JP3227336B2 - ガス濃度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザを光源と
し、光の吸収を利用して光学的にガス濃度を測定して例
えば都市ガス、化学プラント等のガス漏洩を検出するガ
ス濃度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば都市ガス、化学プラント等のガス
漏洩の検出には、半導体レーザを光源とし、光の吸収を
利用して光学的にガス濃度を測定するガス濃度測定装置
が使用される。このガス濃度測定装置は、被測定ガスの
吸収線の中心と一致した発振周波数のレーザ光を被測定
ガスの雰囲気に通してその透過光を受光し、その出力信
号からガス濃度を測定するもので、被測定ガスの雰囲気
に向けて周波数変調されたレーザ光を出射する半導体レ
ーザを装備した光源部と、被測定ガスの吸収線の波長成
分の光のみが吸収された透過光を受光するフォトデテク
タを装備した受光部と、フォトデテクタの出力信号から
ガス濃度を測定する計測部とを備えて概略構成されてい
る。

【０００３】そして、この種のガス濃度測定装置として
は、光源部と受光部をそれぞれ三脚に固定した状態で所
定距離隔てて対向配置したものや、図５に示すように入
射された光を平行に出射する特性を持つコーナーキュー
ブ鏡１０１を用い、光源部１０２の半導体レーザからの
レーザ光が受光部１０３のフォトデテクタの受光中心に
導かれるように、光源部１０２と受光部１０３を収容し
た筐体１０４から所定距離隔てた位置にコーナーキュー
ブ鏡を配置したものが提案されている。

【０００４】ところで、ガス濃度を測定するにあたっ
て、分圧Ｐのガスが光路長Ｌの光路内に存在する場合、
レーザ出力をＩ、ガスの吸収線の吸収係数をαとする
と、そのときフォトデテクタで受けるレーザ透過光電力
Ｉr は、Ｉr ＝ＩＲ exp（−αＰＬ）となる。なお、Ｒ
は標的の距離や反射率等に依存する定数で、ガス以外の
要因による光量の減衰を表す。

【０００５】従って、上記の式でも明らかなように、測
定光路長Ｌは光源部と受光部との間の距離によって決定
されるため、この距離の測定を行う必要がある。しか
も、半導体レーザからのレーザ光をフォトデテクタによ
り最大レベルで効率的に受光するためには、光源部と受
光部との間の光軸調整も必要となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、三脚を
用いたガス濃度測定装置では、光源部と受光部との間の
距離を巻尺で測定するため、その作業自体が面倒なだけ
でなく、巻尺で測定できない設定場所もあり、また測定
した値にも個人差が生じて一定の測定値を得ることがで
きず、測定精度に大きく影響を及ぼすという問題があっ
た。しかも、半導体レーザから出射されるレーザ光は赤
外光で目に見えないため、常にレーザ光の受光状態を監
視しながら光源部と受光部との間の光軸設定を手探りに
より行なわなければならず、その調整はきわめて困難で
手間と時間かかかるという問題がある。

【０００７】これに対し、コーナーキューブ鏡１０１を
用いた構成では、コーナーキューブ鏡１０１の反射面１
０１ａにレーザ光が入射されれば、その光は受光部１０
３に対して入射光と平行に出射されるので、光源部１０
２と受光部１０３との間の光軸を合わせることが可能で
ある。しかしながら、ガス濃度測定に使用されるレーザ
光は赤外光で目に見えないので、コーナーキューブ鏡１
０１の反射面１０１ａにレーザ光が照射されているか否
かを認識するためには、常にレーザ光の受光状態を監視
しながらコーナーキューブ鏡１０１の位置調整を行う必
要があり、三脚を用いた構成と同様に、測定開始前の設
定に手間と時間がかかるという問題があった。

