JP7473170B2 - Gas concentration measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、非分散赤外線吸収法(NDIR:non-dispersive infrared)に基づくガス濃度測定装置、特に、流体変調方式ガス濃度測定装置に関する。 The present invention relates to a gas concentration measurement device based on the non-dispersive infrared (NDIR) method, and in particular to a fluid modulation type gas concentration measurement device.

NDIRガス濃度測定装置は、現在、多くの産業分野において様々な用途で普及している。初期の装置は、大型で複雑な構造であったため、用途も限定的であった。やがて、電子産業の発展と時を同じくし、旧型のガス封入式赤外線検出器から、固体受光器と干渉フィルターによる赤外線検出機構への置き換えが進み、構造の簡素化、小型化、長寿命化により、NDIRガス濃度測定装置の用途は飛躍的に拡大した。 NDIR gas concentration measuring devices are now widely used in many industrial fields for a variety of applications. Early devices were large and complex in structure, so their uses were limited. Eventually, in tandem with the development of the electronics industry, the old gas-filled infrared detectors were replaced with infrared detection mechanisms using solid-state photoreceivers and interference filters, and the uses of NDIR gas concentration measuring devices expanded dramatically due to their simplified structure, smaller size, and longer life.

NDIRガス濃度測定装置では、測定対象ガスを含まない光路を通過した赤外線または測定対象ガスに吸収されない波長の赤外線を参照光として用い、測定光と参照光の差または比率からガス濃度を検出することで、光源の変化などを補償する手法が一般的である。 NDIR gas concentration measurement devices typically use infrared light that has passed through an optical path that does not contain the gas being measured, or infrared light with a wavelength that is not absorbed by the gas being measured, as a reference light, and detect the gas concentration from the difference or ratio between the measurement light and the reference light, thereby compensating for changes in the light source, etc.

しかしながら、測定光と参照光の差または比率は測定対象ガスの濃度以外の諸要因によっても変化し、ガス濃度測定装置のゼロドリフトとして現れる。ゼロドリフトは、NDIRに限らず、吸収測定法全般に共通する弱点であり、改善すべき重要課題であった。
ゼロドリフトを軽減するための従来技術の一例を、特許文献1及び特許文献2に示す。
However, the difference or ratio between the measurement light and the reference light changes due to factors other than the concentration of the gas being measured, and this appears as zero drift in the gas concentration measurement device. Zero drift is a weakness common to all absorption measurement methods, not just NDIR, and was an important issue that needed to be improved.
Examples of conventional techniques for reducing zero drift are shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233993 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233994.

前者は、モーターで回転する光チョッパーを用いて信号変調を行う方式で、複数の測定セルと基準セルを、円周上に交互に配置し、測定光の総和と基準光の総和を比較してガス濃度を決定することにより、個別の測定光または基準光に生じる変化を平均化により緩和し、ゼロドリフトの軽減を狙う技術である。 The former is a method of signal modulation using an optical chopper rotated by a motor. Multiple measurement cells and reference cells are arranged alternately on a circumference, and the gas concentration is determined by comparing the sum of the measurement light with the sum of the reference light. This technology aims to reduce zero drift by averaging out the changes that occur in the individual measurement light or reference light.

一方、後者は、モーターと光チョッパーを、シリコンマイクロマシーニングによる個別発光可能な複数の発光部(光源)に置き換えることにより、ゼロドリフト軽減に関して、前者と同等な効果を得ながら、装置の小型化と長寿命化を計る技術である。 The latter, on the other hand, is a technology that aims to miniaturize the device and extend its lifespan while achieving the same effect as the former in terms of reducing zero drift by replacing the motor and optical chopper with multiple light-emitting parts (light sources) that can emit light individually using silicon micromachining.

また、特許文献3には、ゼロドリフトの課題を、より根本的に解決する技術の例が記載されている。
ガス採取箇所におけるガス濃度の変化とは別に、測定セルに導入するガスの濃度を、一定周波数かつ一定割合で変化(変調)させる機構を設け、同変調周波数の受光信号だけを検出することによって、ガス濃度以外の要因を排除するもので、特に、ゼロドリフトに関しては、原理的に解消される利点があり、同文献では、流体変調方式と称している。
Moreover, Patent Document 3 describes an example of a technique for solving the problem of zero drift more fundamentally.
A mechanism is provided that changes (modulates) the concentration of the gas introduced into the measurement cell at a constant frequency and at a constant rate, separate from changes in gas concentration at the gas sampling point, and by detecting only the light receiving signal of the same modulation frequency, factors other than gas concentration are eliminated. In particular, this has the advantage that zero drift is essentially eliminated, and in the same document this is referred to as the fluid modulation method.

特許文献3の図1は、ポンプと電磁弁を用いて、サンプルガスと基準ガス(ゼロガス)を、交互に一定周波数で測定セルに導入する流体変調方式の一例であり、特許文献3の図5(b)は、その受光信号の特徴を説明する図である。 Figure 1 of Patent Document 3 shows an example of a fluid modulation method in which a pump and an electromagnetic valve are used to alternately introduce a sample gas and a reference gas (zero gas) into a measurement cell at a constant frequency, and Figure 5(b) of Patent Document 3 explains the characteristics of the received light signal.

特許文献3の図5(b)において、サンプルガスに測定対象成分が含まれないときは、受光信号は無信号状態を保つので、ゼロドリフトは発生しない。
一方、サンプルガスに測定対象成分が含まれるときは、変調周波数において、ガス濃度に応じたレベルの受光信号が発生し、ガス濃度が測定される。
In FIG. 5(b) of Patent Document 3, when the sample gas does not contain the component to be measured, the received light signal remains in a no-signal state, and therefore no zero drift occurs.
On the other hand, when the sample gas contains a component to be measured, a light receiving signal having a level corresponding to the gas concentration is generated at the modulation frequency, and the gas concentration is measured.

より実用的な構成としては、特許文献3の図3に示すとおり、流体変調方式に適した校正ガスの供給手段を付加したものがあり、サンプルガスと基準ガス(ゼロガス)の切換を行うことから、一部で「ガス切換方式」などと呼ばれ、特に、自動車排気ガス測定器の分野で、長年にわたり実用化されている。 As a more practical configuration, as shown in Figure 3 of Patent Document 3, there is one that adds a means for supplying a calibration gas suitable for the fluid modulation method. Because it switches between the sample gas and the reference gas (zero gas), this is sometimes called the "gas switching method" and has been in practical use for many years, particularly in the field of automobile exhaust gas measuring instruments.

流体変調方式のNDIRガス濃度測定装置の中には、別の方法で測定セル内のガス濃度(密度)を変調する事例がある。
参考として、特許文献3の図4を用いて説明すると、同図における基準ガスを使わず、3方電磁弁4の代わりに一定の変調周波数で開閉する2方電磁弁を用いる。測定セル内のガス圧力、即ち、ガス密度を常圧と一定負圧で切り換えることにより、ガス切換方式と同様の受光信号を得るもので、ゼロドリフトを発生させずに安定なガス測定が可能となる。
Among NDIR gas concentration measurement devices using the fluid modulation method, there are cases where the gas concentration (density) in the measurement cell is modulated by a different method.
For reference, referring to Fig. 4 of Patent Document 3, the reference gas in the figure is not used, and a two-way solenoid valve that opens and closes at a constant modulation frequency is used instead of the three-way solenoid valve 4. By switching the gas pressure in the measurement cell, i.e., the gas density, between normal pressure and a constant negative pressure, a light receiving signal similar to that of the gas switching method is obtained, enabling stable gas measurement without generating zero drift.

この方式は、「圧力変調方式」と呼ばれ、清浄空気などの基準ガス(ゼロガス)を利用できない用途、例えば、ガス漏洩検知の分野で長年にわたり実用化されている。 This method is called the "pressure modulation method" and has been in practical use for many years in applications where a reference gas (zero gas) such as clean air cannot be used, such as in the field of gas leak detection.

本明細書添付の図3は従来技術の光量変調による受光器の出力波形を示す図であり、図4は従来技術の流体変調による受光器出力波形を示す図である。NDIR機器では、S/N確保のため、測定光に変調処理を行っており、例えばモーターで回転する光チョッパーを使用した装置や、光源点滅により測定光を一定の周期で断続する光量変調方式の装置が一般的である。 Figure 3 attached to this specification shows the output waveform of a photoreceiver using light intensity modulation according to the prior art, and Figure 4 shows the output waveform of a photoreceiver using fluid modulation according to the prior art. In NDIR devices, the measurement light is modulated to ensure S/N ratios. For example, devices using a light chopper rotated by a motor, or devices using a light intensity modulation method that periodically switches the measurement light on and off by blinking the light source are common.

NDIR光学系の種類は多岐にわたり、シングルビーム/マルチビーム、シングル波長/マルチ波長、等々、様々なタイプが実用化されているが、対象ガス濃度と検出信号には、図3に示すような関係がある。 There are a wide variety of NDIR optical systems, including single beam/multi-beam, single wavelength/multi-wavelength, and many other types in practical use, but there is a relationship between the target gas concentration and the detection signal, as shown in Figure 3.

図3と図4の出力波形は、変調周波数の信号成分を選択増幅するフィルター処理により、正弦波に近似させた信号として示されている。
図3は、特許文献3の図5(a)に示された出力波形と同様に、光量変調により得られる波形を、より詳細に説明する図であり、変調周波数1Hzのときの出力波形を示している。光量変調による出力波形は、対象ガスが含まれないゼロガスにおいて最大振幅となり、ガス濃度の上昇に応じて振幅が小さくなる。
The output waveforms in FIGS. 3 and 4 are shown as signals that have been approximated to sine waves by filter processing that selectively amplifies the signal components at the modulation frequency.
3 is a diagram for explaining in more detail the waveform obtained by light intensity modulation, similar to the output waveform shown in FIG. 5(a) of Patent Document 3, and shows the output waveform at a modulation frequency of 1 Hz. The output waveform by light intensity modulation has a maximum amplitude in zero gas, which does not contain the target gas, and the amplitude decreases as the gas concentration increases.

