JPH10132737A - Remote gas concentration measurement method and apparatus - Google Patents
Remote gas concentration measurement method and apparatusInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 誤差の多少大きな測定装置を用いても低濃度
ガスの濃度を測定できる遠隔ガス濃度測定方法及びその
装置を提供する。
【解決手段】 ガス信号成分に依存しない基準ガス信号
の値に応じて、レーザ光の駆動電流に変調周波数の2倍
の周波数の交流電流を重畳し、その交流電流の振幅と位
相とを増幅移相器210で制御することにより、ノイズ
成分Nが減少すると共に、測定レンジ変更による誤差を
なくすことができる。すなわち、ガス信号成分Gを誤差
成分E1 、E2 に対して大きくすることにより、低濃度
のガスをより正確に測定することができる。従って、誤
差の多少大きな測定装置を用いても低濃度のガスを正確
に測定することができる。
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a remote gas concentration measuring method and a remote gas concentration measuring method capable of measuring the concentration of a low-concentration gas even using a measuring device having a somewhat large error. SOLUTION: According to a value of a reference gas signal which does not depend on a gas signal component, an alternating current having a frequency twice as high as a modulation frequency is superimposed on a driving current of a laser beam, and an amplitude and a phase of the alternating current are amplified and transferred. By controlling with the phaser 210, the noise component N can be reduced, and an error due to a change in the measurement range can be eliminated. That is, by making the gas signal component G larger than the error components E 1 and E 2 , a gas with a low concentration can be measured more accurately. Therefore, even if a measuring device having a somewhat large error is used, a low-concentration gas can be accurately measured.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、遠隔ガス濃度測定
方法及びその装置に関する。The present invention relates to a remote gas concentration measuring method and apparatus.
【0002】[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。この性質を利用してガスの
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、公害監視等の分野で広
く用いられている。また、光ファイバを伝送路としてレ
ーザ光を伝送すればガスの遠隔測定が可能である。2. Description of the Related Art Gas molecules have the property of absorbing laser light of a specific wavelength. It is known that the presence or absence of gas can be detected by utilizing this property, and a sensing technique using this principle is widely used in fields such as industrial measurement and pollution monitoring. In addition, if laser light is transmitted using an optical fiber as a transmission path, gas can be remotely measured.
【0003】この種の遠隔測定を行うガス濃度測定装置
としては特願平2−78498号記載の装置がある。本
発明者はこの装置を応用して光ファイバを伝送路とした
遠隔ガス濃度測定装置を開発した。As a gas concentration measuring device for performing this kind of remote measurement, there is a device described in Japanese Patent Application No. 2-78498. The present inventor has developed a remote gas concentration measuring device using an optical fiber as a transmission line by applying this device.
【0004】この遠隔ガス濃度測定装置は、半導体レー
ザの駆動電流を所定の値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
ようになっており、半導体レーザの発振波長の中心波長
がガス吸収線の中心になるように、半導体レーザの後方
に出射するレーザ光をモニタし駆動電流及び温度を制御
することで半導体レーザの発振波長の安定化を図ってい
る。このようにして安定化され前方に出射されたレーザ
光を光ファイバを介して未知濃度のガスを含む測定用ガ
スセルに透過させ、その透過光を対向する別の光ファイ
バで受光部まで導き、レーザ光の2倍検波信号或いは基
本波検波信号を得ることによりガス濃度を高いSN比で
検出することができる。This remote gas concentration measuring device modulates a driving current of a semiconductor laser at a high frequency around a predetermined value of current, and oscillates a laser beam having a modulated wavelength and intensity. The laser beam emitted backward of the semiconductor laser is monitored and the drive current and temperature are controlled so that the center wavelength of the oscillation wavelength of the laser beam becomes the center of the gas absorption line, thereby stabilizing the oscillation wavelength of the semiconductor laser. . The laser light thus stabilized and emitted forward is transmitted through an optical fiber through a measuring gas cell containing a gas of unknown concentration, and the transmitted light is guided to a light receiving unit by another optical fiber facing the laser beam. By obtaining a double detection signal or a fundamental detection signal of light, the gas concentration can be detected at a high SN ratio.
【0005】しかし、ガス吸収線の中の一つの孤立吸収
線に着目すると、ガス雰囲気の圧力により吸収線形状が
変化し、それに伴いガスの定量測定に用いられる2倍波
検波信号も圧力に依存した値をもつ。そのため、炭坑や
プラント等気圧変化の激しい箇所でガス濃度を測定する
場合、別に圧力センサを設けて圧力変化を監視しなけれ
ば正確な濃度測定ができない。However, focusing on one isolated absorption line among the gas absorption lines, the shape of the absorption line changes depending on the pressure of the gas atmosphere, and the second-harmonic detection signal used for quantitative measurement of the gas also depends on the pressure. It has a value. Therefore, when measuring the gas concentration in a place where the atmospheric pressure changes rapidly, such as a coal mine or a plant, accurate concentration measurement cannot be performed unless a pressure sensor is separately provided to monitor the pressure change.
【0006】そこで、正確な濃度測定を行うため、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及び温度を変
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、この検出信号中の特定成分を位相敏感
検波し、得られた検出信号から上述したガス雰囲気圧力
下での特定ガス濃度を測定する方法が提案されている
(特願平3−96825号)。Therefore, in order to perform accurate concentration measurement, a laser that oscillates laser light having a wavelength and intensity corresponding to the drive current and temperature is used, and the wavelength and intensity are modulated by changing the drive current and temperature of the laser. While oscillating the laser beam, the central wavelength of the laser beam is swept, the intensity of the transmitted light after passing the laser beam through the gas atmosphere to be measured is detected, and a specific component in this detection signal is detected. A method has been proposed in which phase-sensitive detection is performed and the specific gas concentration under the above-mentioned gas atmosphere pressure is measured from the obtained detection signal (Japanese Patent Application No. 3-96825).
【0007】ここで、レーザ光の波長と、位相敏感検波
して得られる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(以下「ガス信号」という)との関係を
図7に示す。Here, FIG. 7 shows the relationship between the wavelength of the laser beam and the ratio (hereinafter referred to as "gas signal") between the second-order phase-sensitive detection signal obtained by phase-sensitive detection and the fundamental-wave phase-sensitive detection signal. Shown in
【0008】同図において、横軸はレーザ光の発振波長
を示し、縦軸はガス信号を示している。In FIG. 1, the abscissa indicates the oscillation wavelength of the laser beam, and the ordinate indicates the gas signal.
【0009】同図に示す特性曲線は、検出ガスとしてア
セチレンガスを用い、ガスの吸収波長として1.532
μmとしたときの出力信号を示している。この出力信号
からガス濃度を求めるためには、レーザ光の中心波長が
ガス吸収線近傍のときに得られる波高値を求めれば得ら
れる。また、ガス吸収線近傍の両側に現れる二つの極値
の波長幅がガス吸収線のスペクトル幅を示しいるので、
この値からガス雰囲気の圧力に関する情報を得ることが
できる。The characteristic curve shown in FIG. 1 shows that acetylene gas is used as the detection gas and the absorption wavelength of the gas is 1.532.
The output signal when μm is shown. The gas concentration can be obtained from this output signal by obtaining the peak value obtained when the center wavelength of the laser light is near the gas absorption line. Also, since the wavelength width of the two extreme values appearing on both sides near the gas absorption line indicates the spectrum width of the gas absorption line,
From this value, information about the pressure of the gas atmosphere can be obtained.
