JP4151529B2 - トンネル内の特定ガス濃度測定装置およびトンネル内の排気方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車道路等のトンネル内の特定ガス濃度測定装置およびトンネル内の排気方法に関する。

トンネル内で発生した一酸化炭素（ＣＯ）ガスや粉塵等をトンネル外に排気するため、トンネル内には排風機やジェットファンなどの排気手段が設けられている。そして、この排気手段の運転を制御するため、ＣＯガスの濃度測定装置および煙霧透過率（ＶＩ値）測定装置が設けられている。そのＣＯガス濃度測定装置として、一般に赤外線分光計が採用されている。この赤外線分光計は、まずトンネル内の空気をサンプリングし、その空気に対してＣＯガスによる吸収波長の赤外線を照射する。すると、その空気に含まれるＣＯガスが、照射された赤外線を吸収することにより、発熱して膨張する。そこで、膨張によるガスの流量や圧力等を測定することにより、トンネル内の特定ガスの濃度を算出している。そして、この濃度測定装置によって算出されたＣＯガスの濃度に基づいて、排気手段の運転が制御されている。また煙霧透過率測定装置（ＶＩ計）は、トンネル内における光の減光量から透過率を測定し、空気の汚濁度を計測している。
特開平８−２７７７００号公報

しかしながら、上述した赤外線分光計およびＶＩ計を別個に設けているので、装置自体の費用のほかにも、装置の設置や保守、点検などに多くの費用を必要とするという問題がある。
また赤外線分光計では、空気の発熱や膨張、サンプリング時間等を利用して濃度を算出するため、トンネル内の空気をサンプリングしてから濃度を算出するまでの時間遅れが大きいという問題がある。この場合、トンネル内のＣＯガスが所定濃度に達してから、排気手段の運転を開始あるいは制御するまでの時間遅れが大きくなり、トンネル内のＣＯガスが高濃度に達するおそれがある。また赤外線分光計では、サンプリング地点における点計測となるため、トンネル内の平均的な濃度評価が困難であるという問題がある。特に、交通量の増減等による濃度分布が存在する場合には、サンプリング地点におけるＣＯガス濃度が低くても、他の地点におけるＣＯガス濃度が高くなっているおそれがある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、特定ガス濃度に加えて煙霧透過率の測定が可能であり、また特定ガスの平均的な濃度を迅速に測定することが可能な、トンネル内の特定ガス濃度測定装置の提供を目的とする。また、その特定ガス濃度測定装置を使用したトンネル内の排気方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の特定ガス濃度測定装置は、少なくとも特定ガスによる吸収波長のレーザ光を発振可能な半導体レーザと、前記半導体レーザにより発振される前記レーザ光を、前記特定ガスによる吸収波長を中心に波長変調するレーザ制御部と、前記半導体レーザにより発振されたレーザ光をトンネル内で照射するレーザ照射手段と、前記レーザ照射手段から照射された前記レーザ光を前記トンネル内で受光する第１レーザ受光手段と、前記第１レーザ受光手段により受光された前記レーザ光の強度に相当する信号から、前記レーザ光の変調周波数の基本波成分を位相敏感検波して前記トンネル内における煙霧透過率を算出するとともに、前記レーザ光の変調周波数の基本波成分および２倍波成分を位相敏感検波して前記トンネル内における前記特定ガスの濃度を算出するデータ処理部と、を有する構成を採用する。この発明では、特定ガス濃度に加えて煙霧透過率の測定が可能である。また、サンプリングによる時間遅れがなく、特定ガス濃度の迅速な測定が可能である。また、レーザ照射手段と第１レーザ受光手段との距離を適当に設定することにより、所定区間における平均的な特定ガス濃度および煙霧透過率の測定が可能である。

また、前記レーザ照射手段および前記第１レーザ受光手段は、前記トンネルの長手方向に沿って対向配置されている構成を採用する。この発明では、レーザ照射手段と第１レーザ受光手段との距離を自在に設定することが可能になり、所定区間における平均的な特定ガス濃度および煙霧透過率の測定が可能である。

また、前記レーザ照射手段から照射されたレーザ光を前記第１レーザ受光手段に向かって折返し反射する反射手段を有し、前記レーザ照射手段および前記第１レーザ受光手段と前記反射手段とが前記トンネルの長手方向に沿って対向配置されている構成を採用する。この発明では、レーザ照射手段と第１レーザ受光手段との距離を相当程度に長く設定することが可能になり、所定区間における平均的な特定ガス濃度および煙霧透過率の測定が可能である。

また、前記レーザ照射手段と前記第１レーザ受光手段との光軸上に配置され、前記レーザ照射手段から照射されたレーザ光の一部を前記光軸から分岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐された前記レーザ光を前記トンネル内で受光する第２レーザ受光手段とを有し、前記データ処理部は、前記第１レーザ受光手段により受光されたレーザ光の強度に相当する信号から前記煙霧透過率または前記特定ガス濃度のいずれか一方を算出するとともに、前記第２レーザ受光手段により受光されたレーザ光の強度に相当する信号から前記煙霧透過率または前記特定ガス濃度のいずれか他方を算出する構成を採用する。この発明では、特定ガス濃度を測定するためのレーザ光の光路長と、煙霧透過率を測定するためのレーザ光の光路長とを、それぞれ独立して設定することができるので、特定ガス濃度および煙霧透過率を正確に測定することが可能である。

また、前記レーザ照射手段および／または前記第１レーザ受光手段が、前記レーザ光の透過窓を有する筺体内部に収容されるとともに、前記透過窓に付着した粉塵により散乱された前記レーザ光を検出するセンサが設けられている構成を採用する。この発明では、センサが散乱光を受光することにより、透過窓に付着した粉塵を検出することができる。この粉塵を除去することにより、特定ガス濃度の測定精度の低下を防止することができる。また散乱光の強度により、レーザの透過率を補正することができる。

また、前記トンネルの長手方向中央部付近に形成された排気口を挟んで前記トンネルの長手方向両側に、少なくとも１組ずつの前記レーザ照射手段および前記第１レーザ受光手段が設置されている構成を採用する。この発明では、トンネルの中央部に滞留する特定ガス濃度を測定することが可能である。また排気手段が運転されている場合、トンネルの中央部に配置される排気口両側の特定ガス濃度が最大となる地点における濃度を測定することが可能である。

また、前記半導体レーザから延設された主たる出射光ファイバに、複数の測定地点に対応した光スイッチが順次配設され、前記各光スイッチにより分岐された従たる出射光ファイバが、それぞれ前記各測定地点に配置された前記レーザ照射手段に接続され、前記データ処理部から延設された主たる入射光ファイバから、複数の従たる入射光ファイバが分岐されて、それぞれ前記各測定地点に配置された前記第１レーザ受光手段に接続されている構成を採用する。この発明では、１個の半導体レーザおよびデータ処理部を用いて複数の地点で測定を行うことが可能である。また、最小限の光スイッチの切り替えにより、簡単に測定を行うことが可能である。

