JP6148924B2 - Gas detector - Google Patents
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Description
本発明は、ガス検知器に関する。特に、二酸化炭素が高濃度で含まれる環境であっても硫化水素等有毒なガスを高感度に検出することが可能なガス検知器に関する。 The present invention relates to a gas detector. In particular, the present invention relates to a gas detector that can detect toxic gas such as hydrogen sulfide with high sensitivity even in an environment containing carbon dioxide at a high concentration.
特許文献1には、メタン等ガス分子の赤外光吸収特性を利用したガス検知器が開示されている。当該ガス検知器では、検出光として周波数変調した赤外レーザ光を用い、被検出ガスを通過した検出光の乱反射光を受光素子で受け、当該受光素子が出力する出力信号から、変調周波数に等しい周波数の基本波信号と変調周波数の2倍に等しい周波数の2倍波信号を検出する。そして、基本波信号に対する2倍波信号の強さから被検出ガスの濃度を算出している。
ところで、下水道等の地下管渠あるいは地下管路(以下、単に「管渠」と称する。)において、保守点検等、人手による作業を行う場合がある。管渠内は、酸素欠乏状態になる可能性があり、また、硫化水素等の有毒ガスが発生する可能性もあるため、管渠内における作業者の安全管理を図る観点から、いち早く硫化水素等有毒ガスの発生を検知する必要がある。このような場合、たとえば特許文献1に記載のガス検知器を用いることが可能である。
By the way, there are cases where manual work such as maintenance and inspection is performed in underground pipes such as sewers or underground pipes (hereinafter simply referred to as “pipe”). There is a possibility that the inside of the pipe will be deficient in oxygen, and toxic gases such as hydrogen sulfide may be generated. It is necessary to detect the generation of toxic gases. In such a case, for example, the gas detector described in
しかし、管渠の内部環境は通常の環境とは異なり、二酸化炭素を高濃度に含む特殊な環境である。このような二酸化炭素を高濃度に含む特殊環境において前記した赤外線吸収を利用したガス検知器を用いると、二酸化炭素による赤外線吸収の影響が大きく、たとえば硫化水素等の被検出ガスの信号が適正に検出できなくなる問題を本発明者らは認識した。 However, the internal environment of the tube is different from the normal environment and is a special environment containing carbon dioxide at a high concentration. When the above-described gas detector using infrared absorption is used in a special environment containing carbon dioxide at a high concentration, the influence of infrared absorption by carbon dioxide is large, and the signal of the gas to be detected such as hydrogen sulfide is appropriately set. The present inventors have recognized a problem that the detection becomes impossible.
本発明の目的は、硫化水素等の被検出ガスの検出において障害になり得る二酸化炭素が高濃度に存在する環境においても、被検出ガスを高感度に検出できるガス検知器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a gas detector that can detect a gas to be detected with high sensitivity even in an environment in which carbon dioxide that can be an obstacle in the detection of the gas to be detected such as hydrogen sulfide exists in a high concentration. .
上記課題を解決するために、本発明の態様においては、周波数変調されたレーザ光を検出光として放射する光源部と、前記検出光が物体に照射された場合に前記物体からの反射光を受光し、前記反射光に応じた受光信号を出力する受光部と、前記受光信号から、前記検出光の変調周波数に等しい周波数の基本波信号、および、前記変調周波数の2倍に等しい周波数の2倍波信号を検出する信号検出部と、前記基本波信号と前記2倍波信号の比に基づいて、背景ガスが存在する雰囲気における被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有し、前記検出光の前記周波数変調における中心波長が、前記被検出ガスの複数の吸収線のうち「|λs−λb|≧2.72×Δλs」の条件を満足する選択吸収線に合致するよう調整されたガス検知器を提供する。ただし、λsは前記選択吸収線の波長、Δλsは前記選択吸収線の半値全幅、λbは前記背景ガスの吸収線波長を示す。 In order to solve the above-described problem, in an aspect of the present invention, a light source unit that emits frequency-modulated laser light as detection light, and receives reflected light from the object when the detection light is irradiated on the object. A light receiving unit that outputs a light reception signal corresponding to the reflected light, a fundamental wave signal having a frequency equal to the modulation frequency of the detection light, and a frequency equal to twice the modulation frequency from the light reception signal. A signal detection unit that detects a wave signal; and a concentration calculation unit that calculates the concentration of the gas to be detected in an atmosphere in which a background gas exists based on the ratio of the fundamental wave signal and the second harmonic signal; The center wavelength in the frequency modulation of the detection light is adjusted to match a selective absorption line satisfying the condition of “| λs−λb | ≧ 2.72 × Δλs” among the plurality of absorption lines of the detection gas. Gas detector To do. Where λs is the wavelength of the selective absorption line, Δλs is the full width at half maximum of the selective absorption line, and λb is the absorption line wavelength of the background gas.
