JPH05264446A

JPH05264446A - ガス検出装置

Info

Publication number: JPH05264446A
Application number: JP9194292A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Aizawa; 允文相沢; Haruo Nagai; 治男永井
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1992-03-18
Filing date: 1992-03-18
Publication date: 1993-10-12

Abstract

(57)【要約】【目的】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
ものである。レーザ光の出力変化に影響されず、しか
も、ガス濃度が零の時に、演算処理に用いるサンプリン
グ信号も零となり、小型、高精度とする。【構成】光源１から２つの異なる波長が一定周期で交互
に出射されるようにする。光出力を２つに分け、被測定
ガスを通過した光出力Ｐ_Sと、通過しない光出力Ｐ_Rを
対数比増幅器５の２入力として log（Ｐ_S／Ｐ_R）の信
号を得、これをアナログスイッチ６で矩形波に変換して
から、帯域通過フィルタ７を通して所望の信号を得るよ
うにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【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、3.3
9μm 帯に吸収帯を有する。その吸収帯を利用した差分
吸収レーザレーダ法を用いたガス検出装置が種々発表さ
れている。

【０００３】（従来例１）発振波長が1.33μm 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、メタンの検出を
行っていた (特開昭62−290190号公報）。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と、精度が良く、
しかも信頼性の高いガス検出装置を得ることが困難であ
った。

【０００４】（従来例２）そのため図１０に示す、レー
ザ光の出力変化に影響されない手段が提案されている
（1991年10月応物学会 P.913(No.3) 9P-M-10「１．６５
μｍＤＢＦ−ＬＤによるメタンガス検知」相沢等）原理
の概略は、ＬＤの駆動電流を変調してメタンガスに吸収
される波長（λ₁）と、吸収されない波長（λ₂）を交
互に出射する。安定化用ガスセル通過後の各出力を
Ｐ_R1、Ｐ_R2、被測定ガス通過後の各出力をＰ_S1、Ｐ_S2と
すると被測定ガスの濃度と距離の積（ＰＬ）は下式で与
えられる。

【０００５】ＰＬ＝（−１／α）×ｌｎ〔（Ｐ_S1／
Ｐ_S2）×（Ｐ_R2／Ｐ_R1）×Ｔ〕ここで、αはガスの吸収定数、Ｔはガスセルの透過率を
示す。ＬＤの光出力が温度、電流により変化した場合に
も上式において、前・後方光出力の比Ｐ_S1／Ｐ_S2、Ｐ_R1
／Ｐ_R2は一定であり、測定経路において被測定ガス以外
の原因で光が変化した場合にも前方光出力の比Ｐ_S1／Ｐ
_S2が一定であるため、演算処理をした測定結果には、影
響がない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ガス濃度の演
算処理に用いる信号は受光器の出力を直接サンプリング
しているため、ガス濃度が零の場合でもサンプリング値
が零とならず、受光器の出力のドリフト、ノイズが測定
精度に直接影響していた。本発明はこのような事情に鑑
みてなされたものであり、レーザ光の出力変化に影響さ
れず、しかも、ガス濃度が零の時に、演算処理に用いる
サンプリング信号も零とし、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。

【０００７】

【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つの異なる波長が一定周
期で交互に出射されるようにする。光出力を２つに分
け、被測定ガスを通過した光出力Ｐ_Sと、通過しない光
出力Ｐ_Rを対数比増幅器の２入力として log（Ｐ_S／Ｐ
_R）の信号を得、これをアナログスイッチで矩形波に変
換してから、帯域通過フィルタを通して所望の信号を得
る。具体的には以下の、

【０００８】光源１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２
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３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４と、第１の受光器３、および第２の受光器４のそれぞれの
出力を入力する対数比増幅器５と、対数比増幅器５の出力を矩形波に換する変換手段６と
してのアナログスイッチ６と、矩形波を正弦波に変換するバンドパスフィルタ（以
下、ＢＰＦという。）７とを備えた。

【０００９】

【作用】このように構成されたガス検出装置によれば、
前記ＢＰＦ７の出力は（ガス濃度×距離）に比例した信
号強度が得られるので、低濃度の場合には前記信号の増
幅器の利得を大きくして高感度にできる。また、ＢＰＦ
を使用しているので、ドリフト、ノイズの影響を受けに
くい。

【００１０】

【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つの光の波長の安定性を電気的に制御できるこ
と。なお、２波長の間隔は10Å位あれば十分で、変調速度は
KHz 程度（本実施例では、20KHz ）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1.7 μm 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。

