JP2007120971A

JP2007120971A - 光式水素ガス及び炭化水素ガスセンサ

Info

Publication number: JP2007120971A
Application number: JP2005309754A
Authority: JP
Inventors: Teruyuki Nakamura; 晃之中村
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2007-05-17

Abstract

【課題】水素ガスと炭化水素ガスとを同時に検知できる光式水素ガス及び炭化水素ガスセンサを提供する。
【解決手段】被検知空間に水素ガスに触れると所定の赤外吸収波長帯における吸光度が変化する水素検知用触媒を配置し、炭化水素ガスの赤外吸収波長を含み、かつ上記触媒の赤外吸収波長帯に含まれる波長範囲内で光波長が掃引され、その掃引された光波長を中心波長として光波長及び光強度が正弦波（基本波とする）で変調されたレーザ光を被検知空間に照射して上記触媒を透過した光を受光し、その受光強度信号に含まれる基本波に同期した信号の大きさから水素ガスを検知し、上記受光強度信号に含まれる２倍波に同期した信号の大きさから炭化水素ガスを検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスと炭化水素ガスとを同時に検知できる光式水素ガス及び炭化水素ガスセンサに関する。

ガスを検知するセンサとして、半導体式、接触燃焼式などの電気式センサが使用される。半導体式センサでは、金属酸化物半導体表面にガスが吸着すると熱伝導及び電気伝導の変化が生じその変化を白金線コイルの両端から見た抵抗値変化を計測してガス濃度を検知する。また、接触燃焼式センサでは、触媒表面でのガスの接触燃焼による白金線コイルの温度上昇を計測してガス濃度を検知する。いずれの方式のセンサも、あらかじめセンサを加熱しておく必要があり、水素ガスのような可燃性ガスを扱う上では、防爆対策が必要である。

このように半導体式、接触燃焼式などの電気式センサには防爆対策が必要であるので、防爆対策が必要でない方式が好ましい。その点、以下の特許文献１〜４に記載の光式センサは加熱をしないので防爆対策が必要でない。

特許文献１，２には、水素ガス又は含水素化合物ガスに触れると所定の吸収波長における吸光度が変化する水素検知用触媒に、その吸収波長の光を照射して透過光又は反射光を受光する技術が開示されている。

特許文献３，４には、光波長が掃引されかつ正弦波で変調されたレーザ光をガス雰囲気に照射して透過した光を受光し、受光強度信号に含まれる特定周波数成分の大きさから対象ガス濃度を検知する技術が開示されている。

特公平３−６７２１８号公報特開平５−１９６５６９号公報特開平５−２５６７６８号公報特開平８−３３８８０５号公報

特許文献１〜４に開示された従来技術は、２種類の異なるガスが同一雰囲気中に混合して存在するとき、その各々のガス成分を同時に検知することができない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、水素ガスと炭化水素ガスとを同時に検知できる光式水素ガス及び炭化水素ガスセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスを検知対象ガスとする被検知空間に、水素ガスに触れると所定の赤外吸収波長帯における吸光度が変化する水素検知用触媒を配置し、炭化水素ガスの赤外吸収波長を含み、かつ上記触媒の赤外吸収波長帯に含まれる波長範囲内で光波長が掃引され、その掃引された光波長を中心波長として光波長及び光強度が正弦波（基本波とする）で変調されたレーザ光を被検知空間に照射して上記触媒を透過した光を受光し、その受光強度信号に含まれる基本波に同期した信号の大きさから水素ガスを検知し、上記受光強度信号に含まれる２倍波に同期した信号の大きさから炭化水素ガスを検知するものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）水素ガスと炭化水素ガスとを同時に検知できる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る光式水素ガス及び炭化水素ガスセンサは、レーザ部１とガス検知部２と信号処理部３とに大別される。

ガス検知部２は、水素ガスと炭化水素ガスとがそれぞれ未知数濃度含まれた検知対象ガスを容器２１に封入し、その容器２１の一端と他端とに、両者間の空間伝搬光路において光をコリメートするためのレンズ２２を設け、これらレンズ２２にレーザ部１及び信号処理部３から引き回した光ファイバ２４，２５を容器２１外から臨ませ、上記空間伝搬光路の任意の箇所に触媒素子２６を設けたものである。

