JPH05256769A - ガス濃度測定方法およびその測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＳＮ比特性を改善して低濃度でもガス検知を
行うことができ、しかも、新たに圧力センサを設けるこ
となく、圧力補正が行えるガス濃度測定方法およびその
測定装置を提供すること。 【構成】 駆動電流および温度に応じた波長および強度
のレーザ光を発振する半導体レーザ１からのレーザ光
を、Ｑ（６）線に対応する波長を中心に任意の振幅（変
調振幅ΔΩ）で変調させ、一定温度に保たれた測定ガス
用セル４内のメタンガスに通し、各変調振幅におけるレ
ーザ光の透過光の強度を光検出器８ｂで検出し、ロック
インアンプ１４、１５により位相敏感検波すると共に、
検波信号の変化により測定ガス用セル４内のメタンガス
の濃度を補正することを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス濃度測定方法およ
び測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】メタンガスは都市ガスの主成分であり、
メタンガスの検知により都市ガスの漏洩を検知できる。
このため、地下街、高層ビル等の特定地域では、メタン
ガスの有無を安全かつ確実に、しかも迅速に検出するこ
とが必要となる。ところが、従来の半導体式ガスセンサ
や燃焼式ガスセンサなどのガスセンサは、信頼性に劣
り、そのため近年、光式ガスセンサが開発されるに至っ
た。

【０００３】光式ガスセンサは、ガスの特定成分が特定
波長の光を吸収しやすいことを利用したもので、その原
理を応用した従来例を図６に示す（特公平２−２００５
６号公報）。

【０００４】図中、２１は発光ダイオード（ＬＥＤ）か
らなる光源で、メタンガスの吸収波長域、即ち１．６μ
ｍ帯の光を発する。この光源２１からの光は、光結合器
２２を経て低損失の石英系光ファイバ２３ａ中を伝搬
し、光結合器２４ａを経て測定ガス用セル４内に送り込
まれる。このセル４内には未知濃度のメタンガスが含ま
れており、光結合器２４ａからの光がセル４の雰囲気中
を透過する間に、特定波長の光が吸収される。セル４か
ら出た光は、光結合器２４ｂを経て石英系光ファイバ２
３ｂ内を伝搬し、ハーフミラーで構成されたビームスプ
リッタ２５により２つの光束２６ａ、２６ｂに分けられ
る。

【０００５】第１の光束２６ａは、メタンガスの吸収波
長帯域の光を透過する帯域透過フィルタ２７に送られ、
第２の光束２６ｂは、メタンガスの吸収波長帯域以外の
帯域透過フィルタ２８に送られる。そして、それぞれの
フィルタ２７、２８を透過した光は、光検出器２９ａ、
２９ｂにより電気信号に変換され、増幅器３０ａ、３０
ｂにて増幅された後、信号処理装置３１に送られる。信
号処理装置３１では、両増幅器３０ａ、３０ｂからの電
気信号の強度比が求められ、これに基づきガス濃度が定
量検出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たメタンガス測定方法および装置では、次のような問題
点がある。

【０００７】（１）光学系として石英系光ファイバ２３
ａ、２３ｂ、光結合器２２、２４ａ、２４ｂの他に、ハ
ーフミラー２５や帯域透過フィルタ２７、２８を用いて
いる。そのため、光学系が複雑になり、光の結合損失が
大きくなる。また、光源２１として発光ダイオードを用
いているため、発光出力の上限に制約があり、高感度で
信号を検出することが難しい。

【０００８】（２）メタンガス中の透過光の減衰比から
濃度を求めているため、メタンガスが低濃度の場合、Ｓ
Ｎ比の関係から測定が困難となる。今、メタンの吸収ス
ペクトル線の一つとして波長μ＝１．６６５μｍ帯のう
ちメタン吸収の大きいＱ（６）線を測定用光源として用
いたときの透過係数Ｔを求めてみる。

