JPH034147A

JPH034147A - ガス検知装置

Info

Publication number: JPH034147A
Application number: JP1139925A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Yamamoto; 和成山本
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1989-06-01
Filing date: 1989-06-01
Publication date: 1991-01-10
Anticipated expiration: 2013-05-13
Also published as: JP2750609B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は光ファイバを用いて空間内におけるガスの存在
を検知するガス検知装置に関する。

（従来技術）従来、空中等の空間内におけるガスの存在（たとえばガ
ス漏れ）を検知する方式としてレーザレーダを用いる方
式が知られている。この方式は、レーザ光源から検知す
べき空間にレーザ光を出射させ、離れた位置に設けた受
光器で受光するか（透過型）または離れた位置に設けた
反射鏡やコーナーキューブで反射させその反射光をレー
ザ光源と同し側に設けた受光器で受光しく反射型〕、そ
のときのビーム減衰量によりガスの存在を検知するもの
である。

この方式はレーザ光が空間を伝播する間に減衰するため
に検知できる範囲に限界があり、ガスの存在はもちろん
のことその量もある程度はわかるか、存在位置がわから
ないという欠点かある。特に反射型はレーザビームを遠
方の反射鏡やコーナーキューブに当たるように位置決め
するのか大変である。

また、検知すべき空間に向けて出射したレーザ光が途中
に存在するガスで散乱することを利用してその散乱光を
受光することによりガスの有無を検知する方式（散乱型
）や、粗面にてレーザ光を乱反射させて、その散乱光を
望遠鏡などで集光する方式（乱反射型）も知られている
か、やはり長距離空間におけるガスの検知には不向きで
あるため、この方式の検知Ｉｌｔ置を移動車に搭載する
移動式のものも考えられている。

そこて伝播途中てのレーザ光の減衰がなくガスの存在位
置がわかりしかも長距離空間での検知か可能な方式とし
て光ファイバを用いたガス検知方式が考えられている（
たとえば特開昭５７−１１３３２８号）、この方式は、
光ファイバか液化天然ガスのような常温とは異なる温度
のガスに触れるとその部分における屈折率か異なる性質
があるため、屈折率の差によりレーザ光が反射すること
を利用したもので、パルス状のレーザ光を光ファイバに
送り込めばその反射パルスのもどり時間からガスの有無
が検知できる。しかし、この方式は常温とは異なる温度
のガスの存在の検知にしか適用できないため、都市ガス
のような常温に近いガスのパイプラインのガス漏れ検知
などには適用できない。

一方、光ファイバのエバネッシエント効果を利用してガ
スの存在を検知する方式も知られているが、この方式は
光の波長の１／２程度に細い径光ファイバを用いる必要
があるために光ファイバの型造が困難てあり実用的では
ない。

（発明の目的および構成）本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、光ファ
イバを用いて長距離空間における常温のガスの存在を高
精度で検知することを目的とし、この目的を達成するた
めに、検知すべきガスに吸収され易い波長のレーザ光を
発生するレーザ光源に接続された主光ファイバの途中に
複数の光ファイバカプラを接続し、各光ファイバカプラ
において主光ファイバと所定の結合比により結合された
分岐ファイバの末端から標的に向けてレーザ光を出射し
、標的による反射レーザ光を分岐ファイバの末端で受光
し、光ファイバカプラな介して主光ファイバをもどって
伝送される反射レーザ光に基づいて分岐ファイバ末端と
標的との間の空間におけるガスの存在を検知するように
構成した。

（実施例）以下本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明による芳ス検知装置の一実施例の概略線
図である。

図において、ｌは検知対象となるガス（たとえばメタン
ガス）に吸収される波長（メタンガスの場合は１　、３
２５　ｐｍ）のパルス状のレーザ光を発生する半導体レ
ーザなとのレーザ光源、２は検知対象となる同じガス（
たとえばメタンガス）に吸収されない波長のパルス状レ
ーザ光を発生する半導体レーザなとのレーザ光源、３は
パルス発生器、４はパルス発生″ｓ３により発生される
パルスを切換えるパルス切換器、５および６はパルス切
換器４により切換えられたパルスに基づいてレーザ光源
ｌおよび２から出力されるパルス状レーザ光のパルス間
隔を決めるレーザドライバ、７はレーザ光源ｌおよび２
から発生されるパルス状レーザ光のパルス幅を決める信
号を出力するオシレータ、８はレーザ光源ｌからのレー
ザ光とレーザ光源２からのレーザ光とを結合して出力す
る光結合器、９は光結合器８から伝送されるレーザ光を
検知エリアＦ（破線で囲んで示す）に伝送したり、検知
エリアＦから反射されてもどってくるレーザ光を処理系
に向けて分岐する光分岐器である。

