JPS6140335B2 - - Google Patents

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JPS6140335B2
JPS6140335B2 JP6848080A JP6848080A JPS6140335B2 JP S6140335 B2 JPS6140335 B2 JP S6140335B2 JP 6848080 A JP6848080 A JP 6848080A JP 6848080 A JP6848080 A JP 6848080A JP S6140335 B2 JPS6140335 B2 JP S6140335B2
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light
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JP6848080A
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Japanese (ja)
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JPS56163442A (en
Inventor
Hirobumi Kashiwara
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Publication of JPS56163442A publication Critical patent/JPS56163442A/en
Publication of JPS6140335B2 publication Critical patent/JPS6140335B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は赤外分光分析方法、とくに波長可変レ
ーザを光源として用いる分光分析方法の改良に関
するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an infrared spectroscopic analysis method, particularly to an improvement in a spectroscopic analysis method using a wavelength tunable laser as a light source.

大気汚染の原因となる有害ガスたとえば一酸化
炭素(CO)、亜硫酸ガス(SO2)等の検出、定量
に赤外線吸収を利用した分光分析方法が便利であ
ることはすでに周知である。この分光分析方法に
用いる光源として赤外線を発する波長可変レーザ
が好適であることもすでに知られた事実である。
この波長可変レーザを用いた赤外分光分析方法の
1つの改善策として本発明者等は先に特願昭55―
37717にてレーザ素子に流すレーザ電流を断続電
流とし、これに微小振幅の変調電流を重畳して測
定をなす方法を提案した。すなわち、上記分析法
に用いる波長可変レーザは一般に鉛(Pb)を含
む合金半導体からなる素子を主体としており、し
かも少なくともある波長範囲内で電流とレーザ光
の振動数との間には比例関係が成立つことを利用
している。すなわち上記電流の値をI、レーザ光
の振動数をγとすると、次式が成立する。
It is already well known that spectroscopic analysis methods that utilize infrared absorption are convenient for detecting and quantifying harmful gases that cause air pollution, such as carbon monoxide (CO) and sulfur dioxide gas (SO 2 ). It is also already known that a wavelength tunable laser that emits infrared rays is suitable as a light source for use in this spectroscopic analysis method.
As an improvement measure for the infrared spectroscopic analysis method using this wavelength tunable laser, the present inventors previously filed a patent application
37717, we proposed a method in which the laser current flowing through the laser element is an intermittent current, and a modulation current of minute amplitude is superimposed on this to perform measurements. In other words, the wavelength tunable laser used in the above analysis method generally consists of an element made of an alloy semiconductor containing lead (Pb), and there is a proportional relationship between the current and the frequency of the laser light, at least within a certain wavelength range. It takes advantage of what is established. That is, when the value of the above-mentioned current is I and the frequency of the laser beam is γ, the following equation holds true.

