JPH10148613A - ガス濃度計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】透明容器内のガス濃度を非破壊で連続的に高精
度で計測する。 【解決手段】半導体レーザダイオード１（以下、ＬＤ）
と、このＬＤ１から発するレーザ光９の発振波長を変調
する変調信号を発生させる波形発生部３と、波形発生部
３により発生した変調信号に基づいてＬＤ１を制御する
レーザ制御部２と、ＬＤ１から出射されたレーザ光９の
うち、密封型透明容器内に封入された被測定ガスを透過
したレーザ光を受光するＰＤ４と、波形発生部３の出力
信号の周波数成分の４倍周期の信号を発生させる周波数
逓倍部５と、周波数逓倍部５の出力信号とＰＤ４の出力
信号に基づいて検波信号を発生させるための位相敏感検
波用ロックインアンプ６と、位相敏感検波用ロックイン
アンプ６の出力データを記録・表示するデータ処理部７
からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、密閉容器中のガス
濃度を検出するガス濃度計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガラスアンプルなどに代表される
密封型透明容器中のガス濃度を検出する場合は、数多く
のアンプル中から代表アンプルを抽出し、そのアンプル
を破壊して内部ガスを取り出し、ガスクロマトグラフや
質量分析器等の各種濃度計にて計測していた。

【０００３】また、被測定ガスが封入された容器内のガ
ス濃度が高く、容器が測定に影響を与えない場合には、
赤外光等の吸収を利用した、例えばＦＴ−ＩＲ等の非破
壊計測も実施されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のガス濃度計
測装置において、ガスクロマトグラフや質量分析器等の
各種濃度計による計測では、全体の中から少数のサンプ
ルを取り出し、そのサンプルを破壊して内部ガス濃度を
決定するため、全製品に対するガス濃度の連続的検査は
不可能という欠点があった。

【０００５】また、赤外光等の吸収を利用した計測で
は、全てのサンプルについての連続計測が可能となる
が、その一方で、光の吸収量が少ない物質や微量の物質
の計測には適さない。このような場合、被測定ガスが封
入された容器自体の吸収・散乱や汚れ等が原因で計測不
可能となることがある。また、異なる容器内のガスを計
測する場合や、同一容器でもレーザ光を透過させる位置
が異なる場合には、フリンジが変化することでガス濃度
のピーク値の検出に誤差が生じ、計測に大きく影響を与
える。

【０００６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、その目的とするところは、容器内に密閉さ
れた被測定ガスを計測する際に、その容器を破壊するこ
となく、容器自体の吸収と内部ガスによる吸収とを明確
に区別でき、高精度で連続的な濃度計測を可能とするガ
ス濃度計測装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のガス濃度計測装
置は、被測定ガスが封入された密封型容器にレーザ光を
照射する半導体レーザ光源と、この半導体レーザ光源を
制御して所望の波長のレーザ光を出射するためのレーザ
制御部と、前記半導体レーザ光源から出射されるレーザ
光の発振波長に変調を与えるための変調信号を発生させ
る波形発生部と、前記レーザ光の照射により前記密封型
容器内の被測定ガスを透過したレーザ光を受光する受光
部と、前記波形発生部の出力信号の周波数成分のｎ（ｎ
≧２，ｎは整数）倍周期の信号を発生する周波数逓倍部
と、前記周波数逓倍部の出力信号と前記受光部の出力信
号に基づいて検波信号を発生するための位相敏感検波部
とを具備したことを特徴とする。

【０００８】本発明のガス濃度計測装置によれば、以下
に示す作用・効果を有する。光源として半導体レーザ光
源を用い、その光源から発振するレーザ光の波長に変調
を加え、受光信号中から変調信号に同期した成分のみを
取り出し、さらに同期検波の際に周波数逓倍された変調
信号を用い、その検波出力として高次微分吸収信号を得
ることで、検出感度の向上、容器自体の吸収・散乱や汚
れ等による計測への影響の除去、及び容器表面等の曲率
の影響（光学的定在波、フリンジ）の除去を図ることが
できる。その原理は、以下に示す通りである。

