特許 7393753 濃度測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-29

(45)【発行日】2023-12-07

(54)【発明の名称】濃度測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/33 20060101AFI20231130BHJP

【ＦＩ】

G01N21/33

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021126348

(22)【出願日】2021-07-31

(65)【公開番号】P2023021201

(43)【公開日】2023-02-10

【審査請求日】2023-03-22

(73)【特許権者】

【識別番号】390033857

【氏名又は名称】株式会社フジキン

(73)【特許権者】

【識別番号】391049530

【氏名又は名称】株式会社信光社

(74)【代理人】

【識別番号】100129540

【弁理士】

【氏名又は名称】谷田 龍一

(74)【代理人】

【識別番号】100137648

【弁理士】

【氏名又は名称】吉武 賢一

(72)【発明者】

【氏名】永瀬 正明

(72)【発明者】

【氏名】石井 秀和

(72)【発明者】

【氏名】杉本 耕祐

(72)【発明者】

【氏名】府川 隆

(72)【発明者】

【氏名】芦野 航

【審査官】井上 徹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１６９２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３７４０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５２９０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／２１３３８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－３３４８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００－Ｇ０１Ｎ ２１／６１

Ｇ０１Ｎ ２１／８４－Ｇ０１Ｎ ２１／９５８

Ｇ０１Ｊ １／００－Ｇ０１Ｊ １／６０

Ｇ０１Ｊ ３／００－Ｇ０１Ｊ ３／５２

Ｇ０２Ｂ ６／４２－Ｇ０２Ｂ ６／４３

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガス流路と前記ガス流路と交差する光路とを有する測定セルと、
前記光路の一端に配設され、前記光路内に光を出射するための光源と、
前記光源の側方であって前記光源の先端より前記光源の光軸に沿った光出射方向の後方に配設され、前記光源から出射した光を参照光として検出する第１光検出器と、
前記光路の他端に配設され、前記光源から出射した光を光吸収測定用として検出する第２光検出器と、を備え、
前記測定セルは、
前記光路の一部を構成する貫通孔と前記ガス流路とを有する測定セル本体と、
前記貫通孔の一方の開口部に第１透光窓を介して前記測定セル本体に接続されて、前記光源及び前記第１光検出器を備える入射側部材と、を備え、
前記入射側部材は、第１凹部を備え、
前記光源は、前記第１凹部の底部に配設され、
前記第１光検出器は、前記第１凹部の側壁内に埋設されている、濃度測定装置。

【請求項2】

前記第１光検出器は、前記光源の光軸に対して斜めに向くように、前記入射側部材に固定されている、請求項１に記載の濃度測定装置。

【請求項3】

前記測定セルは、前記貫通孔の他方の開口部に第２透光窓を介して前記測定セル本体に接続されて前記第２光検出器を備える検出側部材を備え、
前記検出側部材は、前記貫通孔とともに前記光路の一部を構成する第２凹部を備え、
前記第２光検出器が前記第２凹部の底部に配設され、
前記検出側部材は、前記第２光検出器と前記第２透光窓との間に介在された集光レンズを更に備え、
前記集光レンズと前記光源との距離が１５ｍｍ以下である、請求項１又は２に記載の濃度測定装置。

【請求項4】

前記光源は、波長の異なる複数の発光素子を含む、請求項１～３の何れかに記載の濃度測定装置。

【請求項5】

前記複数の発光素子は、波長２３０ｎｍ～３２０ｎｍの前記発光素子と、波長５２０ｎｍ～６８０ｎｍの前記発光素子と、を含む、請求項４に記載の濃度測定装置。

【請求項6】

前記複数の発光素子のそれぞれの光軸は一つの前記第２光検出器に向けられており、前記複数の発光素子から発せられた光が前記第２光検出器で受光されるように構成されている、請求項４又は５に記載の濃度測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、吸光光度法の原理に基づいてガス濃度を測定するための濃度測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の濃度測定装置として、ガス流路を備える測定セルに所定波長の光を入射し、測定セル内を通過する際にガスによる吸収を受けた光を光検出器で検出することにより吸光度を測定し、ランベルト・ベールの法則を適用して吸光度からガスの濃度を演算する濃度測定装置が知られている（例えば、特許文献１、２、３等）。

【0003】

また、測定精度を向上させるために、測定セルに入射する前の光の一部を分岐させて参照光として検出し、入射光の劣化等による吸光度演算値の誤差を補正する濃度測定装置も知られている（例えば、特許文献３、４等）。

