JP2008175611A - ガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象ガスの吸収波長帯をスキャンさせることを可能としつつ、ガス濃度の計測精度を向上させる。
【解決手段】中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍでレーザ素子の出力を周波数変調させるとともに、測定対象ガスの吸収波長帯がスキャンされるようにレーザ光の発光波長を変化させた時に光検出部６１にて検出された信号レベルと、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍでレーザ素子の出力を周波数変調させるとともに、測定対象ガスの吸収波長帯にかからないようにレーザ光の発光波長を一定に保った時に光検出部６１にて検出された信号レベルとの比率に基づいて、測定対象ガスの濃度を算出する。
【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。

図７は、周波数変調方式における送信側の概略構成を示すブロック図である。
図７において、周波数変調方式における送信側には、半導体レーザ６５が設けられ、半導体レーザ６５には、半導体レーザ６５の温度を検出するサーミスタ６６および半導体レーザ６５の温度を調整するペルチェ素子６７が搭載されている。
また、サーミスタ６６にて検出された温度に基づいてペルチェ素子６７を駆動することにより、半導体レーザ６５の温度を制御する温度制御部６８、半導体レーザ６５から出射されるレーザ光の波長をスキャンさせる波長走査信号Ｓ１を発生させる波長走査駆動信号発生器７０、半導体レーザ６５から出射されるレーザ光を周波数変調する高周波信号Ｓ２を発生させる高周波変調信号発生部７１、波長走査信号Ｓ１と高周波信号Ｓ２を合成する合成器６４、波長走査信号Ｓ１と高周波信号Ｓ２とが合成された信号に基づいて半導体レーザ６５を駆動する電流を制御する電流制御部６９が設けられている。

図８は、周波数変調方式における受信側の２倍周波数信号検出装置の概略構成を示すブロック図である。
図８において、２倍周波数信号検出装置には、半導体レーザ６５から出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード７５、フォトダイオード７５から出力される電流を電圧に変換するＩ−Ｖ変換回路７６、高周波信号Ｓ２の２倍の周波数の信号を発生させる２倍周波数信号発生部７９、Ｉ−Ｖ変換回路７６の出力から高周波信号Ｓ２の２倍の周波数成分を抽出する同期検波回路７７、同期検波回路７７の出力から不要な帯域成分を除去するフィルタ７８が設けられている。

図９は、従来の周波数変調方式におけるガス濃度の測定原理を示す図である。ここで、図７の波長走査信号Ｓ１は、波長走査信号Ｓ１の強度が一定に保たれた部分７３と、波長走査信号Ｓ１の強度が台形状に直線的に増加する部分７２と、波長走査信号Ｓ１の強度が０である部分７４とから構成することができる。なお、図９の例では、測定対象ガスとして、ＮＨ_３ガスを例にとった。
そして、ＮＨ_３ガスの濃度を測定する場合、図７の温度制御部６８は、ペルチェ素子６７を駆動することにより、波長走査信号Ｓ１の中心部分でＮＨ_３ガスの濃度が検出されるように半導体レーザ６５の温度を事前に設定する。

そして、波長走査駆動信号発生器７０は、半導体レーザ６５の発光を安定化させるために、波長走査信号Ｓ１の強度が半導体レーザ６５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Ｓ１の７３の部分を合成器６４に出力するとともに、高周波変調信号発生部７１は１０ｋＨｚ程度の正弦波からなら高周波信号Ｓ２を合成器６４に出力する。
そして、波長走査信号Ｓ１の７３の部分と高周波信号Ｓ２とは合成器６４にて合成され、波長走査信号Ｓ１の７３の部分と高周波信号Ｓ２とが合成された信号に基づいて半導体レーザ６５の電流が制御されることにより、ＮＨ_３ガスによる吸収を受けない波長λ_１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ＮＨ_３ガスを通過すると、ＮＨ_３ガスによる吸収を受けることなくフォトダイオード７５に入射し、フォトダイオード７５にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード７５にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路７６にて電圧に変換され、２倍周波数信号発生部７９にて発生された２倍周波数信号とＩ−Ｖ変換回路７６からの出力が同期検波回路７７にて合成されることにより、Ｉ−Ｖ変換回路７６の出力から高周波信号Ｓ２の２倍の周波数成分が抽出される。ここで、波長λ_１を中心として周波数変調されたレーザ光はＮＨ_３ガスによる吸収を受けないため、Ｉ−Ｖ変換回路７６の出力から高周波信号Ｓ２の２倍の周波数成分が抽出されることはなく、同期検波回路７７からの出力は一定となる。

