特許 6875025 ガス濃度検出装置、ガス濃度検出システムおよびガス濃度検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6875025

(24)【登録日】2021年4月26日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】ガス濃度検出装置、ガス濃度検出システムおよびガス濃度検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/61 20060101AFI20210510BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/61

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2020-9294(P2020-9294)

(22)【出願日】2020年1月23日

【審査請求日】2020年1月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000227205

【氏名又は名称】ＮＥＣプラットフォームズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】高森 大輝

【審査官】 嶋田 行志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１０２１５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１０９１２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１７−１９４３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２４０８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／０９０５１６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−２２７８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−０９６０７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／６１

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋸波形状の駆動電流で駆動されたレーザ光源から出力されるレーザ光を、測定空間を介して検出する検出器と、
前記検出器の検出結果に応じた受信信号を出力する受信信号出力部と、
前記受信信号のエッジを検出するエッジ検出部と、
前記検出したエッジのタイミングに基づいて、前記受信信号に含まれる鋸波形状の鋸波信号を生成し、基準ガス信号として出力する基準ガス信号出力部と、
前記受信信号と前記基準ガス信号との比較に基づいて、前記測定空間に含まれるガス濃度を検出するガス濃度検出部と、を備えたガス濃度検出装置。

【請求項2】

前記駆動電流は、鋸波形状の第１の駆動電流と、前記第１の駆動電流よりも振幅が小さく、前記第１の駆動電流の周波数を逓倍した周波数を有する第２の駆動電流と、を加算したものであって、
前記基準ガス信号出力部は、前記タイミングを前記逓倍したクロックに基づいて、前記受信信号に含まれる周期信号を生成し、前記周期信号を前記鋸波信号に加算して前記基準ガス信号として出力する、請求項１に記載のガス濃度検出装置。

【請求項3】

前記周期信号は正弦波信号である、請求項２に記載のガス濃度検出装置。

【請求項4】

前記エッジ検出部は、前記受信信号の時間変化が所定の閾値以上であるか否かに基づいて前記エッジを検出する、請求項１から３のいずれか１項に記載のガス濃度検出装置。

【請求項5】

前記所定の閾値は、前記ガス濃度に基づく前記受信信号の減衰量よりも大きな値となるように設定された、請求項４に記載のガス濃度検出装置。

【請求項6】

レーザ光源と、前記レーザ光源を鋸波形状の駆動電流で駆動する駆動部と、を備えた送信装置と、
前記レーザ光源から出力されるレーザ光を、測定空間を介して検出する検出器と、
前記検出器の検出結果に応じた受信信号を出力する受信信号出力部と、
前記受信信号のエッジを検出するエッジ検出部と、
前記検出したエッジのタイミングに基づいて、前記受信信号に含まれる鋸波形状の鋸波信号を生成し、基準ガス信号として出力する基準ガス信号出力部と、
前記受信信号と前記基準ガス信号との比較に基づいて、前記測定空間に含まれるガス濃度を検出するガス濃度検出部と、を備えたガス濃度検出装置と、
を備えたガス濃度検出システム。

【請求項7】

前記駆動部は、前記レーザ光源を、鋸波形状の第１の駆動電流と、前記第１の駆動電流よりも振幅が小さく前記第１の駆動電流の周波数を逓倍した周波数を有する第２の駆動電流と、を加算した前記駆動電流で駆動し、
前記基準ガス信号出力部は、前記タイミングを前記逓倍したクロックに基づいて、前記受信信号に含まれる周期信号を生成し、前記周期信号を前記鋸波信号に加算して前記基準ガス信号として出力する、請求項６に記載のガス濃度検出システム。

【請求項8】

鋸波形状の駆動電流で駆動されたレーザ光源から出力されるレーザ光を、測定空間を介して検出し、
前記検出の結果に応じた受信信号を出力し、
前記受信信号のエッジを検出し、
前記検出したエッジのタイミングに基づいて、前記受信信号に含まれる鋸波形状の鋸波信号を生成し、基準ガス信号として出力し、
前記受信信号と前記基準ガス信号との比較に基づいて、前記測定空間に含まれるガス濃度を検出する、ガス濃度検出方法。

