JP3051808B2 - ガス濃度測定装置 - Google Patents
ガス濃度測定装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、メタンガスや炭酸ガ
スなどのような特定のガスの濃度を光吸収スペクトル特
性を用いて高精度に測定するガス検出器において用いら
れるガス濃度測定装置に関するものである。
スなどのような特定のガスの濃度を光吸収スペクトル特
性を用いて高精度に測定するガス検出器において用いら
れるガス濃度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】気体状のガス分子にはそれぞれ固有の光
吸収スペクトルが有ることが知られており、光源として
半導体レーザを用いたガス検出器は１９６５年ムーア
（Ｃ．Ｂ．Ｍｏｏｒｅ）によって初めて考案された。こ
の原理を簡単に以下に述べる。ガスの吸収特性の模式図
を図３に示す。ここで、吸収線の中心の周波数ｆc にお
ける減衰量はガスの濃度に比例する。したがって、ｆc
の発振周波数をもつ半導体レーザ光を作り、ガスに照射
し、その減衰量を測定し適当な係数を掛けることでガス
の濃度を推定することができる。
吸収スペクトルが有ることが知られており、光源として
半導体レーザを用いたガス検出器は１９６５年ムーア
（Ｃ．Ｂ．Ｍｏｏｒｅ）によって初めて考案された。こ
の原理を簡単に以下に述べる。ガスの吸収特性の模式図
を図３に示す。ここで、吸収線の中心の周波数ｆc にお
ける減衰量はガスの濃度に比例する。したがって、ｆc
の発振周波数をもつ半導体レーザ光を作り、ガスに照射
し、その減衰量を測定し適当な係数を掛けることでガス
の濃度を推定することができる。
【０００３】この原理を発展させたものとして２波長差
分方式及び周波数変調方式があり、これらの方式が現在
では主流となっている。２波長差分方式についての詳細
な説明及び実験結果は、 ・K.Uehara: Appl.Phys.B,Vol.38,No.1,pp.37-40,1985. ・田井秀男、山本和成、阿部健、植木孝、田中弘明、上
原喜代治：計測自動制御学会論文集２４，pp.452-458,1
988. ・田井秀男、田中弘明、上原喜代治：光学,Vol.19,No.
4,pp.238-244,1990. に開示されている。また、周波数変調方式についての詳
細な説明及び実験結果は、 ・D.T.Cassidy: Appl.Opt.,Vol.27,No.3,pp.610-614,1
988. ・田井秀男、松浦正行、田中弘明、上原喜代治：光学,V
ol.19,No.9,pp.616-619,1990. に開示されている。初めに、２波長差分方式について説
明し、その後、本発明に関わる周波数変調方式について
説明する。
分方式及び周波数変調方式があり、これらの方式が現在
では主流となっている。２波長差分方式についての詳細
な説明及び実験結果は、 ・K.Uehara: Appl.Phys.B,Vol.38,No.1,pp.37-40,1985. ・田井秀男、山本和成、阿部健、植木孝、田中弘明、上
原喜代治：計測自動制御学会論文集２４，pp.452-458,1
988. ・田井秀男、田中弘明、上原喜代治：光学,Vol.19,No.
