JPS62280638A - ガス濃度検出セル - 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】 ３、発明の詳細な説明 産業上の利用分野 本発明は赤外線吸収法によって、かつ光ファイバを利用
して遠く離れた地点のガス検出およびガス濃度を連続測
定するシステムにおいて、ガス検出およびガス濃度を計
測する際に使用されるガス濃度検出セルに関する。

従来の技術 従来、赤外線吸収法によってガスの定性分析や定量分析
をする場合に用いられるガス濃度検出セルは、ガラス製
でガスを密閉するタイプが大部分である。このセル中へ
ガスを採取するには真空ポンプか吸引ポンプなどを使用
する。また、ガス吸収光路長を長くして検出感度を向上
するための多重反射型ホワイト（Ｗｈｉｔｅ）セルのよ
うな多重光路型のガス濃度検出セルも用いられている。

ホワイトセルについては、Ｊ、　Ｖ、　ＷｈｉｔｅがＪ
ｏｕｒｎａｌｏｆ　０ｐｔｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ　
ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ、　ｖｏ１３２．　　Ｐ２８５（
１９４２）に記載されている。

第７図にホワイトセルの断面図を模式的に示した。

発明が解決しようとする問題点 ところで、上記ガラス製のガス濃度検出セルはガスを密
閉して測定する構造となっている。ガス採取のためには
現場に出掛けて行く必要があったり、また、現場まで延
長したチューブを通して吸引する必要があるため、非常
に手間がかかり、また、リアルタイムで連続測定をする
ためのガス濃度検出セルとして使用するには不都合であ
った。

さらに、多重光路型のガス濃度検出セルは、ミラー、レ
ンズなど光学部品を多数使うため、高価格となり、光軸
調整も複雑で熟練と手間がかかり、ミラー、レンズの汚
れを防止するための措置を厳密に行う必要があり、また
外部からクリーニングすることが困難であるなどの問題
があった。

このような従来のセルは本来、屋内のしかも清浄な環境
で使用するためのものであって、屋外に設置して測定す
るには不適である。

本発明は、上記事情に鑑み、ガス濃度を連続して測定で
き、かつ屋外に設置して測定できること、さらに、光軸
調整が簡単で保守も容易なガス濃度検出セルを提供する
ことを目的とする。

問題を解決するための手段および作用 本発明は、上記問題点を解決するものであって、その要
旨は、発光源と光ファイバとガス濃度検出セルと受光源
から成る赤外線吸収法によってガスを検出するガス濃度
測定装置において、上記セルのチャンバは周囲のガスが
自由に流入出できる構造を有し、上記セルのチャンバに
取りつけられた出射側ホルダと入射側ホルダとは所定の
距離を隔てて光軸線上に正面対向し、かつそれぞれのホ
ルダには少なくとも１個以上のレンズが設けられ、出射
側の光ファイバを出た光がレンズを通して上記セルのチ
ャンバ内に放射され、再び入射側のレンズで集光されて
入射側の光ファイバへ入光させるために、出射側のレン
ズを出た光が出射側レンズと入射側レンズとの間の中央
部で焦点を結ぶように出射側レンズが配設されたガス濃
度検出セルにある。チャンバはガスが自由に流入出でき
るための開口部を有する中空体であり、また上記それぞ
れのホルダには光ファイバを接続する光コネクタ結合部
が設けである。

燃平Ｙ＋ｌｌ、こ＾半九μ；ヱ償土小Ａ）か署へ平１−
　ノ　、〈を通して出射側光コネクタ結合部に伝送し、
該光コネクタ結合部からレンズを通してチャンバ内に光
が放射される。放射された光は再び入射側のレンズで集
光され入射側光コネクタ結合部から入射側光ファイバに
入光する。

実施例 以下本発明の一実施例を説明する。

第１図においてチャンバ（５）は例えばステンレス管製
の中空体であってガスが自由に流入出できるためのガス
通過用の開口部（１）が設けられており、この穴は光軸
ｙＪＡ笹部の光学部品の汚れを清掃するためのクリーナ
が容易に挿入できる目的も兼ねている。さらにこのチャ
ンバは、入射側ホルダ（２）および出射側ホルダ（３）
を固定するための構造材と光軸調整のための光学台をも
兼ねている。

第２図は出射側ホルダの断面図及び正面図を示すもので
、出射側ホルダは光コネクタ結合部（４）と集光レンズ
（７）と集光レンズ固定ネジ（６）で構成されており、
光ファイバを通じて伝送された光をチャンバの空間内へ
放射させる。

