JP2018169202A - ガス検知器 - Google Patents

Abstract

【課題】検知可能な距離が長い高感度ガス検知器を提供する。軽量かつ高感度なガス検知器を提供する。【解決手段】検出光を放射する検出光源部と、前記検出光の物体からの反射光を収束させる光学系と、前記光学系が収束させた前記反射光を受光し、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部と、前記受光部が出力する前記信号に基づき被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有するガス検知器であって、前記光学系が、複数の光学素子を含み、前記複数の光学素子のうち前記受光部の最も近くに位置する第１光学素子が、略平行な光を前記受光部に収束させる集光素子である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。

特開２００１−２３５４２０号公報

特許文献１に記載のガス検知器によれば、ガス発生源（漏洩源）から離れた場所においてガスの発生または漏洩を検出することが可能である。しかし、その検出可能な離間距離には限界があり、より長い距離で検出可能な、高感度ガス検知器の実現が望まれていた。また、たとえばドローン等にガス検知器を搭載し、上空からガスの発生または漏洩を検知しようとする場合、ドローンに搭載できる重量には限界があり、より軽く且つ高感度なガス検知器の実現が望まれていた。

本発明の目的は、検知可能な距離が長い高感度ガス検知器を提供することにある。また、本発明の目的は、軽量かつ高感度な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、本発明の第１の態様においては、検出光を放射する検出光源部と、前記検出光の物体からの反射光を収束させる光学系と、前記光学系が収束させた前記反射光を受光し、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部と、前記受光部が出力する前記信号に基づき被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有するガス検知器であって、前記光学系が、複数の光学素子を含み、前記複数の光学素子のうち前記受光部の最も近くに位置する第１光学素子が、略平行な光を前記受光部に収束させる集光素子であるガス検知器を提供する。

前記光学系が、前記複数の光学素子の一つとして、前記受光部から最も遠くに位置する第２光学素子を有してもよく、この場合、前記第２光学素子が、前記第１光学素子より大きな開口を有し、かつ、前記光学系に入射する略平行な前記反射光を収束させる集光素子であり、前記複数の光学素子のうち前記第１光学素子および前記第２光学素子を除く単一または複数の光学素子が、前記第１光学素子と前記第２光学素子との間に位置し、前記第２光学素子が収束させた光を略平行な光に発散させる散光素子であってもよい。前記光学系に含まれる光学素子の少なくとも１つが、前記検出光の光路を遮る位置に配置され、前記検出光の光路を遮る位置に配置された光学素子には、前記検出光を通過させる検出光通過孔が形成されていてもよい。

本発明の第２の態様においては、検出光を放射する検出光源部と、前記検出光の物体からの反射光を収束させる光学系と、前記光学系が収束させた前記反射光を受光し、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部と、前記受光部が出力する前記信号に基づき被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有するガス検知器であって、前記光学系が、単一または複数の光学素子を含み、単一の前記光学素子により、または複数の前記光学素子の組み合わせにより、前記光学系に入射する略平行な前記反射光を、前記受光部に収束させ、前記光学系に含まれる光学素子の少なくとも１つが、前記検出光の光路を遮る位置に配置され、前記検出光の光路を遮る位置に配置された光学素子には、前記検出光を通過させる検出光通過孔が形成されているガス検知器を提供する。

上記したガス検知器において、前記検出光の照射位置を示すガイド光を放射するガイド光源部をさらに有してもよく、この場合、前記光学系に含まれる光学素子の少なくとも１つが、前記ガイド光の光路を遮る位置に配置され、前記ガイド光の光路を遮る位置に配置された光学素子には、前記ガイド光を通過させるガイド光通過孔が形成されていてもよい。前記光学系に含まれる光学素子の少なくとも１つがフレネルレンズであってもよい。

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の概要を示した構成図である。 ガス検知器１００を立体的に示した模式図である。 ガス検知器２００の概要を示した構成図である。 ガス検知器２００の概要を示した構成図である。 距離に対する受信レベルの実験例を示したグラフである。

（実施の形態）
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および光学系１３０を有する。

光源部１０２は、検出光源部１０２ａとガイド光源部１０２ｂとを有する。検出光源部１０２ａは、検出光１２０ａを放射する。検出光１２０ａは物体に照射され、当該物体からの反射光に含まれる被検出ガスの吸収に関する情報から、光路上のガスの濃度測定あるいは検出が行われる。

