JP2009041941A

JP2009041941A - ガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法

Info

Publication number: JP2009041941A
Application number: JP2007204369A
Authority: JP
Inventors: Noritomo Hirayama; 紀友平山; Kazuhiro Koizumi; 和裕小泉; Shigeru Komine; 繁小峯; Yusuke Nakamura; 裕介中村; Hideo Kanai; 秀夫金井
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2009-02-26

Abstract

【課題】発光素子の波長可変範囲を超える吸収特性を持つ複数種類のガスの濃度を単体で計測する。
【解決手段】ガス濃度測定装置の送信側の光学系には、２成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を出射する複数の発光素子５ａ〜５ｄを設け、光波長が互いに異なる複数の発光素子５ａ〜５ｄからレーザ光を時系列的に出射させ、吸収波長が互いに異なる２成分以上の測定対象ガスを透過させてから、単一の受光素子１０にて検出し、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にかかる部分についての基本波成分と２倍波成分との振幅比を信号処理装置１１にて順次算出し、測定対象ガスの特定の成分の濃度を順次算出する。
【選択図】図１

Description

本発明はガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法に関し、特に、周波数変調されたレーザ光を用いてガスの濃度を測定する方法に適用して好適なものである。

気体状のガス分子にはそれぞれ固有の光吸収スペクトルが有ることが知られており、ガス分子の吸収線の中心周波数における減衰量はガスの濃度に比例する。このため、ガス分子の吸収線の中心周波数に一致した発振周波数をもつ半導体レーザ光をガスに照射し、その時のレーザ光の減衰量を測定することで、ガスの濃度を推定することができる（特許文献１）。

この原理を発展させたものとして２波長差分方式及び周波数変調方式があり、２波長差分方式では、半導体レーザの発振周波数はＴＨｚオーダの信号であることから、複雑な信号処理を行うことができないのに対して、周波数変調方式では、数ｋＨｚのベースバンド領域で信号処理を行うことができるという利点がある。
ここで、周波数変調方式では、ガスの吸収線幅よりもレーザ光の線幅の方が小さいことから、ガスの吸収波長と半導体レーザの発光波長とを合わせる必要がある。この方法として、予め測定したいガスと同じ成分を封入した参照ガスセルを用いる方法がある（特許文献２）。

図１２（ａ）は、従来の周波数変調方式におけるガス濃度測定装置の概略構成を示す平面図、図１２（ｂ）は、従来の周波数変調方式におけるガス濃度測定装置の概略構成を示す側面図である。
図１２において、光源ユニットには、半導体レーザモジュール１２１、参照ガスセル１２２およびフォト検出器１２３が収容され、光源ユニットのケース本体１２６の底面には、冷却用フィン１２７が取り付けられたペルチェ素子１２８が配設されている。ここで、半導体レーザモジュール１２１には、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が配設されるとともに、コネクタ１２５ａを備えた光ケーブル１２５が延出され、半導体レーザから出射される一方の光が光ケーブル１２５を介して測定対象ガスの雰囲気に出射される。

また、参照ガスセル１２２は、半導体レーザの後ろ側の光路上に配設され、参照ガスセル１２２を通過したレーザ光は、参照ガスセル１２２の後ろ側に配設されたフォト検出器１２３によって受光検出される。
そして、参照ガスセル１２２を通過したレーザ光を参照しながらペルチェ素子１２８にて半導体レーザの温度制御を行い、２倍波と基本波との比が最大となるように半導体レーザの発光波長を制御することにより、ガスの吸収波長と半導体レーザの発光波長とを合わせることができる。
特開平７−１５１６８１号公報特開２００１−２３５４１８号公報

