JP2014102152A - Laser type gas analyzer - Google Patents

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JP2014102152A
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JP2012254362A
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Hideo Kanai
秀夫 金井
Masaya Tahara
雅哉 田原
Ryoichi Higashi
亮一 東
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser type gas analyzer capable of stably and accurately measuring gas concentration by automatically correcting deviation in an emission wavelength of a laser device without a reference gas cell about gas to be measured that does not exist in the air or exists only in a trace amount in the air.SOLUTION: Gas to be measured that indicates a certain absorption intensity or larger during measurement at each constant cycle is used to obtain a deviation width of an output wavelength of a synchronous detection section. A deviated wavelength is corrected by changing the temperature of a laser device. With this method, an error in concentration due to wavelength change can be prevented without the need of a reference gas cell, thereby achieving long-term stability.

Description

本発明は、大気中に存在しないガス、または、大気中に微量にしか存在しないガスの濃度をレーザ光により測定するレーザ式ガス分析計に関する。   The present invention relates to a laser gas analyzer that measures the concentration of a gas that does not exist in the atmosphere or a gas that exists only in a minute amount in the atmosphere using a laser beam.

気体中のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトラムがあることが知られている。例えば、図19は、NH(アンモニア)ガスの吸収スペクトラム例であり、横軸が波長、縦軸は吸収強度を示している。縦軸の吸収強度が大きいほど吸光量が大きくなる。このNH(アンモニア)ガスのように測定対象ガスは固有の吸収スペクトラムを有している。 It is known that each gas molecule in gas has its own light absorption spectrum. For example, FIG. 19 is an example of an absorption spectrum of NH 3 (ammonia) gas, in which the horizontal axis indicates the wavelength and the vertical axis indicates the absorption intensity. As the absorption intensity on the vertical axis increases, the amount of light absorption increases. A measurement object gas such as NH 3 (ammonia) gas has a specific absorption spectrum.

レーザ式ガス分析計は、測定対象ガスが吸収する波長のレーザ光を発光するレーザ素子を搭載しており、この特定波長のレーザ光を測定対象ガスに吸光させることで測定対象ガスの有無を検出することができる。加えてレーザ光の特定波長の吸収量が測定対象ガスの濃度に比例するためレーザ式ガス分析計は濃度を検出することもできる。   The laser gas analyzer is equipped with a laser element that emits laser light of a wavelength that is absorbed by the measurement target gas, and detects the presence or absence of the measurement target gas by absorbing the laser light of this specific wavelength into the measurement target gas. can do. In addition, since the absorption amount of the laser beam at a specific wavelength is proportional to the concentration of the measurement target gas, the laser gas analyzer can also detect the concentration.

レーザ式ガス分析計のガス濃度の測定方法としては、2波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。周波数変調方式による濃度測定装置は、例えば後述する特許文献1にも記載されているものである。本発明も周波数変調方式によるレーザ式ガス分析計に関するものである。   The gas concentration measuring method of the laser gas analyzer is roughly classified into a two-wavelength difference method and a frequency modulation method. A concentration measuring apparatus using a frequency modulation method is also described in, for example, Patent Document 1 described later. The present invention also relates to a laser gas analyzer using a frequency modulation method.

また、周波数変調では発光波長を変化させる必要があるが、このような発光波長の制御に関し、例えば、測定対象ガスと同じガス成分を予め封入した参照ガスセルを用いて、レーザ素子の発光波長を温度によって制御する方法も用いられており、例えば後述する特許文献2にも記載されているものである。   In addition, in the frequency modulation, it is necessary to change the emission wavelength. Regarding the control of the emission wavelength, for example, using a reference gas cell in which the same gas component as that of the measurement target gas is enclosed, The control method is also used, for example, as described in Patent Document 2 described later.

このようなレーザ式ガス分析計は、特に大気環境測定や制御用途に使用され、具体的には主にゴミ焼却場などのボイラの燃焼制御、煙道排ガス中の塩化水素ガス監視や電力施設のアンモニア監視に使用されることが多い。測定対象ガスは比較的高温であり、例えば、ボイラの燃焼制御に用いられるレーザ式ガス分析計が対象とする測定対象ガスの温度は、700〜1200℃と高温である。このような環境分野でレーザ式ガス分析計が用いられている。   Such laser gas analyzers are used especially for atmospheric environment measurement and control applications. Specifically, they mainly control combustion of boilers such as garbage incinerators, monitor hydrogen chloride gas in flue gas, and power facilities. Often used for ammonia monitoring. The measurement target gas has a relatively high temperature. For example, the temperature of the measurement target gas targeted by a laser gas analyzer used for boiler combustion control is as high as 700 to 1200 ° C. Laser gas analyzers are used in such environmental fields.

特開平7−151681号公報(段落[0005]、図4等)Japanese Patent Laid-Open No. 7-151681 (paragraph [0005], FIG. 4 etc.) 特開2001−235418号公報(段落[0012]〜[0024]、図2、図11等)JP 2001-235418 A (paragraphs [0012] to [0024], FIG. 2, FIG. 11, etc.)

周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、濃度測定を行うため2倍周波数成分の信号を受信する必要がある。そのため、測定対象ガスの吸収波長を発光するレーザ素子を選定する。詳しくは、DFBレーザ(Distributed Feedback Laser)やDBRレーザ(Distributed Bragg Reflector Laser)、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)などである。これらレーザ素子は電流と温度によって波長が変化する素子である。一般的に周波数変調方式では、電流駆動制御により吸収波長を中心に前後の波長を走査し、温度制御により温度を一定値になるように制御してレーザ素子の温度変化による波長ズレを防いでいる。   A frequency modulation type laser gas analyzer needs to receive a signal having a double frequency component in order to measure the concentration. Therefore, a laser element that emits an absorption wavelength of the measurement target gas is selected. Specifically, there are a DFB laser (Distributed Feedback Laser), a DBR laser (Distributed Bragg Reflector Laser), a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), and the like. These laser elements are elements whose wavelength changes with current and temperature. In general, the frequency modulation method scans the front and rear wavelengths centering on the absorption wavelength by current drive control, and controls the temperature to be a constant value by temperature control to prevent wavelength deviation due to temperature change of the laser element. .

同期検波部の出力波形は図20のような形をしており、ガス吸収波形の最大値と最小値の差分から測定対象ガスの濃度を検出する。最大値と最小値のポイントを示す波長または電流値を予め求めることができる。   The output waveform of the synchronous detector has a shape as shown in FIG. 20, and the concentration of the measurement target gas is detected from the difference between the maximum value and the minimum value of the gas absorption waveform. A wavelength or current value indicating a point between the maximum value and the minimum value can be obtained in advance.

これらのようなレーザガス分析計で使用しているレーザ素子はMTBFで数十万時間以上であり、光規格で寿命とされる初期の光出力を発光するのに必要な電流が20%増になるまでの時間で数万時間〜数十万時間発光し続けることができる長寿命な素子である。しかし、レーザ素子は年単位で見ると徐々に劣化し、同じ電流、同じ温度で制御しても経時的に波長が変化する。原因は発光時間が増してくると、発光熱による影響で発光端面が破壊されて劣化を生じ、レーザ光を発光する閾値が上昇して光出力が小さくなり、走査する電流値に対する波長範囲が小さくなるためである。   Laser elements used in laser gas analyzers such as these have MTBF of several hundreds of thousands of hours or more, and the current required to emit the initial optical output that is considered to be a lifetime according to the optical standard is increased by 20%. It is a long-life device that can continue to emit light for several tens of thousands of hours to several hundreds of thousands of hours. However, the laser element gradually deteriorates when viewed on a yearly basis, and the wavelength changes over time even when controlled at the same current and the same temperature. The cause is that if the light emission time increases, the light emission end face is destroyed and deteriorated due to the influence of heat of light emission, the threshold for emitting laser light increases, the light output decreases, and the wavelength range for the current value to scan is reduced. It is to become.

使用開始直後と数万時間経過後とでそれぞれレーザ素子を同じ電流で駆動した場合、スレッショルドカレントが上昇した数万時間経過後のレーザ素子の波長は短波調側に移動する。例えば、図4の四角枠内のアンモニアガスについての出力波形Aでは、時間軸上で左側に移動する。また、図21ではアンモニアガスについてのスキャン波長範囲が下側に移動している。この状態で濃度を検出すると測定誤差を生じる。つまり、アンモニアガスの吸収波長は低い電流値で発光することになり、電流値が低くなる分、同じアンモニアガスの吸収強度であっても、出力波形は小さくなる。この変化は数年にわたり徐々に移動するものであり、日々の動作状況からは判断することが難しい長期的なドリフト要因となっている。   When the laser element is driven with the same current immediately after the start of use and after tens of thousands of hours have elapsed, the wavelength of the laser element after tens of thousands of hours after the threshold current has risen moves to the short-wave side. For example, in the output waveform A for the ammonia gas in the square frame in FIG. 4, it moves to the left on the time axis. In FIG. 21, the scan wavelength range for ammonia gas is shifted downward. If the concentration is detected in this state, a measurement error occurs. That is, the emission wavelength of ammonia gas emits light at a low current value, and the output waveform becomes small even if the ammonia gas has the same absorption intensity as the current value becomes low. This change gradually moves over several years, and is a long-term drift factor that is difficult to judge from the daily operating situation.

このように測定する波長位置と実際の波長位置が異なって指示誤差が生じる。そこで補正が必要になる。通常は半年または1年に1回、定期的にメンテナンスを行い、測定対象ガスを流して、同期検波部の出力波形の位置を確認し、ズレが生じていた場合はレーザ温度で出力波形の位置を調整する。   In this way, the wavelength position to be measured is different from the actual wavelength position, and an instruction error occurs. Therefore, correction is necessary. Normally, maintenance is performed once every six months or once a year, the measurement target gas is flowed, the position of the output waveform of the synchronous detector is checked, and if there is a deviation, the position of the output waveform is determined by the laser temperature. Adjust.

仮に大気中に十分な量が存在するガス(例えば酸素)では、参照ガスセルがなくても装置内の大気から常に吸収強度を得られるため、容易に波長位置を把握し、ズレを検知し、レーザ素子温度を変化させることによって波長補正することができる。   If there is a sufficient amount of gas in the atmosphere (for example, oxygen), the absorption intensity can always be obtained from the atmosphere in the device without a reference gas cell. Wavelength correction can be performed by changing the element temperature.

しかしながら、塩化水素ガスやアンモニアガスなどのように大気中に存在しないガス、または大気中に微量しか存在しないガスについては、常時吸収強度を得ることはできない。これら塩化水素ガスやアンモニアガスを測定する機器では、測定対象ガスがない空間において図20の同期検波部の出力波形は現れない。   However, the absorption intensity cannot always be obtained for a gas that does not exist in the atmosphere, such as hydrogen chloride gas or ammonia gas, or a gas that exists only in a minute amount in the atmosphere. In these devices for measuring hydrogen chloride gas and ammonia gas, the output waveform of the synchronous detection unit in FIG. 20 does not appear in a space where there is no measurement target gas.

そのため、このようなガスに対して波長ズレを検知、補正するためには、図22で示すようにレーザ光をビームスプリッタに入射させて光を分割し、一方を配管内の測定対象ガスに透過させ、他方を塩化水素ガスやアンモニアガスのような測定対象ガスと同じ成分のガスを封入した参照ガスセルを透過させ、そして、参照ガスセルを透過させた光から得られる検出部の出力波形から波長ズレを検知していた。しかしながら、構造上の問題により参照ガスセルが入れられない場合や塩化水素ガスなどのように吸着性があって参照ガスセルへの封入が不可能または困難なガスを用いる場合、参照ガスセルにより波長変化を検知することは難しい。   Therefore, in order to detect and correct the wavelength shift for such a gas, as shown in FIG. 22, the laser beam is incident on the beam splitter to divide the beam, and one of the beams is transmitted to the measurement target gas in the pipe. The other is transmitted through a reference gas cell filled with a gas having the same component as the gas to be measured, such as hydrogen chloride gas or ammonia gas, and the wavelength shift from the output waveform of the detection unit obtained from the light transmitted through the reference gas cell. Was detected. However, if the reference gas cell cannot be inserted due to structural problems, or if a gas that is adsorbent and cannot be enclosed in the reference gas cell, such as hydrogen chloride gas, is used, the wavelength change is detected by the reference gas cell. Difficult to do.

そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、大気中に存在しない、または、大気中に微量しか存在しない測定対象ガスに対して、参照ガスセルがなくてもレーザ素子の発光波長ズレを自動補正し、安定的かつ正確にガス濃度を測定可能としたレーザ式ガス分析計を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to perform laser measurement even when there is no reference gas cell for a measurement target gas that does not exist in the atmosphere or exists only in a minute amount in the atmosphere. It is an object of the present invention to provide a laser type gas analyzer that automatically corrects the emission wavelength deviation of the element and can measure the gas concentration stably and accurately.

使用しているレーザ素子が劣化すると同じ電流値、同じ温度でも発光する波長が異なるため、測定する波長と実際の波長との間にズレが生じ、濃度誤差を生じる原因となる。そこで、本発明のレーザ式ガス分析計では、一定周期毎に測定対象ガスを利用して、検出される波形信号からレーザ素子の波長ズレの有無を判定し、レーザ素子の温度を変化させて波長補正を行い、長期安定性を実現するようにした。この方法により、参照ガスセルを必要とせず、波長変化による濃度誤差を防ぐことが可能となり、長期安定性を実現することが可能となる。   When the laser element used is deteriorated, the wavelength of light emitted at the same current value and the same temperature is different. Therefore, a deviation occurs between the wavelength to be measured and the actual wavelength, which causes a density error. Therefore, in the laser gas analyzer of the present invention, the measurement target gas is used at regular intervals, the presence or absence of wavelength deviation of the laser element is determined from the detected waveform signal, and the wavelength of the laser element is changed by changing the temperature of the laser element. Correction was made to achieve long-term stability. This method does not require a reference gas cell, can prevent concentration errors due to wavelength changes, and can achieve long-term stability.

