JPH08101123A - ガス濃度検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ドリフト性の背景雑音を除去し、レーザの経
時変化を補償できるガス濃度検出方法及びその装置を提
供する。 【構成】 駆動電流及び温度に応じた波長及び強度のレ
ーザ光を発振するレーザを用い、駆動電流を変調するこ
とにより波長及び強度が変調されたレーザ光を発振さ
せ、かつ駆動電流を掃引することによりレーザ光の中心
波長を掃引させ、そのレーザ光を測定対象であるガス雰
囲気に通して透過光を受光し、この受光信号の特定成分
を位相敏感検波してガスの濃度を検出するガス濃度検出
方法において、上記レーザ光の一部をガス雰囲気に通さ
ず直接受光し、ガス雰囲気透過光の検波成分と直接光の
検波成分との差からガスの濃度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光の透過量から
雰囲気中のガス濃度を検出するガス濃度検出方法及びそ
の装置に係り、特に、ドリフト性の背景雑音を除去し、
レーザの経時変化を補償できるガス濃度検出方法及びそ
の装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガス分子は、ある特定波長のレーザ光を
吸収する性質を持っている。この現象を利用してガスの
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、公害監視などで広く用
いられている。また、このレーザ光を光ファイバで伝送
すれば遠隔監視も可能となる。

【０００３】本出願人の開発に係る光ファイバを伝送路
とした遠隔のガス検出装置は、半導体レーザの駆動電流
を所定の電流を中心として高周波で変調し、波長及び強
度の変調されたレーザ光を発振させる。さらに、電流及
び温度を制御して発振の中心波長がガス吸収線の中心に
なるようにする。発振の安定を得るため半導体レーザの
後方に出射するレーザ光をモニタ用として用いる。こう
して安定し、前方に出射されたレーザ光を光ファイバに
より未知濃度のガスを充填した測定用のガスセルに導
く。ガス雰囲気を透過させた透過光を別の光ファイバで
受光器に導き、レーザ光の２倍検波信号又は基本検波信
号よりガス濃度を検出する。これにより、ガス濃度が高
いＳ／Ｎ比で検出できる。

【０００４】ところが、ガスの１つの孤立吸収線に着目
すると、ガス雰囲気の圧力により吸収線の形状が変化
し、それに伴いガスの定量測定に用いている２倍検波信
号も圧力に依存した値を持つ。そのため、炭坑やプラン
トなどの気圧変化の激しい場所でこのガス検出装置を用
いて濃度測定を行うと、別に圧力センサを設けて圧力監
視を行い、圧力補正を行わないと正確な濃度測定ができ
ない。

【０００５】次に、本出願人は駆動電流及び温度に応じ
た波長及び強度のレーザ光を発振するレーザを用いて、
このレーザの駆動電流或いは温度を変化させて、波長及
び強度が変調されたレーザ光を発振させると共に、その
レーザ光の中心波長を掃引させ、そのレーザ光を測定対
象となるガス雰囲気に通した後の透過光の強度を検出
し、この検出信号の特定成分を位相敏感検波して、この
検出信号から上記雰囲気圧力下での特定ガス濃度を測定
する手法を提案した。

【０００６】ここに、レーザ光の波長と、位相敏感検波
して得られる２倍位相敏感検波信号と基本波位相敏感検
波との比（以下、この比をガス信号という）との関係を
図４に示す。図４において横軸はレーザ光の中心波長を
示し、縦軸はガス信号を示す。検出ガスとしてアセチレ
ンガス、ガスの吸収波長として１．５３２μｍとしたと
きの出力信号である。この信号からガス濃度を求める。
また、ガス吸収線近傍の両側に現れる２つの極値の波長
幅は、ガス吸収線のスペクトル幅に依存しており、吸収
線のスペクトル幅とガス雰囲気圧力の関係を予め把握し
ておけば、この値からガス雰囲気の圧力を得ることがで
きる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、光源のレーザ
光には、レーザと光ファイバとの結合の波長依存性、或
いはレーザの劣化が原因となって、微小の余剰歪成分が
あり、位相検波するとドリフトした形で現れる。同様の
変調条件により低濃度ガス検出すると、ガス信号成分が
ドリフト性背景雑音信号に埋もれてしまい、正確なガス
濃度を求めることができない。図５は、その一例であり
短波長側から長波長側にかけてドリフト成分が増加して
いるため、図４のような波形が得られない。

