(57)【要約】【課題】検知の遅れを短縮させるガス検知用センサヘッドを提供する。【解決手段】防塵防水用フィルタ９の外径は２０〜４０ｍｍであり、内殻３と上記防塵防水用フィルタ９との隙間は０．４〜０．６ｍｍであり、防塵防水用フィルタ９の外周の面積をＡとし、防塵防水用フィルタ９及びエンドキャップ２７内の空間の容積をＶとしたとき、比Ｖ／Ａが０．７１以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝播用空間の周囲を囲む内殻と、該内殻の上記光伝播用空間を挟んで対向する位置に配置された光入射部及び光出射部と、上記内殻に配置されたガス流入口と、上記内殻の外周を覆う防塵防水用フィルタと、該防塵防水用フィルタの端部を閉じて上記光出射部の光ファイバを収容するエンドキャップとを備え、上記防塵防水用フィルタの外径は２０〜４０ｍｍであり、上記内殻と上記防塵防水用フィルタとの隙間は０．４〜０．６ｍｍであり、上記防塵防水用フィルタの外周の面積をＡとし、上記防塵防水用フィルタ及びエンドキャップ内の容積をＶとしたとき、比Ｖ／Ａが０．７１以下であることを特徴とするガス検知用センサヘッド。
【請求項２】
上記ガス流入口が楕円等の一方向に長く他の方向に短い形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のガス検知用センサヘッド。
【請求項３】
上記内殻が円筒、角筒等の筒状であり、上記光入射部及び光出射部が該内殻の両端面に配置され、上記ガス流入口が該内殻の側面に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のガス検知用センサヘッド。
【請求項４】
上記ガス流入口が互い違いに配置されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のガス検知用センサヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知の遅れを短縮させるガス検知用センサヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、雰囲気中に存在する各種ガスの濃度を赤外吸収等のガス吸光現象を利用して検知することが行われている。ガス検知を行う対象雰囲気の場所から遠隔な場所で検知装置が動作できるように、光源光及びガス透過光は検知装置から対象雰囲気の場所まで光ファイバで伝送され、対象雰囲気の場所にはガス吸光現象を生じさせたい一定距離間のみ光の空間伝播を行うガス検知用センサヘッド（以下、単にセンサヘッドと呼ぶ）が設置される。
【０００３】
図７に示されるように、従来のセンサヘッド７１は、光伝播用空間７２の周囲を囲む内殻７３と、内殻７３の光伝播用空間７２を挟んで対向する位置に配置された光入射部７４及び光出射部７５と、内殻７３に配置されたガス流入口７６と、内殻７３の外周を覆う防塵防水用フィルタ７９と、防塵防水用フィルタ７９の端部を閉じて光出射部７５の光ファイバを収容する図示しないエンドキャップを備える。
【０００４】
一般に、センサヘッド７１は、内殻７３が円筒状に形成され、光入射部７４及び光出射部７５が内殻７３の両端に配置され、光入射部７４から光出射部７５に向けて空間伝播する光の光軸が内殻７３の中心軸と平行になる。図示例では、光入射部７４及び光出射部７５が内殻７３の両端の中心、すなわち円筒状の内殻７３の中心軸上に配置される。よって、該中心軸に光軸が一致する。
【０００５】
一方、ガス流入口７６は内殻７３の側面に配置される。ガス流入口７６は内殻７３の反対側側面にも対向して配置される。ガスは、対象雰囲気であるセンサヘッド７１の外部からガス流入口７６を通って光伝播用空間７２へと流入する。
【０００６】
