JP2744742B2 - Gas concentration measuring method and its measuring device - Google Patents

Gas concentration measuring method and its measuring device

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JP2744742B2
JP2744742B2 JP29586692A JP29586692A JP2744742B2 JP 2744742 B2 JP2744742 B2 JP 2744742B2 JP 29586692 A JP29586692 A JP 29586692A JP 29586692 A JP29586692 A JP 29586692A JP 2744742 B2 JP2744742 B2 JP 2744742B2
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厚彦 石橋
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ガス濃度測定方法及び
その測定装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for measuring gas concentration.

【0002】[0002]

【従来の技術】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、公害監視などの分野で広く用いられている。
またこのレーザ光を光ファイバを用いてこれを伝送路と
すれば、遠隔監視も可能となる。
2. Description of the Related Art It is known that the presence or absence of a gas can be detected by utilizing the fact that laser light of a specific wavelength is easily absorbed by a certain kind of gas. Sensing technology using this principle is used in industrial measurement, pollution monitoring, etc. Widely used in the field.
If this laser beam is used as a transmission line using an optical fiber, remote monitoring becomes possible.

【0003】そこで、本発明者らは光ファイバを伝送路
とした新規の遠隔ガス検出装置を開発した。この原理を
利用した方法において、半導体レーザの駆動電流を中心
として高周波で変調し、波長および強度の変調されたレ
ーザ光を発振させる。さらに電流及び温度を制御して発
振の中心波長がガス吸収線の中心になるよう半導体レー
ザの後方に出射するレーザ光をモニタ用として用いる。
そうして安定化され前方に出射されたレーザ光を、光フ
ァイバを介して未知濃度のガスを含む測定用のガスセル
に透過させてその透過光を対向する別の光ファイバで受
光部まで導き、ロックインアップを用いて位相敏感検波
して得られたレーザ光の2倍波検波信号または基本検波
信号を用いて高いS/N比でガス濃度を検出することが
できる。
[0003] Therefore, the present inventors have developed a new remote gas detector using an optical fiber as a transmission line. In a method utilizing this principle, a laser beam is modulated at a high frequency around a driving current of a semiconductor laser, and a laser beam having a modulated wavelength and intensity is oscillated. Further, a laser beam emitted behind the semiconductor laser by controlling the current and the temperature so that the center wavelength of the oscillation becomes the center of the gas absorption line is used for monitoring.
The stabilized laser light emitted forward is transmitted through an optical fiber to a gas cell for measurement containing a gas of unknown concentration, and the transmitted light is guided to a light receiving unit by another optical fiber facing the light source. The gas concentration can be detected at a high S / N ratio by using the double detection signal or the basic detection signal of the laser light obtained by performing phase-sensitive detection using lock-in.

【0004】ところが、ガスの孤立吸収線の1つに着目
すると、ガス雰囲気の圧力により吸収線の形状が変化
し、それに伴いガスの定量測定に用いている2倍波検波
信号も圧力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本センサを用いて濃度
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、圧力補正を行わないと、正確な濃度測定ができな
い。
However, focusing on one of the isolated absorption lines of gas, the shape of the absorption line changes depending on the pressure of the gas atmosphere, and the second-harmonic detection signal used for quantitative measurement of the gas also depends on the pressure. Has a value. Therefore, when performing concentration measurement using the present sensor in a place where the atmospheric pressure changes rapidly, such as a coal mine or a plant, accurate concentration measurement cannot be performed unless a pressure sensor is separately provided to monitor the pressure and pressure is corrected.

【0005】そこで本発明者らは、(平成3年4月26
日出願「ガス濃度測定方法及びその測定装置」)におい
て、駆動電流及び温度に応じた波長および強度のレーザ
光を発振させるレーザを用いて、このレーザの駆動電流
あるいは、温度を変化させて、波長及び強度が変調され
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なるガス雰囲
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、この検出信号から上記
雰囲気圧力下での特定のガス濃度を測定する測定方法及
びその測定装置を提案した。
Therefore, the present inventors (April 26, 1991)
In Japanese Patent Application “Gas Concentration Measuring Method and Measuring Apparatus”), using a laser that oscillates a laser beam having a wavelength and intensity corresponding to the driving current and temperature, and changing the driving current or temperature of the laser to change the wavelength And oscillates the laser light whose intensity is modulated, sweeps the center wavelength of the laser light, detects the intensity of transmitted light after passing the laser light through the gas atmosphere to be measured, and detects the intensity of the transmitted light. A method and apparatus for measuring the specific gas concentration under the above-mentioned atmospheric pressure from the detected signal by phase-sensitive detection of the specific component are proposed.

