JP2021043117A - Laser type gas analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、煙道内のガス、排ガス等のような、空間内の各種の測定対象ガスの有無、濃度をレーザ光により分析するレーザ式ガス分析計に関する。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 特開2009−47677号公報
[特許文献2] 特開2009−216385号公報
The present invention relates to a laser gas analyzer that analyzes the presence / absence and concentration of various measurement target gases in a space, such as gas in a flue, exhaust gas, etc., by laser light.
[Prior art literature]
[Patent Document]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-47677 [Patent Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-216385
レーザ式ガス分析計は、測定空間の雰囲気温度が変化する場合でも、精度よくガスを分析できることが好ましい。 It is preferable that the laser gas analyzer can analyze the gas with high accuracy even when the ambient temperature of the measurement space changes.
本発明の第1の態様においては、レーザ式ガス分析計を提供する。レーザ式ガス分析計は、波長を掃引してレーザ光を出射する光源部を備えてよい。レーザ式ガス分析計は、受光素子を備えてよい。受光素子は、測定対象ガスが存在する測定空間を介して伝播されたレーザ光を受光してよい。レーザ式ガス分析計は、信号処理回路を備えてよい。信号処理回路は、受光素子の出力信号を処理し、レーザ光の第1波長掃引範囲に存在するガス吸収波形から測定対象ガスの濃度を測定してよい。信号処理回路は、補正部を有してよい。補正部は、第2波長掃引範囲でレーザ光の波長を掃引することで検出した複数のガス吸収波形のピーク波長の位置の相対関係により、測定対象ガスのガス吸収波形の第2波長掃引範囲におけるピーク波長の位置を特定してよい。第2波長掃引範囲は、第1波長掃引範囲よりも範囲が拡張されてよい。補正部は、測定対象ガスのガス吸収波形の第2波長掃引範囲におけるピーク波長の位置に基づいてレーザ光の第1波長掃引範囲を補正してよい。 In the first aspect of the present invention, a laser gas analyzer is provided. The laser gas analyzer may include a light source unit that sweeps wavelengths and emits laser light. The laser gas analyzer may include a light receiving element. The light receiving element may receive the laser light propagated through the measurement space in which the gas to be measured exists. The laser gas analyzer may include a signal processing circuit. The signal processing circuit may process the output signal of the light receiving element and measure the concentration of the gas to be measured from the gas absorption waveform existing in the first wavelength sweep range of the laser beam. The signal processing circuit may have a correction unit. The correction unit is in the second wavelength sweep range of the gas absorption waveform of the gas to be measured by the relative relationship of the positions of the peak wavelengths of the plurality of gas absorption waveforms detected by sweeping the wavelengths of the laser light in the second wavelength sweep range. The position of the peak wavelength may be specified. The second wavelength sweep range may be extended beyond the first wavelength sweep range. The correction unit may correct the first wavelength sweep range of the laser beam based on the position of the peak wavelength in the second wavelength sweep range of the gas absorption waveform of the gas to be measured.
補正部は、信号処理回路によって特定された測定対象ガスのガス吸収波形の第2波長掃引範囲におけるピーク波長の位置が、第1波長掃引範囲内になるように、第1波長掃引範囲を補正してよい。補正部は、信号処理回路によって特定された測定対象ガスのガス吸収波形の第2波長掃引範囲におけるピーク波長の位置が、第1波長掃引範囲の中心になるように、第1波長掃引範囲を補正してよい。 The correction unit corrects the first wavelength sweep range so that the position of the peak wavelength in the second wavelength sweep range of the gas absorption waveform of the gas to be measured specified by the signal processing circuit is within the first wavelength sweep range. It's okay. The correction unit corrects the first wavelength sweep range so that the position of the peak wavelength in the second wavelength sweep range of the gas absorption waveform of the gas to be measured specified by the signal processing circuit becomes the center of the first wavelength sweep range. You can do it.
