JPH0548857B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPH0548857B2
JPH0548857B2 JP60237557A JP23755785A JPH0548857B2 JP H0548857 B2 JPH0548857 B2 JP H0548857B2 JP 60237557 A JP60237557 A JP 60237557A JP 23755785 A JP23755785 A JP 23755785A JP H0548857 B2 JPH0548857 B2 JP H0548857B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
wavelength
frequency
gas
methane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP60237557A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS6298235A (en
Inventor
Hideo Tai
Takashi Ueki
Hiroaki Tanaka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Gas Co Ltd filed Critical Tokyo Gas Co Ltd
Priority to JP23755785A priority Critical patent/JPS6298235A/en
Publication of JPS6298235A publication Critical patent/JPS6298235A/en
Publication of JPH0548857B2 publication Critical patent/JPH0548857B2/ja
Granted legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は2波長発振レーザを用いて気体分布量
すなわち気体の濃度と分布長との積を測定する気
体の分布量測定方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a gas distribution measurement method that uses a two-wavelength laser to measure the gas distribution, that is, the product of the gas concentration and the distribution length.

(従来技術) 特定波長のレーザ光がある種の気体に吸収され
易いことを利用して気体の有無を検出できること
が知られており、この原理を応用したセンシング
技術が工業計測、公害監視などに広く用いられて
いる。一例として、He−Neレーザにより発生さ
れるレーザ光の3.39μm帯には真空波長が3.3922μ
m(λ1)と3.33912μm(λ2)の2つの発振線があ
り、λ1はメタンに強く吸収され、λ2はメタンにわ
ずかしか吸収されない。そこでこの2つの波長成
分を含むレーザ光を使つてメタンの有無を感度よ
く検出することが可能である。メタンは都市ガス
の主成分であるのでメタンガスの検出によつて都
市ガスの漏洩が検知できる。
(Prior art) It is known that the presence or absence of gas can be detected by utilizing the fact that a laser beam of a specific wavelength is easily absorbed by a certain type of gas, and sensing technology that applies this principle is used in industrial measurement, pollution monitoring, etc. Widely used. As an example, the vacuum wavelength of the 3.39 μm band of the laser light generated by the H e -N e laser is 3.3922 μm.
There are two oscillation lines, m (λ 1 ) and 3.33912 μm (λ 2 ), where λ 1 is strongly absorbed by methane and λ 2 is only slightly absorbed by methane. Therefore, it is possible to detect the presence or absence of methane with high sensitivity using a laser beam containing these two wavelength components. Since methane is the main component of city gas, leakage of city gas can be detected by detecting methane gas.

第9図は2台のレーザを用いてメタンを検知す
る従来のメタン検知システムの概略構成を示して
おり、光源部1と、受光部2と、信号処理部3と
により構成されている。光源部1は3.3922μmの
レーザ光を発光するHe−Neレーザ1aと、
3.3912μmのレーザ光を発光するHe−Neレーザ1
bと、監視用の赤色光(0.6328μm)を発光する
He−Neレーザ1cとを含み、レーザ1aおよび
1bからのレーザ光を異なる周波数で変調するメ
カニカルチヨツパー1dおよび1eとを有する。
レーザ1cから赤色光およびレーザ1a,1bか
らの変調されたレーザ光はミラーM1,M2,M3
M4およびハーフミラーHM1およびHM2により監
視領域Dに向けて発射され道路や壁などの障害物
4で反射され受光部2で受光される。
FIG. 9 shows a schematic configuration of a conventional methane detection system that detects methane using two lasers, and is composed of a light source section 1, a light receiving section 2, and a signal processing section 3. The light source unit 1 includes a H e −N e laser 1 a that emits a laser beam of 3.3922 μm,
H e −N e laser 1 that emits 3.3912 μm laser light
b and emits red light (0.6328μm) for monitoring.
It has mechanical choppers 1d and 1e that modulate the laser beams from lasers 1a and 1b at different frequencies.
Red light from laser 1c and modulated laser light from lasers 1a and 1b are transmitted through mirrors M 1 , M 2 , M 3 ,
The light is emitted toward the monitoring area D by M 4 and half mirrors HM 1 and HM 2 , is reflected by obstacles 4 such as roads and walls, and is received by the light receiving unit 2 .

受光部2では入射したレーザ光を受光鏡2a,
2bで反射し集光させて受光センサ2cで電気信
号に変換する。受光センサ2cの出力は信号処理
部3のプリアンプ3aでまず増幅され、次に光源
部1のメカニカルチヨツパー1dおよび1eの変
調周波数に同期させたロツクインアンプ3bおよ
び3cで分離されレコーダ3dにより記録され
る。この記録された2つの信号の差から監視領域
Dにメタンが存在しているか否かを知ることがで
きる。
In the light receiving section 2, the incident laser light is sent to the light receiving mirror 2a,
The light is reflected and focused by the light receiving sensor 2b and converted into an electrical signal by the light receiving sensor 2c. The output of the light receiving sensor 2c is first amplified by the preamplifier 3a of the signal processing section 3, then separated by the lock-in amplifiers 3b and 3c synchronized with the modulation frequency of the mechanical choppers 1d and 1e of the light source section 1, and then separated by the recorder 3d. recorded. From the difference between the two recorded signals, it can be determined whether methane is present in the monitoring area D.

