JPH0363547A - ガス遠隔測定方法及び装置 - Google Patents

ガス遠隔測定方法及び装置

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JPH0363547A
JPH0363547A JP2115671A JP11567190A JPH0363547A JP H0363547 A JPH0363547 A JP H0363547A JP 2115671 A JP2115671 A JP 2115671A JP 11567190 A JP11567190 A JP 11567190A JP H0363547 A JPH0363547 A JP H0363547A
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gas
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absorption
target gas
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Frederick M Ryan
フレデリック・マーク・ライアン
Milton S Gottlieb
ミルトン・エス・ゴットリーブ
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は遠隔可搬式装置を用いて対象ガスを測定する方
法及び装置に関し、さらに詳細には干渉計技術を光サン
プリング技術と結合することにより対象ガスの光吸収を
測定してその結果から存在するかかる対象ガスの量を測
定する方法及び装置に関する。本発明は本願の出願人に
譲渡された係属中の米国特許出願第３４５．１１６３号
（発明の名称“ガス混合物の光吸収を測定する改良型方
法及び装置”　：出願日　１９８９年５月　１日：発明
者Ｆ、Ｍ、Ｒｙａｎ及びＭ、Ｓ、Ｇｏｔｔｌｌｅｂ　）
に開示された思想と関連がある。
ガス分析及び測定法の分野では、迅速に作動出来尋多数
の異なるしかも困難な環境において使用可能な高精度の
装置及び測定技術に対する大きな需要が存在する。かか
る需要が存在する１つの例として、メタンガスのレベル
を迅速且つ正確にモニタする必要がある鉱坑の安全をは
かる分野がある。鉱坑の環境のもとでは、メタンガスが
ランダムに分布する鉱穴内（存在することがあるためか
かるガスが人間にふれる前に遠隔検知及び／または測定
する必要があることが理解される。
このような検出及び測定は狭い区域でしかもそのサイズ
が無限に異なる可能性のあるところで行なう必要がある
ため、かかる検出または測定を行なう装置は可搬式で且
つ有意に変化することのある距離に亘り作動可能である
必要がある。
現在、鉱坑の環境内でのメタンの検出に携帯用の触媒式
検出器が普通用いられているが、これはメタンの存在を
検出するために作業面に近づける必要がある。これは危
険で時間のかかる作業であり、もし検出作業を石炭の表
面からある距離離れたところで行なえるならそれは大き
な利点であろう。
メタンを効果的に検出する他の既存のガス検出法及び／
または測定法があるが、かかる方法は遠隔及び可搬式装
置により実施するのは不可能である。例えば、固体電解
質センサーを用いる場合、センサーの基準セル側に導入
する基準ガスとしてメタンガスのサンプルを提供する必
要がある。
米国特許第３．９１５，８３０号明細書は、測定対象で
あるガス環境をセルの感知電極に対して露出させると電
解質の両側のガス種の分圧の差に相当する起電力信号が
発生することが記載されている。
この技術を鉱坑の環境或いは多数のランダムな大きさの
領域における迅速で正確な測定を必要とする任意の他の
環境において利用することはこの技術の実際的な能力の
限界を超えている。かかるセンサーは充分な読みを得る
ためにある特定の時間の間対象ガスの近傍に配置する必
要のあるプローブ型装置に用いることが知られてい−る
。
従って、問題の領域に亘って走査が本質的に必要な用途
ではこの技術の使用は実際的でない。
ガス分析及び測定の分野で有望なことがわかっているも
う１つの技術は特定のガスの光吸収特性を測定してその
ガスの検出及び量定を行なうものである。この技術はあ
る特定のガスは特定の光波長において特定の吸収特性を
示すということを利用するものである。ガス検出を行な
うために分光技術を用いる例がＡＯＴＦとして普通知ら
れた音響光学可調フィルタに見い出すことができる。
米国特許第３，７９２，２８７号明細書には、タリウム
セレン化砒素（ＴＡＳ）の結晶を用い、この結晶の特性
として結晶に１つの方向において赤外光をあて結晶の別
