JPH045939B2

JPH045939B2 -

Info

Publication number: JPH045939B2
Application number: JP5511683A
Authority: JP
Inventors: Akio Shinohara; Yoshiaki Arakawa; Fumio Inaba
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1983-04-01
Filing date: 1983-04-01
Publication date: 1992-02-04
Also published as: JPS59183348A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、測定地点が遠く離れている箇所での
アンモニアガス濃度測定に好適なガス濃度測定法
およびその装置に関するものである。

アンモニアガスは、毒性ガスであるばかりでな
く16〜22容量％では爆発するガスであり、このガ
スを取扱う工場ではその取扱いを慎重にしなけれ
ばならない。したがつてアンモニアガスの濃度を
測定するためには遠隔測定が可能であつてしかも
着火源をもたない本質安全防爆構造の検知方式、
検知機器を用いる必要がある。

従来より用いられている電気化学センサーとし
て定電位電解式センサーは、応答特性や干渉ガス
（被測定ガス以外の毒ガスや電気伝導性ガスなど）
の分離などの点で問題があり、さらに電解液の変
化や汚れなどがあり保守の面で考慮しなければな
らない点が多いなどの間題点もある。又遠隔監
視、遠隔測定の場合電気信号が送受されるので電
磁誘導による誤報やケーブルの損傷による事故誘
発などの危険性も無視することができなかつた。

本発明は、前述の事情に鑑みなされたものであ
つて、アンモニアガスの漏出を確実に迅速に検知
して警報を発するようにしたものであつて、厳し
い測定条件下でも信頼性が高く、実時間測定が出
来、かつ極めて遠隔の箇所における測定が可能で
あると共に事故誘発などの危険性の全くないアン
モニアガス濃度の測定方法およびその装置を提供
することにある。

以下図面を参照しながら本発明のアンモニアガ
ス濃度の測定方法およびその装置の詳しい内容を
説明する。

本発明は、近年光通信用として開発された例え
ば石英系光フアイバーのような光フアイバーを利
用するものである。このような光フアイバーは、
1.1〜1.7μｍの波長領域では光の伝送損失が極め
て低い。又アンモニアガスは、1.285〜1.325μｍ、
1.465〜1.560μｍ、1.615〜1.675μｍの各ブロード
な波長帯域において特性吸収帯がある。更に上記
のアンモニアガスの特性吸収帯内には、水蒸気
（H₂O）および炭酸ガス（CO₂）による吸収がほ
とんどない狭い波長域が選択出来る。本発明は以
上のような新たな知見にもとづいてなされたもの
である。即ち、アンモニアガスの特性吸収帯内の
波長帯であつて伝送する光フアイバーによる損失
が少なく又H₂OやCO₂の影響を受けることの少な
い波長域を選ぶことによつて本発明の目的である
遠隔の地点においてアンモニアガスの濃度の正確
な迅速な測定を可能にしたものである。

第１図は、石英系光フアイバーの0.6〜1.8μｍ
の波長域における伝送損失を示すグラフである。
この図より明らかなように波長1.1〜1.7μｍでは
伝送損失が1dB／Km以下である。特に波長1.4〜
1.6μｍでは0.2dB／Kmという超低損失を示してい
る。このように超低損失の光フアイバーを光伝送
路として用いれば遠隔地に存在するアンモニアガ
スの濃度を吸光光度法によつて測定することが可
能である。

第２図、第３図は、本発明において対象になる
アンモニアガスの特性吸収を示す図である。これ
ら図のうち第２図Ａ，Ｂ，Ｃをみればわかるよう
にアンモニアガスの特性吸収波長帯はブロードな
波長帯としてみた場合1.285〜1.325μｍ、1.465〜
1.560μｍ、1.615〜1.675μｍの三つの波長帯である
ことを示している。尚これらの図に示していない
波長領域では、アンモニアガスの特性吸収は極め
て小さいか又は存在しない。例えば1.325μｍと
1.465μｍにおいては透過率がほぼ100％であつて
その間の波長領域においてもほぼ100％の透過率
を示し特性吸収波長帯は極めて小さいか又は存在
しない。同様にして1.560〜1.615μｍおよび1.325μ
ｍ以下と1.675μｍ以上においても特性吸収はほと
んどない。