このような構成のメタン検知システムは多数の
ミラーやハーフミラーを用いるため光学系が複雑
で大きな体積を要するだけでなく光軸調整が厄介
であり、レーザ光の損失が大きい。また信号処理
が複雑な上メカニカルチヨツパーの動作上の限界
から高周波変調ができずSN比の点で不利である
など多くの問題がある。
Since a methane detection system having such a configuration uses a large number of mirrors or half mirrors, the optical system is complicated and requires a large volume, and optical axis adjustment is troublesome, resulting in a large loss of laser light. In addition, there are many other problems, such as complicated signal processing and operational limitations of the mechanical chopper that make it impossible to perform high-frequency modulation, resulting in a disadvantage in terms of signal-to-noise ratio.

一方、米国特許第4059356号には、レーザ共振
器内に大気循環用セルを設け、監視したい場所に
そのレーザをもつていけばその場所の大気がレー
ザ共振器内に入るのでレーザの発振波長により大
気中のメタンの有無を検知することができるよう
にした気体検知器が開示されている。この検知器
では上述した問題はないが、遠隔検知は不可能で
ある。
On the other hand, U.S. Patent No. 4,059,356 discloses that when an air circulation cell is installed inside a laser resonator and the laser is brought to a place to be monitored, the atmosphere at that place enters the laser resonator. A gas detector is disclosed that is capable of detecting the presence or absence of methane in the atmosphere. Although this detector does not have the problems mentioned above, remote sensing is not possible.

そこでこれらの問題を解決するために、2波長
成分を含むレーザ光を発振するレーザを用い、2
波長成分の利得をほぼ等しくし、共振器長LをL
=λ1λ2/2|λ1−λ2|(整数+1/2)に選んだ上で
微小 変調させその結果2波長成分の出力が同時に変調
され且つその出力の和の変調成分が0になるよう
に共振器長を自動制御するように構成したレーザ
装置が考えられている。このレーザ装置から発生
するレーザ光の波長λ1,λ2成分の出力は互いに位
相が180°ずれて変調されているが合成した全出力
は変調されていない。ところがこのレーザ光があ
る特定の気体雰囲気中を通過すると波長λ1成分が
吸収されて全出力は変調成分をもつことになるた
めその特定気体の検知が可能になる。このレーザ
装置を用いることにより簡潔な構成で且つ少ない
レーザ光損失でメタンなどの気体を検知すること
ができる。
Therefore, in order to solve these problems, we used a laser that oscillates a laser beam containing two wavelength components.
The gains of the wavelength components are made almost equal, and the resonator length L is set to L.
= λ 1 λ 2 /2 | λ 1 - λ 2 | (integer + 1/2) and performs minute modulation. As a result, the outputs of the two wavelength components are modulated simultaneously, and the modulation component of the sum of the outputs becomes 0. A laser device configured to automatically control the resonator length so that the resonator length is The outputs of wavelength λ 1 and λ 2 components of laser light generated from this laser device are modulated with a phase shift of 180° from each other, but the combined total output is not modulated. However, when this laser light passes through a specific gas atmosphere, the wavelength λ 1 component is absorbed and the total output has a modulation component, making it possible to detect that specific gas. By using this laser device, gases such as methane can be detected with a simple configuration and with less loss of laser light.

ところがこのようなレーザ装置を用いた気体検
知方式では全出力の変調成分の有無で特定気体の
存在は検知できるものの、レーザ光の大気中での
散乱や物体での反射率その他の要因で全出力は変
化してしまうため出力値をもつて分布量を測定す
ることはできない。さらに、レーザ光が赤外光で
ある場合は監視用として可視光線を合波する必要
があるが、その合波のために用いるハーフミラー
により光量ロスを生じレーザ出力の有効利用が図
れないという問題もある。
However, although the gas detection method using such a laser device can detect the presence of a specific gas based on the presence or absence of a modulation component of the total output, the total output may be affected by scattering of the laser light in the atmosphere, reflectance from objects, and other factors. Since this changes, it is not possible to measure the amount of distribution using the output value. Furthermore, when the laser light is infrared light, it is necessary to combine visible light for monitoring purposes, but the half mirror used for this combination causes a loss of light quantity, making it impossible to effectively utilize the laser output. There is also.