の方向にＲＦ倍信号印加して結晶の幾何学的関係により
赤外光信号がインターセプトされるようにすると、特定
の吸収帯域幅が形成されるため、この帯域幅に一致する
吸収特性を有するガスの検出及び／または量定か可能と
なることが記載されている。この方法は燃焼制御プロセ
スにおけるような多数の工業的環境に有効なことが判明
しているが、未知のサイズ及び組成の領域を走査して対
象ガスのポケットを検出する必要がある環境に用いるに
は適当でない。
ガス分析及び測定の分野に用いるさらに別の技術として
、回折格子のような分散装置を用いて対象ガスの吸収線
及び対象ガスの吸収線から外れた透過線に同調可能であ
る差分吸収分光法があるが、この技術を用いる１つの例
が米国特許第３，９３９，３４８号明細書に記載されて
いる。この特許では、周波数が規則的に異なる複数の透
過窓を提供するためにファブリーベロット干渉計計が用
いられている。対象ガスの複数の回転、振動赤外吸収線
より成る選択的に分離された周期性スペクトルがフリン
ジの形で透過されることにより検出可能な信号が得られ
、この信号から特定の対象ガスの量が測定できる。この
装置の作動にとって本質的なファブリーベロット干渉計
卦は鏡開の距離を調整して特定ガスの分子種の全ての回
転、振動赤外吸収線を同時に透過させることのできるも
のである。この方法をガス分析または測定に用いると既
存の技術より大きな感度が得られると言う利点がある。
しかしながら、この方法は周期性スペクトルの選択的分
離を得るために機械的手段を利用するため、機械的変調
手段の使用に固有なある特定の制約がある０例えば、こ
の方法の精度、従って感度はファブリーベロット干渉計
の鏡要素を所望の正確な帯域幅が得られるように正確に
整列できるか否かによる。かかる機械的手段の作動に固
有のもう１つの制約は、この測定法の作動特性を変化す
るには離隔関係にある鏡の実際の整列或いは同調そして
この整列を行なった結果の検証を含む厄介で時間のかか
る手動操作が必要なことである。
測定対象となる環境から離れた場所からの対象ガスの迅
速で正確な検出または量定を必要とする状況に対して固
体電解質セル及びＡＯＴＦ装置を用いる場合の制約と同
様、エタロン装置を用いる場合でもこの装置を利用する
測定器をモニターすべき特定の領域に配置する必要があ
る。従って、この方法もまた遠隔測定または走査モード
で作動させてランダムじ隔たった領域に対象ガスが存在
するか否かまたはその量がどれほどのものかをテストす
る能力に欠けている。
従って、本発明の目的は特定の対象ガスの存在及び／ま
たはその量を遠隔の場所から迅速且つ正確に測定する方
法及び装置であって、かかる方法及び装置を実施する測
定器が可搬式で走査モードで作動させることによりラン
ダムで不特定の領域につきかかる対象ガスの存否及びそ
の量をテスト可能な、ガス測定方法及び装置を提供する
ことにある。
上記目的に鑑みて、本発明は、対象ガスをその光吸収線
特性を用いて遠隔測定する装置であって、電磁放射源と
、かかる電磁放射が対象ガスを通過しその少なくとも一
部が反射して入射した結果生じる光信号を受信する手段
と、前記光信号受信手段と光学的（結合されて光信号を
第１の周波数に変調する光変調手段と、周期性間隔が対
象ガスのかかる吸収線の周期性に等しい複屈折エタロン
装置を有し、電界を印加すると複屈折エタロン装置の周
期性透過スペクトルがかかる吸収線特性に一致するスペ
クトルとかかる吸収線特性間のスペクトルとの間でシフ
トするように作用する、前記光信号を第２の周波数に変
調する手段と、前記第１の周波数の前記光信号と前記第
２の周波数の光信号とを弁別してその結果から対象ガス
の少なくともその量を測定する手段とより成ることを特
徴とするガス遠隔測定装置を提供する。
本発明は第１及び第２の周波数に変調された光信号を利
用し、第２の周波数が対象ガスの吸収線の周期性に等し
い周期性間隔を有し、第２の周波数の透過スペクトルを
吸収線と一致するスペクトルと吸収線間のスペクトルと
の間でシフトさせることによりかかる対象ガスの量を決
定する明確な特性が与えられる、対象ガスの測定装置に
関する。
本発明は差分吸収分光法の分野についての一般的な説明
を理解するとさらに容易に理解出来るであろう。差分吸
収分光法の分野では、対象ガスの吸収帯におけるある波
長の吸収を測定してこの吸収を基準波長において測定し
た吸収と比較することが知られており、この基準波長は
対象ガスが存在するとしても最小の吸収特性を示す領域
内にある。さらに、これら２つの吸収の比率から対象ガ
スの濃度の測定に利用できる値が得られることも知られ
ている。この差分吸収分光法の実施は対象試料ガスとの
