JP2013164315A - Laser gas analysis device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser gas analysis device capable of reducing a processing time for fitting.SOLUTION: The laser gas analysis device comprises: a laser drive unit 2 that generates a driving signal for driving a wavelength variable semiconductor laser 1; a waveform processing unit 6 that, by using a modulation signal, synchronously detects output of light detection units 4 and 5 receiving the output light of the wavelength variable semiconductor laser through a gas cell 3, thereby extracting harmonic components of the output signal of the light detection units and performing waveform processing; and a concentration calculation unit 7 that calculates gas concentration on the basis of the waveform thus obtained. The laser drive unit generates as a driving signal a signal obtained by superposing the modulation signal on a sweep signal and synchronizing with the cycle of the sweep signal to switch a wavelength amplitude of the modulation signal to two levels of large and small. The waveform processing unit comprises: a gas identifying unit for identifying a gas component existing in the gas cell on the basis of the harmonic component of the output signal; and a waveform separation unit for separating the waveform of harmonic components of the output signal by each gas component by using identified gas component information.

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レーザ式ガス分析装置定に関する。   The present invention relates to a laser type gas analyzer that measures the concentration of gas in a gas cell using a wavelength tunable semiconductor laser.

近年、気体中の特定ガスの濃度を測定する方法として、波長可変レーザを利用したレーザ吸収分光法が開示されている(特許文献1)。   In recent years, laser absorption spectroscopy using a wavelength tunable laser has been disclosed as a method for measuring the concentration of a specific gas in a gas (Patent Document 1).

レーザ吸収分光法を用いたガス分析装置は、レーザ発光部に測定対象ガスの吸収波長帯を中心波長に持つ波長可変半導体レーザ、波長可変半導体レーザを駆動するレーザ駆動部、波長可変半導体レーザの温度を調整する温調部、測定対象ガスが充満されたガスセル、ガスセルを通過したレーザ光の光強度を測定する光検出部、光検出部の出力を同期検波することにより高調波成分の波形を抽出する同期検波部、同期検波部で得られた波形に基づきガス濃度を計算する濃度計算部を備えている。   A gas analyzer using laser absorption spectroscopy includes a laser emission unit having a wavelength variable semiconductor laser having an absorption wavelength band of a measurement target gas as a central wavelength, a laser driving unit for driving the wavelength variable semiconductor laser, and a temperature of the wavelength variable semiconductor laser. The temperature control unit that adjusts the gas, the gas cell filled with the measurement target gas, the light detection unit that measures the light intensity of the laser light that has passed through the gas cell, and the waveform of the harmonic component are extracted by synchronously detecting the output of the light detection unit And a concentration calculation unit for calculating the gas concentration based on the waveform obtained by the synchronous detection unit.

波長可変半導体レーザの発振波長は、駆動電流や温度により制御される。図13は、一般に使用されるレーザ駆動波形を示す図である。駆動波形は、測定対象ガスのある任意の吸収波長帯を掃引する掃引信号(図13左上の波形)に掃引信号の10〜1000倍程度の周波数に設定された高調波信号(図13の左下の波形、以下、変調信号と呼ぶ)を重畳して図13の右側の波形を得ている。   The oscillation wavelength of the tunable semiconductor laser is controlled by the drive current and temperature. FIG. 13 is a diagram showing a laser drive waveform that is generally used. The drive waveform is a harmonic signal (lower left of FIG. 13) set to a frequency of about 10 to 1000 times the sweep signal to a sweep signal (waveform on the upper left of FIG. 13) that sweeps an arbitrary absorption wavelength band of the measurement target gas. A waveform on the right side of FIG. 13 is obtained by superimposing a waveform (hereinafter referred to as a modulation signal).

この駆動波形により発光したレーザ出力光の光強度は、ガスセル内に存在するガスにより減衰し、レーザ出力光は光検出部で受光される。受光された信号は、同期検波部により変調信号の2倍の周波数で同期検波することにより、2次高調波成分(以下、2fスペクトルと呼ぶ。)が得られる。   The light intensity of the laser output light emitted by this drive waveform is attenuated by the gas present in the gas cell, and the laser output light is received by the light detection unit. The received signal is synchronously detected at a frequency twice that of the modulation signal by the synchronous detection unit, whereby a second harmonic component (hereinafter referred to as 2f spectrum) is obtained.

レーザ光強度の減衰量は、測定対象ガスの吸収スペクトルに相当するため、同期検波部で得られた2fスペクトルの強度は、ガス濃度と相関がある。このため、標準ガスから得られる2fスペクトルを用いて、予め検量線を準備しておくことにより、測定された2fスペクトルからppmレベルの精度でガス濃度を計算することができる。     Since the attenuation amount of the laser light intensity corresponds to the absorption spectrum of the measurement target gas, the intensity of the 2f spectrum obtained by the synchronous detection unit has a correlation with the gas concentration. For this reason, by preparing a calibration curve in advance using the 2f spectrum obtained from the standard gas, the gas concentration can be calculated from the measured 2f spectrum with ppm level accuracy.

なお、従来の関連技術として、例えば、非特許文献1が知られている。   For example, Non-Patent Document 1 is known as a related art.