(発明の目的および構成) 本発明は上記の点にかんがみてなされたもの
で、簡潔な構成で光量ロスがなく遠隔、広域で気
体の分布量の測定を可能にすることを目的とし、
この目的を達成するために、2波長発振レーザか
ら発振された2波長成分の出力が同一の周波数f1
で変調され且つ両出力の和の変調成分が0になる
ように自動制御された2波長のレーザ光を用い、
該レーザ光を周波数f1とは異なる周波数f2で変調
した後分布量を測定すべき気体雰囲気中を通過さ
せ、通過したレーザ光の変調周波数f1およびf2
成分を検知し、両成分の差分に基づいて演算した
透過率を対数変換を含む演算処理をすることによ
り気体の分布量を測定するように構成した。
(Objective and Structure of the Invention) The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to enable measurement of gas distribution amount over a wide area and at a distance with a simple structure and without loss of light amount.
To achieve this purpose, the output of the two wavelength components oscillated from the dual wavelength oscillation laser has the same frequency f 1
Using a two-wavelength laser beam that is modulated by and automatically controlled so that the modulation component of the sum of both outputs becomes 0,
The laser beam is modulated at a frequency f 2 different from the frequency f 1 and then passed through a gas atmosphere whose distribution amount is to be measured, and the components of the modulation frequencies f 1 and f 2 of the laser beam that have passed are detected, and both components are detected. The system was configured to measure the amount of gas distribution by performing arithmetic processing including logarithmic transformation on the transmittance calculated based on the difference between .

(実施例) 以下本発明を図面に基づいて説明する。(Example) The present invention will be explained below based on the drawings.

第1図は本発明の方法によりメタンガスの分布
量を測定する装置の一実施例であるが、本発明は
これに限定されるものでないことはもちろんであ
る。
FIG. 1 shows an embodiment of an apparatus for measuring the distribution amount of methane gas by the method of the present invention, but the present invention is of course not limited to this.

図において、破線で囲んで示す10が2波長発
振レーザ装置であり、He−Ne放電管10aと、
メタンガスを含むメタンセル10bと、ミラー1
0c,10dとにより構成されたHe−Neレーザ
である。ミラー10dは電歪素子10eにより所
定の振動数で振動し、これにより両ミラー10
c,10d間の共振器長Lが変調されるようにな
つている。10fはHe−Neレーザから発生する
レーザ光の光軸中に配置されたハーフミラー、1
0gはIoAsなどの光センサ、10hは発振器10
iの周波数f1に同期して変化する光センサ10g
の出力成分を検出するロツクインアンプ、10j
はロツクインアンプ10hの出力を積分する積分
器、10kは積分器10jの出力と発振器10i
の出力を混合して高電圧に増幅する高電圧アンプ
で、電歪素子10eはこの高電圧により駆動され
る。
In the figure, 10 surrounded by a broken line is a two-wavelength oscillation laser device, which includes a H e -N e discharge tube 10 a,
Methane cell 10b containing methane gas and mirror 1
0c and 10d . The mirror 10d is vibrated at a predetermined frequency by the electrostrictive element 10e, so that both mirrors 10
The resonator length L between c and 10d is modulated. 10f is a half mirror placed in the optical axis of the laser beam generated from the H e -N e laser;
0g is an optical sensor such as I o A s , 10h is an oscillator 10
Optical sensor 10g that changes in synchronization with the frequency f 1 of i
A lock-in amplifier that detects the output component of 10j
is an integrator that integrates the output of the lock-in amplifier 10h, and 10k is the output of the integrator 10j and the oscillator 10i.
The electrostrictive element 10e is driven by this high voltage.

He−Neレーザには真空波長が3.3922μm(λ1
と3.3912μm(λ2)の近接した2つの発振線があ
るが、通常の条件下では波長λ1の成分の方が波長
λ2の成分より利得が大きいため競合の結果波長λ1
成分のみが発振し、波長λ2は発振しない。ところ
がHe−Neレーザ装置には共振器内にλ1の光を吸
収するメタンセル10bが設けられているので、
波長λ1成分の総合利得は減少し、メタン圧を適当
に選ぶと、波長λ2成分の利得とほぼ等しくなり第
6図に示すようにλ1とλ2の2波長同時発振が可能
になる。この場合、メンタセル10bによる波長
λ1成分の吸収はメタン圧力により第7図に示すよ
うに変化するので適当な圧力(たとえば
1.3Torr)に調整することが必要である。
The H e −N e laser has a vacuum wavelength of 3.3922 μm (λ 1 )
There are two closely spaced oscillation lines of 3.3912 μm (λ 2 ) and 3.3912 μm (λ 2 ), but under normal conditions, the component at wavelength λ 1 has a larger gain than the component at wavelength λ 2 , so as a result of competition, the wavelength λ 1
Only the component oscillates, and the wavelength λ 2 does not oscillate. However, since the H e -N e laser device is provided with a methane cell 10b that absorbs light of λ 1 in the resonator,
The overall gain of the wavelength λ 1 component decreases, and if the methane pressure is appropriately selected, it becomes almost equal to the gain of the wavelength λ 2 component, making simultaneous oscillation of two wavelengths λ 1 and λ 2 possible as shown in Figure 6. . In this case, the absorption of the wavelength λ 1 component by the Menthacell 10b changes depending on the methane pressure as shown in FIG.
1.3Torr).

