(57)【要約】【課題】試料ガスに含まれる可燃性ガスから生成される爆発性雰囲気の発火により測定装置の外部に延焼する心配がなく、高い測定精度を得ることができるガス成分測定装置を提供する。【解決手段】ガス配管１０に設けられた開口を覆うように取り付けられ可燃性ガスの種類及び筐体２０の内部空間の容積に応じた耐圧構造を有する筐体２０と、配管１０の内部空間と筐体２０の内部空間を区画する窓部１１と、窓部１１を通じて配管１０の内部の測定点Ｍに励起光を照射する光学系であって、該励起光を光源から筐体２０の内部に導く第１光ファイバ２５を有する励起光学系と、測定点Ｍから窓部１１を通って筐体２０内に入射する測定光を集光する、筐体２０内部に配置された集光光学部材と、集光された光を筐体２０の外部に配置された検出器３２に導く第２光ファイバ２６とを有する測定光学系とを備えることを特徴とするガス成分測定装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 内部を試料ガスが流通する配管の側壁面に設けられた開口を覆うように前記配管の側壁面に取り付けられる筐体であって、前記試料ガスに含まれる可燃性ガスの種類及び該筐体の内部空間の容積に応じた耐圧構造を有する筐体と、
b) 前記配管の内部空間と前記筐体の内部空間を区画する窓部と、
c) 前記窓部を通じて前記配管の内部の測定点に励起光を照射する励起光学系であって、該励起光を光源から前記筐体の内部に導く第１光ファイバを有する励起光学系と、
d) 前記測定点において試料ガスにより散乱され、前記窓部を通って前記筐体内に入射する測定光を集光する集光光学部材と、前記集光された光を前記筐体の外部に配置された検出器に導く第２光ファイバとを有する測定光学系と、
を備えることを特徴とするガス成分測定装置。
【請求項２】
前記筐体の内部空間が、前記励起光の光路が形成される第１空間と、前記測定光を透過する区画部材によって該第１空間の内部空間と区画された第２空間に分割されており、前記筐体のうちの前記第１空間を形成する部分が該第１空間の容積に応じた耐圧構造を有することを特徴とする請求項１に記載のガス成分測定装置。
【請求項３】
前記区画部材が、前記励起光の波長の光を遮断する光学フィルタであり、前記集光光学部材が前記第２空間の内部に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のガス成分測定装置。
【請求項４】
前記配管に接続されて内部を前記試料ガスが流通する着脱配管を備え、該着脱配管と前記筐体が一体的に構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガス成分測定装置。
【請求項５】
前記励起光学系が、前記筐体の内部に導入された励起光を偏向して前記測定点に照射する部材であって、該筐体の内部に配置された偏向光学部材を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガス成分測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス成分測定装置に関し、特に燃料ガスの成分を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体試料に含まれる成分の特定や定量のために用いられる測定法の一つにラマン分光法がある。特許文献１には、発電用ガスタービンに供給される燃料ガスが流れる配管（本管）の途中に設けられた分岐管内に燃料ガスの一部を導入して励起光を照射し、該燃料ガスからのラマン散乱光を測定することにより燃料ガス中の各成分の濃度を測定する、ラマン分光法を用いたガス成分測定装置が記載されている。
【０００３】
燃料ガスのような、可燃性ガスを含む試料ガスを測定する場合のガス成分測定装置の構成及び配置の一例を図１に示す。このガス成分測定装置は、大別して、ガス配管１１０に接続された支持部材１２９上に配置された光学ケース１２０内に形成された測定光学系と制御部１３０から構成される。
【０００４】
