JP4217109B2 - 多点型ガス濃度検出方法及びそのシステム - Google Patents
多点型ガス濃度検出方法及びそのシステム Download PDFInfo
- Publication number
- JP4217109B2 JP4217109B2 JP2003157010A JP2003157010A JP4217109B2 JP 4217109 B2 JP4217109 B2 JP 4217109B2 JP 2003157010 A JP2003157010 A JP 2003157010A JP 2003157010 A JP2003157010 A JP 2003157010A JP 4217109 B2 JP4217109 B2 JP 4217109B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- optical path
- signal
- component
- ratio
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光の透過量から雰囲気中のガス濃度を検出するガス濃度検出方法及びそのシステムに係り、特に、光路長の違いにより生じる信号の位相ずれを補正し、複数箇所のガス濃度を安定して高精度に検出する多点型ガス濃度検出方法及びそのシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガス濃度検出方法には、ガスを検出するためのセンサとして、半導体式など電気式センサを使用する方法がある。この方法では、センサ近傍に電源設備が必要であり、また、定期的に校正が必要なため、長距離監視の場合、保守性や経済性の面で問題となっている。
【０００３】
一方で、ガスを検出するためのセンサとして、光を応用したセンサを使用する方法がある。この方法は、ある特定波長のレーザ光をガス分子が吸収する性質を持っていることから、この現象を利用してガスの有無を検出でき、この原理を応用したセンシング技術が工業計測、公害監視などで広く用いられている。また、このレーザ光を光ファイバで伝送すれば、遠隔監視も可能となる。
【０００４】
そこで、本発明者らは特許文献１に開示されている発明を応用して、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。この原理を応用した方法では、半導体レーザの駆動電流を所定の電流を中心として高周波で変調し、波長及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。そうして安定し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を含む測定用のガスセルに透過させ、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、レーザ光の２倍波検波信号、または基本波検波信号により、ガス濃度を高いＳＮ比で検出できる。
【０００５】
以下に、光ファイバを伝送路としてガス濃度を検出する方法の原理を説明する。検出対象ガスはメタンとする。
【０００６】
光の周波数を何らかの手段で変調し、その光が対象吸収ガスを通過すると、受光した光信号は、変調周波成分とその高調波成分をもつ。そのうち、基本波成分、２倍波成分を位相敏感検波すると、それぞれガスの吸収線の周波数に関する一次微分、二次微分に対応する信号を得ることができる。ここで、位相敏感検波とは、信号のうちの特定の周波数、位相を持つ成分だけを抽出してその振幅を測定することを意味し、位相検波器として、例えばロックインアンプ用いることで実現できる。
【０００７】
メタンの濃度（分圧）をｃ、光路長をｌとしたときのレーザ光の透過率Ｔは、
【０００８】
【数１】
【０００９】
と表せる。αはメタンの吸収係数であり、大気圧中では、一つの吸収線に着目すると次のようなローレンツ型の周波数依存性を有する。
【００１０】
【数２】
【００１１】
αｃｌ≪１の場合、数１、数２より、
【００１２】
【数３】
【００１３】
と近似できる。
【００１４】
光源として半導体レーザ（ＬＤ）を用いた場合、ＬＤの発振周波数Ωは温度と駆動電流の関数であるが、温度一定で駆動電流を周波数ωで変調すると、Ωは次式で表せる。
【００１５】
【数４】
【００１６】
数３でＴをΩ＝Ω０においてテーラー展開し、ΔΩの二次まで求めると、次式で表せる。
【００１７】
【数５】
【００１８】
Ｔ０，Ｔ０１，Ｔ０２の大きさと周波数の関係を図８に示す。
【００１９】
数５で示される透過率Ｔのうちｃｏｓωｔ，ｃｏｓ２ωｔの成分を位相敏感検波すれば、それぞれＴ０１，Ｔ０２に比例した信号が得られる。図８からわかるように、レーザの中心周波数Ω０とメタンの吸収線の中心ωｍが一致したときＴ０は最小、Ｔ０１は０、Ｔ０２は最大となる。
【００２０】
ＬＤの駆動電流を変調すると、レーザの発振周波数だけが変調されると考えているが、発振強度も同時に変調を受ける。ＬＤの駆動電流を周波数ωで変調すると、発振周波数は、数４で与えられるのに対して、発振強度Ｉは、
【００２１】
【数６】
【００２２】
で与えられる。
【００２３】
ここで、図９に示すように、ＬＤ９１からのレーザ光を往路用光ファイバ９２を介してガスセル９３内に導き、ガスセル９３を透過したレーザ光を復路用光ファイバ９４を介して受光器９５で受光するものとする。ＬＤ９１から出射したレーザ光が往路光伝送路９２とカップリングした光強度をＩとする。
【００２４】
往路伝送路損失係数をＫ１としたときガスセル９３を出射する光強度は、出射強度Ｋ１・Ｉと透過率Ｔに比例するのでＫ１・Ｉ・Ｔとなる。受光器９５で検知される光強度は、復路伝送路損失係数をＫ２としたときＫ２・Ｋ１・Ｔ・Ｉとなる。ここでΔΩが微少周波数変調振幅であるとき、Ｋ１・Ｋ２は一定値とおくことができるので、Ｋ１・Ｋ２＝Ａとすれば受光器９５で検知する光強度Ｐは、
【００２５】
【数７】
【００２６】
で表せる。数７に数５、数６を代入すると、
【００２７】
【数８】
【００２８】
となる。
【００２９】
数８を展開して、周波数ωで変化する部分は、微小項を無視すれば、
【００３０】
【数９】
【００３１】
となり、光強度Ｐ（ω）は位相の異なる２つの項から成ることになる。
【００３２】
ここで、数９の第１項の寄与が最大になる位相で基本波検波して得られる信号をＰ（ω）ｍａｘとすると、次式で表せる。
【００３３】
【数１０】
【００３４】
メタンの吸収は、レーザの駆動電流を周波数ωで変調し、透過光の基本波および２倍波での位相敏感検波信号により検出することができる。
【００３５】
レーザの周波数をメタンの吸収線の中心に安定化させた後、ガス雰囲気通過後の光検出信号から周波数２ωに同期した信号成分を、位相敏感検波して得られる信号Ｐ（２ω）は、数８より、
【００３６】
【数１１】
【００３７】
となる。
【００３８】
Ｐ（ω）ｍａｘは、数１０より、
【００３９】
【数１２】
【００４０】
となり、それぞれの比Ｒをとると次式で表される。
【００４１】
【数１３】
【００４２】
従って、光学系損失Ａに無関係にメタン濃度ｃと光路長ｌとの積ｃｌが求まる。さらに、発振強度Ｉが分かればメタン濃度が検出できることになる。
【００４３】
【特許文献１】
特開平５−２５６７６９号公報
【００４４】
【発明が解決しようとする課題 】
しかしながら、従来の方法では以下のような問題がある。
【００４５】
上述したように、電気式センサを使用する方法は、センサ（ガス検出部）近傍に電源設備が必要であり、また、定期的に校正が必要なため、長距離監視の場合、保守性や経済性の面で問題である。
【００４６】
一方、光式センサを使用する方法においても、長距離で複数箇所のガスを検出する場合、光路長の違いにより生じる信号の位相ずれを補正することは行われていないという問題がある。したがって、ガス濃度を十分に安定して高精度に検出していない可能性がある。
【００４７】
そこで、本発明の目的は、多点ガス濃度計測において、計測対象箇所の光路長が変化しても、ガス濃度を安定して高濃度に検出できる多点型ガス濃度検出方法及びそのシステムを提供することにある。
【００４８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、レーザ光を測定対象とするガス雰囲気に通して得られる透過光の強度を多点で検出し、得られた各信号からガス濃度を検出する多点型ガス濃度検出方法であって、