【０００９】透過係数Ｔは、

【００１０】

【数１】Ｔ＝ｅｘｐ（−α・ｃ・Ｌ） で与えられる。ここで、αは吸収係数を示し、大気圧１
［ａｔｍ］中でのＱ（６）線においては、α＝０．１
［ｃｍ^-1］である。また、ｃはメタンガス濃度、Ｌは光
路長さである。吸収係数α＝０．１［ｃｍ^-1］、光路長
Ｌ＝１０［ｃｍ］としたとき、濃度ｃ＝１００［％］、
１０［％］、１［％］における透過係数Ｔは、それぞれ
Ｔ＝０．３６、０．６０、０．９となる。この結果が示
すように、メタンガスが低濃度になるに従い、光の変化
率が小さくなる。

【００１１】（３）メタンガスの吸収スペクトル線の一
つに着目すると、吸収係数αは大気の全圧に依存した値
をもつ。そのため、炭坑やプラントなど気圧変化の激し
い場所で濃度測定を行う場合、別に圧力センサを設けて
圧力の監視を行い、その値に基づいて補正を行わない
と、正確な濃度測定が行えない。

【００１２】ここで、メタンガスの吸収係数αの圧力変
化について考えてみる。

【００１３】今、メタンガスの吸収線に一致する共鳴角
周波数が全てω₀ であるとき（均一広がり）、各分子同
志の衝突に起因して吸収線は広がりを呈し、その吸収線
の形状α_L （ω，ω₀ ）はローレンツ型になり、数２の
ように表わされる。

【００１４】

【数２】 α_L （ω，ω₀ ）＝α_0L／（１＋（２（ω−ω₀ ）／γ_L ）² ）［ｃｍ^-1］ ここに、α_0Lは吸収線の中心での吸収係数（＝０．１
［ｃｍ^-1］）である。また、γ_L は吸収線の半値幅であ
り、大気中のメタンガスの分圧をｐ_m ［ｔｏｒｒ］、バ
イアスガスの分圧をｐ₀ ［ｔｏｒｒ］とすると、数３が
成立する。

【００１５】

【数３】γ_L ／２π＝５（ｐ_m ＋ｐ₀ ）［ＭＨｚ］ 一方、気体の各分子の速度の方向を考慮すると、ドプラ
ー効果により共鳴角周波数ω₀ がずれて、スペクトル線
の幅が広くなる（ドプラー広がり）。通常、気体分子の
速度分布はマクスウェル・ボルツマン分布をしており、
そのスペクトル線の分布ｇ（ω₀ ）は、ドプラー効果に
よりシフトした角周波数をω_m0とすると

【００１６】、

【数４】 ｇ（ω₀ ） ＝（４ｌｎ２／（π・γ_d ² ））^1/2 ｅｘｐ（−（４ｌｎ２）・（（ω₀ −ω _m0 ）／γ_d ））² ） となる。

【００１７】ただし、

【００１８】

【数５】 γ_d ／２π＝（８ｌｎ２・ｋＴ／（ｍ・ｃ² ））^1/2 ・ω_m0／２π ＝５００［ＭＨｚ］ である。

【００１９】実際のスペクトル線は、上述の均一な広が
りとドプラー広がりとが共存し、吸収係数α（ω）は、
数２および数４の両者のたたみ込み積分で示される。

【００２０】

【数６】

【００２１】この数６に数値を代入して計算すると、吸
収線中心（ω＝ω₀ ）での吸収係数α（ω₀ ）を求めた
結果を図２に示す。ただし、温度は一定とした。

【００２２】ここで図２は、圧力に対する吸収係数α
（ω₀ ）と、半値全幅２γと、検波信号Ｐ（２ω）との
関係を示す図である。同図において横軸が圧力［ｔｏｒ
ｒ］、縦軸が吸収係数α（ω₀ ）および半値全幅２γ
［ＭＨｚ］である。この吸収係数α（ω₀ ）を最大値と
したときに、吸収係数が半分の値になるときの周波数ω
の幅（ここで、ω−ω₀ ＝±γ）を半値半幅という。同
図より吸収係数α（ω₀ ）かまたは半値半幅γのいずれ
か一方がわかれば圧力がわかり、そのときの検波信号Ｐ
（２ω）の値もわかる。

