JP2008256485A - ガス成分検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス成分の予測が困難である場合でもガス発生を確実に検知する。
【解決手段】試料気体が導入される測定セル１０det及び参照気体が導入される参照セル１０refはそれぞれ、発振回路１から周波数信号が印加されると、該信号に対応する音波を発生させ、受波信号を電気信号Ｆdet及びＦrefに変換して出力する。２つのセルの音波伝搬経路長は同一であり、初期状態では試料気体と参照気体との音速が同一に設定されている。試料気体のガス成分に変化が生じると、音速が変化するため信号Ｆdet及びＦrefに位相差が生じ、サンプリング・ホールド回路４は、パルス発生回路３からの信号Frefに同期するパルスをサンプリングパルスとして、鋸歯状波発生回路５からの信号Ｆdetに同期する鋸歯状波をサンプリングすることにより位相差の発生を検出し、これによりガス発生を検出する。２つのセルを同一温度環境にすることにより、温度変化による影響を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス成分検出装置に関し、より詳細には、可聴周波数や超音波を用いて、気体に含まれるガス成分の濃度変化を監視するための装置に関する。

従来、気体に含まれるガス成分を監視するガスセンサとして、ガスクロマトグラフ、半導体センサ、赤外線吸収監視装置が用いられており、また、気体が可燃ガスの場合は、ガスセンサとして、接触燃焼式センサが用いられている。これらのガス成分の監視装置では、検知可能なガスの種類が制限されていることが多々あり、また、検知結果を得るまでの検出時間が比較的長い、等の問題点がある。

これに対して、音速測定により、ガス検出あるいはガス成分情報（ガスの平均分子量、濃度、成分変化等）をモニタする方式が提案されている。例えば、音速の測定値からガス成分情報を得る技術（特許文献１及び２）、音波入力信号に出力信号をフィードバックさせることによって、試料ガス中でハウリングを生じさせ、そのハウリング周波数からガス成分情報を得る技術（特許文献３）、音速の測定に超音波をパルス列として送信し、受信波のエンベロープの減衰部分を解析することにより、ガス成分の検出精度を向上させるようにした技術（特許文献４）、検出ガスの存在しない雰囲気中及び検出すべきガスの存在する雰囲気中で音速を別々に測定し、これら音速の差に基づいてガス成分をモニタする技術（特許文献５）がある。これらの技術は、それぞれの特徴に応じて用途が異なっている。

このような音速測定方式では、気体中を伝搬する音波の速度が気体の平均質量で決まるため、どのようなガス成分であっても検出可能である。そのため、気体が多成分系であっても正常な状態か異常な状態かの違いを検出することが可能であり、また検出時間が比較的短いという長所を有している。音速測定方式はさらに、手法が比較的単純で確実な測定を行うことができ、また、測定器の経年変化が少ない、等の長所も有している。しかしながら、その反面、厳密な定量測定が可能であるのは２成分系に限られること、および温度変化の影響が大きいこと等の短所も有しているため、実際には普及率が低い。
特開２００４−３２５２９７号公報 特開平７−１９８６８８号公報 特開２００１−３１１７２２号公報 特開２００４−５３３８５号公報 特開２００５−４３０９１号公報

ところで、生ごみなどの排出物は多様な性質を有しており、メタン発酵、水素発酵、自然発火、アルミニウムからの水素発生などが生じるため、しばしば爆発事故が生じている。このような事故を防ぐには、排出物集積所、排出物処理場等の排出物を取り扱う場所又は施設で、排出物から発生する水素、メタン、二酸化炭素等のガス成分を低濃度のうちに検知することが有効であると考えられる。

しかしながら、通常、排出物から発生されるガス成分の種類を的確に予想することが困難であり、したがって、どのようなガスセンサを設置すべきかを決定することが極めて困難である。未然にガス爆発事故を防ぐために、想定される多数のガス成分の種類にそれぞれ対応する多数種類のガスセンサを用いてガス成分の濃度を検知すればよいが、多数種類のガスセンサを多数の排出物取扱施設それぞれに設置することは、現実的には不可能である。そのため、現状では、多くの場合、ガス爆発事故が生じた後に、同様の事故の再発を防止するための対策が採られているにすぎない。

