JP2007501390A - 拡散を利用する光音響ガスセンサ - Google Patents

Abstract

本発明は、拡散を利用する光音響ガスセンサに関連し、音響圧力センサを含む音響圧力センサ室と検知室とを備え、検知室と音響圧力センサ室との間に設けられる連結通路は、被分析ガス流を制限するが、光音響信号の伝達を制限しない。
【選択図】図４

Description

本発明は、全般的に拡散を利用する光音響ガスセンサ、より詳しくは、拡散を利用する光音響ガスセンサの初期応答時間を短縮しかつ信号対ノイズ比を増加する装置及び方法に関する。

光音響効果を利用するガスセンサを使用して、ガス状の分析物（被分析ガス）（即ち、対象となるガス種）の濃度レベルを検出することは、周知である。例えば、下記特許文献１は、ガス状の分析物を光で励起するとき、振幅変調された光源の光学エネルギを音響エネルギに変換する光音響ガスセンサの使用法を教示する。検知室に入射される光の光学エネルギが、被分析ガスによる吸収の際に、被分析ガスの増加するエネルギレベルに変換され、検知容積部又は検知室内の被分析ガスの濃度レベルに相当する強度の音波／圧力波を発生し、被分析ガスの熱的／機械的励起を誘発する。前記音波／圧力波は、圧力センサ又はマイクロホン等の音響検出器により検出される。前記装置は、通常２Hz〜１００Hzの周波数範囲、好ましくは８Hz〜１５Hzの周波数範囲により作動する。

検知室内に被分析ガスを導入する手段が必要である。図１に示す一種の周知の光音響検出器では、ガス交換器は、ポンプ10及び交互に閉鎖可能な弁11,12から構成される。これは、被分析ガス入口13から被分析ガス放出口14まで加圧又は圧入される被分析ガス流を利用する光音響検出器である。交互に閉鎖可能な弁11及び12を用いれば、検知室（容積部）16の中に配置されたマイクロホン15により最速応答時間が得られる。マイクロホン15は、通常、検知室16の壁の一部を形成する。この種の光音響検出器の初期応答時間は、被分析ガスの加圧流量及び検知室16の大きさにより通常制限される。しかしながら、検知室16の壁に取り付けられるマイクロホン15は、検知室16に入射する光源17からの光の一部を吸収して、どんな被分析ガスが不存在でも光音響信号を発生し得る不具合がある。

図２に示す別種の周知の光音響検出器では、ガス交換器は、やはりポンプ10及び交互に閉鎖可能な弁11,12を備えるが、分離されたマイクロホン室（容積部）18内にマイクロホン15を配置することにより、マイクロホン15に照射される入射光量が低減される。この種の検出器は、検知室16からマイクロホン室18内に被分析ガスが自由に移動できないので、図１に示す検出器より遅い初期応答時間を有する。分離されたマイクロホン室18と検知室16との間でガス交換を促進するため、分離されたマイクロホン室18に極力速く被分析ガスが移動するように、接続口19は、極力大きく形成される。被分析ガスを迅速に移送する大きい寸法と、過多量の入射光がマイクロホン15に到達しない寸法との相反する目標を比較考量して、接続口19の大きさが決定される。

他種の周知の光音響検出器では、被分析ガスを含む気体を連続的に透過するガス交換器のガス捕集位置に音響減衰要素20を設けてもよい。これは、図３に示す拡散を利用する光音響検出器である。しかしながら、この種の光音響検出器の出力信号は、風、建築物換気装置、その他の振動現象及び音響現象等の音波／圧力波の外部雑音源との干渉によって生成されるノイズに影響されやすい。例えば、比較的容易にガスを拡散させかつ外部の音波／圧力波の作用を減衰する焼結金属フリット等の多孔性部材を拡散性光音響ガスセンサの入口に配置することもある。しかしながら、ノイズを低減するこの種の音圧減衰要素を導入すると、変化する信号レベルに対して付随する応答損失が通常発生する。初期応答時間を増加しないように、前記減衰作用と付随するノイズ減少とを比較考量しなければならない。例えば、アメリカ計測学会（ＩＳＡ）の可燃性ガス検出器の規格では、１２秒以下の付随する初期応答時間（実物大表示の６０%まで）に対し風速毎秒５メートル以下でのガス濃度レベル測定安定性が要求される。前記ノイズを低減する一方法は、モエクリ及びその他名義により２０００年７月７日に出願された下記特許文献２に記載されるように、外部で発生する音圧力波を減衰する何らかの手段を組み込むことであり、前記米国特許の内容を引用により本明細書の一部とする。

