JP2009216385A - ガス分析装置及びガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、雰囲気温度が変化しても半導体レーザから常に設定された一定の波長のレーザ光が発光されるように半導体レーザを制御し、吸収スペクトルに基づく排ガスの温度とその中に含まれるガス成分の濃度を安定して計測できるガス分析装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のガス分析装置は、計測対象ガス成分が吸収する波長を含む波長帯のレーザ光を発光するレーザ光発光部20と、レーザ光発光部20で発光されたレーザ光を排気ガス中に照射する照射部15と、排ガス中を透過したレーザ光を受光して電気信号に変換する受光部24と、前記受光部24からの電気信号に基づいて排ガスに吸収された吸収スペクトルを解析する解析装置19とを備えている。前記レーザ光は既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セル22を透過して用受光部24で受光されるように構成されており、前記解析装置19で得られた吸収スペクトルのピーク値が波長帯における所定の位置になるように半導体レーザ10の波長掃引制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排ガス等を分析するガス分析装置に係り、特に、ガス中に含まれるガス成分の濃度や温度等を正確かつリアルタイムに測定するガス分析装置に関するものである。

従来、自動車等の排ガス分析装置として、特開２００４−１１７２５９号公報（特許文献１）に記載された車載型ＨＣ測定装置がある。この車載型ＨＣ測定装置は、エンジンに連なる排気管を流れる排ガス中のＨＣ（炭化水素）濃度を連続的に測定するためのＮＤＩＲ（非分散型赤外分光法）型ガス分析計と、排気管を流れる排ガスの流量を連続的に測定する排ガス流量計と、ＮＤＩＲ型ガス分析計および排ガス流量計のそれぞれの出力を演算処理して、排ガス中のＴＨＣ（全炭化水素）量を連続的に算出する演算処理回路を車両内に搭載可能としている。

特開２００４−１１７２５９号公報

前記特許文献１に記載の排ガス分析装置は、実際の道路を走行中の車両において、その排ガス中のＴＨＣを簡易に測定できるものであるが、エンジンの排気経路から排ガスを分析部まで配管を通して移動させ、ガス成分の分析を行っているため、リアルタイムの分析が行えず、また、前述の設備等を小さく抑えるために、ＨＣなどの限られた成分しか分析することができない。エンジンの開発や、エンジンに付属する排ガス浄化装置等の機器の開発段階において、排ガス中の炭化水素以外の成分、例えば窒素酸化物や一酸化炭素等についても簡易に測定でき、しかも、排ガス等の温度やガス成分濃度等をリアルタイムで測定できるガス分析装置が望まれている。

そこで、本出願人は、排ガス中の例えば窒素酸化物や一酸化炭素等の多数のガス成分についても、簡易にリアルタイムで測定できる半導体レーザ吸収法によるガス分析装置を開発した。そのガス分析装置は、図８に示すように、半導体レーザ光を発光する半導体レーザ素子モジュール20、センサユニット８、解析装置19等で構成されている。

半導体レーザ素子モジュール20は、半導体レーザ10、波長掃引信号発生器16、素子温度制御器12等で構成されており、波長掃引信号発生器16からの信号が発振器で変調されて半導体レーザ10に電流が供給され、ガス成分を測定するための波長帯のレーザ光が半導体レーザから発光される。このとき、レーザ光の波長の設定は主に半導体レーザ10の温度を素子温度制御器12で制御し、吸収スペクトル検出の為のレーザ波長掃引は主に半導体レーザに供給する注入電流で制御している。

センサユニット８は、中央にガス通過口11が形成されており、ガス通過口11を挟んで反射鏡９が対向して配置されている。センサユニット８は排気管の排ガスがガス通過口11を流れるように車両の排気管に取り付けられる。

そして、半導体レーザ10から発光されたレーザ光は光ファイバ51により分波器21に導光され、分波器21によって測定用レーザ光と参照用レーザ光とに分波される。分波された一方の計測用レーザ光は光ファイバ52によりセンサユニット８の照射部15に導光され、照射部15からガス通過孔11内を流れている排ガス中に照射される。排ガス中に照射された計測用レーザ光は反射鏡９で反射されながら排ガス中を透過している間に特定の波長のレーザ光がガス成分によって吸収された後、計測光用受光器24で受光される。受光された計測用レーザ光は計測光用受光器24で電気信号61に変換され、その電気信号61は差分検出器25とＩ／Ｖ変換器26とに出力される。Ｉ／Ｖ変換器26に入力された電気信号61はＩ／Ｖ変換器26によってＩ／Ｖ変換された後、さらにＡ／Ｄ変換器27でデジタル信号に変換されて計測受光強度信号65として解析装置（コンピュータ）19に入力される。

