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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lasergasanalysator, der eine Lasergasanalyse eines Messgases in einem Raum durchführt.
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2. STAND DER TECHNIK
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Gasmoleküle haben jeweils ein Absorptionslinienspektrum, das eine einzigartige Lichtabsorptionswellenlänge und Absorptionsintensität aufweist. Außerdem ist Laserlicht Licht mit schmaler spektraler Linienbreite bei einer bestimmten Wellenlänge. In einem Lasergasanalysator emittiert ein Laserelement Laserlicht mit einer Lichtabsorptionswellenlänge, die von einem Messgas, das aus gasförmigen Gasmolekülen besteht, absorbiert wird, was bewirkt, dass das Messgas das Laserlicht absorbiert, und die Anwesenheit oder Abwesenheit des Messgases auf Grundlage der Menge der Absorption des Laserlichts bei der Lichtabsorptionswellenlänge detektiert. Außerdem kann der Lasergasanalysator die Konzentration detektieren, weil die Absorptionsmenge des Laserlichts bei der Lichtabsorptionswellenlänge proportional zur Konzentration des Messgases ist.
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JP 2017-106742 A offenbart beispielsweise eine herkömmliche Technik eines Lasergasanalysators, der eine solche Gasanalyse durchführt. Der Lasergasanalysator von
JP 2017-106742 A führt die Detektion durch Wellenlängenmodulationsspektroskopie durch. Ein wellenlängenabstimmbares Laserelement emittiert ein Laserlicht, bei dem eine Wellenlänge durch einen Antriebsstrom abgetastet und mit einer bestimmten Frequenz moduliert wird, ein Lichtempfangselement detektiert das Laserlicht, ein Lock-in-Verstärker Lock-in-detektiert ein Signal durch Multiplizieren der Modulationsfrequenz, und eine Gaskonzentration wird aus einer Amplitude der Lock-in-Detektionswellenform berechnet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Übrigen kann im Lasergasanalysator beispielsweise durch das Empfangen von Licht, bei dem sich Laserlichter unterschiedlicher optischer Weglängen überlappen, wie z.B. Rücklicht aufgrund der Reflexion an der Endfläche eines optischen Elements, wie z.B. eines optischen Elements oder einer Linse, das auf einem optischen Laserweg angeordnet ist, ein optisches Interferenzrauschen dem Lichtempfangssignal überlagert werden.
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Da das optische Interferenzrauschen der Lock-in-Detektionswellenform des Messgases überlagert wurde, wurde es zu einem Fehler beim Messen der Gaskonzentration. Im Allgemeinen werden Maßnahmen ergriffen, um das durch Reflexion an der Endoberfläche zurückgeworfene Licht zu reduzieren, z.B. durch Anordnen eines Winkels an einem Fenster oder einer Linse eines optischen Elements, aus dem die Vorrichtung besteht, oder durch eine Antireflexionsbeschichtung.
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Es besteht jedoch das Problem, dass, wenn die Absorptionsamplitude der Lock-in-Detektionswellenform abnimmt, z.B. wenn die Absorptionsintensität des Absorptionslinienspektrums des Messgases klein ist oder wenn Gas mit niedriger Konzentration gemessen wird, der Einfluss des optischen Interferenzrauschens relativ groß wird und ein Fehler beim Messen der Gaskonzentration bemerkenswert wird.
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Da darüber hinaus eine Nichtlinearität zwischen der Wellenlänge und dem Strom sowie zwischen der Lichtmenge und dem Strom des Lasers besteht und es sich nicht um eine konstante Sinuswelle handelt, sondern um eine Änderung wie eine Zunahme oder Abnahme der Amplitude oder eine umgekehrte Phase, war es schwierig, optisches Interferenzrauschen durch einfache Frequenzfilter oder Sinuswellenanpassung zu entfernen.
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Darüber hinaus werden je nach der tatsächlichen Umgebung der Anordnung des Lasergasanalysators in einem Fall, in dem sich eine Hochfrequenzanlage, eine Leistungsvorrichtung oder ähnliches in oder um das Messsystem befindet, Umgebungsgeräusche oder Schleichgeräusche von umgebenden elektrischen Vorrichtungen dem Messsignal überlagert, was den Messbetrieb behindert hat.
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Die in
JP 2017-106742 A beschriebene Lock-in-Detektionswellenform kann durch optisches Interferenzrauschen und Umgebungsrauschen beeinträchtigt werden, was zu einem Messfehler der Gaskonzentration führt.
