JPH0548857B2 - - Google Patents
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- JPH0548857B2 JPH0548857B2 JP60237557A JP23755785A JPH0548857B2 JP H0548857 B2 JPH0548857 B2 JP H0548857B2 JP 60237557 A JP60237557 A JP 60237557A JP 23755785 A JP23755785 A JP 23755785A JP H0548857 B2 JPH0548857 B2 JP H0548857B2
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- Japan
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- laser
- wavelength
- frequency
- gas
- methane
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Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は２波長発振レーザを用いて気体分布量
すなわち気体の濃度と分布長との積を測定する気
体の分布量測定方法に関する。
すなわち気体の濃度と分布長との積を測定する気
体の分布量測定方法に関する。
（従来技術）
特定波長のレーザ光がある種の気体に吸収され
易いことを利用して気体の有無を検出できること
が知られており、この原理を応用したセンシング
技術が工業計測、公害監視などに広く用いられて
いる。一例として、He−Neレーザにより発生さ
れるレーザ光の3.39μｍ帯には真空波長が3.3922μ
ｍ（λ1）と3.33912μｍ（λ2）の２つの発振線があ
り、λ1はメタンに強く吸収され、λ2はメタンにわ
ずかしか吸収されない。そこでこの２つの波長成
分を含むレーザ光を使つてメタンの有無を感度よ
く検出することが可能である。メタンは都市ガス
の主成分であるのでメタンガスの検出によつて都
市ガスの漏洩が検知できる。
易いことを利用して気体の有無を検出できること
が知られており、この原理を応用したセンシング
技術が工業計測、公害監視などに広く用いられて
いる。一例として、He−Neレーザにより発生さ
れるレーザ光の3.39μｍ帯には真空波長が3.3922μ
ｍ（λ1）と3.33912μｍ（λ2）の２つの発振線があ
り、λ1はメタンに強く吸収され、λ2はメタンにわ
ずかしか吸収されない。そこでこの２つの波長成
分を含むレーザ光を使つてメタンの有無を感度よ
く検出することが可能である。メタンは都市ガス
の主成分であるのでメタンガスの検出によつて都
市ガスの漏洩が検知できる。
第９図は２台のレーザを用いてメタンを検知す
る従来のメタン検知システムの概略構成を示して
おり、光源部１と、受光部２と、信号処理部３と
により構成されている。光源部１は3.3922μｍの
レーザ光を発光するHe−Neレーザ１ａと、
3.3912μｍのレーザ光を発光するHe−Neレーザ１
ｂと、監視用の赤色光（0.6328μｍ）を発光する
He−Neレーザ１ｃとを含み、レーザ１ａおよび
１ｂからのレーザ光を異なる周波数で変調するメ
カニカルチヨツパー１ｄおよび１ｅとを有する。
レーザ１ｃから赤色光およびレーザ１ａ，１ｂか
らの変調されたレーザ光はミラーM1，M2，M3，
M4およびハーフミラーHM1およびHM2により監
視領域Ｄに向けて発射され道路や壁などの障害物
４で反射され受光部２で受光される。
る従来のメタン検知システムの概略構成を示して
おり、光源部１と、受光部２と、信号処理部３と
により構成されている。光源部１は3.3922μｍの
レーザ光を発光するHe−Neレーザ１ａと、
3.3912μｍのレーザ光を発光するHe−Neレーザ１
ｂと、監視用の赤色光（0.6328μｍ）を発光する
He−Neレーザ１ｃとを含み、レーザ１ａおよび
１ｂからのレーザ光を異なる周波数で変調するメ
カニカルチヨツパー１ｄおよび１ｅとを有する。
レーザ１ｃから赤色光およびレーザ１ａ，１ｂか
らの変調されたレーザ光はミラーM1，M2，M3，
M4およびハーフミラーHM1およびHM2により監
視領域Ｄに向けて発射され道路や壁などの障害物
４で反射され受光部２で受光される。
受光部２では入射したレーザ光を受光鏡２ａ，
２ｂで反射し集光させて受光センサ２ｃで電気信
号に変換する。受光センサ２ｃの出力は信号処理
部３のプリアンプ３ａでまず増幅され、次に光源
