JP4445452B2 - ガス検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば生ゴミや糞尿などを原料とし、この原料と希釈水との化学反応によりメタン発酵してバイオガス（メタンガス）を生成するガスプラントシステム等の各種配管やチャンバー等の容器に着脱可能に装着され、配管や容器内部を流れるガスの濃度をリアルタイムに安定して検知することができるガス検知装置に関するものである。

近年、地球温暖化の対応策の一つとして、図１０に示すように、例えば生ゴミや糞尿などを原料とし、この原料と希釈水との化学反応によってメタン発酵し、メタンガスなどのバイオガスを生成するガスプラントシステムの開発が進められている。このガスプラントシステムによって生成されたバイオガスは、例えばエンジン、発電、燃料など幅広く利用することができる。

しかし、この種のガスプラントシステムにおいて、バイオガスの発酵量を適正な値に制御するためには、配管内部を流れるガスの濃度をリアルタイムに安定して正確に検知することが望まれていた。

ところで、半導体レーザを光源とし、光の吸収を利用して光学的にガス濃度を測定する装置としては、例えば下記特許文献１に開示されるガス検知装置が知られている。

この特許文献１に開示されるガス検知装置では、発振波長が測定波長（検知対象となるガスの吸収線波長）に制御されて周波数変調されたレーザ光をガス雰囲気に向けて出射し、このレーザ光がガス雰囲気を通過して戻ってくる反射光を受光している。そして、受光した反射光による出力信号から検出される変調周波数の基本波敏感検波信号（１ｆ信号）と２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号）を位相敏感検波し、その比（２ｆ／１ｆ）に基づいてガス雰囲気中の測定対象ガスのガス濃度を演算することでガス濃度の検知を行っている。

しかし、上述した従来のガス検知装置では、ガス雰囲気にレーザ光を出射し、このレーザ光がガス雰囲気を通過して反射してくる光を受光する構成であり、図１０に示すようなガスプラントシステムにおける配管内部を流れるガスの濃度を直接検知する場合、測定光路長が一定に定まらないため、安定した正確なガス濃度を検知することができなかった。このため、従来は、例えば吸引方式等によって測定箇所の配管からガスを吸引して採取し、その採取したガスの濃度を測定していた。
特開２００５−１０６５２１号

上述したガスプラントシステムにおいて、ガス濃度の検知に使用される吸引方式のガスセンサは、試料であるガスの吸引に手間と時間がかかるだけでなく、前処理やメンテナンスが面倒であるという課題があった。

このように、特許文献１に開示される従来のガス検知装置を含め、従来の構成では、配管内部を流れるガスの濃度をリアルタイムに安定して正確に直接検知することができなかった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、例えばガスプラントシステム等の各種配管やチャンバー等の容器内部を流れる対象ガスの濃度をリアルタイムに安定して直接検知することができるガス検知装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載されたガス検知装置は、発振中心波長が測定ガスの吸収波長に制御されて周波数変調されたレーザ光を出射する光源部５と、該光源部からのレーザ光の出射に伴って配管１２内部の酸性またはアルカリ性のガスを含んだ前記測定ガスのガス雰囲気を通過したレーザ光を受光する受光部６と、該受光部が受光したレーザ光による検出信号に基づいて前記配管内部の前記酸性またはアルカリ性のガスを含んだ前記測定ガスのガス濃度を演算する演算部９とを備えたガス検知装置１であって、
前記光源部からのレーザ光を前記ガス雰囲気中に出射する出射部５２と、前記ガス雰囲気を通過したレーザ光を入射させ前記受光部に導く入射部５３とが前記配管内部に装着され、前記ガス雰囲気中に既知の長さの光路を形成し、前記出射部から出射されたレーザ光を前記既知の長さの光路を通過させて前記入射部に導く検知部３を具備し、
前記検知部は、前記出射部からのレーザ光を前記ガス雰囲気中の既知の長さの光路を通過させて前記入射部に導くように前記ガス雰囲気中に臨んで配置された複数のプリズム５１ａ，５１ｂを含む検知用光路形成部５１を備え、
前記検知用光路形成部は、前記出射部からのレーザ光の、前記入射部までの経路上の前記複数のプリズムの入射面に対する入射角度が、前記出射部からのレーザ光が前記入射面で不要に反射され、反射された光が前記出射部に戻らないように、前記プリズムの前記入射面に対して垂直から外れた角度に設定されることを特徴とする。

