JP3229391B2 - Multipoint gas concentration measurement method and apparatus using optical fiber - Google Patents
Multipoint gas concentration measurement method and apparatus using optical fiberInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ガス濃度を光学的に測
定するガス濃度測定方法及び装置に係り、特に、低濃度
でもガス検出ができ、しかも1組の光源、信号処理手段
でもって多箇所のガス濃度測定ができ、さらに制御方法
が簡単且つ光ファイバ量が少なくてよい光ファイバを用
いた多点ガス濃度測定装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas concentration measuring method and apparatus for optically measuring gas concentration, and more particularly to a gas concentration measuring method and apparatus capable of detecting gas even at a low concentration. The present invention relates to a multi-point gas concentration measuring apparatus using an optical fiber, which can measure a gas concentration at a location, has a simple control method, and requires a small amount of optical fiber.
【0002】[0002]
【従来の技術】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が
工業計測、公害監視などで広く用いられている。また、
レーザ光を光ファイバ路を伝送路とすれば、遠隔地のガ
ス検出を行うことも可能である。2. Description of the Related Art It is known that the presence or absence of a gas can be detected by utilizing the fact that laser light of a specific wavelength is easily absorbed by a certain kind of gas. Sensing technology using this principle is used in industrial measurement, pollution monitoring, etc. Widely used in Also,
If a laser beam is used as an optical fiber path as a transmission path, it is possible to detect gas in a remote place.
【0003】一例として、メタンガスは、1.6μmに
強い吸収スペクトル線を持っている。この波長とメタン
ガスに吸収されない別の波長とを含む光を光ファイバで
測定ガスまで導き、光を測定ガス雰囲気中を透過させ、
その透過光を対向する別の光ファイバで受けて受光部ま
で導く。この場合、光源としては、LEDのような広い
帯域幅の波長を持つ光源が使われる。受光部では、帯域
透過フィルタ等を用いてメタンガスに吸収される波長の
光と、メタンガスに吸収されない波長の光とに分光し、
それぞれの光の減衰量の比を求めて、これよりメタンガ
スの濃度を検出する。As an example, methane gas has a strong absorption spectrum line at 1.6 μm. Light containing this wavelength and another wavelength not absorbed by methane gas is guided to the measurement gas by an optical fiber, and the light is transmitted through the measurement gas atmosphere.
The transmitted light is received by another opposing optical fiber and guided to a light receiving section. In this case, a light source having a wide bandwidth such as an LED is used as the light source. In the light receiving unit, the light having a wavelength that is absorbed by methane gas and the light that is not absorbed by methane gas are spectrally separated using a band-pass filter or the like,
The ratio of the amount of attenuation of each light is obtained, and the concentration of methane gas is detected based on the ratio.
【0004】ところが、このようなメタンガス検知シス
テムでは、多数のハーフミラーを用いるなど、複雑な光
学系が必要になる。また、SN比の点で、低濃度のガス
検出には、不利である。例えば、空間光路長10cmの
ガスセルに、上記メタン吸収波長として、λ=1.66
5μm(吸収係数α=16m-1・atm-1)の光を透過
させたときの減衰量は、濃度50%で、0.65、濃度
1%で0.02、濃度1000ppmで0.002とな
り、低濃度になるに従い減衰量が極端に小さくなる。こ
のように減衰量が極端に小くなると、測定がSN比の点
で困難となる。However, such a methane gas detection system requires a complicated optical system such as using a large number of half mirrors. In addition, in terms of the SN ratio, it is disadvantageous for detecting a low-concentration gas. For example, in a gas cell having a spatial optical path length of 10 cm, λ = 1.66 as the methane absorption wavelength.
The attenuation when transmitting light of 5 μm (absorption coefficient α = 16 m −1 · atm −1 ) is 0.65 at a concentration of 50%, 0.02 at a concentration of 1%, and 0.002 at a concentration of 1000 ppm. , The amount of attenuation becomes extremely small as the concentration becomes lower. When the amount of attenuation is extremely small, measurement becomes difficult in terms of the SN ratio.
【0005】そこで、本発明者らは特願2−78498
号を応用して、光ファイバを伝送路とした新規の遠隔メ
タンガス検出装置を開発した。この原理を応用した方法
では、光源の駆動電源を所定の電流を中心として高周波
数で変調し、波長及び強度の変調されたレーザ光を発振
させる。このとき半導体レーザから出射するレーザ光の
一部をモニタ用として用い、発振の中心波長がメタン吸
収線の中心になるよう電流及び温度を制御する。そうし
て安定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、このレ
ーザ光の2倍検波信号、基本波検波信号よりよりガス濃
度を求める。このような遠隔メタンガス検出装置によ
り、ガス濃度を高いSN比で検出できるようになった。Accordingly, the present inventors have disclosed in Japanese Patent Application No. 2-78498.
A new remote methane gas detection device using an optical fiber as a transmission line has been developed by applying the technology. In a method using this principle, a driving power supply for a light source is modulated at a high frequency around a predetermined current, and a laser beam having a modulated wavelength and intensity is oscillated. At this time, a part of the laser light emitted from the semiconductor laser is used for monitoring, and the current and the temperature are controlled so that the center wavelength of the oscillation becomes the center of the methane absorption line. The laser light thus stably emitted is transmitted through an optical fiber to a measurement 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 light. The gas concentration is determined from the double detection signal and the fundamental detection signal. With such a remote methane gas detection device, the gas concentration can be detected at a high SN ratio.
【0006】けれども、上記遠隔メタンガス検出装置
は、1点のガス濃度測定しかできない。仮に複数の箇所
のガス濃度を測定しようとして、光ファイバに沿って複
数のガスセルを直列或いは並列に設置しても、受光部で
得られる信号からは、全測定点の吸収量の総和が得られ
るのみで、各点毎のガス濃度を検知するには不十分であ
る。結局、上記遠隔メタンガス検出装置は、1点のガス
濃度測定しかできず、このため濃度監視が必要な箇所が
数箇所ある場合、光源、受光部等を含めた検出装置を別
々に測定箇所分設けることが必要となり、費用が増大す
るという問題があった。However, the remote methane gas detection device described above can measure only one gas concentration. Even if a plurality of gas cells are installed in series or in parallel along an optical fiber in order to measure gas concentrations at a plurality of locations, the sum of the absorption amounts at all measurement points can be obtained from the signal obtained at the light receiving unit. Is not enough to detect the gas concentration at each point. After all, the remote methane gas detection device can measure only one gas concentration, so if there are several places where concentration monitoring is necessary, a detection device including a light source, a light receiving unit, etc. is provided separately for each measurement point. And the cost increases.
【0007】これに対して、別の方式として、光ファイ
バに沿って複数のガスセルを配置し、複数の箇所のガス
濃度を測定する方式も考えられる。即ち、図7に示した
ように、複数のガスセル6を並列に配置し、光源部2よ
り光伝送路5を介してぞれぞれのガスセル6に測定用光
を分岐して供給し、ガスセル6を透過した透過光を別の
光伝送路5fに合流させて信号処理部4に集める構成を
とると共に、光源部2からは複数(測定箇所の2分の1
以上)の変調周波数で変調されたレーザ光を与える。こ
うすることにより、各変調周波数毎に得られた関係式を
解くことで、各ガスセル6のガス濃度を求めることがで
きる。On the other hand, as another method, a method of arranging a plurality of gas cells along an optical fiber and measuring a gas concentration at a plurality of places can be considered. That is, as shown in FIG. 7, a plurality of gas cells 6 are arranged in parallel, and measurement light is branched and supplied from the light source unit 2 to each gas cell 6 via the optical transmission path 5. 6 is combined with another optical transmission line 5f and collected by the signal processing unit 4, and a plurality of light sources (one half of the measurement location) are transmitted from the light source unit 2.
