CN101646934A - 激光式气体分析仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及频率调制方式的激光式气体分析仪。在该激光式气体分析仪中，光源部(204)包括：激光驱动信号生成部(240s)、电流控制部(204c)、激光元件(204e)、热敏电阻(204f)、珀耳帖元件(204g)和温度控制部(204d)，其中激光驱动信号生成部(204s)将以扫描测定对象气体的吸收波长的方式改变激光的发光波长的波长扫描驱动信号、和调制发光波长的高频调制信号合成，作为激光驱动信号输出，信号处理电路(208)包括：根据受光部(207)的输出信号对调制信号的2倍频率成分的振幅进行检测的同步检波电路(208b)、和运算部(208e)。

Description

激光式气体分析仪
技术领域
本发明涉及利用激光测定例如烟道内的气体、排气等各种气体的浓度的激光式气体分析仪。
背景技术
已知在气体分子中，各自存在固有的光吸收光谱。例如，图16为NH3(氨)气的吸收光谱的例。
激光式气体分析仪，是利用激光的特定波长的吸收量与测定对象气体的浓度成比例的情况的分析仪，作为气体浓度的测定方法，大致分为2波长差方式和频率调制方式。其中，本发明涉及使用频率调制方式的激光式气体分析仪。
首先，对使用频率调制方式的现有技术的激光式气体分析仪的测定原理进行说明。
图17是表示频率调制方式的原理图，例如是专利文献1中所记载的内容。在频率调制方式的激光式气体分析仪中，用中心频率fc、调制频率fm对半导体激光器的出射光进行频率调制，并照射到测定对象的气体。在此，所谓频率调制是使供向半导体激光器的驱动电流的波形成为正弦波状。
如图18A、图18B所示，半导体激光器的发光波长因驱动电流或温度而发生变化，因此通过进行频率调制，发光波长伴随驱动电流的调制而被调制。
如图17所示，由于气体的吸收线相对于频率大致成为二次函数，所以该吸收线起到辨别器的作用，在受光部获得调制频率fm的2倍的频率的信号(2倍波信号)。在此，由于调制频率fm可以为任意的频率，因此，例如如果将调制频率fm选择为几kHz左右，则能够使用数字信号处理装置(DSP)或者通用的处理器，进行2倍波信号的抽取等高度的信号处理。
另外，如果利用受光部进行包络检波，则能够推定基于振幅调制的基波。通过使该基波的振幅与上述二倍波信号的振幅的比相位同步而进行检测，能够与距离无关地获得与测定对象气体浓度成比例的信号。
在该频率调制方式中，在半导体激光器的种类中，使用分布归还型半导体激光器(DFB激光器)，仅射出单一波长的激光，测定气体浓度的情况较多。
在此情况下，由于DFB激光器发光的光谱线宽度比测定对象气体的吸收线宽度小，因此必须使DFB激光器的发光波长与测定对象气体的吸收波长相一致。
作为其方法，使用如下方法，即，利用预先封入有与测定对象气体相同的气体成分的参照气体单元，通过温度控制DFB激光器的发光波长。
作为使用如上所述的检测原理的现有技术，例如有专利文献2所记载的气体浓度测定装置。
图19表示在专利文献2中记载的气体浓度测定装置的整体的结构。
该气体浓度测定装置1主要包括：光源单元2、测定光聚光部3、测定光放大部4、接收信号检测部5、校正信号生成部6、由基波信号放大器7A和二倍波信号放大器7B构成的参照信号放大部7、由信号微分检测器8A和信号同步检测器8B构成的参照信号检测部8、波长稳定化控制电路9、温度稳定化PID电路10、电流稳定化电路11、测定/校正切换部12、和运算部13。
光源单元2产生与上述的测定对象气体特有的吸收线一致的波长的激光，如图20A所示，在由金属封装构成的箱形状的壳体主体26的内部，收纳有半导体激光模块21、参照气体单元22和光检测器(受光部)23。
如图20B所示，在半导体激光模块21的壳体21a内，设置有从两面射出频率调制后的激光的半导体激光器(激光二极管)24。如图20A所示，具备连接器25a的光缆25从壳体21a延伸，从半导体激光器24射出的一方的光，通过光缆25从图19的测定光聚光部3射出到外部(测定对象气体的气氛)。