【0004】

図１は、従来の濃度測定装置の一例を示している。光源１は、異なる波長の発光素子１ａ、１ｂを含み、夫々の発光素子１ａ、１ｂから出射した光Ｌ１、Ｌ２は、合波モジュール２のハーフミラー２ａで合波され、光ファイバー３ａを通じて分岐モジュール４に送られ、分岐モジュール４のハーフミラー４ａで参照光Ｌｒと吸光度測定用の光Ｌｍとに分けられる。参照光Ｌｒは、参照光を検出するための第１光検出器５で検出される。吸光度測定用の光Ｌｍは、光ファイバー３ｂを通じて測定セル６に入射される。測定セル６の内部には、流入口６ａ及び流出口６ｂを通じてガスＧが流されている。測定セル６は、一端側に光透光窓６ｃを、他端側に光反射膜６ｄが設けられている。図中、符号７はボールレンズを示し、符号８は光ファイバーコネクタを示す。光透光窓６ｃを介して測定セル６内に入射した光Ｌｍは、光反射膜６ｄで反射され、反射光Ｌｍｂが再び光透光窓６ｃを透過し、光ファイバー３ｂを通じて分岐モジュール４に送られ、ハーフミラー４ａで反射されて第２光検出器９に送られる。測定セル６内においてガスＧによる吸収を受けた光Ｌｍｂは、分岐モジュール４の第２光検出器９で検出され、吸光度の演算に用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開ＷＯ２０１６／０１７１２２号パンフレット

【文献】国際公開ＷＯ２０１４／１８１５２７号パンフレット

【文献】国際公開ＷＯ２０１８／０２１３１１号パンフレット

【文献】国際公開ＷＯ２０１７／０２９７９１号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来の濃度測定装置において、光源からの光を測定セルに入射する前に分岐器で分岐させるために、光源と分岐モジュールと測定セルとを光ファイバーで接続しているが、光は、光ファイバーを通過する際に減衰するため、好ましくない。また、この種の濃度測定装置は、小型化の要望もある。

【0007】

そこで本発明は、光ファイバーを用いず、小型化が可能な濃度測定装置を提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る濃度測定装置は、ガス流路と前記ガス流路と交差する光路とを有する測定セルと、前記光路の一端に配設され、前記光路内に光を出射するための光源と、前記光源の側方であって前記光源の先端より前記光源の光軸に沿った光出射方向の後方に配設され、前記光源から出射した光を参照光として検出する第１光検出器と、前記光路の他端に配設され、前記光源から出射した光を光吸収測定用として検出する第２光検出器と、を備える。

【0009】

本発明の一態様によれば、前記測定セルは、前記光路の一部を構成する貫通孔と前記ガス流路とを有する測定セル本体と、前記貫通孔の一方の開口部に第１透光窓を介して前記測定セル本体に接続されて、前記光源及び前記第１光検出器を備える入射側部材と、を備え、前記入射側部材は、第１凹部を備え、前記光源は、前記第１凹部の底部に配設され、前記第１光検出器は、前記第１凹部の側壁内に埋設されている。

【0010】

また、本発明の一態様によれば、前記第１光検出器は、前記光源の光軸に対して斜めに向くように、前記入射側部材に固定されている。

【0011】

また、本発明の一態様によれば、前記測定セルは、前記貫通孔の他方の開口部に第２透光窓を介して前記測定セル本体に接続されて前記第２光検出器を備える検出側部材を備え、前記検出側部材は、前記貫通孔とともに前記光路の一部を構成する第２凹部を備え、前記第２光検出器が前記第２凹部の底部に配設され、前記検出側部材は、前記第２光検出器と前記第２透光窓との間に介在された集光レンズを更に備え、前記集光レンズと前記光源との距離が１５ｍｍ以下である。

【0012】

また、本発明の一態様によれば、前記光源は、波長の異なる複数の発光素子を含む。

【0013】

また、本発明の一態様によれば、前記複数の発光素子は、波長２３０ｎｍ～３２０ｎｍの前記発光素子と、波長５２０ｎｍ～６８０ｎｍの前記発光素子と、を含む。

【0014】

また、本発明の一態様によれば、前記複数の発光素子のそれぞれの光軸は一つの前記第２光検出器に向けられており、前記複数の発光素子から発せられた光が前記第２光検出器で受光されるように構成されている。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、前記第１光検出器が前記光源の側方且つ後方で前記光源の光を検出する構成とすることにより、前記光源及び前記第１光検出器と前記ガス流路との距離を短くでき、光ファイバーを用いずに前記測定セルを小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】従来の濃度測定装置を示す概略構成図である。

【図2】本発明に係る濃度測定装置の第１実施形態を示す中央縦断正面図である。

【図3】図２の濃度測定装置の要部の中央縦断側面図である。

【図4】本発明に係る濃度測定装置の第２実施形態を示す中央縦断正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明に係る濃度測定装置の第１実施形態について、以下に図２及び図３を参照して説明する。