Laser light modulated at the above modulation frequency. By doing so, the gas concentration of each gas cell 6 can be obtained by solving the relational expression obtained for each modulation frequency.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
式にも、まだ、問題点があり、一つは、n個の多点濃度
測定を行うために、n/2以上の異なる変調周波数を用
意する必要があり、これら複数の変調周波数を制御する
ための制御回路が必要になる。また、ガスセルに測定用
光を導くための光伝送路と、ガスセルからの透過光を導
くための光伝送路とが、個別に必要になり、遠隔測定に
は多くの光ファイバが必要になるという問題がある。However, this method still has a problem. One of the problems is to prepare n / 2 or more different modulation frequencies in order to perform n multi-point density measurements. And a control circuit for controlling the plurality of modulation frequencies is required. In addition, an optical transmission line for guiding the measuring light to the gas cell and an optical transmission line for guiding the transmitted light from the gas cell are separately required, and many optical fibers are required for remote measurement. There's a problem.
【0009】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、低濃度でもガス検出ができ、しかも1組の光源、信
号処理手段でもって多箇所のガス濃度測定ができ、さら
に制御方法が簡単且つ光ファイバ量が少なくてよい光フ
ァイバを用いた多点ガス濃度測定方法及び装置を提供す
ることにある。Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to detect gas even at a low concentration, to measure gas concentrations at a plurality of locations by using a single set of light sources and signal processing means, and to simplify the control method. Another object of the present invention is to provide a method and an apparatus for measuring a multipoint gas concentration using an optical fiber which requires a small amount of optical fiber.
【0010】[0010]
【0011】[0011]
【0012】[0012]
【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、所定の電流値を中心
として所定の振幅で上記レーザの駆動電流を変調するた
めの駆動回路と、測定対象となるガスを含み光伝送路に
直列に配置された複数個のガスセルと、各ガスセル間の
光伝送路毎に接続され前段のガスセルからの透過光を後
段のガスセルの測定用光と前段のガスセルの透過光とに
分岐する光分岐手段と、各光分岐手段で分岐された透過
光を透過光用光伝送路に合流させる光合流手段と、光伝
送路の上流と透過光用光伝送路の下流とを結合する光結
合器と、光伝送路内の測定用光及び透過光から透過光を
分岐する透過光分岐手段と、分岐された透過光の光強度
を検出し且つ変調周波数の基本波成分と2倍波成分とを
位相敏感検波する信号処理手段とを備えたものである。 [MEANS FOR SOLVING THE PROBLEMS] To achieve the above object
In addition, the present invention provides a wavelength and intensity according to the drive current and the temperature.
A laser that oscillates a laser beam of a certain degree
Modulate the drive current of the laser with a predetermined amplitude as
A driving circuit, a plurality of gas cells including a gas to be measured and arranged in series in an optical transmission line, and a transmission unit connected to each optical transmission line between the gas cells and transmitting light from the preceding gas cell to the succeeding gas cell. Optical branching means for branching into the measuring light and the transmitted light of the preceding gas cell; optical converging means for merging the transmitted light branched by each optical branching means with the transmitted light optical transmission path; and upstream of the optical transmission path. light intensity of the transmitted light and the optical coupler for coupling the downstream optical transmission line, and transmitted light branching means for branching the transmitted light from the measurement light and the transmitted light of the optical transmission path, branched transmitted light and
And the fundamental wave component and the second harmonic wave component of the modulation frequency are detected.
Signal processing means for phase-sensitive detection.
【0013】[0013]
【0014】[0014]
【0015】[0015]
【0016】[0016]
【作用】上記構成により、レーザ光は、波長および強度
が変調されていると共にパルス状に断続されている。こ
のパルス幅の間には、数サイクルの変調波が含まれてい
るので、位相敏感検波が可能である。一方、このパルス
状レーザ光は、各ガスセルを透過して信号処理手段に戻
ってくるが、そのための所要時間は、各ガスセルの光伝
送路長に依存する。従って、信号処理手段には、各ガス
セルからのパルス状の透過光が時間をずらして到着す
る。各パルス毎に位相敏感検波を行うことにより、低濃
度でも各測定箇所の濃度が求まる。With the above arrangement, the wavelength and intensity of the laser light are modulated and the laser light is intermittently pulsed. Since a modulated wave of several cycles is included between the pulse widths, phase-sensitive detection is possible. On the other hand, the pulsed laser light passes through each gas cell and returns to the signal processing means. The time required for that depends on the optical transmission path length of each gas cell. Therefore, the pulsed transmitted light from each gas cell arrives at the signal processing means with a time lag. By performing phase-sensitive detection for each pulse, the concentration at each measurement point can be obtained even at a low concentration.
【0017】また、透過光を合流させて光伝送路に取り
込むことにより、1本の光ファイバで測定用光と透過光
とを伝送することができる。即ち、光ファイバ量が少な
くてよい。Further, by combining the transmitted light and taking it into the optical transmission line, the measuring light and the transmitted light can be transmitted by one optical fiber. That is, the amount of optical fiber may be small.
【0018】[0018]
【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。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述べる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Here, an example of measuring methane gas using a semiconductor laser as a light source will be described.
【0019】半導体レーザの駆動電流を周波数ωで変調
すると、レーザ光の発振周波数Ω及び、発振強度が周波
数ωで変調される。今、このように周波数及び強度が変
調されたレーザ光を光ファイバを介してメタンガスを含
む雰囲気中に透過させると、その透過光Pは、式(1)
となる。When the driving current of the semiconductor laser is modulated at the frequency ω, the oscillation frequency Ω and the oscillation intensity of the laser light are modulated at the frequency ω. Now, when the laser light whose frequency and intensity are modulated as described above is transmitted through an optical fiber into an atmosphere containing methane gas, the transmitted light P is expressed by the following equation (1).
