JPH09304274A - 光式ガス濃度検出方法及びその装置 - Google Patents
光式ガス濃度検出方法及びその装置Info
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- JPH09304274A JPH09304274A JP11648396A JP11648396A JPH09304274A JP H09304274 A JPH09304274 A JP H09304274A JP 11648396 A JP11648396 A JP 11648396A JP 11648396 A JP11648396 A JP 11648396A JP H09304274 A JPH09304274 A JP H09304274A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 赤外吸収スペクトルを持つ成分のみならず赤
外吸収スペクトルを持たない成分も検出可能な光式ガス
濃度検出方法及びその装置を提供する。 【解決手段】 特定波長のレーザ光を一部は測定対象の
ガス雰囲気中に通し、一部はガス雰囲気中に通さず参照
用に、それぞれのレーザ光を受光し、これらガス雰囲気
透過光と参照光との差から特定波長のレーザ光を吸収す
るガスの濃度を検出すると共に、上記ガス雰囲気透過光
の一部を特定ガスの吸着によって光透過特性が変化する
導波路センサ９に通して受光し、この導波路センサ透過
光と上記ガス雰囲気透過光との比から特定ガスの濃度を
検出する。
外吸収スペクトルを持たない成分も検出可能な光式ガス
濃度検出方法及びその装置を提供する。 【解決手段】 特定波長のレーザ光を一部は測定対象の
ガス雰囲気中に通し、一部はガス雰囲気中に通さず参照
用に、それぞれのレーザ光を受光し、これらガス雰囲気
透過光と参照光との差から特定波長のレーザ光を吸収す
るガスの濃度を検出すると共に、上記ガス雰囲気透過光
の一部を特定ガスの吸着によって光透過特性が変化する
導波路センサ９に通して受光し、この導波路センサ透過
光と上記ガス雰囲気透過光との比から特定ガスの濃度を
検出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、透過光の吸収を利
用してガス濃度を検出する方法及び装置に係り、特に、
赤外吸収スペクトルを持つ成分のみならず赤外吸収スペ
クトルを持たない成分も検出可能な光式ガス濃度検出方
法及びその装置に関するものである。
用してガス濃度を検出する方法及び装置に係り、特に、
赤外吸収スペクトルを持つ成分のみならず赤外吸収スペ
クトルを持たない成分も検出可能な光式ガス濃度検出方
法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＯＦケーブルのように絶縁油を収容した
油入機器の保守管理には、油中溶存ガス（油中ガス）を
分析してその機器が異常なく運転されているか判断する
方法がある。一般に、油入機器内部では絶縁油や油浸紙
が正常時でも徐々に分解してガス状物質が生成される
が、異常時にはそれがかなり増大する。生成ガスの主な
ものは、ＣＨ4 ，Ｃ2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，…な
どの炭化水素系のもの、及びＨ2 ，ＣＯ，ＣＯ2 などで
ある。
油入機器の保守管理には、油中溶存ガス（油中ガス）を
分析してその機器が異常なく運転されているか判断する
方法がある。一般に、油入機器内部では絶縁油や油浸紙
が正常時でも徐々に分解してガス状物質が生成される
が、異常時にはそれがかなり増大する。生成ガスの主な
ものは、ＣＨ4 ，Ｃ2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，…な
どの炭化水素系のもの、及びＨ2 ，ＣＯ，ＣＯ2 などで
ある。
【０００３】そこで、本出願人は、先に、ＯＦケーブル
を対象とし、ＯＦケーブルの劣化を早期に検出するた
め、ケーブル及び接続部の部分放電、熱劣化により発生
するアセチレン、メタンを、光技術を用いて高感度に自
動計測する光式ＯＦケーブル油中ガス監視システムを開
発・発表した（平成５年電気学会 電力・エネルギー部
門 ＮＯ．４４５光式ＯＦケーブル油中ガス監視システ
ムの開発）。このシステムの概要を図３を用いて説明す
る。
を対象とし、ＯＦケーブルの劣化を早期に検出するた
め、ケーブル及び接続部の部分放電、熱劣化により発生
するアセチレン、メタンを、光技術を用いて高感度に自
動計測する光式ＯＦケーブル油中ガス監視システムを開
発・発表した（平成５年電気学会 電力・エネルギー部
門 ＮＯ．４４５光式ＯＦケーブル油中ガス監視システ
ムの開発）。このシステムの概要を図３を用いて説明す
る。
【０００４】光源にはＣＨ4 用、Ｃ2 Ｈ2 用にそれぞれ
ＤＦＢ−ＬＤ１（分布帰還型半導体レーザ）を用い、各
光源１ａ，１ｂは交互に駆動する。これらの光源からの
光を光カプラ４１により１本の光ファイバ４ｆで伝送
し、光路切替器４２で行き先を切替え、光ファイバ４ｇ
により各接続部に設けられた油中ガス分離セル４３に導
く。油中ガス分離セル４３内でガスによる光吸収を受け
た光を、対向する別の光ファイバ４ｈにより解析装置４
４に伝送し、この計測装置で受光し、ガス濃度への換算
を行う。
ＤＦＢ−ＬＤ１（分布帰還型半導体レーザ）を用い、各
光源１ａ，１ｂは交互に駆動する。これらの光源からの
光を光カプラ４１により１本の光ファイバ４ｆで伝送
し、光路切替器４２で行き先を切替え、光ファイバ４ｇ
により各接続部に設けられた油中ガス分離セル４３に導
く。油中ガス分離セル４３内でガスによる光吸収を受け
た光を、対向する別の光ファイバ４ｈにより解析装置４
４に伝送し、この計測装置で受光し、ガス濃度への換算
を行う。
【０００５】このシステムでは検出ガスはＣ2 Ｈ2 、Ｃ
Ｈ4 の２種類である。図４に示されるように、Ｃ
2 Ｈ2 、ＣＨ4 の濃度の組み合せで示される測定点につ
いて、表１に示されるように、これらのケーブルを解体
