(57)【要約】【課題】温度及び突然の波長の変化に対しての依存度の低いガス検出方法及び装置の提供。【解決手段】ガス検出装置は少なくとも１つの面発光レーザ光源１及び測定すべきガスを含んだ試料室４を通過した光線を検出する少なくとも１つの光センサ８を含んで構成されている。光センサ８による検出信号は直接か又は微分演算器２５において時間による微分をされてから、各ロックイン増幅器１９、２０へ入力され、そこから２つ異なった２ｆ検出信号、即ち測定信号ＳＭＩ、ＳＭＡとして出力される。ここで、ｆは光源の波長変調した周波数である。２つの測定信号の比が正確なガス濃度を与える。ガス検出では、レーザ光源の変調周波数ｆの２倍の周波数２ｆにおける少なくとも第一及び第二の変調基準信号Ｓ２ｆ０、Ｓ２ｆ１を用いる。２ｆ変調基準信号を用いることにより、絶対強度の測定、即ちレーザの温度変化又はモードホッピングに依存しない結果が得られるので、従来の技術よりも優れている。更に、測定精度がガス濃度に依存しない利点も有している。【選択図】図６
2007040995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変調したレーザ光源（１）により初期光信号（Ｓ０）を生成させ、
初期周波数（ｆ）において初期光信号（Ｓ０）の波長変調するため、濃度を測定すべきガスの吸収線を中心に走査される交流変調信号を生成させ、
ガス吸収線を中心とした走査により時間的に強度変化する初期光信号（Ｓ０）をガス検出域（４）を通過させ、
ガス検出域（４）を通過して、ガス濃度により強度の変化した初期光信号（Ｓ０）は測定光信号（ＳＧ）として検出手段（８）により受信され、
測定光信号（ＳＧ）よりの検出信号（ＳＤ０、ＳＤ１）と、所定の振幅レベル及び初期光信号（Ｓ０）の強度変化と所定の位相関係を有する所定の初期周波数における第一の変調基準信号（Ｓｆ、Ｓ２ｆ０）との積を時間によって積分し、初期光信号（Ｓ０）の強度の関数である第一の測定信号（ＳＭＩ）を生成させ、
測定光信号（ＳＧ）よりの検出信号（ＳＤ０、ＳＤ１）と、所定の振幅及び初期光信号（Ｓ０）の強度の変化の所定の位相関係を有する初期周波数の２倍の周波数における第二の変調基準信号（Ｓ２ｆ、Ｓ２ｆ１）との積を時間によって積分することにより、ガス吸収の関数であるが初期周波数（ｆ）における初期光信号（Ｓ０）の強度には殆ど依存しない第二の測定信号（ＳＭＡ）を生成させ、
第二の測定信号（ＳＭＡ）を第一の測定信号（ＳＭＩ）で除することにより、検出手段（８）へ入射した光強度には依存しないガス濃度に関する最終測定信号を算出させる工程を含んで構成するガス検出方法であって、
初期周波数（ｆ）の２倍の周波数において、初期光信号（Ｓ０）に対して４５°の位相角を有する第一の変調基準信号（Ｓ２ｆ０）を生成させ、
第二の変調基準信号（Ｓ２ｆ１）の振幅とは異なる振幅レベル１と０の間で第一の変調基準信号（Ｓ２ｆ０）を振動させ、
受信した測定光信号（ＳＧ）を微分せず検出信号（ＳＤ０）とし、該検出信号と第一の変調基準信号（Ｓ２ｆ０）との積を第一の測定信号（ＳＭＩ）として算出させることを特徴とするガス検出方法。
【請求項２】
初期周波数（ｆ）の２倍の周波数において、初期光信号（Ｓ０）に対して第一の変調基準信号（Ｓ２ｆ０）と同一の位相相関を有する第二の変調基準信号（Ｓ２ｆ１）を生成させ、
振幅レベル１と−１の間で第二の変調基準信号（Ｓ２ｆ１）を振動させ、
測定光信号（ＳＧ）より直接に受信した検出信号（ＳＤ０）と第二の変調基準信号（Ｓ２ｆ１）との積を第二の測定信号（ＳＭＡ）として算出させることを特徴とする請求項１に記載のガス検出方法。
【請求項３】
初期周波数（ｆ）の２倍の周波数において、初期光信号（Ｓ０）の強度変化と全く同じ位相である第二の変調基準信号（Ｓ２ｆ）を生成させ、
測定光信号（ＳＧ）の時間による微分値にほぼ比例する検出信号（ＳＤ１）を生成させ、
検出信号（ＳＤ１）と第二の変調基準信号（Ｓ２ｆ）との積を第二の測定信号（ＳＭＡ）として生成することを特徴とする請求項１に記載のガス検出方法。