又これら図のうちＡ，Ｃにはアンモニアガスが
１気圧の場合のみが又Ｂには100Torrの場合と１
気圧の場合が示してあり、曲線ａが100Torrのア
ンモニア、曲線ｂは１気圧のアンモニアガスの場
合のものである。これらの図のうち第２図Ｂによ
ればアンモニアガスの濃度の変化によつて吸光比
が変化することがわかる。

第３図Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、第２図に示す特性
〔ただしＢは1.465μｍ〜1.560の波長範囲における
気圧が100Torrの時の又Ｄは同波長範囲における
１気圧の時の特性〕の更に詳細な変化を示したも
のである。これらの図からわかるようにブロード
な吸収帯内には個々の吸収線が存在していてこれ
らが重なり合つて第２図Ａ，Ｂ，Ｃのような様相
を呈していることがわかる。したがつて測定に利
用する吸収帯域を選ぶ場合、まず第２図Ａ，Ｂ，
Ｃの三つのブロードな特性吸収帯を選び、そのう
ちから第３図Ａ，Ｂ，Ｃをみて、もつと狭い波長
帯での吸収特性から例えば1.465〜1.560μｍのう
ちの1.508〜1.512μｍの吸収帯を選択することに
よつて発光源よりの光がこの1.508〜1.512μｍに
おいてどの程度の吸収を受けるかを測定すること
によつてアンモニアの濃度を検知することが出来
る。この波長帯（1.508〜1.512μｍ）の光を用い
てアンモニアの濃度を吸光光度法によつて測定す
る場合、前記のアンモニアガスの特性吸収波長帯
（1.465〜1.560μｍ）以外の特性吸収のない波長で
この特性吸収波長帯の近くの波長である1.45μｍ
付近又は1.57μｍ付近であつてH₂O、CO₂の特性
吸収帯がほとんど存在しない波長帯を参照波長帯
として利用し、測定波長帯の透過光の強度と参照
波長帯での透過光の強度との比をとることによつ
てアンモニアガスの濃度の精度の良い測定が可能
になる。

第４図はH₂Oの吸収波長特性曲線を示すもの
である。この図より明らかなようにH₂Oの強い
吸収帯は1.2〜1.7μｍにおいては1.350〜1.393μｍ
の波長帯に集中している。したがつてこの波長帯
を除けば水分の影響の少ない測定が可能になる。
同様にしてCO₂の特性吸収のある波長帯を除いた
波長帯を利用することによつて炭酸ガスの影響の
ほとんどない測定が可能になる。

尚以上の説明は、1.465〜1.560μｍの波長帯を
例として行なつたが同様にして1.285μｍ〜1.325μ
ｍ、1.615〜1.675μｍの波長帯についても測定が
可能である。又上述の例の波長帯のほかに1.285
〜1.325μｍおよび1.615〜1.675μｍ中の波長帯を選
んでの測定を併用して同時に二つ又はそれ以上の
波長帯での測定を行なつてもよい。このように複
数の波長帯を併用すれば、それだけ高感度、高信
頼性にての測定が可能となり極めて低濃度のアン
モニアガスでも検出し得る利点が生ずる。この場
合、アンモニアガスのブロードな特性吸収波長帯
例えば1.285〜1.325μｍ中でより狭い波長帯を複
数選択しこれを測定のための波長帯とすることも
出来る。したがつて数多くの波長帯の組合わせが
可能になるので、最も望ましい波長帯の選択が出
来る。

