レーザ式ガス分析計
【課題】周囲温度の変化が大きい環境においても安定的かつ正確にガス濃度を測定可能としたレーザ式ガス分析計を提供する。
【解決手段】周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、信号処理回路が、受光部の出力信号から２倍波信号の振幅を検出する同期検波回路と、そ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、を備える。また、演算部２０８ｅは、ガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する機能を有し、レーザ駆動信号発生部２０４ｓから出力されるトリガ信号を時間的な基準として、ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングを予め検出して保存可能であり、これらのタイミングに基づいてガス吸収波形の最大値及び最小値を検出する。更に、前記タイミングを、周囲温度に基づいて補正可能とする。
【解決手段】周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、信号処理回路が、受光部の出力信号から２倍波信号の振幅を検出する同期検波回路と、そ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、を備える。また、演算部２０８ｅは、ガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する機能を有し、レーザ駆動信号発生部２０４ｓから出力されるトリガ信号を時間的な基準として、ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングを予め検出して保存可能であり、これらのタイミングに基づいてガス吸収波形の最大値及び最小値を検出する。更に、前記タイミングを、周囲温度に基づいて補正可能とする。
【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８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、本発明は周波数変調方式を用いたレーザ式ガス分析計に関するものである。
【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９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。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１０，図１１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９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可能になる。
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、距離に関係なく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。
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。
【０００６】
図１２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いる。
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１３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１４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１３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１２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１３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１４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１４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力を印加することで、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１３，図１４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る。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。
なお、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１２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［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】
周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、前述したように、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。
そのためには、特許文献２に示されるように、測定対象ガスと同じガスを封入した参照ガスセルが必要であるが、参照ガスセルへの封入が不可能または困難なガスについては、その濃度の検出が困難である。
【００１６】
また、参照ガスセルを用いるために参照ガスセル自体のガス漏れも考慮しなくてはならず、測定対象ガスが腐食性ガスであるＨＣｌ等の場合、これと同じ参照ガスがガス漏れすると周囲の光学部品が劣化する。更に、振動の影響による軸ズレや参照ガスセルの破損の影響も考慮しなくてはならず、参照ガスセルを用いること自体が好ましくない。
また、参照ガスセルを用いてレーザの発光波長を特定波長に固定するとしても、ＰＩＤ制御等により温度調整を行って特定波長に固定する安定性が要求される。しかし、通常のＤＦＢレーザ素子の発光波長は１００ｐｍ／℃程度の温度依存性を持っているので、吸収線幅が４０ｐｍ程度しかないアンモニアなどを検出するには１ｐｍ以下の波長安定性、つまり、０．０１℃以下の温度安定化が必要となる。
【００１７】
