JPH11108836A - Apparatus and method for detecting very small amount of gas - Google Patents
Apparatus and method for detecting very small amount of gasInfo
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- JPH11108836A JPH11108836A JP29050697A JP29050697A JPH11108836A JP H11108836 A JPH11108836 A JP H11108836A JP 29050697 A JP29050697 A JP 29050697A JP 29050697 A JP29050697 A JP 29050697A JP H11108836 A JPH11108836 A JP H11108836A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、空間に存在するN
O2 ,SO2 ,O3 ,水蒸気などの微量気体を検出する
微量気体検出装置および微量気体検出方法に関する。[0001] The present invention relates to a method for detecting N
The present invention relates to a trace gas detection device and a trace gas detection method for detecting trace gases such as O 2 , SO 2 , O 3 , and water vapor.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般に、各種の気体分子は光の波長に対
して固有の吸収スペクトルを有する。従って、検出対象
の微量気体分子が高い吸収を示す波長の光をレーザ等の
光源から照射し、大気等の被測定空間を通過した後のそ
の波長の光の強度の低下を検出することによって、被測
定空間における検出対象の微量気体分子の存在を検出で
きる。2. Description of the Related Art Generally, various gas molecules have an absorption spectrum specific to the wavelength of light. Therefore, by irradiating a light having a wavelength at which a trace gas molecule to be detected shows high absorption from a light source such as a laser, and detecting a decrease in the intensity of the light having the wavelength after passing through a measurement space such as the atmosphere, The presence of trace gas molecules to be detected in the space to be measured can be detected.
【0003】気体分子の固有の吸収スペクトルを利用し
て被測定空間における微量気体の濃度を検出する具体的
方法として、差分吸収法がある。差分吸収法では、検出
対象の気体分子が高い吸収を示す波長の光と、その波長
の近辺で吸収の少ない波長の光とが、レーザ等から被測
定空間に交互に照射される。そして、被測定空間を伝播
した光が受光され、2つの波長の光の受光強度の差異か
らその気体の濃度が検出される。なお、差分吸収法に
は、被測定空間における散乱光を検出する差分吸収ライ
ダ(DIAL:Differential Absor
ption Lidar)や、固体目標物に当たって散
乱された光を受光する長光路差分吸収法等がある。[0003] A differential absorption method is a specific method for detecting the concentration of a trace amount of gas in a space to be measured by using an intrinsic absorption spectrum of gas molecules. In the differential absorption method, light having a wavelength at which a gas molecule to be detected exhibits high absorption and light having a wavelength near the wavelength and having low absorption are alternately applied to a measurement space from a laser or the like. Then, the light propagating in the space to be measured is received, and the concentration of the gas is detected from the difference between the received light intensities of the two wavelengths of light. In the differential absorption method, a differential absorption lidar (DIAL: Differential Absorber) that detects scattered light in a measured space is used.
ption lidar), a long optical path difference absorption method for receiving light scattered on a solid target, and the like.
【0004】気体分子の固有の吸収スペクトルを利用し
て被測定空間における微量気体を検出する場合には、吸
収波長幅が極めて狭いので、照射されるレーザ光などの
波長がその気体分子の吸収スペクトルに厳密に合致する
ように制御されなければならない。そのために、精密な
波長計を使用したり、被検出気体と同一の気体を基準気
体としてガスセル内に封入しレーザ光等の波長を変えな
がらガスセルを透過させて透過光量が最小になるよう
に、すなわち、吸収が最大になるように波長を制御しつ
つ、被測定空間にレーザ光等を照射していた。また、波
長可変の半導体レーザを使用して差分吸収法を用いる場
合には、2つの波長の光を交互に発振させるために、温
度を変えたり、外部共振器の状態を変化させることによ
って、発振波長が制御される。発振波長を気体分子の吸
収スペクトルに合致させるために、温度や外部共振器の
状態を急激に変化させ、かつ、変化後の波長が安定する
ように厳密に制御しなければならない。従って、検出装
置は複雑化せざるを得ない。また、外部共振器を用いる
場合には、波長を切り替えているときの検出値を除去し
波長が安定してからの検出値を採用するようにしなけれ
ばならない。そのことも、装置の複雑化につながる。When detecting a trace gas in the space to be measured using the intrinsic absorption spectrum of a gas molecule, the absorption wavelength width is extremely narrow. Must be controlled to match exactly. For this purpose, use a precise wavemeter or enclose the same gas as the gas to be detected as a reference gas in the gas cell, transmit the gas cell while changing the wavelength of laser light, etc., and minimize the amount of transmitted light. That is, the measured space is irradiated with laser light or the like while controlling the wavelength so that the absorption is maximized. Also, when the differential absorption method is used using a tunable semiconductor laser, the oscillation is performed by changing the temperature or changing the state of the external resonator in order to oscillate light of two wavelengths alternately. The wavelength is controlled. In order to match the oscillation wavelength to the absorption spectrum of the gas molecule, the temperature and the state of the external resonator must be rapidly changed, and strictly controlled so that the changed wavelength becomes stable. Therefore, the detection device must be complicated. When an external resonator is used, it is necessary to remove a detection value when the wavelength is switched and to use a detection value after the wavelength is stabilized. This also leads to a complicated device.