上記ガス成分測定装置では、制御部１３０に収容されたレーザ光源１３１から発せられたレーザ光を、入射側光ファイバ１２５を通じて光学ケース１２０内に導入する。そして、光学ケース１２０内に配置されたミラー１２４によりレーザ光を反射し、ガス配管１１０の側壁に設けられた窓部１１１を通じてガス配管１１０内の測定点Ｍに照射する。測定点Ｍにおいて燃料ガス分子によりラマン散乱された光のうち、後方（レーザ光照射側）に散乱されたラマン散乱光は、窓部１１１を介して光学ケース１２０内の受光レンズ１２１に入射する。そして、該受光レンズ１２１を通って平行光となり、光学フィルタ１２２でレーザ光と同一波長の光が除去された後、集光レンズ１２３で集光される。集光されたラマン散乱光は受光側光ファイバ１２６を通って、制御部１３０に収容された検出光学系１３２に導かれ、波長分離後に検出される。検出光学系１３２からの出力信号はデータ処理部１３３に入力される。
【０００５】
ところで、可燃性ガスを扱う事業所においては、労働安全衛生の観点から、意図しないガス漏れなどにより可燃性ガスと空気中の酸素が混合して爆発性の雰囲気が生成した場合にも、危険が生じないように対策が求められる。このような事業所において図１に示す装置を設置した場合、意図せずに生成した爆発性雰囲気が、光学ケース１２０の内部空間に侵入してレーザ光のエネルギーにより発火し、光学ケース１２０外まで爆発的に延焼するおそれがある。そこで、漏洩した燃料ガスを検知するためのガス漏洩検知器１５０を設置している。ガス漏洩検知器１５０が燃料ガスの漏洩を検知すると、レーザ光源１３１の電源が遮断される等の所要の措置が取られる。なお通常、ガス配管１１０内部については、酸素濃度が十分低くなるように管理されており、レーザ光のエネルギーによる発火の危険が排除されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１６０８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、必ずしも爆発性雰囲気が光学ケース１２０に侵入するより前にガス漏洩検知器１５０が作動するわけではないので、光学ケース１２０内部で爆発性雰囲気が発火し、外部に延焼する可能性を完全に排除することができない、という問題があった。
【０００８】
爆発性雰囲気が発火する可能性は、レーザ光の強度（出力）を該爆発性雰囲気が発火しない範囲内に設定することにより回避できる。防爆規格IEC 60079-28（2006年度版）によれば、水素ガスを含むガスを測定する場合、レーザ光の出力を35mW未満にする、あるいはレーザ光の密度を5mW/mm2未満にすることにより発火を回避できる。しかしながら、レーザ光の強度（出力）を低くするとラマン散乱光の強度も低下する。分光測定において一般的に生じるショットノイズは、測定光の強度の平方根で表される強度を有するため、Ｓ／Ｎ比は測定光の強度の平方根となる。従って、ラマン散乱光の強度が低くなるほどＳ／Ｎ比が悪くなり、測定精度が悪化してしまう。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、可燃性ガスを含む試料ガスの成分を測定するガス成分測定装置であって、万が一可燃性ガスが酸素を含む大気と混合された爆発性雰囲気が装置内で発火しても装置の外部に延焼する心配がなく、かつ高い測定精度を得ることができるガス成分測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために成された本発明に係るガス成分測定装置は、
a) 内部を試料ガスが流通する配管の側壁面に設けられた開口を覆うように前記配管の側壁面に取り付けられる筐体であって、前記試料ガスに含まれる可燃性ガスの種類及び該筐体の内部空間の容積に応じた耐圧構造を有する筐体と、
b) 前記配管の内部空間と前記筐体の内部空間を区画する窓部と、
c) 前記窓部を通じて前記配管の内部の測定点に励起光を照射する励起光学系であって、該励起光を光源から前記筐体の内部に導く第１光ファイバを有する励起光学系と、
