JP2019505001A - 光干渉性ガス不純物の量を定量化する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】汎用ガスを沼気ガスと区別するために、汎用ガス設備の近傍でサンプリングされたガス中の不純物ガス含有量を分析する高速な方法を提供する。
【解決手段】試料ガス入口１２、基準ガス入口１４、ガス変調バルブ１６、および赤外線吸収式ガス検出器２４を備えるガス検出システムにおいて光干渉性ガス不純物の量を定量化する方法は、ガス変調バルブ１６が、試料ガス期間では試料ガス入口１２を、基準ガス期間では基準ガス入口１４を、ガス検出器２４に交互に接続し、れ異なる試料ガス期間対基準ガス期間比率で得られる少なくとも２つの相異なる試料ガス濃度について、赤外線吸収を測定し、相異なる測定信号の振幅を、メタン又は天然ガス中の干渉性ガス不純物の量を様々に異ならせた場合の信号振幅対ガス濃度を表す較正関数と比較し、サンプリングされたガス中の実際のガス不純物濃度を決定する。
【選択図】図５
【解決手段】試料ガス入口１２、基準ガス入口１４、ガス変調バルブ１６、および赤外線吸収式ガス検出器２４を備えるガス検出システムにおいて光干渉性ガス不純物の量を定量化する方法は、ガス変調バルブ１６が、試料ガス期間では試料ガス入口１２を、基準ガス期間では基準ガス入口１４を、ガス検出器２４に交互に接続し、れ異なる試料ガス期間対基準ガス期間比率で得られる少なくとも２つの相異なる試料ガス濃度について、赤外線吸収を測定し、相異なる測定信号の振幅を、メタン又は天然ガス中の干渉性ガス不純物の量を様々に異ならせた場合の信号振幅対ガス濃度を表す較正関数と比較し、サンプリングされたガス中の実際のガス不純物濃度を決定する。
【選択図】図５
Description
本発明は、メタンや天然ガスの分析に用いられる赤外線吸収式ガス検出器、特には非分散形赤外線（ＮＤＩＲ）吸収式検出器を備えるガス検出システムにおいて、光干渉性不純物の量を定量化する方法に関する。結果は、ガス中に存在する不純物が原因となる濃度予測誤差を補償するために利用できる。
世界中で、ガスネットワーク（ガス網）を定期的に検査して未確認のリーク（漏洩）を調べることが規則によって定められている。この理由は主に、ガスが建物や他の密閉空間に蓄積することで生じる火災や爆発から公衆を守るためである。リーク検査は通常、ガスの主成分の一つを検出する検出器を、当該ガスを輸送するパイプ上方の地面上で動かすことによって実行される。
最も一般的な種類のネットワークガス（network gas）は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）であり、これは主にメタンからなり、各種の量の窒素、二酸化炭素、エタン、他種の炭化水素類およびその他の微量の残渣を含有する。以下、メタン以外のガスを、まとめて「不純物」と称する。
第２の種類のネットワークガスは、主にブタンおよびプロパンを含有する、液化石油ガス（ＬＰＧ）である。
第３の種類のガスは、「クリーン」なエネルギー源として近年浮上しつつあるバイオガス（ＢＧ）である。これは未だ極めて限られたレベルでしか普及しておらず、今日の一般的なガスネットワークにはほとんど供給されていない。
以下、パイプラインや容器で供給されるこれら３種類のガスを、「汎用ガス」と称する。
汎用ガス信号が登録された場合、その信号は、検査対象のガス設備と生物学的な分解過程との２種類の主要な発生源から発生し得る。生物学的発生源の例として、埋立廃棄物集積場、分解汚水、最終処分場等が挙げられる。このような発生源から発生するガスは、沼気、土壌ガス、埋立地ガス及び下水ガスを含む様々な名称で知られている。以降、沼気ガス（swamp gas）という用語を、生物由来の可燃性ガス源の共通表現として使用する。沼気ガス信号に基づく不必要な掘削を避けるために、検査対象のパイプからの実際のガスリークと沼気ガスからの信号（indication）とを区別できることが望ましい。