【0005】気体分子の固有の吸収スペクトルを利用し
て被測定空間における微量気体を検出する装置として、
例えば、特開昭56−87845号公報、特開平7−1
28232号公報、特公平2−47694号公報に記載
された装置があるが、いずれの装置も、基準用または較
正用のガスセルを必要とするなど複雑な構成になってい
る。[0005] As an apparatus for detecting a trace amount of gas in a space to be measured by utilizing an intrinsic absorption spectrum of gas molecules,
For example, JP-A-56-87845 and JP-A-7-1
Although there are apparatuses described in Japanese Patent Publication No. 28232 and Japanese Patent Publication No. 2-47694, each apparatus has a complicated configuration such that a gas cell for reference or calibration is required.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の微量気体検出装置によると、レーザ光等の光の波長を
厳密に吸収スペクトルに対応した波長に合わせるように
制御しなければならないので、制御部分が複雑化する。
また、高精度の波長計を使用したり、基準用または較正
用のガスセルを用いたりしなければならない。高精度の
波長計は高価である。また、ガスセルを大きくすると装
置が巨大化するのでそれほど大きくできず、その結果、
実際に測定される気体の濃度よりはるかに高い濃度の気
体をガスセルに封入する必要がある。すると、その気体
の飽和蒸気圧を越えて結露を生じたり、付帯設備が大が
かりなものになる。以上のように、従来の微量気体検出
装置には、装置が複雑になったり大型化したり、高価に
なってしまうという課題がある。As described above, according to the conventional trace gas detecting device, it is necessary to control the wavelength of light such as laser light so as to strictly match the wavelength corresponding to the absorption spectrum. The control part becomes complicated.
In addition, a high-precision wavelength meter must be used, and a gas cell for reference or calibration must be used. High precision wavemeters are expensive. Also, if the gas cell is enlarged, the device becomes huge, so it cannot be so large. As a result,
It is necessary to fill the gas cell with a gas having a concentration much higher than the concentration of the gas actually measured. Then, dew condensation may occur beyond the saturated vapor pressure of the gas, and the incidental facilities may become large. As described above, the conventional trace gas detection device has a problem that the device becomes complicated, large, or expensive.
【0007】そこで、本発明は、機構が簡略化され、小
型軽量で安価に実現できる微量気体検出装置および微量
気体検出方法を提供することを目的とする。Accordingly, an object of the present invention is to provide a trace gas detecting device and a trace gas detecting method which can be realized in a small, lightweight, and inexpensive manner with a simplified mechanism.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明による微量気体検
出装置は、検出対象気体の吸収スペクトルに対応した波
長を含む所定範囲で波長を連続的に変化させながら光を
被測定領域に照射する波長可変光照射手段と、被測定領
域を伝播した各波長の光を受光してその強度を検出する
光検出手段と、光検出手段が検出した各強度の程度にも
とづいて被測定領域中の検出対象気体の存在を検知する
検知手段とを備えたものである。検知手段は、検出対象
気体の吸収スペクトル外のスペクトルに対応した波長の
光の受光強度とレベルの下がった強度(例えば最低レベ
ルの強度)との差から検出対象気体の濃度を得る濃度検
知部を含む構成であってもよい。また、検知手段は、所
定範囲の波長の光の受光強度のうちの低レベルの受信強
度(例えば最低レベル)から被測定領域中の検出対象気
体の多寡を判定する判定手段を含む構成であってもよ
い。さらに、光検出手段は受光を電気信号に変換する光
検出器と光検出器の出力の基本波成分を出力する増幅器
とを備え、判定手段は増幅器の出力の振幅としきい値と
を比較して検出対象気体の多寡を判定する比較手段を備
えた構成であってもよい。According to the present invention, there is provided a trace gas detecting apparatus for irradiating light to an area to be measured while continuously changing the wavelength within a predetermined range including a wavelength corresponding to an absorption spectrum of a gas to be detected. Variable light irradiating means, light detecting means for receiving light of each wavelength propagated through the measured area and detecting its intensity, and detecting objects in the measured area based on the degree of each intensity detected by the light detecting means. Detecting means for detecting the presence of gas. The detection means includes a concentration detection unit that obtains the concentration of the gas to be detected from the difference between the received light intensity of light having a wavelength corresponding to a spectrum outside the absorption spectrum of the gas to be detected and the intensity of the lowered level (for example, the lowest level intensity). A configuration may be included. Further, the detection means is configured to include a determination means for determining the amount of the gas to be detected in the measurement target region from a low-level reception intensity (for example, the lowest level) of the light reception intensities of light of a predetermined range of wavelengths. Is also good. Further, the light detection means includes a light detector that converts the received light into an electric signal and an amplifier that outputs a fundamental wave component of the output of the light detector, and the determination means compares the amplitude of the output of the amplifier with a threshold value. A configuration including comparison means for determining the amount of the gas to be detected may be employed.
