JP2009145125A - 気体サンプル室及びこの気体サンプル室を備えた濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】雰囲気中の測定対象の気体の濃度を速やかに測定することを可能とするとともに侵入した異物が測定対象の気体の濃度の測定に妨げになることを防止できる気体サンプル室及びこの気体サンプル室を備えた濃度測定装置を提供する。
【解決手段】濃度測定装置１は気体サンプル室２とμｃｏｍとを備えている。気体サンプル室２は測定セル６と光源７と受光ユニット８を備えている。測定セル６には複数の貫通孔１０を備えた雰囲気移動許容部９が設けられている。貫通孔１０は上部に位置する外壁６ａと下部に位置する外壁６ａとに設けられて鉛直方向に相対している。光源７は測定セル６の赤外線を出射する。受光ユニット８は複数の受光器１２と集光部材１３を備えている。受光器１２は光源７からの赤外線を受光する。集光部材１３は赤外線を受光器１２に集光する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素などの所定の気体の濃度を測定する濃度測定装置に用いられる気体サンプル室及びこの気体サンプル室を備えた濃度測定装置に関する。

例えば、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素などの所定の気体の濃度を測定する濃度測定装置には、従来から種々の気体サンプル室が用いられてきた。従来の気体サンプル室は、内部が密閉された筒状の本体部と、本体部の一端部に設けられた光源と、本体部の他端部に設けられた受光器と、前記本体部内に外部の雰囲気を強制的に供給する気体供給部と、を備えている。

本体部の内面は、鏡面に形成されている。光源は、例えば、赤外線を放射する。受光器は、赤外線センサと、前記赤外線センサと光源との間に配置されて所定の波長の赤外線のみを透過するフィルタとを備えている。フィルタを透過する赤外線の波長は、測定対象の気体の濃度により定められる。たとえば、測定対象の気体の濃度が０ｐｐｍから数千ｐｐｍの範囲内であれば、フィルタを透過する赤外線の波長は、最も減衰し易い赤外線波長を選択するなどして、測定対象の気体の濃度に応じて適切に選択される。気体供給部は、ポンプと配管などを備えており、本体部内に雰囲気を強制的に供給し、該本体部内の気体を強制的に排出する。

前述した従来の気体サンプル室即ち濃度測定装置は、気体供給部が雰囲気を強制的に本体部内に供給し、フィルタを介して赤外線センサが受光した光源からの赤外線の強さを測定することで、前記雰囲気中の前述した測定対象の気体の濃度を測定する。

しかしながら、前述した従来の気体サンプル室は、本体部内に強制的に雰囲気を供給する気体供給部を備えているので、装置自体が大型化する傾向であるとともに、気体供給部内に粉塵などの異物が蓄積されると、雰囲気を本体部内にスムーズに供給できなくなり、雰囲気中の測定対象の気体の濃度を正確に測定することが困難となる。

この種の問題を解決するために、例えば、特許文献１に示された気体サンプル室が提案されている。特許文献１に示された気体サンプル室は、内部が密閉された筒状の本体部としての中空チューブと、中空チューブの一端部に設けられた光源と、中空チューブの他端部に設けられた受光器とを備えている。

中空チューブは、その内面が鏡面状に形成されており、その外壁に複数の開口部を設けている。また、中空チューブは、前述した開口部を塞いだ半透膜シートが取り付けられている。この半透膜シートは、所定の寸法よりも小さな気体浮遊粒子が通過して中空チューブ内外を移動することを許容し、所定の寸法よりも大きな気体浮遊粒子が通過することを規制して中空チューブ内外を移動することを規制する。このように、半透膜シートを設けることで、特許文献１に示された気体サンプル室は、気体供給部を設けることなく、中空チューブに雰囲気を出入り自在としている。
特許第３６０６８６６号

しかしながら、前述した特許文献１に示された気体サンプル室は、中空チューブに取り付けられた半透膜シートが粉塵やごみ（気体浮遊粒子）によって目詰まりしやすく、速やかに雰囲気を中空チューブ内に導くことが困難となる傾向であった。このため、特許文献１に示された気体サンプル室は、雰囲気中の測定対象の気体の濃度を速やかに測定することが困難となる傾向であった。

