JPS6298235A - 気体の分布量測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〉 本発明は２波長発振レーザを用いて気体分布吊すなわち
気体の濃度と分布量との積を測定する気体の分布量測定
方法に関する。

（従来技術） 特定波長のレーザ光がある種の気体に吸収され易いこと
を利用して気体の有無を検出でき・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か工業計測、公
害監視などに広く用いられている。−例として、ＨＮｅ
し〜ザにより発生されるレーザ光の３．３９μｍ帯には
真空波長か３．３９２２μｍ（λ１〉と３．３９１２μ
ｍ（λ　）の２つの発振線が必り、λ１はメタンに強く
吸収され、λ２はメタンにわずかしか吸収さ机ない。そ
こでこの２つの波長成分を含むレーザ光を使ってメタン
の有無を感度よ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必るのでメタンガスの検出によって
都市カスの漏洩が検知できる。

第９図は２台のレーザを用いてメタンを検知する従来の
メタン検知システムの概略構成を示しており、光源部１
と、受光部２と、信号迅理部３とにより構成されている
。光源部１は３．３９２２μｍのレーザ光を発光するＨ
８−Ｎｏレーザーａと、３．３９１２μｍのレーザ光を
発光するＨｅ−Ｎｏレーザーｂと、監視用の赤色光（０
，６３２８μｍ）を発光するＨ８−ＮｅレーザーＣとを
含み、レーザーａおよび１ｂからのレーザ光を異なる周
波数で変調するメカニカルチョッパー１ｄおよび１ｅと
を有する。レーザーＣからの赤色光およびレーザーａ、
１ｂからの変調されたレーザ光はミラーＭ１　、Ｍ２　
、Ｍ３　、Ｍ４およびハーフミラ−ＨＭ　　およびＨＭ
２により監視領域りに向けて発射され道路や壁などの障
害物４で反則され受光部２て受光される。

受光部２では入射したレーザ光を受光部２ａ。

２ｂで反射し集光させて受光センサ２Ｃで電気信号に変
換する。受光センサ２Ｃの出力は信号処理部３のプリア
ンプ３ａでまず増幅され、次に光源部１のメカニカルチ
ョッパー１ｄおよび１ｅの変調周波数に同期させたロッ
クインアンプ３ｂおよび３Ｃで分離されレコーダ３ｄに
より記録される。

この記録された２つの信号の差から監視領域りにメタン
が存在しているか否かを知ることができる。

このような構成のメタン検知システムは多数のミラーや
ハーフミラ−を用いるため光学系が複雑で大きな体積を
要するだけでなく光軸調整が厄介でおり、レーザ光の損
失が大きい。また信号処理か複雑な上メカニカルチョッ
パーの動作上の限界から高周波変調かできずＳＮ比の点
で不利であるなど多くの問題がある。

一方、米国特許第４．０５９．３５６号には、レーザ共
振器内に大気循環用セルを設け、監視したい場所にその
レーザをもっていけばその場所の大気がレーザ共］辰器
内に入るのでレーザの発掘波長により大気中のメタンの
有無を検知することができるようにした気体検知器が開
示されている。

この検知器では上述した問題はないが、遠隔検知は不可
能である。

そこでこれらの問題を解決するために、２波長成分を含
むレーザ光を発振するレーザを用い、２波長成分の利得
をほぼ等しくし、共振器長りを上で微小変調させ且つそ
の結果２波長成分の出力か同時に変調され且つその出力
の和の変調成分が○になるように共１辰器長を自動制御
するように構成したレーザ装置が考えられている。この
レーザ装置から発生するレーザ光の波長λ　、λ２構成
の出力は互いに位相が１８０°ずれて変調されているか
合成した全出力は変調されていない。ところかこのレー
ザ光がおる特定の気体雰囲気中を通過すると波長λ１構
成か吸収されて全出力は変調成分をもつことになるため
その特定気体の検知が可能になる。このレーザ装置を用
いることにより簡潔な偶成て且つ少ないレーザ光損失で
メタンなどの気体を検知することかできる。

ところかこのようなレーザ装置を用いた気体検知方式で
は全出力の変調成分の有無で特定気体の存在は検知でき
るものの、レーザ光の大気中での散乱やＩ７Ｊ休での反
射率その他の要因で全出力は変化してしまうため出力値
をもって分布量を測定することはできない。さらに、レ
ーザ光か赤外光で市る場合は監視用として可視光線を合
波する必要があるか、その合波のために用いるハーフミ
ラ−により光量ロスを生じレーザ出力の有効利用か図れ
ないという問題もめる。

