JPH0220934B2 - - Google Patents
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- JPH0220934B2 JPH0220934B2 JP8677083A JP8677083A JPH0220934B2 JP H0220934 B2 JPH0220934 B2 JP H0220934B2 JP 8677083 A JP8677083 A JP 8677083A JP 8677083 A JP8677083 A JP 8677083A JP H0220934 B2 JPH0220934 B2 JP H0220934B2
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- G—PHYSICS
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
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Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、LNGタンカー，LNGタンク，さ
らには炭鉱坑道内などの測定地点が遠く離れてい
る箇所でのメタンガスの濃度の測定に好適なメタ
ンガス濃度測定法およびその測定装置に関する。
らには炭鉱坑道内などの測定地点が遠く離れてい
る箇所でのメタンガスの濃度の測定に好適なメタ
ンガス濃度測定法およびその測定装置に関する。
メタンガスは燃料用ガスとして極めて重要なも
のであり、天然ガスなどに多量に含まれている。
特に近年都市ガスの高カロリー化に伴つて都市ガ
スに天然ガスを利用することが多くなつている。
したがつて、都市ガスの漏出によるガス爆発等を
未然に防止するために地下街，高層ビル等の特定
地域におけるメタンガスの漏出を確実に、迅速に
検知し、警報を発する安全システムの開発が急務
とされている。
のであり、天然ガスなどに多量に含まれている。
特に近年都市ガスの高カロリー化に伴つて都市ガ
スに天然ガスを利用することが多くなつている。
したがつて、都市ガスの漏出によるガス爆発等を
未然に防止するために地下街，高層ビル等の特定
地域におけるメタンガスの漏出を確実に、迅速に
検知し、警報を発する安全システムの開発が急務
とされている。
また、メタンガスは炭鉱内に発生する炭鉱ガス
の主成分であり、炭鉱ガスによるガス爆発あるい
はこれが引き金となる炭塵爆発を未然に防止する
ためにも、同様のシステムが必要とされている。
の主成分であり、炭鉱ガスによるガス爆発あるい
はこれが引き金となる炭塵爆発を未然に防止する
ためにも、同様のシステムが必要とされている。
しかしながら、従来から用いられている接触燃
焼式，熱伝導式，半導体式などのメタンガスセン
サは、その動作原理からしてガス選択性，応答性
が不十分で周囲の共存ガスおよび温度，湿度によ
つて影響を受けやすく、信頼性に不満があつた。
そのため、測定条件の厳しい採掘現場等には不適
であり、また実時間測定も困難である。しかも、
遠隔監視，遠隔測定の場合電気信号が送受される
ことから電磁誘導による誤報やケーブル損傷によ
る事故誘発などの危険性も無視することができな
いなどの問題がある。
焼式，熱伝導式，半導体式などのメタンガスセン
サは、その動作原理からしてガス選択性，応答性
が不十分で周囲の共存ガスおよび温度，湿度によ
つて影響を受けやすく、信頼性に不満があつた。
そのため、測定条件の厳しい採掘現場等には不適
であり、また実時間測定も困難である。しかも、
遠隔監視，遠隔測定の場合電気信号が送受される
ことから電磁誘導による誤報やケーブル損傷によ
る事故誘発などの危険性も無視することができな
いなどの問題がある。
このような問題を解決するために、本発明者は
先に、メタンガスが1.6μｍ帯、1.3μｍ帯に特性吸
収を有することおよび1.6μｍ帯、1.3μｍ帯の光
は、一般の通信用石英系光フアイバの最も伝送損
失の小さい帯域であることに基づいたメタンガス
濃度測定法およびその装置を特願昭57−166836号
として提案した。この測定法は、1.6μｍ帯または
1.3μｍ帯の光を該波長域において伝送損失が小さ
い光フアイバによつて雰囲気ガスが流出入する測
定セルに伝送し、測定セルでメタンガスの1.666μ
ｍまたは、1.331μｍでの吸収がなされた後の光を
1.6μｍ帯または1.3μｍ帯の波長域において伝送損
失が小さい光フアイバによつて帯域透過フイルタ
に送り、上記メタンガスの吸収波長とそれ以外の
波長との光に分光し、これら二つの波長の光をそ
れぞれ光検出器に送り、これら光の強度比を求
め、これによつて上記測定セル中のメタンガス濃
度を測定するものである。
先に、メタンガスが1.6μｍ帯、1.3μｍ帯に特性吸
収を有することおよび1.6μｍ帯、1.3μｍ帯の光
は、一般の通信用石英系光フアイバの最も伝送損
失の小さい帯域であることに基づいたメタンガス
濃度測定法およびその装置を特願昭57−166836号
として提案した。この測定法は、1.6μｍ帯または
1.3μｍ帯の光を該波長域において伝送損失が小さ
い光フアイバによつて雰囲気ガスが流出入する測
定セルに伝送し、測定セルでメタンガスの1.666μ
ｍまたは、1.331μｍでの吸収がなされた後の光を
1.6μｍ帯または1.3μｍ帯の波長域において伝送損
失が小さい光フアイバによつて帯域透過フイルタ
に送り、上記メタンガスの吸収波長とそれ以外の
