JPS58213235A - ガス検出方式 - 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】 （ａ）　　発明の技術分骨 本発明は半導体レーザのような光源を用いた長光路ガス
検知装置にかかり、特に大気中に浮遊するガス等を早期
にかつ正確に検知するべく、設定された複数の光路に対
して光学系を用い、該光学系でレーザビームを走査する
ことにより光路を切替えて、各光路内の被測定ガスを検
出する方式に関する。

（ｂ）　　技術の背景 近年、大気中の広範囲にわたっての有害ガスを高感度で
検出する技術の開発が広く要求されて来ている。ところ
が従来のこの種ガス検出手段としては、所定の観測点ご
とに被観測ガスを吸入サンプリングして測定する定点観
測方式のものしかなかった。そのために検出装置の所要
数が増大して６価となるばかりでなく、リアルタイムの
観測が不可能であり、しかも保守に多大の労力を要する
ほか、観測システム全体としての信頼性も低いという問
題をかかえていた。

＜（３）　　発明の目的 本発明は上記従来の欠点に鑑みてなされたもので大気中
のガスを広範囲にわたって早期に検出できる経済的なが
ス検出装置の提供を目的とするものであ゛る （（１）　　発明の構成 そしてこの目的は、本発明によれば、光送受共用手段と
しての平面鏡を走査可能なものと腰当該平面鏡の走査範
囲内に所定の距離をへだてて複数の往復反射鏡を配設”
し、光送出手段としての光源からの光を上記平面鏡を介
して射出すると共に往復反射輪との間に構成された往復
光路を通して帰って来た光を上記平面鏡を介して受光手
段としての受光素子で受光する形の構成において、前記
平面鏡を回転走査して行く間の各往復反射鏡対応位置毎
に得られた受光出力から、各光路におけるガス濃度を検
出するようにしたガス検出方式を提供することによって
達成される。

この場合、」二記平面鏡からの射出光が往復反射鏡をは
ずれる間は前記平面鏡を大なる速度で回転走査させ、上
記射出光が往復反射鏡に当たる期間は平面鏡を小なる速
度で走査させるよう走査速度を制御すれは一層好都合で
ある。

また、さらに上記平面鏡からの射出光で各往復反射鏡面
を走査する間、一旦反射鏡全面を走査させた後に上記受
光出力が最大となった位置にまで走査用の平面鏡を逆走
査させて一時的に伴出させ当該停止期間中に上記ガス濃
度の検出を行なうようにすることも効果的である。

（ｅ）　　発明の実施例 以下本発明の実施例を図面によって詳述する。

第１図および第２図は本発明にかかる光学系を主とする
系統図および電気回路系を主とする系統図である。

まず第１図について述べる。今、制御装置５０の端子０
８から微小交流電流が重畳された駆動電流１が光送出手
段としての光源オなわら半導体レーザＬに供給されると
、このレーザＬは上記電流■で定まる波長の光を射出す
るのであるが、その光はある程度のひろがりを有してい
るために、送光コリメート鏡１によって平行光とされ、
矢印イで示した方向に放射され、折り返し反射鏡２の透
光孔■を通過する。

ここで光送受共用手段としての走査平面鏡ＳＭが一点鎖
線２よりもさらに傾いて位置しておれば上記光は一点鎖
線りの方向に放射されるが、この方向には往復反射鏡が
ないために折り返し反射されて帰って来る光はなく、そ
のために受光素子りの出力は零である。

