JP2792782B2 - ガス濃度測定方法およびその測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス濃度測定方法およ
び測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】メタンガスは都市ガスの主成分であり、
メタンガスの検知により都市ガスの漏洩を検知できる。
このため、地下街、高層ビル等の特定地域では、メタン
ガスの有無を安全かつ確実に、しかも迅速に検出するこ
とが必要となる。ところが、従来の半導体、燃焼式など
のガスセンサは、信頼性に劣り、そのため近年、光式ガ
スセンサが開発されるに至った。

【０００３】光式ガスセンサは、その原理として特定波
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
している。この原理を応用したセンシング技術が工業計
測、公害監視などで広く用いられている。このレーザ光
の伝送路を光ファイバとすれば、遠隔監視も可能とな
る。

【０００４】そこで、本発明者らは光ファイバを伝送路
とした新規の遠隔ガス（メタンガス）検出装置を開発し
た。この原理を利用した方法では、半導体レーザの駆動
電流を中心として高周波で変調し、波長および強度の変
調されたレーザ光を発振させる。さらに電流および温度
を制御して発振の中心波長が、メタン吸収線の中心にな
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
タ用として用いる。そう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を含む測定
ガス用セルに透過させて、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倍波検波信号
または基本検波信号よりガス濃度を高いＳ／Ｎ比で検出
できる。

【０００５】ところが、メタンガスの１つの孤立吸収線
に着目すると、吸収係数αは、大気の全圧に依存した値
をもつ。そのため、炭坑やプラントなど気圧変化の激し
い箇所で濃度測定を行う場合、別に圧力センサを設けて
圧力の測定を行い、その値に基づいて補正を行わない
と、正確な濃度測定が行えない。

【０００６】そこで本発明者らは、駆動電流および温度
に応じた波長および強度の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、測定対象となる一定温度に保たれたガス雰囲気に通
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、この検出信号から上記雰囲気圧
力下での特定ガス濃度を測定する手法を提案した。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来の方法にお
いて、レーザの中心周波数のモニタは、レーザの発振周
波数と順方向抵抗の変化量との関係に再現性があること
を利用している。

【０００８】まずレーザの端子間電圧と所定の一定電圧
との差分をとり、その差分電圧を増幅してレーザ端子間
電圧の変化量をモニタしている。

【０００９】図３は、レーザの中心周波数と２倍波位相
敏感検波信号との関係を示す図であり、ガス濃度検出器
により得られた信号をＸＹレコーダで記録して得られ
る。このとき横軸は差分電圧、縦軸はメタンガスを透過
した光を検出して位相敏感検波して得られた２倍波位相
敏感検波信号である。

【００１０】同図において、２つの極小値の幅がガス吸
収線の半値全幅に相当しており、測定雰囲気の圧力によ
って変化する。信号処理部（図示せず）でこれらの２点
間の電圧差と圧力との関係を把握しておけば圧力換算が
できる。

【００１１】しかしながら、そのレーザ端子間の電圧変
化量は１／１０００程度の小さい値のため、高利得でし
かも安定動作のできる増幅器が必要となってしまう。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、高利得で高安定度の増幅器を用いることなく圧力補
正の行えるガス濃度測定方法およびその測定装置を提供
することにある。

