ガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法
【課題】回路規模の増大を抑制しつつ、ガス濃度の計測精度を向上させる。
【解決手段】２倍波ずらし周波数信号発生部４５は、変調周波数ｆｍの２倍波周波数からずらし周波数Δｆだけずらされた周波数（２ｆ＋Δｆ）を持つ（２ｆ＋Δｆ）参照信号を発生し、検波器４６は、２倍周波数信号発生部４５にて発生された（２ｆ＋Δｆ）参照信号とバンドパスフィルタ４４からの出力を合成することで、バンドパスフィルタ４４からの出力から２ｆ成分を生成し、ローパスフィルタ４７にて１ｆ以上の高域成分を十分減衰させ、ピークホールド回路４９にてピークホールドされた値からΔｆ成分をローパスフィルタ５０にて抽出し、２ｆ成分検出信号として出力する。
【解決手段】２倍波ずらし周波数信号発生部４５は、変調周波数ｆｍの２倍波周波数からずらし周波数Δｆだけずらされた周波数（２ｆ＋Δｆ）を持つ（２ｆ＋Δｆ）参照信号を発生し、検波器４６は、２倍周波数信号発生部４５にて発生された（２ｆ＋Δｆ）参照信号とバンドパスフィルタ４４からの出力を合成することで、バンドパスフィルタ４４からの出力から２ｆ成分を生成し、ローパスフィルタ４７にて１ｆ以上の高域成分を十分減衰させ、ピークホールド回路４９にてピークホールドされた値からΔｆ成分をローパスフィルタ５０にて抽出し、２ｆ成分検出信号として出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法に関し、特に、周波数変調されたレーザ光を用いてガスの濃度を測定する方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
気体状のガス分子にはそれぞれ固有の光吸収スペクトルが有ることが知られており、ガス分子の吸収線の中心周波数における減衰量はガスの濃度に比例する。このため、ガス分子の吸収線の中心周波数に一致した発振周波数をもつ半導体レーザ光をガスに照射し、その時のレーザ光の減衰量を測定することで、ガスの濃度を推定することができる（特許文献１）。
この原理を発展させたものとして２波長差分方式及び周波数変調方式があり、２波長差分方式では、半導体レーザの発振周波数はＴＨｚオーダの信号であることから、複雑な信号処理を行うことができないのに対して、周波数変調方式では、数ｋＨｚのベースバンド領域で信号処理を行うことができるという利点がある。
【０００３】
この周波数変調方式では、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザの出力が周波数変調され、測定対象ガスに照射される。なお、周波数変調とは、半導体レーザに供給されるドライブ電流を正弦波状にすることである。そして、半導体レーザは、温度や電流によって出射光の波長が変化するので、半導体レーザに供給されるドライブ電流を正弦波状にすることで、半導体レーザの出射光の波長を変調することができる。ここで、測定対象ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、変調周波数ｆｍの２倍の周波数の成分（２倍波成分）が得られる。そして、測定対象ガスの濃度が高いほどレーザ光の吸収量も大きくなるので、２倍波成分の強度も強くなり、この２倍波成分を検出することで、測定対象ガスの濃度を測定することができる。なお、以下の説明では、変調周波数ｆｍを１ｆ、変調周波数ｆｍの２倍波周波数を２ｆとも呼び、２倍波成分を２ｆ成分とも呼ぶ。
【０００４】
図１１は、従来のガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
図１１において、ガス濃度測定装置の受信側には、半導体レーザから出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード１１１、フォトダイオード１１１から出力される電流を電圧に変換するＩ−Ｖ変換回路１１２、Ｉ−Ｖ変換回路１１２から出力された電圧を増幅する増幅器１１３、増幅器１１３を介して出力された信号から変調周波数の２倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ１１４、変調周波数ｆｍの２倍波周波数を持つ２ｆ参照信号を発生する２倍波周波数信号発生部１１５、２ｆ参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ１１４の出力から２ｆ成分を抽出する検波器１１６、検波器１１６の出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ１１７、ローパスフィルタ１１７から出力された電圧を増幅する増幅器１１８が設けられている。
【０００５】
なお、２ｆ参照信号は、レーザ光の変調に使用した信号と一定の位相関係を保つ必要がある。一定の位相関係とは、位相そのものはずれていてもよいが、その位相のずれ量が時間とともに変化しないということである。このような一定の位相関係を保つ方法として、送信側と受信側とで同一の原発振クロックを用いて分周する方法、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）などを用いて一方の信号に他方の信号を同期させる方法などがある。一定の位相関係が保たれた信号を用いない場合、周波数がごくわずかでも異なっていたり、位相関係が徐々にずれたりすることで、検出信号にふらつきが発生する。
【０００６】
また、検波器１１６としては、ミキサを用いることができ、受信信号と参照信号の乗算処理を行うことで、周波数変換を行うことができる。なお、検出信号と参照信号の周波数が同じ場合、ＰＳＤ（Ｐｈａｓｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を用いるようにしてもよい。
検波器１１６の検波方式としては、参照信号の位相に応じてアナログスイッチで信号のオン／オフまたは信号極性を切り替える方式、トランスとダイオードからなる回路にてスイッチングを行うことで信号極性を切り替える方式（ＤＢＭ：Ｄｏｕｂｌｅ Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｍｉｘｅｒ）、アナログ乗算回路を用いる方式などを用いることができる。
【０００７】
そして、例えば、ＮＨ３ガスの濃度を測定する場合、周波数変調されたレーザ光がＮＨ３ガスを通過すると、ＮＨ３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、フォトダイオード１１１に入射し、フォトダイオード１１１にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード１１１にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路１１２にて電圧に変換され、増幅器１１３にて増幅された後、バンドパスフィルタ１１４にて変調周波数の２倍波成分が抽出され、検波器１１６に入力される。そして、２倍周波数信号発生部１１５にて発生された２ｆ参照信号とバンドパスフィルタ１１４からの出力が検波器１１６にて合成されることにより、バンドパスフィルタ１１４からの出力から２ｆ成分が抽出される。そして、検波器１１６にて抽出された２ｆ成分は、ローパスフィルタ１１７にて不要な高域成分が除去された後、増幅器１１８にて増幅され、２ｆ成分検出信号として出力される。
【０００８】
ここで、フォトダイオード１１１にて受光された受光信号は、以下の（１）式で表すことができる。
ｆ（ｔ）＝Ａ０ｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０）＋Ａ１ｓｉｎ（２ω０ｔ＋φ１）
＋Ａ２ｓｉｎ（３ω０ｔ＋φ２）＋・・・ （１）
ただし、ω０＝２πｆ０、ｆ０は１ｆの周波数である。また、φ０、φ１、φ２は、２ｆ参照信号の位相を０とした時の受光信号と２ｆ参照信号との位相差である。
【０００９】
（１）式において、右辺の第１項は、１ｆの周波数変調によって電流が変調されたことによる信号強度の変化を示す。上述したように周波数変調を電流で行っているが、電流を変化させることで波長が変化するとともに、電流の変化によって発光信号の強度も変化する。右辺の第２項は、ガスの吸収スペクトルによって生じる２倍波周波数成分、右辺の第３項は３倍波周波数成分、右辺の第４項は４倍波周波数成分である。なお、ガスによる吸収量は一般的には微弱なものであり、受信信号成分の大部分が右辺の第１項の１ｆ成分である。
【００１０】
検波器１１６では、２ｆ参照信号が受信信号に掛け合わせられる処理が行われるので、１ｆの周波数をｆ０、ω０＝２πｆ０、２ｆ参照信号をｓｉｎ（２ω０ｔ）とすると、検波器１１６にて生成された信号は、以下の（２）式で表すことができる。
ｆ（ｔ）・ｓｉｎ（２ω０ｔ）＝Ａ０ｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０）・ｓｉｎ（２ω０ｔ）
＋Ａ１ｓｉｎ（２ω０ｔ＋φ１）・ｓｉｎ（２ω０ｔ）
＋Ａ２ｓｉｎ（３ω０ｔ＋φ２）・ｓｉｎ（２ω０ｔ）＋・・・
＝−１／２Ａ０［ｃｏｓ｛（ω０＋２ω０）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（ω０−２ω０）ｔ＋φ０｝］
−１／２Ａ１［ｃｏｓ｛（２ω０＋２ω０）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（２ω０−２ω０）ｔ＋φ１｝］
−１／２Ａ２［ｃｏｓ｛（３ω０＋２ω０）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（３ω０−２ω０）ｔ＋φ２｝］＋・・・ （２）
【００１１】
ここで、ローパスフィルタ１１７にてω０以上の周波数成分を十分に減衰させると、ローパスフィルタ１１７から出力される信号は、以下の（３）式で表すことができる。
Ｉ＝１／２Ａ１ｃｏｓφ１ （３）
このように、２ｆ成分が直流に周波数変換され、増幅器１１８から出力される２ｆ成分検出信号は、周波数変調信号と２ｆ参照信号との位相差φ１の値が反映される。例えば、周波数変調信号と２ｆ参照信号との位相差φ１の値がπ／２の場合、ガスの濃度に関わらず検波器１１６の出力は０となる。従って、２ｆ成分を正しく検出するためには、以下のいずれかの方法を採る必要がある。
【００１２】
第１の方法では、周波数変調信号と２ｆ参照信号との位相差が最適化されるように位相を予め調整する方法である。位相の調整方法としては、アナログ移相回路を用いる方法や、２ｆよりも高い原発振信号を分周して周波数変調用の１ｆおよび２ｆ参照信号の２ｆをデジタル回路にて生成する時にデジタル信号の位相をカウンタなどで調整する方法がある。
２ｆ成分を正しく検出するための第２の方法は、検波器を２系統分設け、直交検波を用いる方法である。
【００１３】
図１２は、従来のガス濃度測定装置の受信側のその他の概略構成を示すブロック図である。
図１２において、ガス濃度測定装置の受信側には、半導体レーザから出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード１２１、フォトダイオード１２１から出力される電流を電圧に変換するＩ−Ｖ変換回路１２２、Ｉ−Ｖ変換回路１２２から出力された電圧を増幅する増幅器１２３、増幅器１２３を介して出力された信号から変調周波数の２倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ１２４、変調周波数ｆｍの２倍波周波数を持つ２ｆ（ｓｉｎ）参照信号を発生する２倍波周波数信号発生部１２５ａ、２ｆ（ｓｉｎ）参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ１２４の出力から２ｆ同相成分Ｉを抽出する検波器１２６ａ、検波器１２６ａの出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ１２７ａ、ローパスフィルタ１２７ａから出力された電圧を増幅する増幅器１２８ａ、２ｆ（ｓｉｎ）参照信号に対して９０°だけ位相のずれた２ｆ（ｃｏｓ）参照信号を発生する２倍波周波数信号発生部１２５ｂ、２ｆ（ｃｏｓ）参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ１２４の出力から２ｆ直交成分Ｑを抽出する検波器１２６ｂ、検波器１２６ｂの出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ１２７ｂ、ローパスフィルタ１２７ｂから出力された電圧を増幅する増幅器１２８ｂ、２ｆ同相成分Ｉと２ｆ直交成分Ｑとに基づいて２ｆ成分検出信号を算出する演算回路１２９が設けられている。
【００１４】
