特許 7473170 ガス濃度測定装置

(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】2024-04-15

(45)【発行日】2024-04-23

(54)【発明の名称】ガス濃度測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/61 20060101AFI20240416BHJP

【ＦＩ】

G01N21/61

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020068520

(22)【出願日】2020-04-06

(65)【公開番号】P2021165658

(43)【公開日】2021-10-14

【審査請求日】2023-04-05

(73)【特許権者】

【識別番号】390010364

【氏名又は名称】光明理化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000235

【氏名又は名称】弁理士法人 天城国際特許事務所

(74)【代理人】

【氏名又は名称】石島 茂男

(74)【代理人】

【識別番号】100106666

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 英樹

(72)【発明者】

【氏名】秋本 健二

(72)【発明者】

【氏名】瀧山 雅博

(72)【発明者】

【氏名】森光 伸吾

【審査官】比嘉 翔一

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－３１８９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１５６３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０４３３０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－２０２７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５０－１１５８７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５２－０５７８７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ２１／００－Ｇ０１Ｎ２１／０１

Ｇ０１Ｎ２１／１７－Ｇ０１Ｎ２１／６１

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍ３）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

振動空間を形成する振動室と、
前記振動空間と測定対象化合物の気体を含有するサンプルガスの雰囲気であるサンプルガス雰囲気との間で前記サンプルガスが移動する経路である主流通路と、
前記振動空間の中のサンプルガスに所定の駆動周波数で圧力変動をさせる振動装置と、
前記圧力変動がされた前記サンプルガスに、測定光を照射して前記サンプルガスを透過させ、前記サンプルガスを透過した前記測定光の中の前記測定対象化合物に吸収される波長の光の光量を検出し、電気信号に変換する光量測定装置と、を有し、
前記光量測定装置が検出し、変換した前記電気信号に含まれる周波数成分のうち、前記駆動周波数と一致する周波数成分の大きさからガス濃度を求め、
表面が前記振動空間に露出された振動板が設けられ、
前記振動装置は前記振動板を振動させる力を伝達する伝達装置を有し、
前記振動装置は前記振動板を前記駆動周波数で振動させて前記サンプルガスを圧力変動させるガス濃度測定装置。

【請求項2】

前記圧力変動がされた前記サンプルガスの圧力を検出する圧力センサを有する請求項１記載のガス濃度測定装置。

【請求項3】

前記ガス濃度は、前記サンプルガス中に含有される前記測定対象化合物の気体の体積と前記サンプルガスの体積との間の比である請求項２記載のガス濃度測定装置。

【請求項4】

前記振動装置は、前記圧力センサが検出した前記圧力変動の振動振幅を一定に保つように制御される請求項２記載のガス濃度測定装置。

【請求項5】

前記電気信号に含まれる信号成分のうち、前記駆動周波数で変動する信号成分に対する他の周波数で変動する信号成分の比を小さくさせた前記電気信号を用いて前記ガス濃度を求める請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のガス濃度測定装置。

【請求項6】

先端が前記振動板に取り付けられたシャフトを有し、
前記振動装置は前記シャフトを往復移動させて前記振動板を振動させる請求項１記載のガス濃度測定装置。

【請求項7】

前記振動板の裏面が露出された裏面側空間と、
前記裏面側空間と前記サンプルガス雰囲気との間で前記サンプルガスが移動する経路である裏面側流通路と、
Ｎ極とＳ極のうち、一方の磁極が前記振動空間に向けられ、他方の磁極が前記裏面側空間に向けられた受力磁石と、
前記振動空間を間にして前記受力磁石に対面する位置に第一の磁極を形成する電磁石である第一給力磁石と、
前記裏面側空間を間にして前記受力磁石に対面する位置に第二の磁極を形成する電磁石である第二給力磁石と、
を有し、
前記振動装置は、前記第一の磁極と前記第二の磁極とを同一極性にしながら極性を交互に反転させて前記振動板を振動させる請求項１記載のガス濃度測定装置。

【請求項8】

前記振動空間と前記サンプルガス雰囲気との間を移動する前記サンプルガスは、前記主流通路の流動コンダクタンスよりも小さい流動コンダクタンスにされた通気抵抗体を通過するようにされた請求項１，２，３，５，６，７のいずれか１項記載のガス濃度測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非分散赤外線吸収法(NDIR：non-dispersive infrared）に基づくガス濃度測定装置、特に、流体変調方式ガス濃度測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

NDIRガス濃度測定装置は、現在、多くの産業分野において様々な用途で普及している。初期の装置は、大型で複雑な構造であったため、用途も限定的であった。やがて、電子産業の発展と時を同じくし、旧型のガス封入式赤外線検出器から、固体受光器と干渉フィルターによる赤外線検出機構への置き換えが進み、構造の簡素化、小型化、長寿命化により、NDIRガス濃度測定装置の用途は飛躍的に拡大した。

【0003】

NDIRガス濃度測定装置では、測定対象ガスを含まない光路を通過した赤外線または測定対象ガスに吸収されない波長の赤外線を参照光として用い、測定光と参照光の差または比率からガス濃度を検出することで、光源の変化などを補償する手法が一般的である。

【0004】

しかしながら、測定光と参照光の差または比率は測定対象ガスの濃度以外の諸要因によっても変化し、ガス濃度測定装置のゼロドリフトとして現れる。ゼロドリフトは、NDIRに限らず、吸収測定法全般に共通する弱点であり、改善すべき重要課題であった。
ゼロドリフトを軽減するための従来技術の一例を、特許文献１及び特許文献２に示す。

【0005】

前者は、モーターで回転する光チョッパーを用いて信号変調を行う方式で、複数の測定セルと基準セルを、円周上に交互に配置し、測定光の総和と基準光の総和を比較してガス濃度を決定することにより、個別の測定光または基準光に生じる変化を平均化により緩和し、ゼロドリフトの軽減を狙う技術である。

