JP7020476B2 - ガス検知システム、ガス検知方法及びプログラム - Google Patents

ガス検知システム、ガス検知方法及びプログラム Download PDF

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Description

［関連出願についての記載］
本発明は、日本国特許出願：特願２０１７－０４５０９０号（２０１７年３月９日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、ガス検知システム、ガス検知方法及びプログラムに関する。特に、光信号の透過量の減衰からガス濃度を測定する、ガス検知システム、ガス検知方法及びプログラムに関する。
近年、大気汚染などの環境破壊や地球温暖化の要因となる二酸化炭素の排出量が問題となっている。また、インフラの老朽化に伴うガス漏れや爆発の危険性が懸念されている。このような状況のため、環境破壊の原因となる環境負荷ガスや爆発等の危険性を孕んでいるガスの検出を検知するためのセンサやガス検知システムの重要性が高まっている。とりわけ、近年では、石炭や石油と比較して二酸化炭素排出量が少ない天然ガスの消費量が増加している。天然ガスの消費増加に伴って、天然ガスの配送網におけるガス漏洩の検知が重要視されている。
ここで、天然ガスの主成分はメタン分子（ＣＨ４）である。メタン分子の検知には、半導体式センサが使用されることが多い。半導体式センサは、金属酸化物半導体がガスと接触したときに生じる抵抗値変化をガス濃度として検知可能である。また、半導体式センサには可燃性ガスだけでなく、毒性ガス等の様々なガスの検知が可能であるという利点がある。
しかし、半導体式センサの使用には、センサ部への電源供給が必要となるため、当該センサ部（ガスを検知するセンサ部）は、防爆構造を有することが要求される。また、センサ部に可動部分がある等の理由により、定期点検や校正作業といった管理業務が必要になったり、ガスを接触させて計測するためガス検知に時間を要したりという問題がある。
このように、半導体式センサを安全に使用するためには、種々の問題や要求事項があり、半導体式センサの代替手段が検討されている。例えば、ガス中を透過する光が赤外吸収によって減衰する現象を用いたセンサや、当該センサを用いたガス検知システムが存在する。当該ガス検知システムでは、ガスの種類に応じた光の吸収の波長と透過光の減衰量からガスの種類と濃度を推定している。
特許文献１は、多箇所のガス濃度の検知方法を開示している。特許文献１には、制御方法が簡単、且つ、使用する光ファイバ量が少なくてよい多点ガス濃度測定方法が記載されている。特許文献２には、複数の箇所におけるガスを検知するガス検知装置が開示されている。非特許文献１には、光ファイバ式ガス検知システムが開示されている。
また、特許文献３には、ガス測定装置が開示され、当該装置にて、保持体に光源部と受光部を埋め込み、光路を９０度曲げることが記載されている。特許文献４には、ガス分析装置が開示され、測定対象のガスにおける測定光の変動量から分圧値を判別することが記載されている。特許文献５には、ガス分析計が開示され、レーザ光によるガス濃度の検出において、当該文献は、検出精度を向上させる技術を開示している。
特開平６－１４８０７１号公報 特開平９－０４３１４１号公報 特開平１０－０９６６９９号公報 特開２０１３－１６４３３６号公報 特開２０１２－１０８０９５号公報
中村晃之、"光ファイバ式メタンガス検知システム"、日本エネルギー学会大会講演要旨集、２００７年８月２日、ｐｐ．５２－５３
なお、上記先行技術文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明者らによってなされたものである。
上記半導体式センサに替わる光の吸収を用いたガス検知システムにも問題がある。具体的には、当該光の吸収を用いたガス検知システムには、センサ部の結露による受光量低下と監視領域の湿度の影響による吸光度変化を切り分けることができないという問題がある。例えば、センサにおける光の出射面又は受光面が結露した場合の吸光度の変化と、湿度７０％の環境下で１００ｍの監視領域を光の吸収の原理で測定する場合の吸光度の変化と、が同等程度である。つまり、受光面が結露した場合に、監視領域のガス濃度の測定値が不正確である可能性がある。
従って、光の吸光度を用いたガス検知システムにおいて、例えば、ガス濃度が変化した場合に、当該変化がセンサ表面の結露による受光量低下に起因するものか、監視領域の湿度の影響によるものかの判断が必要となる。なお、上記説明した特許文献及び非特許文献は、センサ表面の結露と監視領域の湿度の影響の切り分けに関し、何らの言及がない。
本発明は、結露による受光量の低下と監視領域の湿度の影響による吸光度の変化を切り分けることに寄与する、ガス検知システム、ガス検知方法及びプログラムを提供することを目的とする。
本発明乃至開示の第１の視点によれば、湿度を測定する湿度測定器と、複数の波長の光信号を送出する光源を備える送信装置と、前記送信装置からの光信号を受信する光検出部と、前記湿度測定器が測定した湿度と前記光検出部において受信した光信号の光強度に基づき、前記光信号が通過する領域の少なくとも一領域における結露の有無を判定する、識別部と、を備える受信装置と、を含む、ガス検知システムが提供される。
本発明乃至開示の第２の視点によれば、湿度を測定する湿度測定器と、複数の波長の光信号を送出する光源を備える送信装置と、を含むガス検知システムにおいて、湿度を測定するステップと、前記送信装置からの光信号を受信するステップと、前記測定された湿度と前記受信した光信号の光強度に基づき、前記光信号が通過する領域の少なくとも一領域における結露の有無を判定するステップと、を含む、ガス検知方法が提供される。
