(57)【要約】【課題】より多くの場所で、水素の濃度を高い応答性でかつ高精度に計測することが可能である。【解決手段】少なくとも１面に配置され、ガスが通過可能で通過するガスに含まれる水素をＨ２Ｏに変換する触媒を通過して計測対象空間のガスが流入する第１セルと、第１セルに隣接して配置され、計測対象空間のガスが流入する第２セルと、を有し、計測対象空間に配置された計測セルユニットと、第１セルを流通するガスに含まれるＨ２Ｏの濃度である第１計測値と、第２セルを流通するガスに含まれるＨ２Ｏの濃度である第２計測値とを計測する計測手段と、を有することで、上記課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象空間の水素の濃度を計測する水素濃度計測装置であって、
少なくとも１面に配置され、ガスが通過可能で通過するガスに含まれる水素をＨ２Ｏに変換する触媒を通過して前記計測対象空間のガスが流入する第１セルと、前記第１セルに隣接して配置され、前記計測対象空間のガスが流入する第２セルと、を有し、前記計測対象空間に配置された計測セルユニットと、
前記第１セルを流通するガスに含まれるＨ２Ｏの濃度である第１計測値と、前記第２セルを流通するガスに含まれるＨ２Ｏの濃度である第２計測値とを計測する計測手段と、を有し、
前記計測手段は、
Ｈ２Ｏの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を前記第１セル及び前記第２セルに入射させる発光ユニットと、
前記発光ユニットから入射され、前記第１セルと前記第２セルを通過したそれぞれのレーザ光を受光する受光ユニットと、
前記発光ユニットから前記第１セルに出力したレーザ光の強度と、前記受光ユニットで受光した前記第１セルを通過したレーザ光の強度とに基づいて、前記第１計測値を算出し、前記発光ユニットから前記第２セルに出力したレーザ光の強度と、前記受光ユニットで受光した前記第２セルを通過したレーザ光の強度とに基づいて、前記第２計測値を算出する制御装置と、を有することを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記第１計測値と前記第２計測値の差分から計測対象空間の水素の濃度を計測することを特徴とする請求項１に記載の水素濃度計測装置。
【請求項３】
前記計測セルユニットは、前記第１セルと前記第２セルとが対面している面に、ガスが通らない板状の部材が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の水素濃度計測装置。
【請求項４】
前記第１セルは、前記第２セルと対面する面に直交する２つの面に前記触媒が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の水素濃度計測装置。
【請求項５】
前記第２セルは、前記第１セルの前記触媒が配置されている位置に対応する位置に、前記触媒と近似する流路抵抗の部材が配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項６】
前記触媒は、白金を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項７】
前記発光ユニットは、レーザ光を出力する発光部が前記第１セル及び前記第２セルに固定されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【請求項８】
前記受光ユニットは、前記第１セルに固定され、前記第１セルを通過したレーザ光を受光する第１受光部と、前記第２セルに固定され、前記第２セルを通過したレーザ光を受光する第２受光部と、前記第１受光部及び第２受光部で検出した結果を無線通信で送信する送信部と、前記送信部から送信された情報を受信し、前記制御装置に出力する無線受信部と、を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象ガスに含まれる水素の濃度を計測する水素濃度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス、排ガスの成分の計測や、水素を貯留する施設からの水素の漏れの有無の検出のため、測定対象ガスに含まれる水素の濃度の計測が求められる場合がある。測定対象ガスに含まれる水素の濃度を計測する方法としては、レーザラマン散乱分光を用いて計測する方法がある。また、管路内を流れる混合ガス（主に流通ガス）に含まれる特定物質の濃度計測方法としては、管路の所定経路に、レーザ光を通過させ、その入出力から測定対象の特定物質の濃度を計測する方法がある。例えば、本件出願人が出願した特許文献１には、測定対象とされるガス状物質に固有な吸収波長のレーザ光を発振する光源と、この光源から発振されるレーザ光の発振波長を少なくとも２つの異なる周波数で変調する手段と、この変調手段により変調されたレーザ光を前記ガス状物質が存在する測定領域に導く手段と、この測定領域において透過または反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、この受光手段で受光した信号の中から変調された信号を周波数毎に順次それぞれ復調する複数の位相敏感検波器と、を具備することを特徴とするガス濃度計測装置が記載されている。
【０００３】
