水晶増強光音響センサー、メタン用


  • Complete Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy (QEPAS) System
  • Designed to Measure Methane Concentrations from <0.5 ppm to 10,000 ppm
  • Calibrated for Synthetic Air and Nitrogen Gas Matrixes with 1,000 ppm to 32,000 ppm Water Vapor
  • System Designed for Benchtop or 19" Rack Mount

Gas Inlet

Tube

Laser

Quartz Tuning Fork

QEPAS-CH4

QEPAS System for Methane Detection

See Overview and QEPAS Tabs for More Details

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Key Specifications
CH4 Measurement Rangea< 0.5 ppm to 10,000 ppm
H2O Range1,000 ppm to 32,000 ppm
(3.5 % to 99% Relative Humidityb)
Minimum Detection Limit< 0.5 ppmc
Response Time30 sec
Input Pressure Range750 mbar to 1050 mbar
(562 Torr to 787 Torr)
Sample Volume20 cm3
Operating Temperature Range15 ºC to 35 ºC
Gas Line Input6 mm Swagelok® Tube Fittingd
Dimensions (W x D x H)482.6 mm x 395.7 mm x 149.8 mm
(19.00" x 15.58" x 5.90")
  • 検出下限は積算時間1秒の場合の値です。正確な値はセンサの仕様書に記載されています。
  • 相対湿度の範囲は水が結露しない範囲であり、760 Torr、23 °Cの条件で計算されています。
  • 検出下限は積算時間1秒の場合の値です。正確な値は内蔵されたセンサコンポーネントの性能によって異なります。
  • ガス注入の際は2 μmの粒子フィルタ(付属しません)のご使用をお勧めします。
QEPAS-CH4 with Tubing
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ガスのインレットおよびアウトレットにチューブが接続されたセンサQEPAS-CH4
(チューブは付属しません)

特長

  • メタンの検出濃度範囲: ＜0.5 ppm～10,000 ppm*
  • 合成空気や窒素ガスをマトリックスとした使用方法に対して校正済み
  • ガスマトリックス中の水分濃度範囲1,000 ppm～32,000 ppmで正確な測定が可能
  • 小さなサンプルガス体積: 20 cm3
  • シンプルな一体型
  • 直観的に操作可能なGUIインターフェイスを含むソフトウェアが付属

用途

  • オイルおよびガスの研究
  • パイプラインの漏れ検出
  • 化学分析
  • 微量ガス検出
  • 環境モニタ
  • 大気化学

当社の水晶増強光音響分光(QEPAS)用センサは、メタン(CH4)検出用のコンパクトな一体型システムです。お客様側での調整を必要としない堅牢な設計で、到着後すぐにご使用いただけます。ターゲットガスの試料をセンサQEPAS-CH4に接続し、QEPASソフトウェアを使用するだけで、範囲0.5 ppm以下～10,000 ppm*のメタン濃度を正確さ±5%、ノイズレベル0.17 ppm未満(濃度5 ppm未満の場合)で測定できます。

センサQEPAS-CH4は一体型で設計されており、メタン検出に必要なすべてのコンポーネントを備えています。試験用のガスをセンサの前面パネルに接続すると、内部の圧力とフローコントローラによりガスが音響検出モジュールADM01に送られます。CH4の吸収線を中心波長に設定した内部レーザでターゲットガスの分子を励起し、モジュールADM01のクォーツチューニングフォーク(QTF、水晶製の音叉)で分子が緩和するときに生じる圧力波を検出します。メタン濃度に比例して出力されるQTF信号の振幅は、内蔵のDAQカードに記録され、濃度はQEPASソフトウェアを用いて表示されます。 QEPASの動作原理の詳細は「QEPAS」タブをご覧ください。

QEPAS測定における信号はガスマトリックス中の水蒸気の量に大きく依存します。励起されたターゲット分子の緩和経路は水分子と衝突することで増え、そのためにQEPAS信号が増大します。センサQEPAS-CH4は、内蔵の水センサを使用して水の量に対してQEPAS信号を調整するように校正されており、リアルタイムで濃度を連続的に測定できます。そのため、1,000 ppm～32,000 ppmの濃度範囲の水が存在する状況でも、正確かつ精密にメタン濃度を測定できます。 各センサには仕様書が付属しており、そこには幅広い実験条件下におけるセンサQEPAS-CH4の性能に関する詳しい統計分析などが記載されています。