γ=KI(ただし、Kは定数) ……(1) この関係を利用すれば屋外における大汚染ガス
分析の際に大気の変動による不規則なゆらぎを除
去して安定に測定を行なうことが可能をなる。さ
らに具体的に説明するとこの方法は、分光吸収曲
線の導関数を求め、該導関数をその原始関数で正
規化することによつて上記大気の変動による不規
則なゆらぎに基づく測定値の変動を消去すること
をその原理としている。以下その原理について簡
単に説明する。検出しようとする大気中の有害ガ
スたとえば一酸化炭素の大気中濃度C、測定の際
の光路長L、使用する波長可変レーザの出力光パ
ワーをP0、大気通過後に受光素子の受光面上に集
められた受光パワーをPrとすると、 Pr=K・P0exp{−α(γ)CL} ・f(t) ……(2) という関係が成立する。ただし、α(γ)は一酸
化炭素の吸収係数を光の振動数γの関数として表
したもので、f(t)は大気の変動による不規則
なゆらぎを時間tの関数の形で表した項である。
またKは比例定数である。上記(2)式の両辺をγで
微分すると、 P′r=dPr/dγ =−KP0・CLexp {−α(γ)CL}dα/dγ・f(t)…… (3) が得られる。ただし簡単化するためP0を微小な電
流変動範囲では無関係に一定と仮定した。上記(2)
式と(3)式とを辺々相除すると、 P′r/Pr=−CLα′(γ) ……(4) となつて大気変動による不規則なゆらぎを示す項
f(t)は消え、しかも右辺の絶対値は有害ガス
の濃度Cに比例する。それ故Prの導関数P′rをPr
で正規化すれば大気の変動による不規則なゆらぎ
に影響されることなく、有害ガスの大気中濃度を
知り得ることが上記(4)式からわかる。ただし上記
(4)式においてダツシユ記号は導関数すなわち微分
係数を表す。
γ = KI (K is a constant) ...(1) By using this relationship, it is possible to remove irregular fluctuations due to atmospheric fluctuations and perform stable measurements when analyzing large pollutant gases outdoors. Become. More specifically, this method calculates the derivative of the spectral absorption curve and normalizes the derivative with its primitive function to eliminate fluctuations in measured values due to irregular fluctuations due to atmospheric fluctuations. Its principle is to erase. The principle will be briefly explained below. The atmospheric concentration C of the harmful gas to be detected, such as carbon monoxide, the optical path length L during measurement, the output optical power of the wavelength tunable laser used P 0 , and the light receiving surface of the light receiving element after passing through the atmosphere. If the collected received light power is Pr, then the relationship Pr=K·P 0 exp{−α(γ)CL}·f(t) (2) holds true. However, α(γ) is the absorption coefficient of carbon monoxide expressed as a function of the light frequency γ, and f(t) is the irregular fluctuation due to atmospheric fluctuations expressed as a function of time t. It is a term.
Further, K is a proportionality constant. Differentiating both sides of the above equation (2) with respect to γ, we obtain P′r=dPr/dγ =−KP 0・CLexp {−α(γ)CL}dα/dγ・f(t)……(3) . However, for simplicity, P 0 is assumed to be constant regardless of the range of minute current fluctuations. Above (2)
Dividing Equation and Equation (3) side by side, we get P'r/Pr=-CLα'(γ)...(4), and the term f(t) indicating irregular fluctuations due to atmospheric fluctuations disappears. , and the absolute value of the right-hand side is proportional to the concentration C of the harmful gas. Therefore, the derivative P′r of Pr is Pr
It can be seen from equation (4) above that by normalizing with However, the above
In equation (4), the dash symbol represents a derivative, that is, a differential coefficient.

以上の理論に基づいて実際に大気中の汚染ガス
濃度を分析するためには被測定大気による吸収ス
ペクトルの導関数P′rを求める必要がある。この
P′rを実測により求めるために波長可変レーザ素
子に供給する電流を断続し、該断続電流に断続周
期よりも短かい周期を有する微小振幅の電流ゆ重
畳し、該断続電流に基づくレーザ光の出力信号中
における上記微小振幅の電流に対応する成分の量
の出力信号より、レーザから放射される光パワー
のレーザ光周波数に対する微分係数を求めるよう
にしている。
In order to actually analyze the concentration of pollutant gases in the atmosphere based on the above theory, it is necessary to find the derivative P'r of the absorption spectrum by the atmosphere to be measured. this
In order to obtain P′r by actual measurement, the current supplied to the wavelength tunable laser element is intermittent, a current with a minute amplitude having a period shorter than the intermittent period is superimposed on the intermittent current, and the laser beam based on the intermittent current is The differential coefficient of the optical power emitted from the laser with respect to the laser beam frequency is determined from the output signal of the amount of the component corresponding to the minute amplitude current in the output signal.

以上述べた原理により大気中の有害ガス濃度を
めているため、レーザ素子ほ励起電流が一定の場
合レーザ光の発振波長が一定であることが必要で
ある。しかしレーザ素子ほ長期にわたる経時変化
及びレーザ素子を冷却中の液体窒素の量の変動等
の要因によつてレーザ光長がシフトし、汚染ガス
によるレーザ光の吸収値に設定されたレーザ光波
長が変化する。この結果レーザ駆動電流を一定に
保つていても汚染ガス濃度を正確に定量すること
ができなくなる。
Since the concentration of harmful gases in the atmosphere is determined based on the principle described above, it is necessary that the oscillation wavelength of the laser beam be constant when the excitation current of the laser element is constant. However, due to factors such as long-term changes in the laser element and changes in the amount of liquid nitrogen used to cool the laser element, the laser beam length shifts, and the laser beam wavelength set to the absorption value of the laser beam by the contaminated gas changes. Change. As a result, even if the laser drive current is kept constant, it becomes impossible to accurately quantify the contaminant gas concentration.