Becomes
【0020】 P=A [I0 +ΔIcos(ωt+φ1 +φ)] × [C0 +ΔΩ・T01cos(ωt+φ1 )+ T02cos{2(ωt+φ1 )+φ}] …(1) ただし、 C0 =T01+T02(ΔΩ)2 /4 ここで、A;光学系の伝送損失に依存する定数 I0 ;レーザ出力の中心強度 ΔI;強度変調振幅 ω;駆動電流の変調周波数 φ;強度変調と周波数変調との位相差 T;透過率 T01;一次微分dT/dΩ T02;二次微分d2 T/dΩ2 また、φ1 は、レーザ光が光源を発してファイバ内を伝
送して受光器に達するまでの時間遅れから生じる位相差
で、 φ1 =(2π/ω)・N・L/V …(2) ただし、N;光ファイバコア屈折率 V;真空中での光速 L;光源から検出器までの光伝送路長(ここでは、光フ
ァイバ長が数キロメートル、ガスセル内伝搬長が数セン
チから数十センチメートルであり、後者は無視してい
る。) このように、透過光Pは、直流分の他に、cos(ωt
+φ1 )成分、cos(2(ωt+φ1 ))成分からな
る。P = A [I 0 + ΔI cos (ωt + φ 1 + φ)] × [C 0 + ΔΩ · T 01 cos (ωt + φ 1 ) + T 02 cos {2 (ωt + φ 1 ) + φ}] (1) where C 0 = T 01 + T 02 (ΔΩ ) 2/4 here, a; modulation frequency φ of the drive current; intensity modulation amplitude omega; central intensity ΔI of the laser output; constant I 0 which depends on the transmission loss of the optical-system intensity modulation and Phase difference from frequency modulation T; transmittance T 01 ; first-order derivative dT / dΩ T 02 ; second-order derivative d 2 T / dΩ 2 Also, φ 1 is a laser beam emitted from a light source, transmitted through a fiber, and received. Φ 1 = (2π / ω) · N · L / V (2) where N: refractive index of optical fiber core V: speed of light in vacuum L: light source Length of the optical transmission path from the to the detector (here, the optical fiber length is several kilometers, the propagation length in the gas cell Several tens centimeters from a few centimeters, the latter in is ignored.) Thus, the transmitted light P, in addition to the DC component, cos (.omega.t
+ Φ 1 ) component and cos (2 (ωt + φ 1 )) component.
【0021】上記(1)式のうち、cos(2(ωt+
φ1 ))の周波数、位相成分を位相敏感検波してP(2
ω)を求めると、式(3)が得られ、P(2ω)は、T
01、T02に基づき変化することが分かる。In the above equation (1), cos (2 (ωt +
The frequency and phase components of φ 1 )) are phase-sensitive detected and P (2
ω) yields Equation (3), where P (2ω) is T
It can be seen that it changes based on 01 and T 02 .
【0022】 P(2ω)=A{I0 ・T02(ΔΩ)2 /4+ ΔI・ΔΩ・cosφ・T01} …(3) 検波信号P(2ω)は、光周波数Ωの変化により変化
し、レーザの中心周波数Ω0 がメタンガスの吸収線の中
心周波数Wに一致した時に最大感度が得られる。そのと
きは、T01が0、T02が最大となるため、式(3)の第
2項が消去でき第1項のみが残る。即ち、Ω0 =Wのと
きのT02は、 T02=2・α(W)・C・l/γ2 …(4) となる。そのため、これを式(3)に代入すると、式
(5)となる。[0022] P (2ω) = A {I 0 · T 02 (ΔΩ) 2/4 + ΔI · ΔΩ · cosφ · T 01} ... (3) the detection signal P (2 [omega) is changed by a change in the optical frequency Ω The maximum sensitivity is obtained when the center frequency Ω 0 of the laser coincides with the center frequency W of the absorption line of methane gas. In that case, since T01 is 0 and T02 is the maximum, the second term of the equation (3) can be deleted, and only the first term remains. In other words, T 02 at the time of Ω 0 = W is a T 02 = 2 · α (W ) · C · l / γ 2 ... (4). Therefore, when this is substituted into Expression (3), Expression (5) is obtained.
【0023】 P(2ω)=A・I0 ・(ΔΩ)2 ・α(W)・C・l/(2γ)2 …(5) ここで、α(W);Ω0 =Wのときのメタンガスの吸収
係数 2γ;ガス吸収線の半値全幅 C・l;ガスセル内におけるガス濃度と空間光路長との
積 一方、cos(ωt)の周波数、位相成分を位相敏感検
波してP(ω)を求めると、 P(ω)=A・ΔI …(6) となる。P (2ω) = A · I 0 · (ΔΩ) 2 · α (W) · Cl / (2γ) 2 (5) where α (W); when Ω 0 = W Methane gas absorption coefficient 2γ; full width at half maximum of gas absorption line C · l; product of gas concentration in gas cell and spatial optical path length On the other hand, the frequency and phase components of cos (ωt) are phase-sensitive detected to obtain P (ω). Then, P (ω) = A · ΔI (6)
【0024】また、各ガスセルを透過したパルス状レー
ザ光変調波が、信号処理手段に重なることなく時間をず
らして到着するために、光伝送路の最小余長Δlが定め
られる。1パルスに含まれる変調波の波の数をCY とす
ると、 Δl≧(CY /ω)・(V/N) …(7) となる。以下述べる実施例では、光伝送路の長さは上式
を満足するように構成されるものとする。In addition, the minimum residual length Δl of the optical transmission path is determined so that the pulsed laser light modulated wave transmitted through each gas cell arrives at a time lag without overlapping the signal processing means. If the number of modulated waves included in one pulse is C Y , then Δl ≧ (C Y / ω) · (V / N) (7) In the embodiments described below, it is assumed that the length of the optical transmission path is configured to satisfy the above equation.
【0025】以上の知見に基づき本発明の実施例が構成
されている。以下、本発明と共通の部分を有する参考例
と本発明の実施例とを説明する。 An embodiment of the present invention is constructed based on the above findings. Hereinafter, reference examples having portions common to the present invention.
And an embodiment of the present invention will be described.
【0026】図1に示されるように、多点ガス濃度測定
装置1は、レーザ及び駆動回路からなる光源部2、パル
ス変調器3、及び信号処理手段4を有し、これらは光伝
送路5を介して遠隔地に設けられた多数(n個)のガス
セル6に接続されている。As shown in FIG. 1, the multi-point gas concentration measuring apparatus 1 has a light source section 2 composed of a laser and a driving circuit, a pulse modulator 3, and a signal processing means 4. Is connected to a large number (n) of gas cells 6 provided at remote locations.
【0027】光源部2に含まれるレーザは、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
ものである。同じく光源部2に含まれる駆動回路は、こ
のレーザの駆動電流あるいは温度を変化させてレーザ光
の波長および強度を変調させるものである。光源部2
は、パルス変調器3に接続されている。The laser included in the light source unit 2 oscillates a laser beam having a wavelength and intensity corresponding to the drive current and the temperature. Similarly, a drive circuit included in the light source unit 2 changes the drive current or temperature of the laser to modulate the wavelength and intensity of the laser light. Light source 2
Are connected to the pulse modulator 3.
【0028】パルス変調器3は、任意の幅のパルスを連
続的、或いは単発的に発生させ、このパルスで光源部2
からのレーザ光をパルス状に断続させることができる。
パルス変調器3は、光伝送路5の最上流5aに接続され
ている。本実施例では、パルス変調器3は、LiNbO
3 導波路型マッハツェンダ変調器が用いられており、こ
のLiNbO3 導波路型マッハツェンダ変調器にパルス
信号を与えることにより、光伝送路5にパルス状レーザ
光を伝送させることができる。The pulse modulator 3 generates a pulse of an arbitrary width continuously or spontaneously, and the pulse
Can be intermittently pulsed.
The pulse modulator 3 is connected to the uppermost stream 5 a of the optical transmission line 5. In this embodiment, the pulse modulator 3 is composed of LiNbO
3 guide and waveguide Mach-Zehnder modulator is used, by applying a pulse signal to the LiNbO 3 waveguide type Mach-Zehnder modulator, it is possible to transmit the pulsed laser light to the optical transmission line 5.
