(57)【要約】【課題】より高い応答性を有するガス濃度計を提供する。【解決手段】ガス濃度計は、試料セル１を備える。試料セル１は、内部空間１０を規定する側壁１１,１２、ガス入口１３、および、ガス出口１４を有する。ガス濃度計は、内部空間１０に導入された試料ガスに光を放射する光源２と、試料ガスを通過した光を検出する検出器３とをさらに備える。ガス濃度計は、試料セル１の外部を流れている試料ガスの流れと対向するように試料セル１の外部に設けられ、試料ガスがガス入口１３を通って内部空間１０へ導入されるようにするバッフル５をさらに備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ガスに含まれる特定ガスの濃度を測定するためのガス濃度計であって、
内部空間を規定する側壁、ガス入口、および、ガス出口を有する試料セルと、
前記内部空間に導入された前記試料ガスに光を放射する光源と、
前記試料ガスを通過した前記光を検出する検出器と、
前記試料セルの外部を流れている前記試料ガスの流れと対向するように前記試料セルの外部に設けられ、前記試料ガスが前記ガス入口を通って前記内部空間へ導入されるようにするバッフルと、を備える、
ことをする特徴とするガス濃度計。
【請求項２】
前記ガス入口は、前記側壁に形成されて前記試料セルの軸線方向にのびており、
前記バッフルは、前記ガス入口に沿って前記側壁の外面に取り付けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度計。
【請求項３】
前記ガス出口は、前記側壁に形成されて前記軸線方向にのびている、
ことを特徴とする請求項２に記載のガス濃度計。
【請求項４】
前記試料セルは、前記側壁として、第１セル要素および第２セル要素を含み、
前記第１セル要素の側部と前記第２セル要素の側部とが互いに離されることで、前記ガス入口が前記第１セル要素の前記側部と前記第２セル要素の前記側部との間に形成されている、
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のガス濃度計。
【請求項５】
前記第１セル要素の前記側部と前記第２セル要素の前記側部とは、互いに重なっていない、
ことを特徴とする請求項４に記載のガス濃度計。
【請求項６】
前記第１セル要素の前記側部は、前記第２セル要素の前記側部よりも前記試料セルの中心軸線に対して近位にあり、
前記バッフルは、前記第１セル要素の外面に取り付けられ、
前記試料セルの流れと対向する前記バッフルの対向面は、前記ガス入口とも対向する、
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のガス濃度計。
【請求項７】
前記対向面は、前記ガス入口に向けて傾いている、
ことを特徴とする請求項６に記載のガス濃度計。
【請求項８】
前記光源または前記検出器を収容するハウジングをさらに備え、
前記試料セルは、筒形状を有し、
前記ガス入口は、前記試料セルの一端の開口であり、
前記ハウジングが前記ガス入口から離れて配置され、導入空間が前記ハウジングと前記ガス入口との間に形成され、
前記バッフルは、環状であり、前記ハウジングの外面に外嵌され、
前記試料セル側を向く前記バッフルの一面が前記試料ガスの流れと対向するように前記バッフルは配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度計。
【請求項９】
前記検出器の検出結果に基づいて前記特定ガスの濃度を演算する濃度演算部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のガス濃度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料ガスに含まれる対象ガスの濃度を光学的に測定するガス濃度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のガス濃度計は、例えば、試料セルと、試料セル内の試料ガスに光を放射する光源と、試料ガスを通過した光を検出する検出器とを備える。そして、ガス濃度計は、試料ガスに含まれる対象ガスの濃度を検出器の検出結果に基づいて測定する。