次に、波長走査駆動信号発生器７０は、ＮＨ_３ガスの吸収波長帯をスキャンさせるために、波長走査信号Ｓ１の強度を台形状に直線的に増加させながら、波長走査信号Ｓ１の７２の部分を合成器６４に出力するとともに、高周波変調信号発生部７１は１０ｋＨｚ程度の正弦波からなら高周波信号Ｓ２を合成器６４に出力する。なお、ＮＨ_３ガスの濃度を測定する場合、波長走査駆動信号発生器７０は、０．２ｎｍ程度の線幅をスキャンできるように波長走査信号Ｓ１を発生することができる。

そして、波長走査信号Ｓ１の７２の部分と高周波信号Ｓ２とは合成器６４にて合成され、波長走査信号Ｓ１の７２の部分と高周波信号Ｓ２とが合成された信号に基づいて半導体レーザ６５の電流が制御されることにより、ＮＨ_３ガスの吸収波長帯を含むように波長λ_２から波長λ_３までの範囲を中心として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ＮＨ_３ガスを通過すると、ＮＨ_３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、フォトダイオード７５に入射し、フォトダイオード７５にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード７５にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路７６にて電圧に変換され、２倍周波数信号発生部７９にて発生された２倍周波数信号とＩ−Ｖ変換回路７６からの出力が同期検波回路７７にて合成されることにより、Ｉ−Ｖ変換回路７６の出力から高周波信号Ｓ２の２倍の周波数成分が抽出される。

ここで、ＮＨ_３ガスの吸収波長帯を含むように波長λ_２から波長λ_３までの範囲を中心として周波数変調されたレーザ光はＮＨ_３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けるため、同期検波回路７７からの出力はＮＨ_３ガスによる吸収波形に対応した値となる。
また、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）。
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、波長走査信号Ｓ１のノイズや変動あるいは駆動電流に対するレーザ強度の直線性やレーザ光の変動に起因するドリフトやフラツキが波長走査信号Ｓ１に重畳されるため、フォトダイオード７５にて検出される信号がふらつくようになる。このため、測定対象ガスの濃度が低いと、ガス自体の赤外線の吸収量が小さくなり、測定対象ガスによる吸収量に対応したレーザ光の減衰量が小さくなることから、波長走査信号Ｓ１のドリフトやフラツキの影響が無視できなくなり、ガス濃度の計測精度が低下するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、測定対象ガスの吸収波長帯をスキャンさせることを可能としつつ、ガス濃度の計測精度を向上させ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、レーザ光を出射するレーザ素子と、前記レーザ光を基本波で周波数変調する周波数変調部と、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吸収波長帯がスキャンされるように変化させながら前記レーザ素子の駆動電流を設定する波長スキャン電流設定部と、前記波長スキャン電流設定部にて駆動電流が設定された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るように前記レーザ素子の温度を設定する温度設定部と、前記周波数変調された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前記レーザ素子の駆動電流をスレッショルドカレント以上に設定するゼロ点電流設定部と、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分と前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分のそれぞれについて周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分と前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分のそれぞれについて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、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分と前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分のそれぞれについて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、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルを基準とした上で、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について検出された信号レベルに基づいて、前記レーザ光が透過したガスの濃度を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、前記ガス濃度算出部は、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルに対し、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について検出された信号レベルのピークの比率に基づいて、前記レーザ光が透過したガスの濃度を算出することを特徴とする。
また、請求項３記載のガス濃度測定装置によれば、前記ガス濃度算出部は、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルの積分値に対し、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について検出された信号レベルの積分値の比率に基づいて、前記レーザ光が透過したガスの濃度を算出す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、基本波で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吸収波長帯にかかるようにレーザ素子の温度を設定するステップと、前記基本波で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吸収波長帯がスキャンされるように変化させながら、前記測定対象ガスに前記レーザ光を入射するステップと、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について前記測定対象ガスを透過したレーザ光を検出するステップと、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について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、前記基本波で周波数変調された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半導体レーザの駆動電流を一定に保ちながら、前記測定対象ガスに前記レーザ光を入射するステップと、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について前記測定対象ガスを透過したレーザ光を検出するステップと、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について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、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルを基準とした上で、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について検出された信号レベルに基づいて、前記レーザ光が透過したガスの濃度を算出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、測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルを基準としながら、レーザ光が透過したガスの濃度を算出することにより、波長スキャン時の駆動電流のノイズや変動あるいは駆動電流に対するレーザ強度の直線性やレーザ光の変動に起因するドリフトやフラツキを打ち消すことが可能となり、測定対象ガスの濃度が低い場合においても、ガス濃度の計測精度を向上させることが可能となる。