他方の参照用レーザ光は光ファイバ53により参照光用受光器23に導光され参照光用受光器23で受光されて電気信号62に変換され、その電気信号62は差分検出器25に出力される。差分検出器25は、排ガス中を透過した計測用レーザ光の電気信号61と、排ガス中を透過していない参照用レーザ光の電気信号62との差を算出し、算出した差分信号64をＡ／Ｄ変換器27でデジタル信号に変換して解析装置（コンピュータ）19に出力する。

解析装置19は、差分検出器25から入力された差分信号64と測定用受光器26からの計測受光強度信号65とに基づいて、所定強度の計測用レーザ光が排ガス中を透過したときにおける吸収スペクトル（規格化された吸収スペクトル）を把握する。解析装置19は算出した吸収スペクトルを理論スペクトルと比較・解析し、排ガスの温度、圧力とともに排ガス中に含まれるガス成分の濃度を測定する。

図８で示す半導体レーザ吸収法におけるガス分析装置では、レーザ波長を計測対象ガス成分の吸収波長付近に設定するには主に素子温度制御器12により制御していた。

しかしながら、半導体レーザ10の温度を素子温度制御器12により制御していても雰囲気温度が大きく変化すると、半導体レーザ10温度が僅かに変化し、そのためレーザ波長が僅かに変化し、最終的には、得られる吸収スペクトルの位置がずれてしまう。例えば、雰囲気温度が低くなると、半導体レーザ10は波長の短いレーザ光を発光することになるので、図５（ａ）において、吸収スペクトルのピーク値の位置が破線で示すように右の方にずれることになる。
その結果、解析装置において吸収スペクトルと理論スペクトルとの比較・解析をする際に、そのずれにより正確な比較・解析が行われず位置ずれがない場合とくらべて解析誤差が生じていた。

上記解析誤差は、低濃度のガス成分の計測においてはその計測精度に大きく影響すると共に、吸収スペクトルの形状から求める排ガスの温度計測にも大きな影響を及ぼす。そのため排ガス中に含まれるガス成分の中にはこのガス分析装置で測定するのに適当でないものもある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、雰囲気温度が変化してもレーザから常に設定された一定の波長のレーザ光が発光されるようにレーザを制御し、排ガスの温度とその中に含まれるガス成分の濃度を吸収スペクトルに基づいて安定して測定できるガス分析装置を提供することを目的とする。

本発明のガス分析装置は、計測対象ガス成分が吸収する波長を含む波長帯のレーザ光を発光するレーザ光発光部と、ガス中を透過したレーザ光を受光して電気信号に変換する受光部と、前記受光部からの電気信号に基づいて計測対象ガス成分に吸収された吸収スペクトルを把握して解析する解析装置とを備え、前記ガス中を透過するレーザ光は既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セルを透過して受光部で受光されるように構成されており、前記解析装置で前記吸収スペクトルのピーク値が所定の位置になるようにレーザの波長掃引制御を行うことを特徴としている。

前記のように構成された本発明のガス分析装置は、ガス中を透過するレーザ光が既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セルを透過して受光部で受光されるように構成されているので、参照セルに封入されている既知濃度の計測対象ガス成分によってレーザ光が吸収されるため、計測対象のガス成分の濃度が低い場合でも、明確な吸収スペクトルを得ることができる。そのため、吸収スペクトルとノイズ等によって生じた波形と混同することがないので、ガス濃度等を誤りなく測定できるし、吸収スペクトルに基づいて行うレーザの波長制御を正確に行うことができる。

また、吸収スペクトルに基づいて行うレーザの波長制御により、レーザによるレーザ光の波長が設定したとおりの波長に固定されることになり、吸収スペクトルが位置ずれすることがなく、理論吸収スペクトルとの比較・解析に誤差が生じないので、低濃度の計測対象のガス成分でも正確に測定することができる。

さらに、本発明のガス分析装置は、レーザ光発光部が、波長帯の異なるレーザ光を発光する複数の半導体レーザで構成されており、各半導体レーザに対応して前記参照セルが設けられていて各半導体レーザの波長掃引制御を行うことを特徴としている。本発明のガス分析装置は、波長帯の異なるレーザ光を発光して、複数の計測対象ガス成分の濃度等を同時に計測することができ、しかも、各半導体レーザの波長が設定された波長になるように制御されているので、正確に測定することができる。