【０００８】そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなさ
れたものであって、光源部と受光部との間の距離設定お
よび光軸設定を同時に短時間で行え、作業負担の軽減が
図れるガス濃度測定装置を提供することを目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による請求項１のガス濃度測定装置は、半導
体レーザ１４を有する光源部１と、該光源部より所定距
離Ｌ隔てて前記半導体レーザの光路上に対向配置され、
該半導体レーザからの光を受光する受光部２と、該受光
部が受光した光による電気信号に基づいて前記光源部と
前記受光部との間におけるガス濃度を計測する計測部３
とを備えたガス濃度測定装置において、前記受光部の受
光面上の光軸に直交して所定距離Ｈ２隔てた位置にポイ
ントＰ１を有するとともに、このポイントから所定距離
Ｌ２隔てた位置に別のポイントＰ２を有して前記受光部
に配設されたターゲット板４０と、前記半導体レーザの
発光面上の光軸と視野中心との間の距離Ｈ１が、前記受
光面上の光軸と前記ポイントとの間の距離と一致するよ
うに前記光源部に搭載され、前記ポイントに前記視野中
心が合うように操作される望遠鏡２０と、前記望遠鏡の
視野中心を前記各ポイントに合わせたときの前記光源部
の回転角を測定する角度測定器２１とを備え、前記計測
部は前記角度測定器からの測定データに基づいて前記光
源部と前記受光部との間における測定光路長Ｌを算出す
ることを特徴とする。

【００１０】

【００１１】

【作用】光源部１と受光部２とを所定距離Ｌ隔てて対向
配置し、光源部１と受光部２との間の雰囲気中のガス濃
度を測定するにあたっては、光源部１に搭載された望遠
鏡２０を覗き、視野中心が受光部２に配設されたターゲ
ット板４０のポイントＰ１に合うように操作する。これ
により、光源部１と受光部２との間の距離設定および光
軸設定が同時に達成される。角度測定器２１は、望遠鏡
２０の視野中心を２つのポイントＰ１，Ｐ２にそれぞれ
合わせたときの光源部１の回転角を測定し、この測定デ
ータに基づいて計測部３が光源部１と受光部２との間に
おける測定光路長Ｌを算出する。この算出された測定光
路長Ｌはガス濃度を計測する上でのデータとして使用さ
れる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明
する。図１は本発明によるガス濃度測定装置の一実施例
を示す図、図２は同装置における光源部と角度測定器の
構成を示す側面図である。

【００１３】この実施例によるガス濃度測定装置は、光
の吸収を利用して光学的にガス濃度を測定して例えば都
市ガス、化学プラント等のガス漏洩を検出しており、光
源部１、受光部２、計測部３、データ収録部４を備えて
構成されている。光源部１および受光部２はそれぞれ別
々の三脚５，６に着脱可能に取り付けられている。図１
に示すように、光源部１および受光部２はガス濃度の測
定時に各々三脚５，６に取り付いた状態で一定間隔Ｌを
おいて対向配置され、そのときの間隔Ｌによって測定光
路長を確定している。

【００１４】光源部１は本体が直方体形状の例えばアル
ミニウム等の金属性の筐体７で構成されている。光源部
１は筐体７の底面が三脚５に着脱可能に取り付けられ
る。筐体７内には、ＬＤモジュール８、後方レーザ光検
出増幅用のプリアンプ、ＬＤドライバ１０、ペルチェ素
子１１、放熱用のヒートシンク１２、温度コントローラ
１３が収容されている。矩形状のＬＤモジュール８には
半導体レーザ１４が内蔵されている。半導体レーザ１４
は筐体７の一側面に設けられた筒状のレーザ出射口１５
に面して配置され、周波数変調されたコヒーレントなレ
ーザ光を前方および後方の両面から出射している。半導
体レーザ１４は温度コントロールを可能とするためのペ
ルチェ素子１１の上方に搭載されている。ペルチェ素子
１１は上面がＬＤモジュール８の底面に接触し、底面が
ヒートシンク１２の上面に接触して配置されている。ペ
ルチェ素子１１は熱電流の印加が温度コントローラ１３
によって制御され、ＬＤモジュール８から吸収した熱を
ヒートシンク１２に発熱している。そして、半導体レー
ザ１４は、測定対象ガスのレーザ吸収帯のうちの一つの
吸収線を利用したときの最大吸収点に位置するように、
その動作温度を変えて発振波長の制御がなされ、受光部
２に向けて安定化されたレーザ光を出射している。

