JP2009063364A - ガス検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズを低減して測定精度を向上させるとともに、回路部品のコスト削減や消費電力低減を図る。
【解決手段】周波数変調されたレーザ光が測定対象ガスの雰囲気に向けて出射されると、測定対象ガスの雰囲気を通ったレーザ光を受光したときの受光量に応じた受光電流が受光電圧に変換され、この信号が信号処理部５で処理される。信号処理部５では、１ｆ信号が第１フィルタ５ａをそのまま通過し、２ｆ信号が第２フィルタ５ｂをそのまま通過した後に信号増幅器５ｃにより所定の増幅度で増幅される。第１フィルタ５ａを通過した信号と信号増幅器５ｃで増幅された信号とは合波器５ｄで合波される。合波器５ｄで合波された信号が信号増幅部６で増幅され、この増幅された信号の１ｆ信号と２ｆ信号との比に基づいて測定対象ガスのガス濃度が演算される。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば都市ガスや化学プラント等の配管の劣化等に伴うガス漏洩を検出する際に用いられ、ガスの赤外線吸収特性を利用して光学的にガスを検知するガス検知装置に関する。

例えばメタン、二酸化炭素、アセチレン、アンモニア等の気体には、分子の回転や構成原子間の振動等に応じて特定波長の光を吸収する吸収帯があることが既に知られている。この吸収帯を利用したガス検知装置では、所定距離（この距離によって測定光路長が確定される）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により周波数変調されたレーザ光を測定対象ガスを含む雰囲気中に通し、その透過光を受光部の光検出器で受光してガスを検知し、このときの出力信号から測定対象ガスのガス濃度を測定している。

ここで、受光部の出力信号から検出される変調周波数の基本波位相敏感検波信号（以下、１ｆ信号とも言う）には、強度変調に起因する大きなオフセットが生じる。このため、特に微小なガス濃度を高感度で測定するには、１ｆ信号に比べてオフセットのかなり小さい２倍波位相敏感検波信号（以下、２ｆ信号とも言う）が用いられる。

実際にガス濃度を測定するにあたっては、測定ガス吸収線に合わせた波長の測定光が測定ガス雰囲気中を通ると、被測定ガスにより測定光が吸収され、ガス濃度光路長積に応じた強度で変調周波数の２倍の周波数の強度変化（２ｆ信号成分Ｉ_2f）による２ｆ信号が生成される。そして、この２ｆ信号の強度変化と元の変調周波数である１ｆ信号の強度変化（１ｆ信号成分Ｉ_1f）の比率Ｉ_2f／Ｉ_1fの値は、ガス濃度光路長積に比例するので、この値に係数をかければガス濃度になる。

ところで、従来のガス検知装置では、フォト検出器で受光した受光信号電流を受光電圧信号に変換して増幅する機能を有する受光プリアンプを受光部に備えている。この種の従来の受光プリアンプは、入力される信号を一定の増幅度で増幅するため、検出した信号における１ｆ信号と２ｆ信号とでは１ｆ信号強度に対して２ｆ信号強度の方がはるかに小さい。そこで、２ｆ信号強度を大きくするため、受光プリアンプの増幅度を大きく設定すると、１ｆ信号強度も大きくなり信号回路が飽和してしまうこともあり、これら１ｆ信号と２ｆ信号との強度差がその後の処理に影響し、結果として濃度測定誤差を招くという問題があった。このため、この種のガス検知装置では、初段のプリアンプで信号強度を測定濃度範囲において最適な比にしておくことが望まれていた。

そこで、上記問題を解決したガス検知装置として、下記特許文献１には、測定対象ガスの雰囲気を通過したレーザ光を受光検出した信号の１ｆ信号と２ｆ信号との比に基づいて測定対象ガスのガス濃度を演算する回路の前段に図３に示す測定光増幅部５１を設けた構成が開示されている。図３に示す測定光増幅部５１は、フォト検出器としての受光フォトダイオード５２の受光信号を受光電圧に変換する電流電圧回路５１ａと、２ｆ信号をそのまま通過させそれ以外の信号を減衰させるバンドパスフィルター５１ｂと、バンドパスフィルター５１ｂを通過した受光信号を増幅する信号増幅器５１ｃとで構成されている。
特開２００１−２３５４２０号公報

ところで、上述した図３に示す測定光増幅部５１を備えた特許文献１のガス検知装置では、電流電圧変換回路５１ａからバンドパスフィルター５１ｂに入力される信号のレベルが小さく、実際には電流電圧変換回路５１ａとバンドパスフィルター５１ｂとの間に信号増幅器を設け（図３中のＡ部分）、この別途設けた信号増幅器によって電流電圧変換回路５１ａからの信号を前置増幅してバンドパスフィルター５１ｂに入力していた。

