JP5875741B1 - ガス計測装置とその計測方法 - Google Patents
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Abstract
測定対象のガスが導入された中空ファイバの一端側に投光部を配置して中空ファイバの内部に光源から光を照射し、透明部材で封止された中空ファイバの他端側の先に検出器を配置して中空ファイバを通過した光を検出し、計測・制御部で検出光に基づいて測定対象のガスを計測し、中空ファイバの他端と検出器の隙間には中空ファイバを通過した光のうちガスの光吸収帯の光を透過する光学フィルタ部が設けられ、中空ファイバが、検出器を投光部の光源から中空ファイバに直線的に延びるエリア以外の位置に設置するように曲げられた形状を有するガス計測装置。
Description
この発明は、ガス計測装置等に関するものである。
従来のガス計測装置としては例えば、変圧器、リアクトル等の油入電気機器の内部の絶縁油の状態を監視するために、油中のガスを計測するのに使用されている。例えば下記特許文献１に、このような方法の具体例が開示されている。下記特許文献１で示されたガス分析装置では、油入電気機器本体から絶縁油が採取されて、絶縁油に溶存するガスが抽出され、抽出されたガスは中空ファイバに導入される。光源であるＬＥＤにより中空ファイバの一端から導入された光は、ファイバ内のガスを通して中空ファイバの他端の近傍にある検出部により検出されて、演算、回析が行われる。ガスの濃度に応じて中空ファイバ内の光の吸収があることから、その出力差からガス量が測定できる。ガスの種類に応じて測定を行うために、発光部の近傍に複数のバンドパスフィルタが設置されている。
また、下記特許文献２には、光源と測定セルと、赤外線センサとして赤外線検知素子と、バンドパスフィルタと、熱伝導抑制部とを備えたガス検出器が開示されている。
以上のような従来のガス計測装置にあっては、バンドパスフィルタが光源に由来する熱により加熱された場合に、バンドパスフィルタの光学特性、すなわち中心波長の移動や半値幅(半値全幅)が変動することで、安定した測定が困難であるという問題点があった。
また複数のガスを同時に測定する場合は、バンドパスフィルタを一定時間毎に切り替えて、それぞれの出力を求めるが、バンドパスフィルタの切り替え直後は温度が一定しないため安定せず、安定するまで待つ必要があることから高速の測定ができないという問題点があった。
また複数のガスを同時に測定する場合は、バンドパスフィルタを一定時間毎に切り替えて、それぞれの出力を求めるが、バンドパスフィルタの切り替え直後は温度が一定しないため安定せず、安定するまで待つ必要があることから高速の測定ができないという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、光源からの熱の影響を受け難く安定した測定を実現し、さらに高速で測定可能なガス計測装置等を得ることを目的としている。
この発明は、内部に測定対象のガスが導入され、曲げられた形状を有する中空ファイバと、前記中空ファイバの一端側に配置されて前記中空ファイバの内部に光源からの光を照射する投光部と、前記中空ファイバの５μｍ以上の赤外光を除去するショートウェイブパスフィルタで封止された他端側の先において前記中空ファイバの内部を通過した光を検出する検出器と、前記検出器で検出された光に基づいて、測定対象の前記ガスを計測する計測・制御部と、前記中空ファイバの他端と前記検出器の隙間に設けられ、前記中空ファイバの内部を通過した光のうち前記ガスの光吸収帯の光を透過する透過周波数帯域を有する光学フィルタ部と、を備え、前記投光部と前記一端側とは第１軸上に配置してあり、前記検出器と前記光学フィルタ部と前記他端側とは、前記第１軸とは異なる第２軸上に配置してある、ガス計測装置等にある。
この発明では、光源からの熱の影響を受け難く安定した測定を実現し、さらに高速で測定可能なガス計測装置等を提供できる。
以下、この発明によるガス計測装置等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。
なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
また、各実施の形態に係るガス計測装置は、油入電気機器内の絶縁油に溶存するガスを測定する目的で使用される。ただし、このような用途に限定されず、この発明は、一般的なガス測定の用途にも利用可能である。
なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
また、各実施の形態に係るガス計測装置は、油入電気機器内の絶縁油に溶存するガスを測定する目的で使用される。ただし、このような用途に限定されず、この発明は、一般的なガス測定の用途にも利用可能である。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るガス計測装置の概略断面図を示したものである。
投光部５、中空ファイバ６、検出部７、ロックインアンプ８、計測・制御部９を備えており、これらに接続する形で油入電気機器１０およびガスサンプル抽出機構１１が接続されている。
図１はこの発明の実施の形態１に係るガス計測装置の概略断面図を示したものである。
投光部５、中空ファイバ６、検出部７、ロックインアンプ８、計測・制御部９を備えており、これらに接続する形で油入電気機器１０およびガスサンプル抽出機構１１が接続されている。
油入電気機器１０は、たとえば油入変圧器、油入リアクトルであり、その内部には絶縁油が満たされている。ガスサンプル抽出機構１１は油入電気機器１０と配管１２ａ，１２ｂを通して接続される。絶縁油に溶存する(溶けて混ざっている)ガスを抽出するための抽出容器１３がガスサンプル抽出機構１１内に設けられている。
ガスサンプル抽出機構１１には抽出容器１３の内部を減圧するためのポンプ(図示せず)が設けられる。抽出容器１３の内部を減圧することにより、抽出容器１３の内部の絶縁油からガスサンプルが抽出される。抽出されたガスサンプルは配管１４ａを通じて検出部７に送られる。配管１４ａの途中には、ガスサンプル流路を切り替えるための三方弁２７、およびガスサンプルに含まれるミスト(水、油など)および硫黄成分などを除去するための汚れ除去フィルタ１５が設けられている。三方弁２７の分岐された一端側には配管１４ｂが接続され、さらに汚れ削除フィルタ１５、検出部７が順に接続され、他端側は配管１４ｃが接続されて空気開放状態となっている。
投光部５は以下のように構成される。投光部５自体は密閉された気密性の高い筐体である。光源であるフィラメント１６から発生された赤外光が、リフレクタ１７で集光され、集光された赤外光がこれをチョップする共振チョッパ１８を介して、中空ファイバ６の一端側と光学的に接続されている。
集光部であるリフレクタ１７の湾曲した内側の内壁面は金などを蒸着した鏡面状態となっており、測定対象の波長を含む光を反射して集光する機能を持つ。リフレクタ１７の形状は球面、楕円球面などが存在するが、形状を最適化することで、中空ファイバ６の一端側になるべく集光するように構成することが望ましい。また測定波長以外の光は測定には必要が無く、さらには波長５μｍ以上の遠赤外線(熱線)は中空ファイバ６を加熱する作用がある。したがって、リフレクタ１７の内壁面は、金蒸着の代わりに測定波長を含む波長領域の光または測定波長のみの光を反射させるアルミナ等の誘電体層となるように各種誘電体を蒸着させたものとしてもよい。
