多成分対応レーザ式ガス分析計
【課題】複数のガスを測定する際に一台で複数のガスを同時に測定可能とした多成分対応レーザ式ガス分析計を提供する。
【解決手段】波長走査駆動信号と高周波変調信号とを合成した駆動信号を電流駆動信号に変換して出力し、電流駆動信号に応じて発光して検出光を、ｎ種のガス別に同一の光軸上で出射する発光部２００と、測定対象ガス空間を伝播した検出光を受光して得た検出信号を、高周波変調信号の２倍周波数である参照信号を用いて検出信号を同期検波して２倍周波数成分の同期検波信号をｎ種のガス別に出力し、ｎ種のガス別の同期検波信号を用いて所望の測定対象ガスの有無および／または所望の測定対象ガスの濃度を測定分析する受光部３００と、を備える多成分対応レーザ式ガス分析計とした。
【解決手段】波長走査駆動信号と高周波変調信号とを合成した駆動信号を電流駆動信号に変換して出力し、電流駆動信号に応じて発光して検出光を、ｎ種のガス別に同一の光軸上で出射する発光部２００と、測定対象ガス空間を伝播した検出光を受光して得た検出信号を、高周波変調信号の２倍周波数である参照信号を用いて検出信号を同期検波して２倍周波数成分の同期検波信号をｎ種のガス別に出力し、ｎ種のガス別の同期検波信号を用いて所望の測定対象ガスの有無および／または所望の測定対象ガスの濃度を測定分析する受光部３００と、を備える多成分対応レーザ式ガス分析計とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、煙道内の各種の測定対象ガスの有無や濃度を分析する多成分対応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。この点について図を参照しつつ説明する。例えば、図７は、ガス固有の光吸収スペクトルを説明する説明図であり、図７（ａ）はＮＨ３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｂ）はＨＣｌ（塩化水素）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｃ）はＨ２Ｓ（硫化水素）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｄ）はＣＨ４（メタン）ガスの吸収スペクトラム例を示す図である。これら図７（ａ）〜（ｄ）からも明らかなように、ガス別に光吸収スペクトルが相違している。
【０００３】
このように光吸収スペクトルがガス別に異なる点を利用してガスを分析する装置としてレーザ式ガス分析計が知られている。
レーザ式ガス分析計は、レーザ光の特定波長の吸光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。
【０００４】
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８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。
【０００５】
半導体レーザは、図９（ａ），（ｂ）の半導体レーザの発光波長の変化を示す図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。
【０００６】
図８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倍周波数信号）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倍周波数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でき、この基本波の振幅と前記２倍周波数信号の振幅との比を位相同期させて検出することで、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。
【０００７】
周波数変調方式で距離の影響をキャンセルするためには、半導体レーザ素子の出力を周波数変調すると同時に周波数ｆｍで振幅変調を行えばよいのであるが、半導体レーザ素子の出力に周波数変調を掛けると振幅変調も掛かるので、これが利用できる。
そして、受光部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を推定でき、この基本波の振幅と前記２倍周波数信号の振幅の比を位相同期させて取ることで、距離に関係なくガス濃度に比例した値を得ることができる。
【０００８】
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光波長に合わせる必要が生じる。
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。
【０００９】
図１０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。
【００１０】
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１１（ａ）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１１（ｂ）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１１（ａ）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が延出されており、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１０の測定光集光部３から外部（測定対象ガスの雰囲気）に出射されるようになっている。
【００１１】
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）が配置されており、この温度制御素子により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。
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することができる。
【００１２】
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。
【００１３】
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もので、内部が空洞の金属胴２２ａの対向面に光を通過させる貫通穴が形成され、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概略等しい組成、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。
【００１４】
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を斜め（例えば出射光軸に対して約６°）に形成するのが好ましい。
【００１５】
前述した図１０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により集光すると共に、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、前記光検出器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、測定／校正切替部１２の後段の受信信号検出部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。
【００１６】
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により増幅された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）、２ｆ／ｆ信号を検出する。また、この受信信号検出部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）、ｒ２ｆ／ｒｆ信号を検出する。
【００１７】
上記構成において、従来では参照ガスセル２２を用いて半導体レーザ２４の発光波長を制御しており、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で測定対象ガスの濃度を測定している
【００１８】
この手法では、半導体レーザから出射した光をビームスプリッタなどで２方向に分岐するか、もしくは半導体レーザ素子は、素子の両端面から発光が可能なので、片側をガス濃度測定用に用い、もう一方を、ガスセルに光を入射するなど、同一の発光素子から出射した光を、ガスセルと測定対象のガスに入射できるように構成する。
このような構成にすることで、ガスセル側を透過した光で、例えば、２倍波と基本波の比が最大となる点に半導体レーザの発光波長を、半導体レーザがマウントされたペルチェ部の温度制御によって、波長が一定になるように制御する。
【００１９】
【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】
【００２０】
周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、前述したごとくガスの吸収線幅よりもレーザの線幅のほうが小さいため、レーザの発光波長を測定対象ガスの吸光波長に合わせる必要がある。
そのためには、測定対象ガスと同じガスをあらかじめ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という問題がある。
【００２１】
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。
【００２２】
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、これらの温度調整安定性は０．００１℃〜０．０１℃となっているが、これ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。
温度分布等があれば波長は変動するため、半導体レーザ素子の発光波長を測定対象ガスの吸光波長に合わせて測定すること自体が問題であり、これらが長期的な安定性や測定精度を低下させる要因となっている。
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し、また、参照ガスセル温度と測定対象ガスの温度とが異なる場合は、吸光波長に完全に合わせることが困難である。
【００２３】
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光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、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、前述のように吸光波長の一致した光を出射可能なレーザ素子が必要であると共に、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。
【００２４】
これらのような性能面の問題に加え、作業性でも問題があった。例えば、煙道や排ガス測定などで使用されるガス分析計は、排出される複数のガス濃度を同時に計測するように用いられるのが一般的である。従来技術では、複数のガス成分を計測するために、単成分計を複数台設置する必要があった。この理由としては、１つのＬＤ素子で可変できる波長範囲が狭く、１成分もしくは特定の２成分程度した検出できない点が挙げられる。
【００２５】
また、複数台のレーザ式ガス分析計を設置するため、設置面積や、設置工事・光軸調整費などが装置台数に比例し増加するため、システムの大型化、コストの増加などの問題があった。
【００２６】
そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、測定対象ガスの吸光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の低減を図ると共に、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であって、さらに複数のガスを測定する際に一台で複数のガスを同時に測定可能とした多成分対応レーザ式ガス分析計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
駆動電流の変化に応じて発光波長が変化するレーザ素子を用いてｎ種のガスを測定する多成分対応レーザ式ガス分析計において、
測定対象ガスの吸光波長を含む波長走査範囲を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号と、発光波長を変調するための高周波変調信号と、を入力し、波長走査駆動信号と高周波変調信号とを合成した駆動信号を電流駆動信号に変換して出力する電流駆動部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる電流駆動手段と、
電流駆動部から出力された電流駆動信号に応じて発光して検出光を出射する発光部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる発光手段と、
この発光部の温度を安定化させる温度安定化部をｎ個の発光部別にｎ個備えてなる温度安定化手段と、
ｎ個の発光部から出射したｎ本の検出光を同一の光軸上で合成して検出光を測定対象ガス空間へ出射させる光軸結合手段と、
測定対象ガス空間を伝播した検出光を集光して出射する集光手段と、
ｎ種の検出光の全波長に対して感度を有し、集光した検出光の波長に応じた検出信号を出力する受光手段と、