しかしながら、従来の周波数変調方式におけるガス濃度の測定方法では、煙道などから排出される複数種類のガスの濃度を同時に計測する場合、１つの半導体レーザで可変できる波長の範囲が狭く、１台の成分計では１成分または特定の２成分しか計測できないため、単成分計を複数台設置する必要がある。このため、設置面積、設置工事費および光軸調整費などが設置台数に比例して増大し、計測システムの大型化や高価格化を招くという問題があった。
そこで、本発明の目的は、発光素子の波長可変範囲を超える吸収特性を持つ複数種類のガスの濃度を単成分計にて計測することが可能なガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載のガス濃度測定装置によれば、２成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を出射する複数の発光素子と、前記発光素子からそれぞれ出射されたレーザ光を共通の変調周波数で周波数変調させる高周波変調信号を発生する高周波変調信号発生部と、前記周波数変調されたレーザ光の発光波長にて測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯をそれぞれスキャンさせる波長走査駆動信号を発生する波長走査駆動信号発生器と、前記高周波変調信号および前記波長走査駆動信号に基づいて前記発光素子をそれぞれ駆動することにより、前記発光素子の発光波長を変調させるレーザ駆動信号発生部と、前記レーザ駆動信号発生部にて駆動される発光素子を時系列的に切り替える切り替え制御手段と、前記レーザ駆動信号発生部にて駆動されるレーザ光の発光波長が前記測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれかかるように前記発光素子の温度を設定する温度設定部と、前記レーザ駆動信号発生部にてそれぞれ周波数変調された複数のレーザ光を共通に検出する光検出部と、前記複数の発光素子から出射されたレーザ光を前記光検出部に導く光反射手段と、前記光検出部にて検出されたレーザ光から基本波成分を検出する基本波成分検出部と、前記光検出部にて検出されたレーザ光から２倍波成分を検出する２倍波成分検出部と、前記基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの特定の成分の濃度をそれぞれ算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とする。

また、請求項２記載のガス濃度測定装置によれば、前記複数の発光素子の一部は、レーザ光の発光波長が前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからないように選択されることを特徴とする。
また、請求項３記載のガス濃度測定方法によれば、２成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を共通の変調周波数で周波数変調させるステップと、前記周波数変調されたレーザ光の発光波長が測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれかかるように、前記レーザ光をそれぞれ出射する発光素子の温度を設定するステップと、前記周波数変調されたレーザ光の発光波長を測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯がスキャンされるようにそれぞれ変化させながら、前記測定対象ガスに前記レーザ光を順次入射させるステップと、前記測定対象ガスを順次透過したレーザ光を共通の検出器にて検出するステップと、前記検出器にて順次検出されたレーザ光から基本波成分および２倍波成分を抽出するステップと、前記抽出された基本波成分および２倍波成分に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの特定の成分の濃度をそれぞれ算出するステップとを備えることを特徴とする。

また、請求項４記載のガス濃度測定方法によれば、２成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を共通の変調周波数で周波数変調させるステップと、前記周波数変調されたレーザ光の発光波長が測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれかかるように、前記レーザ光をそれぞれ出射する発光素子の温度を設定するステップと、前記周波数変調されたレーザ光の発光波長を測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯がスキャンされるようにそれぞれ変化させながら、前記測定対象ガスに前記レーザ光を順次入射させるステップと、前記測定対象ガスを順次透過したレーザ光を共通の検出器にて検出するステップと、前記検出器にて順次検出されたレーザ光から基本波成分および２倍波成分を抽出するステップと、前記抽出された基本波成分および２倍波成分に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの特定の成分の濃度をそれぞれ算出するステップと、前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光を前記変調周波数で周波数変調させるステップと、前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光を前記測定対象ガスに入射させるステップと、前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光を前記検出器にて検出するステップと、前記検出器にて検出された前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光から基本波成分および２倍波成分を抽出するステップと、前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光から抽出された基本波成分および２倍波成分に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を補正するステップとを備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、発光波長が互いに異なる複数の発光素子からレーザ光を時系列的に出射させ、吸収波長が互いに異なる２成分以上の測定対象ガスを透過させてから、単一の光検出部にて検出することにより、単一の発光素子の波長可変範囲を超える吸収特性を持つ複数種類のガスの濃度を単成分計にて計測することが可能となり、計測システムの大型化や高価格化を抑制しつつ、煙道などから排出される複数種類のガスの濃度を計測することができる。

以下、本発明の実施形態に係るガス濃度測定装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置における光学系の概略構成を示す断面図である。
図１において、ガス濃度測定装置の送信側の光学系には、２成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を出射する複数の発光素子５ａ〜５ｄ、発光素子５ａ〜５ｄからそれぞれ出射されたレーザ光の光軸を同一方向に一致させるプリズム型ミラー６が設けられている。なお、プリズム型ミラー６には、反射面を４面設けることができ、発光素子５ａ〜５ｄからそれぞれ出射されたレーザ光をプリズム型ミラー６の各面で反射させることにより、発光素子５ａ〜５ｄからそれぞれ出射されたレーザ光の光軸を同一方向に一致させることができる。なお、発光素子５ａ〜５ｄとしては、ＤＦＢレーザ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋＬａｓｅｒ）やＶＣＳＥＬ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ）などの半導体レーザを用いることができる。

