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JP2844506B2 - Gas concentration measuring method and device - Google Patents
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JP2844506B2 - Gas concentration measuring method and device - Google Patents

Gas concentration measuring method and device

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JP2844506B2
JP2844506B2 JP10188892A JP10188892A JP2844506B2 JP 2844506 B2 JP2844506 B2 JP 2844506B2 JP 10188892 A JP10188892 A JP 10188892A JP 10188892 A JP10188892 A JP 10188892A JP 2844506 B2 JP2844506 B2 JP 2844506B2
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Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は複数の成分ガスから成る
混合ガス、特に安定同位体の混合ガスの濃度を精密に測
定するのに好適なガス濃度測定方法および装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas concentration measuring method and apparatus suitable for accurately measuring the concentration of a mixed gas composed of a plurality of component gases, particularly a mixed gas of stable isotopes.

【0002】[0002]

【従来技術】従来より数多くの安定同位体が知られてい
るが、最近炭素の安定同位体であるC12メタン(12
4 )とC13メタン(13CH4 )はそれぞれ特異な用
途があり、特に13CH4 はLNG(液化天然ガス)から
低温精密蒸留法により分離濃縮ができるようになったこ
とからも注目されている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Numerous stable isotopes have been conventionally known, C12 methane (12 C, a recently stable isotopes of carbon
H 4 ) and C13 methane ( 13 CH 4 ) have unique uses, respectively. In particular, 13 CH 4 has attracted attention because it can be separated and concentrated from LNG (liquefied natural gas) by low-temperature precision distillation. I have.

【0003】高純度の12CH4 を原料としたダイヤモン
ド薄膜は通常のダイヤモンド薄膜より約50%も熱伝導
率が優れているため新素材として広い分野での応用が期
待され、一方質量数13の炭素は核磁気共鳴をするので
標識化合物としてその挙動や分布状態を追跡することに
より非破壊的な生体の検査や診断などライフサイエンス
分野への応用が期待されている。
[0003] Diamond films of 12 CH 4 of high purity as a raw material applications as about 50% than the conventional diamond thin film in various fields as a new material for thermal conductivity is excellent is expected, whereas the mass number 13 Since carbon performs nuclear magnetic resonance, it is expected to be applied to the life science field such as nondestructive examination and diagnosis of living bodies by tracking its behavior and distribution as a labeled compound.

【0004】このような安定同位体は化学的反応が同じ
であるので複数の安定同位体を分離したり、その成分比
や濃度を測定するのに化学的方法を用いることはでき
ず、物理的性状の相違を利用した方法が用いられてい
る。
Since such stable isotopes have the same chemical reaction, chemical methods cannot be used to separate a plurality of stable isotopes or to measure their component ratios or concentrations. A method utilizing the difference in properties is used.

【0005】そこで一例として炭素の安定同位体である
12CH413CH4 とを例に取って説明する。
[0005] One example is a stable isotope of carbon.
A description will be given by taking 12 CH 4 and 13 CH 4 as examples.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来、12CH413
4 の混合ガスを定量分析するのにGC−MS(GasChr
omatography and Mass Spectrometry)法やレーザ法が
用いられている。
Conventionally, 12 CH 4 and 13 C
GC-MS (GasChr for quantitatively analyzing a gaseous mixture of H 4
(omatography and Mass Spectrometry) method and a laser method.

【0007】GC−MS法はガス状の試料を電子衝撃な
どによってイオン化し、このイオンをm/e(mはイオ
ン質量、eはイオンの電荷)に従って分離し、各イオン
量を記録してそれらをm/eの順序に並べて質量スペク
トルを作る。各スペクトル線の強度とそのm/eとは各
物質に特有であるから単成分物質のスペクトルが得られ
たらこれを既知のデータ集やスペクトルライブラリー等
に照合して同定を行う方法である。このGC−MS法で
高純度メタンガスを測定すると、メタン投入の際に空気
が混入することがあり、投入量を増すと検出器が飽和し
てしまうなどの理由から13CH4 の低濃度での精度が出
ない(せいぜい0.9〜1.3%)。また測定値のばら
つきが大きい。測定精度を上げるためにメタンを原子数
の少ないCO、CO2 に変換して測定する方法もある
が、そのためにはコンバータが必要になり、測定装置と
して高価となる。
In the GC-MS method, a gaseous sample is ionized by electron bombardment or the like, the ions are separated according to m / e (m is ion mass, e is ion charge), the amount of each ion is recorded, and these ions are recorded. Are arranged in the order of m / e to produce a mass spectrum. Since the intensity of each spectral line and its m / e are unique to each substance, when a spectrum of a single component substance is obtained, it is identified by collating it with a known data collection, a spectrum library, or the like. When measuring high purity methane gas in this GC-MS method, it may be contaminated with air during methane-on and increasing the charging amount detector at low concentrations reasons from 13 CH 4, such as may saturate Lack of accuracy (at most 0.9-1.3%). In addition, the dispersion of the measured values is large. There is also a method of converting methane to CO or CO 2 having a small number of atoms for measurement in order to increase measurement accuracy. However, a converter is required for that, and the measurement device becomes expensive.

【0008】一方、レーザ法は濃度を測定すべきガスに
レーザ光を通過させ、そのガスに特有の吸収線での吸収
度を見て濃度測定するものであるが、ガスレーザやYA
Gレーザなどは発振波長が限定されてしまうため、複数
のガスを対象とする場合は複数のレーザが必要となる。
そこで波長可変のレーザとしては半導体レーザや色素レ
ーザなどがあるが、波長掃引して吸収度を見るのでは精
度が出ず、波長を吸収線に合わせようとすると半導体レ
ーザの場合は経時変化があり、色素レーザの場合は複屈
折フィルタの位置合わせなどが厄介である。
On the other hand, in the laser method, a laser beam is passed through a gas whose concentration is to be measured, and the concentration is measured by observing the absorbance at an absorption line peculiar to the gas.
Since the oscillation wavelength of a G laser or the like is limited, a plurality of lasers are required when targeting a plurality of gases.
Therefore, there are semiconductor lasers and dye lasers as wavelength tunable lasers. However, if the wavelength is swept and the degree of absorption is checked, accuracy cannot be obtained, and if the wavelength is adjusted to the absorption line, the semiconductor laser will change with time. In the case of a dye laser, alignment of a birefringent filter or the like is troublesome.

【0009】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
ので、半導体レーザを用いて12CH413CH4 などの
安定同位体の混合ガスの濃度を安価な設備で精密に測定
することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and is intended to accurately measure the concentration of a mixed gas of stable isotopes such as 12 CH 4 and 13 CH 4 using a semiconductor laser with an inexpensive facility. Aim.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の濃度測定方法においては、濃度測定に先立
って半導体レーザの発振波長を順次変化させながら参照
ガスにレーザ光を透過し、参照ガスの成分ガスによるレ
ーザ光の吸収がピークとなるときの半導体レーザの動作
条件と、透過レーザ光を光電変換して得られる信号の基
本波位相敏感検波により得られる信号強度とを記憶し、
その後該動作条件および信号強度に基づいて半導体レー
ザを駆動するようにした。
In order to achieve the above object, in the concentration measuring method of the present invention, a laser beam is transmitted through a reference gas while sequentially changing the oscillation wavelength of a semiconductor laser prior to concentration measurement, The operating conditions of the semiconductor laser when the absorption of the laser light by the component gas of the reference gas becomes a peak, and the signal intensity obtained by fundamental phase sensitive detection of the signal obtained by photoelectrically converting the transmitted laser light are stored,
Thereafter, the semiconductor laser is driven based on the operating conditions and the signal intensity.

【0011】さらに、本発明の濃度測定装置において
は、濃度測定に先立って半導体レーザの発振波長を所定
の範囲内で順次変化させながら参照ガスにレーザ光を透
過させ、参照ガスの成分ガスによるレーザ光の吸収がピ
ークとなるときの少なくとも半導体レーザの動作条件と
第2の位相敏感検波器から出力する信号の強度とを記憶
する記憶手段とを設けたものである。
Further, in the concentration measuring apparatus of the present invention, prior to the concentration measurement, the laser beam is transmitted through the reference gas while sequentially changing the oscillation wavelength of the semiconductor laser within a predetermined range. There is provided storage means for storing at least the operating conditions of the semiconductor laser when light absorption reaches a peak and the intensity of a signal output from the second phase-sensitive detector.