して調べたときの劣化内容で分類すると、レベルＡ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに分類される。このようにＣ2 Ｈ2 、Ｃ
Ｈ4 の濃度の組み合せと劣化内容とには相関がある。そ
して、これら２種類のガス濃度の監視を行えば劣化の大
要を把握することができる。
Ｈ4 の２種類である。図４に示されるように、Ｃ
2 Ｈ2 、ＣＨ4 の濃度の組み合せで示される測定点につ
いて、表１に示されるように、これらのケーブルを解体
して調べたときの劣化内容で分類すると、レベルＡ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに分類される。このようにＣ2 Ｈ2 、Ｃ
Ｈ4 の濃度の組み合せと劣化内容とには相関がある。そ
して、これら２種類のガス濃度の監視を行えば劣化の大
要を把握することができる。
【０００６】
【表１】
【０００７】しかし、採油、ガス抽出及びガス濃度分析
によりＯＦケーブルの劣化を判定する現行のガス管理基
準では、Ｃ2 Ｈ2 とＴＣＧの濃度から判定することにな
っている。ＴＣＧとは可燃ガス総量のことであり、可燃
ガスにはＨ2 ，ＣＨ4 ，Ｃ2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ
2 Ｈ6 ，ＣＯがある。
によりＯＦケーブルの劣化を判定する現行のガス管理基
準では、Ｃ2 Ｈ2 とＴＣＧの濃度から判定することにな
っている。ＴＣＧとは可燃ガス総量のことであり、可燃
ガスにはＨ2 ，ＣＨ4 ，Ｃ2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ
2 Ｈ6 ，ＣＯがある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記ガス管理基準に基
づいて上記光式ＯＦケーブル油中ガス監視システムを運
用するためには、Ｃ2 Ｈ2 、ＣＨ4 の他にＨ2 ，Ｃ2 Ｈ
4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，ＣＯの検出も必要となる。
づいて上記光式ＯＦケーブル油中ガス監視システムを運
用するためには、Ｃ2 Ｈ2 、ＣＨ4 の他にＨ2 ，Ｃ2 Ｈ
4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，ＣＯの検出も必要となる。
【０００９】このうちＣ2 Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，ＣＯについ
ては、光ファイバの伝送帯域内かつ半導体レーザの発振
波長域内である赤外域に、それぞれ固有の赤外吸収スペ
クトルを有しているので、それぞれの赤外吸収スペクト
ルに一致した光源を用意し、上記Ｃ2 Ｈ2 用、ＣＨ4 用
の光源に並列に用い、これらの光源からの光を光カプラ
或いは切替器により上記１本の光ファイバで伝送し、上
記計測装置でそれぞれのガス濃度を検出することができ
る。
ては、光ファイバの伝送帯域内かつ半導体レーザの発振
波長域内である赤外域に、それぞれ固有の赤外吸収スペ
クトルを有しているので、それぞれの赤外吸収スペクト
ルに一致した光源を用意し、上記Ｃ2 Ｈ2 用、ＣＨ4 用
の光源に並列に用い、これらの光源からの光を光カプラ
或いは切替器により上記１本の光ファイバで伝送し、上
記計測装置でそれぞれのガス濃度を検出することができ
る。
【００１０】しかし、Ｈ2 については赤外吸収スペクト
ルを持たないので、上記技術が適用できない。これは、
赤外吸収スペクトルが分子振動による双極子モーメント
が変化することにより生じるので、２つの同じ原子から
１分子を構成するものは赤外吸収スペクトルを有しない
からである。このため上記技術ではＨ2 のガス濃度が測
定できず現行のガス管理基準に基づいた光式ＯＦケーブ
ル油中ガス監視システムを構成することができない。
ルを持たないので、上記技術が適用できない。これは、
赤外吸収スペクトルが分子振動による双極子モーメント
が変化することにより生じるので、２つの同じ原子から
１分子を構成するものは赤外吸収スペクトルを有しない
からである。このため上記技術ではＨ2 のガス濃度が測
定できず現行のガス管理基準に基づいた光式ＯＦケーブ
ル油中ガス監視システムを構成することができない。
【００１１】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、赤外吸収スペクトルを持つ成分のみならず赤外吸収
スペクトルを持たない成分も検出可能な光式ガス濃度検
出方法及びその装置を提供することにある。
し、赤外吸収スペクトルを持つ成分のみならず赤外吸収
スペクトルを持たない成分も検出可能な光式ガス濃度検
出方法及びその装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、特定波長のレーザ光を一部は測定対象のガ
ス雰囲気中に通し、一部はガス雰囲気中に通さず参照用
に、それぞれのレーザ光を受光し、これらガス雰囲気透
過光と参照光との差から特定波長のレーザ光を吸収する
ガスの濃度を検出すると共に、上記ガス雰囲気透過光の
一部を特定ガスの吸着によって光透過特性が変化する導
波路センサに通して受光し、この導波路センサ透過光と
上記ガス雰囲気透過光との比から特定ガスの濃度を検出
するものである。
に本発明は、特定波長のレーザ光を一部は測定対象のガ
ス雰囲気中に通し、一部はガス雰囲気中に通さず参照用
に、それぞれのレーザ光を受光し、これらガス雰囲気透
過光と参照光との差から特定波長のレーザ光を吸収する
ガスの濃度を検出すると共に、上記ガス雰囲気透過光の
一部を特定ガスの吸着によって光透過特性が変化する導
波路センサに通して受光し、この導波路センサ透過光と
上記ガス雰囲気透過光との比から特定ガスの濃度を検出
するものである。
【００１３】このための装置は、特定波長のレーザ光を
発振するレーザと、測定対象のガス雰囲気を収容するガ
スセルと、上記レーザ光を分岐して一方はガスセルに導
き他方はガスセルを迂回させる第１の分岐手段と、ガス
セルからのガス雰囲気透過光を受光するガス雰囲気透過