波長との光に分光し、これら二つの波長の光をそ
れぞれ光検出器に送り、これら光の強度比を求
め、これによつて上記測定セル中のメタンガス濃
度を測定するものである。
しかしながら、この測定法によれば、上記問題
点は解決されるものの得られた測定値が正しくメ
タンガス濃度を表示しているかどうか判断がつか
ない場合があつた。
点は解決されるものの得られた測定値が正しくメ
タンガス濃度を表示しているかどうか判断がつか
ない場合があつた。
すなわち、被測定ガス中にメタン以外の炭化水
素系ガス、例えばプロパン等が微量に混在した場
合、これら炭化水素系ガスは1.6μｍ付近または
1.3μｍ付近に特性吸収を有しているため、得られ
る測定値からは被測定ガス中にメタン以外の炭化
水素系ガスが存在せずメタンガスのみの濃度を測
定しているのかあるいは上記炭化水素系ガスが混
入しメタン以外の炭化水素系ガスとの混合物の濃
度を測定しているのか判断がつかないことがあつ
た。
素系ガス、例えばプロパン等が微量に混在した場
合、これら炭化水素系ガスは1.6μｍ付近または
1.3μｍ付近に特性吸収を有しているため、得られ
る測定値からは被測定ガス中にメタン以外の炭化
水素系ガスが存在せずメタンガスのみの濃度を測
定しているのかあるいは上記炭化水素系ガスが混
入しメタン以外の炭化水素系ガスとの混合物の濃
度を測定しているのか判断がつかないことがあつ
た。
この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、
厳しい測定条件下でも信頼性が高く、実時間測定
ができ、かつ極めて遠隔の監視および測定が行
え、事故誘発等の危険性がなく、さらにメタン以
外の炭化水素系ガスの妨害の有無を判断すること
のできるメタンガス濃度測定法およびその装置を
提供することを目的とするものである。
厳しい測定条件下でも信頼性が高く、実時間測定
ができ、かつ極めて遠隔の監視および測定が行
え、事故誘発等の危険性がなく、さらにメタン以
外の炭化水素系ガスの妨害の有無を判断すること
のできるメタンガス濃度測定法およびその装置を
提供することを目的とするものである。
以下、図面を参照しながらこの発明を詳しく説
明する。
明する。
この発明は、近年光通信用に開発された、例え
ば石英系光フアイバのような光フアイバが、波長
1.0〜1.8μｍで極めて伝送損失が低く、また、こ
の波長域内の1.3μｍ付近および1.6μｍ付近にメタ
ンガスの特性吸収があり、さらに1.3μｍおよび
1.6μｍのメタンガスの特性吸収帯の付近には水蒸
気（H2O）および二酸化炭素（CO2）による吸収
がほとんどないという知見に基づいてなされたも
のである。
ば石英系光フアイバのような光フアイバが、波長
1.0〜1.8μｍで極めて伝送損失が低く、また、こ
の波長域内の1.3μｍ付近および1.6μｍ付近にメタ
ンガスの特性吸収があり、さらに1.3μｍおよび
1.6μｍのメタンガスの特性吸収帯の付近には水蒸
気（H2O）および二酸化炭素（CO2）による吸収
がほとんどないという知見に基づいてなされたも
のである。
第１図は石英系光フアイバの波長0.6μｍ〜1.8μ
ｍの波長域における伝送損失を示すグラフであ
る。このグラフから明らかなように波長1.1〜
1.7μｍでは伝送損失は1dB／Km以下であり、特に
1.6μｍ付近では0.2dB／Kmと言う超低損失を示し
ている。このような超低損失の光フアイバを光伝
送路とすれば、遠隔地に存在するメタンガスの濃
度を吸光光度法によつて測定できる可能性が生じ
ることがわかる。
ｍの波長域における伝送損失を示すグラフであ
る。このグラフから明らかなように波長1.1〜
1.7μｍでは伝送損失は1dB／Km以下であり、特に
1.6μｍ付近では0.2dB／Kmと言う超低損失を示し
ている。このような超低損失の光フアイバを光伝
送路とすれば、遠隔地に存在するメタンガスの濃
度を吸光光度法によつて測定できる可能性が生じ
ることがわかる。
第２図および第３図は、この発明の対象となる
メタンガスの特性吸収を示すもので、第２図のグ
ラフはメタンガスの1.33μｍ帯の特性吸収を示し、
1.331μｍの強度の強い吸収バンドがあることがわ
かる。第３図のグラフはメタンガスの1.66μｍ帯
の特性吸収を示し、1.666μｍに比較的強度の強い
ブロードな吸収バンドのあることがわかる。そし
て、これらの２つの吸収バンドの付近にはH2O，
CO2の特性吸収帯がほとんど存在しないことが別
の測定によつて確められた。
メタンガスの特性吸収を示すもので、第２図のグ
ラフはメタンガスの1.33μｍ帯の特性吸収を示し、
1.331μｍの強度の強い吸収バンドがあることがわ
かる。第３図のグラフはメタンガスの1.66μｍ帯
の特性吸収を示し、1.666μｍに比較的強度の強い
ブロードな吸収バンドのあることがわかる。そし
て、これらの２つの吸収バンドの付近にはH2O，
CO2の特性吸収帯がほとんど存在しないことが別
の測定によつて確められた。
しかし、上述のように1.6μｍ帯あるいは1.3μｍ
帯にはメタン以外の炭化水素系ガスの特性吸収帯
が存在することがわかつている。
帯にはメタン以外の炭化水素系ガスの特性吸収帯
が存在することがわかつている。
したがつて、例えば石英系光フアイバを光伝送
路とし、波長1.666μｍおよび1.331μｍのメタンガ
ス特性吸収バンドを利用すれば、遠隔地にあるメ
タンガスを共存H2O，CO2の影響をほとんど受け
ることなく高精度で測定でき、かつ1.666μｍでの