【0010】ところで、同様の変調条件で低濃度ガスを
検出した場合、検出すべきガス信号の他に周期性、非周
期性のノイズが重畳する(図8参照)。これらのノイズ
は、主にガスセル部等において光学面で反射したレーザ
光同志が干渉して出力信号を変動させることにより発生
する。このような変動が生じると出力信号から波高値と
スペクトル幅を得ることが困難となり検出精度が低下し
てしまう。尚、図8はガス信号にノイズが重畳した状態
を示す図であり、横軸が波長、縦軸が信号を示してい
る。When a low concentration gas is detected under the same modulation condition, periodic and aperiodic noises are superimposed on the gas signal to be detected (see FIG. 8). These noises are mainly generated when laser beams reflected on the optical surface in the gas cell section interfere with each other to fluctuate the output signal. When such a fluctuation occurs, it is difficult to obtain the peak value and the spectrum width from the output signal, and the detection accuracy is reduced. FIG. 8 is a diagram showing a state in which noise is superimposed on the gas signal. The horizontal axis represents the wavelength, and the vertical axis represents the signal.
【0011】また、半導体レーザが寿命により劣化した
場合、検出されるガス信号として実際には高濃度のガス
を検出しているにも関わらず、低濃度のガスとして検出
するおそれがある。Further, when the semiconductor laser is deteriorated due to its life, there is a possibility that the gas signal to be detected is detected as a low-concentration gas although a high-concentration gas is actually detected.
【0012】そこで、本発明者は、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、所定の電流値を中心として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、
そのレーザ光の中心波長を掃引させ、そのレーザ光を測
定対象とするガス雰囲気中を通して得られる透過光強度
を検出し、この検出信号中の特定成分を位相敏感検波し
て得られるガス信号よりガス濃度を求めるガス濃度測定
方法であって、検出用ガスセルにガス検出すべきガスを
収容し、基準用ガスセルに基準用のガスを収容し、これ
ら両ガスセルを透過したレーザ光から得られる信号を差
分処理部で差分して得られるガス信号からガス雰囲気圧
力とガス濃度とを測定し、任意の圧力下でのガス濃度を
測定する方法を提案した。The inventor of the present invention uses a laser that oscillates a laser beam having a wavelength and an intensity corresponding to the drive current and the temperature, and modulates the drive current around a predetermined current value so that the wavelength and the intensity are modulated. Oscillates the laser light
The center wavelength of the laser light is swept, the transmitted light intensity obtained through the gas atmosphere in which the laser light is measured is detected, and a specific component in the detection signal is phase-sensitively detected. A gas concentration measurement method for determining a concentration, in which a gas to be detected is stored in a gas cell for detection, a gas for reference is stored in a gas cell for reference, and a signal obtained from laser light transmitted through both gas cells is subtracted. A method of measuring the gas atmosphere pressure and the gas concentration from the gas signal obtained by the difference in the processing unit and measuring the gas concentration under an arbitrary pressure was proposed.
【0013】この方法において、検出対象ガスを封入し
た検出用ガスセルを透過したレーザ光と、このレーザ光
を位相敏感検波した基本波位相敏感検波信号と、2倍波
位相敏感検波信号との比(以下「検出側ガス信号」とい
う)と、検出対象ガスを含まない基準用ガスセルを透過
したレーザ光と、このレーザ光を位相敏感検波した基本
波位相敏感検波信号と、2倍波位相敏感検波信号との比
(以下「基準側ガス信号」という)を測定する。検出側
ガス信号(ノイズ成分+ガス信号成分)と基準側ガス信
号(ノイズ成分のみ)との差をとることでノイズ成分を
含まないガス信号(以下「差分ガス信号」という)が得
られる(図9、10参照)。尚、図9は従来の測定方法
による50ppmアセチレンガスの差分前のガス信号を
示す図であり、図10は従来の測定方法による50pp
mアセチレンガスの差分後のガス信号を示す図である。
図9、10において横軸がバイアス電流を示し、縦軸が
ガス濃度に換算した信号値を示している。In this method, a ratio of a laser beam transmitted through a detection gas cell filled with a gas to be detected, a fundamental phase-sensitive detection signal obtained by phase-sensitive detection of the laser beam, and a second-harmonic phase-sensitive detection signal ( Hereinafter, referred to as a “detection-side gas signal”), a laser beam transmitted through a reference gas cell that does not contain the gas to be detected, a fundamental-wave phase-sensitive detection signal obtained by phase-sensitive detection of the laser beam, and a second-harmonic phase-sensitive detection signal (Hereinafter referred to as “reference-side gas signal”). By taking the difference between the detection-side gas signal (noise component + gas signal component) and the reference-side gas signal (only the noise component), a gas signal containing no noise component (hereinafter referred to as a “difference gas signal”) is obtained (FIG. 9, 10). FIG. 9 is a diagram showing a gas signal before the difference of 50 ppm acetylene gas according to the conventional measuring method, and FIG. 10 is a diagram showing 50 pp according to the conventional measuring method.
It is a figure which shows the gas signal after the difference of m acetylene gas.
9 and 10, the horizontal axis indicates the bias current, and the vertical axis indicates the signal value converted into the gas concentration.
【0014】[0014]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法でさらに低濃度のガスを測定した場合には、差分ガス
信号のベースラインが曲線となり、波高値及び極値の波
長幅を正確に求めることが困難となり、ガス濃度を正確
に測定できないという問題がある。However, when a gas having a lower concentration is measured by this method, the baseline of the differential gas signal becomes a curve, and the wavelength width of the peak value and the extreme value can be accurately obtained. This makes it difficult to accurately measure the gas concentration.
【0015】例えば、検出用ガスセルに10ppmのア
セチレンガスを封入し、基準用ガスセルにアセチレンガ
ス濃度が0ppmのガスを封入した場合について検討す
る。For example, consider a case in which 10 ppm acetylene gas is sealed in a detection gas cell and a gas having an acetylene gas concentration of 0 ppm is sealed in a reference gas cell.
【0016】図11は従来の測定方法による10ppm
アセチレンガスの差分前のガス信号を示す図であり、図
12は従来の測定方法による10ppmアセチレンガス
の差分後のガス信号を示す図である。図11及び図12
において、横軸がバイアス電流を示し、縦軸がガス濃度
に換算した信号値を示している。FIG. 11 shows 10 ppm by the conventional measuring method.
FIG. 12 is a diagram showing a gas signal before the difference of acetylene gas, and FIG. 12 is a diagram showing a gas signal after a difference of 10 ppm acetylene gas by a conventional measuring method. 11 and 12
In the graph, the horizontal axis indicates a bias current, and the vertical axis indicates a signal value converted into a gas concentration.
【0017】両図より低濃度のガスを測定した場合に差
分ガス信号のベースラインが曲線になっているのが分か
るが、この原因として、検出側ガス信号と基準側ガス信
号との測定誤差によるものが考えられる。以下、これに
ついて説明する。It can be seen from FIGS. 2 and 3 that the baseline of the differential gas signal is curved when a low-concentration gas is measured. This is due to a measurement error between the detection-side gas signal and the reference-side gas signal. Things are conceivable. Hereinafter, this will be described.
【0018】検出側ガス信号の測定値は、ガス信号成分
Gとノイズ成分Nと誤差成分E1 とからなっている。基
準側ガス信号の測定値は、ノイズ成分Nと誤差成分E2
とからなっている。The measurements of the detection side gas signal consists gas signal component G and a noise component N and the error component E 1 Tokyo. The measured value of the reference side gas signal includes a noise component N and an error component E 2
It consists of
【0019】一般に、二つの測定値a,bの差a−bの
誤差の大きさは、測定値aの誤差の大きさと測定値bの
誤差の大きさの和として評価される。従って、差分ガス
信号は、ガス信号成分Gと誤差成分E3 とからなる。但
し、誤差成分E3 の大きさは、誤差成分E1 の大きさと
誤差成分E2 の大きさとの和に相当する。Generally, the magnitude of the error ab between the two measured values a and b is evaluated as the sum of the magnitude of the error of the measured value a and the magnitude of the error of the measured value b. Thus, the differential gas signal comprises a gas signal component G and the error component E 3 Prefecture. However, the magnitude of the error component E 3 corresponds to the sum of the magnitude of the size and the error component E 2 error component E 1.
