JP2009192245A - ガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】2倍波ずらし周波数信号発生部45は、変調周波数fmの2倍波周波数からずらし周波数Δfだけずらされた周波数(2f+Δf)を持つ(2f+Δf)参照信号を発生し、検波器46は、2倍周波数信号発生部45にて発生された(2f+Δf)参照信号とバンドパスフィルタ44からの出力を合成することで、バンドパスフィルタ44からの出力から2f成分を生成し、ローパスフィルタ47にて1f以上の高域成分を十分減衰させ、ピークホールド回路49にてピークホールドされた値からΔf成分をローパスフィルタ50にて抽出し、2f成分検出信号として出力する。
【選択図】 図1
Description
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11において、ガス濃度測定装置の受信側には、半導体レーザから出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード111、フォトダイオード111から出力される電流を電圧に変換するI−V変換回路112、I−V変換回路112から出力された電圧を増幅する増幅器113、増幅器113を介して出力された信号から変調周波数の2倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ114、変調周波数fmの2倍波周波数を持つ2f参照信号を発生する2倍波周波数信号発生部115、2f参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ114の出力から2f成分を抽出する検波器116、検波器116の出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ117、ローパスフィルタ117から出力された電圧を増幅する増幅器118が設けられている。
検波器116の検波方式としては、参照信号の位相に応じてアナログスイッチで信号のオン/オフまたは信号極性を切り替える方式、トランスとダイオードからなる回路にてスイッチングを行うことで信号極性を切り替える方式(DBM:Double Balanced Mixer)、アナログ乗算回路を用いる方式などを用いることができる。
f(t)=A0sin(ω0t+φ0)+A1sin(2ω0t+φ1)
+A2sin(3ω0t+φ2)+・・・ (1)
ただし、ω0=2πf0、f0は1fの周波数である。また、φ0、φ1、φ2は、2f参照信号の位相を0とした時の受光信号と2f参照信号との位相差である。
f(t)・sin(2ω0t)=A0sin(ω0t+φ0)・sin(2ω0t)
+A1sin(2ω0t+φ1)・sin(2ω0t)
+A2sin(3ω0t+φ2)・sin(2ω0t)+・・・
=−1/2A0[cos{(ω0+2ω0)t+φ0}
−cos{(ω0−2ω0)t+φ0}]
−1/2A1[cos{(2ω0+2ω0)t+φ0}
−cos{(2ω0−2ω0)t+φ1}]
−1/2A2[cos{(3ω0+2ω0)t+φ0}
−cos{(3ω0−2ω0)t+φ2}]+・・・ (2)
I=1/2A1cosφ1 (3)
このように、2f成分が直流に周波数変換され、増幅器118から出力される2f成分検出信号は、周波数変調信号と2f参照信号との位相差φ1の値が反映される。例えば、周波数変調信号と2f参照信号との位相差φ1の値がπ/2の場合、ガスの濃度に関わらず検波器116の出力は0となる。従って、2f成分を正しく検出するためには、以下のいずれかの方法を採る必要がある。
2f成分を正しく検出するための第2の方法は、検波器を2系統分設け、直交検波を用いる方法である。
図12において、ガス濃度測定装置の受信側には、半導体レーザから出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード121、フォトダイオード121から出力される電流を電圧に変換するI−V変換回路122、I−V変換回路122から出力された電圧を増幅する増幅器123、増幅器123を介して出力された信号から変調周波数の2倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ124、変調周波数fmの2倍波周波数を持つ2f(sin)参照信号を発生する2倍波周波数信号発生部125a、2f(sin)参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ124の出力から2f同相成分Iを抽出する検波器126a、検波器126aの出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ127a、ローパスフィルタ127aから出力された電圧を増幅する増幅器128a、2f(sin)参照信号に対して90°だけ位相のずれた2f(cos)参照信号を発生する2倍波周波数信号発生部125b、2f(cos)参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ124の出力から2f直交成分Qを抽出する検波器126b、検波器126bの出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ127b、ローパスフィルタ127bから出力された電圧を増幅する増幅器128b、2f同相成分Iと2f直交成分Qとに基づいて2f成分検出信号を算出する演算回路129が設けられている。
そして、演算回路129において、2f同相成分Iと2f直交成分Qとに基づいて2f成分検出信号が算出され、外部に出力される。
I=1/2A1sinφ1 (4)
そして、(3)式および(4)式を用いることで、以下の(5)式が得られる。
I2+Q2=1/4A1 2(cos2φ1+sin2φ1)=1/4A1 2
A1=2√(I2+Q2) (5)
従って、(5)式の演算を演算回路129にて行わせることで、受光信号と参照信号との位相に関係なく、ガス濃度に対応した2f成分検出信号を得ることができる。
また、送信側の1f信号と、受信信号から2f成分を検出するための2f参照信号との間に一定の位相関係が要求されるので、送信側と受信側とで信号の受け渡しをする必要があり、信号線を引き回して2f参照信号の基準となる信号を受け渡すか、あるいは受信信号の1f成分からPLLなどの方法で2f参照信号を生成する必要があった。
一方、2f成分を正しく検出するために直交検波を用いる方法では、検波器以降の回路が2系統分だけ必要となり、回路規模が増大し、コストアップを招くという問題があった。
