JP2015025734A - ガス検知器 - Google Patents

Abstract

【課題】硫化水素等の被検出ガスの検出において障害になり得る二酸化炭素が高濃度に存在する環境においても、被検出ガスを高感度に検出する。
【解決手段】周波数変調されたレーザ光を検出光として放射する光源部と、検出光が物体に照射された場合に物体からの反射光を受光し、反射光に応じた受光信号を出力する受光部と、受光信号から、検出光の変調周波数に等しい周波数の基本波信号、および、変調周波数の２倍に等しい周波数の２倍波信号を検出する信号検出部と、基本波信号と２倍波信号の比に基づいて、背景ガスが存在する雰囲気における被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有し、検出光の周波数変調における中心波長が、被検出ガスの複数の吸収線のうち「｜選択吸収線の波長（λｓ）−背景ガスの吸収線波長（λｂ）｜≧２．７２×選択吸収線の半値全幅（Δλｓ）」の条件を満足する選択吸収線に合致するよう調整されたガス検知器を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス検知器に関する。特に、二酸化炭素が高濃度で含まれる環境であっても硫化水素等有毒なガスを高感度に検出することが可能なガス検知器に関する。

特許文献１には、メタン等ガス分子の赤外光吸収特性を利用したガス検知器が開示されている。当該ガス検知器では、検出光として周波数変調した赤外レーザ光を用い、被検出ガスを通過した検出光の乱反射光を受光素子で受け、当該受光素子が出力する出力信号から、変調周波数に等しい周波数の基本波信号と変調周波数の２倍に等しい周波数の２倍波信号を検出する。そして、基本波信号に対する２倍波信号の強さから被検出ガスの濃度を算出している。

ところで、下水道等の地下管渠あるいは地下管路（以下、単に「管渠」と称する。）において、保守点検等、人手による作業を行う場合がある。管渠内は、酸素欠乏状態になる可能性があり、また、硫化水素等の有毒ガスが発生する可能性もあるため、管渠内における作業者の安全管理を図る観点から、いち早く硫化水素等有毒ガスの発生を検知する必要がある。このような場合、たとえば特許文献１に記載のガス検知器を用いることが可能である。

特開２００１−２３５４２０号公報

しかし、管渠の内部環境は通常の環境とは異なり、二酸化炭素を高濃度に含む特殊な環境である。このような二酸化炭素を高濃度に含む特殊環境において前記した赤外線吸収を利用したガス検知器を用いると、二酸化炭素による赤外線吸収の影響が大きく、たとえば硫化水素等の被検出ガスの信号が適正に検出できなくなる問題を本発明者らは認識した。

本発明の目的は、硫化水素等の被検出ガスの検出において障害になり得る二酸化炭素が高濃度に存在する環境においても、被検出ガスを高感度に検出できるガス検知器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の態様においては、周波数変調されたレーザ光を検出光として放射する光源部と、前記検出光が物体に照射された場合に前記物体からの反射光を受光し、前記反射光に応じた受光信号を出力する受光部と、前記受光信号から、前記検出光の変調周波数に等しい周波数の基本波信号、および、前記変調周波数の２倍に等しい周波数の２倍波信号を検出する信号検出部と、前記基本波信号と前記２倍波信号の比に基づいて、背景ガスが存在する雰囲気における被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有し、前記検出光の前記周波数変調における中心波長が、前記被検出ガスの複数の吸収線のうち「｜λｓ−λｂ｜≧２．７２×Δλｓ」の条件を満足する選択吸収線に合致するよう調整されたガス検知器を提供する。ただし、λｓは前記選択吸収線の波長、Δλｓは前記選択吸収線の半値全幅、λｂは前記背景ガスの吸収線波長を示す。

前記選択吸収線の波形が、前記周波数変調により前記２倍波信号を発生するに十分な左右対称性および線幅の狭さを有したものであることが好ましい。前記被検出ガスとして、硫化水素ガスを例示することができ、前記背景ガスとして、二酸化炭素ガスを例示することができる。前記被検出ガスが硫化水素ガスであり、前記背景ガスが二酸化炭素ガスである場合、前記選択吸収線の波長として、１５７７．２ｎｍ、または１５７６．３ｎｍを例示することができる。

ガス検知器１００の概要を示した構成図である。 ２倍波信号の発生原理を説明した概念図である。 二酸化炭素および硫化水素の吸収線を示したグラフである。 二酸化炭素および硫化水素の吸収線波長差を変化させたときの二酸化炭素吸収による硫化水素濃度値の減少度をシミュレートしたグラフである。