部１のメカニカルチヨツパー１ｄおよび１ｅの変
調周波数に同期させたロツクインアンプ３ｂおよ
び３ｃで分離されレコーダ３ｄにより記録され
る。この記録された２つの信号の差から監視領域
Ｄにメタンが存在しているか否かを知ることがで
きる。
２ｂで反射し集光させて受光センサ２ｃで電気信
号に変換する。受光センサ２ｃの出力は信号処理
部３のプリアンプ３ａでまず増幅され、次に光源
部１のメカニカルチヨツパー１ｄおよび１ｅの変
調周波数に同期させたロツクインアンプ３ｂおよ
び３ｃで分離されレコーダ３ｄにより記録され
る。この記録された２つの信号の差から監視領域
Ｄにメタンが存在しているか否かを知ることがで
きる。
このような構成のメタン検知システムは多数の
ミラーやハーフミラーを用いるため光学系が複雑
で大きな体積を要するだけでなく光軸調整が厄介
であり、レーザ光の損失が大きい。また信号処理
が複雑な上メカニカルチヨツパーの動作上の限界
から高周波変調ができずSN比の点で不利である
など多くの問題がある。
ミラーやハーフミラーを用いるため光学系が複雑
で大きな体積を要するだけでなく光軸調整が厄介
であり、レーザ光の損失が大きい。また信号処理
が複雑な上メカニカルチヨツパーの動作上の限界
から高周波変調ができずSN比の点で不利である
など多くの問題がある。
一方、米国特許第4059356号には、レーザ共振
器内に大気循環用セルを設け、監視したい場所に
そのレーザをもつていけばその場所の大気がレー
ザ共振器内に入るのでレーザの発振波長により大
気中のメタンの有無を検知することができるよう
にした気体検知器が開示されている。この検知器
では上述した問題はないが、遠隔検知は不可能で
ある。
器内に大気循環用セルを設け、監視したい場所に
そのレーザをもつていけばその場所の大気がレー
ザ共振器内に入るのでレーザの発振波長により大
気中のメタンの有無を検知することができるよう
にした気体検知器が開示されている。この検知器
では上述した問題はないが、遠隔検知は不可能で
ある。
そこでこれらの問題を解決するために、２波長
成分を含むレーザ光を発振するレーザを用い、２
波長成分の利得をほぼ等しくし、共振器長ＬをＬ
＝λ1λ2／２｜λ1−λ2｜（整数＋1/2）に選んだ上で
微小 変調させその結果２波長成分の出力が同時に変調
され且つその出力の和の変調成分が０になるよう
に共振器長を自動制御するように構成したレーザ
装置が考えられている。このレーザ装置から発生
するレーザ光の波長λ1，λ2成分の出力は互いに位
相が180°ずれて変調されているが合成した全出力
は変調されていない。ところがこのレーザ光があ
る特定の気体雰囲気中を通過すると波長λ1成分が
吸収されて全出力は変調成分をもつことになるた
めその特定気体の検知が可能になる。このレーザ
装置を用いることにより簡潔な構成で且つ少ない
レーザ光損失でメタンなどの気体を検知すること
ができる。
成分を含むレーザ光を発振するレーザを用い、２
波長成分の利得をほぼ等しくし、共振器長ＬをＬ
＝λ1λ2／２｜λ1−λ2｜（整数＋1/2）に選んだ上で
微小 変調させその結果２波長成分の出力が同時に変調
され且つその出力の和の変調成分が０になるよう
に共振器長を自動制御するように構成したレーザ
装置が考えられている。このレーザ装置から発生
するレーザ光の波長λ1，λ2成分の出力は互いに位
相が180°ずれて変調されているが合成した全出力
は変調されていない。ところがこのレーザ光があ
る特定の気体雰囲気中を通過すると波長λ1成分が
吸収されて全出力は変調成分をもつことになるた
めその特定気体の検知が可能になる。このレーザ
装置を用いることにより簡潔な構成で且つ少ない
レーザ光損失でメタンなどの気体を検知すること
ができる。
ところがこのようなレーザ装置を用いた気体検
知方式では全出力の変調成分の有無で特定気体の
存在は検知できるものの、レーザ光の大気中での
散乱や物体での反射率その他の要因で全出力は変
化してしまうため出力値をもつて分布量を測定す
ることはできない。さらに、レーザ光が赤外光で
ある場合は監視用として可視光線を合波する必要
があるが、その合波のために用いるハーフミラー
により光量ロスを生じレーザ出力の有効利用が図
れないという問題もある。
知方式では全出力の変調成分の有無で特定気体の
存在は検知できるものの、レーザ光の大気中での
散乱や物体での反射率その他の要因で全出力は変
化してしまうため出力値をもつて分布量を測定す
ることはできない。さらに、レーザ光が赤外光で
ある場合は監視用として可視光線を合波する必要
があるが、その合波のために用いるハーフミラー
により光量ロスを生じレーザ出力の有効利用が図
