JPH01235834A - レーザ方式ガスセンサにおける信号処理方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 半導体レーザ光を用いてガスの濃度や種類を検知するレ
ーザ方式ガスセンサにおける信号処理方式に関し、 妨害ガスの影響を受けることなく被測定ガスの濃度を正
確に測定することを目的とし、半導体レーザ光源より放
射されたレーザ光を、被測定ガス雰囲気中に透過させ、
その透過光の光強度を光検知器により電気信号に変換し
、更にその電気信号に基づいて濃度測定手段により被測
定ガスの濃度を測定するレーザ方式ガスセンサにおいて
、被測定ガスのスペクトル吸収線及びその付近の波長帯
の妨害ガスのスペクトル曲線の波長サンプリング間隔を
調整して該妨害ガスの波長対信号ｍ特性が直線となるよ
うにするサンプリング間隔調整手段と、該光検知器の出
力電気信号から該サンプリング間隔調整後の信号の極大
値と極小値の差分を篩出し、該差分値を該ｉ！ａｌ！！
測定手段に供給する差分算出手段とを具備するよう構成
する。

〔産業上の利用分野〕

本発明はレーザ方式ガスセンサにおける信号処理方式に
係り、特に半導体レーザ光を用いてガスの濃度や秤類を
検知するレーザ方式ガスセンサにおける信号処理方式に
関する。

〔従来の技術〕

シー１ｆ方式ガスセンサは、半導体レーザ光源より放射
されたレーザ光を、検知すべきガス雰囲気中に透過させ
、その透過光の光強度を光検知器により電気信号に変換
し、更にその電気信号を計測する構成とされており、公
害ガス濃度測定、自動車の排気ガス濃度測定その他に用
いられる。

上記の検知すべきガス雰囲気中を透過したレーザ光（透
過光）の光強度は第８図に示す如く、ガスによる吸収に
より実線で示すように特定波長においてｄだけ減衰する
。ここで、計測をより高感度にするため、第８図に示す
如く半導体レーザ光源からのレーザ光の波長をａで示す
如く吸収線付近で微小変調し、透過光強度の変化分すを
同期検波して得られる信号量がガスｌ１ｌｆに比例する
ことを利用してガス濃度を計測する。この方法は２次微
分計測法と呼ばれる。

このように従来のレーザ方式ガスセンサでは、２次微分
計測法により被測定ガスのスペクトルをそれ以外のガス
（妨害ガス）のスペクトルから分離させて、被測定ガス
のスペクトルからガス濃度を測定している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、妨害ガスのスペクトル吸収線が被測定ガスのス
ペクトル吸収線に接近している場合は、従来の２次微分
計測法では両者を完全に分離できず、正確なガス濃度測
定ができなかった。

例えば、被測定ガスだけのスペクトルが第９図に実線Ｉ
で示され、妨害ガスだけのスペクトルが同図に一点鎖線
■で示されるものとすると、両者が混在しているガスの
スペクトルは両者の和のスペクトルであるから同図に破
線■で示す如くになる。このため、従来のレーザ方式ガ
スセンサでは両者が混在しているガス雰囲気中の被測定
ガスのガス濃度は特定波長における第９図に８で示され
る信号量に基づいて算出されることになり、被測定ガス
の本来の信号ｍＡに比べΔＧ　（＝Ｃｚ　−ＣＩ）だけ
誤差が生じ、正確なガス濃度の測定ができなかった。

しかも、妨害ガスの濃度は被測定ガスの濃度とは無関係
に変化し、また未知であるのでΔＣの大きさは一定せず
、スペクトルの大きさから被測定ガスの製団を求めるこ
とはできなかった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、妨害ガスの
影響を受けることなく被測定ガスの濃度を正確に測定で
きるようにしたレーザ方式ガスセンサにおける信号処理
方式を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理構成図を示す。図中、１は半導体
レーザ光源、２は被測定ガスの雰囲気、３は光検知器、
４は温度測定手段である。光検知器３は被測定ガス雰囲
気２中を透過したレーザ光の光強度に応じたレベルの電
気信号に変換する。