（発明の目的および構成） 本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、簡潔な
構成で光量ロスがなく遠隔、広域で気体の分布量の測定
を可能にすることを目的とし、この目的を達成するため
に、２波長成分の出力が同一の周波数ｆ１で変調され且
つ両出力の和の変調成分かＯになるように自動制御され
た２波長のレーザ光を用い、該レーザ光を周波数ｆ１と
は異なる周波数ｆ２で変調した後分布量を測定すべき気
体雰囲気中を通過させ、通過したレーザ光の変調周波数
ｆ　およびｆ２の成分を検知し、両成分の差分に基づい
て演算した透過率を対数変換を含む演算処理をすること
により気体の分布量を測定するように構成した。

（実施例〉 以下本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の方法によりメタンカスの分イｔｉ但を
測定する装置の一実施例でおるが、本発明はこれに限定
されるものでないことはもちろんである。

図において、破線で囲んで示す１０が２波長発振レーザ
装置であり、Ｈ−Ｎｏ放電管１０ａと、メタンガスを含
むメタンセル１０ｂと、ミラー１０ｃ、’ｌｏｄとによ
り構成されたＨ　　−Ｎｅし一ザである。ミラー１０ｄ
は電歪素子１０ｅにより所定の振動数で撮動し、これに
より両ミラー’ＩＱｃ、１０６間の共振器長りが変調さ
れるようになっている。１０ｆはＨ−Ｎ８レーザから発
生するレーザ光の光軸中に配置されたハーフミラ−１１
０Ｃ１は１．Ａ、などの光センサ、１０ｈは発振器１０
ｉの周波数ｆ１に同期して変化する光センサ−０ｑの出
力成分を検出するロックインアンプ、１０ｊはロックイ
ンアンプ１０ｈの出力を積分する積分器、１０には積分
器１０ｊの出力と発振器１０１の出力を混合して高電圧
に増幅する高電圧アンプで、電歪素子１０ｅはこの高電
圧により駆動される。

Ｈｅ−Ｎｏレーザには真空波長が３．３９２２μｍ（λ
１）と３．３９１２μｍ（λ２）の近接した２つの発振
線があるが、通常の条件下では波長λ１の成分の方が波
長λ２の成分より利得が大きいために競合の結果波長λ
１構成のみが発振し、波長λ２は発振しない。ところが
Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置には共振器内に２１の光を吸収す
るメタンセル１０ｂが設けられているので、波長λ１成
分の総合利得は減少し、メタン圧を適当に選ぶと、波長
λ２構成の利得とほぼ等しくなり第６図に示すようにλ
１と２２の２波長同時発振が可能になる。この場合、メ
タンセル１０ｂによる波長λ１成分の吸収はメタン圧力
により第７図に示すように変化するので適当な圧力（た
とえば１，３ｒｏｒｒ）に調整することが必要である。

次に共振器長と発振出力との関係について考えると、一
般にカスレーザの場合、その利得曲線はレーザ媒質固有
の中心周波数のまわりにドツプラー広がりをしており、
その中で共振器により共振条件ν、　＝ｎＣ／２Ｌ　（
Ｌは共振器長、Ｃは光速度、ｎは整数）を満足する周波
数ν、のみが発振される（第６図参照）。この場合ν、
が中心周波数に近（プれば出力は大きくなり、中心周波
数から離れると出力は小さくなる。共振器長しか変ると
ν。

は次々と中心周波数を横切るので、共（辰器長りの変化
に対して発振強度は周期的に変化することになる。

２波長発振の場合は、それぞれの波長成分がこのように
変化するが、 を満たずように共振器長りを選べば、その近辺で共振器
長りの変化に対して、第８図のように２１と２２の出力
最大点Ｂ、Ｃは互いの中間点に位置するようになる。

そこで共振器長りをある値し。を中心にして周波数ｆに
よりΔｇの振幅で変化（変調）させるとすると、２波長
λ１．λ２のレーザ光の出力をそれぞれ■、１．■２　
（第８図において鎖線および破線で示す）とし、全出力
を１（第８図において実線で示す）とすると、次のよう
に表わせる。

・△ｊ　ｓｉｎ　２πｆｔ＋高次成分 ・△ｆＪ　ｓｉｎ　２πｆｔ＋高次成分Ｉ＝１１　＋Ｉ
２−１１　（Ｌｏ）　十Ｉ２　（Ｌｏ　）　＋・△ｊ　
ｓｉｎ　２　ｘｆｔ＋高次成分そこで、全出力Ｉの変調
周波数ｆ成分をロックインアンプ１０ｈ（第１図参照）
により位相検波し、その出力を誤差信号として高電圧ア
ンプ１０ｋを介して電歪素子１０ｅにフィードバックを
かけると、 を満足するように共振器長の変調の中心り。が自動制御
される。この場合誤差信号の位相を適当に選択すること
により を満足するように自動制御しなければならない。