【0018】

図２及び図３を参照して、濃度測定装置１０は、ガス流路１１とガス流路１１と交差する光路１２とを有する測定セル１３と、光路１２の一端に配設されて光路１２内に光を出射するための光源１４と、光源１４の側方であって光源１４の先端１４ａより光源１４の光軸Ｘに沿った光出射方向Ｘ１の後方（図２の矢印Ｙ方向）に配設され、光源１４から出射した光を参照光として検出する第１光検出器１５と、光路１２の他端に配設されて光源１４から出射した光を光吸収測定のために検出する第２光検出器１６と、を備える。

【0019】

測定セル１３は、光路１２のための貫通孔１７と、ガス流路１１とを有する測定セル本体１８と、光源１４及び第１光検出器１５を備える入射側部材１９と、を備える。入射側部材１９は、貫通孔１７の一方の開口部１７ａに第１透光窓２０を介して測定セル本体１８に接続されている。入射側部材１９は、ボルト２１によって測定セル本体１８に固定されている。

【0020】

ガス流路１１は、一端開口がガス流入口１１ａ、他端開口がガス流出口１１ｂであり、図示例では測定セル本体１８を直線状に貫通している。測定セル本体１８は、ステンレス鋼等の耐食性に優れた材料によって形成される。第１透光窓２０は、機械的・化学的に安定なサファイアガラスが好適に用いられるが、他の安定な材料、例えば石英ガラス等も利用可能である。

【0021】

入射側部材１９は、第１透光窓２０を介して貫通孔１７と光学的に連通して光路１２の一部を構成する第１凹部２２を備える。即ち、貫通孔１７と第１凹部２２とは、第１透光窓を介して光が通ることができるように連なっている。光源１４は、第１凹部２２の底部に配設されている。

【0022】

光源１４は、発光ダイオード、レーザーダイオード等の発光素子が好適に用いられる。図示例の光源１４は、ＬＥＤ素子を覆う封止樹脂が砲弾型をした、いわゆる砲弾型発光ダイオードである。リード線２３が入射側部材１９の底孔２４から引き出されている。第１光検出器１５及び第２光検出器１６は、フォトダイオード、フォトトランジスター等の光センサーが用いられ得る。

【0023】

第１光検出器１５は、第１凹部２２内の側壁２２ａに埋設され、好ましくは、第１凹部２２内の側壁２２ａの底側端部に埋設されている。第１光検出器１５は、第１光検出器１５の光軸Ｚが光源１４の光軸Ｘと非平行となるように、入射側部材１９に固定されている。

【0024】

第１光検出器１５は、入射側部材１９に斜め方向に穿設された取付孔１９ｂに嵌め込まれて埋設固定されている。入射側部材１９の取付面は、傾斜面１９ｃとなっている。第１光検出器１５は、光源１４からの光を集光させるレンズ１５ｂを備えている。レンズ１５ｂは、その一部が第１凹部２２の側壁２２ａから内側にはみ出すように突出して配置されている。

【0025】

測定セル本体１８に検出側部材２７が接続されている。第２光検出器１６は、検出側部材２７に組み込まれている。検出側部材２７は、貫通孔１７の他方の開口部１７ｂに第２透光窓２８を介して測定セル本体１８に接続されている。検出側部材２７は第２凹部２７ａを備え、第２光検出器１６が第２凹部２７ａの底部に配設されている。第２光検出器１６と第２透光窓２８との間に集光レンズ２９が介在されている。集光レンズ２９と光源１４との距離Ｌ１は、好ましくは１５ｍｍ以下である。第２凹部２７ａは、第２透光窓２８を介して貫通孔１７と光学的に連通して光路１２の一部を構成する。検出側部材２７は、ボルト３０によって測定セル本体１８に固定されている。

【0026】

光路１２は、第１凹部２２、第１透光窓２０、ガス流路１１と交差する貫通孔１７、第２透光窓２８、集光レンズ２９を備える第２凹部２７ａによって構成されている。第１凹部に設けられた光源１４から出射された光は、第１透光窓２０、ガス流路１１と交差する貫通孔１７、第２透光窓２８、ガス流路１１と交差する貫通孔１７、第２透光窓２８、第２凹部２７ａ内の集光レンズ２９を通って、第２光検出器１６によって検出されるとともに、一部の光は第１光検出器１５によって検出される。

【0027】

第１光検出器１５及び第２光検出器１６によって検出された検出信号光は、制御部３１に送られる。制御部３１は、光源１４に供給する電流を制御するとともに、公知の電流－電圧変換回路により、第１光検出器１５及び第２光検出器１６の出力を電圧として測定する測定回路３１ａを備えている。また、制御部３１は、測定回路３１ａで測定された測定値を記憶するデータロガー３１ｂ、濃度計算及び補正処理を演算するコンピュータ３１ｃ等を備えることができ、測定回路３１ａで測定された測定値に基づいて濃度計算処理及び補正処理を行うことができる。なお、ランベルト・ベールの法則を適用してガスの濃度を演算する方法、その演算値を、参照光を用いて補正する方法等は公知であるので詳細な説明を省略する。上記構成の濃度測定装置は、次のような作用効果を奏することができる。