従って、上記特許文献１に開示される従来のガス検知装置では、受光検出した信号がバンドパスフィルター５１ｂに入力する前に信号増幅器で前置増幅されるので、１ｆ信号や２ｆ信号以外のノイズまで増幅されてしまい、測定精度に影響を与えていた。しかも、前置増幅のために別途設けられる信号増幅器の回路部品のコストが嵩むとともに消費電力も増すという問題があった。

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、ノイズを低減して測定精度を向上させ、回路部品のコスト削減や消費電力低減を図ることができるガス検知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知装置は、周波数変調されたレーザ光を出射する光源部２と、該光源部から測定対象ガスの雰囲気を通ったレーザ光を受光する受光部３とを有し、該受光部の受光信号から検出される前記レーザ光の変調周波数の基本波位相敏感検波信号および２倍波位相敏感検波信号の比に基づいて前記測定対象ガスのガス濃度を算出するガス検知装置１において、
前記受光信号の受光量に応じた受光電流を受光電圧に変換した信号のうち前記基本波位相敏感検波信号をそのまま通過させる第１フィルタ５ａと、前記受光電圧に変換した信号のうち前記２倍波位相検波敏感検波信号をそのまま通過させる第２フィルタ５ｂと、該第２フィルタを通過した信号を所定の増幅度で増幅する信号増幅器５ｃと、前記第１フィルタを通過した信号と前記信号増幅器で増幅された信号とを合波する合波器５ｄとを有する集積回路からなる信号処理部５を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、従来よりもノイズを低減して測定精度の向上し、回路部品のコスト削減や消費電力低減を図ることができる。

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知装置の全体構成を示す概略ブロック図、図２は同装置の要部である信号処理部のブロック図である。

本例のガス検知装置１は、例えば都市ガスや化学プラント等の配管の劣化等に伴うガス漏洩を検出する際に用いられ、ガスの赤外線吸収特性を利用して光学的にガスを検知するものである。そして、本例のガス検知装置１は、図１に示すように、光源部２、受光部３、電流電圧変換部４、信号処理部５、信号増幅部６、信号検出部７、制御部８、表示部９を備えて概略構成される。

光源部２は、後述する制御部８の光源制御手段８ａの駆動制御により所望周波数に変調されたレーザ光を測定対象ガスの雰囲気に向けて出射している。また、光源部２は、例えば特開２００１−２３５４２０号公報に開示される手法等により、レーザ光の発振波長が測定対象ガスの吸収線の中心波長と一致するように常に安定して発振制御される。

受光部３は、例えばフォト検出器（受光フォトダイオード）で構成される。受光部３は、不図示のレンズ（光学系）で集光した光を受光検出し、この受光検出した光の受光量に応じた受光電流を生成出力している。

電流電圧変換部４は、受光部３に接続され、受光部３から入力される受光電流を受光電圧に変換している。

信号処理部５は、ＩＣ(Integrated Circuit ：集積回路) からなり、電流電圧変換部４と信号増幅部６との間に接続される。信号処理部５は、図２に示すように、第１フィルタ５ａ、第２フィルタ５ｂ、信号増幅器５ｃ、合波器５ｄを備えている。

第１フィルタ５ａは、基本波位相敏感検波信号（１ｆ信号）をそのまま通過させ、それ以外の信号を減衰させるフィルタ特性を有するバンドパスフィルタで構成される。

第２フィルタ５ｂは、２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号）をそのまま通過させ、それ以外の信号を減衰させるフィルタ特性を有するバンドパスフィルタで構成される。

信号増幅器５ｃは、２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号）がそのまま通過した第２フィルタ５ｂからの信号を所定の増幅度で増幅して出力している。

合波器５ｄは、基本波位相敏感検波信号（１ｆ信号）がそのまま通過した第１フィルタ５ａからの信号と、２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号）がそのまま第２フィルタ５ｂを通過して信号増幅された信号増幅器５ｃからの信号とを合波して出力している。

信号増幅部６は、信号処理部５の合波器５ｄに接続され、合波器５ｄにて合波された信号を所定の増幅度で適切な大きさまで増幅し、この増幅した信号を測定光信号として出力している。

信号検出部７は、信号増幅部６に接続され、信号増幅部６からの測定光信号を信号処理し、基本波位相敏感検波信号（１ｆ信号）、２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号）、２ｆ／１ｆ信号を検出している。

制御部８は、信号検出部７に接続され、図１に示すように、光源制御手段８ａ、演算手段８ｂ、表示制御手段８ｃを備えている。光源制御手段８ａは、周波数変調された所望のレーザ光を出射するべく光源部２の駆動を制御している。

演算手段８ｂは、信号検出部７からの基本波位相敏感検波信号（１ｆ信号）、２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号）を入力とし、その比（２ｆ／１ｆ）に基づいて測定対象ガスのガス濃度光路長積を演算している。

