JP2013088135A - Laser gas analyzer - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser gas analyzer in which a noise component can be smoothed with respect to P-P output of relatively small output fluctuation.SOLUTION: A laser gas analyzer comprises a light source unit which includes a semiconductor laser which irradiates measuring gas with laser light while scanning it, a photodetector which detects laser light transmitted through the measuring gas, a gain variable amplifier to which an output signal of the photodetector is inputted, an A/D converter to which an output signal of the gain variable amplifier is inputted, and a detection unit including an arithmetic processing section which arithmetically operates a concentration of the measuring gas on the basis of output data from the A/D converter. The laser gas analyzer further comprises a P-P detector which detects a P-P value of output data from the A/D converter for each scan of the semiconductor laser, a gain setting section which is capable of setting a gain resolution for inputting an output signal of the P-P detector within a predetermined range, and a gain converter which inputs a signal from the gain setting section and adjusts a gain for each scan.

Description

本発明は、レーザガス分析装置に関し、詳しくは、低濃度ガスのノイズ除去が可能なレーザガス分析装置に関する。   The present invention relates to a laser gas analyzer, and more particularly to a laser gas analyzer capable of removing noise from a low concentration gas.

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy;可変波長半導体レーザ吸収分光)法を用いたレーザガス分析計は、測定対象に可変波長半導体レーザからの光を照射するだけで、高温や腐食性ガスなどの測定対象成分の濃度でも、他の成分の干渉を受けることなく成分選択性が高く、非接触で、高速にリアルタイムで測定できるという利点がある。   Laser gas analyzers using the TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) method only irradiate light from a variable wavelength semiconductor laser to a measurement target component such as high temperature and corrosive gas Even in the case of a concentration of 1, there is an advantage that the component selectivity is high without being interfered by other components, and measurement can be performed in real time at high speed without contact.

図5(a)はTDLAS法を用いた従来のレーザガス分析装置の一例を示すブロック図であって、測定ガス雰囲気中に向けて測定用レーザ光を照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、測定ガス雰囲気の測定空間を透過した測定用レーザ光を検出する受光素子およびこの受光素子の出力信号を処理する演算処理部を含む検出ユニットとで構成されている。   FIG. 5A is a block diagram showing an example of a conventional laser gas analyzer using the TDLAS method, in which a light source unit including a semiconductor laser that irradiates a measurement laser beam into a measurement gas atmosphere, and a measurement gas It comprises a light receiving element that detects the measurement laser beam that has passed through the measurement space of the atmosphere, and a detection unit that includes an arithmetic processing unit that processes the output signal of this light receiving element.

図5(a)に示すレーザガス分析装置は、赤外から近赤外領域に存在する測定対象成分分子の振動・回転エネルギー遷移による分子固有の光吸収スペクトルを、極めて発振波長スペクトル線幅の狭い半導体レーザを用いて測定する。O2、NH3、H2O、CO、CO2など大半の分子の分子特有の吸収スペクトルは赤外〜近赤外領域であり、特定波長における光吸収量(吸光度)を測定することで対象成分の濃度を算出できる。 The laser gas analyzer shown in FIG. 5 (a) is a semiconductor with a very narrow oscillation wavelength spectrum line width, which shows a light absorption spectrum unique to a molecule due to vibration / rotational energy transition of a measurement target component molecule existing in the infrared to near infrared region. Measure using a laser. The absorption spectra peculiar to most molecules such as O 2 , NH 3 , H 2 O, CO, CO 2 are in the infrared to near-infrared region, and are measured by measuring the amount of light absorption (absorbance) at a specific wavelength. The concentration of the component can be calculated.

図5(a)において、光源ユニット10に設けられている半導体レーザ11は、測定用レーザ光を測定ガス20の雰囲気中に照射出力する。この半導体レーザ11が出力するレーザ光は、発振波長スペクトル線幅が極めて狭く、レーザ温度や駆動電流を変えることで発振波長を変更できるので、吸収スペクトルの各吸収ピークの1本のみを測定できる。   In FIG. 5A, the semiconductor laser 11 provided in the light source unit 10 irradiates and outputs measurement laser light into the atmosphere of the measurement gas 20. The laser light output from the semiconductor laser 11 has a very narrow oscillation wavelength spectrum line width, and the oscillation wavelength can be changed by changing the laser temperature or drive current. Therefore, only one of the absorption peaks of the absorption spectrum can be measured.

したがって、干渉ガスの影響を受けない吸収ピークを選定することができ、波長選択性が高く、他の干渉成分の影響を受けることがないため、測定の前段階における干渉ガスを除去することなくプロセスガスを直接測定できる。   Therefore, the absorption peak that is not affected by the interference gas can be selected, the wavelength selectivity is high, and it is not affected by other interference components. Therefore, the process is performed without removing the interference gas in the previous stage of measurement. Gas can be measured directly.

