ガスセンサ
【課題】ガスを効率的に検出できるガスセンサを提供する。
【解決手段】 一態様に係るガスセンサは，１５００ｎｍ以上，１６００ｎｍ以下の少なくとも一部を含む第１の波長域の光を掃引発振する第１のレーザ光源と，１０００ｎｍ以上，１１００ｎｍ以下の第２の波長域の光を発振する第２のレーザ光源と，前記第１，第２のレーザ光源からの光を混合する混合器と，前記混合された光からの差周波発生により３２００ｎｍ以上，３４００ｎｍ以下の第３の波長域の光を生成する波長変換素子と，検査対象ガスが封入され，かつ前記生成された光が通過する内部空間を有する容器と，前記内部空間を通過した光を受光する光検出器と，前記光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する算出器と，を具備する。
【解決手段】 一態様に係るガスセンサは，１５００ｎｍ以上，１６００ｎｍ以下の少なくとも一部を含む第１の波長域の光を掃引発振する第１のレーザ光源と，１０００ｎｍ以上，１１００ｎｍ以下の第２の波長域の光を発振する第２のレーザ光源と，前記第１，第２のレーザ光源からの光を混合する混合器と，前記混合された光からの差周波発生により３２００ｎｍ以上，３４００ｎｍ以下の第３の波長域の光を生成する波長変換素子と，検査対象ガスが封入され，かつ前記生成された光が通過する内部空間を有する容器と，前記内部空間を通過した光を受光する光検出器と，前記光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する算出器と，を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，近赤外・中赤外領域の光を使用してガスを検出できるガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
油入りケーブル（ＯＦケーブル）や油入変圧器に使用されている絶縁油は，熱による酸化劣化や高電圧放電などを原因として，使用中に水素ガスやアセチレンガスなどの可燃性ガスが発生することが知られている。
【０００３】
これらの可燃性ガスは容易に絶縁油に溶解する。このため，絶縁油をサンプリングしてその中に含まれるガス成分を計測することによってケーブルや機器における絶縁劣化の診断が可能である。例えば，次のようにして，絶縁油中の可燃性ガス濃度が測定される。ＯＦケーブルや油入変圧器等の機器が設置されている現場から多量の絶縁油を採取する。その採取油を分析可能な別の場所に運び，減圧吸引ポンプによって採取油から含有ガスを抽出し，その抽出ガスをガスクロマトグラフィー装置で分離定量する。
【０００４】
しかしながら，この方法では，濃度測定に至るまでの作業が極めて煩雑である上に多量の油を必要とするため，測定に多大な時間と労力を要する。また，個々のガス量が予め定められたしきい値を越えているか否かを人間が判断することにより，油入変圧器の良否を判定していた。
【０００５】
他方で１５００ｎｍ帯のレーザ光を用いて可燃性ガスであるアセチレンガスを検出する方法も存在する（特許文献１，２参照）。しかし，この波長ではアセチレンの吸収強度が弱いため，低濃度での測定時には高度な解析手法が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−９４６１１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５６０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように，従来の方法では絶縁劣化診断を行うための濃度測定に多大な時間と極めて煩雑な作業が必要になるという問題点があった。
上記に鑑み，本発明は，ガスを効率的に検出できるガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一態様に係るガスセンサは，１５００ｎｍ以上，１６００ｎｍ以下の少なくとも一部を含む第１の波長域の光を掃引発振する第１のレーザ光源と，１０００ｎｍ以上，１１００ｎｍ以下の第２の波長域の光を発振する第２のレーザ光源と，前記第１，第２のレーザ光源からの光を混合する混合器と，前記混合された光からの差周波発生により３２００ｎｍ以上，３４００ｎｍ以下の第３の波長域の光を生成する波長変換素子と，検査対象ガスが封入され，かつ前記生成された光が通過する内部空間を有する容器と，前記内部空間を通過した光を受光する光検出器と，前記光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する算出器と，を具備する。
【０００９】
一態様に係るガスセンサは，３０００ｎｍ以上，３５００ｎｍ以下の少なくとも一部を含む第１の波長域の光を掃引発振するレーザ光源と，前記レーザ光源からの光の二次高調波により１５００ｎｍ以上，１８００ｎｍ以下の第２の波長域の光を生成し，前記第１の波長域の光と共に出射する波長変換素子と，検査対象ガスが封入され，かつ前記出射された光が通過する内部空間を有する容器と，前記内部空間を通過した光を第１，第２の波長域に光に区分する光区分器と，前記光区分器により区分された第１の波長域の光を受光する第１の光検出器と，前記光区分器により区分された第２の波長域の光を受光する第２の光検出器と，前記第１，第２の光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する算出器と，を具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば，ガスを効率的に検出できるガスセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係るガスセンサの基本構成を示す図である。
【図２】３ミクロン帯のアセチレンの吸収線強度を示す図である。
【図３】１．５ミクロン帯のアセチレンの吸収線強度を示す図である。
【図４】３ミクロン帯のＨ２Ｏの吸収線強度を示す図である。
【図５】３ミクロン帯のＣＯ２の吸収線強度を示す図である。
【図６】３ミクロン帯のＣＨ４の吸収線強度を示す図である。
【図７】３ミクロン帯のＨＦの吸収線強度を示す図である。
【図８】３ミクロン帯のＣ２Ｈ４の吸収線強度を示す図である。
【図９】１．５ミクロン帯のＨ２Ｏの吸収線強度を示す図である。
【図１０】１．５ミクロン帯のＣＯ２の吸収線強度を示す図である。
【図１１】１．５ミクロン帯のＣＯの吸収線強度を示す図である。
【図１２】１．５ミクロン帯のＣＨ４の吸収線強度を示す図である。
【図１３】光源１０ａを波長λ１，λ２間で掃引発振したときの波長λと信号Ｓａの強度の関係を表すグラフである。
【図１４】第２実施形態に係るガスセンサの基本構成を示す図である。
【図１５】第３実施形態に係るガスセンサの基本構成を示す図である。
【図１６】第４実施形態に係るガスセンサの基本構成を示す図である。
【図１７】第５実施形態に係るガスセンサの基本構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
以下，第１の実施形態について図を参照して説明する。
