JPS5956151A - メタンガス濃度測定法およびその測定装置 - Google Patents
メタンガス濃度測定法およびその測定装置Info
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- JPS5956151A JPS5956151A JP57166836A JP16683682A JPS5956151A JP S5956151 A JPS5956151 A JP S5956151A JP 57166836 A JP57166836 A JP 57166836A JP 16683682 A JP16683682 A JP 16683682A JP S5956151 A JPS5956151 A JP S5956151A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、ＬＮＧタンカー、ＬＮＧタンク、さらには
炭鉱抗道内などの測定地点が遠く離れている箇所でのメ
タンガスの濃度の測定に好適なメタンガス濃度測定法お
よびその測定装置に関する。
炭鉱抗道内などの測定地点が遠く離れている箇所でのメ
タンガスの濃度の測定に好適なメタンガス濃度測定法お
よびその測定装置に関する。
メタンガスは燃料用ガスとして極めて重要なものであり
、天燃ガスなどに多量に含まれている。
、天燃ガスなどに多量に含まれている。
特に近年都市ガスの高カロリー化に伴って都市ガスに天
燃ガスを利用することが多くなっている。
燃ガスを利用することが多くなっている。
したがって、都市ガスの漏出によるガス爆発等を未然に
防止する定めに地下街、筒層ピル等の特定地域における
メタンガスの漏出を確実に、迅速にEndpage: 1 検知し、警報を発する安全システムの開発が急務とされ
ている。
防止する定めに地下街、筒層ピル等の特定地域における
メタンガスの漏出を確実に、迅速にEndpage: 1 検知し、警報を発する安全システムの開発が急務とされ
ている。
また、メタンガスは炭鉱内に発生する炭坑ガスの主成分
であり、炭坑ガスによるガス爆発あるいはこれが引き金
となる炭塵爆発を未然に防止するためにも、同様のシス
テムが必要とされている。
であり、炭坑ガスによるガス爆発あるいはこれが引き金
となる炭塵爆発を未然に防止するためにも、同様のシス
テムが必要とされている。
しかしながら、従来かも用いられている接触燃焼式、熱
伝導式、半導体式などのメタンガスセンサは、その動作
原理からしてガス選択性、応答性が不十分で周囲の共存
ガスおよび温度、湿度によって影響を受けやすく、信頼
性に不満があった。
伝導式、半導体式などのメタンガスセンサは、その動作
原理からしてガス選択性、応答性が不十分で周囲の共存
ガスおよび温度、湿度によって影響を受けやすく、信頼
性に不満があった。
そのため、測定条件の厳しい採掘現場等には不適であり
、また実時間測定も困難である。しかも、遠隔監視、遠
隔測定の場合電気信号が送受されることがら電磁誘導に
よる誤報やケーブル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いなどの問題がある。
、また実時間測定も困難である。しかも、遠隔監視、遠
隔測定の場合電気信号が送受されることがら電磁誘導に
よる誤報やケーブル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いなどの問題がある。
この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、厳しい測
定条件下でも信頼性が高く、実時間測定ができ、かつ極
めて遠隔の監視および測定が行えるとともに事故誘発等
の危険性の全くないメタンガス測定法および測定装置を
提供することを目的とするものである。
定条件下でも信頼性が高く、実時間測定ができ、かつ極
めて遠隔の監視および測定が行えるとともに事故誘発等
の危険性の全くないメタンガス測定法および測定装置を
提供することを目的とするものである。
以下、図面を参照しながらこの発明を詳しく説明する。
この発明は、近年光通信用に開発された、例えば石英系
光ファイバのような光ファイバは、波長１．０〜１．８
μｍで極めて伝送損失が低く、また、この波長域内の１
．３μｍ付近、１．６μｍ付近にメタンガスの特性吸収
があり、さらに１．３μｍおよび１．６μｍの波長域に
は水（Ｈ２Ｏ）および炭酸ガス（ＣＯ２）による吸収が
全くないという新たな知見に基づいてなされたものであ
る。
光ファイバのような光ファイバは、波長１．０〜１．８
μｍで極めて伝送損失が低く、また、この波長域内の１
．３μｍ付近、１．６μｍ付近にメタンガスの特性吸収
があり、さらに１．３μｍおよび１．６μｍの波長域に
は水（Ｈ２Ｏ）および炭酸ガス（ＣＯ２）による吸収が
全くないという新たな知見に基づいてなされたものであ
る。
第１図は石英系光ファイバの波長０．６μｍ〜１．８μ
ｍの波長域における伝送損失を示すグラフである。この
グラフから明らかなように波長１．０〜１．７μｍでは
伝送損失はｌｄＢ／ｋｍ以下であり、特に１．６μｍ付
近では０．２ｄＢ／ｋｍと言う超低損失を示している。
ｍの波長域における伝送損失を示すグラフである。この
グラフから明らかなように波長１．０〜１．７μｍでは
伝送損失はｌｄＢ／ｋｍ以下であり、特に１．６μｍ付
近では０．２ｄＢ／ｋｍと言う超低損失を示している。
このような超低損失の光ファイバを光伝送路とすれば、
遠隔地に存在するメタンガスの濃度を吸光光度法によっ
て測定できる可能性が生じることがわかる。
遠隔地に存在するメタンガスの濃度を吸光光度法によっ
て測定できる可能性が生じることがわかる。
第２図および第３図は、この発明の対象となるメタンガ
スの特性吸収を示すもので、第２図のグラフはメタンガ
スの１．３３μｍ帯の特性吸収を示し、１．３３１μｍ
に強度の強い吸収バンドがあることがわかる。第３図の
グラフはメタンガスの１．６６μｍ帯の特性吸収を示し
、１．６６６μｍに比較的強度の強いブロードな吸収バ
ンドのあることがわかる。そして、これらの２つの吸収
バンドの付近にはＨ２Ｏ，ＣＯ２の特性吸収帯が存在し
ないことが別の測定によって確められた。
スの特性吸収を示すもので、第２図のグラフはメタンガ
スの１．３３μｍ帯の特性吸収を示し、１．３３１μｍ
に強度の強い吸収バンドがあることがわかる。第３図の
グラフはメタンガスの１．６６μｍ帯の特性吸収を示し
、１．６６６μｍに比較的強度の強いブロードな吸収バ
ンドのあることがわかる。そして、これらの２つの吸収
バンドの付近にはＨ２Ｏ，ＣＯ２の特性吸収帯が存在し
ないことが別の測定によって確められた。
以上の知見より、列えは石英系光ファイバを光伝送路と
し、波長１．６６６μｍまたは１．３３１μｍのメタン
ガス特性吸収バンドを利用すれば、遠隔地にあるメタン
ガスを共存Ｈ２Ｏ、ＣＯ２の影響を受けることなく高精
度で測定できることがわかった。
し、波長１．６６６μｍまたは１．３３１μｍのメタン
ガス特性吸収バンドを利用すれば、遠隔地にあるメタン
ガスを共存Ｈ２Ｏ、ＣＯ２の影響を受けることなく高精
度で測定できることがわかった。
次に、波長１．３μｍまたは１．６μｍの近赤外域の光
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、一般に半導体レザーダイオード（ＬＤ）と発光
ダイオード（ＬＥＤ）とが挙げられる。ＬＤは高出力が
得られるが温度、電源電圧によって発光波長が変動しや
すく、かつ単色性が高いので、このような用途に利用す
るには高度な技術を必要とする。これに対してＬＥＤは
出力は低いものの波長の安定性がよく、発光スペクトル
がややブロードであるため、特性吸収波長をカバーする
ことが簡単で使用しやすく対象となる気体の検出範囲に
よっては充分利用できる。しかし、ＬＥＤを光源とした
場合には、発光スペクトルがブロードであるため、分光
器が必要となる。
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、一般に半導体レザーダイオード（ＬＤ）と発光
ダイオード（ＬＥＤ）とが挙げられる。ＬＤは高出力が
得られるが温度、電源電圧によって発光波長が変動しや
すく、かつ単色性が高いので、このような用途に利用す
るには高度な技術を必要とする。これに対してＬＥＤは
