JP2012225730A - ガス濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出器の出力を飽和させずに精度良く濃度を測定することができる
ガス濃度測定装置。
【解決手段】レーザ光を出力するレーザ１ａと、レーザ光を受光する検出器４ａと、検出器の出力をレーザ変調信号で同期検波する同期検波回路１１と、同期検波回路の出力に基づきレーザ光の光路上に存するガスの濃度を演算する演算回路１３を有するガス濃度測定装置において、検出器の入出力特性の直線性を維持するように検出器への入射光強度を調整する光強度調整手段３を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長可変型の半導体レーザを用いてガスセル内のガスの濃度を測定するガス濃度測定装置定に関する。

ガスがその分子振動等に起因する波長の光を吸収するが、その吸収の度合いにより濃度を知ることができる。測定可能ガス固有の波長の光を用いれば、そのガス以外の成分の影響を受けずにガス濃度を観測することができる。このため、対象とするガスの吸収波長に一致した光を出射する光源が必要である。

半導体レーザでは、注入電流を大きくすると、発光波長が長くなり、注入電流を小さくすると、発光波長が短くなることが知られている。このため、光源に半導体レーザを用い、駆動電流を調整することでガス成分に一致した波長を発光するように制御している。

即ち、ガスの吸収スペクトルに一致させた波長を発振する半導体レーザを用いて、半導体レーザの駆動電流に変調を施してガスに照射し、透過光を変調周波数やその高調波によって同期検波することにより、高感度にガス濃度を測定することができる。

例えば、特許文献１に記載されたレーザ式ガス分析計では、図１４に示すように、駆動電流の大きさを直線的に変化させて、ガスの吸収スペクトルを走査し、この走査の期間中には、低周波の波長走査信号に高周波変調信号を重畳している。

特開２０１０−１９７８０号公報

しかしながら、特許文献１に示すように、駆動電流が変化する場合には、発光強度も変化する。即ち、波長と発光強度とを別々に制御することができず、発光強度は長波長ほど大きくなり、短波長ほど小さくなる。

また、受光素子が水銀カドミウムテルライド（ＭＣＴ）からなる検出器である場合、入射光量が大きくなるに連れて、出力が飽和するようになり、入力光量に対して出力が直線的に変化しなくなることがある。

本発明の課題は、レーザの波長と注入電流との関係を保持しつつ検出器の出力を飽和させずに精度良く濃度を測定することができるガス濃度測定装置を提供する。

本発明に係るガス濃度測定装置は、上記課題を解決するために、レーザ光を出力するレーザと、前記レーザ光を受光する検出器と、前記検出器の出力をレーザ変調信号で同期検波する同期検波回路と、前記同期検波回路の出力に基づき前記レーザ光の光路上に存するガスの濃度を演算する演算回路を有するガス濃度測定装置において、前記検出器の入出力特性の直線性を維持するように前記検出器への入射光強度を調整する光強度調整手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、光強度調整手段により検出器の入出力特性の直線性を維持するように検出器への入射光強度を調整するので、検出器の出力を飽和させずに精度良く濃度を測定することができる。

実施例１のガス濃度測定装置の構成図である。 実施例１のガス濃度測定装置の送信側及び受信側の詳細な構成ブロックを示す図である。 実施例１のガス濃度測定装置のレーザ駆動電流を示す図である。 実施例１のガス濃度測定装置のＭＣＴ検出器の入射光量と出力との関係を示す図である。 実施例１のガス濃度測定装置のレーザ駆動電流と光出力との関係を示す図である。 実施例１のガス濃度測定装置のレーザ駆動電流と波長との関係を示す図である。 実施例１のガス濃度測定装置のレンズ位置によるＭＣＴ検出器への入射光の違いを示す図である。 ＮＯ２の吸収スペクトルを示す図である。 実施例２のガス濃度測定装置の送信側及び受信側の詳細な構成ブロックを示す図である。 実施例３のガス濃度測定装置の送信側及び受信側の詳細な構成ブロックを示す図である。 実施例３のガス濃度測定装置のＭＣＴ検出器位置によるＭＣＴ検出器への入射光の違いを示す図である。 実施例４のガス濃度測定装置の送信側及び受信側の詳細な構成ブロックを示す図である。 実施例４のガス濃度測定装置のレーザ位置によるＭＣＴ検出器への入射光の違いを示す図である。 従来のガス濃度測定装置の波長スキャン方式を示す図である。