高周波変調信号の２倍周波数である参照信号を用いて検出信号を同期検波して２倍周波数成分の同期検波信号を出力する同期検波部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる同期検波手段と、
ｎ種のガス別の同期検波信号を用いて所望の測定対象ガスの有無および／または所望の測定対象ガスの濃度を測定分析する分析手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の請求項２に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１に記載の多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記電流駆動手段は、測定対象ガスの吸光波長を含む測定範囲を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号を出力する波長走査駆動信号発生部と、発光波長を変調するための高周波変調信号を出力する高周波変調信号発生部と、波長走査駆動信号と高周波変調信号とを入力して合成により駆動信号を生成し、この駆動信号を電流駆動信号に変換して出力する電流制御部と、からなる電流駆動部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の請求項３に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１または請求項２に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記温度安定化手段は、発光部の温度を検出する温度検出部と、温度検出部からの温度検出信号を受けて発光部を一定温度とする温度駆動信号を出力する温度制御部と、発光部の温度を調整する加熱冷却部と、からなる温度安定化部をｎ個の発光部別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする。
【００３０】
また、本発明の請求項４に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記同期検波手段は、高周波変調信号の２倍周波数である参照信号を出力する参照信号発生部と、参照信号を用いて検出信号を同期検波して２倍周波数成分の同期検波信号を出力する同期検波部と、をｎ種のガス別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の請求項５に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号の波形は、オフセットを有し、かつ前記レーザ素子への供給電流を直線的に変化させて前記レーザ素子の発光波長を徐々に変化させる部分を有すると共に、一定周期で繰り返される波形であり、
前記オフセットは、前記レーザ素子のスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給するような値であることを特徴とする。
【００３２】
また、本発明の請求項６に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記分析手段は、
前記同期検波信号の少なくとも一部を積分し、その積分値を測定対象ガスの濃度として検出することを特徴とする。
【００３３】
また、本発明の請求項７に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記分析手段は、
前記同期検波信号のピーク値を測定対象ガスの濃度として検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
以上述べたような本発明によれば、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無いため検出感度が安定化し、測定精度が向上し、さらに、複数のガスを測定する際に一台で複数のガスを同時に測定可能とした多成分対応レーザ式ガス分析計を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
続いて、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しつつ説明する。本発明はｎ成分のガスを分析する多成分対応レーザ式ガス分析計であるが、本形態では説明の具体化のため４成分のガスを測定するような多成分対応レーザ式ガス分析計について記載する。図１は本形態の多成分対応レーザ式ガス分析計の構成図である。図２は発光部の回路ブロック図である。図３は受光部の回路ブロック図である。図４は信号の特性図であり、図４（ａ）は波長走査駆動信号を示す図、図４（ｂ）は第１高調波変調信号を示す図、図４（ｃ）は第１発光部の出力波形を示す図、図４（ｄ）は第１同期検波部の出力波形を示す図である。図５はフォトダイオードの波長感度を示す特性図である。図６は出力の写真であり、図６（ａ）はフォトダイオードから出力される検出信号を示す図、図６（ｂ）は第１同期検波回からの第１同期検波信号を示す図である。
【００３６】
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。多成分対応レーザ式ガス分析計１００は、大別して検出光を出射するユニットである発光部２００と、検出光を受光するユニットである受光部３００と、を備える。
【００３７】
まず、発光部２００について説明する。発光部２００は、ガスの吸光特性に応じた光を後述のように変調した検出光として出射するユニットである。
発光部２００の機械的構造は、図１に示すように、フランジ２０１、窓部２０２、調整用フランジ２０３、収納部２０４、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄ、光軸結合部２０６を備える。
【００３８】
また、発光部２００の回路構成は、図２に示すように、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄ、波長走査駆動信号発生部２０７、第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第４高周波変調信号発生部２０８ｄ、第１電流制御部２０９ａ、第２電流制御部２０９ｂ、第３電流制御部２０９ｃ、第４電流制御部２０９ｄ、第１温度制御部２１０ａ、第２温度制御部２１０ｂ、第３温度制御部２１０ｃ、第４温度制御部２１０ｄ、第１サーミスタ２１１ａ、第２サーミスタ２１１ｂ、第３サーミスタ２１１ｃ、第４サーミスタ２１１ｄ、第１ペルチェ素子２１２ａ、第２ペルチェ素子２１２ｂ、第３ペルチェ素子２１２ｃ、第４ペルチェ素子２１２ｄを備える。
【００３９】
受光部３００は、ガスの吸光特性により吸収された検出光を受光し、ガス濃度を検出するユニットである。
また、受光部３００の機械的構造は、図１に示すように、フランジ３０１、窓部３０２、調整用フランジ３０３、収納部３０４、集光レンズ３０５、センサ部３０６、信号処理回路３０７を備える。
また、受光部３００の回路構成は、図３に示すように、センサ部３０６、信号処理回路３０７を備える。
【００４０】
センサ部３０６は、詳しくは図３に示すように、フォトダイオード３０８、Ｉ／Ｖ変換部３０９を備える。
信号処理回路３０７は、詳しくは図３に示すように、第１参照信号発生部３１０ａ、第２参照信号発生部３１０ｂ、第３参照信号発生部３１０ｃ、第４参照信号発生部３１０ｄ、第１同期検波部３１１ａ、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄ、第１フィルタ３１２ａ、第２フィルタ３１２ｂ、第３フィルタ３１２ｃ、第４フィルタ３１２ｄを備える。
多成分対応レーザ式ガス分析計１００の発光部２００と、受光部３００と、はこのようなものである。
【００４１】
次に発光部２００の構成や動作の詳細について説明する。
フランジ２０１は、図１に示すように、測定したいガスが通流する煙道など配管の壁４１０に溶接などで固定される。フランジ２０１の内部には貫通孔が形成される。
窓部２０２は、光が透過する材料にて形成され、フランジ２０１の貫通孔を塞ぐように配置されてガス成分が漏れないようにしている。
光軸調整用の調整用フランジ２０３は、フランジ２０１と収納部２０４との間に介在して配置されており、フランジ２０１に対して発光部２００の位置や角度等が調節可能なように収納部２０４を取り付ける。これにより壁４１０に対して発光部２００は光軸調整可能に設置される。後述するが発光部２００からの検出光が受光部３００にて確実に受光されるように調整される。
【００４２】
収納部２０４は、その内部に、図１で示すような、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄ、光軸結合部２０６を収納している。また、図２で示す回路構成のうち少なくとも第１サーミスタ２１１ａ、第２サーミスタ２１１ｂ、第３サーミスタ２１１ｃ、第４サーミスタ２１１ｄ、第１ペルチェ素子２１２ａ、第２ペルチェ素子２１２ｂ、第３ペルチェ素子２１２ｃ、第４ペルチェ素子２１２ｄを収容している。
【００４３】
なお、波長走査駆動信号発生部２０７、第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第４高周波変調信号発生部２０８ｄ、第１電流制御部２０９ａ、第２電流制御部２０９ｂ、第３電流制御部２０９ｃ、第４電流制御部２０９ｄ、第１温度制御部２１０ａ、第２温度制御部２１０ｂ、第３温度制御部２１０ｃ、第４温度制御部２１０ｄについては収納部２０４内に収納しても良く、また、収納部２０４内からリード線を引き出して図示しない他の回路収納部内に収容しても良い。
【００４４】
第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄは、本発明の４個の発光部に相当するものであり、これらにより発光手段を構成している。第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄは、例えばＤＦＢレーザ(Distributed Feedback laser)、もしくはＶＣＳＥＬ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)と言われるレーザダイオード（以下ＬＤとする）である。これらＬＤは、レーザ光波長がガスの吸光特性に一致する近赤外領域にて発光が可能であり、かつ、温度と注入電流により発光波長が変化することが一般的に知られている。なお、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄは、電流と温度により、発光波長を可変できるものであればよく、他の発光素子でも同様な動作ができればよい。測定するガス１成分につき１個の発光素子が必要であり、４個のＬＤを採用することで４成分を計測可能としている。
【００４５】
例えば、図７のような吸収特性を有する４種類のガス種（ａ：ＮＨ３，ｂ：ＨＣｌ、ｃ：Ｎ２Ｓ，ｄ：ＣＨ４）を測定する場合、４種類のガスの吸光特性を有する波長がいずれも１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲であるため、１６００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度のレーザ光波長を有する。なお、後述するが、第１電流制御部２０９ａにより駆動制御された第１レーザ素子２０５ａは第１検出光を出力する。同様に第２電流制御部２０９ｂにより駆動制御された第２レーザ素子２０５ｂは第２検出光を、第３電流制御部２０９ｃにより駆動制御された第３レーザ素子２０５ｃは第３検出光を、第４電流制御部２０９ｄにより駆動制御された第４レーザ素子２０５ｄは第４検出光をそれぞれ出力する。
【００４６】
光軸結合部２０６は、本発明の光軸結合手段に相当するものであり、具体的にはプリズム型ミラーである。光軸結合部２０６は、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄから出射したレーザ光による第１，第２、第３、第４検出光を通過させると角度を変換しつつ同軸上に合成した検出光を出射する機能を有する。
【００４７】
波長走査駆動信号発生部２０７は、ある測定対象ガスの吸光波長を含む測定範囲を走査するように第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄの発光波長を可変とするための波長走査駆動信号を出力する。ここで、波長走査駆動信号発生部２０７の出力する波長走査駆動信号とは、図４（ａ）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。なお、波長走査駆動信号は４種類のガス種（ａ：ＮＨ３，ｂ：ＨＣｌ、ｃ：Ｎ２Ｓ，ｄ：ＣＨ４）の測定に共通して用いられる。以下の説明ではＮＨ３を測定対象ガスとする測定を説明する。
【００４８】
図４（ａ）において、吸光波長を走査する信号Ｓ２は、第１電流制御部２０９ａを介して第１レーザ素子２０４ａのＬＤに供給される電流の大きさを直線的に変えることにより、第１レーザ素子２０４ａのＬＤの発光波長を徐々にずらしていく（図９（ａ）参照）というものであり、ＮＨ３（アンモニア）ガスでは、０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能とする部分である。
【００４９】