出力は低いものの波長の安定性がよく、発光スペクトル
がややブロードであるため、特性吸収波長をカバーする
ことが簡単で使用しやすく対象となる気体の検出範囲に
よっては充分利用できる。しかし、ＬＥＤを光源とした
場合には、発光スペクトルがブロードであるため、分光
器が必要となる。
分光器には種々のタイプがあるがここでは安価な帯域透
過フィルタを用いろことにした。
過フィルタを用いろことにした。
ここで、帯域透過フィルタの透過幅は一般に広く１〜数
ｎｍ程度であり、測定物のスペクトル線がこの幅よりも
狭い場合には効率的に不利となる。
ｎｍ程度であり、測定物のスペクトル線がこの幅よりも
狭い場合には効率的に不利となる。
しかし、メタンガスの１．３３１μｍや１．６６６μｍ
のように相当に幅が広い場合には、このような帯域透過
フィルタな用いても測定系全体の検出効率の改善に十分
役立つことを以下に具体的に検討し見出した。
のように相当に幅が広い場合には、このような帯域透過
フィルタな用いても測定系全体の検出効率の改善に十分
役立つことを以下に具体的に検討し見出した。
第４図は、中心波長１．６６６１μｍ、半値幅２ｎｍで
透過特性がガウス分布型の帯域透過フィルタを用い、こ
のフィルタを透過した後の光の強度分布を示すもので、
実線はメタンガスが光路長５０ｃｍの測足セル内に２０
Ｔｏｒｒの圧力で含まれている場合を表わし、点線はメ
タンガスが存在しない場合を表わしている。この両回線
の面積の差を点線で囲まれた面積で割ればメタンガスに
よる吸光比を求め得ることが理解できる。
透過特性がガウス分布型の帯域透過フィルタを用い、こ
のフィルタを透過した後の光の強度分布を示すもので、
実線はメタンガスが光路長５０ｃｍの測足セル内に２０
Ｔｏｒｒの圧力で含まれている場合を表わし、点線はメ
タンガスが存在しない場合を表わしている。この両回線
の面積の差を点線で囲まれた面積で割ればメタンガスに
よる吸光比を求め得ることが理解できる。
第５図は、中心波長が１．６６６１μｍ（Ａ）、１．６
６６６μｍ（Ｂ）および１．６６５６μｍ（Ｃ）で半値
幅が２ｎｍの３種の帯域透過フィルタを用いてメタンガ
スの１．６６６μｍの吸収スペクトル線の吸光比をメタ
ン濃度を変化させて測定した時のグラフを示したもので
ある、メタンガスと空気との混合気体の圧力は１気圧と
し、その内のメタンガスの分圧（Ｔｏｒｒ）を変化させ
た。
６６６μｍ（Ｂ）および１．６６５６μｍ（Ｃ）で半値
幅が２ｎｍの３種の帯域透過フィルタを用いてメタンガ
スの１．６６６μｍの吸収スペクトル線の吸光比をメタ
ン濃度を変化させて測定した時のグラフを示したもので
ある、メタンガスと空気との混合気体の圧力は１気圧と
し、その内のメタンガスの分圧（Ｔｏｒｒ）を変化させ
た。
グラフより明らかなようにフィルタの中心波長が異なれ
ばメタンガスが同一分圧であっても吸光比は変化し、中
心波長１．６６６１μｍのフィルタ（Ａ）が最も高い吸
光比を与えることがわかる。
ばメタンガスが同一分圧であっても吸光比は変化し、中
心波長１．６６６１μｍのフィルタ（Ａ）が最も高い吸
光比を与えることがわかる。
また、第６図は、中心波長１．６６６１μｍで、半値幅
が１．５ｎｍ（Ｅ）、２．０ｎｍ（Ｆ）および２．５ｎ
ｍ（Ｇ）の３棟の帯域透過フィルタを第５図に示したも
のと同一条件で用いてメタンガスの吸光比を求め定もの
である。これより、例えば空気中の３Ｔｏｒｒのメタン
ガス（爆発下限界の約６％の濃度に相当する。）を検出
するためには半値幅２・５ｎｍ（Ｇ）のフィルタを用い
て約１．５％の吸光比、すなわち光強度の減少を測定て
ればよいことがわかる。（ただし、第６図からは（Ｅ）
のフィルタが最も高感度となることがわかるが、このも
のは高価であり、また（Ｇ）のフィルタでも充分使用で
きるため、（Ｇ）のフィルタを選択した。）第５図およ
び第６図の曲線から、メタンガスの分圧の低い範囲では
吸光比Ａとメタンガス分圧ＰＭとの間には次のような直
線的関係が近似的に成立する。
が１．５ｎｍ（Ｅ）、２．０ｎｍ（Ｆ）および２．５ｎ
ｍ（Ｇ）の３棟の帯域透過フィルタを第５図に示したも
のと同一条件で用いてメタンガスの吸光比を求め定もの
である。これより、例えば空気中の３Ｔｏｒｒのメタン
ガス（爆発下限界の約６％の濃度に相当する。）を検出
するためには半値幅２・５ｎｍ（Ｇ）のフィルタを用い
て約１．５％の吸光比、すなわち光強度の減少を測定て
ればよいことがわかる。（ただし、第６図からは（Ｅ）
のフィルタが最も高感度となることがわかるが、このも
のは高価であり、また（Ｇ）のフィルタでも充分使用で
きるため、（Ｇ）のフィルタを選択した。）第５図およ
び第６図の曲線から、メタンガスの分圧の低い範囲では
吸光比Ａとメタンガス分圧ＰＭとの間には次のような直
線的関係が近似的に成立する。
Ａ＝αｌｏｇＰＭ＋β……（１）
ここでα、βはフィルタの特性や吸収線の強度分布など
によって定する定数で、実験的に求めることかでざる。
によって定する定数で、実験的に求めることかでざる。
例えば、第６図の測定に用いられた半値幅２．０ｎｍの
フィルタ（Ｆ）の場合には、（１）式は Ａ≒４．５ｌｏｇＰＭ＋０．２……（２）と表わすこと
ができる。この関係を用いれば吸光比Ａからメタンガス
の分圧ＰＭあるいは濃度を求めることができる。さらに
、同様の検討をメタンガスが含まれる都市ガスについて
も行った。第７図は、２０％のメタンガス分圧む都市ガ
スと空気との混合気体を試料とし、混合気体中の都市ガ
ス量を変化させて吸光比を測定したときのグラフである
。帯域透過フィルタには中心波長１．６６６１μｍ、半
値幅２．０ｎｍのものを用いたところ、吸光度Ａと混合
気体中の都市ガス分圧ＰＧこの間には、Ａ≒１．８ｌｏ
ｇＰＧ＋１……（３） の関係が近似的に成立することが判った。
フィルタ（Ｆ）の場合には、（１）式は Ａ≒４．５ｌｏｇＰＭ＋０．２……（２）と表わすこと
ができる。この関係を用いれば吸光比Ａからメタンガス
の分圧ＰＭあるいは濃度を求めることができる。さらに
、同様の検討をメタンガスが含まれる都市ガスについて
も行った。第７図は、２０％のメタンガス分圧む都市ガ
スと空気との混合気体を試料とし、混合気体中の都市ガ
ス量を変化させて吸光比を測定したときのグラフである
。帯域透過フィルタには中心波長１．６６６１μｍ、半
値幅２．０ｎｍのものを用いたところ、吸光度Ａと混合
気体中の都市ガス分圧ＰＧこの間には、Ａ≒１．８ｌｏ
ｇＰＧ＋１……（３） の関係が近似的に成立することが判った。
以上の検討結果から、光源に小型のＬＥＤを用い、分光
器に帯域透過フィルタを用いてもメタンガス濃度を定数
しうることがわかった。
器に帯域透過フィルタを用いてもメタンガス濃度を定数
しうることがわかった。
第８図に示すものは、以上の知見に基づいて構成された
メタンガス測定装置の一例である。図中符号１は発光ダ
イオード（ＬＥＤ）よりなる光源である。この光源１で
発光された１．３μｍ帯または１．６μｍ帯の光は光結
合器２を経て光伝送路である低伝送損失の光ファイバ、
例えば石英系光ファイバ３に送られる。石英系光ファイ
バ３は第１図に示すような伝送特性を有し、１．０〜１
．７μｍで極めて低損失のものであり、したがってその
長さを数ｋｍ〜１０ｋｍ程度としてもさしつかえない。
メタンガス測定装置の一例である。図中符号１は発光ダ
イオード（ＬＥＤ）よりなる光源である。この光源１で
発光された１．３μｍ帯または１．６μｍ帯の光は光結
合器２を経て光伝送路である低伝送損失の光ファイバ、
例えば石英系光ファイバ３に送られる。石英系光ファイ
バ３は第１図に示すような伝送特性を有し、１．０〜１
．７μｍで極めて低損失のものであり、したがってその
長さを数ｋｍ〜１０ｋｍ程度としてもさしつかえない。
石英系光ファイバ３からの光は光結合器４ｂを経て吸収
セル４に送り込まれる。この吸収セル４は円筒状の筒体
４ａの両端部にそれぞれ光結合器４ｂ、４ｂ’が設けら
れており、筒体４ａは測定ガスの自然流出入を可能とす
るように多孔性焼結金属や連続気孔構造のプラスチック
フオームなどから形成されている。また、この吸収セル
４の光路長（光結合器４ｂ、４ｂ’間の距離）は一般に
５０〜１００ｃｍとされるが、メタンガスが低濃度の場
合には周知の多ボ光路型吸収セルを用いろこともできる
。吸収セル４から出た光は、光結合器４ｂ’を経て低伝
送損失の光ファイバ、例えば石英系光ファイバ５に送ら
