JP4065452B2

JP4065452B2 - 多点型光式ガス濃度検出システム

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Publication number: JP4065452B2
Application number: JP2005212453A
Authority: JP
Inventors: 山内　　芳幸; 努酒井; 正孝相馬; 晃之中村
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2025-07-22
Also published as: JP2007033049A

Description

本発明は、光信号を用いてガスの濃度を検出するガス濃度検出システムに係り、特に、複数箇所のガス濃度を検出する多点型光式ガス濃度検出システムに関するものである。

ガスを検知するためのガス濃度検出システムとして、半導体式或いは電気式のセンサを用いたものがある。これらのガス濃度検出システムは、センサの近傍に電源設備が必要であり、また、定期的に校正が必要なため、長距離監視に用いる場合、保守性や経済性の面で問題がある。

一方で、光を応用したセンサがある。これは、ある特定波長のレーザ光をガス分子が吸収する性質を持っており、この現象を利用してガスの濃度を検出でき、この原理を応用したセンシング技術が工業計測、公害監視などで広く用いられている。また、このレーザ光を光ファイバで伝送させれば、遠隔監視も可能となる。

そこで、本発明者らは、レーザと光ファイバを用い、管理事務所等で一括してガス検出部の異常の有無を監視することのできる遠隔監視可能な光式ガス濃度検出システムを開発した（例えば、特許文献１、２参照）。

図９に示すように、光式ガス濃度検出システム８０は、レーザ光を発振させる光源部８１とレーザ光を測定対象に案内する光学系８２と、光学系８２からの光信号を検出し、検出信号を処理する信号処理部８３とで全体を構成している。

光源部８１は、単一波長のレーザ光を発振させる光源（ＬＤ）８４と、そのＬＤ８４を搭載し、ＬＤ８４の温度を制御するペルチェ素子８５と、ペルチェ素子用電源８６と、周波数ｆの正弦波信号を出力する発振器８７と、発振器８７が出力する信号の２倍の周波数２ｆの正弦波信号を出力する倍周器９０と、ＬＤ８４にバイアス電流を付加させる定電流源８８と、定電流源８８の掃引方法を決定する電流掃引器８９とを備えている。

光源部８１は、駆動電流及び温度に応じた波長及び強度のレーザ光を発振する光源８４を用い、所定の電流を中心として駆動電流を変調することにより波長及び強度が変調されたレーザ光を発振させ、レーザ光の中心波長を掃引させるものである。

光学系８２は、入力側が光源８４に接続された光スイッチ９１と、基準光路用光ファイバ９２と、センサヘッド９３を通過する光信号を送受信用光ファイバ９４とを備え、基準光路用光ファイバ９２と各送受信用光ファイバ９４は各自ループして光スイッチ９１に接続されている。光スイッチ９１は、２×ｎチャネルの構成となっており、最初、基準光路用光ファイバ９２で光信号の送受信を行い、次に各センサヘッド９３の送受信を行うべく順次光路を切り換えるものである。センサヘッド９３は、測定対象である濃度未知のガスが充填される容器であり、検出対象とする位置に設けられる。センサヘッド９３の両端には送信用光ファイバ９４，９４が接続されており、光源８４から出射したレーザ光の一部が測定対象ガス雰囲気中を通過し、信号処理部８３に出射されるようになっている。

信号処理部８３は、光スイッチ９１の出力側に接続された受光器９６と、発振器８７からの正弦波信号（図中*u）の周波数ｆに同期して受光器９６の出力の位相敏感検波を行うロックインアンプ９７と、倍周器９０からの正弦波信号（図中*v）の周波数２ｆに同期して受光器の出力の位相敏感検波を行うロックインアンプ９８と、両ロックインアンプ９７，９８の出力比を記憶、演算処理する演算装置９９とを備える。演算装置に９９は、光スイッチ９１の切換等を制御するコントローラも含まれている。

