説明

光式ガス濃度検出方法及び光式ガス濃度検出装置

【課題】プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に正確に計測することが可能である光式ガス濃度検出方法を提供する。
【解決手段】レーザ光の波長を変調すると共に所定の掃引範囲を掃引し、これを測定対象の雰囲気に通して得られる透過光の強度を検出し、得られた信号からガス濃度を検出するガス濃度検出方法において、レーザ光の波長を1650nm付近から1690nm付近まで掃引し、上記透過光から上記ガス雰囲気中に含まれるプロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に測定する方法である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はレーザ光を測定対象雰囲気中に通しその透過光からガス濃度を検出する光式ガス濃度検出方法及び光式ガス濃度検出装置に関し、特に複数のガスのガス濃度を同時に検出できる光式ガス濃度検出方法及び光式ガス濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
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有し、この性質を利用してガスの有無を検出できる。レーザ光を用いたガス検出方法は、工業計測、公害監視などの分野で用いられ、レーザ光を光ファイバで伝送することにより、ガスを遠隔検出できる。
【0003】
例えば、特許文献1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し、波長および強度を変調し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セルに導き、ガスセル内の未知濃度のガスを透過させ、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倍検波信号を計測し、これら1倍検波信号と2倍検波信号の比からガス信号を求め、このガス信号から対象ガスの濃度を求めている。
【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】
従来の光式ガス濃度検出方法およびその装置は、メタンガスなどの1つの対象ガスを測定することを目的として開発されてきた。このため、複数種類のガス(例えば、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスなど)の濃度をおのおの正確に検出することができないという問題がある。
【0006】
そこで、本発明の目的は、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に正確に計測することが可能である光式ガス濃度検出方法及び光式ガス濃度検出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】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項1の発明は、レーザ光の波長を変調すると共に所定の掃引範囲を掃引し、これを測定対象の雰囲気に通して得られる透過光の強度を検出し、得られた信号からガス濃度を検出するガス濃度検出方法において、レーザ光の波長を1650nm付近から1690nm付近まで掃引し、上記透過光から上記ガス雰囲気中に含まれるプロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に測定する光式ガス濃度検出方法である。
【0008】
請求項2の発明は、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスにそれぞれ対応した変調振幅巾を有し相異なる変調周波数の4つの変調信号によりレーザ光の波長を変調させる請求項1記載の光式ガス濃度検出方法である。
【0009】
請求項3の発明は、上記変調振幅巾は、プロパンガスを1としたとき、イソブタンガスをその2.45倍付近とし、ノルマルブタンガスをその1.93倍付近とし、メタンガスをその0.22倍付近とする請求項2記載の光式ガス濃度検出方法である。
【0010】
請求項4の発明は、プルパンガスに対応した変調振幅巾を有する変調信号によりレーザ光の波長を変調させる請求項1記載の光式ガス濃度検出方法である。
【0011】
請求項5の発明は、上記変調振幅巾を1.06nm付近とする請求項4記載の光式ガス濃度検出方法である。
【0012】