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Daher wurde die vorliegende Erfindung gemacht, um die oben genannten Probleme zu lösen, und es soll ein Lasergasanalysator bereitgestellt werden, der einen Messfehler aufgrund eines Einflusses von Rauschen reduzieren kann.
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Die vorliegende Erfindung ist ein Lasergasanalysator, der eine Gasanalyse eines Messgases durchführt, das sich in einem Messraum befindet, wobei der Lasergasanalysator umfasst: eine Lichtemittiereinheit mit einem Laserelement, das konfiguriert ist, Laserlicht in einem Wellenlängenband zu emittieren, das eine Lichtabsorptionswellenlänge eines Absorptionslinienspektrums des Messgases enthält, und eine modulierte Lichterzeugungseinheit, die konfiguriert ist, das Laserelement mit einen Betriebsstrom zu versorgen, so dass eine Wellenlänge in einem Wellenlängenband einschließlich einer Lichtabsorptionswellenlänge eines Absorptionslinienspektrums des Messgases, abgetastet und moduliert wird; und eine Lichtempfangseinheit mit einem Lichtempfangselement, welches das Laserlicht, das den Messraum durchlaufen hat, empfängt und einer Lichtempfangssignal-Verarbeitungseinheit, die konfiguriert ist, das Messgas auf Grundlage einer Amplitude einer Lock-in-Detektionswellenform zu analysieren, die durch Lock-in-Detektion eines Detektionssignals gewonnen wird, das vom Lichtempfangselement mit einer modulierten Frequenz oder einer Frequenz multipliziert mit der modulierten Frequenz ausgegeben wird, wobei in der Lichtempfangssignal-Verarbeitungseinheit eine Gaskonzentration aus einem Amplitudenverhältnis zwischen einer gemessenen Signalwellenform, die durch Glätten der Lock-in-Detektionswellenform gewonnen wird, die zum Zeitpunkt der tatsächlichen Gasmessung, die das Messgas enthält, gewonnen wird, und einer Referenzsignalwellenform berechnet wird, die durch Glätten der Lock-in-Detektionswellenform gewonnen wird, die zum Zeitpunkt der Prüfgasmessung des Messgases gewonnen wird.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird die Lock-in-Detektionswellenform in der Lichtempfangssignal-Verarbeitungseinheit durch das Prüfgas durch eine Grundlinienwellenform korrigiert, die durch Glätten eines Detektionssignals gewonnen wird, das zum Zeitpunkt der Messung von Nullgas des Messgases gewonnen wird, und dann geglättet wird, um die Referenzsignalwellenform zu erfassen, wird die Lock-in-Detektionswellenform durch das tatsächliche Gas durch die Basislinienwellenform korrigiert und dann geglättet, um die gemessene Signalwellenform zu erfassen, und werden die gemessene Signalwellenform, die Referenzsignalwellenform und die Basislinienwellenform gefittet, um die Gaskonzentration aus einem Amplitudenverhältnis zwischen der gemessenen Signalwellenform und der Referenzsignalwellenform zu berechnen.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Rahmenlänge a1 so eingestellt, dass ein Verhältnis (a1/a2) 1,5 oder mehr und 3,0 oder weniger beträgt, wenn a1 eine Rahmenlänge eines Glättungsfilters und a2 eine Datenlänge ist, die einem Zyklus des optischen Interferenzrauschens entspricht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Messfehler aufgrund des Einflusses optischen Interferenzrauschens und von Umgebungsrauschen reduziert werden, indem eine Anpassung (Matrixberechnung) durchgeführt wird, indem die Messsignalwellenform zum Zeitpunkt der tatsächlichen Gasmessung geglättet wird und eine Referenzsignalwellenform des Messgases verwendet wird, die durch das ähnliche Glätten im Voraus erfasst wurde. Somit ist es möglich, den Lasergasanalysator bereitzustellen, der die Gaskonzentration des Messgases mit hoher Genauigkeit und hoher Stabilität misst.