光源８４の温度をペルチェ素子８５により一定に保持し、光源８４のバイアス電流を三角波状にして一方向に掃引させる。このとき、発振器８７により正弦波状に交流電流（変調電流）を重畳させる。

これにより所望の波形を有するレーザ光が出射し、レーザ光の光路を光スイッチ９１により順次切り換える。レーザ光は基準光路用光ファイバ９２或いは各送受信用光ファイバ９４を通過し、受光器９６で検出される。

受光器９６で検出された信号のうち、発振器８７からの正弦波信号の周波数ｆに同期した信号をロックインアンプ９７で検出し、正弦波信号の２倍の周波数2fに同期した信号をロックインアンプ９８で検出する。各信号は、演算装置８９に伝送される。演算装置９９は、基準光路光ファイバ９２を通過し得られた信号の出力比を記憶しておき、順次、センサヘッド９３を通過し得られた信号の出力比との差分を行うことにより複数箇所のガス信号成分が得られる。

得られたガス信号のデータと、予め求めてあるガス信号とガス濃度との関係から各センサヘッド９３におけるガス濃度が求められる。

特開２００４−３６１１２８号公報特開２００４−３６１１２９号公報

しかしながら、図９の光式ガス濃度検出システム８０は、所定間隔を有する複数の箇所でガス漏洩検知することを可能にするが、検知箇所の数だけ、光スイッチ９１によりレーザ光の光路を順次送受信用光ファイバ９３毎に切り換えて測定する必要があった。

そのため、検知箇所が多くなると、検知時間が長くなってしまうといった問題がある。例えば、９０箇所にセンサヘッド９３を設置してガス漏洩を検知する場合、約３０分程度掛かってしまう。

そこで、多数の検知箇所におけるガス濃度検出を短時間で行うことができるガス濃度検出システムが要求されている。

また、図９の光式ガス濃度検出システム８０では、検知箇所に光路を切り換える光スイッチ９１を用いている。光スイッチ９１は、可動部分を備える構造であるため、寿命が短く、システムの長期信頼性が劣る。したがって、システムのメンテナンス頻度が多くなるといった問題もある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、短時間で多点箇所のガス濃度を短時間で検出することのできる多点型光式ガス濃度検出システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、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、得られた信号からガス雰囲気中のガス濃度を検出する光式ガス濃度検出システムにおいて、レーザ光を出射する光源ユニットと、その光源ユニットに接続され、光源ユニットより出射されたレーザ光を多数の分岐端に分岐させる光分岐手段と、上記測定対象に所定間隔毎に設けたガス検出部と、上記光分岐手段の各分岐端に接続され、任意のガス検出部が接続された多数のガス検出用光ファイバと、上記光分岐手段の各分岐端に接続され、上記ガス検出部を接続しない１つ以上の基準光ファイバと、上記基準光ファイバ及び上記ガス検出用ファイバに接続され、上記基準光ファイバ及び多数のガス検出用光ファイバからの光信号を受信し、各位置のガス検出部におけるガス濃度を略同時に求める信号処理手段とを備え、上記光分岐手段は、複数の光カプラで構成され、上記光源ユニットに１段目の光カプラが接続され、２段目以降の光カプラが順次前段の光カプラの分岐端にそれぞれ接続されて構成され、上記２段目の光カプラの各分岐端に接続される光カプラと光ファイバを光ファイバ群とし、これら光ファイバ群の末端の光ファイバに接続されるガス検出部は、その互いに隣接するガス検出部の属する光ファイバ群がそれぞれ異なるように配置された多点型光式ガス濃度検出システムである。

請求項２の発明は、上記信号処理手段が、上記ガス検出用光ファイバ及び上記基準光ファイバ毎に設けられる複数の受光器と、それら受光器ごとに設けられ上記光源ユニットから発振される同期信号に基づいて、各受光器から得られる信号を同期検波する複数の位相敏感検波回路と、それら位相検波回路の出力を記憶する信号記憶装置と、その信号記憶装置に接続され、信号記憶装置の結果から複数のガス検出部におけるガス濃度を同時に求める演算装置とを備える請求項１記載の多点型光式ガス濃度検出システムである。

