JP2010048639A

JP2010048639A - レーザ式ガス分析計及びガス濃度測定方法

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Publication number: JP2010048639A
Application number: JP2008212476A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Komine; 繁小峯; Noritomo Hirayama; 紀友平山; Kazuhiro Koizumi; 和裕小泉; Yusuke Nakamura; 裕介中村; Hideo Kanai; 秀夫金井
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-21
Also published as: JP5163360B2

Abstract

【課題】回路の大型化を伴うことなく、２種類のガスの濃度を安定して計測する。
【解決手段】測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子４１の発光波長を変化させ、測定対象ガスを透過した透過光を光検出部２２で検出する。光検出部２２の検出信号から発光波長の変調信号の２倍周波数成分を検出し、この２倍周波数成分の信号波形のピーク値に基づき低濃度ガスの濃度演算を行う。光検出部２２の検出信号から発光波長の変調信号の１倍周波数成分の信号波形を検出し、この１倍周波数成分の信号波形において、光吸収が最大となるピーク波長における振幅値と光吸収が生じない波長における振幅値とに基づき高濃度ガスの濃度演算を行うが、ピーク波長及びピーク波長近傍の折り返し判定用波長の振幅値に基づき、信号波形に折り返しが生じているかどうかを判定し、折り返しの有無に応じて濃度の演算方法を切り替える。
【選択図】図１１

Description

本発明は、煙道等の測定空間内に存在する測定対象ガスの濃度をレーザ光により測定するレーザ式ガス分析計及びガス濃度測定方法に関する。

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あることが知られている。例えば、図１２は、ＮＨ₃（アンモニア）ガスの吸収スペクトルの一例であって、横軸は波長〔μｍ〕、縦軸は吸収強度である。
この光吸収スペクトルは、ガスの種類毎に固有のものであり、レーザ式ガス分析計は、レーザ光の特定波長の吸収量が測定対象ガスの濃度に比例することを利用してガス濃度を測定している。
レーザ式ガス分析計の測定方法としては、２波長差分方式及び周波数変調方式とに大別される。本発明は、周波数変調方式を用いたレーザ式ガス分析計に関するものである。

まず、周波数変調方式を用いた従来のレーザ式ガス分析計の測定原理を説明する。
図１３は、周波数変調方式の原理図を示したものであって、例えば特許文献１に記載されているものである。周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザの出射光を周波数変調し、測定対象のガスに照射する。ここで、周波数変調とは、半導体レーザに供給するドライブ電流の波形を正弦波状にすることである。
ＤＦＢ（Distributed Feedback Laser)レーザ等の半導体レーザは、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、ドライブ電流や温度によって発光波長が変化するため、周波数変調を行うことにより、ドライブ電流の変調に伴って発光波長が変調されることになる。

図１３に示したように、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、受光部では変調周波数ｆｍの２倍の周波数成分の信号（２倍波信号）を得ることができる。ここで変調周波数ｆｍは任意の周波数でよいため、例えば、変調周波数ｆｍを数ｋＨｚ程度に選ぶと、デジタル信号処理装置または汎用のプロセッサを用いて、２倍周波数成分の抽出などの高度な信号処理を行うことが可能となる。
ガスの濃度が高いほどレーザ光の吸収が大きくなるため２倍波信号の強度も強くなる。したがって、２倍波信号の強度を検出することによって、測定対象ガスの濃度を計測することができる。

この周波数変調方式では、半導体レーザの種類の中でも、ＤＦＢレーザを用いて単一波長のレーザ光のみを出射し、ガス濃度を測定する場合が多い。この場合、半導体レーザが発光するスペクトル線幅の方が、測定対象ガスの吸収線幅よりも小さいため、半導体レーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に同調させる必要性が生じる。
ここで、半導体レーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に同調させ続けることは困難である。そのため、ある波長幅で、変調周波数ｆｍにて変調しながら、波長幅の中心波長を徐々に替えて掃引（スキャン）していく方法等も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

図１５（ａ）は、この方式での半導体レーザの駆動電流を示したものである。半導体レーザの発光光量は駆動電流に比例しているため、発光光量についても同じ波形となる。
また、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示す駆動電流で半導体レーザを駆動した場合の、半導体レーザの発光波長を示したものであり、前述の図１４（ａ）の特性に基づくものである。
この、変調周波数ｆｍによる変調とスロープ掃引とを組み合わせた方式においては、半導体レーザのレーザ素子にもよるが、例えば、０．５〔ｎｍ〕程度の範囲で波長をスキャンすることが可能である。

このため、あるガスＡの吸収スペクトルのすぐ近隣に別の種類のガスＢの吸収スペクトルが存在する場合には、１つのレーザ素子を用いて、図１５に示すスキャンを行うことにより、ガスＡ及びガスＢの２種類のガス濃度を検出することもできる。
特開平７−１５１６８１号公報特開平１０−１４２１４８号公報

ところで、２種類のガス濃度を測定する場合、一方のガスについては低濃度状態を測定し、他方のガスは高濃度状態を測定したい場合がある。
例えば、塩化水素ＨＣｌは１７４７．２〔ｎｍ〕に、また、水蒸気Ｈ₂Ｏは１７４７．１〔ｎｍ〕に吸収スペクトルを有し、これらの吸収スペクトルは近接しているため、塩化水素ＨＣｌと水蒸気Ｈ₂Ｏとは、一つのレーザ素子によって同時に検出することが可能である。塩化水素ＨＣｌは水分に吸着しやすく、水分量により見かけの濃度が変化するので、水分量を計測することは実用上、非常に有用である。