次に共振器長と発振出力との関係について考え
ると、一般にガスレーザの場合、その利得曲線は
レーザ媒質固有の中心周波数のまわりにドツプラ
ー広がりをしており、その中で共振器により共振
条件νr=nC/2L(Lは共振器長、Cは光速度、n
は整数)を満足する周波数νrのみが発振される
(第6図参照)。この場合νrが中心周波数に近けれ
ば出力は大きくなり、中心周波数から離れると出
力は小さくなる。共振器長Lが変るとνrは次々と
中心周波数を横切るので、共振器長Lの変化に対
して発振強度は周期的に変化することになる。
Next, considering the relationship between the cavity length and the oscillation output, in the case of gas lasers, the gain curve generally has a Doppler spread around the center frequency unique to the laser medium, and the resonance condition ν r = nC/2L (L is the cavity length, C is the speed of light, n
is an integer) is oscillated (see Figure 6). In this case, if ν r is close to the center frequency, the output will be large, and if it is far from the center frequency, the output will be small. When the resonator length L changes, ν r crosses the center frequency one after another, so the oscillation intensity changes periodically as the resonator length L changes.

2波長発振の場合は、それぞれの波長成分がこ
のように変化するが、 L=λ1λ2/2|λ1−λ2|(1/2+整数) を満たすように共振器長Lを選べば、その近辺で
共振器長Lの変化に対して、第8図のようにλ1
λ2の出力最大点B,Cは互いに中間点に位置する
ようになる。
In the case of two-wavelength oscillation, each wavelength component changes in this way, but the resonator length L should be selected so as to satisfy L=λ 1 λ 2 /2 | λ 1 − λ 2 | (1/2 + integer). For example, as the resonator length L changes in the vicinity, the maximum output points B and C of λ 1 and λ 2 come to be located at the midpoint between each other as shown in FIG.

そこで共振器長Lをある値L0を中心にして周
波数fにより△lの振幅で変化(変調)させると
すると、2波長λ1,λ2のレーザ光の出力をそれぞ
れI1,I2(第8図において鎖線および破線で示す)
とし、全出力をI(第8図において実線で示す)
とすると、次のように表わせる。
Therefore, if the resonator length L is changed (modulated) with an amplitude of Δl by the frequency f with a certain value L 0 as the center, the outputs of the laser beams with two wavelengths λ 1 and λ 2 will be I 1 and I 2 ( (Indicated by chain and dashed lines in Figure 8)
and the total output is I (shown by the solid line in Figure 8).
Then, it can be expressed as follows.

I1=I1(L0)+dI1(L0)/dL ・△l sin2πftft+高次成分 I2=I2(L0)+dI2(L0)/dL ・△l sin2πftft+高次成分 I=I1+I2=I1(L0)+I2(L0) +(dI1(L0)/dL+dI2(L0)/dL) ・△l sin2πft+高次成分 そこで、全出力Iの変調周波数f成分をロツク
インアンプ10h(第1図参照)により位相検波
し、その出力を誤差信号として高電圧アンプ10
kを介して電歪素子10eにフイードバツクをか
けると、 dI1(L0)/dL+dI2(L0)/dL=0 ……(1) を満足するように共振器長の変調の中心L0が自
動制御される。この場合誤差信号の位相を適当に
選択することにより dI1(L0)/dL=−dI2(L0)/dL≠0 を満足するように自動制御しなければならない。
I 1 = I 1 (L 0 ) + dI 1 (L 0 )/dL ・△l sin2πftft + higher-order component I 2 = I 2 (L 0 ) + dI 2 (L 0 )/dL ・△l sin2πftft + higher-order component I= I 1 + I 2 = I 1 (L 0 ) + I 2 (L 0 ) + (dI 1 (L 0 )/dL + dI 2 (L 0 )/dL) ・△l sin2πft + higher-order components Therefore, the modulation frequency of the total output I The phase of the f component is detected by the lock-in amplifier 10h (see Figure 1), and the output is used as an error signal to be detected by the high voltage amplifier 10.
When feedback is applied to the electrostrictive element 10e through k, the center of modulation of the resonator length L 0 is set so as to satisfy dI 1 (L 0 )/dL+dI 2 (L 0 )/dL=0 (1). is automatically controlled. In this case, automatic control must be performed by appropriately selecting the phase of the error signal so that dI 1 (L 0 )/dL=−dI 2 (L 0 )/dL≠0 is satisfied.

第1図に示した光センサ10g、ロツクインア
ンプ10h、積分器10j、高電圧アンプ10k
でフイードバツク回路を構成しており、レーザ光
の全出力Iが赤外光センサ10gにより検出さ
れ、そのうち変調周波数成分がロツクインアンプ
10hにより検波され、積分器10jにより積分
されて高電圧アンプ10kのバイアス電圧を決定
する。その結果、高電圧アンプ10kはそのバイ
アス電圧を中心にして発振器10iの発振周波数
f1で変動する高電圧を出力し電歪素子10eを駆
動する。フイードバツク効果により変調波成分が
なくなつたときは積分器10jがそのとき保持し
ている積分値により高電圧アンプ10kのバイア
ス電圧が保持され、その出力高電圧が一定に保持
されて発振が継続される。動作中に温度変化にど
により共振器長Lが変化したときはフイードバツ
ク回路によるフイードバツク作用により修正され
る。
Optical sensor 10g, lock-in amplifier 10h, integrator 10j, and high voltage amplifier 10k shown in Fig. 1
The total output I of the laser beam is detected by an infrared light sensor 10g, and the modulated frequency component is detected by a lock-in amplifier 10h, integrated by an integrator 10j, and then output by a high voltage amplifier 10k. Determine the bias voltage. As a result, the high voltage amplifier 10k has the oscillation frequency of the oscillator 10i centered around the bias voltage.
A high voltage varying with f1 is outputted to drive the electrostrictive element 10e. When the modulated wave component disappears due to the feedback effect, the bias voltage of the high voltage amplifier 10k is held by the integral value held by the integrator 10j at that time, and the output high voltage is held constant and oscillation continues. Ru. When the resonator length L changes due to temperature changes during operation, it is corrected by the feedback action of the feedback circuit.