本発明によれば、多点箇所でのガス濃度を略同時に検出することができるといった優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施の形態の多点型光式ガス濃度検出システムは、主として地下街、高層ビル等の都市ガス（メタンガス）の漏洩やＬＮＧタンク周辺のガス漏れを多点（複数箇所）検出するものである。

例えば、図２に示すように、海（湾）を挟んで建設されたガス基地４１と工場４２間には、それらの間でＬＮＧガスを流通させるガス導管４３が地下に埋設されている。ガス導管４３はガス基地４１−工場４２間を地下で連通する洞道４４内に設けられ、そのガス導管４３を通じてガスの受容・送出を行っている。洞道４４内には、光ファイバケーブル４５が敷設されるとともに、その光ファイバケーブル４５には所定間隔毎にセンサ（ガス検出部）４６が設けられ、それらセンサ４６によって洞道４４内のガス濃度を測定して、ガス導管４３からのガスの漏洩を判断している。本実施の形態では、測定対象とする長さ１８kmの洞道４４内に、100〜300ｍの間隔で、好ましくは200ｍ間隔で９０箇所にセンサ４６を設けた場合について説明する。

図１は本発明に係る多点型光式ガス濃度検出システムの好適な実施の形態を示した概略図である。

本実施の形態の多点型光式ガス濃度検出システム（以下、本システム）１０は、レーザ光を発振させるための光源ユニット１１と、発振したレーザ光を導く光学系１２と、光学系１２を通過したレーザ光を検出し、その検出信号からガス濃度を求める信号処理手段１３とで全体が構成されている。

光源ユニット１１は、光源として単一波長レーザ光を発振させる分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）１４と、ＤＦＢ−ＬＤ１４を搭載してその温度を制御するためのペルチェ素子１６と、ペルチェ素子１６に接続されるペルチェ素子用電源１５と、周波数ｆの正弦波信号を出力する発振器１７と、この周波数ｆの信号から周波数ｆの２倍波信号を生成する倍周期１８と、ＤＦＢ−ＬＤ１４にバイアス電流を付加するためのバイアス電流源１９と、バイアス電流源１９の掃引の仕方を決定する三角波掃引器２１とを備える。光源ユニット１１では、発振器１７からの正弦波信号がバイアス電流源１９からのバイアス電流に重畳されてＤＦＢ−ＬＤ１４を駆動するようになっている。また、バイアス電流源１９の出力側には、発振器１７の出力による影響を防ぐためにインダクタンス２２が接続されており、発振器１７の出力側には、直流分をカットするためのコンデンサ２３が接続されている。

光学系１２は、光分岐手段２４と、多数の検出用光ファイバ２５と、少なくとも一つの基準光ファイバ２６と、検出用光ファイバ２５毎に設けられるガス検出部２７とで構成される。ここで、多数の検出用光ファイバ２５の束が図２中の光ファイバケーブル４５に対応し、ガス検出部２７が図２中のセンサ４６に対応している。

光分岐手段２４は、１つの光路を多数の光路に分岐させる手段であり、ＤＦＢ−ＬＤ１４の出射端に光学的に接続され、光分岐手段２４の分岐端（出射側）と信号処理手段１３間に、多数の検出用光ファイバ２５及び１つ以上の基準光ファイバ２６が接続されている。

各検出用光ファイバ２５には、それぞれガス検出部２７が接続されており、ガス検出部２７を所定間隔を設けて配置するために、各検出用光ファイバ２５の長さが順次異なっている。ここで、ガス検出用光ファイバ２５のうち、光分岐手段２４の分岐端からガス検出部２５までの光ファイバを入射側検出用光ファイバ２８とし、ガス検出部２５の出射側から信号処理手段１３までの光ファイバを出射側検出用光ファイバ２９とすると、各出射側検出用光ファイバ２９は折り返されて信号処理手段１３に接続されている。