光用受光器と、ガスセルを迂回した参照光を受光する参
照光用受光器と、上記ガスセル内で上記ガス雰囲気透過
光を分岐して一方は特定ガスの吸着によって光透過特性
が変化する導波路センサに導き他方は上記ガス雰囲気透
過光用受光器に導く第２の分岐手段と、上記導波路セン
サからの透過光を受光する導波路センサ用受光器と、上
記ガス雰囲気透過光と参照光との差から特定波長のレー
ザ光を吸収するガスの濃度を検出すると共に導波路セン
サ透過光と上記ガス雰囲気透過光との比から特定ガスの
濃度を検出する解析部とを備える。
発振するレーザと、測定対象のガス雰囲気を収容するガ
スセルと、上記レーザ光を分岐して一方はガスセルに導
き他方はガスセルを迂回させる第１の分岐手段と、ガス
セルからのガス雰囲気透過光を受光するガス雰囲気透過
光用受光器と、ガスセルを迂回した参照光を受光する参
照光用受光器と、上記ガスセル内で上記ガス雰囲気透過
光を分岐して一方は特定ガスの吸着によって光透過特性
が変化する導波路センサに導き他方は上記ガス雰囲気透
過光用受光器に導く第２の分岐手段と、上記導波路セン
サからの透過光を受光する導波路センサ用受光器と、上
記ガス雰囲気透過光と参照光との差から特定波長のレー
ザ光を吸収するガスの濃度を検出すると共に導波路セン
サ透過光と上記ガス雰囲気透過光との比から特定ガスの
濃度を検出する解析部とを備える。
【００１４】複数のガス成分のためにそれぞれ異なる波
長のレーザ光を発振する複数の上記レーザと、これらの
レーザ光を切り替えて上記分岐手段に供給する切替手段
とを備えてもよい。
長のレーザ光を発振する複数の上記レーザと、これらの
レーザ光を切り替えて上記分岐手段に供給する切替手段
とを備えてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて詳述する。
図面に基づいて詳述する。
【００１６】図１に示される実施形態は、本発明の方法
により現行のガス管理基準に基づいた光式ＯＦケーブル
油中ガス監視システムを構成するものであり、赤外吸収
スペクトルを利用してＣＨ4 ，Ｃ2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ
2 Ｈ6 ，ＣＯのガス濃度をそれぞれ検出するために、各
々のガスの赤外吸収スペクトルを中心に特定の周波数で
波長及び強度が変調されたレーザ光を発振させ、このレ
ーザ光をその一部は測定対象のガス雰囲気中に通して受
光し、一部はガス雰囲気中に通さず直接、参照用に受光
し、これらガス雰囲気透過光の上記特定周波数の検波成
分と参照光の特定周波数の検波成分との差分からそれぞ
れのガスの濃度を検出すると共に、Ｈ2 濃度を検出する
ために、ガス雰囲気透過光の一部をＨ2 の吸着によって
着色する導波路Ｈ2 センサに通して受光し、この導波路
Ｈ2 センサ透過光の特定周波数の検波成分と上記ガス雰
囲気透過光の特定周波数の検波成分との比からＨ2 の濃
度を検出するものである。
により現行のガス管理基準に基づいた光式ＯＦケーブル
油中ガス監視システムを構成するものであり、赤外吸収
スペクトルを利用してＣＨ4 ，Ｃ2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ
2 Ｈ6 ，ＣＯのガス濃度をそれぞれ検出するために、各
々のガスの赤外吸収スペクトルを中心に特定の周波数で
波長及び強度が変調されたレーザ光を発振させ、このレ
ーザ光をその一部は測定対象のガス雰囲気中に通して受
光し、一部はガス雰囲気中に通さず直接、参照用に受光
し、これらガス雰囲気透過光の上記特定周波数の検波成
分と参照光の特定周波数の検波成分との差分からそれぞ
れのガスの濃度を検出すると共に、Ｈ2 濃度を検出する
ために、ガス雰囲気透過光の一部をＨ2 の吸着によって
着色する導波路Ｈ2 センサに通して受光し、この導波路
Ｈ2 センサ透過光の特定周波数の検波成分と上記ガス雰
囲気透過光の特定周波数の検波成分との比からＨ2 の濃
度を検出するものである。
【００１７】その装置は、大きく分けて、測定用のレー
ザ光を供給する光源部２１と、測定対象のガス雰囲気空
間を持つセンサ部２２と、受光結果からガス濃度を求め
る信号処理部２３とからなり、これらは光ファイバによ
り接続される。
ザ光を供給する光源部２１と、測定対象のガス雰囲気空
間を持つセンサ部２２と、受光結果からガス濃度を求め
る信号処理部２３とからなり、これらは光ファイバによ
り接続される。
【００１８】詳しく述べると、光式ＯＦケーブル油中ガ
ス監視システムを構成する本発明の光式ガス濃度検出装
置は、ＣＨ4 ，Ｃ2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，ＣＯの
赤外吸収スペクトルをそれぞれ発振波長とする５種のレ
ーザ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅと、その駆動電流を
所定の基本周波数ωで変調することにより波長及び強度
が変調されたレーザ光を発振させる変調回路２と、この
変調回路２を上記いずれかのレーザ１ａ〜１ｅに切り替
え接続する切替器３と、これらのレーザの光路を切り替
えて１本の光ファイバ４ａに接続する光路切替器５と、
光ファイバ４ａに接続されレーザ光を分岐する第１光分
岐器６と、第１光分岐器６の一方の分岐からセンサ部２
２まで布設された往路光ファイバ４ｂと、この往路光フ
ァイバ４ｂの終端に接続され、測定対象のガス雰囲気を
収容するガスセル７と、第１光分岐器６の他方の分岐を
信号処理部２３につなぐ参照光用光ファイバ４ｃと、ガ
スセル７から信号処理部２３まで布設されたガス雰囲気
透過光用復路光ファイバ４ｄと、このガス雰囲気透過光
用復路光ファイバ４ｄの終端に接続されガスセル７から
のガス雰囲気透過光を受光するガス雰囲気透過光用受光
器８ａと、参照光用光ファイバ４ｃに接続されガスセル
７を迂回した参照光を受光する参照光用受光器８ｂと、
ガスセル７内に設けられＨ2 の吸着によって着色する導
波路Ｈ2 センサ９と、ガスセル７内で往路光ファイバ４
ｂの終端に対向し所定の測定空間を隔てて光結合される
