JPH07503791A - 流体のモニタリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 流体のモニタリング 本発明は、流体の存在をモニター＜ｅｒａ＞する装置と方法とに関し、特に、し かし限定的にてはなく、汚れた環境内、たとえば鉱坑内又はその他の著しく微粒 子に汚染された環境内でのガスをモニターすることに関する。

本発明による装置及び方法はまた、流体の検出及び／又は流体の定性分析及び／ 又は定量分析にも用いられる。

どの流体も特性的な光吸収スペクトルを示し、このスペクトルは、所与のサンプ ル内の流体の存在をモニターし定量するのに利用することができる。この吸収ス ペクトルの精密な配列は、流体により異なるが、一般には基本吸収帯と派生オー バトーン吸収帯とから成っている。したがって、通常、モニターされる流体に対 し波長域を選択することが役に立つ。加えて、いくつかの流体はまた、その−次 吸収ラインの周囲に規則的な櫛状の吸収スペクトル構造を示す。そうした流体の 例は、メタン、−酸化炭素、酸素である。

従来のガスモニター装置は、光源、波長帯域フィルタ、適当な検出器に加えて、 光源からの光か通過するガスの試料セルから成っている。

ＤＣモニタリング・システムか用いられる場合には、校正目的で基準ビームが必 要とされる。“汚れた”環境、たとえば鉱坑内では、かなりの範囲の測定誤差か 生じる。試料ビームと基準ビームか汚染により等しい影響を受けるように確実に することは難しい。

また、そのような公知の構成は、感度か不十分な傾向があるので、低レベルの流 体漏れの検出には不適当である。

本発明の目的は、流体の存在をモニターする装置と方法、それも前述の公知流体 モニター装置の欠点を克服するか、もしくは少なくとも実質的に低減する装置と 方法を得ることである。

したがって、本発明の流体の存在をモニターする装置の一態様は次のようなもの である。すなわち、電磁放射の各基準ビームと試料ビームとを得るために配置さ れた電磁放射源と、電磁放射の波長がモニターされる流体の吸収スペクトルの波 長に好ましくは適合されていることと、モニターされる流体の基準試料を入れ、 電磁放射基準ビームが通過可能な第１セルと、モニターされる流体の実用試料を 入れることができ、かつ電磁放射基準ビームと試料ビームとの双方が通過可能な 第２セルと、基準ビームと試料ビームとか第２セルを通過した後、双方のビーム を互いに独立して検出し、かつ独立して検出したビームをそれぞれ表わす信号を 発するように構成された手段と、第２セル内の、モニターされる流体の実用試料 の存在と、好ましくはその濃度とを確定するため、前記信号を比較するように構 成された装置とが備えられている。

本発明の第２の懸様によれば、次のような、流体の存在をモニターする方法が得 られる。すなわち、モニターされる流体の基準サンプルを含む第１セルに、モニ ターされる流体の吸収スペクトル波長に放射波長を好ましくは適合されている電 磁放射の基準ビームを通過させることと、モニターされる流体の実用サンプルを 含む第２セルに電磁放射の基準ビームとサンプルビームとを通過させることと、 基準ビームとサンプルビームとが第２セルを通過した後に双方のビームを互いに 独立して検出することと、互いに独立して検出されたビームを表わす各信号を得 ることと、前記信号を比較して、第２セル内のモニターされる流体の実用試料の 存在と、好ましくはその濃度をも確定することを含む方法である。

基準ビームと試料ビームとは、相互に独立して検出され得るものであるかぎり、 どのような適当な形態でもよい。たとえば、これらのビームは、持続波、正弦波 、パルス波、たとえば方形波であってよく、その場合、好ましくは互いに位相を 異にするようにする。そのようにすることにより、単一検出手段を、位相を異に するビームの連続部分又はパルスの検出に用いることができる。