【0006】ところで、図9はレーザ光の波長と2倍波
位相検波敏感検波信号の関係を示す図である。図9にお
いて横軸はレーザ光の中心波長を示し、縦軸は2倍波位
相敏感検波信号を示す。検出ガスとしてアセチレンガス
を用い、検出ガスの吸収波長を1.532 μmとしたときの
出力信号である。この出力信号からガス信号を求めるた
めには、レーザ光の中心波長がガス吸収線近傍のときに
得られる波高値を求める。また、ガス吸収線近傍の両側
に現れる2つの極値の波長幅がガス吸収線のスペクトル
幅を示し、この値からガス雰囲気の圧力に関する情報を
得ることができる。
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the wavelength of the laser light and the second harmonic phase detection sensitive detection signal. In FIG. 9, the horizontal axis indicates the center wavelength of the laser beam, and the vertical axis indicates the second-harmonic phase-sensitive detection signal. This is an output signal when acetylene gas is used as the detection gas and the absorption wavelength of the detection gas is 1.532 μm. In order to obtain a gas signal from this output signal, a peak value obtained when the center wavelength of the laser light is near the gas absorption line is obtained. Further, the wavelength width of the two extreme values appearing on both sides near the gas absorption line indicates the spectrum width of the gas absorption line, and from this value, information on the pressure of the gas atmosphere can be obtained.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、同様の
変調条件で低濃度ガスを検出した場合、出力信号には検
出すべきガス信号の他に周期性のノイズが重畳してしま
う(図10参照)。この周期性ノイズは、光学面から出
射したレーザ光と、光学面で反射して戻り光となったレ
ーザ光とが干渉をおこして出力信号を変動させることに
より発生する。このような信号が得られると、出力信号
から波高値とスペクトル幅を得ることは困難となり、検
出精度が低下してしまう。尚、図10は低濃度ガスにお
けるレーザ光の波長として2倍波位相敏感検波信号との
関係を示す図である。
However, when a low concentration gas is detected under the same modulation condition, periodic noise is superimposed on the output signal in addition to the gas signal to be detected (see FIG. 10). . The periodic noise is generated when laser light emitted from the optical surface and laser light reflected by the optical surface and returned as light interfere with each other to fluctuate an output signal. When such a signal is obtained, it is difficult to obtain the peak value and the spectrum width from the output signal, and the detection accuracy is reduced. FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the wavelength of the laser beam in the low-concentration gas and the second-harmonic phase-sensitive detection signal.

【0008】そこで、本発明は、上記課題を解決し、戻
り光ノイズのようなガス信号を劣化させるような信号が
重畳しても正確にガス濃度測定の行えるガス濃度測定方
法及びその測定装置を提供することにある。
Accordingly, the present invention solves the above-mentioned problems, and provides a gas concentration measuring method and a gas concentration measuring method capable of accurately measuring a gas concentration even when a signal such as return light noise that degrades a gas signal is superimposed. To provide.

【0009】[0009]

【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、駆動電流及び温度に
応じた波長及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、
波長及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
定対象とするガス雰囲気中に通して得られる透過光の強
度を検出し、この検出信号中の基本波成分と2倍波成分
を位相敏感検波し、その検波信号の比をXYレコーダ
のY軸に入力すると共に、上記レーザのモニタ出力をX
YレコーダのX軸に入力して得られた波形の波高値から
上記雰囲気圧力下での特定ガスの濃度を測定するガス濃
度測定方法において、上記検波信号をFFTを用いて周
波数領域に分解し、低域フィルタにより所定の値以上の
高周波成分を除去した後、逆FFTにより波形整形し、
ノイズの除去されたガス信号とし、このガス信号の波形
からガス雰囲気の圧力とガス濃度を求め、得られた圧
力でこのガス濃度補正するものである。
In order to achieve the above object, a gas concentration measuring method according to the present invention uses a laser which oscillates a laser beam having a wavelength and intensity corresponding to a driving current and a temperature. By changing the current or temperature,
The laser beam whose wavelength and intensity are modulated is oscillated, the center wavelength of the laser beam is swept, and the intensity of transmitted light obtained by passing the laser beam through a gas atmosphere to be measured is detected. Fundamental wave component and second harmonic wave component
And a phase sensitive detector, and the ratio of the detected signal is determined by an XY recorder.
Input to the Y-axis and the monitor output of the laser
The gas concentration measuring method for measuring a concentration of a specific gas from the peak value of the waveform obtained by inputting the X-axis of the Y recorder <br/> under the atmospheric pressure, the peripheral using the FFT said detection signal
Decomposed into frequency domain, after removal of Jo Tokoro value or more high-frequency components by the low pass filter, and waveform shaped by the inverse FFT,
And removed gas signal noise, determine the pressure and gas concentration in the gas atmosphere from the waveform <br/> of the gas signal, and correct the gas concentration in the resulting pressure.

【0010】また、本発明のガス濃度測定装置は、駆動
電流及び温度に応じた波長及び強度のレーザ光を発振す
と共にその中心波長が掃引されるレーザと、測定対象
とする特定ガスを収容すると共に、そのガスの温度を一
定に保つ測定ガス用セルと、上記レーザ光をこの測定ガ
ス用セルに通して得られる透過光の強度を検出する検出
器と、この検出器からの信号中の基本波成分と2倍波成
分とを位相敏感検波するロックインアンプと、このロッ
クインアンプからの検波信号の比がY軸に入力されると
共に、上記レーザのモニタ出力がX軸に入力されると上
記特定ガスの濃度を測定するための波形を出力するXY
レコーダとを備えたガス濃度測定装置において、上記検
波信号を周波数領域に分解するFFTと、このFFTに
より分解された周波数領域から所定の値以上の高周波成
分を除去する低域フィルタと、この低域フィルタにより
所定の値以上の高周波成分が除去された検出信号を波形
再生する逆FFTと、得られた検出信号スペクトル幅
とを抽出してガス濃度を補正するFFT解析装置とを備
えたものである。
The gas concentration measuring device of the present invention oscillates a laser beam having a wavelength and intensity corresponding to a drive current and a temperature and accommodates a laser whose central wavelength is swept and a specific gas to be measured. Together with a measuring gas cell for keeping the temperature of the gas constant, a detector for detecting the intensity of transmitted light obtained by passing the laser light through the measuring gas cell, and a basic signal in the signal from the detector. Wave component and 2nd harmonic
And a lock-in amplifier that detects
When the ratio of the detection signal from the quin amplifier is input to the Y axis
In both cases, when the laser monitor output is input to the X-axis,
XY for outputting a waveform for measuring the concentration of the specific gas
In a gas concentration measurement device provided with a recorder,
FFT for decomposing a wave signal into the frequency domain, and this FFT
High frequency components equal to or higher than a predetermined value are
Low-pass filter that removes the minute and this low-pass filter
Waveform a detection signal from which high-frequency components above a specified value have been removed.
Inverse FFT to be reproduced, obtained detection signal and spectrum width
And an FFT analyzer that corrects the gas concentration by extracting

