JP2008298637A - 光式ガス濃度検出方法及び光式ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に正確に計測することが可能である光式ガス濃度検出方法を提供する。
【解決手段】レーザ光の波長を変調すると共に所定の掃引範囲を掃引し、これを測定対象の雰囲気に通して得られる透過光の強度を検出し、得られた信号からガス濃度を検出するガス濃度検出方法において、レーザ光の波長を１６５０ｎｍ付近から１６９０ｎｍ付近まで掃引し、上記透過光から上記ガス雰囲気中に含まれるプロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に測定する方法である。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ光を測定対象雰囲気中に通しその透過光からガス濃度を検出する光式ガス濃度検出方法及び光式ガス濃度検出装置に関し、特に複数のガスのガス濃度を同時に検出できる光式ガス濃度検出方法及び光式ガス濃度検出装置に関する。

ガス分子は、特定波長（吸収帯という）のレーザ光を吸収する性質を有し、この性質を利用してガスの有無を検出できる。レーザ光を用いたガス検出方法は、工業計測、公害監視などの分野で用いられ、レーザ光を光ファイバで伝送することにより、ガスを遠隔検出できる。

例えば、特許文献１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数の正弦波で変調し、波長および強度を変調したレーザ光を発振させる。このレーザ光を光ファイバに入射させてガスセルに導き、ガスセル内の未知濃度のガスを透過させ、その透過光を光ファイバで受光器に導き、その受光信号を位相敏感検波して１倍検波信号と２倍検波信号を計測し、これら１倍検波信号と２倍検波信号の比からガス信号を求め、このガス信号から対象ガスの濃度を求めている。

特開平５−２５６７６９号公報

従来の光式ガス濃度検出方法およびその装置は、メタンガスなどの１つの対象ガスを測定することを目的として開発されてきた。このため、複数種類のガス（例えば、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスなど）の濃度をおのおの正確に検出することができないという問題がある。

そこで、本発明の目的は、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に正確に計測することが可能である光式ガス濃度検出方法及び光式ガス濃度検出装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、レーザ光の波長を変調すると共に所定の掃引範囲を掃引し、これを測定対象の雰囲気に通して得られる透過光の強度を検出し、得られた信号からガス濃度を検出するガス濃度検出方法において、レーザ光の波長を１６５０ｎｍ付近から１６９０ｎｍ付近まで掃引し、上記透過光から上記ガス雰囲気中に含まれるプロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に測定する光式ガス濃度検出方法である。

請求項２の発明は、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスにそれぞれ対応した変調振幅巾を有し相異なる変調周波数の４つの変調信号によりレーザ光の波長を変調させる請求項１記載の光式ガス濃度検出方法である。

請求項３の発明は、上記変調振幅巾は、プロパンガスを１としたとき、イソブタンガスをその２．４５倍付近とし、ノルマルブタンガスをその１．９３倍付近とし、メタンガスをその０．２２倍付近とする請求項２記載の光式ガス濃度検出方法である。

請求項４の発明は、プルパンガスに対応した変調振幅巾を有する変調信号によりレーザ光の波長を変調させる請求項１記載の光式ガス濃度検出方法である。

請求項５の発明は、上記変調振幅巾を１．０６ｎｍ付近とする請求項４記載の光式ガス濃度検出方法である。

請求項６の発明は、レーザ光の波長を変調し、これを測定対象のガス雰囲気に通して得られる透過光の強度を検出し、得られた信号からガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、レーザ光の波長を１６５０ｎｍ付近から１６９０ｎｍ付近まで掃引する光源部と、上記透過光から上記ガス雰囲気中に含まれるプロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を測定する信号処理部とを備える光式ガス濃度検出装置である。

請求項７の発明は、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスにそれぞれ対応した変調振幅巾を有し相異なる変調周波数の４つの変調信号を発信する発信器を備える請求項６記載の光式ガス濃度検出装置である。

請求項８の発明は、プロパンガスに対応した変調振幅巾を有する変調信号を発信する発信器を備える請求項６記載の光式ガス濃度検出装置である。

本発明によれば、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に正確に測定できる。

始めに、光ファイバを伝送路としてガス濃度を検出する方法の原理を簡単に説明する。

分光測定において、測定感度を向上させる方法として周波数変調法がある。まず、周波数変調した光を、対象とするガスを含む雰囲気中に透過させると、その透過光の検出信号は直流分の他、変調周波数と同じ周波数の基本波成分およびその高調波成分が得られる。