図3の中の「FS ガス」の記載は最大濃度(フルスケール濃度)のガスを示し、「1/2FS ガス」の記載は最大濃度の1/2のガスを示す。
光量変調における信号振幅値は、ガス濃度以外の諸要因(関連する全ての部品・部材等の温度影響や経時変化)によっても変動し、ゼロドリフトとして現れ、機器性能の限界を決める主要因となる。
In FIG. 3, the notation "FS gas" indicates gas with the maximum concentration (full-scale concentration), and the notation "1/2FS gas" indicates gas with 1/2 the maximum concentration.
The signal amplitude value in light intensity modulation fluctuates due to factors other than gas concentration (such as temperature effects and changes over time in all related parts and materials), and this appears as zero drift, which is a major factor determining the limits of equipment performance.

NDIR機器のゼロドリフト問題を根本解決するために、光量変調に代えて、ガス濃度(またはガス密度)を一定周期で変調する方式が開発された。特許文献3に示す流体変調方式のNDIRがそれである。 In order to fundamentally solve the zero drift problem of NDIR equipment, a method was developed that modulates the gas concentration (or gas density) at a constant period instead of modulating the amount of light. This is the NDIR with the fluid modulation method shown in Patent Document 3.

図4は特許文献3の図5(b)に示された出力波形と同様に、流体変調により得られる波形を、より詳細に説明する図であり、変調周波数1Hzで測定対象ガスの濃度または密度を変調したときの出力波形を示している。流体変調による出力波形は、対象ガスが含まれないゼロガスにおいては無信号であり、ガス濃度の上昇に応じて振幅が大きくなる。 Figure 4 is a diagram explaining in more detail the waveform obtained by fluid modulation, similar to the output waveform shown in Figure 5(b) of Patent Document 3, and shows the output waveform when the concentration or density of the gas to be measured is modulated at a modulation frequency of 1 Hz. The output waveform by fluid modulation has no signal in zero gas that does not contain the target gas, and the amplitude increases as the gas concentration increases.

図4の中の「FS ガス」の記載は最大濃度(フルスケール濃度)のガスを示しており、「1/2FS ガス」の記載は最大濃度の1/2のガスを示している。流体変調方式のNDIRでは、光源の入射光量を一定に保ち、対象ガスによる赤外吸光が生じるときにだけ、その吸光度合が一定周期で変調され、出力波形(AC信号成分)を発生する。したがって、ゼロガスに対しては完全な無信号状態(AC信号成分=ゼロ)となり、ゼロドリフトが原理的に解消され、かつ、この状態は長期間にわたり確保される。 In Figure 4, "FS gas" indicates gas with maximum concentration (full-scale concentration), and "1/2FS gas" indicates gas with half the maximum concentration. In a fluid modulation type NDIR, the amount of light incident on the light source is kept constant, and only when infrared absorption occurs due to the target gas is the degree of absorption modulated at a constant rate to generate an output waveform (AC signal component). Therefore, for zero gas, there is a completely no-signal state (AC signal component = zero), and zero drift is theoretically eliminated, and this state can be maintained for a long period of time.

ただし、従来技術による流体変調方式には、電磁弁とポンプが使用され、電磁弁の切換による測定光路(測定セル)内のガス濃度変化が、ほぼ一定になるまでの時間を確保するように、切換周波数を設定していたので、実用上の変調周波数は1~2Hz程度に限定されるため、ガス濃度測定装置としての応答性の実績は、信号の平均化処理時間を含めて、90%応答時間として5秒~10秒程度であった。これ以上の高速応答性を要する用途には、流体変調を適用できていない。 However, conventional fluid modulation methods use a solenoid valve and a pump, and the switching frequency is set to ensure that the change in gas concentration in the measurement light path (measurement cell) caused by switching the solenoid valve takes time to become almost constant. As a result, the practical modulation frequency is limited to about 1 to 2 Hz, and the responsiveness of the gas concentration measurement device achieved is about 5 to 10 seconds as a 90% response time, including the signal averaging processing time. Fluid modulation cannot be applied to applications that require faster response than this.

特公平03-047700号公報Japanese Patent Publication No. 03-047700 特許3347264号公報Patent No. 3347264 特許2965507号公報Patent Publication No. 2965507

流体変調によるNDIRガス濃度測定装置は、ゼロドリフトを発生しない利点がある一方で、ガス濃度測定装置の構成が光学系だけで完結せず、専用の通気回路が必須となることで使用上の制約を受ける場合がある。ガス切換方式に関しては、基準ガス(ゼロガス)が利用可能である用途に限定されるため、それ以外の用途において流体変調を適用する場合は、圧力変調方式を選択するこになる。 NDIR gas concentration measurement devices using fluid modulation have the advantage of not generating zero drift, but the configuration of the gas concentration measurement device is not complete with just the optical system, and a dedicated ventilation circuit is required, which can limit usage. As for the gas switching method, it is limited to applications where a reference gas (zero gas) is available, so if fluid modulation is applied to other applications, the pressure modulation method will be selected.

流体変調方式には、ポンプと電磁弁の使用に係わる共通の課題がある。従来の流体変調では、電磁弁を切り換える毎に、測定セル内のガス濃度またはガス圧力が、ほぼ一定値に至るまでの時間を確保することで、再現性のよい受光信号を得るように変調周波数が設定されている。このため、測定セルを含む通気ラインの容積を勘案して、変調周波数が1~2Hz程度に限定されるため、ガス濃度測定装置としての応答性の実績は、信号の平均化処理時間を含めて、90%応答時間として5秒~10秒程度であった。これ以上の高速応答性を要する用途には、流体変調を適用できていない。 Fluid modulation methods have a common issue related to the use of pumps and solenoid valves. In conventional fluid modulation, the modulation frequency is set to obtain a highly reproducible light receiving signal by ensuring time for the gas concentration or gas pressure in the measurement cell to reach a nearly constant value each time the solenoid valve is switched. For this reason, taking into account the volume of the ventilation line including the measurement cell, the modulation frequency is limited to about 1 to 2 Hz, and the responsiveness of the gas concentration measurement device has been proven to be about 5 to 10 seconds as a 90% response time, including the signal averaging processing time. Fluid modulation cannot be applied to applications that require faster response than this.

第2の課題は、測定対象ガスの採取点におけるガス圧力が、大気圧(常圧)と異なる用途、例えば、ガスを扱うプラント等の配管内ガス濃度をインライン測定する用途においては、流体変調を適用できていない。インライン測定などにおいて、ゼロドリフトフリーの流体変調を適用するためには、ガス採取点におけるガスの圧力影響を受けにくい構造とした上で、測定セル内のガス密度を、一定周波数かつ一定比率で変調する技術が求められる。 The second issue is that fluid modulation cannot be applied to applications where the gas pressure at the sampling point of the gas to be measured is different from atmospheric pressure (normal pressure), such as in-line measurement of gas concentration in piping at a gas-handling plant. In order to apply zero-drift-free fluid modulation to in-line measurements, a structure that is not easily affected by the gas pressure at the gas sampling point and a technology that modulates the gas density in the measurement cell at a constant frequency and constant ratio are required.

上記課題を解決するために、本発明は、振動空間を形成する振動室と、前記振動空間と測定対象化合物の気体を含有するサンプルガスの雰囲気であるサンプルガス雰囲気との間で前記サンプルガスが移動する経路である主流通路と、前記振動空間の中のサンプルガスに所定の駆動周波数で圧力変動をさせる振動装置と、前記圧力変動がされた前記サンプルガスに、測定光を照射して前記サンプルガスを透過させ、前記サンプルガスを透過した前記測定光の中の前記測定対象化合物に吸収される波長の光の光量を検出し、電気信号に変換する光量測定装置と、を有し、前記光量測定装置が検出し、変換した前記電気信号に含まれる周波数成分のうち、前記駆動周波数と一致する周波数成分の大きさからガス濃度を求めるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、前記圧力変動がされた前記サンプルガスの圧力を検出する圧力センサを有するガス濃度測定装置である。
また、本発明は、前記ガス濃度は、前記サンプルガス中に含有される前記測定対象化合物の気体の体積と前記サンプルガスの体積との間の比であるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、前記振動装置は、前記圧力センサが検出した前記圧力変動の振動振幅を一定に保つように制御されるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、前記電気信号に含まれる信号成分のうち、前記駆動周波数で変動する信号成分に対する他の周波数で変動する信号成分の比を小さくさせた前記電気信号を用いて前記ガス濃度を求めるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、表面が前記振動空間に露出された振動板が設けられ、前記振動装置は前記振動板を振動させる力を伝達する伝達装置を有し、前記振動装置は前記振動板を前記駆動周波数で振動させて前記サンプルガスを圧力変動させるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、先端が前記振動板に取り付けられたシャフトを有し、前記振動装置は前記シャフトを往復移動させて前記振動板を振動させるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、前記振動板の裏面が露出された裏面側空間と、前記裏面側空間と前記サンプルガス雰囲気との間で前記サンプルガスが移動する経路である裏面側流通路と、N極とS極のうち、一方の磁極が前記振動空間に向けられ、他方の磁極が前記裏面側空間に向けられた受力磁石と、前記振動空間を間にして前記受力磁石に対面する位置に第一の磁極を形成する電磁石である第一給力磁石と、前記裏面側空間を間にして前記受力磁石に対面する位置に第二の磁極を形成する電磁石である第二給力磁石と、を有し、前記振動装置は、前記第一の磁極と前記第二の磁極とを同一極性にしながら極性を交互に反転させて前記振動板を振動させるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、前記振動空間と前記サンプルガス雰囲気との間を移動する前記サンプルガスは、前記主流通路の流動コンダクタンスよりも小さい流動コンダクタンスにされた通気抵抗体を通過するようにされたガス濃度測定装置である。
In order to solve the above problems, the present invention provides a gas concentration measuring device comprising: a vibration chamber that forms a vibration space; a main passage that is a path through which the sample gas moves between the vibration space and a sample gas atmosphere that is an atmosphere of a sample gas containing a gas of a target compound to be measured; a vibration device that causes pressure fluctuations in the sample gas in the vibration space at a predetermined drive frequency; and a light quantity measuring device that irradiates the sample gas that has been subjected to the pressure fluctuations with measurement light to transmit the sample gas, detects the amount of light in the measurement light that has transmitted through the sample gas and is absorbed by the target compound to be measured, and converts the amount of light into an electrical signal, and the gas concentration measuring device determines the magnitude of a frequency component that coincides with the drive frequency among frequency components contained in the electrical signal detected and converted by the light quantity measuring device.
The present invention also provides a gas concentration measuring device having a pressure sensor for detecting the pressure of the sample gas subjected to the pressure fluctuation.
The present invention also provides a gas concentration measuring device, wherein the gas concentration is a ratio between a volume of the gas of the compound to be measured contained in the sample gas and a volume of the sample gas.
The present invention also provides a gas concentration measuring device, wherein the vibration device is controlled so as to keep constant the vibration amplitude of the pressure fluctuation detected by the pressure sensor.
The present invention also provides a gas concentration measurement device that determines the gas concentration using an electrical signal in which a ratio of signal components that fluctuate at the drive frequency to signal components that fluctuate at other frequencies is reduced among signal components contained in the electrical signal.
The present invention also relates to a gas concentration measurement device that is provided with a vibration plate whose surface is exposed to the vibration space, the vibration device having a transmission device that transmits a force that vibrates the vibration plate, and the vibration device vibrates the vibration plate at the drive frequency to fluctuate the pressure of the sample gas.
The present invention also provides a gas concentration measuring device having a shaft whose tip is attached to the vibration plate, the vibration device reciprocatingly moving the shaft to vibrate the vibration plate.
The present invention also provides a gas concentration measurement device comprising a back-side space in which the back surface of the vibration plate is exposed, a back-side flow passage which is a path through which the sample gas moves between the back-side space and the sample gas atmosphere, a force-receiving magnet having an N pole and an S pole, one of which is directed toward the vibration space and the other is directed toward the back-side space, a first force-feeding magnet which is an electromagnet which forms a first magnetic pole at a position facing the force-receiving magnet across the vibration space, and a second force-feeding magnet which is an electromagnet which forms a second magnetic pole at a position facing the force-receiving magnet across the back-side space, wherein the vibration device vibrates the vibration plate by alternately reversing the polarity of the first magnetic pole and the second magnetic pole while maintaining the same polarity.
The present invention also provides a gas concentration measuring device in which the sample gas moving between the vibration space and the sample gas atmosphere passes through a ventilation resistor having a flow conductance smaller than the flow conductance of the main passage.