そして、例えば、ＮＨ３ガスの濃度を測定する場合、周波数変調されたレーザ光がＮＨ３ガスを通過すると、ＮＨ３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、フォトダイオード１２１に入射し、フォトダイオード１２１にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード１２１にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路１２２にて電圧に変換され、増幅器１２３にて増幅された後、バンドパスフィルタ１２４にて変調周波数の２倍波成分が抽出され、検波器１２６ａ、１２６ｂに入力される。
【００１５】
そして、バンドパスフィルタ１２４からの出力が検波器１２６ａに入力されると、２倍周波数信号発生部１２５ａにて発生された２ｆ（ｓｉｎ）参照信号とバンドパスフィルタ１２４からの出力が検波器１２６ａにて合成されることにより、バンドパスフィルタ１２４からの出力から２ｆ同相成分Ｉが抽出される。そして、検波器１２６ａにて抽出された２ｆ同相成分は、ローパスフィルタ１２７ａにて不要な高域成分が除去された後、増幅器１２８ａにて増幅され、演算回路１２９に出力される。
【００１６】
また、バンドパスフィルタ１２４からの出力が検波器１２６ｂに入力されると、２倍周波数信号発生部１２５ｂにて発生された２ｆ（ｃｏｓ）参照信号とバンドパスフィルタ１２４からの出力が検波器１２６ｂにて合成されることにより、バンドパスフィルタ１２４からの出力から２ｆ直交成分Ｑが抽出される。そして、検波器１２６ｂにて抽出された２ｆ直交成分は、ローパスフィルタ１２７ｂにて不要な高域成分が除去された後、増幅器１２８ｂにて増幅され、演算回路１２９に出力される。
そして、演算回路１２９において、２ｆ同相成分Ｉと２ｆ直交成分Ｑとに基づいて２ｆ成分検出信号が算出され、外部に出力される。
【００１７】
ここで、２ｆ（ｓｉｎ）参照信号をｓｉｎ（２ω０ｔ）、２ｆ（ｃｏｓ）参照信号をｃｏｓ（２ω０ｔ）とし、検波器１２６ｂにて生成された信号をローパスフィルタ１２７ｂにてω０以上の周波数成分を十分に減衰させると、ローパスフィルタ１２７ｂから出力される信号は、以下の（４）式で表すことができる。
Ｉ＝１／２Ａ１ｓｉｎφ１ （４）
そして、（３）式および（４）式を用いることで、以下の（５）式が得られる。
Ｉ２＋Ｑ２＝１／４Ａ１２（ｃｏｓ２φ１＋ｓｉｎ２φ１）＝１／４Ａ１２
Ａ１＝２√（Ｉ２＋Ｑ２） （５）
従って、（５）式の演算を演算回路１２９にて行わせることで、受光信号と参照信号との位相に関係なく、ガス濃度に対応した２ｆ成分検出信号を得ることができる。
【００１８】
図１３は、図１２のガス濃度測定装置の受信側の各部における信号波形を示す図である。なお、横軸は時間軸、縦軸は信号振幅値を示す。また、図１３（ｃ）〜図１３（ｅ）は、一部分の波形を時間軸拡大したものである。また、図１３（ｄ）、図１３（ｅ）は、直交検波の２系統の信号のうち片側の波形を示す。ここで、図１３では、送信側の変調方式として、所定の振幅幅で１ｆの周波数にて変調しながら、変調幅の中心波長を徐々に変えて掃引する方法を用い、その時の各部における信号波形をシミュレーションで算出した。このシミュレーションでは、レーザ光の特性と測定対象ガスの吸光波形は実測データを用いた。また、測定対象ガスとして、ＮＨ３ガスを用いた。
【００１９】
図１３において、ＮＨ３ガスによる吸収を受けたレーザ光がフォトダイオード１２１にて受光されることで、図１３（ａ）の受光信号波形が得られ、図１３（ａ）の受光信号波形の時間軸を拡大すると、図１３（ｃ）の波形が得られる。そして、図１３（ｃ）の波形を２ｆ＝３００ｋＨｚの参照信号と掛け合わせると、図１３（ｄ）の波形が得られ、図１３（ｄ）の高調波成分をローパスフィルタにて減衰させることで、図１３（ｅ）の波形が得られ、２ｆ成分が直流成分に変換される。そして、図１３（ｅ）の信号の直交検波の両側について二乗平均を取ることにより、図１３（ｂ）の２ｆ成分検出信号を得ることができ、２ｆ成分検出信号の大きさはガス濃度に比例することから、２ｆ成分検出信号からガス濃度を算出することができる。
【特許文献１】特開平１０−１４２１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、従来のガス濃度測定装置では、２ｆ成分を直流成分に周波数変換するため、回路系のＤＣオフセット成分やＤＣオフセットドリフトが２ｆ成分検出信号に直接影響を与え、計測精度が劣化するという問題があった。
また、送信側の１ｆ信号と、受信信号から２ｆ成分を検出するための２ｆ参照信号との間に一定の位相関係が要求されるので、送信側と受信側とで信号の受け渡しをする必要があり、信号線を引き回して２ｆ参照信号の基準となる信号を受け渡すか、あるいは受信信号の１ｆ成分からＰＬＬなどの方法で２ｆ参照信号を生成する必要があった。
【００２１】
また、２ｆ成分を正しく検出するために位相を予め調整する方法では、回路系の温度特性や経時変化により位相が変化すると、２ｆ成分検出信号がドリフトしたり、２ｆ成分検出信号の絶対値が経時変化を起こすという問題があった。
一方、２ｆ成分を正しく検出するために直交検波を用いる方法では、検波器以降の回路が２系統分だけ必要となり、回路規模が増大し、コストアップを招くという問題があった。
そこで、本発明の目的は、回路規模の増大を抑制しつつ、ガス濃度の計測精度を向上させることが可能なガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上述した課題を解決するために、請求項１記載のガス濃度測定装置によれば、周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、前記光検出部にて検出された受光信号の変調周波数の２倍の周波数から所定のずらし周波数だけずらされた２倍波ずらし周波数参照信号を発生する２倍波ずらし周波数信号発生部と、前記２倍波ずらし周波数信号発生部にて発生された２倍波ずらし周波数参照信号を前記受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の２倍波成分を周波数変換する周波数変換部と、前記周波数変換部にて周波数変換された信号に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項２記載のガス濃度測定装置によれば、前記周波数変換部にて周波数変換された信号から前記変調周波数以上の成分を減衰させる第１のローパスフィルタと、前記第１のローパスフィルタの出力をピークホールドするピークホールド回路と、前記ピークホールド回路の出力から前記ずらし周波数成分を抽出する第２のローパスフィルタとを備えることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項３記載のガス濃度測定装置によれば、前記周波数変換部にて周波数変換された信号から前記変調周波数以上の成分を減衰させる第１のローパスフィルタと、前記第１のローパスフィルタの出力を全波整流する全波整流器と、前記全波整流器の出力から前記ずらし周波数成分を抽出する第２のローパスフィルタとを備えることを特徴とする。
また、請求項４記載のガス濃度測定装置によれば、前記ずらし周波数は、２倍波成分の時間的変化として検出される周波数の１０倍以上であることを特徴とする。
また、請求項５記載のガス濃度測定装置によれば、前記ずらし周波数は、前記変調周波数の３分の１以下であることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項６記載のガス濃度測定方法によれば、周波数変調されたレーザ光を測定対象ガス中に通過させるステップと、前記測定対象ガス中に通過された前記レーザ光を検出するステップと、前記検出された受光信号の変調周波数の２倍の周波数から所定のずらし周波数だけずらされた２倍波ずらし周波数参照信号を発生するステップと、前記２倍波ずらし周波数参照信号を前記受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の２倍波成分を周波数変換するステップと、前記周波数変換された信号に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を算出するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、２倍波成分の周波数から所定のずらし周波数だけずらされたずらし周波数信号成分に基づいて測定対象ガスの濃度を算出することにより、直交検波を用いることなく、周波数変調信号と２倍波周波数信号との位相差の影響を排除することが可能となるとともに、２倍波成分を直流成分に周波数変換する必要がなくなる。このため、回路系のＤＣオフセット成分やＤＣオフセットドリフトが計測精度に与える影響を軽減することが可能となるとともに、周波数変調信号と２倍波周波数信号との位相差が最適化されるように位相を予め調整する必要がなくなり、回路規模の増大を抑制しつつ、ガス濃度の計測精度を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態に係るガス濃度測定装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示す断面図である。
図１において、ガス濃度測定装置の送信側には、レーザユニット１７から出射されたレーザ光の発光波長を基本波で周波数変調する送信部基板１４、レーザユニット１７から出射されたレーザ光を平行ビームに変換するコリメートレンズ１６およびレーザ素子が搭載されたレーザユニット１７が設けられている。なお、レーザ素子としては半導体レーザを用いることができ、レーザユニット１７には、レーザ素子の温度を検出するサーミスタおよびレーザ素子の温度を調整するペルチェ素子を搭載することができる。
【００２８】
また、ガス濃度測定装置の受信側には、測定対象ガスを透過したレーザ光を集光する集光レンズ２０、測定対象ガスを透過したレーザ光を検出する光検出部２１および測定対象ガスを透過したレーザ光の２倍波周波数から±Δｆだけずらされたずらし周波数に基づいてガスの濃度を算出する受信部基板２２が設けられている。なお、光検出部２１としては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。
【００２９】
ここで、送信部基板１４、コリメートレンズ１６およびレーザユニット１７はハウジング１８に収容されるとともに、集光レンズ２０、光検出部２１および受信部基板２２はハウジング１９に収容されている。そして、煙道などの測定対象ガスが流れる配管などの隔壁１１ａ、１１ｂには、フランジ１２ａ、１２ｂが溶接などの方法にて取り付けられる。そして、送信部基板１４、コリメートレンズ１６およびレーザユニット１７が収容されたハウジング１８は、ウェッジ窓１５ａにて配管内と仕切られるようにしてフランジ１２ａに取り付けられるとともに、集光レンズ２０、光検出部２１および受信部基板２２が収容されたハウジング１９は、ウェッジ窓１５ｂにて配管内と仕切られるようにしてフランジ１２ｂに取り付けられる。
【００３０】
そして、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍでレーザ素子の出力が周波数変調されながら、レーザ光がレーザユニット１７から出射され、コリメートレンズ１６にて平行ビームに変換された後、ウェッジ窓１５ａを介して隔壁１１ａ、１１ｂ間の測定対象ガスを透過する。そして、測定対象ガスを透過したレーザ光は、測定対象ガスのガス分子の吸収線に対応した波長の吸収を受けた後、ウェッジ窓１５ｂを介して集光レンズ２０に入射し、集光レンズ２０にて光検出部２１上に集光される。そして、光検出部２１にレーザ光が入射すると、光検出部２１にて電気信号に変換され、その電気信号が受信部基板２２に送られる。そして、光検出部２１にて変換された電気信号が受信部基板２２に送られると、検出信号の２倍波周波数から±Δｆだけずらされた２倍波ずらし周波数参照信号を受光信号に掛け合わせることにより、受光信号の２倍波成分を周波数変換し、その周波数変換された信号に基づいて、測定対象ガスの濃度を算出することができる。
【００３１】
図２は、本発明の一実施形態に係る周波数変調方式によるガス濃度の測定原理を説明する図である。
図２において、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザの出力を周波数変調し、測定対象ガスに照射されたものとする。ここで、測定対象ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、光検出部２１では変調周波数ｆｍの２倍の周波数の成分（２倍波成分）が得られる。そして、変調周波数ｆｍは任意の周波数でよいので、例えば、変調周波数ｆｍを数ｋＨｚ程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）または汎用のプロセッサを用い高度な信号処理を施すことが可能となる。
【００３２】