レーザラマン散乱分光による計測は、大気圧での１ｖｏｌ％程度での計測精度を実現することが困難であるという問題がある。また、ラマン散乱断面積が小さいため、励起光による迷光、散乱光、蛍光灯のノイズの影響を受けやすいという問題もある。そのため、測定可能な環境が限られてしまう。
【０００４】
これに対して、本件出願人は、測定対象ガスに含まれる水素を酸化触媒で酸化してＨ２Ｏとし、Ｈ２Ｏ濃度を計測し、合わせて、同じ測定対象ガスで酸化触媒を通過していない状態の測定対象ガスのＨ２Ｏを計測し、計測結果を比較して差分を算出することで、測定対象ガスの水素濃度を計測する方法を提案した（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３４２４４６号公報
【特許文献１】特開２０１１−２５７３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に記載の装置は、高い応答性で測定対象の物質を計測することができるが、配管を流れる測定対象ガスを抽出し計測装置で計測を行うため、装置が大型化してしまう。また、設置に制約が生じる場合がある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より多くの場所で、水素の濃度を高い応答性でかつ高精度に計測することが可能である水素濃度計測装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、計測対象空間の水素の濃度を計測する水素濃度計測装置であって、少なくとも１面に配置され、ガスが通過可能で通過するガスに含まれる水素をＨ２Ｏに変換する触媒を通過して前記計測対象空間のガスが流入する第１セルと、前記第１セルに隣接して配置され、前記計測対象空間のガスが流入する第２セルと、を有し、前記計測対象空間に配置された計測セルユニットと、前記第１セルを流通するガスに含まれるＨ２Ｏの濃度である第１計測値と、前記第２セルを流通するガスに含まれるＨ２Ｏの濃度である第２計測値とを計測する計測手段と、を有し、前記計測手段は、Ｈ２Ｏの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を前記第１セル及び前記第２セルに入射させる発光ユニットと、前記発光ユニットから入射され、前記第１セルと前記第２セルを通過したそれぞれのレーザ光を受光する受光ユニットと、前記発光ユニットから前記第１セルに出力したレーザ光の強度と、前記受光ユニットで受光した前記第１セルを通過したレーザ光の強度とに基づいて、前記第１計測値を算出し、前記発光ユニットから前記第２セルに出力したレーザ光の強度と、前記受光ユニットで受光した前記第２セルを通過したレーザ光の強度とに基づいて、前記第２計測値を算出する制御装置と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、前記制御装置は、前記第１計測値と前記第２計測値の差分から計測対象空間の水素の濃度を計測することが好ましい。
【００１０】
また、前記計測セルユニットは、前記第１セルと前記第２セルとが対面している面に、ガスが通らない板状の部材が配置されていることが好ましい。
【００１１】
また、前記第１セルは、前記第２セルと対面する面に直交する２つの面に前記触媒が配置されていることが好ましい。
【００１２】
また、前記第２セルは、前記第１セルの前記触媒が配置されている位置に対応する位置に、前記触媒と近似する流路抵抗の部材が配置されていることが好ましい。
【００１３】
また、前記触媒は、白金を含むことが好ましい。
【００１４】
また、前記発光ユニットは、レーザ光を出力する発光部が前記第１セル及び前記第２セルに固定されていることが好ましい。
【００１５】
前記受光ユニットは、前記第１セルに固定され、前記第１セルを通過したレーザ光を受光する第１受光部と、前記第２セルに固定され、前記第２セルを通過したレーザ光を受光する第２受光部と、前記第１受光部及び第２受光部で検出した結果を無線通信で送信する送信部と、前記送信部から送信された情報を受信し、前記制御装置に出力する無線受信部と、を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にかかる水素濃度計測装置は、より多くの場所で、水素の濃度を高い応答性でかつ高精度に計測することが可能であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、水素濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す水素濃度計測装置の上面図である。
【図３】図３は、図２に示す水素濃度計測装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図４は、図２に示す水素濃度計測装置のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図５は、水素濃度計測装置の動作を説明するフロー図である。
【図６】図６は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図７】図７は、図６に示す水素濃度計測装置のＣ−Ｃ線断面図である。