各ガス検出部２７は、測定対象とするガス雰囲気中に設けられ、未知濃度の種々のガス（メタンガス等）が充填される容器（ガスセル）であり、測定対象とする位置に容易に設置できるものである。

基準光ファイバ２６は、途中にガス検出部２７が接続されず、光分岐手段２４の分岐端と信号処理手段１３とを直接接続する光ファイバであり、ガス検出部２７を通過するレーザ光と略同じ条件下で出射するがガス検出部２７を通過しないレーザ光をリファレンス光として用いるための光路を形成する光ファイバである。

信号処理手段１３は、各出射側ガス検出用光ファイバ２９及び基準光ファイバ２６の出射端に接続される複数の受光器３１と、各受光器３１及び発振器１７及び倍周期１８と電気的に接続される複数の位相敏感検波回路３２と、これら複数の位相敏感検波回路３２に接続される１つの信号記憶装置３４と、信号記憶装置３４に接続される演算装置（コンピュータ）３５とを備える。

図１中、各検出用光ファイバ２５と各受光３１、発振器１７及び倍周期１８と位相敏感検波回路３２は、同符号同士が接続されている。例えば、*z1と*z1、*pと*pが接続されている。

位相敏感検波回路３２は、光源ユニット１１から発振される同期信号に基づいて、各受光器３１から得られる信号を同期検波するものである。すなわち、位相敏感検波回路３２は、光源ユニット１１から発振されるレーザ光と同期する電気信号（同期信号）と、レーザ光から変換された電気信号とを受信して、これらの信号のうち同じ周波数帯のみの信号を抽出する。ここで、位相敏感検波について簡単に説明する。光の周波数を何らかの手段で変調し、その光を対象とするガスを含む雰囲気に透過させると、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及びその高調波成分をもつ。このうち、基本波成分と２倍波成分を位相敏感検波すると、それぞれガス吸収線の一次微分と二次微分に対応する。そこで、位相敏感検波器３２では、特定の周波数及び位相をもつ成分だけを抽出する。

信号記憶装置３４は、各位相敏感検波回路３２から出力された信号を一時的に記憶し、演算装置３５に出力するものである。具体的には、信号記憶装置３４はＡＤ変換器を含み、位相敏感検波回路３２から出力されるアナログ信号を記憶すると共に、アナログ信号をデジタル信号に変換する。演算装置３５は、信号記憶装置３４の出力結果から、基準光ファイバ２６から得られた信号と、各ガス検出用光ファイバ２５から得られた信号との差分を計算し、その差分値からガス濃度を求めるものである。

さて、本システム１０は、光学系１２内でレーザ光の光路を多数に分岐させるための光分岐手段２４を設けたことに特徴がある。

図３に示すように、光分岐手段２４は、複数の光カプラ５１，５２ａ〜５２ｃ，５３ａ〜５３ｃで構成されており、光源ユニット１１に１段目の光カプラ５１が接続され、１段目の光カプラ５１の分岐端にそれぞれ２段目の光カプラ５２ａ〜５２ｃが接続され、２段目の光カプラ５２ａ〜５２ｃの分岐端にそれぞれ３段目の光カプラ５３ａ〜５３ｃが接続されている。

具体的には、１段目の光カプラ５１は、ＤＦＢレーザ１４に接続されると共に光路を３つに分岐させ、２段目の光カプラ５２ａ〜５２ｃは、１段目の光カプラ５１の各分岐端に接続されると共に光路を４つに分岐させ、３段目の光カプラ５３ａ〜５３ｃは、２段目の光カプラ５２ａ〜５２ｃの各分岐端に接続されると共に光路を８つに分岐させている。３段目の光カプラ５３ａ〜５３ｃには基準光ファイバ２６（図３中、R1〜R3）、及び各ガス検出用光ファイバ２５（図３中、S1〜S90）が接続される。すなわち、光分岐手段２４は、１個の１段目の光カプラ５１と、３個の２段目の光カプラ５２ａ〜５２ｃと、１２個の３段目の光カプラ５３ａ〜５３ｃとを備え、光カプラ５１，５２ａ〜５２ｃ，５３ａ〜５３ｃを３段に多段接続することで、１本の光路を９０本以上の分岐端に分岐している。

