JP2017106742A - Laser gas analyzer - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser gas analyzer which minimizes pressure dependence of gas concentration to enhance measurement accuracy and increases a signal-to-noise ratio to enhance measurement stability, thereby enabling highly accurate and highly stable measurement of target gas concentration.SOLUTION: A laser gas analyzer capable of computing accurate gas concentration is realized by pre-registering correction information, and correcting gas concentration for pressure dependence thereof on the basis of the correction information and amplitudes of a plurality of lock-in detected waveforms corresponding to wavelength modulation amplitudes.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、測定対象空間内における測定対象ガスの有無や濃度を分析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 analyzes the presence and concentration of a measurement target gas in a measurement target space.

気体状のガス分子は、それぞれ固有の光吸収波長および吸収強度を表す吸収線スペクトルを有する。また、レーザ光は、特定の波長でスペクトル線幅が狭い光である。レーザ式ガス分析計は、レーザ素子が、気体状のガス分子である測定対象ガスが吸収する光吸収波長のレーザ光を発光し、測定対象ガスにレーザ光を吸収させ、その光吸収波長におけるレーザ光の吸収量に基づいて測定対象ガスの有無を検出する。加えて、レーザ式ガス分析計は、光吸収波長におけるレーザ光の吸収量が測定対象ガスの濃度に比例するため濃度を検出することもできる。   Each gaseous gas molecule has an absorption line spectrum that represents a specific light absorption wavelength and absorption intensity. Laser light is light having a narrow spectral line width at a specific wavelength. In a laser gas analyzer, a laser element emits a laser beam having a light absorption wavelength that is absorbed by a gas to be measured, which is a gaseous gas molecule, and the laser beam is absorbed by the gas to be measured, and a laser at the light absorption wavelength. The presence or absence of the measurement target gas is detected based on the amount of light absorption. In addition, the laser gas analyzer can detect the concentration because the amount of absorption of laser light at the light absorption wavelength is proportional to the concentration of the gas to be measured.

なお、測定対象空間に多数存在するガスの中から特定の測定対象ガスのみ選択して分析する必要がある。そこで、測定対象空間中の測定対象ガスおよびその他のガスの光吸収波長のうち、測定対象ガスのみ吸収するがその他のガスが吸収しない光吸収波長が選択される。   Note that it is necessary to select and analyze only a specific measurement target gas from among many gases present in the measurement target space. Therefore, among the light absorption wavelengths of the measurement target gas and other gases in the measurement target space, a light absorption wavelength that absorbs only the measurement target gas but does not absorb other gases is selected.

この測定対象ガスの光吸収波長における吸収線スペクトルは、仮にガスの圧力が低いとスペクトル線幅の狭い理想的な吸収線スペクトルとなる。しかしながら、実際はガスの圧力が高く、圧力広がりが起きた吸収線スペクトルとなる。   The absorption line spectrum at the light absorption wavelength of the measurement target gas becomes an ideal absorption line spectrum having a narrow spectral line width if the gas pressure is low. However, in practice, the gas pressure is high, resulting in an absorption line spectrum in which pressure spread occurs.

この圧力広がりは、ガス分子同士の衝突に起因するものであり、圧力広がりが生じた吸収線スペクトルは、スペクトル線幅が広がるとともに吸収強度が低くなる。換言すれば、ガスの圧力が変化したとき、測定対象ガスの吸収量の変化により、検出するレーザ光の光量も変動し、ガス濃度に誤差を生じるおそれがあった。   This pressure broadening is caused by collisions between gas molecules, and the absorption line spectrum in which the pressure broadening occurs has a wide spectral line width and a low absorption intensity. In other words, when the gas pressure changes, the amount of laser light to be detected also varies due to a change in the absorption amount of the measurement target gas, which may cause an error in the gas concentration.

このような圧力広がりを考慮してガス分析を行うレーザ式ガス分析計の従来技術が、例えば特許文献1(特開2012−233900号公報)により開示されている。この従来技術は、特許文献1の図1で示すように、対象ガスの吸収線スペクトルのスペクトル線幅にわたって走査可能であって半導体レーザに代表される波長可変レーザ光源10と、ガスの間を通過するレーザ光線の強度をDCおよび変調周波数の倍数で検出する光検出器12と、ロックイン増幅器24およびマイクロプロセッサ26を含む制御装置16と、を備える。   For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2012-233900) discloses a conventional technique of a laser gas analyzer that performs gas analysis in consideration of such pressure spread. As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, this conventional technique is capable of scanning over a spectral line width of an absorption line spectrum of a target gas and passes between a tunable laser light source 10 typified by a semiconductor laser and a gas. And a control device 16 including a lock-in amplifier 24 and a microprocessor 26. The photodetector 12 detects the intensity of the laser beam to be detected by DC and a multiple of the modulation frequency.

特許文献1のレーザ式ガス分析計は、波長変調分光法により検出を行う。駆動電流によって波長を掃引し、かつ特定の周波数で変調したレーザ光を波長可変レーザ光源10が出射し、そのレーザ光を光検出器12が検出し、ロックイン増幅器24が信号を変調周波数の逓倍でロックイン検出し、このロックイン検波波形の振幅からガス濃度を算出する。ロックイン検出により信号ノイズ比が向上するために微量ガスの計測に適している。   The laser gas analyzer of Patent Document 1 performs detection by wavelength modulation spectroscopy. The wavelength tunable laser light source 10 emits a laser beam whose wavelength is swept by a drive current and is modulated at a specific frequency, the photodetector 12 detects the laser beam, and the lock-in amplifier 24 multiplies the modulation frequency by the signal. And lock-in detection, and the gas concentration is calculated from the amplitude of the lock-in detection waveform. Since the signal-to-noise ratio is improved by lock-in detection, it is suitable for measuring trace gases.

測定対象空間に存在する複数ガスの組成が定まっている場合には、測定対象ガスの吸光によって得られるロックイン検波波長の振幅は波長変調振幅の関数であり、極大値が存在する。したがって、標準ガスを校正する際には、ロックイン検波波形の振幅が極大となるように波長変調振幅を調節して、信号ノイズ比を最大化することができる。そして、測定対象ガスのガス濃度とロックイン検波波形の振幅の対応関係(比例関係など)に基づき、ガス濃度を演算することができる。   When the composition of a plurality of gases existing in the measurement target space is fixed, the amplitude of the lock-in detection wavelength obtained by absorption of the measurement target gas is a function of the wavelength modulation amplitude, and there is a maximum value. Therefore, when calibrating the standard gas, the signal-to-noise ratio can be maximized by adjusting the wavelength modulation amplitude so that the amplitude of the lock-in detection waveform is maximized. Then, the gas concentration can be calculated based on the correspondence relationship (proportional relationship or the like) between the gas concentration of the measurement target gas and the amplitude of the lock-in detection waveform.

ところが、実際の測定対象空間には、例えば高温の燃焼排ガスのように、分析したガス組成と異なることがあり、さらにガス濃度(あるいは分圧)も変動して圧力広がりも変化する場合には、スペクトル線幅が変動し、これら影響がロックイン検波波形の振幅に現れるため、ガス濃度測定の誤差となる。このような場合に、スペクトル線幅の変動の影響を補正しなければ、ガス濃度測定が不確定となる。   However, the actual measurement target space may be different from the analyzed gas composition, such as high-temperature combustion exhaust gas, and if the gas concentration (or partial pressure) also fluctuates and the pressure spread also changes, Since the spectral line width fluctuates and these effects appear in the amplitude of the lock-in detection waveform, an error occurs in gas concentration measurement. In such a case, the gas concentration measurement becomes uncertain unless the influence of the fluctuation of the spectral line width is corrected.

