円は、図６に示した環境温度の時系列データＤ１を、下部の塗り潰した小径の円は、図４の２３日〜２５日間に測定された振動子１の共振周波数の時系列データＤ２を表示している。
【００４９】
図１０を参照して、第１の所定温度Ｔｃ１’を２８℃に設定したときの第１の時刻ｔ１’（ｉ）は、図６を参照して説明したように、２３日〜２５日の３日間において１４時点の第１の時刻ｔ１’（１）〜ｔ１’（１４）が算出される。図９を参照して説明した上述の第１の共振周波数の算出と同様の方法を用いて、記憶装置３０から読み出した共振周波数の時系列データＤ２から第１の時刻ｔ１’（ｉ）における共振周波数ｆ１’（ｉ）を第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）として算出した。その結果を、図１０中にｆ１’（ｉ）を付した大径の白抜きの円（○），およびその間を結ぶ折れ線グラフＧ１’（太い実線）により表示した。
【００５０】
この第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）は、上述した第１の共振周波数ｆ１（ｉ）と同様に、同一環境温度における共振周波数であるから、環境温度に影響されることなく付着量を正確に反映する。従って、この第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）を被測定物質の付着量に換算することで、振動子の温度補正を行うことなく正確な付着量の変動を測定することができる。
【００５１】
上述した第１の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ１’（ｉ）は、環境温度がそれぞれ異なる第１の所定温度Ｔｃ１、Ｔｃ１’のときの共振周波数であるから、これら第１の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ１’（ｉ）のデータを、温度補正することなく直接接続することはできない。しかし、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ１’（ｉ）が重なる測定期間があり、かつその期間内で第１の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ１’（ｉ）が滑らかに変化するのであれば、両者のデータを容易に接続することができる。例えば、一方のグラフの共振周波数に一定の周波数を加算して、その重なる期間内で両者のグラフを滑らかに接続する。この場合、この加算した周波数を第１の所定温度Ｔｃ１、Ｔｃ１’の温度差で除した値を、温度補正係数として用いて温度補正することで、両者のグラフを接続することができる。
【００５２】
ただし、常に両者のグラフを滑らかに接続することができるとは限らない。例えば、第１の時刻ｔ１（ｉ）、ｔ１’（ｉ）の時間間隔が長く、この間の被測定物質の濃度変動、即ち共振周波数の変動が大きい場合である。ごの場合、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）及び第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）は、測定時間間隔内で急激に変動するため、滑らかに接続することができない。かかる場合でも、後述の第２または第３実施形態のようにして温度補正係数を算出することができれば、温度補正をして接続することができる。
【００５３】
次いで、再び図３を参照して、ステップＳ１７で、換算部１７は、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ１’（ｉ）の周波数変動量ｄｆを被測定物質の付着量に換算する。この換算は、周知のように、予め測定された換算係数を周波数変動量ｄｆに乗ずることでなされる。なお、換算係数の測定は、任意の一定温度において、振動子に付着する物質の重量変動により生ずる共振周波数の変動量を測定することで足りるから短時間でなされ、温度補正係数の測定のように長時間を要しない。換算された付着量は、その結果を出力装置４１から出力され、また、必要ならば記憶装置３０に記憶される。
【００５４】
本発明の第２実施形態は、付着物質が非可逆的に累積する振動子１を用いた自動的に温度補正がなされる環境監視装置に関する。
【００５５】
図１１は本発明の第２実施形態の環境監視装置の機能構成図であり、本発明の第２実施形態の環境監視装置２００が有する主要な機能を表している。なお、本第２実施形態のハードウェア構成は、図１に示す第１実施形態の環境監視装置１００と同様である。
【００５６】
図１１を参照して、本第２実施形態の環境監視装置２００は、プログラム１０の実行により、第２の時刻算出部１２ｂ、第２の共振周波数算出部１３ｂ、第１及び第２の微小変動域抽出部１４ａ、１４ｂ、補正係数算出部１５および温度補正部１６の各機能を実現する。さらに、本第２実施形態の環境監視装置２００は、図２に図示した第１実施形態の環境監視装置１００の機能を全て有している。
【００５７】
図１２は本発明の第２実施形態の環境監視装置のフローチャートであり、プログラム１０に従って環境監視装置２００が実行する工程を表している。
【００５８】
図１２を参照して、本第２実施形態の環境監視装置２００では、まずステップＳ２１で、時刻発生部１１が、それぞれ環境温度および共振周波数の測定時刻を指示する信号ｐ２、ｐ１を発生する。この時刻発生部１１の機能および動作は、第１実施形態のステップＳ１１で実行する時刻発生部１１の機能及び動作と同様てある。
【００５９】
次いで、ステップＳ２２で、観測部２０は、信号ｐ２を受けて温度センサ２による環境温度の測定を温度測定回路２２に実行させ、信号ｐ１を受けて振動子１の共振周波数を共振周波数測定器２１に測定させる。次いで、ステップＳ２３で、これらの観測データを測定時刻と関連づけた環境温度の時系列データＤ１および共振周波数の時系列データＤ２として記憶装置３０に記憶する。
【００６０】
次いで、ステップＳ２４で、ＣＰＵ１２０は所与の観測期間が終了したか否かを判定し、終了していなければステップＳ２１〜Ｓ２４を繰り返す。観測期間が終了すると次のステップＳ２５を実行する。上述したステップＳ２１〜ステップＳ２４が実行する機能は、図３を参照して説明した第１実施形態のステップＳ１１〜Ｓ１４と同様である。また、環境温度の時系列データＤ１および共振周波数の時系列データＤ２も、第１実施形態と同様である。
【００６１】
上記ステップＳ１１〜Ｓ１４とは独立して、ステップＳ３０で、第１実施形態のステップＳ１８と同様にして、第１の所定温度Ｔｃ１を、また、必要ならば第１の所定温度Ｔｃ１’を設定する。この第１の所定温度Ｔｃ１、Ｔｃ１’の設定は、第１実施形態と同一である。
【００６２】
本第２実施形態では、ステップＳ３０で、さらに第２の所定温度Ｔｃ２を設定する。この第２の所定温度Ｔｃ２は、第１の所定温度Ｔｃ１と温度差ΔＴ℃だけ異なる温度として与えられる。温度差ΔＴは、正負いずれの温度差でもよく、振動子１の共振周波数の温度依存性が測定される大きさ、例えは１℃〜数℃に選ばれる。なお、温度差ΔＴの絶対値は、大き過ぎると、後述するステップＳ２５でなされる第２の時刻の算出が困難になる。逆に、小さ過ぎると、第１及び第２の所定温度Ｔｃ１、Ｔｃ２における共振周波数の差が小さくなり、ステップＳ２８において温度補正係数を精密に算出することが難しくなる。
【００６３】
次いで、ステップＳ２５で、第１及び第２の時刻算出部１２ａ、１２ｂが、それぞれ第１の時刻ｔ１および第２の時刻ｔ２を算出する。
【００６４】
図１３は本発明の第２実施形態におけるデータ処理を説明する図（その１）であり、観測開始から１日〜３日間のデータの処理方法を表している。図１４は本発明の第２実施形態におけるデータ処理を説明する図（その２）であり、観測開始から２３日〜２５日間のデータの処理方法を表している。なお、図１３及び図１４の上部は環境温度の時系列データＤ１とそれから算出された第１及び第２の時刻ｔ１（ｉ）、ｔ２（ｉ）を、下部は共振周波数の時系列データＤ２とそれから算出された第１及び第２の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ２（ｉ）を表している。
【００６５】
ステップＳ２５では、第１及び第２の時刻算出部１２ａ、１２ｂは、まず、記憶装置３０から環境温度の時系列データＤ１（第１実施形態の環境温度の時系列データＤ１と同様である。）を読み出す。
【００６６】
次いで、図１３の上部を参照して、第１の時刻算出部１２ａは、環境温度の時系列データＤ１が第１の所定温度Ｔｃ１に一致する第１の時刻ｔ１（ｉ）を算出する。なお、図１３中に、算出された第１の時刻ｔ１（ｉ）を経過時間の短い順にｔ１（１）〜ｔ１（１１）を付して表示した。ここで、第１の所定温度Ｔｃ１を２５℃に設定し、第１実施形態と同様の近似法により第１の時刻ｔ１（ｉ）を算出した。
【００６７】
次いで、第２の時刻算出部１２ｂは、環境温度の時系列データＤ１が第２の所定温度Ｔｃ２に一致する第２の時刻ｔ２（ｉ）を算出する。算出された第２の時刻ｔ２（ｉ）を、図１３中に、経過時間の順に第２の時刻ｔ２（１）〜ｔ２（２）を付して表示した。なお、第２の所定温度Ｔｃ２を２４℃に設定し、第１の時刻の算出に用いたのと同様の近似（直線補完）を用いて第２の時刻ｔ２（ｉ）を算出した。
【００６８】
図１４の上部を参照して、第１の時刻算出部１２ａは、環境温度の平均温度が上昇する２３日〜２５日間の環境温度の時系列データＤ１を処理する際には、２５℃に設定された第１の所定温度Ｔｃ１を、第１実施形態と同様に２８℃に設定された第１の所定温度Ｔｃ１’に変更する。即ち、第１の所定温度Ｔｃ１’＝２８℃とする。そして、２３日〜２５日間の環境温度の時系列データＤ１が、第１の所定温度Ｔｃ１’＝２８℃と一致する第１の時刻ｔ１’（ｉ）を算出する。この算出方法は、図１３に示す第１の時刻ｔ１（ｉ）の算出と同様してなされる。その結果、２３日〜２５日間で、図４に示す第１の時刻ｆ１’（１）〜ｆ１’（１４）までの１４時点が算出された。
【００６９】
また、第２の時刻算出部１２ｂは、２３日〜２５日間の環境温度の時系列データＤ１に対して、第２の所定温度Ｔｃ２’と交差する第２の時刻ｔ２’（ｉ）を算出する。この第２の所定温度Ｔｃ２’を２７℃に設定したとき、２時点の第２の時刻ｔ２’（１）〜ｔ２’（２）が算出された。
【００７０】
次いで、ステップＳ２６で、第１及び第２の共振周波数算出部１３ａ、１３ｂは、それぞれ第１の時刻ｔ１（ｉ）、ｔ２（ｉ）における第１及び第２の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ２（ｉ）を以下の手順により算出する。
【００７１】
まず、図１３を参照して、観測開始時から１日〜３日間の観測データの処理について説明する。
【００７２】
図１３の下部を参照して、第１の共振周波数算出部１３ａは、まず、記憶装置３０から共振周波数の時系列データＤ２を読み出す。図１３に、読み出された共振周波数の時系列データＤ２を、小径の塗り潰した円を結ぶ折れ線グラフで表示した。
【００７３】
次いで、共振周波数の時系列データＤ２を用いて、第１の時刻ｔ１（１）〜ｔ１（１１）における共振周波数（第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（１１））を第１の共振周波数ｆ１として算出した。この第１の共振周波数ｆ１（ｉ）は、第１実施形態の第１の共振周波数ｆ１（ｉ）の算出と同様の近似と補完とにより算出した。即ち、共振周波数の時系列データＤ１が第１の時刻ｔ１（ｉ）を表す線（図１３中の垂直の一点鎖線）と交差する点の共振周波数を算出する。
【００７４】
図１３に、算出された第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（１１）を白抜きの大径の円により表示し、その間を結ぶ折れ線グラフＧ１を表示した。この第１の共振周波数ｆ１は、第１実施形態の第１の共振周波数ｆ１（ｉ）の算出と同様にして算出される。従って、この図１３に示す第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（１１）および折れ線グラフＧ１、は図９に示す第１実施形態の第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（１１）および折れ線グラフＧ１と同じである。
【００７５】
次いで、第２の共振周波数算出部１３ｂは、記憶装置３０から読み出された共振周波数の時系列データＤ２を用いて、第２の時刻ｔ２（ｉ）における共振周波数（ｆ２（１）〜ｆ２（２）を算出する。この第２の共振周波数ｆ２（ｉ）も、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）と同様にして算出した。即ち、共振周波数の時系列データＤ１を表す折れ線グラフが、第２の時刻ｔ２（ｉ）を表す線（図１３中の時刻ｔ２（ｉ）を通る垂直な一点鎖線）と交差する点の共振周波数を算出する。図１３に、算出された第２の共振周波数ｆ２（１）〜ｆ２（２）を２重の四角形により表示し、その間を太い直線で結んで表示した。
【００７６】
次に、図１４を参照して、観測開始時から２３日〜２５日間の観測データの処理について説明する。
【００７７】
図１４の下部を参照して、第２の共振周波数算出部１３ｂは、まず、記憶装置３０から共振周波数の時系列データＤ２を読み出す。図１４に読み出された共振周波数の時系列データＤ２を、小径の塗りつぶした円を結ぶ折れ線グラフで表示した。
【００７８】
次いで、共振周波数の時系列データＤ２を用いて、第１の時刻ｔ１’（１）〜ｔ１’（１４）における共振周波数（第１の共振周波数ｆ１’（１）〜ｆ１’（１４））を第１の共振周波数ｆ１’として算出した。この第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）は、第１実施形態の第１の共振周波数ｆ１（ｉ）の算出と同様の近似と補完とにより算出される。即ち、共振周波数の時系列データＤ１が第１の時刻ｔ１’（ｉ）を表す線（図１４中の垂直の一点鎖線）と交差する点の共振周波数を算出する。
【００７９】
図１４に、算出された第１の共振周波数ｆ１’（１）〜ｆ１’（１４）を白抜きの大径の円により表示し、その間を結ぶ折れ線グラフＧ１を表示した。この第１の共振周波数ｆ１’は、第１実施形態の第１の共振周波数ｆ１の算出と同様にして算出される。従って、この図１４に示す第１の共振周波数ｆ１’（１）〜ｆ１’（１４）および折れ線グラフＧ１’は図１０に示す第１実施形態の第１の共振周波数ｆ１’（１）〜ｆ１’（１４）および折れ線グラフＧ１’と同じである。