また、Ｓ１は、吸光波長は走査しないが第１レーザ素子２０４ａのＬＤを発光させておくオフセット部分であり、第１レーザ素子２０４ａのＬＤ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、Ｓ３は駆動電流をほぼ０ｍＡにした部分である。
このような波長走査駆動信号が波長走査駆動信号発生部２０７から出力される。
【００５０】
第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第４高周波変調信号発生部２０８ｄは、ガス濃度を検出する各々のレーザ素子の発光波長を変調する高周波変調信号を出力する。ここにそれぞれ異なる測定対象ガスの吸光波長を検出するために、第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第４高周波変調信号発生部２０８ｄは、それぞれ１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚ程度で波長幅を０．０２ｎｍとした正弦波である第１，第２，第３，第４高周波変調信号を出力する。なお、図４（ｂ）では１０ｋＨｚの正弦波である第１高周波変調信号のみ図示しているが、１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚの正弦波は周波数のみ異なるものであり、図示を省略している。
【００５１】
第１電流制御部２０９ａ、第２電流制御部２０９ｂ、第３電流制御部２０９ｃ、第４電流制御部２０９ｄは、ＬＤを駆動する電流信号を出力する。
第１電流制御部２０９ａは、波長走査駆動信号発生部２０７からの波長走査駆動信号と、第１高周波変調信号発生部２０８ａからの第１高周波変調信号を重畳させて第１駆動信号を生成し、この第１駆動信号を電流に変換して第１電流駆動信号として出力する。第１レーザ素子２０５ａは、第１電流駆動信号に駆動されてレーザ光による第１検出光を照射する。波長走査駆動信号発生部２０７、第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第１電流制御部２０９ａとで第１電流駆動部を構成する。
【００５２】
第２電流制御部２０９ｂは、波長走査駆動信号発生部２０７からの波長走査駆動信号と、第２高周波変調信号発生部２０８ｂからの第２高周波変調信号を重畳させて第２駆動信号を生成し、この第２駆動信号を電流に変換して第２電流駆動信号として出力する。第２レーザ素子２０５ｂは、第２電流駆動信号に駆動されてレーザ光による第２検出光を照射する。波長走査駆動信号発生部２０７、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第２電流制御部２０９ｂとで第２電流駆動部を構成する。
【００５３】
第３電流制御部２０９ｃは、波長走査駆動信号発生部２０７からの波長走査駆動信号と、第３高周波変調信号発生部２０８ｃからの第３高周波変調信号を重畳させて第３駆動信号を生成し、この第３駆動信号を電流に変換して第３電流駆動信号として出力する。第３レーザ素子２０５ｃは、第３電流駆動信号に駆動されてレーザ光による第３検出光を照射する。波長走査駆動信号発生部２０７、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第３電流制御部２０９ｃとで第３電流駆動部を構成する。
【００５４】
第４電流制御部２０９ｄは、波長走査駆動信号発生部２０７からの波長走査駆動信号と、第４高周波変調信号発生部２０８ｄからの第４高周波変調信号を重畳させて第４駆動信号を生成し、この第４駆動信号を電流に変換して第４電流駆動信号として出力する。第４レーザ素子２０５ｄは、第４電流駆動信号に駆動されてレーザ光による第４検出光を照射する。波長走査駆動信号発生部２０７、第４高周波変調信号発生部２０８ｄ、第４電流制御部２０９ｄとで第４電流駆動部を構成する。
これら第１，第２，第３，第４電流駆動部は、本発明の電流駆動手段の一具体例となっている。
【００５５】
続いて、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄの温度調整に用いる構成について説明する。温度が変化すると図９（ｂ）でも示したように第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄの発光する光の波長も変化するが、本発明では波長の制御は電流のみによるものとするため、温度を一定に制御するものである。
【００５６】
第１温度制御部２１０ａ、第２温度制御部２１０ｂ、第３温度制御部２１０ｃ、第４温度制御部２１０ｄは、温度を制御する回路である。
第１サーミスタ２１１ａ、第２サーミスタ２１１ｂ、第３サーミスタ２１１ｃ、第４サーミスタ２１１ｄは、本発明の温度検出部の一具体例に相当するものであり、温度に応じて抵抗値が変化する機能を有し、抵抗の変化により温度の変化を検出できる温度検出素子である。
第１ペルチェ素子２１２ａ、第２ペルチェ素子２１２ｂ、第３ペルチェ素子２１２ｃ、第４ペルチェ素子２１２ｄは、本発明の加熱冷却部の一具体例に相当するものであり、吸熱により冷却するための温度調整素子である。
【００５７】
第１温度制御部２１０ａは、第１サーミスタ２１１ａ、第１ペルチェ素子２１２ａが接続される。第１レーザ素子２０５ａに近接して温度検出素子としての第１サーミスタ２１１ａが配置され、また、この第１サーミスタ２１１ａには第１ペルチェ素子２１２ａが近接して配置されている。第１温度制御部２１０ａは、第１サーミスタ２１１ａの抵抗値が一定値になるようにＰＩＤ制御等でよって第１ペルチェ素子２１２ａを制御し、結果として第１レーザ素子２０５ａの温度を安定化させて第１レーザ素子２０５ａから出射する光波長は電流の変化のみによるようにする。第１温度制御部２１０ａは、第１サーミスタ２１１ａ、第１ペルチェ素子２１２ａで第１温度安定化部となり、第１レーザ素子２０５ａの温度安定化を行う。
【００５８】
第２温度制御部２１０ｂは、第２サーミスタ２１１ｂ、第２ペルチェ素子２１２ｂが接続される。先の説明と同様に温度制御がなされる。第２温度制御部２１０ｂは、第２サーミスタ２１１ｂ、第２ペルチェ素子２１２ｂで第２温度安定化部となり、第２レーザ素子２０５ｂの温度安定化を行う。
第３温度制御部２１０ｃは、第３サーミスタ２１１ｃ、第３ペルチェ素子２１２ｃが接続される。先の説明と同様に温度制御がなされる。第３温度制御部２１０ｃは、第３サーミスタ２１１ｃ、第３ペルチェ素子２１２ｃで第３温度安定化部となり、第３レーザ素子２０５ｃの温度安定化を行う。
第４温度制御部２１０ｄは、第４サーミスタ２１１ｄ、第４ペルチェ素子２１２ｄが接続される。先の説明と同様に温度制御がなされる。第４温度制御部２１０ｄは、第４サーミスタ２１１ｄ、第４ペルチェ素子２１２ｄで第４温度安定化部となり、第４レーザ素子２０５ｄの温度安定化を行う。
これら第１，第２，第３，第４温度安定化部は、本発明の温度安定化手段の一具体例となっている。
【００５９】
続いて発光部２００の一連の発光動作について説明する。まず、事前に温度校正が行われる。
第１温度制御部では以下のように調整が行われる。第１レーザ素子２０４ａの温度を第１サーミスタ２１１ａにより検出し、図４（ａ）に示した波長走査駆動信号のＳ２の中心部分で測定対象ガス（例えばＮＨ３ガス）が測定できる（所定の吸光特性が得られる）ように、第１温度制御部２１０ａにより第１ペルチェ素子２１２ａの通電を制御して第１レーザ素子２０４ａの温度を調整する。
第１温度安定化部について説明し、第２，第３，第４温度安定化部については同じであるものとして重複する説明を省略する。
【００６０】
第１レーザ素子２０５ａからの検出光は図４（ｃ）で示すようになる。なお、図４（ｃ）では、高周波変調信号の周波数を１０ｋＨｚ、波長走査駆動信号の周波数を５０Ｈｚとしてあり、λ１はオフセットに相当する波長、λ２，λ３はＮＨ３ガスの吸光波長に相当する走査範囲の上下限値を示している。第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄも周波数が異なる以外は同様の原理である。
【００６１】
このような発光部では、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄがそれぞれ光を出射すると、光軸結合部２０６で４本の光線である第１，第２，第３，第４検出光である検出光が同じ光軸上を通過するように光軸結合する。光軸結合された光線である検出光は窓部２０２を通過して煙道内を照射する。壁４１０，４２０の内部の測定対象ガスが存在する空間を検出光が透過すると、この検出光は吸収を受けることとなる。
発光部２００はこのようなものである。
【００６２】
続いて受光部３００について説明する。
フランジ３０１は測定したいガスが通流する煙道など配管の壁４２０に溶接などで固定される。フランジ３０１の内部には貫通孔が形成される。
窓部３０２は、光が透過する材料にて形成され、貫通孔を塞ぐことでガス成分が漏れないようにしている。
光軸調整用の調整用フランジ３０３は、フランジ３０１と収納部３０４との間に介在して配置されており、フランジ３０１に対して受光部３００の位置や角度等が調節可能なように収納部３０４を取り付ける。これにより壁４２０に対して受光部３００は光軸調整可能に設置される。受光部２００と受光部３００とは、発光部２００からの検出光が受光部３００で最大の受光光量になるように調整されている。
【００６３】
収納部３０４はその内部に、図１で示すような、集光レンズ３０５、センサ部３０６、信号処理回路３０７を収納している。また、図３で示す回路構成のフォトダイオード３０８、Ｉ／Ｖ変換部３０９、第１参照信号発生部３１０ａ、第２参照信号発生部３１０ｂ、第３参照信号発生部３１０ｃ、第４参照信号発生部３１０ｄ、第１同期検波部３１１ａ、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄ、第１フィルタ３１２ａ、第２フィルタ３１２ｂ、第３フィルタ３１２ｃ、第４フィルタ３１２ｄを備える。なお、信号処理回路３０７については収納部３０４内からリード線を引き出して図示しない他の回路収納部内に収容しても良い。
【００６４】
フォトダイオード３０８は、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄの全てのレーザ光線の発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。例えば、図７のような吸収特性を有する４種類のガス種（ａ：ＮＨ３，ｂ：ＨＣｌ、ｃ：Ｎ２Ｓ，ｄ：ＣＨ４）を測定する場合、それぞれのガスの吸光特性を有する波長が１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲のため、フォトダイオード３０８は１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの波長感度を持つ図５のような特性を持つ素子を用いればよい。このような素子としては、例えば、浜松ホトニクスから販売されているＧ８３７２−０１などがある。
Ｉ／Ｖ変換部３０９は、このセンサ部３０６からの電流信号による検出信号をＩ−Ｖ変換により電圧信号による検出信号に変換する。
【００６５】
第１参照信号発生部３１０ａ、第２参照信号発生部３１０ｂ、第３参照信号発生部３１０ｃ、第４参照信号発生部３１０ｄは、参照用の信号を発生する機能を有している。
第１参照信号発生部３１０ａは、第１高周波変調信号発生部２０８ａの第１高周波変調信号の周波数ｆを２倍にした２ｆ信号（２倍波信号）である第１参照信号を発生する。
第２参照信号発生部３１０ｂは、第２高周波変調信号発生部２０８ｂの第２高周波変調信号の周波数ｆを２倍にした２ｆ信号（２倍波信号）である第２参照信号を発生する。
【００６６】
第３参照信号発生部３１０ｃは、第３高周波変調信号発生部２０８ｃの第３高周波変調信号の周波数ｆを２倍にした２ｆ信号（２倍波信号）である第３参照信号を発生する。
第４参照信号発生部３１０ｄは、第３高周波変調信号発生部２０８ｄの第４高周波変調信号の周波数ｆを２倍にした２ｆ信号（２倍波信号）である第４参照信号を発生する。
【００６７】
第１，第２，第３，第４高周波変調信号は、それぞれ１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚ程度の正弦波・矩形波などの参照波であるため、第１，第２，第３，第４参照信号は第１，第２，第３，第４高周波変調信号の２倍周波数の参照波となり、それぞれ２０ｋＨｚ，２５ｋＨｚ，３０ｋＨｚ，３５ｋＨｚとなる。
【００６８】
第１同期検波部３１１ａ、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄは、検出信号を同期検波することで同期検波信号を出力する機能を有している。
第１フィルタ３１２ａ、第２フィルタ３１２ｂ、第３フィルタ３１２ｃ、第４フィルタ３１２ｄは、同期検波信号からノイズ成分をフィルタリングする機能を有している。
【００６９】
第１同期検波部３１１ａは、Ｉ／Ｖ変換部３０９からの検出信号と、第１参照信号発生部３１０ａからの第１参照信号とが入力されて、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが検出信号から抽出された第１同期検波信号が出力される。第１参照信号発生部３１０ａ、第１同期検波部３１１ａで本発明の第１同期検波部を構成する。この検波信号は図４（ｄ），図６の第１同期検波部３１１ａからの出力波形となる。そして、第１フィルタ３１２ａがこの検波信号に対してフィルタリングを行ってノイズが除去され、適宜増幅した上で、最終的な第１検波信号を出力する。
【００７０】
