JP2009222527A - ガス濃度計測方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラー、ごみ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に発生するガス、あるいは該密閉容器から外部に排出されるガス等のガス濃度を、レーザ光を用いての測定であって、複数種のガス濃度を、効率よく簡単なシステムで計測可能とするガス濃度計測方法および計測装置を提供することを課題とする。
【解決手段】測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測方法において、１個のレーザダイオードの駆動電流による波長掃引範囲内で、隣接するガス吸収波長の間を、前記駆動電流を交互に切り換えて、１個のレーザダイオードから２種のガスに対応するレーザ光を時分割して生成し、該生成されたそれぞれのレーザ光を同一のレーザビームによって照射し、照射されたレーザ光を受光して得られる受光信号から２種のガス濃度を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラー、ごみ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に生じるガスや、あるいは該密閉容器から外部に排出されるガス、あるいは排出されたガスが滞留する可能性の高い場所におけるガス等のガス濃度を計測する計測方法および計測装置に関する。

従来から、ボイラー、ごみ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に発生するガスの濃度を測定するための手法として、レーザ光を用いる技術が開発されている。このレーザ光を用いるガス濃度測定技術は、ガス種別毎に特有波長を吸収する性質を持つことを利用し、ガス雰囲気中に特定波長のレーザ光を照射して、ガス雰囲気を通過したレーザ光のスペクトルを分析することで、特定ガス種別の濃度を把握するものであり、吸収分光法といわれている。

その例として、特許文献１（特開平１０−１４２１４８号公報）が知られており、該特許文献１には、背景光（バックグラウンドノイズ）がある条件下でも、特定種別のガス濃度を正確に測定することができるように、レーザ光を周波数変調して計測する主計測光と、別のセンサで計測する背景光とを用いて、主計測光と背景光との差分を演算することでバックグラウンドノイズを低減する手法が示されている。

また、特許文献２（特許３３４２４４６号公報）においては、前記特許文献１と同様に主計測光と、別のセンサで計測する背景光とを用いて、主計測光と背景光との差分を演算することで（差分回路方式）、バックグラウンドノイズを低減する手法が示されており、さらには、レーザ光の変調を単一の周波数でなく２つの異なる周波数で変調（二重変調）することによって、単一周波数による変調では計測用レーザの多重反射（フリンジ）に起因する計測値のドリフトが発生しやすいが、その計測値のドリフトを抑制する技術が示されている。

該特許文献２に示されるガス濃度計測装置の概要を、図１０を参照して説明する。
レーザ光を発振するための半導体レーザダイオード（ＬＤ）０１からなる光源は、ＬＤドライバ０２の制御回路に接続され、ＬＤの温度と電流が制御されるようになっている。発振されたレーザ光は、ハーフミラー０３で反射されて一方の光学窓から他方の光学窓に向けてレーザ光Ｌが計測領域に入射される。計測領域を通過したレーザ光は、他方の光学窓の近傍に配置された受光手段としての２つのフォトダイオード（ＰＤ２、ＰＤ３）０４、０５によって受光されるようになっている。

一方のフォトダイオード０４は光軸上に配置されて計測領域を通過したレーザ光Ｌを受光するようになっていて、他方のフォトダイオード０５は、レーザ光軸から外れたところに配置され、計測領域の火炎から発せられる光を背景光として受光するようになっている。この二つのフォトダイオード０４、０５からの受光信号は、測定ユニット０６を経由してＡＤ変換器０７に入力されて、そこからコンピュータ０８に送られる。

特開平１０−１４２１４８号公報 特許３３４２４４６号公報

しかし、前記特許文献１、２に示される技術は、何れも１種類のガス濃度を測定するための技術であり、１個のレーザダイオードから発光される１本の照射レーザ光Ｌについて示されている。
特に、特許文献２においては２つのサイン波発生器０９、０１０で変調することが示されているが、これはレーザの多重反射（フリンジ）に起因する計測値のドリフトを防止するためのものであり多種類のガス濃度の測定を１本の照射レーザ光Ｌで可能とする技術ではない。
従って、複数種類のガス濃度を計測しようとするには複数本の照射レーザ光を設ける等のシステムにしなければならず、計測効率の悪化と計測装置の複雑化と装置コストの増加を招くおそれがあり、１本の照射レーザ光を用い、１個または複数個のレーザダイオードからのレーザ光によって複数種類のガス濃度を効率よく測定する技術が必要である。

そこで、本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、ボイラー、ごみ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に発生するガス、あるいは該密閉容器から外部に排出されるガス等のガス濃度を、レーザ光を用いての測定であって、複数種のガス濃度を、効率よく簡単なシステムで計測可能とするガス濃度計測方法および計測装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本第１発明は、測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測方法において、１個のレーザダイオードの駆動電流による波長掃引範囲内で、隣接するガス吸収波長の間を、前記駆動電流を交互に切り換えて、１個のレーザダイオードから２種のガスに対応するレーザ光を時分割して生成し、該生成されたそれぞれのレーザ光を同一のレーザビームによって照射し、照射されたレーザ光を受光して得られる受光信号から２種のガス濃度を求めることを特徴とする。