レーザと受光器間に光切替器を接続し、該光切替器に、ガス雰囲気を通過しない基準光路を接続すると共に、ガス雰囲気を通過する送受信光路にガス検出部を設けたガス検出光路を複数接続し、該各ガス検出光路の光路長の違いにより生じる信号の位相ずれをそれぞれ補正して多点のガス濃度を検出するに際し、前記基準光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比と、前記各ガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比とを、ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けてそれぞれ求め、ガス濃度に依存しない波長の部分で位相差をそれぞれ一致させ、前記各ガス検出光路の光路長の違いにより生じる信号の位相ずれをそれぞれ補正し、前記基準光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比と、前記各ガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比との差分を各成分毎に行い、該ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分の２乗和の平方根からガス信号をそれぞれ求め、該各ガス信号から多点のガス濃度を検出する多点型ガス濃度検出方法である。
請求項２の発明は、レーザ光を測定対象とするガス雰囲気に通して得られる透過光の強度を多点で検出し、得られた各信号からガス濃度を検出する多点型ガス濃度検出システムであって、ガス雰囲気を通過しない基準光路と、ガス雰囲気を通過する送受信光路にガス検出部を設けた複数のガス検出光路と、前記基準光路と前記各ガス検出光路を切り替えるための光切替器と、該光切替器を切り替え、前記各ガス検出光路から得られる信号と前記基準光路から得られる信号とをそれぞれ差分する処理装置とを備え、該処理装置は、前記基準光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比と、前記各ガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比とを、ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けてそれぞれ求め、ガス濃度に依存しない波長の部分で位相差をそれぞれ一致させ、前記各ガス検出光路の光路長の違いにより生じる信号の位相ずれをそれぞれ補正し、前記基準光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比と、前記各ガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比との差分を各成分毎に行い、該ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分の２乗和の平方根からガス信号をそれぞれ求め、該各ガス信号から多点のガス濃度を検出する多点型ガス濃度検出システムである。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００５１】
図１は、本発明の好適実施の形態である多点型ガス濃度検出方法を実施するために使用される多点型ガス濃度検出システムの概略図を示したものである。
【００５２】
図１に示すように、多点型ガス濃度検出システム１は、主として地下街・高層ビル等の都市ガス（メタンガス）の漏洩やＬＮＧタンク周辺のガス漏れを多点（複数箇所）検出するものであり、レーザ２を駆動してレーザ光を発振させるためのレーザ部３と、発振したレーザ光を導くための光学系４と、光学系４を通過したレーザ光を受光器５で検出し、その検出信号を処理する信号処理部６とから全体が構成されている。
【００５３】
レーザ部３は、単一波長のレーザ光を発振させる分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）２と、ＤＦＢ−ＬＤ２を搭載してその温度をペルチェ素子用電源７により制御するためのペルチェ素子８と、周波数ｆの正弦波信号を出力する発振器９と、この周波数ｆの信号により周波数ｆの２倍波信号を生成する倍周器１０と、ＤＦＢ−ＬＤ２にバイアス電流を付加するためのバイアス電流源１１と、バイアス電流源１１の掃引の仕方を決定する三角波掃引器１２とから構成されている。
【００５４】
また、バイアス電流源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、直流分をカットするためのコンデンサＣが接続されている。
【００５５】
このレーザ部３により、発振器９からの周波数ｆの正弦波信号が、バイアス電流源１１からの出力に重畳されて、ＤＦＢ−ＬＤ２が駆動される。
【００５６】
光学系４は、ＤＦＢ−ＬＤ２と受光器５間に接続される光切替器１３と、光切替器１３に接続され、ガス雰囲気を通過しないループ状の基準光路用光ファイバ１４と、光切替器１３にそれぞれ接続され、ガス雰囲気を通過する送受信光路１５ａ〜ｎ，１６ａ〜ｎにガス検出部１７ａ〜ｎをそれぞれ設けた複数のループ状のガス検出光路１８ａ〜ｎとから構成されている。
【００５７】
すなわち、各ガス検出光路１８ａ〜ｎは、送信用光ファイバ１５ａ〜ｎと、受信用光ファイバ１６ａ〜ｎと、各送信用光ファイバ１５ａ〜ｎと各受信用光ファイバ１６ａ〜ｎ間にそれぞれ接続されるガス検出部１７ａ〜ｎとからなっている。
【００５８】
光切替器１３は、基準光路用光ファイバ１４と各ガス検出光路１８ａ〜ｎを切り替えるためのものであり、２×ｎの構成となっている。より具体的に言えば、ＤＦＢ−ＬＤ２からの１入力に対し、送信用光ファイバ１５ａ〜ｎへのｎ出力を有し、受信用光ファイバ１６ａ〜ｎからのｎ入力に対し、受光器５への１出力を有している。
【００５９】
この光切替器１３は、後述する処理装置に接続されており、その処理装置により、ＤＦＢ−ＬＤ２から受光器５までのレーザ光の経路を、まず基準光路用光ファイバ１４、次にガス検出光路１８ａ，１８ｂ…、と順次光の送受信を切り替えるようにしている。
【００６０】
各検出対象ガス検出部１７ａ〜ｎは、測定対象である未知濃度の種々のガス（メタン等）が充填される容器であり、検出対象とする位置に、容易に設置することができるようになっている。各ガス検出部１７ａ〜ｎの一端には、送信用光ファイバ１５ａ〜ｎがそれぞれ接続され、各ガス検出部１７ａ〜ｎの他端には、受信用光ファイバ１６ａ〜ｎがそれぞれ接続されており、ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光の一部が測定対象ガス雰囲気を通過し、受光器５で受光されるようになっている。
【００６１】
信号処理部６は、基準光路用光ファイバ１４、各ガス検出光路１８ａ〜ｎのいずれかを通過したレーザ光を受光する受光器５と、発振器９からの正弦波信号の周波数ｆに同期して受光器５の出力の位相敏感検波を行う位相検波器１９と、倍周器１０からの正弦波信号の周波数２ｆに同期して受光器５の出力の位相敏感検波を行う位相検波器２０と、両位相検波器１９，２０の出力や出力比を記録・演算処理すると共に、光切替器１３を切り替える処理装置としてのコンピュータ２１とから構成されている。位相検波器１９，２０としては、例えば、ロックインアンプを使用することができる。
【００６２】
さて、本発明に係る多点型ガス濃度検出方法を説明する。
【００６３】
まず、コンピュータ２１により、ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光が、基準光路用光ファイバ１４を介して受光器５で受光されるように、光切替器１３を予め切り替えておく。
【００６４】
レーザ部３では、レーザ光の中心波長をガス吸収波長線上に掃引するため、ＤＦＢ−ＬＤ２の温度をペルチェ素子用電源７によって制御するペルチェ素子８により一定に固定し、ＤＦＢ−ＬＤ２のバイアス電流を三角波掃引器１２により三角波状にし、一方向に掃引させる。このとき、同時に、発振器９により正弦波状に、交流電源（変調電流）を重畳させる。
【００６５】
このようにして発振されたレーザ光は、光切替器１３、基準用光ファイバ１４、光切替器１３を通って受光器５で受光される。受光器５で検出された基準光路用光ファイバ１４からの信号の内、発振器９からの正弦波信号の周波数ｆに同期した信号は位相検波器１９で検出され、倍周器１０の正弦波信号の周波数２ｆに同期した信号は位相検波器２０によって検出される。両位相検波器１９，２０で抽出された信号は、それぞれコンピュータ２１に伝送される。
【００６６】
コンピュータ２１は、後述するように、基準光路用光ファイバ１４より得られる２倍波信号と基本波信号の比を、ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けてそれぞれ求め、予め基準値として記憶しておく。
【００６７】