【００１１】（第一の実施例）図１は、1.67μm 発振の
InP／InGaAs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。（２波長の光出力が異なる場合の差分吸収法）数１にお
いてのＴは、ガスセル内の（ガス濃度×距離×ガスの吸
収係数）で決定される。ＰＤ（Ｒ）とＰＤ（Ｓ）の出力
波形の模式図を図２（ａ）に示す。往復２０ｋｍのＳＭ
ファイバを光が伝搬したとすると、透過屈折率が約１．
５であるから、ＳＭファイバ内の遅れ時間ｔｄは０．１
（msec) となる。２波長の切替えを１２５Hzとすると、
その半周期の４msecに対してｔｄは十分小さいので、Ｐ
Ｄ（Ｒ）とＰＤ（Ｓ）の比をとることにより数１のＰＬ
を求めることができる。

【００１２】（濃度の演算）図２は、濃度の演算をする
ための演算回路の入力波形図である。ＰＤ（Ｒ）とＰＤ
（Ｓ）の出力を対数比増幅器５の入力とした時の出力は
図２（ｂ）となり、 log（Ｐ_S2／Ｐ_R2）と log（Ｐ_S1／
Ｐ_R1）がそれぞれ１２５Ｈｚ周期で交互に出力されるの
で、アナログスイッチ６により log（Ｐ_S2／Ｐ_R2）と l
og（Ｐ_S1／Ｐ_R1）の部分だけを取り出す。対数比増幅器
５の出力を図２（ｃ）のゲート信号でＯＮ、ＯＦＦした
時の出力は、図２（ｄ）となる。これは、振幅がそれぞ
れ log（Ｐ_S2／Ｐ_R2）と log（Ｐ_S1／Ｐ_R1）で、位相が
π異なった２組のパルス列の合成波とみなせる。

【００１３】このことは、フーリエ級数により証明する
ことができる。振幅Ａでパルス幅π／２の繰り返し矩形
パルスをフーリエ級数に展開すると、

【００１４】

【数１】

【００１５】ｎ＝１の基本波成分を帯域１２５Ｈｚの帯
域通過フィルタ７で取り出すと、

【００１６】

【数２】

【００１７】振幅Ｂで位相がπ異なった他の矩形パルス
の基本波成分は、

【００１８】

【数３】

【００１９】ｆａ、ｆｂの合成波の基本成分は、

【００２０】

【数４】

【００２１】従って、上述したアナログスイッチ出力信
号を帯域通過フィルタ７に通すことにより２種のパルス
列の振幅差が得られ、

【００２２】

【数５】

【００２３】に対応した出力となる。さらに、ガス濃度
は、式（６）により与えられる。

【００２４】

【数６】

【００２５】式６において exp（−αc'l'）は安定化セ
ルの透過率を示すが、検知ガス濃度が零の時に出力が零
と成るようにする為には、前記ＢＰＦ７の出力を増幅す
る増幅器（整流器のプリアンプ）のオフセット電圧Ｖｂ
を調整して、 exp（−αc'l'）項を打ち消す。

【００２６】

【数７】

【００２７】対数比増幅器５の出力の差分は-A・log[(P
S1/PR1) ・(PR2/PS2)] (volt) で与えられるので、対数
比増幅器５以降の増幅度をA'とした時の最終出力をVout
(volt)とすると、

【００２８】

【数８】

【００２９】ここで、吸収係数の単位は[ppm^-1・m ^-1]
とする。安定化セルによるオフセット量はc'＝３０％、
l'＝２cmとすると、c'l'＝6000ppm ・m 相当となる。従
って、高精度の測定の場合はオフセット電圧Ｖｂを高精
度に調整するか、ガスを通過していないPR1 、PR2 光を
利用するのが有効である。

【００３０】（波長安定化の必要性）電流変調によりＬ
Ｄの波長だけ変化すると仮定した場合のガス通過光の変
化の様子を図３に示す。なお、図３のＢ、Ｄの破線部
は、ＬＤ１の変調波長が基準となるガスセル１２の吸収
線の一つの極値の波長λ₀を越える場合である。つま
り、ＬＤを電流変調すると光出力と波長は変調電流と同
相で変化する（図３の最上段）。一方、ガス吸収線の中
心波長をλ₀とし、中心波長をλ₁のＬＤを周波数ｆで
電流変調した時のガス通過光の吸収線による変化は、 λ₁＜λ₀：光出力は電流と逆相で変化（図３のＡ、
Ｂ） λ₁＞λ₀：光出力は電流と同相で変化（図３のＤ、
Ｅ） λ₁＝λ₀：光出力のｆ成分は零で２ｆ成分だけ（図３
のＣ）となる。