この応用においては、塩化水素は、フルスケールレンジで１０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍといった低濃度を測定したいことが多く、一方、水分は数ｖｏｌ％〜数十ｖｏｌ％程度の高濃度を測定したいことが通例である。
前述の１７４７．２〔ｎｍ〕及び１７４７．１〔ｎｍ〕における吸光量は、塩化水素の方が１０倍以上大きいが、濃度は水蒸気の方が高いため、吸光量は水蒸気の方が数十倍〜１００倍以上大きくなる。

このように信号レベルに大きな差がある場合、全く同一の信号処理で両方のガスの濃度を検出することは困難になる。それは、大きな吸光を起こした信号を検出しようとすると、小さな吸光を起こした信号を検出する際の信号対雑音比（ＳＮＲ）が悪くなり、逆に、小さな吸光を起こした信号を良好に検出しようとすると、大きな吸光を起こした信号を検出する際に、処理回路が飽和するためである
これを回避するために、第１の方法として、低濃度検出用の信号処理回路と、高濃度検出用の信号処理回路とを両方設け、回路ゲインなどを、それぞれの信号に対して最適となるように合わせておく方法がある。しかしながら、この場合、信号処理回路を２系統備えることになり、処理回路が大型化、また複雑化し、コストアップにつながるという問題がある。

また、第２の方法として、１つの信号処理回路を用い、図１５の１スキャンにおいて、ガスＡとガスＢとの吸収が最大となる各時点間の境界となるタイミングで、信号処理回路の回路ゲインを切り替える方法もある。しかしながら、信号処理回路にフィルタ回路等を備えている場合には、回路ゲインを切り替えた後に、フィルタ回路等が過渡応答によって大きく変動し、安定するまでにかなりの時間を要するという問題がある。このため、一方のガスの計測を行い、回路ゲインを切り替えた後、他方のガスの吸収波形が現れるまで時間をおく必要があり、図１５に示すスキャンの時間を全体的に長くすることが必要となり、これにより応答性が遅くなるという問題がある。

そこで、本願の発明者等は、測定対象ガスの濃度に応じて、低濃度レンジのガスに対しては２倍周波数検波手段を用いて同期検波等により濃度を検出する一方、高濃度レンジのガスに対しては１倍周波数検波手段を用いて包絡線検波により濃度を検出するようにしたレーザ式ガス分析計の提案を行った(特願２００８−１１４７５４号（本件出願時には未公開）)。

このレーザ式ガス分析計は、ゲインの切り替えに伴う応答遅れもなく、回路の複雑化も殆どないので、上述した第１の方法および第２の方法における問題を解決できるものであるが、鋭意研究を進めた結果、ガス濃度が非常に高濃度になった場合、１倍周波数成分の信号波形に折り返しを生じる恐れのあることが認められた。
この発明は、上記従来の未解決の問題点に着目してなされたものであり、回路の大型化を伴うことなく、２種類のガスの濃度を安定して計測することが可能で、かつ、１倍周波数成分の信号波形に折り返しが生じている場合であっても、的確に濃度演算を行うことができるレーザ式ガス分析計及びガス濃度測定方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るレーザ式ガス分析計は、変調信号で周波数変調され且つ測定対象ガスの吸収波長を走査するように発光波長が変化するレーザ光を出射するレーザ素子を有する光源部と、前記光源部からの出射光をコリメートする第１の光学系と、前記第１の光学系からの出射光が、前記測定対象ガスが存在する測定空間を介して伝播された透過光を集光する第２の光学系と、前記第２の光学系により集光された光を受光する受光素子と、を有し、濃度の異なる２種類の測定対象ガスの濃度を検出するレーザ式ガス分析計であって、前記受光素子の出力信号から、前記変調信号の周波数と同一周波数成分を検出する１倍周波数成分検出手段と、前記１倍周波数成分検出手段で検出した１倍周波数成分に基づき前記測定対象ガスのうち高濃度側の測定対象ガスの濃度を演算する高濃度演算手段と、前記受光素子の出力信号から、前記変調信号の周波数の２倍の周波数成分を検出する２倍周波数成分検出手段と、前記２倍周波数成分検出手段で検出した２倍周波数成分に基づき前記測定対象ガスのうち低濃度側の測定対象ガスの濃度を演算する低濃度演算手段と、を有し、前記高濃度演算手段は、前記１倍周波数成分から、吸光量がピークとなるときの振幅値であるピーク振幅値及び吸光が行われないときの振幅値である非吸光振幅値を検出する振幅値検出手段と、前記１倍周波数成分の信号波形においてゼロ軸に対して波形が折り返される折り返しが生じているか否かを判定する折り返し判定手段と、前記振幅値検出手段で検出した振幅値に基づき前記高濃度側の測定対象ガスの濃度を演算する濃度演算手段と、を備え、前記濃度演算手段は、前記折り返し判定手段での判定結果に基づき、前記折り返しが生じている場合と生じていない場合とで前記濃度の演算方法を切り替えることを特徴としている。

また、請求項２に係るレーザ式ガス分析計は、前記濃度演算手段は、前記折り返しが生じていないときには、前記非吸光振幅値と前記ピーク振幅値との差分値を濃度相当値とし、前記折り返しが生じているときには、前記非吸光振幅値と前記ピーク振幅値との和を前記濃度相当値とし、前記濃度相当値に基づき濃度演算を行うことを特徴としている。
また、請求項３に係るレーザ式ガス分析計は、前記折り返し判定手段は、前記１倍周波数成分において、前記吸光量がピークとなるときの波長の近傍に予め設定した折り返し判定用の波長における振幅値を、折り返し判定用振幅値として検出し、前記折り返し判定用振幅値が、前記ピーク振幅値よりも小さいとき、前記折り返しが生じていると判定することを特徴としている。
また、請求項４に係るレーザ式ガス分析計は、前記高濃度側の測定対象ガスの吸光量は、前記低濃度側の測定対象ガスの吸光量の１０倍以上であることを特徴としている。