れる。この石英系光ファイバ５も同様に低損失のものが
使用される。光ファイバ５を通過した光は光結合器６か
らハーフミラ−で構成されたビームスプリッタ７に送ら
れ、ここで２つの光束に分けられる。第１の光束は第１
の帯域透過フィルタ８に送られ、第２の光束は第２の帯
域適過フィルタ９に送られる。これらフィルタ８，９は
、薄膜による光の干渉作用を利用した干渉フィルタであ
り、多層膜干渉フイルタなどが好適に用いられ、中心波
長での透過率がでさろだけ高く、半値幅が１．０〜２．
０ｎｍと狭いものが望ましい。第１のフィルタ８の中心
波長は１．６６６１μｍまたは１．３３１２μｍとされ
、メタンガスの前記特性吸収の波長と一致している。
セル４に送り込まれる。この吸収セル４は円筒状の筒体
４ａの両端部にそれぞれ光結合器４ｂ、４ｂ’が設けら
れており、筒体４ａは測定ガスの自然流出入を可能とす
るように多孔性焼結金属や連続気孔構造のプラスチック
フオームなどから形成されている。また、この吸収セル
４の光路長（光結合器４ｂ、４ｂ’間の距離）は一般に
５０〜１００ｃｍとされるが、メタンガスが低濃度の場
合には周知の多ボ光路型吸収セルを用いろこともできる
。吸収セル４から出た光は、光結合器４ｂ’を経て低伝
送損失の光ファイバ、例えば石英系光ファイバ５に送ら
れる。この石英系光ファイバ５も同様に低損失のものが
使用される。光ファイバ５を通過した光は光結合器６か
らハーフミラ−で構成されたビームスプリッタ７に送ら
れ、ここで２つの光束に分けられる。第１の光束は第１
の帯域透過フィルタ８に送られ、第２の光束は第２の帯
域適過フィルタ９に送られる。これらフィルタ８，９は
、薄膜による光の干渉作用を利用した干渉フィルタであ
り、多層膜干渉フイルタなどが好適に用いられ、中心波
長での透過率がでさろだけ高く、半値幅が１．０〜２．
０ｎｍと狭いものが望ましい。第１のフィルタ８の中心
波長は１．６６６１μｍまたは１．３３１２μｍとされ
、メタンガスの前記特性吸収の波長と一致している。
また、第２のフィルタ９の中心波長はメタンガスの吸収
波長以外の波長でさらに水分、炭酸ガスで特性吸収を示
さない例えば１．６２μｍまたは１．３０μｍとされて
いる。これによって、第１のフィルタ８を透過した光は
、メタンガスの吸収によって強度の低下した１．６６６
１μｍまたは１．３３１２μｍを中心とするガウス分布
形の光となり、また、第２のフィルタ９を透過した光に
、メタンガスの吸収には無関係の１．６２μｍまたは１
．３０μｍを中心波長とするガウス分布形の光となる。
波長以外の波長でさらに水分、炭酸ガスで特性吸収を示
さない例えば１．６２μｍまたは１．３０μｍとされて
いる。これによって、第１のフィルタ８を透過した光は
、メタンガスの吸収によって強度の低下した１．６６６
１μｍまたは１．３３１２μｍを中心とするガウス分布
形の光となり、また、第２のフィルタ９を透過した光に
、メタンガスの吸収には無関係の１．６２μｍまたは１
．３０μｍを中心波長とするガウス分布形の光となる。
これらの光は、アバランシェフォトダイオードなどで構
成された第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、増幅器１２．１３
にて増幅され１こ後、マイクロコンピュータなどから構
成された信号処理装置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、さ
らに前記（１）式の関係に基づく演算処理等が行われ、
吸収セル４内に存在する気体中のメタンガス濃度が求め
られ、表示器１５にその結果が表示される。
成された第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、増幅器１２．１３
にて増幅され１こ後、マイクロコンピュータなどから構
成された信号処理装置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、さ
らに前記（１）式の関係に基づく演算処理等が行われ、
吸収セル４内に存在する気体中のメタンガス濃度が求め
られ、表示器１５にその結果が表示される。
第９図は、この発明の測定装置の他の例を示すもので、
第８図に示したものと同一構成部分には同一符号を付し
てその説明は省略する。この例では、吸収セル４を出た
光はたとえば石英系光ファイバのような低損失の光フア
イバ５を通り、光分岐器１６によって２つの光束に分け
られ、それぞれ光結合器１７、１８からチョッパ１９ぞ
経て第１のフィルタ８および第２のフィルタ９に送り込
まれる点と第１および第２の光検出器１０、１１からの
電気信号が１つの増幅器１２に送り込まれる点とが前例
と異るところである。この例ではチョッパ１９によって
光検出器１０、１１からの電気信号が交流となり、増幅
等が容易である利点がある。
第８図に示したものと同一構成部分には同一符号を付し
てその説明は省略する。この例では、吸収セル４を出た
光はたとえば石英系光ファイバのような低損失の光フア
イバ５を通り、光分岐器１６によって２つの光束に分け
られ、それぞれ光結合器１７、１８からチョッパ１９ぞ
経て第１のフィルタ８および第２のフィルタ９に送り込
まれる点と第１および第２の光検出器１０、１１からの
電気信号が１つの増幅器１２に送り込まれる点とが前例
と異るところである。この例ではチョッパ１９によって
光検出器１０、１１からの電気信号が交流となり、増幅
等が容易である利点がある。
なお、上記例に限られず、光源ｌかもの光を光分岐器で
虚数の光に分割し、これら光を別々の石英系光ファイバ
３で複数の吸収セル４……に送り込み、複数の地点での
メタンガス濃度時に測定するように構成することもでき
る。
虚数の光に分割し、これら光を別々の石英系光ファイバ
３で複数の吸収セル４……に送り込み、複数の地点での
メタンガス濃度時に測定するように構成することもでき
る。
以上説明しにように、この発明のメタンガス濃度測足法
および測定装置によれば、メタンガスの特性吸収帯に、
光ファイバの最も低損失な波長領域であり、かつＣＯ２
、Ｈ２Ｏの吸収帯が存在しない１．３３μｍまたは１．
６６μｍを選び、光源に安定性のよい発光ダイオード（
ＬＥＤ）を、光伝送路に上記低損失光ファイバを、分光
器に小型で安価な帯域透過フィルタを用いてメタンガス
の近赤外吸光光度法による定量を行うものであるので、
吸収セルを極めて遠隔の地点に設置することができ、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
ことがなく、したがって炭鉱の坑道ガス中のメタンガス
濃度の測定や地下街等の広い地域に複数の吸収セルを設
置し、１個所で集中監視する場合などに好適である。ま
た、測定ガス中に存在するＨ２Ｏ，ＣＯ２の影響を全く
受けないので、精度も高い。さらに、吸光光度法である
ので、実時間測定が可能であり、メタン濃度変動に対し
て迅速な対応が可能となる。また、分光器に帯域透過フ
ィルタを用いているので装置を小型化かつ安価とするこ
とかできる。さらに、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メタンの爆発
限界より下のレベルの高感度の検出を達成できる。
および測定装置によれば、メタンガスの特性吸収帯に、
光ファイバの最も低損失な波長領域であり、かつＣＯ２
、Ｈ２Ｏの吸収帯が存在しない１．３３μｍまたは１．
６６μｍを選び、光源に安定性のよい発光ダイオード（
ＬＥＤ）を、光伝送路に上記低損失光ファイバを、分光
器に小型で安価な帯域透過フィルタを用いてメタンガス
の近赤外吸光光度法による定量を行うものであるので、
吸収セルを極めて遠隔の地点に設置することができ、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
ことがなく、したがって炭鉱の坑道ガス中のメタンガス
濃度の測定や地下街等の広い地域に複数の吸収セルを設
置し、１個所で集中監視する場合などに好適である。ま
た、測定ガス中に存在するＨ２Ｏ，ＣＯ２の影響を全く
受けないので、精度も高い。さらに、吸光光度法である
ので、実時間測定が可能であり、メタン濃度変動に対し
て迅速な対応が可能となる。また、分光器に帯域透過フ
ィルタを用いているので装置を小型化かつ安価とするこ
とかできる。さらに、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メタンの爆発