汎用ガスと沼気ガスとを区別するために採用される最も一般的な方法は、ガスの成分の分析を行うことで、エタンガスおよび／またはより重質な炭化水素類（例えば、プロパン、ブタン等）の存在を突き止めることである。大半の天然ガス源が０．５〜８％のエタンを含有するために対し、沼気ガスは有意量のエタンを含有していない。
現在、このような分析をリアルタイムで可能にするような、メタンとエタンとの十分に高い選択性を有するガスセンサは、市場で入手できない。そのため、分析は通常、ガス試料の相異なる成分を、相異なる時間にクロマトグラフカラムを脱出するパルスへと分離するガスクロマトグラフ（ＧＣ）を用いて実行される。相異なる成分同士のこのような時間分離により、非選択性のセンサでも分析が可能となる。
市場には、ガスクロマトグラフィー技術、深冷分離技術または先進光学技術を用いたエタン特化検出器が幾つか存在している。これらの機器の応答時間は、おおよそ数分以上のオーダーである。
汎用ガスパイプの完全性を検査するには、通常、埋設されたパイプ上方の地面に沿って検出器を動かしたときに数ｐｐｍ以下のガス濃度を検出することが可能な、極めて高い感度を有するガス検出器が必要となる。同じ用途では、さらに、１〜１００％領域の極めて高い濃度のガスを定量化することが可能な検出器も必要となる。
このような広範囲の検出を十分な選択性及び精度で達成するには、通常、複数の検出装置、または複数の検出技術の組合せが求められる。
典型的な種類のセンサは、赤外線吸収式ガス検出器である。
赤外線ガス分析計は、ガス試料を通過した赤外線照射光を検出する。通常、赤外線ガス分析計は、赤外線光源、ガス入口及びガス出口を含むキュベットなどの測定部、ならびに赤外線センサを有する。赤外線光源から照射された照射光は、測定部に入射して透過し、その際、測定部内のガス試料を通過する。赤外線センサは、ガス試料を通過した赤外線照射光を受光して検出する。この種の検出器にしばしば使用される典型的な赤外線センサは、非分散形赤外線吸収式検出器（ＮＤＩＲセンサ）である。ＮＤＩＲセンサは赤外線照射光の量を、分析対象のガスを通過した当該照射光の１つ又は複数の波長範囲で測定する。ＮＤＩＲセンサの選択性は、測定対象の各ガス特有の吸収線が収まるような適切な波長範囲を選択することによって決定される。その測定原理は、特定のガス成分が赤外線照射光を吸収するという事実に基づいている。このような吸収範囲が、赤外線ガス分析計によって検出される。
赤外線センサは、入射した赤外線照射光エネルギーの変化の大きさを電気的な信号に変換する。一部の赤外線センサはピエゾ材料を利用するものであり、焦電センサとして知られている。ピエゾ材料は入射した照射光を吸収して温度シフトを引き起こし、この温度シフトが材料内に一時的な電気ポテンシャルを生じて、この電気ポテンシャルが入射した照射光の強度変化の測定値として利用できる。
ガス試料中の１００万分の１単位（ｐｐｍ）範囲での低い標的ガス濃度の検出には、長い光路（すなわち、赤外線照射光がガス中の分子と相互作用できる長い経路）が必要となる。手頃な価格帯の照射光源、光学フィルタおよび赤外線照射光検出器を用いた場合、メタンに関して１〜１０ｐｐｍの感度を実現するための所定の光路長は、おおよそ５０〜１５０ｍｍとなる。通常、光路の長さが１５０ｍｍを超えると、ガスを運び且つ赤外線ガス検出器のキュベットを形成するガス管内での反射損失が原因となって、性能がそれ以上向上しない。
ガス検出器で「長い光路」を採用する理由は、清浄な空気と低濃度試料との間の信号の差を、系におけるノイズよりも顕著に大きくするためである。ノイズ源は主に検出器側にあり、これには、検出器自体およびと信号を増幅したり、処理可能なデジタル信号又はアナログ信号に変換したりするために用いられる回路が含まれる。
ガスの吸光は、ベールの法則に従い、これは、（非発散光であると仮定して）光路を伝わる光の強度に関して下記のように記述できる：
（式中、Ｉは長さＬのガス試料を通過した後の光の強度であり、Ｉ０はガス試料の光路に入射する光の強度であり、εは（ガスの種類に応じた）モル吸光係数であり、Ｌは光路の長さであり、ｃは光を吸収するガスの濃度である。）