かかる発明によれば、１個のレーザダイオードの駆動電流による波長掃引範囲内で、隣接するガス吸収波長の間を、前記駆動電流を交互に切り換えて、１個のレーザダイオードから２種のガスに対応するレーザ光を時間分割して照射するようにしたため、１個のレーザダイオードで２種のガス濃度を測定可能となり、システムの簡素化が図れ、ガス計測装置のコスト低減となる。

また、好ましくは、前記駆動電流の一方側は標準ガスが封入された参照セルに照射して求められる基準波長に基づく基準電流値に設定され、他方側は前記基準電流値に一定値を加算して求められるとよい、また、前記駆動電流の一方側および他方側のそれぞれが、標準ガスが封入された参照セルに照射して求められる基準波長に基づく基準電流値に設定されるとよい。

かかる構成によれば、交互に切換えられる電流値の一方側、または両方とも参照セルに照射して求められる基準波長に基づく基準電流値に設定されるので、正確な基準電流値が設定される。

また、本第２発明は、測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測方法において、複数個のレーザダイオードの発振波長を複数種のガスに対応する吸収波長に設定し、各レーザダイオードからの発振光を時分割して生成し、該生成された発振光を同一のレーザビームによって照射し、照射されたレーザ光を受光して得られる受光信号から複数種のガス濃度を求めることを特徴とする。

そして、前記時分割の発振光は、各レーザダイオードを駆動する駆動電流を時分割制御することで生成しても、各レーザダイオードから連続発振されているレーザ光を時分割して生成してもよい。

かかる発明によれば、時分割して交互にそれぞれのレーザ光が受光手段に照射されてくるため、それぞれのガスに対応する信号の取出しが容易であり、複数種のガス濃度を簡単確実に算出可能になる。
また、連続発振されているレーザ光を時分割して生成する場合には、発光状態が安定し、精度の高い計測が維持される。

次に、第３発明は、測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測方法において、複数個のレーザダイオードの発振波長を複数種のガスに対応する吸収波長に設定し、各レーザダイオードを連続発振するように駆動電流を印加し、各レーザダイオードからの発振光を合波して同一のレーザビームで照射し、照射されたレーザ光を受光して得られる受光信号を、各ガスの変調周波数を基にそれぞれのガスに対する信号を取出して、複数種のガス濃度を求めることを特徴とする。

かかる第３発明によれば、各ガスの変調周波数を全て異ならせて、受光後に夫々のガスを変調周波数に基づいて電気的に分離して取出すため、変調周波数の設定によって、電気的に確実にそれぞれのガスを分離して計測できる。
また、レーザダイオード自体は発光の停止、始動を繰り返さず連続発光状態のため、発光が安定しおり、精度の高い計測が維持される。

次に、第４発明は、測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測方法において、複数個のレーザダイオードの発振波長を複数種のガスに対応する吸収波長に設定し、各レーザダイオードを連続発振するように駆動電流を印加し、各レーザダイオードからの発振光を合波して同一のレーザビームで照射し、照射されたレーザ光を受光して得られる受光信号を、受光ダイオードで受光する前に光フィルタまたは偏向面によってそれぞれのガスに対する信号に分離して、複数種のガス濃度を求めることを特徴とする。

かかる第４発明によれば、レーザ光の受光手段側でしかも、受光手段に入力される前に光フィルタまたは偏向面によってそれぞれのガスに対する信号に分離するため、複雑な電気回路を要せず装置が簡単化される。

また、第５発明は、第１発明の方法を実施するための装置発明であり、測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測装置において、１個の前記レーザダイオードと、該レーザダイオードに駆動電流を供給する電流駆動回路と、前記レーザダイオードの波長掃引範囲内で、隣接するガス吸収波長の間を、前記駆動電流を交互に切り換えて前記電流駆動回路に供給する波長切換手段と、交互に生成されたレーザ光を同一のレーザビームによって照射し、照射されたレーザ光を受光する受光手段と、該受光手段によって受光された受光信号から復調手段によって目的とする信号を取出す復調処理手段とを有し、前記波長切換手段によって切り換えられるそれぞれのガス濃度を求めることを特徴とする。

かかる第５発明によれば、第１発明と同様に１個のレーザダイオードの駆動電流による波長掃引範囲内で、隣接するガス吸収波長の間を、前記駆動電流を交互に切り換えて、１個のレーザダイオードから２種のガスに対応するレーザ光を時間分割して照射するようにしたため、１個のレーザダイオードで２種のガス濃度を測定可能となり、システムの簡素化が図れ、ガス計測装置のコスト低減となる。