レーザ部１は、単一光波長のレーザ光を発振させて光ファイバ２４に入射させる分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）４と、そのＤＦＢ−ＬＤ４を載せたペルチェ素子５と、ペルチェ素子５を所望温度に制御するペルチェ素子用電源６と、基本波である周波数ｆの正弦波信号を作成する発振器７と、その周波数ｆの正弦波信号から２倍波である周波数２ｆの正弦波信号を作成する倍周器８と、ＤＦＢ−ＬＤ４にバイアス電流を付加するためのバイアス電流源９と、バイアス電流を三角波で掃引する三角波掃引器１０とを有する。レーザ部１は、発振器７からの周波数ｆの正弦波信号とバイアス電流源９からのバイアス電流とを重畳してＤＦＢ−ＬＤ４を駆動するものである。バイアス電流源９の出力側には発振器７の出力による影響を防ぐためのインダクタンスＬが設けられ、発振器７の出力側にはコンデンサＣが設けられている。

信号処理部３は、光ファイバ２５から出射する光を受光して受光強度信号を出力する受光器１１と、発振器７からの周波数ｆの正弦波信号に同期して受光強度信号の位相敏感検波を行う位相検波器１２と、倍周器８からの周波数２ｆの正弦波信号に同期して受光強度信号の位相敏感検波を行う位相検波器１３と、その位相検波器１３の出力である２倍波に同期した信号から炭化水素ガス濃度を演算すると共に、位相検波器１２の出力である基本波に同期した信号から水素ガスを演算するコンピュータ１４とを有する。

ガス検知部２について詳しく述べると、図２に示されるように、２つのレンズ２２は互いに対向させて配置され、その中間に触媒素子２６が設けられる。レンズ２２は、光の干渉を防止するために、光軸に対して斜めに研磨されている。触媒素子２６は、透明なガラス基板２７に触媒の薄膜２８を形成したものである。触媒として、Ｐｔ、Ｐｄ、ＰｄＷＯ₃、ＰｔＷＯ₃がある。このような触媒における吸光度変化の現象については、特許文献１，２に開示されている通りである。

触媒は、水素ガスに触れると比較的幅の広い赤外吸収波長帯における吸光度が変化するので、赤外光源を用いて水素ガスを検知することができる。後述するメタンガスやアセチレンガスの赤外吸収波長が上記触媒の赤外吸収波長帯に含まれる。

炭化水素ガスとしては、メタンガス、アセチレンガスなどからひとつ選ぶ。メタンガスを検知したいときは、ＤＦＢ−ＬＤ４に波長１．６μｍ帯のものを用い、アセチレンガスを検知したいときは、ＤＦＢ−ＬＤ４に波長１．５μｍ帯のものを用いるとよい。

以下、水素ガス及び炭化水素ガスの検知動作を説明する。

レーザ部１において、ペルチェ素子用電源６によりペルチェ素子５の温度を所望の一定温度に制御する。これにより、ＤＦＢ−ＬＤ４の温度は一定温度に固定される。一方、三角波掃引器１０が三角波を出力することにより、バイアス電流源９が流すバイアス電流が比較的長いスパンで繰り返し一定の変化速度で掃引される。さらに、発振器７からは上記掃引のスパンより十分周期が短い周波数ｆの正弦波信号が得られ、正弦波信号による交流電流がバイアス電流に重畳されてＤＦＢ−ＬＤ４に印加される。これにより、ＤＦＢ−ＬＤ４は、所定の波長範囲内で光波長が掃引されかつその掃引された光波長を中心波長として光波長及び光強度が基本波で変調されたレーザ光を出射する。具体的には、その掃引波長範囲は、炭化水素ガスの赤外吸収波長を含み、かつ上記触媒の赤外吸収波長帯に含まれる波長範囲である。

