(57)【要約】  本発明の課題は、目的のガス要因で発生するｎ倍波信号を、それ以外の要因で発生するｎ倍波信号から分別して、ガス検知の信頼性を向上することである。目的のガスの吸収帯ピーク波長に掛かり基本周波数fで波長変調された第１変調光（中心波長λ１）と、前記ピーク波長に掛からない隣接した帯域で同じく基本周波数fで波長変調された第２変調光（中心波長λ２）とを空間に出射し、受光し、ｎ倍波信号と基本波信号との信号比を算出し、第１変調光の中心波長λ１に係る信号比と、第２変調光の中心波長λ２に係る信号比との相異に応じた値が所定値以下であるとき、第１変調光の中心波長λ１に係る信号比に基づくガス検知を誤検知と判断する。
2017104590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目的のガスの吸収帯ピーク波長に掛かり基本周波数fで波長変調された第１変調光と、前記ピーク波長に掛からない隣接した帯域で同じく基本周波数fで波長変調された第２変調光とを空間に出射し、
前記空間を経た前記第１変調光を受光し、当該受光信号から前記第１変調光の中心波長に係るｎ倍波信号と基本波信号とを検出し当該ｎ倍波信号と基本波信号との信号比を算出するとともに、前記空間を経た前記第２変調光を受光し、当該受光信号から前記第２変調光の中心波長に係るｎ倍波信号と基本波信号とを検出し当該ｎ倍波信号と基本波信号との信号比を算出し、
前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比と、前記第２変調光の中心波長に係る前記信号比との相異に応じた値が所定値以下かの成否を判断し、成立するとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づくガス検知を誤検知と判断し、成立しないとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づくガス検知を正常検知と判断することを特徴とするガス検知方式。
【請求項２】
前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比の値に第１閾値を設け、
前記相異に応じた値に第２閾値を設け、
前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比の値が第１閾値以上で、かつ、前記相異に応じた値が第２閾値以下であるとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づくガス検知を誤検知と判断し、
前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比の値が第１閾値未満のとき、及び、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比の値が第１閾値以上で、かつ、前記相異に応じた値が第２閾値を超えるとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づくガス検知を正常検知と判断することを特徴とする請求項１に記載のガス検知方式。
【請求項３】
前記第１変調光及び前記第２変調光を共通の半導体レーザー素子の出力波長を制御して生成する請求項１又は請求項２に記載のガス検知方式。
【請求項４】
目的のガスの吸収帯ピーク波長に掛かり基本周波数ｆで波長変調された第１変調光と、前記ピーク波長に掛からない隣接した帯域で基本周波数ｆで波長変調された第２変調光とを空間に出射する発光部と、
前記空間を経た前記第１変調光を受光し、当該受光信号から前記第１変調光の中心波長に係るｎ倍波信号と基本波信号とを検出するとともに、前記空間を経た前記第２変調光を受光し、当該受光信号から前記第２変調光の中心波長に係るｎ倍波信号と基本波信号とを検出する受光検出部と、
前記第１変調光を受光して得られたｎ倍波信号と基本波信号との信号比を算出し、前記第２変調光を受光して得られたｎ倍波信号と基本波信号との信号比を算出し、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比と、前記第２変調光の中心波長に係る前記信号比との相異に応じた値が所定値以下かの成否を判断し、成立するとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づくガス検知を誤検知と判断し、成立しないとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づくガス検知を正常検知と判断する演算部と、
を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項５】
請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のガス検知方式に従い、前記正常検知のとき、前記第１変調光の前記信号比に基づきガス濃度値を算出することを特徴とする請求項４に記載のガス濃度測定装置。
【請求項６】
