CN111656166A - 气体吸收分光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气体吸收分光装置，具备：波数可变激光光源(113)；光检测器(114)，检测从波数可变激光光源射出的、通过了测量对象气体的激光的强度；激光驱动机构(112)，将驱动电流供给至波数可变激光光源(113)，以使激光在规定的波数范围内反复扫描，在该装置中设置：压力关联值获取机构(117)，获取作为测量对象气体的压力的值或者与该压力同步地变化的值的压力关联值；控制机构(131)，控制激光驱动机构(112)，以根据所述压力关联值使进行所述扫描的波数范围变化。由此，即使在测量对象气体的压力变化且要求高速响应性的情况下，也能够以从低压到高压的较宽的压力范围进行高精度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于测量对象气体的激光吸收光谱对该测量对象气体中所含的特定气体的浓度、温度或者分压等进行测量的气体吸收分光装置。
背景技术
作为使用激光的气体吸收分光法，主要已知有以下两种方法。
(1)DLAS(Direct Laser Absorption Spectroscopy，激光直接吸收分光法)
(2)WMS(Wavelength Modulated Spectroscopy，波长调制分光法)
在DLAS中，将激光照射至测量对象气体，通过光检测器测量激光。在此，具有将照射于气体的激光的波长(波数)固定为特定的值来测量在气体中的吸收的方法、以及扫描激光的波长来测量气体的吸收光谱的方法。在前者的情况下，将激光的波长固定为特定气体的吸收波长，测量在该波长处的吸光度。在扫描波长的情况下，使激光的波长在包含特定气体的吸收波长的范围内变化来测量其光谱，从而测量气体的吸收峰的面积。
WMS与波长扫描型的DLAS相似，除了波长扫描之外，还以远短于扫描周期的周期(即充分高的频率。在此设为f。)将波长调制为正弦波状。通过用检测器检测频率f的高次谐波(一般使用的是二次谐波)，能够以比DLAS高的灵敏度测量吸收。在WMS中，根据得到的吸收光谱的强度，容易计算出气体浓度。
特别地，作为工业用的气体吸收分光法，灵敏度优异的WMS较为合适。但是，WMS由于以下的理由存在在高速测量中难以进行高精度的气体测量的问题。
1.为了进行高速测量，需要缩短扫描周期并且需要以高频率调制波长。但是，在使用一般来说最普及的注入电流控制型波长可变二极管激光器作为波长可变型的激光器的情况下，若提高调制频率，则相对于注入电流的波长变化率降低，无法得到充分的波长调制深度(modulation depth)。
2.特别是对于超过MHz那样的高速的调制，难以正确地测量波长调制深度，在高速测量中无法确定正确的波长调制深度。因此，根据测量结果计算出的气体浓度、温度等的信息的不确定性变高。
为了解决上述问题，一部分本发明人在专利文献1中提出了一种新颖的气体吸收分光法(以下将其称为“改良型WMS”)。在该改良型WMS中，不进行上述以往的WMS那样的激光的调制，而是与波长扫描型的DLAS同样地在包含特定气体的吸收谱线的规定的波长范围内进行激光的波长扫描。该光通过测量对象气体后，被光检测器接收，从而其强度变化被检测。由于进行波长扫描的波长范围预先被设定为包含特定气体的吸收谱线的波长，因此由光检测器检测到的光的光谱线型(光强度的变化的曲线)中，出现以特定气体所固有的吸收谱线的波长为中心的吸收峰。在改良型WMS中，对包含该吸收峰的光谱线型进行与WMS处理类似的数学运算。具体来说，以各波长点为中心，对相当于WMS的波长调制深度的区间的光谱线型进行n阶多项式拟合，基于傅里叶变换的原理使用n阶多项式的系数，重现WMS信号振幅。该原理如下所示。
一般地，在WMS处理中，已知有进行同步检波得到的n阶的高次谐波的光谱线型(profile)近似地成为对吸收光谱进行n次微分而得的波形(非专利文献1：Equation8(方程式8))。因此，如果对用波长扫描得到的光谱进行n次微分，则认为能够得到相当于n阶的同步检波的光谱。但是，若进行n次微分，则测量数据的噪声的影响变大，在实际使用上存在问题。因此，在改良型WMS中，对于以想要求出高次谐波信号的波长为中心的某范围进行n阶多项式拟合。所得到的多项式的系数成为通过WMS处理得到的高次谐波信号。此时，进行多项式拟合的范围相当于在WMS处理中的调制振幅。该近似多项式的阶数越高，越能够进行更高精度的拟合，但一般来说，用一阶或者二阶多项式拟合就足够了。此外，还进行气体吸收以外的光阻断等光量变化校正处理。