吸光比と1.331μｍでの吸光比とを同時に求め、
1.666μｍで測定されたメタン濃度と1.331μｍで測
定されたメタン濃度とを比較することにより、他
の炭化水素系ガスによる妨害の有無を知ることが
できることになる。
路とし、波長1.666μｍおよび1.331μｍのメタンガ
ス特性吸収バンドを利用すれば、遠隔地にあるメ
タンガスを共存H2O，CO2の影響をほとんど受け
ることなく高精度で測定でき、かつ1.666μｍでの
吸光比と1.331μｍでの吸光比とを同時に求め、
1.666μｍで測定されたメタン濃度と1.331μｍで測
定されたメタン濃度とを比較することにより、他
の炭化水素系ガスによる妨害の有無を知ることが
できることになる。
次に、波長1.3μｍおよび1.6μｍの近赤外域の光
を発光する光源について説明する。この波長域の
光源としては、従来より周知のガスマントル，グ
ローバー燈，ネルンストランプ，タングステン電
球，キセノンランプ，加熱電線などの光源をも使
用することができるが、取扱いの簡便性，耐久
性，消費電力等の点から半導体レーザーダイオー
ド（LD），発光ダイオード（LED）等が用いら
れる。
を発光する光源について説明する。この波長域の
光源としては、従来より周知のガスマントル，グ
ローバー燈，ネルンストランプ，タングステン電
球，キセノンランプ，加熱電線などの光源をも使
用することができるが、取扱いの簡便性，耐久
性，消費電力等の点から半導体レーザーダイオー
ド（LD），発光ダイオード（LED）等が用いら
れる。
LDは高出力が得られるが温度，電源電圧によ
つて発光波長が変動しやすく、かつ単色性が高い
ので、このような用途に利用するには高度な技術
を必要とする。これに対してLEDは出力は低い
ものの発光スペクトルがややブロードであるため
波長の安定性がよく、特性吸収波長をカバーする
ことが簡単で使用しやすく対象となる気体の検出
範囲によつては充分利用できる。しかし、LED
を光源とした場合には、発光スペクトルがブロー
ドであるため、波長選択が必要となる。波長選択
には種々のタイプがあるがここでは安価な帯域透
過フイルタを用いることにした。
つて発光波長が変動しやすく、かつ単色性が高い
ので、このような用途に利用するには高度な技術
を必要とする。これに対してLEDは出力は低い
ものの発光スペクトルがややブロードであるため
波長の安定性がよく、特性吸収波長をカバーする
ことが簡単で使用しやすく対象となる気体の検出
範囲によつては充分利用できる。しかし、LED
を光源とした場合には、発光スペクトルがブロー
ドであるため、波長選択が必要となる。波長選択
には種々のタイプがあるがここでは安価な帯域透
過フイルタを用いることにした。
ここで、帯域透過フイルタの透過幅は一般に広
く１〜数nm程度であり、測定物のスペクトル線
がこの幅よりも狭い場合には効率的に不利とな
る。しかし、メタンガスの1.331μｍや1.666μｍの
ように相当に幅が広い場合には、このような帯域
透過フイルタを用いても測定系全体の検出効率の
改善に十分役立つことを以下に具体的に検討し見
出した。
く１〜数nm程度であり、測定物のスペクトル線
がこの幅よりも狭い場合には効率的に不利とな
る。しかし、メタンガスの1.331μｍや1.666μｍの
ように相当に幅が広い場合には、このような帯域
透過フイルタを用いても測定系全体の検出効率の
改善に十分役立つことを以下に具体的に検討し見
出した。
第４図は、中心波長1.6661μｍ，半値幅2nmで
透過特性がガウス分布型の帯域透過フイルタを用
い、このフイルタを透過した後の光の強度分布を
示すもので、実線はメタンガスが光路長50cmの測
定セル内に20Torrの圧力で含まれている場合を
表し、点線はメタンガスが存在しない場合を表わ
している。この両曲線の面積の差を点線で囲まれ
た面積で割ればメタンガスによる吸光比を求め得
ることが理解できる。
透過特性がガウス分布型の帯域透過フイルタを用
い、このフイルタを透過した後の光の強度分布を
示すもので、実線はメタンガスが光路長50cmの測
定セル内に20Torrの圧力で含まれている場合を
表し、点線はメタンガスが存在しない場合を表わ
している。この両曲線の面積の差を点線で囲まれ
た面積で割ればメタンガスによる吸光比を求め得
ることが理解できる。
第５図は、中心波長が1.6661μｍＡ、1.6666μｍ
Ｂおよび1.6656μｍＣで半値幅が2nmの３種の帯
域透過フイルタを用いてメタンガスの1.666μｍの
吸収スペクトル線の吸光比をメタン濃度を変化さ
せて測定した時のグラフを示したものである。メ
タンガスと空気との混合気体の圧力は１気圧と
し、その内のメタンガスの分圧（Torr）を変化
させた。グラフより明らかなようにフイルタの中
心波長が異なればメタンガスが同一分圧であつて
も吸光比は変化し、中心波長1.6661μｍのフイル
タＡが最も高い吸光比を与えることがわかる。
Ｂおよび1.6656μｍＣで半値幅が2nmの３種の帯
域透過フイルタを用いてメタンガスの1.666μｍの
吸収スペクトル線の吸光比をメタン濃度を変化さ
せて測定した時のグラフを示したものである。メ
タンガスと空気との混合気体の圧力は１気圧と
し、その内のメタンガスの分圧（Torr）を変化
させた。グラフより明らかなようにフイルタの中
心波長が異なればメタンガスが同一分圧であつて
も吸光比は変化し、中心波長1.6661μｍのフイル
タＡが最も高い吸光比を与えることがわかる。