【００８０】
次いで、第２の共振周波数算出部１３ｂは、記憶装置３０から読み出された共振周波数の時系列データＤ２を用いて、第２の時刻ｔ２’における共振周波数（ｆ２’（１）〜ｆ２’（２）を算出する。この第２の共振周波数ｆ２’（ｉ）も、第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）と同様にして算出される。即ち、共振周波数の時系列データＤ２が第２の時刻ｔ２’（ｉ）を表す線（図１４中の時刻ｔ２’（ｉ）を通る垂直な一点鎖線）と交差する点の共振周波数を算出する。図１４に、算出された第２の共振周波数ｆ２’（１）〜ｆ２’（２）を２重の四角形により表示し、その間を太い直線で結んで表示した。
【００８１】
次いで、ステップＳ２７で、第１の微小変動域抽出部１４ａは、図１３を参照して、互いに隣接する第１の時刻ｔ１（ｉ）およびｔ１（ｉ＋１）における第１の共振周波数ｆ１（ｉ）およびｆ１（ｉ＋１）を比較する。そして、その差分Δｆが、予め設定された微小変動周波数の範囲内、例えば±１Ｈｚ以内であれば、第１の時刻ｔ１（ｉ）から次の第１の時刻ｔ１（ｉ＋１）までの間を第１の微小変動域として抽出する。図１３を参照して、かかる第１の微小変動域として、第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（２）の間、第１の共振周波数ｆ１（３）〜ｆ１（６）の間、および第１の共振周波数ｆ１（９）〜ｆ１（１０）の間が抽出された。本第２実施形態の振動子１は付着量の累積値を検知するセンサであるから、これらの第１の微小変動域は、付着量が増加しない、ないし付着量の増加速度が小さな時間帯であることを意味する。
【００８２】
さらにステップＳ２７では、第２の微小変動抽出部１４ｂは、例えば観測開始から１日〜３日間の観測データに対して図１３を参照して、互いに隣接する第２の時刻ｔ２（ｉ）およびｔ２（ｉ＋１）における第２の共振周波数ｆ２（ｉ）およびｆ２（ｉ＋１）を比較する。そして、その差分Δｆが、予め設定された微小変動周波数の範囲内、例えば±１Ｈｚ以内であれば、第２の時刻ｔ２（ｉ）から次の第２の時刻ｔ２（ｉ＋１）までの間を第２の微小変動域として抽出する。図１３を参照して、第２の微小変動域として、第２の共振周波数ｆ２（１）〜ｆ２（２）の間が抽出された。
【００８３】
同じくステップＳ２７で、第１の微小変動域抽出部１４ａは、例えば観測開始から２３日〜２５日間の観測データに対して図１４を参照して、互いに隣接する第１の時刻ｔ１’（ｉ）およびｔ１’（ｉ＋１）における第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）およびｆ１’（ｉ＋１）を比較する。そして、その差分Δｆが、微小変動周波数の範囲内であれば、その区間を第１の微小変動域として抽出する。図１４を参照して、かかる微小変動域として、第１の共振周波数ｆ１’（１）〜ｆ１’（３）の間、第１の共振周波数ｆ１’（８）〜ｆ１’（９）の間、および第１の共振周波数ｆ１’（１２）〜ｆ１’（１３）の間が抽出された。
【００８４】
さらにステップＳ２７で、第２の微小変動抽出部１４ｂは、図１４を参照して、互いに隣接する第２の時刻ｔ２’（ｉ）およびｔ２’（ｉ＋１）における第２の共振周波数ｆ２’（ｉ）およびｆ２’（ｉ＋１）を比較する。そして、その差分Δｆが、微小変動周波数の範囲内であれば、第２の時刻ｔ２’（ｉ）から次の第２の時刻ｔ２’（ｉ＋１）までの間を第２の微小変動域として抽出する。図１４を参照して、第２の微小変動域として、第２の共振周波数ｆ２’（１）〜ｆ２’（２）の間が抽出された。
【００８５】
次いで、ステップＳ２８で、補正係数算出部１５は、第１の微小変動域と第２微小変動域とが重複する重複期間を抽出する。そして、重複期間における第１の共振周波数ｆ１と第２の共振周波数ｆ２との差分に基づき、以下に説明する手順で振動子１の温度補正係数κを算出する。
【００８６】
補正係数算出部１５は、図１３および図１４を参照して、まず、ステップＳ２７で抽出された第１の微小変動領域と第２の微小変動領域とが重複する重複期間を検出する。
【００８７】
具体的には、第１の微小変動域の各区間の両端の時刻と、第２の微小変動域の各区間の両端の時刻とを逐次照合し、第１および第２の微小変動域とが重なる重複期間を検出する。かかる重複期間は、例えば図１３では時刻ｔ２（１）〜ｔ２（２）の区間、図１４では時刻ｔ２’（１）〜ｔ２’（２）の区間として検出される。図１３および図１４では第２の微小変動域の全体が第１の微小変動域に含まれるが、これに限られず第１および第２の微小変動域の一部が重なる区間があればよい。
【００８８】
次いで、補正係数算出部１５は、第１および第２の微小変動領域が重なる区間（重複期間）における第１の共振周波数ｆ１（またはｆ１’）と第２の共振周波数ｆ２（またはｆ２’）との周波数差δｆ＝ｆ１−ｆ２（またはｆ１’−ｆ２’）を算出する。そして、温度補正係数κを、
κ＝δｆ／ΔＴｃ （１）
により算出する。ここで、ΔＴｃは第１の所定温度Ｔｃ１（またはＴｃ１’）と第２の所定温度Ｔｃ２（またはＴｃ２’）との温度差であり、ΔＴｃ＝Ｔｃ１−Ｔｃ２（または、ΔＴｃ＝Ｔｃ１’−Ｔｃ２’）である。
【００８９】
上述したように、第１および第２の微小変動域は、いずれも被測定物質の付着速度が零ないし遅い区間であり、この区間では付着量は殆ど変動しない。即ち、重複期間における第１および第２の共振周波数ｆ１、ｆ２（またはｆ１’−ｆ２’）は、同一付着量に対する共振周波数に対応している。振動子１の共振周波数は、温度と付着量に依存するから、この重複期間の第１および第２の共振周波数の差は測定時の環境温度の差、即ち第１の所定温度Ｔｃ１と第２の所定温度Ｔｃ２との違いに起因している。従って、１式に従い、この重複期間における第１および第２の共振周波数の差を、第１および第２の所定温度の差分で除することで温度補正係数κが算出される。
【００９０】
図１３を参照して、時刻ｔ２（１）〜ｔ２（２）間の重複期間では、図１３中のｆ１（５）とｆ１（６）を結ぶ太い直線で表される第１の共振周波数ｆ１の変動幅は−１５５Ｈｚで一定であった。一方、ｆ２（１）とｆ２（２）を結ぶ太い直線で表される第２の共振周波数ｆ２の変動幅は−１４９Ｈｚで一定であった。従って、δｆ＝ｆ１−ｆ２＝−６Ｈｚと算出される。また、Ｔｃ１＝２５℃、Ｔｃ２＝２４℃であるから、δＴｃ＝Ｔｃ１−Ｔｃ２＝１℃である。これから、１式を用いて、補正係数κ＝−６Ｈｚ／℃が算出された。
【００９１】
同様に、図１４の時刻ｔ２’（１）〜ｔ２’（２）間の重複期間では、第１の共振周波数ｆ１’は、図１４中のｆ１’（１２）とｆ１’（１３）とを結ぶ太い直線で表され、その共振周波数の変動幅は−３２４１Ｈｚであった。一方、図１４中のｆ２’（１）とｆ２’（２）とを結ぶ太い直線で表される第２の共振周波数ｆ２’の変動幅は−３２３４Ｈｚであった。従って、δｆ＝ｆ１’−ｆ２’＝−７Ｈｚと算出される。また、Ｔｃ１’＝２８℃、Ｔｃ２’＝２７℃であるから、ΔＴｃ＝Ｔｃ１’−Ｔｃ２’＝１℃である。これから、１式を用いて、補正係数κ＝−７Ｈｚ／℃と算出される。
【００９２】
本第２実施形態では、観測開始から１〜３日目および２３日〜２５日のデータから算出された温度補正係数κ＝６Ｈｚ／℃およびκ＝７Ｈｚ／℃の平均値κ＝６．５Ｈｚ／℃を温度補正係数として用い、１カ月の観測期間に測定された共振周波数の時系列データＤ２を補正した。この温度補正係数κ＝６．５Ｈｚ／℃は、比較例における実測値の温度補正係数７Ｈｚ／℃と良く一致している。
【００９３】
図１４に、比較例の温度補正された共振周波数の時系列データを、二重丸（◎）で表示した。微小変動域（ｔ１’（１）〜ｔ１’（３）、ｔ１’（８）〜ｔ１’（９）、ｔ１’（１２）〜ｔ１’（１３））では、第１の所定温度Ｔｃ１’＝２８℃で測定された第１の共振周波数ｆ１１’（１）〜ｆ１’（３）、ｆ１’（８）〜ｆ１’（９）、ｆ１’（１２）〜ｆ１’（１３）’は、この微小変動域の比較例の温度補正された共振周波数より１８Ｈｚ〜２０Ｈｚ低く、この３区間では平均１８．６Ｈｚ低かった。この周波数の差１８．６Ｈｚは、第１共振周波ｆｔ１’が測定された第１の所定温度ｔｃ１’＝２８℃と比較例の補正温度２５℃との温度差３℃に、第２実施形態で求めた温度補正係数κ＝６．５Ｈｚ／℃を乗じた１９・５Ｈｚにほぼ一致している。これは、第２実施形態において、正確な温度補正係数κが求められたことを示している。
【００９４】
上述したように、本第２実施形態によれば、微小変動域における第１および第２の共振周波数の差から、温度試験を行うことなく、振動子１の共振周波数の温度補正係数を算出することができる。
【００９５】
ステップＳ２８の後、ステップＳ２９で、換算部１７はステップＳ１７と同様に、上述の温度補正係数κを用いて温度補正された振動子１の共振周波数の周波数変動量ｄｆを、被測定物質の付着量に換算する
なお、微小変動周波数の大きさは、第１の所定温度Ｔｃ１と第２の所定温度Ｔｃ２との温度差に起因して生ずる共振周波数の周波数差Δｆより十分小さく設定される。このように設定することで、第１の微小変動域内の共振周波数の変動を主として環境温度の変化に依存させ、付着量の変動の影響を小さくすることができる。このため、付着量の変動に起因する温度補正係数の誤差が小さくなる。
【００９６】
上述の第２実施形態では、第１の所定温度Ｔｃ１’を２８℃とし、第２の所定温度Ｔｃ２’を２４℃に設定した。この第２の所定温度Ｔｃ２’に、さらに異なる温度の第２の所定温度Ｔｃ２”を追加することができる。
【００９７】
図１５は本発明の第２実施形態の変形例におけるデータ処理を説明する図であり、第２の実施形態に第２の所定温度Ｔｃ２”を追加してなされたデータ処理を説明している。
【００９８】
図１５を参照して、この変形例では、第２の所定温度Ｔｃ２”が設定され、環境温度の時系列データＤ１が第２の所定温度Ｔｃ２”（例えはＴｃ２”＝３３℃）に一致する第２の時刻ｔ２”（１）〜ｔ２”（４）が算出される。この第２の時刻ｔ２”（１）〜ｔ２”（４）は、第２の共振周波数算出部１３ｂにより、ステップＳ２５の第２の時刻ｔ２’（１）〜ｔ２’（２）の算出と同様のデータ処理を用いて算出される。
【００９９】
この変形例では、その他のデータ処理、例えば第１および第２の時刻ｔ１’、ｔ２’の算出、第１および第２の共振周波数ｆ１’、ｆ２’の算出、第１および第２の微小変動域の算出とその重複期間の算出は、第２の実施形態と同様にデータ処理される。以下、変形例について、主として第２の実施形態に追加される処理を説明する。
【０１００】
変形例の第２の共振周波数算出部１３ｂは、第２の時刻ｔ２”（１）〜ｔ２”（４）における第２の共振周波数ｆ２”（１）〜ｆ２”（４）を算出する。そして、変形例の第２の微小変動域抽出部１４ｂは、隣接する第２の共振周波数を比較し、その周波数差が所与の微小変動周波数より小さな区間を第２の微小変動域として抽出する。これらの処理は、第２実施形態のステップＳ２５〜Ｓ２７と同様になされる。
【０１０１】
次いで、補正係数算出部１５は、第２の共振周波数ｆ２”（１）〜ｆ２”（４）に基づき抽出された第２の微小変動域（図１５中のｆ２”（３）〜ｆ２”（４）の区間）と、第１の微小変動域とが重なる重複期間（図１５中のｔ２”（３）〜ｔ２”（４）の期間）を抽出する。この抽出はステップＳ２７と同様になされる。
【０１０２】
ついで、補正係数算出部１５は、抽出された重複期間ｔ２”（３）〜ｔ２”（４）における第１の共振周波数ｆ１’（１２）〜ｆ１’（１４）と、この重複期間ｔ２”（３）〜ｔ２”（４）における第２の共振周波数ｆ２”（３）〜ｆ２”（４）との周波数差δｆを算出する。そして、温度補正係数κをκ＝δｆ／ （Ｔｃ１’−Ｔｃ２”）により算出する。
【０１０３】
図１５を参照して、重複期間ｔ２”（３）〜ｔ２”（４）における第１の共振周波数ｆ１’の変動量は−３２４１Ｈｚ、第２の共振周波数ｆ２”の変動量は−３２７８Ｈｚであり、周波数差δｆは、δｆ＝ｆ１’−ｆ２”＝３７Ｈｚと算出される。また、Ｔｃ１’＝２８℃、Ｔｃ２”＝３３℃から、（Ｔｃ１’−Ｔｃ２”）＝−５℃と算出される。従って、温度補正係数κはκ＝−７．４Ｈｚ／℃と算出される。この温度補正係数κ＝−７．４Ｈｚ／℃は、比較例の温度補正係数κ＝−７Ｈｚ／℃と良く一致している。
【０１０４】
本第２実施形態の変形例では、第２実施形態で求めた温度補正係数κ＝−６Ｈｚ／℃、κ＝−７Ｈｚ／℃およびこの変形例で求めた温度補正係数κ＝−７．４Ｈｚ／℃の平均値−６．８Ｈｚ／℃を温度補正係数κとして用い、共振周波数の時系列データＤ２を温度補正した。
【０１０５】
上述した変形例によれば、第１の所定温度Ｔｃ１’より低温および高温の２つの第２の所定温度Ｔｃ２’、Ｔｃ２”が設定される。このため、環境温度が第１の所定温度Ｔｃ１’より高低いずれの側に変化しても第２の時刻が算出されるので、第２の時刻の数が多くなり、緻密なデータ処理が可能となる。また、第１の所定温度Ｔｃ１’と第２の所定温度Ｔｃ２”との温度差が５℃と大きいので、精密な温度補正係数κが求められる。
【０１０６】
本発明の第３実施形態は、付着物質が可逆的に付着する振動子１を用いた環境監視装置に関する。
【０１０７】
図１６は本発明の第３実施形態の環境監視装置の機能構成図であり、本発明の第３実施形態の環境監視装置３００が有する主な機能を表している。
【０１０８】
図１６を参照して、本第３実施形態の環境監視装置３００は、第１実施形態と同様に、環境温度および振動子１の共振周波数を測定する観測部２０、記憶装置３０、時刻発生部１１、第１の時刻発生部１２ａ、第１の共振周波数算出部１３ａ、換算部１７、および、出力部１８を備える。これらは、振動子１を除き、第１実施形態と同様の機能を有し、同様に動作する。従って、説明の重複を避けるため、以下、とくに第１実施形態と異なる主な点について説明する。
【０１０９】
本第３実施形態の環境監視装置３００は、さらに、第３の微小変動域抽出部１４ｃ、温度依存性検知部１５ｃおよび温度補正部１６ｃを有する。なお、本第３実施形態で用いられる振動子１は、被測定物質が可逆的に付着する、従って、被測定物質の環境中濃度に応じて共振周波数が可逆的に変化するものである。
【０１１０】
図１７は本発明の第３実施形態の環境監視装置のフローチャートであり、プログラム１０に従って実行される工程をあらわしている。
【０１１１】