如图20A所示，在壳体主体26的底面，配置有安装有冷却用散热片27的珀耳帖(Peltier)元件等温度控制元件(未图示)。通过利用该温度控制元件将动作温度控制为一定温度，控制振荡波长。
如图20B所示，在半导体激光器24的前后两侧的光轴上，配置有用于将出射光聚光的不具有平坦面的非球面透镜29a、29b。通过将这些非球面透镜29a、29b用作聚光用透镜，能够防止光反射回半导体激光器24。
如图20B所示，在半导体激光器24的前后两侧的光轴上在非球面透镜29a、29b的外侧，配置有光隔离器30a、30b。
这些光隔离器30a、30b通过对配置在仅通过90°的极化面的光的偏振镜和仅通过45°的极化面的光的检偏镜之间的结晶施加磁力，使在结晶中透过的光的极化面旋转而阻止偏振镜的反射光的通过，防止反射光返回半导体激光器24。
如图20A、图20B所示，设置在半导体激光器24的后侧的光路上的参照气体单元22用于测定光振荡波长的稳定化、测定对象气体浓度的校正。在该参照气体单元22中，在中空的金属体22a的相对面形成有光能够通过的贯通孔，在金属体22a的内部封入参照气体之后，贯通孔由玻璃窗22b密封。
参照气体单元22的内径的长度预先被决定，封入的参照气体被形成为与测定对象气体的测定场所的环境大致相同的组成、压力。例如，如果测定场所的环境为空气，则参照气体为空气平衡，即与空气是相同的组成，压力也成为1个大气压。
参照气体单元22被固定在非球面透镜29b的后侧的后方出射光容易射入的位置。通过参照气体单元22后的激光，由配置在其后侧的光检测器23接收并被检测。
此外，上述参照气体单元22为了降低向半导体激光器24返回的光，优选将光通过的两端面形成为倾斜(例如相对于出射光轴大约为6°)。
在图19中，测定光聚光部3将来自半导体激光器24的光射出到外部，利用透镜31将从作为测定对象的气体配管等反射的测定光聚光。此外，测定光聚光部3利用光检测器32检测聚光后的光并变换为电信号。
测定光放大部4由前置放大器构成，将由光检测器32检测到的光电流变换为电压，并放大输出。另外，在测定光放大部4中，针对基波信号、2倍波信号的各个设定有最佳放大度，以使得接收信号检测部5所检测的基波相敏(phase-sensitive)检测信号(f信号：以下简称为基波信号)和2倍波相敏检波信号(2f信号：以下简称为2倍波信号)几乎成为相同级别。
接收信号检测部5在测定/校正切换部12被切换到测定光放大部4一侧时，处理来自测定光放大部4的测定光信号，对基波信号(f信号)、2倍波信号(2f信号)和2f/f信号进行检测。
另外，接收信号检测部5在测定/校正切换部12被切换到校正信号生成部6一侧时，处理来自校正信号生成部6的信号，对校正用基波信号(rf信号)、校正用2倍波信号(r2f信号)和r2f/rf信号进行检测。
在上述结构中，使用参照气体单元22控制半导体激光器24的发光波长。另外，通过从光检测器32的输出抽取表示气体浓度的2f信号，对测定对象气体的浓度进行测定。
专利文献1：日本特开平7-151681号公报(段落[0005]、图4等)
专利文献2：日本特开2001-235418号公报(段落[0012]～[0024]、图2、图11等)
在频率调制方式的激光式气体分析仪中，如上所述，必须使激光器的发光波长与测定对象气体的吸收波长一致。
为此，必需封入有与测定对象气体相同的气体的参照气体单元，但是对于不能够或者比较难以封入参照气体单元的气体，其浓度的检测很困难。
另外，因为使用参照气体单元，所以不得不考虑参照气体单元本身的气体泄露，在测定对象气体为腐蚀性气体即HCl等的情况下，如果与其相同的参照气体发生气体泄露则周围的光学部件发生劣化。并且，必须考虑由于振动的影响导致轴偏移或参照气体单元的破损的影响，使用参照气体单元的情况并不令人满意。
