JP4066921B2 - 多点光路切替式ガス濃度検知方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスによる光吸収を利用したガス濃度検知に係り、多点のガス検知部から早期に異常なガス濃度のガス検知部を探すことができる多点光路切替式ガス濃度検知方法及びその装置に関する。

従来、ガスを検知するセンサとして、半導体式などの電気的なセンサを使用しているがセンサ近傍に電源設備が必要であることや定期的に校正が必要なことなどから、長距離監視や多点での検知を行う場合、保守性や経済性の面で問題がある。

これに対し、光を応用したセンサがある。ある特定波長の光、例えば、レーザ光をガス分子が吸収する現象があるので、この現象を利用してガスの有無や濃度を検知できる。この種のセンサが工業計測、公害監視などに広く利用されている。このときレーザ光を光ファイバで伝送することにより、遠隔監視も可能となる。そこで、本出願人は、特許文献１のように、光ファイバを伝送路とした遠隔ガス監視装置を開発した。この装置では、半導体レーザの駆動電流を所定の電流値を中心として高周波数で変調し、波長及び強度の変調されたレーザ光を発振させる。さらに、電流及び温度を制御して発振の中心波長がガスの吸収線の中心になるよう半導体レーザの後方に出射するレーザ光をモニタに用い、前方に出射するレーザ光を安定させる。そうして安定して前方に出射するレーザ光を光ファイバを介して未知濃度のガスが充填されたガスセルに導入しガス雰囲気中を透過させ、その透過光を対向する別の光ファイバに導入させ、この光ファイバで透過光を受光部まで導き、受光した信号の２倍波検波信号又は基本波信号より、ガス濃度を高いＳＮ比で検知する。

特開平５−２５６７６９号公報

しかしながら、前記の光学式のセンサにおいて、光切替器を用い、複数箇所、即ち多点でガスを検知する場合、ガスセルからなるガス検知部をひとつひとつ測定していくため、早期にガス濃度を検知できない問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、多点のガス検知部から早期に異常なガス濃度のガス検知部を探すことができる多点光路切替式ガス濃度検知方法及びその装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の方法は、測定対象とするガス雰囲気が存在するガス検知部に光を通して透過光を受光し、受光信号からガス濃度を検知する光式ガス濃度検知方法において、複数のガス検知部を１つの光路で直列に繋いでこれら複数のガス検知部を同時一括監視する１つの監視区間とすると共に、ガス検知部個別に光を通してガス濃度を検知できるようにしておき、複数の監視区間に順次光を供給して監視区間毎のガス濃度の変化を監視し、ガス濃度の変化があった場合には、当該監視区間中のガス検知部に順次個別に光を供給してガス濃度を検知するものである。

また、本発明の装置は測定対象とするガス雰囲気が容器に充填されたガス検知部と、このガス検知部に透過させる光を発生する光源部と、前記ガス検知部を通した透過光を受光して受光信号からガス濃度を検知する信号処理部とを有する光式ガス濃度検知装置において、複数のガス検知部を光ファイバで直列に接続してこれら複数のガス検知部を同時一括監視する１つの監視区間とすると共に、ガス検知部毎に個別の光ファイバを接続し、これら複数のガス検知部の光ファイバ及び監視区間の光ファイバと前記光源部及び信号処理部との間に光の経路を切り替える切替器を設け、この切替器により前記光源部からの光を複数の監視区間に順次供給して前記信号処理部で監視区間毎のガス濃度の変化を監視し、ガス濃度の変化があった場合には、前記切替器により前記光源からの光を当該監視区間中のガス検知部に順次個別に供給して前記信号処理部でガス濃度を検知するものである。

前記ガス検知部の容器に、前記監視区間用の光を導入導出する光入出部と、前記個別用の光を導入導出する光入出部とを設けてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）複数点のガス検知部からなる監視区間を同時一括監視し、ガス濃度の変化のあった監視区間について個別の検知を行うので、多点のガス検知部から早期に異常なガス濃度のガス検知部を探すことができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係るガス濃度検知装置は、大きくは、光源部１、光学系２、信号処理部３から構成されている。

光源部１は、単一波長のレーザ光を発振させる分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）１１と、そのＤＦＢ−ＬＤ１１を搭載して温度を制御するペルチェ素子１２と、そのペルチェ素子１２に電源を供給する電源供給部１３と、周波数ｆの正弦波信号を出力する発振器１４と、この周波数ｆの信号により周波数２ｆの２倍波信号を作成する倍周器１５と、ＤＢＦ−ＬＤ１１にバイアス電流を付加するバイアス電流源１６と、そのバイアス電流源１６の掃引の仕方を決定する三角波掃引器１７と、発振器１４からの正弦波信号をＤＦＢ−ＬＤ１１に供給するためのコンデンサＣと、バイアス電流源１６からのバイアス電流をＤＦＢ−ＬＤ１１に供給するためのインダクタＬとからなる。

