JP2011099803A - 光吸収型ガス検知器 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ない測定セル数で、同一ガス成分について、連続した広い濃度測定範囲にわたって信頼性の高いガス濃度測定を行うことのできる光吸収型ガス検知器を提供すること。
【解決手段】 上記課題は、各々同一の被検査ガスが導入される、光路長の大きさが互いに異なる少なくとも２つの測定セルを具えてなり、光源よりの光が個々の測定セルを透過して光検出器によって検出される総透過光量の、個々の測定セルに入射される光の総入射光量に対する光量変化に基づいて、被検査ガス中の検知対象ガスのガス濃度を測定する機能を有する構成とされた光吸収型ガス検知器により、達成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、被検査ガス中の検知対象ガスのガス濃度を当該検知対象ガスによる光吸収特性を利用して測定する光吸収型ガス検知器に関する。

非分散型の赤外線ガス検知器は、一般に選択性が良く測定感度が高いことから、さまざまな分野におけるガス濃度測定に広く使用されている。
このような赤外線ガス検知器は、例えば、被検査ガスが導入される一定の光路長を有する測定セルの一端側に赤外線光源が配置されると共に他端側に受光素子が配置されて構成されており、被検査ガス中の検知対象ガスの濃度が、下記式（１）で表されるランベルト・ベールの法則に従って、検知対象ガスによって赤外線が吸収されることによる赤外線光量の減衰の程度に応じて算出される。
（式１） Ｐ／Ｐ₀ ＝ｅｘｐ（−εｂｃ）
上記式（１）において、Ｐは測定セルを透過した赤外線の強度、Ｐ₀ は測定セルに入射される赤外線の強度、εはガス固有の吸収係数、ｃはガス濃度、ｂは透過光路長（セル長）である。

測定セルにおける光路長は、十分な信号変化量、すなわち十分に高い分解能が得られるよう目的とする濃度測定範囲に応じて設定されており、高濃度範囲の測定には、測定セルの光路長が短く設定され、低濃度範囲の測定には、測定セルの光路長が長く設定される。

而して、このような赤外線ガス検知器においては、適正な濃度測定範囲が予測できず、広範囲のガス濃度が測定される場合に用いられることも少なくなく、例えば、同一ガス成分について、低濃度範囲から高濃度範囲までの広い濃度範囲において濃度測定を行うことができるものであることが求められている。
しかしながら、一つの測定セルによって、同一ガス成分について、低濃度範囲から高濃度範囲まで広い濃度範囲において十分に高い信頼性で濃度測定を行うことは実質的に不可能である。すなわち、光路長が比較的短い測定セルにおいて低濃度範囲の濃度測定を行うと、検知対象ガスによる光吸収がほとんどないため、光量の変化が小さく十分に高い信頼性（精度）を得ることができず、一方、光路長が比較的長い測定セルにおいて高濃度範囲の濃度測定を行うと、赤外線の吸収が飽和してしまうため、所期のガス濃度の測定を行うことができない。

上記問題に対して、同一ガス成分について、低濃度範囲から高濃度範囲までの広い濃度範囲にわたって精度よく測定するための手法として、例えば、光源と光検出器との間に光路長が異なる２つの測定セルを互いに並列的に設けるとともに、光源と光検出器との間の光路中に光チョッパを設け、被検査ガスが両方の測定セルに常時流れるようにし、高濃度範囲の測定時のみ、光路長が長い測定セル側の光路中に光源から光検出器に向かう光線を遮る構成とされること（特許文献１参照）や、あるいは、光路長の大きさが異なる２つの測定セルを用い、遮蔽板の回転による赤外光のチョッピングにより、２つの測定セルに交互に赤外線を導入し、光路長の異なる２つの測定セルでの測定を同時に行い、検知対象ガス濃度に適した長さを有する測定セルから得られる信号を分離して、検知対象ガスの濃度を算出する構成とされること（特許文献２参照）などが提案されている。

