JP2001235418A - Instrument for measuring concentration of gas - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To appropriately perform the calibration of the concentration of gas if necessary along with the measurement of the concentration of gas and to enhance the exactitude of measured concentration. SOLUTION: When the concentration of measuring gas is calibrated, a measurement/calibration changeover part is changed over to a calibration signal forming part 6, and the other light of a semiconductor laser 24 is inputted to the calibration signal forming part 6 through a current/voltage converting amplifier 35. In the calibration signal forming part 6, the reference light inputted from the current/voltage converting preamplifier 5 is converted to the amplification degree of a fundamental signal (f signal) and a double wave signal (2f signal) equal to that of the preamplifier constituting a measuring light amplifying part 4 to be inputted to a receiving signal detection part 5 as a calibration signal. In the receiving signal detection part 5, rf and 2rf of the inputted calibration signal are detected to be inputted to an operation part 13. In the operation part 13, concentration offset quantity is operated on the basis of rf and 2rf inputted from the receiving signal detection part 5 by a predetermined gas concentration calculation formula and the concentration of gas to be measured is calibrated on the basis of the operated concentration offset quantity.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザを光
源とし、光の吸収を利用して光学的にガス濃度を測定し
て例えば都市ガス、化学プラント等のガス漏洩を検出す
るにあたり、測定系を乱すことなくガス濃度測定時や測
定システム構築時等の定期的なガス濃度の校正が行える
ガス濃度測定装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a measurement system for detecting a gas leak from, for example, a city gas or a chemical plant by optically measuring a gas concentration using a semiconductor laser as a light source and utilizing light absorption. The present invention relates to a gas concentration measurement device that can periodically calibrate a gas concentration when measuring a gas concentration or constructing a measurement system without disturbing the gas concentration.

【０００２】[0002]

【従来の技術】メタン、二酸化炭素、アセチレン、アン
モニア等の気体には、分子の回転や構成原子間の振動等
に応じて特定波長の光を吸収する吸収帯があることは既
に知られている。例えば、メタンの場合には、１．７μ
ｍ、３．３μｍ、７．７μｍ帯等に吸収帯を有してい
る。この吸収帯を利用したガス濃度測定装置としては、
差分吸収レーザレーダ法を応用したものが種々発表され
ている（特開昭６２−２９０１９０号公報）。2. Description of the Related Art It is already known that gases such as methane, carbon dioxide, acetylene, and ammonia have an absorption band that absorbs light of a specific wavelength according to the rotation of molecules, vibration between constituent atoms, and the like. . For example, in the case of methane, 1.7 μm
m, 3.3 μm, and 7.7 μm bands. As a gas concentration measuring device using this absorption band,
Various applications to which the differential absorption laser radar method is applied have been published (JP-A-62-290190).

【０００３】ところで、この種のガス濃度測定装置にお
いては、測定システム構築時や測定開始前等のように定
期的にガスの検出濃度を校正する手段が必要になる。さ
らに説明すると、ガス濃度測定装置によって測定される
ガス濃度検出値は、測定システム構築時や測定開始前の
光源部と受光部との設定距離光路長の長さにより変化す
る性質がある。また、光源部の半導体レーザが発光する
光量の大きさによっても変化する性質がある。そして、
上記ガス濃度測定装置では、これらの性質を利用してガ
ス濃度の検出感度を設定しているため、ガス濃度を算出
するには、測定開始時に必ずガス濃度検出値の校正をし
なければならない。一般に使用されているガス濃度校正
方法としては、複数の既知の濃度ガスを封入したガスセ
ルを測定光路上に挿入するガス濃度校正方法がある。By the way, this type of gas concentration measuring device requires a means for periodically calibrating the detected gas concentration, such as when constructing a measuring system or before starting measurement. More specifically, the gas concentration detection value measured by the gas concentration measurement device has a property that varies depending on the length of the set distance optical path length between the light source unit and the light receiving unit before the measurement system is constructed or before the measurement is started. In addition, there is a property that changes depending on the amount of light emitted by the semiconductor laser of the light source section. And
In the above gas concentration measuring device, the detection sensitivity of the gas concentration is set by utilizing these properties. Therefore, in order to calculate the gas concentration, the gas concentration detection value must be calibrated at the start of the measurement. As a gas concentration calibration method generally used, there is a gas concentration calibration method in which a gas cell filled with a plurality of known concentration gases is inserted into a measurement optical path.

【０００４】具体的には、光源部と受光部を例えば１０
ｍの距離を隔てて設置し、まず、０ｐｐｍ濃度のメタン
ガスを封入した長さ１００ｍｍのガスセル、すなわちメ
タンガスを封入していない窒素ガスセルを光源部と受光
部との間の光路上に挿入し、そのときのガス濃度の出力
値を記録する。次に、１００ｐｐｍ濃度のメタンガスを
封入したガスセルを光路上に挿入し、そのときのガス濃
度の出力値を記録する。さらに、２００ｐｐｍ濃度のメ
タンガスを封入したガスセルを光路上に挿入し、そのと
きのガス濃度の出力値を記録する。このように、既知の
濃度ガスが封入されたガスセルを光源部と受光部との間
の光路上に順次交換して挿入し、測定システムを起動さ
せてガス濃度を校正している。Specifically, the light source unit and the light receiving unit are, for example, 10
m, a gas cell with a length of 100 mm in which methane gas of 0 ppm concentration is sealed, that is, a nitrogen gas cell in which methane gas is not sealed, is inserted into the optical path between the light source unit and the light receiving unit. The output value of the gas concentration at that time is recorded. Next, a gas cell filled with 100 ppm methane gas is inserted into the optical path, and the output value of the gas concentration at that time is recorded. Further, a gas cell filled with 200 ppm methane gas is inserted into the optical path, and the output value of the gas concentration at that time is recorded. As described above, the gas cell filled with the known concentration gas is sequentially exchanged and inserted on the optical path between the light source unit and the light receiving unit, and the measurement system is activated to calibrate the gas concentration.

【０００５】ここで、１００ｐｐｍ濃度のメタンガスを
封入したガスセルは、セル長が１００ｍｍなので、セル
長１ｍ当たりの換算値で１０ｐｐｍ・ｍとなる。同様に
２００ｐｐｍ濃度のガスセルは２０ｐｐｍ・ｍとなる。
そして、このガス濃度測定装置では、光路長（光源部と
受光部との間の距離）が１０ｍに設定されているので、
１０ｍ当たりではそれぞれ１ｐｐｍと２ｐｐｍのメタン
ガス濃度に相当する。従って、上記のように３個のガス
セルを光路上に挿入してそれぞれ測定することにより、
０ｐｐｍ，１ｐｐｍ，２ｐｐｍのガス濃度間隔で各検出
値の校正を行ったことになる。[0005] Here, a gas cell filled with methane gas having a concentration of 100 ppm has a cell length of 100 mm, so that the conversion value per cell length of 1 m is 10 ppm · m. Similarly, a gas cell having a concentration of 200 ppm has a concentration of 20 ppm · m.
In this gas concentration measuring device, the optical path length (the distance between the light source unit and the light receiving unit) is set to 10 m.
Per 10 m, this corresponds to a methane gas concentration of 1 ppm and 2 ppm, respectively. Therefore, by inserting three gas cells on the optical path and measuring each as described above,
This means that each detected value was calibrated at gas concentration intervals of 0 ppm, 1 ppm, and 2 ppm.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところで、測定光は半
導体レーザを測定ガスの吸収線にあわせた波長の光であ
るが、この波長の光を周波数ｆで変調している。そし
て、この測定光が測定ガス雰囲気中を通ると、測定ガス
により測定光が吸収され、濃度に応じた強度で変調周波
数の２倍の周波数の強度変化、すなわち２ｆが生成され
る。この２ｆともとの変調周波数ｆの強度変化の比率２
ｆ／ｆを測定してガス濃度を計測する。この２ｆ／ｆの
値は、ガス濃度に比例するので、この値に係数をかけれ
ばガス濃度になる。すなわち、ガス濃度をＰ、濃度算出
係数をＫ、濃度オフセット量をＣとすると、ガス濃度Ｐ
は、Ｐ＝Ｋ×（２ｆ／ｆ）＋Ｃから得られる。By the way, the measurement light is light having a wavelength corresponding to the absorption line of the measurement gas of the semiconductor laser, and the light having this wavelength is modulated at the frequency f. When the measurement light passes through the atmosphere of the measurement gas, the measurement light is absorbed by the measurement gas, and an intensity change of a frequency twice as high as the modulation frequency at an intensity corresponding to the concentration, that is, 2f is generated. The ratio 2 of the intensity change of the original modulation frequency f to 2f
The gas concentration is measured by measuring f / f. Since the value of 2f / f is proportional to the gas concentration, a gas concentration can be obtained by multiplying this value by a coefficient. That is, if the gas concentration is P, the concentration calculation coefficient is K, and the concentration offset amount is C, the gas concentration P
Is obtained from P = K × (2f / f) + C.

【０００７】ここで、上記ガス濃度計算式中の濃度算出
係数Ｋは予め計算により決定しているが、濃度オフセッ
ト量Ｃは環境状態により変動する可能性があるため、前
述した従来の校正方法では、この濃度オフセット量Ｃを
補正することができず、測定濃度確度を低下させてい
た。Here, the concentration calculation coefficient K in the above gas concentration calculation formula is determined in advance by calculation. However, since the concentration offset amount C may fluctuate depending on environmental conditions, the conventional calibration method described above uses However, the density offset amount C cannot be corrected, and the measurement density accuracy is reduced.

【０００８】そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてな
されたものであり、ガス濃度の測定とともに必要に応じ
てガス濃度の校正が適宜行え、測定濃度確度の向上を図
ることができるガス濃度測定装置を提供することを目的
としている。Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and it is possible to appropriately perform calibration of gas concentration as needed together with measurement of gas concentration, thereby improving measurement concentration accuracy. It is intended to provide a measuring device.

