(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスを識別するガス検知システムを提供する。【解決手段】ガス検知システムは、チャンバハウジング１６によって密閉された中空チャンバ１４を有する検知モジュール１０を含む。また、検知モジュールは、中空チャンバ１４内に位置する検知光ファイバ１８を含む。検知光ファイバ１８に沿った格子位置に配置されたファイバブラッグ回折格子と、格子位置で検知光ファイバ１８の外表面に固着された検知層とを含む。検知層とガス１２とは、ガス１２が中空チャンバ１４内に向けられると、部分的にはガス１２の熱伝導率に基づいて熱エネルギを交換する。熱エネルギ交換は、検知に必要な閾値シフトを超えるファイバブラッグ回折格子のブラッグ共振波長シフトを誘発し、このシフトはガス１２を識別するために利用される。【選択図】図２
2012098279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス（１２）を識別するガス検知システム（１００）であって、
チャンバハウジング（１６）によって密閉された中空チャンバ（１４）と、
該中空チャンバ（１４）内に位置する検知光ファイバ（１８）とを含む少なくとも１つの検知モジュール（１０）と
を備え、
前記検知光ファイバ（１１８）は、
該ファイバ（１８）に沿った格子位置（２６）に配置されたファイバブラッグ回折格子（２０）と、
該格子位置（２６）で前記光ファイバ（１８）の外表面（３８）に固着された検知層（２６）とを含むガスセンサと、
を備え、
前記ガスセンサの前記検知層（３２）と前記ガス（１２）とは、前記ガス（１２）が前記中空チャンバ（１４）内に向けられると、少なくとも部分的には前記ガス（１２）の熱伝導率に基づいて熱エネルギを交換するように構成され、前記熱エネルギ交換は、検知に必要な閾値シフトを超える、前記ガスセンサのファイバブラッグ回折格子のブラッグ共振波長シフトを誘発するように構成され、前記ガス（１２）を識別するために前記ブラッグ共振波長シフトが利用される、
ガス検知システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの検知モジュール（１０）が、前記チャンバハウジング（１６）の外表面に固着され、前記検知層（３２）と前記光ファイバ（１８）とを前記ガス（１２）が存在しない場合の第１の温度に保つように構成された熱安定剤（４６）を更に含む、請求項１に記載のガス検知システム（１００）。
【請求項３】
前記ガス（１２）を、前記第１の温度とは異なる初期の第２の温度で前記中空チャンバ（１４）内に向けるように構成されたガス噴射機構を更に備えると共に、前記熱エネルギ交換は、前記第２の温度と前記第１の温度との間の温度差、及び前記検知層（３２）の材料の熱伝達率に基づくものである、請求項２に記載のガス検知システム（１００）。
【請求項４】
前記熱エネルギ交換が、前記検知層（３２）から前記ガス（１２）への熱エネルギの散逸であり、該熱エネルギの散逸は、前記検知層（３２）及び前記ファイバブラッグ回折格子（２０）内の歪みを誘発するように構成され、該歪みは、前記検知層（３２）の材料の熱膨張特性、及び前記検知層（３２）の前記材料の厚さ（５０）に基づくものである、請求項１に記載のガス検知システム（１００）。
【請求項５】
前記材料の前記熱膨張特性、及び前記材料の前記厚さ（５０）が、ガスの検知に必要な閾値シフトを超える前記ブラッグ共振波長シフトを誘発するのに十分な、前記検知層（３２）内及び前記ファイバブラッグ回折格子（２０）内の歪みを誘発するように、前記検知層（３２）の前記検知材料が選択される、請求項４に記載のガス検知システム（１００）。
【請求項６】
前記検知光ファイバ（１８）が、複数の格子位置（２６、２８、３０）に離間された複数のブラッグ回折格子（２０、２２、２４）を含む複数のファイバガスセンサを含み、
検知層（３２、３４、３６）がそれぞれの格子位置（２６、２８、３０）で前記光ファイバ（１８）の前記外表面（３８）に固着され、少なくとも１つのファイバガスセンサの少なくとも１つの検知層（３２、３４、３６）が、ある範囲内の熱伝達率を有するガス（１２）を検知するように調整された熱感度で構成され、前記少なくとも１つの検知層（３２、３４、３６）と前記熱伝達率の範囲内の前記ガス（１２）との間の熱エネルギ交換は、それぞれの格子位置（２６、２８、３０）での前記ファイバガス（１２）センサの前記ファイバブラッグ回折格子（２０、２２、２４）の、前記熱伝達率の範囲内の前記ガス（１２）の検知に必要な閾値シフトを超える前記ブラッグ共振波長シフトを誘発するように構成された、請求項１に記載のガス検知システム（１００）。
【請求項７】
前記ガス検知システム（１００）が、複数のガスの１つを識別するシステムであり、前記熱エネルギ交換が、前記少なくとも１つの検知層（３２、３４、３６）内、及び前記少なくとも１つのファイバガスセンサの前記ファイバブラッグ回折格子（２０、２２、２４）内の歪みを誘発する前記少なくとも１つの検知層（３２、３４、３６）からの前記熱エネルギの散逸であり、前記歪みが、前記少なくとも１つの検知層（３２、３４、３６）の材料の熱膨張特性及び前記材料の厚さ（５０、５２、５４）の少なくとも１つに基づくものである、請求項６に記載のセンサシステム（１００）。
【請求項８】
前記少なくとも１つの検知層（３２、３４、３６）内、及び前記少なくとも１つのファイバブラッグ回折格子（２０、２２、２４）内の歪みが、ガスの検知に必要な閾値シフトを超える、前記少なくとも１つのファイバブラッグ回折格子の前記ブラッグ共振波長シフトを誘発するのに十分な歪みであるように、前記少なくとも１つの検知層（３２、３４、３６）の前記材料と、前記少なくとも１つの検知層（３２、３４、３６）の前記厚さ（５０、５２、５４）とが選択される、請求項７に記載のガス検知システム（１００）。
【請求項９】
各ファイバガスセンサに前記ブラッグ共振波長シフトを検知するように構成された光検知器（１１２）を更に備える、請求項６に記載のガス検知システム（１００）。
【請求項１０】
前記検知層（３２）と前記ファイバガスセンサとの温度が、前記検知層（３２）から前記ガス（１２）への熱エネルギの散逸によって、前記第１の温度から低下すると共に、
前記ガスが前記中空チャンバ（１４）から流出すると、前記熱安定剤（４６）は、第２のガスが前記中空チャンバ（１４）内に向けられる前に、前記ファイバガスセンサ及び前記中空チャンバ（１４）を前記第１の温度に再加熱するように構成された、請求項２に記載のガス検知システム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ガスが存在する様々な用途において、ガスの同一性を知る必要があることがある。例えば、水素冷却発電機は通常、発電効率を保つため、発電機の密閉チャンバ内を流れる高純度の水素ガスを使用する。しかし、少量の空気が発電機の密閉チャンバ内に浸透することがある。従って、水素ガスの純度が、例えば９５〜９８％などの濃度範囲にあることを確認するため、発電機内の水素ガスの純度を判定するガス分析器が必要になる。発電機が動作上の問題に遭遇した場合、問題を解決するために発電機のケースを開ける必要がある。しかし、発電機のケースは当初は純水素ガスを含み、ケースを開けるのが早過ぎると、安全性の危険が生ずることがある。従って、ケースを安全に開けることができるようになる前に、水素ガスの相対濃度が、例えば４％などの濃度閾値未満になるまで発電機ケースから水素ガスをパージするために、二酸化炭素（ＣＯ2）又は窒素ガス（Ｎ2）などの二次ガスを使用することがある。従って、停止時間中に発電機ケースを安全に開けることができるかどうかを判定するため、発電機ケース内の二次ガスと水素ガスの相対濃度を判定するガス分析器が必要になることがある。