【００１３】上記目的を達成するために、駆動電流およ
び温度に応じた波長および強度のレーザ光を発振するレ
ーザを用い、このレーザの駆動電流あるいは温度を変化
させて、波長およ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するガス雰囲気に通して得られる透
過光の強度を検出し、この検出信号中の特定成分を位相
敏感検波して、この検波信号から上記雰囲気圧力下での
測定対象ガス中の特定ガスの濃度を測定するガス濃度測
定方法において、上記測定対象となるガス雰囲気に入射
する前のレーザ光を分岐器を介して分岐し、その分岐さ
せたレーザ光を一定温度、一定圧力かつ既知濃度の基準
ガス雰囲気に通してその透過光の強度を検出し検出信号
中から２倍波成分を位相敏感検波すると共に、上記レー
ザ光の中心周波数をレーザ直流電圧の増幅出力でモニタ
し、基準ガスの透過光の検出信号中から検波した２倍波
検波信号に極小値を与えるモニタ電圧と基準ガスの圧力
との関係を表す比を求め、上記測定対象ガスの透過光の
検出信号中から検波した２倍波検波信号に極小値を与え
るモニタ電圧を上記比で補正し、補正した電圧値を用い
て上記測定対象ガスの圧力を求めると共にその圧力で上
記測定した測定対象ガス中の特定ガスの濃度を補正する
ものである。

【００１４】また、本発明のガス濃度測定装置は、駆動
電流および温度に応じた波長および強度のレーザ光を発
振するレーザと、測定対象とする特定ガスを収容すると
共に、そのガスの温度を一定に保つ測定ガス用セルと、
上記レーザ光をこの測定ガス用セルに通して得られる透
過光の強度を検出する測定ガス側光検出器と、この検出
器からの検出信号中の特定成分を位相敏感検波して、こ
の検波信号から上記特定ガスの濃度を測定する測定手段
とを備えたガス濃度測定装置において、上記測定ガス用
セルに入射するレーザ光を分岐する光分岐器と、該光分
岐器によって分岐されたレーザ光を透過させると共に、
一定温度かつ一定圧力に保たれた既知濃度のガスが収容
された基準ガス用セルと、この基準ガス用セルを透過し
たレーザ光の強度を検出し検出信号中から２倍波成分を
位相敏感検波する基準ガス側光検出器と、上記レーザ光
の中心周波数をレーザ直流電圧の増幅出力でモニタする
アンプと、上記基準ガス側光検出器から得られた２倍波
検波信号に極小値を与えるモニタ間電圧と基準ガスの圧
力との関係を表す比を求め、上記測定対象ガスの透過光
の検出信号中から検波した２倍波検波信号に極小値を与
えるモニタ電圧を上記比で補正し、補正した電圧値を用
いて上記測定対象ガスの圧力を求めると共にその圧力で
上記測定した測定対象ガス中の特定ガスの濃度を補正す
る補正手段とを備えたものである。

【００１５】

【作用】まず、分光測定において、測定感度を向上させ
る方法として周波数変調法がある。これは周波数変調さ
れた光を、検出対象とするガスを含む雰囲気中に透過さ
せると、その透過光の検出信号は直流分の他、変調周波
数と同じ周波数の基本波成分およびその高調波成分が得
られる。このうち、基本波成分と２倍波成分とをそれぞ
れ位相敏感検波すると、その基本波成分は吸収線に関す
る一次微分に対応し、２倍波成分は吸収線に関する二次
微分に対応する。このことから、駆動電流を変調したレ
ーザ光を特定のガスを含む雰囲気に透過させ、その透過
光の検出信号中の特定成分を位相敏感検波すると、その
検出信号からガス濃度に関する情報が得られる。このガ
ス濃度は、圧力の変化の影響をうけるため、レーザ光の
中心波長（中心周波数）を吸収線の前後で掃引させ、中
心周波数に対する２倍波成分の変化から圧力を求め、こ
の圧力で前記得られたガス濃度を補正して雰囲気圧力下
でのガス濃度を正確に測定することができる。

