JP6789290B2 - ガス変調を用いたガス検出 - Google Patents

Description

本発明は、ガス検出システム、ならびに、基準ガス入口および試料ガス入口の間を切り替えるガス変調弁を使用する対応の方法に関する。

このようなガス変調弁および対応するガス変調法は、米国特許第７，０３０，３８１号（特許文献１）に記載されている。この文献の内容は参照により本明細書に組み込まれる。特許文献１に記載のガス検出器は、検出されるガス（標的ガス）が吸い込まれる試料ガス入口と、周囲雰囲気（空気）からのガスが基準ガスとして吸い込まれる基準ガス入口とを備えていてもよい。ガス変調弁は、試料ガス入口および基準ガス入口を赤外線ガスセンサなどのガスセンサの入口に接続する。

赤外線ガスセンサは、例えば、入口と、分析されるガスの各出口と、赤外光源と、赤外線検出器とを備えるキュベットを有していてもよい。ガス変調弁からガスセンサ（キュベット）の入口へのガス流路は、ガス変調弁によって試料ガス入口および基準ガス入口に交互に接続される。特許文献１に記載されているように、ガス変調弁による試料ガス入口と基準ガス入口との間の切り替えは、周期的頻度で周期的に行われることが好ましい。

米国特許第７，０３０，３８１号明細書

世界中の法令は、ガスネットワークを定期的に調査して、漏洩の有無を確認することを定めている。その理由は、主に、建物や他の密閉空間に蓄積したガスによる火災や爆発から公衆を保護するためである。通常、漏洩調査は、ガスの主成分のうちの１つに敏感な検出器を、ガスを搬送するパイプ上の地表面にわたって移動させることで行われる。

この目的のための検出器の多くは、１つの入口のみを用い、第２の基準入口は用いない。

この型の検出器において大抵用いられる一般的な赤外線センサは、非分散型赤外線吸収検出器（ＮＤＩＲセンサ）である。ガス変調原理によるガス検出に用いられ得る他の型のセンサは、ＳｎＯ_２センサなどの金属酸化物半導体（ＭＯＳ）センサである。ＮＤＩＲおよびＭＯＳセンサはどちらにおいても、水蒸気に対する選択制が限られることが問題となっている。そのため、手持ち式のプローブを持ち歩く場合、例えば、アスファルト表面から湿度がより高い芝生表面に、または日向から日陰に移動したときに（またはその逆の場合も）、ガスセンサが反応することが一般的に問題となっている。同様の選択性上の問題が、ほとんどの型のガスセンサに認められる。したがって、本発明は、特定の型のセンサに限定されるものではない。

ガス試料から湿気および／または不要な可燃性ガスを除去または捕捉するために用いられる様々なフィルタが公知である。これらのフィルタは、許容し得る長さの時間にわたって持続する、十分な大きさの容量を有する必要がある。フィルタは、極めて頻繁に交換、ベークアウト、または他の方法で再生する必要がある。

本発明の課題は、定期的なフィルタ交換を要することなく、ガス変調型のガス検出器のガス選択性を向上させることである。

本発明のガス検出システムは、独立請求項１によって定義される。本発明の方法は、独立請求項６によって定義される。

請求項１によれば、本発明のガス検出システムは、試料ガス入口と、基準ガス入口と、前記試料ガス入口および前記基準ガス入口の一方をガスセンサに交互に接続するガス変調弁とを備える。前記システムは、前記ガス変調弁と前記ガスセンサを接続するガス流路に配置された選択的移送フィルタによって特徴付けられ、このフィルタは、前記システム内で不要な信号を発生させる測定対象外のガスに対するローパスフィルタとして作用してもよい。そうしたガスのうち最も一般的なのは水分（湿気）である。