さらに、本発明のガス分析装置は、一つの参照セルに複数の基準ガスが封入されていることを特徴としている。本発明のガス分析装置は、一つの参照セルに複数の基準ガスが封入されているので、複数の計測対象ガス成分を計測する場合に、参照セルをガス分析装置にコンパクトに配置することができる。

また、本発明のガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法は、計測対象ガス成分が吸収する波長を含む波長帯のレーザ光をレーザで発光させ、該レーザ光をガス中を透過させて受光部で受光し、受光部で受光した光強度に基づいて計測対象ガス成分により吸収された吸収スペクトルを把握し、前記レーザは、そのレーザ光の波長帯の所定位置に前記吸収スペクトルのピーク値が位置するようにフィードバック制御されてレーザ光を波長掃引していることを特徴としている。

前記のように構成された本発明のレーザの波長掃引制御方法では、レーザは、そのレーザ光の波長帯の所定位置に前記吸収スペクトルのピーク値が位置するようにフィードバック制御されてレーザ光を波長掃引しているので、レーザによるレーザ光の波長が設定したとおりの波長に固定されることになり、吸収スペクトルが位置ずれすることがない。そのため、ガス分析装置における吸収スペクトルと理論吸収スペクトルとの比較・解析に誤差が生じないので、ガス分析装置によって低濃度の計測対象のガス成分でも正確に測定することができる。

さらに、本発明のガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法は、ガス中を透過するレーザ光が既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セルを透過して受光部で受光されることを特徴としている。参照セルに封入されている既知濃度の計測対象ガス成分によってレーザ光が吸収されるため、計測対象のガス成分の濃度が低い場合でも、明確な吸収スペクトルが得ることができる。そのため、吸収スペクトルとノイズ等によって生じた波形と混同することがないので、ガス濃度等を誤りなく測定できるし、吸収スペクトルに基づいて行うレーザの波長制御を正確に行うことができる。

さらに、本発明は、レーザに注入する注入電流を制御することにより半導体レーザの波長掃引制御を行っていることを特徴としており、レーザは注入電流を変化させることにより微妙な波長の調節が可能なので、本発明は、正確なレーザ光の波長制御を行うことができる。

さらに、本発明は、レーザの温度を制御することによりレーザの波長掃引制御を行っていることを特徴としており、レーザはその温度が変化すると電流を変化させるより大きく波長が変わるので、本発明は大きく波長を変化させる場合でもレーザ光の波長制御を行うことができる。

さらに、本発明は、吸収スペクトルのピーク値の位置を、吸収スペクトルを奇数微分した奇数微分吸収スペクトルがその中心横軸と交差する点により判別することを特徴としている。そのため、本発明は、吸収スペクトルのピーク位置を正確に特定できるので、吸収スペクトルのピーク位置に基づくレーザの波長制御を正確に行える。

本発明は、ガス中を透過するレーザ光は既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セルを透過して受光部で受光されるように構成されており、計測対象のガス成分の濃度が低い場合でも、明確な吸収スペクトルが得られるので、計測対象ガス成分の吸収スペクトルをノイズ等によって生じた波形と混同することがない。また、解析装置で得られた吸収スペクトルのピーク値が所定の位置になるようにレーザの波長掃引制御を行っているので、レーザ光の波長が一定となり、吸収スペクトルの位置がずれないので、ガス成分の濃度等の測定を安定して行うことができる。

図１は本発明の第１の実施形態に係るガス分析装置を示すブロック構成図である。ここでは、自動車の排気管にセンサユニット８を設置してエンジンから排出される排ガス中に含まれている一酸化窒素（ＮＯ）の濃度等を測定する場合について説明する。

20Aは半導体レーザ素子モジュールであり、レーザ光を発光する半導体レーザ10A、素子温度制御器12A、注入電流制御器13A等で構成されており、レーザ光発光部である半導体レーザ10Aは、一酸化窒素によって吸収される波長（１７９６ｎｍ）を含む波長帯のレーザ光が発光されるように素子温度制御器12Aと注入電流制御器13Aにより制御されている。