図7は特許文献1からの引用であり、上記の現象を示すものである。縦軸の2f信号はロックイン検波波形の振幅であり、横軸は波長変調振幅である。圧力が異なると、圧力広がりの影響により関数の形が変化するため、単に2f信号からガス濃度を算出すると誤差を含む値となる。   FIG. 7 is cited from Patent Document 1 and shows the above phenomenon. The 2f signal on the vertical axis is the amplitude of the lock-in detection waveform, and the horizontal axis is the wavelength modulation amplitude. When the pressure is different, the shape of the function changes due to the influence of the pressure spread. Therefore, if the gas concentration is simply calculated from the 2f signal, the value includes an error.

特許文献1では上記の課題を解決するために、図7に示される「圧力に対する作用点」と呼ばれる、圧力の変動に対して2f信号の変動が最小となるような波長変調振幅に設定することにより、ガス濃度の圧力依存性を低減させている。   In Patent Document 1, in order to solve the above-described problem, the wavelength modulation amplitude is set so that the fluctuation of the 2f signal is minimized with respect to the fluctuation of the pressure, which is referred to as an “action point for pressure” shown in FIG. This reduces the pressure dependence of the gas concentration.

特開2012−233900号公報(段落[0030]、図7)JP 2012-233900 A (paragraph [0030], FIG. 7)

さて、上記の特許文献1の2f信号の「圧力に対する作用点」は、圧力変動に対して必ずしも不変ではないため、ガス濃度の測定誤差が残留するおそれがある。また、2f信号が極大値となる動作点ではなく、信号ノイズ比が極大値と比べて劣る場合がある。これらの課題が新たに知見された。   Now, since the “action point for pressure” of the 2f signal in the above-mentioned Patent Document 1 is not necessarily invariant to pressure fluctuation, there is a possibility that a measurement error of gas concentration may remain. In addition, the signal noise ratio may be inferior to the maximum value instead of the operating point at which the 2f signal has the maximum value. These issues were newly discovered.

そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ガス濃度の圧力依存性を最小化して測定精度を高めつつ、かつ信号ノイズ比を高めて測定の安定性をも高めることにより、測定対象ガスのガス濃度を、高精度、高安定に測定する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 to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to minimize the pressure dependence of the gas concentration to improve the measurement accuracy and to increase the signal-to-noise ratio to improve the measurement stability. It is an object of the present invention to provide a laser type gas analyzer that measures the gas concentration of the measurement target gas with high accuracy and high stability.

本発明の請求項1に係るレーザ式ガス分析計は、
波長可変レーザ分光法及び波長変調光分光法により、測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計であって、
前記測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域のレーザ光を出射するレーザ素子と、
前記測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域で波長が掃引され、かつ変調されるように駆動電流を前記レーザ素子に供給する変調光生成部と、
を有する発光部と、
前記測定対象空間を通過した前記レーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子から出力された検出信号に対し、前記変調周波数の2倍の周波数でロックイン検出して得た波形の振幅に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
を有する受光部と、
を備え、
前記変調光生成部は、複数の波長変調振幅による波長掃引を行うように駆動電流を出力し、
前記受光信号処理部は、予め補正情報を登録し、前記複数の波長変調振幅に各々対応するロックイン検出により得た複数の波形の振幅、および、補正情報に基づいてガス濃度の圧力依存性を補正することを特徴とするレーザ式ガス分析計とした。
A laser type gas analyzer according to claim 1 of the present invention comprises:
A laser type gas analyzer that measures a gas concentration of a measurement target gas existing in a measurement target space by means of wavelength tunable laser spectroscopy and wavelength modulated light spectroscopy,
A laser element that emits a laser beam in a wavelength band including a light absorption wavelength of an absorption line spectrum of the measurement target gas;
A modulated light generation unit that supplies a drive current to the laser element so that a wavelength is swept and modulated in a wavelength band including a light absorption wavelength of an absorption line spectrum of the measurement target gas;
A light emitting unit having
A light receiving element that receives the laser light that has passed through the measurement target space;
A light receiving signal processing unit that performs gas analysis based on the amplitude of a waveform obtained by lock-in detection at a frequency twice the modulation frequency with respect to the detection signal output from the light receiving element;
A light receiving unit having
With
The modulated light generation unit outputs a drive current so as to perform wavelength sweeping with a plurality of wavelength modulation amplitudes,
The light reception signal processing unit registers correction information in advance, and determines the pressure dependence of the gas concentration based on the amplitude of a plurality of waveforms obtained by lock-in detection corresponding to each of the plurality of wavelength modulation amplitudes and the correction information. It was set as the laser type gas analyzer characterized by correcting.

また、本発明の請求項2に係るレーザ式ガス分析計は、
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計であって、
前記複数の波形の振幅の圧力依存性は、あらかじめ既知の濃度の前記測定対象ガスを含み、かつ、その他のガスの組成や濃度が異なるように構成された複数の校正ガスによって得られる補正情報に基づきそれぞれ補正されることを特徴とするレーザ式ガス分析計とした。
A laser gas analyzer according to claim 2 of the present invention is
The laser gas analyzer according to claim 1,
The pressure dependence of the amplitudes of the plurality of waveforms corresponds to correction information obtained by a plurality of calibration gases that include the gas to be measured having a known concentration in advance and are configured so that the composition and concentration of other gases are different. The laser gas analyzer is characterized in that each is corrected based on the above.

また、本発明の請求項3に係るレーザ式ガス分析計は、
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計であって、
前記複数の波形の振幅の圧力依存性は、あらかじめ計算機によって求められた補正情報に基づきそれぞれ補正されることを特徴とするレーザ式ガス分析計とした。
A laser gas analyzer according to claim 3 of the present invention is
The laser gas analyzer according to claim 1,
The laser gas analyzer is characterized in that the pressure dependence of the amplitude of the plurality of waveforms is corrected based on correction information obtained in advance by a computer.

また、本発明の請求項4に係るレーザ式ガス分析計は、
請求項1〜3の何れか一項に記載のレーザ式ガス分析計であって、
前記複数の波長変調振幅は、前記複数の校正ガスにおけるロックイン検出検波波形の最大振幅となるように調整されることを特徴とするレーザ式ガス分析計とした。
A laser gas analyzer according to claim 4 of the present invention is
The laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 3,
The laser-type gas analyzer is characterized in that the plurality of wavelength modulation amplitudes are adjusted so as to be a maximum amplitude of a lock-in detection detection waveform in the plurality of calibration gases.

本発明によれば、ガス濃度の圧力依存性を最小化して測定精度を高めつつ、かつ信号ノイズ比を高めて測定の安定性をも高めることにより、測定対象ガスのガス濃度を、高精度、高安定に測定する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 gas concentration of the measurement target gas can be increased with high accuracy by minimizing the pressure dependence of the gas concentration and increasing the measurement accuracy, and also increasing the signal-to-noise ratio and the measurement stability. It is possible to provide a laser type gas analyzer that performs highly stable measurement.

本発明を実施するため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 form for implementing this invention. ガス分析の圧力依存性の説明図であり、図2(a)は理想状態の波長−吸収線スペクトルの特性図、図2(b)は理想状態の波長−ロックイン検波波形の特性図、図2(c)は圧力変動状態の波長−吸収線スペクトルの特性図、図2(d)は圧力変動状態の波長−ロックイン検波波形の特性図である。FIG. 2A is an explanatory diagram of pressure dependence of gas analysis, FIG. 2A is a characteristic diagram of an ideal state wavelength-absorption line spectrum, FIG. 2B is a characteristic diagram of an ideal state wavelength-lock-in detection waveform, and FIG. 2 (c) is a characteristic diagram of the wavelength-absorption line spectrum in the pressure fluctuation state, and FIG. 2 (d) is a characteristic diagram of the wavelength-lock-in detection waveform in the pressure fluctuation state. ロックイン検波波形の振幅と波長変調振幅の関係がスペクトル線幅によって変化することを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows that the relationship between the amplitude of a lock-in detection waveform and a wavelength modulation amplitude changes with spectrum line widths. ロックイン検波波形の振幅とスペクトル線幅の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the amplitude of a lock-in detection waveform, and a spectrum line width. ロックイン検波波形の振幅および振幅比によって振幅が補正できることを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows that an amplitude can be correct | amended with the amplitude and amplitude ratio of a lock-in detection waveform. 波長変調振幅の決定方法の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the determination method of a wavelength modulation amplitude. 従来技術の2f信号と変調振幅の関係及びそれらの圧力依存性を示す図である。It is a figure which shows the 2f signal of a prior art, the relationship of a modulation amplitude, and those pressure dependence.

