JP2008298635A - Optical gas detection method and optical gas detector - Google Patents
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Description
本発明は、検波信号の変動によるガス信号の変動を抑制できる光式ガス検知方法及び光式ガス検知装置に関する。 The present invention relates to an optical gas detection method and an optical gas detection device that can suppress fluctuations in a gas signal due to fluctuations in detection signals.
ガス分子は吸収帯と呼ばれる特定波長帯の光を吸収する性質を持っており、ガス濃度によって吸収量が左右されることから、この性質を利用してガスの濃度を検知することができる。この光式ガス検知方法は、工業計測、公害監視などの分野で用いられる。この光を光ファイバで伝送することにより、ガスの遠隔検知ができる。 Gas molecules have the property of absorbing light in a specific wavelength band called an absorption band, and the amount of absorption depends on the gas concentration. Therefore, the gas concentration can be detected using this property. This optical gas detection method is used in fields such as industrial measurement and pollution monitoring. By transmitting this light through an optical fiber, it is possible to detect gas remotely.
特許文献1等の従来技術においては、光源部では、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。半導体レーザの温度を掃引することにより、発振波長を対象ガスの吸収帯を中心として所定の波長範囲を所定の掃引周期で掃引する。
In the conventional technology such as
このレーザ光を光ファイバに入射させて光学系に導き、光学系内の未知濃度の対象ガスを透過させる。透過光を光ファイバで受光検波部に導き、透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により1倍検波信号と2倍検波信号を検波する。 The laser light is incident on an optical fiber and guided to the optical system, and the target gas having an unknown concentration in the optical system is transmitted. The transmitted light is guided to the light receiving detection unit by the optical fiber, and the 1st detection signal and the 2nd detection signal are detected from the received light signal that has received the transmitted light by the phase sensitive detection.
1倍検波信号と2倍検波信号の比を変調中心波長の掃引周期分求めてガス信号とし、ガス信号の波形からピーク値(波高値)を求め、波高値から光学系内の対象ガスの濃度を検知する。 The ratio of the 1 × detection signal and the 2 × detection signal is obtained for the sweep period of the modulation center wavelength to obtain a gas signal. Is detected.
光源部や受光検波部は、半導体素子で構成されるため、温度特性やドリフト特性を有する。また、光ファイバ等の光学系も温度特性を有する。ドリフト特性の主な要因は、レーザダイオードの温度特性、光ファイバの特性変化による。 Since the light source unit and the light receiving detection unit are composed of semiconductor elements, they have temperature characteristics and drift characteristics. An optical system such as an optical fiber also has temperature characteristics. The main factor of drift characteristics is due to temperature characteristics of the laser diode and changes in the characteristics of the optical fiber.
こうした温度特性やドリフト特性により、受光検波部内の回路の倍率の微妙な変動が起きるなどして、1倍検波信号や2倍検波信号に微妙な変動が生じてしまい、これが原因でガス信号が変動してガス検知精度が低下してしまう。 Due to such temperature characteristics and drift characteristics, subtle fluctuations in the magnification of the circuit within the light receiving detection section occur, resulting in subtle fluctuations in the 1 × detection signal and 2 × detection signal, which causes the gas signal to fluctuate. As a result, the gas detection accuracy decreases.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、検波信号の変動によるガス信号の変動を抑制できる光式ガス検知方法及び光式ガス検知装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical gas detection method and an optical gas detection device that can solve the above-described problems and can suppress a change in a gas signal due to a change in a detection signal.
上記目的を達成するために本発明の光式ガス検知方法は、レーザ光の波長を変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引し、該レーザ光を被測定雰囲気中に透過させ、該透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により検波信号を検波し、該検波信号からガス信号を求め、該ガス信号の波形の波高値を求め、該波高値から被測定雰囲気における所定のガスの濃度を検知する光式ガス検知方法において、上記ガス信号を該ガス信号のレベルに応じた除数値で除算してから上記波高値を求めるものである。 In order to achieve the above object, the optical gas detection method according to the present invention modulates the wavelength of the laser light, sweeps the modulation center wavelength within a predetermined sweep range, and transmits the laser light into the measured atmosphere. Detecting a detection signal by phase sensitive detection from the received light signal that has received the transmitted light, obtaining a gas signal from the detection signal, obtaining a peak value of the waveform of the gas signal, and obtaining a predetermined value in a measured atmosphere from the peak value In the optical gas detection method for detecting the gas concentration, the peak value is obtained after dividing the gas signal by a divisor value corresponding to the level of the gas signal.