【００２３】本発明の目的は、上記課題を解決し、ＳＮ
比特性を改善して低濃度でもガス検知を行うことがで
き、しかも、新たに圧力センサを設けることなく、圧力
補正が行えるガス濃度測定方法およびその測定装置を提
供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のガス濃度測定方法は、駆動電流および温度
に応じた波長および強度のレーザ光を発振するレーザを
用い、このレーザの駆動電流あるいは温度を変化させて
所定の波長を中心に任意の振幅で変調させたレーザ光
を、一定温度に保たれたガス雰囲気に通し、各変調振幅
におけるレーザ光の透過光の強度を検出すると共に、こ
の検出信号中の特定成分を位相敏感検波すると共に、検
波信号の変化により上記雰囲気圧力下での特定ガスの濃
度を測定するものである。

【００２５】また、本発明のガス濃度測定装置は、駆動
電流および温度に応じた波長および強度のレーザ光を発
振するレーザと、所定の温度でかつ所定の電流値を中心
にして任意の振幅で該レーザの駆動電源を変調し、特定
ガスの吸収線の中心にレーザ光を安定化させる波長安定
化装置と、測定対象とする特定ガスを収容すると共にそ
の特定ガスの温度を一定に保つ測定ガス用セルと、任意
の振幅のレーザ光を測定ガス用セルに通して得られる透
過光の強度を検出する光検出器と、この検出器からの信
号中の特定成分を位相敏感検波する共に上記変調振幅に
対応した検波信号の変化より上記測定ガス用セル内の特
定ガスの濃度を測定する測定手段とを備えたものであ
る。

【００２６】

【作用】まず、分光測定において、測定感度を向上させ
る方法として周波数変調法がある。これは周波数変調さ
れた光を、対象とするガスを含む雰囲気中に透過させる
と、その透過光の検出信号は直流分の他、変調周波数と
同じ周波数の基本波成分およびその高調波成分が得られ
る。このうち、基本波成分と２倍波成分とをそれぞれ位
相敏感検波すると、その吸収線の基本波成分は一次微分
に対応し、その吸収線の２倍波成分は二次微分に対応す
る。このことから、駆動電流を変調したレーザ光を特定
のガスを含む雰囲気に透過させ、その透過光の検出信号
中の特定成分を位相敏感検波すると、その検出信号から
ガス濃度に関する情報が得られる。

【００２７】このガス濃度は、圧力の変化の影響をうけ
たり、低濃度の場合にはガス濃度情報と雑音との比、す
なわちＳＮ比が低くなるため、レーザ光を所定の波長を
中心に任意の振幅で変調させ、一定温度に保たれたガス
雰囲気に通し、各変調振幅におけるレーザ光の透過光の
強度を検出し、位相敏感検波すると共に、検波信号の変
化から上記雰囲気圧力下での特定ガスの濃度を正確に測
定できる。ここで、位相敏感検波とは、特定の周波数お
よび位相をもつ成分だけを抽出して、その振幅を測定す
ることである。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。尚、ここでは、半導体レーザを光源とし
て、メタンガスを測定する例について説明する。

【００２９】半導体レーザの駆動電流を変化してレーザ
光の発振周波数Ωを変調すると、発振周波数だけでなく
発振強度も変調を受ける。このような周波数および強度
が変調されたレーザ光をメタンガスを含む雰囲気に透過
させると、その透過光の検出信号Ｐは数７のように表さ
れる。