前記誤検知のとき、前記第１変調光の中心波長に係る信号を誤検知情報として記憶保持することを特徴とする請求項５に記載のガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス検知方式及びガス濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長変調方式のレーザーガス検知装置では、目的のガスの吸収帯において基本周波数fで波長変調した光を投光し、空間を経て受光し、その受光信号から検出された２倍波信号（２ｆ）と基本波信号（１ｆ）との信号比によりガス濃度を求める２ｆ検波方式が採用される。一般化すると、ｎ倍波信号（ｎｆ）と基本波信号（１ｆ）との信号比（ｎｆ／ｆ）によりガス濃度を求める（ｎは２以上の自然数。以下の同じ）。
特許文献１には、温度に応じて波長変化するレーザーを用いて、セル内のガスの吸収波長に応じて、電圧と温度を制御し、複数ガスの吸収波長を発信可能なガス検知装置が記載されている。
特許文献２では、レーザー光の干渉を抑えるために、変調周波数成分に高周波重畳をかけて、出射光の干渉抑制を図っている。
特許文献３では、位相敏感検波において基本波と２倍波の振幅をそれぞれの同相成分と直交成分とから演算により求め、さらに、位相を変化させながら加算することにより位相同期の校正無しに正確なガス濃度検出をする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１０８７５号公報
【特許文献２】特開平１０−２６７８３９号公報
【特許文献３】特開平７−１５１６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、波長変調方式のガス検知装置にあっては、特に反射物が特定されない外部のガス濃度を測定するリモートセンシング方式のガス検知装置において、出射光が出射先で複数回反射が起こるような場合や、出射先の物体の凹凸による散乱状態により光が干渉し、ガスの有無に依らず２倍波信号２ｆが検出されてしまい、誤検知してしまうという問題がある。２ｆ検波法では分布帰還型（Distributed  Feedback  :  DFB）レーザーが用いられるため光源の干渉性が極めて高くこのような現象を生じやすい。
特許文献１に記載の技術では、複数のガス種を検知可能とするが、得られた出力に対しての補正手段はなく、上記問題を解決することができない。
特許文献２に記載の技術では、出射光の干渉抑制を図っているが、出射先での波形乱れには対応できず、上記問題を解決することができない。
特許文献３に記載の技術では、測定の精度を上げる事は可能だが、出射先で乱れた波形に対しての補正はできず、上記問題を解決することができない。【０００５】
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、目的のガス要因で発生するｎ倍波信号を、それ以外の要因で発生するｎ倍波信号から弁別して、ガス検知の信頼性を向上することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、目的のガスの吸収帯ピーク波長に掛かり基本周波数fで波長変調された第１変調光と、前記ピーク波長に掛からない隣接した帯域で同じく基本周波数fで波長変調された第２変調光とを空間に出射し、
前記空間を経た前記第１変調光を受光し、当該受光信号から前記第１変調光の中心波長に係るｎ倍波信号と基本波信号とを検出し当該ｎ倍波信号と基本波信号との信号比を算出するとともに、前記空間を経た前記第２変調光を受光し、当該受光信号から前記第２変調光の中心波長に係るｎ倍波信号と基本波信号とを検出し当該ｎ倍波信号と基本波信号との信号比を算出し、
前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比と、前記第２変調光の中心波長に係る前記信号比との相異に応じた値が所定値以下かの成否を判断し、成立するとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づくガス検知を誤検知と判断し、成立しないとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づくガス検知を正常検知と判断することを特徴とするガス検知方式である。【０００７】
請求項２記載の発明は、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比の値に第１閾値を設け、
前記相異に応じた値に第２閾値を設け、
前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比の値が第１閾値以上で、かつ、前記相異に応じた値が第２閾値以下であるとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づくガス検知を誤検知と判断し、
前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比の値が第１閾値未満のとき、及び、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比の値が第１閾値以上で、かつ、前記相異に応じた値が第２閾値を超えるとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づくガス検知を正常検知と判断することを特徴とする請求項１に記載のガス検知方式である。【０００８】
請求項３記載の発明は、前記第１変調光及び前記第２変調光を共通の半導体レーザー素子の出力波長を制御して生成する請求項１又は請求項２に記載のガス検知方式である。【０００９】