【0020】ガス信号成分Gが誤差成分E3 に等しくな
るような程度の低濃度ガスを測定する場合、差分ガス信
号のベースラインが誤差成分E3 により曲線となり正確
なガス濃度測定ができなくなる。従って、低濃度のガス
濃度を正確に測定するには、検出側ガス信号と基準側ガ
ス信号とを正確に測定するため測定誤差の小さい測定装
置を使用しなければならないが、このような測定装置は
入手が困難であり、高価であるという問題があった。When measuring a low-concentration gas such that the gas signal component G becomes equal to the error component E 3 , the baseline of the differential gas signal becomes a curve due to the error component E 3 , and accurate gas concentration measurement cannot be performed. Therefore, in order to accurately measure a low-concentration gas concentration, it is necessary to use a measurement device having a small measurement error in order to accurately measure the detection-side gas signal and the reference-side gas signal. Are difficult to obtain and expensive.
【0021】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、誤差の多少大きな(測定レンジに対し数%程度)測
定装置を用いても低濃度ガスの濃度を測定できる遠隔ガ
ス濃度測定方法及びその装置を提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a remote gas concentration measuring method and a remote gas concentration measuring method capable of measuring the concentration of a low-concentration gas even with a measuring device having a somewhat large error (about several percent of the measuring range). It is to provide the device.
【0022】[0022]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の遠隔ガス濃度測定方法は、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、所定の電流値を中心として駆動電流を変化させるこ
とによりレーザ光の波長及び強度を変調し、その変調さ
れたレーザ光を測定対象としてのガス雰囲気中に通して
得られる透過光の強度を検出し、得られた検出信号中の
特定成分を位相敏感検波して得られるガス信号よりガス
濃度を求める遠隔ガス濃度測定方法において、検出すべ
きガスを検出用ガスセルに収容し、基準用のガスを基準
用ガスセルに収容し、変調周波数の2倍の周波数の交流
電流を重畳した駆動電流に応じたレーザ光を両ガスセル
に通して両透過光の強度を検出すると共に、交流電流の
振幅と位相とを制御することにより検出信号中のノイズ
成分を減少させるようにしたものである。In order to achieve the above object, a remote gas concentration measuring method according to the present invention uses a laser which oscillates a laser beam having a wavelength and an intensity corresponding to a driving current and a temperature, and uses a predetermined current value. The wavelength and intensity of the laser light are modulated by changing the drive current around the center, and the intensity of the transmitted light obtained by passing the modulated laser light through a gas atmosphere as a measurement target is detected and obtained. In a remote gas concentration measurement method that determines the gas concentration from a gas signal obtained by phase-sensitive detection of a specific component in the detection signal, the gas to be detected is stored in the detection gas cell, and the reference gas is stored in the reference gas cell. Then, a laser beam corresponding to a driving current on which an alternating current having a frequency twice as high as the modulation frequency is superimposed is passed through both gas cells to detect the intensity of both transmitted light and to control the amplitude and phase of the alternating current. It is obtained so as to reduce the noise component in the detection signal by.
【0023】本発明の遠隔ガス濃度測定装置は、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、所定の電流値を中心としてレーザの駆動電流
を変化させることによりレーザ光の波長及び強度を変調
する変調手段と、その変調されたレーザ光を測定対象と
してのガス雰囲気中に通して得られる透過光の強度を検
出する検出手段と、検出手段により得られた検出信号中
の特定成分を位相敏感検波して得られるガス信号よりガ
ス濃度を求める信号処理手段とを備えた遠隔ガス濃度測
定装置において、検出すべきガスを収容する検出用ガス
セルと、基準用のガスを収容する基準用ガスセルと、変
調周波数の2倍の周波数の交流電流が重畳された駆動電
流に応じたレーザ光を検出用ガスセルに通した透過光の
強度を検出する検出用ガスセル側検出手段と、変調周波
数の2倍の周波数の交流電流が重畳された駆動電流に応
じたレーザ光を基準用ガスセルに通した透過光の強度を
検出する基準用ガスセル側検出手段と、交流電流の振幅
と位相とを制御することにより検出信号中のノイズ成分
を減少させる制御手段とを設けたものである。A remote gas concentration measuring apparatus according to the present invention comprises: a laser which oscillates a laser beam having a wavelength and intensity corresponding to a drive current and a temperature; and a laser beam which varies the drive current of the laser around a predetermined current value. Modulating means for modulating the wavelength and intensity of light, detecting means for detecting the intensity of transmitted light obtained by passing the modulated laser light through a gas atmosphere as a measurement target, and detecting signals obtained by the detecting means. And a signal processing means for obtaining a gas concentration from a gas signal obtained by phase-sensitive detection of a specific component. A reference gas cell for detecting the intensity of transmitted light that has passed through the detection gas cell according to a driving current on which an alternating current having a frequency twice the modulation frequency is superimposed. Reference gas cell side detection means, and a reference gas cell side detection means for detecting the intensity of light transmitted through a reference gas cell through a laser beam corresponding to a driving current on which an alternating current having a frequency twice the modulation frequency is superimposed, And control means for reducing the noise component in the detection signal by controlling the amplitude and phase of the alternating current.
【0024】ここで、検出側ガス信号の測定値は、ガス
信号成分Gとノイズ成分Nと誤差成分E1 とからなって
いる。差分ガス信号は、ガス信号Gと誤差成分E3 とか
らなっている。但し、誤差成分E3 の大きさは、誤差成
分E1 の大きさと誤差成分E2 の大きさとの和に相当す
る。[0024] Here, the measurement value of the detection-side gas signal consists gas signal component G and a noise component N and the error component E 1 Tokyo. Differential gas signal consists gas signal G and the error component E 3 Prefecture. However, the magnitude of the error component E 3 corresponds to the sum of the magnitude of the size and the error component E 2 error component E 1.
【0025】低濃度ガスを測定する場合、検出側ガス信
号のガス信号成分が減少し、ガス信号成分Gが誤差成分
E1 ,E2 に対し小さくなる。この場合、検出側ガス信
号の2倍周波数成分の測定装置の前と基準側ガス信号の
2倍周波数成分の測定装置の前とに増幅器を設け、入力
される信号を増幅すれば、ガス信号Gを誤差成分E1,
E2 に対し大きくすることができる。When measuring a low-concentration gas, the gas signal component of the detection-side gas signal decreases, and the gas signal component G becomes smaller than the error components E 1 and E 2 . In this case, an amplifier is provided in front of the measuring device for the double frequency component of the detection side gas signal and in front of the measuring device for the double frequency component of the reference side gas signal. With error components E 1 ,
It can be increased to E 2.
【0026】しかし、ノイズ成分Nも同時に増幅される
ので、検出側ガス信号の測定装置の測定レンジを変更し
なければならない。測定レンジを変更した場合は、誤差
成分E1 が大きくなり、結局、ガス信号成分Gと誤差成
分E1 ,E2 との比は改善されないことになる。尚、基
本波周波数成分の測定装置の前に増幅器を設けないの
は、基本波周波数成分はガス吸収に無関係に一定である
からである。However, since the noise component N is also amplified at the same time, the measurement range of the measuring device for the gas signal on the detection side must be changed. If you change the measurement range, an error component E 1 increases, eventually, so that the ratio between the gas signal component G and the error component E 1, E 2 is not improved. The reason why no amplifier is provided before the measuring device for the fundamental frequency component is that the fundamental frequency component is constant regardless of gas absorption.
【0027】そこで、ガス信号成分に依存しない基準ガ
ス信号の値に応じてレーザ光の駆動電流に変調周波数の
2倍周波数の交流電流を重畳し、その交流電流の振幅と
位相とを制御することによりノイズ成分Nを減少させる
と共に、測定レンジ変更における誤差を減少させ、ガス
信号成分Gを誤差成分E1 ,E2 に対し大きくすること
により、誤差の多少大きな(測定レンジに対し数%程
度)測定装置を用いても低濃度ガスのガス濃度を測定す
ることができる。Therefore, an alternating current having a frequency twice the modulation frequency is superimposed on the driving current of the laser beam in accordance with the value of the reference gas signal which does not depend on the gas signal component, and the amplitude and phase of the alternating current are controlled. Reduces the noise component N, reduces the error in changing the measurement range, and makes the gas signal component G larger than the error components E 1 and E 2 , so that the error is somewhat large (about several percent of the measurement range). The gas concentration of the low-concentration gas can be measured using a measuring device.
