JP2014038069A - Optical gas sensor and gas concentration monitoring method - Google Patents

Optical gas sensor and gas concentration monitoring method Download PDF

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JP2014038069A JP2012181788A JP2012181788A JP2014038069A JP 2014038069 A JP2014038069 A JP 2014038069A JP 2012181788 A JP2012181788 A JP 2012181788A JP 2012181788 A JP2012181788 A JP 2012181788A JP 2014038069 A JP2014038069 A JP 2014038069A
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Hideki Ninomiya
英樹 二宮
Ippei Asahi
一平 朝日
Original Assignee
Shikoku Research Institute Inc
株式会社四国総合研究所
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small optical gas sensor and a gas concentration monitoring method capable of measuring gas in a high temperature environment (hundreds degrees, for example) and/or gas concentration (density) containing corrosive components.SOLUTION: There is provided a gas concentration monitoring method using an optical gas sensor which comprises: an irradiation heat-resistant optical fiber which transmits light from a light source; an irradiation heat-resistant lens which is placed in the vicinity of an end of the irradiation heat-resistant optical fiber; a light receiving heat-resistant optical fiber which transmits scattered light from gas to be measured and/or light that has passed through the gas to be measured to a light receiving device; a light receiving heat-resistant lens which is placed in the vicinity of an end of the light receiving heat-resistant optical fiber; and a base member which, made of a heat-resistant material, comprises the irradiation heat-resistant optical fiber and the light receiving heat-resistant optical fiber.

Description

本発明は、光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法に関し、例えば、火力発電所等のボイラの燃焼に伴って発生する脱硫前の排ガス中のガス濃度を監視することができる光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法に関する。 The present invention relates to an optical gas sensor and a gas concentration monitoring method, for example, an optical gas sensor and gas concentration monitoring can monitor the gas concentration in the exhaust gas before desulfurization generated due to combustion of the boiler thermal power plants, etc. a method for.

従来、大気中の公害物質の測定や、プラント施設での可燃性ガスや毒性ガスの発生監視などにガス検出器が広く使用されている。 Conventionally, Measurements and pollutant in the atmosphere, the gas detector are widely used in such occurrence monitoring combustible gases and toxic gases in the plant facility. 濃度を測定可能なガスセンサとしては、接触型のものと非接触型のものがあるが、メンテナンスの必要性が少ない非接触型のセンサーのニーズが高い。 Measurable gas sensor density, but there is and what the non-contact type of contact type, high sensor needs contactless less need for maintenance. 光学的ガス検出方法としては、例えば、ラマン散乱分光法、吸光分析法がある。 The optical gas detection method, for example, Raman scattering spectroscopy, there is absorption spectroscopy.

ここで、ラマン散乱は、単色光を分子に照射したときに、散乱光の周波数が分子の振動周波数だけ変移する現象であり、この散乱光の周波数変移量は、照射した単色光の周波数に無関係で、物質に固有の量である。 Here, Raman scattering, when irradiated with monochromatic light in the molecule, a phenomenon in which the frequency of the scattered light is shifted by molecular vibration frequency, frequency change value of the scattered light, regardless of the frequency of the irradiated monochromatic light in a specific amount to the substance. そのため、特定波長のレーザー光を測定対象の物質に照射すると、レーザー光が当たった物質から、レーザー光の波長と異なる波長のラマン散乱光が発生する。 Therefore, when irradiated with a laser beam of a specific wavelength to the substance to be measured, a material laser light hits, the Raman scattered light of a wavelength different from the wavelength of the laser light is generated. また、その散乱光の強度は、その物質の密度に比例することが知られている。 The intensity of the scattered light is known to be proportional to the density of the material.

ラマン散乱分光法を利用したガスセンサとしては、出願人が提案した、測定対象ガスが導入されるガスセルと、ガスセルにレーザー光を照射するレーザー装置と、ガスセルからのラマン散乱光を反射する反射機構と、反射機構により反射された前方および後方ラマン散乱光を集光するための波長選択フィルターを有する受光機構と、前方および/または後方ラマン散乱光に基づき測定対象ガスの濃度を算出する演算部と、を備えたガスセンサであって、検出対象となる一つのガスの種別に応じた波長選択フィルターを選択可能に構成されたガスセンサがある(特許文献1参照)。 The gas sensor which utilizes Raman scattering spectroscopy, applicant has proposed a gas cell in which a measurement target gas is introduced, a laser device for irradiating a laser beam to the gas cell, and a reflective mechanism for reflecting Raman scattered light from the gas cell an arithmetic unit for calculating a light receiving mechanism having a wavelength selective filter for condensing the reflected forward and backward Raman scattering light, the concentration of the measurement object gas based on the forward and / or backward Raman scattering light by the reflection mechanism, the gas sensor provided with a, there is selectably configured gas sensor wavelength selective filter according to the type of a gas to be detected (see Patent Document 1).

吸光分析法を利用したガスセンサとしては、ガス導入部から光学セルに至るガス導入路へ基準ガスを導入する配管路と試料ガスを導入する配管路を分岐させて形成し、該夫々の配管路を三方向切換弁を介して光学セルへ接続させると共に一方の基準ガスを導入する配管路へはゼロガス生成装置を配設させた紫外線吸収方式のガス濃度測定装置において、前記ゼロガス生成装置と三方向切換弁との間へ該ゼロガス生成装置の状態を監視するセンサーを配設したガス濃度測定装置がある(特許文献2)。 The gas sensor using the absorption analysis, formed by branching a pipe passage for introducing a pipe passage and the sample gas introducing a reference gas into the gas inlet passage leading to the optical cell through the gas inlet port, a 該夫 s of the pipe passage in one of the gas concentration measuring apparatus of the ultraviolet-absorbing system was arranged zero gas generating device to a pipe path for introducing a reference gas causes connected to the optical cell through the three-way switching valve, the zero gas generation device and the three-way switching there are sensors gas concentration measuring device arranged to monitor the state of the zero gas generator to between the valve (Patent Document 2).

特開2012−37344号公報 JP 2012-37344 JP 特開平10−19770号公報 JP-10-19770 discloses

本発明は、高温環境(例えば、数百度以上)にあるガスの濃度(密度)を測定することができる小型の光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法を提供することを目的とする。 The present invention aims at providing a high-temperature environment (e.g., several hundred degrees or higher) compact optical type capable of measuring the concentration (density) of the gas in the gas sensor and a gas concentration monitoring method.
また、SO 、NO 、NH 、H S、Cl 等の腐食成分を含むガスの濃度を測定する際に生じる腐食性の問題を解決することができる小型の光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法を提供することを目的とする。 Also, SO X, NO X, NH 3, H 2 S, the optical gas sensor and gas concentration of small which can solve the corrosive problems encountered in measuring the concentration of a gas containing corrosive components such as Cl 2 and to provide a monitoring method.