また、第６図は、中心波長1.6661μｍで、半値
幅が1.5nmE，2.0nmFおよび2.5nmGの３種の帯
域透過フイルタを第５図に示したものと同一条件
で用いてメタンガスの吸光比を求めたものであ
る。これにより、例えば空気中の3Torrのメタン
ガス（爆発下限界の約６％の濃度に相当する。な
お、第６図の横軸の目盛は、メタンガスのTorr
数の対数をとつた値を示しているので、3Torrの
場合、横軸の目盛でlog3＝0.447の位置が3Torrを
示す。）を検出するためには半値幅2.5nmGのフイ
ルタを用いて約1.5％の吸光比，すなわち光強度
の減少を測定すればよいことがわかる。（ただし、
第６図からはＥのフイルタが最も高感度となるこ
とがわかるが、半幅値の狭いものはやや高価であ
り、またＧのフイルタでも充分使用できるため、
Ｇのフイルタを選択した。）さらに、同様の検討
をメタンガスが含まれる都市ガスについても行つ
た。第７図は、20％のメタンガスを含む都市ガス
と空気との混合気体を試料とし、混合気体中の都
市ガス量を変化させて吸光比を測定したときのグ
ラフである。帯域透過フイルタには中心波長
1.6661μｍ，半値幅2.0nmのものを用いている。
幅が1.5nmE，2.0nmFおよび2.5nmGの３種の帯
域透過フイルタを第５図に示したものと同一条件
で用いてメタンガスの吸光比を求めたものであ
る。これにより、例えば空気中の3Torrのメタン
ガス（爆発下限界の約６％の濃度に相当する。な
お、第６図の横軸の目盛は、メタンガスのTorr
数の対数をとつた値を示しているので、3Torrの
場合、横軸の目盛でlog3＝0.447の位置が3Torrを
示す。）を検出するためには半値幅2.5nmGのフイ
ルタを用いて約1.5％の吸光比，すなわち光強度
の減少を測定すればよいことがわかる。（ただし、
第６図からはＥのフイルタが最も高感度となるこ
とがわかるが、半幅値の狭いものはやや高価であ
り、またＧのフイルタでも充分使用できるため、
Ｇのフイルタを選択した。）さらに、同様の検討
をメタンガスが含まれる都市ガスについても行つ
た。第７図は、20％のメタンガスを含む都市ガス
と空気との混合気体を試料とし、混合気体中の都
市ガス量を変化させて吸光比を測定したときのグ
ラフである。帯域透過フイルタには中心波長
1.6661μｍ，半値幅2.0nmのものを用いている。
以上の検討結果から、光源に小型のLEDを用
い、波長選択に帯域透過フイルタを用いてもメタ
ンガス濃度を定量しうることがわかつた。また、
1.666μｍと1.331μｍとで同時にメタンガス濃度を
測定することにより、メタンガス以外の炭化水素
系ガスの妨害を検知できる。すなわち、メタン以
外の炭化水素系ガスも1.6μｍ帯および1.3μｍ帯に
特性吸収帯を有するものがあるが、1.666μｍにお
ける分子吸光係数と1.331μｍにおける分子吸光係
数とが異なるため、被測定ガス中にメタン以外の
炭化水素系ガスが混在していると、1.666μｍで求
められたメタン濃度と1.331μｍで求められたメタ
ン濃度が一致しなくなり、この不一致によつてメ
タン以外の炭化水素系ガスによる妨害が確認でき
る。
い、波長選択に帯域透過フイルタを用いてもメタ
ンガス濃度を定量しうることがわかつた。また、
1.666μｍと1.331μｍとで同時にメタンガス濃度を
測定することにより、メタンガス以外の炭化水素
系ガスの妨害を検知できる。すなわち、メタン以
外の炭化水素系ガスも1.6μｍ帯および1.3μｍ帯に
特性吸収帯を有するものがあるが、1.666μｍにお
ける分子吸光係数と1.331μｍにおける分子吸光係
数とが異なるため、被測定ガス中にメタン以外の
炭化水素系ガスが混在していると、1.666μｍで求
められたメタン濃度と1.331μｍで求められたメタ
ン濃度が一致しなくなり、この不一致によつてメ
タン以外の炭化水素系ガスによる妨害が確認でき
る。
第８図に示すものは、以上の知見に基づいて構
成されたメタンガス測定装置の一例である。図中
符号１は発光ダイオード（LED）よりなる光源
である。この光源１で発光された1.3μｍ帯および
1.6μｍ帯の光は光結合器２を経て光伝送路である
低伝送損失の光フアイバ，例えば石英系光フアイ
バ３に送られる。石英系光フアイバ３は第１図に
示すような伝送特性を有し、1.1〜1.7μｍで極め
て低損失のものであり、したがつてその長さを数
Km〜10Km程度としてもさしつかえない。石英系光
フアイバ３からの光は光結合器４ｂを経て測定セ
ル４に送り込まれる。この測定セル４は円筒状の
筒体４ａの両端部にそれぞれ光結合器４ｂ，４
b′が設けられており、筒体４ａは測定ガスの自然
流出入を可能とするように多孔性焼結金属や連続
気孔構造のプラスチツクフオームなどから形成さ
れている。また、この測定セル４の光路長（光結
合器４ｂ，４b′間の距離）は、特に限定されるこ
とがないが一例として50〜100cmとされることが
多い。また、メタンガスが低濃度の場合には周知
の多重光路型吸収セルを用いることもできる。測
定セル４から出た光は、光結合器４b′を経て低伝
送損失の光フアイバ，例えば石英系光フアイバ５
に送られる。この石英光フアイバ５も同様に低損
失のものが使用される。光フアイバ５を通過した
光は光結合器６からハーフミラーで構成された第
１のビームスプリツタ７に送られ、ここでまず２
つの光束に分けられる。第１の光束８は第１の帯
域透過フイルタ９に送られ、第２の光束１０は第
２のビームスプリツタ１１に送られ、ここでさら