そして、半導体レーザと光検出部２１との距離に起因するレーザ光の減衰量の影響を周波数変調方式にてキャンセルするためには、半導体レーザの出力に周波数変調を行うと同時に変調周波数ｆｍで振幅変調を行えばよく、半導体レーザの出力に周波数変調をかけることで振幅変調もかけることができる。そして、光検出部２１でエンベロープ検波を行うことで振幅変調による基本波成分を推定することができ、この基本波成分の振幅と２倍波成分の振幅の比を位相同期させて取ることで、半導体レーザと光検出部２１との距離に依存することなく、測定対象ガスの濃度に比例した値を得ることができる。
【００３３】
図３は、本発明の一実施形態に係る駆動電流と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図３において、半導体レーザの発光波長は駆動電流が増加するに従って長くなる。このため、半導体レーザの駆動電流を制御することにより、半導体レーザの発光波長を調整することができる。
図４は、本発明の一実施形態に係る温度と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図４において、半導体レーザの発光波長は温度が増加するに従って長くなる。このため、半導体レーザの温度を制御することにより、半導体レーザの発光波長を調整することができる。
【００３４】
図５は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の送信側の概略構成を示すブロック図である。
図５において、ガス濃度測定装置の送信側には、半導体レーザ３６が設けられ、半導体レーザ３６には、半導体レーザ３６の温度を検出するサーミスタ３７および半導体レーザ３６の温度を調整するペルチェ素子３８が搭載されている。
また、サーミスタ３７にて検出された温度に基づいてペルチェ素子３８を駆動することにより、半導体レーザ３６の温度を制御する温度制御部３５、半導体レーザ３６から出射されるレーザ光の波長をスキャンさせる波長走査信号Ｓ１を発生させる波長走査駆動信号発生器３１、半導体レーザ３６から出射されるレーザ光を周波数変調する高周波信号Ｓ２を発生させる高周波変調信号発生部３２、波長走査信号Ｓ１と高周波信号Ｓ２を合成する合成器３３、波長走査信号Ｓ１と高周波信号Ｓ２とが合成された信号に基づいて半導体レーザ３６を駆動する電流を制御する電流制御部３４が設けられている。
【００３５】
図６は、ＮＨ３ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図である。
図６において、ＮＨ３ガスでは、１５１２ｎｍ付近に吸収波長帯のピークがある。このため、波長走査駆動信号発生器３１は、周波数変調されたレーザ光の発光波長が１５１２ｎｍ付近をスキャンするように半導体レーザ３６の駆動電流を変化させることで、ＮＨ３ガス中でレーザ光を吸収させ、ＮＨ３ガスの濃度を計測させることができる。また、温度制御部３５は、ペルチェ素子３８を駆動することにより、波長スキャン時の中心部分でＮＨ３ガスの濃度が検出されるように半導体レーザ３６の温度を事前に設定することができる。
【００３６】
図７は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
図７において、ガス濃度測定装置の受信側には、図５の半導体レーザ３６から出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード４１、フォトダイオード４１から出力される電流を電圧に変換するＩ−Ｖ変換回路４２、Ｉ−Ｖ変換回路４２から出力された電圧を増幅する増幅器４３、増幅器４３を介して出力された信号から変調周波数の２倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ４４、変調周波数ｆｍの２倍波周波数からずらし周波数Δｆだけずらされた周波数（２ｆ＋Δｆ）を持つ（２ｆ＋Δｆ）参照信号を発生する２倍波ずらし周波数信号発生部４５、（２ｆ＋Δｆ）参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ４４の出力からΔｆ成分を生成する検波器４６、検波器４６の出力から１ｆ以上の高域成分を減衰させるローパスフィルタ４７、ローパスフィルタ４７から出力された電圧を増幅する増幅器４８、増幅器４８の出力をピークホールドするピークホールド回路４９およびピークホールド回路４９の出力からΔｆ成分を抽出するローパスフィルタ５０が設けられている。
【００３７】
図８は、本発明の一実施形態に係る波長スキャン方式によるガス濃度の測定方法を示す図である。ここで、図５の波長走査信号Ｓ１は、波長走査信号Ｓ１の強度が一定に保たれた部分７３と、波長走査信号Ｓ１の強度が台形状に直線的に増加する部分７２と、波長走査信号Ｓ１の強度が０である部分７４とから構成することができる。なお、図８の例では、測定対象ガスとして、ＮＨ３ガスを例にとった。
そして、ＮＨ３ガスの濃度を測定する場合、図５の温度制御部３５は、ペルチェ素子３８を駆動することにより、波長走査信号Ｓ１の中心部分でＮＨ３ガスの濃度が検出されるように半導体レーザ３６の温度を事前に設定する。
【００３８】
そして、図５の波長走査駆動信号発生器３１は、半導体レーザ３６の発光を安定化させるために、波長走査信号Ｓ１の強度が半導体レーザ３６のスレッショルドカレント以上になるようにして一定に保ちながら、波長走査信号Ｓ１の７３の部分を合成器３３に出力するとともに、高周波変調信号発生部３２は１０ｋＨｚ程度の正弦波からなら高周波信号Ｓ２を合成器３３に出力する。
そして、波長走査信号Ｓ１の７３の部分と高周波信号Ｓ２とは合成器３３にて合成され、波長走査信号Ｓ１の７３の部分と高周波信号Ｓ２とが合成された信号に基づいて半導体レーザ３６の電流が制御されることにより、ＮＨ３ガスによる吸収を受けない波長λ１を中心として１０ｋＨｚ程度の正弦波にてレーザ光が周波数変調される。
【００３９】
そして、周波数変調されたレーザ光はＮＨ３ガスを通過すると、ＮＨ３ガスによる吸収を受けることなく図７のフォトダイオード４１に入射し、フォトダイオード４１にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード４１にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路４２にて電圧に変換され、増幅器４３およびバンドパスフィルタ４４を介して検波器４６に入力される。そして、２倍波ずらし周波数信号発生部４５にて発生された（２ｆ＋Δｆ）参照信号とバンドパスフィルタ４４からの出力が検波器４６にて合成され、ローパスフィルタ４７にて１ｆ以上の高域成分を十分減衰させることにより、バンドパスフィルタ４４の出力からΔｆ成分が抽出される。
【００４０】
ここで、波長λ１を中心として周波数変調されたレーザ光はＮＨ３ガスによる吸収を受けないため、検波器４６の出力から高周波信号Ｓ２の２倍の周波数成分が抽出されることはなく、検波器４６からの出力は一定となる。
次に、図５の波長走査駆動信号発生器３１は、ＮＨ３ガスの吸収波長帯をスキャンさせるために、波長走査信号Ｓ１の強度を台形状に直線的に増加させながら、波長走査信号Ｓ１の７２の部分を合成器３３に出力するとともに、高周波変調信号発生部３２は１０ｋＨｚ程度の正弦波からなら高周波信号Ｓ２を合成器３３に出力する。なお、ＮＨ３ガスの濃度を測定する場合、波長走査駆動信号発生器３１は、０．２ｎｍ程度の線幅をスキャンできるように波長走査信号Ｓ１を発生することができる。
【００４１】
そして、波長走査信号Ｓ１の７２の部分と高周波信号Ｓ２とは合成器３３にて合成され、波長走査信号Ｓ１の７２の部分と高周波信号Ｓ２とが合成された信号に基づいて半導体レーザ３６の電流が制御されることにより、ＮＨ３ガスの吸収波長帯を含むように波長λ２から波長λ３までの範囲を中心として１０ｋＨｚ程度の正弦波にてレーザ光が周波数変調される。
【００４２】
そして、周波数変調されたレーザ光がＮＨ３ガスを通過すると、ＮＨ３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、図７のフォトダイオード４１に入射し、フォトダイオード４１にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード４１にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路４２にて電圧に変換され、増幅器４３にて増幅された後、バンドパスフィルタ４４にて変調周波数の２倍波成分が抽出され、検波器４６に入力される。そして、２倍周波数信号発生部４５にて発生された（２ｆ＋Δｆ）参照信号とバンドパスフィルタ４４からの出力が検波器４６にて合成されることにより、バンドパスフィルタ４４からの出力から２ｆ成分が生成される。ここで、ＮＨ３ガスの吸収波長帯を含むように波長λ２から波長λ３までの範囲を中心として周波数変調されたレーザ光はＮＨ３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けるため、検波器４６から出力されるエンベロープ波形はＮＨ３ガスによる吸収波形に対応した値となる。そして、検波器４６にて生成された２ｆ成分は、ローパスフィルタ４７にて１ｆ以上の高域成分が十分減衰された後、増幅器４８にて増幅され、ピークホールド回路４９に入力される。そして、増幅器４８の出力はピークホールド回路４９にてピークホールドされ、そのピークホールド値からΔｆ成分がローパスフィルタ５０に抽出されることで、２ｆ成分検出信号として出力される。
【００４３】
これにより、２倍波成分の周波数から±Δｆだけずらされたずらし周波数信号成分に基づいて測定対象ガスの濃度を算出することができ、直交検波を用いることなく、周波数変調信号と２倍波周波数信号との位相差の影響を排除することが可能となるとともに、２倍波成分を直流成分に周波数変換する必要がなくなる。このため、回路系のＤＣオフセット成分やＤＣオフセットドリフトが計測精度に与える影響を軽減することが可能となるとともに、周波数変調信号と２倍波周波数信号との位相差が最適化されるように位相を予め調整する必要がなくなり、回路規模の増大を抑制しつつ、ガス濃度の計測精度を向上させることが可能となる。
【００４４】
ここで、検波器４６では、変調周波数ｆｍの２倍波周波数からずらし周波数Δｆだけ正方向にずらされた周波数（２ｆ＋Δｆ）を持つ（２ｆ＋Δｆ）参照信号が（１）式の受信信号に掛け合わせられる処理が行われるので、１ｆの周波数をｆ０、ω０＝２πｆ０、（２ｆ＋Δｆ）参照信号をｓｉｎ（（２ω０＋Δω）ｔ）とすると、検波器４６にて生成された信号は、以下の（６）式で表すことができる。
ｆ（ｔ）・ｓｉｎ（（２ω０＋Δω）ｔ）
＝Ａ０ｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０）・ｓｉｎ（２ω０＋Δω）ｔ）
＋Ａ１ｓｉｎ（２ω０ｔ＋φ１）・ｓｉｎ（２ω０＋Δω）ｔ）
＋Ａ２ｓｉｎ（３ω０ｔ＋φ２）・ｓｉｎ（２ω０＋Δω）ｔ）＋・・・
＝−１／２Ａ０［ｃｏｓ｛（ω０＋２ω０＋Δω）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（ω０−２ω０−Δω）ｔ＋φ０｝］
−１／２Ａ１［ｃｏｓ｛（２ω０＋２ω０＋Δω）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（２ω０−２ω０−Δω）ｔ＋φ１｝］
−１／２Ａ２［ｃｏｓ｛（３ω０＋２ω０＋Δω）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（３ω０−２ω０−Δω）ｔ＋φ２｝］＋・・・ （６）
【００４５】
ここで、ローパスフィルタ４７にてω０以上の周波数成分を十分に減衰させると、以下の（７）式で表される信号を得ることができる。
Ｉ＝１／２Ａ１ｃｏｓ（−Δωｔ＋φ１） （７）
一方、検波器４６では、変調周波数ｆｍの２倍波周波数からずらし周波数Δｆだけ負方向にずらされた周波数（２ｆ−Δｆ）を持つ（２ｆ−Δｆ）参照信号が（１）式の受信信号に掛け合わせられる処理を行うようにしてもよく、１ｆの周波数をｆ０、ω０＝２πｆ０、（２ｆ−Δｆ）参照信号をｓｉｎ（（２ω０−Δω）ｔ）とすると、検波器４６にて生成された信号は、以下の（６）´式で表すことができる。
ｆ（ｔ）・ｓｉｎ（（２ω０−Δω）ｔ）
＝Ａ０ｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０）・ｓｉｎ（２ω０−Δω）ｔ）
＋Ａ１ｓｉｎ（２ω０ｔ＋φ１）・ｓｉｎ（２ω０−Δω）ｔ）
＋Ａ２ｓｉｎ（３ω０ｔ＋φ２）・ｓｉｎ（２ω０−Δω）ｔ）＋・・・
＝−１／２Ａ０［ｃｏｓ｛（ω０＋２ω０−Δω）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（ω０−２ω０＋Δω）ｔ＋φ０｝］
−１／２Ａ１［ｃｏｓ｛（２ω０＋２ω０−Δω）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（２ω０−２ω０＋Δω）ｔ＋φ１｝］
−１／２Ａ２［ｃｏｓ｛（３ω０＋２ω０−Δω）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（３ω０−２ω０＋Δω）ｔ＋φ２｝］＋・・・ （６）´