以上述べた内容から明らかなように、例えば石
英ガラス系光フアイバーを光伝送路として用い、
第２図、第３図に示すようなアンモニアガスの特
性吸収波長帯を利用すれば遠隔地にあるアンモニ
アガスの濃度を、共存するH₂O、CO₂の影響をほ
とんど受けることなく又伝送路における光損失な
どの影響も受けることなしに高精度にての測定が
出来る。

次に本発明のアンモニアガス濃度測定装置にて
用いる光源即ちアンモニアガスの特性吸収波長帯
に対応する近赤外域の光を発光する光源について
説明する。この波長域の光源としては、一般に半
導体レーザーダイオード（LD）、発光ダイオード
（LED）、放電管（キセノンランプなど）、加熱線
等が挙げられる。いずれにしても測定波長域をカ
バーする光を発し、しかも発光エネルギー強度の
大きいもの程低濃度ガスの検知が出来るので望ま
しい。

LDは、高出力が得られやすく単色性が強いの
で発光源として望ましい。しかしアンモニアガス
の特性吸収波長帯のような一見ブロードな波長帯
であつても、発振波長を厳密に選定して安定化す
ることが必要である。すなわち、電源電圧の変動
や温度変化などによる発振波長の変動がないよう
に留意する必要がある。又LDを光源として用い
る場合は、参照波長用と特性吸収波長用の少なく
とも二つの異なるLDを用いることが必要である
が、帯域透過フイルター等の分光器を用いる必要
がない。尚特性吸収波長用のLDとして発光波長
の異なるものを複数用いることによつて感度や精
度のより高い測定が可能になる LEDや放電管などは、出力は低いが出力の安
定性や長寿命性などはよい。又発光スペクトルは
ブロードであるのでこれらの光源を用いる場合に
は、分光器を用いて検出波長帯を狭め、所望の特
性吸収波長帯や参照波長帯での変化量をキヤツチ
してアンモニアガスの濃度を測定するようにすれ
ばよい。この場合の分光器としては安価な帯域透
過フイルター等が考えられる。

次に上記の場合等において用いられる帯域透過
フイルターについて述べる。一般に帯域透過フイ
ルターの透過幅は１〜数ｎｍ程度であるので、被
測定ガスの特性吸収帯内の或る波長幅のものを選
択すればよい。

第５図は中心波長が1.510μｍ、半値幅が2nｍで
ある透過特性がガウス分布型の帯域透過フイルタ
ーを用い、このフイルターを透過した後の光の強
度分布を模式的に示した図である。この図におい
て、実線はアンモニアガスが光路長50cmの測定セ
ル内に100Torrの圧力で含まれている場合を表わ
し、破線は、アンモニアガスが存在しない場合を
示している。この図における各曲線内の面積の差
を破線にて囲まれた面積で割ることによつてアン
モニアガスによる吸光比Ａが求められる。このフ
イルターは、半値幅が3nｍや4nｍのものを用い
てもよい。