吸収特性の比較対照物として対象ガスの基準試料セルを
用いる非分散性吸収分光計を用いるより木質的により安
全であることが認識できる。この方法では、弗化水素（
ＨＦ）、塩化水素（ＨＣＬ）またはメタン（ＣＨ４）の
ような有害な物質の検出或いはその量定を行なおうとす
る場合、基準となる物質としてかかる有害な物質の試料
が必要となる。
吸収分光法の分野では、回折格子のような分散装置を用
いて或いは選択狭帯域光学フィルタにより必要な変調を
得られることが知られている。
しかしながら、本発明では電気光学変調器に電界を加え
て透過スペクトルを変調器に半波電圧と呼ばれるものを
印加して最大値間の距離の半分だけシフトすることによ
り必要な変調が得られる。
もちろん、シフトされる透過スペクトルは厳密に中間点
にある必要はなく、吸収干渉計が最小である点に一致す
るように選択されることを理解されたい。従来、複屈折
エタロン装置を機械的手段により変調していたが、この
機械的手段では特定の吸収波長を別のガスを検出できる
ように変化させるためには離隔関係或いは他の機械的な
関係を変化させて必要な異なる吸収波長を得る必要があ
った。この制約により、特定のガス以外の任意の対象ガ
スの検出或いは量定を行なうためその特定の複屈折エタ
ロン装置を使用出来る程の融通性は存在しない。エタロ
ン機能から変調機能を切り離すことにより、種々の異な
る対象ガスをシステム全体に別の複屈折エタロン装置を
組込むだけで検出及び量定できることがわかる。
鉱坑の環境において存在するメタンの測定のような状況
につきこの技術を用いるにあたり、かかる環境により生
じる実際的な制約について考慮する必要がある。詳細に
は、メタンガスがサイズ及び濃度が無限に異なるポケッ
ト中に存在するという事実について考慮しなければなら
ない。さらに、石炭の採掘は炭層に沿って行なうため、
炭坑の領域の寸法も同様かなりのばらつきがある。従っ
て、この危険なガスに人間が露出されるのを回避するじ
必要な遠隔測定または走査を行なうためには、光ビーム
が反射するバックグランドの輪郭が不定形である結果型
じる、テスト中の領域に向けられた光ビームの強度の変
化に適応出来る装置及び方法を提供する必要がある。
測定装置の方に反射する光の強度にばらつきがあるため
、この測定装置の性能（ついての主要な関心は反射され
る特定の光信号とテスト中の領域に対して投射される光
源の位置のセット或いは出射光の配向との間の同期であ
る。換言すれば、測定装置のオペレータは得られた読み
が測定或いは走査したばかりの領域の正しい読みである
ことを確信できなければならない、これが現実となるよ
うに、測定装置はできるだけ迅速に投射、変調及び検出
機能を遂行する能力を持つ必要がある。
このため、機械的変調技術を用いる公知の干渉計はこの
目的にとっては完全に不適当なものであることが明らか
である。第１図には、これらの条件を満たすガス分析器
或いは測定装置を概括的に参照番号１０で示した。この
ガス分析装置１０は電磁放射を発生可能な光源１２を有
し、この電磁放射は対象ガスを含んでいると思われる領
域に向けられる。この例では、光源１２は石英ハロゲン
スポットライトと、放物面反射器１２ａとを有し、この
反射器は赤外放射を指向性を持つように放射する機能を
有する。他の電磁放射源が考えられるがこれらは本発明
の範囲内に含まれるものと理解されたい。例えば、対象
ガスが検出可能な吸収特性を示すスペクトルにより、赤
外線源の代わりに紫外線源を用いる必要があろう。
光源１２から送られた赤外線は石炭の表面或いは事実上
光源１２から離れた任意の他の表面の方に向けられるが
、それらの間に対象ガスが蓄積される可能性があり且つ
その表面により投射された電磁放射の一部が反射される
０反射した電磁放射は収光カセグレインを形成するよう
な構成の光信号受信手段１４により受信される。このよ
うにして、反射した赤外放射は放物面により反射されて
集束レンズ１８の方へ向けられ、開口２０を通過する。
当業者は集光カセグレインを用いるだけでなく、集光望
遠鏡のような別のレンズ系を用いて光信号受信手段を構
成できることが理解される。
光信号受信手段１４からの反射光は光調整手段２２を通
過するが、本例ではこの手段はコリメートレンズ等によ
り構成可能である。コリメートレンズ２２は光信号２４
として呼称される反射光を平行な光に変換し、この平行
な光を本発明のガス分析装置１０の構成要素により形成
される光路に沿うように効率的に向けることができる。
光信号２４は投射光源１２の光路中に存在する可能性の
ある対象ガスの検出及び／または量定を行なうに必要な
情報を含んでいることを理解されたい。即ち、光信号２
