JP2015137870A - Hydrogen concentration measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測定対象ガスに含まれる水素の濃度を計測する水素濃度計測装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen concentration measuring apparatus that measures the concentration of hydrogen contained in a measurement target gas.
燃料ガス、排ガスの成分の計測や、水素を貯留する施設からの水素の漏れの有無の検出のため、測定対象ガスに含まれる水素の濃度の計測が求められる場合がある。測定対象ガスに含まれる水素の濃度を計測する方法としては、レーザラマン散乱分光を用いて計測する方法がある。また、管路内を流れる混合ガス(主に流通ガス)に含まれる特定物質の濃度計測方法としては、管路の所定経路に、レーザ光を通過させ、その入出力から測定対象の特定物質の濃度を計測する方法がある。例えば、本件出願人が出願した特許文献1には、測定対象とされるガス状物質に固有な吸収波長のレーザ光を発振する光源と、この光源から発振されるレーザ光の発振波長を少なくとも2つの異なる周波数で変調する手段と、この変調手段により変調されたレーザ光を前記ガス状物質が存在する測定領域に導く手段と、この測定領域において透過または反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、この受光手段で受光した信号の中から変調された信号を周波数毎に順次それぞれ復調する複数の位相敏感検波器と、を具備することを特徴とするガス濃度計測装置が記載されている。
In some cases, measurement of the concentration of hydrogen contained in the measurement target gas is required for measurement of components of fuel gas and exhaust gas and detection of the presence or absence of hydrogen leakage from a facility storing hydrogen. As a method of measuring the concentration of hydrogen contained in the measurement target gas, there is a method of measuring using laser Raman scattering spectroscopy. In addition, as a method for measuring the concentration of a specific substance contained in a mixed gas (mainly circulating gas) flowing in a pipeline, laser light is passed through a predetermined path of the pipeline, and the specific substance to be measured is measured from its input and output There is a method for measuring the concentration. For example,
レーザラマン散乱分光による計測は、大気圧での1vol%程度での計測精度を実現することが困難であるという問題がある。また、ラマン散乱断面積が小さいため、励起光による迷光、散乱光、蛍光灯のノイズの影響を受けやすいという問題もある。そのため、測定可能な環境が限られてしまう。 Measurement by laser Raman scattering spectroscopy has a problem that it is difficult to realize measurement accuracy at about 1 vol% at atmospheric pressure. In addition, since the Raman scattering cross section is small, there is also a problem that it is easily affected by stray light due to excitation light, scattered light, and fluorescent lamp noise. Therefore, the environment that can be measured is limited.
これに対して、本件出願人は、測定対象ガスに含まれる水素を酸化触媒で酸化してH2Oとし、H2O濃度を計測し、合わせて、同じ測定対象ガスで酸化触媒を通過していない状態の測定対象ガスのH2Oを計測し、計測結果を比較して差分を算出することで、測定対象ガスの水素濃度を計測する方法を提案した(特許文献2)。 In contrast, the applicant of the present invention, the H 2 O The hydrogen contained in the measurement target gas is oxidized by the oxidation catalyst, measured of H 2 O concentration, together, it passes through the oxidation catalyst in the same measurement target gas A method for measuring the hydrogen concentration of the measurement target gas by measuring the H 2 O of the measurement target gas in a not-contained state and comparing the measurement results to calculate the difference has been proposed (Patent Document 2).
特許文献2に記載の装置は、高い応答性で測定対象の物質を計測することができるが、配管を流れる測定対象ガスを抽出し計測装置で計測を行うため、装置が大型化してしまう。また、設置に制約が生じる場合がある。 Although the apparatus described in Patent Document 2 can measure a substance to be measured with high responsiveness, the apparatus becomes large because the measurement target gas flowing through the pipe is extracted and measured by the measuring apparatus. In addition, there may be restrictions on installation.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より多くの場所で、水素の濃度を高い応答性でかつ高精度に計測することが可能である水素濃度計測装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above, and it is an object of the present invention to provide a hydrogen concentration measuring apparatus capable of measuring hydrogen concentration with high responsiveness and high accuracy in more places. And
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、計測対象空間の水素の濃度を計測する水素濃度計測装置であって、少なくとも1面に配置され、ガスが通過可能で通過するガスに含まれる水素をH2Oに変換する触媒を通過して前記計測対象空間のガスが流入する第1セルと、前記第1セルに隣接して配置され、前記計測対象空間のガスが流入する第2セルと、を有し、前記計測対象空間に配置された計測セルユニットと、前記第1セルを流通するガスに含まれるH2Oの濃度である第1計測値と、前記第2セルを流通するガスに含まれるH2Oの濃度である第2計測値とを計測する計測手段と、を有し、前記計測手段は、H2Oの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を前記第1セル及び前記第2セルに入射させる発光ユニットと、前記発光ユニットから入射され、前記第1セルと前記第2セルを通過したそれぞれのレーザ光を受光する受光ユニットと、前記発光ユニットから前記第1セルに出力したレーザ光の強度と、前記受光ユニットで受光した前記第1セルを通過したレーザ光の強度とに基づいて、前記第1計測値を算出し、前記発光ユニットから前記第2セルに出力したレーザ光の強度と、前記受光ユニットで受光した前記第2セルを通過したレーザ光の強度とに基づいて、前記第2計測値を算出する制御装置と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention is a hydrogen concentration measurement device for measuring the concentration of hydrogen in a measurement target space, which is disposed on at least one surface and allows gas to pass therethrough. A first cell through which a gas in the measurement target space flows through a catalyst that converts hydrogen contained in the gas into H 2 O; and a gas that flows in the measurement target space is disposed adjacent to the first cell. A measurement cell unit disposed in the measurement target space, a first measurement value that is a concentration of H 2 O contained in a gas flowing through the first cell, and the second cell Measuring means for measuring a second measurement value that is a concentration of H 2 O contained in the gas flowing through the cell, the measuring means including an absorption wavelength of H 2 O, and near infrared A laser beam in a wavelength band is incident on the first cell and the second cell. A light-emitting unit, a light-receiving unit that receives the laser light incident from the light-emitting unit and passed through the first cell and the second cell, and the intensity of the laser light output from the light-emitting unit to the first cell And the intensity of the laser beam output from the light emitting unit to the second cell based on the intensity of the laser beam received by the light receiving unit and passing through the first cell; And a control device that calculates the second measurement value based on the intensity of the laser light that has passed through the second cell and received by the light receiving unit.
