(57)【要約】【課題】装置が安価で簡易に計測ができる光式多ガス濃度検出方法及び装置を提供する。【解決手段】レーザ光の変調と掃引をする複数の光源部２の変調周波数及び掃引範囲を異ならせ、各光源部５の出力を合波し、合波されたレーザ光を光ファイバ１７でガス検出部１８に導き、その透過光を光ファイバ２６で受光器７に導き、その受光信号を、順次、上記光源部５ごとの変調周波数で位相敏感検波して上記光源部５ごとのガス信号波形を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の波長及び強度を正弦波で変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引する複数の光源部を、各々変調周波数及び掃引範囲を異ならせ、これらの光源部の出力を合波し、その合波されたレーザ光を光ファイバでガス検出部に導いてガス検出部内の被測定雰囲気中に透過させ、そのガス検出部の透過光を光ファイバで受光器に導いて受光し、その受光信号を、順次、上記光源部ごとの変調周波数で位相敏感検波して上記光源部ごとのガス信号波形を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求めることを特徴とする光式多ガス濃度検出方法。
【請求項２】
レーザ光の波長及び強度を正弦波で変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引する複数の光源部であって、各々変調周波数及び掃引範囲を異ならせた光源部と、これらの光源部の出力を合波する合波器と、その合波されたレーザ光をガス検出部に導く光源側光ファイバと、複数種類の対象ガスを充填したガス検出部と、ガス検出部内の被測定雰囲気中を透過した光を受光器まで導く受光器側光ファイバと、上記受光器で受光した受光信号を、順次、上記光源部ごとの変調周波数で位相敏感検波して上記光源部ごとのガス信号波形を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求める信号処理部とを備えたことを特徴とする光式多ガス濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装置が安価で簡易に計測ができる光式多ガス濃度検出方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスを検知するためのセンサとして、半導体式など電気式センサがあるが、センサ近傍に電源設備が必要であり、定期的に校正が必要であり、計測するガス種ごとにセンサが必要であるため、保守性や経済性に問題がある。
【０００３】
これに対し、光を用いるガスセンサがある。ガス分子は、特定波長（吸収帯という）のレーザ光を吸収する性質を持っており、この性質を利用してガスの有無を検出できる。このガス検出方法は、工業計測、公害監視などの分野で用いられる。このレーザ光を光ファイバで伝送することにより、ガスの遠隔検出ができる。
【０００４】
光式ガス濃度検出方法及び装置が特許文献１に記載されている。この技術では、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数の正弦波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。このレーザ光を光ファイバに入射させてガス検出部に導き、ガス検出部内の未知濃度のガスを透過させて、その透過光を光ファイバで受光器に導き、その受光信号を位相敏感検波して１倍検波信号と２倍検波信号を求め、この１倍検波信号と２倍検波信号の比からなるガス信号を求め、このガス信号から対象ガスの濃度を求めている。
【０００５】
また、図７に示すように、上記の光式ガス濃度検出方法及び装置を用いて種類の異なる複数のガスに光吸収を起こさせるために、波長の異なる光を出す複数個の光源を用いる方式もある。この方式では、光源部１０１ａ〜１０１ｄからの波長の異なる光を１つの光ファイバ１０２に結合させて導き、その光をレンズ１０３で平行光にして空間伝搬させ、ガスセル１０４に透過させる。ガスセル１０４を透過した光はグレーティング１０５により波長に対応した角度で反射して各受光器１０６ａ〜１０６ｄに到達する。各受光信号を特許文献１の方法で演算することにより、同一ガスセル中に充填された種類が異なる複数のガス（以下、多ガスという）の濃度が同時に計測できる。
【０００６】
【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】
【０００７】
