レーザ式ガス分析計の校正装置
【課題】レーザ式ガス分析計の校正を容易化し、水分濃度を高精度に測定可能とする。
【解決手段】発光ユニット２５０及び受光ユニット２６０を備え、信号処理回路が受光部２０７の出力信号から光源部２０４の変調信号の２倍波信号を検出して測定対象ガスの濃度を測定するものであって、水分濃度を測定可能なレーザ式ガス分析計の校正装置に関する。両ユニット２５０，２６０の間に気密的に接続され、レーザ光の所定の光路長を保持する配管３０１と、配管３０１内に所定水分濃度の空気を供給するガス洗浄瓶５００と、配管３０１内に供給された水分含有空気の酸素濃度を測定する酸素計４００とを備え、測定した酸素濃度から水素濃度を換算し、この水素濃度と前記光路長とを用いてガス分析計による水素濃度の測定値を校正する。
【解決手段】発光ユニット２５０及び受光ユニット２６０を備え、信号処理回路が受光部２０７の出力信号から光源部２０４の変調信号の２倍波信号を検出して測定対象ガスの濃度を測定するものであって、水分濃度を測定可能なレーザ式ガス分析計の校正装置に関する。両ユニット２５０，２６０の間に気密的に接続され、レーザ光の所定の光路長を保持する配管３０１と、配管３０１内に所定水分濃度の空気を供給するガス洗浄瓶５００と、配管３０１内に供給された水分含有空気の酸素濃度を測定する酸素計４００とを備え、測定した酸素濃度から水素濃度を換算し、この水素濃度と前記光路長とを用いてガス分析計による水素濃度の測定値を校正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば煙道内のガスや排ガスなどの各種ガスの濃度をレーザ光により測定するレーザ式ガス分析計の校正装置に関するものである。
【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あることが知られている。例えば、図９はＮＨ３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラム例である。
レーザ式ガス分析計は、レーザ光の特定波長の吸収量が測定対象ガスの濃度に比例することを利用した分析計であり、ガス濃度の測定方法としては、２波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。このうち、本発明は、例えば周波数変調方式を用いたレーザ式ガス分析計に適用して好適なものである。
【０００３】
まず、周波数変調方式を用いた従来のレーザ式ガス分析計の測定原理を説明する。
図１０は、周波数変調方式の原理図を示しており、例えば特許文献１に記載されているものである。なお、この特許文献１に記載されたガス濃度測定装置は、測定対象ガスが存在するガスセルの透過光からガス濃度を測定するように構成されている。
周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザの出射光を周波数変調し、測定対象のガスに照射する。ここで、周波数変調とは、半導体レーザに供給するドライブ電流の波形を正弦波状にすることである。
半導体レーザは、図１１，図１２に示すようにドライブ電流や温度によって発光波長が変化するので、周波数変調を行うことにより、ドライブ電流の変調に伴って発光波長が変調されることになる。
【０００４】
図１０に示したように、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、受光部では変調周波数ｆｍの２倍の周波数の信号（２倍波信号）が得られる。ここで、変調周波数ｆｍは任意の周波数でよいため、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て、２倍波信号の抽出等の高度な信号処理を行うことができる。
また、受光部によりエンベロープ検波を行えば、振幅変調による基本波を推定することができる。この基本波の振幅と前記２倍波信号の振幅との比を位相同期させて検出することにより、測定対象ガス濃度に比例した信号を得ることができる。
【０００５】
この周波数変調方式では、半導体レーザの種類の中でも、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）を用いて単一波長のレーザ光のみを出射し、ガス濃度を測定する場合が多い。この場合、ＤＦＢレーザが発光するスペクトル線幅の方が測定対象ガスの吸収線幅よりも小さいため、ＤＦＢレーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせる必要がある。
その方法として、測定対象ガスと同じガス成分を予め封入した参照ガスセルを用いて、ＤＦＢレーザの発光波長を温度によって制御する方法が用いられている。
【０００６】
上述したような検出原理を用いた従来技術としては、例えば特許文献２に記載されたガス濃度測定装置がある。図１３は、特許文献２に記載されたガス濃度測定装置の全体的な構成を示しており、この測定装置は、測定対象ガスが存在するガス配管などからの反射光を用いてガス濃度を測定するものである。
このガス濃度測定装置１は、主として、光源ユニット２、測定光集光部３、測定光増幅部４、受信信号検出部５、校正信号生成部６、基本波信号増幅器７Ａと２倍波信号増幅器７Ｂとからなる参照信号増幅部７、信号微分検出器８Ａと信号同期検出器８Ｂとからなる参照信号検出部８、波長安定化制御回路９、温度安定化ＰＩＤ回路１０、電流安定化回路１１、測定／校正切替部１２、演算部１３から構成されている。
【０００７】
光源ユニット２は、前述の測定対象ガス特有の吸収線に合致した波長のレーザ光を発生するものであり、図１４に示すように、金属パッケージからなる箱型形状のケース本体２６の内部に、半導体レーザモジュール２１、参照ガスセル２２、光検出器（受光部）２３が収容されている。
半導体レーザモジュール２１のケース２１ａ内には、図１５に示すように、周波数変調されたレーザ光を両面から出射する半導体レーザ（レーザダイオード）２４が配設されている。図１４に示す如く、ケース２１ａからはコネクタ２５ａを備えた光ケーブル２５が延びており、半導体レーザ２４から出射される一方の光が、光ケーブル２５を介して図１３の測定光集光部３から外部（測定対象ガスの雰囲気）に出射される。
【０００８】
図１４において、ケース本体２６の底面には、冷却用フィン２７が取り付けられたペルチェ素子等の温度制御素子（図示せず）が配置されている。この温度制御素子によって動作温度を一定温度に制御することで、発振波長が制御される。
また、図１５に示すように、半導体レーザ２４の前後両側の光軸上には、出射光を集光するための平坦面を持たない非球面レンズ２９ａ，２９ｂが配設されている。これらの非球面レンズ２９ａ，２９ｂを集光用レンズとして使用することにより、半導体レーザ２４に光が反射して戻るのを防止している。
【０００９】
図１５に示す如く、半導体レーザ２４の前後両側の光軸上で非球面レンズ２９ａ，２９ｂの外側には、光アイソレータ３０ａ，３０ｂが配設されている。
これらの光アイソレータ３０ａ，３０ｂは、９０°の偏波面の光のみを通す偏光子と４５°の偏波面の光のみを通す検光子との間に配置された結晶に磁界を印加することで、結晶中を透過する光の偏波面を回転させて偏光子での反射光の通過を阻止し、半導体レーザ２４に反射光が戻るのを防止している。
【００１０】
図１４，図１５において、半導体レーザ２４の後側の光路上に配置された参照ガスセル２２は、測定光発振波長の安定化や測定対象ガス濃度の校正用に用いられる。この参照ガスセル２２において、空洞の金属胴２２ａの対向面に光を通過させる貫通穴が形成され、金属胴２２ａの内部に参照ガスが封入された後、貫通穴がガラス窓２２ｂによって封止されている。
参照ガスセル２２は、内径の長さが予め決められており、封入される参照ガスは、測定対象ガスの測定場所の環境とほぼ等しい組成、圧力とされている。例えば、測定場所の環境が空気であれば、参照ガスはエアバランス、すなわち空気と同じ組成であり、圧力も１気圧となっている。
【００１１】
