JP2010169449A - 濃度計測装置及び濃度計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学面の曇りの影響を考慮して参照用信号の強度を決定することのできる、濃度計測装置及び濃度計測方法を提供する。
【解決手段】計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオードを、前記レーザ光の波長が周波数ｆの変調波で変調されるように制御する、発光制御部と、前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を算出する受光処理部とを具備する。前記受光処理部は、前記受光信号のうちの周波数ｆの成分の振幅を求める振幅抽出部と、前記振幅抽出部で求めた振幅に基づいて、参照信号を生成する参照信号生成部と、前記受光信号と前記参照信号とに基づいて、前記計測対象によるレーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成する差動増幅器と、前記吸収信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出する濃度算出部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、濃度計測装置及び濃度計測方法に関する。

計測対象の濃度を測定する技術として、レーザ光を利用した技術が知られている。この技術は、物質が、物質固有の波長（以下、固有吸収波長）の光を吸収する性質を有することを利用している。計測対象にレーザ光を照射する。レーザ光の波長が、計測対象物質の固有吸収波長と一致していれば、レーザ光は計測対象により吸収される。このときの吸収量は、物質の濃度に依存する。そこで、計測対象を透過したレーザ光の強度を測定し、計測対象によるレーザ光の吸収量を求める。求めた吸収量に基づいて、計測対象の濃度を算出することができる。

計測対象の濃度を計測するにあたり、計測精度を向上させることが望まれる。精度を向上させるために、レーザ光の波長を変調させる手法が知られている。レーザ光の波長を所定の周波数で変調する。そして、受光側にて得られた受光信号を、変調波の周波数に基づいて復調する。これにより、ノイズ成分が除去され、計測対象によるレーザ光の吸収量を正確に知ることができる。

さらに精度を高めるための技術が、特許文献１（特許第３８６１０５９号公報）及び特許文献２（特許第３３４２４４６号公報）に記載されている。特許文献１及び特許文献２には、レーザ光の発振波長を少なくとも２つの異なる周波数で変調し、受光した信号の中から変調された信号を周波数毎に順次それぞれ復調するガス濃度計測装置が記載されている。特許文献１及び２に記載された技術によれば、レーザ光を少なくとも二重で変調することにより、ミラーなどの光学部品で発生するフリンジの影響を除去することができ、計測精度を更に高めることができる。

特許第３８６１０５９号公報 特許第３３４２４４６号公報

ところで、計測対象によるレーザ光の吸収量を求めるためには、吸収がないときのレーザ光の受光強度を知っていなければならない。このため、計測対象を透過しない光路を参照用に設けることが考えられる。この参照用信号と計測対象を透過して得られた受光信号との差分（以下、吸収信号という）を求めることにより、レーザ光の吸収量を求めることができる。しかしこの場合、レーザ光の光路を２光路にするためのコストが発生してしまう。

コストを抑制するため、参照用信号を、模擬により生成することが考えられる。しかし、模擬により参照用信号を生成する場合には、信号の強度が問題となる。例えば、計測対象が排気ガスなどである場合、フォトダイオードの受光面やレーザ光路の途中に設けられたレンズなどが、時間の経過と共に汚れ、曇ってしまうことがある。このような曇りにより、受光信号の強度は、変動する。従って、受光信号の強度と参照用信号の強度が対応せず、吸収信号に余分な成分が含まれてしまうことがある。吸収信号に余分な成分が含まれていることにより、正確に濃度を計測することが困難となる。また、吸収信号の強度が大きくなりすぎ、濃度算出に用いる機器の入力レンジも不必要に大きくしなければならない。

そこで、本発明の目的は、レーザ光の吸収量を示す成分だけを正確に取り出すことができる、濃度計測装置及び濃度計測方法を提供することにある。

以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明に係る濃度計測装置（１）は、計測対象（９）に向けてレーザ光を出射するレーザダイオード（８）を、前記レーザ光の波長が周波数ｆの変調波で変調されるように制御する、発光制御部（２）と、計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオード（１０）から受光信号を取得し、受光信号に基づいて計測対象（９）の濃度を算出する受光処理部（３）とを具備する。受光処理部（３）は、受光信号のうちの周波数ｆの成分の振幅を求める振幅抽出部（１８）と、振幅抽出部（１８）で求めた振幅に基づいて、参照信号を生成する参照信号生成部（１５）と、受光信号と参照信号とに基づいて、計測対象（９）によるレーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成する差動増幅器（１６）と、吸収信号に基づいて、計測対象（９）の濃度を算出する濃度算出部（１７）とを備える。