半導体レーザ10Aは温度の変化によってその発振する波長が変化する。素子温度制御器12Aは、半導体レーザ10Aの温度を制御するものであり、半導体レーザ10Aの温度を検出する温度検出手段と、半導体レーザ10Aを加熱・冷却する加熱及び冷却手段とを有している。加熱手段としてはヒータが、冷却手段としては冷却ファンがある。素子温度制御器12Aにおける加熱及び冷却手段としては、ヒータ、冷却ファンに限られず、電流を流すことにより発熱し、電流の流す方向を逆にすることにより吸熱するペルチェ素子を用いることもできる。

また、半導体レーザ10Aは注入する注入電流の変化によってもその発振する波長が変化する。波長掃引信号制御器30は、計測対象ガス成分である一酸化窒素が吸収するレーザ光の波長付近で波長掃引させるための波長掃引信号67を外部制御加算型注入電流制御器31に送るものであり、また、波長掃引信号制御器30は波長掃引信号を送るときに波長掃引トリガー信号68をＡ／Ｄ変換器27に送信する。この波長掃引トリガー信号68はＡ／Ｄ変換されて解析装置19に入力される。

外部制御加算型注入電流制御器31は、半導体レーザ10Aに注入される注入電流を制御するものであり、波長掃引信号制御器30からの波長掃引信号67と解析装置19からのレーザ波長補正信号69，70とに基づいて注入電流制御器13Aを制御して半導体レーザ10Aに供給される注入電流を制御する。

半導体レーザ素子モジュール20Aは、素子温度制御器12Aと外部制御加算型注入電流制御器31とにより制御され、計測対象のガス成分が吸収する波長を含むレーザ光を半導体レーザ10Aから発光している。

そして、半導体レーザ10Aから発光されたレーザ光は光ファイバー51により分波器21に導光され、分波器21により測定用レーザ光と参照用レーザ光とに分波される。分波された一方の計測用レーザ光は光ファイバー52により参照セル22Aに導光され、参照セル22A内を透過した後、センサユニット８の照射部15に導光され、照射部15からガス通過孔11内を流れている排ガス中に照射される。

参照セル22内には、所定の濃度の計測対象ガス成分が封入されており、レーザ光が入射される側とレーザ光が出て行く側にはコリーメートレンズ33が設けられており、光ファイバー52で導光されたレーザ光を集光して参照セル22内の基準ガス内に照射し、基準ガス内を透過したレーザ光を集光して光ファイバー54に導光するように構成されている。参照セル22Aに封入されている計測対象ガス成分の濃度は排ガス中の計測対象ガス成分の濃度より高くするのが好ましい。

排ガス中に照射された計測用レーザ光は排ガス中を透過している間に特定の波長のレーザ光がガス成分によって吸収された後、受光部である計測光用受光器24で受光される。計測用レーザ光は、濃度の高い計測対象ガス成分が封入されている参照セル22A中を透過しているので、計測用レーザ光は、計測光用受光器24で受光されるときには特定の波長のレーザ光が大きく吸収されている。

受光された計測用レーザ光は計測光用受光器24で電気信号61に変換され、その電気信号61は差分検出器25とＩ／Ｖ変換器26とに出力される。Ｉ／Ｖ変換器26に入力された電気信号61はＩ／Ｖ変換器26によってＩ／Ｖ変換された後、さらにＡ／Ｄ変換器27でデジタル信号に変換されて計測受光強度信号65として解析装置（コンピュータ）19に入力される。

他方の参照用レーザ光は光ファイバー53により受光部である参照光用受光器23に導光され、参照光用受光器23で受光されて電気信号62に変換され、その電気信号62は差分検出器25に出力される。

差分検出器25は、排ガス中を透過した計測用レーザ光の電気信号61と、排ガス中を透過していない参照用レーザ光の電気信号62との差を算出し、算出した差分信号64をＡ／Ｄ変換器27でデジタル信号に変換して解析装置（コンピュータ）19に出力する。

解析装置19は、差分検出器25からＡ／Ｄ変換器27を介して入力された差分信号64と計測光用受光器24からの計測受光強度信号65とに基づいて排ガス中で吸収されたレーザ光の規格化された吸収スペクトルを把握する。このとき、計測用レーザ光は参照セル22Aに封入されている濃度の高い計測対象ガス成分によって特定の波長のレーザ光が多く吸収されているので、解析装置19は、排ガス中の濃度の低い計測対象ガス成分であっても吸収スペクトルを明確な形状として把握することができる。そして、解析装置19は、吸収スペクトルを理論スペクトルと比較・解析し、その後参照セル中の濃度を減算して排ガスの温度、圧力とともに排ガス中に含まれるガス成分の濃度を測定する。

