JPH04318443A - 回折格子を用いたガスリモートセンシング装置 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、濃度（圧力）が検出さ
れるガスの吸収スペクトルに応じて光学的に狭帯域フル
タの特性を持つ回折格子を変調させることにより、ガス
の濃度あるいは圧力を検出するガスリモートセンシング
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばメタンガス等の濃度（圧力
）を検出するための手段として、図４に示すような回路
構成のものがあった。これは、メタンガスが封入された
ガスセルを透過した光を、ハーフミラー１０１により一
部を透過させるとともに一部を反射させ、反射光を参照
光としてホトダイオート１０２で光電変換したあと、光
電変換された直流信号をアンプ１０３で増幅し、増幅し
た直流信号を差動アンプ１０４の一方の入力端子に印加
する一方、ハーフミラー１０１を透過した光を、中心波
長がメタンガスの吸収スペクトルと一致する干渉フィル
タ１０５に通し、干渉フィルタ１０５を通過した光を計
測光としてホトダイオード１０６で光電交換したあと、
光電交換された直流信号をアンプ１０７で増幅し、増幅
した直流信号を差動アンプ１０４のもう一方の入力端子
に印加することにより、差動アンプ１０４において前記
参照光対応の直流信号と計測光対応の直流信号との差を
増幅し、差動アンプ１０４から出力された信号に基づい
てメタンガスの濃度を検出するようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のガス濃度（
圧力）検出手段は、ハーフミラー１０１で光路を参照光
と計測光とに分け、それぞれの電気回路を独立させてい
るため、例えば前記アンプ１０３，１０７及び差動アン
プ１０４の電気的特性が周囲温度の変化により変動する
と、それぞれのアンプの増幅率が微妙に変動し、前記参
照光対応の直流信号と計測光対応の直流信号が温度に対
して変動するため、正確な濃度検出ができないという問
題があった。そのため従来は、その電気回路を恒温槽の
中に入れ、温度に対する回路特性を安定させることが必
要であった。そして濃度（圧力）検出精度を上げるため
には恒温槽の温度制御精度を上げることが必要であった
。しかしながら恒温槽の温度制御精度を上げることは技
術的に限界があり、且つ温度制御精度の高い恒温槽は高
価であるという問題があった。

【０００４】また、直流信号増幅方式のためノイズの除
去が困難であり、ドリフト電流が重畳されてもそれを除
去することが極めて困難であるという問題があった。そ
こで、本発明では上記問題を解決するため、ガスセルを
透過した光を参照光と計測光との二つの光路に分岐する
ことなく単一光路を通し、この単一光路途中に設けられ
た回折格子を、濃度（圧力）が検出されるガスの吸収波
長を中心に僅かに波長を変調するように制御するととも
に、回折格子の波長の変調の中心を自動的に被濃度（圧
力）検出ガスの光の吸収波長に合わせるようにフィード
バック制御することにより、ガス濃度（圧力）を高精度
に検出することを解決すべき技術的課題とするものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題解決のための技
術的手段は、回折格子を用いたガスリモートセンシング
装置を、濃度もしくは圧力が検出されるガスを透過する
際の、そのガスによる吸収率が最も大きな波長を含んだ
波長帯の光を発光する発光手段と、その発光手段から発
光された前記光を前記ガスが封入されたガスセルまで導
いて入射する往光路と、前記ガスセルを透過した前記光
を導く復光路と、前記往光路もしくは前記復光路に設け
られた回折格子と、その回折格子を所定のタイミングで
変調させることにより前記光を前記ガスにより大きく吸
収される波長の第１の光と前記ガスにより吸収されない
波長の第２の光とを生成する回折格子変調制御手段と、
前記復光路の端末部に設けられ、前記第１の光と第２の
光とを受光し、それぞれの光の光量に対応した第１の電
気信号と第２の電気信号とを出力する受光手段と、その
受光手段からの前記それぞれの電気信号の加算値に対応
した前記第１の光と第２の光の合計光量に基づいて前記
回折格子変調制御手段による前記回折格子の変調を補正
する変調制御補正手段と、前記第１の電気信号と第２の
電気信号とに基づいて前記ガスによる前記第１の光の吸
収率を演算し、その吸収率から前記ガスの濃度もしくは
圧力を演算する演算手段とを備えた構成にすることであ
る。