特開平７−１９０９３０号公報 特開２００１−３３０５６２号公報

しかしながら、上記構成の赤外線ガス検知器は、いずれのものも、２つの測定セルのうちのいずれか一方の測定セルにおける検出出力を、目的とする濃度測定範囲に応じて選択的に利用するものであり、赤外線ガス検知器全体の濃度測定範囲は、光路長の短い測定セルによる適正濃度測定範囲と、当該適正濃度測定範囲と連続するまたは一部が重複する、光路長の長い測定セルによる適正濃度測定範囲とを単に組み合わせた大きさに過ぎないため、例えばｐｐｍレベルの低濃度範囲から％レベルの高濃度範囲にわたる連続した広い濃度測定範囲を得ることはできない。
一方、例えば、図３に示すように、目的とする大きさの連続した濃度測定範囲Ｒを確保するために、光路長の長い測定セルによる適正濃度測定範囲Ｒ_L と光路長の短い測定セルによる適正濃度測定範囲Ｒ_H とが不連続となる中間濃度範囲が形成されるよう構成した場合においては、当該中間濃度範囲に対して、光路長の長い測定セルおよび光路長の短い測定セルのいずれのものの検出出力を選択的に用いた場合であっても、十分な光量変化を得ることができず、信頼性の高い濃度測定を行うことができないため、中間濃度範囲を適正濃度測定範囲Ｒ_M とする中間濃度測定用セルを用いること、すなわち測定セルの数を増やすことなどの措置を講ずることが必要となる。

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、少ない測定セル数で、同一ガス成分について、連続した広い濃度測定範囲にわたって信頼性の高いガス濃度測定を行うことのできる光吸収型ガス検知器を提供することを目的とする。

本発明の光吸収型ガス検知器は、各々同一の被検査ガスが導入される、光路長の大きさが互いに異なる少なくとも２つの測定セルを具えてなり、
光源よりの光が個々の測定セルを透過して光検出器によって検出される総透過光量の、個々の測定セルに入射される光の総入射光量に対する光量変化に基づいて、被検査ガス中の検知対象ガスのガス濃度を測定する機能を有することを特徴とする。

本発明の光吸収型ガス検知器においては、前記２つの測定セルの光路長比が５〜２００である構成とされていることが好ましい。

また、本発明の光吸収型ガス検知器においては、個々の測定セルに対して単一の光源より光が分光されて入射されると共に、個々の測定セルを透過した光が単一の光検出器によって検出される構成とされていることが好ましい。

本発明の光吸収型ガス検知器によれば、個々の測定セルを透過した光の総透過光量の、個々の測定セルに入射される光の総入射光量に対する光量変化に基づいて、検知対象ガスのガス濃度を算出する機能を有することにより、各々の測定セルについての光量変化が互いに相補されるので、各々の測定セルに係る適正濃度測定範囲（低濃度範囲および高濃度範囲）だけでなく、低濃度範囲と高濃度範囲との間のいわゆる中間濃度範囲についても、十分な光量変化を得ることができ、従って、少ない測定セル数で、同一ガス成分について、例えばｐｐｍレベルの低濃度範囲から％レベルの高濃度範囲までの広い濃度範囲にわたって十分に信頼性の高いガス濃度測定を行うことできる。

個々の測定セルに対して単一の光源より光が分光されて入射されると共に、個々の測定セルを透過した光が単一の光検出器によって検出される構成とされていることにより、測定セルの各々に対して光源および光検出器が設けられた構成のものに比して、測定セル（濃度測定範囲）間における誤差を小さくすることができ、一層信頼性の高いガス濃度測定を行うことができる。

本発明の光吸収型ガス検知器の一例における構成の概略を示す説明図である。 本発明の光吸収型ガス検知器の他の例における構成の概略を示す説明図である。 測定セルの光路長と適正濃度測定範囲との関係を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の光吸収型ガス検知器の一例における構成の概略を示す説明図である。 この光吸収型ガス検知器は、互いに光路長の大きさが異なる２つの測定セル１１、１２を有する、両端部が板状の赤外線透過性部材１５によって閉塞された、例えば角筒型のチャンバ１０を具えてなり、当該チャンバ１０の一端側外方位置において単一の赤外線光源２０が配置されると共に、チャンバ１０の他端側外方位置において、個々の測定セル１１、１２を透過した赤外線を検出する単一の光検出器２５が配置されて、構成されている。

チャンバ１０は、その内部空間が平板状の区画壁１６によって２つの空間に区画されており、内部空間が区画壁１６に垂立して設けられた仕切壁１７によって区画された一方の空間部における赤外線光源側空間領域によって一方の測定セル１１が構成されていると共に、他方の空間部によって他方の測定セル１２が構成されている。各々の測定セル１１、１２には、被検査ガスが導入されるガス流入口（図示せず）およびガス排出口（図示せず）が設けられており、各々同一の被検査ガスが導入される。
そして、一方の空間部における光検出器側空間領域は、例えば赤外線吸収特性を示さないガス例えば窒素ガスが封入されて赤外線に対する不感領域１１Ａが形成されており、従って、一方の測定セル１１が他方の測定セル１２より光路長が短い状態とされている。
以下においては、光路長が短い一方の測定セル１１を「短セル」、光路長が長い他方の測定セル１２を「長セル」というものとする。