【請求項9】

前記駆動電流は、鋸波形状の第１の駆動電流と、前記第１の駆動電流よりも振幅が小さく、前記第１の駆動電流の周波数を逓倍した周波数を有する第２の駆動電流と、を加算したものであって、
前記タイミングを前記逓倍したクロックに基づいて、前記受信信号に含まれる周期信号を生成し、前記周期信号を前記鋸波信号に加算して前記基準ガス信号として出力する、請求項８に記載のガス濃度検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス濃度検出装置、ガス濃度検出システムおよびガス濃度検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ光を用いてガス濃度を検出するシステムが提案されている。特許文献１に記載された装置は、所定の変調周波数で変調を施す駆動電流と、波長走査を繰り返すための駆動電流とを加算し、レーザダイオードに供給する。レーザダイオードは、レーザ光を、被測定ガスが封入された測定セルに照射する。測定セルを通過したレーザ光は、フォトダイオードで受光される。ガス濃度は、フォトダイオードから出力された測定信号に基づいて算出される。

【0003】

非特許文献１は、鋸波形状の信号を駆動電流として使用し、レーザから放射される光の波長を制御する技術を開示している。受信した信号と、基準となる信号との差分に基づいてガスの濃度を算出することが可能となる。また、非特許文献２は、レーザ光をミラー等の標的に向けて照射し、反射波に基づいて光路上のガスを検知する技術を開示している。

【0004】

関連する技術によると、被測定ガスにレーザ光を送信する送信側、およびレーザ光を受信する受信側は、一体として構成されている。すなわち、送信側の信号を受信側で使用するために、受信側は送信側と接続されている。したがって、ミラー等の標的を用意しなければ、レーザ光の進行路上のガスを検知することができないという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０−１６４４１３号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】市村浩一、山内芳幸、相馬正孝、酒井努、中村晃之、池田幸雄、佐藤知典、「光ファイバ式ガス検知システム」２００６年１月、ｐ２３−２８（ISSN/ISBN/CODEN：0910-2817）

【非特許文献2】菊川知之、木村潔、鈴木敏之、森浩、鮫島隆博、「レーザ方式の遠隔型ガス検知器」２００６年３月、ｐ６６−７１（ISSN/ISBN/CODEN：0003-5211/ANTKA）

【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、ミラー等の標的を用意しなければ、レーザ光の進行路上のガスを検知することができないという問題があった。

【0008】

本開示は上記課題を解決するためにされたものであって、受信信号から生成された基準ガス信号と受信信号との比較に基づいて、ガス濃度を検出するガス濃度検出装置、ガス濃度検出システム、及びガス濃度検出方法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】

【0009】

本開示にかかるガス濃度検出装置は、鋸波形状の駆動電流で駆動されたレーザ光源から出力されるレーザ光を、測定空間を介して検出する検出器と、前記検出器の検出結果に応じた受信信号を出力する受信信号出力部と、前記受信信号のエッジを検出するエッジ検出部と、前記検出したエッジのタイミングに基づいて、前記受信信号に含まれる鋸波形状の鋸波信号を生成し、基準ガス信号として出力する基準ガス信号出力部と、前記受信信号と前記基準ガス信号との比較に基づいて、前記測定空間に含まれるガス濃度を検出するガス濃度検出部と、を備えたものである。

【0010】

本開示にかかるガス濃度検出システムは、レーザ光源と、前記レーザ光源を鋸波形状の駆動電流で駆動する駆動部と、を備えた送信装置と、前記レーザ光源から出力されるレーザ光を、測定空間を介して検出する検出器と、前記検出器の検出結果に応じた受信信号を出力する受信信号出力部と、前記受信信号のエッジを検出するエッジ検出部と、前記検出したエッジのタイミングに基づいて、前記受信信号に含まれる鋸波形状の鋸波信号を生成し、基準ガス信号として出力する基準ガス信号出力部と、前記受信信号と前記基準ガス信号との比較に基づいて、前記測定空間に含まれるガス濃度を検出するガス濃度検出部と、を備えたガス濃度検出装置と、を備えたものである。

