JPH0579976A - ガス濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大気の温度や圧力によらずガスの濃度を正確
に測定すること。 【構成】 レーザ変調兼制御器５により波長が所定の周
波数ｆで変調されかつ吸収線の中心に安定化制御された
半導体レーザ素子１４から出射したレーザ光が、測定用
セル３内の大気を通過したのち受光器６により受光され
てその強度が電気信号に変換され、位相敏感検波器８で
得られる２倍波位相敏感検波信号I_2f を、位相敏感検波
器７により得られる基本波位相敏感検波信号I_fで割算器
９を使って割り算して濃度を求める際、レーザの変調振
幅を吸収線の半値半幅のほぼ２．２倍に設定することに
より、I_2f が圧力にほとんど依存しないようにするとと
もに、温度センサ１２で測定した温度により信号処理器
１３が濃度に補正を施すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザ素子を用い
てガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特定の波長のレーザ光がある種の気体に
吸収されやすいことを利用してガス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。そ
の一例として、Ｈｅ−Ｎｅレーザより発生される波長
３．３９２μｍの光がメタンに強く吸収されることを利
用してメタンの有無を感度良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ためメタンの検出
によって都市ガスの漏洩が検知できる。またメタンは大
気中に約２ｐｐｍの濃度で含まれているが近年増加の傾
向にあり、炭酸ガスに次いで地球温暖化の主要原因であ
ると言われているので、大気中のメタンの濃度を精度良
く測定することは重要である。ここで、濃度とは注目す
るガスの分圧と大気の全圧との比と定義する。

【０００３】図８は従来のガス濃度測定装置の概略構成
図である。

【０００４】ガス濃度測定装置は、大気中に含まれる特
定のガスの濃度を測定する装置であって、両端に反射鏡
１、２を有し、大気が自由に流入かつ流出できる筒状の
多重反射長光路セル３と、セル３の外部から内部の大気
を照射するレーザ発振器４と、レーザ発振器４の発振波
長を所定の周波数で変調しかつ注目しているガスの吸収
線の中心に安定化制御するレーザ変調兼制御器５と、セ
ル３を通過したレーザ光を受光する受光器６と、受光器
６の出力を位相敏感検波して基本波位相敏感検波信号I_f
を出力する位相敏感検波器７と、２倍波位相敏感検波信
号I_2f を出力する位相敏感検波器８と、基本波位相敏感
検波信号I_fで２倍波位相敏感検波信号I_2f を割り算する
割算器９とを有している。

【０００５】このような装置を用いて大気中に含まれる
メタンの濃度を連続測定する場合、常にセル３の吸気口
１０から大気を吸入し、排気口１１から排出しながら測
定する。レーザ発振器４から照射されたレーザ光は、２
つの反射鏡１、２の間を複数回往復してから受光器６に
より受光されるため、セル３内の大気を通過する距離が
延長され測定感度が向上される。受光器６により受光さ
れたレーザ光は電気信号に変換され、位相敏感検波器
７、８に入力される。割算器９は、位相敏感検波器８か
ら出力される２倍波位相敏感検波信号I_2f （レーザ光の
強度とメタンの濃度に比例する）を位相敏感検波器７か
ら出力される基本波位相敏感検波信号I_f（レーザ光の強
度に比例する）で割り算することによりメタンの濃度を
算出する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のガス濃度測定で
は２倍波位相敏感検波信号I_2f がガス濃度に比例するこ
とを利用している。しかし、後述の実施例の説明中に示
すように２倍波位相敏感検波信号I_2f はガス濃度のほか
に大気の温度や圧力にも依存する。従来の技術ではこの
点が考慮されておらず、ガス濃度を正確に求めることが
できなかった。

