JP2008070314A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定光の妨げになる多重反射光の干渉を低減して正確なガス検出を行う。
【解決手段】ガス検出装置１は、測定雰囲気中に所定測定光路長を隔てて投受光ユニット２と反射ユニット３とが対向配置される。投受光ユニット２は、レーザ光を出射する光源ユニット１３と、レーザ光の出射に伴う測定光を集光する集光レンズ１５と、測定光を受光検出する受光器１７と、集光レンズ１５を微弱振動する投受光側微動手段１９とを備える。反射ユニット３は、投受光ユニット２からのレーザ光を再び測定雰囲気に向けて反射する反射板２１を備える。検出対象ガスの検出動作中には、投受光側微動手段１９を動作させ、測定に不要な多重反射による干渉光を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の吸収を利用して所定雰囲気中のガス濃度を光学的に測定するガス検出装置に関し、特に測定光路長が短い（例えば２ｍ以下）測定雰囲気中での低濃度のガス検出に最適なガス検出装置に関する。

例えばメタン、二酸化炭素、アセチレン、アンモニア等の個々の気体が持つ吸収帯を利用して測定雰囲気中の所望のガスを検出するガス検出装置は既に知られており、下記特許文献１を含めて様々な提案がなされている。

この種のガス検出装置は、検出対象ガスを含む測定雰囲気中に所定距離（この距離によって測定光路長が確定する）隔てて光源部と受光部とを配置し、光源部の半導体レーザから周波数変調されたレーザ光を測定雰囲気に出射し、この測定雰囲気を通過した透過光を測定光として受光部のフォト検出器で受光検出し、この受光検出した測定光の電気信号に基づいて測定雰囲気中の検出対象ガスのガス濃度を測定している。尚、光源部と受光部とが同じ位置に配置されていても、雰囲気を通ってくる測定光を反射光として受光できれば測定光路長が確保される。
特開平１０−２６７８３９号公報

ところで、近年、この種のガス検出分野では、各種環境測定の要求に伴い、特に測定光路長が例えば２ｍ以下と短い測定雰囲気中での低濃度のガス検出が要望されている。

そして、上記のような測定光路長が短い測定雰囲気中の所望ガスの濃度検出を行う場合には、光源部と受光部とを測定光路長だけ隔てて測定雰囲気中に対向配置し、測定雰囲気中の高さが異なる平面上で順次ガス検出を行い、測定雰囲気中における所望ガスの濃度分布を測定することになる。

ところが、上述したガス濃度検出中では、測定雰囲気を挟む光源部と受光部との間の経路上の各種光学部品、例えば光源部の出射窓のガラス面と受光部の集光レンズ表面との間、受光部の集光レンズ表面とフォト検出器の受光面との間でレーザ光の一部が多重反射し、この多重反射光が干渉光となって測定光に干渉を引き起こしてしまう。そして、特に測定光路長が短い測定雰囲気中での低濃度のガス検出を行う場合には、この多重反射による干渉光が測定結果に大きく影響して誤差を招き、正確なガス濃度検出を行うことができないという課題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、測定光の妨げになる多重反射光の干渉を低減して正確なガス検出が行えるガス検出装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載されたガス検出装置は、検出対象ガスを含む測定雰囲気Ａ中にレーザ光を出射し、このレーザ光の出射に伴って前記測定雰囲気を通過するレーザ光を測定光として受光検出し、この受光検出した測定光に基づいて前記測定雰囲気中の検出対象ガスの濃度を測定するガス検出装置１において、
前記検出対象ガスを含む前記測定雰囲気中に所定の測定光路長を隔てて投受光ユニット２と反射ユニット３とが対向して配置され、
前記投受光ユニットは、前記測定雰囲気に向けてレーザ光を出射する光源ユニット１３と、該光源ユニットからのレーザ光の出射に伴い、前記測定雰囲気を通過し前記反射ユニットで反射して再度前記測定雰囲気を通過して戻ってくるレーザ光を測定光として集光する集光レンズ１５と、該集光レンズによって集光される前記測定光を受光検出する受光器１７とを含み、
前記反射ユニットは、前記光源ユニットから前記測定雰囲気を通過してくるレーザ光を再び前記測定雰囲気に向けて反射する反射部材２１を含んでおり、
前記投受光ユニットに設けられて前記集光レンズを微弱振動する投受光側微動手段１９を備えたことを特徴とする。