前記選択吸収線の波形が、前記周波数変調により前記2倍波信号を発生するに十分な左右対称性および線幅の狭さを有したものであることが好ましい。前記被検出ガスとして、硫化水素ガスを例示することができ、前記背景ガスとして、二酸化炭素ガスを例示することができる。前記被検出ガスが硫化水素ガスであり、前記背景ガスが二酸化炭素ガスである場合、前記選択吸収線の波長として、1577.2nm、または1576.3nmを例示することができる。 It is preferable that the waveform of the selective absorption line has sufficient left-right symmetry and narrow line width to generate the second harmonic signal by the frequency modulation. An example of the gas to be detected is hydrogen sulfide gas, and an example of the background gas is carbon dioxide gas. When the detection gas is hydrogen sulfide gas and the background gas is carbon dioxide gas, 1577.2 nm or 1576.3 nm can be exemplified as the wavelength of the selective absorption line.
(実施形態1)
図1は、ガス検知器100の概要を示した構成図である。ガス検知器100は、光源部102、受光部104、信号検出部106、濃度計算部108、表示部110および制御部112を有する。ガス検知器100は、光源部102から検出光120を放射し、背景ガス132とともに存在する被検出ガス130を通過した検出光120が物体140に反射されて生じた反射光122を受光し、当該反射光122から被検出ガス130の濃度を測定する。ここでいう濃度は、密度×長さの次元を有するコラム密度をいう。蜜度の単位が[%]あるいは[ppm]であり長さの単位が[m]である場合、コラム密度の単位は[%・m]あるいは[ppm・m]となる。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the
光源部102は、周波数変調されたレーザ光を検出光120として放射する。レーザ光を周波数変調することで後に説明するようにガス濃度に応じた2倍波信号が生じる。検出光120の波長(周波数)は、被検出ガス130に吸収され、背景ガス132に吸収されない波長が好ましい。この点は後に詳述する。被検出ガス130が硫化水素である場合、検出光120として発振波長が1.57μm帯の赤外レーザ光を用いることができる。被検出ガス130がメタンである場合、検出光120として発振波長が1.65μm帯の赤外レーザ光を用いることができる。なお、光源部102に半導体レーザ発振器を用いる場合、被検出ガス130が封入された標準セルを準備し、当該標準セルでの光吸収を参照して、検出光120の発振波長が被検出ガス130の吸収線の中心に一致するよう半導体レーザ発振器の動作温度等を調整することが好ましい。
The
受光部104は、検出光120が物体140に照射された場合に物体140からの反射光122を受光し、反射光122に応じた受光信号を出力する。受光部104として、たとえばフォトダイオード、フォトマルチプライヤー等の光電変換素子とその駆動検出回路を例示することができる。受光部104には、たとえばバンドパスフィルタ等の光学フィルタ、スリット、分光機構等の適切な光学系を備えてもよい。
The
信号検出部106は、受光部104が出力した受光信号を受け、当該受光信号から、検出光120の変調周波数に等しい周波数の基本波信号、および、変調周波数の2倍に等しい周波数の2倍波信号を検出する。基本波信号および2倍波信号の検出には同期検波を用いる。図2は、2倍波信号が生じる原理を説明するための概念図である。検出光120が図2に示す変調波で周波数変調され、変調された検出光120の中心波長を図2に示すように吸収線の中心波長に一致させると、被検出ガス130を透過した光の強度信号には、変調周波数に等しい周波数の基本波信号に加えて変調周波数の2倍に等しい周波数の2倍波信号を含むようになる。すなわち、周波数変調における単位周期の間に、吸収線の中心より長波長側および短波長側のそれぞれにおいて透過光の強弱が生じる。この結果、被検出ガス130を通過した光には、変調周波数の2倍に等しい周波数の2倍波が含まれるようになる。なお、2倍波が適正に生成されるには、吸収線の形は中心波長を中心に対称であることが好ましく、吸収線の幅は周波数変調が可能な波長幅の程度に狭いことが好ましい。
The
以上のようにして。信号検出部106には、被検出ガス130の光吸収に起因して2倍波(2倍波信号)が含まれるようになる。一方、検出光120が物体140によって散乱され反射光122として検出される割合は、被検出ガス130の有無によって左右されないので、受光した反射光122に含まれる基本波(基本波信号)の強度に対する2倍波(2倍波信号)の強度を測定すれば、測定値は光路に沿った光吸収量(コラム密度)がわかる。
As above. The
濃度計算部108は、基本波信号と2倍波信号の比に基づいて、背景ガス132が存在する雰囲気における被検出ガス130の濃度(コラム密度)を計算する。なお、光吸収量(コラム密度)は光路に存在する被検出ガス130の分子数に比例するので光路長に依存することになるが、光路長が判明している場合には、コラム密度を光路長で除することで光路に沿った平均のガス密度(ガス濃度)を計算することができる。
The
