JPH0830680B2

JPH0830680B2 - ガス検出装置

Info

Publication number: JPH0830680B2
Application number: JP27581090A
Authority: JP
Inventors: 治男永井; 允文相沢
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1990-10-15
Filing date: 1990-10-15
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH04151546A

Description

【発明の詳細な説明】〔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。

〔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、3.39μｍ帯に吸収帯を有す
る。この吸収帯を利用して、「メタンガス濃度測定法お
よびその測定装置」が開示されている（特開昭59−5615
1号公報）。この発明は、測定すべきメタンガスを測定
セルに流入させ、光源としてのLED（Light Emitting Di
ode）から測定セルおよび測定セルから光検出器まで光
を光ファイバで伝送し、メタンガスの吸収波長とそれ以
外の波長はフィルタで分光している。つまり、測定セル
内のメタンガスによる光吸収により、光検出器で受光し
た光の強度比によりメタンガスの濃度を測定するもので
ある。

また、差分吸収レーザレーダ法を応用したガス検出装
置が種々発表されている（特開昭61−222289号公報、特
開昭62−98235号公報および特開昭62−290190号公
報）。

例えば、光源としてメタンに吸収される3.3922μｍと
メタンにほとんど吸収されない3.3912μｍの２波長の赤
外He−Neレーザを使用し、この２波長のレーザ光を交互
に等しい出力で大気中に照射し、直接光又は反射光を受
光する。大気中にメタンが存在するときは、吸収により
3.3922μｍと3.3912μｍの２波長の受光信号レベルに差
が生る。その差を計測することにより大気中（光路中）
にメタンが存在すること、また、その濃度を検出してい
た（特開昭61−222289号公報および特開昭62−98235号
公報）。

また、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、同様にメタンの検出を行っていた
（特開昭62−290190号公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、測定セルにメタンガスを流入する測定法は、
炭鉱坑道内等予め測定点が限定されている箇所のメタン
ガス濃度を監視するためのものであり、道路下に埋設さ
れたガス管からのメタンガスの漏洩点および濃度を測定
するのには適していない。また、光源としてLEDが使用
され、メタンガスの漏洩点および濃度測定の用途には光
レベルが不足している。また、レーザの波長およびレベ
ルの安定化の手段がなかった。

また、赤外He−Neレーザを用いたレーザ装置は、ガス
吸収セルやミラーなどの部品も多く、構成が複雑であ
り、機械的振動に弱い。また、駆動方法も大がかりなも
のとなり、装置が大型化し、価格が高価なものであっ
た。

また、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。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであ
り、測定箇所に限定されず、しかもレーザ光の出力変動
に影響されない、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。

〔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つの異なる波長の光出力が出射されるようにする。光
出力を２つに分け、その一方は被測定ガスを通過しない
光出力、他方は被測定ガスを通過した光出力をそれぞれ
測定し、これら４つの測定値をたすき掛け演算しその比
をとって正規化し、こうして得られたたすきかけ正規化
値を被測定ガスの吸収率に乗じて、ガス濃度の測度（メ
ジャー）とした。具体的には以下の、光源１は単一モード半導体レーザとし、前記レー
ザ装置が波長λ_１および波長λ_２のレーザ光を交互に出
力するように制御する制御部27と、被測定ガスを通過
しない、波長λ_１および波長λ_２のレーザ光を受光し、
それぞれ出力値P₁₂および出力値P₂₂を出力する第１の受
光器15と、被測定ガスを通過した、波長λ_１および波
長λ_２のレーザ光を受光し、それぞれ出力値P₁₁および
出力値P₂₁を出力する第２の受光器10と、第１の受光
器および第２の受光器から受領した出力値からたすきが
け正規化演算値（P₁₁×P₂₂）／（P₂₁×P₁₂）を計算し、
その演算値と、特定種類の被測定ガスの吸収係数とに基
づいて被測定ガスの濃度を計算する演算器26とを備えた
構成とした。

