JPH04151546A

JPH04151546A - ガス検出装置

Info

Publication number: JPH04151546A
Application number: JP2275810A
Authority: JP
Inventors: Haruo Nagai; 治男永井; Masafumi Aizawa; 相沢　允文
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1990-10-15
Filing date: 1990-10-15
Publication date: 1992-05-25
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH0830680B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明は光の吸収を利用して光学的なガス濃度の測定を
行い、都市ガス、化学プラント等のガス漏洩を検出する
ガス検出装置に関する。

〔従来の技術〕

メタン等の気体には、分子の回転や構成原子間の振動等
に応じて特定波長の光を吸収する吸収帯があることが知
られている。

以下、メタンガスの検出を例として述べれば、メタンは
、１．３３μｍ、１．６７μｍ、３．３９μ蒙帯に吸収
帯を有する。この吸収帯を利用して、「メタンガス濃度
測定法およびその測定装置」が開示されている（特開昭
５９−５６１５１号公報）　この発明は、測定すべきメ
タンガスを測定セルに流入させ、光源としてのＬ　Ｅ　
Ｄ　（Ｌｉｇｈｔ　Ｅ＋＊ｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）
から測定セルおよび測定セルから光検出器まで光を光フ
ァイバで伝送し、メタンガスの吸収波長とそれ以外の波
長はフィルタで分光している。つまり、測定セル内のメ
タンガスによる光吸収により、光検出器で受光した光の
強度比によりメタンガスの濃度を測定するものである。

また、差分吸収レーザレーダ法を応用したガス検出装置
が種々発表されている（特開昭６１−２２２２８９号公
報、特開昭６２−９８２３５号公報および特開昭６２−
２９０１９０号公報）。

例えば、光源としてメタンに吸収される３、３９２２μ
−とメタンにほとんど吸収されない３．３９１２μ−の
２波長の赤外Ｈｅ−Ｎｅレーザを使用し、この２波長の
レーザ光を交互に等しい出力で大気中に照射し、直接光
又は反射光を受光する。大気中にメタンが存在するとき
は、吸収により３．３９２２μ−と３゜３９１２μ−の
２波長の受光信号レベルに差が生る。

その差を計測することにより大気中（光路中）にメタン
が存在すること、また、その濃度を検出していた　（特
開昭６１−２２２２８９号公報および特開昭６２−９８
２３５号公報）また、発振波長が１，３３μ霧付近にある半導体レーザ
を光源として用い、レーザを所定の電流値を中心とする
異なる２つの電流値で変調し、１．３３μｍ付近の２波
長で発振させることにより、同様にメタンの検出を行っ
ていた　（特開昭６２−２９０１９０号公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、測定セルにメタンガスを流入する測定法は、炭
鉱坑道内等予め測定点が限定されている箇所のメタンガ
ス濃度を監視するためのものであり、道路下に埋設され
たガス管からのメタンガスの漏洩点および濃度を測定す
るのには適していない、また、光源としてＬＥＤが使用
され、上記用途には光レベルが不足している。また、レ
ーザの波長およびレベルの安定化の手段がなかった。

また、赤外Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いたレーザ装置は、ガ
ス吸収セルやミラーなどの部品も多く、構成が複雑であ
り、機械的振動に弱い、また、駆動方法も大がかりなも
のとなり、装置が大型化し、価格が高価なものであった
。

また、半導体レーザを用いた２波長レーザ装置は、波長
を変化させるためにレーザを駆動する電流を変化させる
と、レーザ光の出力値も同時に変化するため、そのまま
では差分吸収レーザレーダ法の光源として使用できない
。そのため、２波長成分の出力値をほぼ等しくするため
のガス吸収セル、ミラーや光センサなどからなる複雑な
出力調整手段がやはり必要となり、経時変化等を考慮す
る七、精度が良く、しかも信幀性の高いガス検出装置を
得ることが困難であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、
測定箇所に限定されず、しかもレーザ光の出力変動に影
響されない、機械的振動に強く、小型、高精度のガス検
出装置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〕

上記課題を解決するために本発明のガス検出装置におい
ては、光源を単一モード半導体レーザとし、光源から２
つの異なる波長の光出力が出射されるようにする。光出
力を２つに分け、その一方は被測定ガスを通過しない光
出力、他方は被測定ガスを通過した光出力をそれぞれ測
定し、これらの測定値を演算処理することにより被測定
ガスの濃度を求める。具体的には以下の、 ■光ａｔは単一モード半導体レーザとし、■２つの波長
を交互に出力するように制御する制御部２７を置き、 ■レーザからの光出力を２経路でとらえ、■１つの経路
では被測定ガスを通過しない２つの波長のレーザ光を受
光する第１の受光器１５と、■他の経路では特定種類の
被測定ガスを通過した２つの波長のレーザ光を受光する
第２の受光器１０と、 ■第１および第２の受光器１５．１０のそれぞれの出力
値に基づいて特定種類のガスの濃度を計算する演算器２
６とを備えた構成とした。