【００４６】
ここで、ローパスフィルタ４７にてω０以上の周波数成分を十分に減衰させると、以下の（７）´式で表される信号を得ることができる。
Ｉ＝１／２Ａ１ｃｏｓ（＋Δωｔ＋φ１） （７）´
ここで、Δωの符号およびφ１は、（１）式の受信信号の位相には影響があるが、周波数および振幅には影響がない。従って、フォトダイオード４１にて受光された２ｆ成分は、検波器４６にてΔｆの周波数の信号に変換される。そして、このΔｆの周波数の信号を、ピークホールド回路４９にてピークホールドし、ローパスフィルタ５０にて高域成分を減衰させることで、Δｆ成分を抽出することができる。
【００４７】
例えば、レーザ光の周波数変調を１００ｋＨｚで行った場合、吸光スペクトルによって生じる２ｆ成分は２００ｋＨｚであるが、（２ｆ＋Δｆ）参照信号の周波数を２１０ｋＨｚとすると、検波後の２ｆ成分として１０ｋＨｚの信号が得られる。（６）式に示すように、検波器４６の乗算により生じる高調波成分は（ω０−Δω）以上の角周波数、すなわち（ｆ０−Δｆ）以上の周波数である。このため、ローパスフィルタ４７の特性は、Δｆ成分を減衰させないようにしながら、（ｆ０−Δｆ）以上の周波数成分を減衰させるように構成すればよく、レーザ光の変調周波数が１００ｋＨｚ、（２ｆ＋Δｆ）参照信号の周波数が２１０ｋＨｚの場合、１０ｋＨｚの成分を減衰させないようにしながら、９０ｋＨｚ以上の周波数成分を減衰させればよい。なお、レーザ光の変調周波数ｆ０とずらし周波数Δｆとの差が大きいほど、ローパスフィルタ４７の実現が容易になる。
【００４８】
図９は、図３のガス濃度測定装置の受信側の各部における信号波形を示す図である。なお、横軸は時間軸、縦軸は信号振幅値を示す。また、図９（ｃ）〜図９（ｅ）は、一部分の波形を時間軸拡大したものである。ここで、図９では、図１３の波形と比較するために、送信側の変調方式として、所定の振幅幅で１ｆの周波数にて変調しながら、変調幅の中心波長を徐々に変えて掃引する方法を用い、その時の各部における信号波形をシミュレーションで算出した。このシミュレーションでは、レーザ光の特性と測定対象ガスの吸光波形は実測データを用いた。また、測定対象ガスとして、ＮＨ３ガスを用いた。
【００４９】
図９において、ＮＨ３ガスによる吸収を受けたレーザ光が図７のフォトダイオード４１にて受光されることで、図９（ａ）の受光信号波形が得られ、図９（ａ）の受光信号波形の時間軸を拡大すると、図９（ｃ）の波形が得られる。そして、Δｆ＝３０ｋＨｚとし、図９（ｃ）の波形を（２ｆ＋Δｆ）＝３３０ｋＨｚの周波数を持つ参照信号と掛け合わせると、図９（ｄ）の波形が得られ、図９（ｄ）の波形の３０ｋＨｚ以下の成分を残しつつ、高調波成分をローパスフィルタ４７にて減衰させることで、図９（ｅ）の波形が得られる。そして、図９（ｅ）の信号をピークホールド回路４９にてピークホールドさせた後、ローパスフィルタ５０を通過させることで、図９（ｂ）の２ｆ成分検出信号を得ることができる。ここで、図７のピークホールド回路４９を所定の時定数で放電するように構成することで、図９（ｅ）の波形のエンベロ−プを良好に検出することができる。図９（ｂ）の波形と図１３（ｂ）の波形を比較すると、ほとんど同様の波形を得ることができ、受光信号に掛け合わされる参照信号の周波数を、変調周波数ｆｍの２倍波周波数から±Δｆだけずらした場合においても、２ｆ成分を良好に検出することができる。
【００５０】
なお、図９（ｅ）の波形のエンベロ−プを検出するために、ピークホールドの代わりに全波整流回路または絶対値回路を用いることにより、図９（ｅ）の波形を電圧０の値から正側にのみ折り返し、ローパスフィルタを通過させることで、図９（ｆ）の波形を得ることができる。ただし、この場合には、Δｆ成分のＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）値が検出されるため、図９（ｂ）の波形とは信号電圧の絶対値が異なる。
【００５１】
図１０は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の受信側のその他の概略構成を示すブロック図である。
図１０において、ガス濃度測定装置の受信側には、図７のピークホールド回路４９の代わりに全波整流器６９が設けられている。
そして、増幅器４８から出力された信号は全波整流器６９にて全波整流され、その全波整流された値からΔｆ成分がローパスフィルタ５０に抽出されることで、２ｆ成分検出信号として出力される。
あるいは、ガス濃度測定装置の受信側には、図７のピークホールド回路４９と図１０の全波整流器６９の双方を設け、全波整流を行ってからピークホールドを行うようにしてもよい。これにより、図７のピークホールド回路４９のみを設けた場合に比べて、ピークホールドによる波形変動を減少させることができる。
【００５２】
なお、図９（ｅ）の波形から図９（ｂ）または図９（ｆ）の信号を得るに当たっては、ピークホールドや全波整流によって生じる波形の変動を図７および図１０のローパスフィルタ５０にて減衰させることで滑らかにしている。この場合、２ｆ成分検出信号は、レーザ光の周波数変調時の中心波形がスキャンされることで時間的にレベルが変化することから、その時間的なレベルの変化分がローパスフィルタ５０にて減衰されないようにする必要がある。従って、図８の波長スキャン方式によって生じる２ｆ成分検出信号のレベルの変動周波数に対し、ずらし周波数Δｆは１０倍以上に設定することが好ましい。例えば、図８の波長スキャン方式によって生じる２ｆ成分検出信号のレベルの変動周波数が１ｋＨｚである場合、ずらし周波数Δｆは１０ｋＨｚ以上に設定することが好ましい。
【００５３】
ただし、レーザ光の変調周波数１ｆを変化させることなく、ずらし周波数Δｆのみを大きくすると、検波後の高調波成分のうち最も低い周波数成分（１ｆ−Δｆ）がΔｆに近づく。例えば、変調周波数１ｆが１５０ｋＨｚでずらし周波数Δｆを７０ｋＨｚとすると、２ｆ成分は７０ｋＨｚに変換される一方、検波後の高調波成分のうち最も低い周波数成分（１ｆ−Δｆ）は８０ｋＨｚとなり、検波後の高調波成分のうち最も低い周波数成分（１ｆ−Δｆ）をローパスフィルタ４７で除去するのが困難になる。さらに、ずらし周波数Δｆが７５ｋＨｚより大きくなると、検波後の高調波成分のうち最も低い周波数成分（１ｆ−Δｆ）の方がずらし周波数Δｆより低くなり、Δｆ成分を抽出するのが困難になる。
【００５４】
一般的なフィルタを用いた場合、検波後の高調波成分のうち最も低い周波数成分（１ｆ−Δｆ）がずらし周波数Δｆの２倍以上でないと、フィルタでの弁別が困難となることから、ずらし周波数Δｆは変調周波数１ｆの１／３に設定することが好ましい。
また、ローパスフィルタ５０の通過後の図９（ｅ）の信号の周波数はΔｆであり、図９（ｅ）の信号にはＤＣ成分が含まれない。このため、ＤＣ成分をカットできるようにローパスフィルタ５０をＡＣ結合してもよいし、カットオフ周波数がΔｆ以下のハイパスフィルタをローパスフィルタ５０の後段に挿入するようにしてもよい。これにより、回路系のＤＣオフセットやＤＣオフセット変動の影響を受け難くすることができる。
【００５５】
このように、上述した実施形態では、２倍波成分の周波数から±Δｆだけずらされたずらし周波数信号成分に基づいて測定対象ガスの濃度を算出することにより、検波器４６を一系統分だけよく、しかも送信側の変調波と受信側の参照波との位相合わせも不要とすることができ、変調波と参照波との位相差のドリフトの影響を受け難くすることが可能となるとともに、回路系のＤＣオフセットやＤＣオフセット変動の影響を受け難くすることができる。
また、送信側の変調のためのタイミングと受信側の参照波との間で一定の位相関係を保つ必要がなくなるため、送受信間でタイミング信号を受け渡したり、受光信号からＰＬＬにて同期クロック信号を作成したりする必要がなくなり、装置構成を簡潔化することができる。
【００５６】
なお、上述した実施形態では、送信側の変調方式として、所定の振幅幅で１ｆの周波数にて変調しながら、変調幅の中心波長を徐々に変えて掃引する方法について説明したが、特許文献１に開示されているように、変調の中心波長が常に吸収波長に一致するように制御するようにしてもよい。この場合には、２ｆ成分の時間的変化の速度は、ガス濃度の変化の速度に対応し、比較的ゆっくり変化するようになる。このため、図８の波長スキャン方式に比べて、図７および図１０のローパスフィルタ５０のカットオフ周波数を下げることができ、ずらし周波数Δｆも低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る周波数変調方式によるガス濃度の測定原理を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る駆動電流と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る温度と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の送信側の概略構成を示すブロック図である。
【図６】ＮＨ３ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る波長スキャン方式によるガス濃度の測定方法を示す図である。
【図９】図３のガス濃度測定装置の受信側の各部における信号波形を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の受信側のその他の概略構成を示すブロック図である。
【図１１】従来のガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
【図１２】従来のガス濃度測定装置の受信側のその他の概略構成を示すブロック図である。
【図１３】図１２のガス濃度測定装置の受信側の各部における信号波形を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１１ａ、１１ｂ 隔壁
１２ａ、１２ｂ フランジ
１４ 送信部基板
１５ａ、１５ｂ ウェッジ窓
１６ コリメートレンズ
１７ レーザユニット
１８、１９ ハウジング
２０ 集光レンズ
２１ 光検出部
２２ 受信部基板
３１ 波長走査駆動信号発生器
３２ 高周波変調信号発生部
３３ 合成器
３４ 電流制御部
３５ 温度制御部
３６ 半導体レーザ
３７ サーミスタ
３８ ペルチェ素子
４１ フォトダイオード
４２ Ｉ／Ｖ変換回路
４３、４８ 増幅器
４４ バンドパスフィルタ
４５ ２倍波ずらし周波数信号発生部
４６ 検波器
４７、５０ ローパスフィルタ
４９ ピークホールド回路
６９ 全波整流器
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法に関し、特に、周波数変調されたレーザ光を用いてガスの濃度を測定する方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
気体状のガス分子にはそれぞれ固有の光吸収スペクトルが有ることが知られており、ガス分子の吸収線の中心周波数における減衰量はガスの濃度に比例する。このため、ガス分子の吸収線の中心周波数に一致した発振周波数をもつ半導体レーザ光をガスに照射し、その時のレーザ光の減衰量を測定することで、ガスの濃度を推定することができる（特許文献１）。
この原理を発展させたものとして２波長差分方式及び周波数変調方式があり、２波長差分方式では、半導体レーザの発振周波数はＴＨｚオーダの信号であることから、複雑な信号処理を行うことができないのに対して、周波数変調方式では、数ｋＨｚのベースバンド領域で信号処理を行うことができるという利点がある。
【０００３】
この周波数変調方式では、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザの出力が周波数変調され、測定対象ガスに照射される。なお、周波数変調とは、半導体レーザに供給されるドライブ電流を正弦波状にすることである。そして、半導体レーザは、温度や電流によって出射光の波長が変化するので、半導体レーザに供給されるドライブ電流を正弦波状にすることで、半導体レーザの出射光の波長を変調することができる。ここで、測定対象ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、変調周波数ｆｍの２倍の周波数の成分（２倍波成分）が得られる。そして、測定対象ガスの濃度が高いほどレーザ光の吸収量も大きくなるので、２倍波成分の強度も強くなり、この２倍波成分を検出することで、測定対象ガスの濃度を測定することができる。なお、以下の説明では、変調周波数ｆｍを１ｆ、変調周波数ｆｍの２倍波周波数を２ｆとも呼び、２倍波成分を２ｆ成分とも呼ぶ。
【０００４】
図１１は、従来のガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