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Außerdem kann in der vorliegenden Erfindung der Einfluss des Rauschens durch Signalverarbeitung reduziert werden, und die Vereinfachung und Kostenreduzierung der Vorrichtung kann realisiert werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist ein Schaubild eines Gesamtaufbaus eines Lasergasanalysators gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel;
- 2 ist ein Wellenform-Schaubild eines Lock-in-Detektionssignals, das mit optischen Interferenzrauschen überlagert ist;
- 3A und 3B zeigen jeweils ein experimentelles Ergebnis, bei dem die Filterordnung 2 war und die Rahmenlänge a1 so eingestellt war, dass das Verhältnis m (= a1/a2) in 3A 2 war, und bei dem die Filterordnung 2 war und die Rahmenlänge a1 so eingestellt war, dass das Verhältnis m (= a1/a2) in 3B 4 war, und bei dem das Glätten jeweils an einer Lock-in-Detektionswellenform von tatsächlich gemessenem Ammoniakgas durchgeführt wird;
- 4 ist ein Flussdiagramm, das den Lasergasanalysator gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet; und
- 5A zeigt eine Grundlinienwellenform, eine Referenzsignalwellenform und eine Messsignalwellenform (50%ige Wellenform des Prüfgases) eines Ammoniakgas-15 ppm-Messgeräts (optische Weglänge 1 m), das einem Glätten mit einer Filterordnung von 2 und einem Verhältnis m = 2 unterzogen wird, und 5B zeigt eine Grundlinienwellenform, eine Referenzsignalwellenform und eine Messsignalwellenform (50%ige Wellenform des Prüfgases) eines Ammoniakgas-15 ppm-Messgeräts (optische Weglänge 1 m), das einem Glätten mit einer Filterordnung von 2 und einem Verhältnis m = 4 unterzogen wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden wird ein Lasergasanalysator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Man beachte, dass die vorliegende Erfindung nicht auf folgenden Ausführungsformen beschränkt ist und in angemessener Weise im Schutzbereich angepasst und angewendet werden kann, ohne deren Grundgedanken zu ändern.
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<Schaubild des Gesamtaufbaus des Lasergasanalysators>
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1 ist ein Schaubild eines Gesamtaufbaus eines Lasergasanalysators gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, umfasst der Lasergasanalysator 1 eine Lichtemittiereinheit 10 und eine Lichtempfangseinheit 20.
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Der Lasergasanalysator 1 analysiert das Messgas, das in einem Messraum vorliegt. Im Lasergasanalysator 1 wird das durch Wände 50a und 50b (Messraum), die ein Gasrohr bilden. fließende Messgas mit Laserlicht 30 bestrahlt, das von der Lichtemittiereinheit 10 abgestrahlt wird. Das durch das Messgas übertragene Laserlicht 30 betritt die Lichtempfangseinheit 20 und eine bestimmte Gaskonzentration kann aus der gemessenen Lichtmenge gewonnen werden. Wenn die Gaskonzentration 0 beträgt oder ein bestimmter Wert oder weniger ist, kann festgestellt werden, dass es kein Gas gibt, so dass die Anwesenheit oder Abwesenheit von Gas detektiert werden kann.
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Die Lichtemittiereinheit 10 und die Lichtempfangseinheit 20 sind lösbar mit den Wänden 50a und 50b verbunden, welche das Gasrohr bilden. Die Wände 50a und 50b sind Wände eines Rohrs oder dergleichen, in dem ein bestimmtes Gas vorliegt, und ein Loch ist in jeder Wand ausgebildet. Flasche 51a und 51b sind durch Schweißen oder dergleichen mit den Löchern befestigt. Flansche 52a und 52b zum Anpassen der optischen Achse, die in der Lichtemittiereinheit 10 und der Lichtempfangseinheit 20 angeordnet sind, sind mechanisch lösbar an den Flanschen 51a und 51b befestigt. Die Lichtemittiereinheit 10 und die Lichtempfangseinheit 20 sind an Positionen angeordnet, die einander mit den dazwischen liegenden Wänden 50a und 50b zugewandt sind, können aber durch die Flansche 52a und 52b zum Anpassen der optischen Achse in ihrer Position angepasst werden.
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Der Flansch 52a zum Anpassen der optischen Achse kann einen Emissionswinkel des Laserlichts 30 anpassen, und der Flansch 52b zum Anpassen der optischen Achse kann einen Einfallswinkel des Laserlichts 30 anpassen. Die Flansche 52a und 52b zum Anpassen der optischen Achse empfangen des von der Lichtemittiereinheit 10 emittierte Laserlichts 30 mit einer maximalen Lichtmenge in der Lichtempfangseinheit 20.
