JP2010096561A - Calibration device for laser type gas analyzer - Google Patents

Calibration device for laser type gas analyzer Download PDF

Info

Publication number
JP2010096561A
JP2010096561A JP2008266013A JP2008266013A JP2010096561A JP 2010096561 A JP2010096561 A JP 2010096561A JP 2008266013 A JP2008266013 A JP 2008266013A JP 2008266013 A JP2008266013 A JP 2008266013A JP 2010096561 A JP2010096561 A JP 2010096561A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
laser
concentration
light
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2008266013A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Noritomo Hirayama
紀友 平山
Shigeru Komine
繁 小峯
Yusuke Nakamura
裕介 中村
Hideo Kanai
秀夫 金井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Systems Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Systems Co Ltd filed Critical Fuji Electric Systems Co Ltd
Priority to JP2008266013A priority Critical patent/JP2010096561A/en
Publication of JP2010096561A publication Critical patent/JP2010096561A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To facilitate calibration of a laser type gas analyzer, and to measure a moisture concentration highly accurately. <P>SOLUTION: This calibration device for the laser type gas analyzer including a light emitting unit 250 and a light receiving unit 260, capable of measuring the moisture concentration, wherein a signal processing circuit detects a double-wave signal of a modulating signal of a light source part 204 from an output signal of a light receiving part 207 and measures the concentration of a measuring object gas, includes a pipe 301 connected airtightly between both units 250, 260 and holding a prescribed optical path length of laser light, a gas cleaning bottle 500 for supplying air having a prescribed moisture concentration into the pipe 301, and an oxygen analyzer 400 for measuring an oxygen concentration in moisture-containing air supplied into the pipe 301. In the calibration device, a hydrogen concentration is converted from the measured oxygen concentration, and a measured value of the hydrogen concentration by the gas analyzer is calibrated by using the hydrogen concentration and the optical path length. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば煙道内のガスや排ガスなどの各種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の校正装置に関するものである。   The present invention relates to a calibration apparatus for a laser-type gas analyzer that measures the concentration of various gases such as gas in a flue and exhaust gas with laser light.

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9はNH(アンモニア)ガスの吸収スペクトラム例である。
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た分析計であり、ガス濃度の測定方法としては、2波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。このうち、本発明は、例えば周波数変調方式を用いたレーザ式ガス分析計に適用して好適なものである。
It is known that each gaseous gas molecule has its own light absorption spectrum. For example, FIG. 9 shows an example of an absorption spectrum of NH 3 (ammonia) gas.
The laser gas analyzer is an analyzer that utilizes the fact that the amount of absorption of a specific wavelength of laser light is proportional to the concentration of the gas to be measured. The gas concentration measuring method includes a two-wavelength difference method and a frequency modulation method. It is divided roughly into. Among these, the present invention is suitable for application to, for example, a laser gas analyzer using a frequency modulation method.

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10は、周波数変調方式の原理図を示しており、例えば特許文献1に記載されているものである。なお、この特許文献1に記載されたガス濃度測定装置は、測定対象ガスが存在するガスセルの透過光からガス濃度を測定するように構成されている。
周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、中心周波数f、変調周波数f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。
半導体レーザは、図11,図12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ので、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。
First, the measurement principle of a conventional laser gas analyzer using the frequency modulation method will be described.
FIG. 10 shows a principle diagram of the frequency modulation method, which is described in, for example, Patent Document 1. The gas concentration measuring device described in Patent Document 1 is configured to measure the gas concentration from the transmitted light of the gas cell in which the measurement target gas exists.
In the frequency modulation type laser gas analyzer, the emission light of the semiconductor laser is frequency-modulated at the center frequency f c and the modulation frequency f m and irradiated to the gas to be measured. Here, the frequency modulation is to make the waveform of the drive current supplied to the semiconductor laser sine wave.
Since the emission wavelength of the semiconductor laser varies depending on the drive current and temperature as shown in FIGS. 11 and 12, the emission wavelength is modulated with the modulation of the drive current by performing frequency modulation.

図10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fの2倍の周波数の信号(2倍波信号)が得られる。ここで、変調周波数fは任意の周波数でよいため、例えば変調周波数f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て、2倍波信号の抽出等の高度な信号処理を行うことができる。
また、受光部によりエンベロープ検波を行えば、振幅変調による基本波を推定することができる。この基本波の振幅と前記2倍波信号の振幅との比を位相同期させて検出することにより、測定対象ガス濃度に比例した信号を得ることができる。
As shown in FIG. 10, since the absorption lines of the gas is almost quadratic function with respect to the modulation frequency, the absorption line plays the role of a discriminator, the light receiving portion of the double modulation frequency f m A frequency signal (second harmonic signal) is obtained. Since the modulation frequency f m good at any frequency, for example, choose the modulation frequency f m to several kHz, using a processor of the digital signal processor (DSP) or general-purpose, the second harmonic signal such as extraction Advanced signal processing can be performed.
Further, if envelope detection is performed by the light receiving unit, a fundamental wave by amplitude modulation can be estimated. By detecting the ratio between the amplitude of the fundamental wave and the amplitude of the second harmonic signal in phase synchronization, a signal proportional to the concentration of the gas to be measured can be obtained.

この周波数変調方式では、半導体レーザの種類の中でも、分布帰還型半導体レーザ(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、DFB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、DFBレーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせる必要がある。
その方法として、測定対象ガスと同じガス成分を予め封入した参照ガスセルを用いて、DFBレーザの発光波長を温度によって制御する方法が用いられている。
In this frequency modulation method, among the types of semiconductor lasers, in many cases, only a single-wavelength laser beam is emitted using a distributed feedback semiconductor laser (DFB laser) and the gas concentration is measured. In this case, since the spectral line width emitted by the DFB laser is smaller than the absorption line width of the measurement target gas, it is necessary to match the emission wavelength of the DFB laser with the absorption wavelength of the measurement target gas.
As a method for this, there is used a method in which the emission wavelength of the DFB laser is controlled by temperature using a reference gas cell in which the same gas component as that of the measurement target gas is previously enclosed.

上述したような検出原理を用いた従来技術としては、例えば特許文献2に記載されたガス濃度測定装置がある。図13は、特許文献2に記載されたガス濃度測定装置の全体的な構成を示しており、この測定装置は、測定対象ガスが存在するガス配管などからの反射光を用いてガス濃度を測定するものである。
このガス濃度測定装置1は、主として、光源ユニット2、測定光集光部3、測定光増幅部4、受信信号検出部5、校正信号生成部6、基本波信号増幅器7Aと2倍波信号増幅器7Bとからなる参照信号増幅部7、信号微分検出器8Aと信号同期検出器8Bとからなる参照信号検出部8、波長安定化制御回路9、温度安定化PID回路10、電流安定化回路11、測定/校正切替部12、演算部13から構成されている。
As a conventional technique using the detection principle as described above, for example, there is a gas concentration measuring device described in Patent Document 2. FIG. 13 shows the overall configuration of the gas concentration measuring device described in Patent Document 2, and this measuring device measures the gas concentration using reflected light from a gas pipe or the like where the measurement target gas exists. To do.
The gas concentration measuring apparatus 1 mainly includes a light source unit 2, a measuring light condensing unit 3, a measuring light amplifying unit 4, a received signal detecting unit 5, a calibration signal generating unit 6, a fundamental wave signal amplifier 7A and a second harmonic signal amplifier. 7B, a reference signal amplifying unit 7 comprising a signal differential detector 8A and a signal synchronization detector 8B, a wavelength stabilizing control circuit 9, a temperature stabilizing PID circuit 10, a current stabilizing circuit 11, It comprises a measurement / calibration switching unit 12 and a calculation unit 13.