【００１５】筐体７の上面には、ガス濃度測定前に光源
部１と受光部２との間の光軸調整および測定光路長Ｌの
設定を行うための望遠鏡２０が搭載されている。望遠鏡
２０のクロスヘア部を通る光軸は、半導体レーザ１４の
光軸と平行で、所定距離Ｈ１上方に位置して設定されて
いる。

【００１６】光源部１を支持する三脚５には、光源部１
の回転角を測定する角度測定器２１が配設されている。
図３は角度測定器のブロック構成図である。角度測定器
２１は、変位センサ２１ａ、Ａ／Ｄ変換部２１ｂ、制御
部２１ｃを備えている。

【００１７】変位センサ２１ａは光源部１の回転角を検
出するもので、変位測定アーム２２と変位測定用ダイヤ
ルゲージ２３を備えている。変位測定アーム２２は光源
部１の筐体７を三脚５に対して回動可能に支持するコ字
状の取付部２４の回動中心軸２４ａに軸支されている。
変位測定用ダイヤルゲージ２３は、変位測定アーム２２
の回転に伴う測定端子２３ａの移動量をてこや歯車機構
により拡大して指針により指示するもので、変位測定ア
ーム２２の回転に伴う測定端子２３ａの移動量に応じた
電圧信号を出力している。

【００１８】変位センサ２１ａでは、三脚５に対して光
源部１の筐体７が回動すると、これに連動して変位測定
アーム２２が回動し、先端部が変位測定ダイヤルゲージ
２３の測定端子２３ａを押す。これにより、変位測定ダ
イヤルゲージ２３は、変位測定アーム２２に伴う測定端
子２３ａの移動量を指針により指示するとともに、その
ときの移動量（光源部１の筐体７の回転角に比例する）
に応じた電圧信号をＡ／Ｄ変換部２１ｂに出力する。Ａ
／Ｄ変換部２１ｂでは、変位センサ２１ａからの電圧信
号をデジタルデータに変換して制御部２１ｃに出力して
いる。制御部２１ｃでは、変位測定アーム２２の回転角
に伴う測定端子２３ａの移動量に応じたデジタルデータ
を、測定光路長Ｌを演算するための距離算出データとし
て、ＧＰ−ＩＢ等の通信用インターフェイスを介して計
測部３に出力している。

【００１９】なお、この実施例の角度測定器２１では、
後述するように光源部１の光軸をポイントＰ１に合わせ
たときの変位に基づく距離算出データを０とし、光軸を
ポイントＰ２に合わせたときの変位に基づく距離算出デ
ータをａとしている。

【００２０】受光部２は図４に示すように光源部１と同
様に、本体が直方体形状の例えばアルミニウム等の金属
性の筐体３０で構成されている。受光部３は筐体３０の
底面が三脚６に着脱可能に取り付けられる。筐体３０の
一端側には、非球面レンズ３１を保持したレンズ保持部
材３２が取り付けられている。非球面レンズ３１は例え
ば直径１５０ｍｍで焦点距離１８０ｍｍであり、半導体
レーザ１４からのレーザ光を集光している。レンズ保持
部材３２は外径が筐体３０の外径とほぼ同一寸法の筒状
に形成され、非球面レンズ３１の外周縁部を例えば接着
剤により固着保持している。非球面レンズ３１の曲面と
相反するレンズ保持部材３２の端面側には、レンズ保持
部材３２の外径より小さく、筐体３０の内径とほぼ同一
寸法の段付嵌合部３３が形成されている。レンズ保持部
材３２は非球面レンズ３１の曲面側が外方に向くように
段付嵌合部３３を筐体３０の開口部３０ａに嵌合した状
態でネジ等の固定手段によって固定されている。