光結合用光ファイバ４ｆと、この光結合用光ファイバ４
ｆに接続され分岐の一方を導波路Ｈ2 センサ９に、他方
を復路光ファイバ４ｄに接続された第２光分岐器１０
と、導波路Ｈ2 センサ９から信号処理部２３まで布設さ
れた導波路センサ用復路光ファイバ４ｅと、導波路セン
サ用復路光ファイバ４ｅの終端に接続され導波路Ｈ2 セ
ンサ９からの透過光を受光する導波路センサ用受光器８
ｃと、各受光器の受光信号より基本周波数ω及び２倍周
波数２ωの周波数成分をそれぞれ位相敏感検波する検波
器群１１と、これらの検波信号データを収集するデータ
収集部１２と、この収集された検波信号データにより、
上記ガス雰囲気透過光の基本周波数ω及び２倍周波数２
ωの検波成分と参照光の同様の検波成分との差分からＣ
Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，ＣＯの濃度を検
出すると共に、導波路センサ透過光の検波成分とガス雰
囲気透過光の検波成分との比を求め、この比と予め求め
た着色前の比とで示される光透過特性の変化よりＨ2 の
濃度を検出する解析部１３とを備えている。
ス監視システムを構成する本発明の光式ガス濃度検出装
置は、ＣＨ4 ，Ｃ2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，ＣＯの
赤外吸収スペクトルをそれぞれ発振波長とする５種のレ
ーザ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅと、その駆動電流を
所定の基本周波数ωで変調することにより波長及び強度
が変調されたレーザ光を発振させる変調回路２と、この
変調回路２を上記いずれかのレーザ１ａ〜１ｅに切り替
え接続する切替器３と、これらのレーザの光路を切り替
えて１本の光ファイバ４ａに接続する光路切替器５と、
光ファイバ４ａに接続されレーザ光を分岐する第１光分
岐器６と、第１光分岐器６の一方の分岐からセンサ部２
２まで布設された往路光ファイバ４ｂと、この往路光フ
ァイバ４ｂの終端に接続され、測定対象のガス雰囲気を
収容するガスセル７と、第１光分岐器６の他方の分岐を
信号処理部２３につなぐ参照光用光ファイバ４ｃと、ガ
スセル７から信号処理部２３まで布設されたガス雰囲気
透過光用復路光ファイバ４ｄと、このガス雰囲気透過光
用復路光ファイバ４ｄの終端に接続されガスセル７から
のガス雰囲気透過光を受光するガス雰囲気透過光用受光
器８ａと、参照光用光ファイバ４ｃに接続されガスセル
７を迂回した参照光を受光する参照光用受光器８ｂと、
ガスセル７内に設けられＨ2 の吸着によって着色する導
波路Ｈ2 センサ９と、ガスセル７内で往路光ファイバ４
ｂの終端に対向し所定の測定空間を隔てて光結合される
光結合用光ファイバ４ｆと、この光結合用光ファイバ４
ｆに接続され分岐の一方を導波路Ｈ2 センサ９に、他方
を復路光ファイバ４ｄに接続された第２光分岐器１０
と、導波路Ｈ2 センサ９から信号処理部２３まで布設さ
れた導波路センサ用復路光ファイバ４ｅと、導波路セン
サ用復路光ファイバ４ｅの終端に接続され導波路Ｈ2 セ
ンサ９からの透過光を受光する導波路センサ用受光器８
ｃと、各受光器の受光信号より基本周波数ω及び２倍周
波数２ωの周波数成分をそれぞれ位相敏感検波する検波
器群１１と、これらの検波信号データを収集するデータ
収集部１２と、この収集された検波信号データにより、
上記ガス雰囲気透過光の基本周波数ω及び２倍周波数２
ωの検波成分と参照光の同様の検波成分との差分からＣ
Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，ＣＯの濃度を検
出すると共に、導波路センサ透過光の検波成分とガス雰
囲気透過光の検波成分との比を求め、この比と予め求め
た着色前の比とで示される光透過特性の変化よりＨ2 の
濃度を検出する解析部１３とを備えている。
【００１９】具体的には、レーザ１ａ〜１ｅはＤＦＢ−
ＬＤ（分布帰還型半導体レーザ）であり、波長は、ＣＨ
4 用にλ＝１．６４５６μｍ，Ｃ2 Ｈ2 用にλ＝１．５
２０１μｍ，Ｃ2 Ｈ4 用にλ＝１．６２４５μｍ，Ｃ2
Ｈ6 用にλ＝１．６８１６μｍ，ＣＯ用にλ＝１．５６
８８μｍを採用してある。そして、これらのレーザに
は、温度を制御するためのペルチェ素子、温度をモニタ
するためのサーミスタ、光ファイバに結合するための集
光レンズ、集光レンズからの戻り光をカットするための
アイソレータが含まれているが、これらの図は省略され
ている。また、各光学部材の端面には無反射コーティン
グが施されており、各レーザ１への戻り光は極めて小さ
くされている。
ＬＤ（分布帰還型半導体レーザ）であり、波長は、ＣＨ
4 用にλ＝１．６４５６μｍ，Ｃ2 Ｈ2 用にλ＝１．５
２０１μｍ，Ｃ2 Ｈ4 用にλ＝１．６２４５μｍ，Ｃ2
Ｈ6 用にλ＝１．６８１６μｍ，ＣＯ用にλ＝１．５６
８８μｍを採用してある。そして、これらのレーザに
は、温度を制御するためのペルチェ素子、温度をモニタ
するためのサーミスタ、光ファイバに結合するための集
光レンズ、集光レンズからの戻り光をカットするための
アイソレータが含まれているが、これらの図は省略され
ている。また、各光学部材の端面には無反射コーティン
グが施されており、各レーザ１への戻り光は極めて小さ
くされている。
【００２０】Ｈ2 の吸着によって着色する導波路Ｈ2 セ
ンサ９は、図２に示されるように、ＬｉＮｂＯ3 からな
る基板２１と、その基板にＴｉを熱拡散させて形成され
た光伝送路２２と、その上にＷＯ3 を真空蒸着させたＷ
Ｏ3 薄膜２３と、その上にＰｄをスパッタリングさせた
Ｐｄ薄膜２４とからなる。光伝送路２２には光ファイバ
４を接続することができる。
ンサ９は、図２に示されるように、ＬｉＮｂＯ3 からな
る基板２１と、その基板にＴｉを熱拡散させて形成され
た光伝送路２２と、その上にＷＯ3 を真空蒸着させたＷ
Ｏ3 薄膜２３と、その上にＰｄをスパッタリングさせた
Ｐｄ薄膜２４とからなる。光伝送路２２には光ファイバ
４を接続することができる。
【００２１】このような導波路Ｈ2 センサをＨ2 雰囲気
におくと、Ｐｄ薄膜２４が触媒となりＷＯ3 薄膜２３が