図４の光式多ガス濃度検出方法及び装置では、多ガスを検出するために、高価なグレーティング１０５が必要であり、また、ガスセル１０４を透過した光を受光器１０６ａ〜１０６ｄまで空間伝搬させているため、レンズ１０３、グレーティング１０５、各受光器１０６ａ〜１０６ｄの位置調整が困難で時間がかかる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、装置が安価で簡易に計測ができる光式多ガス濃度検出方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明の方法は、レーザ光の波長及び強度を正弦波で変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引する複数の光源部を、各々変調周波数及び掃引範囲を異ならせ、これらの光源部の出力を合波し、その合波されたレーザ光を光ファイバでガス検出部に導いてガス検出部内の被測定雰囲気中に透過させ、そのガス検出部の透過光を光ファイバで受光器に導いて受光し、その受光信号を、順次、上記光源部ごとの変調周波数で位相敏感検波して上記光源部ごとのガス信号波形を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求めるものである。
【００１０】
また、本発明の装置は、レーザ光の波長及び強度を正弦波で変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引する複数の光源部であって、各々変調周波数及び掃引範囲を異ならせた光源部と、これらの光源部の出力を合波する合波器と、その合波されたレーザ光をガス検出部に導く光源側光ファイバと、複数種類の対象ガスを充填したガス検出部と、ガス検出部内の被測定雰囲気中を透過した光を受光器まで導く受光器側光ファイバと、上記受光器で受光した受光信号を、順次、上記光源部ごとの変調周波数で位相敏感検波して上記光源部ごとのガス信号波形を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求める信号処理部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１２】
（１）装置が安価である。
【００１３】
（２）簡易に計測ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１に示されるように、本発明に係る光式多ガス濃度検出装置１は、光源系２、センサ系３、信号処理部４から構成される。
【００１６】
光源系２には、複数の光源部５、本実施形態では３つの光源部５ａ，５ｂ，５ｃが設けられる。各光源部５に共通の構成として、拡大して示すように、光源部５は、瞬時的には単一波長であるレーザ光を発振させるレーザ（例えば、ＤＦＢ−ＬＤ）６と、そのレーザ６を搭載しており、そのレーザ６に制御された温度を与えるためのペルチェ素子７と、そのペルチェ素子７を駆動して温度を制御するペルチェ素子用電源８と、変調周波数ｆの正弦波信号を出力する発振器９と、レーザ６に印加するバイアス電流を生成するバイアス電流源１０と、そのバイアス電流をクロックＴの立ち上がりで開始される三角波または鋸歯状波により掃引する掃引器１１と、バイアス電流源１０からのバイアス電流をレーザ６に印加すると共に正弦波信号を遮断するインダクタンス１２と、発振器９からの正弦波信号をレーザ６に印加すると共にバイアス電流を遮断するコンデンサ１３とを備える。
【００１７】
本発明では、光源部５ａ，５ｂ，５ｃは、各々変調周波数及び掃引範囲の中心波長を異ならせる。したがって、発振器９から光源部５の外部へ出力する正弦波信号Ａｘは、正弦波信号Ａａ，Ａｂ，Ａｃのように区別して示す。
【００１８】
光源系２には、これらの光源部５ａ，５ｂ，５ｃの出力を入力に接続した合波器１４が設けられ、その合波器１４の出力はセンサ系３の分岐器１５に接続されている。
【００１９】
センサ系３は、合波器１４からの光源光を２分岐する分岐器１５と、その分岐の一方に接続されガスを透過させずにレーザ光を導く基準光路用光ファイバ１６と、分岐の他方に接続され検出場所まで布設された光源側光ファイバ１７と、その光源側光ファイバ１７からのレーザ光を測定対象である未知濃度の３種類のガスが充填された容器に透過させるガス検出部１８と、ガス検出部１８内の被測定雰囲気中を透過したレーザ光を受光器２０まで導く受光器側光ファイバ２６とを備える。対象ガスＧａ，Ｇｂ，Ｇｃは、例えば、メタン（吸収中心波長１．６５４μｍ）、硫化水素（１．５７０μｍ）、一酸化炭素（１．５６７μｍ）である。
【００２０】