【0011】[0011]

【作用】まず、分光測定において、測定感度を向上させ
る方法として周波数変調法がある。これは周波数変調さ
れた光を、検出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他、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が得
られる。このうち、基本波成分と2倍波成分とをそれぞ
れ位相敏感検波すると、その基本波成分は吸収線に関す
る一次微分に対応し、2倍波成分は吸収線に関する二次
微分に対応する。このことから、駆動電流を変調したレ
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
検出信号からガス濃度に関する情報が得られる。
First, in spectral measurement, there is a frequency modulation method as a method for improving measurement sensitivity. This is because when the frequency-modulated light is transmitted through the atmosphere containing the gas to be detected, the detection signal of the transmitted light includes a direct current component, a fundamental wave component having the same frequency as the modulation frequency, and its harmonic components. can get. When the fundamental wave component and the second harmonic component are phase-sensitive detected, the fundamental component corresponds to the first derivative with respect to the absorption line, and the second harmonic component corresponds to the second derivative with respect to the absorption line. Thus, when the laser light whose drive current is modulated is transmitted through an atmosphere containing a specific gas and a specific component in a detection signal of the transmitted light is subjected to phase-sensitive detection, information on the gas concentration can be obtained from the detection signal.

【0012】レーザの中心光周波数に対する、ノイズを
含んだ特定成分の位相敏感検波信号をFFT(高速フー
リエ変換)を用いて周波数領域に分解し、低域フィルタ
により特定高調波成分を除去した後、逆FFTにより波
形再生し、ノイズの除去されたガス信号からガス雰囲気
の圧力とガス濃度とを求め、得られた圧力でこのガス濃
度を補正するものである。ここで、位相敏感検波とは、
特定の周波数及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。
A phase-sensitive detection signal of a specific component including noise with respect to the center optical frequency of the laser is decomposed into a frequency domain by using FFT (fast Fourier transform), and a specific harmonic component is removed by a low-pass filter. Waveform reproduction by inverse FFT and gas atmosphere from noise-free gas signal
Pressure and gas concentration, and the obtained pressure
This is to correct the degree . Here, the phase sensitive detection is
Extracting only the component having a specific frequency and phase and measuring its amplitude.

【0013】[0013]

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。尚、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説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Here, an example in which methane gas is measured using a semiconductor laser as a light source will be described.

【0014】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、発振周波数だけでな
く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は数1のよう
に表される。
When the driving current of the semiconductor laser is modulated to modulate the oscillation frequency Ω of the laser light, not only the oscillation frequency but also the oscillation intensity is modulated. Now, when the laser light whose frequency and intensity have been modulated as described above is transmitted through an atmosphere containing methane gas, a detection signal P of the transmitted light is represented by Expression 1.

【0015】[0015]

【数1】 P=A [I0 +ΔIcos(ωt+φ)] × [C0 +ΔΩ・T01cosωt +((ΔΩ)2 /4)T02cos2ωt] ただし、[Number 1] P = A [I 0 + ΔIcos (ωt + φ)] × [C 0 + ΔΩ · T 01 cosωt + ((ΔΩ) 2/4) T 02 cos2ωt] However,

【0016】[0016]

【数2】C0 =T+((ΔΩ)2 /4)・T02 である。この検出信号Pは、直流分のほか、cosωt
成分とcos2ωt成分とを含む。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。
[Number 2 is a C 0 = T + ((ΔΩ ) 2/4) · T 02. The detection signal P includes a DC component and cos ωt
Component and a cos2ωt component. Here, A is a constant depending on the reflection conditions and the like, I 0 is the central intensity of the laser output,
ΔI is intensity amplitude modulation, ω is the modulation frequency of the drive current, φ is the phase difference between ω and Ω, and ΔΩ is the frequency modulation amplitude.
T, T 01 , and T 02 are values of transmittance, Ω = Ω 0 of the first derivative dT / dΩ, and the second derivative d 2 T / dΩ 2 (where ω 0 is the center frequency of the laser). The shape is shown in FIG.

【0017】ここで、図4は周波数に対する透過率T
と、その一次微分T01、二次微分T02とを示す図であ
る。各波形において横軸は周波数であり、縦軸は透過率
T(イ)、一次微分T01(ロ)、二次微分T02(ハ)で
ある。
FIG. 4 shows the transmittance T with respect to the frequency.
FIG. 4 shows a first derivative T 01 and a second derivative T 02 . In each waveform, the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents transmittance T (a), first derivative T 01 (b), and second derivative T 02 (c).

【0018】数1におけるcosωtの周波数、位相成
分φを位相敏感検波すると、
When the frequency and phase component φ of cos ωt in equation 1 are phase-sensitive detected,

【0019】[0019]

【数3】P(2ω)=A [I0 ((ΔΩ)2 /4)T02
+ΔI・ΔΩcosφ・T01] が得られ、検波信号P(2ω)がT01およびT02に基づ
いて変化することがわかる。
Equation 3] P (2ω) = A [I 0 ((ΔΩ) 2/4) T 02
+ ΔI · ΔΩ cos φ · T 01 ], and it is understood that the detection signal P (2ω) changes based on T 01 and T 02 .