また、前記半導体レーザから光アイソレータを介して延設された主たる出射光ファイバと、前記データ処理部から延設された主たる入射光ファイバとが、主たる出入射光分岐器に接続され、前記主たる出入射光分岐器から延設された主たる出入射光ファイバに、複数の測定地点に対応した光スイッチが順次配設され、前記各光スイッチにより分岐された従たる出入射光ファイバが、従たる出入射光分岐器を介することにより、一方は前記各測定地点の前記レーザ照射手段に接続されるとともに、他方は光アイソレータを介して前記各測定地点の前記第１レーザ受光手段に接続されている構成を採用する。この発明では、１本の主たる出入射光ファイバにより複数の測定地点を直列接続したので、特定ガス濃度測定装置の設置コストを低減することができる。

また、前記半導体レーザから光アイソレータを介して延設された主たる出射光ファイバと、前記データ処理部から延設された主たる入射光ファイバとが、主たる出入射光分岐器に接続され、前記主たる出入射光分岐器から延設された主たる出入射光ファイバに多チャンネル光スイッチが接続され、前記多チャンネル光スイッチの各チャンネルから延設された従たる出入射光ファイバが、従たる出入射光分岐器を介することにより、一方は複数の測定地点に配置された前記レーザ照射手段に接続されるとともに、他方は光アイソレータを介して前記各測定地点の前記第１レーザ受光手段に接続されている構成を採用する。この発明では、多チャンネル光スイッチにより複数の測定地点を並列接続したので、一の測定地点において光ファイバが断線しても、他の測定地点では測定を行うことができる。したがって、信頼性の高い特定ガス濃度測定装置を提供することができる。

また、前記半導体レーザから延設された主たる出射光ファイバから、複数の従たる出射光ファイバが分岐されて、それぞれ複数の測定地点に配置された前記レーザ照射手段に接続されるとともに、前記データ処理部から延設された主たる入射光ファイバから、複数の従たる入射光ファイバが分岐されて、それぞれ前記各測定地点に配置された前記第１レーザ受光手段に接続され、前記各測定地点に配置された前記レーザ照射手段と前記第１レーザ受光手段との光軸上に、前記レーザ照射手段から照射されたレーザ光の透過および遮断を切り替え可能なシャッタが設けられている構成を採用する。この発明では、光スイッチの代わりにシャッタを用いて測定地点の切り替えを行うので、特定ガス濃度測定装置の耐久性を向上させることができる。また、最小限のシャッタの切り替えにより、簡単に測定を行うことが可能である。

また、前記半導体レーザから光アイソレータを介して延設された主たる出射光ファイバと、前記データ処理部から延設された主たる入射光ファイバとが、主たる出入射光分岐器に接続され、前記主たる出入射光分岐器から延設された主たる出入射光ファイバに多チャンネル光分岐器が接続され、前記多チャンネル光分岐器の各チャンネルから延設された従たる出入射光ファイバが、従たる出入射光分岐器を介することにより、一方は複数の測定地点に配置された前記レーザ照射手段に接続されるとともに、他方は光アイソレータを介して前記各測定地点の前記第１レーザ受光手段に接続され、前記各測定地点に配置された前記レーザ照射手段と前記第１レーザ受光手段との光軸上に、前記レーザ照射手段から照射されたレーザ光の透過および遮断を切り替え可能なシャッタが設けられている構成を採用する。この発明では、光スイッチの代わりにシャッタを用いて測定地点の切り替えを行うので、特定ガス濃度測定装置の耐久性を向上させることができる。

また、前記半導体レーザから延設された主たる出射光ファイバに、複数の測定地点に対応した光分岐器が順次配設され、前記各光分岐器により分岐された従たる出射光ファイバが、それぞれ前記各測定地点に配置された前記レーザ照射手段に接続され、前記各測定地点に配置された前記第１レーザ受光手段は光検出器を備え、前記各光検出器から延設された電気配線がそれぞれ前記データ処理部に接続されている構成を採用する。この発明では、複数の測定地点において特定ガス濃度を同時に計測することができるので、特定ガス濃度の迅速な測定が可能である。

一方、本発明のトンネル内の排気方法は、上述したトンネル内の特定ガス濃度測定装置による前記トンネル内における前記特定ガス濃度および前記煙霧透過率の測定結果に基づいて、前記トンネル内に設置された排気手段の運転を制御する構成を採用する。この発明では、トンネル内の平均的な特定ガス濃度および煙霧透過率の測定結果に基づいて、迅速にトンネル内を排気することができる。

本発明のトンネル内の特定ガス濃度測定装置は、レーザ吸収法を利用するので、特定ガス濃度に加えて煙霧透過率の測定が可能である。また、サンプリングによる時間遅れがなく、特定ガス濃度の迅速な測定が可能である。また、レーザ照射手段とレーザ受光手段との距離を適当に設定することにより、所定区間における平均的な特定ガス濃度の測定が可能である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態にかかる特定ガス濃度測定装置のブロック図である。本実施形態にかかる特定ガスの濃度測定装置５は、特定ガスによる吸収波長近傍のレーザ光を発振する半導体レーザ１０と、レーザ光を波長変調するレーザ制御部２０と、変調したレーザ光をトンネル内で照射するレーザ照射手段３０と、レーザ光をトンネル内で受光する第１レーザ受光手段４０と、受光したレーザ光の強度を電気信号に変換して位相敏感検波することによりトンネル内における特定ガス濃度および煙霧透過率を算出するデータ処理部５０と、を有するものである。

図１に示すように、制御盤８の内部には、半導体レーザ１０およびレーザ制御部２０が設けられている。半導体レーザ１０は、少なくとも濃度を測定すべき特定ガスによる吸収率が最大となる波長のレーザ光を発振しうるものであり、例えばＣＯガスの濃度測定を行う場合には、波長１．５６７μｍおよびその周辺波長のレーザ光を発振しうるものが採用されている。一方のレーザ制御部２０には、半導体レーザの電源２２の他に、外部変調器２６が設けられている。この外部変調器２６は、電源２２から半導体レーザ１０に供給される駆動電流を変調して、半導体レーザが発振するレーザ光の波長を変調するものである。これにより半導体レーザ１０は、特定ガスによる吸収波長を中心に一定の周期と振幅で波長が変化するレーザ光を発振しうるようになっている。また、レーザ制御部２０には温度制御器２４が設けられている。この温度制御器２４は、ペルチェ素子（不図示）等の半導体レーザ１０を冷却する機構の駆動電流を制御して半導体レーザ１０を所定温度に保持し、半導体レーザ１０が発振するレーザ光の波長を安定化させるものである。そして、半導体レーザ１０から制御盤８の外部に出射光ファイバ６２が延設されている。

制御盤８から延設された出射光ファイバ６２は、レーザ照射手段（以下、照射手段と呼ぶ）３０に接続されている。この照射手段３０は、半導体レーザが発振したレーザ光をトンネル内で照射するものである。また、照射手段３０に対向して、第１レーザ受光手段（以下、受光手段と呼ぶ）４０が配置されている。受光手段４０は、照射手段３０から照射されてトンネル内の空気を透過したレーザ光をトンネル内で受光するものである。照射手段３０および受光手段４０は、特定ガス濃度および煙霧透過率の測定を行うべきトンネルの長手方向に沿って対向配置されている。これにより、照射手段３０と受光手段４０との距離を自在に設定することが可能になり、特定ガス濃度および煙霧透過率の測定を行う場所的範囲を自在に設定することができる。また照射手段３０および受光手段４０は、トンネルの側道の天井部分に設置するのが望ましい。これにより、トンネル内の交通を妨げることなく照射手段３０および受光手段４０のアライメント調整を行うことができる。