図１６および図１７を参照して、ステップＳ４１で、時刻発生部１１は測定時刻を指示するパルスｐ１、ｐ２を発生する。そして、ステップＳ４２で、観測部２０は、パルスｐ１、ｐ２に同期して環境温度および振動子１の共振周波数を測定する。次いで、ステップＳ４３で、測定された環境温度および共振周波数は、測定時刻と関連づけられた環境温度および共振周波数の時系列データＤ１、Ｄ２として記憶装置３０に記憶される。ついで、ステップＳ４４で、所定の観測期間が経過したか否かが評価され、否と判定されたときは再びステップＳ４１から繰り返す。観測期間が終了したと判定されると、次のステップＳ４５を実行する。
【０１１２】
これらステップＳ４１〜Ｓ４４の動作は、第１実施形態でのステップＳ１１〜Ｓ１４と同様である。従って、ステップＳ４５の実行時には、全観測期間の環境温度および共振周波数の時系列データＤ１、Ｄ２が記憶されている。
【０１１３】
次いで、ステップＳ４１〜Ｓ４４とは別に、ステップＳ５１で、第１の所定温度Ｔｃ１（図１８参照）が設定される。さらに、ステップＳ４５で、第１の時刻算出部１２ａは、第１の時刻ｔ１を算出する。このステップＳ５１、Ｓ４５の工程は、第１実施形態のステップＳ１８、Ｓ１５と同様である。
【０１１４】
図１８は本発明の第３実施形態におけるデータ処理を説明する図であり、図１８上部に、観測期間の一部における、環境温度の時系列データＤ１を、図１８下部に共振周波数の時系列データＤ２と温度補正された共振周波数の時系列データＤ’２を表した。
【０１１５】
図１８上部を参照して、ステップＳ４５で、第１の時刻算出部１２ａは、ます記憶装置３０から環境温度の時系列データＤ１を読み出す。次いで、環境温度の時系列データＤ１を近似式、例えは折れ線グラフにより近似し、この近似式が第１の所定温度Ｔｃ１に一致する時刻ｔ１（１）〜ｔ１（４）を算出する。このステップＳ４５は、第１実施形態のステップＳ１５と同様である。
【０１１６】
ついでステップＳ４６で、第１の共振周波数算出部１３ａは、記憶装置から読み出した共振周波数の時系列データＤ２を近似式、例えば折れ線グラフで近似する。そして、第１の時刻ｔ１（１）〜ｔ１（４）における近似式の値を、第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（４）として算出する。算出された第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（４）を、図１８下部中に大径の白抜きの円（○）により示す。このステップＳ４６の工程は、第１実施形態のステップＳ１６と同様になされる。
【０１１７】
ついで、ステップＳ４７で、第３の微小変動域抽出部１４ｃは、互いに隣接する第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（４）を比較し、その周波数差の絶対値が予め定めた微小変動周波数、例えば１Ｈｚより小さい時間帯を、第３の微小変動域として抽出する。ここでは、図１８下部中の大径の白抜きの円を参照して、共振周波数の差が１Ｈｚ以内となる第１の共振周波数ｆ１（２）、ｆ１（３）、ｆ１（４）を含む区間、即ち第１の時刻ｔ１（２）〜ｔ１（４）の時間帯が第３の微小変動域として抽出された。このステップＳ４７の抽出工程は、第２実施形態のステップＳ２７における第１の微小変動領域の抽出方法と同様である。なお、上述の第３の微小変動域の抽出は、全観測期間についてなされ、多くの場合は複数の第３の微小変動域が抽出される。
【０１１８】
次いで、ステップＳ４８で、温度依存性検知部１５ｃは、一つの第３の微小変動領域を選択し、その第３の微小変動領域において観測される共振周波数が、環境温度の１次式に従うか否かを検知する。
【０１１９】
具体的に説明すると、初めに、図１８上部を参照して、第３の微小変動領域内の任意の観測時刻ｔｏ（ｉ）を選定する。次いで、選択された観測時刻ｔｏ（ｉ）における環境温度Ｔｏを、環境温度の時系列データＤ１から抽出する。次いで、図１８下部を参照して、共振周波数の時系列データＤ２から観測時刻ｔｏ（ｉ）で測定された共振周波数ｆｏ（ｉ）を抽出する。
【０１２０】
次いで、共振周波数ｆｏ（ｉ）と第３の微小変動領域内の第１の共振周波数、例えばｆ１（２）（＝ｆ１（３）＝ｆ１（４））との周波数差（ｆｏ（ｉ）−ｆ１（２））を求める。他方、観測時刻ｔｏ（ｉ）における環境温度Ｔｏ（ｉ）と第１の所定温度Ｔｃ１との温度差（Ｔｏ（ｉ）−Ｔｃ１）を求める。
【０１２１】
次いで、その比γ＝周波数差（ｆｏ（ｉ）−ｆ１（２））／温度差（Ｔｏ（ｉ）−Ｔｃ１）を、選択された第３の微小変動域内の全ての観測時刻ｔｏ（ｉ）について算出する。そして、その比γが、選択された第３の微小変動域の全域で一定ならば、共振周波数ｆｏは環境温度Ｔの一次式、
共振周波数ｆｏ＝γＴ＋定数 （２）
に従う温度依存性を有すると判定する。逆に、比γが一定でなければ、共振周波数ｆｏは、環境温度の他、被測定物質の濃度変動に影響されていると判定する。その判定の根拠は次の理由による。
【０１２２】
第３実施形態の共振子１の共振周波数は、一般に温度と被測定物質の濃度に線型に依存して変化する。第３の微小変動域では、第１の共振周波数ｆ１（２）〜ｆ１（４）は、全て同じ環境温度（第１の所定温度Ｔｃ１）の下で測定されており温度変動の影響を受けない。従って、第１の共振周波数ｆ１（２）〜ｆ１（４）が微小変動周波数以内で一致することは、これら第１の共振周波数ｆ１（２）〜ｆ１（４）が測定された第１の時刻ｔ１（2)、ｔ１（３）、ｔ１（４）において被測定物質濃度が一定であることを示している。このことは、第３の微小変動域内で被測定物質濃度が一定であることを強く推定させる。
【０１２３】
この推定に基づき、被測定物質の濃度は第１の微小変動域内で一定であると仮定する。さらに、被測定物質の濃度が正確に環境温度に比例して変動することはないと仮定する。通常は環境中の被測定物質濃度が環境温度に比例して増減することは極めて稀であり、多くの場合はこの仮定が成立する。
【０１２４】
かかる２つの仮定のもとに、第３の微小変動域内で２式が成立するならば、その第３の微小変動域内での第１の共振周波数ｆ１の変動は、２式で表されるように、環境温度の変化に追従する。なぜなら，第３の微小変動域内では被測定物質濃度の変動はないと仮定するからである。
【０１２５】
上述した理由により、多くの場合、２式が成立するとき、振動子１の共振周波数は、２式に従う温度依存性を有するとしてよい。ただし、被測定物質の濃度が第３の微小変動域内で正確に環境温度に比例して変動することはないとする仮定は、成立しない場合がある。たとえば、被測定物質の濃度が環境温度の一次式に従って変化する場合である。従って、上述の第１の微小変動域を時間間隔、例えは数日〜数週間の時間をおいて複数域抽出し、その複数の第１の微小変動域内で２式が成立することを確認することが好ましい。これにより、被測定物質の濃度が、一時期のみ環境温度の１次式に比例して変化することによる誤判定を回避することができる。
【０１２６】
さらに、上述した第３の微小変動域内の第１の共振周波数ｆ１（例えばｆ１（２）、ｆ１（３）、ｆ１（４））が、被測定物質の濃度が零のときの共振周波数に等しい場合に限り、ステップＳ４８の判定を行うようにしてもよい。通常、共振周波数から被測定物質濃度への換算係数の測定は、予め、被測定物質濃度と共振周波数との関係を第１の所定温度Ｔｃ１で測定してなされる。このため、被測定物質濃度が零に対応する共振周波数は予め知得される場合が多い。
【０１２７】
この場合、測定された共振周波数が、被測定物質濃度が零に対応する共振周波数よりも高周波側にずれるならば、そのずれは環境温度にのみ依存していると判定することができる。なぜなら、濃度は零以下、即ち負にはなり得ないから、測定された共振周波数が濃度変化によって上記知得された共振周波数を超えることはないからである。従って、第３の微小変動域内において測定された共振周波数が、被測定物質濃度が零に対応する共振周波数よりも高周波側にずれた区間があり、かつ、この区間を含めた第３の微小変動域について２式が成立する場合は、共振周波数は２式に従って変動していると解される。
【０１２８】
このように、第１の共振周波数が被測定物質濃度が零に対応する共振周波数に等しい区間を抽出することにより、被測定物質の濃度が環境温度の１次式に比例して変化する場合に生ずる誤判定を回避することができる。
【０１２９】
次いで、ステップＳ４９で、温度補正部１６ｃは、比γを温度補正係数γとして算出する。次いで、ステップＳ５０で、全ての第３の微小変動域についてステップＳ４８、Ｓ４９を実行したか否かを判定し、否と判定したときはステップＳ５２で、次の（測定時刻が遅い側の）第３の微小変動域を抽出して、再びステップＳ４８、Ｓ４９を繰り返す。全ての第３の微小領域についてステップＳ４８、Ｓ４９を実行したと判定されると、次のステップＳ５３を実行する。
【０１３０】
次いで、ステップＳ５３で、温度補正部１６ｃは、比γを温度補正係数γとして用いて共振周波数数の時系列データＤ２を温度補正する。このとき、複数の第３の微小変動域で算出された比γの平均値を温度補正係数γとすることが、偶発的な誤差を回避ために好ましい。
【０１３１】
ここでは、第１の微小変動域内で、比κの平均値はκ＝−６．５Ｈｚ／℃と算出された。図１８下部の白抜きの３角形（△）は、温度補正後の共振周波数の時系列データＤ’２を表している。温度補正後の共振周波数の時系列データＤ２’は、第１の微小変動域内でほぼ一定値に補正されている。他方、その前後の時間帯、即ち第１の所定温度Ｔｃ１より高温となる時間帯では、温度補正後の共振周波数の時系列データＤ２’は、環境温度が高温になるにつれて、補正前の共振周波数の時系列データＤ２より周波数が増加する方向に補正されている。この補正係数の大きさおよび補正の方向は、この振動子１の予め測定された補正係数とよく一致した。
【０１３２】
本第３実施形態によれば、被測定物質の環境中濃度に比例して共振周波数が変動する振動子をセンサとする環境監視装置において、予め温度補正係数を求めることなく温度補正することができる環境監視装置が実現される。
【０１３３】
上述の第１〜第３実施形態の温度センサに代えて、温度依存性を有する振動子、例えばオフカットされたＡＴカットの水晶振動子を、環境温度を測定するための温度センサ用振動子として用いることもできる。この振動子は，温度と共振周波数との関係が知られていなくても差し支えない。
【０１３４】
振動子の使用温度範囲においては、通常は環境温度に比例して（温度の一次式に従って）共振周波数が変化する。従って、温度センサ用振動子の共振周波数を環境温度の指標とすることができる。即ち、温度に代えて、温度センサ用振動子の共振周波数を用いることができる。しかし、温度の絶対値は知ることができない。
【０１３５】
温度センサ用振動子を温度センサとして用いる場合、温度に代えて、温度センサ用振動子の共振周波数を用いる。具体的には、第１および第２の所定温度に代えて、任意に選定された２つの共振周波数を設定する。この共振周波数は第１および第２の所定温度に厳密に対応する共振周波数である必要はなく、第１および第２の所定温度のときにおおよそ予想され得る範囲内の周波数として、共振周波数を定めれば足りる。このように、環境温度を含む全ての温度を共振周波数に置き換え、第１〜第３実施形態と同様に温度補正係数κ’を算出する。
【０１３６】
この方法によると、温度補正係数κ’の単位は無次元（Ｈｚ×Ｈｚ-1）であり、Ｈｚ×℃-1を単位とする温度補正係数κは算出されない。しかし、上述した第１〜第３実施形態において、被測定物質の付着量δＷは、
δＷ＝α×（（ｆ−ｆｏ）−κ×（Ｔ−Ｔｏ）） （３）
として換算される。ここで、αは周波数差を付着量に換算する換算係数、ｆは任意の時刻ｔにおける振動子１の共振周波数ｆ、ｆｏは観測開始時点における振動子１の共振周波数、Ｔは時刻ｔにおける環境温度およびＴｏは観測開始時点における環境温度である。
【０１３７】
３式の温度を表す項ＴおよびＴｏを、それぞれ時刻ｔにおける温度センサ用振動子の共振周波数Ｆおよび観測開始時点における温度センサ用振動子の共振周波数Ｆｏで置き換える。これより、３式は
δＷ＝α×（（ｆ−ｆｏ）−κ’×（Ｆ−Ｆｏ）） （４）
と変形される。そして、４式から、温度センサ用共振子の共振周波数差（Ｆ−Ｆｏ）に基づき、正確な付着量が算出される。なお、本方法によっては、温度の絶対値および温度差は知得されない。しかし、付着量は算出されるので環境監視装置としてとくに問題にはならない。
【０１３８】
このように、環境温度を共振子の共振周波数の変化としてデジタル回路で測定する温度センサ用振動子を用いることで、回路の精密な調整を要するアナログ回路からなる温度センサに比べ、より製造コストを低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
本発明を腐食物質または有機ガスの環境中濃度を監視する環境監視装置に適用すると、予め温度補正をする必要がないので、低価格の環境監視装置を実現することができる。
【符号の説明】
【０１４０】
１ 振動子
２ 温度センサ
１０ プログラム
１１ 時刻発生部
１２ａ 第１の時刻算出部
１２ｂ 第２の時刻算出部
１３ａ 第１の共振周波数算出部
１３ｂ 第２の共振周波数算出部
１４ａ 第１の微小変動域抽出部
１４ｂ 第２の微小変動域抽出部
１４ｃ 第３の微小変動域抽出部
１５ 補正係数算出部
１５ｃ 温度依存性検知部
１６、１６ｃ 温度補正部
１７ 換算部
１８ 出力部
４１ 出力装置
２０ 観測部
２１ 共振周波数測定器
２２ 温度測定回路
３０ 記憶装置
１００、２００、３００ 環境監視装置
１１０ メモリ
１１１ バス
１２０ ＣＰＵ
ｆ１（ｉ）、ｆ１’（ｉ） 第１の共振周波数
ｆ２（ｉ）、ｆ２’（ｉ）、ｆ２”（ｉ） 第２の共振周波数
ｔ１（ｉ）、ｔ１’（ｉ） 第１の時刻
ｔ２（ｉ）、ｔ２’（ｉ）、ｔ２”（ｉ） 第２の時刻
Ｔｃ１、Ｔｃ１’ 第１の所定温度
Ｔｃ２，Ｔｃ２’、Ｔｃ２” 第２の所定温度
【技術分野】
【０００１】
本発明は環境監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境中の被測定物質濃度を監視する環境監視装置には、振動子、例えば水晶振動子に付着する被測定物質の重量変化を、振動子の共振周波数変動として測定するセンサ、例えばＱＣＭセンサ（Ｑｕａｒｔｓ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅセンサ）が広く用いられている。
【０００３】
このような環境監視装置のセンサとして使用される振動子は、環境物質、例えば大気に直接暴露されるため、環境の大きな温度変動を受けやすい。振動子の共振周波数は、温度依存性を有するため、付着物質の重量変化の他、振動子の温度に依存する。このため、被測定物質の付着量を精密に測定するためには、振動子の温度補正が不可欠である。