また、ガス濃度測定装置の受信側の光学系には、測定対象ガスを透過したレーザ光を集光する集光レンズ９、測定対象ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子１０が設けられている。なお、受光素子１０としては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。そして、受光素子１０は、測定対象ガスを透過したレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出する信号処理装置１１に接続されている。

ここで、発光素子５ａ〜５ｄおよびプリズム型ミラー６はハウジング４に収容されるとともに、集光レンズ９、受光素子１０、および信号処理装置１１はハウジング８に収容されている。そして、煙道などの測定対象ガスが流れる配管などの隔壁１ａ、１ｂには、固定フランジ２ａ、２ｂが溶接などの方法にて取り付けられる。そして、発光素子５ａ〜５ｄおよびプリズム型ミラー６が収容されたハウジング４は、光軸調整用の調整フランジ３ａを介してフランジ２ａに取り付けられるとともに、ウェッジ窓７ａにて配管内と仕切られている。また、集光レンズ９、受光素子１０、および信号処理装置１１が収容されたハウジング８は、光軸調整用の調整フランジ３ｂを介してフランジ２ｂに取り付けられるとともに、ウェッジ窓７ｂにて配管内と仕切られている。なお、ウェッジ窓７ａ、７ｂとしては、溶融石英などを材料として構成することができる。

そして、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで発光素子５ａ〜５ｄの出力が周波数変調されるとともに、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯がそれぞれスキャンされるようにレーザ光の発光波長が変化されながら、発光素子５ａ〜５ｄからレーザ光が順次出射される。そして、発光素子５ａ〜５ｄから出射されたレーザ光は、プリズム型ミラー６にて受光素子１０の方向に反射された後、ウェッジ窓７ａを介して隔壁１ａ、１ｂ間の測定対象ガスを透過する。そして、測定対象ガスを透過したレーザ光は、測定対象ガスのガス分子の吸収線に対応した波長の吸収を受けた後、ウェッジ窓１ｂを介して集光レンズ９に入射し、集光レンズ９にて受光素子１０の受光面上に集光される。そして、受光素子１０にレーザ光が入射すると、受光素子１０にて電気信号に変換され、その電気信号が信号処理装置１１に送られる。そして、受光素子１０にて変換された電気信号が信号処理装置１１に送られると、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にかかる部分についての基本波成分と２倍波成分との振幅比が信号処理装置１１にて順次算出され、測定対象ガスの特定の成分の濃度を順次算出することができる。

これにより、発光波長が互いに異なる複数の発光素子５ａ〜５ｄからレーザ光を時系列的に出射させ、吸収波長が互いに異なる２成分以上の測定対象ガスを透過させてから、単一の受光素子１０にて検出することができる。このため、単一の発光素子５ａ〜５ｄの波長可変範囲を超える吸収特性を持つ複数種類のガスの濃度を単成分計にて計測することが可能となり、計測システムの大型化や高価格化を抑制しつつ、煙道などから排出される複数種類のガスの濃度を計測することができる。

図２は、図１のガス濃度測定装置における送信側の信号処理部の概略構成を示すブロック図である。
図２において、ガス濃度測定装置の送信側には、複数の発光素子５ａ〜５ｄが設けられ、発光素子５ａ〜５ｄには、発光素子５ａ〜５ｄの温度をそれぞれ検出する温度検出素子１６ａ〜１６ｄおよび発光素子５ａ〜５ｄの温度をそれぞれ調整する温度調整素子１７ａ〜１７ｄが搭載されている。なお、温度検出素子１６ａ〜１６ｄとしては、例えば、サーミスタ、温度調整素子１７ａ〜１７ｄとしては、例えば、ペルチェ素子を用いることができる。また、温度検出素子１６ａ〜１６ｄは、発光素子５ａ〜５ｄに直接接触させることなく、アルミニウムなどの熱伝導性のよい材料に穴を空け、熱伝導性のよいシリコーンなどの樹脂を用いることで、サーミスタなどの温度検出素子１６ａ〜１６ｄをその穴に埋め込むようにしてもよい。

そして、ペルチェ素子などの温度調整素子１７ａ〜１７ｄは、温度検出素子１６ａ〜１６ｄが埋め込まれたアルミブロックを介して発光素子５ａ〜５ｄに装着することができる。
なお、発光素子５ａ〜５ｄの温度を制御する温度制御素子としては、例えば、マキシム社製ＭＡＸ１９７８やリニアテクノロジ社製ＬＴＣ１９２３などを用いることができる。