に２つの光束；第３の光束１２および第４の光束
１３に分けられる。第３の光束１２は第２の帯域
透過フイルタ１４に送られ、第４の光束１３は、
第３の帯域透過フイルタ１５にそれぞれ送られ
る。
成されたメタンガス測定装置の一例である。図中
符号１は発光ダイオード（LED）よりなる光源
である。この光源１で発光された1.3μｍ帯および
1.6μｍ帯の光は光結合器２を経て光伝送路である
低伝送損失の光フアイバ，例えば石英系光フアイ
バ３に送られる。石英系光フアイバ３は第１図に
示すような伝送特性を有し、1.1〜1.7μｍで極め
て低損失のものであり、したがつてその長さを数
Km〜10Km程度としてもさしつかえない。石英系光
フアイバ３からの光は光結合器４ｂを経て測定セ
ル４に送り込まれる。この測定セル４は円筒状の
筒体４ａの両端部にそれぞれ光結合器４ｂ，４
b′が設けられており、筒体４ａは測定ガスの自然
流出入を可能とするように多孔性焼結金属や連続
気孔構造のプラスチツクフオームなどから形成さ
れている。また、この測定セル４の光路長（光結
合器４ｂ，４b′間の距離）は、特に限定されるこ
とがないが一例として50〜100cmとされることが
多い。また、メタンガスが低濃度の場合には周知
の多重光路型吸収セルを用いることもできる。測
定セル４から出た光は、光結合器４b′を経て低伝
送損失の光フアイバ，例えば石英系光フアイバ５
に送られる。この石英光フアイバ５も同様に低損
失のものが使用される。光フアイバ５を通過した
光は光結合器６からハーフミラーで構成された第
１のビームスプリツタ７に送られ、ここでまず２
つの光束に分けられる。第１の光束８は第１の帯
域透過フイルタ９に送られ、第２の光束１０は第
２のビームスプリツタ１１に送られ、ここでさら
に２つの光束；第３の光束１２および第４の光束
１３に分けられる。第３の光束１２は第２の帯域
透過フイルタ１４に送られ、第４の光束１３は、
第３の帯域透過フイルタ１５にそれぞれ送られ
る。
これらフイルタ９，１４，１５はいずれも薄膜
による光の干渉作用を利用した干渉フイルタであ
り、多層膜干渉フイルタなどが好適に用いられ、
中心波長での透過率ができるだけ高く、半値幅が
1.0〜2.0nmと狭いものが望ましい。そして、第１
のフイルタ９の中心波長は1.6661μｍとされ、第
２のフイルタ１４の中心波長は1.3312μｍとされ
るかあるいはこの逆の組み合せとされる。また、
第３のフイルタ１５の中心波長は、メタンの吸収
波長以外の波長でさらに水分、炭酸ガスの特性吸
収を示さない、例えば1.62μｍまたは1.30μｍとさ
れる。以下、第１のフイルタ９の中心波長は
1.6661μｍ、第２のフイルタ１４の中心波長は
1.3312μｍ、第３のフイルタ１５の中心波長は
1.62μｍとして説明することにする。これによつ
て、第１のフイルタ９および第２のフイルタ１４
を透過した光は、メタンガスの吸収によつて強度
の低下した1.6661μｍまたは1.3312μｍを中心とす
る透過波長分布がガウス形の光となり、また第３
のフイルタ１５を透過した光は、メタンガスの吸
収には無関係の1.62μｍを中心波長とする波長分
布がガウス形の光となる。これらの光は、それぞ
れアバランシエフオトダイオード（APD）やフ
オトダイオード（PD）（例えばGe半導体）など
で構成された第１，第２，第３の光検出器１６，
１７，１８に送られ、電気信号に変換され、増幅
器１９，２０，２１にて増幅されたのち、マイク
ロコンピユータなどから構成された演算処理装置
２２に送られる。演算処理装置２２は、第１の光
検出器１６で検出し信号変換した電気信号を、第
３の光検出器１８で検出し信号変換した電気信号
で割算して波長1.6661μｍでのメタンの吸光比Ａ
を求めるものであり、またこれと同時に、第２の
光検出器１７で検出し信号変換した電気信号を、
第３の光検出器１８で検出し信号変換した電気信
号で割算して波長1.3312μｍでのメタンの吸光比
A′を求めるものである。
による光の干渉作用を利用した干渉フイルタであ
り、多層膜干渉フイルタなどが好適に用いられ、
中心波長での透過率ができるだけ高く、半値幅が
1.0〜2.0nmと狭いものが望ましい。そして、第１
のフイルタ９の中心波長は1.6661μｍとされ、第
２のフイルタ１４の中心波長は1.3312μｍとされ
るかあるいはこの逆の組み合せとされる。また、
第３のフイルタ１５の中心波長は、メタンの吸収
波長以外の波長でさらに水分、炭酸ガスの特性吸
収を示さない、例えば1.62μｍまたは1.30μｍとさ
れる。以下、第１のフイルタ９の中心波長は
1.6661μｍ、第２のフイルタ１４の中心波長は
1.3312μｍ、第３のフイルタ１５の中心波長は
1.62μｍとして説明することにする。これによつ
て、第１のフイルタ９および第２のフイルタ１４
を透過した光は、メタンガスの吸収によつて強度
の低下した1.6661μｍまたは1.3312μｍを中心とす
る透過波長分布がガウス形の光となり、また第３
のフイルタ１５を透過した光は、メタンガスの吸
収には無関係の1.62μｍを中心波長とする波長分
布がガウス形の光となる。これらの光は、それぞ
れアバランシエフオトダイオード（APD）やフ
オトダイオード（PD）（例えばGe半導体）など
で構成された第１，第２，第３の光検出器１６，
１７，１８に送られ、電気信号に変換され、増幅
器１９，２０，２１にて増幅されたのち、マイク
ロコンピユータなどから構成された演算処理装置
２２に送られる。演算処理装置２２は、第１の光