【０００８】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、ドリフト性の背景雑音を除去し、レーザの経時変化
を補償できるガス濃度検出方法及びその装置を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の方法は、駆動電流及び温度に応じた波長及び
強度のレーザ光を発振するレーザを用い、駆動電流を変
調することにより波長及び強度が変調されたレーザ光を
発振させ、かつ駆動電流を掃引することによりレーザ光
の中心波長を掃引させ、そのレーザ光を測定対象である
ガス雰囲気に通して透過光を受光し、この受光信号の特
定成分を位相敏感検波してガスの濃度を検出するガス濃
度検出方法において、上記レーザ光の一部をガス雰囲気
に通さず直接受光し、ガス雰囲気透過光の検波成分と直
接光の検波成分との差からガスの濃度を検出するもので
ある。

【００１０】上記レーザ光の一部を既知濃度のガス雰囲
気に通して透過光を受光し、その最初の検波成分を初期
値として記憶しておき、爾後の既知濃度のガスの透過光
の検波成分を上記初期値と比較してレーザの経時変化の
補正量を求め、この補正量で上記測定対象ガス透過光の
検波成分を補正してもよい。

【００１１】また、装置は、駆動電流及び温度に応じた
波長及び強度のレーザ光を発振するレーザと、駆動電流
を変調することにより波長及び強度が変調されたレーザ
光を発振させる変調回路と、駆動電流を掃引することに
よりレーザ光の中心波長を掃引させる掃引回路と、その
レーザ光を導く光ファイバと、光ファイバに挿入され測
定対象であるガス雰囲気を充填するガスセルと、ガスセ
ルの透過光を受光する受光器と、この受光信号の特定成
分を位相敏感検波してガスの濃度を検出する検波回路と
を備えたガス濃度検出装置において、上記レーザ光の一
部を分岐する分岐手段と、この分岐光をガス雰囲気に通
さず直接受光する受光器と、ガス雰囲気透過光の検波成
分と直接光の検波成分との差からガスの濃度を検出する
雑音除去回路とを備えたものである。

【００１２】上記レーザ光の一部を分岐する分岐手段
と、この分岐手段に接続され既知濃度のガス雰囲気を充
填する基準ガスセルと、基準ガスセルの透過光を受光す
る受光器と、この基準ガスセルの透過光の最初の検波成
分を初期値として記憶する記憶回路と、爾後の基準ガス
セルの透過光の検波成分を初期値と比較してレーザの経
時変化の補正量を求め、この補正量で上記測定対象ガス
透過光の検波成分を補正する補正回路とを備えてもよ
い。

【００１３】

【作用】上記構成により、分岐手段によってレーザ光の
一部が分岐され、この分岐光はガス雰囲気に通さず直接
受光器で受光される。レーザ光の中心波長を掃引したと
き、レーザと光ファイバとの結合の波長依存性に基づく
ドリフト成分が検波されることになる。一方、測定対象
であるガス雰囲気を透過させて受光したものには、ガス
信号にドリフト成分が重畳している。従って、ガス雰囲
気透過光の検波成分と直接光の検波成分との差からガス
信号のみが求まり、このガス信号からガスの濃度を検出
することができる。

【００１４】レーザの劣化が原因となる歪は、既知濃度
のガスによる検出結果を比較することにより取り除くこ
とができる。即ち、分岐手段によってレーザ光の一部が
分岐され、この分岐光は基準ガスセルに導かれる。この
基準ガスセルの透過光の最初の検波成分を初期値として
記憶し、爾後の基準ガスセルの透過光の検波成分を初期
値と比較すればレーザの経時変化分が補正できる。

【００１５】

【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。

【００１６】図１に示されるように、本発明のガス濃度
検出装置は、主に、レーザ部と、光学系と、レーザ駆動
回路１と、信号処理部２０とから構成される。

【００１７】レーザ部は、単一波長のレーザ光を発振さ
せる分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）２と、Ｄ
ＦＢ−ＬＤ２を搭載してその温度を制御するためのペル
チェ素子３とから構成される。なお、ＤＦＢ−ＬＤ２か
らのレーザ光を光分岐手段４にカップリングするための
コネクタ及び集光レンズ、或いは集光レンズからの戻り
光をカットする光アイソレータから成る光学部品は図面
上では省略した。また、これらの光学部品の端面には無
反射コーティング処理が施され、ＤＦＢ−ＬＤ２への戻
り光は極めて小さくなっている。