【０００６】

【作用】上記構成の回折格子を用いたガスリモートセン
シング装置によれば、回折格子が復光路の途中に設けら
れている場合、発光手段から発光された光は復光路に導
かれてガスセルに入射され、透過される。ガスセルを透
過した光は復光路により導かれ回折格子に入射される。 回折格子は回折格子変調制御手段により変調制御されて
おり、この変調により回折格子はガスにより大きく吸収
される波長の第１の光と前記ガスにより吸収されない波
長の第２の光とを生成し、それぞれの光を受光手段に伝
送する。受光手段は第１の光と第２の光とを受光すると
、それぞれの光を第１の電気信号と第２の電気信号とに
変換して出力する。その第１の電気信号と第２の電気信
号が変調制御補正手段に入力されると、その変調制御補
正手段はそれぞれの電気信号の加算値に対応した前記第
１の光と第２の光の合計光量に基づいて前記回折格子変
調制御手段による前記回折格子の変調を補正する。そし
て演算手段は第１の電気信号と第２の電気信号とに基づ
いて前記ガスによる第１の光の吸収率を演算し、その吸
収率から前記ガスの濃度もしくは圧力を演算する。

【０００７】尚、回折格子が往光路の途中に設けられて
いる場合には、発光手段から発光された光がガスセル手
前で回折格子により第１の光と第２の光に分けられたあ
と、ガスセルを透過され、そのあと、復光路により導か
れて受光手段により受光され、第１の電気信号と第２の
電気信号に変換されるもので、そのあとの作用は回折格
子が復光路の途中に設けられている場合と同様である。

【０００８】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。

【０００９】図１は、本発明のガスリモートセンシング
装置の全体的な構成を示したブロック図である。

【００１０】図１において、主ケース１に設けられた定
電流回路２から通電された定電流により、スーパールミ
ネッセントダイオード（ＳＬＤ）３から例えば１．３マ
イクロメータ帯の波長を有する光が発光されると、この
光は、光コネクタ４、及びマルチモード光ファイバ５を
介して光器具ブラケット６に伝送される。この光ブラケ
ット６には、濃度（圧力）が検出される被濃度（圧力）
検出ガスとしての例えばメタンガスが均一に封入された
ガスセル７が配設されている。光器具ブラケット６に伝
送された上記光は、レンズ８に入射され、レンズ８によ
りビーム状に集光された光線Ｌ１がガスセル７を透過す
る。ガスセル７を透過した光線Ｌ１はレンズ９により集
光され、マルチモード光ファイバ１０、光コネクタ１１
を介して主ケース１に設けられたサブケース１２に帰還
される。

【００１１】サブケース１２に入射された光Ｌ２は、反
射型の回折格子２１に入射される。この回折格子２１に
は、ピエゾ素子２２が取付けられており、このピエゾ素
子２２に印加する電圧に応じてピエゾ素子２２が長手方
向に伸縮するため、回折格子２１は軸２１Ａを中心とし
て微小角度、すなわち実線と破線で示す位置に回動変位
される。回折格子２１がピエゾ素子２２により回動変位
されると、前記光Ｌ２は、メタンガスの吸収スペクトル
に対応した波長、即ち１．３３１２マイクロメータの波
長を有する第１の光（λ０）と、この１．３３１２マイ
クロメータの波長より６ｎｍ（ナノメータ）ずれた１．
３３７２マイクロメータのメタンガスに吸収されない波
長の第２の光（λ１）とに変調される。（図２、図３参
照）