なお、測定波長領域は計測・制御部９で計測される各種ガスに対応する光の波長領域である。
なお、測定波長領域は計測・制御部９で計測される各種ガスに対応する光の波長領域である。
共振チョッパ１８は、２枚で１組のブレード３ａ、３ｂを電磁力により物理的に動作させる。ブレード３ａとブレード３ｂの間隙が０．１〜５ｍｍの間で周期的に変化することで赤外光をチョップする機構となっている。ブレードがチョップする周波数は１００〜１００００Ｈｚの範囲が好ましいが、ここでは２０００Ｈｚとした。
投光部５と検出部７とは中空ファイバ６によって接続される。また投光部５にはガスサンプルを排出する配管１９とポンプ２０が備え付けられている。中空ファイバ６内では赤外光の方向とガスサンプルの流れる方向は逆としている。すなわち、赤外光は投光部５から中空ファイバ６を介して検出部７に導通されるのに対し、ガスサンプルは検出部７から中空ファイバ６を介して投光部５に流すようにしている。なお光源は、フィラメント１６の代わりにＬＥＤやレーザーを用いてもよく、中赤外光を発するものであれば手段は特に限定されない。赤外光の一部は遠赤外線であることから、ＬＥＤやレーザーも発熱源となり、フィラメント１６の場合と同様な課題がある。また個数も１個である必要はなく、複数個を並べて用いてもよい。
この発明の実施の形態１では、中空ファイバ６の内部に測定対象のガスサンプルおよび赤外光が通されており、内部はガスのセルと赤外光の導通を兼ねている。中空ファイバ６は赤外光の光路長を長くすることが可能であると同時に、内径が小さいことから投光部５からの熱伝導が小さいという特性を持っている。
中空ファイバ６は、石英ガラスなどの円筒形母材にＮｉ，Ａｌ，Ａｕ、Ａｇなどのスパッタリングを行ない、その後に環状オレフィンポリマをコーティングするなどの公知の方法によって作製可能であるため、ここでは製作方法についての詳細な説明を省略する。中空ファイバ６の内径は０．５〜１．０ｍｍのものが一般的であるが、ここでは０．７ｍｍのものを用いた。中空ファイバ６の長さが長い方が高感度となって望ましいが、長尺の中空ファイバ６の製作は困難であることから、ここでは３ｍのものを用いた。内径と長さからセルの容量が計算可能であり、本実施の形態では１．１５ｍＬ(ミリリットル)と計算される。中空ファイバ６の内部の測定するガスサンプルを置換するためには、内部容量の２〜３倍程度のガス量が最低必要であることから、ガスサンプルの容量は少なくとも４ｍＬ必要となる。
検出部７は以下のように構成される。検出部７自体は単なる筐体であるが、発泡ウレタンなどの断熱材で包まれており、内部が一定温度になるように保温している。また検出部７は投光部５とは異なり、気密性を高くする必要はない。中空ファイバ６の他端側と配管１４ｂの他端側に接続されたガスサンプル導入部２１は、中空ファイバ６の他端側に面して透明部材であるガラス窓２２を設けている。すなわち、ガスサンプル導入部２１の中空ファイバ６の他端側が接続された側と反対側にガラス窓２２が設けられ、中空ファイバ６の他端側はガラス窓２２で封止されたかたちとなっている。ガラス窓２２は赤外光を透過する材質、例えば石英ガラスなどが用いられる。
ガラス窓２２は石英ガラス単独としてもよいが、測定とは関係のない波長の光を除去するフィルタとしてもよい。例えば熱線として知られる５μｍ以上の赤外光を除去するショートウェイブパスフィルタとしてもよい。これにより熱の影響を除外することができる。ショートウェイブパスフィルタは具体的には例えば、石英ガラスにサファイヤ、シリコンなどの母材にアルミナ等の多層膜をコーティングしたものからなり、特定波長以上の赤外光を遮断する機能を有する。
ガラス窓２２は石英ガラス単独としてもよいが、測定とは関係のない波長の光を除去するフィルタとしてもよい。例えば熱線として知られる５μｍ以上の赤外光を除去するショートウェイブパスフィルタとしてもよい。これにより熱の影響を除外することができる。ショートウェイブパスフィルタは具体的には例えば、石英ガラスにサファイヤ、シリコンなどの母材にアルミナ等の多層膜をコーティングしたものからなり、特定波長以上の赤外光を遮断する機能を有する。
ガスサンプル導入部２１の外側のガラス窓２２に対向する位置に回転部２３を設け、その内部にバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが装着されている。図２は回転部２３の検出器２５の方向から見た構成図である。図２に示すように、バンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの４枚が同一円内に設置されており、回転部２３を回転させることで、バンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが順番に、レンズ２４と検出器２５を結ぶ直線上にくるように適宜選択される。回転の順番は４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの順とする。回転部２３の代わりに、バンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを直線方向(例えば横)にスライドするスライド冶具(図示省略)に取り付けて、スライドさせて切り替えてもよい。
なお、回転部２３、スライド治具をバンドパスフィルタの切替機構とする。切替機構は、バンドパスフィルタを設けた回転部２３等に相当する可動部と、この可動部を可動に支持する支持部からなる。さらに、単一のバンドパスフィルタ、またはバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとその切替機構を、それぞれ光フィルタ部とする。
なお、回転部２３、スライド治具をバンドパスフィルタの切替機構とする。切替機構は、バンドパスフィルタを設けた回転部２３等に相当する可動部と、この可動部を可動に支持する支持部からなる。さらに、単一のバンドパスフィルタ、またはバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとその切替機構を、それぞれ光フィルタ部とする。
バンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは石英ガラス、サファイヤ、シリコンなどの母材にアルミナ等の多層膜をコーティングしたものであり、中心波長付近以外の赤外光を遮断する役割を持つ。ガスの種類毎に吸収特性が異なるため、それぞれに対応したバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを設けている。すなわちバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、それぞれ異なる種類のガスの光吸収帯の光を透過する透過周波数帯域を有し、透過周波数帯域がそれぞれ異なる。例えば波長に換算した場合、
アセチレンであれば３．０５μｍ、
二酸化炭素であれば４．２５μｍ、
一酸化炭素であれば４．７０μｍ
