(57)【要約】【課題】バンドパスフィルタを用いることなく、１つの光源を用いて簡易な構造で検出感度維持しつつ、複数の成分を含むガスを分析する。【解決手段】分析対象のガスが内部に導入されるセルと、セルの外側にてセルの一端側に配置され、セルに向けて光を照射する光源と、セルの他端側に配置され、光源から照射されてセルを通過した光を分光する分光部１４０と、分光部１４０により分光された光の強度を検出する光検出器１７０とを備える。分光部１４０は、光源から照射された光に含まれる波長の異なる複数の光の各々が、セルを通過する光の光軸Ａと交差する仮想直線Ｍ上にて焦点を結ぶようにセルを通過した光を分光する。【選択図】図２
2016217731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析対象のガスが内部に導入されるセルと、
前記セルの外側にて前記セルの一端側に配置され、前記セルに向けて光を照射する光源と、
前記セルの他端側に配置され、前記光源から照射されて前記セルを通過した光を分光する分光部と、
前記分光部により分光された光の強度を検出する光検出器とを備え、
前記分光部は、前記光源から照射された光に含まれる波長の異なる複数の光の各々が、前記セルを通過する光の光軸と交差する仮想直線上にて焦点を結ぶように前記セルを通過した光を分光する、ガス分析装置。
【請求項２】
前記光検出器は、前記仮想直線上を移動可能な光検出素子を有する、請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項３】
前記光源と前記セルとの間に配置され、前記光源から照射された光を集光して前記セル内に進入させる集光レンズをさらに備える、請求項１または請求項２に記載のガス分析装置。
【請求項４】
前記分光部がレンズからなり、
前記レンズの光軸は、前記セルを通過する光の光軸と斜めに交差する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス分析装置。
【請求項５】
前記分光部がプリズムからなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分析装置に関し、特に、複数の成分を含むガスを分析するガス分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
油入電気機器の絶縁物の劣化度合いを、ガス分析装置を用いて判定する手法がある。具体的には、油入電気機器において放電または過熱が発生した場合、油入電気機器の内部の絶縁油または絶縁紙などの絶縁物が、放電または過熱による熱エネルギーによって分解して炭化水素などのガスが発生する。発生したガスは、絶縁油に溶解する。よって、絶縁油に溶解しているガスを抽出し、ガスに含まれる成分の濃度を分析することにより、油入電気機器の絶縁物の劣化度合いを判定することができる。
【０００３】
ガスに含まれる成分の濃度を測定する手法の一つとして、光を測定対象のガスに照射し、ガスを透過した際の吸光度からガスに含まれる成分の濃度を測定する吸光光度分析法がある。吸光度を測定するためには分光光度計が必要である。分光光度計は、測定対象のガスを封止する試料セルと光源とを備えている。光源から照射された光は、試料セルに封止されたガスを透過する。
【０００４】
吸光度測定装置の構成を開示した先行文献として、特開平０３−１７９２４０号公報(特許文献１)、特開平０２−０４２３３７号公報(特許文献２)、特開平０９−２８１０３３号公報(特許文献３)、および、特開２０１２−０４２３４１号公報(特許文献４)がある。
【０００５】
特許文献１に記載された吸光度測定装置においては、試料セルにおける光の入射端および出射端の少なくとも一方にレンズを配置して、光を集光している。試料セルの両端にレンズまたは窓を配置することによって、試料セルの内部にガスを封入することが可能となっている。光源としては、紫外から近赤外までの波長範囲に亘って電磁輻射を放射するランプが用いられている。このため、複数の成分を含むガスを分析する場合には、特定の波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタが必要となる。
【０００６】
特許文献２に記載された吸光度測定装置においては、試料セルの両端にレンズを配置して、光を集光している。試料セルの両端にレンズを配置することによって、試料セルの内部にガスを封入することが可能となっている。光源としては、ジュウテリウムアークランプが用いられている。このため、複数の成分を含むガスを分析する場合には、特定の波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタが必要となる。
【０００７】
特許文献３に記載された吸光度測定装置においては、試料セルの両端に窓を配置して、試料セルに光ファイバを用いて光を照射している。試料セルの両端に窓を配置することによって、試料セルの内部にガスを封入することが可能となっている。光源としては、ガスの複数の成分の各々の吸収波長に対応した波長の光を照射可能なレーザが用いられている。このため、バンドパスフィルタは不要であるが、複数のレーザ光源が必要となる。