【００１８】光学系は、光分岐手段４と、往路用光ファ
イバ５ａ，５ｂ，５ｃと、検出対象ガスセル６と、基準
ガスセル７と、復路用光ファイバ５ｄ，５ｅと、受光器
８ａ，８ｂ，８ｃとから構成される。光分岐手段４は、
ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光を往路用光ファイバ５
ａ，５ｂ，５ｃに分岐するものである。

【００１９】検出対象ガスセル６は、測定対象である未
知濃度の種々のガス（メタン、アセチレン等）が充填さ
れる容器であり、検出対象とする位置に容易に設置する
ことができるようになっている。検出対象ガスセル６の
一側には往路用光ファイバ５ｃが接続され、その反対側
には復路用光ファイバ５ｅが接続されており、ＤＦＢ−
ＬＤ２からのレーザ光の一部が測定対象ガス雰囲気を透
過し、復路用光ファイバ５ｅの一端の受光器８ｃに受光
されるようになっている。

【００２０】基準ガスセル７は、基準となる任意のガス
が充填される容器であり、ガスの注入、排出が容易にで
き、圧力も任意に設定できるようになっている。基準ガ
スセル７の一側には往路用光ファイバ５ｂが接続され、
その反対側には復路用光ファイバ５ｄが接続されてお
り、ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光の一部が基準ガス雰
囲気を透過して復路用光ファイバ５ｄの一端の受光器８
ｂに受光されるようになっている。

【００２１】往路用光ファイバ５ａは直接、受光器８ａ
に接続されており、ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光の一
部がそのまま受光器８ａに受光されるようになってい
る。なお、光ファイバ５ａ〜５ｅの端面は斜めカット無
反射コーティング等により干渉系がないように処理され
ている。

【００２２】レーザ駆動回路１は、周波数ωの正弦波信
号を出力する発振器１０と、この周波数ωの正弦波信号
から周波数２ωの２倍波信号を生成する倍周器１１と、
バイアス電流を付加するためのバイアス電流電源１２
と、バイアス電流の掃引の仕方を決定する掃引器１３
と、ペルチェ素子用電源９とから構成される。レーザ駆
動回路１は、発振器１０からの正弦波信号がバイアス電
流電源１２からのバイアス電流に重畳されてＤＦＢ−Ｌ
Ｄ２を駆動するようになっている。バイアス電流電源１
２の出力側には発振器１０の出力による影響を防ぐため
のインダクタンスＬが設けられ、発振器１０の出力側に
は直流分をカットするためのコンデンサＣが設けられて
いる。

【００２３】信号処理部２０は、発振器１０からの周波
数ωの正弦波信号に同期して受光器８ａ，８ｂの出力の
位相敏感検波を行うロックインアンプ（ω）１４と、同
じく受光器８ｃの出力の位相敏感検波を行う検出用ロッ
クインアンプ（ω）１６と、倍周器１１からの周波数２
ωの２倍波信号に同期して受光器８ａ，８ｂの出力の位
相敏感検波を行うロックインアンプ（２ω）１５と、同
じく受光器８ｃの出力の位相敏感検波を行う検出用ロッ
クインアンプ（２ω）１７と、これらのロックインアン
プの出力比を記録及び演算処理するアナライジングレコ
ーダ１８及び解析処理装置１９とから構成される。

【００２４】次に実施例の作用を述べる。

【００２５】通常のガス濃度測定の方法を説明する。

【００２６】まず、レーザ駆動回路１では、レーザ光の
中心波長をガス吸収線上に掃引するため以下の方法をと
る。

【００２７】１）ＤＦＢ−ＬＤ２の温度は、ペルチェ素
子用電源９により制御されるペルチェ素子３により一定
に固定する。

【００２８】２）ＤＦＢ−ＬＤ２のバイアス電流は、掃
引器１３により三角波となるように直線的に増減して掃
引する。

【００２９】３）ＤＦＢ−ＬＤ２の変調電流は、発振器
１０による正弦波でありバイアス電流に重畳させる。

【００３０】このようにして発振されたレーザ光は、図
示されない無反射コーティング処理が施された光学部品
により光分岐手段４に導かれ、分岐される。

【００３１】分岐されたレーザ光の一部は、往路用光フ
ァイバ５ｃを介して検出対象ガスセル６に入り、未知濃
度のガスを透過し、復路用光ファイバ５ｅを介して受光
器８ｃに受光される。また、分岐されたレーザ光の一部
は、往路用光ファイバ５ａを介してそのまま受光器８ａ
に受光される。