検出光源部１０２ａは、たとえば周波数変調されたレーザ光を検出光１２０ａとして放射する。レーザ光を周波数変調することでガス濃度に応じた２倍波信号が生じる。検出光１２０ａの波長（周波数）は、被検出ガスに吸収されるが背景ガスには吸収されない波長が好ましい。被検出ガスがメタンである場合、検出光１２０ａ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。被検出ガスが硫化水素である場合、検出光１２０ａ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。なお、検出光源部１０２ａに半導体レーザ発振器を用いる場合、被検出ガス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１２０ａの発振波長が被検出ガス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。

ガイド光源部１０２ｂは、ガイド光１２０ｂを放射する。検出光１２０ａの波長域は、通常、不可視な赤外域であるため、検出光１２０ａの照射位置が判別しやすいように、可視なガイド光１２０ｂを用いる。ガイド光１２０ｂの光軸は、検出光１２０ａの光軸と略一致するように設定されるので、ガイド光１２０ｂの照射位置は、すなわち検出光１２０ａの照射位置を示すこととなる。ガイド光１２０ｂとして、たとえば赤色や緑色の半導体レーザ光を用いることができる。

受光部１０４は、光学系１３０が収束させた反射光を受光し、受光した光の強度に応じた信号（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、分光機構等を備えてもよい。

濃度計算部１０８は、受光部１０４が出力する受光信号に基づき被検出ガスの濃度を計算する。たとえば、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１２０ａ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ことができる。そして、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、背景ガスが存在する雰囲気における被検出ガスの濃度（コラム密度）を計算することができる。

表示部１１０は、濃度計算部１０８が計算した被検出ガスの濃度を表示する。なお、表示部１１０を設ける代わりに、濃度値を有線または無線により出力する出力手段を設けてもよい。

光学系１３０は、検出光１２０ａの物体からの反射光を収束させる。光学系１３０は、複数の光学素子を含み、具体的には、第１光学素子１３０ａ、第３光学素子１３０ｂおよび第２光学素子１３０ｃを有する。

第１光学素子１３０ａは、光学系１３０の複数の光学素子の一つであり、受光部１０４の最も近くに位置する。第１光学素子１３０ａは、略平行な光を受光部１０４に収束させる集光素子である。

第２光学素子１３０ｃは、光学系１３０の複数の光学素子の一つであり、受光部１０４から最も遠くに位置する。第２光学素子１３０ｃは、第１光学素子１３０ａより大きな開口を有する。また、第２光学素子１３０ｃは、光学系１３０に入射する略平行な反射光を収束させる集光素子である。

第３光学素子１３０ｂは、光学系１３０の複数の光学素子の一つであり、第１光学素子１３０ａと第２光学素子１３０ｃとの間に位置する。第３光学素子１３０ｂは、第２光学素子１３０ｃが収束させた光を略平行な光に発散させる散光素子である。なお、ここでは、第３光学素子１３０ｂが単一の光学素子で構成されている場合を示しているが、複数の光学素子の組み合わせで構成されてもよい。

本実施の形態のガス検知器１００では、第２光学素子１３０ｃの開口を第１光学素子１３０ａの開口より大きくすることで、より多くの反射光を集め、集めた反射光を光学系１３０により収束させ、より強度の大きい光を受光部１０４に入射せることができるため、ガス検知器１００のガス濃度測定あるいはガス検出の感度を高めることができる。

なお、第２光学素子１３０ｃの開口を大きくしたことにより、光学系１３０に含まれる光学素子の少なくとも１つ、たとえば第２光学素子１３０ｃが、検出光１２０ａの光路を遮る位置に配置される場合がある。このような場合、検出光１２０ａの光路を遮る位置に配置された光学素子（第２光学素子１３０ｃ）には、検出光１２０ａを通過させる検出光通過孔１４０ａが形成されてもよい。これにより、検出光１２０ａの確実な照射が確保できる。