特開平5−99845号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-99845

LST43-15 Proceedings of 43rd Meeting on Lightwave Sensing Technology(103-110.June 2009)LST43-15 Proceedings of 43rd Meeting on Lightwave Sensing Technology (103-110.June 2009)

しかしながら、特許文献1に示すように、測定したいガスセル中に、測定対象ガス以外のガス(以下、干渉ガスと呼ぶ。)が存在すると、取得された2fスペクトルは、測定対象ガスの2fスペクトルと干渉ガスの2fスペクトルとの畳込みされたスペクトルとなり、2fスクトルの強度からガス濃度を容易に算出できなくなる。このため、取得された2fスペクトルから測定対象ガスと干渉ガスとの2fスペクトルをフィッティングにより波形分離したい。   However, as shown in Patent Document 1, if a gas other than the measurement target gas (hereinafter referred to as interference gas) exists in the gas cell to be measured, the acquired 2f spectrum interferes with the 2f spectrum of the measurement target gas. The spectrum is convolved with the 2f spectrum of the gas, and the gas concentration cannot be easily calculated from the intensity of the 2f skull. For this reason, it is desired to separate the waveform of the 2f spectrum of the measurement target gas and the interference gas from the acquired 2f spectrum by fitting.

しかしながら、ガスセル中に存在すると想定される干渉ガス成分全てのデータを用いてフィッティングを行うため、かなりの時間がかかるという課題を有していた。   However, since fitting is performed using data of all interference gas components assumed to exist in the gas cell, there is a problem that it takes a considerable time.

本発明の課題は、フィッティングの処理時間をより短縮することができるレーザ式ガス分析装置を提供する。   An object of the present invention is to provide a laser type gas analyzer that can further shorten the processing time of fitting.

本発明に係るレーザ式ガス分析装置は、上記課題を解決するために、測定対象ガスの吸収波長帯で発振してレーザ光を出力する波長可変半導体レーザと、前記波長可変半導体レーザを駆動する駆動信号を生成するレーザ駆動部と、前記波長可変半導体レーザの出力光をガスセルを介して受光する光検出部と、前記光検出部の出力を変調信号で同期検波することにより前記光検出部の出力信号の高調波成分を抽出して波形処理を施す波形処理部と、前記波形処理部により得られた波形に基づきガス濃度を計算する濃度計算部とを備えるレーザ式ガス分析装置において、前記レーザ駆動部は、前記駆動信号として、掃引信号に変調信号が重畳された信号で且つ掃引信号の周期と同期させて変調信号の波長振り幅を大と小とに切り替えた信号を生成し、前記波形処理部は、前記出力信号の高調波成分に基づき、前記ガスセル内に存在するガス成分を特定するガス特定部と、前記ガス特定部により特定されたガス成分情報を用いて、前記出力信号の高調波成分において各ガス成分に波形分離する波形分離部とを備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a laser gas analyzer according to the present invention oscillates in the absorption wavelength band of a measurement target gas and outputs a laser beam, and a drive for driving the wavelength tunable semiconductor laser. A laser drive unit that generates a signal, a light detection unit that receives output light of the wavelength tunable semiconductor laser through a gas cell, and an output of the light detection unit by synchronously detecting the output of the light detection unit with a modulation signal In the laser-type gas analyzer, comprising: a waveform processing unit that extracts a harmonic component of a signal and performs waveform processing; and a concentration calculation unit that calculates a gas concentration based on the waveform obtained by the waveform processing unit. The unit generates, as the drive signal, a signal obtained by superimposing the modulation signal on the sweep signal and switching the wavelength swing of the modulation signal between large and small in synchronization with the cycle of the sweep signal. The waveform processing unit uses the gas specifying unit for specifying a gas component existing in the gas cell based on the harmonic component of the output signal, and the gas component information specified by the gas specifying unit, to output the output. And a waveform separation unit for separating a waveform into each gas component in a harmonic component of the signal.

本発明によれば、レーザ駆動部は、駆動信号として、掃引信号に変調信号が重畳された信号で且つ掃引信号の周期と同期させて変調信号の波長振り幅を大と小とに切り替えた信号を生成し、ガス特定部は、出力信号の高調波成分に基づきガスセル内に存在するガス成分を特定し、波形分離部は、ガス特定部により特定されたガス成分情報を用いて、出力信号の高調波成分において各ガス成分に波形分離する。従って、測定対象ガスとガスセル内に存在する干渉ガス成分のみで、フィッティングを行うので、フィッティングの処理時間をより短縮することができる。   According to the present invention, the laser driving unit is a signal in which the modulation signal is superimposed on the sweep signal and the signal in which the wavelength swing of the modulation signal is switched between large and small in synchronization with the cycle of the sweep signal. The gas specifying unit specifies the gas component present in the gas cell based on the harmonic component of the output signal, and the waveform separating unit uses the gas component information specified by the gas specifying unit to output the output signal. Waveform separation into each gas component in the harmonic component. Therefore, since fitting is performed only with the measurement target gas and the interference gas component existing in the gas cell, the fitting processing time can be further shortened.