本発明乃至開示の第３の視点によれば、複数の波長の光信号を送出する光源を備える送信装置からの光信号を受信する光検出部を備える受信装置に搭載されたコンピュータに実行させるプログラムであって、湿度を測定する湿度測定器が測定した湿度と前記光検出部において受信した光信号の光強度に基づき、前記光信号が通過する領域の少なくとも一領域における結露の有無を判定する処理を、前記コンピュータに実行させるプログラムが提供される。
なお、このプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記録することができる。記憶媒体は、半導体メモリ、ハードディスク、磁気記録媒体、光記録媒体等の非トランジェント（non-transient）なものとすることができる。本発明は、コンピュータプログラム製品として具現することも可能である。
本発明乃至開示の各視点によれば、結露による受光量の低下と監視領域の湿度の影響による吸光度の変化を切り分けることに寄与する、ガス検知システム、ガス検知方法及びプログラムが、提供される。
一実施形態の概要を説明するための図である。 第１の実施形態に係るガス検知システムの一構成例を示すブロック図である。 事前測定モードにおけるガス検知システムの動作の一例を示すフローチャートである。 第１の実施形態における結露判定を説明するための図である。 受信装置の記憶部に格納される湿度吸光度情報の一例を示す図である。 ガス濃度測定モードにおけるガス検知システムの動作の一例を示すフローチャートである。 第１の実施形態における監視領域を模擬的に示す図である。 第２の実施形態に係るガス検知システムの一構成例を示すブロック図である。 第３の実施形態に係るガス検知システムの一構成例を表すブロック図である。 第４の実施形態に係るガス検知システムの一構成例を表すブロック図である。 第５の実施形態に係るガス検知システムの一構成例を表すブロック図である。 第６の実施形態に係る信号処理装置の構成の一例を示すブロック図である。
初めに、一実施形態の概要について説明する。なお、この概要に付記した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、この概要の記載はなんらの限定を意図するものではない。
一実施形態に係るガス検知システムは、湿度測定器１０１と、送信装置１０２と、受信装置１０３と、を含む（図１参照）。湿度測定器１０１は、送信装置１０２、受信装置１０３の近傍の湿度を測定する。送信装置１０２は、複数の波長の光信号を送出する光源を備える。受信装置１０３は、送信装置１０２からの光信号を受信する光検出部１１１と、湿度測定器１０１が測定した湿度と光検出部１１１において受信した光信号の光強度に基づき、光信号が通過する領域の少なくとも一領域における結露の有無を判定する、識別部１１２と、を備える。
受信装置１０３は、受信した光信号の光強度から算出した水の吸光度が、ガス濃度測定時の湿度から想定される水の吸光度と異なる場合に、ガス濃度の検知領域（ガス濃度の監視領域）の一部に結露が生じていると判定する。その結果、結露により受光量が低下（ガス濃度測定値が低下）しているのか、監視領域の湿度が変化したことにより受光量が変化したかを識別することができる。即ち、結露の有無を判断し、その判断結果を利用することで正確なガス濃度測定が実現できる。
以下に具体的な実施の形態について、図面を参照してさらに詳しく説明する。なお、各実施形態において同一構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。また、各図におけるブロック間の接続線は、双方向及び単方向の双方を含む。一方向矢印については、主たる信号（データ）の流れを模式的に示すものであり、双方向性を排除するものではない。さらに、本願開示に示す回路図、ブロック図、内部構成図、接続図などにおいて、明示は省略するが、入力ポート及び出力ポートが各接続線の入力端及び出力端のそれぞれに存在する。入出力インターフェイスも同様である。
［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図面を用いてより詳細に説明する。
［構成の説明］
図２は、第１の実施形態に係るガス検知システムの一構成例を示すブロック図である。図２を参照すると、ガス検知システム１０は、送信装置１１と、受信装置１２と、信号処理装置１３と、湿度測定器１４と、を含んで構成される。
送信装置１１は、光信号を受信装置１２に向けて送出する装置である。
受信装置１２は、送信装置１１から送出された光信号を受信することで、送信装置１１と受信装置１２の間に位置する監視領域２０１のガス濃度を検出するための信号を信号処理装置１３に出力する装置である。また、受信装置１２は、送信装置１１からの光信号を受信し、湿度測定器が測定した湿度と受信した光信号の光強度に基づき、光信号が通過する領域の少なくとも一領域における結露の有無を判定する装置である。より具体的には、受信装置１２は、図２の監視領域２０１に接する送出面２１１、受光面２１２が結露しているか否かを判定し、当該判定結果を送信装置１１、信号処理装置１３に通知する。
信号処理装置１３は、受信装置１２からの信号に基づき、監視領域２０１内のガス濃度を検出（測定）する装置である。より具体的には、信号処理装置１３は、受信装置１２から出力されるガスの吸収波長（ガスにより吸収される波長）を有する光信号に応じた情報（光信号から変換された電気信号）に基づき、所定の種類のガスの濃度を測定する装置である。