光コネクタ結合部は、光コネクタ・レセプタクルが使用
されている。

集光レンズは、屈折率分布型小型レンズ（セルホックレ
ンズ）、対物レンズ（複合レンズで顕微鏡などで通常使
用しているもの）又はこの２つの組合せが用いられる。

第３図において本実施例では第３図（Ｃ）の対物レンズ
を使用した系を用いた。

第１図に示す入射側ホルダは、光コネクタホルダ以外は
第２図に示した出射側ホルダと同じ形状寸法である。出
射側ホルダは集光レンズが光軸に対して前後であるＺ軸
方向へ移動する構造となっており、入射側ホルダの光コ
ネクタホルダ（１１）は光軸に対して前後であるＺ軸方
向、垂直であるＸ軸方向およびＹ軸方向（Ｘ軸とＹ軸は
互いに直交）に移動し、光軸調整が可能な構造となって
いる。可変機構には通常マイクロメータなどの精密加工
部品を使う例が多いが、本実施例では、安価に製作する
ことを目的として、第４図に示した構造となっている。

第４図に示した４個所の調整ネジ（８）によりＸ軸方向
とＹ軸方向にそれぞれ光コネクタホルダ（１１）を動か
して光軸の調整を行うものである。すなわちまず固定ネ
ジ（９）をゆるめ、向い合う２つのネジでＸ軸方向に光
コネクタホルダを動かし、この軸と直交するもう一方の
向い合う２つのネジでＹ軸方向に光コネクタホルダを動
かす機構で、調整が終った時、２つの固定ネジを締めつ
ければ調整は完了するわけである。なお、Ｘ軸調整用と
Ｙ軸調整用ネジの各々にそれぞれ１個づつバネ（１０）
が設けであるが、これはバネのない調整ネジを中心方向
に向って回した場合、対向するバネが圧縮され、バネの
反発力によってバネのない調整ネジのゆるみ、もどりな
どを防止し、かつ、微調整ができる役割となっている。

また、バネのないネジを中心から反対の方向に回した場
合も同じ役割となる。

光コネクタ結合部へ接続する光ファイバは。

石英系光ファイバ、プラスチック系光ファイバ、多成分
系光ファイバおよび赤外用光ファイバを使うことができ
る０本実施例では石英系光ファイバでグレーデッドイン
デックス形、コア径５０終層、クラツド径１２５ＪＬｍ
の光通信用光ファイバを使用した。光ファイバの両端に
は光コネクタ・プラグが設けである。また、使用する光
ファイバのコア径は、直径がＢル膳の小口径のものから
８００１Ｌ禦の大口径のものを組合せて使うことができ
る。

出射側の光ファイバの線径に比して、入射側の光ファイ
バの線径は常に大きく選んで配設する０例えば出射側の
光ファイバのコア径を５０ｕＬ１１とし、入射側のコア
径を８００１Ｌｍとすれば、集光における光軸調整の手
間がかからず利点となる。

第５図において、２つの対物レンズ（１７，１８）が光
軸線上に設置されている。２つの対物レンズの距ｌ１ｌ
（光路長）が５００１．３００■」、　２００１層およ
び１００鵬■のものを製作したが、これより長いものも
短かいものも製作可能であり、用途に応じて使用できる
。また、出射側、入射側光コネクタ番プラグ（１２，１
３）は出射側、入射側光コネクタ・レセプタクル（１４
，１５）とで固定するが、調整後は振動などにより動か
ない様にネジロックするなどし、さらに接着剤で固定す
る。光コネクタプラグおよび光コネクタレセプタクルは
市販の光コネクタが利用でき、ＦＣ形（日本電信電話株
式会社規格）や各メーカが市販している別の形式が使用
できる。

次に光軸調整する場合について述べる。調整には光源を
必要とするが、まず最初は可視光源を発光源として使用
すると便利である。ハロゲンランプ、タングステンラン
プ、Ｈｅ−Ｈｅレーザ、可視光発光ダイオード、レーザ
ダイオードなどを使用する０本実施例ではＨｅ−Ｈｅレ
ーザ（波長８３２．８ｎｍ）を使って調整を行った。

可視光源で調整した後、実際に使用する赤外光源を用い
、微調整をくり返すことによって確実にかつ、より高効
率に集光することが可能となる。

Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源からの光を光ファイバを通じて出
射側光コネクタ・プラグ（１２）より出射させ出射側対
物レンズ（１７）へ導く、出射側対物レンズを通過した
光は光軸線上の光路長の中間点、例えば光路長が５００
ｓ＋＊のものであれば約２５０ａ＋ａ＋の位置で焦点を
結ぶように出射側の対物レンズの位置を光軸方向すなわ
ちＺ軸方向で調整し、調整後固定ネジを締めて固定する
０次に入射側も同様にＨｅ−Ｎｅレーザ光源からの光を
使って上述と同様の調整をする０次に出射側光コネクタ
−プラグ（１２）と出射側光コネクタ壷レセプタタル（
１４）と出射側対物レンズ（１７）から構成された出射
側ホルダと入射側光コネクタ・プラグ（１３）と入射側
光コネクタ・レセプタクル（１５）と入射側対物レンズ
（１８）から構成された入射側ホルダをチャンバ（５）
に固定し。