また、前記制御装置は、前記第1計測値と前記第2計測値の差分から計測対象空間の水素の濃度を計測することが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said control apparatus measures the density | concentration of the hydrogen of measurement object space from the difference of a said 1st measured value and a said 2nd measured value.
また、前記計測セルユニットは、前記第1セルと前記第2セルとが対面している面に、ガスが通らない板状の部材が配置されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said measurement cell unit arrange | positions the plate-shaped member which gas does not pass on the surface where the said 1st cell and the said 2nd cell are facing.
また、前記第1セルは、前記第2セルと対面する面に直交する2つの面に前記触媒が配置されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said 1st cell has the said catalyst arrange | positioned on two surfaces orthogonal to the surface which faces the said 2nd cell.
また、前記第2セルは、前記第1セルの前記触媒が配置されている位置に対応する位置に、前記触媒と近似する流路抵抗の部材が配置されていることが好ましい。 In the second cell, it is preferable that a member having a flow resistance approximating the catalyst is disposed at a position corresponding to the position where the catalyst of the first cell is disposed.
また、前記触媒は、白金を含むことが好ましい。 The catalyst preferably contains platinum.
また、前記発光ユニットは、レーザ光を出力する発光部が前記第1セル及び前記第2セルに固定されていることが好ましい。 In the light emitting unit, it is preferable that a light emitting unit for outputting laser light is fixed to the first cell and the second cell.
前記受光ユニットは、前記第1セルに固定され、前記第1セルを通過したレーザ光を受光する第1受光部と、前記第2セルに固定され、前記第2セルを通過したレーザ光を受光する第2受光部と、前記第1受光部及び第2受光部で検出した結果を無線通信で送信する送信部と、前記送信部から送信された情報を受信し、前記制御装置に出力する無線受信部と、を有することが好ましい。 The light receiving unit is fixed to the first cell and receives a laser beam that has passed through the first cell and receives a laser beam that is fixed to the second cell and passed through the second cell. A second light receiving unit that transmits the result detected by the first light receiving unit and the second light receiving unit by wireless communication, and a radio that receives information transmitted from the transmission unit and outputs the information to the control device And a receiving unit.
本発明にかかる水素濃度計測装置は、より多くの場所で、水素の濃度を高い応答性でかつ高精度に計測することが可能であるという効果を奏する。 The hydrogen concentration measuring apparatus according to the present invention has an effect that the hydrogen concentration can be measured with high responsiveness and high accuracy in more places.
以下に、本発明にかかる水素濃度計測装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。ここで、水素濃度計測装置は、計測対象空間(測定対象空間)にある種々のガスに含まれる水素の濃度を計測することができる。計測対象空間は、測定対象ガスが流れる管路や、測定対象ガスが充填された貯留部、また、それらの周辺の大気中とすることができる。例えば、管路を流れる種々のガスについて、ガスに含まれる水素の濃度を計測することができる場合、水素濃度計測装置を燃料ガスが流れる管路に取付、燃料ガスに含まれる水素濃度を計測してもよい。また、燃料ガスが流れる管路を有する装置としては、各種燃焼機関、例えば、車両、船舶、発電機、焼却炉等が例示される。また、気体の燃料ガスを生成する材料としては、ガソリン、軽油、重油や、天然ガス、バイオ燃料(バイオエタノール)等が例示される。また燃料電池に供給されるガスに含まれる水素濃度を計測する装置としても用いることができる。また、ディーゼルエンジンに取付、ディーゼルエンジンから排出される排ガス(流通ガス)、ゴミ焼却炉から排出される流通ガスに含まれる水素の濃度を計測してもよい。なお、本実施形態では、配管内を流れる流通ガス(測定対象ガス)中でガス状物質として存在する水素が測定対象となる。 Hereinafter, an embodiment of a hydrogen concentration measuring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment. Here, the hydrogen concentration measuring apparatus can measure the concentration of hydrogen contained in various gases in the measurement target space (measurement target space). The measurement target space can be a pipe line through which the measurement target gas flows, a storage section filled with the measurement target gas, or the atmosphere around them. For example, when the concentration of hydrogen contained in a gas can be measured for various gases flowing through a pipeline, a hydrogen concentration measuring device is attached to the pipeline through which the fuel gas flows, and the concentration of hydrogen contained in the fuel gas is measured. May be. Examples of the apparatus having a pipeline through which fuel gas flows include various combustion engines such as vehicles, ships, generators, incinerators and the like. Moreover, as a material which produces | generates gaseous fuel gas, gasoline, light oil, heavy oil, natural gas, biofuel (bioethanol), etc. are illustrated. It can also be used as an apparatus for measuring the hydrogen concentration contained in the gas supplied to the fuel cell. Further, it may be attached to the diesel engine, and the concentration of hydrogen contained in the exhaust gas (circulation gas) discharged from the diesel engine and the distribution gas discharged from the garbage incinerator may be measured. In the present embodiment, hydrogen that is present as a gaseous substance in the flowing gas (measuring gas) flowing in the pipe is the measuring object.