另外，即使使用参照气体单元将激光器的发光波长固定为特定波长，也要求通过PID控制等进行温度调整而固定为特定波长的稳定性。但是，由于通常的DFB激光元件的发光波长具有100pm/℃左右的温度依赖性，所以在检测吸收线宽度仅40pm左右的氨等时需要1pm以下的波长稳定性，即需要0.01℃以下的温度稳定性。
近年来，例如由凌力尔特公司(Linear Technology Corporation)、美信集成产品公司(Maxim Integrated Products Inc.)提供PID控制用IC，这些IC的温度调整稳定性为0.001℃～0.01℃。但是，上述的温度范围是埋入有热敏电阻的部分，而不是对于DFB激光元件的范围。
在半导体激光元件的周围温度不是一定的情况下，由于发光波长发生变动，因此使半导体激光元件的发光波长与测定对象气体的吸收波长一致地进行测定这个情况本身存在问题，在现有技术中难以实现长期的稳定性的提高和测定精度的提高。
进一步，即使测定对象气体与被封入参照气体单元内的气体成分相同，实际测定的气体的吸收宽度、波长也有一些变动。另外，在参照气体的温度与测定对象气体的温度不同的情况下，难以使激光器的发光波长与测定对象气体的吸收波长完全一致。
总结上述内容，在现有技术中必须使用参照气体单元，使激光器的发光波长与测定对象气体的吸收波长一致，其波长稳定性对测定性能造成影响。
另外，为了制作HCI、HF等腐蚀性气体的参照气体单元，气体封入设备价格高，还存在能够测定的气体成分由能否制作参照气体单元而被制约的问题。
当利用激光式气体分析仪测定气体浓度时，如上所述必需有射出与吸收波长一致的光的激光元件，但是即使存在符合该条件的激光元件，如果不能制作参照气体单元，则不能实现分析仪。
进一步，必须有应对参照气体单元的气体泄露的对策等，在装置结构方面并不优选。
另外，利用该种气体分析仪实际测定气体时，由于例如是烟道内气体，因此气体分析仪也多被设置在灰尘较多的环境中。在此情况下，由于灰尘的影响而使得激光被遮挡，受光光量甚至受光信号有可能减少。如果受光信号减少，则被检测的气体吸收波形的振幅也减少，因此不能够正确地检测气体浓度。
因此，现状是，除气体分析仪之外，还设置灰尘计来测定灰尘量，使用其测定值校正气体浓度。
但是，如果采用上述的方法，由于需要另外设置灰尘计而产生设备费用增多的问题。
发明内容
在此，本发明的目的是提供一种激光式气体分析仪，其不需要用于扫描测定对象气体的吸收波长即激光元件的发光波长的参照气体单元，使装置简单化，降低成本。
本发明的另一目的是提供一种激光式气体分析仪，其不需要使发光波长稳定为特定波长，能够高精度地测定气体浓度。
本发明的又一目的是提供一种激光式气体分析仪，其不需要灰尘计等其它的计量仪器，即使在存在较多灰尘等的环境中也能够正确地测定气体浓度。
为了达到上述目的，权利要求1的激光式气体分析仪包括：射出被频率调制后的激光的光源部；使来自该光源部的射出光平行的射出光学系统；将从该射出光学系统经测定对象气体所存在的空间传播的透过光聚光的聚光光学系统；接收通过该聚光光学系统被聚光后的光的受光部；和处理该受光部的输出信号的信号处理电路。上述信号处理电路根据受光部的输出信号对光源部的调制信号的2倍频率成分的信号(所谓的2倍波信号)进行检测，对测定对象气体的浓度进行测定。
并且，在本发明的激光式气体分析仪中，上述光源部包括：激光驱动信号生成部，其将以扫描测定对象气体的吸收波长的方式使激光元件的发光波长可变的波长扫描驱动信号、和用于调制发光波长的高频调制信号合成，作为激光驱动信号输出；将激光驱动信号变换为电流的电流控制部；和被供给电流控制部的输出电流的激光元件。
另外，特征在于，上述信号处理电路包括：根据受光部的输出信号检测上述2倍频率成分的信号的振幅的同步检波电路；和根据存在于该同步检波电路的输出信号中的气体吸收波形检测测定对象气体的浓度的运算部。
