JP2005140738A - Method and device for multi-point gas concentration detection - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスによる光吸収を利用したガス濃度検知に係り、光スイッチ寿命を縮めることなく多点のガス検知部に光を導くことができる多点式ガス濃度検知方法及びその装置に関する。 The present invention relates to gas concentration detection using light absorption by gas, and relates to a multipoint gas concentration detection method and apparatus capable of guiding light to a multipoint gas detection unit without shortening the life of an optical switch.
ガスを検知するセンサとして、半導体式などの電気的なセンサが使用されているがセンサ近傍に電源設備が必要であることや定期的に校正が必要なことなどから、長距離監視や多点での検知を行う場合、保守性や経済性の面で問題がある。 Semiconductor-type electrical sensors are used as sensors to detect gas, but power supply equipment is required near the sensor and periodic calibration is required. However, there are problems in terms of maintainability and economy.
これに対し、光を応用したセンサがある。ある特定波長の光、例えば、レーザ光をガス分子が吸収する現象があるので、この現象を利用してガスの有無や濃度を検知できる。この種のセンサが工業計測、公害監視などに広く利用されている。このときレーザ光を光ファイバで伝送することにより、遠隔監視も可能となる。そこで、本出願人は、特許文献1のように、光ファイバを伝送路とした遠隔ガス監視装置を開発した。この装置では、半導体レーザの駆動電流を所定の電流値を中心として高周波で変調し、波長及び強度の変調されたレーザ光を発振させる。さらに、電流及び温度を制御して発振の中心波長がガスの吸収線の中心になるよう半導体レーザの後方に出射するレーザ光をモニタに用い、前方に出射するレーザ光を安定させる。そうして安定して前方に出射するレーザ光を光ファイバを介して未知濃度のガスが充填されたガスセルに導入しガス雰囲気中を透過させ、その透過光を対向する別の光ファイバに導入させ、この光ファイバで透過光を受光部まで導き、受光した信号の2倍波検波信号又は基本波信号より、ガス濃度を高いSN比で検知する。
On the other hand, there is a sensor using light. Since there is a phenomenon in which gas molecules absorb light of a specific wavelength, for example, laser light, the presence or concentration of gas can be detected using this phenomenon. This type of sensor is widely used for industrial measurement and pollution monitoring. At this time, remote monitoring is also possible by transmitting laser light through an optical fiber. Therefore, the present applicant has developed a remote gas monitoring apparatus using an optical fiber as a transmission path as disclosed in
前記の光学式のセンサにおいて、複数箇所、即ち多点でガスを検知する場合、ガスセルからなるガス検知部をひとつひとつ測定していくため、光スイッチを用いて光源光を順次異なるガス検知部に導くことになる。ところが、光スイッチには、動作が保証される耐久切り替え回数があり、この耐久切り替え回数で寿命が決まるため、これによって装置全体の寿命が規定されてしまうという問題がある。 In the optical sensor described above, when gas is detected at a plurality of points, that is, at multiple points, the gas detectors composed of gas cells are measured one by one, and therefore light source light is sequentially guided to different gas detectors using an optical switch. It will be. However, the optical switch has a durable switching number for which the operation is guaranteed, and the lifetime is determined by the durable switching number, which causes a problem that the lifetime of the entire apparatus is defined.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光スイッチ寿命を縮めることなく多点のガス検知部に光を導くことができる多点式ガス濃度検知方法及びその装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and provide a multipoint gas concentration detection method and apparatus capable of guiding light to a multipoint gas detection unit without shortening the optical switch life. .
上記目的を達成するために本発明の方法は、光源光を測定対象とするガス雰囲気が存在する複数のガス検知部に順次通して透過光を受光し、受光信号からそれぞれのガス濃度を検知する光式ガス濃度検知方法において、前記光源光を初段の光スイッチにより複数の分岐光路のいずれかに順次導き、各分岐光路から出る光をそれぞれ次段以降の光スイッチにより複数の個別分岐光路のいずれかに順次導き、各個別分岐光路から個々のガス検知部に光を導くようにしたものである。 In order to achieve the above object, according to the method of the present invention, the light source light is sequentially passed through a plurality of gas detection units having a gas atmosphere to be measured, and the transmitted light is received, and each gas concentration is detected from the received light signal. In the optical gas concentration detection method, the light source light is sequentially guided to one of a plurality of branch optical paths by an optical switch in the first stage, and the light emitted from each branch optical path is The light is sequentially guided to guide the light from each individual branch optical path to each gas detector.
