(57)【要約】【課題】  光スイッチ寿命を縮めることなく多点のガス検知部に光を導くことができる多点式ガス濃度検知方法及びその装置を提供する。【解決手段】  光源光を測定対象とするガス雰囲気が存在する複数のガス検知部８に順次通して透過光を受光し、受光信号からそれぞれのガス濃度を検知する光式ガス濃度検知方法において、前記光源光を初段の光スイッチ５により複数の分岐光路４のいずれかに順次導き、各分岐光路４から出る光をそれぞれ次段以降の光スイッチ７により複数の個別分岐光路６のいずれかに順次導き、各個別分岐光路６から個々のガス検知部８に光を導くようにしたので、光スイッチ５，７の切り替え回数がガス検知部８の個数に比して少なくなる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源光を測定対象とするガス雰囲気が存在する複数のガス検知部に順次通して透過光を受光し、受光信号からそれぞれのガス濃度を検知する光式ガス濃度検知方法において、前記光源光を初段の光スイッチにより複数の分岐光路のいずれかに順次導き、各分岐光路から出る光をそれぞれ次段以降の光スイッチにより複数の個別分岐光路のいずれかに順次導き、各個別分岐光路から個々のガス検知部に光を導くようにしたことを特徴とする多点式ガス濃度検知方法。
【請求項２】
測定対象とするガス雰囲気が容器に充填された複数のガス検知部と、このガス検知部に透過させる光源光を発生する光源部と、前記ガス検知部を通した透過光を受光して受光信号からガス濃度を検知する信号処理部とを有する光式ガス濃度検知装置において、前記光源光を複数の分岐光路のいずれかに順次導く初段の光スイッチと、各分岐光路から出る光を複数の個別分岐光路のいずれかに順次導く次段以降の光スイッチとを設け、各個別分岐光路に個々のガス検知部を接続したことを特徴とする多点式ガス濃度検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスによる光吸収を利用したガス濃度検知に係り、光スイッチ寿命を縮めることなく多点のガス検知部に光を導くことができる多点式ガス濃度検知方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスを検知するセンサとして、半導体式などの電気的なセンサが使用されているがセンサ近傍に電源設備が必要であることや定期的に校正が必要なことなどから、長距離監視や多点での検知を行う場合、保守性や経済性の面で問題がある。
【０００３】
これに対し、光を応用したセンサがある。ある特定波長の光、例えば、レーザ光をガス分子が吸収する現象があるので、この現象を利用してガスの有無や濃度を検知できる。この種のセンサが工業計測、公害監視などに広く利用されている。このときレーザ光を光ファイバで伝送することにより、遠隔監視も可能となる。そこで、本出願人は、特許文献１のように、光ファイバを伝送路とした遠隔ガス監視装置を開発した。この装置では、半導体レーザの駆動電流を所定の電流値を中心として高周波で変調し、波長及び強度の変調されたレーザ光を発振させる。さらに、電流及び温度を制御して発振の中心波長がガスの吸収線の中心になるよう半導体レーザの後方に出射するレーザ光をモニタに用い、前方に出射するレーザ光を安定させる。そうして安定して前方に出射するレーザ光を光ファイバを介して未知濃度のガスが充填されたガスセルに導入しガス雰囲気中を透過させ、その透過光を対向する別の光ファイバに導入させ、この光ファイバで透過光を受光部まで導き、受光した信号の２倍波検波信号又は基本波信号より、ガス濃度を高いＳＮ比で検知する。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２５６７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記の光学式のセンサにおいて、複数箇所、即ち多点でガスを検知する場合、ガスセルからなるガス検知部をひとつひとつ測定していくため、光スイッチを用いて光源光を順次異なるガス検知部に導くことになる。ところが、光スイッチには、動作が保証される耐久切り替え回数があり、この耐久切り替え回数で寿命が決まるため、これによって装置全体の寿命が規定されてしまうという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光スイッチ寿命を縮めることなく多点のガス検知部に光を導くことができる多点式ガス濃度検知方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明の方法は、光源光を測定対象とするガス雰囲気が存在する複数のガス検知部に順次通して透過光を受光し、受光信号からそれぞれのガス濃度を検知する光式ガス濃度検知方法において、前記光源光を初段の光スイッチにより複数の分岐光路のいずれかに順次導き、各分岐光路から出る光をそれぞれ次段以降の光スイッチにより複数の個別分岐光路のいずれかに順次導き、各個別分岐光路から個々のガス検知部に光を導くようにしたものである。
【０００８】