本発明の脈流式ガス濃度測定装置は、チャンバー内に発生させた特定周波数の圧力脈動を測定光路に伝達することにより発生するガス濃度の脈動に同期した赤外線吸収信号を利用できるので、流体変調方式の利点であるゼロドリフト・フリーの実現と同時に、90%応答時間として、5秒以内の高速応答が可能となる。また、ダイアフラムを磁気駆動する構造とすれば、チャンバーの気密性確保が容易となり、インライン・ガス濃度測定装置としての利用も可能となる。
さらに、従来の流体変調方式で必須とされた電磁弁とポンプを、小型の脈流発生部に置き換えることで、流体変調方式ガス濃度測定装置の小型化とコストダウンが期待できる。
The pulsating flow type gas concentration measuring device of the present invention can utilize an infrared absorption signal synchronized with the gas concentration pulsation generated by transmitting the pressure pulsation of a specific frequency generated in the chamber to the measurement optical path, and can realize zero drift free, which is an advantage of the fluid modulation method, and at the same time, can achieve a high speed response of 5 seconds or less as a 90% response time. Also, if the diaphragm is magnetically driven, it becomes easy to ensure the airtightness of the chamber, and it can be used as an in-line gas concentration measuring device.
Furthermore, by replacing the solenoid valve and pump that were essential in the conventional fluid modulation method with a small pulsating flow generating unit, it is expected that the fluid modulation type gas concentration measurement device can be made smaller and less expensive.

本発明のガス濃度測定装置の一例An example of the gas concentration measuring device of the present invention 本発明のガス濃度測定装置の他の例Another Example of the Gas Concentration Measuring Device of the Present Invention 従来技術の光量変調方式のガス濃度測定装置の光量信号波形を示すグラフGraph showing a light quantity signal waveform of a conventional gas concentration measuring device using a light quantity modulation method. 従来技術の流体変調方式のガス濃度測定装置の光量信号波形を示すグラフGraph showing the light quantity signal waveform of a conventional fluid modulation type gas concentration measuring device 本発明のガス濃度測定装置の圧力信号の波形を示すグラフGraph showing the waveform of a pressure signal from a gas concentration measuring device of the present invention. 本発明のガス濃度測定装置のガス濃度と出力信号波形の関係を示すグラフGraph showing the relationship between gas concentration and output signal waveform of the gas concentration measuring device of the present invention. 本発明のガス濃度測定装置のガス濃度と出力信号の相対値との関係を示すグラフGraph showing the relationship between gas concentration and the relative value of the output signal of the gas concentration measuring device of the present invention. 本発明のガス濃度測定装置の使用方法を説明するための図FIG. 1 is a diagram for explaining a method of using the gas concentration measuring device of the present invention.

図8(a)は、本発明の一例のガス濃度測定装置41aを説明するための図であり、図8(b)は、本発明の他の例のガス濃度測定装置41bを説明するための図である。 Figure 8(a) is a diagram for explaining a gas concentration measuring device 41a according to an example of the present invention, and Figure 8(b) is a diagram for explaining a gas concentration measuring device 41b according to another example of the present invention.

図8(a)、(b)を参照し、符号40a、40bは、液化ガスタンク46a、46bを使用した車両の燃料供給システムを示している。
この燃料供給システム40a、40bでは、液化ガスタンク46a、46bに蓄液された液化ガスを気化器47a、47bによって気化させ、得られた燃料ガスを供給管20a、20bの内部を流してインジェクター48a、48bに導入し、インジェクター48a、48bからエンジン49a、49bに供給し、吸入された大気と共に燃焼させてエンジン49a、49bを動作させて車両を走行させる。
8(a) and 8(b), reference numerals 40a and 40b denote a vehicle fuel supply system using liquefied gas tanks 46a and 46b.
In this fuel supply system 40a, 40b, liquefied gas stored in liquefied gas tanks 46a, 46b is vaporized by carburetors 47a, 47b, and the resulting fuel gas flows through supply pipes 20a, 20b and is introduced into injectors 48a, 48b, supplied from the injectors 48a, 48b to engines 49a, 49b, where it is combusted together with the intake air to operate the engines 49a, 49b and run the vehicle.

液化ガスタンク46a、46bに蓄液された液化ガスは、エンジン49a、49bで消費されなくても自然蒸発して消耗する。
液化ガスに含有される化合物のうち、蒸気圧が大きい化合物が蒸発しやすいことから、自然蒸発によって発生した燃料ガスが安全のために放出弁から大気に放出されると、時間の経過に従って液化ガスの成分割合が変化してしまう。
The liquefied gas stored in the liquefied gas tanks 46a, 46b is consumed through natural evaporation even if it is not consumed by the engines 49a, 49b.
Among the compounds contained in liquefied gas, those with high vapor pressure tend to evaporate easily. Therefore, when fuel gas generated by natural evaporation is released into the atmosphere through a release valve for safety reasons, the component ratio of the liquefied gas changes over time.

そのため、液化ガスタンク46a、46bから得られる燃料ガス中の測定対象ガスのガス濃度を定期的に測定し、蒸発による劣化の程度を把握する必要がある。
本発明の一例のガス濃度測定装置41aの内部は図1に示されており、他の例のガス濃度測定装置41bの内部は図2に示されている。
Therefore, it is necessary to periodically measure the gas concentration of the gas to be measured in the fuel gas obtained from the liquefied gas tanks 46a, 46b and grasp the degree of deterioration due to evaporation.
The inside of a gas concentration measuring device 41a according to one example of the present invention is shown in FIG. 1, and the inside of a gas concentration measuring device 41b according to another example is shown in FIG.

図1と図2とを参照し、ガス濃度測定装置41a、41bは、振動室44a、44bと、導入管7a、7bと、振動装置43a、43bと、光量測定装置17a、17bとをそれぞれ有している。
供給管20a、20bの内部には燃料ガスが流れており、従って、供給管20a、20bの内部には燃料ガス雰囲気21a、21bが形成されている。燃料ガスには、濃度測定を行うべき可燃性ガスが含有されており、この可燃性ガスがガス濃度測定装置41a、41bが濃度測定をする測定対象ガスである。
1 and 2, the gas concentration measuring devices 41a and 41b respectively include vibration chambers 44a and 44b, introduction pipes 7a and 7b, vibration devices 43a and 43b, and light quantity measuring devices 17a and 17b.
Fuel gas flows inside the supply pipes 20a, 20b, and therefore fuel gas atmospheres 21a, 21b are formed inside the supply pipes 20a, 20b. The fuel gas contains a combustible gas whose concentration is to be measured, and this combustible gas is the measurement target gas whose concentration is measured by the gas concentration measuring devices 41a, 41b.

供給管20a、20bには主バルブ13a、13bが設けられており、定期検査時には、主バルブ13a、13bに導入管7a、7bの一端が接続された後、主バルブ13a、13bが切り替えられ、供給管20a、20bの内部の燃料ガス雰囲気21a、21bから導入管7a、7bの内部に燃料ガスが導入される。
振動室44a、44bは導入管7a、7bの他端に接続されている。
The supply pipes 20a, 20b are provided with main valves 13a, 13b. During regular inspection, one end of the introduction pipes 7a, 7b is connected to the main valves 13a, 13b, and then the main valves 13a, 13b are switched so that fuel gas is introduced from the fuel gas atmospheres 21a, 21b inside the supply pipes 20a, 20b into the introduction pipes 7a, 7b.
The vibration chambers 44a, 44b are connected to the other ends of the introduction pipes 7a, 7b.

振動室44a、44bは、振動容器4a、4bと、振動板(ダイアフラムとも言う)3a、3bとを有しており、振動板3a、3bは、振動容器4a、4bの底面27a、27bと対面する姿勢で、底面27a、27bから離間して配置されている。そして振動板3a、3bはその周囲を振動容器4a、4bの側壁に密着して固定されている。 The vibration chambers 44a, 44b have vibration containers 4a, 4b and vibration plates (also called diaphragms) 3a, 3b, and the vibration plates 3a, 3b are arranged facing the bottom surfaces 27a, 27b of the vibration containers 4a, 4b, but spaced apart from the bottom surfaces 27a, 27b. The periphery of the vibration plates 3a, 3b is fixed in close contact with the side walls of the vibration containers 4a, 4b.