【図８】図８は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図９】図９は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１１】図１１は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明にかかる水素濃度計測装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。ここで、水素濃度計測装置は、計測対象空間（測定対象空間）にある種々のガスに含まれる水素の濃度を計測することができる。計測対象空間は、測定対象ガスが流れる管路や、測定対象ガスが充填された貯留部、また、それらの周辺の大気中とすることができる。例えば、管路を流れる種々のガスについて、ガスに含まれる水素の濃度を計測することができる場合、水素濃度計測装置を燃料ガスが流れる管路に取付、燃料ガスに含まれる水素濃度を計測してもよい。また、燃料ガスが流れる管路を有する装置としては、各種燃焼機関、例えば、車両、船舶、発電機、焼却炉等が例示される。また、気体の燃料ガスを生成する材料としては、ガソリン、軽油、重油や、天然ガス、バイオ燃料（バイオエタノール）等が例示される。また燃料電池に供給されるガスに含まれる水素濃度を計測する装置としても用いることができる。また、ディーゼルエンジンに取付、ディーゼルエンジンから排出される排ガス（流通ガス）、ゴミ焼却炉から排出される流通ガスに含まれる水素の濃度を計測してもよい。なお、本実施形態では、配管内を流れる流通ガス（測定対象ガス）中でガス状物質として存在する水素が測定対象となる。
【００１９】
［実施形態１］
図１は、本発明の水素濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。図２は、図１に示す水素濃度計測装置の上面図である。図３は、図２に示す水素濃度計測装置のＡ−Ａ線断面図である。図４は、図２に示す水素濃度計測装置のＢ−Ｂ線断面図である。
【００２０】
水素濃度計測装置１０は、配管６の内部である計測対象空間８を流れる流通ガスの一部を計測対象空間８の内部で採取（サンプリング）して、測定対象ガスに含まれる水素の濃度を計測する計測装置である。水素濃度計測装置１０は、図１に示すように、計測セルユニット２０と、発光ユニット２２と、受光ユニット２４と、制御装置２６と、を有する。
【００２１】
配管６は、測定対象ガスである流通ガスが流れる配管である。図１では、配管６の一部側面のみを示しているが、配管６は、筒状の形状である。配管６は、筒で囲まれ、流通ガスが流れる空間が計測対象空間８となる。なお、本実施形態では、計測対象空間８を配管６の内部とし、測定対象ガスが所定の方向に流れる場合としたがこれに限定されない。水素濃度計測装置１０は、計測対象空間８で測定対象ガスが移動していればよく、任意の方向に移動していてもよい。つまり測定対象ガスの流れ方向が変わってもよい。
【００２２】
計測セルユニット２０は、計測対象空間８に配置されている。つまり計測セルユニット２０は、測定対象ガスが流通している配管６の内部に配置されている。計測セルユニット２０は、第１セル３０と第２セル３２とを有する。
【００２３】
第１セル３０は、直方体で内部が空間の箱３４と、箱３４に設置された触媒メッシュ３８と、を有する。箱３４は、直方体形状であり、６面の内、対向する２つの面（本実施形態では、面積が最も大きい面）に開口５２、５４が形成されている。また、箱３４は、直方体の長手方向の端となる２つの面の一方に測定光であるレーザ光が入射する発光ユニット２２の一部が配置され、他方の面にレーザ光を受光する受光ユニット２４の一部が配置されている。
【００２４】
触媒メッシュ３８は、箱３４の開口５２、５４のそれぞれに配置されている。触媒メッシュ３８は、流通ガスを通過させることができ、通過する流通ガスに含まれる測定対象の水素をＨ２Ｏ（気体の水、水蒸気）に変換する機構である。触媒メッシュ３８は、通過する流通ガスに含まれる水素を酸化させ、つまり水素と酸素を反応させて、Ｈ２Ｏに変換する燃焼触媒である。触媒メッシュ３８としては、水素を酸化する各種触媒を用いることができる。触媒メッシュ３８には、白金を含む触媒を用いることが好ましい。触媒メッシュ３８は、白金を用いることで水素をより高い確率でＨ２Ｏに変換することができる。具体的には、触媒メッシュ３８は、白金を用いることで測定対象ガスが低い温度（例えば５０℃）の場合でも水素をより高い確率でＨ２Ｏに変換することができる。
【００２５】
第１セル３０は、箱３４の開口５２、５４が形成されている部分は閉じられた形状となる。これにより、箱３４の内部の空間に流入する流通ガスは、開口５２、５４の触媒メッシュ３８を通過する。したがって、第１セル３０は、箱３４の内部に、水素がＨ２Ｏに変換された流通ガスが流入する。また、第１セル３０は、箱３４の対向する２つの面に開口５２、５４が形成されることで、図４に示すように、流通ガスが箱３４の内部から外部、外部から内部に流れやすくなる。これにより、流通ガスが箱３４の内部に滞留することを抑制することができる。
【００２６】
第２セル３２は、直方体で内部が空間の箱３６と、箱３６に設置された非触媒メッシュ４０と、を有する。第２セル３２は、触媒メッシュ３８に換えて非触媒メッシュ４０が配置されている以外は、第１セル３０と同様の構成である。箱３８は、直方体形状であり、６面の内、対向する２つの面（本実施形態では、面積が最も大きい面）に開口５６、５８が形成されている。また、箱３６は、直方体の長手方向の端となる２つの面の一方に測定光であるレーザ光が入射する発光ユニット２２の一部が配置され、他方の面にレーザ光を受光する受光ユニット２４の一部が配置されている。
