JP2005147962A - 光学式ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学式ガス濃度検出装置において、検出効率が良く、且つ、小型化する装置を提供する。
【解決手段】 本発明のガス濃度検出装置は、特定波長の光を特定ガスが存在するガスセル部３に入光し、ガスセル部３内に設置の平面鏡５ａ、５ｂで多重反射させることによって、その光の光路長さを長くして薄いガス濃度を測定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、透過光の吸収を利用してガス濃度を検出する装置に関する。

ガス分子は、ある特定波長の光を吸収する性質をもっている。そこで、この現象を利用してガスの濃度を測定できることは知られており、この原理を応用したさまざまなガス濃度検出装置が考案されている。
この原理を応用したガス濃度検出装置は、例えば、特許文献１（特開平８−１０１１２３号公報）があり、ある特定波長の光を、ガス雰囲気中のガスセル中を通す光と通さない光を検出して、その差をもって、ガス濃度を検出する旨が開示してある。

特開平８−１０１１２３号公報

前記のような方法でガス濃度を検出する際、吸収される光の強度はガス濃度によって決まり、ガス濃度が極端に薄い場合には困難である。
そのため、ガス濃度検出に必要な強度差を得るためには、長い光路長の基で測定する必要がある。この長い光路長を得るのに、ガス濃度検出装置は大型にならざるをえないし、長い光路長全体を均一なガス試料で満たす必要があり、ガス試料自体も多量に必要とされる。

又、ガスセルに試料ガスを導入する部分では、一般的には、試料ガス捕集手段を用いて捕集した試料ガスを一旦サンプルバック等に貯蔵しておき、その後ガス濃度検出装置に導入、もしくは、試料ガス捕集手段から直接配管等でガス濃度検出装置に導入される。
これらの場合、試料ガス捕集手段からガス濃度検出装置までの試料ガス運搬の過程で、接ガス部の流路表面に対し試料ガスの吸着、温度変化による物性の変化等が試料ガスの濃度、成分に少なからず悪影響を与える場合がある。この悪影響は試料ガスの濃度が比較的低濃度の場合は顕著に現れる。

また、検出感度を上げるため、ガス試料の成分濃度を上げることが考えられ、その手段として、モリキュラシーブ、シリカゲル等の吸着剤でガス試料の捕集をするやり方は既存の技術として広く知られている。
しかし、それらの吸着剤は通常粒子状であるため、ガラスやステンレス管等に詰め、捕集管として使用されている。そのため、使用の際には捕集したガス試料を上記捕集管に一旦通し、捕集を掛けた後、捕集管を加熱することでガス試料成分を脱着させいている。
この方法は、ガス試料の濃度を高めるためには有効な方法であるが、装置のラインに別工程のラインを挿入させることにもなり、上記で述べた通り各流路表面のガス試料の吸着、漏れ等の問題によりラインを伸ばすことは測定誤差要因を増やすことになる。また、ガス濃度検出装置自体が大型化してしまうため好ましくない。

そこで、本発明は、効果的に装置全体を小型化し且つ、検出に必要な光路長を確保する手段を提供するし、ガス試料を発生源からの捕集から測定までの工程を効果的に単純化、一体化させる光学式ガス濃度検出装置を提供する。

請求項１のガス濃度検出装置は、特定波長の光を特定ガスが存在するガスセルに入光し、そのガスセルからの出光を受光して、ガス濃度を検出する。そして、ガスセルの相対する内面には鏡面が設けてあり、特定波長の光はガスセル内で多重反射させることによって、その光の光路長は長くなる。そのため、小さいガスセルであっても長い光路を得ることができるし、その長い光路のために、薄いガス濃度であっても、ガス吸収が充分に行われ、良好なガス濃度の測定が可能となる。

又、請求項２のガス濃度検出装置は、特定波長の光を特定ガスが存在するガスセルに入光し、そのガスセルからの出光を受光してガス濃度を検出する。そして、ガスセルは円筒状であり、その内面は鏡面に形成してある。そこで、特定波長の入光をガスセル内で多重反射させた後に出光させることによって、光路長は長くなり、薄いガス濃度であっても、その長い光路におけるガス吸収が行われ、良好なガス濃度の測定が可能となる。