4,pp.238-244,1990. に開示されている。また、周波数変調方式についての詳
細な説明及び実験結果は、 ・D.T.Cassidy: Appl.Opt.,Vol.27,No.3,pp.610-614,1
988. ・田井秀男、松浦正行、田中弘明、上原喜代治：光学,V
ol.19,No.9,pp.616-619,1990. に開示されている。初めに、２波長差分方式について説
明し、その後、本発明に関わる周波数変調方式について
説明する。
【０００４】２波長差分方式を用いたガス検出器のブロ
ック図を図８に示す。ここで半導体レーザ11から受光部
14までの距離は任意の長さのガスセル12で測定出来るよ
うに可変となっている。したがって、距離が長くなると
レーザ光が発散して減衰することにより受光レンズ13で
集光し受光部14で受ける信号のレベルが小さくなり、そ
の結果、ガス濃度測定装置15はガスの濃度が増えたもの
と見積もってしまう。ここで述べているのは、半導体レ
ーザ11から受光部14までの距離に関してであり、ガスセ
ル12の長さに比例して見掛け上の減衰量も大きくなる
が、この量はガスセル12の長さで割ることでキャンセル
できる。この距離による影響を無くすために、実際に
は、吸収線の中心のｆc と吸収線の無いｆr の発振周波
数をもつ二つのレーザ光をガスに照射して、その比に適
当な比例定数を掛け濃度に換算する。この２波長差分方
式で問題となるのは、半導体レーザ11の発振周波数はＴ
Ｈzオーダの信号であり複雑な信号処理を行えないとい
うことである。また、安定して２波長の信号を生成する
のは非常に難しいという点である。
ック図を図８に示す。ここで半導体レーザ11から受光部
14までの距離は任意の長さのガスセル12で測定出来るよ
うに可変となっている。したがって、距離が長くなると
レーザ光が発散して減衰することにより受光レンズ13で
集光し受光部14で受ける信号のレベルが小さくなり、そ
の結果、ガス濃度測定装置15はガスの濃度が増えたもの
と見積もってしまう。ここで述べているのは、半導体レ
ーザ11から受光部14までの距離に関してであり、ガスセ
ル12の長さに比例して見掛け上の減衰量も大きくなる
が、この量はガスセル12の長さで割ることでキャンセル
できる。この距離による影響を無くすために、実際に
は、吸収線の中心のｆc と吸収線の無いｆr の発振周波
数をもつ二つのレーザ光をガスに照射して、その比に適
当な比例定数を掛け濃度に換算する。この２波長差分方
式で問題となるのは、半導体レーザ11の発振周波数はＴ
Ｈzオーダの信号であり複雑な信号処理を行えないとい
うことである。また、安定して２波長の信号を生成する
のは非常に難しいという点である。
【０００５】この問題を解決するために考案されたのが
次に述べる周波数変調方式であり、数ｋＨz のベースバ
ンド領域で信号処理を行うことが可能となる。図４に周
波数変調方式の原理図を示す。中心周波数ｆc 、変調周
波数ｆm で半導体レーザの出力を周波数変調し、対象と
なるガスに照射する。ガスの吸収線は離調周波数に対し
てほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器
の役割を果たし受光部では変調周波数ｆm の２倍の周波
数の信号（２倍波）が得られる。ここで、変調周波数ｆ
m は任意の周波数でよいので、たとえば、数ｋＨz 程度
に選ぶとディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）または汎用
のプロセッサを用い高度な信号処理が可能となる。２波
長差分方式の説明で述べたことと同様に周波数変調方式
で距離の影響をキャンセルするためには、半導体レーザ
の出力を周波数変調を行うと同時に周波数ｆm で振幅変
調を行えばよいのであるが、半導体レーザの出力に周波
数変調を掛けると振幅変調も掛かるので、丁度これが利
用できる。そして、受光部でエンベロープ検波を行うこ
とで振幅変調による基本波を推定でき、この基本波の振
幅と前記２倍波の振幅の比を位相同期させて取ること
で、距離に関係なくガス濃度に比例した値を得ることが
できる。
次に述べる周波数変調方式であり、数ｋＨz のベースバ
ンド領域で信号処理を行うことが可能となる。図４に周
波数変調方式の原理図を示す。中心周波数ｆc 、変調周
波数ｆm で半導体レーザの出力を周波数変調し、対象と
なるガスに照射する。ガスの吸収線は離調周波数に対し
てほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器
の役割を果たし受光部では変調周波数ｆm の２倍の周波
数の信号（２倍波）が得られる。ここで、変調周波数ｆ
m は任意の周波数でよいので、たとえば、数ｋＨz 程度
に選ぶとディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）または汎用