本発明に係るガス検出装置によれば、集光レンズを微弱振動することにより、集光レンズと反射部材との間の干渉光及び集光レンズと受光器との間の干渉光を十分に取り除いて測定に不要な多重反射による干渉光を低減でき、測定光路長が例えば２ｍ以下と短い測定雰囲気中における低濃度ガスでも正確に検出することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係るガス検出装置の概略構成図、図２および図３は同ガス検出装置において微弱振動無し時および微弱振動有り時の測定結果の一例を示す図である。

図１に示すように、本例のガス検出装置１は、特に短い測定光路長（例えば２ｍ以下）での測定雰囲気中の検出対象ガスの濃度を測定する場合に最適であり、投受光ユニット２と反射ユニット３とが測定雰囲気Ａ中に所定の測定光路長の距離を隔てて対向配置される。

まず、投受光ユニット２の構成について説明する。図１に示すように、投受光ユニット２は、光学部１１に計測部１２を一体に組み込んだ構成である。光学部１１は、一面が開口され、内部に光源ユニット１３が搭載された有底筒状の本体１４を有している。

尚、図１での本体１４は、口径を一定としているが、例えば底部から先端部に向けて口径を広げたホーン形状とすれば、測定光を受ける有効面積が大きくなり、測定光を効率的に受光することができる。

本体１４の開口には、集光手段としての集光レンズ１５が設けられている。この集光レンズ１５の中心部（中心軸線Ｌ−Ｌ上又はその近傍）には、レーザ光を出射するための窓部１６が設けられている。窓部１６は、例えばガラスなどの出射窓で構成され、集光レンズ１５に対して所定角度傾斜して固定される。

また、本体１４内の集光レンズ１５寄りには、光源ユニット１３が設けられている。さらに、本体１４内の中心軸線Ｌ−Ｌ上の奥部（底部）には、集光レンズ１５で集光された測定光を受光する受光器１７が設けられている。

光源ユニット１３は、測定雰囲気Ａ中の検出対象となる測定ガス特有の吸収線に合致した波長のレーザ光を発生し、この発生したレーザ光を反射ミラー１８（１８Ａ，１８Ｂ）を介して窓部１６に出射している。

集光レンズ１５は、例えばフレネルレンズで構成され、光源ユニット１３から測定雰囲気Ａへのレーザ光の出射に伴い、反射ユニット３で反射して再び測定雰囲気Ａを通って戻ってくる測定光を受光器１７の受光面に集光させている。

受光器１７は、光源ユニット１３からのレーザ光の出射に伴い、反射ユニット３で反射し測定雰囲気Ａを通って集光レンズ１５により集光された測定光を受光検出している。この受光器１７によって受光検出された測定光は、電気信号に変換された後、計測部１２に送られて信号処理される。

尚、ここでの測定光とは、光源ユニット１３からのレーザ光の出射に伴い、反射ミラー１８（１８Ａ，１８Ｂ）→窓部１６→測定雰囲気Ａ→後述する反射板２１→測定雰囲気Ａ→集光レンズ１５の経路を通って受光器１７に受光検出される光であり、これら経路上の光学部品（反射ミラー１８、窓部１６、後述する反射板２１、集光レンズ１５）の表面での多重反射の無い光を意味している。

また、集光レンズ１５の外周端部には、集光レンズ１５に微弱振動を与えて集光レンズ１５や窓部１６を微動させるための投受光側微動手段１９が設けられている。この投受光側微動手段１９は、例えば振動モータなどの各種モータや圧電素子などの駆動手段で構成され、集光レンズ１５に直接微弱振動を与える。投受光側微動手段１９は、例えば数Ｈｚ〜数ｋＨｚの周波数で駆動手段を駆動し、集光レンズ１５や窓部１６を数μｍ〜数１０μｍ程度の移動量（光軸方向の移動量）でランダムに微動している。

尚、ここでの干渉光とは、光源ユニット１３からのレーザ光の出射に伴って発生する測定に不要な多重反射光であり、上述した経路上の光源ユニット１３（反射ミラー１８Ｂ）と窓部１６との間、窓部１６と後述する反射板２１との間、後述する反射板２１と集光レンズ１５との間、集光レンズ１５と受光器１７との間の光学部品の表面でそれぞれ往復反射する光を意味している。