着色する。その結果、光伝送路２２を通過するエバネッ
セント波の減衰割合が増加して赤外域等での透過光量が
減衰する。
におくと、Ｐｄ薄膜２４が触媒となりＷＯ3 薄膜２３が
着色する。その結果、光伝送路２２を通過するエバネッ
セント波の減衰割合が増加して赤外域等での透過光量が
減衰する。
【００２２】変調回路２は、周波数ωの正弦波信号を出
力する発振器と、この周波数ωの正弦波信号から周波数
２ωの正弦波信号を生成する倍周器と、バイアス電流を
付加するためのバイアス電流電源と、温度調節のための
温調器とから構成され、発振器からの正弦波信号をバイ
アス電流電源からのバイアス電流に重畳してレーザを駆
動するようになっている。バイアス電流の出力側には発
振器の出力による影響を防ぐためのインダクタンスが設
けられている。発振器の出力側には直流分をカットする
ためのコンデンサが設けられている。また、発振器及び
倍周器の正弦波信号は信号処理部２３に供給されるよう
になっている。これら変調回路２の詳細は図では省略さ
れている。この変調回路２は１つのレーザを駆動するも
のであるから、５つのレーザのいずれかを選択して駆動
できるように切替器３が設けられている。
力する発振器と、この周波数ωの正弦波信号から周波数
２ωの正弦波信号を生成する倍周器と、バイアス電流を
付加するためのバイアス電流電源と、温度調節のための
温調器とから構成され、発振器からの正弦波信号をバイ
アス電流電源からのバイアス電流に重畳してレーザを駆
動するようになっている。バイアス電流の出力側には発
振器の出力による影響を防ぐためのインダクタンスが設
けられている。発振器の出力側には直流分をカットする
ためのコンデンサが設けられている。また、発振器及び
倍周器の正弦波信号は信号処理部２３に供給されるよう
になっている。これら変調回路２の詳細は図では省略さ
れている。この変調回路２は１つのレーザを駆動するも
のであるから、５つのレーザのいずれかを選択して駆動
できるように切替器３が設けられている。
【００２３】信号処理部２３の検波器群１１は、発振器
からの周波数ωの正弦波信号に同期して受光器の出力の
周波数ωの成分の検波を行う検波器（ω）と、倍周器か
らの周波数２ωの正弦波信号に同期して受光器の出力の
周波数２ωの成分の検波を行う検波器（２ω）とを有す
る。ここでは、参照光用受光器８ｂ及びガス雰囲気透過
光用受光器８ａに対しては検波器（ω）と検波器（２
ω）とが設けられ、導波路センサ用受光器８ｃに対して
は検波器（ω）が設けられている。
からの周波数ωの正弦波信号に同期して受光器の出力の
周波数ωの成分の検波を行う検波器（ω）と、倍周器か
らの周波数２ωの正弦波信号に同期して受光器の出力の
周波数２ωの成分の検波を行う検波器（２ω）とを有す
る。ここでは、参照光用受光器８ｂ及びガス雰囲気透過
光用受光器８ａに対しては検波器（ω）と検波器（２
ω）とが設けられ、導波路センサ用受光器８ｃに対して
は検波器（ω）が設けられている。
【００２４】次に動作を説明する。
【００２５】まず、ガス検出に使用するレーザと変調回
路２とを切替器３で接続し、出力されるレーザ光が光フ
ァイバ４ａに入射されるよう光路切替器５を切り替え
る。変調回路２ではレーザ光の中心波長が赤外吸収スペ
クトルに一致するように、レーザの温度を温調器及びペ
ルチェ素子により一定に固定する。また、バイアス電流
は一定とする。発振器からの正弦波による変調電流がバ
イアス電流に重畳され、周波数ωで波長及び強度が変調
されたレーザ光が発振されることになる。
路２とを切替器３で接続し、出力されるレーザ光が光フ
ァイバ４ａに入射されるよう光路切替器５を切り替え
る。変調回路２ではレーザ光の中心波長が赤外吸収スペ
クトルに一致するように、レーザの温度を温調器及びペ
ルチェ素子により一定に固定する。また、バイアス電流
は一定とする。発振器からの正弦波による変調電流がバ
イアス電流に重畳され、周波数ωで波長及び強度が変調
されたレーザ光が発振されることになる。
【００２６】このレーザ光は光ファイバ４ａにより第１
光分岐器６に導かれる。第１光分岐器６で分岐されたレ
ーザ光の一部は、往路光ファイバ４ｂを伝搬しガスセル
７に入る。ガスセル７内のガスは未知濃度である。この
ガス雰囲気を透過したガス雰囲気透過光は光結合用光フ
ァイバ４ｆに入射した後、第２光分岐器１０で分岐され
る。分岐されたガス雰囲気透過光の一部はガス雰囲気透
過光用復路光ファイバ４ｄを伝搬し、ガス雰囲気透過光
用受光器８ａに受光される。分岐されたガス雰囲気透過
光の残りの一部は導波路Ｈ2 センサ９を透過し、その導
波路センサ透過光は導波路センサ用復路光ファイバ４ｅ
を伝搬し、導波路センサ用受光器８ｃに受光される。ま
た、第１光分岐器６で分岐されたレーザ光の残りの一部
は、そのまま参照光用光ファイバ４ｃを経由して参照光
用受光器８ｂに受光される。
光分岐器６に導かれる。第１光分岐器６で分岐されたレ
ーザ光の一部は、往路光ファイバ４ｂを伝搬しガスセル
７に入る。ガスセル７内のガスは未知濃度である。この
ガス雰囲気を透過したガス雰囲気透過光は光結合用光フ
ァイバ４ｆに入射した後、第２光分岐器１０で分岐され
る。分岐されたガス雰囲気透過光の一部はガス雰囲気透
過光用復路光ファイバ４ｄを伝搬し、ガス雰囲気透過光
用受光器８ａに受光される。分岐されたガス雰囲気透過
光の残りの一部は導波路Ｈ2 センサ９を透過し、その導
波路センサ透過光は導波路センサ用復路光ファイバ４ｅ
を伝搬し、導波路センサ用受光器８ｃに受光される。ま
た、第１光分岐器６で分岐されたレーザ光の残りの一部
は、そのまま参照光用光ファイバ４ｃを経由して参照光
用受光器８ｂに受光される。
【００２７】信号処理部２３では、参照光用受光器８ｂ
で検出された信号を発振器からの周波数ωの正弦波信号
に同期した信号として検波器（ω）で検波し、基本波検
波信号とすると共に、倍周器からの周波数２ωの正弦波
信号に同期した信号として検波器（２ω）で検波し、２
倍波検波信号とする。
で検出された信号を発振器からの周波数ωの正弦波信号
に同期した信号として検波器（ω）で検波し、基本波検