請求項２に記載されたガス検知装置は、請求項１のガス検知装置において、
前記検知部３に、前記配管１２または容器内部のガス温度よりも高い温度に維持する加熱手段６１を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、検知用光路形成部によって常に一定の光路長をガス雰囲気中に形成して配管内を流れる対象ガスの濃度を直接検知するので、従来のような例えばガス配管内のガス濃度を試験吸引することなく、リアルタイムに安定して高速かつ正確に配管内のガス濃度を検知することができる。

ガス検知対象となる配管に直接装着できるので、従来の吸引方式のような前処理が不要となり、ガス濃度の測定作業が簡略化され、メンテナンスも容易に行え、ガス検知の作業効率が向上する。

検知用光路形成部にプリズムを用いた場合、プリズムの入射面への垂直入射（入射角０°）に対して入射角度を所定角度傾斜させれば、反射（迷光）による測定ノイズ成分を排除し、より高精度なガス濃度検知を行うことができる。

加熱手段によって検知部を配管内のガス温度よりも高い温度に維持すれば、例えばガス温度より外気温度が低い場合でも、検知部を結露させることなく常に一定の光路を形成するように機能させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係るガス検知装置の全体構成の概略を示すブロック図、図２〜図４は本発明に係るガス検知装置の光源部の各例を示す図、図５は本発明に係るガス検知装置の検知部の側断面図、図６は図５におけるＡ−Ａ線断面図、図７（ａ）〜（ｅ）は光学部が有する検知用光路形成部の各例を示す図、図８（ａ），（ｂ）は本発明に係るガス検知装置の反射防止構造及び気密構造の具体例を示す光学部の断面図、図９（ａ），（ｂ）は本発明に係るガス検知装置の結露防止構造の具体例を示す光学部の断面図、図１０は本発明に係るガス検知装置を採用したガスプラントシステムの概略構成図である。

本発明のガス検知装置は、例えばガスプラントシステム等の各種配管内に既知の長さの光路を形成し、配管内を流れる検知対象のガスの濃度をリアルタイムに安定して正確に検知するものである。図１に示すガス検知装置１は、装置本体としての計測部２と、センサヘッドをなす検知部３とを備え、計測部２と検知部３との間が伝送手段としての光ファイバ４で接続されている。光ファイバ４は、単一モードファイバからなり、送信用及び受信用の一対のファイバ４ａ，４ｂで構成される。

まず、装置本体としての計測部２の構成について説明する。図１に示すように、計測部２は、光源部５、受光部６、測定光増幅部７、受光信号検出部８、演算部９、表示部１０、波長安定化回路１１を具備している。

光源部５は、配管内部を流れる検知対象のガスの測定波長（測定対象ガスの吸収線波長）に発振中心波長が制御されて周波数変調されたレーザ光を出射するもので、例えば図２や図３に示すような構成が採用される。

図２に示す光源部５（５Ａ）は、複数対の電極を有する箱型のバタフライ型ケース本体２１を基部とし、半導体レーザモジュールを構成している。バタフライ型ケース本体２１の一面には、不図示の貫通穴が形成され、貫通穴には例えばガラスなどの出射窓２２が設けられている。出射窓２２には、レーザ光を検知部３に伝播するための光ファイバ４ａがコネクタ接続されており、出射窓２２からのレーザ光が集光レンズ２３によって光ファイバ４ａの入射端面に集光されて入射される。光源部５Ａは、半導体レーザ２４、コリメートレンズ２５、光アイソレータ２６、温度制御素子としてのペルチェ素子２７、参照ガスセル２８、受光器としてのフォトダイオード２９、不図示の温度計測素子としてのサーミスタなどがバタフライ型ケース本体２１内に収容されており、各光学部品間の光軸調整がなされて気密封止されている。

半導体レーザ２４は、発振中心波長が測定ガスの吸収波長に制御されて周波数変調されたレーザ光を前後両面から発光しており、前方の面から出射されるレーザ光を測定光とし、後方の面から出射されるレーザ光を参照光としている。

コリメートレンズ２５は、半導体レーザ２４の前方の出射窓２２側に配置され、半導体レーザ２４から出射した測定光を平行光にコリメートしている。

光アイソレータ２６は、コリメートレンズ２５と出射窓２２との間に配置される。この光アイソレータ２６は、９０°の偏波面のレーザ光のみを通す偏光子と、４５°の偏波面のレーザ光のみを通す検光子との間に配置された結晶に磁力を印加して、結晶中を透過するレーザ光の偏波面を回転させて偏光子での反射光の通過を阻止している。これにより、半導体レーザ２４からのレーザ光の出射に伴う半導体レーザ２４への反射光の戻りを抑圧している。そして、コリメートレンズ２５により平行光にされた測定光は、光アイソレータ２６を介して出射窓２２から集光レンズ２３により集光されて光ファイバ４ａに入射される。