さらに、本発明の請求項５に係るガス濃度測定方法は、濃度の異なる２種類の測定対象ガスが存在する測定空間を介して伝播されたレーザ素子の出射光を受光素子で受光し、前記受光素子の出力信号に基づき前記測定対象ガスの濃度を測定するガス濃度測定方法であって、変調信号で周波数変調され且つ測定対象ガスの吸収波長を走査するように発光波長が変化するレーザ光を前記レーザ素子から出射させるステップと、前記受光素子の出力信号から前記変調信号の周波数の２倍の周波数成分を検出するステップと、前記２倍の周波数成分に基づき前記測定対象ガスのうち低濃度側の測定対象ガスの濃度を演算するステップと、前記受光素子の出力信号から前記変調信号の周波数と同一周波数成分を１倍周波数成分として検出するステップと、前記１倍周波数成分において、吸光量がピークとなるときの振幅値であるピーク振幅値及び吸光が行われないときの振幅値である非吸光振幅値を検出するステップと、前記１倍周波数成分の信号波形においてゼロ軸に対して波形が折り返される折り返しが生じているか否かを判定するステップと、前記折り返しが生じていないと判定されるとき、前記ピーク振幅値及び前記非吸光振幅値との差分値を濃度相当値として濃度演算を行い、前記折り返しが生じていると判定されるとき、前記ピーク振幅値及び前記非吸光振幅値との和を前記濃度相当値として濃度演算を行うステップと、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、単一のレーザ素子を用い、低濃度側のガスについては、受光光量に応じた受光素子の出力信号の２倍周波数成分に基づいて濃度演算を行い、高能度側のガスについては、比較的簡易な構成で検出することのできる、受光素子の出力信号の１倍周波数成分に基づいて濃度演算を行うため、装置の大型化やコスト増加を抑制して、２種類のガスの濃度計測を行うレーザ式ガス分析計を実現することができる。また、１倍周波数成分において、信号波形に折り返しが生じているか否かを判断し、折り返しが生じている場合と、生じていない場合とで、濃度の演算方法を切り替えるため、信号波形に折り返しが生じている場合であっても、的確に濃度演算を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用したレーザ式ガス分析計の概略構成を示す断面図である。
このレーザ式ガス分析計は、図１に示すように、発光部１と受光部２とを備える。
発光部１は、レーザ素子が搭載された光源部１１と、この光源部１１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１２とを備える。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る。

受光部２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２１、集光レンズ２１で集光されたレーザ光を検出する光検出部２２、及び光検出部２２で検出されたレーザ光から基本波成分の２倍の周波数成分を抽出しこれに基づき測定対象ガスの濃度を演算する信号処理部２３が設けられている。
光検出部２２としては例えばフォドタイオードを用いることができ、後述のレーザ素子４１の発光波長に感度をもつ受光素子が用いられる。
ここで、発光部１の光源部１１及びコリメートレンズ１２は、一端が開口された略円筒状の発光部筐体１７に収納され、集光レンズ２１、光検出部２２及び信号処理部２３は、一端が開口された略円筒状の受光部筐体２７に収納される。

一方、煙道等の測定対象ガスが流れる配管の隔壁３１ａ、３１ｂには、フランジ３２ａ、３２ｂが溶接等の方法により対向して固定され、発光部筐体１７の開口部側が取付座３３ａを介して一方のフランジ３２ａに取り付けられ、受光部筐体２７の開口部側が取付座３３ｂを介して他方のフランジ３２ｂに取り付けられている。
このとき、光源部１１、コリメートレンズ１２、集光レンズ２１及び光検出部２２は、これらの光軸が一致するように配置され、光源部１１から出射されたレーザ光が、コリメートレンズ１２により平行光に変換された後、隔壁３１ａ、３１ｂ間の測定対象ガスを透過して、集光レンズ２１に入射され、集光レンズ２１により光検出部２２上に集光されるようになっている。

次に、光源部１１について説明する。
図２は、光源部１１の構成を示すブロック図である。
図２において、光源部１１は、レーザ素子４１と、レーザ素子４１を駆動するためのレーザ駆動信号を生成するレーザ駆動信号生成部４２と、レーザ駆動信号生成部４２で生成したレーザ駆動信号を電流に変換し、これをレーザ素子４１に供給する電流制御部４３と、を備える。

レーザ駆動信号生成部４２は、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子４１の発光波長を可変とする波長走査駆動信号発生部４２ａと、測定対象ガスの吸収波長を検出するために、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波で波長を周波数変調するための高調波変調信号発生部４２ｂと、合成部４２ｃとを備え、波長走査駆動信号発生部４２ａ及び高調波変調信号発生部４２ｂで発生された信号が合成部４２ｃで合成されてレーザ駆動信号が生成される。

波長走査駆動信号発生部４２ａから出力される波長走査駆動信号Ｉ１は図２中に示すように、一定周期で繰り返されるほぼ台形波状の信号であって、波長走査駆動信号Ｉ１の信号値が零よりも大きな一定値に保たれた部分ｉ１と、波長走査駆動信号Ｉ１の信号値がｉ１部分よりも高い状態から直線的に増加する部分ｉ２と、波長走査駆動信号Ｉ１の信号値が零となる部分ｉ３とから構成される。