第２同期検波部３１１ｂは、Ｉ／Ｖ変換部３０９からの検出信号と、第２参照信号発生部３１０ｂからの２ｆ信号（２倍波信号）とが入力されて、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが検出信号から抽出された第２同期検波信号が出力される。第２参照信号発生部３１０ｂ、第２同期検波部３１１ｂで第２同期検波部を構成する。そして、第２フィルタ３１２ｂがこの検波信号に対してフィルタリングを行ってノイズが除去され、適宜増幅した上で、最終的な第２検波信号を出力する。
【００７１】
第３同期検波部３１１ｃは、Ｉ／Ｖ変換部３０９からの検出信号と、第３参照信号発生部３１０ｃからの２ｆ信号（２倍波信号）とが入力されて、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが検出信号から抽出された第３同期検波信号が出力される。第３参照信号発生部３１０ｃ、第３同期検波部３１１ｃで第３同期検波部を構成する。そして、第３フィルタ３１２ｃがこの検波信号に対してフィルタリングを行ってノイズが除去され、適宜増幅した上で、最終的な第３検波信号を出力する。
【００７２】
第４同期検波部３１１ｄは、Ｉ／Ｖ変換部３０９からの検出信号と、第４参照信号発生部３１０ｄからの２ｆ信号（２倍波信号）とが入力されて、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが検出信号から抽出された第４検波信号が出力される。第４参照信号発生部３１０ｄ、第４同期検波部３１１ｄで第４同期検波部を構成する。そして、第４フィルタ３１２ｄがこの検波信号に対してフィルタリングを行ってノイズが除去され、適宜増幅した上で、最終的な第４検波信号を出力する。
これら第１，第２，第３，第４同期検波部は、本発明の同期検波手段の一具体例となっている。
【００７３】
信号処理回路３０７は本発明の分析手段に相当する分析部（図示せず）を内蔵しておりは、分析部は得られた第１，第２，第３，第４同期検波信号を用いて分析部（図示せず）がガス濃度を分析する。
【００７４】
続いて受光部３００の一連の受光動作について説明する。
測定ガスを透過した検出光は、窓部３０２を経て、集光レンズ３０５へ到達する。集光レンズ３０５により集光された光は、センサ部３０６のフォトダイオード３０８へ入射させる。検出光は同軸上でフォトダイオード３０８へ入射するのでフォトダイオード３０８は１個で受光できる。フォトダイオード３０８からの電流信号による検出信号はＩ／Ｖ変換部３０９により電圧信号による検出信号に変換されて第１同期検波部３１１ａ、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄへ出力される。
【００７５】
第１同期検波部３１１ａは、第１参照信号発生部３１０ａからの第１参照信号を用いて変換された検出信号を同期検波して変調信号の２倍周波数成分である第１同期検波信号を出力に得る。
【００７６】
測定対象ガスによるレーザ光の吸収が無い場合は、図３の第１同期検波部３１１ａによって２倍数信号による吸光特性が検出されないので、第１同期検波部３１１ａの出力である第１同期検波信号はほぼ直線となる。この場合測定対象のガスがないと判定される。
一方、測定対象ガス、例えば、ＮＨ３のガス成分のによる検出光の吸光がある場合は、第１同期検波部３１１ａによって２倍周波数信号による第１同期検波信号（吸光特性）が検出される。その出力波形は図４（ｄ），図６に示すようになる。
【００７７】
同様に、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄもそれぞれ２倍周波数成分である第２，第３，第４同期検波信号を出力に得る。
その後、第１フィルタ３１２ａ、第２フィルタ３１２ｂ、第３フィルタ３１２ｃ、第４フィルタ３１２ｄによりノイズ除去、信号増幅などを行う。
【００７８】
信号処理回路３０７は、得られた第１検波信号を用いて計測処理部（図示せず）がガス濃度を分析する。この波形のピーク値が測定対象ガスの濃度に相当するため、ピーク振幅値を測定するか、あるいは波形の一部または全部を積分してその積分値から測定対象ガスの濃度を検出すればよい。
【００７９】
このような吸光特性は、第２，第３，第４同期検波信号でも同様である。第１，第２，第３，第４同期検波信号は、それぞれ測定対象とするガスの吸光特性を表す。すなわち第１同期検波信号がＮＨ３の吸光特性を、第２同期検波信号がＨＣｌの吸光特性を、第３同期検波信号がＮ２Ｓの吸光特性を、第４同期検波信号がＣＨ４の吸光特性を表す。
多成分対応レーザ式ガス分析計１００はこのようなものである。
【００８０】
以上のように、吸光波長を検出する変調信号の周波数を測定するガス毎に変え、検出するガスの吸光波長に感度を持つ受光素子を用いることにより、複数台用いることなく一台で複数種類のガス濃度を測定することが可能となる。
【００８１】
なお、本形態では単なる板状の窓部２０２，３０２を用いるものとして説明した。しかしながら窓部２０２，３０２に代えてコリメートレンズ（図示せず）を配置するようにしても良い。光軸結合部２０６から出射したレーザ光はコリメートレンズによって平行光にコリメートされ、フランジ２０１の中心を通って壁４１０，４２０の内部（煙道内部）へ入射される。平行光は、壁４１０，４２０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こととなる。このような構成を採用しても良い。
【００８２】
以上説明した本実施形態によれば、光源部によりレーザ素子の発光波長を所定範囲にわたって走査することにより、参照ガスセルを用いなくても測定対象ガスによる吸光波長を検出することができる。
従来技術では、測定対象ガスによる吸収を特定波長における受光信号の振幅のみから検出していたが、本実施形態では、吸収波形の全体を検出することでレーザ素子の発光波長を固定する必要が無くなり、検出感度が安定化して測定精度が向上するといった効果が得られる。
また、複数のガス濃度をを検出する場合でも、複数のレーザ素子は異なる変調周波数で動作させているので、各ガス濃度は、単体の受光装置により検出された信号から各々の変調波の２倍周波数成分を検出することにより測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明を実施するための最良の形態の多成分対応レーザ式ガス分析計の構成図である。
【図２】発光部の回路ブロック図である。
【図３】受光部の回路ブロック図である。
【図４】信号の特性図であり、図４（ａ）は波長走査駆動信号を示す図、図４（ｂ）は第１高調波変調信号を示す図、図４（ｃ）は第１レーザ素子の出力波形を示す図、図４（ｄ）は第１同期検波部の出力波形を示す図である。
【図５】フォトダイオードの波長感度を示す特性図である。
【図６】出力の写真であり、図６（ａ）はフォトダイオードから出力される検出信号を示す図、図６（ｂ）は第１同期検波回からの第１同期検波信号を示す図である。
【図７】ガス固有の光吸収スペクトルを説明する説明図であり、図７（ａ）はＮＨ３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｂ）はＨＣｌ（塩化水素）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｃ）はＨ２Ｓ（硫化水素）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｄ）はＣＨ４（メタン）ガスの吸収スペクトラム例を示す図である。
【図８】周波数変調方式の原理図である。
【図９】半導体レーザの発光波長の変化を示す図であり、図９（ａ）はドライブ電流による波長変化を示す図、図９（ｂ）は温度による波長変化を示す図である。
【図１０】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す図である。
【図１１】ガス濃度測定装置の主要部の構成図である。
【符号の説明】
【００８４】
１００：多成分対応レーザ式ガス分析計
２００：発光部
２０１：フランジ
２０２：窓部
２０３：調整用フランジ
２０４：収納部
２０５ａ：第１レーザ素子
２０５ｂ：第２レーザ素子
２０５ｃ：第３レーザ素子
２０５ｄ：第４レーザ素子
２０６：光軸結合部
２０７：波長走査駆動信号発生部
２０８ａ：第１高周波変調信号発生部
２０８ｂ：第２高周波変調信号発生部
２０８ｃ：第３高周波変調信号発生部
２０８ｄ：第４高周波変調信号発生部
２０９ａ：第１電流制御部
２０９ｂ：第２電流制御部
２０９ｃ：第３電流制御部
２０９ｄ：第４電流制御部
２１０ａ：第１温度制御部
２１０ｂ：第２温度制御部
２１０ｃ：第３温度制御部
２１０ｄ：第４温度制御部
２１１ａ：第１サーミスタ
２１１ｂ：第２サーミスタ
２１１ｃ：第３サーミスタ
２１１ｄ：第４サーミスタ
２１２ａ：第１ペルチェ素子
２１２ｂ：第２ペルチェ素子
２１２ｃ：第３ペルチェ素子
２１２ｄ：第４ペルチェ素子
３００：受光部
３０１：フランジ
３０２：調整用フランジ
３０３：収納部
３０４：窓部
３０５：集光レンズ
３０６：センサ部
３０７：信号処理回路
３０８：フォトダイオード
３０９：Ｉ／Ｖ変換部
３１０ａ：第１参照信号発生部
３１０ｂ：第２参照信号発生部
３１０ｃ：第３参照信号発生部
３１０ｄ：第４参照信号発生部
３１１ａ：第１同期検波部
３１１ｂ：第２同期検波部
３１１ｃ：第３同期検波部
３１１ｄ：第４同期検波部
３１２ａ：第１フィルタ
３１２ｂ：第２フィルタ
３１２ｃ：第３フィルタ
３１２ｄ：第４フィルタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、煙道内の各種の測定対象ガスの有無や濃度を分析する多成分対応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。この点について図を参照しつつ説明する。例えば、図７は、ガス固有の光吸収スペクトルを説明する説明図であり、図７（ａ）はＮＨ３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｂ）はＨＣｌ（塩化水素）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｃ）はＨ２Ｓ（硫化水素）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｄ）はＣＨ４（メタン）ガスの吸収スペクトラム例を示す図である。これら図７（ａ）〜（ｄ）からも明らかなように、ガス別に光吸収スペクトルが相違している。
【０００３】
このように光吸収スペクトルがガス別に異なる点を利用してガスを分析する装置としてレーザ式ガス分析計が知られている。
レーザ式ガス分析計は、レーザ光の特定波長の吸光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。
【０００４】
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８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。
【０００５】
半導体レーザは、図９（ａ），（ｂ）の半導体レーザの発光波長の変化を示す図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。
【０００６】
図８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倍周波数信号）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倍周波数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でき、この基本波の振幅と前記２倍周波数信号の振幅との比を位相同期させて検出することで、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。
【０００７】
周波数変調方式で距離の影響をキャンセルするためには、半導体レーザ素子の出力を周波数変調すると同時に周波数ｆｍで振幅変調を行えばよいのであるが、半導体レーザ素子の出力に周波数変調を掛けると振幅変調も掛かるので、これが利用できる。
そして、受光部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を推定でき、この基本波の振幅と前記２倍周波数信号の振幅の比を位相同期させて取ることで、距離に関係なくガス濃度に比例した値を得ることができる。
【０００８】
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光波長に合わせる必要が生じる。
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。
【０００９】
図１０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。
【００１０】
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１１（ａ）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１１（ｂ）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１１（ａ）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が延出されており、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１０の測定光集光部３から外部（測定対象ガスの雰囲気）に出射されるようになっている。