【００３０】

【数７】 Ｐ＝Ａ［Ｉ₀ ＋ΔＩｃｏｓ（ωｔ＋φ）］×［Ｃ₀ ＋ΔΩ・Ｔ₀₁ｃｏｓωｔ ＋（（ΔΩ）² ／４）Ｔ₀₂ｃｏｓ２ωｔ］ ただし、

【００３１】

【数８】Ｃ₀ ＝Ｔ＋（（ΔΩ）² ／４）・Ｔ₀₂ である。

【００３２】この検出信号Ｐは、直流分のほか、ｃｏｓ
ωｔ成分とｃｏｓ２ωｔ成分とを含む。ここで、Ａは反
射条件などに依存する定数、Ｉ₀ はレーザ出力の中心強
度、ΔＩは強度振幅変調、ωは駆動電流の変調周波数、
φはωとΩとの間の位相差、ΔΩは周波数変調振幅であ
る。また、Ｔ、Ｔ₀₁、Ｔ₀₂はそれぞれ透過率、その一次
微分ｄＴ／ｄΩ、二次微分ｄ² Ｔ／ｄΩ² のΩ＝Ω
₀ （ここでω₀ はレーザの中心周波数）の値であり、そ
れらの形状を図３に示す。

【００３３】ここで、図３は周波数に対する透過率Ｔ
と、その一次微分Ｔ₀₁、二次微分Ｔ₀₂とを示す図であ
る。各波形において横軸は周波数であり、縦軸は透過率
Ｔ（イ）、一次微分Ｔ₀₁（ロ）、二次微分Ｔ₀₂（ハ）で
ある。

【００３４】数１におけるｃｏｓωｔの周波数成分、位
相成分φを位相敏感検波すると、

【００３５】

【数９】 Ｐ（２ω）＝Ａ［Ｉ₀ （（ΔΩ）² ／４）Ｔ₀₂＋ΔＩ・ΔΩｃｏｓφ・Ｔ₀₁］ が得られ、検波信号Ｐ（２ω）がＴ₀₁およびＴ₀₂に基づ
いて変化することがわかる。

【００３６】そのため、検波信号Ｐ（２ω）を用いてメ
タンガスの吸収を検知する場合には、レーザ光の中心周
波数Ω₀ が、メタンガスの吸収線の中心ω₀ に一致した
ときに最大感度が得られることを利用する。また、この
とき一次微分Ｔ₀₁が「０」、二次微分Ｔ₀₂が最大となる
ため、数３の第２項は消去されて、第１項のみ残る。即
ち、Ω₀ ＝ω₀ のときの二次微分Ｔ₀₂は、

【００３７】

【数１０】 Ｔ₀₂（Ω₀ ＝ω₀ ）＝２・α（ω₀ ）・ｃ・Ｌ／γ² となる。そのため、これを数９の第１項に代入すると、

【００３８】

【数１１】 Ｐ（２ω）＝Ａ・Ｉ₀ ・（ΔΩ）² ・α（ω₀ ）・ｃ・Ｌ／２γ² ＝Ｋ₁ ・（α（ω₀ ）／γ² ）ｃ・Ｌ となる。ここで、Ｋ₁ は定数、α（ω₀ ）は、Ω₀ ＝ω
₀ のときのメタンガスの吸収係数、２γはガス吸収線の
半値全幅、ｃ・Ｌはガス濃度ｃと光路長Ｌとの積であ
る。

【００３９】このように、検波信号Ｐ（２ω）はガス濃
度ｃと光路長Ｌとの積に比例し、これよりメタンガスの
濃度ｃを極めて高い感度で検出できる。

【００４０】ところで、数１１中の吸収係数α（ω₀ ）
およびγ² は、図２に示したように、ガス雰囲気の圧力
により変化する。そのため数１１より正確にガス濃度測
定を行うためには、雰囲気圧力下での吸収係数α
（ω₀ ）、およびγ² の値を求めなければならない。こ
れらの正確な値は、レーザ光の変調振幅を変えていった
ときの検波信号Ｐ（２ω）の出力値の変化から得ること
ができる。

【００４１】数１１で示した検波信号Ｐ（２ω）は、変
調振幅ΔΩが小さいときは２乗に比例して増加するが、
変調振幅ΔΩの大きさがある程度大きくなると数１１に
従わなくなるので図４を利用する。