【0012】[0012]

【作用】本発明のガス濃度測定方法によれば、測定に先
立って記憶したピーク時における半導体レーザの端子電
圧および位相敏感検波器の基本波敏感検波信号を用いて
測定時における半導体レーザの発振波長が制御される。
According to the gas concentration measuring method of the present invention, the oscillation wavelength of the semiconductor laser at the time of measurement is measured by using the terminal voltage of the semiconductor laser at the peak and the fundamental wave sensitive detection signal of the phase sensitive detector stored before the measurement. Is controlled.

【0013】[0013]

【実施例】以下本発明を図面に基づいて説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings.

【0014】図1は本発明によるガス濃度測定方法を実
施する装置の一実施例のブロック線図である。なお、本
実施例は安定同位体である12CH413CH4 の混合ガ
スの濃度を測定するものである。
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of an apparatus for performing a gas concentration measuring method according to the present invention. In this example, the concentration of a mixed gas of 12 CH 4 and 13 CH 4 , which are stable isotopes, is measured.

【0015】1は半導体レーザおよび参照セルを含むレ
ーザ発振ユニットで、半導体レーザから濃度測定のため
の1.66μmのレーザ光を出射する。詳細な構造につ
いては図2を参照して後述する。
Reference numeral 1 denotes a laser oscillation unit including a semiconductor laser and a reference cell. The laser oscillation unit emits a 1.66 μm laser beam for concentration measurement from the semiconductor laser. The detailed structure will be described later with reference to FIG.

【0016】2は既知濃度の参照ガスと濃度測定したい
未知濃度のガス(試験ガスと呼ばれる)を導入した試験
セル2aを設けた検出ユニットで、この詳細については
図2を参照して後述する。
Reference numeral 2 denotes a detection unit provided with a test cell 2a into which a reference gas having a known concentration and a gas having an unknown concentration (referred to as a test gas) whose concentration is to be measured are described in detail later with reference to FIG.

【0017】3は試験セル2a内の参照ガスまたは試験
ガスの圧力を調整するための電磁弁ユニットであり、そ
の詳細については図2を参照して後述する。
Reference numeral 3 denotes a solenoid valve unit for adjusting the pressure of the reference gas or the test gas in the test cell 2a, the details of which will be described later with reference to FIG.

【0018】4は後述するパラレル出力ボード15の出
力により半導体レーザ1aの駆動、バイアス電流の出力
開始および停止、後述する下段ペルチェ素子1fを外部
から制御するレーザドライバ、5は半導体レーザ1aに
加える変調電流のための正弦波電圧を後述する電流混合
器6に印加するとともに、後述する位相敏感検波器8、
9、11に同期信号を送信するプログラマブル発振器、
6はレーザドライバ4からのバイアス電流とプログラマ
ブル発振器5からの正弦波電圧とを混合して半導体レー
ザ1aに供給する電流混合器、7は半導体レーザ1aの
端子電圧を測定し、後述するGP−IBボード12から
の信号で測定値をGP−IBボード12に出力するデジ
タルマルチメータであり、半導体レーザ1aの発振波長
を安定化させるときにガスの吸収線のピークのときの測
定値になるよう大まかな制御を行うときに用いる。
Reference numeral 4 denotes a laser driver for driving the semiconductor laser 1a by the output of a parallel output board 15 to be described later, starting and stopping the output of a bias current, and a laser driver for externally controlling a lower Peltier element 1f to be described later. A sine wave voltage for a current is applied to a current mixer 6 described later, and a phase-sensitive detector 8 described later
A programmable oscillator transmitting a synchronization signal to 9 and 11;
Reference numeral 6 denotes a current mixer which mixes a bias current from the laser driver 4 and a sine wave voltage from the programmable oscillator 5 and supplies the mixed voltage to the semiconductor laser 1a. Reference numeral 7 denotes a terminal voltage of the semiconductor laser 1a. This is a digital multimeter that outputs a measured value to the GP-IB board 12 by a signal from the board 12, and roughly adjusts the measured value at the peak of the gas absorption line when stabilizing the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1a. It is used when performing various controls.

【0019】8は参照セル1cを透過したレーザ光の強
度を位相敏感検波し、その基本波位相敏感検波信号をA
/Dコンバータ13に出力する位相敏感検波器であり、
半導体レーザ1aの発振波長を安定化させるときにガス
の吸収線のピークのときの測定値になるよう精密な制御
を行うときに用いる。
Reference numeral 8 denotes phase-sensitive detection of the intensity of the laser beam transmitted through the reference cell 1c, and converts the fundamental-phase detection signal to A.
A phase-sensitive detector for outputting to the / D converter 13;
This is used when precise control is performed to stabilize the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1a so as to obtain a measured value at the peak of the gas absorption line.

【0020】9は参照セル1cを透過したレーザ光の強
度を位相敏感検波し、その2倍波位相敏感検波信号をA
/Dコンバータ13に出力する位相敏感検波器であり、
波長掃引時にガスの吸収線のピークを検出するのにこの
位相敏感検波器9から出力する2倍波位相敏感検波信号
を用いる。ピーク時の基本波位相敏感検波信号と、デジ
タルマルチメータ7により測定された半導体レーザ1a
の端子電圧と、下段ペルチエ素子1fの設定電流はメモ
リ17に記憶される。
Reference numeral 9 denotes phase-sensitive detection of the intensity of the laser beam transmitted through the reference cell 1c, and outputs the second-order phase-sensitive detection signal to A
A phase-sensitive detector for outputting to the / D converter 13;
The second-harmonic phase-sensitive detection signal output from the phase-sensitive detector 9 is used to detect the peak of the gas absorption line during the wavelength sweep. The fundamental phase phase sensitive detection signal at the peak and the semiconductor laser 1a measured by the digital multimeter 7
And the set current of the lower Peltier element 1f are stored in the memory 17.

【0021】10は半導体レーザ1aの発振波長を安定
化させるときに位相敏感検波器8の基本波位相敏感検波
信号とピーク時の基本波位相敏感検波信号との差を制御
信号とするD/Aコンバータ14からの設定電圧により
上段ペルチェ素子1eに供給する電流を送出するプログ
ラマブル電源であり、11は試験セル2aを透過したレ
ーザ光の強度を位相敏感検波し、その2倍波位相敏感検
波信号をA/Dコンバータ13に出力する位相敏感検波
器、12は後述するCPU16とプログラマブル発振器
5、デジタルメータ7、位相敏感検波器8、9、11と
の通信をアスキーコードで行うためのGP−IBボー
ド、13は位相敏感検波器8、9、11および後述する
検出ユニット2の圧力計2cからのアナログ出力をCP
U16からの指示でデジタル変換してCPU16に送出
するA/Dコンバータ、14はCPU16からのデジタ
ル信号をアナログ信号に変換して半導体レーザ1aのバ
イアス設定電流、下段ペルチェ素子1fに供給される制
御電流を送出するレーザドライバ4への設定電圧、上段
ペルチェ素子1eに供給される制御電流を送出するプロ
グラマブル電源10への設定電圧を送出するD/Aコン
バータ、15はCPU16からの信号により電磁弁ユニ
ット3の開閉、半導体レーザ1aのバイアス電流の外部
制御、下段ペルチェ素子1fの電流の外部設定などを行
うパラレル出力ボード、16はプログラムに従って各ボ
ードとの通信、記憶、演算などを行うCPUである。
Reference numeral 10 denotes a D / A in which the difference between the fundamental phase sensitive detection signal of the phase sensitive detector 8 and the fundamental phase sensitive signal at the peak is used as a control signal when stabilizing the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1a. A programmable power supply 11 sends out a current to be supplied to the upper Peltier element 1e according to a set voltage from the converter 14. A phase-sensitive detection unit 11 detects the intensity of the laser beam transmitted through the test cell 2a, and outputs the second harmonic phase-sensitive detection signal. A phase-sensitive detector for outputting to the A / D converter 13 is a GP-IB board 12 for performing communication between the CPU 16 and a programmable oscillator 5, a digital meter 7, and phase-sensitive detectors 8, 9, and 11 using ASCII codes. , 13 convert analog outputs from the phase-sensitive detectors 8, 9, 11 and a pressure gauge 2c of the detection unit 2 described later into CPs.
An A / D converter 14 converts a digital signal from the U16 into a digital signal according to an instruction from the U16 and sends it to the CPU 16, and converts a digital signal from the CPU 16 into an analog signal to set a bias current for the semiconductor laser 1a. A D / A converter that sends a set voltage to the laser driver 4 that sends the control signal, a D / A converter that sends a set voltage to the programmable power supply 10 that sends the control current supplied to the upper Peltier element 1e, and 15 is a solenoid valve unit 3 that receives a signal from the CPU 16 A parallel output board for opening / closing of the semiconductor laser 1a, external control of the bias current of the semiconductor laser 1a, external setting of the current of the lower Peltier element 1f, and the like.