その後、コンピュータ２１は、ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光が、ガス検出光路１８ａを介して受光器５で受光されるように、光切替器１３を切り替える。この場合、レーザ光は、光切替器１３、送信用光ファイバ１５ａ、ガス検出部１７ａ、受信用光ファイバ１６ａ、光切替器１３を通って受光器５で受光される。上述と同様にして、受光器５で検出されたガス検出光路１８ａからの信号の内、両位相検波器１９，２０で抽出された信号は、それぞれコンピュータ２１に伝送される。
【００６８】
以後同様にして、コンピュータ２１により、光切替器１３を順次切り替え、受光器５で検出された各ガス検出光路１８ｂ〜ｎからの信号の内、両位相検波器１９，２０で抽出された信号は、それぞれコンピュータ２１に伝送される。
【００６９】
コンピュータ２１は、後述するように、各ガス検出光路１８ａ〜ｎより得られる２倍波信号と基本波信号の比を、ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けてそれぞれ求める。
【００７０】
より詳細には、コンピュータ２１は、多点（複数箇所）のガス濃度を安定して高精度に検出するために以下の処理を行う。
【００７１】
受光器５からの信号は、位相検波器１９，２０により、その基本波成分と２倍波成分が位相検波される。位相検波器１９で得られる基本波成分は、電圧をＶ１ｆ、周波数変調との間に生じる位相差をθｆとすれば、
【００７２】
【数１４】
【００７３】
と表され、Ｖ１ｆが最大となるよう位相検波器１９においてθｆを調整すると、数１５となる。
【００７４】
【数１５】
【００７５】
一方、位相検波器２０で得られる２倍波成分は、電圧をＶ２ｆ、周波数変調との間に生じる位相差をθ２ｆとすれば、
【００７６】
【数１６】
【００７７】
と表され、Ｖ２ｆが最大となるよう位相検波器２０においてθ２ｆを微調整すると、数１７に示す最大感度を得る。
【００７８】
【数１７】
【００７９】
しかし、多点計測する場合、光ファイバ長の長さ（本実施の形態では、各ガス検出光路１８ａ〜ｎの長さ）の違いにより、θｆ，θ２ｆが異なる。本実施の形態では、基本波成分のθｆについては、ガス濃度に依存せず調整しやすいため、計測の都度、Ｖ１ｆが最大となるよう位相検波器１９を調整する方法とした。
【００８０】
そこで、その微調整方法を以下に説明する。説明の便宜上、基準光路用光ファイバ１４とガス検出光路１８ａの例で説明するが、基準光路用光ファイバ１４と他の各ガス検出光路１８ｂ〜ｎについても同様である。
【００８１】
ガス検出光路１８ａより得られる信号のうち、基本波成分をＰｃ（１ｆ）、２倍波成分のｃｏｓ成分をＰｃ（２ｆ）ｃｏｓ、２倍波成分のｓｉｎ成分をＰｃ（２ｆ）ｓｉｎとする。
【００８２】
また、基準光路用光ファイバ１４より得られる信号のうち、基本波成分をＰｒ（１ｆ）、２倍波成分のｃｏｓ成分をＰｒ（２ｆ）ｃｏｓ、２倍波成分のｓｉｎ成分をＰｒ（２ｆ）ｓｉｎとする。
【００８３】
コンピュータ２１は、これら各信号をもとに、以下の▲１▼〜▲４▼及び図２〜図７で説明する処理を施し、ガス信号を求める。
【００８４】
▲１▼まず、ガス検出光路１８ａ側と基準光路用光ファイバ１４側の各々において、各成分毎に、ガス検出光路１８ａより得られる２倍波信号と基本波信号の比Ｐｃ（ｃｏｓ），Ｐｃ（ｓｉｎ）と、基準光路用光ファイバ１４より得られる２倍波信号と基本波信号の比Ｐｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）とを算出する（図２）。コンピュータ２１は、Ｐｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）を予め基準値として記憶しておく。これらＰｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ），Ｐｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）は数１８で示される。
【００８５】
【数１８】
【００８６】
図２には、算出したＰｃ（ｃｏｓ），Ｐｃ（ｓｉｎ）とＰｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）の一例を示した。図２では、横軸を光源電流（波長）にとり、縦軸を２倍波信号と基本波信号の比Ｐ（２ｆ／１ｆ）にとって、Ｐｒ（ｓｉｎ）を波形ａ、Ｐｒ（ｃｏｓ）を波形ｂ、Ｐｃ（ｓｉｎ）を波形ｃ、Ｐｃ（ｃｏｓ）を波形ｄでそれぞれ示している。
【００８７】
▲２▼次に、光ファイバ長の違いにより生ずる信号の位相ずれを補正するため、ガス検出光路１８ａ側と基準光路用光ファイバ１４側の各々において、Ｐｃ（ｃｏｓ），Ｐｃ（ｓｉｎ）とＰｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）を、計測初期（ガス濃度に依存しない箇所、あるいはガス濃度に依存しない波長）で０点移動する｛図３、図４（ａ）｝。さらに、基準光路用光ファイバ１４側のＰｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）については、０点付近でｃｏｓ成分、ｓｉｎ成分の角度差を求め、それぞれが一致するように回転させる｛図４（ｂ）｝。
【００８８】
図３には、横軸をＰｃ（ｃｏｓ）にとり、縦軸をＰｃ（ｓｉｎ）にとって０点移動後のＰｃ（ｃｏｓ），Ｐｃ（ｓｉｎ）を波形ｅで示している。図３では、ガス濃度に依存しない箇所は円で囲まれたＸ部である。
【００８９】
同様に、図４（ａ）には、横軸をＰｒ（ｃｏｓ）にとり、縦軸をＰｒ（ｓｉｎ）にとって０点移動後のＰｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）を波形ｆで示している。図４（ａ）では、ガス濃度に依存しない箇所は円で囲まれたＹ部である。また、図４（ｂ）には、横軸をＰｒ（ｃｏｓ）にとり、縦軸をＰｒ（ｓｉｎ）にとって、図４（ａ）の波形ｆを０点付近で各成分の角度差が一致するように回転したものを波形ｇで示している。図５は、図３と図４（ｂ）を重ね合わせた図である。
【００９０】
▲３▼さらに、回転後の基準光路用光ファイバ１４側の信号Ｐｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）と、ガス検出光路１８ａ側の信号Ｐｃ（ｃｏｓ），Ｐｃ（ｓｉｎ）との差分をｃｏｓ成分、ｓｉｎ成分でそれぞれ算出する（図６）。これら各成分の差分Ｐｓ（ｃｏｓ），Ｐｓ（ｓｉｎ）は、数１９で示される。
【００９１】
【数１９】
【００９２】
図６には、横軸を光源電流にとり、縦軸をＰｓ（ｃｏｓ）あるいはＰｓ（ｓｉｎ）にとって、差分信号であるＰｓ（ｃｏｓ）を波形ｈで、差分信号であるＰｓ（ｓｉｎ）を波形ｉでそれぞれ示している。
【００９３】
▲４▼最後に、Ｐｓ（ｃｏｓ）とＰｓ（ｓｉｎ）の２乗和の平方根を算出してガス信号を求め（図７）、そのガス信号の波高値の高さからガス検出部１７ａのガス濃度Ｐｓｖを算出する。Ｐｓｖは数２０で示される。
【００９４】
【数２０】
【００９５】
図７には、横軸を光源電流（波長）にとり、縦軸をＰｓｖにとって、ガス信号であるＰｓｖを波形ｊで示している。このガス信号の波高値の高さは、横軸からガス吸収の中心波長を示す縦太線と波形ｊの交点までの高さである。
【００９６】
以後同様に、コンピュータ２１は、基準光路用光ファイバ１４と他の各ガス検出光路１８ｂ〜ｎの各信号についても、上述した▲１▼〜▲４▼及び図２〜図７で説明した処理を行う。
【００９７】
このように、本発明に係る多点型ガス濃度検出方法は、コンピュータ２１により、基準光路用光ファイバ１４を通過し得られた信号の各成分毎の出力比２ｆ／１ｆ｛Ｐｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）｝を予め基準値として記憶しておき、光切替器１３を切り替え、順次、記憶した基準値と、ガス検出光路１８ａ〜ｎを通過し得られた信号の各成分毎の出力比２ｆ／１ｆ｛Ｐｃ（ｃｏｓ），Ｐｃ（ｓｉｎ）｝との差分を、互いの位相差を一致させた後に行うことにより、各ガス検出光路１８ａ〜ｎの光路長の違いにより生じる信号の位相ずれをそれぞれ補正しているので、光切替器を１３を切り替えても、光路長によらず、多点（複数箇所）のガス信号を安定して高精度に得ることができる。
【００９８】
基準光路用光ファイバ１４を通過し得られた信号の各成分毎の出力比２ｆ／１ｆ（基準）を予め記憶し、この信号を差分処理に用いることで、レーザ部３、光切替器１３などの光学系４、信号処理部６の波長依存性を除去でき、さらに、各ガス検出光路１８ａ〜ｎ側の位相θ２ｆを自動的に補正することとなり、安定して正確なガス信号を得ることができる。