【０００３】
特許文献１および２に開示されたガス濃度計では、ガス入口およびガス出口が、試料セルの側壁に形成されている。図８は、特許文献１の試料セルを示す横断面図である。試料セル１は、側壁として、第１セル要素１１および第２セル要素１２を備える。
【０００４】
第１セル要素１１の一方の側部１１０と第２セル要素１２の一方の側部１２０とが互いに離されていることで、ガス入口１３が、これらの側部１１０,１２０の間に形成されて、試料セル１の軸線方向にのびている。第１セル要素１１の他方の側部１１１と第２セル要素１２の他方の側部１２１とが互いに離されていることで、ガス出口１４が、これらの側部１１１,１２１の間に形成されて、試料セル１の軸線方向にのびている。ガス入口１３が試料ガスの流れと対向するように試料セル１は配置される。
【０００５】
試料ガスは、試料セル１の外部からガス入口１３を通じて試料セル１内に導入される。そして、試料ガスは、試料セル１内からガス出口１４を通じて流れ出る。これによって、高い応答性が得られている。ガス濃度計は、特許文献１に示されるように、例えば光合成測定装置に組み込まれており、光合成により変化しているＣＯ２濃度をリアルタイムベースで測定するのに利用されている。ガス濃度をリアルタイムベースでより正確に測定するために、より高い応答性が求められつつある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１６／２０８４２４号公報
【特許文献２】特開２００９−１３９２１５号公報
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、試料ガスに含まれる特定ガスの濃度を測定するためのガス濃度計に関するものである。
前記ガス濃度計は、試料セルを備える。
前記試料セルは、内部空間を規定する側壁、ガス入口、および、ガス出口を有する。
前記ガス濃度計は、さらに、
前記内部空間に導入された前記試料ガスに光を放射する光源と、
前記試料ガスを通過した前記光を検出する検出器と、を備える。
前記ガス濃度計は、さらに、
前記試料セルの外部を流れている前記試料ガスの流れと対向するように前記試料セルの外部に設けられ、前記試料ガスが前記ガス入口を通って前記内部空間へ導入されるようにするバッフルと、を備える。
【０００８】
前記ガス入口は、前記側壁に形成されて前記試料セルの軸線方向にのびてよい。前記バッフルは、前記ガス入口に沿って前記側壁の外面に取り付けられてよい。
【０００９】
前記ガス出口は、前記側壁に形成されて前記軸線方向にのびてよい。
【００１０】
前記試料セルは、前記側壁として、第１セル要素および第２セル要素を含んでよい。前記第１セル要素の側部と前記第２セル要素の側部とが互いに離されることで、前記ガス入口が前記第１セル要素の前記側部と前記第２セル要素の前記側部との間に形成されてよい。
【００１１】
前記第１セル要素の前記側部と前記第２セル要素の前記側部とは、互いに重ならないようにしてもよい。
【００１２】
前記第１セル要素の前記側部は、前記第２セル要素の前記側部よりも前記試料セルの中心軸線に対して近位にあり、前記バッフルは、前記第１セル要素の外面に取り付けられてよい。そして、前記試料セルの流れと対向する前記バッフルの対向面は、前記ガス入口とも対向してよい。
【００１３】
前記対向面は、前記ガス入口に向けて傾いてよい。
【００１４】
前記ガス濃度計は、前記光源または前記検出器を収容するハウジングをさらに備えてよい。前記試料セルは、筒形状を有してよい。前記ガス入口は、前記試料セルの開口である。前記ハウジングが前記ガス入口から離れて配置され、導入空間が前記ハウジングと前記ガス入口との間に形成されてよい。前記バッフルは、環状であり、前記ハウジングの外面に外嵌されてよい。そして、前記試料セル側を向く前記バッフルの一面が前記試料ガスの流れと対向するように前記バッフルは配置される。
【００１５】
