JPH04326041A - ガス濃度測定方法及びその測定装置 - Google Patents
ガス濃度測定方法及びその測定装置Info
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- JPH04326041A JPH04326041A JP3096825A JP9682591A JPH04326041A JP H04326041 A JPH04326041 A JP H04326041A JP 3096825 A JP3096825 A JP 3096825A JP 9682591 A JP9682591 A JP 9682591A JP H04326041 A JPH04326041 A JP H04326041A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はガス濃度の定量測定に適
した方法および装置に関するものである。
した方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】メタンガスは都市ガスの主成分であり、
メタンガスの検知により都市ガスの漏洩を検出できる。 このため、地下街・高層ビル等の特定地域では、メタン
ガスの有無を安全かつ確実に、しかも迅速に検出するこ
とが必要となっている。ところが、従来の半導体式・燃
焼式などのガスセンサは信頼性に劣り、そのため近年、
光式ガスセンサが開発されるに至っている。
メタンガスの検知により都市ガスの漏洩を検出できる。 このため、地下街・高層ビル等の特定地域では、メタン
ガスの有無を安全かつ確実に、しかも迅速に検出するこ
とが必要となっている。ところが、従来の半導体式・燃
焼式などのガスセンサは信頼性に劣り、そのため近年、
光式ガスセンサが開発されるに至っている。
【０００３】光式ガスセンサは、メタンガスが特定波長
の光を吸収しやすいことを利用したもので、その原理を
応用した従来例を図６に示す （特公平 ２−２００５
６号公報） 。
の光を吸収しやすいことを利用したもので、その原理を
応用した従来例を図６に示す （特公平 ２−２００５
６号公報） 。
【０００４】図中、２１は発光ダイオード （ＬＥＤ）
よりなる光源で、メタンガスの吸収波長域即ち １．
６μｍ 帯の光を発する。この光源２１からの光は、光
結合器２２を経て低損失の石英系光ファイバ２３ａ中を
送られ、光結合器２４ａを経て測定セル４内に送り込ま
れる。このセル４内には未知濃度のメタンガスが含まれ
ており、光結合器２４ａからの光がその雰囲気中を透過
する間に、特定波長の光が吸収される。測定セル４から
出た光は、光結合器２４ｂを経て石英系光ファイバ２３
ｂ中を送られ、ハーフミラーで構成されたビームスプリ
ッタ２５により２つの光束２６ａ，２６ｂに分けられる
。第１の光束２６ａはメタンガスの吸収波長帯域の光を
透過する帯域透過フィルタ２７に送られ、第２の光束２
６ｂはメタンガスの吸収波長帯域以外の帯域透過フィル
タ２８に送られる。そして、それぞれのフィルタ２７，
２８を透過した光は、光検出器２９ａ，２９ｂにより電
気信号に変換され、増幅器３０ａ，３０ｂにて増幅され
た後、信号処理装置３１に送られる。信号処理装置３１
では、両増幅器３０ａ，３０ｂからの電気信号の強度比
が求められ、これに基づきガス濃度が定量検出される。
よりなる光源で、メタンガスの吸収波長域即ち １．
６μｍ 帯の光を発する。この光源２１からの光は、光
結合器２２を経て低損失の石英系光ファイバ２３ａ中を
送られ、光結合器２４ａを経て測定セル４内に送り込ま
れる。このセル４内には未知濃度のメタンガスが含まれ
ており、光結合器２４ａからの光がその雰囲気中を透過
する間に、特定波長の光が吸収される。測定セル４から
出た光は、光結合器２４ｂを経て石英系光ファイバ２３
ｂ中を送られ、ハーフミラーで構成されたビームスプリ
ッタ２５により２つの光束２６ａ，２６ｂに分けられる
。第１の光束２６ａはメタンガスの吸収波長帯域の光を
透過する帯域透過フィルタ２７に送られ、第２の光束２
６ｂはメタンガスの吸収波長帯域以外の帯域透過フィル
タ２８に送られる。そして、それぞれのフィルタ２７，
２８を透過した光は、光検出器２９ａ，２９ｂにより電
気信号に変換され、増幅器３０ａ，３０ｂにて増幅され
た後、信号処理装置３１に送られる。信号処理装置３１
では、両増幅器３０ａ，３０ｂからの電気信号の強度比
が求められ、これに基づきガス濃度が定量検出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たメタンガス測定法および装置では、次のような問題が
あった。
たメタンガス測定法および装置では、次のような問題が
あった。
【０００６】（１） 光学系として石英系光ファイバ２
３ａ，２３ｂ、光結合器２２，２４ａ，２４ｂの他に、
ハーフミラー２５や帯域透過フィルタ２７，２８を用い
ている。そのため、光学系が複雑になり、光の結合損失
が大きくなる。また、光源２１として発光ダイオードを
用いているため、発光出力の上限に制約があり、高感度
の検出が難しい。
３ａ，２３ｂ、光結合器２２，２４ａ，２４ｂの他に、
ハーフミラー２５や帯域透過フィルタ２７，２８を用い
ている。そのため、光学系が複雑になり、光の結合損失
が大きくなる。また、光源２１として発光ダイオードを
用いているため、発光出力の上限に制約があり、高感度
の検出が難しい。
【０００７】（２） メタンガス中の透過光の減衰比か
ら濃度を求めているため、メタンガスが低濃度の場合、
ＳＮ比の関係から測定が困難となる。今、メタンガスの
吸収スペクトル線の１つとして波長μ＝ １．６６５μ
ｍ 帯のうちメタン吸収の大きいＱ（６） 線を測定用
光源として用いたときの透過係数Ｔを求めてみる。透過