【０００２】
ガス及びガス成分を分析するため、赤外線吸収及び熱伝導検知などの様々なガス分析技術が開発されている。しかし、これらの従来型の技術には、広範囲のガスを検知できる単一のガスセンサを提供できず、そのため異なるガスごとに別個のセンサ／システムが必要になるなどの幾つかの欠点がある。それに加えて、例えば、炭化水素系ガスなどの限定量のガスを検知するために赤外線吸収が使用されるが、これは水素などの様々な通常のガスを検知することができない。また、例えば、ある種のガスを検知するために従来の熱伝導検知技術が使用されるが、必要な熱感度及びベースライン変動が欠如しているため、広範囲のガスを検知する際の精度が低い。従って、従来のガス検知技術の上記の欠点を克服し、広範なガスを必要な感度で好適に検知できるガス検知システムを備えることが有利であろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許７１５１８７２号
【発明の概要】
【０００４】
本発明の態様による一実施形態では、ガスを識別するガス検知システムが提供される。ガス検知システムは、チャンバハウジングによって密閉された中空チャンバを有する検知モジュールを含む。また、検知モジュールは、中空チャンバ内に位置する検知光ファイバを含む。検知光ファイバは、検知光ファイバに沿った格子位置に配置されたファイバブラッグ回折格子と、格子位置で検知光ファイバの外表面に固着された検知層とを含むガスセンサを備える。ガスが中空チャンバ内に向けられた後、部分的にはガスの熱伝導率に基づいて、ガスセンサの検知層とガスが熱エネルギを交換する。熱エネルギの交換は、ガスセンサのファイバブラッグ回折格子のブラッグ共振波長の、検知に必要な閾値シフトを超えるシフトを誘発し、ガスを識別するためにこのシフトが利用される。
【０００５】
本発明の態様による別の実施形態では、ガスを識別するためのガス検知システムが提供される。ガス検知システムは、複数のガスセンサを有する検知光ファイバを含み、各ガスセンサは、検知光ファイバに沿ったそれぞれの格子位置に配置されたファイバブラッグ回折格子と、各格子位置で検知光ファイバの外表面に固着された検知層とを含む。各ガスセンサの検知層は、ある範囲内の熱伝導率のガスを検知するように調整された熱感度で構成される。検知層とある範囲内の熱伝導率のガスとの間の熱エネルギ交換は、それぞれの格子位置でのブラッグ共振波長の、熱伝導率の範囲内のガスの検知に必要な閾値シフトを超えるシフトを誘発する。
【０００６】
本発明の態様による別の実施形態では、ガスを識別するためのガス検知システムが提供される。ガス検知システムは、チャンバハウジングによって密閉され、ガスを受容するように構成された中空チャンバを含む。また、ガス検知システムは、中空チャンバ内に配置された検知光ファイバを含む。検知光ファイバは複数のガスセンサを含み、各ガスセンサは、検知光ファイバに沿ったそれぞれの格子位置に配置されたファイバブラッグ回折格子と、各格子位置で検知光ファイバの外表面に固着された検知層とを含む。ガスセンサの検知層は、ガスの熱伝導率及び検知層とガスとの温度差に基づいて熱エネルギをガスと交換する。また、ガス検知システムは、ガスセンサの各ファイバブラッグ回折格子からのブラッグ共振波長のそれぞれのシフトを検知する光検出器を含む。ブラッグ共振波長のそれぞれのシフトは、ガスセンサの各検知層によってガスに散逸される熱エネルギによって誘発される。また、ガス検知システムは、各ファイバガスセンサからのブラッグ共振波長のそれぞれのシフトに基づいてガスを識別するための、光検出器に結合されたコントローラを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の態様による、ガスを識別する熱対流ガス検知システムの例示的実施形態のブロック図である。
【図２】図１のセンサシステムに示された検知モジュールの例示的実施形態の側断面図である。
【図３】図２に示された検知モジュールの検知光ファイバの部分側断面図である。
【図４】図３に示された検知光ファイバの、厚さが変化する検知層内の正規化されたブラッグ共振波長シフトと、正規化された温度変化とを対照したグラフである。
【図５】図３に示された検知層内の正規化された熱感度と、変化する材料の正規化された層厚とを対照したグラフである。
【図６】比熱容量が異なる２つのガスについて、正規化され、スケーリングされた検知モジュール内の温度を示す、図２に示された検知モジュール内部の熱分布の部分側断面図である。
【図７】図２に示された検知モジュールを通過する様々なガス及び流量について、正規化されたブラッグ共振波長シフトと、正規化時間とを対照したグラフである。
【図８】図１に示した検知モジュールを通過する二成分ガスの様々な濃度について、正規化されたブラッグ共振波長シフトと、正規化時間とを対照したグラフである。
【図９】本発明の態様による、図２に示された検知モジュールを通過する様々な濃度変化するガスについて、正規化されたブラッグ共振波長シフトと、時間とを対照したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の態様は、複数の単成分純ガス、二成分混合ガス（２種類の純ガスのガス混合物）、又は多成分ガス又はマルチガス（２種類以上の純ガスのガス混合物）を含むガス及びガス成分の検知及び識別について説明する。例えば、純ガスがセンサシステムに投入されると、ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）からの波長シフトに基づいて、Ｈ2ガス又はＮ2ガスなどのガスの同一性が判定される。別の実施例では、二成分混合ガスがセンサシステムに投入されると、二成分混合ガス中の各々の純ガスの同一性、及び各々の純ガスの、例えば９６％のＣＯ2、４％のＨ2などの相対濃度が提供される。例示的実施形態では、第１及び第２の単成分ガスから形成される二成分混合ガスの場合、第１の単成分ガスは波長シフトΔλ1を誘発し、第２の単成分ガスはΔλ2を誘発することがあり、一方、二成分ガス自体は波長シフトΔλを誘発する。Δλ1＞Δλ2である場合は、二成分混合ガス中の第１の単成分ガスの相対濃度の百分比は、以下の式によって決定される。
【０００９】
【数１】
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但し、Δλ1−Δλ2はガスセンサのダイナミックレンジである。ガスセンサの感度を、各々１％のガス濃度変化ごとの波長応答／シフト振幅として表してもよい。
【００１０】
前述のように、従来の熱伝導ガス検知技術には、純ガス、二成分ガス及びマルチガスを含む様々なガスを検出するために必要な感度と精度が欠如している。発明者は、特定用途での使用に適合されたガスの範囲に基づいて、ガス又はガス成分を識別するために熱伝導作用を利用し、ガス検知システムが各々のガスに必要な感度を有するように設計されるガス検知システムを開発した。熱伝導作用に誘発されるファイバガスセンサとガス流との間の熱交換は、ガスの比熱容量、ガスの熱伝導率、及びガス流量に基づくものであるため、ファイバガスセンサを特定範囲のガスに応答するように設計することができる。