光学系２は、多点に配置されたガス検知部４と、複数のガス検知部４を直列に接続している監視区間用光ファイバ５と、ひとつずつのガス検知部４に接続している個別用光ファイバ６と、どのガス検知部４にも接続していない基準光路用光ファイバ７と、これら光ファイバ５，６，７の両端が接続されている切替器８とから構成されている。区間用光ファイバ５により複数のガス検知部４Ａ１，４Ａ２，…，４Ａｎ（ｎは個数を表す）が１つの光路で直列に繋がれて、監視区間Ａが形成されている。同様に、他の複数のガス検知部４と監視区間用光ファイバ５により他の監視区間も形成されているが、ここでは、複数のガス検知部４Ａ１，４Ａ２，…，４Ａｎからなる監視区間Ａ及び複数のガス検知部４Ｚ１，４Ｚ２，…，４Ｚｎからなる監視区間Ｚのみが図示してある。個別用光ファイバ６Ａ１は、ガス検知部４Ａ１のみに光を供給するようになっている。同様に、個別用光ファイバ６Ａ２〜６Ａｎは、それぞれガス検知部４Ａ２〜４Ａｎのみに光を供給するようになっている。他の監視区間においても、複数の個別用光ファイバ６は、それぞれ単独のガス検知部４のみに光を供給するようになっている。切替器８は、いずれかの光ファイバ５，６，７を光源部１と信号処理部３の間に選択的に挿入することで、所望の監視区間又は単独のガス検知部４に光の経路を切り替える機能を有する。監視区間Ａ〜Ｚの監視区間用光ファイバ５が接続されるチャンネルをＡ０〜Ｚ０、ガス検知部４Ａ１，４Ａ２，…，４Ａｎの個別用光ファイバ６Ａ１，６Ａ２，…，６Ａｎが接続されるチャンネルをＡ１〜Ａｎとする。

ガス検知部４は、図２に示されるように、測定対象である未知濃度の種々のガス（メタン等）が充填される容器（ガスセル）２１を有し、任意の場所に容易に設置できるようになっている。この容器２１の片端には光ファイバ５，６の光源側が容器内に光を導入可能に接続されると共に、容器の反対端には光ファイバ５，６の信号処理側が容器内から光を導出可能に接続されている。即ち、本発明では、ガス検知部４の容器２１には、ガス雰囲気中に光路を形成するべく互いに対向する片端と反対端とにおいて監視区間用の光を導入導出する光入出部２２と、同様に個別用の光を導入導出する光入出部２３とが設けられている。

図１に戻り、信号処理部３は、受光器３１と、光源部１の発振器１４からの正弦波信号の周波数ｆに同期して受光器３１の出力の位相敏感検波を行う位相検波器３２と、倍周器１５からの正弦波信号の周波数２ｆに同期して受光器３１の出力の位相敏感検波を行う位相検波器３３と、切替部８における光路切替を制御すると共に両位相検波器３２、３３の出力比を記録、演算してガス濃度を求めるコンピュータ３４とからなる。

以下、本発明に係るガス濃度検知方法を説明する。

電源供給部１３より電源を制御することにより、ペルチェ素子１２の温度を制御してＤＦＢ−ＬＤ１１の温度を一定に固定し、バイアス電流源１６と三角波掃引器１７とにより、バイアス電流を三角波状にして電流の増減の方向が一方向に掃引する。このとき、同時に、発振器１４より正弦波状の交流電流（変調電流）を重畳させる。従って、光源部１からは、波長及び強度の変調されたレーザ光が出射される。

このときコンピュータ３４は、切替器８を制御して、レーザ光を基準光路用光ファイバ７に供給した後、チャンネルをＡ０〜Ｚ０、即ち監視区間Ａ〜Ｚの監視区間用光ファイバ５に順次切り替えて供給する。これにより、いずれのガス雰囲気をも通らない基準光が信号処理部３の受光器３１に受光されると共に、各監視区間毎に当該監視区間内の全てのガス検知部４のガス雰囲気を透過した透過光が受光器３１に順次受光される。この受光信号に基づいた各監視区間のガス濃度がコンピュータ３４により計算される。

通常の場合、即ち、監視区間のガス濃度が前回検知の値や平均値からあまり変化しない場合、或いは予め設定された正常な値からあまり離れた値に変化しない場合、この区間監視のルーチンが繰り返される。