図２は、レーザ照射手段の側面断面図である。照射手段３０は、出射光ファイバからレーザ光を出射する出射端子３２と、レーザ光を平行光に変換するレンズ３４と、両者を収容する筐体３８と、筐体３８外にレーザ光を取り出す透過窓３６と、レーザ出射口のガイド３９とで構成されている。なお受光手段も同様に、レーザ光を入射光ファイバに入射する入射端子と、レーザ光を集光するレンズと、両者を収容する筐体と、筐体内にレーザ光を取り入れる透過窓と、レーザ入射口のガイドとで構成されている。ところで、照射手段３０は粉塵の多い環境下に設置されるため、透過窓３６の表面に粉塵３７が付着する場合がある。この場合、出射端子３２から照射されたレーザ光が粉塵３７により散乱されて、レーザ光の一部が光軸から外れることになり、特定ガス濃度や煙霧透過率の測定精度が低下するおそれがある。そこで、レーザ光の光軸から外れた位置に、上述した散乱光の集光レンズ３５および受光センサ３３を設けることが望ましい。なお、集光レンズ３５および受光センサ３３は筐体３８の内部に配置することができる。そして、この受光センサ３３が上述した散乱光を受光し、その信号強度が設定したしきい値以上に達した場合に、透過窓３６に付着した粉塵３７を除去すればよい。また設定したしきい値以下の場合には、その信号強度によりレーザ透過率を補正する。これにより、特定ガス濃度や煙霧透過率の測定精度の低下を防止することができる。なお、受光手段にも同様の集光レンズおよび受光センサを設けることが望ましい。

なお上述した照射手段３０および受光手段４０に代えて、図１に示すように、照射手段３１と受光手段４１とを隣接配置してもよい。この場合には、照射手段３１から照射されたレーザ光を受光手段４１に向かって折返し反射する反射手段２９を設ける。そして、隣接配置した照射手段３１および受光手段４１と、上述した反射手段２９とを、トンネルの長手方向に沿って対向配置する。これにより、照射手段３１および受光手段４１を１個の筐体の内部に収容することが可能になり、上述した散乱光の受光センサを共用化することができるので、製造コストを低減することができる。さらに、トンネル内に照射されるレーザ光の光路長を長く設定することが可能になり、トンネル内の平均的な特定ガス濃度および煙霧透過率を求めることができる。逆に光路長を短く設定した場合には、トンネル内に特定ガス濃度や煙霧の分布が存在する場合でも、特定地点での特定ガス濃度および煙霧透過率を正確に求めることができる。

そして図１に示すように、受光手段４０から入射光ファイバ６８が延設され、制御盤８のデータ処理部５０に接続されている。このデータ処理部５０は、受光手段４０により受光されたレーザ光の強度に相当する信号を解析して、トンネル内の特定ガス濃度および煙霧透過率を算出するものである。データ処理部５０には、フォトダイオード等の光検出器５３が設けられている。この光検出器５３は、受光手段４０により受光されたレーザ光の強度を電気信号に変換するものである。なお受光手段４０において、入射端子４２の代わりに、光検出器を配置してもよい。これにより、受光されたレーザ光の強度を電気信号に変換してからデータ処理部５０に伝送することが可能になり、入射光ファイバ６８が不要となって製造コストを低減することができる。データ処理部５０には、第１ロックインアンプ（以下、第１アンプと呼ぶ）５２および第２ロックインアンプ（以下、第２アンプと呼ぶ）５４が設けられている。この第１アンプ５２は、受光手段４０が受光し光検出器５３で電気信号に変換されたレーザ光強度に相当する信号から、半導体レーザ１０が発振したレーザ光の変調周波数の基本波成分（同じ周波数の成分）を位相敏感検波するものである。また第２アンプ５４は、受光手段４０が受光し光検出器５３で電気信号に変換されたレーザ光強度に相当する信号から、半導体レーザ１０が発振したレーザ光の変調周波数の２倍波成分（２倍の周波数の成分）を位相敏感検波するものである。そして、第１アンプ５２および第２アンプ５４はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）５８に接続されて、自動的に検波が行われるようになっている。このＰＣ５８は、第１アンプ５２の検波結果から煙霧透過率を算出するとともに、第１アンプ５２の検波結果および第２アンプ５４の検波結果から特定ガスの濃度を算出するものである。さらにＰＣ５８は、算出した煙霧透過率および特定ガス濃度を中央制御システムに出力するようになっている。

なお上述した構成は、１個の受光手段４０が受光したレーザ光に相当する信号から、特定ガス濃度および煙霧透過率の両方を算出するものである。これに対して、特定ガス濃度を求めるための受光手段と、煙霧透過率を求めるための受光手段とを別個に設けてもよい。図３は、複数の受光手段を設けた場合のブロック図である。この場合には、照射手段３０と第１受光手段７０とを対向配置するとともに、照射手段３０と第２受光手段７２とを隣接配置する。さらに、照射手段３０と第１受光手段７０との光軸上に、照射手段３０から照射されたレーザ光の一部を光軸から分岐して、第２受光手段７２に向かって反射する分岐手段７９を設ける。そしてデータ処理部５０は、第１受光手段７０が受光したレーザ光の強度に相当する信号から特定ガス濃度または煙霧透過率のいずれか一方を算出し、第２受光手段７２が受光したレーザ光の強度に相当する信号から特定ガス濃度または煙霧透過率のいずれか他方を算出するように構成する。なお、煙霧透過率の測定には光路長を例えば１００ｍに設定することが望ましく、特定ガス濃度の測定には光路長を例えば数ｍに設定することが望ましい。そこで図３の場合には、光路長を長くとることが可能な第１受光手段７０を煙霧透過率測定用の受光手段とし、第２受光手段７２を特定ガス濃度測定用の受光手段とすることができる。このように、複数の受光手段を設けることにより、煙霧透過率および特定ガス濃度の測定に最適な光路長を個別に設定することができる。

図４は、トンネル全体の側面断面図である。上述した特定ガス濃度測定装置５の制御盤８は、中央処理システム８０に接続されている。そして、図１に示すＰＣ５８が算出した特定ガス濃度および煙霧透過率は、図４に示す中央制御システム８０に出力されるようになっている。この中央処理システム８０は、特定ガス濃度および煙霧透過率の測定結果に基づいて、トンネル１の天井面および／または排気口８２に設置されたジェットファン等の排気手段８４の運転を制御するものである。ところで、一般にガスが滞留し易いトンネル１の長手方向中央部付近には、排気口８２および排気手段８４が設けられている。そして、トンネル１の天井面に設置された排気手段８４は、中央部の排気口８２に向かってガスを送風し排気するようになっている。そこで、排気口８２を挟んでトンネル１の長手方向両側に、上述した特定ガス濃度測定装置５を設けることが望ましい。これにより、トンネル１の中央部における特定ガス濃度および煙霧透過率を測定することができる。そして、その特定ガス濃度および煙霧透過率に応じて排気手段の運転台数制御や運転負荷制御を行うことにより、効率的に特定ガスおよび煙霧を排気することができる。