【００２７】
非触媒メッシュ４０は、流通ガスを通過させることができる部材である。非触媒メッシュ４０は、触媒メッシュ３８と同様の形状の部材であり、触媒メッシュ３８と実質的に同様の流路抵抗を備えている。非触媒メッシュ４０は、ＳＵＳ等、水素と酸素との反応を促進し、Ｈ２Ｏに変換する機能がない（実質的に無視できる）材料で形成されている。
【００２８】
第２セル３２は、箱３６の開口５６、５８が形成されている部分は閉じられた形状となる。これにより、箱３６の内部の空間に流入する流通ガスは、開口５６、５８の非触媒メッシュ４０を通過する。したがって、第２セル３２は、箱３６の内部に、水素がＨ２Ｏに変換されていない流通ガスが流入する。また、第２セル３２は、箱３６の対向する２つの面に開口５６、５８が形成されることで、図４に示すように、流通ガスが箱３６の内部から外部、外部から内部に流れやすくなる。これにより、流通ガスが箱３６の内部に滞留することを抑制することができる。
【００２９】
また、計測セルユニット２０は、第１セル３０と第２セル３２とが隣接して配置されている。具体的には、第１セル３０の箱３４の開口５２、５４が形成されておらず、発光ユニット２２の一部及び受光ユニット２４の一部が設置されていない２つの面のうち一方の面が、第２セル３２の箱３６の開口５６、５８が形成されておらず、発光ユニット２２の一部及び受光ユニット２４の一部が設置されていない２つの面の一方の面と接触している。
【００３０】
発光ユニット２２は、光源６０と、第１入光部６１ａと第２入光部６１ｂとを有する。光源６０は、Ｈ２Ｏが吸収する近赤外波長域のレーザ光を発光させる発光素子を有する。発光素子としては、例えばレーザータイオード（ＬＤ）を用いることができる。光源６０は、発光させた光を第１入光部６１ａと第２入光部６１ｂに入光させる。第１入光部６１ａは、光ファイバ６２ａと、ファイバ支持部６４ａとを有する。光ファイバ６２ａは、一方の端部が光源６０と連結し、他方の端部が第１セル３０の箱３４の長手方向の端の面と連結している。光ファイバ６２ａは、光源６０から入射された光を第１セル３０の箱３４の内部に入射させる。ファイバ支持部６４ａは、第１セル３０の箱３４に固定されており、光ファイバ６２ａの他方の端部を支持している。第２入光部６１ｂは、光ファイバ６２ｂと、ファイバ支持部６４ｂとを有する。光ファイバ６２ｂは、一方の端部が光源６０と連結し、他方の端部が第２セル３２の箱３６の長手方向の端の面と連結している。光ファイバ６２ｂは、光源６０から入射されたレーザ光を第２セル３２の箱３６の内部に入射させる。ファイバ支持部６４ｂは、第２セル３２の箱３６に固定されており、光ファイバ６２ｂの他方の端部を支持している。
【００３１】
発光ユニット２２は、光源６０からレーザ光を発光し、発光したレーザ光を第１入光部６１ａと第２入光部６１ｂで案内することで、第１セル３０と第２セル３２のそれぞれにレーザ光を入射させる。発光ユニット２２は、光源６０が計測対象空間８の外側、つまり配管６の外に配置されている。これにより、光ファイバ６２ａ、６２ｂは、配管６の壁面に形成された開口に挿入され、一方の端部が光源６０と連結し、他方の端部が計測セルユニット２０と連結する。配管６と光ファイバ６２ａ、６２ｂとの間にはシール機構８０が設けられている。シール機構８０は、配管６と光ファイバ６２ａ、６２ｂとの間を密封し、計測対象空間８の流通ガスが配管６の外側に漏えいすること、及び配管６の外側の空気が計測対象空間８内に流入することを抑制する。
【００３２】
受光ユニット２４は、第１受光部７０と第２受光部７２とを有する。第１受光部７０は、第１セル３０の光ファイバ６２ａが設置されている面に対面する面に配置されている。第１受光部７０は、第１セル３０の内部を通過したレーザ光を受光する。第１受光部７０は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。第１受光部７０は配線で制御装置２６と接続されており、受光したレーザ光の強度を受光信号として、制御装置２６に送る。第２受光部７２は、第２セル３２の光ファイバ６２ｂが設置されている面に対面する面に配置されている。第２受光部７２は、第２セル３２の内部を通過したレーザ光を受光する。第２受光部７２は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。第２受光部７２は配線で制御装置２６と接続されており、受光したレーザ光の強度を受光信号として、制御装置２６に送る。ここで、制御装置２６は、光源６０が計測対象空間８の外側、つまり配管６の外に配置されている。これにより、第１受光部７０、第２受光部７２と制御装置２６とを接続する配線は、配管６の壁面に形成された開口に挿入され、一方の端部が制御装置２６と連結し、他方の端部が第１受光部７０、第２受光部７２と連結する。配管６と配線との間にはシール機構８０が設けられている。シール機構８０は、配管６と配線との間を密封し、計測対象空間８の流通ガスが配管６の外側に漏えいすること、及び配管６の外側の空気が計測対象空間８内に流入することを抑制する。
【００３３】
