JP2003536066A - 光学フィルターを使用する非分散赤外線ガス測定法 - Google Patents
光学フィルターを使用する非分散赤外線ガス測定法Info
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- G—PHYSICS
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- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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Abstract
(57)【要約】
希釈ガスと共に、メタンと、エタン或いは他の炭化水素とを含むような引火性成分を含むガス混合物の安全性を決定する方法及び装置に関する。方法は、フィルター（１６）を使用するガスセル（１０）内のガス混合物のフィルター付赤外線分光法を含む。フィルターのピーク透過波長（λmax）及び帯域幅は、平らな波長分布を有する赤外光源（４２）が使用されるとき、所定公差内で、ガス混合物の％ＬＥＬを示す出力をなすようなものであるように選択される。フィルターは、希釈ガスと共にメタン及びエタンの混合物を収容するガス相関フィルターであっても良い。
Description
【０００１】
本発明は、引火性成分を含有するガス混合物、特に、しかし、限るわけではな
いが、メタン及びエタンを未知の比率で含有するガス混合物の安全性を赤外線分
光法によって決定することの種々の側面に関する。
いが、メタン及びエタンを未知の比率で含有するガス混合物の安全性を赤外線分
光法によって決定することの種々の側面に関する。
【０００２】
引火性ガス濃度測定は、多数の安全臨界状態で行われる。１つのそのような引
火性ガスは、典型的には、主にメタン、それに加えて、高級炭化水素、不活性ガ
ス及び微量成分を含む天然ガスである。天然ガス検出器は、公衆により通報され
るガス漏れの応答を含む多数の用途に、及び、恒久的に設置された検出器を使用
する工場や設備の連続監視に必要とされる。それらは、ガス濃度を、ガス混合物
の下方爆発限界（ＬＥＬ：lower explosion limit）のパーセントとして測定す
るように要求され、これは、重要な安全パラメーターとなる。
火性ガスは、典型的には、主にメタン、それに加えて、高級炭化水素、不活性ガ
ス及び微量成分を含む天然ガスである。天然ガス検出器は、公衆により通報され
るガス漏れの応答を含む多数の用途に、及び、恒久的に設置された検出器を使用
する工場や設備の連続監視に必要とされる。それらは、ガス濃度を、ガス混合物
の下方爆発限界（ＬＥＬ：lower explosion limit）のパーセントとして測定す
るように要求され、これは、重要な安全パラメーターとなる。
【０００３】
ガス混合物中のメタンのような引火性ガス成分の濃度は、理論的には、メタン
によって吸収される波長の一つに等しい、例えば３．３２μｍにピーク透過波長
を有するフィルターを使用して赤外線分光法によって測定することができる。フ
ィルター及び光源は一緒になって、個々のガス種の選択度を与えて、ガス混合物
のスペクトル測定を行う選択された波長範囲を定める。測定された濃度は、ガス
混合物の安全性の指示を示す％ＬＥＬに変換することができる。しかしながら、
天然源からのガス混合物は、通常、エタン、プロパン及びブタンを含む炭化水素
のような未知の比率の他の引火性成分を含み、ある場合にはそのような成分が故
意に追加される。これらの追加的な引火性成分の存在は、ＬＥＬに影響を及ぼし
てメタンに対する割合から外れた程度まで赤外線放射を吸収することによって％
ＬＥＬの精度を乱す。
によって吸収される波長の一つに等しい、例えば３．３２μｍにピーク透過波長
を有するフィルターを使用して赤外線分光法によって測定することができる。フ
ィルター及び光源は一緒になって、個々のガス種の選択度を与えて、ガス混合物
のスペクトル測定を行う選択された波長範囲を定める。測定された濃度は、ガス
混合物の安全性の指示を示す％ＬＥＬに変換することができる。しかしながら、
天然源からのガス混合物は、通常、エタン、プロパン及びブタンを含む炭化水素
のような未知の比率の他の引火性成分を含み、ある場合にはそのような成分が故
意に追加される。これらの追加的な引火性成分の存在は、ＬＥＬに影響を及ぼし
てメタンに対する割合から外れた程度まで赤外線放射を吸収することによって％
ＬＥＬの精度を乱す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、％ＬＥＬのより正確な指示を達成することができる、ガス混
合物の赤外線分光法に使用するためのフィルターを提供することにある。 我々は、フィルターのピーク透過波長ばかりでなくフィルターの帯域幅も重要
であること、また、向上した精度がそれらの要因の適当な選択によって達成する
ことができることを発見した。 かくして、本発明の第１の側面によれば、希釈ガスと共に、第１の引火性成分
及び第２の引火性成分を含むガス混合物の安全性を決定する方法であって、フィ
ルターを使用するガス混合物のフィルター付赤外線分光法を含み、フィルターの
ピーク透過波長（λｍａｘ）及び帯域幅を、所定の公差内で、ガス混合物の％Ｌ
ＥＬを示す出力をなすように選択した、方法を提供する
合物の赤外線分光法に使用するためのフィルターを提供することにある。 我々は、フィルターのピーク透過波長ばかりでなくフィルターの帯域幅も重要
であること、また、向上した精度がそれらの要因の適当な選択によって達成する
ことができることを発見した。 かくして、本発明の第１の側面によれば、希釈ガスと共に、第１の引火性成分