【0011】

本開示にかかるガス濃度検出方法は、鋸波形状の駆動電流で駆動されたレーザ光源から出力されるレーザ光を、測定空間を介して検出し、前記検出の結果に応じた受信信号を出力し、前記受信信号のエッジを検出し、前記検出したエッジのタイミングに基づいて、前記受信信号に含まれる鋸波形状の鋸波信号を生成し、基準ガス信号として出力し、前記受信信号と前記基準ガス信号との比較に基づいて、前記測定空間に含まれるガス濃度を検出する、ものである。

【発明の効果】

【0012】

本開示によれば、受信信号から生成された基準ガス信号と、受信信号との比較に基づいて、ガス濃度を検出するガス濃度検出装置、ガス濃度検出システム、及びガス濃度検出方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】検討例にかかる装置６００の構成を示す構成図である。

【図2】検討例にかかる装置６００において検出可能な距離を示す概略図である。

【図3】検討例にかかる装置６００において光軸調整が必要な箇所を示す概略図である。

【図4】実施の形態１にかかるガス濃度検出システム３００の構成を示す構成図である。

【図5】実施の形態１にかかるガス濃度検出装置２００の機能構成を示す構成図である。

【図6】実施の形態２にかかるガス濃度検出システム３００の構成図である。

【図7】実施の形態２にかかる送信装置１００が駆動電流を出力する動作の概要を示す概略図である。

【図8】実施の形態２にかかるガス濃度検出装置１００が基準ガス信号を出力する動作の概要を示す概略図である。

【図9】実施の形態２にかかるガス濃度検出装置１００においてエッジ検出に用いられる閾値の設定方法の概要を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

＜実施の形態にいたる検討＞
発明者が行った検討例について説明する。図１は、検討例にかかる装置６００の構成を示す構成図である。本検討例は、非特許文献１をベースとしているが、レーザ光の発射及び反射に関しては非特許文献２に記載された技術を使用している。

【0015】

装置６００は、送信部１００および受信部８００を備える。送信部１００は、基準信号発生回路１１０、駆動回路１２０、およびＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）１３０を備える。基準信号発生回路１１０は、固定発振器等を用いて基準クロック１４を生成し、駆動回路１２０に送信する。基準信号発生回路１１０は、基準クロック１４を、受信部８００の同期検波部８４０および基準ガス信号出力部８３０に送信する。

【0016】

駆動回路１２０は、鋸波生成回路１２１、正弦波調整回路１２２、および加算回路１２３を備える。鋸波生成回路１２１は、基準クロック１４に基づいて鋸波形状の信号を生成する。正弦波調整回路１２２は、基準クロック１４に基づく正弦波信号を生成する。加算回路は、鋸波形状の信号と正弦波信号とを加算し、駆動電流２６を生成する。駆動回路１２０は、駆動電流２６をＬＤ１３０に送信する。

【0017】

ＬＤ１３０は、駆動電流２６によって駆動され、レーザ光２７を、標的２０に向けて照射する。標的２０は、ミラー、レンズ等を用いてレーザ光２７を反射する。標的２０に関する技術は、非特許文献２に記載されている。

【0018】

受信部８００は、ＰＤ８１０、基準ガス信号出力部８３０、同期検波部８４０、およびガス濃度検出部８５０を備える。ＰＤ８１０は、標的２０で反射したレーザ光２７を受光し、受信アナログ信号２８を出力する。ＰＤ８１０は、受信アナログ信号２８を、同期検波部８４０に送信する。装置６００と標的２０との間の大気中にガスが含まれている場合、ガスの濃度に応じてレーザ光２７が吸収される。吸収される波長は、ガスの種類によって定まる。

【0019】

同期検波部８４０は、受信した受信アナログ信号２８に対して、基準クロック１４を用いて同期検波を行う。次に、同期検波部８４０は、Ａ／Ｄ変換を行い、レーザ光２７の強度を表す受信デジタル信号２９を生成する。同期検波部８４０は、受信デジタル信号２９を、ガス濃度検出部８５０に送信する。