近年、例えば、リニアテクノロジー社や、マキシム社からＰＩＤ制御用ＩＣが提供されており、これらのＩＣの温度調整安定性は０．００１℃〜０．０１℃となっている。しかし、上記の温度範囲はサーミスタが埋め込まれた部分であり、ＤＦＢレーザ素子に対するものではない。
半導体レーザ素子の周囲温度が一定でない場合、発光波長が変動するため、半導体レーザ素子の発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせて測定すること自体に問題があり、従来技術では長期的な安定性の向上や測定精度の向上が難しい。
更に、測定対象ガスと参照ガスセル内に封入されたガス成分とが同一でも、実際に測定するガスの吸収幅や波長は若干変動する。また、参照ガスの温度と測定対象ガスの温度とが異なる場合は、レーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に完全に一致させることが困難である。
【００１８】
以上まとめれば、従来技術では参照ガスセルを用いて測定対象ガスの吸収波長にレーザの発光波長を合致させる必要があり、その波長安定性が測定性能に影響する。
また、ＨＣｌやＨＦなどの腐食性ガスの参照ガスセルを製作するためには、ガス封入設備も高価となり、測定可能なガス成分が参照ガスセルの製作可否によって制約されるという問題もある。
レーザ式ガス分析計によってガス濃度を測定するには、前述のように吸収波長の一致した光を出射するレーザ素子が必要であるが、この条件に合うレーザ素子が存在しても参照ガスセルが製作できなければ、分析計としての実現は不可能である。更に、参照ガスセルからのガス漏れ対策をする必要があるなど、装置構成上も好ましくなかった。
【００１９】
そこで、本発明の目的は、測定対象ガスの吸収波長すなわちレーザ素子の発光波長を走査するための参照ガスセルを不要とし、装置を単純化してコストを低減すると共に、発光波長を特定波長に安定化させる必要をなくして、ガス濃度を高精度に測定可能としたレーザ式ガス分析計を提供することにある。
【００２０】
更に、この種のガス分析計は、屋外に設置されると共に高温の煙道内に設置される場合もある。このような設置環境では、ガス分析計の周囲温度が大きく変動するため、レーザ素子の温度が周囲温度の変化に影響されて発光波長がずれることがある。この発光波長のずれにより、ガス吸収波形を正確に検出することができなくなり、結果としてガス濃度測定値に誤差が発生するという問題がある。
従って、本発明の他の目的は、特に周囲温度の変化が大きい環境においても安定的かつ正確にガス濃度を測定可能としたレーザ式ガス分析計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するため、請求項１に係るレーザ式ガス分析計は、周波数変調されたレーザ光を出射する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光学系と、この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透過光を集光する光学系と、この光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路とを備え、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、を備えたレーザ式ガス分析計において、
前記演算部は、前記ガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する機能を備えると共に、前記レーザ駆動信号発生部から出力されるトリガ信号を時間的な基準として、前記ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングを予め検出して保存可能であり、これらのタイミングに基づいて前記ガス吸収波形の最大値及び最小値を検出するものである。
【００２２】
請求項２に係るレーザ式ガス分析計は、請求項１に記載したレーザ式ガス分析計において、周囲温度を検出する感温素子と、この感温素子により検出した周囲温度に基づいて前記演算部に保存されている前記タイミングを補正する温度補正手段と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、参照ガスセルが不要になるため装置構成の単純化、低コスト化が可能であると共に、レーザ素子の発光波長を固定する必要がないため検出感度が安定化し、測定精度が向上するという効果が得られる。
また、演算部が、ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングを予め検出して保存しておき、これらのタイミングに基づいて前記最大値及び最小値を検出すると共に、レーザ素子の周囲温度を感温素子により検出し、その検出温度に基づいて前記タイミングを補正することにより、周囲温度の変化が大きい環境においてもガス吸収波形の最大値及び最小値を確実に検出してガス濃度を安定的かつ正確に測定することができる。
【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はこの実施形態の全体的な構成を示している。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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
次に、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。
【００２８】
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。
【００２９】
前記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、例えばアンモニアガスであれば、０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能としている。
図３における信号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。
【００３０】
次に、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は例えばフォトダイオードによって構成されており、レーザ素子２０４ｅの発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。
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。
【００３１】
前記同期検波回路２０８ｂからの出力信号の波形の一例を、図５に示す。