【０００８】
特許文献４に記載された吸光度測定装置においては、試料セルの両端に窓を配置している。試料セルの両端に窓を配置することによって、試料セルの内部にガスを封入することが可能となっている。光源としては、ＳｉＣランプが用いられている。このため、複数の成分を含むガスを分析する場合には、特定の波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０３−１７９２４０号公報
【特許文献２】特開平０２−０４２３３７号公報
【特許文献３】特開平０９−２８１０３３号公報
【特許文献４】特開２０１２−０４２３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献３，４に記載された吸光度測定装置のように、試料セルの両端に窓を配置した場合、光源の種類によっては窓を通過した光が拡散して、光検出器に到達する光の光量が不足し、十分な検出感度が得られない可能性がある。特許文献１，２に記載された吸光度測定装置のように、試料セルにおける光の入射端および出射端の少なくとも一方にレンズを配置した場合、レンズを通過した光を集光して、光検出器に到達する光の光量を確保することができる。
【００１１】
油入電気機器の絶縁物の劣化度合いを判定する際には、複数の成分を含むガスを分析する。複数の成分を含むガスを分析するには、複数の成分の各々の吸収波長に対応した波長の光を照射する必要がある。照射する光の波長帯域を変更する方法としては、レーザまたはＬＥＤ(light emitting diode)などの特定の波長の光を照射可能な光源を複数設置し、それらを切り替えて用いる方法と、特定の波長帯域の光のみを通過させる複数のバンドパスフィルタを切り替えて用いる方法とがある。
【００１２】
バンドパスフィルタによって照射する光の波長帯域を変更する場合は、バンドパスフィルタ自体の光の透過率が７０％〜９０％程度であるため、バンドパスフィルタを通過した光の光量は１０％〜３０％程度低下する。
【００１３】
また、レンズには収差があり、光軸に対して垂直にレンズを配置した場合、光の波長によって焦点距離が変わるため、特定の波長の光以外の光の最大光量を測定することができない。レンズの収差を補正する方法として、複数のレンズを組み合わせて用いる方法が知られている。しかしながら、複数のレンズを組み合わせて用いる場合、装置設計が複雑になり、部品点数が増加し、装置が大型化するとともにコストアップとなる。
【００１４】
バンドパスフィルタをレンズの後方に配置する場合には、バンドパスフィルタの厚みおよびバンドパスフィルタ切換器の厚さを考慮する必要があり、レンズの焦点距離より長いスペースが必要になることがある。この場合も検出器に到達する光の光量が減少する。
【００１５】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、バンドパスフィルタを用いることなく、１つの光源を用いて簡易な構造で検出感度維持しつつ、複数の成分を含むガスを分析できる、ガス分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に基づくガス分析装置は、分析対象のガスが内部に導入されるセルと、セルの外側にてセルの一端側に配置され、セルに向けて光を照射する光源と、セルの他端側に配置され、光源から照射されてセルを通過した光を分光する分光部と、分光部により分光された光の強度を検出する光検出器とを備える。分光部は、光源から照射された光に含まれる波長の異なる複数の光の各々が、セルを通過する光の光軸と交差する仮想直線上にて焦点を結ぶようにセルを通過した光を分光する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光源から照射された光に含まれる波長の異なる複数の光の各々が、セルを通過する光の光軸と交差する仮想直線上にて焦点を結ぶように、セルを通過した光を分光部が分光するため、バンドパスフィルタを用いることなく、１つの光源を用いて簡易な構造で検出感度維持しつつ、複数の成分を含むガスを分析できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態１に係るガス分析装置の構成を示す正面図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るガス分析装置の分光部にて光が分光されている状態を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るガス分析装置の光源が照射する赤外線の波長分布を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態２に係るガス分析装置の分光部にて光が分光されている状態を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係るガス分析装置の構成を示す正面図である。
