JP2015175773A - ガス濃度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固形物中のガス濃度を計測する。【解決手段】固形物５０中における計測対象ガスの濃度計測を行うパス毎に設けられ、当該計測対象ガスの吸収線を有する波長帯の光を発光する光源１と、パス毎に設けられ、固形物５０中において、対応する光源１により発光された光を伝搬する伝搬路を確保し、かつ計測対象ガスが通気可能な中空伝送路２と、パス毎に設けられ、対応する中空伝送路２を通過した光を受光する受光器３と、受光器３による受光量に基づいて、計測対象ガスの濃度を計測するガス濃度計測器４とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、固形物から発生するガスの濃度を計測するガス濃度計測装置に関するものである。

固定物から発生するガスの濃度計測に関し、従来から、高精度に計測する手法が提案されている（例えば特許文献１，２参照）。この従来技術としては、例えば、吸引型のレーザ吸収分光装置がある。これは、測定空間中からフィルタを介して空気を吸引し、閉鎖空間にてガス濃度を計測する手法である。また、対象物の反射光を利用した差分吸収レーザレーダもある。

特開平９−３２９５４６号公報 特開２００９−１７４９２０号公報

ここで、前者の測定法では、測定空間中からフィルタを介して空気を吸引し、閉鎖空間にてガス濃度を計測する。そのため、測定空間中のガス濃度の分布を把握することができないという課題がある。
また、後者の測定法では、レーザ光の伝搬パス中に固形物等の障害物があると、その固形物からの反射光を受光して固形物までのパス中のガス濃度を計測することとなる。そのため、そのパス中にガスが発生しない限り、ガス濃度を高精度にかつ安定に計測することが困難であるという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、固形物中に光を伝搬させることで、固形物中のガス濃度を計測することができるガス濃度計測装置を提供することを目的としている。

この発明に係るガス濃度計測装置は、固形物中において計測対象ガスの濃度を計測するパス毎に設けられ、当該計測対象ガスの吸収波長及び非吸収波長を含む波長帯の光を発光する光源と、パス毎に設けられ、固形物中において対応する光源により発光された光を伝搬する伝搬路を確保し、かつ計測対象ガスを当該伝搬路に通気可能な中空伝送路と、パス毎に設けられ、対応する中空伝送路を通過した光を受光する受光器と、受光器による受光量に基づいて、計測対象ガスの濃度を計測するガス濃度計測器とを備えたものである。

また、この発明に係るガス濃度計測装置は、計測対象ガスの吸収波長及び非吸収波長を含む波長帯の光を発光する単一の光源と、固形物中において計測対象ガスの濃度を計測するパス毎に設けられ、当該固形物中において光源により発光された光を伝搬する伝搬路を確保し、かつ当該計測対象ガスを当該伝搬路に通気可能な中空伝送路と、光源とともにまとめて配置され、中空伝送路を通過した光を受光する単一の受光器と、光源により発光された光の伝搬先であるパスを選択する光スイッチと、受光器による受光量に基づいて、計測対象ガスの濃度を計測するガス濃度計測器とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、固形物中に光を伝搬させることで、固形物中のガス濃度を計測することができる。

この発明の実施の形態１に係るガス濃度計測装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における中空伝送路の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るガス濃度計測装置の動作を示す図であり、（ａ）固形物中における伝搬パスの配置及びガス発生箇所を示す図であり、（ｂ）各レイヤでのガス濃度の高い領域を示す図であり、（ｃ）各レイヤでのガス濃度を示すイメージ図である。 この発明の実施の形態１における光源及び受光器の配置例を示す図である。 この発明の実施の形態１における伝搬パスの配置例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るガス濃度計測装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るガス濃度計測装置の構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るガス濃度計測装置の構成を示す図である。
ガス濃度計測装置は、固形物（積載物）５０中において当該固形物５０から発生した計測対象のガス（計測対象ガス）の濃度計測を行うものである。このガス濃度計測装置は、図１に示すように、光源１、中空伝送路２、受光器３、ガス濃度計測器４及びガス濃度分布計測器５から構成されている。なお、光源１、中空伝送路２及び受光器３は、固形物５０中における計測対象ガスの濃度計測を行うためのパス（光の伝搬パス）毎に設けられている。

光源１は、計測対象ガスの吸収波長及び非吸収波長を含む波長帯の光を発光するものである。この光源１は、上記光を発光する発光部と、発光部により発光された光を整形するためのレンズ及びミラー等の光学系とから構成されている。この光源１により発光された光は対応する中空伝送路２に出力される。

