(57)【要約】【課題】波長可変ダイオードレーザ分光並びに共鳴光音響検出が複合されたガスセンサ装置の提供。【解決手段】ガスセンサ装置は、第１の変調レーザ光線（８′）を生成する波長可変ダイオードレーザ（１３）、第２の変調レーザ光線（１０′）を生成する波長可変ダイオードレーザ（１４）、第１の変調レーザ光線（８′）を受光する光センサ（１８）及び第２の変調レーザ光線（１０′）による光音響を検出する音響センサ（４）、検出すべき対象ガスの吸光の場を与える測定室（１５）及び波長可変ダイオードレーザ（１３、１４）を制御し且つ検出信号を処理し測定信号として提供するマイクロプロセッサ（２１）を含んで構成される。本発明のガスセンサ装置では、２つの異なった測定の制御、データ処理に共通の光電子部品及び電子回路基板（１２）用いているので装置が小型化され且つコストを下げることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長可変ダイオードレーザ分光測定又は共鳴光音響検出のいずれかを用いて異なった対象ガスの濃度を測定するガスセンサ装置であって、
第１の測定光路（８）及び第２の測定光路（１０）が貫通し、検出すべき対象ガスに吸光の場を与える測定室（１５）；
第１の測定光路（８）を通る第１の変調レーザ光線（８′）を生成する第１の波長可変ダイオードレーザ（１３）；
第２の測定光路（１０）を通る第２の変調レーザ光線（１０′）を生成する第２の波長可変ダイオードレーザ（１４）；
それぞれの測定光路（８、１０）に対応して、測定室（１５）を通過した第１の変調レーザ光線（８′）を受光する第１の検出手段としての光センサ（１８）及び測定室（１５）内の共鳴光音響を検出する第２の検出手段としての音響センサ（４）を含んで構成され、
測定室（１５）には第１及び第２の測定光路（８、１０）用の開口部（７、９）及び第２の検出手段用の開口部（１６）が形成され、
波長可変ダイオードレーザ（１３、１４）を制御し且つ検出信号を処理し測定信号として提供する演算処理手段を含んで構成されることを特徴とするガスセンサ装置。
【請求項２】
第１の波長可変ダイオードレーザ（１３）及び第２の波長可変ダイオードレーザ（１４）は、第１の測定光路（８）を通る第１の変調レーザ光線（８′）又は第２の測定光路（１０）を通る第２の変調レーザ光線（１０′）を生成する単一のダイオードレーザであることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ装置。
【請求項３】
第１の変調レーザ光線（８′）が少なくとも１度は測定室（１５）を通過できるように、該測定室は第１の測定光路（８）に対抗して配置された複数の開口部（７）を含んで構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ装置。
【請求項４】
第１の検出手段（１８）が測定室（１５）から離れて配置されていることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ装置。
【請求項５】
測定室（１５）は、前面（１９）に第１及び第２の測定光路（８、１０）用の開口部（７、９）並びに後面（２０）に第１の測定光路（８）用の開口部（７）を有する円筒形状であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のガスセンサ装置。
【請求項６】
音圧の波腹が、測定室の縦方向の前半部及び後半部のローブ（６′、６″）として調整されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のガスセンサ装置。
【請求項７】
第１の測定光路（８）用の開口部（７）がローブ（６′、６″）間の線上に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のガスセンサ装置。
【請求項８】
第２の変調レーザ光線（１０′）の変調周波数は測定室（１５）の音響共鳴周波数に適合していることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のガスセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変ダイオードレーザ分光測定（ＴＤＬＳ）又は光音響（ＰＡ）検出を用いて対象とするガスの濃度を測定する赤外線ガスセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変ダイオードレーザ分光測定及び光音響検出は周知の技術である。
波長可変ダイオードレーザ分光測定は、例えば欧州特許第１５４９９３２Ｂ１号明細書に開示されている。光音響センサは多数の特許出願に開示されている。
【０００３】
