JP3051809B2 - ガス濃度測定処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、メタンガスや炭酸ガ
スなどのガスの濃度を、それぞれのガス固有の吸収スペ
クトルを利用することで高精度に測定するガス検出器に
於いて用いられるガス濃度測定処理装置に係り、特に周
波数変調法を用いたガス濃度測定処理装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ガスには、それぞれガス分子固有の吸収
スペクトルが有り、レーザをこの吸収スペクトルの存在
する周波数で発振させることでガスの濃度を測定すると
いう試みは1965年にムーア(C.B.Moore) によって初めて
行われた。この原理を以下に簡単に述べる。ガスの吸収
スペクトルは、そのガス分子の振動エネルギーに従って
様々な周波数に於いて極小値を持つが、そのうちの１つ
を取り出すと図５に示されるような一般にローレンツ型
と呼ばれる特性になる。図５の横軸は周波数、縦軸は透
過率であり、この吸収スペクトルの極小値の周波数ｆc
における透過率は、ガスの濃度が高くなるにつれて小さ
くなる。従って、ｆc の発振周波数を持つレーザ光をガ
スに照射して、その透過された信号を光検出器で受け電
気信号に変換し、透過率の変化量を算出すると、その透
過率の変化量がガスの濃度に比例するガス濃度の測度と
なるので、この測度に予め濃度の分かっているガスを測
定する等して求めた係数を掛けることでガスの濃度を測
定することができる。

【０００３】この原理に着目し発展させたものとして２
波長差分方式と周波数変調方式があり、これら２つの方
式が現在ではレーザを用いたガス濃度測定の主流となっ
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--4
0, 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, 19
88. ・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。

【０００４】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--6
14, 1988. 田井秀男、松浦正行、田中弘明、上原喜代治:光学,Vol.
19, No.9,pp.616--619, 1990. に開示されている。

【０００５】初めに、２波長差分方式について説明し、
その後で本発明に関わる周波数変調方式について説明す
る。図８に２波長差分方式を用いたガス検出器のブロッ
ク図を示す。図８で、周波数切り替え器60はレーザ10の
発振周波数をガスセル20のガスの吸収スペクトルで透過
率が極小となる周波数ｆc とガスの吸収スペクトルが存
在しない周波数ｆnを切り替えるためのものである。光
検出器50で電気信号に変換された信号は、レーザ10の発
振周波数ｆc 、ｆnを切り替えることで図５のように透
過率が変わるので振幅値が変わり、その振幅の差が透過
率の変化量となりガスの濃度の測度となる。

【０００６】ここで、一般の応用としてはレーザ10から
光検出器50までの光路長は可変とした方が都合がよい。
例えば、ガスの中を通るレーザ光の光路長が長いほど透
過率の変化が大きくなり高精度にガスの濃度測定を行う
ことができるので多重反射型のガスセルを選択したり、
持ち運びの容易さから小さなガスセルを選択したりする
場合があるからである。光路長が長くなるとレーザ光が
発散したり周囲の塵などの影響でレーザ光が減衰するの
で、ガス濃度測定処理装置90への入力信号の振幅が小さ
くなる。その結果、透過率の変化を表す振幅の差が小さ
くなり、ガス濃度測定処理装置90の出力値から換算され
るガスの濃度の値が減少するといった問題が生じる。上
で述べた問題が生じないようにするため、その振幅の差
をガスの吸収スペクトルのない周波数の時の振幅で除算
するという手法が取られている。また、ガスの中を通る
レーザ光の光路長にその振幅の差は比例することになる
から、濃度に換算するときは光路長で除算が行われる。
このようにして求められたガス濃度の測度に適当な比例
定数を掛けることで、光路長に依存せずにガスの濃度が
求まる。

【０００７】この２波長差分方式では、光検出器50で電
気信号に変換されガス濃度測定処理装置90への入力とな
る信号は直流の信号となるので、オペアンプのドリフト
などで生じた直流のオフセット成分を除去できないた
め、高精度にガスの濃度検出ができないという欠点があ
る。また、外来光の干渉により高精度にガスの濃度検出
ができないといった欠点もある。この欠点を改善するた
めに考案されたのが次に述べる周波数変調方式である。
この方式は直流のオフセット成分や外来光がが存在して
もガスの濃度測定に悪影響を及ぼさないように、交流成
分の信号だけでガスの濃度測定を行えるようにしたもの
である。

