JP2017194399A - ガス検知システム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の目的は、1台の光源を用いてガス濃度及び温度の双方を精度よく測定し、ガス濃度測定時の温度依存性を簡単な構成で補償できるガス検知システムを実現することにある。
第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した第1の光信号を第3の光信号として出力する複数のセンサヘッドと、
第3の光信号を受光して第1の電気信号に変換し、第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて大気中に含まれる所定の種類のガスをセンサヘッド毎に検知しガスの検知結果を生成するとともに、第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、第2の電気信号に基づいて算出されたセンサヘッドに対応する温度に基づいて、第1の電気信号から算出したガスの検知結果を補償する受信手段と、
光ファイバ伝送路を分岐するとともに、分岐された光ファイバ伝送路を介して送信手段とセンサヘッドとを接続し、さらに、分岐された光ファイバ伝送路を介してセンサヘッドと受信手段とを接続する分岐手段と、
を備える。
パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を生成し、
第1の光信号及び第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力し、
センサヘッドにおいて、第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した第1の光信号を第3の光信号として受光して第1の電気信号に変換し、第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて大気中に含まれる所定の種類のガスをセンサヘッド毎に検知しガスの検知結果を生成し、
第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、第2の電気信号に基づいて算出されたセンサヘッドに対応する温度に基づいて、第1の電気信号から算出したガスの検知結果を補償する、
ことを特徴とする。
第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した第1の光信号を第3の光信号として出力するセンサヘッドから第3の光信号を受光して第1の電気信号に変換し、第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて大気中に含まれる所定の種類のガスをセンサヘッド毎に検知しガスの検知結果を生成するとともに、第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、第2の電気信号に基づいて算出されたセンサヘッドに対応する温度に基づいて、第1の電気信号から算出したガスの検知結果を補償する受信手段と、
を備える。
本発明の第1の実施形態について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態のガス検知システム1の構成例を表すブロック図である。ガス検知システム1は、制御装置110、温度測定装置210、波長合分波フィルタ220、光ファイバ120−1〜120−n、光カプラ121−1〜121−m、センサヘッド130−1〜130−nを備える。nは2以上の整数、m=n−1である。
レーザダイオード111の駆動電流及び温度は、レーザダイオードドライバ112により制御される。レーザダイオード111は、波長1.65μmの連続光を出力する。この波長は、メタンによる吸収が大きい波長として知られている。出力された波長1.65μmの連続光は、光強度変調器113によりパルス変調され、所定の間隔のパルス光となる。パルス光は、光波長変調器114により波長変調される。
第1の実施形態のガス検知システム1は、以下の効果を奏する。
以下に、第1の実施形態のガス検知システム1と同様の効果をもたらす変形例について説明する。
図8は、本発明の第2の実施形態のガス検知システム2の構成例を示すブロック図である。第1の実施形態では、ガス濃度測定用と温度測定用との2台の光検出器116及び212を使用した。第2の実施形態では、1台の光検出器でガス濃度測定と温度測定とを行う。以下の説明において、既出の要素には同一の名称及び参照符号を付して、重複する説明は省略する。
図8において、ガス検知システム2は、制御装置1110、光ファイバ120−1〜120−n、光カプラ121−1〜121−m、センサヘッド130−1〜130−nを備える。nは2以上の整数、m=n−1である。
制御装置1110内での光信号の生成過程及び光波長変調器114による変調動作は、第1の実施形態と同様であり、本実施形態では説明を省略する。本実施形態では、光ファイバ120−1を戻ってきた光信号は、全て光検出器116で電気信号に変換され、当該電気信号は信号処理部117で処理される。ここで、光検出器116及び信号処理部117の動作は、時間制御部118により管理される。すなわち、時間制御部118は、光検出器116及び信号処理部117の動作を、時間帯1で生成された光信号の戻り光を受信する場合と、時間帯2で生成された光信号の戻り光を受信する場合とで切り替える。
本実施形態のガス検知システム2は、1台の光検出器及び信号処理部によって、遠隔点のガス濃度及び周辺温度を測定できる。このため、ガス検知システム2は、第1の実施形態のガス検知システム1の効果に加えて、システムコストをより低価格化できる。
図9は、第3の実施形態のガス検知装置800の構成例を示すブロック図である。図10は、ガス検知装置800の動作手順の例を示すフローチャートである。第2の実施形態で説明した制御装置1110は、以下の構成を備えるガス検知装置800と呼ぶこともできる。すなわち、ガス検知装置800は、送信部801と受信部802とを備える。送信部801は、図8の光波長変調器114を含む。送信部801は、さらに、図8のレーザダイオード111、レーザダイオードドライバ112、光強度変調器113を含んでもよい。受信部802は、図8の光検出器116及び信号処理部117を含んでもよい。
パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号、及び、前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を光波長変調手段によって生成し、前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として出力する複数のセンサヘッドと、
前記第3の光信号を受光して第1の電気信号に変換し、前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成するとともに、前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する受信手段と、