光源部は、レーザ駆動信号発生部を有してよい。レーザ駆動信号発生部は、レーザ素子の発光波長を変化させる波長掃引駆動信号および発光波長を変調する高周波変調信号を合成し、レーザ駆動信号として出力してよい。光源部は、電流制御部を有してよい。電流制御部は、レーザ駆動信号発生部から出力されたレーザ駆動信号を電流に変換してよい。光源部は、レーザ素子を有してよい。レーザ素子は、電流制御部から出力された電流が供給されてよい。光源部は、温度制御部を有してよい。温度制御部は、レーザ素子の温度を制御してよい。 The light source unit may have a laser drive signal generation unit. The laser drive signal generator may synthesize a wavelength sweep drive signal that changes the emission wavelength of the laser element and a high frequency modulation signal that modulates the emission wavelength, and output the laser drive signal as a laser drive signal. The light source unit may have a current control unit. The current control unit may convert the laser drive signal output from the laser drive signal generation unit into a current. The light source unit may have a laser element. The laser element may be supplied with the current output from the current control unit. The light source unit may have a temperature control unit. The temperature control unit may control the temperature of the laser element.
波長掃引駆動信号の波形は、オフセット部分を有してよい。波長掃引駆動信号の波形は、レーザ素子への供給電流を直線的に変化させてレーザ素子の発光波長を徐々に変化させる部分を有してよい。波長掃引駆動信号の波形は、一定周期で繰り返される波形であってよい。オフセット部分は、レーザ素子の発光が安定するスレッショルド電流値以上の電流をレーザ素子に供給する値であってよい。 The waveform of the wavelength sweep drive signal may have an offset portion. The waveform of the wavelength sweep drive signal may have a portion that linearly changes the supply current to the laser element to gradually change the emission wavelength of the laser element. The waveform of the wavelength sweep drive signal may be a waveform that is repeated at regular intervals. The offset portion may be a value that supplies the laser element with a current equal to or greater than the threshold current value at which the light emission of the laser element is stable.
補正部は、レーザ光の第1波長掃引範囲を補正するための電流制御量を計算してよい。補正部は、電流制御量を電流制御部に送信することにより、レーザ光の第1波長掃引範囲を補正してよい。補正部は、レーザ光の第1波長掃引範囲を補正するための温度制御量を計算してよい。補正部は、温度制御量を温度制御部に送信することにより、レーザ光の第1波長掃引範囲を補正してよい。 The correction unit may calculate the current control amount for correcting the first wavelength sweep range of the laser beam. The correction unit may correct the first wavelength sweep range of the laser beam by transmitting the current control amount to the current control unit. The correction unit may calculate the temperature control amount for correcting the first wavelength sweep range of the laser beam. The correction unit may correct the first wavelength sweep range of the laser beam by transmitting the temperature control amount to the temperature control unit.
補正部は、複数のガス吸収波形の理想時のピーク波長の位置の相対関係を保存してよい。複数のガス吸収波形には、水蒸気のガス吸収波形が含まれてよい。 The correction unit may store the relative relationship between the positions of the ideal peak wavelengths of the plurality of gas absorption waveforms. The plurality of gas absorption waveforms may include a gas absorption waveform of water vapor.
レーザ式ガス分析計は、一定時間経過ごとのタイミングでレーザ光の第1波長掃引範囲を補正してよい。レーザ式ガス分析計は、測定空間の雰囲気温度を観測してよい。レーザ式ガス分析計は、測定空間の温度の変化量または変化率が、予め定められた閾値以上となったタイミングでレーザ光の第1波長掃引範囲を補正してよい。レーザ式ガス分析計は、測定対象ガスの測定濃度の変化量または変化率が、予め定められた閾値以上となったタイミングでレーザ光の第1波長掃引範囲を補正してよい。レーザ式ガス分析計は、測定対象ガスのガス吸収波形が検出されなくなったタイミングでレーザ光の第1波長掃引範囲を補正してよい。 The laser gas analyzer may correct the first wavelength sweep range of the laser beam at a timing at regular intervals. The laser gas analyzer may observe the ambient temperature in the measurement space. The laser gas analyzer may correct the first wavelength sweep range of the laser beam at the timing when the amount of change or the rate of change in the temperature of the measurement space becomes equal to or higher than a predetermined threshold value. The laser gas analyzer may correct the first wavelength sweep range of the laser beam at the timing when the amount of change or the rate of change in the measured concentration of the gas to be measured becomes equal to or higher than a predetermined threshold value. The laser gas analyzer may correct the first wavelength sweep range of the laser beam at the timing when the gas absorption waveform of the gas to be measured is no longer detected.