濃ｒ！１１１ｍ定手段４は上記電気信号から被測定ガス
のガス濃度を算出する。

本発明はこのような構成のレーザ方式ガスセンサにおい
て、サンプリング「；」隔調整手段５及び差分算出手段
６を夫々設けた点に特徴を有する。

サンプリング間隔調整手段５は被測定ガスのスペクトル
吸収線及びその付近の波長帯の妨害ガスのスペクトル曲
線の波長サンプリング間隔を調整し、妨害ガスの波長対
信号量特性が直線となるようにする。

差分算出手段６はサンプリング間隔調整後の信号の極大
値と極小値の差分を算出し、それを濃度測定手段４に供
給する。これにより、濃度測定手段４は上記の差分値に
基づいて被測定ガスのガス濃度を算出する。

〔作用〕

被測定ガスのスペクトル吸収線及びその付近の波長帯で
の妨害ガスのスペクトル特性は第２図に示ず如く、妨害
ガスが低濃度のときはｅ、中濃度のときはｆ、ＤｒＪ度
のときはＱで示す如くになり、スペクトルの強さは妨害
ガスの５Ｉｒｆ１にほぼ比例する。

このような性質の妨害ガスの濃度は前記したように、被
測定ガス雰囲気２中において未知であるが、その種類は
既知である。また、妨害ガスのスペクトル特性（波長対
信号量特性）は、その種類は既知であるので、基準ガス
セルあるいは吸収線表などから正確に知ることができる
。

そこで、正確に求めた妨害ガスの波長対信号量特性をも
とに、サンプリング間隔調整手段５により、サンプリン
グ間隔を調整して妨害ガスの波長対信号量特性を第３図
に示す如く直線になるようにする。第３図中、ｅ’　、
ｆ’及びｑ′は夫々第２図のｅ、ｆ及びｑに対応した、
低ａ［、中１１ｉｔ度及び高濃度の妨害ガスの波長対信
号は特性（スペクトル特性）である。

すなわち、上記のサンプリング間隔の調整は、半導体レ
ーザ光源１の放射レーザ光の波長間隔の゛調整により行
なえ、スペクトル特性の変化率の小さい部分ではサンプ
リング間隔を広くし、変化率の大きな部分ではり゛ンブ
リング間隔を狭くすることにより、第３図に示す如き直
線が得られる。

光検知器３からは第３図に示す如く妨害ガスに関して直
線のスペクトル特性で表わされる電気信号が取り出され
、差分算出手段６によりその特性直線の極大値と極小値
の差分がとられ（寸なわら微分が行なわれ）、直ｌ？３
なので第４図に示ず如く波長の変化に対して信号量が一
定のスペクトル特性が得られる。ただし第４図中、ｅ“
、ｆ＃及びｇ“は夫々第３図のｅ　ｌ　　ｊ　Ｌ及びｑ
′に対応した、低濃度、中濃度及び高濃度の妨害ガスの
スペクトル特性を示す。

第４図かられかるように、上記の差分算出手段６により
妨害ガスの濃度の相違は信号量の相違に相当し、これは
出力電気信号の直流成分の相違になる。

これに対し、被測定ガスのスペクトル特性は、サンプリ
ング間隔調整手段５によるサンプリング間隔調整では直
線にならず、よって差分算出手段６により差分をとると
第４図のような一定信号ｔＭの直線特性にはならず、曲
線となる。

すなわち、差分算出手段６の出力信号で表わされるスペ
クトル特性曲線の極大値と極小値は、もとのスペクトル
曲線の最大傾斜値と最小傾斜随に対応しており、これら
の差分値は被測定ガスの濃度に対応して変化する。しか
も、この差分値は第４図かられかるように、妨害ガスの
スペクトルによる直流成分には全く無関係になる。従っ
て、この差分値をｍ度測定手段４に供給することにより
、妨害ガスによる影響が排除された被測定ガスの濃度算
出ができる。

（実施例） 第５図は本発明の一実施例の構成図を示す。同図中、第
１図と同一構成部分には同一符号を付しである。第５図
において、８はレーザダイオードで、駆動回路９より供
給される駆動電流に応じた波長のレーザ光を放射する。