光カプラ５１，５２ａ〜５２ｃ，５３ａ〜５３ｃの個数、分岐数、或いは光分岐手段に接続される光ファイバの数は、これに限られるものではなく、濃度検出システムが適用される環境に応じて適宜選択される。また、光カプラ５１，５２ａ〜５２ｃ，５３ａ〜５３ｃは、レーザ光を複数の光路に分岐しうるものであれば、ファイバ型のもの（光ファイバカプラ）或いは平板導波路型のもの等、いずれのものを用いてもよい。

ここで、１つの２段目の光カプラ５２ａ，５２ｂ，５２ｃの各分岐端に接続される３段目の光カプラ５３ａ，５３ｂ，５３ｃと、その光カプラ５３ａ，５３ｂ，５３ｃに接続される検出用光ファイバS1，S2，…S90及び基準光ファイバR1〜R3を光ファイバ群Ａ，Ｂ，Ｃとする。

本実施の形態では、多数のガス検出部２７の配置（各ガス検出部２７と光ファイバとの接続）に特徴を有する。

図４は、洞道４４内に設けられるガス検出部２７の位置関係を説明する図であり、図４中、S1〜S90は、図３の検出用光ファイバS1〜S90に接続されるガス検出部を表している。

図４に示すように、ガス検出部S1，S2，…S90は、互いに隣接するガス検出部の属する光ファイバ群がそれぞれ異なるように配置されている。具体的には、ガス検出部S1，S2，…S90は、順次200m毎に配置されるが、それらガス検出部S1，S2，…S90のうち、ガス検出部s1、s4…s88は２段目の光カプラ５２ａから分岐して接続された３段目の光カプラ５３ａを介して接続され（光ファイバ群Ａに属し）、ガス検出部s2、s5…s89は２段目の光カプラ５２ｂから分岐して接続された３段目の光カプラ５３ｂを介して接続され（光ファイバ群Ｂに属し）、ガス検出部s3、s6…s90は２段目の光カプラ５２ｃから分岐して接続された３段目の光カプラ５３ｃを介して接続されている（光ファイバ群Ｃに属する）。

また、本実施の形態では、それぞれ光ファイバ群Ａ，Ｂ，Ｃごとに基準光ファイバR1〜R3が接続されている。すなわち、２段目の各光カプラ５２ａ〜５２ｃに接続される３段目の光カプラ５３ａ〜５３ｃにそれぞれ１本の基準光ファイバR1〜R3が接続されている。

本システム１０では、各光ファイバ２５，２６毎に受光器３１が設けられ、それら受光器３１毎に位相敏感検波回路３２が設けられている。実際には、１０個の受光器３１と、それら受光器３１に接続される１０個の位相敏感検波回路３２を１つのボード上に実装し、そのボード１０個を１つの筐体内に実装している。

図５に示すように、ボード６１に実装される位相検波回路３２は、受光器（ＰＤ）３１に接続されるプリアンプ６２と、プリアンプ６２に接続され、パスバンドの異なる（10kHzと20kHz）２つのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６３，６４と、発振器１７（図５中*pが図１の*pに対応している）及び倍周期１８（図５中*qが図１の*qに対応している）に接続され、電気信号の所定周波数，sin，cos成分を抽出し、信号記憶装置３４に出力する４つのロックインアンプ（ＬＩＡ）６７，６８，６９，７０とを備える。