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には、レーザユニット５７から出射されたレーザ光の発光波長を測定対象ガスの吸収波長帯がスキャンされるように変化させながらレーザ光を基本波で周波数変調する送信部基板５４、レーザユニット５７から出射されたレーザ光を平行ビームに変換するコリメートレンズ５６およびレーザ素子が搭載されたレーザユニット５７が設けられている。なお、レーザ素子としては半導体レーザを用いることができ、レーザユニット５７には、レーザ素子の温度を検出するサーミスタおよびレーザ素子の温度を調整するペルチェ素子を搭載することができる。

また、ガス濃度測定装置の受信側には、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６０、測定対象ガスを透過したレーザ光を検出する光検出部６１および測定対象ガスを透過したレーザ光の基本波成分と２倍波成分とに基づいてレーザ光が透過したガスの濃度を算出するする受信部基板６２が設けられている。なお、光検出部６１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。

ここで、送信部基板５４、コリメートレンズ５６およびレーザユニット５７はハウジング５８に収容されるとともに、集光レンズ６０、光検出部６１および受信部基板６２はハウジング５９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５１ａ、５１ｂには、フランジ５２ａ、５２ｂが溶接などの方法にて取り付けられる。そして、送信部基板５４、コリメートレンズ５６およびレーザユニット５７が収容されたハウジング５８は、ウェッジ窓５５ａにて配管内と仕切られるようにしてフランジ５２ａに取り付けられるとともに、集光レンズ６０、光検出部６１および受信部基板６２が収容されたハウジング５９は、ウェッジ窓５５ｂにて配管内と仕切られるようにしてフランジ５２ｂに取り付けられる。

そして、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍでレーザ素子の出力が周波数変調されるとともに、測定対象ガスの吸収波長帯が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、レーザユニット５７からレーザ光が出射される。そして、レーザユニット５７から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ５６にて平行ビームに変換された後、ウェッジ窓５５ａを介して隔壁５１ａ、５１ｂ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５５ｂを介して集光レンズ６０に入射し、集光レンズ６０にて光検出部６１上に集光される。そして、光検出部６１にレーザ光が入射すると、光検出部６１にて電気信号に変換され、その電気信号が受信部基板６２に送られる。そして、光検出部６１にて変換された電気信号が受信部基板６２に送られると、測定対象ガス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受信部基板６２にて算出される。

また、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍでレーザ素子の出力が周波数変調されるとともに、レーザ光の発光波長が測定対象ガスの吸収波長帯にかからないようにレーザ素子の駆動電流が一定に保たれながら、レーザユニット５７からレーザ光が出射される。そして、レーザユニット５７から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ５６にて平行ビームに変換された後、ウェッジ窓５５ａを介して隔壁５１ａ、５１ｂ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ることなく、ウェッジ窓５５ｂを介して集光レンズ６０に入射し、集光レンズ６０にて光検出部６１上に集光される。そして、光検出部６１にレーザ光が入射すると、光検出部６１にて電気信号に変換され、その電気信号が受信部基板６２に送られる。そして、光検出部６１にて変換された電気信号が受信部基板６２に送られると、測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分についての基本波成分と２倍波成分との振幅比が受信部基板６２にて算出される。
そして、受信部基板６２では、測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルを基準とした上で、測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について検出された信号レベルに基づいて、隔壁５１ａ、５１ｂ間の測定対象ガスの濃度を算出することができる。

図２は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示すブロック図である。
図２において、図１のレーザユニット５７には、半導体レーザ４１および温度設定部４２が搭載されている。なお、温度設定部４２としては、例えば、半導体レーザ４１の温度を検出するサーミスタおよび半導体レーザ４１の温度を調整するペルチェ素子を用いることができる。また、図１の送信部基板５４には、半導体レーザ４１に駆動電流を注入するレーザ駆動部１１、半導体レーザ４１から出射されるレーザ光を基本波で周波数変調する周波数変調部１２および半導体レーザ４１に注入される駆動電流を制御する駆動電流制御部１３が設けられている。ここで、駆動電流制御部１３には、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吸収波長帯にかからないように一定に保ちながら半導体レーザ４１の駆動電流をスレッショルドカレント以上に設定するゼロ点電流設定部１３ａおよび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吸収波長帯がスキャンされるように変化させながら半導体レーザ４１の駆動電流を設定する波長スキャン電流設定部１３ｂが設けられている。