【００１１】
以下により詳細に記載するように、ガス検知システムは、投入されたガスとファイバガスセンサとの間の熱エネルギの交換による熱対流を引き起こす。具体的には、ガス検知システムは、複数のファイバガスセンサを含んでもよく、これらは全体で複数の検知層を含み、各ファイバガスセンサは、それぞれの範囲内の熱伝達率を有するガスと熱エネルギ交換するように個々に調整される熱感度を有するように設計される。従って、熱伝達率が高いガスと熱エネルギ交換するため、例えば、第１のファイバガスセンサの第１の検知層を第１の熱伝達率を有するように設計してもよい。別の実施例では、熱伝達率が低いガスと熱エネルギ交換するため、第２のファイバガスセンサの第２の検知層を第２の熱伝達率を有するように設計してもよい。従って、ガス検知システムがある熱伝達率範囲のガスにとって適切な感度を確実に有するようにするため、ガス検知システムは複数の材料の検知層を有する複数のガスセンサを含み、ガス検知システム内の複数のガスセンサと複数の検知層との組み合わせが、全体として広範囲の熱伝達率を有する広範囲のガスを検知し、識別することができるように、各ガスセンサの各検知層は、それぞれの範囲内の熱伝達率を有するガス群と熱エネルギ交換するように構成される。
【００１２】
図１は、ガスを識別し、純ガス、二成分混合ガス又はマルチガスであるガス成分を分析するガス検知システム１００を示す。ガス検知システム１００は、例えばレーザーなどの光信号を光カプラ１０４へと出力する広帯域光源１０２を含み、次いで光カプラ１０４は光信号を４本の別個のファイバ伝送ケーブル１０６へと結合する。各ファイバ伝送ケーブル１０６は、一対の検知モジュール１０を封入するそれぞれの検知モジュールハウジング１１０に光信号を伝送する。図１は、一対の検知モジュール１０がハウジング１１０内に封入されることを示しているが、２つ未満、又は２つ以上の検知モジュールが検知モジュールハウジングによって封入されてもよい。検知モジュール１０は図２の実施形態で以下に記載する。また、検知モジュールハウジングは、防爆形金属容器であってもよい。しかし、検知モジュールハウジングを金属材料から製造する必要はない。検査の冗長性を得るために、一対の検知モジュール１０が検知モジュールハウジング１１０内に配置されるので、別の検知モジュール１０が動作しない場合は、少なくとも１つの検知モジュール１０がガスを識別するデータを提供する。一対の検知モジュール１０が検知モジュールハウジング１１０内に配置される例示的実施形態では、例えば数秒から３０分程度の間隔などの固定時間間隔で入口ガスを交互に検知モジュール１０へと向けるために、タイマー制御スイッチャを検知モジュールハウジング１１０内で使用してもよい。以下により詳細に記載するように、検知モジュール１０は、ガス流に誘発される熱対流損失に応答してその共振ブラッグ波長をシフトし、相対波長シフトは検知モジュール１０内のガスの同一性を表す。
【００１３】
図１に更に示すように、各検知モジュール１０からの光信号の波長シフトを分析するため、光検出器又は多チャネル信号処理ユニット１１２が備えられる。例示的実施形態では、処理ユニット１１２は１−１６チャネルマルチプレクサであり、各検知モジュール１０からの波長シフトのスペクトルを分析するために１つのチャネルが使用される。しかし、実施形態は１６チャネルマルチプレクサに限定されず、検知モジュール１０の数に基づいて、３２チャネルマルチプレクサ、又は任意のチャネル数のマルチプレクサを使用してもよい。それに加えて、図１はガス検知システム１００内に４つの検知モジュール１０を示しているが、システム内の４つ未満又は４つ以上の検知モジュールを使用してもよく、従って、実施形態はいずれかの特定の数の検知モジュールに限定されない。また、各検知モジュール１０内のガスを識別するため、コントローラ又はプロセッサ１１４が、信号処理ユニット１１２から分析されたスペクトルデータを受け取る。例示的実施形態では、プロセッサ１１４はＬａｂＶＩＥＷベースソフトウエアで制御される。
【００１４】
図２は、例えば純ガス、二成分ガス、又はマルチガスのいずれでもよいガスを識別する検知モジュール１０を示す。図２の実施形態は、ガス検知システム１００内で単一の検知モジュール１０だけが使用される、図１のガス検知システム１００であると見なされる。検知モジュール１０は、例えば二重壁ハウジングであるチャンバハウジング１６に封入される中空ガイドである中空チャンバ１４を含む。例示的実施形態では、チャンバハウジング１６は、例えば溶融石英ガラスなどの熱膨張率が低い材料から作製された円筒形構造である。ガスが中空チャンバ１４を通過する際の熱エネルギ伝導を緩和するため、空洞内二重壁を乾燥空気で密閉してもよい。検知モジュール１０は更に、中空チャンバ１４内に配置される検知光ファイバ１８を含む。図２に示すように、検知光ファイバ１８は、検知レーキ３１で中空チャンバ１４内に懸架され、検知光ファイバ１８と検知レーキ３１との長軸は中空チャンバ１４の長軸と一致するように配置される。図２は、形状が円筒形で、検知光ファイバの長軸が中空チャンバの長軸と一致するように検知光ファイバが配置された中空チャンバを示しているが、以下に詳細に記載するように、検知モジュールがガスと検知光ファイバとの熱交換を利用してガスを識別可能であれば、本発明の実施形態は上記の配置に限定されない。
【００１５】
図３は、中空チャンバ１４内に配置された検知光ファイバ１８が３つのファイバガスセンサ（ＦＧＳ）を含むことを示す。各ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）は、検知レーキ３１によって支持された検知光ファイバ１８に沿った、格子位置２６、２８、３０に位置するそれぞれ３つのファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４を含む。当業者には理解されるように、ファイバブラッグ回折格子は従来のレーザー及び位相マスク技術で、感光性光ファイバ１８のコアに内接され、光ファイバのクラッドによって囲まれている。また、図３に示すように、３つのファイバガスセンサ（ＦＧＳ）は、それぞれの格子位置２６、２８、３０で検知光ファイバ１８の外表面（すなわちクラッド）３８に固着されたそれぞれ３つの検知層３２、３４、３６を含む。従って、各ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）は、それぞれの格子位置に位置するファイバブラッグ回折格子と、それぞれの格子位置で検知光ファイバの外表面に固着された検知層とを含む。本発明の態様の例示的実施形態では、検知層３２、３４、３６は後述するボンディング層３３、３５、３７を用いて外表面３８に接合される。図３は、検知光ファイバ１８内に配置された３つのファイバブラッグ回折格子を示しているが、実施形態では３つのファイバブラッグ回折格子に限定されず、以下に詳述するように、識別されるガス又はガス成分のタイプに応じて、検知光ファイバ１８内に配置される３つ未満の、又はそれ以上のファイバブラッグ回折格子を使用してもよい。検知光ファイバ１８内に配置されるファイバブラッグ回折格子の数の選択は検知モジュール１０の設計段階での検討事項であり、例えば検知されるガス成分の範囲、又は検知されるガスのタイプなどの様々な要因に基づいて選択される。例示的実施形態では、ファイバブラッグ回折格子は、検知層がそのクラッドを囲むアポダイズされた屈折率周期変調格子構造で単一モードファイバコアに内接される。