【0020】検波信号P(2ω)によりメタンガスの吸
収を検知する場合には、レーザ光の中心周波数Ω0 が、
メタンガスの吸収線の中心ω0 に一致したときに最大感
度が得られることを利用する(図4参照)。また、この
ときにはT01が「0」、T02が最大となるため、数3の
第2項は消去されて、第1項のみ残る。即ち、Ω0 =ω
0 のときのT02は、
When the absorption of methane gas is detected by the detection signal P (2ω), the center frequency Ω 0 of the laser beam is
The fact that the maximum sensitivity is obtained when the center coincides with the center ω 0 of the absorption line of methane gas is used (see FIG. 4). At this time, since T01 is "0" and T02 is the maximum, the second term of Equation 3 is deleted, and only the first term remains. That is, Ω 0 = ω
When 0 , T 02 is

【0021】[0021]

【数4】 T02(Ω0 =ω0 )=2・α(ω0 )・c・L/γ2 となる。そのため、これを数3の第1項に代入すると、[Number 4] T 02 (Ω 0 = ω 0 ) = 2 · α becomes (ω 0) · c · L / γ 2. Therefore, substituting this into the first term of Equation 3 gives

【0022】[0022]

【数5】 P(2ω)=A・I0 (ΔΩ)2 ・α(ω0 )・c・L/2γ2 =K1 α((ω0 )/γ2 )c・L となる。ここで、K1 は定数、α(ω0 )は、Ω0 =ω
0 のときのメタンガスの吸収係数、2γはガス吸収線の
半値全幅、c・Lはガス濃度cと光路長Lとの積であ
る。
P (2ω) = A · I 0 (ΔΩ) 2 · α (ω 0 ) · c · L / 2γ 2 = K 1 α ((ω 0 ) / γ 2 ) c · L Here, K 1 is a constant, and α (ω 0 ) is Ω 0 = ω
The absorption coefficient of methane gas at 0 , 2γ is the full width at half maximum of the gas absorption line, and c · L is the product of the gas concentration c and the optical path length L.

【0023】このように、検波信号P(2ω)はガス濃
度cと光路長Lとの積に比例し、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。
As described above, the detection signal P (2ω) is proportional to the product of the gas concentration c and the optical path length L, and the methane gas concentration c can be detected with extremely high sensitivity.

【0024】ところで、数5中のα(ω0 )およびγ2
は、図2に示したように、ガス雰囲気の圧力により変化
する。
By the way, α (ω 0 ) and γ 2 in the equation (5)
Varies according to the pressure of the gas atmosphere, as shown in FIG.

【0025】ここで図2は、ガスセル内の圧力に対する
吸収係数α(ω)と検波信号P(2ω)と後述する半値
全幅2γとの関係を示す図である。同図において横軸が
圧力(torr)、縦軸が吸収係数α(ω)、検波信号
P(2ω)、半値全幅2γである。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the absorption coefficient α (ω) for the pressure in the gas cell, the detection signal P (2ω), and the full width at half maximum 2γ described later. In the figure, the horizontal axis represents pressure (torr), the vertical axis represents absorption coefficient α (ω), detection signal P (2ω), and full width at half maximum 2γ.

【0026】前述した数5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。
In order to accurately measure the gas concentration according to the above formula 5, the values of α (ω 0 ) and γ 2 under the atmospheric pressure must be obtained. These accurate values can be obtained from the output waveform of the detection signal P (2ω) when the center frequency Ω 0 of the laser beam is swept before and after the methane gas absorption line.

【0027】今、レーザ光の中心周波数Ω0 を変化させ
ると、数3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、
0 、ΔΩ等であり、半導体レーザの発振条件を設定し
ておけば、定数として取り扱っても支障がない。したが
って、検波信号P(2ω)の波形は、図4の(ロ)と
(ハ)と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(図3参照)。しかし、実
際には、数3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
る半値全幅2γに相当する。こうして半値全幅2γが求
まれば、図2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2に示したP(2ω)は、数5中のα(ω
0 )/γ2 の圧力による変化であり、全圧100tor
r近傍で最大値を示している。
When the center frequency Ω 0 of the laser beam is changed, the first term of the equation (3) becomes a waveform obtained by integrating the coefficients of T 02 , and the second term of the equation becomes a waveform of a form obtained by integrating the coefficients of T 01 . The coefficient is
I 0 , ΔΩ, etc. If the oscillation conditions of the semiconductor laser are set, there is no problem even if they are treated as constants. Therefore, the waveform of the detection signal P (2ω) has a shape in which (b) and (c) in FIG. 4 are integrated with a certain coefficient, respectively, and these are added to each other (see FIG. 3). However, in practice, the first term in Equation 3 is superior to the second term,
The width of the center frequency Omega 0 between the minimum value of the minimum value and the higher wavelength side of the low-wavelength side shown in FIG. 4 (c) corresponds to the full width at half maximum 2γ in a gas atmosphere pressure. When the full width at half maximum 2γ is obtained in this manner, a pressure can be obtained based on FIG. 2, and an absorption coefficient α (ω 0 ) under the pressure can be obtained. It should be noted that P (2ω) shown in FIG.
0 ) / γ 2 due to pressure change, total pressure 100 torr
The maximum value is shown near r.