上記のように複数の地点で測定を行う場合には、各測定地点に上述した特定ガス濃度測定装置５を設けてもよいが、１個の制御盤８により複数の地点で、特定ガス濃度の測定を行うことも可能である。図５は、複数の地点で測定を行う第１配線例の説明図である。図５において、制御盤８内の半導体レーザ１０から延設された主たる出射光ファイバ６２上に、第１光スイッチ６４および第２光スイッチ１６４が順次配設されている。なお各光スイッチ６４，１６４の動作は、信号ケーブル（電気配線）８０を通してデータ処理部５０により制御しうるようになっている。この第１光スイッチ６４および第２光スイッチ１６４は、第１測定地点Ａおよび第２測定地点Ｂに対応して配設されている。そして、第１光スイッチ６４により分岐された従たる出射光ファイバ６５は、第１測定地点Ａの照射手段３０に接続されている。また、第２光スイッチ１６４により分岐された従たる出射光ファイバ１６５は、第２測定地点Ｂの照射手段１３０に接続されている。一方、制御盤８のデータ処理部５０から延設された主たる入射光ファイバ６８上に、光導波路等からなる第１光合流器６７および第２光合流器１６７が順次配設されている。そして、第１光合流器６７から従たる入射光ファイバ６６が分岐されて、第１測定地点Ａの受光手段４０に接続されている。また、第２光合流器１６７から従たる入射光ファイバ１６６が分岐されて、第２測定地点Ｂの受光手段１４０に接続されている。なお、３箇所以上で測定を行う場合には、主たる出射光ファイバ６２および主たる入射光ファイバ６８を延設して、上記と同様に配線すればよい。

この第１配線例において、各測定地点では、時分割方式で交互に測定を行うようになっている。第１測定地点Ａで測定を行うには、第１光スイッチ６４を切り替えて、半導体レーザ１０から延設された主たる出射光ファイバ６２を、従たる出射光ファイバ６５に接続する。これにより、半導体レーザ１０が発振したレーザ光を照射手段３０から照射することができる。また、受光手段４０が受光したレーザ光を第１光合流器６７により入射光ファイバ６８へ導光し、データ処理部５０に入力することができる。一方、第２測定地点Ｂで測定を行うには、第１光スイッチ６４を切り替えて、主たる出射光ファイバ６２を延長する。さらに第２光スイッチ１６４を切り替えて、主たる出射光ファイバ６２を、従たる出射光ファイバ１６５に接続すればよい。なお、２箇所のみで測定を行う場合には、第２光スイッチ１６４および第２光合流器１６７を設ける必要はない。また３箇所以上で測定を行う場合でも、データ処理部５０に１個の光検出器５３を設けるだけで、各受光手段により受光されたレーザ光を電気信号に変換することができる。なお、光合流器は光導波路としたが、光スイッチなどを用いてもよい。このように、半導体レーザ１０から延設された出射光ファイバ６２上に各測定地点に対応した光スイッチ６４，１６４を配設することにより、１個の半導体レーザ１０およびデータ処理部５０を用いて複数の地点で測定を行うことが可能になる。また第１配線例では、最小限の光スイッチ６４，１６４の切り替えによって簡単に測定を行うことができる。

図６は、各測定地点における透過光を主たる出入射光ファイバに戻して配線する例の説明図である。制御盤８内の半導体レーザ１０から延設された主たる出射光ファイバ６２には、半導体レーザ１０に戻ってくるレーザ光を遮断するための光アイソレータ６２ｉと、送受信分岐用の光分岐器（主たる出入射光分岐器）６３とが順次配設されている。この光分岐器６３の一方は、半導体レーザ１０で発生したレーザ光を第１光スイッチ６４に接続するために、また光分岐器６３の他方は、各測定地点を透過してきた入射光をデータ処理部５０に接続するために使用される。光分岐器６３から延設された主たる出入射光ファイバ６３ａには、第１光スイッチ６４および第２光スイッチ１６４が順次配設されている。なお各光スイッチ６４，１６４の動作は、信号ケーブル（電気配線）８０を通してデータ処理部５０により制御しうるようになっている。この第１光スイッチ６４および第２光スイッチ１６４は、第１測定地点Ａおよび第２測定地点Ｂに対応して配設されている。そして、第１光スイッチ６４により分岐された従たる出入射光ファイバ６４ａは、第１光分岐器（従たる出入射光分岐器）６７を介することにより、一方は第１測定地点Ａの照射手段３０に接続され、他方は光アイソレータ６６ｉを挟んで受光手段４０に接続されている。この光アイソレータ６６ｉは、受光手段４０へのレーザ光の導光を遮断するものである。一方、第２光スイッチ１６４により分岐された従たる出入射光ファイバ１６４ａは、第２光分岐器１６７を介することにより、一方は第２測定地点Ｂの照射手段１３０に接続され、他方は光アイソレータ１６６ｉを挟んで受光手段１４０に接続されている。なお、３箇所以上で測定を行う場合には、主たる出入射光ファイバ６３ａを延設して、上記と同様に配線すればよい。

そして、各測定地点では、時分割方式で交互に測定を行うようになっている。第１測定地点Ａで測定を行うには、第１光スイッチ６４を切り替えて、半導体レーザ１０から延設された主たる出入射光ファイバ６３ａを、従たる出入射光ファイバ６４ａに接続する。これにより、半導体レーザ１０が発振したレーザ光を照射手段３０から照射することができる。このとき、従たる出入射光ファイバ６４ａに配設された第１光分岐器６７から受光手段４０に分岐されるレーザ光は、光アイソレータ６６ｉによって遮断される。逆に、受光手段４０が受光したレーザ光は、光アイソレータ６６ｉ、第１光分岐器６７、第１光スイッチ６４、および送受信分岐用の光分岐器６３を介して、データ処理部５０に入力される。一方、第２測定地点Ｂで測定を行うには、第１光スイッチ６４を切り替えて、主たる出入射光ファイバ６３ａを延長する。さらに、第２光スイッチ１６４を切り替えて、主たる出入射光ファイバ６３ａを、従たる出入射光ファイバ１６４ａに接続すればよい。なお、２箇所のみで測定を行う場合には、第２光スイッチ１６４を設ける必要はない。また、３箇所以上で測定を行う場合でも、データ処理部５０に１個の光検出器５３を設けるだけで、各受光手段により受光されたレーザ光を電気信号に変換することができる。さらに、図５における主たる出射光ファイバ６２および主たる入射光ファイバ６８を、図６では１本の出入射光ファイバ６３ａに統合することができるため、光ファイバの敷設の省力化や光ファイバの削減が可能となる。なお光分岐器には、光導波路やファイバ型方向性結合器、ビームスプリッタ等を用いることが可能である。

