JPH02284045A - Detection of concentration and pressure of gas with tunable etalon utilized therefor - Google Patents
Detection of concentration and pressure of gas with tunable etalon utilized thereforInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は、濃度(圧力)が検出されるガスの吸収ス□ベ
クトルに応じて光学的に狭m1jfflフィルタの特性
を持つチューナブルエタロンの共振波長を変調させるこ
とにより、任息のガスのfA度(圧力)を検出する方法
に関する。Detailed Description of the Invention [Industrial Application Field] The present invention is directed to the resonance of a tunable etalon having the characteristics of an optically narrow m1jffl filter depending on the absorption vector of the gas whose concentration (pressure) is detected. This invention relates to a method of detecting the fA degree (pressure) of any gas by modulating its wavelength.
[従来の技術]
従来、例えばメタンガス等の濃度(圧力)を検出するた
めの手段として、第5図に示すような回路構成のものが
あった。[Prior Art] Conventionally, as means for detecting the concentration (pressure) of, for example, methane gas, there has been a circuit configuration as shown in FIG.
これは、メタンガスが封入されたガスセルを透過した光
を、ハーフミラ−101により一部を透過させるととも
に一部を反射させ、反射光を参照光としてホトダイオー
ド102で光電変換したあと、光電変換された直流信号
をアンプ103で増幅し、増幅した直流信号を差動アン
プ104の一方の入力端子に印加する一方、ハーフミラ
−101を透過した光を、中心波長がメタンガスの吸収
スペクトルと一致する干渉フィルタ105に通し、干渉
フィルタ105を通過した光を計測光としてホトダイオ
ード106で光電変換したあと、光電変換された直流信
号をアンプ107で増幅し、増幅した直流信舅を差動ア
ンプ104のもう一方の入力端子に印加することにより
、差動アンプ104において前記参照光対応の直流信号
と計測光対応の直流信号との差を増幅し、差動アンプ1
04から出力された信号に基づいてメタンガスの′a度
を検出するようになっている。This is a process in which light transmitted through a gas cell filled with methane gas is partially transmitted and partially reflected by a half mirror 101, and the reflected light is used as a reference light and photoelectrically converted by a photodiode 102, and then the photoelectrically converted direct current The signal is amplified by an amplifier 103, and the amplified DC signal is applied to one input terminal of a differential amplifier 104, while the light transmitted through the half mirror 101 is passed to an interference filter 105 whose center wavelength matches the absorption spectrum of methane gas. The light that has passed through the interference filter 105 is converted into a measurement light by a photodiode 106, and then the photoelectrically converted DC signal is amplified by an amplifier 107, and the amplified DC signal is sent to the other input terminal of the differential amplifier 104. , the difference between the DC signal corresponding to the reference light and the DC signal corresponding to the measurement light is amplified in the differential amplifier 104, and the differential amplifier 1
Based on the signal output from 04, the degree of methane gas is detected.
[発明が解決しようとする課題]
上記従来のガス濃度(圧力)検出手段は、ハーフミラ−
101で光路を参照光と計測光とに分け、それぞれの電
気回路を独立させているため、例えば前記アンプ103
.107及び差動アンプ104の電気的特性が周囲温度
の変化により変動すると、それぞれのアンプの増幅率が
微妙に変動し、前記参照光対応の直流信号と計測光対応
の直流信号が温度に対して変動するため、正確な濃度検
出ができないという問題があった。そのため従来は、そ
の電気回路を恒温槽の中に入れ、温度に対する回路特性
を安定させることが必要であった。そして1度(圧力)
検出精度を上げるためには恒温槽の温度ゐり御精度を上
げることが必要であった。しかしながら恒温槽の温度制
御211精度を上げることは技術的に限界があり、且つ
温度制御精度の高い恒温槽は高価であるという問題があ
った。[Problems to be Solved by the Invention] The conventional gas concentration (pressure) detection means described above is a half mirror.
101 divides the optical path into a reference light and a measurement light, and each electric circuit is made independent, so that, for example, the amplifier 103
.. When the electrical characteristics of the differential amplifier 107 and the differential amplifier 104 change due to changes in ambient temperature, the amplification factors of each amplifier vary slightly, and the DC signal corresponding to the reference light and the DC signal corresponding to the measurement light vary depending on the temperature. Since the concentration fluctuates, there is a problem in that accurate concentration detection cannot be performed. Conventionally, therefore, it was necessary to place the electric circuit in a constant temperature bath to stabilize the circuit characteristics against temperature. and 1 degree (pressure)
In order to increase detection accuracy, it was necessary to increase the accuracy of temperature control of the thermostatic chamber. However, there is a problem in that there is a technical limit to increasing the accuracy of temperature control 211 of the thermostatic oven, and thermostatic ovens with high temperature control accuracy are expensive.
また、直流信号増幅方式のためノイズの除去が困難であ
り、ドリフト電流が型骨されてもそれを除去することが
極めて困難であるという問題があった。Further, since it is a DC signal amplification method, it is difficult to remove noise, and even if a drift current is generated, it is extremely difficult to remove it.