図５は、測定環境の周囲温度Ｔａが２５℃，−２０℃，６０℃における信号波形である。図のＡ部が測定対象ガスにより吸収を受けた吸収波形であり、この吸収波形の最大値と最小値との差（ガス吸収波形の振幅）から測定対象ガスの濃度を検出することができる。
ここで、図５から明らかなように、周囲温度Ｔａが大きく変動すると、レーザ素子２０４ｅの温度が周囲温度Ｔａの影響を受けて変動することにより発光波長がずれるため、結果としてガス吸収波形の発生位置（最大値及び最小値が発生するタイミング）がずれてしまう。
【００３２】
前述したように、ペルチェ素子２０４ｇを用いた温度制御によりレーザ素子２０４ｅは所定温度になるように考慮されているが、ペルチェ素子２０４ｇによるレーザ素子２０４ｅの制御温度と周囲温度Ｔａとの間に大きな差が発生した場合、レーザ素子２０４ｅは周囲温度Ｔａの影響を受けて発光波長がずれる現象が発生する。
そこで、この実施形態では、予め実験的に求められる周囲温度Ｔａと図５におけるガス吸収波形の位置ずれ量ｄｔとの関係から、ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングを温度補正する手段を設けている。
【００３３】
すなわち、図４において、例えばレーザ素子２０４ｅ（図２参照）に近接して設置されたサーミスタ等の感温素子２０９からの出力信号に基づいて、温度検出回路２０８ｆが周囲温度Ｔａを測定する。周囲温度Ｔａとガス吸収波形の位置ずれ量ｄｔ（つまり、ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングのずれ量）の関係は実験的に求めることができ、図６に示すように、周囲温度Ｔａに対してほぼ直線関係にあることが分かっている。この直線の傾きδを、温度補正係数として演算部２０８ｅ内に予め保存しておく。また、演算部２０８ｅには装置校正時の周囲温度Ｔｂも予め保存しておく。
そして、演算部２０８ｅは、現在の周囲温度Ｔａと校正時の周囲温度Ｔｂ及び温度補正係数δを用いて、数式１によりガス吸収波形の位置ずれ量ｄｔを求める。
［数式１］
ｄｔ＝δ×（Ｔｂ−Ｔａ）
【００３４】
こうして求めた位置ずれ量ｄｔを、数式２，３に示す如く、演算部２０８ｅに予め保存されている吸収波形の最大値が発生するタイミングｄｍａｘ及び最小値が発生するタイミングｄｍｉｎに加算または減算することで、周囲温度によるガス吸収波形の位置ずれの影響を補正する。なお、ｄｍａｘ’，ｄｍｉｎ’はそれぞれ補正後の最大値発生タイミング、最小値発生タイミングを示す。
［数式２］
ｄｍａｘ’＝ｄｍａｘ＋ｄｔ
［数式３］
ｄｍｉｎ’＝ｄｍｉｎ＋ｄｔ
また、演算部２０８ｅに予め保存されている前記タイミングｄｍａｘ，ｄｍｉｎは、レーザ駆動信号発生部２０４ｓ内の波長走査駆動信号発生部２０４ａから出力されるパルス状のトリガ信号Ｓ４を時間的な基準として検出されたものである。
【００３５】
演算部２０８ｅは、こうして補正されたガス吸収波形の最大値及び最小値の発生タイミングｄｍａｘ’，ｄｍｉｎ’に基づき、ガス吸収波形の最大値及び最小値を検出し、最大値と最小値との差を検出することで、周囲温度が大きく変動するような環境においても、ガス濃度を安定的かつ正確に測定することができる。
【００３６】
ここで、前述した如く、演算部２０８ｅには波長走査駆動信号発生部２０４ａからのトリガ信号Ｓ４が入力されており、このトリガ信号Ｓ４は、図７に示す如く、波長走査駆動信号の１周期に同期して波長走査駆動信号発生部２０４ａから出力されるパルス状の信号である。このトリガ信号Ｓ４は、例えば、レーザ素子２０４ｅの駆動電流をゼロにするような波長走査駆動信号のタイミング（信号Ｓ３の発生タイミング）に同期して発生させれば良い。
【００３７】
トリガ信号Ｓ４は波長走査駆動信号の一周期に同期しているので、トリガ信号Ｓ４と同期検波回路２０８ｂの出力信号Ｓｂとの間には一定の時間的な相関関係がある。つまり、ある基準温度のもとで、トリガ信号Ｓ４のタイミングに対してガス吸収波形やその最大値及び最小値が発生するタイミングｄｍａｘ，ｄｍｉｎは予めほぼ正確に検出可能であるため、前述した数式２，３により演算される補正後のタイミングｄｍａｘ’，ｄｍｉｎ’も正確なものとなる。
従って、本実施形態によれば、ガス吸収波形の最大値及び最小値の温度補正を正確に行うことができ、結果として、これらの最大値と最小値との差からガス濃度を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図である。
【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】周囲温度とガス吸収波形の位置ずれ量との関係を示す図である。
【図７】図４の信号処理回路に送られるトリガ信号の説明図である。
【図８】ＮＨ３ガスの吸収スペクトラム例である。
【図９】周波数変調方式の原理図である。
【図１０】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１１】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１２】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１３】図１２における主要部の構成図である。
【図１４】図１３における主要部の構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
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
２０８ｆ：温度検出回路
２０９：感温素子
【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８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、本発明は周波数変調方式を用いたレーザ式ガス分析計に関するものである。
【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９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。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１０，図１１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９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可能になる。