此外，如权利要求2所述，波长扫描驱动信号的波形是，具有偏置部分，且具有使供向上述激光元件的供给电流直线地变化，使上述激光元件的发光波长逐渐变化的部分，并且以一定周期重复的波形。在此，优选上述偏置部分设定为将上述激光元件的阈值电流值以上的电流供向上述激光元件的值。
如权利要求3、4所记载，上述运算部对上述2倍频率成分的信号的一部分或全部进行积分，根据其积分值检测测定对象气体的浓度。
如权利要求5、6所记载，上述运算部根据上述气体吸收波形的最大值或最小值检测测定对象气体的浓度。
此外，如权利要求7所记载，上述运算部也可以根据气体吸收波形的最大值和最小值的差检测测定对象气体的浓度，在此情况下，如权利要求8所记载，对上述差乘以气体浓度变换系数，计算测定对象气体的浓度即可。
如权利要求9所记载，优选上述运算部以从激光驱动信号生成部输出的脉冲状的触发(trigger)信号的定时为基准，预先对产生上述气体吸收波形的最大值和最小值的定时进行检测并保存该定时。
此外，如权利要求10所记载，需要使上述触发信号与波长扫描驱动信号同步，例如，如权利要求11所记载，与使激光元件的驱动电流为零的波长扫描驱动信号的定时同步即可。
另外，权利要求12所记载的发明是，权利要求1中的信号处理电路还包括从受光部的输出信号抽取上述波长扫描驱动信号的成分的抽取单元。并且，上述运算部使用作为上述抽取单元的输出信号和受光光量设定值(例如，在没有灰尘的清洁的环境中进行测定的情况下的、如权利要求13所记载的受光光量为最大时的抽取单元的输出信号级别)之比的受光光量校正系数，校正气体吸收波形的振幅。
附图说明
图1为表示本发明的实施方式的结构图。
图2为图1中的光源部的结构图。
图3为图2中的波长扫描驱动信号生成部的输出信号波形图。
图4为表示图1中的信号处理电路的第一实施例的结构图。
图5为用于说明本实施方式的动作的、激光元件的扫描波形、NH3气体的吸收波形、同步检波电路的输出波形的图。
图6为表示图1中的信号处理电路的第二实施例的结构图。
图7为传送到图6的信号处理电路的触发信号的说明图。
图8为表示图6中的I/V变换器和同步检波电路的输出信号的图。
图9为表示图6中的同步检波电路的输出信号的图。
图10为表示图6中的I/V变换器和同步检波电路的输出信号的图。
图11为表示图1中的信号处理电路的第三实施例的结构图。
图12A为图11中的受光信号的波形图。
图12B为图11中的受光信号的波形图。
图13A为与图12A对应的同步检波电路的输出波形的图。
图13B为与图12B对应的同步检波电路的输出波形的图。
图14为表示受光光量级别和气体吸收波形的振幅级别的关系的图。
图15A为与图12A对应的波形扫描信号成分的波形图。
图15B为与图12B对应的波形扫描信号成分的波形图。
图16为NH3气体的吸收光谱的例子。
图17为频率调制方式的原理图。
图18A为表示驱动电流导致的半导体激光器的发光波长的变化的图。
图18B为表示温度导致的半导体激光器的发光波长的变化的图。
图19为专利文献2中记载的气体浓度测定装置的整体的结构图。
图20A为图19中的主要部分的结构图。
图20B为图20A中的主要部分的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
首先，图1表示该实施方式的整体的结构。在图1中，凸缘201a、201b例如通过焊接等被固定在测定对象气体通过内部的烟道等的配管的壁101a、101b上。在一个凸缘201a上，通过安装座202a安装有有底圆筒状的罩203a。
在罩203a的内部配置有光源部204，从光源部204射出的激光通过包括准直透镜205的光学系统被形成为平行光。形成为平行光的光通过凸缘201a的中心向壁101a、101b的内部(烟道内部)射入。上述平行光在通过存在于壁101a、101b的内部的测定对象气体时被吸收。
在另一个凸缘201b上通过安装座202b安装有有底圆筒状的罩203b。通过烟道内部后的平行光由罩203b内部的聚光透镜206聚光并被受光部207接收。该光通过受光部207被变换为电信号，被输入后级的信号处理电路208。