【０００９】（１）検出感度の向上 本発明のガス濃度計測装置では、位相敏感検波を用いて
いる。すなわち、半導体レーザ光源への注入電流に対し
て変調を加えることでレーザ発振波長を変調し、受光信
号の中から変調信号に同期した成分のみを取り出す。一
般に、外部からくる雑音は変調信号に同期していないた
め、受光信号解析中に取り除くことができ、位相敏感検
波信号にはガス吸収のみ影響を受けた信号となる。その
ため、高感度の濃度検出が可能となる。

【００１０】（２）被測定ガスを封入する容器自体の吸
収・散乱・汚れ等による計測への影響の除去 ガスの吸収スペクトルの一例として、酸素分子による近
赤外域吸収帯の高分解能計測結果を図３に示す。横軸は
波長、縦軸は透過率を示す。図３において、縦方向に伸
びる複数の直線が、ガスの吸収線である。本発明では、
この吸収線１本だけを計測の対象とするため、波長の走
査・変調範囲は非常に狭くなる。

【００１１】一方、容器の吸収・散乱や汚れ等の影響
は、計測の対象となる波長範囲と比較すると、格段に広
い範囲にわたっており、従って計測の対象となるガス吸
収線の波長範囲では、波長依存性を持たないとみなすこ
とができる。

【００１２】このため、図３中の吸収線１本を拡大する
と、図４のようになる。図４より、以下に示す式により
ガスによる吸収が算出でき、その吸収量からガス濃度の
検出が可能となる。

【００１３】 位相敏感検波信号＝（吸収ピーク）−（容器による吸収・散乱） ＝ガスによる吸収 一方、位相敏感検波の出力は、変調幅の両端の値、すな
わち図４中におけるガス吸収ピークとベースの差に相当
する。このため、ガス濃度が変化しない限り、ガス吸収
ピークとベースの差は変化せず、波長依存性を持たない
容器自体の吸収等の影響を受けない。さらに、光源とし
て半導体レーザ光源を用いているため、正確な波長制御
が可能となる。

【００１４】従って、ガス濃度を、容器自体の吸収等の
影響を受けずに正確に検出することが可能である。 （３）容器表面等の曲率の影響（光学的定在波、フリン
ジ）の除去 図５は、本発明によって得られる、２ｆ検波及び４ｆ検
波における吸収スペクトルの計測例を示す。横軸は波
長、縦軸は計測値を示す。

【００１５】図５（ａ）は、２ｆ検波における吸収スペ
クトルを示す図であり、半導体レーザ光路途中にはガス
のみが存在している、すなわち、計測対象を容器等で密
閉せず、直接計測する場合である。この場合、直線のベ
ースライン（０値ライン）と微分吸収スペクトルを得る
ことが可能で、そのスペクトルの吸収中心波長でのピー
ク値から、ガス濃度の検出が容易に行えることが確認で
きる。

【００１６】また、図５（ａ）と同じく２ｆ検波によ
り、ガラス等の透明容器で被測定ガスが密閉されている
計測対象を計測した場合も、図５（ａ）と同様に直線の
ベースラインと微分吸収スペクトルを得ることができ、
ガス濃度の検出が行えた。

【００１７】一方、同様の条件、すなわち２ｆ検波で、
透明容器で被測定ガスが密閉されている場合において、
０値ラインを高精度で観測できないこともあり、その場
合の吸収スペクトル計測例を図５（ｂ）に示す。図５
（ｂ）の場合、ガラス内部での光の多重反射や容器曲率
の影響により、図５（ａ）に示したような直線のベース
ラインが現れず、波打ったベースライン、すなわちフリ
ンジ上に微分吸収スペクトルが重なったスペクトルとな
る。また、例えば異なる容器を計測する場合や、同一容
器でもレーザを透過させる位置が異なる場合には、図５
（ｃ）に示すように、ベースラインが変動し、０値レベ
ルが変化する。この０値レベルの変化により、吸収中心
波長におけるピーク値の高精度の検出が困難となり、ガ
ス濃度を検出する際に誤差が生じる。