また、図１の受信部基板６２には、測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分と測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分のそれぞれについて光検出部６１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２１、測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分と測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分のそれぞれについて光検出部６１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２２、測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルに基づいて、ガス濃度算出時の基準となるゼロ点を算出するゼロ点算出部２３、測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について検出された信号レベルに基づいて、測定対象ガスによるレーザ光の吸収量を算出する吸収量算出部２４、ゼロ点を基準として測定対象ガスによるレーザ光の吸収量を算出する吸収比算出部２５およびゼロ点を基準として算出された測定対象ガスによるレーザ光の吸収量に基づいて測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出部２６が設けられている。

なお、ゼロ点を基準として測定対象ガスによるレーザ光の吸収量を算出する場合、測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルに対し、測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について検出された信号レベルのピークの比率を用いるようにしてもよいし、測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルの積分値に対し、測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について検出された信号レベルの積分値の比率を用いるようにしてもよい。
そして、温度設定部４２は、波長スキャン電流設定部１３ｂにて駆動電流が設定されたレーザ光の発光波長が測定対象ガスの吸収波長帯にかかるように半導体レーザ４１の温度を設定する。

そして、波長スキャン電流設定部１３ｂは、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍでレーザ素子の出力が周波数変調された上で、測定対象ガスの吸収波長帯がスキャンされるようにしながらレーザ光の発光波長が変化されるようにレーザ駆動部１１を制御する。そして、レーザ駆動部１１を介して半導体レーザ４１に駆動電流が注入されると、測定対象ガスの吸収波長帯が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周波数変調されたレーザ光が半導体レーザ４１から出射され、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吸収を受けた後、光検出部６１に入射する。そして、光検出部６１にレーザ光が入射すると、光検出部６１にて電気信号に変換され、基本波成分検出部２１および２倍波成分検出部２２にてレーザ光の基本波成分と２倍波成分とがそれぞれ抽出される。そして、基本波成分検出部２１および２倍波成分検出部２２にて抽出されたレーザ光の基本波成分と２倍波成分は吸収量算出部２４に送られ、測定対象ガス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吸収量算出部２４にて算出された後、吸収比算出部２５に送られる。

また、ゼロ点算出部２３は、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍでレーザ素子の出力が周波数変調された上で、レーザ光の発光波長が測定対象ガスの吸収波長帯にかからないようにしながら駆動電流が一定に保たれるようにレーザ駆動部１１を制御する。そして、レーザ駆動部１１を介して半導体レーザ４１に駆動電流が注入されると、レーザ光の発光波長が測定対象ガスの吸収波長帯にかからないように周波数変調されたレーザ光が半導体レーザ４１から出射され、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吸収を受けることなく、光検出部６１に入射する。そして、光検出部６１にレーザ光が入射すると、光検出部６１にて電気信号に変換され、基本波成分検出部２１および２倍波成分検出部２２にてレーザ光の基本波成分と２倍波成分とがそれぞれ抽出される。そして、基本波成分検出部２１および２倍波成分検出部２２にて抽出されたレーザ光の基本波成分と２倍波成分はゼロ点算出部２３に送られ、測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分についての基本波成分と２倍波成分との振幅比がゼロ点算出部２３にて算出された後、吸収比算出部２５に送られる。

そして、吸収比算出部２５では、測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分についての基本波成分と２倍波成分との振幅比に対する測定対象ガス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の比率が算出され、ガス濃度算出部２６では、測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分についての基本波成分と２倍波成分との振幅比に対する測定対象ガス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の比率に基づいて、隔壁５１ａ、５１ｂ間の測定対象ガスの濃度を算出することができる。

これにより、測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルを基準としながら、隔壁５１ａ、５１ｂ間の測定対象ガスの濃度を算出することが可能となり、波長スキャン時の駆動電流のノイズや変動あるいは駆動電流に対するレーザ強度の直線性やレーザ光の変動に起因するドリフトやフラツキを打ち消すことが可能となるとともに、半導体レーザ４１による発光現象を安定化させながら波長スキャンを実現することが可能となり、測定対象ガスの濃度が低い場合においても、ガス濃度の計測精度を向上させることが可能となる。