【０００４】
しかし、振動子の共振周波数の温度依存性は振動子ごとに異なる場合が多く、各振動子ごとに個々の温度補正係数を測定する必要がある。従来、振動子の温度補正係数は、振動子を環境監視装置に組み込む前に、あるいは組み込んだ後環境監視装置を使用する前に、温度試験を行い振動子の共振周波数の温度依存性を測定することで算出していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−０５８３１９号公報
【特許文献２】特開２００４−２９４３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、振動子の温度補正係数の算出は、環境監視装置を使用する前に予め温度試験を行い、振動子の共振周波数の温度依存性を測定することでなされていた。かかる温度試験は、振動子又は環境監視装置を恒温槽に収容し、温度を階段状に変化させ、一定温度に保持された状態で共振周波数を測定し、温度と共振周波数との関係を測定する必要があり、相当の工数がかかっていた。
【０００７】
さらに、恒温槽の温度を変化した後、定常温度に到達するまでには長時間を要する。とくに、環境監視装置の温度試験は、室温近傍から±十数℃以内の狭い温度範囲で測定されるため温度の変化量が小さく、恒温槽の温度を昇降した後定常温度に到達するまでの時間が長い。このため、温度補正係数の測定に長時間を要し、振動子のみならず環境監視装置の製造コストが高くなるという問題があった。
【０００８】
本発明は、振動子に付着する被測定物質の重量変化を振動子の共振周波数の変動として観測する環境監視装置において、温度補正係数を算出するための温度試験を必要としない環境監視装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するための本発明は、その一態様によれば、被測定物質の付着により共振周波数が変化する振動子と、複数の測定時刻を含む第１の測定時刻で前記共振周波数を測定する共振周波数測定器と、複数の測定時刻を含む第２の測定時刻で環境温度を測定する温度センサと、測定された前記共振周波数を、前記第１の測定時刻と関連づけた共振周波数の時系列データとして記憶し、かつ、測定された前記環境温度を、前記第２の測定時刻と関連づけた環境温度の時系列データとして記憶する記憶装置と、前記記憶装置に記憶された前記環境温度の時系列データから、前記環境温度が第１の所定温度になった第１の時刻を算出する第１の時刻算出部と、前記記憶装置に記憶された前記共振周波数の時系列データから、前記第１の時刻の共振周波数を第１の共振周波数として算出する第１の共振周波数算出部と、前記第１の時刻の共振周波数を被測定物質の付着量へ換算する換算部と、を有することを特徴とする環境監視装置として提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、測定された環境温度および共振周波数の時系列データから、環境温度が第１の所定温度となったときの共振周波数を抽出して、その抽出された共振周波数から被測定物質の付着量を換算する。この付着量は、常に所定の環境温度のときに測定された共振周波数から換算されるので、環境温度の変動の影響を受けない。従って、温度補正係数を算出するための温度試験を行う必要がない環境監視装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態の環境監視装置の構成図
【図２】本発明の第１実施形態の環境監視装置の機能構成図
【図３】本発明の第１実施形態のフローチャート
【図４】本発明の第１実施形態の測定データ
【図５】本発明の第１実施形態の環境温度の時系列データ（その１）
【図６】本発明の第１実施形態の環境温度の時系列データ（その２）
【図７】本発明の第１実施形態の共振周波数の時系列データ（その１）
【図８】比較例の共振周波数の時系列データ
【図９】本発明の第１実施形態におけるデータ処理を説明する図（その１）
【図１０】本発明の第１実施形態におけるデータ処理を説明する図（その２）
【図１１】本発明の第２実施形態の環境監視装置の機能構成図
【図１２】本発明の第２実施形態の環境監視装置のフローチャート
【図１３】本発明の第２実施形態におけるデータ処理を説明する図（その１）
【図１４】本発明の第２実施形態におけるデータ処理を説明する図（その２）
【図１５】本発明の第２実施形態の変形例におけるデータ処理を説明する図
【図１６】本発明の第３実施形態の環境監視装置の機能構成図
【図１７】本発明の第３実施形態の環境監視装置のフローチャート
【図１８】本発明の第３実施形態におけるデータ処理を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の第１実施形態は、環境温度が所定温度に一致する時刻における被測定物質の付着量を観測データとして出力する環境監視装置に関する。
【００１３】
図１は本発明の第１実施形態の環境監視装置の構成図であり、環境監視装置の主要なハードウエア構成を表している。
【００１４】
図１を参照して、本第１実施形態の環境監視装置１００は、ＣＰＵ１２０、メモリ１１０、記憶装置３０及び出力装置４１がバス１１１に接続されたコンピュータと、バス１１１に接続された観測部２０とを有する。
【００１５】
観測部２０は、環境温度を測定する温度センサ２と、環境中に含まれる被測定物質の付着により共振周波数が変化する振動子１とを備える。
【００１６】
温度センサ２は、環境温度を測定できるものであればよく、例えば温度を電圧または電流に変換する半導体温度センサを用いることができる。また、共振周波数の温度依存性が知られた振動子を用い、温度変化を共振周波数の変動として検知することもできる。この温度センサ２は、バス１１１に接続された温度測定回路２２により駆動され、測定された温度データはバス１１１に出力される。
【００１７】
振動子１は圧電板の表面に形成された電極を有する。その振動子１の共振周波数は、圧電板表面又は電極表面に吸着ないし化学反応により付着した被測定物質の重量に応じて変化する。本第１実施形態では、振動子１として、共振周波数の温度依存性が小さなＡＴカットの厚み滑り振動をする水晶振動子を用いた。かかる水晶振動子は、カット方位の僅かなずれにより共振周波数の温度特性が変化する。このため、個々の振動子１の温度特性は、それぞれ異なるものとなる。
【００１８】
なお、本第１実施形態で用いられる振動子１は、被測定物質が累積して付着するものであっても、被測定物質の付着量が環境中の濃度に応じて変化するものであってもよい。前者の振動子には、例えば環境中の腐食物質による電極の腐食量を測定する腐食センサがあり、後者の振動子には、例えば環境中の有機化学物質の濃度を測定する有機ガスセンサがある。第１実施形態の以下の説明では、被測定物質が累積して付着する振動子１、即ち被測定物質が非可逆的に累積して付着する振動子１について説明する。なお、被測定物質の付着量が環境中の濃度に応じて可逆的に変化する振動子１についても同様に説明される。
【００１９】
この振動子１は、バス１１１に接続された共振周波数測定器２１により駆動されてその共振周波数が測定され、測定された共振周波数はバス１１１に出力される。この共振周波数測定器２１は、振動子１の共振周波数を測定可能であればとくに制限はなく、例えば振動子１を含むコルピッツ発振回路と、その発振周波数を計測する周波数測定回路とから構成することができる。なお、振動子１は、交換可能なように、共振周波数測定器２１に着脱可能に接続されることが好ましい。
【００２０】
メモリ１１０は、ＣＰＵ１２０が実行するプログラムを収容する。このメモリ１１０として、例えばＲＯＭ、ＲＡＭの何れか又は両方を含む半導体メモリを用いることができる。記憶装置３０は、測定された環境温度および共振周波数のデータを測定時刻と関連づけて記憶する。この記憶装置３０として、大量のデータを少ない消費電力で記憶することができる記憶装置、たとえば磁気ディスク装置または不揮発性の半導体メモリ（例えばフラッシュメモリを用いたＵＳＢメモリ又はＳＤメモリ）を用いることが好ましい。
【００２１】
出力装置４１は、各種データ、例えば観測データあるいは各種のデータ処理がなされたデータを、ＣＰＵ１２０からの指示に従い外部機器へ出力する。
【００２２】
ＣＰＵ１２０は、メモリ１１０に収容されたプログラム（図２のプログラム１０を含む。）を実行し、プログラムに従って観測部２０、記憶装置３０及び出力装置４１の動作を制御する。
【００２３】
図２は本発明の第１実施形態の環境監視装置の機能構成図であり、環境監視装置１００が有する主な機能を表している。
【００２４】
図２を参照して、本第１実施形態の環境監視装置１００は、ＣＰＵ１２０がプログラム１０を実行することで、時刻発生部１１、第１の時刻算出部１２ａ、第１の共振周波数算出部１３ａ及び換算部１７が有する以下の各機能を実現する。
【００２５】
時刻発生部１１は、温度測定時刻を表す信号ｐ２及び共振周波数測定時刻を表す信号ｐ１を発生する。第１の時刻算出部１２ａは、記憶装置３０内に記憶された環境温度の時系列データＤ１に基づき、環境温度が所与の一定温度（第１の所定温度）になる第１の時刻ｔ１を算出する。第１の共振周波数算出部１３ａは、記憶装置３０内の共振周波数の時系列データＤ２に基づき、第１の時刻ｔ１における共振周波数（以下「第１の共振周波数ｆ１」という。）を算出する。換算部１７は、第１の共振周波数ｆ１を被測定物質の付着量に換算する。以下、これら各部の機能を、プログラム１０のフローチャートを参照して詳細に説明する。
【００２６】
図３は本発明の第１実施形態のフローチャートであり、図２のプログラム１０に従って環境監視装置１００が実行する工程を表している。
【００２７】
図２および図３を参照して、ステップＳ１１で、時刻発生部１１は、環境温度の測定時刻ｔｐ２に立ち上がる信号ｐ２および共振周波数の測定時刻ｔｐ１に立ち上がる信号ｐ１を生成し、バス１１１を介して観測部２０へ出力する。なお、本第１実施形態では、信号ｐ１、ｐ２として、予め定められた時間間隔、例えば１時間間隔で発生し、同一タイミングで立ち上がるパルスを発生した。
【００２８】
次いで、ステップＳ１２で、観測部２０は、信号ｐ１を受信すると、共振周波数測定器２１を駆動して振動子１の共振周波数を測定する。さらに、信号ｐ２を受信すると、温度測定回路２２を駆動して温度センサ２が感知する環境温度を測定する。本第１実施形態では信号ｐ１、ｐ２は同時に立ち上がるので、共振周波数および環境温度の測定は同一時刻になされる。もちろん、立ち上がり時刻が異なる信号ｐ１、ｐ２発生して、共振周波数と環境温度を異なる時刻で測定してもよい。
【００２９】
次いで、ステップＳ１３で、ステップＳ１２で測定された環境温度及び共振周波数のデータを記憶装置３０に記憶する。このとき、測定された環境温度は、測定時刻ｔｐ２に関連づけて記憶され、測定時刻ｔｐ２に関連づけられた環境温度の時系列データＤ１として保存される。また，測定された共振周波数は、測定時刻ｔｐ１に関連づけて記憶され、測定時刻ｔｐ１に関連づけられた共振周波数の時系列データＤ２として保存される。
【００３０】
次いで、ステップＳ１４で、予め与えられた観測期間、例えば１ヶ月間の観測期間が終了したか否かが判定される。観測期間が終了していないと判定された場合は、ステップＳ１１〜Ｓ１４のルーチンを繰り返す。終了したと判定されると、次のステップＳ１５を実行する。従って、ステップＳ１４で観測期間が終了したと判定されたとき、記憶装置３０には全観測期間にわたり測定された環境温度および共振周波数の時系列データＤ１、Ｄ２が記憶されている。
【００３１】
上述したステップＳ１１〜ステップＳ１４とは独立して、ステップＳ１８で、第１の所定温度Ｔｃ１を設定する。第１の所定温度Ｔｃ１として、任意の温度を与えることができる。第１の所定温度Ｔｃ１として、例えば通常ＡＴカットの水晶振動子１の温度特性の基準とされる常温、即ち２５℃に設定することができる。これにより、振動子１の温度依存性が小さくなり、付着量の精密な測定がなされる。また、観測期間のうちの任意の期間、例えは３日間〜１月間の期間中に測定された環境温度の平均値あるいは最高温度と最低温度の中央値とすることもできる。これにより、後述するように、多くの時点において付着量が算出されるので、付着量の変動を緻密な時間間隔で算出することができる。
【００３２】
次いで、ステップＳ１５で、第１の時刻算出部１２ａは、環境温度が第１の所定温度Ｔｃ１に一致する時刻ｔ１（ｉ）（以下、「第１の時刻ｔ１」という。）を算出する。ここで、ｉは自然数である。ステップＳ１５では、まず、記憶装置３０から環境温度の時系列データＤ１を読み出す。
【００３３】
図４は本発明の第１実施形態の測定データであり、記憶装置３０に記憶された環境温度および共振周波数の時系列データＤ１、Ｄ２をグラフに表示したものである。なお、図４の上部に環境温度の時系列データＤ１を、下部に共振周波数の時系列データＤ２を表示した。また、共振周波数は、観測開始時点からの周波数変動幅により表示した。図５は本発明の第１実施形態の環境温度の時系列データ（その１）であり、図４中の環境温度の時系列データＤ１のうち、測定開始から１日〜３日間のデータの詳細を表している。図６は本発明の第１実施形態の環境温度の時系列データ（その２）であり、図４中の環境温度の時系列データＤ１のうち、測定開始後２３日〜２５日間のデータの詳細を表している。
【００３４】
図４を参照して、測定された環境温度は、ほぼ日周期で変動している。一方、観測された振動子１の共振周波数は、日周期で階段状に低減している。この共振周波数の変動が日周期で変動する環境温度に影響される程度は、このままでは振動子１の温度補正係数が未知なため明らかでない。
【００３５】
図２および図５を参照して、第１の時刻算出部１２ａは、記憶装置３０から読み出した環境温度の時系列データＤ１を、近似式により、例えば折れ線グラフにより近似する。次いで、その近似式が第１の所定温度Ｔｃ１と交差する第１の時刻ｔ１（１）〜ｔ１（１１）を算出する。即ち、環境温度の近似式が第１の所定温度Ｔｃ１に一致する時刻を、第１の時刻ｔ１（１）〜ｔ１（１１）として求める。
【００３６】