すなわち本発明の請求項1に係るレーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、測定対象ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象ガスが光を吸収する波長のレーザ光を出射するレーザ素子と、このレーザ素子をサーモモジュールにより一定温度に保つ温度制御手段と、前記レーザ素子への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記レーザ素子に対する駆動信号を生成する電流制御手段と、をそれぞれ備え、
前記受光部は、
測定対象ガスが吸光された検出光であるレーザ波長に感度を有する受光素子と、高周波変調信号の2倍周波数成分を有する参照信号を生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記2倍周波数成分である2倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波手段と、同期検波手段からの検出信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、をそれぞれ備え、
この演算手段は、
前記検出信号のガス吸収波形と予め登録した基準波形とのズレの有無を判定し、ズレがある場合にレーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更してズレをなくすように修正する、
ことを特徴とする。
That is, the laser gas analyzer according to claim 1 of the present invention is:
A frequency modulation method for measuring the concentration of the measurement target gas, comprising: a light emitting unit that emits detection light by laser light; and a light receiving unit that receives detection light propagated through a space in which the measurement target gas exists. A laser gas analyzer,
The light emitting unit
A laser element that emits a laser beam having a wavelength at which the measurement target gas absorbs light, temperature control means for maintaining the laser element at a constant temperature by a thermo module, and a supply current to the laser element are changed to change the measurement target gas. Wavelength scanning drive signal generating means for generating a wavelength scanning drive signal for scanning light absorption characteristics, high frequency modulation signal generating means for generating a high frequency modulation signal, and modulating the wavelength scanning drive signal with the high frequency modulation signal, Current control means for generating a drive signal for the laser element,
The light receiving unit is
From the light receiving element sensitive to the laser wavelength that is the detection light in which the gas to be measured is absorbed, the reference signal generating means for generating the reference signal having the double frequency component of the high frequency modulation signal, and the output signal of the light receiving element Synchronous detection means for detecting the amplitude of the second harmonic signal, which is a double frequency component, and outputting a detection signal; calculation means for calculating the concentration of the gas to be measured based on the value of the detection signal from the synchronous detection means; Each with
This computing means is
It is determined whether or not there is a deviation between the gas absorption waveform of the detection signal and a reference waveform registered in advance, and if there is a deviation, the set temperature of the thermo module that controls the temperature of the laser element is changed to eliminate the deviation. To fix,
It is characterized by that.

また、本発明の請求項2に係るレーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、測定対象ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象ガスが光を吸収する波長のレーザ光を出射するレーザ素子と、このレーザ素子をサーモモジュールにより一定温度に保つ温度制御手段と、前記レーザ素子への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記レーザ素子に対する駆動信号を生成する電流制御手段と、をそれぞれ備え、
前記受光部は、
測定対象ガスが吸光された検出光であるレーザ波長に感度を有する受光素子と、高周波変調信号の2倍周波数成分を有する参照信号を生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記2倍周波数成分である2倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波手段と、発光部から入力したトリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段からの検出信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、をそれぞれ備え、
この演算手段は、
前記検出信号のガス吸収波形と基準波形とのズレの有無をトリガ信号を基準としつつ判定し、ズレがある場合にレーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更してズレをなくすように修正する、
ことを特徴とする。
A laser gas analyzer according to claim 2 of the present invention is
A frequency modulation method for measuring the concentration of the measurement target gas, comprising: a light emitting unit that emits detection light by laser light; and a light receiving unit that receives detection light propagated through a space in which the measurement target gas exists. A laser gas analyzer,
The light emitting unit
A laser element that emits a laser beam having a wavelength at which the measurement target gas absorbs light, temperature control means for maintaining the laser element at a constant temperature by a thermo module, and a supply current to the laser element are changed to change the measurement target gas. Wavelength scanning drive signal generating means for generating a wavelength scanning drive signal and trigger signal for scanning light absorption characteristics, high frequency modulation signal generating means for generating a high frequency modulation signal, and modulating the wavelength scanning drive signal by the high frequency modulation signal And current control means for generating a drive signal for the laser element,
The light receiving unit is
From the light receiving element sensitive to the laser wavelength that is the detection light in which the gas to be measured is absorbed, the reference signal generating means for generating the reference signal having the double frequency component of the high frequency modulation signal, and the output signal of the light receiving element Synchronous detection means for detecting the amplitude of the second harmonic signal, which is a double frequency component, and outputting a detection signal, and detection signals from the synchronous detection means when a predetermined time has elapsed with reference to the trigger signal input from the light emitting unit. Calculating means for calculating the concentration of the gas to be measured based on the value,
This computing means is
The presence or absence of deviation between the gas absorption waveform of the detection signal and the reference waveform is determined with reference to the trigger signal, and when there is a deviation, the set temperature of the thermo module that controls the temperature of the laser element is changed to correct the deviation. To fix it,
It is characterized by that.

また、本発明の請求項3に係るレーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、測定対象ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象ガスが光を吸収する波長のレーザ光を出射するレーザ素子と、このレーザ素子をサーモモジュールにより一定温度に保つ温度制御手段と、前記レーザ素子への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号がトリガ信号を含むように生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記レーザ素子に対する駆動信号を生成する電流制御手段と、をそれぞれ備え、
前記受光部は、
測定対象ガスが吸光された検出光であるレーザ波長に感度を有する受光素子と、高周波変調信号の2倍周波数成分を有する参照信号を生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記2倍周波数成分である2倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波手段と、前記受光素子の出力信号から前記トリガ信号の成分を抽出する抽出部と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段からの検出信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、をそれぞれ備え、
この演算手段は、
前記検出信号のガス吸収波形と基準波形とのズレの有無をトリガ信号を基準としつつ判定し、ズレがある場合にレーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更してズレをなくすように修正する、
ことを特徴とする。
A laser gas analyzer according to claim 3 of the present invention is
A frequency modulation method for measuring the concentration of the measurement target gas, comprising: a light emitting unit that emits detection light by laser light; and a light receiving unit that receives detection light propagated through a space in which the measurement target gas exists. A laser gas analyzer,
The light emitting unit
A laser element that emits a laser beam having a wavelength at which the measurement target gas absorbs light, temperature control means for maintaining the laser element at a constant temperature by a thermo module, and a supply current to the laser element are changed to change the measurement target gas. Wavelength scanning driving signal generating means for generating a wavelength scanning driving signal for scanning the light absorption characteristic so as to include a trigger signal, high frequency modulation signal generating means for generating a high frequency modulation signal, and the high frequency modulation of the wavelength scanning driving signal Current control means for modulating the signal to generate a drive signal for the laser element,
The light receiving unit is
From the light receiving element sensitive to the laser wavelength that is the detection light in which the gas to be measured is absorbed, the reference signal generating means for generating the reference signal having the double frequency component of the high frequency modulation signal, and the output signal of the light receiving element Synchronous detection means for detecting the amplitude of the second harmonic signal, which is a double frequency component, and outputting a detection signal, an extraction unit for extracting the trigger signal component from the output signal of the light receiving element, and the trigger signal as a reference A calculation means for calculating the concentration of the gas to be measured based on the value of the detection signal from the synchronous detection means when a predetermined time has elapsed,
This computing means is
The presence or absence of deviation between the gas absorption waveform of the detection signal and the reference waveform is determined with reference to the trigger signal, and when there is a deviation, the set temperature of the thermo module that controls the temperature of the laser element is changed to correct the deviation. To fix it,
It is characterized by that.

本発明によれば、大気中に存在しない、または、大気中に微量にしか存在しないような測定対象ガスに対して、参照ガスセルがなくてもレーザ素子の発光波長ズレを自動補正し、安定的かつ正確にガス濃度を測定可能としたレーザ式ガス分析計を提供することができる。   According to the present invention, the emission wavelength shift of the laser element is automatically corrected for a measurement target gas that does not exist in the atmosphere or exists only in a minute amount in the atmosphere without a reference gas cell, and is stable. In addition, it is possible to provide a laser type gas analyzer capable of accurately measuring the gas concentration.

本発明の第1の実施の形態のレーザ式ガス分析計の構成図である。It is a block diagram of the laser type gas analyzer of the 1st Embodiment of this invention. レーザ光源部の構成図である。It is a block diagram of a laser light source part. レーザ素子の波長走査駆動信号発生部の出力波形を示す図である。It is a figure which shows the output waveform of the wavelength scanning drive signal generation part of a laser element. 本発明の実施形態の動作を説明するための、レーザ素子の走査波形、NHガスの吸収波形および同期検波部の出力波形を示す図である。For explaining the operation of the embodiment of the present invention, showing the scanning waveform of the laser device, the absorption and output waveforms of the synchronous detector of the NH 3 gas. 受光素子および信号処理部の構成図である。It is a block diagram of a light receiving element and a signal processing part. 周波数変調方式の原理図である。It is a principle diagram of a frequency modulation system. ドライブ電流によるレーザ素子の発光波長の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the light emission wavelength of the laser element by a drive current. 温度によるレーザ素子の発光波長の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the light emission wavelength of the laser element by temperature. I/V変換部及び同期検波部の出力信号を示す図である。It is a figure which shows the output signal of an I / V conversion part and a synchronous detection part. I/V変換部及び同期検波部の出力信号を示す図である。It is a figure which shows the output signal of an I / V conversion part and a synchronous detection part. 本発明の第2の実施の形態のレーザ式ガス分析計のレーザ光源部の構成図である。It is a block diagram of the laser light source part of the laser type gas analyzer of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態のレーザ式ガス分析計の受光素子および信号処理部の構成図である。It is a block diagram of the light receiving element and signal processing part of the laser type gas analyzer of the 2nd Embodiment of this invention. レーザ素子の波長走査駆動信号発生部の出力波形および信号処理部に送られるトリガ信号の説明図である。It is explanatory drawing of the trigger signal sent to the output waveform of the wavelength scanning drive signal generation part of a laser element, and a signal processing part. I/V変換部及び同期検波部の出力信号を示す図である。It is a figure which shows the output signal of an I / V conversion part and a synchronous detection part. I/V変換部及び同期検波部の出力信号を示す図である。It is a figure which shows the output signal of an I / V conversion part and a synchronous detection part. 同期検波部の出力信号を示す図である。It is a figure which shows the output signal of a synchronous detection part. 本発明の第3の実施の形態のレーザ式ガス分析計の信号処理部の構成図である。It is a block diagram of the signal processing part of the laser type gas analyzer of the 3rd Embodiment of this invention. 受光信号の波形図である。It is a wave form diagram of a received light signal. 受光信号の波形図である。It is a wave form diagram of a received light signal. 図15Aに対応した同期検波部の出力波形を示す図である。It is a figure which shows the output waveform of the synchronous detection part corresponding to FIG. 15A. 図15Bに対応した同期検波部の出力波形を示す図である。It is a figure which shows the output waveform of the synchronous detection part corresponding to FIG. 15B. 受光光量レベルとガス吸収波形の振幅レベルとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the light-receiving light quantity level and the amplitude level of a gas absorption waveform. 図15Aに対応した波長走査信号成分の波形図である。FIG. 15B is a waveform diagram of wavelength scanning signal components corresponding to FIG. 15A. 図15Bに対応した波長走査信号成分の波形図である。It is a wave form diagram of the wavelength scanning signal component corresponding to Drawing 15B. NHガスの吸収スペクトラム特性図である。It is an absorption spectrum characteristic view of NH 3 gas. 同期検波部の出力波形である。It is an output waveform of a synchronous detection part. レーザ素子のIR特性の経時変化による変化を示した図である。It is the figure which showed the change by the time-dependent change of IR characteristic of a laser element. 参照セルを使用した波長検知の説明図である。It is explanatory drawing of the wavelength detection which uses a reference cell.

続いて、本発明を実施するための第1の形態に係るレーザ式ガス分析計について図を参照しつつ以下に説明する。図1は、本形態のレーザ式ガス分析計1の構成図である。レーザ式ガス分析計1は、発光部100、受光部200、発光部側パージ部300、受光部側パージ部400、通信線500を備えている。   Next, a laser gas analyzer according to a first embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a laser type gas analyzer 1 of the present embodiment. The laser gas analyzer 1 includes a light emitting unit 100, a light receiving unit 200, a light emitting unit side purge unit 300, a light receiving unit side purge unit 400, and a communication line 500.

発光部100は、さらにレーザ光源部101、発光部側光学系の具体例であるコリメートレンズ102、ボックスカバー103を備える。
受光部200は、受光部側光学系の具体例である集光レンズ201、受光素子202、信号処理部203、ボックスカバー204を備える。
発光部側パージ部300は、パージ部本体301、流入口302、流出口303を備える。
受光部側パージ部400は、パージ部本体401、流入口402、流出口403を備える。
通信線500は、発光部100と、受光部200と、を通信可能に接続する。
The light emitting unit 100 further includes a laser light source unit 101, a collimating lens 102, which is a specific example of the light emitting unit side optical system, and a box cover 103.
The light receiving unit 200 includes a condenser lens 201, a light receiving element 202, a signal processing unit 203, and a box cover 204, which are specific examples of the light receiving unit side optical system.
The light emission unit side purge unit 300 includes a purge unit main body 301, an inlet 302, and an outlet 303.
The light receiving unit side purge unit 400 includes a purge unit main body 401, an inflow port 402, and an outflow port 403.
The communication line 500 connects the light emitting unit 100 and the light receiving unit 200 in a communicable manner.

本形態のレーザ式ガス分析計は、具体例として、施設の配管に固定されているものとして説明する。この配管は、大気中に微量存在する、または、大気中に存在しない測定対象ガスが内部を通過する煙道などである。このような測定対象ガスとは例えばゴミ焼却場などの煙道から外部へ排出される塩化水素ガスや電力施設で触媒として注入されるNOxと反応しなかったアンモニアガスである。なお、本形態の説明では説明の具体化のため測定対象ガスとしてアンモニアガスを用いるものとして説明するが、本発明を塩化水素に適用することはもちろん可能である。   As a specific example, the laser gas analyzer of this embodiment will be described as being fixed to facility piping. This pipe is a flue or the like in which a small amount of gas in the atmosphere or a gas to be measured that does not exist in the atmosphere passes inside. Such a measurement target gas is, for example, hydrogen chloride gas discharged from a flue such as a garbage incinerator or ammonia gas that has not reacted with NOx injected as a catalyst in a power facility. In the description of the present embodiment, it is assumed that ammonia gas is used as the measurement target gas for the sake of concreteness of the description, but the present invention can of course be applied to hydrogen chloride.