そこで、本発明では上記問題を解決するため、ガスセル
を透過した光を参照光と計測光との二つの光路に分岐す
ることなく甲−光路を通し、この単一光路あるいはガス
セルの4q k: 設けられた共振波長可変のチューナ
ブルエタロンを、濃度(圧力)が検出されるガスの吸収
波長を中心に僅かに共振波長を変調するように制御する
とともに、チューナブルエタロンの共振波長の変調の中
心を自動的に被1I11度(圧力)検出ガスの光の吸収
波長に合わせるようにフィードバックit、I!御する
ことにより、ガスn度(圧力)を高精度に検出すること
を解決寸べき技術的課題とするものである。Therefore, in the present invention, in order to solve the above problem, the light transmitted through the gas cell is passed through the A-light path without being split into two optical paths, the reference light and the measurement light, and this single optical path or the 4q k: of the gas cell is performed. The tunable etalon whose resonant wavelength can be tunable is controlled to slightly modulate the resonant wavelength around the absorption wavelength of the gas whose concentration (pressure) is detected. Feedback automatically adjusts to the absorption wavelength of light of the detected gas (pressure) it, I! The technical problem to be solved is to detect the n degree (pressure) of gas with high precision by controlling the temperature.
[課題を解決するための手段]
上記課題解決のための技術的手段は、被濃度(圧力)検
出ガスが封入されたガスセルにビーム状の光を透過させ
、ガスセルを透過した光をチューナブルエタロンに入射
させた状態でチューナブルエタロンを所定のタイミング
で共振変調し、前記被濃度〈圧力)検出ガスにより強く
吸収される波長の第1の光と上記ガスにより吸収されな
い波長の第2の光とを通過させるとともに、同チューナ
ブルエタOンを通過した前記第1の光と第2の光の合計
光Rをモニターし、この合計光量が所定量以下に減衰し
たとき、減衰光量に基づいて前記チューナブルエタロン
の共振変調を補正し、チュ−ナブルエタロンの共振波長
の変調の中心を被濃度(圧力)検出ガスの光の吸収波長
に合わせるようにフィードバック制御するととしに、前
記第1の光と第2の光を光電変換した第1の電気信号と
第2の電気信号とに基づいて萌記被濃度(圧力)検出ガ
スによる第1の光の吸収率を演算し、この吸収率から前
記被濃度(圧力)検出ガスの濃度(圧力)を演算するこ
とことである。[Means for solving the problem] The technical means for solving the above problem is to transmit a beam-shaped light through a gas cell filled with a gas to be detected for concentration (pressure), and to convert the light transmitted through the gas cell into a tunable etalon. The tunable etalon is resonantly modulated at a predetermined timing while the tunable etalon is being incident on the gas, and a first light having a wavelength that is strongly absorbed by the concentration (pressure) detection gas and a second light having a wavelength that is not absorbed by the gas. At the same time, the total light R of the first light and the second light that has passed through the tunable ether O is monitored, and when this total light amount is attenuated to a predetermined amount or less, the above-mentioned light is transmitted based on the attenuated light amount. The first light and The absorption rate of the first light by the concentration (pressure) detection gas is calculated based on the first electric signal obtained by photoelectrically converting the second light and the second electric signal, and the absorption rate of the first light by the gas to be detected is calculated from the absorption rate. Concentration (pressure) This is to calculate the concentration (pressure) of the detected gas.
あるいはまた、被濃度(圧力)検出ガスが封入されたガ
スセルにビーム状の光を入射するための入射光路に配設
されたチューナブルエタロンを所定のタイミングで共振
変調し、前記被濃度(圧力)検出ガスにより強く吸収さ
れる波長の第1の光と上記検出ガスにより吸収されない
波長の第2の光どを通過させ、同チューナブルエタロン
を通過した前記第1の光と第2の光の合計光量をモニタ
ーし、この合計光量が所定量以下に減衰したとき、減衰
光量に基づいて前記チューナブルエタロンの共振変調を
補正し、チューナブルエタロンの共振波長の変調の中心
を被濃度(圧力)検出ガスの光の吸収波長に合わせるよ
うにフィードバックlII御するとともに、前記第1の
光と第2の光を光電変換した第1の電気信号と第2の電
気信号とに基づいて前記被濃度(圧力)検出ガスによる
第1の光の吸、収率を演算し、この吸収率から前記被濃
度(圧力)検出ガスの濃度(圧力)を演算することであ
る。Alternatively, a tunable etalon disposed in an incident optical path for making a beam of light incident on a gas cell filled with a gas to be detected (pressure) may be resonantly modulated at a predetermined timing to detect the concentration (pressure). A first light with a wavelength that is strongly absorbed by the detection gas and a second light with a wavelength that is not absorbed by the detection gas are passed, and the sum of the first light and second light that has passed through the tunable etalon is obtained. The amount of light is monitored, and when the total amount of light is attenuated to a predetermined amount or less, the resonance modulation of the tunable etalon is corrected based on the attenuated amount of light, and the center of the modulation of the resonance wavelength of the tunable etalon is detected by the concentration (pressure). Feedback control is performed to match the absorption wavelength of the light of the gas, and the concentration (pressure) is ) Calculating the absorption and yield rate of the first light by the detection gas, and calculating the concentration (pressure) of the detection gas from the absorption rate.