のプロセッサを用い高度な信号処理が可能となる。２波
長差分方式の説明で述べたことと同様に周波数変調方式
で距離の影響をキャンセルするためには、半導体レーザ
の出力を周波数変調を行うと同時に周波数ｆm で振幅変
調を行えばよいのであるが、半導体レーザの出力に周波
数変調を掛けると振幅変調も掛かるので、丁度これが利
用できる。そして、受光部でエンベロープ検波を行うこ
とで振幅変調による基本波を推定でき、この基本波の振
幅と前記２倍波の振幅の比を位相同期させて取ること
で、距離に関係なくガス濃度に比例した値を得ることが
できる。
【０００６】ここで、実際には、図５に示すように、半
導体レーザの特性は様々な歪みを持っているので、前記
振幅は、ガウス平面で考えた場合、真円ではなく楕円と
か卵型とか、あるいは凸状であるが対称性の無い形状
（以後、楕円と総称する。）の半径となる。すなわち、
１点のみの周波数を抽出するための帯域幅無限小のバン
ドパスフィルターは実現不可能なので、前記歪みが基本
波及び２倍波に含まれてしまい楕円となる。従って、正
確にガスの濃度を推定しようとした場合、楕円の特性に
より生じるオフセット値が生じないように位相を同期さ
せ振幅値が最大あるいは最小となるように位相を調整す
る必要がある。
導体レーザの特性は様々な歪みを持っているので、前記
振幅は、ガウス平面で考えた場合、真円ではなく楕円と
か卵型とか、あるいは凸状であるが対称性の無い形状
（以後、楕円と総称する。）の半径となる。すなわち、
１点のみの周波数を抽出するための帯域幅無限小のバン
ドパスフィルターは実現不可能なので、前記歪みが基本
波及び２倍波に含まれてしまい楕円となる。従って、正
確にガスの濃度を推定しようとした場合、楕円の特性に
より生じるオフセット値が生じないように位相を同期さ
せ振幅値が最大あるいは最小となるように位相を調整す
る必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】この周波数変調方式の
ガス検出器で用いられる従来のガス濃度測定装置は位相
同期式であり、その問題点は、位相同期を行うためにガ
ス濃度を推定する前に周波数変調による振幅が最大にな
るように位相を手動で少しずつずらしながら最大点また
は最小点を見つけなければならないということである。
現在この調整のために数分の時間が必要である。また、
位相同期を行うためには周波数の等しい信号をレファレ
ンスとして半導体レーザの変調部からガス濃度測定処理
部に持ってくる必要がある。そして、位相情報を処理す
る等の複雑な処理を行わなければならない。
ガス検出器で用いられる従来のガス濃度測定装置は位相
同期式であり、その問題点は、位相同期を行うためにガ
ス濃度を推定する前に周波数変調による振幅が最大にな
るように位相を手動で少しずつずらしながら最大点また
は最小点を見つけなければならないということである。
現在この調整のために数分の時間が必要である。また、
位相同期を行うためには周波数の等しい信号をレファレ
ンスとして半導体レーザの変調部からガス濃度測定処理
部に持ってくる必要がある。そして、位相情報を処理す
る等の複雑な処理を行わなければならない。
【０００８】本発明の目的は、周波数変調方式を用いる
のであるが、従来のように位相同期のための校正を行わ
なくても済み、また、情報処理が複雑でないため安価な
低速のＤＳＰあるいは安価な汎用のプロセッサの使用で
実現できるガス濃度測定装置を提供することである。
のであるが、従来のように位相同期のための校正を行わ
なくても済み、また、情報処理が複雑でないため安価な
低速のＤＳＰあるいは安価な汎用のプロセッサの使用で
実現できるガス濃度測定装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】ガスの濃度を測定あるい
は推定する場合に必要となるパラメータは、被測定ガス
の吸収特性を帯びた光信号を受光器で検出し、得られた
電気信号がもつ基本波、すなわち、ガスセル（被測定ガ
ス）に向けて入射された半導体レーザ光を周波数変調す
るのに用いた周波数（ｆｍ）の基本波の信号成分と、被
測定ガスの吸収特性により励起された、基本波の２倍の
周波数（２ｆｍ）をもつ２倍波の信号成分との振幅比で
ある。しかしながら、現実には、様々な要因により目的
とする信号に歪みが含まれるため、基本波及び２倍波の
位相が変化すると前記振幅比は変化する。前記歪みは、
白色雑音のように平均化を行うだけでは取り除くことが
できないものであり、正確に振幅を求めることは不可能
である。
は推定する場合に必要となるパラメータは、被測定ガス
の吸収特性を帯びた光信号を受光器で検出し、得られた
電気信号がもつ基本波、すなわち、ガスセル（被測定ガ
ス）に向けて入射された半導体レーザ光を周波数変調す
るのに用いた周波数（ｆｍ）の基本波の信号成分と、被