４は対象ガスに関連する特定のスペクトルに吸収が生じ
たか否か、そしてもし生じたとすればどの程度の吸収が
あったかを示す、光信号２４は光調整手段２２を通過し
たのち第１図において点線ブロック３０で示した高速光
スイッチ変調器と光結合されている。
高速光スイッチ変調器３０は本質的に、光信号２４を特
定の方向に偏光する入力偏光器３２と、その後の一対の
電気光学変調装置３４．３６と、第２の偏光器３８とよ
りなる。電気光学変調装置３４．３６は高い電気光学係
数を持つ材料により形成され、また第２の偏光器３８は
入力偏光器３２と同一の偏光方向に向けられている。
このように構成すると、高速光スイッチ変調器３０の構
成要素はボッケルズ効果として知られる現象を生ぜしめ
る。かかる効果は入力偏光器３２及び第２の偏光器３８
を電気光学変調器３４．３６に電界を印加せずに平行な
方向に向けると、人力偏光器３２を通過する全ての光信
号が第２の偏光器３８をも通過するという特性を有する
。
次いで、電界が電気光学変調器３４．３６に印加される
と、入力偏光器３２からの直線偏光された光が回転し、
その回転の程度が印加される電界の大きさに従って増加
する０回転が大きくなるにつれて第２の偏光器３８を通
過する光信号２４が徐々に小さくなり、ついに９０度の
回転が生じると光信号２４が完全にブロックされて第２
偏光器３８を通過できなくなる。本発明の〜実施例では
、高速光スイッチ変調器３０は１００ｋＨｚの周波数で
駆動され、その結果光信号２４の強度に比例するＩＱＯ
ｋ）ｌｚの信号が得られる。この第１の周波数１００ｋ
Ｈｘに変調された光信号２４を代表的な電圧■１として
第２ａ図に示した。高速光スイッチ変調器３０の電気光
学変調手段３４．３６に必要な電界を印加するために、
第１周波数の必要な電圧を供給するように構成された従
来型電源を用いることのできる第１の電源２８が１つの
構成要素として含まれている。
光信号２４が高速光スイッチ変調器３０の最後の素子で
ある第２偏光器３８を通過すると、次のシステム構成要
素である、第１図において点線ブロック４０で示したガ
スエタロン変調手段の通過を実際に開始する。第２偏光
器３８は高速光スイッチ変調器３０内と共にガスエタロ
ン変調器４０内においても作動するため、この素子は両
方の手段にとって共通のものである。
第１図に示すガスエタロン変調手段４０は、対象ガスの
吸収特性により除去された受信光信号２４の量を測定す
ると言う本質的目的を有する。
ガスエタロン変調器４０は高速光スイッチ変調器３０と
で共有する第２５４光器３８と複屈折エタロン装置４２
とを有する。複屈折エタロン装置４２は、１つの透過偏
光中の対象ガスにマツチし且つそのガス吸収スペクトル
と相関関係を有するがその透過スペクトルが直交偏光中
の対象ガスと反相量関係にある自由なスペクトル範囲を
有する。
本例に用いるタイプのエタロン装置は結晶石英のような
適当な複屈折材料により形成できるが、エタロン装置を
構成するに適当な材料の他の例として、燐酸２水素カリ
ウム（ＫＤＰ）、燐酸２重水素カリウム（ＫＤ＊Ｐ）、
及び燐酸２水素アンモニア（ＡＤＰ）がある。さらに、
光ビームの伝送方向が複屈折エタロン装置の変調に用い
る電界の印加方向と交差するエタロン装置の例ではニオ
ブ酸リチウムを用いることができる。
ガスエタロン変調器４０内の複屈折エタロン装置４２に
隣接して、第２の電気光学変調器４４．４６が配置され
ている。この電気光学変調器は高速光スイッチ変調器３
０の電気光学変調器３４、３６と同様に高い電気光学係
数を持つ材料により形成されている。第２の電気光学変
調器４４．４６は一対の変調素子により構成可能であり
、または実際単一の電気光学光変調装置を形成するよう
に構成されると必要な変調機能を実行することができる
。
第２の電源４８が第２の電気光学変調器４４．４６に必
要な電界を印加するためガスエタロン変調手段４０の一
要素として含まれている。第２の電源４８は第２の周波
数ｆ２の電圧ｖ２を供給して、複屈折エタロン装置４２
に関連する２つの周期性透過スペクトルである相関及び
反相間スペクトル間の選択を可能にする。第２の電圧ｖ
２と第２の周波数をｆ２の複屈折エタロン装置４２の周
期性間隔に対する関係については第２ｂ図の波形を参照
すれば最もよく理解できる。この図において、第２の電
気光学変調器４４．４６に印加される電圧■２は高速光
スイッチ変調器３０の電気光学変調器３４．３６に送ら
れる電圧Ｖｌの周波数ｆｌの半分の周波数ｆ２で供給さ
れることがわかる。第２ｂ図はさらに、複屈折エタロン
装置４２の反相間スペクトル、即ち対象ガスが吸収特性
を示さないスペクトルが周波数ｆＩのレートの半分で生