第1の発明は、光源からの光を伝送する照射用耐熱光ファイバと、照射用耐熱光ファイバの端部近傍に配置される照射用耐熱レンズと、計測対象ガスからの散乱光および/あるいは計測対象ガスを通過した光を受光装置に伝送する受光用耐熱光ファイバと、受光用耐熱光ファイバの端部近傍に配置される受光用耐熱レンズと、照射用耐熱光ファイバおよび受光用耐熱光ファイバが配設される、耐熱材からなるベース部材とを備える光学式ガスセンサである。 A first aspect of the present invention is a radiation heat-resistant optical fiber for transmitting light from a light source, an irradiation heat resistant lens disposed near the end of the irradiation heat optical fiber, the scattered light and / or measurements from the measurement target gas a light receiving heat optical fiber for transmitting the light passing through the target gas in the light-receiving device, a light receiving heat lens disposed near the end of the light receiving heat optical fiber, the irradiation heat resistant optical fiber and the light receiving heat optical fiber it is arranged, an optical gas sensor comprising a base member made of a heat-resistant material.
第2の発明は、第1の発明において、前記ベース部材が、10cm四方以下の大きさに構成されることを特徴とする。 The second invention according to the first invention, the base member, characterized in that it is configured in the following size 10cm square.
第3の発明は、第1または2の発明において、前記ベース部材が、セラミックスにより構成されることを特徴とする。 The third invention is the invention of the first or 2, wherein the base member is characterized in that it is constituted by ceramic.
第4の発明は、第3の発明において、前記ベース部材が、射出成型および焼結により製作されたセラミックスにより構成されることを特徴とする。 A fourth invention, in the third invention, the base member, characterized in that it is constituted by a ceramic which is manufactured by injection molding and sintering.

第5の発明は、第3または4の発明において、前記照射用耐熱レンズおよび前記受光用耐熱レンズが、石英あるいは透明セラミックスにより構成されることを特徴とする。 According to a fifth invention, in the invention of the third or 4, wherein the irradiation heat lens and the light receiving heat lens, characterized in that it is constituted by quartz or transparent ceramic.
第6の発明は、第1ないし5のいずれかの発明において、前記ベース部材に、照射用耐熱光ファイバおよび受光用耐熱光ファイバが光軸が交わるように配設されることを特徴とする。 The sixth invention, in any one of the to the first 5 to, the base member, the irradiation heat resistant optical fiber and the light receiving heat optical fiber, characterized in that it is arranged so that the optical axis intersects.
第7の発明は、第1ないし6のいずれかの発明において、照射用耐熱光ファイバから照射する光がレーザー光であり、受光する光がラマン散乱光であることを特徴とする。 According to a seventh invention, in any of the first to sixth, a laser light is irradiated from the irradiation heat resistant optical fiber, and wherein the light received is a Raman scattered light.
第8の発明は、第6または7の発明において、前記受光用耐熱光ファイバを複数備えることを特徴とする。 Advantageously, in the sixth invention or 7, characterized in that it comprises a plurality of said light receiving heat optical fiber.
第9の発明は、第1ないし5のいずれかの発明において、前記ベース部材が、照射用耐熱光ファイバからの光を全反射により受光用耐熱光ファイバに導く耐熱プリズムを備えることを特徴とする。 A ninth aspect of any of the first to fifth, wherein the base member, characterized in that it comprises a heat-resistant prism for guiding the light receiving heat optical fiber by total internal reflection light from the illumination heat optical fiber .
第10の発明は、第5の発明において、前記ベース部材が、照射用耐熱光ファイバからの光を全反射により受光用耐熱光ファイバに導く耐熱プリズムを備え、前記耐熱プリズムが、石英あるいは透明セラミックスにより構成されることを特徴とする。 In a tenth aspect based on the fifth invention, the base member is provided with a heat-resistant prism for guiding the light receiving heat optical fiber by total internal reflection light from the illumination heat optical fiber, said refractory prism, quartz or transparent ceramic characterized in that it is constituted by.
第11の発明は、第9または10の発明において、前記耐熱プリズムを複数備えることを特徴とする。 Eleventh aspect of the ninth invention or 10, characterized in that it comprises a plurality of said refractory prism.

第12の発明は、高温・高圧下で可燃ガス、空気、水蒸気が混在する環境に第6ないし8のいずれかの発明に係る光学式ガスセンサを設置し、1種以上のガス密度を連続測定することを特徴とするガス濃度監視方法である。 A twelfth invention is a combustible gas under high temperature and high pressure, air, to the sixth no environmental water vapor mixed established the optical gas sensor according to any one of the 8, continuously measuring one or more gas density it is a gas concentration monitoring method according to claim.
第13の発明は、SO 、NO 、NH 、H Sおよび/またはCl を含む排ガスの排気管に第3または4の発明に係る光学式ガスセンサを設置し、SO 、NO 、NH 、H SおよびCl からなる群から選択される1種以上のガスの濃度を連続測定することを特徴とするガス濃度監視方法である。 A thirteenth invention, established the SO X, NO X, NH 3 , H 2 S and / or optical gas sensor according to the invention of a 3 or 4 on the exhaust pipe of the exhaust gas containing Cl 2, SO X, NO X a NH 3, H 2 S and the gas concentration monitoring method characterized by the concentration of one or more gases selected from the group consisting of Cl 2 consecutive measurements.
第14の発明は、第13の発明において、前記排ガスが、火力発電所のボイラから排出される排ガスであることを特徴とする。 A fourteenth invention is the invention of the first 13, the exhaust gas, characterized in that it is a exhaust gas discharged from the boiler of the thermal power plant.

本発明によれば、高温環境にあるガスの濃度を測定することができる小型の光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a compact optical gas sensor and a gas concentration monitoring method capable of measuring the concentration of a gas in a high temperature environment.
また、SO 、NO 、NH 、H S、Cl 等の腐食成分を含むガスの濃度を測定する際に生じる腐食性の問題を解決することができる小型の光学式ガスセンサおよびガス濃度監視方法を提供することが可能となる。 Also, SO X, NO X, NH 3, H 2 S, the optical gas sensor and gas concentration of small which can solve the corrosive problems encountered in measuring the concentration of a gas containing corrosive components such as Cl 2 it is possible to provide a monitoring method.

本発明の第1実施形態に係るガス濃度測定システムの構成図である。 It is a configuration diagram of a gas concentration measurement system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係るセンサチップの構成図である。 It is a configuration diagram of a sensor chip according to the first embodiment of the present invention. (a)は平面図、(b)は側面図である。 (A) is a plan view, (b) is a side view. 濃度25%水素ガスに対するラマン散乱光信号の時間波形である。 Is the time waveform of the Raman-scattered light signal to concentration of 25 percent hydrogen gas. 水素ガス濃度とラマン散乱光信号強度(ピーク値)の相関を示すグラフである。 Is a graph showing the correlation between the hydrogen gas concentration and the Raman scattered light signal intensity (peak value). 本発明の第2実施形態に係るガス濃度測定システムの構成図である。 It is a configuration diagram of a gas concentration measurement system according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係るセンサチップの構成図である。 It is a configuration diagram of a sensor chip according to a second embodiment of the present invention. (a)は平面図、(b)は側面図である。 (A) is a plan view, (b) is a side view. 本発明の第2実施形態に係るアンモニアガスの濃度別の紫外吸収スペクトルである。 The concentration by ultraviolet absorption spectrum of ammonia gas according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係るアンモニアガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフである。 It is a graph showing the correlation of the ammonia gas concentration and the absorption coefficient according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る二酸化硫黄ガスの濃度別の紫外吸収スペクトルである。 It is ultraviolet absorption spectrum of various concentrations of sulfur dioxide gas according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る二酸化硫黄ガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフである。 Is a graph showing the correlation between sulfur dioxide gas concentration and the absorption coefficient according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態に係るセンサチップの構成図である。 It is a configuration diagram of a sensor chip according to a third embodiment of the present invention. (a)は平面図、(b)は側面図である (A) is a plan view, is a side view (b) 本発明の第2実施形態に係るアンモニアガスの濃度別の紫外吸収スペクトルである。 The concentration by ultraviolet absorption spectrum of ammonia gas according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係るアンモニアガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフである。 It is a graph showing the correlation of the ammonia gas concentration and the absorption coefficient according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る二酸化硫黄ガスの濃度別の紫外吸収スペクトルである。 It is ultraviolet absorption spectrum of various concentrations of sulfur dioxide gas according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る二酸化硫黄ガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフである。 Is a graph showing the correlation between sulfur dioxide gas concentration and the absorption coefficient according to a second embodiment of the present invention.