前記ガス濃度計は、前記検出器の検出結果に基づいて前記特定ガスの濃度を演算する濃度演算部をさらに備えてよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るガス濃度計を概略的に示す斜視図である。
【図２】図２は、図１の試料セルを示す断面図である。
【図３】図３Ａ、図３Ｂは、別の実施形態に係る試料セルを示す断面図である。
【図４】図４は、さらに別の実施形態に係る試料セルを示す断面図である。
【図５】図５Ａ、図５Ｂは、別の実施形態に係る試料セルを示す斜視図である。
【図６】図６Ａ−図６Ｄは、別の実施形態に係るバッフルを示す断面図である。
【図７】図７Ａ、図７Ｂは、別の実施形態に係るガス濃度計を示す斜視図である。
【図８】従来のガス濃度計の試料セルを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るガス濃度計が説明される。ガス濃度計は、試料ガスに含まれる特定ガスの濃度を光学的に測定する。
【００１８】
ガス濃度計は、内部空間１０を有する試料セル１を備える。ガス濃度計は、内部空間１０に導入された試料ガスへ光を放射するように設けられた光源２と、試料ガスを透過した光を検出するように設けられた検出器３とをさらに備える。ガス濃度計は、検出器３に接続され、検出器３の検出結果に基づいて特定ガスの濃度を演算する濃度演算部４をさらに備える。
【００１９】
ガス濃度計は、光源２を収容するハウジング２０と、検出器３を収容するハウジング３０とをさらに備える。両ハウジング２０，３０は、それぞれ、光の通過を許容する開口２１,３１を有する。両ハウジング２０,３０は、その開口２１,３１が互いに対向するように配置されている。
【００２０】
試料セル１は、実施形態では、略筒形状を有する。試料セル１は、光源２と検出器３との間に配置され、光源２と検出器３との間でのびている。なお、図１では、発明の容易な理解のために、試料セル１は両ハウジング２０，３０から取り外されている。しかしながら、試料セル１は、実際には、ハウジング２０，３０の開口２１,３１に差し込まれ、ハウジング２０，３０に支持されている。
【００２１】
試料セル１は、内部空間１０を規定する側壁と、側壁に形成されたガス入口１３と、側壁に形成されたガス出口１４とを備える。ガス出口１４は、ガス入口１３と反対側に位置する。試料セル１の両端は、光源２の光の通過を許容するために開かれている。
【００２２】
図２の通り、試料セル１は、側壁として、光源２と検出器３との間でのびる互いに同一形状の第１セル要素１１および第２セル要素１２とを備える。第１セル要素１１および第２セル要素１２の横断面は、それぞれ、半円筒形状である。
【００２３】
第１セル要素１１および第２セル要素１２は、互いに対向するようにかつ互いにずらして配置されている。第１セル要素１１の一方の側部１１０と第２セル要素１２の一方の側部１２０とが互いに離されることで、ガス入口１３が、これらの側部１１０，１２０の間に形成され、試料セル１の軸線方向にのびている。さらに、第１セル要素１１の他方の側部１１１と第２セル要素１２の他方の側部１２１とが互いに離されることで、ガス出口１４が、側部１１１，１２１の間に形成され、試料セル１の軸線方向にのびている。高い応答性が、このガス入口１３およびガス出口１４によって得られることは、特許文献１と同様である。
【００２４】
第１セル要素１１の一方の側部１１０と第２セル要素１２の一方の側部１２０とは、互いに重なっていない。第１セル要素１１の他方の側部１１１と第２セル要素１２の他方の側部１２１とは、互いに重なっていない。
【００２５】
第１セル要素１１および第２セル要素１２は、例えば１つの円筒形状の管を半分に分割することで構成される。
【００２６】
試料セル１（各セル要素１１，１２）は、例えば光源２の光を透過させず光を反射させる金属などの材料からなる。その金属は、例えばステンレスである。試料セル１の内面は、光の反射ロスを低減するために金メッキされまたは鏡面加工されてよい。試料セル１の材料としてプラスチックが用いられ、その内面に金スパッタリング処理が施されてよい。また、試料セル１の内面に、アルミシートやステンレスシートなど光沢性のある金属シートが付されてよい。