中空伝送路２は、固形物５０中において対応する光源１により発光された光を伝搬する伝搬路を確保し、かつ計測対象ガスを当該伝搬路に通気可能とするものである。この中空伝送路２は、例えば図２（ａ）に示すように、側面に、固形物５０は遮断して計測対象ガスのみを通気可能とする穴２１を複数設けたパイプ２２により構成される。この中空伝送路２を通過した光は対応する受光器３に出力される。

受光器３は、対応する中空伝送路２を通過した光を受光し、受光量に応じた電気信号に変換するものである。この受光器３により受光されて変換された電気信号はガス濃度計測器４に出力される。

ガス濃度計測器４は、受光器３からの電気信号（受光量）に基づいて、該当する伝搬パスにおける計測対象ガスの濃度を計測するものである。ここで、ガス濃度計測器４は、受光器３により受光された光のうち計測対象ガスの吸収波長と非吸収波長との強度比からガス濃度を導出する。このガス濃度計測器４により計測された各伝搬パスにおける計測対象ガスの濃度を示す信号はガス濃度分布計測器５に出力される。

ガス濃度分布計測器５は、ガス濃度計測器４による計測結果に基づいて、固形物５０中における計測対象ガスの濃度分布（濃度が高い領域）を算出し、計測対象ガスの発生箇所を推定するものである。
なお、ガス濃度計測器４及びガス濃度分布計測器５は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。

次に、上記のように構成されたガス濃度計測装置の動作について、図３を参照しながら説明する。なお以下では、図３（ａ）に示すように、固形物５０中において、水平方向に網目状となるように伝搬パスを配置し、それを複数段（図では第一〜三のレイヤ）配置した場合について示す。

ガス濃度計測装置の動作では、光源１は、計測対象ガスの吸収波長及び非吸収波長を含む波長帯の光を発光する（ステップＳＴ１）。ここで、光源１としては、計測対象ガスの吸収波長と非吸収波長の２つの波長のレーザ光をそれぞれ発光する２つの光源を用いてもよいし、吸収波長と非吸収波長を掃引するレーザ光を発光する１つの光源を用いてもよい。
また、光源１として、レーザ光源、発光ダイオード又はランプ等を用い、吸収波長と非吸収波長の波長領域を含む広帯域の光を発光するようにしてもよい。広帯域の光を用いる場合には、受光器３として波長弁別機能を有するものを用いる。

なお、吸収波長と非吸収波長の２つの波長にて発光を行う場合、吸収波長に関しては、基準ガスを用いて吸収波長に同調させる波長ロックを行う。また、波長を掃引する場合又は広帯域の光源を用いる場合には、濃度が既知である基準ガスを用いて計測対象ガスの吸収スペクトル形状を予め保存しておき、測定を行った際の吸収スペクトルとの比較を行う。

この光源１により発光された光は対応する中空伝送路２に出力される。そして、上記光は、中空伝送路２を通過して対応する受光器３に出力される。

次いで、受光器３は、対応する中空伝送路２を通過した光を受光し、受光量に応じた電気信号に変換する（ステップＳＴ２）。ここで、伝搬パス中に計測対象ガスがない場合には、計測対象ガスの吸収波長の光に対する吸収量は小さいため、非吸収波長の光との強度比は、発光した際の強度比と同等の値となる。一方、伝搬パス中に計測対象ガスがある場合には、中空伝送路２中にも当該ガスが充満するため、当該ガスの吸収波長の光が吸収され、非吸収波長の光との強度比は、発光した際の強度比と比べて小さくなる。
この受光器３により受光されて変換された電気信号はガス濃度計測器４に出力される。

次いで、ガス濃度計測器４は、受光器３からの電気信号（受光量）に基づいて、該当する伝搬パスにおける計測対象ガスの濃度を計測する（ステップＳＴ３）。ここで、ガス濃度計測器４は、受光器３により受光された光のうち計測対象ガスの吸収波長と非吸収波長との強度比からガス濃度を導出する。このガス濃度計測器４により計測された各伝搬パスにおける計測対象ガスの濃度を示す信号はガス濃度分布計測器５に出力される。

次いで、ガス濃度分布計測器５は、ガス濃度計測器４による計測結果に基づいて、固形物５０中における計測対象ガスの濃度分布（濃度が高い領域）を算出し、計測対象ガスの発生箇所を推定する（ステップＳＴ４）。図３の例では、固形物５０中における計測対象ガスの濃度が高い領域を算出すると図３（ｂ）のようになり、その濃度は図３（ｃ）のようになる。なお図３（ｃ）では、ブロック内の斜線が密になるについて濃度が濃くなることを表している。そして、この結果から、最もガス濃度の高い箇所である第一レイヤの左下部分が計測対象ガスの発生箇所であると推定することができる。

