JPS62198735A - エタノ−ルガス濃度計測方法および装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、測定地点が遠く離れている場所でのエタノー
ルガス濃度測定に好適なガス濃度測定方法およびその装
置に関するものである。

［発明の背景］ メタノールは、重要な基礎工業化学薬品の−ってあり、
燃料、溶剤、ホルマリンの製造、エチルアルコールの変
性などに大量に用いられている。

このエタノールガスは、危険性（可燃性および毒性）の
高いものであるため、安全対策上、ガスの漏洩について
は、速やかにかつ確実に検知１報し、車前に事故を防止
できるような計測方法ないし装置の開発が期待されてい
た。

［発明の目的］ そこで本発明者は、光ファイバーのもつ無誘導性、高絶
縁性、無放電性、耐熱性、耐酸性、可撓性、細径、軽量
などの種々の優れた特性や、電気的、また物理、化学的
に不安定な状態の下での測定可能なことなどの長所に着
目し、低損失光ファイバーを用いた遠隔地点における全
光学的な検出方法に基づくエタノールガス濃度測定方法
および装置を明らかにすることを目的とする。

［発明の構成］ 上記目的を達成するための本発明に係るエタノールガス
濃度計測方法は、エタノールガスの濃度計測に用いる発
光光源からの光を光ファイバーにより、エタノールガス
の存在する空間に導き、この空間を透過した光を、光フ
ァイバーにより分光器に導き、この分光された光を、光
検出器により電気信号に変換し、演算処理して、エタノ
ールガスの光吸収度を求め、これからガス濃度を検出す
ることを特徴とする。

また上記目的を達成するための本発明に係るエタノール
ガス濃度計測装置は、エタノールガスの固有吸収波長を
含む光を発する光源と、この光をエタノールガスの吸収
セルまで導く光ファイバーと、上記吸収セルを透過した
光を導く光ファイバーと、この光を分光する分光器と、
この出力信号によりエタノールガスの光吸収度を求め濃
度を算出する演算処理器とを具備したことを特徴とする
。

本発明の好ましい実施態様は、エタノールガスの濃度計
測に用いる発光光源からの光が１．３８ＪＬＩＩ〜１．
４１．■帯内にあるエタノールガスの固有吸収波長を含
むことである。

［発明の利点］ 本発明は、低損失光ファイバーを光の往復の伝送路とし
て用い、エタノールガスの固有の波長における光吸収を
遠隔的に検出して濃度分析を行うものである。従りて従
来市販されているガスセンサーと金属ケーブルを用いた
電気的な方法に比べて防爆くて安全度が高いなどの利点
がある。

さらに、レーザー光を大気中に放射するレーザー・レー
ダ方式では光源の高出力化や人体・肉眼などへの危険性
が実用上の問題点となるのに対し、本発明に係る方法な
いし装置は全く安全で、しかも信頼性と経済性に優れた
りモートセンシング技術である。

［実施例］ 以下に図面を参照しながら本発明のエタノールガス濃度
の測定方法および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９例えば石英
系光ファイバーのような光ファイバーを利用するもので
ある。

このような光ファイバーは１．０〜２６０ル■の波長域
で光の伝送損失が低く、特に１．１〜１．フル■の波長
域では伝送損失が１　ｄ　ｂ　／　Ｋ　ｍ以下の極めて
低損失である。またエタノールガスは１．３８％■から
１．４１１Ｌｍ帯内に固有の吸収帯がある。

本発明は１以上のような新たな知見に基づいてなされた
ものである。

すなわち、伝送路として用いる光ファイバーによる損失
が少なく、エタノールガスの固有吸収帯の波長域を選ぶ
ことにより１本発明の目的である測定地点が遠く離れて
いる地点におけるエタノールガス濃度を性格にしかも迅
速に測定できるようにしたものである。

第２図にエタノールガスの吸収特性を求めるために用い
た測定装置の概略図を示す。

パルス状の電気信号を発生する装置１１により、半導体
発光素子１２を駆動する０本実験では、半導体発光素子
としてＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰの半導体レーザー
（ＬＤ）をＬＥＤ動作させ高帯域化して用いた。