[作 用]
上記技術的手段により、ガスセルを透過した光は従来の
ガスセンサのように参照光と計測光とに分離されること
なく同一光路を通過されるもので、同一光路を通過した
光はガスセルの後の光路、あるいはガスセルの前の光路
に設けられたチューナブルエタロンの共振変調作用によ
り被濃度(圧力)検出ガスに吸収される波長の第1の光
と、被′a度(圧力)検出ガスに吸収されない波長の第
2の光とをそれぞれ計測光と参照光として通過させると
ともに、チューナブルエタロンの共振波長の中心を被濃
度(圧力)検出ガスの吸収波長に合わせるようにフィー
ドバック制御されるため、計測光としての第1の光の光
量対応信号と、参照光としての第2の光の先回対応信号
とに基づいて任意のガスの濃度(圧力)を高精度に検出
する作用をする。[Function] With the above technical means, the light that has passed through the gas cell is not separated into reference light and measurement light as in conventional gas sensors, but is passed through the same optical path, and the light that has passed through the same optical path is The first light of the wavelength absorbed by the concentration (pressure) detection gas by the resonance modulation effect of the tunable etalon provided in the optical path after the gas cell or in the optical path before the gas cell, and A second light having a wavelength that is not absorbed by the detection gas is passed as a measurement light and a reference light, respectively, and feedback control is performed to align the center of the resonant wavelength of the tunable etalon with the absorption wavelength of the concentration (pressure) detection gas. Therefore, the function is to detect the concentration (pressure) of any gas with high precision based on the light intensity corresponding signal of the first light as the measurement light and the previous corresponding signal of the second light as the reference light. do.
[実施例]
次に、本発明の実施例を図面を参照しながら説明ブーる
。[Example] Next, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.
第1図は、本発明の一実施例を実現するための全体的な
構成系統図である。FIG. 1 is an overall structural system diagram for realizing an embodiment of the present invention.
第1図において、主ケース1に設けられた定電流回路2
から通電された定電流により、発光ダイオード<LED
)3から例えば1.3マイクロメータ帯の波長を有する
光が発光されると、この光は、光コネクタ4、及び光フ
ァイバ5を介して光器具ブラケット6に伝送される。こ
の光ブラケット6には、濃度(圧力)が検出される被8
1度(圧力)検出ガスとしての例えばメタンガスが均一
に封入されたガスセルフが配設されている。光器具ブラ
ケット6に伝送された上記光は、レンズ8に入射され、
レンズ8によりビーム状に集光された光線L1がガスセ
ルフを透過される。ガスセルフを透過された光線L1は
レンズ9により集光され、マルチモードファイバ10.
光コネクタ11を介して主ケース1に帰還される。主ケ
ース1にはサブケース12が内蔵されており、主ケース
1に帰還されたガスセル透過光は上記光コネクタ11に
接続されたサブ光コネクタ13を介してサブケース12
に入射される。In FIG. 1, a constant current circuit 2 provided in the main case 1
Due to the constant current applied from the light emitting diode <LED
) 3 emits light having a wavelength in the 1.3 micrometer band, for example, and this light is transmitted to the optical equipment bracket 6 via the optical connector 4 and the optical fiber 5. This optical bracket 6 includes a target 8 for detecting concentration (pressure).
A gas cell is disposed in which, for example, methane gas is uniformly filled as a detection gas (pressure). The light transmitted to the light fixture bracket 6 is incident on the lens 8,
The light beam L1 is focused into a beam by the lens 8 and is transmitted through the gas self. The light beam L1 transmitted through the gas self is condensed by a lens 9 and connected to a multimode fiber 10.
It is returned to the main case 1 via the optical connector 11. The main case 1 has a built-in sub-case 12, and the gas cell transmitted light returned to the main case 1 is transmitted to the sub-case 12 through the sub-optical connector 13 connected to the optical connector 11.