従つてレーザの発振光波長を一定に保ち、検出
精度を正しく安定に維持するためには、所定の間
隔で、レーザを励起する断続電流を汚染ガスの吸
収ピークでの波長の発光をするような値に修正制
御する必要がある。
Therefore, in order to keep the laser's oscillation light wavelength constant and to maintain correct and stable detection accuracy, the intermittent current that excites the laser must be changed at predetermined intervals to emit light at the wavelength at the absorption peak of the contaminant gas. It is necessary to control the correction to the value.

前記特願昭55―87717の発明はレーザに流す電
流をコントロールすることによつてレーザ発振光
波長を補正するための電流制御方式に関するもの
で、その要旨とするところは、断続電流に微小振
幅の電流を重畳したレーザ駆動電流のプログラマ
ブル定電流電源より波長可変赤外線レーザ素子に
供給することによつて赤外線レーザを励起し、該
赤外線レーザを光源として特定の被検出ガスを有
するガス空間を通過して後のレーザ光を光電変換
素子に入射させて、まず電気信号に交換する。そ
して上記ガス空間におけるレーザ光の吸収量によ
りガス濃度を検出するガス濃度検出方法におい
て、前記被検出ガス空間とは別に前記特定ガス濃
度が既知である第1の較正経路と特定ガスを前記
第1の較正経路と異なる既知濃度で満たした第2
の較正経路とを設け、所定時に前記2つの較正経
路に順次レーザを切替えて通過させるとともに前
記レーザ素子に供給する断続電流値を所定範囲に
走査し、該断続電流に対応した前記レーザ光の各
較正経路の吸収値の差を記憶する記憶装置を設
け、該記憶装置した前記吸収値の差の最大値に対
応した断続電流を前記レーザ素子に供給するよう
に前記プログラマブル定電流電源を制御するよう
にしたことを特徴とするものであつた。
The invention of Japanese Patent Application No. 1987-87717 relates to a current control method for correcting the wavelength of laser oscillation light by controlling the current flowing through the laser. An infrared laser is excited by supplying a superimposed laser drive current to a wavelength-tunable infrared laser element from a programmable constant current power source, and the infrared laser is used as a light source to pass through a gas space containing a specific gas to be detected. The subsequent laser light is made incident on a photoelectric conversion element and first exchanged into an electrical signal. In the gas concentration detection method of detecting the gas concentration based on the amount of absorption of laser light in the gas space, a first calibration path in which the specific gas concentration is known separately from the gas space to be detected, and a first calibration path in which the specific gas is a second calibration route filled with a different known concentration.
A calibration path is provided, and the laser is sequentially switched to pass through the two calibration paths at a predetermined time, and the intermittent current value supplied to the laser element is scanned in a predetermined range, and each of the laser beams corresponding to the intermittent current is A storage device is provided for storing the difference in absorption values of the calibration paths, and the programmable constant current power source is controlled to supply the laser element with an intermittent current corresponding to the maximum value of the difference in the absorption values stored in the storage device. It was characterized by the fact that

しかるに上記従来の方法によれば、第1および
第2の較正経路はもちろんのこと、当該両較正経
路に順次レーザ光を切替える複数のシヤツタ機
構、ならびに該シヤツタ機構の制御装置を必要と
し、これら各部の微妙な調整が必要であつた。そ
のうえ上記従来の方法は、たとえば寒剤たる液体
窒素の量の減少とかレーザ素子の経時変化といつ
た比較的緩慢な現象によるレーザ放射光の波長変
動の修正を目的としてものであつたため、たとえ
ば液体窒素の泡の発生とか冷凍器の冷媒の振動の
ごとき高速の変化現象に起因した放射光の波長変
動の修正は不可能であるという欠点であつた。
However, the conventional method described above requires not only the first and second calibration paths, but also a plurality of shutter mechanisms that sequentially switch the laser beam to both calibration paths, and a control device for the shutter mechanisms, and each of these parts is required. A delicate adjustment was necessary. Furthermore, the conventional methods described above were aimed at correcting wavelength fluctuations in laser radiation due to relatively slow phenomena such as a decrease in the amount of liquid nitrogen as a cryogen or aging of a laser element. The drawback is that it is not possible to correct wavelength fluctuations in the synchrotron radiation caused by high-speed changing phenomena such as the formation of bubbles or the vibration of the refrigerant in a refrigerator.