【請求項４】
検出信号（ＳＤ１）と、初期周波数（ｆ）において初期光信号（Ｓ０）との強度変化と全く同位相である第三の変調基準信号（Ｓｆ）との積を算出し、その積を時間によって積分することによって、初期光信号（Ｓ０）の強度の関数である第三の測定信号（ＳＭＩ１）を生成させ、
検出信号（ＳＤ１）と、初期光信号（Ｓ０）の強度変化と全く同位相であり初期周波数（ｆ）の２倍の周波数における第二の変調基準信号（Ｓ２ｆ）との積を算出し、その積を時間によって積分することによって、ガス吸収の関数であるが初期周波数（ｆ）における初期光信号（Ｓ０）の変調強度には殆ど依存しない第二の測定信号（ＳＭＡ）を生成させ、
第一の測定信号（ＳＭＩ）と第三の測定信号（ＳＭＩ１）を相関させ、相関させた信号ＳＭＩＣと第二の測定信号（ＳＭＡ）との比率を生成させることを特徴とする請求項１に記載のガス検出方法。
【請求項５】
初期光信号（Ｓ０）を生成させる少なくとも１つの波長変調したレーザ光源（１）、
測定すべきガスを受容する検出域（４）、
測定すべきガスの吸収線を中心に初期周波数（ｆ）において波長変調して、初期光信号（Ｓ０）を時間によって強度変化させるように、直流電流信号を定める直流電源制御手段（１３）及び初期周波数（ｆ）における交流電流信号を定め、ガス吸収線を中心に初期光信号（Ｓ０）の光強度を交互に走査するための交流電源制御手段（１５）、
検出域（４）を通過した初期光信号（Ｓ０）の強度変化を含んでいる測定光信号（ＳＧ）を受信し且つ受信した測定光信号（ＳＧ）の強度変化に比例する検出信号（ＳＤ０、ＳＤ１）を発信する検出域周辺に配置したセンサ（８）、
検出信号（ＳＤ０、ＳＤ１）から検出域（４）のガス濃度に関する信号を生成させる下記の処理手段（１６〜２６）：測定光信号（ＳＧ）の時間による微分値にほぼ比例する検出信号（ＳＤ１）を生成させる手段（２５）；定められた第三の周波数において初期光信号（Ｓ０）と全く同一位相の第三の変調基準信号（Ｓｆ）を生成する生成手段（１８）；初期周波数（ｆ）の２倍の周波数において初期光信号（Ｓ０）と全く同一位相の第二の変調基準信号（Ｓ２ｆ）を生成する第二の生成手段（１６）；第三の変調基準信号（Ｓｆ）と検出信号（ＳＤ１）との積を算出し、その積を時間によって積分して、初期光信号（Ｓ０）の強度の関数であり、ガス濃度には殆ど依存しない第三の測定信号（ＳＭＩ１）を生成させる第三の手段（２１）；及び第二の変調基準信号（Ｓ２ｆ）と検出信号（ＳＤ１）との積を算出し、その積を時間によって積分して、ガス吸収の関数であり、初期周波数（ｆ）における初期光信号（Ｓ０）の強度変調には殆ど依存しない第二の測定信号（ＳＭＡ）を生成する第二の手段（１９）と、
を含んで構成されるガス検出装置であって、
初期周波数（ｆ）の２倍の周波数において、初期光信号（Ｓ０）に対して４５°の位相角を有する第一の変調基準信号（Ｓ２ｆ０）を生成させ且つ第一の変調基準信号（Ｓｆ２０）を振幅レベル１と０の間で振動させるのに適した第一の生成手段（１７）、
光センサ（８）から受信した測定光信号（ＳＧ）を微分しないで検出信号（ＳＤ０）とし、該検出信号と第一の変調基準信号（Ｓ２ｆ０）との積を算出し、初期光信号（Ｓ０）の強度の関数であり、ガス濃度には殆ど依存しない第一の測定信号（ＳＭＩ）として生成させる第一の手段（２０）、
第一の測定信号（ＳＭＩ）を第三の測定信号（ＳＭＩ１）と相関させる処理装置（２６）及び、
第二の測定信号（ＳＭＡ）を、処理装置（２６）から受信した相関された測定信号（ＳＭＩＣ）で除し、ガスの有無又はガス濃度に関する信号を生成させる演算装置（２２）を備えていることを特徴とするガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、国際公開２００５／０２６７０５Ａ１号パンフレットに開示したような特に低コストの赤外線（ＩＲ）によるガス検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