及び第２の引火性成分を含むガス混合物の安全性を決定する方法であって、フィ
ルターを使用するガス混合物のフィルター付赤外線分光法を含み、フィルターの
ピーク透過波長（λｍａｘ）及び帯域幅を、所定の公差内で、ガス混合物の％Ｌ
ＥＬを示す出力をなすように選択した、方法を提供する
【０００５】
本発明は、２つの引火性成分が、スペクトルの同じ領域で赤外線のいくらかの
吸収を示す場合に特に有利である。典型的な例は、同じ化学的系列のメンバーの
ような、或る化学的類似性を有する成分である。かくして、第１の引火性成分は
典型的にはメタンであり、第２の引火性成分はエタン、プロパン又はそれらの混
合物である。第１の成分がメタンであるとき、本発明は、第２の成分が水素であ
る場合には成功しにくい。
吸収を示す場合に特に有利である。典型的な例は、同じ化学的系列のメンバーの
ような、或る化学的類似性を有する成分である。かくして、第１の引火性成分は
典型的にはメタンであり、第２の引火性成分はエタン、プロパン又はそれらの混
合物である。第１の成分がメタンであるとき、本発明は、第２の成分が水素であ
る場合には成功しにくい。
【０００６】
ガス混合物中に存在する希釈成分は、実際には通常、空気、即ち窒素、酸素、
二酸化炭素、水蒸気及び不活性ガスであるが、本発明は、希釈成分がフィルター
のピーク透過波長に近い重要な赤外線吸収を有しないガス混合物に適用できる。
フィルターのピーク透過波長に近い重要な赤外線吸収を有するガス成分は、測定
を妨げ、従って、回避されるのが好ましい。 フィルターは、好ましくは、出力が、±３％の公差内で混合物の％ＬＥＬを示
すように選択される。 我々は、この精度が、フィルターの選択にある規準を適用することによって達
成することができることを発見した。
二酸化炭素、水蒸気及び不活性ガスであるが、本発明は、希釈成分がフィルター
のピーク透過波長に近い重要な赤外線吸収を有しないガス混合物に適用できる。
フィルターのピーク透過波長に近い重要な赤外線吸収を有するガス成分は、測定
を妨げ、従って、回避されるのが好ましい。 フィルターは、好ましくは、出力が、±３％の公差内で混合物の％ＬＥＬを示
すように選択される。 我々は、この精度が、フィルターの選択にある規準を適用することによって達
成することができることを発見した。
【０００７】
第１に、フィルターのピーク透過波長及び帯域幅を、該フィルターを通して観
察したとき、５０％ＬＥＬの前記第１の成分を含むガス混合物の透過強度（Ｉ1
）が、３０％の公差内、好ましくは２０％内、理想的には１０％内で、５０％Ｌ
ＥＬの前記第２の成分を含むガス混合物の透過強度（Ｉ2）に等しいように、選
択することが好ましいことを発見した。空気中のメタンとエタンの混合物の場合
、 が、帯域幅に依存して、中間赤外線領域の約３．２７μｍ及び約３．３２μｍの
波長で、及び、近赤外線領域の約１．６７μｍの波長で起こる。
察したとき、５０％ＬＥＬの前記第１の成分を含むガス混合物の透過強度（Ｉ1
）が、３０％の公差内、好ましくは２０％内、理想的には１０％内で、５０％Ｌ
ＥＬの前記第２の成分を含むガス混合物の透過強度（Ｉ2）に等しいように、選
択することが好ましいことを発見した。空気中のメタンとエタンの混合物の場合
、 が、帯域幅に依存して、中間赤外線領域の約３．２７μｍ及び約３．３２μｍの
波長で、及び、近赤外線領域の約１．６７μｍの波長で起こる。
【０００８】
第２の好ましい規準は、フィルターのピーク透過波長で、５０％ＬＥＬの前記
第１の成分を含むガス混合物の波長増加に対する強度変化の割合（δＩ1／δλ
）が、１００ Ｉ／μｍの公差内、好ましくは１０ Ｉ／μｍ内で、５０％ＬＥＬ
の前記第２の成分の波長増加に対する強度変化の割合（δＩ2／δλ）に、等し
いことである。空気中のメタンとエタンの混合物の場合、我々は、 及び が、約３．３２μｍの波長及び０．７％λmaxより小さい、半値全幅（full widt
h at half maximum：fwhm）によって表現される帯域幅で起こることを発見した
。
第１の成分を含むガス混合物の波長増加に対する強度変化の割合（δＩ1／δλ
）が、１００ Ｉ／μｍの公差内、好ましくは１０ Ｉ／μｍ内で、５０％ＬＥＬ
の前記第２の成分の波長増加に対する強度変化の割合（δＩ2／δλ）に、等し
いことである。空気中のメタンとエタンの混合物の場合、我々は、 及び が、約３．３２μｍの波長及び０．７％λmaxより小さい、半値全幅（full widt
h at half maximum：fwhm）によって表現される帯域幅で起こることを発見した
。
【０００９】
かくして、中間赤外線領域では、フィルターが、（ｉ）０．８％乃至１％の帯
域幅をもつ、３．２６３乃至３．２７１μｍ、最も好ましくは３．２６５乃至３
．２６９μｍのピーク透過波長λmaxを有し、或いは、（ii）０．７％より小さ
い帯域幅をもつ、３．３１乃至３．３２μｍのピーク透過波長λmaxを有するの
が好ましい。近赤外線領域では、フィルターが、０．５％乃至６％の帯域幅をも
つ、１．６７乃至１．６８μｍ、最も好ましくは１．６７３乃至１．６７５μｍ
のピーク透過波長λmaxを有するのが好ましい。
域幅をもつ、３．２６３乃至３．２７１μｍ、最も好ましくは３．２６５乃至３
．２６９μｍのピーク透過波長λmaxを有し、或いは、（ii）０．７％より小さ
い帯域幅をもつ、３．３１乃至３．３２μｍのピーク透過波長λmaxを有するの
が好ましい。近赤外線領域では、フィルターが、０．５％乃至６％の帯域幅をも
つ、１．６７乃至１．６８μｍ、最も好ましくは１．６７３乃至１．６７５μｍ
のピーク透過波長λmaxを有するのが好ましい。
【００１０】
λmax＝３．２７μｍ及び０．９％λmaxの帯域幅を有するフィルターは、英国