信号処理部４は、基準光路用光ファイバ１６からのレーザ光ｚ１を受光する受光器１９と、受光器側光ファイバ２６からのレーザ光ｚ２を受光する受光器２０と、それぞれの受光器１９，２０に接続された位相検波回路を有する位相検波装置２１と、光源部５ａ，５ｂ，５ｃからの正弦波信号Ａａ，Ａｂ，Ａｃのいずれかを選択して内部正弦波信号Ａとして位相検波装置２１に供給する切替器２２と、内部正弦波信号Ａを倍周した２倍信号Ｂを位相検波装置２１に供給する倍周器２３と、位相検波装置２１の出力信号を一時的に記憶する信号記憶部２４と、各光源部５ａ，５ｂ，５ｃと切替器２２にクロックＴを出力すると共に信号記憶部２４の記憶信号から切替器２２の切り替えでガス種が決まる対象ガスのガス濃度を演算する演算処理部２５とを備える。
【００２１】
位相検波装置２１中の各位相検波回路は、正弦波信号Ａと２倍信号Ｂを利用して周波数ｆ，２ｆについて位相敏感検波することにより、１倍検波信号Ｋ（１ｆ）と２倍検波信号Ｋ（２ｆ）を得るものである。演算処理部２５は、１倍検波信号Ｋ（１ｆ）と２倍検波信号Ｋ（２ｆ）の比からなるガス信号波形を求め、このガス信号波形から波高値を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求めることになる。
【００２２】
以下、光式多ガス濃度検出装置１の動作を説明する。
【００２３】
各光源部５ａ，５ｂ，５ｃでは、ペルチェ素子用電源８によってペルチェ素子７の温度を制御することにより、レーザ６の温度を一定に固定する。また、クロックＴの立ち上がり（図３参照）から立ち下がりまでの時間に掃引器１１が、例えば、三角波を出力する。バイアス電流源１０は、三角波の電圧に比例してバイアス電流を発生させる。これにより、バイアス電流は小さい値から大きい値へ一方向に掃引される。このとき、同時に、発信器９が出力する交流電流、すなわち正弦波状の変調電流をバイアス電流に重畳させてレーザ６に印加する。
【００２４】
図３に示されるように、各光源部５ａ，５ｂ，５ｃにおけるレーザ６への印加電流は、三角波＋正弦波である。本発明では、変調周波数及び掃引範囲の中心波長を異ならせるので、各三角波に重畳している正弦波の周波数が異なる。各正弦波の振幅は同じとしてある。また、掃引範囲の幅と掃引速度は、各光源部５ａ，５ｂ，５ｃとも同じとするので、各三角波の時間幅と高さは等しい。ただし、光源部５ａ，５ｂ，５ｃにおける掃引範囲の中心波長は、それぞれの対象ガスの吸収スペクトルの中心波長とする。
【００２５】
各光源部５ａ，５ｂ，５ｃからのレーザ光を合波器１４で合波し、分岐器１５で基準光路用光ファイバ１６と光源側光ファイバ１７とに分岐させる。光源側光ファイバ１７のレーザ光は、ガス検出部１８内を透過し受光器側光ファイバ２６に導かれてレーザ光ｚ２として受光器２０に受光される。基準光路用光ファイバ１６のレーザ光は、そのままレーザ光ｚ１として受光器１９に受光され、それぞれの受光信号が位相検波装置２１の位相検波回路に入力される。
【００２６】
図２に示されるように、対象ガスＧａ，Ｇｂ，Ｇｃの吸収スペクトルは中心波長がそれぞれ異なる。各光源部５ａ，５ｂ，５ｃのレーザ光は、正弦波１ｆａ，１ｆｂ，１ｆｃによる変調を受けながら対象ガスＧａ，Ｇｂ，Ｇｃの吸収スペクトルの中心波長を含む掃引範囲で掃引される。ガス検出部１８内を透過するレーザ光は、対象ガスＧａ，Ｇｂ，Ｇｃの吸収スペクトルに沿って吸収されるので、吸収スペクトルの曲線に基づいて変形を受けた信号２ｆａ，２ｆｂ，２ｆｃで強度変化するレーザ光ｚ２となる。
【００２７】
一方、各光源部５ａ，５ｂ，５ｃからの正弦波信号Ａａ，Ａｂ，Ａｃのいずれかが切替器２２により選択されて内部正弦波信号Ａとして位相検波装置２１に供給されると共に、倍周器２３により２倍信号Ｂが生成されて位相検波装置２１に供給される。位相検波装置２１により、１倍検波信号Ｋ（１ｆ）と２倍検波信号Ｋ（２ｆ）が検波され、一時的に信号記憶部２４に記憶される。演算処理部２５は、信号記憶部２４から読み出した信号を演算する。
【００２８】
演算処理部２５は、レーザ光ｚ１の受光信号について、１倍検波信号ｚ１Ｋ（１ｆ）に対する２倍検波信号ｚ１Ｋ（２ｆ）の比ｚ１Ｋ（２ｆ）／ｚ１Ｋ（１ｆ）を計算して図４に示される基準信号４１（対象ガスＧａの場合）を得ると共に、レーザ光ｚ２の受光信号について、１倍検波信号ｚ２Ｋ（１ｆ）に対する２倍検波信号ｚ２Ｋ（２ｆ）の比ｚ２Ｋ（２ｆ）／ｚ２Ｋ（１ｆ）を計算して対象ガスのガス信号４２を得る。次いで、基準信号ｚ１Ｋ（２ｆ）／ｚ１Ｋ（１ｆ）に対する対象ガスのガス信号ｚ２Ｋ（２ｆ）／ｚ２Ｋ（１ｆ）の差分を計算して図５に示した波高値判定用信号５１を得る。同様に、対象ガスＧｂの基準信号４３とガス信号４４を計算し、波高値判定用信号５２を得る。また、対象ガスＧｃの基準信号４５とガス信号４６を計算し、波高値判定用信号５３を得る。
【００２９】
図５の各波高値判定用信号５１，５２，５３は、対象ガスのガス信号４２，４４，４６から基準信号４１，４３，４５を差し引くことで、光源部５、合波器１４、分岐器１５、信号処理部４が持つ波長依存性を除去したものであり、この波高値判定用信号が正確な意味での対象ガスＧａ，Ｇｂ，Ｇｃのガス信号である。