請求項３のガス濃度検出装置は、特定波長の光を特定ガスが存在するガスセルに入光し、そのガスセルからの出光を受光して、ガス濃度を検出する。そして、円筒状に形成の前記ガスセルの内面は鏡面に形成してある。そこで、前記ガスセルの側部に入光傾斜鏡を設置して、特定波長の光を受け入れて前記ガスセル内に向けて反射させると共に、ガスセルの側部に出光傾斜鏡を設置して、前記ガスセル内で多重反射させた後の光を出光として得る。
このように、入光傾斜鏡と出光傾斜鏡を設置することによって、入光の方向と出光の方向を適宜選択できる。

請求項４のガス濃度検出装置は、ガスセルの底面に開口部が形成してあり、このガスセルの底面をガスが発生している箇所に当てると、その底面に形成の開口部から、発生するガスをガスセル内に取り込むことができて、ガス濃度を測定することができる。
請求項５のガス濃度検出装置は、ガスセル内に吸着剤を備えることによって、ガスセルの底面から入るガスを吸着することができる。
請求項６のガス濃度検出装置は、ガスセル内を昇温可能にする温度調整機構を備えているので、吸着剤に吸着のガスは昇温によって脱着され、ガスセル内に充満することで、発生ガスよりもガス濃度を上げることができる。そのため、検出感度を向上することができる。

請求項１のガス濃度検出装置は、ガスセル内に設けてある相対する鏡面で、特定波長の入光が多重反射が行われるので、光路長は長くなり、薄いガス濃度であっても測定可能である。
又、請求項２のガス濃度検出装置は、円筒状のガスセル内に設けてある鏡面で、特定波長の入光が多重反射が行われるので、光路長は長くなり、薄いガス濃度であっても測定可能である。
請求項３のガス濃度検出装置は、ガスセルの側部に入光傾斜鏡と出光傾斜鏡が設けてあるので、入光の方向と出光の方向を適宜選択できる。

請求項４のガス濃度検出装置は、ガスセルの底面に開口部が形成してあるので、その開口部をガス発生箇所に当てることによって、容易に測定ガスの取り入れができ、ガス濃度を測定することができる。
請求項５のガス濃度検出装置は、ガスセル内に吸着剤を備えることによって、ガスセルの底面から入るガスを吸着することができる。
請求項６のガス濃度検出装置は、ガスセル内を昇温可能にする温度調整機構を備えているので、吸着剤に吸着されたガスは昇温によって脱着され、ガスセル内に充満することによって、ガス濃度を上げ、検出感度を向上させることができる。

（第１の実施の形態）
本発明を図面を参照して説明する。図１には本発明のガス濃度検出装置の構成図である。
図１に示すように、ガス濃度検出の構成は、コントロールデバイス１と発光素子を備える発光素子部２と、受光素子を備える受光素子部４と、分析ガスを含有のガスセル部３であり、コントロールデバイス１からの信号によって、発光素子部２から分析ガスが含有のガスセル部３に出光し、ガスセル部３からの出光を受光素子部４で受光し、その受光をコントロールデバイス１で分析して、ガスセル３部内のガス濃度として検知する。

図２（Ａ）は、ガスセル部３（３Ａ）の平面図であり、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）はＤ〜Ｄ’断面図である。
このガスセル部３Ａは、内部に平面断面、長方形の空間８を形成し、上面が開口の直方体状であり、前記開口を閉鎖するために、平面板６を取り付ける段差部８ａが形成してある。
そして、前記段差部８ａにはボルト孔７ａが複数個穿設してある。一方、平面板６には、前記ボルト孔７ａに対応してボルト孔７が穿設してあり、この平面板６はテフロン（登録商標）素材で作成してあり、シール機能を有しているため、他のガスケット無しで、前記開口に密着して取り付けられる。尚、シール機能を有する箇所は、ゴム等の使用も考えられるが、ゴムはガスが吸着したり、ゴム自身からのガス放出が考えられるので好ましくなく、前記テフロン（登録商標）素材を使用している。
又、前記空間８内において、長手方向の相対する側面に、全反射の平面鏡５ａと全反射の平面鏡５ｂが設けてある。
又、前記平面鏡５ｂの左右端に近い位置には、平面鏡５ａに向けて、発光素子部２の光を入光する入光孔１０ａと、前記内部から出光する光の出光孔１０ｂが形成してある。即ち、入光孔１０ａと出光孔１０ｂは同じ側の位置に形成してある。