このため、雰囲気中の測定対象の気体の濃度を速やかに測定することを可能とするために、前記開口部を塞ぐ半透膜シートを設けないことが考えられるが、この場合、中空チューブ内に異物が侵入しやすく、当該異物が測定対象の気体の濃度の測定に妨げになることが考えられる。

したがって、本発明の目的は、雰囲気中の測定対象の気体の濃度を速やかに測定することを可能とするとともに、侵入した異物が測定対象の気体の濃度の測定に妨げになることを防止できる気体サンプル室及びこの気体サンプル室を備えた濃度測定装置を提供することにある。

前記課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の気体サンプル室は、光源からの光を受光器に導く気体サンプル室において、筒状に形成された本体部と、前記本体部の一端部に配置された前記光源と、前記本体部の他端部に配置されかつ前記光源からの光を受光する前記受光器と、雰囲気を前記本体部の内外に移動自在とする雰囲気移動許容部と、を備え、前記雰囲気移動許容部は、前記本体部の上部に位置する外壁と下部に位置する外壁との双方に設けられて、互いに鉛直方向に相対する位置に設けられた貫通孔を備えていることを特徴としている。

請求項２に記載の本発明の気体サンプル室は、請求項１に記載の気体サンプル室において、前記光源から出射された光を平行光にするリフレクタを備えたことを特徴としている。

請求項３に記載の本発明の気体サンプル室は、請求項１又は請求項２に記載の気体サンプル室において、前記受光器は、前記光を受光するセンサと、前記センサと前記光源との間に配置されかつ予め定められた波長の光のみを透過する透過部材とを備え、前記透過部材と前記光源との間に配置されかつ前記光を前記透過部材に集光する集光部材を更に備えたことを特徴としている。

請求項４に記載の本発明の気体サンプル室は、請求項３に記載の気体サンプル室において、前記受光器を複数備え、これら複数の受光器の前記透過部材が透過する光の波長が互いに異なることを特徴としている。

請求項５に記載の本発明の濃度測定装置は、一端部に光源を設けかつ他端部に前記光源からの光を受光する受光器を設けた気体サンプル室と、前記受光器が受光した前記光源からの光の強さに基づいて、前記気体サンプル室内の予め定められた気体の濃度を算出する濃度算出部と、を備えた濃度測定装置において、前記気体サンプル室として、請求項１乃至請求項４のうちいずれか一項に記載の気体サンプル室を備えたことを特徴としている。

請求項１に記載された本発明によれば、雰囲気移動許容部が、本体部の外壁を貫通した貫通孔を備えているので、この貫通孔が目詰まりせずに、本体部に雰囲気を出し入れ自在にできる。

また、貫通孔が本体部の上部と下部との双方に設けられて、これらの貫通孔が鉛直方向に相対する位置に設けられているので、本体部内に侵入した異物を、下部に設けられた孔を通して、速やかに本体部外に導くことができる。

請求項２に記載された本発明によれば、リフレクタを備えているので、光源からの光を本体部の内面で反射させなくても、受光器に導くことができる。

請求項３に記載された本発明によれば、集光部材を備えているので、光源からの光が貫通孔を通して本体部外に漏れても、本体部の外壁で反射された光を受光器に導くことができ、十分な強さの光を透過部材即ちセンサに導くことができる。

請求項４に記載された本発明によれば、透過部材が透過する波長の異なる受光器を複数備えているので、複数の種類の気体の濃度を測定するために用いることができる。

請求項５に記載された本発明によれば、前述した気体サンプル室を備えているので、気体サンプル室の本体部に雰囲気を出し入れ自在となる。

以上説明したように請求項１に記載の本発明は、雰囲気移動許容部が本体部に雰囲気を出し入れ自在とするので、雰囲気が速やかに本体部内に導かれて、当該雰囲気中の測定対象の気体の濃度を速やかに測定することが可能となる。