図１１において、ガス濃度測定装置の受信側には、半導体レーザから出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード１１１、フォトダイオード１１１から出力される電流を電圧に変換するＩ−Ｖ変換回路１１２、Ｉ−Ｖ変換回路１１２から出力された電圧を増幅する増幅器１１３、増幅器１１３を介して出力された信号から変調周波数の２倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ１１４、変調周波数ｆｍの２倍波周波数を持つ２ｆ参照信号を発生する２倍波周波数信号発生部１１５、２ｆ参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ１１４の出力から２ｆ成分を抽出する検波器１１６、検波器１１６の出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ１１７、ローパスフィルタ１１７から出力された電圧を増幅する増幅器１１８が設けられている。
【０００５】
なお、２ｆ参照信号は、レーザ光の変調に使用した信号と一定の位相関係を保つ必要がある。一定の位相関係とは、位相そのものはずれていてもよいが、その位相のずれ量が時間とともに変化しないということである。このような一定の位相関係を保つ方法として、送信側と受信側とで同一の原発振クロックを用いて分周する方法、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）などを用いて一方の信号に他方の信号を同期させる方法などがある。一定の位相関係が保たれた信号を用いない場合、周波数がごくわずかでも異なっていたり、位相関係が徐々にずれたりすることで、検出信号にふらつきが発生する。
【０００６】
また、検波器１１６としては、ミキサを用いることができ、受信信号と参照信号の乗算処理を行うことで、周波数変換を行うことができる。なお、検出信号と参照信号の周波数が同じ場合、ＰＳＤ（Ｐｈａｓｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を用いるようにしてもよい。
検波器１１６の検波方式としては、参照信号の位相に応じてアナログスイッチで信号のオン／オフまたは信号極性を切り替える方式、トランスとダイオードからなる回路にてスイッチングを行うことで信号極性を切り替える方式（ＤＢＭ：Ｄｏｕｂｌｅ Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｍｉｘｅｒ）、アナログ乗算回路を用いる方式などを用いることができる。
【０００７】
そして、例えば、ＮＨ３ガスの濃度を測定する場合、周波数変調されたレーザ光がＮＨ３ガスを通過すると、ＮＨ３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、フォトダイオード１１１に入射し、フォトダイオード１１１にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード１１１にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路１１２にて電圧に変換され、増幅器１１３にて増幅された後、バンドパスフィルタ１１４にて変調周波数の２倍波成分が抽出され、検波器１１６に入力される。そして、２倍周波数信号発生部１１５にて発生された２ｆ参照信号とバンドパスフィルタ１１４からの出力が検波器１１６にて合成されることにより、バンドパスフィルタ１１４からの出力から２ｆ成分が抽出される。そして、検波器１１６にて抽出された２ｆ成分は、ローパスフィルタ１１７にて不要な高域成分が除去された後、増幅器１１８にて増幅され、２ｆ成分検出信号として出力される。
【０００８】
ここで、フォトダイオード１１１にて受光された受光信号は、以下の（１）式で表すことができる。
ｆ（ｔ）＝Ａ０ｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０）＋Ａ１ｓｉｎ（２ω０ｔ＋φ１）
＋Ａ２ｓｉｎ（３ω０ｔ＋φ２）＋・・・ （１）
ただし、ω０＝２πｆ０、ｆ０は１ｆの周波数である。また、φ０、φ１、φ２は、２ｆ参照信号の位相を０とした時の受光信号と２ｆ参照信号との位相差である。
【０００９】
（１）式において、右辺の第１項は、１ｆの周波数変調によって電流が変調されたことによる信号強度の変化を示す。上述したように周波数変調を電流で行っているが、電流を変化させることで波長が変化するとともに、電流の変化によって発光信号の強度も変化する。右辺の第２項は、ガスの吸収スペクトルによって生じる２倍波周波数成分、右辺の第３項は３倍波周波数成分、右辺の第４項は４倍波周波数成分である。なお、ガスによる吸収量は一般的には微弱なものであり、受信信号成分の大部分が右辺の第１項の１ｆ成分である。
【００１０】
検波器１１６では、２ｆ参照信号が受信信号に掛け合わせられる処理が行われるので、１ｆの周波数をｆ０、ω０＝２πｆ０、２ｆ参照信号をｓｉｎ（２ω０ｔ）とすると、検波器１１６にて生成された信号は、以下の（２）式で表すことができる。
ｆ（ｔ）・ｓｉｎ（２ω０ｔ）＝Ａ０ｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０）・ｓｉｎ（２ω０ｔ）
＋Ａ１ｓｉｎ（２ω０ｔ＋φ１）・ｓｉｎ（２ω０ｔ）
＋Ａ２ｓｉｎ（３ω０ｔ＋φ２）・ｓｉｎ（２ω０ｔ）＋・・・
＝−１／２Ａ０［ｃｏｓ｛（ω０＋２ω０）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（ω０−２ω０）ｔ＋φ０｝］
−１／２Ａ１［ｃｏｓ｛（２ω０＋２ω０）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（２ω０−２ω０）ｔ＋φ１｝］
−１／２Ａ２［ｃｏｓ｛（３ω０＋２ω０）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（３ω０−２ω０）ｔ＋φ２｝］＋・・・ （２）
【００１１】
ここで、ローパスフィルタ１１７にてω０以上の周波数成分を十分に減衰させると、ローパスフィルタ１１７から出力される信号は、以下の（３）式で表すことができる。
Ｉ＝１／２Ａ１ｃｏｓφ１ （３）
このように、２ｆ成分が直流に周波数変換され、増幅器１１８から出力される２ｆ成分検出信号は、周波数変調信号と２ｆ参照信号との位相差φ１の値が反映される。例えば、周波数変調信号と２ｆ参照信号との位相差φ１の値がπ／２の場合、ガスの濃度に関わらず検波器１１６の出力は０となる。従って、２ｆ成分を正しく検出するためには、以下のいずれかの方法を採る必要がある。
【００１２】
第１の方法では、周波数変調信号と２ｆ参照信号との位相差が最適化されるように位相を予め調整する方法である。位相の調整方法としては、アナログ移相回路を用いる方法や、２ｆよりも高い原発振信号を分周して周波数変調用の１ｆおよび２ｆ参照信号の２ｆをデジタル回路にて生成する時にデジタル信号の位相をカウンタなどで調整する方法がある。
２ｆ成分を正しく検出するための第２の方法は、検波器を２系統分設け、直交検波を用いる方法である。
【００１３】
図１２は、従来のガス濃度測定装置の受信側のその他の概略構成を示すブロック図である。
図１２において、ガス濃度測定装置の受信側には、半導体レーザから出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード１２１、フォトダイオード１２１から出力される電流を電圧に変換するＩ−Ｖ変換回路１２２、Ｉ−Ｖ変換回路１２２から出力された電圧を増幅する増幅器１２３、増幅器１２３を介して出力された信号から変調周波数の２倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ１２４、変調周波数ｆｍの２倍波周波数を持つ２ｆ（ｓｉｎ）参照信号を発生する２倍波周波数信号発生部１２５ａ、２ｆ（ｓｉｎ）参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ１２４の出力から２ｆ同相成分Ｉを抽出する検波器１２６ａ、検波器１２６ａの出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ１２７ａ、ローパスフィルタ１２７ａから出力された電圧を増幅する増幅器１２８ａ、２ｆ（ｓｉｎ）参照信号に対して９０°だけ位相のずれた２ｆ（ｃｏｓ）参照信号を発生する２倍波周波数信号発生部１２５ｂ、２ｆ（ｃｏｓ）参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ１２４の出力から２ｆ直交成分Ｑを抽出する検波器１２６ｂ、検波器１２６ｂの出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ１２７ｂ、ローパスフィルタ１２７ｂから出力された電圧を増幅する増幅器１２８ｂ、２ｆ同相成分Ｉと２ｆ直交成分Ｑとに基づいて２ｆ成分検出信号を算出する演算回路１２９が設けられている。
【００１４】
そして、例えば、ＮＨ３ガスの濃度を測定する場合、周波数変調されたレーザ光がＮＨ３ガスを通過すると、ＮＨ３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、フォトダイオード１２１に入射し、フォトダイオード１２１にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード１２１にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路１２２にて電圧に変換され、増幅器１２３にて増幅された後、バンドパスフィルタ１２４にて変調周波数の２倍波成分が抽出され、検波器１２６ａ、１２６ｂに入力される。
【００１５】
そして、バンドパスフィルタ１２４からの出力が検波器１２６ａに入力されると、２倍周波数信号発生部１２５ａにて発生された２ｆ（ｓｉｎ）参照信号とバンドパスフィルタ１２４からの出力が検波器１２６ａにて合成されることにより、バンドパスフィルタ１２４からの出力から２ｆ同相成分Ｉが抽出される。そして、検波器１２６ａにて抽出された２ｆ同相成分は、ローパスフィルタ１２７ａにて不要な高域成分が除去された後、増幅器１２８ａにて増幅され、演算回路１２９に出力される。
【００１６】
また、バンドパスフィルタ１２４からの出力が検波器１２６ｂに入力されると、２倍周波数信号発生部１２５ｂにて発生された２ｆ（ｃｏｓ）参照信号とバンドパスフィルタ１２４からの出力が検波器１２６ｂにて合成されることにより、バンドパスフィルタ１２４からの出力から２ｆ直交成分Ｑが抽出される。そして、検波器１２６ｂにて抽出された２ｆ直交成分は、ローパスフィルタ１２７ｂにて不要な高域成分が除去された後、増幅器１２８ｂにて増幅され、演算回路１２９に出力される。
そして、演算回路１２９において、２ｆ同相成分Ｉと２ｆ直交成分Ｑとに基づいて２ｆ成分検出信号が算出され、外部に出力される。
【００１７】
ここで、２ｆ（ｓｉｎ）参照信号をｓｉｎ（２ω０ｔ）、２ｆ（ｃｏｓ）参照信号をｃｏｓ（２ω０ｔ）とし、検波器１２６ｂにて生成された信号をローパスフィルタ１２７ｂにてω０以上の周波数成分を十分に減衰させると、ローパスフィルタ１２７ｂから出力される信号は、以下の（４）式で表すことができる。
Ｉ＝１／２Ａ１ｓｉｎφ１ （４）
そして、（３）式および（４）式を用いることで、以下の（５）式が得られる。
Ｉ２＋Ｑ２＝１／４Ａ１２（ｃｏｓ２φ１＋ｓｉｎ２φ１）＝１／４Ａ１２
Ａ１＝２√（Ｉ２＋Ｑ２） （５）
従って、（５）式の演算を演算回路１２９にて行わせることで、受光信号と参照信号との位相に関係なく、ガス濃度に対応した２ｆ成分検出信号を得ることができる。
【００１８】
図１３は、図１２のガス濃度測定装置の受信側の各部における信号波形を示す図である。なお、横軸は時間軸、縦軸は信号振幅値を示す。また、図１３（ｃ）〜図１３（ｅ）は、一部分の波形を時間軸拡大したものである。また、図１３（ｄ）、図１３（ｅ）は、直交検波の２系統の信号のうち片側の波形を示す。ここで、図１３では、送信側の変調方式として、所定の振幅幅で１ｆの周波数にて変調しながら、変調幅の中心波長を徐々に変えて掃引する方法を用い、その時の各部における信号波形をシミュレーションで算出した。このシミュレーションでは、レーザ光の特性と測定対象ガスの吸光波形は実測データを用いた。また、測定対象ガスとして、ＮＨ３ガスを用いた。
【００１９】
図１３において、ＮＨ３ガスによる吸収を受けたレーザ光がフォトダイオード１２１にて受光されることで、図１３（ａ）の受光信号波形が得られ、図１３（ａ）の受光信号波形の時間軸を拡大すると、図１３（ｃ）の波形が得られる。そして、図１３（ｃ）の波形を２ｆ＝３００ｋＨｚの参照信号と掛け合わせると、図１３（ｄ）の波形が得られ、図１３（ｄ）の高調波成分をローパスフィルタにて減衰させることで、図１３（ｅ）の波形が得られ、２ｆ成分が直流成分に変換される。そして、図１３（ｅ）の信号の直交検波の両側について二乗平均を取ることにより、図１３（ｂ）の２ｆ成分検出信号を得ることができ、２ｆ成分検出信号の大きさはガス濃度に比例することから、２ｆ成分検出信号からガス濃度を算出することができる。