【００１１】
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）が配置されており、この温度制御素子により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。
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することができる。
【００１２】
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。
【００１３】
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もので、内部が空洞の金属胴２２ａの対向面に光を通過させる貫通穴が形成され、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概略等しい組成、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。
【００１４】
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を斜め（例えば出射光軸に対して約６°）に形成するのが好ましい。
【００１５】
前述した図１０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により集光すると共に、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、前記光検出器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、測定／校正切替部１２の後段の受信信号検出部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。
【００１６】
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により増幅された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）、２ｆ／ｆ信号を検出する。また、この受信信号検出部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）、ｒ２ｆ／ｒｆ信号を検出する。
【００１７】
上記構成において、従来では参照ガスセル２２を用いて半導体レーザ２４の発光波長を制御しており、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で測定対象ガスの濃度を測定している
【００１８】
この手法では、半導体レーザから出射した光をビームスプリッタなどで２方向に分岐するか、もしくは半導体レーザ素子は、素子の両端面から発光が可能なので、片側をガス濃度測定用に用い、もう一方を、ガスセルに光を入射するなど、同一の発光素子から出射した光を、ガスセルと測定対象のガスに入射できるように構成する。
このような構成にすることで、ガスセル側を透過した光で、例えば、２倍波と基本波の比が最大となる点に半導体レーザの発光波長を、半導体レーザがマウントされたペルチェ部の温度制御によって、波長が一定になるように制御する。
【００１９】
【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】
【００２０】
周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、前述したごとくガスの吸収線幅よりもレーザの線幅のほうが小さいため、レーザの発光波長を測定対象ガスの吸光波長に合わせる必要がある。
そのためには、測定対象ガスと同じガスをあらかじめ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という問題がある。
【００２１】
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。
【００２２】
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、これらの温度調整安定性は０．００１℃〜０．０１℃となっているが、これ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。
温度分布等があれば波長は変動するため、半導体レーザ素子の発光波長を測定対象ガスの吸光波長に合わせて測定すること自体が問題であり、これらが長期的な安定性や測定精度を低下させる要因となっている。
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し、また、参照ガスセル温度と測定対象ガスの温度とが異なる場合は、吸光波長に完全に合わせることが困難である。
【００２３】
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光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、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、前述のように吸光波長の一致した光を出射可能なレーザ素子が必要であると共に、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。
【００２４】
これらのような性能面の問題に加え、作業性でも問題があった。例えば、煙道や排ガス測定などで使用されるガス分析計は、排出される複数のガス濃度を同時に計測するように用いられるのが一般的である。従来技術では、複数のガス成分を計測するために、単成分計を複数台設置する必要があった。この理由としては、１つのＬＤ素子で可変できる波長範囲が狭く、１成分もしくは特定の２成分程度した検出できない点が挙げられる。
【００２５】
また、複数台のレーザ式ガス分析計を設置するため、設置面積や、設置工事・光軸調整費などが装置台数に比例し増加するため、システムの大型化、コストの増加などの問題があった。
【００２６】
そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、測定対象ガスの吸光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の低減を図ると共に、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であって、さらに複数のガスを測定する際に一台で複数のガスを同時に測定可能とした多成分対応レーザ式ガス分析計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
駆動電流の変化に応じて発光波長が変化するレーザ素子を用いてｎ種のガスを測定する多成分対応レーザ式ガス分析計において、
測定対象ガスの吸光波長を含む波長走査範囲を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号と、発光波長を変調するための高周波変調信号と、を入力し、波長走査駆動信号と高周波変調信号とを合成した駆動信号を電流駆動信号に変換して出力する電流駆動部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる電流駆動手段と、
電流駆動部から出力された電流駆動信号に応じて発光して検出光を出射する発光部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる発光手段と、
この発光部の温度を安定化させる温度安定化部をｎ個の発光部別にｎ個備えてなる温度安定化手段と、
ｎ個の発光部から出射したｎ本の検出光を同一の光軸上で合成して検出光を測定対象ガス空間へ出射させる光軸結合手段と、
測定対象ガス空間を伝播した検出光を集光して出射する集光手段と、
ｎ種の検出光の全波長に対して感度を有し、集光した検出光の波長に応じた検出信号を出力する受光手段と、
高周波変調信号の２倍周波数である参照信号を用いて検出信号を同期検波して２倍周波数成分の同期検波信号を出力する同期検波部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる同期検波手段と、
ｎ種のガス別の同期検波信号を用いて所望の測定対象ガスの有無および／または所望の測定対象ガスの濃度を測定分析する分析手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明の請求項２に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１に記載の多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記電流駆動手段は、測定対象ガスの吸光波長を含む測定範囲を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号を出力する波長走査駆動信号発生部と、発光波長を変調するための高周波変調信号を出力する高周波変調信号発生部と、波長走査駆動信号と高周波変調信号とを入力して合成により駆動信号を生成し、この駆動信号を電流駆動信号に変換して出力する電流制御部と、からなる電流駆動部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明の請求項３に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１または請求項２に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記温度安定化手段は、発光部の温度を検出する温度検出部と、温度検出部からの温度検出信号を受けて発光部を一定温度とする温度駆動信号を出力する温度制御部と、発光部の温度を調整する加熱冷却部と、からなる温度安定化部をｎ個の発光部別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする。
【００３０】
また、本発明の請求項４に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記同期検波手段は、高周波変調信号の２倍周波数である参照信号を出力する参照信号発生部と、参照信号を用いて検出信号を同期検波して２倍周波数成分の同期検波信号を出力する同期検波部と、をｎ種のガス別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする。
【００３１】
また、本発明の請求項５に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号の波形は、オフセットを有し、かつ前記レーザ素子への供給電流を直線的に変化させて前記レーザ素子の発光波長を徐々に変化させる部分を有すると共に、一定周期で繰り返される波形であり、
前記オフセットは、前記レーザ素子のスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給するような値であることを特徴とする。
【００３２】
また、本発明の請求項６に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記分析手段は、
前記同期検波信号の少なくとも一部を積分し、その積分値を測定対象ガスの濃度として検出することを特徴とする。
【００３３】
また、本発明の請求項７に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記分析手段は、
前記同期検波信号のピーク値を測定対象ガスの濃度として検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
以上述べたような本発明によれば、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無いため検出感度が安定化し、測定精度が向上し、さらに、複数のガスを測定する際に一台で複数のガスを同時に測定可能とした多成分対応レーザ式ガス分析計を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
続いて、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しつつ説明する。本発明はｎ成分のガスを分析する多成分対応レーザ式ガス分析計であるが、本形態では説明の具体化のため４成分のガスを測定するような多成分対応レーザ式ガス分析計について記載する。図１は本形態の多成分対応レーザ式ガス分析計の構成図である。図２は発光部の回路ブロック図である。図３は受光部の回路ブロック図である。図４は信号の特性図であり、図４（ａ）は波長走査駆動信号を示す図、図４（ｂ）は第１高調波変調信号を示す図、図４（ｃ）は第１発光部の出力波形を示す図、図４（ｄ）は第１同期検波部の出力波形を示す図である。図５はフォトダイオードの波長感度を示す特性図である。図６は出力の写真であり、図６（ａ）はフォトダイオードから出力される検出信号を示す図、図６（ｂ）は第１同期検波回からの第１同期検波信号を示す図である。
【００３６】
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。多成分対応レーザ式ガス分析計１００は、大別して検出光を出射するユニットである発光部２００と、検出光を受光するユニットである受光部３００と、を備える。
【００３７】