【0006】

一方、後者は、モーターと光チョッパーを、シリコンマイクロマシーニングによる個別発光可能な複数の発光部(光源)に置き換えることにより、ゼロドリフト軽減に関して、前者と同等な効果を得ながら、装置の小型化と長寿命化を計る技術である。

【0007】

また、特許文献３には、ゼロドリフトの課題を、より根本的に解決する技術の例が記載されている。
ガス採取箇所におけるガス濃度の変化とは別に、測定セルに導入するガスの濃度を、一定周波数かつ一定割合で変化(変調)させる機構を設け、同変調周波数の受光信号だけを検出することによって、ガス濃度以外の要因を排除するもので、特に、ゼロドリフトに関しては、原理的に解消される利点があり、同文献では、流体変調方式と称している。

【0008】

特許文献３の図１は、ポンプと電磁弁を用いて、サンプルガスと基準ガス(ゼロガス)を、交互に一定周波数で測定セルに導入する流体変調方式の一例であり、特許文献３の図５(b)は、その受光信号の特徴を説明する図である。

【0009】

特許文献３の図５(b)において、サンプルガスに測定対象成分が含まれないときは、受光信号は無信号状態を保つので、ゼロドリフトは発生しない。
一方、サンプルガスに測定対象成分が含まれるときは、変調周波数において、ガス濃度に応じたレベルの受光信号が発生し、ガス濃度が測定される。

【0010】

より実用的な構成としては、特許文献３の図３に示すとおり、流体変調方式に適した校正ガスの供給手段を付加したものがあり、サンプルガスと基準ガス(ゼロガス)の切換を行うことから、一部で「ガス切換方式」などと呼ばれ、特に、自動車排気ガス測定器の分野で、長年にわたり実用化されている。

【0011】

流体変調方式のNDIRガス濃度測定装置の中には、別の方法で測定セル内のガス濃度(密度)を変調する事例がある。
参考として、特許文献３の図４を用いて説明すると、同図における基準ガスを使わず、３方電磁弁４の代わりに一定の変調周波数で開閉する２方電磁弁を用いる。測定セル内のガス圧力、即ち、ガス密度を常圧と一定負圧で切り換えることにより、ガス切換方式と同様の受光信号を得るもので、ゼロドリフトを発生させずに安定なガス測定が可能となる。

【0012】

この方式は、「圧力変調方式」と呼ばれ、清浄空気などの基準ガス(ゼロガス)を利用できない用途、例えば、ガス漏洩検知の分野で長年にわたり実用化されている。

【0013】

本明細書添付の図３は従来技術の光量変調による受光器の出力波形を示す図であり、図４は従来技術の流体変調による受光器出力波形を示す図である。NDIR機器では、S/N確保のため、測定光に変調処理を行っており、例えばモーターで回転する光チョッパーを使用した装置や、光源点滅により測定光を一定の周期で断続する光量変調方式の装置が一般的である。

【0014】

NDIR光学系の種類は多岐にわたり、シングルビーム／マルチビーム、シングル波長／マルチ波長、等々、様々なタイプが実用化されているが、対象ガス濃度と検出信号には、図３に示すような関係がある。

【0015】

図３と図４の出力波形は、変調周波数の信号成分を選択増幅するフィルター処理により、正弦波に近似させた信号として示されている。
図３は、特許文献３の図５(a)に示された出力波形と同様に、光量変調により得られる波形を、より詳細に説明する図であり、変調周波数１Ｈｚのときの出力波形を示している。光量変調による出力波形は、対象ガスが含まれないゼロガスにおいて最大振幅となり、ガス濃度の上昇に応じて振幅が小さくなる。

【0016】

図３の中の「FS ガス」の記載は最大濃度(フルスケール濃度)のガスを示し、「1/2FS ガス」の記載は最大濃度の1/2のガスを示す。
光量変調における信号振幅値は、ガス濃度以外の諸要因(関連する全ての部品・部材等の温度影響や経時変化)によっても変動し、ゼロドリフトとして現れ、機器性能の限界を決める主要因となる。

【0017】

NDIR機器のゼロドリフト問題を根本解決するために、光量変調に代えて、ガス濃度(またはガス密度)を一定周期で変調する方式が開発された。特許文献３に示す流体変調方式のNDIRがそれである。

【0018】

図４は特許文献３の図５(b)に示された出力波形と同様に、流体変調により得られる波形を、より詳細に説明する図であり、変調周波数１Ｈｚで測定対象ガスの濃度または密度を変調したときの出力波形を示している。流体変調による出力波形は、対象ガスが含まれないゼロガスにおいては無信号であり、ガス濃度の上昇に応じて振幅が大きくなる。

【0019】

図４の中の「FS ガス」の記載は最大濃度(フルスケール濃度)のガスを示しており、「1/2FS ガス」の記載は最大濃度の1/2のガスを示している。流体変調方式のNDIRでは、光源の入射光量を一定に保ち、対象ガスによる赤外吸光が生じるときにだけ、その吸光度合が一定周期で変調され、出力波形(AC信号成分)を発生する。したがって、ゼロガスに対しては完全な無信号状態(AC信号成分＝ゼロ)となり、ゼロドリフトが原理的に解消され、かつ、この状態は長期間にわたり確保される。

【0020】

ただし、従来技術による流体変調方式には、電磁弁とポンプが使用され、電磁弁の切換による測定光路（測定セル）内のガス濃度変化が、ほぼ一定になるまでの時間を確保するように、切換周波数を設定していたので、実用上の変調周波数は１～２Ｈｚ程度に限定されるため、ガス濃度測定装置としての応答性の実績は、信号の平均化処理時間を含めて、９０％応答時間として５秒～１０秒程度であった。これ以上の高速応答性を要する用途には、流体変調を適用できていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0021】

【文献】特公平０３－０４７７００号公報

【文献】特許３３４７２６４号公報

【文献】特許２９６５５０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0022】

流体変調によるNDIRガス濃度測定装置は、ゼロドリフトを発生しない利点がある一方で、ガス濃度測定装置の構成が光学系だけで完結せず、専用の通気回路が必須となることで使用上の制約を受ける場合がある。ガス切換方式に関しては、基準ガス(ゼロガス)が利用可能である用途に限定されるため、それ以外の用途において流体変調を適用する場合は、圧力変調方式を選択するこになる。