波長走査駆動信号Ｉ１の部分ｉ１は、吸収波長は走査しないがレーザ素子４１は発光させておくオフセット部分であって、レーザ素子４１の発光を安定化させるためにレーザ素子４１のスレッショルドカレント以上となる値に設定される。
波長走査駆動信号Ｉ１の部分ｉ２は、レーザ素子４１に供給される電流の大きさを直線的に替えることにより、レーザ素子４１の発光波長を徐々にずらすための部分である。したがって、波長走査駆動信号Ｉ１の部分ｉ２は、光吸収強度が比較的高い波長を中心として、その波長を挟んである程度の線幅を走査可能な幅に設定される。例えば、測定対象ガスがアンモニアガスの場合には、０．２〔ｎｍ〕程度の線幅を走査可能な値に設定される。

波長走査駆動信号Ｉ１の部分ｉ３は、駆動電流をほぼ零とする部分である。
そして、波長走査駆動信号発生部４２ａからの波長走査駆動信号Ｉ１と、高調波変調信号発生部４２ｂからの高周波変調信号Ｉ２とが合成されてなるレーザ駆動信号に応じてレーザ素子４１が駆動されることにより、レーザ素子４１からは、図３に示すように、測定対象ガス（図３はアンモニアガスの場合を示す）の吸収波長帯を含むように周波数変調されたレーザ光が出射されることになる。

なお、本実施形態では、２種類のガスの濃度を計測するため、波長走査駆動信号Ｉ１の部分ｉ２の線幅は、２種類のガスの光吸収強度が比較的高い波長であり且つこれら波長が近接する波長を中心とし、その波長を挟んで、２種類のガスそれぞれの光吸収強度をそれぞれ所定の線幅を走査するような値に設定する。
さらに、光源部１１は、レーザ素子４１に近接して配置される、温度検出素子としてのサーミスタ４４と、このサーミスタ４４に近接して配置されたペルチェ素子４５と、ペルチェ素子４５を制御する温度制御部４６とを備え、レーザ素子４１とペルチェ素子４５との間で温度が同等となるように配置されている。温度制御部４６は、サーミスタ４４の抵抗値が一定値となるようにペルチェ素子４５を制御し、これにより結果的に、レーザ素子４１の温度を安定化するようになっている。

次に、信号処理部２３について説明する。
図４は、信号処理部２３の構成を示すブロック図である。
信号処理部２３は、図４に示すように、フォトダイオード等からなる光検出部２２からの受光光量に応じた出力電流を電圧に変換するＩＶ変換器５１と、ＩＶ変換器５１の出力を増幅する増幅器５２と、低濃度ガス処理回路５３と、高濃度ガス処理回路５４と、低濃度ガス処理回路５３又は高濃度ガス処理回路５４の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器５５と、ＡＤ変換器５５の出力をもとに、低濃度ガス及び高濃度ガスの濃度を演算する演算処理部５６と、を備える。

低濃度ガス処理回路５３は、増幅器５２の出力から、前述の高周波変調信号Ｉ２の２倍の周波数近傍の成分を取り出すバンドパスフィルタ５３ａと、バンドパスフィルタ５３ａにて高調波変調信号Ｉ２の２倍の周波数成分以外の成分がある程度除去されたフィルタ出力と、高調波変調信号Ｉ２の２倍の周波数の参照信号とを掛け合わせることで同期検波を行い、高周波変調信号Ｉ２の２倍の周波数成分を検出する検波器５３ｂと、検波器５３ｂの出力を入力し、検波器５３ｂにおいて参照信号を掛け合わせることにより生じた高調波成分を除去して２倍の周波数成分のみを抽出するローパスフィルタ５３ｃと、ローパスフィルタ５３ｃのフィルタ出力を増幅する増幅器５３ｄと、を備え、増幅器５３ｄの出力は、２倍周波数成分信号としてＡＤ変換器５５に入力される。

高濃度ガス処理回路５４は、増幅器５２の出力から、高調波変調信号Ｉ２と同一の周波数成分を抽出するバンドパスフィルタ５４ａで構成される。このバンドパスフィルタ５４ａで抽出された高調波変調信号Ｉ２と同一の周波数成分からなる信号は１倍周波数成分信号としてＡＤ変換器５５に入力される。
バンドパスフィルタ５４ａは、例えば、図５に示すように、一対の信号入力端の一方に接続されるダイオードＤと、ダイオードＤの出力側と他方の信号入力端との間に接続されるコンデンサＣ及びこのコンデンサＣと並列に接続される抵抗Ｒとで構成され、抵抗Ｒの両端が信号出力端に接続される。なお、Ｖｉ（ｔ）、Ｖｏ（ｔ）はそれぞれ入力信号、出力信号である。

ＡＤ変換器５５は、演算処理部５６の制御により、低濃度ガス処理回路５３と高濃度ガス処理回路５４の出力とを切り替えて入力し、これをデジタル信号に変換して演算処理部５６に出力する。
演算処理部５６はマイクロコンピュータ等の演算処理装置で構成され、予め設定した切り替えタイミングで、ＡＤ変換器５５に入力される信号を切り替え、ＡＤ変換器５５からの、２倍周波数成分信号又は１倍周波数成分信号を入力し、これらに基づき測定対象ガスの濃度を演算する。

次に、測定対象ガスの濃度測定方法を説明する。
まず、レーザ素子４１の温度をサーミスタ４４により検出し、図２に示した波長走査駆動信号Ｉ１の直線的に増加する部分ｉ２の中心部分近傍で、２種類の測定対象ガスの濃度を測定できるように、すなわち所定の吸収特性が得られるように、温度制御部４６により、ペルチェ素子４５への通電を制御してレーザ素子４１の温度を調整する。
次に、レーザ素子４１を駆動し、図３に示す、レーザ駆動信号に応じたレーザ光を出射させ、隔壁３１ａ、３１ｂ間を透過したレーザ光を集光し、これを光検出部２２に入射させる。