そこで、本発明の目的は、回路規模の増大を抑制しつつ、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。
また、請求項4記載のガス濃度測定装置によれば、前記ずらし周波数は、2倍波成分の時間的変化として検出される周波数の10倍以上であることを特徴とする。
また、請求項5記載のガス濃度測定装置によれば、前記ずらし周波数は、前記変調周波数の3分の1以下であることを特徴とする。
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17から出射されたレーザ光の発光波長を基本波で周波数変調する送信部基板14、レーザユニット17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16およびレーザ素子が搭載されたレーザユニット17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17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。
図2において、中心周波数fc、変調周波数fmで半導体レーザ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21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。
図3において、半導体レーザ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、半導体レーザの駆動電流を制御することにより、半導体レーザの発光波長を調整することができる。
図4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4において、半導体レーザ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、半導体レーザの温度を制御することにより、半導体レーザの発光波長を調整することができる。
図5において、ガス濃度測定装置の送信側には、半導体レーザ36が設けられ、半導体レーザ36には、半導体レーザ36の温度を検出するサーミスタ37および半導体レーザ36の温度を調整するペルチェ素子38が搭載されている。
また、サーミスタ37にて検出された温度に基づいてペルチェ素子38を駆動することにより、半導体レーザ36の温度を制御する温度制御部35、半導体レーザ36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31、半導体レーザ36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32、波長走査信号S1と高周波信号S2を合成する合成器33、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36を駆動する電流を制御する電流制御部34が設けられている。
図6において、NH3ガスでは、1512nm付近に吸収波長帯のピークがある。このため、波長走査駆動信号発生器31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36の駆動電流を変化させることで、NH3ガス中でレーザ光を吸収させ、NH3ガスの濃度を計測させることができる。また、温度制御部35は、ペルチェ素子38を駆動することにより、波長スキャン時の中心部分でNH3ガスの濃度が検出されるように半導体レーザ36の温度を事前に設定することができる。
図7において、ガス濃度測定装置の受信側には、図5の半導体レーザ36から出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード41、フォトダイオード41から出力される電流を電圧に変換するI−V変換回路42、I−V変換回路42から出力された電圧を増幅する増幅器43、増幅器43を介して出力された信号から変調周波数の2倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ44、変調周波数fmの2倍波周波数からずらし周波数Δfだけずらされた周波数(2f+Δf)を持つ(2f+Δf)参照信号を発生する2倍波ずらし周波数信号発生部45、(2f+Δf)参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ44の出力からΔf成分を生成する検波器46、検波器46の出力から1f以上の高域成分を減衰させるローパスフィルタ47、ローパスフィルタ47から出力された電圧を増幅する増幅器48、増幅器48の出力をピークホールドするピークホールド回路49およびピークホールド回路49の出力からΔf成分を抽出するローパスフィルタ50が設けられている。
そして、NH3ガスの濃度を測定する場合、図5の温度制御部35は、ペルチェ素子38を駆動することにより、波長走査信号S1の中心部分でNH3ガスの濃度が検出されるように半導体レーザ36の温度を事前に設定する。
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33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36の電流が制御されることにより、NH3ガスによる吸収を受けない波長λ1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。
次に、図5の波長走査駆動信号発生器31は、NH3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33に出力するとともに、高周波変調信号発生部32は10kHz程度の正弦波からなら高周波信号S2を合成器33に出力する。なお、NH3ガスの濃度を測定する場合、波長走査駆動信号発生器31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。
f(t)・sin((2ω0+Δω)t)
=A0sin(ω0t+φ0)・sin(2ω0+Δω)t)
+A1sin(2ω0t+φ1)・sin(2ω0+Δω)t)
+A2sin(3ω0t+φ2)・sin(2ω0+Δω)t)+・・・
=−1/2A0[cos{(ω0+2ω0+Δω)t+φ0}
−cos{(ω0−2ω0−Δω)t+φ0}]
−1/2A1[cos{(2ω0+2ω0+Δω)t+φ0}
−cos{(2ω0−2ω0−Δω)t+φ1}]
−1/2A2[cos{(3ω0+2ω0+Δω)t+φ0}
−cos{(3ω0−2ω0−Δω)t+φ2}]+・・・ (6)