〔作用〕

このように構成されたガス検出装置によれば、以下の処
理を行う演算器２６により、レーザ光の光出力に影響さ
れないで被測定ガスの濃度を求めることができる。

本発明に用いる原理を第１図により説明する。

光源１の波長λ、における光出力値をＰ　ｒｏ、受光器
１０および受光器１５の出力値をそれぞれＰ　ＩＩ、Ｐ
４、また光源ｌの波長λ２における光出力値をＰ２゜、
受光器１０および受光器１５の出力値をそれぞれＰｔ１
−、Ｐ’ｔｚ　　とする。このとき、受光器１５に入射
するレーザ光は、第１図に示す構成以外にガスセル３１
がない構成、または光源１の前方光出力Ｐ１゜Ｐ　ｔｏ
をハーフミラ−で分割したレーザ光でも良い、また、ガ
スの吸収スペクトルによる透過率をに８、吸収スペクト
ル以外の要因による透過率をＲ８としたときの出力値は
、Ｐ　ｕ　＝Ｒ＋　Ｋ　ｒ　Ｐ　ｌｏ　　・・・　（１）
Ｐ□＝Ｒ＋Ｐｔｏ　　　　・・・　（２）Ｐ　、ｔ　＝
　Ｒｚ　Ｋ　ｚ　Ｐ　＋。　・・・　（３）Ｐ２□”’
　Ｒｔ　Ｐ　ｚ。　　　・・・　（４）（１）、（３）
式より、Ｐｌ、＝Ｒ＋に＋−Ｐ・・Ｒｚ　　Ｋ　ｚ（２）、（４）式より、Ｒ。

Ｐ□−□Ｐ０Ｋｚ（５）、（６）式より、Ｐ　　ＩＩＰ　　＊！に、＝　　　　　　　　　　Ｋ。

Ｐ□ＰＩｔしかるにに、は、Ｋ、＝ｅｘｐ　　（−αｃｌ）ｃｌ＝−１ｎＫ＋／α （７）、（８）式より、Ｐ　　１１　　Ｐ　ｔｔｃ　１＝−ｔｎ　（；　Ｋｚ　）　／α−α：ガス吸収
係数、Ｃ：ガス濃度ｌ：光路長ここで被測定ガスが零のときに、Ｐ＋＋＝Ｐ＋ｍ−Ｐ□＝Ｐ□とすると、このに２を定数
として与えることにより、（９）式よりメタンガスの量
（濃度×光路長）を求めることができる。また、光源の
光出力が変動しても、（ＰＩＩＰｔ□）／（Ｐ□Ｐ１２
）は一定であり、（９）式のｃｌが変化しないことは明
らかである。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

差分吸収レーザレーダ法に用いる２波長レーザに要求さ
れる条件は次の３点である。

１）２波長の光軸が一致していること。

２）機械的振動に強いこと。

３）２つの光の波長が電気的に制御できること。

なお、２波長の間隔は１０人位あれば十分で、変調速度
はＫＨｚ程度に対応できれば良い。これらの値は前記の
半導体レーザで十分に実現できるものである。

室温以上の温度で動作可能な半導体レーザの発振波長は
、現在では１．７μ量より短い波長領域にあり、メタン
の吸収スペクトルは１．６７μｍ付近のものが強いこと
が発表されている。そのため、この波長域の半導体レー
ザを用いることが好都合である。

（第一の実施例）第２図は、１．６７μ層発振の　ＩｎＰｌ　ＩｎＧａＡ
ｓ系のＤＦＢレーザを光源として使用したガス検出装置
のシステム構成図である。

ここに示す半導体レーザ１　（ＤＦＢレーザ）は、電流
源２からの駆動電流１＋　　　Ｉｇに応じて、メタンに
吸収されやすい波長λ１　（第一の実施例では１．６６
５μｍ）および、メタンに吸収されにくい波長λ、ｔ　
（第一の実施例では１．６６４μｓ＋）を先出力Ｐ、。