【００４２】ここで図４は、変調振幅ΔΩと吸収線半値
半幅γとの比（Ω／γ）と、検波信号Ｐ（２ω）との関
係を表わす図である。

【００４３】同図において、横軸は変調振幅と吸収線半
値半幅との比ΔΩ／γ、縦軸は検波信号Ｐ（２ω）（相
対値）である。

【００４４】同図に示す特性曲線は、変調振幅ΔΩが小
さいうちは変調振幅ΔΩの２乗に比例して検波信号Ｐ
（２ω）も増加するが、変調振幅ΔΩが大きくなり、変
調振幅ΔΩが略２．２γとなる点をピークにその後は逆
に変調振幅ΔΩを増加させると検波信号Ｐ（２ω）は減
少し始める。

【００４５】そこで変調振幅ΔΩを変えたときの検波信
号Ｐ（２ω）の変化を求め、検波信号Ｐ（２ω）が最大
値を示すときの変調振幅ΔΩから吸収線半値半幅γが求
まり、図２に基づいて圧力を得ることができる。さらに
その圧力下での吸収係数α（ω₀ ）を得ることができ
る。

【００４６】図１は本発明の一実施例としてのガス濃度
測定装置の概略構成図である。

【００４７】同図において、１は半導体レーザで、単一
波長のレーザ光を発振させる必要から分布帰還形レーザ
を用いている。２は半導体レーザ１からのレーザ光を石
英系光ファイバ３ａにカップリングするための光学系
で、集光レンズと戻り光をカットするための光アイソレ
ータとからなる。光学系２の端面には、さらに無反射コ
ーティング処理が施され、半導体レーザ１への戻り光を
極力小さくしてある。また、７は半導体レーザ１をマウ
ントしてその温度を制御するためのペルチェ素子であ
る。

【００４８】５は光分岐器で、石英系光ファイバ３ａ内
を伝送する光を分岐する。６は既知濃度のメタンガスを
収容する基準セルで、４は光ファイバ３ｃからの光が透
過するガスセルで、透過光は光ファイバ３ｄで受光し伝
送される。８ａ、８ｂはガスセルを透過したレーザ光の
強度を検出するｐｉｎフォトダイオード等からなる光検
出器である。ここで、光ファイバ３ａ〜３ｄは斜めカッ
ト、無反射コーティング等により内部で干渉系が発生し
ないよう処理されている。

【００４９】８は周波数変ωの正弦波信号を出力する発
振器で、信号処理部からの命令で任意の大きさの波形を
作ることができる。９は、この周波数ωの信号より周波
数２ωの２倍波信号を発生する倍周器、１０は半導体レ
ーザ１にバイアス電流を付加するための定電流電源、１
１は周波数ωに同期して光検出器８ａの出力成分を検出
するロックインアンプ、１２はロックインアンプ１１の
出力を積分する積分器、１３は積分器１２の出力に基づ
いて正極性あるいは負極性の定電流を出力する両極性定
電流電源、１４は周波数ωに同期して光検出器８ｂの出
力成分を検出するロックインアンプ、１５は周波数２ω
に同期して光検出器８ｂの出力成分を検出するロックイ
ンアンプ、１６は両ロックインアンプ１４、１５の出力
比を求める割算器である。１７は信号処理部で、割算器
１６の出力を読み取ると共に、発振器８に対して変調振
幅ΔΩの設定を命令できる。

【００５０】次に実施例の動作を述べる。

【００５１】まず、変調周波数ωが高いほど検知される
信号のＳＮ比が高いと予想されるので、発振器８の発振
周波数ωを５０ＫＨｚに選んだ。発振器８から出力する
５０ＫＨｚの正弦波変調電源は、コンデンサＣを介して
定電流電源１０からの一定電流に重畳して半導体レーザ
１を駆動する。定電流電源１０の出力側には、発振器８
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
されている。

