JP2004354163A

JP2004354163A - 光ガスセンサ

Info

Publication number: JP2004354163A
Application number: JP2003151035A
Authority: JP
Inventors: Tsuyotoshi Yamaura; 剛俊山浦; Yoshihiro Deguchi; 祥啓出口
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】低い反応特性を補うことで感度良くガスの検出を行い、また、感度を低下させる物質を除外することにより、使用環境を整える。
【解決手段】光伝送媒体２の先端におけるコーティング材料１と空気との界面、およびコーティング材料１と光伝送媒体２との界面で反射するそれぞれの光の光路差を計測し、当該光路差からコーティング材料の膜厚を求め、膜厚によって決まるガス濃度を算出する。光路差の計測のために、受光部に干渉系５を使用する。また、光路差計測用とは別に、コーティング材料１の機能を低下させる物質が励起される波長の光を照射する。更に、コーティング材料１として、ＰｄにＡｇを混合させることでガス濃度に対するガスの吸蔵量の変化を小さくする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、先端に光反応材料がコーティングされた光伝送媒体を伝搬する光の通過もしくは反射光からガスの濃度を検出する、例えば、光ファイバー水素センサ等の光ガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力プラントや水素ガスを扱う機器において、水素ガスを光学的に検知するセンサとして、光ファイバー水素センサが多用されている。
光ファイバー水素センサは、光ファイバーの先端にパラジゥム（Ｐｄ）等の金属膜がコーティングされており、当該金属膜により外気の水素または含水素化合物のガスが吸着され膨張することにより変化する光の通過もしくは反射光からガスの濃度を検出するものである（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１９６５６９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｐｄは、その表面で水素と酸素を反応させることにより水を生成する特性があり、空気中で水素を吸蔵する前に酸素と反応してＰｄの表面に付着することが多く、このことにより光ガスセンサとしての感度が劣化する傾向にある。
また、Ｐｄは、図３（ａ）に反応特性として示されるように、常温常圧における水素の吸蔵特性変化に急峻な傾きが見られるため、使用レンジである対象ガス濃度に対して反応が鈍く、あるいは反応しなくなることがある。すなわち、図３（ａ）に示されるように、水素分圧に対して水素吸蔵量の変化が大きいため、水素の濃度変化を監視することが困難になる。好ましくは、図３（ｂ）に示されるように、水素分圧に対する水素吸蔵量の変化を小さくする必要がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、低い反応特性を補うことで感度良くガスの検出を行い、また、感度を低下させる物質を除外することにより、使用環境を整えることのできる光ガスセンサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために本発明は、先端に光反応材料がコーティングされた光伝送媒体を伝搬する光の通過もしくは反射光からガスの濃度を検出する光ガスセンサであって、前記先端におけるコーティング材料と空気との界面、および前記コーティング材料と前記光伝送媒体との界面で反射するそれぞれの光の光路差を計測し、当該光路差から前記コーティング材料の膜厚を求め、前記膜厚によって決まるガス濃度を算出することを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、光伝送媒体先端におけるコーティング材料と空気との界面、およびコーティング材料と光伝送媒体との界面で反射するそれぞれの光の光路差を計測し、当該光路差からコーティング材料の膜厚を求め、膜厚によって決まるガス濃度を算出することで、低い反応特性を補うことができ、感度良くガス濃度を検出することができる。
【０００８】
また、本発明において、前記光路差の計測のために、受光部に干渉系を使用することを特徴とする。
本発明によれば、受光部に干渉系を使用して光路差を拡大することで低下した感度を補うことができ、感度良くガス濃度を検出することができる。
【０００９】
また、本発明において、前記光路差を計測するために照射される第１の光源とは別に、前記コーティング材料の機能を低下させる物質が励起される波長の光を照射する第２の光源を備えることを特徴とする。
本発明によれば、光路差計測用とは別に、例えば、１３００ｎｓのコーティング材料の機能を低下させる物質が励起される波長の光を照射することで、感度を低下させる水等を飛散させ、このことにより適切な計測環境を提供できる。
【００１０】
また、本発明において、ガス濃度に対するガスの吸蔵量の変化を小さくする材料を混合して前記コーティング材料とすることを特徴とする。
本発明によれば、コーティング材料に、ガス濃度に対するガスの吸蔵量の変化を小さくする材料を混合して使用することにより、ガス濃度検出のための感度が向上する。
【００１１】
また、本発明において、前記コーティング材料として、パラジュウムと銀の合金を用いることを特徴とする。