図３は、ＮＨ_３ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図である。
図３において、ＮＨ_３ガスでは、１５１２ｎｍ付近に吸収波長帯のピークがある。このため、波長スキャン電流設定部１３ｂは、周波数変調されたレーザ光の発光波長が１５１２ｎｍ付近をスキャンするように半導体レーザ４１の駆動電流を変化させることができる。また、温度設定部４２は、ペルチェ素子を駆動することにより、波長スキャン時の中心部分でＮＨ_３ガスの濃度が検出されるように半導体レーザ４１の温度を事前に設定することができる。

図４は、本発明の一実施形態に係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で半導体レーザ４１の出力を周波数変調し、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、光検出部６１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。そして、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、半導体レーザ４１と光検出部６１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、半導体レーザ４１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、半導体レーザ４１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、光検出部６１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、半導体レーザ４１と光検出部６１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得ることができる。

ここで、半導体レーザ４１の駆動信号は、強度が一定に保たれた部分７３と、強度が台形状に直線的に増加する部分７２と、強度が０である部分７４とから構成することができる。なお、図４の例では、測定対象ガスとして、ＮＨ_３ガスを例にとった。
そして、ＮＨ_３ガスの濃度を測定する場合、温度設定部４２は、ペルチェ素子を駆動することにより、波長スキャン時の駆動信号の中心部分でＮＨ_３ガスの濃度が検出されるように半導体レーザ４１の温度を事前に設定することができる。

そして、半導体レーザ６５の発光を安定化させるために、半導体レーザ４１のスレッショルドカレント以上になるようにして強度が一定に保たれるようにゼロ点電流設定部１３ａにて駆動電流（７３の部分）が設定されるとともに、ＮＨ_３ガスによる吸収を受けない波長λ_１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ように周波数変調部１２にて駆動電流が制御されながら、レーザ駆動部１１を介して半導体レーザ４１に駆動電流が注入される。そして、レーザ駆動部１１を介して半導体レーザ４１に駆動電流が注入されると、ＮＨ_３ガスによる吸収を受けない波長λ_１を中心として周波数変調されたレーザ光が半導体レーザ４１から出射され、ＮＨ_３ガスを通過する。

そして、周波数変調されたレーザ光はＮＨ_３ガスを通過すると、ＮＨ_３ガスによる吸収を受けることなく光検出部６１に入射し、光検出部６１にてレーザ光が検出される。そして、光検出部６１にて検出された電流は２倍周波数信号と合成されることにより、２倍周波数成分が抽出される。ここで、波長λ_１を中心として周波数変調されたレーザ光はＮＨ_３ガスによる吸収を受けないため、光検出部６１の出力から２倍周波数成分が抽出されることはなく、光検出部６１からの出力が一定のゼロ点を検出することができる。ただし、ゼロ点の信号レベルには、波長スキャン時の駆動電流のノイズや変動あるいは駆動電流に対するレーザ強度の直線性やレーザ光の変動に起因するドリフトやフラツキをそのまま反映させることができる。

次に、ＮＨ_３ガスの吸収波長帯をスキャンさせるために、強度が台形状に直線的に増加するように波長スキャン電流設定部１３ｂにて駆動電流（７２の部分）が設定されるとともに、ＮＨ_３ガスの吸収波長帯を含むように波長λ_２から波長λ_３までの範囲を中心として１０ｋＨｚ程度の正弦波にてレーザ光が周波数変調されるように周波数変調部１２にて駆動電流が制御されながら、レーザ駆動部１１を介して半導体レーザ４１に駆動電流が注入される。なお、ＮＨ_３ガスの濃度を測定する場合、波長スキャン電流設定部１３ｂは、０．２ｎｍ程度の線幅をスキャンできるように駆動電流の強度を変化させることができる。そして、レーザ駆動部１１を介して半導体レーザ４１に駆動電流が注入されると、ＮＨ_３ガスの吸収波長帯を含むように波長λ_２から波長λ_３までの範囲を中心として周波数変調されたレーザ光が半導体レーザ４１から出射され、ＮＨ_３ガスを通過する。