[実施形態1]
図1は、本発明の水素濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。図2は、図1に示す水素濃度計測装置の上面図である。図3は、図2に示す水素濃度計測装置のA−A線断面図である。図4は、図2に示す水素濃度計測装置のB−B線断面図である。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an embodiment of the hydrogen concentration measuring apparatus of the present invention. FIG. 2 is a top view of the hydrogen concentration measuring apparatus shown in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of the hydrogen concentration measuring apparatus shown in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the hydrogen concentration measuring apparatus shown in FIG.
水素濃度計測装置10は、配管6の内部である計測対象空間8を流れる流通ガスの一部を計測対象空間8の内部で採取(サンプリング)して、測定対象ガスに含まれる水素の濃度を計測する計測装置である。水素濃度計測装置10は、図1に示すように、計測セルユニット20と、発光ユニット22と、受光ユニット24と、制御装置26と、を有する。
The hydrogen
配管6は、測定対象ガスである流通ガスが流れる配管である。図1では、配管6の一部側面のみを示しているが、配管6は、筒状の形状である。配管6は、筒で囲まれ、流通ガスが流れる空間が計測対象空間8となる。なお、本実施形態では、計測対象空間8を配管6の内部とし、測定対象ガスが所定の方向に流れる場合としたがこれに限定されない。水素濃度計測装置10は、計測対象空間8で測定対象ガスが移動していればよく、任意の方向に移動していてもよい。つまり測定対象ガスの流れ方向が変わってもよい。
The
計測セルユニット20は、計測対象空間8に配置されている。つまり計測セルユニット20は、測定対象ガスが流通している配管6の内部に配置されている。計測セルユニット20は、第1セル30と第2セル32とを有する。
The
第1セル30は、直方体で内部が空間の箱34と、箱34に設置された触媒メッシュ38と、を有する。箱34は、直方体形状であり、6面の内、対向する2つの面(本実施形態では、面積が最も大きい面)に開口52、54が形成されている。また、箱34は、直方体の長手方向の端となる2つの面の一方に測定光であるレーザ光が入射する発光ユニット22の一部が配置され、他方の面にレーザ光を受光する受光ユニット24の一部が配置されている。
The
触媒メッシュ38は、箱34の開口52、54のそれぞれに配置されている。触媒メッシュ38は、流通ガスを通過させることができ、通過する流通ガスに含まれる測定対象の水素をH2O(気体の水、水蒸気)に変換する機構である。触媒メッシュ38は、通過する流通ガスに含まれる水素を酸化させ、つまり水素と酸素を反応させて、H2Oに変換する燃焼触媒である。触媒メッシュ38としては、水素を酸化する各種触媒を用いることができる。触媒メッシュ38には、白金を含む触媒を用いることが好ましい。触媒メッシュ38は、白金を用いることで水素をより高い確率でH2Oに変換することができる。具体的には、触媒メッシュ38は、白金を用いることで測定対象ガスが低い温度(例えば50℃)の場合でも水素をより高い確率でH2Oに変換することができる。
The
第1セル30は、箱34の開口52、54が形成されている部分は閉じられた形状となる。これにより、箱34の内部の空間に流入する流通ガスは、開口52、54の触媒メッシュ38を通過する。したがって、第1セル30は、箱34の内部に、水素がH2Oに変換された流通ガスが流入する。また、第1セル30は、箱34の対向する2つの面に開口52、54が形成されることで、図4に示すように、流通ガスが箱34の内部から外部、外部から内部に流れやすくなる。これにより、流通ガスが箱34の内部に滞留することを抑制することができる。
The
第2セル32は、直方体で内部が空間の箱36と、箱36に設置された非触媒メッシュ40と、を有する。第2セル32は、触媒メッシュ38に換えて非触媒メッシュ40が配置されている以外は、第1セル30と同様の構成である。箱38は、直方体形状であり、6面の内、対向する2つの面(本実施形態では、面積が最も大きい面)に開口56、58が形成されている。また、箱36は、直方体の長手方向の端となる2つの面の一方に測定光であるレーザ光が入射する発光ユニット22の一部が配置され、他方の面にレーザ光を受光する受光ユニット24の一部が配置されている。
The
非触媒メッシュ40は、流通ガスを通過させることができる部材である。非触媒メッシュ40は、触媒メッシュ38と同様の形状の部材であり、触媒メッシュ38と実質的に同様の流路抵抗を備えている。非触媒メッシュ40は、SUS等、水素と酸素との反応を促進し、H2Oに変換する機能がない(実質的に無視できる)材料で形成されている。
The
第2セル32は、箱36の開口56、58が形成されている部分は閉じられた形状となる。これにより、箱36の内部の空間に流入する流通ガスは、開口56、58の非触媒メッシュ40を通過する。したがって、第2セル32は、箱36の内部に、水素がH2Oに変換されていない流通ガスが流入する。また、第2セル32は、箱36の対向する2つの面に開口56、58が形成されることで、図4に示すように、流通ガスが箱36の内部から外部、外部から内部に流れやすくなる。これにより、流通ガスが箱36の内部に滞留することを抑制することができる。
The
また、計測セルユニット20は、第1セル30と第2セル32とが隣接して配置されている。具体的には、第1セル30の箱34の開口52、54が形成されておらず、発光ユニット22の一部及び受光ユニット24の一部が設置されていない2つの面のうち一方の面が、第2セル32の箱36の開口56、58が形成されておらず、発光ユニット22の一部及び受光ユニット24の一部が設置されていない2つの面の一方の面と接触している。
In the