このうち、基本波成分と２倍波成分とをそれぞれ位相敏感検波すると、基本波成分は吸収線の１次微分に対応し、２倍波成分は吸収線の２次微分に対応する。このことから、光源としてのレーザの駆動電流を変調したレーザ光を特定のガスを含む雰囲気に透過させ、その透過光の検出信号中の特定成分を位相敏感検波すると、その検出信号からガス濃度に関する情報が得られる。

ここで、位相敏感検波とは、特定の周波数および位相を有する成分だけを抽出して、その振幅を測定することをいう。

つまり、この方法では、駆動電流および温度に応じた波長および強度のレーザ光を発振させるべく、所定の電流を中心としてレーザの駆動電流を変調すると共に、レーザ光の中心波長を掃引し、レーザ光を測定対象とするガス雰囲気に通して得られる透過光の強度を検出し、この信号中の特定成分を位相敏感検波して得られる信号からガス濃度を検出する。

本発明はこのような技術を前提としている。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な第１の実施形態である光式ガス濃度検出方法を実施するために使用される光式ガス濃度検出装置の全体構成図である。

図１に示すように、光式ガス濃度検出装置１は、主として地下街・高層ビルなどの都市ガスの漏洩や、ＬＮＧタンク周辺のガス漏れを多点（複数箇所）検出するものであり、レーザを駆動してレーザ光を発振させるための光源部としてのレーザ部３と、発振したレーザ光を導くための光学系４と、光学系４を通過したレーザ光を検出する複数個（図ではｎ個）の受光器５を備え、その検出信号を処理する信号処理部６とを備える。

レーザ部３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、以下単にＬＤ）２と、ＬＤ２を搭載してその温度をペルチェ素子用電源７により制御するためのペルチェ素子８と、所定周波数（可変）の正弦波信号を出力する発振器（発信器）９と、この周波数ｆの正弦波信号により周波数２ｆの２倍波信号を生成する倍周器１０と、ＬＤ２にバイアス電流を付加するためのバイアス電流源１１と、バイアス電流源１１の掃引の仕方を決定する掃引器１２と、ＬＤ２から出力したレーザ光を光学系４に分岐して伝送するためのビームスプリッタなどの光分岐手段１３とで主に構成される。

第１の実施形態においては、発振器９は、少なくとも異なる４つの周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４（例：１０．１，１０．２，１０．３，１０．４ｋＨｚ）の正弦波信号を出力する。また、倍周器１０は、発振器９からの各周波数ｆ１〜ｆ４の正弦波信号により、周波数２ｆ１〜２ｆ４の２倍波信号を生成する。

バイアス電流源１１の出力側には、発振器９の出力による影響を防ぐためにインダクタンスＬが接続され、発振器９の出力側には、直流分をカットするためのコンデンサＣが接続される。掃引器１２には、三角波掃引器あるいは正弦波掃引器を用いる。

光学系４は、光分岐手段１３と１番目の受光器５間にループ状に接続され、ガス雰囲気を通過しない１本の基準光路用光ファイバ（基準光路）１４と、光分岐手段１３と２〜ｎ番目の各受光器間にそれぞれループ状に接続され、ガス雰囲気を通過する複数本（図１ではｎ−１個）のガス検出光路用光ファイバ（ガス検出光路、あるいはセンサ光路）１５と、これら各ガス検出光路用光ファイバ１５の途中にそれぞれ設けられるガス検出部（センサ部）１６とからなる。

各ガス検出部１６は、測定対象である未知濃度の複数種類のガスが充填される容器、あるいはこれらガスが含まれるガス雰囲気が内部に取り込まれるように開口部を備えた容器であり、検出対象とする位置に、容易に設置することができるようになっている。

本実施形態では、複数種類のガスは、可燃性ガスとしてのプロパンガス、イソブタンガス（Ｉ−ブタン）、ノルマルブタンガス（Ｎ−ブタン）、メタンガスの４種類のガスである。また、図１では、基準光路用光ファイバ１４にｚ１、各ガス検出光路用光ファイバ１５に上から順にｚ２〜ｚｎまでの番号を付けて示した。

