特開 2023-30685 ガス検知システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023030685

(43)【公開日】2023-03-08

(54)【発明の名称】ガス検知システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/49 20060101AFI20230301BHJP

【ＦＩ】

G01N21/49 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021135943

(22)【出願日】2021-08-23

(71)【出願人】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100169823

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 雄郎

(74)【代理人】

【識別番号】230128026

【弁護士】

【氏名又は名称】駒木 寛隆

(72)【発明者】

【氏名】猿谷 敏之

(72)【発明者】

【氏名】北川 雄真

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 雄太

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA01

2G059BB01

2G059CC13

2G059EE01

2G059EE02

2G059GG01

2G059GG03

2G059GG09

2G059KK02

(57)【要約】

【課題】人体に危険を生じさせずにガス検知を高感度に行うことが可能なガス検知システムを提供する。
【解決手段】ガス検知システムは、第１、第２の変調信号により変調された、被測定ガスの吸収波長を含む第１、第２のレーザ光を、被測定空間に向けて出射する第１、第２の投光部と、第１、第２のレーザ光の、被測定空間からの戻り光を受け取る受光部と、受光部が受け取った戻り光の受光信号に基づき、被測定空間における被測定ガスの濃度を検知する制御部と、を備え、第１、第２の投光部は、第１、第２の投光部から被測定空間までの空間において、第１のレーザ光の第１のプロファイル及び第２のレーザ光の第２のプロファイルが重なり合う部分が存在する場合であっても、当該重なり合う部分、並びに、第１、第２のプロファイルが重なり合わない部分の全体にわたって、第１、第２のレーザ光の光パワーが予め定められた値を超えないように構成される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の変調信号により変調された、被測定ガスの吸収波長を含む第１のレーザ光を、被測定空間に向けて出射する第１の投光部と、
第２の変調信号により変調された、前記被測定ガスの吸収波長を含む第２のレーザ光を、前記被測定空間に向けて出射する第２の投光部と、
前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の、前記被測定空間からの戻り光を受け取る受光部と、
前記受光部が受け取った前記戻り光の受光信号に基づき、前記被測定空間における前記被測定ガスの濃度を検知する制御部と、
を備え、
前記第１の投光部及び前記第２の投光部は、前記第１の投光部及び前記第２の投光部から前記被測定空間までの空間において、前記第１のレーザ光の第１のプロファイル及び前記第２のレーザ光の第２のプロファイルが重なり合う部分が存在する場合であっても、当該重なり合う部分、並びに、前記第１のプロファイル及び前記第２のプロファイルが重なり合わない部分の全体にわたって、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の光パワーが予め定められた値を超えないように構成される、
ガス検知システム。

【請求項2】

前記第２の投光部は、前記第１の変調信号と同一の前記第２の変調信号により変調された前記第２のレーザ光を出射する、請求項１に記載のガス検知システム。

【請求項3】

前記第２の投光部は、前記第１の変調信号と異なる前記第２の変調信号により変調された前記第２のレーザ光を出射し、
前記制御部は、
前記戻り光の受光信号を、前記第１のレーザ光に起因する第１の戻り光信号と、前記第２のレーザ光に起因する第２の戻り光信号とに分離し、
前記第１の戻り光信号に基づき、前記第１のレーザ光が到達した第１の空間における前記被測定ガスの濃度を検知し、
前記第２の戻り光信号に基づき、前記第２のレーザ光が到達した第２の空間における前記被測定ガスの濃度を検知する、
請求項１に記載のガス検知システム。

【請求項4】

前記第１の変調信号を生成する第１の波形発生器と、
前記第２の変調信号を生成する第２の波形発生器と、
を更に備え、
前記第１の投光部は、前記第１の波形発生器により生成された前記第１の変調信号により変調された前記第１のレーザ光を、前記被測定空間に向けて出射し、
前記第２の投光部は、前記第２の波形発生器により生成された前記第２の変調信号により変調された前記第２のレーザ光を、前記被測定空間に向けて出射する、
請求項１から３のいずれか一項に記載のガス検知システム。

【請求項5】

前記受光部が受け取った前記戻り光の前記受光信号を前記第１の変調信号に基づき検波する第１のロックインアンプと、
前記受光部が受け取った前記戻り光の前記受光信号を前記第２の変調信号に基づき検波する第２のロックインアンプと、
を更に備え、
前記制御部は、前記第１のロックインアンプにより前記第１の変調信号に基づき検波した前記受光信号と、前記第２のロックインアンプにより前記第２の変調信号に基づき検波した前記受光信号とに基づき、前記被測定空間における前記被測定ガスの濃度を検知する、
請求項１から４のいずれか一項に記載のガス検知システム。

【請求項6】

前記制御部は、
前記受光部が受け取った前記戻り光の前記受光信号に対してフーリエ変換を行って、当該受光信号に含まれる前記第１のレーザ光に起因する第１の戻り光信号と、前記第２のレーザ光に起因する第２の戻り光信号とを取得し、
前記第１の戻り光信号及び前記第２の戻り光信号に基づき、前記被測定空間における前記被測定ガスの濃度を検知する、
請求項１から４のいずれか一項に記載のガス検知システム。

【請求項7】

前記受光部は、光が入力されたことに応じて電気信号を出力する受光素子と、予め定められた画角から入射した光を前記受光素子へ位置づける光学系と、を備え、
前記第１の投光部は、前記被測定空間における前記光学系から見て前記画角の範囲に存在する位置へ向けて前記第１のレーザ光を出射し、
前記第２の投光部は、前記被測定空間における前記光学系から見て前記画角の範囲に存在する位置へ向けて前記第２のレーザ光を出射する、
請求項１から６のいずれか１項に記載のガス検知システム。