短セル１１の光路長Ｌａと、長セル１２の光路長Ｌｂとの光路長比（Ｌｂ／Ｌａ）は、例えば５〜２００とされていることが好ましい。
光路長比（Ｌｂ／Ｌａ）が上記範囲内であることにより、十分な光量変化を得ることのできる、短セル１１の光路長Ｌａに応じた適正濃度測定範囲と、長セル１２の光路長Ｌｂに応じた適正濃度測定範囲とが不連続となる中間濃度範囲が形成され、同一成分のガスについて、短セルに係る適正濃度測定範囲および長セルに係る適正濃度測定範囲の両方を単に組み合わせたものより拡張された連続した広い濃度測定範囲を得ることができる。
一方、光路長比が５より小さい場合には、高い信頼性で濃度測定を行うことのできる濃度測定範囲を、短セル１１に係る適正濃度測定範囲と長セル１２に係る適正濃度測定範囲を単に組み合わせた大きさのものとすることしかできず、光路長比が２００より大きい場合には、短セル１１に係る適正濃度測定範囲と長セル１２に係る適正濃度測定範囲との間の中間濃度範囲において、十分に高い信頼性を得ることができない。

短セル１１および長セル１２の具体的な構成例を示すと、例えば、検知対象ガスがＣＯ₂ である場合には、例えば０〜２０００ｐｐｍ程度を適正濃度測定範囲とする長セル１２の光路長Ｌｂが３０〜１００ｍｍ、例えば１０〜１００ｖｏｌ％程度を適正濃度測定範囲とする短セル１１の光路長Ｌａが１〜２ｍｍであり、光路長比（Ｌｂ／Ｌａ）が１５〜１００である。
また、検知対象ガスがｉ−Ｃ₄ Ｈ₁₀である場合には、例えば０〜１００％ＬＥＬ（０〜１．８ｖｏｌ％）程度を適正濃度測定範囲とする長セル１２の光路長Ｌｂが５０〜１５０ｍｍ、例えば１０〜１００ｖｏｌ％程度を適正濃度測定範囲とする短セル１１の光路長Ｌａが１〜５ｍｍであり、光路長比（Ｌｂ／Ｌａ）が１０〜１５０である。

単一の赤外線光源２０から短セル１１および長セル１２の各々に入射される赤外線の入射光量比は、十分な信号出力の変化量が得られるよう目的に応じて適宜に調整されるが、例えば、短セル１１に対する入射光量（Ｐａ）：長セル１２に対する入射光量（Ｐｂ）は、３０：７０〜７０：３０の範囲内であることが好ましい。

上記光吸収型ガス検知器の動作について説明する。
赤外線光源２０が例えばパルス電流が供給されて一定の点滅周期で点滅駆動されると、赤外線光源２０からの赤外線が、各々同一の被検査ガスが導入された短セル１１および長セル１２の各々に所定の光量比（Ｐａ：Ｐｂ）で分光されて入射され、短セル１１を透過した透過光および長セル１２を透過した透過光が、例えばバンドパスフィルターなどの光学フィルタ（図示せず）を介して共通の光検出器２５によって受光され、これにより、短セル１１を透過した赤外線の透過光量Ｐ₀ ａと長セル１２を透過した赤外線の透過光量Ｐ₀ ｂとを重畳した総透過光量の、短セル１１および長セル１２の各々の測定セルに入射される赤外線の総入射光量に対する光量変化（減衰の程度）に応じたガス濃度が算出される。