振動板3a、3bは振動容器4a、4bの開口を閉塞させており、振動板3a、3bと振動容器4a、4bの底面27a、27bとの間には、閉塞した振動空間8a、8bが形成されている。
振動容器4a、4bの底面27a、27b又は壁面には貫通孔12a、12bが設けられており、燃料ガス雰囲気21a、21bから導入管7a、7bに導入された燃料ガスは、貫通孔12a、12bを通って振動空間8a、8bに導入される。
The vibration plates 3a, 3b close the openings of the vibration containers 4a, 4b, and closed vibration spaces 8a, 8b are formed between the vibration plates 3a, 3b and the bottom surfaces 27a, 27b of the vibration containers 4a, 4b.
Through holes 12a, 12b are provided in the bottom surfaces 27a, 27b or wall surfaces of the vibration containers 4a, 4b, and the fuel gas introduced from the fuel gas atmospheres 21a, 21b to the introduction pipes 7a, 7b is introduced into the vibration spaces 8a, 8b through the through holes 12a, 12b.

このように、導入管7a、7bの内部によって、燃料ガス雰囲気21a、21bと振動空間8a、8bとの間で燃料ガスを移動させる主流通路9a、9bが形成されており、振動空間8a、8bが燃料ガスによって充満される。
振動装置43a、43bは、駆動装置1a、1bと、伝達装置2a、2bとを有している。
In this way, the insides of the inlet pipes 7a, 7b form main passages 9a, 9b that move the fuel gas between the fuel gas atmospheres 21a, 21b and the vibration spaces 8a, 8b, and the vibration spaces 8a, 8b are filled with fuel gas.
The vibration devices 43a and 43b include driving devices 1a and 1b and transmission devices 2a and 2b.

駆動装置1a、1bは振動板3a、3bを振動させる動力源であり、伝達装置2a、2bは、駆動装置1a、1bが生成した力を振動板3a、3bに伝達する。
振動板3a、3bの表面は振動空間8a、8bに露出され、振動空間8a、8bに充満した燃料ガスと接触しており、後述するように、振動板3a、3bが駆動装置1a、1bで生成され、伝達装置2a、2bによって伝達された力で振動板3a、3bの表面とは垂直な方向に振動されると、振動空間8a、8b内に位置する燃料ガスの圧力が振動する。
The driving devices 1a and 1b are power sources that vibrate the diaphragms 3a and 3b, and the transmission devices 2a and 2b transmit the forces generated by the driving devices 1a and 1b to the diaphragms 3a and 3b.
The surfaces of the vibrating plates 3a, 3b are exposed to the vibration spaces 8a, 8b and are in contact with the fuel gas filling the vibration spaces 8a, 8b. As described below, when the vibrating plates 3a, 3b are vibrated in a direction perpendicular to the surfaces of the vibrating plates 3a, 3b by the force generated by the driving devices 1a, 1b and transmitted by the transmission devices 2a, 2b, the pressure of the fuel gas located in the vibration spaces 8a, 8b vibrates.

この振動について説明すると、図1のガス濃度測定装置41aでは、先ず、振動板3aの両面のうち、振動空間8aに露出する表面の反対側の面である裏面は大気に露出されている。
この例では、駆動装置1aはモータ34を有しており、伝達装置2aはシャフト(棒)25を有しており、モータ34とシャフト25は振動板3aの裏面側に配置されている。
To explain this vibration, in the gas concentration measuring device 41a of FIG. 1, first, of both surfaces of the diaphragm 3a, the back surface opposite to the front surface exposed to the vibration space 8a is exposed to the atmosphere.
In this example, the driving device 1a has a motor 34, the transmission device 2a has a shaft (rod) 25, and the motor 34 and the shaft 25 are disposed on the rear side of the diaphragm 3a.

シャフト25の根本部分はモータ34に取り付けられ、モータ34の回転運動がシャフト25の往復運動に変換されており、その結果、モータ34の動作によって、シャフト25はシャフト25が伸びる方向と平行な方向に往復運動する。
シャフト25の先端部分は振動板3aに固定されている。ここでは振動板3aは円形形状であり、伝達装置2aの先端はその中心位置に取り付けられている。
The base portion of shaft 25 is attached to a motor 34, and the rotational motion of motor 34 is converted into reciprocating motion of shaft 25. As a result, operation of motor 34 causes shaft 25 to reciprocate in a direction parallel to the extension direction of shaft 25.
The tip portion of the shaft 25 is fixed to the diaphragm 3a. Here, the diaphragm 3a has a circular shape, and the tip of the transmission device 2a is attached to its center position.

振動板3aのうち、伝達装置2aから力が伝達される箇所を受力箇所30aと呼ぶと、受力箇所30aは振動板3aのうちのシャフト25の先端が取り付けられた場所であり、駆動装置1aの動作開始によって、振動板3aの周囲は振動容器4a、4bの側壁に固定された状態で、受力箇所30aは交互に繰り返し押圧と牽引がされる。 The part of the vibration plate 3a where the force is transmitted from the transmission device 2a is called the force receiving part 30a. The force receiving part 30a is the part of the vibration plate 3a where the tip of the shaft 25 is attached. When the drive device 1a starts to operate, the periphery of the vibration plate 3a is fixed to the side walls of the vibration containers 4a and 4b, and the force receiving part 30a is repeatedly pressed and pulled alternately.

図1、図2のガス濃度測定装置41a、41bでは、振動板3a、3bは屈伸可能な材料で構成されており、振動板3a、3bが平坦な状態を中央状態と呼ぶと、受力箇所30a、30bが交互に繰り返し押圧と牽引がされたときは、受力箇所30a、30bは、中央状態のときの受力箇所30a、30bの位置を中心にして、底面27a、27bに接近する方向と底面27a、27bから遠ざかる方向に交互に移動する(符号30b、27bについては後述する)。 In the gas concentration measuring devices 41a and 41b in Figures 1 and 2, the vibration plates 3a and 3b are made of a flexible material, and if the state in which the vibration plates 3a and 3b are flat is called the central state, when the force receiving points 30a and 30b are repeatedly pressed and pulled alternately, the force receiving points 30a and 30b move alternately in a direction approaching the bottom surfaces 27a and 27b and in a direction away from the bottom surfaces 27a and 27b, with the position of the force receiving points 30a and 30b in the central state as the center (reference numbers 30b and 27b will be described later).

受力箇所30a、30bが底面27a、27bに接近する方向に移動した結果、振動板3a、3bは振動空間8a、8b側が凸に膨らみ、反対側が凹に窪んで振動空間8a、8bの容積が減少する。
それとは反対に、受力箇所30a、30bが底面27a、27bから遠ざかる方向に移動した結果、振動板3a、3bは振動空間8a、8b側が凹に窪み、反対側が凸に膨らんで振動空間8a、8bの容積が増大する。
As a result of the force receiving points 30a, 30b moving in a direction approaching the bottom surfaces 27a, 27b, the diaphragms 3a, 3b bulge convexly on the vibration spaces 8a, 8b side and become concave on the opposite side, reducing the volume of the vibration spaces 8a, 8b.
Conversely, when the force receiving points 30a, 30b move in a direction away from the bottom surfaces 27a, 27b, the diaphragms 3a, 3b become concave on the vibration spaces 8a, 8b side and convex on the opposite side, increasing the volume of the vibration spaces 8a, 8b.

振動装置43a、43bは、受力箇所30a、30bと振動容器4a、4bの底面27a、27bとの間の距離が、中央状態のときの距離から等距離増減するように受力箇所30a、30bを往復移動させて振動板3a、3bを振動させており、その結果、振動空間8a、8bの容積は等量の増減を繰り返す。 The vibration devices 43a, 43b vibrate the vibration plates 3a, 3b by reciprocating the force receiving points 30a, 30b so that the distance between the force receiving points 30a, 30b and the bottom surfaces 27a, 27b of the vibration containers 4a, 4b increases and decreases by an equal distance from the distance in the central state, and as a result, the volume of the vibration spaces 8a, 8b repeatedly increases and decreases by an equal amount.

振動装置43a、43bは主制御装置18a、18bに接続されており、駆動装置1a、1bは、主制御装置18a、18bから入力される所定の駆動周波数で振動板3a、3bを振動させる。従って、振動空間8a、8bの容積は、駆動周波数で等量の増減を繰り返す。 The vibration devices 43a and 43b are connected to the main control devices 18a and 18b, and the drive devices 1a and 1b vibrate the vibration plates 3a and 3b at a predetermined drive frequency input from the main control devices 18a and 18b. Therefore, the volume of the vibration spaces 8a and 8b repeatedly increases and decreases by an equal amount at the drive frequency.

主流通路9a、9bの一部又は全部の流動コンダクタンスが小さい場合は、振動空間8a、8bの容積が変動しても、振動空間8a、8bに流出入できる燃料ガスの量が制限され、その結果、振動空間8a、8bに駆動周波数の圧力振動が発生する。 If the flow conductance of part or all of the main passages 9a, 9b is small, even if the volume of the vibration spaces 8a, 8b fluctuates, the amount of fuel gas that can flow in and out of the vibration spaces 8a, 8b is limited, and as a result, pressure vibrations of the drive frequency are generated in the vibration spaces 8a, 8b.

図2のガス濃度測定装置41bでは、駆動装置1bは電源装置35を有しており、伝達装置2bは受力磁石26と、第一給力磁石22と、第二給力磁石24とを有している。
振動板3bの裏面側には裏面側容器5が配置されている。振動板3bは、裏面側容器5の開口を閉塞させるように、周囲を裏面側容器5の側壁に密着して固定されており、振動板3bと裏面側容器5の底面28との間には、閉塞した裏面側空間38が形成されている。
In a gas concentration measuring device 41b in FIG. 2, a driving device 1b has a power supply device 35, and a transmission device 2b has a force receiving magnet 26, a first force supplying magnet 22, and a second force supplying magnet 24.
A rear-side container 5 is disposed on the rear side of the vibration plate 3b. The periphery of the vibration plate 3b is fixed in close contact with the side wall of the rear-side container 5 so as to close the opening of the rear-side container 5, and a closed rear-side space 38 is formed between the vibration plate 3b and the bottom surface 28 of the rear-side container 5.

供給管20bには、副バルブ33が設けられており、定期検査時には、副配管37の一端が副バルブ33に接続される。副配管37の他端は、裏面側容器5の底面又は側壁に設けられた副貫通孔32に接続され、副配管37に導入された燃料ガスは、副貫通孔32を通って裏面側空間38に供給され、裏面側空間38が燃料ガスによって充満される。 The supply pipe 20b is provided with a sub-valve 33, and during regular inspections, one end of the sub-pipe 37 is connected to the sub-valve 33. The other end of the sub-pipe 37 is connected to a sub-through hole 32 provided in the bottom or side wall of the rear-side container 5, and the fuel gas introduced into the sub-pipe 37 is supplied to the rear-side space 38 through the sub-through hole 32, filling the rear-side space 38 with fuel gas.