請求項４記載の発明は、目的のガスの吸収帯ピーク波長に掛かり基本周波数ｆで波長変調された第１変調光と、前記ピーク波長に掛からない隣接した帯域で基本周波数ｆで波長変調された第２変調光とを空間に出射する発光部と、
前記空間を経た前記第１変調光を受光し、当該受光信号から前記第１変調光の中心波長に係るｎ倍波信号と基本波信号とを検出するとともに、前記空間を経た前記第２変調光を受光し、当該受光信号から前記第２変調光の中心波長に係るｎ倍波信号と基本波信号とを検出する受光検出部と、
前記第１変調光を受光して得られたｎ倍波信号と基本波信号との信号比を算出し、前記第２変調光を受光して得られたｎ倍波信号と基本波信号との信号比を算出し、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比と、前記第２変調光の中心波長に係る前記信号比との相異に応じた値が所定値以下かの成否を判断し、成立するとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づくガス検知を誤検知と判断し、成立しないとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づくガス検知を正常検知と判断する演算部と、
を備えることを特徴とするガス濃度測定装置である。【００１０】
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のガス検知方式に従い、前記正常検知のとき、前記第１変調光の中心波長に係る前記信号比に基づきガス濃度値を算出することを特徴とする請求項４に記載のガス濃度測定装置である。【００１１】
請求項６記載の発明は、前記誤検知のとき、前記第１変調光の中心波長に係る信号を誤検知情報として記憶保持することを特徴とする請求項５に記載のガス濃度測定装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明において、第１変調光は目的のガスの吸収帯ピーク波長に掛かり基本周波数fで波長変調されるので目的のガス要因でｎ倍波信号が発生し、第２変調光は同ピーク波長に掛からないので目的のガス要因では発生しないが、第１変調光及び第２変調光は当該ガス要因以外の光の干渉等の要因ではｎ倍波信号が平等に発生する信頼性が高い。
したがって、本発明によれば、第１変調光に基づくｎ倍波信号が発生しても、第２変調光に基づくｎ倍波信号との相異を参照することで、目的のガス要因で発生するｎ倍波信号（正常検知信号）を、それ以外の要因で発生するｎ倍波信号（誤検知信号）から弁別して、ガス検知の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置による測定の様子を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置が目的とするガスの光吸収特性を示すスペクトル図と測定光（第１変調光及び第２変調光）の波形図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置による出射信号とこれに応じた受光信号であって、誤検知とすべき波形の一例を示す。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置による出射信号とこれに応じた受光信号であって、正常検知とすべき波形の一例を示す。
【図４】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置によるガス検知、濃度測定処理の基幹的な処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
【００１５】
本実施形態のガス濃度測定装置１００は、本発明のガス検知方式に従ったものであり、図１に示すように、演算部１０、制御部１１、温度制御部１２、電流制御部１３、発光部１４及び受光検出部１５を備えて構成される。
発光部１４は、分布帰還型（Distributed  Feedback  :  DFB）の半導体レーザー素子を含み、制御部１１の波長制御指令値に基づき同半導体レーザー素子の温度が温度制御部１２によって制御されるか、又は同半導体レーザー素子の印加電流が電流制御部１３によって制御されることで、同半導体レーザーの出力波長が上記波長制御指令値に合致するように制御される。温度制御部１２による半導体レーザーの出力波長の可変制御と、電流制御部１３による半導体レーザーの出力波長の可変制御のいずれかを実施すれば足りる。
【００１６】
ガス濃度測定装置１００は、メタン等のガスを検出目的のガスとする。図２に目的のガスの光吸収特性を示すスペクトル２０が示される。発光部１４は、第１変調光２１と第２変調光２２とを出射する。第１変調光２１は、目的のガスの吸収帯ピーク波長に掛かり基本周波数fで波長変調されたものである。第１変調光２１の中心波長λ１は、目的のガスの吸収帯ピーク波長にほぼ一致する。
第２変調光２２は、目的のガスのピーク波長に掛からない隣接した帯域で同じく基本周波数fで波長変調されたものである。第２変調光２２の中心波長λ２は、第１変調光２１の中心波長λ１及び目的のガスの吸収帯ピーク波長から離れている。
図１に示すように、この第１変調光２１及び第２変調光２２を空間に出射し、不特定の反射物２００で反射された光（第１変調光２１及び第２変調光２２が含まれる）を受光検出部１５で受光する。図３に出射信号とこれに応じた受光信号の例を示した。