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[Lichtemittiereinheit 10]
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Als nächstes wird die Lichtemittiereinheit 10 beschrieben. Wie in 1 gezeigt, umfasst die Lichtemittiereinheit 10 eine modulierte Lichterzeugungseinheit 11, ein Laserelement 12, eine Kollimationslinse 13, eine Lichtemittiereinheit-Fensterplatte 14, einen Lichtemittiereinheitbehälter 15 und den Flansch 52a zum Anpassen der optischen Achse. Wie in 1 gezeigt, sind die modulierte Lichterzeugungseinheit 11, das Laserelement 12 und die Kollimationslinse 13 im Lichtemittiereinheitbehälter 15 angeordnet. Der Lichtemittiereinheitbehälter 15 schirmt jeden eingebauten Bestandteil von der Außenluft ab, um die Bestandteile vor Wind und Regen, Staub und Schmutz und dergleichen zu schützen.
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Die modulierte Lichterzeugungseinheit 11 erzeugt einen Betriebsstrom, so dass eine Wellenlänge in einem Wellenlängenband einschließlich einer Lichtabsorptionswellenlänge eines Absorptionslinienspektrums eines Messgases, abgetastet und moduliert wird. Dann liefert die modulierte Lichterzeugungseinheit 11 einen Betriebsstrom zum Abgeben des modulierten Laserlichts an das Laserelement 12. Infolgedessen kann die Gaskonzentrationsanalyse wellenlängenmoduliertes Licht entsprechend einer Lichtabsorptionskennlinie des Messgases abgeben.
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Das Laserelement 12 emittiert Licht mit der zentralen Wellenlänge λ1 eines bestimmten Absorptionslinienspektrums, das vom Messgas absorbiert wird, und Wellenlängen um die zentrale Wellenlänge λ1 herum. Das Laserelement 12 steuert die Emissionswellenlänge variabel mittels Betriebsstrom und Temperatur.
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Die Temperatur des Laserelements 12 wird so gesteuert, dass die mittlere Emissionswellenlänge die mittlere Wellenlänge λ1 des Absorptionslinienspektrums des Messgases wird. Außerdem wird das vom Laserelement 12 emittierte Laserlicht 30 durch den von der modulierten Lichterzeugungseinheit 11 gelieferten Betriebsstrom so gesteuert, dass die Wellenlänge zeitlich um die mittlere Wellenlänge des Absorptionslinienspektrums des Messgases abgetastet wird, und es wird weiter moduliert, indem eine geeignete Sinuswelle überlagert wird, so dass die Messung mit hoher Empfindlichkeit durch Wellenlängenmodulationsspektroskopie (WMS) durchgeführt werden kann. Wellenlängenmodulationsspektroskopie wird auch 2f-Detektionsverfahren genannt.
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Das verwendete Laserelement 12 ist nicht besonderes beschränkt und ist z.B. eine DFB-Laserdiode („Distributed Feedback“ Laserdiode), ein VCSEL („Vertical Cavity Surface Emitting Laser“) oder eine DBR-Laserdiode („Distributed Bragg Reflector“ Laserdiode).
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Die Kollimationslinse 13 ist aus einem Material mit hoher Durchlässigkeit bei der zentralen Wellenlänge λ1 des Absorptionslinienspektrums des Messgases und bei Wellenlängen um die zentrale Wellenlänge λ1 herum gefertigt. Die Kollimationslinse 13 wandelt das Laserlicht 30 in im Wesentlichen paralleles Licht um und kann das im Wesentlichen parallele Licht an die Lichtempfangseinheit 20 übertragen, während Verluste aufgrund von Streuung unterdrückt werden.
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Ein Lichtemissionspunkt des Laserelement 12 ist in der Nähe des Brennpunkts der Kollimationslinse 13 angeordnet. Das vom Laserelement 12 emittierte Licht trifft auf die Kollimationslinse 13, während es gestreut wird und wird in das Laserlicht 30 umgewandelt, welches im Wesentlichen paralleles Licht ist. Obwohl beschrieben wird, dass die Kollimationslinse 13 im vorliegenden Ausführungsbeispiel als parallele Lichtumwandeleinheit verwendet wird, soll dies nicht auf die Kollimationslinse beschränkt werden. Beispielsweise kann anstelle der Kollimationslinse 13 auch ein Parabolspiegel als parallele Lichtumwandeleinheit verwendet werden.
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Das Laserlicht 30, das im Wesentlichen paralleles Licht ist, geht durch die Lichtemittiereinheit-Fensterplatte 14 und breitet sich innerhalb der Wände 50a und 50b aus, d.h. in einem Raum, in dem ein Gas einschließlich des Messgases vorliegt. Die Lichtemittiereinheit-Fensterplatte 14 ist so angeordnet, dass sie ein Loch in einem Teil des Lichtemittiereinheitbehälters 15 bildet und das Loch verschließt. Die Lichtemittiereinheit-Fensterplatte 14 ist in einem Strahlengang des Laserlichts 30 angeordnet und verhindert, dass das Gase einschließlich eines bestimmten Messgases in die Lichtemittiereinheit 10 eindringt, während sie das Laserlicht 30 durchlässt. Dadurch kommt kein Bestandteil, der im Inneren des Lichtemittiereinheitbehälter 15 angeordnet ist, direkt mit dem Gas in Berührung, und jeder Bestandteil im Lichtemittiereinheitbehälter 15 ist geschützt.