【００３０】
演算処理部２５は、この波高値判定用信号の最小値から最大値までの高さである波高値を求める。
【００３１】
その後、演算処理部２５は、この波高値を、あらかじめ既知濃度の基準ガスを用いて求めていた波高値とガス濃度との関係式又は関係表に適用してガス濃度を求める。
【００３２】
以上説明したように、本発明では、変調周波数及び掃引範囲が異なる複数のレーザ光を合波し、その合波されたレーザ光を光ファイバでガス検出部に導き、その透過光を光ファイバで受光器に導き、その受光信号を、順次、異なる周波数で位相敏感検波してガス信号波形を求めるようにした。すなわち、複数の光源部の出力を合波させてガス検出部１８に透過させて受光するので、光路は共有でありながら、検波する周波数を切り替えて位相敏感検波を行うことにより、中心波長の異なる掃引範囲におけるガス信号を得ることができる。
【００３３】
本発明では、光源系２、センサ系３の全てにおいて光ファイバでレーザ光を導くので、従来のような高価な光学素子が必要なく、また、複雑な調整が必要なく、しかも安定して複数種類のガス濃度を検出することができる。
【００３４】
なお、前記実施形態では、光源部５を３個用いたが、光源部５を２個あるいは４個以上とし、各々変調周波数及び掃引範囲を異ならせることで２種類あるいは４種類以上のガスを検出することができる。
【００３５】
また、信号処理部４において、正弦波信号Ａと２倍信号Ｂを利用して周波数ｆ，２ｆについて位相敏感検波することにより、１倍検波信号と２倍検波信号を検出して、その１倍検波信号と２倍検波信号の比をガス信号としたが、これに限らず、ガス濃度を表す信号を位相敏感検波によって求めることができる。
【００３６】
次に、多点計測に適した実施形態を説明する。
【００３７】
図６に示されるように、本発明に係る光式多ガス濃度検出装置６１は、光源系２、センサ系６２、信号処理部６３から構成される。光源系２は、図１の光式多ガス濃度検出装置１で用いたものと全く同じである。
【００３８】
センサ系６２は、合波器１４からの光源光をｎ分岐する分岐器６４と、その分岐のひとつに接続されガスを透過させずにレーザ光を導く基準光路用光ファイバ１６と、残りの分岐に接続され多箇所の検出場所までそれぞれ布設されたｎ−１本の光源側光ファイバ１７と、その光源側光ファイバ１７からのレーザ光を測定対象である未知濃度の種々のガスが充填された容器に透過させるｎ−１個のガス検出部１８と、各ガス検出部１８内の被測定雰囲気中を透過したレーザ光を受光器２０まで導くｎ−１本の受光器側光ファイバ２６とを備える。
【００３９】
信号処理部６３は、基準光路用光ファイバ１６からのレーザ光ｚ１を受光する受光器１９と、受光器側光ファイバ２６からのレーザ光ｚ２〜ｚｎを受光するｎ−１個の受光器２０と、それぞれの受光器１９，２０に接続されたｎ個の位相検波回路を有する位相検波装置２１と、光源部５ａ，５ｂ，５ｃからの正弦波信号Ａａ，Ａｂ，Ａｃのいずれかを選択して内部正弦波信号Ａとして位相検波装置２１に供給する切替器２２と、内部正弦波信号Ａを倍周した２倍信号Ｂを位相検波装置２１に供給する倍周器２３と、位相検波装置２１の出力信号を一時的に記憶する信号記憶部２４と、各光源部５ａ，５ｂ，５ｃと切替器２２にクロックＴを出力すると共に信号記憶部２４の記憶信号から切替器２２の切り替えでガス種が決まる対象ガスのガス濃度を演算する演算処理部２５とを備える。
【００４０】
図６の光式多ガス濃度検出装置６１は、多点において複数種類の対象ガスの濃度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態を示す光式多ガス濃度検出装置の構成図である。
【図２】本発明において変調されたレーザ光が吸収スペクトルにより変形されることを示した概念図である。
【図３】本発明における光源部の動作概念図である。
【図４】本発明により得られるガス信号の波形図である。
【図５】本発明により得られる波高値判定用信号の波形図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示す光式多ガス濃度検出装置の構成図である。
【図７】従来の光式多ガス濃度検出装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  光式多ガス濃度検出装置
４  信号処理部
５，５ａ，５ｂ，５ｃ  光源部
１４  合波器
１７  光源側光ファイバ
１８  ガス検出部
２２  切替器
２６  受光器側光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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