【００１７】
受光検出部１５は、受光信号から第１変調光２１の中心波長λ１に係るｎ倍波信号と基本波信号とを検出し、演算部１０に出力し、演算部１０は、そのｎ倍波信号と基本波信号との信号比（ｎｆ／ｆ）を算出する。また、受光信号から第２変調光２２の中心波長λ２に係るｎ倍波信号と基本波信号とを検出し、演算部１０に出力し、演算部１０は、そのｎ倍波信号と基本波信号との信号比（ｎｆ／ｆ）を算出する。演算部１０は、CPU（Central  Processing  Unit）、RAM（Random  Access  Memory）、ROM（Read  Only  Memory）、及び、HDD（Hard  Disk  Drive）によって実現される。
【００１８】
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、出射信号の波形は、λ１かλ２に依らず基本周波数fに従ったものであり、同一のものが示される。
図３Ａに示すように、第１変調光２１に基づく中心波長λ１の受光信号及び第２変調光２２に基づく中心波長λ２の受光信号の双方に同様の乱れが生じ、ｎｆ信号成分が発生する。このような吸収帯（λ１）と非吸収帯（λ２）に依らない乱れは、出射先での光の反射、散乱、干渉等による環境要因によって生じる。
図３Ｂに示すように、第１変調光２１に基づく中心波長λ１の受光信号に目的のガスによる吸収を要因としてｎｆ信号成分が発生する。第２変調光２２に基づく中心波長λ２の受光信号は、吸収帯にないので変化はなく、基本周波数fに従ったものである。
【００１９】
さて改めて図４に示すフローチャートに沿って説明する。
中心波長λ１、変調周波数ｆで第１変調光２１を出射し（ステップＳ１）、上述した温度制御部１２又は電流制御部１３による半導体レーザーの出力波長の可変制御を行って中心波長λ２、変調周波数ｆで第２変調光２２を出射する（ステップＳ２）。
次に、演算部１０は、第１変調光２１の中心波長λ１に係る信号比（ｎｆ／ｆ）の値が第１閾値以上か否か判断する（ステップＳ３）。
ステップＳ３でＮＯの場合、演算部１０は、第１変調光２１の中心波長λ１に係る信号比（ｎｆ／ｆ）に基づくガス検知を正常検知と判断するとともに、第１変調光２１の中心波長λ１に係る信号比（ｎｆ／ｆ）に基づきガス濃度値を算出し、測定時情報（測定した年月日時分秒を示す情報）、算出した濃度のほか、受光信号のデータや信号比（ｎｆ／ｆ）のデータを記憶装置に記憶保持し、表示装置に表示出力する（ステップＳ６）。
【００２０】
ステップＳ３でＹＥＳの場合、演算部１０は、第１変調光２１の中心波長λ１に係る信号比（ｎｆ／ｆ）と、第２変調光２２の中心波長λ２に係る信号比（ｎｆ／ｆ）との差の値を算出し、当該差の値が第２閾値以下であるか否か判断する（ステップＳ４）。かかる差の値は、第１変調光２１の中心波長λ１に係る信号比（ｎｆ／ｆ）と、第２変調光２２の中心波長λ２に係る信号比（ｎｆ／ｆ）との相異に応じた値の一形態であって、差ではなく、比を用いてもよい。
演算部１０は、ステップＳ４でＮＯの場合、ステップＳ６の処理を上記と同様に実行する。
ステップＳ４でＹＥＳの場合、演算部１０は、第１変調光２１の中心波長λ１に係る信号比（ｎｆ／ｆ）に基づくガス検知を誤検知と判断するとともに、測定時情報（測定した年月日時分秒を示す情報）、誤検知であることを示す符号のほか、受光信号のデータや信号比（ｎｆ／ｆ）のデータを記憶装置に記憶保持し、表示装置に表示出力する（ステップＳ５）。記憶する信号データに測定時情報及び誤検知であることを示す符号を付随させることで、この時の第１変調光２１の中心波長に係る信号を誤検知情報として記憶保持する。
【００２１】
図３Ａに示すような受光信号が得られる場合には、中心波長λ１の受光信号から信号比（ｎｆ／ｆ）が得られるので、従来技術では正常検知となるおそれがあったが、以上のような処理を実行するガス濃度測定装置１００によれば、中心波長λ１の受光信号と中心波長λ２の受光信号とでは差が小さいので、ステップＳ４でＹＥＳとなって誤検知と弁別される。
またガス濃度測定装置１００によれば、図３Ｂに示すような受光信号が得られる場合には、中心波長λ１の受光信号と中心波長λ２の受光信号とでは差が大きいので、ステップＳ３でＹＥＳ、ステップＳ４でＮＯとなって正常検知と弁別され、ガス濃度が算出される。
以上により、ガス検知の信頼性を向上することができ、算出される濃度値の信頼性が向上する。
【００２２】
以上の実施形態に拘わらず、ステップＳ２とステップＳ３の順序は逆でもよく、ステップＳ３とステップＳ４の順序は逆でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、ガス検知方式及びガス濃度測定装置に利用できる。
【符号の説明】
【００２４】
１０  演算部
１１  制御部
１２  温度制御部
１３  電流制御部
１４  発光部
１５  受光検出部
２０  光吸収スペクトル
２１  第１変調光
２２  第２変調光
１００  ガス濃度測定装置
２００  反射物
f  基本周波数（波長変調周波数）
λ１  第１変調光の中心波長
λ２  第２変調光の中心波長
【図１】
2017104590.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【国際調査報告】
2017104590.tif 000008
2017104590.tif 000009