本発明はこうした欠点に鑑みてなされたもので
上記第1および第2の較正経路に代つて自動周波
数制御(以下AFCと称する)専用の光経路をも
うけ、これによつて検出されるレーザ放射光波長
の変動を直接内蔵するマイクロコンピユータ(以
下マイコンを略称する)に伝え該マイコンからの
指令によつてプログラマブル定電流電源を駆使し
レーザ電流に変化を与えて高速応答のAFCを行
わせるもので、以下図面を用いて詳述する。
The present invention has been made in view of these drawbacks, and instead of the first and second calibration paths, an optical path dedicated to automatic frequency control (hereinafter referred to as AFC) is provided, and laser emitted light detected by this optical path is provided. This system directly transmits wavelength fluctuations to a built-in microcomputer (hereinafter referred to as microcomputer) and uses a programmable constant current power supply to change the laser current according to commands from the microcomputer to perform high-speed response AFC. The details will be explained below using the drawings.

第1図はガス濃度検出装置の実施例を示し、1
2は被測定ガス30と同一種のガスを既知濃度で
封入した較正セルである。5はレーザ素子、6は
検出器、7はマイコン、8はプログラマブル定電
流電源、10a,10bはACアンプ、11a,
11bは帯域通過型フイルタ(B・P・F)、1
2a,12bはサンプルホールド回路(S/
H)、13a13bは差動アンプ、14a,14
bはA/D変換器、16はレコーダ、17は表示
器を示す。また19と23はビームスプリツタ、
26,27,32は放物面鏡、28はコーナキユ
ーブである。
FIG. 1 shows an embodiment of the gas concentration detection device, 1
2 is a calibration cell filled with a gas of the same type as the gas to be measured 30 at a known concentration. 5 is a laser element, 6 is a detector, 7 is a microcomputer, 8 is a programmable constant current power supply, 10a, 10b is an AC amplifier, 11a,
11b is a band pass filter (B・P・F), 1
2a and 12b are sample and hold circuits (S/
H), 13a13b is a differential amplifier, 14a, 14
b is an A/D converter, 16 is a recorder, and 17 is a display device. Also, 19 and 23 are beam splitters,
26, 27, and 32 are parabolic mirrors, and 28 is a corner cube.

以上のような構成で大気中のガス30の濃度を
検出する場合には、まずレーザ素子5から発した
レーザ光が放物面鏡26で反射され、ビームスプ
リツタ19,23を通過して被測定光路のガス3
0中に照射され、コーナキユーブ28により反射
されて往復し、さらにビームスプリツタ23を通
り放物面鏡27で反射集束されて、検出器6で検
出され、ACアンプ10bに入力した電気信号を
マイコン7で処理し、レコーダ16又は表示器1
7に表示し、ガス濃度を検出するようになつてい
る。かかる検出法自体は従来のやり方と特に変わ
らないが、本発明は先に述べたごとく発振光波長
の安定化のための、レーザ電流制御方法に特徴を
有するものである。
When detecting the concentration of gas 30 in the atmosphere with the above configuration, first the laser beam emitted from the laser element 5 is reflected by the parabolic mirror 26, passes through the beam splitters 19 and 23, and is Gas 3 in measurement optical path
0, is reflected by the corner cube 28, goes back and forth, passes through the beam splitter 23, is reflected by the parabolic mirror 27, is focused, is detected by the detector 6, and is input to the AC amplifier 10b.The electric signal is sent to the microcomputer. 7, recorder 16 or display 1
7 to detect the gas concentration. Although this detection method itself is not particularly different from the conventional method, the present invention is characterized by a laser current control method for stabilizing the oscillation light wavelength as described above.