【００５２】一方、倍周器９は発振器８から出力する基
準信号の周波数ω（５０ＫＨｚ）を２倍にして１００Ｋ
Ｈｚの参照信号を作る。

【００５３】ここで、図５は、１．６μｍ帯でのメタン
吸収を示したスペクトル線図である。

【００５４】同図において横軸は波長、縦軸は吸収量で
ある。

【００５５】この測定では、半導体レーザ１の発振波長
としてＱ枝線、特にメタン吸収の大きいＱ（６）線を測
定用波長として用いる。そこで、半導体レーザ１の発振
周波数をこのＱ（６）線の中心に安定化するために、基
準ガス用セル６に全圧が１気圧のメタン混合ガスを入
れ、検出器８ａからの出力をロックインアンプ１１によ
り検出し、その基本波検波信号Ｐ（ω）ｍａｘの強度振
幅変調のバイアス電圧をオフセット１８で差分し、差分
した信号を誤差信号として積分器１２で積分し、その積
分値を用いて両極性定電流電源１３からペルチェ素子７
に正または負の電流を流して半導体レーザ１の温度を制
御する。

【００５６】このようにして、半導体レーザ１の周波数
をＱ（６）線の中心に安定化したのち、検出器８ｂの出
力から周波数２ωに同期したロックインアンプ１５より
検波信号Ｐ（２ω）を測定する。

【００５７】信号処理部１７では、ある変調振幅ΔΩの
ときの検波信号Ｐ（２ω）値を記憶しておく。そして、
この変調振幅ΔΩを少しずつ変化させ、順次検波信号Ｐ
（２ω）の値を求め、この検波信号Ｐ（２ω）の値が最
大値をとるときの変調振幅ΔΩｍａｘを求める。変調振
幅ΔΩｍａｘが求まればそのときの雰囲気の圧力下での
半値半幅γとすると、ΔΩｍａｘ／γ＝２．２の関係か
らγが求まり、図２より圧力、吸収係数（ω₀ ）が求ま
る。

【００５８】ここで、今、光の中心Ω₀ がガスの吸収ス
ペクトルの中心ω₀ に一致したときＰ（２ω）／Ｐ
（ω）ｍａｘを求めると

【００５９】

【数１２】 Ｒ＝Ｐ（２ω）／Ｐ（ω）ｍａｘ ＝（Ｉ₀ （ΔΩ）² ／２ΔＩ）・（α（ω₀ ）／γ² ）ｃ・Ｌ ＝Ｋ₂ （α（ω₀ ）／γ² ）ｃ・Ｌ と表される。このうち、Ｋ₂ は半導体レーザ１の温度、
バイアス電流および変調振幅ΔΩによって決まる比例定
数、α（ω₀ ）はメタン吸収線中心ω₀ での吸収係数、
γ² は吸収係数α（ω₀ ）の半値幅２γの半分の値を２
乗したもの、ｃ・Ｌはメタンガス濃度ｃと光路長Ｌとの
積を示す。数１２においては、α（ω₀ ）／γ² が圧力
により変化するため、これを求めればセル４中のメタン
ガスの濃度ｃを得ることができる。ただし、セル内のガ
スの温度変化による圧力変化をここでは考えていないの
で温度は一定である必要がある。そのため、セル４を断
熱構造とする必要がある。

【００６０】そこで信号処理部１７では変調振幅ΔΩを
変えたときの検波信号Ｐ（２ω）の最大値が求まり、こ
の値を２倍して半値幅２γを求める。そして図２の関係
を用いて半値半幅２γからメタンガスを含む雰囲気の全
圧を求め、さらにその圧力での吸収係数α（ω₀ ）およ
びγ² を得ると、これらによりα（ω₀ ）／γ² を求め
て、数１２からメタンガス濃度ｃを得る。ここで数１２
を用いているのは、数１１と異なり反射条件に依存する
定数Ａを含まず、測定環境の影響を受けることなく濃度
測定が行えるからである。

【００６１】濃度計算に用いる変調振幅ΔΩは、図４よ
りΩｍａｘ／３以下程度の変調振幅ΔΩと検波信号Ｐ
（２ω）とが２次関数の関係にある領域での値を用いれ
ばよい。