上記の２つの測定法はそれぞれの応用分野があり、独自に設計した試料セルを用いる。波長可変ダイオードレーザ分光測定では、光センサ、例えばホトダイオードにより吸収ガスの強度を測定する吸収路が必要である。吸収路は試料セル内に閉じ込めるか又は検出すべきガスの容量を特定せず開放してもよい。吸収路の長さにより感度が決まり、周囲の状況が拡散速度に影響を与える。すなわち、拡散時間が長いと反応時間が遅くなる。しかし、開放された状態では外部要因に大きく影響される。
【０００４】
光音響検出は、対象ガスの吸光によって音圧が生ずるように音響的に閉じられた測定セルを必要とし、音圧はマイクロフォンにより捕捉される。光音響検出用の光源としてダイオードレーザを用いると、通常の熱光源では可能性の低い高周波数（ｋＨｚ〜ＭＨｚ）で変調が可能となる。このｋＨｚ変調により、変調周波数が調整される共鳴光音響検出（ＲＰＡ）が使用可能となるので、試料の音響共鳴周波数は測定セル内に収まる。測定セルの設計が、試料の音響共鳴周波数に影響を及ぼす。このような共鳴測定セルでは、音圧の極大（波腹）及び極小（節）が正確に分離される。音は波腹において捕捉され、測定セルは節において開放したままにできる。測定セルの設計により、波腹における音圧が異なる。
【０００５】
このように、波長可変ダイオードレーザ分光測定及び共鳴光音響検出手法のそれぞれに一連の測定対象ガスがある。波長可変ダイオードレーザ分光測定は、選択的且つ高感度で単純なガス（すなわち、ｐｐｍオーダーの有毒ガス）を対象とし、共鳴光音響検出は、検出感度の低くてもよい吸収幅の広い分子量の大きいガス（すなわち、１００ｐｐｍオーダーの炭化水素化合物）に適している。しかし、時には、波長可変ダイオードレーザ分光測定及び共鳴光音響検出の双方に対応できるガスセンサ（すなわち、有毒ガス及び可燃ガス用の複合センサ）を単一機器に一式備えることも要求されることもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、検出すべきガスに応じて、波長可変ダイオードレーザ分光測定又は共鳴光音響検出のいずれにも対応できる複合ガスセンサを備えたガス検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は、下記のように構成したガスセンサ装置により解決される。
【０００８】
波長可変ダイオードレーザ分光測定又は共鳴光音響検出のいずれかを用いて異なった対象ガスの濃度を測定するガスセンサ装置であって、
（１）第１の測定光路及び第２の測定光路が貫通し、検出すべき対象ガスに吸光の場を与える測定室；前記第１の測定光路を通る第１の変調レーザ光線を生成する第１の波長可変ダイオードレーザ；前記第２の測定光路を通る第２の変調レーザ光線を生成する第２の波長可変ダイオードレーザ；前記それぞれの測定光路に対応して、前記測定室を通過した前記第１の変調レーザ光線を受光する第１の検出手段としての光センサ及び前記測定室内の共鳴光音響を検出する第２の検出手段としての音響センサを含んで構成され、前記測定室には前記１及び第２の測定光路用の開口部（７、９）及び前記第２の検出手段用の開口部が形成され、前記波長可変ダイオードレーザを制御し且つ検出信号を処理し測定信号として提供する演算処理手段を含んで構成されることを特徴とするガスセンサ装置。
【０００９】
（２）前記第１の波長可変ダイオードレーザ及び前記第２の波長可変ダイオードレーザは、前記第１の測定光路を通る前記第１の変調レーザ光線又は前記第２の測定光路を通る前記第２の変調レーザ光線を生成する単一のダイオードレーザであることを特徴とする前記（１）に記載のガスセンサ装置。
【００１０】
（３）前記第１の変調レーザ光線が少なくとも１度は前記測定室を通過できるように、該測定室は前記第１の測定光路に対抗して配置された複数の開口部を含んで構成されることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のガスセンサ装置。
【００１１】
（４）前記第１の検出手段が前記測定室から離れて配置されていることを特徴とする前記（３）に記載のガスセンサ装置。
【００１２】
（５）前記測定室は、前面に前記第１及び第２の測定光路用のそれぞれの開口部並びに後面に前記第１の測定光路用の開口部を有する円筒形状であることを特徴とする前記（３）又は（４）に記載のガスセンサ装置。
【００１３】
（６）音圧の波腹が、測定室の縦方向の前半部及び後半部のローブとして調整されていることを特徴とする前記（１）ないし（５）のいずれか１項に記載のガスセンサ装置。
【００１４】
（７）前記第１の測定光路用の前記開口部が前記ローブ間の線上に配置されていることを特徴とする前記（６）に記載のガスセンサ装置。
【００１５】