以下、例示に基づき本発明を説明する。 The present invention will now be described based on examples.
《第1実施形態》 "The first embodiment"
第1実施形態はラマン散乱型ガス濃度測定システムに関する。 The first embodiment relates to a Raman scattering-type gas concentration measurement system.
第1実施形態のガス濃度測定システムでは、複数種類のガスからなる混合ガスにレーザー光を照射し、複数の狭帯域フィルターを用いて各分子スペクトルのピークを検出することができる。 In a gas concentration measurement system of the first embodiment, it is possible to irradiate the laser beam to a mixed gas consisting of a plurality of types of gases, for detecting the peak of each molecule spectrum using a plurality of narrow band filters. 混合ガスにおいて、各ガスのラマンスペクトルがピークを備え、かつ、スペクトル線の重なりが無い場合には、各フィルターにより各ガスの濃度を測定することができる。 In the mixed gas, the Raman spectrum of each gas comprising a peak, and if there is no overlap of the spectral lines, it is possible to measure the concentration of each gas by each filter. 表1に示すH 、N 、O 、CO などのガスにおいては、レーザービームなどの光線の波長からラマンシフトした波長にピークが観測されることが知られているが、以下では水素ガスを測定する場合の構成例を説明する。 In gas, such as H 2, N 2, O 2 , CO 2 shown in Table 1, it is known that a peak is observed wavelengths Raman shift wavelength of light such as a laser beam, hydrogen in the following the configuration example in the case of measuring the gas will be described.

(構成) (Constitution)
図1は、本発明の第1実施形態に係るガス濃度測定システムの構成図である。 Figure 1 is a configuration diagram of a gas concentration measurement system according to a first embodiment of the present invention. 第1実施形態のガス濃度測定システムは、レーザー光源装置1と、受光装置2と、照射用光ファイバ3と、受光用光ファイバ4と、センサチップ10と、を主要な構成要素とする。 Gas concentration measurement system of the first embodiment includes a laser light source device 1, a light receiving device 2, the illumination optical fibers 3, a light-receiving optical fiber 4, the sensor chip 10, the as main components.

レーザー光源装置1は、例えば、波長355nmのレーザー光を発振するYAGレーザー等の光源である。 Laser light source device 1 is, for example, a light source of YAG laser, which emits laser light having a wavelength of 355 nm. レーザー光源装置1は、図示しないコンピュータと接続されており、コンピュータからの発振指示を受けてレーザー光をパルス状に発振する。 Laser light source device 1 is connected to a computer (not shown), receives the oscillation instruction from the computer for oscillating a laser beam in pulses. レーザー光源装置1から発振されたレーザー光は、照射用光ファイバ3を介してセンサチップ10へ伝送される。 Laser light oscillated from the laser light source device 1 is transmitted to the sensor chip 10 via the illumination optical fiber 3.

本実施形態に係る受光装置2は、光学フィルター21および光検出器22を備える2台の受光装置からなり、測定対象ガスからのラマン散乱光を、センサチップ10および受光用光ファイバ4を介して受光する。 Receiving device 2 according to the present embodiment is made of two light-receiving device comprising an optical filter 21 and photodetector 22, the Raman scattered light from the measurement target gas, through the sensor chip 10 and the light receiving optical fiber 4 It received. 本実施形態とは異なり、受光装置2の数を1台としてもよく、これに伴い、受光用光ファイバ4を1本とし、或いは、複数本の受光用光ファイバ4からのラマン散乱光を1つの受光装置2に導入して大きな電気信号を得るようにしてもよい。 Unlike the present embodiment, may be one of the number of light-receiving device 2, Accordingly, the light-receiving optical fiber 4 and one or Raman scattered light from the plurality of receiving optical fiber 4 1 One of the may be obtained a large electrical signal is introduced to the light receiving device 2. 同様に受光装置2の数を3台以上としてもよい。 Similarly the number of the light receiving device 2 may be three or more.
光学フィルター21は、水素ガスのラマン散乱光スペクトル波長である416.5nm付近に透過波長中心を持つ光学バンドパスフィルターである。 The optical filter 21 is an optical band-pass filter having a transmission wavelength centered near 416.5nm is a Raman scattered light spectrum wavelengths of the hydrogen gas. 光学フィルター21は、測定対象ガスの種類や照射するレーザー光の波長に応じて異なる透過波長のものに交換することができる。 The optical filter 21 may be replaced with a different transmission wavelength depending on the wavelength of the laser beam to the type and the irradiation of the measurement target gas.
光検出器22は、受光した光の強度に比例して電気信号を発生する機器であり、例えば、光電子増倍管、アバランシェホトダイオード、ホトトランジスタ、CCDにより構成される。 Photodetector 22 is a device that generates an electrical signal proportional to the intensity of the received light, for example, a photomultiplier tube, avalanche photodiode, phototransistor, a CCD constituted.

受光装置2は、図示しないコンピュータと接続されており、このコンピュータには専用の分析ソフトが導入されている。 Receiving device 2 is connected to a computer not shown, analysis software dedicated is introduced into this computer. コンピュータは、光検出器22の検出信号から、センサチップ10付近に存在するガスの種類や濃度を算出することができ、算出結果を表示装置にリアルタイム表示させることができる。 Computer, from the detection signal of the photodetector 22, it is possible to calculate the type and concentration of gas present in the sensor chip 10 around, it is possible to real-time display the calculation result on the display device.

照射用光ファイバ3および受光用光ファイバ4は、耐熱性に優れた光ファイバであり、例えば、石英系の光ファイバを用いる。 Irradiation optical fiber 3 and receiving optical fiber 4 is an excellent optical fiber in heat resistance, for example, using an optical fiber of silica-based. 例えば、火力発電所煙道排ガス(360℃)に適用できる耐熱性を実現するためには、15分間で380℃に達する火災温度曲線で加熱されても耐える性能を備えることが好ましい。 For example, in order to achieve a heat resistance that can be applied to thermal power plant flue gas (360 ° C.) is preferably provided with ability to withstand even when heated in a fire temperature curve reaching 380 ° C. for 15 minutes. 水素存在環境下で用いる場合には、照射用光ファイバ3および受光用光ファイバ4に、水素遮断性を有するものを用いることが好ましい。 When used in a hydrogen existing environment, the irradiation optical fiber 3 and receiving optical fiber 4, it is preferable to use those having a hydrogen barrier property.

センサチップ10は、光ファイバに接続された完全防爆型のガス検出部を構成し、例えば配管の内部などに設置されるプローブとして機能する。 Sensor chip 10 constitutes a gas detection section of the complete explosion-proof connected to the optical fiber, serving as a probe to be installed, for example, such as inside the piping. センサチップ10は、レーザー光源装置1および受光装置2と光ファイバにより接続されているので、光ファイバの長さを調節することにより、センサチップ10のみを遠隔地に設置することが可能である。 Sensor chip 10, because it is connected by a laser light source device 1 and the light receiving device 2 and the optical fiber, by adjusting the length of the optical fiber, it is possible to install only the sensor chip 10 to the remote location.
センサチップ10は、図2に示すように、照射孔12および受光孔13a,13bが設けられたベース部材11と、照射用レンズ7と、受光用レンズ8とから構成される。 Sensor chip 10, as shown in FIG. 2, the irradiation hole 12 and the light receiving hole 13a, a base member 11 which 13b is provided, the irradiation lens 7, and a receiver lens 8.