コーナキユーブ28により反射され外部空間よ
り光学系31中に入射してビームスプリツタ23
で分岐された光は放物面鏡27,32を介して検
知器6で検出されるが、その途中には反射鏡21
および濃度が既知のガスが封入されたガスセル2
が挿脱可能なようになつている。したがつてまず
外部空間のガス30の濃度を測定するための較正
曲線を得るには、まず上記光学系31中の光路イ
中に反射鏡21を挿入すると共に、検知器6の前
面にガスセル2をそれぞれ矢印ロで示したごとく
導入すればよく、レーザ5からの光は全反射鏡2
1で反射され、ガスセル2中を通つて該ガスセル
2中のガス濃度D1に対応した第4図に図示の吸
収値A1がレコーダ16上に求められる。この
後、反射鏡21をそのまま挿入しておいて、ガス
セル2を矢印ハ方向に除去すれば、ガスの無い状
態が実現されるから、この場合の零なる濃度値
D0と零なる吸収値A0で決まる点Q0と、先の濃度
D1と吸収値A1で決まる点Q1とを結ぶことによつ
て第4図に示したごとき較正曲線オが引ける。し
かる後、反射鏡21を除去すれば外部空間のガス
30による吸収A2が生じるのでこの値A2に対応
する曲線オ上の点Q2から該ガス30の濃度D2
求められる。ここでプログラマブル電流源8から
の駆動電流をしきい値からレーザ5が動作可能な
上限値まで第2図に示すように微小変化させなが
らレーザ素子に印加し、該レーザ電流に対応した
レーザ光のうち、ビームスプリツタで光路ホ方向
に分岐され、ガスセル1中に導かれて該ガスセル
1中で吸収されたレーザ光パワーPAを検知器4
で検出し、第3図に示す吸収特性曲線ヌを得、こ
の吸収曲線ヌの各データをマイコン7に取り込
み、メモリに蓄える。そして前記ガスセル1を通
過後の吸収パワーPAの差が最も大きい電流値Io
を検出し、この電流値Io0をレーザ素子駆動用
の電流とする。
It is reflected by the corner cube 28 and enters the optical system 31 from the external space and enters the beam splitter 23.
The branched light is detected by the detector 6 via the parabolic mirrors 27 and 32, but there is a reflecting mirror 21
and a gas cell 2 filled with a gas of known concentration.
is designed to be removable. Therefore, in order to obtain a calibration curve for measuring the concentration of gas 30 in the external space, first insert the reflecting mirror 21 into the optical path A of the optical system 31, and also insert the gas cell 2 in front of the detector 6. are introduced as shown by the arrows B, and the light from the laser 5 passes through the total reflection mirror 2.
1, the absorption value A 1 shown in FIG. 4 corresponding to the gas concentration D 1 in the gas cell 2 is determined on the recorder 16. After this, if the reflector 21 is inserted as it is and the gas cell 2 is removed in the direction of arrow C, a gas-free state is realized, so the zero concentration value in this case
D 0 , the point Q 0 determined by the zero absorption value A 0 , and the previous concentration
By connecting D 1 and point Q 1 determined by the absorption value A 1 , a calibration curve O as shown in FIG. 4 can be drawn. Thereafter, if the reflecting mirror 21 is removed, absorption A 2 by the gas 30 in the external space will occur, so the concentration D 2 of the gas 30 is determined from the point Q 2 on the curve O corresponding to this value A 2 . Here, the drive current from the programmable current source 8 is applied to the laser element while being slightly changed from the threshold value to the upper limit value at which the laser 5 can operate, as shown in FIG. Among them, the laser light power P A that is split into the optical path E direction by the beam splitter, guided into the gas cell 1, and absorbed in the gas cell 1 is detected by the detector 4.
The absorption characteristic curve shown in FIG. Then, the current value I o having the largest difference in the absorbed power P A after passing through the gas cell 1
0 is detected, and this current value I o0 is used as the current for driving the laser element.

つぎにここで検出された電流値Io0まわりの、
第3図または第5図a中において点線リで囲まれ
た吸収スペクトル帯範囲内で、プログラマブル定
電流電源8から第5図bに示したごとく。断続電
流IBが微小変調電流△IMで変調されかつ微小ス
テツプ△Iで順次増大する電流を、レーザ素子5
に印加して駆動する。かくすれば第5図a中のパ
ワーPAを現す曲線ヌは上記微小変調電流△IM
微分されるから微分パワーP′Aが得られる。これ
らPAおよびP′Aは第1図の信号処理手段40中の
A/D変換器15a,14aの各出力端に現れ、
こられはマイコン7中で割算される結果、第5図
a中のP′A/PAの曲線ル上の各点に対応したデー
タがデジタル化されてマイコン7中のメモリ9中
に格納される。
Next, around the current value Io0 detected here,
As shown in FIG. 5b, from the programmable constant current power supply 8 within the absorption spectrum band range surrounded by the dotted line in FIG. 3 or FIG. 5a. The intermittent current I B is modulated by the minute modulation current △I M and the current that increases sequentially in minute steps △I is transmitted to the laser element 5.
is applied to drive. In this way, since the curve N representing the power P A in FIG. 5a is differentiated by the minute modulation current ΔI M , a differential power P' A is obtained. These P A and P' A appear at each output end of the A/D converters 15a, 14a in the signal processing means 40 in FIG.
These are divided in the microcomputer 7, and as a result, the data corresponding to each point on the curve P' A /P A in Figure 5a is digitized and stored in the memory 9 of the microcomputer 7. be done.