しかしながら、拡散光音響検出器を使用すれば、音圧減衰要素20を通る被分析ガスの拡散速度により初期応答時間が通常制限される。この拡散速度は、一般的に気体圧送型光音響検出器に発生する被分析ガス流量より非常に遅い。このように、大きい接続口19（弁を有する気体圧送型検出器により使用するように）を有しかつ分離されるマイクロホン室18内でマイクロホン15を使用するには、正確な測定値を得る前に、分離されるマイクロホン室18及び検知室16を被分析ガスにより充満しなければならないため、拡散光音響検出器の初期応答時間が更に遅延する原因となる。
米国特許第４,７４０,０８６号 米国特許出願第０９／６１１,３８４号

しかしながら、前記検出器の満足できる初期応答時間を維持しながら、拡散を利用する光音響検出器の信号対ノイズ比を増加する装置及び方法を開発することが非常に望まれている。また、信号処理を通じて各応用に最適なガスセンサ特性を生ずる拡散を利用する光音響検出器の許容可能な信号対ノイズ比を維持しながら、初期応答時間を減少する装置及び方法を開発することが非常に望まれている。

約言すれば、本発明は、拡散性光音響ガスセンサ中の被分析ガスの拡散を制御して、センサの応答時間を改善する方法及び装置を提供することを目的とする。本発明の光音響ガスセンサ、即ち検出器は、検知室と音響圧力センサ室とを備えている。検知室は、音圧減衰要素を通じて環境に流体接続され、被分析ガスは、音圧減衰要素を通じて検知室内に拡散することができる。音響圧力センサ室への被分析ガス拡散の速度を制御すると同時に、例えば、周辺環境から検知室内に至る被分析ガス拡散の速度よりも小さいように、制限、妨害、遅延及び／又は遮断されるように、光音響圧力信号の伝達又は送信が悪影響を受け又は著しく制限されないように、音響圧力センサ室は、検知室に流体接続される。その結果、立上がり時と立下がり時との両方で光音響センサの初期応答時間は、被分析ガスが検知室内又は外に拡散する時間のみに基づき、被分析ガスが検知室と音響圧力センサ室との結合室（容積部）内又は外に拡散する時間には基づかない。従って、光音響センサの応答時間は、検知室の大きさに対する音響圧力センサ室の大きさから独立し影響を受けない。音響圧力センサ室への分析物の拡散を制限し、規制、妨害又は制御することにより、T５０及びT９０までのより速い初期立上がり時間を達成することが好ましい。

本発明の好適な実施の形態では、周辺環境から検知室内に至る被分析ガスが拡散する供給源に近接しかつ隣接して検知室と音響圧力センサ室との間で被分析ガス拡散を発生することが好ましい。周辺環境から検知室に至る被分析ガスの拡散供給源に隣接しかつ検知室の角部若しくは縁部又はそれらの付近に検知室と音響圧力センサ室との間の接続部を配置して、接続部を通して発生する少量のガス拡散が最小の光音響効果を生ずることが好ましい。

本発明の他の詳細な説明、目的及び効果は、本好適な実施の形態に関する下記説明から明らかとなろう。

添付図面は、例示のみの方法で本発明の好適な実施の形態の一例を示す。
本発明による拡散性光音響ガス検出器30の好適な実施の形態を図４に示す。光音響センサ／検出器の動作原理及び構成を十分に記載する上記特許文献１の内容を引用により本明細書の一部とする。図４に示す実施の形態では、被分析ガスを連続的に透過させる音響減衰要素32は、検知室34の壁の一部を構成する。当該技術分野では公知のように、音響減衰要素32は、検知室34に侵入する外部雑音源の音波／圧力波を低減すると共に、検知室34への被分析ガスの拡散に対する最小の抵抗体のみとはなるが、光音響圧力信号の検知室34からの漏出により光音響圧力信号の脆弱化を確実に防止する。光源36からの光学エネルギは、検知室34の壁の他部を通じて入射することが好ましい。

分離する音響圧力センサ室（容積部）40内に音響センサ38（通常マイクロホン）を配置して、照射される光の量が減少される。音響圧力センサ室40は、音響圧力センサの内側と外側の両側に室（容積部）を有する。音響センサ圧力室（容積部）40は、連結通路42を通じて検知室34に流体接続され、検知室34内の被分析ガスに照射される光により発生する光音響信号は、存在してもほんの僅かな信号損失で連結通路42を通じて音響圧力センサ38に送信される。このように、光音響圧力信号は、連結通路42により実質的に制限、妨害若しくは遮断されず又は悪影響を受けない。