係数Ｔは、
ら濃度を求めているため、メタンガスが低濃度の場合、
ＳＮ比の関係から測定が困難となる。今、メタンガスの
吸収スペクトル線の１つとして波長μ＝ １．６６５μ
ｍ 帯のうちメタン吸収の大きいＱ（６） 線を測定用
光源として用いたときの透過係数Ｔを求めてみる。透過
係数Ｔは、
【０００８】
【数１】
【０００９】で与えられる。ここで、αは吸収係数を示
し、大気圧１ａｔｍ 中でのＱ（６） 線においては、
α＝ ０．１ ／ｃｍである。また、ｃはメタンガス濃
度、ｌは光路長である。吸収係数α＝ ０．１ ／ｃｍ
、光路長ｌ＝１０ ｃｍ としたとき、濃度 ｃ＝
１００％， １０％，１％ における透過係数Ｔは、そ
れぞれＴ＝０．３６， ０．６０， ０．９ となる。 この結果が示すように、メタンガスが低濃度になるに従
い、光の変化率が小さくなることがわかる。
し、大気圧１ａｔｍ 中でのＱ（６） 線においては、
α＝ ０．１ ／ｃｍである。また、ｃはメタンガス濃
度、ｌは光路長である。吸収係数α＝ ０．１ ／ｃｍ
、光路長ｌ＝１０ ｃｍ としたとき、濃度 ｃ＝
１００％， １０％，１％ における透過係数Ｔは、そ
れぞれＴ＝０．３６， ０．６０， ０．９ となる。 この結果が示すように、メタンガスが低濃度になるに従
い、光の変化率が小さくなることがわかる。
【００１０】（３） メタンガスの１つの吸収スペクト
ル線に着目すると、吸収係数αは大気の全圧に依存した
値をもつ。そのため、炭坑やプラントなど気圧変化の激
しい箇所で濃度測定を行う場合、別に圧力センサを設け
て圧力監視を行い、その値に基づいて補正を行わないと
、正確な濃度測定が行えない。
ル線に着目すると、吸収係数αは大気の全圧に依存した
値をもつ。そのため、炭坑やプラントなど気圧変化の激
しい箇所で濃度測定を行う場合、別に圧力センサを設け
て圧力監視を行い、その値に基づいて補正を行わないと
、正確な濃度測定が行えない。
【００１１】ここで、メタンガスの吸収係数αの圧力変
化について考えてみる。
化について考えてみる。
【００１２】今、メタンガスの吸収線に一致する共鳴角
周波数が全てω０ であるとき （均一広がり） 、各
分子同志の衝突に起因して吸収線は広がりを呈し、その
吸収線の形状αＬ （ω， ω０ ） はローレンツ
型にあり、次式のように表される。
周波数が全てω０ であるとき （均一広がり） 、各
分子同志の衝突に起因して吸収線は広がりを呈し、その
吸収線の形状αＬ （ω， ω０ ） はローレンツ
型にあり、次式のように表される。
【００１３】
【数２】
【００１４】ここに、α０Ｌは吸収線の中心での吸収係
数 （＝０．１ ／ｃｍ） である。また、γＬ は吸
収線の半値幅であり、大気中のメタンガスの分圧をｐｍ
［ｔｏｒｒ］ 、バイアスガスの分圧をｐ０ ［ｔ
ｏｒｒ］とすると、
数 （＝０．１ ／ｃｍ） である。また、γＬ は吸
収線の半値幅であり、大気中のメタンガスの分圧をｐｍ
［ｔｏｒｒ］ 、バイアスガスの分圧をｐ０ ［ｔ
ｏｒｒ］とすると、
【００１５】
【数３】
【００１６】が成立する。
【００１７】一方、気体の各分子の速度の向きを考慮す
ると、ドプラー効果により共鳴角周波数ω０ がずれて
、スペクトル線の幅が広くなる （ドプラー広がり）
。通常、気体分子の速度分布はマクスウェル・ボルツマ
ン分布をしており、そのスペクトル線の分布 ｇ （ω
０ ） は、ドプラー効果によりシフトした角周波数を
ωｍ０とすると、
ると、ドプラー効果により共鳴角周波数ω０ がずれて
、スペクトル線の幅が広くなる （ドプラー広がり）
。通常、気体分子の速度分布はマクスウェル・ボルツマ
ン分布をしており、そのスペクトル線の分布 ｇ （ω
０ ） は、ドプラー効果によりシフトした角周波数を
ωｍ０とすると、
【００１８】
【数４】
【００１９】ただし、
【００２０】
【数５】
【００２１】で与えられる。
【００２２】実際のスペクトル線は、上述の均一な広が
りとドプラー広がりとが共存し、その形 α （ω）
は、数２および数４の両者のたたみ込み積となる。
りとドプラー広がりとが共存し、その形 α （ω）
は、数２および数４の両者のたたみ込み積となる。
【００２３】
【数６】
【００２４】この数６に実際に数値を入れて計算を行い
、吸収線中心 （ω＝ω０ ） での吸収係数α （ω
０ ） を求めた結果を図５に示す。ただし、温度は一
定とした。 また、このα （ω０ ） を最大値としたときに、吸
収係数が半分の値になるときの周波数ωの幅 （ここで
、ω−ω０ ＝±γ） を半値幅といい、この半値幅２
γを上記数６により求めた結果も図５にあわせて示す。
、吸収線中心 （ω＝ω０ ） での吸収係数α （ω
０ ） を求めた結果を図５に示す。ただし、温度は一
定とした。 また、このα （ω０ ） を最大値としたときに、吸
収係数が半分の値になるときの周波数ωの幅 （ここで
、ω−ω０ ＝±γ） を半値幅といい、この半値幅２
γを上記数６により求めた結果も図５にあわせて示す。
【００２５】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、ＳＮ比特性を改善して低濃度で
もガス検出を行うことができ、しかも、新たに圧力セン
サを設けることなく、圧力補正が行えるガス濃度測定方
法およびその装置を提供することにある。
のであり、その目的は、ＳＮ比特性を改善して低濃度で
もガス検出を行うことができ、しかも、新たに圧力セン
サを設けることなく、圧力補正が行えるガス濃度測定方
法およびその装置を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のガス濃度測定方法は、駆動電流および温度に
応じた波長および強度のレーザ光を発振するレーザを用