ここで上記P′A/PA曲線は2つのピークを有す
るがそのうちの片方のピーク位置に相当する第5
図a中に示した電流値Io1はおのずからマイコン
によつて検出されている。
Here, the above P′ A /P A curve has two peaks, and the fifth peak corresponds to the position of one of them.
The current value I o1 shown in Figure a is naturally detected by the microcomputer.

今、仮に先にメモリ9に格納されたP′A/PA
データを図示したものが第6図の曲線ワであり、
該曲線ワのピーク電流値がo1で与えられるものと
する。前記したごとく、レーザ素子5からの発光
波長は数100msecの速さで短波長側もしくは長波
長側へ変動するから、該変動はP′A/PA曲線の図
中における左または右への変動として現れる。
Now, if the data of P′ A /P A stored in the memory 9 is shown graphically, the curve W in FIG.
It is assumed that the peak current value of the curve W is given by o1 . As mentioned above, since the emission wavelength from the laser element 5 fluctuates toward the short wavelength side or the long wavelength side at a speed of several 100 msec, this fluctuation corresponds to a leftward or rightward fluctuation in the P' A /P A curve. appears as

このため、前記曲線ワに相当するP′A/PAのデ
ータ格納が終了した時点から数100msec後におけ
るP′A/PAを検出し該曲線カが呈するP′A/PA
ピーク電流値Io2を検出すれば、レーザ発光周波
数の修正すなわちAFCをほどこすために、プロ
グラマブル定電流電源8から供給すべき修正電流
値は、 Io2−Io1=x・△I ……(5) と表しうる。ここで第5図bに示したスキヤン電
流変化幅△Iをプログラマブル定電流電源8中で
たとえば100μAに設定しておいたとし、ステツ
プ数xがたとえば5であつてとすれば、修正すべ
きレーザ駆動電流値は5×100μA=500μAとな
る。
Therefore, P' A /P A is detected several hundred milliseconds after the data storage of P' A /P A corresponding to the curve W is completed, and the peak current of P ' A /P A exhibited by the curve W is detected. When the value I o2 is detected, the corrected current value to be supplied from the programmable constant current power supply 8 in order to correct the laser emission frequency, that is, apply AFC, is I o2 - I o1 = x・△I ...(5) It can be expressed as Here, if the scan current change width ΔI shown in FIG. 5b is set to 100 μA in the programmable constant current power supply 8, and the number of steps The drive current value is 5×100 μA=500 μA.

以上で修正すべき電流値を求められたわけであ
るが、上記波長変動が短波長側に起こつたか、そ
れとも長波長方向に起こつたかは不明であるため
に、これを明確にする必要がある。それには実際
に駆動電流を正および負の両方向に|Ix|だけプ
ログラマブル定電流電源によつて変化せしめて、
o1+IX,ならびにIo1−IXの各電流値におけ
るP′A/PAの両値を検出して見る。かくして得ら
れたP′A/PAの各電流値における値が第6図にお
けるp1とp2であつたとすれば明らかにp1>p2なる
ことがマイコン7で判断できるから、駆動電流を
修正すべき方向が正であるか負であるかは直ちに
判明する。したがつてこの場合にP′A/PAが大き
な値を示した方向へレーザ駆動電流がシフトさせ
て行くようにマイコン7から指令を発するように
前もつてプログラムしておけばよい。
The current value to be corrected has been determined above, but it is unclear whether the above wavelength fluctuation occurred in the short wavelength direction or in the long wavelength direction, so this needs to be clarified. . To do this, the drive current is actually varied by |Ix| in both positive and negative directions using a programmable constant current power supply.
Both values of P' A / PA at each current value of I o1 +I X and I o1 - I X are detected and viewed. If the values of P′ A /P A obtained in this way at each current value are p 1 and p 2 in FIG. It is immediately clear whether the direction in which the should be corrected is positive or negative. Therefore, in this case, the microcomputer 7 may be programmed in advance to issue a command so that the laser drive current is shifted in the direction in which P' A /P A shows a large value.