半導体レーザ11の発振波長を測定成分の1本の吸収線の近傍でスキャンすることにより、干渉成分と重ならない正確なスペクトルの測定が行えるが、そのスペクトル形状は、測定ガス温度、測定ガス圧力、共存ガス成分などによるスペクトルのブロードニング(Broadening)現象により変化する。このため、これらの環境変動を伴う実プロセス測定では、その補正が必要になる。   By scanning the oscillation wavelength of the semiconductor laser 11 in the vicinity of one absorption line of the measurement component, an accurate spectrum that does not overlap with the interference component can be measured. The spectrum shape includes the measurement gas temperature, the measurement gas pressure, It changes due to a spectrum broadening phenomenon caused by a coexisting gas component. For this reason, the actual process measurement accompanied by these environmental variations requires correction.

そこで、図5(a)の装置では、半導体レーザ11の発振波長をスキャンして吸収スペクトルを測定することによりスペクトル面積を求め、そのスペクトル面積から成分濃度に変換するスペクトル面積法を用いている。   Therefore, in the apparatus of FIG. 5A, a spectral area method is used in which the spectral area is obtained by scanning the oscillation wavelength of the semiconductor laser 11 and measuring the absorption spectrum, and converting the spectral area into the component concentration.

他のレーザガス分析装置では、吸収スペクトルのピーク高さから測定成分を求めるピーク高さ法や波長スキャン信号を変調してその周波数の2倍周波数変調波形のP−P(ピーク・ツー・ピーク)値から測定成分の濃度を求める2f法が使われているが、これらは、温度、圧力、共存ガス成分の変動などにより大きな影響を受けやすい。   In other laser gas analyzers, the peak height method for obtaining the measurement component from the peak height of the absorption spectrum or the wavelength scan signal is modulated and the P-P (peak-to-peak) value of the frequency-modulated waveform is double that frequency. The 2f method for obtaining the concentration of the measured component from the above is used, but these are easily affected by fluctuations in temperature, pressure, coexisting gas components, and the like.

これに対し、スペクトル面積法は原理的に共存ガス成分の違いによる変化の影響を受けることはなく(スペクトルの面積は共存ガス成分によらずほとんど一定)、圧力変動に対してもスペクトル面積法は原理的に線形変化を示す。   In contrast, the spectral area method is in principle not affected by changes due to differences in the coexisting gas components (the spectrum area is almost constant regardless of the coexisting gas components), and the spectral area method is also effective against pressure fluctuations. It shows a linear change in principle.

ピーク高さ法や2f法では、上記3変動要因(温度、圧力、共存ガス成分)が全て非線形に影響し、これら変動要因が共存する場合は補正が困難であるが、スペクトル面積法によれば、ガス圧力変動に対する線形補正とガス温度変動に対する非線形補正を行うことができ、正確な補正を実現できる。   In the peak height method and the 2f method, the above three fluctuation factors (temperature, pressure, coexisting gas components) all affect nonlinearly, and when these fluctuation factors coexist, correction is difficult. The linear correction for the gas pressure fluctuation and the non-linear correction for the gas temperature fluctuation can be performed, and an accurate correction can be realized.

測定ガス20の雰囲気中を通過した測定用レーザ光は検出ユニット30に設けられている受光素子31で受光され、電気信号に変換される。   The measurement laser light that has passed through the atmosphere of the measurement gas 20 is received by the light receiving element 31 provided in the detection unit 30 and converted into an electrical signal.

受光素子31の出力信号はゲイン可変のアンプ32を介して適切な振幅レベルに調整されてA/D変換器33に入力され、デジタル信号に変換される。   The output signal of the light receiving element 31 is adjusted to an appropriate amplitude level via a variable gain amplifier 32, input to the A / D converter 33, and converted into a digital signal.

A/D変換器33の出力データについて、半導体レーザ11の波長のスキャンに同期して、積算器34とメモリ35との間で所定回数(たとえば数百〜数千回)の積算とメモリ35への格納が繰り返されて測定信号に含まれるノイズが除去されてデータが平滑化された後、CPU36に入力される。   With respect to the output data of the A / D converter 33, in synchronization with the wavelength scan of the semiconductor laser 11, the integration is performed a predetermined number of times (for example, several hundred to several thousand times) between the integrator 34 and the memory 35, and the memory 35 is supplied. Is repeated, noise included in the measurement signal is removed and the data is smoothed, and then input to the CPU 36.

CPU36は、ノイズが除去された測定信号に基づき測定ガスの濃度解析などの演算処理を行うとともに、受光素子31の出力信号の振幅レベルがA/D変換器33の入力レベルとして適切でない場合にアンプ32のゲイン調整を行う。   The CPU 36 performs arithmetic processing such as measurement gas concentration analysis based on the measurement signal from which noise has been removed, and an amplifier when the amplitude level of the output signal of the light receiving element 31 is not appropriate as the input level of the A / D converter 33. 32 gain adjustment is performed.

非特許文献1には、可変波長半導体レーザ分光を応用したレーザガス分析計の測定原理とその特徴および具体的な測定事例について記載されている。   Non-Patent Document 1 describes the measurement principle, characteristics, and specific measurement examples of a laser gas analyzer to which variable wavelength semiconductor laser spectroscopy is applied.