続いて、本発明を実施するため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の全体構成図である。   Next, a laser gas analyzer according to an embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a laser type gas analyzer of this embodiment.

本形態のレーザ式ガス分析計1は、壁50aと壁50bの内部にある測定対象空間中を通流するガスに含まれる測定対象ガスのガス濃度を測定する。また、ガス濃度が0や所定値以下であるならばガスが無いと判別できるため、ガスの有無も検出できる。   The laser type gas analyzer 1 of this embodiment measures the gas concentration of the measurement target gas contained in the gas flowing in the measurement target space inside the walls 50a and 50b. Further, if the gas concentration is 0 or less than a predetermined value, it can be determined that there is no gas, so the presence or absence of gas can also be detected.

レーザ式ガス分析計1は、発光部10、受光部20、通信線30を備えている。通信線30は発光部10と受光部20との間で電気信号により通信する。また、通信線に代えて無線や光通信のような通信部を採用しても良い。これら通信線、無線、光通信による通信部を採用できる。   The laser gas analyzer 1 includes a light emitting unit 10, a light receiving unit 20, and a communication line 30. The communication line 30 communicates between the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 by an electrical signal. Further, a communication unit such as wireless or optical communication may be employed instead of the communication line. A communication unit using these communication lines, wireless communication, or optical communication can be employed.

このようなレーザ式ガス分析計1では、発光部10が、検出光40を出射する。そして、検出光40は壁50aと壁50bの内部の測定対象空間に投光される。   In such a laser type gas analyzer 1, the light emitting unit 10 emits the detection light 40. Then, the detection light 40 is projected into the measurement target space inside the walls 50a and 50b.

このとき、検出光40の一部は、測定対象ガスによって吸収される。吸収されなかった残りの光、すなわち透過光が、受光部20に入射し、その光量が検出される。検出された光量に応じた検出信号から測定対象ガスのガス濃度が求められる。   At this time, a part of the detection light 40 is absorbed by the measurement target gas. The remaining light that has not been absorbed, that is, transmitted light, enters the light receiving unit 20 and the amount of light is detected. The gas concentration of the measurement target gas is obtained from the detection signal corresponding to the detected light amount.

続いて各部の詳細について説明する。
発光部10は、変調光生成部11、レーザ素子12、コリメートレンズ13、発光部窓板14、発光部容器15を少なくとも備える。
Next, details of each unit will be described.
The light emitting unit 10 includes at least a modulated light generating unit 11, a laser element 12, a collimating lens 13, a light emitting unit window plate 14, and a light emitting unit container 15.

受光部20は、受光信号処理部21、受光素子22、集光レンズ23、受光部窓板24、受光部容器25を少なくとも備える。   The light receiving unit 20 includes at least a light receiving signal processing unit 21, a light receiving element 22, a condenser lens 23, a light receiving unit window plate 24, and a light receiving unit container 25.

まず、構造について説明する。
図1に示すように、測定対象ガスを含むガスが流通する配管等の壁50a,50bにそれぞれ穴が開けられている。フランジ51a,51bは、溶接等によりそれらの穴に固定されている。光軸調整フランジ52a,52bは、これらフランジ51a,51bに対して機械的に移動可能に取り付けられる。発光部10、受光部20は光軸調整フランジ52a,52bにより位置調整することができる。
First, the structure will be described.
As shown in FIG. 1, holes 50a and 50b such as pipes and the like through which a gas containing a measurement target gas flows are made with holes. The flanges 51a and 51b are fixed to those holes by welding or the like. The optical axis adjusting flanges 52a and 52b are attached to the flanges 51a and 51b so as to be mechanically movable. The positions of the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 can be adjusted by the optical axis adjusting flanges 52a and 52b.

したがって、光軸調整フランジ52aは、検出光40の出射角を調整し、また、光軸調整フランジ52bは、検出光40の入射角を調整する。光軸調整フランジ52a,52bにより、発光部10から出射される検出光40が受光部20において最大の光量で受光される。   Therefore, the optical axis adjustment flange 52a adjusts the emission angle of the detection light 40, and the optical axis adjustment flange 52b adjusts the incident angle of the detection light 40. The detection light 40 emitted from the light emitting unit 10 is received by the light receiving unit 20 with the maximum light amount by the optical axis adjusting flanges 52a and 52b.

発光部容器15および受光部容器25は、それぞれの内部にレーザ素子、光学部品、および、電気電子回路を内蔵し、それらを外気から隔絶して風雨、塵埃、および、汚れ等から保護する。   Each of the light emitting unit container 15 and the light receiving unit container 25 incorporates a laser element, an optical component, and an electric / electronic circuit, and isolates them from the outside air to protect them from wind and rain, dust, and dirt.

発光部窓板14および受光部窓板24は、発光部容器15および受光部容器25の一部に穴を開けてそれを塞ぐように設けられている。発光部窓板14および受光部窓板24は、検出光40の光路内にあり、検出光40を透過させつつ、測定対象空間におけるガスが発光部10や受光部20の内部に進入しないようにする。これにより、レーザ素子、光学部品、および、電気電子回路が直接ガスに触れないことになり、内部が保護される。機械的構造はこのようなものである。   The light emitting unit window plate 14 and the light receiving unit window plate 24 are provided so as to make a hole in a part of the light emitting unit container 15 and the light receiving unit container 25 and close the holes. The light-emitting unit window plate 14 and the light-receiving unit window plate 24 are in the optical path of the detection light 40, so that the gas in the measurement target space does not enter the light-emitting unit 10 or the light-receiving unit 20 while transmitting the detection light 40. To do. As a result, the laser element, the optical component, and the electric / electronic circuit do not directly touch the gas, and the inside is protected. The mechanical structure is like this.

次に、発光部10および受光部20の光学的機能について説明する。測定対象ガスが吸収する特定の吸収線スペクトルの中心波長をλとする。
レーザ素子12は中心波長λ及びその周辺の波長で発光する。
コリメートレンズ13は中心波長λ及びその周辺の波長において透過率が高い材料で構成する。コリメートレンズ13により、検出光40は略平行光に変換され、拡散による損失を抑えながら受光部20まで伝送することができる。
Next, the optical functions of the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 will be described. Let λ be the center wavelength of a specific absorption line spectrum absorbed by the measurement target gas.
The laser element 12 emits light at the center wavelength λ and wavelengths around it.
The collimating lens 13 is made of a material having a high transmittance at the center wavelength λ and its peripheral wavelengths. The detection light 40 is converted into substantially parallel light by the collimating lens 13 and can be transmitted to the light receiving unit 20 while suppressing loss due to diffusion.

受光素子22には、中心波長λ及びその周辺の波長において、感度を有する受光素子を選択することができる。
集光レンズ23は、中心波長λ及びその周辺の波長において、透過率が高い材料で構成する。集光レンズ23により、検出光40は受光素子22に集光されるため、高い信号強度を得ることができる。
As the light receiving element 22, a light receiving element having sensitivity at the center wavelength λ and its peripheral wavelengths can be selected.
The condensing lens 23 is made of a material having a high transmittance at the center wavelength λ and its peripheral wavelengths. Since the detection light 40 is condensed on the light receiving element 22 by the condenser lens 23, a high signal intensity can be obtained.