【００１２】上記変調制御により生成された１．３３１
２マイクロメータの波長を有する第１の光と、この１．
３３１２マイクロメータの波長から僅かにずれた１．３
３７２マイクロメータの波長の第２の光とが反射光とし
てスリット１４を交互に通過したあと、それらの光は光
コネクタ１３、マルチモード光ファイバ１５を介して二
方向分光器２４に入射され、その二方向分光器２４によ
り分岐光Ｌ３とＬ４とに分けられる。分岐光Ｌ３は、被
濃度（圧力）検出ガスのメタンガスと同成分のガスが１
００％濃度で封入された基準セル１６に透過されたあと
、ホトダイオードＰＤ１において光電交換される。 尚、分岐光Ｌ３が基準セル１６を透過する過程で波長が
１．３３１２μｍの第１の光は、基準セル１６中のメタ
ンガスにより吸収され、減衰する一方、１．３３７２μ
ｍの波長の第２の光はほとんど減衰することなく透過す
る。従ってホトダイオードＰＤ１で受光される光量は、
前記変調周期に同期して強弱交互に変化する。ホトダイ
オードＰＤ１において光電交換され、ホトダイオードＰ
Ｄ１から出力された直流信号Ｄ１は同期制御回路２８に
入力される。

【００１３】一方、分岐光Ｌ４は、ホトダイオードＰＤ
２において光電交換される。ホトダイオードＰＤ２にお
いて光電交換され、ホトダイオードＰＤ２から出力され
た直流信号Ｄ２はゲイン調節可能なプログラマブルゲイ
ンアンプ３３によりゲイン調節され、その出力信号Ｄ３
は同期制御回路３４に入力される。

【００１４】マイクロコンピュータ１８は、ガスリモー
トセンシング装置の中枢を成すのもである。そのマイク
ロコンピュータ１８に接続された発振回路３６は、マイ
クロコンピュータ１８からのクロック信号に同期して所
定周波数の信号を発振して出力するもので、この発振信
号Ｓ１は加算器３７に出力される。加算器３７は発振信
号Ｓ１と、後述の変調制御補正信号Ｓ３とを加算した加
算信号Ｓ４を前記ピエゾ素子２２を駆動するピエゾドラ
イバ２３に出力する。

【００１５】一方、マイクロコンピュータ１８に接続さ
れた位相制御回路３８は、マイクロコンピュータ１８か
らのクロックＳ２を入力し、所定周期の矩形波パルス信
号Ｓ５、Ｓ６を出力する。上記パルス信号Ｓ５は前記同
期制御回路２８に、また、もう一方のパルス信号Ｓ６は
前記同期制御回路３４に入力される。

【００１６】同期制御回路２８は、上記パルス信号Ｓ５
と前記ホトダイオードＰＤ１からの直流信号Ｄ１とを入
力し、パルス信号Ｓ５に同期して上記信号Ｄ１を交流信
号に変換したあと、同期検波する。同期制御回路２８に
おいて同期検波された出力信号Ｓ７は、ＰＩ回路（比例
積分回路）４０に入力される。同期検波された出力信号
Ｓ７は、前記回折格子２１がピエゾ素子２２により微小
回動変位されるとき、変位幅が何らかの原因により所定
値から変化し、前記１．３３１２マイクロメータの波長
を有する第１の光と、この１．３３１２マイクロメータ
の波長から僅かにずれた１．３３７２マイクロメータの
波長を有する第２の光が得られなくならないよう、上記
変位幅を所定値に戻すように補正するための信号で、こ
の信号Ｓ７を前記ＰＩ回路（比例積分回路）４０を通し
、より精密な変調制御補正信号Ｓ３として前記加算器３
７に印加する。従って加算器３７からピエゾドライバ２
３に出力される信号Ｓ４は、前記発振信号Ｓ１と、前記
変位幅を補正するための一種のフィードバック信号とし
ての変調制御補正信号Ｓ３とを加算した信号となる。