い、このレーザの駆動電流あるいは温度を変化させて、
波長および強度が変調されたレーザ光を発振させると共
にそのレーザ光の中心波長を掃引させ、そのレーザ光を
測定対象とする一定温度に保ったガス雰囲気に通した後
の透過光の強度を検出し、この検出信号中の特定成分を
位相敏感検波して、この検波信号から上記雰囲気圧力下
での特定ガスの濃度を測定するものである。
に本発明のガス濃度測定方法は、駆動電流および温度に
応じた波長および強度のレーザ光を発振するレーザを用
い、このレーザの駆動電流あるいは温度を変化させて、
波長および強度が変調されたレーザ光を発振させると共
にそのレーザ光の中心波長を掃引させ、そのレーザ光を
測定対象とする一定温度に保ったガス雰囲気に通した後
の透過光の強度を検出し、この検出信号中の特定成分を
位相敏感検波して、この検波信号から上記雰囲気圧力下
での特定ガスの濃度を測定するものである。
【００２７】また、本発明のガス濃度測定装置は、駆動
電流および温度に応じた波長および強度のレーザ光を発
振するレーザと、所定の電流値を中心として所定の振幅
で上記レーザの駆動電流を変調すると共に、その中心と
なる電流あるいは温度を徐々に変化させるレーザ駆動回
路と、上記レーザ光を測定対象とするガス雰囲気に通過
させた後の強度を検出する光検出器と、この光検出器の
出力中の特定成分を位相敏感検波して、上記雰囲気圧力
下での特定ガスの濃度を測定する測定手段とからなるも
のである。
電流および温度に応じた波長および強度のレーザ光を発
振するレーザと、所定の電流値を中心として所定の振幅
で上記レーザの駆動電流を変調すると共に、その中心と
なる電流あるいは温度を徐々に変化させるレーザ駆動回
路と、上記レーザ光を測定対象とするガス雰囲気に通過
させた後の強度を検出する光検出器と、この光検出器の
出力中の特定成分を位相敏感検波して、上記雰囲気圧力
下での特定ガスの濃度を測定する測定手段とからなるも
のである。
【００２８】
【作用】分光測定において測定感度を向上させる方法に
周波数変調法という手法がある。光の周波数を何等かの
手段で変調し、その光を対象とするガスを含む雰囲気中
に透過させると、その透過光の検出信号は、直流分のほ
か、変調周波数と同じ周波数の基本波成分およびその高
調波成分をもつ。このうち、基本波成分と２倍波成分と
を位相敏感検波すると、それぞれ吸収線の一次微分、二
次微分に対応する。ここで、位相敏感検波とは、特定の
周波数および位相をもつ成分だけを抽出して、その振幅
を測定することである。
周波数変調法という手法がある。光の周波数を何等かの
手段で変調し、その光を対象とするガスを含む雰囲気中
に透過させると、その透過光の検出信号は、直流分のほ
か、変調周波数と同じ周波数の基本波成分およびその高
調波成分をもつ。このうち、基本波成分と２倍波成分と
を位相敏感検波すると、それぞれ吸収線の一次微分、二
次微分に対応する。ここで、位相敏感検波とは、特定の
周波数および位相をもつ成分だけを抽出して、その振幅
を測定することである。
【００２９】以上の知見に基づいて、レーザの駆動電流
を変調して、発振周波数が変調されたレーザ光を特定の
ガスを含む雰囲気に透過させ、その透過光の検出信号中
の特定成分を位相敏感検波すると、その検波信号からは
、ガス濃度に関する情報を得ることができる。このよう
に、濃度測定を周波数変調法を応用して行うことで、Ｓ
Ｎ比を従来に比べて２桁近く向上することができ、測定
雰囲気中の特定ガスの濃度を高感度に検出できる。
を変調して、発振周波数が変調されたレーザ光を特定の
ガスを含む雰囲気に透過させ、その透過光の検出信号中
の特定成分を位相敏感検波すると、その検波信号からは
、ガス濃度に関する情報を得ることができる。このよう
に、濃度測定を周波数変調法を応用して行うことで、Ｓ
Ｎ比を従来に比べて２桁近く向上することができ、測定
雰囲気中の特定ガスの濃度を高感度に検出できる。
【００３０】また、レーザ光の中心波長を特定ガスの吸
収スペクトル線上で掃引すると、上記検波信号の出力波
形からは、さらにガス雰囲気の圧力に関する情報を得る
ことができる。そのため、この検波信号に基づいて上記
ガス濃度の圧力補正が行え、雰囲気圧力下での正確なガ
ス濃度を測定できる。
収スペクトル線上で掃引すると、上記検波信号の出力波
形からは、さらにガス雰囲気の圧力に関する情報を得る
ことができる。そのため、この検波信号に基づいて上記
ガス濃度の圧力補正が行え、雰囲気圧力下での正確なガ
ス濃度を測定できる。
【００３１】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。ここでは、半導体レーザを光源として、メタ
ンガスを測定する例について述べる。
説明する。ここでは、半導体レーザを光源として、メタ
ンガスを測定する例について述べる。
【００３２】半導体レーザの駆動電流を変調してレーザ
光の発振周波数Ωを変調させると、実際には発振強度も
変調を受ける。今、このように周波数および強度が変調
されたレーザ光をメタンガスを含む雰囲気に透過させる
と、その透過光の検出信号Ｐは、
光の発振周波数Ωを変調させると、実際には発振強度も
変調を受ける。今、このように周波数および強度が変調
されたレーザ光をメタンガスを含む雰囲気に透過させる
と、その透過光の検出信号Ｐは、
【００３３】
【数７】
【００３４】ただし、
【００３５】
【数８】
【００３６】となり、直流分のほか、ｃｏｓ ωｔ 成
分、ｃｏｓ ２ωｔ 成分からなる。ここで、Ａは反射
条件などに依存する定数、Ｉ０ はレーザ出力の中心強
度、ΔＩは強度振幅変調、ωは駆動電流の変調周波数、
φはωとΩとの間の位相差、ΔΩは周波数変調振幅であ
る。また、Ｔ，Ｔ０１，Ｔ０２はそれぞれ透過率、その