また、発光素子５ａ〜５ｄからそれぞれ出射されたレーザ光を共通の変調周波数で周波数変調させる高周波変調信号を発生する高周波変調信号発生部１３ａ〜１３ｄ、周波数変調されたレーザ光の発光波長にて測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯をそれぞれスキャンさせる波長走査駆動信号を発生する波長走査駆動信号発生器１２、高周波変調信号発生部１３ａ〜１３ｄにてそれぞれ発生された高周波変調信号および波長走査駆動信号発生器１２にてそれぞれ発生された波長走査駆動信号に基づいて発光素子５ａ〜５ｄをそれぞれ駆動することにより、発光素子５ａ〜５ｄの発光波長を変調させるレーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄ、レーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄにてそれぞれ駆動される発光素子５ａ〜５ｄを時系列的に切り替える切り替え制御部１９、温度検出素子１６ａ〜１６ｄにて検出された温度に基づいて温度調整素子１７ａ〜１７ｄを駆動する温度制御回路１８ａ〜１８ｄが設けられている。

そして、温度検出素子１６ａ〜１６ｄにて検出された温度は温度制御回路１８ａ〜１８ｄに入力され、温度制御回路１８ａ〜１８ｄは、温度検出素子１６ａ〜１６ｄにて検出された温度に基づいて温度調整素子１７ａ〜１７ｄを駆動することにより、発光素子５ａ〜５ｄから出射されるレーザ光の発光波長が測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれかかるように発光素子５ａ〜５ｄの温度をそれぞれ制御する。例えば、温度制御回路１８ａ〜１８ｄは、温度検出素子１６ａ〜１６ｄとして用いられるサーミスタの抵抗値が一定になるように、温度調整素子１７ａ〜１７ｄとして用いられるペルチェ素子のＰＩＤ制御などを行うことにより、発光素子５ａ〜５ｄの温度を調整し、発光素子５ａ〜５ｄから出射されるレーザ光の発光波長を一定に保つことができる。

そして、レーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄは切り替え制御部１９にて時系列的に選択されながら、波長走査駆動信号発生器１２にて発生された波長走査駆動信号および高周波変調信号発生部１３ａ〜１３ｄにてそれぞれ発生された高周波変調信号がレーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄに順次入力される。
そして、レーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄに順次入力された波長走査駆動信号および高周波変調信号は、レーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄにてそれぞれ合成され、電圧−電流変換処理が行われた後、発光素子５ａ〜５ｄに順次注入される。そして、発光素子５ａ〜５ｄに電流が順次注入されると、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯をそれぞれスキャンする波長帯で発光素子５ａ〜５ｄが順次発光し、図１のプリズム型ミラー６を介して測定対象ガスに入射した後、受光素子１０にて検出される。

なお、図２の実施形態では、発光素子５ａ〜５ｄに対して波長走査駆動信号発生器１２を共通に設けるとともに、高周波変調信号発生部１３ａ〜１３ｄを個別に設ける方法について説明したが、高周波変調信号発生部１３ａ〜１３ｄは発光素子５ａ〜５ｄに対して共通に設けるようにしてもよい。ただし、受光素子１０にて検出された信号の信号処理を同一の回路で行えるようにするために、高周波変調信号の周波数は同一に設定するのが好ましい。なお、高周波変調信号の周波数は同一に設定した場合、波長スキャン幅や波長変調幅は互いに異なっていてもよい。

図３は、図１のガス濃度測定装置における受信側の信号処理部の概略構成を示すブロック図である。
図３において、ガス濃度測定装置の受信側には、発光素子５ａ〜５ｄからそれぞれ出射されたレーザ光を共通に検出する受光素子１０、受光素子１０から出力される電流を電圧に変換するＩ−Ｖ変換回路２５、高周波変調信号の２倍の周波数の信号を発生させる参照信号発生器２６、Ｉ−Ｖ変換回路２５の出力から高周波変調信号の２倍の周波数成分を抽出する同期検波器２７、同期検波器２７の出力から不要な帯域成分を除去するフィルタ２８が設けられている。

