JP2010025829A

JP2010025829A - 光干渉式炭素濃度計

Info

Publication number: JP2010025829A
Application number: JP2008189271A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Ishiguro; 智生石黒
Original assignee: Riken Keiki KK
Current assignee: Riken Keiki KK
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2010-02-04

Abstract

【課題】ＶＯＣを含む測定ガス中の炭素濃度測定を、連続的に、かつ、溶剤ガスの種類に関わらず、確実に行うことのできる光干渉式炭素濃度計を提供すること。
【解決手段】この光干渉式炭素濃度計は、揮発性有機化合物を含む測定ガスの、揮発性有機化合物を含まない標準ガスに対する屈折率増加量を検出し、屈折率増加量と測定ガス中の炭素濃度とが比例関係にあることを利用して、検出された屈折率増加量に応じた測定ガス中の炭素濃度を算出するものであり、具体的には、標準ガスが空気である場合において、測定ガスの標準ガスに対する屈折率増加量Ｙ〔×１０^-6〕と測定ガス中の炭素濃度Ｘ〔ｐｐｍＣ〕との間の関係が（式）Ｙ＝α×Ｘ（α：比例係数）により示され、前記関係式における比例係数αが０．２３０×１０^-3〜０．３１０×１０^-3の範囲内において設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を含む測定ガス中の炭素濃度の測定に用いられる光干渉式炭素濃度計に関する。

現在、揮発性有機化合物（ＶＯＣ：ＶｏｌａｔｉｌｅＯｒｇａｎｉｃＣｏｍｐｏｕｎｄｓ）の排出を抑制するため、我が国においては、例えば自動車からの炭化水素の排出規制のみならず、工場等の固定発生源からのＶＯＣの排出及び飛散についても排出規制が進められており、これに伴い、ＶＯＣを含有する排出ガスについて、これに含まれる炭素濃度を測定することが求められることがある。ここに、ＶＯＣとは、揮発性を有し、大気中で気体状となる有機化合物の総称であり、例えば、トルエン、キシレン、酢酸エチルなど多種多様な物質が含まれる。

ＶＯＣを含有する排出ガス中の炭素濃度を測定する方法として、例えば大気汚染防止法においては、ＶＯＣを加熱した触媒で二酸化炭素に酸化し、その濃度を赤外線の吸収強度から測定する「触媒酸化−非分散形赤外線分析計（ＮＤＩＲ）」（例えば特許文献１参照）や、水素炎に試料を加えたときに生ずるイオン電流を測定して、揮発性有機化合物の濃度を測定する「水素炎イオン化形分析計（ＦＩＤ）」（例えば特許文献２参照）が規定されている。

特開２００６−３４９４８４号公報特開２００３−２０２３２４号公報

しかしながら、ＮＤＩＲ装置による炭素濃度測定においては、測定ガスに含まれるＶＯＣのすべてを酸化させるために長時間を要するという問題があり、また、ＦＩＤ装置による炭素濃度測定においては、所期の測定を行うために水素を大量に消費すると共に測定ガスの流量変動によって検出精度や検出感度が低下しやすいという問題があり、結局、いずれの方法も、炭素濃度測定を連続的に行う場合には不向きである。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、ＶＯＣを含む測定ガス中の炭素濃度測定を、連続的に、かつ、溶剤ガスの種類に関わらず、確実に行うことのできる光干渉式炭素濃度計を提供することを目的とする。

本発明の光干渉式炭素濃度計は、揮発性有機化合物を含む測定ガスの、揮発性有機化合物を含まない標準ガスに対する屈折率増加量を検出し、屈折率増加量と測定ガス中の炭素濃度とが比例関係にあることを利用して、検出された屈折率増加量に応じた測定ガス中の炭素濃度を算出することを特徴とする。

本発明の光干渉式炭素濃度計においては、標準ガスとして空気を用いた場合に、測定ガスの標準ガスに対する屈折率増加量Ｙ〔×１０^-6〕と測定ガス中の炭素濃度Ｘ〔ｐｐｍＣ〕との間の関係が（式）Ｙ＝α×Ｘ（α：比例係数）により示され、前記関係式における比例係数αが０．２３０×１０^-3〜０．３１０×１０^-3の範囲内において設定される。