【請求項8】

前記受光部は、前記光学系の前記画角を変位するための機構を更に備え、
前記機構により前記光学系の前記画角が変位された場合、前記第１の投光部は、前記変位された画角の範囲に存在する位置へ向けて前記第１のレーザ光を出射し、前記第２の投光部は、前記変位された画角の範囲に存在する位置へ向けて前記第２のレーザ光を出射する、
請求項７に記載のガス検知システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガス検知システムに関する。

【背景技術】

【0002】

メタンガス及び硫化水素ガス等のガスは、特定の波長の光を吸収することが知られている。特許文献１には、ガスのこのような性質を利用して、被測定ガスの吸収波長を含むレーザ光を被測定空間に向けて出射し、被測定空間を通過して反射された光の吸収波長における光量に基づいて被測定ガスの検知を行うことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１１０９８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、被測定空間を通過して反射する光は、反射及び散乱を伴ってから受光素子に入射するため、受光素子に入射する光のパワーは出射したレーザ光のパワーと比べて極めて小さくなる。そのため、被測定空間から離れた場所からレーザ光を出射して被測定ガスを検知するには、出射するレーザ光のパワーを大きくする必要がある。一方で、被測定空間に人間がいるような場合、出射するレーザ光のパワーを大きくすると、安全クラス１（ＪＩＳ Ｃ６８０２）を超えるＡＥＬ（Accessible Emission Limit：被ばく放出限界）を人体に被ばくさせることになり、危険が生じる。したがって、従来の構成においては、被測定空間に人間がいる可能性がある場合、人体に危険を生じさせずに被測定空間から離れた位置からレーザ光を出射してガス検知を行うことができなかった。

【0005】

本開示の目的は、人体に危険を生じさせずにガス検知を高感度に行うことが可能なガス検知システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

幾つかの実施形態に係るガス検知システムは、第１の変調信号により変調された、被測定ガスの吸収波長を含む第１のレーザ光を、被測定空間に向けて出射する第１の投光部と、第２の変調信号により変調された、前記被測定ガスの吸収波長を含む第２のレーザ光を、前記被測定空間に向けて出射する第２の投光部と、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の、前記被測定空間からの戻り光を受け取る受光部と、前記受光部が受け取った前記戻り光の受光信号に基づき、前記被測定空間における前記被測定ガスの濃度を検知する制御部と、を備え、前記第１の投光部及び前記第２の投光部は、前記第１の投光部及び前記第２の投光部から前記被測定空間までの空間において、前記第１のレーザ光の第１のプロファイル及び前記第２のレーザ光の第２のプロファイルが重なり合う部分が存在する場合であっても、当該重なり合う部分、並びに、前記第１のプロファイル及び前記第２のプロファイルが重なり合わない部分の全体にわたって、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の光パワーが予め定められた値を超えないように構成される。このように、受光部は、第１のレーザ光及び第２のレーザ光の戻り光に基づき、被測定空間における被測定ガスの濃度を検知するため、一つの投光部のみを備えた構成よりもより詳細な被測定ガスの濃度に関する情報を取得することができる。第１の投光部及び第２の投光部は、第１の投光部及び第２の投光部から被測定空間までの空間の全体にわたってレーザ光の光パワーが予め定められた値を超えないように構成されるため、人体に危険を生じさせることを防止することができる。したがって、人体に危険を生じさせずにガス検知を高感度に行うことが可能である。

【0007】

一実施形態において、前記第２の投光部は、前記第１の変調信号と同一の前記第２の変調信号により変調された前記第２のレーザ光を出射する。このように、受光部は、同一の変調信号により変調された第１のレーザ光及び第２のレーザ光の戻り光に基づき、被測定空間における被測定ガスの濃度を検知する。そのため、一つの投光部のみを備えた構成と比べて、被測定空間から離れた位置からレーザ光を出射してガス検知を行うことができる。また、第１の投光部及び第２の投光部は、第１の投光部及び第２の投光部から被測定空間までの空間の全体にわたってレーザ光の光パワーが予め定められた値を超えないように構成されるため、人体に危険を生じさせることを防止することができる。したがって、人体に危険を生じさせずに被測定空間から離れた位置からガス検知を行うことが可能である。

【0008】

一実施形態において、前記第２の投光部は、前記第１の変調信号と異なる前記第２の変調信号により変調された前記第２のレーザ光を出射し、前記制御部は、前記戻り光の受光信号を、前記第１のレーザ光に起因する第１の戻り光信号と、前記第２のレーザ光に起因する第２の戻り光信号とに分離し、前記第１の戻り光信号に基づき、前記第１のレーザ光が到達した第１の空間における前記被測定ガスの濃度を検知し、前記第２の戻り光信号に基づき、前記第２のレーザ光が到達した第２の空間における前記被測定ガスの濃度を検知する。このように、第１のレーザ光に基づく第１の戻り光信号と、第２のレーザ光に基づく第２の戻り光信号とを区別して被測定ガスの濃度を検知するため、複数地点における被測定ガスの濃度を同時に検知することができる。

【0009】

一実施形態において、前記第１の変調信号を生成する第１の波形発生器と、前記第２の変調信号を生成する第２の波形発生器と、を更に備え、前記第１の投光部は、前記第１の波形発生器により生成された前記第１の変調信号により変調された前記第１のレーザ光を、前記被測定空間に向けて出射し、前記第２の投光部は、前記第２の波形発生器により生成された前記第２の変調信号により変調された前記第２のレーザ光を、前記被測定空間に向けて出射する。このように、第１の波形発生器及び第２の波形発生器を備えることで、第１、第２の波形発生器により生成した第１、第２の変調信号により変調された第１、第２のレーザ光により、ガス濃度を検知することができる。