そして、発光素子５ａ〜５からそれぞれ出射されたレーザ光は測定対象ガスを通過すると、測定対象ガスの特定の成分による吸収量に対応した減衰を受けた後、受光素子１０に入射し、受光素子１０にてレーザ光が検出される。そして、受光素子１０にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路２５にて電圧に変換され、参照信号発生器２６にて発生された２倍周波数信号とＩ−Ｖ変換回路２５からの出力が同期検波器２７にて合成されることにより、Ｉ−Ｖ変換回路２５の出力から高周波変調信号の２倍の周波数成分が抽出され、フィルタ２８にてノイズが除去される。

図４は、本発明の一実施形態に係る周波数変調方式によるガス濃度の測定原理を説明する図である。
図４において、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで発光素子５ａ〜５ｄの出力をそれぞれ周波数変調し、測定対象ガスに照射されたものとする。ここで、測定対象ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、受光素子１０では変調周波数ｆｍの２倍の周波数の成分（２倍波成分）が得られる。ここで、変調周波数ｆｍは任意の周波数でよいので、例えば、変調周波数ｆｍを数ｋＨｚ程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）または汎用のプロセッサを用い高度な信号処理を施すことが可能となる。

そして、発光素子５ａ〜５ｄと受光素子１０との距離に起因するレーザ光の減衰量の影響を周波数変調方式にてキャンセルするためには、発光素子５ａ〜５ｄの出力に周波数変調を行うと同時に変調周波数ｆｍで振幅変調を行えばよく、発光素子５ａ〜５ｄの出力に周波数変調をかけることで振幅変調もかけることができる。そして、光検出側でエンベロープ検波をそれぞれ行うことで振幅変調による基本波成分を推定することができ、この基本波成分の振幅と２倍波成分の振幅の比を位相同期させて取ることで、発光素子５ａ〜５ｄと受光素子１０との距離に依存することなく、測定対象ガスの濃度に比例した値をそれぞれ得ることができる。

図５は、本発明の一実施形態に係る駆動電流と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図５において、発光素子５ａ〜５ｄからそれぞれ出射されるレーザ光の発光波長は駆動電流が増加するに従って長くなる。このため、発光素子５ａ〜５ｄの駆動電流を制御することにより、発光素子５ａ〜５ｄからそれぞれ出射されるレーザ光の発光波長を調整することができる。
図６は、本発明の一実施形態に係る温度と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図６において、発光素子５ａ〜５ｄからそれぞれ出射されるレーザ光の発光波長は温度が増加するに従って長くなる。このため、発光素子５ａ〜５ｄの温度を制御することにより、発光素子５ａ〜５ｄからそれぞれ出射されるレーザ光の発光波長を調整することができる。

図７（ａ）は、図２の波長走査駆動信号発生器１２にて生成される電流波形を示す図、図７（ｂ）は、図２の高周波変調信号発生部１３ａ〜１３ｄにて生成される電流波形を示す図、図７（ｃ）は、図７（ａ）の電流波形と図７（ｂ）の電流波形とが合成された信号を印加した時に発光素子５ａ〜５ｄから出射される光の波長の変化を示す図である。
図７において、図２の波長走査駆動信号発生器１２にて発生される波長走査信号は、強度が一定に保たれた部分２０と、強度が台形状に直線的に増加する部分１９と、強度が０である部分２１とから構成することができる。ここで、強度が台形状に直線的に増加する部分１９は、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯が走査されるように、発光素子５ａ〜５ｄからそれぞれ出射されるレーザ光の波長を徐々に変化させることができる。

そして、測定対象ガスの濃度を測定する場合、図２の温度制御回路１８ａ〜１８ｄは、温度検出素子１６ａ〜１６ｄにて検出された温度を参照しながら温度調整素子１７ａ〜１７ｄを駆動することにより、波長走査信号の強度が直線的に増加する部分１９の中心付近で測定対象ガスの特定の成分の濃度が検出されるように、発光素子５ａ〜５ｄの温度をそれぞれ事前に設定する。

そして、図２の波長走査駆動信号発生器１２は、発光素子５ａ〜５ｄの発光をそれぞれ安定化させるために、波長走査信号の強度が一定に保たれた部分２０が発光素子５ａ〜５ｄのスレッショルドカレント以上になるようにして一定に保ちながら、波長走査信号の強度が一定に保たれた部分２０をレーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄに出力するとともに、高周波変調信号発生部１３ａ〜１３ｄは周波数が１０ｋＨｚ、波長変調幅が０．０２ｎｍの正弦波からなる高周波変調信号２２をレーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄにそれぞれ出力する。