【0029】信号処理手段4は、ガスセル6からの透過
光を受光する受光素子を有し、透過光を電気信号に変換
すると共に、この電気信号を変調周波数の基本波成分と
2倍波成分とを位相敏感検波して特定ガスの濃度を測定
することができる。The signal processing means 4 has a light receiving element for receiving the transmitted light from the gas cell 6, converts the transmitted light into an electric signal, and converts the electric signal into a fundamental wave component and a second harmonic wave component of a modulation frequency. Can be subjected to phase sensitive detection to measure the concentration of the specific gas.
【0030】図1に示される参考例では、ガスセル6は
2路の透過光路を有し、これらの透過光路の一端はルー
プ状の光ファイバ12で互いに接続されている。一方、
光伝送路5には、測定用光透過光入出手段7、光分岐合
流手段8、及び透過光分岐手段9が適宜接続されてい
る。詳しく述べると、測定用光透過光入出手段7は、ガ
スセル6毎に設けられ、主に光分岐結合器10及び光ア
イソレータ11から構成されている。光分岐結合器10
は、その上流側から2路に分かれた下流側に光を分岐さ
せることができると共に、両下流側からの光を上流側に
合流させて戻すことができる。光分岐結合器10の上流
側は各ガスセル6のために割り振られた光伝送路5bに
接続され、反対の下流側は一方が光アイソレータ11
へ、他方がガスセル6の一方の透過光路に接続されてい
る。光アイソレータ11は、一方からの光を遮断すると
共に他方からの光を一方的に通過させることができるも
のである。光アイソレータ11は、ガスセル6のもう1
つの透過光路からの光を一方的に光分岐結合器10に通
過できるように接続されている。この構成により、測定
用光透過光入出手段7は、光伝送路5bから測定用光
を、光分岐結合器10、ガスセル6の一方の透過光路、
ループ状の光ファイバ12、ガスセル6のもう一方の透
過光路、光アイソレータ11の順に導くと共に光アイソ
レータ11を通過したガスセル6の透過光を光伝送路5
bに戻すことができる。In the reference example shown in FIG. 1, the gas cell 6 has two transmission light paths, and one ends of these transmission light paths are connected to each other by a loop-shaped optical fiber 12. on the other hand,
The optical transmission path 5 is appropriately connected with a transmitted light input / output unit 7 for measurement, a light branching / joining unit 8, and a transmitted light branching unit 9. More specifically, the measuring light transmitting / receiving means 7 is provided for each gas cell 6 and mainly includes an optical branching coupler 10 and an optical isolator 11. Optical branching coupler 10
Can not only split light from the upstream side to the downstream side divided into two paths, but also merge light from both downstream sides to the upstream side and return it. The upstream side of the optical branching coupler 10 is connected to the optical transmission line 5 b allocated for each gas cell 6, and the other downstream side is connected to the optical isolator 11.
And the other is connected to one transmitted light path of the gas cell 6. The optical isolator 11 is capable of blocking light from one side and allowing light from the other side to pass unilaterally. The optical isolator 11 is connected to the other of the gas cell 6.
The light from the two transmitted light paths is connected so as to be able to unilaterally pass through the optical branching coupler 10. According to this configuration, the measuring light transmission light input / output unit 7 transmits the measuring light from the optical transmission line 5b to the optical branching coupler 10, one of the transmission light paths of the gas cell 6,
The looped optical fiber 12, the other transmitted light path of the gas cell 6, and the optical isolator 11 are guided in this order, and the transmitted light of the gas cell 6 that has passed through the optical isolator 11 is transmitted to the optical transmission path 5.
b.
【0031】光分岐合流手段8は、その上流側から2路
に分かれた下流側に光を分岐させることができると共
に、両下流側からの光を上流側に合流させて戻すことが
できるものである。光分岐合流手段8は、光伝送路5中
にガスセル6に対応させて設けられ、光伝送路5からそ
れぞれのガスセル6の測定用光透過光入出手段7に測定
用光を分岐して与えると共にそれぞれの測定用光透過光
入出手段7からの透過光を合流させて光伝送路5に取り
込むことができる。The light branching / combining means 8 is capable of branching light from an upstream side to a downstream side divided into two paths, and also allowing light from both downstream sides to merge into the upstream side and return. is there. The light branching / combining means 8 is provided in the optical transmission path 5 in correspondence with the gas cells 6, and supplies the measuring light from the optical transmission path 5 to the measuring light transmitting / receiving means 7 of each gas cell 6. The transmitted light from the measuring light transmitting / receiving means 7 can be combined and taken into the optical transmission line 5.
【0032】透過光分岐手段9は、その上流側からの光
を下流側に通過させると共に下流側からの光を上流側の
分岐路に分岐させるものである。透過光分岐手段9は、
上流側がパルス変調器3からの光伝送路5の最上流5a
に接続され、下流側が光伝送路5に接続されている。ま
た、透過光分岐手段9の分岐路は、光伝送路5cを介し
て信号処理手段4に接続されている。このような構成に
より、透過光分岐手段9は、光伝送路5内の測定用光及
び透過光から透過光を分岐して信号処理手段4に導くこ
とができる。The transmitted light branching means 9 is for passing light from the upstream side to the downstream side and branching light from the downstream side to the upstream branch path. The transmitted light branching means 9
The upstream side is the uppermost stream 5a of the optical transmission line 5 from the pulse modulator 3.
And the downstream side is connected to the optical transmission line 5. The branch of the transmitted light branching unit 9 is connected to the signal processing unit 4 via the optical transmission line 5c. With such a configuration, the transmitted light branching unit 9 can branch the transmitted light from the measurement light and the transmitted light in the optical transmission path 5 and guide the transmitted light to the signal processing unit 4.
【0033】次に参考例の作用を述べる。Next, the operation of the reference example will be described.
【0034】光源部2では、半導体レーザの発振波長を
メタンガスの吸収線を中心周波数とし、駆動電流及び温
度が調節されて周波数変調されたレーザ光が生成され
る。このレーザ光は、図5(a)に示されるような連続
光である。パルス変調器3では、この連続光が図5
(b)に示されるようなパルスで変調され、図5(c)
に示されるような、波長および強度が変調され且つパル
ス状に断続された測定用光が、光伝送路5aに供給され
る。測定用光は、図1の実線矢印で示されるように、透
過光分岐手段9を通過して最初の光分岐合流手段8に至
る。In the light source unit 2, the driving wavelength and the temperature are adjusted with the oscillation wavelength of the semiconductor laser as the center frequency of the absorption line of the methane gas, and the frequency-modulated laser light is generated. This laser light is continuous light as shown in FIG. In the pulse modulator 3, this continuous light is
The signal is modulated by the pulse shown in FIG.
The measurement light whose wavelength and intensity are modulated and which are intermittently pulsed as shown in FIG. 7 is supplied to the optical transmission line 5a. The measurement light passes through the transmitted light branching means 9 and reaches the first light branching and joining means 8 as shown by the solid line arrow in FIG.