光源ユニット2は、前述の測定対象ガス特有の吸収線に合致した波長のレーザ光を発生するものであり、図14に示すように、金属パッケージからなる箱型形状のケース本体26の内部に、半導体レーザモジュール21、参照ガスセル22、光検出器(受光部)23が収容されている。
半導体レーザモジュール21のケース21a内には、図15に示すように、周波数変調されたレーザ光を両面から出射する半導体レーザ(レーザダイオード)24が配設されている。図14に示す如く、ケース21aからはコネクタ25aを備えた光ケーブル25が延びており、半導体レーザ24から出射される一方の光が、光ケーブル25を介して図13の測定光集光部3から外部(測定対象ガスの雰囲気)に出射される。
The light source unit 2 generates laser light having a wavelength that matches the absorption line peculiar to the gas to be measured as described above. As shown in FIG. 14, inside the box-shaped case body 26 made of a metal package, A semiconductor laser module 21, a reference gas cell 22, and a photodetector (light receiving unit) 23 are accommodated.
As shown in FIG. 15, a semiconductor laser (laser diode) 24 that emits frequency-modulated laser light from both sides is disposed in the case 21 a of the semiconductor laser module 21. As shown in FIG. 14, an optical cable 25 having a connector 25a extends from the case 21a, and one light emitted from the semiconductor laser 24 is externally transmitted from the measurement light condensing unit 3 in FIG. It is emitted to (atmosphere of measurement object gas).

図14において、ケース本体26の底面には、冷却用フィン27が取り付けられたペルチェ素子等の温度制御素子(図示せず)が配置されている。この温度制御素子によって動作温度を一定温度に制御することで、発振波長が制御される。
また、図15に示すように、半導体レーザ24の前後両側の光軸上には、出射光を集光するための平坦面を持たない非球面レンズ29a,29bが配設されている。これらの非球面レンズ29a,29bを集光用レンズとして使用することにより、半導体レーザ24に光が反射して戻るのを防止している。
In FIG. 14, a temperature control element (not shown) such as a Peltier element to which a cooling fin 27 is attached is disposed on the bottom surface of the case body 26. The oscillation wavelength is controlled by controlling the operating temperature to a constant temperature by this temperature control element.
As shown in FIG. 15, aspherical lenses 29 a and 29 b that do not have a flat surface for collecting emitted light are disposed on the optical axes on both the front and rear sides of the semiconductor laser 24. By using these aspheric lenses 29a and 29b as condensing lenses, light is prevented from being reflected back to the semiconductor laser 24.

図15に示す如く、半導体レーザ24の前後両側の光軸上で非球面レンズ29a,29bの外側には、光アイソレータ30a,30bが配設されている。
これらの光アイソレータ30a,30bは、90°の偏波面の光のみを通す偏光子と45°の偏波面の光のみを通す検光子との間に配置された結晶に磁界を印加することで、結晶中を透過する光の偏波面を回転させて偏光子での反射光の通過を阻止し、半導体レーザ24に反射光が戻るのを防止している。
As shown in FIG. 15, optical isolators 30 a and 30 b are disposed outside the aspheric lenses 29 a and 29 b on the optical axes on both the front and rear sides of the semiconductor laser 24.
These optical isolators 30a and 30b apply a magnetic field to a crystal arranged between a polarizer that passes only light with a 90 ° polarization plane and an analyzer that passes only light with a 45 ° polarization plane, The plane of polarization of the light transmitted through the crystal is rotated to prevent the reflected light from passing through the polarizer, and the reflected light is prevented from returning to the semiconductor laser 24.

図14,図15において、半導体レーザ24の後側の光路上に配置された参照ガスセル22は、測定光発振波長の安定化や測定対象ガス濃度の校正用に用いられる。この参照ガスセル22において、空洞の金属胴22aの対向面に光を通過させる貫通穴が形成され、金属胴22aの内部に参照ガスが封入された後、貫通穴がガラス窓22bによって封止されている。
参照ガスセル22は、内径の長さが予め決められており、封入される参照ガスは、測定対象ガスの測定場所の環境とほぼ等しい組成、圧力とされている。例えば、測定場所の環境が空気であれば、参照ガスはエアバランス、すなわち空気と同じ組成であり、圧力も1気圧となっている。
14 and 15, the reference gas cell 22 disposed on the optical path on the rear side of the semiconductor laser 24 is used for stabilizing the measurement light oscillation wavelength and calibrating the measurement target gas concentration. In the reference gas cell 22, a through hole for allowing light to pass is formed on the opposite surface of the hollow metal cylinder 22a. After the reference gas is sealed inside the metal cylinder 22a, the through hole is sealed by the glass window 22b. Yes.
The reference gas cell 22 has a predetermined inner diameter, and the sealed reference gas has a composition and pressure substantially equal to the environment of the measurement target gas. For example, if the environment of the measurement location is air, the reference gas has an air balance, that is, the same composition as air, and the pressure is 1 atm.

参照ガスセル22は、非球面レンズ29bの後側の後方出射光が入射しやすい位置に固定され、参照ガスセル22を通過したレーザ光は、その後側に配設された光検出器23によって受光検出される。上記参照ガスセル22は、半導体レーザ24への戻り光を低減するため、光が通過する両端面が斜め(例えば出射光軸に対して約6°)に形成されている。   The reference gas cell 22 is fixed at a position where the rear emission light on the rear side of the aspherical lens 29b is likely to be incident, and the laser light that has passed through the reference gas cell 22 is received and detected by the photodetector 23 disposed on the rear side thereof. The In the reference gas cell 22, in order to reduce the return light to the semiconductor laser 24, both end surfaces through which light passes are formed obliquely (for example, about 6 ° with respect to the outgoing optical axis).

図13において、測定光集光部3は、半導体レーザ24からの光を外部に出射し、測定対象となるガス配管などから反射した測定光をレンズ31により集光する。そして、測定光集光部3は、集光した光を光検出器32により検出して電気信号に変換する。
測定光増幅部4はプリアンプによって構成されており、光検出器32にて検出した光電流を電圧に変換し、増幅して出力する。また、測定光増幅部4では、受信信号検出部5が検出する基本波位相敏感検波信号(f信号:以下、基本波信号と略称する)と2倍波位相敏感検波信号(2f信号:以下、2倍波信号と略称する)とがほぼ同じレベルになるように、基本波信号、2倍波信号のそれぞれについて最適増幅度が設定されている。
In FIG. 13, the measurement light condensing unit 3 emits the light from the semiconductor laser 24 to the outside, and condenses the measurement light reflected from the gas pipe to be measured by the lens 31. And the measurement light condensing part 3 detects the condensed light with the photodetector 32, and converts it into an electrical signal.
The measurement light amplifying unit 4 is constituted by a preamplifier, converts the photocurrent detected by the photodetector 32 into a voltage, amplifies it, and outputs it. In the measurement light amplifier 4, the fundamental wave phase sensitive detection signal (f signal: hereinafter abbreviated as fundamental wave signal) and the second harmonic phase sensitive detection signal (2 f signal: hereinafter, detected by the received signal detector 5. The optimum amplification degree is set for each of the fundamental wave signal and the second harmonic signal so that the second harmonic signal and the second harmonic signal are approximately at the same level.

受信信号検出部5は、測定/校正切替部12が測定光増幅部4側に切り替えられているときに、測定光増幅部4からの測定光信号を処理し、基本波信号(f信号)、2倍波信号(2f信号)、及び、2f/f信号を検出する。
また、受信信号検出部5は、測定/校正切替部12が校正信号生成部6側に切り替えられているときに、校正信号生成部6からの信号を処理し、校正用基本波信号(r信号)、校正用2倍波信号(r2f信号)、及び、r2f/r信号を検出する。
上記構成では、参照ガスセル22を用いて半導体レーザ24の発光波長を制御している。また、光検出器32の出力からガス濃度を示す2f信号を抽出することにより、測定対象ガスの濃度を測定している。
The reception signal detection unit 5 processes the measurement light signal from the measurement light amplification unit 4 when the measurement / calibration switching unit 12 is switched to the measurement light amplification unit 4 side, and generates a fundamental wave signal (f signal), A second harmonic signal (2f signal) and a 2f / f signal are detected.
The reception signal detection unit 5 processes the signal from the calibration signal generation unit 6 when the measurement / calibration switching unit 12 is switched to the calibration signal generation unit 6 side, and the calibration fundamental wave signal (r f Signal), a calibration second harmonic signal (r 2f signal), and an r 2f / r f signal.
In the above configuration, the emission wavelength of the semiconductor laser 24 is controlled using the reference gas cell 22. Further, the concentration of the measurement target gas is measured by extracting a 2f signal indicating the gas concentration from the output of the photodetector 32.