図１は，第１の実施形態に係る油中ガス測定用センサ装置を表す模式図である。油中ガス測定用センサ装置は，光源１０ａ，１０ｂ，光ファイバ１３ａ〜１３ｄ，ビームスプリッタ１１，反射鏡１２，ＷＤＭ１４，波長変換素子１５，光フィルタ１６，ガスセル１７，光検出器１８ａ，１８ｂ，算出器１９から成る。
【００１３】
光源１０ａは，電源や変調器に接続され，１５００ｎｍ以上，１６００ｎｍ以下の少なくとも一部を含む波長域Ｗ１の光を掃引発振する。即ち，光源１０ａは，波長域Ｗ１内で，発振波長を掃引（変更）できる。
【００１４】
光源１０ｂは，電源や変調器に接続され，１０００ｎｍ以上，１１００ｎｍ以下の波長域Ｗ２（例えば，１０００ｎｍ近傍）の光を発振する。なお，光源１０ｂの発振波長は固定で良い。光源１０ｂの一例として，略１，０３８ｎｍの発光波長のファイバレーザを利用できる。
【００１５】
光ファイバ１３ａ〜１３ｄは，光を伝送する伝送路である。光ファイバ１３ａ，１３ｂはそれぞれ，光源１０ａ，１０ｂからの光を伝送する。光ファイバ１３ｃは，ＷＤＭ１４で混合された光源１０ａ，１０ｂからの光を伝送する。光ファイバ１３ｄは，波長変換素子１５で生成され，光フィルタ１６を通過した後述の波長域Ｗ３（例えば，３０００ｎｍ帯）の光を伝送する。光ファイバ１３ｂを用いず，光源１０ｂから発振した光をＷＤＭ１４に直接導入しても良い。
【００１６】
ビームスプリッタ１１は，光源１０ａからの光を２つの光に分岐（分割）する。このとき，光検出器１８ａ，１８ｂに入射する光の強度が適切な比率になるよう，分割の比率に適宜の値が設定される。
【００１７】
反射鏡１２は，ビームスプリッタ１１からの光を反射し，ＷＤＭ１４に入射させる。なお，反射鏡１２を用いずに，ビームスプリッタ１１からの光を直接ＷＤＭ１４に導入しても良い。
【００１８】
ＷＤＭ１４は，反射鏡１２からの反射光と光ファイバ１３ｂからの伝送光を混合する。ＷＤＭ１４は，光源１０ａ，１０ｂそれぞれからの波長域Ｗ１，Ｗ２の光を入射して出射(合波)するＷＤＭ(Wavelength Division Multiplexing：波長分割多重方式)カプラである。複数の光ファイバを多重化してＷＤＭカプラを形成できる。
【００１９】
波長変換素子１５に，ＷＤＭ１４中で混合された波長域Ｗ１，Ｗ２の光（例えば，１５００ｎｍ帯の光と１０００ｎｍ帯の光）が導入され，波長域Ｗ１，Ｗ２の光からの差周波発生により，波長域Ｗ３の光（例えば，３０００ｎｍ帯（特に，３２００ｎｍ以上，３４００ｎｍ以下）の光）が発生する。
【００２０】
この波長変換素子１５として，ＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム (periodically-poled lithium niobate) ）を利用できる。周期的な分極反転構造を有した非線形光学結晶（ＰＰＬＮ等）を用いることで，大きな非線型光学定数を利用した，高変換効率な波長変換が可能となる。ＰＰＬＮの分極反転周期を変化させることによって，様々な波長の光を生成できる。
【００２１】
式（１）は，波長域Ｗ１，Ｗ２の光による差周波発生を表す。
Ｋｉ＝Ｋｐ−Ｋｓ …式（１）
Ｋｉ：アイドラ光
Ｋｐ：ポンプ光
Ｋｓ：シグナル光
本実施形態では，波長域Ｗ１，Ｗ２の光がそれぞれ，シグナル光，ポンプ光となり，アイドラ光たる波長域Ｗ３の光が発生する。
【００２２】
波長変換素子１５で発生した差周波光は，光フィルタ１６に入射される。光フィルタ１６は，波長域Ｗ３の光を透過し，波長域Ｗ１，Ｗ２の光を遮断する。光フィルタ１６は，例えば，１５００ｎｍ以下の光を遮断する，Ｇｅ（ゲルマニウム）から構成できる。
【００２３】
ガスセル１７は，検査対象ガスが封入され，かつビームスプリッタ１１からの波長域Ｗ１の光および光フィルタ１６からの波長域Ｗ３の光が通過する内部空間を有する容器である。波長域Ｗ１，Ｗ３の光がそれぞれ，ガスセル１７内を通過し，対象ガスとの相互作用により，吸収される。
【００２４】
検査対象ガスは，ＯＦケーブルや油入変圧器等の機器の絶縁油から抽出されたガスを利用できる。検査対象ガスには，検出対象たる所定のガスとして，Ｃ２Ｈ２（アセチレンガス），Ｈ２Ｏ（水蒸気），ＣＯ２（炭酸ガス），ＣＨ４（メタンガス），ＨＦ（フッ化水素ガス），Ｃ２Ｈ４（エチレンガス）の少なくともいずれかが含まれる。
【００２５】
図２〜図１２に，検出対象たる所定のガス（Ｃ２Ｈ２（アセチレンガス），Ｈ２Ｏ（水蒸気），ＣＯ２（炭酸ガス），ＣＨ４（メタンガス），ＨＦ（フッ化水素ガス），Ｃ２Ｈ４（エチレンガス））の吸収線強度を示す。これらの図に示されるように，波長域Ｗ１，Ｗ３の光を用いることで，これら所定のガスを検出できる。
【００２６】
光検出器１８ａ，１８ｂはそれぞれ，波長域Ｗ１，Ｗ３の光を受光し，信号Ｓａ，Ｓｂを出力する。Ｃ２Ｈ２（アセチレンガス），Ｈ２Ｏ（水蒸気），ＣＯ２（炭酸ガス），ＣＨ４（メタンガス）は，光検出器１８ａ，１８ｂ（波長域Ｗ１，Ｗ３の光）の双方で検出可能である。ＨＦ（フッ化水素ガス），Ｃ２Ｈ４（エチレンガス）は，光検出器１８ｂ（波長域Ｗ３の光）で検出可能である。
【００２７】
算出器１９は，光検出器１８ａ，１８ｂからの信号Ｓａ，Ｓｂの一方のみで，検査対象ガス中の所定のガスの量を算出できる。また，算出器１９は，光検出器１８ａ，１８ｂからの信号Ｓａ，Ｓｂの双方に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量の算出結果を検証できる。
【００２８】
図１３は，光源１０ａを波長λ１，λ２間で掃引発振したときの波長域Ｗ１の光の波長λと信号Ｓａの強度の関係を表すグラフＧを表す。ここでは，波長λ１，λ２間に波長λｐをピークとする吸収ピークＰ１（所定のガスいずれかの吸収ピーク）が出現するように，光源１０ａの掃引範囲が設定されている。なお，複数の吸収ピークが含まれるように掃引範囲を設定しても良い。
【００２９】
ここで，波長λ１，λ２間を領域Ａ０〜Ａ２に区分できる。領域Ａ０は，吸収ピークＰ１に対応する波長λｐを含み，吸収ピークＰ１の影響を受ける領域である。領域Ａ１，Ａ２は，吸収ピークＰ１の影響を事実上受けない領域である。領域Ａ１，Ａ２での信号Ｓａの強度を内挿したグラフＧ０は，アセチレンガス等の吸収が無いときの信号Ｓａの強度を表すと考えられる。
【００３０】
即ち，波長λｐでのグラフＧ０，Ｇ１の値Ｐ０，Ｐ１の比が，吸収ピークＰ１による吸収を表すと考えられる。
Ｐ１／Ｐ０＝Ｅｘｐ（−α＊Ｎ＊Ｌ） ……式（２）
α： 吸収ピークＰ１の吸収係数
Ｎ： 吸収ピークＰ１に対応するガスの濃度
Ｌ： ガスセル１７内での光路長
【００３１】
以上のように，領域Ａ０でのピーク値Ｐ１と，このピーク値Ｐ１に対応する波長λｐでの，領域Ａ１，Ａ２での内挿値Ｐ０に基づいて，ガスの濃度Ｎを算出できる。即ち，光源１０ａからの波長域Ｗ１の光の波長を掃引し，光検出器１８ａからの信号Ｓａの波長−強度のグラフＧを求めることで，ガスの濃度Ｎを算出している。
【００３２】
光源１０ａからの波長域Ｗ１の光の波長を掃引すると，波長変換素子１５から発生する波長域Ｗ３の光の波長も変化する。このため，同様に，光検出器１８ｂからの信号Ｓｂの波長−強度のグラフを求めることで，ガスの濃度Ｎを算出可能である。