d) 前記測定点において試料ガスにより散乱され、前記窓部を通って前記筐体内に入射する測定光を集光する集光光学部材と、前記集光された光を前記筐体の外部に配置された検出器に導く第２光ファイバとを有する測定光学系と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記可燃性ガスの種類に応じた耐圧構造とは、例えば試料ガスに含まれる可燃性ガスの爆発性に応じて決まる耐圧構造である。防爆規格IEC 60079-20-1には、そうした基準のひとつが定められており、グループIIA（プロパン、ガソリン等）、グループIIB（イソプレン、エチレン等）、及びグループIIC（水素、アセチレン等）のように区分されている。そして、防爆を目的とした耐圧構造の基準の一例として、グループIIA及びIIBに属するガスを対象とする場合には1,500kPa、グループIICに属するガスを対象とする場合には2,000kPaの耐圧性を有すること（耐圧容器の内容積が10cm3以上の場合）、が記載されている。その他、容器の形状等に関する基準も種々存在するが、それらについては後述の実施例で適宜説明する。なお、これらの基準の多くは実験等に基づいて決められ表形式等でまとめられたものであるため、数式等によりその構造を規定することはできない。当業者は、対象とする可燃性ガスや筐体の内部空間の容積に応じて上記のような基準を参照し、本発明に係るガス成分測定装置の筐体を具現化することができる。
【００１２】
本発明に係るガス成分測定装置では、光源から発せられた励起光が第１光ファイバを通って筐体の内部に導入され、測定点に照射される。そして、測定点からのラマン散乱光が筐体の内部に配置された集光光学部材によって集光され第２光ファイバにより検出器に導かれる。
上記ガス成分測定装置では、第１光ファイバから出射したレーザ光の光路が、全て耐圧構造を有する筐体内に位置する。万が一、爆発性雰囲気が筐体の内部空間で生成され、レーザ光の照射により発火したとしても、筐体の外部の爆発性雰囲気に延焼する心配がない。従って、励起光の強度を落とすことなく必要十分な強度の励起光を照射して高いＳ／Ｎ比でラマン散乱光を測定し、高い測定精度で試料ガスの成分を分析することができる。
【００１３】
本発明に係るガス成分測定装置では、典型的にはラマン散乱光を測定するが、その他、蛍光等を測定することもできる。なお、ラマン散乱光を測定する場合には、前記集光光学系は、測定点から拡がるラマン散乱光を平行光に変換する第１レンズ、該平行光を集光して前記第２光ファイバに入射させる第２レンズ、及び前記測定点から前記第２光ファイバまでの測定光の光路上であって、前記励起光の光路上を除く位置に配置された、前記励起光の波長の光を除去する光学フィルタを含んで構成することができる。
【００１４】
本発明に係るガス成分測定装置では、前記第１光学ファイバから出射した励起光をミラー等の偏向光学部材により偏向して測定点に照射するように構成することができる。
即ち、本発明に係るガス成分測定装置では、励起光学系が、前記筐体の内部に導入された励起光を偏向して前記測定点に照射する光学部材であって、該筐体の内部に配置された偏向光学部材を含むように構成することができる。
【００１５】
本発明に係るガス成分測定装置は、
前記筐体の内部空間を、前記励起光の光路が形成される第１空間と、前記励起光の波長の光を除去する区画部材によって該第１空間の内部空間と区画された第２空間に分割し、前記筐体のうちの前記第１空間を形成する部分が該第１空間の容積に応じた耐圧構造を有するように構成することができる。
この態様では、爆発性雰囲気が侵入しレーザ光により発火する可能性がある照射空間を第１空間に制限して、その容積を小さくすることができる。これにより、爆発性雰囲気が発火した場合に生じる圧力上昇が小さく抑えられる。従って、耐圧構造の要件を緩和することができる。
【００１６】
また、本発明に係るガス成分測定装置は、
前記配管に接続されて内部を前記試料ガスが流通する着脱配管
を備え、
該着脱配管と前記筐体が一体的に構成されたものとすることができる。なお、この場合には、前記開口は上記着脱配管を介して前記配管に設けられる。
試料ガスが流通する配管と筐体が別体で構成されている場合には、それらを着脱する作業が必要になる。こうした着脱作業を繰り返すうちに配管と筐体の接合部が消耗すると、その部分からガス漏れが生じやすくなる。上記態様のように構成すると、着脱作業によって上記接合部が消耗してガス漏れが生じるのを抑えることができる。