【0028】[0028]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
【0029】まず、本発明の遠隔ガス濃度測定方法の原
理について説明する。First, the principle of the remote gas concentration measuring method of the present invention will be described.
【0030】発振周波数Ωの半導体レーザの駆動電流を
変化させることによりレーザ光を変調すると、発振周波
数だけでなく発振強度も変調される。このような発振周
波数及び強度が変調されたレーザ光を、メタンガスを含
む雰囲気に透過させたときの透過光の検出信号Pは数1
のように表される。When the laser light is modulated by changing the drive current of the semiconductor laser having the oscillation frequency Ω, not only the oscillation frequency but also the oscillation intensity is modulated. When a laser beam whose oscillation frequency and intensity are modulated is transmitted through an atmosphere containing methane gas, the detection signal P of the transmitted light is expressed by the following equation (1).
It is represented as
【0031】[0031]
【数1】P=A[I0 +ΔI・cos(ωt+φ)]×
[C0 +ΔΩ・T01cosωt+(1/4)・(ΔΩ)
2 ・cos2ωt] 但し、数1は数2を満足する。P = A [I 0 + ΔI · cos (ωt + φ)] ×
[C 0 + ΔΩ · T 01 cosωt + (1/4) · (ΔΩ)
2 · cos2ωt] where Equation 1 satisfies Equation 2 .
【0032】[0032]
【数2】C0 =T+(1/4)・(ΔΩ)2 ・T02 検出信号Pは、直流成分の他、cosωt成分とcos
2ωt成分とを含む。## EQU2 ## C 0 = T + (1/4) · (ΔΩ) 2 · T 02 The detection signal P has a DC component, a cos ωt component and a cos
2ωt component.
【0033】ここで、Aは反射条件等に依存する定数、
I0 はレーザ出力の中心強度、ΔIは強度変調の振幅、
ωは駆動電流の変調角周波数、φは強度変調と周波数変
調との位相差、ΔΩは周波数変調の周波数偏移である。Here, A is a constant depending on the reflection conditions and the like,
I 0 is the central intensity of the laser output, ΔI is the amplitude of the intensity modulation,
ω is the modulation angular frequency of the drive current, φ is the phase difference between the intensity modulation and the frequency modulation, and ΔΩ is the frequency shift of the frequency modulation.
【0034】Tは透過率、T01は透過率Tの一次微分d
T/dΩ、T02は透過率Tの二次微分d2 T/dΩ2 で
あり、図2(a)、(b)、(c)にそれぞれの波形を
示す。同図(a)〜(c)において横軸は周波数を示
し、縦軸はそれぞれ透過率T、一次微分T01、二次微分
T02を示している。T is the transmittance, T 01 is the first derivative d of the transmittance T
T / dΩ, T 02 is the second derivative of the transmittance T d 2 T / dΩ 2, FIG. 2 (a), (b) , shows the respective waveforms (c). 5A to 5C, the horizontal axis indicates frequency, and the vertical axis indicates transmittance T, first derivative T 01 , and second derivative T 02 , respectively.
【0035】数1におけるcos2ωtの周波数及び位
相成分φを位相敏感検波すると、数3が得られ、検波信
号P(2ω)が一次微分T01及び二次微分T02に基づい
て変化することが分かる。When the frequency and phase component φ of cos 2ωt in equation 1 are subjected to phase-sensitive detection, equation 3 is obtained, and it can be seen that the detected signal P (2ω) changes based on the first derivative T 01 and the second derivative T 02. .
【0036】[0036]
【数3】P(2ω)=A[I0 ((ΔΩ)2 /4)T02
+ΔI・ΔΩcosφ・T01] ここで、位相敏感検波とは、特定の周波数及び位相敏感
検波信号をもつ成分だけを抽出してその振幅を測定する
ことである。Equation 3] P (2ω) = A [I 0 ((ΔΩ) 2/4) T 02
+ ΔI · ΔΩcosφ · T 01 ] Here, the phase-sensitive detection means to extract only a component having a specific frequency and a phase-sensitive detection signal and measure the amplitude.
【0037】検波信号P(2ω)によりメタンガスの吸
収を検知する場合には、レーザ光の中心周波数Ω0 がメ
タンガスの吸収線の中心ω0 に一致したときに最大感度
が得られることを利用する(図2参照)。また、このと
き一次微分T01は0となり、二次微分T02は最大となる
ため、数3の第二項は消去されて第一項のみ残る。即
ち、Ω0 =ω0 のときの二次微分T02は数4となる。数
4を数3の第一項に代入すると数5になる。When detecting the absorption of methane gas by the detection signal P (2ω), the fact that the maximum sensitivity is obtained when the center frequency Ω 0 of the laser beam coincides with the center ω 0 of the absorption line of methane gas is used. (See FIG. 2). Further, at this time, the first derivative T 01 becomes 0 and the second derivative T 02 becomes the maximum, so that the second term of Equation 3 is deleted and only the first term remains. That is, the second derivative T 02 when Ω 0 = ω 0 is given by Expression 4. Substituting Equation 4 into the first term of Equation 3 results in Equation 5.
【0038】[0038]
【数4】T02(Ω0 =ω0 )=2・α(ω0 )・c・L
/γ2 ## EQU4 ## T 02 (Ω 0 = ω 0 ) = 2 · α (ω 0 ) · c · L
/ Γ 2
【0039】[0039]
【数5】 P(2ω)=A・I0 (ΔΩ)2 ・α(ω0 )・c・L/γ2 =K1 α((ω0 /γ2 ))・c・L ここで、K1 は定数、α(ω0 )はΩ0 =ω0 のときの
メタンガスの吸収係数、2γはガス吸収線の半値全幅、
光路長積c・Lはガス濃度cと光路長Lとの積である。P (2ω) = A · I 0 (ΔΩ) 2 · α (ω 0 ) · c · L / γ 2 = K 1 α ((ω 0 / γ 2 )) · c · L where K 1 is a constant, α (ω 0) is the absorption coefficient of methane when Ω 0 = ω 0, 2γ full width at half maximum of the gas absorption line,
The optical path length product c · L is the product of the gas concentration c and the optical path length L.
【0040】このように、検波信号P(2ω)は光路長
積c・Lに比例し、これよりメタンガスの濃度cを極め
て高い感度で検出することができる。As described above, the detection signal P (2ω) is proportional to the optical path length product c · L, from which the concentration c of the methane gas can be detected with extremely high sensitivity.
【0041】ところで、数5中のα(ω0 )及びγ
2 は、図3に示したようにガス雰囲気の圧力により変化
する。By the way, α (ω 0 ) and γ in Expression 5
2 changes depending on the pressure of the gas atmosphere as shown in FIG.
【0042】ここで、図3はガスセル内の圧力に対する
吸収係数α(ω)と検波信号P(2ω)と後述する半値
全幅2γとの関係を示す図である。同図において、横軸
が圧力(torr)を示し、縦軸が吸収係数α(ω)、
検波信号P(2ω)及び半値全幅2γを示している。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the absorption coefficient α (ω) for the pressure in the gas cell, the detection signal P (2ω), and the full width at half maximum 2γ described later. In the figure, the horizontal axis represents the pressure (torr), the vertical axis represents the absorption coefficient α (ω),
The detection signal P (2ω) and the full width at half maximum 2γ are shown.
【0043】前述した数5により正確にガス濃度を測定
するには、雰囲気圧力下でのα(ω0 )及びγ2 の値を
求めなければならない。これらの正確な値は、レーザ光
の中心周波数Ω0 をメタンガス吸収線の前後で掃引した
ときの検波信号P(2ω)の出力波形から得ることがで
きる。In order to accurately measure the gas concentration according to Equation 5 , the values of α (ω 0 ) and γ 2 at atmospheric pressure must be obtained. These accurate values can be obtained from the output waveform of the detection signal P (2ω) when the center frequency Ω 0 of the laser beam is swept before and after the methane gas absorption line.