取付け
センサQEPAS-CH4の筐体は、標準的な19インチラック用に設計されており、取付け用ブラケットが2つ付属しています。各ブラケットには標準的なラック取付け用ネジ(付属しません)に対応するスロットが2つあります。 また、センサにはベンチトップ型として使用するときのために、ゴム脚が4つ付属しています。

ガス接続部
センサQEPAS-CH4は、合成空気または窒素ガスのマトリックス中におけるメタンを検出することができます。上の写真のように、前面パネルにはカス接続用のポートが2つあり、それぞれに外径6 mmのチューブ(付属しません)を接続するためのSwagelok®チューブ継手が付いています。インレットは測定対象のガスに接続し、アウトレットは排気口に接続します。ガス注入の際は2 μmの粒子フィルタ(付属しません)の使用をお勧めします。QEPAS-CH4には、圧力コントローラ、フローコントローラ、真空ポンプなど、センサーボックス内のガスの流出入に必要なすべてのコンポーネントが装備されています。

QEPAS Schematic Diagram
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メタンセンサQEPAS-CH4の概略図

システムを構成するコンポーネント
センサQEPAS-CH4には、レーザ、レーザコントローラ、モジュールADM01、データ収集および処理用のDAQ-cardなど、センサーボックス内のメタンを検出するために必要なすべての電子機器が装備されています(左の概略図参照)。さらに、ガスマトリックス中の水蒸気濃度を連続的にモニタするセンサも内蔵されており、それによりQEPAS信号への水蒸気の影響を補正します。

ソフトウェア
センサQEPAS-CH4は操作するのにQEPASソフトウェアを必要とし、USBまたイーサネット経由でPC(付属しません)に接続して使用します。QEPASソフトウェアには、操作しやすいGUIインターフェイスが含まれています。データ収集速度、ガスマトリックス中の酸素の有無、センサ感度などの実験パラメータを適切に決定し、さまざまな実験条件下において高精度で正確な濃度測定を行うことができます。また、このソフトウェアでは、メタン濃度をリアルタイムで測定したり、ユーザが定義した時間範囲で統計処理をしたりすることもできます。また過去に記録された測定データを表示・分析するためのデータービュワーもご利用いただけます。詳細は「ソフトウェア」タブをご参照ください。

QEPAS技術の根底にある物理についてご議論いただいたPolySense Research Labの皆様に心から感謝いたします。

*検出下限は積算時間1秒の場合の値です。正確な値はセンサの仕様書に記載されています。

General Specifications
Gasline Inputa6 mm Swagelok® Tube Fitting
Supply Voltage100 VAC to 240 VAC, 50/60 Hz
Operating Temperature Range (Device)15 ºC to 35 ºC
Operating Temperature Range (Sample)15 ºC to 35 ºC
Transport and Storage Temperature Range-20 ºC to 70 ºC
Dimensions (W x D x H)482.6 mm x 395.7 mm x 149.8 mm
(19.00" x 15.58" x 5.90")
Weight10 kg
  • センサQEPAS-CH4は粒子を含まないガス状試料用のセンサです。ガス注入の際は2 μmの粒子フィルタ(付属しません)の使用をお勧めします。

Key Performance Indicatorsa
Key IndicatorCH4 in NitrogenCH4 in Synthetic Air
Accuracyb-5 to 5%-5 to 5%
Precisionc (3σ)15%15%
Noise-on-Peakd (1σ)< 0.17 ppm< 0.17 ppm
Limit of Detectione (3σ)< 0.5 ppm< 0.5 ppm
  • これらの主要性能指標は、窒素および合成空気のガスマトリックスを使用して測定したときに、センサQEPAS-CH4で得られる一般的な値です。各センサには仕様書が付属しており、それには様々な実験条件下において個々のセンサを用いて得られた測定値が記載されています。
  • 正確さは測定値と実際の値の平均偏差です。
  • 精度は正確さの標準偏差(1σ)の3倍です。
  • ノイズオンピークは、特定の濃度範囲で測定される典型的なノイズです。ここに示すノイズオンピーク値はメタン濃度＜5 ppmの場合に有効です。
  • 検出限界は測定可能な最小値を示し、ノイズオンピーク(1σ)の3倍で与えられます。
QEPAS-CH4 Specifications
Sensor Connection
USBType B, 2.0
LANRJ45 Cat 7
Sensor 
CH4 Measurement Rangea< 0.5 ppm to 10,000 ppm
H2O Measurement Range1,000 ppm to 32,000 ppm
(3.5% to 99% Relative Humidityb)
Input Pressure Range750 mbar to 1050 mbar
(562 Torr to 787 Torr)
Gas Flow in Measurement Mode20 sccm
Maximum Gas Flow for Purging500 sccm
Downtimec25 sec
CH4 Response Timed30 sec
H2O Response Timee60 sec
Sample Volume20 cm3
  • 検出下限は積算時間1秒の場合の値です。正確な値はセンサの仕様書に記載されています。
  • 相対湿度の範囲は水が結露しない範囲であり、760 Torr、23 °Cの条件で計算されています。
  • Downtime(不感時間)は、注入ガスが音響検出モジュール(ADM)に到達するまでの時間で定義しています。
  • CH4 Response Time(応答時間)は、ADMに中性窒素または合成空気を流し込んだときに、信号強度が初期値の90%から10%に減少するまでの時間で定義しています。
  • H2O Response Time(応答時間)は、インレットに水蒸気を注入したときに、水分濃度が約1,000 ppmから25,000 ppmに上昇するまでの時間で定義しています。