また、第２光学素子１３０ｃの開口を大きくしたことにより、検出光１２０ａの場合と同様に、ガイド光１２０ｂの光路が遮られる場合がある。このような場合、ガイド光１２０ｂの光路を遮る位置に配置された光学素子（たとえば第２光学素子１３０ｃ）には、ガイド光１２０ｂを通過させるガイド光通過孔１４０ｂが形成されてもよい。これにより、検出光１２０ａと同様、ガイド光１２０ｂの確実な照射が確保できる。

また、光学系１３０に含まれる光学素子の少なくとも１つ、好ましくは全てをフレネルレンズにすることができる。これにより光学系１３０を軽量化し、ひいてはガス検知器１００の軽量化を図ることができる。

本実施の形態のガス検知器１００によれば、第２光学素子１３０ｃの開口径を大きくしたことにより、ガス濃度測定あるいはガス検出の感度を高めることができる。また、光学系１３０に含まれる光学素子をフレネルレンズにすることで軽量化を図ることができる。

なお、上記したガス検知器１００は、図２に示すように、本体部１００ａと光学アタッチメント１００ｂとに分離することができる。本体部１００ａは、光源部１０２、受光部１０４、信号検出部１０６、濃度計算部１０８および表示部１１０に、第１光学素子１３０ａを含めた構成からなる。光学アタッチメント１００ｂは、第２光学素子１３０ｃおよび第３光学素子１３０ｂを含む。本体部１００ａと光学アタッチメント１００ｂとを分離できるようにすることで、たとえば近距離測定においては本体部１００ａのみを用い、遠距離測定を行う場合には本体部１００ａに光学アタッチメント１００ｂを取り付けた状態で使用することができる。

また、光学アタッチメント１００ｂは、図３に示すように、第１光学素子１３０ａおよび第２光学素子１３０ｃを、支柱１５０によって本体部１００ａに固定するような構成とすることができる。なお、図３では第２光学素子１３０ｃの図示を省略している。支柱１５０は、第１光学素子１３０ａおよび第２光学素子１３０ｃを支える機械的強度を有するかぎり細い方が好ましい。第１光学素子１３０ａおよび第２光学素子１３０ｃを、細い支柱１５０で支えることにより、たとえばガス検知器１００をドローンに搭載したような場合に、風圧の影響を小さくすることができる。

上記した実施の形態では、光学系１３０が第１光学素子１３０ａ、第３光学素子１３０ｂおよび第２光学素子１３０ｃを有する場合を説明したが、これに限られない。たとえば、図４に示すガス検知器２００のように、光学系が単一の光学素子２３０であってもよく、この場合、単一の光学素子２３０により光学系に入射する略平行な反射光を受光部１０４に収束させ、光学素子２３０が検出光１２０ａの光路を遮る位置に配置され、光学素子２３０には検出光１２０ａを通過させる検出光通過孔１４０ａが形成されてもよい。また、光学素子２３０にはガイド光１２０ｂを通過させるガイド光通過孔１４０ｂが形成されてもよい。

ガス検知器２００において、図５に示すように、本体部２００ａと光学アタッチメント２００ｂに分離できることは、ガス検知器１００の場合と同様である。

（実施例）
ガス検知器１００において、光学アタッチメント１００ｂを取り付けた場合（実施例）と、光学アタッチメント１００ｂを取り付けなかった場合（比較例）の受信レベルを検討した。光学アタッチメント１００ｂの開口径（第２光学素子１３０ｃの開口径）は１２０ｍｍφとし、本体部１００ａに内蔵された第１光学素子１３０ａの開口径は３３．５ｍｍφとした。第２光学素子１３０ｃおよび第３光学素子１３０ｂは、それぞれガラス製凸レンズおよびガラス製凹レンズとし、略平行に第２光学素子１３０ｃに入射する光が収束され、略平行な光として第１光学素子１３０ａに出射するよう焦点距離および配置を調整した。第１光学素子１３０ａはフレネルレンズとした。

本実施例では、２．６３％のメタンバックの検出感度（受信レベル）を、距離を変えて測定した。図６は、メタンバックの設置距離に対するガス検知器１００の受信レベルを示したグラフであり、光学アタッチメント１００ｂを取り付けた場合（実施例）と、光学アタッチメント１００ｂを取り付けなかった場合（比較例）を示す。