壁601a,601bは、この配管の壁である。相フランジ602a,602bは、この壁601a,601bに、例えば、溶接等によって固定されている。   The walls 601a and 601b are walls of this pipe. The companion flanges 602a and 602b are fixed to the walls 601a and 601b by, for example, welding.

一方の相フランジ602aには、角度調整機構部を含む発光部側パージ部300のパージ部本体301が取り付けられている。この発光部側パージ部300のパージ部本体301には、発光部100のボックスカバー103が取り付けられている。発光部側パージ部300の内部通路、相フランジ602aの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー103とは、コリメートレンズ102によって空間が隔てられている。   The purge unit main body 301 of the light emitting unit side purge unit 300 including the angle adjusting mechanism unit is attached to one of the phase flanges 602a. The box cover 103 of the light emitting unit 100 is attached to the purge unit main body 301 of the light emitting unit side purge unit 300. The internal passage of the light emission unit side purge unit 300 and the internal passage of the phase flange 602a communicate with each other and further communicate with the inside of the pipe. A space is separated from the box cover 103 by a collimating lens 102.

他方の相フランジ602bには、角度調整機構部を含む受光部側パージ部400のパージ部本体401が取り付けられている。この受光部側パージ部400のパージ部本体401には、受光部200のボックスカバー204が取り付けられている。受光部側パージ部400の内部通路、相フランジ602bの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー204とは、集光レンズ201によって空間が隔てられている。   The purge portion main body 401 of the light receiving portion side purge portion 400 including the angle adjusting mechanism portion is attached to the other phase flange 602b. A box cover 204 of the light receiving unit 200 is attached to the purge unit main body 401 of the light receiving unit side purge unit 400. The internal passage of the light receiving unit side purge unit 400 and the internal passage of the phase flange 602b communicate with each other and further communicate with the inside of the pipe. A space is separated from the box cover 204 by a condenser lens 201.

発光部100のボックスカバー103は電子基板に搭載されるレーザ光源部101、光学部品であるコリメートレンズ102を内蔵する。レーザ光源部101から出射したレーザ光は、コリメートレンズ102によって平行光にコリメートされる。コリメートされた検出光700は、発光部側パージ部300の内部通路と相フランジ602aの内部通路の中心を通って壁601a,601bの内部(煙道内部)へ入射される。   A box cover 103 of the light emitting unit 100 includes a laser light source unit 101 mounted on an electronic substrate and a collimating lens 102 which is an optical component. Laser light emitted from the laser light source unit 101 is collimated into parallel light by the collimating lens 102. The collimated detection light 700 is incident on the inside of the walls 601a and 601b (inside the flue) through the center of the internal passage of the light emitting portion side purge portion 300 and the internal passage of the companion flange 602a.

検出光700は、壁601a,601bの内部にある測定対象ガス中のアンモニアガスなどを透過する際に吸収を受ける。検出光700は受光部200へ入射される。受光部200のボックスカバー204は光学部品である集光レンズ201、電子基板に搭載される受光素子202や信号処理部203を内蔵する。壁601a,601bの内部(煙道内部)を透過した平行光である検出光700は、相フランジ602bの内部通路と受光部側パージ部400の内部通路との中心を通ってボックスカバー204内部の集光レンズ201により集光されて受光素子202により受光される。この光は、受光素子202により電気信号に変換され、後段の信号処理部203に入力される。   The detection light 700 is absorbed when it passes through ammonia gas or the like in the measurement target gas inside the walls 601a and 601b. The detection light 700 is incident on the light receiving unit 200. The box cover 204 of the light receiving unit 200 includes a condenser lens 201 that is an optical component, a light receiving element 202 mounted on an electronic substrate, and a signal processing unit 203. Detection light 700, which is parallel light transmitted through the walls 601a and 601b (inside the flue), passes through the center of the internal passage of the companion flange 602b and the internal passage of the light-receiving unit-side purge unit 400, and the inside of the box cover 204. The light is condensed by the condenser lens 201 and received by the light receiving element 202. This light is converted into an electrical signal by the light receiving element 202 and input to the signal processing unit 203 at the subsequent stage.

この際、測定対象ガスによる熱や腐食、汚れを防ぐため、発光部側パージ部300には流入口302からパージ部本体301内へ圧縮空気である計装空気が流入し、発光部側パージ部300の内部通路をパージし、また流出口303を通過して相フランジ602aの内部通路をパージする。このパージの後に壁601a,601bの内部(煙道内部)へパージガスが排出される。同様に受光部側パージ部400には流入口402からパージ部本体401内へ圧縮空気である計装空気が流入し、受光部側パージ部400の内部通路をパージし、また流出口403を通過して相フランジ602bの内部通路をパージする。このパージの後に壁601a,601bの内部(煙道内部)へパージガスが排出される。   At this time, in order to prevent heat, corrosion, and contamination due to the measurement target gas, instrument air, which is compressed air, flows into the purge unit main body 301 from the inlet 302 into the light emitting unit side purge unit 300, and the light emitting unit side purge unit 300 The internal passage 300 is purged, and the internal passage of the companion flange 602 a is purged through the outlet 303. After this purge, the purge gas is discharged into the walls 601a and 601b (inside the flue). Similarly, instrument air, which is compressed air, flows into the light receiving unit side purge unit 400 from the inlet 402 into the purge unit main body 401, purges the internal passage of the light receiving unit side purge unit 400, and passes through the outlet 403. Then, the internal passage of the companion flange 602b is purged. After this purge, the purge gas is discharged into the walls 601a and 601b (inside the flue).

この計装空気により、測定対象ガスに含まれて各部に付着した煤塵等を吹き飛ばし、発光部100および受光部200のレンズ表面を清浄に保っている。また、パージ用に流入する計装空気が常温(例えば25℃)であり、パージ部本体301、401内、相フランジ602a、602bの内部を強制的に冷却している。   The instrument air blows away dust and the like that are included in the measurement target gas and adhere to each part, and the lens surfaces of the light emitting unit 100 and the light receiving unit 200 are kept clean. Further, the instrument air flowing in for purging is at a normal temperature (for example, 25 ° C.), and the inside of the purge unit main bodies 301 and 401 and the inside of the phase flanges 602a and 602b are forcibly cooled.

次に、発光部100、および、受光部200の詳細構成について説明する。まず、発光部100について図2,図3を参照しつつ詳細に説明する。図2はレーザ光源部101の詳細を示している。このレーザ光源部101は、波長走査駆動信号発生部101aと、高周波変調信号発生部101bと、を有するレーザ駆動信号発生部101sを備える。   Next, detailed configurations of the light emitting unit 100 and the light receiving unit 200 will be described. First, the light emitting unit 100 will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2 shows details of the laser light source unit 101. The laser light source unit 101 includes a laser drive signal generation unit 101s having a wavelength scanning drive signal generation unit 101a and a high frequency modulation signal generation unit 101b.

波長走査駆動信号発生部101aは、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とする。
高周波変調信号発生部101bは、測定対象ガスであるアンモニアガスの吸収波長を検出するために、例えば10kHz程度の正弦波で波長を周波数変調する。
The wavelength scanning drive signal generator 101a makes the emission wavelength of the laser element variable so as to scan the absorption wavelength of the measurement target gas.
The high frequency modulation signal generation unit 101b frequency-modulates the wavelength with a sine wave of about 10 kHz, for example, in order to detect the absorption wavelength of the ammonia gas that is the measurement target gas.

このような波長走査駆動信号発生部101aから出力される波長走査駆動信号に対し、高周波変調信号発生部101bからの高周波変調信号を合成して周波数変調を行いレーザ駆動信号が生成されるようになっている。レーザ駆動信号発生部101sから出力されたレーザ駆動信号は電流制御部101cにより電流に変換され、半導体レーザからなるレーザ素子101eに供給される。このレーザ素子101eは、例えば、DFBレーザ(Distributed Feedback Laser)、DBRレーザ(Distributed Bragg Reflector Laser)、もしくはVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)といわれるレーザ素子である。   The laser scanning signal is generated by synthesizing the high frequency modulation signal from the high frequency modulation signal generating unit 101b with the wavelength scanning driving signal output from the wavelength scanning driving signal generating unit 101a and performing frequency modulation. ing. The laser drive signal output from the laser drive signal generation unit 101s is converted into a current by the current control unit 101c and supplied to the laser element 101e made of a semiconductor laser. The laser element 101e is, for example, a laser element called a DFB laser (Distributed Feedback Laser), a DBR laser (Distributed Bragg Reflector Laser), or a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).

また、レーザ素子101eにはサーモモジュールである温度制御手段が設けられている。この温度制御手段は、温度制御部101d、サーミスタ101f、ペルチェ素子101gを備える。レーザ素子101eに近接して温度検出素子としてのサーミスタ101fが配置され、このサーミスタ101fにはペルチェ素子101gが近接して配置されている。このペルチェ素子101gは、サーミスタ101fの抵抗値が一定値になるようにするため、温度制御部101dによってPID(比例・積分・微分)制御が行われ、結果としてレーザ素子101eの温度が所望の設定温度と一致するように動作するものである。温度制御部101dは演算部203eと通信線500を介して通信可能に接続されている。   The laser element 101e is provided with temperature control means that is a thermo module. This temperature control means includes a temperature control unit 101d, a thermistor 101f, and a Peltier element 101g. A thermistor 101f as a temperature detecting element is disposed in the vicinity of the laser element 101e, and a Peltier element 101g is disposed in the vicinity of the thermistor 101f. The Peltier element 101g is subjected to PID (proportional / integral / differential) control by the temperature control unit 101d so that the resistance value of the thermistor 101f becomes a constant value. As a result, the temperature of the laser element 101e is set to a desired value. It operates to match the temperature. The temperature control unit 101d is communicably connected to the calculation unit 203e via the communication line 500.

ここで、波長走査駆動信号発生部101aから出力される波長走査駆動信号は、図3に示すように、可変駆動信号S1およびオフセット信号S2により、ほぼ台形波状の単位波形となり、このような単位波形が一定周期で繰り返される信号である。   Here, as shown in FIG. 3, the wavelength scanning drive signal output from the wavelength scanning drive signal generation unit 101a becomes a substantially trapezoidal unit waveform due to the variable drive signal S1 and the offset signal S2. Is a signal repeated at a constant period.

波長走査駆動信号の可変駆動信号S1は、吸収波長を走査する信号であり、電流制御部101cを介してレーザ素子101eに供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号S1によってレーザ素子101eの発光波長を徐々にずらしていき、吸収波長を走査する信号である。信号S1の傾き、すなわち、供給電流の変化量によって、発光波長をサブnm〜数nmの範囲で走査可能である。例えばアンモニアガス(NHガス)であれば、0.2nm程度の線幅を走査可能とする部分である。 The variable drive signal S1 of the wavelength scanning drive signal is a signal for scanning the absorption wavelength, and is a part that linearly changes the magnitude of the current supplied to the laser element 101e via the current control unit 101c. This signal S1 is a signal for scanning the absorption wavelength by gradually shifting the emission wavelength of the laser element 101e. The emission wavelength can be scanned in the sub-nm to several nm range according to the slope of the signal S1, that is, the amount of change in the supply current. For example, in the case of ammonia gas (NH 3 gas), it is a portion that can scan a line width of about 0.2 nm.

波長走査駆動信号のオフセット信号S2は、吸収波長は走査しないがレーザ素子101eは発光させておくオフセット部分であり、光源部101のレーザ素子101eの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値を光源部101のレーザ素子101eに供給するような値に設定する。信号S1と信号S2とは交互に切り替わるように挿入されている。
信号S3は駆動電流をほぼ0にした部分である。
The offset signal S2 of the wavelength scanning drive signal is an offset portion that does not scan the absorption wavelength but causes the laser element 101e to emit light, and has a value equal to or greater than a threshold current value at which the light emission of the laser element 101e of the light source unit 101 is stabilized. The value is set so as to be supplied to the 101 laser element 101e. The signal S1 and the signal S2 are inserted so as to be switched alternately.
The signal S3 is a portion where the drive current is almost zero.

続いて発光部100による発光を説明する。
まず、事前に、レーザ素子101eの温度をサーミスタ101fにより検出する。さらに、図3に示した波長走査駆動信号のS1の中心部分で測定対象ガスであるアンモニアガスを測定できるように(所定の吸収特性が得られるように)、温度制御部101dによりペルチェ素子101gの通電を制御してレーザ素子101eの温度を調整する。
その後にレーザ素子101eを駆動する。
Next, light emission by the light emitting unit 100 will be described.
First, the temperature of the laser element 101e is detected in advance by the thermistor 101f. Further, the temperature control unit 101d allows the Peltier element 101g to be able to measure ammonia gas, which is a measurement target gas, at the central portion of S1 of the wavelength scanning drive signal shown in FIG. 3 (so that a predetermined absorption characteristic can be obtained). The temperature of the laser element 101e is adjusted by controlling energization.
Thereafter, the laser element 101e is driven.

なお、図4はレーザ素子の駆動信号を示しており、高周波変調信号の周波数を10kHz,波長走査駆動信号の周波数を50Hzとしてあり、λはオフセットに相当する波長、λ,λはアンモニアガス(NHガス)の吸収波長に相当する走査範囲の上下限値を示している。
レーザ素子101eがこのようなレーザ光をコリメートレンズ102へ照射して平行光である検出光700を生成し、測定対象ガスが存在する壁601a,601bの内部空間にこの検出光700を出射し、集光した光を受光素子202へ入射させる。
FIG. 4 shows the drive signal of the laser element, the frequency of the high frequency modulation signal is 10 kHz, the frequency of the wavelength scanning drive signal is 50 Hz, λ 1 is the wavelength corresponding to the offset, and λ 2 and λ 3 are ammonia. The upper and lower limit values of the scanning range corresponding to the absorption wavelength of gas (NH 3 gas) are shown.
The laser element 101e irradiates the collimator lens 102 with such laser light to generate detection light 700 that is parallel light, and emits the detection light 700 to the internal space of the walls 601a and 601b where the measurement target gas exists, The condensed light is incident on the light receiving element 202.