実施例1のレーザ式ガス分析装置の構成図である。1 is a configuration diagram of a laser type gas analyzer of Example 1. FIG. 実施例1のレーザ式ガス分析装置のレーザ駆動信号の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the laser drive signal of the laser type gas analyzer of Example 1. FIG. 実施例1のレーザ式ガス分析装置の波形処理部の動作を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating an operation of a waveform processing unit of the laser type gas analyzer of Example 1. 実施例1のレーザ式ガス分析装置の波形処理フローを示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the waveform processing flow of the laser type gas analyzer of Example 1. FIG. 実施例1のレーザ式ガス分析装置のシュミレーションに用いたサンプルガスを示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a sample gas used for simulation of the laser type gas analyzer of Example 1. 実施例1のレーザ式ガス分析装置の2fスペクトルと変調信号との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between 2f spectrum of the laser type gas analyzer of Example 1, and a modulation signal. 実施例1のレーザ式ガス分析装置の変調信号の波長振り幅小で取得したサンプルAの2fスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the 2f spectrum of the sample A acquired by the wavelength fluctuation width of the modulation signal of the laser type gas analyzer of Example 1. 実施例1のレーザ式ガス分析装置の変調信号の波長振り幅大で取得したサンプルAの2fスペクトルを示す図である。It is a figure which shows 2f spectrum of the sample A acquired by the large wavelength fluctuation width of the modulation signal of the laser type gas analyzer of Example 1. 実施例1のレーザ式ガス分析装置のサンプルAのフィッティング例を示す図である。It is a figure which shows the example of fitting of the sample A of the laser type gas analyzer of Example 1. FIG. 実施例1のレーザ式ガス分析装置の変調信号の波長振り幅小で取得したサンプルBの2fスペクトルを示す図である。It is a figure which shows 2f spectrum of the sample B acquired by the small wavelength fluctuation width of the modulation signal of the laser type gas analyzer of Example 1. 実施例1のレーザ式ガス分析装置の変調信号の波長振り幅大で取得したサンプルBの2fスペクトルを示す図である。It is a figure which shows 2f spectrum of the sample B acquired by the large wavelength fluctuation width of the modulation signal of the laser type gas analyzer of Example 1. 実施例1のレーザ式ガス分析装置のサンプルBのフィッティング例を示す図である。It is a figure which shows the example of fitting of the sample B of the laser type gas analyzer of Example 1. FIG. 従来のレーザ式ガス分析装置のレーザ出力波形を示す図である。It is a figure which shows the laser output waveform of the conventional laser type gas analyzer.

以下、本発明のレーザ式ガス分析装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明のレーザ式ガス分析装置では、レーザドライバが変調信号の波長振り幅を大と小とに切り替え、波形処理部が各波長振り幅の2fスペクトルをそれぞれ取得し、波長振り幅が小さい時の2fスペクトルは、波長分解能が高いため、各々の2fスペクトルが分離される。これにより、各スペクトルのピーク位置を取得することでガスセル中に存在する干渉ガス成分を特定することができる。   Embodiments of a laser gas analyzer according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the laser type gas analyzer of the present invention, the laser driver switches the wavelength amplitude of the modulation signal between large and small, and the waveform processing unit acquires the 2f spectrum of each wavelength amplitude, respectively. Since the 2f spectrum has high wavelength resolution, each 2f spectrum is separated. Thereby, the interference gas component which exists in a gas cell can be specified by acquiring the peak position of each spectrum.

また、波長振り幅が大きい時の2fスペクトルは、スペクトル強度が大きくなるため、S(信号)/N(雑音)の良い2fスペクトルを得ることができる。得られた2fスペクトルに対して、波長振り幅が小さい時に特定された干渉ガス成分の情報を用いてフィッティングによる波形分離を行うことを特徴とする。以下、その詳細について説明する。   Further, since the spectrum intensity of the 2f spectrum when the wavelength amplitude is large is increased, a 2f spectrum with good S (signal) / N (noise) can be obtained. The obtained 2f spectrum is characterized by performing waveform separation by fitting using information on interference gas components specified when the wavelength swing is small. The details will be described below.

図1は、実施例1のレーザ式ガス分析装置の構成図である。図1に示すレーザ式ガス分析装置は、波長可変半導体レーザ1、レーザドライバ(LDドライバ)2、ガスセル3、フォトダイオード4、信号増幅回路5、波形処理部6、濃度計算部7、ガス温度モニタ8、圧力モニタ9、データベース10を有している。   FIG. 1 is a configuration diagram of a laser gas analyzer according to the first embodiment. A laser gas analyzer shown in FIG. 1 includes a wavelength tunable semiconductor laser 1, a laser driver (LD driver) 2, a gas cell 3, a photodiode 4, a signal amplification circuit 5, a waveform processing unit 6, a concentration calculation unit 7, and a gas temperature monitor. 8. A pressure monitor 9 and a database 10 are provided.

波長可変半導体レーザ1は、測定対象ガスの吸収波長帯で発振してレーザ光を出力するもので、DFB−LDやDFB−QCL(量子カスケードレーザ)などである。測定対象ガスは、NH3、NO、NO2、SO2、HCL、H2O、CO、CO2、O2などである。   The tunable semiconductor laser 1 oscillates in the absorption wavelength band of the measurement target gas and outputs laser light, and is a DFB-LD, DFB-QCL (quantum cascade laser), or the like. The measurement target gas is NH3, NO, NO2, SO2, HCL, H2O, CO, CO2, O2, or the like.

レーザドライバ(LDドライバ)2は、波長可変半導体レーザ1を駆動するための駆動信号を生成してこの駆動信号を波長可変半導体レーザ1に出力し、また、変調信号の周波数に同期したトリガ信号を波形処理部6に出力する。   The laser driver (LD driver) 2 generates a drive signal for driving the wavelength tunable semiconductor laser 1, outputs the drive signal to the wavelength tunable semiconductor laser 1, and generates a trigger signal synchronized with the frequency of the modulation signal. Output to the waveform processing unit 6.

ガスセル3は、測定対象ガスが充満されており、波長可変半導体レーザ1からのレーザ光が通過される。フォトダイオード4は、ガスセル3を通過したレーザ光を受光し、受光信号を電流変換する。   The gas cell 3 is filled with the measurement target gas, and the laser light from the wavelength tunable semiconductor laser 1 passes therethrough. The photodiode 4 receives the laser beam that has passed through the gas cell 3 and converts the received light signal into a current.