請求項6の発明は、レーザ光の波長を変調し、これを測定対象のガス雰囲気に通して得られる透過光の強度を検出し、得られた信号からガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、レーザ光の波長を1650nm付近から1690nm付近まで掃引する光源部と、上記透過光から上記ガス雰囲気中に含まれるプロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を測定する信号処理部とを備える光式ガス濃度検出装置である。
【0013】
請求項7の発明は、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスにそれぞれ対応した変調振幅巾を有し相異なる変調周波数の4つの変調信号を発信する発信器を備える請求項6記載の光式ガス濃度検出装置である。
【0014】
請求項8の発明は、プロパンガスに対応した変調振幅巾を有する変調信号を発信する発信器を備える請求項6記載の光式ガス濃度検出装置である。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に正確に測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
始めに、光ファイバを伝送路としてガス濃度を検出する方法の原理を簡単に説明する。
【0017】
分光測定において、測定感度を向上させる方法として周波数変調法がある。まず、周波数変調した光を、対象とするガスを含む雰囲気中に透過させると、その透過光の検出信号は直流分の他、変調周波数と同じ周波数の基本波成分およびその高調波成分が得られる。
【0018】
このうち、基本波成分と2倍波成分とをそれぞれ位相敏感検波すると、基本波成分は吸収線の1次微分に対応し、2倍波成分は吸収線の2次微分に対応する。このことから、光源としてのレーザの駆動電流を変調したレーザ光を特定のガスを含む雰囲気に透過させ、その透過光の検出信号中の特定成分を位相敏感検波すると、その検出信号からガス濃度に関する情報が得られる。
【0019】
ここで、位相敏感検波とは、特定の周波数および位相を有する成分だけを抽出して、その振幅を測定することをいう。
【0020】
つまり、この方法では、駆動電流および温度に応じた波長および強度のレーザ光を発振させるべく、所定の電流を中心としてレーザの駆動電流を変調すると共に、レーザ光の中心波長を掃引し、レーザ光を測定対象とするガス雰囲気に通して得られる透過光の強度を検出し、この信号中の特定成分を位相敏感検波して得られる信号からガス濃度を検出する。
【0021】
本発明はこのような技術を前提としている。
【0022】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【0023】
図1は、本発明の好適な第1の実施形態である光式ガス濃度検出方法を実施するために使用される光式ガス濃度検出装置の全体構成図である。
【0024】
図1に示すように、光式ガス濃度検出装置1は、主として地下街・高層ビルなどの都市ガスの漏洩や、LNGタンク周辺のガス漏れを多点(複数箇所)検出するものであり、レーザを駆動してレーザ光を発振させるための光源部としてのレーザ部3と、発振したレーザ光を導くための光学系4と、光学系4を通過したレーザ光を検出する複数個(図ではn個)の受光器5を備え、その検出信号を処理する信号処理部6とを備える。
【0025】
レーザ部3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、以下単にLD)2と、LD2を搭載してその温度をペルチェ素子用電源7により制御するためのペルチェ素子8と、所定周波数(可変)の正弦波信号を出力する発振器(発信器)9と、この周波数fの正弦波信号により周波数2fの2倍波信号を生成する倍周器10と、LD2にバイアス電流を付加するためのバイアス電流源11と、バイアス電流源11の掃引の仕方を決定する掃引器12と、LD2から出力したレーザ光を光学系4に分岐して伝送するためのビームスプリッタなどの光分岐手段13とで主に構成される。
【0026】
第1の実施形態においては、発振器9は、少なくとも異なる4つの周波数f1,f2,f3,f4(例:10.1,10.2,10.3,10.4kHz)の正弦波信号を出力する。また、倍周器10は、発振器9からの各周波数f1〜f4の正弦波信号により、周波数2f1〜2f4の2倍波信号を生成する。
【0027】
バイアス電流源11の出力側には、発振器9の出力による影響を防ぐためにインダクタンスLが接続され、発振器9の出力側には、直流分をカットするためのコンデンサCが接続される。掃引器12には、三角波掃引器あるいは正弦波掃引器を用いる。
【0028】
光学系4は、光分岐手段13と1番目の受光器5間にループ状に接続され、ガス雰囲気を通過しない1本の基準光路用光ファイバ(基準光路)14と、光分岐手段13と2〜n番目の各受光器間にそれぞれループ状に接続され、ガス雰囲気を通過する複数本(図1ではn−1個)のガス検出光路用光ファイバ(ガス検出光路、あるいはセンサ光路)15と、これら各ガス検出光路用光ファイバ15の途中にそれぞれ設けられるガス検出部(センサ部)16とからなる。
