(57)【要約】【課題】被検出ガスの正確な濃度が容易且つ高速に測定可能なガス濃度測定装置を提供する。【解決手段】被検出ガスが流れる空間または前記被検出ガスを滞留する空間が内包されたガス空間内包部材と、検出光を放射する検出光源部と、前記ガス空間内包部材の少なくとも一部を通過する前記検出光を反射させる反射部材と、前記反射部材からの反射光を受光し、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部と、前記受光部が出力する前記信号に基づき前記被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有するガス濃度測定装置を提供する。【選択図】図１
2020016472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出ガスが流れる空間または前記被検出ガスを滞留する空間が内包されたガス空間内包部材と、
検出光を放射する検出光源部と、
前記ガス空間内包部材の少なくとも一部を通過する前記検出光を反射させる反射部材と、
前記反射部材からの反射光を受光し、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部と、
前記受光部が出力する前記信号に基づき前記被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有するガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記ガス空間内包部材が、前記検出光を透過する第１光学窓を有し、
前記反射部材が、前記ガス空間内包部材の内部に設置され、
前記反射光が前記第１光学窓を透過して前記受光部に受光される
請求項１に記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記ガス空間内包部材が、前記検出光を透過する第１光学窓と、前記第１光学窓を透過した前記検出光を透過する第２光学窓とを有し、
前記反射部材が、前記ガス空間内包部材の外部に設置され、
前記反射光が前記第１光学窓および前記第２光学窓を透過して前記受光部に受光される
請求項１に記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
前記反射部材が、前記検出光とは光軸が異なり且つ前記検出光と平行な反射光を生じるプリズムである
請求項２または請求項３に記載のガス濃度測定装置。
【請求項５】
前記反射部材を回転する回転機構をさらに有し、
少なくとも前記被検出ガスの濃度を測定している間、前記回転機構により前記反射部材を回転する
請求項１から請求項４の何れか一項に記載のガス濃度測定装置。
【請求項６】
前記ガス空間内包部材が、前記検出光を透過する第１光学窓を有し、
前記反射部材が、前記光学窓に対向する前記ガス空間内包部材の内壁であり、
前記反射光が前記第１光学窓を透過して前記受光部に受光される
請求項１に記載のガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、メタン等ガス分子の赤外光吸収特性を利用したガス検知器が開示されている。当該ガス検知器では、検出光として周波数変調した赤外レーザ光を用い、被検出ガスを通過した検出光の乱反射光を受光素子で受け、当該受光素子が出力する出力信号から、変調周波数に等しい周波数の基本波信号と変調周波数の２倍に等しい周波数の２倍波信号を検出する。そして、基本波信号に対する２倍波信号の強さから被検出ガスの濃度を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２３５４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のガス検知器によれば、ガス管等の内部を流れる被検出ガス、あるいは、ガスセル等に封入されている被検出ガスを、容易かつ高速に検出することができる。しかし、当該ガス検知器で検知されるガスの濃度は、検出光が通過した光路長に依存する値、すなわちカラム濃度として得られることから、光路長が不明な場合は、正確な濃度を算出することができない問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、被検出ガスの正確な濃度が容易且つ高速に測定可能なガス濃度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、被検出ガスが流れる空間または前記被検出ガスを滞留する空間が内包されたガス空間内包部材と、検出光を放射する検出光源部と、前記ガス空間内包部材の少なくとも一部を通過する前記検出光を反射させる反射部材と、前記反射部材からの反射光を受光し、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部と、前記受光部が出力する前記信号に基づき前記被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有するガス濃度測定装置を提供する。
【０００７】