以下、本発明のガス濃度測定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明のガス濃度測定装置は、光源から出射した光の最大出力になる電流の時の出力を受光した受光素子（ＭＣＴ検出器）が飽和しないように受光素子へのレーザ光の集光具合を調整することを特徴とする。

図１は、実施例１のガス濃度測定装置の構成図である。図１に示すガス濃度測定装置は、光源１からのレーザ光に対して略直角方向に配置された壁７にガスが流れる場合にガスの濃度を測定するものである。

図１に示すガス濃度測定装置において、左側の壁７に取り付けられた接続管５ａの一端側には、レーザ（レーザ素子）１ａとペルチェ素子１ｂとを有する光源１と、レンズ２と、レンズ２を保持し且つレンズ２を移動させるレンズホルダ３（光強度調整手段）と、レーザ制御基板８と、温度調整器９とが設けられている。光源１は、レーザ１ａからのレーザ光をレンズ２を介して接続管５ａの内部に照射する。

右側の壁７に取り付けられた接続管５ｂの他端側には、受光素子であるＭＣＴ検出器４ａ、ペルチェ素子４ｂ、プリアンプ４ｃ、測温素子４ｄを有する受光部４と、温調基板（温度調整基板）１０と、同期検波回路１１とが設けられている。

測定対象のガスは、ＮＨ３、ＮＯ、ＮＯ２、ＳＯ２、ＨＣＬ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２などである。光源１はＤＦＢ−ＬＤ（半導体レーザ）やＤＦＢ−ＱＣＬ（量子カスケードレーザ）である。

図２は、実施例１のガス濃度測定装置の送信側及び受信側の詳細な構成ブロックを示す図である。まず、送信側の構成を説明する。光源１は、レーザ１ａ、ペルチェ素子１ｂ、測温素子１ｃを有している。

レーザ１ａは、レーザ光を発生する波長可変型の半導体レーザからなり、測温素子１ｃは、レーザ１ａの温度を検出し、温度調整器９は、測温素子１ｃで検出された温度に基づきペルチェ素子１ｂを駆動することによりレーザ１ａの温度を制御することによりレーザ１ａの波長を安定化させる。

レーザ制御基板８は、図示しないが、光源駆動電流発生器、低周波信号発生器、高周波信号発生器を有している。低周波信号発生器は、図３（ａ）に示すようなガスの吸収スペクトルを走査するためのレーザの波長挿引用低周波信号（波長挿引用駆動電流）を発生し、この低周波信号を図示しない光源駆動電流発生器に出力する。低周波信号は、例えば５Ｈｚの鋸波である。

高周波信号発生器は、図３（ｂ）に示すような高周波変調動作をするための高周波変調信号（高周波変調駆動電流）を発生し、発生した高周波変調信号を光源駆動電流発生器に出力する。高周波変調信号は、例えば、１００ｋＨｚである。

光源駆動電流発生器は、低周波信号発生器からの低周波信号と高周波信号発生器からの高周波変調信号とを合成し、図３（ｃ）に示すようなスペクトルを走査しつつ高周波変調動作するための駆動電流をレーザ１ａに供給する。

次に、受信側の構成を説明する。受信側は、ＭＣＴ検出器４ａ、ペルチェ素子４ｂ、プリアンプ４ｃ、測温素子４ｄ、測温基板１０、同期検波回路１１、Ａ／Ｄ変換器１２、演算回路１３、濃度計算部１４、光強度測定部１６、判定処理部１７を有している。