【特許文献１】特開平１０−１４２１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、従来のガス濃度測定装置では、２ｆ成分を直流成分に周波数変換するため、回路系のＤＣオフセット成分やＤＣオフセットドリフトが２ｆ成分検出信号に直接影響を与え、計測精度が劣化するという問題があった。
また、送信側の１ｆ信号と、受信信号から２ｆ成分を検出するための２ｆ参照信号との間に一定の位相関係が要求されるので、送信側と受信側とで信号の受け渡しをする必要があり、信号線を引き回して２ｆ参照信号の基準となる信号を受け渡すか、あるいは受信信号の１ｆ成分からＰＬＬなどの方法で２ｆ参照信号を生成する必要があった。
【００２１】
また、２ｆ成分を正しく検出するために位相を予め調整する方法では、回路系の温度特性や経時変化により位相が変化すると、２ｆ成分検出信号がドリフトしたり、２ｆ成分検出信号の絶対値が経時変化を起こすという問題があった。
一方、２ｆ成分を正しく検出するために直交検波を用いる方法では、検波器以降の回路が２系統分だけ必要となり、回路規模が増大し、コストアップを招くという問題があった。
そこで、本発明の目的は、回路規模の増大を抑制しつつ、ガス濃度の計測精度を向上させることが可能なガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上述した課題を解決するために、請求項１記載のガス濃度測定装置によれば、周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、前記光検出部にて検出された受光信号の変調周波数の２倍の周波数から所定のずらし周波数だけずらされた２倍波ずらし周波数参照信号を発生する２倍波ずらし周波数信号発生部と、前記２倍波ずらし周波数信号発生部にて発生された２倍波ずらし周波数参照信号を前記受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の２倍波成分を周波数変換する周波数変換部と、前記周波数変換部にて周波数変換された信号に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項２記載のガス濃度測定装置によれば、前記周波数変換部にて周波数変換された信号から前記変調周波数以上の成分を減衰させる第１のローパスフィルタと、前記第１のローパスフィルタの出力をピークホールドするピークホールド回路と、前記ピークホールド回路の出力から前記ずらし周波数成分を抽出する第２のローパスフィルタとを備えることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項３記載のガス濃度測定装置によれば、前記周波数変換部にて周波数変換された信号から前記変調周波数以上の成分を減衰させる第１のローパスフィルタと、前記第１のローパスフィルタの出力を全波整流する全波整流器と、前記全波整流器の出力から前記ずらし周波数成分を抽出する第２のローパスフィルタとを備えることを特徴とする。
また、請求項４記載のガス濃度測定装置によれば、前記ずらし周波数は、２倍波成分の時間的変化として検出される周波数の１０倍以上であることを特徴とする。
また、請求項５記載のガス濃度測定装置によれば、前記ずらし周波数は、前記変調周波数の３分の１以下であることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項６記載のガス濃度測定方法によれば、周波数変調されたレーザ光を測定対象ガス中に通過させるステップと、前記測定対象ガス中に通過された前記レーザ光を検出するステップと、前記検出された受光信号の変調周波数の２倍の周波数から所定のずらし周波数だけずらされた２倍波ずらし周波数参照信号を発生するステップと、前記２倍波ずらし周波数参照信号を前記受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の２倍波成分を周波数変換するステップと、前記周波数変換された信号に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を算出するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、２倍波成分の周波数から所定のずらし周波数だけずらされたずらし周波数信号成分に基づいて測定対象ガスの濃度を算出することにより、直交検波を用いることなく、周波数変調信号と２倍波周波数信号との位相差の影響を排除することが可能となるとともに、２倍波成分を直流成分に周波数変換する必要がなくなる。このため、回路系のＤＣオフセット成分やＤＣオフセットドリフトが計測精度に与える影響を軽減することが可能となるとともに、周波数変調信号と２倍波周波数信号との位相差が最適化されるように位相を予め調整する必要がなくなり、回路規模の増大を抑制しつつ、ガス濃度の計測精度を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態に係るガス濃度測定装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示す断面図である。
図１において、ガス濃度測定装置の送信側には、レーザユニット１７から出射されたレーザ光の発光波長を基本波で周波数変調する送信部基板１４、レーザユニット１７から出射されたレーザ光を平行ビームに変換するコリメートレンズ１６およびレーザ素子が搭載されたレーザユニット１７が設けられている。なお、レーザ素子としては半導体レーザを用いることができ、レーザユニット１７には、レーザ素子の温度を検出するサーミスタおよびレーザ素子の温度を調整するペルチェ素子を搭載することができる。
【００２８】
また、ガス濃度測定装置の受信側には、測定対象ガスを透過したレーザ光を集光する集光レンズ２０、測定対象ガスを透過したレーザ光を検出する光検出部２１および測定対象ガスを透過したレーザ光の２倍波周波数から±Δｆだけずらされたずらし周波数に基づいてガスの濃度を算出する受信部基板２２が設けられている。なお、光検出部２１としては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。
【００２９】
ここで、送信部基板１４、コリメートレンズ１６およびレーザユニット１７はハウジング１８に収容されるとともに、集光レンズ２０、光検出部２１および受信部基板２２はハウジング１９に収容されている。そして、煙道などの測定対象ガスが流れる配管などの隔壁１１ａ、１１ｂには、フランジ１２ａ、１２ｂが溶接などの方法にて取り付けられる。そして、送信部基板１４、コリメートレンズ１６およびレーザユニット１７が収容されたハウジング１８は、ウェッジ窓１５ａにて配管内と仕切られるようにしてフランジ１２ａに取り付けられるとともに、集光レンズ２０、光検出部２１および受信部基板２２が収容されたハウジング１９は、ウェッジ窓１５ｂにて配管内と仕切られるようにしてフランジ１２ｂに取り付けられる。
【００３０】
そして、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍでレーザ素子の出力が周波数変調されながら、レーザ光がレーザユニット１７から出射され、コリメートレンズ１６にて平行ビームに変換された後、ウェッジ窓１５ａを介して隔壁１１ａ、１１ｂ間の測定対象ガスを透過する。そして、測定対象ガスを透過したレーザ光は、測定対象ガスのガス分子の吸収線に対応した波長の吸収を受けた後、ウェッジ窓１５ｂを介して集光レンズ２０に入射し、集光レンズ２０にて光検出部２１上に集光される。そして、光検出部２１にレーザ光が入射すると、光検出部２１にて電気信号に変換され、その電気信号が受信部基板２２に送られる。そして、光検出部２１にて変換された電気信号が受信部基板２２に送られると、検出信号の２倍波周波数から±Δｆだけずらされた２倍波ずらし周波数参照信号を受光信号に掛け合わせることにより、受光信号の２倍波成分を周波数変換し、その周波数変換された信号に基づいて、測定対象ガスの濃度を算出することができる。
【００３１】
図２は、本発明の一実施形態に係る周波数変調方式によるガス濃度の測定原理を説明する図である。
図２において、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザの出力を周波数変調し、測定対象ガスに照射されたものとする。ここで、測定対象ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、光検出部２１では変調周波数ｆｍの２倍の周波数の成分（２倍波成分）が得られる。そして、変調周波数ｆｍは任意の周波数でよいので、例えば、変調周波数ｆｍを数ｋＨｚ程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）または汎用のプロセッサを用い高度な信号処理を施すことが可能となる。
【００３２】
そして、半導体レーザと光検出部２１との距離に起因するレーザ光の減衰量の影響を周波数変調方式にてキャンセルするためには、半導体レーザの出力に周波数変調を行うと同時に変調周波数ｆｍで振幅変調を行えばよく、半導体レーザの出力に周波数変調をかけることで振幅変調もかけることができる。そして、光検出部２１でエンベロープ検波を行うことで振幅変調による基本波成分を推定することができ、この基本波成分の振幅と２倍波成分の振幅の比を位相同期させて取ることで、半導体レーザと光検出部２１との距離に依存することなく、測定対象ガスの濃度に比例した値を得ることができる。
【００３３】
図３は、本発明の一実施形態に係る駆動電流と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図３において、半導体レーザの発光波長は駆動電流が増加するに従って長くなる。このため、半導体レーザの駆動電流を制御することにより、半導体レーザの発光波長を調整することができる。
図４は、本発明の一実施形態に係る温度と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図４において、半導体レーザの発光波長は温度が増加するに従って長くなる。このため、半導体レーザの温度を制御することにより、半導体レーザの発光波長を調整することができる。
【００３４】
図５は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の送信側の概略構成を示すブロック図である。
図５において、ガス濃度測定装置の送信側には、半導体レーザ３６が設けられ、半導体レーザ３６には、半導体レーザ３６の温度を検出するサーミスタ３７および半導体レーザ３６の温度を調整するペルチェ素子３８が搭載されている。
また、サーミスタ３７にて検出された温度に基づいてペルチェ素子３８を駆動することにより、半導体レーザ３６の温度を制御する温度制御部３５、半導体レーザ３６から出射されるレーザ光の波長をスキャンさせる波長走査信号Ｓ１を発生させる波長走査駆動信号発生器３１、半導体レーザ３６から出射されるレーザ光を周波数変調する高周波信号Ｓ２を発生させる高周波変調信号発生部３２、波長走査信号Ｓ１と高周波信号Ｓ２を合成する合成器３３、波長走査信号Ｓ１と高周波信号Ｓ２とが合成された信号に基づいて半導体レーザ３６を駆動する電流を制御する電流制御部３４が設けられている。
【００３５】
図６は、ＮＨ３ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図である。
図６において、ＮＨ３ガスでは、１５１２ｎｍ付近に吸収波長帯のピークがある。このため、波長走査駆動信号発生器３１は、周波数変調されたレーザ光の発光波長が１５１２ｎｍ付近をスキャンするように半導体レーザ３６の駆動電流を変化させることで、ＮＨ３ガス中でレーザ光を吸収させ、ＮＨ３ガスの濃度を計測させることができる。また、温度制御部３５は、ペルチェ素子３８を駆動することにより、波長スキャン時の中心部分でＮＨ３ガスの濃度が検出されるように半導体レーザ３６の温度を事前に設定することができる。
【００３６】
図７は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
図７において、ガス濃度測定装置の受信側には、図５の半導体レーザ３６から出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード４１、フォトダイオード４１から出力される電流を電圧に変換するＩ−Ｖ変換回路４２、Ｉ−Ｖ変換回路４２から出力された電圧を増幅する増幅器４３、増幅器４３を介して出力された信号から変調周波数の２倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ４４、変調周波数ｆｍの２倍波周波数からずらし周波数Δｆだけずらされた周波数（２ｆ＋Δｆ）を持つ（２ｆ＋Δｆ）参照信号を発生する２倍波ずらし周波数信号発生部４５、（２ｆ＋Δｆ）参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ４４の出力からΔｆ成分を生成する検波器４６、検波器４６の出力から１ｆ以上の高域成分を減衰させるローパスフィルタ４７、ローパスフィルタ４７から出力された電圧を増幅する増幅器４８、増幅器４８の出力をピークホールドするピークホールド回路４９およびピークホールド回路４９の出力からΔｆ成分を抽出するローパスフィルタ５０が設けられている。