また、第６発明は、第２発明の方法を実施するための装置発明であり、測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測装置において、複数個の前記レーザダイオードと、発振波長が複数種のガスに対応する吸収波長に設定された各レーザダイオードからの発振光を時分割して生成する時分割手段と、該時分割して生成された複数種のガスに対応するレーザ光を同一のレーザビームによって照射し、照射されたレーザ光を受光する受光手段と、該受光手段によって受光された受光信号から前記時分割手段によって分割されたそれぞれのガス濃度を求めることを特徴とする。

かかる第６発明によれば、第２発明と同様に、かかる発明によれば、時分割して交互にそれぞれのレーザ光が受光手段に照射されてくるため、それぞれのガスに対応する信号の取出しが容易であり、複数種のガス濃度を簡単確実に算出可能になる。

つぎに、第７発明は、第３発明の方法を実施するための装置発明であり、測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測装置において、複数個の前記レーザダイオードと、発振波長が複数種のガスに対応する吸収波長に設定された各レーザダイオードから連続発振するようにレーザダイオードに駆動電流を供給する電流駆動回路と、各レーザダイオードからの発振光を合波して照射されたレーザ光を受光する受光手段と、該受光手段によって受光された受光信号から各ガスの変調周波数を基にそれぞれのガス信号を取り出す復調手段とを有し、該復調手段によって夫々のガス信号を取出してガス濃度を求めることを特徴とする。

また、第８発明は、第４発明の方法を実施するための装置発明であり、被測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測装置において、
複数個の前記レーザダイオードと、発振波長が複数種のガスに対応する吸収波長に設定された各レーザダイオードから連続発振するように駆動電流を印加する駆動電流制御手段と、各レーザダイオードからの発振光を合波して照射されたレーザ光を受光する受光手段と、該受光手段で受光する前にそれぞれのガスに対応するガス信号を分離する光フィルタまたは偏向面からなる光分離手段とを有し、該光分離手段によって夫々のガス信号を取出してガス濃度を求めることを特徴とする。

かかる第７、８発明によれば、レーザ光の受光手段側でそれぞれのガスに対する信号に分離するため、発光部側の状態は安定しており、安定した計測が維持される。
さらに、第７発明によれば各ガスの変調周波数を全て異ならせて、受光後に夫々のガスを変調周波数に基づいて電気的に分離するため、変調周波数の設定によって、電気的に確実にそれぞれのガスを分離して計測できる。
また、第８発明によれば複雑な電気回路を要せず装置が簡単化される。

本発明によれば、ボイラー、ごみ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に発生するガス、あるいは該密閉容器から外部に排出されるガス等のガス濃度をレーザ光を用いての測定であって、複数種のガス濃度を、効率よく簡単なシステムで計測可能とするガス濃度計測方法および計測装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
（第１実施形態）

図１は本発明の第１実施形態に係るガス濃度計測装置２の概要を示す全体構成ブロック図である。
図１に示すように、レーザ光を発振するための半導体レーザダイオード（ＬＤ）４からなる光源は、ＬＤドライバのＬＤ電流駆動回路６、およびＬＤ温度駆動回路８に接続され、該駆動回路でＬＤ４の温度と電流が制御されるようになっている。
ＬＤ電流駆動回路６には、加算器９を経由して、直流電流１０、ランプ波１２、変調信号ｆ、変調信号ｗ、さらに、波長切換手段１４からの波長ロック信号１６と該波長ロック信号を基準信号として切換後の切換後波長信号１８とがそれぞれ印加される。

直流電流１０は、半導体レーザダイオード４を駆動するための電流であり、変調信号ｆ、変調信号ｗは、レーザ光に対して周波数変調を施すために印加する信号であり、また、ランプ波１２は、測定対象ガス固有の吸収スペクトルのところでレーザ発振波長をゆっくりと掃引させるために印加する信号である。

半導体レーザダイオード４から発振されたレーザ光は、光ファイバのレーザ光路２０を通って、分波器２２に導かれる。この分波器２２で、参照ガスセル２４と計測領域とへ分波され、計測領域へ分波されたレーザ光は、レーザビームＬによってエンジンの燃焼室内、またはエンジンの排気管内のガス流通領域に一方のコリメータ（光学レンズ）２６から他方のコリメータ（光学レンズ）２８に向けて照射される。
そして、計測領域を通過したレーザ光は、他方のコリメータ２８の近傍に配置された受光手段３０のフォトダイオード（ＰＤ）（受光ダイオード）によって受光され、プリアンプで増幅されるようになっている。

図１に示すように、受光手段３０によって受光された信号は、その後、復調処理手段３２に送られる。復調処理手段３２の部分は、二個所から入力され、一方の入力側からは、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３４と、ＡＣアンプ３６と、第１ロックインアンプ（変調信号ｆによる復調手段）３８と、第２ロックインアンプ（変調信号ｗによる復調手段）４０と、ＤＣアンプ４２とが直列に接続されて構成されている。
また、他方の入力側からは、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４４と、ＤＣアンプ４６とが直列に接続されて構成されている。それぞれのＤＣアンプ４２、４６からの出力はＡＤ変換器４８に入力されて、そこからコンピュータ５０に送られるようになっている。

