ガス検知器は、主にガスセンサーを使用して環境内のガスの種類を検出する一般的なガス濃度検出機器です。 硫化水素、一酸化炭素、酸素、二酸化硫黄、ホスフィン、アンモニア、二酸化窒素、シアン化水素、塩素、二酸化塩素、オゾン、可燃性ガスなどを検出でき、石油化学、石炭、冶金、化学産業で広く使用されています。 、都市ガス、環境モニタリング、農業、およびその他のサイト テスト用のサイト。 さらに、トンネル、パイプ、タンク、限られたスペースなどでの濃度検出や漏れなど、特別な機会の測定ニーズにも使用できます。
チューナブル ダイオード レーザー吸収分光法 (TDLAS) は、チューナブル ダイオード レーザーとレーザー吸収分光法を使用して、ガス混合物中の特定の物質 (メタンや水蒸気など) の濃度を測定する技術です。 他の濃度測定に対する TDLAS の利点は、非常に低い検出限界 (PPB クラス) を達成できることです。 濃度に加えて、観測されたガスの温度、圧力、速度、および質量流束も決定できます。 TDLAS は、気相中の物質を定量的に評価するために使用される最も一般的なレーザーベースの吸収法です。
TDLASチューナブルダイオードレーザー吸収分光技術は、変調を伴うチューナブル半導体レーザーの狭い線幅と波長の特性を利用して、互いに非常に接近していて解決が困難な分子の単一または複数の吸収線を測定するために使用されます。
TDLAS 技術は、主にガス分子の単一の振動吸収線を検出することによってガスを検出するために使用されます。 低濃度のガスを検出する場合、吸収信号が弱いため、通常、ガス検出感度を向上させるために長光路技術と高調波検出法を組み合わせる必要があります。 Lambert-Beer の法則によると、光ビームが気体を通過するときに減衰します。
TDLASガス検知技術の原理
TDLASガス検知の模式図
レーザー ダイオードの光がガス チャンバーを通過すると、PD 光検出器が LD の光パワーを受け取ります。
変調により、レーザーの出力光パワーと波長がそれに応じて変化します。 ガスキャビティを通過した後、対応する出力光パワーと波長も変化します。 光が波長掃引範囲内でガスに吸収されない場合、つまりガス吸収線がない場合、PD で受信される光パワーは、LD で出力される光パワーと同じになります。 波長域に吸収線があると、PD端子が受光する光パワーの線スペクトルにくぼみができ、そのくぼみの波長と深さからガスの種類と強さを判断することができます。
実際の光吸収を反映するには、レーザーの波長または周波数曲線をスキャンする必要があります。
TDLAS ガス検知における周波数制御の基本的な方法
一般に、レーザーから出てくる光の周波数を調整するには、4 つの基本的な方法があります。つまり、ダイオードの温度を変更する、圧電アクチュエータの電圧を変更する (グレーティングの位置と角度を制御する)、レーザー ダイオードを駆動する電流と、キャビティ内の EOM の電圧を変更します。
腔内 EOM 法はあまり一般的ではなく、屈折率をすばやく変更できますが、周波数調整の範囲は通常非常に狭いです。
ダイオードの温度を変えることによって、波長走査の目的を達成するために、レーザー周波数 (同調係数は一般に 0.1nm/K です) を大きく変えることができます。しかし、ダイオードの温度が変化するには長い時間がかかり、通常は数秒かかります。これは、おおよその波長範囲を調整する場合にのみ適しています。
レーザーダイオードを駆動する電流を調整すると、半導体の屈折率が変化し、したがって周波数が変化します。標準的な調整係数は約 0.1GHz/mA です。変調電流により、数MHzの帯域幅でレーザー周波数を変調できます。したがって、レーザー線幅を縮小するための典型的な「アクチュエータ」です。
圧電調整は非常に高速な調整であり、グレーティングの位置と角度をミリ秒またはサブミリ秒単位で調整して、急速な周波数変化の要件を満たすことができます。また、圧電調整方式により、数HzからkHzまでの広い周波数調整が可能です。
さらに、低速の周波数シフトを相殺するために、ピエゾ調整法がよく使用されます。
圧電技術による周波数制御
通常、ピエゾ アクチュエータは、位相と周波数のフィードバック ループをロックするために使用されるアクチュエータ コンポーネントです。制御信号に基づいて位相と周波数の調整を行います。