【0022】17は後述する波長掃引の結果得られたピ
ーク時の半導体レーザ1aの端子電圧、位相敏感検波器
8の出力、ピーク時の下段ペルチェ素子1fに流す電流
値、濃度測定時の位相敏感検波器11の出力を記憶する
メモリ、18は12 H413 CHのそれぞれについて
の変調振幅値および波長掃引を行う温度範囲(2℃〜1
8℃)、波長掃引中にサンプリングするデータの個数N
=500、濃度を演算するための演算式を格納したメモ
リ、19は圧力計2cで検出した試験セル2a内の圧力
や演算した濃度を表示するCRTなどの表示器、20は
濃度をプリントするプリンタである。
Reference numeral 17 denotes a peak obtained as a result of a wavelength sweep described later.
Terminal voltage of semiconductor laser 1a at the time of leakage, phase sensitive detector
8, the current flowing to the lower Peltier element 1f at the peak time
The output of the phase sensitive detector 11 at the time of measuring the value and the concentration is stored.
Memory, 1812 CH4When13 CH4About each of
Modulation amplitude value and temperature range in which wavelength sweep is performed (2 ° C. to 1
8 ° C), the number N of data to be sampled during the wavelength sweep
= 500, a memo that stores the calculation formula for calculating the concentration
And 19, the pressure in the test cell 2a detected by the pressure gauge 2c.
And a display such as a CRT for displaying the calculated concentration.
This is a printer for printing density.

【0023】次に上述したレーザ発振ユニット1、検出
ユニット2、電磁弁ユニット3について図2により詳細
に説明する。
Next, the laser oscillation unit 1, the detection unit 2, and the solenoid valve unit 3 will be described in detail with reference to FIG.

【0024】レーザ発振ユニット1は、本実施例で濃度
測定の対象となる12CH4 および13CH4 について前者
の吸収線2ν3 バンドR(0)および後者の吸収線2ν
3 バンドR(2)を発振すべく選択された1.66μm
のレーザ光を前方および後方に発振する半導体レーザ1
aと、試験セル2aの端面でレーザ光が反射され、その
反射光が半導体レーザ1aにもどって発振波長がゆらぐ
のを防ぐためにレーザ光を一方向には透過させるが逆方
向には透過させない光アイソレータ1bと、測定対象ガ
スと同じ成分の高純度ガス(参照ガスと呼ばれる)を7
70Torrで封入し、半導体レーザ1aから後方に出射す
るレーザ光を入射端面で平行光にし、内部に封入した参
照ガスを透過させた後出射端面で光検出器1dに集光さ
せる参照セル1cと、この参照セル1cを透過したレー
ザ光を受光し、電流変換するピンフォトダイオードと増
幅および電圧変換するプリアンプとから成る光検出器1
dと、半導体レーザ1aに対して熱伝達可能な状態で設
けられ半導体レーザ1aの発振波長安定化時に前述した
プログラマブル電源10からの電流供給により半導体レ
ーザ1aの温度を精密に制御する上段ペルチェ素子1e
と、上段ペルチェ素子1eと熱的に結合され、波長掃引
したり、大まかに半導体レーザ1aの波長の安定化を行
うために温度制御を行なう下段ペルチェ素子1fと、半
導体レーザ1aの大体の温度を測定するサーミスタ1g
とにより構成されている。
The laser oscillation unit 1 uses the former absorption line 2ν 3 band R (0) and the latter absorption line 2ν for 12 CH 4 and 13 CH 4 whose concentration is to be measured in this embodiment.
1.66 μm selected to oscillate 3- band R (2)
Semiconductor laser 1 that oscillates forward and backward laser beams
a, the laser light is reflected at the end face of the test cell 2a, and the reflected light is transmitted to the semiconductor laser 1a to prevent the oscillation wavelength from fluctuating. The isolator 1b and a high-purity gas (referred to as a reference gas) having the same components as the gas to be measured
A reference cell 1c which is sealed at 70 Torr, makes the laser light emitted backward from the semiconductor laser 1a parallel at the incident end face, transmits the reference gas encapsulated therein, and then condenses it on the photodetector 1d at the emission end face; The photodetector 1 includes a pin photodiode that receives the laser beam transmitted through the reference cell 1c and converts the current, and a preamplifier that performs amplification and voltage conversion.
d, an upper Peltier element 1e provided so as to be capable of transferring heat to the semiconductor laser 1a and precisely controlling the temperature of the semiconductor laser 1a by supplying current from the programmable power supply 10 when the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1a is stabilized.
The lower Peltier element 1f, which is thermally coupled to the upper Peltier element 1e and performs temperature control for sweeping the wavelength or roughly stabilizing the wavelength of the semiconductor laser 1a, and the approximate temperature of the semiconductor laser 1a. 1g of thermistor to be measured
It is composed of

【0025】検出ユニット2は、後述する電磁弁ユニッ
ト3の電磁弁を制御することにより参照ガスまたは試験
ガスを導入する試験セル2aと試験セル2aを透過した
レーザ光を受光し、電流変換するピンフォトダイオード
と増幅および電圧変換するプリアンプとから成る光検出
器2bと、試験セル2a内の圧力を測定し0〜1000
Torrを0〜1Vとして出力する圧力計2cとにより構成
されている。
The detection unit 2 controls a solenoid valve of a solenoid valve unit 3 to be described later, a test cell 2a for introducing a reference gas or a test gas, and a pin for receiving a laser beam transmitted through the test cell 2a and converting the current to a current. A photodetector 2b composed of a photodiode and a preamplifier for amplification and voltage conversion, and a pressure in the test cell 2a of 0 to 1000
And a pressure gauge 2c that outputs Torr at 0 to 1V.

【0026】電磁弁ユニット3はパラレル出力ボード1
5の出力により開閉される8個の電磁弁V1〜V8から
成り、参照ガスは参照ガスボンベ3aから供給される。
図中、電磁弁V1は試験ガス源に接続され、電磁弁V
5、V6、V7は真空ポンプに接続されている。
The solenoid valve unit 3 is a parallel output board 1
The reference gas is supplied from a reference gas cylinder 3a.
In the figure, a solenoid valve V1 is connected to a test gas source,
5, V6 and V7 are connected to a vacuum pump.

【0027】次に上記構成のガス濃度測定装置を用いて
12CH413CH4 の混合ガスの濃度を測定する場合の
動作を図3〜図6に示したフローチャートにより説明す
る。
Next, using the gas concentration measuring device having the above-described structure,
The operation for measuring the concentration of the mixed gas of 12 CH 4 and 13 CH 4 will be described with reference to the flowcharts shown in FIGS.

【0028】図3は濃度測定動作の全体を示すフローチ
ャートである。
FIG. 3 is a flowchart showing the entire density measuring operation.

【0029】試験開始とともに、CPU16からの指令
によりGP−IBボード12、上段ペルチェ素子1eお
よび下段ペルチェ素子1fの電流、プログラマブル発振
器5、位相敏感検波器8、9、11、半導体レーザ1a
のバイアス電流などの初期設定を行なう(F−1)、そ
の結果、上段ペルチェ素子1eにプログラマブル電源1
0から設定電流が供給され、下段ペルチェ素子1fには
レーザドライバ4からは後述する掃引のスタートとなる
18℃になるような駆動電流が供給される。位相敏感検
波器8、9、11は所定の周波数、所定の位相に設定さ
れ、半導体レーザ1aにはレーザドライバ4からバイア
ス電流が供給される。
At the start of the test, the currents of the GP-IB board 12, the upper Peltier element 1e and the lower Peltier element 1f, the programmable oscillator 5, the phase sensitive detectors 8, 9, and 11, and the semiconductor laser 1a are controlled by a command from the CPU 16.
(F-1), as a result, the programmable power supply 1 is connected to the upper Peltier element 1e.
A set current is supplied from 0, and a drive current is supplied from the laser driver 4 to the lower Peltier element 1f so as to reach 18 ° C. at which a later-described sweep starts. The phase-sensitive detectors 8, 9, and 11 are set to a predetermined frequency and a predetermined phase, and a bias current is supplied from the laser driver 4 to the semiconductor laser 1a.