（実施形態１）
図１は、ガス検知器１００の概要を示した構成図である。ガス検知器１００は、光源部１０２、受光部１０４、信号検出部１０６、濃度計算部１０８、表示部１１０および制御部１１２を有する。ガス検知器１００は、光源部１０２から検出光１２０を放射し、背景ガス１３２とともに存在する被検出ガス１３０を通過した検出光１２０が物体１４０に反射されて生じた反射光１２２を受光し、当該反射光１２２から被検出ガス１３０の濃度を測定する。ここでいう濃度は、密度×長さの次元を有するコラム密度をいう。蜜度の単位が［％］あるいは［ｐｐｍ］であり長さの単位が［ｍ］である場合、コラム密度の単位は［％・ｍ］あるいは［ｐｐｍ・ｍ］となる。

光源部１０２は、周波数変調されたレーザ光を検出光１２０として放射する。レーザ光を周波数変調することで後に説明するようにガス濃度に応じた２倍波信号が生じる。検出光１２０の波長（周波数）は、被検出ガス１３０に吸収され、背景ガス１３２に吸収されない波長が好ましい。この点は後に詳述する。被検出ガス１３０が硫化水素である場合、検出光１２０として発振波長が１．５７μｍ帯の赤外レーザ光を用いることができる。被検出ガス１３０がメタンである場合、検出光１２０として発振波長が１．６５μｍ帯の赤外レーザ光を用いることができる。なお、光源部１０２に半導体レーザ発振器を用いる場合、被検出ガス１３０が封入された標準セルを準備し、当該標準セルでの光吸収を参照して、検出光１２０の発振波長が被検出ガス１３０の吸収線の中心に一致するよう半導体レーザ発振器の動作温度等を調整することが好ましい。

受光部１０４は、検出光１２０が物体１４０に照射された場合に物体１４０からの反射光１２２を受光し、反射光１２２に応じた受光信号を出力する。受光部１０４として、たとえばフォトダイオード、フォトマルチプライヤー等の光電変換素子とその駆動検出回路を例示することができる。受光部１０４には、たとえばバンドパスフィルタ等の光学フィルタ、スリット、分光機構等の適切な光学系を備えてもよい。

信号検出部１０６は、受光部１０４が出力した受光信号を受け、当該受光信号から、検出光１２０の変調周波数に等しい周波数の基本波信号、および、変調周波数の２倍に等しい周波数の２倍波信号を検出する。基本波信号および２倍波信号の検出には同期検波を用いる。図２は、２倍波信号が生じる原理を説明するための概念図である。検出光１２０が図２に示す変調波で周波数変調され、変調された検出光１２０の中心波長を図２に示すように吸収線の中心波長に一致させると、被検出ガス１３０を透過した光の強度信号には、変調周波数に等しい周波数の基本波信号に加えて変調周波数の２倍に等しい周波数の２倍波信号を含むようになる。すなわち、周波数変調における単位周期の間に、吸収線の中心より長波長側および短波長側のそれぞれにおいて透過光の強弱が生じる。この結果、被検出ガス１３０を通過した光には、変調周波数の２倍に等しい周波数の２倍波が含まれるようになる。なお、２倍波が適正に生成されるには、吸収線の形は中心波長を中心に対称であることが好ましく、吸収線の幅は周波数変調が可能な波長幅の程度に狭いことが好ましい。

以上のようにして。信号検出部１０６には、被検出ガス１３０の光吸収に起因して２倍波（２倍波信号）が含まれるようになる。一方、検出光１２０が物体１４０によって散乱され反射光１２２として検出される割合は、被検出ガス１３０の有無によって左右されないので、受光した反射光１２２に含まれる基本波（基本波信号）の強度に対する２倍波（２倍波信号）の強度を測定すれば、測定値は光路に沿った光吸収量（コラム密度）がわかる。

濃度計算部１０８は、基本波信号と２倍波信号の比に基づいて、背景ガス１３２が存在する雰囲気における被検出ガス１３０の濃度（コラム密度）を計算する。なお、光吸収量（コラム密度）は光路に存在する被検出ガス１３０の分子数に比例するので光路長に依存することになるが、光路長が判明している場合には、コラム密度を光路長で除することで光路に沿った平均のガス密度（ガス濃度）を計算することができる。

ただし、上記の測定および計算は、検出光１２０が背景ガス１３２により影響を受けない場合に適正に成立する。よって、検出光１２０の波長は、被検出ガス１３０の複数の吸収線から、背景ガス１３２の吸収線と重ならない吸収線（選択吸収線）と合致するように調整する。選択吸収線の選択は、たとえば、吸収強度が強い、吸収線幅が狭い、吸収線波形の左右対称性が良い、光源である半導体レーザダイオードが入手可能である、という観点から、候補を絞り込む。