ただし、上記の測定および計算は、検出光120が背景ガス132により影響を受けない場合に適正に成立する。よって、検出光120の波長は、被検出ガス130の複数の吸収線から、背景ガス132の吸収線と重ならない吸収線(選択吸収線)と合致するように調整する。選択吸収線の選択は、たとえば、吸収強度が強い、吸収線幅が狭い、吸収線波形の左右対称性が良い、光源である半導体レーザダイオードが入手可能である、という観点から、候補を絞り込む。
However, the above measurement and calculation are properly established when the
さらに、近傍に水蒸気等の共存ガスの存在がない、あるいは影響が少ない、吸収線に絞りこむ。具体的には、検出光120の周波数変調における中心波長を、被検出ガス130の複数の吸収線のうち、「|λs−λb|≧2.72×Δλs」の条件を満足する選択吸収線に合致するよう選択および調整する。ただし、λsは選択吸収線の波長、Δλsは選択吸収線の半値全幅、λbは背景ガス132の吸収線波長を示す。
Further, the absorption lines are narrowed down so that there is no coexistence gas such as water vapor or the influence is small. Specifically, the center wavelength in the frequency modulation of the
被検出ガス130が硫化水素ガスであり、背景ガス132が二酸化炭素ガスである場合についてより詳細に検討する。図3は、コラム密度が40%・mの二酸化炭素の吸収線とコラム密度が3%・mの硫化水素の吸収線を示したグラフである。硫化水素の吸収線は、吸収強度が強い、吸収線幅が狭い、吸収線波形の左右対称性が良いという観点から絞り込んだ選択吸収線の候補である。なお、図示するように、選択吸収線Aは背景ガスである二酸化炭素の吸収線から0.17nm離れており、選択吸収線Bは、二酸化炭素の吸収線から0.16nm離れている。一方、比較用吸収線は、二酸化炭素の吸収線から0.10nmしか離れていない。
The case where the
図4は、二酸化炭素および硫化水素の吸収線波長差を変化させたときの二酸化炭素吸収による硫化水素濃度値の減少度をシミュレートしたグラフである。二酸化炭素の濃度は40%、硫化水素の濃度は10ppmを想定した。また、吸収線プロファイルは、分子の熱運動に起因するドップラー広がり(ガウス型)と分子同士の衝突に起因する圧力広がり(ローレンツ型)との畳み込み(フォークト型)とした。比較用吸収線(1578.1nm)は、硫化水素の半値全幅で規格化した二酸化炭素吸収線との波長差が2.2であり、二酸化炭素の影響を大きく受けることがわかる。これに対し、選択吸収線B(1577.2nm)は、H2Sの半値全幅で規格化した二酸化炭素吸収線との波長差が3.3と十分離れており、二酸化炭素の吸収による影響は5%程度にとどまることがわかる。以上の結果、選択吸収線として、1576.3nmの吸収線または1577.2nmの吸収線が選択できる。 FIG. 4 is a graph simulating the degree of decrease in the hydrogen sulfide concentration value due to carbon dioxide absorption when the absorption line wavelength difference between carbon dioxide and hydrogen sulfide is changed. The concentration of carbon dioxide was assumed to be 40%, and the concentration of hydrogen sulfide was assumed to be 10 ppm. The absorption line profile was a convolution (Forked type) of Doppler broadening (Gaussian type) due to thermal motion of molecules and pressure broadening (Lorentz type) due to collision between molecules. The comparative absorption line (1578.1 nm) has a wavelength difference of 2.2 with respect to the carbon dioxide absorption line normalized by the full width at half maximum of hydrogen sulfide, and it can be seen that it is greatly affected by carbon dioxide. On the other hand, the selective absorption line B (1577.2 nm) has a wavelength difference of 3.3 from the carbon dioxide absorption line normalized by the full width at half maximum of H 2 S, which is sufficiently separated from the carbon dioxide absorption. It can be seen that it stays at around 5%. As a result, an absorption line of 1576.3 nm or an absorption line of 1577.2 nm can be selected as the selective absorption line.