また、本発明の装置は、測定対象とするガス雰囲気が容器に充填された複数のガス検知部と、このガス検知部に透過させる光を発生する光源部と、前記ガス検知部を通した透過光を受光して受光信号からガス濃度を検知する信号処理部とを有する光式ガス濃度検知装置において、前記光源光を複数の分岐光路のいずれかに順次導く初段の光スイッチと、各分岐光路から出る光を複数の個別分岐光路のいずれかに順次導く次段以降の光スイッチとを設け、各個別分岐光路に個々のガス検知部を接続したものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１０】
（１）光スイッチの切り替え回数がガス検知部の個数に比して少なくなるので、寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
図１に示されるように、本発明に係るガス濃度検知装置は、大きくは、光源部１、光学系２、信号処理部３から構成されている。
【００１３】
光源部１は、単一波長のレーザ光を発振させる分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）１１と、そのＤＦＢ−ＬＤ１１を搭載して温度を制御するペルチェ素子１２と、そのペルチェ素子１２に電源を供給する電源供給部１３と、周波数ｆの正弦波信号Ｘを出力する発振器１４と、この周波数ｆの信号により周波数２ｆの２倍波信号ＸＸを作成する倍周器１５と、ＤＢＦ−ＬＤ１１にバイアス電流を付加するバイアス電流源１６と、そのバイアス電流源１６の掃引の仕方を決定する三角波掃引器１７と、発振器１４からの正弦波信号をＤＦＢ−ＬＤ１１に供給するためのコンデンサＣと、バイアス電流源１６からのバイアス電流をＤＦＢ−ＬＤ１１に供給するためのインダクタＬとからなる。
【００１４】
光学系２は、光源部１からの光源光を複数の分岐光路４ａ，４ｂ，４ｃのいずれかに順次導く初段の光スイッチ５と、各分岐光路４ａ，４ｂ，４ｃから出る光を複数の個別分岐光路６（６ａ１，６ａ２，６ａ３，６ａ４，６ｂ１，６ｂ２，６ｂ３，６ｂ４，６ｃ１，６ｃ２，６ｃ３，６ｃ４）のいずれかに順次導く第２段の光スイッチ７（７ａ，７ｂ，７ｃ）とを設け、各個別分岐光路に個々のガス検知部８（８−１〜８−９）を接続したものである。各光スイッチ５，７は２系統の光路を連動して切り替えることができるものである。第２段光スイッチ７では各ガス検知部の入射用光路である個別分岐光路６とこれに対応する出射用光路（符号なし）とが連動して分岐光路４ａ，４ｂ，４ｃと戻り分岐光路（符号なし）に対して選択的に切り替わり、初段光スイッチ５では第２段光スイッチ７ａ，７ｂ，７ｃへの分岐光路４ａ，４ｂ，４ｃとこれに対応する戻り分岐光路とが連動して光源部１からの光源光路と信号処理部３への受光光路に対して選択的に切り替わるようになっている。また、第２段光スイッチ７ａ，７ｂ，７ｃでは、個別分岐光路６ａ１，６ｂ１，６ｃ１がガス検知部を経由しないで戻りの系統に戻され基準光路として使用される。
【００１５】
この形態では、光スイッチが２段構成となっている。初段光スイッチ５は１系統が１光路対３光路（これを１×３構成という）となっており、２系統分で２×６構成となっている。各第２段光スイッチ７は１系統が１×４構成、２系統分で２×８構成となっている。
【００１６】
ガス検知部８は、図２に示されるように、測定対象である未知濃度の種々のガス（メタン等）が充填される容器（ガスセル）２１を有し、任意の場所に容易に設置できるようになっている。この容器２１の両端には互いに対向する光コネクタ２２，２３が設けられ、光コネクタ２２には個別分岐光路６からなる入射用光路２４が容器内に光を導入可能に接続されると共に、光コネクタ２３には出射用光路２３が容器内から光を導出可能に接続されている。
【００１７】
図１に戻り、信号処理部３は、受光器３１と、光源部１の発振器１４からの正弦波信号Ｘの周波数ｆに同期して受光器３１の出力の位相敏感検波を行う位相検波器３２と、倍周器１５からの正弦波信号ＸＸの周波数２ｆに同期して受光器３１の出力の位相敏感検波を行う位相検波器３３と、各光スイッチ５，７ａ，７ｂ，７ｃにおける光路切替を制御してガス検知部８を個別に特定すると共に両位相検波器３２、３３の出力比を記録、演算してガス濃度を求めるコンピュータ３４とからなる。
【００１８】
以下、本発明に係るガス濃度検知方法を説明する。
【００１９】
電源供給部１３より電源を制御することにより、ペルチェ素子１２の温度を制御してＤＦＢ−ＬＤ１１の温度を一定にし、バイアス電流源１６と三角波掃引器１７とにより、バイアス電流を三角波状にして電流の増減の方向が一方向となるように掃引する。このとき、同時に、発振器１４より正弦波状の交流電流（変調電流）を重畳させる。従って、光源部１からは、波長及び強度の変調されたレーザ光が出射される。
【００２０】