また、配管の内部を流通するガスに含まれるダストが内壁面に付着し、測定点を通過した励起光が照射されるとノイズ光が発生する。この態様では、着脱配管の内壁面を容易に洗浄することができるため、ノイズ光の発生を抑え高いＳ／Ｎ比で測定光を検出することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るガス成分測定装置では、万が一筐体内で可燃性ガスと大気と混合された爆発性雰囲気が発火しても筐体の外部に延焼する心配がないため、必要十分な強度の励起光を試料ガスに照射して高いＳ／Ｎ比で測定光を検出し、高い測定精度で試料ガスの成分を分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来のガス成分測定装置の概略構成図。
【図２】本発明に係るガス成分測定装置の一実施例の概略構成図。
【図３】いんろう接合面を説明する図。
【図４】別のいんろう接合面を説明する図。
【図５】本発明に係るガス成分測定装置の別の実施例の概略構成図。
【図６】本発明に係るガス成分測定装置の、さらに別の実施例の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係るガス成分測定装置の実施例について、以下、図面を参照して説明する。本実施例のガス成分測定装置は、ガス配管１０を流れる燃料ガスにレーザ光を照射し、該燃料ガス分子からのラマン散乱光を測定する装置である。そして、ラマン散乱光の波長から燃料ガスに含まれる各成分を同定し、強度から各成分を定量する。
【００２０】
図２は、本実施例のガス成分測定装置の要部構成図である。このガス成分測定装置は、大別して、筐体２０内に収容された測定光光学系と制御部３０から構成される。燃料ガスが流れるガス配管１０の側壁面に取り付けられる筐体２０は、労働基準法に基づき定められる危険エリア内に、制御部３０は危険エリア外に、それぞれ配置される。また、ガス配管１０の内部空間と、筐体２０の内部空間を区画するように窓部１１が設けられている。
【００２１】
制御部３０には、レーザ光源３１、検出光学系３２、及びデータ処理部３３が設けられている。レーザ光源３１から発せられたレーザ光は、入射側光ファイバ２５を通って筐体２０内に導入される。続いて、レーザ光はミラー２４で反射され、窓部１１を介してガス配管１０内の測定点Ｍに照射される。測定点Ｍにおいて燃料ガス分子により散乱された光のうち、窓部１１の方向に散乱された光は、窓部１１を通過して受光レンズ２１により集められ、平行光に変換される。そして、光学フィルタ２２によってレーザ光と同一の波長の光が除去された後、集光レンズ２３により集光され、受光側光ファイバ２６の入力端を通って制御部３０の検出光学系３２に導入される。検出光学系３２では、ラマン散乱光を波長分離後、検出する。検出光学系３２で得られたデータはデータ処理部３３に送られ、所要のデータ処理が施される。
【００２２】
本実施例のガス成分測定装置は、測定光学系を収容する筐体２０の構造に特徴を有する。この筐体２０は、略直方体状であり、その側面の一つに、先端が開口した突出部が設けられている。また、この開口を塞ぐように窓部１１が設けられている。この突出部は、ガス配管１０の側壁面に設けられた開口と同形状であり、突出部と該突出部が設けられた側面がガス配管１０の開口を塞ぐように、筐体２０がガス配管１０に取り付けられる。また、筐体２０の壁面には、上記入射側光ファイバ２５の出力端と、受光側光ファイバ２６の入力端の取り付け部が形成されている。
【００２３】
本実施例の筐体２０は、労働安全衛生規則の第二百八十条の「引火性の物の上記又は可燃性ガスが爆発の危険のある濃度に達するおそれのある箇所については、それに応じた防爆性能を有する防爆構造電気機械器具でなければ、使用してはならない」という定めに基づく防爆構造を有する。防爆規格IEC 60079-0では、防爆電気機器が使用環境に応じてグループ分けされており、本実施例のような燃料ガス測定装置の筐体はグループII（鉱山を除く爆発性ガス雰囲気での使用）に属する。
【００２４】
以下、防爆規格IECの規定を引用しつつ、上記グループIIに属する筐体２０の構造要件を説明する。