田村 一人、外3名、「レーザガス分析計TDLS200とその産業プロセスへの応用」、横河技報、横河電機株式会社、2010年、Vol.53 No.2(2010) p.51−54Tamura, one and three others, “Laser gas analyzer TDLS200 and its application to industrial processes”, Yokogawa Technical Report, Yokogawa Electric Corporation, 2010, Vol. 53 No. 2 (2010) p. 51-54

ところで、図5(a)に示すような構成のレーザガス分析装置では、前述のように、測定信号に含まれるノイズを除去してデータを平滑化するために、A/D変換器33の出力データについて、半導体レーザ11の波長のスキャンに同期して、積算器34とメモリ35との間で数百〜数千回の積算とメモリ35への格納が繰り返して行われるが、これら数百〜数千回のスキャンと積算と格納が行われる一連の解析処理期間中は、アンプ32のゲインを調整してA/D変換器33の入力レベルを一定に維持する必要がある。   Incidentally, in the laser gas analyzer configured as shown in FIG. 5A, as described above, the output data of the A / D converter 33 is used to remove noise contained in the measurement signal and smooth the data. In synchronization with the wavelength scan of the semiconductor laser 11, hundreds to thousands of integrations and storage in the memory 35 are repeatedly performed between the integrator 34 and the memory 35. During a series of analysis processing periods in which 1000 scans, integration, and storage are performed, it is necessary to adjust the gain of the amplifier 32 to maintain the input level of the A / D converter 33 constant.

しかしながら、データ平滑化を行った場合でも光学ノイズ等に代表されるノイズ成分が残留しており、低濃度ガス分析を必要とするアプリケーションに対してはそのノイズが大きな影響を及ぼしていたため、低濃度ガス測定には限界があるという問題があった。   However, even when data smoothing is performed, noise components such as optical noise remain, and the noise has had a large effect on applications that require low-concentration gas analysis. There was a problem that gas measurement had limitations.

本発明は、このような課題を解決するものであり、レーザガス分析計による低濃度ガス分析を必要とするアプケーションに対して、出力変動の比較的小さなP−P出力に対するノイズ成分の平滑化が可能なレーザガス分析装置を提供することを目的としている。   The present invention solves such problems, and for applications that require low-concentration gas analysis by a laser gas analyzer, smoothing of noise components for PP output with relatively small output fluctuations is possible. An object is to provide a possible laser gas analyzer.

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
測定ガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、
前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子と、
この受光素子の出力信号が入力されるゲイン可変のアンプと、
このアンプの出力信号が入力されるA/D変換器と、
このA/D変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニット、とで構成されたレーザガス分析装置において、
前記半導体レーザの1スキャンごとに前記A/D変換器の出力データのピークツーピーク値を検出するピークツーピーク検出器と、
このピークツーピーク検出器の出力信号を入力するゲイン分解能が所定の範囲で設定可能なゲイン設定部と、このゲイン設定部からの信号を入力し、1スキャンごとにゲインを調整するゲイン変換器を設けたことを特徴とする。
In order to achieve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is:
A light source unit including a semiconductor laser that irradiates a measurement gas while scanning the laser beam;
A light receiving element for detecting a laser beam transmitted through the measurement gas;
A variable gain amplifier to which the output signal of this light receiving element is input,
An A / D converter to which the output signal of the amplifier is input;
In a laser gas analyzer configured with a detection unit including an arithmetic processing unit that calculates the concentration of the measurement gas based on output data of the A / D converter,
A peak-to-peak detector for detecting a peak-to-peak value of output data of the A / D converter for each scan of the semiconductor laser;
A gain setting unit that can set the gain resolution for inputting the output signal of the peak-to-peak detector within a predetermined range, and a gain converter that inputs the signal from the gain setting unit and adjusts the gain for each scan. It is provided.

請求項2記載の発明は、請求項1に記載のレーザガス分析装置において、
前記ゲイン設定部における所定の範囲でのゲイン設定はピークツーピーク値の±10%程度に設定されていることを特徴とする。
The invention described in claim 2 is the laser gas analyzer according to claim 1,
The gain setting in the predetermined range in the gain setting unit is set to about ± 10% of the peak-to-peak value.

請求項3記載の発明は、測定ガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、
前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子と、
この受光素子の出力信号が入力されるゲイン可変のアンプと、
このアンプの出力信号が入力されるA/D変換器と、
このA/D変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニット、とで構成されたレーザガス分析装置において、
前記半導体レーザの後段にN2O基準セルを配置し、該N2O基準セルを通ったレーザを前記受光素子で検出するように構成したことを特徴とする。
The invention according to claim 3 includes a light source unit including a semiconductor laser that irradiates the measurement gas while scanning the laser beam.
A light receiving element for detecting a laser beam transmitted through the measurement gas;
A variable gain amplifier to which the output signal of this light receiving element is input,
An A / D converter to which the output signal of the amplifier is input;
In a laser gas analyzer configured with a detection unit including an arithmetic processing unit that calculates the concentration of the measurement gas based on output data of the A / D converter,
An N 2 O reference cell is arranged at the rear stage of the semiconductor laser, and the laser that passes through the N 2 O reference cell is detected by the light receiving element.