ガス吸収波形のピーク波長の位置は、ガス吸収波形を奇数微分した波形が原点を通る横軸と交差する点により判別してよい。ガス吸収波形のピーク波長の位置は、ガス吸収波形の最小値により判別してよい。 The position of the peak wavelength of the gas absorption waveform may be determined by the point where the waveform obtained by oddly differentiating the gas absorption waveform intersects the horizontal axis passing through the origin. The position of the peak wavelength of the gas absorption waveform may be determined by the minimum value of the gas absorption waveform.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 The outline of the above invention does not list all the necessary features of the present invention. Sub-combinations of these feature groups can also be inventions.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the inventions that fall within the scope of the claims. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential to the means of solving the invention.
図1は、比較例に係るレーザ式ガス分析計300の構成の一例を示す。レーザ式ガス分析計300は、レーザ素子316、温度センサ317および温度制御素子315を有する。レーザ式ガス分析計300は、測定空間における測定対象ガスの有無または濃度等を分析する。レーザ素子316は、測定空間にレーザ光を照射することで、測定空間における測定対象ガスを分析する。例えばレーザ素子316は、測定空間におけるレーザ光の各波長成分の減衰量に基づいて、測定対象ガスの濃度を分析する。レーザ素子316は、供給される電流やレーザ素子316の温度によって、発光波長が変化する性質を有する。温度制御素子315は、レーザ素子316の温度を制御する。温度センサ317は、温度制御素子315とレーザ素子316の間に配置され、温度を検出する。温度制御素子315は、温度センサ317が検出した温度に基づいて、レーザ素子316の温度を制御する。
FIG. 1 shows an example of the configuration of the
燃焼ガスの濃度分析時等のように、測定空間の雰囲気温度が急激に変化する場合がある。この場合、測定空間からの輻射熱により、レーザ素子316の温度が変化し、温度センサ317および温度制御素子315との間に熱勾配が生じる。このため、レーザ素子316の温度が、制御目標の温度に対して誤差を有する場合がある。
The ambient temperature of the measurement space may change suddenly, such as when analyzing the concentration of combustion gas. In this case, the temperature of the
図2は、レーザ式ガス分析計300が検出するガス吸収波形の一例を示す。レーザ素子316からのレーザ光が測定空間内を通過すると、測定空間内に存在するガスに対応する波長λAの成分が吸収される。測定空間内を通過したレーザ光は、受光素子により電圧信号に変換される。本例では、受光素子が出力する電圧信号の2倍周波数成分を、ガス吸収波形として処理している。電圧信号の2倍周波数成分を検出することで、ガス吸収波形のピーク波長λAを精度よく検出できる。ピーク波長λAの位置から測定空間内に存在するガスの種類を推定でき、ピーク波長λAにおけるガス吸収波形の振幅値からガスの濃度を推定できる。
FIG. 2 shows an example of the gas absorption waveform detected by the
図3は、レーザ素子316のレーザ光波長掃引範囲の一例を示す。本例のレーザ素子316は、時間の経過とともに、出力するレーザ光の波長を変化させている。図3では、時間と波長の関係を点線の直線で示している。また図3では、それぞれの時間で検出されるガス吸収波形の一例を、当該直線上に模式的に示している。図3では、測定対象ガスのガス吸収波形を実線で、他のガスのガス吸収波形を点線で表している。ガス吸収波形は、図2において説明したガス吸収波形と同様である。
FIG. 3 shows an example of the laser light wavelength sweep range of the
図3においてλrrは理想のレーザ光波長掃引範囲であり、λllは後述する波長ロス発生時のレーザ光波長掃引範囲である。レーザ光波長掃引範囲λrrは、測定対象ガスが吸収する光の波長を含む範囲である。上述した熱勾配により、レーザ素子316の温度が制御目標温度からずれてしまうと、レーザ素子316の温度特性によりレーザ光の波長が変化してしまう。このため、レーザ素子316におけるレーザ光波長掃引範囲が、理想のλrrからはずれたλllとなってしまう。つまり、レーザ光の波長掃引範囲に対する測定対象ガスのガス吸収波形のピーク波長の相対位置がずれてしまう。このため、ガス吸収波形のピークが検出できない、または、他のガスのガス吸収波形を測定対象ガスのガス吸収波形と誤検出するといった問題が起こる可能性がある。この問題を波長ロスと呼ぶ。さらに、測定空間内の測定対象ガスの濃度が低い場合もガス吸収波形が検出されないため、濃度分析が困難であり、かつ波長ロスとの判別も困難であるため補正が不可能である。