そして、この光検出部２２に入射された光量に応じた信号から、高調波変調信号Ｉ２と同一の周波数成分である１倍周波数成分信号と、高調波変調信号Ｉ２の２倍の周波数成分である２倍周波数成分信号とを抽出する。１倍周波数成分信号の信号波形において、振幅値が最小となるときの振幅値は光吸収がピークとなるときの振幅値を表し、振幅値が略一定の状態を維持するときの振幅値は光吸収が生じていない非吸光時の振幅値を表し、これらの差分値は、高濃度側の測定対象ガスの濃度に応じた値を表すことから、この差分値から高濃度側の測定対象ガスの濃度を演算する。一方、２倍周波数成分信号の信号波形において、ピーク値は低濃度側の測定対象ガスの濃度に応じた値を表すことから、このピーク値から低濃度側の測定対象ガスの濃度を演算する。

図６は、塩化水素と水とを同時に検出した場合の受光信号波形の一例を示したものであって、２倍周波数成分信号の波形である。発光波長を走査することによって２種類のガス吸収波形を得ることができる。
ここで、図６（ａ）の波形は、塩化水素も水も低濃度の場合を表したものであるが、通常の使用環境下では、塩化水素の濃度は一般的に数ｐｐｍから数１０００ｐｐｍといった濃度レンジであるのに対し、水の濃度は数％〜数１０％といった濃度レンジであって、塩化水素は低濃度レンジであるのに対し、水は非常に高濃度レンジとなっている。

したがって、実際の使用環境において、塩化水素及び水に対する受光信号を同一の増幅率で増幅すると、受光信号波形は図６（ｂ）に示すようになり、水のガス吸収波形が飽和してしまう可能性がある。
このため、本実施形態では、図４に示すように、光検出部２２からの受光光量に応じた電流信号をＩ／Ｖ変換器５１で電圧信号に変換し、この電圧信号を、高濃度の塩化水素の信号成分が飽和しない程度に増幅器５２で増幅した後、低濃度側の塩化水素については、低濃度ガス処理回路５３で処理する。すなわち、受光光量に応じた電圧信号から２倍周波数成分のみを抽出する。これによって、発光波長が、塩化水素の吸収波長を走査するタイミングで、塩化水素の濃度に応じた振幅が現れる。したがって、発光波長が、塩化水素の吸収波長を走査するタイミングにおける高側ピーク値と低側ピーク値とを検出しこれらの差分値ｗ１を求めることにより、この差分値ｗ１から塩化水素の濃度を算出することができる。

一方、高濃度側の水素については、図４に示すように、増幅器５２で増幅した、受光光量に応じた電圧信号に基づき、高濃度ガス処理回路５４で処理する。すなわち、受光光量に応じた電圧信号から１倍周波数成分のみを抽出する。高濃度ガスの場合には、低増幅率でも、１倍周波数成分に大きな信号変化が現れる。図７（ａ）は、高濃度ガスによる吸収が極端に大きくない場合の、光検出部２２における受光信号を表したものである。横軸は時間、縦軸は受光信号の強度である。なお、図１５で説明したように、時間の変化に応じて、高濃度ガスの吸収波長を走査するように発光波長も変化している。

図７（ａ）において、発光波長が吸収波長と一致するタイミングで、受光光量の低下が起きると共に、２倍周波数成分が発生する。このため受光信号が歪んだように見えている。
図７（ｂ）は、図７（ａ）の受光信号を、１倍周波数近傍のみを通すバンドパスフィルタを通した波形であって、横軸は時間、縦軸は信号レベルである。図７（ｂ）に示すように、発光波長が吸収波長と一致する時点ｔにおいて、振幅が小さくなっていることがわかる。

この振幅が最も小さくなる箇所は発光波長が水の吸収波長を走査するタイミングに一致するため、図８（ａ）に矢印で示す振幅の低下幅を測定することで濃度を検出することができる。すなわち、図８（ｂ）に示すように、光の吸収が起こらない部分の振幅Ｂと光の吸収が最大となる時点ｔの振幅Ａとを検出し、“Ｂ−Ａ”を得る。この“Ｂ−Ａ”が水の濃度に応じた値となる。

上述のように、受光信号の１倍周波数成分の信号波形において、最も小さい振幅値を得ることにより、高濃度ガスの濃度を検出することができる。
しかしながら、高濃度ガスの濃度がさらに高濃度の場合には、その受光信号は図９（ａ）に示すように、受光光量がさらに低下し、その１倍周波数成分信号は、図９（ｂ）に示すようにゼロ軸を挟んで折り返しが生じた信号波形となる。

これは、ガスの吸収強度がピークとなる波長において、ガスの吸光度が高くなるに従い、１倍周波数成分の信号波形において振幅は小さくなるのに対し、２倍周波数成分の信号波形では、振幅が大きくなっていくためであって、１倍周波数成分の振幅値＜２倍周波数成分の振幅値となったときに、図９（ｂ）に示すように、１倍周波数成分の信号波形において折り返しが生じる。
このような折り返しが生じた場合、図１０に示すように、１倍周波数成分の信号波形において、ガスの吸光強度がピークとなる波長における濃度に相当する振幅値は、ゼロ軸を上回るａ点の値ではなくゼロ軸を下回る値であって、ゼロ軸を挟んでａ点を反転したａ′点の値である。