ガス検知部２では、光ファイバ２４で導かれたレーザ光がレンズ２２でコリメートされ、触媒素子２６が置かれた被検知空間に照射される。このとき、触媒素子２６は、容器２１内のガス雰囲気における水素ガスに触れているので、所定の赤外吸収波長帯における吸光度が水素ガス濃度に応じて変化する。照射されるレーザ光は光波長が掃引されているが、その掃引波長範囲全体が触媒素子２６の赤外吸収波長帯に含まれているので、掃引波長範囲のどこでも吸収が起きる。一方、炭化水素ガスの赤外吸収波長では炭化水素ガスによる吸収が起きるので、掃引されている中心波長が炭化水素ガスの赤外吸収波長に近いとき吸収が顕著で、遠くなると吸収がなくなる。このようにして、ガス検知部２内を通り触媒素子２６を透過したレーザ光は、レンズ２２により集光され、光ファイバ２５で導かれて信号処理部３に至る。

信号処理部３において、受光器１１が光ファイバ２５から出射する光を受光して受光強度信号を出力する。位相検波器１２は、発振器７からの周波数ｆの正弦波信号に同期して受光強度信号の位相敏感検波を行うことにより、周波数ｆの基本波に同期した信号を得る。この信号は、基本波成分の大きさを表した信号であり、以下、ガス信号１ｆと呼ぶ。また、位相検波器１３は、倍周器８からの周波数２ｆの正弦波信号に同期して受光強度信号の位相敏感検波を行うことにより、後述するガス信号２ｆを得る。

ここで、ガス信号１ｆの大きさは、図３に示されるように、水素ガス濃度と比例している。すなわち、水素ガス濃度が低いときにはガス信号１ｆの大きさは大きく、水素ガス濃度が高いときはガス信号１ｆの大きさは小さい。コンピュータ１４は、図３のような直線関係を演算式あるいはマップに記憶しているので、ガス信号１ｆの大きさから水素ガス濃度を演算することができる。

一方、ガス信号２ｆは、図４（ａ）に示されるように、炭化水素ガスの吸収波長においてピークを形成する。このピークにおけるガス信号２ｆの大きさを波高値と呼ぶ。コンピュータ１４は、図４（ｂ）に示す波高値と炭化水素ガスが基準濃度含まれた基準ガスの濃度との関係を演算式あるいはマップに記憶しているので、ガス信号２ｆの波高値から炭化水素ガス濃度を演算することができる。

以上説明したように、本発明の光式水素ガス及び炭化水素ガスセンサによれば、赤外吸収のない水素ガスの濃度を触媒に生じる吸光度変化によって検知することができるだけでなく、この触媒の赤外吸収波長帯が比較的広帯域であるのを利用し、炭化水素ガス濃度検知のための波長掃引を触媒の赤外吸収波長帯の中で行うようにしたので、炭化水素ガス濃度も同時に検知できる。触媒による赤外吸収は波長掃引範囲内では波長に依存しないので、波長掃引による受光強度の変動はなく、光源の光強度変調のみの影響を受けて受光強度が変わる。よって、水素ガス濃度は基本波に同期して検知することができる。一方、炭化水素ガス濃度は、２倍波に同期して検知しているので、基本波の大きさ（つまり水素ガス濃度）には左右されない。

このように、水素ガスと炭化水素ガスとを同時に検知できるので、別々の水素ガス検知用センサと炭化水素ガス検知用センサを用いる必要がない。

本発明の一実施形態を示す光式水素ガス及び炭化水素ガスセンサの構成図である。本発明に用いるガス検知部の構成図である。水素ガス濃度に対するガス信号１ｆの大きさの特性図である。（ａ）は光波長に対するガス信号２ｆの大きさの特性図、（ｂ）は炭化水素ガス濃度に対する波高値の特性図である。

符号の説明

１レーザ部
２ガス検知部
３信号処理部
２６触媒素子

Claims

水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスを検知対象ガスとする被検知空間に、水素ガスに触れると所定の赤外吸収波長帯における吸光度が変化する水素検知用触媒を配置し、炭化水素ガスの赤外吸収波長を含み、かつ上記触媒の赤外吸収波長帯に含まれる波長範囲内で光波長が掃引され、その掃引された光波長を中心波長として光波長及び光強度が正弦波（基本波とする）で変調されたレーザ光を被検知空間に照射して上記触媒を透過した光を受光し、その受光強度信号に含まれる基本波に同期した信号の大きさから水素ガスを検知し、上記受光強度信号に含まれる２倍波に同期した信号の大きさから炭化水素ガスを検知することを特徴とする光式水素ガス及び炭化水素ガスセンサ。