特開平7−151681号公報(段落[0004],[0005]、図4等)JP 7-151681 A (paragraphs [0004], [0005], FIG. 4 etc.) 特開2001−235418号公報(段落[0012]〜[0024]、図2,図11等)JP 2001-235418 A (paragraphs [0012] to [0024], FIG. 2, FIG. 11 etc.)

さて、この種のレーザ式ガス分析計により測定される測定値は、測定対象ガスが存在する領域(言い換えれば光の伝播距離)とガス濃度とによって吸収強度が変わるため、ガス濃度と光の伝播距離の積とにより表されるのが一般的である。
例えば、同じガス濃度、例えば100ppmのNHガスを1mの距離をおいて測定した場合は100ppm・mとなり、5mの距離をおいて測定した場合は吸収が500ppm・mとなるので、5mの距離をおいた方が測定値が大きくなる。
そのため、実際のガス分析計では、測定対象ガスが存在する光路長(上述した光の伝播距離)により測定値を除算して、ガス濃度を表示している。なお、この点については、前述した特許文献1の段落[0004]にも同様の記載がある。
The measured values measured by this type of laser gas analyzer vary in absorption intensity depending on the region where the measurement target gas exists (in other words, the propagation distance of light) and the gas concentration. It is generally expressed by the product of distances.
For example, if the same gas concentration, for example, 100 ppm of NH 3 gas is measured at a distance of 1 m, it becomes 100 ppm · m, and if it is measured at a distance of 5 m, the absorption is 500 ppm · m. The measured value will be larger if you put.
Therefore, in an actual gas analyzer, the measured value is divided by the optical path length (the above-mentioned light propagation distance) in which the measurement target gas exists, and the gas concentration is displayed. In this regard, there is a similar description in paragraph [0004] of Patent Document 1 described above.

上記のようにしてガス濃度を演算し、表示する場合、測定性能を保証するために、光路長とガス濃度との積によってガス分析計の測定値を校正することが必要になる。すなわち、測定対象ガスの濃度範囲に合わせて、例えばガスボンベを用意し、その出力と合うようにガス濃度の測定値を校正することになる。
このように、ガス分析計の測定性能を保証するためには校正作業が必要不可欠であり、そのためには、ガスボンベ等を用いて所定濃度のガスを用意する必要がある。
When the gas concentration is calculated and displayed as described above, it is necessary to calibrate the measured value of the gas analyzer based on the product of the optical path length and the gas concentration in order to guarantee the measurement performance. That is, for example, a gas cylinder is prepared in accordance with the concentration range of the measurement target gas, and the measured value of the gas concentration is calibrated to match the output.
Thus, in order to guarantee the measurement performance of the gas analyzer, calibration work is indispensable. For this purpose, it is necessary to prepare a gas having a predetermined concentration using a gas cylinder or the like.

しかしながら、これらのガスボンベを製造できない場合として、水分濃度を測定する場合などがある。
図16は、温度と水分濃度との関係を示す図である。水分濃度は水の沸点である100℃を100%として、各温度における飽和水蒸気圧の比率として求められる。図16によれば、高濃度の水分で校正する場合には、ガス分析計を100℃以上の環境下に置いて水を沸騰させなくてはならない。
更に、水分の高濃度を安定化するためには温度管理も必要となり、結果として高濃度の水分を用いた校正は困難であった。仮に、代表値を用いて校正するとしても、数値が正確でなく、測定値に誤差が含まれるという問題があった。
However, there is a case where the moisture concentration is measured as a case where these gas cylinders cannot be manufactured.
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between temperature and moisture concentration. The water concentration is determined as the ratio of the saturated water vapor pressure at each temperature, with 100% being the boiling point of water being 100%. According to FIG. 16, when calibrating with high-concentration water, the gas analyzer must be placed in an environment of 100 ° C. or higher to boil the water.
Furthermore, in order to stabilize the high concentration of water, temperature control is also required, and as a result, calibration using high concentration of water has been difficult. Even if the calibration is performed using the representative value, there is a problem that the numerical value is not accurate and the measurement value includes an error.

そこで、本発明の目的は、レーザ式ガス分析計の校正を容易化し、水分濃度を高精度に測定可能とした校正装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a calibration device that facilitates calibration of a laser gas analyzer and can measure the moisture concentration with high accuracy.

上記課題を解決するため、請求項1に係る校正装置は、周波数変調されたレーザ光を出射する光源部、及び、この光源部からの出射光をコリメートする光学系、を有する発光ユニットと、
前記光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された光を集光する光学系、この光学系により集光された光を受光する受光部、及び、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路、を有する受光ユニットと、を備え、
前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記光源部における変調信号の2倍周波数成分の信号を検出して測定対象ガスの濃度を測定するレーザ式ガス分析計であって、
前記測定対象ガスの濃度として水分濃度を測定するレーザ式ガス分析計を校正するための校正装置において、
前記発光ユニットと受光ユニットとの間に気密的に接続され、かつ、前記レーザ光の所定の光路長を保持可能な配管と、
前記配管の内部に所定の水分濃度の空気を供給する水分含有ガス供給手段と、
前記配管の内部に供給された空気中の酸素濃度を測定する酸素計と、を備え、
前記酸素計により測定した酸素濃度から水素濃度を換算し、この水素濃度と前記光路長とを用いて前記レーザ式ガス分析計による水素濃度の測定値を校正するものである。
In order to solve the above-described problem, a calibration apparatus according to claim 1 includes a light source unit that emits a frequency-modulated laser beam, and an optical system that collimates the emitted light from the light source unit, and
An optical system that collects light propagated from the optical system through the space where the measurement target gas exists, a light receiving unit that receives the light collected by the optical system, and an output signal of the light receiving unit A light receiving unit having a signal processing circuit
The signal processing circuit is a laser type gas analyzer that detects a signal having a double frequency component of a modulation signal in the light source unit from an output signal of the light receiving unit and measures a concentration of a measurement target gas,
In a calibration apparatus for calibrating a laser type gas analyzer that measures the moisture concentration as the concentration of the gas to be measured,
A pipe that is hermetically connected between the light emitting unit and the light receiving unit, and that can hold a predetermined optical path length of the laser beam;
Moisture-containing gas supply means for supplying air having a predetermined moisture concentration into the pipe;
An oxygen meter for measuring the oxygen concentration in the air supplied to the inside of the pipe,
The hydrogen concentration is converted from the oxygen concentration measured by the oximeter, and the measured value of the hydrogen concentration by the laser gas analyzer is calibrated using the hydrogen concentration and the optical path length.

請求項2に係る校正装置は、請求項1に記載した校正装置において、前記水分含有ガス供給手段を、大気により水をバブリングして得た水分含有ガスを前記配管内部に供給するガス洗浄瓶により構成したものである。   A calibration apparatus according to claim 2 is the calibration apparatus according to claim 1, wherein the moisture-containing gas supply means is a gas cleaning bottle that supplies moisture-containing gas obtained by bubbling water with the atmosphere into the pipe. It is composed.

請求項3に係る校正装置は、請求項1または2に記載した校正装置において、前記配管が、前記水分含有ガスが流入するガス導入口と、前記水分含有ガスが排出されるガス排出口と、前記酸素計が接続されるポートと、を備えたものである。   The calibration apparatus according to claim 3 is the calibration apparatus according to claim 1 or 2, wherein the pipe includes a gas introduction port through which the moisture-containing gas flows, a gas discharge port through which the moisture-containing gas is discharged, And a port to which the oximeter is connected.

