JP2007218844A

JP2007218844A - 光式多ガス濃度検出方法及び装置

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Publication number: JP2007218844A
Application number: JP2006042406A
Authority: JP
Inventors: Yukio Ikeda; 幸雄池田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】装置が安価で簡易に計測ができる光式多ガス濃度検出方法及び装置を提供する。
【解決手段】レーザ光の変調と掃引をする複数の光源部２の掃引範囲を異ならせ、各光源部２の出力を合波器３の入力に接続し、１つの光源部２のみ選択的に順次稼働させ、合波器３から出力されるレーザ光を光ファイバ６でガスセル５に導き、ガスセル５の透過光を光ファイバ８で受光器７に導き、受光信号から１倍と２倍検波信号を求め、両検波信号の比からなる光源部ごとのガス信号波形を求め、各ガス信号波形から各対象ガスの濃度を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、装置が安価で簡易に計測ができる光式多ガス濃度検出方法及び装置に関する。

ガスを検知するためのセンサとして、半導体式など電気式センサがあるが、センサ近傍に電源設備が必要であり、定期的に校正が必要であり、計測するガス種ごとにセンサが必要であるため、保守性や経済性に問題がある。

これに対し、光を用いるガスセンサがある。ガス分子は、特定波長（吸収帯という）のレーザ光を吸収する性質を持っており、この性質を利用してガスの有無を検出できる。このガス検出方法は、工業計測、公害監視などの分野で用いられる。このレーザ光を光ファイバで伝送することにより、ガスの遠隔検出ができる。

光式ガス濃度検出方法及び装置が特許文献１に記載されている。この技術では、半導体レーザの駆動電流を所定の電流値を中心として高周波数の正弦波で変調することにより、波長及び強度が変調されたレーザ光を発振させる。このレーザ光を光ファイバに入射させガスセルに導き、ガスセル内の未知濃度のガスを透過させて、その透過光を光ファイバで受光器に導き、その受光信号を位相敏感検波して１倍検波信号と２倍検波信号を求め、この１倍検波信号と２倍検波信号の比からなるガス信号を求め、このガス信号から対象ガスの濃度を求めている。

また、図４に示すように、上記の光式ガス濃度検出方法及び装置を用いて種類の異なる複数のガスに光吸収を起こさせるために、波長の異なる光を出す複数個の光源を用いる方式もある。この方式では、光源部１０１ａ〜１０１ｄからの波長の異なる光を１つの光ファイバ１０２に結合させて導き、その光をレンズ１０３で平行光にして空間伝搬させ、ガスセル１０４に透過させる。ガスセル１０４を透過した光はグレーティング１０５により波長に対応した角度で反射して各受光器１０６ａ〜１０６ｄに到達する。各受光信号を特許文献１の方法で演算することにより、同一ガスセル中に充填された種類が異なる複数のガス（以下、多ガスという）の濃度が同時に計測できる。

特開平５−２５６７６９号公報

図４の光式多ガス濃度検出方法及び装置では、多ガスを検出するために、高価なグレーティング１０５が必要であり、また、ガスセル１０４を透過した光を受光器１０６ａ〜１０６ｄまで空間伝搬させているため、レンズ１０３、グレーティング１０５、各受光器１０６ａ〜１０６ｄの位置調整が困難で時間がかかる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、装置が安価で簡易に計測ができる光式多ガス濃度検出方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の方法は、レーザ光の波長及び強度を正弦波で変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で直線的に掃引する複数の光源部を、各々掃引範囲を異ならせ、これらの光源部の出力を合波器の入力に接続しておき、いずれか１つの光源部のみ選択的に順次稼働させ、上記合波器から出力されるレーザ光を光ファイバでガスセルに導いてガスセル内の被測定雰囲気中に透過させ、そのガスセルの透過光を光ファイバで受光器に導いて受光し、その受光信号を上記光源部の順番ごとに位相敏感検波して１倍検波信号と２倍検波信号を求め、これら１倍検波信号と２倍検波信号の比からなる上記光源部ごとのガス信号波形を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求めるものである。

本発明の装置は、レーザ光の波長及び強度を正弦波で変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で直線的に掃引する複数の光源部であって、各々掃引範囲を異ならせた光源部と、これらの光源部の出力を入力に接続した合波器と、いずれか１つの光源部のみ選択的に順次稼働させる光源選択部と、上記合波器から出力されるレーザ光をガスセルに導く光源側光ファイバと、ガスセル内の被測定雰囲気中を透過した光を受光器まで導く受光器側光ファイバと、上記受光器で受光した受光信号を上記光源部の順番ごとに位相敏感検波して１倍検波信号と２倍検波信号を求め、これら１倍検波信号と２倍検波信号の比からなる上記光源部ごとのガス信号波形を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求める信号処理部とを備えたものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）装置が安価である。