続いて受光部200について説明する。図5は、受光素子202、信号処理部203の構成を示している。信号処理部203はさらにI/V変換部203a、同期検波部203b、発振器203c、フィルタ203d、演算部203eを備えている。   Next, the light receiving unit 200 will be described. FIG. 5 shows the configuration of the light receiving element 202 and the signal processing unit 203. The signal processing unit 203 further includes an I / V conversion unit 203a, a synchronous detection unit 203b, an oscillator 203c, a filter 203d, and a calculation unit 203e.

受光素子202は例えばフォトダイオードによって構成されており、発光部100のレーザ素子101eの発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。この受光素子202の出力電流はI/V変換部203aへ入力される。I/V変換部203aにより受光素子202の出力電流が電圧に変換される。I/V変換部203aの出力信号は、同期検波部203bに入力される。同期検波部203bには、発信器203cからの2f信号が加えられ、出射光の同位相の2倍波信号の振幅のみを抽出したガス波形信号が得られる。同期検波部203bの検出信号は、ノイズ除去用のフィルタ203dを介してCPU等の演算部203eに送られる。演算部203eは後述する各種の処理によりアンモニアガスの有無の検出やアンモニア濃度の算出を行う。また、演算部203eは通信線500を介して通信可能に接続されている温度制御部101dに対し、設定温度の制御を行う。また、I/V変換部203aの出力信号は演算部203eへ入力される。   The light receiving element 202 is configured by a photodiode, for example, and a light receiving element having sensitivity to the light emission wavelength of the laser element 101e of the light emitting unit 100 is used. The output current of the light receiving element 202 is input to the I / V conversion unit 203a. The output current of the light receiving element 202 is converted into a voltage by the I / V conversion unit 203a. The output signal of the I / V conversion unit 203a is input to the synchronous detection unit 203b. The 2f signal from the transmitter 203c is added to the synchronous detection unit 203b, and a gas waveform signal obtained by extracting only the amplitude of the second harmonic signal having the same phase of the emitted light is obtained. The detection signal of the synchronous detection unit 203b is sent to a calculation unit 203e such as a CPU through a noise removal filter 203d. The computing unit 203e detects the presence or absence of ammonia gas and calculates the ammonia concentration by various processes described below. The arithmetic unit 203e controls the set temperature for the temperature control unit 101d that is communicably connected via the communication line 500. The output signal of the I / V conversion unit 203a is input to the calculation unit 203e.

ここで周波数変調方式のレーザ式ガス分析計の計測原理について、図6のレーザ式ガス分析計の周波数変調方式の原理図を参照しつつ説明する。図19のアンモニアガス(NHガス)の吸収スペクトラムに示すように、このアンモニアガスの吸収線は線状のスペクトラムで表わされるため、周波数変調方式による濃度検出が可能である。そして、この周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、中心周波数f、変調周波数fでレーザ素子の出射光を周波数変調し、測定対象であるアンモニアガスに照射する。ここで、周波数変調とは、レーザ素子101eに供給するドライブ電流の波形を正弦波状に変調することである。 Here, the measurement principle of the frequency modulation type laser gas analyzer will be described with reference to the principle diagram of the frequency modulation type of the laser type gas analyzer of FIG. As shown in the absorption spectrum of ammonia gas (NH 3 gas) in FIG. 19, since the absorption line of this ammonia gas is represented by a linear spectrum, concentration detection by a frequency modulation method is possible. Then, the laser gas analyzer of the frequency modulation scheme, center frequency f c, by frequency-modulating the output light of the laser element at the modulation frequency f m, is irradiated to the ammonia gas to be measured. Here, the frequency modulation is to modulate the waveform of the drive current supplied to the laser element 101e into a sine wave.

この周波数変調方式では、上記のように分布帰還型レーザ素子(DFBレーザ)、分布ブラッグ反射型レーザ(DBRレーザ)、または、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)を用いて単一波長のレーザ光のみを出射しガス濃度を測定する。この場合、レーザ素子が発光するスペクトラム線幅が測定対象ガスの吸収線幅よりも小さいため、レーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせる必要がある。そこでレーザ素子の温度制御や電流制御を行って発光波長の制御を行う。   In this frequency modulation method, a single-wavelength laser beam using a distributed feedback laser element (DFB laser), a distributed Bragg reflection laser (DBR laser), or a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) as described above. Only the gas is emitted and the gas concentration is measured. In this case, since the spectral line width at which the laser element emits light is smaller than the absorption line width of the measurement target gas, it is necessary to match the emission wavelength of the laser with the absorption wavelength of the measurement target gas. Therefore, the emission wavelength is controlled by controlling the temperature and current of the laser element.

レーザ素子は、図7A、図7Bに示すようにドライブ電流や温度によって発光波長が変化する。レーザ素子は温度と電流の一定値によって、特定の波長を発光することができるため、予め設定した温度と電流値によって吸収波長にあわせることができる。そして、周波数変調を行うことにより、ドライブ電流の変調に伴って発光波長が変調されることになる。この場合に電流駆動制御により吸収波長を中心に前後の波長を走査し、また、温度制御により温度が一定値になるように制御してレーザ素子の温度変化による波長ズレを防いでいる。   As shown in FIGS. 7A and 7B, the emission wavelength of the laser element varies depending on the drive current and temperature. Since the laser element can emit a specific wavelength according to a constant value of temperature and current, it can be adjusted to the absorption wavelength according to a preset temperature and current value. By performing frequency modulation, the emission wavelength is modulated in accordance with the modulation of the drive current. In this case, the wavelength before and after the absorption wavelength is scanned by current drive control, and the temperature is controlled to be a constant value by temperature control to prevent wavelength shift due to temperature change of the laser element.

このようにレーザ素子は電流や温度で波長を変えることができるが、その波長範囲は数nmであり、測定対象ガスの吸収波長の近傍を発光するレーザ素子を使用する必要がある。このレーザ素子の波長選択性の性質から、図19に示したような全ての吸収線を測定対象にすることができず、測定に使用する吸収線は、比較的吸収強度が大きく、他ガスと吸収が重なり合わない1本または2本である。   As described above, the wavelength of the laser element can be changed depending on the current and temperature, but the wavelength range is several nm, and it is necessary to use a laser element that emits light in the vicinity of the absorption wavelength of the measurement target gas. Due to the wavelength-selective nature of this laser element, not all absorption lines as shown in FIG. 19 can be measured, and the absorption lines used for measurement have a relatively large absorption intensity and One or two absorptions do not overlap.

図6に示したように、ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ2次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、受光部では変調周波数fの2倍の周波数の信号(2倍波信号)が得られる。ここで、変調周波数fは任意の周波数で良いため、例えば、変調周波数fを数kHz程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置(DSP)または汎用のプロセッサを用いて、2倍波信号の抽出等の高度な信号処理を行うことが可能になる。 As shown in FIG. 6, since the absorption lines of the gas is almost quadratic function with respect to the modulation frequency, the absorption line plays the role of a discriminator, the light receiving portion of the double modulation frequency f m A frequency signal (second harmonic signal) is obtained. Since the modulation frequency f m good at any frequency, for example, using Selecting a modulation frequency f m to several kHz, a digital signal processing device (DSP) or general-purpose processor, extraction of the second harmonic signal It is possible to perform advanced signal processing such as.

また、受光部によりエンベロープ検波を行えば振幅変調による基本波を推定でき、この基本波の振幅と前記2倍波信号の振幅との比を位相同期させて検出することで、濃度以外に存在する同じ周波数成分の信号に影響されずに測定対象ガス濃度に比例した信号を得ることができる。   Further, if the envelope detection is performed by the light receiving unit, the fundamental wave by amplitude modulation can be estimated, and the ratio between the amplitude of the fundamental wave and the amplitude of the second harmonic signal is detected in phase synchronization, so that it exists in addition to the concentration. A signal proportional to the gas concentration to be measured can be obtained without being affected by the signal having the same frequency component.

このような原理のもと、同期検波部203bにおいて、測定対象ガスによるレーザ光の吸収が無い場合は、同期検波部203bによって2倍波信号が検出されないので、同期検波部203bの出力はほぼ直線となる(例えば図8A参照)。   Based on such a principle, when the laser beam is not absorbed by the measurement target gas in the synchronous detection unit 203b, the double detection signal is not detected by the synchronous detection unit 203b, and therefore the output of the synchronous detection unit 203b is almost linear. (See, for example, FIG. 8A).

一方、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波部203b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部203bの出力波形や図8Bのようなピーク波形になる。このピーク波形はフィルタ203dによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のCPUやDSP等である演算部203eへ出力される。演算部203eは後述する各種の処理によりアンモニアガスの有無の検出やアンモニア濃度の算出を行う。   On the other hand, when there is absorption of laser light by the measurement target gas, a double wave signal that is a signal obtained by extracting only the amplitude of the double frequency component of the modulation signal of the emitted light is detected by the synchronous detection unit 203b. The output waveform is an output waveform of the synchronous detection unit 203b shown in the rectangular frame of FIG. 4 or a peak waveform as shown in FIG. 8B. Noise is removed from the peak waveform by the filter 203d, and the peak waveform is appropriately amplified and output to the arithmetic unit 203e such as a CPU or DSP in the subsequent stage. The computing unit 203e detects the presence or absence of ammonia gas and calculates the ammonia concentration by various processes described below.

演算部203eは以下のように機能する。まず、この図8Bのピーク波形におけるAが測定対象ガスによる吸収を受けた部分(ガス吸収波形)であり、この吸収波形Aの最大値Cまたは最小値B,Dが測定対象ガスの濃度に相当する。従って、演算部203eでは、この図8Bに示される同期検波部203bの出力であるガス吸収波形Aを用いて、測定対象ガスの濃度に相当する波形のピーク値を測定するか、ガス吸収波形Aの最大値Cまたは最小値B,Dの振幅差を測定して、測定対象ガスであるアンモニアガスの濃度を検出する手段として機能する。または、ガス吸収波形Aの一部または全部を積分して、その積分値から測定対象であるアンモニアガスの濃度を検出する手段として機能する。また、ガス濃度が所定値より低い場合にアンモニアガスがないと判断する手段として機能する。   The calculation unit 203e functions as follows. First, A in the peak waveform of FIG. 8B is a portion (gas absorption waveform) that has been absorbed by the measurement target gas, and the maximum value C or minimum value B, D of this absorption waveform A corresponds to the concentration of the measurement target gas. To do. Therefore, the calculation unit 203e measures the peak value of the waveform corresponding to the concentration of the measurement target gas using the gas absorption waveform A that is the output of the synchronous detection unit 203b shown in FIG. It functions as a means for measuring the amplitude difference between the maximum value C or the minimum values B and D and detecting the concentration of ammonia gas that is the measurement target gas. Alternatively, it functions as means for integrating a part or all of the gas absorption waveform A and detecting the concentration of ammonia gas as a measurement object from the integrated value. Also, it functions as means for determining that there is no ammonia gas when the gas concentration is lower than a predetermined value.

演算部203eには図示しない出力部が接続されている。この出力部は、演算部203eで濃度換算した値をガス温度やガス圧力の変化に応じた濃度値に補正する補正部と、補正部で補正した濃度値をディスプレイ表示する表示部と、補正した濃度値をアナログ、ディジタル信号を送信する外部伝送部と、を備えている。演算部203eは出力制御をおこなって補正機能表示部で補正された濃度値が表示部でディスプレイ表示がなされる。レーザ式ガス分析計によるガス分析はこのようなものである。   An output unit (not shown) is connected to the calculation unit 203e. The output unit corrected the concentration converted value by the calculation unit 203e into a concentration value corresponding to a change in gas temperature or gas pressure, and a display unit for displaying the concentration value corrected by the correction unit on the display. And an external transmission unit for transmitting the analog density value and digital signal. The calculation unit 203e performs output control, and the density value corrected by the correction function display unit is displayed on the display unit. This is the case of gas analysis using a laser gas analyzer.

続いて、このようなレーザ式ガス分析計による波長ズレの自動補正について説明する。このような補正は演算部203eが行うものである。まず、前提として演算部203eは、予め特定濃度の基準ガスを壁601a,601b内に流し、そのときに得られた波形を登録している。例えば、図8Bの信号Sbで示すような波形であり、特に波形のピークである最大値C、最小値B,Dを図示しないメモリ部に記憶させている。また、信号Saのたち下がり部を基準として最大値C、最小値B,Dが現れる時間も登録しておく。この際、波形は波長ズレを検知できる十分大きな出力波形となる濃度の基準ガスとしており、波長位置を把握しやすいように配慮している。また、基準ガスとは、所定濃度のアンモニアガスである。この基準は装置立ち上げ時や工場出荷時に取得するようにしても良い。   Next, automatic correction of wavelength shift using such a laser gas analyzer will be described. Such correction is performed by the calculation unit 203e. First, as a premise, the calculation unit 203e flows a reference gas having a specific concentration in the walls 601a and 601b in advance, and registers the waveform obtained at that time. For example, the waveform is as shown by the signal Sb in FIG. 8B, and the maximum value C and the minimum values B and D, which are the peaks of the waveform, are stored in a memory unit (not shown). Also, the time at which the maximum value C and the minimum values B and D appear is registered with reference to the falling portion of the signal Sa. At this time, the waveform is used as a reference gas having a concentration that provides a sufficiently large output waveform capable of detecting the wavelength shift, so that the wavelength position can be easily grasped. The reference gas is ammonia gas having a predetermined concentration. This reference may be acquired when the apparatus is started up or at the time of factory shipment.

そして、所定期間(例えば6ヶ月)経過して行われる定期検診時に、演算部203eは、上記の基準ガスと同じガスである測定対象ガスを壁601a,601b内に流して比較する。まず、サンプリングによりデジタルデータとして取得した波形データから波形のピークである一個の最大値や二個の最小値、そして信号Saのたち下がり部を基準として最大値、最小値が現れる時間とを記憶する。   Then, at the time of a regular medical examination performed after a predetermined period (for example, 6 months), the calculation unit 203e compares the measurement target gas, which is the same gas as the reference gas, through the walls 601a and 601b. First, one maximum value and two minimum values, which are waveform peaks, are stored from waveform data acquired as digital data by sampling, and the time at which the maximum value and minimum value appear with reference to the falling portion of the signal Sa is stored. .