【0010】

一実施形態において、前記受光部が受け取った前記戻り光の前記受光信号を前記第１の変調信号に基づき検波する第１のロックインアンプと、前記受光部が受け取った前記戻り光の前記受光信号を前記第２の変調信号に基づき検波する第２のロックインアンプと、を更に備え、前記制御部は、前記第１のロックインアンプにより前記第１の変調信号に基づき検波した前記受光信号と、前記第２のロックインアンプにより前記第２の変調信号に基づき検波した前記受光信号とに基づき、前記被測定空間における前記被測定ガスの濃度を検知する。このように、第１のロックインアンプ及び第２のロックインアンプを備えることで、第１、第２のレーザ光についての戻り光の信号を判別して、ガス濃度を検知することができる。

【0011】

一実施形態において、前記制御部は、前記受光部が受け取った前記戻り光の前記受光信号に対してフーリエ変換を行って、当該受光信号に含まれる前記第１のレーザ光に起因する第１の戻り光信号と、前記第２のレーザ光に起因する第２の戻り光信号とを取得し、前記第１の戻り光信号及び前記第２の戻り光信号に基づき、前記被測定空間における前記被測定ガスの濃度を検知する。このように、フーリエ変換を適用することで、第１、第２のレーザ光についての戻り光の信号を判別して、ガス濃度を検知することができる。

【0012】

一実施形態において、前記受光部は、光が入力されたことに応じて電気信号を出力する受光素子と、予め定められた画角から入射した光を前記受光素子へ位置づける光学系と、を備え、前記第１の投光部は、前記被測定空間における前記光学系から見て前記画角の範囲に存在する位置へ向けて前記第１のレーザ光を出射し、前記第２の投光部は、前記被測定空間における前記光学系から見て前記画角の範囲に存在する位置へ向けて前記第２のレーザ光を出射する。このように、受光部は、第１のレーザ光に起因する戻り光と第２のレーザ光に起因する戻り光とを受け取るため、両方の戻り光を用いて被測定空間における被測定ガスの濃度を検知することができる。

【0013】

一実施形態において、前記受光部は、前記光学系の前記画角を変位するための機構を更に備え、前記機構により前記光学系の前記画角が変位された場合、前記第１の投光部は、前記変位された画角の範囲に存在する位置へ向けて前記第１のレーザ光を出射し、前記第２の投光部は、前記変位された画角の範囲に存在する位置へ向けて前記第２のレーザ光を出射する。このように、受光部の光学系、並びに第１の投光部及び第２の投光部がレーザ光を出射する位置を変位させることで、広い空間における被測定ガスの濃度を検知することができる。

【発明の効果】

【0014】

本開示の一実施形態によれば、人体に危険を生じさせずにガス検知を高感度に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】比較例に係るガス検知システムの構成を示す図である。

【図2】一実施形態に係るガス検知システムの構成例を示す図である。

【図3】図２の制御部の構成例を示すブロック図である。

【図4】一実施形態に係るガス検知システムの構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

＜比較例＞
図１は、比較例に係るガス検知システム９０の構成を示す図である。図１に示すように、比較例に係るガス検知システム９０は、受光部９１、投光部９４、及び制御部９７を備える。受光部９１は、受光レンズ等の光学系９２、及び、フォトダイオード等の受光素子９３を備える。投光部９４は、コリメートレンズ等の光学系９５、及び、レーザ光源９６を備える。

【0017】

レーザ光源９６の発振波長は、被測定ガスＧの吸収波長に合わせて調整されている。レーザ光源９６は、被測定ガスＧの吸収波長を含むレーザ光を、光学系９５を介して被測定ガスＧに向けて出射する。出射されるレーザ光の光軸Ｌは、受光部９１の光学系９２の画角α内に位置づけられる。レーザ光は背景物体９９により反射及び散乱する。レーザ光の戻り光は、受光部９１の光学系９２により、受光素子９３に向けて集光される。制御部９７は、受光素子９３が受光した戻り光に含まれる被測定ガスＧの吸収波長の光量減少から被測定ガスＧの有無及び濃度を検知する。

【0018】

このようなガス検知システム９０において、投光部９４から出射されたレーザ光の光パワーは、レーザ光が光学系９５でコリメートされて、ほとんどビーム径が広がらなかったとしても、戻り光として受光部９１において受光されるまでの間に大幅に減衰する。背景物体９９により散乱する光の光パワーの減衰は、背景物体９９における反射率及び散乱状態（例えば等方散乱）に依存する。戻り光は放射状に広がる散乱光であるため、戻り光の光パワー密度は、光学系９２に到達するまでの間に、背景物体９９から受光部９１までの距離のおよそ２乗に反比例して減衰する。さらに、戻り光は大気中の塵などによっても散乱されるため、そのことも戻り光の光パワーの減衰に寄与する。これらのことから、一定寸法の光学系９２の径で受光できる戻り光の光パワーは、レーザ光源９６から出射されたレーザ光の光パワーと比べて極めて小さくなる。ある条件での実験では、３０ｍの距離から戻ってくる戻り光の光パワーは、出射したレーザ光の光パワーと比べて約１０⁶の１にまで減衰した。