【0009】また、本発明による微量気体検出方法は、
検出対象気体の吸収スペクトルに対応した波長を含む所
定範囲で波長を連続的に変化させながら光を被測定領域
に照射し、被測定領域を伝播した各波長の光を受光し、
受光した各波長の光の強度の差異にもとづいて被測定領
域における検出対象気体の存在または被測定領域におけ
る検出対象気体の濃度を検知するものである。Further, the method for detecting a trace gas according to the present invention comprises:
Irradiating light to the measurement area while continuously changing the wavelength in a predetermined range including the wavelength corresponding to the absorption spectrum of the gas to be detected, receiving light of each wavelength propagated through the measurement area,
The presence of the gas to be detected in the measurement region or the concentration of the gas to be detected in the measurement region is detected based on the difference in the intensity of the received light of each wavelength.
【0010】[0010]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図1は、本発明に係る微量気体検
出装置の実施の一形態を示すブロック図である。図1に
示すように、波長可変半導体レーザ装置2は、信号処理
装置1の波長掃引部11が指令する周波数のレーザ光を
発振する。送受信光学系3は、波長可変半導体レーザ装
置2から出射しコリメータレンズ30を通ったレーザ光
を微量気体が存在すると考えられる被測定空間100に
照射する。被測定空間100を伝播した光は壁面200
で反射した後、送受信光学系3に入射する。送受信光学
系3に入射した光は光検出器4で電気信号に光電変換さ
れ、増幅器5に入力する。増幅器5で増幅された電気信
号は、A−D変換器6でA−D変換された後、信号処理
装置1に入力する。信号処理装置1において、補正部1
2が距離補正等を行った後、濃度検知部13は入力信号
にもとづいて被測定空間100中の微量気体の濃度を
得、表示部14は得られた濃度を表示する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of a trace gas detection device according to the present invention. As shown in FIG. 1, the wavelength tunable semiconductor laser device 2 oscillates a laser beam having a frequency specified by the wavelength sweeping unit 11 of the signal processing device 1. The transmission / reception optical system 3 irradiates the laser beam emitted from the wavelength tunable semiconductor laser device 2 and having passed through the collimator lens 30 to a measured space 100 where a trace gas is considered to exist. The light that has propagated through the measured space 100 is
Then, the light enters the transmission / reception optical system 3. The light incident on the transmission / reception optical system 3 is photoelectrically converted by the photodetector 4 into an electric signal, and is input to the amplifier 5. The electric signal amplified by the amplifier 5 is subjected to A / D conversion by the A / D converter 6 and then input to the signal processing device 1. In the signal processing device 1, the correction unit 1
After the 2 performs distance correction and the like, the concentration detecting unit 13 obtains the concentration of the trace gas in the measured space 100 based on the input signal, and the display unit 14 displays the obtained concentration.
【0011】この実施の形態では、波長可変半導体レー
ザ装置2において、半導体レーザ21の発振周波数は、
出力ミラー23、回折格子24および全反射ミラー25
からなる外部共振器22および圧電素子26によって制
御される。信号処理装置1の波長掃引部11は、圧電素
子26に印加される電圧を制御する。また、この実施の
形態では、送受信光学系3は、凹レンズ33および凸レ
ンズ34からなるビームエキスパンダを含む送信光学系
31を備えるとともに、集光レンズ35を含む受信光学
系32を備える。In this embodiment, in the wavelength tunable semiconductor laser device 2, the oscillation frequency of the semiconductor laser 21 is
Output mirror 23, diffraction grating 24 and total reflection mirror 25
Is controlled by the external resonator 22 and the piezoelectric element 26. The wavelength sweeping unit 11 of the signal processing device 1 controls a voltage applied to the piezoelectric element 26. In this embodiment, the transmission / reception optical system 3 includes a transmission optical system 31 including a beam expander including a concave lens 33 and a convex lens 34, and includes a reception optical system 32 including a condenser lens 35.
【0012】次に、図1および図2〜図5を参照して動
作について説明する。信号処理装置1において、波長掃
引部11は、周波数が徐々に変化していく光が発振され
るように、全反射ミラー24の傾きを変える。周波数の
変化範囲内には、検出したい微量気体の固有の吸収スペ
クトルが含まれる。全反射ミラー24は、圧電アクチュ
エータとして作用する圧電素子26によって傾きが変わ
るように構成されている。また、波長可変半導体レーザ
装置2からのレーザ光の波長は、全反射ミラー24の傾
きに応じて変化する。そこで、波長掃引部11は、全反
射ミラー24の傾き量に応じた電圧を圧電素子26に印
加していく。すると、波長可変半導体レーザ装置2から
波長が徐々に変化する光が出射される。Next, the operation will be described with reference to FIG. 1 and FIGS. In the signal processing device 1, the wavelength sweeping unit 11 changes the inclination of the total reflection mirror 24 so that light whose frequency gradually changes is oscillated. Within the frequency change range, the unique absorption spectrum of the trace gas to be detected is included. The total reflection mirror 24 is configured to change its inclination by a piezoelectric element 26 acting as a piezoelectric actuator. Further, the wavelength of the laser light from the tunable semiconductor laser device 2 changes according to the inclination of the total reflection mirror 24. Therefore, the wavelength sweeping unit 11 applies a voltage corresponding to the amount of inclination of the total reflection mirror 24 to the piezoelectric element 26. Then, light whose wavelength gradually changes is emitted from the wavelength variable semiconductor laser device 2.