限界より下のレベルの高感度の検出を達成できる。
第１図はこの発明に用いられる石英系光ファイバの伝送
損失を示すグラフ、第２図はメタンガスの１．３３μｍ
帯の吸収スペクトル、第３図はメタンガスの１．６６μ
ｍ帯のスペクトル、第４図はガウス分布型の帯域透過フ
ィルタを透過した光の強度分布を示すグラフ、第５図は
中心波長の異る３種の帯域透過フィルタを用いた時のメ
タンガスの濃度と吸光比との関係を示すグラフ、第６図
は半値幅の異る３種の帯域透過フィルタを用い定時のメ
タンガスの濃度と吸光比との関係を示すグラフ、第７図
は帯域透過フィルタを用いて空気中の都市ガス濃度と吸
光比の関係を都市ガスのメタンガス濃度によって求めた
グラフ、第８図および第９図はいずれもこの発明のメタ
ンガス測定装置の例を示す概略構成図である。 １…発光ダイオードよりなる光源、 ３…石英系光ファイバ、４…吸収セル、５…石英系光フ
ァイバ、７…ビームスプリッタ、８…第１の帯域透過フ
ィルタ、 ９…第２の帯域透過フィルタ、 １０…第１の光検出器、１１…第２の光検出器、１２…
増幅器、１４…信号処理装置、 １５…表示器、１６…光分岐器、１９…チョッパ。 出願人昭和屯工体式会社 代理人弁理士志賀止就１ 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 手続補正書（、ッ） 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和５７年特許顧第１ｆ％６８８６号 ２、発明の名称 メタンガス招度測定法Ｊ３よびその測定装材３、補正を
する者 特許出庫人 （２００）昭和電工株式会社 ４、代理人 ＋１１特許請求の範囲を別紙のＪ【ｕすｄｉモする。 （２）明細号外コ貞第１．１行目および第１７行目行目
［天燃１を［天然−ＩＶＣ削圧する。 （３）明細沓第ＵＷ第１１行目のｒｉｂμＩ１１の波長
域にＧｔｌをｒ／６μｍｎのメタンガスの特性吸収σ）
付近には」に訂正する。。 （４）明細Ｙｊｉ第Ａ貞第２〜３行目の「とが挙げられ
る。１を「とが拳げられるが２熱ｒｄ％放１１Ｅ管でも
よい。１に訂正する〇 （５）明ｈ（ロｓｒｓ第１Ｏ頁第ダ行目、第１ψ頁・Ｉ
）１０行目むよび第１．Ｓ−貢第２〜．７行目の［分ｙ
（′、ｒ！ｓｌを１゛波長１に訂正する。 （６）明細書第１／頁第、ｔＮ４行目ＣＩ）ｌ’ｉ：ｔ
：ｉ’２ＶＣ！ｒＯ〜ｌθＯａｎとぎれるが、１を［は
−レリとして５０〜ｌθθｃｎｔとしたか、］にｅＩｌ
’ｉＥする。 （７）明にＩｌｌ４を番ｍ／２頁第１０行目の［中心と
するガウス分布形σ月を［中心とするｄｉ、ｉａｏる波
長分布がガウス形の］に、ＩＩ゛圧する。 （８）明糾１ヤｆ第１１頁第１、を行目の「とするガリ
スうト布形」を「とする波長分布がガウス形」に訂ｉＦ
−，する０ （９）明にＩＩＩｉｊｔ第ｔ３山第ソ〜ｌθ行目、第１
３貞第１デ（〜２θ２０行目び弔１６頁第ｉ（行目の［
光分岐器１を「光分岐１５」に訂正する０ ｆＪＩ明糾１惨第ｔＳ頁第コσ行目のｒｔｉｔｓ市ガス
の１をｒ！ｉｌＳ市ガス中のＩＩＣ訂正する。 特許請求の範囲 （１）１．６μｍ帯または１．３μｍ帯の光を該波長域
において伝送損失が小さい光ファイバによって雰囲気ガ
スが流出入する測定セルに伝送し、測定セルでメタンガ
スの１．６６６μｍまたは、１．３３１μｍでの吸収が
なされた後の光を１．６μｍ帯または１．３μｍ帯の波
長域において伝送損失が小さい光ファイバによって帯域
透過フィルタに送り、上記メタンガスの吸収波長とそれ
以外の波長との光に分光し、これら二つの光それぞれ光
検出器に送り、これら光の強度比を求め、これによって
上記測定セル中のメタンガス濃度音測定することを特徴
とするメタンガス濃度測定法。 （２）１．６μｍ帯または１．３μｍ帯の光を発光源と
、この光を伝送する該波長域で伝送損失の小さい光ファ
イバと、雰囲気ガスが流出入する測定セルと、測定セル
でメタンガスの１．６６６μｍまたは１．３３１μｍで
の吸収が行われた光を上記メタンガスの吸収波長とそれ
以外の波長との光に分光する帯域透過フィルタと、これ
ら光を検出する光検出器と、光検出器で検出された信号
を処理する演算処理装置とを具備してなるメタンガス濃
度測定装置。 手続補正書輸発） 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和５７年ｑ、１１許朗゛１第１６６８３６号２、発明
の名称 メタンガス濃度測定法およびその測定装置３、補正をす
る者 特ｔ′１：出願人 （２００）昭和電工株式会社 ４、代理人 （１）明細書の［発明の詳却目ｃｈｉ＾明１のＩＩＪ。 ６、補正の内容 （１）明細４’Ｆ第１ｒ頁第１７頁〜第１Ｏ迎第２行目
の［第５図および第６図の曲線から、……の関係が近（
１４的に成立することが判った。」を次の通り訂正する
。 「ざらに、同様の検討をメタンガスが含まｉ］る都市ガ
スについても行った。第７図は２０％のメタンガスを含
む都市ガスと空気との混合気体７ｆ！（料とし、混合気
体中の都市ガスｌＪｔを変化させて吸光比を測定したと
きのグラフである。帯Ｊ＋＆ｉＷｊＷ゛ｊｊフイルタ中
心波長１．６６１μｍ、半値幅２０ｎｍのものを用いて
いる。１ （２）四焉１川１ｉＹ第１３自第１行目の「第（１）式
の関係に基づく」を削除する。 手続ンｒ１１正書（自発） ５８．１０．１２ １、事件の表示 昭和５７江特訂願第１６６８３６号 ２、発明の名称 メタンガス温度測定法お上びての測定具「ず３、補正を
づる者 １・１訂出願人 （２００）ｌ１ｌｆ４１をＬｆ１株式会社１、代理人 東京都中央区八中洲２丁目１番５シ］ ６、補正の内容 （１）発明の詳細な説明おＪ−び図面の簡単な説明を別
紙の通り訂正する。 ３、発明の詳細な説明 この発明は、ＬＮＧタンカー、ＬＮＧタンク、さらには
炭鉱抗道内などの測定地点が遠く離れている箇所でのメ
タンガスの濃度の測定に好適なメタンガス濃度測定法お
よびその測定装置に関する。 メタンガスは燃料用ガスとして極めて重要なものであり
、天燃ガスなどに多量に含まれている。 特に近年都市ガスの高カロリー化に伴って都市ガスに天
燃ガスを利用することが多くなっている。 したがって、都市ガスの漏出によるガス爆発等を未然に
防止する定めに地下街、筒層ピル等の特定地域における
メタンガスの漏出を確実に、迅速に検知し、警報を発す
る安全システムの開発が急務とされている。 また、メタンガスは炭鉱内に発生する炭坑ガスの主成分
であり、炭坑ガスによるガス爆発あるいはこれが引き金
となる炭塵爆発を未然に防止するためにも、同様のシス
テムが必要とされている。 しかしながら、従来かも用いられている接触燃焼式、熱
伝導式、半導体式などのメタンガスセンサは、その動作
原理からしてガス選択性、応答性が不十分で周囲の共存
ガスおよび温度、湿度によって影響を受けやすく、信頼
性に不満があった。 そのため、測定条件の厳しい採掘現場等には不適であり
、また実時間測定も困難である。しかも、遠隔監視、遠
隔測定の場合電気信号が送受されることがら電磁誘導に
よる誤報やケーブル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いなどの問題がある。 この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、厳しい測
定条件下でも信頼性が高く、実時間測定ができ、かつ極
めて遠隔の監視および測定が行えるとともに事故誘発等
の危険性の全くないメタンガス測定法および測定装置を
提供することを目的とするものである。 以下、図面を参照しながらこの発明を詳しく説明する。 この発明は、近年光通信用に開発された、例えば石英系
光ファイバのような光ファイバは、波長１．０〜１．８
μｍで極めて伝送損失が低く、また、この波長域内の１
．３μｍ付近、１．６μｍ付近にメタンガスの特性吸収
があり、さらに１．３μｍおよび１．６μｍのメタンガ
スの特性吸収の付近には水蒸気（Ｈ２Ｏ）および炭酸ガ
ス（ＣＯ２）による吸収がほんんどないという新たな知
見に基づいてなされたものである。 第１図は石英系光ファイバの波長０．６μｍ〜１．８μ
ｍの波長域における伝送損失を示すグラフである。この
グラフから明らかなように波長１．１〜１．７μｍでは
伝送損失はｌｄＢ／ｋｍ以下であり、特に１．６μｍ付
近では０．２ｄＢ／ｋｍと言う超低損失を示している。 このような超低損失の光ファイバを光伝送路とすれば、