【0028】この図2から雰囲気圧力を求めるには、α
(ω0 )あるいはγのいずれか一方が分かれば、圧力が
わかり、圧力補正をした濃度の検出ができる。
In order to obtain the atmospheric pressure from FIG.
If either (ω 0 ) or γ is known, the pressure can be known, and the pressure-corrected concentration can be detected.

【0029】図1は本発明の一実施例としてのガス濃度
測定装置の概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas concentration measuring device as one embodiment of the present invention.

【0030】同図において、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、集光レンズからの戻り光をカットす
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4は半導体
レーザ1をマウントしてその温度をペルチェ素子用電源
5により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6が構成されている。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a semiconductor laser, which uses a distributed feedback laser because it is necessary to oscillate laser light of a single wavelength. Reference numeral 2 denotes an optical system for coupling the laser light from the semiconductor laser 1 to the quartz optical fiber 3a, and includes a condenser lens and an optical isolator for cutting the return light from the condenser lens. The end face of the optical system 2 is further subjected to an anti-reflection coating process to minimize return light to the semiconductor laser 1. Reference numeral 4 denotes a Peltier device for mounting the semiconductor laser 1 and controlling its temperature by a Peltier device power supply 5, and the laser module 6 is configured as described above.

【0031】7は光ファイバ3aからの光が透過する測
定ガス用セルで一定温度、未知濃度のメタンガスが含ま
れている。
Reference numeral 7 denotes a measuring gas cell through which light from the optical fiber 3a passes, and contains methane gas of a constant temperature and an unknown concentration.

【0032】3bは測定ガス用セル7を透過したレーザ
光を伝搬する復路用の石英系光ファイバ、8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。
Reference numeral 3b denotes a return optical fiber for transmitting a laser beam transmitted through the measuring gas cell 7, and reference numeral 8 denotes a photodetector comprising a pin photodiode for detecting the intensity of the laser beam from the optical fiber 3b. is there.

【0033】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。
Here, the end faces of the optical fibers 3a and 3b are
The oblique cut anti-reflection coating or the like is processed so as not to generate an interference system inside.

【0034】一方、9は周波数ωの正弦波信号を出力す
る発振器、10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、11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であり、以上に
よりレーザ駆動回路12が構成されている。
On the other hand, 9 is an oscillator for outputting a sine wave signal of frequency ω, and 10 is a signal of frequency 2ω
Is a constant current power supply for applying a bias current to the semiconductor laser 1, and the laser driving circuit 12 is configured as described above.

【0035】レーザ駆動回路12は、発振器9からの周
波数ωの正弦波信号が、定電流電源11からの出力に重
畳されて、半導体レーザ1を駆動する。また、定電流電
源11の出力側には、発振器9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、発振器9の
出力側にはコンデンサCが接続されている。
The laser drive circuit 12 drives the semiconductor laser 1 by superimposing a sine wave signal of frequency ω from the oscillator 9 on the output from the constant current power supply 11. In addition, an inductance L is connected to the output side of the constant current power supply 11 to prevent the influence of the output of the oscillator 9, and a capacitor C is connected to the output side of the oscillator 9.

【0036】13は発振器9からの正弦波信号の周波数
ωに同期して光検出器8の出力の位相敏感検波を行うロ
ックインアンプ、14は倍周器10の正弦波信号の周波
数2ωに同期して光検出器8の出力の位相敏感検波を行
うロックインアンプ、15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。
Reference numeral 13 denotes a lock-in amplifier that performs phase-sensitive detection of the output of the photodetector 8 in synchronization with the frequency ω of the sine wave signal from the oscillator 9, and 14 synchronizes with the frequency 2ω of the sine wave signal of the frequency multiplier 10. And a lock-in amplifier 15 for performing phase-sensitive detection of the output of the photodetector 8.
14 is a divider for calculating the output ratio.

【0037】一方、16は変調周波数ω成分をカットす
るローパスフィルタ、17は所定の基準電圧を発生する
基準電源、18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、ローパスフィルタ16の出力電圧の
値と基準電圧の値との差を求める減算器、23は減算器
22からの出力を増幅するアンプである。さらに、24
はアンプ19の出力をX軸に、アンプ19の出力をX軸
に、割算器15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21が構成
されている。この測定手段21にはさらに、FFT処
理,逆FFT処理及びフィルタ処理等を行なうFFT解
析装置がXYレコーダ20に接続されて設けられてい
る。
On the other hand, 16 is a low-pass filter for cutting the modulation frequency ω component, 17 is a reference power supply for generating a predetermined reference voltage, and 18 is a low-pass filter 16 for obtaining a change in the DC component of the forward voltage of the semiconductor laser 1. A subtractor 23 calculates the difference between the value of the output voltage and the value of the reference voltage, and an amplifier 23 amplifies the output from the subtractor 22. In addition, 24
Is an XY recorder that inputs and outputs the output of the amplifier 19 on the X-axis, the output of the amplifier 19 on the X-axis, and the output of the divider 15 on the Y-axis, respectively. . The measuring means 21 is further provided with an FFT analyzer for performing FFT processing, inverse FFT processing, filter processing, and the like, connected to the XY recorder 20.

【0038】次に実施例の作用を述べる。Next, the operation of the embodiment will be described.