【００１８】そこで、図５（ｂ）及び（ｃ）と同様に、
計測対象がガラス等の透明容器に封入されている場合に
おいて、検波の次数を上げて（この場合、４ｆ検波）行
った計測例を図５（ｄ）に示す。図５（ｄ）に示すよう
に、検波の次数を上げることにより微分の次数が上がる
ため、図５（ｂ）及び（ｃ）の場合に見られたフリンジ
の影響を抑制することができる。従って、異なる容器を
計測する場合やレーザ透過位置を変えた場合であっても
０値ラインを容易に観測することができ、吸収中心波長
におけるピーク値を高精度で計測することが可能とな
る。

【００１９】このように、光源として半導体レーザ光源
を用い、発振レーザ光に変調を加え、そのレーザ光の受
光の際に周波数逓倍された変調信号により同期検波を行
うため、得られる信号は、もとの吸収スペクトルの波長
に関するｎ次微分量となる。このため、容器が異なる場
合や、同一容器であってレーザを透過させる位置が異な
る場合であっても、フリンジの影響を抑制でき、正確な
ガス濃度計測が可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形
態に係るガス濃度計測装置の構成を示す図である。図１
に示すように、ガス濃度計測装置は、半導体レーザ光９
を発生させ、計測対象８に向けて出射する半導体レーザ
ダイオード１（以下、ＬＤ１と称する）、ＬＤ１を制御
し、所望の波長のレーザ光を出射するためのレーザ制御
部２、所望の波長の変調信号を発生させる波形発生部
３、変調信号を周波数逓倍する周波数逓倍部５、位相敏
感検波用ロックインアンプ６、計測対象８を透過したレ
ーザ光を受光する受光部４（フォトダイオードとフォト
ダイオード用アンプから構成される。以下、ＰＤ４と称
する）、計測値の記録・表示を行うデータ処理部７から
構成される。

【００２１】上記実施形態の動作を以下説明する。波形
発生部３は、ＬＤ１から発振される半導体レーザ光９の
発振波長に対して変調を与えるための変調信号を生成
し、レーザ制御部２に出力する。レーザ制御部２は、波
形発生部３の変調信号に基づいて、ＬＤ１を制御する。
ＬＤ１は、レーザ制御部２による制御に基づいて、変調
を加えられた半導体レーザ光９を計測対象８、すなわち
被測定ガスが密封された透明容器に向けて出射する。こ
の半導体レーザ光９は、透明容器内のガスを透過して、
ＰＤ４で受光される。ここで、計測対象８を透過する際
に、透明容器中のガスに特有の波長のレーザ光が吸収さ
れる。ＰＤ４は、受光したレーザ光を電気信号に変換し
て増幅した後に位相敏感検波用ロックインアンプ６に出
力する。

【００２２】一方、周波数逓倍部５は、波形発生部３で
生成された変調信号を周波数成分についてｎ（ｎ≧２，
ｎは整数）倍し、このｎ倍した信号を位相敏感検波用ロ
ックインアンプ６に出力する。

【００２３】位相敏感検波用ロックインアンプ６は、Ｐ
Ｄ４の出力信号からガスによる吸収成分を検出する。係
る検出の際に、周波数逓倍部５の出力信号と同期した成
分を取り出す。このロックインアンプ６で得られる信号
は、もとの吸収スペクトルの波長に関するｎ次微分量と
なり、データ処理部７に送られて記録・表示される。

【００２４】本発明の有効性の検証として、図１に示す
ガス濃度計測装置を用いて実験を行った。実験では、計
測対象８として、４種のガラスアンプルを用い、このガ
ラスアンプルの内部酸素濃度を０，２，１０，２１
［％］とした。また、高倍率ｆ検波の効果を確認するた
め、周波数逓倍部５は波形発生部３の変調信号を２倍、
４倍周期に逓倍し（２ｆ検波，４ｆ検波）、下記のよう
な実験条件において実験を行った。