【0023】

流体変調方式には、ポンプと電磁弁の使用に係わる共通の課題がある。従来の流体変調では、電磁弁を切り換える毎に、測定セル内のガス濃度またはガス圧力が、ほぼ一定値に至るまでの時間を確保することで、再現性のよい受光信号を得るように変調周波数が設定されている。このため、測定セルを含む通気ラインの容積を勘案して、変調周波数が１～２Ｈｚ程度に限定されるため、ガス濃度測定装置としての応答性の実績は、信号の平均化処理時間を含めて、９０％応答時間として５秒～１０秒程度であった。これ以上の高速応答性を要する用途には、流体変調を適用できていない。

【0024】

第２の課題は、測定対象ガスの採取点におけるガス圧力が、大気圧(常圧)と異なる用途、例えば、ガスを扱うプラント等の配管内ガス濃度をインライン測定する用途においては、流体変調を適用できていない。インライン測定などにおいて、ゼロドリフトフリーの流体変調を適用するためには、ガス採取点におけるガスの圧力影響を受けにくい構造とした上で、測定セル内のガス密度を、一定周波数かつ一定比率で変調する技術が求められる。

【課題を解決するための手段】

【0025】

上記課題を解決するために、本発明は、振動空間を形成する振動室と、前記振動空間と測定対象化合物の気体を含有するサンプルガスの雰囲気であるサンプルガス雰囲気との間で前記サンプルガスが移動する経路である主流通路と、前記振動空間の中のサンプルガスに所定の駆動周波数で圧力変動をさせる振動装置と、前記圧力変動がされた前記サンプルガスに、測定光を照射して前記サンプルガスを透過させ、前記サンプルガスを透過した前記測定光の中の前記測定対象化合物に吸収される波長の光の光量を検出し、電気信号に変換する光量測定装置と、を有し、前記光量測定装置が検出し、変換した前記電気信号に含まれる周波数成分のうち、前記駆動周波数と一致する周波数成分の大きさからガス濃度を求めるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、前記圧力変動がされた前記サンプルガスの圧力を検出する圧力センサを有するガス濃度測定装置である。
また、本発明は、前記ガス濃度は、前記サンプルガス中に含有される前記測定対象化合物の気体の体積と前記サンプルガスの体積との間の比であるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、前記振動装置は、前記圧力センサが検出した前記圧力変動の振動振幅を一定に保つように制御されるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、前記電気信号に含まれる信号成分のうち、前記駆動周波数で変動する信号成分に対する他の周波数で変動する信号成分の比を小さくさせた前記電気信号を用いて前記ガス濃度を求めるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、表面が前記振動空間に露出された振動板が設けられ、前記振動装置は前記振動板を振動させる力を伝達する伝達装置を有し、前記振動装置は前記振動板を前記駆動周波数で振動させて前記サンプルガスを圧力変動させるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、先端が前記振動板に取り付けられたシャフトを有し、前記振動装置は前記シャフトを往復移動させて前記振動板を振動させるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、前記振動板の裏面が露出された裏面側空間と、前記裏面側空間と前記サンプルガス雰囲気との間で前記サンプルガスが移動する経路である裏面側流通路と、Ｎ極とＳ極のうち、一方の磁極が前記振動空間に向けられ、他方の磁極が前記裏面側空間に向けられた受力磁石と、前記振動空間を間にして前記受力磁石に対面する位置に第一の磁極を形成する電磁石である第一給力磁石と、前記裏面側空間を間にして前記受力磁石に対面する位置に第二の磁極を形成する電磁石である第二給力磁石と、を有し、前記振動装置は、前記第一の磁極と前記第二の磁極とを同一極性にしながら極性を交互に反転させて前記振動板を振動させるガス濃度測定装置である。
また、本発明は、前記振動空間と前記サンプルガス雰囲気との間を移動する前記サンプルガスは、前記主流通路の流動コンダクタンスよりも小さい流動コンダクタンスにされた通気抵抗体を通過するようにされたガス濃度測定装置である。

【発明の効果】

【0026】

本発明の脈流式ガス濃度測定装置は、チャンバー内に発生させた特定周波数の圧力脈動を測定光路に伝達することにより発生するガス濃度の脈動に同期した赤外線吸収信号を利用できるので、流体変調方式の利点であるゼロドリフト・フリーの実現と同時に、９０％応答時間として、５秒以内の高速応答が可能となる。また、ダイアフラムを磁気駆動する構造とすれば、チャンバーの気密性確保が容易となり、インライン・ガス濃度測定装置としての利用も可能となる。
さらに、従来の流体変調方式で必須とされた電磁弁とポンプを、小型の脈流発生部に置き換えることで、流体変調方式ガス濃度測定装置の小型化とコストダウンが期待できる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明のガス濃度測定装置の一例

【図2】本発明のガス濃度測定装置の他の例

【図3】従来技術の光量変調方式のガス濃度測定装置の光量信号波形を示すグラフ

【図4】従来技術の流体変調方式のガス濃度測定装置の光量信号波形を示すグラフ

【図5】本発明のガス濃度測定装置の圧力信号の波形を示すグラフ

【図6】本発明のガス濃度測定装置のガス濃度と出力信号波形の関係を示すグラフ

【図7】本発明のガス濃度測定装置のガス濃度と出力信号の相対値との関係を示すグラフ

【図8】本発明のガス濃度測定装置の使用方法を説明するための図

【発明を実施するための形態】

【0028】

図８(ａ)は、本発明の一例のガス濃度測定装置４１ａを説明するための図であり、図８(ｂ)は、本発明の他の例のガス濃度測定装置４１ｂを説明するための図である。

【0029】

図８(ａ)、(ｂ)を参照し、符号４０ａ、４０ｂは、液化ガスタンク４６ａ、４６ｂを使用した車両の燃料供給システムを示している。
この燃料供給システム４０ａ、４０ｂでは、液化ガスタンク４６ａ、４６ｂに蓄液された液化ガスを気化器４７ａ、４７ｂによって気化させ、得られた燃料ガスを供給管２０ａ、２０ｂの内部を流してインジェクター４８ａ、４８ｂに導入し、インジェクター４８ａ、４８ｂからエンジン４９ａ、４９ｂに供給し、吸入された大気と共に燃焼させてエンジン４９ａ、４９ｂを動作させて車両を走行させる。