発光ユニット22は、光源60と、第1入光部61aと第2入光部61bとを有する。光源60は、H2Oが吸収する近赤外波長域のレーザ光を発光させる発光素子を有する。発光素子としては、例えばレーザータイオード(LD)を用いることができる。光源60は、発光させた光を第1入光部61aと第2入光部61bに入光させる。第1入光部61aは、光ファイバ62aと、ファイバ支持部64aとを有する。光ファイバ62aは、一方の端部が光源60と連結し、他方の端部が第1セル30の箱34の長手方向の端の面と連結している。光ファイバ62aは、光源60から入射された光を第1セル30の箱34の内部に入射させる。ファイバ支持部64aは、第1セル30の箱34に固定されており、光ファイバ62aの他方の端部を支持している。第2入光部61bは、光ファイバ62bと、ファイバ支持部64bとを有する。光ファイバ62bは、一方の端部が光源60と連結し、他方の端部が第2セル32の箱36の長手方向の端の面と連結している。光ファイバ62bは、光源60から入射されたレーザ光を第2セル32の箱36の内部に入射させる。ファイバ支持部64bは、第2セル32の箱36に固定されており、光ファイバ62bの他方の端部を支持している。
The
発光ユニット22は、光源60からレーザ光を発光し、発光したレーザ光を第1入光部61aと第2入光部61bで案内することで、第1セル30と第2セル32のそれぞれにレーザ光を入射させる。発光ユニット22は、光源60が計測対象空間8の外側、つまり配管6の外に配置されている。これにより、光ファイバ62a、62bは、配管6の壁面に形成された開口に挿入され、一方の端部が光源60と連結し、他方の端部が計測セルユニット20と連結する。配管6と光ファイバ62a、62bとの間にはシール機構80が設けられている。シール機構80は、配管6と光ファイバ62a、62bとの間を密封し、計測対象空間8の流通ガスが配管6の外側に漏えいすること、及び配管6の外側の空気が計測対象空間8内に流入することを抑制する。
The
受光ユニット24は、第1受光部70と第2受光部72とを有する。第1受光部70は、第1セル30の光ファイバ62aが設置されている面に対面する面に配置されている。第1受光部70は、第1セル30の内部を通過したレーザ光を受光する。第1受光部70は、例えば、フォトダイオード(PD、Photodiode)等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。第1受光部70は配線で制御装置26と接続されており、受光したレーザ光の強度を受光信号として、制御装置26に送る。第2受光部72は、第2セル32の光ファイバ62bが設置されている面に対面する面に配置されている。第2受光部72は、第2セル32の内部を通過したレーザ光を受光する。第2受光部72は、例えば、フォトダイオード(PD、Photodiode)等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。第2受光部72は配線で制御装置26と接続されており、受光したレーザ光の強度を受光信号として、制御装置26に送る。ここで、制御装置26は、光源60が計測対象空間8の外側、つまり配管6の外に配置されている。これにより、第1受光部70、第2受光部72と制御装置26とを接続する配線は、配管6の壁面に形成された開口に挿入され、一方の端部が制御装置26と連結し、他方の端部が第1受光部70、第2受光部72と連結する。配管6と配線との間にはシール機構80が設けられている。シール機構80は、配管6と配線との間を密封し、計測対象空間8の流通ガスが配管6の外側に漏えいすること、及び配管6の外側の空気が計測対象空間8内に流入することを抑制する。
The
制御装置26は、発光ユニット22及び受光ユニット24の動作を制御し、かつ検出値を取得し、各種処理を実行することで、計測対象空間8の水素の濃度を検出する。具体的には、制御装置26は、第1受光部70、第2受光部72で受光したレーザ光の強度の信号と、光源60を駆動させ、第1セル30、第2セル32に入射したレーザ光の強度を比較し、計測対象空間8を流れる流通ガスに含まれる測定対象の物質(H2O、H2を変換した物質)の濃度を算出する。
The
水素濃度計測装置10は、光源60から出力された近赤外波長域のレーザ光が、光ファイバ62aから第1セル30に入射し、第1セル30の内部を通過して、第1受光部70に到達する。このとき、第1セル30内の流通ガス中にH2Oが含まれていると、第1セル30を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光は、流通ガス中のH2Oの濃度によって、第1受光部70に到達するレーザ光の出力が変化する。第1受光部70は、受光したレーザ光を受光信号に変換し、制御装置26に出力する。また、光源60は、光ファイバ62aに出力したレーザ光の強度を制御装置26に出力する。制御装置26は、光源60から出力した光の強度と、受光信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から第1セル30内を流れる流通ガスのH2Oの濃度を算出する。第1セル30内を流れる流通ガスのH2Oの濃度は、第1セル30に流入する前から含まれるH2O(共存ガス)と、触媒メッシュ38の通過時に水素が変換されるH2Oの両方を含む。
In the hydrogen
また、水素濃度計測装置10は、第1セル30と同様の方法で、第2セル32を流れる流通ガスのH2Oの濃度を算出する。水素濃度計測装置10は、光源60から出力された近赤外波長域のレーザ光が、光ファイバ62bから第2セル32に入射し、第2セル32の内部を通過して、第2受光部72に到達する。このとき、第2セル32内の流通ガス中にH2Oが含まれていると、第2セル32を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光は、流通ガス中のH2Oの濃度によって、第2受光部72に到達するレーザ光の出力が変化する。第2受光部72は、受光したレーザ光を受光信号に変換し、制御装置26に出力する。また、光源60は、光ファイバ62bに出力したレーザ光の強度を制御装置26に出力する。制御装置26は、光源60から出力した光の強度と、受光信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から第2セル32内を流れる流通ガスのH2Oの濃度を算出する。第2セル32内を流れる流通ガスのH2Oの濃度は、第2セル32に流入する前から含まれるH2O(共存ガス)を含む。