検出器１６で検出し信号変換した電気信号を、第
３の光検出器１８で検出し信号変換した電気信号
で割算して波長1.6661μｍでのメタンの吸光比Ａ
を求めるものであり、またこれと同時に、第２の
光検出器１７で検出し信号変換した電気信号を、
第３の光検出器１８で検出し信号変換した電気信
号で割算して波長1.3312μｍでのメタンの吸光比
A′を求めるものである。
なお、予め本測定装置を用いて濃度の異なる数
点のメタンガスの標準ガスについて波長1.6661μ
ｍ及び波長1.3312μｍでの吸光比Ｂ及びB′を各々
求めておく。そして、標準ガスのメタンガスの濃
度と求めた波長1.6661μｍ及び波長1.3312μｍでの
吸光比との関係を演算処理装置２２に入力してお
けば、測定セル４内に存在する気体中のメタンガ
スの濃度は吸光比Ａ及びA′から求めることがで
きる。そして、これら二つの測定濃度は、さらに
相互に比較され、両者が誤差範囲内で同一の場合
はその結果が測定セル４内の気体のメタンガス濃
度として表示器２３に表示される。また、両者の
間に所定値以上の差がある場合には、測定セル４
内の気体にはメタン以外の炭化水素系ガスが含ま
れているか、あるいは測定装置の光結合器６以降
の部分；ビームスプリツタ７，１１、帯域透過フ
イルタ９，１４，１５、光検出器１６，１７，１
８、増幅器１９，２０，２１に異常が生じたこと
を意味するので、その旨の表示が表示器２３に示
される。なお、光結合器６と第１のビームスプリ
ツタ７との間にテスト用発光源を設け、上記異常
時に光結合器６からの光を遮断し、上記テスト用
発光源を発光させて測定装置自体の異常を判断で
きるようにすれば、メタン以外の炭化水素系ガス
による妨害が確認できる。
点のメタンガスの標準ガスについて波長1.6661μ
ｍ及び波長1.3312μｍでの吸光比Ｂ及びB′を各々
求めておく。そして、標準ガスのメタンガスの濃
度と求めた波長1.6661μｍ及び波長1.3312μｍでの
吸光比との関係を演算処理装置２２に入力してお
けば、測定セル４内に存在する気体中のメタンガ
スの濃度は吸光比Ａ及びA′から求めることがで
きる。そして、これら二つの測定濃度は、さらに
相互に比較され、両者が誤差範囲内で同一の場合
はその結果が測定セル４内の気体のメタンガス濃
度として表示器２３に表示される。また、両者の
間に所定値以上の差がある場合には、測定セル４
内の気体にはメタン以外の炭化水素系ガスが含ま
れているか、あるいは測定装置の光結合器６以降
の部分；ビームスプリツタ７，１１、帯域透過フ
イルタ９，１４，１５、光検出器１６，１７，１
８、増幅器１９，２０，２１に異常が生じたこと
を意味するので、その旨の表示が表示器２３に示
される。なお、光結合器６と第１のビームスプリ
ツタ７との間にテスト用発光源を設け、上記異常
時に光結合器６からの光を遮断し、上記テスト用
発光源を発光させて測定装置自体の異常を判断で
きるようにすれば、メタン以外の炭化水素系ガス
による妨害が確認できる。
第９図は、この発明の測定装置の他の例を示す
もので、第８図に示したものと同一構成部分には
同一符号を付してその説明は省略する。この例で
は、測定セル４を出た光はたとえば石英系光フア
イバのような低損失の光フアイバ５を通り、光分
岐路４によつて３つの光束に分けられ、それぞれ
光結合器２５，２６，２７からチヨツパ２８を経
て、第１のフイルタ９，第２のフイルタ１４，第
３のフイルタ１５に送り込まれる点と、第１の光
検出器１６と第３の光検出器１８とからの電気信
号が増幅器２９に送られ、第２の光検出器１７と
第３の光検出器１８とからの電気信号が増幅器３
０に送られる点が前例と異るところである。この
例ではチヨツパ２８によつて光検出器１６，１
７，１８からの電気信号が交流となり、増幅等が
容易である利点がある。
もので、第８図に示したものと同一構成部分には
同一符号を付してその説明は省略する。この例で
は、測定セル４を出た光はたとえば石英系光フア
イバのような低損失の光フアイバ５を通り、光分
岐路４によつて３つの光束に分けられ、それぞれ
光結合器２５，２６，２７からチヨツパ２８を経
て、第１のフイルタ９，第２のフイルタ１４，第
３のフイルタ１５に送り込まれる点と、第１の光
検出器１６と第３の光検出器１８とからの電気信
号が増幅器２９に送られ、第２の光検出器１７と
第３の光検出器１８とからの電気信号が増幅器３
０に送られる点が前例と異るところである。この
例ではチヨツパ２８によつて光検出器１６，１
７，１８からの電気信号が交流となり、増幅等が
容易である利点がある。
なお、上記例に限られず、光源１からの光を光
分岐路で複数の光に分割し、これら光を別々の石
英系光フアイバ３で複数の測定セル４……に送り
込み、複数の地点でのメタンガスを同時に測定す
るように構成することもできる。
分岐路で複数の光に分割し、これら光を別々の石
英系光フアイバ３で複数の測定セル４……に送り
込み、複数の地点でのメタンガスを同時に測定す
るように構成することもできる。
以上説明したように、この発明のメタンガス濃
度測定法および測定装置によれば、メタンガスの
特性吸収体に、光フアイバの最も低損失な波長領
域であり、かつCO2，H2Oの吸収帯がほとんど存
在しない1.33μｍおよび1.66μｍを選び、光伝送路
に低損失の光フアイバを、波長選択に小型で安価
な帯域透過フイルタを用い、1.33μｍと1.66μｍと
で同時に吸光比を求めてメタンガスの定量を行う
ものであるので、測定セルを極めて遠隔の地点に