【００３７】
図８は、本発明の一実施形態に係る波長スキャン方式によるガス濃度の測定方法を示す図である。ここで、図５の波長走査信号Ｓ１は、波長走査信号Ｓ１の強度が一定に保たれた部分７３と、波長走査信号Ｓ１の強度が台形状に直線的に増加する部分７２と、波長走査信号Ｓ１の強度が０である部分７４とから構成することができる。なお、図８の例では、測定対象ガスとして、ＮＨ３ガスを例にとった。
そして、ＮＨ３ガスの濃度を測定する場合、図５の温度制御部３５は、ペルチェ素子３８を駆動することにより、波長走査信号Ｓ１の中心部分でＮＨ３ガスの濃度が検出されるように半導体レーザ３６の温度を事前に設定する。
【００３８】
そして、図５の波長走査駆動信号発生器３１は、半導体レーザ３６の発光を安定化させるために、波長走査信号Ｓ１の強度が半導体レーザ３６のスレッショルドカレント以上になるようにして一定に保ちながら、波長走査信号Ｓ１の７３の部分を合成器３３に出力するとともに、高周波変調信号発生部３２は１０ｋＨｚ程度の正弦波からなら高周波信号Ｓ２を合成器３３に出力する。
そして、波長走査信号Ｓ１の７３の部分と高周波信号Ｓ２とは合成器３３にて合成され、波長走査信号Ｓ１の７３の部分と高周波信号Ｓ２とが合成された信号に基づいて半導体レーザ３６の電流が制御されることにより、ＮＨ３ガスによる吸収を受けない波長λ１を中心として１０ｋＨｚ程度の正弦波にてレーザ光が周波数変調される。
【００３９】
そして、周波数変調されたレーザ光はＮＨ３ガスを通過すると、ＮＨ３ガスによる吸収を受けることなく図７のフォトダイオード４１に入射し、フォトダイオード４１にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード４１にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路４２にて電圧に変換され、増幅器４３およびバンドパスフィルタ４４を介して検波器４６に入力される。そして、２倍波ずらし周波数信号発生部４５にて発生された（２ｆ＋Δｆ）参照信号とバンドパスフィルタ４４からの出力が検波器４６にて合成され、ローパスフィルタ４７にて１ｆ以上の高域成分を十分減衰させることにより、バンドパスフィルタ４４の出力からΔｆ成分が抽出される。
【００４０】
ここで、波長λ１を中心として周波数変調されたレーザ光はＮＨ３ガスによる吸収を受けないため、検波器４６の出力から高周波信号Ｓ２の２倍の周波数成分が抽出されることはなく、検波器４６からの出力は一定となる。
次に、図５の波長走査駆動信号発生器３１は、ＮＨ３ガスの吸収波長帯をスキャンさせるために、波長走査信号Ｓ１の強度を台形状に直線的に増加させながら、波長走査信号Ｓ１の７２の部分を合成器３３に出力するとともに、高周波変調信号発生部３２は１０ｋＨｚ程度の正弦波からなら高周波信号Ｓ２を合成器３３に出力する。なお、ＮＨ３ガスの濃度を測定する場合、波長走査駆動信号発生器３１は、０．２ｎｍ程度の線幅をスキャンできるように波長走査信号Ｓ１を発生することができる。
【００４１】
そして、波長走査信号Ｓ１の７２の部分と高周波信号Ｓ２とは合成器３３にて合成され、波長走査信号Ｓ１の７２の部分と高周波信号Ｓ２とが合成された信号に基づいて半導体レーザ３６の電流が制御されることにより、ＮＨ３ガスの吸収波長帯を含むように波長λ２から波長λ３までの範囲を中心として１０ｋＨｚ程度の正弦波にてレーザ光が周波数変調される。
【００４２】
そして、周波数変調されたレーザ光がＮＨ３ガスを通過すると、ＮＨ３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、図７のフォトダイオード４１に入射し、フォトダイオード４１にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード４１にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路４２にて電圧に変換され、増幅器４３にて増幅された後、バンドパスフィルタ４４にて変調周波数の２倍波成分が抽出され、検波器４６に入力される。そして、２倍周波数信号発生部４５にて発生された（２ｆ＋Δｆ）参照信号とバンドパスフィルタ４４からの出力が検波器４６にて合成されることにより、バンドパスフィルタ４４からの出力から２ｆ成分が生成される。ここで、ＮＨ３ガスの吸収波長帯を含むように波長λ２から波長λ３までの範囲を中心として周波数変調されたレーザ光はＮＨ３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けるため、検波器４６から出力されるエンベロープ波形はＮＨ３ガスによる吸収波形に対応した値となる。そして、検波器４６にて生成された２ｆ成分は、ローパスフィルタ４７にて１ｆ以上の高域成分が十分減衰された後、増幅器４８にて増幅され、ピークホールド回路４９に入力される。そして、増幅器４８の出力はピークホールド回路４９にてピークホールドされ、そのピークホールド値からΔｆ成分がローパスフィルタ５０に抽出されることで、２ｆ成分検出信号として出力される。
【００４３】
これにより、２倍波成分の周波数から±Δｆだけずらされたずらし周波数信号成分に基づいて測定対象ガスの濃度を算出することができ、直交検波を用いることなく、周波数変調信号と２倍波周波数信号との位相差の影響を排除することが可能となるとともに、２倍波成分を直流成分に周波数変換する必要がなくなる。このため、回路系のＤＣオフセット成分やＤＣオフセットドリフトが計測精度に与える影響を軽減することが可能となるとともに、周波数変調信号と２倍波周波数信号との位相差が最適化されるように位相を予め調整する必要がなくなり、回路規模の増大を抑制しつつ、ガス濃度の計測精度を向上させることが可能となる。
【００４４】
ここで、検波器４６では、変調周波数ｆｍの２倍波周波数からずらし周波数Δｆだけ正方向にずらされた周波数（２ｆ＋Δｆ）を持つ（２ｆ＋Δｆ）参照信号が（１）式の受信信号に掛け合わせられる処理が行われるので、１ｆの周波数をｆ０、ω０＝２πｆ０、（２ｆ＋Δｆ）参照信号をｓｉｎ（（２ω０＋Δω）ｔ）とすると、検波器４６にて生成された信号は、以下の（６）式で表すことができる。
ｆ（ｔ）・ｓｉｎ（（２ω０＋Δω）ｔ）
＝Ａ０ｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０）・ｓｉｎ（２ω０＋Δω）ｔ）
＋Ａ１ｓｉｎ（２ω０ｔ＋φ１）・ｓｉｎ（２ω０＋Δω）ｔ）
＋Ａ２ｓｉｎ（３ω０ｔ＋φ２）・ｓｉｎ（２ω０＋Δω）ｔ）＋・・・
＝−１／２Ａ０［ｃｏｓ｛（ω０＋２ω０＋Δω）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（ω０−２ω０−Δω）ｔ＋φ０｝］
−１／２Ａ１［ｃｏｓ｛（２ω０＋２ω０＋Δω）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（２ω０−２ω０−Δω）ｔ＋φ１｝］
−１／２Ａ２［ｃｏｓ｛（３ω０＋２ω０＋Δω）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（３ω０−２ω０−Δω）ｔ＋φ２｝］＋・・・ （６）
【００４５】
ここで、ローパスフィルタ４７にてω０以上の周波数成分を十分に減衰させると、以下の（７）式で表される信号を得ることができる。
Ｉ＝１／２Ａ１ｃｏｓ（−Δωｔ＋φ１） （７）
一方、検波器４６では、変調周波数ｆｍの２倍波周波数からずらし周波数Δｆだけ負方向にずらされた周波数（２ｆ−Δｆ）を持つ（２ｆ−Δｆ）参照信号が（１）式の受信信号に掛け合わせられる処理を行うようにしてもよく、１ｆの周波数をｆ０、ω０＝２πｆ０、（２ｆ−Δｆ）参照信号をｓｉｎ（（２ω０−Δω）ｔ）とすると、検波器４６にて生成された信号は、以下の（６）´式で表すことができる。
ｆ（ｔ）・ｓｉｎ（（２ω０−Δω）ｔ）
＝Ａ０ｓｉｎ（ω０ｔ＋φ０）・ｓｉｎ（２ω０−Δω）ｔ）
＋Ａ１ｓｉｎ（２ω０ｔ＋φ１）・ｓｉｎ（２ω０−Δω）ｔ）
＋Ａ２ｓｉｎ（３ω０ｔ＋φ２）・ｓｉｎ（２ω０−Δω）ｔ）＋・・・
＝−１／２Ａ０［ｃｏｓ｛（ω０＋２ω０−Δω）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（ω０−２ω０＋Δω）ｔ＋φ０｝］
−１／２Ａ１［ｃｏｓ｛（２ω０＋２ω０−Δω）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（２ω０−２ω０＋Δω）ｔ＋φ１｝］
−１／２Ａ２［ｃｏｓ｛（３ω０＋２ω０−Δω）ｔ＋φ０｝
−ｃｏｓ｛（３ω０−２ω０＋Δω）ｔ＋φ２｝］＋・・・ （６）´
【００４６】
ここで、ローパスフィルタ４７にてω０以上の周波数成分を十分に減衰させると、以下の（７）´式で表される信号を得ることができる。
Ｉ＝１／２Ａ１ｃｏｓ（＋Δωｔ＋φ１） （７）´
ここで、Δωの符号およびφ１は、（１）式の受信信号の位相には影響があるが、周波数および振幅には影響がない。従って、フォトダイオード４１にて受光された２ｆ成分は、検波器４６にてΔｆの周波数の信号に変換される。そして、このΔｆの周波数の信号を、ピークホールド回路４９にてピークホールドし、ローパスフィルタ５０にて高域成分を減衰させることで、Δｆ成分を抽出することができる。
【００４７】
例えば、レーザ光の周波数変調を１００ｋＨｚで行った場合、吸光スペクトルによって生じる２ｆ成分は２００ｋＨｚであるが、（２ｆ＋Δｆ）参照信号の周波数を２１０ｋＨｚとすると、検波後の２ｆ成分として１０ｋＨｚの信号が得られる。（６）式に示すように、検波器４６の乗算により生じる高調波成分は（ω０−Δω）以上の角周波数、すなわち（ｆ０−Δｆ）以上の周波数である。このため、ローパスフィルタ４７の特性は、Δｆ成分を減衰させないようにしながら、（ｆ０−Δｆ）以上の周波数成分を減衰させるように構成すればよく、レーザ光の変調周波数が１００ｋＨｚ、（２ｆ＋Δｆ）参照信号の周波数が２１０ｋＨｚの場合、１０ｋＨｚの成分を減衰させないようにしながら、９０ｋＨｚ以上の周波数成分を減衰させればよい。なお、レーザ光の変調周波数ｆ０とずらし周波数Δｆとの差が大きいほど、ローパスフィルタ４７の実現が容易になる。
【００４８】
図９は、図３のガス濃度測定装置の受信側の各部における信号波形を示す図である。なお、横軸は時間軸、縦軸は信号振幅値を示す。また、図９（ｃ）〜図９（ｅ）は、一部分の波形を時間軸拡大したものである。ここで、図９では、図１３の波形と比較するために、送信側の変調方式として、所定の振幅幅で１ｆの周波数にて変調しながら、変調幅の中心波長を徐々に変えて掃引する方法を用い、その時の各部における信号波形をシミュレーションで算出した。このシミュレーションでは、レーザ光の特性と測定対象ガスの吸光波形は実測データを用いた。また、測定対象ガスとして、ＮＨ３ガスを用いた。
【００４９】
図９において、ＮＨ３ガスによる吸収を受けたレーザ光が図７のフォトダイオード４１にて受光されることで、図９（ａ）の受光信号波形が得られ、図９（ａ）の受光信号波形の時間軸を拡大すると、図９（ｃ）の波形が得られる。そして、Δｆ＝３０ｋＨｚとし、図９（ｃ）の波形を（２ｆ＋Δｆ）＝３３０ｋＨｚの周波数を持つ参照信号と掛け合わせると、図９（ｄ）の波形が得られ、図９（ｄ）の波形の３０ｋＨｚ以下の成分を残しつつ、高調波成分をローパスフィルタ４７にて減衰させることで、図９（ｅ）の波形が得られる。そして、図９（ｅ）の信号をピークホールド回路４９にてピークホールドさせた後、ローパスフィルタ５０を通過させることで、図９（ｂ）の２ｆ成分検出信号を得ることができる。ここで、図７のピークホールド回路４９を所定の時定数で放電するように構成することで、図９（ｅ）の波形のエンベロ−プを良好に検出することができる。図９（ｂ）の波形と図１３（ｂ）の波形を比較すると、ほとんど同様の波形を得ることができ、受光信号に掛け合わされる参照信号の周波数を、変調周波数ｆｍの２倍波周波数から±Δｆだけずらした場合においても、２ｆ成分を良好に検出することができる。
【００５０】
なお、図９（ｅ）の波形のエンベロ−プを検出するために、ピークホールドの代わりに全波整流回路または絶対値回路を用いることにより、図９（ｅ）の波形を電圧０の値から正側にのみ折り返し、ローパスフィルタを通過させることで、図９（ｆ）の波形を得ることができる。ただし、この場合には、Δｆ成分のＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）値が検出されるため、図９（ｂ）の波形とは信号電圧の絶対値が異なる。