れないという問題もある。
（発明の目的および構成）
本発明は上記の点にかんがみてなされたもの
で、簡潔な構成で光量ロスがなく遠隔、広域で気
体の分布量の測定を可能にすることを目的とし、
この目的を達成するために、２波長発振レーザか
ら発振された２波長成分の出力が同一の周波数f1
で変調され且つ両出力の和の変調成分が０になる
ように自動制御された２波長のレーザ光を用い、
該レーザ光を周波数f1とは異なる周波数f2で変調
した後分布量を測定すべき気体雰囲気中を通過さ
せ、通過したレーザ光の変調周波数f1およびf2の
成分を検知し、両成分の差分に基づいて演算した
透過率を対数変換を含む演算処理をすることによ
り気体の分布量を測定するように構成した。
で、簡潔な構成で光量ロスがなく遠隔、広域で気
体の分布量の測定を可能にすることを目的とし、
この目的を達成するために、２波長発振レーザか
ら発振された２波長成分の出力が同一の周波数f1
で変調され且つ両出力の和の変調成分が０になる
ように自動制御された２波長のレーザ光を用い、
該レーザ光を周波数f1とは異なる周波数f2で変調
した後分布量を測定すべき気体雰囲気中を通過さ
せ、通過したレーザ光の変調周波数f1およびf2の
成分を検知し、両成分の差分に基づいて演算した
透過率を対数変換を含む演算処理をすることによ
り気体の分布量を測定するように構成した。
（実施例）
以下本発明を図面に基づいて説明する。
第１図は本発明の方法によりメタンガスの分布
量を測定する装置の一実施例であるが、本発明は
これに限定されるものでないことはもちろんであ
る。
量を測定する装置の一実施例であるが、本発明は
これに限定されるものでないことはもちろんであ
る。
図において、破線で囲んで示す１０が２波長発
振レーザ装置であり、He−Ne放電管１０ａと、
メタンガスを含むメタンセル１０ｂと、ミラー１
０ｃ，１０ｄとにより構成されたHe−Neレーザ
である。ミラー１０ｄは電歪素子１０ｅにより所
定の振動数で振動し、これにより両ミラー１０
ｃ，１０ｄ間の共振器長Ｌが変調されるようにな
つている。１０ｆはHe−Neレーザから発生する
レーザ光の光軸中に配置されたハーフミラー、１
０ｇはIoAsなどの光センサ、１０ｈは発振器１０
ｉの周波数f1に同期して変化する光センサ１０ｇ
の出力成分を検出するロツクインアンプ、１０ｊ
はロツクインアンプ１０ｈの出力を積分する積分
器、１０ｋは積分器１０ｊの出力と発振器１０ｉ
の出力を混合して高電圧に増幅する高電圧アンプ
で、電歪素子１０ｅはこの高電圧により駆動され
る。
振レーザ装置であり、He−Ne放電管１０ａと、
メタンガスを含むメタンセル１０ｂと、ミラー１
０ｃ，１０ｄとにより構成されたHe−Neレーザ
である。ミラー１０ｄは電歪素子１０ｅにより所
定の振動数で振動し、これにより両ミラー１０
ｃ，１０ｄ間の共振器長Ｌが変調されるようにな
つている。１０ｆはHe−Neレーザから発生する
レーザ光の光軸中に配置されたハーフミラー、１
０ｇはIoAsなどの光センサ、１０ｈは発振器１０
ｉの周波数f1に同期して変化する光センサ１０ｇ
の出力成分を検出するロツクインアンプ、１０ｊ
はロツクインアンプ１０ｈの出力を積分する積分
器、１０ｋは積分器１０ｊの出力と発振器１０ｉ
の出力を混合して高電圧に増幅する高電圧アンプ
で、電歪素子１０ｅはこの高電圧により駆動され
る。
He−Neレーザには真空波長が3.3922μｍ（λ1）
と3.3912μｍ（λ2）の近接した２つの発振線があ
るが、通常の条件下では波長λ1の成分の方が波長
λ2の成分より利得が大きいため競合の結果波長λ1
成分のみが発振し、波長λ2は発振しない。ところ
がHe−Neレーザ装置には共振器内にλ1の光を吸
収するメタンセル１０ｂが設けられているので、
波長λ1成分の総合利得は減少し、メタン圧を適当
に選ぶと、波長λ2成分の利得とほぼ等しくなり第
６図に示すようにλ1とλ2の２波長同時発振が可能
になる。この場合、メンタセル１０ｂによる波長
λ1成分の吸収はメタン圧力により第７図に示すよ
うに変化するので適当な圧力（たとえば
1.3Torr）に調整することが必要である。
と3.3912μｍ（λ2）の近接した２つの発振線があ
るが、通常の条件下では波長λ1の成分の方が波長
λ2の成分より利得が大きいため競合の結果波長λ1
成分のみが発振し、波長λ2は発振しない。ところ
がHe−Neレーザ装置には共振器内にλ1の光を吸
収するメタンセル１０ｂが設けられているので、
波長λ1成分の総合利得は減少し、メタン圧を適当
に選ぶと、波長λ2成分の利得とほぼ等しくなり第
６図に示すようにλ1とλ2の２波長同時発振が可能