そして、波長走査信号の強度が一定に保たれた部分２０と高周波変調信号２２とはレーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄにてそれぞれ合成され、波長走査信号の強度が一定に保たれた部分２０と高周波変調信号２２が合成された信号に基づいて発光素子５ａ〜５ｄの電流がそれぞれ制御されることにより、測定対象ガスによる吸収を受けない波長を中心として１０ｋＨｚ程度の正弦波にてレーザ光が周波数変調される。

そして、周波数変調されたレーザ光は測定対象ガスを通過すると、測定対象ガスによる吸収を受けることなく受光素子１０に入射し、受光素子１０にてレーザ光が検出される。そして、受光素子１０にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路２５にて電圧に変換され、参照信号発生器２６にて発生された２倍周波数信号とＩ−Ｖ変換回路２５からの出力が同期検波器２７にて合成されることにより、Ｉ−Ｖ変換回路２５の出力から高周波変調信号２２の２倍の周波数成分が抽出される。ここで、測定対象ガスによる吸収を受けない波長を中心としてレーザ光が周波数変調されると、Ｉ−Ｖ変換回路２５の出力から高周波変調信号２２の２倍の周波数成分が抽出されることはなく、同期検波器２７からの出力は一定となる。

次に、図２の波長走査駆動信号発生器１２は、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯をスキャンさせるために、波長走査信号の強度を台形状に直線的に増加させることで、波長走査信号の強度が台形状に直線的に増加する部分１９をレーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄに出力するとともに、高周波変調信号発生部１３ａ〜１３ｄは周波数が１０ｋＨｚ、波長変調幅が０．０２ｎｍの正弦波からなる高周波変調信号２２をレーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄにそれぞれ出力する。なお、波長走査駆動信号発生器１２は、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯が走査されるように波長走査信号の波長スキャン幅を発光素子５ａ〜５ｄごとに個別に設定することができ、例えば、発光素子５ａから出射されたレーザ光にて、ＮＨ₃ガスの濃度を測定する場合、波長走査駆動信号発生器１２は、発光素子５ａに対する波長スキャン幅を０．２ｎｍ程度に設定することができる。

そして、波長走査信号の強度が台形状に直線的に増加する部分１９と高周波変調信号２２とはレーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄにてそれぞれ合成され、波長走査信号の強度が台形状に直線的に増加する部分１９と高周波変調信号２２とが合成された信号に基づいて発光素子５ａ〜５ｄの電流がそれぞれ制御されることにより、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯を含むように１０ｋＨｚ程度の正弦波にてレーザ光が周波数変調される。

そして、周波数変調されたレーザ光は測定対象ガスを通過すると、測定対象ガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、受光素子１０に入射し、受光素子１０にてレーザ光が検出される。そして、受光素子１０にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路２５にて電圧に変換され、参照信号発生器２６にて発生された２倍周波数信号とＩ−Ｖ変換回路２５からの出力が同期検波器２７にて合成されることにより、Ｉ−Ｖ変換回路２５の出力から高周波変調信号２２の２倍の周波数成分が抽出される。
ここで、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯を含むように周波数変調されたレーザ光は測定対象ガスの特定の成分による吸収量に対応した減衰を受けるため、同期検波器２７からの出力は測定対象ガスの特定の成分による吸収波形に対応した値となる。

図８は、図１のガス濃度測定装置における発光素子５ａ〜５ｄの駆動方法を示すタイミングチャートである。
図８において、測定対象ガスには吸収波長が互いに異なる４つの成分が含まれ、測定対象ガスの吸収波長帯は単一の発光素子５ａ〜５ｄの波長可変範囲を超えているものとする。
そして、発光素子５ａは、その波長可変範囲が測定対象ガスの第１の成分の吸収波長帯に対応するように発光波長を選択し、発光素子５ｂは、その波長可変範囲が測定対象ガスの第２の成分の吸収波長帯に対応するように発光波長を選択し、発光素子５ｃは、その波長可変範囲が測定対象ガスの第３の成分の吸収波長帯に対応するように発光波長を選択し、発光素子５ｄは、その波長可変範囲が測定対象ガスの第４の成分の吸収波長帯に対応するように発光波長を選択することができる。

そして、図２の切り替え制御部１９は、レーザ駆動信号発生部１４ａ〜１４ｄを時系列的に選択し、発光素子５ａ〜５ｄを規定の時間だけ順次オンさせることにより、発光素子５ａ〜５ｄからそれぞれ出射されたレーザ光を測定対象ガスに順次入射させることができる。そして、測定対象ガスを透過したレーザ光は共通の受光素子１０にて順次検出され、測定対象ガスの４つの成分の濃度を順次算出することができる。