【図６】本発明の実施形態３に係るガス分析装置の集光レンズにて光が集光されている状態を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態４に係るガス分析装置の構成を示す正面図である。
【図８】本発明の実施形態４に係るガス分析装置の分光部にて光が分光されている状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の各実施形態に係るガス分析装置について図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００２０】
(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係るガス分析装置の構成を示す正面図である。図２は、本発明の実施形態１に係るガス分析装置の分光部にて光が分光されている状態を示す断面図である。
【００２１】
図１，２に示すように、本発明の実施形態１に係るガス分析装置１００は、分析対象のガスが内部に導入されるセル１１０と、セル１１０の外側にてセル１１０の一端側に配置され、セル１１０に向けて光１０を照射する光源１５０と、セル１１０の他端側に配置され、光源１５０から照射されてセル１１０を通過した光１０を分光する分光部１４０と、分光部１４０により分光された光の強度を検出する光検出器１７０とを備える。
【００２２】
セル１１０は、中空ファイバからなる本体部１１１と、本体部１１１の一端に設けられた入射端１１２と、本体部１１１の他端に設けられた出射端１１３とを含む。
【００２３】
入射端１１２には、光源１５０から照射された光１０を透過させる窓１３０が取り付けられている。入射端１１２は、分析対象のガスをセル１１０から排気するための排気管１２２と接続されている。
【００２４】
出射端１１３には、分光部１４０であるレンズが取り付けられている。レンズの光軸Ｃが、セル１１０を通過する光１０の光軸Ａと斜めに交差するように、レンズが出射端１１３に取り付けられている。レンズは、球面平凸レンズであり、直径は、たとえば、１０ｍｍである。レンズの平面部が、出射端１１３に接している。出射端１１３は、分析対象のガスをセル１１０に導入するための導入管１２１と接続されている。
【００２５】
たとえば、油入電気機器の絶縁油から抽出された分析対象のガスが、導入管１２１から矢印１で示すように出射端１１３に流入する。出射端１１３に流入したガスは、本体部１１１を矢印２で示すように入射端１１２に向かって流動する。入射端１１２に到達したガスは、矢印３で示すように排気管１２２から排気される。このように、分析対象のガスがセル１１０の内部を流動可能なように、ガス流路が構成されている。
【００２６】
窓１３０および分光部１４０の各々は、ガス流路と接している。セル１１０の一端側に窓１３０を配置し、セル１１０の他端側にレンズを配置することにより、セル１１０の内部にガスを封入することが可能となっている。導入管１２１からのガスの導入、および、排気管１２２からのガスの排気の各々を停止することにより、セル１１０の内部にガスを封入することができる。ガス分析装置１００にてガスに含まれる成分を分析する際には、セル１１０の内部にガスを封入した状態で分析を行なう。
【００２７】
本実施形態においては、光源１５０は、フィラメントを有し、分析対象のガスの複数の成分の各々の吸収波長帯域をカバーする波長帯域の赤外線を照射する。図３は、本発明の実施形態１に係るガス分析装置の光源が照射する赤外線の波長分布を示すグラフである。図３においては、縦軸に光の相対強度、横軸に光の波長を示している。図３に示すように、光源１５０は、たとえば、分析対象のガスの３成分の各々の吸収波長帯域Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３をカバーする波長帯域の赤外線を照射する。なお、分析対象のガスに含まれる成分は３種類に限られない。
【００２８】
本実施形態においては、光源１５０と窓１３０との間に、チョッパ１６０が配置されている。光源１５０から照射された光１０は、チョッパ１６０を通過して、窓１３０からセル１１０内に進入する。なお、チョッパ１６０の配置は、光源１５０と窓１３０との間に限られず、分光部１４０と光検出器１７０との間でもよい。チョッパ１６０を通過した光１０を用いてガス分析することにより、光検出器１７０の検出出力のＳ／Ｎ比を高めることができる。
【００２９】
分光部１４０は、セル１１０を通過した光１０を、波長ごとに分光する。具体的には、セル１１０を通過した光１０は、セル１１０を通過する光１０の光軸Ａと斜めに交差する光軸Ｃを有するレンズによって集光される。レンズには収差があるため、光の波長によって集光される場所が異なる。
【００３０】
よって、光源１５０から照射された光１０に含まれる波長の異なる複数の光の各々は、図２に示すように、セル１１０を通過する光１０の光軸Ａと交差する仮想直線Ｍ上にて焦点を結ぶように分光される。
【００３１】