処理系は、受光した反射レーザ光を電気信号に変換する
ゲルマニウム　アンバランシェ　フォトダイオードなど
から成る光電変換器ｌＯと、電気信号を増幅するプリア
ンプ１１と、増幅された電気信号をパルス発生器３とオ
シレータ７からの信号に同期して増幅する高周波川口ツ
クインアンプ１２と、ロックインアンプ１２の出力をパ
ルス切換器４からの切換えパルスにより平均化するアベ
レージヤ１３および１４と、両アベレージヤ１３および
１４の出力を計算する割算器１５とにより構成されてい
る。１６は割算器１５の出力に基づいて検知エリアＦ内
に存在するガスの量を記録するレコーダである。

さて、検知エリアＦ内には、等間隔にｎ個の光フアイバ
カブラに１．にｍ　、　＋＋＋　Ｋ　ｎが主光ファイバ
２０に直列に接続されている。各光フアイバカブラの間
隔および個数は検知エリアＦの広がりと検知対象となる
ガスの種類や検知の目的などを考慮して決めればよい、
各光ファイバカブラからは光ファイバか分岐しており、
光ファイバに、からは分岐ファイバｄ、か、光ファイバ
に２からは分岐ファイバｄ２か、そして光ファイバに７
からは分岐ファイバｄ、、がそれぞれ分岐している。

各分岐ファイバの末端には入出力するレーザ光を集束す
るためのコリメータレンズＬ、、Ｌ、、・・・Ｌｎが配
置され、主光ファイバ２０の末端にもコリメータレンズ
Ｌ８が配置されている。各分岐ファイバ末端のコリメー
タレンズとその前方にある標的との間の空間がガスの存
在を検知する検知空間であり、光フアイバカブラに。か
ら分岐した分岐ファイバｄ７に対する検知空間はコリメ
ータレンズＬ。と標的である地面２４との間に広がる空
間ｆｎであり、分岐ファイバｄ。−１に対する検知空間
はコリメータレンズＬ７−１と前方に配置された標的と
してのコーナーキューブ２３との間に広がる空間ｆ。−
１てあり、分岐ファイバｄ＋に対する検知空間はコリメ
ータレンズＬ、と標的である壁２２との間に広がる空間
ｆ１てあり、主光ファイバ２０の末端に対する検知空間
はコリメータレンズＬ３と標的としてのコーナーキュー
ブ２１との間に広がる空間ｆ、である。

ここで重要なことは、光フアイバカブラに、。

Ｋ２．・・・に７の結合比をそれぞれの分岐ファイバｄ
、、ｄ２．・−ｄ、の末端でのレーザ光の出力パワーが
ほぼ同程度になるように設定することである。

すなわち、光フアイバカブラに１．に２％＊＠に。の結
合比は、レーザ光源に近いほど小さくシ、レーザ光源か
ら離れるほど順次大きくなるように設定されている。

ここで光フアイバカブラの結合比について第２図を参照
して簡単に説明する。

一般に、第２図に示すように、光ファイバカブラに入射
するレーザ光のパワーを２１、主光ファイバに出射する
レーザ光のパワーをＰ２１分岐分岐ファイバ射するレー
ザ光のパワーをＰ３とすると、結合比Ｘは次のように定
義される。

ブラを用いた検知系のｍ４目の光フアイバカブラの結合
比Ｘ、は次のように表わされる。

■ なお、上式でｍ＝１の場合はＸ、＝−となる。

現在の光フアイバ製造技術では光フアイバカブラの結合
比を１〜９９％の範囲内で任意に選択できるので、第１
図の実施例において全光ファイバカブラに１．に、、＋
＊＊に。の分岐ファイバ末端から入射するレーザ光のパ
ワーがほぼ等しくなるように結合比を選択することは容
易である。