接着，图2表示上述光源部204的结构。
该光源部204具备：由波长扫描驱动信号生成部204a、和高频调制信号生成部204b构成的激光驱动信号生成部204s。
波长扫描驱动信号生成部204a以扫描测定对象气体的吸收波长的方式使激光元件的发光波长可变，高频调制信号生成部204b为了检测测定对象气体的吸收波长，例如用10kHz左右的正弦波对波长进行频率调制。
通过将这些信号生成部204a、204b的输出信号在激光驱动信号生成部204s内合成，生成激光驱动信号。
从激光驱动信号生成部204s输出的激光驱动信号通过电流控制部204c被变换为电流，供给到由半导体激光器构成的激光元件204e。
接近激光元件204e配置有作为温度检测元件的热敏电阻204f，珀耳帖(Peltier)元件204g接近热敏电阻204f配置。
珀耳帖元件204g以使得热敏电阻204f的电阻值成为一定值的方式通过温度控制部204d被PID(比例·积分·微分)控制，其结果是用作使激光元件204e的温度稳定化的元件。
如图3所示，上述波长扫描驱动信号生成部204a的输出信号为以一定周期重复的大致梯形波状的信号。
在图3中，扫描吸收波长的信号S2是通过电流控制部204c直线地改变供向激光元件204e的电流的大小的部分。利用该信号S2逐渐移动激光元件204e的发光波长，例如如果是氨气，则能够扫描0.2nm左右的线宽。
图3中的信号S1是不扫描吸收波长而使激光元件204e发光的偏置(offset)部分，被设定为激光元件204e的发光稳定的阈值电流值以上的值。
进一步，信号S3为使驱动电流几乎为0的部分。
接着，图4表示图1中的信号处理电路208的第一实施例的结构。以下，对该第一实施例的信号处理电路标注号码208A。
此外，图4的受光部207例如由光电二极管构成，使用对激光元件204e的发光波长具有灵敏度的光接收元件。
在图4中，受光部207的输出电流通过I/V变换器208a被变换成电压。I/V变换器208a的输出信号被输入施加来自振荡器208c的2f信号(2倍波信号)的同步检波电路208b，仅抽取射出光的调制信号的2倍频率成分的振幅。同步检波电路208b的输出信号经用于除去噪声的滤波器208d被传送到CPU等运算部208e。
接着，对测定对象气体的浓度测定方法进行叙述。
首先，事先利用热敏电阻204f检测激光元件204e的温度。进一步，利用温度控制部204d控制珀耳帖元件204g的通电，调整激光元件204e的温度，使得能够在图3所示的波长扫描驱动信号的S2的中心部分对测定对象气体(例如NH3气体)进行测定(能够获得规定的吸收特性)。
在此之后，驱动激光元件204e，向存在测定对象气体的壁101a、101b的内部空间射出激光，并使聚光后的光向受光部207射入。
在图4的信号处理电路208A中，在测定对象气体未吸收激光的情况下，通过同步检波电路208b不会检测出2倍波信号，因此同步检波电路208b的输出几乎成为直线。
另一方面，在测定对象气体吸收激光的情况下，通过同步检波电路208b检测出2倍波信号，其输出波形如图5所示。该波形中的A为受到测定对象气体的吸收的部分(气体吸收波形)，该吸收波形A的最大值或最小值相当于测定对象气体的浓度。因此，在运算部208e，对气体吸收波形A的最大值c与最小值(b或d)的差进行测定，或对气体吸收波形A的一部分(b～d)或全部(a～e)进行积分，根据该积分值检测测定对象气体的浓度。
此外，在图5中，令高频调制信号的频率为10kHz，令波长扫描驱动信号的频率为50Hz，λ1表示与偏置相当的波长，λ2、λ3表示与NH3气体的吸收波长相当的扫描范围的上下限值。
接着，图6表示信号处理电路208的第二实施例的结构。在下文中，对该第二实施例的信号处理电路标注号码208B。
该信号处理电路208B的结构基本上与图4的信号处理电路208A相同，但是向运算部208e输入来自上述波长扫描驱动信号生成部204a的触发信号S4这点不同。此外，为了便于说明，将I/V变换器208a的输出信号记作Sa，将同步检波电路208b的输出信号记作Sb。