【００１７】また、同期制御回路３４は、前記パルス信
号Ｓ６と前記出力信号Ｄ３とを入力し、信号Ｄ３を交流
信号に変換したあと、パルス信号Ｓ６に同期してその交
流信号を同期検波する。同期制御回路３４において同期
検波された出力信号Ｓ８は、ＡＤ変換器１７によりディ
ジタル信号Ｓ９に変換されたあと、マイクロコンピュー
タ１８に入力される。

【００１８】マイクロコンピュータ１８は、同期制御回
路３４から出力された出力信号Ｓ８に対応したディジタ
ル信号Ｓ９を入力すると、このディジタル信号Ｓ９に基
づいて、メタンガスに吸収されたあとの前記１．３３１
２マイクロメータの波長を有する第１の光の光量に対応
した信号と、メタンガスにより吸収されない前記１．３
３７２マイクロメータ波長の第２の光の光量に対応した
信号との差を演算し、更に、その差に基づいて前記ガス
セル７のメタンガスの濃度（圧力）を演算検出する。そ
して演算されたメタンガスの濃度（圧力）は、キーボー
ド４１の設定操作によりＬＥＤディスプレイ４２に表示
される。

【００１９】以上のように、被濃度（圧力）検出ガスに
吸収される第１の光の吸収スペクトルに応じた波長と、
上記吸収スペクトル対応波長より僅かにずれた第２の光
の非吸収波長とに変調する回折格子２１を制御してガス
濃度（圧力）を高精度に検出する手段は、本実施例で開
示したメタンガスに限らず、任意のガスの濃度（圧力）
を検出し、表示する場合にも有用である。

【００２０】また、前記回折格子２１の配設位置は、前
記実施例のように前記ガスセル７の後でなくても、前記
ガスセル７の前でも良い。

【００２１】次に、本発明の応用例を説明する。図５は
、第１の応用例を示したもので、メタンガスが長尺のパ
イプ５１を流れている場合に、パイプ５１の途中に設け
られた複数のガスセル５２，５３，５４それぞれにおけ
るメタンガスの濃度を集中的に測定し、長尺のパイプ５
１からのメタンガスの漏洩を検出する手段を示したもの
である。この応用例の場合は、前記スーパールミネッサ
ントダイオード３、マイクロコンピュータ１８、回折格
子２１などを収容した本体部５５から多芯の光ファイバ
５６の２芯づつをガスセル５２，５３，５４それぞれに
接続したもので、ガスセル５２，５３，５４それぞれか
ら帰還する光を切換え受光したり、あるいは光電変換さ
れた電気信号を時分割制御することにより、ガスセル５
２，５３，５４それぞれのガス濃度を演算し、ガスセル
５２，５３，５４それぞれの近辺における長尺パイプ５
１からのメタンガスの漏洩を検出することができる。

【００２２】図６は、第２の応用例を示したもので、Ｌ
ＮＧ船６１からローディングアーム６２を用いて天然ガ
スを搬出したり、あるいはＬＮＧ船６１に天然ガスを搬
入するシステムにおいて、ローディングアーム６２の途
中位置に複数のガスセル６３，６４，６５を設け、ロー
ディングアーム６２からの天然ガスの漏洩を検出するシ
ステムを示したものである。このシステムにおいて、ガ
スセル６３，６４，６５のガス濃度を演算し、ローディ
ングアーム６２からの天然ガスの漏洩を検出する方法は
上記第１の応用例と同じである。