じることを示す。説明の便宜上、周波数ｆ２を上におい
て１ｏｏｋ）ｌｚであるとして説明した周波数ｆｌの半
分にするためには、周波数ｆ２を５０　ｋＨｚにセット
する必要があることがわかる。
このようにして、相関スペクトルと反相間スペクトルと
の間のシフトを１つの吸収測定のサイクル時間の間バッ
クグランドの移動により生ずるであろう測定エラーを回
避するに充分な速さで生ぜしめることができる。さらに
、これら２つの周波数の選択は例示の目的に限られ、こ
れらの値より大きいまたは小さい他の周波数を用いるこ
とも可能であって、これらは本発明の範囲内にあること
を理解されたい。また、ここに示した電圧源２８．４８
も例示の目的のためであり、実際単一電圧源及び周波数
分割装置により置換可能であることを理解されたい。
第３の偏光素子５０がガスエタロン変調器４０の一部と
して組み込まれ選択スペクトルだけを通過させるように
配向されている。光信号２４はガスエタロン変調器４０
を通過してフィルタ装置５２及びレンズ素子５４へ向け
られ、これらのフィルタ装置及びレンズ素子は検出手段
５６に入力される前に光信号２４の望ましくない波部分
を除去する。
検出手段５６は相関と反相間スペクトルとの間の吸収の
比率を用いて従来型手段により測定領域内に存在する対
象ガスの量を測定する。さらに、検出手段５６は５０　
ｋＨｚの光信号を１００ｋ）ｌｚの光信号により割り算
して受信光信号の強度値とは無関係でガスの濃度だけに
比例する信号を発生させる。第２ｃ図に示す波形はガス
濃度と検出器電流測定値ｉ二の形の受信光信号強度係数
とが無関係であることを示す。検出装置５６の出力は文
字数字表示装置として示され光源１２′ＥＬび光信号受
信手段１４を内蔵する携帯型ユニット内に配置された表
示装置５８に結合することができる。
第５図に示す本発明の別の実施例は、第１図のガスエタ
ロン変調器４０を第４Ａ及び４Ｂ図に示す態様で形成し
た複合フアプリーペロットエタロン装置を用いる変調器
で置き換えたものである。本発明のこの実施例では、非
常に正確な狭帯域吸収スペクトルを有するガス種に対し
て特に作用するように特定可能な遠隔ガス測定装置を構
成することが望まれている。ある特定のガスの吸収特性
を実質的に同一に整列させる技術は高巧妙度法（ａ　ｈ
Ｉｇｈ　ｆｉｎｅｓｓｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）として
普通知られている。第３ａ図に示すように非常に正確な
吸収線を示すガスでは、これらの吸収線を実質的に相関
するためのフィルタ装置を用いた場合、干渉から本質的
に無縁のさらに正確な測定が可能となる。従って、特定
ガス種の吸収スペクトルと干渉計装置のフィルタ能力と
の間にかかる正確な相関関係を与えることのできるガス
分析装置はまた吸収スペクトルが比較される反相間波形
を正確に調整できるはずである。第３ｇ図に示すような
態様で反相間波形を調整できるということは、観察下の
領域内に吸収線を有する他のガスによる干渉計が回避可
能となるため対象ガスの検出及び／または量定をさらに
正確に行なうことができるということを意味することが
わかる。例えば、反相量線は相関線間に直接穴るように
構成する必要はなく、事実、これらの吸収線の位置を正
確に特定できるため反相量線を相関線の近くにくるよう
にしてこの所望の測定精度の低下を招きかねない別のガ
スの任意の吸収線が回避されるように相関線の近くに位
置させることができる。
かかる遠隔ガス測定装置はまた第５図に示す構成により
実現できるが、鎖国において複合ファブリーベロットエ
タロン装置６０を電気光学変調器４４．４６に関連して
用いることにより高巧妙度のガス分析装置を得ることが
できる。複合ファブリーペロットエタロン装置６ｏをさ
らに第４Ｂ図に示すが、鎖国においてそのエタロン装置
の構造は光路長ぶと屈折率ｎ２とが対象ガス種の正確な
整５＋１位置関係を生ぜしめるようなものである。
特定の相関及び反相間波形を生ぜしめるに必要な屈折率
を得るため、複屈折エタロン装置６０の縦方向軸に沿う
対向表面が部分反射性表面被覆を施されている。表面被
覆により得られる反射の量は吸収線の尖鋭度、従って第
３ｇ図で示すように高い巧妙度を決定する。従って、表
面被覆の反射の量を変えること社より、巧妙度を増減さ
せて反相間波形が別のガス種の吸収干渉計を回避するに
必要な尖鋭度を得るようにすることができる。
屈折率ｎ、は反相間波形の間隔を決定するため、他のガ
ス種の吸収スペクトルによる干渉を回避するに必要なこ
の間隔を相関波形定対して特定することができる。反相
間波形の間隔を選択する態様については第４Ｂ図に最も
よく示されており、鎖国は複合ファブリーベロット干渉