制御装置２６は、発光ユニット２２及び受光ユニット２４の動作を制御し、かつ検出値を取得し、各種処理を実行することで、計測対象空間８の水素の濃度を検出する。具体的には、制御装置２６は、第１受光部７０、第２受光部７２で受光したレーザ光の強度の信号と、光源６０を駆動させ、第１セル３０、第２セル３２に入射したレーザ光の強度を比較し、計測対象空間８を流れる流通ガスに含まれる測定対象の物質（Ｈ２Ｏ、Ｈ２を変換した物質）の濃度を算出する。
【００３４】
水素濃度計測装置１０は、光源６０から出力された近赤外波長域のレーザ光が、光ファイバ６２ａから第１セル３０に入射し、第１セル３０の内部を通過して、第１受光部７０に到達する。このとき、第１セル３０内の流通ガス中にＨ２Ｏが含まれていると、第１セル３０を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光は、流通ガス中のＨ２Ｏの濃度によって、第１受光部７０に到達するレーザ光の出力が変化する。第１受光部７０は、受光したレーザ光を受光信号に変換し、制御装置２６に出力する。また、光源６０は、光ファイバ６２ａに出力したレーザ光の強度を制御装置２６に出力する。制御装置２６は、光源６０から出力した光の強度と、受光信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から第１セル３０内を流れる流通ガスのＨ２Ｏの濃度を算出する。第１セル３０内を流れる流通ガスのＨ２Ｏの濃度は、第１セル３０に流入する前から含まれるＨ２Ｏ（共存ガス）と、触媒メッシュ３８の通過時に水素が変換されるＨ２Ｏの両方を含む。
【００３５】
また、水素濃度計測装置１０は、第１セル３０と同様の方法で、第２セル３２を流れる流通ガスのＨ２Ｏの濃度を算出する。水素濃度計測装置１０は、光源６０から出力された近赤外波長域のレーザ光が、光ファイバ６２ｂから第２セル３２に入射し、第２セル３２の内部を通過して、第２受光部７２に到達する。このとき、第２セル３２内の流通ガス中にＨ２Ｏが含まれていると、第２セル３２を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光は、流通ガス中のＨ２Ｏの濃度によって、第２受光部７２に到達するレーザ光の出力が変化する。第２受光部７２は、受光したレーザ光を受光信号に変換し、制御装置２６に出力する。また、光源６０は、光ファイバ６２ｂに出力したレーザ光の強度を制御装置２６に出力する。制御装置２６は、光源６０から出力した光の強度と、受光信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から第２セル３２内を流れる流通ガスのＨ２Ｏの濃度を算出する。第２セル３２内を流れる流通ガスのＨ２Ｏの濃度は、第２セル３２に流入する前から含まれるＨ２Ｏ（共存ガス）を含む。
【００３６】
水素濃度計測装置１０は、いわゆるＴＤＬＡＳ方式（Tunable  Diode  Laser  Absorption  Spectroscopy：可変波長ダイオードレーザー分光法）を用い、出力したレーザ光の強度と、受光部で検出した受光信号とに基づいて第１セル３０内、第２セル３２内の所定位置、つまり、測定位置を通過する流通ガス中のＨ２Ｏの濃度を、算出及び／または計測する。また、水素濃度計測装置１０は、連続的にＨ２Ｏの濃度を、算出及び／または計測することができる。
【００３７】
水素濃度計測装置１０は、第１セル３０の計測結果と第２セル３２の計測結果に基づいて計測対象空間８の水素の濃度を計測する。
【００３８】
次に、水素濃度計測装置１０の動作を説明する。ここで、図５は、水素濃度計測装置の動作を説明するフロー図である。なお、図５に示す処理は、制御装置２６が各部の動作を制御することで実現することができる。まず、水素濃度計測装置１０は、計測セルユニット２０と計測セルユニット２０と繋がっている部分を計測対象空間８に配置する。その後、配管６に光ファイバ６２ａ、６２ｂ、配線を挿入し挿入部分にシール機構８０を設ける。このようにして、計測対象空間８に計測セルユニット２０を配置したら、計測を開始する。
【００３９】
水素濃度計測装置１０の制御装置２６は、上述したように第１セル３０に出力するレーザ光の出力を取得し（ステップＳ１２）、第１受光部７０での計測結果を取得し（ステップＳ１４）、ステップＳ１２とステップＳ１４で取得した情報及び予め設定された条件等に基づいて、第１セル３０のＨ２Ｏの濃度（第１計測値）を算出する（ステップＳ１６）。
【００４０】
水素濃度計測装置１０の制御装置２６は、ステップＳ１２からステップＳ１６の処理と並行して、第２セル３２に出力するレーザ光の出力を取得し（ステップＳ２２）、第２受光部７２での計測結果を取得し（ステップＳ２４）、ステップＳ２２とステップＳ２４で取得した情報及び予め設定された条件等に基づいて、第２セル３２のＨ２Ｏの濃度（第２計測値）を算出する（ステップＳ２６）。
【００４１】
水素濃度計測装置１０の制御装置２６は、第１セル３０のＨ２Ｏの濃度（第１計測値）と、第２セル３２のＨ２Ｏの濃度（第２計測値）との差分に基づいて、計測対象空間８の水素濃度を算出する（ステップＳ３０）。ステップＳ１６で計測した第１計測値と、ステップＳ２６で計測した第２計測値との差分により、流通ガスに含まれる水素の計測値を算出する。つまり、流通ガスに含まれる測定対象の水素に由来するＨ２Ｏと、共存ガスとを合計した濃度から、共存ガスの濃度を引くことで、流通ガスに含まれる水素に由来するＨ２Ｏの濃度を算出することができる。