参照ガスセル２２は、非球面レンズ２９ｂの後側の後方出射光が入射しやすい位置に固定され、参照ガスセル２２を通過したレーザ光は、その後側に配設された光検出器２３によって受光検出される。上記参照ガスセル２２は、半導体レーザ２４への戻り光を低減するため、光が通過する両端面が斜め（例えば出射光軸に対して約６°）に形成されている。
【００１２】
図１３において、測定光集光部３は、半導体レーザ２４からの光を外部に出射し、測定対象となるガス配管などから反射した測定光をレンズ３１により集光する。そして、測定光集光部３は、集光した光を光検出器３２により検出して電気信号に変換する。
測定光増幅部４はプリアンプによって構成されており、光検出器３２にて検出した光電流を電圧に変換し、増幅して出力する。また、測定光増幅部４では、受信信号検出部５が検出する基本波位相敏感検波信号（ｆ信号：以下、基本波信号と略称する）と２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号：以下、２倍波信号と略称する）とがほぼ同じレベルになるように、基本波信号、２倍波信号のそれぞれについて最適増幅度が設定されている。
【００１３】
受信信号検出部５は、測定／校正切替部１２が測定光増幅部４側に切り替えられているときに、測定光増幅部４からの測定光信号を処理し、基本波信号（ｆ信号）、２倍波信号（２ｆ信号）、及び、２ｆ／ｆ信号を検出する。
また、受信信号検出部５は、測定／校正切替部１２が校正信号生成部６側に切り替えられているときに、校正信号生成部６からの信号を処理し、校正用基本波信号（ｒｆ信号）、校正用２倍波信号（ｒ２ｆ信号）、及び、ｒ２ｆ／ｒｆ信号を検出する。
上記構成では、参照ガスセル２２を用いて半導体レーザ２４の発光波長を制御している。また、光検出器３２の出力からガス濃度を示す２ｆ信号を抽出することにより、測定対象ガスの濃度を測定している。
【００１４】
【特許文献１】特開平７−１５１６８１号公報（段落［０００４］，［０００５］、図４等）
【特許文献２】特開２００１−２３５４１８号公報（段落［００１２］〜［００２４］、図２，図１１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
さて、この種のレーザ式ガス分析計により測定される測定値は、測定対象ガスが存在する領域（言い換えれば光の伝播距離）とガス濃度とによって吸収強度が変わるため、ガス濃度と光の伝播距離の積とにより表されるのが一般的である。
例えば、同じガス濃度、例えば１００ｐｐｍのＮＨ３ガスを１ｍの距離をおいて測定した場合は１００ｐｐｍ・ｍとなり、５ｍの距離をおいて測定した場合は吸収が５００ｐｐｍ・ｍとなるので、５ｍの距離をおいた方が測定値が大きくなる。
そのため、実際のガス分析計では、測定対象ガスが存在する光路長（上述した光の伝播距離）により測定値を除算して、ガス濃度を表示している。なお、この点については、前述した特許文献１の段落［０００４］にも同様の記載がある。
【００１６】
上記のようにしてガス濃度を演算し、表示する場合、測定性能を保証するために、光路長とガス濃度との積によってガス分析計の測定値を校正することが必要になる。すなわち、測定対象ガスの濃度範囲に合わせて、例えばガスボンベを用意し、その出力と合うようにガス濃度の測定値を校正することになる。
このように、ガス分析計の測定性能を保証するためには校正作業が必要不可欠であり、そのためには、ガスボンベ等を用いて所定濃度のガスを用意する必要がある。
【００１７】
しかしながら、これらのガスボンベを製造できない場合として、水分濃度を測定する場合などがある。
図１６は、温度と水分濃度との関係を示す図である。水分濃度は水の沸点である１００℃を１００％として、各温度における飽和水蒸気圧の比率として求められる。図１６によれば、高濃度の水分で校正する場合には、ガス分析計を１００℃以上の環境下に置いて水を沸騰させなくてはならない。
更に、水分の高濃度を安定化するためには温度管理も必要となり、結果として高濃度の水分を用いた校正は困難であった。仮に、代表値を用いて校正するとしても、数値が正確でなく、測定値に誤差が含まれるという問題があった。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、レーザ式ガス分析計の校正を容易化し、水分濃度を高精度に測定可能とした校正装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するため、請求項１に係る校正装置は、周波数変調されたレーザ光を出射する光源部、及び、この光源部からの出射光をコリメートする光学系、を有する発光ユニットと、
前記光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された光を集光する光学系、この光学系により集光された光を受光する受光部、及び、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路、を有する受光ユニットと、を備え、
前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記光源部における変調信号の２倍周波数成分の信号を検出して測定対象ガスの濃度を測定するレーザ式ガス分析計であって、
前記測定対象ガスの濃度として水分濃度を測定するレーザ式ガス分析計を校正するための校正装置において、
前記発光ユニットと受光ユニットとの間に気密的に接続され、かつ、前記レーザ光の所定の光路長を保持可能な配管と、
前記配管の内部に所定の水分濃度の空気を供給する水分含有ガス供給手段と、
前記配管の内部に供給された空気中の酸素濃度を測定する酸素計と、を備え、
前記酸素計により測定した酸素濃度から水素濃度を換算し、この水素濃度と前記光路長とを用いて前記レーザ式ガス分析計による水素濃度の測定値を校正するものである。
【００２０】
請求項２に係る校正装置は、請求項１に記載した校正装置において、前記水分含有ガス供給手段を、大気により水をバブリングして得た水分含有ガスを前記配管内部に供給するガス洗浄瓶により構成したものである。
【００２１】
請求項３に係る校正装置は、請求項１または２に記載した校正装置において、前記配管が、前記水分含有ガスが流入するガス導入口と、前記水分含有ガスが排出されるガス排出口と、前記酸素計が接続されるポートと、を備えたものである。
【００２２】
請求項４に係る校正装置は、請求項１〜３の何れか１項に記載した校正装置において、前記光源部が、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とする波長走査駆動信号と前記発光波長を変調するための高周波変調信号とを合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換する電流制御部と、この電流制御部から出力された電流が供給される前記レーザ素子と、このレーザ素子の温度を安定化させる温度安定化手段と、を備え、かつ、前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記２倍周波数成分の信号の振幅を検出する同期検波回路と、この同期検波回路の出力信号に存在するガス吸収波形から測定対象ガスの濃度を検出する演算部と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、発光ユニットと受光ユニットとの間に接続される配管と、ガス洗浄瓶等の水分含有ガス供給手段とからなる簡単な構成により、レーザ式ガス分析計における水分濃度の測定値を容易に校正することができ、ガス分析計の水分検出精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１はこの実施形態の校正装置が適用されるレーザ式ガス分析計の一例を示す全体構成図である。図１において、フランジ２０１ａ，２０１ｂは、例えば、測定対象ガスが内部を通過する煙道などの配管の壁１０１ａ，１０１ｂに、溶接等によって固定されている。一方のフランジ２０１ａには、取付座２０２ａを介して、有底円筒状のカバー２０３ａが取り付けられている。