また、本体部内に侵入した異物を速やかに本体部外に導くことができるため、貫通孔が異物によってふさがれて、雰囲気が出入りしにくくなることを防止できるとともに、本体部内に侵入した異物が光源からの光を遮ることを防止できる。したがって、雰囲気中の測定対象の気体の濃度を速やかでかつ確実に測定することを可能とできる。

請求項２に記載の本発明は、光源からの光を本体部の内面で反射させなくても、受光器に導くことができるので、本体部の外壁を貫通した貫通孔を設けても、受光器に導くことができて、雰囲気中の測定対象の気体の濃度を確実に測定することが可能となる。

請求項３に記載の本発明は、光源からの光が貫通孔を通して本体部外に漏れても、十分な強さの光を透過部材即ちセンサに導くことができるので、貫通孔を設けても、雰囲気中の測定対象の気体の濃度を確実に測定することができる。

請求項４に記載の本発明は、複数の種類の気体の濃度を測定するために用いることができる。

請求項５に記載の本発明は、前述した気体サンプル室を備えているので、雰囲気中の測定対象の気体の濃度を速やかに測定することを可能とできる。

以下、本発明の一実施形態に係る濃度測定装置を、図１乃至図６を参照して説明する。

濃度測定装置１は、図２に示すように、濃度の測定対象の気体を含んだ雰囲気が充填される気体サンプル室２と、制御回路部３と、受光回路部４と、濃度算出部としてのマイクロコンピュータ（以下、μｃｏｍと記載する）５と、を備えている。

気体サンプル室２は、図１に示すように、本体部としての測定セル６と、光源７と、受光ユニット８とを備えている。測定セル６は、筒状に形成されている。図示例では、測定セル６は、四角筒状に形成されている。測定セル６には、雰囲気移動許容部９が設けられている。即ち、気体サンプル室２は、雰囲気移動許容部９を備えている。

雰囲気移動許容部９は、複数の貫通孔１０を備えている。貫通孔１０は、測定セル６の外壁６ａを貫通して、気体サンプル室２の内外を連通している。貫通孔１０は、気体サンプル室２の上部に位置する外壁６ａと、下部に位置する外壁６ａとの双方に設けられている。各々の外壁６ａでは、貫通孔１０は、複数（図示例では、４つ）設けられている。Ｋこれらの貫通孔１０は、光源７から受光ユニット８に向かう光の光軸に沿って等間隔に並べられている。気体サンプル室２の上部に位置する外壁６ａに設けられた貫通孔１０と、下部に位置する外壁６ａに設けられた貫通孔１０とは、鉛直方向に相対する位置に設けられている。各貫通孔１０は、内径Ｒが等しい丸形に形成されている。なお、本発明では、貫通孔１０の内径Ｒは、２ｍｍ程度に形成されるのが望ましく、複数の貫通孔１０のうち最も受光ユニット６寄りの貫通孔１０と受光ユニット６との間隔ｄが８ｍｍ程度となる位置に設けられるのが望ましい。貫通孔１０は、雰囲気中の粉塵などの気体浮遊粒子よりも遥かに大きく形成されて、その内側を雰囲気が通ることを許容して、測定セル６即ち気体サンプル室２の内外を、雰囲気を移動自在としている。さらに、貫通孔１０は、上部に位置する外壁６ａに設けられた貫通孔１０を通して気体サンプル室２内に侵入した異物を、速やかに下部に位置する外壁６ａに設けられた貫通孔１０を通して気体サンプル室２外に排出する。

本発明でいう、雰囲気移動許容部９は、雰囲気中の粉塵などの気体浮遊粒子よりも遥かに大きい貫通孔１０を設け、かつ、この貫通孔１０をフィルタなどで塞ぐことなく開放して、雰囲気を測定セル６の内外に移動自在とするものである。即ち、本発明の雰囲気移動許容部９は、送風機やポンプなどを設けることなく、測定セル６内に雰囲気を速やかに導いて、当該測定セル６内の気体を速やかに雰囲気と等しくするものである。