湿度測定器１４は、送信装置１１及び／又は受信装置１２の近傍に配置され、これらの装置の周囲の湿度を測定する装置である。例えば、湿度測定器１４は、通常使用される湿度計で良く、バイメタル式湿度計やデジタル湿度計等、周囲の湿度をモニタすることができればどのような形式、方式であってもよい。
次に、送信装置１１の構成について説明する。送信装置１１は、レーザダイオード２１と、レーザダイオードドライバ２２と、集光器２３と、制御部２４と、記憶部２５と、を備える。
レーザダイオード２１は、送信装置１１が送信する光信号の光源である。レーザダイオード２１は、複数の異なる波長の光信号が送出可能に構成され、少なくとも２以上の波長の光信号の送出が可能である。より具体的には、レーザダイオード２１は、大気中に含まれる所定の種類のガスの吸収波長を有する光信号（ガス濃度測定用の光信号）と、水の吸収が大きい吸収波長を有する光信号（水の吸光度測定用の光信号）と、が送出可能に構成されている。レーザダイオード２１は、レーザダイオードドライバ２２により制御される。また、レーザダイオード２１から送出された光信号は、レーザダイオード２１が送出する光信号の放射角を制御するための集光器２３により放射角が制御される。
なお、送信装置１１の送出面２１１（監視領域２０１と接する面）はガラス等で封止することが望ましい。当該ガラス等により送出面２１１を封止することで、外部からの接触によりレーザダイオード２１と集光器２３の位置関係が変化することや、外界の状況によりレーザダイオード２１の出射面や集光器２３の表面状態が変化することを防止する。
制御部２４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置により構成された、送信装置１１の全体を制御する手段である。制御部２４の持つ機能の１つとして、送信装置１１から送出する光信号の方向を調整する機能がある。つまり、制御部２４は、光軸制御部として動作する。具体的には、制御部２４は、集光器２３と接続され、モータ等を含んで構成されたアクチュエータ（図示せず）を用いて、送出する光信号の方向を制御する。
制御部２４は、送信装置１１の動作モードを切り替える指示を受け付け、当該指示を実行する手段でもある。詳細は後述するが、ガス検知システム１０は、ガス濃度測定に先立ち行われる「事前測定」と、実際にガス濃度を測定する「ガス濃度測定」という２つの動作モードを有する。制御部２４は、これらの動作モードの切り替え要求を、例えば、キーボードやマウス等の操作デバイス（図示せず）を介して受け付ける。
制御部２４は、ユーザから指示されたモードに従って、レーザダイオード２１から送出する光信号を切り替えるように、レーザダイオードドライバ２２に指示を与える。具体的には、「事前測定」に係るモードが指定された場合には、制御部２４は、水の吸光度測定用の光信号がレーザダイオード２１から送出されるように、レーザダイオードドライバ２２に指示する。
また、「ガス濃度測定」に係るモードが指定された場合には、制御部２４は、初めに水の吸光度測定用の光信号が送出されるように、レーザダイオードドライバ２２に指示する。その後、制御部２４は、受信装置１２からの結露判定結果に応じて、ガス濃度測定用の光信号を送出するか否かを判断する。具体的には、結露判定結果が「結露なし」であれば、制御部２４は、ガス濃度測定用の光信号がレーザダイオード２１から送出されるように、レーザダイオードドライバ２２に指示する。一方、結露判定結果が「結露あり」であれば、制御部２４は、ガス濃度測定用の光信号を送出しない。
記憶部２５は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶媒体により構成され、送信装置１１の動作に必要な情報、データを記憶する手段である。
なお、図２には、１組のレーザダイオード２１とレーザダイオードドライバ２２を図示しているが、送信装置１１に含まれるレーザダイオード、レーザダイオードドライバの数を限定する趣旨ではない。レーザダイオード及びレーザダイオードドライバは、計測したい対象（計測するガスの種類）に応じて複数個設けても良い。あるいは、多波長に対応するレーザダイオード２１に替えて、ガス濃度測定用のレーザダイオードと水の吸光度測定用のレーザダイオードをそれぞれ設けてもよい。
続いて、受信装置１２の構成について説明する。受信装置１２は、集光器３１と、光検出部３２と、識別部３３と、制御部３４と、記憶部３５と、を備える。
送信装置１１から送出された光信号は、ガス含有領域２２１を通過後に受光面２１２を通過し、当該光信号を集光する集光器３１により集光され光検出部３２にて受信される。光検出部３２は、フォトダイオードやＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等のデバイスを含んで構成され、光信号を電気信号に変換する手段である。
識別部３３は、送信装置１１から送出される水の吸光度測定用の光信号に基づき、水の吸光度を算出する。受信装置１２が「事前測定」の動作モードにて動作している場合には、識別部３３は、算出した水の吸光度を制御部３４に通知する。
受信装置１２が「ガス濃度測定」の動作モードにて動作している場合には、識別部３３は、送出面２１１等が結露しているか否かを判定する。具体的には、識別部３３は、光検出部３２により受光された光信号と、湿度測定器１４から得られる値（受信装置１２近傍の湿度）に基づき、送出面２１１及び／又は受光面２１２が結露しているか否かを判定する。識別部３３は、結露判定の結果を制御部３４に通知する。
また、識別部３３は、光検出部３２から取得した信号を信号処理装置１３に送出する機能を有する。具体的には、識別部３３は、ガス濃度測定用の信号（ガス濃度測定用の光信号が変換された信号）を信号処理装置１３に送信する。なお、識別部３３の動作の詳細（特に、結露判定の詳細）は、システムの動作と併せて後述する。