さらに、近傍に水蒸気等の共存ガスの存在がない、あるいは影響が少ない、吸収線に絞りこむ。具体的には、検出光１２０の周波数変調における中心波長を、被検出ガス１３０の複数の吸収線のうち、「｜λｓ−λｂ｜≧２．７２×Δλｓ」の条件を満足する選択吸収線に合致するよう選択および調整する。ただし、λｓは選択吸収線の波長、Δλｓは選択吸収線の半値全幅、λｂは背景ガス１３２の吸収線波長を示す。

被検出ガス１３０が硫化水素ガスであり、背景ガス１３２が二酸化炭素ガスである場合についてより詳細に検討する。図３は、コラム密度が４０％・ｍの二酸化炭素の吸収線とコラム密度が３％・ｍの硫化水素の吸収線を示したグラフである。硫化水素の吸収線は、吸収強度が強い、吸収線幅が狭い、吸収線波形の左右対称性が良いという観点から絞り込んだ選択吸収線の候補である。なお、図示するように、選択吸収線Ａは背景ガスである二酸化炭素の吸収線から０．１７ｎｍ離れており、選択吸収線Ｂは、二酸化炭素の吸収線から０．１６ｎｍ離れている。一方、比較用吸収線は、二酸化炭素の吸収線から０．１０ｎｍしか離れていない。

図４は、二酸化炭素および硫化水素の吸収線波長差を変化させたときの二酸化炭素吸収による硫化水素濃度値の減少度をシミュレートしたグラフである。二酸化炭素の濃度は４０％、硫化水素の濃度は１０ｐｐｍを想定した。また、吸収線プロファイルは、分子の熱運動に起因するドップラー広がり（ガウス型）と分子同士の衝突に起因する圧力広がり（ローレンツ型)との畳み込み（フォークト型)とした。比較用吸収線（１５７８．１ｎｍ）は、硫化水素の半値全幅で規格化した二酸化炭素吸収線との波長差が２．２であり、二酸化炭素の影響を大きく受けることがわかる。これに対し、選択吸収線Ｂ（１５７７．２ｎｍ）は、Ｈ_２Ｓの半値全幅で規格化した二酸化炭素吸収線との波長差が３．３と十分離れており、二酸化炭素の吸収による影響は５％程度にとどまることがわかる。以上の結果、選択吸収線として、１５７６．３ｎｍの吸収線または１５７７．２ｎｍの吸収線が選択できる。

表示部１１０は、濃度計算部１０８が計算した被検出ガス１３０の濃度を表示する。制御部１１２は、ガス検知器１００に含まれる各部の制御を実行する。

ガス検知器１００によれば、背景ガス１３２が高濃度に存在する環境においても高精度に被検出ガス１３０の濃度を測定することができる。たとえば、管渠内の二酸化炭素が高い濃度で存在するような状況においても、有毒ガスである硫化水素を高精度に検出して、いち早く危険を察知でき、管渠内の作業者の安全を図ることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００…ガス検知器、１０２…光源部、１０４…受光部、１０６…信号検出部、１０８…濃度計算部、１１０…表示部、１１２…制御部、１２０…検出光、１２２…反射光、１３０…被検出ガス、１３２…背景ガス、１４０…物体。

Claims (4)

1. 周波数変調されたレーザ光を検出光として放射する光源部と、
   前記検出光が物体に照射された場合に前記物体からの反射光を受光し、前記反射光に応じた受光信号を出力する受光部と、
   前記受光信号から、前記検出光の変調周波数に等しい周波数の基本波信号、および、前記変調周波数の２倍に等しい周波数の２倍波信号を検出する信号検出部と、
   前記基本波信号と前記２倍波信号の比に基づいて、背景ガスが存在する雰囲気における被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有し、
   前記検出光の前記周波数変調における中心波長が、前記被検出ガスの複数の吸収線のうち数１の条件を満足する選択吸収線に合致するよう調整されたガス検知器。
   （数１） ｜λｓ−λｂ｜≧２．７２×Δλｓ
   ただし、λｓは前記選択吸収線の波長、Δλｓは前記選択吸収線の半値全幅、λｂは前記背景ガスの吸収線波長を示す。
2. 前記選択吸収線の形が、前記周波数変調により前記２倍波信号を発生するに十分な左右対称性および線幅の狭さを有したものである
   請求項１に記載のガス検知器。
3. 前記被検出ガスが硫化水素ガスであり、前記背景ガスが二酸化炭素ガスである
   請求項１または請求項２に記載のガス検知器。
4. 前記選択吸収線の波長が、１５７７．２ｎｍ、または１５７６．３ｎｍである
   請求項３に記載のガス検知器。

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