次に、前記ガス濃度検出装置の作用について、図２（Ｄ）を参照して説明すると、先ず、前記入光孔１０ａの直前に発光素子部２を設置するが、離れているときにはグラスファイバー等を介して入光させる。一方、出光孔１０ｂには、空間８からの出光を受光する受光素子部４を取り付ける。尚、発光素子部２が発する光の波長は、測定するガスで吸収されるものを選定する。
又、ガスセル部３Ａには、ガスを注入する図示略の孔が穿設してあり、測定するガスを空間８内に注入する。
次に、コントロールデバイス１からの信号によって、発光素子部２から、光を発すると、空間８内で、平面鏡５ａと平面鏡５ｂとの間で多重反射が起こる。そして、その多重反射の光路の間に、特定波長の光は吸収されて、出光孔１０ｂから出て受光素子部４で受光する。この受光された光を分析することによって、ガス濃度は測定される。

以上のように、空間８内に、平面鏡５ａと平面鏡５ｂが設けてあり、これらの平面鏡５ａと平面鏡５ｂの間で多重反射が起こることにより、薄い濃度のガスであっても吸収されて測定可能となる。又、このように、多重反射によって長い光路長を得ることができるので、小さいガスセル部３Ａ（平面鏡５ａと平面鏡５ｂの間の距離）であってもよく、経済性に富む。

尚、前記ガスセル部３Ａを用いて、例えば、１％程度の濃度のアセトンガスの測定について説明する。
この１％程度の濃度のアセトンガスを光の吸収により検出させる場合には、光路長Ｒを１０００ｍｍ以上必要とする。
そして、発光素子部２の光を、入光孔１０ａから適宜の角度で入射させると、全反射の平面鏡５ａと全反射の平面鏡５ｂの間を、１３回、回折し、出光孔１０ｂから出射し、受光素子部４で検出される。
尚、平面鏡５ａと平面鏡５ｂの距離は８０ｍｍであるので、１３回の回折により、光路長Ｒは１０４０ｍｍとなり、必要な光路長１０００mm以上を確保でき、ガスセル３Ａの大きさは、１１８×５０×２２．５ｍｍと小型化される。

又、図２（Ｅ）に示すガスセル部３Ｂは、前記ガスセル部３Ａと同様に、内部空間の形状が平面断面、長方形であり、相対する上下面に平面鏡５ａと平面鏡５ｂが設けてあると共に、左右面にも、平面鏡５ｃと平面鏡５ｄが設けてある。
又、前記発光素子２の光を入光する入光孔１０ａとガスセルから出光する出光孔１０ｂは、平面鏡５ａと平面鏡５ｂのほぼ中心に設けてある。
そして、入光孔１０ａからの発光素子２の光は、ガスセル内部で、平面鏡５ａ、平面鏡５ｂ、平面鏡５ｃ及び平面鏡５ｄで反射を繰返して、出光孔１０ｂから出射する。

前記のように、ガスセル内部の全体に反射鏡を設けてあり、入光孔１０ａより入射した発光部素子からの光は、長方形ミラーを１９回、回折して出光孔１０ｂから出射し受光素子部で検出される。尚、この平面鏡５ａと平面鏡５ｂの距離は５５ｍｍであるため１９回の回折により光路長は１０４５ｍｍとなり、必要な光路長１０００ｍｍ以上を確保した。そして、このガス濃度検出装置の大きさは、７９．５×４５．６×１３ｍｍであり、ガスセル全体で反射するため、光の拡散もなく、ガス濃度検出装置より小型化できる。

以上のように、断面長方形のガスセル内の各面に平面鏡５ａ〜平面鏡５ｄを設ける構成であってもよく、この構成によると、更に、光路長Ｒを長くすることができる。
又、ガスセル内部を平面鏡５ａ、平面鏡５ｂ、平面鏡５ｃ及び平面鏡５ｄで全体を反射ミラーに構成すると、後述する円周鏡１８の場合と異なり、光の拡散がない。

（第２の実施の形態）
本実施の形態は、図３に示すように、ガスセル部３（３Ｂ）の形状が円筒体状である光学式ガス濃度検出装置である。図３（Ａ）は光学式ガス濃度検出装置の平面図、（Ｂ）は正面図、図８（Ｃ）はＣ〜Ｃ’断面図である。
ガスセル部３は円筒上であり、このガスセル本体３ａの上には、発光素子を備える発光素子部２と受光素子を備える受光素子部４が取り付けてある。