第１図に示した光センサ１０Ｑ、ロックインアンプ１０
ｈ、積分器１０ｊ、高電圧アンプ１０にでフィードバッ
ク回路を構成しており、レーザ光の全出力■が赤外光セ
ンサ１０Ｃｌにより検出され、そのうち変調周波数成分
がロックインアンプ１０ｈにより検波され、積分器１０
ｊにより積分されて高電圧アンプ１０にのバイアス電圧
を決定する。

その結果、高電圧アンプ１０にはそのバイアス電圧を中
心にして発振器１０ｉの発振周波数ｆ１で変動する高電
圧を出力し電歪素子１０ｅを駆動する。フィードバック
効果により変調波成分がなくなったときは積分器１０ｊ
がそのとき保持している積分値により高電圧アンプ１０
にのバイアス電圧が保持され、その出力高電圧が一定に
保持されて発１辰が継続される。動作中に温度変化など
により共１辰器長りか変化したときはフィードバック回
路によるフィードバック作用により修正される。

このように自動制御されたときＨＮｅレーザから発生す
る波長λ　、λ２構成の出力は第２図に示すように、互
に１８０°ずれて変調されているが全出力は変調されて
いない。

再び第１図にもどって１１はｌ−１−Ｎｅレーデの光軸
上に配置されたメカニカルチョッパーでおり、メカニカ
ルチョッパー１１はａ：（１−ａ）（Ｑ＜ａ＜１＞のデ
ユーティ比を定めるように所定の間隔で開口部１１ａが
形成された羽根車から成り、羽根の裏面にはミラー１１
ｂがコーティングされている。このメカニカルチョッパ
ー１１によりレーザ光は発振器１２の発振周波数ｆ２（
ｆ　　＝ｎｆ　　、ｎは正の整数）で変調されるととも
に、監視用の赤色レーザ光を発光するＨ８−Ｎｅレーザ
などの可視レーザー３からの可視光がミラー１１ｂによ
り測定用のレーザ光と交互に同じ光軸上に投射される。

１４はミラー、１５は蒲　゛現用可視光や太陽光の散乱
光などをカットし波長λ１．λ２１．λ構成通過させる
フィルタ、１６は分布１を測定すべき気体であるメタン
ガスの雰囲気Ｆ中を通過したレーザ光を受光する光セン
サ、１７は光センサ−６の出力を増幅するプリアンプ、
１８．１９はプリアンプ′１７で増幅された光出力の周
波数ｆ１およびＩ２の変調周波数成分を検波するロック
インアンプ、２０はロックインアンプ１８．１９の出力
１」　とＨ２の差分を増幅してｐを出力する差分増幅器
、２１は差分増幅器２０の出力ｐを用いて波長λ１成介
のメタン透過率Ｕ＝（１−１））／　（１＋Ｉ））を演
算する演算回路、２２は透過率Ｕの対数を求めて増幅す
る対数増幅器、２３は測定されたメタンの分布量（濃度
Ｃと分布量９との積）ＣΩを表示する表示器である。

次に上記構成の気体分布量測定装置を用いたメタン分布
量の測定方法について説明する。

２波長発振レーザ装置であるＨ８−Ｎｏレーザから波長
λ　（３，３９２２μｍ）およびλ２（３，３９１２μ
ｍ）のレーザ光を発生させる。

２波長λ１．λ２のレーザ光の出力をそれぞれ１１ｃｌ
”３よびＩ２とすると、Ｉ１およびＩ２ならびに全出力
Ｉは次の式で現わすことができ、その波汗ねは第２図に
示すようになる。

Ｉ　　＝Ａ　　（１Ｓ！ｎ２７ｒｆ１ｔ＞Ｉ２　＝Ａ。

　（１＋ｓｉｎ　２πｆ１ｔ）Ｉ＝　１１　＋Ｉ２　＝
　Ｉ□ この２波長レーザ光をメカニカルチョッパー１１により
周波数ｆ２で変調し、デユーティ−比ａ：（１−ａ＞の
レーザ光にする。このレーザ光■は第３図に示すように
なる。このとき可視レーザー３からの可視光がメカニカ
ルチョッパー１１のミラー１１ｂで反射されて測定用赤
外レーザ光と交互に同じ光軸上に投射される。

この変調されたレーザ光をミラー１４で反射させてメタ
ンカスの雰囲気Ｆ中に通過させ、フィルター５で波長λ
１．λ２１．λ構成垣波して光センサ−６て受光する。

レーザ光のうち波長λ１成分はメタンガスに吸収される
か波長λ２構成はほとんど吸収されないので全出力は変
調成分をもつことになり、その波形は第４図に◎で示す
ようになる。