ベース部材11は、例えば数mm〜数十mm四方の寸法を有する板状部材であり、センサチップ10の本体を構成する。 The base member 11 is, for example, a plate-like member having a number mm~ tens mm square size, constituting the body of the sensor chip 10. 試作品では、ベース材11を、12×15×4.5mmの主材11aおよび12×15×2mmの天板11bから構成した。 The prototype, the base member 11 was composed of a main member 11a and 12 × 15 × 2 mm of the top plate 11b of the 12 × 15 × 4.5mm.
ベース部材11は、(例えば、400℃以上、好ましくは700℃以上の耐熱性を有する)SUSやセラミックスなどの耐熱材により構成される。 The base member 11 is composed of a heat-resistant material such as SUS or ceramics (e.g., 400 ° C. or higher, preferably from 700 ° C. or higher in heat resistance). 好ましくは、次に述べる2つの理由から、ベース部材11をセラミックス系材料により構成する。 Preferably, then two reasons stated, constitutes the base member 11 by a ceramic-based material.
第1に、熱膨張性が小さいことが挙げられる。 First, it includes thermal expansion properties is small. 高温状態に伴う膨張率が極めて小さいため、光軸のズレが抑えられるという利点がある。 Since expansion due to high temperature is very small, there is an advantage that displacement of the optical axis can be suppressed. 例えば、熱膨張係数を比較すると、ステンレス(SUS304)に対する熱膨張係数は、アルミナは約1/2.5であり、窒化珪素は約1/7である。 For example, when comparing the thermal expansion coefficient, thermal expansion coefficient for stainless (SUS304), the alumina is about 1 / 2.5, the silicon nitride is about 1/7.
第2に、化学的安定性が高いことが挙げられる。 Second, and to have a high chemical stability. 酸、アルカリに対する耐食性が高く、腐食性ガス環境下においても長期連続稼働ができる。 Acid, high corrosion resistance against alkali, it is long-term continuous operation even under a corrosive gas environment. 例えば、酸溶液/アルカリ溶液に浸した場合の1日当たりの腐食量を比較すると、ステンレス(SUS304)に対するアルミナの腐食量は約1/100である。 For example, comparing the daily amount of corrosion when immersed in the acid solution / alkaline solution, corrosion of the alumina to a stainless steel (SUS304) is approximately 1/100.

セラミックス系材料としては、アルミナ、窒化珪素、フォルステライト、ステアタイト、マグネシア、結晶化ガラスが例示される。 The ceramic material, alumina, silicon nitride, forsterite, steatite, magnesia, crystallized glass is exemplified. セラミックスからなるベース部材11は、例えば、マシナブルセラミックスを用いた精密切削加工、または、金型を用いた射出成型および焼結により形成することができるが、精度と量産の観点からは後者の方法が優れている。 The base member 11 made of ceramics, for example, precision cutting using machinable ceramics, or may be formed by injection molding and sintering using a metal mold, the latter method in terms of mass production and precision It is excellent.

セラミックスは割れの問題があるので、他の部品との接合には(例えば、400℃以上、好ましくは700℃以上の耐熱性を有する)耐熱接着材(例えば、シリカ、マイカ、アルミナなどを主成分とするセラミックス接着剤)、耐熱セラミックスネジ(例えば、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素などを主成分とするネジ)を用いることが好ましい。 Because ceramics have a cracking problem, the bonding with other components (e.g., 400 ° C. or higher, preferably from 700 ° C. or higher in heat resistance) resistant adhesive (e.g., a main component of silica, mica, alumina, etc. to ceramic adhesive), heat ceramic screws (e.g., alumina, zirconia, be used a screw) mainly composed of such as silicon nitride.
試作品では、コーニング社(Corning Incorporated)製マコール(主成分シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム)を用いてベース材11を構成し、各部品を耐熱温度が1200〜2400℃である朝日化学工業社製スミセラム(主成分シリカ、アルミナ)により接合した。 The prototype, Corning (Corning Incorporated) manufactured by Macor (main component silica, alumina, magnesium oxide) constitutes the base material 11 using, Asahi Chemical Industry Co., Ltd. the parts heat-resistant temperature is from 1,200 to 2400 ° C. SUMICERAM I joined (main component silica, alumina) by.

ベース部材11には、照射用光ファイバ3の先端に設けられたフェルール5を固定するための凹部と、受光用光ファイバ4a,4bの先端に設けられたフェルール6a,6bを固定するための凹部とが設けられている。 The base member 11, recess for fixing a recess for fixing a ferrule (5) provided at the distal end of the illumination optical fiber 3, the light-receiving optical fiber 4a, ferrule 6a provided on the tip of 4b, and 6b door is provided. これらの凹部は、溝である場合もあれば穴である場合もある。 These recesses may also be a hole either be the groove. フェルール5およびフェルール6a,6bは、上記の凹部に嵌合されることで光軸が所定の角度をもって交わるように配置され、耐熱接着材により固定される。 Ferrule 5 and the ferrule 6a, 6b, the optical axis by being fitted to the above concave portion is arranged so as to intersect at a predetermined angle is fixed by heat bonding material. 例えば、光ファイバ3の光軸(L1)と光ファイバ4の光軸とのなす角が、5°〜30°となるように配置する。 For example, the angle between the optical axis of the optical fiber 3 (L1) and the optical axis of the optical fiber 4 is arranged such that the 5 ° to 30 °.
なお、受光用光ファイバ4の本数は2本に限定されず、3本以上としてもよい。 Incidentally, the number of light-receiving optical fiber 4 is not limited to two, it may be three or more. 複数の受光用ファイバを用いる構成においては、1本の光ファイバ毎に特定のガス種のラマン散乱波長を選択するフィルターと受光素子を取り付けて複数のガス種のラマン散乱光を同時に測定するようにしてもよい。 In the configuration using a plurality of light receiving fibers, so as to measure one particular for each optical fiber by attaching a filter and a light receiving element for selecting the Raman scattering wavelength of the gas species in a plurality of gas species Raman scattered light at the same time it may be.