上述の発明によれば、振幅抽出部（１８）により、受光信号のうちの周波数ｆの成分の振幅が求められる。この振幅は、受光信号のうちの変調波に対応する成分の振幅である。この振幅を参照信号の振幅とすることにより、受光信号のうちの変調波に対応する成分を正確に再現することができる。また、受光信号を元にして参照信号の振幅が決定されているため、光学面の曇りによる影響はない。このようにして得られた参照信号を受光信号と比較することにより、レーザ光の吸収量を正確に示す吸収信号を得ることができ、計測対象の濃度を正確に算出することができる。

本発明に係る濃度計測装置（１）の他の形態は、計測対象（９）に向けてレーザ光を出射するレーザダイオード（８）を、前記レーザ光の波長が周波数ｆの変調波で変調されるように制御する、発光制御部（２）と、計測対象（９）を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオード（１０）から受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象（９）の濃度を算出する受光処理部（３）とを具備する。受光処理部（３）は、受光信号のうちの周波数ｆの成分を抽出し、ｆ成分信号を生成するｆ成分バンドパスフィルタ（２０）と、受光信号と前記ｆ成分信号とに基づいて、前記計測対象（９）によるレーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成する差動増幅器（１６）と、吸収信号に基づいて、計測対象（９）の濃度を算出する濃度算出部（１７）とを備える。

上述の発明によれば、ｆ成分バンドパスフィルタ（２０）により、受光信号のうちの周波数ｆの成分の信号（ｆ成分信号）が求められる。ｆ成分信号は、受光信号のうちの変調波に対応する成分の信号である。すなわち、ｆ成分信号は、受光信号のうちの変調波に対応する成分を示している。このｆ成分信号は、受光信号から抽出されているため、光学面の曇りによる影響はない。このようにして得られたｆ成分信号を参照信号とすることにより、レーザ光の吸収量を正確に示す吸収信号を得ることができ、計測対象の濃度を正確に算出することができる。

本発明に係る濃度計測方法は、計測対象（９）に向けてレーザ光を出射するレーザダイオード（８）を、レーザ光の波長が周波数ｆの変調波で変調されるように制御するステップと、計測対象（９）を透過したレーザ光を受光するフォトダイオード（１０）から受光信号を取得し、受光信号に基づいて計測対象（９）の濃度を計測するステップとを具備する。濃度を計測するステップは、受光信号のうちの周波数ｆの成分の振幅を求めるステップと、振幅を求めるステップで求められた振幅に基づいて、参照信号を生成するステップと、受光信号と前記参照信号とに基づいて、計測対象（９）によるレーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成するステップと、吸収信号に基づいて、計測対象（９）の濃度を算出するステップとを備える。

本発明に係る濃度計測方法の他の形態は、計測対象（９）に向けてレーザ光を出射するレーザダイオード（８）を、前記レーザ光の波長が周波数ｆの変調波で変調されるように制御するステップと、計測対象（９）を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオード（１０）から受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を計測するステップとを具備する。濃度を計測するステップは、受光信号のうちの周波数ｆの成分を抽出し、ｆ成分信号を生成するステップと、受光信号と前記ｆ成分信号とに基づいて、前記計測対象によるレーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成するステップと、吸収信号に基づいて、計測対象（９）の濃度を算出するステップとを備える。

本発明によれば、光学面の曇りなどに関係なく、参照用信号の強度を決定することのできる、濃度計測装置及び濃度計測方法が提供される。

第１の実施形態に係る濃度計測装置を示すブロック図である。 レーザ光の波長と時刻との関係を示すグラフである。 時刻ｔ０近傍におけるバンドパス信号ｅを示すグラフである。 同期検波信号ｆを示すグラフである。 参照信号ｈを示すグラフである。 吸収信号ｉを示すグラフである。 第２の実施形態に係る濃度計測装置の受光処理部を示すブロック図である。 第３の実施形態に係る濃度計測装置を示すブロック図である。 第３の実施形態に係る濃度計測装置を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る濃度計測装置を示すブロック図である。 第５の実施形態に係る濃度計測装置の受光処理部を示すブロック図である。

（第１の実施形態）
以下に、図面を参照しつつ、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る濃度計測装置１を示すブロック図である。この濃度計測装置１は、発光制御部２と、受光処理部３とを備えている。発光制御部２は、レーザーダイオード８を制御する部分である。発光制御部２により、レーザーダイオード８から所定波長のレーザ光が出射される。レーザ光は、計測対象ガス領域９に導かれる。レーザ光は、計測対象による吸収を受けた後、フォトダイオード１０により受光される。レーザ光を受光したフォトダイオード１０は、受光信号ｄを生成し、受光処理部３に供給する。受光処理部３は、受光信号ｄに基づいて、計測対象の濃度を計算する。