【0020】

基準ガス信号出力部８３０は、基準クロック１４に基づいて基準ガス信号３５を出力する。基準ガス信号出力部８３０は、基準ガス信号３５をガス濃度検出部８５０に送信する。ガス濃度検出部８５０は、受信デジタル信号２９と基準ガス信号３５とを比較し、ＣＰＵ８５１を用いて吸収波長におけるガスの吸収量を算出し、ガス濃度を検知する。

【0021】

上述のように、送信部１００および受信部８００は、同一の基準クロック１４を必要とする。したがって、送信部１００および受信部８００は、同一の装置６００の内部に組み込まれる必要がある。また、レーザの発射に関して、ＬＤ１３０、標的２０、およびＰＤ８１０の向きおよび角度を調整する必要がある。ＬＤ１３０からレーザ光を発射し、標的２０で反射させ、ＰＤ８１０で受信するためである。さらに、レーザ光の到達距離の半分までの距離で測定を行う必要がある。ＬＤ１３０から照射されたレーザ光は、標的２０で折り返すこととなるためである。

【0022】

以下、本検討例における問題点について説明する。本検討例では、装置６００から発射されたレーザ光が標的２０において折り返すこととなる。したがって、装置６００におけるレーザ光の検出限界の距離をＮとした場合に、装置６００と標的との間の距離は最大で（Ｎ／２）となる。したがって、装置から（Ｎ／２）までの範囲で測定を行わなければならないという制限がある。

【0023】

ここで、送信装置１００と受信装置８００とに分離する場合について検討する。図２は、検討例と、受信装置８００を分離するケースと、の検出可能な距離の比較を示す概略図である。受信装置８００を分離した場合、検出限界の距離であるＮを測定範囲とすることが可能となる。しかし、送信装置１００と受信装置８００の基準クロックを同期することができないため、ガス濃度検出の精度が低下するおそれや、誤作動が生じるおそれがある。一方、基準クロックを同期するためには、基準クロックを伝送するための有線無線等の伝送手段を別途用意しなければならないという問題がある。

【0024】

図３は、検討例と、受信装置８００を分離するケースと、の光軸の調整箇所の比較結果を示す概略図である。検討例では、ＬＤ１３０、標的２０、ＰＤ８１０の３箇所で光軸を調整する必要があった。調整が容易でないだけではなく、経時変動によりガス濃度検出の精度が低下するという問題がある。一方、受信装置８００を分離した場合、光軸調整が必要になるのは、ＬＤ１３０およびＰＤ８１０の２箇所のみである。

【0025】

＜実施の形態１＞
図４は、本実施の形態１にかかるガス濃度検出システム３００の構成を示す構成図である。ガス濃度検出システム３００は、送信装置１００およびガス濃度検出装置２００を備える。送信装置１００は、測定空間４００に対してレーザ光を送信する。ガス濃度検出装置２００は、測定空間４００を通過したレーザ光を受光し、測定空間４００に含まれるガスの濃度を算出する。

【0026】

送信装置１００は、駆動部１２０およびレーザ光源１３０を備える。駆動部１２０は、鋸波形状の駆動電流でレーザ光源１３０を駆動する。駆動電流は、時間とともに増加し、立下りエッジにおいて減少する信号であってもよい。

【0027】

レーザ光源１３０は、レーザ光を出力する。レーザ光源１３０は、例えば、ＬＤである。鋸波形状の駆動電流でレーザ光源１３０を駆動した場合、出力される光の強度は、駆動電流に基づいて鋸波形状に変化する。また、非特許文献１に記載されているように、出力される光の波長も、駆動電流に基づいて鋸波形状に変化する。駆動電流の増加に基づく温度上昇により、レーザ光源１３０の発光波長が、長波長側にシフトすることが知られている。

【0028】

図５は、ガス濃度検出装置２００の機能構成を示す構成図である。ガス濃度検出装置２００は、検出器２１０、受信信号出力部２４０、エッジ検出部２２０、基準ガス信号出力部２３０、およびガス濃度検出部２５０を備える。