I=1/2A1cos(−Δωt+φ1) (7)
一方、検波器46では、変調周波数fmの2倍波周波数からずらし周波数Δfだけ負方向にずらされた周波数(2f−Δf)を持つ(2f−Δf)参照信号が(1)式の受信信号に掛け合わせられる処理を行うようにしてもよく、1fの周波数をf0、ω0=2πf0、(2f−Δf)参照信号をsin((2ω0−Δω)t)とすると、検波器46にて生成された信号は、以下の(6)´式で表すことができる。
f(t)・sin((2ω0−Δω)t)
=A0sin(ω0t+φ0)・sin(2ω0−Δω)t)
+A1sin(2ω0t+φ1)・sin(2ω0−Δω)t)
+A2sin(3ω0t+φ2)・sin(2ω0−Δω)t)+・・・
=−1/2A0[cos{(ω0+2ω0−Δω)t+φ0}
−cos{(ω0−2ω0+Δω)t+φ0}]
−1/2A1[cos{(2ω0+2ω0−Δω)t+φ0}
−cos{(2ω0−2ω0+Δω)t+φ1}]
−1/2A2[cos{(3ω0+2ω0−Δω)t+φ0}
−cos{(3ω0−2ω0+Δω)t+φ2}]+・・・ (6)´
I=1/2A1cos(+Δωt+φ1) (7)´
ここで、Δωの符号およびφ1は、(1)式の受信信号の位相には影響があるが、周波数および振幅には影響がない。従って、フォトダイオード41にて受光された2f成分は、検波器46にてΔfの周波数の信号に変換される。そして、このΔfの周波数の信号を、ピークホールド回路49にてピークホールドし、ローパスフィルタ50にて高域成分を減衰させることで、Δf成分を抽出することができる。
図10において、ガス濃度測定装置の受信側には、図7のピークホールド回路49の代わりに全波整流器69が設けられている。
そして、増幅器48から出力された信号は全波整流器69にて全波整流され、その全波整流された値からΔf成分がローパスフィルタ50に抽出されることで、2f成分検出信号として出力される。
あるいは、ガス濃度測定装置の受信側には、図7のピークホールド回路49と図10の全波整流器69の双方を設け、全波整流を行ってからピークホールドを行うようにしてもよい。これにより、図7のピークホールド回路49のみを設けた場合に比べて、ピークホールドによる波形変動を減少させることができる。
また、ローパスフィルタ50の通過後の図9(e)の信号の周波数はΔfであり、図9(e)の信号にはDC成分が含まれない。このため、DC成分をカットできるようにローパスフィルタ50をAC結合してもよいし、カットオフ周波数がΔf以下のハイパスフィルタをローパスフィルタ50の後段に挿入するようにしてもよい。これにより、回路系のDCオフセットやDCオフセット変動の影響を受け難くすることができる。
また、送信側の変調のためのタイミングと受信側の参照波との間で一定の位相関係を保つ必要がなくなるため、送受信間でタイミング信号を受け渡したり、受光信号からPLLにて同期クロック信号を作成したりする必要がなくなり、装置構成を簡潔化することができる。
12a、12b フランジ
14 送信部基板
15a、15b ウェッジ窓
16 コリメートレンズ
17 レーザユニット
18、19 ハウジング
20 集光レンズ
21 光検出部
22 受信部基板
31 波長走査駆動信号発生器
32 高周波変調信号発生部
33 合成器
34 電流制御部
35 温度制御部
36 半導体レーザ
37 サーミスタ
38 ペルチェ素子
41 フォトダイオード
42 I/V変換回路
43、48 増幅器
44 バンドパスフィルタ
45 2倍波ずらし周波数信号発生部
46 検波器
47、50 ローパスフィルタ
49 ピークホールド回路
69 全波整流器
Claims (6)
- 周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、
前記光検出部にて検出された受光信号の変調周波数の2倍の周波数から所定のずらし周波数だけずらされた2倍波ずらし周波数参照信号を発生する2倍波ずらし周波数信号発生部と、
前記2倍波ずらし周波数信号発生部にて発生された2倍波ずらし周波数参照信号を前記受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の2倍波成分を周波数変換する周波数変換部と、
前記周波数変換部にて周波数変換された信号に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象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。 - 前記周波数変換部にて周波数変換された信号から前記変調周波数以上の成分を減衰させる第1のローパスフィルタと、
前記第1のローパスフィルタの出力をピークホールドするピークホールド回路と、
前記ピークホールド回路の出力から前記ずらし周波数成分を抽出する第2のローパスフィルタとを備えることを特徴とする請求項1記載のガス濃度測定装置。 - 前記周波数変換部にて周波数変換された信号から前記変調周波数以上の成分を減衰させる第1のローパスフィルタと、
前記第1のローパスフィルタの出力を全波整流する全波整流器と、
前記全波整流器の出力から前記ずらし周波数成分を抽出する第2のローパスフィルタとを備えることを特徴とする請求項1記載のガス濃度測定装置。 - 前記ずらし周波数は、2倍波成分の時間的変化として検出される周波数の10倍以上であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のガス濃度測定装置。
- 前記ずらし周波数は、前記変調周波数の3分の1以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載のガス濃度測定装置。
- 周波数変調されたレーザ光を測定対象ガス中に通過させるステップと、
前記測定対象ガス中に通過された前記レーザ光を検出するステップと、
前記検出された受光信号の変調周波数の2倍の周波数から所定のずらし周波数だけずらされた2倍波ずらし周波数参照信号を発生するステップと、
前記2倍波ずらし周波数参照信号を前記受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の2倍波成分を周波数変換するステップと、
前記周波数変換された信号に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象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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