【０００８】図６に周波数変調方式の原理図を示す。中
心周波数をｆc として、変調周波数ｆm でレーザを周波
数変調し、被測定ガスに照射する。ガスの吸収スペクト
ルはローレンツ型と呼ばれる特性を示し、離調周波数に
対してほぼ２次関数となるので、光検出器で電気信号に
変換された信号には、変調周波数の２倍の周波数の信号
（以後、この信号を２倍波信号という）が含まれる。２
倍波信号の振幅値は、ガスの濃度が高くなると透過率が
低くなるので大きくなり、ガスの濃度の測度となり適当
な比例定数を掛けることでガスの濃度に換算できる。

【０００９】以下で、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光路長の影響をキャンセル
する方法について述べる。レーザを周波数変調するため
には電流制御を行わなければならない。この電流制御を
行いｆm という周波数で周波数変調を掛けると、ｆm と
いう周波数で自動的に振幅変調も掛かる。このため、光
検出器で電気信号に変換された信号には振幅変調によっ
て生じたｆm という周波数の信号も含まれる（以後、こ
の信号を基本波信号という）。この基本波信号を利用し
て、２倍波信号の振幅値を基本波信号の振幅値で除算す
ることで、光路長が長くなることにより生じるレーザ光
の発散あるいは周囲の塵などの影響をキャンセルするこ
とができ、この値がガスの濃度の測度となる。

【００１０】ここで、実際には周波数変調を行うための
信号には回路素子の非線形性によって、どうしても歪み
が含まれてしまうので、ガスがガスセルに無い場合でも
２倍波信号の成分が生じるといった問題が起こる。この
２倍波成分が、ガスをガスセルに注入した時のガスの吸
収スペクトルにより生じる２倍波成分と相殺あるいは重
ね合わされたりしてガス濃度の測定誤差の原因となる。

【００１１】図９は従来の周波数変調方式を用いたガス
検出器を示すブロック図である。上で述べた振幅変調に
より生じる２倍波成分を除去するために従来の周波数変
調を用いたガス検出器では、２倍波抑圧器80をつけてガ
スセルにガスが無い状態で、周波数変調器70の出力信号
に前記２倍波抑圧器80からの周波数２ｆm の出力信号を
加算し、２倍波抑圧器80の出力信号の振幅と位相を手動
で少しずつ調整し、２倍波の振幅値Ｂを０となるように
校正するといった手法が用いられている。このようにし
て校正した後で、ガスセル20にガスを注入し、ガス濃度
測定処理装置100 では光検出器50で電気信号に変換され
た信号を受け、基本波振幅抽出部101 と２倍波振幅抽出
部102 で基本波信号と２倍波信号の振幅を求めて、２倍
波信号の振幅Ｂを基本波信号の振幅Ａで除算すると、ガ
ス濃度の測度が得られ、適当な比例定数を掛けることで
ガスの濃度が測定できる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】周波数変調法を用いて
ガスの濃度を高精度に測定するには、ガスセルに注入し
たガスの吸収スペクトルにより生じる２倍波の振幅値を
正確に求める必要がある。しかしながら、振幅変調によ
りガスセルにガスが無い状態でも２倍波成分が生じ、こ
の成分が、ガスセルに注入したガスの吸収スペクトルに
より生じる２倍波成分と相殺あるいは重ね合わさること
で２倍波の振幅値に誤差が加わりガスの濃度測定が高精
度に行えなくなる。

【００１３】従来法では、振幅変調によって生じる２倍
波を打ち消すために図９の２倍波抑圧器80の出力の振幅
と位相の値を手動で調整する必要があり、この調整のた
めに数分の時間が必要となっていた。また、測定精度は
前記調整の出来具合に影響されるが、この２倍波の振幅
値を基本波の振幅値と比較すると基本波の振幅値はかな
り大きな値となるので、基本波の影響で２倍波の振幅値
が変動してしまい、手動で２倍波成分が最小となるよう
に調整するのは非常に困難である。本発明の目的は、振
幅変調により生じる２倍波成分を打ち消すための振幅と
位相の調整の必要が無く、測定精度の高いガス濃度測定
処理装置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】包絡線検波をすることと
すれば、同相・直交成分が求まり、光検出器で電気信号
に変換された信号からガスセルにガスの無い状態で振幅
変調により生じる２倍波信号のベクトルとガスセルにガ
ス注入後の振幅変調により生じる２倍波信号を含んだ２
倍波信号のベクトルとが推定できること、また、DSP(Di
gital Signal Processor) 等でデジタル処理もできるこ
とに着目し、これらのベクトルを用いることでガスの吸
収スペクトルによって生じた真の２倍波信号を抽出する
ようにした。