【0013】波長可変半導体レーザ装置2からの光は、
コリメートレンズ30で平行光にされた後、送受信光学
系3の送信光学系31におけるビームエキスパンダで拡
がり角が調整され、検出対象の微量気体が存在すると考
えられる被検出空間100に照射される。被検出空間1
00を伝播した光は壁面200で反射され、再度被検出
空間100を伝播して送受信光学系3の受信光学系32
に入射する。受信光学系32に入射した光は、集光レン
ズ35で集光され光検出器4に入射する。光検出器4
は、入射した光を光電変換して、入射光の強度に応じた
振幅を有する電気信号を出力する。その電気信号は増幅
器5に入力される。The light from the wavelength tunable semiconductor laser device 2 is
After being converted into parallel light by the collimating lens 30, the divergence angle is adjusted by a beam expander in the transmission optical system 31 of the transmission / reception optical system 3, and the beam is irradiated onto the detection space 100 in which a trace gas to be detected is considered to be present. Detected space 1
The light that has propagated through 00 is reflected by the wall surface 200, propagates through the detected space 100 again, and is received by the receiving optical system 32 of the transmitting and receiving optical system 3.
Incident on. The light incident on the receiving optical system 32 is condensed by the condenser lens 35 and is incident on the photodetector 4. Photodetector 4
Converts photoelectrically the incident light and outputs an electric signal having an amplitude corresponding to the intensity of the incident light. The electric signal is input to the amplifier 5.
【0014】増幅器5は、波長掃引速度に応じた帯域の
電気信号を増幅した後、増幅された電気信号をA−D変
換器6に出力する。A−D変換器6は、入力された電気
信号をA−D変換して信号処理装置1に出力する。信号
処理装置1において、補正部12は、ディジタル化され
た信号に対して、例えば光の伝播距離の2乗に比例した
係数を乗ずる。受信信号の強度は光の伝播距離の2乗に
反比例して弱くなっているが、補正部12はその点を補
正する。The amplifier 5 amplifies the electric signal in the band corresponding to the wavelength sweep speed, and outputs the amplified electric signal to the A / D converter 6. The A / D converter 6 A / D converts the input electric signal and outputs the signal to the signal processing device 1. In the signal processing device 1, the correction unit 12 multiplies the digitized signal by a coefficient proportional to, for example, the square of the light propagation distance. The intensity of the received signal decreases in inverse proportion to the square of the light propagation distance, but the correction unit 12 corrects that point.
【0015】被測定空間100中に微量気体が存在する
場合には、図2に示すように、特定の波長の光が吸収さ
れるので、受信光学系35に入射する光のうちの特定の
波長の光の強度が弱くなっている。すると、光検出器4
における電気信号の強度(振幅)すなわち受信入力も低
くなる。図2に示すように、微量気体の濃度が低い場合
には受信入力の低下の程度は小さいが、濃度が高くなる
と受信入力の低下も顕著になる。また、受信入力が低下
していないときの受信入力の値と、受信入力最小点にお
ける値との差は、微量気体の濃度に対応している。When a trace amount of gas is present in the space to be measured 100, as shown in FIG. 2, light of a specific wavelength is absorbed. The light intensity is weak. Then, the photodetector 4
, The strength (amplitude) of the electrical signal, that is, the reception input also decreases. As shown in FIG. 2, when the concentration of the trace gas is low, the degree of decrease in the reception input is small, but when the concentration is high, the decrease in the reception input becomes remarkable. Further, the difference between the value of the reception input when the reception input does not decrease and the value at the minimum point of the reception input corresponds to the concentration of the trace gas.
【0016】そこで、信号処理装置1における濃度検知
部13は、時々刻々入力される各信号値のうちで最小と
なる値を求める。そして、その値と、値が低下していな
い信号値との差から、被測定空間100中に存在する微
量気体の濃度を算出し、それを表示部14に表示する。
また、この微量気体検出装置が水蒸気その他のガスの漏
れ検出を行う警報装置に使用される場合には、入力され
る各信号値が所定のしきい値(図2参照)よりも低下す
ると、漏れたガスの濃度が決められた濃度よりも高くな
ったとして、濃度検知部13は警報を発することができ
る。なお、受信入力はレーザ光の強度等に応じて変化す
るので、しきい値を設定する場合には、それらの要素も
考慮される。Therefore, the density detecting section 13 in the signal processing device 1 obtains the minimum value among the signal values inputted every moment. Then, from the difference between the value and the signal value whose value has not decreased, the concentration of the trace gas present in the measured space 100 is calculated and displayed on the display unit 14.
When the trace gas detection device is used as an alarm device for detecting leakage of water vapor or other gas, if each input signal value becomes lower than a predetermined threshold value (see FIG. 2), the leakage is detected. The concentration detector 13 can issue an alarm when the concentration of the gas has become higher than the predetermined concentration. Since the reception input changes in accordance with the intensity of the laser beam and the like, these factors are considered when setting the threshold.