一次微分ｄＴ／ｄΩ，二次微分ｄ２ Ｔ／ｄΩ２ のΩ
＝Ω０ （ここで、Ω０ はレーザの中心周波数）
の値であり、その形状を図４に示す。
分、ｃｏｓ ２ωｔ 成分からなる。ここで、Ａは反射
条件などに依存する定数、Ｉ０ はレーザ出力の中心強
度、ΔＩは強度振幅変調、ωは駆動電流の変調周波数、
φはωとΩとの間の位相差、ΔΩは周波数変調振幅であ
る。また、Ｔ，Ｔ０１，Ｔ０２はそれぞれ透過率、その
一次微分ｄＴ／ｄΩ，二次微分ｄ２ Ｔ／ｄΩ２ のΩ
＝Ω０ （ここで、Ω０ はレーザの中心周波数）
の値であり、その形状を図４に示す。
【００３７】上記数７のうち、ｃｏｓ ２ωｔ の周波
数、位相成分を位相敏感検波すると、
数、位相成分を位相敏感検波すると、
【００３８】
【数９】
【００３９】が得られ、Ｔ０１およびＴ０２に基づき変
化することがわかる。
化することがわかる。
【００４０】そのため、検波信号Ｐ （２ω） により
ガス吸収を検知する場合には、さらに図４からわかるよ
うに、レーザの中心周波数Ω０ がメタンガスの吸収線
の中心ω ０ に一致したとき、最大感度が得られる
。また、このときには、Ｔ０１が０、Ｔ ０２が最大
となるため、数９の第２項は消去されて、第１項のみが
残る。即ち、Ω０ ＝ω０ のときのＴ０２は、
ガス吸収を検知する場合には、さらに図４からわかるよ
うに、レーザの中心周波数Ω０ がメタンガスの吸収線
の中心ω ０ に一致したとき、最大感度が得られる
。また、このときには、Ｔ０１が０、Ｔ ０２が最大
となるため、数９の第２項は消去されて、第１項のみが
残る。即ち、Ω０ ＝ω０ のときのＴ０２は、
【００４１】
【数１０】
【００４２】となる。そのため、これを数９の第１項に
代入すると、
代入すると、
【００４３】
【数１１】
【００４４】となる。ここで、Ｋ１ は定数、α （ω
０ ） はΩ０ ＝ω０ のときのメタンガスの吸収係
数、γはα （ω０ ） の半値幅２γの半分の値、ｃ
・ｌはガス濃度と光路長の積である。
０ ） はΩ０ ＝ω０ のときのメタンガスの吸収係
数、γはα （ω０ ） の半値幅２γの半分の値、ｃ
・ｌはガス濃度と光路長の積である。
【００４５】このように、検波信号Ｐ （２ω） はガ
ス濃度ｃと光路長ｌの積に比例し、これよりメタンガス
の濃度ｃを極めて高い感度で検出できる。
ス濃度ｃと光路長ｌの積に比例し、これよりメタンガス
の濃度ｃを極めて高い感度で検出できる。
【００４６】ところで、数１１中のα （ω０ ） お
よびγ２ は、図５に示したように、ガス雰囲気の圧力
により変化する。そのため、数１１により正確にガス濃
度を測定するには、雰囲気圧力下でのα （ω０ ）
およびγ２ の値を求めなければならない。これらの正
確な値は、レーザ光の中心周波数Ω０ をメタンガス吸
収線の前後で掃引したときの、検波信号Ｐ （２ω）
の出力波形から得ることができる。
よびγ２ は、図５に示したように、ガス雰囲気の圧力
により変化する。そのため、数１１により正確にガス濃
度を測定するには、雰囲気圧力下でのα （ω０ ）
およびγ２ の値を求めなければならない。これらの正
確な値は、レーザ光の中心周波数Ω０ をメタンガス吸
収線の前後で掃引したときの、検波信号Ｐ （２ω）
の出力波形から得ることができる。
【００４７】今、レーザ光の中心周波数Ω０ を変化さ
せると、数９の第１項はＴ０２に、第２項はＴ０１にそ
れぞれある係数を積算した形の波形となる。その係数は
、Ｉ０ 、ΔＩ、ΔΩ等であり、半導体の条件を設定し
ておけば、定数として取り扱って支障がない。したがっ
て、検波信号Ｐ （２ω） の波形は、図４の （ロ）
と （ハ） をそれぞれある係数でもって積算して、
これらを互いに加算した形状となる。しかし実際には、
数９の第１項は第２項よりも優位であるため、図４（ハ
） に示す低波長側の極小値と高波長側の極小値との間
の中心周波数Ω０ の幅が、ガス雰囲気圧力における半
値幅２γに相当する。 こうして半値幅２γが求まれば、図５に基づいて圧力を
得ることができ、さらにその圧力下での吸収係数α （
ω０ ） を得ることができる。なお、図５に示したＰ
（２ω） は、数１１中のα （ω０ ） ／ γ２
の圧力による変化であり、全圧 １００ｔｏｒｒ近傍
で最大値を示している。
せると、数９の第１項はＴ０２に、第２項はＴ０１にそ
れぞれある係数を積算した形の波形となる。その係数は
、Ｉ０ 、ΔＩ、ΔΩ等であり、半導体の条件を設定し
ておけば、定数として取り扱って支障がない。したがっ
て、検波信号Ｐ （２ω） の波形は、図４の （ロ）
と （ハ） をそれぞれある係数でもって積算して、
これらを互いに加算した形状となる。しかし実際には、
数９の第１項は第２項よりも優位であるため、図４（ハ
） に示す低波長側の極小値と高波長側の極小値との間
の中心周波数Ω０ の幅が、ガス雰囲気圧力における半
値幅２γに相当する。 こうして半値幅２γが求まれば、図５に基づいて圧力を
得ることができ、さらにその圧力下での吸収係数α （
ω０ ） を得ることができる。なお、図５に示したＰ
（２ω） は、数１１中のα （ω０ ） ／ γ２
の圧力による変化であり、全圧 １００ｔｏｒｒ近傍
で最大値を示している。
【００４８】図１には、メタンガスの定量測定を目的と
したガス濃度測定装置の一実施例が示されている。
したガス濃度測定装置の一実施例が示されている。
【００４９】図において、１は半導体レーザで、単一波
長のレーザ光を発振させる必要から分布帰還形レーザを
用いている。２は半導体レーザ１からのレーザ光を石英
系光ファイバ３ａにカップリングするための光学系で、
集光レンズと戻り光をカットするための光アイソレータ
とからなる。光学系２の端面には、さらに無反射コーテ
ィング処理が施され、半導体レーザ１への戻り光を極力