【０００９】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、周波数変調されたレーザ光を両
面から出射する半導体レーザ２１を有する光源ユニット
２と、前記半導体レーザの一方の面から出射されて測定
対象ガスの雰囲気を通ったレーザ光の受信信号から前記
半導体レーザの変調周波数の基本波位相敏感検波信号お
よび２倍波位相敏感検波信号を検出する受信信号検出部
５と、該受信信号検出部が検出する前記基本波位相敏感
検波信号および２倍波位相敏感検波信号の比に基づいて
前記測定対象ガスのガス濃度を演算する演算部１３とを
備えたガス濃度測定装置１において、前記光源ユニット
は、内径の長さおよび前記参照ガスの濃度が既知とされ
た前記測定対象ガスの測定場所の環境と略等しい組成お
よび圧力からなる参照ガスが封入され、前記半導体レー
ザから出射される他方のレーザ光が参照光として入射さ
れる参照セル２２と、該参照セルを通った前記参照光を
受光検出する参照光受光部２３とを含んでおり、前記参
照光受光部の出力信号から検出される前記参照光の変調
周波数の基本波信号および２倍波信号を校正信号として
出力する校正信号生成部６と、外部からの指令に基づい
て前記測定対象ガスの雰囲気を通ったレーザ光の受信信
号と、前記校正信号生成部から出力される校正信号のい
ずれか一方を選択的に切り替えて前記受信信号検出部に
入力させる測定／校正切替部１２とを備え、前記演算部
は、前記校正信号生成部から入力される前記参照光の変
調周波数の基本波信号および２倍波信号の比に基づいて
ガス濃度の濃度オフセット量を演算し、該演算された濃
度オフセット量に基づいて前記測定対象ガスのガス濃度
を校正することを特徴とする。In order to achieve the above object, the present invention is directed to a light source unit 2 having a semiconductor laser 21 for emitting frequency-modulated laser light from both sides, and one of the semiconductor lasers. A reception signal detection unit 5 that detects a fundamental phase sensitive detection signal and a second harmonic phase sensitive detection signal of the modulation frequency of the semiconductor laser from a reception signal of the laser light emitted from the surface and passing through the atmosphere of the gas to be measured; A gas concentration measuring device 1 comprising: a calculating unit 13 for calculating a gas concentration of the gas to be measured based on a ratio between the fundamental wave phase-sensitive detection signal and the second harmonic phase-sensitive detection signal detected by the reception signal detecting unit. Wherein the light source unit has a composition and a pressure that are substantially equal to the environment of the measurement location of the measurement target gas whose inner diameter length and the concentration of the reference gas are known. A gas is sealed, and includes a reference cell 22 into which the other laser light emitted from the semiconductor laser is incident as reference light, and a reference light receiving unit 23 that receives and detects the reference light passing through the reference cell. A calibration signal generator 6 that outputs a fundamental signal and a second harmonic signal of the modulation frequency of the reference light detected from the output signal of the reference light receiver as a calibration signal; and A measurement / calibration switching unit 12 for selectively switching one of a reception signal of a laser beam passing through the atmosphere of a gas to be measured and a calibration signal output from the calibration signal generation unit and inputting the signal to the reception signal detection unit The arithmetic unit calculates the concentration offset amount of the gas concentration based on the ratio between the fundamental wave signal and the second harmonic signal of the modulation frequency of the reference light input from the calibration signal generation unit. And wherein the calibrating the gas concentration of the measurement target gas based on the computed concentration offset amount.

【００１０】[0010]

【発明の実施の形態】本発明によるガス濃度測定装置
は、半導体レーザを光源とし、光の吸収を利用して光学
的にガス濃度を測定して例えば都市ガス、化学プラント
等のガス漏洩を検出するにあたり、測定系を乱すことな
くガス濃度測定時や測定システム構築時等必要に応じて
ガス濃度の校正が行えるものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A gas concentration measuring apparatus according to the present invention uses a semiconductor laser as a light source and optically measures gas concentration by utilizing light absorption to detect gas leakage from, for example, a city gas or a chemical plant. In doing so, the gas concentration can be calibrated as necessary, such as when measuring the gas concentration or constructing the measurement system, without disturbing the measurement system.

【００１１】図１は本発明によるガス濃度測定装置の実
施の形態を示し、反射型のガス濃度測定装置の全体構成
図、図２は図１の装置に適用される半導体レーザモジュ
ールの内部構造を示す平面図、図３は図２の半導体レー
ザモジュールの内部構造を示す側面図、図４は図１にお
ける２倍波信号増幅器および信号同期検出器の構成例を
示すブロック図、図５は図１における基本波信号増幅器
および信号微分検出器の構成例を示すブロック図、図６
は図１における温度安定化ＰＩＤ回路の構成例を示すブ
ロック図、図７は図１における電流安定化回路の構成例
を示すブロック図、図８は図１における受光系の構成例
を示すブロック図である。FIG. 1 shows an embodiment of a gas concentration measuring apparatus according to the present invention. FIG. 2 shows the entire configuration of a reflection type gas concentration measuring apparatus. FIG. 2 shows the internal structure of a semiconductor laser module applied to the apparatus shown in FIG. FIG. 3 is a side view showing the internal structure of the semiconductor laser module of FIG. 2, FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of the second harmonic signal amplifier and the signal synchronization detector in FIG. 1, and FIG. FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of a fundamental signal amplifier and a signal differential detector in FIG.
7 is a block diagram showing a configuration example of a temperature stabilizing PID circuit in FIG. 1, FIG. 7 is a block diagram showing a configuration example of a current stabilization circuit in FIG. 1, and FIG. 8 is a block diagram showing a configuration example of a light receiving system in FIG. It is.

【００１２】図１に示すガス濃度測定装置１は、光源ユ
ニット２、測定光集光部３、測定光増幅部４、受信信号
検出部５、校正信号生成部６、基本波信号増幅器７Ａと
２倍波信号増幅器７Ｂからなる参照信号増幅部７、信号
微分検出器８Ａと信号同期検出器８Ｂからなる参照信号
検出部８、波長安定化制御回路９、温度安定化ＰＩＤ回
路１０、電流安定化回路１１、測定／校正切替部１２、
演算部１３から概略構成される。A gas concentration measuring apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a light source unit 2, a measuring light condensing unit 3, a measuring light amplifying unit 4, a received signal detecting unit 5, a calibration signal generating unit 6, and fundamental wave signal amplifiers 7A and 7A. Reference signal amplifying section 7 including harmonic signal amplifier 7B, reference signal detecting section 8 including signal differential detector 8A and signal synchronization detector 8B, wavelength stabilization control circuit 9, temperature stabilizing PID circuit 10, current stabilizing circuit 11, measurement / calibration switching unit 12,
It is roughly composed of a calculation unit 13.

【００１３】光源ユニット２は、測定ガス特有の吸収線
に合致した波長のレーザ光を発生するものであり、図２
および図３に示すように、金属パッケージからなる箱型
形状のケース本体の内部に、半導体レーザモジュール２
１Ａ（２１）、参照ガスセル２２、フォト検出器（受光
部）２３が収容されている。The light source unit 2 generates a laser beam having a wavelength matching the absorption line specific to the measurement gas.
As shown in FIG. 3 and FIG. 3, a semiconductor laser module 2 is provided inside a box-shaped case body made of a metal package.
1A (21), a reference gas cell 22, and a photo detector (light receiving unit) 23 are accommodated.

【００１４】半導体レーザモジュール２１Ａのケース内
には、周波数変調されたレーザ光を両面から出射する半
導体レーザ（レーザダイオード）２４が配設されてい
る。ケース２１ａからはコネクタ２５ａを備えた光ケー
ブル２５が延出されており、半導体レーザ２４から出射
される一方の光が光ケーブル２５を介して測定光集光部
３より外部（測定対象ガスの雰囲気）に出射されるよう
になっている。A semiconductor laser (laser diode) 24 for emitting frequency-modulated laser light from both sides is provided in the case of the semiconductor laser module 21A. An optical cable 25 having a connector 25a extends from the case 21a, and one of the lights emitted from the semiconductor laser 24 is directed to the outside (atmosphere of the gas to be measured) from the measurement light focusing unit 3 via the optical cable 25. It is designed to be emitted.

【００１５】ケース本体２６の底面には、冷却用フィン
２７が取り付けられた温度制御素子（ペルチェ素子）２
８が配設されている。半導体レーザ２４は、動作温度、
動作電流により発振波長が変化する性質があるため、温
度制御素子２８により動作温度を一定温度に制御するこ
とにより発振波長が制御される。A temperature control element (Peltier element) 2 with a cooling fin 27 attached to the bottom of the case body 26
8 are provided. The semiconductor laser 24 has an operating temperature,
Since the oscillation wavelength changes depending on the operating current, the oscillation wavelength is controlled by controlling the operating temperature to a constant temperature by the temperature control element 28.

【００１６】半導体レーザ２４の前後両側の光軸上に
は、半導体レーザ２４の出射光を集光するための平な面
を持たない非球面レンズ２９（２９ａ，２９ｂ）が配設
されている。非球面レンズ２９は、平らな面を持たない
ため、集光用レンズとして使用することにより半導体レ
ーザ２４に光が反射して戻るのを防止することができ
る。On the optical axes on both front and rear sides of the semiconductor laser 24, there are provided aspheric lenses 29 (29a, 29b) having no flat surface for condensing the light emitted from the semiconductor laser 24. Since the aspheric lens 29 does not have a flat surface, it can be used as a condensing lens to prevent light from being reflected back to the semiconductor laser 24.

【００１７】半導体レーザ２４の前後両側の光軸上で、
非球面レンズ２９ａ，２９ｂの外側には光アイソレータ
３０（３０ａ，３０ｂ）が配設されている。光アイソレ
ータ３０は、９０°の偏波面の光のみを通す偏光子と、
４５°の偏波面の光のみを通す検光子との間に配置され
た結晶に磁力を印加することで、結晶中を透過する光の
偏波面を回転させて偏光子での反射光の通過を阻止し、
半導体レーザ２４に反射光が戻るのを防止している。On the optical axes on both the front and rear sides of the semiconductor laser 24,
Optical isolators 30 (30a, 30b) are provided outside the aspheric lenses 29a, 29b. The optical isolator 30 includes a polarizer that transmits only light having a polarization plane of 90 °,
By applying a magnetic force to the crystal disposed between the analyzer and the analyzer that passes only the light having a polarization plane of 45 °, the polarization plane of the light passing through the crystal is rotated to prevent the reflected light from passing through the polarizer. Intercept,
The reflected light is prevented from returning to the semiconductor laser 24.

【００１８】参照ガスセル２２は、半導体レーザ２４の
後ろ側の光路上に配設されている。参照ガスセル２２
は、測定光発振波長安定化、測定ガス濃度校正に用いら
れるもので、内部が空洞の金属胴２２ａの対向する面に
光を通過させる貫通穴が形成され、内部に参照ガスが封
入された後、貫通穴がガラス窓２２ｂによって封止され
ている。The reference gas cell 22 is provided on the optical path behind the semiconductor laser 24. Reference gas cell 22
Is used for stabilizing the measurement light oscillation wavelength and for calibrating the measurement gas concentration. A through-hole through which light passes is formed on the opposite surface of the metal cylinder 22a having a hollow inside, and after the reference gas is sealed therein. , The through hole is sealed by the glass window 22b.

【００１９】参照ガスセル２２は、内径の長さＬが予め
決められており、既知の濃度の参照ガスが封入される。
また、封入される参照ガスは、測定対象ガスの測定場所
の環境と略等しい組成、圧力とされている。例えば測定
場所の環境が空気であれば、参照ガスはエアバランス、
すなわち空気と同じ組成であり、圧力も１気圧となって
いる。In the reference gas cell 22, the length L of the inner diameter is predetermined, and a reference gas of a known concentration is sealed.
The reference gas to be enclosed has a composition and a pressure substantially equal to the environment of the measurement place of the measurement target gas. For example, if the environment at the measurement location is air, the reference gas is air balance,
That is, it has the same composition as air, and the pressure is also 1 atm.

【００２０】参照ガスセル２２は、非球面レンズ２９ｂ
の後ろ側に、後方出射光が入射しやすい位置に固定され
る。参照ガスセル２２を通過したレーザ光は、参照ガス
セル２２の後ろ側に配設されたフォト検出器２３によっ
て受光検出される。The reference gas cell 22 includes an aspheric lens 29b.
Is fixed at a position where rearward emitted light is easily incident. The laser light that has passed through the reference gas cell 22 is received and detected by a photodetector 23 disposed behind the reference gas cell 22.