、Ｒ２゜で交互に出射する。

また、赤色光レーザ（または、可視光レーザ）３は、半
導体レーザｌのレーザ光の出射方向を示すためのガイド
用として使用する。これらのレーザから出射されるレー
ザ光はミラー４とハーフミラ−５により合波され、ミラ
ー６．７により大気中に照射される。大気中に照射され
たλ、　　λ。

のレーザ光は道路、壁等にて散乱される。その散乱した
レーザ光をカセグレーン型集光鏡８にて集光する。その
光信号を、フィルタ９で赤色光レーザの波長成分をカッ
トし、受光器１０にて電気信号に変換し、演算処理部２
０にて電気信号レベルを検出する。その結果大気中にメ
タンがあるかどうかを検出する。

λ１とλ２は波長が極めて接近しているため、メタン吸
収特性以外の光学的特性はほとんど同一である。したが
って大気中（光路中）に存在するメタンによる透過率を
に、　　それ以外の要因による透過率をＲ３とすると、
この２波長を識別できない受光器１０で受光されるλ６
、λ２の光出力は、Ｐ、、＝Ｒ，に、Ｐ、。　　Ｐｔ１
””ＲＩ　Ｐｚ。　となり電流源２で１１およびＩ２を
変化させる周期に同期して、この受光器１０の出力を、
演算処理部２ｏでサンプルホールドしてＰ　ＩＩ　ｓ　
Ｐ　！ｌを測定する。

一方、半導体レーザ１から出射されるレーザ光を、ハー
フミラ−１１により分光し、その分光されたレーザ光を
以下に記載するそれぞれの受光器に導かれるように、ハ
ーフミラ−１２，１３、ミラー１４を配置する。

ハーフミラ−１２により分光されたレーザ光は受光器１
５に入射する。その受光器１５の出力からλ１、λ２そ
れぞれの強度ＰＩ２、Ｐｏを演算処理部２０で測定する
。

上記測定値Ｐ　ＩＩ、Ｐ　１４、ＰＩ！、Ｐ、とガス吸
収係数αを入力値として与え、ｃｌ（ガス濃度×光路長
）を、（９）式を用いて、演算処理部２０で計算する。

ここで、測定ガスが零のときに、Ｋｚ　（Ｐ　＋＋　Ｐ
　ｔ□）　／　（Ｐ　ｔ＋　Ｐ　Ｉｔ　）　＝　１とな
るようにに２の値を設定する。

次に、波長の制御を具体的に記載する。

■λ１の波長を１．６６５μｍになるように制御するに
は、演算処理部２０で、入射されたレーザ光を波長分光
器１６で選択し、受光器１７で受光する弁別信号強度が
最低となるように１．を制御する。

■λ２の波長を１．６６４μ鳳、になるように制御する
には、演算処理部２０で、Ｉ、を走査し、そして入射さ
れたレーザ光を波長弁別器１８で選択し、受光器１９で
受光する弁別信号強度が最低となるようにＩ２を制御す
る。

なお、■、■とも弁別信号強度が最高となるように電流
を制御することもできる。

これらの一連の操作は高精度な温度制御下で行うことに
より極めて容易になるものであることは当然である。し
かも、半導体レーザを含めたガス検出装置の温度が変動
しても、波長制御できる半導体レーザである特徴を生か
して、レーザに加える電流７を制御する。それにより温
度変動の影響をとり除き、ガス検出が容易に行えるもの
であることも明白で、本発明の大きな利点でる。

このような構成により、波長λ１、λ２の特定強度にお
いてのメタン濃度と受光器１０に入射された強度との関
係をあらかじめ演算処理部２０に記憶させておくことに
より、大気中のメタン濃度を精度よく測定することがで
きる。

なお、波長弁別器としてファイブペロ干渉針あるいは、
特定の物質の吸収特性を利用する吸収セル等がある。特
にλ、の波長弁別器としては、検出対象であるメタンの
吸収セルを用いれば最も簡便で精度の高い弁別を行うこ
とができる。

（第二の実施例）第３図は、１．６７μｓ＋発振の　ＩｎＰｌ　ＩｎＧａ
Ａｓ系の３電極ＤＦＢレーザを光源として使用したガス
検出装置のシステム構成図である。

ここに示す半導体レーザ１（３電極ＤＦＢレーザ）は、
電流源２からの駆動電流１．、Ｉ、供給し、制御部２７
により波長の切換えを制御する。メタンに吸収されやす
い波長λ、（第二の実施例では１．６６５μ曽）および
、メタンに吸収されにくい波長λｔ　（第二の実施例で
は１．６６４μ−）を交互に出射する（λ１の光出力Ｐ
、。　　λ、の光出力Ｐ、。）。