【００２７】
ＮＤＩＲ法が用いられる実施形態では、光源２は、赤外線を放射する。光源２は、例えばフィラメントヒータである。集光レンズ（図示略）が、ハウジング２０内に配置され、光を検出器３に向けて集光し、それによって試料セル１の内面における反射ロスを抑えてよい。
【００２８】
ガス濃度計がデュアルタイプであれば、検出器３は、測定用検出部と参照用検出器とを含む。測定用のバンドパスフィルタ（図示略）が、測定用検出部の前段に設けられ、対象ガスによって吸収される波長の赤外線を選択的に透過させる。参照用のバンドパスフィルタ（図示略）が、参照用検出部の前段に設けられ、対象ガスによって吸収されない波長を選択的に透過させる。例えば、対象ガスがＣＯ２であるとき、測定用検出部が４．３μｍの波長の赤外線を検出し、参照用検出部が４．０μｍの赤外線の検出するように、バンドパスフィルタが選択される。
【００２９】
濃度演算部４は、例えば検出器３からの検出信号に基づいて対象ガスの濃度を演算する濃度演算回路からなる。
【００３０】
光（実施形態では赤外線）は、光源から試料セル１の内部空間１０を通って検出器３へ達する。即ち、光は、内部空間１０に導入された試料ガスに放射され、試料ガスを通過し、検出器３に検出される。この際に、光の一部が試料ガス中に含まれる対象ガスに吸収される。したがって、測定用検出部の検出信号は、対象ガスの濃度に依存して変化する。それによって、対象ガスの濃度を検出することができる。濃度演算部４は、測定用および検出用の検出部の検出信号に基づき、対象ガスの濃度を演算する。ＮＤＩＲ法によるガス濃度測定自体は周知であるため、その詳細は省略される。
【００３１】
ガス濃度計は、試料ガスの流れ（対流）が発生している環境下に置かれる。この対流は、自然対流でもよく、ファンやエアポンプによって発生される強制対流でもよい。
【００３２】
図１、図２の通り、このような環境下で高い応答性を達成するために、ガス濃度計は、試料セル１の外部およびハウジング２０,３０の外部に設けられたバッフル５をさらに備える。バッフル５は、試料セル１の外部を流れている試料ガスの流れと対向するように設けられ、試料ガスがガス入口１３を通って内部空間１０に導入されるようにする。
【００３３】
実施形態では、バッフル５は、プレート形状を有する。すなわち、バッフル５は、じゃま板である。バッフル５は、ガス入口１３に沿って配置されている。バッフル５は、試料セル１の側壁の外面に取り付けられている。バッフル５の取付面（底面）と試料セル１の外面との間に隙間はなく、試料ガスがバッフル５の底面と試料セル１の外面との間を流れることはない。
【００３４】
実施形態では、試料セル１は、側壁として、第１セル要素１１および第２セル要素１２を含む。図２の通り、第１セル要素１１の側部１１０は、第２セル要素１２の側部１２０よりも試料セル１の中心軸線に対して近位にある。バッフル５は、ガス入口１３（側部１１０）に沿って第１セル要素１１の外面に取り付けらており、試料ガスの流れと対向するバッフル５の対向面５０は、ガス入口１３とも対向する。対向面５０は、ガス入口１３に向けて傾けられている。
【００３５】
図２の通り、試料セル１の外部を流れる試料ガスは、バッフル５の対向面５０に衝突し、バッフル５に案内され、ガス入口１３を通って内部空間１０に導入される。試料ガスがバッフル５の対向面５０に衝突することで、対向面５０は風圧を受ける。これは、対向面５０の前方かつガス入口１３の上方の領域Ｔにおいて圧力上昇を与え、その結果、内部空間１０への試料ガスの流量の増加をもたらす。
【００３６】
なお、バッフル５の対向面５０が受ける風圧Ｐｗ（ｋＰａ）は、試料ガスの密度ρ（Ｋｇ／ｍ３）に比例し、さらに、試料ガスの風速Ｖ（ｍ／ｓ）の２乗に比例する。すなわち、Ｐｗ  ∝  ρ×Ｖ２の関係が成立する。
【００３７】