波信号とすると共に、倍周器からの周波数２ωの正弦波
信号に同期した信号として検波器（２ω）で検波し、２
倍波検波信号とする。
【００２８】また、ガス雰囲気透過光用受光器８ａで検
出された信号を発振器からの周波数ωの正弦波信号に同
期した信号として検波器（ω）で検波し、基本波検波信
号とすると共に、倍周器からの周波数２ωの正弦波信号
に同期した信号として検波器（２ω）で検波し、２倍波
検波信号とする。
出された信号を発振器からの周波数ωの正弦波信号に同
期した信号として検波器（ω）で検波し、基本波検波信
号とすると共に、倍周器からの周波数２ωの正弦波信号
に同期した信号として検波器（２ω）で検波し、２倍波
検波信号とする。
【００２９】さらに、導波路センサ用受光器８ｃで検出
された信号を発振器からの周波数ωの正弦波信号に同期
した信号として検波器（ω）で検波し、基本波検波信号
とする。
された信号を発振器からの周波数ωの正弦波信号に同期
した信号として検波器（ω）で検波し、基本波検波信号
とする。
【００３０】このようにしてデータ収集部１２が収集し
た各２倍波検波信号には雑音が重畳されている。これは
レーザからのレーザ光自体に波長依存のドリフトした歪
み成分が重畳していることによる。従って、ガス雰囲気
透過光の２倍波検波信号から参照光の２倍波検波信号を
差し引けば、雑音成分を除去してガスによる吸収成分を
抽出できるが、第１光分岐器６により分岐されたレーザ
光のそれぞれの強度が異なり、受光信号強度が異なるの
で、単純に２倍波検波信号の差からガス濃度を示す成分
を抽出することはできない。そこで、同時に収集した基
本波検波信号を用いる。即ち、解析部１３では、それぞ
れの２倍波検波信号を基本波検波信号で割り算して規格
化する。この規格化により受光信号強度の違いを補正で
きる。ガス濃度はレーザ光の中心波長である赤外吸収ス
ペクトルでの差分から得られる。そして、切替器３及び
光路切替器５を順次切り替えることにより、ＣＨ4 ，Ｃ
2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，ＣＯの濃度を検出するこ
とができる。
た各２倍波検波信号には雑音が重畳されている。これは
レーザからのレーザ光自体に波長依存のドリフトした歪
み成分が重畳していることによる。従って、ガス雰囲気
透過光の２倍波検波信号から参照光の２倍波検波信号を
差し引けば、雑音成分を除去してガスによる吸収成分を
抽出できるが、第１光分岐器６により分岐されたレーザ
光のそれぞれの強度が異なり、受光信号強度が異なるの
で、単純に２倍波検波信号の差からガス濃度を示す成分
を抽出することはできない。そこで、同時に収集した基
本波検波信号を用いる。即ち、解析部１３では、それぞ
れの２倍波検波信号を基本波検波信号で割り算して規格
化する。この規格化により受光信号強度の違いを補正で
きる。ガス濃度はレーザ光の中心波長である赤外吸収ス
ペクトルでの差分から得られる。そして、切替器３及び
光路切替器５を順次切り替えることにより、ＣＨ4 ，Ｃ
2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，ＣＯの濃度を検出するこ
とができる。
【００３１】次に、Ｈ2 の濃度を検出する方法を説明す
る。前記のＣＨ4 ，Ｃ2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，Ｃ
Ｏの濃度の検出が、レーザ光の吸収量が特定波長に依存
することを利用したものであり、２倍波検波信号及び基
本波検波信号を用いて特定波長における吸収量を求める
のに対し、Ｈ2 の濃度の場合は、導波路Ｈ2 センサを通
る透過光の透過率変化から、その原因となるＨ2 の濃度
を求める。即ち、Ｈ2 の濃度は、導波路センサ透過光の
基本波検波信号を導波路Ｈ2 センサが着色する前に予め
求めた初期値を解析部１３に記憶しておき、着色前後の
基本波検波信号の変化から求めることができる。ただ
し、導波路センサ透過光の基本波検波信号には、使用し
たレーザ光が測定対象ガスによる吸収で減衰した成分、
またガスセル７の光学系に用いたレンズのズレ等による
変動成分が含まれる。そこで、ガス雰囲気透過光の基本
波検波信号を補正に用いる。Ｈ2 の吸着によって光透過
特性が変化する前の透過率の初期値として、ガスセルを
透過した光によりガス雰囲気透過光用受光器８ａで検出
された信号の基本波検波信号とそのときの導波路センサ
透過光の基本波検波信号との比を求める。さらに、導波
路Ｈ2 センサが着色した後の透過率として、ガス雰囲気
透過光の基本波検波信号と導波路センサ透過光の基本波
検波信号との比を求める。これらの比の変化から導波路
Ｈ2 センサの透過率変化が求まる。ここで、予め、導波
路Ｈ2 センサにおけるＨ2 濃度と透過率との関係を調べ
て換算表を作成しておけば、測定した透過率からＨ2 濃
度を求めることができる。
る。前記のＣＨ4 ，Ｃ2 Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ4 ，Ｃ2 Ｈ6 ，Ｃ
Ｏの濃度の検出が、レーザ光の吸収量が特定波長に依存
することを利用したものであり、２倍波検波信号及び基
本波検波信号を用いて特定波長における吸収量を求める
のに対し、Ｈ2 の濃度の場合は、導波路Ｈ2 センサを通
る透過光の透過率変化から、その原因となるＨ2 の濃度
を求める。即ち、Ｈ2 の濃度は、導波路センサ透過光の
基本波検波信号を導波路Ｈ2 センサが着色する前に予め
求めた初期値を解析部１３に記憶しておき、着色前後の
基本波検波信号の変化から求めることができる。ただ
し、導波路センサ透過光の基本波検波信号には、使用し
たレーザ光が測定対象ガスによる吸収で減衰した成分、
またガスセル７の光学系に用いたレンズのズレ等による
変動成分が含まれる。そこで、ガス雰囲気透過光の基本
波検波信号を補正に用いる。Ｈ2 の吸着によって光透過
特性が変化する前の透過率の初期値として、ガスセルを
透過した光によりガス雰囲気透過光用受光器８ａで検出
された信号の基本波検波信号とそのときの導波路センサ
透過光の基本波検波信号との比を求める。さらに、導波