本発明によれば、パラジュウムに銀を混合させることでガス濃度に対するガスの吸蔵量の変化が小さくなり、このことによりガスの濃度変化を監視しやすくなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の光ガスセンサの一実施形態を説明するために引用した図である。ここでは、光ガスセンサとして、先端に反応材料１としてのＰｄ（パラジェム）がコーティングされ、光ファイバ２を光伝送媒体として用いた光ファイバ水素センサが例示されている。
図１に示す例では、光源３により生成される計測用の波長（λ_１）を持つ光が光分波器４を通過し、光ファイバ２を伝搬して光ファイバ２先端部にコーティングされたＰｄによって反射される光を更に光分波器４を介して得、本発明により付加される干渉系５に取込む構造になっている。干渉系５は、上記した低い反応特性を補うために用いる。
【００１３】
具体的に、干渉系５は、受光器５１の他に、ハーフミラー５２および全反射ミラー５３から成り、光分波器４は、光ファイバ２先端にコーティングされたＰｄと空気との界面、および、Ｐｄと光ファイバ２との界面で反射する２系統の光を取込むことになる。すなわち、ハーフミラー５２を通過して受光器５１で受光される光と、ハーフミラー５２、全反射ミラー５３で反射し、ハーフミラー５２を通過して戻ってきた光が更にハーフミラー５２で反射して受光器５１で受光される位相の異なる２系統の光が受光される。
両者の間には当然光路差Δｄが生じ、この光路差Δｄは、光ファイバ２先端にコーティングされるＰｄの膜厚に依存するものであり、光路差ΔｄからＰｄの膜厚を計測することにより、この膜厚によって決まるガス濃度を算出することができる。膜厚によって決まるガス濃度は、経験値によるものとする。
このように、光量の計測に干渉系５を適用することにより、ガス濃度を高感度で検出することができる。
【００１４】
図２は、本発明の他の実施形態を説明するために引用した図である。ここでも図１に示す実施形態同様、光ファイバ水素ガスセンサが例示されており、図１に示す符号と同一符号が記されたブロックは、図２に示すそれと同じとする。
ここでは、計測用の波長λ_１を照射する光源３１とは別の有害物質除去用の光源３２、具体的には、Ｐｄの機能を低下させる水が励起される波長の光λ_２を照射する光源３２を用い、Ｐｄに付着する水を飛散させることによって感度を上げている。λ_２としては、Ｐｄをコーティングした水素ガスセンサの場合、１３００ｎｍが好適である。
【００１５】
また、低い反応特性を補うために、Ｐｄに、ガス濃度に対するガスの吸蔵量の変化を小さくする材料、例えば銀（Ａｇ）を混合した合金をコーティング材料とすることも考えられる。ＰｄとＡｇの合金をコーティング材料としたときの反応特性を図３（ｂ）に示す。
このように、コーティング材料に、Ｐｄの他に、ガス濃度に対するガスの吸蔵量の変化を小さくする材料を混合して使用することにより、圧力や温度に対する水素吸蔵量の変化を小さくし、ガス濃度検出のための感度を上げることができる。
なお、図３（ａ）（ｂ）とも、３００Ｋ（ケルビン）、３５０ＫにおけるＰｄの反応特性が示されている。（ａ）はコーティング材料をＰｄ単体とした場合、（ｂ）は、Ｐｄ合金とした場合におけるそれぞれの反応特性である。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明のように本発明によれば、受光部に干渉系を使用して光路差を拡大することで低い反応特性を補うことができ、感度良くガス濃度を検出することができる。また、光路差計測用とは別に、コーティング材料の機能を低下させる物質が励起される波長の光を照射することで、感度を低下させる水等を飛散させ、このことにより適切な計測環境を提供できる。
更に、コーティング材料に、ガス濃度に対するガスの吸蔵量の変化を小さくする材料を混合して使用することにより、ガス濃度検出のための感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ガスセンサの一実施形態を説明するために引用した図である。
【図２】本発明の他の実施形態を説明するために引用した図である。
【図３】常温常圧における水素の吸蔵特性（反応特性）を説明するために引用した図である。
【符号の説明】
１…反応材料、２…光ファイバ、３…光源、４…光分波器、５…干渉系、３１…光源（λ_１）、３２…光源（λ_２）、５１…受光器、５２…ハーフミラー、５３…全反射ミラー

Claims

先端に光反応材料がコーティングされた光伝送媒体を伝搬する光の通過もしくは反射光からガスの濃度を検出する光ガスセンサであって、
前記先端におけるコーティング材料と空気との界面、および前記コーティング材料と前記光伝送媒体との界面で反射するそれぞれの光の光路差を計測し、当該光路差から前記コーティング材料の膜厚を求め、前記膜厚によって決まるガス濃度を算出することを特徴とする光ガスセンサ。
前記光路差の計測のために、受光部に干渉系を使用することを特徴とする請求項１に記載の光ガスセンサ。
前記光路差を計測するために照射される第１の光源とは別に、前記コーティング材料の機能を低下させる物質が励起される波長の光を照射する第２の光源を備えることを特徴とする請求項１に記載の光ガスセンサ。
ガス濃度に対するガスの吸蔵量の変化を小さくする材料を混合して前記コーティング材料とすることを特徴とする請求項１に記載の光ガスセンサ。
前記コーティング材料として、パラジュウムと銀の合金を用いることを特徴とする請求項４に記載の光ガスセンサ。