エセックス州 Malden Galliford Roadの「NDC Infrared Engineering」から入
手できる。同じ製造業者は又、λmax＝１．６７μｍ及び０．９％λmaxの帯域幅
を有するフィルターを提供している。より好ましいフィルターは、所望の特性を
有する製品を提供するために、既知の製造技術に適当な調整を加えて、或いは、
種々のフィルターからの選択によって、作られる。
エセックス州 Malden Galliford Roadの「NDC Infrared Engineering」から入
手できる。同じ製造業者は又、λmax＝１．６７μｍ及び０．９％λmaxの帯域幅
を有するフィルターを提供している。より好ましいフィルターは、所望の特性を
有する製品を提供するために、既知の製造技術に適当な調整を加えて、或いは、
種々のフィルターからの選択によって、作られる。
【００１１】
事実驚いたことに、中間赤外線領域では、帯域幅を減少させることにより、信
号強度が著しく減少するので、フィルターの帯域幅を減ずることにより、％ＬＥ
Ｌ測定の精度が向上する。λmaxを、０．７％λmaxより小さい帯域幅で、Ｉメタン とＩエタンが実質的に等しいポジションまで移動させることにより、％ＬＥＬ測定 の精度が向上する。 本発明は、好ましいフィルター特性が、検査すべきガス混合物中のガスの相対
的な比率と無関係であるという利点を提供する。
号強度が著しく減少するので、フィルターの帯域幅を減ずることにより、％ＬＥ
Ｌ測定の精度が向上する。λmaxを、０．７％λmaxより小さい帯域幅で、Ｉメタン とＩエタンが実質的に等しいポジションまで移動させることにより、％ＬＥＬ測定 の精度が向上する。 本発明は、好ましいフィルター特性が、検査すべきガス混合物中のガスの相対
的な比率と無関係であるという利点を提供する。
【００１２】
第２の側面によれば、本発明は、希釈ガスと共に、第１の引火性成分及び第２
の引火性成分を含むガス混合物の安全性を決定するための装置を提供し、この装
置は、検査すべきガスを受け入れるための領域と、該領域に赤外光を差し向ける
ように位置決めされた赤外光源と、前記領域を通過した光の強度を測定するため
のセンサーと、光源及びセンサーの間の光路に位置決めされたフィルターとを有
するものにおいて、フィルターのピーク透過波長（λmax）及び帯域幅を、セン
サーに所定の公差内で、ガス混合物の％ＬＥＬを示す出力を与えるように選択す
ることを特徴とする。 検査すべきガスを受け入れるための領域は、そのようなガスのサンプルを収容
するためのガスセルによって作られても良いし、或いは、検査すべきガスが流れ
ることができるオープン光路によって作られても良い。
の引火性成分を含むガス混合物の安全性を決定するための装置を提供し、この装
置は、検査すべきガスを受け入れるための領域と、該領域に赤外光を差し向ける
ように位置決めされた赤外光源と、前記領域を通過した光の強度を測定するため
のセンサーと、光源及びセンサーの間の光路に位置決めされたフィルターとを有
するものにおいて、フィルターのピーク透過波長（λmax）及び帯域幅を、セン
サーに所定の公差内で、ガス混合物の％ＬＥＬを示す出力を与えるように選択す
ることを特徴とする。 検査すべきガスを受け入れるための領域は、そのようなガスのサンプルを収容
するためのガスセルによって作られても良いし、或いは、検査すべきガスが流れ
ることができるオープン光路によって作られても良い。
【００１３】
本発明は又、希釈ガスと共に、第１の成分としてのメタンと、エタン、プロパ
ン及びそれらの混合物から選択される第２の成分とを含むガス混合物の赤外線分
光法用のフィルターであって、フィルターのピーク透過波長（λmax）及び帯域
幅が、平らな波長分布を有する赤外光源が使用されるとき、所定の公差内でガス
混合物の％ＬＥＬを示す出力をなすようなものであることを特徴とするフィルタ
ーを提供する。
ン及びそれらの混合物から選択される第２の成分とを含むガス混合物の赤外線分
光法用のフィルターであって、フィルターのピーク透過波長（λmax）及び帯域
幅が、平らな波長分布を有する赤外光源が使用されるとき、所定の公差内でガス
混合物の％ＬＥＬを示す出力をなすようなものであることを特徴とするフィルタ
ーを提供する。
【００１４】
赤外光源の性質は、二次的な考慮である。理論では、光源が「白色」出力、即
ち、検査されるスペクトルのその部分で平らな波長分布である出力を有するなら
ば、フィルターの好ましい特性に影響を及ぼさない。しかしながら、実際には、
赤外光源は、特にＬＥＤを光源として使用した場合には、平らな分布を有してい
ないことがある。この場合には、フィルター特性と赤外光源の特性を選択するこ
とが好ましい。同様の考慮が、センサーにも当てはまる。
ち、検査されるスペクトルのその部分で平らな波長分布である出力を有するなら
ば、フィルターの好ましい特性に影響を及ぼさない。しかしながら、実際には、
赤外光源は、特にＬＥＤを光源として使用した場合には、平らな分布を有してい
ないことがある。この場合には、フィルター特性と赤外光源の特性を選択するこ
とが好ましい。同様の考慮が、センサーにも当てはまる。
【００１５】
かくして、本発明は又、赤外光源と、希釈ガスと共に第１の成分としてメタン
及び、エタン、プロパン及びそれらの混合物から選択される第２の成分を含むガ
ス混合物の赤外線分光法用のフィルターと、の組合わせであって、フィルターの
ピーク透過波長（λmax）及び帯域幅が、光源が使用されるとき、所定の公差内
でガス混合物の％ＬＥＬを示す出力を出すようなものであることを特徴とする前
記組合わせを提供する。 干渉フィルターが本発明の使用に適しているが、変形例としてガス相関フィル
ターを使用しても良い。 かくして、変形実施形態では、フィルターは、希釈ガスと共に、第１の引火性