小さくしてある。また、７は半導体レーザ１をマウント
してその温度を制御するためのペルチェ素子であり、以
上によりレーザモジュール１００ が構成されている。
長のレーザ光を発振させる必要から分布帰還形レーザを
用いている。２は半導体レーザ１からのレーザ光を石英
系光ファイバ３ａにカップリングするための光学系で、
集光レンズと戻り光をカットするための光アイソレータ
とからなる。光学系２の端面には、さらに無反射コーテ
ィング処理が施され、半導体レーザ１への戻り光を極力
小さくしてある。また、７は半導体レーザ１をマウント
してその温度を制御するためのペルチェ素子であり、以
上によりレーザモジュール１００ が構成されている。
【００５０】３ａはレーザ１からの光を導く往路用の石
英系光ファイバ、４は光ファイバ３ａからの光が通過す
るガスセルで、未知濃度のメタンガスが含まれている。 ３ｂはガスセル４からのレーザ光を伝搬する復路用の石
英系光ファイバ、６は光ファイバ３ｂからのレーザ光の
強度を検出する ｐｉｎフォトダイオード等からなる光
検出器である。ここで、光ファイバ３ａ，３ｂの端面は
、斜めカット、無反射コーティング等により内部で干渉
系が発生しないように処理されている。また、ガスセル
４内には、光ファイバ３ａから出射されたレーザ光を平
行光とするためのコリメートレンズ５ａと、セル４内を
透過してきた平行光を光ファイバ３ｂに集光するための
コリメートレンズ５ｂとが設けられている。
英系光ファイバ、４は光ファイバ３ａからの光が通過す
るガスセルで、未知濃度のメタンガスが含まれている。 ３ｂはガスセル４からのレーザ光を伝搬する復路用の石
英系光ファイバ、６は光ファイバ３ｂからのレーザ光の
強度を検出する ｐｉｎフォトダイオード等からなる光
検出器である。ここで、光ファイバ３ａ，３ｂの端面は
、斜めカット、無反射コーティング等により内部で干渉
系が発生しないように処理されている。また、ガスセル
４内には、光ファイバ３ａから出射されたレーザ光を平
行光とするためのコリメートレンズ５ａと、セル４内を
透過してきた平行光を光ファイバ３ｂに集光するための
コリメートレンズ５ｂとが設けられている。
【００５１】一方、８は周波数ωの正弦波信号を出力す
る発振器、９はこの周波数ωの信号により周波数２ωの
２倍波信号を作る倍周器、１０は半導体レーザ１にバイ
アス電流を付加するための定電流電源、１１はペルチェ
素子７に正極性または負極性の定電流を出力する両極性
定電流電源であり、以上によりレーザ駆動回路１１０
が構成されている。この駆動回路１１０ では、発振器
８からの周波数ωの正弦波信号が、定電流電源１０から
の出力に重畳されて、半導体レーザ１が駆動される。こ
の例では、変調周波数ωとしてω＝５０ｋＨＺ とした
。また、定電流電源１０の出力側には、発振器８の出力
による影響を防ぐためにインダクタンスＬが接続されて
おり、逆に、発振器８の出力側にはコンデンサＣが接続
されている。
る発振器、９はこの周波数ωの信号により周波数２ωの
２倍波信号を作る倍周器、１０は半導体レーザ１にバイ
アス電流を付加するための定電流電源、１１はペルチェ
素子７に正極性または負極性の定電流を出力する両極性
定電流電源であり、以上によりレーザ駆動回路１１０
が構成されている。この駆動回路１１０ では、発振器
８からの周波数ωの正弦波信号が、定電流電源１０から
の出力に重畳されて、半導体レーザ１が駆動される。こ
の例では、変調周波数ωとしてω＝５０ｋＨＺ とした
。また、定電流電源１０の出力側には、発振器８の出力
による影響を防ぐためにインダクタンスＬが接続されて
おり、逆に、発振器８の出力側にはコンデンサＣが接続
されている。
【００５２】１２は上記正弦波信号の周波数ωに同期し
て光検出器６の出力値から位相敏感検波を行うロックイ
ンアンプ、１３は上記２倍波信号の周波数２ωに同期し
て光検出器６の出力値から位相敏感検波を行うロックイ
ンアンプ、１４は両ロックインアンプ１３，１４の出力
比を求める割算器である。また、１６は半導体レーザ１
の両端電圧の直流分を測定するための電圧計、１５は電
圧計１６での測定にあたり変調周波数ω成分をカットす
るローパスフィルタ、１８は所定電圧を発生する基準電
源、１７は半導体レーザ１の順方向電圧の直流分の変化
を得るべく、電圧計１６の値と基準電源１８の基準値と
の差を求める減算器、１９は減算器１７からの出力を増
幅するアンプである。さらに、２０はアンプ１９の出力
をＸ軸に、上記割算器１４の出力をＹ軸にそれぞれ入力
して記録するＸＹレコーダであり、以上により測定手段
１２０ が構成されている。なお、この測定手段１２０
には、さらに、図示しない信号処理装置がＸＹレコー
ダ２０に接続されて設けられている。
て光検出器６の出力値から位相敏感検波を行うロックイ
ンアンプ、１３は上記２倍波信号の周波数２ωに同期し
て光検出器６の出力値から位相敏感検波を行うロックイ
ンアンプ、１４は両ロックインアンプ１３，１４の出力
比を求める割算器である。また、１６は半導体レーザ１
の両端電圧の直流分を測定するための電圧計、１５は電
圧計１６での測定にあたり変調周波数ω成分をカットす
るローパスフィルタ、１８は所定電圧を発生する基準電
源、１７は半導体レーザ１の順方向電圧の直流分の変化
を得るべく、電圧計１６の値と基準電源１８の基準値と
の差を求める減算器、１９は減算器１７からの出力を増
幅するアンプである。さらに、２０はアンプ１９の出力
をＸ軸に、上記割算器１４の出力をＹ軸にそれぞれ入力
して記録するＸＹレコーダであり、以上により測定手段
１２０ が構成されている。なお、この測定手段１２０
には、さらに、図示しない信号処理装置がＸＹレコー
ダ２０に接続されて設けられている。
【００５３】次に、上記装置の動作について述べる。