【0017】以上のように、この実施の形態によれば、
被測定空間100中に存在すると考えられる微量気体の
固有の吸収スペクトルを含む所定範囲の周波数の光を、
周波数を連続的に変えて被測定空間100に照射する。
また、壁面200で反射された光を光電変換して得た受
信入力を時々刻々入手する。そして、被測定空間100
からの受信入力が最小になるときの受信入力値から微量
気体の濃度を求めたり、受信入力値としきい値との比較
結果にもとづいて警報を発したりする。波長可変範囲に
は検出対象気体の吸収スペクトルに応じた波長が含まれ
るので、被測定空間100に検出対象気体が存在すれ
ば、時々刻々入手された受信入力の中にレベルが低下し
たものがある。すなわち、受信入力値の中で低レベルの
ものがあれば、検出対象気体が存在すると検知できる。
この実施の形態では所定範囲で波長が連続的に変化する
光を出射するだけでよいので、半導体レーザ21の発振
波長を微量気体の固有の吸収スペクトルに厳密に合致さ
せる必要がなくなる。従って、装置構成を簡略化するこ
とができる。As described above, according to this embodiment,
Light of a predetermined range of frequencies including a unique absorption spectrum of a trace gas considered to exist in the measured space 100,
Irradiation is performed on the space to be measured 100 while continuously changing the frequency.
Further, a reception input obtained by photoelectrically converting the light reflected by the wall surface 200 is obtained from time to time. Then, the measured space 100
The concentration of the trace gas is obtained from the received input value when the received input from is minimized, or an alarm is issued based on the result of comparison between the received input value and the threshold value. Since the wavelength variable range includes a wavelength corresponding to the absorption spectrum of the gas to be detected, if the gas to be detected exists in the measured space 100, some of the reception inputs obtained every moment have a reduced level. . That is, if there is a low level among the received input values, it can be detected that the detection target gas exists.
In this embodiment, since it is only necessary to emit light whose wavelength continuously changes within a predetermined range, it is not necessary to make the oscillation wavelength of the semiconductor laser 21 strictly coincide with the intrinsic absorption spectrum of the trace gas. Therefore, the device configuration can be simplified.
【0018】さらに、図3に示すように、波長可変半導
体レーザ装置2からのレーザ光の波長の可変範囲を、検
出対象の気体による吸収のない波長の裾部から吸収スペ
クトルの幅のうちのピークを経由して次の裾部までの程
度の幅(10〜100pmオーダ)とする。そして、発
振波長がその範囲内を往復するようにレーザ光の波長を
変化させる。さらに、その往復を例えばkHzオーダの
周波数で繰り返す。波長掃引部11は、この範囲内で、
発振波長が変化するように、波長可変半導体レーザ装置
2における圧電素子26に与える電圧を変化させる。こ
のように構成した場合には、受信入力の時間的変化は、
検出対象の気体の濃度が高い場合には図4(A)に示す
ようになり、気体の濃度が低い場合には図4(B)に示
すようになる。Further, as shown in FIG. 3, the variable range of the wavelength of the laser light from the wavelength tunable semiconductor laser device 2 is changed from the bottom of the wavelength not absorbed by the gas to be detected to the peak in the width of the absorption spectrum. And the width up to the next hem (on the order of 10 to 100 pm). Then, the wavelength of the laser light is changed so that the oscillation wavelength reciprocates within the range. Further, the reciprocation is repeated at a frequency of, for example, kHz. The wavelength sweep unit 11 sets
The voltage applied to the piezoelectric element 26 in the wavelength tunable semiconductor laser device 2 is changed so that the oscillation wavelength changes. With this configuration, the temporal change of the received input is
When the concentration of the gas to be detected is high, the result is as shown in FIG. 4A, and when the concentration of the gas is low, the result is as shown in FIG. 4B.
【0019】以上のように可変範囲を限定した場合に
は、圧電素子26の動作範囲も限定されるので、圧電素
子26を制御する部分の構成は簡略化される。また、レ
ーザ光の波長の掃引をkHzオーダで繰り返せば、増幅
器5の増幅範囲も狭い帯域(kHzオーダ)で済む。さ
らに、増幅器5を、基本波成分のみを増幅するように構
成する。すると、増幅器5の出力は、図5(A),
(B)に示すように、波長掃引の往復周波数(1往復を
1周期とする)の2倍の周波数の正弦波となる。When the variable range is limited as described above, the operation range of the piezoelectric element 26 is also limited, so that the configuration of the part for controlling the piezoelectric element 26 is simplified. Further, if the sweep of the wavelength of the laser beam is repeated on the order of kHz, the amplification range of the amplifier 5 can be a narrow band (on the order of kHz). Further, the amplifier 5 is configured to amplify only the fundamental wave component. Then, the output of the amplifier 5 is as shown in FIG.
As shown in (B), the sine wave has a frequency twice as high as the reciprocating frequency of the wavelength sweep (one reciprocation is defined as one cycle).
【0020】より簡略化された以上のような構成によれ
ば、図6に示すように、微量気体検出装置をより簡易な
構成とすることができる。図6において、波長掃引部1
1は図1に示されたものと同じものであるが、この場合
には、増幅器5の出力は警報発生部7に入力する。警報
発生部7は、例えば図6に示されたように構成され、増
幅器5の出力をコンデンサ71を介して入力するレベル
比較器72、ブザーやランプ等の警報器74および警報
器74を動作させるためのスイッチ73を含む。According to the above simplified structure, as shown in FIG. 6, the trace gas detecting device can have a simpler structure. In FIG. 6, the wavelength sweep unit 1
1 is the same as that shown in FIG. 1, but in this case, the output of the amplifier 5 is input to the alarm generator 7. The alarm generator 7 is configured as shown in FIG. 6, for example, and operates a level comparator 72 that inputs the output of the amplifier 5 via a capacitor 71, an alarm 74 such as a buzzer or a lamp, and an alarm 74. Switch 73 is included.