などとして、目的とするガス種類に応じて適宜選択すればよい。バンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは中心波長から一定範囲の幅離れた波長の赤外光を透過する特性があり、半値幅で規定される。半値幅を小さくすると他の妨害ガスのスペクトルの影響を遮断できるが、光量が減少して測定感度が低下するデメリットがあることから、他のガスのスペクトル特性や目標とする測定下限値に応じて半値幅を設定する。またバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとしてバンドパスフィルタの単独の構成ではなく、ショートウェイブパスフィルタとロングウェイブパスフィルタの組み合わせでもよい。
アセチレンであれば３．０５μｍ、
二酸化炭素であれば４．２５μｍ、
一酸化炭素であれば４．７０μｍ
などとして、目的とするガス種類に応じて適宜選択すればよい。バンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは中心波長から一定範囲の幅離れた波長の赤外光を透過する特性があり、半値幅で規定される。半値幅を小さくすると他の妨害ガスのスペクトルの影響を遮断できるが、光量が減少して測定感度が低下するデメリットがあることから、他のガスのスペクトル特性や目標とする測定下限値に応じて半値幅を設定する。またバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとしてバンドパスフィルタの単独の構成ではなく、ショートウェイブパスフィルタとロングウェイブパスフィルタの組み合わせでもよい。
ここでは、
バンドパスフィルタ４ａはアセチレン測定用、
バンドパスフィルタ４ｂはバックグラウンド測定用の透明ガラス、
バンドパスフィルタ４ｃは二酸化炭素測定用、
バンドパスフィルタ４ｄは一酸化炭素測定用とした。
バンドパスフィルタ４ａはアセチレン測定用、
バンドパスフィルタ４ｂはバックグラウンド測定用の透明ガラス、
バンドパスフィルタ４ｃは二酸化炭素測定用、
バンドパスフィルタ４ｄは一酸化炭素測定用とした。
バンドパスフィルタの個数は４枚としたが、２枚、３枚、あるいは５枚以上でもよい。
なお、バンドパスフィルタが１枚の場合には切替機構は不要である。回転部２３とガラス窓２２の間隙にレンズ２４を設けている。レンズ２４は回転部２３を可能に支持する回転しない上述の支持部に固定してもよいし、専用に設けた支持具(図示省略)で固定してもよい。中空ファイバ６の他端(検出部７側の端)から射出された赤外光は、一定の光束すなわち０．７ｍｍの束で導光されるわけではなく拡散するため、レンズ２４により集光する。
レンズ２４は赤外光を集光する役割を持つため、例えば石英製のものであり、凸形状としている。集光された赤外光はバンドパスフィルタ４ａを介して、検出器素子３１を有する検出器２５に導光されるように構成されている。レンズ２４の焦点距離およびレンズ径は中空ファイバ６の径、レンズ２４と検出器２５の間の距離に応じて決めるが、ここでは焦点距離は２５ｍｍ、レンズ径は８ｍｍとした。検出器２５はＰｂＳｅ、ＩｎＳｂ、ＭＣＴなど光導電素子、フォトマルチプライヤーなどを用いるが、ここでは特に限定されず、赤外光を検出できるものであれば何でもよい。検出器２５に用いられる光導電素子、フォトマルチプライヤーは温度が低いほど感度が高い特性がある。よってペルチェ冷却器２６は検出器２５全体を冷却することで高感度とするために設置している。
なお、バンドパスフィルタが１枚の場合には切替機構は不要である。回転部２３とガラス窓２２の間隙にレンズ２４を設けている。レンズ２４は回転部２３を可能に支持する回転しない上述の支持部に固定してもよいし、専用に設けた支持具(図示省略)で固定してもよい。中空ファイバ６の他端(検出部７側の端)から射出された赤外光は、一定の光束すなわち０．７ｍｍの束で導光されるわけではなく拡散するため、レンズ２４により集光する。
レンズ２４は赤外光を集光する役割を持つため、例えば石英製のものであり、凸形状としている。集光された赤外光はバンドパスフィルタ４ａを介して、検出器素子３１を有する検出器２５に導光されるように構成されている。レンズ２４の焦点距離およびレンズ径は中空ファイバ６の径、レンズ２４と検出器２５の間の距離に応じて決めるが、ここでは焦点距離は２５ｍｍ、レンズ径は８ｍｍとした。検出器２５はＰｂＳｅ、ＩｎＳｂ、ＭＣＴなど光導電素子、フォトマルチプライヤーなどを用いるが、ここでは特に限定されず、赤外光を検出できるものであれば何でもよい。検出器２５に用いられる光導電素子、フォトマルチプライヤーは温度が低いほど感度が高い特性がある。よってペルチェ冷却器２６は検出器２５全体を冷却することで高感度とするために設置している。
なお共振チョッパ１８の設置位置は検出器２５から、可能な限り遠ざけることが望ましい。共振チョッパ１８は電磁的に動作させることから、電磁的なノイズが発生する他に、物理的なノイズ(振動)も発生することから、検出器２５の測定感度に影響を及ぼさないためである。共振チョッパ１８のブレード３ａとブレード３ｂの間隙は、共振チョッパ１８の共振周波数に依存するが最大１ｍｍ程度の間隙となる場合もある。前述のとおり、中空ファイバ６の内径は０．７ｍｍであり、大きさにあまり差がないため、中空ファイバ６の内部に可能な限り赤外光を導光させるために、共振チョッパ１８の設置位置は中空ファイバ６の投光部５側の一端側になるべく近づけることが望ましい。
また、この実施の形態では、フィラメント１６、中空ファイバ６の一端および他端、レンズ２４、検出器２５は一点鎖線で示している軸３７ａのように同一直線上に設置している。
本実施の形態では中空ファイバ６内の赤外光の導光方向とガスサンプルの流れる方向は逆向きとしたが、同じ方向でもよい。この場合は配管１４の配管１４ｂが投光部５に挿入され、配管１４ｂの他端側が中空ファイバ６の一端側に延び、配管１９とポンプ２０は検出部７に設けられ、配管１９の下端がガスサンプル導入部２１に接続される。
ロックインアンプ８は検出器２５からの出力と共振チョッパ１８の出力とに電気的に接続されている。ロックインアンプ８の出力は計測・制御部９と接続されている。計測・制御部９にはデータを一時的に保管するメモリ(図示省略)を内蔵している。また、必要に応じて、計測・制御部９にＡＤ変換部(図示省略)を内蔵させ、パーソナルコンピュータ等にデータを転送するための外部ポート(図示省略)を計測・制御部９に用意し、パーソナルコンピュータ等で演算処理を行ってもよい。
さらに図示しないが、フィラメント１６、共振チョッパ１８、ポンプ２０、回転部２３、検出器２５、ペルチェ冷却器２６、三方弁２７のそれぞれについて電力を供給するための電源部やドライバがあり(共に図示省略)、それぞれが適正に動作するように、例えば計測・制御部９により制御される。なお、計測・制御部９からの各部への制御線等は図面が煩雑になるため図示が省略されている。
次に実施の形態１に係るガス計測装置の動作について図３のフローチャートに従って説明する。この動作の制御は、例えば計測・制御部９により行われる。