公開された特許文献１に記載されているように、ガス検出方法及びガス検出装置は、波長変調した面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）又は分布帰還レーザ（ＤＦＢレーザ）を光源とし、波長の変調が直接にレーザ光源の出力強度の変調に結びついているとの事実を利用している。従って、ガス吸収線を中心に波長を交互に走査すると、ガスを通過して検出器に入射する光の強度は、レーザ光源の強度に関連する第１の変調及びガス吸収に関連する第２の変調を示す。従って、周知の検出法及び装置は、波長変調したレーザ光源による初期光信号を提供することになる。
【０００３】
光源は、検出すべきガスの吸収線近辺において、与えられた初期周波数（ｆ）における交流変調信号によって変調した初期光信号を提供する。濃度を検出すべきガスを受ける検出域周辺に光センサを配置する。光センサは検出域を通過した初期光信号により生成された光信号を受信する。次いで、受信した光信号の時間により微分した値に比例する検出信号が生成される。更に、与えられた周波数（ｆ）における第一の変調基準信号を生成する第一の手段及び与えられた周波数の倍の周波数（２ｆ）における第二の変調基準信号を生成する第二の手段も開示されている。検出信号と第一の基準信号との積を時間によって積分して、初期光信号の強度の関数であり、ガス濃度には殆ど依存しない第一の測定信号を得る。更に、検出信号と第二の基準信号との積に時間によって積分して、ガス吸収の関数であり、与えられた初期周波数における初期光信号の強度変調には殆ど依存しない第二の測定信号を得る。第二の測定信号を第一の測定信号で除することにより、ガスの濃度又は存在に関連する最終の測定信号を得る。このガス検出方法及び装置は、１つにレーザ光源に対し単一のセンサユニットしか必要としない利点がある。ガス濃度を正確に決定するのに必要な全ての情報は、測定すべきガス試料を通過した後に、センサユニットで受信した光信号の微分値に比例する検出信号を処理することにより得られる。
【０００４】
第一及び第二の変調基準信号は初期光信号の強度変化と同位相である。この周知の技術を用いて、検出信号を時間によって微分し、微分された信号を２−チャネルのロックイン増幅器に入力する。第一のチャネルは変調周波数ｆ上で作動し、出力信号はレーザ電流の関数としての光出力の勾配に比例する。第二のチャネルは2倍の変調周波数２ｆ上で作動し、レーザ光線を照射されたガス濃度に比例する出力信号を得る。レーザ強度の変化は、ほこり、凝縮物、ゴミなどの光路の光学的劣化によるとの前提に基づくと、周波数ｆにおける測定信号はレーザ強度に関する情報を含むので、周波数２ｆにおける測定信号の周波数ｆにおける測定信号に対する比率は、レーザ出力には依存しない絶対ガス濃度を与える。この前提は下記の２つの条件においてのみ成り立つ。
【０００５】
１．レーザにはモードホッピングは生じない、すなわち波長の急変はない。もし、そのようなモードホッピングが生じたら、レーザの直流電流を変化させて波長を再調整するが、その代わりにレーザの出力が変化する。面発光レーザに関しては、周波数ｆにおける信号により測定した勾配を必ずしも変更する必要はない。分布帰還（ＤＦＢ）レーザの場合には、レーザの出力は完全に直流電流に比例するが、レーザの出力値が変化しても周波数ｆにおいて同じ信号が生成される。
【０００６】
２．レーザの温度を精度よく安定させる。レーザの温度が変化すると、波長が変化するので、ガス吸収線に波長を合わせるようにレーザの直流電流の再調整が必要となる。そのような電流の変更は、１項で述べたようにレーザの出力を変化させる。
【０００７】
特許文献１に述べた方法に関しては、周波数ｆにおける変調基準信号に基づく信号はガス吸収線の中心付近に、ガス吸収に比例する勾配を示す。高ガス濃度では、レーザの直流電流の誤差が周波数ｆにおける変調基準信号に影響するので、測定精度はレーザの直流電流の精度に依存する。電流が変動すると、レーザ信号が変動し、その効果はガス濃度と共に増加する。このことは、先行技術による方法及び装置では、レーザの温度制御への要求度が高くする必要な場合があり、熱を十分に考慮して取付けることが必要となる。ＤＦＢレーザ及び面発光レーザはその熱収支が極めて異なっているので、直流電流の調整に常時に必要なガス吸収線の追跡と併せて温度追跡も行う必要がある。