遠隔地に存在するメタンガスの濃度を吸光光度法によっ
て測定できる可能性が生じることがわかる。 第２図および第３図は、この発明の対象となるメタンガ
スの特性吸収を示すもので、第２図のグラフはメタンガ
スの１．３３μｍ帯の特性吸収を示し、１．３３１μｍ
に強度の強い吸収バンドがあることがわかる。第３図の
グラフはメタンガスの１．６６μｍ帯の特性吸収を示し
、１．６６６μｍに比較的強度の強いブロードな吸収バ
ンドのあることがわかる。そして、これらの２つの吸収
バンドの付近にはＨ２Ｏ，ＣＯ２の特性吸収帯がほとん
ど存在しないことが別の測定によって確められた。 以上の知見より、列えは石英系光ファイバを光伝送路と
し、波長１．６６６μｍまたは１．３３１μｍのメタン
ガス特性吸収バンドを利用すれば、遠隔地にあるメタン
ガスを共存Ｈ２Ｏ、ＣＯ２の影響をほとんど受けること
なく高精度で測定できることがわかった。 次に、波長１．３μｍまたは１．６μｍの近赤外域の光
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）と発
光ダイオード（ＬＥＤ）とが挙げられる。ＬＤは高出力
が得られるが温度、電源電圧によって発光波長が変動し
やすく、かつ単色性が高いので、このような用途に利用
するには高度な技術を必要とする。これに対してＬＥＤ
は出力は低いものの発光スペクトルがややブロードであ
るため波長の安定性がよく、特性吸収波長をカバーする
ことが簡単で使用しやすく対象となる気体の検出範囲に
よっては充分利用できる。しかし、ＬＥＤを光源とした
場合には、発光スペクトルがブロードであるため、分光
器が必要となる。 分光器には種々のタイプがあるがここでは安価な帯域透
過フィルタを用いろことにした。 ここで、帯域透過フィルタの透過幅は一般に広く１〜数
ｎｍ程度であり、測定物のスペクトル線がこの幅よりも
狭い場合には効率的に不利となる。 しかし、メタンガスの１．３３１μｍや１．６６６μｍ
のように相当に幅が広い場合には、このような帯域透過
フィルタな用いても測定系全体の検出効率の改善に十分
役立つことを以下に具体的に検討し見出した。 第４図は、中心波長１．６６６１μｍ、半値幅２ｎｍで
透過特性がガウス分布型の帯域透過フィルタを用い、こ
のフィルタを透過した後の光の強度分布を示すもので、
実線はメタンガスが光路長５０ｃｍの測足セル内に２０
Ｔｏｒｒの圧力で含まれている場合を表わし、点線はメ
タンガスが存在しない出合を表わしている。この両回線
の面積の差を点線で囲まれた面積で割ればメタンガスに
よる吸光比を求め得ることが理解できる。 第５図は、中心波長が１．６６６１μｍ（Ａ）、１．６
６６６μｍ（Ｂ）および１．６６５６μｍ（Ｃ）で半値
幅が２ｎｍの３種の帯域透過フィルタを用いてメタンガ
スの１．６６６μｍの吸収スペクトル線の吸光比をメタ
ン濃度を変化させて測定した時のグラフを示したもので
ある、メタンガスと空気との混合気体の圧力は１気圧と
し、その内のメタンガスの分圧（Ｔｏｒｒ）を変化させ
た。グラフより明らかなようにフィルタの中心波長が異
なればメタンガスが同一分圧であっても吸光比は変化し
、中心波長１．６６６１μｍのフィルタ（Ａ）が最も高
い吸光比を与えることがわかる。 また、第６図は、中心波長１．６６６１μｍで、半値幅
が１．５ｎｍ（Ｅ）、２．０ｎｍ（Ｆ）および２．５ｎ
ｍ（Ｇ）の３棟の帯域透過フィルタを第５図に示したも
のと同一条件で用いてメタンガスの吸光比を求め定もの
である。これより、例えば空気中の３Ｔｏｒｒのメタン
ガス（爆発下限界の約６％の濃度に相当する。）を検出
するためには半値幅２・５ｎｍ（Ｇ）のフィルタを用い
て約１．５％の吸光比、すなわち光強度の減少を測定す
ればよいことがわかる。（ただし、第６図からは（Ｅ）
のフィルタが最も高感度となることがわかるが、半値幅
の狭いものはやや高価であり、また（Ｇ）のフィルタで
も充分使用できるため、（Ｇ）のフィルタを選択した。 ）さらに、同様の検討をメタンガスが含まれる都市ガス
についても行った。第７図は、２０％のメタンガスを含
む都市ガスと空気との混合気体を試料とし、混合気体中
の都市ガス量を変化させて吸光比を測定したときのグラ
フである。帯域透過フィルタには中心波長１．６６６１
μｍ、半値幅２．０ｎｍのものを用いている。 以上の検討結果から、光源に小型のＬＥＤを用い、分光
器に帯域透過フィルタを用いてもメタンガス濃度を定数
しうることがわかった。 第８図に示すものは、以上の知見に基づいて構成された
メタンガス測定装置の一例である。図中符号１は発光ダ
イオード（ＬＥＤ）よりなる光源である。この光源１で
発光された１．３μｍ帯または１．６μｍ帯の光は光結
合器２を経て光伝送路である低伝送損失の光ファイバ、
例えば石英系光ファイバ３に送られる。石英系光ファイ
バ３は第１図に示すような伝送特性を有し、１．０〜１
．７μｍで極めて低損失のものであり、したがってその
長さを数ｋｍ〜１０ｋｍ程度としてもさしつかえない。 石英系光ファイバ３からの光は光結合器４ｂを経て吸収
セル４に送り込まれる。この吸収セル４は円筒状の筒体
４ａの両端部にそれぞれ光結合器４ｂ、４ｂ’が設けら
れており、筒体４ａは測定ガスの自然流出入を可能とす
るように多孔性焼結金属や連続気孔構造のプラスチック
フオームなどから形成されている。また、この吸収セル
４の光路長（光結合器４ｂ、４ｂ’間の距離）は一例に
５０〜１００ｃｍとされるが、メタンガスが低濃度の場
合には周知の多ボ光路型吸収セルを用いろこともできる
。吸収セル４から出た光は、光結合器４ｂ’を経て低伝
送損失の光ファイバ、例えば石英系光ファイバ５に送ら
れる。この石英系光ファイバ５も同様に低損失のものが
使用される。 光ファイバ５を通過した光は光結合器６からハーフミラ
−で構成されたビームスプリッタ７に送られ、ここで２
つの光束に分けられる。第１の光束は第１の帯域透過フ
ィルタ８に送られ、第２の光束は第２の帯域適過フィル
タ９に送られる。これらフィルタ８，９は薄膜による光
の干渉作用を利用した干渉フィルタであり、多層膜干渉
フイルタなどが好適に用いられ、中心波長での透過率が
できるだけ高く、半値幅が１．０〜２．０ｎｍと狭いも
のが望ましい。第１のフィルタ８の中心波長は１．６６
６１μｍまたは１．３３１２μｍとされ、メタンガスの
前記特性吸収の波長と一致している。 また、第２のフィルタ９の中心波長はメタンガスの吸収
波長以外の波長でさらに水分、炭酸ガスで特性吸収を示
さない例えば１．６２μｍまたは１．３０μｍとされて
いる。これによって、第１のフィルタ８を透過した光は
、メタンガスでの吸収によって強度の低下した１．６６
６１μｍまたは１．３３１２μｍを中心とする透過波長
分布がガウス形の光となり、また第２のフィルタ９を透
過した光は、メタンガスでの吸収には無関係の１．６２
μｍまたは１．３０μｍを中心波長とする波長分布がガ
ウス形の光となる。これらの光は、それぞれアバランシ
ェフォトダイオードなどで構成された第１の光検出器１
０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、増幅器１２，１３にて増幅され１こ後、マイ
クロコンピュータなどから構成された信号処理装置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、さらに予めメタンの標準ガス
で求めた吸光比Ａとメタンガス濃度との関係を利用して
演算処理等が行われ、測定セル４内に存在する気体中の
メタンガス濃度が求められ、表示器１５にその結果が表
示される。 第９図は、この発明の測定装置の他の例を示すもので、
第８図に示したものと同一構成部分には同一符号を付し
てその説明は省略する。この例では、吸収セル４を出た
光はたとえば石英系光ファイバのような低損失の光フア
イバ５を通り、光分岐器１６によって２つの光束に分け
られ、それぞれ光結合器１７、１８からチョッパ１９を
経て第１のフィルタ８および第２のフィルタ９に送り込
まれる点と、第１および第２の光検出器１０、１１から
の電気信号が１つの増幅器１２に送り込まれる点とが前
例と異るところである。この例ではチョッパ１９によっ
て光検出器１０、１１からの電気信号が交流となり、増
幅等が容易である利点がある。 なお、上記例に限られず、光源ｌかもの光を光分岐器で