（２）簡易に計測ができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る光式多ガス濃度検出装置１は、レーザ光の波長及び強度を正弦波で変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で直線的に掃引する複数の光源部２ａ，２ｂ，２ｃであって、各々掃引範囲を異ならせた光源部２ａ，２ｂ，２ｃと、これらの光源部２ａ，２ｂ，２ｃの出力を入力に接続した合波器３と、いずれか１つの光源部２ａ，２ｂ，２ｃのみ選択的に順次稼働させる光源選択部４と、上記合波器３から出力されるレーザ光をガスセル５に導く光源側光ファイバ６と、ガスセル５内の被測定雰囲気中を透過した光を受光器７まで導く受光器側光ファイバ８と、受光器７で受光した受光信号を上記光源部２ａ，２ｂ，２ｃの順番ごとに位相敏感検波して１倍検波信号Ｋ（１ｆ）と２倍検波信号Ｋ（２ｆ）を求め、これら１倍検波信号Ｋ（１ｆ）と２倍検波信号Ｋ（２ｆ）の比からなる上記光源部２ａ，２ｂ，２ｃごとのガス信号波形を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求める信号処理部１１とを備えたものである。

ガスセル５は、未知濃度の複数種類の対象ガスが充填される容器であり、所望の場所に容易に設置できる。ガスセル５は、光源側光ファイバ６からの入射端と受光器側光ファイバ８への出射端との間に、所定透過光路長を有する。

この実施形態では、ガスセル５は複数箇所に設置される。よって、光合波器３の後段には、合波されたレーザ光を複数に分岐する分岐器９を設け、光源側光ファイバ６と受光器側光ファイバ８と受光器７を、それぞれ複数設ける。

また、光源部側光ファイバ６のうち一つはガスセル５を介さず基準光路用として受光器側光ファイバ８の一つに直接接続される。各受光器側光ファイバ８の出力の光路に、ｚ１，ｚ２，…ｚｎ−１，ｚｎの識別記号を付す。光路ｚ１は基準光路、光路ｚ２〜ｚｎはセンサ光路である。

図１に拡大して示されるように、光源部２ａ，２ｂ，２ｃに用いる光源部２は、三角波が繰り返し生じるように電圧を掃引する三角波掃引器２１と、その三角波の電圧に比例して電流が増減する直流のバイアス電流を発生させるバイアス電流源２２と、交流を遮断してバイアス電流を通過させるインダクタ２３と、所定の周波数ｆを有する変調用交流電流及び電圧を発生させる発信器２４と、発信器２４の電圧出力から２倍の周波数ｆを有する電圧を発生させる倍周器２５と、直流を遮断して変調用交流電流を通過させるコンデンサ２６と、インダクタ２３からのバイアス電流とコンデンサ２６からの変調用交流電流が重畳して印加されるレーザダイオードであるＤＦＢ−ＬＤ２７と、ＤＦＢ−ＬＤ２７を加熱・冷却するペルチェ素子２８と、そのペルチェ素子２８の温度を制御するペルチェ素子用電源２９とを備える。発信器２４からの出力Ａと倍周器２５からの出力は後述する信号処理部に提供される。

光源部２は、変調中心波長を掃引する掃引範囲をそれぞれ異ならせることにより、光式多ガス濃度検出装置１の光源部２ａ，２ｂ，２ｃとなる。ただし、説明を簡単にするため、各光源部２ａ，２ｂ，２ｃの変調周波数ｆは同じとする。

光源選択部４は、各光源部２ａ，２ｂ，２ｃに対して光源部を１個だけ順に選択するクロックを供給するものである。クロックがＯＦＦの場合には、バイアス電流源２２、三角波掃引器２１および発信器２４からの信号がスイッチ３０により遮断され、ＤＦＢ−ＬＤ２７に印加されない。クロックがＯＮの場合には、変調電流とバイアス電流とが重畳されてＤＦＢ−ＬＤ２７に印加される。

