JP4135670B2 - 光式ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、光式ガスセンサに関するものである。

従来ガスを検知するためのセンサとして、半導体式、接触燃焼式などの電気式センサが使用されている。半導体式では金属酸化物半導体表面にガスが吸着すると、熱伝導及び電気伝導の変化が生じ、その変化を白金線コイルの両端からみた抵抗値変化で計測し、また、接触燃焼式では触媒表面でのガスの接触燃焼による白金線コイルの温度上昇を計測し、ガス濃度を測定する。

半導体式、接触燃焼式などの電気式センサの場合、予めセンサを加熱しておく必要があり、水素ガスのように可燃性ガスを扱う上では防爆対策が必要である。

そこで、光を応用したセンサがある。この光式センサは、ガスと接触して着色または透過光、反射光の変化を生じる検出素子に、光源からの光を検出素子に照射し、受光器にてその透過光或いは反射光量の光強度変化を計測するものである。

特開平１０−１００４８号公報 特開平５−５７０２号公報

しかしながら光式センサは、光強度変化を計測するため、レーザダイオードの劣化や振動、衝撃などにより、計測対象とするガスを正確に測定できなくなる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、光学的にガスの濃度を計測する手段において、レーザダイオードの劣化や振動、衝撃などの影響を受けず、正確にガスの濃度を検出する光式ガスセンサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、第１の発明は、駆動電流に応じた波長及び強度のレーザ光を発振するレーザ光源を用い、所定電流を中心とした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前記レーザ光源から発振させ、その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光の強度を検出し、この検出した信号中の特定周波数成分を位相敏感検波して得られる信号からガスの濃度などを検出する光式ガスセンサにおいて、前記ガス雰囲気中に設置されガス検出を行うためのセンサヘッドに、少なくとも、合金からなる弾性を有する合金板と、該合金板に隣接して設けられ測定対象のガスと反応する触媒金属からなる触媒金属板と、から構成される測定素子を設け、該測定素子は、測定対象のガスと反応する状態では前記触媒金属の反応により変形する一方、測定対象のガスと反応しない状態では前記合金板が有する弾性により元の形に戻りやすい素子であり、その測定素子からの光をモニタ受光器にて受光し、該モニタ受光器から出力される電気信号のうち光の特定周波数成分を位相敏感検波する計測部を備えた光式ガスセンサである。

第２の発明は、上記合金が、りん青銅であるものである。

第３の発明は、上記触媒金属がＰｄとＰｔの少なくともいずれか一方を含むものである。

第４の発明は、上記測定素子が、上記触媒金属板に隣接して形成されるフッ素樹脂膜を備えているものである。

本発明によれば、光学的にガスの濃度を計測する手段において、レーザダイオードの劣化や振動、衝撃などの影響を受けず、正確にガスの濃度を検出する光式ガスセンサを得られる。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適実施の形態である光式ガスセンサを示す構成図である。

図１に示したように光式ガスセンサ１は、測定対象であるガス雰囲気中に設置されるガス検出部としてのセンサヘッド８と、後述するレーザモジュール２１ｍからレーザ光を発振してセンサヘッド８で反射したレーザ光を検波・処理して変化を検出する計測部１１とを備えて構成され、計測部１１とセンサヘッド８とはレーザ光を導く光ファイバ７ａで接続されている。

センサヘッド８は、例えば箱状若しくは円筒状などからなる筐体の側壁面に測定対象である未知濃度の種々のガスが導入されるように孔やスリットが設けられ、筐体の内壁面で形成された空間８ｖにガスが導入されるものであり、検出対象であるガス雰囲気の所望の位置に容易に設置することができるような形状、大きさとなっており、筐体の一端に設けられ接続された光ファイバ７ａにより伝搬されたレーザ光を空間８ｖを介して測定素子１０に送出するためのレンズ９と、筐体の他端にレンズ９に対向して設けられ測定対象であるガスに反応して変位する測定素子１０とを備えて構成される。

計測部１１は、レーザ光を発光するレーザダイオード２１ｓ及びセンサヘッド８で反射したレーザ光を受光するためにフォトダイオードなどで形成されるモニタ受光器２とで構成されるレーザモジュール２１ｍと、反射したレーザ光の信号中の特定周波数成分を位相敏感検波する位相検波器３と、位相敏感検波した信号を処理するための信号処理部６と、レーザダイオード２１ｓに駆動電流を供給するためのバイアス電流源４と、周波数ｆの正弦波信号を出力する発振器５と、発振器５の出力による影響を防ぐためのインダクタンスＬと、発振器５の出力による影響を防ぐためのキャパシタＣとを備えて構成される。