請求項1、2においては、半導体レーザの1スキャンごとに、ゲイン設定部で設定した値でゲイン可変アンプのゲインを変化させることによりA/D変換器の入力レベルを平均化してノイズ成分を平滑化することができる。   According to the first and second aspects, the input level of the A / D converter is averaged by smoothing the noise component by changing the gain of the gain variable amplifier by the value set by the gain setting unit for each scan of the semiconductor laser. Can be

請求項3においては、半導体レーザの後段にN2O基準セルを配置したので、レーザガス分析計によるCOガス測定を必要とするアプケーションに対して、CO測定に影響を与えず、かつその測定波長を安定化させることができる。 According to the third aspect of the present invention, since the N 2 O reference cell is disposed after the semiconductor laser, it does not affect the CO measurement for an application that requires the CO gas measurement by the laser gas analyzer, and its measurement wavelength. Can be stabilized.

本発明の一実施例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one Example of this invention. 本発明によるゲインアンプの動作と効果を示す図である。It is a figure which shows the operation | movement and effect of the gain amplifier by this invention. レーザの後段にN2O基準セルを配置した本発明の一実施例を示すブロック図である。Downstream of the laser is a block diagram showing an embodiment of the present invention of arranging the N 2 O reference cells. レーザの後段にCO基準セルを配置した場合とN2O基準セルを配置した場合の効果を示す説明図である。Is an explanatory view showing an effect in the case of the case and N 2 O reference cells arranged CO reference cells downstream of the laser is arranged. 従来例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows a prior art example.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図5(a)の従来例と共通する部分には同一の符号を付けている。図1と図5(a)の相違点は、ゲイン可変のアンプ32のゲインを調整する手段として、CPU36に代えて、A/D変換器33の出力データのP−P値を検出するP−P検出器41と、ゲイン設定部44及びゲイン変換部45を設けていることである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to portions common to the conventional example of FIG. The difference between FIG. 1 and FIG. 5A is that a means for adjusting the gain of the variable gain amplifier 32 is replaced by a P− that detects the PP value of the output data of the A / D converter 33 instead of the CPU 36. The P detector 41, the gain setting unit 44, and the gain conversion unit 45 are provided.

図1において、光源ユニット10に設けられている半導体レーザ11は、従来と同様に測定用レーザ光を測定ガス20の雰囲気中に照射出力する。このとき、測定ガス20の測定対象成分の吸収スペクトルの面積を求めるために、吸収波長を含む狭い帯域で半導体レーザ11の波長をスキャンさせる。   In FIG. 1, the semiconductor laser 11 provided in the light source unit 10 irradiates and outputs measurement laser light in the atmosphere of the measurement gas 20 as in the conventional case. At this time, in order to obtain the area of the absorption spectrum of the measurement target component of the measurement gas 20, the wavelength of the semiconductor laser 11 is scanned in a narrow band including the absorption wavelength.

測定ガス20の雰囲気中を通過した測定用レーザ光は検出ユニット30に設けられている受光素子31で受光され、電気信号に変換される。   The measurement laser light that has passed through the atmosphere of the measurement gas 20 is received by the light receiving element 31 provided in the detection unit 30 and converted into an electrical signal.

受光素子31の出力信号はゲイン可変のアンプ32を介してA/D変換器33の入力レベルとして適切な振幅レベルに調整されてA/D変換器33に入力され、デジタル信号に変換される。   The output signal of the light receiving element 31 is adjusted to an appropriate amplitude level as the input level of the A / D converter 33 via the variable gain amplifier 32, and is input to the A / D converter 33 and converted into a digital signal.

A/D変換器33の出力データは、半導体レーザ11の波長のスキャンに同期して積算器34とメモリ35との間で所定回数(たとえば数百〜数千回)の積算とメモリ35への格納が繰り返されて測定信号に含まれるノイズが除去されて平滑化された後、CPU36に入力される。CPU36は、ノイズが除去された測定信号に基づき測定ガスの濃度解析などの演算処理を行う。   The output data of the A / D converter 33 is accumulated a predetermined number of times (for example, several hundred to several thousand times) between the accumulator 34 and the memory 35 in synchronism with the wavelength scan of the semiconductor laser 11 and is sent to the memory 35. Storage is repeated and noise contained in the measurement signal is removed and smoothed, and then input to the CPU 36. The CPU 36 performs arithmetic processing such as measurement gas concentration analysis based on the measurement signal from which noise has been removed.