〔作用〕

このように構成されたガス検出装置によれば、以下の
処理を行う演算器26により、レーザ光の光出力に影響さ
れないで被測定ガスの濃度を求めることができる。

本発明に用いる原理を第１図により説明する。光源１
の被測定ガスに吸収される波長λ_１における光出力値を
P₁₀、受光器10および受光器15の出力値をそれぞれP₁₁、
P₁₂とする。また光源１の被測定ガスに吸収されない波
長λ_２における光出力値をP₂₀、受光器10および受光器1
5の出力値をそれぞれP₂₁、P₂₂とする。このとき、受光
器15に入射するレーザ光は、第１図に示す構成以外にガ
スセル31がない構成、または光源１の前方光出力P₁₀、P
₂₀をハーフミラーで分割したレーザ光でも良い。また、
ガスの吸収スペクトルによる透過率をK_X、吸収スペクト
ル以外の要因による透過率をR_Xとしたときの出力値は、 P₁₁＝R₁K₁P₁₀ ・・・（１） P₂₁＝R₁P₂₀ ・・・（２） P₁₂＝R₂K₂P₁₀ ・・・（３） P₂₂＝R₂P₂₀ ・・・（４）（１）、（３）式より、（２）、（４）式より、（５）、（６）式より、しかるにK₁は、 K₁＝exp（−αcl） cl＝−lnK₁/α ・・・（８）（７）、（８）式より、 α：ガス吸収係数、c:ガス濃度 l:光路長ここで被測定ガスが零のときに、 P₁₁＝P_1k、P₂₁＝P_2Kとすると、このK₂を定数として与えることにより、（９）式より
メタンガスの量（濃度×光路長）を求めることができ
る。また、光源の光出力が変動しても、（P₁₁P₂₂）／
（P₂₁P₁₂）は一定であり、（９）式のclが変化しないこ
とは明らかである。

〔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つの光の波長が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1.7μｍ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。

（第一の実施例）第２図は、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あ
る。第１の実施例は、ガスセル31を使用しない、つま
り、波長安定化用のレーザ光の光経路と、被測定ガスを
通過しない濃度測定用の光経路を分けた実施例である。
ここに示す半導体レーザ１（DFBレーザ）は、電流源２
からの駆動電流I₁、I₂に応じて、メタンに吸収される波
長λ_１（第一の実施例では1.665μｍ）および、メタン
に吸収されない波長λ_２（第一の実施例では1.664μ
ｍ）を光出力P₁₀、P₂₀で交互に出射する。

また、赤色光レーザ（または、可視光レーザ）３は、
半導体レーザ１のレーザ光の出射方向を示すためのガイ
ド用として使用する。これらのレーザから出射されるレ
ーザ光はミラー４とハーフミラー５により合波され、ミ
ラー６、７により大気中に照射される。大気中に照射さ
れたλ_１、λ_２のレーザ光は道路、壁等にて散乱され
る。その散乱したレーザ光をカセグレーン型集光鏡８に
て集光する。その光信号を、フィルタ９で赤色光レーザ
の波長成分をカットし、受光器10にて電気信号に変換
し、演算処理部20にて電気信号レベルを検出する。その
結果大気中にメタンがあるかどうかを検出する。

λ_１とλ_２は波長が極めて接近しているため、メタン
吸収特性以外の光学的特性はほとんど同一である。した
がって大気中（光路中）に存在するメタンによる透過率
をK₁、それ以外の要因による透過率をR₁とすると、この
２波長を識別できない受光器10で受光されるλ_１、λ_２
の光出力は、P₁₁＝R₁K₁P₁₀、P₂₁＝R₁P₂₀となり、電流源
２でI₁およびI₂を変化させる周期に同期して、この受光
器10の出力を、演算処理部20でサンプルホールドしてP
₁₁、P₂₁を測定する。

一方、半導体レーザ１から出射されるレーザ光を、ハ
ーフミラー11により分光し、その分光されたレーザ光を
以下に記載するそれぞれの受光器に導かれるように、ハ
ーフミラー12、13、ミラー14を配置する。

ハーフミラー12により分光されたレーザ光は受光器15
に入射する。その受光器15の出力からλ_１、λ_２それぞ
れの強度P₁₂、P₂₂を演算処理部20で測定する。