【０００７】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
のであり、その目的は、大気の温度や圧力によらずガス
の濃度を正確に測定することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的は、本発明によ
ると、レーザ光を所定の周波数と振幅とを有する変調電
流により変調する変調手段と、濃度を測定すべきガスを
含む大気が流入しかつ流入した大気中をレーザ光が通過
するように形成された測定用セルと、測定用セル内の温
度を検知する温度センサと、測定用セル内の大気を通過
したレーザ光を受光する受光器と、受光器の出力から基
本波位相敏感検波信号を出力する第１の位相敏感検波器
と、受光器の出力から２倍波位相敏感検波信号を出力す
る第２の位相敏感検波器と、２倍波位相敏感検波信号を
基本波位相敏感検波信号で割り算することによりガスの
濃度を算出する割算器と、温度センサで測定した温度に
したがってガスの濃度に補正を施す信号処理器とを備
え、変調手段は、２倍波位相敏感検波信号が極大値をと
るように変調電流の振幅を最適値に設定できるガス濃度
測定装置によって達成される。

【０００９】

【作用】本発明のガス濃度測定装置は、所定の周波数と
振幅とで変調された半導体レーザから出射されたレーザ
光を測定用セル内の大気中に通過させ、通過したレーザ
光を受光器によって受光し、受光器からの信号を２つの
位相敏感検波器に入力して得られる基本波位相敏感検波
信号と２倍波位相敏感検波信号とから濃度を求める際、
変調手段において、２倍波位相敏感検波信号が極大値を
とるように変調電流の振幅が最適値に設定される結果、
温度センサで測定した温度のみによって信号処理器が濃
度に補正を施すことができる。

【００１０】

【実施例】以下本発明を図面に基づいて説明する。

【００１１】図１は本発明によるガス濃度測定装置の一
実施例の概略構成図であり、図８に示した従来の装置と
同じ構成部分には同じ参照符号を用いた。ここではメタ
ンガスの濃度を測定する装置として説明するが、他のガ
スの濃度を測定する場合も原理は同じである。

【００１２】ガス濃度測定装置は、大気中に含まれるメ
タンの濃度を測定する装置であって、両端に反射鏡１、
２を有し、大気が流入かつ流出できる多重反射長光路セ
ル３と、この多重反射長光路セル３内の大気にレーザ光
を照射するレーザ発振器４と、レーザ発振器４の発振波
長を所定の周波数で変調するとともにメタンの吸収線の
中心に安定化制御するレーザ変調兼制御器５と、多重反
射長光路セル３を通過したレーザ光を受光する受光器６
と、この受光器６からの出力を位相敏感検波して基本波
位相敏感検波信号I_fを出力する位相敏感検波器７と、２
倍波位相敏感検波信号Ｉ_2fを出力する位相敏感検波器８
と、２倍波位相敏感検信号Ｉ_2fを基本波位相敏感検波信
号I_fで割り算してガスの濃度を算出する割算器９と、多
重反射長光路セル３の内部に設けられた温度センサ１２
により測定した大気の温度に基づいてメタンの濃度に補
正を施す信号処理器１３とを有している。

【００１３】多重反射長光路セル３は、ほぼ筒状の容器
であり、両端の２つの反射鏡１、２と、大気が流入する
吸気口１０および大気が流出する排気口１１とを有し、
排気口１１の近傍には温度センサ１２が取り付けられて
いる。反射鏡１、２は、レーザ発振器から入射したレー
ザ光を複数回反射して再び外部へ出射し、受光器６で受
光するように配置されている。なお、多重反射長光路セ
ル３はレーザ光を複数回往復させて大気中の光路長を長
くするためのセルであるが、これに限定されず、例えば
長いセルを用い、光を片道あるいは１往復だけ通過させ
てもよい。

【００１４】温度センサ１２にはサーミスタや熱電対な
どが用いられる。

【００１５】信号処理器１３は、本発明の本質的な部分
であり、後述の理論的検討に基づいて大気の温度からメ
タンの濃度を補正する機能を有する。信号処理器１３に
は、好ましくはマイクロプロセッサが用いられる。