図７は、光スイッチを多チャンネル化することで光スイッチの台数を低減した配線例の説明図である。制御盤８内の半導体レーザ１０から延設された主たる出射光ファイバ６２には、半導体レーザ１０に戻ってくるレーザ光を遮断するための光アイソレータ６２ｉと、送受信分岐用の光分岐器（主たる出入射光分岐器）６３とが順次配設されている。この光分岐器６３の一方は、半導体レーザ１０で発生したレーザ光を多チャンネル光スイッチ６４に接続するために、また光分岐器６３の他方は、各測定地点を透過してきた入射光をデータ処理部５０に接続するために使用される。送受信分岐用の光分岐器６３から延設された主たる出入射光ファイバ６３ａは、多チャンネル光スイッチ６４に接続されている。なお多チャンネル光スイッチ６４の動作は、信号ケーブル（電気配線）８０を通してデータ処理部５０により制御しうるようになっている。この多チャンネル光スイッチ６４は、測定地点の数と同数以上のチャンネル数を備えている。その各チャンネルから延設された従たる出入射光ファイバ６４ａ，１６４ａは、各測定地点Ａ，Ｂの光分岐器（従たる出入射光分岐器）６７，１６７に接続されている。そして、第１光分岐器６７の一方は第１測定地点Ａの照射手段３０に接続され、他方は光アイソレータ６６ｉを挟んで受光手段４０に接続されている。この光アイソレータ６６ｉは、受光手段４０へのレーザ光の導光を遮断するものである。また、第２光分岐器１６７の一方は第２測定地点Ｂの照射手段１３０に接続され、他方は光アイソレータ１６６ｉを挟んで受光手段１４０に接続されている。なお、３箇所以上で測定を行う場合には、多チャンネル光スイッチ６４から延設された他の従たる出入射光ファイバに対して、上記と同様の配線を行えばよい。

そして、各測定地点では、時分割方式で交互に測定を行うようになっている。第１測定地点Ａで測定を行うには、多チャンネル光スイッチ６４を従たる出入射光ファイバ６４ａに切り替えて、半導体レーザ１０から延設された主たる出入射光ファイバ６３ａを、従たる出入射光ファイバ６４ａに接続する。これにより、半導体レーザ１０が発振したレーザ光を、第１測定地点Ａの照射手段３０から照射することができる。このとき、第１光分岐器６７から受光手段４０に分岐されるレーザ光は、光アイソレータ６６ｉにより遮断される。逆に、受光手段４０が受光したレーザ光は、光アイソレータ６６ｉ、第１光分岐器６７、多チャンネル光スイッチ６４、および送受信分岐用の光分岐器６３を介して、データ処理部５０に入力される。一方、第２測定地点Ｂで測定を行うには、多チャンネル光スイッチ６４を従たる出入射光ファイバ１６４ａに切り替えて、半導体レーザ１０から延設された主たる出入射光ファイバ６３ａを、従たる出入射光ファイバ１６４ａに接続すればよい。上記の場合、各測定地点への伝送ファイバが独立であるため、一本が切れても他に影響を与えない利点がある。なお、複数地点で測定を行う場合でも、データ処理部５０に１個の光検出器５３を設けるだけで、各受光手段により受光されたレーザ光を電気信号に変換することができる。また、光分岐器には、光導波路やファイバ型方向性結合器、ビームスプリッタ等を用いることが可能である。

図８は、機械式シャッタを用いて測定地点の切り替えを行う方式の説明図である。制御盤８内の半導体レーザ１０から延設された主たる出射光ファイバ６２には、ファイバ型方向性結合器等からなる第１光分岐器６４および第２光分岐器１６４が順次配設されている。この第１光分岐器６４および第２光分岐器１６４は、第１測定地点Ａおよび第２測定地点Ｂに対応して配設されている。そして、第１光分岐器６４により分岐された従たる出射光ファイバ６５は、第１測定地点Ａの照射手段３０に接続されている。また、第２光分岐器１６４により分岐された従たる出射光ファイバ１６５は、第２測定地点Ｂの照射手段１３０に接続されている。一方、制御盤８のデータ処理部５０から延設された主たる入射光ファイバ６８上に、光導波路等からなる第１光合流器６７および第２光合流器１６７が順次配設されている。そして、第１光合流器６７から従たる入射光ファイバ６６が分岐されて、第１測定地点Ａの受光手段４０に接続されている。また、第２光合流器１６７から従たる入射光ファイバ１６６が分岐されて、第２測定地点Ｂの受光手段１４０に接続されている。そして、各測定地点Ａ，Ｂにおける照射手段３０，１３０と受光手段４０，１４０との間には、機械式シャッタ８５，１８５が配設されている。この機械式シャッタ８５，１８５は、開放時にレーザ光を透過し、閉鎖時にレーザ光を遮断し得るように形成されている。この機械式シャッタ８５，１８５の動作は、信号ケーブル（電気配線）８０を通してデータ処理部５０により制御しうるようになっている。なお、３箇所以上で測定を行う場合には、主たる出射光ファイバ６２および主たる入射光ファイバ６８を延設して、上記と同様に配線すればよい。

そして、各測定地点では、時分割方式で交互に測定を行うようになっている。測定地点の切り替えは、各測定地点に配設された機械式シャッタ８５，１８５で行う。第１測定地点Ａで測定を行うには、第１測定地点Ａの機械式シャッタ８５を開にするとともに、他の測定地点の機械式シャッタ１８５を閉にする。これにより、照射手段３０から照射されたレーザ光を受光手段４０に導光することが可能になり、また受光手段４０が受光したレーザ光のみをデータ処理部５０に入力することができる。一方、第２測定地点Ｂで測定を行うには、第２測定地点Ｂの機械式シャッタ１８５を開にするとともに、他の測定地点の機械式シャッタ８５を閉にすればよい。このように、機械式シャッタ８５，１８５により測定地点の切り替えを行うので、図５に示す光スイッチ６４，１６４に代えて、図８では耐久性に優れた光分岐器６４，１６４を採用することができる。したがって、特定ガス濃度測定装置の耐久性を向上させることができる。なお、２箇所のみで測定を行う場合には、第２光分岐器１６４および第２光合流器１６７を設ける必要はない。また、３箇所以上で測定を行う場合でも、データ処理部５０に１個の光検出器５３を設けるだけで、各受光手段により受光されたレーザ光を電気信号に変換することができる。なお、各光分岐器はファイバ型方向性結合器としたが、光導波路やビームスプリッタ等でもよい。また、ｎ個の測定地点のうち第ｍ測定地点に配設された光分岐器（６４）が、従たる出射光ファイバ（６５）と主たる出射光ファイバ（６２）とに分岐するレーザ光の比率は、１：（ｎ−ｍ）とすることが望ましい。これにより、各測定地点に対して均等にレーザ光を伝送することができる。