【0028】

光源１４及び第１光検出器１５は、光ファイバーを用いずに、測定セル１３に直接取り付けられているため、光ファイバーによる光の減衰が無い。

【0029】

第１光検出器１５は、光源１４の側方且つ後方（図１の矢印Ｙ方向）で光源１４の光を検出する構成とすることにより、光源１４及び第１光検出器１５とガス流路１１との距離を短くでき、測定セル１３を小型化できる。

【0030】

第１光検出器１５は、入射側部材１９の第１凹部２２の側壁２２ａ内に埋設されることにより、第１光検出器１５のために第１凹部２２の内部空間を広げずに済み、測定セル１３の小型化に寄与する。

【0031】

光源１４を構成する発光ダイオードは、一般に指向角がある。第１光検出器１５は、光源１４の指向角の範囲外に配置されていても、一定量の強度の光が光源１４の後方にも出ており、それを参照光として検出することができる。また、レンズ１５ｂによって光を第１検出器１５に集めることができる。

【0032】

第１光検出器１５は、光軸Ｚが光源１４の光軸Ｘと非平行であり、光源１４の光軸Ｘに対して斜めに取り付けられる。このように第１光検出器１５を斜めに取り付ける構成とすることにより、第１光検出器１５と光源１４とを其々の光軸が平行となるように並べて配置した場合に比べて、取付箇所である入射側部材１９を小型化でき、ハーフミラーを配設する必要がなく、測定セル１３全体を小型化できる。

【0033】

第１光検出器１５のレンズ１５ｂの一部のみを第１凹部２２内に突出させる構成により、光路１２の一部を構成する第１凹部２２の空間を広げることなく、光源１４からの参照光を集光し、測定セル１３を小型化することができる。

【0034】

第１実施形態における濃度測定器では、光源１４を１つの発光素子で構成した例を示し、測定するオゾンのおおよその濃度が予め知れており、光源１４としては、波長２３０ｎｍ～３２０ｎｍ、例えば３００ｎｍのＬＥＤ素子を使用する。

【0035】

次に、本発明の濃度測定装置の第２実施形態について、以下に図４を参照して説明する。なお、上記第１実施形態と同一又は類似の構成部分については、同符号を付している。図４は、中央縦断側面図であり、第１実施形態の図３に対応する断面図である。第２実施形態の中央縦断正面図は、第１実施形態の図２とほぼ同じであるので図示省略する。

【0036】

図４を参照して、第２実施形態の濃度測定装置では、光源１４が波長の異なる２つ発光素子１４ａ、１４ｂを備えている。発光素子１４ａ、１４ｂのそれぞれの光軸Ｘａ、Ｘｂは、一つの第２光検出器１６の中心部（半導体チップ１６ａの中心部）に向けられており、発光素子１４ａ、１４ｂから発せられた光が第２光検出器１６で受光されるように構成されている。

【0037】

図示例において、光源１４の一方の発光素子１４ａは、波長２３０ｎｍ～３２０ｎｍであり、他方の発光素子１４ｂは、波長５２０ｎｍ～６８０ｎｍである。この２種類の波長は、オゾンガスの濃度測定に適している。即ち、オゾンガスは、高濃度域では６００ｎｍ付近に吸収のピークがあり、低濃度域では２５５ｎｍ付近に吸収のピークがある。そのため、２種類の波長の発光素子１４ａ、１４ｂを設けることにより、高濃度域及び低濃度域のオゾンガスの濃度を測定することができる。第１光検出器１５及び第２光検出器１６は、発光素子１４ａ、１４ｂの其々の波長に感受性を有する光センサーが用いられる。測定すべきガスの特性に応じて、各発光素子１４ａ、１４ｂの波長を選択することができるし、異なる波長の３以上の発光素子を設けることもできる。

【0038】

本発明は、上記実施形態に限定解釈されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

【符号の説明】

【0039】

１０ 濃度測定装置
１１ ガス流路
１２ 光路
１３ 測定セル
１４ 光源
１４ａ、１４ｂ 発光素子
１５ 第１光検出器
１６ 第２光検出器
１７ 貫通孔
１８ 測定セル本体
１９ 入射側部材
２０ 第１透光窓
２２ 第１凹部
２２ａ 側壁
１５ｂ レンズ
２７ 検出側部材
２７ａ 第２凹部
２８ 第２透光窓
２９ 集光レンズ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】