【0029】

検出器２１０は、鋸波形状の駆動電流で駆動されたレーザ光源から出力されるレーザ光を、測定空間４００を介して検出する。検出器２１０は、例えばＰＤである。受信信号出力部２４０は、検出器２１０の検出結果に応じた受信信号を出力する。受信信号出力部２４０は、同期検波を行うことにより受信信号を出力してもよい。上述したように、レーザ光は、鋸波形状の駆動電流に基づいて波長および光強度が変化する信号である。ガスの吸収波長が波長の変化範囲に含まれる場合、当該波長の光強度は減衰することとなる。つまり、当該吸収波長に対応する時間において、受信信号のレベルは減衰することとなる。

【0030】

エッジ検出部２２０は、受信信号のエッジを検出する。例えば、エッジ検出部２２０は、受信信号に含まれる鋸波形状の信号の立下りエッジを検出する。エッジ検出部２２０は、受信信号からエッジのタイミングを抽出し、当該タイミングを等間隔にする処理を行ってもよい。基準ガス信号出力部２３０は、エッジ検出部２２０が検出したエッジのタイミングに基づいて、受信信号に含まれる鋸波形状の信号を生成し、基準ガス信号として出力する。つまり、基準ガス信号とは、ガスによる吸収の影響を含まない信号である。基準ガス信号出力部２３０は、エッジ検出部２２０が等間隔にしたタイミングに基づいて、基準ガス信号を生成してもよい。

【0031】

ガス濃度検出部２５０は、受信信号と基準ガス信号との比較に基づいて、測定空間４００に含まれるガス濃度を検出する。ガス濃度検出部２５０は、受信信号と基準ガス信号との差分をとり、当該差分に基づいてガスの濃度を算出する。

【0032】

本実施形態にかかるガス濃度検出装置２００は、受信信号に含まれるエッジを検出し、検出したエッジのタイミングに基づいて基準ガス信号を生成する。したがって、本実施形態にかかるガス濃度検出装置２００は、受信信号から生成された基準ガス信号と、受信信号との比較に基づいてガス濃度を検出することが可能となる。

【0033】

なお、駆動電流は、鋸波形状の第１の駆動電流と、第１の駆動電流よりも振幅が小さく、第１の駆動電流の周波数を逓倍した周波数を有する第２の駆動電流と、を加算したものであってもよい。非特許文献１に記載されているように、鋸波の信号に所定の周期信号を加算することにより、ガス濃度の検出をより効率的に行うことが可能となる。

【0034】

このような場合、基準ガス信号出力部２３０は、エッジを検出したタイミングを逓倍したクロックを生成する。基準ガス信号出力部２３０は、逓倍したクロックに基づいて、受信信号に含まれる周期信号を生成し、当該周期信号を前記鋸波信号に加算して前記基準ガス信号として出力する。

【0035】

＜実施の形態２＞
図６は、本実施の形態にかかるガス濃度検出システム３００の構成を示す構成図である。ガス濃度検出システム３００は、送信装置１００およびガス濃度検出装置２００を備える。送信装置１００は、レーザ光を送信する。ガス濃度検出装置２００は、レーザ光を受信し、ガス濃度を検出する受信装置である。

【0036】

送信装置１００は、基準信号発生回路１１０、駆動回路１２０、およびＬＤ１３０を備える。駆動回路１２０は、駆動部１２０ともいう。ＬＤ１３０は、レーザ光源１３０ともいう。なお、送信装置１００は、検討例における送信装置１００と同様である。

【0037】

基準信号発生回路１１０は、固定周波数発振器等を用いて、送信クロック２５を生成し、駆動回路１２０へ送信する。駆動回路１２０は、鋸波生成回路１２１、正弦波調整回路１２２、および加算回路１２３を備える。

【0038】

鋸波生成回路１２１は、送信クロック２５に基づく鋸波信号を生成する。鋸波信号は、所定の周期を有する信号である。正弦波調整回路１２２は、送信クロック２５に基づく正弦波信号を生成する。正弦波信号は、送信クロック２５と同期した信号である。加算回路１２３は、鋸波生成回路１２１が生成した鋸波信号と、正弦波調整回路１２２が生成した正弦波信号を加算し、駆動電流２６として出力する。