上記測定値P₁₁、P₂₁、P₁₂、P₂₂とガス吸収係数αを入
力値として与え、cl（ガス濃度×光路長）を、（９）式
を用いて、演算処理部20で計算する。ここで、測定ガス
が零のときに、 K₂（P₁₁P₂₂）／（P₂₁P₁₂）＝１となるようにK₂の値を設定する。ここで、ガスセル31が
ないため、原理的には、K₂＝１と設定してもよい。しか
し、波長に起因する誤差を打ち消し、より精度を上げる
ために、K₂を求め、設定することもできる。次に、波長
の制御を具体的に記載する。

λ_１の波長を1.665μｍになるように制御するには、
演算処理部20で、入射されたレーザ光を波長分光器16で
選択し、受光器17で受光する弁別信号強度が最低となる
ようにI₁を制御する。

λ_２の波長を1.664μｍになるように制御するには、
演算処理部20で、I₂を走査し、そして入射されたレーザ
光を波長弁別器18で選択し、受光器19で受光する弁別信
号強度が最低となるようにI₂を制御する。

なお、、とも弁別信号強度が最高となるように電
流を制御することもできる。

これらの一連の操作は高精度な温度制御下で行うこと
により極めて容易になるものであることは当然である。
しかも、半導体レーザを含めたガス検出装置の温度が変
動しても、波長制御できる半導体レーザである特徴を生
かして、レーザに加える電流を制御する。それにより温
度変動の影響をとり除き、ガス検出が容易に行えるもの
であることも明白で、本発明の大きな利点である。

このような構成により、波長λ_１、λ_２の特定強度に
おいてのメタン濃度と受光器10に入射された強度との関
係をあらかじめ演算処理部20に記憶させておくことによ
り、大気中のメタン濃度を精度よく測定することができ
る。

なお、波長弁別器としてファブリペロ干渉計あるい
は、特定の物質の吸収特性を利用する吸収セル等があ
る。特にλ_１の波長弁別器としては、検出対象であるメ
タンの吸収セルを用いれば最も簡便で精度の高い弁別を
行うことができる。

（第二の実施例）第３図は、1.67μｍ発振のInP/InGaAs系の３電極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
成図ある。第２の実施例は、ガスセル31を使用した、つ
まり、波長安定化用のレーザ光の光経路と、被測定ガス
を通過しない濃度測定用の光経路を併用した実施例であ
る。ここに示す半導体レーザ１（３電極DFBレーザ）
は、電流源２からの駆動電流I₁、I₂供給し、制御部27に
より波長の切換えを制御する。メタンに吸収される波長
λ_１（第二の実施例では1.665μｍ）および、メタンに
吸収されない波長λ_２（第二の実施例では1.664μｍ）
を交互に出射する（λ_１の光出力P₁₀、λ_２の光出力
P₂₀）。

また、赤色光レーザ（または、可視光レーザ）３は、
半導体レーザ１の一方から出射するレーザ光の出射方向
を示すためのガイド用として使用する。これらのレーザ
から出射されるレーザ光はミラー４とハーフミラー５に
より合波され、ミラー６、７により大気中に照射され
る。大気中に照射されたλ_１、λ_２のレーザ光は道路、
壁等にて散乱される。その散乱したレーザ光をカセグレ
ーン型集光鏡８にて集光する。その光信号をフィルタ９
で赤色光レーザの波長成分をカットし、受光器10にて電
気信号に変換し、サンプルホールド21で入力値（λ_１の
入力値P₁₁、λ_２の入力値P₂₁）をホールドしその値をA/
D変換器22でデジタル信号に変換後、メモリ23に記憶す
る。

さらに、半導体レーザ１の他方から出射するレーザ光
は、被測定ガスを封入した校正用ガスセル31を通過し受
光器32にて電気信号に変換し、サンプルホールド24で入
力値（λ_１の入力値P₁₂、λ_２の入力値P₂₂）をホールド
しその値をA/D変換器25でデジタル信号に変換後、メモ
リ23に記憶する。演算器26は、制御部27によりメモリ23
から読出した波長λ_１の入力値P₁₁、P₁₂、λ_２の入力値
P₂₁、P₂₂に基づいて（９）式により、測定ガスの量cl
（ガス濃度×光路長）を計算する。その計算結果を表示
器28に表示する。