温度制御素子としてのペルチェ素子２７は、半導体レーザ２４の温度を制御している。参照ガスセル２８は、半導体レーザ２４の後方に配置され、波長安定化用ガスが封入されており、測定光の発振波長の周波数安定化に用いられる。フォトダイオード２９は、参照ガスセル２８の後方に配置され、参照ガスセル２８を通過した半導体レーザ２４からの参照光を受光検出している。尚、不図示のサーミスタは、半導体レーザ２４の温度を検出している。

また、図３に示す光源部５（５Ｂ）は、金属パッケージからなる箱型形状のケース本体３１の内部に、半導体レーザモジュール３２、参照ガスセル３３、受光器としてのフォトダイオード３４が収容されている。尚、図示はしないが、半導体レーザモジュール３２のケース（バタフライモジュール）内には、発振中心波長が測定ガスの吸収波長に制御されて周波数変調されたレーザ光を両面から出射する半導体レーザ（レーザダイオード）が設けられている。ケース本体３１からはコネクタを備えた光ファイバ４ａが延出されている。ケース本体３１の底面には、冷却用フィン３５が取り付けられた温度制御素子（ペルチェ素子）３６が設けられている。半導体レーザは、動作温度、動作電流により発振波長が変化する性質があるため、ケース本体３１内部のＬＤチップキャリア下に設置された温度制御素子により動作温度を一定温度に制御することにより発振波長が制御される。

尚、光源部５は、検知対象となるガスの吸収線を少なくとも含む波長に周波数変調されたレーザ光を出射する構成であれば良い。従って、光源部５としては、図２や図２の構成に限定されず、例えば特許文献１に開示される光源ユニット（同文献公報に開示される図２２の構成）を含め、様々なものを用いることができる。

また、本例のガス検知装置１は、図示の例において計測部２と検知部３とを別体の構成としているが、計測部２と検知部３とを一体化して配管１２に装着して検知対象となるガスの濃度を検知する構成とすることもできる。この場合には、光ファイバ４ａが不要な構成として、例えば図４に示す光源部５（５Ｃ）を採用することができる。尚、図４において、図２と同一の構成要素には同一番号を付し、その説明を省略している。

図４に示す光源部５（５Ｃ）は、複数対の電極を有する箱型のバタフライ型ケース本体２１を基部とし、半導体レーザモジュールを構成している。バタフライ型ケース本体２１の一面には、不図示の貫通穴が形成され、貫通穴には例えばガラスなどの出射窓２２が設けられる。この出射窓２２から出射されたレーザ光は検知部３に入射される。光源部５Ａは、半導体レーザ２４、コリメートレンズ２５、光アイソレータ２６、温度制御素子としてのペルチェ素子２７、参照ガスセル２８、受光器としてのフォトダイオード２９、温度計測素子としてのサーミスタ３０がバタフライ型ケース本体２１内に収容されており、各光学部品間の光軸調整がなされて気密封止されている。尚、特に説明はしないが、バタフライ型ケース本体２１内の各部品は図２の光源部５Ａと略同等に機能する。

また、上述した各光源部５における参照ガスセル２８，３３は、例えば特許文献１に開示される構成（同文献公報に開示される図１０〜図１４の構成）を採用することができる。これにより、参照ガスセル２８，３３を超小型に構成して光源部５全体の小型化を図ることができ、特に計測部２と検知部３とを一体化してコンパクトなガス検知装置１を構成する場合に有効である。

受光部６は、光源部３から光ファイバ４ａ、検知部３を介して配管１２のガス雰囲気にレーザ光が入射されたときに、対象ガスを含むガス雰囲気を通過して検知部３、光ファイバ４ｂを介して入射されるレーザ光を受光している。尚、光ファイバ４ａ，４ｂが不要な光源部５を採用した場合には、光源部５から検知部３を介して配管１２のガス雰囲気にレーザ光が入射されたときに、ガス雰囲気を通過して検知部３を介して入射されるレーザ光を受光している。