前述のような方法によつて吸光比Ａが検出され
ると上記式からアンモニアガスの濃度を求めるこ
とが出来る。

第６図は以上述べたような方法にもとづいて構
成された本発明のアンモニア濃度測定装置の一実
施例を示すものである。この図において１は
LEDよりなる光源であつて、この光源により発
せされる例えば1.5μｍ帯（半値幅0.1μｍ）の光は
光結合器２を経て光伝送路である低伝送損失の光
フアイバー例えば石英系光フアイバー３に送られ
る。この石英系光フアイバーは、前述のように第
１図に示すような伝送特性を有し、1.1〜1.7μｍ
で極めて低損失のものである。したがつてその長
さが数Km〜10Km程度のものであつてもさしつかえ
ない。この石英系光フアイバー３により伝送され
た光は、結合器４ｂを経て測定セル４に送り込ま
れる。この測定セル４は円筒状体４ａの両端に光
結合器４ｂ，４b′を設けた構造であつて、円筒状
体４ａは測定ガスの自然流出入を可能にするため
に多孔性焼結金属や連続気孔構造のプラスチツク
フオームなどにて構成されている。またこの測定
セル４は、一例として光路長（光結合器４ｂ，４
b′間の距離）が50〜100cmのものが用いられる。
しかしアンモニアガスが低い濃度の場合には測定
セルの光路長を長くしたほうがよい。その場合周
知の多重光路型吸収セル等を用いてもよい。この
吸収セル４からの光は光結合器４b′を経て低伝送
損失の光フアイバー例えば石英系光フアイバー５
に送られる。この石英系光フアイバーも同様に低
損失のものが使用される。光フアイバー５によつ
て更に伝送された光は、光結合器６を通つてハー
フミラーにて構成されるビームスプリツター７に
送られ、このビームスプリツター７にて二つの光
束に分割される。分割された二つの光束のうち第
１の光束は、第１の帯域透過フイルター８へ送ら
れ、他の第２の光束は第２の帯域透過フイルター
９に送られる。これら帯域透過フイルターは、多
層膜干渉フイルター等の干渉フイルターで、いず
れも中心波長での透過率が高く半値幅が2.0〜
3.0nｍ程度のものが望ましい。第１のフイルター
８は中心波長が1.510μｍであり前述のアンモニア
ガスの特性吸収波長帯1.465〜1.560μｍのブロー
ドな吸収波長帯を利用してアンモニアガス濃度を
検知するためのものである。この第１の帯域透過
フイルター８は、光源として1.30μｍを発光の中
心波長とする発光ダイオードを用いた場合には、
アンモニアガスの特性吸収波長帯として1.285〜
1.325μｍ帯を選び例えば1.295μｍを中心波長とし
半値幅3nｍ程度の帯域透過フイルターを用いれ
ばよい。つまり発光源の波長帯とアンモニアガス
の特性吸収波長帯との関連において第１の帯域透
過フイルター８の波長帯を適宜選択すればよい。
この場合、H₂O、CO₂ガスの特性吸収波長帯をさ
けて測定のために利用する波長帯（上記の第１の
帯域透過フイルター８の波長帯）を選び、その波
長帯内の光を測定光とする。

一方第２の帯域透過フイルター９の中心波長
は、アンモニアガスの特性吸収波長以外の波長で
H₂OやCO₂ガスの特性吸収をほとんど示さない波
長を選び、その波長の光を参照光とすればよい。
例えば低濃度のアンモニアガスの検知の場合に
は、1.560μｍ又は1.450μｍがよい。

以上のような透過波長特性を有する第１、第２
の帯域透過フイルター８，９を配置することによ
つて第１の帯域透過フイルター８を透過した第１
の光束は、アンモニアガスによる吸収によつて一
部の強度の低下した1.510μｍを中心波長としたガ
ウス型の透過波長分布の光となる。一方第２の帯
域透過フイルター９を通つた第２の光束は、アン
モニアガスによる吸収に無関係な1.45μｍ又は
1.56μｍを中心波長（参照波長）としたガウス型
の透過波長分布の光となる。

なお、参照波長用光源として例えば発光の中心
波長が1.45μｍのLEDをさらに用い、これによつ
て参照波長のエネルギーを1.50μｍ帯のLEDを一
つ用いた場合よりも大にして測定するようにする
ことも可能である。これによつてLEDは、発光
の強度が中心波長よりずれるにつれて小さくなる
ために参照波長の強度が小になる欠点を除去する
ことが出来る。

続いて第１の帯域透過フイルター８、第２の帯
域透過フイルター９を通つた光は、夫々第１の光
検出器１０および第２の光検出器１１に送られて
各々電気信号に変換される。これら検出器１０，
１１としては、検出波長が1.3〜1.8μｍのアバラ
ンシエフオトダイオードやGeフオトダイオード
等が考えられる。これら検出器１０，１１により
の出力信号は、夫々増幅器１２，１３にて増幅さ
れた後にマイクロコンピユーター等にて構成され
た演算処理装置１４に送られる。ここで前記電気
信号の比ｘおよび１−ｘから吸光比Ａを求め、予
めアンモニアの標準ガスで求めた吸光比Ａとアン
モニアガス濃度との関係を利用して、演算処理等
が行なわれて測定セル４内に存在する気体中のア
ンモニアガスの濃度が求められ、表示器１５にそ
の結果が表示される。