【0029】
各ガス検出部16は、測定対象である未知濃度の複数種類のガスが充填される容器、あるいはこれらガスが含まれるガス雰囲気が内部に取り込まれるように開口部を備えた容器であり、検出対象とする位置に、容易に設置することができるようになっている。
【0030】
本実施形態では、複数種類のガスは、可燃性ガスとしてのプロパンガス、イソブタンガス(I−ブタン)、ノルマルブタンガス(N−ブタン)、メタンガスの4種類のガスである。また、図1では、基準光路用光ファイバ14にz1、各ガス検出光路用光ファイバ15に上から順にz2〜znまでの番号を付けて示した。
【0031】
信号処理部6は、基準光路用光ファイバ14、各ガス検出光路用光ファイバ15のいずれかを通過したレーザ光を受光する複数個の受光器5と、発振器9からの正弦波信号の周波数f1〜f4、および倍周器10からの正弦波信号の周波数2f1〜2f2に同期して受光器5の出力の位相敏感検波を行う位相検波装置17と、その位相検波装置17からの出力信号を同時に一時記憶する信号記憶装置18と、その信号記憶装置18からの1f,2fの出力比を記録・演算処理するパソコンなどのコンピュータ19とからなる。
【0032】
位相検波装置17は、基準光路用光ファイバ14、各ガス検出光路用光ファイバ15から出力される各透過光の受光信号をそれぞれ位相敏感検波し、1倍検波信号S1と2倍検波信号S2を得る複数個の位相敏感検波回路20を備える。各位相敏感検波回路20としては、ロックインアンプを用いるとよい。
【0033】
次に、第1の実施形態に係る光式ガス濃度検出方法を説明する。
【0034】
まず、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの赤外吸収スペクトルを図4で説明する。
【0035】
図4に示すように、各ガスの赤外吸収スペクトルを見ると、それぞれの半値全巾は、プロパンガス0.37nm、イソブタンガス0.907nm、ノルマルブタンガス0.714nm、メタンガス0.08nmである。波長変調(電流変調)の振幅値(変調振幅巾、変調電流振幅巾、あるいは変調波長巾ともいう)は、上述の半値全巾に基づき、検出信号が略最大となる所定の値を選定した。
【0036】
ここでいう所定の変調振幅巾とは、検出した2倍検波信号が大きく(好ましくは最大
と)なるように変調振幅巾に設定したものであり、対象ガスの赤外吸収スペクトルの半値全巾に所定の係数(略2〜3)を乗じて求められる。
【0037】
より詳細に言えば、第1の実施形態に係る方法では、まず、レーザ部3において、LD2の波長を1650nm付近から1690nm付近まで、好ましくは1685nm付近から1690nm付近まで掃引するように設定しておく。LD2の波長の掃引は、バイアス電流源11と掃引器12により三角波状又は正弦波状のバイアス電流をLD2に付加して掃引する方法と、ペルチェ素子用電源7とペルチェ素子8によりLD2の温度を三角波状又は正弦波状に変化させることにより掃引する方法とがある。LD2の温度の変化に対するレーザ光の発振波長の変化が大きいことから、本実施形態ではペルチェ素子用電源7とペルチェ素子8によりLD2の温度を変化、制御してレーザ光の波長の掃引を行う。
【0038】
また、レーザ部3の発振器9において、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスにそれぞれ対応させて、LD2の駆動電流による変調振幅巾を所定の値に設定しておく。
【0039】
変調振幅巾は、プロパンガスを1としたとき、イソブタンガスをその2.45倍付近とし、ノルマルブタンガスをその1.93倍付近とし、メタンガスをその0.22倍付近とするとよい。第1の実施形態では、変調振幅巾をプロパンガスに対応した所定の値として、1.06nm付近としたので、イソブタンガスを2.60nm、ノルマルブタンガスを2.05nm、メタンガスを0.23nmとした。
【0040】
これらの設定状態で、ペルチェ素子用電源7によりペルチェ素子8の温度を制御して、LD2の温度を三角波状又は正弦波状に変化させ、レーザ光の波長を1650nm付近から1690nm付近まで掃引する。
【0041】
これと同時に、相異なる4つの変調周波数f1〜f4の交流電流、すなわち正弦波状の変調電流を発振する発振器9により、設定した変調振幅巾による変調電流をLD2のバイアス電流にそれぞれ重畳し、これを駆動電流としてLD2に流し、LD2を発振させる。
【0042】
第1の実施形態では、4つの変調信号の変調周波数として、プロパンガスの変調周波数f1を10.1kHz、イソブタンガスの変調周波数f2を10.2kHz、ノルマルブタンガスの変調周波数f3を10.3kHz、メタンガス変調周波数f4を10.4kHzを用いた。
【0043】