【００２１】なお、上記参照ガスセル２２は、後述する
他の構成の半導体レーザモジュール２１Ｂ，２１Ｃ，２
１Ｄのように、半導体レーザ２４への戻り光を低減する
ため、光が通過する両端面を斜め（例えば射光軸に対し
て約６°）に形成するのが好ましい。The reference gas cell 22 includes semiconductor laser modules 21B, 21C, and 2 having other configurations described later.
As in 1D, in order to reduce the return light to the semiconductor laser 24, it is preferable to form both end faces through which the light passes at an angle (for example, about 6 ° with respect to the emission axis).

【００２２】測定光集光部３は、光源ユニット２の半導
体レーザ２４からの光を外部に出射し、測定対象となる
ガス配管などから反射した測定光をレンズ３１で集光
し、この集光した光をフォト検出器３２で受光検出して
電気信号に変換している。The measurement light condensing section 3 emits light from the semiconductor laser 24 of the light source unit 2 to the outside, condenses the measurement light reflected from a gas pipe or the like to be measured by a lens 31, and condenses the light. The light thus detected is received by the photodetector 32 and converted into an electric signal.

【００２３】測定光増幅部４は、プリアンプで構成さ
れ、測定光集光部３で検出した測定光信号を所定の増幅
度で増幅している。この測定光増幅部４では、測定光集
光部３のフォト検出器３２で検出した光電流を電圧に変
換し、増幅して出力する。また、測定光増幅部４は、受
信信号検出部５で検出する基本波位相敏感検波信号（ｆ
信号：以下、基本波信号と略称する）、２倍波位相敏感
検波信号（２ｆ信号：以下、２倍波信号と略称する）が
同じような検出レベルになるように、増幅度が基本波信
号、２倍波信号それぞれ最適増幅度に設定されている。The measuring light amplifying section 4 is constituted by a preamplifier, and amplifies the measuring light signal detected by the measuring light collecting section 3 at a predetermined amplification degree. The measurement light amplifier 4 converts the photocurrent detected by the photodetector 32 of the measurement light collector 3 into a voltage, amplifies and outputs the voltage. Further, the measurement light amplifying unit 4 detects the fundamental phase-sensitive detection signal (f
Signal: hereinafter, abbreviated as a fundamental signal), the amplification degree of which is a fundamental wave signal so that a second-harmonic phase-sensitive detection signal (2f signal: hereinafter, abbreviated as a second-harmonic signal) has a similar detection level. , And the second-harmonic signals are set to the optimum amplification degrees.

【００２４】受信信号検出部５は、後述する測定／校正
切替部１２が測定光増幅部４側に切り替えられていると
きに、測定光増幅部４で増幅された測定光信号を信号処
理し、基本波信号（ｆ信号）、２倍波信号（２ｆ信
号）、２ｆ／ｆ信号を検出している。また、受信信号検
出部５は、後述する測定／校正切替部１２が校正信号生
成部６側に切り替えられているときに、校正信号生成部
６からの信号を信号処理し、校正用基本波信号（ｒｆ信
号）、校正用２倍波信号（ｆ２ｆ信号）、ｒ２ｆ／ｒｆ
信号を検出している。When the measurement / calibration switching unit 12 described later is switched to the measurement light amplification unit 4, the reception signal detection unit 5 performs signal processing on the measurement light signal amplified by the measurement light amplification unit 4, A fundamental signal (f signal), a second harmonic signal (2f signal), and a 2f / f signal are detected. When the measurement / calibration switching unit 12 described later is switched to the calibration signal generation unit 6, the reception signal detection unit 5 performs signal processing on the signal from the calibration signal generation unit 6, and outputs a calibration fundamental wave signal. (Rf signal), calibration second harmonic signal (f2f signal), r2f / rf
Signal is being detected.

【００２５】ここで、戻り光の影響を受けない状態で、
基本波信号、２倍波信号を検出し、発振波長を精度よく
安定化する手段について説明する。Here, in a state not affected by the return light,
Means for detecting the fundamental wave signal and the second harmonic signal and stabilizing the oscillation wavelength with high accuracy will be described.

【００２６】図７において、信号重畳手段としての電流
安定化回路１１は、ＬＤバイアス電流を設定するバイア
ス電流生成回路１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、変調周波数
の基本波であるＦｍのレベルを設定する基本波変調電流
生成回路１１ｄ，１１ｅ，１１ｆと、変調周波数の２倍
波（２Ｆｍ）のレベルを設定する抑圧電流生成回路１１
ｇ，１１ｈ，１１ｉ，１１ｊ，１１ｋ，１１ｌ，１１ｍ
と、基本波変調周波数のｎ倍（例えばｎ＝５０〜５００
倍程度）の変調周波数（ｎＦｍ）のレベルを設定する受
光レベル変動抑圧電流生成回路１１ｐ，１１ｑと、これ
ら各回路で設定された電流を加算する加算回路１１ｎ
と、加算された電流を増幅し、この増幅された電流によ
り半導体レーザを駆動する半導体レーザ駆動アンプ１１
ｏとを備えて構成される。In FIG. 7, a current stabilizing circuit 11 as a signal superimposing means includes a bias current generating circuit 11a, 11b, 11c for setting an LD bias current and a basic for setting a level of Fm which is a fundamental wave of a modulation frequency. Wave modulation current generation circuits 11d, 11e and 11f, and a suppression current generation circuit 11 for setting the level of the second harmonic (2Fm) of the modulation frequency
g, 11h, 11i, 11j, 11k, 11l, 11m
And n times the fundamental wave modulation frequency (for example, n = 50 to 500)
), And the adder circuit 11n for adding the currents set by these circuits to set the level of the modulation frequency (nFm).
And a semiconductor laser drive amplifier 11 for amplifying the added current and driving the semiconductor laser with the amplified current.
o.

【００２７】電流安定化回路１１では、半導体レーザバ
イアス電流、半導体レーザ変調電流（基本波変調電
流）、ＬＤ抑圧電流、ＬＤ受光レベル変動抑圧電流をそ
れぞれ設定し、これらの電流設定値を加算して半導体レ
ーザ電流として半導体レーザ２４に流す。半導体レーザ
モジュール２１Ａを例にとって説明すれば、半導体レー
ザ２４に電流が流れると、半導体レーザ２４の前方、後
方にレーザ光を出射する。前方に出射したレーザ光は非
球面レンズ２９ａにより集光され光アイソレータ３０ａ
を通過し、光ケーブル２５を通して測定光集光部３より
外部に放射する。この際、光アイソレータ３０ａによっ
て半導体レーザ２４への戻り光を低減している。後方に
出射したレーザ光は非球面レンズ２９ｂにより集光され
光アイソレータ３０ｂを通過し参照ガスセルに導かれ
る。この際、光アイソレータ３０ｂによって半導体レー
ザ２４への戻り光を低減している。参照ガスセル２２を
通過したレーザ光はフォト検出器２３で検出され電流電
圧変換プリアンプ３５により増幅される。The current stabilizing circuit 11 sets a semiconductor laser bias current, a semiconductor laser modulation current (fundamental wave modulation current), an LD suppression current, and an LD light reception level fluctuation suppression current, and adds these current setting values. The current is passed through the semiconductor laser 24 as a semiconductor laser current. Taking the semiconductor laser module 21A as an example, when a current flows through the semiconductor laser 24, laser light is emitted forward and backward of the semiconductor laser 24. The laser light emitted forward is condensed by an aspheric lens 29a and is separated by an optical isolator 30a.
And is radiated to the outside from the measurement light focusing unit 3 through the optical cable 25. At this time, the return light to the semiconductor laser 24 is reduced by the optical isolator 30a. The laser light emitted backward is condensed by the aspheric lens 29b, passes through the optical isolator 30b, and is guided to the reference gas cell. At this time, the return light to the semiconductor laser 24 is reduced by the optical isolator 30b. The laser light passing through the reference gas cell 22 is detected by the photo detector 23 and amplified by the current-voltage conversion preamplifier 35.

【００２８】参照ガスセル２２内部には参照ガスが封入
されており、その吸収線によりレーザ光が吸収され２倍
波が生成される。電流電圧変換プリアンプ３５により増
幅された信号（Ｓ１）は、基本波信号増幅器７Ａで増幅
され（Ｓ２）、信号微分検出器８Ａにより位相微分検波
され（Ｓ３）、図１５（ｂ）破線に示す出力波形にな
る。また、２倍波は、２倍波信号増幅器７Ｂで増幅され
（Ｓ５）、信号同期検出器８Ｂによりレベル検出され
（Ｓ６）、図１５（ｂ）実線に示す出力波形になる。A reference gas is sealed in the reference gas cell 22, and a laser beam is absorbed by the absorption line to generate a second harmonic. The signal (S1) amplified by the current-voltage conversion preamplifier 35 is amplified by the fundamental wave signal amplifier 7A (S2), phase-detected by the signal differential detector 8A (S3), and output as indicated by a broken line in FIG. It becomes a waveform. Further, the second harmonic is amplified by the second harmonic signal amplifier 7B (S5), the level is detected by the signal synchronization detector 8B (S6), and the output waveform becomes a solid line in FIG. 15B.

【００２９】温度安定化ＰＩＤ回路１０は、温度センサ
２８ａの誤差入力をＰＩＤ演算し、その演算結果を温度
制御素子２８に出力し、半導体レーザ２４の動作温度を
所定の温度に設定する。波長安定化制御回路９は、マイ
クロプロセッサ、メモリ等を使用し、以下に説明する図
９等の処理を実行し、半導体レーザ２４が出射するレー
ザ光の発振波長を測定ガス吸収線の中心波長に発振安定
化する機能を有している。この中心波長に常に安定して
発振することにより、測定光のガス検出レベルを安定化
でき、正確なガス濃度を測定できることを保証してい
る。The temperature stabilizing PID circuit 10 performs a PID operation on the error input of the temperature sensor 28a, outputs the operation result to the temperature control element 28, and sets the operating temperature of the semiconductor laser 24 to a predetermined temperature. The wavelength stabilization control circuit 9 uses a microprocessor, a memory, and the like to execute the processing of FIG. 9 and the like described below, and sets the oscillation wavelength of the laser light emitted from the semiconductor laser 24 to the center wavelength of the measurement gas absorption line. Has a function to stabilize oscillation. By always oscillating stably at this center wavelength, the gas detection level of the measurement light can be stabilized, and it is assured that accurate gas concentration can be measured.