在这样的改良型WMS中，由于在光源中仅进行频率100kHz以下的波长扫描，因此可正确地确定光源相对于注入电流的振荡波长。而且，由于基于该波长信息通过数学运算进行WMS处理，因此能够不受光源驱动电源、光源本身的非线性的影响而以正确的波长调制深度进行高阶同步检测。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2014/106940号
非专利文献
非专利文献1：Reid,J.和Labrie,D.，“Second-harmonic detection withtunable diode lasers-comparison of experiment and theory (可调谐二极管激光器的二次谐波检测-实验与理论的比较)”，《Appl.Phys.B(应用物理B)》26，203-210(1981)。
非专利文献2：福里克彦、池田裕二、中岛健，“半導体レーザ分光システムを用いたCO2ガスの計測(使用半导体激光分光系统的CO2气体的测量)(第2报)”，《日本机械学会论文集》B卷，2002，68，2901-2907。
非专利文献3：G.B.Rieker、J.B.Jeffries、和R.K.Hanson，“Calibration-freewavelength modulation spectroscopy for measurements of gas temperature andconcentration in harsh environments(用于在恶劣环境中测量气体温度和浓度的免校准波长调制光谱法)”，《Appl.Opt.(应用光学)》，提交于2009。
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，利用气体吸收分光法所获取的吸收谱线的中心波长或峰宽依赖于测量对象气体的压力值。作为一例，在图11示出从HITRAN数据库获取的、H2O(浓度1.2％，光路长度1.0cm，温度400K)的波长1348.4nm(波数7416.0cm-1)附近的吸收谱线的压力特性。从该图中可以明显地看出，随着气压的升高，吸收谱线峰的中心位置移动，峰宽也较大得扩展开。
由于这样的吸收谱线的压力特性，在以往的气体吸收分光法中存在以下问题：在测量对象气体的压力变化且要求高速响应性的状况下，低压或者高压的任一压力中的测量精度均变差。具体来说，例如，为了可靠地测量在高压下扩展的吸收峰，需要将扫描波数(波长)范围设定得较宽，但这样一来，由于检测信号的采样率的限制，无法以高S/N测量在低压下的窄幅的峰。另一方面，在将扫描波数范围设定得较窄使得能够以高S/N测量在低压下的窄幅的峰的情况下，存在以下风险：对于在高压下扩展的吸收峰，只能测量到其一部分导致S/N恶化；由于峰位移(peakshift)导致峰的中心从扫描波数范围偏离，无法计算出最初所期望的物理量(例如，特定气体的浓度等)。
本发明是鉴于上述的问题点而完成的，其目的在于提供一种气体吸收分光装置，能够在测量对象气体的压力变化且要求高速响应性的状况下，以从低压到高压的较宽的压力范围进行高精度的测量。
用于解决上述技术问题的方案
为了解决上述技术问题而完成的本发明的气体吸收分光装置的特征在于，具有：
波数可变激光光源；
光检测器，检测从所述波数可变激光光源射出的、通过了测量对象气体的激光的强度；
激光驱动机构，将驱动电流供给至所述波数可变激光光源，以使所述激光在规定的波数范围内反复扫描；
压力关联值获取机构，获取所述测量对象气体的压力的值或者与该压力同步地变化的值而作为压力关联值；
控制机构，控制所述激光驱动机构，以与所述压力关联值相对应地使进行所述扫描的波数范围变化。
另外，在此所说的“波数”与“波长”是明确对应的用语，当然也能够使用“波长”组成相同的构成。
根据上述构成，基于由压力关联值获取机构所获取的压力关联值控制激光驱动机构，使得扫描波数范围随着测量对象气体的压力增大而变宽，由此即使在测量对象气体的压力从高压到低压较大地变化的情况下，也能够始终根据此时的气压以适当的波数范围进行波数扫描。因此，即使在低压下以及高压下的任一压力下，也能够以高S/N进行测量。