また、本発明の装置は、測定対象とするガス雰囲気が容器に充填された複数のガス検知部と、このガス検知部に透過させる光を発生する光源部と、前記ガス検知部を通した透過光を受光して受光信号からガス濃度を検知する信号処理部とを有する光式ガス濃度検知装置において、前記光源光を複数の分岐光路のいずれかに順次導く初段の光スイッチと、各分岐光路から出る光を複数の個別分岐光路のいずれかに順次導く次段以降の光スイッチとを設け、各個別分岐光路に個々のガス検知部を接続したものである。 In addition, the apparatus of the present invention includes a plurality of gas detection units filled with a gas atmosphere to be measured, a light source unit that generates light transmitted through the gas detection unit, and transmission through the gas detection unit. In an optical gas concentration detection device having a signal processing unit that receives light and detects a gas concentration from a light reception signal, an optical switch in the first stage for sequentially guiding the light source light to any one of a plurality of branch optical paths, and each branch optical path And a subsequent optical switch that sequentially guides light emitted from each of the plurality of individual branch optical paths to each individual branch optical path, and an individual gas detector is connected to each individual branch optical path.
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。 The present invention exhibits the following excellent effects.
(1)光スイッチの切り替え回数がガス検知部の個数に比して少なくなるので、寿命を長くすることができる。 (1) Since the number of switching times of the optical switch is smaller than the number of gas detectors, the life can be extended.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1に示されるように、本発明に係るガス濃度検知装置は、大きくは、光源部1、光学系2、信号処理部3から構成されている。
As shown in FIG. 1, the gas concentration detection apparatus according to the present invention mainly includes a
光源部1は、単一波長のレーザ光を発振させる分布帰還型半導体レーザ(DFB−LD)11と、そのDFB−LD11を搭載して温度を制御するペルチェ素子12と、そのペルチェ素子12に電源を供給する電源供給部13と、周波数fの正弦波信号Xを出力する発振器14と、この周波数fの信号により周波数2fの2倍波信号XXを作成する倍周器15と、DBF−LD11にバイアス電流を付加するバイアス電流源16と、そのバイアス電流源16の掃引の仕方を決定する三角波掃引器17と、発振器14からの正弦波信号をDFB−LD11に供給するためのコンデンサCと、バイアス電流源16からのバイアス電流をDFB−LD11に供給するためのインダクタLとからなる。
The
光学系2は、光源部1からの光源光を複数の分岐光路4a,4b,4cのいずれかに順次導く初段の光スイッチ5と、各分岐光路4a,4b,4cから出る光を複数の個別分岐光路6(6a1,6a2,6a3,6a4,6b1,6b2,6b3,6b4,6c1,6c2,6c3,6c4)のいずれかに順次導く第2段の光スイッチ7(7a,7b,7c)とを設け、各個別分岐光路に個々のガス検知部8(8−1〜8−9)を接続したものである。各光スイッチ5,7は2系統の光路を連動して切り替えることができるものである。第2段光スイッチ7では各ガス検知部の入射用光路である個別分岐光路6とこれに対応する出射用光路(符号なし)とが連動して分岐光路4a,4b,4cと戻り分岐光路(符号なし)に対して選択的に切り替わり、初段光スイッチ5では第2段光スイッチ7a,7b,7cへの分岐光路4a,4b,4cとこれに対応する戻り分岐光路とが連動して光源部1からの光源光路と信号処理部3への受光光路に対して選択的に切り替わるようになっている。また、第2段光スイッチ7a,7b,7cでは、個別分岐光路6a1,6b1,6c1がガス検知部を経由しないで戻りの系統に戻され基準光路として使用される。
The
この形態では、光スイッチが2段構成となっている。初段光スイッチ5は1系統が1光路対3光路(これを1×3構成という)となっており、2系統分で2×6構成となっている。各第2段光スイッチ7は1系統が1×4構成、2系統分で2×8構成となっている。
In this embodiment, the optical switch has a two-stage configuration. The first stage
ガス検知部8は、図2に示されるように、測定対象である未知濃度の種々のガス(メタン等)が充填される容器(ガスセル)21を有し、任意の場所に容易に設置できるようになっている。この容器21の両端には互いに対向する光コネクタ22,23が設けられ、光コネクタ22には個別分岐光路6からなる入射用光路24が容器内に光を導入可能に接続されると共に、光コネクタ23には出射用光路23が容器内から光を導出可能に接続されている。
As shown in FIG. 2, the
図1に戻り、信号処理部3は、受光器31と、光源部1の発振器14からの正弦波信号Xの周波数fに同期して受光器31の出力の位相敏感検波を行う位相検波器32と、倍周器15からの正弦波信号XXの周波数2fに同期して受光器31の出力の位相敏感検波を行う位相検波器33と、各光スイッチ5,7a,7b,7cにおける光路切替を制御してガス検知部8を個別に特定すると共に両位相検波器32、33の出力比を記録、演算してガス濃度を求めるコンピュータ34とからなる。
Returning to FIG. 1, the
以下、本発明に係るガス濃度検知方法を説明する。 The gas concentration detection method according to the present invention will be described below.