になる。この場合、メンタセル１０ｂによる波長
λ1成分の吸収はメタン圧力により第７図に示すよ
うに変化するので適当な圧力（たとえば
1.3Torr）に調整することが必要である。
次に共振器長と発振出力との関係について考え
ると、一般にガスレーザの場合、その利得曲線は
レーザ媒質固有の中心周波数のまわりにドツプラ
ー広がりをしており、その中で共振器により共振
条件νr＝nC／2L（Ｌは共振器長、Ｃは光速度、ｎ
は整数）を満足する周波数νrのみが発振される
（第６図参照）。この場合νrが中心周波数に近けれ
ば出力は大きくなり、中心周波数から離れると出
力は小さくなる。共振器長Ｌが変るとνrは次々と
中心周波数を横切るので、共振器長Ｌの変化に対
して発振強度は周期的に変化することになる。
ると、一般にガスレーザの場合、その利得曲線は
レーザ媒質固有の中心周波数のまわりにドツプラ
ー広がりをしており、その中で共振器により共振
条件νr＝nC／2L（Ｌは共振器長、Ｃは光速度、ｎ
は整数）を満足する周波数νrのみが発振される
（第６図参照）。この場合νrが中心周波数に近けれ
ば出力は大きくなり、中心周波数から離れると出
力は小さくなる。共振器長Ｌが変るとνrは次々と
中心周波数を横切るので、共振器長Ｌの変化に対
して発振強度は周期的に変化することになる。
２波長発振の場合は、それぞれの波長成分がこ
のように変化するが、 Ｌ＝λ1λ2／２｜λ1−λ2｜（１／２＋整数） を満たすように共振器長Ｌを選べば、その近辺で
共振器長Ｌの変化に対して、第８図のようにλ1と
λ2の出力最大点Ｂ，Ｃは互いに中間点に位置する
ようになる。
のように変化するが、 Ｌ＝λ1λ2／２｜λ1−λ2｜（１／２＋整数） を満たすように共振器長Ｌを選べば、その近辺で
共振器長Ｌの変化に対して、第８図のようにλ1と
λ2の出力最大点Ｂ，Ｃは互いに中間点に位置する
ようになる。
そこで共振器長Ｌをある値L0を中心にして周
波数ｆにより△ｌの振幅で変化（変調）させると
すると、２波長λ1，λ2のレーザ光の出力をそれぞ
れI1，I2（第８図において鎖線および破線で示す）
とし、全出力をＩ（第８図において実線で示す）
とすると、次のように表わせる。
波数ｆにより△ｌの振幅で変化（変調）させると
すると、２波長λ1，λ2のレーザ光の出力をそれぞ
れI1，I2（第８図において鎖線および破線で示す）
とし、全出力をＩ（第８図において実線で示す）
とすると、次のように表わせる。
I1＝I1（L0）＋dI1（L0）／dL
・△ｌ sin2πftft＋高次成分
I2＝I2（L0）＋dI2（L0）／dL
・△ｌ sin2πftft＋高次成分
Ｉ＝I1＋I2＝I1（L0）＋I2（L0）
＋（dI1（L0）／dL＋dI2（L0）／dL）
・△ｌ sin2πft＋高次成分
そこで、全出力Ｉの変調周波数ｆ成分をロツク
インアンプ１０ｈ（第１図参照）により位相検波
し、その出力を誤差信号として高電圧アンプ１０
ｋを介して電歪素子１０ｅにフイードバツクをか
けると、 dI1（L0）／dL＋dI2（L0）／dL＝０ ……(1) を満足するように共振器長の変調の中心L0が自
動制御される。この場合誤差信号の位相を適当に
選択することにより dI1（L0）／dL＝−dI2（L0）／dL≠０ を満足するように自動制御しなければならない。
インアンプ１０ｈ（第１図参照）により位相検波
し、その出力を誤差信号として高電圧アンプ１０
ｋを介して電歪素子１０ｅにフイードバツクをか
けると、 dI1（L0）／dL＋dI2（L0）／dL＝０ ……(1) を満足するように共振器長の変調の中心L0が自
動制御される。この場合誤差信号の位相を適当に
選択することにより dI1（L0）／dL＝−dI2（L0）／dL≠０ を満足するように自動制御しなければならない。
第１図に示した光センサ１０ｇ、ロツクインア
ンプ１０ｈ、積分器１０ｊ、高電圧アンプ１０ｋ
でフイードバツク回路を構成しており、レーザ光
の全出力Ｉが赤外光センサ１０ｇにより検出さ
れ、そのうち変調周波数成分がロツクインアンプ
１０ｈにより検波され、積分器１０ｊにより積分
されて高電圧アンプ１０ｋのバイアス電圧を決定
する。その結果、高電圧アンプ１０ｋはそのバイ
アス電圧を中心にして発振器１０ｉの発振周波数
f1で変動する高電圧を出力し電歪素子１０ｅを駆
動する。フイードバツク効果により変調波成分が
なくなつたときは積分器１０ｊがそのとき保持し
ている積分値により高電圧アンプ１０ｋのバイア
ス電圧が保持され、その出力高電圧が一定に保持
されて発振が継続される。動作中に温度変化にど
により共振器長Ｌが変化したときはフイードバツ
ク回路によるフイードバツク作用により修正され