請求項4に係る校正装置は、請求項1〜3の何れか1項に記載した校正装置において、前記光源部が、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とする波長走査駆動信号と前記発光波長を変調するための高周波変調信号とを合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換する電流制御部と、この電流制御部から出力された電流が供給される前記レーザ素子と、このレーザ素子の温度を安定化させる温度安定化手段と、を備え、かつ、前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記2倍周波数成分の信号の振幅を検出する同期検波回路と、この同期検波回路の出力信号に存在するガス吸収波形から測定対象ガスの濃度を検出する演算部と、を備えたものである。   A calibration device according to a fourth aspect of the present invention is the calibration device according to any one of the first to third aspects, wherein the light source unit is configured to change the emission wavelength of the laser element so as to scan the absorption wavelength of the measurement target gas. A laser drive signal generator for combining a wavelength scanning drive signal to be generated and a high-frequency modulation signal for modulating the emission wavelength and outputting the resultant as a laser drive signal; and the laser drive signal output from the laser drive signal generator A current control unit for converting into current, the laser element to which the current output from the current control unit is supplied, and temperature stabilization means for stabilizing the temperature of the laser element, and the signal processing A synchronous detection circuit for detecting an amplitude of the signal of the double frequency component from the output signal of the light receiving unit, and a gas to be measured from a gas absorption waveform existing in the output signal of the synchronous detection circuit; A computing section for detecting a degree, those having a.

本発明によれば、発光ユニットと受光ユニットとの間に接続される配管と、ガス洗浄瓶等の水分含有ガス供給手段とからなる簡単な構成により、レーザ式ガス分析計における水分濃度の測定値を容易に校正することができ、ガス分析計の水分検出精度を向上させることができる。   According to the present invention, the measured value of the moisture concentration in the laser gas analyzer has a simple configuration comprising a pipe connected between the light emitting unit and the light receiving unit, and a water-containing gas supply means such as a gas cleaning bottle. Can be easily calibrated, and the moisture detection accuracy of the gas analyzer can be improved.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1はこの実施形態の校正装置が適用されるレーザ式ガス分析計の一例を示す全体構成図である。図1において、フランジ201a,201bは、例えば、測定対象ガスが内部を通過する煙道などの配管の壁101a,101bに、溶接等によって固定されている。一方のフランジ201aには、取付座202aを介して、有底円筒状のカバー203aが取り付けられている。
カバー203aの内部には光源部204が配置されており、光源部204から出射したレーザ光は、コリメートレンズ205を含む光学系によって平行光にコリメートされる。コリメートされた光は、フランジ201aの中心を通って壁101a,101bの内部(煙道内部)へ入射される。前記平行光は、壁101a,101bの内部にある測定対象ガスを透過する際に吸収を受ける。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an example of a laser type gas analyzer to which the calibration apparatus of this embodiment is applied. In FIG. 1, flanges 201a and 201b are fixed to walls 101a and 101b of a pipe such as a flue through which the measurement target gas passes, for example, by welding. A bottomed cylindrical cover 203a is attached to one flange 201a via a mounting seat 202a.
A light source unit 204 is disposed inside the cover 203 a, and laser light emitted from the light source unit 204 is collimated into parallel light by an optical system including a collimating lens 205. The collimated light enters the walls 101a and 101b (inside the flue) through the center of the flange 201a. The parallel light is absorbed when it passes through the measurement target gas inside the walls 101a and 101b.

他方のフランジ201bには、取付座202bを介して有底円筒状のカバー203bが取り付けられている。煙道内部を通過した平行光は、カバー203b内部の集光レンズ206により集光されて受光部207により受光される。この光は、受光部207により電気信号に変換され、後段の信号処理回路208に入力される。   A bottomed cylindrical cover 203b is attached to the other flange 201b via a mounting seat 202b. The parallel light that has passed through the inside of the flue is condensed by the condensing lens 206 inside the cover 203b and received by the light receiving unit 207. This light is converted into an electrical signal by the light receiving unit 207 and input to the signal processing circuit 208 at the subsequent stage.

図2は、前記光源部204の構成を示している。
この光源部204は、波長走査駆動信号発生部204aと、高周波変調信号発生部204bと、からなるレーザ駆動信号発生部204sを備えている。波長走査駆動信号発生部204a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の発光波長を可変とし、高周波変調信号発生部204bは、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。
これらの信号発生部204a,204bの出力信号をレーザ駆動信号発生部204s内で合成することにより、レーザ駆動信号が生成される。
レーザ駆動信号発生部204sから出力されたレーザ駆動信号は電流制御部204cにより電流に変換され、半導体レーザからなるレーザ素子204eに供給される。
FIG. 2 shows the configuration of the light source unit 204.
The light source unit 204 includes a laser drive signal generation unit 204s including a wavelength scanning drive signal generation unit 204a and a high frequency modulation signal generation unit 204b. The wavelength scanning drive signal generation unit 204a makes the emission wavelength of the laser element variable so as to scan the absorption wavelength of the measurement target gas, and the high frequency modulation signal generation unit 204b detects, for example, the absorption wavelength of the measurement target gas. The wavelength is frequency-modulated with a sine wave of about 10 kHz.
A laser drive signal is generated by combining the output signals of these signal generators 204a and 204b in the laser drive signal generator 204s.
The laser drive signal output from the laser drive signal generation unit 204s is converted into a current by the current control unit 204c and supplied to the laser element 204e made of a semiconductor laser.

レーザ素子204eに近接して、温度検出素子としてのサーミスタ204fが配置され、サーミスタ204fにはペルチェ素子204gが近接して配置されている。
ペルチェ素子204gは、サーミスタ204fの抵抗値が一定値になるように温度制御部204dによってPID(比例・積分・微分)制御され、結果としてレーザ素子204eの温度を安定化させるためのものである。
A thermistor 204f as a temperature detection element is disposed in the vicinity of the laser element 204e, and a Peltier element 204g is disposed in the vicinity of the thermistor 204f.
The Peltier element 204g is PID (proportional / integral / differential) controlled by the temperature control unit 204d so that the resistance value of the thermistor 204f becomes a constant value, and as a result, stabilizes the temperature of the laser element 204e.

波長走査駆動信号発生部204aの出力信号は、図3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る。
図3において、吸収波長を走査する信号S2は、電流制御部204cを介してレーザ素子204eに供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号S2によってレーザ素子204eの発光波長を徐々にずらしていき、例えばNHガスであれば、0.2nm程度の線幅を走査可能としている。
また、信号S1は、吸収波長は走査しないがレーザ素子204eは発光させておくオフセット部分であり、レーザ素子204eの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値にしておく。
更に、信号S3は駆動電流をほぼ0にした部分である。
As shown in FIG. 3, the output signal of the wavelength scanning drive signal generator 204a is a substantially trapezoidal signal repeated at a constant period.
In FIG. 3, the signal S2 for scanning the absorption wavelength is a portion that linearly changes the magnitude of the current supplied to the laser element 204e via the current control unit 204c. With this signal S2, the emission wavelength of the laser element 204e is gradually shifted. For example, in the case of NH 3 gas, a line width of about 0.2 nm can be scanned.
The signal S1 is an offset portion that does not scan the absorption wavelength but causes the laser element 204e to emit light, and is set to a value equal to or greater than a threshold current value at which the light emission of the laser element 204e is stabilized.
Further, the signal S3 is a portion where the drive current is substantially zero.