出射側ホルダからの光に対して高効率で入射側ホルダへ
入光する様に入射側ホルダのＸ−ＹｉｈｔＡ整機構を使
って光軸調整を行う。

光軸調整をした結果を第１表に示す。

（以下余白） 第１表 集光効率は出射側光コネクタ・プラグに送り込まれる光
パラと入射側光コネクタ・プラグから出てくる光パワと
の比によって示した。第１表に示したように高効率に集
光されるガス濃度検出セルの光学系が得られていること
がわかる。

この様に高効率なガス濃度検出セルを製作する場合、通
常の方法は定盤、精密除振台、光学実験台、レールなど
のｊ！Ｔ：加工された光学台の上に設置して組立てるこ
とが考えられる０本発明は、この様な光学台を使用する
ことで複雑な光学系を組むことを避けて設計、製作した
もので、第１図に示した様な円筒状の中空体のチャンバ
に入射側ホルダと出射側ホルダを狙み込み、チャンバを
光学台の代替としたものである。この結果、光ファイバ
のクラツド径５０湊■という極微小な光の出射面と入射
面をある程度の距離を隔てて光結合を高効率にする技術
が簡便な方法で確立できた。

従来、この様に光ファイバをある程度の距離を隔てて対
向させて光結合を行った例は見られるが、それは、光フ
ァイバが単心でなくバンドルファイバで行ったもので、
単心の光ファイバを使って行った実施例は皆無である。

次に、このガス濃度検出セルを用いてガス検出したとき
の実施例を説明する。

第１図、第５図に示したガス濃度検出セルを赤外線吸収
式多点ガス検知システムに使用した実施例を第６図に示
す。

本ガス検知システムは可燃性ガスを低濃度で検知できる
多点システムである。

本発明のガス濃度検出セル１（２０ａ）〜１０（２０ｂ
）は、ガス検知をしたい場所に布設されている０発光部
（２２）内にある赤外発光源（２５）（例えば、半導体
ＬＥＤやハロゲンランプなど）から出射した光は、赤外
線のみを透過させる赤外フィルタ（２３）を通して、バ
ンドルファイバからなる分岐器（２４）で１０分割され
、それぞれｌ　ｋｍ程度の石英系の光ファイバ（１９）
中を伝送してガス濃度検出セルへ送られる。この検出セ
ル中を通過した光は、さらに。

ｌｋｍ程度の石英系の光ファイバ（１９）を通して受光
部（２６）へ戻る。ガス濃度検出セル中に検出すべき可
燃性ガスが存在すると伝送された光のうち特定の波長の
光が吸収されて弱まった光となって受光部の光コネクタ
（２１）へ戻ってくる。

ガス濃度検出セル１−１０から戻ってきた光は、光スィ
ッチ（２７）によってセル番号が選ばれ、選ばれた番号
のセルを通過した光のみがバンドパスフィルタ（２８）
を通過して光検出器（２９）へ到達する。

回転セクタ（３ｏ）に付設しであるバンドパスフィルタ
は、検知したいガスの特性吸収波長に合わせ、その波長
帯のみの光を透過させる性能をもつ半値幅が約４〜５　
ｎｍの帯域透過フィルタであって、たとえばメタンガス
を検知したいときは、中心波が１６８８ｎ鵬に合わされ
た帯域透過フィルタである。その帯域における光の減衰
率を光検出器で計測し、メタンガスの濃度を知ることが
できる。

回転セクタには、メタンガスの他に例えばプロパンガス
、エチレンガスの特性吸収波長に合わせた帯域透過フィ
ルタおよびそれらのガスではほとんど光吸収しない帯域
の光を透過させる参照光用のフィルタなど複数枚のフィ
ルタが取り付けられている。

光検出器によって、受は取った光量を電気量に変換し、
その電気量を増幅器（３１）で増幅し、演算部（３２）
へその信号を送る。この信号はアナログ量の信号である
ので、アナログ／デジタル変換器（３３）でデジタル量
の信号に変え、マイクロコンピュータ（３４）にそのデ
ジタル信号が送られて記憶し、ガス濃度への変換が行わ
れる。