これは、所定の長さΔｘにつき、信号が一定の相対的減衰を生じることを意味する。式に見られるように、差感度は濃度および光路の長さが増えるにつれて低下する。光路は、低ｐｐｍ感度に関して最適化されるように長く設定する必要がある。そのため、標的ガスの例えば９０％と９５％との違いを判断することが極めて困難になる。
このような「飽和」現象が発生するほどに長い光路のことを「長い光路」と称する。空気中の含有量を測定する際は、このような光路のことを「分厚い雰囲気」と称する。
この挙動の別の結果として、メタンに特定の不純物が低濃度で含まれている場合に、天然ガスが極めて過多に見積もられる可能性がある。これは、天然ガス中に通常見受けられるエタンや他種の炭化水素類により引き起こされる。以下、この作用を引き起こす不純物を、干渉性不純物又は光干渉性不純物と称する。
メタン以外の各種炭化水素類は、メタンと少し異なる波長の赤外線照射光を吸収する。残念ながら、これらの吸収ピークまたは帯域（ｂｒａｎｄ）は多少なりともオーバーラップし、特定の炭化水素分子に完全に特化した波長を選択的に除去することのできる手頃な価格帯の光学フィルタを製作することは、これまで不可能であった。図１に、メタンの検出にしばしば使われる３．３μｍ〜３．４μｍ領域での、メタン及びエタンの吸収のオーバーラップを描いた簡略化グラフを示す。
図１のハッチング部分は光学フィルタの帯域幅を表しており、光路での吸光は、フィルタ幅の帯域幅内のメタン線及びエタン線の積分面積の関数となる。
このため、どの濃度においても選択性が非理想的なものになってしまう。ただし、低濃度域であれば、天然ガス混合物の各種成分の吸光は低濃度域では線形に近付くのであまり問題にはならない。
天然ガス中のエタンの典型的な濃度は、０．５％〜８％である。これは、高いガス濃度になると、メタンによる吸光が飽和し得るのに対してエタンは未飽和状態で吸光していることを意味する。
光のうち、メタンピークの波長外となるがバンドパスフィルタ内（この場合、エタン吸収バンド内）である部分は、エタンにより減衰されることになる（したがって、当該フィルタを通過して赤外線センサにより検出されるトータル光パワーも、エタンにより減衰されることになる）。
当然ながら、パイプ内のガス混合物の実際の濃度がわかれば、それを用いて系を較正することが可能であるが、実際には、滅多に実現できない。
ネットワーク内の組成は予期せず変化するため、一定の天然ガス混合物を用いて較正を行うことが実用的でないことは既に実証されている。
ガス試料と環境中の基準試料とのいずれかを光路管（以降、キュベットと称する）内へと周期的に送り込む変調バルブを用いることにより、赤外線検出器の信号／ノイズ比を向上させる方法が知られている。この基準試料は通常、空気、あるいは、分析対象の波長範囲で吸光するガスを全く含まないか又は極めて低濃度しか含まないゼロガスである。
特許文献１には、このようなガス変調バルブおよびそれぞれのガス変調方法が記載されており、同文献の内容は、参照をもって本明細書に取り入れるものとする。特許文献１に記載のガス検出器は、検出対象のガス（標的ガス）が吸い込まれる試料ガス入口、および周囲環境からのガスが基準ガスとして吸い込まれる基準ガス入口を備えてもよい。前記ガス変調バルブが、試料ガス入口と基準ガス入口とを赤外線ガスセンサなどのガスセンサの入口に接続する。この赤外線ガスセンサは、例えば、分析対象のガスの入口及び出口を含むキュベット、赤外線光源、ならびに赤外線検出器を有してもよい。ガス変調バルブからガスセンサ（キュベット）の入口へのガス流路は、ガス変調バルブにより、試料ガス入口と基準ガス入口とに交互に接続される。特許文献１に記載されているように、このガス変調バルブによる試料ガス入口と基準ガス入口との切換えは、周期的頻度（周波数）で周期的に行われることが好ましい。
欧州特許出願第１５１９２１１５．２号にも、基準ガス入口と試料ガス入口との切換えを行うガス変調バルブを用いたガス変調を利用するガス検出方法が記載されており、同文献の内容は、参照をもって本明細書に取り入れるものとする。