【0021】以下、図7の波形図を参照して、図6に示
された微量気体検出装置の動作を説明する。波長掃引部
11が所定範囲の波長のレーザ光が出力されるように制
御を行って、増幅器5が受信入力を増幅するまでの動作
は、図1に示された装置における動作と同様である。こ
の場合には、増幅器5の出力は、警報発生部7に入力さ
れる。警報発生部7において、図7に示すようなコンデ
ンサ71によって直流分が除去された正弦波がレベル比
較器72に入力される。レベル比較器72に入力された
正弦波の振幅は、被測定空間100に存在する微量気体
の濃度に対応している。The operation of the trace gas detection device shown in FIG. 6 will be described below with reference to the waveform diagram of FIG. The operation until the wavelength sweeping unit 11 performs control so that the laser light of a predetermined range of wavelength is output and the amplifier 5 amplifies the reception input is the same as the operation in the apparatus shown in FIG. In this case, the output of the amplifier 5 is input to the alarm generator 7. In the alarm generator 7, the sine wave from which the DC component has been removed by the capacitor 71 as shown in FIG. 7 is input to the level comparator 72. The amplitude of the sine wave input to the level comparator 72 corresponds to the concentration of the trace gas present in the measured space 100.
【0022】そこで、レベル比較器72は、入力される
正弦波の振幅と警報しきい値とを比較する。図7(A)
に示されるように正弦波の振幅が警報しきい値を越えて
いれば、レベル比較器72はスイッチ73を導通状態に
する。すると、ブザーやランプで構成される警報器74
が動作し、警報が発せられる。図7(B)に示されるよ
うに正弦波の振幅が警報しきい値を越えていない場合に
は、被測定空間100に存在する微量気体の濃度が低い
ので、レベル比較器72はスイッチ73を導通状態にし
ない。従って、警報は発せられない。Therefore, the level comparator 72 compares the amplitude of the input sine wave with the alarm threshold. FIG. 7 (A)
If the amplitude of the sine wave exceeds the alarm threshold as shown in FIG. 7, the level comparator 72 turns on the switch 73. Then, the alarm 74 composed of a buzzer and a lamp
Operates and an alarm is issued. If the amplitude of the sine wave does not exceed the alarm threshold as shown in FIG. 7B, the level comparator 72 switches the switch 73 because the concentration of the trace gas present in the measured space 100 is low. Do not conduct. Therefore, no alarm is issued.
【0023】このように受信入力の振幅の大小によって
警報を発するか発しないか決めるので、図1に示された
ような信号処理装置1を設けなくてもよい。すなわち、
警報を発するだけでよいのであれば、このように、構成
を簡略化でき、装置を小型軽量にできる。なお、壁面2
00までの距離が大きい場合やレーザ出力が小さい場合
には増幅器5の出力振幅は大きくならない。そのような
場合と、気体濃度が低くて振幅が小さくなる場合とを識
別することが難しい場合には、光検出器4の出力の直流
分をモニタして、レベル比較器72におけるしきい値に
反映させればよい。As described above, whether the alarm is issued or not is determined according to the magnitude of the amplitude of the reception input. Therefore, the signal processing device 1 as shown in FIG. 1 does not need to be provided. That is,
If only an alarm needs to be issued, the configuration can be simplified and the device can be reduced in size and weight. The wall 2
When the distance to 00 is large or when the laser output is small, the output amplitude of the amplifier 5 does not increase. When it is difficult to distinguish between such a case and a case where the gas concentration is low and the amplitude is small, the DC component of the output of the photodetector 4 is monitored, and the threshold value in the level comparator 72 is set. It should be reflected.
【0024】上記の各実施の形態では連続発振レーザ
(CWレーザ)を用いるようにしたが、壁面200まで
の距離が大きい場合など計測が困難になる場合には、レ
ーザ光のピーク出力を増大させるために、レーザ光のパ
ルス化を図ってもよい。また、外部共振器22にQスイ
ッチ機能を持たせるようにしてもよい。そのようにして
計測距離の増大を図ることができる。さらに出力の増大
を図るために、Ti:サファイアレーザ等の波長可変固
体レーザを用いるようにしてもよい。In each of the above embodiments, a continuous wave laser (CW laser) is used. However, when it is difficult to measure the distance, for example, when the distance to the wall 200 is large, the peak output of the laser light is increased. For this purpose, the laser light may be pulsed. Further, the external resonator 22 may have a Q-switch function. In this way, the measurement distance can be increased. In order to further increase the output, a tunable solid-state laser such as a Ti: sapphire laser may be used.
【0025】上述した半導体レーザや固体レーザでは発
振不可能な吸収スペクトルを有する気体を対象とする場
合には、第2高調波(SHG)や第3高調波(THG)
を利用して吸収スペクトルに応じた波長の光を出射れば
よい。また、光パラメトリック発振を利用して、そのよ
うな波長の光を出射ればよい。When a gas having an absorption spectrum that cannot be oscillated by the above-described semiconductor laser or solid-state laser is used, the second harmonic (SHG) or the third harmonic (THG) is used.