ベース部材11の一端面には、照射孔12および受光孔13a,13bが設けられている。 On one end face of the base member 11, the irradiation hole 12 and the light receiving hole 13a, 13b are provided.
照射用レンズ7は照射孔12またはその端部に配置され、受光用レンズ8a,42bは受光孔13a,13bまたはその端部に配置される。 The irradiation lens 7 is arranged in the irradiation hole 12 or its end, receiver lens 8a, 42b are light-receiving holes 13a, it is disposed 13b or end. 照射用レンズ7の照射孔12と反対側の近傍には照射用光ファイバ3の端部が配置され、受光用レンズ8aの受光孔13aと反対側の近傍には受光用光ファイバ4aの端部が配置され、受光用レンズ8bの受光孔13bと反対側の近傍には受光用光ファイバ4bの端部が配置される。 In the vicinity of the opposite side of the irradiation hole 12 of the illumination lens 7 is an end of the irradiation optical fiber 3 is disposed in the vicinity of the side opposite to the light receiving hole 13a of the receiver lens 8a ends of the light-receiving optical fiber 4a There is disposed, in the vicinity of the side opposite to the light receiving hole 13b of the receiver lens 8b is disposed an end of the light-receiving optical fiber 4b.
レンズ7および8a,8bは、いずれも凸レンズの作用を奏する(例えば、400℃以上、好ましくは700℃以上の耐熱性を有する)耐熱レンズであり、耐熱接着材によりベース部材11にそれぞれ固定されている。 Lens 7 and 8a, 8b are both performing an operation of the convex lens is a heat-resistant lens (e.g., 400 ° C. or higher, preferably from 700 ° C. or higher in heat resistance), are respectively fixed to the base member 11 by heat bonding material there. レンズ7および8a,8bは、例えば、石英、透明セラミックスにより構成される。 Lens 7 and 8a, 8b is, for example, quartz, and a transparent ceramic. 熱膨張性の観点からは、ベース部材11、レンズ7および8a,8bの全てをセラミックスで製作することが好ましい。 From the viewpoint of thermal expansion, the base member 11, it is preferable that the lens 7 and 8a, all 8b manufactured in ceramics. なお、試作品では、レンズ7および8a,8bにφ2.5mmの石英製ボールレンズを用いた。 In the prototype, the lens 7 and 8a, and 8b with silica ball lenses 2.5 mm.

以上に説明したセンサチップ10をガスセルに配置し、ガスセル内に濃度25%の水素ガスを導入してガス濃度を測定したところ、第1実施形態のガス濃度測定システムによりガスの濃度を精度良く測定できることが確認された。 Place the sensor chip 10 described above in the gas cell, the measured gas concentration by introducing a 25% concentration of hydrogen gas in the gas cell, accurately measuring the concentration of a gas by the gas concentration measurement system of the first embodiment it has been confirmed that it is possible. 図3に濃度25%水素ガスに対するラマン散乱光信号の時間波形を、図4に水素ガス濃度とラマン散乱光信号強度(ピーク値)の相関のグラフを示す。 The time waveform of the Raman-scattered light signal to the concentration of 25% hydrogen gas in FIG. 3 shows a graph of the correlation of the hydrogen gas concentration and the Raman scattered light signal intensity (peak value) in FIG.

以上に説明した第1実施形態のガス濃度測定システムによれば、高温環境(例えば、300℃以上または500℃以上)にあるガスの濃度を測定することができる。 According to the gas concentration measurement system of the first embodiment described above, it is possible to measure the concentration of a gas in a high temperature environment (e.g., 300 ° C. or higher, or 500 ° C. or higher). 具体的には、例えば、約360℃の高温環境にある火力発電所の排ガス分析に用いることが可能である。 Specifically, for example, it is possible to use the exhaust gas analysis of thermal power plant in about 360 ° C. in a high temperature environment. 本発明のセンサチップは1000℃以上の耐熱性を確保することも可能である。 Sensor chip of the present invention it is also possible to ensure a 1000 ° C. or higher heat resistance.
また、ベース部材をセラッミックスにより構成した場合には、硫黄(S)成分を含むガスの濃度を測定する際に生じる腐食性の問題を解決することができる光学式ガスセンサを提供することが可能である。 Further, in case where the base member by Serra Tsu mix, it is possible to provide an optical gas sensor can solve the corrosive problems encountered in measuring the concentration of a gas containing sulfur (S) component . 具体的には、脱硫前のSO を多く含む火力発電所の排ガス分析に好適である。 Specifically, it is suitable to the exhaust gas analysis of thermal power plants including many SO X before desulfurization.
さらに、第1実施形態のガス濃度測定システムは、高放射線環境での利用にも適している。 Moreover, the gas concentration measurement system of the first embodiment is also suitable for use in high-radiation environments.

《第2実施形態》 "The second embodiment"
第2実施形態は吸光型ガス濃度測定システムに関する。 The second embodiment relates to absorptive gas concentration measurement system.
(構成) (Constitution)
図5は、本発明の第2実施形態に係るガス濃度測定システムの構成図である。 Figure 5 is a configuration diagram of a gas concentration measurement system according to a second embodiment of the present invention. 第2実施形態のガス濃度測定システムは、紫外光源装置51と、受光装置52と、照射用光ファイバ53と、受光用光ファイバ54と、センサチップ60と、を主要な構成要素とする。 Gas concentration measurement system in the second embodiment, the ultraviolet light source device 51, a light receiving device 52, the illumination optical fibers 53, the light-receiving optical fiber 54, the sensor chip 60, the as main components.

紫外光源装置51は、キセノンランプ、重水素ランプなどの紫外線を照射する光源を備えている。 Ultraviolet light source device 51 includes a light source for irradiating a xenon lamp, an ultraviolet ray, such as a deuterium lamp. 紫外光源装置51は、図示しないコンピュータと接続されており、コンピュータからの照射指示を受けて所定のタイミングで紫外線を照射する。 Ultraviolet light source device 51 is connected to a computer not shown, it is irradiated with ultraviolet rays at a predetermined timing by irradiation instruction from the computer. 紫外光源装置51から照射された紫外光は、照射用光ファイバ53を介してセンサチップ60へ伝送される。 Ultraviolet light emitted from the ultraviolet light source device 51 is transmitted to the sensor chip 60 via the illumination optical fiber 53.

受光装置52は、図示しない分光器と、図示しない光検出器を備える。 Receiving device 52 includes a spectroscope (not shown), a light detector (not shown). 受光装置52は、センサチップ60が受光した紫外光を、受光用光ファイバ54を介して受信する。 Receiving device 52, the ultraviolet light sensor chip 60 has received, is received via the receiving optical fiber 54. 受光装置52は、分光器で紫外光中の特定の範囲(例えば、200〜350nmの範囲)の波長を分光し、それを光検出器で検出する。 Receiving device 52, a particular range of ultraviolet in the light with a spectrometer (e.g., a range of 200 to 350 nm) and spectral wavelengths to detect it by a photodetector.
受光装置52は、図示しないコンピュータと接続されており、このコンピュータには専用の分析ソフトが導入されている。 Receiving device 52 is connected to a computer not shown, analysis software dedicated is introduced into this computer. コンピュータは、受光装置52の検出信号から、センサチップ60付近に存在するガスの種類や濃度を算出することができ、算出結果を表示装置にリアルタイム表示させることができる。 Computer, from the detection signal of the light receiving device 52, it is possible to calculate the type and concentration of gas present in the sensor chip 60 around, it is possible to real-time display the calculation result on the display device. 紫外線吸収分析でのガス中の濃度の検出は、例えば、既知濃度の紫外線吸収スペクトルを取得し、吸光度を濃度毎にプロットした検量線を作成した後で、未知濃度の吸光度と対比することで、ガスの濃度を求める。 Detection of the concentration of gas in the ultraviolet absorption analysis, for example, obtains the ultraviolet absorption spectrum of known concentration, the absorbance after a calibration curve plotted for each concentration, by comparison with the absorbance of the unknown concentration, determine the concentration of the gas.

照射用光ファイバ53および受光用光ファイバ54は、(例えば、400℃以上、好ましくは700℃以上の耐熱性を有する)耐熱性に優れた光ファイバであり、例えば、石英系の光ファイバを用いる。 Irradiation optical fiber 53 and the light receiving optical fiber 54 is (e.g., 400 ° C. or higher, preferably from 700 ° C. or higher in heat resistance) optical fiber having excellent heat resistance, for example, using an optical fiber of quartz-based . 水素存在環境下で用いる場合には、照射用光ファイバ53および受光用光ファイバ54に、水素遮断性を有するものを用いることが好ましい。 When used in a hydrogen existing environment, the irradiation optical fiber 53 and the light receiving optical fiber 54, it is preferable to use those having a hydrogen barrier property.