【００２１】筐体３０内の他端側には、非球面レンズ３
１の中心軸線上に矩形状の受光器モジュール３４が配設
されている。受光器モジュール３４は非球面レンズ３１
側の端面中央に貫通穴３５が形成され、貫通穴３５には
受光窓を構成する例えばガラス等の透光性部材３６が、
その端面を例えば金属蒸着しハンダ付けすることにより
固着されている。筐体３０内における非球面レンズ３１
の中心軸線上には、受光面３７ａが非球面レンズ３１の
焦点距離に位置するようにフォトデテクタ３７が内蔵さ
れている。フォトデテクタ３７は非球面レンズ３１で集
光された測定レーザ光を透光性部材３６を介して受光面
３７ａより効率よく受光し、受光された測定レーザ光を
電気信号に変換する機能を有している。

【００２２】筐体３０には、望遠鏡２０の視野中心を合
わせるための２つのポイントＰ１，Ｐ２を有するターゲ
ット板４０が設けられている。このターゲット板４０
は、フォトデテクタ３７の光軸と直交し、非球面レンズ
３１が位置する筐体３０の上下面に立設している。ター
ゲット板４０のポイントＰ１とポイントＰ２との間の距
離Ｌ２は予め固定した値、例えば１ｍに設定されてい
る。ターゲット板４０のポイントＰ１とフォトデテクタ
３７の受光面上の光軸との間の距離Ｈ２は、半導体レー
ザ１４の発光面上の光軸と望遠鏡２０の光軸（クロスヘ
ア部の中心）との間の距離Ｈ１と一致している。

【００２３】筐体３０の内壁面と受光器モジュール３４
の上面との間には、紙面に対して垂直な平面（光軸に対
して垂直な平面）上で受光器モジュール３４の位置調整
を行うための微動台４１が設けられている。微動台４１
の上面側には、微動台４１を図４の矢印Ａ方向に移動さ
せるための移動調整部材４２が取り付けられている。ま
た、図示はしていないが、微動台４１の側面側にも、微
動台４１を図４の紙面に垂直な方向に移動させるための
同様の移動調整部材４２が取り付けられている。移動調
整部材４２は微動台４１に螺合されるネジ溝が先端部に
形成された駆動軸４３と、筐体３０の壁面より外方に突
出して駆動軸４３の基端部に固定された焦点調整ツマミ
４４とを備えている。移動調整部材４２では、望遠鏡２
０による位置設定（測定光路長Ｌの設定および光軸設
定）が行なわれた状態で、焦点調整用ツマミ４４が回転
操作されると、その回転が駆動軸４３を介して微動台４
１に伝達され、ネジ溝のピッチに従った分だけ微動台４
１が移動するようになっている。そして、二つの焦点調
整用ツマミ４４を適宜操作することにより、非球面レン
ズ３１の焦点位置に対する受光器モジュール３４のフォ
トデテクタ３７の位置調整を精密に行うことができる。

【００２４】また、微動台４１の上面側には、微動台４
１を図４の矢印Ｃ方向に移動させて非球面レンズ３１と
の間の集光距離を調整するための集光距離調整部材４５
が取り付けられている。集光距離調整部材４５は移動調
整部材４２と同様に、微動台４１に螺合されるネジ溝が
先端部に形成された駆動軸４６と、筐体３０の壁面より
外方に突出して駆動軸４６の基端部に固定された調整ツ
マミ４７とを備えている。集光距離調整部材４５では、
調整ツマミ４７の回転操作によりネジ溝のピッチに従っ
た分だけ微動台４１が図４の矢印Ｃ方向に移動して集光
距離の調整を行うことができる。

【００２５】計測部３は測定開始前に制御部２１ｃより
入力される距離算出データａによって測定光路長Ｌを算
出している。また、計測部３は校正時に例えば光源部１
に取り付けられる校正用セル（図示せず）内のガス雰囲
気中、又は測定時に光源部１と受光部２との間のガス雰
囲気中を透過して受光部２のフォトデテクタ３７が受光
したときの出力信号から基本位相敏感検波信号（１ｆ信
号）と２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号）を検出し、
１ｆ信号と２ｆ信号の比から計測部３で算出された測定
光路長Ｌによるガス濃度の校正および測定を行ってい
る。