信号増幅回路5は、フォトダイオード4により電流変換された受光信号を増幅した後に電流電圧変換し、さらに電圧変換された信号をディジタル変換する。ガス温度モニタ8は、ガスセル3内の温度を測定する。圧力モニタ9は、ガスセル3内の圧力をモニタする。データベース10は、干渉ガスの吸収スペクトルの位置情報を格納している。   The signal amplifying circuit 5 amplifies the light-receiving signal that has undergone current conversion by the photodiode 4 and then performs current-voltage conversion, and further digitally converts the voltage-converted signal. The gas temperature monitor 8 measures the temperature in the gas cell 3. The pressure monitor 9 monitors the pressure in the gas cell 3. The database 10 stores position information of the absorption spectrum of the interference gas.

波形処理部6は、信号増幅回路5からの出力信号を変調信号の周波数の2倍波で同期検波することにより2次高調波成分(2fスペクトル)を生成し、ガス温度モニタ8及び圧力モニタ9のモニタ値、データベース10の干渉ガスの吸収スペクトルの位置情報を参照して、2fスペクトルを波形分離する。   The waveform processing unit 6 generates a second harmonic component (2f spectrum) by synchronously detecting the output signal from the signal amplifying circuit 5 with a second harmonic of the frequency of the modulation signal, and a gas temperature monitor 8 and a pressure monitor 9. The 2f spectrum is waveform-separated by referring to the monitor value and the position information of the absorption spectrum of the interference gas in the database 10.

濃度計算部7は、波形処理部6で波形分離された各2fスペクトルの強度を測定し、予め標準ガスで作成された検量線を用いて各2fスペクトルの強度をガス濃度に換算する。   The concentration calculation unit 7 measures the intensity of each 2f spectrum separated by the waveform processing unit 6 and converts the intensity of each 2f spectrum into a gas concentration using a calibration curve prepared in advance with a standard gas.

LDドライバ2の駆動信号は、掃引信号に変調信号(高周波)が重畳された信号であって、且つ掃引信号の周期と同期させて変調信号の波長振り幅(最小値から最大値までの振幅)を大と小との2段階に切り替えた信号からなる。   The drive signal of the LD driver 2 is a signal obtained by superimposing the modulation signal (high frequency) on the sweep signal, and the wavelength amplitude of the modulation signal (amplitude from the minimum value to the maximum value) in synchronization with the cycle of the sweep signal. Consists of a signal that is switched in two stages, large and small.

図2は、実施例1のレーザ式ガス分析装置のレーザ駆動信号の例を示す図である。レーザ駆動信号は、図2(a)に示すように、掃引信号の周期毎に変調信号の波長振り幅を大小の2段階に切り替える。あるいは、レーザ駆動信号は、図2(b)に示すように、一定期間(Xサイクル)毎に、変調信号の波長振り幅を大小の2段階に切り替えても良い。あるいは、レーザ駆動信号は、起動時のみ波長振り幅が小の変調信号で動作させ、一定期間後に、波長振り幅が大の変調信号に切り替えても良い。   FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a laser drive signal of the laser gas analyzer according to the first embodiment. As shown in FIG. 2A, the laser drive signal switches the amplitude range of the modulation signal between two levels, large and small, for each cycle of the sweep signal. Alternatively, as shown in FIG. 2 (b), the laser drive signal may be switched in two steps of a large and small wavelength swing of the modulation signal every certain period (X cycle). Alternatively, the laser drive signal may be operated with a modulation signal having a small wavelength amplitude only at the time of activation, and may be switched to a modulation signal having a large wavelength amplitude after a certain period.

図3は、実施例1のレーザ式ガス分析装置の波形処理部の動作を示すフローチャートである。図4は、実施例1のレーザ式ガス分析装置の波形処理フローを示す波形図である。図3のステップS1〜S5は、図4(a)〜図4(e)にそれぞれ対応している。   FIG. 3 is a flowchart illustrating the operation of the waveform processing unit of the laser gas analyzer according to the first embodiment. FIG. 4 is a waveform diagram illustrating a waveform processing flow of the laser gas analyzer according to the first embodiment. Steps S1 to S5 in FIG. 3 correspond to FIGS. 4A to 4E, respectively.

図2乃至図4を参照しながら、実施例1のレーザ式ガス分析装置の動作を説明する。ここでは、実施例1の特徴であるLDドライバ2と波形処理部6の詳細な処理を説明する。   The operation of the laser gas analyzer according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. Here, detailed processing of the LD driver 2 and the waveform processing unit 6 which are features of the first embodiment will be described.

まず、LDドライバ2は、図3(a)に示すような、掃引信号の周期毎に変調信号の波長振り幅を大小の2段階に切り替えたレーザ駆動信号により波長可変半導体レーザ1を駆動する。このため、波形処理部6には、信号増幅回路5から、変調信号の波長振り幅が大の時の出力信号と、変調信号の波長振り幅が小の時の出力信号とが取り込まれる。   First, the LD driver 2 drives the wavelength tunable semiconductor laser 1 with a laser drive signal in which the wavelength amplitude of the modulation signal is switched between two levels of large and small for each period of the sweep signal as shown in FIG. For this reason, the waveform processing unit 6 takes in the output signal when the wavelength swing of the modulation signal is large and the output signal when the wavelength swing of the modulation signal is small from the signal amplification circuit 5.

次に、波形処理部6の詳細な処理を説明する。まず、信号増幅回路5からの出力信号を変調信号の周波数の2倍波で同期検波することにより2次高調波成分(2fスペクトル)を生成する(図3のステップS1)。このとき、図4(a)に示すように、変調信号の波長振り幅が小で生成された2fスペクトルと、変調信号の波長振り幅が大で生成された2fスペクトルとが得られる。   Next, detailed processing of the waveform processing unit 6 will be described. First, a second-order harmonic component (2f spectrum) is generated by synchronously detecting the output signal from the signal amplification circuit 5 with a second harmonic of the frequency of the modulation signal (step S1 in FIG. 3). At this time, as shown in FIG. 4A, a 2f spectrum generated with a small wavelength swing of the modulation signal and a 2f spectrum generated with a large wavelength swing of the modulation signal are obtained.