しかし今、走査平面鏡８Ｍが一点鎖線２の位置にまで回
転して光路がヌ方向に振れて実線で示した状態に位置し
たとすると、前記平面［８Ｍによって反射された平行光
は第１の往復反射鏡（レトロリフレクタ）　ｉｔ　ｉｔ
　］によって折り返し反射されここに往復光路が設定さ
れる。そしてその光は矢印凸方向に進んで再び平面鏡８
Ｍに当たって矢印二方向に進む。このために平面鏡８Ｍ
は光の送受両用として用いられると言える。ところでこ
の矢印二方向に進んだ光は折り返し反射鏡２によってそ
の進行方向を矢印小方向に変えられた後に、放物面鏡８
によって集光された後、受光素子りに入射する。このよ
うになればこの入射光は上記受光素子りによって光電変
換されて、その電気的出力は増幅器４で増幅された後、
２つのロックイン増幅器ＬＡＩ、ＬＡ２に入力される。

ところがロックイン増幅器ＬＡ２の方には１点鎖線へで
示したように、矢印イ方向の光を断続するチョッパｅ１
ｔからの参照信号が供給されているので、ロックイン増
幅器ＬＡ２の出力には受光パワーＰが現れるのであるが
、これは制御装置５０の端子０２に入力される。これに
対してロックイン増幅器ＬＡ１の方には制御装置５０内
の、後述するレーザ駆ｍ電源（第２図参照）からの参照
信゛　　　号が供給されているので、微分モードで働く
ことになり、該ロックイン増幅器ＬＡ１の出力には微分
受光パワーｙが現れ、これは制御装置５０の端子Ｏ１に
人力される。ところが走査平面鏡８Ｍによる反射光軸が
さらに矢印チ方向に動いて該光軸が例えば一点鎖線夕の
方向を向けば再び上記光は往復反射鏡で折り返し反射さ
れて帰って来なくなるために、受光素子りの出力は再び
零となる。

しかし上記光軸がさらに矢印チ方向に移り、走査平面鏡
８Ｍの角度が先に示した１点鎖線２よりθだけ移動した
とすると、この方向には再び往復反射鏡ＲＲ２が配置さ
れているので、前記光は折り返されて帰って来て、その
結果受光素子りは光電変換を行ない、出力を増幅器４に
入力することができるようにな゛る。

この第１図では便宜上、往復反射鏡が２個の場合を示し
たが、該往復反射鏡は複数個が走査平面鏡８Ｍのまわり
、あるいはその一部に所定の距離をおいて配設されてお
り、該複数の往復反射鏡と走査平面鏡８Ｍとの間の空間
に浮遊するガス等を例えば数１６１’１３ｎの桁で検出
しつる。

なお上記平向＠８ＭはパルスモータＰＭによって駆動さ
れて微小角度△θずつその傾きを変えて走査されるもの
であることは言うまでもない。

次に第２図について説明する。平面鏡８Ｍからの光路が
まず第１図中の１点鎖線すのようで、あって、該光路を
たどる光がどの往復反射鏡にも当たらない場合には受光
素子りの出力は零である。この時にはロックイン増幅器
１および２の出力ｙならびにＰも当然零であるので、第
２図中のＡｌＤ鮒換器（Ａ／　Ｄ）ｘ　、（Ａ／　ｉ）
）＃の出力もまた零となる。

この場合、制御装置５０内の点Ｙからレベル検出回路６
に伝わる受光パワーＰに対応する電圧）はやはり零であ
るので、当該レベル検出回路６からの出力信号■ｌ・ｖ
ｌｌは共に低レベルＬにある。このためパルスモータレ
ート発生器は第３図（ａ）に示したような速いし〜トの
パルス電圧Ｖｌ’ｘを制御装ｆｆ５０の端子０６を介し
て第１図のパルスモータＰＭに加えられ、これを駆動す
る。

こうすれば第１図中の走査平面鏡８Ｍは大なる速度で矢
印チ方向への回転走査を行なう。そして該平面鏡８Ｍか
らの光軸が往復反射鏡ＲＲＩの右端に達すれば射出光は
折り返し反射を始めるのであるがこの場合の角度が第４
図（１％）（ｂ）の０１に対応する。