特許文献１の主な目的は、サンプリング箇所における標的ガスの濃度と大気中の標的ガスの濃度との差を表す出力信号を提供することにより、ガス検出器を取り囲む大気中の標的ガスの増加したレベルを選別除去又は補償することである。ガス変調を利用することによるその他の成果として、ガス変調が分析対象の実際のパラメータ（すなわち、ガスの濃度）を変調することで、信号対ノイズ比が大きく向上する。この信号は、光強度の絶対値ではなく、ガスを透過した光と基準ガスを透過した光との強度差である。ガス変調周波数（頻度）でこの検出器信号を分析することにより、他の周波数を有する様々なノイズ信号を大きく抑えることができる。
欧州特許出願第１６１５１０３０．０号（当該特許出願の全内容は、参照をもって本明細書に取り入れたものとする）に記載の方法では、ガス変調バルブが試料ガス入口を赤外線吸収式ガス分析計のガス入口に接続する試料ガス期間が、前記ガス変調バルブが基準ガス入口を前記赤外線ガス分析計のガス入口に接続する基準ガス期間よりも短く設定される。基準ガス入口と試料ガス入口とのガス変調バルブの交互の切換えが、ガス変調周波数（頻度）でのガス変調を生じさせる。ガス変調周波数が、赤外線ガス分析計内の（すなわち、当該ガス分析計の測定体積空間（キュベット）内の）試料ガスの量を左右する。試料ガス期間が基準ガス期間よりも短くなるほど、ガス分析計内での試料ガス濃度、したがって、標的ガスの濃度が低くなる。試料ガス期間が基準ガス期間よりも長くなるほど、ガス分析計内での試料ガスの量、したがって、標的ガス量が多くなる。
本発明の一目的は、汎用ガスをエタンなどの沼気ガスと区別するために、汎用ガス設備の近傍でサンプリングされた天然ガス又はメタンリッチなガス中の、エタンなどの不純物ガス含有量を分析する高速の方法を提供することにある。
他の目的は、天然ガスの濃度予測を、サンプリングされたガス中の干渉性不純物の実際のレベルに対して補償する方法を提供することである。
また、天然ガスの濃度予測を、サンプリングされたガス中の各々の干渉性ガス不純物のレベルに関して補償可能であるのが望ましい。
本発明の主題は、独立請求項１および２のそれぞれにより定義される。
請求項１によれば、それぞれ異なる試料ガス期間対基準ガス期間比率で得られ、ガス検出器内での濃度が異なる、少なくとも２つの相異なる試料ガス濃度について、赤外線吸収が測定されて、相異なる測定信号のガス振幅が、サンプリングされたガス（メタン又は天然ガス）中の干渉性ガス不純物の量が異なる場合の信号振幅対ガス濃度を表す較正関数又は較正曲線と比較されることにより、サンプリングされたガス中の実際のガス不純物濃度が決定される。
請求項２によれば、ガス変調バルブが試料ガス入口と基準ガス入口とを切り換えるガス変調周波数（頻度）での第１の測定、および当該ガス変調周波数の少なくとも第１の偶数倍音（first even overtone）での少なくとも第２の測定で得られる、ガス検出器内での少なくとも２つの相異なる試料ガス濃度で、赤外線吸収が測定されて、相異なる測定信号の振幅が、メタン又は天然ガス中の干渉性ガス不純物の量が異なる場合の信号振幅対ガス濃度を表す較正関数（曲線）と比較されることにより、サンプリングされたガス中の実際のガス不純物濃度が決定される。
ガス変調の主な目的は、ガス試料と基準試料とで大きなコントラストを提供することである。したがって、サンプリング周波数（頻度）およびポンプ容量は、変調サイクルの２つのフェーズのそれぞれで前記キュベット内の全てのガスが置き換わるように選択されなければならない。速度およびポンプ容量の最適化のためには、デューティサイクルが５０％であること、すなわち、前記基準ガス期間と前記試料ガス期間とが同じ長さであることが好ましい。
ガス変調を十分に活用するには、信号をガス変調周波数（頻度）で評価するのが望ましい。これは、ｐｐｍレベルの低いガス濃度に関して最適な感度を実現するために必要である。