【００２６】データ収録部４は、計測部３とＧＰ−ＩＢ
等の通信用インターフェイスを介して接続される例えば
ノート型のパーソナルコンピュータで構成されており、
計測部３で計測されたガス濃度を収録して、所定時間毎
のガス濃度の変化、複数種類のガスの占める割合の比較
等、必要に応じてガス濃度の情報が表示や印字により得
られるようになっている。

【００２７】そして、上記のように構成されたガス濃度
測定装置では、測定開始前に望遠鏡２０を覗いてクロス
ヘア部に受光部２のターゲット板４０の各ポイントＰ
１．Ｐ２を合わせることにより、光源部１と受光部２と
の間の光軸調整と測定光路長Ｌの自動設定を行う。

【００２８】まず、光源部１と受光部２を水準器等で地
面に対して水平に調整する。この調整後、望遠鏡２０で
受光部２のターゲット板４０のポイントＰ１に望遠鏡２
０の視野中心に合わせる。この操作により、光源部１の
半導体レーザ１４の光軸と受光部２のフォトデテクタ３
７の受光面３７ａが一致し、レーザ光が受光できる状態
となる。この状態で、角度測定器２１からはポイントＰ
１の距離算出データが計測部３に出力される。次に、受
光部２のターゲット板４０のポイントＰ２に望遠鏡２０
の視野中心が合うように光源部１の三脚５の仰角を調整
する。この状態で、角度測定器２１からはポイントＰ２
の距離算出データが計測部３に出力される。

【００２９】ここで、ポイントＰ１の回転角度とポイン
トＰ２の回転角度の差分をθとすると、測定光路長Ｌは
ポイントＰ１とポイントＰ２の間隔が１ｍに設定されて
いることから、ｔａｎθ＝１／Ｌ…（１）となる。ま
た、角度測定器２１より計測部３に送られる距離算出デ
ータは、光源部１の光軸をポイントＰ１に合わせたとき
を０（ｍｍ）とし、光軸をポイントＰ２に合わせたとき
をａ（ｍｍ）とすれば、角度測定器２１の変位測定アー
ム２２の長さが１００ｍｍなので、角度θはθ＝ｔａｎ
^-1（ａ／１００）…（２）となる。

【００３０】そして、計測部３では、（１），（２）式
より１／Ｌ＝ａ／１００、すなわちＬ＝１００／ａとし
て、角度測定器２１より入力される距離算出データａか
ら光路測定長Ｌを算出する。具体的な数値を示すと、測
定光路長Ｌは、変位ａが５ｍｍであればＬ＝１００／５
＝２０ｍ、変位ａが５．０５ｍｍであればＬ＝１００／
５．０５＝１９．８ｍとして算出される。なお、角度測
定器２１の変位測定用ダイヤルゲージ２３は、１０μｍ
以上の分解能があり、誤差１％以内で測定光路長Ｌを測
定することができる。

【００３１】次に、望遠鏡２０の視野中心を受光部２の
ターゲット板４０のポイントＰ１に合う位置に戻す。こ
の状態で、二つの移動調整部材４２と集光距離調整部材
４５の操作を必要に応じて行う。移動調整部材４２を操
作すると、微動台４１が図４の紙面に垂直な平面上で移
動して受光器モジュール３４の位置調整が行える。ま
た、集光距離調整部材４５を操作すると、微動台４１が
図４の矢印Ｃ方向に移動して焦光距離の調整が行える。
これにより、フォトデテクタ３７が半導体レーザ１４か
らのレーザ光を最大レベルで受光するように微調整する
ことができる。