なお、測定に先だって、測定ガスが零のときに、 K₂（P₁₁P₂₂）／（P₂₁P₁₂）＝１となるようにK₂の値を設定する。

また、半導体レーザ１の光出力波長をメタンに吸収さ
れる波長λ_１に調整するためには、半導体レーザ１に供
給するI₁、I₂の比率を変化させることにより制御する。
第４図に３電極DFBレーザの構成図、第５図に印加電流
に対する発振波長の特性図を示す。本実施例では、第５
図に示すように、I₁/（I₁＋I₂）＝0.85近辺で走査しメ
タンガスが封入された校正用ガスセル31に波長λ_１を通
過させその吸収量が最大、すなわち受光器32の出力値P
₁₁が最小値になるときを制御部27で監視し、電流比率を
決定する。

また、メタンに吸収されない波長λ_２を光出力する電
流比率は、I₁/（I₁＋I₂）＝0.71とすれば、第５図に示
すように常に波長λ_２はメタンの非吸収帯に制御され
る。

また、測定中に各波長λ_１、λ_２が半導体レーザ１の
発熱温度で変化しないように温度コントローラ33を介し
て制御部27で制御する。

（第三の実施例）第６図に透過する光の吸収を利用した方法のシステム
構成図を示す。第一の実施例および第二の実施例におい
ては、大気中に存在するガスを検出するのに反射光を利
用したものであった。

一方、第三の実施例は、空間を伝播し、その途中で検
出対象のガス中を通過してくる光を利用する方法であ
る。送信部40の光源と制御装置、および受信部41の受光
部と演算処理部は、第一の実施例、第二の実施例と同様
の構成のものである。また、送信部40と受信部41との同
期を取るために、メタンに吸収されない波長λ_２（第三
の実施例では1.664μｍ）を使用して同期信号を、送信
部40より受信部41に送信する。受信部41は同期信号を受
信して、同期を確立しガス検出処理を行う。さらに波長
λ_２を使用して、受信部41は送信部40に測定値P₁₁、P₂₁
を送信する。送信部40では、各データに基づいて式９）
で演算処理し、警報等を発する。

つまり、受信部41は、波長λ_１と波長λ_２を受信する
同期をとればよいだけで、波長、光出力、およびガスの
吸収スペクトル以外の要因による透過率を考慮しなくて
良い。

なお、このデータ伝送は、波長λ_２を使用せずメタリ
ック回線等の別回線を使用してもできる。さらに、送信
部40から測定値、警報しきい値等の各種パラメータ、お
よび制御信号を受信部41に送信し、受信部41で処理する
こともできる。

（第四の実施例）第７図に透過する光の吸収を利用した方法のシステム
構成図を示す。第四の実施例は、パイプラインのガス漏
れの監視装置に使用できるものである。第三の実施例で
は光を空間に出射するが、第四の実施例は、ファイバ42
に出射するものとし、パイプラインの複数の箇所にファ
イバ42から空間に光を出射するためのレンズ43と、空間
に出射されガス中を通過してくる光を、集光し再びファ
イバ44に入射するレンズ45から構成される。さらに、光
伝送路としてファイバを利用することにより、出射方向
に伝播する光だけでなく送信部40方向に反射してくる光
を利用することができる。つまり、送信部40の出射する
光の波長をメタンに吸収される波長λ_１（第四の実施例
では1.665μｍ）を使用することにより、パイプライン
のガス漏れの箇所を検出することができる。

また、各実施例においてはDFBレーザおよび３電極DFB
レーザについて説明したが、２電極DFBレーザでも同様
の機能を発揮できる。さらに波長可変DBRレーザ、集積
化DFBレーザおよび集積化DBRレーザについても同様であ
る。