まず、発光部２００について説明する。発光部２００は、ガスの吸光特性に応じた光を後述のように変調した検出光として出射するユニットである。
発光部２００の機械的構造は、図１に示すように、フランジ２０１、窓部２０２、調整用フランジ２０３、収納部２０４、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄ、光軸結合部２０６を備える。
【００３８】
また、発光部２００の回路構成は、図２に示すように、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄ、波長走査駆動信号発生部２０７、第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第４高周波変調信号発生部２０８ｄ、第１電流制御部２０９ａ、第２電流制御部２０９ｂ、第３電流制御部２０９ｃ、第４電流制御部２０９ｄ、第１温度制御部２１０ａ、第２温度制御部２１０ｂ、第３温度制御部２１０ｃ、第４温度制御部２１０ｄ、第１サーミスタ２１１ａ、第２サーミスタ２１１ｂ、第３サーミスタ２１１ｃ、第４サーミスタ２１１ｄ、第１ペルチェ素子２１２ａ、第２ペルチェ素子２１２ｂ、第３ペルチェ素子２１２ｃ、第４ペルチェ素子２１２ｄを備える。
【００３９】
受光部３００は、ガスの吸光特性により吸収された検出光を受光し、ガス濃度を検出するユニットである。
また、受光部３００の機械的構造は、図１に示すように、フランジ３０１、窓部３０２、調整用フランジ３０３、収納部３０４、集光レンズ３０５、センサ部３０６、信号処理回路３０７を備える。
また、受光部３００の回路構成は、図３に示すように、センサ部３０６、信号処理回路３０７を備える。
【００４０】
センサ部３０６は、詳しくは図３に示すように、フォトダイオード３０８、Ｉ／Ｖ変換部３０９を備える。
信号処理回路３０７は、詳しくは図３に示すように、第１参照信号発生部３１０ａ、第２参照信号発生部３１０ｂ、第３参照信号発生部３１０ｃ、第４参照信号発生部３１０ｄ、第１同期検波部３１１ａ、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄ、第１フィルタ３１２ａ、第２フィルタ３１２ｂ、第３フィルタ３１２ｃ、第４フィルタ３１２ｄを備える。
多成分対応レーザ式ガス分析計１００の発光部２００と、受光部３００と、はこのようなものである。
【００４１】
次に発光部２００の構成や動作の詳細について説明する。
フランジ２０１は、図１に示すように、測定したいガスが通流する煙道など配管の壁４１０に溶接などで固定される。フランジ２０１の内部には貫通孔が形成される。
窓部２０２は、光が透過する材料にて形成され、フランジ２０１の貫通孔を塞ぐように配置されてガス成分が漏れないようにしている。
光軸調整用の調整用フランジ２０３は、フランジ２０１と収納部２０４との間に介在して配置されており、フランジ２０１に対して発光部２００の位置や角度等が調節可能なように収納部２０４を取り付ける。これにより壁４１０に対して発光部２００は光軸調整可能に設置される。後述するが発光部２００からの検出光が受光部３００にて確実に受光されるように調整される。
【００４２】
収納部２０４は、その内部に、図１で示すような、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄ、光軸結合部２０６を収納している。また、図２で示す回路構成のうち少なくとも第１サーミスタ２１１ａ、第２サーミスタ２１１ｂ、第３サーミスタ２１１ｃ、第４サーミスタ２１１ｄ、第１ペルチェ素子２１２ａ、第２ペルチェ素子２１２ｂ、第３ペルチェ素子２１２ｃ、第４ペルチェ素子２１２ｄを収容している。
【００４３】
なお、波長走査駆動信号発生部２０７、第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第４高周波変調信号発生部２０８ｄ、第１電流制御部２０９ａ、第２電流制御部２０９ｂ、第３電流制御部２０９ｃ、第４電流制御部２０９ｄ、第１温度制御部２１０ａ、第２温度制御部２１０ｂ、第３温度制御部２１０ｃ、第４温度制御部２１０ｄについては収納部２０４内に収納しても良く、また、収納部２０４内からリード線を引き出して図示しない他の回路収納部内に収容しても良い。
【００４４】
第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄは、本発明の４個の発光部に相当するものであり、これらにより発光手段を構成している。第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄは、例えばＤＦＢレーザ(Distributed Feedback laser)、もしくはＶＣＳＥＬ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)と言われるレーザダイオード（以下ＬＤとする）である。これらＬＤは、レーザ光波長がガスの吸光特性に一致する近赤外領域にて発光が可能であり、かつ、温度と注入電流により発光波長が変化することが一般的に知られている。なお、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄは、電流と温度により、発光波長を可変できるものであればよく、他の発光素子でも同様な動作ができればよい。測定するガス１成分につき１個の発光素子が必要であり、４個のＬＤを採用することで４成分を計測可能としている。
【００４５】
例えば、図７のような吸収特性を有する４種類のガス種（ａ：ＮＨ３，ｂ：ＨＣｌ、ｃ：Ｎ２Ｓ，ｄ：ＣＨ４）を測定する場合、４種類のガスの吸光特性を有する波長がいずれも１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲であるため、１６００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度のレーザ光波長を有する。なお、後述するが、第１電流制御部２０９ａにより駆動制御された第１レーザ素子２０５ａは第１検出光を出力する。同様に第２電流制御部２０９ｂにより駆動制御された第２レーザ素子２０５ｂは第２検出光を、第３電流制御部２０９ｃにより駆動制御された第３レーザ素子２０５ｃは第３検出光を、第４電流制御部２０９ｄにより駆動制御された第４レーザ素子２０５ｄは第４検出光をそれぞれ出力する。
【００４６】
光軸結合部２０６は、本発明の光軸結合手段に相当するものであり、具体的にはプリズム型ミラーである。光軸結合部２０６は、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄから出射したレーザ光による第１，第２、第３、第４検出光を通過させると角度を変換しつつ同軸上に合成した検出光を出射する機能を有する。
【００４７】
波長走査駆動信号発生部２０７は、ある測定対象ガスの吸光波長を含む測定範囲を走査するように第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄの発光波長を可変とするための波長走査駆動信号を出力する。ここで、波長走査駆動信号発生部２０７の出力する波長走査駆動信号とは、図４（ａ）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。なお、波長走査駆動信号は４種類のガス種（ａ：ＮＨ３，ｂ：ＨＣｌ、ｃ：Ｎ２Ｓ，ｄ：ＣＨ４）の測定に共通して用いられる。以下の説明ではＮＨ３を測定対象ガスとする測定を説明する。
【００４８】
図４（ａ）において、吸光波長を走査する信号Ｓ２は、第１電流制御部２０９ａを介して第１レーザ素子２０４ａのＬＤに供給される電流の大きさを直線的に変えることにより、第１レーザ素子２０４ａのＬＤの発光波長を徐々にずらしていく（図９（ａ）参照）というものであり、ＮＨ３（アンモニア）ガスでは、０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能とする部分である。
【００４９】
また、Ｓ１は、吸光波長は走査しないが第１レーザ素子２０４ａのＬＤを発光させておくオフセット部分であり、第１レーザ素子２０４ａのＬＤ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、Ｓ３は駆動電流をほぼ０ｍＡにした部分である。
このような波長走査駆動信号が波長走査駆動信号発生部２０７から出力される。
【００５０】
第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第４高周波変調信号発生部２０８ｄは、ガス濃度を検出する各々のレーザ素子の発光波長を変調する高周波変調信号を出力する。ここにそれぞれ異なる測定対象ガスの吸光波長を検出するために、第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第４高周波変調信号発生部２０８ｄは、それぞれ１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚ程度で波長幅を０．０２ｎｍとした正弦波である第１，第２，第３，第４高周波変調信号を出力する。なお、図４（ｂ）では１０ｋＨｚの正弦波である第１高周波変調信号のみ図示しているが、１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚの正弦波は周波数のみ異なるものであり、図示を省略している。
【００５１】
第１電流制御部２０９ａ、第２電流制御部２０９ｂ、第３電流制御部２０９ｃ、第４電流制御部２０９ｄは、ＬＤを駆動する電流信号を出力する。
第１電流制御部２０９ａは、波長走査駆動信号発生部２０７からの波長走査駆動信号と、第１高周波変調信号発生部２０８ａからの第１高周波変調信号を重畳させて第１駆動信号を生成し、この第１駆動信号を電流に変換して第１電流駆動信号として出力する。第１レーザ素子２０５ａは、第１電流駆動信号に駆動されてレーザ光による第１検出光を照射する。波長走査駆動信号発生部２０７、第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第１電流制御部２０９ａとで第１電流駆動部を構成する。
【００５２】
第２電流制御部２０９ｂは、波長走査駆動信号発生部２０７からの波長走査駆動信号と、第２高周波変調信号発生部２０８ｂからの第２高周波変調信号を重畳させて第２駆動信号を生成し、この第２駆動信号を電流に変換して第２電流駆動信号として出力する。第２レーザ素子２０５ｂは、第２電流駆動信号に駆動されてレーザ光による第２検出光を照射する。波長走査駆動信号発生部２０７、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第２電流制御部２０９ｂとで第２電流駆動部を構成する。
【００５３】
第３電流制御部２０９ｃは、波長走査駆動信号発生部２０７からの波長走査駆動信号と、第３高周波変調信号発生部２０８ｃからの第３高周波変調信号を重畳させて第３駆動信号を生成し、この第３駆動信号を電流に変換して第３電流駆動信号として出力する。第３レーザ素子２０５ｃは、第３電流駆動信号に駆動されてレーザ光による第３検出光を照射する。波長走査駆動信号発生部２０７、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第３電流制御部２０９ｃとで第３電流駆動部を構成する。
【００５４】
第４電流制御部２０９ｄは、波長走査駆動信号発生部２０７からの波長走査駆動信号と、第４高周波変調信号発生部２０８ｄからの第４高周波変調信号を重畳させて第４駆動信号を生成し、この第４駆動信号を電流に変換して第４電流駆動信号として出力する。第４レーザ素子２０５ｄは、第４電流駆動信号に駆動されてレーザ光による第４検出光を照射する。波長走査駆動信号発生部２０７、第４高周波変調信号発生部２０８ｄ、第４電流制御部２０９ｄとで第４電流駆動部を構成する。
これら第１，第２，第３，第４電流駆動部は、本発明の電流駆動手段の一具体例となっている。
【００５５】
続いて、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄの温度調整に用いる構成について説明する。温度が変化すると図９（ｂ）でも示したように第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄの発光する光の波長も変化するが、本発明では波長の制御は電流のみによるものとするため、温度を一定に制御するものである。
【００５６】
第１温度制御部２１０ａ、第２温度制御部２１０ｂ、第３温度制御部２１０ｃ、第４温度制御部２１０ｄは、温度を制御する回路である。
第１サーミスタ２１１ａ、第２サーミスタ２１１ｂ、第３サーミスタ２１１ｃ、第４サーミスタ２１１ｄは、本発明の温度検出部の一具体例に相当するものであり、温度に応じて抵抗値が変化する機能を有し、抵抗の変化により温度の変化を検出できる温度検出素子である。
第１ペルチェ素子２１２ａ、第２ペルチェ素子２１２ｂ、第３ペルチェ素子２１２ｃ、第４ペルチェ素子２１２ｄは、本発明の加熱冷却部の一具体例に相当するものであり、吸熱により冷却するための温度調整素子である。
【００５７】
第１温度制御部２１０ａは、第１サーミスタ２１１ａ、第１ペルチェ素子２１２ａが接続される。第１レーザ素子２０５ａに近接して温度検出素子としての第１サーミスタ２１１ａが配置され、また、この第１サーミスタ２１１ａには第１ペルチェ素子２１２ａが近接して配置されている。第１温度制御部２１０ａは、第１サーミスタ２１１ａの抵抗値が一定値になるようにＰＩＤ制御等でよって第１ペルチェ素子２１２ａを制御し、結果として第１レーザ素子２０５ａの温度を安定化させて第１レーザ素子２０５ａから出射する光波長は電流の変化のみによるようにする。第１温度制御部２１０ａは、第１サーミスタ２１１ａ、第１ペルチェ素子２１２ａで第１温度安定化部となり、第１レーザ素子２０５ａの温度安定化を行う。