【００４２】
水素濃度計測装置１０は、以上のように、第１セル３０を流れる、測定対象の水素を触媒メッシュ３８により酸化した流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測し、さらに、第２セル３２を流れる、測定対象の水素を酸化していない流通ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を計測し、差分をとることで、測定対象の水素の濃度を算出することができる。
【００４３】
また、水素濃度計測装置１０は、第１セル３０と第２セル３２とを有する計測セルユニット２０を用いることで、計測対象空間８に水素濃度を計測する機構を設置することができる。これにより、計測対象空間８から流通ガスをサンプリング管等で抽出する必要が無くなり、種々の場所に設置が可能となる。また、流通ガスの流れを利用して、つまり自然対流で、計測セルユニット２０内に測定対象のガスを流すことで、装置構成も簡単にすることができる。また、対流を発生させる機構が水素に悪影響を与えることを抑制することができる。
【００４４】
また、計測セルユニット２０は、第１セル３０と第２セル３２とを隣接させることで、計測対象空間８内でガスの成分のばらつきがあった場合も、近傍で比較できるため、計測精度を高くすることができる。また、計測セルユニット２０は、第１セル３０と第２セル３２とを隣接し、かつ隣接している面に板を配置し、Ｈ２Ｏが通過しない構造とすることで、第１セル３０を通過したガスが第２セル３２に流入することあるいはその逆の状態が発生することを抑制することができる。これにより計測精度を高くすることができる。
【００４５】
また、計測セルユニット２０は、第２セル３２に非触媒メッシュ４０を設けることで、第２セル３２に流入する流通ガスの量と、第１セル３０に流入する流通ガスの量との差を小さくすることができる。これにより、同様の状態の流通ガスを流入し、流出させることができ計測精度を高くすることができる。
【００４６】
また、水素濃度計測装置１０は、測定対象の水素の酸化物（水素を変換したＨ２Ｏ）の吸収波長域の近赤外波長域のレーザ光を照射し、当該Ｈ２Ｏにより吸収される強度を検出することで、短時間で、かつ、高い精度で水素の濃度を計測することができる。
【００４７】
また、測定対象の水素を酸化し、酸化物として測定することで、近赤外波長域に吸収波長がない水素の濃度を、半導体レーザ吸収分光法を用いて計測することが可能となる。また、本実施形態のように、測定対象の物質の近赤外波長域の光を用いた計測ができることで、高精度での計測を行うことができる。
【００４８】
さらに、近赤外波長域のレーザ光を用いる計測では、測定対象の酸化物以外の成分が混在した状態であっても、測定対象の酸化物の濃度を適切に測ることができる。つまり、測定対象の酸化物以外の成分がノイズとなりにくくすることができる。これにより、フィルタや、除湿の工程をなくすまたは少なくすることができ、配管６から流通ガスを吸引してから、計測を行い、計測結果を算出するまでの時間を短時間にすることができる。つまり、計測の時間遅れを少なくすることができる。これにより、応答性を高くすることができる。
【００４９】
また、水素濃度計測装置１０は、流通ガスに含まれる共存ガス、つまり、流通ガスに元々含まれているＨ２Ｏの濃度も計測することができる。これにより、流通ガスに含まれる水素と、Ｈ２Ｏとの比も算出することができる。
【００５０】
ここで、水素濃度計測装置１０は、計測セルユニット２０に温度を検出する温度検出部を設けることが好ましい。制御装置２６は、温度検出部で検出した温度を加味して、水素の濃度を計測することが好ましい。触媒メッシュ３８は、流通ガスの温度が高い場合、水素以外の炭化水素もＨ２Ｏに変換してしまう。そのため、水素濃度計測装置１０は、温度に応じて、計測結果を調整することで、水素濃度を高い精度で計測することができる。なお、水素濃度計測装置１０は、温度が高い場合、水素濃度の計測を停止するようにしてもよい。
【００５１】
ここで、水素濃度計測装置は、上記実施形態に限定されず、種々の実施形態とすることができる。以下、図６から図１１を用いて、他の実施形態について説明する。
【００５２】
［実施形態２］
図６は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図７は、図６に示す水素濃度計測装置のＣ−Ｃ線断面図である。水素濃度計測装置１０ａは、受光ユニット２４ａの受光部を配管６の外に設け、受光した光を光ファイバで案内する点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置１０と同様である。そこで、水素濃度計測装置１０と同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置１０ａに特有の点について説明する。図６及び図７に示す水素濃度計測装置１０ａは、計測セルユニット２０と、発光ユニット２２と、受光ユニット２４ａと、を有する。
【００５３】