そして、図4の四角形の枠内で示すように予め取得した特定濃度の基準ガスと比較してピークの出現時間が短くなって時間軸上で左側へズレが生じている場合には、そのズレ量を上記の出力部の表示部に表示させ、作業員はこのズレ量を確認する。また演算部203eは、通信線500を介して温度制御手段の温度制御部101dを制御して設定温度を変更する。演算部203eは時間ズレが小さくなるように温度制御部101dの設定温度を変更し、先の測定対象ガスを検出して同様の比較を行い、以下同様の制御を繰り返し行い、最終的に時間ズレが0となる温度を新たに設定温度として温度制御部101dに登録させ、以下この設定温度を維持するように温度制御部101dが制御する。   If the peak appearance time is shorter than the reference gas having a specific concentration acquired in advance as shown in the rectangular frame in FIG. 4 and the shift to the left on the time axis occurs, the shift occurs. The amount is displayed on the display unit of the output unit, and the worker confirms the amount of deviation. Further, the calculation unit 203e changes the set temperature by controlling the temperature control unit 101d of the temperature control unit via the communication line 500. The calculation unit 203e changes the set temperature of the temperature control unit 101d so as to reduce the time deviation, detects the previous measurement target gas, performs the same comparison, repeats the same control, and finally performs the time deviation. The temperature control unit 101d controls the temperature control unit 101d to newly register the temperature at which 0 becomes 0 as the set temperature in the temperature control unit 101d.

このように波長ズレが起きている場合は、レーザ素子の温度を制御して初期の出力波形位置になるように自動調整が行われる。従来では所定期間(例えば6ヶ月)毎の定期検診時に手動で行われていたが、本発明では自動調整を行えるようにして保守性を向上させており、優れている。また、塩化水素ガス用のレーザ素子についても同様の手法で補正が行われる。なお、波長ズレを検出するには測定対象ガスに限定する趣旨ではなく、例えば、基準ガスと同じで濃度が異なる校正用ガスを用いて検出する場合でも、ピークが出現する位置が左側へズレが生じていることが検出できるため、このような時に温度制御を行うようにしても良い。   When the wavelength shift occurs in this way, automatic adjustment is performed so that the temperature of the laser element is controlled and the initial output waveform position is obtained. Conventionally, it has been performed manually at regular checkups every predetermined period (for example, 6 months). However, the present invention is excellent in that maintainability is improved by enabling automatic adjustment. Further, correction is performed by the same method for the laser element for hydrogen chloride gas. The detection of the wavelength shift is not limited to the measurement target gas. For example, even when detection is performed using a calibration gas having the same concentration and different concentration as the reference gas, the position where the peak appears shifts to the left. Since the occurrence can be detected, temperature control may be performed at such time.

以上本実施形態について説明した。従来技術では、レーザ式ガス分析計に使用しているレーザ素子は長時間使用すると同じ電流、同じ温度で制御していても波長が短波長側へシフトする。波長変化が生じた場合、元の状態になるように、温度などで制御しないと濃度誤差を生じる。そして大気中に存在しないガスの場合には、参照セルなどを装置内部に内蔵し、波長補正を行う構造にしているが、吸着性が強いガスなどはセル内にガスを封止することが難しい。参照セルを使えない場合は、定期的なメンテナンス時にズレの補正をする必要がある。そこで、定期的なメンテナンス時に調整用装置等を用いて保守作業員が波長調整をしたり、参照ガスセルを使用して自動補正するなどが行われてきた。   The present embodiment has been described above. In the prior art, the laser element used in the laser gas analyzer shifts to the short wavelength side even if it is controlled at the same current and the same temperature when used for a long time. When a wavelength change occurs, a density error occurs unless it is controlled by temperature or the like so that the original state is obtained. In the case of a gas that does not exist in the atmosphere, a reference cell or the like is built in the apparatus and the wavelength is corrected. However, it is difficult to seal the gas in the cell if the gas has strong adsorptivity. . If the reference cell cannot be used, it is necessary to correct the deviation during regular maintenance. Therefore, maintenance workers have performed wavelength adjustment using an adjustment device or the like during regular maintenance, and automatic correction has been performed using a reference gas cell.

しかしながら、本発明によれば、特に大気中に存在しない、または大気中に微量にしか存在しないような測定対象ガス、例えば塩化水素ガスやアンモニアガスを測定するレーザ式ガス分析計であって、測定対象ガスを封止した参照ガスセルを内蔵しない構造でも、レーザ素子の劣化による波長ズレによる測定誤差の補正を一定値以上の測定対象ガスの吸収波形から波長ズレ幅を測定して吸収波形から波長ズレを検知し、レーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更して波長を修正し、レーザの劣化による波長変動が原因で濃度値に影響が及ぶ問題を自動で波長補正して解決することで、長期安定性を有するレーザ式ガス分析計を提供することができる。また、人による長時間の調整が不要になり、かつ、参照セルなどの部品も不要として大幅なコスト削減が可能である。また。波長ズレがなくなることにより、測定誤差が殆ど生じなくなるレーザ式ガス分析計とすることができる。   However, according to the present invention, there is provided a laser gas analyzer for measuring a gas to be measured that does not exist in the atmosphere or exists only in a minute amount in the atmosphere, for example, hydrogen chloride gas or ammonia gas. Even in a structure without a reference gas cell sealed with the target gas, correction of measurement error due to wavelength shift due to degradation of the laser element can be made by measuring the wavelength shift width from the absorption waveform of the measurement target gas above a certain value and then measuring the wavelength shift from the absorption waveform. The temperature is corrected by changing the set temperature of the thermo module that controls the temperature of the laser element, and the wavelength that is affected by the wavelength fluctuation due to laser degradation is automatically corrected. By solving the problem, a laser gas analyzer having long-term stability can be provided. Further, long-time adjustment by a person is not necessary, and parts such as a reference cell are not necessary, so that cost can be greatly reduced. Also. By eliminating the wavelength shift, a laser gas analyzer can be obtained in which measurement errors hardly occur.

続いて本発明の第2形態について図を参照しつつ説明する。先の第1形態と比較すると、本形態では、基本的に図1と同じ構成を有するものであるが、詳しくは、図9で示すように、レーザ光源部101’の波長走査駆動信号発生部101aから波長走査駆動信号のうちのトリガ信号S4(図11参照)が抽出されて出力され、また、図10で示すように、I/V変換部203aからの演算部203eへの出力を無くすとともに、信号処理部203’の演算部203eがこのトリガ信号S4を入力し、トリガ信号S4(図11参照)を用いて同期を取る点が相違する。なお、図9の発光部100のレーザ光源部101’と、図10の受光部200の信号処理部203’と、は、図2のレーザ光源部101と図5の信号処理部203と比較すると同一の構成を有するが、I/V変換部出力に代えてトリガ信号S4を入出力し、演算部203eがこのトリガ信号S4に基づいて演算処理する点が相違するものであり、他の構成については同じ符号を付すとともに重複する説明を省略し、相違点のみを説明するものである。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Compared with the previous first embodiment, this embodiment basically has the same configuration as that of FIG. 1, but more specifically, as shown in FIG. 9, the wavelength scanning drive signal generation section of the laser light source section 101 ′. The trigger signal S4 (see FIG. 11) of the wavelength scanning drive signal is extracted from 101a and output, and as shown in FIG. 10, the output from the I / V conversion unit 203a to the calculation unit 203e is eliminated. The operation unit 203e of the signal processing unit 203 ′ receives the trigger signal S4 and is synchronized using the trigger signal S4 (see FIG. 11). The laser light source unit 101 ′ of the light emitting unit 100 in FIG. 9 and the signal processing unit 203 ′ of the light receiving unit 200 in FIG. 10 are compared with the laser light source unit 101 in FIG. 2 and the signal processing unit 203 in FIG. Although it has the same configuration, it is different in that the trigger signal S4 is input / output instead of the output of the I / V conversion unit, and the calculation unit 203e performs calculation processing based on the trigger signal S4. Are given the same reference numerals and redundant descriptions are omitted, and only the differences are described.

図11は、上記トリガ信号S4を説明するための図である。演算部203eに、波長走査駆動信号発生部101aからトリガ信号S4が入力される。図示するように、トリガ信号S4は、上記S1,S2,S3を含めた波長走査駆動信号の1周期に同期して波長走査駆動信号発生部101aから出力されるパルス状の信号である。このトリガ信号S4は、例えば、レーザ素子101eの駆動電流をゼロにするような波長走査駆動信号のタイミング(信号S3の発生タイミング)に同期して発生させればよい。波長走査駆動信号発生部101aよりトリガ信号S4が出力され、通信線500を介して、演算回路203eへ入力される。   FIG. 11 is a diagram for explaining the trigger signal S4. The trigger signal S4 is input from the wavelength scanning drive signal generation unit 101a to the calculation unit 203e. As shown in the figure, the trigger signal S4 is a pulse-like signal output from the wavelength scanning drive signal generation unit 101a in synchronization with one period of the wavelength scanning driving signal including S1, S2, and S3. For example, the trigger signal S4 may be generated in synchronization with the timing of the wavelength scanning drive signal (the generation timing of the signal S3) that makes the drive current of the laser element 101e zero. A trigger signal S4 is output from the wavelength scanning drive signal generation unit 101a and input to the arithmetic circuit 203e via the communication line 500.

続いて本形態の信号処理部203の演算部203eによる酸素ガスの濃度算出方法について説明する。図9で示すように、レーザ光源部101では、波長走査駆動信号S1の中心部分で測定対象ガスを測定できるように、温度制御部101dによりペルチェ素子101gの通電を制御してレーザ素子101eの温度を調整する。レーザ素子101eを駆動し、測定対象ガスが存在する壁601a,601bの内部空間にレーザ光を出射する。   Next, a method for calculating the concentration of oxygen gas by the calculation unit 203e of the signal processing unit 203 of this embodiment will be described. As shown in FIG. 9, in the laser light source unit 101, the temperature control unit 101d controls energization of the Peltier element 101g so that the measurement target gas can be measured at the central portion of the wavelength scanning drive signal S1, and the temperature of the laser element 101e. Adjust. The laser element 101e is driven to emit laser light into the internal space of the walls 601a and 601b where the measurement target gas exists.

レーザ光は、集光部201により集光され、この集光した光を受光素子202へ入射させる。測定対象ガスとしてアンモニアガスを測定する。この受光素子202は、受光量に応じて、電気信号による検出信号に変換して信号処理部203に送る。これら信号処理部203は、例えば、検出信号に対して増幅やノイズのフィルタリングを行い、濃度を検出する。信号処理部203において、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がない場合は、図12Aで示すように、同期検波部203bによって2倍周波数信号が検出されないため、同期検波部203bの出力はほぼ直線となる。   The laser beam is condensed by the condensing unit 201 and the collected light is incident on the light receiving element 202. Ammonia gas is measured as a measurement target gas. The light receiving element 202 converts it into a detection signal based on an electric signal according to the amount of received light and sends it to the signal processing unit 203. For example, the signal processing unit 203 performs amplification or noise filtering on the detection signal to detect the density. In the signal processing unit 203, when the laser light is not absorbed by the measurement target gas, as shown in FIG. 12A, the double frequency signal is not detected by the synchronous detection unit 203b. Therefore, the output of the synchronous detection unit 203b is almost linear. Become.

一方で、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波部203bによって2倍周波数信号が検出される。図12Bは、同期検波部203bの出力信号SbをI/V変換部203aの出力信号Saと併せて示した波形図である。図12Bにおいて、点線で囲んだ部分がガス吸収波形Aである。   On the other hand, when there is absorption of laser light by the measurement target gas, the double frequency signal is detected by the synchronous detection unit 203b. FIG. 12B is a waveform diagram showing the output signal Sb of the synchronous detection unit 203b together with the output signal Sa of the I / V conversion unit 203a. In FIG. 12B, the portion surrounded by the dotted line is the gas absorption waveform A.

ここで、何らかの原因によって同期検波部203bの出力信号Sbにオフセットがある場合、図13に示すように、本来の出力信号Sbではなくオフセット分が加算された信号Sbが現れる。その結果、図12Bにおけるガス吸収波形Aの最大値または最小値、あるいは波形の積分値による検出では誤差が生じてしまい、ガス濃度を正確に検出できないおそれがある。そこで、本形態では、ガス濃度を更に高精度かつ安定的に検出するために、以下のような方法を用いることとした。 Here, when there is an offset in the output signal Sb of the synchronous detection portion 203b by some cause, as shown in FIG. 13, offset is not the original output signal Sb 0 signal Sb 1 appears added. As a result, an error occurs in the detection based on the maximum or minimum value of the gas absorption waveform A in FIG. 12B or the integral value of the waveform, and the gas concentration may not be detected accurately. Therefore, in this embodiment, the following method is used in order to detect the gas concentration with higher accuracy and stability.

前述したように、測定対象ガスが存在しない図12Aで示すような場合は、同期検波部203bにより2倍周波数信号は検出されず、同期検波部203bの出力はほぼ直線となる。しかし、様々なノイズが存在するので、仮に測定対象ガスが存在しない場合でも、図12Aに示すように、同期検波部203bの出力信号Sbは少しの凹凸のある波形となる。このような波形の場合、単純に波形の最大値や最小値のみを検出する方法ではノイズによる凹凸部分をガス吸収波形として誤認し、最大値や最小値を誤って検出するおそれがある。また、波形の積分値を求める場合にも、同様に誤検出する可能性がある。特に、測定対象ガスが低濃度である場合には、上記凹凸部分がガス濃度検出時の大きな誤差要因となる。   As described above, in the case shown in FIG. 12A where the measurement target gas does not exist, the double frequency signal is not detected by the synchronous detection unit 203b, and the output of the synchronous detection unit 203b is almost a straight line. However, since various noises exist, even if the measurement target gas does not exist, the output signal Sb of the synchronous detection unit 203b has a slightly uneven waveform as shown in FIG. 12A. In the case of such a waveform, in a method of simply detecting only the maximum value or the minimum value of the waveform, there is a possibility that the uneven portion due to noise is misidentified as a gas absorption waveform and the maximum value or the minimum value is erroneously detected. Similarly, when an integral value of a waveform is obtained, there is a possibility of erroneous detection. In particular, when the measurement target gas has a low concentration, the uneven portion becomes a large error factor when detecting the gas concentration.