る。
ンプ１０ｈ、積分器１０ｊ、高電圧アンプ１０ｋ
でフイードバツク回路を構成しており、レーザ光
の全出力Ｉが赤外光センサ１０ｇにより検出さ
れ、そのうち変調周波数成分がロツクインアンプ
１０ｈにより検波され、積分器１０ｊにより積分
されて高電圧アンプ１０ｋのバイアス電圧を決定
する。その結果、高電圧アンプ１０ｋはそのバイ
アス電圧を中心にして発振器１０ｉの発振周波数
f1で変動する高電圧を出力し電歪素子１０ｅを駆
動する。フイードバツク効果により変調波成分が
なくなつたときは積分器１０ｊがそのとき保持し
ている積分値により高電圧アンプ１０ｋのバイア
ス電圧が保持され、その出力高電圧が一定に保持
されて発振が継続される。動作中に温度変化にど
により共振器長Ｌが変化したときはフイードバツ
ク回路によるフイードバツク作用により修正され
る。
このような自動制御されたときHe−Neレーザ
から発生する波長λ1，λ2成分の出力は第２図に示
すように、互に180°ずれて変調されているが全出
力は変調されていない。
から発生する波長λ1，λ2成分の出力は第２図に示
すように、互に180°ずれて変調されているが全出
力は変調されていない。
再び第１図にもどつて１１はHe−Neレーザ光
軸上に配置されたメカニカルチヨツパーであり、
メカニカルチヨツパー１１は開口部１１ａが形成
された羽根車から成り、羽根の裏面にはミラー１
１ｂがコーテイングされている。このメカニカル
チヨツパー１１によりレーザ光は発振器１２の発
振周波数f2（f1≠f2）で変調されるとともに、監視
用の赤色レーザ光を発光するHe−Neレーザなど
の可視レーザ１３からの可視光がミラー１１ｂに
より測定用のレーザ光と交互に同じ光軸上に投射
される。１４はミラー、１５は監視用可視光や太
陽光の散乱光などをカツトし波長λ1，λ2成分のみ
を通過させるフイルタ、１６は分布量を測定すべ
き気体であるメタンガスの雰囲気Ｆ中を通過した
レーザ光を受光する光センサ、１７は光センサ１
６の出力を増幅するプリアンプ、１８，１９はプ
リアンプ１７で増幅された光出力の周波数f1およ
びf2の変調周波数成分を検波するロツクインアン
プ、２０はロツクインアンプ１８，１９の出力
H1とH2の差分を増幅してｐを出力する差分増幅
器、２１は差分増幅器２０の出力ｐを用いて波長
λ1成分のメタン透過率ｕ＝（１−ｐ）／（１＋ｐ）
を演算する演算回路、２２は透過率ｕの対数を求
めて増幅する対数増幅器、２３は測定されたメタ
ンの分布量（濃度ｃと分布長ｌとの積）clを表示
する表示器である。
軸上に配置されたメカニカルチヨツパーであり、
メカニカルチヨツパー１１は開口部１１ａが形成
された羽根車から成り、羽根の裏面にはミラー１
１ｂがコーテイングされている。このメカニカル
チヨツパー１１によりレーザ光は発振器１２の発
振周波数f2（f1≠f2）で変調されるとともに、監視
用の赤色レーザ光を発光するHe−Neレーザなど
の可視レーザ１３からの可視光がミラー１１ｂに
より測定用のレーザ光と交互に同じ光軸上に投射
される。１４はミラー、１５は監視用可視光や太
陽光の散乱光などをカツトし波長λ1，λ2成分のみ
を通過させるフイルタ、１６は分布量を測定すべ
き気体であるメタンガスの雰囲気Ｆ中を通過した
レーザ光を受光する光センサ、１７は光センサ１
６の出力を増幅するプリアンプ、１８，１９はプ
リアンプ１７で増幅された光出力の周波数f1およ
びf2の変調周波数成分を検波するロツクインアン
プ、２０はロツクインアンプ１８，１９の出力
H1とH2の差分を増幅してｐを出力する差分増幅
器、２１は差分増幅器２０の出力ｐを用いて波長
λ1成分のメタン透過率ｕ＝（１−ｐ）／（１＋ｐ）
を演算する演算回路、２２は透過率ｕの対数を求
めて増幅する対数増幅器、２３は測定されたメタ
ンの分布量（濃度ｃと分布長ｌとの積）clを表示
する表示器である。
次に上記構成の気体分布量測定装置を用いたメ
タン分布量の測定方法について説明する。
タン分布量の測定方法について説明する。
２波長発振レーザ装置であるHe−Neレーザか
ら波長λ1（3.3922μｍ）およびλ2（3.3912μｍ）のレ
ーザ光を発生させる。２波長λ1，λ2のレーザ光の
出力をそれぞれI1およびI2とすると、I1およびI2
ならびに全出力Ｉは100％変調が行なわれた場合
次の式で現わすことができ、その波形は第２図
に示すようになる。
ら波長λ1（3.3922μｍ）およびλ2（3.3912μｍ）のレ
ーザ光を発生させる。２波長λ1，λ2のレーザ光の
出力をそれぞれI1およびI2とすると、I1およびI2
ならびに全出力Ｉは100％変調が行なわれた場合
次の式で現わすことができ、その波形は第２図