【００９９】
この得られたガス信号の波高値｛Ｐｓｖの波高値：Ｐｓ（ｃｏｓ）とＰｓ（ｓｉｎ）の２乗和の平方根の波高値｝から、例えば、予めコンピュータ２１内にデータベースとして記憶されている波高値と基準ガス濃度の関係により、各ガス検出部１７ａ〜ｎのガス濃度をそれぞれ安定して高精度に求めることができる。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【０１０１】
（１）光路長によらず、多点（複数箇所）のガス濃度を安定して高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施の形態を示す概略図である。
【図２】基準光路およびガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比を、各成分毎に示す波形図である。
【図３】ガス検出光路より得られる信号をガス濃度に依存しない箇所で０点移動した波形図である。
【図４】図４（ａ）は、基準光路より得られる信号をガス濃度に依存しない箇所で０点移動した波形図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）を０点付近で各成分の位相差が一致するように回転させた波形図である。
【図５】図３と図４（ｂ）を重ね合わせた図である。
【図６】回転後の基準光路より得られる信号と０点移動後のガス検出光路から得られる信号を各成分毎に差分した波形図である。
【図７】図６の波形図からｃｏｓ成分とｓｉｎ成分の２乗和の平方根を求めて得られるガス信号の波形図である。
【図８】ガスの吸収線の微分信号を示す図である。
【図９】光伝送路中を伝搬するレーザの光強度を説明する図である。
【符号の説明】
１ 多点型ガス濃度検出システム
２ ＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還型半導体レーザ）
５ 受光器
１３ 光切替器
１４ 基準光路用光ファイバ
１５ａ〜ｎ 送信用光ファイバ
１６ａ〜ｎ 受信用光ファイバ
１７ａ〜ｎ ガス検出部
１８ａ〜ｎ ガス検出光路
２１ コンピュータ（処理装置）
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光の透過量から雰囲気中のガス濃度を検出するガス濃度検出方法及びそのシステムに係り、特に、光路長の違いにより生じる信号の位相ずれを補正し、複数箇所のガス濃度を安定して高精度に検出する多点型ガス濃度検出方法及びそのシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガス濃度検出方法には、ガスを検出するためのセンサとして、半導体式など電気式センサを使用する方法がある。この方法では、センサ近傍に電源設備が必要であり、また、定期的に校正が必要なため、長距離監視の場合、保守性や経済性の面で問題となっている。
【０００３】
一方で、ガスを検出するためのセンサとして、光を応用したセンサを使用する方法がある。この方法は、ある特定波長のレーザ光をガス分子が吸収する性質を持っていることから、この現象を利用してガスの有無を検出でき、この原理を応用したセンシング技術が工業計測、公害監視などで広く用いられている。また、このレーザ光を光ファイバで伝送すれば、遠隔監視も可能となる。
【０００４】
そこで、本発明者らは特許文献１に開示されている発明を応用して、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。この原理を応用した方法では、半導体レーザの駆動電流を所定の電流を中心として高周波で変調し、波長及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。そうして安定し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を含む測定用のガスセルに透過させ、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、レーザ光の２倍波検波信号、または基本波検波信号により、ガス濃度を高いＳＮ比で検出できる。
【０００５】
以下に、光ファイバを伝送路としてガス濃度を検出する方法の原理を説明する。検出対象ガスはメタンとする。
【０００６】
光の周波数を何らかの手段で変調し、その光が対象吸収ガスを通過すると、受光した光信号は、変調周波成分とその高調波成分をもつ。そのうち、基本波成分、２倍波成分を位相敏感検波すると、それぞれガスの吸収線の周波数に関する一次微分、二次微分に対応する信号を得ることができる。ここで、位相敏感検波とは、信号のうちの特定の周波数、位相を持つ成分だけを抽出してその振幅を測定することを意味し、位相検波器として、例えばロックインアンプ用いることで実現できる。
【０００７】
メタンの濃度（分圧）をｃ、光路長をｌとしたときのレーザ光の透過率Ｔは、
【０００８】
【数１】
と表せる。αはメタンの吸収係数であり、大気圧中では、一つの吸収線に着目すると次のようなローレンツ型の周波数依存性を有する。
【００１０】
【数２】
αｃｌ≪１の場合、数１、数２より、
【００１２】
【数３】
と近似できる。
【００１４】
光源として半導体レーザ（ＬＤ）を用いた場合、ＬＤの発振周波数Ωは温度と駆動電流の関数であるが、温度一定で駆動電流を周波数ωで変調すると、Ωは次式で表せる。
【００１５】
【数４】
数３でＴをΩ＝Ω０においてテーラー展開し、ΔΩの二次まで求めると、次式で表せる。
【００１７】
【数５】
Ｔ０，Ｔ０１，Ｔ０２の大きさと周波数の関係を図８に示す。
【００１９】
数５で示される透過率Ｔのうちｃｏｓωｔ，ｃｏｓ２ωｔの成分を位相敏感検波すれば、それぞれＴ０１，Ｔ０２に比例した信号が得られる。図８からわかるように、レーザの中心周波数Ω０とメタンの吸収線の中心ωｍが一致したときＴ０は最小、Ｔ０１は０、Ｔ０２は最大となる。
【００２０】
ＬＤの駆動電流を変調すると、レーザの発振周波数だけが変調されると考えているが、発振強度も同時に変調を受ける。ＬＤの駆動電流を周波数ωで変調すると、発振周波数は、数４で与えられるのに対して、発振強度Ｉは、
【００２１】
【数６】
で与えられる。
【００２３】
ここで、図９に示すように、ＬＤ９１からのレーザ光を往路用光ファイバ９２を介してガスセル９３内に導き、ガスセル９３を透過したレーザ光を復路用光ファイバ９４を介して受光器９５で受光するものとする。ＬＤ９１から出射したレーザ光が往路光伝送路９２とカップリングした光強度をＩとする。
【００２４】
往路伝送路損失係数をＫ１としたときガスセル９３を出射する光強度は、出射強度Ｋ１・Ｉと透過率Ｔに比例するのでＫ１・Ｉ・Ｔとなる。受光器９５で検知される光強度は、復路伝送路損失係数をＫ２としたときＫ２・Ｋ１・Ｔ・Ｉとなる。ここでΔΩが微少周波数変調振幅であるとき、Ｋ１・Ｋ２は一定値とおくことができるので、Ｋ１・Ｋ２＝Ａとすれば受光器９５で検知する光強度Ｐは、
【００２５】
【数７】
で表せる。数７に数５、数６を代入すると、
【００２７】
【数８】
となる。
【００２９】
数８を展開して、周波数ωで変化する部分は、微小項を無視すれば、
【００３０】
【数９】
となり、光強度Ｐ（ω）は位相の異なる２つの項から成ることになる。
【００３２】
ここで、数９の第１項の寄与が最大になる位相で基本波検波して得られる信号をＰ（ω）ｍａｘとすると、次式で表せる。
【００３３】
【数１０】
メタンの吸収は、レーザの駆動電流を周波数ωで変調し、透過光の基本波および２倍波での位相敏感検波信号により検出することができる。
【００３５】
レーザの周波数をメタンの吸収線の中心に安定化させた後、ガス雰囲気通過後の光検出信号から周波数２ωに同期した信号成分を、位相敏感検波して得られる信号Ｐ（２ω）は、数８より、
【００３６】
【数１１】
となる。
【００３８】
Ｐ（ω）ｍａｘは、数１０より、
【００３９】
【数１２】
となり、それぞれの比Ｒをとると次式で表される。
【００４１】
【数１３】
従って、光学系損失Ａに無関係にメタン濃度ｃと光路長ｌとの積ｃｌが求まる。さらに、発振強度Ｉが分かればメタン濃度が検出できることになる。
【００４３】
【特許文献１】
特開平５−２５６７６９号公報
【００４４】
【発明が解決しようとする課題 】
しかしながら、従来の方法では以下のような問題がある。
【００４５】
上述したように、電気式センサを使用する方法は、センサ（ガス検出部）近傍に電源設備が必要であり、また、定期的に校正が必要なため、長距離監視の場合、保守性や経済性の面で問題である。
【００４６】