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[Lichtempfangseinheit 20]
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Als nächstes wird die Lichtempfangseinheit 20 beschrieben. Die Lichtempfangseinheit 20 umfasst eine Lichtempfangssignal-Verarbeitungseinheit 21, ein Lichtempfangselement 22, eine Sammellinse 23, eine Lichtempfangseinheit-Fensterplatte 24 und einen Lichtempfangseinheitbehälter 25. Der Lichtempfangseinheitbehälter 25 enthält das Lichtempfangselement 22, ein optisches Bauteil sowie eine elektrische und elektronische Schaltung und schirmt sie gegen die Außenluft ab, um sie vor Wind und Regen, Staub, Schmutz und dergleichen zu schützen.
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Die Lichtempfangseinheit 20 empfängt das Laserlicht 30, das durch die Lichtempfangseinheit-Fensterplatte 24 geht, und analysiert das Licht, das durch die Lichtabsorptionseigenschaft des Messgases absorbiert wird. Die Lichtempfangseinheit-Fensterplatte 24 ist so angeordnet, dass sie ein Loch in einem Teil des Lichtempfangseinheitbehälters 25 bildet und das Loch verschließt. Die Lichtempfangseinheit-Fensterplatte 24 ist im Strahlengang des Laserlichts 30 angeordnet und verhindert, dass das Gase einschließlich eines bestimmten Messgases in die Lichtempfangseinheit 20 eindringen, während sie das Laserlicht 30 durchlässt. Infolgedessen kommt kein Bestandteil, der im Inneren des Lichtempfangseinheit 20 angeordnet ist, direkt mit dem Gas in Berührung, und das Innere ist geschützt. Das Laserlicht 30 wird durch die Sammellinse 23 gesammelt und betritt das Lichtempfangselement 22. Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Sammellinse 23 verwendet wird, kann anstelle der Sammellinse 23 auch ein Parabolspiegel, eine Dublettlinse, eine Beugungslinse oder ähnliches verwendet werden.
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Das Lichtempfangselement 22 empfängt das Laserlicht 30, das durch das Messgas gegangen ist. Ein Lichtempfangselement mit Empfindlichkeit kann bei der zentralen Wellenlänge λ1 des Absorptionslinienspektrums des Messgases und bei Wellenlängen um die zentrale Wellenlänge λ1 herum ausgewählt werden. Das Lichtempfangssignal des Lichtempfangselements 22 wird als elektrisches Signal an die Lichtempfangssignal-Verarbeitungseinheit 21 übertragen.
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Die Sammellinse 23 ist aus einem Material mit hoher Durchlässigkeit bei der zentralen Wellenlänge λ1 des Absorptionslinienspektrums des Messgases und bei Wellenlängen um die zentrale Wellenlänge λ1 herum gefertigt. Die Sammellinse 23 sammelt das Laserlicht 30 auf dem Lichtempfangselement 22, so dass eine hohe Signalstärke erreicht werden kann.
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Die Lichtempfangssignal-Verarbeitungseinheit 21 verarbeitet das durch das Lichtempfangselement 22 empfangene elektrisches Signal, um die Gaskonzentration zu berechnen.
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<Umstände, die zur vorliegenden Ausführungsform führen>
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Im Lasergasanalysator 1 wird eine Wellenlänge in einem Wellenlängenband, das eine Lichtabsorptionswellenlänge eines Absorptionslinienspektrums eines Messgases umfasst, linear abgetastet, eine Lock-in-Detektion wird bei einer Modulationsfrequenz oder einer mit der Modulationsfrequenz multiplizierten Frequenz (im Allgemeinen die zweite Harmonische) durchgeführt, und es wird berechnet, wie oft die Amplitude der detektierten Lock-in-Detektionswellenform gleich der Prüfgaswellenform ist, wodurch die Gaskonzentration berechnet wird.