成分及び第２の引火性成分の既知の混合物を収容するガス相関フィルターを含む
。
及び、エタン、プロパン及びそれらの混合物から選択される第２の成分を含むガ
ス混合物の赤外線分光法用のフィルターと、の組合わせであって、フィルターの
ピーク透過波長（λmax）及び帯域幅が、光源が使用されるとき、所定の公差内
でガス混合物の％ＬＥＬを示す出力を出すようなものであることを特徴とする前
記組合わせを提供する。 干渉フィルターが本発明の使用に適しているが、変形例としてガス相関フィル
ターを使用しても良い。 かくして、変形実施形態では、フィルターは、希釈ガスと共に、第１の引火性
成分及び第２の引火性成分の既知の混合物を収容するガス相関フィルターを含む
。
【００１６】
本発明は、さらに、天然ガスの赤外線分光法用のガス相関フィルターを提供し
、このフィルターは、希釈ガスと共にメタンと、エタン、プロパン及びそれらの
混合物から選択される第２の引火性成分との混合物を収容する。 本発明を、添付図面を参照して単に例示として説明する。
、このフィルターは、希釈ガスと共にメタンと、エタン、プロパン及びそれらの
混合物から選択される第２の引火性成分との混合物を収容する。 本発明を、添付図面を参照して単に例示として説明する。
【００１７】
図１を参照すると、希釈ガスと共に、第１の引火性成分及び第２の引火性成分
を含むガス混合物の安全性を決定するための装置が示されている。装置は、検査
すべきガスを受け入れるための領域を有し、この領域は、そのようなガスのサン
プルを収容するためのガスセル１０によって作られる。赤外光源１２が、赤外光
をセル１０の中のガスサンプルに差し向けるように位置決めされる。適当な赤外
光源は、英国ノーサンプトンシャー州ウェリングバロのAccess Pacific Ltdから
入手できる、Telecom Devices CorporationのChemled LED 33である。セルの中
のガスサンプルを通過した光の強度を測定するためのセンサー１４が、設けられ
る。適当なセンサーは、英国エンフィールドの浜松ホトニクスUK LtdのP791-11
PbSe photodetectorである。フィルター１６が、赤外光源１２とセル１０との間
に位置決めされるが、変形形態では、セル１０とセンサー１４との間に位置決め
されても良い。光源１２からの光をセンサー１４上に合焦させるレンズ１８及び
２０が、設けられる。上述した近赤外フィルターと共に、近赤外光源及び検出器
の選択により又、意にかなう装置になる。
を含むガス混合物の安全性を決定するための装置が示されている。装置は、検査
すべきガスを受け入れるための領域を有し、この領域は、そのようなガスのサン
プルを収容するためのガスセル１０によって作られる。赤外光源１２が、赤外光
をセル１０の中のガスサンプルに差し向けるように位置決めされる。適当な赤外
光源は、英国ノーサンプトンシャー州ウェリングバロのAccess Pacific Ltdから
入手できる、Telecom Devices CorporationのChemled LED 33である。セルの中
のガスサンプルを通過した光の強度を測定するためのセンサー１４が、設けられ
る。適当なセンサーは、英国エンフィールドの浜松ホトニクスUK LtdのP791-11
PbSe photodetectorである。フィルター１６が、赤外光源１２とセル１０との間
に位置決めされるが、変形形態では、セル１０とセンサー１４との間に位置決め
されても良い。光源１２からの光をセンサー１４上に合焦させるレンズ１８及び
２０が、設けられる。上述した近赤外フィルターと共に、近赤外光源及び検出器
の選択により又、意にかなう装置になる。
【００１８】
図２を参照すると、３．１μｍと３．５５μｍの波長間で、メタンの吸収スペ
クトル（線Ｍ）と、エタンの吸収スペクトル（線Ｅ）が大変異なることが分かる
。しかしながら、それらの線は、約３．２６７μｍの波長Ａ点で交差することが
見られた。この図は、フィルターの好ましい特性、即ち約３．２６７μｍのピー
ク透過波長を示す。しかしながら、この波長では、各線の傾斜は同様ではなく、
即ち、２つのガスの、波長増加に対する強度変化の割合が異なる。従って、これ
はフィルターの最も好ましい特性を示さず、好ましい特性は図３を参照すべきで
ある。しかしながら、Ａ点での線の傾斜の厳密な検討は、０．９％λmax又はそ
れより小さい帯域幅が、せいぜい３％の、９０／１０のメタン／エタン混合物の
％ＬＥＬの測定の誤差をもたらすことを示す。
クトル（線Ｍ）と、エタンの吸収スペクトル（線Ｅ）が大変異なることが分かる
。しかしながら、それらの線は、約３．２６７μｍの波長Ａ点で交差することが
見られた。この図は、フィルターの好ましい特性、即ち約３．２６７μｍのピー
ク透過波長を示す。しかしながら、この波長では、各線の傾斜は同様ではなく、
即ち、２つのガスの、波長増加に対する強度変化の割合が異なる。従って、これ
はフィルターの最も好ましい特性を示さず、好ましい特性は図３を参照すべきで
ある。しかしながら、Ａ点での線の傾斜の厳密な検討は、０．９％λmax又はそ
れより小さい帯域幅が、せいぜい３％の、９０／１０のメタン／エタン混合物の
％ＬＥＬの測定の誤差をもたらすことを示す。
【００１９】
図３を参照すると、フィルターの帯域幅が０．６％まで減少される場合、今度
は、線Ｍと線Ｅが互いに接近している第２の領域Ｂがあることが分かる。これは
、約３．３２μｍの波長にある。その上、この波長では、各線の傾斜は同様であ
り、即ち、２つのガスの波長増加に対する強度変化の割合がほぼ等しい。この図
は、フィルターの最も好ましい特性、即ち、約３．３１５μｍのピーク透過波長