一方、光式センサを使用する方法においても、長距離で複数箇所のガスを検出する場合、光路長の違いにより生じる信号の位相ずれを補正することは行われていないという問題がある。したがって、ガス濃度を十分に安定して高精度に検出していない可能性がある。
【００４７】
そこで、本発明の目的は、多点ガス濃度計測において、計測対象箇所の光路長が変化しても、ガス濃度を安定して高濃度に検出できる多点型ガス濃度検出方法及びそのシステムを提供することにある。
【００４８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、レーザ光を測定対象とするガス雰囲気に通して得られる透過光の強度を多点で検出し、得られた各信号からガス濃度を検出する多点型ガス濃度検出方法であって、
レーザと受光器間に光切替器を接続し、該光切替器に、ガス雰囲気を通過しない基準光路を接続すると共に、ガス雰囲気を通過する送受信光路にガス検出部を設けたガス検出光路を複数接続し、該各ガス検出光路の光路長の違いにより生じる信号の位相ずれをそれぞれ補正して多点のガス濃度を検出するに際し、前記基準光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比と、前記各ガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比とを、ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けてそれぞれ求め、ガス濃度に依存しない波長の部分で位相差をそれぞれ一致させ、前記各ガス検出光路の光路長の違いにより生じる信号の位相ずれをそれぞれ補正し、前記基準光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比と、前記各ガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比との差分を各成分毎に行い、該ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分の２乗和の平方根からガス信号をそれぞれ求め、該各ガス信号から多点のガス濃度を検出する多点型ガス濃度検出方法である。
請求項２の発明は、レーザ光を測定対象とするガス雰囲気に通して得られる透過光の強度を多点で検出し、得られた各信号からガス濃度を検出する多点型ガス濃度検出システムであって、ガス雰囲気を通過しない基準光路と、ガス雰囲気を通過する送受信光路にガス検出部を設けた複数のガス検出光路と、前記基準光路と前記各ガス検出光路を切り替えるための光切替器と、該光切替器を切り替え、前記各ガス検出光路から得られる信号と前記基準光路から得られる信号とをそれぞれ差分する処理装置とを備え、該処理装置は、前記基準光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比と、前記各ガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比とを、ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けてそれぞれ求め、ガス濃度に依存しない波長の部分で位相差をそれぞれ一致させ、前記各ガス検出光路の光路長の違いにより生じる信号の位相ずれをそれぞれ補正し、前記基準光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比と、前記各ガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比との差分を各成分毎に行い、該ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分の２乗和の平方根からガス信号をそれぞれ求め、該各ガス信号から多点のガス濃度を検出する多点型ガス濃度検出システムである。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００５１】
図１は、本発明の好適実施の形態である多点型ガス濃度検出方法を実施するために使用される多点型ガス濃度検出システムの概略図を示したものである。
【００５２】
図１に示すように、多点型ガス濃度検出システム１は、主として地下街・高層ビル等の都市ガス（メタンガス）の漏洩やＬＮＧタンク周辺のガス漏れを多点（複数箇所）検出するものであり、レーザ２を駆動してレーザ光を発振させるためのレーザ部３と、発振したレーザ光を導くための光学系４と、光学系４を通過したレーザ光を受光器５で検出し、その検出信号を処理する信号処理部６とから全体が構成されている。
【００５３】
レーザ部３は、単一波長のレーザ光を発振させる分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）２と、ＤＦＢ−ＬＤ２を搭載してその温度をペルチェ素子用電源７により制御するためのペルチェ素子８と、周波数ｆの正弦波信号を出力する発振器９と、この周波数ｆの信号により周波数ｆの２倍波信号を生成する倍周器１０と、ＤＦＢ−ＬＤ２にバイアス電流を付加するためのバイアス電流源１１と、バイアス電流源１１の掃引の仕方を決定する三角波掃引器１２とから構成されている。
【００５４】
また、バイアス電流源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、直流分をカットするためのコンデンサＣが接続されている。
【００５５】
このレーザ部３により、発振器９からの周波数ｆの正弦波信号が、バイアス電流源１１からの出力に重畳されて、ＤＦＢ−ＬＤ２が駆動される。
【００５６】
光学系４は、ＤＦＢ−ＬＤ２と受光器５間に接続される光切替器１３と、光切替器１３に接続され、ガス雰囲気を通過しないループ状の基準光路用光ファイバ１４と、光切替器１３にそれぞれ接続され、ガス雰囲気を通過する送受信光路１５ａ〜ｎ，１６ａ〜ｎにガス検出部１７ａ〜ｎをそれぞれ設けた複数のループ状のガス検出光路１８ａ〜ｎとから構成されている。
【００５７】
すなわち、各ガス検出光路１８ａ〜ｎは、送信用光ファイバ１５ａ〜ｎと、受信用光ファイバ１６ａ〜ｎと、各送信用光ファイバ１５ａ〜ｎと各受信用光ファイバ１６ａ〜ｎ間にそれぞれ接続されるガス検出部１７ａ〜ｎとからなっている。
【００５８】
光切替器１３は、基準光路用光ファイバ１４と各ガス検出光路１８ａ〜ｎを切り替えるためのものであり、２×ｎの構成となっている。より具体的に言えば、ＤＦＢ−ＬＤ２からの１入力に対し、送信用光ファイバ１５ａ〜ｎへのｎ出力を有し、受信用光ファイバ１６ａ〜ｎからのｎ入力に対し、受光器５への１出力を有している。
【００５９】
この光切替器１３は、後述する処理装置に接続されており、その処理装置により、ＤＦＢ−ＬＤ２から受光器５までのレーザ光の経路を、まず基準光路用光ファイバ１４、次にガス検出光路１８ａ，１８ｂ…、と順次光の送受信を切り替えるようにしている。
【００６０】
各検出対象ガス検出部１７ａ〜ｎは、測定対象である未知濃度の種々のガス（メタン等）が充填される容器であり、検出対象とする位置に、容易に設置することができるようになっている。各ガス検出部１７ａ〜ｎの一端には、送信用光ファイバ１５ａ〜ｎがそれぞれ接続され、各ガス検出部１７ａ〜ｎの他端には、受信用光ファイバ１６ａ〜ｎがそれぞれ接続されており、ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光の一部が測定対象ガス雰囲気を通過し、受光器５で受光されるようになっている。
【００６１】
信号処理部６は、基準光路用光ファイバ１４、各ガス検出光路１８ａ〜ｎのいずれかを通過したレーザ光を受光する受光器５と、発振器９からの正弦波信号の周波数ｆに同期して受光器５の出力の位相敏感検波を行う位相検波器１９と、倍周器１０からの正弦波信号の周波数２ｆに同期して受光器５の出力の位相敏感検波を行う位相検波器２０と、両位相検波器１９，２０の出力や出力比を記録・演算処理すると共に、光切替器１３を切り替える処理装置としてのコンピュータ２１とから構成されている。位相検波器１９，２０としては、例えば、ロックインアンプを使用することができる。
【００６２】
さて、本発明に係る多点型ガス濃度検出方法を説明する。
【００６３】
まず、コンピュータ２１により、ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光が、基準光路用光ファイバ１４を介して受光器５で受光されるように、光切替器１３を予め切り替えておく。
【００６４】
レーザ部３では、レーザ光の中心波長をガス吸収波長線上に掃引するため、ＤＦＢ−ＬＤ２の温度をペルチェ素子用電源７によって制御するペルチェ素子８により一定に固定し、ＤＦＢ−ＬＤ２のバイアス電流を三角波掃引器１２により三角波状にし、一方向に掃引させる。このとき、同時に、発振器９により正弦波状に、交流電源（変調電流）を重畳させる。