カバー２０３ａの内部には光源部２０４が配置されており、光源部２０４から出射したレーザ光は、コリメートレンズ２０５を含む光学系によって平行光にコリメートされる。コリメートされた光は、フランジ２０１ａの中心を通って壁１０１ａ，１０１ｂの内部（煙道内部）へ入射される。前記平行光は、壁１０１ａ，１０１ｂの内部にある測定対象ガスを透過する際に吸収を受ける。
【００２５】
他方のフランジ２０１ｂには、取付座２０２ｂを介して有底円筒状のカバー２０３ｂが取り付けられている。煙道内部を通過した平行光は、カバー２０３ｂ内部の集光レンズ２０６により集光されて受光部２０７により受光される。この光は、受光部２０７により電気信号に変換され、後段の信号処理回路２０８に入力される。
【００２６】
図２は、前記光源部２０４の構成を示している。
この光源部２０４は、波長走査駆動信号発生部２０４ａと、高周波変調信号発生部２０４ｂと、からなるレーザ駆動信号発生部２０４ｓを備えている。波長走査駆動信号発生部２０４ａは、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とし、高周波変調信号発生部２０４ｂは、測定対象ガスの吸収波長を検出するために、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波で波長を周波数変調する。
これらの信号発生部２０４ａ，２０４ｂの出力信号をレーザ駆動信号発生部２０４ｓ内で合成することにより、レーザ駆動信号が生成される。
レーザ駆動信号発生部２０４ｓから出力されたレーザ駆動信号は電流制御部２０４ｃにより電流に変換され、半導体レーザからなるレーザ素子２０４ｅに供給される。
【００２７】
レーザ素子２０４ｅに近接して、温度検出素子としてのサーミスタ２０４ｆが配置され、サーミスタ２０４ｆにはペルチェ素子２０４ｇが近接して配置されている。
ペルチェ素子２０４ｇは、サーミスタ２０４ｆの抵抗値が一定値になるように温度制御部２０４ｄによってＰＩＤ（比例・積分・微分）制御され、結果としてレーザ素子２０４ｅの温度を安定化させるためのものである。
【００２８】
波長走査駆動信号発生部２０４ａの出力信号は、図３に示すように、一定周期で繰り返されるほぼ台形波状の信号である。
図３において、吸収波長を走査する信号Ｓ２は、電流制御部２０４ｃを介してレーザ素子２０４ｅに供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号Ｓ２によってレーザ素子２０４ｅの発光波長を徐々にずらしていき、例えばＮＨ３ガスであれば、０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能としている。
また、信号Ｓ１は、吸収波長は走査しないがレーザ素子２０４ｅは発光させておくオフセット部分であり、レーザ素子２０４ｅの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値にしておく。
更に、信号Ｓ３は駆動電流をほぼ０にした部分である。
【００２９】
図４は、図１における信号処理回路２０８の構成を周辺回路と共に示した図である。
図４において、受光部２０７は、レーザ素子２０４ｅの発光波長に感度を持つフォトダイオード等の受光素子よって構成されている。
受光部２０７の出力は電流信号であり、この電流信号はＩ／Ｖ変換器２０８ａにより電圧信号に変換され、発振器２０８ｃからの２ｆ信号（２倍波信号）が加えられる同期検波回路２０８ｂに入力され、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが抽出される。同期検波回路２０８ｂの出力信号は、ノイズ除去用のフィルタ２０８ｄを介してＣＰＵ等の演算部２０８ｅに送られる。
【００３０】
次に、上記ガス分析計によるガス濃度の測定動作を略述する。
レーザ素子２０４ｅは、吸収波長を走査する信号Ｓ２の中心部分で測定対象ガスを測定できるように、サーミスタ２０４ｆによって事前に温度が調整される。この状態でレーザ素子２０４ｅを駆動することにより、コリメートされた光を壁１０１ａ，１０１ｂの内部（煙道内部）に出射し、その透過光は受光部２０７に入射する。
【００３１】
煙道内部にＮＨ３ガス等の測定対象ガスが存在しない場合には、同期検波回路２０８ｂにより２ｆ信号が検出されないので、同期検波回路２０８ｂの出力波形はほぼ直線となる。煙道内部に測定対象ガスが存在する場合、同期検波回路２０８ｂからは図５に示すような測定対象ガスの吸収波形が出力される。この出力波形のピークがガス濃度に対応するため、演算部２０８ｅは、前記フィルタ２０８ｄの出力信号から同期検波回路２０８ｂの出力波形のピーク値を検出し、あるいは出力波形を積分することによって測定対象ガスの濃度を測定可能である。
【００３２】
次に、このレーザ式ガス分析計に使用される校正装置について説明する。
図６は、本実施形態に係る校正装置の一部である配管３０１を、前記ガス分析計に取り付けた状態を示す断面図である。図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。なお、図６において、２５０は前記光源部２０４及びコリメートレンズ２０５を備えた発光ユニット、２６０は集光レンズ２０６及び受光部２０７を備えた受光ユニットを示す。
【００３３】
図６において、配管３０１は発光ユニット２５０と受光ユニット２６０との間に気密状態で接続される。この配管３０１の長さは、前述した水分濃度の校正に必要な光路長を決定する基準となるため、十分な加工精度のもとで配管長さを設定する必要がある。
また、配管３０１は、発光ユニット２５０から出射した光を遮蔽することなく確実に受光ユニット２６０に伝播可能な内径を有するものとする。
配管３０１には、その軸方向に沿った二箇所にガス導入口３０２及びガス排出口３０３が形成されており、これらのガス導入口３０２及びガス排出口３０３を介して水分含有ガスが流通可能であると共に、配管３０１の長手方向のほぼ中央部には、酸素計４００が接続されるポート３０４が設けられている。
【００３４】
図７に示すように、前記ガス導入口３０２には、外部の水分含有ガス供給手段により生成された水分含有ガスが供給されるようになっており、この水分含有ガス供給手段は、ガス洗浄瓶５００及び流路５０１，５０２を備えている。
すなわち、ガス洗浄瓶５００は、大気に開放された流路５０１から供給される空気により内部の水Ｗをバブリングし、その温度における飽和水蒸気圧により規定された濃度の水分を含むガス（空気）を生成して流路５０２から排出する。この流路５０２の先端は、配管３０１のガス導入口３０２に接続されている。なお、５０３は配管３０１のガス排出口３０３に接続された排気用の流路である。
校正の際に高濃度の水分を含むガスが必要な場合は、ガス洗浄瓶５００、配管３０１及び流路５０１〜５０３をヒータにより加熱するか、装置全体を恒温槽などに入れて高温にする。
【００３５】
配管３０１のポート３０４に接続される酸素計４００は、配管３０１の内部の酸素濃度を測定可能なものであれば、いかなる測定原理、方式によるものでも良い。
この酸素計４００としては、図８に示すようなジルコニア酸素計を用いることができる。 図８において、センサ素子４０１は、有底円筒形のイットリア安定化ジルコニアからなる固体電解質４０２の外面及び内面に、多孔質の白金からなる測定電極４０３及び基準電極４０４をそれぞれ形成し、これらの電極４０３，４０４をリード線４０５，４０６を介し回路基板４０９に接続して作成される。なお、図示されていないが、回路基板４０９には各電極４０３，４０４の出力信号から酸素濃度等を演算するための演算部が実装されている。
センサ素子４０１は、センサ筐体４０７に内蔵されたヒータ４０８の内部に挿入・接着されている。４１０はセンサ筐体４０７に設けられた通気口、４１１は測定電極４０３の保護層である。
【００３６】
上記固体電解質４０２の材料である安定化ジルコニアは、主成分であるジルコニア（酸化ジルコニウムＺｒＯ２）に安定化剤としてイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを加えて作られる。また、これを実際に使用する際には、ヒータ４０８により固体電解質４０２を５００℃以上の高温に保つことが必要である。