測定光増幅部７は、例えばプリアンプで構成され、受光信号検出部８で検出する１ｆ信号、２ｆ信号が測定対象ガス濃度範囲で同等の検出レベルになるように、増幅度が１ｆ信号、２ｆ信号それぞれ最適な値に設定されている。この測定光増幅部７では、受光部６から検出出力される測定光信号の受光電流を受光電圧に変換し、さらに設定された増幅度で測定光信号（受光電圧）を増幅して出力している。

受光信号検出部８は、測定光増幅部７で増幅された測定光信号（受光電圧）を信号処理し、１ｆ信号と２ｆ信号を位相敏感検波している。

演算部９は、一定の測定光路長において受光検出された受光信号検出部８からの１ｆ信号、２ｆ信号を入力とし、その比（２ｆ／１ｆ）に基づいて測定対象ガスのガス濃度を演算している。

表示部１０は、ガス濃度測定に関する各種条件を表示する他、演算部９の処理によって得られる配管内部のガス濃度の測定結果などを表示している。

波長安定化回路１１は、設定温度の検索、初期設定、２倍波ピーク安定化、信号同期検出、２倍波歪抑圧動作に関する処理を行っている。尚、その処理内容は特開２００１−２３５４２０号公報と同様であり、ここでの説明を省略する。

尚、特に図示はしないが、装置本体としての計測部２は、ガス濃度測定に関する各種条件を設定するため、例えば複数のキーやスイッチなどの入力部も備えている。

次に、センサヘッドをなす検知部３の構成について説明する。図５及び図６に示すように、検知部３は、ガス濃度の検知を行う配管１２に対して着脱可能に装着される。

図５及び図６に示すように、検知部３は、光学部４１と、光学部４１を収容する光学部収容体４２と、光学部４１を収容した光学部収容体４２を配管１２の所定位置に取付固定するための取付部材４３とを備えて概略構成される。

光学部４１は、中途位置に段付き部を有する筒型中空状の光学部収容体４２の先端に設けられ、後述する既知の長さの光路をガス雰囲気中に形成するための検知用光路形成部５１を有している。

取付部材４３は、取付フランジ部４３ａ、受け部４３ｂ、固定手段４３ｃを備えている。取付フランジ部４３ａは、中心部に貫通穴を有する平板状に形成され、光学部収容体４２の段付き部の小径外周部分に挿通して取り付けられる。尚、取付フランジ部４３ａは、光学部収容体４２と一体に構成しても良い。受け部４３ｂは、中心部に貫通穴を有するとともに取付フランジ部４３ａの裏面部と接合する平面部を有し、予めＪＩＳ規格に基づいて配管１２の所定箇所（ガス検知位置）に形成された所定径の取付管１２ａに溶接して固定される。取付フランジ部４３ａは、例えばボルトとナットなどの固定手段４３ｃによって受け部４３ｂに固定される。これにより、検知部３が配管１２の取付管１２ａに位置決め固定され、光学部４１が配管１２内のガス雰囲気に望んで配置される。

次に、光学部４１に有する検知用光路形成部５１の構成について説明する。検知用光路形成部５１は、光源部５からのレーザ光をガス雰囲気中に出射する出射部５２と、ガス雰囲気中を通過してくるレーザ光が入射される入射部５３とが光学部本体４１ａに一体に並設されて構成される。この検知用光路形成部５１では、ガス雰囲気中に既知の長さの光路を形成し、出射部５２から出射されたレーザ光を既知の長さの光路を通過させて入射部５３に導いている。尚、本例では、配管１２の中心軸と直交する管径方向（配管１２内のガスの流れと直交する方向：図６中の矢印ａ方向）に既知の長さの光路が形成される。これにより、出射部５２から出射されてレーザ光は、常に一定の測定光路長となる既知の長さの光路を通過して入射部５３に入射される。

以下、検知用光路形成部５１の具体的な構成例について図７（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。尚、図７（ａ）〜（ｄ）では、光学部本体４１ａにおいて一対の光ファイバ４ａ，４ｂが挿通される貫通穴端面（配管１２内のガス雰囲気に晒される端面）を出射部５２（光ファイバ４ａ側）、入射部５３（光ファイバ４ｂ側）としている。

図７（ａ）に示す検知用光路形成部５１（５１Ａ）では、出射部５２と入射部５３とが配管１２の中心軸と直交して光学部本体４１ａに並設される。また、光学部本体４１ａの下部に固定された位置決め部材４４には、一対のプリズム５１ａ，５１ｂが配置される。この一対のプリズム５１ａ，５１ｂは、ガス雰囲気中に晒された状態で出射部５２と入射部５３の直下に対向して位置決め配置される。そして、一方のプリズム５１ａの出射面から他方のプリズム５１ｂの入射面との間の距離が既知の長さの光路（測定光路長）を形成する。