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、距離に関係なく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。
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。
【０００６】
図１２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いる。
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１３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１４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１３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１２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１３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１４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１４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力を印加することで、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１３，図１４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る。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。
なお、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１２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［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】
周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、前述したように、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。
そのためには、特許文献２に示されるように、測定対象ガスと同じガスを封入した参照ガスセルが必要であるが、参照ガスセルへの封入が不可能または困難なガスについては、その濃度の検出が困難である。
【００１６】
また、参照ガスセルを用いるために参照ガスセル自体のガス漏れも考慮しなくてはならず、測定対象ガスが腐食性ガスであるＨＣｌ等の場合、これと同じ参照ガスがガス漏れすると周囲の光学部品が劣化する。更に、振動の影響による軸ズレや参照ガスセルの破損の影響も考慮しなくてはならず、参照ガスセルを用いること自体が好ましくない。
また、参照ガスセルを用いてレーザの発光波長を特定波長に固定するとしても、ＰＩＤ制御等により温度調整を行って特定波長に固定する安定性が要求される。しかし、通常のＤＦＢレーザ素子の発光波長は１００ｐｍ／℃程度の温度依存性を持っているので、吸収線幅が４０ｐｍ程度しかないアンモニアなどを検出するには１ｐｍ以下の波長安定性、つまり、０．０１℃以下の温度安定化が必要となる。
【００１７】
近年、例えば、リニアテクノロジー社や、マキシム社からＰＩＤ制御用ＩＣが提供されており、これらのＩＣの温度調整安定性は０．００１℃〜０．０１℃となっている。しかし、上記の温度範囲はサーミスタが埋め込まれた部分であり、ＤＦＢレーザ素子に対するものではない。
半導体レーザ素子の周囲温度が一定でない場合、発光波長が変動するため、半導体レーザ素子の発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせて測定すること自体に問題があり、従来技術では長期的な安定性の向上や測定精度の向上が難しい。
更に、測定対象ガスと参照ガスセル内に封入されたガス成分とが同一でも、実際に測定するガスの吸収幅や波長は若干変動する。また、参照ガスの温度と測定対象ガスの温度とが異なる場合は、レーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に完全に一致させることが困難である。
【００１８】
以上まとめれば、従来技術では参照ガスセルを用いて測定対象ガスの吸収波長にレーザの発光波長を合致させる必要があり、その波長安定性が測定性能に影響する。
また、ＨＣｌやＨＦなどの腐食性ガスの参照ガスセルを製作するためには、ガス封入設備も高価となり、測定可能なガス成分が参照ガスセルの製作可否によって制約されるという問題もある。
レーザ式ガス分析計によってガス濃度を測定するには、前述のように吸収波長の一致した光を出射するレーザ素子が必要であるが、この条件に合うレーザ素子が存在しても参照ガスセルが製作できなければ、分析計としての実現は不可能である。更に、参照ガスセルからのガス漏れ対策をする必要があるなど、装置構成上も好ましくなかった。
【００１９】
そこで、本発明の目的は、測定対象ガスの吸収波長すなわちレーザ素子の発光波長を走査するための参照ガスセルを不要とし、装置を単純化してコストを低減すると共に、発光波長を特定波長に安定化させる必要をなくして、ガス濃度を高精度に測定可能としたレーザ式ガス分析計を提供することにある。
【００２０】
更に、この種のガス分析計は、屋外に設置されると共に高温の煙道内に設置される場合もある。このような設置環境では、ガス分析計の周囲温度が大きく変動するため、レーザ素子の温度が周囲温度の変化に影響されて発光波長がずれることがある。この発光波長のずれにより、ガス吸収波形を正確に検出することができなくなり、結果としてガス濃度測定値に誤差が発生するという問題がある。
従って、本発明の他の目的は、特に周囲温度の変化が大きい環境においても安定的かつ正確にガス濃度を測定可能としたレーザ式ガス分析計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するため、請求項１に係るレーザ式ガス分析計は、周波数変調されたレーザ光を出射する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光学系と、この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透過光を集光する光学系と、この光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路とを備え、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、を備えたレーザ式ガス分析計において、