図６示すように、光学アタッチメント１００ｂを取り付けた実施例では、距離が４５ｍでも受信レベルが１であるのに対し、光学アタッチメント１００ｂを取り付けない比較例では、距離２５ｍで受信レベルが０になっている。光学アタッチメント１００ｂを取り付けたガス検知器１００において、感度が大きく向上していることがわかる。なお、図６には示していないが、比較例においては距離３５ｍで検出不能であり、実施例においては距離６５ｍで検出不能であった。受信レベルが０であってもガスが検出されない訳ではないので、実質的には、比較例において距離３５ｍ近くまでガス検出が可能であり、実施例において距離６５ｍ近くまでガス検出が可能であるといえる。すなわち、本実施例の光学アタッチメント１００ｂを取り付けることにより、ガス検出可能な距離が、約２倍程度伸びたと言える。

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、１００ａ…本体部、１００ｂ…光学アタッチメント、１０２…光源部、１０２ａ…検出光源部、１０２ｂ…ガイド光源部、１０４…受光部、１０６…信号検出部、１０８…濃度計算部、１１０…表示部、１２０ａ…検出光、１２０ｂ…ガイド光、１３０…光学系、１３０ａ…第１光学素子、１３０ｂ…第３光学素子、１３０ｃ…第２光学素子、１４０ａ…検出光通過孔、１４０ｂ…ガイド光通過孔、１５０…支柱、２００…ガス検知器、２００ａ…本体部、２００ｂ…光学アタッチメント、２３０…光学素子。

Claims (6)

1. 検出光を放射する検出光源部と、
   前記検出光の物体からの反射光を収束させる光学系と、
   前記光学系が収束させた前記反射光を受光し、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部と、
   前記受光部が出力する前記信号に基づき被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有するガス検知器であって、
   前記光学系が、複数の光学素子を含み、
   前記複数の光学素子のうち前記受光部の最も近くに位置する第１光学素子が、略平行な光を前記受光部に収束させる集光素子である
   ガス検知器。
2. 前記光学系が、前記複数の光学素子の一つとして、前記受光部から最も遠くに位置する第２光学素子を有し、
   前記第２光学素子が、前記第１光学素子より大きな開口を有し、かつ、前記光学系に入射する略平行な前記反射光を収束させる集光素子であり、
   前記複数の光学素子のうち前記第１光学素子および前記第２光学素子を除く単一または複数の光学素子が、前記第１光学素子と前記第２光学素子との間に位置し、前記第２光学素子が収束させた光を略平行な光に発散させる散光素子である
   請求項１に記載のガス検知器。
3. 前記光学系に含まれる光学素子の少なくとも１つが、前記検出光の光路を遮る位置に配置され、
   前記検出光の光路を遮る位置に配置された光学素子には、前記検出光を通過させる検出光通過孔が形成されている
   請求項１または請求項２に記載のガス検知器。
4. 検出光を放射する検出光源部と、
   前記検出光の物体からの反射光を収束させる光学系と、
   前記光学系が収束させた前記反射光を受光し、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部と、
   前記受光部が出力する前記信号に基づき被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有するガス検知器であって、
   前記光学系が、単一または複数の光学素子を含み、
   単一の前記光学素子により、または複数の前記光学素子の組み合わせにより、前記光学系に入射する略平行な前記反射光を、前記受光部に収束させ、
   前記光学系に含まれる光学素子の少なくとも１つが、前記検出光の光路を遮る位置に配置され、
   前記検出光の光路を遮る位置に配置された光学素子には、前記検出光を通過させる検出光通過孔が形成されている
   ガス検知器。
5. 前記検出光の照射位置を示すガイド光を放射するガイド光源部をさらに有し、
   前記光学系に含まれる光学素子の少なくとも１つが、前記ガイド光の光路を遮る位置に配置され、
   前記ガイド光の光路を遮る位置に配置された光学素子には、前記ガイド光を通過させるガイド光通過孔が形成されている
   請求項１から請求項４の何れか一項に記載のガス検知器。
6. 前記光学系に含まれる光学素子の少なくとも１つがフレネルレンズである
   請求項１から請求項５の何れか一項に記載のガス検知器。

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