【００１６】レーザ変調兼制御器５は、半導体レーザの
駆動電流を所定の周波数と振幅とで変調するとともに、
レーザ光の発振波長をメタンの吸収線の中心に安定化制
御する。

【００１７】図２はレーザ発振器４とレーザ変調兼制御
器５の構造を示す概略構成図である。

【００１８】レーザ発振器４は、前後両方向にレーザ光
を出射する半導体レーザ素子１４と、電流の大きさや向
きに応じて発熱または吸熱してレーザ素子１４の温度を
変え発振波長を変える役目をするペルチェ素子１５と、
メタンが封入された参照用ガスセル１６と、この参照用
ガスセル１６を通過した後レーザ光を受光し電気信号に
変換する受光器１７と、半導体レーザ素子１４の前方レ
ーザ光を平行光にするコリメートレンズ１８とを有して
いる。前方レーザ光は図１の多重反射長光路セル３に入
射される。

【００１９】レーザ変調兼制御器５は、レーザ素子１４
に一定の直流電流を供給する定電流源２３と、所定の周
波数と振幅の交流電流を発生してレーザ素子１４の発振
周波数を変調するための発振器１９と、これらの直流電
流と交流電流とを重ねるための電流ミキサ２４と、受光
器１７からの信号により基本波位相敏感検波信号を出力
する位相敏感検波器２０と、位相敏感検波器２０の出力
電圧を積分する積分器２１と、積分の際に一定のバイア
ス電圧を加えるためのバイアス電圧発生器２５と、積分
器２１の出力に応じてペルチェ素子１５に供給する電流
を調節する電流源２２と、発振器１９の周波数を２倍に
して出力する倍周器２６とを有している。

【００２０】位相敏感検波器２０は、レーザの中心発振
周波数がメタンの吸収線の中心周波数に比べてどれだけ
高いかあるいは低いかを判定し、それに応じた大きさと
符号を持った電圧を出力し、次にそれに応じてペルチェ
素子１５の温度が変化し、レーザの中心発振周波数がメ
タンの吸収線の中心に自動的に合わされる。

【００２１】このようにしてメタンの吸収線の中心に一
致した周波数をもち、かつ一定の振幅で周波数変調され
たレーザ光がレーザ素子１４の前方にも出射され、この
光が図１の多重反射長光路セル３に入射され大気中のメ
タンの濃度が測定される。

【００２２】そこで次に、図１の２つの位相敏感検波器
７、８の出力信号について考察する。

【００２３】図３は位相敏感検波信号を図式的に求める
ための説明図である。曲線Ａは、ω₀ に中心をもつメタ
ンの吸収線付近での、レーザの発振周波数ω（横軸）と
受光器６の出力電圧Ｖ（縦軸）の関係を示している。吸
収がない時の出力電圧をＶ₀とすると、この曲線Ａは数
１で表わされる。

【００２４】

【数１】Ｖ＝Ｖ₀ （１−αＬ） ここでαは吸収係数と呼ばれ、周波数ωの関数であり、
数２で表わされる。Ｌは光路長で、レーザ光が大気中を
通過する距離の全長である。

【００２５】

【数２】α＝α₀ γ² ／［（ω−ω₀ ）² ＋γ² ］ 数２中のγは吸収線の半値半幅と呼ばれ、曲線ＡでＶ₀
からの減少量が中心ω₀での減少量の半分になる周波数
（２つある）とω₀ との差で、図３に書き入れてある。
α₀ は吸収の中心すなわちω＝ω₀ でのαの値であり、
メタンの濃度に依存する。

【００２６】いま、上述のようにしてレーザの発振周波
数ωの中心が吸収線の中心ω₀ に安定化され、かつ所定
の周波数ｆと振幅Ｍとで変調されたとすると、ωは時間
ｔの関数として数３のように表わされる。