ＬＩＡ６７〜７０は、基本波（10kHz）のsin成分（1f,sin）を抽出する第１のＬＩＡ６７と、基本波のcos成分（1f,cos）を抽出する第２のＬＩＡ６８、２倍波（20kHz）のsin成分（2f,sin）を抽出する第３のＬＩＡ６９及び２倍波のcos成分（2f,cos）を抽出する第４のＬＩＡ７０とからなり、各々発振器１７，倍周器１８及び周波数に応じたＢＰＦ６３，６４に接続されている。

また、位相敏感検波回路３２は、発振器１７及び倍周器１８の代わりに、図６に示すように、各ＬＩＡ６７〜７０に所定周波数の信号を出力する分周器６６と、分周器６６に接続され、高周波信号を分周器６６に送るＴＴＬ６５とを設けてもよい。その際、ＴＴＬ６５は図１の発振器１７或いは倍周器１８から発生される信号に同期した基準信号を発生させる基準信号発生回路（図示せず）に接続される必要がある。

基準発生回路で発生し、ＴＴＬ６５を介して分周器６６に出力された基準信号（例えば40kHz）は、分周器６６で分周され、基本波周波数信号sin成分が第１のＬＩＡ６７に、基本波周波数信号cos成分が第２のＬＩＡ６８に、２倍波周波数信号sin成分が第３のＬＩＡ６９に、２倍波周波数信号cos成分が第４のＬＩＡ７０に伝送される。

次にガス濃度の検出方法について説明する。

ガス濃度の検出は、光源の波長をガス吸収線（メタンガスでは波長λ＝1.6537μｍ）に一致させ、光を測定対象とするガス雰囲気中に通過させると、その光強度がガス濃度に依存して減衰する現象を利用した検出方式である。

まず、光源ユニット１１では、レーザ光の中心波長をガス吸収波長線上に掃引するため、ＤＦＢ−ＬＤ１４の温度をペルチェ素子用電源１６によって制御するペルチェ素子１５により一定に保持し、ＤＦＢ−ＬＤ１４のバイアス電流を三角波掃引器２１により三角波上に一方向に掃引させる。このとき、同時に、ＤＦＢーＬＤ１４に、発振器１７から正弦波状の交流電源（変調電流）を重畳させる。

このようにして発振されたレーザ光は、光分岐手段２４において複数の光路に分岐され、各ガス検出用光ファイバ２５及び各基準光ファイバ２６に同時に入射する。各検出用光ファイバ２５に入射したレーザ光は、各ガス検出部２７を透過して各受光器３１で受光される。同時に、基準用光ファイバ２６に入射した光も各受光器３１で受光される。受光器３１で検出された光信号は位相検波回路３２に送られる。

各受光器３１で、ガス検出用光ファイバ２５及び基準ファイバ２６からの光が受光されると、プリアンプ６２で、受光した光信号を電気信号に変換すると共に、その信号を増幅する。

増幅された電気信号は、ＢＰＦ６３，６４にかけられ、基本波周波数（1f）の信号と２倍波周波数（2f）の信号のみ抽出される。基本波周波数の信号は、第１のＬＩＡ６７と第２のＬＩＡ６８とに送信される。２倍波周波数の信号は第３のＬＩＡ６９と第４のＬＩＡ７０とに送信される。

一方、光源ユニット１１の発生器１７及び倍周期１８より生成された電気信号がＬＩＡ６７〜７０に入力される。具体的には、基本波周波数信号sin成分が第１のＬＩＡ６７に、基本波周波数信号のcos成分が第２のＬＩＡ６８に、２倍波周波数信号のsin成分が第３のＬＩＡ６９に、２倍波周波数信号のcos成分が第４のＬＩＡ７０に伝送される。各ＬＩＡ６７〜７０では、ＢＰＦ６３，６４を透過した信号を発振器１７及び倍周器１８から伝送された信号で位相検波し、各々検波した信号を信号記憶装置３４に出力する。

信号記憶装置３４では、各ガス検出用光ファイバ２５を通過した光信号を増幅、変調した電気信号と、基準光ファイバ２６を通過した光信号を位相検波した電気信号とが記憶される。