ロックインアンプ１８は発振器１０ｉの発振周波数ｆ１
に同期し、ロックインアンプ１９は発振器１２の発振周
波数ｆ２に同期しており、これらのロックインアンプは
プリアンプ１７により増幅された受光レーザ光の変調周
波数ｆ１およびｆ２の成分を位相検波して次に示すよう
なＨｌおよび町として出力する。

１−１１＝　（１−ｕ）ａＡ 町′、（２＃ｒ）　　（１＋ｕ）Ａ　５ｉｎｙｒａただ
しｕ＝ｅｘｐ　　（−αｃ、Ｑ）、αはメタンによる波
長λ１の光の吸収係数と波長λ２の光の吸収係数との差
、Ｃはメタンの濃度、ｇは分布長である。

差分増幅器２０では、波長λ　、λ２成分の出力演算、
増幅し、次いで演算回路２１において波長λ１成分のメ
タン透過率ｕ−（１−ｐ）／　（１十ｐ）を演算する。

対数増幅器２２において一−玩　ｕの演算α をすることによりメタンの分布量ｃｇが求まる。

この分布ＭＣｐはある濃度のメタンの広がり方を示す指
標となるので、メタンガスの漏洩量やそれによる影響を
知る上で便利である。また、気体の漏洩に限って考えて
みると、分布長の変化はせいぜい数倍の範囲でおるのに
対して、漏洩気体の濃度は１０の２〜３乗のオーダーで
変化することが考えられるので、分１５量を濃度の指標
と見ることもできる。

こうして求めた分布ｆｆ１ｃρは表示器２３に表示され
る。

なあ、メタンにより吸収された結果生ずる変調周波数ｆ
１成分の出力Ｈ１はメタン濃度が小ざい場合は極めて小
さな値となるので、デユーティ−比を定めるａを大きく
する方がＳ／Ｈの点で有利である。

第５図は周波数（ｆｌ）１００Ｈ７て変調した２波長発
娠レーザから発生されるレーザ光をメカニカルチョッパ
ーにより周波数（ｆ２）ＩＯＨ７でざらに変調し、デユ
ーティ−比を９：１として）農度２５％のメタンガス中
を通過させて行った実験の測定結果の一例である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明においては、２波長成分の
出力が同一の周波数−「１て変調され且つ両出力の和の
変調成分がＯになるように自動制御された２波長のレー
ザ光を用い、該レーザ光を周波数ｆ１とは異なる周波数
ｆ２で変調した後測定すべき気体雰囲気中を通過させ、
通過したレーザ光の変調周波数ｆ１およびｆ２の成分を
検知し、両成分の差分に基づいて演算した透過率を対数
変換を含む演算処理をすることにより気体の分布量を測
定するようにしたので、簡潔な溝成で光量ロスがなく遠
隔、広域での気体分布足の測定が可能になる。本発明に
おいて、レーザ光の周波数ｆ２による変調をメカニカル
チョッパーで行う場合はその変調時に監視用の可視光を
同軸上に投射することができるので、従来のように合波
にハーフミラ−を用いた場合の光量ロスがなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による気体分布量測定方法を実施する装
置の概略線図、第２図は本発明で用いる２波長発娠レー
ザ装置のレーザ光の波形図、第３図はざらに周波数変調
したレーザ光の波形図、第４図は分布量を測定すべき気
体を通過したレーザ光の波形図、第５図は本発明による
気体分布量測定方法を用いた実験におけるメタンカス通
過レーザ光の波形図、゛第６図は本発明で用いられる２
波長発振レーザ装置により発振される２波長レーザ光の
利得と共振周波数の関係を示す図、第７図はメタンセル
によるＨ８−Ｎｏレーザの２波長出力の変化を示す図、
第８図は本発明で用いる２波長発撮レーザ装置の共振器
長と発振出力との関係を示す図、第９図は従来のメタン
検知システムの概略線図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２波長成分の出力が同一の周波数ｆ＿１で変調され且つ
   両出力の和の変調成分が０になるように自動制御された
   ２波長のレーザ光を用い、該レーザ光を周波数ｆ＿１と
   は異なる周波数ｆ＿２で変調した後分布量を測定すべき
   気体雰囲気中を通過させ、気体を通過したレーザ光の変
   調周波数ｆ＿１およびｆ＿２の成分を検知し、両成分の
   差分に基づいて演算した透過率を対数変換を含む演算処
   理をすることにより気体の分布量を測定することを特徴
   とする気体の分布量測定方法。