【００３０】（設定温度の検索）まず、温度を設定する
処理を説明する。温度安定化ＰＩＤ回路１０は、温度セ
ンサ２８ａの誤差入力をＰＩＤ演算し、その演算結果を
温度制御素子２８に出力し、半導体レーザ２４の動作温
度を所定の温度に設定している。すなわち、この温度安
定化ＰＩＤ回路１０は、半導体レーザ２４の温度設定値
が吸収線の中心波長に一致する温度、例えば２６℃に設
定する。この際、波長安定化制御回路９から入力したデ
ジタル信号をＤ／Ａ変換器（ＤＡＣ）でアナログ信号に
変換する。また、電流安定化回路１１により半導体レー
ザ２４のバイアス電流を、例えば１００ｍＡに、半導体
レーザ２４の変調電流を、例えば２５ｍＡに設定する。(Search of Set Temperature) First, the process of setting the temperature will be described. The temperature stabilizing PID circuit 10 performs a PID operation on an error input of the temperature sensor 28a, outputs the operation result to the temperature control element 28, and sets the operating temperature of the semiconductor laser 24 to a predetermined temperature. That is, the temperature stabilizing PID circuit 10 sets a temperature at which the temperature set value of the semiconductor laser 24 coincides with the center wavelength of the absorption line, for example, 26 ° C. At this time, the digital signal input from the wavelength stabilization control circuit 9 is converted into an analog signal by a D / A converter (DAC). The current stabilizing circuit 11 sets the bias current of the semiconductor laser 24 to, for example, 100 mA, and the modulation current of the semiconductor laser 24 to, for example, 25 mA.

【００３１】次に、温度安定化ＰＩＤ回路１０で、動作
温度バイアス値を徐々に高くし、そのときの信号微分検
出器８Ａの信号強度を測定し、図１６（ｂ）破線に示す
出力波形を得る。なお、本設定温度の検索は、半導体レ
ーザ２４の動作条件、例えばバイアス電流を変更した際
に行えばよい。Next, the temperature stabilizing PID circuit 10 gradually increases the operating temperature bias value, measures the signal intensity of the signal differential detector 8A at that time, and changes the output waveform shown by the broken line in FIG. obtain. Note that the search for the set temperature may be performed when the operating condition of the semiconductor laser 24, for example, the bias current is changed.

【００３２】（初期設定の説明）次に、半導体レーザ発
振波長初期設定処理を図９のフローチャートを用いて説
明する。半導体レーザ動作温度をＢ点の温度に設定する
（ａ）。つぎにＣ点の温度まで徐々に変えていく
（ｂ）。Ｂ点の動作温度からＣ点の動作温度まで変える
（ｅ）間に信号微分検出器８Ａの出力を監視し（ｃ）、
出力が最大値および最小値となる半導体レーザ２４の動
作温度を記憶する（ｄ）。最小値の動作温度と最大値の
動作温度とのちょうど中間の動作温度を算出し（ｆ）、
その動作温度を温度安定化ＰＩＤ回路１０に設定する
（ｇ）。動作温度を設定した後、信号微分検出器８Ａの
出力がほぼ零であることを確認する（ｈ）。つぎに動作
温度を少し高く設定し、信号微分検出器８Ａの出力が下
がりマイナス方向に変動することを確認し、反対に温度
を低く設定すると出力が上がりプラス方向に変動するこ
とを確認する（ｉ）。この確認が終了した後、スイッチ
３６をオンにして温度安定化ＰＩＤ回路１０にフィード
バックする（ｊ）。その後、半導体レーザ２４の温度が
安定していることを確認する（ｋ）。温度が安定してい
ればフィードバックが正しく動作していることになる。(Description of Initial Setting) Next, the semiconductor laser oscillation wavelength initial setting process will be described with reference to the flowchart of FIG. The operating temperature of the semiconductor laser is set to the temperature at point B (a). Next, the temperature is gradually changed to the temperature at the point C (b). While changing from the operating temperature at the point B to the operating temperature at the point C (e), the output of the signal differential detector 8A is monitored (c),
The operating temperature of the semiconductor laser 24 at which the output reaches the maximum value and the minimum value is stored (d). Calculate an operating temperature just intermediate between the minimum operating temperature and the maximum operating temperature (f),
The operating temperature is set in the temperature stabilizing PID circuit 10 (g). After setting the operating temperature, it is confirmed that the output of the signal differential detector 8A is almost zero (h). Next, the operating temperature is set slightly higher, and it is confirmed that the output of the signal differential detector 8A decreases and fluctuates in the negative direction. Conversely, if the temperature is set lower, the output rises and fluctuates in the positive direction (i). ). After this confirmation is completed, the switch 36 is turned on to feed back to the temperature stabilizing PID circuit 10 (j). Thereafter, it is confirmed that the temperature of the semiconductor laser 24 is stable (k). If the temperature is stable, the feedback is working properly.

【００３３】このとき、図１６のようにフィードバック
信号が変動していると、半導体レーザ２４の発振波長は
変動するが、本例ではフィードバック信号が滑らかなた
め、半導体レーザ２４の発振波長は安定する。At this time, if the feedback signal fluctuates as shown in FIG. 16, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 24 fluctuates. However, in this example, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 24 stabilizes because the feedback signal is smooth. .

【００３４】（２倍波ピーク安定化の説明）続いて処理
する、半導体レーザ２４の発振波長の２倍波ピーク安定
化処理を説明する。温度安定化ＰＩＤ回路１０の動作温
度バイアス値を増減する（ｌ）。信号同期検出器８Ｂの
出力を監視し、出力が最大値になる動作温度バイアス値
を温度安定化ＰＩＤ回路１０に設定する（ｍ）。その
後、信号ピーク検出出力値を常に監視し（ｎ）、常に極
大値になるように動作温度バイアス値を変化させ温度安
定化ＰＩＤ回路１０に設定する。この処理を短い間隔で
繰り返すことにより測定対象ガスの最大吸収点（波長λ
₀ ）に半導体レーザ２４の発振波長を維持し安定にする
ことができる。設定温度の検索、および初期設定をした
後、２倍波ピーク安定化の処理をするため、半導体レー
ザ２４の発振波長を、所定の吸収線の最大吸収点に安定
化することができる。(Description of Stabilization of Second Harmonic Peak) Next, the stabilization processing of the second harmonic peak of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 24 will be described. The operating temperature bias value of the temperature stabilizing PID circuit 10 is increased or decreased (l). The output of the signal synchronization detector 8B is monitored, and the operating temperature bias value at which the output becomes the maximum value is set in the temperature stabilizing PID circuit 10 (m). Thereafter, the signal peak detection output value is constantly monitored (n), and the operating temperature bias value is changed so as to always reach the local maximum value and set in the temperature stabilizing PID circuit 10. By repeating this process at short intervals, the maximum absorption point (wavelength λ
₀ ), the oscillation wavelength of the semiconductor laser 24 can be maintained and stabilized. After the search for the set temperature and the initial setting, the oscillation wavelength of the semiconductor laser 24 can be stabilized at the maximum absorption point of a predetermined absorption line in order to perform the process of stabilizing the second harmonic peak.

【００３５】（信号同期検出器の説明）信号同期検出器
８Ｂの詳細を、図４に基づいて説明する。フォト検出器
２３で受けた信号を増幅器７Ｂａで増幅する。混合器７
Ｂｃは、その信号と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）７Ｂｉ
で発振させた周波数信号と混合し、中間周波数を生成す
る。本例では、局部発振器７Ｂａの周波数を４５５ｋＨ
ｚ−２Ｆｍとし、中間周波数を４５５ｋＨｚとした。こ
れを狭帯域フィルタ７Ｂｄに通し、位相同期検波器８Ｂ
ｇで同期検波する。同期検波した信号を低域フィルタ８
Ｂｈを経て直流アンプ８Ｂｉで増幅する。この増幅され
た信号の最大値が２倍波のピークとなる。ここで、位相
シフト器８Ｂｂで、光学系等で遅延した信号の位相と、
発振器８Ｂａの２Ｆｍの位相とを調整する。(Description of Signal Synchronization Detector) The details of the signal synchronization detector 8B will be described with reference to FIG. The signal received by the photo detector 23 is amplified by the amplifier 7Ba. Mixer 7
Bc is the signal and the voltage controlled oscillator (VCO) 7Bi
To generate an intermediate frequency. In this example, the frequency of the local oscillator 7Ba is 455 kHz.
z-2Fm, and the intermediate frequency was 455 kHz. This is passed through a narrow-band filter 7Bd, and a phase-locked detector 8B
Perform synchronous detection with g. Low-pass filter 8
After Bh, it is amplified by the DC amplifier 8Bi. The maximum value of the amplified signal becomes the peak of the second harmonic. Here, the phase of the signal delayed by the optical system or the like in the phase shifter 8Bb is:
The phase of 2Fm of the oscillator 8Ba is adjusted.

【００３６】（２倍波歪抑圧動作の説明）電流安定化回
路１１の２倍波歪抑圧動作を図７で説明する。電流安定
化回路１１は、波長安定化制御回路９からの制御信号
（Ｓ９）により、半導体レーザ２４に駆動電流（Ｓ１
２）を発生する。ＬＤバイアス電流値により、半導体レ
ーザ２４のバイアス電流を設定する。基本波変調電流値
により、変調周波数の基本波であるＦｍのレベル（電流
値）を設定する。ＬＤ抑圧電流値により、変調周波数の
２倍波（２Ｆｍ）のレベル（電流値）を設定する。ＬＤ
受光レベル変動抑圧電流値により、基本波変調周波数の
ｎ倍波（ｎＦｍ、ｎ＝５０〜５００）のレベル（電流
値）を設定する。(Explanation of Double Harmonic Distortion Suppressing Operation) The double harmonic distortion suppressing operation of the current stabilizing circuit 11 will be described with reference to FIG. The current stabilization circuit 11 supplies a drive current (S1) to the semiconductor laser 24 in response to a control signal (S9) from the wavelength stabilization control circuit 9.
2) occurs. The bias current of the semiconductor laser 24 is set based on the LD bias current value. The level (current value) of Fm which is the fundamental wave of the modulation frequency is set by the fundamental wave modulation current value. The level (current value) of the second harmonic (2Fm) of the modulation frequency is set by the LD suppression current value. LD
The level (current value) of the nth harmonic (nFm, n = 50 to 500) of the fundamental wave modulation frequency is set by the light receiving level fluctuation suppression current value.

【００３７】なお、抑圧電流生成回路におけるＬＤ抑圧
電流値、受光レベル変動抑圧電流生成回路における発振
器１１ｐの倍率ｎおよびアッテネータの出力電流値は、
使用される半導体レーザ２４によって周波数特性が異な
るため、ある程度の可変範囲を持っており、使用される
半導体レーザ２４に応じて最適な値に設定される。具体
的な可変範囲は、基本波変調電流値を２０ｍＡppとした
とき、ＬＤ抑圧電流値０．１〜０．５ｍＡ、ｎ＝５０〜
５００、出力電流値５〜２０ｍＡppである。The LD suppression current value in the suppression current generation circuit, the magnification n of the oscillator 11p and the output current value of the attenuator in the light reception level fluctuation suppression current generation circuit are as follows:
Since the frequency characteristics vary depending on the semiconductor laser 24 used, the semiconductor laser 24 has a certain variable range, and is set to an optimum value according to the semiconductor laser 24 used. Specifically, when the fundamental wave modulation current value is 20 mApp, the LD suppression current value is 0.1 to 0.5 mA, and n = 50 to
500, and an output current value of 5 to 20 mApp.