第７図は、本発明のアンモニアガス濃度測定装
置の第２の実施例を示すもので、第６図に示す装
置と実質的に同じ部分には同一の符号を付してそ
の詳細な内容の説明は省略する。この実施例にお
いては、測定セル４を出た光は例えば石英系光フ
アイバーのような低損失の光フアイバー５を通
り、光分岐路１６によつて二つの光束に分けら
れ、それぞれ光結合器１７，１８からシヨツパー
１９を経て第１のフイルター８および第２のフイ
ルター９に送り込まれる点と、第１の光検出器１
０と第２の光検出器１１からの電気信号が共に一
つの増幅器１２に送り込まれる点とにおいて第６
図に示す実施例と相違する。この実施例において
は、光束がチヨツパー１９を経て光検出器に達す
るので、光検出器１０，１１よりの電気信号は交
流にて得られるので増幅等が容易になる利点を有
している。

尚上記の各実施例は、いずれも測定セルが一つ
であつて、したがつて一つの測定地点におけるア
ンモニアガス濃度を測定するものである。しかし
これに限ることなく、一つの発光源よりの光を光
分岐路にて複数の光に分割し、夫々を別々の光フ
アイバーによつて複数の測定セル４…に伝送する
ことによつて複数の地点でのアンモニアガス濃度
を同時に測定し得るように構成することもでき
る。

第８図は、本発明の測定装置の第３の実施例を
示す図である。この第３の実施例は、発光源とし
てLDを用いたもので、例えばアンモニアガスの
特性吸収波長帯内の波長である1.499μｍを発光の
中心波長（測定波長）とする第１の発光源１ａと
前記の特性吸収波長以外の波長である1.45μｍを
発光の中心波長（参照波長）とする第２の発光源
１ｂとの二つの発光源を用いている点と多層膜干
渉フイルター等の帯域透過フイルター（分光器）
を使用していない点で他の実施例と相違してい
る。

この実施例では第１の発光源と第２の発光源と
よりの光はチヨツパー１９によつて交互に送られ
光伝送用光フアイバー３ａ，３ｂ、光結合器１
６、他の光フアイバー３ｃにて伝送されて測定セ
ル４に送られる。更に測定セル４を通つた光は、
光フアイバー５により伝送されて光検出器１０に
て検出される。光検出器１０よりの出力電気信号
は増幅器１２にて増幅され演算処理装置１４にて
演算等が行なわれ表示器１５にて濃度が表示され
る。尚２０はランプ２０ａとフオトダイオード等
の受光器２０ｂよりなり第１の発光源か第２の発
光源かを判別するもので受光器２０ｂよりの信号
にもとづき検出器１０よりの電気信号を判別す
る。