路Ｈ2 センサが着色した後の透過率として、ガス雰囲気
透過光の基本波検波信号と導波路センサ透過光の基本波
検波信号との比を求める。これらの比の変化から導波路
Ｈ2 センサの透過率変化が求まる。ここで、予め、導波
路Ｈ2 センサにおけるＨ2 濃度と透過率との関係を調べ
て換算表を作成しておけば、測定した透過率からＨ2 濃
度を求めることができる。
【００３２】なお、上記実施形態にあっては、ガス雰囲
気透過光はガスセル７内の第２光分岐器１０で分岐され
て、一方はガス雰囲気透過光用復路光ファイバ４ｄへ、
他方は導波路Ｈ2 センサ９を経て導波路センサ用復路光
ファイバ４ｅへ導かれるように構成したが、これらの光
ファイバをガスセル７直後で光路切替器を介して１本の
復路光ファイバに切替え接続するようにしてもよい。こ
れによりセンサ部２２から信号処理部２３への光ファイ
バは１本になる。また、５種のレーザの光路を切り替え
て１本の光ファイバ４ａに接続する光路切替器５は光カ
プラに代えてもよい。
気透過光はガスセル７内の第２光分岐器１０で分岐され
て、一方はガス雰囲気透過光用復路光ファイバ４ｄへ、
他方は導波路Ｈ2 センサ９を経て導波路センサ用復路光
ファイバ４ｅへ導かれるように構成したが、これらの光
ファイバをガスセル７直後で光路切替器を介して１本の
復路光ファイバに切替え接続するようにしてもよい。こ
れによりセンサ部２２から信号処理部２３への光ファイ
バは１本になる。また、５種のレーザの光路を切り替え
て１本の光ファイバ４ａに接続する光路切替器５は光カ
プラに代えてもよい。
【００３３】
【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。
る。
【００３４】（１）同じガス雰囲気中の赤外吸収スペク
トルを持つ成分のみならず赤外吸収スペクトルを持たな
い成分も検出可能なので、ガス監視システム等におい
て、より確度の高い診断ができる。
トルを持つ成分のみならず赤外吸収スペクトルを持たな
い成分も検出可能なので、ガス監視システム等におい
て、より確度の高い診断ができる。
【図１】本発明の一実施形態を示す光式ガス濃度検出装
置の構成図である。
置の構成図である。
【図２】本発明に用いる導波路Ｈ2 センサの断面図であ
る。
る。
【図３】従来の光式ＯＦケーブル油中ガス監視システム
の構成図である。
の構成図である。
【図４】Ｃ2 Ｈ2 及びＣＨ4 の濃度と劣化内容との相関
図である。
図である。
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ レーザ ６ 第１光分岐器 ７ ガスセル ８ａ ガス雰囲気透過光用受光器 ８ｂ 参照光用受光器 ８ｃ 導波路センサ用受光器 ９ 導波路Ｈ2 センサ（導波路センサ） １０ 第２光分岐器 １３ 解析部
Claims (3)
- 【請求項１】 特定波長のレーザ光を一部は測定対象の
ガス雰囲気中に通し、一部はガス雰囲気中に通さず参照
用に、それぞれのレーザ光を受光し、これらガス雰囲気
透過光と参照光との差から特定波長のレーザ光を吸収す
るガスの濃度を検出すると共に、上記ガス雰囲気透過光
の一部を特定ガスの吸着によって光透過特性が変化する
導波路センサに通して受光し、この導波路センサ透過光
と上記ガス雰囲気透過光との比から特定ガスの濃度を検
出することを特徴とする光式ガス濃度検出方法。 - 【請求項２】 特定波長のレーザ光を発振するレーザ
と、測定対象のガス雰囲気を収容するガスセルと、上記
レーザ光を分岐して一方はガスセルに導き他方はガスセ
ルを迂回させる第１の分岐手段と、ガスセルからのガス
雰囲気透過光を受光するガス雰囲気透過光用受光器と、
ガスセルを迂回した参照光を受光する参照光用受光器
と、上記ガスセル内で上記ガス雰囲気透過光を分岐して
一方は特定ガスの吸着によって光透過特性が変化する導
波路センサに導き他方は上記ガス雰囲気透過光用受光器
に導く第２の分岐手段と、上記導波路センサからの透過
光を受光する導波路センサ用受光器と、上記ガス雰囲気
透過光と参照光との差から特定波長のレーザ光を吸収す
るガスの濃度を検出すると共に導波路センサ透過光と上
記ガス雰囲気透過光との比から特定ガスの濃度を検出す
る解析部とを備えたことを特徴とする光式ガス濃度検出
装置。 - 【請求項３】 複数のガス成分のためにそれぞれ異なる
波長のレーザ光を発振する複数の上記レーザと、これら
のレーザ光を切り替えて上記分岐手段に供給する切替手
段とを備えたことを特徴とする請求項２記載の光式ガス
濃度検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11648396A JPH09304274A (ja) | 1996-05-10 | 1996-05-10 | 光式ガス濃度検出方法及びその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11648396A JPH09304274A (ja) | 1996-05-10 | 1996-05-10 | 光式ガス濃度検出方法及びその装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09304274A true JPH09304274A (ja) | 1997-11-28 |
Family
ID=14688237
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11648396A Pending JPH09304274A (ja) | 1996-05-10 | 1996-05-10 | 光式ガス濃度検出方法及びその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09304274A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001185796A (ja) * | 1999-12-27 | 2001-07-06 | Hitachi Metals Ltd | レーザ装置、その応用装置並びにその使用方法 |