図９は、他チャンネルの光分岐器を用いて各測定地点へレーザ光を分配する方式の説明図である。これは、図８の各光分岐器を一つにまとめ、送信側および受信側の光ファイバを統合したものである。図９では、制御盤８内の半導体レーザ１０から延設された主たる出射光ファイバ６２に、半導体レーザ１０に戻ってくるレーザ光を遮断するための光アイソレータ６２ｉと、ファイバ型方向性結合器等からなる送受信分岐用の光分岐器（主たる出入射光分岐器）６３とが、順次配設されている。この光分岐器６３の一方は、半導体レーザ１０で発生したレーザ光を多チャンネル光分岐器６３に接続するために、また光分岐器６３の他方は、各測定地点を透過してきた入射光をデータ処理部５０に接続するために使用される。送受信分岐用の光分岐器６３から延設された主たる出入射光ファイバ６３ａは、多チャンネル光分岐器６４に接続されている。この多チャンネル光分岐器６４は、測定地点の数と同数以上のチャンネル数を備えている。その各チャンネルから延設された従たる出入射光ファイバ６４ａ，１６４ａは、各測定地点Ａ，Ｂの光分岐器（従たる出入射光分岐器）６７，１６７に接続されている。そして、第１光分岐器６７の一方は第１測定地点Ａの照射手段３０に接続され、他方は光アイソレータ６６ｉを挟んで受光手段４０に接続されている。この光アイソレータ６６ｉは、受光手段４０へのレーザ光の導光を遮断するものである。また、第２光分岐器１６７の一方は第２測定地点Ｂの照射手段１３０に接続され、他方は光アイソレータ１６６ｉを挟んで受光手段１４０に接続されている。そして、各測定地点Ａ，Ｂにおける照射手段３０，１３０と受光手段４０，１４０との間には、機械式シャッタ８５，１８５が配設されている。この機械式シャッタ８５，１８５は、開放時にレーザ光を透過し、閉鎖時にレーザ光を遮断し得るように形成されている。この機械式シャッタ８５，１８５の動作は、信号ケーブル（電気配線）８０を通してデータ処理部５０により制御しうるようになっている。なお、３箇所以上で測定を行う場合には、多チャンネル光分岐器６４から延設された他の従たる出入射光ファイバに対して、上記と同様の配線を行えばよい。

そして、各測定地点では、時分割方式で交互に測定を行うようになっている。測定地点の切り替えは、各測定地点に配設された機械式シャッタ８５，１８５で行う。第１測定地点Ａで測定を行うには、第１測定地点Ａの機械式シャッタ８５を開にするとともに、他の測定地点の機械式シャッタ１８５を閉にする。これにより、照射手段３０から照射されたレーザ光を受光手段４０に導光することが可能になり、また受光手段４０が受光したレーザ光のみをデータ処理部５０に入力することができる。このとき、第１光分岐器６７から受光手段４０に分岐されるレーザ光は、光アイソレータ６６ｉにより遮断される。逆に、受光手段４０が受光したレーザ光は、光アイソレータ６６ｉ、第１光分岐器６７、多チャンネル光分岐器６４、および送受信分岐用の光分岐器６３を介して、データ処理部５０に入力される。一方、第２測定地点Ｂで測定を行うには、第２測定地点Ｂの機械式シャッタ１８５を開にするとともに、他の測定地点の機械式シャッタ８５を閉にして回線を遮断すればよい。このように、機械式シャッタ８５，１８５により測定地点の切り替えを行うので、図７に示す多チャンネル光スイッチ６４に代えて、図９では耐久性に優れた多チャンネル光分岐器６４を採用することができる。したがって、特定ガス濃度測定装置の耐久性を向上させることができる。また、各測定地点への伝送ファイバが独立であるため、一本が切れても他に影響を与えない利点もある。なお、３箇所以上で測定を行う場合でも、データ処理部５０に１個の光検出器５３を設けるだけで、各受光手段により受光されたレーザ光を電気信号に変換することができる。また、光分岐器はファイバ型方向性結合器としたが、光導波路やビームスプリッタ等でもよい。さらに、多チャンネル光分岐器は光導波路としたが、ビームスプリッタ等でもよい。

図１０は、光検出器を各測定地点に配設した場合の説明図である。制御盤８内の半導体レーザ１０から延設された主たる出射光ファイバ６２には、ファイバ型方向性結合器等からなる第１光分岐器６４および第２光分岐器１６４が順次配設されている。この第１光分岐器６４および第２光分岐器１６４は、第１測定地点Ａおよび第２測定地点Ｂに対応して配設されている。そして、第１光分岐器６４により分岐された従たる出射光ファイバ６５は、第１測定地点Ａの照射手段３０に接続されている。また、第２光分岐器１６４により分岐された従たる出射光ファイバ１６５は、第２測定地点Ｂの照射手段１３０に接続されている。一方、各照射手段３０，１３０に対向配置された各受光手段４０，１４０は、それぞれフォトダイオード等の光検出器４０ａ，１４０ａを備えている。そして、各光検出器４０ａ，１４０ａから延設された信号ケーブル（電気配線）８０，１８０が、それぞれ前記データ処理部５０に接続されている。なお、３箇所以上で測定を行う場合には、主たる出射光ファイバ６２を延設するとともに、信号ケーブルを増設して、上記と同様に配線すればよい。

そして、各測定値点では、同時に測定を行うようになっている。例えば、第１測定地点Ａにおいて光分岐器６４により分岐されたレーザ光は、照射手段３０から照射され、受光手段４０により受光されて、光検出器４０ａに入射される。光検出器４０ａにより電気信号に変換されたレーザ光の強度信号は、信号ケーブル８０を通してデータ処理部５０に伝送される。なお他の測定地点からも同様に、電気信号がデータ処理部５０に伝送される。データ処理部５０では、各測定地点からの電気信号をメモリ（不図示）に記録し、記録した電気信号を逐次読み出して、各測定地点における特定ガス濃度の算出を行う。このように、複数の測定地点において特定ガス濃度を同時に計測することができるので、特定ガス濃度の迅速な測定が可能になる。なお、２箇所のみで測定を行う場合には、第２光分岐器１６４を設ける必要はない。また、ｎ個の測定地点のうち第ｍ測定地点に配設された光分岐器（６４）が、従たる出射光ファイバ（６５）と主たる出射光ファイバ（６２）とに分岐するレーザ光の比率は、１：（ｎ−ｍ）とすることが望ましい。これにより、各測定地点に対して均等にレーザ光を伝送することができる。

次に、本実施形態の特定ガス濃度測定装置の作用につき、図１および図１１を用いて説明する。
図１１は、波長変調の説明図である。一般に、特定ガスは特定波長の光を吸収する。そのため、特定ガスに入射したレーザ光の透過率はレーザ光の波長によって異なる。すなわち特定ガスは、図１１の中央に示すようなレーザ光の透過率特性を有する。例えばＣＯガスでは、波長１．５６７μｍに吸収線の一つを有しレーザ光の透過率が極小となる。そこで、特定ガスによる吸収波長を中心に、半導体レーザの駆動電流を変化させて、レーザ光の発振周波数の変調を行う。そして、トンネル内に設置した照射手段から照射する。

一般に、半導体レーザの発振角周波数Ωは、温度と駆動電流との関数であるが、温度を一定として駆動電流を角周波数ωで変調すると、半導体レーザの発振角周波数Ωは、次式に従って角周波数ωで変調される。