【0044】いま、レーザ光の中心周波数Ω0 を変化さ
せると、数3の第一項は二次微分T02に、第二項は一次
微分T01にそれぞれある係数を積算した形の波形とな
る。その係数は、I0 、ΔΩ等であり、半導体レーザの
発振条件を設定しておけば、定数として取り扱っても支
障がない。Now, when the center frequency Ω 0 of the laser beam is changed, the first term of Equation 3 is a second derivative T 02 , and the second term is a waveform obtained by integrating the coefficients of the first derivative T 01. Become. The coefficients are I 0 , ΔΩ and the like. If the oscillation conditions of the semiconductor laser are set, there is no problem even if they are handled as constants.
【0045】従って、検波信号P(2ω)の波形は図2
(b)に示された波形と図2(c)に示された波形とを
それぞれある係数で積算してこれらを互いに加算した形
状となる(図4参照)。尚、図4は後述する図1に示し
たガス濃度測定装置に用いられたレコーダにより得られ
た出力波形の一部を示す図である。Accordingly, the waveform of the detection signal P (2ω) is shown in FIG.
The waveform shown in FIG. 2 (b) and the waveform shown in FIG. 2 (c) are integrated by a certain coefficient, respectively, and are added to each other (see FIG. 4). FIG. 4 is a diagram showing a part of an output waveform obtained by a recorder used in the gas concentration measuring device shown in FIG. 1 described later.
【0046】しかし、実際には数3の第一項は第二項よ
りも優位であるため、図2(c)に示す低波長側の極小
値と高波長側の極小値との間の中間周波数Ω0 の幅が、
ガス雰囲気圧力における半値全幅2γに相当する。この
ようにして半値全幅2γが求まれば、図3に基づいて圧
力を得ることができ、さらにその圧力下での吸収係数α
(ω0 )を得ることができる。尚、図3に示したP(2
ω)は数5中のα(ω 0 )/γ2 の圧力による変化であ
り、全圧力100torr近傍で最大値を示している。However, in fact, the first term of Equation 3 is
2 (c), the minimum on the low wavelength side shown in FIG.
Frequency Ω between the value and the minimum value on the high wavelength side0The width of
This corresponds to a full width at half maximum 2γ at the gas atmosphere pressure. this
When the full width at half maximum 2γ is obtained in this manner, the pressure is determined based on FIG.
Force, and the absorption coefficient α under that pressure
(Ω0) Can be obtained. Note that P (2) shown in FIG.
ω) is α (ω) in Equation 5. 0) / ΓTwoChange due to pressure
The maximum value is shown near the total pressure of 100 torr.
【0047】図3から雰囲気圧力を求めるためには、吸
収係数α(ω0 )或いは半値半幅γのいずれかが分かれ
ば圧力が分かり、圧力補正をした濃度を検出することが
できる。In order to obtain the atmospheric pressure from FIG. 3, if either the absorption coefficient α (ω 0 ) or the half width at half maximum γ is known, the pressure can be known, and the pressure-corrected concentration can be detected.
【0048】図1は本発明の遠隔ガス濃度測定方法を適
用した測定装置の一実施の形態を示すブロック図であ
る。尚、本実施の形態では半導体レーザを光源として、
メタンガスを測定する場合で説明する。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a measuring apparatus to which the remote gas concentration measuring method of the present invention is applied. In this embodiment, a semiconductor laser is used as a light source.
The case where methane gas is measured will be described.
【0049】同図に示すようにガス濃度測定装置1は、
LD(レーザダイオード)モジュール部2と、LDモジ
ュール部2を駆動するレーザ駆動回路3と、LDモジュ
ール部2からのレーザ光を分岐する光カプラ4と、光カ
プラ4で分岐された一方のレーザ光が透過すると共に、
検出すべきガスを収容する検出用ガスセル5と、光カプ
ラ4で分岐された他方のレーザ光が透過すると共に、基
準用のガスを収容する基準用ガスセル6と、検出用ガス
セル5を透過したレーザ光を受光する検出用ガスセル側
検出手段としての光検出器7と、基準用ガスセル6を透
過したレーザ光を受光する基準用ガスセル側検出手段と
しての光検出器8と、両光検出器7,8からの信号を処
理する信号処理部9とで構成されている。As shown in FIG.
LD (laser diode) module unit 2, laser drive circuit 3 for driving LD module unit 2, optical coupler 4 for splitting laser light from LD module unit 2, and one laser beam split by optical coupler 4 Is transmitted,
A detection gas cell 5 containing a gas to be detected, a reference gas cell 6 containing a reference gas while transmitting the other laser beam branched by the optical coupler 4, and a laser passing through the detection gas cell 5. A light detector 7 serving as a detecting gas cell side detecting means for receiving light; a light detector 8 serving as a reference gas cell side detecting means receiving a laser beam transmitted through the reference gas cell 6; And a signal processing unit 9 for processing a signal from the control unit 8.
【0050】LDモジュール部2は、単一波長のレーザ
光を発振するレーザとしての分布帰還型半導体レーザ
(以下「DFB−LD」という)10と、DFB−LD
10を搭載しDFB−LD10を加熱或いは冷却するた
めのペルチェ素子11と、ペルチェ素子11の発熱及び
吸熱を制御することによりDFB−LD10の発振周波
数(発振波長)を制御するためのペルチェ素子用電源1
2とで構成されている。The LD module section 2 includes a distributed feedback semiconductor laser (hereinafter, referred to as “DFB-LD”) 10 as a laser that oscillates laser light of a single wavelength, and a DFB-LD.
A Peltier element 11 for mounting or cooling the DFB-LD 10 and a Peltier element power supply for controlling the oscillation frequency (oscillation wavelength) of the DFB-LD 10 by controlling the heat generation and absorption of the Peltier element 11 1
And 2.
【0051】LDモジュール部2には、DFB−LD1
0からのレーザ光を光カプラ4にカップリングするため
のコネクタと、レーザ光を集光するための集光レンズ
と、集光レンズからの戻り光を遮断するための光アイソ
レータ(いずれも図示せず)とで構成された光学系13
が設けられており光ファイバ14を介して光カプラ4の
入力側に接続されている。尚、光学系13の端面には無
反射コーティング処理が施されDFB−LD10への戻
り光が極力小さくなるようになっている。The LD module section 2 includes a DFB-LD1
0, a connector for coupling the laser light from the optical coupler 4 to the optical coupler 4, a condensing lens for condensing the laser light, and an optical isolator for intercepting the return light from the condensing lens (all shown). Optical system 13 composed of
And is connected to the input side of the optical coupler 4 via the optical fiber 14. Note that the end face of the optical system 13 is subjected to an anti-reflection coating process so that light returning to the DFB-LD 10 is minimized.
【0052】光カプラ4の一方の出力側は往路用光ファ
イバ15を介して検出用ガスセル5の一端に接続されて
いる。この検出用ガスセル5は、往路用光ファイバ15
から出射するレーザ光が透過するセルであり、未知濃度
の種々のガス(例えばメタンガス、アセチレンガス等)
を収容するように形成され、かつ測定(検出)対象とす
る箇所に容易に取り付けることができるようになってい
る。One output side of the optical coupler 4 is connected to one end of a gas cell 5 for detection via an optical fiber 15 for a forward path. The gas cell 5 for detection includes an optical fiber 15 for the forward path.
Is a cell through which laser light emitted from is transmitted, and various gases of unknown concentration (for example, methane gas, acetylene gas, etc.)
And can be easily attached to a location to be measured (detected).