図4は、図1における信号処理回路208の構成を周辺回路と共に示した図である。
図4において、受光部207は、レーザ素子204eの発光波長に感度を持つフォトダイオード等の受光素子よって構成されている。
受光部207の出力は電流信号であり、この電流信号はI/V変換器208aにより電圧信号に変換され、発振器208cからの2f信号(2倍波信号)が加えられる同期検波回路208bに入力され、出射光の変調信号の2倍周波数成分の振幅のみが抽出される。同期検波回路208bの出力信号は、ノイズ除去用のフィルタ208dを介してCPU等の演算部208eに送られる。
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the signal processing circuit 208 in FIG. 1 together with peripheral circuits.
In FIG. 4, the light receiving unit 207 is configured by a light receiving element such as a photodiode having sensitivity to the emission wavelength of the laser element 204e.
The output of the light receiving unit 207 is a current signal. This current signal is converted into a voltage signal by the I / V converter 208a and input to the synchronous detection circuit 208b to which the 2f signal (second harmonic signal) from the oscillator 208c is added. Only the amplitude of the double frequency component of the modulated signal of the outgoing light is extracted. The output signal of the synchronous detection circuit 208b is sent to a calculation unit 208e such as a CPU via a noise removal filter 208d.

次に、上記ガス分析計によるガス濃度の測定動作を略述する。
レーザ素子204eは、吸収波長を走査する信号S2の中心部分で測定対象ガスを測定できるように、サーミスタ204fによって事前に温度が調整される。この状態でレーザ素子204eを駆動することにより、コリメートされた光を壁101a,101bの内部(煙道内部)に出射し、その透過光は受光部207に入射する。
Next, the gas concentration measurement operation by the gas analyzer will be briefly described.
The temperature of the laser element 204e is adjusted in advance by the thermistor 204f so that the measurement target gas can be measured at the center portion of the signal S2 for scanning the absorption wavelength. By driving the laser element 204e in this state, collimated light is emitted into the walls 101a and 101b (inside the flue), and the transmitted light is incident on the light receiving unit 207.

煙道内部にNHガス等の測定対象ガスが存在しない場合には、同期検波回路208bにより2f信号が検出されないので、同期検波回路208bの出力波形はほぼ直線となる。煙道内部に測定対象ガスが存在する場合、同期検波回路208bからは図5に示すような測定対象ガスの吸収波形が出力される。この出力波形のピークがガス濃度に対応するため、演算部208eは、前記フィルタ208dの出力信号から同期検波回路208bの出力波形のピーク値を検出し、あるいは出力波形を積分することによって測定対象ガスの濃度を測定可能である。 When the measurement target gas such as NH 3 gas does not exist inside the flue, the 2f signal is not detected by the synchronous detection circuit 208b, and the output waveform of the synchronous detection circuit 208b is almost a straight line. When the measurement target gas exists inside the flue, the absorption waveform of the measurement target gas as shown in FIG. 5 is output from the synchronous detection circuit 208b. Since the peak of the output waveform corresponds to the gas concentration, the calculation unit 208e detects the peak value of the output waveform of the synchronous detection circuit 208b from the output signal of the filter 208d, or integrates the output waveform to measure the target gas. Can be measured.

次に、このレーザ式ガス分析計に使用される校正装置について説明する。
図6は、本実施形態に係る校正装置の一部である配管301を、前記ガス分析計に取り付けた状態を示す断面図である。図1と同一の構成要素には同一の参照符号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。なお、図6において、250は前記光源部204及びコリメートレンズ205を備えた発光ユニット、260は集光レンズ206及び受光部207を備えた受光ユニットを示す。
Next, a calibration apparatus used for this laser type gas analyzer will be described.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state where a pipe 301 which is a part of the calibration apparatus according to the present embodiment is attached to the gas analyzer. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and different portions will be mainly described below. In FIG. 6, reference numeral 250 denotes a light emitting unit including the light source unit 204 and the collimating lens 205, and 260 denotes a light receiving unit including the condenser lens 206 and the light receiving unit 207.

図6において、配管301は発光ユニット250と受光ユニット260との間に気密状態で接続される。この配管301の長さは、前述した水分濃度の校正に必要な光路長を決定する基準となるため、十分な加工精度のもとで配管長さを設定する必要がある。
また、配管301は、発光ユニット250から出射した光を遮蔽することなく確実に受光ユニット260に伝播可能な内径を有するものとする。
配管301には、その軸方向に沿った二箇所にガス導入口302及びガス排出口303が形成されており、これらのガス導入口302及びガス排出口303を介して水分含有ガスが流通可能であると共に、配管301の長手方向のほぼ中央部には、酸素計400が接続されるポート304が設けられている。
In FIG. 6, a pipe 301 is connected between the light emitting unit 250 and the light receiving unit 260 in an airtight state. Since the length of the pipe 301 serves as a reference for determining the optical path length necessary for the calibration of the moisture concentration described above, it is necessary to set the pipe length with sufficient processing accuracy.
The pipe 301 has an inner diameter that can be reliably transmitted to the light receiving unit 260 without blocking the light emitted from the light emitting unit 250.
The pipe 301 is formed with a gas inlet 302 and a gas outlet 303 at two locations along the axial direction thereof, and a water-containing gas can be circulated through the gas inlet 302 and the gas outlet 303. In addition, a port 304 to which the oximeter 400 is connected is provided at a substantially central portion in the longitudinal direction of the pipe 301.

図7に示すように、前記ガス導入口302には、外部の水分含有ガス供給手段により生成された水分含有ガスが供給されるようになっており、この水分含有ガス供給手段は、ガス洗浄瓶500及び流路501,502を備えている。
すなわち、ガス洗浄瓶500は、大気に開放された流路501から供給される空気により内部の水Wをバブリングし、その温度における飽和水蒸気圧により規定された濃度の水分を含むガス(空気)を生成して流路502から排出する。この流路502の先端は、配管301のガス導入口302に接続されている。なお、503は配管301のガス排出口303に接続された排気用の流路である。
校正の際に高濃度の水分を含むガスが必要な場合は、ガス洗浄瓶500、配管301及び流路501〜503をヒータにより加熱するか、装置全体を恒温槽などに入れて高温にする。
As shown in FIG. 7, the gas introduction port 302 is supplied with a moisture-containing gas generated by an external moisture-containing gas supply means. The moisture-containing gas supply means is a gas washing bottle. 500 and flow paths 501 and 502 are provided.
That is, the gas cleaning bottle 500 bubbles the internal water W with the air supplied from the flow path 501 opened to the atmosphere, and the gas (air) containing the moisture having the concentration defined by the saturated water vapor pressure at that temperature. It is generated and discharged from the flow path 502. The tip of this flow path 502 is connected to the gas inlet 302 of the pipe 301. Reference numeral 503 denotes an exhaust passage connected to the gas outlet 303 of the pipe 301.
When a gas containing high-concentration moisture is required at the time of calibration, the gas cleaning bottle 500, the piping 301, and the flow paths 501-503 are heated by a heater, or the entire apparatus is put in a thermostatic bath or the like to raise the temperature.

配管301のポート304に接続される酸素計400は、配管301の内部の酸素濃度を測定可能なものであれば、いかなる測定原理、方式によるものでも良い。
この酸素計400としては、図8に示すようなジルコニア酸素計を用いることができる。 図8において、センサ素子401は、有底円筒形のイットリア安定化ジルコニアからなる固体電解質402の外面及び内面に、多孔質の白金からなる測定電極403及び基準電極404をそれぞれ形成し、これらの電極403,404をリード線405,406を介し回路基板409に接続して作成される。なお、図示されていないが、回路基板409には各電極403,404の出力信号から酸素濃度等を演算するための演算部が実装されている。
センサ素子401は、センサ筐体407に内蔵されたヒータ408の内部に挿入・接着されている。410はセンサ筐体407に設けられた通気口、411は測定電極403の保護層である。
The oxygen meter 400 connected to the port 304 of the pipe 301 may be based on any measurement principle and method as long as it can measure the oxygen concentration inside the pipe 301.
As the oxygen meter 400, a zirconia oxygen meter as shown in FIG. 8 can be used. In FIG. 8, a sensor element 401 has a measurement electrode 403 and a reference electrode 404 made of porous platinum formed on the outer surface and the inner surface of a solid electrolyte 402 made of bottomed cylindrical yttria-stabilized zirconia, respectively. It is created by connecting 403 and 404 to the circuit board 409 via lead wires 405 and 406. Although not shown, the circuit board 409 is equipped with a calculation unit for calculating the oxygen concentration and the like from the output signals of the electrodes 403 and 404.
The sensor element 401 is inserted and bonded inside a heater 408 built in the sensor housing 407. Reference numeral 410 denotes a vent provided in the sensor housing 407, and 411 denotes a protective layer for the measurement electrode 403.