なお上記では、中空伝送路２として、図２（ａ）に示すように、側面に複数の穴２１が設けられたパイプ２２を用いた場合について示した。しかしながら、これに限るものではない。例えば図２（ｂ）に示すように、固形物５０が上部から落下してきた場合での耐性を高くするための三角状の屋根２３を有し、網目状又は穴の開いた底面２４を有する部材を用いてもよい。ここで、網目状の底面２４を用いた場合には、中空伝送路２中に埃が溜まり難くなるというメリットがある。

また図１では、伝搬パスについて、図４（ａ）に示すように、中空伝送路２の一端に光源１を設置し、他端に受光器３を設置して片パスで光の伝搬を行う場合について示した。
しかしながら、これに限るものではない。例えば図４（ｂ）に示すように、光源１及び受光器３を中空伝送路２の一端に設置し、他端にミラー又はプリズム等の光を反射させる反射部材６を設置して往復パスで光の伝搬を行うように構成してもよい。この場合、光が伝搬する光路長は片パスの場合の２倍となり、微量ガスに対しても十分な吸収量を確保することができ、高精度に計測することができる。

さらに、光源１、受光器３及び上記反射部材６を中空伝送路２の一端に設置し、他端に上記反射部材６を設置して複数回の往復パスで光の伝搬を行うように構成してもよい。これにより、さらに光路長が長くなり、微量ガスに対しても十分な吸収量を確保でき、高精度に計測することができる。

また図３では、図５（ａ）に示すように、伝搬パスを水平方向に配置した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、図５（ｂ）に示すように伝搬パスを上下方向に配置するようにしてもよいし、上下方向と水平方向を組み合せてもよい。また、伝搬パスの間隔を密にすることで、ガス濃度分布のメッシュサイズを高分解能にするように構成してもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、伝搬パスを確保する中空伝送路２を用いて固形物５０中に光を伝搬させてガス濃度を計測するように構成したので、固形物５０から発生した計測対象ガスを固形物５０中で計測することができる。また、これまで困難であった固形物５０中のガスの発生箇所を推定することができる。

なお、本発明を屋内で使用する場合には、固形物５０は例えば石炭や小豆等である。この場合、中空伝送路２は、屋内のサイズに合わせて伸縮させることで設置可能であり、屋内の計測対象ガスの濃度をムラなく計測することができる。
また、本発明を屋外で使用する場合には、固形物５０は例えば石炭や木片、石、ゴミ等である。この場合、従来では固形物５０中で発生した計測対象ガスが風で流されて計測困難であった事例に対しても、固形物５０内でガス濃度を計測することが可能であるため、有効な手段となる。

また、計測対象ガスが可燃性ガスや助燃性ガスである場合、図６に示すような構成にてガス濃度分布計測器５で推定したガス発生箇所に対して、その位置情報を放水機７が受け取り、集中的に放水する等して発火防止対策を施すことで、当該可燃性ガスの発生による発火を防止することができる。例えば、助燃性ガスの場合は発火しないよう温度を下げる必要がある。したがって、助燃性ガスの濃度が高くなった場合、ガス濃度をリアルタイムにモニタしながら発火温度に達しないよう、濃度が高い部分のみに放水する。このとき、放水路は、中空伝送路２に沿って設置されている構成でもよいし、外部より放水パイプを挿入する構成でもよい。

また、ガス濃度計測法に関して、実施の形態１ではガスの吸収スペクトルの線強度から濃度を算出する方法について説明したが、ガスのラマン散乱光を受光し、そのラマン散乱強度から濃度を算出する手法でもよい。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２に係るガス濃度計測装置の構成を示す図である。この図７に示す実施の形態２に係るガス濃度計測装置は、図１に示す実施の形態１に係るガス濃度計測装置の光源１及び受光器３を単一にして一箇所にまとめて配置し、光スイッチ８、光送信部９及び光受信部１０を追加したものである。なお、光送信部９及び光受信部１０は伝搬パス毎に設けられている。また、光源１と光スイッチ８との間、光スイッチ８と光送信部９との間、光受信部１０と光スイッチ８との間、光スイッチ８と受光器３との間は、それぞれ光導波路１１により接続されている。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

光スイッチ８は、光源１により発光された光の伝搬先である伝搬パスを選択するものである。そして、光源１により発光された光は、光スイッチ８により選択された伝搬パスに対応する光送信部９に出力される。

光送信部９は、光源１からの光を整形して中空伝送路２に出力するものである。この光送信部９は、光を整形するためのレンズ及びミラー等の光学系から構成されている。なお、光送信部９にて光の整形を行うため、光源１には上記光学系は不要である。

光受信部１０は、中空伝送路２を通過した光を受信し、光スイッチ８を介して受光器３に出力するものである。この光受信部１０は、光を整形するためのレンズ及びミラー等の光学系から構成されている。