【００３３】
即ち，光源１０ａを掃引発振することで，光検出器１８ａ，１８ｂそれぞれで，波長域Ｗ１，Ｗ３それぞれについて，ガスの濃度Ｎ１，Ｎ２を算出できる。そして，このガスの濃度Ｎ１，Ｎ２が対応していれば，算出器１９による算出結果が良好であると判定（検証）できる。一方，濃度Ｎ１，Ｎ２がある程度以上異なると，算出器１９による算出が良好でないと判定できる。
【００３４】
また，波長域Ｗ１，Ｗ３それぞれについて，異なるガスを検出することも可能となる。
【００３５】
ここで，ガスセル１７内に濃度が判った所定のガスを封入し，このガスの吸収波長λｐでのグラフＧ０，Ｇ１の値Ｐ０，Ｐ１の比Ｐ１／Ｐ０を求めることで，比Ｐ１／Ｐ０またはその対数とガスセル１７中での所定のガスの濃度との関係を表すテーブルＴを作成できる。作成されたテーブルＴは，算出器１９内に記憶させ，所定のガスの濃度の算出に利用できる。
【００３６】
以上では，ガスの吸収波長λｐでのグラフＧ０，Ｇ１の値Ｐ０，Ｐ１に基づいて，所定のガスの濃度を算出している。
これに対して，次の式（３）で示される，グラフＧ０，Ｇ１の積分値Ｉ０，Ｉ１に基づいて，所定のガスの濃度を算出しても良い。
【００３７】
Ｉ０＝∫λ＝λ１λ＝λ２Ｇ０（λ）ｄλ
Ｉ１＝∫λ＝λ１λ＝λ２Ｇ１（λ）ｄλ ……式（３）
【００３８】
例えば，ガスセル１７内に濃度が判った所定のガスを封入し，例えば，積分値Ｉ０，Ｉ１の比（Ｉ１／Ｉ０）を求めることで，比（Ｉ１／Ｉ０）またはその対数とガスセル１７中での所定のガスの濃度との関係を表すテーブルＴを作成できる。作成されたテーブルＴを算出器１９内に記憶させ，所定のガスの濃度の算出に利用できる。
【００３９】
（油中ガス測定用センサ装置の動作）
次に，油中ガス測定用センサ装置の動作を説明する。光源１０ａからのレーザ光が，ビームスプリッタ１１によって分割される。分割された一方の光は，光ファイバ１３ｃを介しガスセル１７に導入され，ガスセル１７内の対象ガスと相互作用する。その後，光のエネルギーの吸収現象が生じ，光はガスセル１７を通過し光検出器１８ａに到達し検出される。
【００４０】
もう一方の分割された光は反射鏡１２を介し，ＷＤＭ１４に導入される。
光源１０ｂから発振した光は光ファイバ１３ｂ中を伝播しＷＤＭ１４に導入される。波長変換素子１５に，ＷＤＭ１４中で混合された波長域Ｗ１，Ｗ２の光が導入され，差周波発生により波長域Ｗ３の光が発生する。
発生した差周波光は，光フィルタ１６を通過し，波長域Ｗ１，Ｗ２の光（１５００ｎｍ以下の光）を遮断した後に，ガスセル１７内を通過し，光検出器１８ｂに到達し検出される。
【００４１】
本実施形態に係る油中ガス測定用センサ装置では，波長域Ｗ１（１５００ｎｍ帯）の光と波長域Ｗ２（１０００ｎｍ帯）の光を用いた差周波発生により波長域Ｗ３（３０００ｎｍ帯）の光を生成する。生成された波長域Ｗ３の光を利用して吸収分光法を適用することで，変圧器用絶縁油内で発生したアセチレンガス等の所定のガスを検出する。
【００４２】
波長域Ｗ３（３０００ｎｍ帯）でのアセチレンの吸収強度は波長域Ｗ１（１５００ｎｍ帯）での吸収強度に対してはるかに強く，高感度な検出が容易になる。また，２つの波長の光を用いる事ができるため，２つの検出結果を検証したり，異なる種類の測定対象を同時に計測したりすることが可能となる。
【００４３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について図１４を参照して説明する。図１４は第２の実施形態に係る油中ガス測定用センサ装置を表す模式図である。この油中ガス測定用センサ装置は光源１０ａ，１０ｂ，光ファイバ１３ａ〜１３ｃ，ＷＤＭ１４，波長変換素子１５，光フィルタ１６，ガスセル１７，光検出器１８，算出器１９を有する。
【００４４】
光源１０ａ，１０ｂからの波長域Ｗ１，Ｗ２の光は，光ファイバ１３ａ，１３ｂを介して，ＷＤＭ１４に導入，混合される。なお，光源１０ａ，１０ｂから発振した光は，光ファイバ１３ａ，１３ｂを介さず，ＷＤＭ１４に直接導入しても構わない。
【００４５】
波長変換素子１５に，ＷＤＭ１４中で混合された波長域Ｗ１，Ｗ２の光（例えば，１５００ｎｍ帯の光と１０００ｎｍ帯の光）が導入され，波長域Ｗ１，Ｗ２の光からの差周波発生により，波長域Ｗ３の光（例えば，３０００ｎｍ帯（特に，３２００ｎｍ以上，３４００ｎｍ以下）の光）が発生する。
【００４６】
波長変換素子１５で発生した差周波光を含む波長域Ｗ１〜Ｗ３の光は，光ファイバ１３ｃを介し，光フィルタ１６に入射される。なお，光ファイバ１３ｃを省略し，波長変換素子１５からの光を光フィルタ１６に直接入射しても良い。
【００４７】
光フィルタ１６によって，波長域Ｗ１，Ｗ２の光を遮断し，波長域Ｗ３の光１をガスセル１７に導入する。
光検出器１８は，波長域Ｗ３の光を受光し，信号Ｓを出力する。光検出器１８によって，ガスセル１７での吸光を測定することで，Ｃ２Ｈ２（アセチレンガス），Ｈ２Ｏ（水蒸気），ＣＯ２（炭酸ガス），ＣＨ４（メタンガス），ＨＦ（フッ化水素ガス），Ｃ２Ｈ４（エチレンガス）の検出が可能である。
【００４８】
本実施形態では，波長域Ｗ３（３０００ｎｍ帯）の光を用いて，アセチレン等の高感度な検出が容易になる。第１の実施形態と異なり，波長域Ｗ１の光は検出に用いられない。
その他の点では，本実施形態は，第１の実施形態と本質的に変わるものでないので，詳細な説明を省略する。
【００４９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について図１５を参照して説明する。図１５は第３の実施形態に係る油中ガス測定用センサ装置を表す模式図である。この油中ガス測定用センサ装置は光源１０ａ，１０ｂ，光ファイバ１３，ＷＤＭ１４，波長変換素子１５，ガスセル１７，光検出器１８ａ，１８ｂ，プリズム２０，算出器１９を有する。
【００５０】
プリズム２０は，ガスセル１７と光検出器１８ａ，１８ｂの間に配置され，ガスセル１７からの光を分光し，波長域Ｗ１，Ｗ３の光を光検出器１８ａ，１８ｂに受光させる分光器である。
【００５１】
光源１０ａ，１０ｂからの波長域Ｗ１，Ｗ２の光は，光ファイバ１３ａ，１３ｂを介して，ＷＤＭ１４に導入，混合される。なお，光源１０ａ，１０ｂから発振した光は，光ファイバ１３ａ，１３ｂを介さず，ＷＤＭ１４に直接導入しても構わない。
【００５２】
波長変換素子１５に，ＷＤＭ１４中で混合された波長域Ｗ１，Ｗ２の光（例えば，１５００ｎｍ帯の光と１０００ｎｍ帯の光）が導入され，波長域Ｗ１，Ｗ２の光からの差周波発生により，波長域Ｗ３の光（例えば，３０００ｎｍ帯（特に，３２００ｎｍ以上，３４００ｎｍ以下）の光）が発生する。
【００５３】
本実施形態では，波長変換素子１５で発生した差周波光は，光ファイバ１３ｃを介し，ガスセル１７に導入される。光フィルタ１６を介さないことから，ガスセル１７に導入される光は波長域Ｗ１〜Ｗ３の光を含む。
【００５４】
ガスセル１７を通過した光は，プリズム２０により分光され，各波長域Ｗ１〜Ｗ３の光に分散される。分散された波長域Ｗ１，Ｗ３の光（１５００ｎｍ帯の光，３０００ｎｍ帯の光）はそれぞれ，光検出器１８ａ，１８ｂに受光される。なお，波長域Ｗ２（１０００ｎｍ帯）の光は，分散によって光検出器１８ａ，１８ｂには導入されない。但し，波長域Ｗ２（１０００ｎｍ帯）の光を除去するフィルタをプリズム２０と光検出器１８ａ，１８ｂの間に配置しても良い。