次に、発光部10および受光部20による光学系処理および信号処理について説明する。まず、発光部10について説明する。
変調光生成部11は、信号処理・電流駆動回路である。測定対象ガスの吸光特性に応じたレーザ光を照射する必要がある。加えて、レーザ光は周波数変調された変調光とする必要がある。そこで、変調光生成部11は、これらのようなレーザ光を発光するための駆動電流信号を、レーザ素子12に供給する。このレーザ素子12は、例えば、DFBレーザ(Distributed Feedback Laser Diode)、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode)、または、DBRレーザダイオード(Distributed Bragg Reflector Laser Diode)である。
Next, optical system processing and signal processing by the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 will be described. First, the light emitting unit 10 will be described.
The modulated light generator 11 is a signal processing / current driving circuit. It is necessary to irradiate a laser beam corresponding to the light absorption characteristics of the measurement target gas. In addition, the laser light needs to be frequency-modulated modulated light. Therefore, the modulated light generation unit 11 supplies a drive current signal for emitting such laser light to the laser element 12. The laser element 12 is, for example, a DFB laser (Distributed Feedback Laser Diode), a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode), or a DBR laser diode (Distributed Bragg Reflector Laser Diode).

レーザ素子12は、駆動電流と温度により、発光波長を可変制御可能である。そこで、レーザ素子12が発光するレーザ光の中心波長が、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長となるように温度制御される。また、レーザ光の中心波長の周辺の波長が時間的に掃引されるように、駆動電流が制御される。さらに、波長変調分光法により高感度にて測定できるように、適切な波長変調振幅および周波数を有する正弦波が駆動電流に重畳される。   The laser element 12 can variably control the emission wavelength according to the drive current and temperature. Therefore, the temperature is controlled so that the center wavelength of the laser light emitted from the laser element 12 becomes the center wavelength of the absorption line spectrum of the measurement target gas. Further, the drive current is controlled so that the wavelength around the center wavelength of the laser light is swept in time. Furthermore, a sine wave having an appropriate wavelength modulation amplitude and frequency is superimposed on the drive current so that it can be measured with high sensitivity by wavelength modulation spectroscopy.

レーザ素子12の発光点は、コリメートレンズ13の焦点付近に配置されている。レーザ素子12からの出射光は、拡散しつつコリメートレンズ13に入射して、略平行光である検出光40に変換される。なお、本形態ではコリメートレンズ13を用いるものとして説明するが、コリメートレンズに限定する趣旨ではない。例えば、コリメートレンズの代わりに放物面鏡を用いることもできる。   The light emitting point of the laser element 12 is disposed near the focal point of the collimating lens 13. Light emitted from the laser element 12 enters the collimating lens 13 while diffusing, and is converted into detection light 40 that is substantially parallel light. In this embodiment, the collimating lens 13 is used. However, the present invention is not limited to the collimating lens. For example, a parabolic mirror can be used instead of the collimating lens.

略平行光である検出光40は、発光部窓板14を透過し、壁50a,50bの内部、すなわち測定対象ガスを含むガスが流通する空間に伝播する。   The detection light 40, which is substantially parallel light, passes through the light-emitting unit window plate 14 and propagates into the walls 50a and 50b, that is, the space where the gas including the measurement target gas flows.

次に、受光部20について説明する。受光部20は、受光部窓板24を透過した検出光40を受光し、測定対象ガスにより吸収された光量について分析する。検出光40は、集光レンズ23の焦点付近に受光面が配置された受光素子22に入射する。なお、本形態では集光レンズ23を用いているが、集光レンズ23に代えて、放物面鏡、ダブレットレンズや回折レンズなどを採用することもできる。   Next, the light receiving unit 20 will be described. The light receiving unit 20 receives the detection light 40 transmitted through the light receiving unit window plate 24 and analyzes the amount of light absorbed by the measurement target gas. The detection light 40 is incident on the light receiving element 22 having a light receiving surface disposed near the focal point of the condenser lens 23. Although the condensing lens 23 is used in this embodiment, a parabolic mirror, a doublet lens, a diffractive lens, or the like may be employed instead of the condensing lens 23.

受光素子22からの受光信号は、受光信号処理部21に検出信号として送られる。受光信号処理部21では、この検出信号を処理して、ガス濃度を算出する。   A light reception signal from the light receiving element 22 is sent to the light reception signal processing unit 21 as a detection signal. The received light signal processing unit 21 processes this detection signal to calculate the gas concentration.

次いで、測定対象ガスのガス濃度測定について述べる。まず、本発明の特徴をなすガス濃度の補正原理について説明する。ここに測定対象空間には測定対象ガスおよびその他のガスを含むものと想定する。   Next, measurement of the gas concentration of the measurement target gas will be described. First, the correction principle of the gas concentration that characterizes the present invention will be described. Here, it is assumed that the measurement target space contains the measurement target gas and other gases.

まず、測定対象空間内において測定対象ガスのガス濃度が一定であり、かつ他のガスのガス濃度も一定であるという理想状態でガス分析を行ったときの、測定対象ガスの吸収線スペクトルの形状とロックイン検波波形について説明する。   First, the shape of the absorption line spectrum of the measurement target gas when performing gas analysis in an ideal state where the gas concentration of the measurement target gas is constant in the measurement target space and the gas concentration of other gases is also constant. The lock-in detection waveform will be described.

図2(a)は、理想状態の吸収線スペクトルを示しており、横軸は波長を、縦軸は吸収強度を示している。図2(a)の破線は、測定対象ガスのガス濃度がcのときにピークの高さがAを示す吸収線スペクトルを示し、また、図2(a)の実線は、測定対象ガスのガス濃度が0.5cのときにピークの高さが0.5Aを示す吸収線スペクトルを示している。ただし、吸収が線形である、すなわち、吸収が飽和しておらず、ランベルト−ベールの法則が1次近似で表現できる条件を前提としている。以下も同様である。   FIG. 2A shows an absorption line spectrum in an ideal state, where the horizontal axis indicates the wavelength and the vertical axis indicates the absorption intensity. The broken line in FIG. 2A indicates an absorption line spectrum in which the peak height is A when the gas concentration of the measurement target gas is c, and the solid line in FIG. 2A indicates the gas of the measurement target gas. An absorption line spectrum in which the peak height is 0.5 A when the concentration is 0.5 c is shown. However, it is assumed that the absorption is linear, that is, the absorption is not saturated and the Lambert-Beer law can be expressed by a first order approximation. The same applies to the following.

これらのような吸収線スペクトルは、一般的に、圧力広がりなどの効果によりスペクトル線幅が広がっている。その関数形は、圧力広がりが支配的である場合はローレンツ関数でよく近似される。   In general, such an absorption line spectrum has a broad spectrum line width due to effects such as pressure broadening. The function form is well approximated by the Lorentz function when the pressure spread is dominant.

図2(b)は、図2(a)で表された吸収線スペクトルを波長変調の周波数の2倍の周波数でロックイン検出した際のロックイン検波波形信号を示しており、横軸は波長を、縦軸はロックイン検波波形の信号レベルを示している。ロックイン検波波形は吸収線スペクトルの2階微分で近似される形状をしている。   FIG. 2B shows a lock-in detection waveform signal when lock-in detection is performed on the absorption line spectrum shown in FIG. 2A at twice the frequency of the wavelength modulation, and the horizontal axis indicates the wavelength. The vertical axis indicates the signal level of the lock-in detection waveform. The lock-in detection waveform has a shape approximated by the second derivative of the absorption line spectrum.

図2(b)の破線で示すように、測定対象ガスのガス濃度がcのときのピークの高さをA2fとすると、図2(b)の実線で示すように、ガス濃度が0.5cのときにはピークの高さは0.5A2fとなり、その振幅はガス濃度に比例する。このことから、測定対象ガス以外の他のガスによる圧力広がりの変化が無ければ、ロックイン検波波形の振幅からガス濃度が演算できることが分かる。 As shown by the broken line in FIG. 2B, when the peak height when the gas concentration of the measurement target gas is c is A2f , the gas concentration is 0. As shown by the solid line in FIG. next 0.5A 2f height of the peak at the time of 5c, the amplitude is proportional to the gas concentration. From this, it can be seen that the gas concentration can be calculated from the amplitude of the lock-in detection waveform if there is no change in the pressure spread due to the gas other than the measurement target gas.