【特許文献１】国際公開２００５／０２６７０５Ａ１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記を鑑みて、本発明の目的は、温度及び突然の波長の変化への依存度の低いガス検出の可能性を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題は、下記のように構成した方法及び装置により解決される。
【００１０】
（１）波長変調したレーザ光源により初期光信号を生成させ、初期周波数において前記初期光信号の波長変調するため、濃度を測定すべきガスの吸収線を中心に走査される交流変調信号を生成させ、ガス吸収線を中心とした走査により時間的に強度変化する前記初期光信号をガス検出域を通過させ、前記ガス検出域を通過してガス濃度により強度の変化した前記初期光信号は測定光信号として検出手段により受信され、前記測定光信号よりの検出信号と、所定の振幅レベル及び前記初期光信号の強度変化と所定の位相関係を有する所定の初期周波数における第一の変調基準信号との積を時間によって積分し、前記初期光信号の強度の関数である第一の測定信号を生成させ、前記測定光信号よりの前記検出信号と、所定の振幅及び前記初期光信号の強度の変化の所定の位相関係を有する初期周波数の２倍の周波数における第二の変調基準信号との積を時間によって積分することにより、ガス吸収の関数であるが前記初期周波数おける前記初期光信号の強度には殆ど依存しない第二の測定信号を生成させ、前記第二の測定信号を前記第一の測定信号で除することにより、前記検出手段へ入射した光強度には依存しないガス濃度に関する最終測定信号を算出させる工程を含んで構成するガス検出方法であって、前記初期周波数の２倍の周波数において、前記初期光信号に対して４５°の位相角を有する前記第一の変調基準信号を生成させ、前記第二の変調基準信号の振幅とは異なる振幅レベル１と０の間で前記第一の変調基準信号を振動させ、受信した前記測定光信号を微分せず検出信号とし、該検出信号と前記第一の変調基準信号との積を第一の測定信号として算出させることを特徴とするガス検出方法。
【００１１】
（２）前記初期周波数の２倍の周波数において、前記初期光信号に対して前記第一の変調基準信号と同一の位相相関を有する前記第二の変調基準信号を生成させ、振幅レベル１と−１の間で前記第二の変調基準信号を振動させ、前記測定光信号より直接に受信した前記検出信号と前記第二の変調基準信号との積を第二の測定信号として算出させることを特徴とする前記（１）に記載のガス検出方法。
【００１２】
（３）前記初期周波数の２倍の周波数において、前記初期光信号の強度変化と全く同じ位相である第二の変調基準信号を生成させ、前記測定光信号の時間による微分値にほぼ比例する検出信号を生成させ、前記検出信号と前記第二の変調基準信号との積を第二の測定信号として生成することを特徴とする前記（１）に記載のガス検出方法。
【００１３】
（４）前記検出信号と、前記初期周波数において前記初期光信号との強度変化と全く同位相である第三の変調基準信号との積を算出し、その積を時間によって積分することによって、前記初期光信号の強度の関数である第三の測定信号を生成させ、前記検出信号と、前記初期光信号の強度変化と全く同位相であり前記初期周波数の２倍の周波数における第二の変調基準信号との積を算出し、その積を時間によって積分することによって、ガス吸収の関数であるが前記初期周波数における前記初期光信号の変調強度には殆ど依存しない第二の測定信号を生成させ、前記第一の測定信号と前記第三の測定信号を相関させ、相関させた信号と前記第二の測定信号との比率を生成させることを特徴とする前記（１）に記載のガス検出方法。
【００１４】