設置することができ、電磁誘導を受けたり、ケー
ブル断線時の短絡事故を生ずることがなく、した
がつて炭鉱の坑道ガス中のメタンガス濃度の測定
や地下街等の広い地域に複数の測定セルを設置
し、１箇所で集中監視する場合などに好適であ
る。また、測定ガス中に存在するH2O，CO2の影
響をほとんど受けないので、精度も高い。さら
に、二つの吸収波長において、別々にメタンガス
濃度を求めるようにしているので、これら二つの
測定値を比較することにより、被測定ガス中にメ
タン以外の炭化水素系ガスが混在しているか否か
を知ることができるとともに測定装置自体の異常
をも知ることができ、さらには測定値そのものの
信頼性も高められる。また、吸光光度法であるの
で、実時間測定が可能であり、メタン濃度変動に
対して迅速な対応が可能となる。さらに、波長選
択に帯域透過フイルタを用いているので装置を小
型化かつ安価とすることができる。さらに、小
形，低電力で冷却などを必要としない小出力の発
光ダイオードを用いてもメタンの爆発限界より下
のレベルの高感度の検出を達成できる。
度測定法および測定装置によれば、メタンガスの
特性吸収体に、光フアイバの最も低損失な波長領
域であり、かつCO2，H2Oの吸収帯がほとんど存
在しない1.33μｍおよび1.66μｍを選び、光伝送路
に低損失の光フアイバを、波長選択に小型で安価
な帯域透過フイルタを用い、1.33μｍと1.66μｍと
で同時に吸光比を求めてメタンガスの定量を行う
ものであるので、測定セルを極めて遠隔の地点に
設置することができ、電磁誘導を受けたり、ケー
ブル断線時の短絡事故を生ずることがなく、した
がつて炭鉱の坑道ガス中のメタンガス濃度の測定
や地下街等の広い地域に複数の測定セルを設置
し、１箇所で集中監視する場合などに好適であ
る。また、測定ガス中に存在するH2O，CO2の影
響をほとんど受けないので、精度も高い。さら
に、二つの吸収波長において、別々にメタンガス
濃度を求めるようにしているので、これら二つの
測定値を比較することにより、被測定ガス中にメ
タン以外の炭化水素系ガスが混在しているか否か
を知ることができるとともに測定装置自体の異常
をも知ることができ、さらには測定値そのものの
信頼性も高められる。また、吸光光度法であるの
で、実時間測定が可能であり、メタン濃度変動に
対して迅速な対応が可能となる。さらに、波長選
択に帯域透過フイルタを用いているので装置を小
型化かつ安価とすることができる。さらに、小
形，低電力で冷却などを必要としない小出力の発
光ダイオードを用いてもメタンの爆発限界より下
のレベルの高感度の検出を達成できる。
第１図はこの発明に用いられる石英系光フアイ
バの伝送損失を示すグラフ、第２図はメタンガス
の1.33μｍ帯の吸収スペクトル、第３図はメタン
ガスの1.66μｍ帯のスペクトル、第４図はガウス
分布型の帯域透過フイルタを透過した光の強度分
布を示すグラフ、第５図は中心波長の異なる３種
の帯域透過フイルタを用いた時のメタンガスの濃
度と吸光比との関係を示すグラフ、第６図は半値
幅の異なる３種の帯域透過フイルタを用いた時の
メタンガスの濃度と吸光比との関係を示すグラ
フ、第７図は帯域透過フイルタを用いて空気中の
都市ガス濃度と吸光比の関係を都市ガス中のメタ
ンガス濃度によつて求めたグラフ、第８図および
第９図はいずれもこの発明のメタンガス測定装置
の例を示す概略構成図である。 １……光源、３……石英系光フアイバ、４……
測定セル、５……石英系光フアイバ、６……光結
合器、７……第１のビームスプリツタ、９……第
１の帯域透過フイルタ、１１……第２のビームス
プリツタ、１４……第２の帯域透過フイルタ、１
５……第３の帯域透過フイルタ、１６，１７，１
８……光検出器、１９，２０，２１……増幅器、
２２……演算処理装置、２３……表示器、２４…
…光分岐路、２８……チヨツパ。
バの伝送損失を示すグラフ、第２図はメタンガス
の1.33μｍ帯の吸収スペクトル、第３図はメタン
ガスの1.66μｍ帯のスペクトル、第４図はガウス
分布型の帯域透過フイルタを透過した光の強度分
布を示すグラフ、第５図は中心波長の異なる３種
の帯域透過フイルタを用いた時のメタンガスの濃
度と吸光比との関係を示すグラフ、第６図は半値
幅の異なる３種の帯域透過フイルタを用いた時の
メタンガスの濃度と吸光比との関係を示すグラ
フ、第７図は帯域透過フイルタを用いて空気中の
都市ガス濃度と吸光比の関係を都市ガス中のメタ
ンガス濃度によつて求めたグラフ、第８図および
第９図はいずれもこの発明のメタンガス測定装置
の例を示す概略構成図である。 １……光源、３……石英系光フアイバ、４……
測定セル、５……石英系光フアイバ、６……光結
合器、７……第１のビームスプリツタ、９……第
１の帯域透過フイルタ、１１……第２のビームス
プリツタ、１４……第２の帯域透過フイルタ、１
５……第３の帯域透過フイルタ、１６，１７，１
８……光検出器、１９，２０，２１……増幅器、
２２……演算処理装置、２３……表示器、２４…
…光分岐路、２８……チヨツパ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 1.6μｍ帯と1.3μｍ帯の波長域を含む光を同時
にこれらの波長域において伝送損失が小さい光フ
アイバによつて雰囲気ガスが流出入する測定セル
に伝送し、この測定セルでメタンガスの1.666μｍ
および1.331μｍでの吸収がなされた後の光を1.6μ
ｍ帯と1.3μｍ帯の波長域において伝送損失が小さ