【００３８】そして、上記設定による電流は加算器１１
ｎで重畳され、バッファ１１ｏを介して半導体レーザ２
４に供給される。戻り光の影響を無くしても、半導体レ
ーザ２４により変調波２倍波歪が出る場合には、２倍波
歪抑圧電流を設定して、基本波に重畳し、２倍波歪が最
小になるようにする。具体的には、発振器１１ｇの２Ｆ
ｍの位相を、位相シフト器１１ｈで逆相にして、基本波
に重畳する。その際、重畳するレベルを、基本波から発
生する２倍波の歪をキャンセルするように、減衰器（Ａ
ＴＴ）１１ｍを調整する。The current according to the above setting is added to the adder 11
n and the semiconductor laser 2
4 is supplied. Even if the influence of the return light is eliminated, when the second harmonic distortion of the modulated wave is generated by the semiconductor laser 24, the second harmonic distortion suppression current is set and superimposed on the fundamental wave to minimize the second harmonic distortion. To do. Specifically, 2F of the oscillator 11g
The phase of m is reversed by the phase shifter 11h and superimposed on the fundamental wave. At this time, the level to be superimposed is set to an attenuator (A) so as to cancel the distortion of the second harmonic generated from the fundamental wave.
Adjust TT) 11m.

【００３９】校正信号生成部６は、電流電圧変換プリア
ンプ３５から入力される基本波および２倍波の参照信号
を校正データとして使用できるように、測定光増幅部４
をなすプリアンプと同等の基本波信号（ｆ信号）、２倍
波信号（２ｆ信号）の増幅度に変換して出力する機能を
有している。これにより、校正信号生成部６から測定／
校正切替部１２を介して受光信号検出部５で検出される
出力ｒ２ｆ／ｒｆが測定光増幅部４で検出したガス濃度
信号と同等（例えばガス濃度１０００ｐｐｍ−ｍ）にな
る。The calibration signal generating section 6 measures the measurement light amplifying section 4 so that the fundamental wave and the second harmonic reference signal input from the current-voltage conversion preamplifier 35 can be used as calibration data.
Has the function of converting the fundamental wave signal (f signal) and the second harmonic signal (2f signal) into the same degree of amplification as the preamplifier and outputting the same. As a result, the measurement /
The output r2f / rf detected by the light receiving signal detection unit 5 via the calibration switching unit 12 becomes equivalent to the gas concentration signal detected by the measurement light amplification unit 4 (for example, the gas concentration is 1000 ppm-m).

【００４０】測定／校正切替部１２は、外部からの指令
に基づいて測定対象のガス濃度を測定するときと、ガス
濃度を校正するときの受信信号検出部５に入力する信号
を切り替える機能を有している。この測定／校正切替部
１２は、ガス濃度測定時に、測定光集光部３からの検出
信号が受信信号検出部５に取り込まれるように切り替え
られる。これに対し、ガス濃度校正時には、参照ガスセ
ル２２を通した受光信号の校正信号生成部６からの信号
が受信信号検出部５に取り込まれるように切り替えられ
る。The measurement / calibration switching unit 12 has a function of switching between a signal input to the reception signal detection unit 5 when measuring the gas concentration of the object to be measured based on an external command and when calibrating the gas concentration. are doing. The measurement / calibration switching unit 12 is switched so that the detection signal from the measurement light focusing unit 3 is taken into the reception signal detection unit 5 when measuring the gas concentration. On the other hand, at the time of gas concentration calibration, switching is performed so that the signal from the calibration signal generation unit 6 of the light reception signal passed through the reference gas cell 22 is taken into the reception signal detection unit 5.

【００４１】すなわち、ガス濃度校正の時期は、（１）
測定対象ガスの雰囲気を通ったレーザ光の受信信号に基
づく測定データを取得する毎に校正する方法、（２）測
定開始時に校正し、測定終了するまで測定開始時の校正
データを使用して校正する方法、（３）測定中定期的に
校正する方法、など使用目的に応じて選択可能となって
いる。That is, the timing of gas concentration calibration is (1)
A method of calibrating every time data is acquired based on a received signal of a laser beam that has passed through the atmosphere of the gas to be measured. (2) Calibrate at the start of measurement and use the calibration data at the start of measurement until the measurement is completed. The method can be selected according to the purpose of use, such as (3) a method of performing periodic calibration during measurement.

【００４２】さらに説明すると、測定／校正切替部１２
は、例えばアナログスイッチ等の手動スイッチによって
構成し、オフのときに接点が測定光増幅部４側に切り替
えられ、オンのときに接点が校正信号生成部６側に切り
替えられるようにする。この他、ＣＰＵのタイマに校正
したい時間を設定して管理し、タイマからの信号により
測定／校正切替部１２のスイッチの接点を切替制御する
ようにしてもよい。More specifically, the measurement / calibration switching unit 12
Is configured by, for example, a manual switch such as an analog switch, so that the contact is switched to the measurement light amplification unit 4 when the switch is off, and the contact is switched to the calibration signal generation unit 6 when the switch is on. Alternatively, the time to be calibrated may be set and managed in the timer of the CPU, and the contact of the switch of the measurement / calibration switching unit 12 may be switched and controlled by a signal from the timer.

【００４３】演算部１３は、測定／校正切替部１２が測
定光増幅部４側に切り替えられているときに、受信信号
検出部５からの基本波信号（ｆ信号）、２倍波信号（２
ｆ信号）を入力とし、その比に基づいて測定対象ガスの
ガス濃度を演算している。また、演算部１３は、測定／
校正切替部１２が校正信号生成部６側に切り替えられて
いるときに、校正信号生成部６から入力される参照光の
変調周波数の基本波信号および２倍波信号を検出し、両
者の信号の比に基づいてガス濃度の濃度オフセット量Ｃ
を演算し、この演算された濃度オフセット量Ｃに基づい
て測定対象ガスのガス濃度を校正している。When the measurement / calibration switching unit 12 is switched to the measurement light amplifying unit 4, the arithmetic unit 13 outputs the fundamental wave signal (f signal) from the reception signal detection unit 5 and the second harmonic signal (2
f signal), and calculates the gas concentration of the gas to be measured based on the ratio. In addition, the arithmetic unit 13 performs measurement /
When the calibration switching unit 12 is switched to the calibration signal generation unit 6 side, a fundamental wave signal and a second harmonic signal of the modulation frequency of the reference light input from the calibration signal generation unit 6 are detected, and both signals are detected. The concentration offset amount C of the gas concentration based on the ratio
Is calculated, and the gas concentration of the gas to be measured is calibrated based on the calculated concentration offset amount C.

【００４４】次に、上記のように安定化されたレーザ光
を測定対象ガスの雰囲気に通してガス濃度を測定する構
成および動作を説明する。図８は本例のガス濃度測定装
置における受信系のブロック図である。Next, the configuration and operation of measuring the gas concentration by passing the laser beam stabilized as described above through the atmosphere of the gas to be measured will be described. FIG. 8 is a block diagram of a receiving system in the gas concentration measuring device of the present example.

【００４５】受信系をなす受信信号検出部５は、電流電
圧変換器５Ａ、ＬＤ変調基本波増幅回路５Ｂ、ＬＤ変調
２倍波増幅回路５Ｃ、除算器５Ｄを備えて構成される。
この受信信号検出部５では、測定光増幅部４又は校正信
号生成部６から入力される信号から１ｆ信号（ｆ又はｒ
ｆ）と２ｆ信号（２ｆ又はｒ２ｆ）を検波し、１ｆ信号
と２ｆ信号の比から演算部１３が測定対象ガスのガス濃
度を計測又は校正を行っている。The reception signal detector 5 constituting the reception system includes a current-to-voltage converter 5A, an LD modulation fundamental wave amplification circuit 5B, an LD modulation second harmonic amplification circuit 5C, and a divider 5D.
In the received signal detection unit 5, a 1f signal (f or r) is converted from a signal input from the measurement light amplification unit 4 or the calibration signal generation unit 6.
f) and the 2f signal (2f or r2f) are detected, and the calculation unit 13 measures or corrects the gas concentration of the gas to be measured from the ratio between the 1f signal and the 2f signal.

【００４６】ＬＤ変調基本波増幅回路５Ｂは、バンドパ
スフィルタ５ａ、増幅器５ｂ、基本波ローカル信号発生
器５ｃ、位相敏感検波器５ｄ、増幅器５ｅを備えて構成
され、電流電圧変換器５Ａからの電圧信号をバンドパス
フィルタ５ａに通して増幅器５ｂで増幅した後、基本波
ローカル信号発生器５ｃからの信号により位相敏感検波
器５ｄにおいて基本波信号を位相敏感検波し、増幅器５
ｅで増幅して除算器５Ｄに出力している。The LD modulation fundamental wave amplifier circuit 5B includes a band pass filter 5a, an amplifier 5b, a fundamental wave local signal generator 5c, a phase sensitive detector 5d, and an amplifier 5e. After the signal is passed through the band-pass filter 5a and amplified by the amplifier 5b, the fundamental wave signal is phase-sensitive detected by the phase-sensitive detector 5d based on the signal from the fundamental-wave local signal generator 5c.
The signal is amplified by e and output to the divider 5D.

【００４７】ＬＤ変調２倍波増幅回路５Ｃは、バンドパ
スフィルタ５ｆ、増幅器５ｇ、２倍波ローカル信号発生
器５ｈ、位相敏感検波器５ｉ、増幅器５ｊを備えて構成
され、電流電圧変換器５Ａからの電圧信号をバンドパス
フィルタ５ｆに通して増幅器５ｇで増幅した後、２倍波
ローカル信号発生器５ｈからの信号により位相敏感検波
器５ｉにおいて２ｆ信号を位相敏感検波し、増幅器５ｊ
で増幅して除算器５Ｂｄに出力している。The LD modulation second harmonic amplifier circuit 5C includes a band pass filter 5f, an amplifier 5g, a second harmonic local signal generator 5h, a phase sensitive detector 5i, and an amplifier 5j. After passing through the band pass filter 5f and amplifying the voltage signal at the amplifier 5g, the signal from the second harmonic local signal generator 5h is subjected to phase sensitive detection of the 2f signal at the phase sensitive detector 5i, and the amplifier 5j
And outputs it to the divider 5Bd.

【００４８】除算器５Ｄは、ＬＤ変調２倍波増幅回路５
Ｃからの２ｆ信号の振幅を、ＬＤ変調基本波増幅回路５
Ｂからの基本波信号の振幅で除算してガス濃度に比例し
た信号検出出力を得ている。The divider 5D includes an LD modulation second-harmonic amplification circuit 5
The amplitude of the 2f signal from the C
By dividing by the amplitude of the fundamental wave signal from B, a signal detection output proportional to the gas concentration is obtained.

【００４９】次に、上記構成によるガス濃度測定装置の
動作として、ガス濃度測定および校正について説明す
る。Next, gas concentration measurement and calibration will be described as the operation of the gas concentration measuring device having the above configuration.