ＭＴＣ検出器４ａは、接続管５ａ，５ｂ内を透過したレーザ光を受光し受光信号を電気信号に変換し、プリアンプ４ｃは、ＭＣＴ検出器４ａで検出された電気信号を増幅する。

測温素子４ｄは、ＭＣＴ検出器４ａの温度を検出し、温調基板１０は、測温素子４ｄで検出された温度に基づきペルチェ素子４ｂを駆動することによりＭＣＴ検出器４ａの温度を制御することによりＭＣＴ検出器４ａの出力を安定化させる。

同期検波回路１１は、高周波変調動作を行っているときには、レーザ制御基板８から供給される参照信号（周波数は高周波変調周波数ｆ）の２倍の周波数を用いて、プリアンプ４ｃからの電気信号から２ｆ信号を検出して、Ａ／Ｄ変換器１２は、検出された２ｆ信号をＡ／Ｄ変換する。

演算回路１３は、Ａ／Ｄ変換器１２からの電気信号に基づきガスの濃度を計算する。光強度計算部１６は、Ａ／Ｄ変換器１２ｂからの信号に基づき検出光強度（吸光度）を計算する。

図４は、実施例１のガス濃度測定装置のＭＣＴ検出器の入射光量と出力との関係を示す図である。図４からもわかるように、入力光量が約４０ｍＷを超えると、直線性を失い始めている。

レーザ駆動電流と光出力（入力光量）との関係を図５に示す。図５から、光出力が４０ｍＷとなるレーザ駆動電流は、８００ｍＡであることがわかる。レーザ駆動電流と波長との関係を図６に示す。図６から、レーザ駆動電流が８００ｍＡのときの波長は、５２４６．２５ｎｍであることがわかる。

このため、実施例１において、５２４６．２５ｎｍよりも長い波長を用いてガス濃度を測定するとき、出射光全てをＭＣＴ検出器４ａで受けると、直線性を失った領域でガス濃度を測定することになる。その結果、使用する波長を変えずにＭＣＴ検出器４ａに入射させる光量を減らす必要があるため、レーザ１ａの駆動電流を小さくすることはできない。また、レーザ１ａの温調温度を上げると、注入電流を小さくしても長波長を得ることができるが、レーザ１ａの特性によっては、発振不能に陥る。

今、図８に示すような中心波長が５２４６．２５ｎｍにある吸収スペクトルを持つ気体の濃度を測定することを考える。レーザ１ａの走査は中心波長の長短いずれの側にも行う。吸収スペクトルの中心より長い波長では吸収の度合いとＭＣＴ出力が線形にならない。

そこで、実施例１では、吸収を受けない領域のＭＣＴ検出器４ａの出力を用いて、ＭＣＴ検出器４ａに届くレーザ光出力が直線性を失わない領域に設定する。

このため、図３（ｃ）に示すレーザ駆動電流でレーザ１ａを駆動し、レーザ１ａからのレーザ光はレンズ２及びレンズホルダ３を介してガスを透過し、透過したレーザ光は、ＭＣＴ検出器４ａで受光される。ＭＣＴ検出器４ａの出力は、プリアンプ４ｃ、同期検波回路１１、Ａ／Ｄ変換器１２を介して光強度計算部１６に送られ、光強度計算部１６により光強度が計算される。

ここで、ＭＣＴ検出器４ａの出力が直線性を失う程度までレーザ光が強い場合には、レンズホルダ３を調整し、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように、レンズ２の位置を移動させてＭＣＴ検出器４ａの出力が直線性を保持することができる。