【００１６】雰囲気圧力を求めるにはレーザ光の中心周
波数を知る必要があり、中心周波数はレーザ直流電圧で
モニタすることができるが、このモニタに使用するアン
プの増幅率変動分を補正する必要がある。そこで、一定
温度、一定圧力および既知濃度のガスが収容された基準
ガス用セルを透過したレーザ光を検出し、その検出信号
中から２倍波検波信号を検波する。この２倍波検波信号
に極小値を与えるモニタ電圧と基準ガスの圧力との関係
を表す比を求めておく。次に、測定ガス用セルを透過し
たレーザ光の検出信号中から検波した２倍波検波信号に
極小値を与えるモニタ電圧を、この比で補正し、補正し
た値を用いて測定対象ガスの圧力を求める。この圧力で
上記測定対象ガスとする特定ガスの濃度を補正すること
で正確な濃度が測定できる。ここで、位相敏感検波と
は、特定の周波数および位相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。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。尚、ここでは、半導体レーザを光源とし
て、メタンガスを測定する例について説明する。

【００１８】半導体レーザの駆動電流を変調してレーザ
光の発振周波数Ωを変調させると、発振周波数だけでな
く発振強度も変調を受ける。今、このように周波数およ
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
に透過させると、その透過光の検出信号Ｐは数１のよう
に表される。

【００１９】

【数１】 Ｐ＝Ａ［Ｉ₀ ＋ΔＩｃｏｓ（ωｔ＋φ）］×［Ｃ₀ ＋ΔΩ・Ｔ₀₁ｃｏｓωｔ ＋（（ΔΩ）² ／４）Ｔ₀₂ｃｏｓ２ωｔ］ ただし、

【００２０】

【数２】Ｃ₀ ＝Ｔ＋（（ΔΩ）² ／４）・Ｔ₀₂ である。この検出信号Ｐは、直流分のほか、ｃｏｓωｔ
成分とｃｏｓ２ωｔ成分とを含む。ここで、Ａは反射条
件などに依存する定数、Ｉ₀ はレーザ出力の中心強度、
ΔＩは強度振幅変調、ωは駆動電流の変調周波数、φは
ωとΩとの間の位相差、ΔΩは周波数変調振幅である。
また、Ｔ、Ｔ₀₁、Ｔ₀₂はそれぞれ透過率、その一次微分
ｄＴ／ｄΩ、二次微分ｄ² Ｔ／ｄΩ² のΩ＝Ω₀ （ここ
でω₀ はレーザの中心周波数）の値であり、その形状を
図４に示す。

【００２１】ここで、図４は周波数に対する透過率Ｔ
と、その一次微分Ｔ₀₁、二次微分Ｔ₀₂とを示す図であ
る。各波形において横軸は周波数であり、縦軸は透過率
Ｔ（イ）、一次微分Ｔ₀₁（ロ）、二次微分Ｔ₀₂（ハ）で
ある。

【００２２】数１におけるｃｏｓωｔの周波数、位相成
分φを位相敏感検波すると、

【００２３】

【数３】 Ｐ（２ω）＝Ａ［Ｉ₀ （（ΔΩ）² ／４）Ｔ₀₂＋ΔＩ・ΔΩｃｏｓφ・Ｔ₀₁］ が得られ、検波信号Ｐ（２ω）がＴ₀₁およびＴ₀₂に基づ
いて変化することがわかる。

【００２４】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４参照）。また、この
ときにはＴ₀₁が「０」、Ｔ₀₂が最大となるため、数３の
第２項は消去されて、第１項のみ残る。即ち、Ω₀ ＝ω
₀ のときのＴ₀₂は、

【００２５】

【数４】 Ｔ₀₂（Ω₀ ＝ω₀ ）＝２・α（ω₀ ）・ｃ・Ｌ／γ² となる。そのため、これを数３の第１項に代入すると、

【００２６】

【数５】 Ｐ（２ω）＝Ａ・Ｉ₀ （ΔΩ）² ・α（ω₀ ）・ｃ・Ｌ／２γ² ＝Ｋ₁ α（（ω₀ ）／γ² ）ｃ・Ｌ となる。ここで、Ｋ₁ は定数、α（ω₀ ）は、Ω₀ ＝ω
₀ 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、ｃ・Ｌはガス濃度ｃと光路長Ｌとの積であ
る。