上記固体電解質402の材料である安定化ジルコニアは、主成分であるジルコニア(酸化ジルコニウムZrO)に安定化剤としてイットリア(Y)などを加えて作られる。また、これを実際に使用する際には、ヒータ408により固体電解質402を500℃以上の高温に保つことが必要である。
500℃以上の高温状態において、安定化ジルコニアは固体電解質(イオン導電性固体)の性質をもち、選択的に酸素イオン(O )だけを通過させる。すなわち、円筒形の固体電解質402の内外に酸素濃度差があれば、濃度の高い側の電極では、酸素分子(O)は電子をもらって酸素イオン(O )になり(還元反応)、濃度の低い側の電極では、酸素イオン(O )が電子を放出して酸素分子(O)に戻る(酸化反応)。これらの反応式は以下の通りである。
酸素の高濃度側:O+4e→2O (還元反応)
酸素の低濃度側:2O →O+4e(酸化反応)
Stabilized zirconia, which is a material of the solid electrolyte 402, is made by adding yttria (Y 2 O 3 ) or the like as a stabilizer to zirconia (zirconium oxide ZrO 2 ) as a main component. In actual use, it is necessary to keep the solid electrolyte 402 at a high temperature of 500 ° C. or higher by the heater 408.
In a high temperature state of 500 ° C. or higher, stabilized zirconia has the property of a solid electrolyte (ionic conductive solid) and selectively allows only oxygen ions (O 2 ) to pass therethrough. That is, if there is a difference in oxygen concentration between the inside and outside of the cylindrical solid electrolyte 402, oxygen molecules (O 2 ) receive electrons and become oxygen ions (O 2 ) (reduction reaction) at the higher concentration side electrode. In the electrode on the lower concentration side, oxygen ions (O 2 ) release electrons and return to oxygen molecules (O 2 ) (oxidation reaction). These reaction formulas are as follows.
High oxygen concentration side: O 2 + 4e → 2O 2 (reduction reaction)
Low concentration side of oxygen: 2O 2 → O 2 + 4e (oxidation reaction)

このとき、測定電極403と基準電極404との間には、酸素濃度比によって決まる起電力が発生する。すなわち、両電極403,404間に発生する電圧を高入力インピーダンスの測定器によって測定すれば、酸素濃度比を計測することができる。
そこで、一方の電極(例えば固体電解質402の外側の測定電極403)を大気に直接接触させ、大気中の酸素分圧に相当する一定の酸素濃度に保てば、前記通気口410を介して他方の電極(固体電解質402の内側の基準電極404)に接触する水分含有空気中の酸素濃度を求めることができる。
At this time, an electromotive force determined by the oxygen concentration ratio is generated between the measurement electrode 403 and the reference electrode 404. That is, the oxygen concentration ratio can be measured by measuring the voltage generated between the electrodes 403 and 404 with a measuring instrument having a high input impedance.
Therefore, if one electrode (for example, the measurement electrode 403 outside the solid electrolyte 402) is brought into direct contact with the atmosphere and is kept at a constant oxygen concentration corresponding to the oxygen partial pressure in the atmosphere, the other through the vent 410. The oxygen concentration in the moisture-containing air in contact with the first electrode (the reference electrode 404 inside the solid electrolyte 402) can be obtained.

次に、以上のような装置構成において、ガス洗浄瓶500により空気をバブリングし、所定濃度の水分含有ガスを流路502及びガス導入口302から配管301内部に供給してガス分析計の水分濃度測定値を校正するための動作を説明する。
図8に示した酸素計400は、通気口410から供給される配管301内の水分含有空気の酸素濃度を測定し、この酸素濃度から水分濃度を換算する。
すなわち、ガス洗浄瓶500により水Wを大気にてバブリングし、流路502から供給される水分含有空気が配管301内に充満すると、配管301内の空気は、水分濃度の上昇分だけ酸素濃度が低下する。
例えば、ガス洗浄瓶500に流路501から供給される大気の酸素濃度が20.7%であったとし、これをガス洗浄瓶500によりバブリングした結果、水分含有空気の酸素濃度が20%に低下したとする。この場合、酸素濃度20.7%に対して水分濃度が0.7%上昇するので、水分含有空気の水分濃度は、数式1により3.38%となる。
[数式1]
水分濃度=(供給大気の酸素濃度−バブリング後の酸素濃度)/供給大気の酸素濃度×100%
Next, in the apparatus configuration as described above, air is bubbled by the gas cleaning bottle 500, and a moisture-containing gas having a predetermined concentration is supplied into the pipe 301 from the flow path 502 and the gas inlet 302, so that the moisture concentration of the gas analyzer is supplied. An operation for calibrating the measured value will be described.
The oxygen meter 400 shown in FIG. 8 measures the oxygen concentration of the moisture-containing air in the pipe 301 supplied from the vent 410, and converts the moisture concentration from this oxygen concentration.
That is, when water W is bubbled in the atmosphere by the gas cleaning bottle 500 and the water-containing air supplied from the flow path 502 is filled in the pipe 301, the air in the pipe 301 has an oxygen concentration corresponding to the increase in the moisture concentration. descend.
For example, if the oxygen concentration in the atmosphere supplied from the flow path 501 to the gas cleaning bottle 500 is 20.7%, and this is bubbled by the gas cleaning bottle 500, the oxygen concentration of the moisture-containing air is reduced to 20%. Suppose that In this case, since the moisture concentration increases by 0.7% with respect to the oxygen concentration of 20.7%, the moisture concentration of the moisture-containing air is 3.38% according to Equation 1.
[Formula 1]
Moisture concentration = (Oxygen concentration in the supply air−oxygen concentration after bubbling) / Oxygen concentration in the supply air × 100%

以上のようにして、酸素計400により測定される配管301内の酸素濃度から、水分濃度を換算可能である。
従って、この水分濃度を参照値として、配管301の軸方向長さから決定される光路長との積を求めれば、レーザ式ガス分析計による水分濃度の測定値を校正することができる。
なお、従来のようにヒータなどを用いて高水分濃度の校正を行う場合には、ヒータ温度を高精度に安定させる必要があるが、本実施形態では水分含有空気の酸素濃度に基づいて水分濃度をモニタリングしているため、校正が容易である。
As described above, the moisture concentration can be converted from the oxygen concentration in the pipe 301 measured by the oximeter 400.
Therefore, if the product of the moisture concentration is used as a reference value and the product of the optical path length determined from the axial length of the pipe 301, the measured value of the moisture concentration by the laser gas analyzer can be calibrated.
In addition, when calibrating a high moisture concentration using a heater or the like as in the prior art, it is necessary to stabilize the heater temperature with high accuracy, but in this embodiment, the moisture concentration is based on the oxygen concentration of moisture-containing air. Is easy to calibrate.