別個の、そして交互に起動される電磁放射源が、各基準ビームと試料ビームを発 生させるために用いられても良い。好ましい放射源は発光ダイオード（ＬＥＤｓ ）である。

また、単一の共通の検出器を、基準ビームと試料ビームとを互いにＩｎして検出 するのに用いるのが好ましい。

これに代えて、基準ビームと試料ビームとは、異なる周波数のＡＣ形式であって もよい。その場合には、検出器は、異なる周波数を、たとえは位相同期技術によ り互いに独立して検出するように構成しておく。この後者の構成は、本発明の装 置と方法の感度及び安定性を増す傾向かある。

好ましくは、前述のように、電磁放射源は発光ダイオード（ＬＥＤｓ）であり、 その発光波長は、モニターされる流体の吸収スペクトルと相補状となるように組 合せられる。あるいは又、他の電磁放射源であって、その放射波長をモニターさ 見て、発光ダイオードのほうか好ましいことか判明している。その波長の放射帯 域は、公知装置に用いられ、概して′白色′の放射光を発するガス／フィラメン ト顧の波長放射帯域より狭い傾向かある。

本発明の装置及び方法の好ましい一実施例の場合、各変調発光ダイオードからの 試料ビームと基準ビームは、始めは平行にされ、続いて、基準ビームがモニター される流体を入れた基準セルを通過せしめられた後、互いに位相を異にして組合 わされる。

２つのビー１、を互いに無関係に、たとえば、位相を異にするＬＥＤ源からの基 準ビーム及び試料ビームの部分又はパルスを検出する検出装置は、好ましくはフ ォトダイオード、又は他の適当な検出器、たとえば光導電式検出器、又はパイロ 電気式検出器、又はこれらの組合せのいずれかを有している。検出された基準ビ ーム及び試料ビームを表わす対応４ｇ号は、ＡＣ信号を増強し、次いて比較処理 する前に増幅するのか好ましい。

好適実施例においても、２つのＬＥＤｓは、位相を異にする電流パルスにより、 もしくは異なる周波数のＡＣ信号により駆動される。

本発明による装置及び方法は、主に危険なガスなとの流体をモニターする際に用 いられるか、それたけてはなく、ガスや液体の定性分析や定量分析にも用いるこ とかできる。

第２試料セルには、モニターされる試料の流体か、現場で該セルを通して流体の 拡散、たとえはガス拡散により、もしくは、現場又は離れた場所から該セルを通 して流体にポンプを用いて、少なくとも部分的に充填しても良い。あるいは又、 第２サンプルセルは、作業空間又は居住空間、たとえば坑道、化学薬品やガスの 処理／取扱いを行なう設備や部屋、その他ガスが存在し、モニターされる必要の ある類似の空間の形式であってもよい。

いずれにしても、電磁放射の基準ビームと試料ビームは、検出前に試料セルに入 れられた流体を貫通する事実上同じ経路を通過するので、試料セル内の汚染は、 双方のビームに同程度に影響を与え、したがって、本発明による装置及び／又は 方法の精度には影響しない。

検出器からの信号出力には、既述のように信号処理が加えられる。すなわち、Ａ Ｃ信号増強により、そのＳＮ比が改善される。

本発明による装置の種々の構成要素は、所望の吸収流体に特別に適合するように 選定する。言いかえると、モニタリング、検出、分析いずれかの対象となる、気 体又は液体に応じて、基準流体と、基準ビーム及び試料ビームの電磁放射使用波 長とを適宜に選択する。

更に、本発明による装置と方法は、各自に基準セルを存する多数の基準ビームと 共に用いるように変更することができる。それらの基準セルは、複数の異なる気 体又は異なる気体の混合物や、異なる濃度の異なる気体又はそれら気体の混合物 を内包できる。これらの気体又は気体混合物は、試料ビームと組合して各基準ビ ームを、試料セルに通して、検出、モニタリング或いは分析される。加えて、各 基準ビームは、時間領域又は周波数領域が変調されることにより、単数又は複数 のビームが、分離される試料セル成分により影響されないようにすることができ 、それによって、異なる複数の気体又は気体混合物の検出、モニタリング又は分 析が可能になる。