図７（ｂ）に示す検知用光路形成部５１（５１Ｂ）では、出射部５２と入射部５３とが各々の中心軸が配管１２内のガス雰囲気の所定位置で交差するように傾斜して光学部本体４１ａに並設される。また、光学部本体４１ａの下部に固定された位置決め部材４４には、出射部５２及び入射部５３の中心軸が交差する位置に単一のミラー５１ｃが位置決め配置される。このミラー５１ｃは、反射面が配管１２の中心軸と平行をなしてガス雰囲気中に晒された状態で配置される。そして、出射部５２、ミラー５１ｃ、入射部５３の各々の中心軸を結んだ距離が既知の長さの光路（測定光路長）を形成する。尚、ミラー５１ｃの反射面には、耐アルカリ性に強い金によって反射膜を形成するのが好ましい。

図７（ｃ）に示す検知用光路形成部５１（５１Ｃ）では、出射部５２と入射部５３とが配管１２の中心軸と直交して光学部本体４１ａに並設される。また、光学部本体４１ａの下部に固定された位置決め部材４４には、単一のプリズム５１ａが配置される。このプリズム５１ａは、出射部５２からのレーザ光をガス雰囲気を通過させて入射部５３に導くようにガス雰囲気中に晒された状態で出射部５２と入射部５３の直下に位置決め配置される。そして、プリズム５１ａの入射面と反射面との間の距離が既知の長さの光路（測定光路長）を形成する。

図７（ｄ）に示す検知用光路形成部５１（５１Ｄ）では、出射部５２と入射部５３とが配管１２の中心軸と直交して光学部本体４１ａに並設される。また、光学部本体４１ａの下部に固定された位置決め部材４４には、一対のミラー５１ｃ，５１ｄが配置される。この一対のミラー５１ｃ，５１ｄは、出射部５２からのレーザ光を反射させて入射部５３に導くように反射面がガス雰囲気中に晒された状態で出射部５２と入射部５３の直下に対向して位置決め配置される。そして、出射部５２、一対のミラー５１ｃ，５１ｄ、入射部５３の各々の中心軸を結んだ距離が既知の長さの光路（測定光路長）を形成する。尚、ミラー５１ｃ，５１ｄの反射面には、耐アルカリ性に強い金によって反射膜を形成するのが好ましい。

図７（ｅ）に示す検知用光路形成部５１（５１Ｅ）では、一対の光ファイバ４ａ，４ｂが各々の端面をガス雰囲気に晒した状態で光学部本体４１ａに対向して位置決め配置される。この場合、一方の光ファイバ４ａの端面が出射部５２となり、また他方の光ファイバ４ｂの端面が入射部５３となる。そして、一対の光ファイバ４ａ，４ｂの出射部５２と入射部５３との間の距離が既知の長さの光路（測定光路長）を形成する。

尚、上述した図７（ａ）において、一対のプリズム５１ａ，５１ｂのうち何れか一方を反射ミラーで構成することもできる。すなわち、プリズムや反射ミラーを用いた場合には、１つもしくは複数のプリズムおよび１つもしくは複数の反射ミラーからなる群のうちの少なくとも１つを含んで検知用光路形成部５１を構成することができる。また、上述した図７（ａ）〜（ｅ）の検知用光路形成部５１において、プリズム５１ａ，５１ｂ、ミラー５１ｃ，５１ｄなどの光学部品を位置決め配置するために光学部本体４１ａに固定される位置決め部材４４は、上記光学部品とともにガス雰囲気中に晒されるので、耐酸性や耐アルカリ性に対して強い材料で構成するのが好ましい。

また、図７（ａ）〜（ｅ）に示す検知用光路形成部５１（５１Ａ〜５１Ｅ）では、送信側の光ファイバ４ａ及び受信側の光ファイバ４ｂをコリメータ付きファイバ（先端が斜め研磨されたファイバとコリメートレンズとを組み合わせたファイバ）で構成する他、送信側の光ファイバ４ａをコリメータ付きファイバ、受信側の光ファイバ４ｂをＴＥＣファイバ（Thermally-diffused Expanded Core Fiberの略で、熱拡散技術により光ファイバのモードフィールド径を拡大させたコア拡大ファイバ）で構成したり、送信側の光ファイバ４ａをＴＥＣファイバ、受信側の光ファイバ４ｂをコリメータ付きファイバで構成することができる。また、送信側の光ファイバ４ａ及び受信側の光ファイバ４ｂをＴＥＣファイバで構成することができる。