これらの記憶された信号のデータは、演算装置３５にて演算処理される。具体的には、各検出用光ファイバ２５から得られた信号の周波数の出力比2f/1f及び各基準光ファイバから得られた信号の周波数の出力比2f/1fをsin成分、cos成分ごと求める。これにより得られた信号の波形は、図７に示すガス検出分布線７１及び基準分布線７２となる。この２つの分布線７１，７２の差分を求めると図８に示すような分布線７３が得られる。さらに、分布線７３から得られる波高値のsin成分、cos成分を合成して、ガス検出部２７を通過したガス信号による波高値が得られる。最終的に、その波高値を、予め測定して記憶されている波高値とガス濃度との関係と比較してガス検出部２７のガス濃度が得られる。

演算装置３５において、得られたガス濃度が、所定値以上となった場合「ガス漏洩」を示す信号を表示装置や警報器（図示せず）等に出力するようにしてもよい。

このように、基準光ファイバ２６を通過し得られた信号の出力比を差分処理に用いることによって、光源ユニット１１、光分岐手段２４、信号処理手段１３の波長依存性を除去することができ、高精度なガス濃度を求めることができる。

本システム１０によれば、光分岐手段２４で１つの光路を多数の光路に分岐させ、光信号を同時に多数のガス検出部２７に導波させることで、多数のガス検出用光ファイバ２５からの光信号と、及び各ガス検出光ファイバ２５に対応した（同じ光ファイバ群に属した）基準光ファイバ２６からの光信号を同時に得ることができ、各光路毎に受光器３１と位相敏感検波３２を設けることで、多数のガス検出用光ファイバ２５から得られた各々の信号と各ガス検出光ファイバに対応した基準光ファイバ２６から得られた信号とを同時に位相検波することができる。これにより、演算装置３５では、全てのガス濃度の計算を短時間に求めることができ、すなわち、多点箇所のガス濃度を略同時に検出することができる。

本実施の形態では、９０箇所のガス濃度を全部で３秒以内（実際には約２秒）で検出することができ、極めて短時間でガス濃度を測定することができる。

また、本システム１０では、光分岐手段２４でレーザ光を分岐させて各検出用光ファイバ２５に入射させている。光分岐手段２４は、光カプラ５１、５２ａ〜５２ｃ，５３ａ〜５３ｃで構成されているため、可動部分がない。したがって、本システム１０は、従来多く採用されてきた半導体式ガス検知器や、図８に示したガス濃度検出システム８０の光スイッチ９１等、駆動部分を有するガス濃度検出システムに比べて、耐久性に優れている。したがって、システムのメンテナンス回数を低減することができる。

光ファイバ群Ａに属するガス検出部s1，s4，…s88は、基準光ファイバR1の基準信号の出力比2f/1fとの差分を検出し、同様に、光ファイバ群Ｂに接続されるガス検出部s2，s5，…s89は基準光ファイバR2の基準信号の出力比との差分を検出し、光ファイバ群Ｃに接続されるガス検出部s3，s6，…s90は基準光ファイバR3の基準信号の出力比との差分が検出される。このように、光ファイバ群Ａ〜Ｃごとに基準光ファイバR1〜R3を設け、同じ光ファイバ群Ａ〜Ｃ内でガス検出光ファイバ２５と基準光ファイバ２６との出力比を比べることにより、接続される光カプラ５１，５２ａ〜５２ｃ，５３ａ〜５３ｃの特性の差異等により生じる誤差を極力小さくすることができる。