このガス流量の増加ゆえに、試料ガスは速やかにガス入口１３を通って内部空間１０に流入し、それから速やかに内部空間１０からガス出口１４を通って流出する。これは、バッフル５付きのガス濃度計が、バッフルのないガス濃度計（図８）よりも、内部空間１０の試料ガスをより速く置換し、それゆえ、より高い応答性を達成しているということである。したがって、バッフル５付きのガス濃度計は、特定ガスの濃度をリアルタームベースで測定するのに非常に適している。
【００３８】
ガス濃度計は、例えば、特許文献１に開示された光合成速度測定装置に組み込まれる。特許文献１の光合成測定装置は、チャンバの開口を測定葉で塞ぎチャンバを密閉してから、測定葉に光合成させる。同時に、光合成測定装置は、試料ガス（例えば、大気）をファンによってチャンバ内で循環させながら、光合成によって減少するチャンバ内のＣＯ２の濃度をリアルタイムベースで測定する。そして、光合成速度測定装置は、ＣＯ２の濃度の時間変化に基づいて測定葉の光合成速度を測定する。このＣＯ２の濃度を、バッフル５付きのガス濃度計がリアルタイムベースで測定する。この際、バッフル５がファンによって発生する試料ガスの強制対流と対向するように配置される。これによって、測定葉の光合成速度をより正確に測定することができる。
【００３９】
内部空間１０へのガス流量を増加させるための方法として、ガス入口１３・ガス出口１４の増加、および、強制対流を発生させるファン等のデバイスの性能の向上とがある。前者は、外乱光、ダスト、ミストの試料セル１内への侵入を容易にしてしまう。後者は、ガス濃度計を利用する装置の高コストまたは大型化をもたらす。シンプルな構成のバッフル５によって、ガス入口１３・ガス出口１４の面積増加や、ファン等のデバイスの性能の向上なく試料ガスの流量を増加させることができる。
【００４０】
図８のガス濃度計では、試料ガスが試料セル１の内面の部分Ｓに集中的に衝突し、この部分Ｓにダストやミストが付着しやすい。これにより、ガス濃度を安定して測定できないことがある。特に、光合成測定装置は雨や粉塵が吹いている自然環境化で使用されるものであるので、ガス濃度計が光合成測定装置に組み込まれているとき、ダストやミストの試料セルの内面への付着は大きな問題となる。
【００４１】
これに対して、図２のガス濃度計では、試料ガスがバッフル５に衝突することによって乱流が形成される。試料ガスは、乱流となって、内部空間１０に分散して導入される。それゆえ、ダストやミストは、試料セル１の内面に付着しにくい。したがって、安定した濃度測定が保障される。
【００４２】
内部空間１０への試料ガスの流量は、バッフル５の高さによって変化する。したがって、試料ガスの流量をバッフル５の高さの調整によって簡単に制御することができる。
【００４３】
第１セル要素１１および第２セル要素１２の横断面は、半円筒形状に代えて、図３Ａの通り半楕円形状、または、図３Ｂの通り半多角形形状を有してもよい。また、試料セルが、３以上の複数のセル要素からなり、複数のガス入口及び／または複数のガス出口が形成されてもよい。そして、バッフル５が各ガス入口に対して設けられてもよい。
【００４４】
図２の試料セル１では、第１セル要素１１の側部１１０と第２セル要素１２の側部１２０とが互いに重なっていない。これにより、試料ガスがガス入口１３を通じて内部空間１０に導入されやすくなっている。これに代えて、図４の通り、側部１１０,１２０が互いに間隔をあけて重なって、ガス入口１３が形成されてもよい。これにより、外乱光が内部空間１０に侵入しにくくなる。なお、側部１１１,１２１が互いに間隔をあけて重ね合わされることで、ガス出口１４が形成されてもよい。
【００４５】
図５の通り、試料セル１は、複数のセル要素に代えて、一本の管で構成されてもよい。ガス入口１３およびガス出口１４は、それぞれ、図５Ａの通り、試料セル１の側壁に形成されて、試料セル１の軸線方向にのびてもよい。また、ガス入口１３およびガス出口１４は、それぞれ、図５Ｂの通り、試料セル１の側壁に形成され、試料セル１の軸線方向に並べられた複数の孔からなってもよい。
【００４６】