虚数の光に分割し、これら光を別々の石英系光ファイバ
３で複数の吸収セル４……に送り込み、複数の地点での
メタンガス濃度時に測定するように構成することもでき
る。 以上説明しにように、この発明のメタンガス濃度測足法
および測定装置によれば、メタンガスの特性吸収帯に、
光ファイバの最も低損失な波長領域であり、かつＣＯ２
、Ｈ２Ｏの吸収帯がほとんど存在しない１．３３μｍま
たは１．６６μｍを選び、光源に例えば安定性のよい発
光ダイオード（ＬＥＤ）を、光伝送路に上記低損失の光
ファイバを、波長選択に小型で安価な帯域透過フィルタ
を用いてメタンガスの近赤外吸光光度法による定量を行
うものであるので、吸収セルを極めて遠隔の地点に設置
することができ、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がなく、したがって炭鉱の坑道
ガス中のメタンガス濃度の測定や地下街等の広い地域に
複数の吸収セルを設置し、１個所で集中監視する場合な
どに好適である。また、測定ガス中に存在するＨ２Ｏ，
ＣＯ２の影響をほとんど受けないので、精度も高い。 さらに、吸光光度法であるので、実時間測定が可能であ
り、メタン濃度変動に対して迅速な対応が可能となる。 さらに、波長選択に帯域透過フィルタを用いているので
装置を小型化かつ安価とすることかできる。さらに、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
オードを用いてもメタンの爆発限界より下のレベルの高
感度の検出を達成できる。 ４、図面の簡単な説明 第１図はこの発明に用いられる石英系光ファイバの伝送
損失を示すグラフ、第２図はメタンガスの１．３３μｍ
帯の吸収スペクトル、第３図はメタンガスの１．６６μ
ｍ帯のスペクトル、第４図はガウス分布型の帯域透過フ
ィルタを透過した光の強度分布を示すグラフ、第５図は
中心波長の異なる３種の帯域透過フィルタを用いた時の
メタンガスの濃度と吸光比との関係を示すグラフ、第６
図は半値幅の異なる３種の帯域透過フィルタを用い定時
のメタンガスの濃度と吸光比との関係を示すグラフ、第
７図は帯域透過フィルタを用いて空気中の都市ガス濃度
と吸光比の関係を都市ガス中のメタンガス濃度によって
求めたグラフ、第８図および第９図はいずれもこの発明
のメタンガス測定装置の例を示す概略構成図である。 １……発光タイオードよりなる光源、 ３……石英系光ファイバ、４……測定セル、５……石英
系光フアイバ、７……ビームスプリッタ、８……第１の
帯域透過フィルタ、９……第２の帯域透過フィルタ、１
０……第１の光検出器、１１……第２の光検出器、１２
……増幅器、１４……信号処理装置、１５……表示器、
１６……光分岐路、１９……チョッパ。
損失を示すグラフ、第２図はメタンガスの１．３３μｍ
帯の吸収スペクトル、第３図はメタンガスの１．６６μ
ｍ帯のスペクトル、第４図はガウス分布型の帯域透過フ
ィルタを透過した光の強度分布を示すグラフ、第５図は
中心波長の異る３種の帯域透過フィルタを用いた時のメ
タンガスの濃度と吸光比との関係を示すグラフ、第６図
は半値幅の異る３種の帯域透過フィルタを用い定時のメ
タンガスの濃度と吸光比との関係を示すグラフ、第７図
は帯域透過フィルタを用いて空気中の都市ガス濃度と吸
光比の関係を都市ガスのメタンガス濃度によって求めた
グラフ、第８図および第９図はいずれもこの発明のメタ
ンガス測定装置の例を示す概略構成図である。 １…発光ダイオードよりなる光源、 ３…石英系光ファイバ、４…吸収セル、５…石英系光フ
ァイバ、７…ビームスプリッタ、８…第１の帯域透過フ
ィルタ、 ９…第２の帯域透過フィルタ、 １０…第１の光検出器、１１…第２の光検出器、１２…
増幅器、１４…信号処理装置、 １５…表示器、１６…光分岐器、１９…チョッパ。 出願人昭和屯工体式会社 代理人弁理士志賀止就１ 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 手続補正書（、ッ） 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和５７年特許顧第１ｆ％６８８６号 ２、発明の名称 メタンガス招度測定法Ｊ３よびその測定装材３、補正を
する者 特許出庫人 （２００）昭和電工株式会社 ４、代理人 ＋１１特許請求の範囲を別紙のＪ【ｕすｄｉモする。 （２）明細号外コ貞第１．１行目および第１７行目行目
［天燃１を［天然−ＩＶＣ削圧する。 （３）明細沓第ＵＷ第１１行目のｒｉｂμＩ１１の波長
域にＧｔｌをｒ／６μｍｎのメタンガスの特性吸収σ）
付近には」に訂正する。。 （４）明細Ｙｊｉ第Ａ貞第２〜３行目の「とが挙げられ
る。１を「とが拳げられるが２熱ｒｄ％放１１Ｅ管でも
よい。１に訂正する〇 （５）明ｈ（ロｓｒｓ第１Ｏ頁第ダ行目、第１ψ頁・Ｉ
）１０行目むよび第１．Ｓ−貢第２〜．７行目の［分ｙ
（′、ｒ！ｓｌを１゛波長１に訂正する。 （６）明細書第１／頁第、ｔＮ４行目ＣＩ）ｌ’ｉ：ｔ
：ｉ’２ＶＣ！ｒＯ〜ｌθＯａｎとぎれるが、１を［は
−レリとして５０〜ｌθθｃｎｔとしたか、］にｅＩｌ
’ｉＥする。 （７）明にＩｌｌ４を番ｍ／２頁第１０行目の［中心と
するガウス分布形σ月を［中心とするｄｉ、ｉａｏる波
長分布がガウス形の］に、ＩＩ゛圧する。 （８）明糾１ヤｆ第１１頁第１、を行目の「とするガリ
スうト布形」を「とする波長分布がガウス形」に訂ｉＦ
−，する０ （９）明にＩＩＩｉｊｔ第ｔ３山第ソ〜ｌθ行目、第１
３貞第１デ（〜２θ２０行目び弔１６頁第ｉ（行目の［
光分岐器１を「光分岐１５」に訂正する０ ｆＪＩ明糾１惨第ｔＳ頁第コσ行目のｒｔｉｔｓ市ガス
の１をｒ！ｉｌＳ市ガス中のＩＩＣ訂正する。 特許請求の範囲 （１）１．６μｍ帯または１．３μｍ帯の光を該波長域
において伝送損失が小さい光ファイバによって雰囲気ガ
スが流出入する測定セルに伝送し、測定セルでメタンガ
スの１．６６６μｍまたは、１．３３１μｍでの吸収が
なされた後の光を１．６μｍ帯または１．３μｍ帯の波
長域において伝送損失が小さい光ファイバによって帯域
透過フィルタに送り、上記メタンガスの吸収波長とそれ
以外の波長との光に分光し、これら二つの光それぞれ光
検出器に送り、これら光の強度比を求め、これによって
上記測定セル中のメタンガス濃度音測定することを特徴
とするメタンガス濃度測定法。 （２）１．６μｍ帯または１．３μｍ帯の光を発光源と
、この光を伝送する該波長域で伝送損失の小さい光ファ
イバと、雰囲気ガスが流出入する測定セルと、測定セル
でメタンガスの１．６６６μｍまたは１．３３１μｍで
の吸収が行われた光を上記メタンガスの吸収波長とそれ
以外の波長との光に分光する帯域透過フィルタと、これ
ら光を検出する光検出器と、光検出器で検出された信号
を処理する演算処理装置とを具備してなるメタンガス濃
度測定装置。 手続補正書輸発） 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和５７年ｑ、１１許朗゛１第１６６８３６号２、発明
の名称 メタンガス濃度測定法およびその測定装置３、補正をす
る者 特ｔ′１：出願人 （２００）昭和電工株式会社 ４、代理人 （１）明細書の［発明の詳却目ｃｈｉ＾明１のＩＩＪ。 ６、補正の内容 （１）明細４’Ｆ第１ｒ頁第１７頁〜第１Ｏ迎第２行目
の［第５図および第６図の曲線から、……の関係が近（
１４的に成立することが判った。」を次の通り訂正する
。 「ざらに、同様の検討をメタンガスが含まｉ］る都市ガ
スについても行った。第７図は２０％のメタンガスを含
む都市ガスと空気との混合気体７ｆ！（料とし、混合気
体中の都市ガスｌＪｔを変化させて吸光比を測定したと
きのグラフである。帯Ｊ＋＆ｉＷｊＷ゛ｊｊフイルタ中
心波長１．６６１μｍ、半値幅２０ｎｍのものを用いて
いる。１ （２）四焉１川１ｉＹ第１３自第１行目の「第（１）式
の関係に基づく」を削除する。 手続ンｒ１１正書（自発） ５８．１０．１２ １、事件の表示 昭和５７江特訂願第１６６８３６号 ２、発明の名称 メタンガス温度測定法お上びての測定具「ず３、補正を
づる者 １・１訂出願人 （２００）ｌ１ｌｆ４１をＬｆ１株式会社１、代理人 東京都中央区八中洲２丁目１番５シ］ ６、補正の内容 （１）発明の詳細な説明おＪ−び図面の簡単な説明を別
紙の通り訂正する。 ３、発明の詳細な説明 この発明は、ＬＮＧタンカー、ＬＮＧタンク、さらには