【００２５】

【表１】

【００２６】上記実験条件における実験結果において、
まず、２ｆ検波での実験では、容器取り付け位置、すな
わちレーザ光透過位置を変えずに計測した場合は、計測
の再現性が良好であったが、容器取り付け位置が計測毎
に異なっていた場合は、計測の再現性が非常に悪かっ
た。これは、光入射面曲率（容器表面）状態が、計測毎
に異なっていたことが原因で、容器内濃度０を示す計測
値が変動したためである。

【００２７】しかし、４ｆ検波の実験では、計測の再現
性は良好であり、高倍率ｆ検波によれば、計測毎に異な
る容器状態変化の影響を除去できることを示している。
この４ｆ検波での実験結果を図２に示す。

【００２８】図２は、４ｆ検波での酸素濃度０，２，１
０，２１［％］における計測結果を示す図である。縦軸
は計測値、横軸はアンプル内の酸素濃度を示している。
また、図中の実線は、理論的に４ｆ検波の場合は計測値
と酸素濃度とが２次関数の関係にあることから、酸素濃
度０，２１［％］の計測結果とから作成した検量線であ
る。図２より明らかな通り、酸素濃度２，１０［％］の
計測結果も検量線にほぼ一致しており、この計測装置と
検量線を用いて、未知のアンプル内の酸素濃度を計測で
きることは明白である。

【００２９】以上説明したように、光源として半導体レ
ーザ光源を用いることで、正確な波長制御が可能とな
る。また、この半導体レーザ光源から発振するレーザ光
の波長に変調を加え、受光信号中から変調信号に同期し
た成分のみを取り出し、さらに同期検波の際に周波数逓
倍された変調信号を用い、その出力として高次微分吸収
信号を得ることで、検出感度の向上、容器自体の吸収・
散乱や汚れ等による計測への影響の除去、及び容器表面
等の曲率の計測への影響の除去を図ることができる。

【００３０】尚、本実施形態では計測対象８が密封型透
明容器の場合を示したが、密封型容器であってその一部
が透明な場合であっても本発明を適用可能であることは
勿論である。また、周波数逓倍部５が波形発生部３の変
調信号を２倍、４倍周期に逓倍する場合を示したが、そ
れ以上の倍率に変調信号を逓倍する場合であっても本発
明を適用可能であることは勿論である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、発
振レーザ光に変調を加え、そのレーザ光の受光の際に周
波数逓倍された変調信号により同期検波を行い、その出
力として高次微分吸収信号を得ることで、被測定ガスを
封入する密封型容器を破壊することなく、その容器自体
の吸収と内部ガスによる吸収とを明確に区別でき、高精
度で連続的にガス濃度を計測することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態におけるガス濃度計測装置
の全体構成を示す図。

【図２】同実施形態におけるガス濃度計測装置による実
験結果を示す図。

【図３】同実施形態におけるガス濃度計測装置の測定原
理を説明するための図。

【図４】図３における吸収スペクトルの吸収線の１本を
拡大した図

【図５】本発明の一実施形態に係るガス濃度計測装置に
よる吸収スペクトルの計測例を示す図。

【符号の説明】

１ 半導体レーザダイオード（ＬＤ） ２ レーザ制御部 ３ 波形発生部 ４ 受光部（ＰＤ） ５ 周波数逓倍部 ６ 位相敏感検波用ロックインアンプ ７ データ処理部 ８ 計測対象 ９ 半導体レーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田畑 雅之 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定ガスが封入された密封型容器にレ
   ーザ光を照射する半導体レーザ光源と、 前記半導体レーザ光源を制御して所望の波長のレーザ光
   を出射するためのレーザ制御部と、 前記半導体レーザ光源から出射されるレーザ光の発振波
   長に変調を与えるための変調信号を発生させる波形発生
   部と、 前記レーザ光の照射により前記密封型容器内の被測定ガ
   スを透過したレーザ光を受光する受光部と、 前記波形発生部の出力信号の周波数成分のｎ（ｎ≧２，
   ｎは整数）倍周期の信号を発生する周波数逓倍部と、 前記周波数逓倍部の出力信号と前記受光部の出力信号に
   基づいて検波信号を発生するための位相敏感検波部とを
   具備したことを特徴とするガス濃度計測装置。