【００１６】
図２に示すように、検知モジュール１０は更に、前述の二重壁チャンバハウジングであるチャンバハウジング１６の外表面４８に固着された熱安定剤４６を含む。熱安定剤４６は、第１の温度、又は例えば３００°Ｆなどの動作温度に保たれる。熱安定剤は、溶融石英管などの熱膨張率が低い材料から作製されたチャンバハウジングの外表面の周囲に巻回される、（標準型の壁コンセントで給電されてもよい）ヒートラップブランケットである。チャンバハウジング１６は、チャンバハウジング１６の外表面４８への熱安定剤４６の固着によって動作温度に加熱される。ファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４及び検知層３２、３４、３６も、中空チャンバ１４を経たチャンバハウジング１６からの熱対流による熱伝達によって動作温度に加熱される。前述のように、例示的実施形態では、チャンバハウジング１６は、熱安定剤からの赤外線放射エネルギを減衰して、例えば２μｍなどの閾値波長以上の波長でのセンサの熱ノイズを低減する溶融石英材料などの熱放射限定材料から製造してもよい。このように、チャンバハウジング１６は、検知層３２、３４、３６及び検知光ファイバ１８が熱対流により確実に動作温度に加熱される材料から製造される。
【００１７】
ファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４及び検知光ファイバ１８は、石英棒状のレーキであってよい検知レーキ３１によって支持される。検知モジュール１０とガス流１２との間で確実に熱エネルギ交換が生じるようにするため、検知レーキ３１には、各回折格子２０、２２、２４がガス流に晒され、しかも検知レーキ３１からファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４への熱伝導の可能性を緩和するように１つ又は複数の開口部を有する円筒形本体部が備えられる。検知レーキ３１の円筒形本体部の一端は中空チャンバ１４を密閉するために使用され、その他端は中空チャンバ１４の中心部内に懸架される。入口ガス流１２は検知レーキ３１を自由に通過し、ファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４の側を通り、排気口２７から排出される。同様の配慮に基づき、検知レーキ３１からファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４への熱放射及び熱伝導の可能性と、熱応力を誘発する熱膨張率の差異とを緩和するため、検知レーキ３１を溶融石英ガラス材で構成してもよい。
【００１８】
図２に示すように、検知モジュール１０の動作中、ガス１２が中空チャンバ１４内に流入する前に、ガス１２は調整可能な流量で入口１３に向けられ、（初期ガス温度が入口温度以上である場合は）ガスの乱流を軽減するための単壁チャンバである正面の中空チャンバ１７を通過する前に、ガス１２の温度変化を入口温度又は第２の温度に低減するヒートシンクとして作用する熱放散器１５へと向けられる。例示的実施形態では、入口温度は０〜１００°Ｆである。検知モジュール１０は、中空チャンバ１４を通過するガス１２の流量を調整するために入口１３に接続された流量計１１を含む。ガス１２が入口温度で中空チャンバ１４内に流入すると、部分的にはガスの熱容量に基づき、且つ付加的には各検知層３２、３４、３６の熱伝導及び熱膨張特性、及び検知層３２、３３、３４の動作温度とガス１２の初期入口温度との温度差に基づいて、各格子位置２６、２８、３０にある検知層３２、３４、３６はそれぞれ、ガス１２と熱エネルギを交換する。各ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）の各検知層３２、３４、３６とガス１２とのそれぞれの熱エネルギ交換によって、各ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）の間でガス１２の特性である別個のファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４のブラッグ共振波長シフトが誘発され、このようにして、ガス１２を識別するために別個のファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４のブラッグ共振波長シフトが利用される。ガス１２が中空チャンバ１４を通過した後、ガスは出口２７を経てファイバガスセンサモジュール１０から流出する。
【００１９】
図１及び２に示すように、検知モジュール１０は広帯域の、又は同調可能な信号源１０２から光信号を受信し、この信号は光カプラ１０４を使用して検知光ファイバ１０６に伝送される。前述のように、図２に示す検知モジュール１０を、例えば単一の検知モジュール１０を利用する図１のガス検知システム１００の特殊例と見なしてもよい。光源１０２はレーザーをファイバケーブル１０６へと伝送し、ファイバケーブル１０６は次いでレーザーを検知レーキ３１、及び検知モジュールハウジング１６内に送る。前述のように、検知レーキ３１は、ファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４又はファイバガスセンサを二重壁ハウジング１６によって封入された中空チャンバ１４内に配置するために利用される。特に、検知レーキ３１は、全てのファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４をガス流路内に配置できるようにする１つ又は複数の開口部を含む。例示的実施形態では、各検知光ファイバ１８はＶ形溝に固定され、複数の検知光ファイバ、又はファイバブラッグ回折格子アレイは平行なＶ形溝に固定することができる。当業者には理解されるように、各ファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４に光源１０２は、各々別個のファイバガスセンサ（ＦＧＳ）の各ファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４からの各ブラッグ共振波長のそれぞれのシフトを計測するために、図１〜２の光カプラ１０４から検知光ファイバ１０６に結合されるそれぞれの広帯域レーザー源、又は同調可能な光源を提供する。図１は、ガス検知システム１００が複数の検知モジュール１０の単一の光源１０２と、光カプラ１０４とを含むことを示しているが、図２の実施形態は、単一の検知モジュール１０で単一の光源１０２と、光検知器１１２又は処理ユニット１１４とを使用してもよいことを示している。検知モジュール１０は更に、光検知器１１２に結合されたコントローラ又はプロセッサ１１４を含み、光検知器１１２はブラッグ共振波長シフトの検知されたスペクトルデータをプロセッサ１１４に伝送する。各ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）の各々別個のファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４からのブラッグ共振波長シフトのスペクトルデータに基づいて、例えばマルチチャネル信号処理ユニット及びデータ取得プロセッサであってよいプロセッサ１１４は、全てのファイバガスセンサ（ＦＧＳ）の全てのファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４からのそれぞれのブラッグ共振波長シフトの全てを考慮に入れてガス１２を識別する。