一方の入力側からの受光信号は、バンドパスフィルタ３４によって一定周波数帯域の信号を通過させ、ＡＣアンプ３６で増幅される。その後、第１ロックインアンプ（変調信号ｆによる復調手段）３８へ入力して、この第１ロックインアンプ３８では、変調信号ｆが参照信号として入力されて該変調信号ｆと同期する信号が取り出される。さらに、第２ロックインアンプ（変調信号ｗによる復調手段）４０へ入力して、この第２ロックインアンプ４０では、変調信号ｗが参照信号として入力されて該変調信号ｗと同期する信号が取り出される。

このようにして、変調信号ｆ、ｗで二重に周波数変調されたレーザ光から、第１ロックインアンプ３８と第２ロックインアンプ４０とによって復調して目的の信号成分を取り出すようになっている。

また、復調処理手段３２の他方の入力側からの受信信号は、ローパスフィルタ４４によって低周波成分だけを通過させて、ＤＣアンプ４６によって増幅して、受光信号中の直流成分の検出値としてＡＤ変換器４８に入力される。
ＡＤ変換器４８を通過後のデジタル信号はコンピュータ５０に入力されて、前記第１３８、および第２ロックインアンプ４０からの信号成分と、前記直流成分との計測結果に基づいて対象ガス濃度の解析処理が行われる。

一方、分波器２２から参照ガスセル２４へと分波されたレーザ光は、標準信号処理手段５２に入力される。レーザ光を参照ガスセル２４に封入された一定圧力の既知濃度の標準ガス内を流通させて、受光手段５４によって受光し、前記復調処理手段３２と同様の信号処理を施して、ＡＤ変換器４８に出力される。そして、ガス濃度の検定、補正等の処理に用いられる。

標準信号処理手段５２のうち、図１に示すように、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５６と、ＡＣアンプ５８と、第３ロックインアンプ（変調信号ｆによる復調手段）６０と、第５ロックインアンプ（変調信号ｗによる復調手段）６２と、ＤＣアンプ６４とが直列に接続される回路から、標準ガスから変調信号ｆ、ｗで変調された目的信号が取り出され、その信号を基に、波長切換手段１４の波長ロック信号１６が設定される。さらにその波長ロック信号１６に一定値を加算した切換後波長信号１８が形成される。

図３を参照して、波長切換手段１４について説明する。例えば、測定すべきガスの種類がＮＨ_３ガスとＨ_２Ｏガスの場合には、それぞれの波長が１．５１２μｍ付近にあり、またＮ_２ＯガスとＮＨ_３ガスの場合には１．５１７μｍ付近に存在するので、１個のレーザダイオードの電流による波長掃引範囲内でこれら２種のガスの光吸収が観測可能である。

例えば、ＮＨ_３ガスとＨ_２Ｏガスの２種のガスを測定する場合に、アンモニアＮＨ_３の吸収中心波長λ１を基準としてロック波長とし、参照ガスセル２４へ該アンモニアＮＨ_３ガスを封入して、標準信号処理手段５２の前記バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５６と、ＡＣアンプ５８と、第３ロックインアンプ６０と、第５ロックインアンプ６２と、ＤＣアンプ６４とが直列に接続される回路からの出力によって算出される吸収波長を、ロック波長λ１として設定する。

そして、図３（ａ）（ｂ）に示すように、アンモニアＮＨ_３の吸収中心波長λ１を発振させるための電流Ｉ１と、水蒸気Ｈ_２Ｏの吸収中心波長λ２を発振させるための電流Ｉ２を時間分割Δｔで交互に切り換えて発振させる。電流Ｉ２は、Ｉ２＝Ｉ１＋ΔＩであり、切換後波長信号１８として設定される。
波長ロック信号１６と切換後波長信号１８とが交互にパルス状の切換電流として波長切換手段１４で生成されて、加算器９へ入力される。
電流Ｉ１が印加されたときに、λ１におけるガスの吸収信号を検出し、電流Ｉ２が印加された時に、波長λ２におけるガスの吸収信号を検出することによって、１個のレーザダイオード４によって、ＮＨ_３ガスとＨ_２Ｏガスの２種のガス濃度の計測ができる。

なお、復調処理手段３２での処理が、ＮＨ_３ガスとＨ_２Ｏガスとのどちらのガスに対する処理化かが分かるように、Ｉ１が印加されたときのタイミングと、電流Ｉ２が印加されたときのタイミング、すなわち時間分割（Δｔ）のタイミングが、コンピュータ５０に自動的に取り込まれて、測定濃度の算出において２種のガスが区別されて算出されるようになっている。

また、波長切換手段１４では、波長λ１を発振させるための電流Ｉ１が印加されたときの波長のずれ信号を検出して、波長のずれを補正する信号を発生して、ロック波長λ１からのずれを補正して波長の安定化を行っている。