このときコンピュータ３４は、基準光路を含む各個別分岐光路６に順次光源光が導かれるよう各光スイッチ５，７を制御する。例えば、最初に初段光スイッチ５が分岐光路４ａに繋がるＡ１チャンネルを選択し、第２段光スイッチ７ａが個別分岐光路６ａ１に繋がるＢ０１チャンネルを選択しているとすると、その次には第２段光スイッチ７ａが個別分岐光路６ａ２に繋がるＢ０２チャンネルを選択するよう切り替える。その後、第２段光スイッチ７ａがＢ０３，Ｂ０４チャンネルを選択するよう順次切り替え、その次は、初段光スイッチ５が分岐光路４ｂに繋がるＡ２チャンネルを選択し、第２段光スイッチ７ｂが個別分岐光路６ｂ１に繋がるＢ０２チャンネルを選択するよう切り替える。第２段光スイッチ７ｂの全てのチャンネルへの切り替えが終わると、初段光スイッチ５がＡ３チャンネルを選択するよう切り替える。このようにして、各光スイッチ５，７を順次切り替えていくと、基準光路を含む各個別分岐光路６に順次光源部１からの光源光が導かれる。各光スイッチ５，７において連動する系統についても同様の切り替えが起きるので、基準光路を含む各個別分岐光路６からの光は常に信号処理部３に戻ることになる。つまり、信号処理部３には基準光路或いはガス検知部８を透過した光が戻ることになる。
【００２１】
コンピュータ３４は、上記の順次切り替え動作を繰り返し行う。これにより、各ガス検知部８のガス雰囲気を透過した透過光が受光器３１に順次受光される。この受光信号に基づいた各ガス検知部のガス濃度がコンピュータ３４により計算される。
【００２２】
ガス濃度の計算は次のように行われる。
【００２３】
受光器３１の受光信号のうち、発振器１４からの正弦波信号Ｘの周波数ｆに同期した信号を位相検波器３２で検波し、倍周器１５からの正弦波信号ＸＸの周波数２ｆに同期した信号を位相検波器３３で検波する。両位相検波器３２、３３で抽出された信号の出力比Ｆ（ｆ，２ｆ）をコンピュータ３４に伝送する。コンピュータ３４では、各々の基準光路である個別分岐光路６ａ１，６ｂ１，６ｃ１に光源光を通過させて得られた出力比Ｆ0（ｆ，２ｆ；基準信号という）を基準値として記憶しておき、この基準値と順次ガス検知部８に光源光を通過させて得られた出力比（ＦG（ｆ，２ｆ）；ガス信号という）との差分値ΔＦ（Ｆ0，ＦG）を計算する。
【００２４】
図３は、横軸に波長、縦軸にガス信号ＦG（ｆ，２ｆ）及び基準信号Ｆ0（ｆ，２ｆ）の大きさをとったものである。図示されるように、基準値１０１もガス信号１０２も波長に依存している。図４は、横軸に波長、縦軸に差分値ΔＦ（Ｆ0，ＦG）をとったものである。図示されるように、両者の差分値は、ある波長にピークを有する。このピークは図３において中腹部１０３に位置するものを拡大したものである。このピークの波高値から、予め求めておいた波高値と基準ガス濃度との関係より、ガス濃度が求められる。基準光路を通過した光による受光信号の出力比を差分処理に用いることで、光源部１、光スイッチ５，７、信号処理部３の波長依存性を除去することができ、正確なガス濃度を得ることができる。
【００２５】
ここで、背景技術と本発明との比較を行う。
【００２６】
１つの光源部１から複数のガス検知部８に順次光を導くために１段だけ光スイッチを設けたとする。９個のガス検知部８がある場合、基準光路も考慮すると、この光スイッチには１０チャンネルが必要である。即ち、光スイッチは１×１０構成（２系統で２×１０構成）となる。このとき１０秒毎にガス検知部８又は基準光路を切り替えるものとすると、光スイッチのチャンネルは１０秒に１回切り替えることになる。一方、光スイッチの耐久切り替え回数が１０００万回だとする。この場合、寿命は、１０００万×１０秒÷（３６００秒×２４時間×３６５日）＝約３．１７年となる。
【００２７】
これに対し、上記実施の形態では、１０秒毎にガス検知部８又は基準光路を切り替えるものとすると、初段光スイッチ５のチャンネルは４０秒に１回切り替えることになる。また、第２段光スイッチ７のチャンネルは１２０秒に４回、平均すると３０秒に１回切り替えることになる。初段光スイッチ５の寿命は、１０００万×４０秒÷（３６００秒×２４時間×３６５日）＝約１２．７年となる。第２段光スイッチ７の寿命も同様に長くなるので、装置全体の寿命も長くなる。
【００２８】
以上説明したように、本発明では、光源光を初段の光スイッチ５により複数の分岐光路４のいずれかに順次導き、各分岐光路４から出る光をそれぞれ次段以降の光スイッチ７により複数の個別分岐光路６のいずれかに順次導き、各個別分岐光路６から個々のガス検知部８に光を導くようにしたので、光スイッチ５，７の切り替え回数がガス検知部８の個数に比して少なくなるので、寿命を長くすることができる。
【００２９】
なお、上記実施の形態では、光スイッチを２段構成としたが、３段以上構成とすることで、さらに多くのガス検知部８を接続することができ、かつ寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態を示すガス濃度検知装置の構成図である。
【図２】本発明に用いるガス検知部の構成図である。
【図３】レーザ光の波長に対する受光信号の大きさの特性図である。
【図４】レーザ光の波長に対する差分値の大きさの特性図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  光源部
２  光学系
３  信号処理部
４  分岐光路
５  初段光スイッチ
６  個別分岐光路
７  第２段光スイッチ
８  ガス検知部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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