ところで制御装置５０の端子０７を介しては外部からし
きい値電圧Ｖｔｈがレベル検出回路６に入力されており
、前記点Ｙからの受光ノｆワーに対応する電圧Ｖｐはこ
のしきい値電圧ｖｔｈと比較され、両者が一致した角度
θＩより以後では受光ｔ＜　ｒ）　−Ｐに対応した電圧
Ｖｐの方が大きくなるので上記レベル検出回路６の出力
電圧Ｖ、　、　Ｖ、は第４図（ｂ）に示したように高レ
ベルＨに転する。

こうなればまずパルスモータレート発生器７は第８図（
ｌすに示したような遅いレートの／ｆルス電圧■］１！
を端子０５を介して第１図のパルスモータ朧に加えるよ
うに切替えられ、当該パルスモータ捏を駆動しはじめる
。

こうすれば第１図中の走査平面鏡８Ｍは小なる速度に回
転走査速度を落すのであるが、同時に第２図中の制御用
マイクロコンピュータ（以下マイコンと略称する）８中
では２つのＡ〜−Ｌ）変換器（Ａ／Ｄ）■、（Ａ／　Ｄ
）ｓからのそれぞれの受光出力Ｐおよび微分受光出力ｙ
の論理演算（割算）を行ない始め、第４図中の微小区間
でごとにその割算結果りる１７Ｐの値を当該マイコン８
中のメモリー９中に片端から格納して行く。

そしてこの操作は、走査ミラーＳＭからの光軸が往復反
射鏡ＩＬ　ＩＬ　１の端を今や外れようとする時すなわ
ち第４図Ｋ）　、　（１））中の角度θ−こ至るまで継
続するので当然どの角度においてＰ７が最大値となった
かは上記メモリーによって自動的に記憶されるＯ そしてレベル検出回路６において受光パワーＰに相当す
る電圧Ｖｐが低丁して来てしきい値電圧ｖｔｈがこのｍ
圧Ｖｐと一致した時点においては、受光素子りの出力す
なわち受光パワーＰの最大点は第４図（ａ）　、　（’
））中の角度０１！における点部ではなく、角度θ８に
おける点ｑであることが制御用マイコン８によって判別
されるから、ここでパルスモータ１’Ｍにはレート発生
器７から、回転走査鏡８Ｍを逆走査してる方向の遅いレ
ートパルスＶＰｍが送られ、平面鏡８Ｍは第４図（Ｂ）
　、　（ｂ）中の角度ａ−）らθ３まで戻されて角度θ
８において一時的に走査は停止される。

この結果、光軸は第１図中の往復反射鏡ＲＲ１と走査平
面鏡８Ｍとが作る最も感度が高い所に一旦停止され、制
御用マイコン８はその間に往復反射鏡Ｒｆｉｌと走査平
面鏡との間の空間に浮遊するガスの濃度の検出同定を完
了する。

そしてこれが完了した後は走査平面鏡８Ｍは第１図中の
矢印チ方向へいくらか移動し、角度らから再び角度０番
にまで移る。

ここに至れば受光パワーＰに対応する電圧Ｖｐはしきい
値電圧ｖｔｈを下端ることになるので第２図中のレベル
検出回路６の出力電圧ｖ１．−は再び低レベルＬに転す
る。こうなればパルスモータレート発生器７からの出力
は再び第８図（１ｍ）のような速いレートパルス電圧■
ｐ１に転じるから走査平面鏡８Ｍは往復反射鏡ＲＲＩよ
りＲＲ２に至るまで大なる速度で回転する。

そして光軸が往復反射鏡ＲＩｔ　２の右端から左端まで
走査する間は走査平面鏡８Ｍの速度を決める電圧Ｖｐは
再び第８図（ｌりに図示の遅いレートパルス■ｐ１に変
化させられ、角度へ〜θ７に至るまでゆっくりと往復反
射鏡ｌＬ几２の面を走査する。そして走査平面鏡８Ｍと
往復反射鏡几Ｒ２との間１８作られる光路上に浮遊ガス
がある場合には該ガスを検知同定するために平面鏡８Ｍ
はθ７なる角度まで一度走査するが受光素子出力が最大
となるθ６なる角度にまで再び戻されて、この点Ｑ３に
おいて一旦停止し、その間にマイコン８によって該ガス
の検出同定を遂行する。