なお、時間分割（Δｔ）の間隔は、測定すべきガスに応じて設定され、エンジンの燃焼室内を測定対象とする場合には、エンジン回転数に応じて、例えば回転数の上昇とともに小さくするように可変化させても良く、さらに、爆発燃焼の１サイクル内に２種のガス計測ができるようにΔｔを設定することも可能である。
また、ＮＨ_３ガスの吸収中心波長λ１をロック波長として説明したが、Ｈ_２Ｏガスの吸収中心波長λ２をロック波長として電流設定してもよい。

以上のように、１個のレーザダイオード４の駆動電流による波長掃引範囲内で、隣接するガス吸収波長λ１、λ２の間を、駆動電流Ｉ１、Ｉ２を交互に切り換えて、１個のレーザダイオード４から２種のガスに対応するレーザ光を時間分割（Δｔ）して照射するようにしたため、１個のレーザダイオードで２種のガス濃度を同一のレーザビームＬによって同時に測定可能となり、システムの簡素化が図れ、ガス計測装置のコスト低減となる。
（第２実施形態）

次に、図２、図４を参照して、第２実施形態について説明する。
第２実施形態は、第１実施形態に対して、波長ロック信号を、第１参照ガスセル７０と第２参照ガスセル７２とにそれぞれ封入したガスの吸収波長にロックする点が相違するのみで、他の構成要素は第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してして説明は省略する。

標準信号処理手段７４には、第１参照ガスセル７０と第２参照ガスセル７２とが直列に配設して、例えば、第１参照ガスセル７０には、既知濃度のＮＨ_３ガスが封入され、第２参照ガスセル７２には、既知濃度のＨ_２Ｏガスが封入され、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７６と、ＡＣアンプ７８と、第３ロックインアンプ８０と、第５ロックインアンプ８２と、ＤＣアンプ８４とが直列に接続される回路からの出力を、波長切換手段８６に送って、それぞれの参照ガスに基づく吸収波長を、第１ロック波長λ１と、第２ロック波長λ２として設定する。

波長切換手段８６では、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ロック波長λ１と、λ２に基づいて駆動電流Ｉ１、Ｉ２を設定して、第１波長ロック信号８８と第２波長ロック信号９０として時間分割（Δｔ）で交互にパルス状の切換電流を発生させて加算器９へ出力する。

第２実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果を有するとともに、さらに、アンモニアＮＨ_３の吸収中心波長λ１を発振させるための電流Ｉ１と、Ｈ_２Ｏの吸収中心波長λ２を発振させるための電流Ｉ２をそれぞれ、参照ガスセルに封入された標準ガスを基に設定するため、実施例１のようなＩ２を切換量ΔＩの加算によって求めるのに比べて正確な基準電流値が設定されるので誤差が生じにくく、精度が向上する。

（第３実施形態）
次に、図５を参照して、第３実施形態について説明する。
第１、第２実施形態では、１個のレーザダイオード４によって２種のガス濃度を計測する場合を説明したが、第３実施形態は、２個のレーザダイオード１００、１０２を用いて、２種のガス濃度を計測する場合について説明する。
なお、第３、４実施形態は、レーザ光の照射側の改良であり、第５、６、７実施形態はレーザ光の受光側の改良である。
なお、第１実施形態、第２実施形態と同一構成要素については、同一符号を付して設明を省略する。

レーザ光を発振するために光源は、第１レーザダイオード（ＬＤ１）１００と第２レーザダイオード（ＬＤ２）１０２からなり、第１レーザダイオード１００は、ＬＤ１電流駆動回路１０４、およびＬＤ１温度駆動回路１０６に接続されて温度と電流が制御され、第２レーザダイオード１０２は、ＬＤ２電流駆動回路１０８、およびＬＤ２温度駆動回路１１０に接続されて温度と電流が制御されるようになっている。

ＬＤ１電流駆動回路１０４には、加算器１１２を経由して、第１直流電流１１４、ランプ波１２、変調信号ｆ、変調信号ｗ、さらに、時分割手段１１６を構成するパルス信号１１８と、波長ロック信号１２０とがそれぞれ印加される。また、ＬＤ２電流駆動回路１０８にも、加算器１２２を経由して、同様の信号が入力される。

第１レーザダイオード１００と第２レーザダイオードとが交互に発振するように、第１レーザダイオード１００に印加する電流（第１直流電流１１４とパルス信号１１８との加算電流）は、波長λ１が発振するように設定し、第２レーザダイオード１０２に印加する電流（第２直流電流１２４とパルス信号１１８との加算電流）は、波長λ２が発振するように設定する。
第１レーザダイオード１００からの発振レーザと第２レーザダイオード１０２からの発振レーザは、合波機１２５によって合流されて、光ファイバのレーザ光路２０を通って、分波器２７から、ガス流通領域に同一のレーザビームによって照射される。