【0039】図1において測定は、まず半導体レーザ1
に一定の発振しきい値以上の大きさの電流を定電流電源
11から供給する。このバイアス電流に発振器9により
変調周波数ωの正弦波電流を重畳し、レーザ光の周波数
及び強度を変調する。そして、ペルチェ素子4の印加電
流を可変抵抗器VRで調整して、半導体レーザ1の中心
周波数を変化させていく。
In FIG. 1, the measurement is performed first by using the semiconductor laser 1.
, A current having a magnitude equal to or larger than a predetermined oscillation threshold is supplied from the constant current power supply 11. The oscillator 9 superimposes a sine wave current having a modulation frequency ω on the bias current to modulate the frequency and intensity of the laser light. Then, the applied current of the Peltier element 4 is adjusted by the variable resistor VR to change the center frequency of the semiconductor laser 1.

【0040】このとき半導体レーザ1の中心周波数のモ
ニタが、バイアス用の基準電源17の電圧と減算器18
の出力とを増幅したアンプ19の出力値によりなされ
る。すなわち、個々の半導体レーザ1の発振周波数と順
方向抵抗成分の変化量は、再現性のある関係にある。そ
のため、中心周波数のモニタとしてアンプ19の出力を
XYレコーダ20のX軸に入力する。
At this time, the center frequency of the semiconductor laser 1 is monitored by the voltage of the bias reference power supply 17 and the subtractor 18.
The output of the amplifier 19 is obtained by amplifying the output of the amplifier 19. That is, the oscillation frequency of each semiconductor laser 1 and the amount of change in the forward resistance component have a reproducible relationship. Therefore, the output of the amplifier 19 is input to the X-axis of the XY recorder 20 as a monitor of the center frequency.

【0041】一方、半導体レーザ1から発振されたレー
ザ光は、光学系2を透過後、光ファイバ3aを介し、ガ
ス測定用セル7内のメタンガス雰囲気を透過後、光ファ
イバ3bを介して光検出器8に導かれ、そこで強度検出
される。ガス測定用セル7からの検出信号はロックイン
アップ13,14により位相敏感されて、基本波信号P
S (ω)及び2倍波検波信号PS (2ω)が得られると
共に、割算器15に入力されて、PS (2ω)/P
S (ω)をXYレコーダ20のY軸に入力する。
On the other hand, the laser light emitted from the semiconductor laser 1 passes through the optical system 2, passes through the optical fiber 3 a, passes through the methane gas atmosphere in the gas measuring cell 7, and is detected through the optical fiber 3 b. To the detector 8 where the intensity is detected. The detection signal from the gas measurement cell 7 is phase-sensitive by the lock-ups 13 and 14, and the fundamental signal P
S (ω) and the second-harmonic detection signal P S (2ω) are obtained and input to the divider 15 to obtain P S (2ω) / P
S (ω) is input to the Y-axis of the XY recorder 20.

【0042】図1に示した測定装置は高濃度ガスについ
ては従来と同様の波形が得られる(図9)。ガス濃度信
号はガス吸収線近傍での波高値から求める。波高値の両
側に現れる極値の幅から圧力を求める。信号処理部で
は、この2点間の電圧差と圧力の関係をあらかじめ記憶
しておくことで圧力が求まり、ガス濃度信号を圧力につ
いて補正できる。
The measuring apparatus shown in FIG. 1 can obtain a waveform similar to the conventional one for a high concentration gas (FIG. 9). The gas concentration signal is obtained from the peak value near the gas absorption line. The pressure is determined from the width of the extreme values that appear on both sides of the peak value. The signal processing section stores the relationship between the voltage difference between the two points and the pressure in advance to determine the pressure, and can correct the gas concentration signal with respect to the pressure.

【0043】一方、低濃度ガスについても従来と同様の
出力信号波形が得られる。しかしこのままでは、出力信
号から波高値と極値とを求めることができない。
On the other hand, an output signal waveform similar to the conventional one can be obtained for a low concentration gas. However, in this state, the peak value and the extreme value cannot be obtained from the output signal.

【0044】そこでまず、FFT解析装置22にデータ
を入力し以下の処理を行う。レーザの中心光周波数に対
する位相敏感検波信号をFFTを用いて周波数領域に分
解する(図5)。例えば256点処理のFFTアナライ
ザを用いる場合、図5の出力信号について、ガス信号の
領域より広い領域を解析対象領域とする。この解析対象
領域を256点等分割する。この領域についてX軸を時
間領域と仮定してFFT周波数解析を行う。
First, data is input to the FFT analyzer 22 and the following processing is performed. The phase sensitive detection signal corresponding to the center optical frequency of the laser is decomposed into a frequency domain using FFT (FIG. 5). For example, when a 256-point FFT analyzer is used, for the output signal of FIG. 5, a region wider than the gas signal region is set as the analysis target region. The analysis target area is divided into 256 equal parts. For this region, FFT frequency analysis is performed on the assumption that the X axis is a time region.