図６Ａの通り、バッフル５（対向面５０）は、ガス入口１３に向けて傾けられていなくてもよい。図６Ｂ−図６Ｄの通り、バッフル５は、凹んだ対向面５０を有し、試料ガスがガス入口１３へ案内されやすいようにしてもよい。図６Ｂのバッフル５の横断面は、弧状であり、対向面５０は湾曲している。図６Ｃおよび図６Ｄのバッフル５は、横断面がＶ字形状であり、図Ｃのバッフル５は、図５Ｄのバッフル５より広角である。
【００４７】
図７に、さらに他の実施形態に係るガス濃度計が示される。図７Ａでは、試料セル１（その側壁）は、一本の筒形状の管で構成されており、側壁に孔（したがって、ガス入口１３およびガス出口１４）が形成されていない。ガス入口１３は、試料セル１の一端の開口であり、ガス出口１４は、試料セル１の他端の開口である。したがって、ガス入口１３およびガス出口１４は、光源２の光の通過を許容する開口でもある。
【００４８】
ハウジング３０は、ガス入口１３から離れて配置されており、流入空間６０がハウジング３０とガス入口１３との間に形成されている。また、ハウジング２０は、ガス出口１４から離れて配置されており、流出空間６１がハウジング２０とガス出口１４との間に形成されている。
【００４９】
バッフル５は、環状のプレートである。バッフル５はハウジング３０の外面に外嵌されえている。バッフル５の取付面とハウジング３０の外面との間には隙間が形成されていない。試料セル１側を向くバッフル５の一面５０が試料ガスの流れと対向するように、バッフル５は配置される。
【００５０】
この実施形態でも、試料ガスが対向面５０と衝突することで、対向面５０は風圧を受ける。そして、これは、対向面５０の前方で流入空間６０およびガス入口１３の周りの領域において圧力上昇を与え、その結果、内部空間１０への試料ガスの流量の増加をもたらす。
【００５１】
このガス流量の増加によって、試料ガスは速やかに流入空間６０およびガス入口１３を通って内部空間１０に流入し、それから速やかに内部空間１０からガス出口１４および流出空間６１を通って流出する。したがって、より高い応答性が得られている。
【００５２】
図７Ｂの通り、バッフル５は、検出器３用のハウジング３０に代えて、光源２用のハウジング２０の外面に外嵌めされてよい。
【００５３】
ガス濃度計は、対象ガスの濃度を、ＮＤＩＲ法以外の方法で光学的に検出してよい。ガス濃度計は、ＣＯ２以外の他の対象ガスの濃度を測定するために用いられてよい。ガス濃度計は、光合成測定装置以外の他の装置に組み込まれてよい。
【００５４】
ガス濃度計は、測定された対象ガスの濃度を記録する記録媒体や、測定された対象ガスの濃度を表示するディスプレイをさらに備えてよい。
【００５５】
各実施形態において、より多くの光が検出器３の検出面に達するように、試料セル１が光源２から検出器３に向けて窄まるテーパー形状を有してよい。ガス入口１３およびガス出口１４の寸法および形状は、ガス濃度計が設置される環境によって適宜設計されるものである。
【００５６】
バッフル５は、プレート形状に限らず、ブロック形状などの他の形状でよい。また、バッフル５は、試料セル１の外面、ハウジング２０,３０の外面の他に、試料セル１が設置される環境下にあるガス濃度計以外の他の構成要素（例えば、天井や床）に取り付けられてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１  試料セル
１０  内部空間
１１  第１セル要素（側壁）
１１０,１１１  側部
１２  第２セル要素（側壁）
１２０,１２１  側部
１３  ガス入口
１４  ガス出口
２  光源
２０  光源用ハウジング
３  検出器
３０  検出器用ハウジング
４  ガス濃度演算部
５  バッフル
５０  対向面
６０  流入空間
６１  流出空間
【図１】
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【図２】
2019184427.tif 000004
【図３】
2019184427.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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