図６に示す第１レーザダイオード１００からの波長λ１の発振と、第２レーザダイオード１０２からの波長λ２との発振の概要を示す。
図６では、パルス幅がランプ状であるが、フラットの出力状態であっても良い。また時間分割（Δｔ）については測定ガスに応じて実施形態１で説明したようなエンジンへの適用に際して適宜設定することができる。

時分割して交互にそれぞれのレーザ光が受光手段３０に照射されるため、それぞれのガスに対応する信号の取出しが容易であり、複数種のガス濃度を簡単確実に算出可能であり、波長λ１が発振する時間におけるガスの吸収信号から、第１ガスの濃度を計測し、波長λ２が発振する時間におけるガスの吸収信号から、第２ガスの濃度を計測することができる。
なお、時間分割（Δｔ）のタイミングと取出したガス信号との対応付けは、コンピュータ５０において自動的に算出されるようになっている。

（第４実施形態）
次に、図７を参照して、第４実施形態について説明する。
第４実施形態は、第３実施形態に対して、パルス信号によって時分割する個所が第１レーザダイオード１００と第２レーザダイオード１０２の駆動電流ではなく、第１レーザダイオード１００と第２レーザダイオード１０２は連続発振しておき、発振されたレーザ光を一方のコリメータ（光学レンズ）２６へ導く光ファイバの途中において光変調器１３４、１３６によって時分割する点が相違し、構成要素は第３実施形態と同様であるため、同一符号を付してして説明は省略する。

第１レーザダイオード１００と第２レーザダイオード１０２とから発振されたレーザ光は、それぞれ、第１光偏波面コントローラ１３０、第２光偏波面コントローラ１３２に送られ、該光偏波面コントローラ１３０、１３２を経由して第１光変調器１３４、第２光変調器１３６に導かれる。この光偏波面コントローラ１３０、１３２ではレーザ光の偏波面を一定に整えて、次の光変調器１３４、１３６でのパルス信号１３８による変調作用を確実に行うようにしている。

第１レーザダイオード１００と第２レーザダイオード１０２とを、連続発振させておき、時分割手段１３５を構成するパルス信号１３８に従って第１レーザダイオード１００で発振したレーザ光は光変調器１３４を、第２レーザダイオード１０２で発振したレーザ光は光変調器１３６を、時間分割（時間Δｔ）によって交互に、通過するようになっていて、通過後に合波器１３９によって合流されて、同一の光ファイバのレーザ光路２０を通って、分波器１４０に入力されて、分波器１４０にて、標準信号処理手段７４の第１参照ガスセル７０への流れと計測領域への流れとに分波される。

波長λ１が発振する時間におけるガスの吸収信号から、第１ガスの濃度を計測し、波長λ２が発振する時間におけるガスの吸収信号から、第２ガスの濃度を計測することができる。
また、前記第３実施形態に比べて、本第４実施形態によれば、第１、第２レーザダイオード１０２、１０２自体の起動を制御するものでなくレーザダイオードからの発光は連続的に行なわれているため、発光状態が安定し、精度の高い計測が可能となる。

（第５実施形態）
次に、図８を参照して、第５実施形態について説明する。
第５実施形態は、第１レーザダイオード１００と第２レーザダイオード１０２とを、連続発振させておき、受光した信号から波長λ１と波長λ２との信号をそれぞれ変調周波数に基づいて電気的に分離するものである。
なお、第３実施形態、および第４実施形態と同一の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。

１種のガスを計測場合には、計測精度を向上させるために、二つの変調周波数ｆ、ｗ（ｆ＝１０ＫＨｚ、ｗ＝５００Ｈｚ）で変調し、順次、復調手段１５０、１５２で復調させるが、２種のガスを計測する場合には、それぞれの変調周波数を、異なる周波数に設定することで信号を分離する。

例えば、第１レーザダイオード１００は、ｆ１＝１０ＫＨｚ、ｗ１＝５００Ｈｚで変調し、第２レーザダイオード１０２は、ｆ２＝１２ＫＨｚ、ｗ２＝６００Ｈｚで変調する。
すなわち、受光手段３０のプリアンプで増幅した電気信号は、第１復調処理手段１５４と、第２復調処理手段１５６とに入力され、第１復調処理手段１５４の第１１ロックインアンプ１５０で変調周波数ｆ１と同期する信号が、第１２ロックインアンプ１５２で変調周波数ｗ１と同期する信号が復調されて第１レーザダイオード１００の吸収信号が検出される。
同様に、第２復調処理手段１５６の第２１ロックインアンプ１５８で変調周波数ｆ２と同期する信号が、第２２ロックインアンプ１６０で変調周波数ｗ２と同期する信号が復調されて第２レーザダイオード１０２の吸収信号が検出される。
第１復調処理手段１５４には、ガス濃度の安定および波長安定化のために第１標準信号処理手段１６２が設けられ、第２復調処理手段１５６には、第２標準信号処理手段１６４が設けられている。