本発明か、一層十分に理解されるように、添付図面を参照して例として好適実施 例を以下に説明する。図面は、危険な気体の発生する環境内で用いる気体モニタ ー装置の略図である。

図面を参照すると、危険な環境内、たとえば鉱坑内でのメタンの発生をモニター する装置か示され、この装置は、約３ミクロンの波長で赤外線を放射する発光ダ イオード（ＬＥＤ）Ｉの形態の第ｉＫ磁放射源を有している。この波長は、メタ ンガスの波長吸収スペクトルと適合している。

第２に磁放射源は別のＬＥＤ２の形態で、このＬＥＤ２も、約３ミクロンの波長 で赤外線放射を行なうよう構成されている。

ＬＥＤＩから放射される赤外線は、符号１１のところで平行にされ、基準ビーム １２が得られる。基準ビーム１２は、十分な濃度のメタンガス基準試料を入れた 第１基準セル１３を通過する。これにより基準ビーム１２からは、メタンのほぼ 全ての吸収スペクトル波長か吸収される。

基準セル１３を通過する平行赤外線ビーム１２は、メタンガス基準試料の吸収帯 域内で吸収され、強度か低減される。

第２ＬＥＤ２から放射される赤外線も符号２１のところで平行化され、試料ビー ム２２か得られる。

ＬＥＤ制御・フィードバック・ユニット１００は、ＬＥＤＩとＬＥＤ２の各駆動 回路ｌｏｔ、＋０２の間に接続されている。

このユニット１００はＬＥＤｌ、２を駆動するよう構成され、これらＬＥＤの各 基準ビーム１２と試料ビーム２２とは互いに位相が異にされている。

、適当な形式のビームコンバイナ３０が、基準セル１３と試料セル３３との間に 設けられている。組合されているが、位相を異にする基準ビーム１２と試料ビー ム２２が、試料セル３３を通過する。組合されたビームは符号３２で示されてい る。

この組合されたビーム３２は、メタンガスの入った試料セル３３を通過する。

メタンガスは、セル３３内への周囲大気の拡散又はポンピングにより収容される 。

いずれにしても、組合されたビーム３２は、その検出前に試料セル３３を通過す るので、後述するように、試料セル３３内の汚染、たとえば石炭の粉しんその他 の微粒子、又は他のガスなと、ビーム３２の波長帯域内の吸収スペクトルを有す る物質による汚染は、基準ビーム１２及び試料ビーム２２双方に同程度の影響を 与え、したがって検出精度に対する影響はなく、セル３３内のメタン濃度の関連 測定が分解能に影響することもない。

基準ビーム１２の赤外線の吸収は、すてに基準セル１３て行なわれているので、 試料セル３３内ではモニターされるメタンガスによるそれ以上の、ビーム１２か らの吸収は生じない。しかし、試料セル３３を通過すると、試料ビーム２２の強 度は、該セル内でモニターされるメタンガスによる関連赤外線波長の吸収により 低減される。試料ビーム２２の強度低減の度合は、セル３３内のメタンガス員に 比例する。これは対数関係であるが、ビーム１２，２２．３２の経路長さと関連 吸収係数に関しては、事実上、直線状である。

試料ビーム２２の強度の低減は、公知の標準に照して校正し、その特定時点に試 料セル３３内に存在したメタンガスの定量分析（１１度）が得られる。

試料セル３３を通過後、組合せビーム３２、すなわち位相を異にされた基準ビー ム１２と試料ビーム２２との組合せビーム３２は、符号３１のところで赤外線検 出器１０３に焦点を結ぶ。この検出器１０３の反応速度は、位相を異にする両ビ ーム１２．２２の連続部分（パルス）を検出するほど十分に速く、それらビーム を表わすそれぞれの信号を得る。これらの信号は、次いで、符号１０４のところ で増幅され、信号処理ユニッＨＯ５へ送られる。

ＡＣ信号増強技術を用いることにより、検出した基準と試料ビームを表わす２つ の信号か処理されて比較され、それによって、セル３３内のメタンガスの存在か 指示され、かつまた、セル内のガスの定性分析及び／又は定員分析の値か得られ る。