このような自動制御されたときHe−Neレーザ
から発生する波長λ1,λ2成分の出力は第2図に示
すように、互に180°ずれて変調されているが全出
力は変調されていない。
As shown in Figure 2, the outputs of the wavelength λ 1 and λ 2 components generated from the H e −N e laser under automatic control are modulated with a 180° shift from each other, but the total output is modulated. It has not been.

再び第1図にもどつて11はHe−Neレーザ光
軸上に配置されたメカニカルチヨツパーであり、
メカニカルチヨツパー11は開口部11aが形成
された羽根車から成り、羽根の裏面にはミラー1
1bがコーテイングされている。このメカニカル
チヨツパー11によりレーザ光は発振器12の発
振周波数f2(f1≠f2)で変調されるとともに、監視
用の赤色レーザ光を発光するHe−Neレーザなど
の可視レーザ13からの可視光がミラー11bに
より測定用のレーザ光と交互に同じ光軸上に投射
される。14はミラー、15は監視用可視光や太
陽光の散乱光などをカツトし波長λ1,λ2成分のみ
を通過させるフイルタ、16は分布量を測定すべ
き気体であるメタンガスの雰囲気F中を通過した
レーザ光を受光する光センサ、17は光センサ1
6の出力を増幅するプリアンプ、18,19はプ
リアンプ17で増幅された光出力の周波数f1およ
びf2の変調周波数成分を検波するロツクインアン
プ、20はロツクインアンプ18,19の出力
H1とH2の差分を増幅してpを出力する差分増幅
器、21は差分増幅器20の出力pを用いて波長
λ1成分のメタン透過率u=(1−p)/(1+p)
を演算する演算回路、22は透過率uの対数を求
めて増幅する対数増幅器、23は測定されたメタ
ンの分布量(濃度cと分布長lとの積)clを表示
する表示器である。
Returning to Figure 1 again, numeral 11 is a mechanical chopper placed on the optical axis of the H e -N e laser.
The mechanical chopper 11 consists of an impeller in which an opening 11a is formed, and a mirror 1 is provided on the back surface of the blade.
1b is coated. The mechanical chopper 11 modulates the laser light at the oscillation frequency f 2 (f 1 ≠ f 2 ) of the oscillator 12, and a visible laser 13 such as an H e -N e laser that emits red laser light for monitoring. Visible light from the mirror 11b is alternately projected onto the same optical axis as the measurement laser light. 14 is a mirror; 15 is a filter that cuts out visible light for monitoring and scattered light of sunlight, and passes only wavelengths λ 1 and λ 2 ; and 16 is a filter that passes through the atmosphere F of methane gas, which is the gas whose distribution amount is to be measured. Optical sensor 17 receives the laser beam that has passed through the optical sensor 1
6, 18 and 19 are lock-in amplifiers that detect the modulation frequency components of frequencies f 1 and f 2 of the optical output amplified by the preamplifier 17, and 20 is the output of the lock-in amplifiers 18 and 19.
A difference amplifier 21 amplifies the difference between H 1 and H 2 and outputs p, and 21 uses the output p of the difference amplifier 20 to calculate the methane transmittance of wavelength λ 1 component u = (1-p) / (1 + p)
22 is a logarithmic amplifier that calculates and amplifies the logarithm of transmittance u, and 23 is a display that displays the measured methane distribution amount (product of concentration c and distribution length l) cl.

次に上記構成の気体分布量測定装置を用いたメ
タン分布量の測定方法について説明する。
Next, a method for measuring the amount of methane distribution using the gas distribution amount measuring device having the above configuration will be explained.

2波長発振レーザ装置であるHe−Neレーザか
ら波長λ1(3.3922μm)およびλ2(3.3912μm)のレ
ーザ光を発生させる。2波長λ1,λ2のレーザ光の
出力をそれぞれI1およびI2とすると、I1およびI2
ならびに全出力Iは100%変調が行なわれた場合
次の式で現わすことができ、その波形は第2図
に示すようになる。
Laser beams with wavelengths λ 1 (3.3922 μm) and λ 2 (3.3912 μm) are generated from a H e -N e laser, which is a two-wavelength oscillation laser device. If the outputs of laser beams with two wavelengths λ 1 and λ 2 are I 1 and I 2 respectively, I 1 and I 2
In addition, the total output I can be expressed by the following equation when 100% modulation is performed, and its waveform is as shown in FIG.