【００５１】
図１０は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の受信側のその他の概略構成を示すブロック図である。
図１０において、ガス濃度測定装置の受信側には、図７のピークホールド回路４９の代わりに全波整流器６９が設けられている。
そして、増幅器４８から出力された信号は全波整流器６９にて全波整流され、その全波整流された値からΔｆ成分がローパスフィルタ５０に抽出されることで、２ｆ成分検出信号として出力される。
あるいは、ガス濃度測定装置の受信側には、図７のピークホールド回路４９と図１０の全波整流器６９の双方を設け、全波整流を行ってからピークホールドを行うようにしてもよい。これにより、図７のピークホールド回路４９のみを設けた場合に比べて、ピークホールドによる波形変動を減少させることができる。
【００５２】
なお、図９（ｅ）の波形から図９（ｂ）または図９（ｆ）の信号を得るに当たっては、ピークホールドや全波整流によって生じる波形の変動を図７および図１０のローパスフィルタ５０にて減衰させることで滑らかにしている。この場合、２ｆ成分検出信号は、レーザ光の周波数変調時の中心波形がスキャンされることで時間的にレベルが変化することから、その時間的なレベルの変化分がローパスフィルタ５０にて減衰されないようにする必要がある。従って、図８の波長スキャン方式によって生じる２ｆ成分検出信号のレベルの変動周波数に対し、ずらし周波数Δｆは１０倍以上に設定することが好ましい。例えば、図８の波長スキャン方式によって生じる２ｆ成分検出信号のレベルの変動周波数が１ｋＨｚである場合、ずらし周波数Δｆは１０ｋＨｚ以上に設定することが好ましい。
【００５３】
ただし、レーザ光の変調周波数１ｆを変化させることなく、ずらし周波数Δｆのみを大きくすると、検波後の高調波成分のうち最も低い周波数成分（１ｆ−Δｆ）がΔｆに近づく。例えば、変調周波数１ｆが１５０ｋＨｚでずらし周波数Δｆを７０ｋＨｚとすると、２ｆ成分は７０ｋＨｚに変換される一方、検波後の高調波成分のうち最も低い周波数成分（１ｆ−Δｆ）は８０ｋＨｚとなり、検波後の高調波成分のうち最も低い周波数成分（１ｆ−Δｆ）をローパスフィルタ４７で除去するのが困難になる。さらに、ずらし周波数Δｆが７５ｋＨｚより大きくなると、検波後の高調波成分のうち最も低い周波数成分（１ｆ−Δｆ）の方がずらし周波数Δｆより低くなり、Δｆ成分を抽出するのが困難になる。
【００５４】
一般的なフィルタを用いた場合、検波後の高調波成分のうち最も低い周波数成分（１ｆ−Δｆ）がずらし周波数Δｆの２倍以上でないと、フィルタでの弁別が困難となることから、ずらし周波数Δｆは変調周波数１ｆの１／３に設定することが好ましい。
また、ローパスフィルタ５０の通過後の図９（ｅ）の信号の周波数はΔｆであり、図９（ｅ）の信号にはＤＣ成分が含まれない。このため、ＤＣ成分をカットできるようにローパスフィルタ５０をＡＣ結合してもよいし、カットオフ周波数がΔｆ以下のハイパスフィルタをローパスフィルタ５０の後段に挿入するようにしてもよい。これにより、回路系のＤＣオフセットやＤＣオフセット変動の影響を受け難くすることができる。
【００５５】
このように、上述した実施形態では、２倍波成分の周波数から±Δｆだけずらされたずらし周波数信号成分に基づいて測定対象ガスの濃度を算出することにより、検波器４６を一系統分だけよく、しかも送信側の変調波と受信側の参照波との位相合わせも不要とすることができ、変調波と参照波との位相差のドリフトの影響を受け難くすることが可能となるとともに、回路系のＤＣオフセットやＤＣオフセット変動の影響を受け難くすることができる。
また、送信側の変調のためのタイミングと受信側の参照波との間で一定の位相関係を保つ必要がなくなるため、送受信間でタイミング信号を受け渡したり、受光信号からＰＬＬにて同期クロック信号を作成したりする必要がなくなり、装置構成を簡潔化することができる。
【００５６】
なお、上述した実施形態では、送信側の変調方式として、所定の振幅幅で１ｆの周波数にて変調しながら、変調幅の中心波長を徐々に変えて掃引する方法について説明したが、特許文献１に開示されているように、変調の中心波長が常に吸収波長に一致するように制御するようにしてもよい。この場合には、２ｆ成分の時間的変化の速度は、ガス濃度の変化の速度に対応し、比較的ゆっくり変化するようになる。このため、図８の波長スキャン方式に比べて、図７および図１０のローパスフィルタ５０のカットオフ周波数を下げることができ、ずらし周波数Δｆも低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る周波数変調方式によるガス濃度の測定原理を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る駆動電流と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る温度と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の送信側の概略構成を示すブロック図である。
【図６】ＮＨ３ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る波長スキャン方式によるガス濃度の測定方法を示す図である。
【図９】図３のガス濃度測定装置の受信側の各部における信号波形を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の受信側のその他の概略構成を示すブロック図である。
【図１１】従来のガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
【図１２】従来のガス濃度測定装置の受信側のその他の概略構成を示すブロック図である。
【図１３】図１２のガス濃度測定装置の受信側の各部における信号波形を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１１ａ、１１ｂ 隔壁
１２ａ、１２ｂ フランジ
１４ 送信部基板
１５ａ、１５ｂ ウェッジ窓
１６ コリメートレンズ
１７ レーザユニット
１８、１９ ハウジング
２０ 集光レンズ
２１ 光検出部
２２ 受信部基板
３１ 波長走査駆動信号発生器
３２ 高周波変調信号発生部
３３ 合成器
３４ 電流制御部
３５ 温度制御部
３６ 半導体レーザ
３７ サーミスタ
３８ ペルチェ素子
４１ フォトダイオード
４２ Ｉ／Ｖ変換回路
４３、４８ 増幅器
４４ バンドパスフィルタ
４５ ２倍波ずらし周波数信号発生部
４６ 検波器
４７、５０ ローパスフィルタ
４９ ピークホールド回路
６９ 全波整流器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、
前記光検出部にて検出された受光信号の変調周波数の２倍の周波数から所定のずらし周波数だけずらされた２倍波ずらし周波数参照信号を発生する２倍波ずらし周波数信号発生部と、
前記２倍波ずらし周波数信号発生部にて発生された２倍波ずらし周波数参照信号を前記受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の２倍波成分を周波数変換する周波数変換部と、
前記周波数変換部にて周波数変換された信号に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記周波数変換部にて周波数変換された信号から前記変調周波数以上の成分を減衰させる第１のローパスフィルタと、
前記第１のローパスフィルタの出力をピークホールドするピークホールド回路と、
前記ピークホールド回路の出力から前記ずらし周波数成分を抽出する第２のローパスフィルタとを備えることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記周波数変換部にて周波数変換された信号から前記変調周波数以上の成分を減衰させる第１のローパスフィルタと、
前記第１のローパスフィルタの出力を全波整流する全波整流器と、
前記全波整流器の出力から前記ずらし周波数成分を抽出する第２のローパスフィルタとを備えることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
前記ずらし周波数は、２倍波成分の時間的変化として検出される周波数の１０倍以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のガス濃度測定装置。
【請求項５】
前記ずらし周波数は、前記変調周波数の３分の１以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のガス濃度測定装置。
【請求項６】
周波数変調されたレーザ光を測定対象ガス中に通過させるステップと、
前記測定対象ガス中に通過された前記レーザ光を検出するステップと、
前記検出された受光信号の変調周波数の２倍の周波数から所定のずらし周波数だけずらされた２倍波ずらし周波数参照信号を発生するステップと、
前記２倍波ずらし周波数参照信号を前記受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の２倍波成分を周波数変換するステップと、
前記周波数変換された信号に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を算出するステップとを備えることを特徴とするガス濃度測定方法。
【請求項１】
周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、
前記光検出部にて検出された受光信号の変調周波数の２倍の周波数から所定のずらし周波数だけずらされた２倍波ずらし周波数参照信号を発生する２倍波ずらし周波数信号発生部と、
前記２倍波ずらし周波数信号発生部にて発生された２倍波ずらし周波数参照信号を前記受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の２倍波成分を周波数変換する周波数変換部と、
前記周波数変換部にて周波数変換された信号に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記周波数変換部にて周波数変換された信号から前記変調周波数以上の成分を減衰させる第１のローパスフィルタと、
前記第１のローパスフィルタの出力をピークホールドするピークホールド回路と、
前記ピークホールド回路の出力から前記ずらし周波数成分を抽出する第２のローパスフィルタとを備えることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記周波数変換部にて周波数変換された信号から前記変調周波数以上の成分を減衰させる第１のローパスフィルタと、
前記第１のローパスフィルタの出力を全波整流する全波整流器と、
前記全波整流器の出力から前記ずらし周波数成分を抽出する第２のローパスフィルタとを備えることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
前記ずらし周波数は、２倍波成分の時間的変化として検出される周波数の１０倍以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のガス濃度測定装置。
【請求項５】
前記ずらし周波数は、前記変調周波数の３分の１以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のガス濃度測定装置。
【請求項６】
周波数変調されたレーザ光を測定対象ガス中に通過させるステップと、
前記測定対象ガス中に通過された前記レーザ光を検出するステップと、
前記検出された受光信号の変調周波数の２倍の周波数から所定のずらし周波数だけずらされた２倍波ずらし周波数参照信号を発生するステップと、
前記２倍波ずらし周波数参照信号を前記受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の２倍波成分を周波数変換するステップと、
前記周波数変換された信号に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を算出するステップとを備えることを特徴とするガス濃度測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−１９２２４５（Ｐ２００９−１９２２４５Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０４６６（Ｐ２００８−３０４６６）
【出願日】平成２０年２月１２日（２００８．２．１２）
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１２日（２００８．２．１２）
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
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