LD2からのレーザ光は、光分岐手段13で分岐され、基準光路用光ファイバ14と各ガス検出光路用光ファイバ15にそれぞれ入射される。基準光路用光ファイバ14に入射されたレーザ光は、そのまま信号処理部6において、1番目(z1)の受光器5で受光される。一方、各ガス検出光路用光ファイバ15に入射されたレーザ光は、各ガス検出部15内のガス雰囲気をそれぞれ透過し、その透過光が2〜n番目(z2〜zn)の各受光器5で受光される。
【0044】
各受光器5で受光された信号のうち、発振器9からの正弦波信号の周波数f1〜f4に同期した信号(10.1kHz、10.2kHz、10.3kHz10.4kHz)と、倍周器10の正弦波信号の周波数2f1〜2f4に同期した信号(20.2kHz、20.4kHz、20.6kHz20.8kHz)とを、位相検波装置17によって検出し、基準光路用光ファイバ14と各ガス検出光路用光ファイバ15のそれぞれについて、1倍検波信号S1と2倍検波信号S2を得る。これら位相検波装置17で抽出されたすべての信号は、信号記憶装置18で一時記憶される。
【0045】
コンピュータ19は、信号記憶装置18で一時記憶されたすべての信号を同時に収集し、図2に示すように、基準光路用光ファイバ14を通過して得られたガス信号の出力比V
(2f)/V(1f)(基準)(図2では、2b)を計算する一方で、各ガス検出光路用光ファイバ15を通過して得られたガス信号の出力比V(2f)/V(1f)(ガス)
(図2では、2g)を計算する。
【0046】
図2では、説明を簡単にするため、出力比を2f/1fで代表して示しているが、実際の各出力比は、コンピュータ19により、プロパンガスでは2f1/1f1、イソブタンガスでは2f2/1f2、ノルマルブタンガスでは2f3/1f3、メタンガスでは2f4/1f4のように区別して計算する。
【0047】
さらにコンピュータ19は、図3に示すように、基準光路用光ファイバ14と各ガス検出光路用光ファイバ15のそれぞれ複数箇所(多点)について、ガス信号の出力比2f/1f(基準)と出力比V(2f)/V(1f)(ガス)との差分を計算し、ガス信号成分(波高値判定用信号)31として、{V(2f)/V(1f)(ガス)}/{V(2f)/V(1f)(基準)}を得る。
【0048】
このガス信号成分31は、対象ガスのガス信号から基準のガス信号を差し引くことで得られるため、レーザ部3、光分岐手段14、信号処理部6が有する波長依存性を除去したものであり、ガス濃度の正確な指標となるガス信号である。
【0049】
コンピュータ19は、ガス成分信号31について、その最小値から最大値までの高さである波高値hを求め、その波高値hを、予め既知濃度の基準ガスを用いて求めておいた波高値h0と基準ガス濃度の関係を示す関係式、あるいは関係表に当てはめ、各対象ガスのガス濃度を同時に求める。
【0050】
第1の実施形態の作用を説明する。
【0051】
第1の実施形態に係る光式ガス濃度検出方法は、まず、レーザ光の波長を1650nm付近から1690nm付近まで掃引する。
【0052】
この際、プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスにそれぞれ対応させて、駆動電流による変調振幅巾を所定の値に設定し、異なる4つの周波数f1〜f4の信号を出力する発振器9により、設定した変調振幅巾による変調電流をLD2のバイアス電流にそれぞれ重畳し、LD2を発振させる。そして、このようにして発振したレーザ光を、基準光路用光ファイバ14と各ガス検出光路用光ファイバ15にそれぞれ入射している。
【0053】
さらに、基準光路用光ファイバ14からの光の強度と、各ガス検出光路用光ファイバ15からの透過光の強度とをそれぞれ検出し、得られた各ガス信号成分からガス濃度を求めている。
【0054】
これにより、第1の実施形態に係る光式ガス濃度検出方法によれば、ガス雰囲気中に含まれるプロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に測定(検出)できる。
【0055】
また、光式ガス濃度検出システム1によれば、従来のシステムに、発振器9や掃引器12などについて若干の変更を加えるだけで、第1の実施形態に係る光式ガス濃度検出方法を簡単に実施できる。
【0056】
第2の実施形態を説明する。
【0057】
第1の実施形態では、発振器9により異なる4つの周波数f1〜f4、異なる4つの変調振幅巾で波長変調を実施した例を説明したが、周波数を1つに統一して、例えば10kHzに設定し、変調振幅巾も1つに統一して、例えばプロパンガスに対応させた1.06nm付近に設定してもよい。
【0058】
より詳細に言えば、第2の実施形態に係る光式ガス濃度検出方法では、図1の光式ガス濃度検出システム1を用い、変調振幅巾をプロパンガスに対応した1.06nm付近に設定し、周波数10kHzの正弦波信号を発振する発振器9により、設定した変調振幅巾による変調電流をLD2のバイアス電流にそれぞれ重畳し、LD2を発振させてもよい。