炭鉱抗道内などの測定地点が遠く離れている箇所でのメ
タンガスの濃度の測定に好適なメタンガス濃度測定法お
よびその測定装置に関する。 メタンガスは燃料用ガスとして極めて重要なものであり
、天燃ガスなどに多量に含まれている。 特に近年都市ガスの高カロリー化に伴って都市ガスに天
燃ガスを利用することが多くなっている。 したがって、都市ガスの漏出によるガス爆発等を未然に
防止する定めに地下街、筒層ピル等の特定地域における
メタンガスの漏出を確実に、迅速に検知し、警報を発す
る安全システムの開発が急務とされている。 また、メタンガスは炭鉱内に発生する炭坑ガスの主成分
であり、炭坑ガスによるガス爆発あるいはこれが引き金
となる炭塵爆発を未然に防止するためにも、同様のシス
テムが必要とされている。 しかしながら、従来かも用いられている接触燃焼式、熱
伝導式、半導体式などのメタンガスセンサは、その動作
原理からしてガス選択性、応答性が不十分で周囲の共存
ガスおよび温度、湿度によって影響を受けやすく、信頼
性に不満があった。 そのため、測定条件の厳しい採掘現場等には不適であり
、また実時間測定も困難である。しかも、遠隔監視、遠
隔測定の場合電気信号が送受されることがら電磁誘導に
よる誤報やケーブル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いなどの問題がある。 この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、厳しい測
定条件下でも信頼性が高く、実時間測定ができ、かつ極
めて遠隔の監視および測定が行えるとともに事故誘発等
の危険性の全くないメタンガス測定法および測定装置を
提供することを目的とするものである。 以下、図面を参照しながらこの発明を詳しく説明する。 この発明は、近年光通信用に開発された、例えば石英系
光ファイバのような光ファイバは、波長１．０〜１．８
μｍで極めて伝送損失が低く、また、この波長域内の１
．３μｍ付近、１．６μｍ付近にメタンガスの特性吸収
があり、さらに１．３μｍおよび１．６μｍのメタンガ
スの特性吸収の付近には水蒸気（Ｈ２Ｏ）および炭酸ガ
ス（ＣＯ２）による吸収がほんんどないという新たな知
見に基づいてなされたものである。 第１図は石英系光ファイバの波長０．６μｍ〜１．８μ
ｍの波長域における伝送損失を示すグラフである。この
グラフから明らかなように波長１．１〜１．７μｍでは
伝送損失はｌｄＢ／ｋｍ以下であり、特に１．６μｍ付
近では０．２ｄＢ／ｋｍと言う超低損失を示している。 このような超低損失の光ファイバを光伝送路とすれば、
遠隔地に存在するメタンガスの濃度を吸光光度法によっ
て測定できる可能性が生じることがわかる。 第２図および第３図は、この発明の対象となるメタンガ
スの特性吸収を示すもので、第２図のグラフはメタンガ
スの１．３３μｍ帯の特性吸収を示し、１．３３１μｍ
に強度の強い吸収バンドがあることがわかる。第３図の
グラフはメタンガスの１．６６μｍ帯の特性吸収を示し
、１．６６６μｍに比較的強度の強いブロードな吸収バ
ンドのあることがわかる。そして、これらの２つの吸収
バンドの付近にはＨ２Ｏ，ＣＯ２の特性吸収帯がほとん
ど存在しないことが別の測定によって確められた。 以上の知見より、列えは石英系光ファイバを光伝送路と
し、波長１．６６６μｍまたは１．３３１μｍのメタン
ガス特性吸収バンドを利用すれば、遠隔地にあるメタン
ガスを共存Ｈ２Ｏ、ＣＯ２の影響をほとんど受けること
なく高精度で測定できることがわかった。 次に、波長１．３μｍまたは１．６μｍの近赤外域の光
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）と発
光ダイオード（ＬＥＤ）とが挙げられる。ＬＤは高出力
が得られるが温度、電源電圧によって発光波長が変動し
やすく、かつ単色性が高いので、このような用途に利用
するには高度な技術を必要とする。これに対してＬＥＤ
は出力は低いものの発光スペクトルがややブロードであ
るため波長の安定性がよく、特性吸収波長をカバーする
ことが簡単で使用しやすく対象となる気体の検出範囲に
よっては充分利用できる。しかし、ＬＥＤを光源とした
場合には、発光スペクトルがブロードであるため、分光
器が必要となる。 分光器には種々のタイプがあるがここでは安価な帯域透
過フィルタを用いろことにした。 ここで、帯域透過フィルタの透過幅は一般に広く１〜数
ｎｍ程度であり、測定物のスペクトル線がこの幅よりも
狭い場合には効率的に不利となる。 しかし、メタンガスの１．３３１μｍや１．６６６μｍ
のように相当に幅が広い場合には、このような帯域透過
フィルタな用いても測定系全体の検出効率の改善に十分
役立つことを以下に具体的に検討し見出した。 第４図は、中心波長１．６６６１μｍ、半値幅２ｎｍで
透過特性がガウス分布型の帯域透過フィルタを用い、こ
のフィルタを透過した後の光の強度分布を示すもので、
実線はメタンガスが光路長５０ｃｍの測足セル内に２０
Ｔｏｒｒの圧力で含まれている場合を表わし、点線はメ
タンガスが存在しない出合を表わしている。この両回線
の面積の差を点線で囲まれた面積で割ればメタンガスに
よる吸光比を求め得ることが理解できる。 第５図は、中心波長が１．６６６１μｍ（Ａ）、１．６
６６６μｍ（Ｂ）および１．６６５６μｍ（Ｃ）で半値
幅が２ｎｍの３種の帯域透過フィルタを用いてメタンガ
スの１．６６６μｍの吸収スペクトル線の吸光比をメタ
ン濃度を変化させて測定した時のグラフを示したもので
ある、メタンガスと空気との混合気体の圧力は１気圧と
し、その内のメタンガスの分圧（Ｔｏｒｒ）を変化させ
た。グラフより明らかなようにフィルタの中心波長が異
なればメタンガスが同一分圧であっても吸光比は変化し
、中心波長１．６６６１μｍのフィルタ（Ａ）が最も高
い吸光比を与えることがわかる。 また、第６図は、中心波長１．６６６１μｍで、半値幅
が１．５ｎｍ（Ｅ）、２．０ｎｍ（Ｆ）および２．５ｎ
ｍ（Ｇ）の３棟の帯域透過フィルタを第５図に示したも
のと同一条件で用いてメタンガスの吸光比を求め定もの
である。これより、例えば空気中の３Ｔｏｒｒのメタン
ガス（爆発下限界の約６％の濃度に相当する。）を検出
するためには半値幅２・５ｎｍ（Ｇ）のフィルタを用い
て約１．５％の吸光比、すなわち光強度の減少を測定す
ればよいことがわかる。（ただし、第６図からは（Ｅ）
のフィルタが最も高感度となることがわかるが、半値幅
の狭いものはやや高価であり、また（Ｇ）のフィルタで
も充分使用できるため、（Ｇ）のフィルタを選択した。 ）さらに、同様の検討をメタンガスが含まれる都市ガス
についても行った。第７図は、２０％のメタンガスを含
む都市ガスと空気との混合気体を試料とし、混合気体中
の都市ガス量を変化させて吸光比を測定したときのグラ
フである。帯域透過フィルタには中心波長１．６６６１
μｍ、半値幅２．０ｎｍのものを用いている。 以上の検討結果から、光源に小型のＬＥＤを用い、分光
器に帯域透過フィルタを用いてもメタンガス濃度を定数
しうることがわかった。 第８図に示すものは、以上の知見に基づいて構成された
メタンガス測定装置の一例である。図中符号１は発光ダ
イオード（ＬＥＤ）よりなる光源である。この光源１で
発光された１．３μｍ帯または１．６μｍ帯の光は光結
合器２を経て光伝送路である低伝送損失の光ファイバ、
例えば石英系光ファイバ３に送られる。石英系光ファイ
バ３は第１図に示すような伝送特性を有し、１．０〜１
．７μｍで極めて低損失のものであり、したがってその
長さを数ｋｍ〜１０ｋｍ程度としてもさしつかえない。 石英系光ファイバ３からの光は光結合器４ｂを経て吸収
セル４に送り込まれる。この吸収セル４は円筒状の筒体
４ａの両端部にそれぞれ光結合器４ｂ、４ｂ’が設けら
れており、筒体４ａは測定ガスの自然流出入を可能とす
るように多孔性焼結金属や連続気孔構造のプラスチック
フオームなどから形成されている。また、この吸収セル
４の光路長（光結合器４ｂ、４ｂ’間の距離）は一例に
５０〜１００ｃｍとされるが、メタンガスが低濃度の場
合には周知の多ボ光路型吸収セルを用いろこともできる
。吸収セル４から出た光は、光結合器４ｂ’を経て低伝
送損失の光ファイバ、例えば石英系光ファイバ５に送ら
れる。この石英系光ファイバ５も同様に低損失のものが
使用される。 光ファイバ５を通過した光は光結合器６からハーフミラ