次に、この実施形態における半導体レーザ素子モジュール20Aにおけるレーザ光の波長制御について説明する。

上記で説明したように、解析装置19は、差分検出器25からの差分信号64と計測光用受光器24からの計測受光強度信号65とに基づいて排ガス中で計測対象ガス成分によって吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを図５（ａ）に示すように明確な形状として把握できる。

そして、解析装置19は、この把握した吸収スペクトルを奇数微分（例えば、一次微分、又は、三次微分）し奇数微分吸収スペクトルを算出する（図５（ｂ）（ｃ））。そして、この奇数微分吸収スペクトルが、奇数微分吸収スペクトルの縦幅における中心線である中心横軸ｘ−ｘと交わる点が、吸収スペクトルのピーク値の位置になる。

また、解析装置19は、波長掃引信号制御器30が波長掃引信号67を送るときに送信した波長掃引トリガー信号68により、設定した波長の波長掃引がなされたときに吸収スペクトルのピーク値が表示されるべき位置（図５において、設定されている波長帯λ１〜λ２のレーザ光が発光されていれば、吸収スペクトルのピーク値はＰの位置になる。）を特定し、その位置（Ｐ点）における奇数微分吸収スペクトルの中心横軸ｘ−ｘに対する値を求める。

解析装置19は、この求めた値が０（ゼロ）になるように半導体レーザ10Aに注入する注入電流が制御されるようにレーザ波長補正信号69を出力する。例えば、図５（ｂ）（ｃ）において、Ｐ点における値がプラスであれば、半導体レーザ10Aで掃引されている波長は適正な波長よりも短い波長が掃引されているので、長い波長が掃引されるように半導体レーザ10への注入電流が多くなるようなレーザ波長補正信号69を出力し、また、Ｐ点における値がマイナスであれば、短い波長が掃引されるように半導体レーザ10Aへの注入電流が少なくなるようなレーザ波長補正信号69を出力する。レーザ波長補正信号69はＤ／Ａ変換器29でＤ／Ａ変換されて外部制御加算型注入電流制御器31に入力される。

外部制御加算型注入電流制御器31は、波長掃引信号67と解析装置19から信号がＤ／Ａ変換されたレーザ波長補正信号70を加算し、半導体レーザ素子モジュール20Aの注入電流制御器13Aに送り、半導体レーザ10Aへの注入電流を制御する。

この実施形態では、解析装置19で把握した吸収スペクトルに基づいて半導体レーザ10Aへの注入電流をフィードバック制御しているので、半導体レーザ10Aは一定の波長が掃引されレーザ光の波長が安定化される。そのため、吸収スペクトルが位置ずれしないので、吸収スペクトルと理論吸収スペクトルとの比較・分析が正確に行われることになり、排ガスの温度、圧力とともに排ガス中に含まれるガス成分の濃度を安定して測定することができる。

上記実施形態では、本発明のガス分析装置は、自動車の排気管にセンサユニット８を設置してエンジンから排出される排ガスのガス成分を測定しているが、自動車の排気管に限らず管等の中を流れているガスであればその管等にセンサユニット８を設置することによりそこを流れているガス成分の濃度等を測定することができる。

図２は、本発明の第２の実施態様に係るガス分析装置を示すブロック構成図であり、上記図１に示すガス分析装置が安定してガス成分等を計測できるかを実証するために、一定濃度である大気中の酸素（Ｏ_２）濃度を測定するようにしたものである。図２に示すガス分析装置では、酸素が最も吸収するレーザ光の波長が７６０ｎｍであるから、半導体レーザ素子モジュール20Bは、７６０ｎｍを含む波長帯の波長を掃引できるものであり、また、参照セル22B中には大気が封入されている。これは大気中には酸素が多く含まれているからであり、所定の濃度（例えば、１０％）の酸素を封入してもよい。34は、大気中の酸素濃度を計測する計測部であり、周壁が大気と連通されている筒体の一方には照射されるレーザ光を集光させるためのコリーメートレンズ35が配置されており、また、他方には透過したレーザ光を集光させて光ファイバーに送るためのコリーメートレンズ36が配置されている。他の構成は図１に示すものと同じである。

図２のガス分析装置によって大気中にある酸素の濃度を測定した。また、図２のガス分析装置と比較するために、吸収スペクトルに基づいて半導体レーザの注入電流をフィードバック制御していない、図８に示すガス分析装置によっても図２における計測部34と同じ構成によって大気中の酸素濃度を計測した。