【0030】半導体レーザ1aによるレーザ光の発振が
安定したところでデジタルマルチメータ7により測定し
ている半導体レーザ1aの端子電圧が1V以上であるか
否かをCPU16で判別する(F−2)。これは半導体
レーザ1aが正常に起動したか否かを知るためであり、
端子電圧が1V未満であれば異常であるとして測定動作
を終了させるための処理(たとえば変調電流の供給を停
止したり、上段ペルチェ素子1aや下段ペルチェ素子1
fの供給電流を零にしたりにするなど)をし(F−
3)、再び半導体レーザ1aの端子電圧を調べ(F−
4)、1V未満ならば異常表示をし、1V以上ならば測
定終了後の場合はそれまでの測定結果をプリントアウト
した後(F−6)、レーザドライバ4からのバイアス電
流供給を停止し、GP−IB終了処理をして測定動作を
終了する(F−7)。
When the oscillation of the laser beam by the semiconductor laser 1a is stabilized, the CPU 16 determines whether or not the terminal voltage of the semiconductor laser 1a measured by the digital multimeter 7 is 1 V or more (F-2). This is to know whether or not the semiconductor laser 1a has started normally.
If the terminal voltage is less than 1 V, it is determined that the measurement operation is abnormal, and the measurement operation is terminated (for example, the supply of the modulation current is stopped, or the upper Peltier device 1a or the lower Peltier device 1 is used).
f supply current to zero, etc.)
3) Check the terminal voltage of the semiconductor laser 1a again (F-
4) If less than 1 V, display an error. If more than 1 V, after the measurement is completed, print out the measurement results up to that time (F-6). Then, supply of bias current from laser driver 4 is stopped. The GP-IB end processing is performed and the measurement operation ends (F-7).

【0031】ステップ(F−2)において、半導体レー
ザ1aの端子電圧が1V以上であると判別されたときは
半導体レーザ1aは正常に起動したとみてCPU16か
らの指令をGP−IBボード12で受け、その指令に基
づいてプログラマブル発振器5により発振された正弦電
圧を電流混合器6においてレーザドライバ4からのバイ
アス電流に重畳させて変調電流として半導体レーザ1a
に供給する(F−8)。
If it is determined in step (F-2) that the terminal voltage of the semiconductor laser 1a is 1 V or more, the GP-IB board 12 receives a command from the CPU 16 on the assumption that the semiconductor laser 1a has started normally. The sine voltage oscillated by the programmable oscillator 5 based on the command is superimposed on the bias current from the laser driver 4 in the current mixer 6 so that the semiconductor laser 1 a
(F-8).

【0032】次にCPU16からの指令をパラレル出力
ボード15で受け、電磁弁ユニット3の電磁弁V4、V
5、V6、V7を開放して試験セル2a内の残留ガスな
どを抜く(試験セルパージ)(F−9)。
Next, a command from the CPU 16 is received by the parallel output board 15, and the solenoid valves V4, V
5, V6 and V7 are released to remove residual gas and the like in the test cell 2a (test cell purge) (F-9).

【0033】ここで濃度測定が終了したか否かを装置に
設けられた測定終了ボタンが押されたか否かを見ること
により判断する(F−10)。もし測定が終了していれ
ば前述したステップ(F−3)に進むが、継続中であれ
ば波長掃引動作に入る(F−11)。
Here, it is determined whether or not the concentration measurement has been completed by checking whether or not a measurement end button provided on the apparatus has been pressed (F-10). If the measurement is completed, the process proceeds to the above-described step (F-3). If the measurement is completed, the wavelength sweep operation is started (F-11).

【0034】波長掃引とは半導体レーザ1aの経時変化
の影響を補正するために、参照セル1cに封入された参
照ガスについて実際の測定に先立って下段ペルチェ素子
1fの温度を徐々に下げていくことにより半導体レーザ
1aの発振波長を掃引することをいい、測定対象となる
2種類のガス12CH4 および13CH4 について最大の吸
収が得られるピーク時の半導体レーザ1aの端子電圧
と、位相敏感検波器8の出力と、下段ペルチェ素子1f
に流す電流値とをメモリ17に記憶しておく。
The wavelength sweep is to gradually lower the temperature of the lower Peltier device 1f prior to actual measurement of the reference gas sealed in the reference cell 1c in order to correct the influence of the aging of the semiconductor laser 1a. Sweeps the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1a, and detects the terminal voltage of the semiconductor laser 1a at the peak when the maximum absorption is obtained for the two types of gases 12 CH 4 and 13 CH 4 to be measured, and the phase sensitive detection. Output of the device 8 and the lower Peltier element 1f
Is stored in the memory 17.

【0035】次に波長掃引の結果を用いて13CH4 の測
定(F−12)および12CH4 の測定(F−13)を行
ない、最後に両者の結果を用いて濃度の演算を行なう
(F−14)。
Next, the measurement of 13 CH 4 (F-12) and the measurement of 12 CH 4 (F-13) are performed using the results of the wavelength sweep, and finally the concentration is calculated using the results of both measurements (F-13). F-14).

【0036】以上が本発明による濃度測定動作の概略で
あるが、ここで本発明方法において重要な波長掃引動作
を図4および図5を参照して説明する。
The above is the outline of the concentration measuring operation according to the present invention. Here, the wavelength sweeping operation which is important in the method of the present invention will be described with reference to FIGS.

【0037】図4は12CH4 および13CH4 に対する位
相敏感検波器8および9の出力を示しており、図中Aは
位相敏感検波器8の出力すなわち基本波位相敏感検波信
号、Bは位相敏感検波器9の出力すなわち2倍波位相敏
感検波信号を示す。
FIG. 4 shows the outputs of the phase sensitive detectors 8 and 9 for 12 CH 4 and 13 CH 4 , where A is the output of the phase sensitive detector 8, ie, the fundamental phase sensitive signal, and B is the phase sensitive detector. 4 shows an output of the sensitive detector 9, that is, a second-harmonic phase sensitive detection signal.

【0038】CPU16は掃引温度域をメモリ18に予
め記憶してある掃引温度範囲(2℃〜18℃)に設定
し、この範囲内でのサンプリングの個数N(=500)
を設定する(T−1)。ただし、初期値は18℃とす
る。
The CPU 16 sets the sweep temperature range to a sweep temperature range (2 ° C. to 18 ° C.) stored in the memory 18 in advance, and the number of samples N (= 500) within this range.
Is set (T-1). However, the initial value is 18 ° C.

【0039】まずNの初期値を1とおき位相敏感検波器
9の最大出力値MAXを0とし(T−2)、レーザドラ
イバ4により下段ペルチェ素子1fに供給する電流を制
御することによりその温度を18℃から順次下げていく
(T−3)。まずN=1における下段ペルチェ素子1f
に流す電流と、位相敏感検波器8および9の出力と、半
導体レーザ1aの端子電圧とをCPU16内のレジスタ
に一時的に記憶する(T−4)。
First, the initial value of N is set to 1, the maximum output value MAX of the phase sensitive detector 9 is set to 0 (T-2), and the laser driver 4 controls the current supplied to the lower Peltier element 1f to control its temperature. Is gradually lowered from 18 ° C. (T-3). First, the lower Peltier element 1f at N = 1
, The outputs of the phase-sensitive detectors 8 and 9, and the terminal voltage of the semiconductor laser 1a are temporarily stored in a register in the CPU 16 (T-4).