图7是用于说明上述触发信号S4的图。如图所示，触发信号S4为与波长扫描驱动信号的1个周期同步地从波长扫描驱动信号生成部204a输出的脉冲状的信号。该触发信号S4例如与使激光元件204e的驱动电流为零这样的波长扫描驱动信号的定时(信号S3的生成定时)同步地被生成即可。
接着，说明基于第二实施例的信号处理电路208B的浓度测定动作。
与上述相同地，通过温度控制部204d控制珀耳帖元件204g的通电，调整激光元件204e的温度，使得能够在波长扫描驱动信号的S2的中心部分对测定对象气体进行测定。
之后，驱动激光元件204e，向存在测定对象气体的壁101a、101b的内部空间射出激光，使聚光后的光向受光部207射入。
在信号处理电路208B中，在测定对象气体未吸收激光的情况下，由于通过同步检波电路208b不会检测到2倍波信号，因此同步检波电路208b的输出几乎成为直线。
在测定对象气体吸收激光的情况下，通过同步检波电路208b检测2倍波信号。
图8是将同步检波电路208b的输出信号Sb与I/V变换器208a的输出信号Sa一并表示的波形图。在图8中，由虚线包围的部分为气体吸收波形A。
在此，在由于某些原因而在同步检波电路208b的输出信号Sb中存在偏置的情况下，如图9所示，本来的输出信号Sb0作为信号Sb1出现。其结果是，在图8中的气体吸收波形A的最大值或最小值，或者波形的积分值的检测中产生误差，有可能不能正确地检测出气体浓度。
于是，在本实施例中，为了更高精度并且稳定地检测气体浓度，使用如下所述的方法。
即，图6的运算部208e在图8所示的气体吸收波形A中，检测最大值C及其前后的最小值B、D，利用以下的数学式1或数学式2计算气体浓度。其中，在数学式1、数学式2中，α为气体浓度变换系数。
[数学式1]
气体浓度＝α×|B-C|
[数学式2]
气体浓度＝α×|C-D|
如上所述，在不存在测定对象气体的情况下，通过同步检波电路208b不会检测出2倍波信号，同步检波电路208b的输出几乎成为直线。
但是，由于存在各种各样的噪声，因此即使在假定不存在测定对象气体的情况下，如图10所示，同步检波电路208b的输出信号Sb也成为具有凹凸的波形。在这样的波形的情况下，在单纯地仅检测波形的最大值、最小值的方法中，存在将噪声导致的凹凸部分误认为气体吸收波形，错误地检测出最大值、最小值的问题。另外，即使在求取波形的积分值的情况下，也同样地存在误检测的可能性。
尤其是，在测定对象气体为低浓度的情况下，上述凹凸部分成为气体浓度检测时的大的误差原因。
因此，在本实施例中，为了不将噪声导致的凹凸部分误认为气体吸收波形，使用从波长扫描驱动信号生成部204a输出的触发信号S4，确定气体吸收波形的最大值或最小值应该存在的位置。
触发信号S4，由于与波长扫描驱动信号的1周期同步，因此在该触发信号S4与同步检测电路208b的输出信号Sb之间存在一定的时间的相关关系。即，在存在测定对象气体的情况下，相对于触发信号S4的定时，能够几乎准确地检测出生成图8的气体吸收波形A和最大值C、最小值B、D的定时。
于是，在图6所示的运算部208e中，相对于触发信号S4的定时，预先检测产生气体吸收波形A的最大值C和最小值B、D的定时，并加以保存。
然后，在进行气体浓度的测定时，以从波长扫描驱动信号生成部204a接收到的触发信号S4为基准，从应该生成最大值C和最小值B、D的定时的同步检波电路208b的输出信号Sb(滤波器208d的输出信号)测定最大值和最小值。
对该最大值和最小值乘以气体浓度变换系数α，计算气体浓度。此外，气体浓度变换系数α为使用已知测定气体成分的浓度的气体预先进行校正而决定的系数，用于将上述的同步检波电路输出变换为气体浓度。
例如，在使测定气体成分的浓度为0ppm的零气体例如氮气等、和测定气体成分的浓度为所希望的测定范围的最大浓度的量程气体(spangas)交替地流通的情况下，将零气体、量程气体的实测值作为第一校正点、第二校正点，将连接这两点的直线作为基准线。