この発光光源らの光を、光ファイバー１３によりガスセ
ル１４に導き、ガスセルを透過した光は１回折格子分光
器１５にて分光した後、Ｇｅ検知器（ドライアイスとメ
タノール混合体で冷却）１６で電気信号に変換する。上
記検知器を出た電気信号はロックインアンプ１７で増幅
され、その後直ちにＡ／Ｄ変換器１８でディジタル量に
変換され、マイクロコンピュータ−１９により演算処理
結果は、直接表示器２０により表示されるか、又は記録
計２０に出力することにより求めた。

又、マイクロコンピュータ１９は１分光器の波長掃引の
制御器２１を制御している。

第３図は、本発明の対象となるエタノールガスの吸収特
性を示す、この図には、測定したエタノールガスの１．
３〜１．４　ＪＬ■帯域における吸収スペクトルの一部
を示している。

エタノールガスの圧力は４０Ｔｏｏｒで、セル長は０．
５ｍ、測定分解能は約０．４ａｍである。なお、この測
定において用いた光源は中心波長１．３４＃ＬｍのＩｎ
ＧａＡａＰのＬＥＤである。

この結果より、ｉ、３ａ、を諷〜１．４１ｐｍの波長帯
に多数のエタノールガス固有の吸収が観測された。

以上の実験結果によりエタノールガスは１．３８終鳳〜
１．４１ＪＬＩＩに固有の吸収帯が存在することが本発
明で初めて明らかとなった。

この吸収波長帯を利用し、光伝送路として石英ガラス系
の光ファイバーを、又光源として、近赤外域発光ダイオ
ードを用いることにより、遠隔地にあるエタノールガス
濃度を、外部環境の影響を受けずに、高精度、高信頼性
にて測定できる。

第１図に、上述した方法てのエタノールガス濃度計測装
置の１つの実施例を示す。

図においてｌは光源である。この場合、ＩｎＧａＡｓや
ＩｎＧａＡｓＰの半導体レーザー（ＬＤ）をＬＥＤ動作
させ高帯域化して用いた。

光源ｌからの光を、レンズなどの光学素子２を介して、
光ファイバー３の一端部に導く、この光ファイバー３の
他端部にはエタノールガスのセルが設けられている。前
記の主力光は光ファイバー３を介して、サンプルセル４
に伝送され、メタノールガスの固有波長での吸収が起こ
り光の強度が減少する。

この光は、サンプルセット４の一端部に設けられた光フ
ァイバー５を介して、分光器６に伝送される。

分光器６はフィルターあるいは分光素子によって構成さ
れ透過光の波長選択を行うもので、この分光器６の出力
光は検出器７に導かれ光の強度に応じた電流に変換され
た後、増幅器８を介して該電気信号は演算処理器９例え
ばマイクロコンピュータに入力される。

このコンピュータ９では測定したエタノールガス成分の
濃度とその時間的変化などのデータを演算するものであ
り、この演算結果はデータ表示器１０によって表示され
る。

尚、サンプルセル４は、光源ｌ、光学素子２及び分光器
６．検出器７．コンピュータ９より光ファイバー３，５
を介して離間して設置される。

又、検出器７としては透過光の強度が弱い場合、近紫外
から可視ないし近赤外の波長域に３いては光ヘテロタイ
ン検出法が適用され、透過光の高感度検出が行なわれる
。

さらに、電子計算４１１９による濃度測定には種々の方
法が適用できるが、精度よく、かつデータ処理の容易な
方法としては差分吸収法が適当である。これは、固有吸
収スペクトルの吸収の中心付近の波長を用いて、青波長
での物質の透過率の差を計測し、あらかじめ測定などで
知られた両波長間の吸収係数の差を用いて、その光路内
にある成分の濃度を精度よく求めるものである。

この差分吸収測定においては、上記の２波長の光は同時
に物質に入射させても、又は時間的に交互に入射させて
もよく、又入射自体は連続光でも、パルス光でも利用で
きることは明らかである。