発光制御部２は、搬送波発生器４と、変調波発生器５と、加算器６と、レーザーダイオードドライバ７とを備えている。

搬送波発生器４は、搬送波信号ａとして、ランプ波を発生させる。搬送波信号ａの周波数は、例えば、０．５（Ｈｚ）である。

変調波発生器５は、変調波信号ｂを発生させる。変調波信号ｂは、正弦波である。変調波信号ｂの周波数は、搬送波信号ａの周波数よりも十分に大きく、ｆである。ｆは、例えば、１００（ｋＨｚ）である。

加算器６は、搬送波信号ａと変調波信号ｂとを加算して、合成信号ｃを生成する。

レーザーダイオードドライバ７は、合成信号ｃにより、レーザーダイオード８に対する注入電流を変化させる。

レーザーダイオード８は、注入電流の供給を受けて、計測対象ガス領域９に向けてレーザ光を出射する。レーザーダイオード８は、計測対象が吸収する光の波長（以下、固有吸収波長と称す）に概ね一致する波長の光を発振するように構成されている。また、レーザーダイオード８は、レーザ光の発振波長が注入電流に応じて変化するように構成されている。従って、レーザ光の波長は、注入電流の波形と同じ波形で変化する。注入電流の波形は、合成信号ｃの波形と同じであるので、レーザ光の波長は、合成信号ｃと同じ波形で変化することになる。

図２Ａは、レーザ光の波長と時刻との関係を示すグラフである。レーザ光の波長は、直流成分に対して、搬送波信号Ａによるランプ波と、正弦波である変調波信号ｃとが重畳された波形で変化する。

レーザーダイオード８より発振されたレーザ光は、計測対象ガス領域９に導かれる。レーザ光の波長が、計測対象の固有吸収波長λ_０付近を通過するとき、（時刻ｔ_０近傍）、レーザ光は計測対象による吸収を受ける。但し、レーザ光の波長を、直流成分だけで固有吸収波長λ_０と正確に一致させることは難しい。そこで、搬送波信号ａとしてランプ波が用いられている。搬送波信号aを用いることにより、レーザ光の波長を、確実に固有吸収波長λ_０を通過するように変化させることができる。計測対象ガス領域９を透過したレーザ光は、フォトダイオード１０によって受光される。

フォトダイオード１０は、レーザ光を受光すると、そのレーザ光の強度を示す受光信号ｄを生成する。受光信号ｄは、受光処理部３に供給される。

受光処理部３は、バンドパスフィルタ１１と、アナログ／デジタルコンバータ１２と、振幅抽出部１８と、正弦波発振器１５（参照信号生成部）と、差動増幅器１６と、濃度算出部１７とを備えている。

バンドパスフィルタ１１は、受光信号ｄのうち、周波数がｆと２ｆである成分を通過させるフィルタである。バンドパスフィルタ１１は、受光信号ｄから、バンドパス信号ｅを生成する。バンドパス信号ｅは、差動増幅器１６と、アナログ／デジタルコンバータ１２に供給される。アナログ／デジタルコンバータ１２に供給されたバンドパス信号eは、デジタル信号に変換された後、振幅抽出部１８に供給される。

図２Ｂは、時刻ｔ０近傍におけるバンドパス信号ｅを示すグラフである。バンドパスフィルタ１１により、受光信号ｄから、直流成分と搬送波信号ａに対応する成分とが除去されている。バンドパス信号ｅは、概ね正弦波形を示し、この振幅がＡと示されている。但し、振幅の中心では、計測対象による吸収を受けているため、強度が下がっている。

振幅抽出部１８は、バンドパス信号ｅの振幅を抽出する部分である。バンドパス信号ｅは、受光信号ｄのうちの変調波に対応する成分である。従って、バンドパス信号ｅの振幅は、受光信号ｄのうちの変調波に対応する成分の振幅を示していることになる。

振幅抽出部１８は、同期検波器１３と、ローパスフィルタ１４と、同調波発生器２９と、位相調整器１９とを備えている。

同調波発生器２９は、周波数ｆの正弦波信号を発生させる。発生した正弦波信号は、位相調整器１９によりバンドパス信号ｅと位相を一致させられた後、同期検波器１３に供給される。

同期検波器１３は、例えばロックインアンプである。同期検波器１３は、バンドパス信号ｅを、位相調整器１９からの正弦波信号によって同期検波し、同期検波信号ｆを生成する。

図２Ｃは、同期検波信号ｆを示すグラフである。図２Ｃ中、点線は、バンドパス信号ｅを示している。図２Ｃに示されるように、同期検波信号ｆでは、バンドパス信号ｅに位相のあった正弦波が乗算されるので、負の部分も「（−１）^２」の効果により、全て正側に折り返される。