【００５５】
本実施形態での算出器１９での処理内容は，第１の実施形態と実質的な相違がないため，記載を省略する。
【００５６】
（第４の実施形態）
第４の実施形態について図１６を参照して説明する。図１６は第４の実施形態に係る油中ガス測定用センサ装置を表す模式図である。この油中ガス測定用センサ装置は，光源１０ａ，１０ｃ，ＷＤＭ１４，ガスセル１７，プリズム２０，光検出器１８ａ，１８ｂ，算出器１９を有する。
【００５７】
光源１０ｃは，電源や変調器に接続され，波長域Ｗ４（例えば，３０００ｎｍ以上，３５００ｎｍ以下）の少なくとも一部を含む光を掃引発振する。即ち，光源１０ｃは，波長域Ｗ４内で，発振波長を掃引（変更）できる。
【００５８】
光源１０ａ，１０ｃからの波長域Ｗ１，Ｗ４の光は，光ファイバ１３ａ，１３ｂを介して，ＷＤＭ１４に導入，混合される。なお，光源１０ａ，１０ｂから発振した光は，光ファイバ１３ａ，１３ｂを介さず，ＷＤＭ１４に直接導入しても構わない。
【００５９】
ＷＤＭ１４中で混合された波長域Ｗ１，Ｗ４の光（１５００ｎｍ帯の光と３０００ｎｍ帯の光）は，ガスセル１７に導入される。即ち，ガスセル１７に導入される光は波長域Ｗ１，Ｗ４の光を含む。
【００６０】
ガスセル１７を通過した光は，プリズム２０により分光され，各波長帯の光を分散される。分散した波長域Ｗ１，Ｗ４の光（１５００ｎｍ帯の光，３０００ｎｍ帯の光）はそれぞれ，光検出器１８ａ，１８ｂに受光される。
【００６１】
本実施形態での算出器１９での処理内容は，第１の実施形態と実質的な相違がないため，記載を省略する。
【００６２】
（第５の実施形態）
第５の実施形態について図１７を参照して説明する。図１７は第５の実施形態に係る油中ガス測定用センサ装置を表す模式図である。この油中ガス測定用センサ装置は，光源１０ｃ，光ファイバ１３ａ，１３ｂ，波長変換素子１５ａ，ガスセル１７，光検出器１８ａ，１８ｂ，プリズム２０，算出器１９を有する。
【００６３】
既述のように，光源１０ｃは，電源や変調器に接続され，波長域Ｗ４（例えば，３０００ｎｍ〜３５００ｎｍ）の少なくとも一部を含む光を掃引発振する。即ち，光源１０ｃは，波長域Ｗ４内で，発振波長を掃引（変更）できる。
【００６４】
波長変換素子１５ａに，光源１０ａから掃引発振された波長域Ｗ４のレーザ光が導入され，波長域Ｗ４の光からの第二次高調波発生により，波長域Ｗ５の光（例えば，１５００ｎｍ帯（特に，１５００ｎｍ以上，１８００ｎｍ以下）の光）が発生する。
【００６５】
この波長変換素子１５ａとして，ＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム (periodically-poled lithium niobate) ）を利用できる。
【００６６】
式（５）は，波長域Ｗ４の光による第二次高調波発生を表す。
ＫＰ＝２＊Ｋｉ …式（５）
Ｋｐ：ポンプ光
Ｋｉ：アイドラ光
本実施形態では，波長域Ｗ４の光が，ポンプ光となり，アイドラ光たる波長域Ｗ５の光が発生する。
【００６７】
本実施形態では，波長変換素子１５ａで発生した第二次高調波は，光ファイバ１３ｂを介し，ガスセル１７に導入される。ガスセル１７に導入される光は波長域Ｗ４，Ｗ５の光を含む。
【００６８】
ガスセル１７を通過した光は，プリズム２０により分光され，各波長帯の光を分散される。分散した波長域Ｗ５，Ｗ４の光（１５００ｎｍ帯の光，３０００ｎｍ帯の光）はそれぞれ，光検出器１８ａ，１８ｂに受光される。
【００６９】
本実施形態での算出器１９での処理内容は，第１の実施形態と実質的な相違がないため，記載を省略する。
【００７０】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光源
１１ ビームスプリッタ
１２ 反射鏡
１３ａ〜１３ｄ 光ファイバ
１４ ＷＤＭ
１５ 波長変換素子
１５ａ 波長変換素子
１６ 光フィルタ
１７ ガスセル
１８，１８ａ，１８ｂ 光検出器
１９ 算出器
２０ プリズム
【技術分野】
【０００１】
本発明は，近赤外・中赤外領域の光を使用してガスを検出できるガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
油入りケーブル（ＯＦケーブル）や油入変圧器に使用されている絶縁油は，熱による酸化劣化や高電圧放電などを原因として，使用中に水素ガスやアセチレンガスなどの可燃性ガスが発生することが知られている。
【０００３】
これらの可燃性ガスは容易に絶縁油に溶解する。このため，絶縁油をサンプリングしてその中に含まれるガス成分を計測することによってケーブルや機器における絶縁劣化の診断が可能である。例えば，次のようにして，絶縁油中の可燃性ガス濃度が測定される。ＯＦケーブルや油入変圧器等の機器が設置されている現場から多量の絶縁油を採取する。その採取油を分析可能な別の場所に運び，減圧吸引ポンプによって採取油から含有ガスを抽出し，その抽出ガスをガスクロマトグラフィー装置で分離定量する。
【０００４】
しかしながら，この方法では，濃度測定に至るまでの作業が極めて煩雑である上に多量の油を必要とするため，測定に多大な時間と労力を要する。また，個々のガス量が予め定められたしきい値を越えているか否かを人間が判断することにより，油入変圧器の良否を判定していた。
【０００５】
他方で１５００ｎｍ帯のレーザ光を用いて可燃性ガスであるアセチレンガスを検出する方法も存在する（特許文献１，２参照）。しかし，この波長ではアセチレンの吸収強度が弱いため，低濃度での測定時には高度な解析手法が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−９４６１１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５６０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように，従来の方法では絶縁劣化診断を行うための濃度測定に多大な時間と極めて煩雑な作業が必要になるという問題点があった。
上記に鑑み，本発明は，ガスを効率的に検出できるガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一態様に係るガスセンサは，１５００ｎｍ以上，１６００ｎｍ以下の少なくとも一部を含む第１の波長域の光を掃引発振する第１のレーザ光源と，１０００ｎｍ以上，１１００ｎｍ以下の第２の波長域の光を発振する第２のレーザ光源と，前記第１，第２のレーザ光源からの光を混合する混合器と，前記混合された光からの差周波発生により３２００ｎｍ以上，３４００ｎｍ以下の第３の波長域の光を生成する波長変換素子と，検査対象ガスが封入され，かつ前記生成された光が通過する内部空間を有する容器と，前記内部空間を通過した光を受光する光検出器と，前記光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する算出器と，を具備する。
【０００９】