測定を開始する前の一定時間例えば、１〜４時間前からフィラメント１６を点灯させておく(Ｓ１、Ｓ２)。フィラメント１６は安定した状態になるまでに時間を要することから、あらかじめ点灯させておくが、光量が直ちに安定するのであれば、測定直前に点灯させておいてもよい。
測定はまず最初に、バックグラウンド(１回目)について行う(Ｓ１０)。この場合の測定対象のガスサンプルは大気空気とするが、別途、窒素＋酸素ボンベ(混合比７９：２１)を用意して、導入してもよい。三方弁２７を切り替えることでガスサンプル流路をｃ−ｂとする(Ｓ１１)。ポンプ２０を動作させることで、ガスサンプルに含まれるミストおよび硫黄成分などが汚れ削除フィルタ１５で除去される。フィルタ１５を通ったガスサンプルは検出部７へと送られる。
次に検出部７の内部のガスサンプル導入部２１にガスサンプルを送り込んで、ガスサンプル導入部２１をガスサンプルで充満させる。さらにポンプ２０を動作させると、ガスサンプル導入部２１の内部のガスサンプルが中空ファイバ６の内部を通って投光部５の内部へと流れ、さらに投光部５から配管１９を通じて外部に排出される。この時の流量は特に規定はないが、ポンプ２０の動作範囲を考慮すると、０．１〜１．０Ｌ／ｍｉｎの範囲が適当である。前述のように中空ファイバ６の内容積を考慮して、少なくとも４ｍＬ程度のガスサンプルを導入すればよいことから、動作時間としては２．４〜２４秒程度である。
ただし実際には測定の安定性を考慮して、より長い時間でガスサンプルを導入した方が望ましく、絶縁油から得られるガスサンプルの容量や測定時間を考慮して、導入時間を決めるのが望ましい。この結果、中空ファイバ６の内部に分析(測定)対象のガスサンプルが導入される。ここでポンプ２０は一旦停止させ、中空ファイバ６の内部のガスサンプルは静止状態とする。静止状態とする理由としては、中空ファイバ６の内部が流動状態となることや、ポンプ２０の動作時の振動によりノイズの発生源となることで、ＳＮ比が低下することを避けるためである(Ｓ１２)。
ただし実際には測定の安定性を考慮して、より長い時間でガスサンプルを導入した方が望ましく、絶縁油から得られるガスサンプルの容量や測定時間を考慮して、導入時間を決めるのが望ましい。この結果、中空ファイバ６の内部に分析(測定)対象のガスサンプルが導入される。ここでポンプ２０は一旦停止させ、中空ファイバ６の内部のガスサンプルは静止状態とする。静止状態とする理由としては、中空ファイバ６の内部が流動状態となることや、ポンプ２０の動作時の振動によりノイズの発生源となることで、ＳＮ比が低下することを避けるためである(Ｓ１２)。
中空ファイバ６の内部をガスサンプルを充填した状態において、回転部２３を回転させバンドパスフィルタ４ａを使用する設定とする(Ｓ１３)。フィラメント１６が発する赤外光は共振チョッパ１８のブレード３ａ、３ｂの間隙を通過し、中空ファイバ６の一方端へと導かれる。中空ファイバ６の一方端から導かれた赤外光は中空ファイバ６の内部を伝達して中空ファイバ６の他方端から出射する。このときに中空ファイバ６の内部では、ガスサンプルは空気であるため、二酸化炭素を除いて赤外光の吸収はない。中空ファイバ６の他方端から出射された赤外光は、ガスサンプル導入部２１内のガラス窓２２を通過してレンズ２４で集光され、バンドパスフィルタ４ａを通過して、適当な波長範囲の赤外光として検出部７側の検出器２５で受光される。検出器２５は赤外光の受光強度に応じた強度を有する電気信号を出力する。
検出器２５からの出力信号は、ロックインアンプ８に送られる。ロックインアンプ８では、共振チョッパ１８からの出力信号と同期検波することでノイズを除去する。ノイズを除去した出力信号は計測・制御部９において移動平均処理の演算を行い、バックグラウンドのデータを計測・制御部９内のメモリに蓄積する(Ｓ１４)。
次に、一定時間経過後に回転部２３を回転させることでバンドパスフィルタ４ａから４ｂに切り替え(Ｓ１５，Ｓ１６)、以下同様に、検出器２５からの出力信号をロックインアンプ８で同期加算(同期検波)して、ノイズを除去した出力信号の移動平均処理の演算を行い、バックグラウンドのデータとして、計測・制御部９内のメモリに蓄積する。次に回転部２３を回転させることでバンドパスフィルタ４ｂから４ｃ、さらにバンドパスフィルタ４ｃから４ｄに切り替えて同様に測定を行い、データを計測・制御部９内のメモリに蓄積する(Ｓ１４−Ｓ１６を繰り返す)。
以上で１回目のバックグラウンドの測定が終了する(Ｓ１７)。このバックグラウンドの測定においては、二酸化炭素を除いて通常は測定対象となるガス成分が含まれていないため、この測定値を０ｐｐｍであるとみなす。
次に絶縁油に含まれるガス成分の測定を行う(Ｓ２０)。ガスサンプルが異なるのみであり、測定の流れはバックグラウンドの測定と同様である。絶縁油を油入電気機器１０から配管１２ａを経由して採取する。採取された絶縁油はガスサンプル抽出機構１１に送られる。絶縁油に溶存するガスサンプルを抽出するために、ガスサンプル抽出機構１１の抽出容器１３が減圧される。これにより絶縁油からガスサンプルが抽出される。
三方弁２７を切り替えることでガスサンプル流路をａ−ｂとする(Ｓ２１)。ポンプ２０を動作させることで、ガスサンプルに含まれるミストおよび硫黄成分などが汚れ削除フィルタ１５で除去される。フィルタ１５を通ったガスサンプルは検出部７へと送られる。
検出部７の内部のガスサンプル導入部２１にガスサンプルを送り込んでガスサンプル導入部２１をガスサンプルで充満させる。次に、投光部５側に設けられたポンプ２０をさらに動作させる。これにより、ガスサンプル導入部２１の内部のガスサンプルが中空ファイバ６の内部を通って検出部７から投光部５へと流れ、さらに投光部５から配管１９を通じて外部に排出される。この時、中空ファイバ６の内部に分析対象のガスサンプルが導入される。ここでポンプ２０は一旦停止させ、中空ファイバ６の内部のガスサンプルは静止状態とする(Ｓ２２)。
使用するバンドパスフィルタをバンドパスフィルタ４ａに設定し(Ｓ２３)、フィラメント１６が発する赤外光は共振チョッパ１８のブレード３ａ、３ｂの間隙を通過し、中空ファイバ６の一方端へと導かれる。中空ファイバ６の一方端から導かれた赤外光は中空ファイバ６の内部を伝達して中空ファイバ６の他方端から出射する。このときに中空ファイバ６の内部では、流れるガスサンプルによって赤外光が吸収される。中空ファイバ６の他方端から出射された赤外光は、ガスサンプル導入部２１内のガラス窓２２を通過してレンズ２４で集光され、バンドパスフィルタ４ａを通過して、適当な波長範囲の赤外光として検出部７側の検出器２５で受光される。検出器２５は赤外光の受光強度に応じた強度を有する電気信号を出力する。
検出器２５からの出力信号は、ロックインアンプ８に送られる。ロックインアンプ８では、共振チョッパ１８からの出力信号と同期検波することでノイズを除去する。ノイズを除去した出力信号は計測・制御部９において移動平均処理の演算を行い、ガス成分のデータを計測・制御部９内のメモリに蓄積する(Ｓ２４)。