ローパスフィルタ１４は、同期検波信号ｆの低周波成分を抽出し、ローパス信号ｇを生成する。図２Ｃには、ローパス信号ｇも描かれている。このとき、バンドパス信号ｅの振幅をＡとすれば、ローパス信号ｇの強度は、Ａ／２になる。すなわち、ローパス信号ｇによって、バンドパス信号ｅの振幅の１／２が抽出される。尚、厳密には、ローパス信号ｇの強度は、計測対象による吸収部分の影響により、Ａ／２にはならない。但し、変調波信号ｂの波形が、吸収による強度低下量がバンドパス信号ｅの振幅に対して十分小さくなるような波形であれば、計測対象による吸収の影響は無視できる。もし、吸収信号が大きく誤差が無視できない場合には、図１に示したＡ／Ｄ（１２）と同期検波器１３の間にデジタルローパスフィルタを挿入し、変調信号のｆ成分を通し、２ｆ成分をカットすればよい。

正弦波発生器１５は、例えばオシレータである。正弦波発生器１５は、周波数ｆの正弦波を発振する。このとき、正弦波発生器１５は、ローパス信号ｇの強度の２倍の振幅（Ａ／２×２＝Ａ）で、正弦波を発振する。発振された正弦波は、参照信号ｈとして、デジタルアナログコンバータ３１を介して差動増幅器１６に供給される。参照信号ｈは、図示しない位相調整器によりバンドパス信号ｅと位相を一致させられた後、差動増幅器１６に供給されてもよい。

図２Ｄは、参照信号ｈを示すグラフである。参照信号ｈの振幅は、バンドパス信号ｅの振幅に一致している。すなわち、参照信号ｈは、受光信号ｄのうちの変調波に対応する成分を正確に再現している。

差動増幅器１６は、バンドパス信号ｅを参照信号ｈにより差動増幅し、吸収信号ｉを生成する。

図２Ｅは、吸収信号ｉを示すグラフである。吸収信号ｉには、計測対象によるレーザ光の吸収量を示す成分だけが現れる。

濃度算出部１７は、吸収信号ｉに基づいて、計測対象の濃度を算出する。既述のように、レーザ光の吸収量は、計測対象の濃度に依存するので、吸収信号ｉの強度から計測対象の濃度を求めることができる。また、この際、光学面の曇りの影響を除去するために、予め、初期（光学面に曇りがないとき）に振幅抽出部１８で得られる振幅を初期値Ａ_０として求めておく。そして、振幅抽出部１８で求められた振幅Ａと初期値Ａ_０との比を用いることにより、光学面の曇りの影響を除くことができる。

尚、既述の振幅抽出部１８及び正弦波発振器１５は、コンピュータにインストールされたプログラムによって実現可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、受光信号ｄ（バンドパス信号ｅ）に基づいて、変調波成分の振幅が求められる。そして、求められた振幅に基づいて、参照信号ｈが生成される。従って、受光信号ｄのうちの変調波に対応する成分の強度を、光学面の曇りなどの影響を受けることなく、決定することができる。その結果、純粋にレーザ光の吸収量を示す成分だけを吸収信号ｉとして抽出することができ、精度良く計測対象の濃度を測定することが可能である。

（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、本実施形態に係る濃度計測装置１の受光処理部３を示すブロック図である。本実施形態に係る濃度計測装置１は、第１の実施形態に対して、受光処理部３にフィードバック制御器２３が追加されている。その他の点については、第１の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

フィードバック制御器２３は、吸収信号ｉを取得する。そして、吸収信号ｉに基づいて、参照信号ｈの位相がバンドパス信号ｅの位相と一致しているかを判定する。そして、参照信号ｈの位相がバンドパス信号ｅの位相からずれている場合には、参照信号ｈの位相がバンドパス信号ｅの位相と一致するように、正弦波発振器１５の動作を制御する。

参照信号ｈの位相がバンドパス信号ｅの位相と一致していなければ、レーザ光の吸収量を示す成分だけを吸収信号ｉとして生成することができない。本実施形態によれば、フィードバック制御器２３によって、参照信号ｈの位相をバンドパス信号ｅの位相に正確に一致させることができる。これにより、より正確に吸収信号ｉを生成することができ、より正確に計測対象の濃度を算出することができる。

（第３の実施形態）
続いて、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る濃度計測装置１では、発光制御部２が、二つの変調波により、レーザ光の発振波長を変調する。また、受光処理部３には、二つの変調波に対応して、振幅抽出部１８が二つ設けられている。その他の点については、既述の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