制御部３４は、ＣＰＵ等により構成され、受信装置１２の全体を制御する。制御部３４は、送信装置１１の制御部２４と同様に、ガス検知システム１０の動作モード切り替えに伴う制御を行う。具体的には、「事前測定」に係る動作モードの場合には、制御部３４は、識別部３３が算出した水の吸光度を外部に出力する。例えば、制御部３４は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等の記憶媒体を使って、算出した吸光度を出力する（ユーザが水の吸光度を取得可能とする）。
「ガス濃度測定」に係る動作モードの場合には、制御部３４は、識別部３３による結露判定結果を送信装置１１、信号処理装置１３に通知する。例えば、制御部３４は、結露判定の結果を、ネットワーク等の手段により送信装置１１、信号処理装置１３に通知する。
記憶部３５は、受信装置１２の動作に必要な情報を記憶する。より具体的には、記憶部３５には、湿度と水の吸光度の関係を規定した「湿度吸光度情報」が格納される。当該情報の詳細は後述する。
なお、受信装置１２の受光面２１２も、送信装置１１の送出面２１１と同様に、接触により受信装置１２内の素子における位置関係の変化や、外界の状況による表面状態の変化を避けるためにガラス等により封止されることが望ましい。また、光検出部３２もまた計測したい対象により複数個設けても良い。
送信装置１１の制御部２４や受信装置１２の制御部３４、識別部３３は、記憶部２５や記憶部３５に格納されたプログラムをＣＰＵが実行することで実現することができる。また、そのプログラムは、ネットワークを介してダウンロードするか、あるいは、プログラムを記憶した記憶媒体を用いて、更新することができる。
次に、第１の実施形態に係るガス検知システムの動作について説明する。上述のように、ガス検知システムには２つの動作モード（事前測定、ガス濃度測定）が存在する。事前測定に係る動作モードは、識別部３３にて結露判定を可能とするため事前に「湿度吸光度情報」を収集するためのモードである。
初めに、第１の実施形態における「事前測定」に係るモードの動作を説明する。
［事前測定］
ガス濃度の測定を行う前に、システム管理者は、ガス検知システム１０の送信装置１１及び受信装置１２を使って、監視領域２０１を含むシステム内の湿度と水の吸光度の関係を測定し、上記「湿度吸光度情報」を生成する。生成された「湿度吸光度情報」は、受信装置１２の記憶部３５に格納され、識別部３３がアクセス可能となるようにする。
図３は、事前測定モードにおけるガス検知システム１０の動作の一例を示すフローチャートである。
初めに、センサ表面（送出面２１１、受光面２１２）の結露がない状態で、湿度測定器１４により湿度を測定する（ステップＳ０１）。つまり、送出面２１１、受光面２１２に結露がないことを確認した上で、湿度測定器１４を用いて送信装置１１、受信装置１２又は監視領域２０１の周囲の湿度を計測する。
次に、送信装置１１から水の吸光度測定用の光信号を送出し（ステップＳ０２）、受信装置１２の識別部３３は水の吸光度を算出する（ステップＳ０３）。
このように、ガス検知システム１０では、水による光の減衰を予め計測しておく。例えば、水に吸収される波長として１．４μｍが知られており、当該波長における光の減衰量を送信装置１１及び受信装置１２を動作させて計測する。また、光の減衰を把握する物理量として、対象物を光が通過した際の光強度の低下を示す無次元量の吸光度が通常用いられる。
事前測定モードにおける水の吸光度を図４（ａ）、図４（ｂ）に示す。なお、図４では、横軸を波長、縦軸を吸光度として示したものである。例えば、湿度が３０％の時には図４（ａ）のように吸光度がＡ０３となる。また、例えば、湿度が５０％の時には図４（ｂ）に示すように吸光度がＡ０５となり、吸光度の値が変化する。事前測定では、上記湿度と水の吸光度の関係を、湿度を変化させながら測定し、湿度吸光度情報を生成する（図５参照）。生成された湿度吸光度情報は、受信装置１２の記憶部３５に格納される。
［ガス濃度測定］
次に、第１の実施形態における「ガス濃度測定」に係るモードの動作を説明する。
図６は、ガス濃度測定モードにおけるガス検知システム１０の動作の一例を示すフローチャートである。
ステップＳ１１において、湿度測定器１４により湿度が測定され、測定された湿度は受信装置１２に提供される。
ステップＳ１２において、送信装置１１は水の吸光度測定用の光信号を送出する。
受信装置１２の識別部３３は、送信装置１１から送出される光信号に基づき、水の吸光度を算出する（ステップＳ１３）。
その後、識別部３３は、記憶部３５に格納された湿度吸光度情報を参照し、ステップＳ１１にて取得した湿度に対応する水の吸光度を取得する（現在の湿度に対応する、事前測定された水の吸光度を取得する）。さらに、識別部３３は、当該事前測定された水の吸光度と、現時点での水の吸光度（ステップＳ１３にて測定した水の吸光度）と、を比較し、両者が一致するか否かを確認する（ステップＳ１４）。
両者が一致しなければ（ステップＳ１４、Ｎｏ分岐）、識別部３３は、「結露あり」と判定し、制御部３４からその旨が送信装置１１、信号処理装置１３に通知される（ステップＳ１５）。この場合、ガス検知システムは、送出面２１１等の結露が原因で正確なガス濃度測定は困難と判定し、ガス濃度測定を中止する。
両者が一致すれば（ステップＳ１４、Ｙｅｓ分岐）、識別部３３は、「結露なし」と判定し、制御部３４からその旨が送信装置１１、信号処理装置１３に通知される（ステップＳ１６）。この場合、ガス検知システムは、送出面２１１等に結露は存在せず、正確なガス濃度測定が可能と判定し、ステップＳ１７以降のガス濃度測定動作を行う。