【００２７】

【数３】ω＝ω₀ ＋Ｍｃｏｓｆｔ 数３のωを時間ｔの関数として図３中に描くと、曲線Ｂ
となる。ここで縦軸は時間ｔである。ωはω₀ を中心に
左右にＭの幅で振動するので、曲線Ａ上の対応する位置
は点ａと点ｂの間を曲線Ａに沿って振動する。その結
果、受光器の出力電圧は曲線Ｃのように変化する。ここ
では横軸が時間ｔである。注意すべきことは、ωが１回
振動する間にＶは２回振動することである。したがっ
て、出力電圧Ｖは周波数２ｆで振動する成分をもつが、
周波数ｆで振動する成分をもたない。さらに、曲線Ｃは
単純な正弦波ではなく、２ｆのほかに４ｆ、６ｆなどの
周波数成分の重ね合わせになる。位相敏感検波器８は、
この中から２ｆ成分を抽出しその振幅I_2f を求める役割
をもつ。図３から分かるように、この振幅I_2f は変調振
幅Ｍに依存する。変調振幅Ｍが増大するにつれて、振幅
I_2f は初めは増大するが、ある点で極大値をとった後に
徐々に減少する。詳しい解析（Ｈ．Ｗａｈｌｑｕｉｓ
ｔ，Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．３５（１９６１）１７０
８）の結果を利用すると、変調振幅Ｍと振幅I_2f との関
係は数４となる。

【００２８】

【数４】I_2f ∝Ｖ₀ α₀ Ｌｘ² ／（１＋ｘ² ）^1/2 （１
＋（１＋ｘ² ）^1/2 ）² ここで、ｘは変調振幅Ｍと半値半幅γとの比であり数５
で定義される。

【００２９】

【数５】ｘ＝Ｍ／γ 特にｘ《１のときは数４は数６で近似される。

【００３０】

【数６】I_2f ∝Ｖ₀ α₀ Ｌｘ² 図４は、数４で表わされる振幅I_2f とｘとの関係を示す
グラフである。これより、I_2f はｘ＝２．２付近で極大
値をとることが分かる。

【００３１】さて、数４によると振幅I_2f はα₀ に比例
し、α₀ はメタン濃度に依存するので、予め既知の濃度
のメタンガスの信号強度を測っておけば、振幅I_2f から
メタンの濃度が測定できる。これが濃度測定の原理であ
る。

【００３２】しかし、受光器６で受光されるレーザ光強
度が、メタンの吸収以外の原因、たとえば大気中のほこ
り、反射鏡１、２の汚れ、光学系の変形などで変動する
ような場合には、振幅I_2f の大きさから直ちにメタンの
濃度を求めることができない。そこで、受光器６で受光
されるレーザ光強度を何らかの方法で測りたい。位相敏
感検波器７はその役目をする。これまでの議論では、受
光器６の出力電圧Ｖには周波数ｆで振動する成分はない
ので、振幅I_fは常にゼロとなるはずであるが、実は振幅
I_fを生じる別の原因がある。すなわち、半導体レーザの
駆動電流を周波数ｆで変調すると、レーザの発振周波数
が数３のように変調されると同時に、レーザ出力も周波
数ｆで変調を受ける。その結果、受光器６の出力電圧は
数７で表わされる周波数ｆの成分をもつ。

【００３３】

【数７】Ｖ′＝Ｖ₁ ｃｏｓ（ｆｔ＋φ） ここで、振幅Ｖ₁ は駆動電流の変調振幅に依存する。ま
た、φは位相のずれを表わす。したがって、位相敏感検
波器７の出力I_fは数８で与えられる。

【００３４】

【数８】I_f∝Ｖ₁ そこでI_2f とI_fとの比を求めると数９となる。

【００３５】

【数９】I_2f ／I_f∝（Ｖ₀ ／Ｖ₁ ）α₀ Ｌｘ² ／（１＋
ｘ² ）^1/2 （１＋（１＋ｘ² ）^1/2 ）² そして、この比は受光器６に入る光強度に依存しない。
なぜなら、Ｖ₀ とＶ₁ とは共に光強度に比例するからで
ある。したがって、受光器６に入る光強度が変動しても
I_2f ／I_fからα₀ を求め、メタンの濃度が測定できる。
割算器９はこの比を計算する機能を有する。