５００℃以上の高温状態において、安定化ジルコニアは固体電解質（イオン導電性固体）の性質をもち、選択的に酸素イオン（Ｏ２−）だけを通過させる。すなわち、円筒形の固体電解質４０２の内外に酸素濃度差があれば、濃度の高い側の電極では、酸素分子（Ｏ２）は電子をもらって酸素イオン（Ｏ２−）になり（還元反応）、濃度の低い側の電極では、酸素イオン（Ｏ２−）が電子を放出して酸素分子（Ｏ２）に戻る（酸化反応）。これらの反応式は以下の通りである。
酸素の高濃度側：Ｏ２＋４ｅ→２Ｏ２−（還元反応）
酸素の低濃度側：２Ｏ２−→Ｏ２＋４ｅ（酸化反応）
【００３７】
このとき、測定電極４０３と基準電極４０４との間には、酸素濃度比によって決まる起電力が発生する。すなわち、両電極４０３，４０４間に発生する電圧を高入力インピーダンスの測定器によって測定すれば、酸素濃度比を計測することができる。
そこで、一方の電極（例えば固体電解質４０２の外側の測定電極４０３）を大気に直接接触させ、大気中の酸素分圧に相当する一定の酸素濃度に保てば、前記通気口４１０を介して他方の電極（固体電解質４０２の内側の基準電極４０４）に接触する水分含有空気中の酸素濃度を求めることができる。
【００３８】
次に、以上のような装置構成において、ガス洗浄瓶５００により空気をバブリングし、所定濃度の水分含有ガスを流路５０２及びガス導入口３０２から配管３０１内部に供給してガス分析計の水分濃度測定値を校正するための動作を説明する。
図８に示した酸素計４００は、通気口４１０から供給される配管３０１内の水分含有空気の酸素濃度を測定し、この酸素濃度から水分濃度を換算する。
すなわち、ガス洗浄瓶５００により水Ｗを大気にてバブリングし、流路５０２から供給される水分含有空気が配管３０１内に充満すると、配管３０１内の空気は、水分濃度の上昇分だけ酸素濃度が低下する。
例えば、ガス洗浄瓶５００に流路５０１から供給される大気の酸素濃度が２０．７％であったとし、これをガス洗浄瓶５００によりバブリングした結果、水分含有空気の酸素濃度が２０％に低下したとする。この場合、酸素濃度２０．７％に対して水分濃度が０．７％上昇するので、水分含有空気の水分濃度は、数式１により３．３８％となる。
［数式１］
水分濃度＝（供給大気の酸素濃度−バブリング後の酸素濃度）／供給大気の酸素濃度×１００％
【００３９】
以上のようにして、酸素計４００により測定される配管３０１内の酸素濃度から、水分濃度を換算可能である。
従って、この水分濃度を参照値として、配管３０１の軸方向長さから決定される光路長との積を求めれば、レーザ式ガス分析計による水分濃度の測定値を校正することができる。
なお、従来のようにヒータなどを用いて高水分濃度の校正を行う場合には、ヒータ温度を高精度に安定させる必要があるが、本実施形態では水分含有空気の酸素濃度に基づいて水分濃度をモニタリングしているため、校正が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態が適用されるレーザ式ガス分析計の構成図である。
【図２】図１における光源部の構成図である。
【図３】図２における波長走査駆動信号発生部の出力信号波形図である。
【図４】図１における信号処理回路の構成を周辺回路と共に示した図である。
【図５】ガス吸収波形の位置ずれを示す図である。
【図６】本発明の実施形態における校正装置の主要部の説明図である。
【図７】本発明の実施形態における校正装置の説明図である。
【図８】図６における酸素計の一例を示す構成図である。
【図９】ＮＨ３ガスの吸収スペクトラム例である。
【図１０】周波数変調方式の原理図である。
【図１１】ドライブ電流による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。
【図１２】温度による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。
【図１３】特許文献２に記載されたガス濃度測定装置の全体的な構成図である。
【図１４】図１３における主要部の構成図である。
【図１５】図１３における主要部の構成図である。
【図１６】温度と水分濃度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０１ａ，１０１ｂ：壁
２０１ａ，２０１ｂ：フランジ
２０２ａ，２０２ｂ：取付座
２０３ａ，２０３ｂ：カバー
２０４：光源部
２０４ａ：波長走査駆動信号発生部
２０４ｂ：高周波変調信号発生部
２０４ｃ：電流制御部
２０４ｄ：温度制御部
２０４ｅ：レーザ素子
２０４ｆ：サーミスタ
２０４ｇ：ペルチェ素子
２０４ｓ：レーザ駆動信号発生部
２０５：コリメートレンズ
２０６：集光レンズ
２０７：受光部
２０８：信号処理回路
２０８ａ：Ｉ／Ｖ変換器
２０８ｂ：同期検波回路
２０８ｃ：発振器
２０８ｄ：フィルタ
２０８ｅ：演算部
２５０：発光ユニット
２６０：受光ユニット
３０１：配管
３０２：ガス導入口
３０３：ガス排出口
３０４：ポート
４００：酸素計
４０１：センサ素子
４０２：固体電解質
４０３：測定電極
４０４：基準電極
４０５，４０６：リード線
４０７：センサ筐体
４０８：ヒータ
４０９：回路基板
４１０：通気口
４１１：保護層
５００：ガス洗浄瓶
５０１，５０２，５０３：流路
Ｗ：水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば煙道内のガスや排ガスなどの各種ガスの濃度をレーザ光により測定するレーザ式ガス分析計の校正装置に関するものである。
【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あることが知られている。例えば、図９はＮＨ３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラム例である。
レーザ式ガス分析計は、レーザ光の特定波長の吸収量が測定対象ガスの濃度に比例することを利用した分析計であり、ガス濃度の測定方法としては、２波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。このうち、本発明は、例えば周波数変調方式を用いたレーザ式ガス分析計に適用して好適なものである。
【０００３】
まず、周波数変調方式を用いた従来のレーザ式ガス分析計の測定原理を説明する。
図１０は、周波数変調方式の原理図を示しており、例えば特許文献１に記載されているものである。なお、この特許文献１に記載されたガス濃度測定装置は、測定対象ガスが存在するガスセルの透過光からガス濃度を測定するように構成されている。
周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザの出射光を周波数変調し、測定対象のガスに照射する。ここで、周波数変調とは、半導体レーザに供給するドライブ電流の波形を正弦波状にすることである。
半導体レーザは、図１１，図１２に示すようにドライブ電流や温度によって発光波長が変化するので、周波数変調を行うことにより、ドライブ電流の変調に伴って発光波長が変調されることになる。
【０００４】
図１０に示したように、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、受光部では変調周波数ｆｍの２倍の周波数の信号（２倍波信号）が得られる。ここで、変調周波数ｆｍは任意の周波数でよいため、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て、２倍波信号の抽出等の高度な信号処理を行うことができる。
また、受光部によりエンベロープ検波を行えば、振幅変調による基本波を推定することができる。この基本波の振幅と前記２倍波信号の振幅との比を位相同期させて検出することにより、測定対象ガス濃度に比例した信号を得ることができる。
【０００５】
この周波数変調方式では、半導体レーザの種類の中でも、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）を用いて単一波長のレーザ光のみを出射し、ガス濃度を測定する場合が多い。この場合、ＤＦＢレーザが発光するスペクトル線幅の方が測定対象ガスの吸収線幅よりも小さいため、ＤＦＢレーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせる必要がある。