高濃度域での光飽和現象は、高濃度の予測で十分に高い精度を維持することを困難にする。第２に、光飽和現象は、干渉性不純物からの信号を「増幅」させる。上述のように、ガスの吸光はベールの法則に従うことから、光路が長くなると、高濃度域で飽和作用が観測されるようになる。この効果は、図３に示されている。
図３に見られるように、微分感度は、濃度が増えるにつれて低下する。１００万分の１単位（ｐｐｍ）の感度に関して最適化された光路を用いると、天然ガスの例えば９０％と９５％との違いを判断することが極めて困難になる。本発明は、ガス変調技術を用いてこの問題を軽減する。
ガス変調バルブは、試料ガスを基準ガスと混合（基準ガスで希釈）させて様々な濃度の分析を可能とし、検出器を分析対象の実際のガスに関して較正するために用いられる。これは、独立請求項１に記載されているように、赤外線吸収式検出器のキュベット内の平均試料ガス濃度の、時間的に制御された希釈によって達成できる。あるいは、これは、独立請求項２に記載されているように、信号振幅をガス変調周波数（頻度）の倍音で分析することによって達成できる。いずれの場合においても、測定信号（吸収対時間）の少なくとも２つの点が、複数の相異なる不純物レベル（最も一般的なのは、エタン）についての較正関数又は感度曲線の、予め記録されたセットに対してフィッティングされる必要がある。
独立請求項１に記載される時間的に制御された希釈は、前記キュベットへ試料ガス及び基準ガスを注入するそれぞれの期間の長さを制御することによって達成される。一実施形態において、基本的ステップ（過程）は：
キュベットを基準ガスでパージするステップと；
前記キュベットの所定部分（Ｘ％）に試料ガスを注入するために要する期間のあいだ、変調装置を切り替えることにより、前記キュベットの前記所定部分（Ｘ％）に前記試料ガスを充填するステップと；
Ｘ％平均試料濃度での赤外線吸収信号を記録するステップと；
基準ガスをさらに注入して、前記キュベットの試料ガスが充填された部分をＹ％（Ｙ＜Ｘ）に減少させるステップと；
Ｙ％平均試料濃度での赤外線吸収信号を記録するステップと；
記録された２つの前記信号を適切な伝達関数又は感度曲線に対してフィッティングして、
干渉性不純物濃度を決定するステップと、であってもよい。
キュベットを基準ガスでパージするステップと；
前記キュベットの所定部分（Ｘ％）に試料ガスを注入するために要する期間のあいだ、変調装置を切り替えることにより、前記キュベットの前記所定部分（Ｘ％）に前記試料ガスを充填するステップと；
Ｘ％平均試料濃度での赤外線吸収信号を記録するステップと；
基準ガスをさらに注入して、前記キュベットの試料ガスが充填された部分をＹ％（Ｙ＜Ｘ）に減少させるステップと；
Ｙ％平均試料濃度での赤外線吸収信号を記録するステップと；
記録された２つの前記信号を適切な伝達関数又は感度曲線に対してフィッティングして、
干渉性不純物濃度を決定するステップと、であってもよい。
前記信号を記録するために、ランプ変調周波数（頻度）で赤外線光源のオンとオフとを繰返し切り替えることにより、当該赤外線光源の変調が実現できる。入射光パワーの変化に対してのみ応答する焦電センサが使用できる。好ましくは、ランプ変調周波数は、ガス変調周波数よりも低いものであってもよい。そして、赤外線ガス分析計の測定信号は、前記ランプ変調周波数に合致するか又は前記ランプ変調周波数の整数倍である検出周波数（頻度）で分析できる。また、赤外線ガス分析計の測定信号は同時に、それぞれ前記ランプ変調周波数の整数倍である１つ又は複数の他の周波数でも分析できる。
ガス変調周波数は、ランプ変調周波数の整数倍であることが望ましい。ここで整数倍とは、同一の周波数、２倍の周波数、３倍の周波数、それ以上の倍数の周波数等であってもよい。
独立請求項２に記載の倍音方法は、制御された希釈を必要としない。むしろ、赤外線吸収式ガス検出器のキュベットがガス変調サイクル全体のあいだ２回、例えばポンプ速度を相応に設定すること等によって充填される。これにより、赤外線吸収式ガス検出器内の平均ガス濃度は、図４の実線で描かれているような三角形状に変化する。