第一給力磁石22は、振動空間8bの外部であって、振動容器4bの底板と対面する位置に配置されており、第二給力磁石24は、裏面側空間38の外部であって、裏面側容器5の底板と対面する位置に配置されている。
受力磁石26は、振動板3bの中央位置に設けられており、第一給力磁石22と第二給力磁石24との間に位置し、第一給力磁石22の中心と受力磁石26の中心と第二給力磁石24の中心とが一直線に並ぶように配置されている。
The first force-feeding magnet 22 is positioned outside the vibration space 8b in a position facing the bottom plate of the vibration container 4b, and the second force-feeding magnet 24 is positioned outside the back side space 38 in a position facing the bottom plate of the back side container 5.
The force-receiving magnet 26 is provided at the central position of the vibration plate 3b, and is located between the first force-feeding magnet 22 and the second force-feeding magnet 24, and is arranged so that the center of the first force-feeding magnet 22, the center of the force-feeding magnet 26, and the center of the second force-feeding magnet 24 are aligned in a straight line.

ここでは受力磁石26は永久磁石であり、第一給力磁石22と第二給力磁石24とは電磁石である。第一給力磁石22と第二給力磁石24とは、電源装置35から電流が供給されると磁石となり、磁力を発生させる。 Here, the force-receiving magnet 26 is a permanent magnet, and the first force-feeding magnet 22 and the second force-feeding magnet 24 are electromagnets. When current is supplied from the power supply unit 35, the first force-feeding magnet 22 and the second force-feeding magnet 24 become magnets and generate magnetic force.

第一給力磁石22は、磁力を発生させる際には、N極とS極のうち、一方の磁極が振動板3bに向く位置に形成され、他方の磁極が振動板3bとは反対側に向く位置に形成されるように配置されている。
また、第二給力磁石24は、第二給力磁石24が磁力を発生させる際には、N極とS極のうち、一方の磁極が振動板3bに向く位置に形成され、他方の磁極が振動板3bとは反対側に向く位置に形成されるように配置されている。
The first force-feeding magnet 22 is arranged so that, when generating magnetic force, one of the N and S poles is formed in a position facing the vibration plate 3b, and the other magnetic pole is formed in a position facing the opposite side to the vibration plate 3b.
In addition, the second force-feeding magnet 24 is arranged so that, when the second force-feeding magnet 24 generates a magnetic force, one of the N pole and S pole is formed in a position facing the vibration plate 3b, and the other magnetic pole is formed in a position facing the opposite side to the vibration plate 3b.

電源装置35は、第一給力磁石22の振動板3bに向く位置に形成される磁極と、第二給力磁石24の振動板3bに向く位置に形成される磁極とは、同じ極性の磁極が発生する向きで、第一給力磁石22と第二給力磁石24とに電流を流している。
また、電源装置35は、振動板3bに向く位置に形成される磁極の極性が反転するように、第一給力磁石22に流れる電流の向きと第二給力磁石24に流れる電流の向きとを一緒に反転させている。
The power supply unit 35 passes current through the first force-feeding magnet 22 and the second force-feeding magnet 24 in a direction that generates magnetic poles of the same polarity between the magnetic pole formed at a position facing the diaphragm 3b of the first force-feeding magnet 22 and the magnetic pole formed at a position facing the diaphragm 3b of the second force-feeding magnet 24.
In addition, the power supply unit 35 reverses the direction of the current flowing through the first force-feeding magnet 22 and the direction of the current flowing through the second force-feeding magnet 24 together so that the polarity of the magnetic pole formed in the position facing the vibration plate 3b is reversed.

受力磁石26は、N極とS極のうち、一方の磁極を振動空間8bに向け、他方の磁極を裏面側空間38に向けた状態で振動板3bに固定されており、受力磁石26が第一給力磁石22から吸引されるときは第二給力磁石24から反発され、第一給力磁石22から反発されるときは第二給力磁石24から吸引されるようになっている。 The force-receiving magnet 26 is fixed to the diaphragm 3b with one of its north and south poles facing the vibration space 8b and the other facing the back space 38. When the force-receiving magnet 26 is attracted by the first force-feeding magnet 22, it is repelled by the second force-feeding magnet 24, and when it is repelled by the first force-feeding magnet 22, it is attracted by the second force-feeding magnet 24.

振動板3bのうち、受力磁石26が設けられた箇所を受力箇所30bと呼ぶと、受力箇所30bは、第一給力磁石22と第二給力磁石24との吸引と反発によって受力箇所30bは、中央状態のときの受力箇所30bの位置を中心にして、振動容器4bの底面27bに接近する方向と底面27bから遠ざかる方向に交互に移動し、振動板3bは表面に垂直な方向に振動し、振動空間8bの容積が振動する。 The part of the vibration plate 3b where the force-receiving magnet 26 is provided is called the force-receiving part 30b. Due to the attraction and repulsion between the first force-receiving magnet 22 and the second force-receiving magnet 24, the force-receiving part 30b moves alternately in a direction approaching and away from the bottom surface 27b of the vibration container 4b, with the position of the force-receiving part 30b in the central state as the center, and the vibration plate 3b vibrates in a direction perpendicular to the surface, and the volume of the vibration space 8b vibrates.

受力箇所30bと振動容器4bの底面27bとの間の距離は、振動板3bが中央状態のときの距離から等距離増減するように、伝達装置2bは振動装置43bによって往復移動されており、その結果、振動空間8bの容積は等量の増減を繰り返す。 The transmission device 2b is moved back and forth by the vibration device 43b so that the distance between the force receiving point 30b and the bottom surface 27b of the vibration container 4b increases and decreases by an equal distance from the distance when the vibration plate 3b is in the central state, and as a result, the volume of the vibration space 8b repeatedly increases and decreases by an equal amount.

振動装置43bは主制御装置18bに接続されており、駆動装置1bは、主制御装置18bから入力される駆動周波数で振動板3bを振動させている。
燃料ガス雰囲気21bと振動空間8bとの間で燃料ガスを移動させる主流通路9bの一部又は全部の流動コンダクタンスが小さい場合は、振動空間8bの容積が変動しても、振動空間8bに流出入できる燃料ガスの量が制限され、その結果、振動空間8bに駆動周波数の圧力振動が発生する。
The vibration device 43b is connected to a main control device 18b, and the drive device 1b vibrates the diaphragm 3b at a drive frequency input from the main control device 18b.
If the flow conductance of part or all of the main passage 9b, which moves the fuel gas between the fuel gas atmosphere 21b and the vibration space 8b, is small, even if the volume of the vibration space 8b fluctuates, the amount of fuel gas that can flow in and out of the vibration space 8b is limited, and as a result, pressure vibrations of the driving frequency are generated in the vibration space 8b.

具体的には、第一給力磁石22と第二給力磁石24とに40Hzの周波数の正弦波電圧を同極性で印加し、振動板3bを40Hzの周波数で振動させ、40Hzの周波数の圧力振動を発生させている。 Specifically, a sinusoidal voltage with a frequency of 40 Hz is applied to the first force-feeding magnet 22 and the second force-feeding magnet 24 with the same polarity, causing the diaphragm 3b to vibrate at a frequency of 40 Hz, generating pressure vibrations with a frequency of 40 Hz.

以上説明したように、ガス濃度測定装置41a、41bでは、振動空間8a、8bに駆動周波数で振動する圧力振動を発生させているが、図1のガス濃度測定装置41aでは、振動板3aの表面と裏面との間に圧力差が存在する場合があり、振動空間8aの圧力が大気圧と同じ大きさの場合は、振動板3aの振動中心は振動板3aが平坦な状態であるが、振動空間8aの圧力が大気圧よりも無視できないほど高い場合は、振動板3aが大気側(裏面側)に膨らんだ状態になる。 As explained above, the gas concentration measuring devices 41a and 41b generate pressure vibrations in the vibration spaces 8a and 8b that vibrate at the drive frequency. In the gas concentration measuring device 41a in FIG. 1, however, there may be a pressure difference between the front and back surfaces of the vibration plate 3a. When the pressure in the vibration space 8a is the same as the atmospheric pressure, the vibration center of the vibration plate 3a is in a flat state, but when the pressure in the vibration space 8a is significantly higher than the atmospheric pressure, the vibration plate 3a bulges toward the atmosphere (back surface).

図2のガス濃度測定装置41bでは、副配管37の内部によって、裏面側空間38と燃料ガス雰囲気21bとが接続される裏面側流通路29が形成されており、振動空間8bの平均圧力は、裏面側空間38の平均圧力と同じ大きさになる。従って、振動板3bは、中央状態を中心に振動する。 In the gas concentration measuring device 41b in FIG. 2, the inside of the auxiliary pipe 37 forms a back side flow passage 29 that connects the back side space 38 and the fuel gas atmosphere 21b, and the average pressure of the vibration space 8b is the same as the average pressure of the back side space 38. Therefore, the vibration plate 3b vibrates around the central state.

次に、図1、図2のガス濃度測定装置41a、41bの導入管7a、7bには通気抵抗体6a、6bが設けられており、燃料ガス雰囲気21a、21bと振動空間8a、8bとの間を移動する燃料ガスは、通気抵抗体6a、6bを通過するようにされている。 Next, the inlet pipes 7a and 7b of the gas concentration measuring devices 41a and 41b in Figures 1 and 2 are provided with ventilation resistors 6a and 6b, and the fuel gas moving between the fuel gas atmospheres 21a and 21b and the vibration spaces 8a and 8b passes through the ventilation resistors 6a and 6b.

通気抵抗体6a、6bは細孔31a、31bを有しており、主流通路9a、9bのうち、通気抵抗体6a、6bが設けられた部分では、主流通路9a、9bの他の部分よりも流動コンダクタンスが小さくされている。つまり、燃料ガスは、主流通路9a、9bのうち、通気抵抗体6a、6bが設けられた場所が流れにくくなっている。 The ventilation resistors 6a, 6b have pores 31a, 31b, and the flow conductance is smaller in the parts of the main passages 9a, 9b where the ventilation resistors 6a, 6b are provided than in other parts of the main passages 9a, 9b. In other words, it is difficult for the fuel gas to flow through the places of the main passages 9a, 9b where the ventilation resistors 6a, 6b are provided.