【００６５】
このようにして発振されたレーザ光は、光切替器１３、基準用光ファイバ１４、光切替器１３を通って受光器５で受光される。受光器５で検出された基準光路用光ファイバ１４からの信号の内、発振器９からの正弦波信号の周波数ｆに同期した信号は位相検波器１９で検出され、倍周器１０の正弦波信号の周波数２ｆに同期した信号は位相検波器２０によって検出される。両位相検波器１９，２０で抽出された信号は、それぞれコンピュータ２１に伝送される。
【００６６】
コンピュータ２１は、後述するように、基準光路用光ファイバ１４より得られる２倍波信号と基本波信号の比を、ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けてそれぞれ求め、予め基準値として記憶しておく。
【００６７】
その後、コンピュータ２１は、ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光が、ガス検出光路１８ａを介して受光器５で受光されるように、光切替器１３を切り替える。この場合、レーザ光は、光切替器１３、送信用光ファイバ１５ａ、ガス検出部１７ａ、受信用光ファイバ１６ａ、光切替器１３を通って受光器５で受光される。上述と同様にして、受光器５で検出されたガス検出光路１８ａからの信号の内、両位相検波器１９，２０で抽出された信号は、それぞれコンピュータ２１に伝送される。
【００６８】
以後同様にして、コンピュータ２１により、光切替器１３を順次切り替え、受光器５で検出された各ガス検出光路１８ｂ〜ｎからの信号の内、両位相検波器１９，２０で抽出された信号は、それぞれコンピュータ２１に伝送される。
【００６９】
コンピュータ２１は、後述するように、各ガス検出光路１８ａ〜ｎより得られる２倍波信号と基本波信号の比を、ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けてそれぞれ求める。
【００７０】
より詳細には、コンピュータ２１は、多点（複数箇所）のガス濃度を安定して高精度に検出するために以下の処理を行う。
【００７１】
受光器５からの信号は、位相検波器１９，２０により、その基本波成分と２倍波成分が位相検波される。位相検波器１９で得られる基本波成分は、電圧をＶ１ｆ、周波数変調との間に生じる位相差をθｆとすれば、
【００７２】
【数１４】
と表され、Ｖ１ｆが最大となるよう位相検波器１９においてθｆを調整すると、数１５となる。
【００７４】
【数１５】
一方、位相検波器２０で得られる２倍波成分は、電圧をＶ２ｆ、周波数変調との間に生じる位相差をθ２ｆとすれば、
【００７６】
【数１６】
と表され、Ｖ２ｆが最大となるよう位相検波器２０においてθ２ｆを微調整すると、数１７に示す最大感度を得る。
【００７８】
【数１７】
しかし、多点計測する場合、光ファイバ長の長さ（本実施の形態では、各ガス検出光路１８ａ〜ｎの長さ）の違いにより、θｆ，θ２ｆが異なる。本実施の形態では、基本波成分のθｆについては、ガス濃度に依存せず調整しやすいため、計測の都度、Ｖ１ｆが最大となるよう位相検波器１９を調整する方法とした。
【００８０】
そこで、その微調整方法を以下に説明する。説明の便宜上、基準光路用光ファイバ１４とガス検出光路１８ａの例で説明するが、基準光路用光ファイバ１４と他の各ガス検出光路１８ｂ〜ｎについても同様である。
【００８１】
ガス検出光路１８ａより得られる信号のうち、基本波成分をＰｃ（１ｆ）、２倍波成分のｃｏｓ成分をＰｃ（２ｆ）ｃｏｓ、２倍波成分のｓｉｎ成分をＰｃ（２ｆ）ｓｉｎとする。
【００８２】
また、基準光路用光ファイバ１４より得られる信号のうち、基本波成分をＰｒ（１ｆ）、２倍波成分のｃｏｓ成分をＰｒ（２ｆ）ｃｏｓ、２倍波成分のｓｉｎ成分をＰｒ（２ｆ）ｓｉｎとする。
【００８３】
コンピュータ２１は、これら各信号をもとに、以下の▲１▼〜▲４▼及び図２〜図７で説明する処理を施し、ガス信号を求める。
【００８４】
▲１▼まず、ガス検出光路１８ａ側と基準光路用光ファイバ１４側の各々において、各成分毎に、ガス検出光路１８ａより得られる２倍波信号と基本波信号の比Ｐｃ（ｃｏｓ），Ｐｃ（ｓｉｎ）と、基準光路用光ファイバ１４より得られる２倍波信号と基本波信号の比Ｐｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）とを算出する（図２）。コンピュータ２１は、Ｐｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）を予め基準値として記憶しておく。これらＰｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ），Ｐｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）は数１８で示される。
【００８５】
【数１８】
図２には、算出したＰｃ（ｃｏｓ），Ｐｃ（ｓｉｎ）とＰｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）の一例を示した。図２では、横軸を光源電流（波長）にとり、縦軸を２倍波信号と基本波信号の比Ｐ（２ｆ／１ｆ）にとって、Ｐｒ（ｓｉｎ）を波形ａ、Ｐｒ（ｃｏｓ）を波形ｂ、Ｐｃ（ｓｉｎ）を波形ｃ、Ｐｃ（ｃｏｓ）を波形ｄでそれぞれ示している。
【００８７】
▲２▼次に、光ファイバ長の違いにより生ずる信号の位相ずれを補正するため、ガス検出光路１８ａ側と基準光路用光ファイバ１４側の各々において、Ｐｃ（ｃｏｓ），Ｐｃ（ｓｉｎ）とＰｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）を、計測初期（ガス濃度に依存しない箇所、あるいはガス濃度に依存しない波長）で０点移動する｛図３、図４（ａ）｝。さらに、基準光路用光ファイバ１４側のＰｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）については、０点付近でｃｏｓ成分、ｓｉｎ成分の角度差を求め、それぞれが一致するように回転させる｛図４（ｂ）｝。
【００８８】
図３には、横軸をＰｃ（ｃｏｓ）にとり、縦軸をＰｃ（ｓｉｎ）にとって０点移動後のＰｃ（ｃｏｓ），Ｐｃ（ｓｉｎ）を波形ｅで示している。図３では、ガス濃度に依存しない箇所は円で囲まれたＸ部である。
【００８９】
同様に、図４（ａ）には、横軸をＰｒ（ｃｏｓ）にとり、縦軸をＰｒ（ｓｉｎ）にとって０点移動後のＰｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）を波形ｆで示している。図４（ａ）では、ガス濃度に依存しない箇所は円で囲まれたＹ部である。また、図４（ｂ）には、横軸をＰｒ（ｃｏｓ）にとり、縦軸をＰｒ（ｓｉｎ）にとって、図４（ａ）の波形ｆを０点付近で各成分の角度差が一致するように回転したものを波形ｇで示している。図５は、図３と図４（ｂ）を重ね合わせた図である。
【００９０】
▲３▼さらに、回転後の基準光路用光ファイバ１４側の信号Ｐｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）と、ガス検出光路１８ａ側の信号Ｐｃ（ｃｏｓ），Ｐｃ（ｓｉｎ）との差分をｃｏｓ成分、ｓｉｎ成分でそれぞれ算出する（図６）。これら各成分の差分Ｐｓ（ｃｏｓ），Ｐｓ（ｓｉｎ）は、数１９で示される。
【００９１】
【数１９】
図６には、横軸を光源電流にとり、縦軸をＰｓ（ｃｏｓ）あるいはＰｓ（ｓｉｎ）にとって、差分信号であるＰｓ（ｃｏｓ）を波形ｈで、差分信号であるＰｓ（ｓｉｎ）を波形ｉでそれぞれ示している。
【００９３】
▲４▼最後に、Ｐｓ（ｃｏｓ）とＰｓ（ｓｉｎ）の２乗和の平方根を算出してガス信号を求め（図７）、そのガス信号の波高値の高さからガス検出部１７ａのガス濃度Ｐｓｖを算出する。Ｐｓｖは数２０で示される。
【００９４】
【数２０】
図７には、横軸を光源電流（波長）にとり、縦軸をＰｓｖにとって、ガス信号であるＰｓｖを波形ｊで示している。このガス信号の波高値の高さは、横軸からガス吸収の中心波長を示す縦太線と波形ｊの交点までの高さである。
【００９６】
以後同様に、コンピュータ２１は、基準光路用光ファイバ１４と他の各ガス検出光路１８ｂ〜ｎの各信号についても、上述した▲１▼〜▲４▼及び図２〜図７で説明した処理を行う。
【００９７】