【0030】

液化ガスタンク４６ａ、４６ｂに蓄液された液化ガスは、エンジン４９ａ、４９ｂで消費されなくても自然蒸発して消耗する。
液化ガスに含有される化合物のうち、蒸気圧が大きい化合物が蒸発しやすいことから、自然蒸発によって発生した燃料ガスが安全のために放出弁から大気に放出されると、時間の経過に従って液化ガスの成分割合が変化してしまう。

【0031】

そのため、液化ガスタンク４６ａ、４６ｂから得られる燃料ガス中の測定対象ガスのガス濃度を定期的に測定し、蒸発による劣化の程度を把握する必要がある。
本発明の一例のガス濃度測定装置４１ａの内部は図１に示されており、他の例のガス濃度測定装置４１ｂの内部は図２に示されている。

【0032】

図１と図２とを参照し、ガス濃度測定装置４１ａ、４１ｂは、振動室４４ａ、４４ｂと、導入管７ａ、７ｂと、振動装置４３ａ、４３ｂと、光量測定装置１７ａ、１７ｂとをそれぞれ有している。
供給管２０ａ、２０ｂの内部には燃料ガスが流れており、従って、供給管２０ａ、２０ｂの内部には燃料ガス雰囲気２１ａ、２１ｂが形成されている。燃料ガスには、濃度測定を行うべき可燃性ガスが含有されており、この可燃性ガスがガス濃度測定装置４１ａ、４１ｂが濃度測定をする測定対象ガスである。

【0033】

供給管２０ａ、２０ｂには主バルブ１３ａ、１３ｂが設けられており、定期検査時には、主バルブ１３ａ、１３ｂに導入管７ａ、７ｂの一端が接続された後、主バルブ１３ａ、１３ｂが切り替えられ、供給管２０ａ、２０ｂの内部の燃料ガス雰囲気２１ａ、２１ｂから導入管７ａ、７ｂの内部に燃料ガスが導入される。
振動室４４ａ、４４ｂは導入管７ａ、７ｂの他端に接続されている。

【0034】

振動室４４ａ、４４ｂは、振動容器４ａ、４ｂと、振動板(ダイアフラムとも言う)３ａ、３ｂとを有しており、振動板３ａ、３ｂは、振動容器４ａ、４ｂの底面２７ａ、２７ｂと対面する姿勢で、底面２７ａ、２７ｂから離間して配置されている。そして振動板３ａ、３ｂはその周囲を振動容器４ａ、４ｂの側壁に密着して固定されている。

【0035】

振動板３ａ、３ｂは振動容器４ａ、４ｂの開口を閉塞させており、振動板３ａ、３ｂと振動容器４ａ、４ｂの底面２７ａ、２７ｂとの間には、閉塞した振動空間８ａ、８ｂが形成されている。
振動容器４ａ、４ｂの底面２７ａ、２７ｂ又は壁面には貫通孔１２ａ、１２ｂが設けられており、燃料ガス雰囲気２１ａ、２１ｂから導入管７ａ、７ｂに導入された燃料ガスは、貫通孔１２ａ、１２ｂを通って振動空間８ａ、８ｂに導入される。

【0036】

このように、導入管７ａ、７ｂの内部によって、燃料ガス雰囲気２１ａ、２１ｂと振動空間８ａ、８ｂとの間で燃料ガスを移動させる主流通路９ａ、９ｂが形成されており、振動空間８ａ、８ｂが燃料ガスによって充満される。
振動装置４３ａ、４３ｂは、駆動装置１ａ、１ｂと、伝達装置２ａ、２ｂとを有している。

【0037】

駆動装置１ａ、１ｂは振動板３ａ、３ｂを振動させる動力源であり、伝達装置２ａ、２ｂは、駆動装置１ａ、１ｂが生成した力を振動板３ａ、３ｂに伝達する。
振動板３ａ、３ｂの表面は振動空間８ａ、８ｂに露出され、振動空間８ａ、８ｂに充満した燃料ガスと接触しており、後述するように、振動板３ａ、３ｂが駆動装置１ａ、１ｂで生成され、伝達装置２ａ、２ｂによって伝達された力で振動板３ａ、３ｂの表面とは垂直な方向に振動されると、振動空間８ａ、８ｂ内に位置する燃料ガスの圧力が振動する。

【0038】

この振動について説明すると、図１のガス濃度測定装置４１ａでは、先ず、振動板３ａの両面のうち、振動空間８ａに露出する表面の反対側の面である裏面は大気に露出されている。
この例では、駆動装置１ａはモータ３４を有しており、伝達装置２ａはシャフト(棒)２５を有しており、モータ３４とシャフト２５は振動板３ａの裏面側に配置されている。

【0039】

シャフト２５の根本部分はモータ３４に取り付けられ、モータ３４の回転運動がシャフト２５の往復運動に変換されており、その結果、モータ３４の動作によって、シャフト２５はシャフト２５が伸びる方向と平行な方向に往復運動する。
シャフト２５の先端部分は振動板３ａに固定されている。ここでは振動板３ａは円形形状であり、伝達装置２ａの先端はその中心位置に取り付けられている。

【0040】

振動板３ａのうち、伝達装置２ａから力が伝達される箇所を受力箇所３０ａと呼ぶと、受力箇所３０ａは振動板３ａのうちのシャフト２５の先端が取り付けられた場所であり、駆動装置１ａの動作開始によって、振動板３ａの周囲は振動容器４ａ、４ｂの側壁に固定された状態で、受力箇所３０ａは交互に繰り返し押圧と牽引がされる。