【００３６】しかしながら、この比だけでは、まだ正確
にメタン濃度を求めることができない。なぜならα₀ は
メタン濃度だけでなく、大気の温度や圧力にも依存す
る。また、数９中のｘは数５のように吸収線の半値半幅
γに反比例するが、γも温度や圧力に依存する。したが
って、メタン濃度を正確に決めるには、大気の温度と圧
力との影響を考慮する必要がある。そこで、α₀ とγと
が大気の温度Ｔと圧力Ｐとにどのように依存するかを考
える。

【００３７】まず、数２で与えられるαをωの全領域に
わたって積分した値、すなわち積分強度は積α₀ γに比
例するが、これは一方では、吸収を担う分子の数密度に
比例することが分かっている。したがって、メタンの全
分子数密度をｎ、そのうち注目する吸収遷移の下準位の
分布率をｇとすると、数１０が成り立つ。

【００３８】

【数１０】α₀ γ∝ｇｎ これより、数１１が得られる。

【００３９】

【数１１】α₀ ∝ｇｎ／γ そこで、ｎ、ｇ、γのＴおよびＰ依存性を調べる。

【００４０】まず、ｎは気体の状態方程式から直ちに数
１２のように求められる。

【００４１】

【数１２】ｎ＝ρＰ／ｋＴ ここでρは求めようとするメタン濃度であり、大気の全
圧に対するメタンの分圧の比を表わす。ｋはボルツマン
定数である。

【００４２】次に、吸収線の半値半幅γは、その主な原
因が分子どうしの衝突である場合は、最も単純なモデル
を使うと全分子の密度と分子の平均速度に比例するの
で、数１３が得られる。

【００４３】

【数１３】γ∝Ｐ／Ｔ^1/2 最後に、分布率ｇのＴ依存性を調べる。一般に、ある準
位ｉのエネルギーをＥ_i 、縮退度をｗ_i とすると、熱平
衡状態での準位ｉの分布数はｗ_i ｅｘｐ（−Ｅ_i ／ｋ
Ｔ）に比例する。したがって、準位ｉの分布率ｇ_i は数
１４で与えられる。

【００４４】

【数１４】ｇ_i ＝ｗ_i ｅｘｐ（−Ｅ_i ／ｋＴ）／Σｗ_j
ｅｘｐ（−Ｅ_j ／ｋＴ） ここで、Σはすべてのｊについての和を意味する。メタ
ン型の分子に対して知られているＥ_i とｗ_i との表式を
使い和を実行すると、数１４は数１５のようになる。

【００４５】

【数１５】ｇ_J ∝ｅｘｐ［−ＢＪ（Ｊ＋１）／ｋＴ］／
Ｔ^3/2 ここで、Ｊは分子の注目する回転準位の量子数、Ｂは分
子の回転定数である。

【００４６】数１１、数１２、数１３、数１５の結果を
使うと、数４からI_2f のＴおよびＰ依存性として数１６
を得る。

【００４７】

【数１６】I_2f ∝Ｖ₀ ρＬｘ² ｅｘｐ［−ＢＪ（Ｊ＋
１）／ｋＴ］／Ｔ² （１＋ｘ²）^1/2 （１＋（１＋ｘ
² ）^1/2 ）² ここで、ｘ＝Ｍ／γ∝ＭＴ^1/2 ／Ｐで，Ｍは数３で用い
た変調振幅である。

【００４８】数１６によると、I_2f は濃度ρに比例する
が、同時に、温度Ｔと全圧Ｐにも依存する（ｘはＴ、
Ｐ、Ｍの関数であることに注意）。そこで、I_2f がＴと
Ｐとによってどのように変化するかが分かっていれば、
補正によりガス濃度を正確に求めることができる。