測定ガスの吸収特性により励起された、基本波の２倍の
周波数（２ｆｍ）をもつ２倍波の信号成分との振幅比で
ある。しかしながら、現実には、様々な要因により目的
とする信号に歪みが含まれるため、基本波及び２倍波の
位相が変化すると前記振幅比は変化する。前記歪みは、
白色雑音のように平均化を行うだけでは取り除くことが
できないものであり、正確に振幅を求めることは不可能
である。
【００１０】実験の結果、目的とする信号に含まれる歪
みは周期的であり、ガウス平面上でみると基本波及び２
倍波の軌跡は楕円軌道となることが分かった。そこで、
本発明ではガスの濃度の測度を振幅比ではなくガウス平
面上の楕円の面積比とした。この面積比を用いれば、位
相に関係なく面積比は一定であるので、従来のように基
本波及び２倍波の同相成分に対して振幅が最大（最小）
となるように手動で調整を行い、位相そのものを同期さ
せる必要はない。この発明では、検出された信号の同相
成分と直交成分とから振幅を求め、さらに疑似面積を求
めることができるような信号処理部を備えるようにし
た。
みは周期的であり、ガウス平面上でみると基本波及び２
倍波の軌跡は楕円軌道となることが分かった。そこで、
本発明ではガスの濃度の測度を振幅比ではなくガウス平
面上の楕円の面積比とした。この面積比を用いれば、位
相に関係なく面積比は一定であるので、従来のように基
本波及び２倍波の同相成分に対して振幅が最大（最小）
となるように手動で調整を行い、位相そのものを同期さ
せる必要はない。この発明では、検出された信号の同相
成分と直交成分とから振幅を求め、さらに疑似面積を求
めることができるような信号処理部を備えるようにし
た。
【００１１】本発明の基本構成は図１（後に詳述する）
に示すように位相を少しずつずらしながら直交変調を、
基本波信号と２倍波信号それぞれに掛けることとし、同
相と直交との二つの成分をもつ信号（都合四つの信号）
を得るようにし、それぞれを積分した後に、二乗和を求
めて、再び積分し信号Ａと信号Ｂとを得るようにしたも
のである。該信号Ａ，Ｂはそれぞれが基本波及び２倍波
をガウス平面で表した場合の面積の測度となる。二つの
信号の比Ｂ／Ａは被測定ガスの濃度を表す測度であるこ
とを、次に説明する。
に示すように位相を少しずつずらしながら直交変調を、
基本波信号と２倍波信号それぞれに掛けることとし、同
相と直交との二つの成分をもつ信号（都合四つの信号）
を得るようにし、それぞれを積分した後に、二乗和を求
めて、再び積分し信号Ａと信号Ｂとを得るようにしたも
のである。該信号Ａ，Ｂはそれぞれが基本波及び２倍波
をガウス平面で表した場合の面積の測度となる。二つの
信号の比Ｂ／Ａは被測定ガスの濃度を表す測度であるこ
とを、次に説明する。
【００１２】
【作用】この信号処理の原理について基本波の振幅推定
を例として詳細に説明する。入力信号を、
を例として詳細に説明する。入力信号を、
【００１３】
【数１】
【００１４】と仮定する。ここで、ωm は基本波の角周
波数でωm ＝２πｆm 、φは初期位相、ａは振幅、ｎ
(t) は外部からの雑音であり、ωm のみ既知とする。数
１で我々が求めなければならないパラメータは振幅ａで
ある。まず、ベースバンド信号にするために入力信号ｘ
(t) に角周波数ωm で直交変調を行うと、
波数でωm ＝２πｆm 、φは初期位相、ａは振幅、ｎ
(t) は外部からの雑音であり、ωm のみ既知とする。数
１で我々が求めなければならないパラメータは振幅ａで
ある。まず、ベースバンド信号にするために入力信号ｘ
(t) に角周波数ωm で直交変調を行うと、
【００１５】
【数２】
【００１６】となる。数２の第２項は、白色雑音を周波
数推移させた項と考えることができるので、ｕ(t) を平
均化することで無視できる程度に小さくできる。すなわ
ち、
数推移させた項と考えることができるので、ｕ(t) を平
均化することで無視できる程度に小さくできる。すなわ
ち、
【００１７】
【数３】
【００１８】なお、本発明のガス濃度測定装置では、実
際の処理としては、後に述べるように、基本波と２倍波
の振幅の比をとるので、平均化の処理は行わない。数３
の結果を極座標で表すと、
際の処理としては、後に述べるように、基本波と２倍波
の振幅の比をとるので、平均化の処理は行わない。数３
の結果を極座標で表すと、
【００１９】
【数４】
【００２０】となる。この数４の第１項は同相成分、第
２項は直交成分と呼ばれる。したがって、数４から振幅
ａを抽出するには同相及び直交成分をそれぞれ二乗して
加算し、さらに、平方根をとればよい。すなわち、ノル
ム演算を行えばよい。
２項は直交成分と呼ばれる。したがって、数４から振幅
ａを抽出するには同相及び直交成分をそれぞれ二乗して
加算し、さらに、平方根をとればよい。すなわち、ノル
ム演算を行えばよい。
【００２１】
【数５】
【００２２】ここで、直交変調部の位相を０から２πに