光源７は、測定セル６内でかつ当該測定セル６の一端部に設けられている。光源７は、電圧が印加されることで、光としての赤外線を測定セル６の他端部に向かって放射する。光源として、例えば黒体炉、電球等が用いられる。また、光源７には、リフレクタ３０が取り付けられている。すなわち、濃度測定装置１は、リフレクタ３０を備えている。リフレクタ７は、光源７から出射された光を反射して、受光ユニット８に向かう平行光にする。

受光ユニット８は、図３及び図４に示すように、ユニット本体１１と、複数の受光器１２と、集光部材１３と、を備えている。ユニット本体１１即ち受光ユニット８は、測定セル６内でかつ当該測定セル６の他端部に設けられている。ユニット本体１１は、箱状に形成されている。

受光器１２は、図示例では、四つ設けられている。受光器１２は、それぞれ、センサとしての赤外線センサ１４と、透過部材１５とを備えている。赤外線センサ１４は、ユニット本体１１に取り付けられている。複数の受光器１２の赤外線センサ１４は、同一平面上に配置されている。赤外線センサ１４は、光源７が発しかつ透過部材１５を透過した赤外線を受光し、この赤外線の熱を電気エネルギーに変換する。赤外線センサ１４は、赤外線の熱を電気エネルギーに変換して、センサ出力としてμｃｏｍ５に出力する。赤外線センサ１４として、例えば、焦電型、サーモパイル型のものが用いられる。

透過部材１５は、ユニット本体１１に取り付けられて、赤外線センサ１４と光源７との間に配置されている。複数の受光器１２の透過部材１５は、同一平面上に配置されている。透過部材１５は、それぞれ、光源７からの赤外線のうち予め定められた波長の赤外線のみを透過して、当該透過した波長の赤外線を赤外線センサ１４まで導く。複数の受光器１２の透過部材１５は、互いに透過する赤外線の波長が異なる。

透過部材１５は、その透過する赤外線の波長は、濃度測定装置１が濃度の測定対象とする気体に応じて定められる。図示例では、測定対象の気体の測定の濃度範囲が０ｐｐｍから数千ｐｐｍの範囲内の低濃度の検出を可能としたものであり、透過部材１５の透過する赤外線の波長は、濃度の測定対象の気体に対する透過率が小さな赤外線の波長にされる。なお、受光器１２は、二酸化炭素以外にも水蒸気、一酸化炭素を測定対象の気体とする。図示例では、例えば、一つの受光器１２は、基準として用いられ、その透過部材１５が大気中で全く減衰しない波長が１．５μｍ又は４．０μｍの赤外線のみを透過する。図示例では、例えば、他の一つの受光器１２は、二酸化炭素の濃度を測定するために用いられ、その透過部材１５が前述した二酸化炭素中で減衰しやすい波長が４．２７μｍの赤外線のみを透過する。図示例では、例えば、更に他の受光器１２は、水蒸気の濃度を測定するために用いられ、その透過部材１５が前述した水蒸気中で減衰しやすい波長が１．９μｍの赤外線のみを透過する。図示例では、例えば、更に別の受光器１２は、一酸化炭素の濃度を測定するために用いられ、その透過部材１５が前述した一酸化炭素中で減衰しやすい波長が４．６４μｍの赤外線のみを透過する。

なお、図６は、二酸化炭素に対する赤外線の透過率を示しており、図６中の横軸は赤外線の波長（μｍ）を示し、図６中の縦軸は赤外線の透過率（％）を示している。図６によれば、波長が４．２７μｍの赤外線の二酸化炭素中の透過率が、略零であることが示されており、波長が４．２７μｍの赤外線は、二酸化炭素中を殆ど透過しない（殆ど吸収されてしまう）ことが示されている。