図９（ａ）は、ＮＨ₃ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図、図９（ｂ）は、ＨＣｌガスの吸収スペクトラムの一例を示す図、図９（ｃ）は、Ｈ₂Ｓガスの吸収スペクトラムの一例を示す図、図９（ｄ）は、ＣＨ₄ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図、図１０は、図１のガス濃度測定装置における受光素子１０の検出感度を波長に対して示す図である。

図９において、測定対象ガスには、ＮＨ₃ガス、ＨＣｌガス、Ｈ₂Ｓガス、ＣＨ₄ガスの４種類が含まれているとする。この場合、この測定対象ガスの吸収特性を有する波長帯は１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲に及ぶため、単一の発光素子５ａ〜５ｄの波長可変範囲ではカバーすることができない。このため、発光素子５ａは、その波長可変範囲がＮＨ₃ガスの吸収波長帯に対応するように発光波長を選択し、発光素子５ｂは、その波長可変範囲がＨＣｌガスの吸収波長帯に対応するように発光波長を選択し、発光素子５ｃは、その波長可変範囲がＨ₂Ｓガスの吸収波長帯に対応するように発光波長を選択し、発光素子５ｄは、その波長可変範囲がＣＨ₄ガスの吸収波長帯に対応するように発光波長を選択することができる。

一方、受光素子１０としては、図１０に示すように、１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲に波長感度を持つフォトダイオードを選択することにより、ＮＨ₃ガス、ＨＣｌガス、Ｈ₂Ｓガス、ＣＨ₄ガスの吸収特性をカバーすることができ、単一の受光素子１０を用いることで、ＮＨ₃ガス、ＨＣｌガス、Ｈ₂Ｓガス、ＣＨ₄ガスの濃度を計測することができる。
なお、１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲に波長感度を持つフォトダイオードとしては、例えば、浜松フォトニクス製Ｇ８３７２−０１を用いることができる。

図１１は、図３の同期検波器の出力波形の一例を示す図である。
図１１において、例えば、ＮＨ₃ガスの吸光特性がある場合、図３の同期検波器２７の出力波形には、ピークが発生する。そして、吸光特性はピーク値がそのままガス濃度を表すため、ピークの振幅を測定したり、出力波形の変化部分を積分したりすることで、ＮＨ₃ガスの濃度を測定することができる。
なお、上述した実施形態では、波長可変範囲が測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれ対応するように発光素子５ａ〜５ｄの発光波長を選択する方法について説明したが、全ての発光素子５ａ〜５ｄの発光波長を測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれ対応させる必要はなく、受光素子１０が感度を持つ範囲内において、複数の発光素子５ａ〜５ｄのうちの一部は、測定対象ガスによる吸収がない発光波長を選択するようにしてもよい。

例えば、複数の発光素子５ａ〜５ｄのうちの発光素子５ａについては、水分の吸収波長帯に対応するように発光波長を選択することができる。そして、発光素子５ａから出射されたレーザ光を測定対象ガスに透過させ、そのレーザ光を受光素子１０にて検出することにより、水分によるレーザ光の吸収量を測定することができる。そして、水分によるレーザ光の吸収量の測定結果に基づいて、発光素子５ｂ〜５ｄを用いて測定された測定対象ガスの特定の成分の濃度を補正することで、ダストの影響を除去することができ、測定対象ガスの特定の成分の濃度の測定精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置における光学系の概略構成を示す断面図である。図１のガス濃度測定装置における送信側の信号処理部の概略構成を示すブロック図である。図１のガス濃度測定装置における受信側の信号処理部の概略構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る周波数変調方式によるガス濃度の測定原理を説明する図である。本発明の一実施形態に係る駆動電流と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。本発明の一実施形態に係る温度と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。図７（ａ）は、図２の波長走査駆動信号発生器１２にて生成される電流波形を示す図、図７（ｂ）は、図２の高周波変調信号発生部１３ａ〜１３ｄにて生成される電流波形を示す図、図７（ｃ）は、図７（ａ）の電流波形と図７（ｂ）の電流波形とが合成された信号を印加した時に発光素子５ａ〜５ｄから出射される光の波長の変化を示す図である。図１のガス濃度測定装置における発光素子５ａ〜５ｄの駆動方法を示すタイミングチャートである。図９（ａ）は、ＮＨ₃ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図、図９（ｂ）は、ＨＣｌガスの吸収スペクトラムの一例を示す図、図９（ｃ）は、Ｈ₂Ｓガスの吸収スペクトラムの一例を示す図、図９（ｄ）は、ＣＨ₄ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図である。図１のガス濃度測定装置における受光素子１０の検出感度を波長に対して示す図である。図３の同期検波器の出力波形の一例を示す図である。従来の周波数変調方式におけるガス濃度測定装置の概略構成を示す平面図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ隔壁
２ａ、２ｂ固定フランジ
３ａ、３ｂ調整フランジ
４、８ハウジング
５ａ〜５ｄ発光素子
６プリズム型ミラー
７ａ、７ｂ窓材
９集光レンズ
１０受光素子
１１信号処理装置
１２波長走査駆動信号発生器
１３ａ〜１３ｄ高周波変調信号発生部
１４ａ〜１４ｄレーザ駆動信号発生部
１６ａ〜１６ｄ温度検出素子
１７ａ〜１７ｄ温度調整素子
１８ａ〜１８ｄ温度制御回路
１９切り替え制御部
２５ＩＶ変換回路
２６参照信号発生器
２７同期検波器
２８フィルタ