続いて、測定対象空間内において、測定対象ガスの濃度は一定であるが、他のガスの濃度や圧力が変化するような実際の測定状態でガス分析を行ったときの測定対象ガスの吸収線スペクトルの形状とロックイン検波波形について説明する。   Subsequently, in the measurement target space, the concentration of the measurement target gas is constant, but the absorption line of the measurement target gas when the gas analysis is performed in an actual measurement state in which the concentration and pressure of other gases change. The spectrum shape and the lock-in detection waveform will be described.

図2(c)は、図2(a)の理想状態と比較すると、実際の測定状態の吸収線スペクトルを示しており、横軸は波長を、縦軸は吸収強度を示している。図2(c)の破線は、測定対象ガスのガス濃度がcでスペクトル線幅がγのときにピークの高さがAを示す吸収線スペクトルを示し、また、図2(c)の実線は、測定対象ガスのガス濃度が同じくcでスペクトル線幅が2γのときにピークの高さが0.5Aを示す吸収線スペクトルを示している。   FIG. 2 (c) shows an absorption line spectrum in an actual measurement state as compared with the ideal state of FIG. 2 (a). The horizontal axis indicates the wavelength and the vertical axis indicates the absorption intensity. The broken line in FIG. 2C shows an absorption line spectrum in which the peak height is A when the gas concentration of the measurement target gas is c and the spectral line width is γ, and the solid line in FIG. The absorption line spectrum shows a peak height of 0.5 A when the gas concentration of the measurement target gas is also c and the spectral line width is 2γ.

スペクトル線幅は、測定対象ガスの濃度及びそれ以外のガスのガス濃度と、それぞれの圧力広がり係数の線形和によって決まる。吸収線スペクトルの関数形はローレンツ関数のまま、線幅とピーク高さが変化するものと近似できる。図2(c)の場合は、濃度が同じでも、スペクトル線幅が倍(γから2γへ)になると、ピーク高さが半分(Aから0.5Aへ)になることを示している。   The spectral line width is determined by the linear sum of the concentration of the gas to be measured and the concentrations of the other gases and the respective pressure spread coefficients. The function form of the absorption line spectrum remains the Lorentz function and can be approximated as a change in line width and peak height. In the case of FIG. 2 (c), even when the concentration is the same, when the spectral line width is doubled (from γ to 2γ), the peak height is halved (from A to 0.5A).

図2(d)は、図2(c)で表された吸収線スペクトルを波長変調の周波数の2倍の周波数でロックイン検出した際のロックイン検波波形信号を示しており、横軸は波長を、縦軸はロックイン検波波形の信号レベルを示している。   FIG. 2D shows a lock-in detection waveform signal when lock-in detection is performed on the absorption line spectrum shown in FIG. 2C at twice the frequency of the wavelength modulation, and the horizontal axis indicates the wavelength. The vertical axis indicates the signal level of the lock-in detection waveform.

図2(d)の破線で示すように、吸収線スペクトルを波長変調の周波数でロックイン検出した波形であり、測定対象ガスのガス濃度がcでスペクトル線幅がγのときのピークの高さをA2fとすると、図2(d)の実線で示すように、吸収線スペクトルを波長変調の周波数でロックイン検出した波形を測定対象ガスのガス濃度がcでスペクトル線幅が2γのときのピークの高さはaA2fとなり、検波波形の高さの変化は僅かであり、かつ検波線幅の変化はほとんど見られない。 As shown by the broken line in FIG. 2 (d), it is a waveform obtained by lock-in detection of the absorption line spectrum at the frequency of frequency modulation, and the peak height when the gas concentration of the measurement target gas is c and the spectral line width is γ. the when a 2f, as shown by the solid line in FIG. 2 (d), the lock-in detection waveform absorption line spectrum at the frequency of the wavelength modulation the gas concentration in the measurement target gas when the spectral line width is 2γ in c The height of the peak is aA 2f , the change in the height of the detection waveform is slight, and the change in the detection line width is hardly seen.

つまり、線幅が2倍になった場合に、ロックイン検波波形の振幅が非線形にふるまうことを示している。また、その結果、測定対象ガスのガス濃度が変動し、かつ他ガスの濃度も変動するような測定状態では、測定対象ガスにおいては、いずれのガスのガス濃度が変動したかを分離できないため、ロックイン検波波形の振幅変化の原因が特定できず、ガス濃度測定に誤差を生じることとなる。   In other words, when the line width is doubled, the amplitude of the lock-in detection waveform behaves nonlinearly. As a result, in the measurement state in which the gas concentration of the measurement target gas fluctuates and the concentration of other gases also fluctuates, in the measurement target gas, it is impossible to separate which gas concentration has fluctuated. The cause of the amplitude change of the lock-in detection waveform cannot be specified, and an error occurs in the gas concentration measurement.

そこで、上記のスペクトル線幅の変動によるガス濃度測定の誤差を低減するために、異なる複数の波長変調振幅におけるロックイン検波波形の振幅を取得することを考える。変調光生成部11では、波長変調振幅を複数(本形態ではaとa’)に変えられるようにしておく。   Therefore, in order to reduce the gas concentration measurement error due to the fluctuation of the spectral line width, it is considered to acquire the amplitude of the lock-in detection waveform at a plurality of different wavelength modulation amplitudes. In the modulated light generation unit 11, the wavelength modulation amplitude can be changed to a plurality (in this embodiment, a and a ').

図3には、測定対象ガスや他のガスによるガス組成や濃度によって、スペクトル振幅がγ、γ、γの範囲で変動する場合における、ロックイン検波波形の振幅と波長変調振幅の関数が示されている。図3の縦軸・横軸ともに数値の絶対性には意味がなく、相対値の比較で議論するため任意に決めた任意単位 arbitrary unit (a.u.)により表す。 FIG. 3 shows a function of the amplitude of the lock-in detection waveform and the wavelength modulation amplitude when the spectrum amplitude fluctuates in the range of γ 0 , γ 1 , γ 2 depending on the gas composition and concentration of the measurement target gas and other gases. It is shown. The absolute value of the numerical values on both the vertical axis and the horizontal axis in FIG. 3 is meaningless, and is expressed by an arbitrary unit (au) that is arbitrarily determined in order to discuss relative value comparison.

スペクトル線幅γは、工場での製造時や設置場所での校正時などで調整する際に用いる標準ガス、例えば測定対象ガスとその他のガスを含み、その他のガスが窒素で構成されるようなガスを用いた際に得られる。このスペクトル線幅γが得られる状態は、測定対象空間内において、測定対象ガスのガス濃度が一定であり、かつ他のガスのガス濃度も一定であるという理想状態となる。また、測定現場でのスペクトル線幅は、他のガスの濃度や圧力、温度変動によってγからγまで変動すると仮定する。このスペクトル線幅が変動する状態は、測定対象空間内において、測定対象ガスの濃度は一定であるが、他のガスの濃度や圧力が変化するような実際の測定状態となる。 The spectral line width γ 0 includes a standard gas used for adjustment at the time of manufacturing at the factory or calibration at the installation location, for example, a measurement target gas and other gases, and the other gas is constituted by nitrogen. It is obtained when using various gases. The state in which the spectral line width γ 0 is obtained is an ideal state in which the gas concentration of the measurement target gas is constant and the gas concentrations of other gases are also constant in the measurement target space. Further, it is assumed that the spectral line width at the measurement site varies from γ 1 to γ 2 due to the concentration, pressure, and temperature variation of other gases. The state in which the spectral line width fluctuates is an actual measurement state in which the concentration of the measurement target gas is constant in the measurement target space, but the concentration and pressure of other gases change.