その方法として、測定対象ガスと同じガス成分を予め封入した参照ガスセルを用いて、ＤＦＢレーザの発光波長を温度によって制御する方法が用いられている。
【０００６】
上述したような検出原理を用いた従来技術としては、例えば特許文献２に記載されたガス濃度測定装置がある。図１３は、特許文献２に記載されたガス濃度測定装置の全体的な構成を示しており、この測定装置は、測定対象ガスが存在するガス配管などからの反射光を用いてガス濃度を測定するものである。
このガス濃度測定装置１は、主として、光源ユニット２、測定光集光部３、測定光増幅部４、受信信号検出部５、校正信号生成部６、基本波信号増幅器７Ａと２倍波信号増幅器７Ｂとからなる参照信号増幅部７、信号微分検出器８Ａと信号同期検出器８Ｂとからなる参照信号検出部８、波長安定化制御回路９、温度安定化ＰＩＤ回路１０、電流安定化回路１１、測定／校正切替部１２、演算部１３から構成されている。
【０００７】
光源ユニット２は、前述の測定対象ガス特有の吸収線に合致した波長のレーザ光を発生するものであり、図１４に示すように、金属パッケージからなる箱型形状のケース本体２６の内部に、半導体レーザモジュール２１、参照ガスセル２２、光検出器（受光部）２３が収容されている。
半導体レーザモジュール２１のケース２１ａ内には、図１５に示すように、周波数変調されたレーザ光を両面から出射する半導体レーザ（レーザダイオード）２４が配設されている。図１４に示す如く、ケース２１ａからはコネクタ２５ａを備えた光ケーブル２５が延びており、半導体レーザ２４から出射される一方の光が、光ケーブル２５を介して図１３の測定光集光部３から外部（測定対象ガスの雰囲気）に出射される。
【０００８】
図１４において、ケース本体２６の底面には、冷却用フィン２７が取り付けられたペルチェ素子等の温度制御素子（図示せず）が配置されている。この温度制御素子によって動作温度を一定温度に制御することで、発振波長が制御される。
また、図１５に示すように、半導体レーザ２４の前後両側の光軸上には、出射光を集光するための平坦面を持たない非球面レンズ２９ａ，２９ｂが配設されている。これらの非球面レンズ２９ａ，２９ｂを集光用レンズとして使用することにより、半導体レーザ２４に光が反射して戻るのを防止している。
【０００９】
図１５に示す如く、半導体レーザ２４の前後両側の光軸上で非球面レンズ２９ａ，２９ｂの外側には、光アイソレータ３０ａ，３０ｂが配設されている。
これらの光アイソレータ３０ａ，３０ｂは、９０°の偏波面の光のみを通す偏光子と４５°の偏波面の光のみを通す検光子との間に配置された結晶に磁界を印加することで、結晶中を透過する光の偏波面を回転させて偏光子での反射光の通過を阻止し、半導体レーザ２４に反射光が戻るのを防止している。
【００１０】
図１４，図１５において、半導体レーザ２４の後側の光路上に配置された参照ガスセル２２は、測定光発振波長の安定化や測定対象ガス濃度の校正用に用いられる。この参照ガスセル２２において、空洞の金属胴２２ａの対向面に光を通過させる貫通穴が形成され、金属胴２２ａの内部に参照ガスが封入された後、貫通穴がガラス窓２２ｂによって封止されている。
参照ガスセル２２は、内径の長さが予め決められており、封入される参照ガスは、測定対象ガスの測定場所の環境とほぼ等しい組成、圧力とされている。例えば、測定場所の環境が空気であれば、参照ガスはエアバランス、すなわち空気と同じ組成であり、圧力も１気圧となっている。
【００１１】
参照ガスセル２２は、非球面レンズ２９ｂの後側の後方出射光が入射しやすい位置に固定され、参照ガスセル２２を通過したレーザ光は、その後側に配設された光検出器２３によって受光検出される。上記参照ガスセル２２は、半導体レーザ２４への戻り光を低減するため、光が通過する両端面が斜め（例えば出射光軸に対して約６°）に形成されている。
【００１２】
図１３において、測定光集光部３は、半導体レーザ２４からの光を外部に出射し、測定対象となるガス配管などから反射した測定光をレンズ３１により集光する。そして、測定光集光部３は、集光した光を光検出器３２により検出して電気信号に変換する。
測定光増幅部４はプリアンプによって構成されており、光検出器３２にて検出した光電流を電圧に変換し、増幅して出力する。また、測定光増幅部４では、受信信号検出部５が検出する基本波位相敏感検波信号（ｆ信号：以下、基本波信号と略称する）と２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号：以下、２倍波信号と略称する）とがほぼ同じレベルになるように、基本波信号、２倍波信号のそれぞれについて最適増幅度が設定されている。
【００１３】
受信信号検出部５は、測定／校正切替部１２が測定光増幅部４側に切り替えられているときに、測定光増幅部４からの測定光信号を処理し、基本波信号（ｆ信号）、２倍波信号（２ｆ信号）、及び、２ｆ／ｆ信号を検出する。
また、受信信号検出部５は、測定／校正切替部１２が校正信号生成部６側に切り替えられているときに、校正信号生成部６からの信号を処理し、校正用基本波信号（ｒｆ信号）、校正用２倍波信号（ｒ２ｆ信号）、及び、ｒ２ｆ／ｒｆ信号を検出する。
上記構成では、参照ガスセル２２を用いて半導体レーザ２４の発光波長を制御している。また、光検出器３２の出力からガス濃度を示す２ｆ信号を抽出することにより、測定対象ガスの濃度を測定している。
【００１４】
【特許文献１】特開平７−１５１６８１号公報（段落［０００４］，［０００５］、図４等）
【特許文献２】特開２００１−２３５４１８号公報（段落［００１２］〜［００２４］、図２，図１１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
さて、この種のレーザ式ガス分析計により測定される測定値は、測定対象ガスが存在する領域（言い換えれば光の伝播距離）とガス濃度とによって吸収強度が変わるため、ガス濃度と光の伝播距離の積とにより表されるのが一般的である。
例えば、同じガス濃度、例えば１００ｐｐｍのＮＨ３ガスを１ｍの距離をおいて測定した場合は１００ｐｐｍ・ｍとなり、５ｍの距離をおいて測定した場合は吸収が５００ｐｐｍ・ｍとなるので、５ｍの距離をおいた方が測定値が大きくなる。
そのため、実際のガス分析計では、測定対象ガスが存在する光路長（上述した光の伝播距離）により測定値を除算して、ガス濃度を表示している。なお、この点については、前述した特許文献１の段落［０００４］にも同様の記載がある。
【００１６】
上記のようにしてガス濃度を演算し、表示する場合、測定性能を保証するために、光路長とガス濃度との積によってガス分析計の測定値を校正することが必要になる。すなわち、測定対象ガスの濃度範囲に合わせて、例えばガスボンベを用意し、その出力と合うようにガス濃度の測定値を校正することになる。
このように、ガス分析計の測定性能を保証するためには校正作業が必要不可欠であり、そのためには、ガスボンベ等を用いて所定濃度のガスを用意する必要がある。
【００１７】
しかしながら、これらのガスボンベを製造できない場合として、水分濃度を測定する場合などがある。
図１６は、温度と水分濃度との関係を示す図である。水分濃度は水の沸点である１００℃を１００％として、各温度における飽和水蒸気圧の比率として求められる。図１６によれば、高濃度の水分で校正する場合には、ガス分析計を１００℃以上の環境下に置いて水を沸騰させなくてはならない。
更に、水分の高濃度を安定化するためには温度管理も必要となり、結果として高濃度の水分を用いた校正は困難であった。仮に、代表値を用いて校正するとしても、数値が正確でなく、測定値に誤差が含まれるという問題があった。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、レーザ式ガス分析計の校正を容易化し、水分濃度を高精度に測定可能とした校正装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するため、請求項１に係る校正装置は、周波数変調されたレーザ光を出射する光源部、及び、この光源部からの出射光をコリメートする光学系、を有する発光ユニットと、