前記ガスセル本体３ａには、円筒筒状の空間８が形成してあり、底面１１には開口部が形成してあると共に、その開口部の全周に渡って密閉性を備えるテフロン（登録商標）製等のガスケット２０が取り付けてある。
一方、前記空間８の上部には、光を透過可能な材質の副蓋１２が固定してあると共に、その副蓋１２の上には、空間８に向ける方向に入光孔１０ａと出光孔１０ｂが形成の主蓋１３が固定してある。
又、前記空間８の側面には、全反射する円周鏡１８が全周に設けてあると共に、前記入光孔１０ａからの光を水平に変更する入光傾斜鏡（４５゜の反射鏡）１５ａと、空間８内で多重反射させた後の光を出光孔１０ｂに導く出光傾斜鏡１５ｂが、円周鏡１８が一体で設けてある。

次に、前記光学式ガス濃度検出装置を、ここでは、人の腕から発生するガス濃度の検知についての作用を説明する。
先ず、前記底面１１をガス濃度を測定する腕の上に当てると、ガスケット２０が腕と密着して空間８は密閉状態になる。そして、時間が経つと、腕から発生するガスは空間８に捕集されるので、発光素子部２の光を入光孔１０ａから出射する。この光は、入光傾斜鏡１５ａで反射されて水平光になり、図３（Ｄ）に示すように、複数回、円周鏡１８で回折し、出光傾斜鏡１５ｂに導かれる。そして、この出光傾斜鏡１５ｂによって、光は垂直方向に変更されて、出光孔１０ｂから受光素子部４に入り、ガス濃度が測定される。

尚、具体的には、前記円周鏡１８で回折する回数は、３５回であり、円周鏡１８の直径は３０ｍｍであるので、光路長は１０５０ｍｍとなり、必要な光路長１０００ｍｍ以上を確保できる。又、このガス濃度検出装置の大きさは、直径５８φ×２１．９ｍｍ（Ｈ）であり、前記第１の実施の形態の長方形状のガスセルに比して、小型化ができる。
又、この円周鏡１８を用いて反射させると、実際には光の幅を考慮しなければならず、一回の反射ごとに光の幅が広がっていく。そのため、すべての光が理論値通りの光路長を満たしているわけではなく、回折の度合いにより、光路長が長くなる部分や短くなる部分が存在する。よって、受光素子部４に入射する光の強度は光路長の長短を含む平均的な長さになっている。

以上のように、空間８の形状が円形であると、更に、回折数を多く取ることができる。尚、前記円周鏡１８での反射方向に対し、垂直方向に発光素子部２と受光素子部４を構成してあるので入光傾斜鏡１５ａと出光傾斜鏡１５ｂが必要であるが、発光素子部２と受光素子部４が円周鏡１８の反射方向と同じ方向であると、入光傾斜鏡１５ａと出光傾斜鏡１５ｂは不要である。
又、この光学式ガス濃度検出装置は、空間８の底面１１に開口部が形成してあるので、その開口部を、直接、測定部位に当てることによって、容易にガス試料捕集をすることができて、濃度測定を可能にする。
従って、従来のような試料ガス捕集手段からガスセル部までの試料ガスの運搬手段のプロセスを省くことができる。そのため、ガス試料の接ガス部の表面面積も少なく、漏れ箇所も少なく、測定誤差要因が減少し、且つ、小型化される。

（第３の実施の形態）
本実施の形態の光学式ガス濃度検出装置を図４を参照して説明する。図４（Ａ）は構成図であり、（Ｂ）は正面断面図である。
本実施の形態は測定ガスを吸着剤で吸着させることを可能にし、この吸着後、昇温することで、脱着し、ガスセル内部に充満することで発生ガスよりもガス濃度を上げた状態で測定可能にするものである。
光学式ガス濃度検出装置は、上蓋４０、ガスセル内を昇温可能にする温度調整機構２５、ガスセル部３０で構成してある。
温度調整機構２５は、ガスセル部３０の開口部３１に載置して密閉する合成樹脂板の蓋体２６と、この蓋体２６の下面に貼着の吸着剤２８と、蓋体２６の上面に載置の発熱体２９で構成してある。
従って、吸着剤２８に吸着のガスは、発熱体２９の熱で、吸着剤２８から離散する。又、この温度調整機構２５は上蓋４０で覆われていて、通常は一体になっている。
尚、前記蓋体２６は比較的耐薬品製が高く、ガス試料成分の表面吸着の起こり難い樹脂であるポリエーテルエーテルケトンで製作したが、同程度の性能の樹脂であるポリェニレンサルファイト樹脂、フッ化ビニリデン樹脂、ポリプロピレン樹脂等で製作してもよい。