レーザダイオード２１ｓの入出力端子は光ファイバ７ａの一端に接続され、光ファイバ７ａの他端はセンサヘッド８に接続されている。レーザダイオード２１ｓの電源端子はキャパシタＣの一端及びインダクタンスＬの一端に接続され、レーザダイオード２１ｓの反射光出力端子はモニタ受光器２に接続されている。

インダクタンスＬの他端はバイアス電流源４に接続され、キャパシタＣの他端は発振器５の一端に接続され、発振器５の他端は位相検波器３に接続され、位相検波器３の位相検波出力端子は信号処理部６に接続されている。

光学系は、レーザ光をセンサヘッド８まで導く光ファイバ７ａと、そのレーザ光を測定素子１０まで空間伝搬させるためのレンズ９と、ガスと反応し変位する測定素子１０とから構成される。

レーザダイオード２１ｓは、駆動電流に応じた波長及び強度のレーザ光を発振し、バイアス電流源４から供給される所定電流を中心とした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出力するレーザ光源である。

図２に示すように測定素子１０は、レーザ光が入射される一方の面にアルミニウムなどの金属で鏡面が形成された鏡面金属板１２と、その鏡面金属板１２の他面に隣接して設けられガスと反応するＰｄやＰｔなどの触媒金属からなる触媒金属板１４とが密着した層をなして形成される。

以下に、光式ガスセンサ１のガス検出について説明する。

レーザダイオード２１ｓの温度を図示しないペルチェ素子などにより一定に固定する。レーザダイオード２１ｓは、インダクタンスＬを介してバイアス電流源４から駆動電流の供給を受けて、発振器５によりキャパシタＣを介してレーザダイオード２１ｓに正弦波状の交流電流（変調電流）を重畳させることで、レーザ光を変調して出力する。

レーザダイオード２１ｓの温度がペルチェ素子により一定に保たれているためこの波長及び強度が変調されたレーザ光は、安定した周波数、強度を有した発振出力となっており、光ファイバ７ａに入射しセンサヘッド８まで導かれる。光ファイバ７ａからレンズ９を介してセンサヘッド８内に入射されたレーザ光は、空間８ｖを伝搬して測定素子１０で反射され、戻り光は、光ファイバ７ａを再び通ってレーザダイオード２１ｓの入出力端子に入射され、反射光出力端子からモニタ受光器２に導かれる。

このレーザ光が測定素子１０で反射されるときに、空間８ｖ内に測定対象のガスが導入されていると、このガスと触媒金属とが反応してこの触媒反応により測定素子１０が変形し、この測定素子１０の変形によりレーザ光の反射光量が変化する。

モニタ受光器２は、この反射したレーザ光を受光して反射光量に対応した電気信号（変化信号）を出力する。位相検波器３は、この電気信号のうち発振器５からの正弦波信号の周波数ｆに同期した信号を位相検波器３で位相敏感検波して、この検波結果を信号処理部６に伝送する。

位相検波器３で行う位相敏感検波では、反射レーザ光をモニタ受光器２で受光することで、受光した信号の強度、位相などに対応して出力した電気信号の中から特定周波数成分（周波数ｆ）及び位相を有する一次微分信号を抽出する。

この一次微分信号を基に、レーザダイオード２１ｓの近傍に設けられた図示しないペルチェ素子に印加する電流、電圧を制御してレーザダイオード２１ｓの温度を一定に保つことができる。

信号処理部６では、この位相検波器３で位相敏感検波して得られた一次微分信号の変化からガスの有無の検知判定を行い、ガス濃度を算出する。

このようにしてガスの濃度やガスの有無を検出可能な光式ガスセンサ１は、従来のガスセンサのように予めセンサを加熱しておく必要がなく、水素ガスのように可燃性ガスを扱う上でも防爆対策が不要な取り扱いの容易なものとなっている。

また、位相敏感検波は微小信号の検出を精度高く行うことができ、従来の測定におけるレーザダイオードの劣化や振動・衝撃の影響を受けることもない。

また、このような構成のセンサヘッド８を使用することにより、レーザダイオード２１ｓの劣化や衝撃振動の影響を受けないで周波数ｆに同期した信号を検出ができるため、安定して正確なガス濃度の測定ができ、ガスの有無を判定できる。

なお、この測定素子１０の代わりに、次に説明する測定素子２０、３０をセンサヘッド８に設けて用いても同様の効果を得られる。

図３に示すように測定素子２０は、レーザ光が入射される一方の面にアルミニウムなどの金属で鏡面が形成された鏡面金属板１２と、その鏡面金属板１２の他面に隣接して設けられ弾性が強いりん青銅などの合金からなる合金板１３と、この合金板１３に更に隣接して設けられガスと反応するＰｄやＰｔなどの触媒金属からなる触媒金属板１４とから構成される。この測定素子２０は、合金板１３の有する弾性のため、触媒金属板１４が測定対象のガスと反応しない状態では測定素子２０が元の形に戻りやすい素子となっている。