前記光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された光を集光する光学系、この光学系により集光された光を受光する受光部、及び、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路、を有する受光ユニットと、を備え、
前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記光源部における変調信号の２倍周波数成分の信号を検出して測定対象ガスの濃度を測定するレーザ式ガス分析計であって、
前記測定対象ガスの濃度として水分濃度を測定するレーザ式ガス分析計を校正するための校正装置において、
前記発光ユニットと受光ユニットとの間に気密的に接続され、かつ、前記レーザ光の所定の光路長を保持可能な配管と、
前記配管の内部に所定の水分濃度の空気を供給する水分含有ガス供給手段と、
前記配管の内部に供給された空気中の酸素濃度を測定する酸素計と、を備え、
前記酸素計により測定した酸素濃度から水素濃度を換算し、この水素濃度と前記光路長とを用いて前記レーザ式ガス分析計による水素濃度の測定値を校正するものである。
【００２０】
請求項２に係る校正装置は、請求項１に記載した校正装置において、前記水分含有ガス供給手段を、大気により水をバブリングして得た水分含有ガスを前記配管内部に供給するガス洗浄瓶により構成したものである。
【００２１】
請求項３に係る校正装置は、請求項１または２に記載した校正装置において、前記配管が、前記水分含有ガスが流入するガス導入口と、前記水分含有ガスが排出されるガス排出口と、前記酸素計が接続されるポートと、を備えたものである。
【００２２】
請求項４に係る校正装置は、請求項１〜３の何れか１項に記載した校正装置において、前記光源部が、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とする波長走査駆動信号と前記発光波長を変調するための高周波変調信号とを合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換する電流制御部と、この電流制御部から出力された電流が供給される前記レーザ素子と、このレーザ素子の温度を安定化させる温度安定化手段と、を備え、かつ、前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記２倍周波数成分の信号の振幅を検出する同期検波回路と、この同期検波回路の出力信号に存在するガス吸収波形から測定対象ガスの濃度を検出する演算部と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、発光ユニットと受光ユニットとの間に接続される配管と、ガス洗浄瓶等の水分含有ガス供給手段とからなる簡単な構成により、レーザ式ガス分析計における水分濃度の測定値を容易に校正することができ、ガス分析計の水分検出精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１はこの実施形態の校正装置が適用されるレーザ式ガス分析計の一例を示す全体構成図である。図１において、フランジ２０１ａ，２０１ｂは、例えば、測定対象ガスが内部を通過する煙道などの配管の壁１０１ａ，１０１ｂに、溶接等によって固定されている。一方のフランジ２０１ａには、取付座２０２ａを介して、有底円筒状のカバー２０３ａが取り付けられている。
カバー２０３ａの内部には光源部２０４が配置されており、光源部２０４から出射したレーザ光は、コリメートレンズ２０５を含む光学系によって平行光にコリメートされる。コリメートされた光は、フランジ２０１ａの中心を通って壁１０１ａ，１０１ｂの内部（煙道内部）へ入射される。前記平行光は、壁１０１ａ，１０１ｂの内部にある測定対象ガスを透過する際に吸収を受ける。
【００２５】
他方のフランジ２０１ｂには、取付座２０２ｂを介して有底円筒状のカバー２０３ｂが取り付けられている。煙道内部を通過した平行光は、カバー２０３ｂ内部の集光レンズ２０６により集光されて受光部２０７により受光される。この光は、受光部２０７により電気信号に変換され、後段の信号処理回路２０８に入力される。
【００２６】
図２は、前記光源部２０４の構成を示している。
この光源部２０４は、波長走査駆動信号発生部２０４ａと、高周波変調信号発生部２０４ｂと、からなるレーザ駆動信号発生部２０４ｓを備えている。波長走査駆動信号発生部２０４ａは、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とし、高周波変調信号発生部２０４ｂは、測定対象ガスの吸収波長を検出するために、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波で波長を周波数変調する。
これらの信号発生部２０４ａ，２０４ｂの出力信号をレーザ駆動信号発生部２０４ｓ内で合成することにより、レーザ駆動信号が生成される。
レーザ駆動信号発生部２０４ｓから出力されたレーザ駆動信号は電流制御部２０４ｃにより電流に変換され、半導体レーザからなるレーザ素子２０４ｅに供給される。
【００２７】
レーザ素子２０４ｅに近接して、温度検出素子としてのサーミスタ２０４ｆが配置され、サーミスタ２０４ｆにはペルチェ素子２０４ｇが近接して配置されている。
ペルチェ素子２０４ｇは、サーミスタ２０４ｆの抵抗値が一定値になるように温度制御部２０４ｄによってＰＩＤ（比例・積分・微分）制御され、結果としてレーザ素子２０４ｅの温度を安定化させるためのものである。
【００２８】
波長走査駆動信号発生部２０４ａの出力信号は、図３に示すように、一定周期で繰り返されるほぼ台形波状の信号である。
図３において、吸収波長を走査する信号Ｓ２は、電流制御部２０４ｃを介してレーザ素子２０４ｅに供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号Ｓ２によってレーザ素子２０４ｅの発光波長を徐々にずらしていき、例えばＮＨ３ガスであれば、０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能としている。
また、信号Ｓ１は、吸収波長は走査しないがレーザ素子２０４ｅは発光させておくオフセット部分であり、レーザ素子２０４ｅの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値にしておく。
更に、信号Ｓ３は駆動電流をほぼ０にした部分である。
【００２９】
図４は、図１における信号処理回路２０８の構成を周辺回路と共に示した図である。
図４において、受光部２０７は、レーザ素子２０４ｅの発光波長に感度を持つフォトダイオード等の受光素子よって構成されている。
受光部２０７の出力は電流信号であり、この電流信号はＩ／Ｖ変換器２０８ａにより電圧信号に変換され、発振器２０８ｃからの２ｆ信号（２倍波信号）が加えられる同期検波回路２０８ｂに入力され、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが抽出される。同期検波回路２０８ｂの出力信号は、ノイズ除去用のフィルタ２０８ｄを介してＣＰＵ等の演算部２０８ｅに送られる。
【００３０】
次に、上記ガス分析計によるガス濃度の測定動作を略述する。
レーザ素子２０４ｅは、吸収波長を走査する信号Ｓ２の中心部分で測定対象ガスを測定できるように、サーミスタ２０４ｆによって事前に温度が調整される。この状態でレーザ素子２０４ｅを駆動することにより、コリメートされた光を壁１０１ａ，１０１ｂの内部（煙道内部）に出射し、その透過光は受光部２０７に入射する。
【００３１】
煙道内部にＮＨ３ガス等の測定対象ガスが存在しない場合には、同期検波回路２０８ｂにより２ｆ信号が検出されないので、同期検波回路２０８ｂの出力波形はほぼ直線となる。煙道内部に測定対象ガスが存在する場合、同期検波回路２０８ｂからは図５に示すような測定対象ガスの吸収波形が出力される。この出力波形のピークがガス濃度に対応するため、演算部２０８ｅは、前記フィルタ２０８ｄの出力信号から同期検波回路２０８ｂの出力波形のピーク値を検出し、あるいは出力波形を積分することによって測定対象ガスの濃度を測定可能である。