集光部材１３は、例えば３００度などの所定の角度の範囲の赤外線を集光して、透過部材１５つまり赤外線センサ４に集中させる。すると、光源７から直接入射する赤外線以外にも、測定セル６の外壁６ａの内面で反射す赤外線も赤外線センサ５に集めることができるので、赤外線の受光効率を良くすることができる。なお、集光部材１３として、フレーネルレンズ等を用いることができる。

制御回路部３は、図２に示すように、発振器１６、クロック分周回路１７、定電圧回路１８などを備えており、μｃｏｍ５の命令とおりに、所定の周波数で光源７を点滅させる。

受光回路部４は、図５に示すように、複数のアンプ１９と、切り換え器２０と、Ａ／Ｄ変換器２１とを備えている、アンプ１９は、それぞれ、受光器１２と１対１に対応して設けられている。アンプ１９は、対応する受光器１２の赤外線センサ１４からの信号を増幅して、切り換え器２０を介してＡ／Ｄ変換器２１に向かって出力する。Ａ／Ｄ変換器２１は、赤外線センサ１４からの信号をデジタル信号に変換して、μｃｏｍ５に向かって出力する。

μｃｏｍ５は、制御回路部３及び受光回路部４と接続して、これらの動作を制御することで、濃度測定装置１全体の動作をつかさどる。μｃｏｍ５は、予め定められたプログラムに従って動作するコンピュータである。このμｃｏｍ５は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵのためのプログラム等を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種のデータを格納するとともにＣＰＵの処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ等を有して構成している。

また、μｃｏｍ５には、濃度測定装置１自体がオフ状態の間も記憶内容の保持が可能な電気的消去／書き換え可能な読み出し専用のメモリが接続している。そして、このメモリには、濃度の算出に必要な後述する吸光係数、測定距離、濃度変換係数等の各種情報を記憶するとともに、算出した濃度を外部から読出可能に時系列的に記憶する。

前述した構成の濃度測定装置１は、雰囲気移動許容部９の複数の貫通孔１０によって、雰囲気が測定セル６の内外を移動自在となって、この測定セル６即ち気体サンプル室２内の気体を雰囲気と等しくする。そして、濃度測定装置１は、光源７を点滅させて、この光源７からの赤外線を各受光器１２の赤外線センサ１４で受光する。そして、濃度測定装置１のμｃｏｍ５は、赤外線センサ１４に受光した赤外線の強さなどに基づいて、予め定められた気体の雰囲気中の濃度を測定する。具体的には、濃度測定装置１のμｃｏｍ５は、基準として用いられる受光器１２の赤外線センサ１４で受光した赤外線の強さと、二酸化炭素、水蒸気及び一酸化炭素を測定するための受光器１２の赤外線センサ１４で受光した赤外線の強さとを比較して、測定対象の二酸化炭素、水蒸気及び一酸化炭素の濃度を測定する。このように、濃度測定装置１の気体サンプル室２は、光源７からの赤外線を受光器１２に導くように形成されている。

本実施形態によれば、雰囲気移動許容部９が、測定セル６の外壁６ａを貫通しかつフィルタなどで塞がれずに開放された貫通孔１０を備えているので、この貫通孔１０が目詰まりせずに、測定セル６に雰囲気を出し入れ自在となる。このため、雰囲気が速やかに測定セル６内に導かれて、当該雰囲気中の測定対象の気体の濃度を速やかに測定することが可能となる。

また、貫通孔１０が測定セル６の上部と下部との双方に設けられて鉛直方向に相対しているので、測定セル６内に侵入した異物を、下部の外壁６ａに設けられた貫通孔１０を通して、速やかに測定セル６外に導くことができる。このため、貫通孔１０が異物によってふさがれて、雰囲気が出入りしにくくなることを防止できるとともに、測定セル６内に侵入した異物が光源７からの光を遮ることを防止できる。したがって、雰囲気中の測定対象の気体の濃度を速やかでかつ確実に測定することを可能とできる。

さらに、リフレクタ３０を備えているので、光源７からの光を測定セル６の内面で反射させなくても、受光器１２に導くことができる。したがって、測定セル６の外壁６ａを貫通した貫通孔１０を設けても、受光器１２に光を導くことができて、雰囲気中の測定対象の気体の濃度を確実に測定することが可能となる。