さらに、変調信号の各波長振り幅で生成された2fスペクトルが抜き出される(図3のステップS2、図4(b))。さらに、変調信号の各波長振り幅で抜き出された複数の2fスペクトルが加算平均される(図3のステップS3、図4(c))。   Further, the 2f spectrum generated at each wavelength amplitude of the modulation signal is extracted (step S2 in FIG. 3, FIG. 4B). Further, a plurality of 2f spectra extracted at each wavelength amplitude of the modulation signal are added and averaged (step S3 in FIG. 3, FIG. 4C).

さらに、変調信号の波長振り幅が小である時の2fスペクトルを用いてガス成分が特定される(図3のステップS4、図4(d))。このステップS4の処理は、本発明のガス特定部に対応する。   Further, the gas component is specified using the 2f spectrum when the wavelength swing of the modulation signal is small (step S4 in FIG. 3, FIG. 4D). The process of step S4 corresponds to the gas specifying unit of the present invention.

最後に、特定されたガス成分情報とガス温度モニタ8からのガス温度情報、圧力モニタ9からの圧力情報を用いて変調信号の波長振り幅が大の時の2fスペクトルにおいて、波形を分離する(図3のステップS5、図4(e))。このステップS5の処理は、本発明の波形分離部に対応する。   Finally, using the identified gas component information, the gas temperature information from the gas temperature monitor 8, and the pressure information from the pressure monitor 9, the waveform is separated in the 2f spectrum when the wavelength swing of the modulation signal is large ( Step S5 in FIG. 3, FIG. 4 (e)). The processing in step S5 corresponds to the waveform separation unit of the present invention.

本出願人は、シミュレーションにより本実施例の効果を検証したので、以下、これについて説明する。   Since the present applicant verified the effect of the present embodiment by simulation, this will be described below.

図5は、実施例1のレーザ式ガス分析装置のシュミレーションに用いたサンプルガスを示す図である。図5に示すように、ガスセル内の測定対象ガスをNH3とし、使用する吸収スペクトルを4837.33cm−1とした。ガスセル内に存在する干渉ガスにCO2、H2Oがある場合をサンプルAとし、ガスセル内に存在する干渉ガスにH2Oのみがある場合をサンプルBとした。それぞれの吸収スペクトルの情報は、hitranのデータを使用した。圧力が100kPa、ガス温度が600Kとした。 FIG. 5 is a diagram illustrating the sample gas used for the simulation of the laser gas analyzer according to the first embodiment. As shown in FIG. 5, the measurement target gas in the gas cell was NH 3, and the absorption spectrum used was 4837.33 cm −1 . A case where CO 2 and H 2 O exist in the interference gas existing in the gas cell was designated as sample A, and a case where only H 2 O was present in the interference gas present in the gas cell was designated as sample B. The information of each absorption spectrum used hitran data. The pressure was 100 kPa and the gas temperature was 600K.

図6は、実施例1のレーザ式ガス分析装置の2fスペクトルと変調信号との関係を示す図である。図6におけるmは変調指数である。この変調指数mは、測定対象ガスであるNH3の吸収スペクトルの半値全幅Δν(0.0512cm−1)と変調信号の波長振り幅との比として次式で与えられる。 FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the 2f spectrum and the modulation signal of the laser gas analyzer according to the first embodiment. M in FIG. 6 is a modulation index. This modulation index m is given by the following equation as the ratio of the full width at half maximum Δν c (0.0512 cm −1 ) of the absorption spectrum of NH 3 that is the measurement target gas and the wavelength amplitude of the modulation signal.

m=a/(Δν/2)
ここで、aは変調信号の波長振り幅であり、Δνは吸収スペクトルの半値全幅である。図6から、m=2.2付近で、2fスペクトルの強度が大きくなる(S/Nが大きくなる)。ことがわかる。また、変調指数mが小さくなるほど、2fスペクトルのスペクトル幅が狭まる。即ち、波長分解能が向上することがわかる。
m = a / (Δν c / 2)
Here, a is the wavelength amplitude of the modulation signal, and Δν c is the full width at half maximum of the absorption spectrum. From FIG. 6, the intensity of the 2f spectrum increases near m = 2.2 (S / N increases). I understand that. In addition, the spectrum width of the 2f spectrum becomes narrower as the modulation index m becomes smaller. That is, it can be seen that the wavelength resolution is improved.

従って、測定対象ガスであるNH3の吸収スペクトルの半値全幅Δν(0.0512cm−1)に対して、各波長振り幅の設定条件は、以下のように設定される。 Accordingly, the setting conditions for each wavelength amplitude are set as follows with respect to the full width at half maximum Δν c (0.0512 cm −1 ) of the absorption spectrum of NH 3 that is the measurement target gas.

装置仕様を満足するようなS/Nを達成できる値として、今回はm=2.2を採用した。従って、m=2.2=Amax/(Δν/2)から、変調信号の波長振り幅が大の時の設定値Amaxは、0.1126cm−1となる。 This time, m = 2.2 was adopted as a value that can achieve S / N satisfying the device specifications. Therefore, from m = 2.2 = Amax / (Δν c / 2), the set value Amax when the wavelength swing of the modulation signal is large is 0.1126 cm −1 .