表示制御手段８ｃは、ガス検知に関する各種表示を行うべく表示部９の表示を制御している。

表示部９は、表示制御手段８ｃの制御により、例えば演算手段８ｂの演算によって得られるガス濃度光路長積の表示、アラームレベルの表示等を含むガス検知に関する各種表示を行っている。

上記構成によるガス検知装置１では、ガス検知時に、光源制御手段８ａの制御によって光源部２から測定対象ガスの雰囲気に向けて測定光が出射されると、この測定光の出射に伴って測定対象ガスの雰囲気を通って壁等の反射体から反射してくる光を不図示のレンズ（光学系）で集光し、受光部３が受光検出する。受光部３は、受光検出した光の受光量に応じた受光電流を出力する。続いて、電流電圧変換部４は、受光部３から入力される受光電流を受光電圧に変換する。その後、電流電圧変換部４により変換された信号が後段の信号処理部５によって処理される。

信号処理部５では、電流電圧変換部４により受光電圧に変換された信号のうち、基本波位相敏感検波信号（１ｆ信号）が第１フィルタ５ａをそのまま通過し、それ以外の信号が減衰され、また２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号）が第２フィルタ５ｂをそのまま通過し、それ以外の信号が減衰される。その後、第２フィルタ５ｂを通過した信号は信号増幅器５ｃにより所定の増幅度で増幅される。そして、合波器５ｄでは、第１フィルタ５ａを通過した信号と、第２フィルタ５ｂを通過した後に信号増幅器５ｃにより所定の増幅度で増幅された信号とを合波する。

次に、合波器５ｄによって合波された信号は、後段の信号増幅部６によって適切な大きさまで増幅され、信号増幅部６から測定光信号として出力される。そして、信号検出部７は、信号増幅部６から出力される測定光信号から基本波位相敏感検波信号（１ｆ信号）と２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号）とを検出して制御部８に入力する。その後、制御部８の演算手段８ｂでは、信号検出部７から入力される基本波位相敏感検波信号（１ｆ信号）と２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号）との比（２ｆ／１ｆ）に基づいて測定対象ガスのガス濃度測定光長積を演算する。このときの演算結果は、表示制御手段８ｃの制御によって表示部９に表示される。

このように、本例のガス検知装置１は、受光検出信号（受光電圧）のうち、１ｆ信号が第１フィルタ５ａをそのまま通過し、２ｆ信号が第２フィルタ５ｂをそのまま通過した後に信号増幅器５ｃで増幅され、第１フィルタ５ａを通過した信号と信号増幅器５ｂで増幅された信号とを合波器５ｄで合波して信号増幅部６に入力する構成であり、受光検出信号（受光電圧）をフィルタ入力前に前置増幅せずにフィルタ通過後に増幅する構成なので、従来のようにフィルタ入力前に必要な信号以外のノイズまで増幅されることがなく、従来よりもノイズを低減して測定精度を向上させることができる。しかも、信号処理部５を集積回路で構成したので、従来に比べて回路部品のコストを削減し、消費電力を低減することができる。

本発明に係るガス検知装置の全体構成を示す概略ブロック図である。 本発明に係るガス検知装置の要部である信号処理部のブロック図である。 従来のガス検知装置が具備する測定光増幅部のブロック図である。

符号の説明

１ ガス検知装置
２ 光源部
３ 受光部
４ 電流電圧変換部
５ 信号処理部
５ａ 第１フィルタ
５ｂ 第２フィルタ
５ｃ 信号増幅器
５ｄ 合波器
６ 信号増幅部
７ 信号検出部
８ 制御部
８ａ 光源制御手段
８ｂ 演算手段
８ｃ 表示制御手段
９ 表示部

Claims (1)

1. 周波数変調されたレーザ光を出射する光源部（２）と、該光源部から測定対象ガスの雰囲気を通ったレーザ光を受光する受光部（３）とを有し、該受光部の受光信号から検出される前記レーザ光の変調周波数の基本波位相敏感検波信号および２倍波位相敏感検波信号の比に基づいて前記測定対象ガスのガス濃度を算出するガス検知装置（１）において、
   前記受光信号の受光量に応じた受光電流を受光電圧に変換した信号のうち前記基本波位相敏感検波信号をそのまま通過させる第１フィルタ（５ａ）と、前記受光電圧に変換した信号のうち前記２倍波位相検波敏感検波信号をそのまま通過させる第２フィルタ（５ｂ）と、該第２フィルタを通過した信号を所定の増幅度で増幅する信号増幅器（５ｃ）と、前記第１フィルタを通過した信号と前記信号増幅器で増幅された信号とを合波する合波器（５ｄ）とを有する集積回路からなる信号処理部（５）を備えたことを特徴とするガス検知装置。

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