JP2009156815A - Gas concentration measurement device and gas concentration measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス濃度計測装置及びガス濃度計測方法に関し、特に、レーザー吸収法を利用してガス濃度を計測するガス濃度計測装置及びガス濃度計測方法に関する。 The present invention relates to a gas concentration measuring device and a gas concentration measuring method, and more particularly to a gas concentration measuring device and a gas concentration measuring method for measuring a gas concentration using a laser absorption method.
燃焼プラントやエンジン等における排ガス等の濃度を測定するために、レーザ吸収法を用いることが知られている。レーザ吸収法では、ガスが固有の吸収波長を有することが利用される。レーザ光をガスに照射すると、レーザ光はそのガス固有の吸収波長において吸収され、光強度が落ちる。ガス固有の吸収波長における光の吸収量は、ガス濃度に依存する。従って、ガス固有の吸収波長における透過光の光強度に基づいて、ガス濃度を計測することができる。 It is known to use a laser absorption method to measure the concentration of exhaust gas or the like in a combustion plant or engine. In the laser absorption method, it is used that the gas has a specific absorption wavelength. When a gas is irradiated with laser light, the laser light is absorbed at an absorption wavelength unique to the gas, and the light intensity is reduced. The amount of light absorbed at the gas-specific absorption wavelength depends on the gas concentration. Therefore, the gas concentration can be measured based on the light intensity of the transmitted light at the absorption wavelength unique to the gas.
感度良くガス濃度測定を行うために、ガスを透過する光路と、ガスを透過しない光路との双方を設けたガス計測装置が知られている。図1は、そのようなガス計測装置の一例を示す概略構成図である。このガス計測装置は、波形発生部101と、LDドライバ102と、レーザーダイオード103と、分波器104と、フォトダイオード106及び107と、検出部108とを備えている。このガス計測装置において、波形発生部101は、レーザー光の波長が所定の範囲で変化するような波形を有する駆動用信号を生成し、LDドライバ102に供給する。LDドライバ102は、駆動用信号に基づいてレーザーダイオード103を発光させる。レーザダイオード103によるレーザ光は、分波器104で二つに分けられる。一方のレーザ光は、被測定ガス105を透過して、フォトダイオード106により受光される。他方のレーザ光は、被測定ガス105を介さずに、そのままフォトダイオード107によって受光される。フォトダイオード106は、レーザ光を受光すると、計測信号を生成する。フォトダイオード107は、レーザ光を受光すると、参照信号を生成する。検出部108は、その計測信号とその参照信号とを比較することにより、被測定ガスによる光の吸収量を求め、被測定ガスの濃度を算出する。
In order to perform gas concentration measurement with high sensitivity, a gas measuring device is known that has both an optical path that transmits gas and an optical path that does not transmit gas. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of such a gas measuring device. The gas measuring apparatus includes a
上述のように、レーザ光が二つに分けられる構成を有するガス濃度計測装置としては、例えば特許文献1(特許第3782473号公報)及び特許文献2(特許第3108420号公報)が挙げられる。 As described above, examples of the gas concentration measuring device having a configuration in which the laser beam is divided into two include Patent Document 1 (Japanese Patent No. 3784473) and Patent Document 2 (Japanese Patent No. 3108420).
しかしながら、図1で示した例のように、一つのレーザ光を二つに分けるには、分波器、参照光用の光学経路、及び参照光用のフォトダイオードなどを用意しなければならない。そのため、装置構成が複雑となると共に部品点数が増え、装置価格が高くなってしまう。また、一つの光を二つに分けるために光強度が半分となり、希薄なガスを計測する場合には不利となる。
そこで、本発明の目的は、装置構成が単純化され、希薄なガスでも感度良く計測することのできる、ガス濃度計測装置及びガス濃度計測方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a gas concentration measuring device and a gas concentration measuring method that can simplify the apparatus configuration and can measure even a dilute gas with high sensitivity.
以下に、[発明を実施するための最良の形態]で使用する括弧付き符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであり、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。 In the following, means for solving the problem will be described using reference numerals with parentheses used in [Best Mode for Carrying Out the Invention]. These symbols are added to clarify the correspondence between the description of [Claims] and the description of [Best Mode for Carrying Out the Invention], and [Claims] It should not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in.
本発明のガス濃度計測装置は、予め設定された波形の駆動用信号を生成する駆動用信号生成部(11)と、その駆動用信号に基づいて被測定対象を透過するレーザ光を発振させるレーザーダイオード部(12)と、被測定対象を透過したレーザ光を受光して受光信号を生成するフォトダイオード部(13)と、その駆動用信号の波形に対応した波形の参照信号を生成する参照信号生成部(15)と、受光信号と参照信号とに基づいて、差動増幅信号を生成する差動増幅部(30)と、差動増幅信号に基づいて、被測定対象の濃度を計算する濃度計算部(8)とを具備する。レーザダイオード部(12)からフォトダイオード部(13)までのレーザ光の光路は、1光路であり、被測定対象を透過する光路である。
この発明によれば、参照信号生成部が、駆動用信号の波形に対応した波形の参照信号を生成する。参照信号を生成するにあたり、測定光の光学経路とは別に、参照光用の光学経路を設ける必要はない。測定光が二つに分けられる必要もないので、測定光の光強度が半分になることもない。
The gas concentration measuring apparatus according to the present invention includes a driving signal generation unit (11) that generates a driving signal having a preset waveform, and a laser that oscillates a laser beam that passes through the measurement target based on the driving signal. A diode section (12), a photodiode section (13) that receives a laser beam transmitted through the object to be measured and generates a received light signal, and a reference signal that generates a reference signal having a waveform corresponding to the waveform of the driving signal A generation unit (15), a differential amplification unit (30) for generating a differential amplification signal based on the light reception signal and the reference signal, and a concentration for calculating the concentration of the measurement target based on the differential amplification signal And a calculator (8). The optical path of the laser light from the laser diode section (12) to the photodiode section (13) is one optical path, which is an optical path that passes through the object to be measured.