| JP2007218844A (ja) * | 2006-02-20 | 2007-08-30 | Hitachi Cable Ltd | 光式多ガス濃度検出方法及び装置 |
| JP2007309800A (ja) * | 2006-05-18 | 2007-11-29 | Japan Science & Technology Agency | 複数ガス濃度同時測定装置 |
| JP2008175611A (ja) * | 2007-01-17 | 2008-07-31 | Fuji Electric Systems Co Ltd | ガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法 |
| JP2009264922A (ja) * | 2008-04-25 | 2009-11-12 | Fuji Electric Systems Co Ltd | レーザ式ガス分析計 |
| JP2010048639A (ja) * | 2008-08-21 | 2010-03-04 | Fuji Electric Systems Co Ltd | レーザ式ガス分析計及びガス濃度測定方法 |
| WO2010073770A1 (ja) | 2008-12-25 | 2010-07-01 | 住友電気工業株式会社 | 気体モニタリング装置、燃焼状態モニタリング装置、経年変化モニタリング装置、および不純物濃度モニタリング装置 |
| JP2015049168A (ja) * | 2013-09-03 | 2015-03-16 | 株式会社島津製作所 | ガス吸光度測定装置 |
| WO2017029791A1 (ja) * | 2015-08-18 | 2017-02-23 | 国立大学法人徳島大学 | 濃度測定装置 |
| KR20190043327A (ko) * | 2017-10-18 | 2019-04-26 | 국방과학연구소 | 광 신호 처리 장치, 그 방법 및 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램. |
-
1996
- 1996-05-10 JP JP11648396A patent/JPH09304274A/ja active Pending
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001185796A (ja) * | 1999-12-27 | 2001-07-06 | Hitachi Metals Ltd | レーザ装置、その応用装置並びにその使用方法 |
| JP2007218844A (ja) * | 2006-02-20 | 2007-08-30 | Hitachi Cable Ltd | 光式多ガス濃度検出方法及び装置 |
| JP2007309800A (ja) * | 2006-05-18 | 2007-11-29 | Japan Science & Technology Agency | 複数ガス濃度同時測定装置 |
| JP2008175611A (ja) * | 2007-01-17 | 2008-07-31 | Fuji Electric Systems Co Ltd | ガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法 |
| JP2009264922A (ja) * | 2008-04-25 | 2009-11-12 | Fuji Electric Systems Co Ltd | レーザ式ガス分析計 |
| JP2010048639A (ja) * | 2008-08-21 | 2010-03-04 | Fuji Electric Systems Co Ltd | レーザ式ガス分析計及びガス濃度測定方法 |
| WO2010073770A1 (ja) | 2008-12-25 | 2010-07-01 | 住友電気工業株式会社 | 気体モニタリング装置、燃焼状態モニタリング装置、経年変化モニタリング装置、および不純物濃度モニタリング装置 |
| US8624189B2 (en) | 2008-12-25 | 2014-01-07 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Gas monitoring device, combustion state monitoring device, secular change monitoring device, and impurity concentration monitoring device |
| JP2015049168A (ja) * | 2013-09-03 | 2015-03-16 | 株式会社島津製作所 | ガス吸光度測定装置 |
| WO2017029791A1 (ja) * | 2015-08-18 | 2017-02-23 | 国立大学法人徳島大学 | 濃度測定装置 |
| CN107850533A (zh) * | 2015-08-18 | 2018-03-27 | 国立大学法人德岛大学 | 浓度测定装置 |
| JPWO2017029791A1 (ja) * | 2015-08-18 | 2018-05-31 | 国立大学法人徳島大学 | 濃度測定装置 |
| US10324029B2 (en) | 2015-08-18 | 2019-06-18 | Tokushima University | Concentration measurement device |
| CN107850533B (zh) * | 2015-08-18 | 2020-06-30 | 国立大学法人德岛大学 | 浓度测定装置 |
| KR20190043327A (ko) * | 2017-10-18 | 2019-04-26 | 국방과학연구소 | 광 신호 처리 장치, 그 방법 및 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램. |
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