【0019】

比較例の構成において、受光部９１と背景物体９９との間の距離を長距離（例えば、５０ｍ～１００ｍ又はそれよりも大きな距離）にした、ガス検知を実現するためには、出射するレーザ光のパワーを大きくする必要がある。しかし、作業者がいるプラントなどでは、コリメートしたレーザ光により、安全クラス１（ＪＩＳ Ｃ６８０２）を超えるＡＥＬを人体に被ばくさせることになり、危険が生じる。例えば、メタンガスの検出に使用される１６００ｎｍ帯の波長では、ＣＷ（Continuous Wave：連続波）光源の場合、安全クラス１の上限となるＡＥＬは１０ｍＷである（ＪＩＳ Ｃ６８０２より）。したがって、比較例の構成においては、被測定空間に人間がいる可能性がある場合、人体に危険を生じさせずに被測定空間から離れた位置からレーザ光を出射してガス検知を行うことができなかった。

【0020】

＜実施形態＞
本開示に係るガス検知システム１００（１００ａ，１００ｂ）は、分散して配置された複数の投光部から人体に危険を生じさせない光パワーのレーザ光を照射し、その戻り光に基づき光パワーを検知する。したがって、本開示に係る構成によれば、作業者に危険なレーザ被ばくを与えることなく、長距離空間のガスを検知することが可能となる。また、複数の投光部からレーザ光を出射することで、ガスの濃度に関する詳細な情報を取得することが可能である。以下、本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。各図面中、同一の構成又は機能を有する部分には、同一の符号を付している。本実施形態の説明において、同一の部分については、重複する説明を適宜省略又は簡略化する場合がある。

【0021】

（第１実施形態）
図２は、本開示の第１実施形態に係るガス検知システム１００ａの構成例を示す図である。ガス検知システム１００ａは、受光部１、複数の投光部４（４ａ，４ｂ）、制御部７、変換部１０、複数の駆動部１１（１１ａ，１１ｂ）、複数のＦＧ（Function Generator）１２（１２ａ，１２ｂ）、複数のＬＩＡ（Lock In Amplifier、ロックインアンプ）１３（１３ａ，１３ｂ）、及び切替部１４を備える。受光部１は、光学系２及び受光素子３を備える。投光部４（４ａ，４ｂ）の各々は、光学系５（５ａ，５ｂ）及びレーザ光源６（６ａ，６ｂ）を備える。駆動部１１、ＦＧ１２、及びＬＩＡ１３は、投光部４毎に一つずつ設けてもよい。図２の例では、投光部４、駆動部１１、ＦＧ１２、及びＬＩＡ１３の各々は、二つずつ設けられている。投光部４、駆動部１１、ＦＧ１２、及びＬＩＡ１３は、三つ以上設けられてもよい。以下、一例として、メタンガスを被測定ガスＧとして検知する場合を説明するが、ガス検知システム１００ａは、硫化水素等の他のガスを被測定ガスＧとして検知してもよい。ガス検知システム１００ａは、光路上のガス濃度情報を得るための方式として、波長変調法（ＷＭＳ：Wavelength Modulation Spectroscopy）を採用する。受光部１及び投光部４（４ａ，４ｂ）は、例えば、被測定空間の背景物体９から数１０ｍ～１００ｍ程度離れた位置に設けられてもよい。

【0022】

制御部７はガス検知システム１００ａの動作を制御する。制御部７は、例えば、ＰＣ（Personal Computer）又はタブレット端末等の汎用の情報処理装置により実現されてもよい。また、制御部７は、専用の電子機器等により実現されてもよい。

【0023】

図３は、図２の制御部７の構成例を示すブロック図である。図３は、ＰＣ等の汎用の情報処理装置により実現された場合の制御部７の構成例を示す。図３に示すように、制御部７は、プロセッサ７１、記憶部７２、通信部７３、入力部７４、及び出力部７５を備える。

【0024】

プロセッサ７１は、１つ以上のプロセッサを含む。一実施形態において「プロセッサ」は、汎用のプロセッサ、又は特定の処理に特化した専用のプロセッサであるが、これらに限定されない。プロセッサ７１は、制御部７を構成する各構成部と通信可能に接続され、制御部７全体の動作を制御する。

【0025】

記憶部７２は、ＨＤＤ、ＳＳＤ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、及びＲＡＭを含む任意の記憶モジュールを含む。記憶部７２は、例えば、主記憶装置、補助記憶装置、又はキャッシュメモリとして機能してもよい。記憶部７２は、制御部７の動作に用いられる又は制御部７の動作の結果得られた任意の情報を記憶する。例えば、記憶部７２は、システムプログラム、アプリケーションプログラム、及び通信部７３によって受信された各種情報等を記憶してもよい。記憶部７２は、制御部７に内蔵されているものに限定されず、ＵＳＢ等のデジタル入出力ポート等によって接続されている外付けのデータベース又は外付け型の記憶モジュールであってもよい。

【0026】

通信部７３は、任意の通信技術によってガス検知システム１００ａの切替部１４又はＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）等の他の装置と通信接続可能な、任意の通信モジュールを含む。通信部７３は、さらに、他の装置との通信を制御するための通信制御モジュール、及び他の装置との通信に必要となる識別情報等の通信用データを記憶する記憶モジュールを含んでもよい。

【0027】

入力部７４は、ユーザーの入力操作を受け付けて、ユーザーの操作に基づく入力情報を取得する１つ以上の入力インタフェースを含む。例えば、入力部７４は、物理キー、静電容量キー、ポインティングディバイス、出力部７５のディスプレイと一体的に設けられたタッチスクリーン、又は音声入力を受け付けるマイク等であるが、これらに限定されない。

【0028】

出力部７５は、ユーザーに対して情報を出力し、ユーザーに通知する１つ以上の出力インタフェースを含む。例えば、出力部７５は、情報を画像で出力するディスプレイ、又は情報を音声で出力するスピーカ等であるが、これらに限定されない。なお、上述の入力部７４及び出力部７５の少なくとも一方は、制御部７と一体に構成されてもよいし、別体として設けられてもよい。