【００１５】そして、第１の発明では、前記ガスセルに
ガスの無い状態で振幅変調により生じる２倍波信号のベ
クトルとガスセルにガス注入後の振幅変調により生じる
２倍波信号を含んだ２倍波信号のベクトルとから演算に
より真の２倍波信号の振幅を求めるようにし、第２の発
明では、ガスセルにガスの無い状態で振幅変調により生
じる２倍波信号のベクトルの位相と振幅とから、逆位相
の２倍波信号を生成し入力信号に加算して振幅変調によ
り生じる２倍波信号を除去することとした。

【００１６】

【作用】この原理についての詳細な説明を下記で行う。
光検出器で電気信号に変換された信号をDSP で処理する
ためにLPF(Low Pass Filter)で高調波成分を除去すると
ADコンバータで標本化した信号は

【００１７】

【数１】

【００１８】と表すことができる。ただし、第１項は基
本波成分、第２項は２倍波成分、第３項は白色雑音成分
であり、ｆm は基本波の周波数、ｆs はサンプリングレ
ート、θとφは初期位相である。ここで、簡単に数１を
表すために

【００１９】

【数２】

【００２０】と置くと数１は

【００２１】

【数３】

【００２２】と書き直すことができる。まず、２倍波の
振幅Ｂを求めるために、ローカルの周波数を２倍波の周
波数として周波数推移を行い、理想的なLPF(ILPF) で高
調波成分を除去すると

【００２３】

【数４】

【００２４】となる。ただし、ＢI およびＢQ はそれぞ
れ直交復調後の同相成分および直交成分である。しか
し、現実には理想的なLPF は実現不能であり、基本波の
振幅値Ａは２倍波の振幅値Ｂと比較すると非常に大きな
値となるために、一般のLPF では数４の振幅Ａをもつ高
調波成分の影響で２倍波の振幅値Ｂはかなり変動してし
まう。そこで、周波数推移された信号をまずLPF に通し
その後で前記高調波成分を十分に減衰させるために

【００２５】

【数５】

【００２６】なるインパルス応答を持つ櫛形フィルタに
通す。ここで、Ｍは任意の整数、G.C.M.（ｆs,ｆm ）は
ｆs とｆm の最大公約数である。このようにLPF と櫛形
フィルタを縦続接続しこれらのフィルタに周波数推移さ
れた信号を通すことで、前記高調波成分は除去され、理
想的なLPF とほぼ同程度の出力を得ることができ、２倍
波の同相成分ＢI と直交成分ＢQ をほぼ一定の値で得る
ことができる。なお、前記櫛形フィルタを設けたほうが
上述の理由で精度が上がるが、設けなくても本発明の効
果は得られる。ガスセルにガスの無い状態の入力信号に
対する２倍波の同相成分および直交成分をそれぞれＢIe
およびＢQeとし、ガスセルにガス注入後の入力信号に対
する２倍波の同相成分および直交成分をそれぞれＢIfお
よびＢQfとする。これらの同相・直交成分のベクトル図
を図７に示す。図７でガスの吸収スペクトルにより生じ
た真の２倍波の振幅は

【００２７】

【数６】

【００２８】で求められる。また、基本波に対してはロ
ーカルの周波数を基本波の周波数として周波数推移を行
い、前記櫛形フィルタ（CF）で高調波成分を除去し

【００２９】

【数７】

【００３０】ノルムをとることで

【００３１】

【数８】

【００３２】となり、基本波の振幅Ａが得られる。この
ようにして求められた２倍波の振幅値Ｐを基本波の振幅
値Ａで除算することで位相敏感検波と同程度の精度でガ
スの濃度の測度が求まり、適当な比例定数を掛けること
でガスの濃度に換算できる。

【００３３】

【実施例】被測定ガスがメタンガスである場合の実施例
を以下で述べる。レーザはメタンガスの吸収スペクトル
で透過率が極小となる波長1.6538μｍの所に中心周波数
を設定し、周波数変調の変調周波数ｆm を 32.5kHzに設
定し、最大周波数偏移を半値全幅で周波数変調が掛かる
ように設定し、サンプリングレートｆs を変調周波数ｆ
m の８倍の260kHzに設定した。また、数７において、Ｍ
＝１として、数１０のフィルタをＮ＝８で実現した。演
算処理を行うためのDSP としてテキサス・インスツルメ
ンツ社のTMS320C25を使用した。