そして、周波数変調されたレーザ光はＮＨ_３ガスを通過すると、ＮＨ_３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、光検出部６１に入射し、光検出部６１にてレーザ光が検出される。そして、光検出部６１にて検出された電流は２倍周波数信号と合成されることにより、２倍周波数成分が抽出される。ここで、ＮＨ_３ガスの吸収波長帯を含むように波長λ_２から波長λ_３までの範囲を中心として周波数変調されたレーザ光はＮＨ_３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けるため、光検出部６１からの出力はＮＨ_３ガスによる吸収波形に対応した値となる。

そして、波長λ_１を中心として周波数変調された信号レベルを基準とした上で、波長λ_２から波長λ_３までの範囲を中心として周波数変調された信号レベルに基づいて、隔壁５１ａ、５１ｂ間の測定対象ガスの濃度を算出することにより、波長スキャン時の駆動電流のノイズや変動あるいは駆動電流に対するレーザ強度の直線性やレーザ光の変動に起因するドリフトやフラツキを打ち消すことが可能となり、ＮＨ_３ガスの濃度が低い場合においても、ガス濃度の計測精度を向上させることが可能となる。

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、半導体レーザ４１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、半導体レーザ４１の駆動電流を制御することにより、半導体レーザ４１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、半導体レーザ４１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、半導体レーザ４１の温度を制御することにより、半導体レーザ４１の発光波長を調整することができる。

本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示すブロック図である。 ＮＨ_３ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係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。 周波数変調方式における送信側の概略構成を示すブロック図である。 周波数変調方式における受信側の２倍周波数信号検出装置の概略構成を示すブロック図である。 従来の周波数変調方式におけるガス濃度の測定原理を示す図である。

符号の説明

１１ レーザ駆動部
１２ 周波数変調部
１３ 駆動電流制御部
１３ａ ゼロ点電流設定部
１３ｂ 波長スキャン電流設定部
２１ 基本波成分検出部
２２ ２倍波成分検出部
２３ ゼロ点算出部
２４ 吸収量算出部
２５ 吸収比算出部
２６ ガス濃度算出部
４１ 半導体レーザ
４２ 温度設定部
５１ａ、５１ｂ 隔壁
５２ａ、５２ｂ フランジ
５４ 送信部基板
５５ａ、５５ｂ ウェッジ窓
５６ コリメートレンズ
５７ レーザユニット
５８、５９ ハウジング
６０ 集光レンズ
６１ 光検出部
６２ 受信部基板

Claims (4)

1. レーザ光を出射するレーザ素子と、
   前記レーザ光を基本波で周波数変調する周波数変調部と、
   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吸収波長帯がスキャンされるように変化させながら前記レーザ素子の駆動電流を設定する波長スキャン電流設定部と、
   前記波長スキャン電流設定部にて駆動電流が設定された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るように前記レーザ素子の温度を設定する温度設定部と、
   前記周波数変調された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前記レーザ素子の駆動電流をスレッショルドカレント以上に設定するゼロ点電流設定部と、
   前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分と前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分のそれぞれについて周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、
   前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分と前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分のそれぞれについて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、
   前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分と前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分のそれぞれについて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、
   前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルを基準とした上で、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について検出された信号レベルに基づいて、前記レーザ光が透過したガスの濃度を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。
2. 前記ガス濃度算出部は、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルに対し、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について検出された信号レベルのピークの比率に基づいて、前記レーザ光が透過したガスの濃度を算出することを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
3. 前記ガス濃度算出部は、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルの積分値に対し、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について検出された信号レベルの積分値の比率に基づいて、前記レーザ光が透過したガスの濃度を算出することを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
4. 基本波で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吸収波長帯にかかるようにレーザ素子の温度を設定するステップと、
   前記基本波で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吸収波長帯がスキャンされるように変化させながら、前記測定対象ガスに前記レーザ光を入射するステップと、
   前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について前記測定対象ガスを透過したレーザ光を検出するステップと、
   前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について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、
   前記基本波で周波数変調された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半導体レーザの駆動電流を一定に保ちながら、前記測定対象ガスに前記レーザ光を入射するステップと、
   前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について前記測定対象ガスを透過したレーザ光を検出するステップと、
   前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について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、
   前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからない部分について検出された信号レベルを基準とした上で、前記測定対象ガスの吸収波長帯にかかる部分について検出された信号レベルに基づいて、前記レーザ光が透過したガスの濃度を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。

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