図４Ａ及び４Ｂは、本実施形態に係る濃度計測装置１を示すブロック図である。

図４Ａに示されるように、発光制御部２には、第１変調波発生器５−１と、第２変調波発生器５−２とが設けられている。第１変調波発生器５−１は、周波数ｆ１（例えば１００ｋＨｚ）で、第１変調波信号ｂ−１を生成する。第２変調波発生器５−２は、周波数ｆ２（例えば５ｋＨｚ）で、第２変調波信号ｂ−２を生成する。第１変調波信号５−１と第２変調波信号５−２とは、いずれも、正弦波であるものとする。加算器６では、搬送波信号ａと、第１変調波信号ｂ−１と、第２変調波信号ｂ−２とが加算され、合成信号ｃが生成される。

一方、図４Ｂに示されるように、受光処理部３は、二つのバンドパスフィルタ（１１−１及び１１−２）と、二つの振幅抽出部（１８−１及び１８−２）と、二つの正弦波発振器（１５−１及び１５−２）と、二つの位相調整器（２４−１及び２４−２）と、加算器２５と、加算器３０とを備えている。

バンドパスフィルタ１１−１は、受光信号ｄから、周波数ｆ１〜２×ｆ１までの成分を抽出し、第１バンドパス信号ｅ１を生成する。第１バンドパス信号ｅ１は、第１振幅抽出部１８−１に供給される。第１抽出部１８−１は、同調波発生器２９−１、位相調整器１９−１、同期検波器１３−１、及びローパスフィルタ１４−１を備えている。これらは、既述の実施形態の振幅抽出部１８と同様に動作し、受光信号ｄのうちの第１変調波に対応する成分の振幅を抽出する。更に、正弦波発振器１５−１は、既述の実施形態と同様に、第１振幅抽出部１８−１で求められた振幅に基づいて、周波数ｆ１の正弦波を生成する。生成した正弦波は、位相調整器２４−１により位相が調整された後、第１参照信号要素ｈ１として加算器２５に供給される。

一方、バンドパスフィルタ１１−２は、受光信号ｄから、周波数ｆ２〜２×ｆ２までの成分を抽出し、第２バンドパス信号ｅ２を生成する。第２バンドパス信号ｅ２は、第２振幅抽出部１８−２に送られる。第２振幅抽出部１８−２は、第１振幅抽出部１８−１と同様に、第２変調波に対応する成分の振幅を抽出する。正弦波発振器１５−２は、第２振幅抽出部１８−２で抽出された振幅に基づいて、周波数ｆ２の正弦波を発振する。この正弦波は、位相調整器２４−２で位相が調整された後、第２参照信号要素ｈ２として加算器２５に供給される。

加算器２５は、第１参照信号要素ｈ１と第２参照信号要素ｈ２とを加算し、参照信号ｈとして、デジタルアナログコンバータ３１を介して差動増幅器１６に供給する。

一方、加算器３０は、第１バンドパス信号ｅ１と第２バンドパス信号ｅ２とを加算し、バンドパス信号ｅとして差動増幅器１６に供給する。

差動増幅器１６は、バンドパス信号eを参照信号ｈにより差動増幅し、吸収信号iを生成する。既述の実施形態と同様に、濃度算出部１７は、吸収信号iに基づいて、計測対象の濃度を算出する。

本実施形態によれば、変調波を二つ用いているため、吸収信号に含まれるノイズ成分をより確実に除去することができる。また、変調波を二つ用いる場合でも、受光信号ｄから二つの変調波の各々に対応する成分の振幅を求めることにより、既述の実施形態と同様の作用を奏することができる。

（第４の実施形態）
続いて、本発明の第４の実施形態について説明する。図５は、本実施形態に係る濃度計測装置を示すブロック図である。本実施形態では、第１の既述の実施形態に対して、受光処理部３の構成が変更されている。その他の点については、第１の既述の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

図５に示されるように、受光処理部３は、バンドパスフィルタ１１と、アナログ／デジタルコンバータ１２と、バンドパスフィルタ２０と、増幅器２１と、位相調整器２２と、差動増幅器１６と、濃度算出部１７とを備えている。

バンドパスフィルタ１１は、受光信号ｄのうちの周波数がｆ及び２×ｆの成分を通過させ、バンドパス信号eを生成する。バンドパス信号eは、アナログ／デジタルコンバータ１２及び差動増幅器１６に供給される。