図６を参照して、測定開始後２３日〜２５日間の環境温度の時系列データは、第１の所定温度Ｔｃ１＝２５℃と一致することがない。従って、この期間では、第１の時刻ｔ１（ｉ）の数が零になる。このように、第１の時刻ｔ１（ｉ）の数が零ないし少ない場合、後述する第１の共振周波数の算出時点が少なくなり、時間間隔が粗いデータしか得られず好ましくない。このため、第１の所定温度Ｔｃ１を第１の所定温度Ｔｃ１’に変更して、環境温度の近似式が第１の所定温度Ｔｃ１’と交差する第１の時刻ｔ１’（ｉ）の数（交差点の数）を多くすることが好ましい。本第１実施形態では、第１の所定温度Ｔｃ１’をＴｃ１’＝２８℃とすることで、２３日〜２５日の３日間で１４時点の第１の時刻ｔ１’（１）〜ｔ１’（１４）を算出した。なお、第１の所定温度Ｔｃ１’は第１の所定温度Ｔｃ１とともに予め設定してもよく、観測結果を参照して第１の時刻ｔ１’（ｉ）の数が多くなるように、例えば観測開始から２３日目〜２５日目の３日間の平均環境温度あるいは最大最小温度の中央値に設定してもよい。
【００３７】
次いで、ステップＳ１６で、第１の共振周波数算出部１３ａは、記憶装置３０から読み出した共振周波数の時系列データＤ２を近似式、例えば折れ線グラフで近似する。そして、第１の時刻算出部１２ａが算出した第１の時刻ｔ１（ｉ）および必要ならば第１の時刻ｔ１’（ｉ）における共振周波数を、以下に説明するようにその近似式から算出する。
【００３８】
図７は本発明の第１実施形態の共振周波数の時系列データ（その１）であり、図４に示す本発明の第１実施形態の測定データのうち、記憶装置３０に記憶されている共振周波数の時系列データＤ２の１日〜３日間に測定されたデータをグラフに表したものである。図８は、比較例の共振周波数の時系列データであり、温度補正された共振周波数を表している。図７〜図８では、共振周波数を、測定開始時の共振周波数からの周波数変動幅（周波数差）により表示した。
【００３９】
なお、この比較例は、第１実施形態の環境監視装置１００の振動子１の温度補正係数を予め測定し、その温度補正係数を用いて第１実施形態の測定結果を温度補正したものである。温度補正係数は、−７Ｈｚ／℃（−０．２８ｐｐｍ／℃）であった。
【００４０】
図７を参照して、振動子１の共振周波数は、おおよそ階段状に減少している。しかし、一部区間で上昇が見られる。ここで用いた振動子１は、被測定物質が非可逆的に累積する型であり、温度が一定であれば共振周波数は常に一定または減少しなければならない。従って、この上昇は被測定物質の付着によるものではなく、環境温度の変動に起因すると推測される。図８を参照して、予め測定されていた温度補正係数を用いて補正された比較例の共振周波数は、階段状に変動しており、上昇は観測されない。このことは、共振周波数の測定データを温度補正なしに直接用いたのでは、被測定物質の付着量を精密に測定することが困難であることを示している。
【００４１】
図９は本発明の第１実施形態におけるデータ処理を説明する図（その１）であり、第１の共振周波数算出部１３ａが実行するデータ処理方法を表している。なお、図９上部の白抜きの小径の円は、図６に図示する環境温度の時系列データＤ１を表示し、図９下部の塗り潰した小径の円は、図７に図示する共振周波数の時系列データＤ２を表示している。
【００４２】
図９を参照して、第１の共振周波数算出部１３ａは、第１の時刻算出部１２ａが算出した第１の時刻ｔ（ｉ）における振動子１の共振周波数ｆ１（ｉ）を算出する。具体的には、記憶装置３０から読み出した共振周波数の時系列データＤ２を近似式、たとえば折れ線グラフにより近似する。そして、第１の時刻ｔ（ｉ）における近似式の値、即ち折れ線グラフが第１の時刻ｔ（ｉ）を表す線（図９中一点鎖線）と交差する点の共振周波数ｆ１（ｉ）を、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）として算出する。言い換えれば、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）は、第１の時刻ｔ（ｉ）の前後の測定時刻で測定された共振周波数を、直線補完することで算出される。もちろん、他の近似方法を用いて算出してもよい。
【００４３】
算出された第１の共振周波数ｆ１（ｉ）を、図９中にｆ１（１）〜ｆ１（１１）を付した大径の白塗りの円（○）で示した。ここでｆ１（１）〜ｆ１（１１）はそれぞれ、第１の時刻ｔ（１）〜ｔ（１１）における第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（１１）表している。
【００４４】
本第一実施形態では、この算出された第１の共振周波数ｆ１（ｉ）を用いて被測定物質の付着量を算出する。即ち、図９中の第一の共振周波数ｆ１（ｉ）を表す円を結ぶ折れ線グラフＧ１（太い実線）を、温度補正された共振周波数（の変動幅）と見做して、付着量に換算する。
【００４５】
上述したように、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）は、第１の時刻ｔ１（ｉ）における共振周波数を、即ち環境温度が第１の所定温度になるときの共振周波数を近似している。言い換えれば、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）は、その全てが同一温度（第１の所定温度Ｔｃ１）で測定されている。即ち、第１の共振周波数ｆ（ｉ）相互間では測定時の環境温度の差がない。このため、この第１の共振周波数ｆ１（ｉ）は、温度変動の影響を受けず、環境物質の付着量の変動のみに起因して変動する。このため、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）の変動を、被測定物質の付着量の変動に換算しても、環境温度変動の影響を受けない正確な付着量が算出される。このように、本第１実施形態の環境監視装置１００では、振動子１の測定された共振周波数を温度補正することなくそのまま用いて、被測定物質の付着量の変動を正確に測定することができる。
【００４６】
図９中のｔ１（１）〜ｔ１（２）、ｔ１（３）〜ｔ１（６）およびｔ１（９）〜ｔ１（１０）の区間（時刻間）では、共振周波数の変動が小さく１Ｈｚ以下である。被測定物質が非可逆的に累積して付着する振動子１では、かかる共振周波数の変動幅が小さな区間は、非測定物質の付着速度が遅く、非測定物質の濃度が低いことを意味する。この共振周波数の変動幅が小さな区間において、算出された第１の共振周波数の変動幅ｄｆ（観測開始時点からの変動幅）は、ｆ１（１）〜ｆ１（２）でｄｆ＝０Ｈｚ、ｆ１（３）〜ｆ１（６）でｄｆ＝−１５５Ｈｚ、およびｆ１（９）〜ｆ１（１０）でｄｆ＝−３１７Ｈｚであった。この変動幅ｄｆは、これらの区間における、２５℃を基準温度として温度補正された図８に示す共振周波数の変動幅と一致している。また、図９中の第１の共振周波数ｆ１（ｉ）を直線で結んだ折れ線グラフＧ１（太い実線）は、図８に示す温度補正された比較例のデータを良く近似している。このように、第１の共振周波数を用いて、温度補正をすることなく温度補正されたデータを近似することができる。
【００４７】
なお、折れ線グラフＧ１により温度補正されたデータをより精密に近似するには、第１の共振周波数が算出される時刻を多くかつその時間間隔を短くすることが望ましい。そのため、第１の時刻ｔ１（ｉ）の間隔が短くかつ多くなるように、第１の所定温度Ｔｃ１を選択することが好ましい。
【００４８】
図１０は本発明の第１実施形態におけるデータ処理を説明する図（その２）であり、第１の共振周波数算出部１３ａが実行する測定開始から２３日〜２５日間のデータ処理を表している。なお、図１０上部の白塗りの小径の円は、図６に示した環境温度の時系列データＤ１を、下部の塗り潰した小径の円は、図４の２３日〜２５日間に測定された振動子１の共振周波数の時系列データＤ２を表示している。
【００４９】
図１０を参照して、第１の所定温度Ｔｃ１’を２８℃に設定したときの第１の時刻ｔ１’（ｉ）は、図６を参照して説明したように、２３日〜２５日の３日間において１４時点の第１の時刻ｔ１’（１）〜ｔ１’（１４）が算出される。図９を参照して説明した上述の第１の共振周波数の算出と同様の方法を用いて、記憶装置３０から読み出した共振周波数の時系列データＤ２から第１の時刻ｔ１’（ｉ）における共振周波数ｆ１’（ｉ）を第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）として算出した。その結果を、図１０中にｆ１’（ｉ）を付した大径の白抜きの円（○），およびその間を結ぶ折れ線グラフＧ１’（太い実線）により表示した。
【００５０】
この第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）は、上述した第１の共振周波数ｆ１（ｉ）と同様に、同一環境温度における共振周波数であるから、環境温度に影響されることなく付着量を正確に反映する。従って、この第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）を被測定物質の付着量に換算することで、振動子の温度補正を行うことなく正確な付着量の変動を測定することができる。
【００５１】
上述した第１の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ１’（ｉ）は、環境温度がそれぞれ異なる第１の所定温度Ｔｃ１、Ｔｃ１’のときの共振周波数であるから、これら第１の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ１’（ｉ）のデータを、温度補正することなく直接接続することはできない。しかし、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ１’（ｉ）が重なる測定期間があり、かつその期間内で第１の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ１’（ｉ）が滑らかに変化するのであれば、両者のデータを容易に接続することができる。例えば、一方のグラフの共振周波数に一定の周波数を加算して、その重なる期間内で両者のグラフを滑らかに接続する。この場合、この加算した周波数を第１の所定温度Ｔｃ１、Ｔｃ１’の温度差で除した値を、温度補正係数として用いて温度補正することで、両者のグラフを接続することができる。
【００５２】
ただし、常に両者のグラフを滑らかに接続することができるとは限らない。例えば、第１の時刻ｔ１（ｉ）、ｔ１’（ｉ）の時間間隔が長く、この間の被測定物質の濃度変動、即ち共振周波数の変動が大きい場合である。ごの場合、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）及び第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）は、測定時間間隔内で急激に変動するため、滑らかに接続することができない。かかる場合でも、後述の第２または第３実施形態のようにして温度補正係数を算出することができれば、温度補正をして接続することができる。
【００５３】
次いで、再び図３を参照して、ステップＳ１７で、換算部１７は、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ１’（ｉ）の周波数変動量ｄｆを被測定物質の付着量に換算する。この換算は、周知のように、予め測定された換算係数を周波数変動量ｄｆに乗ずることでなされる。なお、換算係数の測定は、任意の一定温度において、振動子に付着する物質の重量変動により生ずる共振周波数の変動量を測定することで足りるから短時間でなされ、温度補正係数の測定のように長時間を要しない。換算された付着量は、その結果を出力装置４１から出力され、また、必要ならば記憶装置３０に記憶される。
【００５４】
本発明の第２実施形態は、付着物質が非可逆的に累積する振動子１を用いた自動的に温度補正がなされる環境監視装置に関する。
【００５５】
図１１は本発明の第２実施形態の環境監視装置の機能構成図であり、本発明の第２実施形態の環境監視装置２００が有する主要な機能を表している。なお、本第２実施形態のハードウェア構成は、図１に示す第１実施形態の環境監視装置１００と同様である。
【００５６】
図１１を参照して、本第２実施形態の環境監視装置２００は、プログラム１０の実行により、第２の時刻算出部１２ｂ、第２の共振周波数算出部１３ｂ、第１及び第２の微小変動域抽出部１４ａ、１４ｂ、補正係数算出部１５および温度補正部１６の各機能を実現する。さらに、本第２実施形態の環境監視装置２００は、図２に図示した第１実施形態の環境監視装置１００の機能を全て有している。
【００５７】
図１２は本発明の第２実施形態の環境監視装置のフローチャートであり、プログラム１０に従って環境監視装置２００が実行する工程を表している。
【００５８】
図１２を参照して、本第２実施形態の環境監視装置２００では、まずステップＳ２１で、時刻発生部１１が、それぞれ環境温度および共振周波数の測定時刻を指示する信号ｐ２、ｐ１を発生する。この時刻発生部１１の機能および動作は、第１実施形態のステップＳ１１で実行する時刻発生部１１の機能及び動作と同様てある。
【００５９】
次いで、ステップＳ２２で、観測部２０は、信号ｐ２を受けて温度センサ２による環境温度の測定を温度測定回路２２に実行させ、信号ｐ１を受けて振動子１の共振周波数を共振周波数測定器２１に測定させる。次いで、ステップＳ２３で、これらの観測データを測定時刻と関連づけた環境温度の時系列データＤ１および共振周波数の時系列データＤ２として記憶装置３０に記憶する。
【００６０】
次いで、ステップＳ２４で、ＣＰＵ１２０は所与の観測期間が終了したか否かを判定し、終了していなければステップＳ２１〜Ｓ２４を繰り返す。観測期間が終了すると次のステップＳ２５を実行する。上述したステップＳ２１〜ステップＳ２４が実行する機能は、図３を参照して説明した第１実施形態のステップＳ１１〜Ｓ１４と同様である。また、環境温度の時系列データＤ１および共振周波数の時系列データＤ２も、第１実施形態と同様である。
【００６１】
上記ステップＳ１１〜Ｓ１４とは独立して、ステップＳ３０で、第１実施形態のステップＳ１８と同様にして、第１の所定温度Ｔｃ１を、また、必要ならば第１の所定温度Ｔｃ１’を設定する。この第１の所定温度Ｔｃ１、Ｔｃ１’の設定は、第１実施形態と同一である。
【００６２】
本第２実施形態では、ステップＳ３０で、さらに第２の所定温度Ｔｃ２を設定する。この第２の所定温度Ｔｃ２は、第１の所定温度Ｔｃ１と温度差ΔＴ℃だけ異なる温度として与えられる。温度差ΔＴは、正負いずれの温度差でもよく、振動子１の共振周波数の温度依存性が測定される大きさ、例えは１℃〜数℃に選ばれる。なお、温度差ΔＴの絶対値は、大き過ぎると、後述するステップＳ２５でなされる第２の時刻の算出が困難になる。逆に、小さ過ぎると、第１及び第２の所定温度Ｔｃ１、Ｔｃ２における共振周波数の差が小さくなり、ステップＳ２８において温度補正係数を精密に算出することが難しくなる。