Further, the hydrogen
水素濃度計測装置10は、いわゆるTDLAS方式(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy:可変波長ダイオードレーザー分光法)を用い、出力したレーザ光の強度と、受光部で検出した受光信号とに基づいて第1セル30内、第2セル32内の所定位置、つまり、測定位置を通過する流通ガス中のH2Oの濃度を、算出及び/または計測する。また、水素濃度計測装置10は、連続的にH2Oの濃度を、算出及び/または計測することができる。
The hydrogen
水素濃度計測装置10は、第1セル30の計測結果と第2セル32の計測結果に基づいて計測対象空間8の水素の濃度を計測する。
The hydrogen
次に、水素濃度計測装置10の動作を説明する。ここで、図5は、水素濃度計測装置の動作を説明するフロー図である。なお、図5に示す処理は、制御装置26が各部の動作を制御することで実現することができる。まず、水素濃度計測装置10は、計測セルユニット20と計測セルユニット20と繋がっている部分を計測対象空間8に配置する。その後、配管6に光ファイバ62a、62b、配線を挿入し挿入部分にシール機構80を設ける。このようにして、計測対象空間8に計測セルユニット20を配置したら、計測を開始する。
Next, the operation of the hydrogen
水素濃度計測装置10の制御装置26は、上述したように第1セル30に出力するレーザ光の出力を取得し(ステップS12)、第1受光部70での計測結果を取得し(ステップS14)、ステップS12とステップS14で取得した情報及び予め設定された条件等に基づいて、第1セル30のH2Oの濃度(第1計測値)を算出する(ステップS16)。
The
水素濃度計測装置10の制御装置26は、ステップS12からステップS16の処理と並行して、第2セル32に出力するレーザ光の出力を取得し(ステップS22)、第2受光部72での計測結果を取得し(ステップS24)、ステップS22とステップS24で取得した情報及び予め設定された条件等に基づいて、第2セル32のH2Oの濃度(第2計測値)を算出する(ステップS26)。
The
水素濃度計測装置10の制御装置26は、第1セル30のH2Oの濃度(第1計測値)と、第2セル32のH2Oの濃度(第2計測値)との差分に基づいて、計測対象空間8の水素濃度を算出する(ステップS30)。ステップS16で計測した第1計測値と、ステップS26で計測した第2計測値との差分により、流通ガスに含まれる水素の計測値を算出する。つまり、流通ガスに含まれる測定対象の水素に由来するH2Oと、共存ガスとを合計した濃度から、共存ガスの濃度を引くことで、流通ガスに含まれる水素に由来するH2Oの濃度を算出することができる。
Controller of the hydrogen
水素濃度計測装置10は、以上のように、第1セル30を流れる、測定対象の水素を触媒メッシュ38により酸化した流通ガスに含まれるH2Oの濃度を計測し、さらに、第2セル32を流れる、測定対象の水素を酸化していない流通ガスに含まれるH2Oの濃度を計測し、差分をとることで、測定対象の水素の濃度を算出することができる。
As described above, the hydrogen
また、水素濃度計測装置10は、第1セル30と第2セル32とを有する計測セルユニット20を用いることで、計測対象空間8に水素濃度を計測する機構を設置することができる。これにより、計測対象空間8から流通ガスをサンプリング管等で抽出する必要が無くなり、種々の場所に設置が可能となる。また、流通ガスの流れを利用して、つまり自然対流で、計測セルユニット20内に測定対象のガスを流すことで、装置構成も簡単にすることができる。また、対流を発生させる機構が水素に悪影響を与えることを抑制することができる。
Further, the hydrogen
また、計測セルユニット20は、第1セル30と第2セル32とを隣接させることで、計測対象空間8内でガスの成分のばらつきがあった場合も、近傍で比較できるため、計測精度を高くすることができる。また、計測セルユニット20は、第1セル30と第2セル32とを隣接し、かつ隣接している面に板を配置し、H2Oが通過しない構造とすることで、第1セル30を通過したガスが第2セル32に流入することあるいはその逆の状態が発生することを抑制することができる。これにより計測精度を高くすることができる。
In addition, the
また、計測セルユニット20は、第2セル32に非触媒メッシュ40を設けることで、第2セル32に流入する流通ガスの量と、第1セル30に流入する流通ガスの量との差を小さくすることができる。これにより、同様の状態の流通ガスを流入し、流出させることができ計測精度を高くすることができる。
In addition, the
また、水素濃度計測装置10は、測定対象の水素の酸化物(水素を変換したH2O)の吸収波長域の近赤外波長域のレーザ光を照射し、当該H2Oにより吸収される強度を検出することで、短時間で、かつ、高い精度で水素の濃度を計測することができる。
Moreover, the hydrogen
また、測定対象の水素を酸化し、酸化物として測定することで、近赤外波長域に吸収波長がない水素の濃度を、半導体レーザ吸収分光法を用いて計測することが可能となる。また、本実施形態のように、測定対象の物質の近赤外波長域の光を用いた計測ができることで、高精度での計測を行うことができる。 In addition, by oxidizing the measurement target hydrogen and measuring it as an oxide, the concentration of hydrogen having no absorption wavelength in the near-infrared wavelength region can be measured using semiconductor laser absorption spectroscopy. In addition, as in the present embodiment, measurement using light in the near-infrared wavelength region of a substance to be measured can be performed, so that measurement with high accuracy can be performed.