防塵防水用フィルタ７９は、対象雰囲気からガス流入口７６までの間で、塵埃、水分を除去するためのものである。防塵防水用フィルタ７９は、ガスを透過させ、塵埃、水分は透過させないフィルタ材料で構成される。防塵防水用フィルタ７９は、長期信頼性を保つように配慮されている。
【０００７】
従来のセンサヘッド７１は、防塵防水用フィルタ７９や内殻７３の寸法が、防塵防水用フィルタ７９と内殻７３との取り付け易さ、あるいは対象雰囲気への設置し易さを考慮して決められている。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２５６７６９号公報
【特許文献２】特開２００５−６１９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図７に示した従来のセンサヘッド７１は、対象雰囲気のガスが光伝播用空間７２の中心にある光軸に到達する速度が遅い（時間がかかる）という問題がある。例えば、燃料ガスを生産・配給する設備において、その設備の周辺にセンサヘッド７１を設置して設備からのガス漏れを監視しようとする場合、対象雰囲気から光軸にガスが到達する速度が遅いと、ガス濃度の変化を迅速に知ることができない。
【００１０】
ＪＩＳ  Ｍ  ７６２６  定置形可燃性ガス検知警報器には、検知の遅れとその試験方法について規定しており、検知の遅れは３０秒以内でなければならない。
【００１１】
この要求に応ずるべく、ガス濃度の変化を迅速に検知するには、対象雰囲気から光軸にガスが到達する速度を速くする必要がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、検知の遅れを短縮させるガス検知用センサヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために本発明は、光伝播用空間の周囲を囲む内殻と、該内殻の上記光伝播用空間を挟んで対向する位置に配置された光入射部及び光出射部と、上記内殻に配置されたガス流入口と、上記内殻の外周を覆う防塵防水用フィルタと、該防塵防水用フィルタの端部を閉じて上記光出射部の光ファイバを収容するエンドキャップとを備え、上記防塵防水用フィルタの外径は２０〜４０ｍｍであり、上記内殻と上記防塵防水用フィルタとの隙間は０．４〜０．６ｍｍであり、上記防塵防水用フィルタの外周の面積をＡとし、上記防塵防水用フィルタ及びエンドキャップ内の容積をＶとしたとき、比Ｖ／Ａが０．７１以下であるものである。
【００１４】
上記ガス流入口が楕円等の一方向に長く他の方向に短い形状に形成されていてもよい。
【００１５】
上記内殻が円筒、角筒等の筒状であり、上記光入射部及び光出射部が該内殻の両端面に配置され、上記ガス流入口が該内殻の側面に配置されていてもよい。
【００１６】
上記ガス流入口が互い違いに配置されていてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１８】
（１）検知の遅れを短縮させるさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
図１に示されるように、本発明に係るガス検知用センサヘッド１は、光伝播用空間２の周囲を囲む内殻３と、該内殻３の上記光伝播用空間２を挟んで対向する位置に配置された光入射部４及び光出射部５と、上記内殻３に複数配置されたガス流入口６と、上記内殻の外周を覆う防塵防水用フィルタ９と、該防塵防水用フィルタ９の端部を閉じて上記光出射部の光ファイバを収容するエンドキャップ（図示せず）とを備え、上記防塵防水用フィルタ９の外径は２０〜４０ｍｍであり、上記内殻３と上記防塵防水用フィルタ９との隙間は０．４〜０．６ｍｍであり、上記防塵防水用フィルタ９の外周の面積をＡとし、上記防塵防水用フィルタ９及びエンドキャップ内の容積をＶとしたとき、比Ｖ／Ａが０．７１以下であるものである。