けれはならない。これらのＬＥＤｓは、位相を異にする電流パルス、又は異なる 周波数での持続正弦波信号により駆動される。

検出装置１０３から得られる信号比は、ＳＮ比改善のため処理するのか好ましい 。この信号比は、双方の間の比か試料セル３３内の気体濃度に比例するように適 切に処理される。

ＬＥＤＩ、２の出力か時間や温度に関して安定であるようにするには、これらの ＬＥＤｓを、同一構造内の２つのＬＥＤｓチップとして、或いは２重ＬＥＤチッ プとして個別に構成してもよい。

制御・フィードバック・ユニット１００は、２つのＬＥＤｌ、２の出力の安定を 、局所的な出力モニタリングと電流駆動フィードバックとによって維持するよう に用いることかできる。

装置かエージングや汚染の影響を受ける可能性か無かったり、装置のノくラメー タにドリフト 強度測定は、おおむね正確な１１１度の測定を提供する。

基本試料ビームのみの装置か、フィラメント電球を電磁放射試料ビーム源として 、従来用いられていた。しかしながら、この公知の構成は、検出器として適して いるだけて、測定器又は分析器としては不適である。なぜなら、その精度か、時 間、温度、条件、汚染、その他の可変パラメータによって変化するからである。

本発明による装置と方法に於ける基準ビーム１２の利用は、こうした問題を克服 している。なぜなら、基準セル１３内のメタンガスによって基準ビームからメタ ン吸収スペク１ール波長帯域全体か吸収されると仮定すると、基準ビームの強度 は、試料セル３３内の試料ガスの吸収による影響を受けないからである。その結 果、試料セル３３を通過する組合せビーム３２の基準ビーム１２の強度に見られ る変化は、もっばら環境の影響、たとえば、坑道内の石炭粉じんなとの微粒材料 、もしくはビーム波長帯域内の吸収スペクトルを有するその池の気体による汚染 に起因するものである。試料ビーム２２も、事実上同じ変化を生じ、基準ビーム 強度の変化は測定でき、試料ビーム２２の測定強度には近似校正／修正係数か適 用され、それにより装置を本質的に安定化させる。その場合、２つのＬＥＤｓ又 は他の電磁放射源の出力か、双方とも安定化されているか、又は十分に安定であ って、検出器！０３と関連回路１０４，１０５とにより得られる測定に影響を与 えないものと仮定する。

基準ビーム１２の強度は、装置の実用寿命の間、モニターでき、強度が所定最低 レベル以下に降下すると、警告か与えられる。この構成により、装置には整備、 保守及び／又は校正の必要を警告する能力か与えられ、装置の地下での使用か容 易にされる。

また、基準ビーム１２と試料ビーム２２とを位相を異にする構成は各ＬＥＤＩ。

２を互いに異なる位相で駆動することで達成されているか、同様な構成は、ＬＥ Ｄを交互に起動することによっても達せられる。

本発明による装置は、たとえば、添付図面を参照して説明した好適実施例で用い たメタンなと、とのような特定の吸収流体にも使用できるように、適当な流体と 適当な使用波長を選択することによって、変更可能である。

また、試料セルは、この特定の実施例の場合、作業空間又は居住区域、たとえは 坑道の一区間なとにより構成することかてきる。

本発明がガス等の流体のモニタリング、検出、分析のすべて又はいずれかを行な う坑汚染の装置及び方法を提供し、また、鉱業や高い粒子汚染環境での使用に特 に適していることを認識されたい。また、本発明は、ガスに対する高い感度によ り信号処理を行なうので、従来の装置では検出できないような低レベルのガスの 検出に使用できる。加えて、本発明の装置及び方法は本質的に安全であり、した かって、爆発の危険か存在する場所、たとえば炭鉱、化学処理設備及び／又はガ ス取扱い設備で用いることができ、あるいは又家庭内のガス漏れ検知にも使用で きる。