【0035】光分岐合流手段8は、各光伝送路5bを介
してn個の各ガスセル6の測定用光透過光入出手段7に
測定用光を分岐する。この時、各光分岐合流手段8の分
岐比を、上流側では例えば1:(n−1)とし、下流に
なるほど1に近いものを用いれば、各ガスセル6に等量
の測定用光を配分できる。さらに、測定用光透過光入出
手段7では、光分岐結合器10により、直接ガスセル6
に向かう光が多くなるように配分される。光分岐結合器
10から光アイソレータ11に分岐された光はそこで遮
断される。The light branching / combining means 8 branches the measuring light to the measuring light transmitting / receiving means 7 of each of the n gas cells 6 via each optical transmission line 5b. At this time, if the branching ratio of each optical branching and joining means 8 is set to, for example, 1: (n-1) on the upstream side and is closer to 1 toward the downstream side, an equal amount of measuring light is distributed to each gas cell 6. it can. Further, in the measuring light transmitting / receiving light input / output means 7, the light branching coupler 10 directly connects the gas cell 6
The light is distributed so that the light traveling toward is increased. Light branched from the optical branching coupler 10 to the optical isolator 11 is blocked there.
【0036】光分岐結合器10からガスセル6に配分さ
れた測定用光は、ガスセル6内の透過光路を通過し、ル
ープ状の光ファイバ12を伝送されて、再びガスセル6
内の透過光路を通過する。ここで、ガスセル6内の透過
光路を往復した透過光は、そのガス濃度に応じて減衰さ
れている。この透過光(図中、破線矢印)は、光アイソ
レータ11を経て光分岐結合器10を通過し、もと来た
光伝送路5bを戻って光分岐合流手段8に至る。さら
に、透過光は、光分岐合流手段8で順次合流し、もと来
た光伝送路5を戻って透過光分岐手段9に至る。そし
て、透過光分岐手段9で分岐されて信号処理手段4に入
射する。The measuring light distributed from the optical branching coupler 10 to the gas cell 6 passes through the transmission optical path in the gas cell 6, is transmitted through the loop-shaped optical fiber 12, and is again transmitted to the gas cell 6.
Through the transmitted light path. Here, the transmitted light that has reciprocated in the transmitted light path in the gas cell 6 is attenuated according to the gas concentration. The transmitted light (broken arrow in the figure) passes through the optical splitter / coupler 10 via the optical isolator 11, returns to the original optical transmission line 5 b, and reaches the optical splitter / merging unit 8. Further, the transmitted lights are sequentially merged by the light branching / joining means 8 and return to the original light transmission path 5 to reach the transmitted light branching means 9. Then, the light is branched by the transmitted light branching means 9 and enters the signal processing means 4.
【0037】ところで、光ファイバ内の光は、V/Nの
速さで伝送するので、各ガスセルの伝送路長を違えてお
くことで、パルス変調器3で発生されたパルス状のレー
ザ光は、信号処理手段4に時間をずらして到着する。即
ち、図5(d)に示されるように、伝送路の短いガスセ
ルから順に透過光が到着する。信号処理手段4は、これ
らのパルス状の透過光を受光し、それぞれ変調周波数の
基本波成分、2倍波成分について位相敏感検波し、ガス
濃度を計算する。そして、予め記憶させておいた各ガス
セルの光伝送路長に基づいて、到着順に伝送路の短いガ
スセルの濃度測定結果として表示する。ただし、本実施
例では、測定用光がガスセル内を1往復して透過してい
るので、(5)式を用いた濃度計算では、これを考慮し
てガスセル内における空間光路長を定める。Since the light in the optical fiber is transmitted at the speed of V / N, the pulse-like laser light generated by the pulse modulator 3 can be changed by changing the transmission path length of each gas cell. Arrive at the signal processing means 4 with a time delay. That is, as shown in FIG. 5D, transmitted light arrives in order from the gas cell having the shorter transmission path. The signal processing means 4 receives these pulsed transmitted lights, performs phase sensitive detection on the fundamental wave component and the second harmonic component of the modulation frequency, and calculates the gas concentration. Then, based on the optical transmission path length of each gas cell stored in advance, it is displayed as a concentration measurement result of the gas cell having the shorter transmission path in the order of arrival. However, in this embodiment, since the measuring light is transmitted through the gas cell once back and forth, the spatial light path length in the gas cell is determined in consideration of this in the concentration calculation using the equation (5).
【0038】以上説明したように、本発明は、位相敏感
検波により低濃度でもガス検出ができる。しかもレーザ
光をパルス状に断続させることで、1組の光源、信号処
理手段でもって多箇所のガス濃度測定ができると共に制
御方法が簡単になる。また、測定用光と透過光を同一光
伝送路内で往復させているので、測定点が遠隔地にあっ
ても光ファイバ量が少なくてよい。As described above, according to the present invention, gas can be detected even at a low concentration by phase sensitive detection. Moreover, by intermittently oscillating the laser light in a pulsed manner, a single light source and a signal processing means can measure gas concentrations at many points and simplify the control method. Further, since the measuring light and the transmitted light are reciprocated in the same optical transmission line, the amount of optical fiber may be small even if the measuring point is located at a remote place.
【0039】なお、本参考例では、ガスセル6は2個の
透過光路を有し、これらの透過光路の一端はループ状の
光ファイバ12で互いに接続されているものとしたが、
透過光路を1路とし、透過光を直接光アイソレータ11
に戻してもよい。In this embodiment , the gas cell 6 has two transmission light paths, and one ends of these transmission light paths are connected to each other by the loop-shaped optical fiber 12.
The transmitted light path is one path, and the transmitted light is directly transmitted to the optical isolator 11.
May be returned.
【0040】また、測定用光透過光入出手段7には、図
4に示される方向性結合器41を用いることができる。
方向性結合器41は、伝送路42から入射した光を伝送
路43に通過させると共に伝送路44から入射した光を
伝送路42に通過させるものである。伝送路42の側を
光伝送路5bに接続することで、光分岐結合器10及び
光アイソレータ11に代えることができる。The directional coupler 41 shown in FIG. 4 can be used as the measuring light transmitting / receiving means 7.
The directional coupler 41 allows the light incident from the transmission path 42 to pass through the transmission path 43 and allows the light incident from the transmission path 44 to pass through the transmission path 42. By connecting the side of the transmission line 42 to the optical transmission line 5b, the optical branching coupler 10 and the optical isolator 11 can be replaced.
【0041】次に、本発明の実施例について説明する。Next, an embodiment of the present invention will be described.
【0042】図2に示される実施例では、多点ガス濃度
測定装置1は、レーザ及び駆動回路からなる光源部2、
パルス変調器3、及び信号処理手段4を有し、これら
は、参考例と同じものである。また、透過光分岐手段9
も同じである。In the embodiment shown in FIG. 2, the multipoint gas concentration measuring device 1 includes a light source unit 2 comprising a laser and a driving circuit.
It has a pulse modulator 3 and a signal processing means 4, which are the same as in the reference example . Also, the transmitted light branching means 9
Is the same.
【0043】ガスセル6は1路の透過光路を有し、各ガ
スセル6が光伝送路5上に直列に配置されている。各ガ
スセル6間の光伝送路5には、それぞれ光分岐手段12
が接続されている。光分岐手段12は、その上流側から
2路に分かれた下流側に光を分岐させることができるも
のである。光分岐手段12の上流側は、前段のガスセル
6の透過光出口に接続されているので、前段のガスセル
6からの透過光を適当な分岐比で分岐し、一方を後段の
ガスセル6の測定用光に、他方を前段のガスセル6の透
過光に分岐する。この分岐は光合流手段13に接続され
ている。Each gas cell 6 has one transmission light path, and each gas cell 6 is arranged in series on the light transmission path 5. Each of the optical transmission lines 5 between the gas cells 6 has an optical branching unit 12.