しかしながら、音響圧力センサ室40と検知室34との間に設けられる連結通路42は、音響圧力センサ室40への被分析ガスの拡散速度を制限する。周辺環境から検知室34に侵入する被分析ガスの拡散速度より十分に小さい速度だけ制限することが好ましい。音響圧力センサ室40と検知室34との間の連結通路42の断面積及び長さは、被分析ガスの拡散を制御しかつ制限するのに共に重要である。毛細管作用を生ずるように、音響圧力センサ室40と検知室34との間の連結通路42の断面積及び長さを選択すべきである。直径がほぼ１mmに満たずかつ直径対長さ比率が１０より大きいときに、これが通常発生する。連結通路42の一好適な実施の形態では、直径約１mm、長さ約７mmの第２の管に接続された直径約０.５mm、長さ約４mmの第１の管である。他の好適な連結通路は、毛細管作用の拡散が生ずる寸法を有する中空の金属針又は管又はカテーテルである。音響圧力センサ室40と検知室34との間を連絡する連結通路42は、被分析ガスの流動／拡散を規制し、制限し、妨害しかつ／又は制御する毛細管として作用することが好ましい。毛細管を介する拡散は、米国特許第４,１３２,６１６号及び第４,３２４,６３２号に記載され、これらの特許の内容を引用により本明細書の一部とする。

本発明の拡散性光音響ガス検出器30の他の好適な実施の形態を図５に示す。図５では、検知室34と音響圧力センサ室40との間で被分析ガスの拡散を規制、制限、妨害、遮断又は制御する薄膜45が使用される。光音響信号の伝達に重大な影響を生じない可撓性の薄膜45であることが好ましい。薄膜45は、光の透過も許容しない。前記薄膜の一例は、ポリテトラフルオロエチレンにより形成され、商標名ゴアテックス（ＧＯＲＴＥＸ）として販売されるものである。前記薄膜を設ければ、連結通路44は、毛細管ほど小さくする必要はなく、孔19に相似する大きさでもよい。

本発明による拡散性光音響ガス検出器30の別の好適な実施の形態を図６に示す。図６では、検知室34と音響圧力センサ室40との間で被分析ガスの拡散を規制、制限、妨害、遮断又は制御する剛性の薄膜47（金属箔製が好ましい）が使用される。光音響信号の伝達に重大な影響を及ぼさずに薄膜47を移動させる可撓性の支持体49に薄膜47が取り付けられる。剛性薄膜47が移動して光音響信号を伝達するのに十分な可撓性を有する２つのＯリングにより、支持体49を形成することが好ましい。定常状態圧力を均等化できる小孔（２０ミクロン程度）を薄膜47に設けることが好ましい。前記薄膜を設ければ、連結通路46は、毛細管ほど小さい必要はなく、孔19に相似する大きさでもよい。

本発明の一利点は、立上がり時でも又は立下り時でも、初期応答時間が、検知室34の大きさに対して音響圧力センサ室40の大きさに無関係に影響を受けないことである。音響圧力センサ室40に通常起因する減速作用又は希釈作用を発生させずに、検知室34に対して音響減衰要素32の表面積が増加する割合となるため、初期応答時間の対応する短縮により、検知室34を縮小することができる。音響圧力センサ室40に相似する大きさ又はより小さい大きさに検知室34を形成するのも好適な実施の形態である。より速い初期応答時間が得られれば、光音響検出器30によりより多くの信号平均値を算出して、より高い信号対ノイズ比を達成できる。

周辺環境から検知室に至る被分析ガスの拡散供給源（即ち音圧減衰要素32）に近接しかつ好ましくは隣接して、検知室34と音響圧力センサ室40との間の流体連結通路（42、44又は46）を配置して、連結通路を通じて発生する少量のガス拡散は、音圧減衰要素32を介する拡散と比較するとき、最小の効果を有することが好ましい。

検知室34の角部若しくは縁部又はそれらの付近にかつ音圧減衰要素32に隣接して、検知室34と音響圧力センサ室40との間に連結通路（42、44又は46）を配置し、連結通路を通じて発生する少量の被分析ガス拡散が、最小の光音響効果を生ずることがより好ましい。他のガス又は空気分子との衝突ではなく、検知室の壁との衝突により、エネルギの一部が検知室の壁に直接伝達されて消失するので、被分析ガスの増加するエネルギ状態の一部による検知室34の壁、角部又は縁部付近の光音響作用は、既に減少され、これにより、熱及び圧力又は音響エネルギとしてエネルギを伝達することができる。