測定対象の異なるガスの吸収スペクトル線は異なるため、レーザーの出力レーザー波長は周期的に変化する必要があるため、レーザーの中心波長が測定対象のガスの吸収スペクトル線に調整され、選択的になります。吸収が発生します。レーザーの出力波長の周期的な変化は、ピエゾアクチュエータによって調整できます。ピエゾアクチュエータは、応答速度が速く、精度が高いという特徴があり、出力スペクトル線の調整に非常に適しています。
ピエゾ アクチュエータは、TDLAS ガス検出技術だけでなく、OPLAS 開回路ガス検出および分析にも使用されます。
OPLAS (Open Path Laser Absorption Spectroscopy) は TDLAS に似ていますが、OPLAS では分析のためにサンプルガスをガス吸収ユニットに送り込む必要はありません。 OPLAS システムには、レーザー ポイントの品質と光学機器に対するより高い要件があります。たとえば、低濃度のアンモニアの検出は比較的困難です。低濃度のアンモニアガス環境の検出では、ピエゾアクチュエータを使用して光源の方向を調整し、レーザースキャンの中心位置をすばやく見つけてから、特定の範囲で高速レーザースキャンを行います。この方法では、1,000 メートルの距離にあるガス濃度を検出することさえできます。
OPLAS基本構造図
TDLASガス検知用ピエゾアクチュエータの選択
CoreMorrow には、何千ものピエゾ アクチュエータと対応する駆動制御製品があります。ピエゾアクチュエータの選択は、主に、対応するTDLASガス検出の特定の構造と、対応する光路パラメータを調整する必要性に依存します。
通常、ガス検知器の容積は小さいので、部品のサイズは小さいほど良いです。
1) CoreMorrow ピエゾ スタック アクチュエータ
CoreMorrow PZT スタック アクチュエータには幅広いサイズとモデルがあり、最小サイズは最大 1.22 x 1.3 x 1.7mm^3、変位は最大 1μm です。ピエゾスタックの断面積は、1.22 x 1.3 mm ^ 2、1.66 x 1.72 mm ^ 2、2 x 3 mm ^ 2、3.5 x 3.5 mm ^ 2、5 x 5 mm ^ 2、7 x 7 mm ^ 2…25×25mm^2、断面積が大きいほど出力が高くなります。高さは、希望する変位範囲の値に応じて選択できます。高さが高いほど、変位が大きくなります。
最終的な選択は、出力要件、排気量要件、スペースの制限などの要因によって異なります。
CoreMorrow ピエゾ スタックの技術データ
注: 製品モデルが多数あるため、ここに表示されているのは一部のモデルのみです。 詳しくは弊社セールスエンジニアまでお問い合わせください。
2) CoreMorrow プリロード ピエゾ アクチュエータ
より優れた保護とアプリケーションを実現するために、CoreMorrow はプリロードされたピエゾ アクチュエータを提供します。これはピエゾ セラミックが積み重ねられ、内部にカプセル化されているため、ノックや湿度などの影響から保護されます。
さらに、ピエゾ アクチュエータは動的アプリケーションにより適したものにするために、内部にプリロードされています。
プリロードされたピエゾ アクチュエータの可動端は、フラット ヘッド、ボール ヘッド、めねじ、おねじ、またはカスタマイズされた接続で接続できます。
CoreMorrow プリロード ピエゾ アクチュエータの技術データ
注: 製品モデルが多数あるため、ここに表示されているのは一部のモデルのみです。 詳しくは弊社セールスエンジニアまでお問い合わせください。
ガスチャンバーの長さを長くすることで吸収感度を向上させることができます
低濃度のガスを検出するには、より高いガス吸収感度が必要です。
ガス室の長さを長くすることでガス吸収感度を向上させることができますが、ガス検知装置の容積が大きくなります。 この問題を解決するために、多くのガス検出装置は、ガス室の両端に特殊な低損失ミラーを備えています。 レーザーによって放出された光は、反射レンズによってガスキャビティ内で前後に反射されるため、光はガスとより多く接触し、ガスを通る光の距離が長くなり、高感度が向上します。 微弱な吸収線も検出できます。
ガスチャンバー内では光が前後に振動するため、LDの線幅はできるだけ狭くする必要があります。
もちろん、上記は TDLAS 構造の 1 つにすぎず、各 TDLAS デバイスの構造は異なります。
ガス感応波長一覧
参考のために、次の表のガス感知波長パラメータを参照してください。