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2 ist ein Schaubild einer Wellenform eines Lock-in-Detektionssignals, das zum Zeitpunkt der tatsächlichen Gasmessung gewonnen wird. Das „tatsächliche Gas“ bezieht sich auf ein tatsächliches Gas, das ein Messgas enthält. Wie in 2 gezeigt, kann das Lock-in-Detektionssignal wellenförmig sein. Dies liegt daran, dass sich im Lasergasanalysator 1 durch das Empfangen von Laserlicht mit unterschiedlichen optischen Weglängen aufgrund von Endflächenreflexion oder ähnlichem des optischen Elements Wellen mit unterschiedlichen optischen Weglängen überlagern und sich gegenseitig verstärken oder abschwächen, so dass optisches Interferenzrauschen überlagert wird. Man beachte, dass das optische Interferenzrauschen dem gesamten in 2 gezeigten Lock-in-Detektionssignal überlagert ist. Außerdem bezeichnet die horizontale Achse in 2 die Zeit und die senkrechte Achse bezeichnet einen Signalpegel der Lock-in-Detektionswellenform.
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Die in 2 gezeigte Lock-in-Detektionswellenform hat eine Form, die durch eine Ableitung zweiter Ordnung des Absorptionslinienspektrums angenähert wird. Wie in 2 dargestellt, wird eine wellenförmige Wellenform, die für die optische Interferenz spezifisch ist, einem Signal überlagert, das die Absorption des Messgases angibt. Infolgedessen tritt ein Fehler auf zum Zeitpunkt des Messung der Gaskonzentration und insbesondere, wenn die Absorptionsamplitude der Lock-in-Detektionswellenform abnimmt, z.B. wenn die Absorptionsintensität des Absorptionslinienspektrums des Messgases klein ist oder wenn Gas mit niedriger Konzentration gemessen wird, wird der Einfluss des optischen Interferenzrauschens relativ groß und der Fehler beim Messen der Gaskonzentration wird bemerkenswert.
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Daher haben die vorliegenden Erfinder als Ergebnis intensiver Studien einen Lasergasanalysator bereitgestellt, der den Einfluss des dem Lock-in-Detektionssignal überlagerten Rauschens reduzieren kann, wodurch der Messfehler verringert wird.
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<Glätten der Wellenform der Detektionssignalwellenform>
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Glätten der Lock-in-Detektionswellenform durchgeführt, um den Einfluss des dem Detektionssignal überlagerten Rauschens zu reduzieren. Zum Glätten wird vorzugsweise ein Savitzky-Golay-Glättungsfilter verwendet. Das Savitzky-Golay-Verfahren (Verfahren des gewichteten gleitenden Mittelwerts) wird zum Glätten von Daten verwendet, die Rauschen enthalten, wie z.B. ein Spektrum, und zeichnet sich dadurch aus, dass ein Peak kaum abgeflacht wird und das Glätten mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden kann.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Verhältnis m (= a1/a2), wenn eine Rahmenlänge (Fensterlänge) des Glättungsfilters a1 ist und eine Datenlänge, die einem Zyklus des optischen Interferenzrauschens (sinusförmige Wellenform, die einem Flügel des in 2 gezeigten Lock-in-Detektionssignals überlagert ist) entspricht, a2 ist, in einem geeigneten Bereich eingestellt, so dass die Schwankung der Wellenform aufgrund des optischen Interferenzrauschens reduziert und geglättet werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann durch Einstellen der Filterordnung auf die zweite Ordnung und geeignetes Einstellen der Rahmenlänge a1, so dass das Verhältnis m in den Bereich von 1,5 oder mehr und 3,0 oder weniger fällt, eine Wellenform mit verringertem Einfluss von Rauschen erfasst werden.
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3A und 3B zeigen jeweils ein Ergebnis, bei dem die Filterordnung 2 war und die Rahmenlänge a1 so eingestellt war, dass das Verhältnis m (= a1/a2) in 3A 2 war, und bei dem die Filterordnung 2 war und die Rahmenlänge a1 so eingestellt war, dass das Verhältnis m (= a1/a2) in 3B 4 war, und bei dem das Glätten jeweils an einer Lock-in-Detektionswellenform von tatsächlich gemessenem Ammoniakgas durchgeführt wurde.
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Die in den 3A und 3B gezeigte durchgezogene Linie ist eine tatsächlich gemessene Lock-in-Detektionswellenform von Ammoniakgas, und die gepunktete Linie ist eine Messsignalwellenform, die durch Glätten der Lock-in-Detektionswellenform gewonnen wird. Wie in 3A gezeigt, wurde festgestellt, dass die Messsignalwellenform, die mit einem Verhältnis m = 2 geglättet wurde, im Wesentlichen mit einer Form der gesamten Lock-in-Detektionswellenform vor dem Glätten übereinstimmt und im Wesentlichen durch die Mitte in Bezug auf den wellenförmigen Schwankungsabschnitt aufgrund der optischen Interferenz verläuft, so dass der Einfluss des optischen Interferenzrauschens effektiv reduziert werden kann.