【００２０】
例示的実施形態では、検知層３２、３４、３６とガス１２との熱エネルギ交換は、検知層３２、３４、３６からガス１２への熱対流による熱エネルギの散逸である。当業者には理解されるように、熱対流による熱エネルギの散逸は、より高温の領域からより低温の領域へと向けられ、熱対流速度は、より高温の領域とより低温の領域との温度差、並びにガス１２及び各々検知層３２、３４、３６の熱伝達率、及びチャンバ１４の形状に比例する。前述のように、ガス１２は初期入口温度で中空チャンバ１４内に向けられ、検知層３２、３４、３６は動作温度にある。入口温度は動作温度とは異なり、より具体的には、入口温度は動作温度よりも低い。例示的実施形態では、動作温度は２００°Ｆ〜３００°Ｆの範囲に設定され、入口温度は０°Ｆ〜１００°Ｆに設定される。例示的実施形態では、検知モジュール１０の動作中の動作温度と入口温度との差は少なくとも１５０°Ｆである。追加の例示的実施形態では、検知モジュール１０の動作中の動作温度と入口温度との差は少なくとも１００°Ｆである。
【００２１】
図３に示すように、各ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）の検知層３２、３４、３６は、各ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）の格子位置２６、２８、３０で検知光ファイバ１８の外表面３８（すなわちクラッド）にそれぞれ接合される。検知層３２、３４、３６を検知光ファイバ１８の外表面３８に確実に接合するため、ボンディング層３３、３５、３７が検知層３２、３４、３６と外表面３８との間に設けられる。例示的実施形態では、ボンディング層は、厚さが例えば１０ｎｍ〜４０ｎｍのチタン、ニッケル、銅及び／又はクロム材料から形成される。また、図３に示すように、検知層３２、３４、３６を酸化又は腐食から保護するため、キャップ層、又は保護層３９、４１、４３が検知層３２、３４、３６の外表面上に設けられる。例示的実施形態では、保護層は厚さが例えば約１００ｎｍのニッケル、金、及び／又はクロム材料の１つから形成される。例示的実施形態では、保護層は、水素又は硫化水素を識別するためにパラジウム合金又は酸化銅材料から製造された化学活性層であってもよく、又は例えばメタン又は一酸化炭素を識別するためにパラジウムをドープした酸化錫材料から製造されてもよく、厚さは例えば１０ｎｍ〜５０ｎｍである。図３は保護層３９、４１、４３が検知層３２、３４、３６の外表面を被覆することを示しているが、不活性ガスが分析される場合には、保護層３９、４１、４３を使用せずに検知モジュール１０を動作させてもよい。例示的実施形態では、検知層は化学活性層であってよく、マルチガスを識別すべき場合は、保護層３９、４１、４３を使用せずにファイバガスセンサを動作させてもよい。
【００２２】
ガス１２が中空チャンバ１４を通過すると、検知層３２、３４、３６及び検知光ファイバ１８の温度は、検知層３２、３４、３６からガス１２への熱エネルギ散逸によって動作温度から低下する。検知層３２、３４、３６の温度変化によって、検知光ファイバ１８、及び検知層３２、３４、３６の各々の材料のそれぞれの熱膨張特性に基づいて、各ファイバガスセンサのファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４の内部の歪みが低減される。各検知層３２、３４，３６の熱膨張特性はファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４の熱膨張特性よりも大幅に高いので、温度変化によって、ブラッグ回折格子２０、２２、２４内の歪み（引張り歪み）よりも多くの検知層３２、３４、３６内の歪み（圧縮歪み）が誘発され、従って、検知層３２、３４、３６とファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４との間に界面歪みが生ずる。各検知層３２、３４、３６の歪みは、検知層３２、３４、３６の各々の材料の熱膨張特性と、各検知層３２、３４、３６のそれぞれの厚さ５０、５２、５４とに基づく。各検知層３２、３４、３６の歪みは、各ファイバガスセンサのそれぞれのファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４のブラッグ共振波長シフトをそれぞれ誘発し、下記のように表される。
【００２３】
【数２】
2012098279.tif 000004
但し、Δλは別個のファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４のブラッグ共振波長シフトであり、ΔλBは初期ブラッグ共振波長であり、ζは各検知層３２、３４、３６の厚さ５０、５２、５４、検知材料及びファイバのヤング率とポアソン比とに比例するパラメータであり、αmは各検知層３２、３４，３６の有効熱膨張率であり、αfは光ファイバ１８の熱伝達率であり、ΔＴは熱対流作用による温度変化であり、βはファイバ材料の熱光学係数である。方程式（２）の第１の項は、検知層３２、３４、３６と、ファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４の近傍の光ファイバ１８の外表面３８との間の界面歪みに起因するブラッグ共振波長シフトを表しており、検知層３２、３４、３６とファイバ材料との熱膨張率の差、並びに検知層３２、３４、３６の厚さ５０、５２、５４に比例する。従って、係数Ｋεはそれぞれのファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４のブラッグ共振波長シフトに関するそれぞれの検知層３２、３４、３６の歪み感度であり、係数ＫTはそれぞれのファイバブラッグ回折格子の温度感度である。２つの係数の合計が、各ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）の熱感度であると定義される。方程式（２）の第２の項は、ファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４の温度変化ΔＴに起因する既知のブラッグ共振波長シフトを示す。従って、ブラッグ共振波長の既知のシフトは予め定められており、検知層３２、３４、３６の歪みに起因するブラッグ共振波長シフトの部分を分離するために、ブラッグ共振波長の全体のシフトと比較される。また、ファイバの熱膨張による固有弾性歪みは余りにも少なく、実際の影響は無視してもよい。
【００２４】