計測部１２は、本体１４の内部のレーザ光の出射及び測定光の受光の邪魔にならない位置、例えば本体１４内の底部で受光器１７の背後に組み込まれている。図１に示すように、計測部１２は、測定光増幅部１２ａ、受光信号検出部１２ｂ、演算部１２ｃ、波長安定化回路１２ｄを備えて構成される。

測定光増幅部１２ａは、例えばプリアンプで構成され、受光信号検出部１２ｂで検出する１ｆ信号（変調周波数の基本波敏感検波信号）、２ｆ信号（変調周波数の２倍波位相敏感検波信号）が測定対象ガス濃度範囲で略同等の検出レベルになるように、１ｆ信号、２ｆ信号のそれぞれにおいて最適な増幅度に設定されている。この測定光増幅部１２ａでは、受光器１６から検出出力される測定光信号の受光電流を受光電圧に変換し、さらに設定された増幅度で増幅して出力している。

受光信号検出部１２ｂは、測定光増幅部１２ａで増幅された測定光信号を信号処理し、１ｆ信号と２ｆ信号とを位相敏感検波している。

演算部１２ｃは、受光信号検出部１２ｂからの１ｆ信号、２ｆ信号を入力とし、その比（２ｆ／１ｆ）に基づいて測定雰囲気Ａ中の測定対象ガスの濃度を所定時間毎に演算して測定値を算出している。そして、現時点から過去に遡った所定ポイント数の測定値を平均化した値を現時点の測定データとし、不図示の表示手段に表示している。

波長安定化回路１２ｄは、設定温度の検索、初期設定、２倍波ピーク安定化、信号同期検出、２倍波歪抑圧動作に関する処理を行っている。尚、この処理内容は特許文献１に開示されるものと同様なので説明を省略する。

次に、反射ユニット３の構成について説明する。図１に示すように、反射ユニット３は、所定の測定光路長を形成する測定雰囲気Ａを挟むように投受光ユニット２と対向して配置される。

図１に示すように、反射ユニット３は、反射板２１を備えている。反射部材としての反射板２１は、投受光ユニット２から測定雰囲気Ａを通過してくるレーザ光を再び測定雰囲気Ａ側に反射している。尚、反射部材としては、板状のものに限定されない。

上記のように構成されるガス検出装置１によって測定雰囲気Ａ中の検出対象ガスの濃度を測定する場合には、投受光ユニット２と反射ユニット３とを測定光路長だけ隔てて測定雰囲気Ａ中に対向配置する。この状態で投受光ユニット２の光源ユニット１３からレーザ光を出射する。このレーザ光は、光源ユニット１３の窓部１６から測定雰囲気Ａを通って反射ユニット３の反射板２１で反射され、再び測定雰囲気Ａを通って投受光ユニット２に戻ってくる。そして、投受光ユニット２に戻ってきたレーザ光は、測定光として集光レンズ１５により集光され、受光器１７に受光検出される。受光器１７が受光検出した電気信号は、測定光増幅器１２ａにより所定の増幅度で増幅された後、受光信号検出部１２ｂに入力される。測定光増幅部１２ａでは、１ｆ信号と２ｆ信号が検出対象ガス濃度光路長積範囲内で同等の検出レベルになるように、入力される信号を増幅する。受光信号検出部１２ｂでは、入力される信号から１ｆ信号、２ｆ信号を検波して演算部１２ｃに入力する。演算部１２ｃは、受光信号検出部から入力される１ｆ信号と２ｆ信号の比（２ｆ／１ｆ）に基づいて検出対象ガスのガス濃度光路長積を演算し、この演算値を所定時間毎に平均化して測定雰囲気Ａ中の検出対象ガスのガス濃度光路長積測定値を得る。
尚、ガス濃度光路長積とは、測定ガス濃度と測定レーザ光が測定ガス中を通過した距離との積をいう。