ただし、Ω_０は半導体レーザの中心発振角周波数であり、ΔΩは発振角周波数変調振幅であり、ω（＝２πｆ、ｆは周波数）は変調角周波数である。

このとき、レーザ出力Ｉinは、次式で表される強度変調を同時に受ける。

ただし、Ｉ_０は半導体レーザの強度変調の中心強度、ΔＩは強度変調振幅、ωは変調角周波数である。
なお、レーザ出力が一定ならば図１１の９５に示すような信号となるが、実際には数式２で示す強度変調を受けるため、図１１の９２に示す波形と重なっている。

そして、図１に示す照射手段３０と受光手段４０との間に特定ガスが存在する場合には、照射手段３０から照射されたレーザ光の一部は特定ガスに吸収され、残りのレーザ光が特定ガスを透過して受光手段４０により受光される。いま、照射手段３０と受光手段４０との距離をＬ、光路中に存在する特定ガスの濃度をＮ，特定ガスによるレーザ光の吸収係数をα、特定ガス以外の要因によるレーザ光の減衰率をＲとする。すると、特定ガスに入射するレーザ光の強度Iinと、特定ガスを透過するレーザ光の強度Ｉoutとの間には、次式で表されるランベルト・ベールの法則が成立する。

ここで、レーザ発振角周波数変調振幅ΔΩは十分に小さいので、ＣＯガス等の特定ガスの吸収係数αは、大気中において一つの吸収線に着目すると、レーザ発振角周波数Ωの関数として次式で示される。

ただし、α_０は吸収線中心での吸収係数、Ωはレーザ発振角周波数、ω_０は吸収線の中心周波数、γは吸収線の半値幅である。

レーザの中心発振角周波数Ω_０と、特定ガスの吸収線中心周波数ω_０とを一致させた場合には、数式４に数式１を代入して、次式となる。

また、αＮＬ≪１、ΔΩ／γ≪１と仮定し、数式３を変調周波数ωでフーリエ級数展開すると、そのうちのω成分Ｉ_ωおよび２ω成分Ｉ_２ωはそれぞれ次式となる。

これらの比を取ると、次式となる。

このように、粉塵等による減衰量Ｒを含まない量が得られる。そして、ロックインアンプにより変調周波数の基本波成分および２倍波成分を位相敏感検波すれば、数式８のＩ_ωおよびＩ_２ωに比例した信号が得られる。すなわち、ロックインアンプで検出した基本波成分はレーザ光の強度に比例し、２倍波成分はレーザ光の強度および特定ガス濃度Ｎに比例する。

そこで、図１に示す第１ロックインアンプ５２により、受光手段４０が受光したレーザ光の強度に相当する信号から、変調周波数の基本波成分を位相敏感検波する。また第２ロックインアンプ５４により、受光手段４０が受光したレーザ光の強度に相当する信号から、変調周波数の２倍波成分を位相敏感検波する。そして、検波結果をＰＣ５８に出力する。ＰＣ５８では、双方の比を計算し、あらかじめデータベース化された信号強度と濃度との関係を照合することにより、特定ガス濃度Ｎを求めることができる。

ここで、数式８で示されるように、半導体レーザの発振強度の低下や、窓の汚れに起因する散乱減衰によるレーザ強度の低下などは誤差要因となる。そこで、半導体レーザの発振強度モニタの出力値および窓の汚れを検知するセンサの出力値を常時監視し、照射手段から照射され受光手段により受光されるまでの特定ガス以外の因子によるレーザ強度の減衰を補正させる手段を講じる。具体的には、半導体レーザのレーザカプラに設けられたフォトダイオード等により半導体レーザの発振強度をモニタし、発振強度が低下した場合には半導体レーザを交換するなどの措置をとる。また、窓の汚れに起因する散乱光を受光センサによって受光し、その信号強度が設定したしきい値以上に達した場合に、透過窓に付着した粉塵等を除去する。

一方の煙霧透過率は、数式６の減衰率Ｒで表されるものである。そこで、第１ロックインアンプ５２により、受光手段４０が受光したレーザ光の強度に相当する信号から、変調周波数の基本波成分を位相敏感検波する。数式６により、検波信号の強度は煙霧などによるレーザ光の減衰量に比例することから、あらかじめデータベース化された信号強度と煙霧透過率との関係を照合することにより、煙霧透過率を求めることができる。
ここで、数式６で示されるように、半導体レーザの発振強度の低下や、窓の汚れに起因する散乱減衰によるレーザ強度の低下などは誤差要因となる。そこで、半導体レーザの発振強度モニタの出力値および窓の汚れを検知するセンサの出力値を常時監視し、照射手段から照射され受光手段により受光されるまでの特定ガス以外の因子によるレーザ強度の減衰を補正させる手段を講じる。

また、図３に示すように複数の受光手段を設けた場合において、煙霧透過率を測定するには、煙霧透過率測定用の受光手段（例えば、第１受光手段７０）により受光したレーザ光を電気信号に変換した後、第１ロックインアンプ５２に入力する。第１ロックインアンプ５２は、変調周波数の基本波成分を位相敏感検波し、検波結果をＰＣに入力する。そして、ＰＣが上記と同様に煙霧透過率を算出する。一方、特定ガス濃度を測定するには、特定ガス濃度測定用の受光手段（例えば、第２受光手段７２）により受光したレーザ光を電気信号に変換した後、第１ロックインアンプ５２および第２ロックインアンプ５４に入力する。第１ロックインアンプ５２は、変調周波数の基本波成分を位相敏感検波し、検波結果をＰＣに入力する。また第２ロックインアンプ５４は、変調周波数の２倍波成分を位相敏感検波し、検波結果をＰＣに入力する。そして、ＰＣにより特定ガス濃度を算出する。

このように算出された特定ガス濃度に基づいて、図４に示す中央処理システム８０は、トンネル１の天井面に設置されたジェットファン等の排気手段８４の運転を制御する。例えば、トンネル１内の特定ガス濃度および煙霧透過率が所定値以下の場合には排気手段８４の運転を停止し、所定値以上となった場合に運転を開始して、両者の値の大きさに応じて最適運転制御を行う。これにより、トンネル内の平均的な特定ガス濃度および煙霧透過率の測定結果に基づいて、迅速にトンネル１内の特定ガスおよび煙霧を排気することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、レーザ吸収法を用いたレーザ式ガス濃度計測機器をトンネル内の特定ガス濃度測定に適用したので、特段のコストを要することなく、特定ガス濃度および煙霧透過率の測定が可能である。また、特定ガス濃度測定においてサンプリングによる時間遅れがなくなり、高速応答性を確保することができる。さらに、レーザ光路長を調整することにより、トンネル内の任意範囲で平均的な特定ガス濃度を求めることが可能になる。したがって、排気手段の運転制御を的確に行うことができる。一方、１個の半導体レーザおよびデータ処理部により、複数地点での測定が可能である。また測定装置が小型になるので、トンネル壁面に最小限の加工を施して設置することが可能である。したがって、特定ガス濃度測定装置の設置コストを低減することができる。