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Andererseits wurde festgestellt, dass die Messsignalwellenform, die mit einem Verhältnis m = 4 geglättet wurde, zu einer wellenförmigen Kurve ohne Schwankung geglättet werden kann, aber abgeflacht ist (die Größe des Peaks wird kleiner) als der Peak der Lock-in-Detektionswellenform vorm Glätten und von der Form der Lock-in-Detektionswellenform abweicht. Wenn die Rahmenlänge a1 so eingestellt wird, dass das Verhältnis m = 4 erfüllt ist, kann die wellenförmige Schwankung unterdrückt werden, aber die Form weicht von der ursprünglichen Wellenform ab, und die Gaskonzentration-Detektionsgenauigkeit wird eher verringert. Daher ist es notwendig, die Rahmenlänge a1 des Glättungsfilters in einem geeigneten Bereich einzustellen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es daher vorzuziehen, die Rahmenlänge a1 des Glättungsfilters so einzustellen, dass sie im Bereich des Verhältnisses m = 1,5 bis 3,0 liegt.
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4 ist ein Flussdiagramm, das den Lasergasanalysator 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet. In Schritt ST1 von 4 wird eine Grundlinienwellenform erfasst. Das heißt, der in 1 gezeigte Lasergasanalysator 1 wird zum Erfassen eines Detektionssignals durch ein Nullgas ohne Messgas verwendet. Das „Nullgas“ ist ein Gas, das zum Kalibrieren des minimalen Skalenwerts im Messbereich des Analysators verwendet wird, und die Konzentration des Messgases ist ein Wert, der die Messgenauigkeit nicht wesentlich beeinflusst und vorzugsweise Null ist. Die Lichtempfangssignal-Verarbeitungseinheit 21 führt ein Glätten des Detektionssignals zum Zeitpunkt der Nullgasmessung durch. Zu diesem Zeitpunkt wird, wie oben beschrieben, die Rahmenlänge a1 des Glättungsfilters so eingestellt, dass das Verhältnis m (= a1/a2) zwischen der Rahmenlänge a1 und der Datenlänge a2, die einem Zyklus der Wellenform des optischen Interferenzrauschens entspricht, 1,5 bis 3,0 beträgt. Die Datenlänge a2, die einem Zyklus der Wellenform des optischen Interferenzrauschens entspricht, kann aus jeder Wellenform gewonnen werden, die zum Zeitpunkt der Nullgasmessung, der tatsächlichen Gasmessung oder der Prüfgasmessung erhalten wurde.
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Durch polynomiales Annähern an die wie oben beschrieben gewonnene Wellenform wird eine Grundlinienwellenform erfasst und aufgezeichnet.
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Als nächstes wird in Schritt ST2 von 4 der in 1 gezeigte Lasergasanalysator 1 verwendet, um die Lock-in-Detektionswellenform zum Zeitpunkt der Prüfgasmessung des Messgases zu erfassen. Das Prüfgas wird zum Kalibrieren des Skalenwerts in der Nähe der maximalen Skala im Messbereich des Analysators verwendet. Nach Subtrahieren der in Schritt ST1 gewonnenen Grundlinienwellenform von der Lock-in-Detektionswellenform des Prüfgases (Grundlinienkorrektur) wird dann ein Glätten ähnlich wie in Schritt ST1 durchgeführt, um eine Referenzsignalwellenform des Messgases zu erfassen und aufzuzeichnen.
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Anschließend wird in Schritt ST3 von 4 der in 1 gezeigte Lasergasanalysator 1 verwendet, um die Lock-in-Detektionswellenform zu glätten, die durch Strömen des tatsächlichen Gases, das das Messgas enthält, als das tatsächliche Messziel erfasst wird, ähnlich wie in Schritt ST2 von 4, um eine Messsignalwellenform zu erfassen. Das heißt, nach dem Subtrahieren der in Schritt ST1 erhaltenen Grundlinienwellenform von der Lock-in-Detektionswellenform, die zum Zeitpunkt der tatsächlichen Gasmessung erhalten wurde (Grundlinienkorrektur), wird ein Glätten durchgeführt, um eine Messsignalwellenform zu erfassen und aufzuzeichnen.