【0041】

図１、図２のガス濃度測定装置４１ａ、４１ｂでは、振動板３ａ、３ｂは屈伸可能な材料で構成されており、振動板３ａ、３ｂが平坦な状態を中央状態と呼ぶと、受力箇所３０ａ、３０ｂが交互に繰り返し押圧と牽引がされたときは、受力箇所３０ａ、３０ｂは、中央状態のときの受力箇所３０ａ、３０ｂの位置を中心にして、底面２７ａ、２７ｂに接近する方向と底面２７ａ、２７ｂから遠ざかる方向に交互に移動する(符号３０ｂ、２７ｂについては後述する)。

【0042】

受力箇所３０ａ、３０ｂが底面２７ａ、２７ｂに接近する方向に移動した結果、振動板３ａ、３ｂは振動空間８ａ、８ｂ側が凸に膨らみ、反対側が凹に窪んで振動空間８ａ、８ｂの容積が減少する。
それとは反対に、受力箇所３０ａ、３０ｂが底面２７ａ、２７ｂから遠ざかる方向に移動した結果、振動板３ａ、３ｂは振動空間８ａ、８ｂ側が凹に窪み、反対側が凸に膨らんで振動空間８ａ、８ｂの容積が増大する。

【0043】

振動装置４３ａ、４３ｂは、受力箇所３０ａ、３０ｂと振動容器４ａ、４ｂの底面２７ａ、２７ｂとの間の距離が、中央状態のときの距離から等距離増減するように受力箇所３０ａ、３０ｂを往復移動させて振動板３ａ、３ｂを振動させており、その結果、振動空間８ａ、８ｂの容積は等量の増減を繰り返す。

【0044】

振動装置４３ａ、４３ｂは主制御装置１８ａ、１８ｂに接続されており、駆動装置１ａ、１ｂは、主制御装置１８ａ、１８ｂから入力される所定の駆動周波数で振動板３ａ、３ｂを振動させる。従って、振動空間８ａ、８ｂの容積は、駆動周波数で等量の増減を繰り返す。

【0045】

主流通路９ａ、９ｂの一部又は全部の流動コンダクタンスが小さい場合は、振動空間８ａ、８ｂの容積が変動しても、振動空間８ａ、８ｂに流出入できる燃料ガスの量が制限され、その結果、振動空間８ａ、８ｂに駆動周波数の圧力振動が発生する。

【0046】

図２のガス濃度測定装置４１ｂでは、駆動装置１ｂは電源装置３５を有しており、伝達装置２ｂは受力磁石２６と、第一給力磁石２２と、第二給力磁石２４とを有している。
振動板３ｂの裏面側には裏面側容器５が配置されている。振動板３ｂは、裏面側容器５の開口を閉塞させるように、周囲を裏面側容器５の側壁に密着して固定されており、振動板３ｂと裏面側容器５の底面２８との間には、閉塞した裏面側空間３８が形成されている。

【0047】

供給管２０ｂには、副バルブ３３が設けられており、定期検査時には、副配管３７の一端が副バルブ３３に接続される。副配管３７の他端は、裏面側容器５の底面又は側壁に設けられた副貫通孔３２に接続され、副配管３７に導入された燃料ガスは、副貫通孔３２を通って裏面側空間３８に供給され、裏面側空間３８が燃料ガスによって充満される。

【0048】

第一給力磁石２２は、振動空間８ｂの外部であって、振動容器４ｂの底板と対面する位置に配置されており、第二給力磁石２４は、裏面側空間３８の外部であって、裏面側容器５の底板と対面する位置に配置されている。
受力磁石２６は、振動板３ｂの中央位置に設けられており、第一給力磁石２２と第二給力磁石２４との間に位置し、第一給力磁石２２の中心と受力磁石２６の中心と第二給力磁石２４の中心とが一直線に並ぶように配置されている。

【0049】

ここでは受力磁石２６は永久磁石であり、第一給力磁石２２と第二給力磁石２４とは電磁石である。第一給力磁石２２と第二給力磁石２４とは、電源装置３５から電流が供給されると磁石となり、磁力を発生させる。

【0050】

第一給力磁石２２は、磁力を発生させる際には、Ｎ極とＳ極のうち、一方の磁極が振動板３ｂに向く位置に形成され、他方の磁極が振動板３ｂとは反対側に向く位置に形成されるように配置されている。
また、第二給力磁石２４は、第二給力磁石２４が磁力を発生させる際には、Ｎ極とＳ極のうち、一方の磁極が振動板３ｂに向く位置に形成され、他方の磁極が振動板３ｂとは反対側に向く位置に形成されるように配置されている。

【0051】

電源装置３５は、第一給力磁石２２の振動板３ｂに向く位置に形成される磁極と、第二給力磁石２４の振動板３ｂに向く位置に形成される磁極とは、同じ極性の磁極が発生する向きで、第一給力磁石２２と第二給力磁石２４とに電流を流している。
また、電源装置３５は、振動板３ｂに向く位置に形成される磁極の極性が反転するように、第一給力磁石２２に流れる電流の向きと第二給力磁石２４に流れる電流の向きとを一緒に反転させている。

【0052】

受力磁石２６は、Ｎ極とＳ極のうち、一方の磁極を振動空間８ｂに向け、他方の磁極を裏面側空間３８に向けた状態で振動板３ｂに固定されており、受力磁石２６が第一給力磁石２２から吸引されるときは第二給力磁石２４から反発され、第一給力磁石２２から反発されるときは第二給力磁石２４から吸引されるようになっている。

【0053】

振動板３ｂのうち、受力磁石２６が設けられた箇所を受力箇所３０ｂと呼ぶと、受力箇所３０ｂは、第一給力磁石２２と第二給力磁石２４との吸引と反発によって受力箇所３０ｂは、中央状態のときの受力箇所３０ｂの位置を中心にして、振動容器４ｂの底面２７ｂに接近する方向と底面２７ｂから遠ざかる方向に交互に移動し、振動板３ｂは表面に垂直な方向に振動し、振動空間８ｂの容積が振動する。