以上第５実施形態によれば、変調周波数ｆ１、ｗ１、ｆ２、ｗ２を全て異ならせて、受光後に２種のガスを電気的に分離するものであるため、レーザダイオード自体の発光の停止と始動を制御するものでなく発光は連続的に行なわれているため、発光状態は安定し、精度の高い計測が維持される。
また、変調周波数ｆ１、ｗ１、ｆ２、ｗ２の設定によって、電気的に処理されるため、確実に２種のガスを分離して計測できる。

（第６実施形態）
次に、図９を参照して、第６実施形態について説明する。
第６実施形態は、第１レーザダイオード１００と第２レーザダイオード１０２とを、連続発振させておき、受光手段１７０、１７２に受光する前に、波長フィルタ（光分離手段）１７４を用いて波長λ１と波長λ２との信号を分離するものである。
なお、いままでに説明した実施施形態と同一の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。

図９に示すように、ガス流通領域を通過してコリメータ（光学レンズ）２８に入射したレーザ光は、波長フィルタ１７４によって、例えば、波長λ１のレーザ光は通過させ、波長λ２のレーザ光は反射させるようにして、入射したレーザ光を分離して、その後、波長λ１のレーザ光は第１受光手段１７０に送られ、波長λ２のレーザ光は第２受光手段１７２に送られる。

その後、第１受光手段１７０から、第１復調処理手段１５４に入力し、第２受光手段１７２から、第２復調処理手段１５６に入力して、その後、第１復調処理手段１５４および第２復調処理手段１５６のそれぞれにおいては、第１実施形態で説明したように変調信号ｆ、ｗに基づいて復調して、変調信号ｆ、ｗに同期する信号を取り出す。
そして、第１復調処理手段１５４によって取り出した信号からは、λ１におけるガスの吸収信号を検出して第１ガスの濃度、第２復調処理手段１５６によって取り出した信号からは、波長λ２におけるガスの吸収信号を検出して第２ガスの濃度を計測する。

第６実施形態によれば、波長フィルタ１７４を用いて、受光手段１７０、１７２に入力される前に波長λ１と波長λ２との信号に分離するため、複雑な電気回路を要せず装置が簡単化される。
なお、波長フィルタ１７４は、波長が離れている場合には効果的であるが、近い場合には、分離能力が十分得られないために、波長フィルタ１７４に代えて、偏向面フィルタを用いてもよい。

なお、第１〜６実施形態では、光源として半導体レーザダイオード４を例に説明したが、その他の波長変調、振幅変調可能なレーザ発振器に適用可能である。

本発明によれば、内ボイラー、ごみ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に発生するガス、あるいは該密閉容器から外部に排出されるガス等のガス濃度をレーザ光を用いての測定であって、複数種のガス濃度を、効率よく簡単なシステムで計測可能となるので、ガス濃度計測方法および計測装置への適用に際して有益である。

本発明の第１実施形態に係るガス濃度計測装置の全体構成ブロック図である。 第２実施形態に係るガス濃度計測装置の全体構成ブロック図である。 第１実施形態の波長切換手段について説明図である。 第２実施形態の波長切換手段について説明図である。 第３実施形態に係るガス濃度計測装置の全体構成ブロック図である。 第３実施形態の第１レーザダイオードからの波長λ１の発振と、第２レーザダイオードからの波長λ２との発振の概要説明図である。 第４実施形態に係るガス濃度計測装置の全体構成ブロック図である。 第５実施形態に係るガス濃度計測装置の全体構成ブロック図である。 第６実施形態に係るガス濃度計測装置の全体構成ブロック図である。 従来技術を示す説明図である。

符号の説明

２ ガス濃度計測装置
４ レーザダイオード（ＬＤ）
６ 電流駆動回路（ＬＤ電流駆動回路）
８ 温度駆動回路（ＬＤ温度駆動回路）
１４、８６ 波長切換手段
２４ 参照ガスセル
２６、２８ コリメータ（光学レンズ）
３０、１７０、１７２ 受光手段
３２ 復調処理手段
３８ 第１ロックインアンプ（復調手段）
４０ 第２ロックインアンプ（復調手段）
５２、７４ 標準信号処理手段
７０ 第１参照ガスセル
７２ 第２参照ガスセル
１００ 第１レーザダイオード（ＬＤ１）
１０２ 第２レーザダイオード（ＬＤ２）
１０４ 第１電流駆動回路（ＬＤ１電流駆動回路）
１０６ 第１温度駆動回路（ＬＤ１温度駆動回路）
１０８ 第２電流駆動回路（ＬＤ２電流駆動回路）
１１０ 第２温度駆動回路（ＬＤ２温度駆動回路）
１１６、１３５ 時分割手段
１１８、１３８ パルス信号
１７４ 波長フィルタ（光分離手段）
ｆ、ｆ１、ｆ２、ｗ、ｗ１、ｗ２ 変調信号

Claims (12)