【００５４】図２は １．６μｍ 帯でのメタン吸収を
示したスペクトル線図である。この測定では、半導体レ
ーザ１の発振波長域としてＱ技線、なかでもメタン吸収
の大きいＱ（６） 線を測定用波長として用いる。
示したスペクトル線図である。この測定では、半導体レ
ーザ１の発振波長域としてＱ技線、なかでもメタン吸収
の大きいＱ（６） 線を測定用波長として用いる。
【００５５】測定は、まず半導体レーザ１の発振周波数
がＱ（６） 線に一致するときの駆動電流と温度とを測
定しておき、その値になるように定電流電源１０と両極
性定電流電源１１を調整する。次に、定電流電源１０か
らのバイアス電流に変調周波数ωの正弦波電流を重畳し
て、レーザ光の周波数および強度を変調する。そして、
定電流電源１０を調整してバイアス電流の大きさを変え
ることにより、半導体レーザ１の中心周波数を変化させ
ていく。
がＱ（６） 線に一致するときの駆動電流と温度とを測
定しておき、その値になるように定電流電源１０と両極
性定電流電源１１を調整する。次に、定電流電源１０か
らのバイアス電流に変調周波数ωの正弦波電流を重畳し
て、レーザ光の周波数および強度を変調する。そして、
定電流電源１０を調整してバイアス電流の大きさを変え
ることにより、半導体レーザ１の中心周波数を変化させ
ていく。
【００５６】このとき、半導体レーザ１の中心周波数の
モニタが、減算器１７の出力を増幅したアンプ１９の値
によりなされる。すなわち、個々の半導体レーザの発振
周波数と順方向抵抗成分の変化量とは、再現性のある関
係にある。そのため、あらかじめ半導体の順方向抵抗値
とそのときの光の周波数とを把握しておけば、半導体の
順方向抵抗値をモニタすることにより、中心周波数のモ
ニタが可能となる。このレーザ１の中心周波数相当の電
圧値即ちアンプ１９の出力は、ＸＹレコーダ２０のＸ軸
成分に入力される。
モニタが、減算器１７の出力を増幅したアンプ１９の値
によりなされる。すなわち、個々の半導体レーザの発振
周波数と順方向抵抗成分の変化量とは、再現性のある関
係にある。そのため、あらかじめ半導体の順方向抵抗値
とそのときの光の周波数とを把握しておけば、半導体の
順方向抵抗値をモニタすることにより、中心周波数のモ
ニタが可能となる。このレーザ１の中心周波数相当の電
圧値即ちアンプ１９の出力は、ＸＹレコーダ２０のＸ軸
成分に入力される。
【００５７】一方、半導体レーザ１から発振されたレー
ザ光は、光ファイバ３ａを介してガスセル４に導かれる
。そして、セル４内のメタンガス雰囲気を透過した後、
光ファイバ３ｂを介して光検出器６に導かれ、そこで強
度検出される。この検出信号はロックインアンプ１２，
１３に入力され、そこで位相敏感検波されて基本波検波
信号Ｐ （ω）ｍａｘ および２倍波波検波信号Ｐ（
２ω） が得られる。これら検波信号は、さらに割算器
１４に入力され、Ｐ（２ω）／Ｐ （ω）ｍａｘ が
ＸＹレコーダ２０のＹ軸成分に入力される。
ザ光は、光ファイバ３ａを介してガスセル４に導かれる
。そして、セル４内のメタンガス雰囲気を透過した後、
光ファイバ３ｂを介して光検出器６に導かれ、そこで強
度検出される。この検出信号はロックインアンプ１２，
１３に入力され、そこで位相敏感検波されて基本波検波
信号Ｐ （ω）ｍａｘ および２倍波波検波信号Ｐ（
２ω） が得られる。これら検波信号は、さらに割算器
１４に入力され、Ｐ（２ω）／Ｐ （ω）ｍａｘ が
ＸＹレコーダ２０のＹ軸成分に入力される。
【００５８】図３は、以上のようにしてＸＹレコーダ２
０より得られた出力波形を示す図である。今、光の中心
周波数Ω０ が吸収線の中心ω０ に一致したとき、Ｐ
（２ω）／Ｐ（ω）ｍａｘ はピーク値Ｒを示し、
０より得られた出力波形を示す図である。今、光の中心
周波数Ω０ が吸収線の中心ω０ に一致したとき、Ｐ
（２ω）／Ｐ（ω）ｍａｘ はピーク値Ｒを示し、
【
００５９】
００５９】
【数１２】
【００６０】と表される。このうち、Ｋ２ は半導体レ
ーザ１の温度、バイアス電流および変調振幅によって決
まる比例定数、α （ω０ ） はメタン吸収線の中心
ω０ での吸収係数、γ２ は吸収係数α （ω０ ）
の半値幅２γの半分の値を２乗したもの、ｃ・ｌはメ
タンガス濃度ｃと光路長ｌとの積を示す。数１２におい
ては、α（ω０ ）／γ２ が圧力により変化するため
、これを求めればセル４中のメタンガスの濃度ｃを得る
ことができる。ただし、セル内ガスの温度変化による圧
力変化をここでは考えていないので温度は一定である必
要がある。そのため、ガスセル４を断熱構造等とする必
要がある。
ーザ１の温度、バイアス電流および変調振幅によって決
まる比例定数、α （ω０ ） はメタン吸収線の中心
ω０ での吸収係数、γ２ は吸収係数α （ω０ ）
の半値幅２γの半分の値を２乗したもの、ｃ・ｌはメ
タンガス濃度ｃと光路長ｌとの積を示す。数１２におい
ては、α（ω０ ）／γ２ が圧力により変化するため
、これを求めればセル４中のメタンガスの濃度ｃを得る
ことができる。ただし、セル内ガスの温度変化による圧
力変化をここでは考えていないので温度は一定である必
要がある。そのため、ガスセル４を断熱構造等とする必
要がある。
【００６１】そこで、信号処理装置（図示せず）では、
図３のデータが極大値を示す中心周波数と、これより低
波長側にて極小値を示す中心周波数との差からγが求ま
り、これを２倍して半値幅２γを求める。そして、図５
の関係を用いて半値幅２γからメタンガスを含む雰囲気
の全圧を求め、さらにその圧力での吸収係数α （ω
０ ） を求める。こうして、α （ω０ ） およ
びγ２ を得ると、これらによりα （ω０ ）／γ２
を求めて、数１２からメタンガス濃度ｃを得る。ここ
で、数１２を用いているのは、数１１と異なり反射条件