【0054】

受力箇所３０ｂと振動容器４ｂの底面２７ｂとの間の距離は、振動板３ｂが中央状態のときの距離から等距離増減するように、伝達装置２ｂは振動装置４３ｂによって往復移動されており、その結果、振動空間８ｂの容積は等量の増減を繰り返す。

【0055】

振動装置４３ｂは主制御装置１８ｂに接続されており、駆動装置１ｂは、主制御装置１８ｂから入力される駆動周波数で振動板３ｂを振動させている。
燃料ガス雰囲気２１ｂと振動空間８ｂとの間で燃料ガスを移動させる主流通路９ｂの一部又は全部の流動コンダクタンスが小さい場合は、振動空間８ｂの容積が変動しても、振動空間８ｂに流出入できる燃料ガスの量が制限され、その結果、振動空間８ｂに駆動周波数の圧力振動が発生する。

【0056】

具体的には、第一給力磁石２２と第二給力磁石２４とに４０Ｈｚの周波数の正弦波電圧を同極性で印加し、振動板３ｂを４０Ｈｚの周波数で振動させ、４０Ｈｚの周波数の圧力振動を発生させている。

【0057】

以上説明したように、ガス濃度測定装置４１ａ、４１ｂでは、振動空間８ａ、８ｂに駆動周波数で振動する圧力振動を発生させているが、図１のガス濃度測定装置４１ａでは、振動板３ａの表面と裏面との間に圧力差が存在する場合があり、振動空間８ａの圧力が大気圧と同じ大きさの場合は、振動板３ａの振動中心は振動板３ａが平坦な状態であるが、振動空間８ａの圧力が大気圧よりも無視できないほど高い場合は、振動板３ａが大気側(裏面側)に膨らんだ状態になる。

【0058】

図２のガス濃度測定装置４１ｂでは、副配管３７の内部によって、裏面側空間３８と燃料ガス雰囲気２１ｂとが接続される裏面側流通路２９が形成されており、振動空間８ｂの平均圧力は、裏面側空間３８の平均圧力と同じ大きさになる。従って、振動板３ｂは、中央状態を中心に振動する。

【0059】

次に、図１、図２のガス濃度測定装置４１ａ、４１ｂの導入管７ａ、７ｂには通気抵抗体６ａ、６ｂが設けられており、燃料ガス雰囲気２１ａ、２１ｂと振動空間８ａ、８ｂとの間を移動する燃料ガスは、通気抵抗体６ａ、６ｂを通過するようにされている。

【0060】

通気抵抗体６ａ、６ｂは細孔３１ａ、３１ｂを有しており、主流通路９ａ、９ｂのうち、通気抵抗体６ａ、６ｂが設けられた部分では、主流通路９ａ、９ｂの他の部分よりも流動コンダクタンスが小さくされている。つまり、燃料ガスは、主流通路９ａ、９ｂのうち、通気抵抗体６ａ、６ｂが設けられた場所が流れにくくなっている。

【0061】

燃料ガス雰囲気２１ａ、２１ｂと振動空間８ａ、８ｂとは、主流通路９ａ、９ｂによって接続されているため、燃料ガス雰囲気２１ａ、２１ｂの圧力が一定値を維持している間は、振動空間８ａ、８ｂの平均圧力は燃料ガス雰囲気２１ａ、２１ｂの圧力と等しい値になるものの、燃料ガスが通気抵抗体６ａ、６ｂを通って振動空間８ａ、８ｂに流出入しにくいことから、振動空間８ａ、８ｂの容積の大きさが振動したときの振動空間８ａ、８ｂの圧力変動量が大きくなる。

【0062】

副配管３７にも通気抵抗体を設け、裏面側空間３８と燃料ガス雰囲気２１ｂとの間の流動コンダクタンスの大きさを、振動空間８ｂと燃料ガス雰囲気２１ｂとの間の流動コンダクタンスの大きさと等しくするようにしてもよい。

【0063】

主流通路９ａ、９ｂのうち、振動空間８ａ、８ｂと通気抵抗体６ａ、６ｂとの間の部分も振動空間８ａ、８ｂの圧力振動と一緒に振動しており、導入管７ａ、７ｂのうち、振動空間８ａ、８ｂと通気抵抗体６ａ、６ｂとの間の部分には、入口側窓３６ａ、３６ｂと出口側窓３９ａ、３９ｂとが設けられている。
光量測定装置１７ａ、１７ｂは、送光器１１ａ、１１ｂと、受光器１５ａ、１５ｂと、光学フィルター１４ａ、１４ｂとを有している。

【0064】

導入管７ａ、７ｂの外部の場所のうち、入口側窓３６ａ、３６ｂと対面する場所に送光器１１ａ、１１ｂが配置されており、出口側窓３９ａ、３９ｂと対面する場所に受光器１５ａ、１５ｂが配置されている。

【0065】

特定の化合物のガスが吸収する光の波長を吸収波長と呼ぶと、測定対象ガスの吸収波長は分かっており、送光器１１ａ、１１ｂは、吸収波長の光を含む測定光を入口側窓３６ａ、３６ｂに向けて射出する。ここでは、送光器１１ａ、１１ｂには白熱電球が使用されている。
入口側窓３６ａ、３６ｂと出口側窓３９ａ、３９ｂとは、互いに対面する位置に配置されており、入口側窓３６ａ、３６ｂと出口側窓３９ａ、３９ｂとの間には、導入管７ａ、７ｂの内部に充満する燃料ガスが位置している。