前記演算部は、前記ガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する機能を備えると共に、前記レーザ駆動信号発生部から出力されるトリガ信号を時間的な基準として、前記ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングを予め検出して保存可能であり、これらのタイミングに基づいて前記ガス吸収波形の最大値及び最小値を検出するものである。
【００２２】
請求項２に係るレーザ式ガス分析計は、請求項１に記載したレーザ式ガス分析計において、周囲温度を検出する感温素子と、この感温素子により検出した周囲温度に基づいて前記演算部に保存されている前記タイミングを補正する温度補正手段と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、参照ガスセルが不要になるため装置構成の単純化、低コスト化が可能であると共に、レーザ素子の発光波長を固定する必要がないため検出感度が安定化し、測定精度が向上するという効果が得られる。
また、演算部が、ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングを予め検出して保存しておき、これらのタイミングに基づいて前記最大値及び最小値を検出すると共に、レーザ素子の周囲温度を感温素子により検出し、その検出温度に基づいて前記タイミングを補正することにより、周囲温度の変化が大きい環境においてもガス吸収波形の最大値及び最小値を確実に検出してガス濃度を安定的かつ正確に測定することができる。
【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はこの実施形態の全体的な構成を示している。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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
次に、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。
【００２８】
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。
【００２９】
前記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、例えばアンモニアガスであれば、０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能としている。
図３における信号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。
【００３０】
次に、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は例えばフォトダイオードによって構成されており、レーザ素子２０４ｅの発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。
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。
【００３１】
前記同期検波回路２０８ｂからの出力信号の波形の一例を、図５に示す。
図５は、測定環境の周囲温度Ｔａが２５℃，−２０℃，６０℃における信号波形である。図のＡ部が測定対象ガスにより吸収を受けた吸収波形であり、この吸収波形の最大値と最小値との差（ガス吸収波形の振幅）から測定対象ガスの濃度を検出することができる。
ここで、図５から明らかなように、周囲温度Ｔａが大きく変動すると、レーザ素子２０４ｅの温度が周囲温度Ｔａの影響を受けて変動することにより発光波長がずれるため、結果としてガス吸収波形の発生位置（最大値及び最小値が発生するタイミング）がずれてしまう。
【００３２】
前述したように、ペルチェ素子２０４ｇを用いた温度制御によりレーザ素子２０４ｅは所定温度になるように考慮されているが、ペルチェ素子２０４ｇによるレーザ素子２０４ｅの制御温度と周囲温度Ｔａとの間に大きな差が発生した場合、レーザ素子２０４ｅは周囲温度Ｔａの影響を受けて発光波長がずれる現象が発生する。
そこで、この実施形態では、予め実験的に求められる周囲温度Ｔａと図５におけるガス吸収波形の位置ずれ量ｄｔとの関係から、ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングを温度補正する手段を設けている。
【００３３】
すなわち、図４において、例えばレーザ素子２０４ｅ（図２参照）に近接して設置されたサーミスタ等の感温素子２０９からの出力信号に基づいて、温度検出回路２０８ｆが周囲温度Ｔａを測定する。周囲温度Ｔａとガス吸収波形の位置ずれ量ｄｔ（つまり、ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングのずれ量）の関係は実験的に求めることができ、図６に示すように、周囲温度Ｔａに対してほぼ直線関係にあることが分かっている。この直線の傾きδを、温度補正係数として演算部２０８ｅ内に予め保存しておく。また、演算部２０８ｅには装置校正時の周囲温度Ｔｂも予め保存しておく。
そして、演算部２０８ｅは、現在の周囲温度Ｔａと校正時の周囲温度Ｔｂ及び温度補正係数δを用いて、数式１によりガス吸収波形の位置ずれ量ｄｔを求める。
［数式１］
ｄｔ＝δ×（Ｔｂ−Ｔａ）
【００３４】
こうして求めた位置ずれ量ｄｔを、数式２，３に示す如く、演算部２０８ｅに予め保存されている吸収波形の最大値が発生するタイミングｄｍａｘ及び最小値が発生するタイミングｄｍｉｎに加算または減算することで、周囲温度によるガス吸収波形の位置ずれの影響を補正する。なお、ｄｍａｘ’，ｄｍｉｎ’はそれぞれ補正後の最大値発生タイミング、最小値発生タイミングを示す。
［数式２］
ｄｍａｘ’＝ｄｍａｘ＋ｄｔ
［数式３］
ｄｍｉｎ’＝ｄｍｉｎ＋ｄｔ
また、演算部２０８ｅに予め保存されている前記タイミングｄｍａｘ，ｄｍｉｎは、レーザ駆動信号発生部２０４ｓ内の波長走査駆動信号発生部２０４ａから出力されるパルス状のトリガ信号Ｓ４を時間的な基準として検出されたものである。
【００３５】