（５）初期光信号を生成させる少なくとも１つの波長変調したレーザ光源、測定すべきガスを受容する検出域、測定すべきガスの吸収線を中心に初期周波数において波長変調して、前記初期光信号を時間によって強度変化させるように、直流電流信号を定める直流電源制御手段及び前記初期周波数における交流電流信号を定め、ガス吸収線を中心に前記初期光信号の光強度を交互に走査するための交流電源制御手段、前記検出域を通過した前記初期光信号の強度変化を含んでいる測定光信号を受信し且つ受信した前記測定光信号の強度変化に比例する検出信号を発信する検出域周辺に配置したセンサ、前記検出信号から前記検出域のガス濃度に関する信号を生成させる下記の処理手段：前記測定光信号の時間による微分値にほぼ比例する前記検出信号を生成させる手段；定められた第三の周波数において前記初期光信号と全く同一位相の第三の変調基準信号を生成する生成手段；前記初期周波数の２倍の周波数において前記初期光信号と全く同一位相の第二の変調基準信号を生成する第二の生成手段；前記第三の変調基準信号と前記検出信号との積を算出し、その積を時間によって積分して、前記初期光信号の強度の関数であり、ガス濃度には殆ど依存しない第三の測定信号を生成させる第三の手段；及び前記第二の変調基準信号と前記検出信号との積を算出し、その積を時間によって積分して、ガス吸収の関数であり、前記初期周波数における前記初期光信号の強度変調には殆ど依存しない第二の測定信号を生成する第二の手段と、を含んで構成されるガス検出装置であって、前記初期周波数の２倍の周波数において、前記初期光信号に対して４５°の位相角を有する前記第一の変調基準信号を生成させ且つその前記第一の変調基準信号を振幅レベル１と０の間で振動させるのに適した第一の生成手段、前期光センサから受信した前記測定光信号を微分しないで検出信号とし、該検出信号と前記第一の変調基準信号との積を算出し、前記初期光信号の強度の関数であり、ガス濃度には殆ど依存しない第一の測定信号として生成させる第一の手段、前記第一の測定信号を前記第三の測定信号と相関させる処理装置及び、前記第二の測定信号を、処理装置から受信した相関された測定信号で除し、ガスの有無又はガス濃度に関する信号を生成させる演算装置を備えていることを特徴とするガス検出装置。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、温度及び突然の波長への依存性の低いガス検出方法及び装置を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明によれば初期周波数の２倍の周波数における第一の変調基準信号はそれぞれの手段により生成され、その第一の変調基準信号は初期光信号に対し４５°の位相角を有する。第一の変調基準信号は振幅レベル１と０の間の振幅で振動し、第二の変調基準信号の振幅レベルとは異なっている。最終的には、測定結果としての光信号から受けた検出信号と第一の変調基準信号との積が算出される。
【００１７】
このように、第一の変調基準信号は、周波数ｆ上ではなく、振幅レベル及び第一の変調基準信号と初期周波数との間の位相変移角４５°において僅かに変調した２ｆ変調基準信号を用いて、周波数２ｆ上において測定される。時間による微分によって得られる位相と同一の位相を有する初期信号を提供することが必要である。更に、初期光信号の強度の関数である第一の測定信号が生成されるように、検出信号を微分せずに直接にロックイン増幅器に入力する。得られる信号は、ガス吸収（即ち、レーザと検出器の間の光線の劣化も含む）の無い場合に検出器によって得られる光強度に直接に比例する。
【００１８】
第一の２ｆ変調基準信号を用いると、絶対強度の測定が可能となり、そのため温度が異なってもレーザがモードホッピングしても同じ結果が得られるので、従来の技術よりも利点がある。更に、測定精度がガス濃度に依存しないことも利点である。
【００１９】