また、上記したように、音速測定によるガス成分のモニタ方式では、気体が多成分系であっても変化を検出することが可能であるが、気体中の音速は絶対温度の平方根に比例しているため、ガス濃度変化の検出において温度の変化を無視することができない。例えば、常温付近で±１℃の変化により、水素濃度が０．３４％変化したものと同じ音速変化が生じる。このような温度の影響を補償するために、通常、温度を計測して計算処理により補正を行うが、そのため、演算装置であるコンピュータをガスセンサに組み込む必要がある。したがって、ガスセンサが高価にならざるを得ない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、実際にどのような種類のガス成分が発生されるかを予想することが困難である場所及び施設において、音速測定により異常なガス発生を確実に検知することができ、しかも、温度変化による影響を簡単な構成で補正することができる、低価格のガス成分検出装置を提供することである。

本発明の他の目的は、温度変化による影響を簡単な構成により補正し、空気中の水素ガス濃度を検知することができる水素ガス濃度検出装置を提供することである。

上記した目的を達成するために、本発明に係る、試料気体中に含まれるガス成分の濃度を監視するガス成分検出装置においては、
周波数信号を発生させる発振回路と、
試料気体が導入される測定セルであって、該測定セル中に、
発振回路からの周波数信号を受け取り、該周波数信号に対応する音波を発生させる第１の送波器と、
該第１の送波器から発生され測定気体を伝搬する音波を受け取り、該音波に対応する第１の周波数信号を発生させる第１の受波器と
を備えた測定セルと、
参照気体が導入される参照セルであって、該参照セル中に、
発振回路からの周波数信号を受け取り、該周波数信号に対応する音波を発生させる第２の送波器と、
該第２の送波器から発生され参照気体を伝搬する音波を受け取り、該音波に対応する第２の周波数信号を発生させる第２の受波器であって、第２の受波器との間隔が、第１の受波器と第１の送波器との間の間隔に一致するよう設定されている第２の受波器と
を備えた参照セルと、
第１の周波数信号及び第２の周波数信号の位相差を検出する位相差検出手段と
からなり、温度補償されたガス成分検知出力を得ることができるようにしたことを特徴としている。

上記した本発明のガス成分検出装置において、一実施形態において、位相差検出手段は、第１の周波数信号に同期して鋸歯状波を発生させる鋸歯状波発生回路と、第２の周波数信号に同期してパルスを発生させるパルス発生手段と、パルス発生手段から発生されるパルスをサンプリングパルスとして、鋸歯状波発生回路から発生される鋸歯状波をサンプリングするサンプル／ホールド回路とから構成される。また、他の実施形態においては、位相差検出手段は、第１の周波数信号を矩形波に変換する第１の矩形波変換回路と、第２の周波数信号を矩形波に変換する第２の矩形波変換回路と、第１及び第２の矩形波変換回路から出力された２つの矩形波を比較してこれら矩形波の位相差に対応する出力を発生する位相差検出器とから構成される。

また、上記した本発明のガス成分検出装置において、参照気体は、初期状態の試料気体中の音速と近似する音速の気体であることが好ましく、初期状態の試料気体と同一であることがさらに好ましい。

さらに、上記した本発明のガス成分検出装置において、位相差検出手段は検出した位相差を電圧として出力するよう構成され、ガス成分検出装置はさらに、位相差検出手段の後段に配置され、オフセット及び利得が調整可能な電圧増幅手段と、電圧増幅手段の出力電圧の値を測定し表示する電圧測定手段とを備え、電圧増幅手段のオフセット及び利得を調整することにより、電圧測定手段により表示される電圧値を試料気体中の検出すべきガス成分の濃度Vol％の値とほぼ等しく調整することができるようにすることが好ましい。

この場合、参照気体及び初期状態の試料気体は水素ガスが除去された空気であり、ガス成分検出動作中の試料気体は空気であり、電圧測定手段は、空気中の水素濃度が約１０Vol％以下のときに、電圧増幅手段のオフセット及び利得を調整することにより、空気中の水素ガス濃度の値を電圧値として表示するよう構成されていることが好ましい。