例示的実施形態では、ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）は、ガス１２が中空チャンバ１４を通過する際に必要な最小限の応答振幅又はブラッグ共振波長シフトよりも大きい応答振幅又はシフトを誘発するために、各検知層３２、３４、３６が受ける予測温度変化に基づいて、最小歪み感度Ｋε及び温度感度ＫTよりも高い歪み感度を有するように各検知層３２、３４、３６の材料及び厚さが個々に選択されるように設計される。例示的実施形態では、熱伝達率のそれぞれの範囲内のガスを検知するように調整されるそれぞれの温度及び歪み感度を有するように各検知層３２、３４、３６を設計してもよい。従って、例えば１〜１０ピコメートル（ｐｍ）などの検知に必要な閾値を超えるファイバブラッグ回折格子２０のブラッグ共振波長シフトを誘発することによって、高熱伝達率範囲のガスを検知するように検知層３２の温度及び歪み感度が調整されるように、第１の検知層３２を設計してもよい。別の実施例では、例えば１０〜５０ｐｍなどの検知に必要な閾値を超えるファイバブラッグ回折格子２２のブラッグ共振波長シフトを誘発することによって、中程度の熱伝達率範囲のガスを検知するように検知層３４の歪み感度が調整されるように、第２の検知層３４を設計してもよい。別の実施例では、例えば５０〜１００ｐｍなどの検知に必要な閾値を超えるファイバブラッグ回折格子２４のブラッグ共振波長シフトを誘発することによって、低熱伝達率範囲のガスを検知するように検知層３６の温度及び歪み感度が調整されるように、第３の検知層３６を設計してもよい。
【００２５】
前述のように、それぞれの検知層３２、３４、３６内の温度変化は、ガス１２による各検知層３２、３４、３６の熱エネルギ散逸に基づき、一方、この熱エネルギ散逸は、ガス１２の熱伝達率に基づくものである。例えば、第１のガスが水素などの高い熱伝達率を有している場合は（比熱容量が１４．３８ＫＪ／ｋｇ．Ｋ、熱伝導性が０．１６８Ｗ／ｍ．Ｋ）、熱エネルギ散逸の結果、検知層３２内で低い温度変化を生ずるであろう。何故ならば、このガスは中空チャンバから容易に熱エネルギを吸収し、中空ガイドとファイバブラッグ回折格子とを加熱するからであり、従って、例えば１〜１０ｐｍの最小限の必要なシフト以上のブラッグ共振波長シフトを誘発するために、検知層３２の材料には高い歪み感度が必要になろう。熱膨張率（ＣＴＥ）が高いこのような材料の例は、例えばＺｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、及び／又はＡｌであろう。別の例として、第２のガスがメタン（ＣＨ4）などの中程度の熱伝達率を有している場合は（比熱容量が２．１８ＫＪ／ｋｇ．Ｋ、熱伝導性が０．０３３Ｗ／ｍ．Ｋ）、熱エネルギ散逸の結果、検知層３４内で中程度の温度変化を生じ、従って、例えば１０〜５０ｐｍの最小限の必要なシフト以上のブラッグ共振波長シフトを誘発するために、検知層３４の材料には中程度の歪み感度が必要になろう。熱膨張率（ＣＴＥ）が中程度のこのような材料の例は、例えばＡｇ、Ａｕ、及びＣｕであろう。別の例として、第３のガスが二酸化炭素などの低い熱伝達率を有している場合は（比熱容量が０．８４ＫＪ／ｋｇ．Ｋ、熱伝導性が〜０．０１５Ｗ／ｍ．Ｋ）、熱エネルギ散逸の結果、検知層３６内で高い温度変化を生じ、従って、例えば５０〜１００ｐｍの最小限の必要なシフト以上のブラッグ共振波長シフトを誘発するために、十分な熱感度を有するガスセンサを形成するためファイバブラッグ回折格子と一体化される多くの異なる材料を使用できよう。低ＣＴＥのこのような材料の例は、例えばＮｉ、Ｃｏ、及びＰｄであろう。
【００２６】
図４は、例えばニッケル系材料などの厚さが変化する材料でのそれぞれの検知層３２、３４、３６の正規化されたブラッグ共振波長シフトと、正規化された温度変化とを対照したグラフである。図４のグラフの勾配は、温度感度が約１１．３ｐｍ／℃であり、ニッケル検知層の厚さが例えば０．５μｍから２０μｍに増加すると、歪み感度がファイバガスセンサの熱感度を１１．３ｐｍ／℃から１６．５ｐｍ／℃に高めることができるニッケル検知層と一体化されたファイバブラッグ回折格子などのファイバガスセンサの熱感度を示している。別の例では、例えば亜鉛などの別の材料を検知層に使用してもよい。亜鉛検知層の厚さが、例えば０．５μｍから２０μｍに厚くなると、亜鉛検知層と一体化されたファイバブラッグ回折格子の熱感度は１１．４ｐｍ／℃から１８．７ｐｍ／℃に変化する。検知層からの歪み効果がファイバガスセンサの熱感度を５０〜６０％高めることができることは明らかである。例えば、熱伝達率が高い第１のガス（例えば水素、ヘリウム）には、歪み感度が１８．７ｐｍ／℃の厚さ２０μｍの亜鉛材料から製造するように第１の検知層３２を設計してもよい。別の例として、熱伝達率が中程度の第２のガスには、歪み感度が１３．３ｐｍ／℃の厚さ５μｍの銅材料から製造するように第２の検知層３４を設計してもよい。別の例として、熱伝達率が低い第３のガスには、熱感度が１１．５ｐｍ／℃の厚さ１μｍのニッケル材料から製造するように第３の検知層３６を設計してもよく、この場合は歪み効果の影響は５％未満である。従って、各検知層３２、３４、３６の材料のタイプ及び厚さは、１つ又は複数のそれぞれのガスの熱伝達率に基づいて個々に適応させてもよく、それぞれの検知層は、ブラッグ共振波長シフトを誘発して１つ又は複数のガスを識別するために使用される。上記の記載は検知層の特定の材料について特定の波長シフト及び温度変化の数値を提示しているが、実施形態はこれらの例示的な検知層の材料に限定されず、ガス又はガス範疇の適切な熱歪みをもたらす全ての検知層の材料及び厚さを含むものである。
【００２７】
【表１】
2012098279.tif 000005
ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）としてガスに対する最大の応答振幅を有するように検知材料と一体化されたファイバブラッグ回折格子を設計するため、ファイバガスセンサの熱感度はＣＴＥ、弾性係数、及びポアソン比の組み合わせである。具体的には、ＣＴＥとヤング係数が高いほどファイバガスセンサの熱感度は高まるが、ポアソン比の影響は少ない。表１は検知材料として使用可能な材料の幾つかを提示している。このように、各検知層３２、３４、３６を形成するために使用できる様々な材料について熱膨張率（ＣＴＥ）が提示されている。ＣＴＥは各材料の熱歪み感度を示す。表１に示すように、亜鉛のＣＴＥは３１ｘ１０-6／℃であるのに対してニッケルのＣＴＥは１３．３ｘ１０-6／℃であり、これは、亜鉛の熱歪み感度がニッケルの熱歪み感度よりも高いという前述の記述と一致している。表１は様々な材料のＣＴＥを列挙しているが、実施形態はこれらの材料に限定されず、例えばダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、及びカーバイドなど、検知層を形成するために使用できるあらゆるタイプの材料を含む。
【００２８】
また、検知モジュール１０の設計段階中に、検知層３２、３４、３６を配置する中空チャンバ１４内の格子位置２６、２８、３０を決定するため、熱電対（図示せず）などの温度センサアレイが中空チャンバ１４に沿った増分位置に配置される。各々のガスが固定流量で中空チャンバ１４を通過すると、温度センサは各位置での各々のガスの温度を検知する。格子位置２６、２８、３０は、各ガスのそれぞれの温度が最大の範囲／相違を有する温度センサの位置に基づいて決定される。例えば、検知モジュール１０によって窒素と水素とを識別しようとし、水素と窒素との温度差が中空チャンバ１４の中心位置で最大であることを温度センサが判定した場合は、中空チャンバ１４の中心位置と一致するように格子位置を選択してもよい。