【0029】

制御部７の機能は、本実施形態に係るガス検知システム１００を機能させるために用いられうるコンピュータプログラム（プログラム）を、プロセッサ７１に含まれるプロセッサで実行することにより実現されうる。すなわち、制御部７の機能は、ソフトウェアにより実現されうる。コンピュータプログラムは、制御部７の動作に含まれるステップの処理をコンピュータに実行させることで、各ステップの処理に対応する機能をコンピュータに実現させる。すなわち、コンピュータプログラムは、コンピュータを本実施形態に係る制御部７として機能させるためのプログラムである。

【0030】

コンピュータプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、又は半導体メモリである。プログラムの流通は、例えば、プログラムを記録したＤＶＤ（Digital Versatile Disc）又はＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）などの可搬型記録媒体を販売、譲渡、又は貸与することによって行うことができる。プログラムをサーバのストレージに格納しておき、ネットワークを介して、サーバから他のコンピュータにプログラムを転送することにより、プログラムは流通されてもよい。プログラムはプログラムプロダクトとして提供されてもよい。

【0031】

コンピュータは、例えば、可搬型記録媒体に記録されたプログラム又はサーバから転送されたプログラムを、一旦、主記憶装置に格納する。そして、コンピュータは、主記憶装置に格納されたプログラムをプロセッサで読み取り、読み取ったプログラムに従った処理をプロセッサで実行する。コンピュータは、可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、プログラムに従った処理を実行してもよい。コンピュータは、コンピュータにサーバからプログラムが転送される度に、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行してもよい。このような処理は、サーバからコンピュータへのプログラムの転送を行わず、実行指示及び結果取得のみによって機能を実現する、いわゆるＡＳＰ（Application Service Provider）型のサービスによって実行されてもよい。プログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるものが含まれる。例えば、コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータは、「プログラムに準ずるもの」に該当する。

【0032】

制御部７の一部又は全ての機能が、プロセッサ７１に含まれる専用回路により実現されてもよい。すなわち、制御部７の一部又は全ての機能が、ハードウェアにより実現されてもよい。また、制御部７は単一の情報処理装置により実現されてもよいし、複数の情報処理装置の協働により実現されてもよい。

【0033】

図２の説明に戻る。切替部１４は、制御部７の制御に応じて、ＦＧ１２（１２ａ，１２ｂ）に生成させる変調信号を切り替える。切替部１４は、ＦＧ１２（１２ａ，１２ｂ）に、同一の変調信号を生成させてもよいし、異なる変調信号を生成させてもよい。例えば、切替部１４は、異なる変調信号として、投光部４（４ａ，４ｂ）毎に周波数が異なる信号をＦＧ１２（１２ａ，１２ｂ）に生成させてもよい。切替部１４は、変調信号の波形に関する切替信号をＦＧ１２（１２ａ，１２ｂ）の各々へ出力する。このように、切替部１４は、変調信号を全ての投光部４（４ａ，４ｂ）で同じにするか、又は、異なるものにするかを切り替えることができる。

【0034】

ＦＧ１２（１２ａ，１２ｂ）は、切替部１４から入力された切替信号に基づき変調信号を生成する。ＦＧ１２（１２ａ，１２ｂ）は、変調信号として任意の波形の信号を生成することができるが、予め定められた特定周波数の信号を変調信号として生成する構成を有してもよい。ＦＧ１２（１２ａ，１２ｂ）の各々は、生成した変調信号を、対応する駆動部１１（１１ａ，１１ｂ）及びＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）へ出力する。

【0035】

駆動部１１（１１ａ，１１ｂ）は、入力された変調信号により変調された駆動信号を投光部４（４ａ，４ｂ）へ出力する。また、駆動部１１（１１ａ，１１ｂ）は、レーザ光源６（６ａ，６ｂ）の発振波長を調整するための信号を投光部４（４ａ，４ｂ）へ出力する。これにより、レーザ光源６（６ａ，６ｂ）は、被測定ガスＧの吸収波長を含むレーザ光を出射するように調整される。例えば、メタンガスの吸収波長には１．６５３７２μｍが含まれるため、被測定ガスＧがメタンガスである場合、レーザ光源６（６ａ，６ｂ）は、このような波長を含む波長帯のレーザ光を出力するように調整されてもよい。

【0036】

投光部４（４ａ，４ｂ）のレーザ光源６（６ａ，６ｂ）は、駆動信号に基づき、変調信号により変調されたレーザ光を被測定ガスＧに向けて出射する。光学系５（５ａ，５ｂ）はコリメートレンズ等であり、レーザ光源６（６ａ，６ｂ）から出射されたレーザ光を光学的に調整する。光学系５（５ａ，５ｂ）は、出射されるレーザ光の光軸Ｌ（Ｌ₁，Ｌ₂）を、受光部１の光学系２の画角α内に位置づける役割を果たす。図２の例では、投光部４ａ，４ｂは、光軸Ｌ（Ｌ₁，Ｌ₂）間の距離がｄとなる位置に設けられている。

【0037】

投光部４（４ａ，４ｂ）から出射されたレーザ光は、被測定空間の背景物体９において反射及び散乱し、その一部が戻り光として受光部１へ入射する。背景物体９は、被測定空間に存在する任意の物体である。戻り光が被測定ガスＧを通過する際、その戻り光の光パワーは、被測定ガスＧの吸収波長において減少する。

【0038】

受光部１の光学系２は受光レンズ等であり、受光素子３へ入射するように戻り光を光学的に調整する。受光素子３はフォトダイオード等の光電変換素子である。受光部１は、受光素子３で受光した戻り光の受光信号を変換部１０へ出力する。

