JPH0220935B2

JPH0220935B2 -

Info

Publication number: JPH0220935B2
Application number: JP13672783A
Authority: JP
Inventors: Akio Shinohara
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1983-07-28
Filing date: 1983-07-28
Publication date: 1990-05-11
Also published as: JPS6029642A

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。

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。

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。

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。

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
濃度測定およびその装置を特願昭57−166836号と
特願昭58−86770として提案した。これらの測定
法は、1.6μｍ帯と1.3μｍ帯の光の少くとも１つ以
上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、測定セルでメタンガスの特性吸収波長である
1.666μｍと1.331μｍの少くとも１つ以上の波長で
の吸収がなされた後の光を1.6μｍ帯と1.3μｍ帯の
少くとも１つ以上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（測定波長）の光
とそれ以外の波長（参照波長）の１つの光とに分
光し、これら測定波長と参照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より信頼
性のある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。

この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、
参照波長の光を複数採り、測定波長の光との比を
複数個とることによつて信頼性を増そうとするも
のであつて、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。

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附近には水蒸
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の生じ
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に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も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。

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と1.331μｍのメタンガス特
性吸収波長（測定波長）を少くとも１つ利用すれ
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、しかも、測定波長とは別に、測定波長と同じ
波長帯、好ましくは測定波長の近傍で、かつ測定
波長（メタンガスの特性吸収波長）ではなく、
又、H₂OやCO₂の吸収がほとんど生じない波長の
すなわち1.350〜1.393μｍを除いた波長の光を少
くとも２つ以上参照波長として選び、例えば
1.331μｍの測定波長を選んだ時は参照波長とし
て、その前後の波長である1.30μｍと1.34μｍの２
つを、又、測定波長として1.331μｍと1.666μｍを
選んだ時は参照波長として1.30μｍと1.62μｍを選
ぶなど、少くとも２つ以上の参照波長を選択する
ことによつて1.666μｍでの吸光比あるいは1.331μ
ｍでの吸光比あるいはその両波長での吸光比にお
いて少くとも２つ以上の比を求め、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、あるいは、１つ
の測定波長（例えば1.331μｍ）に対して、参照波
長を２つ以上とするため、測定波長での光の強度
と参照波長での光の強度との比は複数個得られ、
これら複数個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。

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。

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
表わし、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1.6661μｍ(A)、1.6666μｍ
(B)および1.6656μｍ(C)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1.5nｍ(E)、2.0nｍ(F)および2.5nｍ(G)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。）
を検出するためには半値幅2.5nｍ(G)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、半値幅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1.6661μ
ｍ、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、
メタンガスの特性吸収波長である1.666μｍと
1.331μｍの少くとも１つ以上の測定波長と複数の
参照波長との吸光比とから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
スの妨害の検知が可能となる。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、又測定波長近傍においても
複数の参照波長を採ることによつて炭化水素系ガ
スの分子吸光係数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、あるいは
１つの測定波長の光においても参照波長の光との
吸光比が異なつて、したがつてメタン濃度が一致
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帯と1.6μ
ｍ帯の少くとも１つ以上の波長帯を含む光は光結
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，４b′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。そし
て、セル内で光結合器４ｂから４b′へ光が伝達す
る間に特定波長の光が吸収されるセルである。ま
た、この測定セル４の光路長（光結合器４ｂ，４
b′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。
この石英系光フアイバ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1.3312μｍとされ、
第２のフイルタ１４の中心波長はメタンの吸収波
長以外の波長で、H₂O、CO₂でも特性吸収をほと
んど示さない1.30μｍとされる。

また、第３のフイルタ１５も参照波長用であつ
て、その中心波長は1.34μｍとされる。これによ
つて、第１のフイルタ９を透過した光は、メタン
ガスでの吸収によつて強度の低下した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２、第３のフイルタ１４，１５を透過
した光は、メタンガスの吸収には無関係で、しか
もメタンの吸収波長1.331μｍの近傍にいずれも中
心波長を持ち、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
成された信号処理装置２２に送られる。

演算処理装置２２においては、第１の光検出器
１６で検出された電気信号と、第２の光検出器１
７で検出された電気信号とが比較され、波長
1.3312μｍと波長1.30μｍにおける光の強度比から
メタンの吸光比Ａが求められ、予め標準メタンガ
スで求めた吸光比Ａとメタンガス濃度との関係を
用いて演算処理等が行われ、測定セル４内に存在
する気体中のメタンガスの1.3312μｍでの測定濃
度が求められる。これと同時に、第１の光検出器
１６で検出された電気信号と第３の光検出器１８
で検出された電気信号とが比較され、波長
1.3312μｍと波長1.34μｍにおける光の強度比から
メタンの吸光比A′が求められ、同様にして、測
定濃度が求められる。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１６，１７，１８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２４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２の光検出器１７とからの電気
信号が増幅器２９に送られ、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
３０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。

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
特性吸収帯に、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帯と1.66μｍ帯の少くとも１つ以
上の吸収帯を選び、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の１つ以上の波長帯と
少くとも２つ以上の参照波長とによつて吸光比を
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個所で集中監
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、測定波長に1.331μｍ
または1.666μｍあるいはその両者を用い、参照波
長も複数とすることによつて、個々にメタンガス
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、小型、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。

【図面の簡単な説明】

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、１５…第３の帯域透過
フイルタ、１６，１７，１８…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

【特許請求の範囲】１ 1.6μｍ帯と1.3μｍ帯の少くとも１つ以上の波
長帯を含む光を、これらの波長帯において伝送損
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
ガスの特性吸収波長である1.666μｍと1.331μｍの
少くとも１つ以上の波長で吸収された後の光を、
吸収された光の波長帯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
記少くとも１つ以上のメタンガスでの吸収波長の
測定光とこの測定光の吸収波長が1.666μｍのみの
時は1.6μｍ帯から、1.331μｍのみの時は1.3μｍ帯
からそれぞれ少くとも２つ以上の波長の参照光に
分光し、上記測定光の吸収波長が1.666μｍおよび
1.331μｍの時は1.6μｍ帯と1.3μｍ帯からそれぞれ
少くとも１つ以上の波長の参照光に分光し、上記
測定光の強度とこの測定光の属する波長帯の上記
参照光の強度との比を求め、これらの強度比から
上記測定セル中のメタンガス濃度を測定する一
方、これら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帯の少くとも１つ以上の波
長帯を含む光を発光する発光源と、この光を伝送
するこれら波長帯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
ルでメタンガスの特性吸収波長である1.666μｍと
1.331μｍの少くとも１つ以上の波長で吸収の行な
われた光を送るための吸収された光の波長帯にお
いて伝送損失の小さい光フアイバと、上記少なく
とも１つ以上のメタンガスの吸収波長の測定光と
この測定光の吸収波長が1.666μｍのみの時は1.6μ
ｍ帯から、1.331μｍのみの時は1.3μｍ帯からそれ
ぞれ少くとも２つ以上の波長の参照光に分光し、
上記測定光の吸収波長が1.666μｍおよび1.331μｍ
の時は1.6μｍ帯と1.3μｍ帯からそれぞれ少くとも
１つ以上の波長の参照光に分光する帯域透過フイ
ルタと、これらの光をそれぞれ検出し電気信号に
変換する検出器と、上記測定光の電気信号とこの
測定光の属する波長帯の上記参照光の電気信号と
の比を演算してそれぞれのメタンガス濃度を算出
すると共に、これら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。