燃料ガス雰囲気21a、21bと振動空間8a、8bとは、主流通路9a、9bによって接続されているため、燃料ガス雰囲気21a、21bの圧力が一定値を維持している間は、振動空間8a、8bの平均圧力は燃料ガス雰囲気21a、21bの圧力と等しい値になるものの、燃料ガスが通気抵抗体6a、6bを通って振動空間8a、8bに流出入しにくいことから、振動空間8a、8bの容積の大きさが振動したときの振動空間8a、8bの圧力変動量が大きくなる。 Since the fuel gas atmospheres 21a, 21b and the vibration spaces 8a, 8b are connected by the main passages 9a, 9b, while the pressure of the fuel gas atmospheres 21a, 21b is maintained at a constant value, the average pressure of the vibration spaces 8a, 8b is equal to the pressure of the fuel gas atmospheres 21a, 21b. However, since it is difficult for the fuel gas to flow in and out of the vibration spaces 8a, 8b through the ventilation resistors 6a, 6b, the pressure fluctuation amount of the vibration spaces 8a, 8b becomes large when the volume of the vibration spaces 8a, 8b vibrates.

副配管37にも通気抵抗体を設け、裏面側空間38と燃料ガス雰囲気21bとの間の流動コンダクタンスの大きさを、振動空間8bと燃料ガス雰囲気21bとの間の流動コンダクタンスの大きさと等しくするようにしてもよい。 A ventilation resistor may also be provided in the secondary pipe 37 to make the magnitude of the flow conductance between the rear space 38 and the fuel gas atmosphere 21b equal to the magnitude of the flow conductance between the vibration space 8b and the fuel gas atmosphere 21b.

主流通路9a、9bのうち、振動空間8a、8bと通気抵抗体6a、6bとの間の部分も振動空間8a、8bの圧力振動と一緒に振動しており、導入管7a、7bのうち、振動空間8a、8bと通気抵抗体6a、6bとの間の部分には、入口側窓36a、36bと出口側窓39a、39bとが設けられている。
光量測定装置17a、17bは、送光器11a、11bと、受光器15a、15bと、光学フィルター14a、14bとを有している。
Of the main passages 9a, 9b, the portions between the vibration spaces 8a, 8b and the ventilation resistors 6a, 6b also vibrate together with the pressure vibrations of the vibration spaces 8a, 8b, and of the inlet pipes 7a, 7b, the portions between the vibration spaces 8a, 8b and the ventilation resistors 6a, 6b are provided with inlet side windows 36a, 36b and outlet side windows 39a, 39b.
The light quantity measuring devices 17a and 17b include light transmitters 11a and 11b, light receivers 15a and 15b, and optical filters 14a and 14b.

導入管7a、7bの外部の場所のうち、入口側窓36a、36bと対面する場所に送光器11a、11bが配置されており、出口側窓39a、39bと対面する場所に受光器15a、15bが配置されている。 Outside the inlet pipes 7a and 7b, light transmitters 11a and 11b are arranged at locations facing the inlet side windows 36a and 36b, and light receivers 15a and 15b are arranged at locations facing the outlet side windows 39a and 39b.

特定の化合物のガスが吸収する光の波長を吸収波長と呼ぶと、測定対象ガスの吸収波長は分かっており、送光器11a、11bは、吸収波長の光を含む測定光を入口側窓36a、36bに向けて射出する。ここでは、送光器11a、11bには白熱電球が使用されている。
入口側窓36a、36bと出口側窓39a、39bとは、互いに対面する位置に配置されており、入口側窓36a、36bと出口側窓39a、39bとの間には、導入管7a、7bの内部に充満する燃料ガスが位置している。
The wavelength of light absorbed by a gas of a specific compound is called the absorption wavelength, and the absorption wavelength of the gas to be measured is known. The light transmitters 11a and 11b emit measurement light containing light of the absorption wavelength toward the entrance side windows 36a and 36b. In this example, incandescent light bulbs are used for the light transmitters 11a and 11b.
The inlet side windows 36a, 36b and the outlet side windows 39a, 39b are arranged facing each other, and the fuel gas filling the inside of the inlet pipes 7a, 7b is located between the inlet side windows 36a, 36b and the outlet side windows 39a, 39b.

光学フィルター14a、14bは、送光器11a、11bが射出して受光器15a、15bで受光される測定光が通過する位置に配置されており、測定光が光学フィルター14a、14bを通過する際に吸収波長以外の波長の光は減衰される。
ここでは、光学フィルター14a、14bには、透過中心波長3.4μm、透過波長幅0.2μmの赤外線バンドパスフィルターが使用されており、光学フィルター14a、14bは受光器15a、15bと出口側窓39a、39bとの間に配置されている。送光器11a、11bが射出した測定光は入口側窓36a、36bを通過して、導入管7a、7bの内部に入射し、入口側窓36a、36bと出口側窓39a、39bとの間に位置する燃料ガス中を通過した後、出口側窓39a、39bと光学フィルター14a、14bを通過し、受光器15a、15bで受光される。受光器15a、15bには、非冷却・量子型PbSe受光素子が使用されている。
The optical filters 14a, 14b are positioned at positions through which the measurement light emitted by the light transmitters 11a, 11b and received by the light receivers 15a, 15b passes, and when the measurement light passes through the optical filters 14a, 14b, light of wavelengths other than the absorption wavelength is attenuated.
Here, the optical filters 14a and 14b are infrared bandpass filters with a transmission center wavelength of 3.4 μm and a transmission wavelength width of 0.2 μm, and the optical filters 14a and 14b are disposed between the light receivers 15a and 15b and the outlet side windows 39a and 39b. The measurement light emitted by the light transmitters 11a and 11b passes through the inlet side windows 36a and 36b, enters the inside of the introduction tubes 7a and 7b, passes through the fuel gas located between the inlet side windows 36a and 36b and the outlet side windows 39a and 39b, passes through the outlet side windows 39a and 39b and the optical filters 14a and 14b, and is received by the light receivers 15a and 15b. The light receivers 15a and 15b use non-cooled quantum type PbSe light receiving elements.

受光器15a、15bは、受光した光の光量を示す光量信号を生成して電気信号として主制御装置18a、18bに出力する。受光器15a、15bが出力する光量信号は、測定対象ガスの吸収波長の光の光量である。 The receivers 15a and 15b generate a light intensity signal indicating the amount of light received and output it as an electrical signal to the main controllers 18a and 18b. The light intensity signal output by the receivers 15a and 15b is the amount of light at the absorption wavelength of the gas to be measured.

ここでは、受光器15a、15bから出力された光量信号は増幅器19a、19bを介して主制御装置18a、18bに入力されており、増幅器19a、19bは、光量信号に含まれる信号成分のうち、駆動周波数で振動する信号成分(AC信号成分)のみを検出して増幅し、主制御装置18a、18bに出力する。その結果、駆動周波数に同期した測定対象ガスの濃度に依存する信号だけが主制御装置18a、18bに出力され、ゼロドリフトフリーによる測定精度の向上が計られる。 Here, the light intensity signals output from the photodetectors 15a and 15b are input to the main controllers 18a and 18b via the amplifiers 19a and 19b, and the amplifiers 19a and 19b detect and amplify only the signal components (AC signal components) that oscillate at the drive frequency among the signal components contained in the light intensity signal, and output them to the main controllers 18a and 18b. As a result, only the signal that depends on the concentration of the gas to be measured and is synchronized with the drive frequency is output to the main controllers 18a and 18b, and the measurement accuracy is improved by being zero drift-free.

測定光が入射する燃料ガスの圧力が、駆動周波数で振動増減することにより、測定対象ガスの密度(密度=質量/体積)も同じ割合で振動増減し、吸収波長における受光信号に駆動周波数の振動増減(AC信号成分)を生じる。このAC信号成分の振幅は、燃料ガス雰囲気21a、21bに含まれる測定対象ガス濃度に依存して増減するので、このAC信号成分の振幅の値から測定対象ガス濃度を測定できる。AC信号成分の振幅は、直接検出して用いてもよいが、整流、平滑処理を付加して、DC信号に変換してから用いてもよい。さらに、駆動周波数付近の周波数成分を選択的に増幅するフィルター回路またはソフトウェアフィルターにより処理した後に、AC信号成分の振幅または、これと等価のDC信号を検出して用いることにより、測定精度が向上する。 When the pressure of the fuel gas into which the measurement light is incident oscillates and decreases at the drive frequency, the density of the measurement target gas (density = mass/volume) also oscillates and decreases at the same rate, and an oscillating increase and decrease (AC signal component) of the drive frequency occurs in the light receiving signal at the absorption wavelength. The amplitude of this AC signal component increases and decreases depending on the concentration of the measurement target gas contained in the fuel gas atmosphere 21a, 21b, so the measurement target gas concentration can be measured from the value of the amplitude of this AC signal component. The amplitude of the AC signal component may be detected and used directly, or it may be converted into a DC signal after rectification and smoothing processing. Furthermore, the measurement accuracy is improved by detecting and using the amplitude of the AC signal component or an equivalent DC signal after processing with a filter circuit or software filter that selectively amplifies frequency components near the drive frequency.

ガス濃度測定装置41a、41bを使用する前に、予め、既知濃度の測定対象ガス(標準ガス)を用いて検量線を作成する。この検量線は、測定対象ガス濃度に対する出力信号の関係を決定するもので、測定対象ガス濃度と出力信号の直線性と、測定対象ガス濃度に対する出力信号の大きさに関する情報を含む。具体的には、直線性を規定する近似関数とガス感度の指標となる感度係数であり、これらの情報は、パラメーター数値として増幅器19a、19bに記憶され、測定対象ガス濃度と出力信号の関係を相互に算出可能な状態を保つ。測定においては、得られた出力信号から主制御装置18a、18bが刻々の測定対象ガス濃度を算出し、表示装置23a、23bに表示する。また、ガス濃度測定装置41a、41bの再調整を行うときは、増幅器19a、19bに記憶されたパラメーター数値のうち、通常は、感度係数のみを再計算して更新記憶する。長期間の使用において、送光器11a、11bまたは受光器15a、15bの特性が変化した場合でも、再調整を行うことにより測定精度を確保できる。尚、測定対象ガスの濃度としては、体積比濃度のほか、質量濃度(ガス密度)も一般的に用いられる。 Before using the gas concentration measuring devices 41a and 41b, a calibration curve is created in advance using a target gas (standard gas) of known concentration. This calibration curve determines the relationship of the output signal to the target gas concentration, and includes information on the linearity of the target gas concentration and output signal, and the magnitude of the output signal to the target gas concentration. Specifically, it is an approximation function that specifies the linearity and a sensitivity coefficient that is an index of gas sensitivity, and these information are stored in the amplifiers 19a and 19b as parameter values, and maintain a state in which the relationship between the target gas concentration and the output signal can be calculated. In the measurement, the main control devices 18a and 18b calculate the target gas concentration from the obtained output signal and display it on the display devices 23a and 23b. In addition, when the gas concentration measuring devices 41a and 41b are readjusted, usually only the sensitivity coefficient is recalculated and updated among the parameter values stored in the amplifiers 19a and 19b. Even if the characteristics of the light transmitters 11a and 11b or the light receivers 15a and 15b change during long-term use, the measurement accuracy can be ensured by performing readjustment. In addition, in addition to volumetric concentration, mass concentration (gas density) is also commonly used to measure the concentration of the gas to be measured.