【0039】

駆動回路１２０は、加算回路１２３が生成した駆動電流２６を用いてＬＤ１３０を駆動する。ＬＤ１３０は、駆動電流２６に基づくレーザ光を出力する。レーザ光の強度は、駆動電流２６に基づいて鋸波形状に時間変化する。また、ＬＤ１３０の波長も、鋸波形状に時間変化する。

【0040】

ＬＤ１３０は、駆動電流２６をレーザ光２７に変換し、大気およびガスを含む測定空間４００を介してガス濃度検出装置２００のＰＤ２１０へ送信する。なお、本実施の形態においては、検討例とは異なり、ミラー等の標的は不要である。

【0041】

ガス濃度検出装置２００は、ＰＤ２１０、基準信号再生回路２２０、基準ガス信号出力部２３０、同期検波部２４０、およびガス濃度検出部２５０を備える。ガス濃度検出装置２００は、基準信号再生回路２２０において検討例と異なっている。基準信号再生回路２２０は、エッジ検出部２２０ともいう。同期検波部２４０は、受信信号出力部２４０ともいう。

【0042】

ＰＤ２１０は、受信したレーザ光を受信アナログ信号２８に変換する。ＰＤ２１０は、受信アナログ信号２８を、同期検波部２４０と、基準信号再生回路２２０のタイミング信号取得部２２２と、に送信する。

【0043】

基準信号再生回路２２０は、閾値設定部２２１、タイミング信号取得部２２２、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅｄ Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ）回路２２３、および逓倍回路２２４を備える。閾値設定部２２１は、受信アナログ信号２８のエッジを検出するための閾値３０を設定し、タイミング信号取得部２２２に送信する。閾値設定部２２１は、予め定められた閾値３０を記憶していてもよい。

【0044】

タイミング信号取得部２２２は、閾値設定部２２１が設定した閾値３０に基づいて、受信アナログ信号２８からエッジを検出する。タイミング信号取得部２２２は、エッジを検出したタイミングに基づいて、タイミング抽出信号３１を生成する。タイミング抽出信号３１は、エッジを検出したタイミングを立上りとするパルス信号である。ここで、タイミング信号取得部２２２がエッジを検出するタイミングは、ジッタの影響により等間隔ではない。したがって、タイミング抽出信号３１のパルスの立上りのタイミングは、一定間隔とはなっていない。タイミング信号取得部２２２は、タイミング抽出信号３１を、ＰＬＬ回路２２３へ送信する。

【0045】

ＰＬＬ回路２２３は、タイミング抽出信号３１にＰＬＬ処理を行い、タイミング再生信号３３を生成する。タイミング再生信号３３は、ＰＬＬ処理によって、パルスの立上りのタイミングが一定間隔となっている。ＰＬＬ回路２２３は、タイミング再生信号３３を、基準ガス信号出力部２３０および逓倍回路２２４に送信する。逓倍回路２２４は、タイミング再生信号３３を逓倍し、基準クロック３２を生成する。基準クロック３２は、送信装置１００が使用した送信クロック２５を、ガス濃度検出装置２００において再生した信号となっている。

【0046】

同期検波部２４０は、同期検波回路２４１、マルチプレクサ２４２、およびＡＤ変換部２４３を備える。同期検波回路２４１は、ＰＤ２１０から出力された受信アナログ信号２８に対して、基準クロック３２を用いた同期検波を行う。マルチプレクサ２４２は、検波された鋸波信号と正弦波信号とを多重化する。ＡＤ変換部２４３は、Ａ／Ｄ変換を行うことにより受信デジタル信号２９を生成し、ガス濃度検出部２５０へ送信する。