【００３２】
次に、このレーザ式ガス分析計に使用される校正装置について説明する。
図６は、本実施形態に係る校正装置の一部である配管３０１を、前記ガス分析計に取り付けた状態を示す断面図である。図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。なお、図６において、２５０は前記光源部２０４及びコリメートレンズ２０５を備えた発光ユニット、２６０は集光レンズ２０６及び受光部２０７を備えた受光ユニットを示す。
【００３３】
図６において、配管３０１は発光ユニット２５０と受光ユニット２６０との間に気密状態で接続される。この配管３０１の長さは、前述した水分濃度の校正に必要な光路長を決定する基準となるため、十分な加工精度のもとで配管長さを設定する必要がある。
また、配管３０１は、発光ユニット２５０から出射した光を遮蔽することなく確実に受光ユニット２６０に伝播可能な内径を有するものとする。
配管３０１には、その軸方向に沿った二箇所にガス導入口３０２及びガス排出口３０３が形成されており、これらのガス導入口３０２及びガス排出口３０３を介して水分含有ガスが流通可能であると共に、配管３０１の長手方向のほぼ中央部には、酸素計４００が接続されるポート３０４が設けられている。
【００３４】
図７に示すように、前記ガス導入口３０２には、外部の水分含有ガス供給手段により生成された水分含有ガスが供給されるようになっており、この水分含有ガス供給手段は、ガス洗浄瓶５００及び流路５０１，５０２を備えている。
すなわち、ガス洗浄瓶５００は、大気に開放された流路５０１から供給される空気により内部の水Ｗをバブリングし、その温度における飽和水蒸気圧により規定された濃度の水分を含むガス（空気）を生成して流路５０２から排出する。この流路５０２の先端は、配管３０１のガス導入口３０２に接続されている。なお、５０３は配管３０１のガス排出口３０３に接続された排気用の流路である。
校正の際に高濃度の水分を含むガスが必要な場合は、ガス洗浄瓶５００、配管３０１及び流路５０１〜５０３をヒータにより加熱するか、装置全体を恒温槽などに入れて高温にする。
【００３５】
配管３０１のポート３０４に接続される酸素計４００は、配管３０１の内部の酸素濃度を測定可能なものであれば、いかなる測定原理、方式によるものでも良い。
この酸素計４００としては、図８に示すようなジルコニア酸素計を用いることができる。 図８において、センサ素子４０１は、有底円筒形のイットリア安定化ジルコニアからなる固体電解質４０２の外面及び内面に、多孔質の白金からなる測定電極４０３及び基準電極４０４をそれぞれ形成し、これらの電極４０３，４０４をリード線４０５，４０６を介し回路基板４０９に接続して作成される。なお、図示されていないが、回路基板４０９には各電極４０３，４０４の出力信号から酸素濃度等を演算するための演算部が実装されている。
センサ素子４０１は、センサ筐体４０７に内蔵されたヒータ４０８の内部に挿入・接着されている。４１０はセンサ筐体４０７に設けられた通気口、４１１は測定電極４０３の保護層である。
【００３６】
上記固体電解質４０２の材料である安定化ジルコニアは、主成分であるジルコニア（酸化ジルコニウムＺｒＯ２）に安定化剤としてイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを加えて作られる。また、これを実際に使用する際には、ヒータ４０８により固体電解質４０２を５００℃以上の高温に保つことが必要である。
５００℃以上の高温状態において、安定化ジルコニアは固体電解質（イオン導電性固体）の性質をもち、選択的に酸素イオン（Ｏ２−）だけを通過させる。すなわち、円筒形の固体電解質４０２の内外に酸素濃度差があれば、濃度の高い側の電極では、酸素分子（Ｏ２）は電子をもらって酸素イオン（Ｏ２−）になり（還元反応）、濃度の低い側の電極では、酸素イオン（Ｏ２−）が電子を放出して酸素分子（Ｏ２）に戻る（酸化反応）。これらの反応式は以下の通りである。
酸素の高濃度側：Ｏ２＋４ｅ→２Ｏ２−（還元反応）
酸素の低濃度側：２Ｏ２−→Ｏ２＋４ｅ（酸化反応）
【００３７】
このとき、測定電極４０３と基準電極４０４との間には、酸素濃度比によって決まる起電力が発生する。すなわち、両電極４０３，４０４間に発生する電圧を高入力インピーダンスの測定器によって測定すれば、酸素濃度比を計測することができる。
そこで、一方の電極（例えば固体電解質４０２の外側の測定電極４０３）を大気に直接接触させ、大気中の酸素分圧に相当する一定の酸素濃度に保てば、前記通気口４１０を介して他方の電極（固体電解質４０２の内側の基準電極４０４）に接触する水分含有空気中の酸素濃度を求めることができる。
【００３８】
次に、以上のような装置構成において、ガス洗浄瓶５００により空気をバブリングし、所定濃度の水分含有ガスを流路５０２及びガス導入口３０２から配管３０１内部に供給してガス分析計の水分濃度測定値を校正するための動作を説明する。
図８に示した酸素計４００は、通気口４１０から供給される配管３０１内の水分含有空気の酸素濃度を測定し、この酸素濃度から水分濃度を換算する。
すなわち、ガス洗浄瓶５００により水Ｗを大気にてバブリングし、流路５０２から供給される水分含有空気が配管３０１内に充満すると、配管３０１内の空気は、水分濃度の上昇分だけ酸素濃度が低下する。
例えば、ガス洗浄瓶５００に流路５０１から供給される大気の酸素濃度が２０．７％であったとし、これをガス洗浄瓶５００によりバブリングした結果、水分含有空気の酸素濃度が２０％に低下したとする。この場合、酸素濃度２０．７％に対して水分濃度が０．７％上昇するので、水分含有空気の水分濃度は、数式１により３．３８％となる。
［数式１］
水分濃度＝（供給大気の酸素濃度−バブリング後の酸素濃度）／供給大気の酸素濃度×１００％
【００３９】
以上のようにして、酸素計４００により測定される配管３０１内の酸素濃度から、水分濃度を換算可能である。
従って、この水分濃度を参照値として、配管３０１の軸方向長さから決定される光路長との積を求めれば、レーザ式ガス分析計による水分濃度の測定値を校正することができる。
なお、従来のようにヒータなどを用いて高水分濃度の校正を行う場合には、ヒータ温度を高精度に安定させる必要があるが、本実施形態では水分含有空気の酸素濃度に基づいて水分濃度をモニタリングしているため、校正が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態が適用されるレーザ式ガス分析計の構成図である。
【図２】図１における光源部の構成図である。
【図３】図２における波長走査駆動信号発生部の出力信号波形図である。
【図４】図１における信号処理回路の構成を周辺回路と共に示した図である。
【図５】ガス吸収波形の位置ずれを示す図である。
【図６】本発明の実施形態における校正装置の主要部の説明図である。
【図７】本発明の実施形態における校正装置の説明図である。
【図８】図６における酸素計の一例を示す構成図である。
【図９】ＮＨ３ガスの吸収スペクトラム例である。
【図１０】周波数変調方式の原理図である。
【図１１】ドライブ電流による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。
【図１２】温度による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。
【図１３】特許文献２に記載されたガス濃度測定装置の全体的な構成図である。
【図１４】図１３における主要部の構成図である。
【図１５】図１３における主要部の構成図である。
【図１６】温度と水分濃度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０１ａ，１０１ｂ：壁
２０１ａ，２０１ｂ：フランジ
２０２ａ，２０２ｂ：取付座
２０３ａ，２０３ｂ：カバー
２０４：光源部
２０４ａ：波長走査駆動信号発生部
２０４ｂ：高周波変調信号発生部
２０４ｃ：電流制御部
２０４ｄ：温度制御部
２０４ｅ：レーザ素子
２０４ｆ：サーミスタ
２０４ｇ：ペルチェ素子