この後はバックグラウンドの測定の時と同様に、一定時間経過後に回転部２３を回転させることでバンドパスフィルタ４ａから４ｂに切り替える(Ｓ２５，Ｓ２６)。以下同様に検出器２５からの出力信号がロックインアンプ８に送られ、ロックインアンプ８では、共振チョッパ１８からの出力信号と同期加算(同期検波)することでノイズを除去する。ノイズを除去した出力信号は計測・制御部９において移動平均処理の演算を行い、ガス成分のデータを計測・制御部９内のメモリに蓄積する。次に回転部２３を回転させることでバンドパスフィルタ４ｂから４ｃ、さらにバンドパスフィルタ４ｃから４ｄに切り替えて同様に測定を行い、データを計測・制御部９内のメモリに蓄積する(Ｓ２４−Ｓ２６を繰り返す)。以上で絶縁油に含まれるガスサンプルの測定が終了する(Ｓ２７)。
次に２回目のバックグラウンドの測定(Ｓ３０)を１回目の時と同様に行う(Ｓ３１−Ｓ３７)。操作は１回目と同様であるので説明は省略する。
最後に計測・制御部９内に蓄積されたデータから測定値を演算する(Ｓ４０)。バックグラウンドの１回目と２回目の測定値の平均値を計算する。平均の計算は単純平均または対数平均のいずれでもよいが、ここでは単純平均とした。バックグラウンドの電圧値は時間的に一定ではなく、ドリフトノイズの影響により常に変動する。この平均化の操作により、時間とともにバックグラウンドの値が変化するドリフトノイズに対応することができ、ノイズに影響を受けにくい測定を実現できる。
バックグラウンドの測定値を得た後にこの値を基準として、ガス成分測定時の測定値との差分を求め、センサ出力電圧差(単位はＶ)とし、予め算出しておいた検量線と対比させガスの濃度を演算して出力する。
なお絶縁油からのガスの濃度が比較的高いと予想される場合は、バックグラウンドの変動に比してセンサ出力電圧差、すなわち検出器２５の出力電圧差(以下同様)、が大きいため、バックグラウンドの測定は１回だけとしてもよい。
図４は測定結果の一例を示すもので、ここではガス成分の測定は絶縁油の抽出ガスの代わりに、アセチレン５ｐｐｍのガスサンプルを用いた。具体的にはアセチレン５ｐｐｍのガスボンベの出口をガスサンプル導入部２１に直接接続している。またバンドパスフィルタはバンドパスフィルタ４ａのみ使用で固定して測定を行った。測定は１０分毎にガスサンプルを切り替えており、バックグラウンド(空気)→アセチレン５ｐｐｍ→バックグラウンド(空気)の順番である。ガスサンプルの導入時間は２分とした。
図４に示すようにガスサンプルの導入時はセンサ出力電圧は不安定であることから演算の対象外としている。２分後に導入を停止して１０分後までの８分間を測定対象として、移動平均値を計算する。その結果、バックグラウンド(１回目)の測定値Ａは２．０８１Ｖであった。アセチレン５ｐｐｍのときのセンサ出力電圧Ｂは２．０７５Ｖであった。バックグラウンド(２回目)のセンサ出力電圧Ａ’は２．０７９Ｖであった。したがってバックグラウンドの測定値はＡとＡ’の平均値であり２．０８０Ｖである。センサ出力電圧差は２．０８０Ｖと２．０７５Ｖの差分であり０．００５Ｖとなった。アセチレン５ｐｐｍは比較的低濃度であり、センサ出力電圧差に比してドリフトノイズが無視できないことから、ガスサンプルの測定の前後にバックグラウンドの測定を行う手法が有効である。
次に本実施の形態での実験結果について示す。図１で示す本実施の形態１の他に、図５に示すような一般的なＮＤＩＲ(非分散赤外吸収分光)法によるガス計測装置についても実験を行い、両者の結果を比較する。図５は中空ファイバ６の代わりに透過セル１を用いたガス計測装置である。図５において、透過セル１に、ガスサンプル流入口１ａと、ガスサンプル排出口１ｂとが設けられる。ガスサンプル流入口１ａは、配管１４ｂ、汚れ除去フィルタ１５と接続しており、図１と同様にバックグラウンドや絶縁油のガスの導入が可能となるように構成している。光源２は図１のフィラメント１６と同様であり、バックグラウンドや絶縁油のガスが封入された透過セル１内に一端側から光源２により赤外線が照射される。赤外線は透過セル１内を伝達して、透過セル１内の他端側に設けられた回転部のバンドパスフィルタ４ａ，４ｂを介して検出器２５に導光される。
透過セル１は内部が赤外光を反射するように構成されている。材質は問わないが、一般的には金属製のものが多く使われることからステンレス製のものとしている。分析対象のガスサンプルは、方向ａに沿ってガスサンプル流入口１ａから透過セル１の内部に導入され、方向ｂに沿ってガスサンプル排出口１ｂから透過セル１の外部に排出される。
図５に示された構成では、光源２からの熱の大部分が透過セル１内の内壁を反射して、バンドパスフィルタ４ａ，４ｂを加熱する。また透過セル１の金属部分からの熱伝達によっても加熱される。バンドパスフィルタ４ａが加熱されると、フィルタの透過特性、例えば中心波長や半値幅が変化する。またバンドパスフィルタ４ａからバンドパスフィルタ４ｂに切り替える際に、透過セル１内での物理的な移動となることから、温度が変化し、ノイズの原因となる。このため図５に示された構成では、複数のガスサンプル成分を高速で測定する場合は高精度の測定が困難である。
実験は、サンプルガスとしてアセチレン５ｐｐｍのガスを用いて、本実施の形態１を示す図１の装置と、図５に示す装置(以下、「従来方式」とする)のそれぞれについて行って比較した。実験はバックグラウンドの測定を行わずに、ガス成分のみの測定を行っている。すなわち図３のフローチャートにおいて、ガス成分の測定(Ｓ２０)のみを行った。バンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのそれぞれの切り替える時間は１２０秒である。
すなわち１２０秒経過後に、例えばバンドパスフィルタ４ａから４ｂに切り替えるとして、合計４８０秒間の実験を行った。
すなわち１２０秒経過後に、例えばバンドパスフィルタ４ａから４ｂに切り替えるとして、合計４８０秒間の実験を行った。
図６は従来方式のガス計測装置による測定結果を示すものである。バンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのいずれの切り替え直後にも丸い円で示すようにピークのノイズが発生している。バンドパスフィルタの切り替え直後から４０秒間はノイズが含まれており、この時間領域では測定に適さないことが分かった。
図７は本実施の形態のガス計測装置における測定結果を示すものである。図６のような切り替え直後のピークのノイズが発生せず、安定していることがわかる。バンドパスフィルタを切り替えてもノイズが混入せずに直ちに安定化することにより、高速な測定が実現できる効果を奏する。
なお、ピークノイズに限らずノイズが混入する原因として、既に述べたバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに伝わる熱の影響の他に、回転部２３が回転するときに発生する振動が共振チョッパ１８に伝わることでノイズの発生につながる。共振チョッパ１８はブレード３ａ、３ｂの開閉により赤外光を透過または遮断していることから、振動の影響を受けやすいためである。したがって本実施の形態１で示す図１のように、回転部２３と共振チョッパ１８はできるだけ離すことが、ノイズの低減につながる。
なお、ピークノイズに限らずノイズが混入する原因として、既に述べたバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに伝わる熱の影響の他に、回転部２３が回転するときに発生する振動が共振チョッパ１８に伝わることでノイズの発生につながる。共振チョッパ１８はブレード３ａ、３ｂの開閉により赤外光を透過または遮断していることから、振動の影響を受けやすいためである。したがって本実施の形態１で示す図１のように、回転部２３と共振チョッパ１８はできるだけ離すことが、ノイズの低減につながる。