図２のガス分析装置と図８のガス分析装置との実測結果は図６に示すとおりである。図２に示す本発明のガス分析装置では、吸収スペクトルに基づいて半導体レーザ10Bに注入する注入電流をフィードバック制御しているから、半導体レーザ10を素子温度制御器12のみによって制御している図８のものと比べ安定してガス成分の濃度を測定できることが分かる。

図３は本発明の第３の実施形態に係るガス分析装置を示すブロック構成図である。
20Cは半導体レーザ素子モジュールであり、レーザ光を発光する半導体レーザ10C、注入電流制御器13C等で構成されており、レーザ光発光部である半導体レーザ10Cから、計測対象のガス成分によって吸収される波長を含む波長帯のレーザ光が発光されるように素子温度制御器14と注入電流制御器13Cにより制御されている。

半導体レーザ10Cは温度の変化によってその発振するレーザ光の波長が変化する。素子温度制御器14は、半導体レーザ10Cの温度を制御するものであり、半導体レーザ10Cの温度を検出する温度検出手段と、半導体レーザ10Cを加熱・冷却する加熱及び冷却手段とを有している。加熱手段としてはヒータが、冷却手段としては冷却ファンがある。素子温度制御器14における加熱及び冷却手段としては、ヒータ、冷却ファンに限られず、電流を流すことにより発熱し、電流の流す方向を逆にすることにより吸熱するペルチェ素子を用いることもできる。素子温度制御器14は外部制御加算型素子温度制御器32からの温度制御信号71によっても半導体レーザ10Cの温度を制御している。

波長掃引信号制御器30は、計測対象ガス成分が吸収するレーザ光の波長付近で波長掃引させるための波長掃引信号67を半導体レーザ素子モジュール20Cに供給するとともに、また、波長掃引信号制御器30は波長掃引信号67を送るときに波長掃引トリガー信号68をＡ／Ｄ変換器27を介して解析装置19に出力する。

そして、このガス分析装置も、分波器21で分波された計測用レーザ光は、高濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セル22Cを透過しているので、第１の実施形態と同様に、解析装置19は、差分検出器25からの差分信号64と測定光用受光器24からの計測受光強度信号65とに基づいて排ガス中で計測対象ガス成分によって吸収されたレーザ光の規格化された吸収スペクトルを図５（ａ）に示すように明確な形状として把握できる。

そして、解析装置19は、この把握した吸収スペクトルを奇数微分（例えば、一次微分、又は、三次微分）し奇数微分吸収スペクトルを算出するとともに、波長掃引信号制御器30からＡ／Ｄ変換器27を介して入力された波長掃引トリガー信号68により所定の位置（図５（ｂ）（ｃ）でのＰの位置）における奇数微分吸収スペクトルの中心横軸ｘ−ｘに対する値を求め、この求めた値が０（ゼロ）になるように半導体レーザ10cの温度が制御されるように半導体レーザ温度補正信号71を出力する。例えば、図５（ａ）において、Ｐ点における値がプラスであれば、半導体レーザ10で掃引されている波長は適正な波長よりも短い波長が掃引されているので、長い波長が掃引されるように半導体レーザ10Cの温度が高くなるような半導体レーザ温度補正信号71を出力し、また、Ｐ点における値がマイナスであれば、短い波長が掃引されるように半導体レーザ10Cの温度を低くするような半導体レーザ温度補正信号71を出力する。

半導体レーザ温度補正信号71はＤ／Ａ変換器29でＤ／Ａ変換されて外部制御加算型素子温度制御器32に入力される。外部制御加算型素子温度制御器32は、Ｄ／Ａ変換された半導体レーザ温度補正信号73を素子温度制御器14に送り、素子温度制御器14の加熱・冷却手段で半導体レーザ10cを加熱・冷却する。

この実施形態では、解析装置19で把握した吸収スペクトルに基づいて半導体レーザ10Cの温度をフィードバック制御することにより、半導体レーザ10Cの温度が正確に制御されるので、半導体レーザ10Cは一定の波長のレーザ光が掃引されレーザ波長が安定化されるため、排ガスの温度、圧力とともに排ガス中に含まれるガス成分の濃度を安定して測定することができる。