一態様に係るガスセンサは，３０００ｎｍ以上，３５００ｎｍ以下の少なくとも一部を含む第１の波長域の光を掃引発振するレーザ光源と，前記レーザ光源からの光の二次高調波により１５００ｎｍ以上，１８００ｎｍ以下の第２の波長域の光を生成し，前記第１の波長域の光と共に出射する波長変換素子と，検査対象ガスが封入され，かつ前記出射された光が通過する内部空間を有する容器と，前記内部空間を通過した光を第１，第２の波長域に光に区分する光区分器と，前記光区分器により区分された第１の波長域の光を受光する第１の光検出器と，前記光区分器により区分された第２の波長域の光を受光する第２の光検出器と，前記第１，第２の光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する算出器と，を具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば，ガスを効率的に検出できるガスセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係るガスセンサの基本構成を示す図である。
【図２】３ミクロン帯のアセチレンの吸収線強度を示す図である。
【図３】１．５ミクロン帯のアセチレンの吸収線強度を示す図である。
【図４】３ミクロン帯のＨ２Ｏの吸収線強度を示す図である。
【図５】３ミクロン帯のＣＯ２の吸収線強度を示す図である。
【図６】３ミクロン帯のＣＨ４の吸収線強度を示す図である。
【図７】３ミクロン帯のＨＦの吸収線強度を示す図である。
【図８】３ミクロン帯のＣ２Ｈ４の吸収線強度を示す図である。
【図９】１．５ミクロン帯のＨ２Ｏの吸収線強度を示す図である。
【図１０】１．５ミクロン帯のＣＯ２の吸収線強度を示す図である。
【図１１】１．５ミクロン帯のＣＯの吸収線強度を示す図である。
【図１２】１．５ミクロン帯のＣＨ４の吸収線強度を示す図である。
【図１３】光源１０ａを波長λ１，λ２間で掃引発振したときの波長λと信号Ｓａの強度の関係を表すグラフである。
【図１４】第２実施形態に係るガスセンサの基本構成を示す図である。
【図１５】第３実施形態に係るガスセンサの基本構成を示す図である。
【図１６】第４実施形態に係るガスセンサの基本構成を示す図である。
【図１７】第５実施形態に係るガスセンサの基本構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
以下，第１の実施形態について図を参照して説明する。
図１は，第１の実施形態に係る油中ガス測定用センサ装置を表す模式図である。油中ガス測定用センサ装置は，光源１０ａ，１０ｂ，光ファイバ１３ａ〜１３ｄ，ビームスプリッタ１１，反射鏡１２，ＷＤＭ１４，波長変換素子１５，光フィルタ１６，ガスセル１７，光検出器１８ａ，１８ｂ，算出器１９から成る。
【００１３】
光源１０ａは，電源や変調器に接続され，１５００ｎｍ以上，１６００ｎｍ以下の少なくとも一部を含む波長域Ｗ１の光を掃引発振する。即ち，光源１０ａは，波長域Ｗ１内で，発振波長を掃引（変更）できる。
【００１４】
光源１０ｂは，電源や変調器に接続され，１０００ｎｍ以上，１１００ｎｍ以下の波長域Ｗ２（例えば，１０００ｎｍ近傍）の光を発振する。なお，光源１０ｂの発振波長は固定で良い。光源１０ｂの一例として，略１，０３８ｎｍの発光波長のファイバレーザを利用できる。
【００１５】
光ファイバ１３ａ〜１３ｄは，光を伝送する伝送路である。光ファイバ１３ａ，１３ｂはそれぞれ，光源１０ａ，１０ｂからの光を伝送する。光ファイバ１３ｃは，ＷＤＭ１４で混合された光源１０ａ，１０ｂからの光を伝送する。光ファイバ１３ｄは，波長変換素子１５で生成され，光フィルタ１６を通過した後述の波長域Ｗ３（例えば，３０００ｎｍ帯）の光を伝送する。光ファイバ１３ｂを用いず，光源１０ｂから発振した光をＷＤＭ１４に直接導入しても良い。
【００１６】
ビームスプリッタ１１は，光源１０ａからの光を２つの光に分岐（分割）する。このとき，光検出器１８ａ，１８ｂに入射する光の強度が適切な比率になるよう，分割の比率に適宜の値が設定される。
【００１７】
反射鏡１２は，ビームスプリッタ１１からの光を反射し，ＷＤＭ１４に入射させる。なお，反射鏡１２を用いずに，ビームスプリッタ１１からの光を直接ＷＤＭ１４に導入しても良い。
【００１８】
ＷＤＭ１４は，反射鏡１２からの反射光と光ファイバ１３ｂからの伝送光を混合する。ＷＤＭ１４は，光源１０ａ，１０ｂそれぞれからの波長域Ｗ１，Ｗ２の光を入射して出射(合波)するＷＤＭ(Wavelength Division Multiplexing：波長分割多重方式)カプラである。複数の光ファイバを多重化してＷＤＭカプラを形成できる。
【００１９】
波長変換素子１５に，ＷＤＭ１４中で混合された波長域Ｗ１，Ｗ２の光（例えば，１５００ｎｍ帯の光と１０００ｎｍ帯の光）が導入され，波長域Ｗ１，Ｗ２の光からの差周波発生により，波長域Ｗ３の光（例えば，３０００ｎｍ帯（特に，３２００ｎｍ以上，３４００ｎｍ以下）の光）が発生する。
【００２０】
この波長変換素子１５として，ＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム (periodically-poled lithium niobate) ）を利用できる。周期的な分極反転構造を有した非線形光学結晶（ＰＰＬＮ等）を用いることで，大きな非線型光学定数を利用した，高変換効率な波長変換が可能となる。ＰＰＬＮの分極反転周期を変化させることによって，様々な波長の光を生成できる。
【００２１】
式（１）は，波長域Ｗ１，Ｗ２の光による差周波発生を表す。
Ｋｉ＝Ｋｐ−Ｋｓ …式（１）
Ｋｉ：アイドラ光
Ｋｐ：ポンプ光
Ｋｓ：シグナル光
本実施形態では，波長域Ｗ１，Ｗ２の光がそれぞれ，シグナル光，ポンプ光となり，アイドラ光たる波長域Ｗ３の光が発生する。
【００２２】
波長変換素子１５で発生した差周波光は，光フィルタ１６に入射される。光フィルタ１６は，波長域Ｗ３の光を透過し，波長域Ｗ１，Ｗ２の光を遮断する。光フィルタ１６は，例えば，１５００ｎｍ以下の光を遮断する，Ｇｅ（ゲルマニウム）から構成できる。
【００２３】
ガスセル１７は，検査対象ガスが封入され，かつビームスプリッタ１１からの波長域Ｗ１の光および光フィルタ１６からの波長域Ｗ３の光が通過する内部空間を有する容器である。波長域Ｗ１，Ｗ３の光がそれぞれ，ガスセル１７内を通過し，対象ガスとの相互作用により，吸収される。
【００２４】
検査対象ガスは，ＯＦケーブルや油入変圧器等の機器の絶縁油から抽出されたガスを利用できる。検査対象ガスには，検出対象たる所定のガスとして，Ｃ２Ｈ２（アセチレンガス），Ｈ２Ｏ（水蒸気），ＣＯ２（炭酸ガス），ＣＨ４（メタンガス），ＨＦ（フッ化水素ガス），Ｃ２Ｈ４（エチレンガス）の少なくともいずれかが含まれる。
【００２５】
図２〜図１２に，検出対象たる所定のガス（Ｃ２Ｈ２（アセチレンガス），Ｈ２Ｏ（水蒸気），ＣＯ２（炭酸ガス），ＣＨ４（メタンガス），ＨＦ（フッ化水素ガス），Ｃ２Ｈ４（エチレンガス））の吸収線強度を示す。これらの図に示されるように，波長域Ｗ１，Ｗ３の光を用いることで，これら所定のガスを検出できる。
【００２６】