に示すようになる。
I1＝A0（１−sin2πf1t）
I2＝A0（１−sin2πf1t）
Ｉ＝I1＋I2＝I0
この２波長レーザ光をメカニカルチヨツパー１
１により周波数f2で変調する。このレーザ光は
第３図に示すようになる。このとき可視レーザ１
３からの可視光がメカニカルチヨツパー１１のミ
ラー１１ｂで反射されて測定用赤外レーザ光と交
互に同じ光軸上に投射される。
１により周波数f2で変調する。このレーザ光は
第３図に示すようになる。このとき可視レーザ１
３からの可視光がメカニカルチヨツパー１１のミ
ラー１１ｂで反射されて測定用赤外レーザ光と交
互に同じ光軸上に投射される。
この変調されたレーザ光をミラー１４で反射さ
せてメタンガスの雰囲気Ｆ中に通過させ、フイル
タ１５で波長λ1，λ2成分のみを波して光センサ
１６で受光する。レーザ光のうち波長λ1成分はメ
タンガスに吸収されるが波長λ2成分はほとんど吸
収されないので全出力は変調成分をもつことにな
り、その波形は第４図にで示すようになる。
せてメタンガスの雰囲気Ｆ中に通過させ、フイル
タ１５で波長λ1，λ2成分のみを波して光センサ
１６で受光する。レーザ光のうち波長λ1成分はメ
タンガスに吸収されるが波長λ2成分はほとんど吸
収されないので全出力は変調成分をもつことにな
り、その波形は第４図にで示すようになる。
ロツクインアンプ１８は発振器１０ｉの発振周
波数f1に同期し、ロツクインアンプ１９は発振器
１２の発振周波数f2に同期しており、これらのロ
ツクインアンプはプリアンプ１７により増幅され
た受光レーザ光の変調周波数f1およびf2の成分を
位相検波して次に示すようなH1およびH2として
出力する。
波数f1に同期し、ロツクインアンプ１９は発振器
１２の発振周波数f2に同期しており、これらのロ
ツクインアンプはプリアンプ１７により増幅され
た受光レーザ光の変調周波数f1およびf2の成分を
位相検波して次に示すようなH1およびH2として
出力する。
H1＝Aa1（１−ｕ）
H2＝Aa2（１−ｕ）
ただし、ｕ＝exp（−αcl）、αはメタンによる
波長λ1の光の吸収係数と波長λ2の光の吸収係数と
の差、ｃはメタンの濃度、ｌは分布長である。ま
たＡはレーザー光の散乱ロス等メタン以外の要因
により常時変化する量、a1、a2はチヨツパーの開
口部の形状等によるもので初期設定後変化しない
量である。
波長λ1の光の吸収係数と波長λ2の光の吸収係数と
の差、ｃはメタンの濃度、ｌは分布長である。ま
たＡはレーザー光の散乱ロス等メタン以外の要因
により常時変化する量、a1、a2はチヨツパーの開
口部の形状等によるもので初期設定後変化しない
量である。
差分増幅器２０では、波長λ1，λ2成分の出力
H1，H2からｐ＝a2／a1・H1／H2を求めて演算、増幅 し、次いで演算回路２１において波長λ1成分のメ
タン透過率ｕ＝（１−ｐ）／（１＋ｐ）を演算す
る。
H1，H2からｐ＝a2／a1・H1／H2を求めて演算、増幅 し、次いで演算回路２１において波長λ1成分のメ
タン透過率ｕ＝（１−ｐ）／（１＋ｐ）を演算す
る。
対数増幅器２２において−１／αloｕの演算をす
ることによりメタンの分布量clが求まる。また、
変調が100％かかつていない場合でもH2にバイア
ス分を考慮すれば同様の考え方でclを求めること
ができる。この分布量clはある濃度のメタンの広
がり方を示す指標となるので、メタンガスの漏洩
量やそれによる影響を知る上で便利である。ま
た、気体の漏洩に限つて考えてみると、分布長の
変化はせいぜい数倍の範囲であるのに対して、漏
洩気体の濃度は10の２〜３乗のオーダーで変化す
ることが考えられるので、分布量を濃度の指標と
見ることもできる。
変調が100％かかつていない場合でもH2にバイア
ス分を考慮すれば同様の考え方でclを求めること
ができる。この分布量clはある濃度のメタンの広
がり方を示す指標となるので、メタンガスの漏洩
量やそれによる影響を知る上で便利である。ま
た、気体の漏洩に限つて考えてみると、分布長の
変化はせいぜい数倍の範囲であるのに対して、漏
洩気体の濃度は10の２〜３乗のオーダーで変化す
ることが考えられるので、分布量を濃度の指標と
見ることもできる。
こうして求めた分布量clは表示器２３に表示さ
れる。
れる。
第５図は周波数（f1）100Hzで変調した２波長
発振レーザから発生されるレーザ光をメカニカル
チヨツパーにより周波数（f2）10Hzでさらに変調
し、デユーテイー比を９：１として減衰率25％の
メタンガス中を通過させて行つた実験の測定結果
の一例である。
発振レーザから発生されるレーザ光をメカニカル
チヨツパーにより周波数（f2）10Hzでさらに変調