【００４９】メタンに対しては、Ｂ＝５．２４ｃｍ^-1で
あり、さらに波長１．６６μｍの２ν₃ 吸収バンドのＱ
（６）線に注目すると、Ｊ＝６であるから、数１６は数
１７となる。

【００５０】

【数１７】I_2f ∝Ｖ₀ ρＬｘ² ｅｘｐ（−３１７／Ｔ）
／Ｔ² （１＋ｘ² ）^1/2 （１＋（１＋ｘ² ）^1/2 ）² ここで、Ｔの単位はＫである。

【００５１】図５と図６とは、数１７によって計算した
I_2f のＴおよびＰ依存性を示すグラフである。Ｔ＝２９
８Ｋ、Ｐ＝１０１３ｍｂａｒの状態を基準状態として、
その付近でI_2f がＴとＰとによってどのように変化する
かを示している。両図で基準状態は点Ｐ₀ で示してあ
る。

【００５２】まず、図５は、変調振幅Ｍが吸収線の半値
半幅γ（基準状態での値）の１．５倍に等しい場合の図
であり、４通りの温度に対しI_2f とＰとの関係が実線で
示してある。この場合は、ＴとＰとのいずれが変化して
もI_2f が変化する。したがって、濃度を補正するには温
度と圧力の両方の測定が必要である。そして、測定した
温度と圧力とが仮に図中の点Ｐ₁（Ｔ＝２８８Ｋ、Ｐ＝
１０００ｍｂａｒ）とすると、Ｐ₁ に対応する縦軸上の
点の読みは１．０３５であるから、割算器９の出力を
１．０３５で割った値が正しい濃度を与える。

【００５３】一方、図６はＭ＝２．２γの場合と同様の
図である。この場合の特徴は、実線がいずれもほぼ水平
になっていることであり、I_2f が圧力Ｐにほとんど依存
しないことを示している。これは、図４でｘ＝２．２の
ときにI_2f が極大になり曲線の勾配がゼロになることに
対応している。したがって、Ｍ＝２．２γとなるように
変調振幅を選んでおけば、濃度の補正は温度の測定だけ
で行なえることになる。そして、測定した温度が仮に点
Ｐ₂ （Ｔ＝２８８Ｋ）であれば、点Ｐ₂ に対応する縦軸
上の値１．０３２で割算器９の出力を割ることにより濃
度が補正される。信号処理器１３は、温度センサ１２で
測定した温度によりこの補正を施す役目をもち、例えば
マイクロプロセッサにより実現できる。

【００５４】このように、温度の測定だけで濃度を補正
できる信号処理器を有することが、本発明の重要な特徴
である。

【００５５】図７は、本実施例のガス濃度測定装置によ
るメタン濃度の時刻変化（ａ）およびガス温度の時刻変
化（ｂ）の測定例を示す（１９９１年１月１４日〜１５
日測定）。図（ａ）は横軸が時刻（時：分）、縦軸がメ
タンの濃度（ｐｐｍ）を示す。２４時間の間に２５％程
度の濃度の変動が見られる。図中で曲線が太くなってい
る部分は風により沼地その他のメタン発生源からメタン
が運ばれ濃度の変化が速くかつ大きいことを表わす。図
（ｂ）の縦軸は温度（Ｋ）を示しているが、測定セル内
の温度変化は３Ｋ以内であった。