【0059】
その後の手順を、第1の実施形態に係る方法と同様にすると、図5に示すようなガス信号成分51として、{V(2f)/V(1f)(ガス)}/{V(2f)/V(1f)
(基準)}を得る。
【0060】
この場合、プロパンガスは1686.4nm付近、イソブタンガスは1689nm付近、ノルマルブタンガスは1686.1nm付近、メタンガスは1687.3nm付近の波高値から各対象ガスのガス濃度を同時に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【0061】
【図1】本発明の好適な実施形態を示す光式ガス濃度検出装置の全体構成図である。
【図2】図1の基準光路およびガス検出部透過後のガス信号(2f/1f)波形を示す図である。
【図3】図1の基準光路およびガス検出部透過後のガス信号(2f/1f)差分波形を示す図である。
【図4】各可燃性ガスの赤外吸収スペクトルを示す図である。
【図5】本発明の第2の実施形態に係る光式ガス濃度検出方法で得られるガス信号(2f/1f)差分波形を示す図である。
【符号の説明】
【0062】
1 光式ガス濃度検出装置
2 レーザ(DFB−LD)
3 レーザ部(光源部)
4 光学系
6 信号処理部
9 発振器
12 掃引器
13 光分岐手段
14 基準光路用光ファイバ
15 ガス光路用光ファイバ
16 ガス検出部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光の波長を変調すると共に所定の掃引範囲を掃引し、これを測定対象の雰囲気に通して得られる透過光の強度を検出し、得られた信号からガス濃度を検出するガス濃度検出方法において、レーザ光の波長を1650nm付近から1690nm付近まで掃引し、上記透過光から上記ガス雰囲気中に含まれるプロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を同時に測定することを特徴とする光式ガス濃度検出方法。
【請求項2】
プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスにそれぞれ対応した変調振幅巾を有し相異なる変調周波数の4つの変調信号によりレーザ光の波長を変調させる請求項1記載の光式ガス濃度検出方法。
【請求項3】
上記変調振幅巾は、プロパンガスを1としたとき、イソブタンガスをその2.45倍付近とし、ノルマルブタンガスをその1.93倍付近とし、メタンガスをその0.22倍付近とする請求項2記載の光式ガス濃度検出方法。
【請求項4】
プルパンガスに対応した変調振幅巾を有する変調信号によりレーザ光の波長を変調させる請求項1記載の光式ガス濃度検出方法。
【請求項5】
上記変調振幅巾を1.06nm付近とする請求項4記載の光式ガス濃度検出方法。
【請求項6】
レーザ光の波長を変調し、これを測定対象のガス雰囲気に通して得られる透過光の強度を検出し、得られた信号からガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、レーザ光の波長を1650nm付近から1690nm付近まで掃引する光源部と、上記透過光から上記ガス雰囲気中に含まれるプロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスの濃度を測定する信号処理部とを備えることを特徴とする光式ガス濃度検出装置。
【請求項7】
プロパンガス、イソブタンガス、ノルマルブタンガス、メタンガスにそれぞれ対応した変調振幅巾を有し相異なる変調周波数の4つの変調信号を発信する発信器を備える請求項6記載の光式ガス濃度検出装置。
【請求項8】
プロパンガスに対応した変調振幅巾を有する変調信号を発信する発信器を備える請求項6記載の光式ガス濃度検出装置。

【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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【公開番号】特開2008−298637(P2008−298637A)
【公開日】平成20年12月11日(2008.12.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−146174(P2007−146174)
【出願日】平成19年5月31日(2007.5.31)
【出願人】(000005120)日立電線株式会社 (3,358)
【出願人】(504117958)独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構 (101)
【出願人】(000221546)東電設計株式会社 (44)
【Fターム(参考)】