アナログ／デジタルコンバータ１２に供給されたバンドパス信号eは、デジタル信号に変換され、バンドパスフィルタ２０に供給される。

バンドパスフィルタ２０は、バンドパス信号eのうちの周波数がｆの成分を抽出し、ｆ成分信号ｊを生成する。ｆ成分信号ｊは、増幅器２１により増幅された後、位相調整器２２によって位相が調整され、参照信号ｈとされる。参照信号ｈは、デジタル／アナログコンバータ３１によってアナログ信号に変換され、差動増幅器１６に供給される。参照信号ｈは、バンドパス信号eの周波数ｆ成分を正確に再現している。

差動増幅器１６は、既述の実施形態と同様に、バンドパス信号eを参照信号ｈにより差動増幅し、吸収信号iを生成する。バンドパス信号eの周波数ｆ成分は、差動増幅器により、吸収信号iでは相殺される。すなわち、吸収信号iは、周波数２×ｆ成分だけを示すことになる。

多くの物質では、光の吸収量の波長分布は、ガウス分布になる。この場合、レーザ光の発振波長を周波数ｆの正弦波で変調すると、レーザ光の吸収量は、周波数が２×ｆである波形を示す。従って、濃度算出部１７では、吸収信号iに基づいて、周波数２×ｆ成分が位相敏感検波され、その検波結果に基づいて、計測対象の濃度が算出される。

以上説明したように、本実施形態によれば、既述の実施形態と同様に、受光信号ｄに基づいて、受光信号ｄのうちの変調波に対応する成分が再現される。従って、光学面の曇りなどの影響を受けることなく参照信号ｇを生成することができ、正確に吸収信号iを生成することができる。

（第５の実施形態）
続いて、本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態では、受光処理部３において、第１の実施形態と第４の実施形態とが組み合わされている。その他の点については、既述の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。図６は、本実施形態に係る濃度計測装置の受光処理部３を示すブロック図である。

図６に示されるように、受光処理部３は、第１参照信号生成部２６と、第２参照信号生成部２７と、切替器２８とを備えている。

バンドパスフィルタ１１を通過したバンドパス信号eは、第１参照信号生成部２６、第２参照信号生成部２７、及び差動増幅器１６に供給される。

第１参照信号生成部２６は、第１の実施形態と同様に、振幅抽出部１８と正弦波発振器１５を備えている。第１参照信号生成部２６は、振幅抽出部１８によって変調波成分の振幅を求める。そして、正弦波発振器１５により、変調波成分が第１参照信号ｈ１として再現される。第１参照信号ｈ1は切替器２８に供給される。

第２参照信号生成部２７は、第４の実施形態と同様に、バンドパスフィルタ２０、増幅器２１、及び位相調整器２２を備えている。第２参照信号生成部２７は、第５の実施形態と同様に、ｆ成分信号ｊを生成し、これを第２参照信号ｈ2として切替器２８に供給する。

切替器２８は、第１参照信号ｈ1と第２参照信号ｈ2との切り換えを行う。切替器２８により、第１参照信号ｈ1と第２参照信号ｈ2のうちのいずれかが、差動増幅器１６に供給される。差動増幅器１６は、バンドパス信号eを、第１参照信号ｈ1と第２参照信号ｈ2のうちの一方により差動増幅し、吸収信号iを生成する。ここで、切替器２８は、吸収信号iに含まれるノイズ成分が少なくなるように、第１参照信号ｈ1と第２参照信号ｈ2の切り替えを行う。

以上説明したように、本実施形態によれば、切替器２８によって、第１参照信号ｈ1と第２参照信号ｈ2とが切り換えられる。第１参照信号と第２参照信号とで、よりノイズ成分が少なくなるような信号を選択的に用いることができる。

以上、第１〜５の実施形態について説明した。但し、これらの実施形態は互いに独立するものではなく、矛盾の無い範囲内で組み合わせて用いることも可能である。例えば、第２の実施形態と第４の実施形態とを組み合わせることも可能である。すなわち、吸収信号iに基づいて、ｆ成分信号ｊの位相が調整されてもよい。

１ 濃度計測装置
２ 発光制御部
３ 受光処理部
４ 搬送波発生器
５ 変調波発生器
５−１ 第１変調波発生器
５−２ 第２変調波発生器
６ 加算器
７ レーザダイオードドライバ
８ レーザダイオード
９ 計測対象ガス領域
１０ フォトダイオード
１１ バンドパスフィルタ
１２ アナログ／デジタルコンバータ
１３ 同期検波器
１４ ローパスフィルタ
１５ 正弦波発生器
１６ 差動増幅器
１７ 濃度算出部
１８ 振幅抽出部
１９ 位相調整器
２０ バンドパスフィルタ
２１ 増幅器
２２ 位相調整器
２３ フィードバック制御器
２４−１ 位相調整器
２４−２ 位相調整器
２５ 加算器
２６ 第１参照信号生成部
２７ 第２参照信号生成部
２８ 切替器
２９ 同調波発生器
３０ 加算器
３１ デジタル／アナログコンバータ
ａ 搬送波信号
ｂ 変調波信号
ｃ 合成信号
ｄ 受光信号
ｅ バンドパス信号
ｆ 同期検波信号
ｇ ローパス信号
ｈ 参照信号
ｉ 吸収信号
ｊ ｆ成分信号