さらに、本システム１０では、互いに隣接するガス検出部２７に接続される検出用光ファイバ２５が、その上流側の光カプラを通過する光源ユニット１１までの光路が２段目以降で異なる光カプラ５２ａ〜５２ｃを通るように接続されている。これにより、例えば、２段目の光カプラ５２ａが故障したとすると、光カプラ５２ａに接続されたガス検出部S1，S4，…s88は全て使用不可能となるが、光カプラ５２ｂ及び光カプラ５２ｃに接続されたガス検出部S2，S3，S5，S6，…S89，S90により、200ｍ間隔と400ｍ間隔とで交互に配置された状態になるだけであって、洞道４４内全体のガス濃度検出を行うことができる。すなわち、ガス濃度を検出できないエリアが広範囲に生じるのを防止することができる。

また、２段目の光カプラ５２ａ、及び光カプラ５２ｂと２つの光カプラの故障等により、光カプラ５２ａ，５２ｂ接続されたガス検出部S1，S2，S4，S5，…S88，S89での測定ができない場合でも、光カプラ５２Ｃに接続されたガス検出部S3，S6，…S90が600ｍ間隔で配置されているので、ガス検出部２７の設置間隔は大きくなってしまっても、洞道内のガス濃度を略等間隔に測定することができる。当然のことながら、３段目の光カプラ５３ａ〜５３ｃのいずれかが故障した際も、ガス濃度を検出することができないエリアが広範囲に生じることを防ぐことができる。

本発明に係る多点型光式ガス濃度検出システムの好適な一実施の形態を示す模式図である。図１の多点型光式ガス濃度検出システムの設置例を示す模式図である。光分岐手段の構成を示す模式図である。（ａ）〜（ｃ）は、ガス検出部の配置について説明する模式図である。位相敏感検波回路の回路構成を示す図である。図５の位相敏感検波回路の変形例を示す図である。基準光路及びガス検出光路通過後のガス信号（2f/1f）波形を示す図である。基準光路とガス検出光路通過後のガス信号（2f/1f）差分波形を示す図である。従来の光式ガス濃度検出システムを示す模式図である。

符号の説明

１０多点型光式ガス濃度検出システム
１１光源ユニット
１３信号処理手段
２４光分岐手段
２５ガス検出用光ファイバ
２６基準光ファイバ
２７ガス検出部
３２位相敏感検波回路

Claims

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、得られた信号からガス雰囲気中のガス濃度を検出する光式ガス濃度検出システムにおいて、
レーザ光を出射する光源ユニットと、その光源ユニットに接続され、光源ユニットより出射されたレーザ光を多数の分岐端に分岐させる光分岐手段と、上記測定対象に所定間隔毎に設けたガス検出部と、上記光分岐手段の各分岐端に接続され、任意のガス検出部が接続された多数のガス検出用光ファイバと、上記光分岐手段の各分岐端に接続され、上記ガス検出部を接続しない１つ以上の基準光ファイバと、上記基準光ファイバ及び上記ガス検出用ファイバに接続され、上記基準光ファイバ及び多数のガス検出用光ファイバからの光信号を受信し、各位置のガス検出部におけるガス濃度を略同時に求める信号処理手段とを備え、
上記光分岐手段は、複数の光カプラで構成され、上記光源ユニットに１段目の光カプラが接続され、２段目以降の光カプラが順次前段の光カプラの分岐端にそれぞれ接続されて構成され、
上記２段目の光カプラの各分岐端に接続される光カプラと光ファイバを光ファイバ群とし、これら光ファイバ群の末端の光ファイバに接続されるガス検出部は、その互いに隣接するガス検出部の属する光ファイバ群がそれぞれ異なるように配置されたことを特徴とする多点型光式ガス濃度検出システム。
上記信号処理手段は、上記ガス検出用光ファイバ及び上記基準光ファイバ毎に設けられる複数の受光器と、それら受光器ごとに設けられ上記光源ユニットから発振される同期信号に基づいて、各受光器から得られる信号を同期検波する複数の位相敏感検波回路と、それら位相検波回路の出力を記憶する信号記憶装置と、その信号記憶装置に接続され、信号記憶装置の結果から複数のガス検出部におけるガス濃度を同時に求める演算装置とを備える請求項１に記載の多点型光式ガス濃度検出システム。