このため、本形態では、ノイズによる凹凸部分をガス吸収波形として誤認しないように、図12Bで示すような、波長走査駆動信号発生部204aから出力されるトリガ信号S4を用いて、ガス吸収波形の最大値または最小値が存在するべき位置を特定する。トリガ信号S4は、波長走査駆動信号の一周期に同期し特に波長走査駆動信号のS3と同期がとれている。このトリガ信号S4と同期検波部203bの出力信号Sbとの間には一定の時間的な相関関係がある。   For this reason, in this embodiment, in order not to misidentify the uneven portion due to noise as a gas absorption waveform, the trigger signal S4 output from the wavelength scanning drive signal generator 204a as shown in FIG. Identifies the position where the maximum or minimum value should be. The trigger signal S4 is synchronized with one cycle of the wavelength scanning drive signal, and is particularly synchronized with S3 of the wavelength scanning drive signal. There is a certain temporal correlation between the trigger signal S4 and the output signal Sb of the synchronous detector 203b.

つまり、測定対象ガスが存在する場合に、トリガ信号S4のタイミングに対して図12A,図12Bのガス吸収波形Aや最大値C、最小値B,Dが発生するタイミングは、予めほぼ正確に検出可能である。そこで、トリガ信号から所定時間tb,tc,td経過したときに同期検波部出力波形でB点の最小値B、C点の最大値C、D点の最小値Dが登場するものとして計測を行う。これら所定時間tb,tc,tdは工場出荷前や校正時に実験的に予め算出しておいて、図示しないメモリに登録しておく。この値を用いて濃度を算出する。   That is, when the measurement target gas exists, the timing at which the gas absorption waveform A, the maximum value C, and the minimum values B and D in FIGS. 12A and 12B are generated with respect to the timing of the trigger signal S4 is detected almost accurately in advance. Is possible. Therefore, measurement is performed on the assumption that the minimum value B at point B, the maximum value C at point C, and the minimum value D at point D appear in the synchronous detector output waveform when a predetermined time tb, tc, td has elapsed from the trigger signal. . These predetermined times tb, tc, and td are preliminarily calculated experimentally before factory shipment or at the time of calibration, and are registered in a memory (not shown). The concentration is calculated using this value.

そして、ガス濃度の測定時には、波長走査駆動信号発生部204aから受信したトリガ信号S4を基準として、最大値C及び最小値B,Dが発生するべきタイミング所定時間tb,tc,tdにおける同期検波部203bの出力信号Sb(フィルタ203dの出力信号)から最大値及び最小値を測定する。   When measuring the gas concentration, the synchronous detector at the predetermined times tb, tc and td at which the maximum value C and the minimum values B and D should be generated with reference to the trigger signal S4 received from the wavelength scanning drive signal generator 204a. The maximum value and the minimum value are measured from the output signal Sb of 203b (the output signal of the filter 203d).

これにより、測定対象ガスの濃度が限りなく0に近いような低濃度の場合にも、演算部203eは、トリガ信号S4に基づいてガス吸収波形Aや最大値C及び最小値B,Dを検出する手段として機能する。演算部203eは、これら値を正確に検出し、測定することができる。従って、ノイズによる波形の凹凸部分に影響されることなく、ガス濃度の演算を高精度に行うことが可能である。   As a result, even when the concentration of the measurement target gas is as low as possible, the calculation unit 203e detects the gas absorption waveform A, the maximum value C, and the minimum values B and D based on the trigger signal S4. Functions as a means to The calculation unit 203e can accurately detect and measure these values. Therefore, the gas concentration can be calculated with high accuracy without being affected by the uneven portions of the waveform due to noise.

そして演算部203eとしては、トリガ信号から所定時間tb,tc,td経過するときに同期検波部出力波形の値を読みとって記憶し、その後に濃度を算出する手段として機能する。この同期検波部出力波形はその波形のピークにある最大値がそのままガス濃度を表すため、例えば、最大値を濃度として出力する。または最大値から最小値を減じた差分値を濃度とするというものである。これらABCDを用いて濃度を計測する。図10の演算部203eは、図12Aに示したガス吸収波形Aにおいて、最大値Cとその前後の最小値B,Dとを検出し、以下の数1または数2によってガス濃度を演算する手段として機能する。   The calculation unit 203e functions as a means for reading and storing the value of the synchronous detection unit output waveform when a predetermined time tb, tc, td elapses from the trigger signal, and thereafter calculating the concentration. For example, the maximum value at the peak of the waveform directly represents the gas concentration, so that the maximum value is output as the concentration. Alternatively, the difference value obtained by subtracting the minimum value from the maximum value is used as the density. The concentration is measured using these ABCD. The calculation unit 203e in FIG. 10 detects a maximum value C and minimum values B and D before and after the gas absorption waveform A shown in FIG. 12A, and calculates the gas concentration by the following formula 1 or formula 2. Function as.

[数1]
ガス濃度=α×|B−C|
[Equation 1]
Gas concentration = α × | BC

[数2]
ガス濃度=α×|C−D|
[Equation 2]
Gas concentration = α × | C−D |

なお、数1、数2においては、αはガス濃度変換係数である。ガス濃度変換係数αは、測定対象ガス成分の濃度が既知であるガスで予め校正することによって決定される。たとえば、測定対象ガス成分の濃度が0ppmのゼロガスと、測定対象ガス成分の濃度が所望の測定レンジの最大濃度であるスパンガスと、を測定し、ゼロガス、スパンガスの実測値を第一校正点、第二校正点とし、その2点を結ぶ直線を基準検量線とする。該基準検量線の傾きをガス濃度変換係数αとする。ガス濃度はこのようにして算出される。また、図12Aで示すような同期検波部出力の場合には酸素ガス濃度が所定値以下となり、測定対象ガス(アンモニアガス)がないと判定される。演算部203eはこのような処理を行う手段として機能する。   In Equations 1 and 2, α is a gas concentration conversion coefficient. The gas concentration conversion coefficient α is determined by calibrating in advance with a gas whose concentration of the gas component to be measured is known. For example, the zero gas with the concentration of the measurement target gas component of 0 ppm and the span gas with the concentration of the measurement target gas component being the maximum concentration in the desired measurement range are measured, and the measured values of the zero gas and the span gas are measured as the first calibration point, Two calibration points are set, and a straight line connecting the two points is set as a reference calibration curve. The slope of the reference calibration curve is defined as a gas concentration conversion coefficient α. The gas concentration is calculated in this way. Further, in the case of the synchronous detection unit output as shown in FIG. 12A, it is determined that the oxygen gas concentration is not more than a predetermined value and there is no measurement target gas (ammonia gas). The calculation unit 203e functions as means for performing such processing.

このように、単にガス吸収波形の最大値や最小値、あるいは積分値だけを検出する場合に比べ、トリガ信号の同期によりピーク位置を正確に検出できるようにしたため、やはり低濃度のガスの検出能力を向上させた。特にアンモニアガスは濃度が低いことが多いため、上記構成を採用すれば計測精度をより高めることができる。   In this way, the peak position can be accurately detected by synchronizing the trigger signal compared to the case where only the maximum value, minimum value, or integral value of the gas absorption waveform is detected. Improved. In particular, since ammonia gas often has a low concentration, the measurement accuracy can be further improved by adopting the above configuration.

また、低損失であるためピークが確実に表れるようにしてやはり低濃度のアンモニアガスの検出能力を向上させた。
また、特に、レーザ素子の駆動電流をゼロにするような波長走査駆動信号のタイミングに同期させており、同期信号を判別できる。
In addition, since the loss is low, the peak can be surely displayed, and the detection ability of low concentration ammonia gas is improved.
In particular, it is synchronized with the timing of the wavelength scanning drive signal that makes the drive current of the laser element zero, and the synchronization signal can be discriminated.

また、特にガス濃度が低くなると、光学窓材料やレンズなどによるレーザ光の干渉による影響のノイズの影響が強くなり、これらのノイズがピークとなって検出されてしまうなど、ピークの発見が困難であるが、本発明ではこのようにガス吸収が発生する部分をあらかじめ設定しトリガ信号を基準にガス吸収のピークを検出するようにしたため、ノイズ等に影響されることなく正確なガス濃度検出ができるという利点がある。   In particular, when the gas concentration is low, the effects of noise caused by interference of laser light from optical window materials and lenses, etc., become stronger, and these noises are detected as peaks, making it difficult to find peaks. However, in the present invention, since the portion where gas absorption occurs is set in advance and the gas absorption peak is detected based on the trigger signal, accurate gas concentration detection can be performed without being affected by noise or the like. There is an advantage.

続いて、このようなレーザ式ガス分析計による波長ズレの自動補正について説明する。このような補正は演算部203eが行うものである。まず、前提として演算部203eは、予め特定濃度の基準ガスを壁601a,601b内に流し、そのときに得られた波形を登録している。例えば、図8Bの信号Sbで示すような波形であり、特に波形のピークである最大値C、最小値B,Dを演算部203eの図示しないメモリ部に記憶させている。また、トリガ信号S4を基準として最大値C、最小値B,Dが現れる時間tc,tb,tdも登録しておく。この際、波形は波長ズレを検知できる十分大きな出力波形となる濃度の基準ガスとしており、波長位置を把握しやすいように配慮している。また、基準ガスとは、所定濃度のアンモニアガスである。この基準は装置立ち上げ時や工場出荷時に取得するようにしても良い。   Next, automatic correction of wavelength shift using such a laser gas analyzer will be described. Such correction is performed by the calculation unit 203e. First, as a premise, the calculation unit 203e flows a reference gas having a specific concentration in the walls 601a and 601b in advance, and registers the waveform obtained at that time. For example, the waveform is as shown by the signal Sb in FIG. 8B, and in particular, the maximum value C and the minimum values B and D, which are the peaks of the waveform, are stored in a memory unit (not shown) of the calculation unit 203e. In addition, the times tc, tb, and td at which the maximum value C and the minimum values B and D appear with the trigger signal S4 as a reference are also registered. At this time, the waveform is used as a reference gas having a concentration that provides a sufficiently large output waveform capable of detecting the wavelength shift, so that the wavelength position can be easily grasped. The reference gas is ammonia gas having a predetermined concentration. This reference may be acquired when the apparatus is started up or at the time of factory shipment.

そして、所定期間(例えば6ヶ月)経過して行われる定期検診時に、演算部203eは、上記基準ガスと同じガスである測定対象ガスを壁601a,601b内に流して比較する。まず、サンプリングによりデジタルデータとして取得した波形データから波形のピークである一個の最大値や二個の最小値、そしてトリガ信号S4を基準として最大値、最小値が現れる時間とを記憶する。   Then, at the time of a regular medical examination performed after a predetermined period (for example, 6 months), the calculation unit 203e compares the measurement target gas, which is the same gas as the reference gas, through the walls 601a and 601b. First, one maximum value and two minimum values, which are waveform peaks, are stored from waveform data acquired as digital data by sampling, and the time at which the maximum value and minimum value appear with reference to the trigger signal S4 is stored.

そして、図4の四角形の枠内で示すように予め特定濃度の基準ガスと比較して、トリガ信号S4を基準とするピークの出現時間が短くなって時間軸上で左側へズレが生じている場合には、そのズレ量を上記の出力部の表示部に表示させ、作業員はこのズレ量を確認する。また演算部203eは、通信線500を介して温度制御手段の温度制御部101dを制御して設定温度を変更する。演算部203eは時間ズレが小さくなるように温度制御部101dの設定温度を変更し、先の測定対象ガスを検出して同様の比較を行い、以下同様の制御を繰り返し行い、最終的に時間ズレが0となる温度を新たに設定温度として温度制御部101dに登録させ、以下この設定温度を維持するように温度制御部101dが制御する。   Then, as shown in the rectangular frame in FIG. 4, the peak appearance time with reference to the trigger signal S4 is shortened compared to the reference gas having a specific concentration in advance, resulting in a shift to the left on the time axis. In this case, the amount of deviation is displayed on the display unit of the output unit, and the worker confirms the amount of deviation. Further, the calculation unit 203e changes the set temperature by controlling the temperature control unit 101d of the temperature control unit via the communication line 500. The calculation unit 203e changes the set temperature of the temperature control unit 101d so as to reduce the time deviation, detects the previous measurement target gas, performs the same comparison, repeats the same control, and finally performs the time deviation. The temperature control unit 101d controls the temperature control unit 101d to newly register the temperature at which 0 becomes 0 as the set temperature in the temperature control unit 101d.

このように波長ズレが起きている場合は、レーザ素子の温度を制御して初期の出力波形位置になるように自動調整が行われる。また、塩化水素ガス用のレーザ素子についても同様の手法で補正が行われる。従来では所定期間(例えば6ヶ月)毎の定期検診時に手動で行われていたが、本発明では自動調整を行えるようにして保守性を向上させており、優れている。なお、波長ズレを検出するには測定対象ガスに限定する趣旨ではなく、例えば、基準ガスと同じで濃度が異なる校正用ガスを用いて検出する場合でも、ピークが出現する位置が左側へズレが生じていることが検出できるため、このような時に温度制御を行うようにしても良い。   When the wavelength shift occurs in this way, automatic adjustment is performed so that the temperature of the laser element is controlled and the initial output waveform position is obtained. Further, correction is performed by the same method for the laser element for hydrogen chloride gas. Conventionally, it has been performed manually at regular checkups every predetermined period (for example, 6 months). However, the present invention is excellent in that maintainability is improved by enabling automatic adjustment. The detection of the wavelength shift is not limited to the measurement target gas. For example, even when detection is performed using a calibration gas having the same concentration and different concentration as the reference gas, the position where the peak appears shifts to the left. Since the occurrence can be detected, temperature control may be performed at such time.