【００３２】信号処理部２０では、受光器８ａで検出さ
れた信号を、発振器１０からの周波数ωの正弦波信号に
同期した信号としてロックインアンプ（ω）１４で位相
敏感検波し、基本波位相敏感検波信号とする。また、倍
周器１１からの周波数２ωの２倍波信号に同期した信号
としてロックインアンプ（２ω）１５で位相敏感検波
し、２倍波位相敏感検波信号とする。これらの検波信号
をアナライジングレコーダ１８に記録する。

【００３３】一方、受光器８ｃで検出された信号を、発
振器１０からの周波数ωの正弦波信号に同期した信号と
してロックインアンプ（ω）１６で位相敏感検波し、基
本波位相敏感検波信号とする。また、倍周器１１からの
周波数２ωの２倍波信号に同期した信号としてロックイ
ンアンプ（２ω）１７で位相敏感検波し、２倍波位相敏
感検波信号とする。これらの検波信号をアナライジング
レコーダ１８に記録する。

【００３４】このとき受光器８ａ，８ｃで検出されロッ
クインアンプ（２ω）１５，１７で位相敏感検波された
２倍波位相敏感検波信号には雑音が重畳している。これ
は、光源のレーザ光にレーザと光ファイバとの結合の波
長依存性などが原因となり微小の余剰歪成分が存在し、
これを位相検波するとドリフトした雑音として現れるこ
とによる。

【００３５】光分岐手段４によって分岐されたレーザ光
の強度はそれぞれ異なるので、受光される信号強度も異
なる。従って、単純に両２倍波位相敏感検波信号の差か
らガス信号成分のみを抽出することはできない。そこ
で、同時に記録した基本波位相敏感検波信号を用いる。
即ち、信号処理部２０では、両２倍波位相敏感検波信号
を各々の基本波位相敏感検波信号で割り算することによ
り規格化する。規格化することにより、受光される信号
強度の違いによる影響が除去される。

【００３６】受光器８ａで検出されロックインアンプ
（２ω）１５で位相敏感検波された２倍波位相敏感検波
信号と、ロックインアンプ（ω）１４で位相敏感検波さ
れた基本波位相敏感検波信号との比がドリフト雑音成分
であり、受光器８ｃで検出されロックインアンプ（２
ω）１７で位相敏感検波された２倍波位相敏感検波信号
と、ロックインアンプ（ω）１６で位相敏感検波された
基本波位相敏感検波信号との比がガス信号成分＋ドリフ
ト雑音成分であるから、これらの差をとることによりガ
ス信号成分が得られる。

【００３７】このガス信号の波高値からガス濃度が求め
られ、波高値の両側に現れる極値或いは半幅値から圧力
を求めることができる。このとき、ドリフト雑音は除去
されており、正確な圧力、圧力補正した正確な濃度を求
めることができる。

【００３８】次に、レーザの劣化等によるガス信号の歪
分を測定し、補正する方法を説明する。

【００３９】ＤＦＢ−ＬＤ２からのレーザ光の一部は光
分岐手段４で分岐され、往路用光ファイバ５ｂを介して
基準ガスセル７に入り、基準ガスを透過し、復路用光フ
ァイバ５ｄを介して受光器８ｂに受光される。

【００４０】信号処理部２０では、受光器８ｂで検出さ
れた信号を、発振器１０からの周波数ωの正弦波信号に
同期した信号としてロックインアンプ（ω）１４で位相
敏感検波し、基本波位相敏感検波信号とする。また、倍
周器１１からの周波数２ωの２倍波信号に同期した信号
としてロックインアンプ（２ω）１５で位相敏感検波
し、２倍波位相敏感検波信号とする。これらの検波信号
をアナライジングレコーダ１８に記録する。さらに、信
号処理部２０で２倍波位相敏感検波信号と基本波位相敏
感検波信号との比が計算され、記録される。

【００４１】レーザの経時変化の補正をするために、ま
ず最初に基準ガスセル７内に特定の既知濃度のガスを充
填して、上記測定を行い基準ガス信号の初期値を記録し
ておく。その後、ある期間毎に、上記既知濃度のガスを
充填して測定を行い、その結果を記録しておく。

【００４２】前記通常のガス濃度測定に際し、基準ガス
信号の初期値及び最新の測定値を用い、レーザの経時変
化の補正量を求める。測定した未知濃度のガス信号をこ
の補正量で補正する。

【００４３】図１のガス濃度検出装置により１０ｐｐｍ
の濃度のメタンを測定した結果を図２、図３に示す。図
２には、得られたドリフト雑音成分とガス信号成分＋ド
リフト雑音成分とが示されている。図３には、これらの
差分により抽出したガス信号成分が示されている。この
抽出されたガス信号の波高値からガス濃度を求めること
ができ、波高値の両側の極値からガス圧力を求めること
ができる。