また、赤色光レーザ（または、可視光レーザ）３は、半
導体レーザ１の一方から出射するレーザ光の出射方向を
示すためのガイド用として使用する。これらのレーザか
ら出射されるレーザ光はミラー４とハーフミラ−５によ
り合波され、ミラー６．７により大気中に照射される。

大気中に照射されたλ、　λ、のレーザ光は道路、壁等
にて散乱される。その散乱したレーザ光をカセグレーン
型集光鏡９にて集光する。その光信号をフィルタ９で赤
色光レーザの波長成分をカットし、受光器１０にて電気
信号に変換し、サンプルホールド２１で入力（ＬＦ　（
λ、の入力値Ｐ　ＩＩ　　　λ２の入力値Ｐ□）をホー
ルドしその値をＡ／Ｄ変換器２２でデジタル信号に変換
後、メモリ２３に記憶する。

さらに、半導体レーザ１の他方から出射するレーザ光は
、被測定ガスを封入した校正用ガスセル３１を通過し受
光器３２にて電気信号に変換し、サンプルホールド２４
で入力値（λ１の入力値Ｐ　Ｉｆｆｉλ２の入力値Ｐｔ
ｔ）をホールドしその値をＡ／Ｄ変換器２５でデジタル
信号に変換後、メモリ２３に記憶する。演算器２６は、
制御部２７によりメモリ２３から読出した波長λ、の入
力値Ｐ　ＩＩ　　　Ｐ　１１！　　　λ２の入力値Ｐ　
ｚ＋　　　Ｐ　ｚｔに基づいて（９）式により測定ガス
の量ｃｌ（ガス濃度×光路長）を計算する。その計算結
果を表示器２８に表示する。

なお、測定に先だって、測定ガスが零のときに。

Ｋｔ（ＰｕＰｚ□）／（Ｐ□Ｐ＋ｚ）＝１となるように
に２の値を設定する。

また、半導体レーザ１の光出力波長をメタンに吸収され
やすい波長λ、に調整するためには、半導体レーザ１に
供給する！、、Ｉ、の比率を変化させることにより制御
する。第４図に３電極ＤＦＢレーザの構成図、第５図に
印加電流に対する発振波長の特性図を示す。本実施例で
は、第５図に示すように、Ｉ、／　（ＩＩ　＋Ｉｔ　）
　＝０．８５近辺で走査しメタンガスが封入された校正
用ガスセル３１に波長λ１を通過させその吸収量が最大
、すなわち受光器３２の出力値Ｐ　１１が最小値になる
ときを制御部２７で監視し、電流比率を決定する。

また、メタンに吸収されにくい波長λ、を光出力する電
流比率は、Ｉ　Ｉ　／　（Ｉ　ｌ　＋Ｉｔ　）　””０
．７１とすれば、第５図に示すように常に波長λ、はメ
タンの非吸収帯に制御される。

また、測定中に各波、長λ３、λ２が半導体レーザｌの
発熱温度で変化しないように温度コントローラ３３を介
して制御部２７で制御する。

（第三の実施例）第６図に透過する光の吸収を利用した方法のシステム構
成図を示す。第一の実施例および第二の実施例において
は、大気中に存在するガスを検出するのに反射光を利用
したものであった。

一方、第三の実施例は、空間を伝播し、その途中で検出
対象のガス中を通過してくる光を利用する方法である。

送信部４０の光源と制御装置、および受信部４１の受光
部と演算処理部は、第一の実施例、第二の実施例と同様
の構成のものである。また、送信部４０と受信部４１と
の同期を取るために、メタンに吸収されにくい波長λ２
　（第三の実施例では１．６６４μｍ）を使用して同期
信号を、送信部４０より受信部４１に送信する。受信部
４１は同期信号を受信して、同期を確立しガス検出処理
を行う。