【００２１】
内殻３は円筒、角筒（多角筒）等の筒状にするのが好ましく、本実施形態では、内殻３は円筒状にしている。内殻３は、所定の肉厚を有する材料（本実施形態ではＳＵＳ）を所定の外径を有する円筒状に形成したものである。
【００２２】
光入射４部及び光出射部５は、互いに対向していれば内殻３のどこに配置してもよいが、本実施形態では、内殻３が円筒状で、その両端面が互いに平行であるので、光入射４部及び光出射部５は内殻３の両端面に配置している。特にここでは、光入射部４及び光出射部５が内殻３の両端面の中心に配置され、内殻３の中心軸上に光軸が一致する。
【００２３】
光入射部４及び光出射部５は、光ファイバ７の先端にレンズ８を設け、そのレンズ８を内殻３の端面外部から光伝播用空間２へ貫通させたものである。レンズ８は、光の干渉を防止するために斜めに研磨される。光出射部５の光ファイバ７は、エンドキャップに囲まれた空間内でループ状に折り返して光入射部４の光ファイバ７と並べて配線される。
【００２４】
ガス流入口６は、内殻３のどこに配置してもよいが、本実施形態では、対象雰囲気から内殻３の光伝播用空間２へと流入されるガスが光軸に対して直角に流れるよう、ガス流入口６を内殻３の側面とその反対側の側面に対向配置している。ガス流入口６からその反対側のガス流入口６へとガスが光軸に対して直角に流れることでガスが流れ易くなり、対象雰囲気から光伝播用空間２にガスが流入される時間を短縮することができる。
【００２５】
本実施形態では、ガス流入口６を楕円、長円、長方形、扁平な六角形など、一方向に長く他の方向に短い形状にしている。長い方の開口径を長軸、短い方の開口径を短軸と呼ぶことにする。図示したものでは、ガス流入口６は、二辺が長軸に平行であり別の二辺が短軸に平行である扁平な八角形に形成されている。
【００２６】
本実施形態では、ガス流入口６は、内殻３の周方向に短軸を向け、内殻３の軸方向に長軸を向けている。よって、ガス流入口６の長軸が光入射部４と光出射部５を結ぶ光軸と平行である。
【００２７】
また、本実施形態では、複数のガス流入口６の長軸が同一直線上になるよう、ガス流入口６が一列に整列配置されている。
【００２８】
防塵防水用フィルタ９は、塵埃、水分を除去するためのものであり、例えば、焼結金属フィルタで構成される。防塵防水用フィルタ９は、所定の肉厚を有するフィルタ材料を所定の内径を有する円筒状に形成し、両端のフランジ（図示せず）をエンドキャップ及び後述する光ファイバ収容部に固定したものである。
【００２９】
図２に示されるように、ガス検知用センサヘッド１の一端は、光入射部４の光ファイバ７に連結する光コネクタと光ファイバ７の余長を収容した光ファイバ収容部２６に取り付けられる。ガス検知用センサヘッド１の他端にはエンドキャップ２７が取り付けられる。
エンドキャップ２７は、内殻３に囲まれた光伝播用空間２に連通する空間を有し、先端が閉じているものである。ガス検知用センサヘッド１の光出射部５の光ファイバ７は、エンドキャップ２７内でループ状に折り返して内殻３の外側を通して光ファイバ収容部２６内に戻り、光コネクタに連結される。光ファイバケーブル２４は、光源部及びガス濃度検出部と光ファイバ収容部２６を接続する。
【００３０】
図３に示されるように、ガス濃度検出装置３１は、ガス検知用センサヘッド１に光源光を提供する光源部３２と、ガス検知用センサヘッド１の透過光を受光してガス濃度を検出するガス濃度検出部３３とを備える。
【００３１】
光源部３２は、変調中心波長の掃引幅及び掃引周期を規定する三角波を発生する三角波発生器３２１、その三角波に基づいてバイアス電圧を出力するバイアス電源３２２、交流成分を遮断するインダクタ３２３、変調周波数及び振幅を規定する正弦波電圧を発生する発振器３２４、直流成分を遮断するコンデンサ３２５、正弦波を２倍周する倍周器３２６、バイアス電圧と正弦波電圧が重畳して印加されるレーザ発光素子３２７、レーザ発光素子３２７を加熱・冷却するペルチェ素子３２８、ペルチェ素子を駆動してレーザ発光素子３２７の温度を制御する温度制御電源３２９を備える。