わたって変化させ、それぞれの角度に対する振幅を求め
て、それぞれの振幅を加算すると、楕円の面積と近似的
に等価な疑似面積が求められる。図１に示されるよう
に、上記の操作を基本波の角周波数ωm と２倍波の角周
波数２ωm にとり、得られる疑似面積の比を求めること
でガスの濃度に比例した値を得ることができる。
わたって変化させ、それぞれの角度に対する振幅を求め
て、それぞれの振幅を加算すると、楕円の面積と近似的
に等価な疑似面積が求められる。図１に示されるよう
に、上記の操作を基本波の角周波数ωm と２倍波の角周
波数２ωm にとり、得られる疑似面積の比を求めること
でガスの濃度に比例した値を得ることができる。
【００２３】
【実施例】図１に基づいて第１の実施例について説明す
る。基本波とその周波数の２倍の周波数を含む検出器の
信号である受信信号が、二つの直交変調部３，４に入力
される。基本波直交変調部３には基本波の角周波数ωm
の、また、２倍波直交変調部４には基本波の２倍の角周
波数２ωm の位相が順次増加する余弦波信号が加えられ
ている。前記位相は、０〜２πの範囲で位相信号発生部
６により順次段階的に増加される。本実施例では、位相
を０〜２πの範囲で順次段階的に増加させるようにして
いるが、減少させるようにしてもよく、要は０〜２πの
範囲にわたって順次変化させればよい。
る。基本波とその周波数の２倍の周波数を含む検出器の
信号である受信信号が、二つの直交変調部３，４に入力
される。基本波直交変調部３には基本波の角周波数ωm
の、また、２倍波直交変調部４には基本波の２倍の角周
波数２ωm の位相が順次増加する余弦波信号が加えられ
ている。前記位相は、０〜２πの範囲で位相信号発生部
６により順次段階的に増加される。本実施例では、位相
を０〜２πの範囲で順次段階的に増加させるようにして
いるが、減少させるようにしてもよく、要は０〜２πの
範囲にわたって順次変化させればよい。
【００２４】前記余弦波信号から位相遅延器33,43 によ
り正弦波信号がつくられ、基本波信号及び２倍波信号と
それらの余弦波信号及び正弦波信号がそれぞれ乗算器3
1,32,41,42 で乗算される。この結果、基本波直交変調
部３からは前記数２の右辺の二つの項で記述される二つ
の信号が得られ、次の積分部５の積分器51,52,53,54
で、それぞれが積分され、前記数４で示される信号が、
それぞれの同相及び直交成分について得られる。積分部
５からの二つの信号は、二乗和演算部７に加えられ、乗
算器71,72,73,74 で二乗され、加算器75,76 で加算され
る。さらに、この信号は面積抽出部８で演算されること
で、数５で示される振幅を位相を段階的にずらしながら
加算することになりガウス平面における面積に相当する
信号が除算部10への第１の信号（分母となる信号）とさ
れる。
り正弦波信号がつくられ、基本波信号及び２倍波信号と
それらの余弦波信号及び正弦波信号がそれぞれ乗算器3
1,32,41,42 で乗算される。この結果、基本波直交変調
部３からは前記数２の右辺の二つの項で記述される二つ
の信号が得られ、次の積分部５の積分器51,52,53,54
で、それぞれが積分され、前記数４で示される信号が、
それぞれの同相及び直交成分について得られる。積分部
５からの二つの信号は、二乗和演算部７に加えられ、乗
算器71,72,73,74 で二乗され、加算器75,76 で加算され
る。さらに、この信号は面積抽出部８で演算されること
で、数５で示される振幅を位相を段階的にずらしながら
加算することになりガウス平面における面積に相当する
信号が除算部10への第１の信号（分母となる信号）とさ
れる。
【００２５】２倍波についても数２ないし数５において
角周波数ωm を２ωm とした演算処理がそれぞれ２倍波
直交変調部４、積分部５、二乗和演算部７、面積抽出部
８で行われて、除算部10への第２の信号（分子となる信
号）が得られる。除算部10では両信号の比Ｂ／Ａが得ら
れ、この出力がガス濃度に比例する推定値とされる。
角周波数ωm を２ωm とした演算処理がそれぞれ２倍波
直交変調部４、積分部５、二乗和演算部７、面積抽出部
８で行われて、除算部10への第２の信号（分子となる信
号）が得られる。除算部10では両信号の比Ｂ／Ａが得ら
れ、この出力がガス濃度に比例する推定値とされる。
【００２６】なお、Ａの値が前もって測定され、かつ、
半導体レーザ11から受光部14までの距離が固定となって
いれば、Ａを都度測定する必要はないので、Ａを求める
側の、第１の余弦波信号発生部１、基本波直交変調部
３、積分部５、二乗和演算部７、及び面積抽出部８は不
要であり、除算部10に前記測定されたＡを入力しておけ
ばよい。また、図１では積分部５の積分器51,52,53,54
と二乗和演算部７の乗算器71,72,73,74 とは各信号毎に
設けてあるが、メモリ又はレジスタを備えればこれらの
演算は一つの積分器及び乗算器で時分割で実施すること