図７（ａ）に示す例では、光源１とレンズ２との距離を長くしたとき、レーザ１ａからのレーザ光束はレンズ２により集光されてＭＣＴ検出器４ａの受光面により大きい光量が入射される。図７（ｂ）に示す例では、光源１とレンズ２との距離を中くらいにしたとき、レーザ１ａからのレーザ光束はほぼ平行になり、ＭＣＴ検出器４ａの受光面に中くらい光量が入射される。図７（ｃ）に示す例では、光源１とレンズ２との距離を短いしたとき、レーザ１ａからのレーザ光束は発散して、ＭＣＴ検出器４ａの受光面により小さい光量が入射される。

図９は、実施例２のガス濃度測定装置の送信側及び受信側の詳細な構成ブロックを示す図である。図９に示す実施例２では、図２に示す実施例１の構成に、さらに、レンズホルダ移動部１９、レンズホルダ制御器１８、判定処理部１７を設けたことを特徴とする。

判定処理部１７は、光強度計算部１６で計算された光強度がＭＣＴ検出器４ａの光強度飽和値（図４に示す例えば４０ｍＷ）になったかどうかを判定し、光強度が光強度飽和値になった場合には判定信号をレンズホルダ制御器１８に出力する。レンズホルダ制御器１８は、判定処理部１７からの判定信号により、即ちＭＣＴ検出器４ａの入出力特性の直線性を維持するように、レンズホルダ移動部１９に制御信号を出力する。

レンズホルダ移動部１９は、レンズホルダ制御器１８からの制御信号によりレンズ２の位置を図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように移動させる。即ち、ＭＣＴ検出器４ａの出力が飽和しないように光強度を自動的に調整することができる。

また、光出力に余裕がある場合には、例えば窓材に汚れが付着したなどの理由によりＭＣＴ検出器４ａへの入射光が減衰した場合には、レンズ２を調整してＭＣＴ検出器４ａへの入力強度を初期の値に回復又は最大限、初期値に近づけることができる。

このように実施例２のガス濃度測定装置によれば、レンズホルダ３を調整してレンズ２の位置を移動させることで、ＭＣＴ検出器４ａに入射する光量を調整できるので、ＭＣＴ検出器４ａの出力を飽和させずに精度良く濃度を測定することができる。

図１０は、実施例３のガス濃度測定装置の送信側及び受信側の詳細な構成ブロックを示す図である。実施例２のガス濃度測定装置がレンズホルダ３ｂ、レンズ移動部１９、レンズホルダ制御器１８を設けたのに対して、実施例３のガス濃度測定装置は、検出器移動部２０、検出器制御器２１を設けたことを特徴とする。

検出器制御器２１は、判定処理部１７からの判定信号により、即ちＭＣＴ検出器４ａの入出力特性の直線性を維持するように、ＭＣＴ検出器４ａに取り付けられた検出器移動部２０に制御信号を出力する。

検出器移動部２０は、検出器制御器２１からの制御信号によりＭＣＴ検出器４ａの位置を図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示すように移動させる。即ち、ＭＣＴ検出器４ａの出力が飽和しないように光強度を自動的に調整することができる。

図１２は、実施例４のガス濃度測定装置の送信側及び受信側の詳細な構成ブロックを示す図である。実施例２のガス濃度測定装置がレンズホルダ３ｂ、レンズ移動部１９、レンズホルダ制御器１８を設けたのに対して、実施例４のガス濃度測定装置は、レーザ移動部２２、レーザ制御器２３を設けたことを特徴とする。

レーザ制御器２３は、判定処理部１７からの判定信号により、即ちＭＣＴ検出器４ａの入出力特性の直線性を維持するように、レーザ１ａに取り付けられたレーザ移動部２２に制御信号を出力する。

レーザ移動部２２は、レーザ制御器２３からの制御信号によりレーザ１ａの位置を図１３（ａ）〜図１３（ｃ）に示すように移動させる。即ち、ＭＣＴ検出器４ａの出力が飽和しないように光強度を自動的に調整することができる。