さらに使用する波長について、各実施例では1.665μ
ｍ付近の吸収を利用したが第８図に示す如くメタンの吸
収線はこの付近で多く存在し、使用波長は1.665μｍに
限らない。特に実用可能な受光素子の波長依存性を考え
るとGe、InGaAsの両方の素子とも1.665μｍでは長波長
すぎて感度が落ちてしまう。また、光源のInP/InGaAsP
系レーザも活性層をInGaAsとして1.665μｍ付近で発振
させる場合には、もっと短波長での発振にくらべ出力
と、その温度特性が劣る。これらの事情を考えあわせる
と、例えば1.64μｍにある吸収ピークを利用すれば、光
源、受光素子等の性能もさらに向上し、メタンの検出を
さらに高感度で実行できることは言うまでもない。

〔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、
光源としての半導体レーザから２つの異なる波長が出射
される。さらに、半導体レーザ１から出力するレーザ光
を、被測定ガスを通過しないレーザ光を受光する第１の
受光器15と、被測定ガスを通過したレーザ光を受光する
第２の受光器10とで受光する構成とした。さらに、第１
の受光器で得られた出力値P₁₂、P₂₂と、第１の受光器で
得られた出力値P₁₁、P₂₁をたすき掛け演算しその比をと
って正規化し、こうして得られたたすきかけ正規化値を
被測定ガスの吸収率に乗じて、ガス濃度の測度（メジャ
ー）とした。そのため、従来装置では機械的な動作を利
用していた部分が電気的な信号を加えることとなり、可
動部分が減り、部品点数が少なくなり、装置の小形化、
信頼性の向上となる。

また、本発明で使用の半導体レーザは、LEDに比較し
て大きな光出力が得られるので、限られた場所のみなら
ず、道路上等のガス漏洩に用いることができる。

さらに、本発明のガス検出装置によれば、光源（半導
体レーザ）の出力変動に影響されず、２波長の光出力が
異なっても、被測定ガスのガス量を測定できる。そのた
め、光出力の制御系が簡易なもので実現でき、検出精度
も大幅に向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を説明する原理図、第２図は、本発明の第一の実施例を示すシステム構成
図、第３図は、本発明の第二の実施例を示すシステム構成
図、第４図は、本発明で使用する半導体レーザの一実施例の
３電極DFBレーザの構成図、第５図は、３電極DBRレーザの印加電流に対する発振波
長の特性図、第６図は、本発明の第三の実施例を示すシステム構成
図、第７図は、本発明の第四の実施例を示すシステム構成
図、第８図は、メタンガスの光吸収特性図である。１……光源（半導体レーザ）、２……電流源、 4,6,7,14……ミラー、５、11、12、13……ハーフミラー、８……カセグレーン型集光鏡、９……フィルタ、 10、15、17、19、32……受光器、 16、18……波長弁別器、20……演算処理部、 26……演算器、27……制御部。

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交互に発振
するレーザ装置（１）と；該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被測定ガスを検出する
ガス検出装置において；前記レーザ装置が被測定ガスに吸収される波長λ_１のレ
ーザ光と、被測定ガスに吸収されない波長λ_２のレーザ
光とを交互に出力するように制御する制御部（27）と；
前記レーザ装置が出力したレーザ光で前記被測定ガスを
通過しない、前記波長λ_１および波長λ_２のレーザ光を
交互に受光し、それぞれ出力値P₁₂および出力値P₂₂を出
力する第１の受光器（15）と；前記レーザ装置が出力し
たレーザ光で前記被測定ガスを通過した、前記波長λ_１
および波長λ_２のレーザ光を交互に受光し、それぞれ出
力値P₁₁および出力値P₂₁をそれぞれ出力する第２の受光
器（10）と；前記第１の受光器および第２の受光器から
受領した出力値からたすきがけ正規化演算値（P₁₁×
P₂₂）／（P₂₁×P₁₂）を計算し、その演算値と、前記特
定種類の被測定ガスの吸収係数とに基づいて被測定ガス
の濃度を計算する演算器（26）とを備えたことを特徴と
するガス検出装置。