い光フアイバによつて帯域透過フイルタに送り、
前記二つのメタンガスの吸収波長の光とそれ以外
の波長の１つの光とに分光し、前記一方のメタン
ガスの吸収波長と前記それ以外の波長との強度比
および前記他方のメタンガスの吸収波長と前記そ
れ以外の波長との強度比を求め、これらの強度比
から前記測定セル中のメタンガス濃度を測定する
一方、前記二つの強度比からそれぞれ得られたメ
タンガス濃度を比較して、メタンガス以外の妨害
ガスの有無を検知することを特徴とするメタンガ
ス濃度測定法。 ２ 1.6μｍ帯と1.3μｍ帯の波長域を含む光を発光
する発光源と、この光を伝送するこれら波長域で
伝送損失の小さい光フアイバと、雰囲気ガスが流
出入する測定セルと、測定セルでメタンガスの
1.666μｍと1.331μｍでの吸収が行なわれた光をメ
タンガスの前記二つの吸収波長の光とそれ以外の
波長の一つの光とに分光する帯域透過フイルタ
と、前記1.666μｍの吸収波長の光を検出し電気信
号に変換する第１の光検出器と、前記1.331μｍの
吸収波長の光を検出し電気信号に変換する第２の
光検出器、および、前記それ以外の波長の光を検
出し電気信号に変換する第３の光検出器と、前記
第１の光検出器および前記第２の光検出器それぞ
れの電気信号と前記第３の光検出器の電気信号と
の比を演算してそれぞれのメタンガス濃度を算出
するとともに、この二つのメタンガス濃度を比較
してメタンガス以外の妨害ガスの有無を判定する
演算処理装置とを具備してなるメタンガス濃度測
定装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58086770A JPS59212738A (ja) | 1983-05-18 | 1983-05-18 | メタンガス濃度測定法およびその測定装置 |
| DE19833334264 DE3334264A1 (de) | 1982-09-25 | 1983-09-22 | Verfahren und messgeraet zum messen der methan-konzentration in einem gasgemisch |
| US06/536,051 US4567366A (en) | 1982-09-25 | 1983-09-26 | Method and apparatus for measuring methane concentration in gas |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58086770A JPS59212738A (ja) | 1983-05-18 | 1983-05-18 | メタンガス濃度測定法およびその測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59212738A JPS59212738A (ja) | 1984-12-01 |
| JPH0220934B2 true JPH0220934B2 (ja) | 1990-05-11 |
Family
ID=13895980
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58086770A Granted JPS59212738A (ja) | 1982-09-25 | 1983-05-18 | メタンガス濃度測定法およびその測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59212738A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20240102383A (ko) * | 2022-12-26 | 2024-07-03 | (주)파이버피아 | 레이저를 이용한 휴대용 가스 감지센서 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0830680B2 (ja) * | 1990-10-15 | 1996-03-27 | アンリツ株式会社 | ガス検出装置 |
| GB0002535D0 (en) | 2000-02-04 | 2000-03-29 | Bg Intellectual Pty Ltd | A method for determining the safety of gas mixtures |
| US7091487B2 (en) | 2000-06-02 | 2006-08-15 | Lattice Intellectual Property Limited | Non-dispersive ir measurement of gases using an optical filter |
-
1983
- 1983-05-18 JP JP58086770A patent/JPS59212738A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20240102383A (ko) * | 2022-12-26 | 2024-07-03 | (주)파이버피아 | 레이저를 이용한 휴대용 가스 감지센서 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59212738A (ja) | 1984-12-01 |
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