【0047】

基準ガス信号出力部２３０は、基準クロック３２およびタイミング再生信号３３に基づいて、基準ガス信号３５を生成する。基準ガス信号出力部２３０は、タイミング再生信号３３に基づいて鋸波信号を生成し、基準クロック３２に基づいて正弦波信号を生成する。基準ガス信号出力部２３０は、鋸波信号と正弦波信号とを加算し、基準ガス信号３５を生成する。基準ガス信号出力部２３０は、生成した基準ガス信号３５をガス濃度検出部２５０へ送信する。

【0048】

ガス濃度検出部２５０は、ＣＰＵ２５１を備える。ＣＰＵ２５１は、受信デジタル信号２９と基準ガス信号３５とに基づいて、測定空間４００に含まれるガスの濃度を演算する。ガス濃度検出部２５０は、ＣＰＵ２５１の演算結果を濃度出力３６として出力する。上述した構成により、ガス濃度検出装置２００は、送信クロック２５を基準クロック３２として再生し、ガス濃度を検出することが可能となる。

【0049】

次に、ガス濃度検出システム３００の動作について説明する。まず、送信装置１００の動作について説明する。駆動回路１２０は、送信クロック２５に基づいて駆動電流２６を生成し、ＬＤ１３０を駆動する。ＬＤ１３０は、駆動電流２６に基づくレーザ光２７を測定空間４００に出力する。図７は、駆動電流２６の時間変化を示す図である。駆動電流２６は、正弦波信号を鋸波形状の信号に重畳した信号である。駆動電流２６は、レーザ光２７の波長および光強度を鋸波状に変化させる。鋸波の成分は、図７の基準位相として示されたタイミングが立下りエッジとなる。正弦波の成分は、基準クロック２５と同期している。なお、図７には、正弦波信号の一部のみを記載している。

【0050】

次に、ガス濃度検出装置２００の動作について説明する。出力されたレーザ光２７は、測定空間４００を通過し、ＰＤ２１０で受光される。測定空間４００は、ガスが発生しており、ガス濃度が高い状態になっている。ＰＤ２１０は、受信アナログ信号２８を出力する。図８に受信アナログ信号２８の時間変化を示す。上述したように、受信アナログ信号２８の大きさは、レーザ光２７の波長（λ）および光強度に対応する。レーザ光２７のＡ１の範囲は、ガスによる吸収によって所定の波長の光が吸収されて、レーザ光２７の光強度が減衰することに対応する。

【0051】

次に、基準信号再生回路２２０は、受信アナログ信号２８のエッジを検出する。基準信号再生回路２２０は、図９に示すように受信アナログ信号２８の立下りエッジを検出し、タイミング抽出信号３１を生成する。エッジ検出のタイミングは、ジッタの影響により基準位相とは異なる場合がある。

【0052】

エッジ検出は、立下りが所定の閾値を超えているか否かを判断することにより行われる。基準信号再生回路２２０は、例えば、受信アナログ信号２８を微分回路に入力し、出力結果が閾値を超えている際にエッジを検出してもよい。基準信号再生回路２２０は、単位時間における受信アナログ信号の変化の大きさに基づいて、エッジを検出してもよい。

【0053】

上述した閾値の設定は、ガスの吸収による受信アナログ信号２８の減衰を、誤ってエッジとして検出しないように行う必要がある。図９は、受信アナログ信号２８の減衰の概要を示す概略図である。基準信号再生回路２２０は、ガスの減衰による変化量ΔＰ_Ｇより大きく、かつ、受信アナログ信号２８の立下りエッジの大きさΔＰ_Ｅより小さい範囲で閾値を設定することにより、鋸波の立下りエッジのタイミングを適切に検出することが可能となる。

【0054】

図８のタイミング抽出信号３１には、ジッタ成分が含まれている。したがって、タイミング抽出信号３１のパルスの間隔ｔ２およびｔ３は異なる値となる場合がある。そこで、基準信号再生回路２２０は、ＰＬＬ２３３によるリタイミング処理によって、タイミング再生信号３３を生成する。図８に示すように、タイミング再生信号３３は、パルスの立上りにおいてタイミング抽出信号３１のジッタを吸収しており、時間的に等間隔のパルス信号となっている。したがって、パルスの間隔ｔ１は、等間隔となっている。これにより、駆動電流２６の基準位相を再生することが可能となる。