Is connected. The light branching means 12 is capable of branching light from the upstream side to the downstream side divided into two paths. Since the upstream side of the light branching unit 12 is connected to the transmitted light outlet of the gas cell 6 in the preceding stage, the transmitted light from the gas cell 6 in the preceding stage is branched at an appropriate branching ratio. It is split into light and the other into light transmitted through the gas cell 6 in the preceding stage. This branch is connected to the optical converging means 13.
【0044】光合流手段13は、2路の上流側と1路の
下流側を有し、上流側の光を下流側に合流させることが
できる。各光分岐手段12で分岐された各段のガスセル
6の透過光は、光合流手段13で順次、透過光用光伝送
路5dに合流される。透過光用光伝送路5dの下流には
光アイソレータ11が設けられ、さらにその下流に光結
合器14が接続されている。The light converging means 13 has two paths upstream and one path downstream, and can converge the upstream light to the downstream. The transmitted lights of the gas cells 6 at each stage branched by the respective light branching means 12 are sequentially combined by the light combining means 13 into the transmitted light transmission line 5d. An optical isolator 11 is provided downstream of the transmitted light optical transmission line 5d, and an optical coupler 14 is connected further downstream.
【0045】光結合器14は、その上流側から2路に分
かれた下流側に光を分岐させることができると共に、両
下流側からの光を上流側に合流させて戻すことができる
ものである。光結合器14は、その上流側が光伝送路5
に接続され、下流側の一方が初段のガスセル6へ、もう
一方が光アイソレータ11に接続されている。光結合器
14は、光伝送路5の上流と透過光用光伝送路5dの下
流とを結合し、光アイソレータ11は、測定用光を透過
光用光伝送路5dから遮断することができる。The optical coupler 14 is capable of branching light from the upstream side to a downstream side divided into two paths, and also allows light from both downstream sides to be merged and returned to the upstream side. . The optical coupler 14 has an optical transmission line 5 on the upstream side.
One of the downstream sides is connected to the first stage gas cell 6, and the other is connected to the optical isolator 11. The optical coupler 14 couples the upstream of the optical transmission line 5 and the downstream of the transmitted light optical transmission line 5d, and the optical isolator 11 can block the measurement light from the transmitted light optical transmission line 5d.
【0046】図2の構成にあっては、信号処理手段4で
得られる光は、初段のガスセル6のみの透過光、初段の
ガスセル6を透過した後2段目のガスセル6を透過した
透過光、以下順次透過段数を重ねた透過光が、光伝送路
長の短い順に到着する。信号処理手段4は、位相敏感検
波して前段のガスセル6のガス濃度を計算すると共にこ
の結果を利用して順次後段のガスセル6のガス濃度を計
算する。In the configuration shown in FIG. 2, the light obtained by the signal processing means 4 is transmitted light only through the first gas cell 6, and transmitted light transmitted through the first gas cell 6 and then transmitted through the second gas cell 6. Thereafter, the transmitted light having the number of transmission stages successively arrives arrives in ascending order of the optical transmission path length. The signal processing means 4 calculates the gas concentration of the preceding gas cell 6 by performing phase sensitive detection, and sequentially calculates the gas concentration of the succeeding gas cell 6 using the result.
【0047】次に、別の参考例を説明する。Next, another reference example will be described.
【0048】図3に示される参考例では、多点ガス濃度
測定装置1は、今まで述べた参考例及び実施例同様、レ
ーザ及び駆動回路からなる光源部2及び信号処理手段4
を有しているが、パルス変調器3は含んでいない。そし
て光源部2は、レーザ光を複数の変調周波数で変調す
る。これは、図1の参考例、実施例及びこの参考例にお
ける光伝送路の結合構成が、レーザ光をパルス変調する
測定方法のみならず、レーザ光を複数の変調周波数で変
調する測定方法にも利用できることを示すものである。In the reference example shown in FIG. 3, the multipoint gas concentration measuring apparatus 1 includes a light source unit 2 composed of a laser and a driving circuit and a signal processing means 4 as in the above-described reference examples and embodiments.
, But the pulse modulator 3 is not included. Then, the light source unit 2 modulates the laser light with a plurality of modulation frequencies. This is because the coupling configuration of the optical transmission line in the reference example, the embodiment, and the reference example of FIG. This shows that the method can be used for a modulation measurement method.
【0049】光伝送路5には、第2実施例同様、ガスセ
ル6が直列に配置され、ガスセル6間には、光分岐手段
12が接続され、その分岐先には、光合流手段13が接
続されている。第2実施例と異なるのは、光合流手段1
3の合流の方向が、順次後段側に合流されていることで
ある。そして、最後の光合流手段13は、透過光用光伝
送路5eを介して信号処理手段4に接続されている。As in the second embodiment, gas cells 6 are arranged in series on the optical transmission line 5, and an optical branching unit 12 is connected between the gas cells 6, and an optical converging unit 13 is connected to the branch destination. Have been. The difference from the second embodiment is that
3 is that the merge direction is sequentially merged to the subsequent stage side. The last optical converging means 13 is connected to the signal processing means 4 via the transmitted light optical transmission line 5e.
【0050】このような構成において、 光源部2〜ガスセル61 間の伝送路長をl0,0 ガスセル61 〜ガスセル62 間の伝送路長をl0,1 ガスセル62 〜ガスセル63 間の伝送路長をl0,2 ガスセル6n-1 〜ガスセル6n 間の伝送路長をl0,n-1 ガスセル6n 〜最後の光合流手段13n-1 間の伝送路長
をl0,n 最後の光合流手段13n−1 〜信号処理手段4間の伝
送路長をl0,n+1 光分岐手段121 〜光合流手段131 間の伝送路長をl
1,1 光合流手段131 〜光合流手段132 間の伝送路長をl
1,2 光合流手段13n-2 〜光合流手段13n-1 間の伝送路長
をl1,n-1 また、 光分岐手段122 〜光合流手段131 間の伝送路長をl
2,1 光分岐手段123 〜光合流手段132 間の伝送路長をl
2,2 光分岐手段12n-1 〜光合流手段13n-2 間の伝送路長
をl2,n-2 とおく。[0050] In such a configuration, the light source unit 2 to the gas cell 6 transmission path length between l 0,0 gas cell 6 1 to the gas cell 6 2 transmission path length between 1 and l 0, 1 gas cell 6 2 - gas cell 6 3 The transmission path length between l 0,2 gas cell 6 n-1 and the transmission path length between gas cell 6 n is l 0, n-1 The transmission path length between gas cell 6 n and the last optical converging means 13 n-1 l 0, n The transmission path length between the last optical combining means 13 n-1 and the signal processing means 4 is l 0, n + 1 The transmission path length between the optical branching means 12 1 and the optical combining means 13 1 is l.
The length of the transmission path between the optical combining means 13 1 and the optical combining means 13 2 is 1
The transmission path length between the 1,2 optical converging means 13 n-2 and the optical converging means 13 n-1 is l 1, n-1 and the transmission path length between the optical branching means 12 2 and the optical converging means 13 1 is l.
The transmission path length between the 2,1 optical branching means 12 3 and the optical combining means 13 2 is l
The transmission path length between the 2,2 optical branching means 12 n-1 and the optical converging means 13 n-2 is defined as l 2, n-2 .