さらに、図７（ａ）〜（ｄ）に示す検知用光路形成部５１（５１Ｄ）では、送信側及び受信側に光ファイバ４ａ，４ｂを用いた構成であるが、計測部２と検知部３とを一体化して構成し、光源部５からのレーザ光を直接検知用光形成部５１に入射し、ガス雰囲気中を通過して反射してくるレーザ光を直接受光する構成としても良い。この場合には、送信側及び受信側の光ファイバ４ａ，４ｂが不要となり、構成部品を減らして構成が簡略化され、装置全体のコンパクト化を図ることができる。

ところで、本例で取り扱われる配管１２内の測定ガスには、硫化水素、アンモニア等の酸、アルカリ性のガスも含まれることがある。このため、これらのガス雰囲気中において図７（ａ），（ｃ）に示す検知用光路形成部５１（５１Ａ，５１Ｃ）の構成を採用した場合、ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂ の組み合わせで構成される反射防止コート（ＡＲコート）が耐アルカリ性に対して非常に弱いので、プリズム５１ａ，５１ｂの光路面（入射面、反射面、出射面）に反射防止コートを使用することができない。

そこで、本例のガス検知装置１において、検知部３には、出射部５２から入射部５３までの経路上の通過面に対するレーザ光の入射角度を、出射部５２からのレーザ光が通過面で不要に反射されて出射部５２に戻らない角度に設定する反射防止対策が施されている。この反射防止対策を施した検知部３としては、図８（ａ），（ｂ）に示すような光学部４１を採用することができる。

図８（ａ），（ｂ）の光学部４１Ａ，４１Ｂでは、例えば接合可能なＣＡＮタイプＬＤモジュール用の窓付きキャップ５５を利用している。この窓付きキャップ５５は、貫通窓５５ａにガラス板５６が融着されたもので、安価で気密度に関しても１×１０^-6ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ程度が得られる。そして、光学部本体４１ａと窓付きキャップ５５との間の接合面５５ｂを抵抗溶接によって溶接し、プリズム５１ａ，５１ｂのみがガス雰囲気中に晒されるように窓付きキャップ５５内の光路との気密をとっている。

また、図８（ａ），（ｂ）の光学部４１Ａ，４１Ｂでは、光学部収容体４２との間の気密にシール部材としてのＯリング５７を使用している。

そして、図８（ａ），（ｂ）に示す光学部４１Ａ，４１Ｂでは、反射防止対策として、プリズム５１ａの入射面への垂直入射（入射角０°）に対して入射角度を所定角度（例えば４°程度）傾斜させている。その際、プリズム５１ｂの反射面に対する出射角度は入射角度と同一角であり、プリズム５１ａに入射されるレーザ光と、プリズム５１ｂから出射されるレーザ光とが平行になる。これにより、反射（迷光）による測定ノイズ成分を排除し、より高精度なガス濃度検知を行うことができる。

尚、図８（ａ）に示す光学部４１Ａでは、上述した窓付きキャップ５５を１つ用い、ガス雰囲気に晒されるガラス板５６の表面に一対のプリズム５１ａ，５１ｂを対向配置し、オプティカルコンタクト後、補強のために温度をかけて溶着している。なお、オプティカルコンタクトとは、高精度に研磨された２つの基板表面同士を、接着剤等を使わずに接合する技術である。

また、図８（ｂ）に示す光学部４１Ｂでは、上述した窓付きキャップ５５を２つ用い、ガス雰囲気に晒される各々のガラス板５６の表面にプリズム５１ａ，５１ｂをオプティカルコンタクト後、温度をかけて溶着している。

ところで、本例のガス検知装置１で取り扱われる配管１２内の測定ガスは高湿度の状態もあり得る。例えばガス温度より外気温度が低い場合には、光学部４１も熱伝導によりガス温度より低温になる可能性がある。従って、この場合には、検知部３の検知用光路形成部５１が結露しないような対策が必要となる。

そこで、本例のガス検知装置１では、光学部４１を配管１２内のガス温度より高温に維持し、結露防止を行うための加熱手段６１を備えた構成とすることができる。図９（ａ），（ｂ）は加熱手段６１を備えた光学部４１の各構成例を示している。

図９（ａ）に示す光学部４１（４１Ｃ）では、キャップ５５のガラス板５６の内面（ガス雰囲気に晒されない面）に、加熱手段として例えばフィルム状のヒーター６１が取り付けられ、計測部２に配線接続される。