The light having a wavelength corresponding to the absorption spectrum may be emitted by utilizing the above. Also, light having such a wavelength may be emitted using optical parametric oscillation.
【0026】極めて接近した吸収スペクトルが何本か存
在し、特定のスペクトルのみを識別してそれに応じた波
長範囲のレーザ光を出射することが困難な場合には、図
8に示すように、波長可変範囲を広くとればよい。この
場合、その範囲に含まれる吸収スペクトルの数が多いと
増幅器5の出力の周波数が高くなるが、動作範囲の広い
増幅器5を用いたり波長可変の速度を下げたりして対応
することができる。If there are several absorption spectra that are extremely close to each other and it is difficult to identify only a specific spectrum and emit a laser beam in a wavelength range corresponding to the absorption spectrum, as shown in FIG. The variable range may be widened. In this case, if the number of absorption spectra included in the range is large, the output frequency of the amplifier 5 increases, but this can be handled by using the amplifier 5 having a wide operating range or reducing the wavelength variable speed.
【0027】[0027]
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、微量気
体検出装置を、波長を連続的に変化させながら光を被測
定領域に照射する波長可変光照射手段と、被測定領域を
伝播した各波長の光を受光してその強度を検出する光検
出手段と、光検出手段が検出した各強度の程度にもとづ
いて被測定領域中の検出対象気体の存在を検知する検知
手段とを備えた構成としたので、被測定領域中の微量気
体を検出するために光の波長をその気体の吸収スペクト
ルに応じた波長に厳密に合わせる必要はなくなる。その
結果、構成が簡略化され小型軽量化された微量気体検出
装置を提供できる効果がある。検知手段を、検出対象気
体の吸収スペクトル外のスペクトルに対応した波長の光
の受光強度とレベルの下がった強度との差から検出対象
気体の濃度を得る濃度検知部を含むように構成した場合
には、簡略化された構成で被測定領域中の検出対象気体
の濃度が得られる効果がある。検知手段を、所定範囲の
波長の光の受光強度のうちのレベルの下がった受信強度
から被測定領域中の検出対象気体の多寡を判定する判定
手段を含むように構成した場合には、検出対象気体の存
在を検出する微量気体検出装置の構成をより簡略化でき
る効果がある。受光を電気信号に変換する光検出器と光
検出器の出力の基本波成分を出力する増幅器とを光検出
手段が備え、増幅器の出力の振幅としきい値とを比較し
て検出対象気体の多寡を判定する比較手段を判定手段が
備えた構成とした場合には、さらに小型軽量化された微
量気体検出装置を提供できる効果がある。As described above, according to the present invention, the trace gas detecting device is provided with a wavelength tunable light irradiating means for irradiating light to the measured area while continuously changing the wavelength, and a light propagating through the measured area. Light detecting means for receiving the light of each wavelength and detecting the intensity thereof, and detecting means for detecting the presence of the gas to be detected in the measured area based on the degree of each intensity detected by the light detecting means. With this configuration, it is not necessary to strictly adjust the wavelength of light to a wavelength corresponding to the absorption spectrum of the gas in order to detect a trace gas in the region to be measured. As a result, there is an effect that it is possible to provide a small-sized gas detector having a simplified configuration and reduced size and weight. When the detection means is configured to include a concentration detection unit that obtains the concentration of the detection target gas from the difference between the received light intensity of the light having a wavelength corresponding to the spectrum outside the absorption spectrum of the detection target gas and the reduced intensity of the light. Has the effect of obtaining the concentration of the gas to be detected in the measurement area with a simplified configuration. If the detection means is configured to include a determination means for determining the amount of the gas to be detected in the measurement area from the reception intensity of the received light having a reduced level among the light reception intensities of light in a predetermined range, the detection target This has the effect of simplifying the configuration of the trace gas detection device for detecting the presence of gas. The light detection means includes a photodetector that converts the received light into an electric signal and an amplifier that outputs a fundamental wave component of the output of the photodetector, and compares the amplitude of the output of the amplifier with a threshold to determine the amount of gas to be detected. In the case where the comparing means for judging is provided with the judging means, there is an effect that it is possible to provide a small and light trace gas detecting device.
【0028】また、微量気体検出方法を、波長を連続的
に変化させながら光を被測定領域に照射し、被測定領域
を伝播した各波長の光を受光し、受光した各波長の光の
強度の差異にもとづいて被測定領域における検出対象気
体の存在または被測定領域における検出対象気体の濃度
を検知するようにした場合には、微量気体を検出するた
めのシステムの構成が簡略化され小型軽量化される効果
がある。In the method for detecting a trace amount of gas, a light is irradiated onto an area to be measured while continuously changing the wavelength, light of each wavelength transmitted through the area to be measured is received, and the intensity of the received light of each wavelength is received. If the presence of the gas to be detected in the measurement area or the concentration of the gas to be detected in the measurement area is detected based on the difference between the two, the configuration of the system for detecting the trace gas is simplified and the size and weight are reduced. There is an effect that is made.
【図1】 本発明に係る微量気体検出装置の実施の一形
態を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of a trace gas detection device according to the present invention.