更に、本発明の装置及び方法は、添付図面を参照して例として説明したように、 流体の定量分析及び／又は定性分析に使用可能であることを理解されたい。

更に、本発明の装置及び方法は、各基準セルを有する多数の基準ビームと共に用 いるように変更可能である。その場合、複数セルが、異なるガス又は異なるガス の混合物、もしくは異なる濃度の異なるガス又は異なる濃度の異なるガスの混合 物を含み、試料ビームと組合して各基準ビームを試料セルに通して、これらのガ ス又は混合物の検出、モニタリング、分析のいずれかが行なわれる。加えて、各 基準ビームは、時間又は周波数の領域で変調させて、単数又は複数のビームを、 分離される試料セルの内容物によって影響されないようにし、それによって、異 なるガス又はガス混合物の検出、モニタリング、分析を可能にするようにしても 良い。

補正書の写しく翻訳文）提出書（曲法第１８４条）８）平成６年８月５日

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. １．流体の存在をモニターする装置であって、電磁放射の各基準ビームと試料ビ ームとが得られるように構成された電磁放射源と、電磁放射の波長がモニターさ れる流体の吸収スペクトルの波長と好ましくは適合せしめられていることと、モ ニターされる流体の基準試料を含み、電磁放射基準ビームが通過可能な第１セル と、モニターされる流体の使用試料を含むことができ、電磁放射基準ビームと試 料ビームとの双方が通過可能な第２セルと、基準ビームと試料ビームとが第２セ ルを通過した後に、双方のビームを互いに無関係に検出し、検出されたビームを 表わすそれぞれの信号を発するように構成された手段と、第２セル内のモニター される流体の使用試料の存在と、好ましくはその濃度をも検出するため、前記信 号を比較するように構成された手段とを有する、流体の存在をモニターする装置 。
2. ２．請求項１記載の装置において、基準ビームと試料ビームとが正弦曲線形又は パルス波形である、流体の存在をモニターする装置。
3. ３．請求項１又は２記載の装置において、基準ビームと試料ビームとが互いに位 相を異にしている、流体の存在をモニターする装置。
4. ４．請求項１から３のいずれか１項に記載の装置において、基準ビームと試料ビ ームとが異なる周波数を有する、流体の存在をモニターする装置。
5. ５．請求項１から４のいずれか１項に記載の装置において、電磁放射源が交互に 起動されることにより、それぞれ位相を異にする基準ビームと試料ビームを供す る、流体の存在をモニターする装置。
6. ６．請求項１から５のいずれか１項に記載の装置において、電磁放射源が発光ダ イオード、好ましくは変調発光ダイオードを有する、流体の存在をモニターする 装置。
7. ７．請求項１から６のいずれか１項に記載の装置において、基準ビームと試料ビ ームの電磁放射波長が、モニターされる流体の吸収スペクトルの波長と適合せし められている、流体の存在をモニターする装置。
8. ８．請求項１から７のいずれか１項に記載の装置において、基準ビーム及び試料 ビームを平行にし、次いで、基準ビームが基準セルを通過した後に、双方のビー ムを実質上組合せるように構成された手段を含めむ、流体の存在をモニターする 装置。
9. ９．請求項１から８のいずれか１項に記載の装置において、前記検出装置がフォ トダイすード、光導電式検出器、パイロ電気式検出器のいずれか、又はこれらの 組合せを有する、流体の存在をモニターする装置。
10. １０．請求項１から９のいずれか１項に記載の装置において、前記検出装置が基 準ビームと試料ビームの双方に共通の単一の検出器である、流体の存在をモニタ ーする装置。
11. １１．請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置において、個別に検出され た基準ビームと試料ビームを表わす信号を増幅し、次いで増強するように構成さ れた手段を有する、流体の存在をモニターする装置。
12. １２．請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置において、試料セルに、拡 散又はポンピングにより試料流体が少なくとも部分的に充填され、あるいは、試 料セルが作業空間又は居住空間、たとえば坑道、化学薬品又はガスの処理／取扱 いを行なう設備又は部屋から成る、流体の存在をモニターする装置。