is incident on the
サブケース12に入射されたガスセル透過光L2は、入
射光線の一部を反射づることが可能なハーフミラ−特性
を有する干渉フィルタF1において、透過光L3と反射
光L4とに分光される。尚、この干渉フィルタF1は第
3図に示すように20nm(ナノメータ)の波長帯域幅
を有している。上記反射光L4は、レンズ15により集
光されたあと、ホトダイオードPDIにより光電変換さ
れ、増幅器16により珊幅されたあと、AD変換器17
にJ3いてディジタル信号R1に変換される。そして反
射光L4の光量に対応した上記ディジタル信号R1はマ
イクロコンピュータ(CPU)18に入力される。この
ディジタル信号R1は、マイクロコンピユータ(CPU
)1Bが前記光ファイバ5、マルチモードフ?イバ10
の光ファイバ光路を監視するため、所定のタイミングで
マイクロコンピュータ18にサンプリングされ、サンプ
リングタイミングにおいて上記ディジタル化@R1が入
力されない場合、あるいは極めて低い電位になった場合
、上記光フアイバ光路に異常が発生したと判断し、マイ
クロコンピュータ18はアラーム出力回路19に異常信
号を出力する。Gas cell transmitted light L2 incident on the sub-case 12 is separated into transmitted light L3 and reflected light L4 by an interference filter F1 having a half-mirror characteristic capable of reflecting a portion of the incident light. Note that this interference filter F1 has a wavelength bandwidth of 20 nm (nanometers) as shown in FIG. The reflected light L4 is condensed by a lens 15, photoelectrically converted by a photodiode PDI, amplified by an amplifier 16, and then sent to an AD converter 17.
J3 is converted into a digital signal R1. The digital signal R1 corresponding to the amount of reflected light L4 is input to a microcomputer (CPU) 18. This digital signal R1 is sent to a microcomputer (CPU).
) 1B is the optical fiber 5, multimode? iba 10
In order to monitor the optical fiber optical path, the microcomputer 18 samples it at a predetermined timing, and if the digitization @R1 is not input at the sampling timing, or if the potential becomes extremely low, an abnormality occurs in the optical fiber optical path. The microcomputer 18 outputs an abnormality signal to the alarm output circuit 19.
一方、前記透過光L3は、チューナブルエタロン21に
入射される。このチューナブルエタロン21は、2枚の
対向するエタロン板21△、21Bを備え、それぞれの
エタロン板21△、21Bの対向面には誘電体反射膜が
形成されており、入射された光をエタロン板21A、2
1Bの間で多重反射させ、エタロン板21△、21B間
の距離に対応した波長の光を共振通過させるように構成
されている。エタロン板21A、21Bのいずれか、例
えばエタロン板21Bには、エタロン板21A、21B
間の距離を微少変化させるためのチューナブルエタロン
駆動手段として、例えばピエゾ素子(PZT)22が取
付けられており、このピエゾ素子(PZT)22に印加
する電圧に応じてエタロン板21Δ、21B間の振動幅
が制御される。尚、このチューナブルエタロン21は、
帯域が1ナノメータのものを使用している。On the other hand, the transmitted light L3 is incident on the tunable etalon 21. This tunable etalon 21 includes two opposing etalon plates 21△, 21B, and a dielectric reflective film is formed on the opposing surface of each etalon plate 21△, 21B to reflect incident light onto the etalon. Plate 21A, 2
The structure is such that multiple reflections are performed between the etalon plates 21Δ and 21B, and light having a wavelength corresponding to the distance between the etalon plates 21Δ and 21B is transmitted through resonance. Either of the etalon plates 21A, 21B, for example, the etalon plate 21B
For example, a piezo element (PZT) 22 is attached as a tunable etalon driving means for slightly changing the distance between the etalon plates 21Δ and 21B. Vibration width is controlled. In addition, this tunable etalon 21 is
A device with a band of 1 nanometer is used.
第2図に示すように、メタンガスの吸収スペクトルに対
応した波長、即ち 1.3312マイクロメータの波長
を有する第1の光と、この1.3312マイクロメータ
の波長より僅かにずれた1、3772マイクロメータ(
dλ=5nm)のメタンガスに吸収されない波長の第2
の光(第3図参照)とを交Hに通過させるようにエタロ
ン板21Bを振動させるため、ピエゾ素子22に制御信
号を出力するピエゾドライバ(チューナブルエタロン制
御手段)23が設けられている。As shown in Figure 2, the first light has a wavelength corresponding to the absorption spectrum of methane gas, that is, 1.3312 micrometers, and the first light has a wavelength of 1.3772 micrometers, which is slightly shifted from this 1.3312 micrometer wavelength. Meter (
dλ=5 nm), which is the second wavelength that is not absorbed by methane gas.
A piezo driver (tunable etalon control means) 23 is provided to output a control signal to the piezo element 22 in order to vibrate the etalon plate 21B so as to pass the light (see FIG. 3) in an AC manner.