I1=A0(1−sin2πf1t) I2=A0(1−sin2πf1t) I=I1+I2=I0 この2波長レーザ光をメカニカルチヨツパー1
1により周波数f2で変調する。このレーザ光は
第3図に示すようになる。このとき可視レーザ1
3からの可視光がメカニカルチヨツパー11のミ
ラー11bで反射されて測定用赤外レーザ光と交
互に同じ光軸上に投射される。
I 1 = A 0 (1-sin2πf 1 t) I 2 = A 0 (1-sin2πf 1 t) I = I 1 + I 2 = I 0 This two-wavelength laser beam is connected to the mechanical chopper 1
1 at frequency f 2 . This laser beam becomes as shown in FIG. At this time, visible laser 1
The visible light from 3 is reflected by the mirror 11b of the mechanical stopper 11 and projected onto the same optical axis alternately with the measurement infrared laser light.

この変調されたレーザ光をミラー14で反射さ
せてメタンガスの雰囲気F中に通過させ、フイル
タ15で波長λ1,λ2成分のみを波して光センサ
16で受光する。レーザ光のうち波長λ1成分はメ
タンガスに吸収されるが波長λ2成分はほとんど吸
収されないので全出力は変調成分をもつことにな
り、その波形は第4図にで示すようになる。
This modulated laser beam is reflected by a mirror 14 and passed through an atmosphere F of methane gas, and only wavelengths λ 1 and λ 2 components are waved by a filter 15 and received by an optical sensor 16. The wavelength λ 1 component of the laser light is absorbed by methane gas, but the wavelength λ 2 component is hardly absorbed, so the total output has a modulation component, and its waveform is as shown in FIG.

ロツクインアンプ18は発振器10iの発振周
波数f1に同期し、ロツクインアンプ19は発振器
12の発振周波数f2に同期しており、これらのロ
ツクインアンプはプリアンプ17により増幅され
た受光レーザ光の変調周波数f1およびf2の成分を
位相検波して次に示すようなH1およびH2として
出力する。
The lock-in amplifier 18 is synchronized with the oscillation frequency f 1 of the oscillator 10i, and the lock-in amplifier 19 is synchronized with the oscillation frequency f 2 of the oscillator 12. The components of modulation frequencies f 1 and f 2 are phase detected and output as H 1 and H 2 as shown below.

H1=Aa1(1−u) H2=Aa2(1−u) ただし、u=exp(−αcl)、αはメタンによる
波長λ1の光の吸収係数と波長λ2の光の吸収係数と
の差、cはメタンの濃度、lは分布長である。ま
たAはレーザー光の散乱ロス等メタン以外の要因
により常時変化する量、a1、a2はチヨツパーの開
口部の形状等によるもので初期設定後変化しない
量である。
H 1 = Aa 1 (1-u) H 2 = Aa 2 (1-u) where u = exp (-αcl), α is the absorption coefficient of light with wavelength λ 1 and absorption of light with wavelength λ 2 by methane The difference from the coefficient, c, is the methane concentration, and l is the distribution length. Further, A is an amount that constantly changes due to factors other than methane such as scattering loss of laser light, and a 1 and a 2 are amounts that do not change after initial setting due to factors such as the shape of the opening of the chopper.

差分増幅器20では、波長λ1,λ2成分の出力
H1,H2からp=a2/a1・H1/H2を求めて演算、増幅 し、次いで演算回路21において波長λ1成分のメ
タン透過率u=(1−p)/(1+p)を演算す
る。
The differential amplifier 20 outputs wavelengths λ 1 and λ 2 components.
From H 1 and H 2 , p=a 2 /a 1・H 1 /H 2 is calculated and amplified, and then in the calculation circuit 21, the methane transmittance of the wavelength λ 1 component is calculated as u=(1-p)/(1+p ) is calculated.

対数増幅器22において−1/αlouの演算をす ることによりメタンの分布量clが求まる。また、
変調が100%かかつていない場合でもH2にバイア
ス分を考慮すれば同様の考え方でclを求めること
ができる。この分布量clはある濃度のメタンの広
がり方を示す指標となるので、メタンガスの漏洩
量やそれによる影響を知る上で便利である。ま
た、気体の漏洩に限つて考えてみると、分布長の
変化はせいぜい数倍の範囲であるのに対して、漏
洩気体の濃度は10の2〜3乗のオーダーで変化す
ることが考えられるので、分布量を濃度の指標と
見ることもできる。
The distribution amount cl of methane is determined by calculating −1/α l o u in the logarithmic amplifier 22 . Also,
Even if the modulation is 100% or has never been present, cl can be found in the same way by considering the bias in H2 . This distribution amount cl serves as an index showing how methane at a certain concentration spreads, and is therefore useful for knowing the amount of leaked methane gas and its effects. Furthermore, if we consider only gas leakage, the change in distribution length is within a range of several times at most, whereas the concentration of leaked gas can be thought to change on the order of 2 to 3 powers of 10. Therefore, the amount of distribution can also be seen as an index of concentration.

こうして求めた分布量clは表示器23に表示さ
れる。
The distribution amount cl thus obtained is displayed on the display 23.