上記ガス信号は、上記検波信号のうち1倍検波信号あるいは上記受光信号から検知したDC(直流)成分信号と2倍検波信号の比から求めてもよい。 The gas signal may be obtained from a ratio of a DC (direct current) component signal detected from the detected signal or a detected signal from the received light signal and a detected signal twice.
上記ガス信号は、上記検波信号のうち2倍検波信号から求めてもよい。 The gas signal may be obtained from a double detection signal among the detection signals.
上記除数値は、上記変調中心波長の掃引周期の先頭におけるガス信号の値としてもよい。 The divisor value may be the value of the gas signal at the beginning of the sweep cycle of the modulation center wavelength.
上記除数値は、上記変調中心波長の掃引周期の先頭におけるガス信号の値と末尾におけるガス信号の値から算出してもよい。 The divisor value may be calculated from the value of the gas signal at the beginning and the value of the gas signal at the end of the sweep cycle of the modulation center wavelength.
上記目的を達成するために本発明の光式ガス検知装置は、レーザ光の波長を変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引する光源部と、該レーザ光を被測定雰囲気中に透過させる光学系と、該透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により検波信号を検波する受光検波部と、該検波信号からガス信号を求め、該ガス信号の波形の波高値を求め、該波高値から被測定雰囲気における所定のガスの濃度を検知する信号処理部とを備えた光式ガス検知装置において、上記信号処理部は、上記ガス信号を該ガス信号のレベルに応じた除数値で除算してから上記波高値を求めるものである。 In order to achieve the above object, an optical gas detector of the present invention includes a light source unit that modulates the wavelength of a laser beam and sweeps the modulation center wavelength within a predetermined sweep range, and the laser beam in a measured atmosphere. An optical system that transmits light, a light receiving detection unit that detects a detection signal by phase sensitive detection from a light reception signal that has received the transmitted light, a gas signal is obtained from the detection signal, and a peak value of the waveform of the gas signal is obtained, And a signal processing unit that detects a concentration of a predetermined gas in the atmosphere to be measured from the peak value, wherein the signal processing unit converts the gas signal to a divisor value corresponding to the level of the gas signal. The peak value is obtained after dividing by.
上記信号処理部は、上記ガス信号を上記検波信号のうち1倍検波信号あるいは上記受光信号から検知したDC(直流)成分信号と2倍検波信号の比から求めてもよい。 The signal processing unit may determine the gas signal from a ratio of a DC (direct current) component signal detected from the detected signal or a detected signal from the received light signal and a detected signal twice.
上記信号処理部は、上記ガス信号を上記検波信号のうち2倍検波信号から求めてもよい。 The signal processing unit may obtain the gas signal from a double detection signal of the detection signals.
上記信号処理部は、上記除数値を上記変調中心波長の掃引周期の先頭におけるガス信号の値としてもよい。 The signal processing unit may use the divisor value as the value of the gas signal at the beginning of the sweep cycle of the modulation center wavelength.
上記信号処理部は、上記除数値を上記変調中心波長の掃引周期の先頭におけるガス信号の値と末尾におけるガス信号の値から算出してもよい。 The signal processing unit may calculate the divisor value from a gas signal value at the beginning and a gas signal value at the end of the sweep cycle of the modulation center wavelength.
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。 The present invention exhibits the following excellent effects.