1. 測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測方法において、
   １個のレーザダイオードの駆動電流による波長掃引範囲内で、隣接するガス吸収波長の間を、前記駆動電流を交互に切り換えて、１個のレーザダイオードから２種のガスに対応するレーザ光を時分割して生成し、該生成されたそれぞれのレーザ光を同一のレーザビームによって照射し、照射されたレーザ光を受光して得られる受光信号から２種のガス濃度を求めることを特徴とするガス濃度計測方法。
2. 前記駆動電流の一方側は標準ガスが封入された参照セルに照射して求められる基準波長に基づく基準電流値に設定され、他方側は前記基準電流値に一定値を加算して求められることを特徴とする請求項１記載のガス濃度計測方法。
3. 前記駆動電流の一方側および他方側のそれぞれが、標準ガスが封入された参照セルに照射して求められる基準波長に基づく基準電流値に設定されることを特徴とする請求項１記載のガス濃度計測方法。
4. 測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測方法において、
   複数個のレーザダイオードの発振波長を複数種のガスに対応する吸収波長に設定し、各レーザダイオードからの発振光を時分割して生成し、該生成された発振光を同一のレーザビームによって照射し、照射されたレーザ光を受光して得られる受光信号から複数種のガス濃度を求めることを特徴とするガス濃度計測方法。
5. 前記時分割の発振光は、各レーザダイオードを駆動する駆動電流を時分割制御することで生成することを特徴とする請求項４記載のガス濃度計測方法。
6. 前記時分割の発振光は、各レーザダイオードから連続発振されたレーザ光を時分割して生成することを特徴とする請求項４記載のガス濃度計測方法。
7. 測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測方法において、
   複数個のレーザダイオードの発振波長を複数種のガスに対応する吸収波長に設定し、各レーザダイオードを連続発振するように駆動電流を印加し、各レーザダイオードからの発振光を合波して同一のレーザビームで照射し、照射されたレーザ光を受光して得られる受光信号を、各ガスの変調周波数を基にそれぞれのガスに対する信号を取出して、複数種のガス濃度を求めることを特徴とするガス濃度計測方法。
8. 測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測方法において、
   複数個のレーザダイオードの発振波長を複数種のガスに対応する吸収波長に設定し、各レーザダイオードを連続発振するように駆動電流を印加し、各レーザダイオードからの発振光を合波して同一のレーザビームで照射し、照射されたレーザ光を受光して得られる受光信号を、受光ダイオードで受光する前に光フィルタまたは偏向面によってそれぞれのガスに対する信号に分離して、複数種のガス濃度を求めることを特徴とするガス濃度計測方法。
9. 測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測装置において、
   １個の前記レーザダイオードと、該レーザダイオードに駆動電流を供給する電流駆動回路と、前記レーザダイオードの波長掃引範囲内で、隣接するガス吸収波長の間を、前記駆動電流を交互に切り換えて前記電流駆動回路に供給する波長切換手段と、交互に生成されたレーザ光を同一のレーザビームによって照射し、照射されたレーザ光を受光する受光手段と、該受光手段によって受光された受光信号から復調手段によって目的とする信号を取出す復調処理手段とを有し、前記波長切換手段によって切り換えられるそれぞれのガス濃度を求めることを特徴とするガス濃度計測装置。
10. 測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測装置において、
    複数個の前記レーザダイオードと、発振波長が複数種のガスに対応する吸収波長に設定された各レーザダイオードからの発振光を時分割して生成する時分割手段と、該時分割して生成された複数種のガスに対応するレーザ光を合波して同一のレーザビームによって照射し、照射されたレーザ光を受光する受光手段と、該受光手段によって受光された受光信号から前記時分割手段によって分割されたそれぞれのガス濃度を求めることを特徴とするガス濃度計測装置。
11. 測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測装置において、
    複数個の前記レーザダイオードと、発振波長が複数種のガスに対応する吸収波長に設定された各レーザダイオードから連続発振するようにレーザダイオードに駆動電流を供給する電流駆動回路と、各レーザダイオードからの発振光を合波して照射されたレーザ光を受光する受光手段と、該受光手段によって受光された受光信号から各ガスの変調周波数を基にそれぞれのガス信号を取り出す復調手段とを有し、該復調手段によって夫々のガス信号を取出してガス濃度を求めることを特徴とするガス濃度計測装置。
12. 被測定ガス雰囲気内に特定波長のレーザ光を照射して、該特定波長のレーザ光の吸収量からガス濃度を計測するガス濃度計測装置において、
    複数個の前記レーザダイオードと、発振波長が複数種のガスに対応する吸収波長に設定された各レーザダイオードから連続発振するように駆動電流を印加する駆動電流制御手段と、各レーザダイオードからの発振光を合波して照射されたレーザ光を受光する受光手段と、該受光手段で受光する前にそれぞれのガスに対応するガス信号を分離する光フィルタまたは偏向面からなる光分離手段とを有し、該光分離手段によって夫々のガス信号を取出してガス濃度を求めることを特徴とするガス濃度計測装置。

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