【００３４】以下で第１及び第２の発明それぞれの実施
例について説明する。実施例１（第１の発明）のガス濃
度測定処理装置のブロック図を図３に示す。図３に示さ
れる２倍波直交復調部１では、入力信号ｓ(n) を受け、
その入力信号は乗算器11でローカル信号14〔２cos(４π
ｆm ｎ／ｆs ）〕と乗算され、LPF12 でフィルタリング
され、櫛形フィルタ13で高調波成分が除去され２倍波の
同相成分が出力される。また、前記入力信号は、乗算器
15で前記ローカル信号14と直交するローカル信号18〔２
sin(４πｆm ｎ／ｆs ）〕と乗算され、LPF16 でフィル
タリングされ数５のインパルス応答を持つ櫛形フィルタ
17で高調波成分が除去され、その結果２倍波の直交成分
が出力される。

【００３５】基本波振幅抽出部２では、前記入力信号ｓ
(n) を受け、その信号は乗算器21でローカル信号25〔２
cos(２πｆm ｎ／ｆs ）〕と乗算され、LPF22 でフィル
タリングされ、櫛形フィルタ23で高調波成分が除去さ
れ、その結果基本波の同相成分が得られ、この同相成分
は乗算器24で２乗され加算器31に出力される。また、前
記入力信号ｓ(n) は、乗算器26で前記ローカル信号25と
直交するローカル信号30〔２sin(２πｆm ｎ／ｆs ）〕
と乗算され、LPF27 でフィルタリングされ櫛形フィルタ
28で高調波成分が除去され、その結果基本波の直交成分
が得られ、この直交成分は乗算器29で２乗され加算器31
に出力される。前記基本波の同相成分と基本波の直交成
分は加算器31で加算され、平方根器32で平方根演算が行
われ、基本波の振幅値Ａが出力される。

【００３６】ベクトル処理部３では、前記２倍波の同相
成分と２倍波の直交成分を受け、その２倍波の同相成分
はガスセルにガスが無い場合はレジスタ33に保存され、
ガスセルにガスを注入後は加算器34に出力され、レジス
タ33の値が減算され、その結果は乗算器35で２乗され加
算器39に出力される。また、前記２倍波の直交成分はガ
スセルにガスが無い場合はレジスタ36に保存され、ガス
セルにガスを注入後は加算器37に出力され、レジスタ36
の値が減算され、その結果は乗算器38で２乗され加算器
39に出力される。乗算器35、38で２乗された値は加算器
39で加算され、平方根器40で平方根演算が行われ２倍波
の振幅値Ｐが出力される。除算部４では、前記基本波の
振幅値Ａと前記２倍波の振幅値Ｐを受け取り、除算器41
で前記振幅値Ｐを前記振幅値Ａで除算した値をガスの濃
度の測度として出力する。

【００３７】実施例２（第２の発明）のガス濃度測定処
理装置のブロック図を図４に示す。実施例２は実施例１
のベクトル処理部３の代わりに２倍波歪除去信号発生部
６を設け、２倍波歪除去信号を入力信号に加算するよう
にしている他は実施例１と同じである。ただし、実施例
１のベクトル処理部３の一部はノルム演算部５として図
４には示されている。実施例２は、ガスセルにガスが無
い状態の測定では、手動でスイッチ７を開いておく。そ
のため、ガスが無い状態での入力信号は乗算器８を変換
されずに通過し、その入力信号は実施例１と同様に２倍
波直交復調部１で処理され、同相成分ＳI と直交成分Ｓ
Q が得られる。

【００３８】前記同相成分ＳI は乗算器51で２乗され、
また、前記直交成分ＳQ は乗算器52で２乗され、これら
の２乗された値は加算器53で加算され、その加算された
出力は、平方根器54で平方根演算が行われ、その結果、
ガスが無い状態のときに半導体レーザの非線形特性によ
って生ずる２倍波歪みの振幅値Ｑが得られる。前記同相
成分ＳI 、直交成分ＳQ 及び振幅値Ｑは位相算出器61と
２倍波歪除去信号生成部62とで成る２倍波歪除去信号発
生部６に送られる。前記位相算出器61は前記同相成分Ｓ
I と前記直交成分ＳQ とを受け、逆正接演算を行い、ガ
スが無い状態での入力信号と２倍波直交復調部１の同相
のローカル信号との位相差φを出力する。２倍波歪除去
信号生成部62は前記振幅値Ｐと位相差φとを受けて２倍
波歪除去信号〔Ｑcos(４πｆm ｎ／ｆs ＋π＋φ）〕を
出力する。この信号はスイッチ７が閉じても保持され
る。