受光ユニット２４ａは、光ファイバ９０ａ、９０ｂと、ファイバ支持部９２ａ、９２ｂと、受光部９４と、を有する。受光ユニット２４ａは、光ファイバ９０ａとファイバ支持部９２ａと受光部９４との組み合わせが第１受光部となり、光ファイバ９０ｂとファイバ支持部９２ｂと受光部９４との組み合わせが第２受光部となる。光ファイバ９０ａは、一方の端部が第１セル３０の第１入光部６１ａの光ファイバ６２ａが配置されている面と対面する面に配置され、他方の面が受光部９４に連結されている。ファイバ支持部９２ａは、第１セル３０に固定されており、光ファイバ９２ａの端部を第１セル３０の所定位置に固定している。光ファイバ９０ｂは、一方の端部が第２セル３２の第２入光部６１ｂの光ファイバ６２ｂが配置されている面と対面する面に配置され、他方の面が受光部９４に連結されている。ファイバ支持部９２ｂは、第２セル３２に固定されており、光ファイバ９０ｂの端部を第２セル３２の所定位置に固定している。
【００５４】
受光部９４は、配管６の外側に配置され、光ファイバ９０ａ、９０ｂで案内されたレーザ光を受光し、レーザ光の強度を検出する。受光部９４は、レーザ光の強度の信号を制御装置２６ａに出力する。受光ユニット２４は、受光部９４が配管６の外に設置されており、光ファイバ９０ａ、９０ｂは、それぞれシール機構８０が設けられた配管６の穴に挿入されている。
【００５５】
このように、水素濃度計測装置１０ａは、受光部９４を配管６の外に配置し、受光した光を光ファイバ９０ａ、９０ｂで案内することで、計測対象空間８内に配置する計測セルユニット２０の近傍の装置構成を小型化することができる。これにより、計測対象空間８の内部により配置しやすくなる。
【００５６】
［実施形態３］
図８は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。水素濃度計測装置１０ｂは、受光ユニット２４ｂで検出した受信信号を無線通信で出力する点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置１０と同様である。そこで、水素濃度計測装置１０と同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置１０ｂに特有の点について説明する。図８に示す水素濃度計測装置１０ｂは、計測セルユニット２０と、発光ユニット２２と、受光ユニット２４ｂと、を有する。
【００５７】
受光ユニット２４ｂは、第１受光部７０と、第２受光部７２と、信号発信装置１１０と、信号受信装置１１４と、を有する。信号発信装置１１０は、第１受光部７０と第２受光部７２に隣接して配置され、第１受光部７０と第２受光部７２で検出した信号を無線通信で発信する。信号受信装置１１４は、配管６の外側に配置され、信号発信装置１１０から出力された無線信号を受信する。信号受信装置１１４は、受信したレーザ光の強度の信号を制御装置２６ｂに出力する。
【００５８】
水素濃度計測装置１０ｂは、第１受光部７０、第２受光部７２で受光したレーザ光の強度の信号を無線通信で出力することで、配線を用いずに受光したレーザ光の強度の信号を制御装置２６ｂに出力することができる。これにより、配管８に設ける穴を少なくすることで、配管８に設けるシール機構８０を少なくすることができる。また、シール機構８０を少なくすることで、水素を含有している可能性のある流通ガスが流出する恐れを低減することができる。また、水素濃度計測装置１０ｂを設けるための安全装置を少なくすることができる。
【００５９】
［実施形態４］
図９は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。水素濃度計測装置１０ｃは、計測セルユニット２０を複数設け、計測セルユニット２０に合わせて発光ユニット２２ｃと受光ユニット２４ｃを設けた点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置１０ｂと同様である。そこで、水素濃度計測装置１０ｂと同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置１０ｃに特有の点について説明する。図９に示す水素濃度計測装置１０ｃは、複数の計測セルユニット２０と、複数の発光ユニット２２ｃと、受光ユニット２４ｂと、を有する。水素濃度計測装置１０ｃは、制御装置２６ｃと、光源１３０と、信号受信装置１４０とを複数の発光ユニット２２ｃと複数の受光ユニット２４ｂに対して共通する装置として設けている。
【００６０】
発光ユニット２２ｃは、光源１３０と、光ファイバ１３２と、分岐部１３４と、光ファイバ６２ａ、６２ｂと、ファイバ支持部６４ａ、６４ｂとを有する。光源１３０と、光ファイバ１３２と、分岐部１３４と、は、複数の発光ユニット２２ｃに共通である。光ファイバ６２ａ、６２ｂと、ファイバ支持部６４ａ、６４ｂは、発光ユニット２２ｃの各部と同様である。
【００６１】
光ファイバ１３２は、光源１３０から出力されたレーザ光を分岐部１３４に導く。ここで、発光ユニット２２ｃは、光源１３０が配管６の外に配置され、分岐部１３４が配管６の中に配置されている。光ファイバ１３２は、配管６に挿入され、挿入部分がシール機構でシールされている。分岐部１３４は、光ファイバ１３２及び複数の発光ユニット２２ｃの光ファイバ６２ａ、６２ｂが接続されている。分岐部１３４は、光ファイバ１３２から出力されたレーザ光を光ファイバ６２ａ、６２ｂのそれぞれに分岐して出力する。
【００６２】
水素濃度計測装置１０ｃは、複数の計測セルユニット２０を設けることで、計測対象空間８の複数個所の水素濃度を同時に計測することができる。また、分岐部１３４を配管６の中に設けることで、配管６に挿入する光ファイバの数を少なくすることができる。これにより、装置をより安全にすることができ、設置しやすくすることができる。