ベールの法則によれば、透過光の強度は、ガス濃度が高い場合には、濃度波形から大いに逸脱した形状（図４の一点鎖線）になるのに対し、ガス濃度が低い場合には三角形状の濃度波形（図４の破線）の様になる。なお、これら２種類の濃度の振幅は、分かり易いように同程度に描かれているが、当然ながら、低濃度の信号の振幅は、実際にはより小さい。
したがって、つまり、信号の振幅と形状との両方が、濃度についての情報を保持している。
任意の所定の瞬間での信号の大きさは、キュベット内の、この特定の瞬間における平均濃度に相関している。これにより、同一の試料濃度から、様々な濃度で得られる場合の前記信号についての情報を、リアルタイムで取り出すことが可能となる。
この方法を用いると、幅広い濃度から、前記信号を表す少なくとも２つの較正点又はパラメータを同時に生成することができる。
次に、算出された前記点又はパラメータが、様々なエタン含有量レベルについての伝達関数の、予め記録されたセットに対してフィッティングされる。
これによってエタン含有量を決定することができるので、より正確な天然ガス総濃度予測を達成するように前記信号を補償することも可能となる。
この情報を取り出す方法の一つは、変調周波数（頻度）の振幅や、前記変調周波数（頻度）の１または複数の倍音を分析することである。
特定の機器で必要となる信号対濃度曲線は工場試験又は１年ごとの較正で確立できるか、あるいは、個体間のばらつきが許容範囲内であれば、モデルごとに特化した共通のセットの曲線（場合によっては、単一の既知の較正ミクスチャ）を当該機器の定期的較正に利用することも可能である。この較正は、使用時にサンプリングされたガス中の未知の干渉性不純物濃度に関する較正として解釈されるべきでない。
本発明にかかる方法を実行するには、試料入口が、ガス濃度が適切であり安定していることを検出器が知らせる位置へと動かされるか、又は試料入口が十分に高い濃度中に配置されて、ガス検出器が、ガス変調を用いて必要となる少なくとも２つの濃度測定値を生成し、適切な体積空間分割を行う。検出器が、自動的に信号をサンプリングして結果を適切な較正曲線に対してフィッティングさせることが好ましい。また、検出器は、推定されたエタン濃度を例えば装置の表示部等でユーザに提示することが望ましい。そしてこの手順は試験側に移行するが、妥当なガス濃度が得られた後の数秒しか必要としない。典型的な総時間は１５秒未満である。本発明にかかる方法は、光学バンドパスフィルタを通過した照射光を吸収するどのような微量のコンタミネーション（ガス不純物）にも、すなわち、ガス試料の分析対象吸収波長範囲領域に吸収波長を有するどのようなガス不純物にも適用可能である。
以下では、本発明の一実施形態を、図５を参照しながら説明する。試料ガス入口１２およびは基準ガス入口１４は、それぞれ試料ガス導管１８および基準ガス導管２０を介してガス変調バルブ１６に接続される。ガス変調バルブ１６は試料ガス導管１８と基準ガス導管２０とを交互に、当該ガス変調バルブ１６とガス検出器２４とを連結するガス流路２２に接続する。ガス検出器２４は、吸光キュベット３０を有する非分散形赤外線（ＮＤＩＲ）センサである。ガス流路２２は、ガス変調バルブ１６とガス検出器２４との間に配置された試料真空ポンプ２６を含む。試料ガス入口１２と基準ガス入口１４とは、手持ち式のガスディテクタープローブの一部であってもよい。この概念は、特許文献１、欧州特許出願第１５１９２１３５．０号および欧州特許出願第１５１９２１１５．２号に記載されており、これらの文献の内容は、参照をもって本明細書に取り入れるものとする。
したがって、ガス変調バルブ１６は、基準ガス入口１４からの基準ガス導管２０と試料ガス入口１２からの試料ガス導管１８との切換えを行う。ガス変調バルブ１６は、導管１８及び導管２０のいずれかをガス流路（ガス主導管）２２に接続する。分析対象のガスは、ガス流路２２を通って赤外線ガス検出器２４へと運ばれる。