【００５０】まず、装置の電源を投入し、測定対象ガス
の濃度を測定する場合には、測定／校正切替部１２を測
定光増幅部４側に切り替えておく。この状態で、半導体
レーザ２４から出射される一方の光が光ケーブル２５を
介して測定光集光部３から外部に測定光として出射され
る。この測定光の出射に伴って測定対象ガスの雰囲気を
通り反射してくる光は、測定光集光部３のレンズ３１で
集光されてフォト検出器３２で受光検出される。このフ
ォト検出器３２が受光検出した電気信号は、測定光増幅
部４により所定の増幅度で増幅された後、受信信号検出
部５に入力される。受信信号検出部５では、入力される
信号からｆ、２ｆを検出して演算部１３に入力する。演
算部１３では、受信信号検出部５から入力されるｆ、２
ｆの比に基づいて測定対象ガスのガス濃度を演算する。First, when the power of the apparatus is turned on and the concentration of the gas to be measured is measured, the measurement / calibration switching unit 12 is switched to the measurement light amplification unit 4 side. In this state, one of the lights emitted from the semiconductor laser 24 is emitted as measurement light from the measurement light collector 3 to the outside via the optical cable 25. The light reflected through the atmosphere of the measurement target gas with the emission of the measurement light is condensed by the lens 31 of the measurement light condensing unit 3 and received and detected by the photodetector 32. The electric signal detected and received by the photodetector 32 is amplified by a predetermined amplification degree by the measuring light amplifier 4 and then input to the received signal detector 5. The received signal detection unit 5 detects f and 2f from the input signal and inputs the detected signals to the calculation unit 13. In the arithmetic unit 13, f, 2 input from the received signal detecting unit 5,
The gas concentration of the gas to be measured is calculated based on the ratio of f.

【００５１】次に、測定したガス濃度を校正する場合に
は、測定／校正切替部１２を校正信号生成部６側に切り
替える。この状態で、半導体レーザ２４から出射される
他方の光が電流電圧変換プリアンプ３５を介して校正信
号生成部６に入力される。校正信号生成部６では、電流
電圧変換プリアンプ３５から入力される参照光を、測定
光増幅部４をなすプリアンプと同等の基本波信号（ｆ信
号）、２倍波信号（２ｆ信号）の増幅度に変換して校正
信号として受信信号検出部５に入力する。受信信号検出
部５では、入力される校正信号のｒｆ、２ｒｆを検出し
て演算部１３に入力する。演算部１３では、受信信号検
出部５から入力されるｒｆ、２ｒｆに基づいて前述した
ガス濃度計算式により濃度オフセット量を演算し、この
演算した濃度オフセット量に基づいて測定対象ガスのガ
ス濃度（測定データ）を校正する。Next, when calibrating the measured gas concentration, the measurement / calibration switching unit 12 is switched to the calibration signal generation unit 6 side. In this state, the other light emitted from the semiconductor laser 24 is input to the calibration signal generator 6 via the current-voltage conversion preamplifier 35. The calibration signal generation unit 6 converts the reference light input from the current-voltage conversion preamplifier 35 into an amplification degree of a fundamental signal (f signal) and a second harmonic signal (2f signal) equivalent to the preamplifier forming the measurement light amplification unit 4. And input to the received signal detection unit 5 as a calibration signal. The reception signal detection unit 5 detects rf and 2rf of the input calibration signal and inputs them to the calculation unit 13. The calculation unit 13 calculates the concentration offset amount by the above-described gas concentration calculation formula based on rf and 2rf input from the reception signal detection unit 5, and based on the calculated concentration offset amount, calculates the gas concentration of the gas to be measured ( Calibrate the measurement data).

【００５２】具体的に、参照ガスセル２２として、セル
内径の長さＬ＝２０ｍｍで封入ガス濃度が５％の場合に
は、１００ｐｐｍ−ｍのガス濃度がリファレンスとして
得られる。そして、このときの２ｆ／ｆ信号を１０００
ｐｐｍ−ｍの基準値として用いる。Specifically, when the reference gas cell 22 has a cell inner diameter length L = 20 mm and an enclosed gas concentration of 5%, a gas concentration of 100 ppm-m is obtained as a reference. Then, the 2f / f signal at this time is set to 1000
Used as a reference value of ppm-m.

【００５３】すなわち、ガス濃度計算式：Ｐ＝Ｋ×（２
ｆ／ｆ）＋Ｃにおいて、Ｐ＝Ｐｒ＝１０００、２ｆ／ｆ
＝ｒ２ｆ／ｒｆとし、Ｃ＝１０００−Ｋ×（ｒ２ｆ／ｒ
ｆ）を計算して濃度オフセット量Ｃを求める。そして、
この濃度オフセット量Ｃを用いて測定対象ガスのガス濃
度を校正する。That is, a gas concentration calculation formula: P = K × (2
f / f) + C, P = Pr = 1000, 2f / f
= R2f / rf, and C = 1000-K × (r2f / r
f) is calculated to determine the density offset amount C. And
The gas concentration of the gas to be measured is calibrated using the concentration offset amount C.

【００５４】なお、上記濃度オフセット量Ｃの算出時期
は校正時期の選択に応じて実施する。例えば測定対象ガ
スの雰囲気を通ったレーザ光の受信信号に基づく測定デ
ータを取得する毎に校正する方法、測定開始時に校正
し、測定終了するまで測定開始時の校正データを使用し
て校正する方法、測定中定期的に校正する方法などが考
えられる。また、校正時は、測定／校正切替部１２を校
正信号生成部６側に切り替え、校正信号生成部６からの
信号を受信検出部５に入力し、ｒｆ，ｒ２ｆ，ｒ２ｆ／
ｒｆ信号を得て演算部１３において演算が行われる。The calculation timing of the density offset amount C is performed according to the selection of the calibration timing. For example, a method of calibrating each time measurement data is obtained based on a received signal of a laser beam that has passed through the atmosphere of the gas to be measured, a method of calibrating at the start of measurement, and a method of calibrating using the calibration data at the start of measurement until the end of measurement And a method of performing calibration periodically during measurement. Further, at the time of calibration, the measurement / calibration switching unit 12 is switched to the calibration signal generation unit 6 side, and a signal from the calibration signal generation unit 6 is input to the reception detection unit 5, and rf, r2f, r2f /
The arithmetic unit 13 obtains the rf signal and performs an operation.

【００５５】ところで、上述したガス濃度測定装置で
は、反射型の半導体レーザモジュール２１Ａを用いた構
成としているが、透過型の半導体レーザモジュールを用
いた構成としてもよい。In the meantime, in the above-described gas concentration measuring apparatus, the configuration uses the reflection type semiconductor laser module 21A, but the configuration using the transmission type semiconductor laser module may be adopted.

【００５６】図１０〜図１２は本例のガス濃度測定装置
に適用できる透過型の半導体レーザモジュール（光源
部）の構成例を示している。なお、図１〜図３に示す半
導体レーザモジュール２１Ａと同一の構成要素には同一
番号を付して説明する。FIGS. 10 to 12 show examples of the configuration of a transmission type semiconductor laser module (light source unit) applicable to the gas concentration measuring apparatus of this embodiment. Note that the same components as those of the semiconductor laser module 21A shown in FIGS.

【００５７】図１０に示す半導体レーザモジュール２１
Ｂ（２１）では、傾斜した前面に保護ガラス４１が固着
された円筒型ケース４２の中心軸線上に半導体レーザ２
４が配設されている。半導体レーザ２４は温度コントロ
ールを可能とするため、円筒型ケース４２内の基板４３
上の基台４４表面に取り付けられた温度制御素子（ペル
チェ素子）２８の上に搭載されている。半導体レーザ２
４の前後両側の光軸上には、平な面を持たない非球面レ
ンズ２９（２９ａ，２９ｂ）が配設されている。これら
非球面レンズ２９は半導体レーザ２４の出射光を集光す
るために位置を調整後、半導体レーザ２４と共に温度制
御素子２８上の取付台４５に固定される。このとき、平
らな面を持たない非球面レンズ２９を集光用レンズとし
て使用することにより、半導体レーザ２４に光が反射し
戻ることを防止できる。The semiconductor laser module 21 shown in FIG.
In B (21), the semiconductor laser 2 is placed on the central axis of a cylindrical case 42 having a protective glass 41 fixed to the inclined front surface.
4 are provided. The semiconductor laser 24 is controlled by a substrate 43 in a cylindrical case 42 in order to enable temperature control.
It is mounted on a temperature control element (Peltier element) 28 attached to the surface of the upper base 44. Semiconductor laser 2
An aspheric lens 29 (29a, 29b) having no flat surface is disposed on the optical axes on both front and rear sides of the lens 4. The positions of these aspheric lenses 29 are adjusted in order to collect the emitted light of the semiconductor laser 24, and then the aspheric lenses 29 are fixed together with the semiconductor laser 24 to a mount 45 on the temperature control element 28. At this time, by using the aspherical lens 29 having no flat surface as a condensing lens, it is possible to prevent light from being reflected back to the semiconductor laser 24.

【００５８】半導体レーザ２４の前側の光軸上で、保護
ガラス４１と非球面レンズ２９ａとの間には、半導体レ
ーザ２４に反射光が戻るのを防止するための光アイソレ
ータ３０ａが配設されている。On the optical axis on the front side of the semiconductor laser 24, an optical isolator 30a for preventing reflected light from returning to the semiconductor laser 24 is disposed between the protective glass 41 and the aspheric lens 29a. I have.

【００５９】半導体レーザ２４の後ろ側の光路上には参
照ガスセル２２が配設されている。参照ガスセル２２
は、半導体レーザ２４への戻り光を低減するために両端
面２２ｃ，２２ｄが斜めに（例えば射光軸に対して約６
度）形成されている。そして、参照ガスセル２２は、非
球面レンズ２９ｂの後ろ側に、後方出射光が入射しやす
い位置に固定され、参照ガスセル２２の後ろ側に置かれ
たフォト検出器２３に光が入射する構造とされている。
また、半導体レーザ２４の後ろ側の光路上で、非球面レ
ンズ２９ｂと参照ガスセル２２との間には、半導体レー
ザ２４に反射光が戻るのを阻止するための光アイソレー
タ３０ｂが配設されている。A reference gas cell 22 is provided on the optical path behind the semiconductor laser 24. Reference gas cell 22
In order to reduce the return light to the semiconductor laser 24, both end faces 22c and 22d are inclined (for example, about 6
Degree) is formed. The reference gas cell 22 is fixed to the rear side of the aspheric lens 29b at a position where the rearward emitted light is likely to be incident, and the light is incident on the photodetector 23 located behind the reference gas cell 22. ing.
On the optical path behind the semiconductor laser 24, an optical isolator 30b is disposed between the aspheric lens 29b and the reference gas cell 22 for preventing reflected light from returning to the semiconductor laser 24. .