(1)検波信号の変動によるガス信号の変動を抑制できる。 (1) The fluctuation of the gas signal due to the fluctuation of the detection signal can be suppressed.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1に示されるように、本発明に係る光式ガス検知装置1は、レーザ光の波長及び強度を変調しつつその変調中心波長を所定の掃引範囲内で掃引する光源部2と、該レーザ光を被測定雰囲気中に透過させる光学系3と、該透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により検波信号を検波する受光検波部4と、該検波信号から上記変調中心波長の掃引周期分のガス信号を求め、該ガス信号の波形の波高値を求め、該波高値から被測定雰囲気における所定のガスの濃度を検知する信号処理部5とを備えた光式ガス検知装置において、上記信号処理部5は、上記ガス信号を該ガス信号のレベルに応じた除数値で除算してから上記波高値を求めるものである。
As shown in FIG. 1, an optical
光源部2は、半導体レーザ6、半導体レーザ6を加熱・冷却するペルチェ素子7、ペルチェ素子7の電流を制御する温度制御用定電流源8、バイアス電流を制御するバイアス用定電流源9、バイアス印加用インダクタ10、変調周波数ωで発振する発振器11、交流印加用コンデンサ12、2倍周波数2ωを生成する倍周器13を備える。
The
光学系3は、被測定雰囲気を有する筒体(ガスセル)21の両端にコリメートレンズ14と集光レンズ15とを設け、対象ガスを含む被測定雰囲気中の所定距離を光が伝播するようにしたものである。光源部2から光学系3まで、光学系3から受光検波部4までは光ファイバ16で結ばれる。
The
光式ガス検知装置1は、例えば、装置本体(図示せず)に光源部2と受光検波部4と信号処理部5を内蔵し、光学系3において所望の現場にガスセル21を配置し、装置本体からガスセル21まで光ファイバ16を布設することで、遠隔監視が可能となる。
The
受光検波部4は、光ファイバ16に接続された受光素子17と、発振器11からの発振信号ωを用いて1倍検波信号を検波するロックインアンプ18と、倍周器13からの倍周信号2ωを用いて2倍検波信号を検波するロックインアンプ19と、両検波信号の比を計算する割算器20とを備える。
The light
信号処理部5は、単一のブロックで示したが、CPU、メモリ、クロック、A/D変換器等を備えたコンピュータで構成することにより、後述する手順で信号処理を行うものである。
Although the
光式ガス検知装置1の動作の概要を説明する。
An outline of the operation of the
光源部2の半導体レーザ6から対象ガス検知用に制御された光を放射する。光源部2での制御は、光の波長を比較的速い周波数ω(100〜100KHz)で振動させながら、振動の中心波長を比較的遅い時間間隔(0.5〜10sec)で掃引することである。
Light controlled to detect the target gas is emitted from the
光学系3では、光ファイバ16を介してガスセル21に光を入射させる。ガスセル21内で、コリメートレンズ14でコリメートされた光が被測定雰囲気中の所定距離を伝播し、集光レンズ15で集光されてガスセル21から出射される。被測定雰囲気を光が透過することにより、対象ガスによる吸光が起きる。
In the
光学系3を経た光は、受光検波部4の受光素子17で受光される。受光検波部4において、受光信号のうち周波数ωの1倍成分である1倍検波信号と2倍検波信号を検波し、割算器20で1倍検波信号と2倍検波信号の比を計算してガス信号を得る。
The light that has passed through the
信号処理部5では、必要な演算(詳しくは後述)をしてガス濃度を検知する。
The
図2は、1倍検波信号で2倍検波信号を割る割り算を、光源部2における中心波長掃引の周期を区切りとした所定の時間間隔(掃引周期)の間、連続して行った場合のガス信号31の概念図である。複数回の掃引周期分を重ねて表示してある。
FIG. 2 shows the gas when the division of the double detection signal by the single detection signal is continuously performed for a predetermined time interval (sweep cycle) with the central wavelength sweep cycle in the
ガス濃度は、図示したピーク32における縦軸値(ピーク値という)に対して公知である所定の演算を行うことで求められる。しかし、現実の計測では、温度特性やドリフト特性により、計測が不安定になり、掃引の度ごとにガス信号の波形が高さ方向に徐々にずれていく(縦軸値が総体的に減少又は増加する)現象が見られる。ガス濃度はガス信号31のピーク値に対して所定の演算を行うことで求められるので、上記ずれに応じてガス濃度には徐々に計測誤差が生じる。 The gas concentration is obtained by performing a known calculation on a vertical axis value (referred to as a peak value) at the peak 32 shown in the figure. However, in actual measurement, the measurement becomes unstable due to temperature characteristics and drift characteristics, and the waveform of the gas signal gradually shifts in the height direction at each sweep (the vertical axis value decreases overall or (Increased) phenomenon. Since the gas concentration is obtained by performing a predetermined calculation on the peak value of the gas signal 31, a measurement error gradually occurs in the gas concentration in accordance with the deviation.