上記振動制御により、1.3312マイクロメータの波
長を有する第1の光と、この1.3312マイクロメー
タの波長から僅かにずれた1、 3372マイクロメー
タの波長の第2の光とがエタロンを交互に通過すると、
これらの光は二方向分光器24により分光N1とN2に
分けられる。分光N1は、第4図に示すように半値幅が
4ナノメータの帯域幅を有する干渉フィルタF2を通過
したあと、レンズ25により集光され、ホトダイオード
PD2において光電変換される。ホトダイオードPD2
において光電変換され、ホトダイオードPD2から出力
された直流信号は増幅器26において増幅されたあと、
キャパシタ27を通すことにより交流信号N3に変換さ
れ、同期検波回路28に入力される。Through the vibration control described above, the first light having a wavelength of 1.3312 micrometers and the second light having a wavelength of 1.3372 micrometers, which is slightly shifted from the wavelength of 1.3312 micrometers, alternate on the etalon. When passing through,
These lights are separated into spectral lights N1 and N2 by a two-way spectrometer 24. As shown in FIG. 4, the spectral beam N1 passes through an interference filter F2 having a half-width of 4 nanometers, is focused by a lens 25, and is photoelectrically converted by a photodiode PD2. Photodiode PD2
The DC signal that is photoelectrically converted and output from the photodiode PD2 is amplified in the amplifier 26, and then
It is converted into an alternating current signal N3 by passing through a capacitor 27, and is input to a synchronous detection circuit 28.
一方、分光N2は、レンズ30により集光され、ホトダ
イオードPD3において光電変換される。On the other hand, the spectral light N2 is focused by the lens 30 and photoelectrically converted by the photodiode PD3.
ホトダイオードPD3において光電変換され、ホトダイ
オードPD3から出力された直流信号は増幅器31にお
いて増幅されたあと、キャパシタ32を通すことにより
交流信号N4に変換され、更にゲイン調節可能なプログ
ラマブルゲインアンプ33によりゲイン調節された交流
信号N5が同期検波回路34に入力される。The DC signal photoelectrically converted in the photodiode PD3 and outputted from the photodiode PD3 is amplified in the amplifier 31, and then converted to an AC signal N4 by passing through the capacitor 32, and the gain is further adjusted by the programmable gain amplifier 33 whose gain is adjustable. The alternating current signal N5 is input to the synchronous detection circuit 34.
前記マイクロコンピュータ18に接続された発振回路(
O20)36は、50112の正弦波信号を発振して出
力するもので、この発振信号S1は加n器37に、また
同様の発振信号S2は位相制御回路38に送信される。An oscillation circuit (
The O20) 36 oscillates and outputs a 50112 sine wave signal, and this oscillation signal S1 is sent to the adder 37, and a similar oscillation signal S2 is sent to the phase control circuit 38.
加算器37は発振信号S1と、後述のデユーナブルエタ
ロン共振制御補正信号S3とを加締した加締信号S4を
前記ピエゾドライバ23に出力する。The adder 37 outputs to the piezo driver 23 a tightening signal S4 obtained by tightening the oscillation signal S1 and a dunable etalon resonance control correction signal S3, which will be described later.
上記位相制御回路38は、5oozの正弦波信号S2を
入力し、この50H7正弦波がゼ1コクロスするごとに
パルス信号を生成するもので、10011zの矩形波パ
ルス信号S5、S6を出力する。F記パルス信号S5は
薗記同朋検波回路28に、また、もう一方のパルス信号
S6は前記同期検波回路34に入力される。The phase control circuit 38 inputs the 50oz sine wave signal S2 and generates a pulse signal every time the 50H7 sine wave crosses Z1, and outputs 10011z rectangular wave pulse signals S5 and S6. The F pulse signal S5 is input to the Sonoki Doho detection circuit 28, and the other pulse signal S6 is input to the synchronous detection circuit 34.
同期検波回路28は、上記パルス信号S5と前記交流信
号N3とを入力し、パルス信号S5に同期して交流信号
N3を同期検波する。同期検波回路28において同期検
波された出力信号S7は、PID回路(比例積分、比例
微分回路)40に入力される。同期検波された出力信号
S7は、前記チューナブルエタロン21がピエゾ素子2
2により振動されるとき、振動幅が何らかの原因により
所定値から変化し、前記1.3312マイクロメータの
波長を0する第1の光と、この1.3312マイクロメ
ータの波長から僅かにずれた 1.3372マイクロメ
ータの波長を有する第2の光が得られなくならないよう
、上記振動幅を所定値に戻すように補正づるための信号
で、この信号S7を前記PID回路(比例積分、比例微
分回路)40を通してより精密な踊正信号にした状態で
前記チューナブルエタロン共振制御補正信号$3として
前記加算器37に印加する。従って加q器37からピエ
ゾドライバ23に出力される信号S4は、前記発振信号
S1と、デユーナブルエタロン振動幅を補正するための
一種のフィードバック信号としてのチューノーゾルエタ
ロン共振制御補正信号S3とを加算した信舅となる。The synchronous detection circuit 28 inputs the pulse signal S5 and the AC signal N3, and synchronously detects the AC signal N3 in synchronization with the pulse signal S5. The output signal S7 synchronously detected in the synchronous detection circuit 28 is input to a PID circuit (proportional integral, proportional differential circuit) 40. The synchronously detected output signal S7 is transmitted by the tunable etalon 21 to the piezo element 2.