本発明の実施形態が適用されるレーザ式ガス分析計の構成図である。It is a lineblock diagram of a laser type gas analyzer to which an embodiment of the present invention is applied. 図1における光源部の構成図である。It is a block diagram of the light source part in FIG. 図2における波長走査駆動信号発生部の出力信号波形図である。FIG. 3 is an output signal waveform diagram of a wavelength scanning drive signal generation unit in FIG. 2. 図1における信号処理回路の構成を周辺回路と共に示した図である。It is the figure which showed the structure of the signal processing circuit in FIG. 1 with the peripheral circuit. ガス吸収波形の位置ずれを示す図である。It is a figure which shows the position shift of a gas absorption waveform. 本発明の実施形態における校正装置の主要部の説明図である。It is explanatory drawing of the principal part of the calibration apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における校正装置の説明図である。It is explanatory drawing of the calibration apparatus in embodiment of this invention. 図6における酸素計の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the oxygen meter in FIG. NHガスの吸収スペクトラム例である。NH 3 is an absorption spectrum of a gas. 周波数変調方式の原理図である。It is a principle diagram of a frequency modulation system. ドライブ電流による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the light emission wavelength of the semiconductor laser by a drive current. 温度による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the light emission wavelength of the semiconductor laser with temperature. 特許文献2に記載されたガス濃度測定装置の全体的な構成図である。It is a whole block diagram of the gas concentration measuring apparatus described in patent document 2. 図13における主要部の構成図である。It is a block diagram of the principal part in FIG. 図13における主要部の構成図である。It is a block diagram of the principal part in FIG. 温度と水分濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between temperature and a water concentration.

符号の説明Explanation of symbols

101a,101b:壁
201a,201b:フランジ
202a,202b:取付座
203a,203b:カバー
204:光源部
204a:波長走査駆動信号発生部
204b:高周波変調信号発生部
204c:電流制御部
204d:温度制御部
204e:レーザ素子
204f:サーミスタ
204g:ペルチェ素子
204s:レーザ駆動信号発生部
205:コリメートレンズ
206:集光レンズ
207:受光部
208:信号処理回路
208a:I/V変換器
208b:同期検波回路
208c:発振器
208d:フィルタ
208e:演算部
250:発光ユニット
260:受光ユニット
301:配管
302:ガス導入口
303:ガス排出口
304:ポート
400:酸素計
401:センサ素子
402:固体電解質
403:測定電極
404:基準電極
405,406:リード線
407:センサ筐体
408:ヒータ
409:回路基板
410:通気口
411:保護層
500:ガス洗浄瓶
501,502,503:流路
W:水
101a, 101b: Walls 201a, 201b: Flange 202a, 202b: Mounting seats 203a, 203b: Cover 204: Light source unit 204a: Wavelength scanning drive signal generation unit 204b: High frequency modulation signal generation unit 204c: Current control unit 204d: Temperature control unit 204e: Laser element 204f: Thermistor 204g: Peltier element 204s: Laser drive signal generation unit 205: Collimator lens 206: Condensing lens 207: Light receiving unit 208: Signal processing circuit 208a: I / V converter 208b: Synchronous detection circuit 208c: Oscillator 208d: Filter 208e: Arithmetic unit 250: Light emitting unit 260: Light receiving unit 301: Piping 302: Gas inlet 303: Gas outlet 304: Port 400: Oxygen meter 401: Sensor element 402: Solid electrolyte 403: Measuring power Electrode 404: Reference electrode 405, 406: Lead wire 407: Sensor housing 408: Heater 409: Circuit board 410: Vent 411: Protective layer 500: Gas cleaning bottle 501, 502, 503: Flow path W: Water

Claims (4)

周波数変調されたレーザ光を出射する光源部、及び、この光源部からの出射光をコリメートする光学系、を有する発光ユニットと、
前記光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された光を集光する光学系、この光学系により集光された光を受光する受光部、及び、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路、を有する受光ユニットと、を備え、
前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記光源部における変調信号の2倍周波数成分の信号を検出して測定対象ガスの濃度を測定するレーザ式ガス分析計であって、
前記測定対象ガスの濃度として水分濃度を測定するレーザ式ガス分析計を校正するための校正装置において、
前記発光ユニットと受光ユニットとの間に気密的に接続され、かつ、前記レーザ光の所定の光路長を保持可能な配管と、
前記配管の内部に所定の水分濃度の空気を供給する水分含有ガス供給手段と、
前記配管の内部に供給された空気中の酸素濃度を測定する酸素計と、
を備え、
前記酸素計により測定した酸素濃度から水素濃度を換算し、この水素濃度と前記光路長とを用いて前記レーザ式ガス分析計による水素濃度の測定値を校正することを特徴とするレーザ式ガス分析計の校正装置。
A light-emitting unit having a light source unit that emits frequency-modulated laser light, and an optical system that collimates the light emitted from the light source unit;
An optical system that collects light propagated from the optical system through the space where the measurement target gas exists, a light receiving unit that receives the light collected by the optical system, and an output signal of the light receiving unit A light receiving unit having a signal processing circuit
The signal processing circuit is a laser type gas analyzer that detects a signal having a double frequency component of a modulation signal in the light source unit from an output signal of the light receiving unit and measures a concentration of a measurement target gas,
In a calibration apparatus for calibrating a laser type gas analyzer that measures the moisture concentration as the concentration of the gas to be measured,
A pipe that is hermetically connected between the light emitting unit and the light receiving unit, and that can hold a predetermined optical path length of the laser beam;
Moisture-containing gas supply means for supplying air having a predetermined moisture concentration into the pipe;
An oximeter for measuring the oxygen concentration in the air supplied into the pipe;
With
A laser gas analysis characterized by converting a hydrogen concentration from an oxygen concentration measured by the oximeter and calibrating a measured value of the hydrogen concentration by the laser gas analyzer using the hydrogen concentration and the optical path length. Meter calibration device.
請求項1に記載したレーザ式ガス分析計の校正装置において、
前記水分含有ガス供給手段を、大気により水をバブリングして得た水分含有ガスを前記配管内部に供給するガス洗浄瓶により構成したことを特徴とするレーザ式ガス分析計の校正装置。
In the laser gas analyzer calibration apparatus according to claim 1,
A calibration apparatus for a laser gas analyzer, wherein the moisture-containing gas supply means comprises a gas cleaning bottle that supplies a moisture-containing gas obtained by bubbling water in the atmosphere into the pipe.
請求項1または2に記載したレーザ式ガス分析計の校正装置において、
前記配管は、前記水分含有ガスが流入するガス導入口と、前記水分含有ガスが排出されるガス排出口と、前記酸素計が接続されるポートと、を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計の校正装置。
In the laser gas analyzer calibration apparatus according to claim 1 or 2,
The pipe includes a gas inlet through which the moisture-containing gas flows, a gas outlet through which the moisture-containing gas is discharged, and a port to which the oximeter is connected. Analyzer calibration device.
請求項1〜3の何れか1項に記載したレーザ式ガス分析計の校正装置において、
前記光源部が、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とする波長走査駆動信号と前記発光波長を変調するための高周波変調信号とを合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換する電流制御部と、この電流制御部から出力された電流が供給される前記レーザ素子と、このレーザ素子の温度を安定化させる温度安定化手段と、を備え、かつ、
前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記2倍周波数成分の信号の振幅を検出する同期検波回路と、この同期検波回路の出力信号に存在するガス吸収波形から測定対象ガスの濃度を検出する演算部と、を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計の校正装置。
In the laser gas analyzer calibration apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The light source unit synthesizes a wavelength scanning drive signal for changing the emission wavelength of the laser element so as to scan the absorption wavelength of the gas to be measured and a high-frequency modulation signal for modulating the emission wavelength as a laser drive signal. A laser drive signal generator for outputting, a current controller for converting the laser drive signal output from the laser drive signal generator into a current, and the laser element supplied with the current output from the current controller; And a temperature stabilization means for stabilizing the temperature of the laser element, and
The signal processing circuit detects the amplitude of the double frequency component signal from the output signal of the light receiving unit, and the concentration of the measurement target gas from the gas absorption waveform existing in the output signal of the synchronous detection circuit. A laser gas analyzer calibration apparatus comprising: a calculation unit for detection.
JP2008266013A 2008-10-15 2008-10-15 Calibration device for laser type gas analyzer Pending JP2010096561A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008266013A JP2010096561A (en) 2008-10-15 2008-10-15 Calibration device for laser type gas analyzer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008266013A JP2010096561A (en) 2008-10-15 2008-10-15 Calibration device for laser type gas analyzer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2010096561A true JP2010096561A (en) 2010-04-30