According to this invention, the reference signal generation unit generates a reference signal having a waveform corresponding to the waveform of the driving signal. In generating the reference signal, it is not necessary to provide an optical path for the reference light separately from the optical path of the measurement light. Since it is not necessary to divide the measurement light into two, the light intensity of the measurement light is not halved.
その駆動用信号は、レーザ光が、被測定対象による吸収の存在する第1波長帯と被測定対象による吸収の存在しない第2波長帯との双方を含む波長領域で走査されるような波形を有し、参照信号生成部(15)は、第2波長帯に対応した受光信号に基づいて、第1波長帯に対応する部分を補間することにより、参照信号を生成することが好ましい。 The drive signal has a waveform such that the laser beam is scanned in a wavelength region including both the first wavelength band where the absorption by the measurement target exists and the second wavelength band where the absorption by the measurement target does not exist. The reference signal generation unit (15) preferably generates the reference signal by interpolating a portion corresponding to the first wavelength band based on the received light signal corresponding to the second wavelength band.
参照信号生成部(15)は、第2波長帯のうち第1波長帯よりも短波長側の波長に対応する受光信号と、第2波長帯のうち第1波長帯よりも長波長側の波長に対応する受光信号とに基づいて、第1波長帯に対応する部分を補間することが好ましい。 The reference signal generation unit (15) includes a received light signal corresponding to a wavelength shorter than the first wavelength band in the second wavelength band, and a wavelength longer than the first wavelength band in the second wavelength band. It is preferable to interpolate a portion corresponding to the first wavelength band based on the received light signal corresponding to.
その駆動用信号がのこぎり波であるとき、参照信号生成部(15)は、線形補間により、第1波長帯に対応する部分を補間することが好ましい。 When the driving signal is a sawtooth wave, the reference signal generator (15) preferably interpolates a portion corresponding to the first wavelength band by linear interpolation.
その駆動用信号が正弦波であるとき、参照信号生成部(15)は、参照信号が正弦波となるように、第1波長帯に対応する部分を補間することが好ましい。 When the driving signal is a sine wave, the reference signal generator (15) preferably interpolates a portion corresponding to the first wavelength band so that the reference signal becomes a sine wave.
参照信号生成部(15)には、予め、駆動用信号と参照信号との対応関係が設定されているとき、駆動用信号生成部(11)は、駆動用信号を参照信号生成部(15)へ通知する。参照信号生成部(15)は、通知された駆動用信号に対して設定された対応関係に基づいて処理を行い、参照信号を生成する。 When the correspondence relationship between the drive signal and the reference signal is set in advance in the reference signal generation unit (15), the drive signal generation unit (11) converts the drive signal into the reference signal generation unit (15). To notify. The reference signal generation unit (15) performs processing based on the correspondence relationship set for the notified drive signal, and generates a reference signal.
本発明に係るガス濃度計測方法は、予め設定された波形の駆動用信号を生成するステップと、その駆動用信号に基づいて被測定対象を透過するレーザ光を発振させるステップと、被測定対象を透過した前記レーザ光を受光して受光信号を生成するステップと、その駆動用信号の波形に対応した波形の参照信号を生成するステップと、その受光信号とその参照信号とに基づいて、差動増幅信号を生成するステップと、その差動増幅信号に基づいて、前記被測定対象の濃度を計算するステップとを具備する。 A gas concentration measuring method according to the present invention includes a step of generating a driving signal having a preset waveform, a step of oscillating laser light that passes through the measurement target based on the driving signal, and a measurement target. Based on the steps of receiving the transmitted laser light and generating a light reception signal, generating a reference signal having a waveform corresponding to the waveform of the driving signal, and the light reception signal and the reference signal A step of generating an amplified signal; and a step of calculating a concentration of the measurement target based on the differential amplified signal.