13. １３．請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置において、それぞれの基準 ビームが通過する複数基準セルを含み、これらの基準セルが、異なるガス又は異 なるガスの混合物を含み、あるいは異なる濃度の異なるガス、もしくは異なる濃 度の異なるガスの混合物を含む、流体の存在をモニターする装置。
14. １４．請求項１３記載の装置において、基準ビームが、時間又は周波数変調され る、流体の存在をモニターする装置。
15. １５．流体の存在をモニターする方法であって、モニターされる流体の基準試料 を含む第１セルに、放射の波長をモニターされる流体の吸収スペクトルの波長に 好しくは適合されている電磁放射の基準ビームを通過させることと、モニターさ れる流体の使用試料を含むことが可能の第２セルに電磁放射の基準ビームと試料 ビームを通過させることと、基準ビームと試料ビームとが第２セルを通過した後 に双方のビームを互いに別個に検出することと、別個に検出されたビームを表わ すそれぞれの信号を得て、これら信号を比較することにより、第２セル内におけ るモニターされる流体の使用試料の存在及び濃度を確定することを含む、流体の 存在をモニターする方法。
16. １６．請求項１５記載の方法において、基準ビームと試料ビームとが正弦波形又 はパルス波形である、流体の存在をモニターする方法。
17. １７．請求項１５又は１６記載の方法において、基準ビームと試料ビームとが互 いに位相を異にする、流体の存在をモニターする方法。
18. １８．請求項１５から１７のいずれか１項に記載の方法において、基準ビームと 試料ビームとが周波数を異にする、流体の存在をモニターする方法。
19. １９．請求項１５から１８のいずれか１項に記載の方法において、電磁放射源が 、交互に起動されることにより、それぞれ位相を異にする基準ビームと試料ビー ムを供する、流体の存在をモニターする方法。
20. ２０．請求項１５から１９のいずれか１項に記載の方法において、電磁放射源が 発光ダイオード、好ましくは変調発光ダイオードである、流体の存在をモニター する方法。
21. ２１．請求項１５から２０のいずれか１項に記載の方法において、基準ビームと 試料ビームとの電磁放射波長が、モニターされる流体の吸収スペクトルの波長に 適合されている、流体の存在をモニターする方法。
22. ２２．請求項１５から２１のいずれか１項に記載の方法において、基準ビームと 試料ビームを平行にし、次いで、基準ビームの基準セル通過後に双方のビームを 組合せることを含む、流体の存在をモニターする方法。
23. ２３．請求項１５から２２のいずれか１項に記載の方法において、前記検出装置 が、フォトダイオード、光導電式検出器、パイロ電気式検出器のいずれか、又は それらの組合せにより得られる、流体の存在をモニターする方法。
24. ２４．請求項１５から２３のいずれか１項に記載の方法において、前記検出装置 が、基準ビーム、試料ビームの双方のビームに共通の単一の検出器により得られ る、流体の存在をモニターする方法。
25. ２５．請求項１５から２４のいずれか１項に記載の方法において、個別に検出さ れた基準ビームと試料ビームとを表わす信号を増幅し、次いで増強することを含 む、流体の存在をモニターする方法。
26. ２６．請求項１５から２５のいずれか１項に記載の方法において、試料セルに少 なくとも部分的に試料流体を拡散又はポンピングにより充填し、あるいは、試料 セルが、作業空間や居住空間、たとえば坑道、化学薬品又はガスの処理／取扱を 行なう設備又は部屋から成る、流体の存在をモニターする方法。
27. ２７．請求項１５から２６のいずれか１項に記載の方法において、それぞれの基 準ビームが通過する複数基準セルを設けることを含み、これら基準セルに、異な るガス又は異なるガスの混合物、もしくは異なる濃度の異なるガス又は異なる濃 度の異なるガスの混合物が充填される、流体の存在をモニターする方法。
28. ２８．請求項２７記載の方法において、基準ビームが時間又は周波数変調される 、流体の存在をモニターする方法。