信号処理部６は、基準光路用光ファイバ１４、各ガス検出光路用光ファイバ１５のいずれかを通過したレーザ光を受光する複数個の受光器５と、発振器９からの正弦波信号の周波数ｆ１〜ｆ４、および倍周器１０からの正弦波信号の周波数２ｆ１〜２ｆ２に同期して受光器５の出力の位相敏感検波を行う位相検波装置１７と、その位相検波装置１７からの出力信号を同時に一時記憶する信号記憶装置１８と、その信号記憶装置１８からの１ｆ，２ｆの出力比を記録・演算処理するパソコンなどのコンピュータ１９とからなる。

位相検波装置１７は、基準光路用光ファイバ１４、各ガス検出光路用光ファイバ１５から出力される各透過光の受光信号をそれぞれ位相敏感検波し、１倍検波信号Ｓ１と２倍検波信号Ｓ２を得る複数個の位相敏感検波回路２０を備える。各位相敏感検波回路２０としては、ロックインアンプを用いるとよい。

次に、第１の実施形態に係る光式ガス濃度検出方法を説明する。

まず、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの赤外吸収スペクトルを図４で説明する。

図４に示すように、各ガスの赤外吸収スペクトルを見ると、それぞれの半値全巾は、プロパンガス０．３７ｎｍ、イソブタンガス０．９０７ｎｍ、ノルマルブタンガス０．７１４ｎｍ、メタンガス０．０８ｎｍである。波長変調（電流変調）の振幅値（変調振幅巾、変調電流振幅巾、あるいは変調波長巾ともいう）は、上述の半値全巾に基づき、検出信号が略最大となる所定の値を選定した。

ここでいう所定の変調振幅巾とは、検出した２倍検波信号が大きく（好ましくは最大
と）なるように変調振幅巾に設定したものであり、対象ガスの赤外吸収スペクトルの半値全巾に所定の係数（略２〜３）を乗じて求められる。

より詳細に言えば、第１の実施形態に係る方法では、まず、レーザ部３において、ＬＤ２の波長を１６５０ｎｍ付近から１６９０ｎｍ付近まで、好ましくは１６８５ｎｍ付近から１６９０ｎｍ付近まで掃引するように設定しておく。ＬＤ２の波長の掃引は、バイアス電流源１１と掃引器１２により三角波状又は正弦波状のバイアス電流をＬＤ２に付加して掃引する方法と、ペルチェ素子用電源７とペルチェ素子８によりＬＤ２の温度を三角波状又は正弦波状に変化させることにより掃引する方法とがある。ＬＤ２の温度の変化に対するレーザ光の発振波長の変化が大きいことから、本実施形態ではペルチェ素子用電源７とペルチェ素子８によりＬＤ２の温度を変化、制御してレーザ光の波長の掃引を行う。

また、レーザ部３の発振器９において、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスにそれぞれ対応させて、ＬＤ２の駆動電流による変調振幅巾を所定の値に設定しておく。

変調振幅巾は、プロパンガスを１としたとき、イソブタンガスをその２．４５倍付近とし、ノルマルブタンガスをその１．９３倍付近とし、メタンガスをその０．２２倍付近とするとよい。第１の実施形態では、変調振幅巾をプロパンガスに対応した所定の値として、１．０６ｎｍ付近としたので、イソブタンガスを２．６０ｎｍ、ノルマルブタンガスを２．０５ｎｍ、メタンガスを０．２３ｎｍとした。

これらの設定状態で、ペルチェ素子用電源７によりペルチェ素子８の温度を制御して、ＬＤ２の温度を三角波状又は正弦波状に変化させ、レーザ光の波長を１６５０ｎｍ付近から１６９０ｎｍ付近まで掃引する。

これと同時に、相異なる４つの変調周波数ｆ１〜ｆ４の交流電流、すなわち正弦波状の変調電流を発振する発振器９により、設定した変調振幅巾による変調電流をＬＤ２のバイアス電流にそれぞれ重畳し、これを駆動電流としてＬＤ２に流し、ＬＤ２を発振させる。

第１の実施形態では、４つの変調信号の変調周波数として、プロパンガスの変調周波数ｆ１を１０．１ｋＨｚ、イソブタンガスの変調周波数ｆ２を１０．２ｋＨｚ、ノルマルブタンガスの変調周波数ｆ３を１０．３ｋＨｚ、メタンガス変調周波数ｆ４を１０．４ｋＨｚを用いた。