さらに、近赤外波長域のレーザ光を用いる計測では、測定対象の酸化物以外の成分が混在した状態であっても、測定対象の酸化物の濃度を適切に測ることができる。つまり、測定対象の酸化物以外の成分がノイズとなりにくくすることができる。これにより、フィルタや、除湿の工程をなくすまたは少なくすることができ、配管6から流通ガスを吸引してから、計測を行い、計測結果を算出するまでの時間を短時間にすることができる。つまり、計測の時間遅れを少なくすることができる。これにより、応答性を高くすることができる。
Furthermore, in the measurement using laser light in the near-infrared wavelength region, the concentration of the oxide to be measured can be appropriately measured even when components other than the oxide to be measured are mixed. That is, components other than the oxide to be measured can be made less likely to be noise. Thereby, a filter and a dehumidification process can be eliminated or reduced, and the time from when the flow gas is sucked from the
また、水素濃度計測装置10は、流通ガスに含まれる共存ガス、つまり、流通ガスに元々含まれているH2Oの濃度も計測することができる。これにより、流通ガスに含まれる水素と、H2Oとの比も算出することができる。
Further, the hydrogen
ここで、水素濃度計測装置10は、計測セルユニット20に温度を検出する温度検出部を設けることが好ましい。制御装置26は、温度検出部で検出した温度を加味して、水素の濃度を計測することが好ましい。触媒メッシュ38は、流通ガスの温度が高い場合、水素以外の炭化水素もH2Oに変換してしまう。そのため、水素濃度計測装置10は、温度に応じて、計測結果を調整することで、水素濃度を高い精度で計測することができる。なお、水素濃度計測装置10は、温度が高い場合、水素濃度の計測を停止するようにしてもよい。
Here, it is preferable that the hydrogen
ここで、水素濃度計測装置は、上記実施形態に限定されず、種々の実施形態とすることができる。以下、図6から図11を用いて、他の実施形態について説明する。 Here, the hydrogen concentration measuring device is not limited to the above-described embodiment, and can be various embodiments. Hereinafter, another embodiment will be described with reference to FIGS.
[実施形態2]
図6は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図7は、図6に示す水素濃度計測装置のC−C線断面図である。水素濃度計測装置10aは、受光ユニット24aの受光部を配管6の外に設け、受光した光を光ファイバで案内する点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置10と同様である。そこで、水素濃度計測装置10と同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置10aに特有の点について説明する。図6及び図7に示す水素濃度計測装置10aは、計測セルユニット20と、発光ユニット22と、受光ユニット24aと、を有する。
[Embodiment 2]
FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of another embodiment of the hydrogen concentration measuring apparatus. FIG. 7 is a cross-sectional view of the hydrogen concentration measurement apparatus shown in FIG. The hydrogen
受光ユニット24aは、光ファイバ90a、90bと、ファイバ支持部92a、92bと、受光部94と、を有する。受光ユニット24aは、光ファイバ90aとファイバ支持部92aと受光部94との組み合わせが第1受光部となり、光ファイバ90bとファイバ支持部92bと受光部94との組み合わせが第2受光部となる。光ファイバ90aは、一方の端部が第1セル30の第1入光部61aの光ファイバ62aが配置されている面と対面する面に配置され、他方の面が受光部94に連結されている。ファイバ支持部92aは、第1セル30に固定されており、光ファイバ92aの端部を第1セル30の所定位置に固定している。光ファイバ90bは、一方の端部が第2セル32の第2入光部61bの光ファイバ62bが配置されている面と対面する面に配置され、他方の面が受光部94に連結されている。ファイバ支持部92bは、第2セル32に固定されており、光ファイバ90bの端部を第2セル32の所定位置に固定している。
The
受光部94は、配管6の外側に配置され、光ファイバ90a、90bで案内されたレーザ光を受光し、レーザ光の強度を検出する。受光部94は、レーザ光の強度の信号を制御装置26aに出力する。受光ユニット24は、受光部94が配管6の外に設置されており、光ファイバ90a、90bは、それぞれシール機構80が設けられた配管6の穴に挿入されている。
The
このように、水素濃度計測装置10aは、受光部94を配管6の外に配置し、受光した光を光ファイバ90a、90bで案内することで、計測対象空間8内に配置する計測セルユニット20の近傍の装置構成を小型化することができる。これにより、計測対象空間8の内部により配置しやすくなる。
Thus, the hydrogen
[実施形態3]
図8は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。水素濃度計測装置10bは、受光ユニット24bで検出した受信信号を無線通信で出力する点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置10と同様である。そこで、水素濃度計測装置10と同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置10bに特有の点について説明する。図8に示す水素濃度計測装置10bは、計測セルユニット20と、発光ユニット22と、受光ユニット24bと、を有する。
[Embodiment 3]
FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of another embodiment of the hydrogen concentration measuring apparatus. The hydrogen