サンプルセル４は、種々な構成や性能のものが考えられ
るが、測定感度の向上を計るには、セルの内部で光が多
重に反射を縁り返すような構成を有する多重光路型セル
が有用である。その場合、セル内にガスを導入すること
が必要で、自然流入の他に、ポンプなとの使用が考えら
れる。大気中または大型容器中のガスの測定の場合には
、その中を自由伝播した後に、再び集光して光フアイバ
ー内に導入する方法も用いられる。

また、サンプルセル４を通過した透過光をその地点にお
いて検出して、電気信号に変換される場合には、光ファ
イバーは１通常の電気信号を伝送する電話回線や独立に
設置したケーブル等の伝送回線に鐙き代えられ、必要に
応じてその中間に増幅器などを挿入すればよい、この構
成はサンプルセル４を光・音響共振器で置換しても同様
である。

また、サンプルセルの透過光をその地点で検出し、その
電気信号を例えば、発光ダイオードまたは半導体レーザ
ーを用いて再び変調された光信号に変換する際は、その
光信号の伝送には光ファイバー５を使用すればよい。

さらに、光ファイバーの無電磁誘導、低損失の特性を生
かして、エタノールガスの無給電遠隔測定が可能である
。特に、大気汚染の測定のように多数の測定地点が離間
している場合でも、実時間で測定することが回部である
ため極めて有利である。

また光ファイバーは伝送する光を内部に閉じこめて全く
外部に光を漏らすことがないため１強力なレーザー光を
大気中に放射するレーザー・レーダ一方式による測定に
比べて人体や生物等に対しても全く安全である。

［発明の効果］ 以上、詳述したように１本発明によれば光ファイバーを
介して光を測定地点まで伝送し、その地点に有るエタノ
ールガスによって吸収された固有の波長を検出すること
により、実時間で安全にエタノールガスの濃度を適確に
測定し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るエタノールガス濃度計測装置の一
例を示す概略ブロック図、第２図はエラ５ノールガスの
光吸収測定装置の概略ブロック図、第３図はエタノール
ガスの光吸収性を示すグラフである。 １・・・光　　源 ２・・・光学素子 ３・・・光ファイバー ４・・−エタノールガスセル ５・・・光ファイバー ６・・・分光器 ７・・・光検出器 ８・・・増幅器 ９・・・演算処理器 ｌＯ・・・データ表示器 １１・・・電気パルス発生器 １２・・・半導体発光素子 １３・・・光ファイバー １４・−ガスのサンプルセル １５・・・回折格子分光器 １６−・・光検知器 １７−・・ロックインアンプ １８−Ａ／Ｄ変換器 １９−・・マイクロコンピュータ− ２０・・・表示器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）エタノールガスの濃度計測に用いる発光光源から
   の光を光ファイバーにより、エタノールガスの存在する
   空間に導き、この空間を透過した光を、光ファイバーに
   より分光器に導き、この分光された光を、光検出器によ
   り電気信号に変換し、演算処理して、エタノールガスの
   光吸収度を求め、これからガス濃度を検出することを特
   徴とするエタノールガス濃度計測方法。
2. （２）エタノールガスの濃度計測に用いる発光光源から
   の光が１．３８μｍ〜１．４１μｍ帯内にあるエタノー
   ルガスの固有吸収波長を含むことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のエタノールガス濃度計測方法。
3. （３）エタノールガスの固有吸収波長を含む光を発する
   光源と、この光をエタノールガスの吸収セルまで導く光
   ファイバーと、上記吸収セルを透過した光を導く光ファ
   イバーと、この光を分光する分光器と、この出力を電気
   信号に変換する光検出器と、この出力信号によりエタノ
   ールガスの光吸収度を求め濃度を算出する演算処理器と
   を具備したことを特徴とするエタノールガス濃度計測装
   置。
4. （４）エタノールガスの濃度計測に用いる発光光源が１
   ．３８μｍ〜１．４１μｍ帯内にあるエタノールガスの
   固有吸収波長を含む光源であることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項記載のエタノールガス濃度計測装置。