この実施形態のガス分析装置も、図２のように変更し、大気中の酸素（Ｏ_２）濃度を測定し、安定したガス成分濃度の測定ができることを確認できた。

図４は本発明の第４の実施形態に係るガス分析装置を示すブロック構成図であり、エンジンから排気される排ガス中に含まれる多成分（Ｈ_２Ｏ、ＮＨ_３、ＣＯ、ＣＯ_２、ＣＨ_４、ＮＯ、Ｎ_２Ｏ、Ｏ_２、Ｈ_２Ｓ）を同時に計測するためのものである。半導体レーザ素子モジュールは幅の広い波長帯のレーザ光を掃引することができないので、複数の波長のレーザ光を発光させるために計測対象ガス成分が吸収する波長帯に応じてそれぞれ別々の半導体レーザ素子モジュール20a、20b・・・20jが設けられている。

半導体レーザ素子モジュール制御装置40には、ファンクションジェネレータ等の信号発生器を備え、信号発生器で複数の周波数の信号を発生して半導体レーザ素子モジュール20a、20b・・・20jから異なる波長帯のレーザ光を発光させるとともに、トリガー信号68をＡ／Ｄ変換器27を介して解析装置19に送る。

半導体レーザ素子モジュール20aは、水蒸気を検出するためのものであり、１３５０ｎｍを含む波長帯のレーザ光を発光し、半導体レーザ素子モジュール20bは、アンモニアを検出するためのものであり、１５３０ｎｍを含む波長帯のレーザ光を発光し、半導体レーザ素子モジュール20jは、メタンガスを検出するためのものであり、１６８０ｎｍを含む波長帯のレーザ光を発光する。

半導体レーザ素子モジュール20a、20b・・・20jでそれぞれ発光されたレーザ光はそれぞれ光ファイバ51A、51B・・・51Jで分波器21A、21B・・・21Jに導光され、そこで計測用レーザ光と参照用レーザ光に分波される。分波器21A、21B・・・21Jで分波された計測用レーザ光は計測用合波器37で合波され、光ファイバ52で参照セル22aに導光される。

参照セル22a、22b・・・22jには、それぞれ計測対象のガス成分が封入されており、例えば、参照セル22aには計測対象ガス成分である既知濃度の水蒸気が、参照セル22bには既知濃度のアンモニアガスが、参照セル22jには既知濃度のメタンガスが、それぞれ封入されている。参照セルには、１つの参照セルに１つの計測対象ガス成分を封入するものに限定されず、１つの参照セルに複数の計測対象ガス成分を封入してもよい。１つの参照セルに複数の計測対象ガス成分を封入すれば参照セルの数が減り、参照セルの設置をコンパクトにできる。

計測用レーザ光はこれらの参照セル22a、22b・・・22jを透過した後に、自動車の排気管に設置されているセンサユニット８において照射部15から排ガスが流れている排ガス中に照射される。排ガス中に照射されたレーザ光は排ガス中の水、アンモニア、メタンガス等によって特定の波長のレーザ光が吸収され、計測光用受光器24で受光されて電気信号であるに計測光強度信号61に変換される。

分波器21A、21B・・・21Jで分波された参照用レーザ光は光ファイバ57A、57B・・・57Jで参照光用合波器38で合波され、参照光用受光器23で受光され、電気信号に変換されて参照光強度信号62として差分検出器25に出力される。

差分検出器25は計測光強度信号61と参照光強度信号62とから差分信号64を算出し、Ａ／Ｄ変換器27でＡ／Ｄ変換して解析装置19に出力する。

解析装置19は、差分検出器25から入力された差分信号64と計測光用受光器24からの計測受光強度信号61とに基づいて排ガス中に含まれる水蒸気、アンモニアガス、メタンガス等によって吸収された吸収スペクトルを把握する。

解析装置19は、吸収スペクトルを奇数微分するとともに、設定した波長の波長掃引がなされたときに水、アンモニア、メタンガス等のそれぞれ吸収スペクトルのピーク値が表示されるべき位置を信号発生器からのトリガー信号に基づいて特定し、その位置における奇数微分吸収スペクトルのその中心横軸ｘ−ｘに対する値を求める。解析装置19は、この求めた値が０（ゼロ）になるようにそれぞれの半導体レーザ素子モジュール20a、20b・・・20jに注入する注入電流が制御されるようにレーザ波長補正信号69を出力する。レーザ波長補正信号69は、Ｄ／Ａ変換器でＤ／Ａ変換されて半導体レーザ素子モジュール制御装置40に入力され、半導体レーザ素子モジュール制御装置40から各半導体レーザ素子モジュール20a、20b・・・20jに送られて各半導体レーザに注入する注入電流をフィードバック制御する。そのため、各半導体レーザ素子モジュール20a、20b・・・20jから発光されるレーザ光は波長が一定の安定したものとなるので、複数のガス成分の濃度等を安定して測定できる。