ここで１０個の光フアイバカブラな用い、カプラの間隔
をｌｏｍおよびｌｋｍとしたときの各光ファイバカブラ
の結合比ｘ、（ｍ＝１，２．・・・１０）の具体例を示
す、ただし、この場合、各分岐ファイバ末端から出射す
るレーザ光のパワーと反射後入射するレーザ光のパワー
との比を０．５とし、入射レーザ光のパワーはほぼ等し
いものとする。

いま第１図に示したようなｎ個の光ファイバカ次に本発
明によるガス検知の方法を第３図を参照して説明する。

たとえばメタンガスのガス漏れか予測される検知エリア
Ｆ内に光ファイバカプラに、、に２．・・・に。

と、分岐ファイバｄ　、、ｄ　、、・・・ｄ７とを適切
に配置し、レーザ光源ｌおよび２からそれぞれメタンガ
スに吸収され易い波長のパルス状レーザ光Ａと吸収され
ない波長のパルス状レーザ光Ｂとを交互に発生し、光結
合器８および主光分岐器９を介して光ファイバ２０に伝
送する。

主光ファイバ２０に伝送されたレーザ光は、光ファイバ
カプラに１．に２．・・・に、て回パワーだけ分岐ファ
イバｄ　ｒ　＋　ｄ　＊　＊・−ｄ、に分岐され、それ
でれコツメータレンズＬ　＋　、　Ｌ　＊　、・−Ｌ、
から検知空間ｆｌ＋ｆ２＋・−ｆ、を通して標的に向け
て出射される。

いまたとえば検知中ｎｒｉ　ｆ、とｆＩにはガス漏れが
なく、検知空間ｆ　ｎ−１にガス漏れがあるとすると、
第３図に示すように、検知空間ｆ７とｆ、においては分
岐ファイバｄｎおよびｄ、の末端からは同程度に減衰し
たレーザ光ＡおよびＢの反射レーザ光が入射するが、検
知空間ｆ　１％−１においては分岐ファイバｄ。−１の
末端から、レーザ光Ａはメタンガスにより吸収されて相
当減衰するがレーザ光Ｂは検知空間ｆｎおよびｆｏ−１
と同程度にやや減衰して入射する。

各分岐ファイバの末端から入射した反射レーザ光は光フ
ァイバカプラにより主光ファイバ２０に結合され主光フ
ァイバ２０を光分岐器９まで伝送される。光分岐器９は
もどってきた反射レーザ光を光電変換器ｌＯに伝送し、
ここで電気信号に変換する。検知空間ごとにもどってく
る反射レーザ光に時間遅れがあるので、その時間遅れか
らどの検知空間からの反射レーザ光かが容易にわかる。

光電変換されて出力する信号はプリアンプ１１で増幅さ
れ、高周波用ロックインアンプ１２でレーザ光源ｌおよ
び２の出射タイミングと同期して増幅され、アベレージ
ヤ１３および１４によりレーザ光ＡおよびＢが別々に平
均化される。平均化された値は割算器１５で割り算され
る。その結果、検知空間ｆ、およびｆｌ−１については
レーザ光Ａ、Ｈの減衰割合が同程度であるから割算器１
５からの出力値はｌに近いが、検知空間ｆＲ−１につい
てはレーザ光Ａの減衰割合がレーザ光Ｂの減衰割合に比
べて極端に大きいのでｍｓ器からの出力値はｌに比べて
極端に小さくなる。従って。

割算器１５からの出力値の大小でガスの有無かわかり、
さらにその値によりガスの存在量が定量的にわかる。

レコーダ１６ではガス漏れのある検知空間とガス漏れ量
か記録される。このレコーダ１６の代りにまたはレコー
ダ１６と並列にデイスプレィを設けて同じ内容を表示し
てもよい。

本発明者の試算によれば、光ファイバカプラから分岐フ
ァイバに出射するレーザ光のパワーに対する反射後分岐
ファイバに入射するレーザのパワーの比を低目に見て０
．５とし、光ファイバカプラの効率βを０．９程度とす
ると１つの検知系で使用可能な光ファイバカプラの数ｎ
は３０個程度になるが、効率βを０．９９まで向上すれ
ばｎは１００個程度まで増すことが可能であると考えら
れる。ｎが３０以上であれば相当長距離または広範囲の
検知エリアについてガス検知が可能になる。