而して、上記構成の光吸収型ガス検知器によれば、短セル１１および長セル１２の各々の測定セルを透過した透過光量を重畳した総透過光量の、短セル１１および長セル１２の各々の測定セルに入射される赤外線の総入射光量に対する光量変化に基づいて、検知対象ガスのガス濃度を算出する機能を有することにより、短セル１１における赤外線の光量変化および長セル１２における赤外線の光量変化が互いに相補される。
すなわち、短セル１１における赤外線の光量変化が小さい低濃度範囲については、信頼性の高い濃度測定を行うことのできる十分な大きさの赤外線の光量変化が長セル１２における赤外線の光量変化によって補償されると共に、長セル１２における赤外線の光量変化が小さい高濃度範囲については、信頼性の高い濃度測定を行うことのできる十分な大きさの赤外線の光量変化が短セル１１における赤外線の光量変化によって補償され、しかも、中間濃度範囲については、短セル１１における赤外線の光量変化および長セル１２における赤外線の光量変化が重畳されることによって信頼性の高い濃度測定を行うことのできる十分な大きさを有する赤外線の光量変化が得られる。
従って、少ない測定セル数で、同一ガス成分について、例えばｐｐｍレベルの低濃度範囲から％レベルの高濃度範囲までの連続した広い濃度範囲にわたって十分に信頼性の高い濃度測定を行うことでき、例えば、ｐｐｍレベルと％レベルとの間での急激な濃度変化が生じた場合でも、動作条件の調整などを行うことなしにガス濃度測定を行うことができる。
上記光吸収型ガス検知器は、短セル１１と長セル１２との光路長比が５倍以上となる構成とされた場合、すなわち、短セル１１に係る適正濃度測定範囲と長セル１２に係る適正濃度測定範囲が不連続となる構成の場合に実用上有効なものとなる。

短セル１１および長セル１２の個々の測定セルに対して単一の赤外線光源２０より赤外線が入射されると共に、短セル１１および長セル１２の個々の測定セルを透過した赤外線が単一の光検出器２５によって検出される構成、すなわち、赤外線光源２０および光検出器２５が共有された構成とされていることにより、短セル１１および長セル１２の各々に対して赤外線光源および光検出器が設けられた構成のものに比して、短セル１１および長セル１２の測定セル（濃度測定範囲）間における誤差を小さくすることができ、一層信頼性の高い濃度測定を行うことができる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
＜実験例１＞
図１に示す構成に従って、短セルの光路長（Ｌａ）が４ｍｍ（下記試験ガスについての適正濃度測定範囲が１０〜１００ｖｏｌ％）、長セルの光路長（Ｌｂ）が１３０ｍｍ（下記試験ガスについての適正濃度測定範囲が０〜２ｖｏｌ％）、光路長比が３２．５である試験用ガス検知器を作製した。
試験用ガスとして、下記表１に示す３つの濃度レンジの各々において１デジット毎（濃度単位毎）設定された濃度値のｉ−Ｃ₄ Ｈ₁₀ガスを用い、これらの試験用ガスの各々について、下記表１に示す３つの濃度レンジの各々における出力変化率を算出した。結果を下記表１に示す。
『出力変化率』は、各試験用ガスを短セルおよび長セルの各々に導入したときの、短セルを透過した赤外線の透過光量および長セルを透過した赤外線の透過光量を重畳した総透過光量に応じた検出出力値（Ｃ_n ）の、ガス濃度が０〔ｐｐｍ〕である試験用ガスを短セルおよび長セルの各々に導入したときの、短セルを透過した赤外線の透過光量および長セルを透過した赤外線の透過光量を重畳した総透過光量に応じた検出出力値（Ｃ₀ ）に対する出力変化量（Ｃ₀ −Ｃ_n ）を、各濃度レンジに応じて設定された濃度単位（１デジット）で除した値であって、表１に示す各濃度レンジの値は、同一の濃度レンジに含まれる複数の試験用ガスについての最小値である。
出力変化率が０．０５％より大きい場合には、十分な光量変化（分解能）が得られることを示し、出力変化率が０．０５％以下である場合には、十分な光量変化（分解能）が得られず、所期の濃度測定を行うことができないことを示す。
また、短セルへの入射光量（Ｐａ）と長セルへの入射光量（Ｐｂ）との入射光量比（Ｐａ：Ｐｂ）を６：４とした。

＜比較実験例１＞
上記実験例１において、長セルを遮光して短セルのみを選択的に用いたことの他は実験例１と同様にして、短セルのみを用いた場合における各濃度レンジの出力変化率を算出した。結果を下記表１に示す。

＜比較実験例２＞
上記実験例１において、短セルを遮光して長セルのみを選択的に用いたことの他は実験例１と同様にして、長セルのみを用いた場合における各濃度レンジの出力変化率を算出した。結果を下記表１に示す。