另外，本发明的气体吸收分光装置以及方法例如在汽车产业中首先能够应用于气体浓度还有温度、压力的非接触、高速测量，此外还能够在工业炉内的燃烧气体那样的高温、高压环境下的气体测量等多个领域中应用。在此，例如在将活塞式的内燃机或者外燃机的燃烧室内的气体作为所述测量对象气体的情况下，除了能够将利用压力传感器直接测量该燃烧室内的气压而得到的值作为所述压力关联值以外，例如还能够将作为与燃烧室内的气压同步地变化的值的曲柄角作为所述压力关联值利用。
上述本发明的气体吸收分光装置还具有：
表格存储机构，将分别规定了扫描波数宽度不同的扫描波形的多个表格与所述压力关联值相关联地存储，
所述控制机构能够从所述表格存储机构读取所述多个表格中与由所述压力关联值获取机构所获取的所述压力关联值相对应的表格，并按照该表格控制所述激光驱动机构。
本发明例如能够应用于通过上述改良型WMS进行测量的气体吸收分光装置。在改良型WMS中，对由光检测器检测到的光强度的变化的曲线(光谱线型)以在波数的各点处与WMS的调制波数宽度相当的波数宽度进行多项式拟合来代替激光的调制。另外，已知在将“WMS的调制波数宽度”设为吸收谱线的半峰半宽值的2.2倍的情况下得到最大的S/N，但如上所述，吸收谱线的峰宽根据测量对象气体的压力而变化。因此，在将本发明应用于通过改良型WMS进行测量的气体吸收分光装置的情况下，期望不仅使扫描波数宽度根据测量对象气体的压力变化而变化，而且使进行所述多项式拟合时的波数宽度也根据测量对象气体的压力变化而变化。
即，上述本发明的气体吸收分光装置还具有：
多项式拟合部，在波数的各点处在规定的波数宽度的范围内通过近似多项式对由所述光检测器检测到的光强度的变化的曲线进行拟合；
微分曲线生成部，基于所述各点的近似多项式的各项的系数，生成所述曲线的包括零阶的n阶微分曲线；
物理量确定机构，基于所述包括零阶的n阶微分曲线，确定所述测量对象气体中所含的特定气体的温度、浓度以及分压中的至少一个，
所述多项式拟合部能够根据由所述压力关联值获取机构所获取的所述压力关联值使进行所述拟合的波数宽度变化。
在此，“特定气体”是指由测量人等决定的任意的成分，例如为氧气、水蒸气、二氧化碳或者一氧化碳等。
此外，本发明还能够应用于通过上述WMS进行测量的气体吸收分光装置。在WMS中，以规定的频率调制激光的振荡波数。此时，得到最大的S/N的调制波数宽度根据测量对象气体的压力而变化。因此，在将本发明应用于通过WMS进行测量的气体吸收分光装置的情况下，期望不仅使扫描波数宽度根据测定对象气体的压力变化而变化，而且使调制波数宽度也根据测定对象气体的压力变化而变化。
即，在上述本发明的气体吸收分光装置中，
所述激光驱动机构以规定的调制振幅且以规定的调制频率调制所述驱动电流，
所述气体吸收分光装置还具有解调机构，从所述光检测器的检测信号提取所述调制频率的分量或者所述调制频率的高次谐波分量，
所述控制机构还能够控制所述激光驱动机构，以与所述压力关联值相对应地使所述调制振幅变化。
发明效果
如上所述，根据本发明的气体吸收分光装置，即使在测量对象气体的压力变化且要求高速响应性的状况下，也能够以从低压到高压的较宽的压力范围进行高精度的测量。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的气体吸收分光装置的概略构成图。
图2是示出该实施方式中的控制部的动作的流程图。
图3是本发明的另一实施方式的气体吸收分光装置的概略构成图。
图4是示出该实施方式中的解析部的动作的流程图。
图5是本发明的又一实施方式的气体吸收分光装置的概略构成图。
图6是示出该实施方式中的控制部的动作的流程图。
图7是示出将发动机的燃烧室内的气体作为测量对象气体的情况下的构成例的图。
图8是示意性地示出在改良型WMS中用多项式来表示光谱线型的方法的说明图。
图9是示出WMS中的激光驱动信号的波形图，且图9的(a)为扫描信号的波形，(b)为调制信号的波形。
图10是示出WMS中的激光输出波形的图。
图11是示出H20的波长1348.4nm(波数7416.0cm-1)的吸收谱线的压力特性的图。
具体实施方式
<实施方式1>