【００２７】このように、検波信号Ｐ（２ω）はガス濃
度ｃと光路長Ｌとの積に比例し、これよりメタンガスの
濃度ｃを極めて高い感度で検出できる。

【００２８】ところで、数５中のα（ω₀ ）およびγ²
は、図２に示したように、ガス雰囲気の圧力により変化
する。

【００２９】ここで図２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）、縦軸が吸収係数α（ω）、検波信号
Ｐ（２ω）、半値全幅２γである。

【００３０】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 ）および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。

【００３１】今、レーザ光の中心周波数Ω₀ を変化させ
ると、数３の第１項はＴ₀₂に、第２項は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。したが
って、検波信号Ｐ（２ω）の波形は、図４の（ロ）と
（ハ）とをそれぞれある係数でもって積算して、これら
を互いに加算した形状となる（図３参照）。しかし、実
際には、数３の第１項は第２項よりも優位であるため、
図４（ハ）に示す低波長側の極小値と高波長側の極小値
との間の中心周波数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。こうして半値全幅２γが求
まれば、図２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。なお、図２に示したＰ（２ω）は、数５中のα（ω
₀ ）／γ² の圧力による変化であり、全圧１００ｔｏｒ
ｒ近傍で最大値を示している。

【００３２】この図２から雰囲気圧力を求めるには、α
（ω₀ ）あるいはγのいずれか一方が分かれば、圧力が
わかり、圧力補正をした濃度の検出ができる。

【００３３】図１は本発明の一実施例としてのガス濃度
測定装置の概略構成図である。

【００３４】同図において、１は半導体レーザで、単一
波長のレーザ光を発振させる必要から分布帰還形レーザ
を用いている。２は半導体レーザ１からのレーザ光を石
英系光ファイバ３ａにカップリングするための光学系
で、集光レンズと戻り光をカットするための光アイソレ
ータとからなる。光学系２の端面にはさらに無反射コー
ティング処理が施され、半導体レーザ１への戻り光を極
力小さくしてある。また４は半導体レーザ１をマウント
してその温度を（図示しない外部の電流源）により制御
するためのペルチェ素子であり、以上によりレーザモジ
ュール５が構成されている。

【００３５】６は光ファイバ３ａからのレーザ光を分岐
する光分岐器で光ファイバ３ａ、３ｂに接続されてい
る。７は光ファイバ３ｂからの光が透過する測定ガス用
セルで一定温度の未知濃度のメタンガスが含まれてい
る。８は光ファイバ３ｃからの光が透過する基準ガス用
セルで、一定温度、一定圧力の既知濃度のメタンガスが
含まれている。基準ガス用セル８は、一定温度と一定圧
力に設定される必要から、外乱の影響を受けにくい構造
にする必要があるので、断熱材で覆うと共に温度制御さ
れ、一定温度に保たれている。

【００３６】３ｄは測定ガス用セル７を透過したレーザ
光を伝搬する復路用の石英系光ファイバ、９は光ファイ
バ３ｄからのレーザ光の強度を検出するｐｉｎフォトダ
イオード等からなる光検出器である。３ｃは分岐器６で
分岐されたレーザ光が基準ガス用セル８を透過するため
の光ファイバ、１０は基準ガス用セル８を透過したレー
ザ光の強度を検出するｐｉｎフォトダイオード等からな
る光検出器である。

【００３７】ここで、光ファイバ３ａ〜３ｄの端面は、
斜めカット無反射コーティング等により内部で干渉系が
発生しないように処理されている。

【００３８】一方、１１は周波数ωの正弦波信号を出力
する発振器、１２はこの周波数ωの信号により周波数２
ωの２倍波信号を作る倍周器、１３は半導体レーザ１に
バイアス電流を付加するための定電流電源であり、以上
によりレーザ駆動回路１４が構成されている。