本発明によれば、特に大気中に微量が存在する、または、大気中に存在しないような測定対象ガス、例えば塩化水素ガスやアンモニアガスを測定するレーザ式ガス分析計において、測定対象ガスを封止した参照ガスセルを内蔵しない構造でも、レーザ素子の劣化による波長ズレによる測定誤差の補正を一定値以上の測定対象ガスの吸収波形から波長ズレ幅を測定し吸収波形から波長ズレを検知し、レーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更し波長を修正し、レーザの劣化による波長変動が原因で濃度値に影響が及ぶ問題を自動で波長補正し解決することで、長期安定性を有するレーザ式ガス分析計を提供することができる。特にトリガ信号を基準とするため波長ズレをより正確に検出することができる。また、人による長時間の調整が不要になり、かつ、参照セルなどの部品も不要として大幅なコスト削減が可能である。また。波長ズレがなくなることにより、測定誤差が殆ど生じなくなるレーザ式ガス分析計とすることができる。   According to the present invention, a measurement target gas is sealed in a laser gas analyzer that measures a measurement target gas, such as hydrogen chloride gas or ammonia gas, that is present in a minute amount or not present in the atmosphere. Even if the reference gas cell is not built in, the measurement error correction due to wavelength deviation due to laser element degradation is corrected by measuring the wavelength deviation width from the absorption waveform of the gas to be measured above a certain value and detecting the wavelength deviation from the absorption waveform. Long-term stability by changing the set temperature of the thermo module that controls the temperature of the element, correcting the wavelength, and automatically correcting and solving the problem that affects the concentration value due to wavelength fluctuation due to laser degradation A laser gas analyzer having the characteristics can be provided. In particular, since the trigger signal is used as a reference, the wavelength shift can be detected more accurately. Further, long-time adjustment by a person is not necessary, and parts such as a reference cell are not necessary, so that cost can be greatly reduced. Also. By eliminating the wavelength shift, a laser gas analyzer can be obtained in which measurement errors hardly occur.

続いて本発明の第3形態について図を参照しつつ説明する。先の第1形態と比較すると、本形態では、全体構成として図1のレーザ式ガス分析計と同様の構造を有し、また、発光部100に関しては図2のレーザ光源部と同一の構成を有しているが、受光部200に関しては図14の受光部200の信号処理部203”において、I/V変換部203aと演算部203eとに接続される抽出部203fをさらに備え、この抽出部203fで抽出された受光光量レベルを信号処理部203の演算部203eを入力し、受光光量レベルを参照値として得る点が相違する。なお、図1、図2,図5と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Compared to the previous first embodiment, this embodiment has the same structure as the laser gas analyzer of FIG. 1 as an overall configuration, and the light emitting unit 100 has the same configuration as the laser light source unit of FIG. However, with respect to the light receiving unit 200, the signal processing unit 203 ″ of the light receiving unit 200 in FIG. 14 further includes an extraction unit 203f connected to the I / V conversion unit 203a and the calculation unit 203e. The difference is that the received light amount level extracted in 203f is input to the arithmetic unit 203e of the signal processing unit 203 and the received light amount level is obtained as a reference value, with the same components as in FIGS. Are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted. In the following description, different parts will be mainly described.

図14において、受光素子202の出力は電流信号であり、この電流信号はI/V変換部203aにより電圧信号に変換される。この電圧信号を受光信号と呼ぶものとし、その波形の一例を図15A、図15Bに示す。図15Aは、測定環境にダストがない清浄な空間における受光信号波形であり、図15Bは、ダストが存在する空間における受光信号波形である。これらの図から明らかなように、ダストが存在する場合にはレーザ光が遮られるため、受光光量(受光信号レベル)が低下している。   In FIG. 14, the output of the light receiving element 202 is a current signal, and this current signal is converted into a voltage signal by the I / V conversion unit 203a. This voltage signal is called a light reception signal, and an example of the waveform is shown in FIGS. 15A and 15B. FIG. 15A is a light reception signal waveform in a clean space where there is no dust in the measurement environment, and FIG. 15B is a light reception signal waveform in a space where dust exists. As is apparent from these drawings, the amount of received light (received light signal level) decreases because the laser beam is blocked when dust is present.

前述したように、同期検波部203bにより、出射光の変調信号の2倍周波数成分である2倍波信号の振幅のみが抽出される。例えば、図15A、図15Bに示した受光信号を同期検波とすると、それぞれ図16A、図16Bのような波形が得られる。
図16AにおけるAは前記同様にガス吸収波形であり、この波形の振幅w(=w)を検出することでガス濃度を測定することができる。
一方、ダストが存在する場合の図16Bでは、図15Bに対応して振幅w(=w)も小さくなっている。
このように、受光光量によってガス吸収波形の振幅が変動するために、特にダスト量が変動する環境では、正確なガス濃度の測定が困難である。
As described above, only the amplitude of the second harmonic signal, which is the second frequency component of the modulated signal of the emitted light, is extracted by the synchronous detection unit 203b. For example, when the received light signals shown in FIGS. 15A and 15B are synchronously detected, waveforms as shown in FIGS. 16A and 16B are obtained, respectively.
A in FIG. 16A is the same as the gas absorption waveform, it is possible to measure the gas concentration by detecting the amplitude w (= w a) of this waveform.
On the other hand, in FIG. 16B when dust is present, the amplitude w (= w b ) is also reduced corresponding to FIG. 15B.
Thus, since the amplitude of the gas absorption waveform varies depending on the amount of received light, it is difficult to accurately measure the gas concentration particularly in an environment where the amount of dust varies.

そこで、本実施形態では、図17に示すように受光光量レベルとガス吸収波形の振幅レベルとがほぼ比例関係になるように同期検波の位相調整を行い、演算部203eにおいて受光光量レベルを得るための波長走査駆動信号成分を参照してガス吸収波形の振幅を補正することにより、ダスト等が存在する環境においても正確なガス濃度の検出を可能にしたものである。   Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 17, the phase adjustment of the synchronous detection is performed so that the received light amount level and the amplitude level of the gas absorption waveform are in a substantially proportional relationship, and the received light amount level is obtained in the calculation unit 203e. By correcting the amplitude of the gas absorption waveform with reference to the wavelength scanning drive signal component, it is possible to accurately detect the gas concentration even in an environment where dust or the like is present.

すなわち、図14に示すように、I/V変換部203aから出力された受光信号を抽出部(フィルタ)203fに入力して、波長走査駆動信号成分を取り出す。そして、演算部203eにより、波長走査駆動信号成分と受光光量設定値との比を受光光量補正係数βとして算出し、フィルタ203dから出力されるガス吸収波形の振幅を、上記補正係数βにより補正するようにした。   That is, as shown in FIG. 14, the received light signal output from the I / V conversion unit 203a is input to the extraction unit (filter) 203f to extract the wavelength scanning drive signal component. Then, the calculation unit 203e calculates the ratio between the wavelength scanning drive signal component and the received light amount setting value as the received light amount correction coefficient β, and corrects the amplitude of the gas absorption waveform output from the filter 203d by the correction coefficient β. I did it.

例えば、図15A,図15Bに示した受光信号を抽出部(フィルタ)203fに入力して波長走査駆動信号成分を取り出すと、図18A、図18Bのような波形が得られる。図18Aはダストがなく受光光量が低下していない場合、図18Bはダストがあって受光光量が低下している場合である。   For example, when the received light signal shown in FIGS. 15A and 15B is input to the extraction unit (filter) 203f to extract the wavelength scanning drive signal component, waveforms as shown in FIGS. 18A and 18B are obtained. FIG. 18A shows a case where there is no dust and the amount of received light is not reduced, and FIG. 18B is a case where there is dust and the amount of received light is reduced.

図18Aのように、ある時点において、ダストがなく受光光量が最大である時の受光信号(フィルタ203fから出力される波長走査駆動信号)のレベルP(=Pmax)を、前記受光光量設定値として演算部203eに予め設定登録しておく。演算部203eは、図18Bのようにダストがある場合の受光信号レベルPを検出し、このPと同一時点のPmaxとの比を、受光光量補正係数βとして数3により演算する。 As shown in FIG. 18A, the level P (= P max ) of the received light signal (the wavelength scanning drive signal output from the filter 203f) when there is no dust and the received light amount is maximum at a certain point in time is the received light amount setting value. Is previously set and registered in the calculation unit 203e. The calculation unit 203e detects the received light signal level P when there is dust as shown in FIG. 18B, and calculates the ratio between this P and P max at the same time as the received light amount correction coefficient β by Equation 3.

[数3]
β=Pmax/P
[Equation 3]
β = P max / P

上記の補正係数βを、ガス吸収波形の振幅w(例えば図16Bのw)に乗算または除算することにより、数4に示すごとく、ダストに起因する受光光量の変動分を補正した振幅wを得ることができる。 By multiplying or dividing the correction coefficient β by the amplitude w of the gas absorption waveform (for example, w b in FIG. 16B), the amplitude w h in which the variation in the amount of received light caused by dust is corrected, as shown in Equation 4. Can be obtained.

[数4]
=w×β
[Equation 4]
w h = w × β

こうして補正されたガス吸収波形の振幅wを用いてガス濃度を測定することで、煙道のようにダスト量が多い環境で受光光量の減少が著しい場合にも、ガス濃度を正確に測定することができる。 Thus by measuring the gas concentration by using the amplitude w h of the corrected gas absorption waveform, if reduction of the amount of received light at the amount of dust is large environment as flue significant also, to accurately measure the gas concentration be able to.

このようなレーザ式ガス分析計によれば、受光部の出力信号からの前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部(フィルタ)を備え、出力信号を演算部に出力する。演算部は、抽出部(フィルタ)の出力信号と受光光量設定値(例えば、ダストがない清浄な環境で測定した場合の、受光光量が最大であるときの抽出手段の出力信号レベル)との比である受光光量補正係数を用いて、ガス吸収波形の振幅を補正するようにしている。   According to such a laser type gas analyzer, an extraction unit (filter) that extracts the component of the wavelength scanning drive signal from the output signal of the light receiving unit is provided, and the output signal is output to the arithmetic unit. The calculation unit compares the output signal of the extraction unit (filter) with the received light amount setting value (for example, the output signal level of the extraction means when the received light amount is maximum when measured in a clean environment free from dust). The amplitude of the gas absorption waveform is corrected using the received light quantity correction coefficient.

続いて、このようなレーザ式ガス分析計による波長ズレの自動補正について説明する。このような補正は演算部203eが行うものである。まず、前提として演算部203eは、予め特定濃度の基準ガスを壁601a,601b内に流し、そのときに得られた波形を登録している。例えば、図8Bの信号Sbで示すような波形であり、特に波形のピークである最大値C、最小値B,Dを演算部203eの図示しないメモリ部に記憶させている。また、抽出部203fが抽出した波長走査駆動信号の成分に含まれるトリガ信号S4を基準として最大値C、最小値B,Dが現れる時間tc,tb,tdも登録しておく。この際、波形は波長ズレを検知できる十分大きな出力波形となる濃度の基準ガスとしており、波長位置を把握しやすいように配慮している。また、基準ガスとは、所定濃度のアンモニアガスである。この基準は装置立ち上げ時や工場出荷時に取得するようにしても良い。   Next, automatic correction of wavelength shift using such a laser gas analyzer will be described. Such correction is performed by the calculation unit 203e. First, as a premise, the calculation unit 203e flows a reference gas having a specific concentration in the walls 601a and 601b in advance, and registers the waveform obtained at that time. For example, the waveform is as shown by the signal Sb in FIG. 8B, and in particular, the maximum value C and the minimum values B and D, which are the peaks of the waveform, are stored in a memory unit (not shown) of the calculation unit 203e. In addition, times tc, tb, and td at which the maximum value C and the minimum values B and D appear are registered with reference to the trigger signal S4 included in the component of the wavelength scanning drive signal extracted by the extraction unit 203f. At this time, the waveform is used as a reference gas having a concentration that provides a sufficiently large output waveform capable of detecting the wavelength shift, so that the wavelength position can be easily grasped. The reference gas is ammonia gas having a predetermined concentration. This reference may be acquired when the apparatus is started up or at the time of factory shipment.

そして、所定期間(例えば6ヶ月)経過して行われる定期検診時に、演算部203eは、上記基準ガスと同じガスである測定対象ガスを壁601a,601b内に流して比較する。まず、サンプリングによりデジタルデータとして取得した波形データから波形のピークである一個の最大値や二個の最小値、そしてトリガ信号S4を基準として最大値、最小値が現れる時間とを記憶する。このトリガ信号S4は抽出部が抽出する波長走査駆動信号の成分に含まれるものであり、同期タイミングを検出することができる。   Then, at the time of a regular medical examination performed after a predetermined period (for example, 6 months), the calculation unit 203e compares the measurement target gas, which is the same gas as the reference gas, through the walls 601a and 601b. First, one maximum value and two minimum values, which are waveform peaks, are stored from waveform data acquired as digital data by sampling, and the time at which the maximum value and minimum value appear with reference to the trigger signal S4 is stored. The trigger signal S4 is included in the component of the wavelength scanning drive signal extracted by the extraction unit, and can detect the synchronization timing.

そして、図4の四角形の枠内で示すように予め特定濃度の基準ガスと比較して、トリガ信号S4を基準とするピークの出現時間が短くなって時間軸上で左側へズレが生じている場合には、そのズレ量を上記の出力部の表示部に表示させ、作業員はこのズレ量を確認する。また演算部203eは、通信線500を介して温度制御手段の温度制御部101dを制御して設定温度を変更する。演算部203eは時間ズレが小さくなるように温度制御部101dの設定温度を変更し、先の測定対象ガスを検出して同様の比較を行い、以下同様の制御を繰り返し行い、最終的に時間ズレが0となる温度を新たに設定温度として温度制御部101dに登録させ、以下この設定温度を維持するように温度制御部101dが制御する。   Then, as shown in the rectangular frame in FIG. 4, the peak appearance time with reference to the trigger signal S4 is shortened compared to the reference gas having a specific concentration in advance, resulting in a shift to the left on the time axis. In this case, the amount of deviation is displayed on the display unit of the output unit, and the worker confirms the amount of deviation. Further, the calculation unit 203e changes the set temperature by controlling the temperature control unit 101d of the temperature control unit via the communication line 500. The calculation unit 203e changes the set temperature of the temperature control unit 101d so as to reduce the time deviation, detects the previous measurement target gas, performs the same comparison, repeats the same control, and finally performs the time deviation. The temperature control unit 101d controls the temperature control unit 101d to newly register the temperature at which 0 becomes 0 as the set temperature in the temperature control unit 101d.