以下参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。在图1示出本发明的一实施方式的气体吸收分光装置的概略构成。该气体吸收分光装置为通过改良型WMS(即,专利文献1中所记载的方法)进行测量的装置,具备：气体池110，使测量对象气体通过(或者收纳有测量对象气体)；夹着气体池110而对置配置的激光光源113以及光检测器114；激光驱动部112，对激光光源113注入驱动电流；扫描信号产生部111，对激光驱动部112输入规定的扫描信号；控制/解析部120，对所述各部进行控制以及对来自光检测器114的输出进行解析。进而，在气体池110还设置有作为本实施方式中的特征性构成之一的压力传感器117。
控制/解析部120包括控制部130、解析部140以及存储部150。控制部130具有控制扫描信号产生部111的激光控制部131，解析部140具备用于处理光检测器114的检测信号的多项式拟合部141以及微分曲线生成部142、根据该处理后的信号计算出所期望的物理量的物理量确定部143。此外，在存储部150还设置有表格存储部151(详细内容后述)。
控制/解析部120的功能由具备CPU、存储器以及大容量存储介质(硬盘等)等的计算机来实现。该计算机可以是内置于气体吸收分光装置的主体的专用计算机，但典型地使用个人计算机等。在所述计算机预先安装有规定的程序，通过使CPU执行该程序，本系统中的控制部130以及解析部140的功能被软件实现。此外，存储部150的功能由所述大容量存储介质来实现。
激光光源113为波数可变的光源，其波数在包括特定气体的吸收谱线的波数的规定的波数范围内被扫描。由于作为波数可变激光光源113所使用的半导体激光二极管(以下简称为“LD”)的振荡波数依赖于所注入的电流(注入电流)的大小，因此通过扫描该注入电流来实施激光的波数扫描。具体来说，在激光控制部131的控制下，扫描信号产生部111产生具有锯齿状图案的信号(参照图1)，将其发送至激光驱动部112。激光驱动部112将根据该信号而变化为锯齿状的注入电流注入由LD构成的激光光源113。由此，激光光源113的振荡波数在规定的波数范围内被反复扫描。
首先，对本实施方式的气体吸收分光装置的基本动作进行说明。在通过本实施方式的气体吸收分光装置对测量对象气体中的特定气体的浓度、温度或者分压等进行测量时，在控制部130的控制下，由激光光源113发射规定的最高波数的激光，使该波数依次变化直到扫描至最低波数为止。另外，在上述的WMS中，除波数扫描以外，还以远短于扫描周期的周期将波束调制为正弦波状，但由于本实施方式的装置通过改良型WMS进行测量，因此不进行这样的调制。来自激光光源113的光通过气体池110中的测量对象气体，此时在特定气体的吸收谱线的波数中被吸收。通过测量对象气体的激光的强度由光检测器114检测。从光检测器114输出的、表示光强度的电信号经过放大器115由A/D转换器116数字采样，并被发送至解析部140。该电信号的变化成为光谱线型。解析部140基于表示该光谱线型的数据进行规定的数学运算。
对解析部140所进行的所述数学运算进行说明。在此，首先，对于上述光谱线型的以波数轴的各点ν为中心的宽度2a’的范围[ν－a’＜ν＜ν+a’]，认为由以下的式(1)所示的多项式表示。
[数1]
(另外，在本申请的文本中，由于电子申请的限制，标注在ν上的上划线由下划线表示)。将其示意性地示出在图8。
若求出式(1)的n阶微分，则得到式(2)。
[数2]
在此，已知在WMS处理中进行同步检波得到的n阶的高次谐波的光谱线型一般由下式近似地示出(非专利文献1：Equation8(方程式8))。
[数3]
因此，根据式(2)、式(3)，得到式(4)。
[数4]
因此，为了计算出上述光谱线型中相对于波数ν的WMS信号，通过最小二乘法等对[ν－a’＜ν＜ν+a’]的波数范围进行拟合，从而求出系数b0、b1、b2、b3...。使ν依次变化进行拟合而求出的系数b1与b2的线型相当于1f与2f的WMS线型。另外，表示拟合的范围的a’成为相当于WMS的调制振幅a(即调制波数宽度)的值。
具体来说，多项式拟合部141通过最小二乘法等对上述光谱线型的以波数ν为中心的宽度2a’的范围[ν－a’＜ν＜ν+a’]进行拟合，从而求出系数b0、b1、b2、b3...。
接下来，微分曲线生成部142对于波数ν绘制通过使所述波数ν依次变化进行拟合而求出的系数b0、b1、b2、b3...，由此生成各系数的线型(即，包括零阶的高阶微分曲线)。在此，系数b1的线型与系数b2的线型分别相当于WMS中的一阶同步检波线型与二阶同步检波线型。