受光ユニット24bは、第1受光部70と、第2受光部72と、信号発信装置110と、信号受信装置114と、を有する。信号発信装置110は、第1受光部70と第2受光部72に隣接して配置され、第1受光部70と第2受光部72で検出した信号を無線通信で発信する。信号受信装置114は、配管6の外側に配置され、信号発信装置110から出力された無線信号を受信する。信号受信装置114は、受信したレーザ光の強度の信号を制御装置26bに出力する。
The
水素濃度計測装置10bは、第1受光部70、第2受光部72で受光したレーザ光の強度の信号を無線通信で出力することで、配線を用いずに受光したレーザ光の強度の信号を制御装置26bに出力することができる。これにより、配管8に設ける穴を少なくすることで、配管8に設けるシール機構80を少なくすることができる。また、シール機構80を少なくすることで、水素を含有している可能性のある流通ガスが流出する恐れを低減することができる。また、水素濃度計測装置10bを設けるための安全装置を少なくすることができる。
The hydrogen
[実施形態4]
図9は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。水素濃度計測装置10cは、計測セルユニット20を複数設け、計測セルユニット20に合わせて発光ユニット22cと受光ユニット24cを設けた点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置10bと同様である。そこで、水素濃度計測装置10bと同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置10cに特有の点について説明する。図9に示す水素濃度計測装置10cは、複数の計測セルユニット20と、複数の発光ユニット22cと、受光ユニット24bと、を有する。水素濃度計測装置10cは、制御装置26cと、光源130と、信号受信装置140とを複数の発光ユニット22cと複数の受光ユニット24bに対して共通する装置として設けている。
[Embodiment 4]
FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of another embodiment of the hydrogen concentration measuring apparatus. The hydrogen
発光ユニット22cは、光源130と、光ファイバ132と、分岐部134と、光ファイバ62a、62bと、ファイバ支持部64a、64bとを有する。光源130と、光ファイバ132と、分岐部134と、は、複数の発光ユニット22cに共通である。光ファイバ62a、62bと、ファイバ支持部64a、64bは、発光ユニット22cの各部と同様である。
The
光ファイバ132は、光源130から出力されたレーザ光を分岐部134に導く。ここで、発光ユニット22cは、光源130が配管6の外に配置され、分岐部134が配管6の中に配置されている。光ファイバ132は、配管6に挿入され、挿入部分がシール機構でシールされている。分岐部134は、光ファイバ132及び複数の発光ユニット22cの光ファイバ62a、62bが接続されている。分岐部134は、光ファイバ132から出力されたレーザ光を光ファイバ62a、62bのそれぞれに分岐して出力する。
The
水素濃度計測装置10cは、複数の計測セルユニット20を設けることで、計測対象空間8の複数個所の水素濃度を同時に計測することができる。また、分岐部134を配管6の中に設けることで、配管6に挿入する光ファイバの数を少なくすることができる。これにより、装置をより安全にすることができ、設置しやすくすることができる。
The hydrogen
[実施形態5]
図10は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。水素濃度計測装置10dは、発光ユニット22dのレーザ光を発光する装置を計測セルユニット20に設けた点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置10bと同様である。そこで、水素濃度計測装置10bと同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置10dに特有の点について説明する。図10に示す水素濃度計測装置10dは、計測セルユニット20と、発光ユニット22dと、受光ユニット24bと、を有する。
[Embodiment 5]
FIG. 10 is a schematic diagram showing a schematic configuration of another embodiment of the hydrogen concentration measuring apparatus. The hydrogen concentration measurement device 10d is basically the same as the hydrogen
発光ユニット22dは、第1発光部152と、第2発光部154と、発光部制御装置156と、を有する。第1発光部152は、第1セル30に固定されており、第1セル30にH2Oの測定に用いるレーザ光を出力する。第2発光部154は、第2セル32に設けられており、第2セル32にH2Oの測定に用いるレーザ光を出力する。なお、第1発光部152、第2発光部154は、電源を備えており、電源に充電されている電力で駆動される。発光部制御装置156は、第1発光部152と第2発光部154と無線通信を行い、第1発光部152と第2発光部154の動作を制御する。発光部制御装置156は、第1発光部152と第2発光部154から第1セル30、第2セル32に出力するレーザ光の強度の情報を制御装置26dに出力する。
The
水素濃度計測装置10dは、レーザ光を出力する装置を計測セルユニット20に一体に設けることで、計測セルユニット20の周囲の機構と制御装置26dとを切り離すことができる。これにより、計測セルユニット20を設置する際に、配管6に穴を開ける必要が無くなり、より安全に設置することが可能となる。
The hydrogen concentration measurement device 10d can separate the mechanism around the
[実施形態6]
図11は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。水素濃度計測装置10eは、発光ユニット22eのレーザ光を発光する装置を2つのセルに対して1つの装置とした点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置10dと同様である。そこで、水素濃度計測装置10dと同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置10eに特有の点について説明する。図11に示す水素濃度計測装置10eは、計測セルユニット20と、発光ユニット22eと、受光ユニット24bと、を有する。
[Embodiment 6]
FIG. 11 is a schematic diagram showing a schematic configuration of another embodiment of the hydrogen concentration measuring apparatus. The hydrogen