第5図は周波数(f1)100Hzで変調した2波長
発振レーザから発生されるレーザ光をメカニカル
チヨツパーにより周波数(f2)10Hzでさらに変調
し、デユーテイー比を9:1として減衰率25%の
メタンガス中を通過させて行つた実験の測定結果
の一例である。
Figure 5 shows a laser beam generated from a two-wavelength oscillation laser modulated at a frequency (f 1 ) of 100 Hz, which is further modulated by a mechanical chopper at a frequency (f 2 ) of 10 Hz, with a duty ratio of 9:1 and an attenuation rate of 25. % of methane gas.

(発明の効果) 以上説明したように、本発明においては、2波
長発振レーザから発振された2波長成分の出力が
同一の周波数f1で変調され且つ両出力の和の変調
成分が0になるように自動制御された2波長のレ
ーザ光を用い、該レーザ光を周波数f1とは異なる
周波数f2で変調した後測定すべき気体雰囲気中を
通過させ、気体を通過したレーザ光の変調周波数
f1およびf2の成分を検知し、両成分の差分に基づ
いて演算した透過率を対数変換を含む演算処理を
することにより気体の分布量を測定するようにし
たので、簡潔な構成で光量ロスがなく遠隔、広域
での気体分布量の測定が可能になる。本発明にお
いて、レーザ光の周波数f2による変調メカニカル
チヨツパーで行う場合はその変調時に監視用の可
視光を同軸上に投射することができるので、従来
のように合波にハーフミラーを用いた場合の光量
ロスがなくなる。
(Effects of the Invention) As explained above, in the present invention, the outputs of two wavelength components oscillated from a two-wavelength oscillation laser are modulated at the same frequency f1 , and the modulation component of the sum of both outputs becomes 0. Using a two-wavelength laser beam that is automatically controlled as follows, the laser beam is modulated at a frequency f 2 different from the frequency f 1 and then passed through the gas atmosphere to be measured, and the modulation frequency of the laser beam that has passed through the gas is determined.
The gas distribution amount is measured by detecting the f 1 and f 2 components and performing arithmetic processing including logarithmic transformation on the transmittance calculated based on the difference between the two components, so it is possible to measure the amount of light with a simple configuration. Gas distribution can be measured remotely and over a wide area without loss. In the present invention, when modulation is performed using a mechanical chopper using the frequency f 2 of the laser beam, visible light for monitoring can be coaxially projected during modulation, so a half mirror is used for multiplexing as in the past. This eliminates the loss of light amount that would otherwise occur.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明による気体分布量測定方法を実
施する装置の概略線図、第2図は本発明で用いる
2波長発振レーザ装置のレーザ光の波形図、第3
図はさらに周波数変調したレーザ光の波形図、第
4図は分布量を測定すべき気体を通過したレーザ
光の波形図、第5図は本発明による気体分布量測
定方法を用いた実験におけるメタンガス通過レー
ザ光の波形図、第6図は本発明で用いられる2波
長発振レーザ装置により発振される2波長レーザ
光の利得と共振周波数の関係を示す図、第7図は
メタンセルによるHe−Neレーザの2波長出力の
変化を示す図、第8図は本発明で用いる2波長発
振レーザ装置の共振器長と発振出力とを関係を示
す図、第9図は従来のメタン検知システムの概略
線図である。 10……2波長発振レーザ装置、10a……
He−Ne放電管、10b……メタンセル、10e
……電歪素子、10g……光センサ、10h,1
8,19……ロツクインアンプ、10i,12…
…発振器、10k……高電圧アンプ、11……メ
カニカルチヨツパー、13……可視レーザ、15
……フイルタ、16……光センサ、20……差分
増幅器、21……演算回路、22……対数増幅
器、23……表示器。
FIG. 1 is a schematic diagram of an apparatus for implementing the gas distribution measurement method according to the present invention, FIG. 2 is a waveform diagram of a laser beam of a two-wavelength oscillation laser device used in the present invention, and FIG.
Figure 4 is a waveform diagram of a laser beam that has been further frequency modulated, Figure 4 is a waveform diagram of a laser beam that has passed through the gas whose distribution amount is to be measured, and Figure 5 is a methane gas diagram in an experiment using the gas distribution measurement method according to the present invention. FIG. 6 is a waveform diagram of the passing laser beam. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the gain and resonance frequency of the two-wavelength laser beam oscillated by the two-wavelength oscillation laser device used in the present invention. FIG . Figure 8 shows the relationship between the cavity length and oscillation output of the dual wavelength oscillation laser device used in the present invention. Figure 9 is a schematic diagram of the conventional methane detection system . It is a line diagram. 10...2 wavelength oscillation laser device, 10a...
H e -N e discharge tube, 10b...methane cell, 10e
...Electrostrictive element, 10g...Light sensor, 10h, 1
8, 19...Lock-in amplifier, 10i, 12...
...Oscillator, 10k...High voltage amplifier, 11...Mechanical chopper, 13...Visible laser, 15
... Filter, 16 ... Optical sensor, 20 ... Differential amplifier, 21 ... Arithmetic circuit, 22 ... Logarithmic amplifier, 23 ... Display device.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 2波長発振レーザから発振された2波長成分
の出力が同一の周波数f1で変調され且つ両出力の
和の変調成分が0になるように自動制御された2
波長のレーザ光を用い、該レーザ光を周波数f1
は異なる周波数f2で変調した後分布量を測定すべ
き気体雰囲気中を通過させ、気体を通過したレー
ザ光の変調周波数f1およびf2の成分を検知し、両
成分の差分に基づいて演算した透過率を対数変換
を含む演算処理をすることにより気体の分布量を
測定することを特徴とする気体の分布量測定方
法。
1 The output of two wavelength components oscillated from a two-wavelength oscillation laser is modulated at the same frequency f1 , and the modulation component of the sum of both outputs is automatically controlled to be 0.2
After modulating the laser beam at a frequency f 2 different from the frequency f 1 , the laser beam is passed through a gas atmosphere whose distribution amount is to be measured, and the modulation frequency f 1 and f of the laser beam that has passed through the gas is A method for measuring the amount of gas distribution, characterized in that the amount of gas distribution is measured by detecting the second component and performing arithmetic processing including logarithmic transformation on the transmittance calculated based on the difference between the two components.
JP23755785A 1985-10-25 1985-10-25 Distribution measuring method for gaseous body Granted JPS6298235A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23755785A JPS6298235A (en) 1985-10-25 1985-10-25 Distribution measuring method for gaseous body