図3に、実際に計測を行ったときの、複数回の掃引周期分のガス信号のグラフを示す。
横軸の数値はサンプリングタイミング数を表している。つまり、所定範囲にわたり波長を掃引する周期の間に、所定時間刻みでサンプリングをしたものである。各回のガス信号が少しずつ異なるために、波形は帯状に広がる。ピーク値の変動は、縦軸目盛りで約0.15である。
FIG. 3 shows a graph of gas signals for a plurality of sweep periods when actual measurement is performed.
The numerical value on the horizontal axis represents the number of sampling timings. That is, sampling is performed at predetermined time intervals during the period of sweeping the wavelength over a predetermined range. Since the gas signal of each time is slightly different, the waveform spreads in a band shape. The fluctuation of the peak value is about 0.15 on the vertical scale.
本発明者は、図2、図3の複数回の掃引周期分のガス信号が、適当な等比変形を加えることによって、各々の波形を互いに酷似した波形に変形できることを見出した。すなわち、変調中心波長の掃引周期ごとのガス信号を、当該掃引周期中のガス信号から該ガス信号のレベルに応じた値として求めた除数値(例えば、特定の時点における瞬時値)で除算することにより、波形を規格化する。ガス信号が当該掃引周期にわたってレベルが大きければ、除数値も当然大きい値になるので、除算によるレベル縮小効果が期待できる。逆に、ガス信号が当該掃引周期にわたってレベルが小さければ、除数値も当然小さい値になるので、除算によるレベル拡大効果が期待できる。その結果、複数回の掃引周期分の規格化ガス信号は、もとのガス信号に比して大小の差が縮まる。これにより、波形の変動を小さく抑えることができる。 The present inventor has found that the gas signals for a plurality of sweep periods in FIGS. 2 and 3 can be transformed into waveforms that are very similar to each other by applying appropriate geometric deformation. That is, the gas signal for each sweep cycle of the modulation center wavelength is divided by a divisor value (for example, an instantaneous value at a specific time) obtained from the gas signal in the sweep cycle as a value corresponding to the level of the gas signal. To normalize the waveform. If the level of the gas signal is large over the sweep period, the divisor value is naturally a large value, so that a level reduction effect by division can be expected. On the contrary, if the level of the gas signal is small over the sweep period, the divisor value is naturally small, so that the level expansion effect by division can be expected. As a result, the difference in magnitude between the normalized gas signals for a plurality of sweep cycles is reduced as compared with the original gas signal. Thereby, the fluctuation | variation of a waveform can be restrained small.
図4は、図2と同じガス信号31について、除数値を変調中心波長の掃引周期の先頭51(33)におけるガス信号31の値とし、除数値でガス信号31を除算して規格化したガス信号52の概念図である。規格化処理の結果、複数回の掃引周期の規格化ガス信号52が先頭51において大きさが1で、互いに等しくなり、各々の波形が相似形に近くなる。よって、ピーク値の変動は減少する。これにより、ガス濃度の誤差を低減することができる。 FIG. 4 shows the gas signal 31 that is the same as that in FIG. 2, in which the divisor value is the value of the gas signal 31 at the head 51 (33) of the modulation center wavelength sweep period, 3 is a conceptual diagram of a signal 52. FIG. As a result of the normalization process, the standardized gas signals 52 of a plurality of sweep periods are equal to each other at the head 51, and the respective waveforms are similar to each other. Therefore, the fluctuation of the peak value is reduced. Thereby, the error of gas concentration can be reduced.