図3に示すように、波長変調振幅を変化させると異なるロックイン検波波形の振幅が得られることがわかる。このうち波長変調振幅をa及びa’を選択する。それぞれa及びa’は、信号ノイズ比を大きくとるために特許文献1に記載されている「圧力に対する作用点」よりも大きなロックイン検波波形の振幅を得られるように選ぶことができる。   As shown in FIG. 3, it can be seen that when the wavelength modulation amplitude is changed, different amplitudes of the lock-in detection waveform are obtained. Of these, a and a 'are selected as the wavelength modulation amplitudes. Each of a and a ′ can be selected so as to obtain a larger amplitude of the lock-in detection waveform than the “action point for pressure” described in Patent Document 1 in order to increase the signal-to-noise ratio.

このような波長変調振幅の選択方法について説明する。図6は複数の波長変調振幅の選び方を説明している。波長変調振幅aとa’は、複数の異なるガスにより組成された校正ガスのいずれかに対して、ロックイン検波波形の振幅が最大となるように調整されている。すなわち、波長変調振幅aは、圧力広がりによるスペクトル線幅γを有する校正ガスにおいてロックイン検波波形の振幅Aが最大のAmaxとなるように調整されている。また、波長変調振幅a’は、圧力が高いときの圧力広がりによるスペクトル線幅γを有する校正ガスにおいてロックイン検波波形の振幅A’が最大のAmax’となるように調整されている。 A method for selecting such a wavelength modulation amplitude will be described. FIG. 6 explains how to select a plurality of wavelength modulation amplitudes. The wavelength modulation amplitudes a and a ′ are adjusted so that the amplitude of the lock-in detection waveform is maximized with respect to any of calibration gases composed of a plurality of different gases. That is, the wavelength modulation amplitude a is adjusted so that the amplitude A 0 of the lock-in detection waveform becomes the maximum A max in the calibration gas having the spectral line width γ 0 due to the pressure spread. The wavelength modulation amplitude a ′ is adjusted so that the amplitude A 2 ′ of the lock-in detection waveform becomes the maximum A max ′ in the calibration gas having the spectral line width γ 2 due to the pressure spread when the pressure is high. .

このような波長変調振幅aとa’を選択する利点は二つある。ひとつは、校正ガスの複数ガスの組成を定めておけば、波長変調振幅が一意に定められるため、波長変調振幅設定の曖昧さを排除できることである。   There are two advantages of selecting such wavelength modulation amplitudes a and a '. One is that if the composition of a plurality of calibration gases is determined, the wavelength modulation amplitude is uniquely determined, so that ambiguity in setting the wavelength modulation amplitude can be eliminated.

もうひとつは、校正ガスの複数ガスの組成が、測定対象空間内のガスの圧力広がりの変動範囲(標準圧力から圧力が高くなるような変動)を模擬するようになっていれば、たとえ測定対象空間内のガスの圧力広がりが変動しても、いずれか一方のロックイン検波波形の振幅は最大またはそれに近い値をとるため、ガス濃度測定の信号ノイズ比の劣化が最小限に抑えられることである。ここではガス圧は高くなることが前提となっている。ただし、これは波長変調振幅の一例を示すものであり、必ずしもガス圧は高くなることに限定するものではない。複数の波長変調振幅による測定によって、圧力広がり補正の目的は達せられる。   The other is the measurement target if the composition of multiple gases of the calibration gas is designed to simulate the fluctuation range of the pressure spread of the gas in the measurement target space (the fluctuation in which the pressure increases from the standard pressure). Even if the pressure spread of the gas in the space fluctuates, the amplitude of one of the lock-in detection waveforms takes the maximum value or a value close to it, so that the degradation of the signal-to-noise ratio in gas concentration measurement can be minimized. is there. Here, it is assumed that the gas pressure becomes high. However, this shows an example of the wavelength modulation amplitude, and the gas pressure is not necessarily increased. The purpose of pressure spread correction is achieved by measurement with multiple wavelength modulation amplitudes.

続いて濃度補正原理について述べる。波長変調振幅をaのみで測定した場合、ロックイン検波波形の振幅はA,Aの間で変動するため、これが見かけ上の濃度変動、すなわち誤差となる。そこで、異なる波長変調振幅a’でロックイン検波波形の振幅をも取得し、見かけ上の濃度変動を補正することを考える。このことを説明するために図4、図5を用いる。 Next, the principle of density correction will be described. When the wavelength modulation amplitude is measured only with a, the amplitude of the lock-in detection waveform varies between A 1 and A 2 , and this becomes an apparent density variation, that is, an error. Therefore, it is considered that the amplitude of the lock-in detection waveform is also acquired with a different wavelength modulation amplitude a ′ to correct the apparent density fluctuation. FIG. 4 and FIG. 5 are used to explain this.

図4は図3の見方を変えたグラフであり、横軸はスペクトル線幅、縦軸はロックイン検波波形の振幅である。異なる波長変調振幅でロックイン検波波形の振幅を取得すれば、異なるスペクトル線幅依存性が得られることがわかる。   FIG. 4 is a graph in which the way of viewing FIG. 3 is changed. The horizontal axis represents the spectral line width, and the vertical axis represents the amplitude of the lock-in detection waveform. It can be seen that if the amplitude of the lock-in detection waveform is acquired with different wavelength modulation amplitudes, different spectral line width dependencies can be obtained.

そこで、同じスペクトル線幅に対する、異なる波長変調振幅におけるロックイン検波波形の振幅の比をR=A’/A(ただし、n=0,1,2)としてグラフを描くと図5のようになる。図5のグラフより、Rはスペクトル線幅に対して変化することがわかる。そこで、RとRとの差分を演算し、適当な係数をかけてAに加算することにより、見かけ上の誤差を補正することができる。ΔR=R−R、補正係数をα(γ)とすれば、A”=A+α(γ)×ΔRを表すことができる。ここで、補正係数α(γ)はγの関数である。 Therefore, if the ratio of the amplitude of the lock-in detection waveform at different wavelength modulation amplitudes with respect to the same spectral line width is R n = A n ′ / A n (where n = 0, 1, 2), a graph is drawn as shown in FIG. It becomes like this. From the graph of FIG. 5, it can be seen that R n varies with respect to the spectral line width. Therefore, by calculating the difference between R n and R 0, by adding to the A n over an appropriate coefficient, it is possible to correct the error of the apparent. If ΔR = R 0 −R n and the correction coefficient is α (γ), then A n ″ = A n + α (γ) × ΔR can be expressed. Here, the correction coefficient α (γ) is a function of γ. It is.

例えば、低圧時の圧力広がりによりスペクトル線幅が狭いγである場合、n=1を選択し、図5に示すようにΔR=R−R=A’/A−A’/A、補正係数をα(γ)とすれば、A”=A+α(γ)×ΔRと表すことができる。したがって、補正係数α(γ)、および、スペクトル線幅がγのときのA、A’がすでに知られていて、例えば受光信号処理部21の記憶部に保存されていれば、スペクトル線幅がγの場合であって波長変調振幅aのときのAと波長変調振幅a’のときのA’を測定し、補正係数α(γ)にγを代入してα(γ)を算出し、前記の補正式に値を代入することで見かけ上の濃度変動を補正した濃度A”を算出することができる。 For example, when γ 1 has a narrow spectral line width due to pressure spread at low pressure, n = 1 is selected, and ΔR = R 0 −R 1 = A 0 ′ / A 0 −A 1 ′ as shown in FIG. / A 1 , if the correction coefficient is α (γ 1 ), it can be expressed as A 1 ″ = A 1 + α (γ 1 ) × ΔR. Therefore, the correction coefficient α (γ) and the spectral line width are If A 0 and A 0 ′ at γ 0 are already known and stored in the storage unit of the received light signal processing unit 21, for example, the spectral line width is γ 1 and the wavelength modulation amplitude a A 1 at the time and A 1 ′ at the wavelength modulation amplitude a ′ are measured, α (γ 1 ) is calculated by substituting γ 1 into the correction coefficient α (γ), and the value is substituted into the correction equation. By doing so, it is possible to calculate the density A 1 ″ in which the apparent density fluctuation is corrected.