Claims

２成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を出射する複数の発光素子と、
前記発光素子からそれぞれ出射されたレーザ光を共通の変調周波数で周波数変調させる高周波変調信号を発生する高周波変調信号発生部と、
前記周波数変調されたレーザ光の発光波長にて測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯をそれぞれスキャンさせる波長走査駆動信号を発生する波長走査駆動信号発生器と、
前記高周波変調信号および前記波長走査駆動信号に基づいて前記発光素子をそれぞれ駆動することにより、前記発光素子の発光波長を変調させるレーザ駆動信号発生部と、
前記レーザ駆動信号発生部にて駆動される発光素子を時系列的に切り替える切り替え制御手段と、
前記レーザ駆動信号発生部にて駆動されるレーザ光の発光波長が前記測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれかかるように前記発光素子の温度を設定する温度設定部と、
前記レーザ駆動信号発生部にてそれぞれ周波数変調された複数のレーザ光を共通に検出する光検出部と、
前記複数の発光素子から出射されたレーザ光を前記光検出部に導く光反射手段と、
前記光検出部にて検出されたレーザ光から基本波成分を検出する基本波成分検出部と、
前記光検出部にて検出されたレーザ光から２倍波成分を検出する２倍波成分検出部と、
前記基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの特定の成分の濃度をそれぞれ算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
前記複数の発光素子の一部は、レーザ光の発光波長が前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからないように選択されることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
２成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を共通の変調周波数で周波数変調させるステップと、
前記周波数変調されたレーザ光の発光波長が測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれかかるように、前記レーザ光をそれぞれ出射する発光素子の温度を設定するステップと、
前記周波数変調されたレーザ光の発光波長を測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯がスキャンされるようにそれぞれ変化させながら、前記測定対象ガスに前記レーザ光を順次入射させるステップと、
前記測定対象ガスを順次透過したレーザ光を共通の検出器にて検出するステップと、
前記検出器にて順次検出されたレーザ光から基本波成分および２倍波成分を抽出するステップと、
前記抽出された基本波成分および２倍波成分に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの特定の成分の濃度をそれぞれ算出するステップとを備えることを特徴とするガス濃度測定方法。
２成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を共通の変調周波数で周波数変調させるステップと、
前記周波数変調されたレーザ光の発光波長が測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれかかるように、前記レーザ光をそれぞれ出射する発光素子の温度を設定するステップと、
前記周波数変調されたレーザ光の発光波長を測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯がスキャンされるようにそれぞれ変化させながら、前記測定対象ガスに前記レーザ光を順次入射させるステップと、
前記測定対象ガスを順次透過したレーザ光を共通の検出器にて検出するステップと、
前記検出器にて順次検出されたレーザ光から基本波成分および２倍波成分を抽出するステップと、
前記抽出された基本波成分および２倍波成分に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの特定の成分の濃度をそれぞれ算出するステップと、
前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光を前記変調周波数で周波数変調させるステップと、
前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光を前記測定対象ガスに入射させるステップと、
前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光を前記検出器にて検出するステップと、
前記検出器にて検出された前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光から基本波成分および２倍波成分を抽出するステップと、
前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光から抽出された基本波成分および２倍波成分に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を補正するステップとを備えることを特徴とするガス濃度測定方法。