上記実施例において、標的で反射されて分岐ファイバ末
端に入射するレーザ光の強度の許容範囲は、検知対象で
あるガスの吸収係数、外乱に分岐ファイバ末端にもどる
レーザ光の強度の変動、レーザ光源の出力変動、光電変
換器に用いられるゲルマニウム　アバランシェ　フォト
ダイオードの熱雑音、測定系の精度などを考慮して決め
るのかよい。

なお、分岐ファイバの末端から出射するレーザ光の標的
までの距離が長い場合や標的面の反射特性が悪い場合は
コーナーキューラを用いることにより光軸上のレーザ光
をほとんど損失なく反射させてもどすことができる。

また、上記実施例では標的で反射したレーザ光かコリメ
ータレンズを介して各分岐ファイバの末端にもどるとき
のパワーか同じになるように結合比を決めているが、必
ずしも同してなくてもよく、同程度の範囲内に入ればシ
ステムとして問題なく作動する。

（発明の効果）以上説明したように１本発明においては、検知すべきガ
スに吸収され易い波長のレーザ光を発生するレーザ光源
にｖｔ統された主光ファイバの途中に複数の光ファイバ
カブラを接続し、各光フアイバカブラにおいて主光ファ
イバと所定の結合比で結合される分岐ファイバの末端か
ら標的に向けてレーザ光を出射し、標的による反射レー
ザ光を分岐ファイバの末端で出射し、光フアイバカブラ
な介して主光ファイバ中をもどって伝送される反射レー
ザ光に基づいて分岐ファイバ末端と標的との間の空間に
おけるガスの存在を検知するように構成したので、長距
離空間における常温のガスの存在を光のパワーの減衰な
く高精度で検出できる。

検知エリアを複数の検知空間に分け、各検知空間ごとに
光フアイバカブラで分岐した分岐ファイバの末端から同
じパワーのレーザ光を出射させるようにしたので、用途
および検知の目的に適合したガス検知かてきる。また、
耐熱性の光ファイバを用いればかなりの高温物体の近傍
のガスの存在および量を検知することができる。また、
異なるそれぞれのガスに特有な吸収線を有するレーザ光
を発生するレーザ光源かあれば複数のガスに対して同時
に存在検知がてきる。

さらに、１つのレーザ光源の周波数を変調すれば高感度
のガス検知が可能となる。また１本発明によるガス検知
装置はその構成上システムの構築や保守か容易であるこ
とも有利な点である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガス検知装置の一実施例の概略線
図、第２図は光ファイバカブラの結合比を説明するため
の線区、第３図は本発明におけるガス検知を説明するた
めのタイミングチャートである。

Claims

【特許請求の範囲】

検知すべきガスに吸収され易い波長のレーザ光を発生す
るレーザ光源と、該レーザ光源により発生されるレーザ
光を伝送する主光ファイバと、該主光ファイバの途中の
所定位置に直列に接続され且つ分岐ファイバを有し、主
光ファイバと分岐ファイバとの間で所定の結合比でレー
ザ光エネルギーを授受する複数の光ファイバカプラとを
有し、前記分岐ファイバは前記主光ファイバから所定の
結合比で受けたレーザ光を分岐ファイバ末端から所定の
標的に向けて出射し、該標的により反射されるレーザ光
を該末端から入射し前記所定の結合比で主光ファイバに
伝送するように構成され、前記主光ファイバのレーザ光
源に近い位置に接続されレーザ光源からのレーザ光は前
記光ファイバカプラの方向に伝送するが、前記光ファイ
バカプラを介して伝送されてくる反射レーザ光は主光フ
ァイバから分岐する光分岐器と、前記レーザ光源により
発生されるレーザ光と前記光分岐器により分岐される反
射レーザ光とに基づいて前記分岐ファイバ末端と前記所
定の標的との間の空間におけるガスの存在を検知する信
号処理回路とをさらに有し、前記光ファイバカプラの結
合比は分岐ファイバ末端から入射するレーザ光のパワー
がほぼ等しくなるように設定されたことを特徴とするガ
ス検知装置。