その駆動用信号は、前記レーザ光が、前記被測定対象による吸収の存在する第1波長帯と前記被測定対象による吸収の存在しない第2波長帯との双方を含む波長領域で走査されるような波形を有し、その参照信号を生成するステップは、前記第2波長帯に対応した前記受光信号に基づいて、前記第1波長帯に対応する部分を補間することにより、前記参照信号を生成するステップを含むことが好ましい。 The drive signal is scanned such that the laser beam is scanned in a wavelength region including both a first wavelength band where absorption by the measurement target exists and a second wavelength band where absorption by the measurement target does not exist. And generating the reference signal includes generating the reference signal by interpolating a portion corresponding to the first wavelength band based on the received light signal corresponding to the second wavelength band. Preferably, the method includes the step of:
その参照信号を生成するステップは、その第2波長帯のうちの第1波長帯よりも短波長側の波長に対応する受光信号と、その第2波長帯のうちの第1波長帯よりも長波長側の波長に対応する受光信号とに基づいて、第1波長帯に対応する部分を補間するステップを含むことが好ましい。 The step of generating the reference signal includes a received light signal corresponding to a wavelength shorter than the first wavelength band in the second wavelength band, and longer than the first wavelength band in the second wavelength band. Preferably, the method includes a step of interpolating a portion corresponding to the first wavelength band based on the received light signal corresponding to the wavelength on the wavelength side.
その駆動用信号がのこぎり波であるとき、その参照信号を生成するステップは、線形補間により、第1波長帯に対応する部分を補間するステップを含むことが好ましい。 When the driving signal is a sawtooth wave, the step of generating the reference signal preferably includes a step of interpolating a portion corresponding to the first wavelength band by linear interpolation.
その駆動用信号が正弦波であるとき、その参照信号を生成するステップは、参照信号が正弦波となるように、第1波長帯に対応する部分を補間するステップを含むことが好ましい。 When the driving signal is a sine wave, the step of generating the reference signal preferably includes a step of interpolating a portion corresponding to the first wavelength band so that the reference signal becomes a sine wave.
予め、前記駆動用信号と前記参照信号との対応関係を設定しておくステップを具備するとき、その参照信号を生成するステップは、駆動用信号を前記対応関係に基づいて処理して、参照信号を生成するステップを含むことが好ましい。 When the method includes the step of setting a correspondence relationship between the driving signal and the reference signal in advance, the step of generating the reference signal processes the driving signal based on the correspondence relationship, Preferably, the method includes the step of generating
本発明によれば、装置構成が単純化され、希薄なガスでも感度良く計測することのできる、ガス濃度計測装置及びガス濃度計測方法が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the apparatus structure is simplified and the gas concentration measuring device and the gas concentration measuring method which can measure with a sufficient sensitivity also with a rare gas are provided.
(第1の実施形態)
図面を参照しつつ、本発明の第1の実施形態について説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図2は、本実施形態に係るガス濃度計測装置10を用いたガス濃度計測システムを示す概略構成図である。このガス濃度計測システムは、計測プローブ部分20と、ガス濃度計測装置10とを備えている。このガス濃度計測システムは、排気管内の被測定ガスの濃度を計測するように構成されている。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a gas concentration measuring system using the gas concentration measuring apparatus 10 according to the present embodiment. This gas concentration measurement system includes a
計測プローブ部分20は、コリメートレンズ22及び集光レンズ23の収められた計測ブローブ21と、ミラー25とを有している。コリメートレンズ22及び集光レンズ23は、ファイバーケーブルを介してガス濃度計測装置10に接続されている。コリメートレンズ22は、ガス濃度計測装置10から送られてきたレーザ光を、排気管内に出射するように配置されている。ミラー25は、コリメートレンズ22から出射されて排気管を通過したレーザ光を、集光レンズ23に向けて反射するように配置されている。集光レンズ23は、ミラー25により反射されたレーザ光を、ファイバーケーブルを介してガス濃度計測装置10に導くように配置されている。
The
ガス濃度計測装置10からのレーザ光は、排気管内の被測定ガスを透過する1光路を通って、再びガス濃度計測装置10へ導かれる。 The laser light from the gas concentration measuring device 10 is guided to the gas concentration measuring device 10 again through one optical path that passes through the gas to be measured in the exhaust pipe.
ガス濃度計測装置10は、排気管内のガスの特定成分の濃度を計測する装置である。ガス濃度計測装置10の被測定ガス成分としては、CO、CO2、及びNOxなどが例示される。被測定ガスは、固有の吸収波長を有している。以下の説明において、被測定ガスに固有の吸収波長帯を第1波長帯と記載することにする。また、被測定ガスによる吸収のない波長帯を、第2波長帯と記載することとする。 The gas concentration measuring device 10 is a device that measures the concentration of a specific component of gas in the exhaust pipe. Examples of the gas component to be measured of the gas concentration measuring apparatus 10 include CO, CO 2 , and NOx. The gas to be measured has a specific absorption wavelength. In the following description, the absorption wavelength band unique to the gas to be measured will be described as the first wavelength band. In addition, a wavelength band that is not absorbed by the gas to be measured is referred to as a second wavelength band.
概略的には、ガス濃度計測装置10は、第1波長帯を含む波長範囲でレーザ光を発振して、計測プローブ部分20に供給する。そして、計測プローブ分20から被測定ガスを透過したレーザ光を受光し、その第1波長帯における吸収量を測定することにより、ガス濃度を計測する。第1波長帯における吸収量を正確に求めるために、参照信号が用いられる。参照信号は、被測定ガスを透過させなかった場合を模擬した信号である。実際に被測定ガスを透過したレーザ光による信号(受光信号)が、参照信号と比較され、第1波長帯における吸収量が求められる。
Schematically, the gas concentration measurement device 10 oscillates laser light in a wavelength range including the first wavelength band and supplies the laser beam to the
以下に、ガス濃度計測装置10の構成を詳細に説明する。 Below, the structure of the gas concentration measuring apparatus 10 is demonstrated in detail.