以上の結果より、短セルおよび長セルの２つの測定セルを具えた構成のものにおいて、短セルを透過した赤外線の透過光量と長セルを透過した赤外線の透過光量とを重畳した総透過光量を検出する実験例１によれば、短セルの光路長に応じた適正濃度測定範囲と、長セルの光路長に応じた適正濃度測定範囲とが不連続となる中間濃度範囲（２〜１０ｖｏｌ％）を含む、広い濃度範囲にわたって十分な光量変化（分解能）が得られることが確認された。
これに対して、短セルおよび長セルのいずれか一方を選択的に用いて一の測定セルの透過光量を検出する比較実験例１および比較実験例２の両者を単に組み合わせた場合では、短セルの光路長に応じた適正濃度測定範囲と、長セルの光路長に応じた適正濃度測定範囲とが不連続となる中間濃度範囲（２〜１０ｖｏｌ％）について、十分な光量変化（分解能）が得られないことが確認された。
従って、短セルおよび長セルのいずれか一方における検出出力を選択的に用いて検知対象ガスのガス濃度を測定する構成のものにおいては、本発明に係るガス検知器と同等の大きさの連続した濃度測定範囲を得るためには、中間濃度範囲を適正濃度測定範囲とする光路長を有する中間濃度用セルが必要であり、本発明によれば、測定セルの数が同一である構成のものと比較したとき、連続した濃度測定範囲を広く設定することができる。

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、本発明の光吸収型ガス検知器においては、検知対象ガスの種類、目的とする濃度測定範囲等に応じて、複数の測定セルのうちの一つを個別に使用して濃度測定を行う構成とすることもできる。例えば、図１に示す構成のものを例に挙げて説明すると、高濃度範囲のガス濃度測定においては、光路長の長い測定セル（長セル）１２に対する赤外線光源２０よりの赤外線を遮光し、一方、低濃度範囲のガス濃度測定においては、光路長の短い測定セル（短セル）１１に対する赤外線光源２０よりの赤外線を遮光し、短セル１１の適正濃度測定範囲と長セル１２の適正濃度測定範囲との間の中間濃度範囲のガス濃度測定においては、赤外線光源２０よりの赤外線が短セル１１および長セル１２の個々の測定セルに入射させる、例えばシャッタ機構などを設けた構成とすればよい。

また、複数の測定セルの各々の光路長の大きさの調整は、例えば２つの測定セルを具えた構成のものを例に挙げて説明すると、図２に示すように、長セルを構成する他方の測定セル１２において、反射構造による光路が、短セルを構成する一方の測定セル１１の光路長に対して所定の光路長比で、形成された構成とされることによりなされていてもよい。 さらにまた、図１に示す構成のものにおいて、一方の空間部における被検査ガス導入空間を画成する仕切壁（１７）を移動可能に設け、検知対象ガスの種類、目的とする濃度測定範囲等に応じて、一方の測定セル（１１）の光路長（Ｌａ）の大きさが調整可能に構成されていてもよい。
さらにまた、複数の測定セルの各々に対する光源よりの光の入射光量、入射光量比およびその他の条件は、検知対象ガスの種類、目的とする濃度測定範囲等に応じて適宜に調整することができる。
さらにまた、複数の測定セルの各々に対して光源および光検出器が設けられた構成とされていてもよい。例えば、図１に示す構成のものにおいて、短セル１１を透過した赤外線の透過光量を検出する第１の光検出器と、長セル１２を透過した赤外線の透過光量を検出する第２の光検出器とが用いられる場合には、第１の光検出器による検出出力値と、第２の光検出器による検出出力値が重畳されて、ガス濃度が算出される。

以上のように、本発明の光吸収型ガス検知器は、同一ガス成分について、連続した広い濃度測定範囲にわたって信頼性の高いガス検知を行うことができるものであるので、例えばゴミ捨て場におけるメタンガスの濃度測定、タンカーにおける可燃性ガスの濃度測定およびその他の適正な濃度測定範囲が予測できず、広範囲のガス濃度が測定されることがあるガス濃度測定を行う場合において、極めて有用なものとなる。

１０ チャンバ
１１ 一方の測定セル（短セル）
１１Ａ 不感領域
１２ 他方の測定セル（長セル）
１５ 赤外線透過性部材
１６ 区画壁
１７ 仕切壁
２０ 赤外線光源
２５ 光検出器

Claims (3)

1. 各々同一の被検査ガスが導入される、光路長の大きさが互いに異なる少なくとも２つの測定セルを具えてなり、
   光源よりの光が個々の測定セルを透過して光検出器によって検出される総透過光量の、個々の測定セルに入射される光の総入射光量に対する光量変化に基づいて、被検査ガス中の検知対象ガスのガス濃度を測定する機能を有することを特徴とする光吸収型ガス検知器。
2. 前記２つの測定セルの光路長比が５〜２００であることを特徴とする請求項１に記載の光吸収型ガス検知器。
3. 個々の測定セルに対して単一の光源より光が分光されて入射されると共に、個々の測定セルを透過した光が単一の光検出器によって検出されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光吸収型ガス検知器。

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