尚、ガス濃度としては、燃料ガス中に含まれる全ガス成分の体積に対する測定対象ガスの体積の割合である体積分率(例:vol%または単に%)を用いる場合が多いが、ガス濃度測定装置の用途または測定目的に応じて、質量濃度(例:mg/m3)または物質量濃度(例:mol/m3)などを用いてもよい。 Incidentally, the gas concentration is often expressed as a volume fraction (e.g., vol% or simply %), which is the ratio of the volume of the gas to the volume of all gas components contained in the fuel gas. However, depending on the application or measurement purpose of the gas concentration measuring device, mass concentration (e.g., mg/ m3 ) or substance amount concentration (e.g., mol/ m3 ) may also be used.

なお、振動空間8a、8bに位置する燃料ガスと、主流通路9a、9bに位置する燃料ガスとは、振動板3a、3bの振動によって、燃料ガス雰囲気21a、21bに位置する燃料ガスと少量ずつ入れ替わるから、燃料ガス雰囲気21a、21bのガス濃度の変化は、測定結果に反映される。 The fuel gas in the vibration spaces 8a, 8b and the fuel gas in the main passages 9a, 9b are gradually replaced with the fuel gas in the fuel gas atmospheres 21a, 21b due to the vibration of the vibration plates 3a, 3b, so the change in gas concentration in the fuel gas atmospheres 21a, 21b is reflected in the measurement results.

この例では、測定光は主流通路9a、9b中の燃料ガスを透過しているが、本発明は測定光は、透過距離が分かっていて、圧力が駆動周波数で振動している燃料ガスを透過して受光器15a、15bで受光されればよい。
また、圧力振動についても振動板3a、3bによる圧力変動に限定されるものではなく、例えばピストンを用いて測定ガスを圧力振動させてもよい。
In this example, the measurement light passes through the fuel gas in the main passages 9a and 9b. However, in the present invention, it is sufficient that the measurement light passes through a known distance of the fuel gas whose pressure is oscillating at the drive frequency and is received by the photodetectors 15a and 15b.
Moreover, the pressure vibration is not limited to the pressure fluctuation caused by the vibration plates 3a and 3b, and for example, a piston may be used to cause the pressure vibration of the measurement gas.

上記通気抵抗体6a、6bは導入管7a、7bに設けたが、本発明はそれに限定されるものでは無く、より細くして流動コンダクタンスが通気抵抗体6a、6bと同程度の値の導入管を用いても良い。 The above ventilation resistors 6a and 6b are provided in the inlet pipes 7a and 7b, but the present invention is not limited to this, and it is also possible to use an inlet pipe that is thinner and has a flow conductance similar to that of the ventilation resistors 6a and 6b.

また、図1、図2のガス濃度測定装置41a、41bは、圧力センサ16a、16bを有しており、圧力センサ16a、16bが検出した圧力は主制御装置18a、18bに入力されており、主制御装置18a、18bは、測定光を透過させる燃料ガスの圧力振動の振幅の大きさを測定し、主制御装置18a、18bに記憶された目標振幅値と比較し、測定光を透過させる燃料ガスの圧力が目標振幅値で振動するように駆動装置1a、1bを制御する。 The gas concentration measuring devices 41a and 41b in Figures 1 and 2 also have pressure sensors 16a and 16b, and the pressures detected by the pressure sensors 16a and 16b are input to the main control devices 18a and 18b, which measure the magnitude of the amplitude of the pressure vibration of the fuel gas that transmits the measurement light, compare it with a target amplitude value stored in the main control devices 18a and 18b, and control the driving devices 1a and 1b so that the pressure of the fuel gas that transmits the measurement light vibrates at the target amplitude value.

なお、図1のガス濃度測定装置41aでは、振動板3aの表面側に燃料ガスが接触し、裏面側に大気が接触するから、燃料ガスが大気圧に近い圧力の場合の測定に適している。
具体的には、燃料ガスの圧力が大気圧±10%程度に収まっているときは、振動板3aの裏面が大気圧に暴露された状態でも、振動板3aを比較的容易に振動させることができるため、大気雰囲気中に設置した振動装置に直結したシャフト等で振動板3aを駆動すことができる。
In the gas concentration measuring device 41a of FIG. 1, the fuel gas comes into contact with the front side of the diaphragm 3a and the atmosphere comes into contact with the rear side, so that the gas concentration measuring device 41a is suitable for measuring when the fuel gas is at a pressure close to atmospheric pressure.
Specifically, when the pressure of the fuel gas is within approximately ±10% of atmospheric pressure, the vibration plate 3a can be vibrated relatively easily even when the back surface of the vibration plate 3a is exposed to atmospheric pressure, and therefore the vibration plate 3a can be driven by a shaft or the like directly connected to a vibration device installed in the atmospheric atmosphere.

図2のガス濃度測定装置41bでは、振動板3bの表面側と裏面側との両方に燃料ガスが接触しており、従って、燃料ガスが大気圧よりも大きく異なる場合の測定に適している。具体的には、燃料ガスを扱うプラント等の配管内のガス濃度を測定し続けるガス濃度測定装置に適している。 In the gas concentration measuring device 41b in FIG. 2, fuel gas is in contact with both the front and back sides of the vibration plate 3b, and therefore it is suitable for measurements when the fuel gas pressure is significantly different from the atmospheric pressure. Specifically, it is suitable for a gas concentration measuring device that continuously measures the gas concentration in piping in a plant that handles fuel gas.

ガス濃度として、燃料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を体積分率(例:vol%または単に%)で求める場合、体積分率に変化がなくても、測定光が照射される燃料ガスの全圧力が変化すると、測定対象ガスの質量濃度(例:mg/m3)が変化するため、受光器15a、15bから出力される電気信号の駆動周波数で振動する信号成分も変化し、ガス濃度の値が変化する。 When determining the concentration of the target gas contained in the fuel gas as a volume fraction (e.g., vol% or simply %) as the gas concentration, even if there is no change in the volume fraction, if the total pressure of the fuel gas onto which the measurement light is irradiated changes, the mass concentration (e.g., mg/ m3 ) of the target gas changes, and therefore the signal component that vibrates at the drive frequency of the electrical signal output from the photodetectors 15a and 15b also changes, causing the value of the gas concentration to change.

圧力センサ16a、16bから得られる圧力信号は、測定光を透過させる燃料ガスの駆動周波数における圧力振動制御のほか、燃料ガスの全圧力の値も与える。ただし、全圧力の値は、圧力振動を平滑して得られる平均圧力である。主制御装置18a、18bは、燃料ガスの全圧力の値を用いて、体積分率ガス濃度の変化を補償する。具体的には、測定対象ガスの成分を、既知の体積分率で含む標準ガスを用い、標準ガスの全圧力とガス濃度測定装置41a、41bが与えるガス濃度の値との関係を、予め求めて、パラメーター数値として主制御装置18a、18bに記憶する。ガス濃度測定においては、主制御装置18a、18bが、記憶されたパラメーター数値から、刻々の全圧力の値に対するガス濃度の補償量を計算し、体積分率ガス濃度として正しい値に補償する。 The pressure signals obtained from the pressure sensors 16a and 16b provide the total pressure value of the fuel gas as well as pressure vibration control at the drive frequency of the fuel gas through which the measurement light passes. However, the total pressure value is an average pressure obtained by smoothing the pressure vibration. The main control devices 18a and 18b use the total pressure value of the fuel gas to compensate for changes in the volume fraction gas concentration. Specifically, a standard gas containing the components of the gas to be measured at known volume fractions is used, and the relationship between the total pressure of the standard gas and the gas concentration value provided by the gas concentration measuring devices 41a and 41b is obtained in advance and stored in the main control devices 18a and 18b as parameter values. In gas concentration measurement, the main control devices 18a and 18b calculate the compensation amount of the gas concentration for the momentary total pressure value from the stored parameter values, and compensate to the correct value as the volume fraction gas concentration.

上記例では通気抵抗体6a、6bは細孔31a、31bを有していたが、細孔31a、31bに替えて多孔質充填物を配置してもよい。 In the above example, the ventilation resistors 6a and 6b have pores 31a and 31b, but porous filler may be placed in place of the pores 31a and 31b.

<実験結果>
本発明のガス濃度測定装置41a、41bにおいて、測定光が測定ガス中を透過する距離(有効吸収長)が1mmになるように入口側窓36a、36bと出口側窓39a、39bとの間の距離を設定し、空気(ゼロガス:0vol%)及び空気とブタンガスの混合ガス4種(1vol%、2vol%、4vol%、5vol%)を用い、振動板3a、3bを40Hzで振動させて、圧力振動を発生させ、ガス濃度を検出した。
<Experimental Results>
In the gas concentration measuring devices 41a and 41b of the present invention, the distance between the inlet side windows 36a and 36b and the outlet side windows 39a and 39b was set so that the distance (effective absorption length) that the measuring light passes through the measuring gas was 1 mm, and air (zero gas: 0 vol%) and four types of mixed gas of air and butane gas (1 vol%, 2 vol%, 4 vol%, 5 vol%) were used, and the diaphragms 3a and 3b were vibrated at 40 Hz to generate pressure vibrations and detect the gas concentrations.