ソフトウェア

メタンセンサQEPAS-CH4を操作するには、QEPASソフトウェアが必要です。このソフトウェアは分かりやすく直観的なインターフェイスを有しており、それにはメタン濃度のモニタリング、測定パラメータの設定、データの記録、および統計処理を行うためのGUIが含まれます。左下のソフトウェアのリンクをクリックすると、最新バージョンのQEPASソフトウェアパッケージをダウンロードできます。ソフトウェアの詳細と、インストールおよび設定に関する説明はマニュアルに記載されています。

Hardware Requirements
Operating SystemWindows® 10 (64-Bit)
Processor (CPU)1 GHz or Higher
Memory (RAM)2 GB
Graphics Card Resolution (Min)1024 x 768
Hard Drive (Min) 2 GB of Available Space 
InterfaceFree USB 2.0 Port or Ethernet Port
Software Download

ソフトウェア

ソフトウェアバージョン1.0.0

メタンセンサQEPAS-CH4を操作するには、QEPASソフトウェアが必要です。

 

QEPASソフトウェアの特長

メタン濃度の測定
QEPASソフトウェアを使用して合成空気または窒素ガスのマトリックス中におけるメタン濃度を測定できます。いくつかの主要な実験パラメータをこのソフトウェアで設定し、与えられた実験条件において最も正確な測定を行うことができます。これらのパラメータには、データ収集速度、ガスマトリックス中の酸素の有無、測定対象のメタン濃度に応じたセンサー感度(「High」または「Low」の切替)などが含まれます。なお、感度の範囲はソフトウェアによる自動調整も可能です。このソフトウェアを使ってデータと実験パラメータをCSV形式でエクスポートし、実験後にデータービュワーで見ることができます。

統計解析用の組込みツール
ユーザが設定した時間範囲におけるメタン濃度測定値の統計解析ができます。これらの統計パラメータには、検出されたメタン濃度の最小値、最大値、平均値、標準偏差が含まれます。これらの計算はその時点のQEPAS測定値のほかに、データービュワーを使用して過去の測定値に対しても実行することができ、解析結果はソフトウェアを使ってCSV形式でエクスポートできます。

Concentration Monitoring in QEPAS Software
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データ収集速度、ガスマトリックス中の酸素の有無、センサ感度などのソフトウェアパラメータは実験条件に合わせて調整でき、0.5 ppm以下のメタン濃度まで正確に測定できます。
Pressure and Flow Monitoring in QEPAS Software
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ターゲットガスの圧力と流量はQEPASソフトウェアでモニタできます。また、ソフトウェアを使用してガスマトリックス中の水分濃度をモニタし、QEPAS信号を補正して正確なメタン濃度を測定することもできます。
Data Viewer and Statistical Analysis in QEPAS Software
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ユーザが設定した時間範囲のデータに付いて統計解析を行い、結果をソフトウェアでエクスポートできます。上の画面はQEPASソフトウェアのデータービュワーを使用したデータセットの統計解析を示しており、このように過去の実験データを表示して解析することができます。
QEPAS-CH4 Front Panel
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QEPAS-CH4の前面パネル
QEPAS-CH4 Back Panel
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QEPAS-CH4の背面パネル
Front Panel
CalloutDescription
1Power Button
2Connection Status LED
3Error Status LED
4Gas Inlet
5Gas Outlet
Back Panel
CalloutDescription
1USB 2.0 Type B Port
2Ethernet Port
3Power Inlet