また図４に示すように測定素子３０は、レーザ光が入射される一方の面にアルミニウムなどの金属で鏡面が形成された鏡面金属板１２と、その鏡面金属板１２の他面に隣接して設けられ弾性が強いりん青銅などの合金からなる合金板１３と、この合金板１３に更に隣接しガスと反応するＰｄやＰｔなどの触媒金属とＭｏＯ₃やＷＯ₃などの酸化物とからなる積層板１４ａと、更に隣接して形成されるＰＦＡ（Perfluoro alkoxyl alkane：パーフルオロアルコキシアルカン）、ＰＴＦＥ（Polytetra fluoro ethylene：４フッ化エチレン）などのフッ素樹脂膜１５とから構成される。例えば、積層板１４ａのＰｄの厚さを５ｎｍ〜１５ｎｍ程度とし、ＷＯ₃の厚さを１５０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度として、測定対象であるガスの種類や測定濃度範囲を考慮して適宜この範囲で厚さを設定するとよい。この測定素子３０は、フッ素樹脂膜１５を配置することで測定対象のガス雰囲気に水分のある環境下でも使用可能な測定素子となっている。

図５に、第２の実施の形態である光式ガスセンサ４０を示す。

図５に示したように光式ガスセンサ４０は、図１と同じ回路構成からなる計測部１１と、センサヘッド２８とから構成され、計測部１１とセンサヘッド２８とが光ファイバ７ａで互いに接続されている。

この光式ガスセンサ４０が図１の光式ガスセンサ１と異なる点は、センサヘッドが反射型のものから透過型のガス検出部に代わり、センサヘッド２８の他端には光ファイバ７ｂが接続され、片端の光ファイバ７ｂの端面に反射膜（若しくは、反射板）１７を設けたことである。

センサヘッド２８は、例えば箱状若しくは円筒状などからなる筐体の側壁面に測定対象である未知濃度の種々のガスが導入されるように孔やスリットが設けられ、筐体の内側に形成された空間にガスが導入されるものであり、筐体の空間のほぼ中央に設けられ測定対象であるガスに反応して変位する測定素子５０と、筐体の両端に設けられたレンズ９、９とから構成される。

反射膜１７は、例えば光ファイバ７ｂの端面にアルミニウムなどの金属を蒸着して形成される。

図６に示すように測定素子５０は、ガラスなどで形成された透明板１６と、その透明板１６に隣接し一面に層をなしガスと反応するＰｄやＰｔなどの触媒金属からなる触媒金属板１４とから構成される。

以下に、この光式ガスセンサ４０のガス検出について説明する。

計測部１１のレーザダイオード２１ｓで変調・発光されたレーザ光は、光ファイバ７ａに入射しセンサヘッド２８に導かれる。光ファイバ７ａからレンズ９を介してセンサヘッド２８内に入射されたレーザ光は、センサヘッド２８に設けられた空間を通り、センサヘッド２８内にある測定素子５０を透過して空間を通り、他端にあるレンズ９を介して光ファイバ７ｂを通って、反射膜１７まで到達し反射する。反射したレーザ光は光ファイバ７ｂ、レンズ９、空間、測定素子５０、空間、レンズ９、光ファイバ７ａ、レーザダイオード２１ｓの順に逆に辿り、モニタ受光器２に導かれる。

このレーザ光が測定素子５０に透過されるときに、センサヘッド２８内にガスが導入されていると、このガスと触媒金属板１４の触媒金属とが反応して測定素子５０が変形し、この測定素子５０の変形により、レーザ光の透過光量が変化する。

この測定素子５０を透過したレーザ光はモニタ受光器２で受光され、計測部１１で図１
と同様に位相敏感検波が行われて、ガスの有無の検知判定、ガス濃度の算出が行われ、光式ガスセンサ１と同様の効果が得られる。

このとき、このセンサヘッド２８に設けられる測定素子５０の代わりに、図７、図８
に示す測定素子６０、７０を用いてもよい。

図７に示すように測定素子６０は、ガラスなどで形成された透明板１６と、その透明板１６に隣接しガスと反応するＰｄやＰｔなどの触媒金属とＭｏＯ₃やＷＯ₃などの酸化物とからなる積層板１４ａとが層をなして構成される。

また図８に示すように測定素子７０は、ガラスなどで形成された透明板１６と、その透明板１６に隣接しガスと反応するＰｄやＰｔなどの触媒金属とＭｏＯ₃やＷＯ₃などの酸化物とからなる積層板１４ａと、ＰＦＡ、ＰＴＦＥなどの透明なフッ素樹脂膜１５ａとが層をなして構成される。この測定素子７０は、フッ素樹脂膜１５ａが形成されることで測定対象のガス雰囲気に水分のある環境下でも使用可能な測定素子となっている。