このように、実施の形態１によれば、バンドパスフィルタの切替時においてもノイズの発生が小さいため、より安定した高速測定を実現できる。
実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係るガス計測装置の概略断面図を示したものである。
実施の形態１の図１に示す構成と異なる点は、レンズ２４を用いずにガラス窓２２から導出した赤外光をバンドパスフィルタ４ａを介して直接検出器２５に導光するものである。
レンズ２４が存在しないことでガラス窓２２から導出した赤外光は拡散するため、検出器２５に届く赤外光は減少する。
図８はこの発明の実施の形態２に係るガス計測装置の概略断面図を示したものである。
実施の形態１の図１に示す構成と異なる点は、レンズ２４を用いずにガラス窓２２から導出した赤外光をバンドパスフィルタ４ａを介して直接検出器２５に導光するものである。
レンズ２４が存在しないことでガラス窓２２から導出した赤外光は拡散するため、検出器２５に届く赤外光は減少する。
中空ファイバ６は一般の充実型の光ファイバとは異なり、光の伝搬領域が空気であるため、開口数(Numerical Aperture)が定義できない。中空ファイバ６はマルチモードによる伝送であり、中空ファイバ６の光の入口の入射角は任意の光が入射可能であるが、高次のモードすなわち、中空ファイバ６の入射角が大きいモードについては、中空ファイバ６内で損失が大きくなるため、伝送効率が低下する。中空ファイバ６の出口からの光の拡散状況は開口数から求めることができないため、ここでは実験的に中空ファイバ６の出口からどの程度拡散するかを調べた。
図９は図８において、光関係の部材(光学系部分)についてのみ図示したもので、一部の部材の記載を省略している。中空ファイバ６の一端側(光の入口)とリフレクタ１７の端部とを結んだ直線と、中空ファイバ６の一端側と光源であるフィラメント１６を結んだ直線との角度をθ1とする。フィラメント１６は点光源と近似できるため、フィラメント１６から発した光の中空ファイバ６への入射角はθ1が最大となる。
中空ファイバ６の他端側(光の出口)については、中空ファイバ６の他端側から距離Ｌ１の位置に遮蔽板３０を設置する。図１０は検出器２５の側から見た遮蔽板３０の構成図であり、遮蔽板３０はアルミなど光を通さない板材に直径ｒの穴をあけたものである。実験は距離Ｌ１を変化させて検出器２５内の検出器素子３１に達する光量を測定した。直径ｒは１ｍｍとし、中空ファイバ６の他端側と検出器素子３１の距離Ｌ２は４０ｍｍとした。
検出器素子３１は３×３ｍｍの矩形状(この場合は正方形)の大きさとした。
検出器素子３１は３×３ｍｍの矩形状(この場合は正方形)の大きさとした。
図１１は距離Ｌ１を０ｍｍから４０ｍｍまで変化させた時の相対光量の変化を示した図である。相対光量は、遮蔽板３０が無い状態での検出器２５からの出力電圧を１．０としたときの各Ｌ１での出力電圧の割合を示したものである。
図１１によれば、Ｌ１が増加するに従い、相対光量が減少している。ここで相対光量として０．９５となるＬ１を読み取るとＬ１は１０ｍｍであった。相対光量が１．０から０．９５は光量として５％の低下であるが、検出器２５の感度面からは実質的に問題ないことから、このＬ１が１０ｍｍまでを感度面で低下は殆どないとみなす。このとき図９においてθ2は以下の式で求められる。
θ2＝ａｒｃｔａｎ(ｒ／２／Ｌ１)
この実験結果から、Ｌ２、すなわち、中空ファイバ６の他端側から検出器素子３１までの距離が１０ｍｍ以下であれば、中空ファイバ６の他端側から出た光は殆ど損失することなく、検出器素子３１で受光できるが、Ｌ２が１０ｍｍを超えると損失が無視できない。
図８および図９に示すように、中空ファイバ６の他端とガラス窓２２は面一(同一平面を構成)にすることは、ガスの流路の関係で２ｍｍ程度の隙間を開ける必要があり、さらにガラス窓２２は強度を考慮すると少なくとも１ｍｍの厚さが必要であることから、難しく、実質的にはガラス窓２２と検出器素子３１の間隔が７ｍｍ以下が、この実験結果を満たす用件となる。したがって、回転部２３の厚さが７ｍｍ以下となれば、本実施の形態２の図８に示すように、レンズ２４を用いなくても感度面で問題ないことが分かった。
図８および図９に示すように、中空ファイバ６の他端とガラス窓２２は面一(同一平面を構成)にすることは、ガスの流路の関係で２ｍｍ程度の隙間を開ける必要があり、さらにガラス窓２２は強度を考慮すると少なくとも１ｍｍの厚さが必要であることから、難しく、実質的にはガラス窓２２と検出器素子３１の間隔が７ｍｍ以下が、この実験結果を満たす用件となる。したがって、回転部２３の厚さが７ｍｍ以下となれば、本実施の形態２の図８に示すように、レンズ２４を用いなくても感度面で問題ないことが分かった。
ただし回転部２３の厚さをあまり薄くできない場合は、実施の形態１に示す図１の構成にした方が、結果的に感度が高くなることから、回転部２３やレンズ２４に必要なコストとのバランスなどの観点でどちらかを選択するかを決めるのが望ましい。
この実施の形態２に係るガス計測装置の他の部分の構成や動作は、実施の形態１に係るガス計測装置の対応する部分の構成や動作と同様であるので説明を省略する。
この実施の形態２効果は実施の形態１と同様に、バンドパスフィルタの切替時においてもノイズの発生が小さいため、安定した高速測定を実現できるが、より部品数が少ない構成で測定が可能である。
実施の形態３．
図１２はこの発明の実施の形態３に係るガス計測装置の概略断面図を示したものである。実施の形態１の図１に示す構成と異なる部分は以下の点である。図１ではレンズ２４の位置は、回転部２３とガラス窓２２との間の間隙に置いていたが、本実施の形態を示す図１２では、回転部２３と検出器２５との間の間隙に置いている点が異なる。レンズ２４はここでは凹レンズを用いている。図１３は図１におけるレンズ２４を含む周辺付近の拡大図であり、中空ファイバ６から出た赤外光の拡散、集光状況を示している。また図１４は図１２のレンズ２４を含む周辺付近の拡大図である。
図１２はこの発明の実施の形態３に係るガス計測装置の概略断面図を示したものである。実施の形態１の図１に示す構成と異なる部分は以下の点である。図１ではレンズ２４の位置は、回転部２３とガラス窓２２との間の間隙に置いていたが、本実施の形態を示す図１２では、回転部２３と検出器２５との間の間隙に置いている点が異なる。レンズ２４はここでは凹レンズを用いている。図１３は図１におけるレンズ２４を含む周辺付近の拡大図であり、中空ファイバ６から出た赤外光の拡散、集光状況を示している。また図１４は図１２のレンズ２４を含む周辺付近の拡大図である。
図１および図１３のレンズ(凸レンズ)２４の位置では、図１３に示すようにレンズ２４は中空ファイバ６から出た赤外光を即座に集光する作用があり、バンドパスフィルタ４ａは加熱されやすい。一方、図１４に示す構成では、中空ファイバ６からの赤外光は一度拡散されているため、バンドパスフィルタ４ａは加熱され難い。ただしこの実施の形態３のレンズ(凹レンズ)２４は実施の形態１のレンズ(凸レンズ)２４に比べて曲率の大きいものを使用する必要があることから集光が難しく、条件によっては測定感度が若干低下する可能もあることから、測定感度と高速測定のバランスで、実施の形態１か実施の形態３の構成のどちらかを選択するのが望ましい。