光検出器１８ａ，１８ｂはそれぞれ，波長域Ｗ１，Ｗ３の光を受光し，信号Ｓａ，Ｓｂを出力する。Ｃ２Ｈ２（アセチレンガス），Ｈ２Ｏ（水蒸気），ＣＯ２（炭酸ガス），ＣＨ４（メタンガス）は，光検出器１８ａ，１８ｂ（波長域Ｗ１，Ｗ３の光）の双方で検出可能である。ＨＦ（フッ化水素ガス），Ｃ２Ｈ４（エチレンガス）は，光検出器１８ｂ（波長域Ｗ３の光）で検出可能である。
【００２７】
算出器１９は，光検出器１８ａ，１８ｂからの信号Ｓａ，Ｓｂの一方のみで，検査対象ガス中の所定のガスの量を算出できる。また，算出器１９は，光検出器１８ａ，１８ｂからの信号Ｓａ，Ｓｂの双方に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量の算出結果を検証できる。
【００２８】
図１３は，光源１０ａを波長λ１，λ２間で掃引発振したときの波長域Ｗ１の光の波長λと信号Ｓａの強度の関係を表すグラフＧを表す。ここでは，波長λ１，λ２間に波長λｐをピークとする吸収ピークＰ１（所定のガスいずれかの吸収ピーク）が出現するように，光源１０ａの掃引範囲が設定されている。なお，複数の吸収ピークが含まれるように掃引範囲を設定しても良い。
【００２９】
ここで，波長λ１，λ２間を領域Ａ０〜Ａ２に区分できる。領域Ａ０は，吸収ピークＰ１に対応する波長λｐを含み，吸収ピークＰ１の影響を受ける領域である。領域Ａ１，Ａ２は，吸収ピークＰ１の影響を事実上受けない領域である。領域Ａ１，Ａ２での信号Ｓａの強度を内挿したグラフＧ０は，アセチレンガス等の吸収が無いときの信号Ｓａの強度を表すと考えられる。
【００３０】
即ち，波長λｐでのグラフＧ０，Ｇ１の値Ｐ０，Ｐ１の比が，吸収ピークＰ１による吸収を表すと考えられる。
Ｐ１／Ｐ０＝Ｅｘｐ（−α＊Ｎ＊Ｌ） ……式（２）
α： 吸収ピークＰ１の吸収係数
Ｎ： 吸収ピークＰ１に対応するガスの濃度
Ｌ： ガスセル１７内での光路長
【００３１】
以上のように，領域Ａ０でのピーク値Ｐ１と，このピーク値Ｐ１に対応する波長λｐでの，領域Ａ１，Ａ２での内挿値Ｐ０に基づいて，ガスの濃度Ｎを算出できる。即ち，光源１０ａからの波長域Ｗ１の光の波長を掃引し，光検出器１８ａからの信号Ｓａの波長−強度のグラフＧを求めることで，ガスの濃度Ｎを算出している。
【００３２】
光源１０ａからの波長域Ｗ１の光の波長を掃引すると，波長変換素子１５から発生する波長域Ｗ３の光の波長も変化する。このため，同様に，光検出器１８ｂからの信号Ｓｂの波長−強度のグラフを求めることで，ガスの濃度Ｎを算出可能である。
【００３３】
即ち，光源１０ａを掃引発振することで，光検出器１８ａ，１８ｂそれぞれで，波長域Ｗ１，Ｗ３それぞれについて，ガスの濃度Ｎ１，Ｎ２を算出できる。そして，このガスの濃度Ｎ１，Ｎ２が対応していれば，算出器１９による算出結果が良好であると判定（検証）できる。一方，濃度Ｎ１，Ｎ２がある程度以上異なると，算出器１９による算出が良好でないと判定できる。
【００３４】
また，波長域Ｗ１，Ｗ３それぞれについて，異なるガスを検出することも可能となる。
【００３５】
ここで，ガスセル１７内に濃度が判った所定のガスを封入し，このガスの吸収波長λｐでのグラフＧ０，Ｇ１の値Ｐ０，Ｐ１の比Ｐ１／Ｐ０を求めることで，比Ｐ１／Ｐ０またはその対数とガスセル１７中での所定のガスの濃度との関係を表すテーブルＴを作成できる。作成されたテーブルＴは，算出器１９内に記憶させ，所定のガスの濃度の算出に利用できる。
【００３６】
以上では，ガスの吸収波長λｐでのグラフＧ０，Ｇ１の値Ｐ０，Ｐ１に基づいて，所定のガスの濃度を算出している。
これに対して，次の式（３）で示される，グラフＧ０，Ｇ１の積分値Ｉ０，Ｉ１に基づいて，所定のガスの濃度を算出しても良い。
【００３７】
Ｉ０＝∫λ＝λ１λ＝λ２Ｇ０（λ）ｄλ
Ｉ１＝∫λ＝λ１λ＝λ２Ｇ１（λ）ｄλ ……式（３）
【００３８】
例えば，ガスセル１７内に濃度が判った所定のガスを封入し，例えば，積分値Ｉ０，Ｉ１の比（Ｉ１／Ｉ０）を求めることで，比（Ｉ１／Ｉ０）またはその対数とガスセル１７中での所定のガスの濃度との関係を表すテーブルＴを作成できる。作成されたテーブルＴを算出器１９内に記憶させ，所定のガスの濃度の算出に利用できる。
【００３９】
（油中ガス測定用センサ装置の動作）
次に，油中ガス測定用センサ装置の動作を説明する。光源１０ａからのレーザ光が，ビームスプリッタ１１によって分割される。分割された一方の光は，光ファイバ１３ｃを介しガスセル１７に導入され，ガスセル１７内の対象ガスと相互作用する。その後，光のエネルギーの吸収現象が生じ，光はガスセル１７を通過し光検出器１８ａに到達し検出される。
【００４０】
もう一方の分割された光は反射鏡１２を介し，ＷＤＭ１４に導入される。
光源１０ｂから発振した光は光ファイバ１３ｂ中を伝播しＷＤＭ１４に導入される。波長変換素子１５に，ＷＤＭ１４中で混合された波長域Ｗ１，Ｗ２の光が導入され，差周波発生により波長域Ｗ３の光が発生する。
発生した差周波光は，光フィルタ１６を通過し，波長域Ｗ１，Ｗ２の光（１５００ｎｍ以下の光）を遮断した後に，ガスセル１７内を通過し，光検出器１８ｂに到達し検出される。
【００４１】
本実施形態に係る油中ガス測定用センサ装置では，波長域Ｗ１（１５００ｎｍ帯）の光と波長域Ｗ２（１０００ｎｍ帯）の光を用いた差周波発生により波長域Ｗ３（３０００ｎｍ帯）の光を生成する。生成された波長域Ｗ３の光を利用して吸収分光法を適用することで，変圧器用絶縁油内で発生したアセチレンガス等の所定のガスを検出する。
【００４２】
波長域Ｗ３（３０００ｎｍ帯）でのアセチレンの吸収強度は波長域Ｗ１（１５００ｎｍ帯）での吸収強度に対してはるかに強く，高感度な検出が容易になる。また，２つの波長の光を用いる事ができるため，２つの検出結果を検証したり，異なる種類の測定対象を同時に計測したりすることが可能となる。
【００４３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について図１４を参照して説明する。図１４は第２の実施形態に係る油中ガス測定用センサ装置を表す模式図である。この油中ガス測定用センサ装置は光源１０ａ，１０ｂ，光ファイバ１３ａ〜１３ｃ，ＷＤＭ１４，波長変換素子１５，光フィルタ１６，ガスセル１７，光検出器１８，算出器１９を有する。
【００４４】
光源１０ａ，１０ｂからの波長域Ｗ１，Ｗ２の光は，光ファイバ１３ａ，１３ｂを介して，ＷＤＭ１４に導入，混合される。なお，光源１０ａ，１０ｂから発振した光は，光ファイバ１３ａ，１３ｂを介さず，ＷＤＭ１４に直接導入しても構わない。
【００４５】
波長変換素子１５に，ＷＤＭ１４中で混合された波長域Ｗ１，Ｗ２の光（例えば，１５００ｎｍ帯の光と１０００ｎｍ帯の光）が導入され，波長域Ｗ１，Ｗ２の光からの差周波発生により，波長域Ｗ３の光（例えば，３０００ｎｍ帯（特に，３２００ｎｍ以上，３４００ｎｍ以下）の光）が発生する。
【００４６】
波長変換素子１５で発生した差周波光を含む波長域Ｗ１〜Ｗ３の光は，光ファイバ１３ｃを介し，光フィルタ１６に入射される。なお，光ファイバ１３ｃを省略し，波長変換素子１５からの光を光フィルタ１６に直接入射しても良い。
【００４７】
光フィルタ１６によって，波長域Ｗ１，Ｗ２の光を遮断し，波長域Ｗ３の光１をガスセル１７に導入する。