【0045】図5及び図6は、図9及び図10に示した
それぞれの出力波形をFFT処理して求めたパワースペ
クトル密度分布である。ノイズのない波形をみるとガス
信号のスペクトル成分が低周波領域にみられる。一方、
ノイズの重畳された波形のパワースペクトル密度をみる
と、高周波にまで分布がみられノイズによるものであ
る。そこでノイズの重畳されない波形のパワースペクト
ル密度分布と比較して図7に示すような特性を有する低
域透過フィルタ処理を行なわせる。この低域透過フィル
タはスペクトル成分「1〜8」までは係数「1」を乗じ
る。一方、「9〜128」のスペクトル成分には「0」
を乗じて除去する。その後のパワースペクトル密度分布
について逆FFTにより波形再生したのが図8である。
FIGS. 5 and 6 are power spectrum density distributions obtained by performing FFT processing on the respective output waveforms shown in FIGS. 9 and 10. Looking at the waveform without noise, the spectral components of the gas signal are seen in the low frequency region. on the other hand,
Looking at the power spectrum density of the waveform on which noise is superimposed, the distribution is seen up to high frequencies, which is due to noise. Therefore, a low-pass transmission filter process having characteristics as shown in FIG. 7 is performed in comparison with the power spectrum density distribution of a waveform on which noise is not superimposed. This low-pass filter multiplies the spectral components “1 to 8” by a coefficient “1”. On the other hand, “0” is assigned to the spectral components “9 to 128”.
To remove. FIG. 8 shows a waveform reproduction of the subsequent power spectrum density distribution by inverse FFT.

【0046】以上において本実施例によれば、検波信号
から所定の値以上の高周波成分を除去してガス信号と
し、このガス信号からガス雰囲気の圧力とガス濃度信号
を測定し、このガス濃度信号を圧力補正してガスの濃度
を測定するので、戻り光ノイズのようなガス信号を劣化
させるような信号が重畳しても正確にガス濃度を測定す
ることができる。
As described above, according to the present embodiment, a high-frequency component having a predetermined value or more is removed from the detection signal to obtain a gas signal. From this gas signal, the pressure of the gas atmosphere and the gas concentration signal are measured. since measuring the concentration of pressure compensation to gas, be superimposed by UNA signal gas signal Ru degrades <br/> such as return light noise can be accurately measured gas concentration.

【0047】なお、今回のケースで用いた低域透過フィ
ルタは、N=9以上のスペクトル成分を除去したが、F
FT対象とする波長領域の幅、FFT処理の処理点数が
変われば当然この値も変わる。この値の設定方法として
はあらかじめ測定対象となる波長領域の始点と終点を決
め、高い濃度におけるFFT処理によるスペクトル密度
分布からNの値を求める。また、本実施例ではガスにメ
タンガスを用いたが、これに限定されずアセチレンガス
等他のガスを用いてもよい。
Note that the low-pass filter used in this case removed the spectral components of N = 9 or more.
This value naturally changes if the width of the wavelength region to be subjected to FT and the number of processing points of the FFT process change. As a setting method of this value, the start point and the end point of the wavelength region to be measured are determined in advance, and the value of N is obtained from the spectral density distribution by the FFT processing at a high density. Further, in this embodiment, methane gas is used as the gas, but the gas is not limited to this, and another gas such as acetylene gas may be used.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。
In summary, according to the present invention, the following excellent effects are exhibited.

【0049】(1)ガス信号を劣化させるようなノイズ
が重畳しても正確なガス濃度を測定することができる。
(1) Accurate gas concentration can be measured even when noise that deteriorates the gas signal is superimposed.

【0050】(2)低濃度ガス測定におけるSN比が向
上する。
(2) The SN ratio in low concentration gas measurement is improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例としてのガス濃度測定装置の
概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas concentration measuring device as one embodiment of the present invention.

【図2】図1に示したガス濃度測定装置に用いられるセ
ル内の圧力に対する吸収係数α(ω)と検波信号P(2
ω)と半値幅2γとの関係を示す図である。
FIG. 2 shows an absorption coefficient α (ω) and a detection signal P (2) with respect to pressure in a cell used in the gas concentration measuring device shown in FIG.
FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between ω) and a half width 2γ.

【図3】図1に示したガス濃度測定装置に用いられたX
Yレコーダにより得られた出力波形の一部を示す図であ
る。
FIG. 3 shows X used in the gas concentration measuring device shown in FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating a part of an output waveform obtained by a Y recorder.

【図4】周波数に対する透過率Tと、その一次微分
01、二次微分T02とを示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a transmittance T with respect to a frequency, and a first derivative T 01 and a second derivative T 02 thereof;

【図5】図10に示した出力波形を図1に示した測定装
置によりFFT処理して求めたパワースペクトル密度分
布である。
5 is a power spectrum density distribution obtained by performing an FFT process on the output waveform shown in FIG. 10 by the measuring apparatus shown in FIG. 1;

【図6】図9に示した波形を図1に示した測定装置によ
りFFT処理したときのパワースペクトル密度分布であ
る。
FIG. 6 is a power spectrum density distribution when the waveform shown in FIG. 9 is subjected to FFT processing by the measuring apparatus shown in FIG. 1;

【図7】図1に示した測定装置に用いられるFFT解析
装置内のフィルタの特性を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing characteristics of a filter in an FFT analyzer used in the measuring device shown in FIG.

【図8】図5に示したパワースペクトル密度分布につい
て、図1に示した測定装置に用いられるFFT解析装置
により逆FFTを行って再生した波形を示す図である。
8 is a diagram illustrating a waveform reproduced by performing an inverse FFT on the power spectrum density distribution illustrated in FIG. 5 by an FFT analyzer used in the measurement apparatus illustrated in FIG. 1;

【図9】高濃度ガスにおけるレーザ光の波長と2倍波位
相敏感検波信号との関係を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between the wavelength of a laser beam in a high-concentration gas and a second-harmonic phase-sensitive detection signal.