本発明のガス成分検出装置は、上記したように構成されており、位相差法と参照セルとの組合せにより、温度測定及び温度補償のための演算処理を必要とせずに、温度変化の影響を排除することができる。したがって、本発明によれば、簡単な構成で安価でありながら、温度補償された高精度のガス成分検出装置を提供することができる。

また、空気中の水素を検出対象とした場合はガス濃度が１０Vol％程度以下であれば、本発明のガス成分検出装置により得られる電圧値がほぼ水素ガス濃度に対応させられるので、濃度が変化したか否かのみならず、水素ガス濃度そのものを表示することができる。

図１は、本発明に係るガス成分検出装置の一実施例の構成を示す回路図であり、図１において、１は周波数ｆの信号Ｆ１を出力する発振回路、２は移相回路、３はパルス発生回路、４はサンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路、５は鋸歯状波発生回路、６は電圧増幅回路、７は電圧測定器である。また、１０detは濃度変化を検出すべきガス成分が含まれている気体（試料気体）が流入流出されるセル（測定セル）、１０refは参照セルである。参照セル１０refには、初期状態において、測定セル１０det中のガス成分とほぼ同一の音速を有する気体（参照気体）が封入される。

図２は、測定セル１０det及び参照セル１０refの構成を示す模式図である。測定セル１０det及び参照セル１０refは、同一の形状を有する中空の円筒で構成され、１個の円筒容器１０内に納められている。円筒容器１０の参照セル１０ref側の一端に設けられている流入口１１から流入された試料気体は、測定セル１０detに設けられた孔１７及び測定セル１０detの外側に設けられた隔壁１６により、測定セル１０det内に入りこむ。そして、試料気体は、測定セル１０det内を通過して孔１８から円筒容器１０に戻り、流出口１２から流出する。参照セル１０refは密閉構造となっているが、初期状態において測定セル１０detに流入される試料気体とほぼ同一の音速を呈する参照気体を外部から封入するための導入部１３が設けられている。各セルを構成する円筒は、薄くてしかも熱伝導特性が良好な材質で構成され、これにより、両セル内の気体がほぼ同一温度となるようにしている。

測定セル１０det及び参照セル１０refは、それぞれの内部に、発振回路１からの周期的な信号Ｆ１を受信し、音波（周波数ｆ）に変換して発信する送波器（スピーカ機能）１４det及び１４refと、該送波器から発信された音波を受信して電気信号Ｆdet及びＦref（周波数ｆ）に変換する受波器（マイクロフォン機能）１５det及び１５refとが配置されており、送波器と受波器との間隔すなわち音波伝搬路長は、測定セル１０det及び参照セル１０refにおいて同一に設定されている。受波器１５detで得られた電気信号Ｆdetは鋸歯状波発生回路５に供給され、受波器１５refで得られた電気信号Ｆrefは移相回路２を介してパルス発生回路３に供給される。

移相回路２は、初期状態すなわち気体変化測定の開始時点又はその直前で、参照セル１０ref中の参照気体と測定セル１０det中の試料気体との音速Ｖref及びＶdetが等しい場合に、それぞれの受波器１５ref及び１５detから出力される電気信号の位相差を、検出を目的とするガスの種類と濃度に対応する適宜の大きさとなるように調整するために使用される。例えば、初期状態の試料気体が通常の空気であって、水素やメタンのように空気よりも軽い気体と二酸化炭素のように空気よりも重い気体の両方を検出しようとする場合、パルス発生回路３からのパルス信号Ｐが鋸歯状波発生回路５からの鋸歯状波Ｑの中間に位置するように、移相回路２の移相量が設定される。

また、このときの電圧測定器７が表示する電圧値が０となるように、電圧増幅回路６のオフセットを調整する。このように設定された状態で、測定セル１０detに水素等の軽い気体が混入すると、音速が速くなるために鋸歯状波の立ち上がりが早くなる。その結果、電圧測定器７で測定される電圧が正の値となって顕れる。逆に、二酸化炭素のような重い気体が混入すると、鋸歯状波の立ち上がりが遅くなって測定電圧が負の値となって顕れる。

なお、移相回路２を、図１の実施例のように参照セル１０refの出力側に設ける代わりに、測定セル１０detの出力と鋸歯状波発生回路５との間に挿入しても良く、またこれら両方に挿入しても良い。さらに、発振回路１と参照セル１０ref及び測定セル１０detの少なくとも一方の間に挿入しても良い。