接下来，基于通过上述处理生成的(包括零阶的)高阶微分曲线，物理量确定部143计算出测量对象气体中的特定气体的浓度、分压或者温度等。例如，能够根据零阶微分曲线的吸收峰的面积计算出特定气体的浓度。此外，也能够根据二阶微分曲线的峰高计算出特定气体的浓度。已知测量对象气体的分压P与零阶微分曲线的吸收峰的半宽值αL具有如下所述的关系。
[数5]
在此，αL0为气压P0、温度T0中的洛伦兹扩展的半峰半宽值，P0为基准期的测量对象气体的压力，T为测量期的测量对象气体的温度，T0为基准期的测量对象气体的温度，γ为表示洛伦兹宽度的温度依赖性的常数。通过该式能够求出特定气体的分压。此外，已知对于特定气体的温度，两个吸收峰的大小的比随着温度变化而变化，通过使用该关系能够对测量对象气体的温度进行检测(非专利文献2)。
接着，对透射光强度的归一化处理进行描述。在气体吸收分光法中，光强度随着气体池中使用的光学部件的污垢或恶劣环境下的振动所导致的光轴变化而变化是实用上的技术问题之一。因此，需要光强度的校正处理，作为校正方法之一，已知有将被同步检波的2f信号除以1f信号的归一化处理(非专利文献3)。但是，在该方法中，在需要调制激光的基础上，同步检波电路也需要准备1f用与2f用这两种。
另一方面，在使用了如上所述的多项式拟合的相当于WMS的处理中，既不需要激光的调制也不需要同步检波电路，能够在进行拟合时同时计算出1f以及2f的检波信号，因此能够非常简便地进行归一化处理。以下示出详细内容。
如果将入射至测量对象气体的光强度设为I0，则所检测的光强度为S(ν)＝GI0τ(ν)。G表示相对于各光学部件的光强度的降低(以及变动)与检测到的光强度的电增益。因此，在实际的装置中，对于S(ν)应用基于数学运算的WMS处理，得到下式。
[数6]
因此，在此得到的系数如下。
[数7]
b0′＝GI0b0 (7a)
b1′＝GI0b1 (7b)
b2′＝GI0b2 (7c)
因此，为了得到不依赖于光强度的变动而仅依赖于透射光谱的值，只要如下所述地将b2’(2f信号)除以b1’(1f信号)或者b0’即可。
[数8]
另外，由于在吸光较少的情况下为b0～1(b0接近1)，因此能够进行如式(8b)所示那样的拟合。通过以上所述，能够进行不依赖于光强度的稳健(robust)的气体测量。
接下来，对本实施方式的气体吸收分光装置中的特征性动作进行说明。如上所述，特定气体的吸收谱线的峰宽根据测量对象气体的压力而变化。因此，在本实施方式的气体吸收分光装置中，在要求高速响应性的状况下，以在由压力传感器117所检测的测量对象气体的压力较高时使扫描波数范围相对较宽、在所述压力较低时使扫描波数范围相对较窄的方式控制激光光源113，使得既能够适当地检测高压下的宽幅的吸收峰也能够适当地检测低压下的窄幅的吸收峰。
为了实现如上所述的控制，在表格存储部151存储有按照测量对象气体的压力范围分别规定了扫描波数宽度不同的扫描波形的多个表格。这些多个表格(以下将其称为表集)按照用气体吸收分光装置测量的特定气体的种类来准备，例如，在用户于测量开始前设定特定气体的种类的时间点，自动选择与该特定气体的种类相对应的表集。
在对测量对象气体的测量中，从压力传感器117输出的、表示测量对象气体的压力的电信号经过放大器118由A/D转换器119数字采样，并被发送至控制部130。以下参照图2的流程图对控制部130的动作进行说明。
在控制部130接收到表示所述测量对象气体的压力(气压)的信号时(步骤S11)，通过设置在控制部130的激光控制部131，从表格存储部151读取与该压力相对应的表格(步骤S12)。然后，激光控制部131基于该表格中所描述的扫描波形的信息(例如，波数扫描的各时刻中的注入电流的值)来控制扫描信号产生部111(步骤S13)。由此，根据由压力传感器117检测到的气压，以适当的扫描波数宽度执行激光的波数扫描。以一定的时间间隔反复执行这样的处理(步骤S11～S13)，直到用户对控制/解析部120输入测量结束的指示为止(即，直到在步骤S14成为“是”为止)。
通过以上的处理，根据本实施方式的气体吸收分光装置，即使在测量对象气体的压力变化且要求高速响应性的情况下，也能够根据当时的气压以适当的扫描波数宽度执行激光的波数扫描，因此能够始终以高S/N进行测量。