【0039】

変換部１０は受光信号を変換する回路であり、増幅回路などを含む。変換部１０は、増幅等の変換を行った受光信号をＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）の各々へ出力する。

【0040】

ＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）は、変換部１０から入力された受光信号を、ＦＧ１２（１２ａ，１２ｂ）から入力された変調信号により検波する。ＦＧ１２（１２ａ，１２ｂ）から入力される変調信号が異なる場合、ＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）の各々は、対応する投光部４（４ａ，４ｂ）から出射されたレーザ光についての戻り光の信号を受光信号から取り出すことができる。ＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）は、変調信号により検波した受光信号を制御部７へ出力する。制御部７は、ＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）の各々から入力された受光信号に基づき、被測定ガスＧの吸収波長における光パワーの減衰を特定し、被測定ガスＧの有無及び濃度を検知する。このように、本実施形態に係るガス検知システム１００ａは、変調信号に同期した吸収波長における光パワーの変化を計測することで、光路上のガス濃度情報を得る波長変調法を採用している。

【0041】

複数の投光部４（４ａ，４ｂ）から照射されるレーザ光は、それぞれの光軸Ｌ（Ｌ₁，Ｌ₂）中心の光パワーを最大とした、ガウス分布のプロファイル（強度分布）を持つ。投光部４（４ａ，４ｂ）の出射位置から背景物体９までの空間において、隣り合うレーザ光のプロファイルが重なり合っても、各レーザ光の光軸Ｌ（Ｌ₁，Ｌ₂）中心の最大光パワーを超えないよう、投光部４（４ａ，４ｂ）の配置及びレーザ光のプロファイルの広がりは設定される。

【0042】

複数の投光部４（４ａ，４ｂ）から照射するレーザ光の変調周波数を同じにした場合、被測定空間におけるレーザ光のパワーの最大値を低く保ったまま、投光部が一つの場合と比較して、受光部１に入射する戻り光の光パワーを強めることができる。すなわち、本実施形態に係るガス検知システム１００ａによれば、ガス検知の高感度化を図ることができる。したがって、受光部１は投光部４（４ａ，４ｂ）が一つの場合と同じ程度の戻り光量を受光すればよいのであれば、投光部４（４ａ，４ｂ）及び受光部１と背景物体９との距離を延ばすことができる。例えば、メタンガスの吸収波長の１６００ｎｍ帯の場合、１０ｍＷ未満のレーザ被ばくとなるよう、光軸Ｌ（Ｌ₁，Ｌ₂）の間の距離ｄをもって投光部４（４ａ，４ｂ）を設置することにより、作業者がいるプラントなどでも安全なガス検知を行うことができる。

【0043】

また、複数の投光部４（４ａ，４ｂ）から照射するレーザ光の変調周波数を、それぞれ異なる周波数とした場合は、ＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）により、変調周波数ごとに受光信号を分離することができる。したがって、ガス検知システム１００ａは、一つの受光部１が受光した戻り光の受光信号から、複数の投光部４（４ａ，４ｂ）の各々が出射したレーザ光の戻り光の強度を投光部４（４ａ，４ｂ）ごとに判別することができる。したがって、ガス検知システム１００ａは、一つの受光部１を用いて、レーザ光を照射した被測定空間ごとのガス情報を同時に得ることが可能である。

【0044】

複数の投光部４（４ａ，４ｂ）から照射するレーザ光の変調周波数を同じにした場合、ガス検知システム１００ａは、例えば安全クラス１（ＪＩＳ Ｃ６８０２）を超えるＡＥＬ（被ばく放出限界）を人体に被ばくさせることなく、長距離空間のガス検知を実現する。また、複数の投光部４（４ａ，４ｂ）から照射するレーザ光の変調周波数を、互いに異なる周波数に切り替えると、ガス検知システム１００ａは、照射した被測定空間ごとの被測定ガスＧの濃度などの情報を、同時に得ることができる。したがって、ガス検知システム１００ａは、被測定ガスＧの分布を把握することができる。さらに、ガス検知システム１００ａは、時系列で被測定ガスＧの濃度情報を取得することにより、ガス濃度分布の時間的変化を知ることができる。

【0045】

（第２実施形態）
第１実施形態では、ＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）により、受光信号から、各投光部４（４ａ，４ｂ）から出射されたレーザ光の戻り光の受光信号を取り出す処理を行う例を説明したが、ＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）を設けなくてもよい。第２実施形態では、制御部７がＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）と同等の機能を実現する。以下、第１実施形態に係る構成と同じ機能及び構成を有する構成要素には、第１実施形態と同じ符号を付し、詳細な説明を省略する場合がある。

【0046】

図４は、本開示の第２実施形態に係るガス検知システム１００ｂの構成例を示す図である。図４に示すように、ガス検知システム１００ｂはＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）を備えない。変換部１０は、受光部１から受光信号を入力すると、増幅等の変換を行う。変換部１０は、変換した受光信号を制御部７へ出力する。なお、変換部１０は、受光部１の中に設置してもよい。

【0047】

制御部７は、受光部１が受光した受光信号から、各投光部４（４ａ，４ｂ）から出射されたレーザ光の戻り光の受光信号を取り出す処理を行う。具体的には、例えば、制御部７は、ＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）と同様に、変換部１０から入力された受光信号を、ＦＧ１２（１２ａ，１２ｂ）から出力される変調信号により検波してもよい。制御部７は、変調信号に基づき検波した受光信号に基づき、被測定ガスＧの吸収波長における光パワーの減衰を特定し、被測定ガスＧの有無及び濃度を検知してもよい。あるいは、例えば、制御部７は、変換部１０から入力された受光信号をフーリエ変換することで、変調信号の周波数に対応する信号の強度を取得してもよい。そして、制御部７は、変調信号の周波数に対応する信号の強度に基づき、各投光部４（４ａ，４ｂ）から出射されたレーザ光の戻り光の信号強度を取得し、被測定ガスＧの濃度を検知してもよい。