また、ガスセル内に存在するガス成分の特定を可能にした波長分解能を達成できる値として、今回は、m=0.6を採用した。m=0.6=Amin/(Δν/2)から、変調信号の波長振り幅が小の時の設定値Aminは、0.0307cm−1となる。 Further, this time, m = 0.6 was adopted as a value that can achieve the wavelength resolution that enables the gas component existing in the gas cell to be specified. From m = 0.6 = Amin / (Δν c / 2), the set value Amin when the wavelength amplitude of the modulation signal is small is 0.0307 cm −1 .

(サンプルAについて)
図7は、実施例1のレーザ式ガス分析装置の変調信号の波長振り幅小で取得したサンプルAの2fスペクトルを示す図である。
(About sample A)
FIG. 7 is a diagram showing a 2f spectrum of sample A acquired with a small wavelength swing of the modulation signal of the laser type gas analyzer of Example 1. FIG.

図7から、4837cm−1〜4837.6cm−1の範囲において、吸収スペクトルは、(1)4837.25cm−1、(2)4837.33cm−1、(3)4837.5cm−1に存在することがわかる。従って、ガスセル内に存在する干渉ガス成分は、H2OとCO2であることがわかる。 From FIG. 7, in the range of 4837 cm −1 to 4847.6 cm −1 , the absorption spectra exist at (1) 4837.25 cm −1 , (2) 4837.33 cm −1 , and (3) 4837.5 cm −1 . I understand that. Therefore, it can be seen that the interference gas components present in the gas cell are H2O and CO2.

図8は、実施例1のレーザ式ガス分析装置の変調信号の波長振り幅大で取得したサンプルAの2fスペクトルを示す図である。図8に示す2fスペクトルに対して、NH3(4837.33cm−1)と干渉ガス成分のH2O(4837.29cm−1 4837.50cm−1)とCO2(4837.24cm−1)との4点で、フィッティングによる波形分離を行う。 FIG. 8 is a diagram showing a 2f spectrum of Sample A acquired with a large wavelength swing of the modulation signal of the laser gas analyzer of Example 1. FIG. With respect to the 2f spectrum shown in FIG. 8, NH 3 (487.33 cm −1 ), interference gas components H 2 O (4837.29 cm −1 4837.50 cm −1 ), and CO 2 (4837.24 cm −1 ) at four points. Perform waveform separation by fitting.

各ガスの吸収スペクトルは、100kPa時においては、ローレンツプロファイルとして表される。これにより、フィッティングに用いる各ガスの2fスペクトル関数は、式(1)で表すことができる(非特許文献1に記載)。

Figure 2013164315
The absorption spectrum of each gas is expressed as a Lorentz profile at 100 kPa. Thereby, the 2f spectrum function of each gas used for fitting can be represented by Formula (1) (described in Non-Patent Document 1).
Figure 2013164315

ここで、2fsignal(v,vo,X)は、2fスペクトルの形状を表す。式(1)によって得られる2fスペクトルを2fsignalとおくと、フィッティングに使用する回帰式は、式(2)で表すことができる。

Figure 2013164315
Here, 2fsignal (v, vo, X) represents the shape of the 2f spectrum. If the 2f spectrum obtained by the equation (1) is 2fsignal * , the regression equation used for the fitting can be expressed by the equation (2).
Figure 2013164315

2fsignalは、図8の各ガス成分の合成であり、式(2)に示すような各ガス成分の総和と、誤差εとの合計で表すことができる。 2fsignal * is a combination of the gas components in FIG. 8, and can be expressed as a sum of the sum of the gas components as shown in the equation (2) and the error ε.

従って、式(2)において、誤差εが最小となるようなaXNH3,bXH2O,b’XH2O,cXCO2を導出することにより、各ガス成分の波形を分離することができる。   Therefore, by deriving aXNH3, bXH2O, b'XH2O, cXCO2 that minimizes the error ε in the equation (2), the waveform of each gas component can be separated.

具体的には、設定値として、aXNH3=NH3(4837.33cm−1)におけるHWHM/π*0.7とした。HWHMは、半値全幅の半分の値(Δν/2)である。bXH2O=H2O(4837.29cm−1)におけるHWHM/π*0.175とし、b’XH2O=H2O(4837.50cm−1)におけるHWHM/π*0.175とし、cXCO2=CO2(4837.24cm−1)におけるHWHM/π*3とした。 Specifically, the setting value was HWHM / π * 0.7 in aXNH3 = NH3 (4837.33 cm −1 ). HWHM is a half value (Δν c / 2) of the full width at half maximum. HWHM / π * 0.175 in bXH 2 O = H 2 O (4837.29 cm −1 ), HWHM / π * 0.175 in b′XH 2 O = H 2 O (4837.50 cm −1 ), and cXCO 2 = CO 2 (4837.24 cm − It was set to HWHM / π * 3 in 1 ).

aXNH3,bXH2O,b’XH2O,cXCO2の各々における係数0.7、0.175、0.175、3を変えることにより、誤差εを最小にすることで、aXNH3,bXH2O,b’XH2O,cXCO2を導出することができる。   By changing the coefficients 0.7, 0.175, 0.175, and 3 in each of aXNH3, bXH2O, b′XH2O, and cXCO2, the error ε is minimized, so that aXNH3, bXH2O, b′XH2O, and cXCO2 are Can be derived.

図9は、実施例1のレーザ式ガス分析装置のサンプルAのフィッティング例を示す図である。図9では、取得した2fスペクトル、NH3、H2OA、H2OB、CO2、加算した2fスペクトルが示されている。   FIG. 9 is a diagram illustrating a fitting example of the sample A of the laser gas analyzer according to the first embodiment. FIG. 9 shows the acquired 2f spectrum, NH 3, H 2 OA, H 2 OB, CO 2, and the added 2 f spectrum.