ＬＤ２からのレーザ光は、光分岐手段１３で分岐され、基準光路用光ファイバ１４と各ガス検出光路用光ファイバ１５にそれぞれ入射される。基準光路用光ファイバ１４に入射されたレーザ光は、そのまま信号処理部６において、１番目（ｚ１）の受光器５で受光される。一方、各ガス検出光路用光ファイバ１５に入射されたレーザ光は、各ガス検出部１５内のガス雰囲気をそれぞれ透過し、その透過光が２〜ｎ番目（ｚ２〜ｚｎ）の各受光器５で受光される。

各受光器５で受光された信号のうち、発振器９からの正弦波信号の周波数ｆ１〜ｆ４に同期した信号（１０．１ｋＨｚ、１０．２ｋＨｚ、１０．３ｋＨｚ１０．４ｋＨｚ）と、倍周器１０の正弦波信号の周波数２ｆ１〜２ｆ４に同期した信号（２０．２ｋＨｚ、２０．４ｋＨｚ、２０．６ｋＨｚ２０．８ｋＨｚ）とを、位相検波装置１７によって検出し、基準光路用光ファイバ１４と各ガス検出光路用光ファイバ１５のそれぞれについて、１倍検波信号Ｓ１と２倍検波信号Ｓ２を得る。これら位相検波装置１７で抽出されたすべての信号は、信号記憶装置１８で一時記憶される。

コンピュータ１９は、信号記憶装置１８で一時記憶されたすべての信号を同時に収集し、図２に示すように、基準光路用光ファイバ１４を通過して得られたガス信号の出力比Ｖ
（２ｆ）／Ｖ（１ｆ）（基準）（図２では、２ｂ）を計算する一方で、各ガス検出光路用光ファイバ１５を通過して得られたガス信号の出力比Ｖ（２ｆ）／Ｖ（１ｆ）（ガス）
（図２では、２ｇ）を計算する。

図２では、説明を簡単にするため、出力比を２ｆ／１ｆで代表して示しているが、実際の各出力比は、コンピュータ１９により、プロパンガスでは２ｆ１／１ｆ１、イソブタンガスでは２ｆ２／１ｆ２、ノルマルブタンガスでは２ｆ３／１ｆ３、メタンガスでは２ｆ４／１ｆ４のように区別して計算する。

さらにコンピュータ１９は、図３に示すように、基準光路用光ファイバ１４と各ガス検出光路用光ファイバ１５のそれぞれ複数箇所（多点）について、ガス信号の出力比２ｆ／１ｆ（基準）と出力比Ｖ（２ｆ）／Ｖ（１ｆ）（ガス）との差分を計算し、ガス信号成分（波高値判定用信号）３１として、｛Ｖ（２ｆ）／Ｖ（１ｆ）（ガス）｝／｛Ｖ（２ｆ）／Ｖ（１ｆ）（基準）｝を得る。

このガス信号成分３１は、対象ガスのガス信号から基準のガス信号を差し引くことで得られるため、レーザ部３、光分岐手段１４、信号処理部６が有する波長依存性を除去したものであり、ガス濃度の正確な指標となるガス信号である。

コンピュータ１９は、ガス成分信号３１について、その最小値から最大値までの高さである波高値ｈを求め、その波高値ｈを、予め既知濃度の基準ガスを用いて求めておいた波高値ｈ０と基準ガス濃度の関係を示す関係式、あるいは関係表に当てはめ、各対象ガスのガス濃度を同時に求める。

第１の実施形態の作用を説明する。

第１の実施形態に係る光式ガス濃度検出方法は、まず、レーザ光の波長を１６５０ｎｍ付近から１６９０ｎｍ付近まで掃引する。

この際、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスにそれぞれ対応させて、駆動電流による変調振幅巾を所定の値に設定し、異なる４つの周波数ｆ１〜ｆ４の信号を出力する発振器９により、設定した変調振幅巾による変調電流をＬＤ２のバイアス電流にそれぞれ重畳し、ＬＤ２を発振させる。そして、このようにして発振したレーザ光を、基準光路用光ファイバ１４と各ガス検出光路用光ファイバ１５にそれぞれ入射している。

さらに、基準光路用光ファイバ１４からの光の強度と、各ガス検出光路用光ファイバ１５からの透過光の強度とをそれぞれ検出し、得られた各ガス信号成分からガス濃度を求めている。

これにより、第１の実施形態に係る光式ガス濃度検出方法によれば、ガス雰囲気中に含まれるプロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に測定（検出）できる。