計６０の光学軸を示す。図示の如く、相関波形の周波数
間隔を決定する屈折率ｎ２は軸（０１０）に沿い、また
この周波数間隔と対象ガスの吸収スペクトルとを相関さ
せる必要があるため、この屈折率ｎ２を設定して変化し
ないようにする必要がある。
しかしながら、屈折率ｎ、はｎ、の配置関係は影響を与
えずに変化することができ、θ＝Ｏ°からθ諺９０°の
範囲で変化することがわかる。
θ３９０°であればｎ、　！　Ｑ　、であり、θＭＯ。
であればｎｌ！ｎ！であり、ｎｔは光学軸（００１）が
第４Ａ図に示すように軸（１００）及び（０１０）に関
して配置されたときの、即ち、光学Ｚ軸が光学Ｘ及びｙ
軸により形成される平面社垂直に置かれた時の屈折率で
ある。この選択（より相関線間の第３ｇ図じ示す反相量
線を最適位置に事実上移動させて、干渉計を防止すると
共にガス分析装置の残りの動作寿命Ｃ亘って材料の構造
が一旦切断特定された際に得られるこれらの屈折率を設
定することができる。
（以　下　余　白） 動作について説明すると、ガス分析装置１゜は、オペレ
ータが光源１２を関心のある領域に向けて電磁放射が対
象ガスが存在すると思われる空間を通過して受信手段１
４に反射されるようにする携帯型測定器として遠隔作動
でき、この受信手段もまたガス測定装置１０の携帯部分
内に収納することが可能である。反射した光信号は受信
手段１４の放物面部分１６により集められてレンズ１８
により開口２０を通過する。受信手段１４からの光信号
はその後コリメートレンズ２２を通過して光信号２４と
して表示される平行な光の流れ社変換され、この光の流
れはまた電磁放射が通過したこれらのガスの存在を指示
する吸収スペクトルを有する。光信号２４は多数のガス
の存在を示す吸収されたスペクトルを含むが、目下のと
ころ、この動作を赤外領域の３．４マイクロメータ近く
に吸収帯を有するメタンのような特定のガスに間して説
明する。メタンが存在すると、この領域の赤外線放射は
測定光路中のガス濃度が充分に高い場合には、メタンに
よる吸収が存在しない隣接領域の放射に関して減少する
。
コリメートレンズ２２からの平行な収束光信号２４は高
速光スイッチ変調器３０に光結合される。高速光スイッ
チ変調器３０の入力偏光器３２は偏光器３２が配向され
た偏光方向と一致する光信号２４の部分を通過させる。
偏光された光信号２４はその後、第１の周波ｐｆｌ、こ
の例では１００ｋＨｚに設定された周波数に変調された
第１の電圧ｖ、が印加された電気光学変調手段３４．３
６を通過する。
光信号２４が電気光学変調手段３４．３６を通過する際
、印加される電界により電界の各サイクルについて高速
光スイッチ変調器３０がフィルタとしてｆ＃Ｉきフィル
タされた光信号２４の半分がブロックされて高速光スイ
ッチ変調器３０からの出力が阻止される。このフィルタ
効果は、電界が光信号２４の偏光を９０”だけシフトさ
せて光信号が人力偏光器３２と平行な方向に配向された
第２の偏光器３８を通過できないようにするため得られ
る。このボッケルズ効果の現象は第２８図の波形により
示され、鎖国から電界が電圧ｖｌで周波数ｆｌの半分で
ある場合、光信号２４の方向が第２の偏光器３８を通過
できないようにシフトされることがわかる。従って、光
信号２４はその周期に関しては第２ａ図の波形に似てい
る。
第１の周波数ｆｌの光信号２４は高速光スイッチ変調器
３０と共有する第２偏光器３８によりガスエタロン変調
手段４０に光結合される。その後光信号２４は対象ガス
の既知の吸収スペクトルと相関するように特にサイズを
特定した複屈折エタロン装置４２に送られる。複屈折エ
タロン装置４２の動作を説明する目的で、第３ａ乃至３
０図の波形を参照する。第３ａ図は対象ガスの吸収スペ
クトルを示し、第３ｂ図は複屈折エタロン装Ｗ４２に関
連する相関波形、または第３Ｃ図はエタロン装置４２に
関連する反相間波形を示す。
光信号２４が相関ステップの開祖屈折エタロン装置４２
を通過すると、エタロン装置４２を通過する全ての放射
が対象ガスにより強い吸収を受けることができる。しか
しながら、電界が電気光学変調手段４４．４６に加えら
れると生じる反相開状態時、光信号２４の放射は対象ガ
スによる吸収を全く受けない。従って、ガスが存在する
と相関及び反相開時検出器５６に到達する信号の相対強
度に非常Ｃ大きな変化が生じる。相関と反相開状態の間
で波長をシフトするが、このシフトは波数のｌ／１０ま
たはそれ以下の僅かなものであり、そのため差分測定の
両方の部分に対して同一のスペクトル範囲が観察される
。鋭いスペクトル吸収線及び測定すべきガスの周期間隔
が規則性を示す物質だけがかかる吸収信号を発生させる
。