図9のフィッティングにより、各ガスのスペクトルを分離でき、分離したスペクトルに基づいて濃度計算部7で各ガスの濃度を算出することができる。   With the fitting of FIG. 9, the spectrum of each gas can be separated, and the concentration of each gas can be calculated by the concentration calculation unit 7 based on the separated spectrum.

(サンプルBについて)
図10は、実施例1のレーザ式ガス分析装置の変調信号の波長振り幅小で取得したサンプルBの2fスペクトルを示す図である。図10から、4837cm−1〜4837.6cm−1の範囲において、吸収スペクトルは、(2)4837.3cm−1、(3)4837.5cm−1に存在することがわかる。従って、ガスセル内に存在する干渉ガス成分は、H2Oであることがわかる。
(About sample B)
FIG. 10 is a diagram showing a 2f spectrum of Sample B acquired with a small wavelength swing of the modulation signal of the laser gas analyzer of Example 1. FIG. From Figure 10, in a range of 4837cm -1 ~4837.6cm -1, absorption spectrum, (2) 4837.3cm -1, it is found to be present in (3) 4837.5cm -1. Therefore, it can be seen that the interference gas component present in the gas cell is H2O.

図11は、実施例1のレーザ式ガス分析装置の変調信号の波長振り幅大で取得したサンプルBの2fスペクトルを示す図である。図11に示す2fスペクトルに対して、NH3(4837.33cm−1)と干渉ガス成分のH2O(4837.29cm−1 4837.50cm−1)との3点で、フィッティングによる波形分離を行う。 FIG. 11 is a diagram illustrating a 2f spectrum of Sample B acquired with a large wavelength swing of the modulation signal of the laser gas analyzer of Example 1. FIG. The 2f spectrum shown in FIG. 11 is subjected to waveform separation by fitting at three points of NH 3 (4837.33 cm −1 ) and interference gas component H 2 O (4837.29 cm −1 4837.50 cm −1 ).

サンプルAの処理と同様に、得られる2fスペクトルを2fsignalとおくと、フィッティングに使用する回帰式は、式(3)で表すことができる。

Figure 2013164315
Similarly to the processing of sample A, if the 2f spectrum obtained is 2fsignal * , the regression equation used for fitting can be expressed by equation (3).
Figure 2013164315

2fsignalは、式(3)に示すような各ガス成分の総和と、誤差εとの合計で表すことができる。 2fsignal * can be represented by the sum of the total sum of the gas components as shown in Expression (3) and the error ε.

従って、式(3)において、誤差εが最小となるようなaXNH3,bXH2O,b’XH2Oを導出することにより、各ガス成分の波形を分離することができる。   Therefore, by deriving aXNH3, bXH2O, b'XH2O that minimizes the error ε in the equation (3), the waveform of each gas component can be separated.

具体的には、設定値として、aXNH3=NH3(4837.33cm−1)におけるHWHM/π*0.7とした。HWHMは、半値全幅の半分の値(Δν/2)である。bXH2O=H2O(4837.29cm−1)におけるHWHM/π*0.175とし、b’XH2O=H2O(4837.50cm−1)におけるHWHM/π*0.175とした。 Specifically, the setting value was HWHM / π * 0.7 in aXNH3 = NH3 (4837.33 cm −1 ). HWHM is a half value (Δν c / 2) of the full width at half maximum. HWHM / π * 0.175 in bXH 2 O = H 2 O (4837.29 cm −1 ) and HWHM / π * 0.175 in b′XH 2 O = H 2 O (4837.50 cm −1 ).

aXNH3,bXH2O,b’XH2Oの各々における係数0.7、0.175、0.175を変えることにより、誤差εを最小にすることで、aXNH3,bXH2O,b’XH2Oを導出することができる。   By changing the coefficients 0.7, 0.175, and 0.175 in each of aXNH3, bXH2O, and b′XH2O, aXNH3, bXH2O, and b′XH2O can be derived by minimizing the error ε.

図12は、実施例1のレーザ式ガス分析装置のサンプルBのフィッティング例を示す図である。図12では、取得した2fスペクトル、NH3、H2OA、H2OB、加算した2fスペクトルが示されている。   FIG. 12 is a diagram illustrating a fitting example of the sample B of the laser gas analyzer according to the first embodiment. In FIG. 12, the acquired 2f spectrum, NH3, H2OA, H2OB, and the added 2f spectrum are shown.

図12のフィッティングにより、各ガスのスペクトルを分離でき、分離したスペクトルに基づいて濃度計算部7により各ガスの濃度を算出することができる。   With the fitting of FIG. 12, the spectrum of each gas can be separated, and the concentration of each gas can be calculated by the concentration calculation unit 7 based on the separated spectrum.

このように、実施例1のレーザ式ガス分析装置によれば、LDドライバ2は、駆動信号として、掃引信号に変調信号が重畳された信号で且つ掃引信号の周期と同期させて変調信号の波長振り幅を大と小とに切り替えた信号を生成し、波形処理部6内のガス特定部は、出力信号の高調波成分に基づきガスセル内に存在するガス成分を特定し、波形処理部6内の波形分離部は、ガス特定部により特定されたガス成分情報を用いて、出力信号の高調波成分において各ガス成分に波形分離する。   As described above, according to the laser gas analyzer of the first embodiment, the LD driver 2 is a signal in which the modulation signal is superimposed on the sweep signal as the drive signal, and the wavelength of the modulation signal is synchronized with the cycle of the sweep signal. A signal in which the amplitude is switched between large and small is generated, and a gas identifying unit in the waveform processing unit 6 identifies a gas component present in the gas cell based on the harmonic component of the output signal, and the waveform processing unit 6 The waveform separation unit performs waveform separation into each gas component in the harmonic component of the output signal using the gas component information specified by the gas specifying unit.