【0055】

次に、基準信号再生回路２２０は、タイミング再生信号３３を逓倍し、基準クロック３２を生成する。上述した動作によって、送信クロック２５と同一位相かつ同一周波数の信号を、基準クロック３２として再生することが可能となる。次に、基準ガス信号出力部２３０は、基準ガス信号３５を生成する。次に、同期検波部２４０は、受信アナログ信号２８を同期検波し、Ａ／Ｄ変換を行い、受信デジタル信号２９を生成する。最後に、ガス濃度検出部２５０は、受信デジタル信号２９と基準ガス信号３５とを比較し、濃度出力３６を出力する。

【0056】

次に、本実施形態の効果について説明する。第１の効果は、検討例と比較してガスを検出可能な範囲が２倍になることである。したがって、特性・性能、運用効率が増加する。ここで、送信側と受信側を同期するための伝送手段を別途設ける必要はない。第２の効果は、検討例と同等の精度でガス濃度を検出できることである。受信側で送信クロックと同期した基準クロックを再生できるためである。第３の効果は、ガス濃度検出システム３００を設置する際の運用性が向上することである。検討例とは異なり、標的における光軸の調整を行う必要がないためである。第４の効果は、コストを削減できることである。検討例の２倍の範囲をカバーできることとなるため、ガス濃度検出システム３００の設置台数を減らすことができるからである。

【0057】

本実施の形態によると、レーザ光源から離れた空間に発生したガスの検知、及びガス濃度の検知を行うために使用できる。検出するガスは、例えば、火災により発生するガス、煙、人体に有害なガス等である。また、ガスの種類に応じて固有の波長の光が吸収されるため、ガスの種類を検知するために使用できる。

【0058】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

【符号の説明】

【0059】

１４、２５ 基準クロック（送信クロック）
２６ 駆動電流
２７ レーザ光
２８ 受信アナログ信号
２９ 受信デジタル信号
３０ 閾値
３１ タイミング抽出信号
３２ 基準クロック
３３ タイミング再生信号
３５ 基準ガス信号
３６ 濃度出力
１００ 送信装置（送信部）
１１０ 基準信号発生回路
１２０ 駆動回路（駆動部）
１２１ 鋸波生成回路
１２２ 正弦波調整回路
１２３ 加算回路
１３０ ＬＤ（レーザ光源）
２００ ガス濃度検出装置
２１０、８１０ ＰＤ（検出器）
２２０ 基準信号再生回路（エッジ検出部）
２２１ 閾値設定部
２２２ タイミング信号取得部
２２３ ＰＬＬ回路
２２４ 逓倍回路
２３０、８３０ 基準ガス信号出力部
２４０、８４０ 同期検波部（受信信号出力部）
２４１ 同期検波回路
２４２ マルチプレクサ
２４３ ＡＤ変換部
２５０、８５０ ガス濃度検出部
２５１、８５１ ＣＰＵ
３００ ガス濃度検出システム
４００ 測定空間
６００ 装置
８００ 受信装置（受信部）
８５０ ガス濃度検出部

【要約】

【課題】受信信号から生成された基準ガス信号と受信信号との比較に基づいて、ガス濃度を検出するガス濃度検出装置、ガス濃度検出システム、及びガス濃度検出方法を提供する。
【解決手段】本発明にかかるガス濃度検出装置２００は、鋸波形状の駆動電流で駆動されたレーザ光源から出力されるレーザ光を、測定空間４００を介して検出する検出器２１０と、検出器２１０の検出結果に応じた受信信号を出力する受信信号出力部２４０と、受信信号のエッジを検出するエッジ検出部２２０と、検出したエッジのタイミングに基づいて、受信信号に含まれる鋸波形状の鋸波信号を生成し、基準ガス信号として出力する基準ガス信号出力部２３０と、受信信号と基準ガス信号との比較に基づいて、測定空間４００に含まれるガス濃度を検出するガス濃度検出部２５０と、を備える。
【選択図】図５

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】