たとえば、吸収波長帯域Ｔ１に含まれる波長の光１０は、分光部１４０を通過する際に屈折して光１１に分光されて焦点位置Ｂ１にて焦点を結ぶ。吸収波長帯域Ｔ２に含まれる波長の光１０は、分光部１４０を通過する際に屈折して光１２に分光されて焦点位置Ｂ２にて焦点を結ぶ。吸収波長帯域Ｔ３に含まれる波長の光１０は、分光部１４０を通過する際に屈折して光１３に分光されて焦点位置Ｂ３にて焦点を結ぶ。焦点位置Ｂ１〜Ｂ３は、仮想直線Ｍ上で互いに間隔を置いて並んでいる。
【００３２】
光検出器１７０は、光検出素子１７１を有する。本実施形態においては、光検出素子１７１は、仮想直線Ｍに沿って延在し、焦点位置Ｂ１〜Ｂ３の全ての位置で検出可能な大きさを有している。光検出素子１７１は、半導体型のテルル化カドミウム水銀、または、焦電型の硫酸トリグリシンなどを含む光電変換素子である。光検出素子１７１において仮想直線Ｍに沿う長さは、たとえば、５ｍｍである。
【００３３】
光検出器１７０は、光検出素子１７１の仮想直線Ｍ上における検出光量の分布を把握可能に構成されている。具体的には、光検出器１７０は、焦点位置Ｂ１〜Ｂ３の各々における検出光量を把握することができる。
【００３４】
セル１１０を通過した光１０に含まれる波長の異なる複数の光の各々の強度を光検出器１７０により測定することによって得られる、ガスに含まれる複数の成分の各々による吸光度から、ガスに含まれる複数の成分の各々の濃度を算出することができる。
【００３５】
油入電気機器の絶縁油から抽出された分析対象のガスには、たとえば、Ｃ2Ｈ2、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ2Ｈ4、ＣＯ、ＣＯ2などが含まれる。吸収波長帯域は、Ｃ2Ｈ2は３μｍ〜３．１μｍ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6およびＣ2Ｈ4の各々は３．２μｍ〜３．５μｍ、ＣＯは４．６μｍ〜４．８μｍ、ＣＯ2は４．２μｍ〜４．４μｍである。
【００３６】
Ｃ2Ｈ2は、放電によって絶縁油が分解した際に主に発生する。ＣＨ4およびＣ2Ｈ6の各々は、通常の運転時にもわずかながら発生し、放電または過熱が発生した異常時には急激に発生する。Ｃ2Ｈ4は、過熱によって絶縁油が分解した際に主に発生する。ＣＯおよびＣＯ2は、放電または過熱によって絶縁紙が分解した際に主に発生する。
【００３７】
よって、ガスに含まれる複数の成分の各々の濃度を算出することにより、油入電気機器における放電または過熱の発生の有無、および、油入電気機器の絶縁物の劣化度合いを判定することができる。
【００３８】
本実施形態に係るガス分析装置１００においては、光源１５０から照射された光１０に含まれる波長の異なる複数の光の各々が、セル１１０を通過する光１０の光軸Ａと交差する仮想直線Ｍ上にて焦点を結ぶように、セル１１０を通過した光１０を分光部１４０が分光するため、バンドパスフィルタを用いることなく、１つの光源１５０を用いて簡易な構造で検出感度維持しつつ、複数の成分を含むガスを分析できる。
【００３９】
バンドパスフィルタを用いることなく光検出器１７０によって、焦点位置Ｂ１〜Ｂ３の各々における検出光量を把握することにより、バンドパスフィルタの透過率に応じて光検出器１７０の検出光量が低下することを抑制できるため、ガス分析装置１００の高感度化を図ることができる。さらに、バンドパスフィルタの厚さおよびバンドパスフィルタ切換器の厚さによってレンズの焦点距離が制限されることがないため、最適な焦点距離を有するレンズを用いることができる。これによっても、ガス分析装置１００の高感度化を図ることができる。
【００４０】
(実施形態２)
以下、本発明の実施形態２に係るガス分析装置について説明する。なお、本実施形態に係るガス分析装置は、光検出素子が移動可能に設けられている点のみ実施形態１に係るガス分析装置１００と異なるため、実施形態１に係るガス分析装置１００と同様である構成については同一の参照符号を付してその説明を繰り返さない。
【００４１】
図４は、本発明の実施形態２に係るガス分析装置の分光部にて光が分光されている状態を示す断面図である。図４に示すように、本発明の実施形態２に係るガス分析装置においては、光検出器１７０は、仮想直線Ｍ上を移動可能な光検出素子１７１ａを有する。光検出素子１７１ａにおいて仮想直線Ｍに沿う長さは、たとえば、１ｍｍである。光検出素子１７１ａは、矢印４で示すように仮想直線Ｍに沿って、２ｍｍ程度移動可能に構成されている。光検出器１７０を移動させる移動機構としては、公知の移動機構を用いることができる。
【００４２】
光検出器１７０は、光検出素子１７１ａを仮想直線Ｍに沿って移動させることにより、仮想直線Ｍ上における検出光量の分布を把握可能に構成されている。具体的には、光検出器１７０は、焦点位置Ｂ１〜Ｂ３の各々における検出光量を把握することができる。
【００４３】