即ち、LDドライバ2が変調信号の波長振り幅を大と小とに切り替え、波形処理部6が各波長振り幅の2fスペクトルをそれぞれ取得し、波長振り幅が小さい時の2fスペクトルは、波長分解能が高いため、各々の2fスペクトルが分離される。これにより、各スペクトルのピーク位置を取得することでガスセル中に存在する干渉ガス成分を特定することができる。   That is, the LD driver 2 switches the wavelength amplitude of the modulation signal between large and small, the waveform processing unit 6 acquires 2f spectra of each wavelength amplitude, and the 2f spectrum when the wavelength amplitude is small is the wavelength resolution. Is high, each 2f spectrum is separated. Thereby, the interference gas component which exists in a gas cell can be specified by acquiring the peak position of each spectrum.

また、波長振り幅が大きい時の2fスペクトルは、スペクトル強度が大きくなるため、S/Nの良い2fスペクトルを得ることができる。得られた2fスペクトルに対して、波長振り幅が小さい時に特定された干渉ガス成分の情報を用いてフィッティングによる波形分離を行う。従って、測定対象ガスとガスセル内に存在する干渉ガス成分のみで、フィッティングを行うので、フィッティングの処理時間をより短縮することができる。   Further, since the spectrum intensity of the 2f spectrum when the wavelength fluctuation width is large increases, a 2f spectrum with good S / N can be obtained. The obtained 2f spectrum is subjected to waveform separation by fitting using information on the interference gas component specified when the wavelength amplitude is small. Therefore, since fitting is performed only with the measurement target gas and the interference gas component existing in the gas cell, the fitting processing time can be further shortened.

本発明に係るレーザ式ガス分析装置は、ガス分析装置に利用可能である。   The laser type gas analyzer according to the present invention can be used for a gas analyzer.

1‥波長可変半導体レーザ、2‥LDドライバ、3‥ガスセル、4‥フォトダイオード、5‥信号増幅回路、6‥波形処理部、7‥濃度計算部、8‥ガス温度モニタ、9‥圧力モニタ、10‥データベース。 1. Wavelength tunable semiconductor laser, 2. LD driver, 3. Gas cell, 4. Photodiode, 5. Signal amplification circuit, 6. Waveform processing section, 7. Concentration calculation section, 8. Gas temperature monitor, 9. Pressure monitor, 10 Database.

Claims (3)

測定対象ガスの吸収波長帯で発振してレーザ光を出力する波長可変半導体レーザと、前記波長可変半導体レーザを駆動する駆動信号を生成するレーザ駆動部と、前記波長可変半導体レーザの出力光をガスセルを介して受光する光検出部と、前記光検出部の出力を変調信号で同期検波することにより前記光検出部の出力信号の高調波成分を抽出して波形処理を施す波形処理部と、前記波形処理部により得られた波形に基づきガス濃度を計算する濃度計算部とを備えるレーザ式ガス分析装置において、
前記レーザ駆動部は、前記駆動信号として、掃引信号に変調信号が重畳された信号で且つ掃引信号の周期と同期させて変調信号の波長振り幅を大と小とに切り替えた信号を生成し、
前記波形処理部は、前記出力信号の高調波成分に基づき、前記ガスセル内に存在するガス成分を特定するガス特定部と、
前記ガス特定部により特定されたガス成分情報を用いて、前記出力信号の高調波成分において各ガス成分に波形分離する波形分離部と、
を備えることを特徴とするレーザ式ガス分析装置。
A wavelength tunable semiconductor laser that oscillates in the absorption wavelength band of the measurement target gas and outputs a laser beam, a laser drive unit that generates a drive signal for driving the wavelength tunable semiconductor laser, and an output light of the wavelength tunable semiconductor laser as a gas cell A light detection unit that receives light via the light detection unit, a waveform processing unit that performs waveform processing by extracting a harmonic component of the output signal of the light detection unit by synchronously detecting the output of the light detection unit with a modulation signal, and In a laser type gas analyzer having a concentration calculation unit that calculates a gas concentration based on a waveform obtained by a waveform processing unit,
The laser driving unit generates, as the driving signal, a signal in which a modulation signal is superimposed on a sweep signal and a signal in which the wavelength swing of the modulation signal is switched between large and small in synchronization with the cycle of the sweep signal,
The waveform processing unit, based on a harmonic component of the output signal, a gas specifying unit for specifying a gas component present in the gas cell;
Using the gas component information identified by the gas identifying unit, a waveform separating unit that separates the waveform into each gas component in the harmonic component of the output signal;
A laser type gas analyzer characterized by comprising:
前記波形処理部は、前記測定対象ガスのガス温度情報と前記測定対象ガスの圧力情報とに基づいて各ガス成分に波形分離することを特徴とする請求項1記載のレーザ式ガス分析装置。   2. The laser type gas analyzer according to claim 1, wherein the waveform processing unit separates the waveform into each gas component based on gas temperature information of the measurement target gas and pressure information of the measurement target gas. 前記ガス特定部は、前記変調信号の波長振り幅が小である時の前記出力信号の高調波成分に基づき、前記ガスセル内に存在するガス成分を特定し、
前記波形分離部は、前記変調信号の波長振り幅が大である時の前記出力信号の高調波成分において各ガス成分に波形分離することを特徴とする請求項1又は請求項2記載のレーザ式ガス分析装置。
The gas specifying unit specifies a gas component present in the gas cell based on a harmonic component of the output signal when the wavelength swing of the modulation signal is small,
3. The laser type according to claim 1, wherein the waveform separation unit separates the waveform into each gas component in a harmonic component of the output signal when the wavelength swing of the modulation signal is large. Gas analyzer.
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