（８）前記第２の変調レーザ光線の変調周波数は前記測定室の音響共鳴周波数に適合していることを特徴とする前記（１）ないし（７）のいずれか１項に記載のガスセンサ装置。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、波長可変ダイオードレーザ分光測定又は共鳴光音響検出のいずれにも対応できる複合ガスセンサを備えたガスセンサ装置を提供することが可能となり、適用可能な対象ガスの数が増大した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明によれば、赤外ガスセンサ装置は、それぞれが第１及び第２の測定光路を提供する変調レーザ光線を生成する少なくとも１つの第１の波長可変レーザ源及び少なくとも１つの第２の波長可変レーザ源を含む。更に、ガスセンサ装置は、それぞれの測定光路に対応する第１のレーザ光線を受光する第１の検出手段及び音響センサである第２の検出手段を含む。また、ガスセンサ装置は検出すべきガスの吸光の場である少なくとも１つの測定室を含み、該測定室は第１及び第２の測定光路に対応する異なった開口部及び少なくとも１つの第２の検出手段を含んで構成される。更に、ガスセンサ装置には、レーザ光源を制御し且つ測定信号を処理して提供できるように演算処理手段も含まれる。
【００１８】
本発明では、波長可変ダイオードレーザ分光測定と共鳴光音響検出との複合測定室を創出するために、共鳴光音響検出セル内の節及び波腹の幾何学的分布を利用する。波長可変ダイオードレーザ分光測定ではレーザ光線が平行化され、第２のレーザ光線用の開口部及び例えば、マイクロフォンなどの音響センサを備えた共鳴光音響検出用のガスの吸光の場である測定室のスロットを通過する。波長可変ダイオードレーザ分光測定では、測定室を通過したレーザ光線は、例えばホトダイオードなどの光センサにより検出されるか、又は鏡により反射されて測定室を戻り第１のレーザ源近傍に配置されたホトダイオードへ達する。また、測定室を通過する第１のレーザ源の測定光路数を増すことも可能である。測定室の開口部は円形でもスロット状でもよい。複数の測定光路の場合には、スロット状が好ましい。第２のレーザ源（例えば、ダイオードレーザ）により供給される共鳴光音響検出用の第２のレーザ光線は測定室のそれぞれの開口部から入射し、測定室の音響的共鳴周波数においてガスを励起する。音響的固有モードを選択すれば、測定室は開放状態か又は波長可変ダイオードレーザ分光測定用にそれぞれの開口部を含んでもよい。
【００１９】
通常、測定室は縦方向に低い基本共鳴周波数を有する円筒形状である。例えば、円筒に比較して、長さが短く径の大きな測定室も可能である。この場合には音圧の波腹は、測定室の上半分及び下半分におけるローブとなる。この場合の共鳴周波数は、直径よりも長い寸法の円筒状の測定室の共鳴周波数よりも高い。しかし、測定室内において縦方向、径方向、軸方向などに節及び波腹を備えればどのような形状でもよい。
【００２０】
別の実施例では、共通の開口部を通して第１及び第２の測定光路にレーザ光線を供給する単一のダイオードレーザがガス検出に用いられる。ダイオードレーザは波長可変ダイオードレーザ分光測定路あるいは共鳴光音響検出路に必要なレーザ光線が生成れるように、２つの条件の間で切換（多重化）えられる。第１のレーザ光線を測定室の壁に反射させて入射口まで戻すことも可能であり、あるいは代わりに光センサを用いることも可能である。この配置は、例えばメタンを波長可変ダイオードレーザ分光測定によるメタン及び共鳴光音響検出による炭化水素のように測定光路が同じオーダーおいて検出可能な複数のガスの測定に適している。
【００２１】
好適な実施例においては、音圧の波腹が測定室の上半分及び下半分におけるローブとなるように測定室の寸法が調整される。更に、第１の測定光路の開口部はローブ間の胴回りに配置されている。
【００２２】
一般に、波長可変ダイオードレーザ分光測定用の第１の測定光路に１つ以上の測定室を挿入するか、波長可変ダイオードレーザ分光測定用のより大きな第２の測定室に共鳴光音響検出用の測定室を挿入する。
【００２３】
本発明は、ハウジング、光電子及び電子系を共有した波長可変ダイオードレーザ分光測定及び共鳴光音響検出ができることが利点である。共鳴光音響検出用の測定室は、波長可変ダイオードレーザ分光測定の吸収路（第１の測定光路）に沿って自由に設置でき、波長可変ダイオードレーザ分光測定と共鳴光音響検出とは相互に干渉することはない。ハウジング（すなわち爆発又は環境よりの保護）及び電子系を共有することによりガスセンサの全体のコストを著しく下げることができる。
【００２４】
本発明では、同一のガス測定系において波長可変ダイオードレーザ分光測定及び共鳴光音響検出を利用できるように、共鳴光音響検出用の測定室の開口部を横切って波長可変ダイオードレーザ分光測定のレーザ光線（第１のレーザ光線）を送信するという驚嘆する用い方もある。
【００２５】
本発明の別の実施例では、第２の変調レーザ光線の変調周波数は測定室の音響的共鳴周波数と一致する。
【００２６】
更に別の実施例では、第１及び第２の測定路用の開口部を前面に備えた円筒状の測定室を備えている。