【００６３】
次いで、ステップＳ２５で、第１及び第２の時刻算出部１２ａ、１２ｂが、それぞれ第１の時刻ｔ１および第２の時刻ｔ２を算出する。
【００６４】
図１３は本発明の第２実施形態におけるデータ処理を説明する図（その１）であり、観測開始から１日〜３日間のデータの処理方法を表している。図１４は本発明の第２実施形態におけるデータ処理を説明する図（その２）であり、観測開始から２３日〜２５日間のデータの処理方法を表している。なお、図１３及び図１４の上部は環境温度の時系列データＤ１とそれから算出された第１及び第２の時刻ｔ１（ｉ）、ｔ２（ｉ）を、下部は共振周波数の時系列データＤ２とそれから算出された第１及び第２の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ２（ｉ）を表している。
【００６５】
ステップＳ２５では、第１及び第２の時刻算出部１２ａ、１２ｂは、まず、記憶装置３０から環境温度の時系列データＤ１（第１実施形態の環境温度の時系列データＤ１と同様である。）を読み出す。
【００６６】
次いで、図１３の上部を参照して、第１の時刻算出部１２ａは、環境温度の時系列データＤ１が第１の所定温度Ｔｃ１に一致する第１の時刻ｔ１（ｉ）を算出する。なお、図１３中に、算出された第１の時刻ｔ１（ｉ）を経過時間の短い順にｔ１（１）〜ｔ１（１１）を付して表示した。ここで、第１の所定温度Ｔｃ１を２５℃に設定し、第１実施形態と同様の近似法により第１の時刻ｔ１（ｉ）を算出した。
【００６７】
次いで、第２の時刻算出部１２ｂは、環境温度の時系列データＤ１が第２の所定温度Ｔｃ２に一致する第２の時刻ｔ２（ｉ）を算出する。算出された第２の時刻ｔ２（ｉ）を、図１３中に、経過時間の順に第２の時刻ｔ２（１）〜ｔ２（２）を付して表示した。なお、第２の所定温度Ｔｃ２を２４℃に設定し、第１の時刻の算出に用いたのと同様の近似（直線補完）を用いて第２の時刻ｔ２（ｉ）を算出した。
【００６８】
図１４の上部を参照して、第１の時刻算出部１２ａは、環境温度の平均温度が上昇する２３日〜２５日間の環境温度の時系列データＤ１を処理する際には、２５℃に設定された第１の所定温度Ｔｃ１を、第１実施形態と同様に２８℃に設定された第１の所定温度Ｔｃ１’に変更する。即ち、第１の所定温度Ｔｃ１’＝２８℃とする。そして、２３日〜２５日間の環境温度の時系列データＤ１が、第１の所定温度Ｔｃ１’＝２８℃と一致する第１の時刻ｔ１’（ｉ）を算出する。この算出方法は、図１３に示す第１の時刻ｔ１（ｉ）の算出と同様してなされる。その結果、２３日〜２５日間で、図４に示す第１の時刻ｆ１’（１）〜ｆ１’（１４）までの１４時点が算出された。
【００６９】
また、第２の時刻算出部１２ｂは、２３日〜２５日間の環境温度の時系列データＤ１に対して、第２の所定温度Ｔｃ２’と交差する第２の時刻ｔ２’（ｉ）を算出する。この第２の所定温度Ｔｃ２’を２７℃に設定したとき、２時点の第２の時刻ｔ２’（１）〜ｔ２’（２）が算出された。
【００７０】
次いで、ステップＳ２６で、第１及び第２の共振周波数算出部１３ａ、１３ｂは、それぞれ第１の時刻ｔ１（ｉ）、ｔ２（ｉ）における第１及び第２の共振周波数ｆ１（ｉ）、ｆ２（ｉ）を以下の手順により算出する。
【００７１】
まず、図１３を参照して、観測開始時から１日〜３日間の観測データの処理について説明する。
【００７２】
図１３の下部を参照して、第１の共振周波数算出部１３ａは、まず、記憶装置３０から共振周波数の時系列データＤ２を読み出す。図１３に、読み出された共振周波数の時系列データＤ２を、小径の塗り潰した円を結ぶ折れ線グラフで表示した。
【００７３】
次いで、共振周波数の時系列データＤ２を用いて、第１の時刻ｔ１（１）〜ｔ１（１１）における共振周波数（第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（１１））を第１の共振周波数ｆ１として算出した。この第１の共振周波数ｆ１（ｉ）は、第１実施形態の第１の共振周波数ｆ１（ｉ）の算出と同様の近似と補完とにより算出した。即ち、共振周波数の時系列データＤ１が第１の時刻ｔ１（ｉ）を表す線（図１３中の垂直の一点鎖線）と交差する点の共振周波数を算出する。
【００７４】
図１３に、算出された第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（１１）を白抜きの大径の円により表示し、その間を結ぶ折れ線グラフＧ１を表示した。この第１の共振周波数ｆ１は、第１実施形態の第１の共振周波数ｆ１（ｉ）の算出と同様にして算出される。従って、この図１３に示す第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（１１）および折れ線グラフＧ１、は図９に示す第１実施形態の第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（１１）および折れ線グラフＧ１と同じである。
【００７５】
次いで、第２の共振周波数算出部１３ｂは、記憶装置３０から読み出された共振周波数の時系列データＤ２を用いて、第２の時刻ｔ２（ｉ）における共振周波数（ｆ２（１）〜ｆ２（２）を算出する。この第２の共振周波数ｆ２（ｉ）も、第１の共振周波数ｆ１（ｉ）と同様にして算出した。即ち、共振周波数の時系列データＤ１を表す折れ線グラフが、第２の時刻ｔ２（ｉ）を表す線（図１３中の時刻ｔ２（ｉ）を通る垂直な一点鎖線）と交差する点の共振周波数を算出する。図１３に、算出された第２の共振周波数ｆ２（１）〜ｆ２（２）を２重の四角形により表示し、その間を太い直線で結んで表示した。
【００７６】
次に、図１４を参照して、観測開始時から２３日〜２５日間の観測データの処理について説明する。
【００７７】
図１４の下部を参照して、第２の共振周波数算出部１３ｂは、まず、記憶装置３０から共振周波数の時系列データＤ２を読み出す。図１４に読み出された共振周波数の時系列データＤ２を、小径の塗りつぶした円を結ぶ折れ線グラフで表示した。
【００７８】
次いで、共振周波数の時系列データＤ２を用いて、第１の時刻ｔ１’（１）〜ｔ１’（１４）における共振周波数（第１の共振周波数ｆ１’（１）〜ｆ１’（１４））を第１の共振周波数ｆ１’として算出した。この第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）は、第１実施形態の第１の共振周波数ｆ１（ｉ）の算出と同様の近似と補完とにより算出される。即ち、共振周波数の時系列データＤ１が第１の時刻ｔ１’（ｉ）を表す線（図１４中の垂直の一点鎖線）と交差する点の共振周波数を算出する。
【００７９】
図１４に、算出された第１の共振周波数ｆ１’（１）〜ｆ１’（１４）を白抜きの大径の円により表示し、その間を結ぶ折れ線グラフＧ１を表示した。この第１の共振周波数ｆ１’は、第１実施形態の第１の共振周波数ｆ１の算出と同様にして算出される。従って、この図１４に示す第１の共振周波数ｆ１’（１）〜ｆ１’（１４）および折れ線グラフＧ１’は図１０に示す第１実施形態の第１の共振周波数ｆ１’（１）〜ｆ１’（１４）および折れ線グラフＧ１’と同じである。
【００８０】
次いで、第２の共振周波数算出部１３ｂは、記憶装置３０から読み出された共振周波数の時系列データＤ２を用いて、第２の時刻ｔ２’における共振周波数（ｆ２’（１）〜ｆ２’（２）を算出する。この第２の共振周波数ｆ２’（ｉ）も、第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）と同様にして算出される。即ち、共振周波数の時系列データＤ２が第２の時刻ｔ２’（ｉ）を表す線（図１４中の時刻ｔ２’（ｉ）を通る垂直な一点鎖線）と交差する点の共振周波数を算出する。図１４に、算出された第２の共振周波数ｆ２’（１）〜ｆ２’（２）を２重の四角形により表示し、その間を太い直線で結んで表示した。
【００８１】
次いで、ステップＳ２７で、第１の微小変動域抽出部１４ａは、図１３を参照して、互いに隣接する第１の時刻ｔ１（ｉ）およびｔ１（ｉ＋１）における第１の共振周波数ｆ１（ｉ）およびｆ１（ｉ＋１）を比較する。そして、その差分Δｆが、予め設定された微小変動周波数の範囲内、例えば±１Ｈｚ以内であれば、第１の時刻ｔ１（ｉ）から次の第１の時刻ｔ１（ｉ＋１）までの間を第１の微小変動域として抽出する。図１３を参照して、かかる第１の微小変動域として、第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（２）の間、第１の共振周波数ｆ１（３）〜ｆ１（６）の間、および第１の共振周波数ｆ１（９）〜ｆ１（１０）の間が抽出された。本第２実施形態の振動子１は付着量の累積値を検知するセンサであるから、これらの第１の微小変動域は、付着量が増加しない、ないし付着量の増加速度が小さな時間帯であることを意味する。
【００８２】
さらにステップＳ２７では、第２の微小変動抽出部１４ｂは、例えば観測開始から１日〜３日間の観測データに対して図１３を参照して、互いに隣接する第２の時刻ｔ２（ｉ）およびｔ２（ｉ＋１）における第２の共振周波数ｆ２（ｉ）およびｆ２（ｉ＋１）を比較する。そして、その差分Δｆが、予め設定された微小変動周波数の範囲内、例えば±１Ｈｚ以内であれば、第２の時刻ｔ２（ｉ）から次の第２の時刻ｔ２（ｉ＋１）までの間を第２の微小変動域として抽出する。図１３を参照して、第２の微小変動域として、第２の共振周波数ｆ２（１）〜ｆ２（２）の間が抽出された。
【００８３】
同じくステップＳ２７で、第１の微小変動域抽出部１４ａは、例えば観測開始から２３日〜２５日間の観測データに対して図１４を参照して、互いに隣接する第１の時刻ｔ１’（ｉ）およびｔ１’（ｉ＋１）における第１の共振周波数ｆ１’（ｉ）およびｆ１’（ｉ＋１）を比較する。そして、その差分Δｆが、微小変動周波数の範囲内であれば、その区間を第１の微小変動域として抽出する。図１４を参照して、かかる微小変動域として、第１の共振周波数ｆ１’（１）〜ｆ１’（３）の間、第１の共振周波数ｆ１’（８）〜ｆ１’（９）の間、および第１の共振周波数ｆ１’（１２）〜ｆ１’（１３）の間が抽出された。
【００８４】
さらにステップＳ２７で、第２の微小変動抽出部１４ｂは、図１４を参照して、互いに隣接する第２の時刻ｔ２’（ｉ）およびｔ２’（ｉ＋１）における第２の共振周波数ｆ２’（ｉ）およびｆ２’（ｉ＋１）を比較する。そして、その差分Δｆが、微小変動周波数の範囲内であれば、第２の時刻ｔ２’（ｉ）から次の第２の時刻ｔ２’（ｉ＋１）までの間を第２の微小変動域として抽出する。図１４を参照して、第２の微小変動域として、第２の共振周波数ｆ２’（１）〜ｆ２’（２）の間が抽出された。
【００８５】
次いで、ステップＳ２８で、補正係数算出部１５は、第１の微小変動域と第２微小変動域とが重複する重複期間を抽出する。そして、重複期間における第１の共振周波数ｆ１と第２の共振周波数ｆ２との差分に基づき、以下に説明する手順で振動子１の温度補正係数κを算出する。
【００８６】
補正係数算出部１５は、図１３および図１４を参照して、まず、ステップＳ２７で抽出された第１の微小変動領域と第２の微小変動領域とが重複する重複期間を検出する。
【００８７】
具体的には、第１の微小変動域の各区間の両端の時刻と、第２の微小変動域の各区間の両端の時刻とを逐次照合し、第１および第２の微小変動域とが重なる重複期間を検出する。かかる重複期間は、例えば図１３では時刻ｔ２（１）〜ｔ２（２）の区間、図１４では時刻ｔ２’（１）〜ｔ２’（２）の区間として検出される。図１３および図１４では第２の微小変動域の全体が第１の微小変動域に含まれるが、これに限られず第１および第２の微小変動域の一部が重なる区間があればよい。
【００８８】
次いで、補正係数算出部１５は、第１および第２の微小変動領域が重なる区間（重複期間）における第１の共振周波数ｆ１（またはｆ１’）と第２の共振周波数ｆ２（またはｆ２’）との周波数差δｆ＝ｆ１−ｆ２（またはｆ１’−ｆ２’）を算出する。そして、温度補正係数κを、
κ＝δｆ／ΔＴｃ （１）
により算出する。ここで、ΔＴｃは第１の所定温度Ｔｃ１（またはＴｃ１’）と第２の所定温度Ｔｃ２（またはＴｃ２’）との温度差であり、ΔＴｃ＝Ｔｃ１−Ｔｃ２（または、ΔＴｃ＝Ｔｃ１’−Ｔｃ２’）である。
【００８９】
上述したように、第１および第２の微小変動域は、いずれも被測定物質の付着速度が零ないし遅い区間であり、この区間では付着量は殆ど変動しない。即ち、重複期間における第１および第２の共振周波数ｆ１、ｆ２（またはｆ１’−ｆ２’）は、同一付着量に対する共振周波数に対応している。振動子１の共振周波数は、温度と付着量に依存するから、この重複期間の第１および第２の共振周波数の差は測定時の環境温度の差、即ち第１の所定温度Ｔｃ１と第２の所定温度Ｔｃ２との違いに起因している。従って、１式に従い、この重複期間における第１および第２の共振周波数の差を、第１および第２の所定温度の差分で除することで温度補正係数κが算出される。
【００９０】
図１３を参照して、時刻ｔ２（１）〜ｔ２（２）間の重複期間では、図１３中のｆ１（５）とｆ１（６）を結ぶ太い直線で表される第１の共振周波数ｆ１の変動幅は−１５５Ｈｚで一定であった。一方、ｆ２（１）とｆ２（２）を結ぶ太い直線で表される第２の共振周波数ｆ２の変動幅は−１４９Ｈｚで一定であった。従って、δｆ＝ｆ１−ｆ２＝−６Ｈｚと算出される。また、Ｔｃ１＝２５℃、Ｔｃ２＝２４℃であるから、δＴｃ＝Ｔｃ１−Ｔｃ２＝１℃である。これから、１式を用いて、補正係数κ＝−６Ｈｚ／℃が算出された。
【００９１】
同様に、図１４の時刻ｔ２’（１）〜ｔ２’（２）間の重複期間では、第１の共振周波数ｆ１’は、図１４中のｆ１’（１２）とｆ１’（１３）とを結ぶ太い直線で表され、その共振周波数の変動幅は−３２４１Ｈｚであった。一方、図１４中のｆ２’（１）とｆ２’（２）とを結ぶ太い直線で表される第２の共振周波数ｆ２’の変動幅は−３２３４Ｈｚであった。従って、δｆ＝ｆ１’−ｆ２’＝−７Ｈｚと算出される。また、Ｔｃ１’＝２８℃、Ｔｃ２’＝２７℃であるから、ΔＴｃ＝Ｔｃ１’−Ｔｃ２’＝１℃である。これから、１式を用いて、補正係数κ＝−７Ｈｚ／℃と算出される。
【００９２】
本第２実施形態では、観測開始から１〜３日目および２３日〜２５日のデータから算出された温度補正係数κ＝６Ｈｚ／℃およびκ＝７Ｈｚ／℃の平均値κ＝６．５Ｈｚ／℃を温度補正係数として用い、１カ月の観測期間に測定された共振周波数の時系列データＤ２を補正した。この温度補正係数κ＝６．５Ｈｚ／℃は、比較例における実測値の温度補正係数７Ｈｚ／℃と良く一致している。