前記ガス空間内包部材が、前記検出光を透過する第１光学窓を有し、前記反射部材が、前記ガス空間内包部材の内部に設置され、前記反射光が前記第１光学窓を透過して前記受光部に受光されるものであっても良い。あるいは、前記ガス空間内包部材が、前記検出光を透過する第１光学窓と、前記第１光学窓を透過した前記検出光を透過する第２光学窓とを有し、前記反射部材が、前記ガス空間内包部材の外部に設置され、前記反射光が前記第１光学窓および前記第２光学窓を透過して前記受光部に受光されるものであっても良い。これらの場合、前記反射部材が、前記検出光とは光軸が異なり且つ前記検出光と平行な反射光を生じるプリズムであってもよい。
【０００８】
前記反射部材を回転する回転機構をさらに有し、少なくとも前記被検出ガスの濃度を測定している間、前記回転機構により前記反射部材を回転するものであっても良い。
【０００９】
前記ガス空間内包部材が、前記検出光を透過する第１光学窓を有し、前記反射部材が、前記光学窓に対向する前記ガス空間内包部材の内壁であり、前記反射光が前記第１光学窓を透過して前記受光部に受光されるものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ガス濃度測定装置１００の概要を示した構成図である。
【図２】ガス濃度測定装置２００の概要を示した構成図である。
【図３】ガス濃度測定装置３００の概要を示した構成図である。
【図４】ガス濃度測定装置４００の概要を示した構成図である。
【図５】ガス濃度測定装置５００の概要を示した構成図である。
【図６】模擬消化ガスごとの検知濃度（カラム密度）をメタン濃度に対してプロットしたグラフである。
【図７】下水汚泥から生じた消化ガス内のメタン濃度を連続測定した結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施の形態１）
図１は、ガス濃度測定装置１００の概要を示した構成図である。ガス濃度測定装置１００は、検出光源部１０２、受光部１０４、信号検出部１０６、濃度計算部１０８、表示部１１０、ガス空間内包部材１１２、第１光学窓１１４および反射部材１１６を有する。被検出ガスは、たとえば、ガス空間内包部材１１２の内部を流れＦの方向に流れる。検出光源部１０２が放射した検出光１２０が反射部材１１６で反射され、反射光１２２に含まれる被検出ガスの吸収に関する情報から、光路上のガスの濃度が測定される。
【００１２】
検出光源部１０２は、検出光１２０を放射する。検出光源部１０２は、たとえば周波数変調されたレーザ光を検出光１２０として放射する。レーザ光を周波数変調することでガス濃度に応じた２倍波信号が生じる。検出光１２０の波長（周波数）は、被検出ガスに吸収されるが背景ガスには吸収されない波長が好ましい。被検出ガスがメタンである場合、検出光１２０として発振波長が１．６５μｍ帯の赤外レーザ光を用いることができる。被検出ガスが硫化水素である場合、検出光１２０として発振波長が１．５７μｍ帯の赤外レーザ光を用いることができる。なお、検出光源部１０２に半導体レーザ発振器を用いる場合、被検出ガスが封入された標準セルを準備し、当該標準セルでの光吸収を参照して、検出光１２０の発振波長が被検出ガスの吸収線の中心に一致するよう半導体レーザ発振器の動作温度等を調整することが好ましい。
【００１３】
受光部１０４は、反射部材１１６からの反射光１２２を受光し、受光した光の強度に応じた信号を出力する。受光部１０４として、たとえばフォトダイオード、フォトマルチプライヤー等の光電変換素子とその駆動検出回路を例示することができる。受光部１０４には、たとえばバンドパスフィルタ等の光学フィルタ、スリット、分光機構等を備えてもよい。
【００１４】
信号検出部１０６は、受光部１０４が出力した受光信号を受け、当該受光信号から、検出光１２０の変調周波数に等しい周波数の基本波信号、および変調周波数の２倍に等しい周波数の２倍波信号を検出する。基本波信号および２倍波信号の検出には同期検波を用いることができる。
【００１５】
濃度計算部１０８は、受光部１０４が出力する信号に基づき被検出ガスの濃度を計算する。
【００１６】
表示部１１０は、濃度計算部１０８が計算した被検出ガスの濃度を表示する。なお、表示部１１０を設ける代わりに、濃度値を有線または無線により出力する出力手段を設けてもよい。
【００１７】
ガス空間内包部材１１２は、被検出ガスが流れる空間または被検出ガスが滞留される空間を内包する。ガス空間内包部材１１２として、被検出ガスが流れるガス管あるいはガスセル、被検出ガスを滞留するガスセルを例示することができる。
【００１８】
ガス空間内包部材１１２には、第１光学窓１１４を有する。第１光学窓１１４は、検出光１２０を透過し、反射部材１１６に反射された反射光１２２を透過する。第１光学窓１１４として、たとえば光学ガラスが例示できるが、検出光１２０がある程度の透過率で透過する材料である限り、特に限定されない。
【００１９】
反射部材１１６は、ガス空間内包部材１１２の少なくとも一部を通過する検出光１２０を反射させる。反射部材１１６は、図１に示す通り、ガス空間内包部材１１２の内部に設置される。すなわち、反射部材１１６は、第１光学窓１１４から距離Ｌを隔てて設置される。この結果、被検出ガスの吸収に係る光路長が一定値（２Ｌ）に保たれ、濃度計算部１０８における濃度の絶対値計算が可能になる。たとえば、濃度計算部１０８において、基本波信号と２倍波信号の比に基づいて、背景ガスが存在する雰囲気における被検出ガスのコラム密度が計算され、さらに、コラム密度の値と光路長２Ｌの値とからガス濃度が計算される。