【0040】いま位相敏感検波器9の出力に着目し、N
=1のときの出力とステップ(T−2)で定めた最大出
力値MAXとを比較し(T−5)、N=1のときの出力
の方が大きいときは位相敏感検波器9の出力をMAXと
してCPU16内のレジスタに一時的に記憶し、そのと
きの下段ペルチェ素子1fに流す電流値と、位相敏感検
波器8の出力と,半導体レーザ1aの端子電圧とをメモ
リ17に記憶する(T−7)。N=1のときの出力の方
が小さいときはMAX=0は変えずにN=2とし(T−
9)、Nが250になるまでステップ(T−3)、(T
−4)、(T−5)、(T−6)、(T−7)、(T−
9)を繰り返し、位相敏感検波器9の出力がそれまでの
最大出力値MAXより大きいときだけ下段ペルチェ素子
1fに流す電流値と、位相敏感検波器8の出力と、半導
体レーザ1aの端子電圧とをメモリ17に記憶する。従
ってメモリ17には常にそれまでの位相敏感検波器9の
出力が最大となったときの半導体レーザ1aの端子電圧
と、下段ペルチェ素子1fに流す電流値と位相敏感検波
器8の出力とが記憶されていることになる。
Now, paying attention to the output of the phase sensitive detector 9, N
The output when N = 1 is compared with the maximum output value MAX determined in step (T-2) (T-5). When the output when N = 1 is larger, the output of the phase sensitive detector 9 is compared. Is temporarily stored in a register in the CPU 16 as MAX, and the current value flowing through the lower Peltier element 1f, the output of the phase sensitive detector 8, and the terminal voltage of the semiconductor laser 1a at that time are stored in the memory 17 ( T-7). If the output when N = 1 is smaller, MAX = 0 is not changed and N = 2 (T−
9) Steps (T-3) and (T) until N becomes 250
-4), (T-5), (T-6), (T-7), (T-
9) is repeated, and only when the output of the phase sensitive detector 9 is larger than the maximum output value MAX up to that point, the current value flowing through the lower Peltier element 1f, the output of the phase sensitive detector 8, and the terminal voltage of the semiconductor laser 1a. Is stored in the memory 17. Therefore, the terminal voltage of the semiconductor laser 1a when the output of the phase sensitive detector 9 has become the maximum, the current value flowing through the lower Peltier element 1f, and the output of the phase sensitive detector 8 are always stored in the memory 17. It will be.

【0041】こうしてN=251になったとき(T−1
0)、メモリ18に記憶してある13CH4 用の変調振幅
値を読み出し、プログラマブル発振器5を介して電流混
合器6の出力を制御することにより変調電流の振幅を変
更するとともに再びMAX=0とする(T−11)。N
が251以上になると500までの間(T−12)は、
変調振幅値を変更した電流値でステップ(T−3)から
(T−9)までの動作を繰り返し、常に位相敏感検波器
9の最大出力値がMAXに関して半導体レーザ1aの端
子電圧と、下段ペルチェ素子1fに流す電流と、位相敏
感検波器8の出力とがメモリ17に記憶される(T−
8)。
When N = 251 (T-1)
0), the modulation amplitude value for 13 CH 4 stored in the memory 18 is read out, and the output of the current mixer 6 is controlled via the programmable oscillator 5 to change the amplitude of the modulation current and MAX = 0 again. (T-11). N
Is greater than 251 until 500 (T-12)
The operations from steps (T-3) to (T-9) are repeated with the current value of which the modulation amplitude value has been changed, and the maximum output value of the phase sensitive detector 9 is always the maximum output voltage of the semiconductor laser 1a with respect to MAX, and the lower Peltier. The current flowing through the element 1f and the output of the phase sensitive detector 8 are stored in the memory 17 (T-
8).

【0042】これで掃引動作を終了する。This completes the sweep operation.

【0043】次に12CH4 および13CH4 の測定につい
て説明するが、手順は全く同じであるので13CH4 の測
定についてのみ説明する。
Next, measurement of 12 CH 4 and 13 CH 4 will be described. Since the procedure is exactly the same, only measurement of 13 CH 4 will be described.

【0044】まずメモリ18に記憶してある13CH4
変調振幅値を読み出し、電流混合器6から流される半導
体レーザ1aの駆動電流に重畳する変調電流の振幅を設
定する(S−1)。
First, the modulation amplitude value of 13 CH 4 stored in the memory 18 is read, and the amplitude of the modulation current to be superimposed on the drive current of the semiconductor laser 1a flowing from the current mixer 6 is set (S-1).

【0045】一方、波長掃引の結果得られた13CH4
ピーク時の下段ペルチェ素子1fに流す電流値がメモリ
17に記憶されているので、その値を読み出し、レーザ
ドライバ4から下段ペルチェ素子1fに供給される電流
をその電流値になるように制御してピーク付近の温度に
なるようにする(S−2)。こうして半導体レーザ1a
の発振波長が13CH4 のR(2)線付近となるような素
子温度になるのを待つ。
On the other hand, the value of the current flowing through the lower Peltier element 1f at the peak of 13 CH 4 obtained as a result of the wavelength sweep is stored in the memory 17, and the value is read out. Is controlled so as to have the current value so that the temperature becomes near the peak (S-2). Thus, the semiconductor laser 1a
Wait until the device temperature becomes such that the oscillation wavelength of the device becomes near the R (2) line of 13 CH 4 .

【0046】次にデジタルマルチメータ7により測定し
た半導体レーザ1aの端子電圧に基づいてレーザドライ
バ4から下段ペルチェ素子1fに供給される電流を制御
することにより端子電圧がピーク時の値から±0.00
15V以内になるように制御する(S−3)。
Next, by controlling the current supplied from the laser driver 4 to the lower Peltier element 1f on the basis of the terminal voltage of the semiconductor laser 1a measured by the digital multimeter 7, the terminal voltage becomes ± 0. 00
Control is performed so as to be within 15 V (S-3).

【0047】その後、光検出器1dの出力に基づいてプ
ログラマブル電源10から上段ペルチェ素子1eに供給
する電流を制御して位相敏感検波器8の出力値がメモリ
17に記憶されているピーク時の位相敏感検波器8の出
力に等しくなるように制御するとともに、レーザドライ
バ4から下段ペルチェ素子1fに供給する電流を制御す
ることにより半導体レーザ1aの端子電圧がメモリ17
に記憶されているピーク時の端子電圧になるように制御
する(S−4)。これらの制御は測定動作が終了するま
で継続される。ただし端子電圧で行なう制御と位相敏感
検波器8の出力による制御とが干渉しないようにステッ
プ(S−4)の端子電圧による制御はステップ(S−
3)の制御より緩く行なうようにする。
After that, the current supplied from the programmable power supply 10 to the upper Peltier element 1e is controlled based on the output of the photodetector 1d, and the output value of the phase sensitive detector 8 is stored in the memory 17 at the peak phase. The terminal voltage of the semiconductor laser 1a is controlled to be equal to the output of the sensitive detector 8 and the current supplied from the laser driver 4 to the lower Peltier element 1f so that the terminal voltage of the
(S-4). These controls are continued until the measurement operation ends. However, the control by the terminal voltage in the step (S-4) is performed in the step (S-) so that the control performed by the terminal voltage and the control by the output of the phase sensitive detector 8 do not interfere with each other.
The control is performed more loosely than the control of 3).

【0048】ここにおいて参照ガスボンベ3aの弁と電
磁弁V2との間の配管中にあるガスには空気の洩れ込み
の可能性があるので安全のためにこの部分の残留ガスを
ぬくため、電磁弁V4、V6、V7を閉じ、電磁弁V2
を開き、参照ガスボンベ3aからガスを流して電磁弁V
2との間のガスを新しくし、電磁弁V2を閉じ、しばら
くして電磁弁V5を閉じる。
Here, the gas in the pipe between the valve of the reference gas cylinder 3a and the solenoid valve V2 may leak air. V4, V6 and V7 are closed and the solenoid valve V2
, And gas flows from the reference gas cylinder 3a, and the solenoid valve V
2 is renewed, the solenoid valve V2 is closed, and after a while, the solenoid valve V5 is closed.