及び約０．６％λmaxの帯域幅を示す。 全体の信号強度が図２に比べて減少していることが、図３からも分かる。
は、線Ｍと線Ｅが互いに接近している第２の領域Ｂがあることが分かる。これは
、約３．３２μｍの波長にある。その上、この波長では、各線の傾斜は同様であ
り、即ち、２つのガスの波長増加に対する強度変化の割合がほぼ等しい。この図
は、フィルターの最も好ましい特性、即ち、約３．３１５μｍのピーク透過波長
及び約０．６％λmaxの帯域幅を示す。 全体の信号強度が図２に比べて減少していることが、図３からも分かる。
【００２０】
実験例
前述のシミュレーション解析の実用性を確かめる実験について説明する。例と
して、実験は、上述した中間赤外線フィルターを使用して行われたが、原理は、
近赤外線オペレーションにも等しく適用できる。
して、実験は、上述した中間赤外線フィルターを使用して行われたが、原理は、
近赤外線オペレーションにも等しく適用できる。
【００２１】
実験ＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外線分光法）分光計（Biorad FTS-60A）を使用
して、上述したフィルターを選択することの恩恵を証明した。一連の試験用ガス
混合物の濃度を、２つの干渉フィルターを使用して確定し、混合物は、英国で見
つけられた天然ガス組成を示す。試験用ガス混合物は表１に示す組成を有してい
た。 表１．天然ガスを代表する３つの人工ガス混合物のモル％の組成 ＬＥＬは、BS EN 50054:1991からＬＥＬの個々の成分を使用して、Coward及び
Jonesによる方法に従って計算された。（引用：HF Coward and GW Jones. Limit
s of flammability of gases and vapours（ガス及び蒸気の引火性限界）. Nati
onal Bureau of Mines, Bulletin 503[1952]）
して、上述したフィルターを選択することの恩恵を証明した。一連の試験用ガス
混合物の濃度を、２つの干渉フィルターを使用して確定し、混合物は、英国で見
つけられた天然ガス組成を示す。試験用ガス混合物は表１に示す組成を有してい
た。 表１．天然ガスを代表する３つの人工ガス混合物のモル％の組成 ＬＥＬは、BS EN 50054:1991からＬＥＬの個々の成分を使用して、Coward及び
Jonesによる方法に従って計算された。（引用：HF Coward and GW Jones. Limit
s of flammability of gases and vapours（ガス及び蒸気の引火性限界）. Nati
onal Bureau of Mines, Bulletin 503[1952]）
【００２２】
１００％の天然ガスを、炭化水素を含まない空気と比率を変えて混合した。濃
度を、各ガスについて正確な読みをとるため、各ガス混合物の他の成分に対する
クロス感度（cross-sensitivity）について別々に調節され、メタン分析器（ADC dual Luft cell）を使用して決定した。
度を、各ガスについて正確な読みをとるため、各ガス混合物の他の成分に対する
クロス感度（cross-sensitivity）について別々に調節され、メタン分析器（ADC dual Luft cell）を使用して決定した。
【００２３】
ガススペクトルを、実験ＦＴＩＲ分光計で１０ｃｍ経路長さのガスセルを使用
して測定した。スペクトルを、中間赤外線（３．３μｍ中心）で測定した。高分
解能中央赤外線分光用分光計（Bio-Rad FTS-60A）を、その製造者の指示に従っ
て設定した。広帯域ＫＢｒビームスパッター及び液体窒素冷却式ＭＣＴ検出器と
ともに高温セラミック光源を使用し、これらの全てに分光計を補った。ＫＢｒウ
ィンドウを又、ガスセルに使用した。最も高い利用可能な分解能（０．２５ｃｍ-1 ）を選択した。
して測定した。スペクトルを、中間赤外線（３．３μｍ中心）で測定した。高分
解能中央赤外線分光用分光計（Bio-Rad FTS-60A）を、その製造者の指示に従っ
て設定した。広帯域ＫＢｒビームスパッター及び液体窒素冷却式ＭＣＴ検出器と
ともに高温セラミック光源を使用し、これらの全てに分光計を補った。ＫＢｒウ
ィンドウを又、ガスセルに使用した。最も高い利用可能な分解能（０．２５ｃｍ-1 ）を選択した。
【００２４】
サンプルガスからのスペクトルを、炭化水素を含まない空気で満たされたセル
で得られた基準スペクトルの減算によって、セル吸収及びセル反射に修正した。
各スペクトルに対し、基線零（baseline zero）を、（ｉ）３．０乃至３．１μ
ｍ、（ｉｉ）３．９乃至４μｍの２つの領域の平均吸収間の直線補間によって定
めた。これらの領域を、天然ガスのわずかな吸収レベルのために選んだ。ガス吸
収によって影響されない領域に入念に選択されたフィルターを使用してなされた
基線零の基準測定値は、非分散赤外線検出器で周知である。
で得られた基準スペクトルの減算によって、セル吸収及びセル反射に修正した。
各スペクトルに対し、基線零（baseline zero）を、（ｉ）３．０乃至３．１μ
ｍ、（ｉｉ）３．９乃至４μｍの２つの領域の平均吸収間の直線補間によって定
めた。これらの領域を、天然ガスのわずかな吸収レベルのために選んだ。ガス吸
収によって影響されない領域に入念に選択されたフィルターを使用してなされた
基線零の基準測定値は、非分散赤外線検出器で周知である。
【００２５】
２つの異なる干渉フィルターの測定性能を比較した。第１の干渉フィルターを
、３．２６７μｍ（実際には３．２６６μｍ）に近い透過ピーク及び０．９％以
下（実際には０．８１％）のｆｗｈｍ帯域幅を有するように、前のテキストに従
って選択した。第２の干渉フィルターを、最大の利用可能なメタン信号に対応す