2, the vibration width changes from a predetermined value for some reason, and the first light that zeros the wavelength of 1.3312 micrometers and the first light that slightly deviates from the wavelength of 1.3312 micrometers. This is a signal for correcting the vibration width to return it to a predetermined value so that the second light having a wavelength of 3372 micrometers is not impossible to obtain.This signal S7 is sent to the PID circuit (proportional integral, proportional differential circuit). ) 40 to make a more precise signal and apply it to the adder 37 as the tunable etalon resonance control correction signal $3. Therefore, the signal S4 outputted from the accumulator 37 to the piezo driver 23 is composed of the oscillation signal S1, the tunnosol etalon resonance control correction signal S3 as a kind of feedback signal for correcting the vibration width of the dunable etalon, and the oscillation signal S1. It becomes the Shinga that adds up.
また、同期検波回路34は、前記パルス信号S6と前記
交流信号N5とを入力し、パルス信号S6に同期して交
流信9N5を同期検波する。同期検波回路34において
同期検波された出力信号88は、前記AD変換器17に
よりディジタル信号89に変換されたあと、マイクロコ
ンピュータ18に入力される。Further, the synchronous detection circuit 34 inputs the pulse signal S6 and the AC signal N5, and synchronously detects the AC signal 9N5 in synchronization with the pulse signal S6. The output signal 88 synchronously detected in the synchronous detection circuit 34 is converted into a digital signal 89 by the AD converter 17 and then input to the microcomputer 18 .
マイクロコンピュータ18は、同1!11検波回路34
から出力された同期検波出力信号S8に対応したディジ
タル信号S9を入力すると、このディジタル信号S9に
基づいて、メタンガスに吸収されたあとの前記1.33
12マイクロメータの波長を有する第1の光の光吊に対
応した信りと、メタンガスにより吸収されない前記1.
3372マイクロメータ波長の第2の光の光量に対応し
た信号との差を演算し、更に、その差に基づいて前記ガ
スセルフのメタンガスの濃度(圧力)を演算検出する。The microcomputer 18 has the same 1!11 detection circuit 34.
When a digital signal S9 corresponding to the synchronous detection output signal S8 output from
The reliability corresponding to the light intensity of the first light having a wavelength of 12 micrometers, and the above-mentioned 1. which is not absorbed by methane gas.
The difference between the signal and the signal corresponding to the amount of second light having a wavelength of 3372 micrometers is calculated, and the concentration (pressure) of the methane gas in the gas self is calculated and detected based on the difference.
そして演算されたメタンガスの濃度(圧力)は、キーボ
ード41の設定操作によりLEDデイスプレィ42に表
示される。The calculated concentration (pressure) of methane gas is displayed on the LED display 42 by setting the keyboard 41.
以上のように、被濃度(圧力)検出ガスに吸収される第
1の光の吸収スペクトルに応じた波長と、上記吸収スペ
クトル対応波長より僅かにずれた第2の光の非吸収波長
とに共振するようにチューナブルエタロン21を変調さ
せてガス濃度(圧力)を高精度に検出する手段は、本実
施例で開示したメタンガスに限らず、任意のガスの濃度
(圧力)を検出し、表示する場合にも有用である。As described above, resonance occurs between the wavelength corresponding to the absorption spectrum of the first light absorbed by the concentration (pressure) detection gas and the non-absorption wavelength of the second light that is slightly shifted from the wavelength corresponding to the absorption spectrum. The means for detecting the gas concentration (pressure) with high precision by modulating the tunable etalon 21 in this manner is not limited to the methane gas disclosed in this embodiment, but can detect and display the concentration (pressure) of any gas. It is also useful in cases where
尚、ガス濃度(圧力)が予め設定された基準値を越えた
場合、警報を出すため、前記アラーム出力回路19から
警報信号を出力することができる。Note that when the gas concentration (pressure) exceeds a preset reference value, an alarm signal can be output from the alarm output circuit 19 in order to issue an alarm.
尚、上記実施例の変形例として、前記干渉フィルタF2
の代わりに、被濃度(圧力)検出ガスを封入したガスセ
ルを用い、前記分光N1をこのガスセルを透過させるこ
とにより、前記チューナブルエタロン21の共振波長の
変調の中心を常に被濃度(圧力)検出ガスの吸収波長に
合わせるようなフィードバック制御をしても良い。Incidentally, as a modification of the above embodiment, the interference filter F2
Instead, by using a gas cell filled with a gas to detect the concentration (pressure) and transmitting the light beam N1 through this gas cell, the center of the modulation of the resonant wavelength of the tunable etalon 21 can always be used to detect the concentration (pressure). Feedback control may be performed to match the absorption wavelength of the gas.
また、前記チューナブルエタロン21の配段位nは、前
記実施例のように前記干渉フィルタF1の直ぐ後でなく
ても、例えば前記ガスセルフの直前、あるいは直後でも
良く、あるいはその他の有効な位行でも良い。Further, the position n of the tunable etalon 21 does not have to be immediately after the interference filter F1 as in the above embodiment, but may be, for example, immediately before or after the gas self, or any other effective position. good.
更に、前記ガスセルフのすぐ後に光カブラ、あるいはビ
ームスプリッタを配設し、ガスセルフを透過した光を二
つに分け、一方の光を前記干渉フィルタF1に入射させ
、他方の光を基準パワー測定部に入光させ、前記光ファ
イバ5、マルチモードファイバ10の光ファイバ光路を
監視させることもできる。但し、この場合は前記干渉フ
ィルタF1にハーフミラ−機能を必要としない。Furthermore, an optical coupler or beam splitter is disposed immediately after the gas self, and the light transmitted through the gas self is divided into two, one of the lights is made to enter the interference filter F1, and the other light is sent to the reference power measuring section. It is also possible to input light and monitor the optical fiber optical paths of the optical fiber 5 and multimode fiber 10. However, in this case, the interference filter F1 does not require a half mirror function.
[発明の効果]
以上のように本発明によれば、濃度(圧力)が検出され
る任意のガスが封入されたガスセルにビーム状の光を透
過させ、上記ガスにより吸収される波長の第1の光の吸
収度に応じてガスの濃度を演口検出するとき、ガスセル
の復の光路、あるいはガスセルの前の光路に設けられた
チューナブルエタロンを共成変調することにより、計測
光としての上記第1の光と、ガスにより吸収されない波
長の参照光としての第2の光とを所定のタイミングで通
過させ、同チューナブルエタロンを通過した前記第1の
光と第2の光の合計先方をモニターし、この合計光mに
応じて前記チューナブルエタロンの共振波長の変調の中
心を被濃度(圧力)検出ガスの光の吸収波長に自動的に
合わIるようにフィードバック制御するとともに、前記
第1の光と第2の光を光電変換した第1の電気信号と第
2の電気信号とに基づいて被濃度く圧力)検出ガスによ
る第1の光の吸収率を演埠し、この吸収率から前記被濃
度(圧力)検出ガスのa度(圧力)を演粋することがで
きるため、任意のガスの濃度(圧力)を高精度に検出す
ることができるという効果がある。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a beam-shaped light is transmitted through a gas cell filled with an arbitrary gas whose concentration (pressure) is to be detected, and the first wavelength of light absorbed by the gas is transmitted. When detecting the gas concentration according to the light absorption of A first light and a second light as a reference light having a wavelength that is not absorbed by the gas are passed through at a predetermined timing, and the total destination of the first light and second light that has passed through the tunable etalon is calculated. and feedback-controls the center of the modulation of the resonant wavelength of the tunable etalon to automatically match the absorption wavelength of the light of the concentration (pressure) detected gas according to the total light m. The absorption rate of the first light by the detected gas is estimated based on the first electric signal and the second electric signal obtained by photoelectrically converting the first light and the second light. Since the degree (pressure) of the concentration (pressure) of the gas to be detected can be extracted from the above, there is an effect that the concentration (pressure) of any gas can be detected with high accuracy.
第1図は本発明の一実施例の全体的な構成を示す系統図
であり、第2図はメタンガスの吸収スペクトル特性図、
第3図は干渉フィルタと、チューナブルエタロンの特性
説明図、第4図は別の干渉フィルタの特性説明図である
。また、第5図は従来のガス濃度(圧力)検出信号の構
成系統図である。
3・・・発光ダイオード
7・・・ガスセル
Fl、F2・・・干渉フィルタ
18・・・マイクロコンピュータ
21・・・チューナブルエタロン
22・・・ピエゾ素子
23・・・ピエゾドライバ
24・・・分光器
2G・・・MjIIA器
27・・・キャパシタ
28・・・同期検波回路
PO2,PO2・・・ホトダイオード
31・・・増幅器
32・・・キャパシタ
34・・・同期検波回路
36・・・発揚回路
37・・・加算器
38・・・位相制御回路
42・・・LEDディスプレイFIG. 1 is a system diagram showing the overall configuration of an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an absorption spectrum characteristic diagram of methane gas,
FIG. 3 is an explanatory diagram of the characteristics of the interference filter and the tunable etalon, and FIG. 4 is an explanatory diagram of the characteristics of another interference filter. Further, FIG. 5 is a structural diagram of a conventional gas concentration (pressure) detection signal. 3... Light emitting diode 7... Gas cell Fl, F2... Interference filter 18... Microcomputer 21... Tunable etalon 22... Piezo element 23... Piezo driver 24... Spectrometer 2G... MjIIA unit 27... Capacitor 28... Synchronous detection circuit PO2, PO2... Photodiode 31... Amplifier 32... Capacitor 34... Synchronous detection circuit 36... Launching circuit 37... ... Adder 38 ... Phase control circuit 42 ... LED display
Claims (2)
ビーム状の光を透過させ、ガスセルを透過した光をチュ
ーナブルエタロンに入射させた状態でチューナブルエタ
ロンを所定のタイミングで共振変調し、前記被濃度(圧
力)検出ガスにより強く吸収される波長の第1の光と上
記ガスにより吸収されない波長の第2の光とを通過させ
るとともに、同チューナブルエタロンを通過した前記第
1の光と第2の光の合計光間をモニターし、この合計光
量が所定量以下に減衰したとき、減衰光量に基いて前記
チューナブルエタロンの共振変調を補正し、チューナブ
ルエタロンの共振波長の変調の中心を被濃度(圧力)検
出ガスの光の吸収波長に合わせるようにフィードバック
制御するとともに、前記第1の光と第2の光を光電変換
した第1の電気信号と第2の電気信号とに基づいて前記
被濃度(圧力)検出ガスによる第1の光の吸収率を演算
し、この吸収率から前記被濃度(圧力)検出ガスの濃度
(圧力)を演算することを特徴とするチューナブルエタ
ロンを用いたガス濃度圧力検出方法。(1) A beam of light is transmitted through a gas cell filled with a gas to detect the concentration (pressure), and the light transmitted through the gas cell is incident on the tunable etalon, and the tunable etalon is resonantly modulated at a predetermined timing. , passing a first light having a wavelength that is strongly absorbed by the concentration (pressure) detection gas and a second light having a wavelength not being absorbed by the gas, and the first light having passed through the tunable etalon. and the second light, and when this total light amount attenuates to a predetermined amount or less, the resonant modulation of the tunable etalon is corrected based on the attenuated light amount, and the resonant wavelength modulation of the tunable etalon is corrected. Feedback control is performed to align the center with the absorption wavelength of the light of the concentration (pressure) detection gas, and a first electrical signal and a second electrical signal are obtained by photoelectrically converting the first light and the second light. The tunable etalon is characterized in that the absorption rate of the first light by the concentration (pressure) detection gas is calculated based on the concentration (pressure) detection gas, and the concentration (pressure) of the concentration (pressure) detection gas is calculated from this absorption rate. Gas concentration pressure detection method using
ビーム状の光を入射するための入射光路に配設されたチ
ューナブルエタロンを所定のタイミングで共振変調し、
前記被濃度(圧力)検出ガスにより強く吸収される波長
の第1の光と上記検出ガスにより吸収されない波長の第
2の光とを通過させ、同チューナブルエタロンを通過し
た前記第1の光と第2の光の合計光間をモニターし、こ
の合計光量が所定量以下に減衰したとき、減衰光量に基
づいて前記チューナブルエタロンの共振変調を補正し、
チユーナブルエタロンの共振波長の変調の中心を被濃度
(圧力)検出ガスの光の吸収波長に合わせるようにフィ
ードバック制御するとともに、前記第1の光と第2の光
を光電変換した第1の電気信号と第2の電気信号とに基
づいて前記被濃度(圧力)検出ガスによる第1の光の吸
収率を演算し、この吸収率から前記被濃度(圧力)検出
ガスの濃度(圧力)を演算することを特徴とするチユー
ナブルエタロンを用いたガス濃度圧力検出方法。(2) Resonance modulation is performed at a predetermined timing on a tunable etalon disposed in the incident optical path for inputting a beam of light into a gas cell filled with a gas to be detected for concentration (pressure);
A first light having a wavelength that is strongly absorbed by the concentration (pressure) detection gas and a second light having a wavelength that is not absorbed by the detection gas are passed through the tunable etalon. Monitoring the total amount of second light, when the total amount of light attenuates to a predetermined amount or less, correcting the resonance modulation of the tunable etalon based on the attenuated amount of light;
Feedback control is performed so that the center of the modulation of the resonant wavelength of the tunable etalon is aligned with the absorption wavelength of the light of the concentration (pressure) detected gas, and the first electricity is generated by photoelectrically converting the first light and the second light. Calculating the absorption rate of the first light by the concentration (pressure) detection gas based on the signal and the second electric signal, and calculating the concentration (pressure) of the concentration (pressure) detection gas from this absorption rate. A method for detecting gas concentration and pressure using a tunable etalon.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10540589A JPH067100B2 (en) | 1989-04-25 | 1989-04-25 | Gas concentration pressure detection method using tunable etalon |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02284045A true JPH02284045A (en) | 1990-11-21 |
JPH067100B2 JPH067100B2 (en) | 1994-01-26 |
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JP10540589A Expired - Fee Related JPH067100B2 (en) | 1989-04-25 | 1989-04-25 | Gas concentration pressure detection method using tunable etalon |
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JP (1) | JPH067100B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009123068A1 (en) * | 2008-04-01 | 2009-10-08 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | Discrimination filtering device, method for discriminating object, and method for designing filter of discriminating filtering device |
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1989
- 1989-04-25 JP JP10540589A patent/JPH067100B2/en not_active Expired - Fee Related
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JPWO2009123068A1 (en) * | 2008-04-01 | 2011-07-28 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | Discriminant filtering device, object discriminating method, and filter design method for discriminant filtering device |
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