図９（ｂ）に示す光学部４１（４１Ｄ）では、例えばシースタイプのヒーター６１が光学部本体４１ａに埋設され、計測部２に配線接続される。

そして、上述した加熱手段としてのヒーター６１は、検知用光路形成部５１の周辺温度が配管１２内のガス温度よりも高くなるように計測部２によって温度制御される。具体的には、配管１２内のガス温度を計測するガス温度センサを配管１２の所定箇所に設置し、検知用光路形成部５１の周辺温度を計測する周辺温度センサを光学部４１の所定箇所に設置しておき、これら温度センサによる検出温度を計測部２に入力させる。計測部２は、これら温度センサからの検出温度の比較を行い、その温度差に基づいてヒーター６１の温度を制御する。これにより、検知部３の検知用光路形成部５１におけるプリズム５１ａ，５１ｂ、ミラー５１ｃ，５１ｄ、光ファイバ４ａ，４ｂの入射面及び反射面が温度差によって結露することなく、常に一定の光路を形成するように機能させることができる。

以上のように構成される本例のガス検知装置１では、発振中心波長が測定ガスの吸収波長（検知対象となるガスの吸収線波長）に制御されて周波数変調されたレーザ光が計測部２の光源部４から光ファイバ４ａを介して検知部３に入射される。検知部３では、光ファイバ４ａからのレーザ光が出射部５２から検知用光路形成部５１によるガス雰囲気中の既知の長さの光路を通過し、この光路のガス雰囲気中に存在する対象ガスの吸収を受けたレーザ光が入射部５３に入射される。入射部５３に入射されたレーザ光は、さらに光ファイバ４ｂを介して計測部２の受光部６に受光される。そして、受光部６が受光した反射光による出力信号から検出される変調周波数の基本波敏感検波信号（１ｆ信号）と２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号）とを位相敏感検波し、その比（２ｆ／１ｆ）に基づいてガス雰囲気中の測定対象ガスのガス濃度を演算部９が演算する。尚、ここでは、変調周波数の基本波敏感検波信号（１ｆ信号）には、強度変調に起因する大きなオフセットが生じるため、１ｆ信号に比べてオフセットのかなり小さい２倍波位相敏感検波信号を用いている。その際の測定結果は表示部１０に表示される。

このように、本例のガス検知装置１では、検知用光路形成部５１によってガス雰囲気中に既知の長さの光路を形成し、常に一定の測定光路長を維持して配管１２内を流れる対象ガスの濃度を直接検知している。これにより、従来のような例えばガス配管やチャンバー（容器）内部等のガス濃度を試験吸引することなく、リアルタイムに安定かつ正確にガス濃度を高速に検知することができる。

しかも、本例のガス検知装置１は、ガス検知対象となる配管１２に直接装着でき、例えばボルトとナットにより着脱も容易に行えるので、従来の吸引方式のような前処理が不要となり、ガス濃度の測定作業が簡単に行え、メンテナンスも容易に行うことができる。その結果、ガス検知の作業効率も向上する。

そして、本例のガス検知装置１は、図１０に示すような例えば生ゴミや糞尿などを原料とし、この原料と希釈水との化学反応によりメタン発酵してバイオガス（メタンガス）を生成するガスプラントシステム７１に採用することができる。

このガスプラントシステム７１では、生ゴミや糞尿などの原料バイオマス７２が分別機７３の受入ホッパ７４に投入されると、原料バイオマス７２から異物７５が除去され、スラリータンク７６に所定量づつ原料バイオマス７２が送り込まれる。そして、スラリータンク７６からは、原料バイオマス７２のスラリーが所定量づつバイオガス発酵槽７７に供給される。バイオマス発酵槽７７では、供給された原料バイオマス７２のスラリーと、希釈水７８との化学反応によってメタン発酵する。このバイオマス発酵槽７７で生成されたメタンガス７９は、配管１２を通じて所要箇所に排出され、例えばエンジン、発電、燃料などに利用される。

そして、配管１２の必要箇所に本例のガス検知装置１を装着すれば、システムを稼働させたままの状態で配管１２内のメタン濃度を常時自動監視し、処理工程毎にガス濃度の検知を行うことができ、しかも水蒸気を含む実際の正確な濃度値を測定することができる。そして、前処理プロセスの制御装置８０に対し、正確なメタン濃度値をリアルタイムにフィードバックすることによりバイオガスの発酵量を制御することができる。これにより、安定したメタン発酵が可能となり、安定したエネルギー生成を行うことができる。その結果、人件費の削減、ガスプラントシステムの安定性の向上を図ることができる。