すなわち、信号処理部5において、1掃引周期分のガス信号から先頭におけるガス信号の値を抽出して除数値として記憶し、除数値で当該掃引周期のガス信号を除算して規格化ガス信号を求め、規格化ガス信号から波高値を求めてガス濃度とする。
That is, the
図5は、図2の1掃引周期分のガス信号61(31)について、除数値を変調中心波長の掃引周期の先頭62(33)におけるガス信号31の値と末尾63(34)におけるガス信号31の値から算出し、除数値をガス信号61と共に示した概念図である。詳しくは、先頭62におけるガス信号61の値と末尾63におけるガス信号61の値とを直線(基準線と呼ぶ)64で結び、この基準線64の各時点における縦軸値を除数値とする。各時点における除数値でガス信号61の瞬時値を除算することになる。 FIG. 5 shows the gas signal 61 (31) for one sweep period of FIG. 2 with the divisor value as the value of the gas signal 31 at the head 62 (33) of the sweep period of the modulation center wavelength and the gas signal at the tail 63 (34). It is the conceptual diagram which computed from the value of 31 and showed the divisor value with the gas signal 61. FIG. Specifically, the value of the gas signal 61 at the head 62 and the value of the gas signal 61 at the tail 63 are connected by a straight line (referred to as a reference line) 64, and the vertical axis value at each time point of the reference line 64 is taken as a divisor value. The instantaneous value of the gas signal 61 is divided by the divisor value at each time point.
ここで、1掃引周期分のガス信号を整数n個のデータ列で表す。先頭からk番目の値をVkとすると、先頭の値はV0、末尾の値はVn−1で表される。このとき、基準線のk番目の値Lkは、式(1)で計算される。 Here, the gas signal for one sweep cycle is represented by an integer n data strings. If the k-th value from the beginning is Vk, the leading value is represented by V 0 and the trailing value is represented by V n−1 . At this time, the kth value Lk of the reference line is calculated by the equation (1).
図6は、ガス信号31の瞬時値Vkを除数値Lkで除算して規格化したガス信号71の概念図である。複数回の掃引周期分を重ねて表示する。規格化処理の結果、複数回の掃引周期の規格化ガス信号71が先頭72と末尾73において大きさが1で、互いに等しくなるため、ピーク値の変動は図4の場合よりも減少する。これにより、ガス濃度の誤差をいっそうよく低減することができる。
FIG. 6 is a conceptual diagram of the
図7に、図3で実際に計測を行ったデータについて、複数回の掃引周期分のガス信号をガス信号の掃引一周期の先頭の値と末尾の値から算出した除数値により規格化処理した結果のグラフを示す。各回の規格化ガス信号は、ほとんど一致しているため、波形は一つに見える。ピーク値の変動は、縦軸目盛りで約0.01である。 In FIG. 7, the data actually measured in FIG. 3 is normalized by the divisor calculated from the first value and the last value of the gas signal sweep cycle for a plurality of sweep cycles. The graph of a result is shown. Since the normalized gas signals at each time are almost the same, the waveform appears to be one. The fluctuation of the peak value is about 0.01 on the vertical scale.
以上のように、本発明では、検波信号の変動によってガス信号が変動しても、ガス信号を規格化によって補正することで、ガス信号の変動を抑制することができる。よって、ガス濃度の誤差を低減することができる。 As described above, in the present invention, even if the gas signal fluctuates due to fluctuations in the detection signal, fluctuations in the gas signal can be suppressed by correcting the gas signals by normalization. Therefore, the gas concentration error can be reduced.
図1の光式ガス検知装置1では、受光検波部4が光学系3の透過光を受光した受光信号から位相敏感検波により1倍検波信号と2倍検波信号を検波し、該1倍検波信号と2倍検波信号から変調中心波長の掃引周期分のガス信号を求めた。しかし、ガス濃度を反映しているのは2倍検波信号であるので、受光検波部4では2倍検波信号のみを検波して、2倍検波信号をそのままガス信号としてもよい。また、受光信号から位相敏感検波により2倍検波信号を検波すると共に、受光信号を図示しないローパスフィルタに通して受光信号のDC(直流)成分信号を検知し、該2倍検波信号を該DC(直流)成分信号で除算してガス信号を求めても良い。信号処理部5では、図1の場合と同様に該ガス信号を規格化し、規格化ガス信号の波形の波高値からガス濃度を検知する。
In the optical
1 光式ガス検知装置
2 光源部
3 光学系
4 受光検波部
5 信号処理部
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