電源供給部13より電源を制御することにより、ペルチェ素子12の温度を制御してDFB−LD11の温度を一定にし、バイアス電流源16と三角波掃引器17とにより、バイアス電流を三角波状にして電流の増減の方向が一方向となるように掃引する。このとき、同時に、発振器14より正弦波状の交流電流(変調電流)を重畳させる。従って、光源部1からは、波長及び強度の変調されたレーザ光が出射される。
By controlling the power supply from the power supply unit 13, the temperature of the Peltier element 12 is controlled to keep the temperature of the DFB-LD 11 constant, and the bias current source 16 and the
このときコンピュータ34は、基準光路を含む各個別分岐光路6に順次光源光が導かれるよう各光スイッチ5,7を制御する。例えば、最初に初段光スイッチ5が分岐光路4aに繋がるA1チャンネルを選択し、第2段光スイッチ7aが個別分岐光路6a1に繋がるB01チャンネルを選択しているとすると、その次には第2段光スイッチ7aが個別分岐光路6a2に繋がるB02チャンネルを選択するよう切り替える。その後、第2段光スイッチ7aがB03,B04チャンネルを選択するよう順次切り替え、その次は、初段光スイッチ5が分岐光路4bに繋がるA2チャンネルを選択し、第2段光スイッチ7bが個別分岐光路6b1に繋がるB02チャンネルを選択するよう切り替える。第2段光スイッチ7bの全てのチャンネルへの切り替えが終わると、初段光スイッチ5がA3チャンネルを選択するよう切り替える。このようにして、各光スイッチ5,7を順次切り替えていくと、基準光路を含む各個別分岐光路6に順次光源部1からの光源光が導かれる。各光スイッチ5,7において連動する系統についても同様の切り替えが起きるので、基準光路を含む各個別分岐光路6からの光は常に信号処理部3に戻ることになる。つまり、信号処理部3には基準光路或いはガス検知部8を透過した光が戻ることになる。
At this time, the
コンピュータ34は、上記の順次切り替え動作を繰り返し行う。これにより、各ガス検知部8のガス雰囲気を透過した透過光が受光器31に順次受光される。この受光信号に基づいた各ガス検知部のガス濃度がコンピュータ34により計算される。
The
ガス濃度の計算は次のように行われる。 The gas concentration is calculated as follows.
受光器31の受光信号のうち、発振器14からの正弦波信号Xの周波数fに同期した信号を位相検波器32で検波し、倍周器15からの正弦波信号XXの周波数2fに同期した信号を位相検波器33で検波する。両位相検波器32、33で抽出された信号の出力比F(f,2f)をコンピュータ34に伝送する。コンピュータ34では、各々の基準光路である個別分岐光路6a1,6b1,6c1に光源光を通過させて得られた出力比F0(f,2f;基準信号という)を基準値として記憶しておき、この基準値と順次ガス検知部8に光源光を通過させて得られた出力比(FG(f,2f);ガス信号という)との差分値ΔF(F0,FG)を計算する。
A signal synchronized with the frequency f of the sine wave signal X from the oscillator 14 among the light reception signals of the light receiver 31 is detected by the
図3は、横軸に波長、縦軸にガス信号FG(f,2f)及び基準信号F0(f,2f)の大きさをとったものである。図示されるように、基準値101もガス信号102も波長に依存している。図4は、横軸に波長、縦軸に差分値ΔF(F0,FG)をとったものである。図示されるように、両者の差分値は、ある波長にピークを有する。このピークは図3において中腹部103に位置するものを拡大したものである。このピークの波高値から、予め求めておいた波高値と基準ガス濃度との関係より、ガス濃度が求められる。基準光路を通過した光による受光信号の出力比を差分処理に用いることで、光源部1、光スイッチ5,7、信号処理部3の波長依存性を除去することができ、正確なガス濃度を得ることができる。
In FIG. 3, the horizontal axis represents the wavelength, and the vertical axis represents the magnitude of the gas signal F G (f, 2f) and the reference signal F 0 (f, 2f). As shown, both the reference value 101 and the
ここで、背景技術と本発明との比較を行う。 Here, the background art and the present invention are compared.