このため、図８に示すように、ガスの吸収が起こらない波長における振幅Ｂと、ガスの吸収強度がピークとなる波長における振幅Ａとの差分を、ガスの濃度相当値として検出すると、本来ならば、振幅Ｂとゼロ軸を下回るａ′点の振幅値との差分が算出されるべきであるにも関わらず、振幅Ｂとゼロ軸を上回るａ点の振幅値Ａとの差分が算出されることになって、的確に濃度を検出することができないことになる。
このため、１倍周波数成分の信号波形において、信号波形に折り返しが生じているか否かを判定し、折り返しが生じているときと折り返しが生じていないときとで、ガスの濃度の演算方法を切り替える。

１倍周波数成分の信号波形において、折り返しが生じているか否かの判断は例えば次の手順で行う。すなわち、図１０において、ガスの吸収強度がピークとなるピーク波長における振幅値Ａと、その前後の少なくとも何れか一方の波長における振幅値Ｃ、Ｃ′を測定する。そして、これらピーク波長における振幅値Ａと、ピーク波長前後の少なくとも何れか一方における振幅値Ｃ、Ｃ′との大小を比較し、ピーク波長における振幅値の方が、ピーク波長前後の少なくとも何れか一方の振幅値よりも小さいときには、折り返しが生じていないと判断し、逆にピーク波長における振幅値の方が大きいときには折り返しが生じていると判断する。

ここで、振幅値Ｃ、Ｃ′を測定する、折り返し判定用の判定用波長は、ピーク波長の近傍に設定する。このとき、図１０に示すように、ピーク波長における振幅値が、判定用波長における振幅値よりも大きければ、折り返しが生じていると判定することができるが、図１０において、振幅値Ｃ、Ｃ′が零となる波長は、折り返しの程度により異なり、すなわち測定対象ガスの濃度に応じて変化し、濃度が小さいときほどピーク波長に近い波長で振幅値Ｃ、Ｃ′は零となる。つまり、判定用波長としてピーク波長に近い値を設定するほど、より多くの状況下で折り返し判定を的確に行うことができるため、判定用波長として、判定用波長における振幅値とピーク波長における振幅値との値の大小関係から、ピーク波長における振幅値が、強度が小さくなる方向に突出したピークを表すか、強度が大きくなる方向に突出したピークを表すかを判断することが可能な値であり且つピーク波長により近接した値を設定する。なお、ピーク波長における振幅値が、強度が小さくなる方向に突出したピークを表すか、強度が大きくなる方向に突出したピークを表すかを判断することができればよいため、振幅値Ｃ及びＣ′の両方を検出する必要はなく、少なくとも何れか一方を設定すればよい。

そして、折り返し判定の結果、折り返しが生じていないと判定されるときには、ピーク波長における振幅値Ａを光吸収が生じていない波長における振幅値Ｂから減算（Ｂ−Ａ）し、この差分値を測定対象ガスの濃度相当値として濃度演算を行う。逆に、折り返しが生じていると判定されるときには、ピーク波長における振幅値Ａと光吸収が生じていない波長における振幅値Ｂとを加算（Ｂ＋Ａ）し、この加算値を測定対象ガスの濃度相当値としてとして、濃度演算を行う。

次に、上記第１の実施の形態の動作を説明する。
発光部１では、図３に示す、レーザ駆動信号に応じたレーザ光を発光させる。受光部２ではこのレーザ光を受光し、低濃度ガス処理回路５３でレーザ駆動信号生成に用いた高調波変調信号Ｉ２の２倍の周波数成分を２倍周波数成分信号として抽出すると共に、高調波変調信号Ｉ２の周波数と同一周波数の成分を１倍周波数成分信号として抽出する。そして、Ａ／Ｄ変換器５５でこれら２倍周波数成分信号及び１倍周波数成分信号を選択的にデジタル信号に変換し、演算処理部５６に出力する。

演算処理部５６では、図１１のフローチャートにしたがって処理を行い、まず、低濃度ガス処理回路５３及び高濃度ガス処理回路５４の何れの信号を、Ａ／Ｄ変換器５５に入力するかの切り替えを行う。例えば、まず、Ａ／Ｄ変換器５５に入力すべき信号として、低濃度ガス処理回路５３の出力信号側に切り替え（ステップＳ１）、低濃度ガス処理回路５３の出力信号に基づいて、発光部１での発光波長が、低濃度側のガスの吸収波長と一致するタイミングに応じて予め設定した、２倍周波数成分の信号波形において振幅値が高側ピーク及び低側ピークとなるタイミングにおける、２倍周波数成分の振幅値を検出する（ステップＳ２）。例えば、周期信号からなるレーザ駆動信号の１周期に同期したトリガ信号を発生させること等により、振幅値の検出タイミングを決定する。

そして、図６に示すように、検出した高側ピーク及び低側ピークにおける振幅値の差分値ｗ１を算出し、これを低濃度ガスの濃度相当値とし、これに基づき公知の手順で、低濃度ガス、すなわちＨＣｌガスの濃度演算を行う（ステップＳ３）。
次いで、Ａ／Ｄ変換器５５に入力すべき信号を、高濃度ガス処理回路５４側に切り替え（ステップＳ４）、高濃度ガス処理回路５４の出力信号である１倍周波数成分信号において、図１０に示すように、発光部１での発光波長が、高濃度側のガスのピーク波長と一致するタイミングにおける振幅値と、発光部１での発光波長が、高濃度側のガスの吸収が生じないときの波長と一致するタイミングにおける振幅値と、発光部１での発光波長が、予め設定したピーク波長近傍の判定用波長と一致するタイミングにおける振幅値とを検出する（ステップＳ５）。例えば、光吸収強度がピークとなるピーク波長と、光の吸収がほとんどないときの波長と、判定用波長とを予め設定しておき、発光部１での発光波長が、これら波長と一致するタイミングにおける１倍周波数成分信号における振幅値を読み込む。この場合も、レーザ駆動信号に同期したトリガ信号を発生させることで、このトリガ信号を基準として、発光部１での発光波長が、各波長と一致するタイミングを特定すればよい。