【００３９】ガスセルにガスが有る状態の測定では、手
動でスイッチ７を閉じておくので、入力信号は加算器８
で２倍波歪除去信号と加算され、２倍波直交復調部１で
処理され、同相成分ＳI1と直交成分ＳQ1が得られる。前
記同相成分ＳI1は乗算器51で２乗され、また、前記直交
成分ＳQ1は乗算器52で２乗され、これらの２乗された値
は加算器53で加算され、その加算された出力は、平方根
器54で平方根演算が行われ、その結果、ガスの吸収スペ
クトル特性によって生じた真の２倍波の振幅値Ｐが得ら
れる。また、前記ガスが有る状態の入力信号は、基本波
振幅抽出部２で処理され、基本波の振幅値Ａが得られ
る。除算器41では、前記振幅値Ｐと前記振幅値Ａを受
け、振幅値Ｐを振幅値Ａで除算した値を出力する。この
出力された値に所定の係数を掛けることでガスの濃度が
求まる。

【００４０】第１または第２の発明によれば、前記実施
例１，２のようにDSP を用いてガス濃度測定処理を行う
ことで回路の小型化、低コスト化でき、また、包絡線検
波で扱う信号は、従来の装置に用いられている位相敏感
検波に比べて低周波であるので周囲の温度環境等に動作
が依存せず安定な測定を行うことができる。ここで、測
定精度について従来の装置と比較すると、従来の装置で
は、ガス無しで校正をしないと−３０ｄＢ、校正をする
と−４０ｄＢ程度であり、ガスの濃度に換算すると数十
ｐｐｍの誤差が含まれる。一方、本発明の装置では濃度
に換算した誤差は数ｐｐｍ程度である。

【００４１】

【発明の効果】本発明のガス濃度測定処理装置は、ガス
が無い状態で振幅変調により生ずる２倍波信号のベクト
ルとガスが有る状態で得られる２倍波信号のベクトルと
から真の２倍波信号の振幅値Ｐを得る、または、ガスが
無い状態で振幅変調により生ずる２倍波信号のベクトル
の振幅値Ｑと位相差φとから２倍波歪除去信号を生成し
てガスが有る状態で得られる２倍波信号に加算して真の
２倍波信号の振幅値Ｐを得ることとしたから、従来の装
置のように振幅変調により生じる２倍波を打ち消すため
に２倍波抑圧器の出力の振幅と位相の値を手動で調整す
るというような必要がない。また、手動で調整するのは
限界があり、どうしても誤差が含まれてしまうが、本発
明では信号処理理論に基づき自動で振幅変調により生じ
る２倍波の影響を除去しているので、従来法に比べて高
精度にガスの濃度測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明のガス濃度測定処理装置のブロック
図。

【図２】第２の発明のガス濃度測定処理装置のブロック
図。

【図３】実施例１のガス濃度測定処理装置のブロック
図。

【図４】実施例２のガス濃度測定処理装置のブロック
図。

【図５】ガスの吸収スペクトルを示す図。

【図６】周波数変調方式の原理図。

【図７】ガスが無い状態とガスが有る状態の２倍波信号
の同相・直交成分のベクトル図。

【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９】従来の周波数変調方式を用いたガス検出器のブ
ロック図。

【符号の説明】

１ ２倍波直交復調部 ２ 基本波振幅抽出部 ３ ベクトル処理部 ４ 除算部 ５ ノルム演算部 ６ ２倍波歪除去信号発生部 ７ スイッチ ８ 加算器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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処理装置において、 被測定ガスが無い状態と被測定ガスが有る状態の、それ
   ぞれ前記入力信号を受け２倍波信号の同相・直交成分を
   出力する２倍波直交復調部（１）と、 被測定ガスが有る状態の前記入力信号を受け、基本波の
   振幅を求めて出力する基本波振幅抽出部（２）と、 前記２倍波直交復調部から出力される被測定ガスが無い
   状態の２倍波信号の直交・同相成分と、被測定ガスが有
   る状態の２倍波信号の直交・同相成分を受け、ベクトル
   演算を行いノルムを求めて出力するベクトル処理部
   （３）と、 前記基本波振幅抽出部から出力される振幅と前記ベクト
   ル処理部から出力されるノルムとを受けて、該ノルムを
   前記振幅で除算した値を求めて、ガス濃度の測度として
   出力する除算部（４）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処理装置。