以上説明したように本発明のアンモニアガス濃
度の測定方法によれば、アンモニアガスの特性吸
収波長帯で、光フアイバーの最も低損失な波長領
域でしかもCO₂、H₂Oの吸収帯のほとんど存在し
ない波長帯を選択してアンモニアガス濃度を測定
するものであるから極めて遠隔な地点よりCO₂、
H₂O等の影響をほとんど受けることなく高精度
な測定が可能である。又本発明の装置によれば、
発光源として例えば安定性のよいLEDを又光伝
送路として低損失の石英系光フアイバーを、波長
選択用分光器として安価な帯域透過フイルターを
用いたものであるから遠隔地点による測定を電磁
誘導を受けたり、ケーブル断線時の短絡事故を生
ずることなしに、しかも広い地域にわたつて配置
された複数の測定セルでの測定を集中監視する場
合などに好適である。また、吸光光度法を利用し
ての測定であるので実時間測定が可能であり、ア
ンモニアガス濃度変動に対して迅速な対応が可能
になる。また波長選択に帯域透過フイルターを用
いているので装置を小型になし得ると共に安価に
することが出来る。更に小形、低電力で冷却など
を必要としない小出力の発光ダイオードを用いて
も高感度の検出を達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる石英系光フアイバーの
伝送損失を示すグラフ、第２図はアンモニアガス
のブロードな特性吸収帯を模式的に示す図、第３
図はアンモニアガスの実際の特性吸収波長を詳細
に示した図、第４図はH₂Oの吸収波長特性曲線
を示す図、第５図はガウス分布型の帯域透過フイ
ルターを通過した光の強度分布を示す図、第６図
は本発明の装置の一実施例の構成を示す図、第７
図および第８図は夫々第２、第３の実施例の構成
を示す図である。１……発光源、２……光結合器、３……光フア
イバー、４……測定セル、５……光フアイバー、
６……光結合器、７……ビームスプリツター、８
……第１の帯域透過フイルター、９……第２の帯
域透過フイルター、１０……第１の光検出器、１
１……第２の光検出器、１２……増幅器、１３…
…増幅器、１４……演算処理装置、１５……表示
器、１６……光分岐路、１７……光結合器、１８
……光結合器、１９……チヨツパー。

Claims

【特許請求の範囲】１発光源からの光を伝送損失の小さい光フアイ
バーを通して雰囲気ガスの流入出する測定セルへ
伝送し、該測定セルを通つた後他の光フアイバー
にて伝送して光検出器にて検出して光吸光光度法
にて濃度を検出する方法で、アンモニアガスの特
性吸収波長帯である1.285〜1.325μｍ又は1.465〜
1.560μｍ又は1.615〜1.675μｍの波長帯内の一波長
を中心波長とした少なくとも一つの任意の波長帯
の光を測定光とし前記特性吸収波長帯外の波長を
中心波長とする波長帯の光を参照光とし、前記測
定光と前記参照光を検出器にて検出してその比を
求めることによつて濃度を測定することを特徴と
するアンモニアガス濃度の測定方法。２アンモニアガスの特性吸収波長帯である
1.285〜1.325μｍ又は1.465〜1.560μｍ又は1.615〜
1.675μｍの波長領域内の波長を少なくとも含んで
いる光を発光する発光源と、雰囲気ガスの流出入
する測定セルと、前記発光源の光を前記測定セル
へ伝送するために用いられる前記波長領域での伝
送損失の少ない光フアイバーと、前記測定セルよ
りの光を前記特性吸収波長帯内の波長の測定光と
特性吸収波長帯外の波長の参照光とに分光する分
光器と、前記分光器にて分光された測定光と参照
光とを検出する検出器と、前記検出器で検出され
た測定光の電気信号と参照光の電気信号との比を
演算してアンモニアガス濃度を求めるための演算
処理装置とを備えたアンモニアガス濃度測定装
置。３アンモニアガスの特性吸収波長帯である
1.285〜1.325μｍ又は1.465〜1.560μｍ又は1.615〜
1.675μｍのうちに含まれる波長帯の光を発光する
レーザーダイオードと前記特性吸収波長帯外の波
長帯の光を発光するレーザーダイオードとを含む
少なくとも二つのレーザーダイオードよりなる発
光源と、雰囲気ガスの流出入する測定セルと、前
記発光源よりの光を前記測定セルに伝送するため
の伝送損失の小さい光フアイバーと、前記測定セ
ルを通つた光を伝送する伝送損失の小さい第２の
光フアイバーと、前記第２の光フアイバーにより
伝送された前記特性吸収波長帯内の測定光と前記
特性吸収波長帯外の参照光とを検出する光検出器
と、前記光検出器で交互に検出された測定光の電
気信号と参照光の電気信号との比を演算してアン
モニアガス濃度を求めるための演算処理装置とを
備えたアンモニアガス濃度の測定装置。