【００３２】
ガス濃度検出部３３は、ガス検知用センサヘッド１からの透過光を受光する受光素子３３１、その受光信号について発振器の信号Ａと倍周器の信号Ｂにより位相敏感検波を行う位相検波回路３３２、検波した信号を時系列として記憶する信号記憶部３３３、その時系列を演算処理することにより、ガス濃度を計算する信号処理部３３４を備える。
【００３３】
ガス濃度検出システム３１において、ガス検知用センサヘッド１は、光源部３２からガス濃度検出部３３に至る光ファイバ７に、直列あるいは並列に任意の個数挿入して、多点計測に使用することができる。
【００３４】
ガス濃度検出システム３１におけるガス濃度検出の方法は周知慣用の技術であるから説明は省く。
【００３５】
ガス濃度検出システム３１は、光による伝送と電子装置による情報処理を行っているので、ガス検知用センサヘッド１の光伝播用空間２にガスが流入すれば、ただちにそのガス濃度が検知できる。よって、ＪＩＳに規定する検知の遅れは、対象雰囲気から光軸にガスが到達する速度に依存する。
【００３６】
図１のガス検知用センサヘッド１の作用効果を説明する。
【００３７】
図１のガス検知用センサヘッド１は、防塵防水用フィルタ９の外周の面積（以下、表面積と称する）をＡとし、防塵防水用フィルタ９及びエンドキャップ２７内の空間の容積
（以下、内容積と称する）をＶとしたとき、比Ｖ／Ａが０．７１以下であるという特徴を有する。この特徴を従来と比較するために、図４を参照する。
【００３８】
図４（ａ）に示されるように、防塵防水用フィルタ９の外径を３０ｍｍとすると、その表面積Ａは、
２×π×１．５ｃｍ×１０ｃｍ≒９４ｃｍ２
である（図示寸法はｍｍであるが計算式はｃｍを使用；以下同）。
【００３９】
防塵防水用フィルタ９に囲まれた円柱状の空間（内殻３は除去してある）の体積（防塵防水用フィルタ９単体の容積）Ｖ１は、内径がφ２６であるから、
Ｖ１＝π×１．３ｃｍ２×１０ｃｍ＝５３ｃｍ３
である。
【００４０】
エンドキャップ２７に囲まれた円柱状の空間の体積（エンドキャップ２７の容積）Ｖ２は、内径がφ４４ｍｍ、長さ３６ｍｍであるから、
Ｖ２＝π×２．２ｃｍ２×３．６ｃｍ≒５５ｃｍ３
である。
【００４１】
図４（ｂ）に示されるように、従来の内殻７３の体積Ｖ３は、外径がφ２０ｍｍであり、長さが１００ｍｍであるから、
Ｖ３＝π×１．０ｃｍ２×１０ｃｍ≒３１ｃｍ３
である。
【００４２】
ガス流入口７６が両側面に５個ずつ、上下に５個ずつ配置されることにより、対抗するガス流入口７６間に形成される空間（ガス流入口部分という）が１０個あるものとすると、そのガス流入口部分の総容積Ｖ４は、口径がφ１０ｍｍであり、深さは内殻７３の外径２０ｍｍと等しいとして、
Ｖ４＝π×０．５ｃｍ２×２×１０個≒１６ｃｍ３
である。
【００４３】
このとき、内殻７３を防塵防水用フィルタ９に収容すると、防塵防水用フィルタ９単体の容積Ｖ１とエンドキャップ２７の容積Ｖ２とを合わせたものから内殻７３の体積Ｖ３が除去される。ガス流入口７６部分の総容積Ｖ４を足すことで、内容積Ｖが求まる。すなわち、内容積Ｖは、
Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２−Ｖ３＋Ｖ４
＝５３＋５５−３１＋１６＝９３
となる。ここで、光伝播用空間７２の容積は小さいことから、計算から除外している。
【００４４】
従って、比Ｖ／Ａは、
Ｖ／Ａ＝９３／９４≒１
となる。
【００４５】