このように、本発明に係る多点型ガス濃度検出方法は、コンピュータ２１により、基準光路用光ファイバ１４を通過し得られた信号の各成分毎の出力比２ｆ／１ｆ｛Ｐｒ（ｃｏｓ），Ｐｒ（ｓｉｎ）｝を予め基準値として記憶しておき、光切替器１３を切り替え、順次、記憶した基準値と、ガス検出光路１８ａ〜ｎを通過し得られた信号の各成分毎の出力比２ｆ／１ｆ｛Ｐｃ（ｃｏｓ），Ｐｃ（ｓｉｎ）｝との差分を、互いの位相差を一致させた後に行うことにより、各ガス検出光路１８ａ〜ｎの光路長の違いにより生じる信号の位相ずれをそれぞれ補正しているので、光切替器を１３を切り替えても、光路長によらず、多点（複数箇所）のガス信号を安定して高精度に得ることができる。
【００９８】
基準光路用光ファイバ１４を通過し得られた信号の各成分毎の出力比２ｆ／１ｆ（基準）を予め記憶し、この信号を差分処理に用いることで、レーザ部３、光切替器１３などの光学系４、信号処理部６の波長依存性を除去でき、さらに、各ガス検出光路１８ａ〜ｎ側の位相θ２ｆを自動的に補正することとなり、安定して正確なガス信号を得ることができる。
【００９９】
この得られたガス信号の波高値｛Ｐｓｖの波高値：Ｐｓ（ｃｏｓ）とＰｓ（ｓｉｎ）の２乗和の平方根の波高値｝から、例えば、予めコンピュータ２１内にデータベースとして記憶されている波高値と基準ガス濃度の関係により、各ガス検出部１７ａ〜ｎのガス濃度をそれぞれ安定して高精度に求めることができる。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【０１０１】
（１）光路長によらず、多点（複数箇所）のガス濃度を安定して高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施の形態を示す概略図である。
【図２】基準光路およびガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比を、各成分毎に示す波形図である。
【図３】ガス検出光路より得られる信号をガス濃度に依存しない箇所で０点移動した波形図である。
【図４】図４（ａ）は、基準光路より得られる信号をガス濃度に依存しない箇所で０点移動した波形図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）を０点付近で各成分の位相差が一致するように回転させた波形図である。
【図５】図３と図４（ｂ）を重ね合わせた図である。
【図６】回転後の基準光路より得られる信号と０点移動後のガス検出光路から得られる信号を各成分毎に差分した波形図である。
【図７】図６の波形図からｃｏｓ成分とｓｉｎ成分の２乗和の平方根を求めて得られるガス信号の波形図である。
【図８】ガスの吸収線の微分信号を示す図である。
【図９】光伝送路中を伝搬するレーザの光強度を説明する図である。
【符号の説明】
１ 多点型ガス濃度検出システム
２ ＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還型半導体レーザ）
５ 受光器
１３ 光切替器
１４ 基準光路用光ファイバ
１５ａ〜ｎ 送信用光ファイバ
１６ａ〜ｎ 受信用光ファイバ
１７ａ〜ｎ ガス検出部
１８ａ〜ｎ ガス検出光路
２１ コンピュータ（処理装置）
Claims (2)
- レーザ光を測定対象とするガス雰囲気に通して得られる透過光の強度を多点で検出し、得られた各信号からガス濃度を検出する多点型ガス濃度検出方法であって、
レーザと受光器間に光切替器を接続し、該光切替器に、ガス雰囲気を通過しない基準光路を接続すると共に、ガス雰囲気を通過する送受信光路にガス検出部を設けたガス検出光路を複数接続し、該各ガス検出光路の光路長の違いにより生じる信号の位相ずれをそれぞれ補正して多点のガス濃度を検出するに際し、前記基準光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比と、前記各ガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比とを、ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けてそれぞれ求め、ガス濃度に依存しない波長の部分で位相差をそれぞれ一致させ、前記各ガス検出光路の光路長の違いにより生じる信号の位相ずれをそれぞれ補正し、前記基準光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比と、前記各ガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比との差分を各成分毎に行い、該ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分の２乗和の平方根からガス信号をそれぞれ求め、該各ガス信号から多点のガス濃度を検出することを特徴とする多点型ガス濃度検出方法。 - レーザ光を測定対象とするガス雰囲気に通して得られる透過光の強度を多点で検出し、得られた各信号からガス濃度を検出する多点型ガス濃度検出システムであって、
ガス雰囲気を通過しない基準光路と、ガス雰囲気を通過する送受信光路にガス検出部を設けた複数のガス検出光路と、前記基準光路と前記各ガス検出光路を切り替えるための光切替器と、該光切替器を切り替え、前記各ガス検出光路から得られる信号と前記基準光路から得られる信号とをそれぞれ差分する処理装置とを備え、該処理装置は、前記基準光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比と、前記各ガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比とを、ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分に分けてそれぞれ求め、ガス濃度に依存しない波長の部分で位相差をそれぞれ一致させ、前記各ガス検出光路の光路長の違いにより生じる信号の位相ずれをそれぞれ補正し、前記基準光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比と、前記各ガス検出光路より得られる２倍波信号と基本波信号の比との差分を各成分毎に行い、該ｃｏｓ成分とｓｉｎ成分の２乗和の平方根からガス信号をそれぞれ求め、該各ガス信号から多点のガス濃度を検出することを特徴とする多点型ガス濃度検出システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003157010A JP4217109B2 (ja) | 2003-06-02 | 2003-06-02 | 多点型ガス濃度検出方法及びそのシステム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003157010A JP4217109B2 (ja) | 2003-06-02 | 2003-06-02 | 多点型ガス濃度検出方法及びそのシステム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004361129A JP2004361129A (ja) | 2004-12-24 |
| JP4217109B2 true JP4217109B2 (ja) | 2009-01-28 |
Family
ID=34050910
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003157010A Expired - Fee Related JP4217109B2 (ja) | 2003-06-02 | 2003-06-02 | 多点型ガス濃度検出方法及びそのシステム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4217109B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103454222A (zh) * | 2013-05-23 | 2013-12-18 | 成都谱视科技有限公司 | 一种基于光学气体传感技术的开放气室 |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5176535B2 (ja) * | 2007-02-02 | 2013-04-03 | 富士電機株式会社 | レーザ式ガス分析計 |
| JP5630642B2 (ja) * | 2010-08-31 | 2014-11-26 | 横河電機株式会社 | レーザガス分析計 |
| EP2985592B1 (de) | 2014-08-13 | 2017-09-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Absorptionsspektrometer und Verfahren zur Messung der Konzentration einer interessierenden Gaskomponente eines Messgases |