光検出器１８は，波長域Ｗ３の光を受光し，信号Ｓを出力する。光検出器１８によって，ガスセル１７での吸光を測定することで，Ｃ２Ｈ２（アセチレンガス），Ｈ２Ｏ（水蒸気），ＣＯ２（炭酸ガス），ＣＨ４（メタンガス），ＨＦ（フッ化水素ガス），Ｃ２Ｈ４（エチレンガス）の検出が可能である。
【００４８】
本実施形態では，波長域Ｗ３（３０００ｎｍ帯）の光を用いて，アセチレン等の高感度な検出が容易になる。第１の実施形態と異なり，波長域Ｗ１の光は検出に用いられない。
その他の点では，本実施形態は，第１の実施形態と本質的に変わるものでないので，詳細な説明を省略する。
【００４９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について図１５を参照して説明する。図１５は第３の実施形態に係る油中ガス測定用センサ装置を表す模式図である。この油中ガス測定用センサ装置は光源１０ａ，１０ｂ，光ファイバ１３，ＷＤＭ１４，波長変換素子１５，ガスセル１７，光検出器１８ａ，１８ｂ，プリズム２０，算出器１９を有する。
【００５０】
プリズム２０は，ガスセル１７と光検出器１８ａ，１８ｂの間に配置され，ガスセル１７からの光を分光し，波長域Ｗ１，Ｗ３の光を光検出器１８ａ，１８ｂに受光させる分光器である。
【００５１】
光源１０ａ，１０ｂからの波長域Ｗ１，Ｗ２の光は，光ファイバ１３ａ，１３ｂを介して，ＷＤＭ１４に導入，混合される。なお，光源１０ａ，１０ｂから発振した光は，光ファイバ１３ａ，１３ｂを介さず，ＷＤＭ１４に直接導入しても構わない。
【００５２】
波長変換素子１５に，ＷＤＭ１４中で混合された波長域Ｗ１，Ｗ２の光（例えば，１５００ｎｍ帯の光と１０００ｎｍ帯の光）が導入され，波長域Ｗ１，Ｗ２の光からの差周波発生により，波長域Ｗ３の光（例えば，３０００ｎｍ帯（特に，３２００ｎｍ以上，３４００ｎｍ以下）の光）が発生する。
【００５３】
本実施形態では，波長変換素子１５で発生した差周波光は，光ファイバ１３ｃを介し，ガスセル１７に導入される。光フィルタ１６を介さないことから，ガスセル１７に導入される光は波長域Ｗ１〜Ｗ３の光を含む。
【００５４】
ガスセル１７を通過した光は，プリズム２０により分光され，各波長域Ｗ１〜Ｗ３の光に分散される。分散された波長域Ｗ１，Ｗ３の光（１５００ｎｍ帯の光，３０００ｎｍ帯の光）はそれぞれ，光検出器１８ａ，１８ｂに受光される。なお，波長域Ｗ２（１０００ｎｍ帯）の光は，分散によって光検出器１８ａ，１８ｂには導入されない。但し，波長域Ｗ２（１０００ｎｍ帯）の光を除去するフィルタをプリズム２０と光検出器１８ａ，１８ｂの間に配置しても良い。
【００５５】
本実施形態での算出器１９での処理内容は，第１の実施形態と実質的な相違がないため，記載を省略する。
【００５６】
（第４の実施形態）
第４の実施形態について図１６を参照して説明する。図１６は第４の実施形態に係る油中ガス測定用センサ装置を表す模式図である。この油中ガス測定用センサ装置は，光源１０ａ，１０ｃ，ＷＤＭ１４，ガスセル１７，プリズム２０，光検出器１８ａ，１８ｂ，算出器１９を有する。
【００５７】
光源１０ｃは，電源や変調器に接続され，波長域Ｗ４（例えば，３０００ｎｍ以上，３５００ｎｍ以下）の少なくとも一部を含む光を掃引発振する。即ち，光源１０ｃは，波長域Ｗ４内で，発振波長を掃引（変更）できる。
【００５８】
光源１０ａ，１０ｃからの波長域Ｗ１，Ｗ４の光は，光ファイバ１３ａ，１３ｂを介して，ＷＤＭ１４に導入，混合される。なお，光源１０ａ，１０ｂから発振した光は，光ファイバ１３ａ，１３ｂを介さず，ＷＤＭ１４に直接導入しても構わない。
【００５９】
ＷＤＭ１４中で混合された波長域Ｗ１，Ｗ４の光（１５００ｎｍ帯の光と３０００ｎｍ帯の光）は，ガスセル１７に導入される。即ち，ガスセル１７に導入される光は波長域Ｗ１，Ｗ４の光を含む。
【００６０】
ガスセル１７を通過した光は，プリズム２０により分光され，各波長帯の光を分散される。分散した波長域Ｗ１，Ｗ４の光（１５００ｎｍ帯の光，３０００ｎｍ帯の光）はそれぞれ，光検出器１８ａ，１８ｂに受光される。
【００６１】
本実施形態での算出器１９での処理内容は，第１の実施形態と実質的な相違がないため，記載を省略する。
【００６２】
（第５の実施形態）
第５の実施形態について図１７を参照して説明する。図１７は第５の実施形態に係る油中ガス測定用センサ装置を表す模式図である。この油中ガス測定用センサ装置は，光源１０ｃ，光ファイバ１３ａ，１３ｂ，波長変換素子１５ａ，ガスセル１７，光検出器１８ａ，１８ｂ，プリズム２０，算出器１９を有する。
【００６３】
既述のように，光源１０ｃは，電源や変調器に接続され，波長域Ｗ４（例えば，３０００ｎｍ〜３５００ｎｍ）の少なくとも一部を含む光を掃引発振する。即ち，光源１０ｃは，波長域Ｗ４内で，発振波長を掃引（変更）できる。
【００６４】
波長変換素子１５ａに，光源１０ａから掃引発振された波長域Ｗ４のレーザ光が導入され，波長域Ｗ４の光からの第二次高調波発生により，波長域Ｗ５の光（例えば，１５００ｎｍ帯（特に，１５００ｎｍ以上，１８００ｎｍ以下）の光）が発生する。
【００６５】
この波長変換素子１５ａとして，ＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム (periodically-poled lithium niobate) ）を利用できる。
【００６６】
式（５）は，波長域Ｗ４の光による第二次高調波発生を表す。
ＫＰ＝２＊Ｋｉ …式（５）
Ｋｐ：ポンプ光
Ｋｉ：アイドラ光
本実施形態では，波長域Ｗ４の光が，ポンプ光となり，アイドラ光たる波長域Ｗ５の光が発生する。
【００６７】
本実施形態では，波長変換素子１５ａで発生した第二次高調波は，光ファイバ１３ｂを介し，ガスセル１７に導入される。ガスセル１７に導入される光は波長域Ｗ４，Ｗ５の光を含む。
【００６８】
ガスセル１７を通過した光は，プリズム２０により分光され，各波長帯の光を分散される。分散した波長域Ｗ５，Ｗ４の光（１５００ｎｍ帯の光，３０００ｎｍ帯の光）はそれぞれ，光検出器１８ａ，１８ｂに受光される。
【００６９】
本実施形態での算出器１９での処理内容は，第１の実施形態と実質的な相違がないため，記載を省略する。
【００７０】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光源
１１ ビームスプリッタ
１２ 反射鏡
１３ａ〜１３ｄ 光ファイバ
１４ ＷＤＭ
１５ 波長変換素子
１５ａ 波長変換素子
１６ 光フィルタ
１７ ガスセル
１８，１８ａ，１８ｂ 光検出器
１９ 算出器
２０ プリズム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１５００ｎｍ以上，１６００ｎｍ以下の少なくとも一部を含む第１の波長域の光を掃引発振する第１のレーザ光源と，
１０００ｎｍ以上，１１００ｎｍ以下の第２の波長域の光を発振する第２のレーザ光源と，
前記第１，第２のレーザ光源からの光を混合する混合器と，
前記混合された光からの差周波発生により３２００ｎｍ以上，３４００ｎｍ以下の第３の波長域の光を生成する波長変換素子と，