図１に戻って、本発明に係るガス成分検出装置の動作を説明する。なお、測定セル１０detに流入する試料気体と同一の気体又は同一の音速を呈する気体を参照セル１０refに導入することにより、予めＶref＝Ｖdetに初期設定された後、試料気体中のガス成分濃度の変化の監視が開始されたものとする。

発振回路１からの周波数ｆを有する信号Ｆ１が参照セル１０refの送波器１４refに印加されると、該送波器１４refは周波数ｆの音波を発生させ、発生された音波は、参照気体の音速Ｖrefで送波器１４refから受波器１５refに伝達される。受波器１５refは、音波を受け取ると、それを電気信号に変換し、移相回路２を介してパルス発生回路３に供給する。パルス発生回路３は、受け取った信号の負極性から正極性に向かう（又は正極性から負極性に向かう）ゼロ交差点でパルスを発生させ、これにより信号Ｆrefと同一周波数ｆのパルス列を発生させる。発生されたパルス列は、サンプル／ホールド回路４に、サンプリングパルス（ゲート信号）Ｐとして供給される。

このようにして生成されたサンプリングパルスＰは、発振回路１からの信号Ｆ１と同一の周波数ｆを有し、参照セル１０ref中の参照気体の音速Ｖrefに応じて位相遅延された信号となる。

一方、発振回路１からの信号Ｆ１は、参照セル１０refの送波器１４refに供給されると同時に参照セル１０detの送波器１４detにも供給され、それに応じて、送波器１４detは周波数ｆの音波を発生させる。発生された音波は、試料気体中の音速Ｖdetで受波器１５detに伝搬される。受波器１５detが音波を受け取ると、それを信号Ｆdetに変換し、鋸歯状波発生回路５に供給する。鋸歯状波発生回路５は、受け取った信号Ｆdetの負極性から正極性に向かう（又は正極性から負極性に向かう）ゼロ交差点を起点として電圧が増大する周期１／ｆの鋸歯状波Ｑを生成する。該鋸歯状波Ｑは、サンプル／ホールド回路４に供給される。

このようにして生成された鋸歯状波Ｑは、発振回路１からの信号Ｆ１と同一の周波数ｆを有し、信号Ｆ１の位相から、測定セル１０det中の試料気体の音速Ｖdetに応じて遅延された信号となる。

サンプル／ホールド回路４は、鋸歯状波発生回路５からの鋸歯状波Ｑを受け取り、それをパルス発生回路３からのサンプリングパルスＰのタイミングでサンプリングしホールドする。該ホールドされた電圧は、２つの音波伝搬系すなわち測定セル１０det及び参照セル１０ref中の試料気体及び参照気体により伝搬された音波による位相差（０〜３６０°の範囲）、すなわち試料気体及び参照気体中の音波伝搬速度の差ΔＶ（＝Ｖdet−Ｖref）に依存している。

例えば、初期状態から試料気体のガス成分に変化が無く、伝搬速度の差ΔＶが依然としてゼロである場合、電圧測定器７において指示される電圧値は０である。なお、上記したように、本発明においては、測定試料の温度変化は参照気体の温度に直ちに影響して同一の温度となるようにセルが構成されているので、試料気体の温度が変動しても試料気体と参照気体の温度は同一である。また、両セルの送波器及び受波器の間隔が同一に設定されているので、温度変化によって生じる信号の移相は、両セルで同一となる。したがって、試料気体に温度変化のみが生じた場合も、伝搬速度の差ΔＶは初期状態と同一であり、よって、この場合も電圧測定器７の指示値は０である。

一方、温度変化が生じかつ試料気体の気体質量変化が生じた場合、又は、試料気体の気体質量変化のみが生じた場合、音波の伝搬速度の差ΔＶが変化する。これにより、パルス発生回路３からのサンプリングパルスの発生タイミングと、鋸歯状波発生回路５からの鋸歯状波のゼロ電圧の発生タイミングとがずれる。このタイミング差は、測定セル１０detと参照セル１０refとから出力される信号Ｆdet及びＦrefの位相差に対応し、該位相差に対応する電圧がサンプル／ホールド回路４にホールドされる。電圧測定器７は、この位相差に比例する電圧値を示す。