本発明では、ガス検出の特殊な応用において、最終測定信号を安定的に得るために、第一の２ｆ変調基準信号及びその信号処理を他の処理と組み合わせることが可能である。別の実施例においては、初期周波数ｆの２倍の周波数において第二の変調基準信号を生成させることにより、第一及び第二の変調基準信号は初期光信号と同一位相の相関関係を有することになる。従って、両信号ともレーザ光源の交流変調信号に対して４５°の位相角を有している。更に、第二の変調基準信号は振幅レベル１と−１の間を振動する。第二の測定信号を生成させるために、測定された光信号から直接に得た検出信号と第二の変調基準信号との積が、ロックイン増幅器により算出される。最終測定信号は上述の比率により得られる。この実施例では、２ｆ変調基準信号に基づいて、測定された光信号から直接に得られた検出信号を用いて得られた第一及び第二の測定信号より、最終信号が得られる。
【００２０】
本発明による好適な実施例では、第二の変調基準信号は初期周波数ｆの２倍の周波数において生成され、これにより第二の変調基準信号が初期光信号の強度変化と全く同一の位相となる。検出手段によって生成された検出信号は、測定光信号の時間による微分値にほぼ比例し、この検出信号と第二の変調基準信号との積が第二測定信号として生成される。この信号処理により、レーザの温度及び突然の波長の変動に依存しない最良の結果が得られる。この実施例においても、最終測定信号は、２ｆ変調基準信号に基づいた第一及び第二の測定信号により得られるが、ガス吸収の関数である第二の測定信号は、検出信号の時間による微分値を用いて得られる。
【００２１】
更に、電子部品の数が多い別の実施例においては、初期光信号の強度の関数である２つの測定値を生成させるために、周波数ｆ及び２ｆにおける２つの変調基準信号が用いられる。第一の２ｆ変調基準信号に基づく第一の測定信号に加えて、初期光信号の強度の関数である第三の測定信号を生成させることにより、このことが実現する。検出信号と初期周波数ｆにおける第三の変調基準信号との積を算出し、この積を時間により積分することにより、第三の測定信号が得られる。第二の測定信号は、検出信号と、初期周波数ｆの2倍の周波数における第二の２ｆ変調基準信号との積を算出し、この積を時間により積分することにより得られる。第三及び第二の変調基準信号は初期光信号の強度の変動と全く同一位相であり、双方の測定信号に対する検出信号は測定した光信号の時間による微分値にほぼ比例する。第一及び第三の測定信号を相関させ、第二の測定信号と第一及び第三の測定信号とを相関させた信号との比率が最終測定信号として得られる。
【実施例】
【００２２】
以下、図面を用いて本発明の特徴及び長所を説明するが、図面に示された実施例に限定されるものではない。
【００２３】
以下、信号処理に関して、特許文献１に述べた先行技術とは異なる点について詳細に述べる。本明細書に記載していない信号処理に関する内容は特許文献１に含まれている。
【００２４】
以前、特許文献１に述べたように、レーザ光源は直流電流により操作され、その波長はガス吸収線の中心に正確に一致する。交流変調信号のサイクル毎にレーザの波長がガス吸収線を完全に走査するように、この電流は周波数ｆ及び振幅において絶えず変調される。図１は、検出すべきガスの検出域で受信する初期光信号Ｓ０として得られるレーザ出力と時間の関係を示す。図２は、ガスの存在下で検出器に入射した光の強度と時間の関係を示し、検出器のガス吸収信号ＳＧはガス濃度に比例する。ここでは変調用の波形として三角波を選択したが、波形は測定には重要ではなく、実際には正弦波の方が電子的には扱い易い。
【００２５】
図６ないし図８には本発明によるガス検出装置の３つの実施例を示す。ハウジング６のレーザヘッドに配置された１つのレーザ光源１（複数のレーザ光源及びセンサでもよい）が実施例の共通部品である。更に、既に周知のことであるが、提供する光の波長の中心をガス吸収線の中心と一致させるように、電流を正確に決めるために少なくとも１つのガスを満たした密閉セルをレーザ光源に備えて、レーザヘッドを構成してもよい。最終的には、レーザヘッドは温度測定手段１１に電気的に接続された温度センサ１２を含んで構成されている。ハウジングは、ガス注入口５を有する試料室又はガス検出域４を有しており、レーザ光源１よりのレーザ光線はガス検出域を通過する。光センサ８はレーザ光線を受信し、ガス検出域４におけるガス濃度による初期光Ｓ０の強度の変化も含んでいるガス吸収信号ＳＧを出力する。その変化は光に強度に直接に比例する。少なくとも１つの測定信号が生成されるように、通常、検出信号ＳＤ０としてのガス吸収信号ＳＧは、少なくとも１つのロックイン増幅器に直接に入力される。