【００３９】レーザ駆動回路１４は、発振器１１からの
周波数ωの正弦波信号が、定電流電源１３からの出力に
重畳されて、半導体レーザ１を駆動する。この例では、
変調周波数としてω＝５０ＫＨｚとした。また、定電流
電源１３の出力側には、発振器１１の出力による影響を
防ぐためにインダクタンスＬが接続されており、発振器
１１の出力側にはコンデンサＣが接続されている。

【００４０】１５は発振器１１からの正弦波信号の周波
数ωに同期して光検出器９の出力の位相敏感検波を行う
ロックインアンプ、１６は倍周器１２の正弦波信号の周
波数２ωに同期して光検出器９の出力の位相敏感検波を
行うロックインアンプ、１７は両ロックインアンプ１
５、１６の出力比を求める割算器である。１８は割算器
１７の出力から濃度を補正するための濃度計算器であ
る。１９は倍周器１２の正弦波信号の周波数２ωに同期
して光検出器１０の出力の位相敏感検波を行うロックイ
ンアンプである。

【００４１】一方、２０は変調周波数ω成分をカットす
るローパスフィルタ、２１は所定の基準電圧を発生する
基準電源、２２は半導体レーザ１の順方向電圧の直流分
の変化を得るべく、ローパスフィルタ２０の出力電圧の
値と基準電圧の値との差を求める減算器、２３は減算器
２２からの出力を増幅するアンプである。さらに、２４
はアンプ２３の出力をＸ軸に、ロックインアンプ１９の
出力をＹ₁ 軸に、ロックインアンプ１６の出力をＹ₂ 軸
にそれぞれ入力して記録するＸＹレコーダであり、以上
により測定手段２５が構成されている。なお、この測定
手段２５にはさらに、図示しない信号処理装置がＸＹレ
コーダ２４に接続されて設けられている。

【００４２】次に実施例の作用を述べる。

【００４３】図１において、測定は、まず半導体レーザ
１にある一定の発振しきい値以上の大きさの電流を定電
流電源１３から供給する。この電流に変調周波数ωの正
弦波電流を重畳し、レーザ光の周波数および強度を変調
する。そして、ペルチェ素子４の印加電流を調整して、
半導体レーザ１の中心周波数を変化させていく。

【００４４】このとき半導体レーザ１の中心周波数が、
減算器２２の出力を増幅したアンプ２３の出力値により
モニタされる。これは、個々の半導体レーザの発振周波
数の変化量と順方向抵抗成分の変化量との関係には再現
性があるからである。そのため、中心周波数のモニタと
してアンプ２３の出力をＸＹレコーダ２４のＸ軸成分に
いれる。

【００４５】一方、半導体レーザ１で発振されたレーザ
光は、光ファイバ３ａを介し、光分岐器６によりその一
部が測定ガス用セル７内の未知濃度、一定温度のメタン
ガス雰囲気を透過後、光ファイバ３ｄを介して光検出器
９に導かれ、そこで強度検出される。

【００４６】他方、光分岐器６を介して残りの光が、光
ファイバ３ｃを介し既知濃度、一定温度、一定圧力の測
定ガスと同一種類のガスを含んだ基準ガス用セル８に透
過後、光検出器１０に導かれ、そこで強度検出される。

【００４７】測定ガス用セル７からの検出信号は、ロッ
クインアンプ１５、１６により位相敏感検波されて、基
本波信号Ｐ_S （ω）および２倍波検波信号Ｐ_S （２ω）
が得られると共に、割算器１７に入力されて、Ｐ_S （２
ω）／Ｐ_S （ω）より圧力換算前の濃度が求まる。

【００４８】次に各受光器９、１０から得られた２倍波
検波信号Ｐ _Ｒ （２ω）をＸＹレコーダ２４のＹ _１ 軸に入
力し、２倍波検波信号Ｐ _Ｓ （２ω）をＹ _２ 軸に入力す
る。