「選択的移送フィルタ」という用語は、異なるガス成分またはガス種が、前記フィルタを通して異なる移送時間で選択的に移送されることを意味している。これによって、特定ガス成分のガス移送時間が制御され、他のガス成分と対比した、特定のガス成分ごとの移送時間に基づいてフィルタの選択性が実現される。前記選択的移送フィルタは、例えば、フィルタがガスを吸着・脱着する反応時間がそれぞれのガス（ガス種）ごとに異なることによって、フィルタを通るガス種（ガス成分）の違いに応じた特定の移送時間（通過時間）を生じさせ、異なるガス種（ガス成分）に対して異なる移送時間を実現したものであってもよい。この異なる移送時間は、各ガス（ガス種）に対する前記フィルタのフィルタリング時定数によって表されてもよい。したがって、前記選択的移送フィルタは、「保持フィルタ」または「物理的ローパスフィルタ」とも称される。

検出の妨げとなる種、すなわち、不要なガスや湿気に対する前記選択的移送フィルタのフィルタリング時定数は、標的ガスまたは複数の標的ガスに対するフィルタリング時定数、および試料ガス入口と基準ガス入口との間におけるガス変調弁の切替周期よりも顕著に長く、好ましくは５倍より長くするべきである。

特に、前記選択的移送フィルタは、湿気および／またはガスに対するフィルタであってもよい。前記フィルタは、界面活性材料、シガレットフィルタ材料、活性炭材料および／またはシリカゲルのうちの少なくとも１つを含むものであってもよく、またはこれらの少なくとも１つから形成されたものであってもよい。

前記ガスセンサは赤外線センサであってもよく、好ましくは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、またはＬＰＧガスを検出するように光学的に調節された非分散型赤外線センサであってもよい。前記ガスセンサは、非分散型赤外線（ＮＤＩＲ）センサと、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）センサなどの少なくとも１つの付加的なガスセンサとの組合せであってもよい。

請求項６によれば、本発明のガス検出方法は、上述したような、またいずれか１つの請求項に係るガス検出システムを用いる。本発明によれば、ガス変調弁は、基準ガス入口および試料ガス入口を、選択的移送フィルタを介してガスを導くガス流路に交互に接続する。フィルタは、例えば、試料ガス入口と基準ガス入口との間で切り替えが行われたときに、ガスの湿度変化を遅らせるローパスフィルタとして使用される。特に、フィルタの容量は、ガスを乾燥、すなわち、ガスの湿度を低下させるために十分なほど大きい必要はなく、切り替えサイクル間の湿度変化のみを抑制すればよい。

本願に共通する概念は、湿気フィルタなどの選択的移送フィルタを、ガス試料から湿気を全て除去または捕捉するためではなく、ガス変調弁とガスセンサ間のガス流路におけるローパスフィルタとして用いることにある。この湿気フィルタの容量は、ガス変調弁が試料ガス入口と基準ガス入口とを切り替える際の湿度変化を抑制するために十分な大きさであればよい。通常、試料ガス入口は、例えば、芝生などの湿った地表面に近付くとき、湿ったガスを吸引するが、このとき基準ガス入口は、同量の湿気は吸引しない。基準ガス入口は、測定位置で試料ガス入口から取り込まれた試験ガスを検知した際に、試験ガスのバックグラウンドとして考慮されるべき、測定位置周辺のガスを取り込むように配置されているからである。前記湿気フィルタは、ガスを乾燥させるためには使用されない。湿気フィルタのローパスフィルタ効果は、湿ったガスと、より低い湿度の基準ガスとの間を切り替えるガス変調弁との組合せにおいてのみ生じる。

湿気は、選択的移送フィルタを通過するとき、このフィルタによって影響されるガスまたはガス特性の一例に過ぎない。本明細書において、湿気は、標的ガスと比較して、前記選択的移送フィルタによってその移送時間が顕著に増大されるガス成分と考える。したがって、湿気フィルタの例において、フィルタは、「ガス」としての湿気に対して、標的ガスに対する時定数とは異なる（顕著に長い）時定数を有するので、検出の妨げとなるガス種である湿気に対するローパスフィルタとして作用する。分析されるガスが、検出される可能性のある標的ガス、および湿気ではないものの依然として不要な他のガス成分の混合物である場合、そうした不要なガス成分に対する移送時間が、標的ガスに対する移送時間よりも長くなるように選択的移送フィルタを構成してもよい。移送時間は、フィルタリング時定数をより大きくすることで長くすることができる。

