JP4217108B2

JP4217108B2 - 多点型光式ガス濃度検出方法及びそのシステム

Info

Publication number: JP4217108B2
Application number: JP2003157009A
Authority: JP
Inventors: 稔雄熊澤; 信晴中桐; 雅利櫻井; 弘一穂苅; 智桔梗谷; 正孝相馬; 晃之中村
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: JP2004361128A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光の透過量から雰囲気中のガス濃度を検出する光式ガス濃度検出方法及びそのシステムに係り、特に、ガス雰囲気を通過しない基準光路からの信号と、ガス雰囲気を通過する複数のガス検出光路からの信号とを比較し、複数箇所のガス濃度を高精度に検出できる多点型ガス濃度検出方法及びそのシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガス濃度検出方法には、ガスを検出するためのセンサとして、半導体式など電気式センサを使用する方法がある。この方法では、センサ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、長距離監視の場合、保守性や経済性の面で問題となっている。
【０００３】
一方で、ガスを検出するためのセンサとして、光を応用したセンサを使用する方法がある。この方法は、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いることから、この現象を利用してガスの有無を検出でき、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すれば、遠隔監視も可能となる。
【０００４】
そこで、本発明者らは特許文献１に開示されている発明を応用して、光ファイバを伝送路とした新規の遠隔ガス検出装置を開発した。この原理を応用した方法では、半導体レーザの駆動電流を所定の電流を中心として高周波で変調し、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用として用いる。そうして安定し前方に出射されたレーザ光を、光ファイバを介して未知濃度を含む測定用のガスセルに透過させ、その透過光を対向する別の光ファイバで受光部まで導き、レーザ光の２倍波検波信号、または基本波検波信号により、ガス濃度を高いＳＮ比で検出できる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２５６７６９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法では以下のような問題がある。
【０００７】
電気式センサを使用する方法、光式センサを利用する方法のいずれの方法においても、多点（複数箇所）のガス濃度を高精度に検出する方法が確立されていないという問題がある。
【０００８】
さらに、上述したように、電気式センサを使用する方法は、センサ（ガス検出部）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、長距離監視の場合、保守性や経済性の面で問題である。
【０００９】
一方、光式センサを使用する方法においても、長距離で複数箇所のガスを検出する場合、管理事務所等で、一括してガス検出部の異常等の有無を監視する必要があるが、そのメンテナンス方法が確立されていないという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、多点のガス濃度を高精度に検出できる多点型光式ガス濃度検出方法及びそのシステムを提供することにある。また、長距離監視において、ガス検出部近傍に電気設備を設置することなく、ガス検出部のメンテナンスを容易にすることも目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
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、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多点で検出し、得られた各信号からガス濃度を検出する多点型光式ガス濃度検出方法であって、レーザと受光器間に光切替器を接続し、該光切替器に、ガス雰囲気を通過しない基準光路を接続すると共に、ガス雰囲気を通過する送受信光路にガス検出部を設けたガス検出光路を複数接続し、前記基準光路から得られる信号を予め記憶し、前記各ガス検出光路から得られる信号と、前記記憶した基準光路から得られる信号とを処理装置でそれぞれ差分し、該処理装置で得られるガス信号から多点のガス濃度を検出し、他方、基準光路から得られる信号と前記各ガス検出光路から得られる信号の内、ガス濃度に依存しない基本波成分をそれぞれ抽出し、該基準光路の基本波成分と、前記各ガス検出光路の基本波成分とのそれぞれの比を、前記ガス検出部毎に予め記憶しておき、これら基本波成分の比を常時監視し、前記各ガス検出部の異常の有無をそれぞれ判定する多点型光式ガス濃度検出方法である。
【００１２】
請求項２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多点で検出し、得られた各信号からガス濃度を検出する多点型光式ガス濃度検出システムであって、ガス雰囲気を通過しない基準光路と、ガス雰囲気を通過する送受信光路にガス検出部を設けた複数のガス検出光路と、前記基準光路と前記各ガス検出光路を切り替えるための光切替器と、該光切替器を切り替え、前記基準光路から得られる信号を予め記憶し、前記各ガス検出光路から得られる信号と前記記憶した基準光路から得られる信号とをそれぞれ差分する処理装置とを備え、該処理装置は、前記基準光路から得られる信号の基本波成分と、前記各ガス検出光路から得られる信号の基本波成分とのそれぞれの比を、前記ガス検出部毎に予め記憶しておき、これら基本波成分の比を常時監視し、前記各ガス検出部の異常の有無をそれぞれ判定する多点型光式ガス濃度検出システムである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１５】
図１は、本発明の好適実施の形態である多点型ガス濃度検出システムの概略図を示したものである。
【００１６】
図１に示すように、本発明に係る多点型ガス濃度検出システム１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）検出するものであり、レーザ２を駆動してレーザ光を発振させるためのレーザ部３と、発振したレーザ光を導くための光学系４と、光学系４を通過したレーザ光を受光器５で検出し、その検出信号を処理する信号処理部６とから全体が構成されている。
【００１７】
レーザ部３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）２と、ＤＦＢ−ＬＤ２を搭載してその温度をペルチェ素子用電源７により制御するためのペルチェ素子８と、周波数ｆの正弦波信号を出力する発振器９と、この周波数ｆの信号により周波数ｆの２倍波信号を生成する倍周器１０と、ＤＦＢ−ＬＤ２にバイアス電流を付加するためのバイアス電流源１１と、バイアス電流源１１の掃引の仕方を決定する三角波掃引器１２とから構成されている。
【００１８】
また、バイアス電流源１１の出力側には、発振器９の出力による影響を防ぐためにインダクタンスＬが接続されており、発振器９の出力側には、直流分をカットするためのコンデンサＣが接続されている。
【００１９】
このレーザ部３により、発振器９からの周波数ｆの正弦波信号が、バイアス電流源１１からの出力に重畳されて、ＤＦＢ−ＬＤ２が駆動される。
【００２０】
光学系４は、ＤＦＢ−ＬＤ２と受光器５間に接続される光切替器１３と、光切替器１３に接続され、ガス雰囲気を通過しないループ状の基準光路用光ファイバ１４と、光切替器１３にそれぞれ接続され、ガス雰囲気を通過する送受信光路１５ａ〜ｎ，１６ａ〜ｎにガス検出部１７ａ〜ｎをそれぞれ設けた複数のループ状のガス検出光路１８ａ〜ｎとから構成されている。
【００２１】
すなわち、各ガス検出光路１８ａ〜ｎは、送信用光ファイバ１５ａ〜ｎと、受信用光ファイバ１６ａ〜ｎと、各送信用光ファイバ１５ａ〜ｎと各受信用光ファイバ１６ａ〜ｎ間にそれぞれ接続されるガス検出部１７ａ〜ｎとからなっている。
【００２２】
光切替器１３は、基準光路用光ファイバ１４と各ガス検出光路１８ａ〜ｎを切り替えるためのものであり、２×ｎの構成となっている。より具体的に言えば、ＤＦＢ−ＬＤ２からの１入力に対し、送信用光ファイバ１５ａ〜ｎへのｎ出力を有し、受信用光ファイバ１６ａ〜ｎからのｎ入力に対し、受光器５への１出力を有している。
【００２３】
この光切替器１３は、後述する処理装置に接続されており、その処理装置により、ＤＦＢ−ＬＤ２から受光器５までのレーザ光の経路を、まず基準光路用光ファイバ１４、次にガス検出光路１８ａ，１８ｂ…、と順次光の送受信を切り替えるようにしている。
【００２４】
各検出対象ガス検出部１７ａ〜ｎは、測定対象である未知濃度の種々のガス（メタン等）が充填される容器であり、検出対象とする位置に、容易に設置することができるようになっている。各ガス検出部１７ａ〜ｎの一端には、送信用光ファイバ１５ａ〜ｎがそれぞれ接続され、各ガス検出部１７ａ〜ｎの他端には、受信用光ファイバ１６ａ〜ｎがそれぞれ接続されており、ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光の一部が測定対象ガス雰囲気を通過し、受光器５で受光されるようになっている。
【００２５】
信号処理部６は、基準光路用光ファイバ１４、各ガス検出光路１８ａ〜ｎのいずれかを通過したレーザ光を受光する受光器５と、発振器９からの正弦波信号の周波数ｆに同期して受光器５の出力の位相敏感検波を行う位相検波器１９と、倍周器１０からの正弦波信号の周波数２ｆに同期して受光器５の出力の位相敏感検波を行う位相検波器２０と、両位相検波器１９，２０の出力や出力比を記録・演算処理すると共に、光切替器１３を切り替える処理装置としてのコンピュータ２１とから構成されている。位相検波器１９，２０としては、例えば、ロックインアンプを使用することができる。
【００２６】
ここで、位相敏感検波について簡単に説明する。分光測定において測定感度を向上させる方法に周波数変調法という手法がある。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（本実施の形態で言えば、受光器５で得られる信号）は、直流分の他、変調周波数と同じ周波数の基本波成分およびその高調波成分を持つ。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。位相敏感検波とは、特定の周波数および位相を持つ成分だけを抽出して、その振幅を測定することである。位相敏感検波することで、ガス濃度を高いＳＮ比で検出できる。
【００２７】
次に、多点型光式ガス濃度検出システム１を用いたガス濃度検出方法を説明する。
【００２８】
まず、コンピュータ２１により、ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光が、基準光路用光ファイバ１４を介して受光器５で受光されるように、光切替器１３を予め切り替えておく。
【００２９】
レーザ部３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−ＬＤ２の温度をペルチェ素子用電源７によって制御するペルチェ素子８により一定に固定し、ＤＦＢ−ＬＤ２のバイアス電流を三角波掃引器１２により三角波状にし、一方向に掃引させる。このとき、同時に、発振器９により正弦波状に、交流電源（変調電流）を重畳させる。
【００３０】
このようにして発振されたレーザ光は、光切替器１３、基準用光ファイバ１４、光切替器１３を通って受光器５で受光される。受光器５で検出された基準用光ファイバ１４からの信号の内、発振器９からの正弦波信号の周波数ｆに同期した信号は位相検波器１９で検出され、倍周器１０の正弦波信号の周波数２ｆに同期した信号は位相検波器２０によって検出される。両位相検波器１９，２０で抽出された信号は、コンピュータ２１に伝送される。コンピュータ２１は、両位相検波器１９，２０で抽出された信号の出力比２ｆ／１ｆ（基準）を求めて予め記憶しておく。
【００３１】
図２には、この出力比、すなわち、基準用光ファイバ１４から得られるガス信号波形ｐの一例を、横軸をレーザ光の中心波長にとり、縦軸をガス信号にとって示してある。
【００３２】
その後、コンピュータ２１は、ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光が、ガス検出光路１８ａを介して受光器５で受光されるように、光切替器１３を切り替える。この場合、レーザ光は、光切替器１３、送信用光ファイバ１５ａ、ガス検出部１７ａ、受信用光ファイバ１６ａ、光切替器１３を通って受光器５で受光される。上述と同様にして、受光器５で検出されたガス検出光路１８ａからの信号の内、両位相検波器１９，２０で抽出された信号は、それぞれコンピュータ２１に伝送される。コンピュータ２１は、両位相検波器１９，２０で抽出された信号の出力比２ｆ／１ｆ（ガス）を求める。
【００３３】
図２には、この出力比、すなわち、ガス検出光路１８ａから得られるガス信号波形ｑの一例を、横軸をレーザ光の中心波長にとり、縦軸をガス信号にとって示してある。
【００３４】
コンピュータ２１は、ガス検出光路１８ａから得られた出力比２ｆ／１ｆ（ガス）と、記憶した基準光路用光ファイバ１４から得られた出力比２ｆ／１ｆ（基準）との差分（引き算）を行うことにより、図３に示すようなガス信号差分波形ｒを得る。このガス信号差分波形ｒの波高値から、例えば、予めコンピュータ２１内にデータベースとして記憶されている波高値と基準ガス濃度の関係により、ガス検出部１７ａのガス濃度を求めることができる。
【００３５】
以後同様にして、コンピュータ２１により、光切替器１３を順次切り替え、各ガス検出光路１８ｂ〜ｎからそれぞれ得られた出力比２ｆ／１ｆ（ガス）と、記憶した基準光路用光ファイバ１４から得られた出力比２ｆ／１ｆ（基準）との差分を順次行ってガス信号差分波形をそれぞれ求め、これらガス信号差分波形の波高値から各ガス検出部１７ｂ〜ｎのガス濃度をそれぞれ求めることができる。
【００３６】
このように、本発明に係る多点型光式ガス濃度検出方法は、基準光路１４から得られる信号の出力比２ｆ／１ｆ（基準）を予め記憶しておき、この出力比２ｆ／１ｆ（基準）を、各ガス検出光路１８ａ〜ｎから得られる信号のそれぞれの出力比２ｆ／１ｆ（ガス）との差分処理に用いることで、レーザ部３、光切替器１３などの光学系４、信号処理部６の波長依存性を除去できるので、各ガス検出部１７ａ〜ｎ毎に正確なガス信号を得ることができる。これにより、多点（複数箇所）のガス濃度を高精度に検出することができる。
【００３７】
次に、各ガス検出部１７ａ〜ｎのメンテナンス方法を説明する。
【００３８】
図４は、受光器５で得られる信号強度を示す図である。
【００３９】
図４に示すように、受光器５で得られる信号は、横軸をレーザ光の中心波長にとり、縦軸を信号強度にとると、ガス吸収の中心波長λ０において信号強度が最小となる直流（ＤＣ）成分波形ｓの他、λ０において信号強度が０となるガス濃度に依存しない基本波（１ｆ）成分波形ｔ、λ０において信号強度が最大となる２倍波（２ｆ）成分波形ｕを含んでいる。
【００４０】
基本波成分波形ｔは、ガス濃度に依存せず、しかも、位相検波器１９により、受光器５で得られる信号から抽出できるので、以下に説明する各ガス検出部１７ａ〜ｎのメンテナンス方法に利用できる。
【００４１】
図５は、基準光路用光ファイバ１４と各ガス検出光路１８ａ〜ｎのガス検出部１７ａ〜ｎ毎における基本波成分の比を示す図である。
【００４２】
図４のＤ部および図５に示すように、コンピュータ２１は、基準光路用光ファイバ１４から得られた信号の内、ガス濃度に依存しない基本波成分波形ｔの波長λにおける値１ｆ（基準）と、各ガス検出光路１８ａ〜ｎから得られた信号の内、ガス濃度に依存しない基本波成分波形ｔの波長λにおける値１ｆ（ガス）とのそれぞれの比１ｆ（ガス）／１ｆ（基準）を、基準比（図５の黒丸の点）としてガス検出部１７ａ〜ｎ毎に予め記憶しておき、これら基準比を常時監視し、各ガス検出部１７ａ〜ｎの異常の有無をそれぞれ判定する。
【００４３】
例えば、ガス検出部１７ｋの故障、破損、あるいは、ガス検出部１７ｋに接続された送信用光ファイバや受信用光ファイバの外れなどにより、ガス検出部１７ｋに異常が発生すると、１ｆ（ガス）／１ｆ（基準）の値は、黒丸の点ｋ０から白丸の点ｋ１にずれる。
【００４４】
これにより、コンピュータ２１は、異常が発生したガス検出部１７ｋを特定し、管理事務所の作業員に、ガス検出部１７ｋのメンテナンスが必要なことを、表示装置に表示するなどして通知する。これは、他のガス検出部についても同様である。
【００４５】
したがって、長距離監視において、ガス検出部近傍に電気設備を設置することなく、異常が発生したガス検出部を特定することができ、各ガス検出部の交換、点検などのメンテナンスを容易にかつ素早く行うことができる。
【００４６】
上述したガス検出部のメンテナンス方法では、基本波成分波形ｔの波長λにおける値を用いた例で説明したが、基本波成分波形ｔのガス吸収の中心波長λ０における値を用いてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００４８】
（１）多点（複数箇所）のガス濃度を高精度に検出することができる。
【００４９】
（２）異常が発生したガス検出部を特定することができ、各ガス検出部のメンテナンスを容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施の形態を示す概略図である。
【図２】基準光路およびガス検出光路透過後のガス信号（２ｆ／１ｆ）波形を示す図である。
【図３】基準光路とガス検出光路透過後のガス信号（２ｆ／１ｆ）差分波形を示す図である。
【図４】受光器で得られる信号強度を示す図である。
【図５】基準光路とガス検出光路のガス検出部毎における基本波成分の比を示す図である。
【符号の説明】
１多点型光式ガス濃度検出システム
２ＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還型半導体レーザ）
５受光器
１３光切替器
１４基準光路用光ファイバ
１５ａ〜ｎ送信用光ファイバ
１６ａ〜ｎ受信用光ファイバ
１７ａ〜ｎガス検出部
１８ａ〜ｎガス検出光路
２１コンピュータ（処理装置）

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多点で検出し、得られた各信号からガス濃度を検出する多点型光式ガス濃度検出方法であって、
レーザと受光器間に光切替器を接続し、該光切替器に、ガス雰囲気を通過しない基準光路を接続すると共に、ガス雰囲気を通過する送受信光路にガス検出部を設けたガス検出光路を複数接続し、前記基準光路から得られる信号を予め記憶し、前記各ガス検出光路から得られる信号と、前記記憶した基準光路から得られる信号とを処理装置でそれぞれ差分し、該処理装置で得られるガス信号から多点のガス濃度を検出し、他方、基準光路から得られる信号と前記各ガス検出光路から得られる信号の内、ガス濃度に依存しない基本波成分をそれぞれ抽出し、該基準光路の基本波成分と、前記各ガス検出光路の基本波成分とのそれぞれの比を、前記ガス検出部毎に予め記憶しておき、これら基本波成分の比を常時監視し、前記各ガス検出部の異常の有無をそれぞれ判定することを特徴とする多点型光式ガス濃度検出方法。
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多点で検出し、得られた各信号からガス濃度を検出する多点型光式ガス濃度検出システムであって、
ガス雰囲気を通過しない基準光路と、ガス雰囲気を通過する送受信光路にガス検出部を設けた複数のガス検出光路と、前記基準光路と前記各ガス検出光路を切り替えるための光切替器と、該光切替器を切り替え、前記基準光路から得られる信号を予め記憶し、前記各ガス検出光路から得られる信号と前記記憶した基準光路から得られる信号とをそれぞれ差分する処理装置とを備え、該処理装置は、前記基準光路から得られる信号の基本波成分と、前記各ガス検出光路から得られる信号の基本波成分とのそれぞれの比を、前記ガス検出部毎に予め記憶しておき、これら基本波成分の比を常時監視し、前記各ガス検出部の異常の有無をそれぞれ判定することを特徴とする多点型光式ガス濃度検出システム。