【００５８】
第２温度制御部２１０ｂは、第２サーミスタ２１１ｂ、第２ペルチェ素子２１２ｂが接続される。先の説明と同様に温度制御がなされる。第２温度制御部２１０ｂは、第２サーミスタ２１１ｂ、第２ペルチェ素子２１２ｂで第２温度安定化部となり、第２レーザ素子２０５ｂの温度安定化を行う。
第３温度制御部２１０ｃは、第３サーミスタ２１１ｃ、第３ペルチェ素子２１２ｃが接続される。先の説明と同様に温度制御がなされる。第３温度制御部２１０ｃは、第３サーミスタ２１１ｃ、第３ペルチェ素子２１２ｃで第３温度安定化部となり、第３レーザ素子２０５ｃの温度安定化を行う。
第４温度制御部２１０ｄは、第４サーミスタ２１１ｄ、第４ペルチェ素子２１２ｄが接続される。先の説明と同様に温度制御がなされる。第４温度制御部２１０ｄは、第４サーミスタ２１１ｄ、第４ペルチェ素子２１２ｄで第４温度安定化部となり、第４レーザ素子２０５ｄの温度安定化を行う。
これら第１，第２，第３，第４温度安定化部は、本発明の温度安定化手段の一具体例となっている。
【００５９】
続いて発光部２００の一連の発光動作について説明する。まず、事前に温度校正が行われる。
第１温度制御部では以下のように調整が行われる。第１レーザ素子２０４ａの温度を第１サーミスタ２１１ａにより検出し、図４（ａ）に示した波長走査駆動信号のＳ２の中心部分で測定対象ガス（例えばＮＨ３ガス）が測定できる（所定の吸光特性が得られる）ように、第１温度制御部２１０ａにより第１ペルチェ素子２１２ａの通電を制御して第１レーザ素子２０４ａの温度を調整する。
第１温度安定化部について説明し、第２，第３，第４温度安定化部については同じであるものとして重複する説明を省略する。
【００６０】
第１レーザ素子２０５ａからの検出光は図４（ｃ）で示すようになる。なお、図４（ｃ）では、高周波変調信号の周波数を１０ｋＨｚ、波長走査駆動信号の周波数を５０Ｈｚとしてあり、λ１はオフセットに相当する波長、λ２，λ３はＮＨ３ガスの吸光波長に相当する走査範囲の上下限値を示している。第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄも周波数が異なる以外は同様の原理である。
【００６１】
このような発光部では、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄがそれぞれ光を出射すると、光軸結合部２０６で４本の光線である第１，第２，第３，第４検出光である検出光が同じ光軸上を通過するように光軸結合する。光軸結合された光線である検出光は窓部２０２を通過して煙道内を照射する。壁４１０，４２０の内部の測定対象ガスが存在する空間を検出光が透過すると、この検出光は吸収を受けることとなる。
発光部２００はこのようなものである。
【００６２】
続いて受光部３００について説明する。
フランジ３０１は測定したいガスが通流する煙道など配管の壁４２０に溶接などで固定される。フランジ３０１の内部には貫通孔が形成される。
窓部３０２は、光が透過する材料にて形成され、貫通孔を塞ぐことでガス成分が漏れないようにしている。
光軸調整用の調整用フランジ３０３は、フランジ３０１と収納部３０４との間に介在して配置されており、フランジ３０１に対して受光部３００の位置や角度等が調節可能なように収納部３０４を取り付ける。これにより壁４２０に対して受光部３００は光軸調整可能に設置される。受光部２００と受光部３００とは、発光部２００からの検出光が受光部３００で最大の受光光量になるように調整されている。
【００６３】
収納部３０４はその内部に、図１で示すような、集光レンズ３０５、センサ部３０６、信号処理回路３０７を収納している。また、図３で示す回路構成のフォトダイオード３０８、Ｉ／Ｖ変換部３０９、第１参照信号発生部３１０ａ、第２参照信号発生部３１０ｂ、第３参照信号発生部３１０ｃ、第４参照信号発生部３１０ｄ、第１同期検波部３１１ａ、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄ、第１フィルタ３１２ａ、第２フィルタ３１２ｂ、第３フィルタ３１２ｃ、第４フィルタ３１２ｄを備える。なお、信号処理回路３０７については収納部３０４内からリード線を引き出して図示しない他の回路収納部内に収容しても良い。
【００６４】
フォトダイオード３０８は、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄの全てのレーザ光線の発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。例えば、図７のような吸収特性を有する４種類のガス種（ａ：ＮＨ３，ｂ：ＨＣｌ、ｃ：Ｎ２Ｓ，ｄ：ＣＨ４）を測定する場合、それぞれのガスの吸光特性を有する波長が１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲のため、フォトダイオード３０８は１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの波長感度を持つ図５のような特性を持つ素子を用いればよい。このような素子としては、例えば、浜松ホトニクスから販売されているＧ８３７２−０１などがある。
Ｉ／Ｖ変換部３０９は、このセンサ部３０６からの電流信号による検出信号をＩ−Ｖ変換により電圧信号による検出信号に変換する。
【００６５】
第１参照信号発生部３１０ａ、第２参照信号発生部３１０ｂ、第３参照信号発生部３１０ｃ、第４参照信号発生部３１０ｄは、参照用の信号を発生する機能を有している。
第１参照信号発生部３１０ａは、第１高周波変調信号発生部２０８ａの第１高周波変調信号の周波数ｆを２倍にした２ｆ信号（２倍波信号）である第１参照信号を発生する。
第２参照信号発生部３１０ｂは、第２高周波変調信号発生部２０８ｂの第２高周波変調信号の周波数ｆを２倍にした２ｆ信号（２倍波信号）である第２参照信号を発生する。
【００６６】
第３参照信号発生部３１０ｃは、第３高周波変調信号発生部２０８ｃの第３高周波変調信号の周波数ｆを２倍にした２ｆ信号（２倍波信号）である第３参照信号を発生する。
第４参照信号発生部３１０ｄは、第３高周波変調信号発生部２０８ｄの第４高周波変調信号の周波数ｆを２倍にした２ｆ信号（２倍波信号）である第４参照信号を発生する。
【００６７】
第１，第２，第３，第４高周波変調信号は、それぞれ１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚ程度の正弦波・矩形波などの参照波であるため、第１，第２，第３，第４参照信号は第１，第２，第３，第４高周波変調信号の２倍周波数の参照波となり、それぞれ２０ｋＨｚ，２５ｋＨｚ，３０ｋＨｚ，３５ｋＨｚとなる。
【００６８】
第１同期検波部３１１ａ、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄは、検出信号を同期検波することで同期検波信号を出力する機能を有している。
第１フィルタ３１２ａ、第２フィルタ３１２ｂ、第３フィルタ３１２ｃ、第４フィルタ３１２ｄは、同期検波信号からノイズ成分をフィルタリングする機能を有している。
【００６９】
第１同期検波部３１１ａは、Ｉ／Ｖ変換部３０９からの検出信号と、第１参照信号発生部３１０ａからの第１参照信号とが入力されて、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが検出信号から抽出された第１同期検波信号が出力される。第１参照信号発生部３１０ａ、第１同期検波部３１１ａで本発明の第１同期検波部を構成する。この検波信号は図４（ｄ），図６の第１同期検波部３１１ａからの出力波形となる。そして、第１フィルタ３１２ａがこの検波信号に対してフィルタリングを行ってノイズが除去され、適宜増幅した上で、最終的な第１検波信号を出力する。
【００７０】
第２同期検波部３１１ｂは、Ｉ／Ｖ変換部３０９からの検出信号と、第２参照信号発生部３１０ｂからの２ｆ信号（２倍波信号）とが入力されて、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが検出信号から抽出された第２同期検波信号が出力される。第２参照信号発生部３１０ｂ、第２同期検波部３１１ｂで第２同期検波部を構成する。そして、第２フィルタ３１２ｂがこの検波信号に対してフィルタリングを行ってノイズが除去され、適宜増幅した上で、最終的な第２検波信号を出力する。
【００７１】
第３同期検波部３１１ｃは、Ｉ／Ｖ変換部３０９からの検出信号と、第３参照信号発生部３１０ｃからの２ｆ信号（２倍波信号）とが入力されて、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが検出信号から抽出された第３同期検波信号が出力される。第３参照信号発生部３１０ｃ、第３同期検波部３１１ｃで第３同期検波部を構成する。そして、第３フィルタ３１２ｃがこの検波信号に対してフィルタリングを行ってノイズが除去され、適宜増幅した上で、最終的な第３検波信号を出力する。
【００７２】
第４同期検波部３１１ｄは、Ｉ／Ｖ変換部３０９からの検出信号と、第４参照信号発生部３１０ｄからの２ｆ信号（２倍波信号）とが入力されて、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが検出信号から抽出された第４検波信号が出力される。第４参照信号発生部３１０ｄ、第４同期検波部３１１ｄで第４同期検波部を構成する。そして、第４フィルタ３１２ｄがこの検波信号に対してフィルタリングを行ってノイズが除去され、適宜増幅した上で、最終的な第４検波信号を出力する。
これら第１，第２，第３，第４同期検波部は、本発明の同期検波手段の一具体例となっている。
【００７３】
信号処理回路３０７は本発明の分析手段に相当する分析部（図示せず）を内蔵しておりは、分析部は得られた第１，第２，第３，第４同期検波信号を用いて分析部（図示せず）がガス濃度を分析する。
【００７４】
続いて受光部３００の一連の受光動作について説明する。
測定ガスを透過した検出光は、窓部３０２を経て、集光レンズ３０５へ到達する。集光レンズ３０５により集光された光は、センサ部３０６のフォトダイオード３０８へ入射させる。検出光は同軸上でフォトダイオード３０８へ入射するのでフォトダイオード３０８は１個で受光できる。フォトダイオード３０８からの電流信号による検出信号はＩ／Ｖ変換部３０９により電圧信号による検出信号に変換されて第１同期検波部３１１ａ、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄへ出力される。
【００７５】
第１同期検波部３１１ａは、第１参照信号発生部３１０ａからの第１参照信号を用いて変換された検出信号を同期検波して変調信号の２倍周波数成分である第１同期検波信号を出力に得る。
【００７６】
測定対象ガスによるレーザ光の吸収が無い場合は、図３の第１同期検波部３１１ａによって２倍数信号による吸光特性が検出されないので、第１同期検波部３１１ａの出力である第１同期検波信号はほぼ直線となる。この場合測定対象のガスがないと判定される。
一方、測定対象ガス、例えば、ＮＨ３のガス成分のによる検出光の吸光がある場合は、第１同期検波部３１１ａによって２倍周波数信号による第１同期検波信号（吸光特性）が検出される。その出力波形は図４（ｄ），図６に示すようになる。
【００７７】
同様に、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄもそれぞれ２倍周波数成分である第２，第３，第４同期検波信号を出力に得る。
その後、第１フィルタ３１２ａ、第２フィルタ３１２ｂ、第３フィルタ３１２ｃ、第４フィルタ３１２ｄによりノイズ除去、信号増幅などを行う。
【００７８】
信号処理回路３０７は、得られた第１検波信号を用いて計測処理部（図示せず）がガス濃度を分析する。この波形のピーク値が測定対象ガスの濃度に相当するため、ピーク振幅値を測定するか、あるいは波形の一部または全部を積分してその積分値から測定対象ガスの濃度を検出すればよい。
【００７９】
このような吸光特性は、第２，第３，第４同期検波信号でも同様である。第１，第２，第３，第４同期検波信号は、それぞれ測定対象とするガスの吸光特性を表す。すなわち第１同期検波信号がＮＨ３の吸光特性を、第２同期検波信号がＨＣｌの吸光特性を、第３同期検波信号がＮ２Ｓの吸光特性を、第４同期検波信号がＣＨ４の吸光特性を表す。
多成分対応レーザ式ガス分析計１００はこのようなものである。
【００８０】
以上のように、吸光波長を検出する変調信号の周波数を測定するガス毎に変え、検出するガスの吸光波長に感度を持つ受光素子を用いることにより、複数台用いることなく一台で複数種類のガス濃度を測定することが可能となる。
【００８１】
なお、本形態では単なる板状の窓部２０２，３０２を用いるものとして説明した。しかしながら窓部２０２，３０２に代えてコリメートレンズ（図示せず）を配置するようにしても良い。光軸結合部２０６から出射したレーザ光はコリメートレンズによって平行光にコリメートされ、フランジ２０１の中心を通って壁４１０，４２０の内部（煙道内部）へ入射される。平行光は、壁４１０，４２０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こととなる。このような構成を採用しても良い。
【００８２】