センサチップ60は、光ファイバに接続された完全防爆型のガス検出部を構成し、例えば配管の内部などに設置されるプローブとして機能する。 Sensor chip 60 constitutes a gas detection section of the complete explosion-proof connected to the optical fiber, serving as a probe to be installed, for example, such as inside the piping. センサチップ60のみを遠隔地に設置することが可能である点は、第1実施形態と同様である。 That it is possible to install only the sensor chip 60 to the remote location is the same as in the first embodiment.
センサチップ60は、図6に示すように、光路空間62が設けられたベース部材61と、照射用レンズ57と、受光用レンズ58と、プリズム59とから構成される。 Sensor chip 60, as shown in FIG. 6, a base member 61 which the optical path space 62 is provided, an illumination lens 57, a receiver lens 58, and a prism 59..

ベース部材61は、例えば数mm〜数十mm四方の寸法を有する板状部材であり、センサチップ60の本体を構成する。 The base member 61 is, for example, a plate-like member having a number mm~ tens mm square size, constituting the main body of the sensor chip 60. 試作品の寸法は、18×39×11mmである。 The dimensions of the prototype is a 18 × 39 × 11mm. ベース部材61は、(例えば、400℃以上、好ましくは700℃以上の耐熱性を有する)SUSやセラミックスなどの耐熱材により構成される。 The base member 61 is composed of a heat-resistant material such as SUS or ceramics (e.g., 400 ° C. or higher, preferably from 700 ° C. or higher in heat resistance). 膨張性や腐食性の観点からはセラミックス系材料により構成することが好ましく、また、精度の観点からは金型を用いた射出成型および焼結により形成することが好ましい点も、第1実施形態と同様である。 It is preferable to configure the expandable and corrosive ceramic material from the viewpoint, also it is preferable that it formed by injection molding and sintering using a metal mold in terms of accuracy, the first embodiment it is the same.

ベース部材61には、照射用光ファイバ53の先端に設けられたフェルール55を固定するための凹部と、受光用光ファイバ54の先端に設けられたフェルール56を固定するための凹部とが設けられている。 The base member 61, and a recess for fixing the ferrule 55 provided at the distal end of the illumination optical fibers 53, is provided with recesses for fixing the ferrule 56 provided at the end of the light-receiving optical fiber 54 ing. これらの凹部は、溝である場合もあれば穴である場合もある。 These recesses may also be a hole either be the groove. フェルール55およびフェルール56は、それぞれの光軸のなす角が、平行になるように配置する。 Ferrule 55 and the ferrule 56, the angle of the respective optical axes are arranged in parallel.

照射用光ファイバ53の端部には照射用レンズ57が配置され、受光用光ファイバ54の端部には受光用レンズ58が配置される。 The end of the illumination optical fibers 53 are arranged irradiation lens 57, the end portion of the light-receiving optical fiber 54 are disposed receiver lens 58. レンズ57および58は、いずれも凸レンズの作用を奏する(例えば、400℃以上、好ましくは700℃以上の耐熱性を有する)耐熱レンズであり、耐熱接着材によりベース部材61にそれぞれ固定されている。 Lenses 57 and 58 are all also exhibits the effect of a convex lens is (e.g., 400 ° C. or higher, preferably from 700 ° C. or higher in heat resistance) heat lenses, are fixed to the base member 61 by heat bonding material. レンズ57および58は、例えば、石英、透明セラミックスにより構成される。 Lenses 57 and 58, for example, quartz, and a transparent ceramic. 試作品では、レンズ57,58に、φ5mmの石英製ボールレンズを用いた。 In the prototype, the lens 57 and 58, using a quartz ball lens of φ5mm.

ベース部材61には、外気と連通する凹部である光路空間62が設けられている。 The base member 61, the optical path space 62 is provided a recess which communicates with the outside air. 光路空間62の一方の内側面にはレンズ57,58が配置され、他方の内側面にはプリズム59が配置される。 On one inner side surface of the optical path space 62 lenses 57 and 58 are arranged, on the other inner surface prism 59 is disposed. ベース部材61には、プリズム59を配置するための略三角形の切り欠き部が設けられている。 The base member 61, notches of substantially triangular for placing a prism 59 is provided. ここで、ベース部材61の切り欠き部の面とプリズム59の反射面の裏面とが、面の全てにわたって当接することは必要ではない。 Here, the back surface of the reflection surface of the cutout portion of the surface and the prism 59 of the base member 61, it is not necessary to contact over all surfaces. 全反射とは、屈曲率が大きい媒質から屈折率が小さい媒質へ光が入射するとき、その境界面を光が透過せず全て反射する現象をいうが、空隙があっても全反射は実現される。 The total reflection, when the light from the bending ratio is large medium to smaller refractive index medium is incident, although a phenomenon in which the boundary surfaces light is reflected all not transmitted, total reflection even when gaps are realized that. レンズ57,58とプリズム59の間隔を広げることで、吸光の光路長を長くすることもできる。 By widening the distance between the lens 57 and the prism 59, it is also possible to increase the optical path length of light absorption.

プリズム59は、(例えば、400℃以上、好ましくは700℃以上の耐熱性を有する)耐熱性に優れた石英、透明セラミックスなどの材により構成したものを用いる。 Prism 59 (for example, 400 ° C. or higher, preferably from 700 ° C. or higher in heat resistance) quartz having excellent heat resistance, it used those composed of wood, such as transparent ceramic. 反射体として金属蒸着ミラーを用いた場合の耐熱温度は200℃程度であるが、反射体として石英プリズムを用いたセンサチップは1000℃以上の耐熱性を確保することも可能である。 Temperature limit for a metal evaporated mirror as a reflector is about 200 ° C., the sensor chip using the quartz prism as a reflector is also possible to ensure a 1000 ° C. or higher heat resistance. プリズム59は、耐熱接着材によりベース部材61にそれぞれ固定される。 Prism 59 are respectively fixed to the base member 61 by heat bonding material. 熱膨張性の観点からは、ベース部材61、レンズ57,58およびプリズム59の全てをセラミックスで製作することが好ましい。 From the viewpoint of thermal expansion, it is preferable to manufacture all of the base member 61, a lens 57, 58 and the prism 59 in the ceramics. なお、試作品では、プリズム59a〜59cに、5.0mm×5.0mmの石英製45度全反射プリズムを用いた。 In the prototype, the prism 59a to 59c, with silica 45 ° total reflection prism of 5.0 mm × 5.0 mm.

以上に説明したセンサチップ60をガスセルに配置し、ガスセル内にアンモニアガスあるいは二酸化硫黄ガスを導入してガス濃度を測定したところ、数ppmオーダーでガスの濃度を測定できることが確認された。 The sensor chip 60 described above is arranged in the gas cell, the measured gas concentration by introducing ammonia gas or sulfur dioxide gas in the gas cell, to be able to measure the concentration of gas a few ppm order was confirmed. 図7にアンモニアガスの濃度別の紫外吸収スペクトルを、図8にアンモニアガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフを示す。 The concentration by ultraviolet absorption spectrum of the ammonia gas in FIG. 7 is a graph showing the correlation of the ammonia gas concentration and the absorption coefficient in FIG. また、図9に二酸化硫黄ガスの濃度別の紫外吸収スペクトルを、図10に二酸化硫黄ガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフを示す。 Further, the ultraviolet absorption spectra of various concentrations of sulfur dioxide gas in FIG. 9 is a graph showing the correlation between sulfur dioxide gas concentration and the absorption coefficient in FIG.