【0053】検出用ガスセル5の他端には、検出用ガス
セル5を透過したレーザ光が伝搬する復路用光ファイバ
16が接続されている。この復路用光ファイバ16には
レーザ光の強度を検出するためのpinフォトダイオー
ド等からなる光検出器7が接続されている。The other end of the detection gas cell 5 is connected to a return optical fiber 16 through which the laser light transmitted through the detection gas cell 5 propagates. The return optical fiber 16 is connected to the photodetector 7 composed of a pin photodiode or the like for detecting the intensity of the laser beam.
【0054】光カプラ4の他方の出力側は往路用光ファ
イバ17を介して基準用ガスセル6の一端に接続されて
いる。この基準用ガスセル6は、往路用光ファイバ17
から出射するレーザ光が透過するセルであり、光を吸収
しないガス(例えば窒素ガス)を収容するように形成さ
れており、かつ、容易にガスの吸入、排出ができ、内部
の圧力の調整が容易にできるようになっている。基準用
ガスセル6の他端には、この基準用ガスセル6を透過し
たレーザ光が伝搬する復路用光ファイバ18が接続され
ている。この復路用光ファイバ18にはレーザ光の強度
を検出するためのpinフォトダイオード等からなる光
検出器8が接続されている。尚、復路用光ファイバ1
6,18の端面は斜めカット無反射コーティング等が施
されており、干渉系が生じないようになっている。The other output side of the optical coupler 4 is connected to one end of the reference gas cell 6 via an outgoing optical fiber 17. The reference gas cell 6 includes an outgoing optical fiber 17.
Is a cell through which laser light emitted from is transmitted, and is formed so as to contain a gas that does not absorb light (for example, nitrogen gas), and can easily inhale and discharge the gas and adjust the internal pressure. It is easy to do. The other end of the reference gas cell 6 is connected to a return optical fiber 18 through which the laser light transmitted through the reference gas cell 6 propagates. The return optical fiber 18 is connected to a photodetector 8 composed of a pin photodiode or the like for detecting the intensity of laser light. The return optical fiber 1
The end faces 6 and 18 are coated with an oblique cut anti-reflection coating or the like so that no interference system is generated.
【0055】レーザ駆動回路3は、角周波数ωの正弦波
信号を出力する発振器19と、発振器19からの正弦波
信号をもとに角周波数2ωの正弦波信号を出力する倍周
器20と、倍周器20からの正弦波信号に対し、振幅及
び位相を変化させた角周波数2ωの正弦波信号を出力す
る制御手段としての増幅移相器210と、発振器19か
らの正弦波信号と増幅移相器210からの正弦波信号と
を加算した信号を出力する加算器21と、DFB−LD
10にバイアス電流を供給するための可変式のバイアス
電流源22と、バイアス電流源22の出力電流を制御す
るバイアス電流制御装置23とで構成されている。The laser drive circuit 3 includes an oscillator 19 that outputs a sine wave signal having an angular frequency ω, a frequency multiplier 20 that outputs a sine wave signal having an angular frequency 2ω based on the sine wave signal from the oscillator 19, An amplifying phase shifter 210 serving as control means for outputting a sine wave signal having an angular frequency of 2ω with changed amplitude and phase with respect to the sine wave signal from the frequency multiplier 20, and a sine wave signal from the oscillator 19 An adder 21 that outputs a signal obtained by adding the sine wave signal from the phaser 210, and a DFB-LD
A bias current source 22 for supplying a bias current to the bias current source 10 and a bias current control device 23 for controlling an output current of the bias current source 22 are provided.
【0056】レーザ駆動回路3は、バイアス電流源22
からの出力電流に、発振器19からの角周波数ωの正弦
波信号と、増幅移相器210からの角周波数2ωの正弦
波信号とを重畳した電流によりDFB−LD10を駆動
するようになっている。バイアス電流源22の出力側に
は加算器21からの出力による影響を防止するためのイ
ンダクタLが接続されている。加算器21の出力側には
直流分を除去するためのコンデンサCが接続されてい
る。増幅移相器210は後述する信号処理部9の割算器
24からの出力に応じて増幅率及び位相量を制御するよ
うになっている。バイアス電流制御装置23は、バイア
ス電流源22の出力電流を掃引できるようになってい
る。The laser drive circuit 3 includes a bias current source 22
The DFB-LD 10 is driven by a current in which a sine wave signal having an angular frequency ω from the oscillator 19 and a sine wave signal having an angular frequency 2ω from the amplification phase shifter 210 are superimposed on the output current from . The output side of the bias current source 22 is connected to an inductor L for preventing the influence from the output from the adder 21. The output side of the adder 21 is connected to a capacitor C for removing a DC component. The amplification phase shifter 210 controls an amplification factor and a phase amount according to an output from a divider 24 of the signal processing unit 9 described later. The bias current controller 23 can sweep the output current of the bias current source 22.
【0057】信号処理部9は、光検出器7からの信号を
増幅すると共に増幅率を変化することができる可変増幅
器25と、光検出器8からの信号を増幅する可変増幅器
26と、発振器19からの正弦波信号の角周波数ωに同
期して光検出器7からの出力の位相敏感検波を行うロッ
クインアンプ27と、倍周器20からの正弦波信号の角
周波数2ωに同期して可変増幅器25の出力の位相敏感
検波を行うロックインアンプ28と、発振器19からの
正弦波信号の角周波数ωに同期して光検出器8からの出
力の位相敏感検波を行うロックインアンプ29と、倍周
器20からの正弦波信号の角周波数2ωに同期して可変
増幅器26の出力の位相敏感検波を行うロックインアン
プ30と、両ロックインアンプ27,28から出力比を
求める割算器31と、両ロックインアンプ29,30か
らの出力比を求める割算器24と、割算器31の出力を
記録するレコーダ32とで構成されている。The signal processing unit 9 includes a variable amplifier 25 that can amplify the signal from the photodetector 7 and change the amplification factor, a variable amplifier 26 that amplifies the signal from the photodetector 8, and an oscillator 19 And a lock-in amplifier 27 that performs phase-sensitive detection of the output from the photodetector 7 in synchronization with the angular frequency ω of the sine wave signal from the sine wave signal, and is variable in synchronization with the angular frequency 2ω of the sine wave signal from the frequency multiplier 20. A lock-in amplifier 28 for performing phase-sensitive detection of the output of the amplifier 25, a lock-in amplifier 29 for performing phase-sensitive detection of the output from the photodetector 8 in synchronization with the angular frequency ω of the sine wave signal from the oscillator 19, A lock-in amplifier 30 that performs phase-sensitive detection of the output of the variable amplifier 26 in synchronization with the angular frequency 2ω of the sine wave signal from the frequency multiplier 20, and a divider 31 that obtains an output ratio from the lock-in amplifiers 27 and 28. When A divider 24 for obtaining the output ratio from both the lock-in amplifier 29, and a recorder 32 for recording the output of the divider 31.
【0058】次に図1に示した遠隔ガス濃度測定装置の
動作について説明する。Next, the operation of the remote gas concentration measuring device shown in FIG. 1 will be described.
【0059】ペルチェ素子用電源12によってペルチェ
素子11の発熱及び吸熱を制御することによりDFB−
LD10が一定の温度に固定され、バイアス電流源22
からのバイアス電流に発振器19及び増幅移相器210
からの交流電流を重畳させた駆動電流によりDFB−L
D10が駆動する。By controlling the heat generation and heat absorption of the Peltier element 11 by the Peltier element power supply 12, the DFB-
The LD 10 is fixed at a constant temperature, and the bias current source 22
Oscillator 19 and amplifying phase shifter 210
DFB-L by the drive current on which the alternating current from
D10 is driven.
【0060】光学系13に入射したレーザ光は、光カプ
ラ4で分岐され、分岐された一方のレーザ光が往路用光
ファイバ15内を伝搬し、検出用ガスセル5内のガス中
を空間伝搬し、再び復路用光ファイバ16内をレーザ光
が伝搬し、光検出器7で受光されて検出信号が出力され
る。The laser light incident on the optical system 13 is branched by the optical coupler 4, and one of the branched laser lights propagates in the outward optical fiber 15 and spatially propagates in the gas in the detection gas cell 5. Then, the laser light propagates again in the return optical fiber 16, is received by the photodetector 7, and a detection signal is output.