に依存する定数Ａを含まず、測定環境の影響を受けるこ
となく濃度測定が行えるからである。
図３のデータが極大値を示す中心周波数と、これより低
波長側にて極小値を示す中心周波数との差からγが求ま
り、これを２倍して半値幅２γを求める。そして、図５
の関係を用いて半値幅２γからメタンガスを含む雰囲気
の全圧を求め、さらにその圧力での吸収係数α （ω
０ ） を求める。こうして、α （ω０ ） およ
びγ２ を得ると、これらによりα （ω０ ）／γ２
を求めて、数１２からメタンガス濃度ｃを得る。ここ
で、数１２を用いているのは、数１１と異なり反射条件
に依存する定数Ａを含まず、測定環境の影響を受けるこ
となく濃度測定が行えるからである。
【００６２】上述したように、半導体レーザ１の駆動電
流を所定のバイアス電流を中心として特定の周波数ωで
変調して、波長および出力が変調されたレーザ光を発振
させ、そのレーザ光を未知濃度メタンガスを含むガスセ
ル４に通過させて、その透過光の強度を光検出器６で検
出し、その検出器６の出力信号からロックインアンプ１
２，１３により２倍波検波信号Ｐ （２ω） と基本波
検波信号Ｐ （ω）ｍａｘとを求め、これらの比Ｐ （
２ω） ／Ｐ （ω）ｍａｘからセル４内のメタンガス
濃度を求めたので、ＳＮ比を改善して、高感度にガス濃
度を測定することができる。
流を所定のバイアス電流を中心として特定の周波数ωで
変調して、波長および出力が変調されたレーザ光を発振
させ、そのレーザ光を未知濃度メタンガスを含むガスセ
ル４に通過させて、その透過光の強度を光検出器６で検
出し、その検出器６の出力信号からロックインアンプ１
２，１３により２倍波検波信号Ｐ （２ω） と基本波
検波信号Ｐ （ω）ｍａｘとを求め、これらの比Ｐ （
２ω） ／Ｐ （ω）ｍａｘからセル４内のメタンガス
濃度を求めたので、ＳＮ比を改善して、高感度にガス濃
度を測定することができる。
【００６３】しかも、半導体レーザ１へのバイアス電流
を変化させて、レーザ光の中心周波数をメタンの吸収線
上で掃引させ、このときのＰ （２ω） ／ Ｐ （ω
）ｍａｘの波形からγを検出したので、このγの値から
メタンガスを含む雰囲気圧力、ひいてはその圧力下での
吸収係数α （ω０ ） を検出でき、この圧力補正さ
れた吸収係数α （ω０ ） を用いてメタンガスの濃
度を算出することができる。したがって、従来方式では
圧力センサを用いないと不可能であった炭坑やプラント
など気圧変化の激しい場所あるいは環境下においても、
何等新たに圧力センサを設けることなく、正確にメタン
ガス濃度を測定できる。
を変化させて、レーザ光の中心周波数をメタンの吸収線
上で掃引させ、このときのＰ （２ω） ／ Ｐ （ω
）ｍａｘの波形からγを検出したので、このγの値から
メタンガスを含む雰囲気圧力、ひいてはその圧力下での
吸収係数α （ω０ ） を検出でき、この圧力補正さ
れた吸収係数α （ω０ ） を用いてメタンガスの濃
度を算出することができる。したがって、従来方式では
圧力センサを用いないと不可能であった炭坑やプラント
など気圧変化の激しい場所あるいは環境下においても、
何等新たに圧力センサを設けることなく、正確にメタン
ガス濃度を測定できる。
【００６４】また、半導体レーザ１からセル４への伝送
路、またセル４から光検出器６への伝送路としてそれぞ
れ石英系光ファイバ３ａ，３ｂを用いているので、メタ
ンガスを遠隔地において監視ないし定量測定できると共
に、電磁誘導、サージ等の影響を受けることなく耐環境
性にも優れる。さらに、単色光を出力する半導体レーザ
１を用いているので、光源の高出力化はもとより、信号
の長距離化を図ることもできる。
路、またセル４から光検出器６への伝送路としてそれぞ
れ石英系光ファイバ３ａ，３ｂを用いているので、メタ
ンガスを遠隔地において監視ないし定量測定できると共
に、電磁誘導、サージ等の影響を受けることなく耐環境
性にも優れる。さらに、単色光を出力する半導体レーザ
１を用いているので、光源の高出力化はもとより、信号
の長距離化を図ることもできる。
【００６５】なお、上記実施例では、半導体レーザ１の
中心周波数を変化させる方法として、定電流電源１０か
ら供給されるバイアス電流を変化させたが、両極性定電
流電源１１によりペルチェ素子７への電流を加減するこ
とによりレーザ１の温度を変化させてもよい。また、吸
収係数α （ω０ ） の半値幅２γを測定する方法と
して、２倍波検波信号と基本波検波信号との比を求め、
この値の極大、極小を示すレーザの中心周波数の差から
見出したが、基本波検波信号の極大と極小における周波
数の差を３１／２ 倍することにより見出してもよい。 さらにまた、上記実施例で対象としているガスはメタン
ガスであるが、ある一定の吸収帯を保有し且つその吸収
帯が半導体レーザ１の発振周波数内に存在するものであ
れば、他のガスでも適用可能である。このガスとしては
、例えばアセチレンやエチレン等がある。
中心周波数を変化させる方法として、定電流電源１０か
ら供給されるバイアス電流を変化させたが、両極性定電
流電源１１によりペルチェ素子７への電流を加減するこ
とによりレーザ１の温度を変化させてもよい。また、吸
収係数α （ω０ ） の半値幅２γを測定する方法と
して、２倍波検波信号と基本波検波信号との比を求め、
この値の極大、極小を示すレーザの中心周波数の差から
見出したが、基本波検波信号の極大と極小における周波
数の差を３１／２ 倍することにより見出してもよい。 さらにまた、上記実施例で対象としているガスはメタン
ガスであるが、ある一定の吸収帯を保有し且つその吸収
帯が半導体レーザ１の発振周波数内に存在するものであ
れば、他のガスでも適用可能である。このガスとしては
、例えばアセチレンやエチレン等がある。
