JP2013113647A - レーザ式ガス分析計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】周波数変調方式のレーザ式ガス分析計において、同期検波回路の検出信号から測定対象ガスについての受光光量実測値および測定対象ガスのガス濃度指示値を取得し、ガス濃度指示値とオフセット吸収係数とを用いて測定対象ガスの受光光量理論値を算出し、受光光量理論値から受光光量実測値を引いて算出した光量変動分と、同期検波回路の検出信号から取得したスパンを用いて測定対象ガスの濃度真値を算出するようなレーザ式ガス分析計とした。
【選択図】図1
Description
このうち周波数変調方式に関するレーザ式ガス分析計の従来技術として、例えば、特許文献1(国際公開WO2008/096524号公報、発明の名称「レーザ式ガス分析計」)に記載の発明が知られている。
MCTは感熱性素子であるため、300Kの背景放射によるノイズを受けることや周囲温度の変化により感度が変動し、受光光量が変化する。これは、図14における受光部温度変化(下側グラフ)と同じ傾向でガス濃度が(上側グラフ)が変動することからも明らかである。
測定対象ガスにはダストや測定波長領域に吸収を持つ他のガス成分という外乱が含まれており、これら外乱により受光光量が変動する。
先に説明した図12に示すように、SO2ガスは前述の温度測定に適した波長範囲において、所定の波長で観察される吸収ピーク以外にも、波長に明確に依存しないオフセット的な吸収(以下、オフセット吸収と表記)を有することが特徴である。そのため、MCTの受光光量信号は、煙道内のダスト濃度に加えて、測定対象ガス濃度によっても受光光量が変動する。
周波数変調された中赤外領域レーザ光を出射する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光源側光学系と、この光源側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透過光を集光する受光側光学系と、この受光側光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路と、処理された信号に基づいて測定対象ガスの濃度を測定する中央処理部と、を有するレーザ式ガス分析計において、
前記光源部は、
中赤外領域レーザ光を発光するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
測定対象ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を可変とする可変駆動信号と、前記レーザ素子の発熱量を減少させるように前記レーザ素子の発光を停止するオフセット信号と、を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号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して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
中赤外領域に感度を有する受光素子と、
この受光素子の温度を安定化させる受光側温度安定化手段と、
を備え、
前記信号処理回路は、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の2倍周波数成分の信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波回路と、
を備え、
前記中央処理部は、
受光光量初期値R0、測定対象ガスのフルスケール濃度A、フルスケール濃度の測定対象ガスを測定した時のスパンSA、係数a,bが予め登録されており、
同期検波回路の検出信号から測定対象ガスについての受光光量実測値RYを取得する受光光量実測手段と、
同期検波回路の検出信号から測定対象ガスのガス濃度指示値X〔ppm・m〕を取得するガス濃度指示値取得手段と、
オフセット吸収係数rを用いて測定対象ガスの受光光量理論値RXをRX=R0−rXにより算出する受光光量理論値算出手段と、
光量変動分RZをRZ=RX−RYにより算出する光量変動分算出手段と、
同期検波回路の検出信号から求められるスパンSXおよび係数a,bを用いて測定対象ガスの濃度真値YをY=SX/(a(R0−RZ)−b)により算出する測定対象ガス濃度算出手段と、
として機能することを特徴とする。
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記受光光量実測手段は、前記検出信号の前記波長走査駆動信号成分のうち、レーザ最大発光時の受光光量実測値とレーザ未発光時の受光光量実測値とを抽出して、その差分値を測定対象ガスについての受光光量実測値RYとする手段とし、
受光素子の変動成分を除去することを特徴とする。
請求項1または請求項2に記載のレーザ式ガス分析計において、
測定中に受光光量理論値RXに対する受光光量実測値RYの変動率が、予め定められた値を超える場合において補正を行うことを決定する決定手段と、を備えることを特徴とする。
このような間欠発光条件、すなわち、信号S1と信号S2の時間の比は、QCLであるレーザ素子104eの発熱量とペルチェ素子等の温度安定化手段の性能とを勘案して決定すれば良く、例えばS1:S2=1:2とすることにより、連続発光する場合と比較して、発熱量を大幅に低減することができる。
周波数変調方式で距離の影響をキャンセルするためには、半導体レーザ素子の出力を周波数変調すると同時に周波数fmで振幅変調を行えばよいのであるが、半導体レーザ素子の出力に周波数変調を掛けると振幅変調も掛かるので、これが利用できる。
一方、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波回路108bによって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た信号である2倍波信号が検出される。その出力波形は図4の長方形の枠内に図示された同期検波回路108bの出力波形に示すようになる。この波形はフィルタ108dによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のCPUやDSP等である中央処理部109へ出力される。
なお、I/V変換器108aからの出力信号は抽出回路(フィルタ)108eにも入力され、抽出された波長走査駆動信号成分S11が中央処理部109に送られるが、この波長走査駆動信号成分S11は後述するタイミング同期で用いられることとなる。
(1)MCTの熱特性による受光光量の変化に対する補正
図3で示す波長走査駆動信号S11の波形は、光源部104のレーザ素子への供給電流を直線的に変化させて光源部104のレーザ素子の発光波長を徐々に変化させる部分S1と、レーザ素子が発光しないオフセット部分S2と、からなる基本波が一定周期で繰り返される波形である。
また、本願発明者は、SO2のオフセット吸収による光量変動量とSO2濃度との関係を詳細に調査した結果、受光光量信号に含まれる、SO2のオフセット吸収による光量変動分とダスト等の外乱による光量変動分とを区別して、以下の数1,数3のように算出することが可能であることを見出した。
RX=R0−rX