実施形態に係る特定ガス濃度測定装置のブロック図である。 レーザ照射手段の側面断面図である。 複数のレーザ受光手段を設けた場合のブロック図である。 トンネル全体の側面断面図である。 複数の地点で測定を行う第１配線例の説明図である。 各測定地点における透過光を主たる出入射光ファイバに戻して配線する例の説明図である。 光スイッチを多チャンネル化することで光スイッチの台数を低減した配線例の説明図である。 機械式シャッタを用いて測定地点の切り替えを行う方式の説明図である。 他チャンネルの光分岐器を用いて各測定地点へレーザ光を分配する方式の説明図である。 光検出器を各測定地点に配設した場合の説明図である。 波長変調の説明図である。

符号の説明

１……トンネル
３０……レーザ照射手段
４０……第１レーザ受光手段

Claims (13)

1. 少なくとも特定ガスによる吸収波長のレーザ光を発振可能な半導体レーザと、前記半導体レーザにより発振される前記レーザ光を、前記特定ガスによる吸収波長を中心に波長変調するレーザ制御部と、前記半導体レーザにより発振されたレーザ光をトンネル内で照射するレーザ照射手段と、前記レーザ照射手段から照射された前記レーザ光を前記トンネル内で受光する第１レーザ受光手段と、
   前記第１レーザ受光手段により受光された前記レーザ光の強度に相当する信号から、前記レーザ光の変調周波数の基本波成分を位相敏感検波して前記トンネル内における煙霧透過率を算出するとともに、前記レーザ光の変調周波数の基本波成分および２倍波成分を位相敏感検波して前記トンネル内における前記特定ガスの濃度を算出するデータ処理部と、を有することを特徴とするトンネル内の特定ガス濃度測定装置。
2. 前記レーザ照射手段および前記第１レーザ受光手段は、前記トンネルの長手方向に沿って対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル内の特定ガス濃度測定装置。
3. 前記レーザ照射手段から照射されたレーザ光を前記第１レーザ受光手段に向かって折返し反射する反射手段を有し、前記レーザ照射手段および前記第１レーザ受光手段と前記反射手段とが前記トンネルの長手方向に沿って対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル内の特定ガス濃度測定装置。
4. 前記レーザ照射手段と前記第１レーザ受光手段との光軸上に配置され、前記レーザ照射手段から照射されたレーザ光の一部を前記光軸から分岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐された前記レーザ光を前記トンネル内で受光する第２レーザ受光手段とを有し、
   前記データ処理部は、前記第１レーザ受光手段により受光されたレーザ光の強度に相当する信号から前記煙霧透過率または前記特定ガス濃度のいずれか一方を算出するとともに、前記第２レーザ受光手段により受光されたレーザ光の強度に相当する信号から前記煙霧透過率または前記特定ガス濃度のいずれか他方を算出することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のトンネル内の特定ガス濃度測定装置。
5. 前記レーザ照射手段および／または前記第１レーザ受光手段が、前記レーザ光の透過窓を有する筺体内部に収容されるとともに、
   前記透過窓に付着した粉塵により散乱された前記レーザ光を検出するセンサが設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のトンネル内の特定ガス濃度測定装置。
6. 前記トンネルの長手方向中央部付近に形成された排気口を挟んで前記トンネルの長手方向両側に、少なくとも１組ずつの前記レーザ照射手段および前記第１レーザ受光手段が設置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のトンネル内の特定ガス濃度測定装置。
7. 前記半導体レーザから延設された主たる出射光ファイバに、複数の測定地点に対応した光スイッチが順次配設され、前記各光スイッチにより分岐された従たる出射光ファイバが、それぞれ前記各測定地点に配置された前記レーザ照射手段に接続され、
   前記データ処理部から延設された主たる入射光ファイバから、複数の従たる入射光ファイバが分岐されて、それぞれ前記各測定地点に配置された前記第１レーザ受光手段に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のトンネル内の特定ガス濃度測定装置。
8. 前記半導体レーザから光アイソレータを介して延設された主たる出射光ファイバと、前記データ処理部から延設された主たる入射光ファイバとが、主たる出入射光分岐器に接続され、
   前記主たる出入射光分岐器から延設された主たる出入射光ファイバに、複数の測定地点に対応した光スイッチが順次配設され、前記各光スイッチにより分岐された従たる出入射光ファイバが、従たる出入射光分岐器を介することにより、一方は前記各測定地点の前記レーザ照射手段に接続されるとともに、他方は光アイソレータを介して前記各測定地点の前記第１レーザ受光手段に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のトンネル内の特定ガス濃度測定装置。
9. 前記半導体レーザから光アイソレータを介して延設された主たる出射光ファイバと、前記データ処理部から延設された主たる入射光ファイバとが、主たる出入射光分岐器に接続され、
   前記主たる出入射光分岐器から延設された主たる出入射光ファイバに多チャンネル光スイッチが接続され、前記多チャンネル光スイッチの各チャンネルから延設された従たる出入射光ファイバが、従たる出入射光分岐器を介することにより、一方は複数の測定地点に配置された前記レーザ照射手段に接続されるとともに、他方は光アイソレータを介して前記各測定地点の前記第１レーザ受光手段に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のトンネル内の特定ガス濃度測定装置。
10. 前記半導体レーザから延設された主たる出射光ファイバから、複数の従たる出射光ファイバが分岐されて、それぞれ複数の測定地点に配置された前記レーザ照射手段に接続されるとともに、前記データ処理部から延設された主たる入射光ファイバから、複数の従たる入射光ファイバが分岐されて、それぞれ前記各測定地点に配置された前記第１レーザ受光手段に接続され、
    前記各測定地点に配置された前記レーザ照射手段と前記第１レーザ受光手段との光軸上に、前記レーザ照射手段から照射されたレーザ光の透過および遮断を切り替え可能なシャッタが設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のトンネル内の特定ガス濃度測定装置。
11. 前記半導体レーザから光アイソレータを介して延設された主たる出射光ファイバと、前記データ処理部から延設された主たる入射光ファイバとが、主たる出入射光分岐器に接続され、
    前記主たる出入射光分岐器から延設された主たる出入射光ファイバに多チャンネル光分岐器が接続され、前記多チャンネル光分岐器の各チャンネルから延設された従たる出入射光ファイバが、従たる出入射光分岐器を介することにより、一方は複数の測定地点に配置された前記レーザ照射手段に接続されるとともに、他方は光アイソレータを介して前記各測定地点の前記第１レーザ受光手段に接続され、
    前記各測定地点に配置された前記レーザ照射手段と前記第１レーザ受光手段との光軸上に、前記レーザ照射手段から照射されたレーザ光の透過および遮断を切り替え可能なシャッタが設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のトンネル内の特定ガス濃度測定装置。
12. 前記半導体レーザから延設された主たる出射光ファイバに、複数の測定地点に対応した光分岐器が順次配設され、前記各光分岐器により分岐された従たる出射光ファイバが、それぞれ前記各測定地点に配置された前記レーザ照射手段に接続され、
    前記各測定地点に配置された前記第１レーザ受光手段は光検出器を備え、前記各光検出器から延設された電気配線がそれぞれ前記データ処理部に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のトンネル内の特定ガス濃度測定装置。
13. 請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のトンネル内の特定ガス濃度測定装置による前記トンネル内における前記特定ガス濃度および前記煙霧透過率の測定結果に基づいて、前記トンネル内に設置された排気手段の運転を制御することを特徴とするトンネル内の排気方法。

Images