また、光式ガス濃度検出システム１によれば、従来のシステムに、発振器９や掃引器１２などについて若干の変更を加えるだけで、第１の実施形態に係る光式ガス濃度検出方法を簡単に実施できる。

第２の実施形態を説明する。

第１の実施形態では、発振器９により異なる４つの周波数ｆ１〜ｆ４、異なる４つの変調振幅巾で波長変調を実施した例を説明したが、周波数を１つに統一して、例えば１０ｋＨｚに設定し、変調振幅巾も１つに統一して、例えばプロパンガスに対応させた１．０６ｎｍ付近に設定してもよい。

より詳細に言えば、第２の実施形態に係る光式ガス濃度検出方法では、図１の光式ガス濃度検出システム１を用い、変調振幅巾をプロパンガスに対応した１．０６ｎｍ付近に設定し、周波数１０ｋＨｚの正弦波信号を発振する発振器９により、設定した変調振幅巾による変調電流をＬＤ２のバイアス電流にそれぞれ重畳し、ＬＤ２を発振させてもよい。

その後の手順を、第１の実施形態に係る方法と同様にすると、図５に示すようなガス信号成分５１として、｛Ｖ（２ｆ）／Ｖ（１ｆ）（ガス）｝／｛Ｖ（２ｆ）／Ｖ（１ｆ）
（基準）｝を得る。

この場合、プロパンガスは１６８６．４ｎｍ付近、イソブタンガスは１６８９ｎｍ付近、ノルマルブタンガスは１６８６．１ｎｍ付近、メタンガスは１６８７．３ｎｍ付近の波高値から各対象ガスのガス濃度を同時に測定できる。

本発明の好適な実施形態を示す光式ガス濃度検出装置の全体構成図である。 図１の基準光路およびガス検出部透過後のガス信号（２ｆ／１ｆ）波形を示す図である。 図１の基準光路およびガス検出部透過後のガス信号（２ｆ／１ｆ）差分波形を示す図である。 各可燃性ガスの赤外吸収スペクトルを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光式ガス濃度検出方法で得られるガス信号（２ｆ／１ｆ）差分波形を示す図である。

符号の説明

１ 光式ガス濃度検出装置
２ レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）
３ レーザ部（光源部）
４ 光学系
６ 信号処理部
９ 発振器
１２ 掃引器
１３ 光分岐手段
１４ 基準光路用光ファイバ
１５ ガス光路用光ファイバ
１６ ガス検出部

Claims (8)

1. レーザ光の波長を変調すると共に所定の掃引範囲を掃引し、これを測定対象の雰囲気に通して得られる透過光の強度を検出し、得られた信号からガス濃度を検出するガス濃度検出方法において、レーザ光の波長を１６５０ｎｍ付近から１６９０ｎｍ付近まで掃引し、上記透過光から上記ガス雰囲気中に含まれるプロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に測定することを特徴とする光式ガス濃度検出方法。
2. プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスにそれぞれ対応した変調振幅巾を有し相異なる変調周波数の４つの変調信号によりレーザ光の波長を変調させる請求項１記載の光式ガス濃度検出方法。
3. 上記変調振幅巾は、プロパンガスを１としたとき、イソブタンガスをその２．４５倍付近とし、ノルマルブタンガスをその１．９３倍付近とし、メタンガスをその０．２２倍付近とする請求項２記載の光式ガス濃度検出方法。
4. プルパンガスに対応した変調振幅巾を有する変調信号によりレーザ光の波長を変調させる請求項１記載の光式ガス濃度検出方法。
5. 上記変調振幅巾を１．０６ｎｍ付近とする請求項４記載の光式ガス濃度検出方法。
6. レーザ光の波長を変調し、これを測定対象のガス雰囲気に通して得られる透過光の強度を検出し、得られた信号からガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、レーザ光の波長を１６５０ｎｍ付近から１６９０ｎｍ付近まで掃引する光源部と、上記透過光から上記ガス雰囲気中に含まれるプロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を測定する信号処理部とを備えることを特徴とする光式ガス濃度検出装置。
7. プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスにそれぞれ対応した変調振幅巾を有し相異なる変調周波数の４つの変調信号を発信する発信器を備える請求項６記載の光式ガス濃度検出装置。
8. プロパンガスに対応した変調振幅巾を有する変調信号を発信する発信器を備える請求項６記載の光式ガス濃度検出装置。

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