【0048】

なお、図２及び図４のガス検知システム１００（１００ａ，１００ｂ）では、投光部４（４ａ，４ｂ）毎に個別のレーザ光源６（６ａ，６ｂ）が配置されているが、そのような構成に限られない。例えば、一つのレーザ光源が設けられ、そのレーザ光源が出力するレーザ光を、光ファイバー等で他の投光部４へ導き、光増幅器等で変調して出力するようにしてもよい。また、複数の投光部４（４ａ，４ｂ）から出射される複数のレーザ光の光軸Ｌ（Ｌ₁，Ｌ₂）は、必ずしも平行な位置関係になくてもよい。例えば、複数の投光部４（４ａ，４ｂ）は、各投光部４（４ａ，４ｂ）からのレーザ光が重なり合っても被測定空間における被ばく量が基準値を超えない限り、被測定空間における同一の点に向けてレーザ光を出射してもよい。また、出射されるレーザ光のプロファイルは、光路上で必ずしも一定でなくてもよい。図２及び図４の例では、受光部１の光学系２として、集光するための凸レンズが使用されているが、これに代えて、凹面鏡が使用されてもよい。この場合、凹面鏡で集光する位置に受光素子３は配置される。また、変換部１０は、受光部１の中に設置してもよい。

【0049】

また、図２及び図４のガス検知システム１００（１００ａ，１００ｂ）では、投光部４（４ａ，４ｂ）毎にＦＧ１２（１２ａ，１２ｂ）が設けられているが、ＦＧ１２（１２ａ，１２ｂ）を設けなくてもよい。例えば、制御部７が駆動部１１（１１ａ，１１ｂ）へ入力する変調信号を生成し、各駆動部１１（１１ａ，１１ｂ）へ直接、変調信号を出力してもよい。

【0050】

以上のように、本開示に係るガス検知システム１００は、第１の投光部４ａ、第２の投光部４ｂ、受光部１、及び制御部７を備える。投光部４ａは、第１の変調信号により変調された、被測定ガスＧの吸収波長を含む第１のレーザ光を、被測定空間に向けて出射する。投光部４ｂは、第２の変調信号により変調された、被測定ガスＧの吸収波長を含む第２のレーザ光を、被測定空間に向けて出射する。受光部１は、第１のレーザ光及び第２のレーザ光の、被測定空間からの戻り光を受け取る。制御部７は、受光部１が受け取った戻り光の受光信号に基づき、被測定空間における被測定ガスＧの濃度を検知する。投光部４ａ，４ｂは、投光部４ａ，４ｂから被測定空間までの空間において、第１のレーザ光の第１のプロファイル及び第２のレーザ光の第２のプロファイルが重なり合う部分が存在する場合であっても、光パワーが予め定められた値を超えないように構成される。すなわち、投光部４ａ，４ｂは、第１、第２のレーザ光の第２のプロファイルが重なり合う部分、並びに、第１、第２のプロファイルが重なり合わない部分の全体にわたって、第１、第２のレーザ光の光パワーが予め定められた値を超えないように構成される。投光部４（４ａ，４ｂ）の出射位置から背景物体９までの範囲の中で、隣り合う照射光のプロファイルが重なり合っても、各距離の光軸中心の最大光パワーを超えないよう、投光部４（４ａ，４ｂ）の配置及びプロファイルの広がりが設定されてもよい。言い換えると、配置した投光部４（４ａ，４ｂ）の全レーザを照射しても、レーザ安全の基準（例えば、ＪＩＳ Ｃ６８０２において）に照らして、レーザ安全クラス1に分類されるＡＥＬを満たすようにしてもよい。このように、受光部１は、第１のレーザ光及び第２のレーザ光の戻り光に基づき、被測定空間における被測定ガスＧの濃度を検知するため、一つの投光部９４のみを備えたガス検知システム９０よりもより詳細な被測定ガスＧの濃度に関する情報を取得することができる。投光部４ａ，４ｂは、投光部４ａ，４ｂから被測定空間までの空間の全体にわたってレーザ光の光パワーが予め定められた値を超えないように構成されるため、人体に危険を生じさせることを防止することができる。したがって、ガス検知システム１００は、人体に危険を生じさせずにガス検知を高感度に行うことが可能である。

【0051】

また、投光部４ｂは、投光部４ａの第１のレーザ光を変調する第１の変調信号と同一の第２の変調信号により変調された第２のレーザ光を出射してもよい。このように、受光部１は、同一の変調信号により変調された第１のレーザ光及び第２のレーザ光の戻り光に基づき、被測定空間における被測定ガスＧの濃度を検知する。そのため、一つの投光部９４のみを備えたガス検知システム９０と比べて、被測定空間から離れた位置からレーザ光を出射してガス検知を行うことができる。また、投光部４ａ，４ｂは、投光部４ａ，４ｂから被測定空間までの空間の全体にわたってレーザ光の光パワーが予め定められた値を超えないように構成されるため、人体に危険を生じさせることを防止することができる。したがって、ガス検知システム１００は、人体に危険を生じさせずに被測定空間から離れた位置からガス検知を行うことが可能である。