【００９３】
図１４に、比較例の温度補正された共振周波数の時系列データを、二重丸（◎）で表示した。微小変動域（ｔ１’（１）〜ｔ１’（３）、ｔ１’（８）〜ｔ１’（９）、ｔ１’（１２）〜ｔ１’（１３））では、第１の所定温度Ｔｃ１’＝２８℃で測定された第１の共振周波数ｆ１１’（１）〜ｆ１’（３）、ｆ１’（８）〜ｆ１’（９）、ｆ１’（１２）〜ｆ１’（１３）’は、この微小変動域の比較例の温度補正された共振周波数より１８Ｈｚ〜２０Ｈｚ低く、この３区間では平均１８．６Ｈｚ低かった。この周波数の差１８．６Ｈｚは、第１共振周波ｆｔ１’が測定された第１の所定温度ｔｃ１’＝２８℃と比較例の補正温度２５℃との温度差３℃に、第２実施形態で求めた温度補正係数κ＝６．５Ｈｚ／℃を乗じた１９・５Ｈｚにほぼ一致している。これは、第２実施形態において、正確な温度補正係数κが求められたことを示している。
【００９４】
上述したように、本第２実施形態によれば、微小変動域における第１および第２の共振周波数の差から、温度試験を行うことなく、振動子１の共振周波数の温度補正係数を算出することができる。
【００９５】
ステップＳ２８の後、ステップＳ２９で、換算部１７はステップＳ１７と同様に、上述の温度補正係数κを用いて温度補正された振動子１の共振周波数の周波数変動量ｄｆを、被測定物質の付着量に換算する
なお、微小変動周波数の大きさは、第１の所定温度Ｔｃ１と第２の所定温度Ｔｃ２との温度差に起因して生ずる共振周波数の周波数差Δｆより十分小さく設定される。このように設定することで、第１の微小変動域内の共振周波数の変動を主として環境温度の変化に依存させ、付着量の変動の影響を小さくすることができる。このため、付着量の変動に起因する温度補正係数の誤差が小さくなる。
【００９６】
上述の第２実施形態では、第１の所定温度Ｔｃ１’を２８℃とし、第２の所定温度Ｔｃ２’を２４℃に設定した。この第２の所定温度Ｔｃ２’に、さらに異なる温度の第２の所定温度Ｔｃ２”を追加することができる。
【００９７】
図１５は本発明の第２実施形態の変形例におけるデータ処理を説明する図であり、第２の実施形態に第２の所定温度Ｔｃ２”を追加してなされたデータ処理を説明している。
【００９８】
図１５を参照して、この変形例では、第２の所定温度Ｔｃ２”が設定され、環境温度の時系列データＤ１が第２の所定温度Ｔｃ２”（例えはＴｃ２”＝３３℃）に一致する第２の時刻ｔ２”（１）〜ｔ２”（４）が算出される。この第２の時刻ｔ２”（１）〜ｔ２”（４）は、第２の共振周波数算出部１３ｂにより、ステップＳ２５の第２の時刻ｔ２’（１）〜ｔ２’（２）の算出と同様のデータ処理を用いて算出される。
【００９９】
この変形例では、その他のデータ処理、例えば第１および第２の時刻ｔ１’、ｔ２’の算出、第１および第２の共振周波数ｆ１’、ｆ２’の算出、第１および第２の微小変動域の算出とその重複期間の算出は、第２の実施形態と同様にデータ処理される。以下、変形例について、主として第２の実施形態に追加される処理を説明する。
【０１００】
変形例の第２の共振周波数算出部１３ｂは、第２の時刻ｔ２”（１）〜ｔ２”（４）における第２の共振周波数ｆ２”（１）〜ｆ２”（４）を算出する。そして、変形例の第２の微小変動域抽出部１４ｂは、隣接する第２の共振周波数を比較し、その周波数差が所与の微小変動周波数より小さな区間を第２の微小変動域として抽出する。これらの処理は、第２実施形態のステップＳ２５〜Ｓ２７と同様になされる。
【０１０１】
次いで、補正係数算出部１５は、第２の共振周波数ｆ２”（１）〜ｆ２”（４）に基づき抽出された第２の微小変動域（図１５中のｆ２”（３）〜ｆ２”（４）の区間）と、第１の微小変動域とが重なる重複期間（図１５中のｔ２”（３）〜ｔ２”（４）の期間）を抽出する。この抽出はステップＳ２７と同様になされる。
【０１０２】
ついで、補正係数算出部１５は、抽出された重複期間ｔ２”（３）〜ｔ２”（４）における第１の共振周波数ｆ１’（１２）〜ｆ１’（１４）と、この重複期間ｔ２”（３）〜ｔ２”（４）における第２の共振周波数ｆ２”（３）〜ｆ２”（４）との周波数差δｆを算出する。そして、温度補正係数κをκ＝δｆ／ （Ｔｃ１’−Ｔｃ２”）により算出する。
【０１０３】
図１５を参照して、重複期間ｔ２”（３）〜ｔ２”（４）における第１の共振周波数ｆ１’の変動量は−３２４１Ｈｚ、第２の共振周波数ｆ２”の変動量は−３２７８Ｈｚであり、周波数差δｆは、δｆ＝ｆ１’−ｆ２”＝３７Ｈｚと算出される。また、Ｔｃ１’＝２８℃、Ｔｃ２”＝３３℃から、（Ｔｃ１’−Ｔｃ２”）＝−５℃と算出される。従って、温度補正係数κはκ＝−７．４Ｈｚ／℃と算出される。この温度補正係数κ＝−７．４Ｈｚ／℃は、比較例の温度補正係数κ＝−７Ｈｚ／℃と良く一致している。
【０１０４】
本第２実施形態の変形例では、第２実施形態で求めた温度補正係数κ＝−６Ｈｚ／℃、κ＝−７Ｈｚ／℃およびこの変形例で求めた温度補正係数κ＝−７．４Ｈｚ／℃の平均値−６．８Ｈｚ／℃を温度補正係数κとして用い、共振周波数の時系列データＤ２を温度補正した。
【０１０５】
上述した変形例によれば、第１の所定温度Ｔｃ１’より低温および高温の２つの第２の所定温度Ｔｃ２’、Ｔｃ２”が設定される。このため、環境温度が第１の所定温度Ｔｃ１’より高低いずれの側に変化しても第２の時刻が算出されるので、第２の時刻の数が多くなり、緻密なデータ処理が可能となる。また、第１の所定温度Ｔｃ１’と第２の所定温度Ｔｃ２”との温度差が５℃と大きいので、精密な温度補正係数κが求められる。
【０１０６】
本発明の第３実施形態は、付着物質が可逆的に付着する振動子１を用いた環境監視装置に関する。
【０１０７】
図１６は本発明の第３実施形態の環境監視装置の機能構成図であり、本発明の第３実施形態の環境監視装置３００が有する主な機能を表している。
【０１０８】
図１６を参照して、本第３実施形態の環境監視装置３００は、第１実施形態と同様に、環境温度および振動子１の共振周波数を測定する観測部２０、記憶装置３０、時刻発生部１１、第１の時刻発生部１２ａ、第１の共振周波数算出部１３ａ、換算部１７、および、出力部１８を備える。これらは、振動子１を除き、第１実施形態と同様の機能を有し、同様に動作する。従って、説明の重複を避けるため、以下、とくに第１実施形態と異なる主な点について説明する。
【０１０９】
本第３実施形態の環境監視装置３００は、さらに、第３の微小変動域抽出部１４ｃ、温度依存性検知部１５ｃおよび温度補正部１６ｃを有する。なお、本第３実施形態で用いられる振動子１は、被測定物質が可逆的に付着する、従って、被測定物質の環境中濃度に応じて共振周波数が可逆的に変化するものである。
【０１１０】
図１７は本発明の第３実施形態の環境監視装置のフローチャートであり、プログラム１０に従って実行される工程をあらわしている。
【０１１１】
図１６および図１７を参照して、ステップＳ４１で、時刻発生部１１は測定時刻を指示するパルスｐ１、ｐ２を発生する。そして、ステップＳ４２で、観測部２０は、パルスｐ１、ｐ２に同期して環境温度および振動子１の共振周波数を測定する。次いで、ステップＳ４３で、測定された環境温度および共振周波数は、測定時刻と関連づけられた環境温度および共振周波数の時系列データＤ１、Ｄ２として記憶装置３０に記憶される。ついで、ステップＳ４４で、所定の観測期間が経過したか否かが評価され、否と判定されたときは再びステップＳ４１から繰り返す。観測期間が終了したと判定されると、次のステップＳ４５を実行する。
【０１１２】
これらステップＳ４１〜Ｓ４４の動作は、第１実施形態でのステップＳ１１〜Ｓ１４と同様である。従って、ステップＳ４５の実行時には、全観測期間の環境温度および共振周波数の時系列データＤ１、Ｄ２が記憶されている。
【０１１３】
次いで、ステップＳ４１〜Ｓ４４とは別に、ステップＳ５１で、第１の所定温度Ｔｃ１（図１８参照）が設定される。さらに、ステップＳ４５で、第１の時刻算出部１２ａは、第１の時刻ｔ１を算出する。このステップＳ５１、Ｓ４５の工程は、第１実施形態のステップＳ１８、Ｓ１５と同様である。
【０１１４】
図１８は本発明の第３実施形態におけるデータ処理を説明する図であり、図１８上部に、観測期間の一部における、環境温度の時系列データＤ１を、図１８下部に共振周波数の時系列データＤ２と温度補正された共振周波数の時系列データＤ’２を表した。
【０１１５】
図１８上部を参照して、ステップＳ４５で、第１の時刻算出部１２ａは、ます記憶装置３０から環境温度の時系列データＤ１を読み出す。次いで、環境温度の時系列データＤ１を近似式、例えは折れ線グラフにより近似し、この近似式が第１の所定温度Ｔｃ１に一致する時刻ｔ１（１）〜ｔ１（４）を算出する。このステップＳ４５は、第１実施形態のステップＳ１５と同様である。
【０１１６】
ついでステップＳ４６で、第１の共振周波数算出部１３ａは、記憶装置から読み出した共振周波数の時系列データＤ２を近似式、例えば折れ線グラフで近似する。そして、第１の時刻ｔ１（１）〜ｔ１（４）における近似式の値を、第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（４）として算出する。算出された第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（４）を、図１８下部中に大径の白抜きの円（○）により示す。このステップＳ４６の工程は、第１実施形態のステップＳ１６と同様になされる。
【０１１７】
ついで、ステップＳ４７で、第３の微小変動域抽出部１４ｃは、互いに隣接する第１の共振周波数ｆ１（１）〜ｆ１（４）を比較し、その周波数差の絶対値が予め定めた微小変動周波数、例えば１Ｈｚより小さい時間帯を、第３の微小変動域として抽出する。ここでは、図１８下部中の大径の白抜きの円を参照して、共振周波数の差が１Ｈｚ以内となる第１の共振周波数ｆ１（２）、ｆ１（３）、ｆ１（４）を含む区間、即ち第１の時刻ｔ１（２）〜ｔ１（４）の時間帯が第３の微小変動域として抽出された。このステップＳ４７の抽出工程は、第２実施形態のステップＳ２７における第１の微小変動領域の抽出方法と同様である。なお、上述の第３の微小変動域の抽出は、全観測期間についてなされ、多くの場合は複数の第３の微小変動域が抽出される。
【０１１８】
次いで、ステップＳ４８で、温度依存性検知部１５ｃは、一つの第３の微小変動領域を選択し、その第３の微小変動領域において観測される共振周波数が、環境温度の１次式に従うか否かを検知する。
【０１１９】
具体的に説明すると、初めに、図１８上部を参照して、第３の微小変動領域内の任意の観測時刻ｔｏ（ｉ）を選定する。次いで、選択された観測時刻ｔｏ（ｉ）における環境温度Ｔｏを、環境温度の時系列データＤ１から抽出する。次いで、図１８下部を参照して、共振周波数の時系列データＤ２から観測時刻ｔｏ（ｉ）で測定された共振周波数ｆｏ（ｉ）を抽出する。
【０１２０】
次いで、共振周波数ｆｏ（ｉ）と第３の微小変動領域内の第１の共振周波数、例えばｆ１（２）（＝ｆ１（３）＝ｆ１（４））との周波数差（ｆｏ（ｉ）−ｆ１（２））を求める。他方、観測時刻ｔｏ（ｉ）における環境温度Ｔｏ（ｉ）と第１の所定温度Ｔｃ１との温度差（Ｔｏ（ｉ）−Ｔｃ１）を求める。
【０１２１】
次いで、その比γ＝周波数差（ｆｏ（ｉ）−ｆ１（２））／温度差（Ｔｏ（ｉ）−Ｔｃ１）を、選択された第３の微小変動域内の全ての観測時刻ｔｏ（ｉ）について算出する。そして、その比γが、選択された第３の微小変動域の全域で一定ならば、共振周波数ｆｏは環境温度Ｔの一次式、
共振周波数ｆｏ＝γＴ＋定数 （２）
に従う温度依存性を有すると判定する。逆に、比γが一定でなければ、共振周波数ｆｏは、環境温度の他、被測定物質の濃度変動に影響されていると判定する。その判定の根拠は次の理由による。
【０１２２】
第３実施形態の共振子１の共振周波数は、一般に温度と被測定物質の濃度に線型に依存して変化する。第３の微小変動域では、第１の共振周波数ｆ１（２）〜ｆ１（４）は、全て同じ環境温度（第１の所定温度Ｔｃ１）の下で測定されており温度変動の影響を受けない。従って、第１の共振周波数ｆ１（２）〜ｆ１（４）が微小変動周波数以内で一致することは、これら第１の共振周波数ｆ１（２）〜ｆ１（４）が測定された第１の時刻ｔ１（2)、ｔ１（３）、ｔ１（４）において被測定物質濃度が一定であることを示している。このことは、第３の微小変動域内で被測定物質濃度が一定であることを強く推定させる。
【０１２３】
この推定に基づき、被測定物質の濃度は第１の微小変動域内で一定であると仮定する。さらに、被測定物質の濃度が正確に環境温度に比例して変動することはないと仮定する。通常は環境中の被測定物質濃度が環境温度に比例して増減することは極めて稀であり、多くの場合はこの仮定が成立する。
【０１２４】
かかる２つの仮定のもとに、第３の微小変動域内で２式が成立するならば、その第３の微小変動域内での第１の共振周波数ｆ１の変動は、２式で表されるように、環境温度の変化に追従する。なぜなら，第３の微小変動域内では被測定物質濃度の変動はないと仮定するからである。
【０１２５】
上述した理由により、多くの場合、２式が成立するとき、振動子１の共振周波数は、２式に従う温度依存性を有するとしてよい。ただし、被測定物質の濃度が第３の微小変動域内で正確に環境温度に比例して変動することはないとする仮定は、成立しない場合がある。たとえば、被測定物質の濃度が環境温度の一次式に従って変化する場合である。従って、上述の第１の微小変動域を時間間隔、例えは数日〜数週間の時間をおいて複数域抽出し、その複数の第１の微小変動域内で２式が成立することを確認することが好ましい。これにより、被測定物質の濃度が、一時期のみ環境温度の１次式に比例して変化することによる誤判定を回避することができる。
【０１２６】
さらに、上述した第３の微小変動域内の第１の共振周波数ｆ１（例えばｆ１（２）、ｆ１（３）、ｆ１（４））が、被測定物質の濃度が零のときの共振周波数に等しい場合に限り、ステップＳ４８の判定を行うようにしてもよい。通常、共振周波数から被測定物質濃度への換算係数の測定は、予め、被測定物質濃度と共振周波数との関係を第１の所定温度Ｔｃ１で測定してなされる。このため、被測定物質濃度が零に対応する共振周波数は予め知得される場合が多い。
【０１２７】
この場合、測定された共振周波数が、被測定物質濃度が零に対応する共振周波数よりも高周波側にずれるならば、そのずれは環境温度にのみ依存していると判定することができる。なぜなら、濃度は零以下、即ち負にはなり得ないから、測定された共振周波数が濃度変化によって上記知得された共振周波数を超えることはないからである。従って、第３の微小変動域内において測定された共振周波数が、被測定物質濃度が零に対応する共振周波数よりも高周波側にずれた区間があり、かつ、この区間を含めた第３の微小変動域について２式が成立する場合は、共振周波数は２式に従って変動していると解される。