前記発明を実施する現在の好適な実施の形態を添付図面に図示しかつ説明したが、下記の特許請求の範囲内で別の方法でも本発明を実施できよう。

検知室の壁の一部を形成するマイクロホンを有する公知の気体圧送型光音響ガス検出器の断面図 検知室から分離するマイクロホンを有する公知の気体圧送型光音響ガス検出器の断面図 検知室から分離するマイクロホンを有する拡散を利用する公知の光音響ガス検出器の断面図 毛細管を利用する本発明の光音響ガス検出器の断面図 可撓膜を利用する本発明の光音響検出器の平面図 可撓性支持体に設けた剛性薄膜を利用する本発明の光音響検出器の平面図

符号の説明

(32)・・音圧減衰要素、 (34)・・検知室、 (36)・・供給源、 (38)・・音響圧力センサ、 (40)・・音響圧力センサ室、 (42)・・連結通路、

Claims (20)

1. 光学エネルギの供給源と、音圧減衰要素を通じて周辺環境に流体接続されかつ音圧減衰要素を通じて被分析ガスを拡散させる検知室と、音響圧力センサを有しかつ検知室に流体接続される音響圧力センサ室とを備え、光音響検出器の初期応答時間は、検知室の大きさに対する音響圧力センサ室の大きさから独立することを特徴とする環境中の被分析ガスを測定する光音響検出器。
2. 音響圧力センサ室と検知室との間に設けられる連結通路は、毛細管として作用する請求項１に記載の光音響検出器。
3. 音響圧力センサ室と検知室との間に設けられる連結通路を音圧減衰要素に近接して配置した請求項１に記載の光音響検出器。
4. 音響圧力センサ室と検知室との間に設けられる連結通路を音圧減衰要素に近接して検知室の角部の付近に配置した請求項１に記載の光音響検出器。
5. 音響圧力センサ室と検知室との間に設けられる連結通路を音圧減衰要素に近接して検知室の縁部付近に配置した請求項１に記載の光音響検出器。
6. 検知室から音響圧力センサ室に至る連結通路を通る被分析ガスの拡散速度は、音圧減衰要素を通る周辺環境から検知室に至る被分析ガスの拡散速度より低い請求項１に記載の光音響検出器。
7. 音響圧力センサ室と検知室との間に設けられる連結通路は、可撓膜を備える請求項１に記載の光音響検出器。
8. 音響圧力センサ室と検知室との間に設けられる連結通路は、可撓性の支持体に取り付けられた剛性薄膜を備える請求項１に記載の光音響検出器。
9. 検知室と音響圧力センサ室とは、相似する大きさである請求項１に記載の光音響検出器。
10. 検知室は、音響圧力センサ室よりも小さい請求項１に記載の光音響検出器。
11. 光学エネルギの供給源と、音圧減衰要素を通じて周辺環境に流体接続されかつ音圧減衰要素を通じて被分析ガスを拡散させる検知室と、音響圧力センサを有する音響圧力センサ室と、音響圧力センサ室と検知室との間に設けられかつ検知室と音響圧力センサ室との間で光音響圧力信号の伝達に悪影響を与えずに検知室から音響圧力センサ室に至る被分析ガスの拡散を制御する連結通路とを備えることを特徴とする環境中の被分析ガスを測定する光音響検出器。
12. 音響圧力センサ室と検知室との間の連結通路は、毛細管として作用する請求項１１に記載の光音響検出器。
13. 音響圧力センサ室と検知室との間に設けられる連結通路を音圧減衰要素に近接して配置した請求項１１に記載の光音響検出器。
14. 音響圧力センサ室と検知室との間に設けられる連結通路を音圧減衰要素に近接して検知室の角部の付近に配置した請求項１１に記載の光音響検出器。
15. 音響圧力センサ室と検知室との間の連結通路は、音圧減衰要素に近接して、検知室の縁部の付近に配置される請求項１１に記載の光音響検出器。
16. 連結通路を通じた検知室から音響圧力センサ室への被分析ガスの拡散速度は、音圧減衰要素を通り周辺環境から検知室に至る被分析ガスの拡散速度より低い請求項１１に記載の光音響検出器。
17. 検知室と音響圧力センサ室との間に設けられる連結通路は、可撓膜を備える請求項１１に記載の光音響検出器。
18. 音響圧力センサ室と検知室との間に設けられる連結通路は、可撓性の支持体に取り付けられた剛性薄膜を備える請求項１１に記載の光音響検出器。
19. 検知室と音響圧力センサ室とは、相似する大きさである請求項１１に記載の光音響検出器。
20. 検知室は、音響圧力センサ室より小さい請求項１１に記載の光音響検出器。

Images