また、A/D変換器33の出力データは分岐されて、ゲイン調整ユニット40を構成するP−P検出器41に入力される。このP−P検出器41は、半導体レーザ11の1スキャンごとにA/D変換器33の出力データのP−P値をリアルタイムで検出し、検出結果をゲイン設定部44に入力する。具体的には、P−P検出器41は、A/D変換器33のサンプリングタイミングでリアルタイムにデータの比較を行う。   Further, the output data of the A / D converter 33 is branched and input to a PP detector 41 constituting the gain adjustment unit 40. The PP detector 41 detects the PP value of the output data of the A / D converter 33 in real time for each scan of the semiconductor laser 11, and inputs the detection result to the gain setting unit 44. Specifically, the PP detector 41 compares data in real time at the sampling timing of the A / D converter 33.

次のスキャンではゲイン設定部44はP−P検出器41の出力信号を入力し例えば±10%の間で、入力した値に対しプラス側又はマイナス側に出力が変動するようにゲイン変換部45に指令を発する。ゲイン変換部では指令に従ってゲイン可変のアンプ32に対して指令された値を乗じるように指令を発する。   In the next scan, the gain setting unit 44 receives the output signal of the PP detector 41 and, for example, within ± 10%, the gain conversion unit 45 so that the output fluctuates to the plus side or minus side with respect to the inputted value. Issue a command to In accordance with the command, the gain conversion unit issues a command to multiply the commanded value to the variable gain amplifier 32.

図2(a)は始めにA/D変換された出力を示し、図2(b)は次回からの受光素子の出力に対してゲインアンプ32で±10%の値を順次段階的に乗じたA/D変換からの出力を示している。   FIG. 2 (a) shows the output that is first A / D converted, and FIG. 2 (b) is obtained by sequentially multiplying the output of the light receiving element from the next time by a value of ± 10% by the gain amplifier 32 sequentially. The output from A / D conversion is shown.

即ち、ゲイン可変アンプ32は始めにスキャンしたP−P検出器41の出力信号が例えば100であったとすると、次の出力に対して1.01を乗じた値をA/D変換器33に出力する。そして次の出力に対してはゲイン変換器45から可変アンプ32に対して1.02を乗じた値を出力するように指令し、1.03〜1.1(+10%)になるまで順次可変アンプ32の出力を0.1刻みで変化させる。   That is, the gain variable amplifier 32 outputs, to the A / D converter 33, a value obtained by multiplying the next output by 1.01 if the output signal of the PP detector 41 scanned first is, for example, 100. To do. For the next output, the gain converter 45 instructs the variable amplifier 32 to output a value multiplied by 1.02, and is sequentially variable until 1.03 to 1.1 (+ 10%). The output of the amplifier 32 is changed in increments of 0.1.

そして、1.1になったら乗じる値を順次1.09〜1.08〜1とし、さらにマイナス方向に0.99〜0.98〜0.9(−10%)とし、ここから0.91〜1.1になるまで乗じる値を0.1刻みで変化させる。このように測定成分の吸収ピークを除く一定範囲の1スキャン中のP−Pを検出し、ゲイン設定部ではゲインアンプ32の変化量(ゲインに対して乗じる値)を極力小さく(例えば10%)して数種類(例えば20種類)のゲイン変更を可能とする。   Then, when 1.1 is reached, the values to be multiplied are sequentially 1.09 to 1.08 to 1, and further 0.99 to 0.98 to 0.9 (−10%) in the negative direction, from which 0.91 The value to be multiplied until ˜1.1 is changed in increments of 0.1. In this way, PP in one scan in a certain range excluding the absorption peak of the measurement component is detected, and the gain setting unit makes the change amount (value multiplied by the gain) of the gain amplifier 32 as small as possible (for example, 10%). Thus, several types (for example, 20 types) of gain changes can be made.

上述の構成によれば、ゲイン設定部44でP−P検出器41の出力信号に対し±10%の間で、入力した値に対しプラス側又はマイナス側に出力が変動するようにゲイン変換部45に指令を発し、その指令に従ってゲイン可変アンプ32に対して指令された値を乗じた値を出力する。   According to the above-described configuration, the gain setting unit 44 has a gain conversion unit so that the output fluctuates to the plus side or the minus side with respect to the input value within ± 10% with respect to the output signal of the PP detector 41. A command is issued to 45, and a value obtained by multiplying the commanded value to the gain variable amplifier 32 according to the command is output.

その結果、多少の光学ノイズ等が存在した場合において、1スキャンごとにP−P検出器でそのノイズのP−Pを検出し、ゲイン設定部43、ゲイン変換部44で所定の範囲にゲインを変更することにより、今まで除去できなかったノイズ成分の平滑化が可能となる。つまり、この平滑化によりノイズ成分を除去することが可能となる。   As a result, when there is some optical noise or the like, the PP of the noise is detected by the PP detector every scan, and the gain is set within a predetermined range by the gain setting unit 43 and the gain conversion unit 44. By changing, it becomes possible to smooth noise components that could not be removed up to now. That is, the noise component can be removed by this smoothing.