【0051】信号処理手段4で検知する信号は、各光合
流手段13及び各ガスセル6の透過光の総和である。簡
略化のため光学系での損失を無視する。それぞれの透過
光のうち、ガス濃度に関与する2倍波位相敏感検波信号
の大きさをPG1 ,PG2 ,・・,PGN とし、各位相
差をφ1 ,φ2 ,・・,φN とすると、信号処理手段4
での2倍波位相敏感検波信号の総和PGSUM は、 PGSUM =PG1 cos{2(ωt+φ1 )} +PG2 cos{2(ωt+φ2 )}+・・ +PGN cos{2(ωt+φN )} …(8) となる。ここで、各2倍波位相敏感検波信号PGk は、
ガス濃度×透過光路長に依存する量で、簡単のため各ガ
スセルの透過光路長を一定とし、ガスセル6k のガス濃
度をCk とすると、それぞれの透過光の見掛上のガス濃
度CK(K=1,2,・・,N)は、 C1=C1 C2=C1 +C2 CN=C1 +C2 +・・・+CN で表され、PGK =PGK (CK)とおくと、 PGK (CK) =AK ・I0K・(ΔΩ)2 ・α(ω)・CK・LS /(2γ)2 …(9) ただし、AK :PGK に関与する信号伝送損失 I0K:PGK に関与するレーザの中心強度 ΔΩ:周波数変調振幅 LS :ガスセル内光路長(一定) 2γ:ガス吸収線の半値全幅 と与えられる。The signal detected by the signal processing means 4 is the sum of the light transmitted through each of the light combining means 13 and each of the gas cells 6. Ignore losses in the optical system for simplicity. Of each of the transmitted light, PG 1 the magnitude of the second harmonic phase-sensitive detection signal involved in the gas concentration, PG 2, · ·, and PG N, the phase differences φ 1, φ 2, ··, φ N Then, the signal processing means 4
The sum of the second-harmonic phase-sensitive detection signals PG SUM is as follows: PG SUM = PG 1 cos {2 (ωt + φ 1 )} + PG 2 cos {2 (ωt + φ 2 )} +... + PG N cos {2 (ωt + φ N ) } (8) Here, each second harmonic phase sensitive detection signal PG k is
Assuming that the transmitted light path length of each gas cell is constant and the gas concentration of the gas cell 6 k is C k for simplicity, the apparent gas concentration CK ( K = 1,2, ··, N) is, C1 = is represented by C 1 C2 = C 1 + C 2 CN = C 1 + C 2 + ··· + C N, putting the PG K = PG K (CK) , PG K (CK) = a K · I 0K · (ΔΩ) 2 · α (ω) · CK · L S / (2γ) 2 ... (9) However, a K: signal transmission loss involved in PG K I 0K : Central intensity of laser involved in PG K ΔΩ: Frequency modulation amplitude L S : Optical path length in gas cell (constant) 2γ: Full width at half maximum of gas absorption line.
【0052】また、φk は、透過光が関与した伝送路長
に依存する量であり、それぞれの透過光の光路長LK
は、 L1=l0,0 +l1,1 +・・+l1,n-1 +l0,n+1 L2=l0,0 +l0,1 +l2,1 +l1,2 +・・+l
1,n-1 +l0,n+1 LN=l0,0 +l0,1 +・・+l0,n-1 +l0,n +l
0,n+1 と表される。φk =φk (LK)とおくと、 φk (LK)=(2π/ω)・N・LK/V …(10) となる。Further, φ k is an amount dependent on the transmission path length in which the transmitted light is involved, and the optical path length LK of each transmitted light.
L1 = l 0,0 + l 1,1 + · + l 1, n-1 + l 0, n + 1 L2 = l 0,0 + l 0,1 + l 2,1 + l 1,2 + ·· + l
1, n-1 + l 0, n + 1 LN = l 0,0 + l 0,1 + ... + l 0, n-1 + l 0, n + l
It is represented as 0, n + 1 . If φ k = φ k (LK), φ k (LK) = (2π / ω) · N · LK / V (10)
【0053】ところで、1つの変調周波数について位相
敏感検波するということは、式(8)について、大きさ
と位相の2パラメータを求めたことになる。伝送路は、
設置してしまえば、変動することがないので、φ1 〜φ
N は、既知量とおけ、結局式(8)は、各ガスセルの測
定ガスの未知濃度を含む、PG1 〜PGn のn個の未知
数を含む2元連立方程式であり。従って、n>2の場合
にこれを解くために、別の周波数ω´(≠ω)でレーザ
光を変調して、上記に同様の測定を行う。1つの変調周
波数で2のパラメータを得る。従って、n>2の場合に
は、n/2個(少数の場合は切り上げ)の異なる変調周
波数で位相敏感検波すれば、PG1 ,PG2 ,・・,P
GN が求まる。By the way, phase-sensitive detection of one modulation frequency means that two parameters of magnitude and phase have been obtained for equation (8). The transmission path is
Once installed, there is no possible to change, φ 1 ~φ
N is a known quantity, and eventually equation (8) is a binary simultaneous equation including n unknowns PG 1 to PG n including the unknown concentration of the measured gas in each gas cell. Therefore, in order to solve this problem when n> 2, the laser beam is modulated at another frequency ω ′ (≠ ω), and the same measurement is performed as described above. Two parameters are obtained at one modulation frequency. Therefore, when n> 2, if phase-sensitive detection is performed at n / 2 different modulation frequencies (in the case of a small number, rounded up), PG 1 , PG 2 ,.
G N is obtained.
【0054】基本波位相敏感信号についても同様であ
る。ガス濃度測定に関与するその大きさをPW1 ,PW
2 ,・・,PWn とし、位相差をφ1 ,φ2 ,・・,φ
n とおくと信号処理手段4での基本波位相敏感検波信号
の総和PWSUM は、 PWSUM =PW1 cos(ωt+φ1 +φ) +PW2 cos(ωt+φ2 +φ)+・・ ・・+PWn cos(ωt+φn +φ) …(11) となる。The same applies to the fundamental wave phase sensitive signal. The magnitudes involved in gas concentration measurement are PW 1 , PW
2, ..., and PW n, 1 a phase difference phi, phi 2, ..., phi
Assuming that n, the sum PW SUM of the fundamental phase-sensitive detection signals in the signal processing means 4 is PW SUM = PW 1 cos (ωt + φ 1 + φ) + PW 2 cos (ωt + φ 2 + φ) +... + PW n cos ( ωt + φ n + φ) (11)
【0055】ここで各基本波位相敏感検波信号PW
k は、透過光が関与した振幅強度ΔIK に依存する量
で、PWK =PWK (ΔIK )とおくと、 PWK =A・ΔIK …(12) となる。Here, each fundamental wave phase sensitive detection signal PW
k is an amount that depends on the amplitude intensity ΔI K involving the transmitted light, and if PW K = PW K (ΔI K ), PW K = A · ΔI K (12)
【0056】式(11)の測定は、前述同様大きさと位
相の2パラメータを求めたことになる。PW1 〜PWn
のn個の未知数を解くためには、別の変調周波数ω´
(≠ω)でレーザ光を変調して、上記に同様の測定を行
う。In the measurement of the equation (11), two parameters of magnitude and phase are obtained as described above. PW 1 to PW n
To solve the n unknowns of
The same measurement is performed by modulating the laser light with (≠ ω).