【０１２８】
このように、第１の共振周波数が被測定物質濃度が零に対応する共振周波数に等しい区間を抽出することにより、被測定物質の濃度が環境温度の１次式に比例して変化する場合に生ずる誤判定を回避することができる。
【０１２９】
次いで、ステップＳ４９で、温度補正部１６ｃは、比γを温度補正係数γとして算出する。次いで、ステップＳ５０で、全ての第３の微小変動域についてステップＳ４８、Ｓ４９を実行したか否かを判定し、否と判定したときはステップＳ５２で、次の（測定時刻が遅い側の）第３の微小変動域を抽出して、再びステップＳ４８、Ｓ４９を繰り返す。全ての第３の微小領域についてステップＳ４８、Ｓ４９を実行したと判定されると、次のステップＳ５３を実行する。
【０１３０】
次いで、ステップＳ５３で、温度補正部１６ｃは、比γを温度補正係数γとして用いて共振周波数数の時系列データＤ２を温度補正する。このとき、複数の第３の微小変動域で算出された比γの平均値を温度補正係数γとすることが、偶発的な誤差を回避ために好ましい。
【０１３１】
ここでは、第１の微小変動域内で、比κの平均値はκ＝−６．５Ｈｚ／℃と算出された。図１８下部の白抜きの３角形（△）は、温度補正後の共振周波数の時系列データＤ’２を表している。温度補正後の共振周波数の時系列データＤ２’は、第１の微小変動域内でほぼ一定値に補正されている。他方、その前後の時間帯、即ち第１の所定温度Ｔｃ１より高温となる時間帯では、温度補正後の共振周波数の時系列データＤ２’は、環境温度が高温になるにつれて、補正前の共振周波数の時系列データＤ２より周波数が増加する方向に補正されている。この補正係数の大きさおよび補正の方向は、この振動子１の予め測定された補正係数とよく一致した。
【０１３２】
本第３実施形態によれば、被測定物質の環境中濃度に比例して共振周波数が変動する振動子をセンサとする環境監視装置において、予め温度補正係数を求めることなく温度補正することができる環境監視装置が実現される。
【０１３３】
上述の第１〜第３実施形態の温度センサに代えて、温度依存性を有する振動子、例えばオフカットされたＡＴカットの水晶振動子を、環境温度を測定するための温度センサ用振動子として用いることもできる。この振動子は，温度と共振周波数との関係が知られていなくても差し支えない。
【０１３４】
振動子の使用温度範囲においては、通常は環境温度に比例して（温度の一次式に従って）共振周波数が変化する。従って、温度センサ用振動子の共振周波数を環境温度の指標とすることができる。即ち、温度に代えて、温度センサ用振動子の共振周波数を用いることができる。しかし、温度の絶対値は知ることができない。
【０１３５】
温度センサ用振動子を温度センサとして用いる場合、温度に代えて、温度センサ用振動子の共振周波数を用いる。具体的には、第１および第２の所定温度に代えて、任意に選定された２つの共振周波数を設定する。この共振周波数は第１および第２の所定温度に厳密に対応する共振周波数である必要はなく、第１および第２の所定温度のときにおおよそ予想され得る範囲内の周波数として、共振周波数を定めれば足りる。このように、環境温度を含む全ての温度を共振周波数に置き換え、第１〜第３実施形態と同様に温度補正係数κ’を算出する。
【０１３６】
この方法によると、温度補正係数κ’の単位は無次元（Ｈｚ×Ｈｚ-1）であり、Ｈｚ×℃-1を単位とする温度補正係数κは算出されない。しかし、上述した第１〜第３実施形態において、被測定物質の付着量δＷは、
δＷ＝α×（（ｆ−ｆｏ）−κ×（Ｔ−Ｔｏ）） （３）
として換算される。ここで、αは周波数差を付着量に換算する換算係数、ｆは任意の時刻ｔにおける振動子１の共振周波数ｆ、ｆｏは観測開始時点における振動子１の共振周波数、Ｔは時刻ｔにおける環境温度およびＴｏは観測開始時点における環境温度である。
【０１３７】
３式の温度を表す項ＴおよびＴｏを、それぞれ時刻ｔにおける温度センサ用振動子の共振周波数Ｆおよび観測開始時点における温度センサ用振動子の共振周波数Ｆｏで置き換える。これより、３式は
δＷ＝α×（（ｆ−ｆｏ）−κ’×（Ｆ−Ｆｏ）） （４）
と変形される。そして、４式から、温度センサ用共振子の共振周波数差（Ｆ−Ｆｏ）に基づき、正確な付着量が算出される。なお、本方法によっては、温度の絶対値および温度差は知得されない。しかし、付着量は算出されるので環境監視装置としてとくに問題にはならない。
【０１３８】
このように、環境温度を共振子の共振周波数の変化としてデジタル回路で測定する温度センサ用振動子を用いることで、回路の精密な調整を要するアナログ回路からなる温度センサに比べ、より製造コストを低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
本発明を腐食物質または有機ガスの環境中濃度を監視する環境監視装置に適用すると、予め温度補正をする必要がないので、低価格の環境監視装置を実現することができる。
【符号の説明】
【０１４０】
１ 振動子
２ 温度センサ
１０ プログラム
１１ 時刻発生部
１２ａ 第１の時刻算出部
１２ｂ 第２の時刻算出部
１３ａ 第１の共振周波数算出部
１３ｂ 第２の共振周波数算出部
１４ａ 第１の微小変動域抽出部
１４ｂ 第２の微小変動域抽出部
１４ｃ 第３の微小変動域抽出部
１５ 補正係数算出部
１５ｃ 温度依存性検知部
１６、１６ｃ 温度補正部
１７ 換算部
１８ 出力部
４１ 出力装置
２０ 観測部
２１ 共振周波数測定器
２２ 温度測定回路
３０ 記憶装置
１００、２００、３００ 環境監視装置
１１０ メモリ
１１１ バス
１２０ ＣＰＵ
ｆ１（ｉ）、ｆ１’（ｉ） 第１の共振周波数
ｆ２（ｉ）、ｆ２’（ｉ）、ｆ２”（ｉ） 第２の共振周波数
ｔ１（ｉ）、ｔ１’（ｉ） 第１の時刻
ｔ２（ｉ）、ｔ２’（ｉ）、ｔ２”（ｉ） 第２の時刻
Ｔｃ１、Ｔｃ１’ 第１の所定温度
Ｔｃ２，Ｔｃ２’、Ｔｃ２” 第２の所定温度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物質の付着により共振周波数が変化する振動子と、
複数の測定時刻を含む第１の測定時刻で前記共振周波数を測定する共振周波数測定器と、
複数の測定時刻を含む第２の測定時刻で環境温度を測定する温度センサと、
測定された前記共振周波数を、前記第１の測定時刻と関連づけた共振周波数の時系列データとして記憶し、かつ、測定された前記環境温度を、前記第２の測定時刻と関連づけた環境温度の時系列データとして記憶する記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された前記環境温度の時系列データから、前記環境温度が第１の所定温度になった第１の時刻を算出する第１の時刻算出部と、
前記記憶装置に記憶された前記共振周波数の時系列データから、前記第１の時刻の共振周波数を第１の共振周波数として算出する第１の共振周波数算出部と、
前記第１の時刻の第１の共振周波数を被測定物質の付着量へ換算する換算部と、
を有することを特徴とする環境監視装置。
【請求項２】
前記振動子は、環境中の被測定物質が非可逆的に累積して付着する振動子からなり、
算出された前記第１の共振周波数の時間変動が所与の微小変動周波数より小さい期間を第１の微小変動域として抽出する第１の微小変動域抽出部と、
前記記憶装置に記憶された前記環境温度の時系列データから、前記環境温度が前記第１の所定温度と異なる第２の所定温度になった第２の時刻を算出する第２の時刻算出部と、
前記記憶装置に記憶された前記共振周波数の時系列データから、前記第２の時刻の共振周波数を第２の共振周波数として算出する第２の共振周波数算出部と，
算出された前記第２の共振周波数の時間変動が所与の前記微小変動周波数より小さい期間を第２の微小変動域として抽出する第２の微小変動域抽出部と、
前記第１及び第２の微小変動域が重畳する重複期間における前記第１及び第２の共振周波数の差を前記第１及び第２の所定温度の差で除した温度補正係数を算出する補正係数算出部と、
前記温度補正係数を用いて前記共振周波数の時系列データを温度補正する温度補正部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の環境監視装置。
【請求項３】
前記振動子は、環境中の被測定物質の濃度に比例して共振周波数が変動する振動子からなり、
前記記憶装置に記憶された前記共振周波数の時系列データから、互いに隣接する前記第１の測定時刻における前記第１の共振周波数の差が、所与の微小変動周波数より小さい期間を第３の微小変動域として抽出する第３の微小変動域抽出部と、
前記第３の微小変動域の前記共振周波数ｆｏが、前記環境温度Ｔの一次式
ｆｏ＝γＴ＋定数
に従って変動するか否かを判定する温度依存性検知部と、
前記一次式に従って変動すると判定されたとき、前記一次式の比例係数γを補正係数として用いて、前記共振周波数の時系列データを温度補正する温度補正部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の環境監視装置。
【請求項４】
複数の観測期間中に観測された前記共振周波数の時系列データおよび前記環境温度の時系列データから算出された前記補正係数の平均値を、補正係数として用いることを特徴とする請求項２又は３記載の環境監視装置。
【請求項５】
所与の観測期間中に観測された前記環境温度の時系列データの平均温度を、前記第１の所定温度とすることを特徴とする請求項１〜３記載の環境監視装置。
【請求項６】
前記温度センサに代えて、環境温度に対応して共振周波数が変化する第２の振動子を用い、
測定された前記環境温度に代えて、前記環境温度に対応する前記第２の振動子の共振周波数を用い、
前記第１の所定温度に代えて、所与の該１の所定周波数とした、
ことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の環境監視装置。
【請求項１】
被測定物質の付着により共振周波数が変化する振動子と、
複数の測定時刻を含む第１の測定時刻で前記共振周波数を測定する共振周波数測定器と、
複数の測定時刻を含む第２の測定時刻で環境温度を測定する温度センサと、
測定された前記共振周波数を、前記第１の測定時刻と関連づけた共振周波数の時系列データとして記憶し、かつ、測定された前記環境温度を、前記第２の測定時刻と関連づけた環境温度の時系列データとして記憶する記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された前記環境温度の時系列データから、前記環境温度が第１の所定温度になった第１の時刻を算出する第１の時刻算出部と、
前記記憶装置に記憶された前記共振周波数の時系列データから、前記第１の時刻の共振周波数を第１の共振周波数として算出する第１の共振周波数算出部と、
前記第１の時刻の第１の共振周波数を被測定物質の付着量へ換算する換算部と、
を有することを特徴とする環境監視装置。
【請求項２】
前記振動子は、環境中の被測定物質が非可逆的に累積して付着する振動子からなり、
算出された前記第１の共振周波数の時間変動が所与の微小変動周波数より小さい期間を第１の微小変動域として抽出する第１の微小変動域抽出部と、
前記記憶装置に記憶された前記環境温度の時系列データから、前記環境温度が前記第１の所定温度と異なる第２の所定温度になった第２の時刻を算出する第２の時刻算出部と、
前記記憶装置に記憶された前記共振周波数の時系列データから、前記第２の時刻の共振周波数を第２の共振周波数として算出する第２の共振周波数算出部と，
算出された前記第２の共振周波数の時間変動が所与の前記微小変動周波数より小さい期間を第２の微小変動域として抽出する第２の微小変動域抽出部と、
前記第１及び第２の微小変動域が重畳する重複期間における前記第１及び第２の共振周波数の差を前記第１及び第２の所定温度の差で除した温度補正係数を算出する補正係数算出部と、
前記温度補正係数を用いて前記共振周波数の時系列データを温度補正する温度補正部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の環境監視装置。
【請求項３】
前記振動子は、環境中の被測定物質の濃度に比例して共振周波数が変動する振動子からなり、
前記記憶装置に記憶された前記共振周波数の時系列データから、互いに隣接する前記第１の測定時刻における前記第１の共振周波数の差が、所与の微小変動周波数より小さい期間を第３の微小変動域として抽出する第３の微小変動域抽出部と、
前記第３の微小変動域の前記共振周波数ｆｏが、前記環境温度Ｔの一次式
ｆｏ＝γＴ＋定数
に従って変動するか否かを判定する温度依存性検知部と、
前記一次式に従って変動すると判定されたとき、前記一次式の比例係数γを補正係数として用いて、前記共振周波数の時系列データを温度補正する温度補正部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の環境監視装置。
【請求項４】
複数の観測期間中に観測された前記共振周波数の時系列データおよび前記環境温度の時系列データから算出された前記補正係数の平均値を、補正係数として用いることを特徴とする請求項２又は３記載の環境監視装置。
【請求項５】
所与の観測期間中に観測された前記環境温度の時系列データの平均温度を、前記第１の所定温度とすることを特徴とする請求項１〜３記載の環境監視装置。
【請求項６】
前記温度センサに代えて、環境温度に対応して共振周波数が変化する第２の振動子を用い、
測定された前記環境温度に代えて、前記環境温度に対応する前記第２の振動子の共振周波数を用い、
前記第１の所定温度に代えて、所与の該１の所定周波数とした、
ことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の環境監視装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−２０２７６６（Ｐ２０１２−２０２７６６Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６６２７８（Ｐ２０１１−６６２７８）
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
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