ガス濃度計測装置10は、駆動用信号を生成する信号発生回路11と、駆動用信号に基づき所定の波長範囲で走査されるレーザ光を発振するレーザーダイオード部12と、被測定ガスを透過したレーザ光を受光して受光信号を生成するフォトダイオード部13と、参照信号を生成する参照信号生成部15と、受光信号と参照信号とを差動増幅して差動増幅信号を生成する差動増幅部30と、差動増幅信号に基づいてガス濃度を計算する濃度計算部8とを備えている。
The gas concentration measuring apparatus 10 includes a
レーザーダイオード部12は、レーザーダイオード19と、LDドライバ16とを備えている。LDドライバ16は、レーザーダイオード19に電流を供給するための回路であり、電流アンプ18とデジタル/アナログコンバータ17とを備えている。デジタル/アナログコンバータ17は、信号発生回路11で生成された駆動用信号をアナログ信号に変換し、電流アンプ18に供給する。電流アンプ18は、供給されたアナログ信号を電流に変換して、レーザーダイオード19に供給する。レーザダイオード19は、電流の供給を受けてレーザ光を発振する。発振されたレーザ光は、ファイバーケーブルを介してコリメートレンズ22に導入される。
The
信号発生回路11は、駆動用信号を生成するための回路である。駆動用信号は、デジタル信号であり、レーザダイオード部12において発振されるレーザ光の波長を走査させるための信号である。発振されるレーザ光の波長は、この駆動用信号のレベルにより決定される。駆動用信号の波形は、レーザ光が、第1波長帯を完全に含み且つ第2波長帯の少なくとも一部を含むような波長範囲で走査されるような波形である。すなわち、レーザダイオード19で発振されるレーザ光は、第1波長帯を完全に含み且つ第2波長帯の少なくとも一部を含むような波長範囲で走査される。本実施形態では、このような駆動用信号として、こぎり波が生成されるものとする。
The
フォトダイオード部13は、フォトダイオード1と、プリアンプ2とを備えている。フォトダイオード1には、集光レンズ23からファイバーケーブルを介してレーザ光が入射する。これにより、フォトダイオード1に起電力が生じる。プリアンプ2は、フォトダイオード1に生じた起電力を増幅して、受光信号を生成する。受光信号は、差動増幅部30の入力端のうちの一方に入力されると共に、参照信号生成部15にも入力される。
The
参照信号生成部15は、参照信号を生成するために設けられている。参照信号は、被測定ガスが存在しない時の受光信号を模擬した信号である。参照信号生成部15は、アナログ/デジタルコンバータ3と、演算処理部4と、デジタル/アナログコンバータ5とを備えている。アナログ/デジタルコンバータ3は、フォトダイオード部13から入力された受光信号をデジタル信号に変換するとともに、第2波長帯におけるデータを複数点抽出する。そして、抽出したデータ(以下、抽出データ)を、演算処理部4に通知する。演算処理部4は、抽出データに対して、駆動用信号の波形に基づいた処理を行い、第1波長帯に対応する部分を補間する。補間されたデータは、参照信号データとして、デジタル/アナログコンバータ5に入力される。デジタル/アナログコンバータ5は、参照信号データをアナログ信号に変換し、これを参照信号として差動増幅部30に入力する。
The reference
なお、このような参照信号生成部15は、複数の論理回路の組み合わせにより実現されてもよいし、ROM、RAM、及びCPUなどを有するコンピュータによりソフトウェアが実行されることで実現されてもよい。
Note that such a reference
差動増幅部30は、オペアンプ14とアナログ/デジタルコンバータ9とを有している。フォトダイオード部13からの受光信号は、オペアンプの非反転入力(−)端子に入力される。参照信号生成部15からの参照信号は、オペアンプの反転入力(+)端子に入力される。オペアンプの出力信号は、アナログ/デジタルコンバータ9を介してデジタル信号に変換され、差動増幅信号として濃度計算部8に供給される。
The
濃度計算部8は、パルス抽出回路6と、パルス波高値検出回路7とを備えている。パルス抽出回路6は、差動増幅信号からパルス部分を抽出してパルス信号を生成し、そのパルス信号をパルス波高値検出回路7に供給する。パルス波高値検出回路7は、パルス信号のピーク値を算出する。このピーク値は、被測定ガスの濃度の算出に用いられる。濃度の算出は、例えば、ROM、RAM、CPUなどを有するコンピュータにより実現することができる。
The concentration calculation unit 8 includes a
続いて、本実施形態におけるガス濃度計測システムの動作について説明する。 Next, the operation of the gas concentration measurement system in this embodiment will be described.