このレーザ波長の変動が上記AFCによつても
止まらず、たとえばさらに第6図の曲線ヨに示す
ごとく一層ドリフトした場合には、前回に修正さ
れてIo2となつたレーザ駆動電流をもとにして、
再び数100msecの後に該駆動電流を+IXと−IX
の両方へプログラマブル定電流電源8によつて変
化させて見る。かくすればP′A/PAの値は第6図
の曲線ヨに関してp3とp4なる各値を示し、p3>p4
なることがマイコン7によつて直ちに判断される
から、更に修正を要する電流変化を与えるべき方
向は正の方向であることが判明し、前記と同様の
手続きによつてその修正値はIo3−Io2であるこ
とがわかり、ここに再度AFCのほどこしを行い
うる。
If this fluctuation of the laser wavelength does not stop even with the above AFC, and it drifts even further as shown in the curve YO of Fig. 6, the laser wavelength will be changed based on the laser drive current that was corrected last time and becomes I o2 . hand,
After several 100 msec again, the drive current is changed to +I X and -I
Both are changed by the programmable constant current power supply 8. In this way, the value of P' A /P A indicates the respective values p 3 and p 4 with respect to the curve Y in FIG. 6, and p 3 > p 4
Since the microcomputer 7 immediately determines that the current change that requires further correction is to be applied in the positive direction, the correction value is determined to be I o3 − by the same procedure as above. It turns out that I o2 , and we can apply AFC again here.

また別に、長時間にわたつてのガス30の観側
を前記装置で行う場合には、レーザ素子5の経時
変化および光軸のずれなどによつてP′A/PAが別
の値に変化するので、これを補正するために、改
めて電流を第5図に示したごとき新たな吸収スペ
クトル帯内で再スキヤンし直し、モリを更新すれ
ばよい。
Separately, when observing the gas 30 for a long time using the above device, P' A /P A may change to a different value due to changes in the laser element 5 over time, misalignment of the optical axis, etc. Therefore, in order to correct this, the current can be rescanned within a new absorption spectrum band as shown in FIG. 5, and the memory can be updated.

このように、ガス濃度が既知のガスセル1と検
知器4からなる光学系とアンプ10aからA/D
変換器14a,15aに到る信号処理系レーザ光
周波数のAFCをつかさどるのであるが、この
AFC機能を常時発揮させておく一方で、別の検
知器6を主体とする光学系とアンプ10bから
A/D変換器15b,14bに到る信号処理系に
よつて、外部空間におけるガス30の吸収を反映
して該検知器6に入射したレーザ光パワーPなら
びにその微分値P′を上記A/D変換器出力端にと
り出し、これらデータをデジタル化してマイコン
7で処理するならば、高速で変動するレーザ素子
の発光波長または発光周波数に対する自動周波数
制御を常時行ないながら前記ガス30の濃度の測
定評価を遂行することができるので実用上多大の
効果が期待できる。
In this way, the optical system consisting of the gas cell 1 whose gas concentration is known and the detector 4 and the amplifier 10a are connected to the A/D.
It is in charge of the AFC of the laser light frequency in the signal processing system that reaches the converters 14a and 15a.
While the AFC function is always activated, the gas 30 in the external space is If the laser light power P that reflected the absorption and entered the detector 6 and its differential value P' are taken out to the output terminal of the A/D converter, and these data are digitized and processed by the microcomputer 7, it can be done at high speed. Since the concentration of the gas 30 can be measured and evaluated while constantly performing automatic frequency control on the fluctuating emission wavelength or emission frequency of the laser element, great practical effects can be expected.