【００３１】図３の特性を利用してＬＤ１の波長安定化
を図る場合、通常は受光器の出力を電流変調周波数と一
致したバンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦという。）に
通してから位相検波し、その出力をＬＤのバイアス電流
に帰還させている。しかしながら、この場合には、電流
変調に伴うＬＤ自身の出力変化とガス吸収線による出力
変化が重ね合わされているため、ガスセルによる光減衰
量が小さい場合には波長安定化が困難になる。

【００３２】そこで、レーザの光強度変調成分を除去
し、メタンガス吸収線による変調成分だけを取り出す。
つまり、波長安定化ガス通過後の受光信号において、レ
ーザ変調周波数ｆに一致したＢＥＦでレーザの光強度変
調成分を除去し、その出力を半波整流し、されにｆのＢ
ＰＦを通してから位相同期検波する。その検波出力をレ
ーザ駆動電流に帰還させる。

【００３３】（波長安定化の原理）図３のＢ、Ｄの破線
部の場合の波形は、周波数ｆの cos波とパルス列の合成
波形とみなせる。このパルス列を cos波のcos(α/2) 以
上が出力となっているパルス列として近似し、これをフ
ーリエ級数に展開すると

【００３４】

【数９】

【００３５】数９を用いて、ｎ＝０〜５０で近似したパ
ルス波形と、ｎ＝２〜５０のパルス波形の計算結果を図
４に示す。図４の２ｆ＋・・・・５０ｆパルス列の正値
だけを取り出すと、位相がπ異なる２組のパルス列の合
成波とみなせる。その各パルス列の振幅とパルス幅をそ
れぞれＡ、α、Ｂ、βとすると、各パルス列の基本成分
は、

【００３６】

【数１０】

【００３７】

【数１１】

【００３８】従って、合成波の基本成分は

【００３９】

【数１２】

【００４０】となり、２組のパルス列の振幅差に対応し
た出力が得られる。従って、このｆ（θ）成分を位相検
波してＬＤのバイアス電流に帰還をかけることにより２
組のパルス列の振幅を等しくし、波長安定化ができる。
このように構成された波長安定化装置付光源によれば、
電流変調に伴うＬＤの光出力変化の影響が除かれるの
で、メタンガスの吸収による光出力変化が小さくても、
波長安定化が可能となる。この結果、ガスセルが小型に
できる。また、レーザ変調電流振幅を小さくでき、波長
安定度が向上する。

【００４１】（波長安定化の実施例）図５は、変調周波
数をｆ（20KHz ）とした場合の、波長安定化装置付光源
の一実施例の構成図である。直流電流源１１によって駆
動されたＬＤ１から出射されたレーザ光の一部をメタン
ガスを封入したガスセル１２に透過させ受光器１３で受
光する。ＬＤ１の光周波数がガスセル１２の吸収線の付
近になるようにバイアス電流を調整しておき、周波数ｆ
の変調電流源１４よりの信号をバイアス電流に重畳する
ことによりレーザの光周波数に僅かに周波数変調をか
け、この時の受光器１３の出力を周波数除去帯域がｆの
バンドエリミネートフィルタ（以下、ＢＥＦという。）
１５でＬＤ１の光強度変調成分を除去する。そのＢＥＦ
１５の出力を半波整流器１６で半波整流し、その出力か
ら周波数通過帯域がｆのＢＰＦ１７によりガスセル１２
による変調成分のみを取り出す。この抽出された変調成
分を位相同期検波器（ＰＳＤ）１８で同期検波し、この
同期検波出力を直流電流源１１に帰還することにより、
吸収線を基準にしてＬＤ１の周波数が安定化される。ま
た、安定化開始時は、バイアス電流が吸収線の近傍にあ
るか不明、つまり、変調波長がλ₀をまたがっているか
不明である。そのため、変調電流振幅を大きめにしてお
き、帰還により、安定化されるに応じて変調電流振幅を
小さくするように制御することができる。ここで、ＢＥ
Ｆ１５、およびＢＰＦ１７はアクティブフィルタによっ
て実現できる。また、２ｆ＋・・・・５０ｆパルス列の
正値だけを取り出す半波整流器１６は、ダイオードを利
用して簡単に実現できる。