る３．３２４μｍの透過ピーク及び０．８３％のｆｗｈｍ帯域幅を有する、メタ
ンからの信号を最大にするように選択した。（全ての図は、製造者である英国エ
セックス州モールドンのNDC Infrared Engineeringによって提供された。）
、３．２６７μｍ（実際には３．２６６μｍ）に近い透過ピーク及び０．９％以
下（実際には０．８１％）のｆｗｈｍ帯域幅を有するように、前のテキストに従
って選択した。第２の干渉フィルターを、最大の利用可能なメタン信号に対応す
る３．３２４μｍの透過ピーク及び０．８３％のｆｗｈｍ帯域幅を有する、メタ
ンからの信号を最大にするように選択した。（全ての図は、製造者である英国エ
セックス州モールドンのNDC Infrared Engineeringによって提供された。）
【００２６】
２つの干渉フィルターの各々の透過スペクトルを、前述と同じ配列設定のＦＴ
ＩＲ分光計を使用して別々に測定した。次いで、ガス濃度の非分散測定を行うた
めに、各フィルターを使用することの効果を次のように評価した。 透過領域の計算では、フィルターのうちの一方の透過スペクトルに、ガス混合
物のうちの一方の透過スペクトルを掛けた。これは、フィルター及びガスセルを
分光計の光路に直列に置いたときの透過スペクトルに均等な信号を示した。この
状況でセル／フィルターを通過する全光量を、光透過を３．０乃至３．７μｍの
広いウィンドウで積分することによって計算した。これは、ガス吸収のスペクト
ル選択が干渉フィルター単独で決定された単一の非分散ガス検出器によって測定
された信号に均等な信号を示した。
ＩＲ分光計を使用して別々に測定した。次いで、ガス濃度の非分散測定を行うた
めに、各フィルターを使用することの効果を次のように評価した。 透過領域の計算では、フィルターのうちの一方の透過スペクトルに、ガス混合
物のうちの一方の透過スペクトルを掛けた。これは、フィルター及びガスセルを
分光計の光路に直列に置いたときの透過スペクトルに均等な信号を示した。この
状況でセル／フィルターを通過する全光量を、光透過を３．０乃至３．７μｍの
広いウィンドウで積分することによって計算した。これは、ガス吸収のスペクト
ル選択が干渉フィルター単独で決定された単一の非分散ガス検出器によって測定
された信号に均等な信号を示した。
【００２７】
この分析を、％ＬＥＬスケールをカバーする濃度範囲にわたって、メタン制御
に加え、２つのフィルター及び３つのガス混合物の各々の組合わせについて繰り
返した。 任意のユニットでの合成信号は、第２の干渉フィルターを使用するときの方が
第１の干渉フィルターを使用するときより大きかった。従って、単一の較正因子
を、各干渉フィルターを使用して得られた全てのデータに適用した。この因子を
、高濃度でメタン制御ガスについて正確な結果を与えるように選択した。
に加え、２つのフィルター及び３つのガス混合物の各々の組合わせについて繰り
返した。 任意のユニットでの合成信号は、第２の干渉フィルターを使用するときの方が
第１の干渉フィルターを使用するときより大きかった。従って、単一の較正因子
を、各干渉フィルターを使用して得られた全てのデータに適用した。この因子を
、高濃度でメタン制御ガスについて正確な結果を与えるように選択した。
【００２８】
実験結果
２つの干渉フィルターの各々を使用したときに、ガス濃度の範囲で、表１に示
すように異なるガス混合物について得られた信号を図４ａ及び４ｂに示す。 高吸収レベルでＢｅｅｒの法則と関連した飽和効果（saturation effects）の
結果として、非線形度を図４ａ及び４ｂの結果で観察することができる。非線形
度は、図４ｂでより大きく、より大きな吸収レベルをもつ吸収ライン領域を選択
する第２の干渉フィルターと一致する。そのような非線形性は、上記の較正ルッ
クアップ表を使用することによって、或いは、ガスセルを通るより短い光路長さ
を使用することによって減少させることができる。
すように異なるガス混合物について得られた信号を図４ａ及び４ｂに示す。 高吸収レベルでＢｅｅｒの法則と関連した飽和効果（saturation effects）の
結果として、非線形度を図４ａ及び４ｂの結果で観察することができる。非線形
度は、図４ｂでより大きく、より大きな吸収レベルをもつ吸収ライン領域を選択
する第２の干渉フィルターと一致する。そのような非線形性は、上記の較正ルッ
クアップ表を使用することによって、或いは、ガスセルを通るより短い光路長さ
を使用することによって減少させることができる。
【００２９】
３．２６６μｍの第１の干渉フィルターの使用（図４ａ）により、同じ濃度で
異なるガス混合物の結果の広がりが小さくなったことが、図４ａ及び４ｂから明
らかである。対称的に、第２の干渉フィルターを使用したときに見られた結果の
広がり（図４ｂ）は、大変大きい。ガス検出器を使用して天然ガス漏れを計量す
るとき、上述のデータによって表された程度まで、天然ガスの組成は知られてい
ない。メタンのみの規準を使用して較正した場合、第２のフィルターに基づいた
ガス検出器は、天然ガスの非メタン成分に不適切なクロスセンシティビティ（cr
oss-sensitivity）のために、実際のガス漏れにおいて、天然ガスのレベルを１
００％まで過大評価してしまう。
異なるガス混合物の結果の広がりが小さくなったことが、図４ａ及び４ｂから明
らかである。対称的に、第２の干渉フィルターを使用したときに見られた結果の
広がり（図４ｂ）は、大変大きい。ガス検出器を使用して天然ガス漏れを計量す
るとき、上述のデータによって表された程度まで、天然ガスの組成は知られてい
ない。メタンのみの規準を使用して較正した場合、第２のフィルターに基づいた
ガス検出器は、天然ガスの非メタン成分に不適切なクロスセンシティビティ（cr