図４（ｃ）は、本発明の第１の実施形態であり、内殻３の外径を大きくしたものである。本発明の内殻３の体積Ｖ３は、外径がφ２５ｍｍであり、長さが１００ｍｍであるから、
Ｖ３＝π×１．２５ｍ２×１０ｃｍ≒４９ｃｍ３
である。
【００４６】
ガス流入口６は長円形のものが両側面に１個ずつ、上下に１個ずつ配置されることにより、対抗するガス流入口６間に形成される空間（ガス流入口部分）が２個あるものとすると、そのガス流入口部分の総容積Ｖ４は、幅が２．５ｍｍ、Ｒが１．２５ｍｍであり、深さは内殻３の外径２５ｍｍと等しいとして、
Ｖ４＝（５．７５ｃｍ×０．２５ｃｍ＋π×０．１２５２ｃｍ２）
×２．５ｃｍ×２個
≒７．４ｃｍ３
である。
【００４７】
このとき、内殻３を防塵防水用フィルタ９に収容すると、内容積Ｖは、
Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２−Ｖ３＋Ｖ４
＝５３＋５５−４９＋７．４＝６６．４
となる。ここで、光伝播用空間２の容積は小さいことから、計算から除外している。
【００４８】
従って、比Ｖ／Ａは、
Ｖ／Ａ＝６６．４／９４≒０．７１
となる。
【００４９】
図４（ｂ）の従来技術では、比Ｖ／Ａが１であり、このとき検知の遅れは３０秒である。この値は、ＪＩＳの基準をぎりぎり満足しているものの、マージンがなく、十分に速いとは言えない。図４（ｃ）の本発明では、比Ｖ／Ａが０．７１であり、検知の遅れは２０秒となり、従来に比べて検知の遅れを短縮することができる。
【００５０】
このように、本発明では、内殻３の外径を大きくし、防塵防水用フィルタ９との隙間を小さく（上記実施形態では０．５ｍｍ）することにより、比Ｖ／Ａを小さくし、ガス検知の応答を速くしている。比Ｖ／Ａは、防塵防水用フィルタと内殻の寸法をいずれか又はそれぞれ変えることで任意に設定できる。ただし、対象雰囲気への設置などを考慮すると、防塵防水用フィルタ９の外径の好適値は、φ２０〜４０ｍｍである。したがって、この好適値の範囲内で比Ｖ／Ａが０．７１以下となるように防塵防水用フィルタと内殻の寸法を選択するのが望ましい。内殻３と防塵防水用フィルタ９との隙間は、小さくすることが好ましく、その取り付け性を考慮して、０．４〜０．６ｍｍが好適値である。
【００５１】
図４（ａ）から分かるように、エンドキャップ２７内の空間が防塵防水用フィルタ９内の空間に連通しており、内容積Ｖの一部を占める。したがって、エンドキャップ２７を変更することで、内容積Ｖを変えることができる。図４（ｄ）は、本発明の他の実施形態であり、エンドキャップ２７の内径及び長さを縮小し、本発明の第１の実施形態のガス検知用センサヘッド１に適用した。
【００５２】
エンドキャップ２７に囲まれた円柱状の空間の体積（エンドキャップ２７の容積）Ｖ２は、内径がφ２６ｍｍ、長さ２０ｍｍであるから、
Ｖ２＝π×１．３ｃｍ２×２ｃｍ≒１１ｃｍ３
である。
【００５３】
よって、内容積Ｖは、
Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２−Ｖ３＋Ｖ４
＝５３＋１１−４９＋７．４＝２２．４
となる。
【００５４】
従って、比Ｖ／Ａは、
Ｖ／Ａ＝２２．４／９４≒０．２４
となる。検知の遅れは８秒となる。
【００５５】
このようにエンドキャップ２７の内径あるいは長さを縮小することによっても、比Ｖ／Ａを小さくすることができる。ただし、エンドキャップ２７内では、光ファイバ７が折り返して収容されるので、光ファイバ７の曲率が大きくならない程度にエンドキャップ２７内の空間を確保するのが望ましい。
【００５６】
図５に、比Ｖ／Ａと検知の遅れの関係を示す。比Ｖ／Ａを０．７１以下とすることにより、検知の遅れを２０秒以下とすることができ、ＪＩＳ規格の検知の遅れ３０秒以内を達成できる。
【００５７】
本発明の他の特徴について説明する。
【００５８】