【００３２】そして、上記の測定開始前の光軸調整およ
び測定光路長の自動設定が完了すると、光源部１に校正
用ガスセルを取り付け、所定のガス濃度間隔、例えば１
ｐｐｍ間隔の濃度で計測してガス濃度検出値の校正を行
う。そして、上記のガス濃度の校正が終了すると、光源
部１の半導体レーザ１４よりレーザ光を出射させる。こ
のレーザ光は測定対象ガスの雰囲気を通って受光部２の
フォトデテクタ３７に受光される。計測部３では、フォ
トデテクタ３７の出力信号から１ｆ信号と２ｆ信号を検
波し、算出された測定光路長Ｌによる測定対象ガスのガ
ス濃度を、１ｆ信号と２ｆ信号の比から測定される。

【００３３】従って、上記実施例のガス濃度測定装置で
は、望遠鏡２０の視野中心をターゲット板４０の各ポイ
ントＰ１，Ｐ２に合わせるだけで、光源部１と受光部２
との間の距離設定と光軸設定とを同時に、しかも高精度
に行え、従来に比べて作業者にかかる負担を大幅に軽減
することができる。また、望遠鏡２０の視野中心をター
ゲット板４０の各ポイントＰ１，Ｐ２に合わせたときの
角度測定器２１のデータによって測定光路長Ｌを算出で
き、この算出された測定光路長Ｌはガス濃度を計測する
上でのデータとしてそのまま利用することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のガス濃度
測定装置によれば、望遠鏡の視野中心をターゲット板の
ポイントに合わせるだけの極めて簡単な操作により、光
源部と受光部との間の距離設定および光軸設定を同時に
短時間で行え、作業負担の軽減を図ることができ、しか
も、望遠鏡の視野中心をターゲット板の２つのポイント
に合わせるだけで、そのときの角度測定器のデータによ
って測定光路長Ｌを算出でき、この算出された測定光路
長Ｌをガス濃度計測時のデータとして利用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガス濃度測定装置の一実施例を示
す図

【図２】同装置における光源部と角度測定器の構成を示
す側面図

【図３】同装置における角度測定器のブロック構成図

【図４】同装置における受光部の構成を示す側断面図

【図５】コーナーキューブ鏡を用いた従来のガス濃度測
定装置の一例を示す図

【符号の説明】

１…光源部、２…受光部、３…計測部、２０…望遠鏡、
２１…角度測定器、２１ａ…変位センサ、２１ｂ…Ａ／
Ｄ変換部、２１ｃ…制御部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田井 秀男 千葉県習志野市東習志野１丁目10番５号 ライオンズマンション東習志野107号 室 (56)参考文献 特開 昭58−223041（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−201195（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−36714（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/61

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザ（１４）を有する光源部
   （１）と、該光源部より所定距離（Ｌ）隔てて前記半導
   体レーザの光路上に対向配置され、該半導体レーザから
   の光を受光する受光部（２）と、該受光部が受光した光
   による電気信号に基づいて前記光源部と前記受光部との
   間におけるガス濃度を計測する計測部（３）とを備えた
   ガス濃度測定装置において、 前記受光部の受光面上の光軸に直交して所定距離（Ｈ
   ２）隔てた位置にポイント（Ｐ１）を有するとともに、
   このポイントから所定距離（Ｌ２）隔てた位置に別のポ
   イント（Ｐ２）を有して前記受光部に配設されたターゲ
   ット板（４０）と、 前記半導体レーザの発光面上の光軸と視野中心との間の
   距離（Ｈ１）が、前記受光面上の光軸と前記ポイントと
   の間の距離と一致するように前記光源部に搭載され、前
   記ポイントに前記視野中心が合うように操作される望遠
   鏡（２０）と、 前記望遠鏡の視野中心を前記各ポイントに合わせたとき
   の前記光源部の回転角を測定する角度測定器（２１）と
   を備え、 前記計測部は前記角度測定器からの測定データに基づい
   て前記光源部と前記受光部との間における測定光路長
   （Ｌ）を算出する ことを特徴とするガス濃度測定装置。