【0049】そして参照ガスを試験セル2aに導入する
ために電磁弁ユニット3の電磁弁V2とV4を開き、電
磁弁V3はONの状態にする。その他の電磁弁はすべて
閉じておく。こうすると参照ガスボンベ3a(ガス圧約
100気圧)から参照ガスが電磁弁V2、V3、V4を
通って試験セル2aに入る。このとき試験セル2a内の
ガス圧が790〜800Torrとなるようにボンベ3aの
出力側にある弁を調整しておく。その後電磁弁V2を閉
じ、電磁弁V3をOFFにする。
Then, the solenoid valves V2 and V4 of the solenoid valve unit 3 are opened to introduce the reference gas into the test cell 2a, and the solenoid valve V3 is turned on. All other solenoid valves are closed. Then, the reference gas enters the test cell 2a from the reference gas cylinder 3a (gas pressure of about 100 atm) through the solenoid valves V2, V3, and V4. At this time, the valve on the output side of the cylinder 3a is adjusted so that the gas pressure in the test cell 2a becomes 790 to 800 Torr. Thereafter, the solenoid valve V2 is closed, and the solenoid valve V3 is turned off.

【0050】次に電磁弁V8をONにすると試験セル2
a内の参照ガスの一部がすでに真空状態になっているバ
ッファ3bに流入し、試験セル2a内のガス圧が少し低
下する。CPU16は圧力計2cの出力を受け取り、圧
力が780Torr以上であれば電磁弁8をOFFにし、電
磁弁7をONにしてしばらくした後OFFにし、電磁弁
8をONにする。以上を繰り返してガス圧がほぼ1気圧
の760〜780Torrになるように調整する。こうして
参照セルの測定に入る。
Next, when the solenoid valve V8 is turned on, the test cell 2
A part of the reference gas in a flows into the buffer 3b already in a vacuum state, and the gas pressure in the test cell 2a decreases slightly. The CPU 16 receives the output of the pressure gauge 2c, and if the pressure is 780 Torr or more, turns off the solenoid valve 8, turns on the solenoid valve 7, turns it off after a while, and turns on the solenoid valve 8. By repeating the above, the gas pressure is adjusted so as to be approximately 760 to 780 Torr of 1 atm. Thus, the measurement of the reference cell is started.

【0051】さてここで試験セル2aに規定の圧力で封
入されている参照ガスにレーザ光を透過させ、透過光を
光検出器2bで受光し、光検出器2bの出力を位相敏感
検波器11で受けとることによりその出力を参照ガスの
信号強度S(13)REFとして測定する。次に電磁弁V
4、V5、V6、V7を開いて試験セル2a内の参照ガ
スを抜く。次いで電磁弁V1に試験ガス源を接続し、電
磁弁V6、V7を閉じ、電磁弁V1を開き、試験ガス源
と電磁弁V1の間の残留ガスをパージし、電磁弁V5を
閉じ、電磁弁V3をON状態にして試験セル2a内に試
験ガスを試験ガス源のコックを開いて導入する。試験セ
ル2a内のガス圧を760〜780Torrに調整した後電
磁弁V1とV4を閉じ、電磁弁V3をOFF状態にす
る。参照ガスのときと同様にして試験ガスの信号強度S
1(13)TEST を測定する。CPU16はこうして測定
したS1(13)REFとS1(13)TEST との比S1(13)
TEST /S1(13)REF=R1(13)を算出する(S−
6)。
Here, the laser beam is transmitted through the reference gas sealed at a specified pressure in the test cell 2a, the transmitted light is received by the photodetector 2b, and the output of the photodetector 2b is detected by the phase sensitive detector 11b. And its output is measured as the signal intensity S (13) REF of the reference gas. Next, the solenoid valve V
4, V5, V6, and V7 are opened to release the reference gas in the test cell 2a. Next, a test gas source is connected to the solenoid valve V1, the solenoid valves V6 and V7 are closed, the solenoid valve V1 is opened, the residual gas between the test gas source and the solenoid valve V1 is purged, the solenoid valve V5 is closed, and the solenoid valve V5 is closed. With V3 turned on, the test gas is introduced into the test cell 2a by opening the cock of the test gas source. After adjusting the gas pressure in the test cell 2a to 760 to 780 Torr, the solenoid valves V1 and V4 are closed, and the solenoid valve V3 is turned off. The signal intensity S of the test gas is the same as that for the reference gas.
1 (13) Measure TEST . S 1 CPU 16 is thus measured (13) REF and S 1 (13) The ratio S 1 between the TEST (13)
TEST / S 1 (13) REF = R 1 (13) is calculated (S−
6).

【0052】こうして1回目の測定が終了したとき電磁
弁V4、V5、V6、V7を開いて試験セル2a内の試
験ガスを抜く。
When the first measurement is completed, the solenoid valves V4, V5, V6, and V7 are opened to release the test gas in the test cell 2a.

【0053】次に上述したと同じ手順で2回目の測定を
行ない、参照ガスの信号強度S2(13)REFと試験ガスの
信号強度S2(13)TEST を得、両者の比S2(13)TEST
/S2(13)REF=R2(13)を求める。
Next, a second measurement is performed in the same procedure as described above to obtain the signal intensity S 2 (13) REF of the reference gas and the signal intensity S 2 (13) TEST of the test gas, and the ratio S 2 ( 13) TEST
/ S 2 (13) REF = R 2 (13)

【0054】こうして、1回目の測定で得られた比R
1(13)と2回目の測定で得られた比R2(13)との差
の割合を数1で求める。
Thus, the ratio R obtained in the first measurement
The ratio of the difference between 1 (13) and the ratio R 2 (13) obtained in the second measurement is determined by Equation 1.

【0055】[0055]

【数1】 その割合が5%以上か以下かを判別する(S−7)。そ
の結果、5%以上ならばもう1回同様の測定を行ない
(S−8)、得られた比R3(13)を用いて数2により
ステップ(S−7)と同じような演算を行なう(S−
9)。
(Equation 1) It is determined whether the ratio is 5% or more (S-7). As a result, if it is 5% or more, the same measurement is performed once again (S-8), and the same operation as in step (S-7) is performed by using the obtained ratio R 3 (13) according to equation (2). (S-
9).

【0056】[0056]

【数2】 その結果、変化の割合が5%以上のときは測定不調とし
て図3に示した全体フローチャートのステップ(F−1
0)にもどる。ステップ(S−7)または(S−9)に
おいて数1または数2で求めた割合が5%以下ならば測
定は正常に行なわれたとみなして測定値すなわちS
2(13)REF、S2(13)TEST またはS3(13)REF、S
3(13)TEST をS(13)REF、S(13)TEST と見なして
メモリ17に記憶する。
(Equation 2) As a result, when the rate of change is 5% or more, it is determined that the measurement is abnormal, and the step (F-1) in the overall flowchart shown in FIG.
Return to 0). If the ratio obtained by the equation (1) or (2) in step (S-7) or (S-9) is 5% or less, the measurement is considered to have been performed normally, that is, the measured value, ie, S
2 (13) REF , S 2 (13) TEST or S 3 (13) REF , S
3 (13) TEST is stored in the memory 17 as S (13) REF and S (13) TEST .

【0057】以上で13CH4 の測定動作が終了する。Thus, the measurement operation of 13 CH 4 is completed.

【0058】次に上述した13CH4 の測定とまったく同
じようにして12CH4 の測定を行なう(F−13)。動作
手順は図6に示したフローチャートと同様であるので説
明は省略する。12CH4 の測定の結果、信号強度S(1
2)REFおよびS(12)TESTがメモリ17に記憶され
る。
Next, the measurement of 12 CH 4 is performed in exactly the same way as the measurement of 13 CH 4 described above (F-13). The operation procedure is the same as that of the flowchart shown in FIG. As a result of the measurement of 12 CH 4 , the signal strength S (1
2) REF and S (12) TEST are stored in the memory 17.

【0059】こうして13CH412CH4 の測定が終了
した後濃度を算出する(F−14)が、濃度の算出は次
のように行なわれる。
After the measurement of 13 CH 4 and 12 CH 4 is completed, the concentration is calculated (F-14). The concentration is calculated as follows.

【0060】一般に濃度算出をするとき参照ガス、試験
ガスの位相敏感検波出力SREF とSTESTの比χを数3の
ようにしておくとχを変数とする関数F(χ)により濃
度Cが数4のように求められる。
In general, when calculating the concentration, if the ratio の of the phase-sensitive detection outputs S REF and S TEST of the reference gas and the test gas is set as in Equation 3, the concentration C is obtained by a function F (χ) having χ as a variable. It is obtained as in Equation 4.

【0061】[0061]

【数3】χ=STEST/SREF 数 = S TEST / S REF

【0062】[0062]

【数4】C=F(χ) 本発明者の試算によれば、関数F(χ)は数5に示すよ
うな4次関数で表すことができる。
C = F (χ) According to the trial calculation of the inventor, the function F (χ) can be represented by a quartic function as shown in Expression 5.