Claims (20)

1. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオードを、前記レーザ光の波長が周波数ｆの変調波で変調されるように制御する、発光制御部と、
   前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を算出する受光処理部と、
   を具備し、
   前記受光処理部は、
   前記受光信号のうちの周波数ｆの成分の振幅を求める振幅抽出部と、
   前記振幅抽出部で求めた振幅に基づいて、参照信号を生成する参照信号生成部と、
   前記受光信号と前記参照信号とに基づいて、前記計測対象によるレーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成する差動増幅器と、
   前記吸収信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出する濃度算出部とを備える
   濃度計測装置。
2. 請求項１に記載された濃度計測装置であって、
   前記変調波は、正弦波であり、
   前記参照信号生成部は、前記参照信号として、前記振幅抽出部で求められた振幅を有する正弦波信号を発振する
   濃度計測装置。
3. 請求項１又は２に記載された濃度計測装置であって、
   前記受光処理部は、更に、前記受光信号から、周波数ｆから２ｆまでの成分を抽出して、バンドパス信号を生成するバンドパスフィルタを備え、
   前記差動増幅器は、前記バンドパス信号を前記参照信号で差動増幅することにより、前記吸収信号を生成する
   濃度計測装置。
4. 請求項３に記載された濃度計測装置であって、
   前記振幅抽出部は、
   前記バンドパス信号を、周波数ｆで同期検波し、同期検波信号を生成する同期検波器と、
   前記同期検波信号の低周波成分を抽出し、ローパス信号を抽出するローパスフィルタとを備える
   濃度計測装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された濃度計測装置であって、
   前記受光処理部は、更に、前記吸収信号に基づいて、前記参照信号生成器で生成される前記参照信号の位相を調整する、フィードバック制御器を備える
   濃度計測装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載された濃度計測装置であって、
   前記発光制御部は、前記レーザ光の波長を、周波数がｆ１である第１変調波と周波数がｆ２である第２変調波とによって変調するように構成されており、
   前記振幅抽出部は、
   前記受光信号のうちの周波数ｆ１の成分の振幅を求める第１振幅抽出部と、
   前記受光信号のうちの周波数ｆ２の成分の振幅を求める第２振幅抽出部とを備え、
   前記参照信号生成部は、
   前記第１振幅抽出部で求められた振幅に基づいて、第１参照信号要素を生成する第１参照信号生成部と、
   前記第２振幅抽出部で求められた振幅に基づいて、第２参照信号要素を生成する第２参照信号生成部と、
   前記第１参照信号要素と前記第２参照信号要素とを加算し、前記参照信号を生成する加算器とを備えている
   濃度計測装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載された濃度計測装置であって、
   前記受光処理部は、更に、
   前記受光信号から周波数ｆの成分を抽出し、ｆ成分信号を生成するバンドパスフィルタと、
   前記参照信号と前記ｆ成分信号の一方を選択的に通過させて前記差動増幅器に供給する切替器とを備える
   濃度計測装置。
8. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオードを、前記レーザ光の波長が周波数ｆの変調波で変調されるように制御する、発光制御部と、
   前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を算出する受光処理部と、
   を具備し、
   前記受光処理部は、
   前記受光信号のうちの周波数ｆの成分を抽出し、ｆ成分信号を生成するｆ成分バンドパスフィルタと、
   前記受光信号と前記ｆ成分信号とに基づいて、前記計測対象によるレーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成する差動増幅器と、
   前記吸収信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出する濃度算出部とを備える
   濃度計測装置。
9. 請求項８に記載された濃度計測装置であって、
   前記受光処理部は、更に、前記受光信号から、周波数ｆから２ｆまでの成分を抽出して、バンドパス信号を生成するバンドパスフィルタを備え、
   前記ｆ成分バンドパスフィルタは、前記バンドパス信号から前記周波数ｆの成分を抽出し、
   前記差動増幅器は、前記バンドパス信号を前記ｆ成分信号で差動増幅することにより、前記吸収信号を生成する
   濃度計測装置。
10. 請求項８又は９に記載された濃度計測装置であって、
    前記受光処理部は、更に、前記バンドパス信号の位相を調整する位相調整器を備えている
    濃度計測装置。
11. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオードを、前記レーザ光の波長が周波数ｆの変調波で変調されるように制御するステップと、
    前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を計測するステップと、
    を具備し、
    前記濃度を計測するステップは、
    前記受光信号のうちの周波数ｆの成分の振幅を求めるステップと、
    前記振幅を求めるステップで求められた振幅に基づいて、参照信号を生成するステップと、
    前記受光信号と前記参照信号とに基づいて、前記計測対象によるレーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成するステップと、
    前記吸収信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出するステップとを備える
    濃度計測方法。
12. 請求項１１に記載された濃度計測方法であって、
    前記変調波は、正弦波であり、
    前記参照信号を生成するステップは、前記参照信号として、前記振幅を求めるステップで求められた振幅を有する正弦波信号を発振するステップを含んでいる
    濃度計測方法。
13. 請求項１１又は１２に記載された濃度計測方法であって、
    前記濃度を計測するステップは、更に、前記受光信号から、周波数ｆから２ｆまでの成分を抽出して、バンドパス信号を生成するステップを備え、
    前記吸収信号を生成するステップは、前記バンドパス信号を前記参照信号で差動増幅することにより、前記吸収信号を生成するステップを含んでいる
    濃度計測方法。
14. 請求項１３に記載された濃度計測方法であって、
    前記振幅を求めるステップは、
    前記バンドパス信号を、周波数ｆで同期検波し、同期検波信号を生成するステップと、
    前記同期検波信号の低周波成分を抽出し、ローパス信号を抽出するステップとを備える
    濃度計測方法。
15. 請求項１１乃至１４のいずれかに記載された濃度計測方法であって、
    前記濃度を計測するステップは、更に、前記吸収信号に基づいて、前記参照信号の位相を調整するステップを備える
    濃度計測方法。
16. 請求項１１乃至１５のいずれかに記載された濃度計測方法であって、
    前記制御するステップは、前記レーザ光の波長を、周波数がｆ１である第１変調波と周波数がｆ２である第２変調波とによって変調するステップを含み、
    前記振幅を求めるステップは、
    前記受光信号のうちの周波数ｆ１の成分の振幅を第１振幅として求めるステップと、
    前記受光信号のうちの周波数ｆ２の成分の振幅を第２振幅として求めるステップとを備え、
    前記参照信号を生成するステップは、
    前記第１振幅に基づいて、第１参照信号要素を生成するステップと、
    前記第２振幅に基づいて、第２参照信号要素を生成するステップと、
    前記第１参照信号要素と前記第２参照信号要素とを加算し、前記参照信号を生成するステップとを備えている
    濃度計測方法。
17. 請求項１１乃至１６のいずれかに記載された濃度計測方法であって、
    前記濃度を計測するステップは、更に、
    前記受光信号から周波数ｆの成分を抽出し、ｆ成分信号を生成するステップと、
    前記参照信号と前記ｆ成分信号の一方を選択的に通過させるステップとを備え、
    前記吸収信号を生成するステップは、前記通過させるステップで通過した信号に基づいて、前記吸収信号を生成するステップを含んでいる
    濃度計測方法。
18. 計測対象に向けてレーザ光を出射するレーザダイオードを、前記レーザ光の波長が周波数ｆの変調波で変調されるように制御するステップと、
    前記計測対象を透過した前記レーザ光を受光するフォトダイオードから受光信号を取得し、前記受光信号に基づいて前記計測対象の濃度を計測するステップと、
    を具備し、
    前記濃度を計測するステップは、
    前記受光信号のうちの周波数ｆの成分を抽出し、ｆ成分信号を生成するステップと、
    前記受光信号と前記ｆ成分信号とに基づいて、前記計測対象によるレーザ光の吸収量を示す吸収信号を生成するステップと、
    前記吸収信号に基づいて、前記計測対象の濃度を算出するステップとを備える
    濃度計測方法。
19. 請求項１８に記載された濃度計測方法であって、
    前記濃度を計測するステップは、更に、前記受光信号から、周波数ｆから２ｆまでの成分を抽出して、バンドパス信号を生成するステップを備え、
    前記ｆ成分信号を生成するステップは、前記バンドパス信号から前記周波数ｆの成分を抽出するステップを含んでおり、
    前記吸収信号を生成するステップは、前記バンドパス信号を前記ｆ成分信号で差動増幅することにより、前記吸収信号を生成するステップを含んでいる
    濃度計測方法。
20. 請求項１８又は１９に記載された濃度計測方法であって、
    前記濃度を計測するステップは、更に、前記バンドパス信号の位相を調整するステップを含んでいる
    濃度計測方法。

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