【００６３】
［実施形態５］
図１０は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。水素濃度計測装置１０ｄは、発光ユニット２２ｄのレーザ光を発光する装置を計測セルユニット２０に設けた点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置１０ｂと同様である。そこで、水素濃度計測装置１０ｂと同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置１０ｄに特有の点について説明する。図１０に示す水素濃度計測装置１０ｄは、計測セルユニット２０と、発光ユニット２２ｄと、受光ユニット２４ｂと、を有する。
【００６４】
発光ユニット２２ｄは、第１発光部１５２と、第２発光部１５４と、発光部制御装置１５６と、を有する。第１発光部１５２は、第１セル３０に固定されており、第１セル３０にＨ２Ｏの測定に用いるレーザ光を出力する。第２発光部１５４は、第２セル３２に設けられており、第２セル３２にＨ２Ｏの測定に用いるレーザ光を出力する。なお、第１発光部１５２、第２発光部１５４は、電源を備えており、電源に充電されている電力で駆動される。発光部制御装置１５６は、第１発光部１５２と第２発光部１５４と無線通信を行い、第１発光部１５２と第２発光部１５４の動作を制御する。発光部制御装置１５６は、第１発光部１５２と第２発光部１５４から第１セル３０、第２セル３２に出力するレーザ光の強度の情報を制御装置２６ｄに出力する。
【００６５】
水素濃度計測装置１０ｄは、レーザ光を出力する装置を計測セルユニット２０に一体に設けることで、計測セルユニット２０の周囲の機構と制御装置２６ｄとを切り離すことができる。これにより、計測セルユニット２０を設置する際に、配管６に穴を開ける必要が無くなり、より安全に設置することが可能となる。
【００６６】
［実施形態６］
図１１は、水素濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。水素濃度計測装置１０ｅは、発光ユニット２２ｅのレーザ光を発光する装置を２つのセルに対して１つの装置とした点を除いて、他の構成は、基本的に水素濃度計測装置１０ｄと同様である。そこで、水素濃度計測装置１０ｄと同様の構成には、同様の符号を付して説明を省略し、水素濃度計測装置１０ｅに特有の点について説明する。図１１に示す水素濃度計測装置１０ｅは、計測セルユニット２０と、発光ユニット２２ｅと、受光ユニット２４ｂと、を有する。
【００６７】
発光ユニット２２ｅは、光源１７０と、光分配器１７２と、発光部制御装置１７４と、を有する。光源１７０は、光分配器１７２とともに計測セルユニット２０に固定されている。光源１７０は、Ｈ２Ｏの測定に用いるレーザ光を出力する。なお、光源１７０は、電源を備えており、電源に充電されている電力で駆動される。光分配器１７２は、第１セル３０と第２セル３２に固定されており、光源１７０から出力されたＨ２Ｏの測定に用いるレーザ光を第１セル３０と第２セル３２のそれぞれに入射させる。発光部制御装置１７４は、光源１７０と無線通信を行い、光源１７０の動作を制御する。発光部制御装置１７４は、光源１７９から第１セル３０、第２セル３２に出力するレーザ光の強度の情報を制御装置２６ｅに出力する。
【００６８】
水素濃度計測装置１０ｅは、レーザ光を出力する装置を計測セルユニット２０に一体に設けることで、計測セルユニット２０の周囲の機構と制御装置２６ｅとを切り離すことができる。これにより、計測セルユニット２０を設置する際に、配管６に穴を開ける必要が無くなり、より安全に設置することが可能となる。また、レーザ光を出力する光源を共通化することで、装置をより簡略化することができる。
【００６９】
ここで、本発明は上記実施形態にも限定されず、種々の形態とすることができる。例えば、各実施形態を組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
６  配管
８  計測対象空間
１０  水素濃度計測装置
２０  計測セルユニット
２２  発光ユニット
２４  受光ユニット
２６  制御装置
３０  第１セル
３２  第２セル
３４、３６  箱
３８  触媒メッシュ
４０  非触媒メッシュ
５２、５４、５６、５８  開口
６０  光源
６１ａ  第１入光部
６１ｂ  第２入光部
６２ａ、６２ｂ  光ファイバ
６４ａ、６４ｂ  ファイバ支持部
７０  第１受光部
７２  第２受光部
８０  シール機構
【図１】
2015137870.tif 000003
【図２】
2015137870.tif 000004
【図３】
2015137870.tif 000005
【図４】
2015137870.tif 000006
【図５】
2015137870.tif 000007
【図６】
2015137870.tif 000008
【図７】
2015137870.tif 000009
【図８】
2015137870.tif 000010
【図９】
2015137870.tif 000011
【図１０】
2015137870.tif 000012
【図１１】
2015137870.tif 000013