【0063】[0063]

【数5】C=aχ4 +bχ3 +cχ2 +dχ ここでa,b,c,dは定数。Equation 5] C = aχ 4 + bχ 3 + cχ 2 + dχ where a, b, c, d are constants.

【0064】ところが一般にあるガスの吸収線に他のガ
スの吸収線が重なることがあり、他のガスの影響を無視
できない場合が多い。そこで目的のガスの濃度を求める
とき、他のガスの影響を受けないように補正する必要が
ある。
However, in general, the absorption line of one gas may overlap the absorption line of another gas, and in many cases, the influence of another gas cannot be ignored. Therefore, when obtaining the concentration of the target gas, it is necessary to correct so as not to be affected by other gases.

【0065】N種の成分ガスの濃度を求める場合、ある
“i”というガスを測定しようとしたときの参照ガス、
試験ガスの2倍波の位相敏感検波出力S(i)REF、S
(i)TEST とし、その他のガスの出力をS(j)REF、S
(j)TEST とすると他のガスの影響を受けないχi は数
6のように表せる。
When obtaining the concentrations of the N kinds of component gases, a reference gas used for measuring a certain “i” gas,
Phase sensitive detection output S (i) REF , S of the second harmonic of the test gas
(I) TEST, and output of other gases is S (j) REF , S
(J) If TEST , it is not affected by other gases. Χ i can be expressed as in Equation 6.

【0066】[0066]

【数6】 ここでpj は“i”というガスを測定しようとしたとき
のS(i)REF 中のその他のガス“j”の影響成分と考
えることができ、数6の分子、分母ともに“j”の影響
を排除する形になっている。
(Equation 6) Here, p j can be considered as an influence component of the other gas “j” in S (i) REF when trying to measure the gas “i”, and the numerator and denominator of Equation 6 are both “j”. The effect is eliminated.

【0067】今回の12CH413CH4 の濃度測定の場
合にもそれぞれの吸収線に他方の弱い吸収線が重なって
いるため、数5、数6を12CH4 について表すと、数
7、数8のようになり、
[0067] Since the other weak absorption lines in each of the absorption lines in the case of this 12 CH 4 and of 13 CH 4 concentration measurement overlap, number 5, is represented on the number 6 12 CH 4, Number 7 , Equation 8

【0068】[0068]

【数7】 C12=a12χ12 4 +b12χ12 3 +c12χ12 2 +d12χ12 Equation 7] C 12 = a 12 χ 12 4 + b 12 χ 12 3 + c 12 χ 12 2 + d 12 χ 12

【0069】[0069]

【数8】 13CH4 では(Equation 8) 13 In CH 4

【0070】[0070]

【数9】 C13=a13χ13 4 +b13χ13 3 +c13χ13 2 +d13χ13 Equation 9] C 13 = a 13 χ 13 4 + b 13 χ 13 3 + c 13 χ 13 2 + d 13 χ 13

【0071】[0071]

【数10】 となる。(Equation 10) Becomes

【0072】ここでa12、b12、c12、d12、p12、a
13、b13、c13、d13、p13は定数である。
Here, a 12 , b 12 , c 12 , d 12 , p 12 , a
13, b 13, c 13, d 13, p 13 are constants.

【0073】以上のような根拠に基づいて、メモリ18
に、12CH4 の濃度演算のための数7よび数8で表わさ
れる演算式と13CH4 の濃度演算のための数9および数
10で表わされる演算式が予め格納されているので、12
CH4 および13CH4 のそれぞれについて2または3回
目の測定により得られた位相敏感検波器11の出力信号
強度S(12)REF およびS(12)TESTと、S(1
3)REF およびS(13)TESTとをこれらの演算式に代
入することにより12CH413CH4 の濃度C12とC13
を求めることができる。
Based on the above grounds, the memory 18
To, 12 because arithmetic expression represented by the number 9 and number 10 for the density arithmetic calculation formula and 13 CH 4 represented by the number 7 preliminary number 8 for concentration calculation of CH 4 are previously stored, 12
The output signal intensities S (12) REF and S (12) TEST of the phase sensitive detector 11 obtained by the second or third measurement for each of CH 4 and 13 CH 4 and S (1
3) By substituting REF and S (13) TEST into these equations, the concentrations C 12 and C 13 of 12 CH 4 and 13 CH 4 can be obtained.
Can be requested.

【0074】上記実施例では安定同位体である12CH4
13CH4 の濃度測定について例示したが、本発明は成
分ガスが2以上の一般の混合ガスの濃度測定について適
用することができるのはもちろんである。
In the above example, the stable isotope 12 CH 4
If has been illustrated for the concentration measurement of 13 CH 4, the present invention is of course can be applied for the concentration measurement of a gas mixture of two or more common ingredients gas.

【0075】[0075]

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、所定周
波数の変調電流を重畳した電流により駆動される半導体
レーザから発振されるレーザ光を複数の成分ガスから成
る混合ガスに透過させ、レーザ光が成分ガスにより吸収
されて生ずるピーク時の透過レーザ光を光電変換して得
られる信号の位相敏感検波出力を測定し、その出力に基
づいて成分ガスの濃度を算出する混合ガスの濃度測定方
法において、測定に先立って測定対象となる混合ガスと
同じ成分ガスから成る参照ガスに半導体レーザの発振波
長を可変して掃引し、レーザ光が各成分ガスにより吸収
されて生ずるピーク時の少なくとも半導体レーザの端子
電圧と透過レーザ光の基本波位相敏感検波出力とを記憶
しておき、その後の測定時にその記憶した端子電圧およ
び基本波位相敏感検波出力を用いて半導体レーザの発振
波長を制御するようにしたので、半導体レーザの特性の
経時変化にかかわらず常に成分ガスの正確な濃度測定が
できる。
As described above, according to the present invention, a laser beam oscillated from a semiconductor laser driven by a current in which a modulation current of a predetermined frequency is superimposed is transmitted through a mixed gas comprising a plurality of component gases. A method for measuring the concentration of a mixed gas, which measures the phase-sensitive detection output of a signal obtained by photoelectrically converting a transmitted laser beam generated at the peak when light is absorbed by a component gas and calculates the concentration of the component gas based on the output. Prior to the measurement, the oscillation wavelength of the semiconductor laser is variably swept to a reference gas composed of the same component gas as the mixed gas to be measured, and at least the peak of the semiconductor laser caused by absorption of the laser light by each component gas Terminal voltage and the fundamental wave phase sensitive detection output of the transmitted laser beam are stored, and the stored terminal voltage and fundamental wave phase sensitive Since so as to control the oscillation wavelength of the semiconductor laser with a wave output, always accurate concentration measurement component gases independently of the change over time in the characteristics of the semiconductor laser.

【0076】本発明方法は安定同位体の混合ガスの濃度
測定に適用できるので、従来のGC−MSのような大が
かりで高価な設備を用いずに比較的簡単で安価に安定同
位体の濃度測定ができる。
Since the method of the present invention can be applied to the measurement of the concentration of a gas mixture of stable isotopes, it is relatively easy and inexpensive to measure the concentration of stable isotopes without using large-scale and expensive equipment such as conventional GC-MS. Can be.

【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一実施例のブ
ロック線図である。
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a gas concentration measuring device according to the present invention.

【図2】図1に示したガス濃度測定装置の一部の詳細を
示すブロック線図である。
FIG. 2 is a block diagram showing details of a part of the gas concentration measuring device shown in FIG.

【図3】本発明によるガス濃度測定動作の全体を示すフ
ローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart showing the entire gas concentration measurement operation according to the present invention.

【図4】本発明によるガス濃度測定における波長掃引を
説明するための位相敏感検波器の出力信号強度を示す波
形図である。
FIG. 4 is a waveform diagram showing an output signal intensity of a phase sensitive detector for explaining a wavelength sweep in gas concentration measurement according to the present invention.

【図5】波長掃引動作のフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart of a wavelength sweep operation.