このように、温度変化が生じたか否かに拘わらず、試料気体に質量変化が生じた場合にのみ、電圧測定器７は位相差に比例する電圧値を指示することになる。位相差は、試料気体の質量変化によってもたらされる音速変化に対応しているため、結局、気体成分の濃度変化に対応する温度補償された電圧値を得ることができる。

上記したように、本発明に係る気体成分検知装置は、気体成分の濃度変化を検知するために使用することが可能である。この場合、電圧増幅器６を必ずしも具備させる必要がなく、また、具備させたとしても、オフセット及び利得調整が可能な増幅器を用いる必要がない。

電圧増幅器６として、オフセット及び利得調整可能な増幅器を用い、かつ、検知対象のガスが一種類に限定されている場合、本発明のガス成分検出装置によれば、位相シフト量からほぼ正確なガス濃度を求めることができる。これについて、以下に説明する。

音速は媒体である気体の平均分子量の平方根に逆比例するので、位相シフトの大きさは、厳密な意味ではガス濃度(Vol％)と比例関係にはない。しかしながら、本発明者らの実験及び解析によれば、ガス濃度が低い範囲内であれば、ガス濃度と位相シフト量との間に近似的比例関係が成り立つ。例えば、空気中の水素の場合、水素濃度が０〜１０Vol％の範囲であれば、水素濃度と位相シフト量とが近似的に線形関係にあり、電圧測定器７により測定される電圧は、水素濃度に対して±５Vol％以内の精度で、一致した数値を示す。水素濃度が０〜５Vol％の範囲であれば、さらに高精度となって±２％以内の精度で一致した数値を示す。水素ガス以外のガスであっても、検知対象のガスの種類が特定され、かつ濃度が略１０Vol％以下であれば、本発明に係るガス成分検出装置においては、電圧測定器７により測定されて表示される値は、ガス濃度そのものを表す値となる。

本発明を、爆発防止のための水素濃度計に適用する場合は、以下のように設定する。

まず、初期設定モードでは、流入口１１及び導入部１３から、含有する水素ガスの濃度がゼロの空気を参照セル１０ref及び測定セル１０detに導入し、これらのセルに発振回路１からの信号Ｆ１を供給する。このとき、電圧測定器７の指示値が０となるように、電圧増幅器６のオフセット量を調整する。次いで、参照セル１０refの気体はそのまま（導入部１３を閉じたまま）で、測定セル１０det内の空気を水素ガス濃度が３Vol％の空気に入れ替える。そして、両方のセルに発振器１からの信号Ｆ１を供給し、そのときの電圧測定器７の指示値が３となるように、電圧増幅器６の利得を調整する。これにより初期設定モードが完了して測定モードに移行し、測定セル１０detに、試料気体すなわち水素ガス濃度を測定すべき空気を流入させる。

該空気中の水素ガス濃度が高いと音速が増大するので、鋸歯状波発生回路５からの鋸歯状波の立ち上がりが早くなり、パルス発生回路３からのサンプリングパルスの発生タイミングにおける電圧が高くなる。このときの電圧をサンプリングホールドすることにより、電圧測定器７は正の電圧値を示すことになる。このとき、水素濃度が０Vol％のときに電圧値が０を示し、３Vol％のときに３Ｖを示すように初期設定されており、また、水素濃度が低い範囲（約１０Vol％以下）では濃度と電圧がほぼ比例しているので、電圧測定器７の電圧指示値０〜１０が水素ガス濃度そのものを表していることになる。

上記した実施例においては、測定セル１０det及び参照セル１０refの受波器１５det及び１５refから出力される信号の位相差を検出するために、パルス発生回路３、サンプル／ホールド回路４、及び鋸歯状波発生回路５を用いているが、これら回路の代わりに、受波器１５det及び１５refから出力される信号を矩形波に変換する矩形波変換回路と、変換された２つの矩形波の位相差を比較する位相差検出器とで構成しても良い。この場合、位相差検出器から出力される電圧は、２つの受波器からの信号の位相差に比例することになる。ただし、この場合、位相差は、０〜１８０°の範囲に限定される。