次いで、ステップＳ６に移行し、判定用波長における振幅値と、ピーク波長における振幅値とを比較し、ピーク波長における振幅値が、判定用波長における振幅値よりも小さいときには折り返しが生じていないとしてステップＳ７に移行し、ピーク波長における振幅値から光吸収が生じない波長における振幅値を減算し、その減算結果を、測定対象の高濃度側のガスの濃度相当値とする。そして、この濃度相当値に基づき公知の手順で高濃度ガスの濃度演算を行う。

一方、ステップＳ６の処理で、ピーク波長における振幅値が、判定用波長における振幅値以上であるときには、折り返しが生じているものとしてステップＳ８に移行し、ピーク波長における振幅値と、光吸収が生じない波長における振幅値とを加算し、その加算結果を、測定対象の高濃度側のガスの濃度相当値とする。そして、この濃度相当値に基づき公知の手順で高濃度ガスの濃度演算を行う。

そして、ステップＳ１に戻り、以後、上記と同様に、低濃度ガス及び高濃度ガスを順次切り替えて、２種類のガスの濃度演算を行う。
このように、上記実施の形態の形態においては、低濃度ガスについては、低濃度ガス処理回路５３により処理し、高濃度ガスについては高濃度ガス処理回路５４により処理する構成とし、この高濃度ガス処理回路５４は、バンドパスフィルタ５４ａで形成しており、図７に示すような簡易な構成で実現することができる。このため、２種類のガスの濃度を検出する場合であっても装置の大型化やコストの増加を抑制しつつ実現することができると共に、応答性の遅れなどを伴うことなく実現することができる。このとき、高濃度ガスの測定は、比較的簡易な構成で実現しており、微小信号を扱う場合には安定性に欠けるが、このバンドパスフィルタ５４ａを用いた高濃度ガス処理回路５４では、比較的高濃度ガスを対象としているため、簡易な構成の処理回路であっても的確に濃度測定を行うことができる。

また、特に、１倍周波数成分信号の場合には、測定対象ガスの濃度が比較的高濃度の場合には、図９に示すように、信号波形において折り返しが生じる可能性がある。しかしながら、この折り返しが生じているかどうかを判断し、折り返しが生じているか否かに応じて、濃度の演算方法を切り替えているから、折り返しが生じているか否かに関わらず、測定対象ガスの濃度を的確に検出することができる。

また、塩化水素ＨＣｌと水蒸気Ｈ₂Ｏとは、前述のように近接した波長における吸光量は塩化水素の方が１０倍以上大きいため、これらの濃度を同一の処理で計測することは困難であるが、上述のように、高濃度ガスと低濃度ガスとの側計測方法を切り替えることで、レンジの切り替えや、測定対象ガスの切り替えに伴う待ち時間が発生すること等を伴うことなく、高精度に濃度計測を行うことができ、有効である。

特に、高濃度ガスの吸光量と、低濃度ガスの吸光量との比が１０倍以上である場合には、高濃度成分の1f信号に折り返しを生じる場合が多いため、効果的である。
なお、上記実施の形態においては、図１０において、ピーク波長における振幅値と、判定用波長における振幅値とを検出し、これらの大小関係に基づいて、折り返しが生じているか否かを判定する場合について説明したが、これに限るものではない。折り返しが生じているか否かを検出することができればどのような方法を用いてもよく、例えば、高濃度ガスの吸収がある位置の前後のタイミングを含めて、1f信号の包絡線検波信号を連続的に監視し、包絡線信号の大きさがほぼゼロになる個所があれば折り返しが生じていると判断するようにしてもよい。

また、上記実施の形態においては、塩化水素ＨＣｌと水蒸気Ｈ₂Ｏとの濃度を測定する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、アンモニアＮＨ₃と水蒸気Ｈ₂Ｏ、あるいは一酸化炭素ＣＯと二酸化炭素ＣＯ₂、などの組み合わせであっても測定することができる。要は、比較的近接した波長に光吸収ピークを有するガスの組み合わせであれば適用することができ、特に、１０倍程度以上の濃度差を有するガスの組み合わせに適用すれば、信号処理過程で、高濃度側の信号波形が飽和する等が生じることなく、それぞれの濃度に適した処理が行われるため、効果的である。

なお、上記実施の形態において、コリメートレンズ１２が第１の光学系に対応し、集光レンズが第２の光学系に対応し、光検出部２２が受光素子に対応し、高濃度ガス処理回路５４が１倍周波数成分検出手段に対応し、低濃度ガス処理回路５３が２倍周波数成分検出手段に対応している。
また、図１１において、ステップＳ５〜ステップＳ８の処理が高濃度演算手段に対応し、図１１のステップＳ２及びステップＳ３の処理が低濃度演算手段に対応し、ステップＳ５の処理が振幅値検出手段に対応し、ステップＳ６の処理が折り返し判定手段に対応し、ステップＳ８及びステップＳ９の処理が濃度演算手段に対応している。