【００４９】図３に、以上のようにしてＸＹレコーダ２
４により得られた出力波形の一部を示す。図３はレーザ
の中心周波数と２倍波位相敏感検波信号との関係を示す
図であり、同図において横軸が周波数、縦軸が吸収係数
α、濃度ｃ、光路長Ｌおよび定数ｋの積ｋ・α・ｃ・Ｌ
である。ＸＹレコーダ２４により得られた波形は同図の
横軸をアンプ２３の出力電圧としたものとなる。

【００５０】同図に示した波形の極大値を与える周波数
と極小値を与える周波数との差（アンプ２３の出力電圧
の差）γから測定ガス用セル７内の圧力が求められる。
吸収線の中心の低波長側の極小値と長波長側の極小値と
の周波数差２γから圧力を求めてもよい。信号処理部で
は、この２点間の電圧差と圧力との関係を予め記憶して
おき、この関係から濃度を補正すればよいが、アンプ２
３が周囲温度、使用素子の温度等により増幅率が変動す
るのでその変動分の出力電圧を補正する必要がある。

【００５１】そこで、まず基準ガス用セル８の透過光か
ら得られるロックインアンプ１９の２倍波電圧に極小値
を与えるモニタ電圧と基準ガス用セル８内の圧力との関
係を表わす比を予め記憶する。次に測定ガス用セル７の
透過光から得られるロックインアンプ１６の２倍波電圧
に極小値を与えるモニタ電圧を、この比で補正し、補正
した値と信号処理部内のテーブルの値とから測定ガスの
圧力を求める。求めた圧力と補正前の濃度とから正確な
濃度が求められる。

【００５２】このように本実施例によれば、変調された
レーザ光を分岐器６で分岐し、分岐光の一方を未知濃
度、未知圧力の測定ガス用セル７内のメタンガスを透過
させ、光検出器９を介してロックインアンプ１５、１６
で位相敏感検波して得られた二次微分信号Ｔ _０２ を一次
微分信号Ｔ _０１ で割算器１７で割算す１ることで圧力補
正前のガス濃度を算出すると共に、一定温度、一定圧力
および既知濃度のメタンガスを収容した基準ガス用セル
８を透過させ、光検出器１０を介してロックインアンプ
１９で位相敏感検波し、得られた二次微分信号に極小値
を与えるモニタ電圧と基準ガス圧力との関係を求め、ロ
ックインアンプ１６で位相敏感検波して得られた二次微
分信号に極小値を与えるモニタ電圧を補正し、この補正
した電圧値を用いて測定ガス圧力を求め、前記算出した
濃度を補正するので、高利得で高安定度の増幅器を用い
ることなく、圧力補正の行えるガス濃度測定方法および
その測定装置を実現することができる。したがって、従
来方式では圧力センサを用いないと不可能であった炭坑
やプラントなど気圧変化の激しい場所あるいは環境下に
おいても、何等新たに圧力センサを設けることなく、正
確にメタンガス濃度を測定することができる。

【００５３】また、本実施例では圧力補正用の位相敏感
検波信号として基準ガス用セル及び測定ガス用セルに２
倍波信号を用いているが、これに限らず基本波信号を用
いてもよい。さらに、本実施例では基準ガス用セルにメ
タンガスを収容してメタンガスの測定を行ったが、基準
ガス用セルに他のガスを収容して他のガスの濃度を測定
してもよい。

【００５４】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、測定対象
となるガス雰囲気に入射する前のレーザ光を分岐器を介
して分岐し、その分岐させたレーザ光を一定温度、圧力
および濃度の基準ガス雰囲気に通してその透過光の検出
信号中から検波した２倍波検波信号に極小値を与えるモ
ニタ電圧と基準ガスの圧力との関係を表す比を検出する
と共に、この比でモニタ電圧を補正して測定ガス圧力を
求めるので、高利得で高安定度の増幅器を用いることな
く圧力補正の行えるガス濃度測定方法およびその測定装
置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としてのガス濃度測定装置の
概略構成図である。