【0057】式(9)、式(12)から、その比を求め
る。From the equations (9) and (12), the ratio is obtained.
【0058】Rk =PGk /PWk =I0k/ΔIk ・(C1 +・・+CK ) 前2係数は、レーザの特性から決まる定数であり、各測
定点の濃度が求まる。R k = PG k / PW k = I 0k / ΔI k · (C 1 +... + C K ) The above two coefficients are constants determined from the characteristics of the laser, and the density at each measurement point is obtained.
【0059】次に、別の参考例について述べる。Next, another reference example will be described.
【0060】図6に示されるように、図3の参考例に示
された直列のガスセル6及び光学系が、ガスセル列を形
成し、このガスセル列が複数配置され、各ガスセル列は
光学系により並列接続されている。このような構成は、
測定箇所が数箇所に分かれていて、1か所に数個の測定
点を含む場合に適している。As shown in FIG. 6, the series gas cells 6 and the optical system shown in the reference example of FIG. 3 form a gas cell row, and a plurality of gas cell rows are arranged. They are connected in parallel. Such a configuration,
It is suitable when the measurement location is divided into several locations and one location contains several measurement points.
【0061】次に、測定対象となるガスが2種類以上の
場合について説明する。例えば、アセチレン検出用とし
て、波長1.53μmで発振するレーザを用意する。こ
のレーザの駆動電流或いは温度を変化させて、アセチレ
ンの吸収線の中心に発振周波数が一致するように調整す
る。このレーザ光を光ファイバで伝送し、実施例で示し
たメタン検出用のレーザ光を伝送している光ファイバと
合流させるため、光結合器を設ける。ただしそのときの
変調周波数ωA は、メタン検出用レーザの変調周波数ω
M とは、異なる値で設定する。2つの値はその最小公倍
数が大きい方が測定精度が向上することが予想される。
そして、受光部の信号処理系では、メタン用信号処理装
置とアセチレン信号処理装置とを並列に2つ設けた信号
処理装置、或いは、実施例で示した処理装置に切り替え
機構を設けることで、各処理系でそれぞれの変調周波数
について、これまで示してきたのと同様の処理を行えば
2種類以上のガスの同時検出も可能になる。Next, a case where the number of gases to be measured is two or more will be described. For example, a laser oscillating at a wavelength of 1.53 μm is prepared for acetylene detection. The driving current or the temperature of the laser is changed so that the oscillation frequency coincides with the center of the acetylene absorption line. An optical coupler is provided in order to transmit this laser light through an optical fiber and to join it with the optical fiber transmitting the methane detection laser light shown in the embodiment. However, the modulation frequency ω A at that time is the modulation frequency ω of the methane detection laser.
Set a different value from M. It is expected that the greater the least common multiple of the two values, the higher the measurement accuracy.
In the signal processing system of the light receiving unit, a signal processing device in which two signal processing devices for methane and an acetylene signal processing device are provided in parallel, or a switching device is provided in the processing device described in the embodiment, so that each If the same processing as described above is performed for each modulation frequency in the processing system, simultaneous detection of two or more types of gases becomes possible.
【0062】[0062]
【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。The present invention exhibits the following excellent effects.
【0063】(1)1組の光源、信号処理手段でもって
多箇所のガス濃度測定ができるので、経済的である。(1) The gas concentration can be measured at a plurality of locations with one set of light source and signal processing means, so that it is economical.
【0064】(2)複数の変調周波数による方法に比べ
て、本発明のレーザ光をパルス変調する方法は、制御方
法が簡単である。(2) Compared with the method using a plurality of modulation frequencies, the method of pulse-modulating the laser beam of the present invention has a simpler control method.
【0065】(3)測定用光と透過光を同一光伝送路内
で往復させているので、測定点が遠隔地にあっても光フ
ァイバ量が少なくてよい。(3) Since the measuring light and the transmitted light are reciprocated in the same optical transmission line, the amount of optical fiber may be small even if the measuring point is at a remote place.
【図1】本発明の参考例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a reference example of the present invention.
【図2】本発明の実施例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
【図3】本発明の参考例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a reference example of the present invention.
【図4】本発明に使用される方向性結合器である。FIG. 4 is a directional coupler used in the present invention.
【図5】本発明の方法を説明するための波形図である。FIG. 5 is a waveform chart for explaining the method of the present invention.
【図6】本発明の参考例を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing a reference example of the present invention.
【図7】従来例を示すブロック図である。FIG. 7 is a block diagram showing a conventional example.
1 多点ガス濃度測定装置 2 光源部 3 パルス変調器 4 信号処理手段 5 光伝送路 6 ガスセル DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Multi-point gas concentration measuring device 2 Light source part 3 Pulse modulator 4 Signal processing means 5 Optical transmission line 6 Gas cell
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 (72)発明者 山本 哲 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3−4147(JP,A) 特開 平3−248299(JP,A) 特開 平3−237314(JP,A) 特開 平3−277945(JP,A) 特開 昭59−170738(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 21/00 - 21/61 G02B 6/00 Continued on the front page (72) Inventor Masahiko Uchida 5-1-1, Hidaka-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Nippon Cable Electric Co., Ltd. Opto-System Research Laboratory (72) Inventor Satoshi Yamamoto 5 Hidaka-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture JP-A-3-4147 (JP, A) JP-A-3-248299 (JP, A) JP-A-3-237314 (Japanese) JP, A) JP-A-3-277945 (JP, A) JP-A-57-170738 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 21/00-21/61 G02B 6/00
Claims (1)
強度のレーザ光を発振するレーザと、所定の電流値を中
心として所定の振幅で上記レーザの駆動電流を変調する
ための駆動回路と、測定対象となるガスを含み光伝送路
に直列に配置された複数個のガスセルと、各ガスセル間
の光伝送路毎に接続され前段のガスセルからの透過光を
後段のガスセルの測定用光と前段のガスセルの透過光と
に分岐する光分岐手段と、各光分岐手段で分岐された透
過光を透過光用光伝送路に合流させる光合流手段と、光
伝送路の上流と透過光用光伝送路の下流とを結合する光
結合器と、光伝送路内の測定用光及び透過光から透過光
を分岐する透過光分岐手段と、分岐された透過光の光強
度を検出し且つ変調周波数の基本波成分と2倍波成分と
を位相敏感検波する信号処理手段とを備えたことを特徴
とする光ファイバを用いた多点ガス濃度測定装置。1. A laser which oscillates a laser beam having a wavelength and intensity corresponding to a drive current and a temperature, a drive circuit for modulating a drive current of the laser with a predetermined amplitude around a predetermined current value, and a measurement circuit. A plurality of gas cells including the target gas and arranged in series in the optical transmission path, and the transmitted light from the preceding gas cell connected to each optical transmission path between the gas cells and the measurement light of the latter gas cell and the former Optical branching means for branching into the transmitted light of the gas cell, optical merging means for merging the transmitted light branched by each optical branching means with the optical transmission path for transmitted light, and the optical transmission path for the transmitted light upstream of the optical transmission path Optical coupler, a transmitting light branching means for branching the transmitted light from the measuring light and the transmitted light in the optical transmission line, a light intensity of the branched transmitted light, and a basic modulation frequency. Phase sensitive detection of wave component and second harmonic component A multipoint gas concentration measuring device using an optical fiber, comprising a signal processing means.
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