通常でない場合、即ち、監視区間のガス濃度が前回検知の値や平均値から顕著に変化した場合、或いは予め設定された正常な値から顕著に離れた値に変化した場合、コンピュータ３４は、当該変化の見られた監視区間について、個別検知を開始する。例えば、監視区間Ａにおいてガス濃度の変化があったとすると、コンピュータ３４は、切替器８を制御して、レーザ光をチャンネルをＡ１〜Ａｎ、即ち監視区間Ａ内の個別用光ファイバ６Ａ１〜６Ａｎに順次切り替えて供給する。これにより、 ガス検知部４Ａ１，４Ａ２，…，４Ａｎのガス雰囲気を透過した透過光が受光器３１に順次受光される。この受光信号に基づいた各ガス検知部４のガス濃度がコンピュータ３４により計算される。

ガス濃度の計算は次のように行われる。

受光器３１の受光信号のうち、周波数ｆに同期した信号を位相検波器３２で検波し、周波数２ｆに同期した信号を位相検波器３３で検波する。両位相検波器３２、３３の出力比Ｆ（ｆ，２ｆ）をコンピュータ３４で計算する。コンピュータ３４は、基準光路用光ファイバ７を用いて得られた出力比Ｆ₀（ｆ，２ｆ）を基準値として記憶しておき、この基準値と各監視区間或いは個別のガス検知部４における出力比（Ｆ_G（ｆ，２ｆ）；ガス信号という）との差分を計算する。

図３は、横軸に周波数、縦軸に出力比の信号の大きさをとったものである。図示されるように、基準値１０１もガス信号１０２も波長に依存している。図４は、横軸に周波数、縦軸に差分値をとったものである。図示されるように、両者の差分値１０３は、ある波長にピークを有する。このピークは図３では中腹部に位置するものを拡大したものである。このピークの波高値から、予め求めておいた波高値と基準ガス濃度との関係より、ガス濃度が求められる。基準光路用光ファイバ７を通過した光による受光信号の出力比を差分処理に用いることで、光源部１、切替器８、信号処理部３の波長依存性を除去することができ、正確なガス濃度を得ることができる。

以上説明したように、本発明では複数のガス検知部４からなる監視区間を順次監視し、ガス濃度に変化のないときにはその監視を継続し、変化のあったときにはその変化のあった監視区間について個別のガス検知部４のガス濃度を検知するので、多点のガス検知部４全体を個別に順次ガス濃度検知する場合に比べて、変化の起きているガス検知部を早期に探し出すことができる。よって、ガス検知部４に異常が発生すると、その異常なガス検知部４を早期に特定することができる。

本発明の一実施形態を示すガス濃度検知装置の構成図である。 本発明に用いるガス検知部の構成図である。 レーザ光の波長に対する受光信号の大きさの特性図である。 レーザ光の波長に対する差分値の大きさの特性図である。

符号の説明

１ 光源部
２ 光学系
３ 信号処理部
４ ガス検知部
５ 監視区間用光ファイバ
６ 個別用光ファイバ
２１ 容器
２２ 監視区間用の光入出部
２３ 個別用の光入出部

Claims (3)

1. 測定対象とするガス雰囲気が存在するガス検知部に光を通して透過光を受光し、受光信号からガス濃度を検知する光式ガス濃度検知方法において、複数のガス検知部を１つの光路で直列に繋いでこれら複数のガス検知部を同時一括監視する１つの監視区間とすると共に、ガス検知部個別に光を通してガス濃度を検知できるようにしておき、複数の監視区間に順次光を供給して監視区間毎のガス濃度の変化を監視し、ガス濃度の変化があった場合には、当該監視区間中のガス検知部に順次個別に光を供給してガス濃度を検知することを特徴とする多点光路切替式ガス濃度検知方法。
2. 測定対象とするガス雰囲気が容器に充填されたガス検知部と、このガス検知部に透過させる光を発生する光源部と、前記ガス検知部を通した透過光を受光して受光信号からガス濃度を検知する信号処理部とを有する光式ガス濃度検知装置において、複数のガス検知部を光ファイバで直列に接続してこれら複数のガス検知部を同時一括監視する１つの監視区間とすると共に、ガス検知部毎に個別の光ファイバを接続し、これら複数のガス検知部の光ファイバ及び監視区間の光ファイバと前記光源部及び信号処理部との間に光の経路を切り替える切替器を設け、この切替器により前記光源部からの光を複数の監視区間に順次供給して前記信号処理部で監視区間毎のガス濃度の変化を監視し、ガス濃度の変化があった場合には、前記切替器により前記光源からの光を当該監視区間中のガス検知部に順次個別に供給して前記信号処理部でガス濃度を検知することを特徴とする多点光路切替式ガス濃度検知装置。
3. 前記ガス検知部の容器に、前記監視区間用の光を導入導出する光入出部と、前記個別用の光を導入導出する光入出部とを設けたことを特徴とする請求項２記載の多点光路切替式ガス濃度検知装置。

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