また、高圧時の圧力広がりによりスペクトル線幅が広いγである場合、n=2を選択し、図5に示すようにΔR=R−R=A’/A−A’/A、補正係数をα(γ)とすれば、A”=A+α(γ)×ΔRと表すことができる。したがって補正係数α(γ)、および、スペクトル線幅がγのときのA、A’がすでに知られていて、例えば受光信号処理部21の記憶部に保存されていれば、スペクトル線幅がγの場合であって波長変調振幅aのときのAと波長変調振幅a’のときのA’を測定し、補正係数α(γ)にγを代入してα(γ)を算出し、前記の補正式に値を代入することで見かけ上の濃度変動を補正した濃度A”を算出することができる。 Further, when γ 2 has a wide spectral line width due to pressure spread at high pressure, n = 2 is selected, and ΔR = R 0 −R 2 = A 0 ′ / A 0 −A 2 ′ as shown in FIG. / A 2 , if the correction coefficient is α (γ 2 ), it can be expressed as A 2 ″ = A 2 + α (γ 2 ) × ΔR. Therefore, the correction coefficient α (γ) and the spectral line width are γ If A 0 and A 0 ′ at 0 are already known and stored in the storage unit of the received light signal processing unit 21, for example, when the spectral line width is γ 2 and the wavelength modulation amplitude is a measured 'a 2 when the' in a 2 and the wavelength modulation amplitude a, by substituting gamma 2 the correction coefficient alpha (gamma) is calculated alpha a (gamma 2), to assign a value to the correction formula Thus, it is possible to calculate the density A 2 ″ in which the apparent density fluctuation is corrected.

補正係数α(γ)は、あらかじめ他ガスの組成や濃度が異なる複数種類の校正ガスによる校正によって取得することができる。あるいは、吸収線スペクトルの関数形をローレンツ関数近似すれば、計算機によるシミュレーションでも近似値を得ることが可能である。これらの手段で得られた補正係数を用いて、測定時には波長変調振幅を切り替えながらロックイン検波波形の振幅を測定すればよい。検出原理はこのようなものである。   The correction coefficient α (γ) can be acquired in advance by calibration using a plurality of types of calibration gases having different compositions and concentrations of other gases. Alternatively, if the function form of the absorption line spectrum is approximated by a Lorentz function, an approximate value can be obtained even by a computer simulation. Using the correction coefficients obtained by these means, the amplitude of the lock-in detection waveform may be measured while switching the wavelength modulation amplitude during measurement. The detection principle is like this.

続いてレーザ式ガス分析計による分析処理について説明する。まず、受光信号処理部21は、校正ガスのガス分析を行って予め補正情報を登録する。   Next, analysis processing by a laser gas analyzer will be described. First, the received light signal processing unit 21 performs gas analysis of the calibration gas and registers correction information in advance.

この補正情報の登録の詳細について説明する。あらかじめ既知の濃度の測定対象ガスを含み、かつ、その他のガスの組成や濃度が異なるように構成された複数の校正ガスを煙道内で流し、この校正ガスに対して上記のガス分析を行って得られる補正情報である。   Details of the registration of the correction information will be described. A plurality of calibration gases containing a gas to be measured having a known concentration in advance and having different compositions and concentrations of other gases are flowed in the flue, and the above gas analysis is performed on the calibration gas. It is the correction information obtained.

まず、スペクトル線幅γとなる校正ガスを用いる。発光部10で、測定対象ガスの光吸収波長λであって波長変調振幅がaであるレーザ光を照射する。受光信号処理部21は、ロックイン検波波形からスペクトル線幅γの状態で高さAを取得する。続いて、測定対象ガスの光吸収波長λであって波長変調振幅がa’であるレーザ光を照射する。受光信号処理部21は、スペクトル線幅γの状態でロックイン検波波形から高さA’を取得する。 First, a calibration gas having a spectral line width γ 0 is used. The light emitting unit 10 emits laser light having a light absorption wavelength λ of the measurement target gas and a wavelength modulation amplitude of a. The received light signal processing unit 21 acquires the height A 0 in the state of the spectral line width γ 0 from the lock-in detection waveform. Subsequently, a laser beam having a light absorption wavelength λ of the measurement target gas and a wavelength modulation amplitude a ′ is irradiated. The received light signal processing unit 21 acquires the height A 0 ′ from the lock-in detection waveform in the state of the spectral line width γ 0 .

そして、濃度を調整してスペクトル線幅γとなる校正ガスを用いて、波長変調振幅がaであるレーザ光を照射してロックイン検波波形からスペクトル線幅γの状態で高さAを取得する。同様に波長変調振幅がa’であるレーザ光を照射してロックイン検波波形からスペクトル線幅γの状態で高さA’を取得する。 Then, using a calibration gas having a spectral line width γ 1 by adjusting the concentration, a laser beam having a wavelength modulation amplitude of a is applied to the height A 1 in the state of the spectral line width γ 1 from the lock-in detection waveform. To get. Similarly, a laser beam having a wavelength modulation amplitude of a ′ is irradiated to obtain a height A 1 ′ in a state of a spectral line width γ 1 from a lock-in detection waveform.

そして、濃度を調整してスペクトル線幅γとなる校正ガスを用いて、波長変調振幅がaであるレーザ光を照射してロックイン検波波形からスペクトル線幅γの状態で高さAを取得する。同様に波長変調振幅がa’であるレーザ光を照射してロックイン検波波形からスペクトル線幅γの状態で高さA’を取得する。 Then, a calibration gas having a spectral line width γ 2 by adjusting the concentration is irradiated with laser light having a wavelength modulation amplitude of a, and the height A 2 in the state of the spectral line width γ 2 from the lock-in detection waveform. To get. Similarly, a laser beam having a wavelength modulation amplitude of a ′ is irradiated to obtain a height A 2 ′ from the lock-in detection waveform in the state of the spectral line width γ 2 .

これら数値と上記の式からスペクトル線幅γを変化させて得た実測による補正係数α(γ)を取得する。また、補正係数α(γ)についてはあらかじめコンピュータ等の計算機によって求められた補正情報としても良い。以上算出したスペクトル線幅がγのときのA、A’およびα(γ)という補正情報を工場出荷時や現場設置時に取得し、予め登録しておく。受光信号処理部21は、このような補正情報を記憶している。 From these numerical values and the above formula, a correction coefficient α (γ) by actual measurement obtained by changing the spectral line width γ is acquired. Further, the correction coefficient α (γ) may be correction information obtained in advance by a computer such as a computer. The correction information A 0 , A 0 ′ and α (γ) when the calculated spectral line width is γ 0 is acquired at the time of factory shipment or on-site installation, and is registered in advance. The received light signal processing unit 21 stores such correction information.

つまり、受光信号処理部21の図示しないメモリには、rと、このrに対応する補正係数α(γ)と、が関連づけられて登録されている。rの値を変えて多数の組み合わせが登録されている。ロックイン検波波形からrが算出されたならば、対応する補正係数α(γ)を読み出すことができる。
また、工場出荷時や現場設置時にAやA’が計測され図示しないメモリに登録されているものとする。
That is, the memory (not shown) of the light-receiving signal processing section 21, and r n, the correction coefficient corresponding to the r n α (γ n), are registered in the associated. a large number of combinations by changing the value of r n has been registered. If the lock-in detection waveform r n is calculated, it is possible to read the corresponding correction factor α a (γ n).
In addition, A 0 and A 0 'is assumed to be registered in the memory (not shown) are measured at the time of installation the factory or in the field.

続いて分析を開始する。受光信号処理部21は、複数の波長変調振幅に各々対応するロックイン検出された複数の波形の振幅に基づき、複数の波形の振幅および補正情報に基づいてガス濃度の圧力依存性を補正する。   The analysis is then started. The received light signal processing unit 21 corrects the pressure dependence of the gas concentration based on the amplitudes of the plurality of waveforms and the correction information based on the amplitudes of the plurality of waveforms detected in lock-in corresponding to the plurality of wavelength modulation amplitudes.