し、デユーテイー比を９：１として減衰率25％の
メタンガス中を通過させて行つた実験の測定結果
の一例である。
（発明の効果）
以上説明したように、本発明においては、２波
長発振レーザから発振された２波長成分の出力が
同一の周波数f1で変調され且つ両出力の和の変調
成分が０になるように自動制御された２波長のレ
ーザ光を用い、該レーザ光を周波数f1とは異なる
周波数f2で変調した後測定すべき気体雰囲気中を
通過させ、気体を通過したレーザ光の変調周波数
f1およびf2の成分を検知し、両成分の差分に基づ
いて演算した透過率を対数変換を含む演算処理を
することにより気体の分布量を測定するようにし
たので、簡潔な構成で光量ロスがなく遠隔、広域
での気体分布量の測定が可能になる。本発明にお
いて、レーザ光の周波数f2による変調メカニカル
チヨツパーで行う場合はその変調時に監視用の可
視光を同軸上に投射することができるので、従来
のように合波にハーフミラーを用いた場合の光量
ロスがなくなる。
長発振レーザから発振された２波長成分の出力が
同一の周波数f1で変調され且つ両出力の和の変調
成分が０になるように自動制御された２波長のレ
ーザ光を用い、該レーザ光を周波数f1とは異なる
周波数f2で変調した後測定すべき気体雰囲気中を
通過させ、気体を通過したレーザ光の変調周波数
f1およびf2の成分を検知し、両成分の差分に基づ
いて演算した透過率を対数変換を含む演算処理を
することにより気体の分布量を測定するようにし
たので、簡潔な構成で光量ロスがなく遠隔、広域
での気体分布量の測定が可能になる。本発明にお
いて、レーザ光の周波数f2による変調メカニカル
チヨツパーで行う場合はその変調時に監視用の可
視光を同軸上に投射することができるので、従来
のように合波にハーフミラーを用いた場合の光量
ロスがなくなる。
第１図は本発明による気体分布量測定方法を実
施する装置の概略線図、第２図は本発明で用いる
２波長発振レーザ装置のレーザ光の波形図、第３
図はさらに周波数変調したレーザ光の波形図、第
４図は分布量を測定すべき気体を通過したレーザ
光の波形図、第５図は本発明による気体分布量測
定方法を用いた実験におけるメタンガス通過レー
ザ光の波形図、第６図は本発明で用いられる２波
長発振レーザ装置により発振される２波長レーザ
光の利得と共振周波数の関係を示す図、第７図は
メタンセルによるHe−Neレーザの２波長出力の
変化を示す図、第８図は本発明で用いる２波長発
振レーザ装置の共振器長と発振出力とを関係を示
す図、第９図は従来のメタン検知システムの概略
線図である。 １０……２波長発振レーザ装置、１０ａ……
He−Ne放電管、１０ｂ……メタンセル、１０ｅ
……電歪素子、１０ｇ……光センサ、１０ｈ，１
８，１９……ロツクインアンプ、１０ｉ，１２…
…発振器、１０ｋ……高電圧アンプ、１１……メ
カニカルチヨツパー、１３……可視レーザ、１５
……フイルタ、１６……光センサ、２０……差分
増幅器、２１……演算回路、２２……対数増幅
器、２３……表示器。
施する装置の概略線図、第２図は本発明で用いる
２波長発振レーザ装置のレーザ光の波形図、第３
図はさらに周波数変調したレーザ光の波形図、第
４図は分布量を測定すべき気体を通過したレーザ
光の波形図、第５図は本発明による気体分布量測
定方法を用いた実験におけるメタンガス通過レー
ザ光の波形図、第６図は本発明で用いられる２波
長発振レーザ装置により発振される２波長レーザ
光の利得と共振周波数の関係を示す図、第７図は
メタンセルによるHe−Neレーザの２波長出力の
変化を示す図、第８図は本発明で用いる２波長発
振レーザ装置の共振器長と発振出力とを関係を示
す図、第９図は従来のメタン検知システムの概略
線図である。 １０……２波長発振レーザ装置、１０ａ……
He−Ne放電管、１０ｂ……メタンセル、１０ｅ
……電歪素子、１０ｇ……光センサ、１０ｈ，１
８，１９……ロツクインアンプ、１０ｉ，１２…
…発振器、１０ｋ……高電圧アンプ、１１……メ
カニカルチヨツパー、１３……可視レーザ、１５
……フイルタ、１６……光センサ、２０……差分
増幅器、２１……演算回路、２２……対数増幅
器、２３……表示器。
Claims (1)
- １ ２波長発振レーザから発振された２波長成分
の出力が同一の周波数f1で変調され且つ両出力の
和の変調成分が０になるように自動制御された２
波長のレーザ光を用い、該レーザ光を周波数f1と
は異なる周波数f2で変調した後分布量を測定すべ
き気体雰囲気中を通過させ、気体を通過したレー
ザ光の変調周波数f1およびf2の成分を検知し、両
成分の差分に基づいて演算した透過率を対数変換