【0061】一方、光カプラ4により分岐された他方の
レーザ光は、往路用光ファイバ17内を伝搬し、基準用
ガスセル6内のガスを空間伝搬した後、再び復路用光フ
ァイバ18内を伝搬し、光検出器8で受光されて検出信
号が出力される。On the other hand, the other laser beam split by the optical coupler 4 propagates in the outward optical fiber 17, spatially propagates the gas in the reference gas cell 6, and then propagates again in the return optical fiber 18. Then, the light is received by the photodetector 8 and a detection signal is output.
【0062】光検出器7で検出された信号の内、発振器
19からの正弦波信号の角周波数ωに同期した信号は、
ロックインアンプ27で検出され、倍周器20の正弦波
信号の角周波数2ωに同期した信号は可変増幅器25で
増幅された後ロックインアンプ28で検出される。両ロ
ックインアンプ27,28で抽出された信号の比(ノイ
ズ成分とガス信号成分との比)が割算器31で求められ
る。Of the signals detected by the photodetector 7, the signal synchronized with the angular frequency ω of the sine wave signal from the oscillator 19 is
The signal detected by the lock-in amplifier 27 and synchronized with the angular frequency 2ω of the sine wave signal of the frequency multiplier 20 is amplified by the variable amplifier 25 and then detected by the lock-in amplifier 28. The divider 31 calculates the ratio of the signals extracted by the lock-in amplifiers 27 and 28 (the ratio between the noise component and the gas signal component).
【0063】光検出器8で検出された信号の内、発振器
19からの正弦波信号の角周波数ωに同期した信号は、
ロックインアンプ29で検出され、倍周器20の正弦波
信号の角周波数2ωに同期した信号は可変増幅器26で
増幅された後、ロックインアンプ30で検出される。両
ロックインアンプ29,30で抽出された信号の比(ノ
イズ成分のみ)が割算器24で求められる。増幅移相器
210は、この信号の比にもとづいて増幅率と位相量と
を変化させることにより、両ロックインアンプ29,3
0で抽出した信号比が0(実際にはこの信号比に含まれ
る電気的雑音以下)になるように制御する。増幅移相器
210が制御を行った後、割算器31で求められる信号
比は、制御前に含まれていたノイズ成分が0になりガス
信号成分のみが残る。可変増幅器25,26の増幅率を
上げると、割算器24の出力をもとに増幅移相器210
が増幅率と位相量とを微調整することによりノイズ成分
の除去率が高まる。Of the signals detected by the photodetector 8, the signal synchronized with the angular frequency ω of the sine wave signal from the oscillator 19 is
The signal detected by the lock-in amplifier 29 and synchronized with the angular frequency 2ω of the sine wave signal of the frequency multiplier 20 is amplified by the variable amplifier 26 and then detected by the lock-in amplifier 30. The divider 24 calculates the ratio (only the noise component) of the signals extracted by the two lock-in amplifiers 29 and 30. The amplifying phase shifter 210 changes the amplification factor and the phase amount based on the ratio of the signals, so that the two lock-in amplifiers 29, 3
Control is performed so that the signal ratio extracted with 0 is 0 (actually, the electrical noise included in this signal ratio or less). After the amplification phase shifter 210 performs the control, the noise ratio included in the signal ratio obtained by the divider 31 before the control becomes 0 and only the gas signal component remains. When the amplification factors of the variable amplifiers 25 and 26 are increased, the amplification phase shifter 210
Finely adjusts the amplification rate and the phase amount, thereby increasing the noise component removal rate.
【0064】バイアス電流制御装置23により、DFB
−LD10に供給されるバイアス電流を掃引すると、掃
引に伴いノイズ成分の量が変化するので、増幅移相器2
10は、割算器24の出力が0を保つように割算器24
の出力をもとに増幅率と位相量とを制御し続ける。The bias current control unit 23
When the bias current supplied to the LD 10 is swept, the amount of the noise component changes with the sweep, so that the amplification phase shifter 2
Reference numeral 10 denotes a divider 24 so that the output of the divider 24 keeps 0.
, The amplification factor and the phase amount are continuously controlled based on the output.
【0065】このレコーダ32で得られたガス波高値か
らガス濃度が求まり、波高値の両側に現れる極値或いは
半値全幅2γから圧力が求まる。このとき、ノイズ成分
は除去されているので、検出用ガスセル5内のガスの正
確な圧力と圧力補正した正確な濃度とを求めることがで
きる。The gas concentration is determined from the gas peak value obtained by the recorder 32, and the pressure is determined from the extreme value or full width at half maximum 2γ appearing on both sides of the peak value. At this time, since the noise component has been removed, an accurate pressure of the gas in the detection gas cell 5 and an accurate concentration after the pressure correction can be obtained.
【0066】ここで、図1に示した遠隔ガス濃度測定装
置1を使用して、検出用ガスセル5に10ppmのアセ
チレンガスを封入し、基準用ガスセル6に0ppmのア
セチレンガスを封入した場合の検出側ガス信号を図5に
示す(図1には図示されていないレコーダで測定したも
のである)。Here, using the remote gas concentration measuring device 1 shown in FIG. 1, a detection gas cell 5 is filled with 10 ppm acetylene gas and a reference gas cell 6 is filled with 0 ppm acetylene gas. The side gas signal is shown in FIG. 5 (measured with a recorder not shown in FIG. 1).
【0067】図5は図1に示した測定装置1により10
ppmのアセチレンガスを測定したときのガス信号の波
形である。同図において、横軸はバイアス電流を示し、
縦軸はガス濃度に換算した信号値を示している。FIG. 5 shows a diagram of the measuring apparatus 1 shown in FIG.
It is a waveform of a gas signal when acetylene gas of ppm is measured. In the figure, the horizontal axis indicates the bias current,
The vertical axis shows the signal value converted into the gas concentration.
【0068】図6は基準側ガス信号が0になるように制
御されている様子を示す図であり、横軸がバイアス電
流、縦軸がガス濃度に換算した信号値を示している。FIG. 6 is a diagram showing a state where the reference side gas signal is controlled to be 0. The horizontal axis indicates the bias current, and the vertical axis indicates the signal value converted into the gas concentration.
【0069】図5に示した検出側ガス信号には、図12
に示した従来の手法による測定で生じていた測定誤差が
なくなっているのが分かる。The detection-side gas signal shown in FIG.
It can be seen that the measurement error caused by the measurement by the conventional method shown in FIG.
【0070】以上において本発明によれば、ガス信号成
分に依存しない基準ガス信号の値に応じて、レーザ光の
駆動電流に変調周波数の2倍の周波数の交流電流を重畳
し、その交流電流の振幅と位相とを制御することにより
ノイズ成分Nを減少させると共に測定レンジ変更による
誤差をなくすことができ、ガス信号成分Gを誤差成分E
1 、E2 に対して大きくすることにより、低濃度のガス
をより正確に測定することができる。尚、本実施の形態
ではメタンガスの濃度測定の場合で説明したがこれに限
定されるものではなく、他の種類のガスの濃度測定を行
ってもよい。According to the present invention described above, according to the value of the reference gas signal which does not depend on the gas signal component, an alternating current having a frequency twice as high as the modulation frequency is superimposed on the driving current of the laser beam. By controlling the amplitude and phase, the noise component N can be reduced and the error due to the change in the measurement range can be eliminated.
By increasing relative 1, E 2, it is possible to measure low concentrations of gas more accurately. In the present embodiment, the case of measuring the concentration of methane gas has been described, but the present invention is not limited to this, and the concentration of other types of gas may be measured.