【００５６】このように、本実施例によれば、所定の周
波数ｆで変調された半導体レーザ素子１４から出射した
レーザ光が、多重反射長光路セル３内のメタンガスを含
む大気を通過したのち受光器６で受光されてその強さが
電気信号に変換され、位相敏感検波器７により得られる
基本波位相敏感検波信号I_fで、位相敏感検波器８により
得られる２倍波位相敏感検波信号I_2f を割算器９を使っ
て割り算することによってメタンの濃度を求める際に、
変調振幅を半値半幅γの約２．２倍に設定することによ
りI_2f が極大になり、その結果、大気の圧力には依存せ
ず温度がセンサ１２による温度の測定だけから信号処理
器１３により濃度が補正される。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
所定の周波数で変調された半導体レーザ素子から出射し
たレーザ光が測定用セル内のガスを通過したのち、その
強度が受光器により電気信号に変換され、２つの位相敏
感検波器により得られる基本波位相敏感検波信号と２倍
波位相敏感検波信号とから濃度を求める際に、変調振幅
が最適値に設定されているので、ガスの圧力によらずガ
スの温度だけによって、信号処理器がガスの濃度を正確
に補正することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガス濃度測定装置の一実施例の概
略構成図である。

【図２】図１に示したレーザ発振器およびレーザ変調兼
制御器の概略構成図である。

【図３】レーザ光の発振周波数と受光器の出力との関
係、および、両者の変調の関係を示す図である。

【図４】変調振幅と２倍波位相敏感検波信号との関係を
示すグラフである。

【図５】２倍波位相敏感検波信号の温度および圧力依存
性を示す図である。

【図６】２倍波位相敏感検波信号の温度および圧力依存
性を示す図である。

【図７】本実施例のガス濃度測定装置による大気中のメ
タンの濃度の時刻変化（ａ）および温度の時刻変化
（ｂ）の測定例を示すグラフである。

【図８】従来のガス濃度測定装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１、２ 反射鏡 ３ 測定用セル ４ レーザ発振器 ５ レーザ変調兼制御器 ６、１７ 受光器 ７、８、２０ 位相敏感検波器 ９ 割算器 １２ 温度センサ １３ 信号処理器 １４ 半導体レーザ素子 １５ ペルチェ素子 １６ 参照用ガスセル １８ コリメータレンズ １９ 発振器 ２１ 積分器 ２３ 定電流源 ２４ 電流ミキサ ２５ バイアス電圧発生器 ２６ 倍周器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を所定の周波数と振幅とを有す
   る変調電流により変調する変調手段と、濃度を測定すべ
   きガスを含む大気が流入しかつ流入した該大気中を前記
   レーザ光が通過するように形成された測定用セルと、該
   測定用セル内の温度を検知する温度センサと、前記測定
   用セル内の大気を通過した後のレーザ光を受光する受光
   器と、該受光器の出力から基本波位相敏感検波信号を出
   力する第１の位相敏感検波器と、前記受光器の出力から
   ２倍波位相敏感検波信号を出力する第２の位相敏感検波
   器と、前記２倍波位相敏感検波信号の値を前記基本波位
   相敏感検波信号の値で割り算することにより前記ガスの
   濃度を算出する割算器と、前記温度センサで測定した温
   度により前記濃度に補正を施す信号処理器とを備え、前
   記変調手段は、前記２倍波位相敏感検波信号の値が極大
   値をとるように前記変調電流の振幅を最適値に設定でき
   ることを特徴とするガス濃度測定装置。
2. 【請求項２】 前記変調電流の振幅が前記レーザ光の周
   波数に対する吸収量の半値半幅のほぼ２．２倍に相当す
   る値であることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度
   測定装置。
3. 【請求項３】 前記ガスがメタンであり、該ガスの濃度
   ρと光路長Ｌとの積である濃度光路長積ρＬを下記式 I_2f ∝Ｖ₀ ρＬｅｘｐ（−３１７／Ｔ）／Ｔ² I_2f は前記２倍波位相敏感検波信号の値 Ｖ₀ は前記レーザ光の吸収がないときの受光器の出力電
   圧 Ｔは温度（Ｋ） を満足するように設定して補正することにより濃度光路
   長積を求めることを特徴とする請求項１に記載のガス濃
   度測定装置。