本発明の一実施形態に係るレーザ式ガス分析計の概略構成を示す図である。光源部の構成を示すブロック図である。レーザ素子の出射光の波形の一例である。信号処理部の構成を示すブロック図である。高濃度ガス処理回路としてのバンドパスフィルタの一例である。２倍周波数成分信号の波形の一例である。折り返しが生じていない場合の、（ａ）受光信号及び（ｂ）１倍周波数成分信号の波形の一例である。折り返しが生じていない場合の、濃度相当値の検出方法の説明図である。折り返しが生じている場合の、（ａ）受光信号及び（ｂ）１倍周波数成分信号の波形の一例である。折り返しが生じている場合の、濃度相当値の検出方法の説明図である。演算処理部の濃度演算に伴う演算処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。ＮＨ₃ガスの吸収スペクトルの一例である。周波数変調方式の原理図である。（ａ）は半導体レーザの発光波長とドライブ電流との関係を示す図、（ｂ）は半導体レーザの発光波長と温度との関係を示す図である。（ａ）は発光素子の駆動波形の一例、（ｂ）は（ａ）の駆動波形で発光素子を駆動した場合の発光波長である。

符号の説明

１発光部
２受光部
１１光源部
１２コリメートレンズ
２１集光レンズ
２２光検出部
２３信号処理部
４１レーザ素子
４２ａ波長走査駆動信号発生部
４２ｂ高調波変調信号発生部
４２ｃ合成部
４４サーミスタ
５１Ｉ／Ｖ変換器
５２増幅器
５３低濃度ガス処理回路
５３ａバンドパスフィルタ
５３ｂ検波器
５３ｃローパスフィルタ
５３ｄ増幅器
５４高濃度ガス処理回路
５４ａバンドパスフィルタ
５５ＡＤ変換器
５６演算処理部

Claims

変調信号で周波数変調され且つ測定対象ガスの吸収波長を走査するように発光波長が変化するレーザ光を出射するレーザ素子を有する光源部と、
前記光源部からの出射光をコリメートする第１の光学系と、
前記第１の光学系からの出射光が、前記測定対象ガスが存在する測定空間を介して伝播された透過光を集光する第２の光学系と、
前記第２の光学系により集光された光を受光する受光素子と、を有し、濃度の異なる２種類の測定対象ガスの濃度を検出するレーザ式ガス分析計であって、
前記受光素子の出力信号から、前記変調信号の周波数と同一周波数成分を検出する１倍周波数成分検出手段と、
前記１倍周波数成分検出手段で検出した１倍周波数成分に基づき前記測定対象ガスのうち高濃度側の測定対象ガスの濃度を演算する高濃度演算手段と、
前記受光素子の出力信号から、前記変調信号の周波数の２倍の周波数成分を検出する２倍周波数成分検出手段と、
前記２倍周波数成分検出手段で検出した２倍周波数成分に基づき前記測定対象ガスのうち低濃度側の測定対象ガスの濃度を演算する低濃度演算手段と、を有し、
前記高濃度演算手段は、前記１倍周波数成分から、吸光量がピークとなるときの振幅値であるピーク振幅値及び吸光が行われないときの振幅値である非吸光振幅値を検出する振幅値検出手段と、
前記１倍周波数成分の信号波形においてゼロ軸に対して波形が折り返される折り返しが生じているか否かを判定する折り返し判定手段と、
前記振幅値検出手段で検出した振幅値に基づき前記高濃度側の測定対象ガスの濃度を演算する濃度演算手段と、を備え、
前記濃度演算手段は、前記折り返し判定手段での判定結果に基づき、前記折り返しが生じている場合と生じていない場合とで前記濃度の演算方法を切り替えることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
前記濃度演算手段は、前記折り返しが生じていないときには、前記非吸光振幅値と前記ピーク振幅値との差分値を濃度相当値とし、前記折り返しが生じているときには、前記非吸光振幅値と前記ピーク振幅値との和を前記濃度相当値とし、前記濃度相当値に基づき濃度演算を行うことを特徴とする請求項１記載のレーザ式ガス分析計。
前記折り返し判定手段は、前記１倍周波数成分において、前記吸光量がピークとなるときの波長の近傍に予め設定した折り返し判定用の波長における振幅値を、折り返し判定用振幅値として検出し、
前記折り返し判定用振幅値が、前記ピーク振幅値よりも小さいとき、前記折り返しが生じていると判定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ式ガス分析計。
前記高濃度側の測定対象ガスの吸光量は、前記低濃度側の測定対象ガスの吸光量の１０倍以上であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のレーザ式ガス分析計。
濃度の異なる２種類の測定対象ガスが存在する測定空間を介して伝播されたレーザ素子の出射光を受光素子で受光し、前記受光素子の出力信号に基づき前記測定対象ガスの濃度を測定するガス濃度測定方法であって、
変調信号で周波数変調され且つ測定対象ガスの吸収波長を走査するように発光波長が変化するレーザ光を前記レーザ素子から出射させるステップと、
前記受光素子の出力信号から前記変調信号の周波数の２倍の周波数成分を検出するステップと、
前記２倍の周波数成分に基づき前記測定対象ガスのうち低濃度側の測定対象ガスの濃度を演算するステップと、
前記受光素子の出力信号から前記変調信号の周波数と同一周波数成分を１倍周波数成分として検出するステップと、
前記１倍周波数成分において、吸光量がピークとなるときの振幅値であるピーク振幅値及び吸光が行われないときの振幅値である非吸光振幅値を検出するステップと、
前記１倍周波数成分の信号波形においてゼロ軸に対して波形が折り返される折り返しが生じているか否かを判定するステップと、
前記折り返しが生じていないと判定されるとき、前記ピーク振幅値及び前記非吸光振幅値との差分値を濃度相当値として濃度演算を行い、前記折り返しが生じていると判定されるとき、前記ピーク振幅値及び前記非吸光振幅値との和を前記濃度相当値として濃度演算を行うステップと、を備えることを特徴とするガス濃度測定方法。