该基准线是横轴为已知的气体浓度，纵轴在上述“B-C”、“C-D”求得的电压输出。将该基准线的斜率作为气体浓度变换系数α。
由此，即使在测定对象气体的浓度为无限接近0的低浓度的情况下，运算部208e也能够基于触发信号S4正确地检测、测定气体吸收波形A、最大值C和最小值B、D。因此，不会被噪声导致的波形的凹凸部分影响，能够利用上述数学式1或者数学式2高精度地进行气体浓度的运算。
如上所述，根据该实施方式，在光源部204在规定范围内对激光元件204e的发光波长进行扫描，由此，即使不使用参照气体单元也能够检测基于测定对象气体的吸收波长。
在现有技术中，仅根据特定波长处的受光信号的振幅检测测定对象气体的吸收。与此相对，在本实施方式中，对整个气体吸收波形进行检测，不必将激光元件的发光波长固定，因此使检测灵敏度稳定，测定精度提高。
另外，通过如图6所示那样构成信号处理电路208B，与仅检测气体吸收波形的最大值和最小值，或者仅检测积分值的情况相比，能够更加准确地测定气体浓度。
接着，图11表示信号处理电路208的第三实施例的结构，对该第三实施例的信号处理电路标注号码208C。此外，对于与图4、图6相同的构成要素标注相同的号码，省略说明，以下以不同的部分为中心进行说明。
在图11中，受光部207的输出为电流信号，该电流信号通过I/V变换器208a被变换为电压信号。将该电压信号称为受光信号，在图12A、图12B中表示其波形的一个例子。
图12A为在测定环境中没有灰尘的清洁的空间中的受光信号波形，图12B为有灰尘存在的空间中的受光信号波形。如从这些图可知，在灰尘存在的情况下，由于激光被遮挡，因此受光光量(受光信号级别)降低。
如上所述，利用同步检波电路208b，仅抽取射出光的调制信号的2倍频率成分的振幅。例如，如果对图12A、12B所示的受光信号进行同步检波，则能够获得分别如图13A、13B所示的波形。
图13A中的A与上述同样为气体吸收波形，通过对该波形的振幅w(＝wa)进行检测，能够测定气体浓度。
另一方面，在存在灰尘的情况下的图13B中，与图12B对应，振幅w(＝wb)也变小。
这样，由于受光光量而使得气体吸收波形的振幅发生变动，因此尤其在灰尘量发生变动的环境中，难以进行正确的气体浓度的测定。
因此，在本实施方式中，着眼于如图14所示那样受光光量级别(level)与气体吸收波形的振幅级别大致成比例关系的情况，通过在运算部208e中对气体吸收波形的振幅进行校正，即使在存在灰尘等的环境中也能够进行正确的气体浓度的检测。
即，如图11所示，将从I/V变换器208a输出的受光信号输入作为抽取单元的滤波器208f，取出波长扫描驱动信号成分。然后，利用运算部208e，将波长扫描驱动信号成分和受光光量设定值的比作为受光光量校正系数β计算出，利用上述校正系数β对从滤波器208d输出的气体吸收波形的振幅进行校正。
例如，如果将图12A、图12B所示的受光信号输入滤波器208f，取出波长扫描驱动信号成分，就能够获得图15A、图15B所示的波形。图15A为没有灰尘、受光光量未降低的情况，图15B为存在灰尘、受光光量降低的情况。
如图15A所示，在某时刻，将没有灰尘且受光光量最大时的受光信号(从滤波器208f输出的波长扫描驱动信号)的级别P(＝Pmax)作为上述受光光量设定值预先设定在运算部208e。运算部208e，如图15A所示那样，对存在灰尘的情况下的受光信号级别P进行检测，利用数学式3将该P与同一时刻的Pmax的比作为受光光量校正系数β进行运算。
[数学式3]
β＝Pmax/P
通过对气体吸收波形的振幅w(例如图13B的wb)乘以或者除以上述的校正系数β，如数学式4所示，能够获得将由灰尘导致的受光光量的变动量校正后的振幅wh。
[数学式4]
wh＝w×β
使用这样校正后的气体吸收波形的振幅wh对气体浓度进行测定，即使在如烟道那样灰尘量较多的环境中受光光量的减少显著的情况下，也能够准确地测定气体浓度。