一方、直方体形状のガスセル部３０内には、分析するガスを貯留する空間８が、平面視、長方形状に形成してあり、この空間８の上に前記温度調整機構２５を吸着剤２８を取り付けて固定する。また、このガスセル部３０の底面１１には開口部が形成してあると共に、端部にはテフロン（登録商標）製のガスケット２０が取り付けてある。そして、空間８の側面には全面反射する平面鏡５ａと平面鏡５ｂが相対して設けてあるか（図２（Ｃ）参照）、或は、図２（Ｄ）に示すように四面に全反射鏡が設けてある。

尚、前記全面反射の鏡の数に対応して、入光孔（図示略）と出光孔（図示略）が形成してあり、この入光孔と出光孔は長方形状の空間であるので、第１実施の形態における図２（Ｃ）（Ｄ）に示す位置であり、或は、長方形の全側面を反射鏡で構成する場合には図２（Ｅ）に示すようにほぼ中央である。

次に、前記構成の光学式ガス濃度検出装置は、先ず、ガスセル部３０の底面１１を測定する部位、例えば、人の腕の上に載置させると、底面１１に形成の開口部に、腕から発生するガスが入り、そのガスは吸着剤２８に吸着される。
次に、温度調整機構２５に備えてある発熱体２９によって、吸着剤２８に吸着のガスは脱着するが、この時のガスセル内の試料ガス成分の濃度は元の試料ガス濃度の数倍から数十倍である。
次に、発光素子部２からの光を入光孔から空間８内に入射させると、平面鏡５ａと平面鏡５ｂ（或は、四面に設けた全反射鏡）で複数回、回折して、その光は出光孔から受光素子部４に入射し、ガス濃度を測定する。

以上のように、光学式ガス濃度検出装置は吸着剤を備えているので、薄いガス濃度であっても、時間を経ることにより量的には多量のガスを捕集することが可能となり、この捕集されたガスは温度調整機構２５を介して容易に脱着することにより検出感度を向上させて測定することができる。

本発明の実施例に係わるガス濃度検出装置の構成図である。 第１の実施の形態のガス濃度検出装置における、（Ａ）はガスセル部の平面図であり、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）はＤ〜Ｄ’断面図、（Ｄ）は作用を説明する図、（Ｅ）は入光位置と出光位置を異にする作用を説明する図である。 第２の実施の形態のガス濃度検出装置における、（Ａ）は光学式ガス濃度検出装置の平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）はＣ〜Ｃ’断面図、（Ｄ）は作用を説明する図である。 第３の実施の形態のガス濃度検出装置における、（Ａ）は構成図であり、（Ｂ）は正面断面図である。

符号の説明

２ 発光素子部
３ ガスセル部
４ 受光素子部
５ａ 平面鏡
５ｂ 平面鏡
８ 空間
１０ａ 入光孔
１０ｂ 出光孔
１１ 底面
１５ａ 入光傾斜鏡
１５ｂ 出光傾斜鏡
１８ 円周鏡

Claims (6)

1. 特定波長の光を特定ガスが存在するガスセルに入光し、そのガスセルからの出光を受光して、ガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、
   前記ガスセルの相対する内面を鏡面で形成し、前記特定波長の光を前記ガスセル内で多重反射させることを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 特定波長の光を特定ガスが存在するガスセルに入光し、そのガスセルからの出光を受光して、ガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、
   円筒状に形成の前記ガスセルの内面を鏡面で形成し、前記特定波長の入光を前記ガスセル内で多重反射させた後に出光させることを特徴とするガス濃度検出装置。
3. 特定波長の光を特定ガスが存在するガスセルに入光し、そのガスセルからの出光を受光して、ガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、
   円筒状に形成の前記ガスセルの内面を鏡面で形成し、
   前記特定波長の光を受け入れて前記ガスセル内に向けて反射するために、前記ガスセルの側部に入光傾斜鏡を設置し、
   前記ガスセル内で多重反射させた後の出光を得るために、前記ガスセルの側部に出光傾斜鏡を設置することを特徴とするガス濃度検出装置。
4. ガスセルの底面を開口状に形成して、発生する特定ガスをガスセルに取り入れることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項のガス濃度検出装置。
5. ガスセル内に吸着剤を備えることを特徴とする請求項４のガス濃度検出装置。
6. ガスセル内を昇温可能にする温度調整機構を備えることを特徴とする請求項５のガス濃度検出装置。
   
   

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