【００６２】このように本実施例によれば、半導体レー
ザ１からのレーザ光を所定の波長を中心に任意の振幅で
変調させ、一定温度に保たれた測定用ガスセル４内のガ
ス雰囲気に通し、各変調振幅におけるレーザ光の透過光
の強度を光検出器８ｂで検出し、ロックインアンプ１
４、１５により位相敏感検波すると共に、検波信号の変
化により上記雰囲気圧力下での特定ガスの濃度を補正す
るので、ＳＮ比特性を改善して低濃度でもガス検知を行
うことができ、しかも、新たに圧力センサを設けること
なく、圧力補正が行えるガス濃度測定方法およびその測
定装置を提供することができる。したがって、従来方式
では圧力センサを用いないと不可能であった炭坑やプラ
ントなど気圧変化の激しい場所あるいは環境下において
も、何等新たに圧力センサを設けることなく、正確にメ
タンガス濃度を測定することができる。

【００６３】また、本実施例では基準ガス用セルにメタ
ンガスを収容してメタンガスの濃度測定を行ったが、基
準ガス用セルに他のガスを収容して他の波長を発振する
半導体レーザを用いて他のガスの濃度を測定してもよ
い。

【００６４】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、レーザ光
を所定の波長を中心に任意の振幅で変調させ、一定温度
に保たれたガス雰囲気に通し、各変調振幅におけるレー
ザ光の透過光の強度を検出し、位相敏感検波すると共
に、検波信号の変化により上記雰囲気圧力下での特定ガ
スの濃度を補正するので、ＳＮ比特性を改善して低濃度
でもガス検知を行うことができ、しかも、新たに圧力セ
ンサを設けることなく、圧力補正が行えるガス濃度測定
方法およびその測定装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としてのガス濃度測定装置の
概略構成図である。

【図２】圧力に対する吸収係数α（ω₀ ）と、半値半幅
２γと、検波信号Ｐ（２ω）との関係を示す図である。

【図３】周波数に対する透過率Ｔと、その一次微分
Ｔ₀₁、二次微分Ｔ₀₂とを示す図である。

【図４】変調振幅ΔΩと吸収線半値半幅γとの比（Ω／
γ）と、検波信号Ｐ（２ω）との関係を表わす図であ
る。

【図５】１．６μｍ帯でのメタン吸収を示したスペクト
ル線図である。

【図６】光式ガスセンサの従来例を示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ４ 測定ガス用セル ６ 基準ガス用セル ７ ペルチェ素子 ８ 発振器 ９ 倍周器 １０ 定電流電源 １１、１４、１５ ロックインアンプ １２ 積分器 １３ 両極性定電流電源 １６ 割算器 １７ 信号処理部

フロントページの続き (72)発明者 内田 昌彦 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日立 電線株式会社オプトロシステム研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動電流および温度に応じた波長および
   強度のレーザ光を発振するレーザを用い、このレーザの
   駆動電流あるいは温度を変化させて所定の波長を中心に
   任意の振幅で変調させたレーザ光を、一定温度に保たれ
   たガス雰囲気に通し、各変調振幅におけるレーザ光の透
   過光の強度を検出し、この検出信号中の特定成分を位相
   敏感検波すると共に、検波信号の変化により上記雰囲気
   圧力下での特定ガスの濃度を測定することを特徴とする
   ガス濃度測定方法。
2. 【請求項２】 駆動電流および温度に応じた波長および
   強度のレーザ光を発振するレーザと、所定の温度でかつ
   所定の電流値を中心にして任意の振幅で該レーザの駆動
   電源を変調し、特定ガスの吸収線の中心にレーザ光を安
   定化させる波長安定化装置と、測定対象とする特定ガス
   を収容すると共にその特定ガスの温度を一定に保つ測定
   ガス用セルと、任意の振幅のレーザ光を測定ガス用セル
   に通して得られる透過光の強度を検出する光検出器と、
   この検出器からの信号中の特定成分を位相敏感検波する
   共に上記変調振幅に対応した検波信号の変化より上記測
   定ガス用セル内の特定ガスの濃度を測定する測定手段と
   を備えたことを特徴とするガス濃度測定装置。