【0071】[0071]
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。In summary, according to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
【0072】検出すべきガスを検出用ガスセルに収容
し、基準用のガスを基準用ガスセルに収容し、変調周波
数の2倍の周波数の交流電流を重畳した駆動電流に応じ
たレーザ光を両ガスセルに通して両透過光の強度を検出
すると共に、交流電流の振幅と位相とを制御することに
より、検出信号中のノイズ成分を減少させることがで
き、誤差の多少大きな測定装置を用いても低濃度ガスの
濃度を測定できる。The gas to be detected is accommodated in the gas cell for detection, the gas for reference is accommodated in the gas cell for reference, and a laser beam corresponding to a driving current in which an alternating current having a frequency twice the modulation frequency is superimposed is applied to both gas cells. In addition to detecting the intensity of both transmitted light and controlling the amplitude and phase of the alternating current, the noise component in the detection signal can be reduced. The concentration of the concentration gas can be measured.
【図1】本発明の遠隔ガス濃度測定方法を適用した測定
装置の一実施の形態を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a measuring device to which a remote gas concentration measuring method of the present invention is applied.
【図2】(a)は透過率Tの波形、(b)は透過率Tの
一次微分T01の波形、(c)は透過率Tの二次微分T02
の波形を示す図である。2 (a) is a waveform of the transmittance T, (b) the first derivative T 01 of the waveform of the transmittance T, (c) is the transmittance T second derivative T 02
It is a figure which shows the waveform of.
【図3】ガスセル内の圧力に対する吸収係数α(ω)と
検波信号P(2ω)と半値全幅2γとの関係を示す図で
ある。FIG. 3 is a diagram showing a relationship among an absorption coefficient α (ω) with respect to a pressure in a gas cell, a detection signal P (2ω), and a full width at half maximum 2γ.
【図4】図1に示したガス濃度測定装置に用いられたレ
コーダにより得られた出力波形の一部を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a part of an output waveform obtained by a recorder used in the gas concentration measuring device shown in FIG.
【図5】図1に示した測定装置により10ppmのアセ
チレンガスを測定したときのガス信号の波形である。5 is a waveform of a gas signal when acetylene gas of 10 ppm is measured by the measuring device shown in FIG.
【図6】基準側ガス信号が0になるように制御されてい
る様子を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which a reference side gas signal is controlled to be 0.
【図7】レーザ光の波長とガス信号との関係を示す図で
ある。FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between a wavelength of a laser beam and a gas signal.
【図8】ガス信号にノイズが重畳した状態を示す図であ
る。FIG. 8 is a diagram showing a state in which noise is superimposed on a gas signal.
【図9】従来の測定方法による50ppmアセチレンガ
スの差分前のガス信号を示す図である。FIG. 9 is a view showing a gas signal before a difference of 50 ppm acetylene gas by a conventional measuring method.
【図10】従来の測定方法による50ppmアセチレン
ガスの差分後のガス信号を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a gas signal after a difference of 50 ppm acetylene gas by a conventional measurement method.
【図11】従来の測定方法による10ppmアセチレン
ガスの差分前のガス信号を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a gas signal before a difference of 10 ppm acetylene gas by a conventional measurement method.
【図12】従来の測定方法による10ppmアセチレン
ガスの差分後のガス信号を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a gas signal after a difference of 10 ppm acetylene gas by a conventional measurement method.
2 LDモジュール部 3 レーザ駆動回路 4 光カプラ 5 検出用ガスセル 6 基準用ガスセル 9 信号処理部 11 ペルチェ素子 13 光学系 210 増幅移相器 2 LD module section 3 Laser drive circuit 4 Optical coupler 5 Gas cell for detection 6 Gas cell for reference 9 Signal processing section 11 Peltier element 13 Optical system 210 Amplification phase shifter
Claims (2)
のレーザ光を発振するレーザを用い、所定の電流値を中
心として駆動電流を変化させることによりレーザ光の波
長及び強度を変調し、その変調されたレーザ光を測定対
象としてのガス雰囲気中に通して得られる透過光の強度
を検出し、得られた検出信号中の特定成分を位相敏感検
波して得られるガス信号よりガス濃度を求める遠隔ガス
濃度測定方法において、検出すべきガスを検出用ガスセ
ルに収容し、基準用のガスを基準用ガスセルに収容し、
変調周波数の2倍の周波数の交流電流を重畳した駆動電
流に応じたレーザ光を両ガスセルに通して両透過光の強
度を検出すると共に、上記交流電流の振幅と位相とを制
御することにより検出信号中のノイズ成分を減少させる
ようにしたことを特徴とする遠隔ガス濃度測定方法。A laser that oscillates a laser beam having a wavelength and intensity corresponding to a drive current and a temperature, modulates the wavelength and intensity of the laser beam by changing the drive current around a predetermined current value, Detects the intensity of transmitted light obtained by passing the modulated laser light through a gas atmosphere as a measurement target, and obtains a gas concentration from a gas signal obtained by phase-sensitive detection of a specific component in the obtained detection signal. In the remote gas concentration measurement method, the gas to be detected is stored in the detection gas cell, and the reference gas is stored in the reference gas cell,
A laser beam corresponding to a driving current in which an alternating current having a frequency twice as high as the modulation frequency is superimposed is passed through both gas cells to detect the intensity of both transmitted lights, and is also detected by controlling the amplitude and phase of the alternating current. A remote gas concentration measurement method, wherein a noise component in a signal is reduced.
のレーザ光を発振するレーザと、所定の電流値を中心と
して該レーザの駆動電流を変化させることによりレーザ
光の波長及び強度を変調する変調手段と、その変調され
たレーザ光を測定対象としてのガス雰囲気中に通して得
られる透過光の強度を検出する検出手段と、該検出手段
により得られた検出信号中の特定成分を位相敏感検波し
て得られるガス信号よりガス濃度を求める信号処理手段
とを備えた遠隔ガス濃度測定装置において、検出すべき
ガスを収容する検出用ガスセルと、基準用のガスを収容
する基準用ガスセルと、変調周波数の2倍の周波数の交
流電流が重畳された駆動電流に応じたレーザ光を検出用
ガスセルに通した透過光の強度を検出する検出用ガスセ
ル側検出手段と、変調周波数の2倍の周波数の交流電流
が重畳された駆動電流に応じたレーザ光を基準用ガスセ
ルに通した透過光の強度を検出する基準用ガスセル側検
出手段と、上記交流電流の振幅と位相とを制御すること
により検出信号中のノイズ成分を減少させる制御手段と
を設けたことを特徴とする遠隔ガス濃度測定装置。2. A laser which oscillates a laser beam having a wavelength and intensity corresponding to a drive current and a temperature, and modulates the wavelength and intensity of the laser beam by changing the drive current of the laser with a predetermined current value as a center. A modulating means, a detecting means for detecting the intensity of transmitted light obtained by passing the modulated laser light through a gas atmosphere as a measuring object, and a phase-sensitive specific component in a detection signal obtained by the detecting means. In a remote gas concentration measurement device provided with signal processing means for obtaining a gas concentration from a gas signal obtained by detection, a detection gas cell containing a gas to be detected, a reference gas cell containing a reference gas, Detecting gas cell side detecting means for detecting the intensity of transmitted light, which passes laser light according to a driving current on which an alternating current having a frequency twice the modulation frequency is superimposed, through the detecting gas cell; A reference gas cell side detecting means for detecting the intensity of transmitted light passing through a reference gas cell according to a driving current on which an alternating current having a frequency twice as high as the tuning current is superimposed, and an amplitude and a phase of the alternating current Control means for reducing the noise component in the detection signal by controlling the control of the remote gas concentration.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29077096A JPH10132737A (en) | 1996-10-31 | 1996-10-31 | Remote gas concentration measurement method and apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29077096A JPH10132737A (en) | 1996-10-31 | 1996-10-31 | Remote gas concentration measurement method and apparatus |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10132737A true JPH10132737A (en) | 1998-05-22 |
Family
ID=17760313
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29077096A Pending JPH10132737A (en) | 1996-10-31 | 1996-10-31 | Remote gas concentration measurement method and apparatus |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10132737A (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1996
- 1996-10-31 JP JP29077096A patent/JPH10132737A/en active Pending
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