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

第1図は本発明を適用するガス濃度検出システ
ムの1例概略構成を示す図、第2図はレーザ駆動
電流調整の図、第3図は較正セル中を通過したレ
ーザ光の吸収曲線を示す図、第4図はガス濃度と
吸収量の較正曲線を示す図、第5図aおよびbは
ガスによる吸収スペクトル帯にわたつての電流ス
キヤンの模様を示す図、第6図はP′A/PA曲線の
変動と該変動をAFC機構によつて追髄してゆく
模様を説明するための図である。 1および2:ガスセル、4,6:検知器、5:
レーザ素子、7:マイコン、8:プログラマブル
定電流電源、10a,10b:ACアンプ、11
a,11b:B・P・・F、12a,12b:サ
ンプルホールド回路、14a,14b,15a,
15b:A/D変換器、16:レコーダ、17:
表示装置、19,23:ビームスプリツタ、2
1:反射鏡、26,27,32:放物面鏡、2
8:コーナキユーブ、30:大気中のガス。
Fig. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a gas concentration detection system to which the present invention is applied, Fig. 2 is a diagram of laser drive current adjustment, and Fig. 3 is an absorption curve of laser light passing through a calibration cell. Figure 4 shows the calibration curve of gas concentration and absorption amount, Figure 5 a and b shows the pattern of current scan across the gas absorption spectral band, and Figure 6 shows P' A / FIG. 3 is a diagram for explaining the variation of the P A curve and how the AFC mechanism tracks the variation. 1 and 2: gas cell, 4, 6: detector, 5:
Laser element, 7: Microcomputer, 8: Programmable constant current power supply, 10a, 10b: AC amplifier, 11
a, 11b: B, P...F, 12a, 12b: sample hold circuit, 14a, 14b, 15a,
15b: A/D converter, 16: recorder, 17:
Display device, 19, 23: Beam splitter, 2
1: Reflector, 26, 27, 32: Parabolic mirror, 2
8: corner cube, 30: gas in the atmosphere.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 所定範囲にわたり微小ステツプで順次大きさ
の変化する電流の各ステツプに微小振幅の電流を
重畳したレーザ電流をプログラマブル定電流電源
より波長可変形赤外線レーザ素子に繰り返し供給
することによつて赤外線レーザの発光周波数を変
化させ、該赤外線レーザ素子を光源として特定の
被検出ガスを有する被測定ガス空間を通過した後
のレーザ光を光電変換素子に入射させて電気信号
に変換し、上記ガス空間におけるレーザ光の周波
数変化に伴う吸収量の変化の微分吸収特性からガ
ス濃度を検出するガス濃度検出方法において、前
記被測定ガス空間を含んだ測定光路と並行に濃度
が既知なるガスを封入したガスセルが挿入された
制御用光路を設け、前記レーザ素子に供給する電
流の所定範囲におけるステツプ状変化に対応した
制御用光路をたどる光の前記既知濃度ガスセルに
おける微分吸収特性を検知するとともに、当該吸
収特性のピーク点における電流値を基準として、
次のレーザ電流の繰り返し周期で得られた吸収特
性のピーク点のずれを検知し、その差が減少する
ように前の基準点に対応した電流値をステツプ単
位で増減することにより上記レーザ素子の基準電
流値に対する周波数変化を自動的に追尾修正せし
めるようにしたことを特徴とするガス濃度検出方
法。
1. Infrared laser generation is achieved by repeatedly supplying a laser current, in which a current of minute amplitude is superimposed on each step of a current whose magnitude sequentially changes in minute steps over a predetermined range, to a wavelength tunable infrared laser element from a programmable constant current power supply. By changing the emission frequency and using the infrared laser element as a light source, the laser light after passing through a gas space to be measured containing a specific gas to be detected is incident on a photoelectric conversion element to convert it into an electrical signal, and the laser beam in the gas space is In a gas concentration detection method that detects gas concentration from differential absorption characteristics of changes in absorption amount due to changes in the frequency of light, a gas cell filled with a gas of known concentration is inserted in parallel to the measurement optical path that includes the gas space to be measured. A control optical path is provided, and the differential absorption characteristic of the light that follows the control optical path corresponding to a step change in a predetermined range of the current supplied to the laser element in the known concentration gas cell is detected, and the peak of the absorption characteristic is detected. Based on the current value at the point,
The deviation of the peak point of the absorption characteristic obtained in the next repetition period of the laser current is detected, and the current value corresponding to the previous reference point is increased or decreased in steps so that the difference is reduced. A gas concentration detection method characterized in that frequency changes relative to a reference current value are automatically tracked and corrected.
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