具体的には以下のようになる。ここに測定対象ガスを含むガスが煙道内を流れ、他のガスの影響で圧力が高いものとする。まず、発光部10のレーザ素子12が、測定対象ガスの光吸収波長λであって波長変調振幅がaであるレーザ光を照射する。 まず、受光信号処理部21は、ロックイン検波波形からスペクトル線幅γと高さAを取得する。 Specifically: Here, it is assumed that the gas containing the measurement target gas flows in the flue and the pressure is high due to the influence of other gases. First, the laser element 12 of the light emitting unit 10 irradiates laser light having the light absorption wavelength λ of the measurement target gas and the wavelength modulation amplitude a. First, the received light signal processing unit 21 acquires the spectral line width γ 2 and the height A 2 from the lock-in detection waveform.

続いて、受光信号処理部21が発光部側の変調光生成部11へ通信線30を介して波長変調振幅をaからa’へ切り換える切換信号を送り、変調光生成部11を介してレーザ素子12が測定対象ガスの光吸収波長λであって波長変調振幅がa’であるレーザ光を照射する。受光信号処理部21は、ロックイン検波波形からスペクトル線幅γと高さA’を取得する。 Subsequently, the received light signal processing unit 21 sends a switching signal for switching the wavelength modulation amplitude from a to a ′ via the communication line 30 to the modulated light generating unit 11 on the light emitting unit side, and the laser element is transmitted via the modulated light generating unit 11. A laser beam 12 is irradiated with the light absorption wavelength λ of the measurement target gas and the wavelength modulation amplitude is a ′. The received light signal processing unit 21 acquires the spectral line width γ 2 and the height A 2 ′ from the lock-in detection waveform.

受光信号処理部21は、線幅γから係数α(γ)を読み出す。 The received light signal processing unit 21 reads the coefficient α (γ 2 ) from the line width γ 2 .

受光信号処理部21は、既知のR=A’/Aと実測したR=A’/AからΔR=R−Rを算出する。 The received light signal processing unit 21 calculates ΔR = R 0 −R 2 from known R 0 = A 0 ′ / A 0 and actually measured R 2 = A 2 ′ / A 2 .

受光信号処理部21は、A”=A+α(γ)×ΔRを演算してA”を算出する。このA”をロックイン検波波形の振幅とする。 The received light signal processing unit 21 calculates A 2 ″ by calculating A 2 ″ = A 2 + α (γ 2 ) × ΔR. This A 2 ″ is the amplitude of the lock-in detection waveform.

受光信号処理部21は、ロックイン検波波形の振幅A”を用いてガス濃度を算出する。さらに、ガス濃度の値が所定の値以下ならばガスがないと検知できる。このようにしてガス濃度やガスの有無が検出される。なお、圧力が低い場合も同様の分析を行う。 The received light signal processing unit 21 calculates the gas concentration using the amplitude A 2 ″ of the lock-in detection waveform. Further, if the gas concentration value is equal to or less than a predetermined value, it can be detected that there is no gas. Concentration and presence / absence of gas are detected, and the same analysis is performed when the pressure is low.

以上、本発明のレーザ式ガス分析計1について説明した。このようなレーザ式ガス分析計では、圧力依存性に配慮したガス分析を行うため、正確なガス濃度を算出することができる。   The laser gas analyzer 1 of the present invention has been described above. In such a laser type gas analyzer, since gas analysis is performed in consideration of pressure dependency, an accurate gas concentration can be calculated.

本発明のレーザ式ガス分析計は、車・船等の内燃機関の排ガス(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 an exhaust gas (removal tester) for internal combustion engines such as cars and ships, disaster prevention [explosive gas detection, toxic gas detection, new building material combustion gas analysis], plant growth, chemical analysis It is also useful as an analyzer for [oil refinery plant, petrochemical plant, gas generation plant], environmental [landing concentration, concentration in tunnel, parking lot, building management], and various experiments for physics and chemistry.

1:レーザ式ガス分析計
10:発光部
11:変調光生成部
12:レーザ素子
13:コリメートレンズ
14:発光部窓板
15:発光部容器
20:受光部
21:受光信号処理部
22:受光素子
23:集光レンズ
24:受光部窓板
30:通信線
40: 検出光
50a,50b:壁
51a,51b:フランジ
52a,52b:光軸調整フランジ
1: Laser gas analyzer 10: Light emitting part 11: Modulated light generating part 12: Laser element 13: Collimating lens 14: Light emitting part window plate 15: Light emitting part container 20: Light receiving part 21: Light receiving signal processing part 22: Light receiving element 23: Condensing lens 24: Light receiving part window plate 30: Communication line 40: Detection light 50a, 50b: Walls 51a, 51b: Flange 52a, 52b: Optical axis adjustment flange

Claims (4)

波長可変レーザ分光法及び波長変調光分光法により、測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計であって、
前記測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域のレーザ光を出射するレーザ素子と、
前記測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域で波長が掃引され、かつ変調されるように駆動電流を前記レーザ素子に供給する変調光生成部と、
を有する発光部と、
前記測定対象空間を通過した前記レーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子から出力された検出信号に対し、前記変調周波数の2倍の周波数でロックイン検出して得た波形の振幅に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
を有する受光部と、
を備え、
前記変調光生成部は、複数の波長変調振幅による波長掃引を行うように駆動電流を出力し、
前記受光信号処理部は、予め補正情報を登録し、前記複数の波長変調振幅に各々対応するロックイン検出により得た複数の波形の振幅、および、補正情報に基づいてガス濃度の圧力依存性を補正することを特徴とするレーザ式ガス分析計。
A laser type gas analyzer that measures a gas concentration of a measurement target gas existing in a measurement target space by means of wavelength tunable laser spectroscopy and wavelength modulated light spectroscopy,
A laser element that emits a laser beam in a wavelength band including a light absorption wavelength of an absorption line spectrum of the measurement target gas;
A modulated light generation unit that supplies a drive current to the laser element so that a wavelength is swept and modulated in a wavelength band including a light absorption wavelength of an absorption line spectrum of the measurement target gas;
A light emitting unit having
A light receiving element that receives the laser light that has passed through the measurement target space;
A light receiving signal processing unit that performs gas analysis based on the amplitude of a waveform obtained by lock-in detection at a frequency twice the modulation frequency with respect to the detection signal output from the light receiving element;
A light receiving unit having
With
The modulated light generation unit outputs a drive current so as to perform wavelength sweeping with a plurality of wavelength modulation amplitudes,
The light reception signal processing unit registers correction information in advance, and determines the pressure dependence of the gas concentration based on the amplitude of a plurality of waveforms obtained by lock-in detection corresponding to each of the plurality of wavelength modulation amplitudes and the correction information. A laser gas analyzer characterized by correcting.
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計であって、
前記複数の波形の振幅の圧力依存性は、あらかじめ既知の濃度の前記測定対象ガスを含み、かつ、その他のガスの組成や濃度が異なるように構成された複数の校正ガスによって得られる補正情報に基づきそれぞれ補正されることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
The laser gas analyzer according to claim 1,
The pressure dependence of the amplitudes of the plurality of waveforms corresponds to correction information obtained by a plurality of calibration gases that include the gas to be measured having a known concentration in advance and are configured so that the composition and concentration of other gases are different. A laser type gas analyzer which is corrected based on each.
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計であって、
前記複数の波形の振幅の圧力依存性は、あらかじめ計算機によって求められた補正情報に基づきそれぞれ補正されることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
The laser gas analyzer according to claim 1,
The pressure dependency of the amplitude of the plurality of waveforms is corrected based on correction information obtained in advance by a computer, respectively.
請求項1〜3の何れか一項に記載のレーザ式ガス分析計であって、
前記複数の波長変調振幅は、前記複数の校正ガスにおけるロックイン検出検波波形の最大振幅となるように調整されることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
The laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 3,
The laser gas analyzer according to claim 1, wherein the plurality of wavelength modulation amplitudes are adjusted to be a maximum amplitude of a lock-in detection detection waveform in the plurality of calibration gases.
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