も可能である。要は、作用のところで述べた数２ないし
数５の演算が行えればよい。
半導体レーザ11から受光部14までの距離が固定となって
いれば、Ａを都度測定する必要はないので、Ａを求める
側の、第１の余弦波信号発生部１、基本波直交変調部
３、積分部５、二乗和演算部７、及び面積抽出部８は不
要であり、除算部10に前記測定されたＡを入力しておけ
ばよい。また、図１では積分部５の積分器51,52,53,54
と二乗和演算部７の乗算器71,72,73,74 とは各信号毎に
設けてあるが、メモリ又はレジスタを備えればこれらの
演算は一つの積分器及び乗算器で時分割で実施すること
も可能である。要は、作用のところで述べた数２ないし
数５の演算が行えればよい。
【００２７】図２に第２の実施例の構成を示す。第１の
実施例（図１）との違いは面積抽出部８での演算処理で
ある。前記信号Ａ、Ｂに相当する疑似面積を、基本波に
ついては図６に示されるように半径ａn（ n＝１，２，
・・・Ｎ）を用いて、
実施例（図１）との違いは面積抽出部８での演算処理で
ある。前記信号Ａ、Ｂに相当する疑似面積を、基本波に
ついては図６に示されるように半径ａn（ n＝１，２，
・・・Ｎ）を用いて、
【００２８】
【数６】
【００２９】として、面積抽出部８で算出している。こ
こで、初期位相は非同期方式なのでガウス平面上のどこ
かは分からないが、基点とする点を位相角０とみなすこ
とで、数６を初期位相にかかわりなく用いることができ
る。また、２倍波は、前記Ｎは２πではなく４πにおけ
る指標となる。
こで、初期位相は非同期方式なのでガウス平面上のどこ
かは分からないが、基点とする点を位相角０とみなすこ
とで、数６を初期位相にかかわりなく用いることができ
る。また、２倍波は、前記Ｎは２πではなく４πにおけ
る指標となる。
【００３０】検出ガスとしてメタンガスを選択した場合
の実施例を以下に述べる。図７に本発明のガス濃度測定
装置を用いたガス検出器のブロック図を示す。この図で
半導体レーザ11はメタンガスの吸収線に中心周波数をも
つ波長1653.8nmのレーザである。このガス検出器では、
レーザ自身から生じる２倍波歪みをキャンセルするため
にフィードバック制御を行っている。また、周波数変調
の変調周波数を32.5kHz として変調指数を20％に設定し
た。演算処理部は、テキサス・インスツルメンツ社のＤ
ＳＰ（TMS320C25 ）を用い、マスタークロックは50MHz
、サンプリングレートは260kHzである。
の実施例を以下に述べる。図７に本発明のガス濃度測定
装置を用いたガス検出器のブロック図を示す。この図で
半導体レーザ11はメタンガスの吸収線に中心周波数をも
つ波長1653.8nmのレーザである。このガス検出器では、
レーザ自身から生じる２倍波歪みをキャンセルするため
にフィードバック制御を行っている。また、周波数変調
の変調周波数を32.5kHz として変調指数を20％に設定し
た。演算処理部は、テキサス・インスツルメンツ社のＤ
ＳＰ（TMS320C25 ）を用い、マスタークロックは50MHz
、サンプリングレートは260kHzである。
【００３１】
【発明の効果】本発明の構成によると、基本波と２倍波
の振幅をそれぞれの同相成分と直交成分とから演算によ
り求め、さらに、位相を変化させながら加算すること等
によりガウス平面上の疑似面積Ａ，Ｂを求めている。そ
の後、信号Ｂと信号Ａとの比を求めて、被測定ガスの濃
度を推定するものとしたから、位相同期の手動調整を必
要とせずにガス濃度測定を行うことができる。また、直
交変調部で用いる搬送波の周波数は多少ずれてもよいの
で、半導体レーザの変調部からレファレンスの信号を持
ってくる必要がない。さらに、位相情報を抽出する必要
がないため、アルゴリズムを簡略化でき、安価で汎用の
低速なプロセッサを用いることができる。
の振幅をそれぞれの同相成分と直交成分とから演算によ
り求め、さらに、位相を変化させながら加算すること等
によりガウス平面上の疑似面積Ａ，Ｂを求めている。そ
の後、信号Ｂと信号Ａとの比を求めて、被測定ガスの濃
度を推定するものとしたから、位相同期の手動調整を必
要とせずにガス濃度測定を行うことができる。また、直
交変調部で用いる搬送波の周波数は多少ずれてもよいの
で、半導体レーザの変調部からレファレンスの信号を持
ってくる必要がない。さらに、位相情報を抽出する必要
がないため、アルゴリズムを簡略化でき、安価で汎用の
低速なプロセッサを用いることができる。
【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す図。
【図２】本発明の第２の実施例の構成を示す図。
【図３】ガスの吸収特性の模式図。
【図４】周波数変調方式の原理図。
【図５】レーザ光が歪みを含んだ場合の周波数変調方式
を説明する図。
を説明する図。
【図６】基本波のガウス平面上の軌跡を示す図。