表示部110は、濃度計算部108が計算した被検出ガス130の濃度を表示する。制御部112は、ガス検知器100に含まれる各部の制御を実行する。
The
ガス検知器100によれば、背景ガス132が高濃度に存在する環境においても高精度に被検出ガス130の濃度を測定することができる。たとえば、管渠内の二酸化炭素が高い濃度で存在するような状況においても、有毒ガスである硫化水素を高精度に検出して、いち早く危険を察知でき、管渠内の作業者の安全を図ることができる。
According to the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
100…ガス検知器、102…光源部、104…受光部、106…信号検出部、108…濃度計算部、110…表示部、112…制御部、120…検出光、122…反射光、130…被検出ガス、132…背景ガス、140…物体。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記検出光が物体に照射された場合に前記物体からの反射光を受光し、前記反射光に応じた受光信号を出力する受光部と、
前記受光信号から、前記検出光の変調周波数に等しい周波数の基本波信号、および、前記変調周波数の2倍に等しい周波数の2倍波信号を検出する信号検出部と、
前記基本波信号と前記2倍波信号の比に基づいて、背景ガスが存在する雰囲気における被検出ガスの濃度を計算する濃度計算部と、を有し、
前記被検出ガスが硫化水素ガスであり、前記背景ガスが二酸化炭素ガスであり、
前記検出光の前記周波数変調における中心波長が、前記被検出ガスの複数の吸収線のうち数1の条件、
(数1) |λs−λb|≧2.72×Δλs、を満足する選択吸収線に合致するよう調整され、
前記選択吸収線の波長λsが、1577.2nm、または1576.3nmである
ガス検知器。
ただし、Δλsは前記選択吸収線の半値全幅、λbは前記背景ガスの吸収線波長を示す。 A light source unit that emits frequency-modulated laser light as detection light;
A light receiving unit that receives reflected light from the object when the detection light is applied to the object, and outputs a light reception signal according to the reflected light;
A signal detection unit for detecting, from the received light signal, a fundamental wave signal having a frequency equal to the modulation frequency of the detection light and a second harmonic signal having a frequency equal to twice the modulation frequency;
A concentration calculator that calculates the concentration of the gas to be detected in the atmosphere in which the background gas exists based on the ratio of the fundamental wave signal and the second harmonic signal;
The gas to be detected is hydrogen sulfide gas, the background gas is carbon dioxide gas,
The center wavelength in the frequency modulation of the detection light is a condition of the number 1 among the plurality of absorption lines of the detection gas ,
(Expression 1) is adjusted so as to match a selective absorption line satisfying | λs−λb | ≧ 2.72 × Δλs ,
The gas detector, wherein the wavelength λs of the selective absorption line is 1577.2 nm or 1576.3 nm .
However, delta [lambda] s is the full width at half maximum of the selected absorption line, [lambda] b shows the absorption line wavelength of the background gas.
請求項1に記載のガス検知器。 The gas detector according to claim 1, wherein a shape of the selective absorption line has sufficient left-right symmetry and a narrow line width to generate the second harmonic signal by the frequency modulation.
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