对为了确认本发明的效果而进行的模拟进行说明。在此，假定被输入至A/D转换器116的、来自光检测器114的电压信号是具有1348nm的H2O吸收线型的锯齿状的信号，且该锯齿状的电压值为1～4V，噪声宽度为500uVrms。具体来说，准备对基于HITRAN2012的1348nm的吸收谱线分别加上不同的白噪声而合成的32种信号，在假定A/D转换器116在一次扫描中获取400点的数字值的情况下，将根据该32种数据计算出的“二阶系数/零阶系数”的平均设为S(＝信号(Signal))、将其方差设为N(＝噪声(Noise))来进行S/N的计算。其结果为，在低压(1atm)中，使调制深度为0.15cm-1且以扫描宽度2cm-1进行波数扫描的情况下，S/N＝20。另一方面，在低压(1atm)中，使调制深度同样为0.15cm-1且扫描宽度为0.7cm-1的情况下，S/N＝33。由此可以确认，通过在低压下使扫描宽度相对变窄，可达成更高的S/N。
<实施方式2>
以下参照图3以及图4对本发明的气体吸收分光装置的另一实施方式进行说明。图3是示出本实施方式的气体吸收分光装置的概略构成的图，图4是示出本实施方式的气体吸收分光装置中的解析部的动作的流程图。在本实施方式中，对与在图1中说明的内容相同或者相对应的构成要件标注后两位数字相同的附图标记，并适当省略说明。
本实施方式的气体吸收分光装置不仅使激光的扫描波数宽度根据测量对象气体的压力变化而变化，而且使利用解析部240对光谱线型进行多项式拟合时的拟合宽度也根据测量对象气体的压力变化而变化。因此，在本实施方式的气体吸收分光装置中，来自压力传感器217的检测信号不仅被输入至控制部230还被输入至解析部240。此外，与实施方式1同样地，在表格存储部251中按照测量对象气体的压力范围存储有多个表格(以下将其称为表集)，在各表格中，除了适于在该压力范围的测量的扫描波形的信息之外，还记载了适合于通过在该压力范围的测量而得到的光谱线型的多项式拟合的拟合宽度的信息。这样的表集按照用气体吸收分光装置测量的特定气体的种类来准备，例如，在用户于测量开始前设定特定气体的种类的时间点，自动选择与该特定气体的种类相对应的表集。
在本实施方式中，在对测量对象气体的测量中从压力传感器217输出的、表示测量对象气体的压力的电信号在经过放大器218由A/D转换器219数字采样后，被发送至控制部230以及解析部240。以下，参照图4的流程图对此时的解析部240的动作进行说明(另外，由于控制部230的动作与图2的流程图所示的动作相同，因此省略说明)。
表示所述测量对象气体的压力(气压)的信号被发送至设置在解析部240的多项式拟合部241(步骤S21)。接收到该信号的多项式拟合部241从表格存储部251读取与该气压相对应的表格(步骤S22)，以该表格中所记载的拟合宽度进行光谱线型的多项式拟合(步骤S23)。然后，基于该结果，微分曲线生成部242进行微分曲线的生成(步骤S24)，以及物理量确定部243进行特定气体的浓度、温度或者分压等的计算(步骤S25)。以一定的时间间隔反复执行这样的处理(步骤S21～S25)，直到用户输入测量结束的指示为止(即，直到在步骤S26成为“是”为止)。
如上所述，在改良型WMS中，对由光检测器检测到的光强度的变化的曲线(光谱线型)在波数的各点处与WMS的调制波数宽度相当的波数宽度的范围内进行多项式拟合来代替进行激光的调制。此时，得到最大的S/N的WMS的调制波数宽度根据测量对象气体的压力而变化。因此，如上所述通过使进行所述多项式拟合的波数宽度(拟合宽度)根据由压力传感器217所获取的气压随时变化，从而即使在测量对象气体的压力变化且要求高速响应性的情况下，也能够始终达成高S/N。
<实施方式3>
以下参照图5以及图6对本发明的气体吸收分光装置的又一实施方式进行说明。图5是示出本实施方式的气体吸收分光装置的概略构成的图，图6是示出本实施方式的气体吸收分光装置中的控制部的动作的流程图。在本实施方式中，对与在图1中说明的内容相同或者相对应的构成要件标注后两位数字相同的附图标记，并适当省略说明。