さらに波長λ、を使用して、受信部４１は送信部４０に
測定値Ｐｕ、Ｐｔｌを送信する。送信部４０では、各デ
ータに基づいて式９）で演算処理し、警報等を発する。

つまり、受信部４１は、波長λ、と波長λ、との同期を
とればよいだけで、波長、光出力、およびガスの吸収ス
ペクトル以外の要因による透過率を考慮しなくて良い。

なお、このデータ伝送は、波長λ、を使用せずメタリッ
ク回線等の別回線を使用してもできる。

さらに、送信部４０から測定値、警報しきい値等の各種
パラメータ、および制御信号を受信部４１に送信し、受
信部４１で処理することもできる。

（第四の実施例９第７図に透過する光の吸収を利用した方法のシステム構
成図を示す、第四の実施例は、パイプラインのガス漏れ
の監視装置に使用できるものである。第三の実施例では
光を空間に出射するが、第四の実施例は、ファイバ４２
に出射するものとし、パイプラインの複数の箇所にファ
イバ４２がら空間に光を出射するためのレンズ４３と、
空間に出射されガス中を通過してくる光を、集光し再び
ファイバ４４に入射するレンズ４５から構成される。さ
らに、光伝送路としてファイバを利用することにより、
出射方向に伝播する光だけでなく送信部４０方向に反射
してくる光を利用することができる。つまり、送信部４
０の出射する光の波長をメタンに吸収されやすい波長λ
１　（第四の実施例では１．６６５μｍ）を使用するこ
とにより、パイプラインのガス漏れの箇所を検出するこ
とができる。

また、各実施例においてはＤＦＢレーザおよび３電極Ｄ
ＦＢレーザについて説明したが、２電極ＤＦＢレーザで
も同様の機能を発揮できる。さらに波長可変ＤＢＲレー
ザ、集積化ＤＦＢレーザおよび集積化ＤＢＲレーザにつ
いても同様である。

さらに使用する波長について、各実施例では１゜６６５
μ霧付近の吸収を利用したが第８図に示す如くメタンの
吸収線はこの付近で多く存在し、使用波長は１．６６５
μ−に限らない。特に実用可能な受光素子の波長依存性
を考えるとＧｅ、　ＩｎＧａＡｓの両方の素子とも１．
６６５μ霞では長波長すぎて感度が落ちてしまう。また
、光源の１．ｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系レーザも活性層を
１ｎＧａＡｓとして１．６６５μ■付近で発振させる場
合には、もっと短波長での発振にくらべ出力と、その温
度特性が劣る。これらの事情を考えあわせると、例えば
１．６４μｍにある吸収ピークを利用すれば、光源、受
光素子等の性能もさらに向上し、メタンの検出をさらに
高感度で実行できることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明のガス検出装置によれば、光
源としての半導体レーザから２つの異なる波長が出射さ
れる。さらに、光出力の経路を、レーザ光を受光する経
路と、特定ガスを通過したレーザ光を受光する経路に分
けた構成とした。そのため、従来装置では機械的な動作
を利用していた部分が電気的な信号を加えることとなり
、可動部分が減り、部品点数が少なくなり、装置の小形
化、信転性の向上となる。

また、本発明で使用の半導体レーザは、ＬＥＤに比較し
て大きな光出力が得られるので、限られた場所のみなら
ず、道路上等のガス漏洩に用いることができる。

さらに、本発明のガス検出装置によれば、光源（半導体
レーザ）の出力変動に影響されず、２波長の光出力が異
なっても、被測定ガスのガス量を測定できる。そのため
、光出力の制御系が簡易なもので実現でき、検出精度も
大幅に向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を説明する原理図、第２図は、本発明の第一の実施例を示すシステム構成図
、第３図は、本発明の第二の実施例を示すシステム構成図
、第４図は、本発明で使用する半導体レーザの一実施例の
３を極ＤＦＢレーザの構成図、第５図は、３　’ｉｆ　
Ｐｉｊｔ　Ｄ　Ｂ　Ｒレーザの印加電流に対する発振波
長の特性図、第６図は、本発明の第三の実施例を示すシステム構成図
、第７図は、本発明の第四の実施例を示すシステム構成図
、第８図は、メタンガスの光吸収特性図である。１・・・半導体レーザ、２・・・電流源、４．６，７．
１４・・・ミラー５．１１．１２．１３　　・・・ハーフミラ−８・・・
カセグレーン型集光鏡、９・・・フィルタ、１０．１５．１７．１９．３２・・・受光器、１６．１
８・・・波長弁別器、２０・・・演算処理部、２６・・
・演算器、２７・・・制御部。

Claims

【特許請求の範囲】

異なる２つの波長のレーザ光を発振するレーザ装置を光
源として用いて差分吸収法により特定種類のガスを検出
するガス検出装置において、前記光源（１）が２つの波
長を交互に出力するように制御する制御部（２７）と、
前記光源（１）の２つの波長のレーザ光を受光する第１
の受光器（１５）と、前記特定種類のガスを通過した２
つの波長のレーザ光を受光する第２の受光器（１０）と
、前記第１および第２の受光器（１５、１０）のそれぞ
れの出力値に基づいて特定種類のガスの濃度を計算する
演算器（２６）とを備えたことを特徴とするガス検出装
置。