以上、実施例１乃至４のガス濃度測定装置を説明したが、これらのガス濃度測定装置による光量制御には次のような利点がある。

（１）光量の制御には本発明以外に、ＮＤフィルタ、偏光フィルタ、ポルカドットフィルタ（ビームスプリッタ）などを用いることもできるが、本発明では、受光素子への入射光強度を連続的に変化させることができるので、最適な受光量調整ができる。

（２）上記の通常のフィルタ類では基板として光学ガラスや結晶を使用するが、中赤外域で透過性の高く安価な光学材料がないため、コストアップになる。

（３）光源として狭帯域なレーザを使用する場合には可干渉性、フィルタ表裏面での干渉に加え、脈理、細かな気泡による回折、干渉が生じ、計測時にフリンジノイズとしてＳＮを悪化させる要因になる。

なお、本発明は、実施例１乃至４のガス濃度測定装置に限定されるものではない。実施例１乃至４では、受光素子としてＭＣＴ検出器を用いたが、例えば、熱型検出器を用いても良い。この場合にも熱的飽和状態を来たさない程度の入力光に調整することで、実施例１乃至４の効果と同様の効果が得られる。熱型検出器は応答が遅いので、高周波変調を用いないで使用することも想定される。熱型検出器は、例えば焦電センサ、サーモパイル、ボロメータなどを用いることができる。

また、フォトダイオードにおいても感度の直線性を失う領域で使用する場合に、本発明を適用できる。即ち、本発明は、ＭＣＴ検出器、熱型検出器の使用が想定される中赤外領域だけではなく、近赤外領域においても適用できる。

本発明に係るガス濃度測定装置は、ガス分析装置に利用可能である。

１‥光源、１ａ‥レーザ、１ｂ，４ｂ‥ペルチェ素子、１ｃ，４ｄ‥測温素子、２‥レンズ、３‥レンズホルダ、４‥受光部、４ａ‥ＭＴＣ検出器、４ｃ‥プリアンプ、５ａ，５ｂ‥接続管、７‥壁、８‥レーザ制御基板、９‥温度調整器、１０‥温調基板、１１‥同期検波回路、１２‥Ａ／Ｄ変換器、１３‥演算回路、１４‥濃度計算部、１６‥光強度計算部、１７‥判定処理部、１８‥レンズホルダ制御器、１９‥レンズホルダ移動部、２０‥検出器移動部、２１‥検出器制御器、２２‥レーザ移動部、２３‥レーザ制御器。

Claims (5)

1. レーザ光を出力するレーザと、前記レーザ光を受光する検出器と、前記検出器の出力をレーザ変調信号で同期検波する同期検波回路と、前記同期検波回路の出力に基づき前記レーザ光の光路上に存するガスの濃度を演算する演算回路を有するガス濃度測定装置において、
   前記検出器の入出力特性の直線性を維持するように前記検出器への入射光強度を調整する光強度調整手段を設けたことを特徴とするガス濃度測定装置。
2. 前記ガス濃度測定装置は、前記レーザ光の光路上に配置されたレンズと、当該レンズを保持するレンズホルダとをさらに有し、
   前記光強度調整手段は、
   前記レンズホルダを移動させるレンズホルダ移動部と、
   前記検出器の入出力特性の直線性を維持するように、前記レンズホルダ移動部に制御信号を出力するレンズホルダ制御器とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
3. 前記光強度調整手段は、
   前記検出器を移動させる検出器移動部と、
   前記検出器の入出力特性の直線性を維持するように、前記検出器移動部に制御信号を出力する検出器制御器とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
4. 前記光強度調整手段は、
   前記検出器を移動させるレーザ移動部と、
   前記検出器の入出力特性の直線性を維持するように、前記レーザ移動部に制御信号を出力するレーザ制御器とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
   
5. 前記制御器は、
   前記検出器の出力に基づく光強度が前記検出器の光強度飽和値になったかどうかを判定する判定処理部を有し、
   当該判定結果に基づいて、前記制御信号を生成することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のガス濃度測定装置。

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