信号発生回路11が、駆動用信号として、のこぎり波を生成する。図3(a)は、生成される駆動用信号の波形パターンを示している。図3(a)において、横軸が時刻であり、縦軸が信号電圧である。図3(a)に示されるように、駆動用信号の電圧は、時刻t1〜t3の間においてV1からV3へ向かって直線的に上昇し、時刻t3において再びV1に戻る。
The
駆動用信号の供給を受けたレーザーダイオード部12では、レーザダイオード19がレーザ光を発振する。図3(b)は、発振されるレーザ光の波長と時刻との関係を示している。レーザ光の波長は、レーザダイオード19に供給される電流に比例して変化する。レーザダイオード19に供給される電流は駆動用信号が変換されたものであるので、レーザ光の波長は駆動用信号の波形に対応している。従って、時刻t1においては、駆動用信号の電圧V1に対応した波長λ1のレーザ光が生成される。時刻t3においては、駆動用信号の電圧V3に対応した波長λ3のレーザ光が生成される。レーザ光の波長は、時刻t1〜時刻t3の間で、λ1からλ3に向かって直線的に上昇する。また、図示されていないが、レーザ光の光強度も、レーザダイオード19に供給される電流に比例する。
In the
ここで、被測定ガスに固有の吸収波長帯(第1波長帯)が、λ2を中心として、λ2−1からλ2−2の波長帯であるものとする。また、レーザ光の波長が第1波長帯(λ2−1〜λ2−2)となるのは、時刻t2−1〜時刻t2−2の間(以下、第1期間)であるものとする。第1期間内に発振されたレーザ光は、排気管内で被測定ガスによる吸収を受けることになる。 Here, it is assumed that the absorption wavelength band (first wavelength band) unique to the gas to be measured is a wavelength band from λ2-1 to λ2-2 with λ2 as the center. Further, the wavelength of the laser light is in the first wavelength band (λ2-1 to λ2-2) between time t2-1 and time t2-2 (hereinafter referred to as a first period). The laser light oscillated within the first period is absorbed by the gas to be measured in the exhaust pipe.
レーザーダイオード19によって生成されたレーザー光は、計測プローブ部分20において被測定ガスを透過し、フォトダイオード1により受光され、起電力に変換される。プリアンプ2は、フォトダイオード1に生じた起電力を増幅し、受光信号を生成する。
The laser light generated by the
図3(c)は、受光信号の電圧と時刻との関係を示している。フォトダイオード1における起電力の大きさは、光強度及びレーザ光の波長に比例する。従って、被測定ガスによる吸収を受けない期間(時刻t1〜t2−1、時刻t2−2〜t3;以下、第2期間)において、受光信号の電圧は時刻に比例して上昇する。しかし、被測定ガスによる吸収を受ける第1期間では、被測定ガスによる吸収により、受光信号の電圧が減少する。 FIG. 3C shows the relationship between the voltage of the received light signal and time. The magnitude of the electromotive force in the photodiode 1 is proportional to the light intensity and the wavelength of the laser beam. Therefore, the voltage of the light reception signal rises in proportion to the time in the period in which the gas to be measured is not absorbed (time t1 to t2-1, time t2-2 to t3; hereinafter, second period). However, in the first period in which absorption by the gas to be measured is received, the voltage of the light reception signal decreases due to absorption by the gas to be measured.
受光信号は、差動増幅部30に入力されると共に、参照信号生成部4にも入力される。
The received light signal is input to the
図4(a)、(b)は、参照信号生成部4における処理を説明するための説明図である。参照信号生成部4においては、アナログ/デジタルコンバータ3が、受光信号をデジタル信号に変換する。アナログ/デジタルコンバータ3は、図4(a)に示されるように、第2期間における受光信号を、6点抽出する。具体的には、第1期間よりも前の第2期間から点a1、a2、a3を抽出し、第1期間よりも後の第2期間から点b1、b2、及びb3を抽出する。アナログ/デジタルコンバータ3は、抽出したデータを抽出データとして演算処理部4に通知する。
FIGS. 4A and 4B are explanatory diagrams for explaining processing in the reference
演算処理部4は、図4(b)に示されるように、抽出データを補間して、参照信号データを生成する。この際、演算処理部4は、信号発生回路11が生成した駆動用信号の波形に対応した処理により、抽出信号データを補間する。本実施形態では、駆動用信号の波形パターンがのこぎり波である。そのため、被測定ガスによる吸収がないと仮定した場合の受光信号も、のこぎり波となるはずである。すなわち、受光信号の電圧は時刻t1〜t3の間において直線的に上昇するはずである。従って、演算処理部4は、抽出データを線形補間することで、参照信号データを生成する。演算処理4は、例えば、最小二乗法を用いて、抽出データを補間する。
As shown in FIG. 4B, the
演算処理部4により生成された参照信号データは、デジタル/アナログコンバータ5によりアナログ化され、参照信号として差動増幅部30に入力される。この参照信号は、受信信号のうちの被測定ガスによる吸収を受けない部分に基づいて生成された信号であり、被測定ガスによる吸収がなかった場合の受信信号を正確に模擬している。生成された参照信号は、図示しないタイマー回路などにより、フォトダイオード部13から直接入力される受光信号に同期されて、入力される。
The reference signal data generated by the
差動増幅部30においては、参照信号と受光信号との差分を示す差動増幅信号が生成される。図5は、差動増幅信号の波形を示している。図5に示されるように、差動増幅信号の信号電圧は、被測定ガスの吸収波長帯のレーザ光が出射されている第1期間において、レーザ光の吸収量に対応する分だけ上昇することになる。差動増幅信号は、濃度計算部8に入力される。濃度計算部8においては、パルス抽出回路6が、差動増幅信号のパルス部分を抽出する。そして、抽出されたパルス部分は、パルス波高値検出回路7によりそのピーク値(波高値)が検出される。このピーク値は、被測定ガスの濃度に依存した値である。従って、検出されたピーク値に基づいて、被測定ガスの濃度を算出することができる。
In the
以上説明したように、本実施形態によれば、参照信号は、実際に被測定ガスを透過したレーザー光による受光信号に対して、駆動用信号の波形に基づいた処理を行うことにより、生成される。ここで、被測定ガスを透過しない参照光用の光路を設ける必要はない。従って、装置構成を単純化することができ、安価な構成とすることをできる。また、レーザ光を二つに分ける必要もないので、出射されたときの光強度を保ったままレーザ光を被測定ガスに入射させることができる。これにより、希薄なガスでも感度良く計測することができる。 As described above, according to the present embodiment, the reference signal is generated by performing processing based on the waveform of the drive signal on the light reception signal by the laser light that actually passes through the gas to be measured. The Here, there is no need to provide an optical path for reference light that does not transmit the gas to be measured. Therefore, the device configuration can be simplified and an inexpensive configuration can be achieved. Further, since there is no need to divide the laser beam into two, the laser beam can be incident on the measurement gas while maintaining the light intensity when emitted. Thereby, even a dilute gas can be measured with high sensitivity.