実施の形態３に係るガス計測装置の他の部分の構成や動作は、実施の形態１に係るガス計測装置の対応する部分の構成や動作と同様であるので説明は省略する。
この実施の形態３における効果は実施の形態１と同様に、バンドパスフィルタの切替時においてもノイズの発生が小さいため、安定した高速測定を実現でき、さらに、より加熱の影響を受けずに測定が可能である。
実施の形態４．
図１５はこの発明の実施の形態４に係るガス計測装置の概略断面図を示したものである。実施の形態１の図１に示す構成と異なるところは以下の点である。図１５の構成では、図１に示す共振チョッパ１８の代わりに回転式チョッパ３５を設置する。
図１５はこの発明の実施の形態４に係るガス計測装置の概略断面図を示したものである。実施の形態１の図１に示す構成と異なるところは以下の点である。図１５の構成では、図１に示す共振チョッパ１８の代わりに回転式チョッパ３５を設置する。
回転式チョッパ３５は、周知の構成を適用することが可能であり、たとえばステンレスやアルミの薄板によって形成された遮光板３６およびその遮光板３６を回転するモータ(図示省略)等によって構成される。図１６は遮光板３６をフィラメント１６の方向から見た構成図である。図１３に示すように穴３６ａが４個開けられており、遮光板３６が回転することで赤外光の透過、遮断を実現する。なお穴３６ａは４個である必要はなく任意の数でよい。回転によって生じる透過、遮断の周波数は共振チョッパ１８の場合と同様に１００〜１００００Ｈｚの範囲が適当であるが、ここでは実施の形態１と同じく２０００Ｈｚとした。
実施の形態４に係るガス計測装置の他の部分の構成や動作は、実施の形態１に係るガス計測装置の対応する部分の構成や動作と同様であるので説明を省略する。
この実施の形態４における効果は実施の形態１と同様に、バンドパスフィルタの切替時においてもノイズの発生が小さいため、安定した高速測定を実現でき、さらに、遮光版によるブレードが共振チョッパによるブレードよりも大きいため、熱を遮断する効果がより大きい。
実施の形態５．
図１７はこの発明の実施の形態５に係るガス計測装置の概略断面図を示したものである。実施の形態１の図１に示す構成と異なるところは以下の点である。図１７に示す構成では、図１に示す回転部２３、バンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの代わりに波長可変フィルタ２９を設置した。
図１７はこの発明の実施の形態５に係るガス計測装置の概略断面図を示したものである。実施の形態１の図１に示す構成と異なるところは以下の点である。図１７に示す構成では、図１に示す回転部２３、バンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの代わりに波長可変フィルタ２９を設置した。
波長可変フィルタ２９は、ファブリベローの干渉原理により、膜の印加電圧を変化させると光学特性(透過周波数帯域を含む)が変化する機構である。実施の形態１のようにバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄをそれぞれ機械的に回転させて切り替えるのではなく、電気的にフィルタの特性を切り替えることから、機械的な動きがなく測定環境の空気の動きが殆どなく、経時的な温度変化が小さい。
なお、上記各実施の形態のバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとその切替機構からなる部分と、波長可変フィルタ２９とその印加電圧を変化させる電源部(図示省略)からなる部分を、波長可変光フィルタ部とも称する。
なお、上記各実施の形態のバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとその切替機構からなる部分と、波長可変フィルタ２９とその印加電圧を変化させる電源部(図示省略)からなる部分を、波長可変光フィルタ部とも称する。
また、実施の形態２と同様に波長可変フィルタ２９が十分に薄くできる場合はレンズ２４を省略してもよい。
なおレンズ２４はガラス窓２２側に設置したが、実施の形態３と同様に検出器２５側に設置してもよい。この実施の形態５に係るガス計測装置の他の部分の構成は、実施の形態１に係るガス計測装置の対応する部分の構成と同様であるので説明を省略する。
動作も実施の形態１とほぼ同様であるが、実施の形態１においてバンドパスフィルタ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを回転部２３で切り替える代わりに、波長可変フィルタ２９の印加電圧を変化させてフィルタの特性を変化させる点が異なる。
この実施の形態５における効果は実施の形態１と同様に、波長可変フィルタ２９が加熱されないため、安定した高速測定を実現できることであり、さらに、機械的な動作がないため、より安定した測定が可能となる。またより省スペースな装置を実現できる。
実施の形態６．
図１８はこの発明の実施の形態６に係るガス計測装置の概略断面図を示したものである。実施の形態１の図１に示す構成と異なるところは以下の点である。図１８に示す構成では、図１に示す中空ファイバ６の一部をとぐろ状に巻き、螺旋形状または巻線コイル形状にする。これにより、フィラメント１６と中空ファイバ６の一端すなわち共振チョッパ１８の近傍領域とは一点鎖線の軸３７ｂに示すように同一直線上に設置されることになる。また、検出器２５とレンズ２４と中空ファイバ６の他端側すなわちガスサンプル導入部２１の近傍領域とは一点鎖線の軸３７ｃに示すように同一直線上に設置されることになる。なお、中空ファイバ６はとぐろ状に巻く代わりに、上記軸３７ｂと軸３７ｃが互いに角度をなす状態になるように中空ファイバ６を曲げてもよい。
図１８はこの発明の実施の形態６に係るガス計測装置の概略断面図を示したものである。実施の形態１の図１に示す構成と異なるところは以下の点である。図１８に示す構成では、図１に示す中空ファイバ６の一部をとぐろ状に巻き、螺旋形状または巻線コイル形状にする。これにより、フィラメント１６と中空ファイバ６の一端すなわち共振チョッパ１８の近傍領域とは一点鎖線の軸３７ｂに示すように同一直線上に設置されることになる。また、検出器２５とレンズ２４と中空ファイバ６の他端側すなわちガスサンプル導入部２１の近傍領域とは一点鎖線の軸３７ｃに示すように同一直線上に設置されることになる。なお、中空ファイバ６はとぐろ状に巻く代わりに、上記軸３７ｂと軸３７ｃが互いに角度をなす状態になるように中空ファイバ６を曲げてもよい。
また図１８では図１において三方弁２７、配管１４ａ、１４ｂ、抽出容器１３、油入り電気機器１０、ガスサンプル抽出機構１１、配管１２ａ、１２ｂは図示を省略しているが、実際にはこれらは図１と同様に接続されている。