【図７】本発明のガス濃度測定装置を用いたガス検出器
のブロック図。
のブロック図。
【図８】２波長差分方式を用いたガス検出器のブロック
図。
図。
１ 第１の余弦波信号発生部 ２ 第２の余弦波信号発生部 ３ 基本波直交変調部 ４ ２倍波直交変調部 ５ 積分部 ６ 位相信号発生部 ７ ２乗和演算部 ８ 面積抽出部 ９ 制御器 １０ 除算部 １１ 半導体レーザ １２ ガスセル １３ 受光レンズ １４ 受光部 １５ ガス濃度測定装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 21/39 G01N 21/00 - 21/61 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (2)
- 【請求項１】 所定の周波数（ｆm ）で振幅変調及び周
波数変調された光を被測定ガスに入射して得られた、該
被測定ガスの吸収特性を帯びた光信号の基本波信号（周
波数ｆm ）と２倍波信号（周波数２ｆm ）とからガス濃
度を測定するガス濃度測定装置において、 前記所定の周波数の２倍の周波数（２ｆm ）を有し、か
つ、位相が順次変化する余弦波信号を発生する余弦波信
号発生部（２）と、 被測定ガスの吸収特性を帯びた光信号を検出した電気信
号を受けて前記余弦波信号発生部からの余弦波信号で直
交変調を掛ける２倍波直交変調部（４）と、 前記２倍波直交変調部からそれぞれ出力される二つの互
いに直交する２倍波の複素信号をそれぞれ時間積分する
積分部（５）と、 位相角度が２πの範囲において順次段階的に変化する位
相信号を前記余弦波信号発生部に向けて出力する位相信
号発生部（６）と、 積分された二つの互いに直交する２倍波の複素信号の２
乗和を行う２乗和演算部（７）と、 該２乗和演算部の出力を前記位相角度の２πの範囲にわ
たって積分し直交座標における信号の疑似面積成分を求
める面積抽出部（８）と、 該面積抽出部の積分周期の終了時毎に、前記位相信号発
生部を所定位相ずつ歩進させる制御器（９）と、 前記面積抽出部で抽出された２倍波信号の疑似面積成分
と予め求められている基本波信号の疑似面積成分との比
を演算する除算部（１０）とで成る信号処理部を有する
ことを特徴とするガス濃度測定装置。 - 【請求項２】 所定の周波数（ｆm ）で振幅変調及び周
波数変調された光を被測定ガスに入射して得られた、該
被測定ガスの吸収特性を帯びた光信号の基本波信号（周
波数ｆm ）と２倍波信号（周波数２ｆm ）とからガス濃
度を測定するガス濃度測定装置において、 前記所定の周波数（ｆm ）を有し、かつ、位相が順次変
化する余弦波信号を発生する第１の余弦波信号発生部
（１）と、 前記所定の周波数の２倍の周波数（２ｆm ）を有し、か
つ、位相が順次変化する余弦波信号を発生する第２の余
弦波信号発生部（２）と、 被測定ガスの吸収特性を帯びた光信号を検出した電気信
号を受けて前記第１の余弦波信号発生部からの余弦波信
号で直交変調を掛ける基本波直交変調部（３）と、 被測定ガスの吸収特性を帯びた光信号を検出した電気信
号を受けて前記第２の余弦波信号発生部からの余弦波信
号で直交変調を掛ける２倍波直交変調部（４）と、 前記基本波直交変調部及び２倍波直交変調部からそれぞ
れ出力される二つの互いに直交する基本波の複素信号及
び二つの互いに直交する２倍波の複素信号とをそれぞれ
時間積分する積分部（５）と、 位相角度が２πの範囲において順次段階的に変化する位
相信号を前記第１の余弦波信号発生部及び第２の余弦波
信号発生部に向けて出力する位相信号発生部（６）と、 積分された二つの互いに直交する基本波の複素信号と積
分された二つの互いに直交する２倍波の複素信号とのそ
れぞれの２乗和を行う２乗和演算部（７）と、 該２乗和演算部の出力を前記位相角度の２πの範囲にわ
たって積分し直交座標における信号の疑似面積成分を求
める面積抽出部（８）と、 該面積抽出部の積分周期の終了時毎に、前記位相信号発
生部を所定位相ずつ歩進させる制御器（９）と、 前記面積抽出部で抽出された２倍波信号の疑似面積成分
と基本波信号の疑似面積成分との比を演算する除算部
（１０）とで成る信号処理部を有することを特徴とする
ガス濃度測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5326163A JP3051808B2 (ja) | 1993-11-30 | 1993-11-30 | ガス濃度測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5326163A JP3051808B2 (ja) | 1993-11-30 | 1993-11-30 | ガス濃度測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07151681A JPH07151681A (ja) | 1995-06-16 |