ちなみに第２図中における１０はレーザ駆動電源であっ
て、これは制御用マイコン８によって制御されるもので
ある。またレベル検出回路６から電圧■１を制御用マイ
、コン８へ送る経路ルは受光パワーＰに対応する電圧Ｖ
ｐが低い値からしきい値電圧ｖｔｈに一致した時刻にマ
イコン８中で論理演算を開始させる信号の送出ルートで
あると共に、電圧ＶＰが高い値から低くなってしきい値
電圧ｖｔｈに一致した時刻にマイコン８中での上記論理
演算を停止させる信号を送るルートでもある。

このようにして平面鏡８Ｍと各往復反射鏡との間に光軸
が形成され、受光パワーＰの最大値において大気中に浮
遊するガスの検出同定が行なオ〕しるたびに得られる結
果としての出力■ｏはマイコン８から端子０６を介して
制御装置６０の外に矢印オで示したように出力され、図
示しない表示装置に導入されて表示されることになる。

（ｆ）　　発明の効果 以上、詳細に説明したように本発明に係るガス検出装置
を用いれば、走査平面鏡８Ｍが設置されている位置を基
準または中心として複数の測定光路が設定できるので、
光送受装置が１個あれば、あとは往復反射鏡の設置数を
所定の数だけ増やすことにより広範囲な敷地にわたって
のガスのモニターが安価にできるようになり、しかも多
大の労力を必要とせず、リアルタイムで行なえることと
なるために実用上極めて多大の効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はそれぞれ本発明に係るガス検出方式の
光学系、ならびに電気回路系を主とした系統図、第８図
（ａ）　、　（ｂ）は第２図中のパルスモータレート発
生器出力の波形を示す図、第４図（ａ）　、　（ｂ）は
上記系統の装置によって検出される受光素子出力および
レベル検出回路の出力電圧の波形である。 図において、１は送光コリメート鏡ン２は折り返し反射
鏡、８は放物面鏡、４は増幅器、（１１はチョッパ、Ｄ
は５ｅ光素子、’ＬＡ１　、Ｌｉ２はロックイン増幅器
、ＰＭはパルスモータ、８Ｍは走査・平面鏡をそれぞれ
示す。 第１頁の続き ■出　願　人　東京電力株式会社 東京都千代田区内幸町１丁目１ 番３号

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　光送受共用手段としての平面鏡を走査可能な
   ものとし、当該平面鏡の走査範囲内に所定の距離をへだ
   てて複数の往復反射鏡を配設し、光送出手段としての光
   源からの光を上記平面鏡を介して射出すると共に往復反
   射鏡との間に編成された往復光路を通して帰って来た光
   を上記平面鏡を介して受光手段としての受光素子で受光
   する形の構成において、前記平面鏡を回転走査して行く
   間の各往復反射鏡対応位置毎に得られた受光出力から、
   各光路におけるガス伽度を検出するようにしたガス検出
   方式。
2. （２）上記平面鏡からの射出光が往復反射鏡をはずれる
   間は前記平面鏡を大なる速度で回転走査させ上記射出光
   が往復反射鏡に当たる期間は平面鏡を小なる速度で走査
   させるよう走査速度を制御することを特徴とする特許請
   求の範囲第（１）項に記載のガス検出方式。
3. （３）　　上記平面鏡からの射出光で各往復反射鏡面を
   走査する間、一旦反射鏡全面を走査させた後に上記受光
   出力が最大となった位置にまで走査ノーの平面鏡を逆走
   査させて一時的に停止させ、当該停止期間中に上記ガス
   濃度の検出を行なうようにしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第（１）項または第（２）項に記載のガス検出
   方式。