さらに、高速光スイッチ変調手段３０により１００ｋＨ
ｚの周波数に以前変調された光信号２４はまたガスエタ
ロン変調手段４０により５０ｋＨｚの周波数に変調され
、この周波数をガスエタロン変調手段４０が用いて相関
と反相開状態の間でシフトを行なう。
第１′ＥＬび第２の電圧源２８．４８により供給される
電界の周期の開始時を同期させることにより、かかる二
重変調を行なうとガスエタロン変調手段４０が電圧Ｖ、
を光信号２４に加える際１つおきに反相開状態となる。
光信号２４は相関と反相開状態との間でシフトされた後
、第３の偏光器４８を通過し次いでフィルタ５２とレン
ズ装置５４を通過して検出手段５６に人力される前に望
ましくない波部分が除去される。
検出器手段５６は測定中の領域に存在するかもしれない
対象ガスの濃度を求める前に反射した電磁放射の強度を
表わす受信入力光信号２４の部分とかかるガス濃度を表
わす光信号２４の部分とを弁別しなければならない。こ
の目的で、検出手段５６は５０ｋ）Ｉｚの周波数の光信
号２４を１００ｋＨｚ周波数の光信号により割り算して
ガス濃度だけを表わす信号を発生させる。光信号２４の
強度を表わす部分はそれにより考慮の対象から事実上に
外される。
検出手段５６は従来型手段を用いて透過スペクトル最大
値における吸収線の強度及び反相関波形社ついての透過
スペクトル最大値間の選択点における吸収線の強度との
比率により対象ガスの検出及び／または量定を行なう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明により構成したガス測定装置を一部ブ
ロック図で示す立面図である。 第２ａ乃至２０図は、対象ガスの吸収スペクトルが第１
及び第２の周波数の光信号とを関連する態様を表わすグ
ラフである。 第３ａ〜３ｇ図は、対象ガスの吸収スペクトル及びエタ
ロン装置の種々の巧妙度及び相関及び反相間スペクトル
を表わすグラフである。 第４Ａ＆び４Ｂ図は、本発明の実施例により構成したエ
タロン装置の断面立面図である。 第５図は、ガスエタロン変調器の別の構成を示すブロッ
ク図である。 ３２・・・・入力偏光器 ３４．３６・・・・電気光学変調器 ３８・・・・第２の偏光器 ４０・・・・ガスエタロン変調器 ４４．４６・・・・電気光学変調器 ４８・・・・電圧源 ５０・・・・第３の偏光素子 ５２・・・・フィルタ装置 ５６・・・・検出器

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）対象ガスをその光吸収線特性を用いて遠隔測定す
    る装置であって、電磁放射源と、かかる電磁放射が対象
    ガスを通過しその少なくとも一部が反射して入射した結
    果生じる光信号を受信する手段と、前記光信号受信手段
    と光学的に結合されて光信号を第１の周波数に変調する
    光変調手段と、周期性間隔が対象ガスのかかる吸収線の
    周期性に等しい複屈折エタロン装置を有し、電界を印加
    すると複屈折エタロン装置の周期性透過スペクトルがか
    かる吸収線特性に一致するスペクトルとかかる吸収線特
    性間のスペクトルとの間でシフトするように作用する、
    前記光信号を第２の周波数に変調する手段と、前記第１
    の周波数の一前記光信号と前記第２の周波数の光信号と
    を弁別してその結果から対象ガスの少なくともその量を
    測定する手段とより成ることを特徴とするガス遠隔測定
    装置。
  2. （２）前記電磁放射源と前記光信号受信手段とが電磁放
    射を走査態様で投射するように手動で操作可能な携帯用
    ユニット内に収納されていることを特徴とする請求項第
    （１）項に記載のガス遠隔測定装置。
  3. （３）前記携帯ユニットが背景となる表面を有する領域
    に向けられ、背景となる表面からかかる電磁放射が前記
    光信号受信手段の方へ反射されることを特徴とする請求
    項第（２）項に記載のガス遠隔測定装置。
  4. （４）前記光変調手段が入力偏光素子と入力偏光素子と
    同一の偏光方向に向けられた第２の偏光素子とを有する
    ことを特徴とする請求項第（１）項に記載のガス遠隔測
    定装置。
  5. （５）前記光変調手段が、前記入力偏光素子と前記第２
    の偏光素子との間に配置され、前記第１の周波数を有す
    る電界が印加されると前記光信号の偏光が回転して前記
    第２の偏光素子を通過不能な異なる偏光になるように作
    用する電気光学変調装置をさらに備えることを特徴とす
    る請求項第（４）項に記載のガス遠隔測定装置。
  6. （６）前記変調手段が、入力素子と第２の偏光素子と、