本実施形態に係るガス分析装置においても、光源１５０から照射された光１０に含まれる波長の異なる複数の光の各々が、セル１１０を通過する光１０の光軸Ａと交差する仮想直線Ｍ上にて焦点を結ぶように、セル１１０を通過した光１０を分光部１４０が分光するため、バンドパスフィルタを用いることなく、１つの光源１５０を用いて簡易な構造で検出感度維持しつつ、複数の成分を含むガスを分析できる。
【００４４】
(実施形態３)
以下、本発明の実施形態３に係るガス分析装置について説明する。なお、本実施形態に係るガス分析装置は、窓に替えて集光レンズが設けられている点のみ実施形態１に係るガス分析装置１００と異なるため、実施形態１に係るガス分析装置１００と同様である構成については同一の参照符号を付してその説明を繰り返さない。
【００４５】
図５は、本発明の実施形態３に係るガス分析装置の構成を示す正面図である。図６は、本発明の実施形態３に係るガス分析装置の集光レンズにて光が集光されている状態を示す断面図である。
【００４６】
図５，６に示すように、本発明の実施形態３に係るガス分析装置２００においては、入射端１１２には、光源１５０から照射された光を集光させる集光レンズ２４１が取り付けられている。集光レンズ２４１は、球面平凸レンズであり、直径は、たとえば、１０ｍｍである。集光レンズ２４１の平面部が、出射端１１３に接している。集光レンズ２４１の光軸は、セル１１０を通過する光１０の光軸Ａと一致している。
【００４７】
集光レンズ２４１によって集光された光１４は、入射端１１２から本体部１１１内に進入し本体部１１１内に進入した光１５は、本体部１１１内にて全反射を繰り返しつつ出射端１１３に向かう。
【００４８】
光源１５０から照射された光１０を集光レンズ２４１によって集光してセル１１０内に進入させることにより、光検出器１７０の検出光量を増加させることができる。これにより、ガス分析装置１００の高感度化を図ることができる。
【００４９】
(実施形態４)
以下、本発明の実施形態４に係るガス分析装置について説明する。なお、本実施形態に係るガス分析装置は、分光部としてレンズに替えてプリズムが設けられている点のみ実施形態１に係るガス分析装置１００と異なるため、実施形態１に係るガス分析装置１００と同様である構成については同一の参照符号を付してその説明を繰り返さない。
【００５０】
図７は、本発明の実施形態４に係るガス分析装置の構成を示す正面図である。図８は、本発明の実施形態４に係るガス分析装置の分光部にて光が分光されている状態を示す断面図である。
【００５１】
図７，８に示すように、本発明の実施形態４に係るガス分析装置３００においては、分光部３４０は、プリズムである。プリズムの一面が出射端１１３に接している。このプリズムの一面は、セル１１０を通過する光１０の光軸Ａに垂直である。プリズムの他の一面は、セル１１０を通過する光１０の光軸Ａと斜めに交差している。
【００５２】
セル１１０を通過した光１０は、プリズムの一面からプリズム内に進入し、プリズムの他の一面から出る際に分散している。光源１５０から照射された光１０に含まれる波長の異なる複数の光の各々は、図８に示すように、セル１１０を通過する光１０の光軸Ａと交差する仮想直線Ｍ上にて焦点を結ぶようにプリズムによって分光される。
【００５３】
本実施形態に係るガス分析装置においても、光源１５０から照射された光１０に含まれる波長の異なる複数の光の各々が、セル１１０を通過する光１０の光軸Ａと交差する仮想直線Ｍ上にて焦点を結ぶように、セル１１０を通過した光１０を分光部３４０が分光するため、バンドパスフィルタを用いることなく、１つの光源１５０を用いて簡易な構造で検出感度維持しつつ、複数の成分を含むガスを分析できる。
【００５４】
上記の実施形態に係る説明においては、油入電気機器の絶縁物の劣化度合いを判定する場合を例に説明したが、上記の実施形態に係るガス分析装置は、その他の一般的なガス測定にも利用できる。
【００５５】
なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００５６】
１００，２００，３００  ガス分析装置、１１０  セル、１１１  本体部、１１２  入射端、１１３  出射端、１２１  導入管、１２２  排気管、１３０  窓、１４０，３４０  分光部、１５０  光源、１６０  チョッパ、１７０  光検出器、１７１，１７１ａ  光検出素子、２４１  集光レンズ、Ａ，Ｃ  光軸、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３  焦点位置、Ｍ  仮想直線、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３  吸収波長帯域。
【図１】
2016217731.tif 000003
【図２】
2016217731.tif 000004
【図３】
2016217731.tif 000005
【図４】
2016217731.tif 000006
【図５】
2016217731.tif 000007
【図６】
2016217731.tif 000008
【図７】
2016217731.tif 000009
【図８】
2016217731.tif 000010