図１に示されるように、ガス流入口６を一方向に長く他の方向に短い形状にしたことにより、内殻３の機械的強度を損なうことなく開口面積を大きくすることができる。開口面積を大きくすることで、ガスが流入される速度を向上させることができる。従来のセンサヘッド７１のようにガス流入口７６が円形であると、ガス流入口７６の開口面積を大きくするには、開口径を全方向に一様に大きくするしかなく、その結果、内殻７３の機械的強度が低下する。その点、本発明のガス検知用センサヘッド１のガス流入口６は、短軸は伸ばさず、長軸を伸ばすことで開口面積を大きくすることができ、この場合、内殻３の機械的強度が低下しない。
【００５９】
ガス流入口６を長くする方向は、光軸に平行な方向とは限らず、内殻３の周方向でも斜め方向でも任意であり、機械的強度を低下させないようにすればよい。
【００６０】
本発明のガス検知用センサヘッド１は、ガス流入口６の開口面積が大きくなったことで対象雰囲気から光伝播用空間２にガスが流入される時間を短縮することができる。よって、ガス検知用センサヘッド１をガス濃度検出システム２１に用いることにより、対象雰囲気のガス濃度の変化を迅速に検知することができる。
【００６１】
次に、図６に示したガス検知用センサヘッド６１は、ガス流入口６を互い違いに配置したものである。すなわち、図１のガス検知用センサヘッド１では複数のガス流入口６の長軸同士が同一直線上になるよう一列に整列配置したが、図６のガス検知用センサヘッド６１では、内殻３の軸方向に隣接し合うガス流入口６の長軸同士が同一直線上にならないよう、内殻３の周方向に異なる位置にガス流入口６を配置してある。互いに距離の離れたガス流入口６はこの限りでなく、長軸同士が同一直線上になってもよい。
【００６２】
また、本実施形態では、内殻３の周方向にも複数のガス流入口６が配置されている。これにより、ガス流入口６の個数がガス検知用センサヘッド１より多い。
【００６３】
ガス検知用センサヘッド６１は、ガス流入口６を互い違いに配置したので、内殻３の機械的強度をより確保することができると共に、耐振動性も向上させることができる。
【００６４】
また、ガス検知用センサヘッド６１は、ガス流入口６を互い違いに配置したので、内殻３の機械的強度を損なうことなく、ガス流入口６の個数を増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施形態を示すガス検知用センサヘッドの側面、破断側面及び中心軸に沿った断面図である。
【図２】ガス検知用センサヘッドの外観図である。
【図３】ガス濃度検出装置の概略構成図である。
【図４】表面積Ａと内容積Ｖの定義及び具体例寸法を示す図であり、（ａ）は防塵防水用フィルタとエンドキャップ、（ｂ）は従来の内殻、（ｃ）は本発明の内殻、（ｄ）は本発明のエンドキャップを示す。
【図５】ガス検知用センサヘッドにおける比Ｖ／Ａに対する検知の遅れ特性図である。
【図６】本発明の一実施形態を示すガス検知用センサヘッドの中心軸に沿った断面図である。
【図７】従来のガス検知用センサヘッドの側面、破断側面及び中心軸に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  ガス検知用センサヘッド
２  光伝播用空間
３  内殻
４  光入射部
５  光出射部
６  ガス流入口
７  光ファイバ
８  レンズ
９  防塵防水用フィルタ
２７  エンドキャップ
【図１】
2008298636.tif 000003
【図２】
2008298636.tif 000004
【図３】
2008298636.tif 000005
【図４】
2008298636.tif 000006
【図５】
2008298636.tif 000007
【図６】
2008298636.tif 000008
【図７】
2008298636.tif 000009