R0〔V〕は受光光量初期値である。なお、R0〔V〕はレーザ式ガス分析計を煙道に設置した直後に、測定対象ガスや前記外乱が存在しない状況で測定した値である。
r〔V/ppm・m〕はオフセット吸収係数である。ここで、rXは、SO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時のオフセット吸収による光量変動量rX〔V〕となる。
また、X〔ppm・m〕は計測により求められるSO2濃度指示値である。このXは、数2のように算出される。
[数2]
X=A・(Sx/SA)
なお、Aは測定対象ガスのフルスケール濃度〔ppm・m〕である。
SX〔V〕はSO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時のスパンである。
SAは出荷前の工場試験時に、フルスケール濃度の測定対象ガスを測定した時のスパン〔V〕である。
上記のAおよびSAが中央処理部109の図示しないメモリに登録されている。
RY=(R0−Z)−r’Y
Z〔V〕はダスト等の外乱による受光光量変動量である。
r’〔V/ppm・m〕は、ダスト等の外乱により受光光量が(R0−Z)〔V〕に変動した時のオフセット吸収係数である。
Y〔ppm・m〕は、SO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時の、煙道内の実際のSO2濃度真値である。
RZ=RX−RY=Z+r’Y−rX
ここで、s〔V/ppm・m〕をSO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時のスパン係数、s’〔V/ppm・m〕をダスト等の外乱により受光光量が(R0−Z)〔V〕に変動した時のスパン係数とすると、数4はスパン係数を用いて数5のように表せる。
RZ=Z+r’・Sx/s’−r・Sx/s
Y=SX/s’=SX/[a(R0−RZ)−b]
なお、a,bは図8の関係から求められる比例定数である。測定原理はこのようなものである。
以下同様に、このようなデータが発光量のパーセンテージを変えて多数蓄積されて中央処理部109の図示しないメモリ部に登録されている。
これでa,b,R0が算出されたため、数6が具体的に確定された。具体的な数式を次式に示す。
SO2濃度真値Y=SX/[2.07×10−2(2.63−RZ)−6.23×10−3]
まず、中央処理部109は、受光光量実測値RYに基づいて測定対象ガスのガス濃度指示値X〔ppm・m〕を取得するガス濃度指示値取得手段として機能する。
中央処理部109は、ガス濃度指示値取得手段として機能し、SO2濃度100ppm・mのガスを検出したところ、受光光量実測値RYが1.25〔V〕であり、スパンSxは2.45〔V〕であり、AおよびSAをメモリ部から読み出し、SO2濃度としてX=100〔ppm・m〕×2.45/4.82=50.8ppm・mを検出したものとする。
101a,101b:フランジ
101c:出射窓
101d:入射窓
102a,102b:取付座
103a,103b:カバー
104:光源部
104a:波長走査駆動信号発生部
104b:高周波変調信号発生部
104c:電流制御部
104d:温度制御部
104e:レーザ素子
104f:サーミスタ
104g:ペルチェ素子
104s:レーザ駆動信号発生部
105:コリメートレンズ
106:集光レンズ
107:受光部
107a:受光素子
107b:サーミスタ
107c:ペルチェ素子
107d:温度制御部
108:信号処理回路
108a:I/V変換回路
108b:同期検波回路
108c:発振器
108d:フィルタ
108e:抽出手段(フィルタ)
109:中央処理部
Claims (3)
- 周波数変調された中赤外領域レーザ光を出射する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光源側光学系と、この光源側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透過光を集光する受光側光学系と、この受光側光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路と、処理された信号に基づいて測定対象ガスの濃度を測定する中央処理部と、を有するレーザ式ガス分析計において、
前記光源部は、
中赤外領域レーザ光を発光するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
測定対象ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を可変とする可変駆動信号と、前記レーザ素子の発熱量を減少させるように前記レーザ素子の発光を停止するオフセット信号と、を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号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して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
中赤外領域に感度を有する受光素子と、
この受光素子の温度を安定化させる受光側温度安定化手段と、
を備え、
前記信号処理回路は、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の2倍周波数成分の信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波回路と、
を備え、
前記中央処理部は、
受光光量初期値R0、測定対象ガスのフルスケール濃度A、フルスケール濃度の測定対象ガスを測定した時のスパンSA、係数a,bが予め登録されており、
同期検波回路の検出信号から測定対象ガスについての受光光量実測値RYを取得する受光光量実測手段と、
同期検波回路の検出信号から測定対象ガスのガス濃度指示値X〔ppm・m〕を取得するガス濃度指示値取得手段と、
オフセット吸収係数rを用いて測定対象ガスの受光光量理論値RXをRX=R0−rXにより算出する受光光量理論値算出手段と、
光量変動分RZをRZ=RX−RYにより算出する光量変動分算出手段と、
同期検波回路の検出信号から求められるスパンSXおよび係数a,bを用いて測定対象ガスの濃度真値YをY=SX/(a(R0−RZ)−b)により算出する測定対象ガス濃度算出手段と、
として機能することを特徴とするレーザ式ガス分析計。 - 請求項1に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記受光光量実測手段は、前記検出信号の前記波長走査駆動信号成分のうち、レーザ最大発光時の受光光量実測値とレーザ未発光時の受光光量実測値とを抽出して、その差分値を測定対象ガスについての受光光量実測値RYとする手段とし、
受光素子の変動成分を除去することを特徴とするレーザ式ガス分析計。 - 請求項1または請求項2に記載のレーザ式ガス分析計において、
測定中に受光光量理論値RXに対する受光光量実測値RYの変動率が、予め定められた値を超える場合において補正を行うことを決定する決定手段と、を備えることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
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