図2(c)は従来手法によるスペクトル(イ)と本発明によるスペクトル(ロ)を示すものである。ノイズが軽減されていることが確認できる。
なお、P−P検出器であらかじめノイズのP−Pの閾値を設定しておき、その閾値を超えた場合は、ダイナミックオートゲイン調整を実行するシステムにすることにより、ノイズ低減による低濃度測定を実現し、プロセス環境の変化にも対応したシステムを構築することも考えられるが、本発明はノイズが極めて少ないプロセスに適用するものであり、P−Pの閾値を設定するまでには至らないプロセスに用いて好適である。
FIG. 2 (c) shows a spectrum (A) according to the conventional method and a spectrum (B) according to the present invention. It can be confirmed that noise is reduced.
Note that a PP threshold value for noise is set in advance by the PP detector, and if the threshold value is exceeded, a system that performs dynamic auto gain adjustment is used to perform low density measurement by noise reduction. Although it is conceivable to construct a system that can be realized and cope with changes in the process environment, the present invention is applied to a process with very little noise, and does not reach the point of setting a PP threshold. It is suitable for use.

ところで、このようなレーザガス分析装置において、特にCOのスペクトルを測定する場合は半導体レーザ11の後段に基準セルとしてCOセルを用いている。
図5(b)は半導体レーザ11の後段に基準セルとしてCOセル12を配置した状態を示すブロック図である。この基準セル12には、測定波長を安定させるため、参照用ガス(COガス)を封入し、測定対象のガス濃度が低下した場合も測定波長が変動することなく測定できる構成となっている。
By the way, in such a laser gas analyzer, especially when measuring the spectrum of CO, a CO cell is used as a reference cell in the subsequent stage of the semiconductor laser 11.
FIG. 5B is a block diagram showing a state in which the CO cell 12 is arranged as a reference cell in the subsequent stage of the semiconductor laser 11. In order to stabilize the measurement wavelength, the reference cell 12 is filled with a reference gas (CO gas) so that the measurement wavelength can be measured without fluctuation even when the concentration of the measurement target gas decreases.

しかしながら、基準セル12内にCOガスを封入した場合、以下の問題が生じる。
a)プロセスからの輻射熱などの影響で、基準セル内のCOガスの吸収スペクトル形状が変化するため、基準セル内の温度変動が測定値に影響を与える。特に、プロセス濃度が低い場合はその影響が大きい。
b)基準セル内の温度変動を補正するには常時温度を測定するなどの対応が必要となり、かつ温度勾配を考慮するとその補正は複雑かつ困難である。
c)基準ガスセルが破損した場合、分析計内部にCOガスが漏洩するので危険である。
However, when CO gas is sealed in the reference cell 12, the following problems occur.
a) Since the absorption spectrum shape of the CO gas in the reference cell changes due to the influence of radiant heat from the process or the like, the temperature fluctuation in the reference cell affects the measured value. In particular, the effect is large when the process concentration is low.
b) In order to correct the temperature fluctuation in the reference cell, it is necessary to always measure the temperature, and the correction is complicated and difficult considering the temperature gradient.
c) If the reference gas cell is damaged, it is dangerous because CO gas leaks into the analyzer.

図3は本発明の一実施例を示すもので、レーザガス分析計によるCOガス測定を必要とするアプケーションに対して、CO測定に影響を与えず、かつその測定波長を安定化させるための構成を示すものである。
図3において、半導体レーザ11の後段に基準セルとしてN2O基準セル13を配置した以外は図5(b)に示す従来のレーザガス分析計と同様である。
FIG. 3 shows an embodiment of the present invention. For an application that requires CO gas measurement by a laser gas analyzer, a configuration for stabilizing the measurement wavelength without affecting the CO measurement. Is shown.
3 is the same as the conventional laser gas analyzer shown in FIG. 5B except that an N 2 O reference cell 13 is arranged as a reference cell after the semiconductor laser 11.

即ち、半導体レーザ11から出力されたレーザ光は、基準セル(N2O)13を透過後、プロセスガスを通過し、受光素子31で受光し、電気信号へ変換される。その後ゲインアンプ32を介してA/Dコンバータ33でデジタル化された測定信号をノイズ除去のために積算器34で既定数積算し、メモリ35へ格納を繰り返し、CPU36へ送信し、濃度解析等を行う。 That is, the laser light output from the semiconductor laser 11 passes through the reference cell (N 2 O) 13, passes through the process gas, is received by the light receiving element 31, and is converted into an electrical signal. After that, the measurement signal digitized by the A / D converter 33 via the gain amplifier 32 is accumulated by a predetermined number in the accumulator 34 to remove noise, repeatedly stored in the memory 35, and transmitted to the CPU 36 for concentration analysis and the like. Do.

図3に示すように従来技術と異なる点は、基準セル13に封入するガスとしてN2Oガスを使用する点である。N2Oガスの吸収スペクトルを参照用として、測定波長を安定させる。このことにより、測定対象ガス濃度が低下した場合も測定波長が変動することなく測定可能となる。 As shown in FIG. 3, the difference from the prior art is that N 2 O gas is used as the gas sealed in the reference cell 13. The measurement wavelength is stabilized using the absorption spectrum of the N 2 O gas as a reference. As a result, even when the measurement target gas concentration is lowered, measurement can be performed without fluctuation of the measurement wavelength.