| WO2017014097A1 (ja) * | 2015-07-17 | 2017-01-26 | 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 |
| DE102015118208B4 (de) * | 2015-10-26 | 2022-11-10 | Sick Ag | Analysevorrichtung zum Analysieren einer Gasprobe sowie Verfahren zum Analysieren einer Gasprobe |
| GB2576920B (en) * | 2018-09-06 | 2022-07-06 | Univ Cranfield | Fluid sensing system and methods |
| CN109406451B (zh) * | 2018-11-19 | 2023-08-11 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | 一种冷泉气体成分与浓度检测装置及检测方法 |
| CN112967413B (zh) * | 2021-02-01 | 2023-04-11 | 重庆梅安森科技股份有限公司 | 一种煤矿瓦斯动态巡更系统及方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04231837A (ja) * | 1990-07-06 | 1992-08-20 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 光ファイバの一括測定方法 |
| JP3229391B2 (ja) * | 1992-11-05 | 2001-11-19 | 東京電力株式会社 | 光ファイバを用いた多点ガス濃度測定方法及び装置 |
| JP2744742B2 (ja) * | 1992-11-05 | 1998-04-28 | 東京電力株式会社 | ガス濃度測定方法およびその測定装置 |
| JP3114959B2 (ja) * | 1994-09-29 | 2000-12-04 | 東京電力株式会社 | ガス濃度検出方法及びその装置 |
| JPH10132737A (ja) * | 1996-10-31 | 1998-05-22 | Hitachi Cable Ltd | 遠隔ガス濃度測定方法及びその装置 |
-
2003
- 2003-06-02 JP JP2003157010A patent/JP4217109B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103454222A (zh) * | 2013-05-23 | 2013-12-18 | 成都谱视科技有限公司 | 一种基于光学气体传感技术的开放气室 |
| CN103454222B (zh) * | 2013-05-23 | 2016-03-16 | 成都谱视科技有限公司 | 一种基于光学气体传感技术的开放气室 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004361129A (ja) | 2004-12-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Duffin et al. | Tunable diode-laser spectroscopy with wavelength modulation: a calibration-free approach to the recovery of absolute gas absorption line shapes | |
| JP5142320B2 (ja) | 光式可燃性ガス濃度検出方法及び光式可燃性ガス濃度検出装置 | |
| JP4331741B2 (ja) | ガス検出方法及びガス検出装置 | |
| JP3307730B2 (ja) | 光学測定装置 | |
| US9869632B2 (en) | Absorption spectrometer and method for measuring the concentration of a gaseous component of interest in a measurement gas | |
| JP2007240248A (ja) | 光式多ガス濃度検出方法及び装置 | |
| JP4217109B2 (ja) | 多点型ガス濃度検出方法及びそのシステム | |
| CN100595571C (zh) | 气体检测方法和气体检测装置 | |
| JP4976924B2 (ja) | 光式ガス検知方法及び光式ガス検知装置 | |
| JP3114959B2 (ja) | ガス濃度検出方法及びその装置 | |
| US20050099632A1 (en) | Laser-based spectroscopic detection techniques | |
| CN106402664A (zh) | 气体泄漏激光遥感机载探测装置 | |
| JPH0830680B2 (ja) | ガス検出装置 | |
| JP4217108B2 (ja) | 多点型光式ガス濃度検出方法及びそのシステム | |
| JPH0579976A (ja) | ガス濃度測定装置 | |
| CN102636109B (zh) | 复合电流调制半导体激光干涉仪 | |
| JP2007218783A (ja) | 光ファイバ式ガス濃度検出方法及び装置 | |
| JP5594514B2 (ja) | レーザ式ガス分析計 | |
| JP2744728B2 (ja) | ガス濃度測定方法およびその測定装置 | |
| JP2011203231A (ja) | 光波干渉計測装置 | |
| JP2792782B2 (ja) | ガス濃度測定方法およびその測定装置 | |
| JP2703835B2 (ja) | ガス濃度測定方法及びその測定装置 | |
| US5872877A (en) | Passive resonant optical microfabricated inertial sensor and method using same | |
| JPH03277945A (ja) | ガス検知装置 | |
| EP1970666A1 (en) | Interferometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050307 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20050307 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060519 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080402 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080422 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080617 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080805 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080916 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20081028 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20081107 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111114 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111114 Year of fee payment: 3 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121114 Year of fee payment: 4 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131114 Year of fee payment: 5 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |