JPH0269639A - レーザ方式ガスセンサ - 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などを測定するレー
ザ方式ガスセンサに関し、 複数の参照セル及びその透過レーザ光の処理系を不要に
して装置サイズを小型に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、ガスセル
内のｎ種類（ただし、ｎは２以上の整数）の既知のガス
が混合されてなる被測定気体中を透過させ、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、その電気
信号に基づいて該ｎ種類のガスの濃度を測定するレーザ
方式ガスセンサにおいて、前記ｎ種類のガスを別々に予
め既知のガス濃度で夫々スペクトル測定して得たに個（
ただし、ｋは２以上の整数）の波長における単位濃度当
りの吸収スペクトル（Ｘ１，１、Ｘ１，２．・・・×１
．ｋ　）、””　　（Ｘｎ、１　、Ｘｎ、２　、・・・
、Ｘｎ、ｋ　）が各々記憶されている記憶手段と、前記
光検知器の出力信号から前記被測定気体の首記に個の波
長における吸収スペクトル（Ｙ＋　、Ｙ２　、・・・、
ＹＫ）を夫々１ｑる測定手段と、該記憶手段と該測定手
段の各出力信号が供給され、次式 （ただし、Σ＝Σ） ＝１ で表わされる演算を行ない、前記ｎ種類のガスの濃度Ｃ
＋　、Ｃｚ　、・・・、ＣＴＩを算出する演算手段とを
具備するように構成する。

〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ方式ガスセンサに係り、特に半導体レー
ザ光を用いてガスの濃度などを測定するレーザ方式ガス
センサに関する。

レーザ方式ガスセンサにおいては、被測定気体がスペク
トルの重なりのある複数のガスからなる場合であっても
、正確に所望の被測定ガスの濃度だけを分離測定するこ
とが重要となる。

〔従来の技術〕

従来のレーザ方式ガスセンサにおいては、被測定ガスに
波長変調を行なったレーザ光を透過さ往、その透過光強
度の変化分を同期検波して得られる信号口がガス濃度に
比例することを利用してガス濃度を測定する微分計測法
により、被測定ガスの濃度を測定していた。

しかし、被測定ガスだけのスペクトルが第５図（Ａ＞に
示され、妨害ガスだけのスペクトルが第５図（Ｂ）に示
すものであるものとすると、両者が混在している。被測
定気体のスペクトルは第５図（Ｃ）に示す如く両者のス
ペクトルの和になるため、従来は両者が混在している被
測定気体雰囲気中の被測定ガスのガス濃度は第５図（Ｃ
）にＳで示した特定波長におけるレベルに基づいてしか
算出することができなかった。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するため、スペク
トルの大きさから被測定ガスの濃度を求めることはでき
なかった。

そこで、本出願人は先に昭和６３年７月５日付提出の特
許出願（発明の名称「レーザ方式ガスセンサによるガス
濃度測定方法」）により、第６図に示す如き構成のレー
ザ方式ガスセンサを提案した。同図中、１はレーザダイ
オードで、これより放射されたレーザ光はビームスプリ
ッタ２１により光路が２分岐され、一方は被測定ガスセ
ル３に入射され、他方はビームスプリッタ２２〜２ｎ＋
１に順次に入射されると共に更に光路が分岐されて、参
照セル４１〜４１に夫々入射される。

被測定ガスセル３内には、互いにスペクトルの重なるｎ
種類のガスが混在する被測定気体が充満されており、一
方、参照セル４１〜４Ｔｌの各々には上記のｎ種類のガ
スが単独で別々に充満されている。

被測定ガスセル３．参照セル４１〜４Ｔｌを透過したレ
ーザ光は光検知器５．６１〜６ηに夫々入射されて光電
変換された後、所定の信号処理系７゜８１〜８Ｔｌを別
々に経てマルチプレクサ９に並列に入力され、ここで順
次切換えられてＡＩＤ変換器１ｏに入力される。Ａ／Ｄ
変換器１０より取り出されたディジタルデータは端子１
１を介してマイクロコンピュータに供給され、所定の演
算処理が行なわれて被測定気体中のｎ種類のガスのＩＫ
の測定値を夫々算出させる。

この提案方式によれば、信号処理系７で得られた複数ポ
イントでの被測定気体の吸収スペクトルと、信号処理系
８１〜８Ｔｌで得られたｎ種類の参照ガス各々の複数ポ
イントでの吸収スペクトルとに基づいて、被測定気体中
のｎ種類のガスの濃度を別々に正確に測定することがで
きる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかるに、上記の提案方式では、第６図に示すように参
照セル４１〜４ηと光検知器６１〜６ηと信号処理系８
１〜８Ｔｌとが各々被測定気体を構成するガスの種類と
同数のｎ個ずつ必要になるため、装置サイズが大型で、
また高価になるという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、複数の参照
セル及びその透過レーザ光の処理系を不要にして装置サ
イズを小型にしたレーザ方式ガスセンサを提供すること
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。半導体レーザ光源
１５より放射されたレーザ光を、ガスセル１６内のｎ種
類（ただし、ｎは２以上の整数）の既知のガスが混合さ
れてなる被測定気体中を透過させ、その透過光の光強度
を光検知器１７により電気信号に変換し、その電気信号
に基づいて上記のｎ種類のガスの濃度を測定するレーザ
方式ガスセンサにおいて、本発明は記憶手段１８．ｉｌ
ｌ！Ｉ定手段１９及び演算手段２０を具備した点に特徴
を有する。

記憶手段１８は上記ｎ種類のガスを別々に予め既知のガ
ス濃度で夫々スペクトル測定して得たに個（ただし、ｋ
は２以上の整数）の波長における単位濃度当りの吸収ス
ペクトル（Ｘ　　　　Ｘ１１′１２１ ・・”　×１．ｋ　”　””　　（Ｘｎ、１　’　Ｘｎ
、２　’　”’ｘｏｋ）が夫々格納されている。

上記の演算手段２０は記憶手段１８からのｎ種類のガス
の各々の吸収スペクトルと、測定手段１９よりの被測定
気体のに個の波長における吸収スペクトル（Ｙ＋　、Ｙ
２　、・・・ＹＫ）とにより次式で表わされる演算を行
なって、ｎ種類のガスの濃度Ｃ＋　、Ｃ２、・・・＋Ｃ
ｎを算出する。

くただし、Σ＝Σ） １＝１ 〔作用〕 ガスセル１６内の被測定ガスが説明の簡単のため、２種
類（ｎ＝２）のガスが混合されているものとし、また前
記波長数（ポイント数）ｋは１００であるものとして説
明する。この場合は記憶手段１８は少なくとも第１のガ
スの単位濃度当りの吸収スペクトル（Ｘ　　　　Ｘ　　
　　　　　　１１００１．１．１２．・・・、Ｘ　　　
　＞ と第２のガスの単位濃度当りの吸収スペクトル（×２．
１．×２２．・・・、×２１８ｏ）とを予め記憶してい
る。

一方、光検知器１７の出力信号が供給される測足手段１
９は、上記に個の各波長における被測定気体の吸収スペ
クトル（Ｙ＋　、Ｙ２　、・・・、Ｙｌｏｏ）を測定出
力する。ここで、この測定手段１９により得られる吸収
スペクトルは、２種類のガスが混合した被測定気体のも
のであるから、第５図（Ｃ）に示したように２種類のガ
スのスペクトルの和となっている。従って、ｍ番目（た
だし、ｍ＝１゜２、・・・１００）の同じ波長領域にお
ける被測定気体の吸収スペクトルＹｍは、第１のガスの
真の濃度をＣ＋　、第２のガスの真の濃度を０２とする
と、Ｙｍ　＝Ｘ１１Ｉｌ−Ｇ＋　＋Ｘ２．ｍ　６　Ｃ２
（２１で表わされる。

従って、１００ポイントの夫々について次式が成立する
。

０式を書き改めると次式が成立する。

（４）式の両辺に２行 １００列の行列である を掛けると ■ となる。

つまり、 となる。

従って、■式を変形すると ■ となり、真のガス８１度Ｃ＋　、Ｃ２を求めることがで
きる。

そこで、演算手段２０は記憶手段１８から得た２種類の
ガスの単位濃度当りの吸収スペクトル（Ｘ　１，１・Ｘ
　１，２＝　”’・Ｘ　１，１００）と（Ｘ　２，１＋
Ｘ　　　・・・、Ｘ　　　　）と測定手段１９からの被
２．２・　　　　２１００ 測定気体の吸収スペクトル（Ｙ＋　、Ｙ２　、・・・Ｙ
１８ｏ）とに基づいて６）式の左辺を計算することによ
り、被測定気体中の２種類のガスの夫々の濃度Ｃ＋　、
Ｃ２を算出することができる。

被測定気体がｎ種類のガスの混合ガスである場合も、上
記と同様にして算出手段２０が前記（１）式の演算を行
なうことにより、ｎ種類のガスの濃度を、他のガスの影
響を受けることなく個別に測定することができる。

本発明は演算手段２０の演算に際して、被測定気体を構
成するｎ種類のガスの夫々の単位濃度当りの吸収スペク
トルが予め記憶手段１８に格納されているから、ｎ系統
の参照セル光路系、及びその信号処理系は不要になる。

〔実施例〕

第２図は本発明の一実施例のブロック図を示す。

同図中、第１図と同一構成部分には同一符号を付し、そ
の説明を省略する。第２図において、ガスセル１６内の
被測定気体は、プロパン（Ｃ３ｔ−１ａ　）とエタン（
Ｃ２Ｈ８）からなる混合ガスであるもの゛とすると、記
憶手段１８を構成するリード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ
）等の２つの記憶装置２１゜２２のうち、記憶装置２１
には第３図（Ａ＞に示すプロパンの２数機分スペクトル
の１００ポイントのｆｌｉ（Ｘ　　　　Ｘ　　　　・・
・、Ｘ　　　　＞が予め記１１°　　１２°　　　　１
１００ 憶されており、また記憶装置２２には第３図（Ｂ）に示
すエタンの２数機分スペクトルの１００ポイントの値（
Ｘ　２，１．Ｘ　２，２．”’、Ｘ　２１００）が予め
記憶されている。プロパンの２数機分スペクトルは第３
図（Ａ＞に示すように、波数１４６４．０４　ｃｙｒ−
’でピークレベルを有し、一方、エタンの２数機分スペ
クトルは第３図（Ｂ）に示すように波数１４６４．２０
、−１でピークレベルを有する。

従って、両者の混合ガスである被測定気体の２数機分ス
ペクトルは第３図（Ｃ）に示す如く、上記の波数１４６
４．０４は−１と１４６４．２０　ｃｔｍ−’で夫々大
レベルとなるようなスペクトルとなる。

一方、第２図において、レーザ’１［２３からの駆動電
流（レーザ電流）により、レーザダイオード２４はその
駆動電流値に応じた波長でレーザ光を発振出力する。こ
のレーザダイオード２４は、上記の波数１４６４．０４
ＣＩＩＩ−鵞及び１４６４．２０　ａｓ”を少なくとも
包含する波長領域で発振するよう駆動制御されると共に
、第４図に示す如く段階的に変化する駆動電流（レーザ
電流）が供給されることにより、波長掃引が行なわれる
。

また、このレーザ電流は第４図に示すように一定時間毎
に瞬断されるが、成る瞬断直後から次の瞬断直前までの
電流発生期間中は微小変調されている。この成る瞬断か
ら次の瞬断までのレーザ電流発生期間は前記微分計測の
ために微小変調されてはいるが、レーザ光の波長はレー
ザ電流に対応した所定値を中心としており、この期間に
１つのポイントの吸収スペクトルが得られる。本実施例
では、第４図に示す如くレーザ電流は１００段階（すな
わち、ｋ＝１００ポイント）で−周期となるように変化
せしめられる。

第２図において、レーザダイオード２４から放射された
レーザ光はガスセル１６内の被測定気体中を透過し、減
衰を受けた復元検知器１７に入射され、ここで光電変換
される。光検知器１７より取り出された電気信号はロッ
クインアンプ２５に供給され、ここで２数機分信号とし
て検出される一方、パワー測定回路２６に供給され、こ
こでレーザ電流瞬断時に受信パワーが検出される。

ロックインアンプ２５とパワー測定回路２６の各出力信
号はサンプルホールド回路（Ｓ　／　８回路）２７．２
８で別々に各ポイント毎の値がザンブル及びホールドさ
れた後、マルチプレクサ２９により交互に選択出力され
る。このマルチプレクサ２９より取り出された時系列合
成信号は、Ａ／Ｄ変換器３０によりディジタル信号に変
換されてからマイクロコンピュータ３１に供給される。

マイクロコンピュータ３１は前記演算手段２゜を構成し
ており、被測定気体の２数機分信号を受信パワー信号で
除算して規格化された吸収スペクトルの１００ポイント
分の値（Ｙ＋　、Ｙ２　、・・・Ｙ　１００）を求めた
後、その値と記憶装置２１゜２２からの前記プロパン、
エタンの各単位濃度当りの吸収スペクトルの１００ポイ
ント分の値（Ｘ　　　Ｘ　　　−、Ｘ　　　）ト（Ｘ２
，１゜１．１’　　　　１２°　　　　　　１１００２
２’　　　　２１００）とから前記６）式を満足するＸ
　　　　　・・・Ｘ 演算処理を行なう。これにより、ガスセル１６内の被測
定気体を構成しているプロパンとエタンの各ガス濃度が
夫々正確に測定できる。

なお、マイクロコンピュータ３１はレーザ電源２３を駆
動制陣し、第４図に示す如く変化するレーザ電流を発生
させる。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明によれば、被測定気体を構成するｎ種
類のガスの夫々の単位濃度当りの吸収スペクトルが予め
記憶手段に格納されており、ｎ系統の参照セル及びその
信号処理系を不要にできるため、レーザ方式ガスセンサ
の装置全体を大幅に小型化でき、また安価に構成するこ
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図は本発明の一実施例のブロック図、第３図は第２
図の各部の２数機分スペクトル図、第４図はレーザ電流
の変化図、 第５図は測定されるスペクトルの説明図、第６図は本出
願人が先に提案したレーザ方式ガスセンサの概略ブロッ
ク図である。 図において、 １５は半導体レーザ光源、 １６はガスセル、 １７は光検知器、 １８は記憶手段、 １９は測定手段、 ２０は演算手段、 ２１．２２は記憶装置、 ３１はマイクロコンピュータ を示す。 ９シ２昏コｎξｉ畜ぜの２８ζ者家づトスベタドアし℃
ｄレー寸゛擢ン虻０潰ノと！ 第４図 一涙表

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体レーザ光源（１５）より放射されたレーザ光を、
   ガスセル（１６）内のｎ種類（ただし、ｎは２以上の整
   数）の既知のガスが混合されてなる被測定気体中を透過
   させ、その透過光の光強度を光検知器（１７）により電
   気信号に変換し、その電気信号に基づいて該ｎ種類のガ
   スの濃度を測定するレーザ方式ガスセンサにおいて、 前記ｎ種類のガスを別々に予め既知のガス濃度で夫々ス
   ペクトル測定して得たｋ個（ただし、ｋは２以上の整数
   ）の波長における単位濃度当りの吸収スペクトル（Ｘ＿
   １＿，＿１、Ｘ＿１＿，＿２、…、Ｘ＿１＿，＿ｋ）、
   …、（Ｘ＿ｎ＿，＿１、Ｘ＿ｎ＿，＿２、…、Ｘ＿ｎ＿
   ，＿ｋ）が各々記憶されている記憶手段（１８）と、 前記光検知器の出力信号から前記被測定気体の前記ｋ個
   の波長における吸収スペクトル（Ｙ＿１、Ｙ＿２、…、
   Ｙ＿Ｋ）を夫々得る測定手段（１９）と、該記憶手段（
   １８）と該測定手段（１９）の各出力信号が供給され、
   次式 ▲数式、化学式、表等があります▼ で表わされる演算を行ない、前記ガスセル（１６）中の
   ｎ種類のガスの濃度Ｃ＿１、Ｃ＿２、…、Ｃｎを算出す
   る演算手段（２０）と、 を具備したことを特徴とするレーザ方式ガスセンサ。