２０４ｓ：レーザ駆動信号発生部
２０５：コリメートレンズ
２０６：集光レンズ
２０７：受光部
２０８：信号処理回路
２０８ａ：Ｉ／Ｖ変換器
２０８ｂ：同期検波回路
２０８ｃ：発振器
２０８ｄ：フィルタ
２０８ｅ：演算部
２５０：発光ユニット
２６０：受光ユニット
３０１：配管
３０２：ガス導入口
３０３：ガス排出口
３０４：ポート
４００：酸素計
４０１：センサ素子
４０２：固体電解質
４０３：測定電極
４０４：基準電極
４０５，４０６：リード線
４０７：センサ筐体
４０８：ヒータ
４０９：回路基板
４１０：通気口
４１１：保護層
５００：ガス洗浄瓶
５０１，５０２，５０３：流路
Ｗ：水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変調されたレーザ光を出射する光源部、及び、この光源部からの出射光をコリメートする光学系、を有する発光ユニットと、
前記光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された光を集光する光学系、この光学系により集光された光を受光する受光部、及び、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路、を有する受光ユニットと、を備え、
前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記光源部における変調信号の２倍周波数成分の信号を検出して測定対象ガスの濃度を測定するレーザ式ガス分析計であって、
前記測定対象ガスの濃度として水分濃度を測定するレーザ式ガス分析計を校正するための校正装置において、
前記発光ユニットと受光ユニットとの間に気密的に接続され、かつ、前記レーザ光の所定の光路長を保持可能な配管と、
前記配管の内部に所定の水分濃度の空気を供給する水分含有ガス供給手段と、
前記配管の内部に供給された空気中の酸素濃度を測定する酸素計と、
を備え、
前記酸素計により測定した酸素濃度から水素濃度を換算し、この水素濃度と前記光路長とを用いて前記レーザ式ガス分析計による水素濃度の測定値を校正することを特徴とするレーザ式ガス分析計の校正装置。
【請求項２】
請求項１に記載したレーザ式ガス分析計の校正装置において、
前記水分含有ガス供給手段を、大気により水をバブリングして得た水分含有ガスを前記配管内部に供給するガス洗浄瓶により構成したことを特徴とするレーザ式ガス分析計の校正装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載したレーザ式ガス分析計の校正装置において、
前記配管は、前記水分含有ガスが流入するガス導入口と、前記水分含有ガスが排出されるガス排出口と、前記酸素計が接続されるポートと、を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計の校正装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載したレーザ式ガス分析計の校正装置において、
前記光源部が、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とする波長走査駆動信号と前記発光波長を変調するための高周波変調信号とを合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換する電流制御部と、この電流制御部から出力された電流が供給される前記レーザ素子と、このレーザ素子の温度を安定化させる温度安定化手段と、を備え、かつ、
前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記２倍周波数成分の信号の振幅を検出する同期検波回路と、この同期検波回路の出力信号に存在するガス吸収波形から測定対象ガスの濃度を検出する演算部と、を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計の校正装置。
【請求項１】
周波数変調されたレーザ光を出射する光源部、及び、この光源部からの出射光をコリメートする光学系、を有する発光ユニットと、
前記光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された光を集光する光学系、この光学系により集光された光を受光する受光部、及び、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路、を有する受光ユニットと、を備え、
前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記光源部における変調信号の２倍周波数成分の信号を検出して測定対象ガスの濃度を測定するレーザ式ガス分析計であって、
前記測定対象ガスの濃度として水分濃度を測定するレーザ式ガス分析計を校正するための校正装置において、
前記発光ユニットと受光ユニットとの間に気密的に接続され、かつ、前記レーザ光の所定の光路長を保持可能な配管と、
前記配管の内部に所定の水分濃度の空気を供給する水分含有ガス供給手段と、
前記配管の内部に供給された空気中の酸素濃度を測定する酸素計と、
を備え、
前記酸素計により測定した酸素濃度から水素濃度を換算し、この水素濃度と前記光路長とを用いて前記レーザ式ガス分析計による水素濃度の測定値を校正することを特徴とするレーザ式ガス分析計の校正装置。
【請求項２】
請求項１に記載したレーザ式ガス分析計の校正装置において、
前記水分含有ガス供給手段を、大気により水をバブリングして得た水分含有ガスを前記配管内部に供給するガス洗浄瓶により構成したことを特徴とするレーザ式ガス分析計の校正装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載したレーザ式ガス分析計の校正装置において、
前記配管は、前記水分含有ガスが流入するガス導入口と、前記水分含有ガスが排出されるガス排出口と、前記酸素計が接続されるポートと、を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計の校正装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載したレーザ式ガス分析計の校正装置において、
前記光源部が、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とする波長走査駆動信号と前記発光波長を変調するための高周波変調信号とを合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換する電流制御部と、この電流制御部から出力された電流が供給される前記レーザ素子と、このレーザ素子の温度を安定化させる温度安定化手段と、を備え、かつ、
前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記２倍周波数成分の信号の振幅を検出する同期検波回路と、この同期検波回路の出力信号に存在するガス吸収波形から測定対象ガスの濃度を検出する演算部と、を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計の校正装置。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−９６５６１（Ｐ２０１０−９６５６１Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６６０１３（Ｐ２００８−２６６０１３）
【出願日】平成２０年１０月１５日（２００８．１０．１５）
【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２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１５日（２００８．１０．１５）
【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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