演算部２０８ｅは、こうして補正されたガス吸収波形の最大値及び最小値の発生タイミングｄｍａｘ’，ｄｍｉｎ’に基づき、ガス吸収波形の最大値及び最小値を検出し、最大値と最小値との差を検出することで、周囲温度が大きく変動するような環境においても、ガス濃度を安定的かつ正確に測定することができる。
【００３６】
ここで、前述した如く、演算部２０８ｅには波長走査駆動信号発生部２０４ａからのトリガ信号Ｓ４が入力されており、このトリガ信号Ｓ４は、図７に示す如く、波長走査駆動信号の１周期に同期して波長走査駆動信号発生部２０４ａから出力されるパルス状の信号である。このトリガ信号Ｓ４は、例えば、レーザ素子２０４ｅの駆動電流をゼロにするような波長走査駆動信号のタイミング（信号Ｓ３の発生タイミング）に同期して発生させれば良い。
【００３７】
トリガ信号Ｓ４は波長走査駆動信号の一周期に同期しているので、トリガ信号Ｓ４と同期検波回路２０８ｂの出力信号Ｓｂとの間には一定の時間的な相関関係がある。つまり、ある基準温度のもとで、トリガ信号Ｓ４のタイミングに対してガス吸収波形やその最大値及び最小値が発生するタイミングｄｍａｘ，ｄｍｉｎは予めほぼ正確に検出可能であるため、前述した数式２，３により演算される補正後のタイミングｄｍａｘ’，ｄｍｉｎ’も正確なものとなる。
従って、本実施形態によれば、ガス吸収波形の最大値及び最小値の温度補正を正確に行うことができ、結果として、これらの最大値と最小値との差からガス濃度を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図である。
【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】周囲温度とガス吸収波形の位置ずれ量との関係を示す図である。
【図７】図４の信号処理回路に送られるトリガ信号の説明図である。
【図８】ＮＨ３ガスの吸収スペクトラム例である。
【図９】周波数変調方式の原理図である。
【図１０】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１１】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１２】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１３】図１２における主要部の構成図である。
【図１４】図１３における主要部の構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
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
２０８ｆ：温度検出回路
２０９：感温素子
【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と、この光源部からの出射光をコリメートする光学系と、この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透過光を集光する光学系と、この光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路とを備え、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、を備えたレーザ式ガス分析計において、
前記演算部は、前記ガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する機能を備えると共に、前記レーザ駆動信号発生部から出力されるトリガ信号を時間的な基準として、前記ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングを予め検出して保存可能であり、これらのタイミングに基づいて前記ガス吸収波形の最大値及び最小値を検出することを特徴とするレーザ式ガス分析計。
【請求項２】
請求項１に記載したレーザ式ガス分析計において、
周囲温度を検出する感温素子と、
この感温素子により検出した周囲温度に基づいて前記演算部に保存されている前記タイミングを補正する温度補正手段と、
を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
【請求項１】
周波数変調されたレーザ光を出射する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光学系と、この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透過光を集光する光学系と、この光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路とを備え、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、を備えたレーザ式ガス分析計において、
前記演算部は、前記ガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する機能を備えると共に、前記レーザ駆動信号発生部から出力されるトリガ信号を時間的な基準として、前記ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングを予め検出して保存可能であり、これらのタイミングに基づいて前記ガス吸収波形の最大値及び最小値を検出することを特徴とするレーザ式ガス分析計。
【請求項２】
請求項１に記載したレーザ式ガス分析計において、
周囲温度を検出する感温素子と、
この感温素子により検出した周囲温度に基づいて前記演算部に保存されている前記タイミングを補正する温度補正手段と、
を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
【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】
【公開番号】特開２０１０−１９７８０（Ｐ２０１０−１９７８０Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８２５２０（Ｐ２００８−１８２５２０）
【出願日】平成２０年７月１４日（２００８．７．１４）
【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１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１４日（２００８．７．１４）
【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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