该气体吸收分光装置是通过WMS进行测量的装置，除了与实施方式1以及实施方式2同样的产生锯齿状的扫描信号的扫描信号产生部311之外，还具备调制信号产生部361，该调制信号产生部361产生比所述锯齿状的扫描信号的频率更高的正弦波即调制信号。在控制部330的控制下，由扫描信号产生部311以及调制信号产生部361分别生成的扫描信号(图9的(a))以及调制信号(图9的(b))在加法器362中相加并被发送至激光驱动部312。激光驱动部312将根据该信号而调制的锯齿状的注入电流注入激光光源313。由此，如图10所示，来自激光光源313的输出以规定的扫描波数宽度A被反复扫描并且以规定的调制波数宽度a被调制。
控制/解析部320具有控制部330、解析部340以及存储部350。在控制部330中设置有激光控制部331，在解析部340中设置有：解调部344，对光检测器314的检测信号进行解调；物理量确定部345，根据该解调后的信号计算出所期望的物理量。在存储部350中设置有按照测量对象气体的压力范围存储有多个表格(表集)的表格存储部351，在各表格中记载有适于在该压力范围的测量的扫描波形以及调制波形的信息。上述这样的表集按照用气体吸收分光装置测量的特定气体的种类来准备，例如，在用户于测量开始前设定特定气体的种类的时间点，自动选择与该特定气体的种类相对应的表集。
这些控制部330以及解析部340是通过在具备CPU、存储器以及大容量存储装置等的计算机安装专用的软件并执行从而在软件上实现的功能机构。此外，存储部350的功能由所述大容量存储介质来实现。
在本实施方式中，在对测量对象气体的测量中从压力传感器317输出的、表示测量对象气体的压力的电信号经过放大器318由A/D转换器319数字采样，并被发送至控制部330。以下参照图6的流程图对控制部330的动作进行说明。
在控制部330接收到表示所述测量对象气体的压力(气压)的信号时(步骤S31)，通过控制部330的激光控制部331，从表格存储部351读取与所述压力相对应的表格(步骤S32)。然后，激光控制部331根据该表格中所描述的扫描波形以及调制波形的信息来控制扫描信号产生部311以及调制信号产生部361(步骤S33)。由此，以与由压力传感器317检测到的气压对应的适当的扫描波数宽度执行激光的波数扫描，以及以与该气压对应的适当的调制波数宽度执行激光的调制。以一定的时间间隔反复执行这样的处理(步骤S31～S33)，直到用户输入测量结束的指示为止(即，直到在步骤S34成为“是”为止)。
像这样，在本实施方式的气体吸收分光装置中，使激光的扫描波数宽度以及调制波数宽度根据由压力传感器317所获取的气压随时变化，从而即使在测量对象气体的压力变化且要求高速响应性的情况下，也能够始终达成高S/N。
另外，在本实施方式中，使扫描波数宽度以及调制波数宽度根据气压变化，但也可以仅使扫描波数宽度或者调制波数宽度中的任一方根据气压变化。
以上，对本发明的实施方式例举了具体例而进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，允许在本发明的主旨的范围内进行适当变更。
例如，在实施方式1～3中，将通过气体池内(或者被收纳在气体池内)的气体作为测量对象气体，但也可以取而代之地将内燃机或外燃机的燃烧室内的气体作为测量对象气体。在该情况下，可以设为如下的构成：在燃烧室内配置压力传感器，根据由该压力传感器获取的气压的值，使照射至测量对象气体的激光的扫描波数宽度、该激光的调制振幅或者光谱线型的拟合宽度(以下将这些总称为“扫描波数宽度等”)变化；在所述内燃机或者外燃机为活塞式的情况下，也能够不设置这样的压力传感器，而是设为使扫描波数宽度等根据随着活塞的上下移动而旋转的曲柄轴的旋转角度(即曲柄角)变化的构成。在该情况下，曲柄角相当于本发明中的压力关联值。
图7示出将本发明的气体吸收分光装置应用于活塞式的发动机的情况下的构成例。发动机470具有气缸471与可在气缸471内滑动的活塞472，由气缸471的内部空间与活塞472形成燃烧室473。在气缸471的周面对置配置有由透镜等构成的两个光学窗474a、474b，从激光光源413射出的激光从一方的光学窗474a进入燃烧室473后，从另一方的光学窗474b向外射出并被光检测器414接收。活塞472经由连杆475与曲柄轴476连结，在外周具备多个突起477a的定时转子477被插通于曲柄轴476。定时转子477构成为随着曲柄轴476的旋转而旋转，在定时转子477的外周附近配置有曲柄角传感器478。曲柄角传感器478电磁地或者光学地检测定时转子477的突起477a并输出脉冲状的信号(曲柄信号)。