センサQEPAS-CH4には下記の部品が含まれます。

  • 19インチラック用ブラケット付きのセンサQEPAS-CH4
  • 6 mm Swagelokキャップ2個
  • 6 mm Swagelok継手2個(ナット、フロントフェルール、バックフェルール各1個付き)
  • 日本国内向けの電源コード、長さ1.5 m
  • USB 2.0ケーブル、長さ2 m
  • イーサネット接続用RJ45 CAT 7 LANケーブル、長さ2 m
  • クイック操作マニュアル
  • センサの仕様書
Acoustic Detection Module Diagram
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QEPASの概要図

光音響分光法は光音響効果に基づく技術で、トレースガスの濃度を精度良く検出することができ、様々な用途に用いることができます。レーザ吸収分光法と同様に気密チャンバ内にレーザー光を導入し、ターゲットのガス分子を励起します。しかし光検出器で吸収線を検出するのではなく、励起された分子の緩和過程で生成された圧力波をトランスデューサで検出します。

水晶増強光音響分光法(QEPAS)の場合は、このトランデューサとして鋭い共振ピークを持つクオーツチューニングフォーク(QTF)が用いられます。音響に対する共振のQ値が高いため、従来の手法における音響共振についての制限を越え、小さな体積での微弱な励起も検出することができます。レーザ光を正弦波で変調したとき、生成される圧力(音響)波の周波数は光の変調周波数の2倍になるため、レーザ光の変調周波数はQTFの共振周波数の1/2に設定しなければなりません。QTFから得られる振幅はサンプル内のトレースガスの濃度に正比例します。

またQTFは音響的には四重極子であることから耐環境ノイズの点でも優れています。これは1次振動モードで圧電的に活性になるためには、QTFのプロングが互いに離れる方向に動かなければならないためです。外部からの音の波長はプロング間の距離よりも長く、従ってそのような音は2つのプロングを同じ方向に動かすことになり、結果として圧電的な応答は発生しません。

QEPASの原理についての詳細は「Publications」タブをご参照ください。

Select Publications on Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy

The following publications provide further information on the principles and applications of QEPAS. For more information, we suggest visiting PolySense, a joint industry-university research lab between Thorlabs and the Technical University of Bari focused on the research and development of innovative optical gas sensing systems.

2023

 

R. De Palo, A. Elefante, G. Biagi, F. Paciolla, R. Weih, V. Villada, A. Zifarelli, M. Giglio, A. Sampaolo, V. Spagnolo, and P. Patimisco, "Quartz-Enhanced Photoacoustic Sensors for Detection of Eight Air Pollutants," Adv. Photonics Res. 4, 2200353 (2023)

2022

 

H. Lin, Y. Liu, L. Lin, W. Zhu, X. Zhou, Y. Zhong, M. Giglio, A. Sampaolo, P. Patimisco, F.K. Tittel, J. Yu, V. Spagnolo, and H. Zheng, "Application of standard and custom quartz tuning forks for quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy gas sensing," App. Spec. Rev. 57, (2022)

A. Sampaolo, P. Patimisco, M. Giglio, A. Zifarelli, H. Wu, L. Dong, and V. Spagnolo, "Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy for multi-gas detection: A review," Anal. Chim. Acta 1202, 338894 (2021)

2021

 

P. Patimisco and V. Spagnolo, "Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy for Trace Gas Sensing," Encycl. Anal. Chem. 1-17, (2021)

2020

 

A. Sampaolo, G. Menduni, P. Patimisco, M. Giglio, V.M.N. Passaro, L. Dong, H. Wu, F.K. Tittel, and V. Spagnolo, "Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy for Hydrocarbon Trace Gas Detection and Petroleum Exploration," Fuel 227, 118118 (2020)

2018

 

P. Patimisco, A. Sampaolo, L. Dong, F.K. Tittel, and V. Spagnolo, "Recent advances in quartz enhanced photoacoustic sensing," App. Phys. Rev. 5, 011106 (2018)

2016

 

P. Patimisco, A. Sampaolo, H. Zheng, L. Dong, F.K. Tittel, and V. Spagnolo, "Quartz-enhanced photoacoustic spectrophones exploiting custom tuning forks: a review," Adv. Phys. X 2, 169-187 (2016)

2014

 

P. Patimisco, G. Scamarcio, F.K. Tittel and V. Spagnolo, "Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy: A Review," Sensors 14, 6165-6206 (2014)


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水晶増強光音響センサ、メタン用

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Additional 光音響分光
  • 水晶増強光音響センサ

  • 音響検出モジュール