このガス分析装置により車両の排気管を流れている排ガスに含まれる水蒸気と炭酸ガスの濃度を計測した。その結果は図７に示すとおりであり、複数のガス成分を安定してリアルタイムに測定できた。

本発明の第１の実施形態に係るガス分析装置を示すブロック構成図。 本発明の第２の実施形態に係るガス分析装置を示すブロック構成図。 本発明の第３の実施形態に係るガス分析装置を示すブロック構成図。 本発明の第４の実施形態に係るガス分析装置を示すブロック構成図。 本発明に係るガス分析装置において、半導体レーザの波長の制御を説明するためのグラフ。 ガス分析装置により大気中の酸素濃度の測定結果を示すグラフであり、（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るガス分析装置によって大気中の酸素濃度を測定したグラフであり、（ｂ）は図８に示すガス分析装置によって測定したグラフ。 本発明の第４の実施形態に係るガス分析装置による計測結果を示すグラフ。 本出願人が開発したガス分析装置を示すブロック構成図。

符号の説明

10、10A、10B 半導体レーザ、12、12A 素子温度制御器、13A、13C 注入電流制御器、14 素子温度制御器、19 解析装置、20、20A、20B、20C 半導体レーザ素子モジュール、21 分波器、22、22A、22B、22C 参照セル、22 外部制御加算型注入制御器、23 参照光用受光器、24 計測光用受光器、25 差分検出器、30 波長掃引信号制御器、31 外部制御加算型注入電流制御器、32 外部制御加算型素子温度制御器、33、34、35、36 コリーメートレンズ、37 計測用合波器、38 参照光用合波器

Claims (11)

1. 計測対象ガス成分が吸収する波長を含む波長帯のレーザ光を発光するレーザ光発光部と、ガス中を透過したレーザ光を受光して電気信号に変換する受光部と、前記受光部からの電気信号に基づいて計測対象ガス成分に吸収された吸収スペクトルを把握して解析する解析装置とを備えているガス分析装置であって、
   前記ガス中を透過するレーザ光は既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セルを透過して受光部で受光されるように構成されており、前記解析装置で前記吸収スペクトルのピーク値が所定の位置になるようにレーザの波長掃引制御を行うことを特徴とするガス分析装置。
2. 前記レーザの波長掃引制御はレーザに注入する注入電流を制御することにより行うことを特徴とする請求項１記載のガス分析装置。
3. 前記レーザの波長掃引制御はレーザの温度を制御することにより行うことを特徴とする請求項１記載のガス分析装置。
4. 前記吸収スペクトルのピーク値の位置は、吸収スペクトルを奇数微分した奇数微分吸収スペクトルがその中心横軸と交差する点により判別することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のガス分析装置。
5. 前記レーザ光発光部は、波長帯の異なるレーザ光を発光する複数の半導体レーザで構成されており、各半導体レーザに対応して前記参照セルが設けられていて各半導体レーザの波長掃引制御を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のガス分析装置。
6. 前記レーザ光発光部は、波長帯の異なるレーザ光を発光する複数の半導体レーザで構成されており、前記参照セルは、一つの参照セルに複数の計測対象ガス成分が封入されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のガス分析装置。
7. 計測対象ガス成分が吸収する波長を含む波長帯のレーザ光をレーザで発光させ、該レーザ光をガス中を透過させて受光部で受光し、受光部で受光した光強度に基づいて計測対象ガス成分により吸収された吸収スペクトルを把握し、該吸収スペクトルを分析するガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法であって、
   前記レーザは、そのレーザ光の波長帯の所定位置に前記吸収スペクトルのピーク値が位置するようにフィードバック制御されてレーザ光を波長掃引していることを特徴とするガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法。
8. 前記ガス中を透過するレーザ光は既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セルを透過して受光部で受光されることを特徴とする請求項７記載のガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法。
9. 前記レーザは、レーザに注入する注入電流を制御することにより制御されていることを特徴とする請求項７又は８記載のガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法。
10. 前記レーザは、レーザの温度を制御することにより制御されていることを特徴とする請求項７又は８記載のガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法。
11. 前記吸収スペクトルのピーク値の位置は、吸収スペクトルを奇数微分した奇数微分吸収スペクトルがその中心横軸と交差する点により判別することを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載のガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法。

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