また、測定された電圧値が所定値以上になったときにアラームを発生する等の手段を付加してもよい。

以上のように、本発明に係るガス成分検出装置においては、位相差法を用いて音速の変化を検知し、しかも、簡単な構成で温度補償を行っているため、種々のガス成分の発生が予想される場合のガス成分発生を高精度で検出することができる。とくに、爆発災害防止のためには、ガス濃度の広範囲の変化を検出できるよう構成する必要が無く、微少な変化のみを検出できればよいので、本発明を爆発災害防止用のガス成分検出装置として用いた場合は極めて実用的である。

本発明に係るガス成分検出装置の回路構成を示すブロック図である。 図１に示した測定セル及び参照セルの構成を示す説明図である。

Claims (7)

1. 試料気体中に含まれるガス成分の濃度を監視するガス成分検出装置において、
   周波数信号を発生させる発振回路と、
   試料気体が導入される測定セルであって、該測定セル中に、
   発振回路からの周波数信号を受け取り、該周波数信号に対応する音波を発生させる第１の送波器と、
   該第１の送波器から発生され測定気体を伝搬する音波を受け取り、該音波に対応する第１の周波数信号を発生させる第１の受波器と
   を備えた測定セルと、
   参照気体が導入される参照セルであって、該参照セル中に、
   発振回路からの周波数信号を受け取り、該周波数信号に対応する音波を発生させる第２の送波器と、
   該第２の送波器から発生され参照気体を伝搬する音波を受け取り、該音波に対応する第２の周波数信号を発生させる第２の受波器であって、第２の受波器との間隔が、第１の受波器と第１の送波器との間の間隔に一致するよう設定されている第２の受波器と
   を備えた参照セルと、
   第１の周波数信号及び第２の周波数信号の位相差を検出する位相差検出手段と
   からなり、温度補償されたガス成分検知出力を得ることができるようにしたことを特徴とするガス成分検出装置。
2. 請求項１記載のガス成分検出装置において、位相差検出手段は、
   第１の周波数信号に同期して鋸歯状波を発生させる鋸歯状波発生回路と、
   第２の周波数信号に同期してパルスを発生させるパルス発生手段と、
   パルス発生手段から発生されるパルスをサンプリングパルスとして、鋸歯状波発生回路から発生される鋸歯状波をサンプリングするサンプル／ホールド回路と
   からなることを特徴とするガス成分検出装置。
3. 請求項１記載のガス成分検出装置において、位相差検出手段は、
   第１の周波数信号を矩形波に変換する第１の矩形波変換回路と、
   第２の周波数信号を矩形波に変換する第２の矩形波変換回路と、
   第１及び第２の矩形波変換回路から出力された２つの矩形波を比較してこれら矩形波の位相差に対応する出力を発生する位相差検出器と
   からなることを特徴とするガス成分検出装置。
4. 請求項１〜３いずれかに記載のガス成分検出装置において、参照気体は、初期状態の試料気体中の音速と近似する音速の気体であることを特徴とするガス成分検出装置。
5. 請求項１〜３いずれかに記載のガス成分検出装置において、参照気体は、初期状態の試料気体と同一であることを特徴とするガス成分検出装置。
6. 請求項１〜５いずれかに記載のガス成分検出装置において、位相差検出手段は検出した位相差を電圧として出力するよう構成され、ガス成分検出装置はさらに、
   位相差検出手段の後段に配置され、オフセット及び利得が調整可能な電圧増幅手段と、
   電圧増幅手段の出力電圧の値を測定し表示する電圧測定手段と
   を備え、電圧増幅手段のオフセット及び利得を調整することにより、電圧測定手段により表示される電圧値を試料気体中の検出すべきガス成分の濃度Vol％の値とほぼ等しく調整することができるようにしたことを特徴とするガス成分検出装置。
7. 請求項５に従属する請求項６記載のガス成分検出装置において、
   参照気体及び初期状態の試料気体は、水素ガスが除去された空気であり、
   ガス成分検出動作中の試料気体は、空気であり、
   電圧測定手段は、空気中の水素濃度が約１０Vol％以下のときに、電圧増幅手段のオフセット及び利得を調整することにより、空気中の水素ガス濃度の値を電圧値として表示する
   ことを特徴とするガス成分検出装置。

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