尚、本実施形態では、駆動用信号がのこぎり波であるため、演算処理部4が、線形補間により参照信号データを生成する場合について説明した。しかし、駆動用信号の波形がのこぎり波以外の波形であれば、演算処理部4は、線形補間に限られず、駆動用信号の波形に対応した補間により、参照信号データを生成する。
例えば、駆動用信号が正弦波であったとする。図6(a)は、駆動用信号が正弦波であった場合の参照信号生成部15の処理を説明する説明図である。図6(a)に示されるように、受光信号の電圧は、第1期間内において、減少している。これはのこぎり波の場合と同じである。アナログ/デジタルコンバータ3は、第2期間中の中から、6点(a4、a5、a6、b4、b5、b6)のデータを抽出する。次に、図6(b)に示されるように、演算処理部4が、抽出データを補間して参照信号データを生成する。ここで、駆動用信号が正弦波であるので、被測定ガスを透過させなかったときの受光信号も正弦波となるはずである。従って、演算処理部4は、線形補間を行うのではなく、参照信号データが正弦波となるような補間を行う。
In the present embodiment, since the driving signal is a sawtooth wave, the case where the
For example, assume that the driving signal is a sine wave. FIG. 6A is an explanatory diagram illustrating processing of the reference
また、本実施形態では、参照信号生成部15において、受光信号データの第2期間から6点が抽出される場合について説明した。しかし、抽出される点の数は、6点に限定されない。例えば、線形補間を行う場合、駆動用信号の波形に対応する受光信号の傾きが予め設定されていれば、抽出される点が1点だけであっても、抽出した点と予め設定された傾きとに基づいて参照信号データを生成することができる。
但し、より精度良く参照信号データを生成するためには、第1期間を挟むように、複数点が抽出されることが好ましい。すなわち、第1期間よりも前後の第2期間から、少なくとも一点づつデータを抽出することが好ましい。フォトダイオード部13により生成される受光信号の波形は、コリメートレンズ22や集光レンズ23の経年使用による汚れなどによっても影響を受けることがある。たとえば、駆動用信号がのこぎり波である場合、受光信号の傾きが汚れなどの影響により変化してしまう可能性がある。したがって、一点だけを抽出した場合には、参照信号の精度が落ちてしまうことがある。これに対して、第1期間を挟むように第2期間から複数点を抽出すれば、汚れなどの影響を受けることなく、参照信号を生成することができる。
In the present embodiment, the case where the reference
However, in order to generate reference signal data with higher accuracy, it is preferable to extract a plurality of points so as to sandwich the first period. That is, it is preferable to extract data at least one point from the second period before and after the first period. The waveform of the light reception signal generated by the
(第2の実施形態)
続いて、第2の実施形態について説明する。図7は、本実施形態に係る濃度計測装置10を示す概略構成図である。尚、計測プローブ部分20に関する図示は省略されている。第1の実施形態と比較して、本実施形態では、信号発生回路11で生成される駆動用信号が参照信号生成部15にも入力される点、及び参照信号生成部15が受光信号に関係なく駆動用信号に基づいて参照信号を生成する点が異なっている。その他の点については、第1の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described. FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing the concentration measuring apparatus 10 according to the present embodiment. In addition, illustration regarding the
信号発生回路11により生成された駆動用信号は、レーザーダイオード部12へ供給されると共に、参照信号生成部15にも供給される。
The driving signal generated by the
参照信号生成部15には、予め駆動用信号と参照信号との対応関係が設定されている。その対応関係は、たとえば、RAMなどに設定されている。その対応関係は、信号発生回路11からレーザダイオード部12及びフォトダイオード部13を介して受光信号が生成されるまでの経路の考慮された関係であり、例えば予め実験を行うことにより得られることができる。
In the reference
演算処理部4は、信号発生回路11から取得した駆動用信号に対して、予め設定された対応関係に基づいて処理を行い、参照信号データを生成する。ここで生成される参照信号データは、結果的に、駆動用信号の波形に対応していることになる。参照信号データは、デジタル/アナログコンバータ5により参照信号に変換され、差動増幅部30に入力される。
The
本実施形態では、参照信号が、実際に被測定ガスを透過したレーザ光に基づく受光信号とは関係なく生成される。そのため、第1の実施形態で述べたような光学面の汚れなどによる影響は考慮されていない。しかしながら、第1の実施形態と同様に、被測定ガスを透過しない参照光用の光路を設ける必要はない。従って、装置構成を単純化することができるという作用効果を奏することができる。また、レーザ光を二つに分ける必要がなく、レーザ光の光強度を保つことができる観点から、第1の実施形態と同様に感度良く計測することができる。 In the present embodiment, the reference signal is generated regardless of the light reception signal based on the laser light that actually passes through the measurement gas. Therefore, the influence due to the contamination of the optical surface as described in the first embodiment is not considered. However, as in the first embodiment, it is not necessary to provide an optical path for reference light that does not transmit the gas to be measured. Therefore, it is possible to achieve an effect that the device configuration can be simplified. Further, it is not necessary to divide the laser beam into two, and from the viewpoint of maintaining the light intensity of the laser beam, it is possible to measure with high sensitivity as in the first embodiment.