【実施例】
【００２７】
以下、図面を用いて本発明の特徴及び長所を説明する。発明の特徴は単独の実施例でも、実施例を組み合わせても実現できる。
【００２８】
図１のレーザ源１は、例えば長さ４ｃｍ、直径０．５ｃｍの円筒状の測定室３を通過するレーザ光線２を供給し、これにより縦方向の共鳴周波数が決められる。測定室３には、通常、マイクロフォンなどの音響センサ４も含まれる。図には音圧の振幅が破線５により示されている。この構成では共鳴周波数は約４ｋHzである。
【００２９】
図２に示すアジマス構成の測定室は、例えば長さ０．６ｃｍ、直径２ｃｍである。この構成では、音圧の波腹が、測定室３′の上半分及び下半分のローブ６′、６″として示されている。ここでの共鳴周波数は約１０ｋHzである。
【００３０】
図３は、図２の測定室３′の正面図であり、前面と後面は同じ形状である。図に示すように、上部のローブ６′及び下部のローブ６″の配置から、測定室３′の胴回りにスロット７を形成することが可能となる。図４に示すように、胴回りに沿ったスロット７は、ガスの出入口及び波長可変ダイオードレーザ分光測定の測定光路８を通るレーザ光線８′の通過口として用いられる。図４に示すように、開口部９は共鳴光音響検出の測定光路１０用である。
【００３１】
図４は赤外線ガスセンサ装置の一例であり、破線で示されるハウジング１１内に、第１の波長可変ダイオードレーザ１３及び第２の波長可変ダイオードレーザ１４が配置された電子回路基板１２、マイクロプロセサー２１及びその他の電子部品を備えている。図４には、前面１９に形成されたスロット７並びに後面２０にも形成されたスロット（不図示）を有する測定室１５が示されている。測定室１５は、第２のダイオードレーザ１４に面する前面１９上の開口部９も含んで構成される。１６は測定室１５の内部に近接して形成されたマイクロフォンなどの音響センサを設置するための孔である。この実施例では、第１のダイオードレーザ１３の放射するレーザ光線８′を反射する鏡１７が測定室１５から離れて設置されている。反射されたレーザ光線８′は再度スロット７を通過して第１のダイオードレーザ１３の上方に配置された光センサ１８へと入射し、光強度が測定される。
【００３２】
第２のダイオードレーザ１４から放射されたレー光線１０は、開口部９から測定室１５へと入射し、測定室１５内のガスを励起する。ガスが励起されることにより変化した音圧はマイクロフォンなどの音響センサにより検出される。
【００３３】
図５には、波長可変ダイオードレーザ分光の測定光路用あるいは共鳴光音響検出の測定光路用のレーザ光線を生成できる多重化された波長可変ダイオードレーザ２２のみを備えた構成が示されている。双方のレーザ光線とも同一の開口部２３から測定室１５′へと入射する。波長可変ダイオードレーザ分光測定用に変調されたレーザ光線８′は鏡１７′により反射されて測定室１５′を戻り、光センサ１８へと入射する。一方、共鳴光音響検出用に変調されたレーザ光線１０′は開口部２３から測定室１５′に入射し内部のガスを励起する。この実施例では、共鳴光音響検出用のレーザ光線１０′は中心を外れた開口部２３から測定室１５′に入射するので、このレーザ光線により図３に示された上部ローブ６′及び下部ローブ６″が生成される。
【００３４】
図４に示した構成と同様に、この実施例でも、ハウジング１１内に共通の光電子部品及び電子回路基板１２を備えたガス測定装置を用いて、波長可変ダイオードレーザ分光測定及び共鳴光音響検出を実行できる。ここに図示された実施例は説明のためであり、本発明がこの構成に限定されないことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】共鳴光音響検出用の円筒状の測定室を示す図
【図２】対象ガスを迅速に拡散させるように構成した共鳴光音響検出用の測定室を示す図
【図３】図２に示される測定室の開口部の配置を示す図
【図４】赤外線ガスセンサ装置の一例を示す図
【図５】ガスセンサ装置の別の実施例を示す図
【符号の説明】
【００３６】
１    レーザ源
２    レーザ光線
３    測定室
４    音響センサ
５    音圧の振幅
６′、６″  ローブ
７    スロット
８    測定光路
８′  レーザ光線
９    開口部
１０  測定光路
１０′  レーザ光線
１１  ハウジング
１２  電子回路基板
１３  ダイオードレーザ
１４  ダイオードレーザ
１５  測定室
１６  （音響センサ設置用）孔
１７、１７′  鏡
１８  光センサ
１９  前面
２０  後面
２１  マイクロプロセッサ
２２  ダイオードレーザ
２３  開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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