【0066】

光学フィルター１４ａ、１４ｂは、送光器１１ａ、１１ｂが射出して受光器１５ａ、１５ｂで受光される測定光が通過する位置に配置されており、測定光が光学フィルター１４ａ、１４ｂを通過する際に吸収波長以外の波長の光は減衰される。
ここでは、光学フィルター１４ａ、１４ｂには、透過中心波長３．４μｍ、透過波長幅０．２μｍの赤外線バンドパスフィルターが使用されており、光学フィルター１４ａ、１４ｂは受光器１５ａ、１５ｂと出口側窓３９ａ、３９ｂとの間に配置されている。送光器１１ａ、１１ｂが射出した測定光は入口側窓３６ａ、３６ｂを通過して、導入管７ａ、７ｂの内部に入射し、入口側窓３６ａ、３６ｂと出口側窓３９ａ、３９ｂとの間に位置する燃料ガス中を通過した後、出口側窓３９ａ、３９ｂと光学フィルター１４ａ、１４ｂを通過し、受光器１５ａ、１５ｂで受光される。受光器１５ａ、１５ｂには、非冷却・量子型ＰｂＳｅ受光素子が使用されている。

【0067】

受光器１５ａ、１５ｂは、受光した光の光量を示す光量信号を生成して電気信号として主制御装置１８ａ、１８ｂに出力する。受光器１５ａ、１５ｂが出力する光量信号は、測定対象ガスの吸収波長の光の光量である。

【0068】

ここでは、受光器１５ａ、１５ｂから出力された光量信号は増幅器１９ａ、１９ｂを介して主制御装置１８ａ、１８ｂに入力されており、増幅器１９ａ、１９ｂは、光量信号に含まれる信号成分のうち、駆動周波数で振動する信号成分（ＡＣ信号成分）のみを検出して増幅し、主制御装置１８ａ、１８ｂに出力する。その結果、駆動周波数に同期した測定対象ガスの濃度に依存する信号だけが主制御装置１８ａ、１８ｂに出力され、ゼロドリフトフリーによる測定精度の向上が計られる。

【0069】

測定光が入射する燃料ガスの圧力が、駆動周波数で振動増減することにより、測定対象ガスの密度（密度＝質量／体積）も同じ割合で振動増減し、吸収波長における受光信号に駆動周波数の振動増減（ＡＣ信号成分）を生じる。このＡＣ信号成分の振幅は、燃料ガス雰囲気２１ａ、２１ｂに含まれる測定対象ガス濃度に依存して増減するので、このＡＣ信号成分の振幅の値から測定対象ガス濃度を測定できる。ＡＣ信号成分の振幅は、直接検出して用いてもよいが、整流、平滑処理を付加して、ＤＣ信号に変換してから用いてもよい。さらに、駆動周波数付近の周波数成分を選択的に増幅するフィルター回路またはソフトウェアフィルターにより処理した後に、ＡＣ信号成分の振幅または、これと等価のＤＣ信号を検出して用いることにより、測定精度が向上する。

【0070】

ガス濃度測定装置４１ａ、４１ｂを使用する前に、予め、既知濃度の測定対象ガス（標準ガス）を用いて検量線を作成する。この検量線は、測定対象ガス濃度に対する出力信号の関係を決定するもので、測定対象ガス濃度と出力信号の直線性と、測定対象ガス濃度に対する出力信号の大きさに関する情報を含む。具体的には、直線性を規定する近似関数とガス感度の指標となる感度係数であり、これらの情報は、パラメーター数値として増幅器１９ａ、１９ｂに記憶され、測定対象ガス濃度と出力信号の関係を相互に算出可能な状態を保つ。測定においては、得られた出力信号から主制御装置１８ａ、１８ｂが刻々の測定対象ガス濃度を算出し、表示装置２３ａ、２３ｂに表示する。また、ガス濃度測定装置４１ａ、４１ｂの再調整を行うときは、増幅器１９ａ、１９ｂに記憶されたパラメーター数値のうち、通常は、感度係数のみを再計算して更新記憶する。長期間の使用において、送光器１１ａ、１１ｂまたは受光器１５ａ、１５ｂの特性が変化した場合でも、再調整を行うことにより測定精度を確保できる。尚、測定対象ガスの濃度としては、体積比濃度のほか、質量濃度（ガス密度）も一般的に用いられる。

【0071】

尚、ガス濃度としては、燃料ガス中に含まれる全ガス成分の体積に対する測定対象ガスの体積の割合である体積分率（例：ｖｏｌ％または単に％）を用いる場合が多いが、ガス濃度測定装置の用途または測定目的に応じて、質量濃度（例：ｍｇ／ｍ³）または物質量濃度（例：ｍｏｌ／ｍ³）などを用いてもよい。

【0072】

なお、振動空間８ａ、８ｂに位置する燃料ガスと、主流通路９ａ、９ｂに位置する燃料ガスとは、振動板３ａ、３ｂの振動によって、燃料ガス雰囲気２１ａ、２１ｂに位置する燃料ガスと少量ずつ入れ替わるから、燃料ガス雰囲気２１ａ、２１ｂのガス濃度の変化は、測定結果に反映される。

【0073】

この例では、測定光は主流通路９ａ、９ｂ中の燃料ガスを透過しているが、本発明は測定光は、透過距離が分かっていて、圧力が駆動周波数で振動している燃料ガスを透過して受光器１５ａ、１５ｂで受光されればよい。
また、圧力振動についても振動板３ａ、３ｂによる圧力変動に限定されるものではなく、例えばピストンを用いて測定ガスを圧力振動させてもよい。

【0074】

上記通気抵抗体６ａ、６ｂは導入管７ａ、７ｂに設けたが、本発明はそれに限定されるものでは無く、より細くして流動コンダクタンスが通気抵抗体６ａ、６ｂと同程度の値の導入管を用いても良い。

【0075】

また、図１、図２のガス濃度測定装置４１ａ、４１ｂは、圧力センサ１６ａ、１６ｂを有しており、圧力センサ１６ａ、１６ｂが検出した圧力は主制御装置１８ａ、１８ｂに入力されており、主制御装置１８ａ、１８ｂは、測定光を透過させる燃料ガスの圧力振動の振幅の大きさを測定し、主制御装置１８ａ、１８ｂに記憶された目標振幅値と比較し、測定光を透過させる燃料ガスの圧力が目標振幅値で振動するように駆動装置１ａ、１ｂを制御する。