【図2】 受信入力と光の波長との関係を示す説明図で
ある。FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a relationship between a reception input and a wavelength of light.
【図3】 波長可変範囲の一例を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of a wavelength variable range.
【図4】 時々刻々得られる受信入力の一例を示す説明
図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a reception input obtained every moment.
【図5】 増幅器出力の一例を示す波形図である。FIG. 5 is a waveform chart showing an example of an amplifier output.
【図6】 本発明に係る微量気体検出装置の他の実施の
形態を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing another embodiment of the trace gas detecting device according to the present invention.
【図7】 図6に示された微量気体検出装置におけるレ
ベル比較器の入力の一例を示す説明図である。7 is an explanatory diagram illustrating an example of an input of a level comparator in the trace gas detection device illustrated in FIG. 6;
【図8】 波長可変範囲の他の例を示す説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram showing another example of the wavelength variable range.
1 信号処理装置 2 波長可変半導体レーザ装置 3 送受信光学系 4 光検出器 5 増幅器 6 A−D変換器 7 警報発生部 11 波長掃引部 13 濃度検知部 100 被測定空間 REFERENCE SIGNS LIST 1 signal processing device 2 wavelength tunable semiconductor laser device 3 transmission / reception optical system 4 photodetector 5 amplifier 6 A / D converter 7 alarm generator 11 wavelength sweeper 13 concentration detector 100 measured space
Claims (5)
た波長を含む所定範囲で波長を連続的に変化させながら
光を被測定領域に照射する波長可変光照射手段と、 前記被測定領域を伝播した各波長の光を受光してその強
度を検出する光検出手段と、 前記光検出手段が検出した各強度の程度にもとづいて前
記被測定領域中の検出対象気体の存在を検知する検知手
段とを備えた微量気体検出装置。A wavelength tunable light irradiating means for irradiating light to an area to be measured while continuously changing a wavelength in a predetermined range including a wavelength corresponding to an absorption spectrum of a gas to be detected; Light detecting means for receiving light of each wavelength and detecting the intensity thereof, and detecting means for detecting the presence of the gas to be detected in the measured area based on the degree of each intensity detected by the light detecting means. Equipped with a trace gas detector.
トル外のスペクトルに対応した波長の光の受光強度とレ
ベルの下がった受光強度との差から前記検出対象気体の
濃度を得る濃度検知部を含む請求項1記載の微量気体検
出装置。2. A concentration detecting unit for obtaining a concentration of the gas to be detected from a difference between a light receiving intensity of light having a wavelength corresponding to a spectrum outside the absorption spectrum of the gas to be detected and a light receiving intensity having a lowered level. The trace gas detection device according to claim 1, comprising:
強度のうちの低レベルの受信強度から被測定領域中の検
出対象気体の多寡を判定する判定手段を含む請求項1記
載の微量気体検出装置。3. The trace amount according to claim 1, wherein the detection means includes a determination means for determining the amount of the gas to be detected in the measurement area from a low-level reception intensity among the reception intensities of light of a predetermined range of wavelengths. Gas detector.
る光検出器と、この光検出器の出力の基本波成分を出力
する増幅器とを備え、 判定手段は、前記増幅器の出力の振幅としきい値とを比
較して検出対象気体の多寡を判定する比較手段を備えた
請求項3記載の微量気体検出装置。4. The photodetector includes a photodetector that converts received light into an electric signal, and an amplifier that outputs a fundamental wave component of an output of the photodetector. 4. The trace gas detection device according to claim 3, further comprising a comparison unit that compares the threshold value with the threshold value to determine the amount of the detection target gas.
た波長を含む所定範囲で波長を連続的に変化させながら
光を被測定領域に照射し、 前記被測定領域を伝播した各波長の光を受光し、 受光した各波長の光の強度の差異にもとづいて前記被測
定領域における検出対象気体の存在または前記被測定領
域における検出対象気体の濃度を検知する微量気体検出
方法。5. A target area is irradiated with light while continuously changing a wavelength within a predetermined range including a wavelength corresponding to an absorption spectrum of a gas to be detected, and light of each wavelength transmitted through the target area is received. A trace gas detection method for detecting the presence of the gas to be detected in the measurement area or the concentration of the gas to be detected in the measurement area based on a difference in the intensity of the received light of each wavelength.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29050697A JPH11108836A (en) | 1997-10-07 | 1997-10-07 | Apparatus and method for detecting very small amount of gas |
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JP (1) | JPH11108836A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005502879A (en) * | 2001-09-05 | 2005-01-27 | リンデ メディカル センサーズ アーゲー | Optical waveguide detector system |
JP2007248369A (en) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Horiba Ltd | Gas analyzer and analysis method |
JP2008232919A (en) * | 2007-03-22 | 2008-10-02 | Anritsu Corp | Gas detection device |
KR20180060692A (en) * | 2016-11-29 | 2018-06-07 | 한국원자력연구원 | Lidar apparatus and error reduction metohd thereof |
US10714888B2 (en) | 2018-03-12 | 2020-07-14 | Ricoh Company, Ltd. | Pulsed electromagnetic-wave generator and measuring apparatus |
-
1997
- 1997-10-07 JP JP29050697A patent/JPH11108836A/en active Pending
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