このように、測定ガスとは異なるガスを参照用として使用するため、以下の項目に対して効果が得られる。
a)プロセスの急激な環境の変化(輻射熱など)が発生しても測定対象のCOガス濃度には影響を与えない。
b)プロセスガス濃度が低い場合も安定して測定が可能となる。
c)基準セル内の温度変動などを補正する必要がない。
d)万が一、基準セルが破損した場合でも即死するような危険なガスではない。
As described above, since a gas different from the measurement gas is used for reference, an effect can be obtained for the following items.
a) Even if a sudden environmental change (radiant heat, etc.) occurs in the process, the CO gas concentration to be measured is not affected.
b) Stable measurement is possible even when the process gas concentration is low.
c) It is not necessary to correct temperature variations in the reference cell.
d) It is not a dangerous gas that will die immediately even if the reference cell is damaged.

図4(a)は図5(b)に示すCO基準セル12を用いた場合の測定スペクトル(a)と図3に示すN2O基準セル13を用いた場合の測定スペクトル(b)を示すもので、CO基準セル12を用いた場合は基準ガスセルのスぺルクトルと測定ガスのスぺルクトルが重畳した合成されたスペクトルとして出力される。 4A shows a measurement spectrum (a) when the CO reference cell 12 shown in FIG. 5B is used and a measurement spectrum (b) when the N 2 O reference cell 13 shown in FIG. 3 is used. However, when the CO reference cell 12 is used, it is output as a synthesized spectrum in which the spectrum of the reference gas cell and the spectrum of the measurement gas are superimposed.

これに対し、N2O基準セル13を用いた場合は基準ガスセルのスぺルクトルと測定ガスのスぺルクトルが重畳せず、かつ測定成分の吸収ピーク近隣に存在するガスを用いて波長安定化を実現することができる。 On the other hand, when the N 2 O reference cell 13 is used, the wavelength of the reference gas cell and the spectrum of the measurement gas do not overlap with each other and the wavelength is stabilized by using the gas present in the vicinity of the absorption peak of the measurement component. Can be realized.

また、N2Oガスの吸収スペクトルを参照用として、測定波長を安定させることができるので、測定対象ガス濃度が低下した場合も測定波長が変動することなく測定可能となり、レーザガス分析計によるCOガス測定を必要とするアプケーションに対して、CO測定に影響を与えず、かつその測定波長を安定化させることができる。 In addition, since the measurement wavelength can be stabilized by using the absorption spectrum of N 2 O gas as a reference, measurement can be performed without fluctuation even when the concentration of the measurement target gas is reduced, and CO gas generated by a laser gas analyzer can be measured. For applications that require measurement, the measurement wavelength can be stabilized without affecting the CO measurement.

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。本実施例においてはP−Pに対して±10%の範囲でゲインを変化させたがこれに限るものではなくゲイン可変アンプの変化量を極力小さくして数種類のゲイン変更が可能であればよい。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
The above description merely shows a specific preferred embodiment for the purpose of explanation and illustration of the present invention. In this embodiment, the gain is changed within a range of ± 10% with respect to PP, but the present invention is not limited to this. It is only necessary that the amount of change of the gain variable amplifier can be made as small as possible to change several types of gains. .
Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.

10 光源ユニット
11 半導体レーザ
12 CO基準セル
13 N2O基準セル
20 測定ガス
30 検出ユニット
31 受光素子
32 ゲイン可変アンプ
33 A/D変換器
34 積算器
35 メモリ
36 CPU
41 P−P検出器
44 ゲイン設定部
45 ゲイン変換部
10 light source unit 11 semiconductor laser 12 CO reference cell 13 N 2 O reference cell 20 measuring gas 30 detection unit 31 receiving element 32 variable-gain amplifier 33 A / D converter 34 integrator 35 Memory 36 CPU
41 PP detector 44 Gain setting unit 45 Gain conversion unit

Claims (3)