1つの光源部1から複数のガス検知部8に順次光を導くために1段だけ光スイッチを設けたとする。9個のガス検知部8がある場合、基準光路も考慮すると、この光スイッチには10チャンネルが必要である。即ち、光スイッチは1×10構成(2系統で2×10構成)となる。このとき10秒毎にガス検知部8又は基準光路を切り替えるものとすると、光スイッチのチャンネルは10秒に1回切り替えることになる。一方、光スイッチの耐久切り替え回数が1000万回だとする。この場合、寿命は、1000万×10秒÷(3600秒×24時間×365日)=約3.17年となる。
Assume that only one optical switch is provided to sequentially guide light from one
これに対し、上記実施の形態では、10秒毎にガス検知部8又は基準光路を切り替えるものとすると、初段光スイッチ5のチャンネルは40秒に1回切り替えることになる。また、第2段光スイッチ7のチャンネルは120秒に4回、平均すると30秒に1回切り替えることになる。初段光スイッチ5の寿命は、1000万×40秒÷(3600秒×24時間×365日)=約12.7年となる。第2段光スイッチ7の寿命も同様に長くなるので、装置全体の寿命も長くなる。
In contrast, in the above embodiment, if the
以上説明したように、本発明では、光源光を初段の光スイッチ5により複数の分岐光路4のいずれかに順次導き、各分岐光路4から出る光をそれぞれ次段以降の光スイッチ7により複数の個別分岐光路6のいずれかに順次導き、各個別分岐光路6から個々のガス検知部8に光を導くようにしたので、光スイッチ5,7の切り替え回数がガス検知部8の個数に比して少なくなるので、寿命を長くすることができる。
As described above, in the present invention, the light source light is sequentially guided to one of the plurality of branch
なお、上記実施の形態では、光スイッチを2段構成としたが、3段以上構成とすることで、さらに多くのガス検知部8を接続することができ、かつ寿命を長くすることができる。
In the above embodiment, the optical switch has a two-stage configuration. However, by configuring three or more stages,
1 光源部
2 光学系
3 信号処理部
4 分岐光路
5 初段光スイッチ
6 個別分岐光路
7 第2段光スイッチ
8 ガス検知部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
A plurality of gas detection units filled with a gas atmosphere to be measured, a light source unit that generates light source light that is transmitted through the gas detection unit, and a light reception signal that receives the transmitted light through the gas detection unit An optical gas concentration detection device having a signal processing unit for detecting a gas concentration from a first stage optical switch that sequentially guides the light source light to one of a plurality of branch optical paths, and a plurality of individual light beams from each branch optical path A multi-point gas concentration detection device comprising: an optical switch for the next stage and the subsequent stages sequentially guided to any one of the branch optical paths; and an individual gas detector connected to each individual branch optical path.
Priority Applications (1)
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JP2007218783A (en) * | 2006-02-17 | 2007-08-30 | Hitachi Cable Ltd | Optical fiber type gas concentration detection method and device |
CN103323423A (en) * | 2013-05-24 | 2013-09-25 | 深圳市赛宝伦计算机技术有限公司 | Anti-interference method and system for gas concentration analysis based on laser |
JP2014077754A (en) * | 2012-10-12 | 2014-05-01 | Shimadzu Corp | Gas concentration measuring apparatus |
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2003
- 2003-11-10 JP JP2003379865A patent/JP2005140738A/en active Pending
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