を含む演算処理をすることにより気体の分布量を
測定することを特徴とする気体の分布量測定方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23755785A JPS6298235A (ja) | 1985-10-25 | 1985-10-25 | 気体の分布量測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23755785A JPS6298235A (ja) | 1985-10-25 | 1985-10-25 | 気体の分布量測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6298235A JPS6298235A (ja) | 1987-05-07 |
| JPH0548857B2 true JPH0548857B2 (ja) | 1993-07-22 |
Family
ID=17017083
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23755785A Granted JPS6298235A (ja) | 1985-10-25 | 1985-10-25 | 気体の分布量測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6298235A (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0315742A (ja) * | 1989-03-23 | 1991-01-24 | Anritsu Corp | ガス検出装置 |
| JPH0317535A (ja) * | 1989-06-14 | 1991-01-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 光学的薄膜評価装置 |
| JPH0830680B2 (ja) * | 1990-10-15 | 1996-03-27 | アンリツ株式会社 | ガス検出装置 |
| JP2567300Y2 (ja) * | 1992-04-17 | 1998-04-02 | 東京特殊電線株式会社 | 細径カールケーブル |
| JP2005106521A (ja) * | 2003-09-29 | 2005-04-21 | Anritsu Corp | 半導体レーザユニット及びガス濃度測定装置 |
| JP5337953B2 (ja) * | 2009-01-14 | 2013-11-06 | ゼネラルパッカー株式会社 | ガス濃度測定方法及びガス濃度測定装置 |
| CN104034700B (zh) * | 2014-06-21 | 2016-09-21 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种大气传输激光透过率的测量方法 |
| WO2016047168A1 (ja) * | 2014-09-22 | 2016-03-31 | 株式会社 東芝 | ガス分析装置及びガス処理装置 |
| JP2023137506A (ja) * | 2022-03-18 | 2023-09-29 | 株式会社東芝 | ガス検出装置 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS54123997A (en) * | 1978-03-17 | 1979-09-26 | Mitsubishi Electric Corp | Remote measuring method of atmospheric components |
| DE3277983D1 (en) * | 1981-03-02 | 1988-02-18 | Ici Plc | Method of and apparatus for monitoring gaseous pollutants |
| EP0060629B1 (en) * | 1981-03-05 | 1988-01-13 | Imperial Chemical Industries Plc | Monitoring gaseous pollutants by laser scan |
-
1985
- 1985-10-25 JP JP23755785A patent/JPS6298235A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6298235A (ja) | 1987-05-07 |
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