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Als nächstes wird in Schritt ST4 von 4, da die in Schritt ST3 gewonnene Messsignalwellenform eine Wellenform ist, die durch Überlagern der in Schritt ST1 erhaltenen Grundlinienwellenform und der in Schritt ST2 erhaltenen Referenzsignalwellenform gewonnen wird, ein Anpassen von jeder Wellenform durchgeführt, und die Gaskonzentration wird aus einem Amplitudenverhältnis zwischen der Messsignalwellenform und der Referenzsignalwellenform nach dem Anpassen berechnet. Beim Anpassen kann ein bestehendes Verfahren verwendet werden, und beispielsweise kann das Anpassen durch ein Verfahren der kleinsten Quadrate unter Verwendung einer Matrixberechnung verwendet werden.
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Wie oben beschrieben, ist es im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch möglich, die Gaskonzentration aus dem Amplitudenverhältnis zwischen der Messsignalwellenform und der Referenzsignalform zu berechnen, ohne die Grundlinienwellenform zu erfassen, d.h. Schritt ST1 in 4 zu überspringen und mit den Schritten ST2 und ST3 fortzufahren, und zu diesem Zeitpunkt, ohne die Grundlinienkorrektur durchzuführen. Durch Erfassen der Grundlinienwellenform, das Durchführen der Grundlinienkorrektur der Referenzsignalwellenform und der Messsignalwellenform und das Durchführen des Fittens kann die Gaskonzentration des Messgases jedoch effektiver mit hoher Genauigkeit und hoher Stabilität gemessen werden.
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5A zeigt eine Grundlinienwellenform, eine Referenzsignalwellenform und eine Messsignalwellenform eines Ammoniakgas-15 ppm-Messgeräts (optische Weglänge 1 m), das einem Glätten mit einer Filterordnung von 2 und einem Verhältnis m = 2 unterzogen wird, und 5B zeigt eine Grundlinienwellenform, eine Referenzsignalwellenform und eine Messsignalwellenform eines Ammoniakgas-15 ppm-Messgeräts (optische Weglänge 1 m), das einem Glätten mit einer Filterordnung von 2 und einem Verhältnis m = 4 unterzogen wird. Hier wurde die Messsignalwellenform unter Verwendung von 50% Gas des Prüfgases erhalten. Die in den 5A und 5B gezeigte „Spanne“ steht für eine Referenzsignalwellenform, die „Hälfte“ für eine Messsignalwellenform und die „Null“ für eine Grundlinienwellenform.
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In diesem experimentellen Beispiel wurde festgestellt, dass die Schwankung der Wellenform aufgrund von 2% FS optischer Interferenz auf weniger als 1% FS in Bezug auf den Messbereich unterdrückt werden kann, und die Schwankung des Messfehlers aufgrund des Einflusses von Rauschen reduziert werden kann. 5A zeigt den Fall eines Verhältnisses m = 2, in dem die durch die Rauschanteile verursachte Formschwankung unterdrückt werden kann und die Formen der Wellenform vor und nach dem Glätten im Wesentlichen übereinstimmen, so dass die Gaskonzentration-Detektionsgenauigkeit im Vergleich zum Fall eines Verhältnisses m = 4 in 5B effektiv verbessert werden kann.
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Der Lasergasanalysator der vorliegenden Erfindung eignet sich optimal für die Messung von Verbrennungsabgasen, z.B. in Kesseln und bei der Müllverbrennung, sowie für die Verbrennungskontrolle. Darüber hinaus ist er auch nützlich als Analysator für die Gasanalyse für Eisen und Stahl [Hochofen, Konverter, Wärmebehandlungsofen, Sintern (Pelletanlage), Koksofen], Obst und Gemüse Lagerung und Reifung, Biochemie (Mikroorganismen) [Fermentation], Luftverschmutzung [Verbrennungsanlagen, Rauchgasentschwefelung und Entstickung], Abgas (Entfernung Tester) von Verbrennungsmotoren wie Autos und Schiffe, Katastrophenschutz [Detektion von explosiven Gasen, Detektion von toxischen Gasen, Analyse von Verbrennungsgasen von neuen Baumaterialien], Analyse für den Einsatz in der Pflanzenzucht, Analyse für die Chemie [Ölraffinerie, petrochemische Anlage, Gaserzeugungsanlage], Umweltanwendung [Bodenkonzentration, Konzentration in Tunneln, Parkplatz, Gebäudemanagement], verschiedene Experimente der Physik und Chemie oder ähnliches.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2017106742 A [0003, 0009]