この駆動電流はコンピュータ１２の出力信号と侵述する
リード・オン′す・メモリ＜ＲＯＭ）１３の出力信号と
により制御される。

すなわち、従来のレーザ方式ガスセンサでは［（０Ｍ１
３は存在せず、コンピュータ１２の出力信号に基づいて
第６図（Ａ）に示す如く一定時間毎に一定値ずつ階段状
に上昇していく周期的階段波形の駆動電流がレーデダイ
オード８に供給されていたので、レーザダイオード８の
出力レーザ光の波長は一定時間毎に周ＩＪ的に一定値ず
つ変化しており、被測定ガスのスペクトル吸収線付近の
妨害ガスのスペクトル特性は第２図に示したように等サ
ンプリング間隔により得られていた。

これに対し、本実施例では既知の種類の妨害ガス（例え
ば水蒸気）のスペクトル特性に基づき、前記したように
妨害ガスの被測定値ガスのスペクトル吸収線付近のスペ
クトル特性が第３図に示した如く直線となるような不等
サンプリング間隔にするためのデータが予めＲＯＭ１３
に記憶されている。これにより、本実施例では、実際の
測定時にＲＯＭ１３よりのデータが駆動回路９に供給さ
れて、レーザダイオード８が第６図（Ｂ）に示す如く、
一定時間毎に値が前回とは異なる値で階段状に変化する
周期的階段波形の駆動電流により、駆動されるので、レ
ーザダイオード８の出力レーザ光の波長は一定時間毎に
不等間隔で変化する。

レーザダイオード８より放射されたレーザ光はガスセル
１０内のガス雰囲気中を透過して光検知器３に入射され
る。ガスセル１０よりの透過光はガスセル１０内のガス
の種類に応じた特定の波長帯において、ガスのａ度に応
じた吸収による減衰を受けている。光検知器３は光電変
換を行ないこの透過光の光強度に応じたレベルの電気信
号を生成してスペクトル検出回路１１に供給され、それ
に基づいてガスセル１０内のガスのスペクトルを検出さ
せる。

スペクトル検出回路１１の出力検出信号は前記差分口出
手段６及びｒＡ度測測定手段４両方を構成するコンピュ
ータ１２に供給される。

ここで、前記し５たガスセル１０内には最初に種類や濃
度が既知である基準ガスが充満され、この゛状態でコン
ピュータ１２に入力された電気信号に暴づいてコンピュ
ータ１２が予め校正されている。

この校正後に、ガスセル１０内には検知すべきガスが充
満又は通過するようにされる。

コンピュータ１２はスペクトル検出回路１１よりの信号
をサンプルし、同期検波により微分信号を検出し、かつ
、差分をとられた後校正幀と比較することによってガス
濃度を口出する。

次にコンピュータ１２による差分口出手段と８η度測定
動作について更に詳細に説明する。被測定ガスに妨害ガ
スが混在しているときのスペクトル特性のうち、被測定
ガスのスペクトル吸収線付近の第９図に破線■で示した
スペクトル特性の極大点、極小点などの位置を第９図に
■〜■で示すものとし、また位置■と■を結んだ線分の
中点位置を■とし、更に位置■、■の信号量をｆ　（Ｘ
Ｊ　＞。

ｆ　（Ｘａ　）とし、被測定ガスの算出すべきガス濃度
をＣ＋ｓｕ準ガスのガス濃度をＣＯＮ信号間をＳｏとす
ると、従来は概略次式に基づいてガス濃度を算出してい
た。

Ｂ　　＝Ｃ（ｆ　（ＸＪ　）　　ｆ　（Ｘｓ　））　　
　（１）Ｓｏ　＝Ｃｏ　　（ｆ　（ＸＪ　）　　ｆ　（
Ｘｓ　））　　■従って、 Ｃ＝　（Ｂ／Ｓｏ　）　・Ｃｏ　　　　　　　　　■な
る式からガス８濃度Ｃを算出できる。しかし、この算出
ガス濃度Ｃは前記したように信号量Ｂに誤差が含まれて
いるので不正確であった。