このマイクロコンピュータからのデジタル信号は表示警
報部（３５）にあるテレビ画面にグラフで経時的に表示
され、そのデータを記録、保存するためのプリンタ出力
、そしてガス濃度がある濃度値を超えた場合に警報を発
する警報機能を備えている。なお、このシステムによっ
てメタンガス、プロパンガス、エチレンガスを検知した
とき、それぞれのガスの爆発下限界値の２０％の低濃度
を高精度で検知できることを確認した。

発明の効果 以上述べたように、本発明は赤外線吸収式の多点ガス検
知システムと組合せることによって低濃度の可燃性ガス
を高精度で測定することを可能にした。

製作に際し、使用している部品点数の低減を図り、組立
て、調整もできる限り簡便にして安価なものとすること
ができた。また、保守も容易な構造である。さらに、屋
外環境に設置して測定することが可能となり、実用性の
高い優れたガス濃度検出セルを提供することかでさた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガス濃度検出セルの正面図、第２
図は出射側ホルダの断面図および正面図、第３図は各種
光学レンズを組合せたガス濃度検出セルの光学系を示す
図、第４図は入射側ホルダの光軸調整機構を示す断面図
、第５図は一実施例のガス濃度検出セルの光路を示す図
、第６図は本発明を多点ガス検知システムに適用した実
施例の構成を示す図、第７図は従来技術の多重反射型ホ
ワイトセルの原理を示す図である。 ｌ・・・・・・ガス通過用の開口部、２・・・・・・入
射側ホルダ。 ３・・・・・・出射側ホルダ、４・・・・・・光コネク
タ結合部、５・・・・・・チャンバ、６・・・・・・集
光レンズ固定ネジ、７・・・・・・集光レンズ、８・・
・・・・調整ネジ、９・・・・・・固定ネジ、１０・・
・・・・バネ、１１・・・・・・光コネクタホルダ、１
２・・・・・・出射側光コネクタ・プラグ、１３・・・
・・・入射側光コネクタ番プラグ、１４・・・・・・出
射側光コネクタ・レセプタクル、１５・・・・・・入射
側光コネクタ番レセプタクル、１６・・・・・・光コネ
クタ舎プラグ　１７　、、、　、、、出射側＋）蜘１７
ンプ　ｌ　Ａ　、、、　、、、λ針側対物レンズ、１９
・・・・・・光ファイバ、２０ａ・・・・・・ガス濃度
検ＩｋＪセル１．２０ｂ・・・・・・ガス濃度検出セル
１０．２１・・・・・・光コネクタ、２２・・・・・・
発光部。 ２３・・・・・・赤外線フィルタ、２４・・・・・・分
岐器、２５・・・・・・赤外発光源、２６・・・・・・
受光部、２７・・・・・・光スィッチ、２８・・・・・
・バンドパスフィルタ、２９・・・・・・光検出器、３
０・・・・・・回転セクタ、３１・・・・・・増幅器、
３２・・・・・・演算部、３３・・・・・・アナログ／
デジタル変換器、３４・・・・・・マイクロコンピュー
タ、３５・・・・・・表示警報部、３６・・・・・・セ
ル。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光源と光ファイバとガス濃度検出セルと受光源
   とから成る赤外線吸収法によってガスを検出するガス濃
   度測定装置において、上記セルのチャンバは周囲のガス
   が自由に流入出できる構造を有し、上記セルのチャンバ
   に取りつけられた出射側ホルダと入射側ホルダとは所定
   の距離を隔てて光軸線上に正面対向し、かつそれぞれの
   ホルダには少なくとも１個以上のレンズが設けられ、出
   射側の光ファイバを出た光がレンズを通して上記セルの
   チャンバ内に放射され、再び入射側のレンズで集光され
   て入射側の光ファイバへ入光させるために、出射側のレ
   ンズを出た光が出射側レンズと入射側レンズとの間の中
   央部で焦点を結ぶように出射側レンズが配設された構造
   を特徴とするガス濃度検出セル。
2. （２）出射側の光ファイバの線径に比して、入射側の光
   ファイバの線径は常に大きく選んで配設されたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のガス濃度検出セル
   。
3. （３）出射側ホルダと入射側ホルダは光軸調整のための
   位置移動が可変である光軸調整機構を有し、出射側ホル
   ダの調整機構は光軸に対して前後（Ｚ軸方向）へ可変で
   あり、入射側ホルダの調整機構は光軸に対して前後（Ｚ
   軸方向）と上下（Ｘ軸方向）と左右（Ｙ軸方向）とに可
   変である光軸調整機構を有することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項及び第２項記載のガス濃度検出セル。
4. （４）ガスが自由に流入出できるための多数の開口部を
   有する直管の端面に光ファイバとレンズを配設したこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、第３項記
   載のガス濃度検出セル。