【図10】低濃度ガスにおけるレーザ光の波長と2倍波
位相敏感検波信号との関係を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between a wavelength of a laser beam and a second-harmonic phase-sensitive detection signal in a low-concentration gas.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体レーザ 2 光学系 3a、3b 光ファイバ 4 ペルチェ素子 5 ペルチェ素子用電源 6 レーザモジュール 7 測定ガス用セル 8 光検出器 9 発振器 10 倍周器 11 定電流電源 12 レーザ駆動回路 13、14 ロックインアンプ 15 割算器 16 ローパスフィルタ 17 基準電源 18 減算器 19 アンプ 20 XYレコーダ 21 測定手段 22 FFT解析装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor laser 2 Optical system 3a, 3b Optical fiber 4 Peltier element 5 Peltier element power supply 6 Laser module 7 Measurement gas cell 8 Photodetector 9 Oscillator 10 Multiplier 11 Constant current power supply 12 Laser drive circuit 13, 14 Lock-in Amplifier 15 Divider 16 Low-pass filter 17 Reference power supply 18 Subtractor 19 Amplifier 20 XY recorder 21 Measurement means 22 FFT analyzer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 昌彦 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社オプトロシステム研究所 内 (56)参考文献 特開 平3−277945(JP,A) 特開 平3−505782(JP,A) 特開 昭63−78053(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Masahiko Uchida 5-1-1 Hidaka-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Nippon Electric Cable Co., Ltd. Opto-System Laboratories (56) References JP-A-3-277945 ( JP, A) JP-A-3-505782 (JP, A) JP-A-63-78053 (JP, A)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 駆動電流及び温度に応じた波長及び強度
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、波長及び強度が変調さ
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ガス雰囲
気中に通して得られる透過光の強度を検出し、この検出
信号中の基本波成分と2倍波成分とを位相敏感検波し、
その検波信号の比をXYレコーダのY軸に入力すると共
に、上記レーザのモニタ出力をXYレコーダのX軸に入
力して得られた波形の波高値から上記雰囲気圧力下での
特定ガスの濃度を測定するガス濃度測定方法において、
上記検波信号をFFTを用いて周波数領域に分解し、低
域フィルタにより所定の値以上の高周波成分を除去した
後、逆FFTにより波形整形し、ノイズの除去されたガ
ス信号とし、このガス信号の波形からガス雰囲気の圧力
とガス濃度を求め、得られた圧力でこのガス濃度
することを特徴とするガス濃度測定方法。
1. A laser which oscillates a laser beam having a wavelength and an intensity corresponding to a drive current and a temperature, and oscillates a laser beam having a wavelength and an intensity modulated by changing the drive current or the temperature of the laser. The central wavelength of the laser light is swept, the intensity of the transmitted light obtained by passing the laser light through the gas atmosphere to be measured is detected, and the fundamental wave component and the second harmonic component in the detection signal are phase-shifted. Sensitive detection
When the ratio of the detected signal is input to the Y-axis of the XY recorder,
Then, input the monitor output of the laser to the X-axis of the XY recorder.
In a gas concentration measuring method for measuring the concentration of a specific gas under the above-mentioned atmospheric pressure from the peak value of the waveform obtained by applying force ,
The detected signal is decomposed into the frequency domain using FFT,
It was removed Jo Tokoro value or more high-frequency components by-pass filter
After, waveform shaping by the inverse FFT, and gas <br/> scan signal removed of noise from this waveform of the gas signal calculated the pressure and gas concentration in the gas atmosphere, complement the gas concentration in the resulting pressure <br/> A gas concentration measuring method characterized by correcting.
【請求項2】 駆動電流及び温度に応じた波長及び強度
のレーザ光を発振すると共にその中心波長が掃引される
レーザと、測定対象とする特定ガスを収容すると共に、
そのガスの温度を一定に保つ測定ガス用セルと、上記レ
ーザ光をこの測定ガス用セルに通して得られる透過光の
強度を検出する検出器と、この検出器からの信号中の
本波成分と2倍波成分とを位相敏感検波するロックイン
アンプと、このロックインアンプからの検波信号の比が
Y軸に入力されると共に、上記レーザのモニタ出力がX
軸に入力されると上記特定ガスの濃度を測定するための
波形を出力するXYレコーダとを備えたガス濃度測定装
置において、上記検波信号を周波数領域に分解するFF
Tと、このFFTにより分解された周波数領域から所定
の値以上の高周波成分を除去する低域フィルタと、この
低域フィルタにより所定の値以上の高周波成分が除去さ
れた検出信号を波形再生する逆FFTと、得られた検出
信号スペクトル幅とを抽出してガス濃度を補正する
FT解析装置とを備えたことを特徴とするガス濃度測定
装置。
2. A laser which oscillates a laser beam having a wavelength and intensity corresponding to a drive current and a temperature and has a center wavelength swept , and a specific gas to be measured is accommodated.
A measuring gas cell for keeping the temperature of the gas constant, a detector for detecting the intensity of transmitted light obtained by passing the laser beam through the measuring gas cell, and a base in a signal from the detector.
Lock-in for phase sensitive detection of main wave component and second harmonic component
The ratio between the amplifier and the detection signal from this lock-in amplifier is
Input to the Y-axis, and monitor output of the laser is X
When input to the axis, it is used to measure the concentration of the specified gas.
The gas concentration measuring apparatus and an XY recorder for outputting a waveform, decomposing the detection wave signal to the frequency domain FF
T and predetermined from the frequency domain decomposed by this FFT
And a low-pass filter that removes high-frequency components
The low-pass filter removes high-frequency components above a certain value.
And inverse FFT to the detection signal waveform reproduced which extracts the detection signal obtained with a spectral width correcting the gas concentration F
A gas concentration measurement device comprising an FT analysis device.
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