【００２６】
図６ないし図８のガス検出装置はレーザ光源１への電力供給手段３及びレーザ光源１を制御する直流電流信号を規定する直流電源制御手段１３も含んで構成されている。交流処理手段１４は、ガス吸収線を中心に交互に走査するように与えられた基準周波数ｆにおいて交流変調信号を定だめる交流電源制御手段１５を含んで構成されている。先行技術から周知のように、変調基準信号は交流変調信号から生成される。交流処理手段１４は、更に、初期周波数の２倍の周波数に第一の変調基準信号Ｓ２ｆ０を生成する信号生成手段１７を含んで構成されており、第一の変調基準信号は初期光信号に対し４５°の位相角を有し、第二の変調基準信号の振幅レベルとは異なった振幅レベル１と０の間を振動する。
【００２７】
図６の実施例では、初期基準周波数ｆの２倍の周波数上の第一の変調基準信号Ｓ２ｆ０及び第二の変調基準信号Ｓ２ｆ１の２つの変調基準信号が生成される。第二の変調基準信号は信号生成手段１６により生成される。図３に示すように、双方の基準信号は、第二の変調信号に対してのみ交流変調信号と同相の相関を有している。二つの基準信号の差異は振幅レベルにある。第二の変調基準信号Ｓｆ２１はレベル１とレベル−１の間の矩形振動であり、一方、第一の変調基準信号Ｓｆ２０はレベル１とレベル０の間の矩形振動である。
【００２８】
本発明によれば、これらの第一及び第二の変調基準信号Ｓ２ｆ０、Ｓ２ｆ１はそれぞれのロックイン増幅器２０、１９へと入力される。入力された変調基準信号と、プレアンプ２３を通ってロックイン増幅器１９、２０へと入力される光センサ８からの検出信号ＳＤ０との積が算出され、交流変調信号の数周期分が積分される。
【００２９】
第一のロックイン増幅器２０はガス吸収に依存しない第一の測定信号ＳＭＩを生成する。図４に示すように第一の変調基準信号Ｓ２ｆ０との積はガス吸収に関する情報を含んでいる検出器の信号ＳＤ０（＝ＳＧ）の一部を削除する効果がある。このように、時間による積分は直流レーザに関する情報は削除されず、出力信号は光センサ８で認識される初期光信号Ｓ０の時間平均であり、ガス吸収の中心における信号ＳＧの１／２に等しい。このチャネルはロックイン検出ではなく、検出信号の一部の時間平均に相当する。第二のロックイン増幅器１９においては、位相角４５°における２ｆロックイン検出に相当し、光強度の交流成分並びに変調周波数に関する振動は削除される。結果は図５に示す測定信号ＳＭＡであり、ガス濃度に比例し、光センサ８で認識されるガス吸収のピーク値の中心におけるレーザ強度ＳＧに完全に比例する。先行技術の出願では、同じ結果が検出信号の時間による微分で得られていたが、位相角は異なっている。
【００３０】
最終的な測定信号はレーザ強度には依存しないＳＭＡ／ＳＭＩとして得られる。
【００３１】
直流電流レベルが直線的に変化する場合には、予備段階において、第二の測定信号Ｓ２ｆ１はその極大値を検出することにより直流電流信号を定めるのに用いることもできる。装置がレーザ光源用に極めて正確な温度制御を備えている場合には、この予備段階は行わなくてもよいことに留意すべきである。
【００３２】
温度の変動によるレーザの出力変化は補償され且つガス吸収のピークを追跡する限り、レーザの状態の急変は補償されることがこの方法の主要な利点である。先行技術においては、測定精度はガス濃度には依存しなかった。従って、本発明では温度追跡も加える必要はなく、ガス検出装置のコスト減らすことになる。
【００３３】