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23755785A JPS6298235A (en) 1985-10-25 1985-10-25 Distribution measuring method for gaseous body

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS6298235A JPS6298235A (en) 1987-05-07
JPH0548857B2 true JPH0548857B2 (en) 1993-07-22

Family

ID=17017083

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP23755785A Granted JPS6298235A (en) 1985-10-25 1985-10-25 Distribution measuring method for gaseous body

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPS6298235A (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0315742A (en) * 1989-03-23 1991-01-24 Anritsu Corp Gas detector
JPH0317535A (en) * 1989-06-14 1991-01-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd Optical apparatus for evaluating thin film
JPH0830680B2 (en) * 1990-10-15 1996-03-27 アンリツ株式会社 Gas detector
JP2567300Y2 (en) * 1992-04-17 1998-04-02 東京特殊電線株式会社 Small diameter curled cable
JP2005106521A (en) * 2003-09-29 2005-04-21 Anritsu Corp Semiconductor laser unit and gas concentration measuring device
JP5337953B2 (en) * 2009-01-14 2013-11-06 ゼネラルパッカー株式会社 Gas concentration measuring method and gas concentration measuring device
CN104034700B (en) * 2014-06-21 2016-09-21 中国科学院合肥物质科学研究院 A kind of measuring method of propagation in atmosphere laser transmittance
WO2016047168A1 (en) * 2014-09-22 2016-03-31 株式会社 東芝 Gas analyzer and gas processing apparatus

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS54123997A (en) * 1978-03-17 1979-09-26 Mitsubishi Electric Corp Remote measuring method of atmospheric components
JPS57160046A (en) * 1981-03-02 1982-10-02 Ici Ltd Method of and apparatus for monitoring gaseous pollutant
JPS57161535A (en) * 1981-03-05 1982-10-05 Ici Ltd Method of and apparatus for monitoring gaseous pollutant

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS54123997A (en) * 1978-03-17 1979-09-26 Mitsubishi Electric Corp Remote measuring method of atmospheric components
JPS57160046A (en) * 1981-03-02 1982-10-02 Ici Ltd Method of and apparatus for monitoring gaseous pollutant
JPS57161535A (en) * 1981-03-05 1982-10-05 Ici Ltd Method of and apparatus for monitoring gaseous pollutant

Also Published As

Publication number Publication date
JPS6298235A (en) 1987-05-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1192445B1 (en) Optical fibre probe for photoacoustic material analysis
US3950100A (en) Laser heterodyne system
US5502558A (en) Laser doppler velocimeter
US4902125A (en) Optical system having beam amplification
JPH0315742A (en) Gas detector
CA2538554A1 (en) Gas detection method and gas detector device
KR20070105875A (en) Gas detection method and gas detection device
EP0196856B1 (en) Dual-wavelength laser apparatus
JPH10148629A (en) Spectrometer and device therefor
CN109580541B (en) Optical heterodyne cavity ring-down spectroscopy measurement device and method
JP2014042010A (en) Method for driving wavelength-swept light source
JPH0548857B2 (en)
JPH0830680B2 (en) Gas detector
JPH08101123A (en) Method and device for sensing gas concentration
JP2744728B2 (en) Gas concentration measuring method and its measuring device
JP2703835B2 (en) Gas concentration measuring method and its measuring device
JP2796650B2 (en) Multi-gas detector
JP2540670B2 (en) Multi-type gas detector using optical fiber
JPH03277945A (en) Gas detecting apparatus
JP2792782B2 (en) Gas concentration measuring method and its measuring device
WO2001001090A1 (en) Fabry perot single mode fibre interferometer
CN113109838A (en) Coherent wind lidar capable of carrying out water vapor differential absorption measurement
JPH10132737A (en) Device and method for measuring remote gas concentration
JP2905269B2 (en) Temperature measurement method using optical fiber
JP2717600B2 (en) Thin film evaluation equipment