以上に説明した第2実施形態のガス濃度測定システムによれば、第1実施形態と同様に、高温環境(例えば、約360℃)および高放射線環境にあるガスの濃度を測定することができる。 According to the gas concentration measurement system in the second embodiment described above, similarly to the first embodiment, high-temperature environment (e.g., about 360 ° C.) can measure the concentration of gases in and high radiation environments.
また、ベース部材をセラッミックスにより構成した場合には、第1実施形態と同様に、硫黄(S)成分を含むガスの濃度を測定する際に生じる腐食性の問題を解決することができる光学式ガスセンサを提供することが可能である。 Further, in case where the base member by Serra Tsu mix, as in the first embodiment, an optical gas sensor can solve the corrosive problems encountered in measuring the concentration of a gas containing sulfur (S) component it is possible to provide a.

《第3実施形態》 "Third Embodiment"
第3実施形態は吸光型ガス濃度測定システムに関する。 The third embodiment relates to absorptive gas concentration measurement system. 第3実施形態は、ガスセンサチップ70以外の構成は第2実施形態と同じであるので、以下ではガスセンサチップ70以外の要素については説明を割愛する。 The third embodiment, since the configuration other than the gas sensor chip 70 is the same as the second embodiment, the following description thereof will be omitted for the elements other than the gas sensor chip 70.
ガスセンサチップ70は、図11に示すように、光路空間72が設けられたベース部材71と、照射用レンズ57と、受光用レンズ58と、プリズム59a〜59cとから構成される。 Gas sensor chip 70, as shown in FIG. 11, a base member 71 which the optical path space 72 is provided, an illumination lens 57, a receiver lens 58 composed of a prism 59a to 59c.

ベース部材71は、第2実施形態のベース部材61より僅かに大きい(例えば、10cm四方以下)板状部材であり、耐熱性に優れた石英、透明セラミックスなどの材により構成さる。 The base member 71 is slightly larger than the base member 61 of the second embodiment (e.g., 10 cm square or less) is a plate-like member, monkey composed of wood, such as good quartz, transparent ceramics in heat resistance. 試作品の寸法は、22×38×9mmである。 The dimensions of the prototype is a 22 × 38 × 9mm. 膨張性や腐食性の観点からはセラミックス系材料により構成することが好ましく、また、精度の観点からは金型を用いた射出成型および焼結により形成することが好ましい点も、第1および第2実施形態と同様である。 It is preferable to configure the expandable and corrosive ceramic material from the viewpoint, also point is preferably formed by injection molding and sintering using a metal mold in terms of accuracy, the first and second is the same as that of the embodiment.

ベース部材71に設けられた凹部にフェルール55,56が固定される点は、第2実施形態と同様である。 That the ferrule 55, 56 is fixed in a recess provided in the base member 71 is similar to the second embodiment. また、光ファイバ53,54の端部にはレンズ57,58が配置される点も第2実施形態と同様である。 Also, the end of the optical fiber 53 and 54 also that the lens 57 and 58 are arranged is the same as the second embodiment. 試作品では、レンズ57,58にφ5mmの石英製ボールレンズを用いた。 In the prototype, using a quartz ball lens of φ5mm to the lens 57 and 58.

ベース部材71には、外気と連通する凹部である光路空間72が設けられている。 The base member 71, the optical path space 72 is provided a recess which communicates with the outside air. 本実施形態では、3つのプリズムにより6回の反射を行うことで、光路L3を長くとすることを可能としている。 In the present embodiment, by performing the reflections 6 times with three prisms, it is made possible to lengthen the optical path L3. そのため、本実施形態は、第2実施形態と比べより高精度にガス濃度を計測することが可能である。 Therefore, the present embodiment is capable of measuring the gas concentration with high accuracy from the comparison with the second embodiment. なお、プリズムの数は3個に限定されず、5個以上(すなわち、2n+1個)としてもよい。 The number of prisms is not limited to three, five or more (i.e., 2n + 1) substituents as.

ベース部材71には、プリズム59a〜59cを配置するための略三角形の切り欠き部が3つ設けられている。 The base member 71 has notches substantially triangular are provided three for arranging the prism 59a to 59c. レンズ57,58と対向する光路空間72の内側面に2つの切り欠き部が設けられ、レンズ57,58側の光路空間72の内側面に1つの切り欠き部が設けられている。 Two notches on the inner surface of the lens 57, 58 facing the optical path space 72 is provided, one notch on the inner surface of the optical path space 72 of the lens 57, 58 side.
プリズム59a〜59cは、第2実施形態と同様であり、耐熱接着材によりベース部材71にそれぞれ固定される。 Prism 59a~59c is similar to the second embodiment, each of which is fixed to the base member 71 by heat bonding material. 試作品では、プリズム59a〜59cに5.0mm×5.0mmの石英製45度全反射プリズムを用いた。 The prototype, quartz 45 ° 5.0 mm × 5.0 mm prism 59a~59c using total reflection prism.

以上に説明したセンサチップ70をガスセルに配置し、ガスセル内にアンモニアガスを導入してガス濃度を測定したところ、数ppmオーダーでガスの濃度を測定できることが確認された。 The sensor chip 70 described above is arranged in the gas cell, the measured gas concentration by introducing ammonia gas into the gas cell, to be able to measure the concentration of gas a few ppm order was confirmed. 図12にアンモニアガスの濃度別の紫外吸収スペクトルを、図13にアンモニアガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフを示す。 Figure 12 The ultraviolet absorption spectra of various concentrations of the ammonia gas in a graph showing the correlation of the ammonia gas concentration and the absorption coefficient in FIG. また、図14に二酸化硫黄ガスの濃度別の紫外吸収スペクトルを、図15に二酸化硫黄ガス濃度と吸収係数の相関を示すグラフを示す。 Further, the ultraviolet absorption spectra of various concentrations of sulfur dioxide gas in FIG. 14 shows a graph showing the correlation between sulfur dioxide gas concentration and the absorption coefficient in Figure 15.

以上、本開示にて幾つかの実施形態を例示として詳細に説明したが、本発明の新規な教示および有利な効果を実質的に逸脱しない改変例も本発明の範囲に含まれる。 Has been described in detail by way of illustration several embodiments in the present disclosure, modifications that do not substantially departing from the novel teachings and advantages of the present invention are also included in the scope of the present invention.