【図6】本発明における13CH4 の測定のフローチャー
トである。
FIG. 6 is a flowchart of the measurement of 13 CH 4 in the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザ発振ユニット 1a 半導体レーザ 1c 参照セル 1d 光検出器 1e 上段ペルチェ素子 1f 下段ペルチェ素子 1g サーミスタ 2 検出ユニット 2a 試験セル 2b 光検出器 2c 圧力計 3 電磁弁ユニット 3a 参照ガスボンベ 3b バッファ 4 レーザドライバ 5 プログラマブル発振器 6 電流混合器 7 デジタルマルチメータ 8、9、11 位相敏感検波器 10 プログラマブル電源 12 GP−IBボード 13 A/Dコンバータ 14 D/Aコンバータ 15 パラレル出力ボード 16 CPU 17、18 メモリ 19 表示器 20 プリンタ Reference Signs List 1 laser oscillation unit 1a semiconductor laser 1c reference cell 1d photodetector 1e upper Peltier element 1f lower Peltier element 1g thermistor 2 detection unit 2a test cell 2b photodetector 2c pressure gauge 3 solenoid valve unit 3a reference gas cylinder 3b buffer 4 laser driver 5 Programmable oscillator 6 Current mixer 7 Digital multimeter 8, 9, 11 Phase sensitive detector 10 Programmable power supply 12 GP-IB board 13 A / D converter 14 D / A converter 15 Parallel output board 16 CPU 17, 18 Memory 19 Display 20 Printer

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 所定周波数の変調電流を重畳した電流に
より駆動される半導体レーザから発振されるレーザ光
を、複数の成分ガスから成る未知濃度の試験ガスと同じ
成分ガスから成る既知濃度の参照ガスとに別々に透過
し、透過レーザ光を光電変換して得られる信号の2倍波
を位相敏感検波して得られる信号の強度に基づいて試験
ガスの成分ガスの濃度を測定するガス濃度測定方法にお
いて、濃度測定に先立って半導体レーザの発振波長を順
次変化させながら前記参照ガスにレーザ光を透過し、参
照ガスの成分ガスによるレーザ光の吸収がピークとなる
ときの半導体レーザの動作条件と、透過レーザ光を光電
変換して得られる信号の基本波位相敏感検波により得ら
れる信号強度とを記憶し、その後該動作条件および信号
強度に基づいて半導体レーザを駆動して濃度測定するこ
とを特徴とするガス濃度測定方法。
1. A laser beam oscillated from a semiconductor laser driven by a current obtained by superimposing a modulation current of a predetermined frequency on a reference gas having a known concentration comprising a test gas comprising a plurality of component gases and the same concentration as a test gas comprising an unknown concentration. Concentration measuring method for measuring the concentration of the component gas of the test gas based on the intensity of the signal obtained by phase-sensitive detection of the second harmonic of the signal obtained by photoelectrically converting the transmitted laser light separately In, the laser beam is transmitted through the reference gas while sequentially changing the oscillation wavelength of the semiconductor laser prior to the concentration measurement, the operating conditions of the semiconductor laser when the absorption of the laser beam by the component gas of the reference gas peaks, The signal strength obtained by the fundamental wave phase sensitive detection of the signal obtained by photoelectrically converting the transmitted laser light is stored, and then the semiconductor laser is stored based on the operating conditions and the signal strength. A gas concentration measuring method characterized in that the concentration is measured by driving a user.
【請求項2】 前記半導体レーザの動作条件が半導体レ
ーザの端子電圧である請求項1に記載のガス濃度測定方
法。
2. The gas concentration measuring method according to claim 1, wherein the operating condition of the semiconductor laser is a terminal voltage of the semiconductor laser.
【請求項3】 前記半導体レーザの動作条件が半導体レ
ーザの温度を含む請求項2に記載のガス濃度測定方法。
3. The method according to claim 2, wherein the operating conditions of the semiconductor laser include a temperature of the semiconductor laser.
【請求項4】 前記試験ガスおよび参照ガスの成分ガス
が安定同位体である請求項1に記載のガス濃度測定方
法。
4. The method according to claim 1, wherein the component gases of the test gas and the reference gas are stable isotopes.
【請求項5】 前記安定同位体が12CH4 および13CH
4 である請求項4に記載のガス濃度測定方法。
5. The method according to claim 1, wherein said stable isotopes are 12 CH 4 and 13 CH
The method for measuring gas concentration according to claim 4, wherein
【請求項6】 所定周波数の変調電流を重畳した電流に
より駆動される半導体レーザと、複数の成分ガスから成
る未知濃度の試験ガスおよび該試験ガスと同じ成分ガス
から成る既知濃度の参照ガスを切り替えて導入する試験
セルと、参照ガスを封入した参照セルと、前記試験セル
内の試験ガスまたは参照ガスを透過したレーザ光を光電
変換する第1の光検出器と、前記参照セル内の参照ガス
を透過したレーザ光を光電変換する第2の光検出器と、
前記第1の光検出器から出力する信号の2倍波を位相敏
感検波する第1の位相敏感検波器と、前記第2の光検出
器から出力する信号の基本波を位相敏感検波する第2の
位相敏感検波器と、前記第2の光検出器から出力する信
号の2倍波を位相敏感検波する第3の位相敏感検波器
と、前記半導体レーザの温度を可変調整する加熱素子
と、濃度測定に先立って半導体レーザの発振波長を所定
の範囲内で順次変化させながら前記参照ガスにレーザ光
を透過させ、参照ガスの成分ガスによるレーザ光の吸収
がピークとなるときの少なくとも半導体レーザの動作条
件と前記第2の位相敏感検波器から出力する信号の強度
とを記憶する記憶手段と、濃度測定時に前記記憶手段に
記憶された動作条件および信号強度とに基づいて半導体
レーザの発振波長を制御する制御手段と、前記第1の位
相敏感検波器から出力する信号強度に基づいて所定の演
算式により試験ガスの成分ガスの濃度を演算する濃度演
算手段とを有することを特徴とするガス濃度測定装置。
6. A semiconductor laser driven by a current having a modulation current of a predetermined frequency superimposed thereon, a test gas having an unknown concentration comprising a plurality of component gases, and a reference gas having a known concentration comprising the same component gas as the test gas. Test cell, a reference cell in which a reference gas is sealed, a first photodetector for photoelectrically converting a test gas in the test cell or a laser beam transmitted through the reference gas, and a reference gas in the reference cell. A second photodetector for photoelectrically converting the laser light transmitted through the second photodetector;
A first phase-sensitive detector for phase-sensitive detection of a second harmonic of a signal output from the first photodetector, and a second phase-sensitive detection for a fundamental wave of a signal output from the second photodetector. A phase-sensitive detector, a third phase-sensitive detector for phase-sensitive detection of a second harmonic of a signal output from the second photodetector, a heating element for variably adjusting the temperature of the semiconductor laser, Prior to measurement, the laser light is transmitted through the reference gas while sequentially changing the oscillation wavelength of the semiconductor laser within a predetermined range, and at least the operation of the semiconductor laser when the absorption of the laser light by the component gas of the reference gas reaches a peak. Storage means for storing the conditions and the intensity of the signal output from the second phase-sensitive detector; and controlling the oscillation wavelength of the semiconductor laser based on the operating conditions and the signal intensity stored in the storage means when measuring the concentration. And a concentration calculating means for calculating the concentration of the component gas of the test gas by a predetermined arithmetic expression based on the signal intensity output from the first phase-sensitive detector. apparatus.
【請求項7】 前記濃度演算手段は各成分ガスごとに濃
度演算のための演算式を記憶している請求項6に記載の
ガス濃度測定装置。
7. The gas concentration measuring device according to claim 6, wherein said concentration calculating means stores an arithmetic expression for calculating the concentration for each component gas.
【請求項8】 前記試験セルに試験ガスと参照ガスとを
切り替えて導入するための電磁弁ユニットをさらに有す
る請求項1に記載のガス濃度測定装置。
8. The gas concentration measuring device according to claim 1, further comprising an electromagnetic valve unit for switching and introducing a test gas and a reference gas into the test cell.
【請求項9】 前記加熱素子が、前記半導体レーザと熱
結合された第1のペルチェ素子と、該第1のペルチェ素
子に対して熱伝達可能に配置された第2のペルチェ素子
とから成る請求項1に記載のガス濃度測定装置。
9. The heating element comprises a first Peltier element thermally coupled to the semiconductor laser, and a second Peltier element arranged so as to be able to transfer heat to the first Peltier element. Item 2. The gas concentration measurement device according to Item 1.
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