以下において、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

本発明のシステムの一般的な配置が示されている。 湿気フィルタを用いた実施形態における湿度（％）の経時変化を示している。

試料ガス入口１２および基準ガス入口１４は、それぞれ試料ガス導管１８および基準ガス導管２０を介してガス変調弁１６に接続されている。ガス変調弁１６は、試料ガス導管１８または基準ガス導管２０を、ガス変調弁１６およびガスセンサ２４を接続するガス流路２２に交互に接続する。図１に示された実施形態において、ガスセンサ２４は、吸光キュベットを備える非分散型赤外線センサであってもよい。ガス流路２２はサンプリング用の真空ポンプ２６と選択的移送フィルタ２８とを有する。選択的移送フィルタ２８は、ガス変調弁１６とガスセンサ２４との間に配置されている。また、選択的移送フィルタ２８は、真空ポンプ２６とガスセンサ２４との間に配置されている。真空ポンプ２６は、ガス変調弁１６とフィルタ２８との間に配置されている。

ガス変調弁１６は周期的に開閉されることで、交互かつ周期的に試料ガス入口１２または基準ガス入口１４をガス流路２２に接続する。この切り替えは、用途によって必要となる信号更新頻度（周波数）および／またはガス検出センサ２４の時定数に応じて、用途に適した頻度で行われる。通常、選択される頻度（周波数）は、用途に応じた必要性（通常、数Ｈｚ以上）と、ガスセンサ２４の時定数（実際には、ほとんどの型のセンサに対して数秒または数分）との間で調整される。

ガス変調弁１６は、ノイズ低減および信号増幅のために信号変調を行うために用いられる。これにより、弁１６は、交互のサイクルで、実際の関心地点において試料ガス入口１２、または基準ガス入口１４からバックグラウンドの空気からガスを取り込む。ガスセンサ２４の出力信号は、感度の向上およびバックグラウンドノイズの抑制のために、切替頻度（周波数）、および時には位相との関連の上で分析される。

試料ガス入口１２および基準ガス入口１４の両方が周囲の空気からガスを取り込むことにより、周囲空気中の湿度上昇が抑制される。通常、非ガス関連ノイズは、周波数（頻度）および位相がガス信号と一致しないので、このノイズも抑制される。

試料ガス入口と基準ガス入口との間でのガス変調切替を用いる先行技術のシステムが有する主要な問題は、離間したガス入口の間で周囲の条件が別々に変化している可能性があるということである。このような問題は、例えば、地下のパイプからのガス漏洩を調べるため、手持ち式のプローブで地表面を検査したときに生ずる。この検査は、大抵、カーペット状の装置を地表面上で移動させることで行われる。この時、試料ガス入口は、通常、カーペットの下に配置され、基準ガス入口はカーペットの上に配置されている。よって、湿度の異なる領域間でカーペットが移動されたとき、それぞれ試料ガス入口１２および基準ガス入口１４から侵入する試料ガスおよび基準ガスの湿度に直ちに差異が生じる。試料ガスおよび基準ガスの湿度におけるこの差異は、変調と同一の周波数を有する信号を発生させるので、フィルタリングアルゴリズムによって適切に抑制できない。このようなことは、ガスセンサ２４に信号を誘導するほど湿度の差が大きい場合に少なくとも発生する。

ガス変調弁１６とガスセンサ２４との間の選択的移送フィルタ２８は、界面活性湿度フィルタである。継続的に空気が流れるフィルタ２８は、試料から湿気を全て除去するための容量を有している必要はない。むしろ、フィルタ２８がガス変調による湿度変化を遅くし、それにより、湿度ローパスフィルタとして作用すれば十分である。フィルタの時定数は、ガス変調サイクルの時間周期よりも顕著に大きいものである。これにより、フィルタ後の湿度レベルはいずれ試料ガスおよび基準ガスの平均湿度となるが、時定数がガス変調サイクルよりも顕著に長いことにより、信号アルゴリズムによってそれを抑制することができる。