| JP3051808B2 true JP3051808B2 (ja) | 2000-06-12 |
Family
ID=18184761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5326163A Expired - Fee Related JP3051808B2 (ja) | 1993-11-30 | 1993-11-30 | ガス濃度測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3051808B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008096524A1 (ja) * | 2007-02-02 | 2008-08-14 | Fuji Electric Systems Co., Ltd. | レーザ式ガス分析計 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3459564B2 (ja) * | 1998-03-11 | 2003-10-20 | 日本酸素株式会社 | ガスの分光分析装置および分光分析方法 |
| JP4970884B2 (ja) * | 2006-09-28 | 2012-07-11 | 株式会社ダイヘン | 放電検出装置およびそれを備えた高周波電源装置 |
| JP4823851B2 (ja) * | 2006-10-27 | 2011-11-24 | 株式会社ダイヘン | 高周波電源装置 |
| JP4905106B2 (ja) * | 2006-12-13 | 2012-03-28 | 富士電機株式会社 | レーザの波長制御装置、ガス濃度測定装置、レーザの波長制御方法およびガス濃度測定方法 |
| JP4918865B2 (ja) * | 2007-01-17 | 2012-04-18 | 富士電機株式会社 | レーザの波長制御装置、ガス濃度測定装置、レーザの波長制御方法およびガス濃度測定方法 |
| JP4993213B2 (ja) * | 2008-04-25 | 2012-08-08 | 富士電機株式会社 | レーザ式ガス分析計 |
| WO2014109126A1 (ja) | 2013-01-11 | 2014-07-17 | 富士電機株式会社 | レーザ式ガス分析計 |
| WO2017022556A1 (ja) * | 2015-08-04 | 2017-02-09 | コニカミノルタ株式会社 | ガス検知装置及びガス検知方法 |
| JP6660582B2 (ja) * | 2015-09-29 | 2020-03-11 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 物質検出装置及び物質検出システム |
| US10585037B2 (en) | 2015-08-24 | 2020-03-10 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Substance detecting device, substance detecting system, and substance detecting method in which temperature control of light emission is performed |
| JP6660583B2 (ja) * | 2015-10-27 | 2020-03-11 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 物質検出装置及び物質検出方法 |
| WO2017122659A1 (ja) * | 2016-01-15 | 2017-07-20 | コニカミノルタ株式会社 | ガス検知装置およびガス検知方法 |
-
1993
- 1993-11-30 JP JP5326163A patent/JP3051808B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| WO2008096524A1 (ja) * | 2007-02-02 | 2008-08-14 | Fuji Electric Systems Co., Ltd. | レーザ式ガス分析計 |
| JP2009047677A (ja) * | 2007-02-02 | 2009-03-05 | Fuji Electric Systems Co Ltd | レーザ式ガス分析計 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07151681A (ja) | 1995-06-16 |
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