【００２０】
本実施形態のガス濃度測定装置１００によれば、検出光の光路長が一定に保たれるので、被検出ガスの光吸収に基づく計測において、コラム密度に留まらず、ガス濃度として測定が可能になる。また、光吸収に基づく計測なので高速かつ簡単なガス濃度測定が可能になる。さらに、半導体光源を用いることで装置を小型化することも可能になる。
【００２１】
（実施の形態２）
図２は、ガス濃度測定装置２００の概要を示した構成図である。ガス濃度測定装置２００は、反射部材として、第１光学窓１１４に対向するガス空間内包部材１１２の内壁２１６を用いた例である。ガス濃度測定装置２００によっても、ガス濃度測定装置１００と同様に光路長２Ｌが固定され、同様の効果を得ることができる。
【００２２】
（実施の形態３）
図３は、ガス濃度測定装置３００の概要を示した構成図である。ガス濃度測定装置３００は、反射部材として、プリズム３１６を用いた例である。プリズム３１６は、検出光１２０とは光軸が異なり且つ検出光１２０と平行な反射光１２２を生じる。ガス濃度測定装置３００によっても、ガス濃度測定装置１００〜２００と同様に光路長２Ｌが固定され、同様の効果を得ることができる。
【００２３】
（実施の形態４）
図４は、ガス濃度測定装置４００の概要を示した構成図である。ガス濃度測定装置４００は、ガス空間内包部材１１２が、第１光学窓１１４と、第１光学窓１１４に対向する第２光学窓４０２を有する例である。第１光学窓１１４を透過した検出光１２０は、第２光学窓４０２を透過する。この場合、反射部材４１６をガス空間内包部材１１２の外部に設置することができ、反射部材４１６の取り換え等を容易にすることができる。また、実施の形態５で説明する、反射部材への回転操作等を加えやすくなる。なお、反射部材４１６として、ガス濃度測定装置３００で説明したプリズム３１６を適用してもよい。ガス濃度測定装置４００によっても、ガス濃度測定装置１００〜３００と同様に光路長２Ｌが固定され、同様の効果を得ることができる。
【００２４】
（実施の形態５）
図５は、ガス濃度測定装置５００の概要を示した構成図である。ガス濃度測定装置５００は、反射部材５１６を回転させる例である。ガス濃度測定装置５００は、回転機構５２０と、反射部材５１６および回転機構５２０を接続する軸５２２とを備え、少なくとも被検出ガスの濃度を測定している間、回転機構５２０により反射部材５１６を回転することで、測定値を安定化させることができる。なお、当該回転機構は、上記したガス濃度測定装置１００、３００においても適用することは可能である。ガス濃度測定装置５００によっても、ガス濃度測定装置１００〜４００と同様に光路長２Ｌが固定され、同様の効果を得ることができる。
【００２５】
上記したガス濃度測定装置１００〜５００において、検出光源部１０２および受光部１０４と第１光学窓１１４との間に適切な光学系を設けても良い。たとえば、光量が少ない場合は集光レンズを設け、光量が多い場合は減衰器（アッテネーター）を設けても良い。また、検出光源部１０２および受光部１０４と第１光学窓１１４との間の光路に光ファイバーを用いても良い。この場合、検出回路等の電子機器部分をガス空間内包部材１１２から物理的に隔離し、防爆構造を容易に構成することができる。
【００２６】
（実施例）
実施例として、消化ガス内のメタンガス濃度を測定した結果の一例を示す。ガス濃度測定装置として前記した実施の形態３のガス濃度測定装置３００を用いた。試料ガスとして、メタン濃度が０％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、１００％の模擬消化ガスを作成し、各模擬消化ガスのカラム密度を測定した。検出光には、メタン以外の他のガスの影響を受けにくい、波長１．６５３７μｍのレーザ光を用いた。
【００２７】
図６は、試料ガスとして作成した模擬消化ガスごとの検知濃度（カラム密度）をメタン濃度に対してプロットしたグラフである。光路長が一定であるため、測定値である検知濃度は、模擬消化ガスのメタン濃度にほぼ比例していることがわかる。当該結果を用いて、カラム濃度として測定された測定値を光路長に依存しないガス濃度に変換（校正）することができる。
【００２８】
図７は、下水汚泥から生じた消化ガス内のメタン濃度を連続測定した結果を示す。約１４時間に渡り、５８％〜６０％程度のメタンガスを含む消化ガスが連続して排出されている様子が観測できた。
【００２９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００３０】
１００…ガス濃度測定装置、１０２…検出光源部、１０４…受光部、１０６…信号検出部、１０８…濃度計算部、１１０…表示部、１１２…ガス空間内包部材、１１４…第１光学窓、１１６…反射部材、１２０…検出光、１２２…反射光、２００…ガス濃度測定装置、２１６…ガス空間内包部材の内壁、３００…ガス濃度測定装置、３１６…プリズム、４００…ガス濃度測定装置、４０２…第２光学窓、４１６…反射部材、５００…ガス濃度測定装置、５１６…反射部材、５２０…回転機構、５２２…軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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