前記光ファイバ伝送路を分岐するとともに、分岐された前記光ファイバ伝送路を介して前記送信手段と前記センサヘッドとを接続し、さらに、分岐された前記光ファイバ伝送路を介して前記センサヘッドと前記受信手段とを接続する分岐手段と、
を備えるガス検知システム。
前記受信手段は、光ヘテロダイン検波により前記第2の光信号に対する前記第4の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第2の電気信号を生成し、前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、付記1に記載されたガス検知システム。
前記受信手段に備えられた第1の光検出手段及び第2の光検出手段と、
前記第3の光信号が前記第1の光検出手段で受信され、前記第4の光信号が前記第2の光検出手段で受信されるように接続された、前記第3及び第4の光信号を分離する波長合分波フィルタをさらに備える、付記1又は2に記載されたガス検知システム。
前記送信手段は、前記第1の時間帯には前記第1の光信号を生成し、前記第2の時間帯には前記第2の光信号を生成するように前記光波長変調手段を制御する時間制御手段を備え、
前記受信手段は前記第3及び第4の光信号を受光する第3の光検出手段を備える、
付記1又は2に記載されたガス検知システム。
前記時間制御手段は、前記受信手段を、前記第3の光信号を受信する場合には前記第1の電気信号に基づいて前記検知結果を出力させ、前記第4の光信号を受信する場合には前記第2の電気信号に基づいて前記センサヘッドに対応する温度を算出させるように制御する、付記4に記載されたガス検知システム。
前記第1の変調は、前記パルス光の波長を時間経過とともに単調に変化させ、前記第2の変調は前記パルス光の波長を前記第1の光信号の波長の変化とは逆方向にシフトさせる、付記1乃至5のいずれかに記載されたガス検知システム。
パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号を生成し、
前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を生成し、
前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力し、
センサヘッドにおいて、前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として受光して第1の電気信号に変換し、前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成し、
前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、
ガス検知方法。
光ヘテロダイン検波により前記第2の光信号に対する前記第4の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第2の電気信号を生成し、
前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、
付記7に記載されたガス検知方法。
前記第3及び第4の光信号を分離し、
前記第3の光信号を第1の光検出手段で受信し、
前記第4の光信号を第2の光検出手段で受信する、
付記7又は8に記載されたガス検知方法。
時間制御手段によって、前記第1の時間帯には前記第1の光信号を生成し、
前記第2の時間帯には前記第2の光信号を生成する、
付記7又は8に記載されたガス検知方法。
前記時間制御手段によって、前記第3の光信号を受信する場合には前記第1の電気信号に基づいて前記検知結果を出力し、前記第4の光信号を受信する場合には前記第2の電気信号に基づいて前記センサヘッドに対応する温度を算出する、
付記10に記載されたガス検知方法。
前記第1の変調は、前記パルス光の波長を時間経過とともに単調に変化させ、前記第2の変調は前記パルス光の波長を前記第1の光信号の波長の変化とは逆方向にシフトさせる、付記7乃至11のいずれかに記載されたガス検知装置の制御方法。
ガス検知システムが備えるコンピュータに、
パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号を生成する手順、
前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を生成する手順、
前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力する手順、
センサヘッドにおいて、前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として受光して第1の電気信号に変換する手順、
前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成する手順、
前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換する手順、
前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する手順、
を実行させるためのガス検知システムの制御プログラム。
光ヘテロダイン検波により前記第2の光信号に対する前記第4の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第2の電気信号を生成する手順、
前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する手順、
をさらに実行させる、付記13に記載されたガス検知システムの制御プログラム。
前記第3及び第4の光信号を分離する手順、
前記第3の光信号を第1の光検出手段で受信する手順、
前記第4の光信号を第2の光検出手段で受信する手順、
をさらに実行させる、付記13又は14に記載されたガス検知システムの制御プログラム。
さらに、
時間制御手段に、前記第1の時間帯には前記第1の光信号を生成する手順及び前記第2の時間帯には前記第2の光信号を生成する手順、
を実行させる、付記13又は14に記載されたガス検知システムの制御プログラム。
前記時間制御手段に、前記第3の光信号を受信する場合には前記第1の電気信号に基づいて前記検知結果を出力する手順、前記第4の光信号を受信する場合には前記第2の電気信号に基づいて前記センサヘッドに対応する温度を算出する手順、
をさらに実行させる、付記16に記載されたガス検知システムの制御プログラム。
前記第1の変調は、前記パルス光の波長を時間経過とともに単調に変化させるものであり、前記第2の変調は前記パルス光の波長を前記第1の光信号の波長の変化とは逆方向にシフトさせるものである、付記13乃至17のいずれかに記載されたガス検知システムの制御プログラム。
パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号、及び、前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を光波長変調手段によって生成し、前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として出力するセンサヘッドから前記第3の光信号を受光して第1の電気信号に変換し、前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成するとともに、前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する受信手段と、
を備えるガス検知装置。
前記受信手段は、光ヘテロダイン検波により前記第2の光信号に対する前記第4の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第2の電気信号を生成し、前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、付記19に記載されたガス検知装置。
21〜28、31〜34、41、42、44 光信号
110、1110、1220 制御装置
111 レーザダイオード
112 レーザダイオードドライバ
113、1212、1242 光強度変調器
114 光波長変調器
115、1213、1243 光サーキュレータ
116、211、1214、1217 光検出器
117、212、1215、1218 信号処理部
118 時間制御部
120、120−1〜120−n 光ファイバ
121、121−1〜120−m 光カプラ
122 温度測定受信器
130、130−1〜130−n センサヘッド
131 レンズ
132 ミラー
201 可変オシレータ
203 位相シフタ
204 光SSB変調器
205 制御部
210、1210、1230、1240 温度測定装置
220、1250 波長合分波フィルタ
800 ガス検知装置
801 送信部
802 受信部
901、902 ガス検知システム
1211、1241 光源
1219、1270 光ファイバ伝送路
1260 センサネットワーク
Claims (10)
- パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号、及び、前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を光波長変調手段によって生成し、前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として出力する複数のセンサヘッドと、
前記第3の光信号を受光して第1の電気信号に変換し、前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成するとともに、前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する受信手段と、
前記光ファイバ伝送路を分岐するとともに、分岐された前記光ファイバ伝送路を介して前記送信手段と前記センサヘッドとを接続し、さらに、分岐された前記光ファイバ伝送路を介して前記センサヘッドと前記受信手段とを接続する分岐手段と、
を備えるガス検知システム。 - 前記受信手段は、光ヘテロダイン検波により前記第2の光信号に対する前記第4の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第2の電気信号を生成し、前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの前記検知結果を補償する、請求項1に記載されたガス検知システム。
- 前記受信手段に備えられた第1の光検出手段及び第2の光検出手段と、
前記第3の光信号が前記第1の光検出手段で受信され、前記第4の光信号が前記第2の光検出手段で受信されるように接続された、前記第3及び第4の光信号を分離する波長合分波フィルタをさらに備える、請求項1又は2に記載されたガス検知システム。 - 前記送信手段は、前記第1の時間帯には前記第1の光信号を生成し、前記第2の時間帯には前記第2の光信号を生成するように前記光波長変調手段を制御する時間制御手段を備え、
前記受信手段は前記第3及び第4の光信号を受光する第3の光検出手段を備える、
請求項1又は2に記載されたガス検知システム。 - 前記時間制御手段は、前記受信手段を、前記第3の光信号を受信する場合には前記第1の電気信号に基づいて前記検知結果を出力させ、前記第4の光信号を受信する場合には前記第2の電気信号に基づいて前記センサヘッドに対応する温度を算出させるように制御する、請求項4に記載されたガス検知システム。
- 前記第1の変調は、前記パルス光の波長を時間経過とともに単調に変化させ、前記第2の変調は前記パルス光の波長を前記第1の光信号の波長の変化とは逆方向にシフトさせる、請求項1乃至5のいずれかに記載されたガス検知システム。
- パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号を生成し、
前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を生成し、
前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力し、
センサヘッドにおいて、前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として受光して第1の電気信号に変換し、前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成し、
前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、
ガス検知方法。 - 光ヘテロダイン検波により前記第2の光信号に対する前記第4の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第2の電気信号を生成し、
前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、
請求項7に記載されたガス検知方法。 - 前記第3及び第4の光信号を分離し、
前記第3の光信号を第1の光検出手段で受信し、
前記第4の光信号を第2の光検出手段で受信する、
請求項7又は8に記載されたガス検知方法。 - パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号、及び、前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を光波長変調手段によって生成し、前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として出力するセンサヘッドから前記第3の光信号を受光して第1の電気信号に変換し、前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成するとともに、前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する受信手段と、
を備えるガス検知装置。
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