【００６０】次に、図１１に示す半導体レーザモジュー
ル２１Ｃ（２１）は、図１０のフォト検出器２３を、射
光軸に対して約１０度角度を付けたものである。図１１
は半導体レーザモジュールの具体的数値を示したもので
あり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。非球面
レンズ２９ａは、焦点距離が約０．７ｍｍであり、外周
には外径２．５ｍｍの金属性の円筒が取りつけてある。
この非球面レンズ２９ａは、半導体レーザ２４の発光点
より０．２ｍｍ離れた位置で出射光が平行光になるよう
に位置調整され、金属性の円筒部分で温度制御素子２８
上の取付台４５にＹＡＧレーザ溶接で固定する。また、
非球面レンズ２９ｂは、焦点距離が約３ｍｍであり、半
導体レーザ２４の発光点より３ｍｍ離れた位置で出射光
が平行光になるように位置調整されて取付台４５にＹＡ
Ｇレーザ溶接で固定する。Next, in the semiconductor laser module 21C (21) shown in FIG. 11, the photodetector 23 shown in FIG. 10 is formed at an angle of about 10 degrees with respect to the emission axis. FIG.
Shows specific numerical values of the semiconductor laser module, (a) shows a plan view, and (b) shows a side view. The aspheric lens 29a has a focal length of about 0.7 mm, and a metal cylinder with an outer diameter of 2.5 mm is attached to the outer periphery.
The position of the aspheric lens 29a is adjusted so that the emitted light becomes parallel light at a position 0.2 mm away from the light emitting point of the semiconductor laser 24, and the temperature control element 28 is formed of a metallic cylindrical portion.
It is fixed to the upper mount 45 by YAG laser welding. Also,
The aspheric lens 29b has a focal length of about 3 mm, and is adjusted so that the emitted light becomes parallel light at a position 3 mm away from the light emitting point of the semiconductor laser 24, and the YA is attached to the mounting table 45.
Fix by G laser welding.

【００６１】光アイソレータ３０ａは、その中心が半導
体レーザ２４の光軸と一致するように基板４５上の取付
台４５に固定し、保護ガラス４１と非球面レンズ２９ａ
との間の光路上に配置する。また、光アイソレータ３０
ｂは、その中心が半導体レーザ２４の光軸と一致するよ
うに基台４４上の取付台４５に固定し、非球面レンズ２
９ｂと参照ガスセル２２との間の光路上に配置する。The optical isolator 30a is fixed to a mount 45 on a substrate 45 so that the center thereof coincides with the optical axis of the semiconductor laser 24, and the protective glass 41 and the aspherical lens 29a
And on the optical path between them. The optical isolator 30
b is fixed to a mounting base 45 on a base 44 so that the center thereof coincides with the optical axis of the semiconductor laser 24.
It is arranged on the optical path between 9b and the reference gas cell 22.

【００６２】参照ガスセル２２は、直径１０ｍｍ、長さ
２０ｍｍの円筒型で、材質ガラスで構成されている。両
端面２２ｃ、２２ｄのガラス窓は、反射した戻り光を少
なくするために約６度傾けてあり、半導体レーザ２４の
後方出力光が効率よく内部を透過するように非球面レン
ズ２９ｂのすぐ後方に参照ガスセル２２の中心と光軸が
一致するように配置する。また、フォト検出器２３を、
光軸面に対して約１０°角度を付けて円筒型ケース４２
に取りつけてあるため、半導体レーザ２４への戻り光を
少なくできる。The reference gas cell 22 is a cylindrical type having a diameter of 10 mm and a length of 20 mm, and is made of glass. The glass windows at both end faces 22c and 22d are inclined by about 6 degrees in order to reduce the reflected return light, and immediately behind the aspherical lens 29b so that the rear output light of the semiconductor laser 24 efficiently passes through the inside. It is arranged so that the center of the reference gas cell 22 and the optical axis coincide. Also, the photo detector 23 is
The cylindrical case 42 is formed at an angle of about 10 ° to the optical axis plane.
The return light to the semiconductor laser 24 can be reduced.

【００６３】次に、図１２に示す半導体レーザモジュー
ル２１Ｄ（２１）は、上面側が開口した箱型形状のケー
ス本体５１の内部に、各部品（基台４４に設けられた非
球面レンズ２９ａ，２９ｂ、半導体レーザ２４、温度制
御素子２８をはじめ、取付台５２，５３に設けられた光
アイソレータ３０ａ，３０ｂや参照ガスセル２２、フォ
ト検出器２３）を収容したものである。開口したケース
本体５１の上面はカバー部材５４が溶接封止されてお
り、光アイソレータ３０ａの前方の光路上に位置してケ
ース本体５１の側面に形成されたレーザ出射窓５５の結
露を防ぐことができる。Next, in the semiconductor laser module 21D (21) shown in FIG. 12, each part (aspheric lenses 29a and 29b provided on the base 44) is provided inside a box-shaped case body 51 having an open upper surface. , The semiconductor laser 24, the temperature control element 28, and the optical isolators 30a and 30b provided on the mounts 52 and 53, the reference gas cell 22, and the photodetector 23). A cover member 54 is welded and sealed to the upper surface of the opened case main body 51 to prevent dew condensation on the laser emission window 55 formed on the side surface of the case main body 51 located on the optical path in front of the optical isolator 30a. it can.

【００６４】なお、ケース本体５１に収容される内部構
成については、前述した図１０および図１１の半導体レ
ーザモジュール２１Ｂ，２１Ｃと同一なので、その構成
部品には同一番号を付し、詳細な説明については省略し
ている。Since the internal structure accommodated in the case body 51 is the same as that of the semiconductor laser modules 21B and 21C shown in FIGS. 10 and 11, the same components are denoted by the same reference numerals and detailed description will be given. Is omitted.

【００６５】次に、図１３（ａ），（ｂ）は図２の半導
体レーザモジュール２１Ｂが接続される光路長可変型の
ガス濃度測定装置の構成例を示している。Next, FIGS. 13A and 13B show an example of the configuration of a variable optical path length type gas concentration measuring apparatus to which the semiconductor laser module 21B of FIG. 2 is connected.

【００６６】この光路可変型のガス濃度測定装置の光学
計測部６１は、レール６２が形成された保持部材６３に
対して移動可能に保持された２つの筐体６４，６５を備
えている。一方の筐体６４は、光ケーブル２５を介して
半導体レーザモジュール２１Ｂとの間に接続することに
より光源部６７を構成している。他方の筐体６５は、受
光部６８を構成している。The optical measuring section 61 of the variable optical path type gas concentration measuring device includes two housings 64 and 65 movably held by a holding member 63 on which a rail 62 is formed. One housing 64 constitutes a light source section 67 by being connected to the semiconductor laser module 21B via the optical cable 25. The other housing 65 constitutes a light receiving section 68.

【００６７】図１３（ａ）に示すように、光源部６７の
筐体６４には、アダプタを備えたＬ字状の支持部材６９
が固定されている。この支持部材６９のアダプタには、
光ケーブル２５のコネクタ２５ａが着脱可能に取り付け
られる。また、コネクタ２５ａの出射端面の光軸上に
は、平な面を持たない非球面レンズ７０が取り付けられ
たホルダ７１が配設されている。As shown in FIG. 13A, an L-shaped support member 69 provided with an adapter is provided on the housing 64 of the light source 67.
Has been fixed. The adapter of the support member 69 includes:
The connector 25a of the optical cable 25 is detachably attached. A holder 71 to which an aspheric lens 70 having no flat surface is attached is provided on the optical axis of the exit end face of the connector 25a.

【００６８】図１３（ｂ）に示すように、受光部６８の
筐体６５には、光源部６７側の非球面レンズ７０と対向
する光軸上に、同様の平な面を持たない非球面レンズ７
２が配設されている。この非球面レンズ７２後方の筐体
６５内には、光軸上にフォト検出器２３が取り付けられ
たＬ字状の支持部材７３が配設されている。As shown in FIG. 13B, the housing 65 of the light receiving section 68 has an aspheric surface having no similar flat surface on the optical axis facing the aspheric lens 70 on the light source section 67 side. Lens 7
2 are provided. An L-shaped support member 73 to which the photodetector 23 is attached on the optical axis is disposed in the housing 65 behind the aspheric lens 72.

【００６９】それぞれの筐体６４，６５の底面側部に
は、レール６２の側面に対して取付片７４が取り付けら
れている。取付片７４には筐体６４，６５をレール６２
に対して固定するための固定ネジ７５が取り付けられて
いる。各筐体６４，６５は、固定ネジ７５を緩めた状態
で光軸に沿った方向（図１３（ｂ）の矢印Ｘ方向）にレ
ール６２上を移動する。これにより、光源部６７と受光
部６８との間の測定光路長を任意に可変できる。そし
て、光源部６７と受光部６８とは、測定光路長が一度調
整設定されると、その後は固定して使用される。A mounting piece 74 is mounted on the side surface of the rail 62 on the bottom side of each of the housings 64 and 65. The housings 64 and 65 are attached to the mounting piece 74 by the rail 62.
A fixing screw 75 for fixing to the camera is attached. Each of the housings 64 and 65 moves on the rail 62 in the direction along the optical axis (the direction of arrow X in FIG. 13B) with the fixing screw 75 loosened. Thereby, the measurement optical path length between the light source section 67 and the light receiving section 68 can be arbitrarily changed. Then, once the measurement optical path length is adjusted and set, the light source section 67 and the light receiving section 68 are fixed and used thereafter.

【００７０】なお、光学計測部６１の光源部６７として
は、図２の半導体モジュール２Ｂに限定されるものでは
なく、半導体レーザモジュール２１Ａ，２１Ｃ，２１Ｄ
などを用いることもできる。The light source section 67 of the optical measuring section 61 is not limited to the semiconductor module 2B shown in FIG. 2, but may be any of the semiconductor laser modules 21A, 21C and 21D.
Etc. can also be used.

【００７１】次に、図１４は多重セル型ガス濃度測定装
置の一例を示している。この多重セル型ガス濃度測定装
置は、多重セル８１と光学系（光源部６７および受光部
６８）が筐体８２内に配設されて一つのユニットを構成
している。なお、光学系である光源部６７および受光部
６８は、図１３に示すものと同一構成なので、同一の構
成要素には同一番号を付し、その説明については省略す
る。FIG. 14 shows an example of a multi-cell type gas concentration measuring apparatus. In this multi-cell type gas concentration measuring apparatus, a multi-cell 81 and an optical system (light source 67 and light receiver 68) are disposed in a housing 82 to constitute one unit. Since the light source 67 and the light receiving unit 68, which are optical systems, have the same configuration as that shown in FIG. 13, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.

【００７２】多重セル８１は、基部が気密構造の円筒型
形状の管８３で構成されている。管８３の内壁面両端部
には、複数の反射ミラー（図１４の例では、管８３の左
側部に一つ、右側部に二つ）８４（８４ａ，８４ｂ，８
４ｃ）が配置されている。管８３の左側部の上部には光
源部６７が着脱可能に取り付けられている。また、管８
３の左側部の下部には、光源部６７と光軸が平行となる
ように受光部６８が着脱可能に取り付けられている。管
８３の上部には、測定対象ガスの注入、排出を行うため
のガス取入パイプ８５とガス排出パイプ８６とが並設さ
れている。この多重セル８１では、光源部６７からの光
が管８３内の複数の反射ミラー８４により多重反射され
て受光部６８に導かれる。The multi-cell 81 is formed by a cylindrical tube 83 having a base having an airtight structure. A plurality of reflection mirrors (one on the left side and two on the right side of the tube 83 in the example of FIG. 14) 84 (84a, 84b, 8)
4c) is arranged. A light source 67 is detachably attached to the upper part of the left side of the tube 83. Also, tube 8
A light receiving unit 68 is detachably attached to the lower part of the left side of the unit 3 so that the light source unit 67 is parallel to the optical axis. Above the pipe 83, a gas intake pipe 85 and a gas exhaust pipe 86 for injecting and discharging the gas to be measured are provided side by side. In the multiplex cell 81, light from the light source 67 is multiple-reflected by a plurality of reflection mirrors 84 in the tube 83 and guided to the light-receiving unit 68.