Family

ID=42258360

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008266013A Pending JP2010096561A (en) 2008-10-15 2008-10-15 Calibration device for laser type gas analyzer

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2010096561A (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2607891A1 (en) 2011-12-22 2013-06-26 HORIBA, Ltd. Method of calibrating and calibration apparatus for a moisture concentration measurement apparatus
JP2014131002A (en) * 2012-11-30 2014-07-10 Panasonic Corp Mounting member of optical device, mounting method of optical device, gas sensor
JP2016125828A (en) * 2014-12-26 2016-07-11 アズビル株式会社 Dryness measurement device
KR102252560B1 (en) * 2020-02-25 2021-05-17 한국해양대학교 산학협력단 Method and apparatus for analyzing filter performance in real time using optical measurement method
CN117388201A (en) * 2023-12-08 2024-01-12 至芯半导体(杭州)有限公司 Gas concentration detection method and system
CN118050332A (en) * 2024-02-24 2024-05-17 中国人民解放军海军特色医学中心 High-pressure in-situ oxygen on-line detection system

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59117957U (en) * 1983-01-31 1984-08-09 横河電機株式会社 Moisture measuring device
JPS61197404A (en) * 1985-02-26 1986-09-01 Nippon Sanso Kk Apparatus for generation of gas having specific water content
JPS6347637A (en) * 1986-08-13 1988-02-29 Kobe Steel Ltd Quantitative analysis of steam
JPH02306141A (en) * 1989-05-19 1990-12-19 Toshiba Corp Automatic measuring apparatus of hydrogen and oxygen concentration
JPH07333193A (en) * 1994-06-13 1995-12-22 Ngk Insulators Ltd Signal processing method in moisture and oxygen simultaneously and continuously measuring device
JPH10197443A (en) * 1997-01-14 1998-07-31 Otsuka Pharmaceut Co Ltd Spectroscopic method and instrument for measuring isotope gas
JP2002184767A (en) * 2000-10-03 2002-06-28 L'air Liquide Sa Pour L'etude & L'exploitation Des Procede S Georges Claude Semiconductor processing system and method for controlling moisture level therein
JP2002350337A (en) * 2001-05-28 2002-12-04 Nippon Sanso Corp Laser spectroscopic analysis method and apparatus
JP2004294079A (en) * 2003-03-25 2004-10-21 Ngk Spark Plug Co Ltd Manufacturing method of gas sensor
JP2005331408A (en) * 2004-05-20 2005-12-02 Kansai Electric Power Co Inc:The Instrument for measuring so3 concentration
WO2007009648A1 (en) * 2005-07-20 2007-01-25 Ahwi Maschinenbau Gmbh Comminution device comprising at least one rotor and at least one counter-blade for the comminution of organic materials
JP2007509318A (en) * 2003-10-16 2007-04-12 スペクトラセンサーズ, インコーポレイテッド Method and apparatus for detecting water vapor in natural gas
WO2008002364A2 (en) * 2006-06-28 2008-01-03 Lyondell Chemical Technology, L.P. Process for producing hydrogen peroxide

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59117957U (en) * 1983-01-31 1984-08-09 横河電機株式会社 Moisture measuring device
JPS61197404A (en) * 1985-02-26 1986-09-01 Nippon Sanso Kk Apparatus for generation of gas having specific water content
JPS6347637A (en) * 1986-08-13 1988-02-29 Kobe Steel Ltd Quantitative analysis of steam
JPH02306141A (en) * 1989-05-19 1990-12-19 Toshiba Corp Automatic measuring apparatus of hydrogen and oxygen concentration
JPH07333193A (en) * 1994-06-13 1995-12-22 Ngk Insulators Ltd Signal processing method in moisture and oxygen simultaneously and continuously measuring device
JPH10197443A (en) * 1997-01-14 1998-07-31 Otsuka Pharmaceut Co Ltd Spectroscopic method and instrument for measuring isotope gas
JP2002184767A (en) * 2000-10-03 2002-06-28 L'air Liquide Sa Pour L'etude & L'exploitation Des Procede S Georges Claude Semiconductor processing system and method for controlling moisture level therein
JP2002350337A (en) * 2001-05-28 2002-12-04 Nippon Sanso Corp Laser spectroscopic analysis method and apparatus
JP2004294079A (en) * 2003-03-25 2004-10-21 Ngk Spark Plug Co Ltd Manufacturing method of gas sensor
JP2007509318A (en) * 2003-10-16 2007-04-12 スペクトラセンサーズ, インコーポレイテッド Method and apparatus for detecting water vapor in natural gas
JP2005331408A (en) * 2004-05-20 2005-12-02 Kansai Electric Power Co Inc:The Instrument for measuring so3 concentration
WO2007009648A1 (en) * 2005-07-20 2007-01-25 Ahwi Maschinenbau Gmbh Comminution device comprising at least one rotor and at least one counter-blade for the comminution of organic materials
WO2008002364A2 (en) * 2006-06-28 2008-01-03 Lyondell Chemical Technology, L.P. Process for producing hydrogen peroxide

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2607891A1 (en) 2011-12-22 2013-06-26 HORIBA, Ltd. Method of calibrating and calibration apparatus for a moisture concentration measurement apparatus
US9234905B2 (en) 2011-12-22 2016-01-12 Horiba, Ltd. Method of calibrating and calibration apparatus for a moisture concentration measurement apparatus
JP2014131002A (en) * 2012-11-30 2014-07-10 Panasonic Corp Mounting member of optical device, mounting method of optical device, gas sensor
JP2016125828A (en) * 2014-12-26 2016-07-11 アズビル株式会社 Dryness measurement device
KR102252560B1 (en) * 2020-02-25 2021-05-17 한국해양대학교 산학협력단 Method and apparatus for analyzing filter performance in real time using optical measurement method
CN117388201A (en) * 2023-12-08 2024-01-12 至芯半导体(杭州)有限公司 Gas concentration detection method and system
CN117388201B (en) * 2023-12-08 2024-03-08 至芯半导体(杭州)有限公司 Gas concentration detection method and system
CN118050332A (en) * 2024-02-24 2024-05-17 中国人民解放军海军特色医学中心 High-pressure in-situ oxygen on-line detection system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5176535B2 (en) Laser gas analyzer
US7183553B1 (en) Gas detection method and gas detection device
JP2010096561A (en) Calibration device for laser type gas analyzer
JP5045480B2 (en) Gas concentration measuring device and gas concentration measuring method
KR20070105875A (en) Gas detection method and gas detection device
JP2013117517A (en) Laser type gas analyzer
TWI680290B (en) Apparatus for and method of sensing fluorine concentration
CN108061722A (en) The detection device and detection method of a kind of carbonomonoxide concentration
JP2011158307A (en) Gas concentration measuring apparatus
JP2001235418A (en) Instrument for measuring concentration of gas
US20070255508A1 (en) Gas detection method and gas detection device
JP5163360B2 (en) Laser gas analyzer and gas concentration measuring method
JP2014102152A (en) Laser type gas analyzer
CN114166766A (en) Gas measurement method based on amplitude modulation cavity enhanced absorption spectrum technology
JP4993213B2 (en) Laser gas analyzer
US10996201B2 (en) Photoacoustic measurement systems and methods using the photoacoustic effect to measure emission intensities, gas concentrations, and distances
JP2016070686A (en) Device for measuring concentration by tdlas method
JP2010019780A (en) Laser type gas analyzer
JP4445452B2 (en) Gas detector
JP2009014661A (en) Gas concentration measurement device
WO1997043609A9 (en) An environmentally insensitive optical sensor with improved noise cancellation
WO1997043609A1 (en) An environmentally insensitive optical sensor with improved noise cancellation
JP5286911B2 (en) Multi-component laser gas analyzer
WO2015141767A1 (en) Concentration meter and method for measuring concentration
JP2008147557A (en) Wavelength controller of laser, gas concentration measuring device, wavelength control method of laser, and gas concentration measuring method

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20110422

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110812

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20121121

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20121121

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20130402