1 フォトダイオード
2 プリアンプ
3 アナログ/デジタルコンバータ
4 演算処理部
5 デジタル/アナログコンバータ
6 パルス抽出回路
7 パルス波高値検出回路
8 濃度計算部
9 アナログ/デジタルコンバータ
10 ガス濃度計測装置
11 駆動用信号生成部
12 レーザーダイオード部
13 フォトダイオード部
14 オペアンプ
15 参照信号生成部
16 LDドライバ
17 デジタル/アナログコンバータ
18 電流アンプ
19 レーザーダイオード
20 計測プローブ部分
21 計測プローブ
22 コリメートレンズ
23 集光レンズ
24 排気管
25 ミラー
30 差動増幅部
101 波形発生部
102 LDドライバ
103 レーザーダイオード
104 分波器
105 被測定ガス
106 フォトダイオード
107 フォトダイオード
108 検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (12)
前記駆動用信号に基づいてレーザ光を発振するレーザーダイオード部と、
前記レーザ光を受光して受光信号を生成するフォトダイオード部と、
前記駆動用信号の波形に対応した波形の参照信号を生成する参照信号生成部と、
前記受光信号と前記参照信号とに基づいて、差動増幅信号を生成する差動増幅部と、
前記差動増幅信号に基づいて、被測定対象の濃度を計算する濃度計算部と、
を具備し、
前記レーザダイオード部から前記フォトダイオード部までの前記レーザ光の光路は、1光路であり、前記被測定対象を透過する光路である
ガス濃度計測装置。 A drive signal generator for generating a drive signal having a preset waveform;
A laser diode unit that oscillates laser light based on the driving signal;
A photodiode unit that receives the laser beam and generates a light reception signal;
A reference signal generator for generating a reference signal having a waveform corresponding to the waveform of the driving signal;
A differential amplification unit that generates a differential amplification signal based on the light reception signal and the reference signal;
Based on the differential amplification signal, a concentration calculator that calculates the concentration of the measurement target;
Comprising
An optical path of the laser beam from the laser diode section to the photodiode section is a single optical path, and is a gas concentration measuring device that is an optical path that passes through the measurement target.
前記駆動用信号の波形は、前記被測定対象による吸収の存在する第1波長帯と前記被測定対象による吸収の存在しない第2波長帯との双方を含む波長領域で前記レーザ光が走査されるような波形であり、
前記参照信号生成部は、前記第2波長帯に対応した前記受光信号に基づいて、前記第1波長帯に対応する部分を補間することにより、前記参照信号を生成する
ガス濃度計測装置。 A gas concentration measuring device according to claim 1,
The waveform of the driving signal is scanned with the laser beam in a wavelength region including both a first wavelength band where absorption by the measurement target exists and a second wavelength band where absorption by the measurement target does not exist. Is a waveform like
The gas concentration measuring device that generates the reference signal by interpolating a portion corresponding to the first wavelength band based on the received light signal corresponding to the second wavelength band.
前記参照信号生成部は、前記第2波長帯のうち前記第1波長帯よりも短波長側の波長に対応する前記受光信号と、前記第2波長帯のうち前記第1波長帯よりも長波長側の波長に対応する前記受光信号とに基づいて、前記第1波長帯に対応する部分を補間する
ガス濃度計測装置。 A gas concentration measuring device according to claim 2,
The reference signal generation unit includes the received light signal corresponding to a wavelength shorter than the first wavelength band in the second wavelength band, and a wavelength longer than the first wavelength band in the second wavelength band. A gas concentration measuring device that interpolates a portion corresponding to the first wavelength band based on the received light signal corresponding to the wavelength on the side.