【００６６】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、レ
ーザの駆動電流あるいは温度を変化させて、周波数およ
び出力が変調されたレーザ光を発振させ、このレーザ光
を未知濃度の特定ガスを含む雰囲気に通過させ、その透
過光の検出信号中の特定成分を位相敏感検波したので、
上記雰囲気内に存在する特定ガスの濃度を高感度に検出
することができる。
ーザの駆動電流あるいは温度を変化させて、周波数およ
び出力が変調されたレーザ光を発振させ、このレーザ光
を未知濃度の特定ガスを含む雰囲気に通過させ、その透
過光の検出信号中の特定成分を位相敏感検波したので、
上記雰囲気内に存在する特定ガスの濃度を高感度に検出
することができる。
【００６７】また、上記レーザ光の中心周波数を特定ガ
スの吸収線上で掃引し、このときの中心周波数と上記検
波信号との関係から、上記雰囲気圧力下でのガス濃度を
求めたので、新たに圧力センサを設けることなく、圧力
補正された正確なガス濃度を得ることができる。
スの吸収線上で掃引し、このときの中心周波数と上記検
波信号との関係から、上記雰囲気圧力下でのガス濃度を
求めたので、新たに圧力センサを設けることなく、圧力
補正された正確なガス濃度を得ることができる。
【図１】本発明のガス濃度測定装置の一実施例を示す図
である。
である。
【図２】メタンガス１．６ μｍ 帯赤外吸収スペクト
ル線図である。
ル線図である。
【図３】一実施例の濃度測定装置においてＸＹプロッタ
から得られる波形の一部を示す図である。
から得られる波形の一部を示す図である。
【図４】メタン吸収に基づく透過率、その一次微分信号
および二次微分信号を示す図である。
および二次微分信号を示す図である。
【図５】メタン吸収線の吸収係数、その半値幅および２
倍波検波信号の圧力による変化を示す図である。
倍波検波信号の圧力による変化を示す図である。
【図６】従来のメタンガス測定装置の一例を示す図であ
る。
る。
１ 半導体レーザ
３ａ，３ｂ 石英系光ファイバ
４ ガスセル
６ 光検出器
７ ペルチェ素子
１００ レーザモジュール
１１０ レーザ駆動回路
１２０ 測定手段
Claims (2)
- 【請求項１】 駆動電流および温度に応じた波長およ
び強度のレーザ光を発振するレーザを用い、このレーザ
の駆動電流あるいは温度を変化させて、波長および強度
が変調されたレーザ光を発振させると共にそのレーザ光
の中心波長を掃引させ、そのレーザ光を測定対象とする
一定温度に保ったガス雰囲気に通した後の透過光の強度
を検出し、この検出信号中の特定成分を位相敏感検波し
て、この検波信号から上記雰囲気圧力下での特定ガスの
濃度を測定することを特徴とするガス濃度測定方法。 - 【請求項２】 駆動電流および温度に応じた波長およ
び強度のレーザ光を発振するレーザと、所定の電流値を
中心として所定の振幅で上記レーザの駆動電流を変調す
ると共に、その中心となる電流あるいは温度を徐々に変
化させるレーザ駆動回路と、上記レーザ光を測定対象と
するガス雰囲気に通過させた後の強度を検出する光検出
器と、この光検出器の出力中の特定成分を位相敏感検波
して、上記雰囲気圧力下での特定ガスの濃度を測定する
測定手段とからなることを特徴とするガス濃度測定装置
。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9682591A JP2703835B2 (ja) | 1991-04-26 | 1991-04-26 | ガス濃度測定方法及びその測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9682591A JP2703835B2 (ja) | 1991-04-26 | 1991-04-26 | ガス濃度測定方法及びその測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04326041A true JPH04326041A (ja) | 1992-11-16 |
| JP2703835B2 JP2703835B2 (ja) | 1998-01-26 |
Family
ID=14175341
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9682591A Expired - Fee Related JP2703835B2 (ja) | 1991-04-26 | 1991-04-26 | ガス濃度測定方法及びその測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2703835B2 (ja) |
Cited By (11)
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| JP2008147557A (ja) * | 2006-12-13 | 2008-06-26 | Fuji Electric Systems Co Ltd | レーザの波長制御装置、ガス濃度測定装置、レーザの波長制御方法およびガス濃度測定方法 |
| JP2008164576A (ja) * | 2006-04-25 | 2008-07-17 | Shimadzu Corp | 水分計 |
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1991
- 1991-04-26 JP JP9682591A patent/JP2703835B2/ja not_active Expired - Fee Related
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