【００４２】（位相同期検波器の説明）位相同期検波器
１８のブロック図を図６に、直流電流源１１のブロック
図を図７に示す。また、波長安定化において位相検波す
るためのアナログスイッチ１８ｈのゲート信号を図８に
示す。差分吸収レーザレーダ法のガス検出装置は、メタ
ンガスに吸収される波長λ₁と、メタンガスに吸収され
ない波長λ₂を交互に切替えるが、波長λ₁のみ波長安
定化の処理を行う。発振回路１８ａの発振周波数16MHz
の出力を分周回路１８ｂで分周し、320KHz、20KHz 、50
0Hz 、250Hz 、125Hz のクロックを作成する。この２０
ＫＣＬＫは、ＬＤ１に変調を重畳する変調周波数とな
る。また、シフトレジスタ１８ｃで２０ＫＣＬＫを、３
２０ＫＣＬＫでシフトする。この出力から変調成分と位
相同期をとるために、データセレクタ１８ｄ、１８ｅで
同期のあったクロックである、２０ＫＣＬＫシフトＡ、
２０ＫＣＬＫシフトＢを選択する。１２５遅延回路１８
ｆで遅延された１２５ＤＣＬＫとのＮＡＮＤ条件で、ア
ナログスイッチ１８ｈのゲートをそれぞれ制御し、ＢＰ
Ｆ１７の値を出力する。さらに、同期検波出力を、波長
λ₁への切替え時のみ直流電流源１１に帰還するため、
アナログスイッチ１８ｉのゲートを１２５ＣＬＫで制御
する。

【００４３】（直流電流源の説明）図７は、直流電流源
１１のブロック図である。バイアス設定回路１１ａによ
り、波長λ₁と波長λ₂のそれぞれのバイアス電流値が
設定される。さらに、波長λ₁においてはバイアス電流
値に、位相同期検波器１８の出力と変調電流源１４の出
力が重畳される。バッファ回路１１ｂ、１１ｂｃ介した
それぞれの値は、アナログスイッチ１１ｄにより、波長
λ₁と波長λ₂の切替えクロックである１２５ＣＬＫで
制御される。アナログスイッチ１１ｄで切替えられた電
流出力は、バッファ回路１１ｅによりＬＤ１に出力す
る。

【００４４】（ガス検出装置への適用）なお、本発明を
差分吸収レーザレーダ法のガス検出装置に適用する場
合、２波長の切替え直後はＬＤの温度変化があるので、
メタンガスに吸収される波長λ₁の切替え時は１msec遅
延後、波長がほぼ安定してから同期検波出力を電流源１
に帰還する。そのため、図８のの１２５ＣＬＫを得る
タイムチャートを図９に示す。ここで、の２５０ＣＬ
Ｋは測定データを検出するための同期をとるクロックで
ある。は波長λ₁と波長λ₂の切替えクロックであ
る。において、Ａが波長安定化の帰還時であり、Ｂが
測定データの検出時である。

【００４５】

【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１から２つの異なる波長が一定周期で
交互に出射されるようにする。光出力を２つに分け、被
測定ガスを通過した光出力Ｐ_Sと、通過しない光出力Ｐ
_Rを対数比増幅器５の２入力として log（Ｐ_S／Ｐ_R）
の信号を得、これをアナログスイッチ６で矩形波に変換
してから、帯域通過フィルタ７を通して所望の信号を得
る構成とした。そのため、ガス濃度×距離に比例した信
号強度が得られるので、低濃度の場合には、利得を大き
くして高感度にできる。また、ＢＰＦを使用しているの
で、ノイズ、ドリフトの影響を受けにくい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス検出装置の一実施例を示すシステ
ム構成図である。

【図２】本発明の動作を説明するための波形図である。

【図３】波長安定化の原理を示すためのガスセルにおけ
る波長─光出力の波形図である。

【図４】波長安定化の原理を説明するためのパルス波形
の計算結果を示した波形図である。

【図５】波長安定化装置付光源の一実施例を示すシステ
ム構成図である。

【図６】波長安定化装置付光源の位相同期検波器の一実
施例を示すブロック図である。

【図７】波長安定化装置付光源の直流電流源の一実施例
を示すブロック図である。

【図８】位相同期検波器の一実施例を示すタイムチャー
トである。

【図９】２波長を切替える一実施例を示すタイムチャー
トである。

【図１０】従来のメタンガス検知装置を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１光源。２制御部。３第１の受光器。４第２の受光器。５対数比増幅器。６変換手段。７帯域通過フィルタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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つの波長を出力するように制御する
制御部（２）と、前記光源の２つの波長のレーザ光を受
光する第１の受光器（３）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
（４）と、前記第１および第２の受光器のそれぞれの出
力を入力する対数比増幅器（５）と、前記制御部により
前記対数比増幅器の出力を矩形波に変換するための変換
手段（６）と、該矩形波を入力し、前記測定ガスによる
変化分の信号を得るための帯域通過フィルタ（７）とを
備えたことを特徴とするガス検出装置。