そして、本例のガス検出装置１では、上述した測定雰囲気Ａ中での検出対象ガスの検出動作中において、投受光側微動手段１９を動作させている。

投受光側微動手段１９を動作させると、投受光ユニット２における集光レンズ１５や窓部１６がランダムに微動し、反射ミラー１８Ｂと窓部１６との間の距離Ｌ１、窓部１６と反射板２１との間の距離Ｌ２、反射板２１と集光レンズ１５との間の距離Ｌ３、集光レンズ１５と受光器１７との間の距離Ｌ４がそれぞれランダムに変化する。

これにより、窓部１６の表面、後述する反射板２１の表面、集光レンズ１５の表面での干渉光の反射位置（中心軸線Ｌ−Ｌと直交する平面上の反射位置）が変わって位相ずれが生じる。その結果、上記距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４で発生する干渉光が多重反射する間に平均化され、測定に不要な干渉光を低減することができる。

ここで、図２および図３は本例のガス検出装置１において反射ユニット３を投受光ユニット２から２ｍ離して地表から１ｍの高さに設置したときの大気中（測定雰囲気Ａ中）のメタン濃度光路長積の測定結果の一例を示している。尚、図２は微弱振動無し時の測定結果、図３は微弱振動有り（振動の周波数：１０〜２０Ｈｚ、振動の振れ幅：０．１〜０．３ｍｍ）時の測定結果をそれぞれ示している。また、図２及び図３におけるＭＥＡＳ（measurements）は測定値であり、１００区間移動平均（ＭＥＡＳ）は過去１００ポイントの測定値を平均化した現時点の測定データを示している。

微弱振動無し時には、図２に示すように、干渉光が大きく影響してメタン濃度光路長積が１〜８ｐｐｍ−ｍの範囲で時間の経過とともに大きな変動を示しているのが判る。これに対し、微弱振動有り時には、図３に示すように、干渉光の影響が小さくメタン濃度光路長積が３〜５ｐｐｍ−ｍの範囲に安定して収まっており、微弱振動無し時に比べてメタン濃度光路長積の変動が大幅に小さくなっていることが判る。

このように、本例のガス検出装置１では、投受光側微動手段１９を動作させることにより、投受光ユニット２の集光レンズ１５や窓部１６を微弱振動するので、集光レンズ１５と反射板２１との間の干渉光だけでなく、反射板２１と受光器１７との間の干渉光も十分に取り除くことができ、測定の妨げになる干渉光のみを低減することができる。その結果、干渉光に起因する測定ノイズが低減し、ガス濃度光路長積検出の分解能が向上し、測定値変動を抑えて常に安定したガス濃度光路長積の測定を行うことができる。

本発明に係るガス検出装置の概略構成図である。 同ガス検出装置において微弱振動無し時の測定結果の一例を示す図である。 同ガス検出装置において微弱振動有り時の測定結果の一例を示す図である。

符号の説明

１ ガス検出装置
２ 投受光ユニット
３ 反射ユニット
１５ 集光レンズ（集光手段）
１６ 窓部（出射窓）
１７ 受光器
１９ 投受光側微動手段
２１ 反射板（反射部材）
Ａ 測定雰囲気

Claims (1)

1. 検出対象ガスを含む測定雰囲気（Ａ）中にレーザ光を出射し、このレーザ光の出射に伴って前記測定雰囲気を通過するレーザ光を測定光として受光検出し、この受光検出した測定光に基づいて前記測定雰囲気中の検出対象ガスの濃度を測定するガス検出装置（１）において、
   前記検出対象ガスを含む前記測定雰囲気中に所定の測定光路長を隔てて投受光ユニット（２）と反射ユニット（３）とが対向して配置され、
   前記投受光ユニットは、前記測定雰囲気に向けてレーザ光を出射する光源ユニット（１３）と、該光源ユニットからのレーザ光の出射に伴い、前記測定雰囲気を通過し前記反射ユニットで反射して再度前記測定雰囲気を通過して戻ってくるレーザ光を測定光として集光する集光レンズ（１５）と、該集光レンズによって集光される前記測定光を受光検出する受光器（１７）とを含み、
   前記反射ユニットは、前記光源ユニットから前記測定雰囲気を通過してくるレーザ光を再び前記測定雰囲気に向けて反射する反射部材（２１）を含んでおり、
   前記投受光ユニットに設けられて前記集光レンズを微弱振動する投受光側微動手段（１９）を備えたことを特徴とするガス検出装置。