表１に、爆発性ガス雰囲気で使用する防爆電気機器の最大安全すきまの値を示す。最大安全すきまとは、各グループに属するガスが筐体内部で発火しても、筐体外部のガスに引火しない最大のすきまの大きさであり、所定の試験装置を用いた測定に基づき定められる。
【表１】
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【００２５】
表２に、防爆電気機器の温度等級を示す。温度等級は、当該機器を仕様の範囲内の最も過酷な条件下で使用した場合に達しうる最高温度に基づき定められており、該最高温度が測定対象のガスの発火温度未満であるものが用いられる。
【表２】
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【００２６】
ところで、上記可燃性ガスの機器のグループや温度等級は、その他の特性値とともに防爆規格IEC 600-79-20-1に定められている。従って、これに基づき、上記及び後述の表から適切な値を選び出して必要な防爆構造を採ることができる。
【００２７】
本実施例の筐体２０は、次のいずれかの圧力に耐える強度を有している。
（１）基準圧力の1.5倍で、最小350kPa
（２）過圧のルーチン実験をしない容器である場合には、基準圧力の4倍
（３）基準圧力の決定が不可能な場合は表３に示す圧力
【表３】
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ここで、基準圧力は、所定の爆発実験により測定される圧力であり、通常、350〜1,00kPaの範囲内の圧力である。
【００２８】
防爆容器の接合面は、内部爆発時の高温ガス又は火炎がすきまを通じて容器外部へ放出されるときに高温ガスや火炎を冷却して容器外部の爆発性ガスへの引火を防止するという機能を持っている。本実施例の筐体２０の接合面もこうした機能を有しており、燃料ガスに含まれる可燃性ガスの種類に応じた、下記表４（防爆電気機器のグループがIIA、IIBである場合）及び表５（防爆電気機器のグループがIICである場合）に定める要件を満たす接合面を有している。表５中の「いんろう接合面１」に対応する構造を図３に、「いんろう接合面２」に対応する構造を図４に、それぞれ示す。
【表４】
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【表５】
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【００２９】
筐体２０にねじのはめ合い部を設ける場合には、表６（円筒状のねじ接合面の場合）及び表７（テーパ状のねじ接合面の場合）の規格要件を満たすように構成する。
【表６】
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【表７】
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【００３０】
以上、多岐に亘る防爆規格の一例を挙げて説明したように、本実施例のガス成分測定装置の筐体２０は、燃料ガスの種類や筐体２０の容積に応じた防爆要件を満たす構造を有している。上記以外の防爆規格については、既に頒布された関連書籍の記載を参照して容易に確認することができる。なお、この実施例では防爆規格IECを引用して説明したが、これとは別の適切な規定に基づき筐体２０の構造を決定してもよい。
【００３１】
本実施例のガス成分測定装置では、入射側光ファイバ２５から出射したレーザ光の光路が、全て、上記の防爆要件を満たす耐圧構造を有する筐体２０の内部に位置する。万が一、爆発性雰囲気が筐体２０の内部に侵入しレーザ光の照射により発火したとしても、その影響は筐体２０の内部空間に抑えられるため筐体２０の外部に延焼する心配がない。従って、従来のように励起光の強度を落とすことなく、十分な強度の励起光を照射して高いＳ／Ｎ比でラマン散乱光を測定し、高い測定精度で燃料ガスの成分を分析することができる。
【００３２】
図５に、本発明に係るガス成分測定装置の別の実施例の概略構成を示す。なお、制御部３０の構成は上記実施例と同一であるため図示を省略する。また、上記実施例と同じ機能を有する部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