【００２３】図７は、第３の応用例を示したもので、前
記ローディングアーム６２あるいは一般のパイプライン
の内径部におけるガスが充分にパージされたことを検出
するシステムを示したものである。このシステムを第２
の応用例で示したローディングアーム６２を例にして説
明すると、ローディングアーム６２が休止しているとき
には一般に窒素ガスが充填されており、ローディングア
ーム６２に天然ガスを通すときには予め充填されている
窒素ガスを十分にパージする必要がある。その手順とし
て、ローディングアーム６２にメタンガスを送り込んで
窒素ガスを排出させたあと、ローディングアーム６２に
連通されたガスセル７１の中のメタンガス濃度を検出し
、窒素ガスが十分に排出されたことを確認したあと、液
化天然ガスを流す作業に入り、その作業の終了後に再度
、ローディングアーム６２の中のメタンガス濃度を検出
し、その濃度が十分に小さくなった状態で窒素ガスを封
入するものである。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、濃度（圧
力）が検出される任意のガスが封入されたガスセルにビ
ーム状の光を透過させ、上記ガスにより吸収される波長
の第１の光の吸収度に応じてガスの濃度を演算検出する
とき、ガスセルの後の光路、あるいはガスセルの前の光
路に設けられた回折格子を変調することにより、計測光
としての上記第１の光と、ガスにより吸収されない波長
の参照光としての第２の光とを所定のタイミングで生成
させ、第１の光と第２の光の合計光量をモニターし、こ
の合計光量に応じて回折格子の変調の中心を被濃度（圧
力）検出ガスの光の吸収波長に自動的に合わせるように
フィードバック制御するとともに、前記第１の光と第２
の光を光電変換した第１の電気信号と第２の電気信号と
に基づいて被濃度（圧力）検出ガスによる第１の光の吸
収率を演算し、この吸収率から前記被濃度（圧力）検出
ガスの濃度（圧力）を演算することができるため、ガス
の濃度（圧力）を高精度に検出することができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の全体的な構成を示す系統図
である。

【図２】メタンガスの吸収スペクトル特性図である。

【図３】回折格子による変調特性説明図である。

【図４】従来のガス濃度（圧力）検出装置の構成系統図
である。

【図５】第１の応用例を示した説明図である。

【図６】第２の応用例を示した説明図である。

【図７】第３の応用例を示した説明図である。

【符号の説明】

３　　スーパールミネッセントダイオード７　　ガスセ
ル １８　　マイクロコンピュータ ２１　　回折格子 ２２　　ピエゾ素子 ２３　　ピエゾドライバ ２４　　分光器 ２８　　同期制御回路 ＰＤ１，ＰＤ２　　ホトダイオード ３４　　同期制御回路 ３６　　発振回路 ３７　　加算器 ３８　　位相制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】濃度もしくは圧力が検出されるガスを光が
   透過する際の、そのガスによる吸収率が最も大きな波長
   を含んだ波長帯の光を発光する発光手段と、その発光手
   段から発行された前記光を前記ガスが封入されたガスセ
   ルまで導いて入射する往光路と、前記ガスセルを透過し
   た前記光を導く復光路と、前記往光路もしくは前記復光
   路に設けられた回折格子と、その回折格子を所定のタイ
   ミングで変調させることにより前記光を前記ガスにより
   大きく吸収される波長の第１の光と前記ガスにより吸収
   されない波長の第２の光とを生成する回折格子変調制御
   手段と、前記復光路の端末部に設けられ、前記第１の光
   と第２の光とを受光し、それぞれの光の光量に対応した
   第１の電気信号と第２の電気信号とを出力する受光手段
   と、その受光手段からの前記それぞれの電気信号の加算
   値に対応した前記第１の光と第２の光の合計光量に基づ
   いて前記回折格子変調制御手段による前記回折格子の変
   調を補正する変調制御補正手段と、前記第１の電気信号
   と第２の電気信号とに基づいて前記ガスによる前記第１
   の光の吸収率を演算し、その吸収率から前記ガスの濃度
   もしくは圧力を演算する演算手段とを備えたことを特徴
   とする回折格子を用いたガスリモートセンシング装置。