これに対し、本実施例では第９図のスペクトルの差分を
とった接の被測定ガスと妨害ガスとの１１合ガスのスペ
クトルは第７図に示す如くになる。

第７図中、■〜■は第９図の■〜■に対応しており、第
７図の極大値及び極小値は、第９図のスペクトル特性の
最大傾斜位置■と最小傾斜位置■における傾斜値に対応
する。

第７図においては、位置■、■における信号量をｆ’　
　（Ｘ２　）、ｆ’　　（ＸＪ　）とし、また混合ガス
の差分信号量をＳ、とすると、混合ガスに対しては、 ５ｄ＝Ｃ・（ｆ’　　（Ｘ２　）　　ｆ’　　（ＸＪ）
）　　Ｇ４）が成立し、基準ガスについても、 ８ｄｏ＝Ｇｏ　・（ｆ’　　（Ｘｚ　）−ｆ’　　（Ｘ
Ｊ　））（５）が成立する。そこでコンピュータ１２は
（４）、（５）式を算出後、（４）、０式を用いて次式 Ｃ＝　（Ｓｄ／Ｓ、。）・００　　　６）に基づいて被
測定ガスのガスａ度Ｃを算出する。

この算出ガス濃度値Ｃは妨害ガスのガス濃度が第７図に
Ｓ′で示ず如く直流成分で表わされ、信号量Ｓｄの値に
はＳ′が無関係になるので、被測定ガスだけの正確な値
が得られる。なお、実際はＩｆ３）式を校正する必要が
あるが、本発明の要旨とは直接の関係はない。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、被測定ガスの吸収スペク
トルに重なる吸収スペクトルをもつ妨害ガスが存在して
いても、妨害ガスのスペクトルを妨害ガスの濃度に応じ
てレベルが変化する直流成分に変換する信号処理を行な
うようにしたので、妨害ガスの影響を受けることなく被
測定ガスの濃度を正確に測定することができる等の特長
を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、 第２図は妨害ガスのスペクトル特性図、第３図はサンプ
リング間隔調整侵の妨害ガスのスペクトル特性図、 第４図は差分をとった後の妨害ガスのスペクトル特性図
、 第５図は本発明の一実施例の構成図、 第６図は本発明の半導体レーザ光源の駆動方法を従来と
対比して示す図、 第７図は差分をとった後の被測定ガスの一実施例のスペ
クトル特性図、 第８図はレーザ波長と透過光強度との関係を示す図、 第９図は妨害ガスによる被測定ガスのスペクトルに与え
る影響を示す図である。 図において、 １は半導体レーザ光源、 ２は被測定ガス雰囲気、 ３は光検知器、 ４は濃度測定手段、 ５はサンプリング間隔調整手段、 ６は差分算出手段、 １２はコンピュータ、 １３はリード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）を示す。 特許出願人　富　士　通　株式会社 ・、−一・ 代　　理　　人　　弁理ｔ　　伊　　束　　忠　　彦　
１１２．・トミーシ′ 本発明の原理構成図 第１図 妨害ガスのスペクトル特性図 第２図 サンプリング間隔調整後の 妨害ガスのスぜクトル特性図 第３図 差分をとった後の妨害ガスのスペクトル特性図第４図 本発明の一実施例の構成図 第５図 駆動方法を従来と対比して示す図 第６図 差分をとった後の被測定ガスの 一実施例のスペクトル特性図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体レーザ光源（１）より放射されたレーザ光を、被
   測定ガス雰囲気（２）中に透過させ、その透過光の光強
   度を光検知器（３）により電気信号に変換し、更にその
   電気信号に基づいて濃度測定手段（４）により被測定ガ
   スの濃度を測定するレーザ方式ガスセンサにおいて、 被測定ガスのスペクトル吸収線及びその付近の波長帯の
   妨害ガスのスペクトル曲線の波長サンプリング間隔を調
   整して該妨害ガスの波長対信号量特性が直線となるよう
   にするサンプリング間隔調整手段（５）と、 該光検知器（３）の出力電気信号から該サンプリング間
   隔調整後の信号の極大値と極小値の差分を算出し、該差
   分値を該濃度測定手段（４）に供給する差分算出手段（
   ６）とを具備したことを特徴とするレーザ方式ガスセン
   サにおける信号処理方式。