ステップＳ１７において、送信装置１１はガス濃度測定用の光信号を送出する。具体的には、レーザダイオード２１の駆動電流及び温度は、レーザダイオードドライバ２２により制御され、ガス濃度測定用の光信号が送出される。例えば、レーザダイオード２１は、波長１．６５μｍの連続光を送出する。この波長は、メタンによる吸収が大きい波長として知られている。送出された波長１．６５μｍの連続光は、集光器２３により放射角が制御され監視領域２０１を進行する。その際、送信装置１１から送出される光信号の進行する方向は、制御部２４によって調整される。
受信装置１２は、ガスの吸収波長を有する光信号を受信し、当該光信号を変換した情報を信号処理装置１３に出力する。信号処理装置１３はガス吸光度を算出し、ガス濃度を算出する（ステップＳ１８）。つまり、監視領域２０１では存在するメタンの濃度に応じて光信号（波長１．６５μｍの連続光）が減衰する。減衰した光信号は、受信装置１２内の集光器３１によって光検出部３２に集光される。光検出部３２は、減衰した光信号を受光する。光検出部３２により受光された光信号は、識別部３３を経由して信号処理装置１３に送られ、信号処理装置１３にて光信号の減衰量を基にガス濃度が算出される。
このように、ガス濃度計測の際には、送信装置１１は、ガス濃度測定のための光信号（例えば、波長１．６５μｍの連続光）に加え、水の吸光度を測定するための光信号を受信装置１２に向けて送出する。つまり、ガス濃度測定時には、メタンなどの濃度測定対象となるガスの吸光度に加え、水の吸光度も合わせて測定される。受信装置１２の識別部３３は、ガス濃度測定時の湿度を湿度測定器１４から取得すると、事前測定モードにて収集された湿度吸光度情報を参照し、当該取得した湿度に対応する水の吸光度を得る。そして、識別部３３は、ガス濃度測定時における水の吸光度と上記湿度吸光度情報から取得した水の吸光度を比較することで、結露の有無を判定している。つまり、識別部３３は、湿度測定器１４により取得された湿度と、光検出部３２で受光した光信号から算出した水の吸光度と、に基づいて結露の有無を判定している。換言するならば、識別部３３は、光信号が通過する領域の少なくとも一領域に結露が生じていない状況で取得した水の吸収波長（水により吸収される波長）における吸光度と、ガス濃度測定時における水の吸収波長における吸光度と、が相違するか否かを結露の有無の判定基準としている。
例えば、図４（ｃ）に示すように、ガス濃度測定時の水の吸光度Ａ１が、湿度吸光度情報から導かれる水の吸光度Ａ０３（事前測定の水の吸光度Ａ０３）と一致する場合には、「結露なし」と判定される。一方、図４（ｄ）に示すように、ガス濃度測定時の水の吸光度Ａ２が、事前測定の水の吸光度Ａ０３と異なる場合には、「結露あり」と判定される。なお、上記結露判定処理において、２つの水の吸光度が一致するとは、２つの水の吸光度が実質的に一致することを意味し、２つの水の吸光度の差分が所定の範囲内に収まっていることを示す。
次に、上記判定の理由を、図７を参照しつつ説明する。図７は、第１の実施形態における監視領域２０１を模擬的に示す図である。図７に示すように、監視領域２０１は、送出面２１１に結露が生じた際の送信結露領域２２２と、監視領域２０１内の大部分を占める水蒸気を含んだガス含有領域２２１と、受光面２１２に結露が生じた際の受信結露領域２２３と、からなる。
上述の送出面２１１や受光面２１２に結露が無い状態で測定した時（事前測定の時）から時間が経過し、送出面２１１や受光面２１２に結露が生じることがある（送信結露領域２２２、受信結露領域２２３が生じる場合がある）。送信結露領域２２２、受信結露領域２２３が無い状態で事前測定を行うことで、ガス含有領域２２１に含まれている空気中の水分による吸光度と湿度の関係性が得られる。水の吸光度は、湿度に依存し、例えば、図４（ａ）、図４（ｂ）のように変化する。
次に、実際にシステムが稼働し、ガス濃度測定をする場合に、送信結露領域２２２や受信結露領域２２３が生じた時には、前述のように算出した湿度と吸光度の関係から外れて、送信結露領域２２２や受信結露領域２２３の水分による吸光度の増加が生じる。そのため、湿度と吸光度の関係が事前測定の関係から外れた場合には結露がある（図７（ａ））、湿度と吸光度の関係に変化がない場合には結露がないと判定できる（図７（ｂ））。
なお、第１の実施形態では、波長１．６５μｍの光信号を用いてメタン濃度の検出を行う例を示した。しかし、使用する光信号の波長を制限する趣旨ではなく、光信号の波長としてメタンの別の吸収スペクトルに相当する波長を用いてもよい。あるいは、メタンとは異なるガス分子の吸収スペクトルを、１．６５μｍ以外の波長でモニタして、メタン以外のガスを検出してもよい。さらに、複数の波長の光信号を用いて複数の異なる種類のガスを検出してもよい。
以上のように、第１の実施形態に係るガス検知システムでは、事前に水の吸光度を測定し、当該事前に測定された水の吸光度とガス濃度測定時の水の吸光度を比較することで、送出面２１１等が結露しているか否かを判定する。その結果、以下の効果を奏する。
第１の効果は、ガスが接触するセンサの表面に、駆動に電力が必要な結露検知機を配置する必要がないので、防爆性を保ったまま結露の状態を判定できる。
第２の効果は、上記結露検知機を必要としないので、ガス検知システムのコストを低減できる。つまり、簡単な構成で低コストにセンサ部の結露の状態を判定しながら、監視領域のガス検知を行うことができる。
第３の効果は、結露による受光量の低下と監視領域の湿度の影響による吸光度の変化を切り分けることができる。ガス検知システムに結露検知機を備えていない場合、センサ表面における結露による受光量の低下と監視領域の湿度の影響による吸光度の変化を切り分けることができない。しかし、第１の実施形態に係るガス検知システムでは、センサ表面における結露有無を判別できるので、特に受光量が低下している場合には、センサ表面を拭くなどの対応を施す行動につなげることができ、適切なタイミングで受光量の低下を回復することができる。
［第２の実施形態］
続いて、第２の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
第２の実施形態に係るガス検知システム１０ａでは、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）を使用する。具体的には、第１の実施形態にて説明したレーザダイオード２１に替えて、送信装置１１ａの内部で発光ダイオード２６を使用する（図８参照）。また、発光ダイオードを光源として利用するため、レーザダイオードドライバ２２に替えて、発光ダイオードドライバ２７も併せて使用する。
以上のように、光源として発光ダイオードを用いることで、レーザダイオードを用いた場合と比較して光信号の放射角が大きくなる。その結果、光軸調整の厳密さが緩和され、送出方向の調整がより容易になる。
［第３の実施形態］
続いて、第３の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
第１の実施形態では、送信装置１１と受信装置１２を別の筐体（別装置）としていた。第３の実施形態では、送信装置１１と受信装置１２を同一の筐体に収容する。
図９は、第３の実施形態に係るガス検知システム１０ｂの一構成例を表すブロック図である。図９を参照すると、第１の実施形態にて説明した送信装置１１と受信装置１２に含まれる各種要素（例えば、光源であるレーザダイオード２１、光検出部３２、識別部３３）が１つの筐体に収められ、送受信装置１５を構成している。なお、送受信装置１５に含まれる各要素は、第１の実施形態にて説明した要素と基本的に相違せず、説明を省略する。また、第３の実施形態に係るガス検知システム１０ｂは、レーザダイオード２１から送出される光信号を反射させて、送受信装置１５の筐体方向に戻す反射機構４１を備える。
送受信装置１５の動作であって、第１の実施形態にて説明したガス検知システムの動作と相違する点は以下のとおりである。
レーザダイオード２１から送出された光信号は集光器２３を通過して、送受光面２１３の外に進行する。当該光信号は、監視領域２０１（ガス含有領域２２１）を通って、ミラー等の反射機構４１によって送受信装置１５の方向に戻る。当該反射した光信号は、再び監視領域２０１を通り、送受光面２１３を通過して、集光器３１及び光検出部３２にて光信号を検出する。なお、湿度測定器１４は、送受信装置１５の近傍に設置する。
送受信装置１５の全体動作は、制御部４２により実現され、送受信装置１５の動作に必要な情報（例えば、湿度吸光度情報）は記憶部４３に格納される。
以上のように、第３の実施形態に係るガス検知システム１０ｂでは、光信号の送信機能と受信機能を同一の筐体に収容している。反射機構４１は給電機構を必要としないため、第１の実施形態と比較して、システム全体の消費電力を削減することが可能である。また、光信号は監視領域２０１を往復で通過するため、検出されるガス濃度の信頼性が高まる。さらに、結露が起こりうる面は送受光面２１３に限られ、配置する湿度測定器１４も結露の面の近傍に配置しやすくなる。そのため、送信装置及び受信装置表面の結露による受光量の低下と監視領域の湿度の影響による吸光度の変化の切り分けの精度をより向上させることができる。
［第４の実施形態］
続いて、第４の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１０は、第４の実施形態に係るガス検知システム１０ｃの一構成例を表すブロック図である。
第１の実施形態では、送信装置１１内部の集光器２３の後方には光信号を制御する機構を設けていない。第４の実施形態においては、送信装置１１ｂ内部の集光器２３の後に光信号径調整機構２８を配置している。例えば、光信号径調整機構２８は、入射光を絞るための穴の径が可変可能な遮光板である。当該機構により、送出される光信号の径の大きさを制御することができる。
以上のように、第４の実施形態に係るガス検知システム１０ｃでは、送出される光信号の径を調整することができる。そのため、結露による受光量の低下と監視領域の湿度の影響による吸光度の変化の切り分けの結果を、光信号の径の大きさの依存性とともに取得することができる。その結果、切り分けの精度をより向上することができる。
［第５の実施形態］
続いて、第５の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１１は、第５の実施形態に係るガス検知システム１０ｄの一構成例を表すブロック図である。
第１の実施形態では、送信装置１１及び受信装置１２に関する位置調整機構は設けていない。第５の実施形態においては、送信装置１１及び受信装置１２のそれぞれに、位置を調整するための送信装置位置調整機構２９と受信装置位置調整機構３６を配置している。送信装置位置調整機構２９、受信装置位置調整機構３６はそれぞれ、少なくとも互いに対向する方向に位置が変更できる機構（レール上を移動するような機構）を備え、いずれかの位置調整機構により、送信装置１１と受信装置１２の間の距離を変更することができる。
あるいは、第３の実施形態にて説明した反射機構４１を用いる送受信装置１５の場合には、送受信装置１５と反射機構４１それぞれに位置調整機構を設け、送受信装置１５と反射機構４１の間の距離を変更してもよい。
以上のように、第５の実施形態に係るガス検知システム１０ｄでは、送信装置１１と受信装置１２の位置を調整可能である。このため、結露量は一定のままガス含有領域２２１の距離だけを変化させることができる。その結果、受光量の低下と監視領域２０１の湿度の影響による吸光度の変化の切り分けをより高精度に行うことができる。
［第６の実施形態］
続いて、第６の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１２は、第６の実施形態に係る信号処理装置１３ａの構成の一例を示すブロック図である。図１２を参照すると、信号処理装置１３ａの内部に、監視室等への結露発生を伝達する結露通知部５１を設けてもよい。結露通知部５１は、結露有無の判定結果に応じて、オペレータ等が居る監督室等に情報伝達を行う手段である。
以上のように、信号処理装置１３ａに監視室等への情報伝達機能を設けていることにより、結露が判定され、特に受光量が低下している場合には、センサ表面を拭くなどの対応を施す行動につなげることができ、適切なタイミングで受光量の低下を回復することができる。
上記実施形態にて説明したガス検知システムの構成及び動作は例示であって、種々の変形が可能である。例えば、信号処理装置１３の機能が受信装置１２に含まれていてもよい。
上記実施形態では、事前測定に係る動作モード時に、システム内の湿度を変化させて図５に示すような湿度吸光度情報を得る場合について説明したが、結露がない状態における特定の湿度において取得した水の吸光度から、他の湿度における水の吸光度が推定（あるいは計算）可能な場合には、システムの湿度を変化させて湿度吸光度情報を得る必要はない。あるいは、湿度と水の吸光度の間には比例関係が認められるため、湿度と水の吸光度に関し数点の測定結果（湿度と吸光度の組み合わせ）を用いて、測定していない湿度と水の吸光度の関係を推定してもよい。つまり、図５に示すような詳細な情報を事前に用意しなくともよい。
上記実施形態では、ガス濃度測定時の最初に結露有無の判定（図６のステップＳ１１～Ｓ１４）を行う場合を説明したが、結露有無の判定はガス検知システムの稼働中に定期的に実行されてもよいし、所定の時間帯（例えば、結露が生じやすい時間帯）に集中的に実行されてもよい。
上記実施形態では、結露によりガス濃度が変化したのか監視領域２０１内の湿度変化によりガス濃度が変化したかを切り分ける場合を説明し、「結露あり」の際にはガス濃度測定を実行しないことを説明した。しかし、結露有無の判定結果をガス濃度測定に反映させても良いことは勿論である。具体的には、結露がガス濃度測定に及ぼす影響を予め測定しておき、結露ありの場合にはガス濃度を補正してもよい。
また、上述の説明で用いた複数のフローチャートでは、複数の工程（処理）が順番に記載されているが、各実施形態で実行される工程の実行順序は、その記載の順番に制限されない。各実施形態では、例えば各処理を並行して実行する等、図示される工程の順番を内容的に支障のない範囲で変更することができる。また、上述の各実施形態は、内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の形態のようにも記載され得るが、以下には限られない。
［形態１］
上述の第１の視点に係るガス検知システムのとおりである。
［形態２］
前記送信装置の光源は、大気中に含まれる所定の種類のガスの吸収波長を有する光信号を送出し、
前記受信装置は、前記ガスの吸収波長を有する光信号を受信し、前記受信したガスの吸収波長を有する光信号に応じた情報を出力し、
前記受信装置から出力される前記ガスの吸収波長を有する光信号に応じた情報に基づき、前記所定の種類のガスの濃度を測定する、信号処理装置をさらに含む、形態１のガス検知システム。
［形態３］
前記識別部は、前記湿度測定器により取得された湿度と、前記光検出部で受光した光信号から算出した水の吸収波長における吸光度と、に基づき前記結露の有無を判定する、形態１又は２のガス検知システム。
［形態４］
前記識別部は、前記光信号が通過する領域の少なくとも一領域に結露が生じていない状況で事前に取得された水の吸収波長における吸光度と、ガス濃度測定時における水の吸収波長における吸光度と、が相違するか否かを前記結露の有無の判定基準とする、形態３のガス検知システム。
［形態５］
前記送信装置は、前記送出される光信号の径を調整する光信号径調整機構を備える、形態１乃至４のいずれか一に記載のガス検知システム。
［形態６］
前記送信装置及び／又は前記受信装置は、位置調整機構を備え、前記位置調整機構により、前記送信装置と前記受信装置の間の距離を変更することができる形態１乃至５のいずれか一に記載のガス検知システム。
［形態７］
前記送信装置及び前記受信装置に替えて、少なくとも前記光源、前記光検出部及び前記識別部を同一の筐体内に備える送受信装置と、
前記光源から送出される光信号を反射させて、前記送受信装置の筐体方向に戻す反射機構と、
をさらに含み、
前記送受信装置は、前記反射された光信号を前記光検出部により受信する形態１乃至５のいずれか一に記載のガス検知システム。
［形態８］
前記送受信装置及び／又は前記反射機構は、位置調整機構を備え、前記位置調整機構により、前記送受信装置と前記反射機構の間の距離を変更することができる、形態７のガス検知システム。
［形態９］
前記送信装置は、前記光源が送出する光信号の放射角を制御するための集光器をさらに備え、
前記受信装置は、前記送信装置が送出する光信号を集光する集光器をさらに備える、形態１乃至６のいずれか一に記載のガス検知システム。
［形態１０］
前記光源は、水の吸収が大きい波長を出力する形態１乃至９のいずれか一に記載のガス検知システム。
［形態１１］
前記光源はレーザダイオード又は発光ダイオードであり、前記光検出部はフォトダイオードを含んで構成されている、形態１乃至１０のいずれか一に記載のガス検知システム。
［形態１２］
前記結露の有無の判定結果に応じて、監視室へ情報伝達を行う形態１乃至１１のいずれか一に記載のガス検知システム。
［形態１３］
上述の第２の視点に係るガス検知方法のとおりである。
［形態１４］
異なる波長の光信号を送出する光源を備える送信装置からの光信号を受信する光検出部と、
湿度を測定する湿度測定器が測定した湿度と前記光検出部において受信した光信号の光強度に基づき、前記光信号が通過する領域の少なくとも一領域における結露の有無を判定する、識別部と、
を備える、受信装置。
［形態１５］
上述の第３の視点に係るプログラムのとおりである。
なお、形態１３～１５の形態は、形態１と同様に、形態２～形態１２のように展開することが可能である。
なお、引用した上記の特許文献等の各開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の全開示の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。
１０、１０ａ～１０ｄ ガス検知システム
１１、１１ａ、１１ｂ、１０２ 送信装置
１２、１０３ 受信装置
１３、１３ａ 信号処理装置
１４、１０１ 湿度測定器
１５ 送受信装置
２１ レーザダイオード
２２ レーザダイオードドライバ
２３、３１ 集光器
２４、３４、４２ 制御部
２５、３５、４３ 記憶部
２６ 発光ダイオード
２７ 発光ダイオードドライバ
２８ 光信号径調整機構
２９ 送信装置位置調整機構
３２、１１１ 光検出部
３３、１１２ 識別部
３６ 受信装置位置調整機構
４１ 反射機構
５１ 結露通知部
２０１ 監視領域
２１１ 送出面
２１２ 受光面
２１３ 送受光面
２２１ ガス含有領域
２２２ 送信結露領域
２２３ 受信結露領域

Claims (10)

  1. 湿度を測定する湿度測定器と、
    複数の波長の光信号を送出する光源を備える送信装置と、
    前記送信装置からの光信号を受信する光検出部と、前記湿度測定器が測定した湿度と前記光検出部において受信した光信号の光強度に基づき、前記光信号が通過する領域の少なくとも一領域における結露の有無を判定する、識別部と、を備える受信装置と、
    を含む、ガス検知システム。
  2. 前記送信装置の光源は、大気中に含まれる所定の種類のガスの吸収波長を有する光信号を送出し、
    前記受信装置は、前記ガスの吸収波長を有する光信号を受信し、前記受信したガスの吸収波長を有する光信号に応じた情報を出力し、
    前記受信装置から出力される前記ガスの吸収波長を有する光信号に応じた情報に基づき、前記所定の種類のガスの濃度を測定する、信号処理装置をさらに含む、請求項１のガス検知システム。
  3. 前記識別部は、前記湿度測定器により取得された湿度と、前記光検出部で受光した光信号から算出した水の吸収波長における吸光度と、に基づき前記結露の有無を判定する、請求項１又は２のガス検知システム。
  4. 前記識別部は、前記光信号が通過する領域の少なくとも一領域に結露が生じていない状況で事前に取得された水の吸収波長における吸光度と、ガス濃度測定時における水の吸収波長における吸光度と、が相違するか否かを前記結露の有無の判定基準とする、請求項３のガス検知システム。
  5. 前記送信装置は、前記送出される光信号の径を調整する光信号径調整機構を備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス検知システム。
  6. 前記送信装置及び／又は前記受信装置は、位置調整機構を備え、前記位置調整機構により、前記送信装置と前記受信装置の間の距離を変更することができる請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガス検知システム。
  7. 前記送信装置及び前記受信装置に替えて、少なくとも前記光源、前記光検出部及び前記識別部を同一の筐体内に備える送受信装置と、
    前記光源から送出される光信号を反射させて、前記送受信装置の筐体方向に戻す反射機構と、
    をさらに含み、
    前記送受信装置は、前記反射された光信号を前記光検出部により受信する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガス検知システム。
  8. 前記送受信装置及び／又は前記反射機構は、位置調整機構を備え、前記位置調整機構により、前記送受信装置と前記反射機構の間の距離を変更することができる、請求項７のガス検知システム。
  9. 湿度を測定する湿度測定器と、
    複数の波長の光信号を送出する光源を備える送信装置と、
    を含むガス検知システムにおいて、
    湿度を測定するステップと、
    前記送信装置からの光信号を受信するステップと、
    前記測定された湿度と前記受信した光信号の光強度に基づき、前記光信号が通過する領域の少なくとも一領域における結露の有無を判定するステップと、
    を含む、ガス検知方法。
  10. 複数の波長の光信号を送出する光源を備える送信装置からの光信号を受信する光検出部を備える受信装置に搭載されたコンピュータに実行させるプログラムであって、
    湿度を測定する湿度測定器が測定した湿度と前記光検出部において受信した光信号の光強度に基づき、前記光信号が通過する領域の少なくとも一領域における結露の有無を判定する処理を、前記コンピュータに実行させるプログラム。
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