    さらに前記複屈折エタロン装置の後に配置されて前記光
    信号が前記複屈折エタロン装置を通過した後第２の周波
    数に変調可能な第２の電気光学変調装置とを有し、かか
    る変調によりかかる吸収線に一致するスペクトルと吸収
    線間のスペクトルとの間における周期性透過スペクトル
    のシフトが得られることを特徴とする請求項第（１）項
    に記載のガス遠隔測定装置。
  7. （７）前記弁別手段は対象ガスの量を測定するにあたり
    まず最初に前記第２周波数の前記光信号を前記第１周波
    数の前記光信号により割り算し、それにより前記第１周
    波数の前記光信号に関連する強度値を算出することを特
    徴とする請求項第（１）項に記載のガス遠隔測定装置。
  8. （８）前記弁別手段がさらにかかる吸収線に一致するス
    ペクトルと吸収線間のスペクトルとを比較することによ
    り対象ガスの量を求めることを特徴とする請求項第（７
    ）項に記載のガス遠隔測定装置。
  9. （９）対象ガスをその光吸収線特性により遠隔測定する
    方法であって、光ビームをかかる対象ガスが存在する領
    域へ向けることによりかかる吸収線特性を表わす光信号
    が光信号受信装置の方へ反射されるようにし、前記光信
    号受信装置により反射光信号を集め、前記光信号が光変
    調装置を通過するようにして前記光信号を第１の周波数
    に変調し、第１の周波数に変調された前記光信号を周期
    性間隔がかかる対象ガスの吸収ラインと実質的に等価で
    ある複屈折エタロン装置を通過させ、複屈折エタロン装
    置に連携の変調装置に第１の周波数とは異なる第２の周
    波数を持つ電界を印加してかかる光信号を吸収線と実質
    的に一致するスペクトルと吸収線間のスペクトルとの間
    で変調し、前記第１周波数のかかる光信号と前記第２周
    波数のかかる光信号とを弁別してその結果から対象ガス
    の少なくともその量を求めるステップより成ることを特
    徴とするガス遠隔測定方法。
  10. （１０）前記光ビームが光変調装置に送られる前に該光
    ビームを偏光させ、前記光信号を複屈折エタロン装置に
    送るステップの後で前記光信号のある特定の既知の部分
    が前記弁別ステップの前に除去されるように前記光信号
    を調整するステップをさらに含んで成ることを特徴とす
    る請求項第（９）項に記載のガス遠隔測定方法。
  11. （１１）対象ガスをその光吸収線特性により遠隔測定す
    る装置であって、電磁放射源と、かかる電磁放射をして
    かかる対象ガスを通過せしめる手段と、電磁放射がかか
    る対象ガスを通過し少なくともその一部が反射して入射
    した結果発生する光信号を受信する手段と、前記光信号
    受信手段と光学的に結合されて前記光信号を第１の周波
    数に変調する光変調手段と、前記光信号を受信し且つ周
    期性間隔がかかる対象ガスの吸収線の周期性に等しくま
    た第２の周期性間隔がかかる吸収線間の透過スペクトル
    と実質的に等価である干渉計装置を備えた、前記光信号
    を第２の周波数に変調する手段と、かかる周期性透過ス
    ペクトルの強度の関数として少なくとも対象ガスの量を
    検出する手段とより成ることを特徴とするガス遠隔測定
    装置。
  12. （１２）前記干渉計計装置が対象ガスのかかる吸収線と
    実質的に一致するかかる周期性透過スペクトルを決定す
    る第１の屈折率と光路長とを有する複合フアブリーペロ
    ット複屈折エタロン装置であることを特徴とする請求項
    第（１１）項に記載のガス遠隔測定装置。
  13. （１３）前記複屈折エタロン装置が対象ガスの吸収線間
    のかかる周期性透過スペクトルを決定する第２の屈折率
    をさらに有することを特徴とする請求項第（１２）項に
    記載のガス遠隔測定装置。
  14. （１４）前記第２の屈折率が、対象ガスの吸収線間のか
    かる周期性透過スペクトルの対象ガス以外のガスによる
    干渉計を本質的に回避する波長において生じるようにあ
    る範囲の値から選択可能であることを特徴とする請求項
    第（１３）項に記載のガス遠隔測定装置。
JP2115671A 1989-05-01 1990-05-01 ガス遠隔測定方法及び装置 Pending JPH0363547A (ja)

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