このように波長ズレが起きている場合は、レーザ素子の温度を制御して初期の出力波形位置になるように自動調整が行われる。また、塩化水素ガス用のレーザ素子についても同様の手法で補正が行われる。従来では所定期間(例えば6ヶ月)毎の定期検診時に手動で行われていたが、本発明では自動調整を行えるようにして保守性を向上させており、優れている。なお、波長ズレを検出するには測定対象ガスに限定する趣旨ではなく、例えば、基準ガスと同じガスで濃度が異なる校正用ガスを用いて検出する場合でも、ピークが出現する位置が左側へズレが生じていることが検出できるため、このような時に温度制御を行うようにしても良い。 When the wavelength shift occurs in this way, automatic adjustment is performed so that the temperature of the laser element is controlled and the initial output waveform position is obtained. Further, correction is performed by the same method for the laser element for hydrogen chloride gas. Conventionally, it has been performed manually at regular checkups every predetermined period (for example, 6 months). However, the present invention is excellent in that maintainability is improved by enabling automatic adjustment. The detection of the wavelength shift is not limited to the measurement target gas. For example, even when detection is performed using a calibration gas having the same gas as the reference gas but having a different concentration, the position where the peak appears shifts to the left. Therefore, the temperature control may be performed at such time.

本発明によれば、特に大気中に微量が存在する、または、大気中に存在しないような測定対象ガス、例えばアンモニアガスを測定するレーザ式ガス分析計において、測定対象ガスを封止した参照ガスセルを内蔵しない構造でも、レーザ素子の劣化による波長ズレによる測定誤差の補正を一定値以上の測定対象ガスの吸収波形から波長ズレ幅を測定し吸収波形から波長ズレを検知し、レーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更し波長を修正し、レーザの劣化による波長変動が原因で濃度値に影響が及ぶ問題を自動で波長補正し解決することで、長期安定性を有するレーザ式ガス分析計を提供することができる。特にトリガ信号を基準とするため波長ズレを確実に検出することができる。また、人による長時間の調整が不要になり、かつ、参照セルなどの部品も不要として大幅なコスト削減が可能である。また。波長ズレがなくなることにより、測定誤差が殆ど生じなくなるレーザ式ガス分析計とすることができる。   According to the present invention, a reference gas cell in which a measurement target gas is sealed in a laser gas analyzer that measures a measurement target gas, for example, ammonia gas, in which a trace amount exists in the atmosphere or does not exist in the atmosphere. Even in a structure without a built-in, the measurement error correction due to wavelength shift due to laser element degradation is measured by measuring the wavelength shift width from the absorption waveform of the gas to be measured above a certain value, detecting the wavelength shift from the absorption waveform, and adjusting the temperature of the laser element. A laser with long-term stability by changing the set temperature of the thermo module being controlled and correcting the wavelength, and automatically correcting and solving the problem that affects the concentration value due to wavelength fluctuations due to laser degradation. A gas analyzer can be provided. In particular, since the trigger signal is used as a reference, the wavelength shift can be reliably detected. Further, long-time adjustment by a person is not necessary, and parts such as a reference cell are not necessary, so that cost can be greatly reduced. Also. By eliminating the wavelength shift, a laser gas analyzer can be obtained in which measurement errors hardly occur.

以上本発明のレーザ式ガス分析計について説明した。
これまでのレーザガス分析計では、同じ電流、温度で制御したレーザ素子でも、素子の劣化によって波長ズレは必ず発生し、大気中に存在しないガス、例えば塩化水素ガスやアンモニアガスなどの場合、参照セル内にガスを封入し、波長ズレ補正を行っていた。しかしながら、本発明によれば、参照セルを使わなくても、波長ズレを検知し、自動補正を行うため、長期的な安定性を得ることができる。またシンプルな構造を構築でき、部品点数を減らすことができるためコスト削減にもなる。
The laser type gas analyzer of the present invention has been described above.
In conventional laser gas analyzers, even with laser elements controlled at the same current and temperature, wavelength shifts are inevitably generated due to deterioration of the elements, and in the case of gases that do not exist in the atmosphere, such as hydrogen chloride gas or ammonia gas, the reference cell Gas was sealed inside and wavelength shift correction was performed. However, according to the present invention, wavelength deviation is detected and automatic correction is performed without using a reference cell, so that long-term stability can be obtained. In addition, since a simple structure can be constructed and the number of parts can be reduced, the cost can be reduced.

本発明のレーザ式ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用として最適である。その他、鉄鋼用ガス分析[高炉、転炉、熱処理炉、焼結(ペレット設備)、コークス炉]、青果貯蔵及び熟成、生化学(微生物)[発酵]、大気汚染[焼却炉、排煙脱硫・脱硝]、自動車排ガス(除テスタ)、防災[爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析]、植物育成用、化学用分析[石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント]、環境用[着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理]、理化学各種実験用などの分析計としても有用である。   The laser gas analyzer of the present invention is optimal for measuring combustion exhaust gas such as boilers and garbage incineration. In addition, gas analysis for steel [blast furnace, converter, heat treatment furnace, sintering (pellet equipment), coke oven], fruit and vegetable storage and ripening, biochemistry (microorganism) [fermentation], air pollution [incinerator, flue gas desulfurization / Denitration], automobile exhaust gas (remove tester), disaster prevention [explosive gas detection, toxic gas detection, new building material combustion gas analysis], plant growth, chemical analysis [oil refinery plant, petrochemical plant, gas generation plant], It is also useful as an analyzer for environmental [landing concentration, tunnel concentration, parking lot, building management], and various physics and chemistry experiments.

1,1’,1”:レーザ式ガス分析計
100:発光部
101,101’:レーザ光源部
101a:波長走査駆動信号発生部
101b:高周波変調信号発生部
101c:電流制御部
101d:温度制御部
101e:レーザ素子
101f:サーミスタ
101g:ペルチェ素子
101s:レーザ駆動信号発生部
102:コリメートレンズ
103:ボックスカバー
200:受光部
201:集光レンズ
202:受光素子
203,203’,203”:信号処理部
202:受光素子
203:信号処理部
203a:I/V変換部
203b:同期検波部
203c:発振器
203d:フィルタ
203e:演算部
203f:抽出部(フィルタ)
204:ボックスカバー
300:発光部側パージ部
301:パージ部本体
302:流入口
303:流出口
400:受光部側パージ部
401:パージ部本体
402:流入口
403:流出口
500:通信線
601a,601b:壁
602a,602b:相フランジ
700:検出光
1, 1 ′, 1 ″: Laser gas analyzer 100: Light emitting unit 101, 101 ′: Laser light source unit 101a: Wavelength scanning drive signal generation unit 101b: High frequency modulation signal generation unit 101c: Current control unit 101d: Temperature control unit 101e: Laser element 101f: Thermistor 101g: Peltier element 101s: Laser drive signal generation unit 102: Collimator lens 103: Box cover 200: Light receiving unit 201: Condensing lens 202: Light receiving elements 203, 203 ′, 203 ″: Signal processing unit 202: Light receiving element 203: Signal processing unit 203a: I / V conversion unit 203b: Synchronous detection unit 203c: Oscillator 203d: Filter 203e: Calculation unit 203f: Extraction unit (filter)
204: Box cover 300: Light emission unit side purge unit 301: Purge unit main body 302: Inlet 303: Outlet 400: Light receiving unit side purge unit 401: Purge unit main body 402: Inlet 403: Outlet 500: Communication line 601a, 601b: walls 602a, 602b: companion flange 700: detection light

Claims (3)

レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、測定対象ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象ガスが光を吸収する波長のレーザ光を出射するレーザ素子と、このレーザ素子をサーモモジュールにより一定温度に保つ温度制御手段と、前記レーザ素子への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記レーザ素子に対する駆動信号を生成する電流制御手段と、をそれぞれ備え、
前記受光部は、
測定対象ガスが吸光された検出光であるレーザ波長に感度を有する受光素子と、高周波変調信号の2倍周波数成分を有する参照信号を生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記2倍周波数成分である2倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波手段と、同期検波手段からの検出信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、をそれぞれ備え、
この演算手段は、
前記検出信号のガス吸収波形と予め登録した基準波形とのズレの有無を判定し、ズレがある場合にレーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更してズレをなくすように修正する、
ことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
A frequency modulation method for measuring the concentration of the measurement target gas, comprising: a light emitting unit that emits detection light by laser light; and a light receiving unit that receives detection light propagated through a space in which the measurement target gas exists. A laser gas analyzer,
The light emitting unit
A laser element that emits a laser beam having a wavelength at which the measurement target gas absorbs light, temperature control means for maintaining the laser element at a constant temperature by a thermo module, and a supply current to the laser element are changed to change the measurement target gas. Wavelength scanning drive signal generating means for generating a wavelength scanning drive signal for scanning light absorption characteristics, high frequency modulation signal generating means for generating a high frequency modulation signal, and modulating the wavelength scanning drive signal with the high frequency modulation signal, Current control means for generating a drive signal for the laser element,
The light receiving unit is
From the light receiving element sensitive to the laser wavelength that is the detection light in which the gas to be measured is absorbed, the reference signal generating means for generating the reference signal having the double frequency component of the high frequency modulation signal, and the output signal of the light receiving element Synchronous detection means for detecting the amplitude of the second harmonic signal, which is a double frequency component, and outputting a detection signal; calculation means for calculating the concentration of the gas to be measured based on the value of the detection signal from the synchronous detection means; Each with
This computing means is
It is determined whether or not there is a deviation between the gas absorption waveform of the detection signal and a reference waveform registered in advance, and if there is a deviation, the set temperature of the thermo module that controls the temperature of the laser element is changed to eliminate the deviation. To fix,
A laser gas analyzer characterized by that.
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、測定対象ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象ガスが光を吸収する波長のレーザ光を出射するレーザ素子と、このレーザ素子をサーモモジュールにより一定温度に保つ温度制御手段と、前記レーザ素子への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記レーザ素子に対する駆動信号を生成する電流制御手段と、をそれぞれ備え、
前記受光部は、
測定対象ガスが吸光された検出光であるレーザ波長に感度を有する受光素子と、高周波変調信号の2倍周波数成分を有する参照信号を生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記2倍周波数成分である2倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波手段と、発光部から入力したトリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段からの検出信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、をそれぞれ備え、
この演算手段は、
前記検出信号のガス吸収波形と基準波形とのズレの有無をトリガ信号を基準としつつ判定し、ズレがある場合にレーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更してズレをなくすように修正する、
ことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
A frequency modulation method for measuring the concentration of the measurement target gas, comprising: a light emitting unit that emits detection light by laser light; and a light receiving unit that receives detection light propagated through a space in which the measurement target gas exists. A laser gas analyzer,
The light emitting unit
A laser element that emits a laser beam having a wavelength at which the measurement target gas absorbs light, temperature control means for maintaining the laser element at a constant temperature by a thermo module, and a supply current to the laser element are changed to change the measurement target gas. Wavelength scanning drive signal generating means for generating a wavelength scanning drive signal and trigger signal for scanning light absorption characteristics, high frequency modulation signal generating means for generating a high frequency modulation signal, and modulating the wavelength scanning drive signal by the high frequency modulation signal And current control means for generating a drive signal for the laser element,
The light receiving unit is
From the light receiving element sensitive to the laser wavelength that is the detection light in which the gas to be measured is absorbed, the reference signal generating means for generating the reference signal having the double frequency component of the high frequency modulation signal, and the output signal of the light receiving element Synchronous detection means for detecting the amplitude of the second harmonic signal, which is a double frequency component, and outputting a detection signal, and detection signals from the synchronous detection means when a predetermined time has elapsed with reference to the trigger signal input from the light emitting unit. Calculating means for calculating the concentration of the gas to be measured based on the value,
This computing means is
The presence or absence of deviation between the gas absorption waveform of the detection signal and the reference waveform is determined with reference to the trigger signal, and when there is a deviation, the set temperature of the thermo module that controls the temperature of the laser element is changed to correct the deviation. To fix it,
A laser gas analyzer characterized by that.
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、測定対象ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象ガスが光を吸収する波長のレーザ光を出射するレーザ素子と、このレーザ素子をサーモモジュールにより一定温度に保つ温度制御手段と、前記レーザ素子への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号がトリガ信号を含むように生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記レーザ素子に対する駆動信号を生成する電流制御手段と、をそれぞれ備え、
前記受光部は、
測定対象ガスが吸光された検出光であるレーザ波長に感度を有する受光素子と、高周波変調信号の2倍周波数成分を有する参照信号を生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記2倍周波数成分である2倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波手段と、前記受光素子の出力信号から前記トリガ信号の成分を抽出する抽出部と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段からの検出信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、をそれぞれ備え、
この演算手段は、
前記検出信号のガス吸収波形と基準波形とのズレの有無をトリガ信号を基準としつつ判定し、ズレがある場合にレーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更してズレをなくすように修正する、
ことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
A frequency modulation method for measuring the concentration of the measurement target gas, comprising: a light emitting unit that emits detection light by laser light; and a light receiving unit that receives detection light propagated through a space in which the measurement target gas exists. A laser gas analyzer,
The light emitting unit
A laser element that emits a laser beam having a wavelength at which the measurement target gas absorbs light, temperature control means for maintaining the laser element at a constant temperature by a thermo module, and a supply current to the laser element are changed to change the measurement target gas. Wavelength scanning driving signal generating means for generating a wavelength scanning driving signal for scanning the light absorption characteristic so as to include a trigger signal, high frequency modulation signal generating means for generating a high frequency modulation signal, and the high frequency modulation of the wavelength scanning driving signal Current control means for modulating the signal to generate a drive signal for the laser element,
The light receiving unit is
From the light receiving element sensitive to the laser wavelength that is the detection light in which the gas to be measured is absorbed, the reference signal generating means for generating the reference signal having the double frequency component of the high frequency modulation signal, and the output signal of the light receiving element Synchronous detection means for detecting the amplitude of the second harmonic signal, which is a double frequency component, and outputting a detection signal, an extraction unit for extracting the trigger signal component from the output signal of the light receiving element, and the trigger signal as a reference A calculation means for calculating the concentration of the gas to be measured based on the value of the detection signal from the synchronous detection means when a predetermined time has elapsed,
This computing means is
The presence or absence of deviation between the gas absorption waveform of the detection signal and the reference waveform is determined with reference to the trigger signal, and when there is a deviation, the set temperature of the thermo module that controls the temperature of the laser element is changed to correct the deviation. To fix it,
A laser gas analyzer characterized by that.
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