検査対象ガスが封入され，かつ前記生成された光が通過する内部空間を有する容器と，
前記内部空間を通過した光を受光する光検出器と，
前記光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する算出器と，
を具備することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記第１のレーザ光源を第１，第２の光に分岐する分岐器をさらに具備し，
前記混合器が，前記第２の光と前記第２のレーザ光源からの光を混合し，
前記容器が，前記検査対象ガスが封入され，かつ前記第１の光が通過する第２の内部空間を有し，
前記第２の内部空間を通過した光を受光する第２の光検出器をさらに具備し，
前記算出器が，前記光検出器および前記第２の光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する
ことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記容器と前記光検出器の間に配置され，前記第１，第３の波長域の光を分光し，前記分光された第１の波長域の光を前記光検出器に受光させる分光器と，
前記分光された第２の波長域の光を受光する第２の光検出器と，をさらに具備し，
前記算出器が，前記光検出器および前記第２の光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する
ことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記容器と前記光検出器の間に配置され，前記第３の波長域の光を透過し，前記第１，第２の波長域の光を遮断するフィルタをさらに具備する，
ことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項５】
３０００ｎｍ以上，３５００ｎｍ以下の少なくとも一部を含む第１の波長域の光を掃引発振するレーザ光源と，
前記レーザ光源からの光の二次高調波により１５００ｎｍ以上，１８００ｎｍ以下の第２の波長域の光を生成し，前記第１の波長域の光と共に出射する波長変換素子と，
検査対象ガスが封入され，かつ前記出射された光が通過する内部空間を有する容器と，
前記内部空間を通過した光を第１，第２の波長域に光に区分する光区分器と，
前記光区分器により区分された第１の波長域の光を受光する第１の光検出器と，
前記光区分器により区分された第２の波長域の光を受光する第２の光検出器と，
前記第１，第２の光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する算出器と，
を具備することを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
所定のガスが，Ｃ２Ｈ２（アセチレンガス），Ｈ２Ｏ（水蒸気），ＣＯ２（炭酸ガス），ＣＨ４（メタンガス），ＨＦ（フッ化水素ガス），Ｃ２Ｈ４（エチレンガス）の少なくともいずれかを含む
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項１】
１５００ｎｍ以上，１６００ｎｍ以下の少なくとも一部を含む第１の波長域の光を掃引発振する第１のレーザ光源と，
１０００ｎｍ以上，１１００ｎｍ以下の第２の波長域の光を発振する第２のレーザ光源と，
前記第１，第２のレーザ光源からの光を混合する混合器と，
前記混合された光からの差周波発生により３２００ｎｍ以上，３４００ｎｍ以下の第３の波長域の光を生成する波長変換素子と，
検査対象ガスが封入され，かつ前記生成された光が通過する内部空間を有する容器と，
前記内部空間を通過した光を受光する光検出器と，
前記光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する算出器と，
を具備することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記第１のレーザ光源を第１，第２の光に分岐する分岐器をさらに具備し，
前記混合器が，前記第２の光と前記第２のレーザ光源からの光を混合し，
前記容器が，前記検査対象ガスが封入され，かつ前記第１の光が通過する第２の内部空間を有し，
前記第２の内部空間を通過した光を受光する第２の光検出器をさらに具備し，
前記算出器が，前記光検出器および前記第２の光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する
ことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記容器と前記光検出器の間に配置され，前記第１，第３の波長域の光を分光し，前記分光された第１の波長域の光を前記光検出器に受光させる分光器と，
前記分光された第２の波長域の光を受光する第２の光検出器と，をさらに具備し，
前記算出器が，前記光検出器および前記第２の光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する
ことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記容器と前記光検出器の間に配置され，前記第３の波長域の光を透過し，前記第１，第２の波長域の光を遮断するフィルタをさらに具備する，
ことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項５】
３０００ｎｍ以上，３５００ｎｍ以下の少なくとも一部を含む第１の波長域の光を掃引発振するレーザ光源と，
前記レーザ光源からの光の二次高調波により１５００ｎｍ以上，１８００ｎｍ以下の第２の波長域の光を生成し，前記第１の波長域の光と共に出射する波長変換素子と，
検査対象ガスが封入され，かつ前記出射された光が通過する内部空間を有する容器と，
前記内部空間を通過した光を第１，第２の波長域に光に区分する光区分器と，
前記光区分器により区分された第１の波長域の光を受光する第１の光検出器と，
前記光区分器により区分された第２の波長域の光を受光する第２の光検出器と，
前記第１，第２の光検出器からの信号に基づき，前記検査対象ガス中の所定のガスの量を算出する算出器と，
を具備することを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
所定のガスが，Ｃ２Ｈ２（アセチレンガス），Ｈ２Ｏ（水蒸気），ＣＯ２（炭酸ガス），ＣＨ４（メタンガス），ＨＦ（フッ化水素ガス），Ｃ２Ｈ４（エチレンガス）の少なくともいずれかを含む
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−１５４０９（Ｐ２０１３−１５４０９Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４８４５８（Ｐ２０１１−１４８４５８）
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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