【００４４】ガス濃度検出装置は、検出対象ガスセル６
をＯＦケーブルの接続箇所に取り付けることにより、接
続箇所におけるガス濃度検出を行うことができる。これ
によりＯＦケーブルの遠隔監視が可能となる。

【００４５】上記実施例では１成分ガスの測定とした
が、特定波長のレーザ光を吸収する性質を持つガス分子
であれば多成分ガスの測定も可能であり、レーザ部や光
学系を複数設けたり切換えたりして複数のガス成分の濃
度測定が可能である。

【００４６】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００４７】（１）レーザ光の一部をガス雰囲気に通さ
ず直接受光することによりドリフト性の背景雑音のみを
検出できるので、この背景雑音を除去したガス濃度検出
が可能となる。

【００４８】（２）既知濃度のガスに対し初期の測定値
と時間経過後の測定値とを比較することによりレーザ等
の経時変化が検出できるので、この経時変化を除去した
ガス濃度検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すガス濃度検出装置の構
成図である。

【図２】本発明の実施例によるガス信号（ドリフト成分
を含む）の周波数分布図である。

【図３】本発明の実施例によるガス信号のみの周波数分
布図である。

【図４】ガス濃度及び圧力の測定に用いるガス信号の周
波数分布図である。

【図５】背景雑音に埋もれたガス信号の周波数分布図で
ある。

【符号の説明】

１ レーザ駆動回路 ２ 分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ） ３ ペルチェ素子 ４ 光分岐手段 ６ 検出対象ガスセル ７ 基準ガスセル ８ａ，８ｂ，８ｃ 受光器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 晃之 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 (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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動電流及び温度に応じた波長及び強度
   のレーザ光を発振するレーザを用い、駆動電流を変調す
   ることにより波長及び強度が変調されたレーザ光を発振
   させ、かつ駆動電流を掃引することによりレーザ光の中
   心波長を掃引させ、そのレーザ光を測定対象であるガス
   雰囲気に通して透過光を受光し、この受光信号の特定成
   分を位相敏感検波してガスの濃度を検出するガス濃度検
   出方法において、上記レーザ光の一部をガス雰囲気に通
   さず直接受光し、ガス雰囲気透過光の検波成分と直接光
   の検波成分との差からガスの濃度を検出することを特徴
   とするガス濃度検出方法。
2. 【請求項２】 上記レーザ光の一部を既知濃度のガス雰
   囲気に通して透過光を受光し、その最初の検波成分を初
   期値として記憶しておき、爾後の既知濃度のガスの透過
   光の検波成分を上記初期値と比較してレーザの経時変化
   の補正量を求め、この補正量で上記測定対象ガス透過光
   の検波成分を補正することを特徴とする請求項１記載の
   ガス濃度検出方法。
3. 【請求項３】 駆動電流及び温度に応じた波長及び強度
   のレーザ光を発振するレーザと、駆動電流を変調するこ
   とにより波長及び強度が変調されたレーザ光を発振させ
   る変調回路と、駆動電流を掃引することによりレーザ光
   の中心波長を掃引させる掃引回路と、そのレーザ光を導
   く光ファイバと、光ファイバに挿入され測定対象である
   ガス雰囲気を充填するガスセルと、ガスセルの透過光を
   受光する受光器と、この受光信号の特定成分を位相敏感
   検波してガスの濃度を検出する検波回路とを備えたガス
   濃度検出装置において、上記レーザ光の一部を分岐する
   分岐手段と、この分岐光をガス雰囲気に通さず直接受光
   する受光器と、ガス雰囲気透過光の検波成分と直接光の
   検波成分との差からガスの濃度を検出する雑音除去回路
   とを備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
4. 【請求項４】 上記レーザ光の一部を分岐する分岐手段
   と、この分岐手段に接続され既知濃度のガス雰囲気を充
   填する基準ガスセルと、基準ガスセルの透過光を受光す
   る受光器と、この基準ガスセルの透過光の最初の検波成
   分を初期値として記憶する記憶回路と、爾後の基準ガス
   セルの透過光の検波成分を初期値と比較してレーザの経
   時変化の補正量を求め、この補正量で上記測定対象ガス
   透過光の検波成分を補正する補正回路とを備えたことを
   特徴とする請求項３記載のガス濃度検出装置。