フィラメント１６から発せられた熱の一部はリフレクタ１７で反射され、熱は軸３７ｂの周囲を直線的に伝達する特性となっている。すなわちエリア３８の範囲は高温となる傾向がある。フィラメント１６から距離が離れれば、熱の影響を受けにくくなるが、このエリア３８の範囲はその周辺と比較して相対的に高温となる傾向がある。したがって、エリア３８すなわち軸３７ｂを含んだ円筒状の範囲にバンドパスフィルタ４ａや検出器２５を設置しないことにより、熱の影響をより軽減することができる。円筒状の範囲の半径ｒの適当な範囲はフィラメント１６の出力に依存するが、３cｍ以上必要である。一方、実施の形態１に示す図１においては軸３７ａを含む円筒状の範囲にバンドパスフィルタ４ａや検出器２５が含まれており、熱の影響を完全には除外することができない。その他の構成および動作は実施の形態１と同様である。
すなわち中空ファイバ６を、例えは、光源であるフィラメント１６と中空ファイバ６の一端を結ぶフィラメント１６から中空ファイバ６への光軸となる軸３７ｂと、中空ファイバ６の他端と検出器２５を結ぶ中空ファイバ６の他端から検出器２５への光軸となる軸３７ｃとが、互いに角度をなすような形状とすればよい。中空ファイバ６は例えばＵ字形状または図１９に示すようにＬ字形状等に曲げられたものとする。曲げた角度は９０度、１８０度に限定されない。すなわち軸３７ｂと軸３７ｃの交わる角度θは図１９に示すように９０度であってもよいし、例えば６０度であってもよい。これにより検出器２５とレンズ２４のある部分は、フィラメント１６を有する投光部５から中空ファイバ６に沿って直線的に延びるエリア３８から離れた位置に設定できる。
図１８の構成例では、中空ファイバ６を巻線コイル形状またはＵ字形状に曲げたものとしたことにより、軸３７ｂと軸３７ｃが互いに１８０度の角をなし(平行で逆方向)かつ互いに重ならないように距離が置かれている。このような構成は、例えばＬ字形状の中空ファイバ６を使用した場合に比べガス計測装置の実質的な専有面積が小さく(図１８の図面の縦方向の専有する長さが短い)、実際にガス計測装置を設置する上で好ましい。
より広義には、中空ファイバ６は、検出器２５を投光部５の光源２から中空ファイバ６に直線的に延びるエリア３８以外の位置に設置するように、例えば１箇所が曲げられた形状を有する。
すなわち中空ファイバ６を、例えは、光源であるフィラメント１６と中空ファイバ６の一端を結ぶフィラメント１６から中空ファイバ６への光軸となる軸３７ｂと、中空ファイバ６の他端と検出器２５を結ぶ中空ファイバ６の他端から検出器２５への光軸となる軸３７ｃとが、互いに角度をなすような形状とすればよい。中空ファイバ６は例えばＵ字形状または図１９に示すようにＬ字形状等に曲げられたものとする。曲げた角度は９０度、１８０度に限定されない。すなわち軸３７ｂと軸３７ｃの交わる角度θは図１９に示すように９０度であってもよいし、例えば６０度であってもよい。これにより検出器２５とレンズ２４のある部分は、フィラメント１６を有する投光部５から中空ファイバ６に沿って直線的に延びるエリア３８から離れた位置に設定できる。
図１８の構成例では、中空ファイバ６を巻線コイル形状またはＵ字形状に曲げたものとしたことにより、軸３７ｂと軸３７ｃが互いに１８０度の角をなし(平行で逆方向)かつ互いに重ならないように距離が置かれている。このような構成は、例えばＬ字形状の中空ファイバ６を使用した場合に比べガス計測装置の実質的な専有面積が小さく(図１８の図面の縦方向の専有する長さが短い)、実際にガス計測装置を設置する上で好ましい。
より広義には、中空ファイバ６は、検出器２５を投光部５の光源２から中空ファイバ６に直線的に延びるエリア３８以外の位置に設置するように、例えば１箇所が曲げられた形状を有する。
この実施の形態６における効果は実施の形態１と同様に、安定した高速測定が実現できるが、バンドパスフィルタ４ａの加熱を抑えることで、さらに安定した高速測定を実現できる。
なお、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含む。
この発明によるガス計測装置は種々の分野のガス計測装置に適用可能である。
Claims (9)
- 内部に測定対象のガスが導入され、曲げられた形状を有する中空ファイバと、
前記中空ファイバの一端側に配置されて前記中空ファイバの内部に光源からの光を照射する投光部と、
前記中空ファイバの５μｍ以上の赤外光を除去するショートウェイブパスフィルタで封止された他端側の先において前記中空ファイバの内部を通過した光を検出する検出器と、
前記検出器で検出された光に基づいて、測定対象の前記ガスを計測する計測・制御部と、
前記中空ファイバの他端と前記検出器の隙間に設けられ、前記中空ファイバの内部を通過した光のうち前記ガスの光吸収帯の光を透過する透過周波数帯域を有する光学フィルタ部と、
を備え、
前記投光部と前記一端側とは第１軸上に配置してあり、
前記検出器と前記光学フィルタ部と前記他端側とは、前記第１軸とは異なる第２軸上に配置してある、ガス計測装置。 - 前記中空ファイバの前記ショートウェイブパスフィルタと前記検出器の隙間に集光用のレンズを備える請求項１に記載のガス計測装置。
- 前記光学フィルタ部と前記検出器の間隙に前記集光用のレンズを備えた請求項２に記載のガス計測装置。
- 前記光学フィルタ部が、前記透過周波数帯域が可変なものである請求項１から３までのいずれか１項に記載のガス計測装置。
- 上記光学フィルタ部が、印加電圧を変化させると透過周波数帯域が変化する波長可変フィルタからなる請求項４に記載のガス計測装置。
- 光を断続的に遮断する回転式チョッパまたは共振式チョッパを前記投光部の前記光源と前記中空ファイバの一端側の間隙に設置した請求項１から５までのいずれか１項に記載のガス計測装置。
- 前記投光部が前記光源からの光を集光する集光部を有し、前記集光部は、測定波長を含む波長領域の光を集光する請求項１から６までのいずれか１項に記載のガス計測装置。
- 内部に測定対象のガスが導入された中空ファイバと、
前記中空ファイバの一端側に配置されて前記中空ファイバの内部に光源からの光を照射する投光部と、
前記中空ファイバの５μｍ以上の赤外光を除去するショートウェイブパスフィルタで封止された他端側の先において前記中空ファイバの内部を通過した光を検出する検出器と、
前記検出器で検出された光に基づいて、測定対象の前記ガスを計測する計測・制御部と、
前記中空ファイバの他端と前記検出器の隙間に設けられ、前記中空ファイバの内部を通過した光のうち前記ガスの光吸収帯の光を透過する透過周波数帯域を有する光学フィルタ部と、
を備え、
前記中空ファイバが、前記検出器を前記投光部の前記光源から前記中空ファイバに直線的に延びるエリア以外の位置に設置するように曲げられた形状を有するガス計測装置。 - 曲げられた形状を有する中空ファイバの内部に測定対象のガスを導入し、
前記中空ファイバの一端側から前記中空ファイバの内部に前記一端側と共に第１軸上にあり光源を有する投光部から光を照射し、
前記中空ファイバの５μｍ以上の赤外光を除去するショートウェイブパスフィルタで封止されている他端の先で、前記中空ファイバの内部を通過した光のうち、上記ガスの光吸収帯の光を透過する光学フィルタ部を透過した光を前記他端と共に前記第１軸とは異なる第２軸上にある検出器で検出し、
前記検出された光に基づいて、測定対象の前記ガスを計測する、ガス計測方法。
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