図5は、駆動周波数40Hzで空気(ゼロガス)を測定したときの圧力信号の一例を示すグラフである。空気とブタンガスの混合ガスに関しても、濃度5vol%までは、空気と同様の圧力信号が得られる。ここでは、正圧用の圧力センサを使用したため、測定ガスの絶対圧を、およそ20kPaに保ち、正の圧力バイアスを加えた状態で測定した。図5の縦軸はゲージ圧を示し、正の圧力バイアスを加えた測定対象ガスの絶対圧(およそ20kPa)をゼロとして、±10kPaの範囲のゲージ圧で圧力振動が観測された。
図6は、0vol%、1vol%、2vol%、4vol%、5vol%のブタンガス(空気と混合)を測定したときに、受光器15a、15bから得られた駆動周波数のAC信号成分を、駆動周波数付近の周波数を選択的に増幅するフィルター回路で処理し、正弦波に近似した波形を得た後に、振動の位相を揃えて、各ガス濃度の振幅を比較したグラフである。縦軸は、出力信号を相対出力として示す。
図6の出力波形の振幅が、ブタンガスの濃度により変化し、ガス濃度が0(ゼロガス)に関しては無信号状態(AC信号成分=ゼロ)となることを示している。
図7は、図6に示す測定結果から、各ガス濃度に対する出力信号の振幅を、相対出力として示している。
5 is a graph showing an example of a pressure signal when air (zero gas) is measured at a drive frequency of 40 Hz. For a mixed gas of air and butane gas, a pressure signal similar to that of air is obtained up to a concentration of 5 vol%. Here, a positive pressure sensor was used, so the absolute pressure of the measurement gas was kept at about 20 kPa and a positive pressure bias was applied to the measurement. The vertical axis of FIG. 5 shows the gauge pressure, and pressure oscillations were observed at gauge pressures in the range of ±10 kPa, with the absolute pressure of the measurement gas with a positive pressure bias (about 20 kPa) set as zero.
6 is a graph comparing the amplitude of each gas concentration when measuring 0 vol%, 1 vol%, 2 vol%, 4 vol%, and 5 vol% butane gas (mixed with air) by processing the AC signal components of the drive frequency obtained from the photodetectors 15a and 15b with a filter circuit that selectively amplifies frequencies near the drive frequency to obtain a waveform that resembles a sine wave, and then aligning the phase of the vibration. The vertical axis shows the output signal as a relative output.
The amplitude of the output waveform in FIG. 6 changes depending on the concentration of butane gas, and indicates that there is no signal (AC signal component=zero) when the gas concentration is 0 (zero gas).
FIG. 7 shows the amplitude of the output signal for each gas concentration as a relative output from the measurement results shown in FIG.

±10kPa、40Hzの圧力振動によれば、主流通路9a、9b内のガス置換は、ほぼ瞬時に完了するので、測定結果の安定化に必要な平均演算処理を行うことにしても、90%応答時間として1秒内の高速応答が可能となる。
なお、本発明によって求めるガス濃度は、燃料ガス中の測定対象化合物の気体に限定されるものではなく、一般的なサンプルガス中の測定対象化合物の気体について求めることができる。
With pressure vibration of ±10 kPa and 40 Hz, gas replacement in the main passages 9 a, 9 b is completed almost instantaneously, so that even when performing averaging processing required for stabilizing the measurement results, a high-speed response of within 1 second is possible, as a 90% response time.
The gas concentration determined by the present invention is not limited to that of the target compound in the fuel gas, but can be determined for the target compound in a general sample gas.

1a、1b……駆動装置
2a、2b……伝達装置
3a、3b……振動板(ダイアフラム)
4a、4b……振動容器
6a、6b……通気抵抗体
7a、7b……導入管
8a、8b……振動空間
9a、9b……主流通路
16a、16b……圧力センサ
17a、17b……光量測定装置
20a、20b……供給管
21a、21b……燃料ガス雰囲気
22……第一給力磁石
24……第二給力磁石
25……シャフト
26……受力磁石
29……裏面側流通路
38……裏面側空間
41a、41b……ガス濃度測定装置
43a、43b……振動装置
44a、44b……振動室
1a, 1b... Drive device 2a, 2b... Transmission device 3a, 3b... Vibration plate (diaphragm)
4a, 4b... Vibration containers 6a, 6b... Ventilation resistors 7a, 7b... Inlet pipes 8a, 8b... Vibration spaces 9a, 9b... Main passages 16a, 16b... Pressure sensors 17a, 17b... Light quantity measuring devices 20a, 20b... Supply pipes 21a, 21b... Fuel gas atmosphere 22... First force feeding magnet 24... Second force feeding magnet 25... Shaft 26... Force receiving magnet 29... Rear side flow passage 38... Rear side spaces 41a, 41b... Gas concentration measuring devices 43a, 43b... Vibration devices 44a, 44b... Vibration chambers

Claims (8)

振動空間を形成する振動室と、
前記振動空間と測定対象化合物の気体を含有するサンプルガスの雰囲気であるサンプルガス雰囲気との間で前記サンプルガスが移動する経路である主流通路と、
前記振動空間の中のサンプルガスに所定の駆動周波数で圧力変動をさせる振動装置と、
前記圧力変動がされた前記サンプルガスに、測定光を照射して前記サンプルガスを透過させ、前記サンプルガスを透過した前記測定光の中の前記測定対象化合物に吸収される波長の光の光量を検出し、電気信号に変換する光量測定装置と、を有し、
前記光量測定装置が検出し、変換した前記電気信号に含まれる周波数成分のうち、前記駆動周波数と一致する周波数成分の大きさからガス濃度を求め
表面が前記振動空間に露出された振動板が設けられ、
前記振動装置は前記振動板を振動させる力を伝達する伝達装置を有し、
前記振動装置は前記振動板を前記駆動周波数で振動させて前記サンプルガスを圧力変動させるガス濃度測定装置。
a vibration chamber forming a vibration space;
a main passage which is a path through which the sample gas moves between the vibration space and a sample gas atmosphere which is an atmosphere of a sample gas containing a gas of a compound to be measured;
a vibration device for subjecting the sample gas in the vibration space to pressure fluctuations at a predetermined driving frequency;
a light quantity measuring device that irradiates the sample gas subjected to the pressure fluctuation with a measurement light to transmit the sample gas, detects the quantity of light of a wavelength that is absorbed by the compound to be measured in the measurement light that has transmitted through the sample gas, and converts the quantity of light into an electrical signal;
determining a gas concentration from a magnitude of a frequency component that coincides with the drive frequency among frequency components included in the electrical signal detected and converted by the light quantity measuring device ;
a vibration plate having a surface exposed to the vibration space;
The vibration device has a transmission device that transmits a force that vibrates the vibration plate,
The vibrating device vibrates the vibration plate at the drive frequency to vary the pressure of the sample gas .
前記圧力変動がされた前記サンプルガスの圧力を検出する圧力センサを有する請求項1記載のガス濃度測定装置。 The gas concentration measuring device according to claim 1, further comprising a pressure sensor for detecting the pressure of the sample gas subjected to the pressure fluctuation. 前記ガス濃度は、前記サンプルガス中に含有される前記測定対象化合物の気体の体積と前記サンプルガスの体積との間の比である請求項2記載のガス濃度測定装置。 The gas concentration measuring device according to claim 2, wherein the gas concentration is the ratio between the volume of the gas of the compound to be measured contained in the sample gas and the volume of the sample gas. 前記振動装置は、前記圧力センサが検出した前記圧力変動の振動振幅を一定に保つように制御される請求項2記載のガス濃度測定装置。 The gas concentration measuring device according to claim 2, wherein the vibration device is controlled to keep the vibration amplitude of the pressure fluctuation detected by the pressure sensor constant. 前記電気信号に含まれる信号成分のうち、前記駆動周波数で変動する信号成分に対する他の周波数で変動する信号成分の比を小さくさせた前記電気信号を用いて前記ガス濃度を求める請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載のガス濃度測定装置。 A gas concentration measuring device according to any one of claims 1 to 4, which calculates the gas concentration using an electrical signal in which the ratio of signal components fluctuating at the drive frequency to signal components fluctuating at other frequencies is reduced among the signal components contained in the electrical signal. 先端が前記振動板に取り付けられたシャフトを有し、
前記振動装置は前記シャフトを往復移動させて前記振動板を振動させる請求項記載のガス濃度測定装置。
a shaft having a tip attached to the diaphragm;
2. The gas concentration measuring device according to claim 1 , wherein the vibration device vibrates the vibration plate by reciprocating the shaft.
前記振動板の裏面が露出された裏面側空間と、
前記裏面側空間と前記サンプルガス雰囲気との間で前記サンプルガスが移動する経路である裏面側流通路と、
N極とS極のうち、一方の磁極が前記振動空間に向けられ、他方の磁極が前記裏面側空間に向けられた受力磁石と、
前記振動空間を間にして前記受力磁石に対面する位置に第一の磁極を形成する電磁石である第一給力磁石と、
前記裏面側空間を間にして前記受力磁石に対面する位置に第二の磁極を形成する電磁石である第二給力磁石と、
を有し、
前記振動装置は、前記第一の磁極と前記第二の磁極とを同一極性にしながら極性を交互に反転させて前記振動板を振動させる請求項記載のガス濃度測定装置。
a back surface side space in which the back surface of the diaphragm is exposed;
a backside flow passage which is a path through which the sample gas moves between the backside space and the sample gas atmosphere;
a force-receiving magnet having an N pole and an S pole, one of which is oriented toward the vibration space and the other of which is oriented toward the back surface space;
a first force supplying magnet which is an electromagnet forming a first magnetic pole at a position facing the force receiving magnet across the vibration space;
a second force supplying magnet which is an electromagnet forming a second magnetic pole at a position facing the force receiving magnet with the back side space therebetween;
having
2. The gas concentration measuring device according to claim 1 , wherein the vibration device vibrates the vibration plate by alternately inverting the polarity of the first magnetic pole and the second magnetic pole while maintaining the same polarity.
前記振動空間と前記サンプルガス雰囲気との間を移動する前記サンプルガスは、前記主流通路の流動コンダクタンスよりも小さい流動コンダクタンスにされた通気抵抗体を通過するようにされた請求項1,2,3,5,6,7のいずれか1項記載のガス濃度測定装置。 8. A gas concentration measuring device according to claim 1 , wherein the sample gas moving between the vibration space and the sample gas atmosphere passes through a ventilation resistor having a flow conductance smaller than the flow conductance of the main passage.
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