前記駆動用信号は、のこぎり波であり、
前記参照信号生成部は、線形補間により、前記第1波長帯に対応する部分を補間する
ガス濃度計測装置。 A gas concentration measuring device according to claim 2 or 3, wherein
The driving signal is a sawtooth wave,
The reference signal generation unit is a gas concentration measurement device that interpolates a portion corresponding to the first wavelength band by linear interpolation.
前記駆動用信号は、正弦波であり、
前記参照信号生成部は、前記参照信号が正弦波となるように、前記第1波長帯に対応する部分を補間する
ガス濃度計測装置。 A gas concentration measuring device according to claim 2 or 3, wherein
The driving signal is a sine wave,
The gas concentration measuring device that interpolates a portion corresponding to the first wavelength band so that the reference signal is a sine wave.
前記参照信号生成部には、予め、前記駆動用信号と前記参照信号との対応関係が設定されており、
前記駆動用信号生成部は、前記駆動用信号を前記参照信号生成部へ通知し、
前記参照信号生成部は、通知された前記駆動用信号に対して設定された前記対応関係に基づいて処理を行い、前記参照信号を生成する
ガス濃度計測装置。 A gas concentration measuring device according to claim 1,
In the reference signal generation unit, a correspondence relationship between the driving signal and the reference signal is set in advance,
The drive signal generation unit notifies the reference signal generation unit of the drive signal,
The reference signal generation unit is a gas concentration measurement device that performs processing based on the correspondence set for the notified driving signal and generates the reference signal.
前記駆動用信号に基づいてレーザ光を発振させるステップと、
前記レーザ光を、被測定対象を透過する1光路を介して受光し、受光信号を生成するステップと、
前記駆動用信号の波形に対応した波形の参照信号を生成するステップと、
前記受光信号と前記参照信号とに基づいて、差動増幅信号を生成するステップと、
前記差動増幅信号に基づいて、前記被測定対象の濃度を計算するステップと、
を具備する
ガス濃度計測方法。 Generating a driving signal having a preset waveform;
Oscillating laser light based on the driving signal;
Receiving the laser light through one optical path that passes through the object to be measured, and generating a light reception signal;
Generating a reference signal having a waveform corresponding to the waveform of the driving signal;
Generating a differential amplification signal based on the light reception signal and the reference signal;
Calculating the concentration of the object to be measured based on the differential amplification signal;
A gas concentration measuring method comprising:
前記駆動用信号は、前記レーザ光が、前記被測定対象による吸収の存在する第1波長帯と前記被測定対象による吸収の存在しない第2波長帯との双方を含む波長領域で走査されるような波形を有し、
前記参照信号を生成するステップは、前記第2波長帯に対応した前記受光信号に基づいて、前記第1波長帯に対応する部分を補間することにより、前記参照信号を生成するステップを含む
ガス濃度計測方法。 The gas concentration measuring method according to claim 7,
The drive signal is scanned in a wavelength region in which the laser light includes both a first wavelength band where absorption by the measurement target exists and a second wavelength band where absorption by the measurement target does not exist. Have a strong waveform,
The step of generating the reference signal includes a step of generating the reference signal by interpolating a portion corresponding to the first wavelength band based on the received light signal corresponding to the second wavelength band. Measurement method.
前記参照信号を生成するステップは、前記第2波長帯のうち前記第1波長帯よりも短波長側の波長に対応する前記受光信号と、前記第2波長帯のうち前記第1波長帯よりも長波長側の波長に対応する前記受光信号とに基づいて、前記第1波長帯に対応する部分を補間するステップを含む
ガス濃度計測方法。 A gas concentration measurement method according to claim 8, wherein
The step of generating the reference signal includes: the received light signal corresponding to a wavelength shorter than the first wavelength band in the second wavelength band; and the first wavelength band among the second wavelength bands. A gas concentration measurement method including a step of interpolating a portion corresponding to the first wavelength band based on the light reception signal corresponding to a wavelength on a long wavelength side.
前記駆動用信号は、のこぎり波であり、
前記参照信号を生成するステップは、線形補間により、前記第1波長帯に対応する部分を補間するステップを含む
ガス濃度計測方法。 A gas concentration measurement method according to claim 8 or 9, wherein
The driving signal is a sawtooth wave,
The step of generating the reference signal includes the step of interpolating a portion corresponding to the first wavelength band by linear interpolation.
前記駆動用信号は、正弦波であり、
前記参照信号を生成するステップは、前記参照信号が正弦波となるように、前記第1波長帯に対応する部分を補間するステップを含む
ガス濃度計測方法。 A gas concentration measuring method according to claim 8 or 9, wherein
The driving signal is a sine wave,
The step of generating the reference signal includes a step of interpolating a portion corresponding to the first wavelength band so that the reference signal becomes a sine wave.
更に、
予め、前記駆動用信号と前記参照信号との対応関係を設定しておくステップと、
を具備し、
前記参照信号を生成するステップは、前記駆動用信号を前記対応関係に基づいて処理して、前記参照信号を生成するステップを含む
ガス濃度計測方法。 The gas concentration measuring method according to claim 7,
Furthermore,
Setting a correspondence relationship between the driving signal and the reference signal in advance;
Comprising
The step of generating the reference signal includes a step of processing the driving signal based on the correspondence relationship to generate the reference signal.
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