光源選択部４からのクロックは、信号処理部１１にも供給され、このクロックにより後述する計測の順番が与えられる。

信号処理部１１は、各受光器側光ファイバ８に接続される複数の受光器７と、その受光信号を光源部２からの出力Ａ，Ｂを利用して周波数ｆ，２ｆについて位相敏感検波することにより、１倍検波信号Ｋ（１ｆ）と２倍検波信号Ｋ（２ｆ）を得る複数の位相検波回路１２と、これら１倍検波信号Ｋ（１ｆ）と２倍検波信号Ｋ（２ｆ）を記憶する信号記憶部１３と、信号記憶部１３から読み出した信号を演算する演算部１４とを備える。演算部１４は、光源選択部４からのクロックに基づいて現在選択されている光源部２を認識し、その光源部２について、１倍検波信号と２倍検波信号の比からなるガス信号波形を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求める。この演算の詳細は、以下の動作説明において説明する。

図１の光式多ガス濃度検出装置１において、光源選択部４が各光源部２ａ，２ｂ，２ｃに図２に示すようにクロックを送ると、各光源部２ａ，２ｂ，２ｃは、順次、クロックの立ち上がりから立ち下がりまでの時間に、以下のレーザ光送信動作を行う。

レーザ光送信動作では、ペルチェ素子用電源２９によってペルチェ素子２８の温度を制御することにより、ＤＦＢ−ＬＤ２７の温度を一定に固定する。バイアス電流源２２は、三角波掃引器２１が出力する三角波の電圧に比例してバイアス電流を発生させる。これにより、バイアス電流は小さい値から大きい値へ一方向に掃引される。このとき、同時に、発信器２４が出力する交流電流、すなわち正弦波状の変調電流をバイアス電流に重畳させてＤＦＢ−ＬＤ２７に印加する。図２には印加電流を三角波＋正弦波として示す。各光源部２ａ，２ｂ，２ｃでは、変調幅ｄ、変調中心波長λで変調を行い、その変調中心波長λを掃引範囲内で直線的に掃引する。

各光源部２ａ，２ｂ，２ｃからのレーザ光を合波器３で合波し、分岐器９で各光源部側光ファイバ６へ分岐させる。レーザ光は、ガスセル５を介さず、あるいは各ガスセル５を透過し、基準光路ｚ１及びセンサ光路ｚ２〜ｚｎの受光器側光ファイバ８に導かれて各受光器７に入射する。各受光器７は、受光信号を出力する。レーザ光は、ガスセル５を透過する際に、図２に示した対象ガスＧａ，Ｇｂ，Ｇｃの吸収スペクトルに沿って吸収されるので、ガスセル５を透過したレーザ光の光強度変化を表す受光信号は、図示のように吸収スペクトルの曲線に基づいて変形を受けた波となる。すなわち、図のいちばん左のクロックがＯＮ（ハイレベル）の期間に光源部２ａからの変調及び掃引されたレーザ光がガスセル５を透過して受光されることにより、受光信号Ｓａが得られ、中央のクロックがＯＮの期間に光源部２ｂからの変調及び掃引されたレーザ光がガスセル５を透過して受光されることにより、受光信号Ｓｂが得られ、その次のクロックがＯＮの期間に光源部２ｃからの変調及び掃引されたレーザ光がガスセル５を透過して受光されることにより、受光信号Ｓｃが得られる。

信号処理部１１では、クロックの立ち上がりから立ち下がりまでの時間ごとに、以下のガス濃度演算動作を行う。

ガス濃度演算動作では、各位相検波回路１２が基準光路ｚ１及びセンサ光路ｚ２〜ｚｎの受光信号からそれぞれ１倍検波信号Ｋ（１ｆ）と２倍検波信号Ｋ（２ｆ）を得る。得られた全ての信号は、一時的に信号記憶部１３に記憶される。演算部１４は、信号記憶部３４から読み出した信号を演算する。すなわち、基準光路ｚ１の受光信号について、１倍検波信号ｚ１Ｋ（１ｆ）に対する２倍検波信号ｚ１Ｋ（２ｆ）の比ｚ１Ｋ（２ｆ）／ｚ１Ｋ（１ｆ）を計算して図３に示される基準のガス信号を得ると共に、センサ光路ｚ２〜ｚｎの受光信号について、１倍検波信号ｚｉＫ（１ｆ）（ｉは２〜ｎ）に対する２倍検波信号ｚｉＫ（２ｆ）の比ｚｉＫ（２ｆ）／ｚｉＫ（１ｆ）を計算して対象ガスのガス信号を得る。次いで、基準のガス信号ｚ１Ｋ（２ｆ）／ｚ１Ｋ（１ｆ）に対する対象ガスのガス信号ｚｉＫ（２ｆ）／ｚｉＫ（１ｆ）の差分を計算して波高値判定用信号を得る。