測定ガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、
前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子と、
この受光素子の出力信号が入力されるゲイン可変のアンプと、
このアンプの出力信号が入力されるA/D変換器と、
このA/D変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニット、とで構成されたレーザガス分析装置において、
前記半導体レーザの1スキャンごとに前記A/D変換器の出力データのピークツーピーク値を検出するピークツーピーク検出器と、
このピークツーピーク検出器の出力信号を入力するゲイン分解能が所定の範囲で設定可能なゲイン設定部と、このゲイン設定部からの信号を入力し、1スキャンごとにゲインを調整するゲイン変換器を設けたことを特徴とするレーザガス分析装置。
A light source unit including a semiconductor laser that irradiates a measurement gas while scanning the laser beam;
A light receiving element for detecting a laser beam transmitted through the measurement gas;
A variable gain amplifier to which the output signal of this light receiving element is input,
An A / D converter to which the output signal of the amplifier is input;
In a laser gas analyzer configured with a detection unit including an arithmetic processing unit that calculates the concentration of the measurement gas based on output data of the A / D converter,
A peak-to-peak detector for detecting a peak-to-peak value of output data of the A / D converter for each scan of the semiconductor laser;
A gain setting unit that can set the gain resolution for inputting the output signal of the peak-to-peak detector within a predetermined range, and a gain converter that inputs the signal from the gain setting unit and adjusts the gain for each scan. A laser gas analyzer characterized by being provided.
前記ゲイン設定部における所定の範囲でのゲイン設定はピークツーピーク値の±10%程度に設定されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザガス分析装置。   The laser gas analyzer according to claim 1, wherein the gain setting in the predetermined range in the gain setting unit is set to about ± 10% of a peak-to-peak value. 測定ガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、
前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子と、
この受光素子の出力信号が入力されるゲイン可変のアンプと、
このアンプの出力信号が入力されるA/D変換器と、
このA/D変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニット、とで構成されたレーザガス分析装置において、
前記半導体レーザの後段にN2O基準セルを配置し、該N2O基準セルを通ったレーザを前記受光素子で検出するように構成したことを特徴とするレーザガス分析装置。
A light source unit including a semiconductor laser that irradiates a measurement gas while scanning the laser beam;
A light receiving element for detecting a laser beam transmitted through the measurement gas;
A variable gain amplifier to which the output signal of this light receiving element is input,
An A / D converter to which the output signal of the amplifier is input;
In a laser gas analyzer configured with a detection unit including an arithmetic processing unit that calculates the concentration of the measurement gas based on output data of the A / D converter,
A laser gas analyzer, wherein an N 2 O reference cell is arranged at a subsequent stage of the semiconductor laser, and a laser that passes through the N 2 O reference cell is detected by the light receiving element.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017135314A (en) * 2016-01-29 2017-08-03 浜松ホトニクス株式会社 Wavelength tunable light source and driving method therefor
JP2017166842A (en) * 2016-03-14 2017-09-21 富士電機株式会社 Laser gas analyzer
US10948406B2 (en) 2017-08-30 2021-03-16 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Moisture amount detection device
CN115032174A (en) * 2022-08-09 2022-09-09 清华大学合肥公共安全研究院 Gas concentration measuring device with automatic temperature compensation function, method and microprocessor

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11148898A (en) * 1997-11-17 1999-06-02 Japan Radio Co Ltd Isotope analyzer
JP2000295181A (en) * 1999-04-02 2000-10-20 Nec Corp Optical transmitter and optical communication system
US6201245B1 (en) * 1998-06-18 2001-03-13 Robert J. Schrader Infrared, multiple gas analyzer and methods for gas analysis
JP2008109278A (en) * 2006-10-24 2008-05-08 Canon Inc Imaging apparatus, control method of imaging apparatus, and computer program
JP2009216385A (en) * 2006-05-19 2009-09-24 Toyota Motor Corp Gas analyzer and wavelength sweeping control method of laser in gas analyzer
JP2011013126A (en) * 2009-07-03 2011-01-20 Shimadzu Corp Gas concentration measuring instrument
JP2012173109A (en) * 2011-02-21 2012-09-10 Yokogawa Electric Corp Laser gas analyzer
JP2013024728A (en) * 2011-07-21 2013-02-04 Yokogawa Electric Corp Laser gas analyzer

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11148898A (en) * 1997-11-17 1999-06-02 Japan Radio Co Ltd Isotope analyzer
US6201245B1 (en) * 1998-06-18 2001-03-13 Robert J. Schrader Infrared, multiple gas analyzer and methods for gas analysis
JP2000295181A (en) * 1999-04-02 2000-10-20 Nec Corp Optical transmitter and optical communication system
JP2009216385A (en) * 2006-05-19 2009-09-24 Toyota Motor Corp Gas analyzer and wavelength sweeping control method of laser in gas analyzer
JP2008109278A (en) * 2006-10-24 2008-05-08 Canon Inc Imaging apparatus, control method of imaging apparatus, and computer program
JP2011013126A (en) * 2009-07-03 2011-01-20 Shimadzu Corp Gas concentration measuring instrument
JP2012173109A (en) * 2011-02-21 2012-09-10 Yokogawa Electric Corp Laser gas analyzer
JP2013024728A (en) * 2011-07-21 2013-02-04 Yokogawa Electric Corp Laser gas analyzer

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017135314A (en) * 2016-01-29 2017-08-03 浜松ホトニクス株式会社 Wavelength tunable light source and driving method therefor
JP2017166842A (en) * 2016-03-14 2017-09-21 富士電機株式会社 Laser gas analyzer
US10948406B2 (en) 2017-08-30 2021-03-16 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Moisture amount detection device
CN115032174A (en) * 2022-08-09 2022-09-09 清华大学合肥公共安全研究院 Gas concentration measuring device with automatic temperature compensation function, method and microprocessor

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