本実施例では、筐体２０の内部空間が第１空間と第２空間の２つに区画されている。第１空間には、入射側光ファイバ２５から導入されたレーザ光を反射して測定点Ｍに照射するミラー２４と、該測定点Ｍからの散乱光を集光する受光レンズ２１が収容されている。また、第２空間には受光レンズ２１からの平行光を受光して受光側光ファイバ２６に入射する集光レンズ２３が収容されている。さらに、第１空間と第２空間の間には、レーザ光と同一波長の光を遮断する光学フィルタ２２が配置されており、受光レンズ２１から集光レンズ２３に向かう平行光から、レーザ光と同一波長の光が除去される。
【００３４】
この実施例のガス成分測定装置では、ガス配管１０から漏れ出した燃料ガスと大気が混合された爆発性雰囲気がレーザのエネルギーにより発火する可能性があるのは第１空間内部だけであるので、筐体のうち第１空間を内包する容器部分が防爆要件を満たす構造を有していればよい。上記の表３〜表５に記載した要件に示されているように、爆発性雰囲気が存在する空間を内包する容器は、その容積が大きくなるほど、防爆要件が厳しくなる。本実施例のように筐体２０の内部空間を分割し、爆発性雰囲気が存在し発火の可能性がある空間の容積を小さくすると防爆要件が緩和されるため、筐体（第１空間を構成する部分が防爆要件を満たす）の製造が容易になる。
【００３５】
図６に、本発明に係るガス成分測定装置の、さらに別の実施例の概略構成を示す。制御部３０の構成は上記実施例と同一であるため図示を省略する。また、上記実施例と同じ機能を有する部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３６】
本実施例のガス成分測定装置は、ガス配管１０に接続され、その内部を燃料ガスが流通する着脱配管４０を備え、該着脱配管４０と筐体２０が一体的に構成されている点に特徴を有する。
【００３７】
図２あるいは図５のガス成分測定装置では、ガス配管１０に燃料ガスを長時間流し続けると、ガス配管１０の内壁面に燃料ガスに含まれるダストが付着する場合がある。こうしたダストに測定点Ｍを通過したレーザ光が照射され散乱されると、その一部がラマン散乱光とともに窓部１１を通じて検出され、ノイズになってしまう。本実施例のガス成分測定装置では、測定点Ｍが着脱配管４０内の空間に位置しており、着脱配管４０はガス配管１０から着脱可能である。従って、着脱配管４０の内壁面を容易に洗浄することができ、上述したノイズの発生を抑えることができる。
【００３８】
上記実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
本発明に係るガス成分測定装置は、ガス配管から漏れ出した燃料ガスと大気が混合した爆発性雰囲気にレーザ光が照射される可能性がある領域全てを、防爆要件を満たした筐体内に収容するという点に特徴を有している。それ以外の構成要素である励起光学系及び検出光学系の構成等は適宜に変更することができる。
上記実施例では、燃料ガスにレーザ光を照射し、燃料ガス分子からのラマン散乱光を測定する構成としたが、その他、蛍光を測定する場合にも同様の構成を用いることができる。また、図５及び図６を参照してそれぞれ説明した２つの実施例の特徴（筐体２０内の空間を区分する特徴と、着脱配管４０と筐体２０を一体的に構成する特徴）を兼ね備えた構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００３９】
１０、１１０…ガス配管
１１、１１１…窓部
２０…筐体
１２０…光学ケース
２１、１２１…受光レンズ
２２、１２２…光学フィルタ
２３、１２３…集光レンズ
２４、１２４…ミラー
２５、１２５…入射側光ファイバ
２６、１２６…受光側光ファイバ
３０、１３０…制御部
３１、１３１…レーザ光源
３２、１３２…検出光学系
３３、１３３…データ処理部
４０…着脱配管
１２９…支持部材
１５０…ガス漏洩検知器
【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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