図３の波高値判定用信号は、対象ガスのガス信号から基準のガス信号を差し引くことで、光源部２、合波器３、分岐器９、信号処理部１１が持つ波長依存性を除去したものであり、この波高値判定用信号が正確な意味での対象ガスのガス信号である。

演算部１４は、この波高値判定用信号の最小値から最大値までの高さである波高値を求める。

その後、演算部１４は、この波高値を、あらかじめ既知濃度の基準ガスを用いて求めていた波高値とガス濃度との関係式又は関係表に適用してガス濃度を求める。

以上説明したように、本発明では、レーザ光の変調と掃引をする光源部を２個以上用いて、各々掃引範囲を異ならせ、これらの光源部の出力を合波器の入力に接続しておき、いずれか１つの光源部のみ選択的に順次稼働させ、上記合波器から出力されるレーザ光を光ファイバでガスセルに導いてガスセル内の被測定雰囲気中に透過させ、そのガスセルの透過光を光ファイバで受光器に導いて受光し、その受光信号を上記光源部の順番ごとに位相敏感検波して１倍検波信号と２倍検波信号を求め、これら１倍検波信号と２倍検波信号の比からなる上記光源部ごとのガス信号波形を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求めるようにした。すなわち、複数の光源部の出力を合波できる接続状態で１つの光源部のみ稼働させることで、光路は共有でありながら、波長を時間的に分離し、ガスセルの透過光を光ファイバで受光器に導いて受光するので、高価な光学素子が必要なく、また、複雑な調整が必要なく、しかも安定して複数種類のガス濃度を検出することができる。

なお、前記実施形態では、光源部２を３個用いたが、２個でも、４個以上でも効果があることは言うまでもない。

また、前記実施形態では、信号記憶部１３と演算部１４をそれぞれ１つだけとし、複数の位相検波回路１２からの信号を共通に処理したが、信号記憶部１３と演算部１４をそれぞれ位相検波回路１２と同じ数設けてもよい。

また、前記実施形態では、スイッチ３０を用いて、バイアス電流源２２、三角波掃引器２１および発信器２４からの信号がＤＦＢ−ＬＤ２７に印加されないようにしたが、いずれか一つの信号を遮断してもＤＦＢ−ＬＤ２７が所定の波長の光を発光しないため、同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態を示す光式多ガス濃度検出装置の構成図である。本発明における光源部の動作概念図である。本発明により得られるガス信号及び波高値判定用信号の波形図である。従来の光式多ガス濃度検出装置の構成図である。

符号の説明

１光式多ガス濃度検出装置
２，２ａ，２ｂ，２ｃ光源部
３合波器
４光源選択部
５ガスセル
６光源側光ファイバ
７受光器
８受光器側光ファイバ

Claims

レーザ光の波長及び強度を正弦波で変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で直線的に掃引する複数の光源部を、各々掃引範囲を異ならせ、これらの光源部の出力を合波器の入力に接続しておき、いずれか１つの光源部のみ選択的に順次稼働させ、上記合波器から出力されるレーザ光を光ファイバでガスセルに導いてガスセル内の被測定雰囲気中に透過させ、そのガスセルの透過光を光ファイバで受光器に導いて受光し、その受光信号を上記光源部の順番ごとに位相敏感検波して１倍検波信号と２倍検波信号を求め、これら１倍検波信号と２倍検波信号の比からなる上記光源部ごとのガス信号波形を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求めることを特徴とする光式多ガス濃度検出方法。
レーザ光の波長及び強度を正弦波で変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で直線的に掃引する複数の光源部であって、各々掃引範囲を異ならせた光源部と、これらの光源部の出力を入力に接続した合波器と、いずれか１つの光源部のみ選択的に順次稼働させる光源選択部と、上記合波器から出力されるレーザ光をガスセルに導く光源側光ファイバと、ガスセル内の被測定雰囲気中を透過した光を受光器まで導く受光器側光ファイバと、上記受光器で受光した受光信号を上記光源部の順番ごとに位相敏感検波して１倍検波信号と２倍検波信号を求め、これら１倍検波信号と２倍検波信号の比からなる上記光源部ごとのガス信号波形を求め、これらガス信号波形からそれぞれの掃引範囲に吸収線を有する複数種類の対象ガスの濃度を求める信号処理部とを備えたことを特徴とする光式多ガス濃度検出装置。