本発明の光干渉式炭素濃度計によれば、光干渉式センサの検知原理上、ＶＯＣの化学反応を伴わずに、炭素濃度を測定することができるので、測定ガス中の炭素濃度測定を連続的に行う場合であっても、効率よく行うことができ、しかも、炭素濃度測定を行うに際しては揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の種類毎の感度差を考慮することが必要とされるべきところ、測定ガスの標準ガスに対する屈折率増加量と炭素濃度とが比例関係にあることを利用して炭素濃度を算出する構成とされていること、具体的には、測定ガスの標準ガスに対する屈折率増加量と炭素濃度との間の比例係数αの大きさが所定の数値範囲内において適正な大きさに設定された比例関係式を用いることにより、測定ガス中の炭素濃度測定を、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の種類毎の感度差による測定誤差が低減された状態において、ＶＯＣの種類に関わらず、確実に行うことができる。

図１は、本発明の光干渉式炭素濃度計の一例における要部の構成の概略を示す説明図である。
この光干渉式炭素濃度計は、ＶＯＣを含まない標準ガスが導入される空間（以下、「リファレンスチャンバ」という。）１１および当該リファレンスチャンバ１１の両側に位置される測定ガスが導入される空間（以下、「測定チャンバ」という。）１２Ａ，１２Ｂを有する、両端部が板状の光透過性部材１５によって閉塞された筒型のチャンバ１０と、測定ガスと標準ガスとの光の屈折率の相違を干渉縞の変位量として検出する光学システムと、測定ガス中の炭素濃度を算出する機能を有するＣＰＵ３０と、検出された炭素濃度が表示される、例えばＬＣＤよりなる表示器３５とを備えている。ここに、標準ガスとしては、例えば空気（Ｏ₂欠乏したものを含む）を例示することができる。

各々の測定チャンバ１２Ａ，１２Ｂには、両端側部分に測定ガス流入口１３および測定ガス流出口１４が設けられており、図示しないサンプリングポンプから同一の測定ガスが供給される。
また、リファレンスチャンバ１１には、両端側部分に図示しない標準ガス流入口および標準ガス排出口が設けられている。

光学システムは、例えば中心波長が６６０ｎｍである発光ダイオードよりなる光源２１と、チャンバ１０の一端側における外方位置に配置された、光源２１からの光ビームＬ０を２本の光ビームＬ１，Ｌ２に分割して、それぞれ、リファレンスチャンバ１１または一方の測定チャンバ１２Ａに対して平行光として出射するビームスプリッタをなす平行平面鏡２２と、チャンバ１０の他端側の外方位置において、リファレンスチャンバ１１の一側寄りの光路を通過した光ビームＬ１を反射して再びリファレンスチャンバ１１の他側寄りの光路を通過する光ビームＬ３として出射すると共に、一方の測定チャンバ１２Ａを通過する光ビームＬ２を反射して他方の測定チャンバ１２Ｂを通過する光ビームＬ４として出射し、再度チャンバ１０を通過させた後に平行平面鏡２２上において重ね合わせ、干渉縞を生じさせることのできるよう、調整されて配置されたメインプリズム２３と、平行平面鏡２２上で重ね合わせられた合成光（干渉光）を、平面鏡２５、凸レンズ２６および凹レンズ２７を介して、受光する、例えばＣＣＤよりなるラインイメージセンサ２８とにより構成されている。

ＣＰＵ３０は、ラインイメージセンサ２８からの画像信号を位相解析することにより測定ガス中のＶＯＣの濃度変化による基準状態に対する干渉縞の変位量を検出する機能を有すると共に、当該干渉縞の変位量に基づいて測定ガス中の全炭素濃度を算出する機能を有する。ここに、「基準状態」とは、例えばＶＯＣを含まない空気を測定チャンバ１２Ａ，１２Ｂに導入したときに取得された干渉縞の像の状態をいう。