集光部材１３を備えているので、光源７からの光としての赤外線が貫通孔１０を通して測定セル６外に漏れても、外壁６ａの内面で反射された赤外線を受光器１２に導くことができ、十分な強さの赤外線を透過部材１５即ち赤外線センサ１４に導くことができる。このため、貫通孔１０を設けても、雰囲気中の測定対象の気体の濃度を確実に測定することができる。

互いに透過部材１５が透過する赤外線の波長の異なる受光器１２を複数備えているので、複数の種類の気体の濃度を測定するために用いることができる。

前述した実施形態では、光としての赤外線を用いている。しかしながら、本発明では、赤外線以外の種々の光を用いても良い。また、前述した実施形態では、測定対象の気体の濃度が低濃度である場合の透過部材１５の透過する赤外線の波長を示しているが、本発明では、測定対象の気体が低濃度から高濃度（０ｐｐｍから数％）の範囲内にある場合には、測定セル６の長さを変更したり、透過部材１５が測定対象の気体中での赤外線の吸収量が少ない波長の赤外線のみを透過するようにしても良い。

さらに、実施形態では、濃度測定装置１が二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素の濃度を測定している。しかしながら、本発明では、濃度測定装置１がＮＯ_x、ＳＯ_x、Ｈ₂Ｓ、Ｏ₃、ＣＨ₄、ＮＯなどの二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素以外の種々の気体の濃度を測定しても良い。また、本発明では、測定セル６は、四角筒状以外の種々の筒状に形成されても良い。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態にかかる濃度測定装置の気体サンプル室の構成を模式的に示す斜視図である。 図１に示された濃度測定装置の構成を示す説明図である。 図１に示された気体サンプル室の受光ユニットの正面を模式的に示す説明図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ線の断面を模式的に示す説明図である。 図２に示された濃度測定装置の受光回路の構成を示す説明図である。 二酸化炭素の吸収スペクトラムを示したグラフである。

符号の説明

１ 濃度測定装置
２ 気体サンプル室
５ マイクロコンピュータ（濃度算出部）
６ 測定セル
７ 光源
９ 雰囲気移動許容部
１０ 貫通孔
１２ 受光器
１３ 集光部材
１４ 赤外線センサ
１５ 透過部材
３０ リフレクタ

Claims (5)

1. 光源からの光を受光器に導く気体サンプル室において、
   筒状に形成された本体部と、
   前記本体部の一端部に配置された前記光源と、
   前記本体部の他端部に配置されかつ前記光源からの光を受光する前記受光器と、
   雰囲気を前記本体部の内外に移動自在とする雰囲気移動許容部と、
   を備え、
   前記雰囲気移動許容部は、前記本体部の上部に位置する外壁と下部に位置する外壁との双方に設けられて、互いに鉛直方向に相対する位置に設けられた貫通孔を備えていることを特徴とする気体サンプル室。
2. 前記光源から出射された光を平行光にするリフレクタを備えたことを特徴とする請求項１記載の気体サンプル室。
3. 前記受光器は、前記光を受光するセンサと、前記センサと前記光源との間に配置されかつ予め定められた波長の光のみを透過する透過部材とを備え、
   前記透過部材と前記光源との間に配置されかつ前記光を前記透過部材に集光する集光部材を更に備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の気体サンプル室。
4. 前記受光器を複数備え、これら複数の受光器の前記透過部材が透過する光の波長が互いに異なることを特徴とする請求項３記載の気体サンプル室。
5. 一端部に光源を設けかつ他端部に前記光源からの光を受光する受光器を設けた気体サンプル室と、
   前記受光器が受光した前記光源からの光の強さに基づいて、前記気体サンプル室内の予め定められた気体の濃度を算出する濃度算出部と、を備えた濃度測定装置において、
   前記気体サンプル室として、請求項１乃至請求項４のうちいずれか一項に記載の気体サンプル室を備えたことを特徴とする濃度測定装置。

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