【0076】

なお、図１のガス濃度測定装置４１ａでは、振動板３ａの表面側に燃料ガスが接触し、裏面側に大気が接触するから、燃料ガスが大気圧に近い圧力の場合の測定に適している。
具体的には、燃料ガスの圧力が大気圧±１０％程度に収まっているときは、振動板３ａの裏面が大気圧に暴露された状態でも、振動板３ａを比較的容易に振動させることができるため、大気雰囲気中に設置した振動装置に直結したシャフト等で振動板３ａを駆動すことができる。

【0077】

図２のガス濃度測定装置４１ｂでは、振動板３ｂの表面側と裏面側との両方に燃料ガスが接触しており、従って、燃料ガスが大気圧よりも大きく異なる場合の測定に適している。具体的には、燃料ガスを扱うプラント等の配管内のガス濃度を測定し続けるガス濃度測定装置に適している。

【0078】

ガス濃度として、燃料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を体積分率（例：ｖｏｌ％または単に％）で求める場合、体積分率に変化がなくても、測定光が照射される燃料ガスの全圧力が変化すると、測定対象ガスの質量濃度（例：ｍｇ／ｍ³）が変化するため、受光器１５ａ、１５ｂから出力される電気信号の駆動周波数で振動する信号成分も変化し、ガス濃度の値が変化する。

【0079】

圧力センサ１６ａ、１６ｂから得られる圧力信号は、測定光を透過させる燃料ガスの駆動周波数における圧力振動制御のほか、燃料ガスの全圧力の値も与える。ただし、全圧力の値は、圧力振動を平滑して得られる平均圧力である。主制御装置１８ａ、１８ｂは、燃料ガスの全圧力の値を用いて、体積分率ガス濃度の変化を補償する。具体的には、測定対象ガスの成分を、既知の体積分率で含む標準ガスを用い、標準ガスの全圧力とガス濃度測定装置４１ａ、４１ｂが与えるガス濃度の値との関係を、予め求めて、パラメーター数値として主制御装置１８ａ、１８ｂに記憶する。ガス濃度測定においては、主制御装置１８ａ、１８ｂが、記憶されたパラメーター数値から、刻々の全圧力の値に対するガス濃度の補償量を計算し、体積分率ガス濃度として正しい値に補償する。

【0080】

上記例では通気抵抗体６ａ、６ｂは細孔３１ａ、３１ｂを有していたが、細孔３１ａ、３１ｂに替えて多孔質充填物を配置してもよい。

【0081】

＜実験結果＞
本発明のガス濃度測定装置４１ａ、４１ｂにおいて、測定光が測定ガス中を透過する距離（有効吸収長）が１ｍｍになるように入口側窓３６ａ、３６ｂと出口側窓３９ａ、３９ｂとの間の距離を設定し、空気（ゼロガス：０ｖｏｌ％）及び空気とブタンガスの混合ガス４種（１ｖｏｌ％、２ｖｏｌ％、４ｖｏｌ％、５ｖｏｌ％）を用い、振動板３ａ、３ｂを４０Ｈｚで振動させて、圧力振動を発生させ、ガス濃度を検出した。

【0082】

図５は、駆動周波数４０Ｈｚで空気（ゼロガス）を測定したときの圧力信号の一例を示すグラフである。空気とブタンガスの混合ガスに関しても、濃度５ｖｏｌ％までは、空気と同様の圧力信号が得られる。ここでは、正圧用の圧力センサを使用したため、測定ガスの絶対圧を、およそ２０ｋＰａに保ち、正の圧力バイアスを加えた状態で測定した。図５の縦軸はゲージ圧を示し、正の圧力バイアスを加えた測定対象ガスの絶対圧（およそ２０ｋＰａ）をゼロとして、±１０ｋＰａの範囲のゲージ圧で圧力振動が観測された。
図６は、０ｖｏｌ％、１ｖｏｌ％、２ｖｏｌ％、４ｖｏｌ％、５ｖｏｌ％のブタンガス（空気と混合）を測定したときに、受光器１５ａ、１５ｂから得られた駆動周波数のＡＣ信号成分を、駆動周波数付近の周波数を選択的に増幅するフィルター回路で処理し、正弦波に近似した波形を得た後に、振動の位相を揃えて、各ガス濃度の振幅を比較したグラフである。縦軸は、出力信号を相対出力として示す。
図６の出力波形の振幅が、ブタンガスの濃度により変化し、ガス濃度が０（ゼロガス）に関しては無信号状態（ＡＣ信号成分＝ゼロ）となることを示している。
図７は、図６に示す測定結果から、各ガス濃度に対する出力信号の振幅を、相対出力として示している。

【0083】

±１０ｋＰａ、４０Ｈｚの圧力振動によれば、主流通路９ａ、９ｂ内のガス置換は、ほぼ瞬時に完了するので、測定結果の安定化に必要な平均演算処理を行うことにしても、９０％応答時間として１秒内の高速応答が可能となる。
なお、本発明によって求めるガス濃度は、燃料ガス中の測定対象化合物の気体に限定されるものではなく、一般的なサンプルガス中の測定対象化合物の気体について求めることができる。

【符号の説明】

【0084】

１ａ、１ｂ……駆動装置
２ａ、２ｂ……伝達装置
３ａ、３ｂ……振動板(ダイアフラム)
４ａ、４ｂ……振動容器
６ａ、６ｂ……通気抵抗体
７ａ、７ｂ……導入管
８ａ、８ｂ……振動空間
９ａ、９ｂ……主流通路
１６ａ、１６ｂ……圧力センサ
１７ａ、１７ｂ……光量測定装置
２０ａ、２０ｂ……供給管
２１ａ、２１ｂ……燃料ガス雰囲気
２２……第一給力磁石
２４……第二給力磁石
２５……シャフト
２６……受力磁石
２９……裏面側流通路
３８……裏面側空間
４１ａ、４１ｂ……ガス濃度測定装置
４３ａ、４３ｂ……振動装置
４４ａ、４４ｂ……振動室

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】