界面活性フィルタ材料、シガレットフィルタ材料、活性炭材料またはシリカゲルなどの一般的なフィルタ材料は、湿度変化だけでなく、より重い炭化水素または他の可燃性ガスの濃度変化も遅くする。したがって、本発明は、従来の界面活性フィルタリング材料を使用する場合、水素およびメタンなどの軽いガスの検知に最も適している。しかしながら、化学的に適合設計されたフィルタを使用すれば、他のガスに対して本発明を実施することも可能である。

通常、炭化水素は、ＮＤＩＲセンサなどの赤外線センサを含むほとんどのガスセンサに影響する。通常、他の可燃性ガスは、ほとんどの一般的なガスセンサに影響するが、ＮＤＩＲセンサに対する影響はより小さい。

センサ２４は、周囲雰囲気中の実際の平均湿度または平均ガス濃度において検知される標的ガスに対して十分に大きい微分感度（分差感度）を有している必要がある。例えば、ガスセンサ２４は、１ｐｐｍのメタンを検知するように定めてもよい。ガス検出システムは、この検出システムが５０ｐｐｍから５１ｐｐｍを区別できる場合、５０ｐｐｍのメタンのバックグラウンドにおいて動作可能である。湿度や他の検出の妨げとなるガスに対しても同様である。

図２には、ガス変調弁１６が、基準ガスとそれよりも高い湿度を有する試料ガスとの間で切り替えられるときの、異なる場合の測定信号（フィルタなし及びフィルタあり）ならびにそれぞれの湿度が示されている。

試料ガス入口１２が湿った表面に近付くとき、ガス変調弁１６が試料ガス入口１２に切り替えられると、試料ガスの湿度はサイクルの間に上昇する。フィルタ２８なしの場合の測定信号は、弁１６が試料ガス入口１２に切り替えられると、それに応じてサイクルの間に上昇し、弁１６が基準ガス入口１４に切り替えられると低下する。

選択的移送フィルタ２８により、ガスセンサ２４の測定信号はほぼ一定の低いレベルに保たれ、ガス変調弁１６が試料ガス入口１２に切り替わるサイクルの間において僅かな上昇のみが生じる。
なお、本発明は、実施の態様として以下の内容を含む。
〔態様１〕
試料ガス入口（１２）と、基準ガス入口（１４）と、前記試料ガス入口（１２）および前記基準ガス入口（１４）の一方をガスセンサ（２４）に交互に接続するガス変調弁（１６）とを備えるガス検出システムにおいて、
前記ガス変調弁（１６）と前記ガスセンサ（２４）を接続するガス流路（２２）に選択的移送フィルタ（２８）が配置されていることを特徴とするガス検出システム。
〔態様２〕
態様１に記載のガス検出システムにおいて、前記フィルタ（２８）は、検出の妨げとなるガス種に対し、一または複数の標的ガスに対するフィルタリング時定数、および前記試料ガス入口（１２）と前記基準ガス入口（１４）との間における前記ガス変調弁（１６）の切替周期よりも顕著に長い、好ましくは５倍より長いフィルタリング時定数を有するガス検出システム。
〔態様３〕
態様１または２に記載のガス検出システムにおいて、前記選択的移送フィルタ（２８）が、界面活性材料、シガレットフィルタ材料、活性炭材料および／またはシリカゲルのうちの少なくとも１つを含む、または少なくとも１つから形成されるガス検出システム。
〔態様４〕
態様１から３のいずれか一態様に記載のガス検出システムにおいて、前記ガスセンサ（２４）が赤外線センサ（２４）であり、好ましくは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、またはＬＰＧガスを検出するように光学的に調節された非分散型赤外線センサ（２４）であるガス検出システム。
〔態様５〕
態様１から４のいずれか一態様に記載のガス検出システムにおいて、前記ガスセンサ（２４）は、非分散型赤外線センサ（２４）と、好ましくは他の検知原理に基づいた、少なくとも１つの付加的なガスセンサ（２４）との組合せであるガス検出システム。
〔態様６〕
態様１から５のいずれか一態様に記載のガス検出システムを用いたガス検出方法であって、前記ガス変調弁（１６）が、前記基準ガス入口（１４）および前記試料ガス入口（１２）を、前記選択的移送フィルタ（２８）を介して前記ガスセンサ（２４）につながる前記ガス流路（２２）に交互に接続することを含む方法。
〔態様７〕
態様６に記載のガス検出方法において、前記選択的移送フィルタ（２８）の前記フィルタリング時定数が、前記一または複数の標的ガスに対する前記フィルタリング時定数およびガス変調周期よりも顕著に長く、好ましくは５倍よりも長い方法。
〔態様８〕
態様６または７に記載のガス検出方法において、前記試料ガス入口（１４）と前記基準ガス入口（１２）との間で切り替えが行われたとき、前記選択的移送フィルタ（２８）が、前記ガスの特定の特性（例えば湿度）における変化を遅くするローパスフィルタとして使用される方法。