oss-sensitivity）のために、実際のガス漏れにおいて、天然ガスのレベルを１
００％まで過大評価してしまう。
【００３０】
各フィルターと関連する比例誤差の範囲を、使用した各ガス濃度で計算した。
第１の干渉フィルターの平均誤差範囲は１０％であり、第２のフィルターの平均
誤差範囲は３６％であった。メタンを分析から除くとしても、第１のフィルター
での主誤差範囲は、第２のフィルターの１９％に対し５％である。適切に選択し
たフィルターは、非分散赤外線測定に基づいたガス検出器の組成関連誤差のレベ
ルを著しく減少させることができることが明らかである。
第１の干渉フィルターの平均誤差範囲は１０％であり、第２のフィルターの平均
誤差範囲は３６％であった。メタンを分析から除くとしても、第１のフィルター
での主誤差範囲は、第２のフィルターの１９％に対し５％である。適切に選択し
たフィルターは、非分散赤外線測定に基づいたガス検出器の組成関連誤差のレベ
ルを著しく減少させることができることが明らかである。
【図１】
ガス混合物の安全性を決定するための装置の略図である。
【図２】
０．９％λmaxの帯域幅をもつ中間赤外線フィルターを使用するメタン及びエ
タンについて５０％ＬＥＬで出力信号を示すシミュレーショングラフである。
タンについて５０％ＬＥＬで出力信号を示すシミュレーショングラフである。
【図３】
０．６％λmaxの帯域幅をもつ中間赤外線フィルターを使用するメタン及びエ
タンについて５０％ＬＥＬで出力信号を示すシミュレーショングラフである。
タンについて５０％ＬＥＬで出力信号を示すシミュレーショングラフである。
【図４】
％ＬＥＬスケールで種々のガス混合物の濃度を測定するために、３．２６６μ
ｍでピーク透過を有する干渉フィルターを使用して得られた実際の実験結果（図
４ａ）と、３．３２４μｍでピーク透過を有する干渉フィルターを使用して得ら
れた実験結果（図４ｂ）を示す。
ｍでピーク透過を有する干渉フィルターを使用して得られた実際の実験結果（図
４ａ）と、３．３２４μｍでピーク透過を有する干渉フィルターを使用して得ら
れた実験結果（図４ｂ）を示す。
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フロントページの続き
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ
Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ
，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，
ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ
Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ
，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，
ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，
ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ
Ｎ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ
，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，
ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，Ｌ
Ｃ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ
，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，
ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，Ｔ
Ｊ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ
，ＹＵ，ＺＷ
Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB01 CC12 CC13 EE01
EE12 GG02 GG10 HH01 HH06
JJ02 JJ03 JJ11 KK01 LL04
MM03 NN01
Claims (24)
- 【請求項１】 希釈ガスと共に、第１の引火性成分及び第２の引火性成分を
含むガス混合物の安全性を決定する方法であって、フィルターを使用するガス混
合物のフィルター付赤外線分光法を含み、フィルターのピーク透過波長（λmax
）及び帯域幅を所定の公差内で、ガス混合物の％ＬＥＬを示す出力をなすように
選択した、方法。 - 【請求項２】 前記第１の引火性成分はメタンである請求項１記載の方法。
- 【請求項３】 前記第２の引火性成分は、エタン、プロパン及びそれらの混
合物から選択される、請求項２記載の方法。 - 【請求項４】 前記出力は、±３％の公差内で混合物の％ＬＥＬを示す、請
求項１乃至３いずれか１項記載の方法。 - 【請求項５】 検査すべきガスを受け入れるための領域と、赤外光を前記領
域に差し向けるように位置決めされた赤外光源と、前記領域を透過した光の強度
を測定するためのセンサーと、前記光源と前記センサーの間で光路に位置決めさ
れたフィルターとを有する、希釈ガスと共に、第１の引火性成分及び第２の引火
性成分を含むガス混合物の安全性を決定する装置であって、前記フィルターのピ
ーク透過波長（λmax）及び帯域幅を、前記センサーに、所定公差内でガス混合