ガス分析計２４の吸光キュベット３０は、試料ポンプ２６によりポンピングされたガスが当該吸光キュベット３０内へと案内されるときに通る入口２８を含む。このガスは、出口３２を通って当該キュベットを離脱する。赤外線光源３４は、キュベット３０の一方の端部に配置されている。赤外線光源３４は、図示しない光学窓により、前記ガスが通過するキュベット３０の体積空間から隔てられている。キュベット３０の反対側の端部には、光学フィルタ３９および赤外線センサ３６が配置されている。光学フィルタ３９および赤外線センサ３６は、図示しないさらなる光学窓により、ガス試料が通過するキュベット３０の体積空間から隔てられている。これらの光学窓は、Ｓｉ、Ｇｅ又はＣａＦ２からなるものであってもよく、光源３４から発生した赤外線照射光を透過させる。このようにして、これらの窓は、赤外線光源３４、センサ３６および光学フィルタ３９を、キュベット３０内のガス流路から隔てている。
光学フィルタ３９は、前記光学窓を通過して赤外線センサ３６により検出される波長範囲を、例えばメタン等の検出対象のガス（標的ガス）の特性波長に制限するダイクロイックフィルタ又は干渉フィルタであることが好ましい。一般的には、フィルタ３９は赤外線照射光の波長範囲を、前記標的ガスの波長を含むがそれ以外の特徴的ガスの波長を含まない波長範囲に制限するものであることが望ましい。
赤外線光源３４から発生した赤外線照射光は、図示しない前記光学窓を通ってキュベット３０の体積空間内へと放射されて、前記ガス試料を通過してキュベット３０を通り抜けた後、図示しない前記さらなる光学窓及び光学フィルタ３９を通って赤外線センサ３６により受光される。
変形例として、試料真空ポンプ２６がガス分析計２４の下流側に、すなわち、出口３２の後に配置されてもよい。ガス入口１２とガス分析計２４との間のガス主導管２２内にポンプ２６を配置する利点として、サンプリングプローブの可変絞りに起因するキュベット３０内での圧力減少を避けることができる。
ガス変調バルブ１６は、ノイズ低減及び信号増幅のための信号変調を行うために用いられる。したがって、バルブ１６は、実際の対象箇所におけるガスを試料ガス入口１２から、バックグラウンド空気からのガスを基準ガス入口１４から、交互のサイクルで取り込む。感度を向上させ、バックグラウンドノイズを低減するため、ガス分析計２４の出力信号は、変調バルブ１６の切換え周波数（ガス変調周波数）との関連で及び場合によっては位相との関連で分析される。
ガス検出器２４は電気的な検出器信号を生成し、この信号は図示しない評価装置により分析される。ガス検出器２４からの測定信号を評価する前記評価装置とガス変調バルブ１６を制御する制御装置とは、単一のプロセッサを共有する単一の構成品であってもよいし、互いに電気的に接続されてデータを共有及びやり取りし得る別体の構成品であってもよい。
評価装置はセンサ３６からの測定信号を、制御装置により制御できる検出周波数（頻度）で分析及び評価する。検出周波数は、制御装置によりガス変調周波数に応じて制御される。検出周波数は、ガス変調周波数の整数倍（１倍、２倍、３倍…）であることが望ましい。この検出周波数で、評価装置はガス分析を実行するために、センサ３６からの測定信号を取得する。
制御装置は、さらに、赤外線光源３４のオンとオフとを切り替えるランプ変調周波数（頻度）を制御する。検出周波数はランプ変調周波数に合致することが望ましいが、ランプ変調周波数は切換えバルブ１６のガス変調周波数よりも低いことが望ましい。これは、センサ３６からの電気的な測定信号が評価装置によってランプ変調周波数で分析されることを意味する。また、ガス変調周波数は、前ランプ変調周波数の整数倍（１倍、２倍など）である。
本発明によれば、相異なる試料ガス期間対基準ガス期間比率で、赤外線吸収が測定される。第１の測定は、前記キュベット内の試料ガス濃度が高くなる試料ガス期間対基準ガス期間比率で取られる。そして、少なくとも第２の測定が、前記キュベット内の試料ガスの濃度が低くなる、より小さい試料ガス期間対基準ガス期間比率で取られる。これらの相異なる測定信号の振幅が、実際の測定以前に測定されて前記評価装置のメモリに記憶された較正関数と比較される。当該評価装置には、天然ガス、メタンなどのそれぞれの試料ガス中の干渉性ガス不純物の濃度を様々に異ならせた場合の信号振幅対ガス濃度をそれぞれ表す、様々な較正関数が記憶されている。つまり、様々な種類の試料ガスについての較正関数が記憶されている。前記ガス試料中の実際のガス不純物濃度は、前記測定信号の振幅と比較された際に信号振幅に最も近いか又は最も類似している較正関数を選出することによって決定される。選出された当該較正関数のガス不純物濃度が、測定されたガス試料の実際のガス不純物濃度であると見なされる。