発光ユニット22eは、光源170と、光分配器172と、発光部制御装置174と、を有する。光源170は、光分配器172とともに計測セルユニット20に固定されている。光源170は、H2Oの測定に用いるレーザ光を出力する。なお、光源170は、電源を備えており、電源に充電されている電力で駆動される。光分配器172は、第1セル30と第2セル32に固定されており、光源170から出力されたH2Oの測定に用いるレーザ光を第1セル30と第2セル32のそれぞれに入射させる。発光部制御装置174は、光源170と無線通信を行い、光源170の動作を制御する。発光部制御装置174は、光源179から第1セル30、第2セル32に出力するレーザ光の強度の情報を制御装置26eに出力する。
The
水素濃度計測装置10eは、レーザ光を出力する装置を計測セルユニット20に一体に設けることで、計測セルユニット20の周囲の機構と制御装置26eとを切り離すことができる。これにより、計測セルユニット20を設置する際に、配管6に穴を開ける必要が無くなり、より安全に設置することが可能となる。また、レーザ光を出力する光源を共通化することで、装置をより簡略化することができる。
The hydrogen
ここで、本発明は上記実施形態にも限定されず、種々の形態とすることができる。例えば、各実施形態を組み合わせてもよい。 Here, the present invention is not limited to the above embodiment, and various forms can be adopted. For example, you may combine each embodiment.
6 配管
8 計測対象空間
10 水素濃度計測装置
20 計測セルユニット
22 発光ユニット
24 受光ユニット
26 制御装置
30 第1セル
32 第2セル
34、36 箱
38 触媒メッシュ
40 非触媒メッシュ
52、54、56、58 開口
60 光源
61a 第1入光部
61b 第2入光部
62a、62b 光ファイバ
64a、64b ファイバ支持部
70 第1受光部
72 第2受光部
80 シール機構
6 piping 8
Claims (8)
少なくとも1面に配置され、ガスが通過可能で通過するガスに含まれる水素をH2Oに変換する触媒を通過して前記計測対象空間のガスが流入する第1セルと、前記第1セルに隣接して配置され、前記計測対象空間のガスが流入する第2セルと、を有し、前記計測対象空間に配置された計測セルユニットと、
前記第1セルを流通するガスに含まれるH2Oの濃度である第1計測値と、前記第2セルを流通するガスに含まれるH2Oの濃度である第2計測値とを計測する計測手段と、を有し、
前記計測手段は、
H2Oの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を前記第1セル及び前記第2セルに入射させる発光ユニットと、
前記発光ユニットから入射され、前記第1セルと前記第2セルを通過したそれぞれのレーザ光を受光する受光ユニットと、
前記発光ユニットから前記第1セルに出力したレーザ光の強度と、前記受光ユニットで受光した前記第1セルを通過したレーザ光の強度とに基づいて、前記第1計測値を算出し、前記発光ユニットから前記第2セルに出力したレーザ光の強度と、前記受光ユニットで受光した前記第2セルを通過したレーザ光の強度とに基づいて、前記第2計測値を算出する制御装置と、を有することを特徴とする水素濃度計測装置。 A hydrogen concentration measuring device that measures the concentration of hydrogen in a measurement target space,
A first cell that is disposed on at least one surface and through which a gas that can pass through and converts hydrogen contained in the passing gas into H 2 O passes through the catalyst; A measurement cell unit arranged adjacent to the second cell into which the gas in the measurement target space flows, and arranged in the measurement target space;
A first measurement value that is a concentration of H 2 O contained in a gas flowing through the first cell and a second measurement value that is a concentration of H 2 O contained in a gas flowing through the second cell are measured. Measuring means,
The measuring means includes
A light emitting unit that includes an absorption wavelength of H 2 O and makes laser light in a near-infrared wavelength region incident on the first cell and the second cell;
A light receiving unit that receives each laser beam incident from the light emitting unit and passed through the first cell and the second cell;
Based on the intensity of the laser light output from the light emitting unit to the first cell and the intensity of the laser light received by the light receiving unit and passing through the first cell, the first measurement value is calculated, and the light emission A control device for calculating the second measurement value based on the intensity of the laser light output from the unit to the second cell and the intensity of the laser light received by the light receiving unit and passed through the second cell; A hydrogen concentration measuring apparatus comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2017166978A (en) * | 2016-03-16 | 2017-09-21 | 株式会社島津製作所 | Flow cell and gas analyzer having flow cell |
-
2014
- 2014-01-20 JP JP2014008027A patent/JP2015137870A/en active Pending
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