【図２】図１に示したガス濃度測定装置に用いられるセ
ル内の圧力に対する吸収係数α（ω）と検波信号Ｐ（２
ω）と半値幅２γとの関係を示す図である。

【図３】レーザの中心周波数と２倍波位相敏感検波信号
との関係を示す図であり、図１に示したガス濃度測定装
置に用いられたＸＹ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。

【図４】周波数に対する透過率Ｔと、その一次微分Ｔ
_０１ 、二次微分Ｔ _０２ とを示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ６ 分岐器 ７ 測定ガス用セル ８ 基準ガス用セル ９、１０ 受光器 １１ 発振器 １２ 倍周器 １３ 定電流電源 １５、１６、１９ ロックインアンプ １７ 割算器 ２４ ＸＹレコーダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 昌彦 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日 立電線株式会社オプトロシステム研究所 内 (56)参考文献 特開 平４−326041（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−277945（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−88943（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−100437（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動電流および温度に応じた波長および
   強度のレーザ光を発振するレーザを用い、このレーザの
   駆動電流あるいは温度を変化させて、波長および強度が
   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するガ
   ス雰囲気に通して得られる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て、この検波信
   号から上記雰囲気圧力下での測定対象ガス中の特定ガス
   の濃度を測定するガス濃度測定方法において、上記測定
   対象となるガス雰囲気に入射する前のレーザ光を分岐器
   を介して分岐し、その分岐させたレーザ光を一定温度、
   一定圧力かつ既知濃度の基準ガス雰囲気に通してその透
   過光の強度を検出し検出信号中から２倍波成分を位相敏
   感検波すると共に、上記レーザ光の中心周波数をレーザ
   直流電圧の増幅出力でモニタし、基準ガスの透過光の検
   出信号中から検波した２倍波検波信号に極小値を与える
   モニタ電圧と基準ガスの圧力との関係を表す比を求め、
   上記測定対象ガスの透過光の検出信号中から検波した２
   倍波検波信号に極小値を与えるモニタ電圧を上記比で補
   正し、補正した電圧値を用いて上記測定対象ガスの圧力
   を求めると共にその圧力で上記測定した測定対象ガス中
   の特定ガスの濃度を補正することを特徴とするガス濃度
   測定方法。
2. 【請求項２】 駆動電流および温度に応じた波長および
   強度のレーザ光を発振するレーザと、測定対象とする特
   定ガスを収容すると共に、そのガスの温度を一定に保つ
   測定ガス用セルと、上記レーザ光をこの測定ガス用セル
   に通して得られる透過光の強度を検出する測定ガス側光
   検出器と、この検出器からの検出信号中の特定成分を位
   相敏感検波して、この検波信号から上記特定ガスの濃度
   を測定する測定手段とを備えたガス濃度測定装置におい
   て、上記測定ガス用セルに入射するレーザ光を分岐する
   光分岐器と、該光分岐器によって分岐されたレーザ光を
   透過させると共に、一定温度かつ一定圧力に保たれた既
   知濃度のガスが収容された基準ガス用セルと、この基準
   ガス用セルを透過したレーザ光の強度を検出し検出信号
   中から２倍波成分を位相敏感検波する基準ガス側光検出
   器と、上記レーザ光の中心周波数をレーザ直流電圧の増
   幅出力でモニタするアンプと、上記基準ガス側光検出器
   から得られた２倍波検波信号に極小値を与えるモニタ電
   圧と基準ガ スの圧力との関係を表す比を求め、上記測定
   対象ガスの透過光の検出信号中から検波した２倍波検波
   信号に極小値を与えるモニタ電圧を上記比で補正し、補
   正した電圧値を用いて上記測定対象ガスの圧力を求める
   と共にその圧力で上記測定した測定対象ガス中の特定ガ
   スの濃度を補正する補正手段とを備えたことを特徴とす
   るガス濃度測定装置。