１２ 試料ガス入口
１４ 基準ガス入口
１６ ガス変調バルブ
１８ 試料ガス導管
２０ 基準ガス導管
２２ ガス流路
２４ 赤外線吸収式ガス検出器
２６ 真空ポンプ
２８ 入口
３０ 吸光キュベット
３２ 出口
３４ 赤外線光源
３６ 赤外線センサ
３９ 光学フィルタ
１４ 基準ガス入口
１６ ガス変調バルブ
１８ 試料ガス導管
２０ 基準ガス導管
２２ ガス流路
２４ 赤外線吸収式ガス検出器
２６ 真空ポンプ
２８ 入口
３０ 吸光キュベット
３２ 出口
３４ 赤外線光源
３６ 赤外線センサ
３９ 光学フィルタ
Claims (6)
- 試料ガス入口（１２）、基準ガス入口（１４）、ガス変調バルブ（１６）、およびメタン又は天然ガスの分析に用いられる赤外線吸収式ガス検出器（２４）を備えるガス検出システムにおける光干渉性ガス不純物の量を定量化する方法であって、
前記ガス変調バルブ（１６）が、試料ガス期間では前記試料ガス入口（１２）を前記ガス検出器（２４）に、基準ガス期間では前記基準ガス入口（１４）を前記ガス検出器（２４）に、交互に接続する、方法において、
それぞれ異なる試料ガス期間対基準ガス期間比率で取得され、前記ガス検出器（２４）における濃度が異なる、少なくとも２つの相異なる試料ガス濃度について、赤外線吸収を測定し、
相異なる測定信号の振幅を、メタン又は天然ガス中の干渉性ガス不純物の量が異なる場合の信号振幅対ガス濃度を表す較正関数と対比することにより、サンプリングされたガス中の実際のガス不純物濃度を決定することを特徴とする、方法。 - 試料ガス入口、基準ガス入口、ガス変調バルブ（１６）、およびメタン又は天然ガスの分析に用いられる赤外線吸収式ガス検出器（２４）を備えるガス検出システムでの光干渉性ガス不純物の量を定量化する方法であって、
前記ガス変調バルブ（１６）は、前記試料ガス入口（１２）を前記ガス検出器（２４）に、前記基準ガス入口（１４）を前記ガス検出器（２４）に、ガス変調周波数で交互に接続する方法において、
前記ガス変調周波数での第１の測定、および前記ガス変調周波数の少なくとも第１の偶数倍音での少なくとも第２の測定で得られ、前記ガス検出器（２４）内での濃度が異なる、少なくとも２つの相異なる試料ガス濃度について、赤外線吸収を測定し、
相異なる測定信号の振幅を、メタン又は天然ガス中の干渉性ガス不純物の量が異なる場合の信号振幅対ガス濃度を表す較正関数と対比することにより、サンプリングされたガス中の実際のガス不純物濃度を決定することを特徴とする、方法。 - 請求項１または２に記載の方法において、前記赤外線吸収を、３つ以上の相異なる試料ガス濃度で測定して、前記較正関数と比較することにより、前記サンプリングされたガス中の実際のガス不純物濃度を決定する、方法。
- 請求項１から３のいずれか一項に記載の方法において、前記サンプリングされたガスが天然ガスであり、かつ、前記干渉性不純物ガスがエタン、空気よりも重い他種の炭化水素、あるいは、空気よりも重い他種の少なくとも１種の炭化水素とエタンとの混合物である、方法。
- 請求項１から４のいずれか一項に記載の方法において、前記ガス検出器（２４）の赤外線光源が、前記ガス変調周波数よりも低いランプ変調周波数でオンとオフとを繰返し切り替えられて（変調されて）、前記ガス検出器（２４）の前記測定信号が、前記ランプ変調周波数の整数倍で分析される、方法。
- 請求項１から５のいずれか一項に記載の方法において、前記ガス変調周波数が、前記ランプ変調周波数の整数倍である、方法。
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