【0052】

また、投光部４ｂは、投光部４ａの第１のレーザ光を変調する第１の変調信号と異なる第２の変調信号により変調された第２のレーザ光を出射してもよい。この場合、制御部７は、戻り光の受光信号を、第１のレーザ光に起因する第１の戻り光信号と、第２のレーザ光に起因する第２の戻り光信号とに分離してもよい。制御部７は、第１の戻り光信号に基づき、第１のレーザ光が到達した第１の空間における被測定ガスＧの濃度を検知し、第２の戻り光信号に基づき、第２のレーザ光が到達した第２の空間における被測定ガスＧの濃度を検知してもよい。このように、ガス検知システム１００は、第１のレーザ光に基づく第１の戻り光信号と、第２のレーザ光に基づく第２の戻り光信号とを区別して被測定ガスＧの濃度を検知するため、複数地点における被測定ガスＧの濃度を同時に検知することができる。

【0053】

また、ガス検知システム１００は、第１の変調信号を生成する第１の波形発生器としてのＦＧ１２ａと、第２の変調信号を生成する第２の波形発生器としてのＦＧ１２ｂと、を備えてもよい。その場合、第１の投光部としての投光部４ａは、ＦＧ１２ａにより生成された第１の変調信号により変調された第１のレーザ光を、被測定空間に向けて出射してもよい。第２の投光部としての投光部４ｂは、ＦＧ１２ｂにより生成された第２の変調信号により変調された第２のレーザ光を、被測定空間に向けて出射してもよい。このように、ＦＧ１２ａ，１２ｂを備えることで、ＦＧ１２ａ，１２ｂにより生成した第１、第２の変調信号により変調された第１、第２のレーザ光により、ガス濃度を検知することができる。

【0054】

また、第１実施形態のように、ガス検知システム１００ａは、受光部１が受け取った戻り光の受光信号を第１、第２の変調信号に基づき検波する第１、第２のＬＩＡ１３（１３ａ，１３ｂ）を更に備えてもよい。制御部７は、第１のＬＩＡ１３ａにより第１の変調信号に基づき検波した受光信号と、第２のＬＩＡ１３ｂにより第２の変調信号に基づき検波した受光信号とに基づき、被測定空間における被測定ガスＧの濃度を検知してもよい。このように、ガス検知システム１００ａは、第１のＬＩＡ１３ａ及び第２のＬＩＡ１３ｂを備えることで、第１、第２のレーザ光についての戻り光の信号を判別して、ガス濃度を検知することができる。

【0055】

また、制御部７は、受光部１が受け取った戻り光の受光信号に対してフーリエ変換を行って、当該受光信号に含まれる第１のレーザ光に起因する第１の戻り光信号と、第２のレーザ光に起因する第２の戻り光信号とを区別して取得してもよい。制御部７は、第１の戻り光信号及び第２の戻り光信号に基づき、被測定空間における被測定ガスＧの濃度を検知してもよい。このように、ガス検知システム１００（１００ａ，１００ｂ）は、フーリエ変換を適用することで、第１、第２のレーザ光についての戻り光の信号を判別して、ガス濃度を検知することができる。

【0056】

また、受光部１は、光が入力されたことに応じて電気信号を出力する受光素子３と、予め定められた画角αから入射した光を受光素子３へ位置づける光学系２とを備えてもよい。第１の投光部４ａは、被測定空間における光学系２から見て画角αの範囲に存在する位置へ向けて第１のレーザ光を出射し、第２の投光部４ｂは、被測定空間における光学系２から見て画角αの範囲に存在する位置へ向けて第２のレーザ光を出射してもよい。このように、受光部１は、第１のレーザ光に起因する戻り光と第２のレーザ光に起因する戻り光とを受け取るため、両方の戻り光を用いて被測定空間における被測定ガスＧの濃度を検知することができる。

【0057】

また、受光部１は、光学系２の画角αを変位するための機構を更に備えてもよい。そのような機構により光学系２の画角αが変位された場合、第１の投光部４ａは、変位された画角αの範囲に存在する位置へ向けて第１のレーザ光を出射し、第２の投光部４ｂは、変位された画角αの範囲に存在する位置へ向けて第２のレーザ光を出射してもよい。このように、受光部１の光学系２、並びに第１の投光部４ａ及び第２の投光部４ｂがレーザ光を出射する位置を変位させることで、広い空間における被測定ガスＧの濃度を検知することができる。このような機構は、例えば、受光部１及び投光部４（４ａ，４ｂ）を支持し、水平軸及び鉛直軸を中心にモータにより回動することで受光部１及び投光部４（４ａ，４ｂ）を任意の方向に向けることが可能な部材として提供されてもよい。このような機構は制御部７の制御に基づき、光学系２の画角αを変位させてもよい。

【0058】

また、ガス検知システム１００は、投光部４（４ａ，４ｂ）から出射する複数のレーザ光の発振波長を、同一の波長としてもよい。これにより、複数のレーザ光の変調周波数が同一の場合、一つの投光部９４のみを備えたガス検知システム９０と比べて、被測定空間から離れた位置からレーザ光を出射してガス検知を行うことができる。

【0059】

本開示は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、ブロック図に記載の複数のブロックは統合されてもよいし、又は一つのブロックは分割されてもよい。その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。

【符号の説明】

【0060】

１ 受光部
２ 光学系
３ 受光素子
４ 投光部
５ 光学系
６ レーザ光源
７ 制御部
９ 背景物体
１０ 変換部
１１ 駆動部
１２ ＦＧ
１３ ＬＩＡ
１４ 切替部
７１ プロセッサ
７２ 記憶部
７３ 通信部
７４ 入力部
７５ 出力部
９０ ガス検知システム
９１ 受光部
９２ 光学系
９３ 受光素子
９４ 投光部
９５ 光学系
９６ レーザ光源
９９ 背景物体
１００ ガス検知システム
Ｇ 被測定ガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】