本発明は、高温環境にあるガスの濃度を測定する用途に好適である。 The present invention is suitable for use for measuring the concentration of a gas in a high temperature environment. また、ベース部材にセラミックスを用いた構成においては、金属に腐食が生じる成分を含むガスの濃度を測定する用途に特に好適である。 In the configuration using the ceramic base member, it is particularly suitable for applications to measure the concentration of a gas containing a component corrosion to the metal occurs. 金属に対しセラミックスの適用が優位となる環境としては、例えば、次の用途が挙げられる。 As environment the application of ceramics to metal is dominant, for example, include the following applications.
(1)発電所排ガス 高温、蒸気充満、SO ・NO ・NH 等腐食性ガス雰囲気(2)自動車排ガス 高温、蒸気充満、SO ・NO 等腐食性ガス雰囲気(3)化学工場、上水処理場、製紙工場 塩素(Cl )含有雰囲気(4)石油精製、アンモニア製造工場、製鉄所排ガス、火山・温泉地帯、下水処理場 硫化水素(H S)含有雰囲気(5)化学肥料工場 アンモニア(NH )含有雰囲気(6)水・海水等腐食性を有する液体中 (1) power plant exhaust gas high temperature steam filling, SO X · NO X · NH 3 etc. corrosive gas atmosphere (2) automotive exhaust hot, steam filled, SO X · NO X such corrosive gas atmosphere (3) chemical plant, clean water treatment plant, a paper mill chlorine (Cl 2) containing atmosphere (4) petroleum refining, ammonia production plants, steelworks gas, volcanic hot spring areas, sewage treatment plants hydrogen sulfide (H 2 S) containing atmosphere (5) chemical fertilizers plant ammonia (NH 3) containing atmosphere (6) in a liquid having a water-seawater corrosion

1 レーザー装置2 受光装置3 照射用光ファイバ4 受光用光ファイバ5,6 フェルール7,8 レンズ10 センサチップ11 ベース材12 照射孔13 受光孔21 光学フィルタ22 光検出器23 筐体51 紫外光源装置52 受光装置53 照射用光ファイバ54 受光用光ファイバ55,56 フェルール57,58 レンズ59 プリズム60 センサチップ61 ベース材62 光路空間71 ベース材72 光路空間 1 laser device 2 receiving apparatus 3 irradiation optical fiber 4 light-receiving optical fiber 5,6 ferrule 7,8 lens 10 sensor chip 11 base member 12 irradiation hole 13 receiving hole 21 the optical filter 22 optical detector 23 casing 51 ultraviolet light source device 52 receiving apparatus 53 optical fibers 55, 56 the ferrule 57, 58 lenses for receiving light irradiation optical fiber 54 59 prism 60 sensor chip 61 base member 62 to the optical path space 71 the base member 72 to the optical path space

Claims (14)

  1. 光源からの光を伝送する照射用耐熱光ファイバと、 And illumination heat optical fiber for transmitting light from a light source,
    照射用耐熱光ファイバの端部近傍に配置される照射用耐熱レンズと、 And irradiation resistant lens disposed near the end of the irradiation heat optical fiber,
    計測対象ガスからの散乱光および/あるいは計測対象ガスを通過した光を受光装置に伝送する受光用耐熱光ファイバと、 A light receiving heat optical fiber for transmitting the light passing through the light scatter and / or measurement target gas from the measuring object gas in the receiving device,
    受光用耐熱光ファイバの端部近傍に配置される受光用耐熱レンズと、 A light receiving heat lens disposed near the end of the light receiving heat optical fiber,
    照射用耐熱光ファイバおよび受光用耐熱光ファイバが配設される、耐熱材からなるベース部材とを備える光学式ガスセンサ。 Irradiation heat resistant optical fiber and the light receiving heat optical fibers are arranged, an optical gas sensor comprising a base member made of a heat-resistant material.
  2. 前記ベース部材が、10cm四方以下の大きさに構成されることを特徴とする請求項1の光学式ガスセンサ。 Said base member, an optical gas sensor according to claim 1, characterized in that it is configured to 10cm less square size.
  3. 前記ベース部材が、セラミックスにより構成されることを特徴とする請求項1または2の光学式ガスセンサ。 Wherein the base member, according to claim 1 or 2 optical gas sensor characterized in that it is constituted by ceramic.
  4. 前記ベース部材が、射出成型および焼結により製作されたセラミックスにより構成されることを特徴とする請求項3の光学式ガスセンサ。 Said base member, an optical gas sensor according to claim 3, characterized in that it is constituted by a ceramic which is manufactured by injection molding and sintering.
  5. 前記照射用耐熱レンズおよび前記受光用耐熱レンズが、石英あるいは透明セラミックスにより構成されることを特徴とする請求項3または4の光学式ガスセンサ。 The irradiation heat lens and the light receiving heat lens, according to claim 3 or 4 optical gas sensor characterized in that it is constituted by quartz or transparent ceramic.
  6. 前記ベース部材に、照射用耐熱光ファイバおよび受光用耐熱光ファイバが光軸が交わるように配設されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかの光学式ガスセンサ。 Wherein the base member, one of the optical gas sensor of claims 1 to 5 for irradiating heat optical fiber and the light receiving heat optical fiber, characterized in that it is arranged so that the optical axis intersects.
  7. 照射用耐熱光ファイバから照射する光がレーザー光であり、受光する光がラマン散乱光であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかの光学式ガスセンサ。 Illumination light irradiated from the heat optical fiber is a laser beam, any optical gas sensor of claims 1, wherein the light received is a Raman scattered light 6.
  8. 前記受光用耐熱光ファイバを複数備えることを特徴とする請求項6または7の光学式ガスセンサ。 Optical gas sensor according to claim 6 or 7, characterized in that it comprises a plurality of said light receiving heat optical fiber.
  9. 前記ベース部材が、照射用耐熱光ファイバからの光を全反射により受光用耐熱光ファイバに導く耐熱プリズムを備えることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかの光学式ガスセンサ。 It said base member is one of an optical gas sensor of claims 1, characterized in that it comprises a heat-resistant prism for guiding the light receiving heat optical fiber by total internal reflection light from the illumination heat optical fiber 5.
  10. 前記ベース部材が、照射用耐熱光ファイバからの光を全反射により受光用耐熱光ファイバに導く耐熱プリズムを備え、前記耐熱プリズムが、石英あるいは透明セラミックスにより構成されることを特徴とする請求項5の光学式ガスセンサ。 Wherein the base member comprises a heat-resistant prism for guiding the light receiving heat optical fiber by total internal reflection light from the illumination heat optical fiber, it said refractory prisms claim characterized in that it is constituted by quartz or transparent ceramic 5 of optical gas sensor.
  11. 前記耐熱プリズムを複数備えることを特徴とする請求項8または9の光学式ガスセンサ。 Optical gas sensor according to claim 8 or 9, characterized in that it comprises a plurality of said refractory prism.
  12. 高温・高圧下で可燃ガス、空気、水蒸気が混在する環境に請求項6ないし8のいずれかの光学式ガスセンサを設置し、1種以上のガス密度を連続測定することを特徴とするガス濃度監視方法。 Combustible gas at high temperature and high pressure, air, to 6 claims a mixed environment steam installing one of the optical gas sensor 8, a gas concentration monitoring, characterized by continuously measuring one or more gas density Method.
  13. SO 、NO 、NH 、H Sおよび/またはCl を含む排ガスの排気管に請求項3または4に記載の光学式ガスセンサを設置し、SO 、NO 、NH 、H SおよびCl からなる群から選択される1種以上のガスの濃度を連続測定することを特徴とするガス濃度監視方法。 SO X, NO X, NH 3 , H 2 in the exhaust pipe of the exhaust gas containing S and / or Cl 2 is installed an optical gas sensor according to claim 3 or 4, SO X, NO X, NH 3, H 2 gas concentration monitoring method characterized by continuously measuring the concentration of one or more gases selected from the group consisting of S and Cl 2.
  14. 前記排ガスが、火力発電所のボイラから排出される排ガスであることを特徴とする請求項13のガス濃度監視方法。 The exhaust gas, a gas concentration monitoring method according to claim 13, characterized in that the exhaust gas discharged from the boiler of the thermal power plant.
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