−で構成されたビームスプリッタ７に送られ、ここで２
つの光束に分けられる。第１の光束は第１の帯域透過フ
ィルタ８に送られ、第２の光束は第２の帯域適過フィル
タ９に送られる。これらフィルタ８，９は薄膜による光
の干渉作用を利用した干渉フィルタであり、多層膜干渉
フイルタなどが好適に用いられ、中心波長での透過率が
できるだけ高く、半値幅が１．０〜２．０ｎｍと狭いも
のが望ましい。第１のフィルタ８の中心波長は１．６６
６１μｍまたは１．３３１２μｍとされ、メタンガスの
前記特性吸収の波長と一致している。 また、第２のフィルタ９の中心波長はメタンガスの吸収
波長以外の波長でさらに水分、炭酸ガスで特性吸収を示
さない例えば１．６２μｍまたは１．３０μｍとされて
いる。これによって、第１のフィルタ８を透過した光は
、メタンガスでの吸収によって強度の低下した１．６６
６１μｍまたは１．３３１２μｍを中心とする透過波長
分布がガウス形の光となり、また第２のフィルタ９を透
過した光は、メタンガスでの吸収には無関係の１．６２
μｍまたは１．３０μｍを中心波長とする波長分布がガ
ウス形の光となる。これらの光は、それぞれアバランシ
ェフォトダイオードなどで構成された第１の光検出器１
０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、増幅器１２，１３にて増幅され１こ後、マイ
クロコンピュータなどから構成された信号処理装置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、さらに予めメタンの標準ガス
で求めた吸光比Ａとメタンガス濃度との関係を利用して
演算処理等が行われ、測定セル４内に存在する気体中の
メタンガス濃度が求められ、表示器１５にその結果が表
示される。 第９図は、この発明の測定装置の他の例を示すもので、
第８図に示したものと同一構成部分には同一符号を付し
てその説明は省略する。この例では、吸収セル４を出た
光はたとえば石英系光ファイバのような低損失の光フア
イバ５を通り、光分岐器１６によって２つの光束に分け
られ、それぞれ光結合器１７、１８からチョッパ１９を
経て第１のフィルタ８および第２のフィルタ９に送り込
まれる点と、第１および第２の光検出器１０、１１から
の電気信号が１つの増幅器１２に送り込まれる点とが前
例と異るところである。この例ではチョッパ１９によっ
て光検出器１０、１１からの電気信号が交流となり、増
幅等が容易である利点がある。 なお、上記例に限られず、光源ｌかもの光を光分岐器で
虚数の光に分割し、これら光を別々の石英系光ファイバ
３で複数の吸収セル４……に送り込み、複数の地点での
メタンガス濃度時に測定するように構成することもでき
る。 以上説明しにように、この発明のメタンガス濃度測足法
および測定装置によれば、メタンガスの特性吸収帯に、
光ファイバの最も低損失な波長領域であり、かつＣＯ２
、Ｈ２Ｏの吸収帯がほとんど存在しない１．３３μｍま
たは１．６６μｍを選び、光源に例えば安定性のよい発
光ダイオード（ＬＥＤ）を、光伝送路に上記低損失の光
ファイバを、波長選択に小型で安価な帯域透過フィルタ
を用いてメタンガスの近赤外吸光光度法による定量を行
うものであるので、吸収セルを極めて遠隔の地点に設置
することができ、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がなく、したがって炭鉱の坑道
ガス中のメタンガス濃度の測定や地下街等の広い地域に
複数の吸収セルを設置し、１個所で集中監視する場合な
どに好適である。また、測定ガス中に存在するＨ２Ｏ，
ＣＯ２の影響をほとんど受けないので、精度も高い。 さらに、吸光光度法であるので、実時間測定が可能であ
り、メタン濃度変動に対して迅速な対応が可能となる。 さらに、波長選択に帯域透過フィルタを用いているので
装置を小型化かつ安価とすることかできる。さらに、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
オードを用いてもメタンの爆発限界より下のレベルの高
感度の検出を達成できる。 ４、図面の簡単な説明 第１図はこの発明に用いられる石英系光ファイバの伝送
損失を示すグラフ、第２図はメタンガスの１．３３μｍ
帯の吸収スペクトル、第３図はメタンガスの１．６６μ
ｍ帯のスペクトル、第４図はガウス分布型の帯域透過フ
ィルタを透過した光の強度分布を示すグラフ、第５図は
中心波長の異なる３種の帯域透過フィルタを用いた時の
メタンガスの濃度と吸光比との関係を示すグラフ、第６
図は半値幅の異なる３種の帯域透過フィルタを用い定時
のメタンガスの濃度と吸光比との関係を示すグラフ、第
７図は帯域透過フィルタを用いて空気中の都市ガス濃度
と吸光比の関係を都市ガス中のメタンガス濃度によって
求めたグラフ、第８図および第９図はいずれもこの発明
のメタンガス測定装置の例を示す概略構成図である。 １……発光タイオードよりなる光源、 ３……石英系光ファイバ、４……測定セル、５……石英
系光フアイバ、７……ビームスプリッタ、８……第１の
帯域透過フィルタ、９……第２の帯域透過フィルタ、１
０……第１の光検出器、１１……第２の光検出器、１２
……増幅器、１４……信号処理装置、１５……表示器、
１６……光分岐路、１９……チョッパ。
Claims (2)
- （１）１．６μｍ帯または１．３μｍ帯の光を該波長域
において伝送損失が小さい光ファイバによって雰囲気ガ
スが流出入する測定セルに伝送し、測定セルでメタンガ
スの１．６６６μｍまたは、１．３３１μｍでの吸収が
なされた後の光を１．６μｍ帯または１．３μｍ帯の波
長域において伝送損失が小さい光ファイバによって帯域
透過フィルタに送り、上記メタンガスの吸収波長とそれ
以外の波長との光に分光し、これら二つの光それぞれ光
検出器に送り、これら光の強度比を求め、これによって
上記測定セル中のメタンガス濃度音測定することを特徴
とするメタンガス濃度測定法。 - （２）１．６μｍ帯または１．３μｍ帯の光を発光する
発光ダイオードと、この光を伝送する該波長域で伝送損
失の小さい光ファイバと、雰囲気ガスが流出入する測定
セルと、測定セルでメタンガスの１．６６６μｍまたは
１，３３１μｍでの吸収が行われた光を上記メタンガス
の吸収波長とそれ以外の波長との光に分光する帯域透過
フィルタと、これら光を検出する光検出器と、光検出器
で検出された信号を処理する演算処理装置とを具備して
なるメタンガス濃度測定装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57166836A JPS5956151A (ja) | 1982-09-25 | 1982-09-25 | メタンガス濃度測定法およびその測定装置 |
| DE19833334264 DE3334264A1 (de) | 1982-09-25 | 1983-09-22 | Verfahren und messgeraet zum messen der methan-konzentration in einem gasgemisch |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57166836A JPS5956151A (ja) | 1982-09-25 | 1982-09-25 | メタンガス濃度測定法およびその測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5956151A true JPS5956151A (ja) | 1984-03-31 |
| JPH0220056B2 JPH0220056B2 (ja) | 1990-05-08 |
Family
ID=15838552
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57166836A Granted JPS5956151A (ja) | 1982-09-25 | 1982-09-25 | メタンガス濃度測定法およびその測定装置 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0220056B2 (ja) | 1990-05-08 |
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