図９に、第３の実施の形態である光式ガスセンサ９０について説明する。

図示したように光式ガスセンサ９０は、測定対象であるガス雰囲気中に設置されるセンサヘッド２８と、レーザ光を出力してセンサヘッド２８を透過したレーザ光を検波・処理し変化を検出する計測部３１とから構成され、計測部３１とセンサヘッド２８とはレーザ光を導く光ファイバ７ｃ、７ｄで接続されている。

計測部３１が図１、２の計測部１１と異なる点は、レーザダイオード２１ａと、モニタ受光器２が分離して設けられていることである。

レーザダイオード２１ａの出力端子には、光ファイバ７ｃの一端が接続され、光ファイバ７ｃの他端にはセンサヘッド２８の一端が接続され、センサヘッド２８の他端には光ファイバ７ｄの一端が接続され、光ファイバ７ｄの他端はモニタ受光器２の入力端子に接続されている。

センサヘッド２８は、図５で既に説明したセンサヘッドと同じ透過型のものを用いるとよい。

以下に、この光式ガスセンサ９０のガス検出について説明する。

計測部３１のレーザダイオード２１ａで変調・発光されたレーザ光は、光ファイバ７ｃ、センサヘッド２８、光ファイバ７ｄ、モニタ受光器２の順に一方向に伝送される。

このレーザ光の伝送の際、センサヘッド２８内において導入されたガスと積層板１４ａの触媒金属とが反応して測定素子５０が変形し、この測定素子５０の変形により、レーザ光の透過光量が変化する。

このレーザ光の透過光量の変化はモニタ受光器２で受光され、計測部１１と同様の位相敏感検波が行われて、測定対象であるガスの有無の検知判定、ガス濃度の算出が行われ、光式ガスセンサ１、４０と同様の効果が得られる。

以上の説明は、測定素子が変形して反射若しくは透過するレーザ光の変化を検出する場合について行ったが、ガス検出部としてのセンサヘッドに、ガスに反応し色が変化する測定素子が設けられ、この測定素子を反射若しくは透過するレーザ光の変化を位相敏感検波により検出することでも同様にガス濃度の検出が可能である。

本発明の好適実施の形態である光式ガスセンサを示す構成図である。 反射型の測定素子の一例を示す構造図である。 反射型の測定素子の一例を示す構造図である。 反射型の測定素子の一例を示す構造図である。 本発明の第２の実施の形態である光式ガスセンサを示す構成図である。 透過型の測定素子の一例を示す構造図である。 透過型の測定素子の一例を示す構造図である。 透過型の測定素子の一例を示す構造図である。 本発明の第３の形態である光式ガスセンサを示す構成図である。

符号の説明

１ 光式ガスセンサ
２ モニタ受光器
３ 位相検波器
４ バイアス電流源
５ 発振器
６ 信号処理部
７ａ〜７ｄ 光ファイバ
８ センサヘッド
８ｖ 空間
９ レンズ
１０ 測定素子
１１ 計測部
２１ａ レーザダイオード（レーザ光源）
２１ｓ レーザダイオード（レーザ光源）
２１ｍ レーザモジュール
Ｃ キャパシタ
Ｌ インダクタンス

Claims (4)

1. 駆動電流に応じた波長及び強度のレーザ光を発振するレーザ光源を用い、所定電流を中心とした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前記レーザ光源から発振させ、その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光の強度を検出し、この検出した信号中の特定周波数成分を位相敏感検波して得られる信号からガスの濃度などを検出する光式ガスセンサにおいて、
   前記ガス雰囲気中に設置されガス検出を行うためのセンサヘッドに、
   少なくとも、合金からなる弾性を有する合金板と、該合金板に隣接して設けられ測定対象のガスと反応する触媒金属からなる触媒金属板と、から構成される測定素子を設け、
   該測定素子は、測定対象のガスと反応する状態では前記触媒金属の反応により変形する一方、測定対象のガスと反応しない状態では前記合金板が有する弾性により元の形に戻りやすい素子であり、
   その測定素子からの光をモニタ受光器にて受光し、該モニタ受光器から出力される電気信号のうち光の特定周波数成分を位相敏感検波する計測部を備えたことを特徴とする光式ガスセンサ。
2. 上記合金は、りん青銅である請求項１記載の光式ガスセンサ。
3. 上記触媒金属はＰｄとＰｔの少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする請求項１記載の光式ガスセンサ。
4. 上記測定素子が、上記触媒金属板に隣接して形成されるフッ素樹脂膜を備えていることを特徴とする請求項１記載の光式ガスセンサ。

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