根据本发明，由于不需要参照气体单元而能够使装置结构简单化，降低成本，并且由于不需要将激光元件的发光波长固定而能够获得检测灵敏度稳定，测定精度提高的效果。
另外，即使在灰尘较多的环境中，也不需要另外使用灰尘计等计量仪器，通过利用受光光量校正系数对吸收波形的振幅进行校正，能够准确地测定气体浓度。

Claims (13)

1.一种激光式气体分析仪，其包括：射出被频率调制后的激光的光源部；使来自该光源部的射出光平行的射出光学系统；将从该射出光学系统经测定对象气体所存在的空间传播的透过光聚光的聚光光学系统；接收通过该聚光光学系统被聚光后的光的受光部；和处理该受光部的输出信号的信号处理电路，
所述信号处理电路根据所述受光部的输出信号对所述光源部的调制信号的2倍频率成分的信号进行检测，对测定对象气体的浓度进行测定，所述激光式气体分析仪的特征在于：
所述光源部包括：
激光驱动信号生成部，其将以扫描测定对象气体的吸收波长的方式使激光元件的发光波长可变的波长扫描驱动信号、和用于调制所述发光波长的高频调制信号合成，作为激光驱动信号输出；
电流控制部，其将从该激光驱动信号生成部输出的所述激光驱动信号变换为电流；和
被供给从该电流控制部输出的电流的所述激光元件，
所述信号处理电路包括：
根据所述受光部的输出信号检测所述2倍频率成分的信号的振幅的同步检波电路；和
根据存在于该同步检波电路的输出信号中的气体吸收波形检测测定对象气体的浓度的运算部。
2.根据权利要求1所述的激光式气体分析仪，其特征在于：
所述波长扫描驱动信号的波形是，具有偏置部分，且具有使供向所述激光元件的供给电流直线地变化，使所述激光元件的发光波长逐渐变化的部分，并且以一定周期重复的波形，
所述偏置部分是将所述激光元件的阈值电流值以上的电流供向所述激光元件的值。
3.根据权利要求1或2所述的激光式气体分析仪，其特征在于：
所述运算部对所述2倍频率成分的信号的一部分进行积分，根据其积分值检测测定对象气体的浓度。
4.根据权利要求1或2所述的激光式气体分析仪，其特征在于：
所述运算部对所述2倍频率成分的信号的全部进行积分，根据其积分值检测测定对象气体的浓度。
5.根据权利要求1或2所述的激光式气体分析仪，其特征在于：
所述运算部根据所述气体吸收波形的最大值检测测定对象气体的浓度。
6.根据权利要求1或2所述的激光式气体分析仪，其特征在于：
所述运算部根据所述气体吸收波形的最小值检测测定对象气体的浓度。
7.根据权利要求1或2所述的激光式气体分析仪，其特征在于：
所述运算部根据所述气体吸收波形的最大值和最小值的差检测测定对象气体的浓度。
8.根据权利要求7所述的激光式气体分析仪，其特征在于：
所述运算部根据在所述气体吸收波形的最大值和最小值的差上乘以气体浓度变换系数而得到的值检测测定对象气体的浓度。
9.根据权利要求7或8所述的激光式气体分析仪，其特征在于：
所述运算部以从所述激光驱动信号生成部输出的脉冲状的触发信号的定时为基准，预先对产生所述气体吸收波形的最大值和最小值的定时进行检测并保存。
10.根据权利要求9所述的激光式气体分析仪，其特征在于：
使所述触发信号与所述波长扫描驱动信号同步。
11.根据权利要求10所述的激光式气体分析仪，其特征在于：
使所述触发信号与使所述激光元件的驱动电流为零的所述波长扫描驱动信号的定时同步。
12.根据权利要求1所述的激光式气体分析仪，其特征在于：
所述信号处理电路还包括从所述受光部的输出信号抽取所述波长扫描驱动信号的成分的抽取单元，
所述运算部使用作为所述抽取单元的输出信号和受光光量设定值之比的受光光量校正系数，校正所述气体吸收波形的振幅。
13.根据权利要求12所述的激光式气体分析仪，其特征在于：
将所述受光光量设定值作为受光光量为最大时的所述抽取单元的输出信号的级别。
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