【００２９】
図５は、異なるタイプの検知層材料について、ファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４を組み込んだ検知層３２、３４，３６の正規化された熱感度と、検知層３２、３４、３６の正規化された厚さとを検知層３２、３４、３６の厚さが増すにつれて対照したグラフである。このように、表１のＣＴＥ及び弾性係数に関して前述したように、検知層３２、３４、３６を形成するために使用される材料のタイプは、同じ厚さである場合、歪み効果によりファイバガスセンサの熱感度に影響を及ぼす。また、図５に示すように、各ファイバガスセンサの熱感度は、検知層の厚さが対応して増すと共に上昇する。
【００３０】
図６は、中空チャンバ１４内の正規化温度がグレースケールによって示された、中空チャンバ内のファイバガスセンサの温度分布図を示す。第１の検知層３２は、高い熱伝達率範囲内の対流作用を伴うガス６０に応じたブラッグ共振波長シフトを誘発するように高い歪み感度で設計され、第２の検知層３４は、低い熱伝達率範囲内の対流作用を伴うガス５６に応じたブラッグ共振波長シフトを誘発するのに十分な歪み感度で設計される。例えば、図６の上の図は、例えば水素ガスなどの高い熱伝達率範囲内のガス６０の対流作用に応じた、中空チャンバ１４内のファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４の熱分布を示している。水素ガスの高い熱伝達率は、検知層３２、３４、３６と中空チャンバ１４の両方から容易に熱エネルギを発散することができる。この熱力学的なプロセスでは、ガス６０の流れは熱エネルギを中空チャンバ１４から比較的速やかに吸収することができ、従って、誘発されるファイバブラッグ回折格子２０の温度変化は比較的小さく、中空ガイドの長さに沿ったファイバブラッグ回折格子２２、２４に誘発される温度変化は更に小さい。
【００３１】
従って、熱伝達率が高いガス６０を検知するように設計された第１の検知層３２は、高い熱伝達率の特性であるブラッグ共振波長シフトを誘発するように高い歪み感度（すなわち、高い熱膨張特性及び／又はより厚い層厚）で設計され、誘発されるブラッグ共振波長シフトは、例えば１〜１０ｐｍである検知に必要なシフト閾値以上である。それとは対照的に、図６の下の図は、例えば二酸化炭素などの熱伝達率が低いガス５６に応じた、中空チャンバ１４内のファイバガスセンサの熱分布を示している。二酸化炭素の熱伝達率が低いことで、中空チャンバ１４から吸収される熱エネルギは少ないが、上の図の水素ガスと比較して検知層３２、３４、３６から熱エネルギを吸収し易く、従って比較的大きい検知層３２、３４、３６の温度変化を誘発する。従って、熱伝達率が低いガス５６を検知するように設計された第２の検知層３４は、熱伝達率が低いガスの特性であるブラッグ共振波長の応答振幅又はシフトを誘発するように、低〜中程度の歪み感度（すなわち、低〜中程度のＣＴＥ、弾性係数及び／又は１０μｍの厚さ）で設計され、誘発されるブラッグ共振波長シフトはガスの検知に必要なシフト閾値以上である。
【００３２】
前述のように、検知モジュール１０は、それぞれのファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４又はファイバガスセンサからそれぞれのブラッグ共振波長シフトを検知するための処理ユニット又は光検知器１１２を含む。また、検知モジュール１０は、校正／パルスモード又は識別／連続モードのいずれかで動作するように処理ユニット１１２に結合されたプロセッサ又はコントローラ１１４を含む。識別モードでは、プロセッサ１１４は、（処理ユニット１１２から受信した）検知されたブラッグ共振波長の応答振幅又はシフトと、複数の既知のガスのブラッグ共振波長の所定のシフトとの比較に基づいて、中空チャンバ１４内のガス１２を識別する。しかし、検知モジュール１０がガス１２を識別するために使用される前に、プロセッサ１１４は校正モードに切り換えられ、その間に既知の各ガスの所定のブラッグ共振波長シフトがプロセッサ１１４のメモリに記憶される。前述のように、検知モジュール１０は、中空チャンバ１４を通ってガス１２が流れる流量を調整可能に変更する流量計１１を含む。校正モード中、ガスの第１のタイプの校正又はベースライン判定には、既知のガスを変化する流量で中空チャンバ１４を通過させるステップが含まれる。具体的には、流量計１１を調整することによって、幾つかの異なる流量で既知のガスが別個の中空チャンバ１４内に向けられる。既知のガスが中空チャンバ１４を通過すると、既知のガスと検知層３２、３４、３６との間の熱交換がそれぞれのブラッグ回折格子２０、２２、２４のブラッグ共振波長シフトを誘発し、これがそれぞれの流量及びファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４ごとに検知され、プロセッサ１１４のメモリに記憶される。その後、プロセッサ１１４が識別モードに切り換えられ、検査されるガス１２が中空チャンバ１４を通過すると、プロセッサ１１４は、検知されたブラッグ共振波長シフトと、それぞれの流量での各々の既知のガスごとに記憶された各々のブラッグ共振波長シフトとを比較することによってガス１２を識別する。例えば、水素は毎分５００標準立方センチメーター（ｓｃｃｍ）の流量で１００ｐｍのシフトダウンを誘発し、一方、空気と二酸化炭素との二成分混合物は同じ流量で３００〜１１００ｐｍのシフトダウンを誘発することがある。
【００３３】
また、校正モード中、ガスの第２のタイプの校正又はベースライン判定には、複数のガスを固定流量で中空チャンバ１４を個々に通過させるステップが含まれる。固定流量のそれぞれのガスごとにブラッグ共振波長シフトが測定され、プロセッサ１１４のメモリに記憶される。その後、識別モードで、プロセッサ１１４は、検知されたブラッグ共振波長シフトと、固定流量のそれぞれのガスごとの記憶された各々のブラッグ共振波長シフトとの比較に基づいて、ガス１２を識別する。図７は、上記の校正又はベースライン判定の両方の結果と、プロセッサ１１４のメモリに記憶された、結果として生じた正規化ブラッグ共振波長シフトとを示している。第１のガス５６の第１の校正を用いて、校正モードは５００ｓｃｃｍ、６００ｓｃｃｍ、７００ｓｃｃｍ、８００ｓｃｃｍ、及び９００ｓｃｃｍのそれぞれの流量で、−０．５７（−７００ｐｍ）、−０．６７（−８００ｐｍ）、−０．８０（−９５０ｐｍ）、−０．８３（−１０００ｐｍ）、及びー０．８５（−１０５０ｐｍ）の正規化ブラッグ共振波長シフトを生じた。例示的実施形態では、熱安定剤の温度は１４０℃（２８４°Ｆ）に設定され、第２のファイバブラッグ回折格子２２、又はファイバガスセンサからのブラッグ共振波長シフトが用いられる。しかし、校正モードはこの実験的な設定に限定されるものではなく、ブラッグ共振波長シフトを測定するために熱安定剤４６の様々な温度設定、及び様々なブラッグ回折格子２０、２２、２４又はファイバガスセンサを使用してもよい。９００ｓｃｃｍの固定流量の第１のガス５６、第２のガス５８、及び第３のガス６０に対する第２の校正を用いて、校正モードは−０．８５（−１０５０ｐｍ）、−０．６７（−８００ｐｍ）及び−０．１５（−１５０ｐｍ）の正規化ブラッグ共振波長シフトをそれぞれ生じた。例示的実施形態では、第１のガス５６、第２のガス５８、及び第３のガス６０は例えば二酸化炭素、純窒素ガス、及び純水素ガスである。図７は特定のガスについての校正データを示しているが、実施形態はこれらの特定のガスに限定されず、センサシステムによって識別されるあらゆるガスの校正データの収集を含む。