【００７３】この多重セル型ガス濃度測定装置によれ
ば、多重セル８１と光学系６７，６８が同一箇所に配置
されるので、単一の振動機構を用いて筐体８２を光軸方
向に振動させることにより、光源部６７と受光部６８と
の間の測定光路長を変更することができる。しかも、装
置全体の小型化が図れ、小さいスペースで測定光路長を
長く設定して測定感度を向上させることができ、特に低
濃度のガスを測定する場合に最適である。According to this multi-cell type gas concentration measuring apparatus, since the multi-cell 81 and the optical systems 67 and 68 are arranged in the same place, the housing 82 is vibrated in the optical axis direction using a single vibration mechanism. By doing so, the measurement optical path length between the light source unit 67 and the light receiving unit 68 can be changed. In addition, the size of the entire apparatus can be reduced, and the measurement sensitivity can be improved by setting the measurement optical path length to be long in a small space. This is particularly suitable for the measurement of low concentration gas.

【００７４】このように、以上説明した本例のガス濃度
測定装置によれば、測定対象ガスの雰囲気の環境状態に
より測定したガス濃度に濃度オフセットが生じても、光
源ユニットの半導体レーザからの参照光及び参照ガスセ
ルを用いることにより、測定対象ガスのガス濃度を必要
に応じて適宜校正することが可能となり、測定濃度確度
の向上を図ることができる。As described above, according to the gas concentration measuring apparatus of the present embodiment described above, even if a concentration offset occurs in the measured gas concentration due to the environmental condition of the atmosphere of the gas to be measured, the reference from the semiconductor laser of the light source unit is obtained. By using the light and reference gas cells, the gas concentration of the gas to be measured can be appropriately calibrated as needed, and the measurement concentration accuracy can be improved.

【００７５】ところで、上述したガス濃度測定装置で
は、半導体レーザの発振波長を測定対象ガスの雰囲気に
適合するガスを使用すれば、二酸化炭素ガス、アセチレ
ンガス等の種々のガス濃度の測定にも応用でき、半導体
レーザをセンサにした大気汚染測定装置、その他、共同
溝、都市ガス配管のガス漏れ検出装置、化学プラント等
のガスモニタリングシステムを実現することができる。By the way, in the above-mentioned gas concentration measuring device, if a gas whose oscillation wavelength of the semiconductor laser is adapted to the atmosphere of the gas to be measured is used, it can be applied to measurement of various gas concentrations such as carbon dioxide gas and acetylene gas. It is possible to realize an air pollution measuring device using a semiconductor laser as a sensor, a gas leak detecting device for a common groove, a city gas pipe, a gas monitoring system for a chemical plant, and the like.

【００７６】[0076]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
ガス濃度測定装置によれば、測定対象ガスの雰囲気の環
境状態により測定したガス濃度に濃度オフセットが生じ
ても、測定されたガス濃度の校正を必要に応じて適宜行
うことができ、従来に比べて測定濃度確度の向上を図る
ことができる。As is apparent from the above description, according to the gas concentration measuring apparatus of the present invention, even if a concentration offset occurs in the measured gas concentration due to the environmental condition of the atmosphere of the gas to be measured, the measured gas concentration can be reduced. The calibration of the concentration can be appropriately performed as needed, and the accuracy of the measured concentration can be improved as compared with the related art.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明によるガス濃度測定装置の全体構成図FIG. 1 is an overall configuration diagram of a gas concentration measuring device according to the present invention.

【図２】図１の装置に適用される半導体レーザモジュー
ルの内部構造を示す平面図FIG. 2 is a plan view showing the internal structure of a semiconductor laser module applied to the apparatus of FIG.

【図３】図２の半導体レーザモジュールの内部構造を示
す側面図FIG. 3 is a side view showing the internal structure of the semiconductor laser module of FIG. 2;

【図４】図１における２倍波信号増幅器および信号同期
検出器の構成例を示すブロック図FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of a second harmonic signal amplifier and a signal synchronization detector in FIG. 1;

【図５】図１における基本波信号増幅器および信号微分
検出器の構成例を示すブロック図FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of a fundamental wave signal amplifier and a signal differential detector in FIG. 1;

【図６】図１における温度安定化ＰＩＤ回路の構成例を
示すブロック図FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of a temperature stabilized PID circuit in FIG. 1;

【図７】図１における電流安定化回路の構成例を示すブ
ロック図FIG. 7 is a block diagram showing a configuration example of a current stabilizing circuit in FIG. 1;

【図８】図１における受信系の構成例を示すブロック図FIG. 8 is a block diagram showing a configuration example of a receiving system in FIG. 1;

【図９】本装置における半導体レーザ発振波長安定化の
処理を示すフローチャートFIG. 9 is a flowchart showing a process of stabilizing a semiconductor laser oscillation wavelength in the present apparatus.

【図１０】本装置に適用できる半導体レーザモジュール
の他の構成例を示す図FIG. 10 is a diagram showing another configuration example of a semiconductor laser module applicable to the present apparatus.

【図１１】（ａ），（ｂ）本装置に適用できる半導体レ
ーザモジュールの他の構成例を示す図11A and 11B are diagrams showing another configuration example of a semiconductor laser module applicable to the present apparatus.

【図１２】（ａ），（ｂ）本装置に適用できる半導体レ
ーザモジュールの他の構成例を示す図12A and 12B are diagrams showing another configuration example of a semiconductor laser module applicable to the present apparatus.

【図１３】（ａ），（ｂ）図２の半導体レーザモジュー
ルが接続される光路長可変型のガス濃度測定装置の構成
例を示す図13A and 13B are diagrams showing a configuration example of an optical path length variable type gas concentration measuring device to which the semiconductor laser module of FIG. 2 is connected.

【図１４】多重セル型のガス濃度測定装置の構成例を示
す図FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of a multi-cell type gas concentration measuring device.

【図１５】（ａ）参照ガスセル内の測定対象ガスのレー
ザ光吸収波形を示す図（ｂ）信号微分波形（破線）およ
び２ｆ信号のピーク検出波形（実線）を示す図15A is a diagram showing a laser light absorption waveform of a gas to be measured in a reference gas cell. FIG. 15B is a diagram showing a signal differential waveform (broken line) and a peak detection waveform of a 2f signal (solid line).

【図１６】従来の半導体レーザモジュールを用いた電流
電圧変換プリアンプの出力波形を示す図FIG. 16 is a diagram showing an output waveform of a current-voltage conversion preamplifier using a conventional semiconductor laser module.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１…ガス濃度測定装置、２…光源ユニット、５…受信信
号検出部、６…校正信号生成部、１２…測定／校正切替
部、１３…演算部。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas concentration measuring device, 2 ... Light source unit, 5 ... Reception signal detection part, 6 ... Calibration signal generation part, 12 ... Measurement / calibration switching part, 13 ... Calculation part.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井関 孝弥 東京都港区海岸一丁目５番20号 東京瓦斯 株式会社内 Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB01 CC20 DD16 EE01 EE05 FF08 GG01 GG04 GG05 GG06 GG09 JJ11 JJ13 JJ17 JJ19 JJ30 KK01 MM01 MM05 MM09 MM10 MM14 MM17 NN01 5F073 BA09 EA12 FA05 FA06 FA11 FA23 GA23  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Takaya Iseki Tokyo Gas Co., Ltd. F-term (reference) 2G059 AA01 BB01 CC20 DD16 EE01 EE05 FF08 GG01 GG04 GG05 GG13 GG09 JJ11 JJ13 JJ17 JJ19 JJ30 KK01 MM01 MM05 MM09 MM10 MM14 MM17 NN01 5F073 BA09 EA12 FA05 FA06 FA11 FA23 GA23

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 周波数変調されたレーザ光を両面から出
射する半導体レーザ（２１）を有する光源ユニット
（２）と、前記半導体レーザの一方の面から出射されて
測定対象ガスの雰囲気を通ったレーザ光の受信信号から
前記半導体レーザの変調周波数の基本波位相敏感検波信
号および２倍波位相敏感検波信号を検出する受信信号検
出部（５）と、該受信信号検出部が検出する前記基本波
位相敏感検波信号および２倍波位相敏感検波信号の比に
基づいて前記測定対象ガスのガス濃度を演算する演算部
（１３）とを備えたガス濃度測定装置（１）において、 前記光源ユニットは、内径の長さおよび前記参照ガスの
濃度が既知とされた前記測定対象ガスの測定場所の環境
と略等しい組成および圧力からなる参照ガスが封入さ
れ、前記半導体レーザから出射される他方のレーザ光が
参照光として入射される参照セル（２２）と、該参照セ
ルを通った前記参照光を受光検出する参照光受光部（２
３）とを含んでおり、 前記参照光受光部の出力信号から検出される前記参照光
の変調周波数の基本波信号および２倍波信号を校正信号
として出力する校正信号生成部（６）と、 外部からの指令に基づいて前記測定対象ガスの雰囲気を
通ったレーザ光の受信信号と、前記校正信号生成部から
出力される校正信号のいずれか一方を選択的に切り替え
て前記受信信号検出部に入力させる測定／校正切替部
（１２）とを備え、 前記演算部は、前記校正信号生成部から入力される前記
参照光の変調周波数の基本波信号および２倍波信号の比
に基づいてガス濃度の濃度オフセット量を演算し、該演
算された濃度オフセット量に基づいて前記測定対象ガス
のガス濃度を校正することを特徴とするガス濃度測定装
置。1. A light source unit (2) having a semiconductor laser (21) for emitting frequency-modulated laser light from both sides, and a laser emitted from one side of the semiconductor laser and passing through the atmosphere of a gas to be measured. A received signal detector (5) for detecting a fundamental phase-sensitive detection signal and a second harmonic phase-sensitive detection signal of a modulation frequency of the semiconductor laser from a light reception signal, and the fundamental wave phase detected by the reception signal detector; A gas concentration measuring device (1) comprising: a calculating unit (13) for calculating a gas concentration of the gas to be measured based on a ratio between the sensitive detection signal and the second-harmonic phase sensitive detection signal. A reference gas having a composition and a pressure substantially equal to the environment of the measurement location of the measurement target gas whose length and concentration of the reference gas are known is sealed, and the semiconductor laser is Reference light receiving unit other laser beam emitted is a reference cell which is incident as reference light (22), for receiving and detecting the reference light having passed through the reference cell (2
3) a calibration signal generation unit (6) that outputs a fundamental signal and a second harmonic signal of a modulation frequency of the reference light detected from an output signal of the reference light receiving unit as a calibration signal; The received signal of the laser beam that has passed through the atmosphere of the gas to be measured based on a command from the outside and the calibration signal output from the calibration signal generation unit are selectively switched to the reception signal detection unit. A measurement / calibration switching unit (12) for inputting, wherein the calculation unit is configured to determine a gas concentration based on a ratio of a fundamental signal and a second harmonic signal of a modulation frequency of the reference light input from the calibration signal generation unit. A gas concentration measuring device for calculating a gas concentration of the gas to be measured based on the calculated gas concentration offset amount.