このように、光源１及び受光器３を単一にして一箇所にまとめて配置し、光スイッチ８により伝搬パスを切替えることで、消耗品であるアクティブ部品を一箇所にまとめて配置することができ、メンテナンス性を向上することができる。

なお上記では、光送信部９、中空伝送路２及び光受信部１０で構成される光の伝搬パスについて、図７に示すように、中空伝送路２の一端に光送信部９を設置し、他端に光受信部１０を設置して片パスで光の伝搬を行う場合について示した。しかしながら、これに限るものではない。例えば、光送信部９及び光受信部１０を中空伝送路２の一端に設置し、他端にミラー又はプリズム等の光を反射させる反射部材６を設置して往復パスで光の伝搬を行うように構成してもよい。この場合、光が伝搬する光路長は片パスの場合の２倍となり、微量ガスに対しても十分な吸収量を確保でき、高精度に計測することができる。

さらに、光送信部９、光受信部１０及び上記反射部材６を中空伝送路２の一端に設置し、他端に上記反射部材６を設置して複数回の往復パスで光の伝搬を行うように構成してもよい。これにより、さらに光路長が長くなり、微量ガスに対しても十分な吸収量を確保でき、高精度に計測することができる。

また、光送信部９、中空伝送路２及び光受信部１０で構成される光の伝搬パスは、実施の形態１と同様に、水平方向に配置してもよいし、上下方向に配置してもよいし、上下方向と水平方向を組み合わせてもよい。また、伝搬パスの間隔を密にすることで、ガス濃度分布のメッシュサイズを高分解能にするように構成してもよい。

以上のように、この実施の形態２によれば、光源１及び受光器３を単一にして一箇所にまとめて配置し、光スイッチ８により伝搬パスを切替えるように構成したので、実施の形態１における効果に加え、消耗品であるアクティブ部品を一箇所にまとめて配置することができ、メンテナンス性を向上することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 光源、２ 中空伝送路、３ 受光器、４ ガス濃度計測器、５ ガス濃度分布計測器、６ 反射部材、７ 放水機、８ 光スイッチ、９ 光送信部、１０ 光受信部、１１ 光導波路、２１ 穴、２２ パイプ、２３ 屋根、２４ 底面、５０ 固形物。

Claims (8)

1. 固形物中において計測対象ガスの濃度を計測するパス毎に設けられ、当該計測対象ガスの吸収波長及び非吸収波長を含む波長帯の光を発光する光源と、
   前記パス毎に設けられ、前記固形物中において対応する前記光源により発光された光を伝搬する伝搬路を確保し、かつ前記計測対象ガスを当該伝搬路に通気可能な中空伝送路と、
   前記パス毎に設けられ、対応する前記中空伝送路を通過した光を受光する受光器と、
   前記受光器による受光量に基づいて、前記計測対象ガスの濃度を計測するガス濃度計測器と
   を備えたガス濃度計測装置。
2. 計測対象ガスの吸収波長及び非吸収波長を含む波長帯の光を発光する単一の光源と、
   固形物中において前記計測対象ガスの濃度を計測するパス毎に設けられ、当該固形物中において前記光源により発光された光を伝搬する伝搬路を確保し、かつ当該計測対象ガスを当該伝搬路に通気可能な中空伝送路と、
   前記光源とともにまとめて配置され、前記中空伝送路を通過した光を受光する単一の受光器と、
   前記光源により発光された光の伝搬先である前記パスを選択する光スイッチと、
   前記受光器による受光量に基づいて、前記計測対象ガスの濃度を計測するガス濃度計測器と
   を備えたガス濃度計測装置。
3. 前記中空伝送路の側壁には、前記計測対象ガスを通気可能な穴が設けられた
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガス濃度計測装置。
4. 前記光源は、前記中空伝送路の一端に配置され、
   前記受光器は、前記中空伝送路の他端に配置された
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガス濃度計測装置。
5. 前記光源及び前記受光器は、前記中空伝送路の一端に配置され、
   前記中空伝送路の他端に配置され、当該中空伝送路を通過した光を当該中空伝送路に反射する反射部材を備えた
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガス濃度計測装置。
6. 前記ガス濃度計測器は、前記受光器により受光された光のうち前記計測対象ガスの吸収波長と非吸収波長との強度比から、当該計測対象ガスの濃度を導出する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガス濃度計測装置。
7. 前記ガス濃度計測器による計測結果に基づいて、固形物中における前記計測対象ガスの濃度分布を算出し、当該計測対象ガスの発生箇所を推定するガス濃度分布計測器を備えた
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガス濃度計測装置。
8. 前記ガス濃度分布計測器により推定された前記計測対象ガスの発生箇所に対して、放水を施す放水機を備えた
   ことを特徴とする請求項７記載のガス濃度計測装置。

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