この光干渉式炭素濃度計は、例えばＶＯＣを含む排出ガスについて、これに含まれる全炭素濃度を測定するために用いられるものであって、ＣＰＵ３０による位相解析によって得られる干渉縞の変位量に基づいて、基準状態に対する測定ガスの屈折率増加量Ｙ〔×１０^-6〕を算出し、（式）Ｙ＝α×Ｘ（αは比例係数）により、屈折率増加量Ｙに応じた全炭素濃度Ｘ〔ｐｐｍＣ〕が取得される。
ここに、比例係数αは、０．２３０×１０^-3〜０．３１０×１０^-3の範囲内において、設定することができ、例えば、測定ガス中に含まれると予想されるＶＯＣに係る比例係数（下記表１参照）より大きい値に設定することができる。また、例えば、複数種のＶＯＣが含まれていると予想される場合には、各ＶＯＣに係る比例係数の平均値に設定することができる。

比例係数αの数値範囲は、次のようにして設定されたものである。すなわち、各種のＶＯＣについての屈折率増加量と炭素濃度との関係を、炭素濃度を０〜２５００ｐｐｍＣの濃度範囲内で適宜に変更して、実験的に調べたところ、図２および下記表１に示すように、（イ）屈折率増加量と炭素濃度とが比例関係にあり、また、（ロ）その比例係数（１０００〔ｐｐｍＣ〕当りの屈折率増加量）αが０．２３０×１０^-3〜０．３１０×１０^-3の範囲内にあること、すなわち、ＶＯＣの種類に関わらず、比例係数αがほぼ一定の大きさであることが判明した。

而して、上記光干渉式炭素濃度計によれば、炭素濃度測定を行うに際しては揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の種類毎の感度差を考慮することが必要とされるべきところ、測定ガスの屈折率増加量と炭素濃度とが比例関係を利用して炭素濃度を算出する構成とされていること、具体的には、測定ガスの屈折率増加量と炭素濃度との間の比例係数αの大きさが所定の数値範囲内において適正な大きさに設定された比例関係式を用いることにより、測定ガス中の炭素濃度測定を、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の種類毎の感度差による測定誤差が低減された状態において、ＶＯＣの種類に関わらず、確実に行うことができる。
しかも、光干渉式センサの検知原理上、例えばＮＤＩＲ装置による炭素濃度測定において必要とされる測定ガス中の有機物質を酸化させる処理や、ＦＩＤ装置による炭素濃度測定において必要とされる水素炎によってイオン化させるといった化学反応を起こさせる必要がないので、測定ガス中の炭素濃度測定を連続的に行う場合であっても、効率よく行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、チャンバの構造、光学システムの構成等は、上記実施例のものに限定されるものではなく、適宜に変更することができる。

本発明の光干渉式炭素濃度計の一例における要部の構成の概略を示す説明図である。標準ガスが空気である場合における、屈折率増加量と炭素濃度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０チャンバ
１１リファレンスチャンバ
１２Ａ一方の測定チャンバ
１２Ｂ他方の測定チャンバ
１３測定ガス流入口
１４測定ガス流出口
１５光透過性部材
２１光源
２２平行平面鏡
２３メインプリズム
２５平面鏡
２６凸レンズ
２７凹レンズ
２８ラインイメージセンサ
３０ＣＰＵ
３５表示器

Claims

揮発性有機化合物を含む測定ガスの、揮発性有機化合物を含まない標準ガスに対する屈折率増加量を検出し、屈折率増加量と測定ガス中の炭素濃度とが比例関係にあることを利用して、検出された屈折率増加量に応じた測定ガス中の炭素濃度を算出することを特徴とする光干渉式炭素濃度計。
標準ガスが空気である場合において、測定ガスの標準ガスに対する屈折率増加量Ｙ〔×１０^-6〕と測定ガス中の炭素濃度Ｘ〔ｐｐｍＣ〕との間の関係が（式）Ｙ＝α×Ｘ（α：比例係数）により示され、前記関係式における比例係数αが０．２３０×１０^-3〜０．３１０×１０^-3の範囲内において設定されることを特徴とする請求項１に記載の光干渉式炭素濃度計。