１２ 試料ガス入口
１４ 基準ガス入口
１６ ガス変調弁
２２ ガス流路
２４ ガスセンサ
２６ 真空ポンプ
２８ 選択的移送フィルタ

Claims (8)

1. 試料ガス入口（１２）と、基準ガス入口（１４）と、前記試料ガス入口（１２）および前記基準ガス入口（１４）の一方をガスセンサ（２４）に交互に接続するガス変調弁（１６）とを備えるガス検出システムにおいて、
   前記ガス変調弁（１６）と前記ガスセンサ（２４）を接続するガス流路（２２）に選択的移送フィルタ（２８）が配置されており、
   前記選択移送フィルタ（２８）は、異なるガス成分またはガス種を、異なるフィルタリング時定数で選択的に移送するよう構成されていることを特徴とするガス検出システム。
2. 請求項１に記載のガス検出システムにおいて、前記フィルタ（２８）は、検出の妨げとなるガス種に対し、一または複数の標的ガスに対するフィルタリング時定数、および前記試料ガス入口（１２）と前記基準ガス入口（１４）との間における前記ガス変調弁（１６）の切替周期よりも顕著に長いフィルタリング時定数を有するガス検出システム。
3. 請求項１または２に記載のガス検出システムにおいて、前記選択的移送フィルタ（２８）が、界面活性材料、シガレットフィルタ材料、活性炭材料および／またはシリカゲルのうちの少なくとも１つを含む、または少なくとも１つから形成されるガス検出システム。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のガス検出システムにおいて、前記ガスセンサ（２４）がメタン、エタン、プロパン、ブタン、またはＬＰＧガスを検出するように光学的に調節された赤外線センサ（２４）であるガス検出システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のガス検出システムにおいて、前記ガスセンサ（２４）は、非分散型赤外線センサ（２４）と、少なくとも１つの付加的なガスセンサ（２４）との組合せであるガス検出システム。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のガス検出システムを用いたガス検出方法であって、前記ガス変調弁（１６）が、前記基準ガス入口（１４）および前記試料ガス入口（１２）を、前記選択的移送フィルタ（２８）を介して前記ガスセンサ（２４）につながる前記ガス流路（２２）に交互に接続することを含む方法。
7. 請求項６に記載のガス検出方法において、前記選択的移送フィルタ（２８）の前記フィルタリング時定数が、前記一または複数の標的ガスに対する前記フィルタリング時定数およびガス変調周期の５倍よりも長い方法。
8. 請求項６または７に記載のガス検出方法において、前記試料ガス入口（１４）と前記基準ガス入口（１２）との間で切り替えが行われたとき、前記選択的移送フィルタ（２８）が、前記ガスの特定の特性における変化を遅くするローパスフィルタとして使用される方法。

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