来自曲柄角传感器478的曲柄信号(以及来自光检测器414的检测信号)被发送至未图示的控制/解析部。另外，由于在定时转子477的外周的一部分存在未设置有突起477a的区域(无齿部)477b，因此与此相对应地在所述曲柄信号中也周期性地出现未出现脉冲的时间带。因此，在控制/解析部中，通过以该时间带为基准对曲柄信号上的脉冲进行计数，能够确定当前的曲柄角。由于该曲柄角与燃烧室473内的气压同步地变化，因此基于该曲柄角能够推测燃烧室473内的气压。
另外，作为控制/解析部，例如能够采用与实施方式1～3中的控制/解析部120、220或者320中的任一个相同的构成。然而，不管哪种情况，都利用来自曲柄角传感器478的信号(曲柄信号)来代替来自压力传感器117、217或者317的检测信号，并基于该曲柄信号使扫描波数宽度等变化。在该情况下，可以如上所述地根据曲柄信号的计数数目来推测燃烧室473内的气压，并根据该气压使扫描波数宽度等变化，也可以预先将记载了各计数数目中的适当的扫描波数宽度等的多个表格存储至表格存储部151、251或者351。在该情况下，激光控制部131、231或者331从表格存储部151、251或者351读取与根据测量中的各时间点中的曲柄信号求出的计数数目相对应的表格，并基于该表格控制扫描波数宽度等。
附图标记说明
111、211、311 扫描信号产生部
112、212、312 激光驱动部
113、213、313、413 激光光源
114、214、314、414 光检测器
117、217、317 压力传感器
120、220、320 控制/解析部
130、230、330 控制部
131、231、331 激光控制部
140、240、340 解析部
141、241 多项式拟合部
142、242 微分曲线生成部
143、243、345 物理量确定部
150、250、350 存储部
151、251、351 表格存储部
110、210、310 气体池
344 解调部
361 调制信号产生部
362 加法器
470 发动机
471 气缸
472 活塞
473 燃烧室
474a、474b 光学窗
476 曲柄轴
477 定时转子
477a 突起
478 曲柄角传感器。
Claims (5)
1.一种气体吸收分光装置，其特征在于，具有：
波数可变激光光源；
光检测器，检测从所述波数可变激光光源射出的、通过了测量对象气体的激光的强度；
激光驱动机构，将驱动电流供给至所述波数可变激光光源，以使所述激光在规定的波数范围内反复扫描；
压力关联值获取机构，获取所述测量对象气体的压力的值或者与该压力同步地变化的值而作为压力关联值；
控制机构，控制所述激光驱动机构，以与所述压力关联值相对应地使进行所述扫描的波数范围变化。
2.如权利要求1所述的气体吸收分光装置，其特征在于，
还具有表格存储机构，将分别规定了扫描波数宽度不同的扫描波形的多个表格与所述压力关联值相关联地存储，
所述控制机构从所述表格存储机构读取所述多个表格中与由所述压力关联值获取机构所获取的所述压力关联值相对应的表格，并根据该表格控制所述激光驱动机构。
3.如权利要求1所述的气体吸收分光装置，其特征在于，还具有：
多项式拟合部，在波数的各点处在规定的波数宽度的范围内通过近似多项式对由所述光检测器检测到的光强度的变化的曲线进行拟合；
微分曲线生成部，基于所述各点的近似多项式的各项的系数，生成所述曲线的包括零阶的n阶微分曲线；
物理量确定机构，基于所述包括零阶的n阶微分曲线，确定所述测量对象气体中所含的特定气体的温度、浓度以及分压中的至少一个，
所述多项式拟合部根据由所述压力关联值获取机构所获取的所述压力关联值使进行所述拟合的波数宽度变化。
4.如权利要求1所述的气体吸收分光装置，其特征在于，
所述激光驱动机构以规定的调制振幅且以规定的调制频率调制所述驱动电流，
所述气体吸收分光装置还具有解调机构，从所述光检测器的检测信号提取所述调制频率的分量或者所述调制频率的高次谐波分量，
所述控制机构还控制所述激光驱动机构，以与所述压力关联值相对应地使所述调制振幅变化。
5.如权利要求1所述的气体吸收分光装置，其特征在于，
所述测量对象气体为发动机的燃烧室内的气体，且
所述压力关联值为所述发动机的曲柄角。
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