以上説明した本実施形態によれば、光源部によりレーザ素子の発光波長を所定範囲にわたって走査することにより、参照ガスセルを用いなくても測定対象ガスによる吸光波長を検出することができる。
従来技術では、測定対象ガスによる吸収を特定波長における受光信号の振幅のみから検出していたが、本実施形態では、吸収波形の全体を検出することでレーザ素子の発光波長を固定する必要が無くなり、検出感度が安定化して測定精度が向上するといった効果が得られる。
また、複数のガス濃度をを検出する場合でも、複数のレーザ素子は異なる変調周波数で動作させているので、各ガス濃度は、単体の受光装置により検出された信号から各々の変調波の２倍周波数成分を検出することにより測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明を実施するための最良の形態の多成分対応レーザ式ガス分析計の構成図である。
【図２】発光部の回路ブロック図である。
【図３】受光部の回路ブロック図である。
【図４】信号の特性図であり、図４（ａ）は波長走査駆動信号を示す図、図４（ｂ）は第１高調波変調信号を示す図、図４（ｃ）は第１レーザ素子の出力波形を示す図、図４（ｄ）は第１同期検波部の出力波形を示す図である。
【図５】フォトダイオードの波長感度を示す特性図である。
【図６】出力の写真であり、図６（ａ）はフォトダイオードから出力される検出信号を示す図、図６（ｂ）は第１同期検波回からの第１同期検波信号を示す図である。
【図７】ガス固有の光吸収スペクトルを説明する説明図であり、図７（ａ）はＮＨ３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｂ）はＨＣｌ（塩化水素）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｃ）はＨ２Ｓ（硫化水素）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｄ）はＣＨ４（メタン）ガスの吸収スペクトラム例を示す図である。
【図８】周波数変調方式の原理図である。
【図９】半導体レーザの発光波長の変化を示す図であり、図９（ａ）はドライブ電流による波長変化を示す図、図９（ｂ）は温度による波長変化を示す図である。
【図１０】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す図である。
【図１１】ガス濃度測定装置の主要部の構成図である。
【符号の説明】
【００８４】
１００：多成分対応レーザ式ガス分析計
２００：発光部
２０１：フランジ
２０２：窓部
２０３：調整用フランジ
２０４：収納部
２０５ａ：第１レーザ素子
２０５ｂ：第２レーザ素子
２０５ｃ：第３レーザ素子
２０５ｄ：第４レーザ素子
２０６：光軸結合部
２０７：波長走査駆動信号発生部
２０８ａ：第１高周波変調信号発生部
２０８ｂ：第２高周波変調信号発生部
２０８ｃ：第３高周波変調信号発生部
２０８ｄ：第４高周波変調信号発生部
２０９ａ：第１電流制御部
２０９ｂ：第２電流制御部
２０９ｃ：第３電流制御部
２０９ｄ：第４電流制御部
２１０ａ：第１温度制御部
２１０ｂ：第２温度制御部
２１０ｃ：第３温度制御部
２１０ｄ：第４温度制御部
２１１ａ：第１サーミスタ
２１１ｂ：第２サーミスタ
２１１ｃ：第３サーミスタ
２１１ｄ：第４サーミスタ
２１２ａ：第１ペルチェ素子
２１２ｂ：第２ペルチェ素子
２１２ｃ：第３ペルチェ素子
２１２ｄ：第４ペルチェ素子
３００：受光部
３０１：フランジ
３０２：調整用フランジ
３０３：収納部
３０４：窓部
３０５：集光レンズ
３０６：センサ部
３０７：信号処理回路
３０８：フォトダイオード
３０９：Ｉ／Ｖ変換部
３１０ａ：第１参照信号発生部
３１０ｂ：第２参照信号発生部
３１０ｃ：第３参照信号発生部
３１０ｄ：第４参照信号発生部
３１１ａ：第１同期検波部
３１１ｂ：第２同期検波部
３１１ｃ：第３同期検波部
３１１ｄ：第４同期検波部
３１２ａ：第１フィルタ
３１２ｂ：第２フィルタ
３１２ｃ：第３フィルタ
３１２ｄ：第４フィルタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電流の変化に応じて発光波長が変化するレーザ素子を用いてｎ種のガスを測定する多成分対応レーザ式ガス分析計において、
測定対象ガスの吸光波長を含む波長走査範囲を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号と、発光波長を変調するための高周波変調信号と、を入力し、波長走査駆動信号と高周波変調信号とを合成した駆動信号を電流駆動信号に変換して出力する電流駆動部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる電流駆動手段と、
電流駆動部から出力された電流駆動信号に応じて発光して検出光を出射する発光部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる発光手段と、
この発光部の温度を安定化させる温度安定化部をｎ個の発光部別にｎ個備えてなる温度安定化手段と、
ｎ個の発光部から出射したｎ本の検出光を同一の光軸上で合成して検出光を測定対象ガス空間へ出射させる光軸結合手段と、
測定対象ガス空間を伝播した検出光を集光して出射する集光手段と、
ｎ種の検出光の全波長に対して感度を有し、集光した検出光の波長に応じた検出信号を出力する受光手段と、
高周波変調信号の２倍周波数である参照信号を用いて検出信号を同期検波して２倍周波数成分の同期検波信号を出力する同期検波部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる同期検波手段と、
ｎ種のガス別の同期検波信号を用いて所望の測定対象ガスの有無および／または所望の測定対象ガスの濃度を測定分析する分析手段と、
を備えることを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項２】
請求項１に記載の多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記電流駆動手段は、測定対象ガスの吸光波長を含む測定範囲を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号を出力する波長走査駆動信号発生部と、発光波長を変調するための高周波変調信号を出力する高周波変調信号発生部と、波長走査駆動信号と高周波変調信号とを入力して合成により駆動信号を生成し、この駆動信号を電流駆動信号に変換して出力する電流制御部と、からなる電流駆動部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記温度安定化手段は、発光部の温度を検出する温度検出部と、温度検出部からの温度検出信号を受けて発光部を一定温度とする温度駆動信号を出力する温度制御部と、発光部の温度を調整する加熱冷却部と、からなる温度安定化部をｎ個の発光部別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記同期検波手段は、高周波変調信号の２倍周波数である参照信号を出力する参照信号発生部と、参照信号を用いて検出信号を同期検波して２倍周波数成分の同期検波信号を出力する同期検波部と、をｎ種のガス別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号の波形は、オフセットを有し、かつ前記レーザ素子への供給電流を直線的に変化させて前記レーザ素子の発光波長を徐々に変化させる部分を有すると共に、一定周期で繰り返される波形であり、
前記オフセットは、前記レーザ素子のスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給するような値であることを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記分析手段は、
前記同期検波信号の少なくとも一部を積分し、その積分値を測定対象ガスの濃度として検出することを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項７】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記分析手段は、
前記同期検波信号のピーク値を測定対象ガスの濃度として検出することを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項１】
駆動電流の変化に応じて発光波長が変化するレーザ素子を用いてｎ種のガスを測定する多成分対応レーザ式ガス分析計において、
測定対象ガスの吸光波長を含む波長走査範囲を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号と、発光波長を変調するための高周波変調信号と、を入力し、波長走査駆動信号と高周波変調信号とを合成した駆動信号を電流駆動信号に変換して出力する電流駆動部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる電流駆動手段と、
電流駆動部から出力された電流駆動信号に応じて発光して検出光を出射する発光部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる発光手段と、
この発光部の温度を安定化させる温度安定化部をｎ個の発光部別にｎ個備えてなる温度安定化手段と、
ｎ個の発光部から出射したｎ本の検出光を同一の光軸上で合成して検出光を測定対象ガス空間へ出射させる光軸結合手段と、
測定対象ガス空間を伝播した検出光を集光して出射する集光手段と、
ｎ種の検出光の全波長に対して感度を有し、集光した検出光の波長に応じた検出信号を出力する受光手段と、
高周波変調信号の２倍周波数である参照信号を用いて検出信号を同期検波して２倍周波数成分の同期検波信号を出力する同期検波部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる同期検波手段と、
ｎ種のガス別の同期検波信号を用いて所望の測定対象ガスの有無および／または所望の測定対象ガスの濃度を測定分析する分析手段と、
を備えることを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項２】
請求項１に記載の多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記電流駆動手段は、測定対象ガスの吸光波長を含む測定範囲を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号を出力する波長走査駆動信号発生部と、発光波長を変調するための高周波変調信号を出力する高周波変調信号発生部と、波長走査駆動信号と高周波変調信号とを入力して合成により駆動信号を生成し、この駆動信号を電流駆動信号に変換して出力する電流制御部と、からなる電流駆動部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記温度安定化手段は、発光部の温度を検出する温度検出部と、温度検出部からの温度検出信号を受けて発光部を一定温度とする温度駆動信号を出力する温度制御部と、発光部の温度を調整する加熱冷却部と、からなる温度安定化部をｎ個の発光部別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記同期検波手段は、高周波変調信号の２倍周波数である参照信号を出力する参照信号発生部と、参照信号を用いて検出信号を同期検波して２倍周波数成分の同期検波信号を出力する同期検波部と、をｎ種のガス別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号の波形は、オフセットを有し、かつ前記レーザ素子への供給電流を直線的に変化させて前記レーザ素子の発光波長を徐々に変化させる部分を有すると共に、一定周期で繰り返される波形であり、
前記オフセットは、前記レーザ素子のスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給するような値であることを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記分析手段は、
前記同期検波信号の少なくとも一部を積分し、その積分値を測定対象ガスの濃度として検出することを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【請求項７】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記分析手段は、
前記同期検波信号のピーク値を測定対象ガスの濃度として検出することを特徴とする多成分対応レーザ式ガス分析計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２６８０６４（Ｐ２００８−２６８０６４Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１２９９４（Ｐ２００７−１１２９９４）
【出願日】平成１９年４月２３日（２００７．４．２３）
【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２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２３日（２００７．４．２３）
【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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