【００３４】
図７は、３つのガスの交互のサイクルテストでの様々な単成分の純ガスに対する応答振幅を含む校正モードの結果を示しているが、検知モジュール１０は純ガスの識別に限定されず、二成分ガス及び多成分ガスの識別をも含む。従って、プロセッサ１１４の校正モードもしくはパルスモードには、既知の単成分純ガス、（複数の純ガスの濃度が既知の）２つの成分からなる二成分ガス、又は多成分からなる多成分ガスさえも使用すること、及び既知のガス混合物を固定流量で中空チャンバ１４へと送り込むことが含まれる。純ガスの校正の場合と同様に、濃度が判明している既知の二成分ガスについてブラッグ共振波長シフトが測定され、プロセッサ１１４のメモリに記憶される。これらのステップは、検知モジュール１０による識別がなされる二成分ガス又は多成分ガスの各々の濃度ごとに反復され、検知モジュール１０による識別がなされる各々の二成分ガス及び多成分ガスごとに反復される。
【００３５】
その後、識別モードで、プロセッサ１１４は、二成分ガス又は多成分ガスの検知されたブラッグ共振波長シフトと、固定流量での全ての既知のガスのそれぞれの濃度ごとに記憶された各々のブラッグ共振波長シフトとの比較に基づいて、中空チャンバ１４内に送られるガス成分の濃度を識別する。図８は、二成分ガス又は多成分ガスについて正規化されたブラッグ共振波長シフトの校正結果の例示的実施形態を示す。例示的実施形態では、図８の校正データを得るために用いられるセットアップの１つには、熱安定剤４６を１４０℃（２８４°Ｆ）に設定し、様々な濃度の二成分ガスの流量を６００ｓｃｃｍに固定することが含まれる。しかし、実施形態はこの特定の実験的なセットアップに限定されず、熱安定剤４６の温度、及び／又は中空チャンバ１４を通って流れる二成分ガス又は多成分ガスの流量を変更してもよい。具体的には、固定流量で既知の二成分ガス又は多成分ガスの第１の濃度６２、第２の濃度６４、及び第３の濃度６６でのブラッグ共振波長シフトが測定される。例示的実施形態では、既知の二成分ガスはＨ2＋ＣＯ2であり、濃度は９０〜９１％のＣＯ2中の９〜１０％のＨ2（第１の濃度）、９４〜９５％のＣＯ2中の５〜６％のＨ2（第２の濃度）、９６〜９７％のＣＯ2中の３〜４％のＨ2（第３の濃度）である。図８は、特定の二成分ガスについての特定の正規化校正データを示しているが、実施形態はこの特定の二成分ガスに限定されず、ガス検知システムによって識別されるあらゆる二成分ガスについて校正データを収集することが含まれる。例示的実施形態では、この二成分ガスの校正による正規化されたブラッグ共振波長を用いて、例えば水素ガスの相対濃度が５％未満であることを確認するために、発電機が開かれる前に発電機のケースからガス混合物の濃度を識別してもよい。
【００３６】
前述のように、ガス１２が中空チャンバ１４を通過した後、ガス１２は出口２７を通って検知モジュール１０から流出する。検知層３２、３４、３６からガス１２への熱エネルギの熱散逸によって、検知層３２、３４、３６の温度は初期の動作温度から熱安定状態へと低下する。例示的実施形態では、ファイバブラッグ回折格子２０は相対的に大きい波長シフトダウンを誘発し、ファイバブラッグ回折格子２２は相対的に中程度の波長シフトダウンを誘発し、ファイバブラッグ回折格子２４は相対的に小さい波長シフトダウンを誘発する。このような熱応答力学は、検知される材料に化学感度がない場合にガス濃度を識別するために使用される中空チャンバ１４の熱分布によって判定される。ガス１２が中空チャンバ１４及び出口２７から流出した後、熱安定剤４６は検知モジュール１０の熱安定性を、第１の温度と第２の温度との間の新たな熱平衡状態に保つ。パルス／校正モードでは、ガスがチャンバ１４を通って流れない検知モジュール１０の動作中は、検知層３２、３４、３６の温度は、後続のガスがガス識別のために中空チャンバ１４内に導入される前に第１の温度の動作温度に戻る。
【００３７】
図９は、二成分ガスが相対的に高い水素ガス濃度を有し、相対的に低い二酸化炭素濃度を有していることを除いて、図８と同様のグラフを示している。また、図９に示すように、二成分ガスの濃度は１％ずつ増分されて変化しており、その後で検知モジュール１０はファイバブラッグ回折格子２０、２２、２４からのブラッグ共振波長シフトを測定する。図９に示すように、二成分ガスの濃度範囲は８２％の水素中の１８％の二酸化炭素から、１００％の水素中の０％の二酸化炭素まで１％ずつの増分で（すなわち、二酸化炭素が１％ずつ減少し、水素が１％ずつ増加する）変化する。検知モジュール１０は、二成分ガスのこれらの増分ごとのブラッグ共振波長の波長シフトを測定することができる。例えば、９４％の水素中の６％の二酸化炭素である二成分混合物の濃度の結果、３０ｐｍのブラッグ共振波長シフトが生じ、一方、９５％の水素中の５％の二酸化炭素の二成分混合物の濃度の結果、例えばシステム１００によって検知される３３ｐｍのブラッグ共振波長シフトが生じる。図９は単なる例示であるに過ぎず、本実施形態は、図９に示す二酸化炭素／水素の相対的濃度範囲にも、グラフで示す波長シフトの数値にも限定されない。従って、図９に示された結果は、どの種類の二成分ガス混合物の成分分析にも同様に生じ得る。
【００３８】
本発明の様々な実施形態を本明細書で図示し、記載したが、このような実施形態は例示のためだけに提示されていることは明らかであろう。本明細書の発明から逸脱することなく多くの変化、変更及び置換えを行ってもよい。従って、本発明は添付の請求項の趣旨及び範囲によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００３９】
１０  検知モジュール
１１  流量計
１２  ガス
１３  入口
１４  中空チャンバ
１５  熱放散器
１６  チャンバハウジング
１７  正面の中空チャンバ
１８  検知光ファイバ
２０  ファイバブラッグ回折格子
２２  ファイバブラッグ回折格子
２４  ファイバブラッグ回折格子
２６  格子位置
２７  出口
２８  格子位置
３０  格子位置
３１  検知レーキ
３２  検知層
３３  ボンディング層
３４  検知層
３５  ボンディング層
３６  検知層
３７  ボンディング層
３８  外表面
３９  保護層
４１  保護層
４３  保護層
４６  熱安定剤
４８  外表面
５０  厚さ
５２  厚さ
５４  厚さ
５６  第１のガス
５８  第２のガス
６０  ガス
６２  第１の濃度
６４  第２の濃度
６６  第３の濃度
１００  ガス検知システム
１０２  広帯域光源
１０４  光カプラ
１０６  ファイバケーブル
１１０  検知モジュールハウジング
１１２  光検知器
１１４  プロセッサ
【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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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
2012098279000001.pdf