本発明に係るガス検知装置の全体構成の概略を示すブロック図である。 本発明に係るガス検知装置の光源部の一例を示す図である。 本発明に係るガス検知装置の光源部の他の例を示す図である。 本発明に係るガス検知装置の光源部の他の例を示す図である。 本発明に係るガス検知装置の検知部の側断面図である。 図５におけるＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）〜（ｅ） 光学部が有する検知用光路形成部の各例を示す図である。 （ａ），（ｂ） 本発明に係るガス検知装置の反射防止構造及び気密構造の具体例を示す光学部の断面図である。 （ａ），（ｂ） 本発明に係るガス検知装置の結露防止構造の具体例を示す光学部の断面図である。 本発明に係るガス検知装置を採用したガスプラントシステムの概略構成図である。

符号の説明

１ ガス検知装置
２ 計測部
３ 検知部
４（４ａ，４ｂ） 伝送手段（光ファイバ）
５（５Ａ〜５Ｃ） 光源部
６ 受光部
７ 測定光増幅部
８ 受光信号検出部
９ 演算部
１０ 表示部
１１ 波長安定化回路
１２ 配管
１２ａ 取付管
２１ バタフライ型ケース本体
２２ 出射窓
２３ 集光レンズ
２４ 半導体レーザ
２５ コリメートレンズ
２６ 光アイソレータ
２７ 温度制御素子（ペルチェ素子）
２８，３３ 参照ガスセル
２９ 受光器（フォトダイオード）
３０ 温度計測素子（サーミスタ）
３１ ケース本体
３２ 半導体レーザモジュール
３４ 受光器（フォトダイオード）
４１（４１Ａ〜４１Ｄ） 光学部
４１ａ 光学部本体
４２ 光学部収容体
４３ 取付部材
４３ａ 取付フランジ部
４３ｂ 受け部
４３ｃ 固定手段
４４ 位置決め部材
５１（５１Ａ〜５１Ｅ） 検知用光路形成部
５２ 出射部
５３ 入射部
５５ キャップ
５５ａ 貫通窓
５５ｂ 接合面
５６ ガラス板
５７ シール部材（Ｏリング）
６１ 加熱手段（ヒーター）
７１ ガスプラントシステム
７２ 原料バイオマス
７３ 分別機
７４ 受入ホッパ
７５ 異物
７６ スラリータンク
７７ バイオマス発酵槽
７８ 希釈水
７９ メタンガス
８０ 制御装置

Claims (2)

1. 発振中心波長が測定ガスの吸収波長に制御されて周波数変調されたレーザ光を出射する光源部（５）と、該光源部からのレーザ光の出射に伴って配管（１２）内部の酸性またはアルカリ性のガスを含んだ前記測定ガスのガス雰囲気を通過したレーザ光を受光する受光部（６）と、該受光部が受光したレーザ光による検出信号に基づいて前記配管内部の前記酸性またはアルカリ性のガスを含んだ前記測定ガスのガス濃度を演算する演算部（９）とを備えたガス検知装置（１）であって、
   前記光源部からのレーザ光を前記ガス雰囲気中に出射する出射部（５２）と、前記ガス雰囲気を通過したレーザ光を入射させ前記受光部に導く入射部（５３）とが前記配管内部に装着され、前記ガス雰囲気中に既知の長さの光路を形成し、前記出射部から出射されたレーザ光を前記既知の長さの光路を通過させて前記入射部に導く検知部（３）を具備し、
   前記検知部は、前記出射部からのレーザ光を前記ガス雰囲気中の既知の長さの光路を通過させて前記入射部に導くように前記ガス雰囲気中に臨んで配置された複数のプリズム（５１ａ，５１ｂ）を含む検知用光路形成部（５１）を備え、
   前記検知用光路形成部は、前記出射部からのレーザ光の、前記入射部までの経路上の前記複数のプリズムの入射面に対する入射角度が、前記出射部からのレーザ光が前記入射面で不要に反射され、反射された光が前記出射部に戻らないように、前記プリズムの前記入射面に対して垂直から外れた角度に設定されることを特徴とするガス検知装置。
2. 前記検知部（３）に、前記配管（１２）または容器内部のガス温度よりも高い温度に維持する加熱手段（６１）を備えたことを特徴とする請求項１に記載のガス検知装置。

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