図７に示す実施例において、生成手段１６は、初期光信号Ｓ０の強度の変動と正確に同位相の第二の変調基準信号Ｓ２ｆを生成する。微分演算器２５は、光センサ８より生成した光信号の時間による微分値に比例する検出信号ＳＤ１を生成する。微分演算器２５はプレアンプ２３と連結され、一方、プレアンプ２４は初期光信号Ｓ０の強度の変動を含んでいる検出器信号ＳＧを提供する。（微分した検出信号との積により得られる）図７の実施例の第二の測定信号ＳＭＡと、（微分しない検出信号との積により得られる）図６の実施例の第二の測定信号ＳＭＡとは、ガス濃度が低い場合にのみ微分された第二の測定信号ＳＭＡが微分していない第二の測定値ＳＭＡよりも遥かに大きいという点が異なっているので、本実施例でもほぼ満足すべき結果が得られている。
【００３４】
図８に示す実施例では、３つのロックイン増幅器１９、２０、２１及び交流電流処理手段１４内の追加の信号生成手段１８を用いることにより、第一、第二の測定信号ＳＭＩ、ＳＭＡに加えて第三の信号ＳＭＩ１を生成させることも可能である。信号生成手段１８は、初期周波数ｆにおける第三の変調基準信号Ｓｆを生成し、それを時間で積分する。その積分値は初期光信号Ｓ０の強度変化と正確に同相である。第三の測定信号ＳＭＩ１は、微分演算器２５による検出信号ＳＤ１の微分値と第三の変調基準信号Ｓｆとの積を算出することにより生成される。第三の測定信号ＳＭＩ１は、先行技術に記載されているように、初期光信号Ｓ０の強度の関数であり、従ってレーザ光源の温度に依存する。第一の測定信号ＳＭＩは絶対強度を示すのに対し、第三の測定信号ＳＭＩ１は初期光信号の強度の傾きを示すので、２つの測定信号ＳＭＩ及びＳＭＩ１により更に多くの情報が得られる。２つの測定信号ＳＭＩ及びＳＭＩ１よりの追加情報を利用して、演算装置２２に連結している相関手段２６により第一及び第三の測定信号ＳＭＩ、ＳＭＩ１を相関させて相関測定信号ＳＭＩＣを算出し、第二の測定信号ＳＭＡを相関測定信号ＳＭＩＣで除して最終の測定信号結果が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】試料室に入射するレーザ光線強度を示す図
【図２】ガス吸収後に検出器に入射するレーザ光線の強度を示すグラフ
【図３】交流変調信号及び２ｆ変調基準信号の時間変化を示すグラフ
【図４】測定された光信号に直接に比例する検出信号と第一の変調基準信号との積を示すグラフ
【図５】測定された光信号に直接に比例する検出信号と第二の変調基準信号との積を示すグラフ
【図６】測定されたた光信号に直接に比例する検出信号のみを用いた本発明によるガス検出装置の第一の実施例の模式原理図
【図７】測定された光信号に直接に比例する検出信号及び測定された光信号の微分値に直接に比例する検出信号を用いた本発明によるガス検出装置の第二の実施例の模式原理図
【図８】測定された光信号に直接に比例する検出信号及び測定された光信号の微分値に直接に比例する検出信号を用いて、第一及び第二の２ｆ変調基準信号並びに第三のｆ変調基準信号を提供する本発明によるガス検出装置の第三の実施例の模式原理図。
【符号の説明】
【００３６】
１    レーザ光源
３    電力供給手段
４    ガス検出域（試料室）
６    ハウジング
８    光センサ
１１  温度測定手段
１２  温度センサ
１３  直流電源制御手段
１４  交流処理手段
１５  交流電源制御手段
１６、１７、１８  信号生成手段
１９、２０、２１  ロックイン増幅器
２２  演算装置
２３、２４  プレアンプ
２５  微分演算器
２６  相関手段
Ｓ０  初期光信号
ＳＧ  ガス吸収信号
ＳＤ０  検出信号
Ｓ２ｆ０  第一の変調基準信号
Ｓ２ｆ１  第二の変調基準信号
Ｓｆ  第三の変調基準信号
ＳＭＩ  第一の測定信号
ＳＭＡ  第二の測定信号
ＳＭＩ１  第三の測定信号
ＳＭＩＣ  相関測定信号
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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