物の％ＬＥＬを示す出力を与えるように選択したことを特徴とする装置。 - 【請求項６】 ガス領域が、検査すべきガスのサンプルを収容するためのガ
スセルによって作られる、請求項５記載の装置。 - 【請求項７】 領域が、検査すべきガスが流れるオープン光路によって作ら
れる、請求項５記載の装置。 - 【請求項８】 フィルターのピーク透過波長及び帯域幅を、前記フィルター
を通して調べたとき、３０％の公差内で、５０％ＬＥＬの前記第１の成分を含む
ガス混合物を通る透過強度が、５０％ＬＥＬの前記第２の成分を含むガス混合物
を通る透過強度に等しいように選択した、請求項５、６及び７いずれか１項記載
の装置。 - 【請求項９】 前記フィルターは、前記センサーに所定公差内でガス混合物
の％ＬＥＬを示す出力を与えるために、希釈ガスと共に、前記第１の引火性成分
及び第２の引火性成分の既知の混合物を含むガス相関フィルターを有する、請求
項５乃至８いずれか１項記載の装置。 - 【請求項１０】 フィルターのピーク透過波長で、５０％ＬＥＬの前記第１
の成分を含むガス混合物の波長増加に対する強度変化の割合が、単位μｍ当たり
の信号レベルの１００倍の公差内で、５０％ＬＥＬの前記第２の成分のガス混合
物の波長増加に対する強度変化の割合に等しい、請求項９記載の方法。 - 【請求項１１】 希釈ガスと共に、第１成分としてメタンと、エタン、プロ
パン及びそれらの混合物から選択された第２の成分とを含むガス混合物の赤外分
光法に使用するためのフィルターであって、フィルターのピーク透過波長（λma
x）及び帯域幅が、平らな波長分布を有する赤外光源が使用されるとき、所定公
差内で、ガス混合物の％ＬＥＬを示す出力をなすようなものであることを特徴と
するフィルター。 - 【請求項１２】 前記フィルターは３．２６５乃至３．２６９μｍのピーク
透過波長λmaxを有する、請求項１１記載のフィルター。 - 【請求項１３】 前記フィルターは、０．９％λmaxより小さい、半値全幅
で表される帯域幅を有する、請求項１２記載のフィルター。 - 【請求項１４】 前記フィルターは、３．３１乃至３．３２μｍのピーク透
過波長λmaxを有する、請求項１１記載のフィルター。 - 【請求項１５】 前記フィルターは、０．７％λmaxより小さい、半値全幅
で表される帯域幅を有する、請求項１４記載のフィルター。 - 【請求項１６】 前記フィルターは、１．６７３乃至１．６７５μｍのピー
ク透過波長λmaxを有する、請求項１１記載のフィルター。 - 【請求項１７】 ０．５％乃至６％λmaxの、半値全幅で表される帯域幅を
有する、請求項１６記載のフィルター。 - 【請求項１８】 希釈ガスと共に、第１成分としてメタンと、エタン、プロ
パン及びそれらの混合物から選択された第２の成分とを含むガス混合物の赤外線
分光法に使用するための赤外光源及びフィルターの組合わせであって、フィルタ
ーのピーク透過波長（λmax）及び帯域幅が、前記光源が使用されるとき、所定
公差内でガス混合物の％ＬＥＬを示す出力をなすようなものである、赤外光源及
びフィルターの組合わせ。 - 【請求項１９】 天然ガスの赤外線分光法に使用するためのガス相関フィル
ターであって、１０％の公差内で、５０％ＬＥＬのメタン／空気の混合物からの
及び、５０％ＬＥＬの第２の引火性成分及び空気の混合物からの等しい信号を与
える量で、希釈ガスと共に、メタンと、エタン、プロパン及びそれらの組合わせ
から選択された第２の成分との混合物を含むフィルター。 - 【請求項２０】 実質的にここで説明したガス混合物の安全性を決定する方
法。 - 【請求項２１】 実質的にここで説明したガス混合物の安全性を決定する装
置。 - 【請求項２２】 実質的にここで説明した、第１の成分としてメタンと、エ
タン、プロパン及びそれらの混合物から選択される第２の成分とを含むガス混合
物の赤外線分光法に使用するためのフィルター。 - 【請求項２３】 実質的にここで説明した、第１の成分としてメタンと、エ
タン、プロパン及びそれらの混合物から選択される第２の成分とを含むガス混合
物の赤外線分光法に使用するためのガス相関フィルター。 - 【請求項２４】 実質的にここで説明した、第１の成分としてのメタンと、
エタン、プロパン及びそれらの混合物から選択される第２の成分とを含むガス混
合物の赤外線分光法に使用するための赤外光源及びフィルターの組合わせ。
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|---|---|---|---|
| GB0013409.8 | 2000-06-02 | ||
| GB0013409A GB0013409D0 (en) | 2000-06-02 | 2000-06-02 | Filtered IR measurements of gases |
| GB0022427.9 | 2000-09-13 | ||
| GB0022427A GB0022427D0 (en) | 2000-09-13 | 2000-09-13 | Filtered ir measurements of gases |
| PCT/GB2001/002377 WO2001094916A1 (en) | 2000-06-02 | 2001-05-30 | Non-dispersive ir measurement of gases using an optical filter |
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|---|---|---|---|
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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