In FIG. 3, λ rr is an ideal laser light wavelength sweep range, and λ ll is a laser light wavelength sweep range when a wavelength loss occurs, which will be described later. The laser light wavelength sweep range λ rr is a range including the wavelength of the light absorbed by the gas to be measured. If the temperature of the
また、上記課題を解決する手法として、レーザ素子と測定空間の間に既知濃度の測定対象ガスを封入した参照ガスセルを設ける方法があるが、装置が大型化するという問題がある。加えて、測定対象ガスと同じガスを封入する必要があるため、参照ガスセルへの封入が不可能または困難なガスについては、適用が困難である。また、参照ガスセルを用いるために参照ガスセル自体のガス漏れも考慮しなくてはならず、測定対象ガスが腐食性ガスであるHCL等の場合、これと同じ参照ガスがガス漏れすると周囲の光学部品が劣化する。さらに振動の影響による軸ずれや参照ガスセルの破損の影響も考慮しなくてはならず、参照ガスセルを用いること自体が望ましくない。 Further, as a method for solving the above problem, there is a method of providing a reference gas cell in which a measurement target gas having a known concentration is sealed between the laser element and the measurement space, but there is a problem that the device becomes large. In addition, since it is necessary to fill the same gas as the gas to be measured, it is difficult to apply it to a gas that cannot or is difficult to fill in the reference gas cell. In addition, in order to use the reference gas cell, it is necessary to consider the gas leak of the reference gas cell itself. When the gas to be measured is HCL or the like which is a corrosive gas, if the same reference gas leaks, the surrounding optical parts Deteriorates. Further, it is necessary to consider the influence of the shaft shift due to the influence of vibration and the damage of the reference gas cell, and it is not desirable to use the reference gas cell itself.
図4は、本発明の一つの実施形態に係るレーザ式ガス分析計100の構成の一例を示す。本例のレーザ式ガス分析計100は、発光部10、受光部20および信号処理回路21を備える。発光部10は、測定空間にレーザ光30を照射する。受光部20は、測定空間を介して伝搬されたレーザ光30を受光する。本例の受光部20は、測定空間を透過したレーザ光30を受光しているが、他の例の受光部20は、測定空間において散乱または反射されたレーザ光30を受光してもよい。信号処理回路21は、受光部20における受光結果に基づいて、測定空間における測定対象ガスを分析する。
FIG. 4 shows an example of the configuration of the
本例の測定空間は、測定対象ガスが内部を通過する管状の煙道である。図4においては、管状の煙道の断面における配管壁50aおよび配管壁50bを示している。配管壁50aは発光部10側の壁であり、配管壁50bは受光部20側の壁である。本例のレーザ式ガス分析計100は、フランジ51aおよびフランジ51bを備えている。フランジ51aは配管壁50aに溶接等によって固定され、フランジ51bは配管壁50bに溶接等によって固定されている。
The measurement space of this example is a tubular flue through which the gas to be measured passes. FIG. 4 shows a
本例のレーザ式ガス分析計100は、取付座52aおよび取付座52bを備えている。取付座52aは、フランジ51aに発光部10を固定する。取付座52bは、フランジ51bに受光部20を固定する。
The
本例の発光部10は、光源部11、コリメートレンズ12および発光部容器13を有する。発光部容器13は、光源部11およびコリメートレンズ12を収容する。本例の発光部容器13は、有底円筒状である。発光部容器13は、取付座52aに取り付けられている。
The
光源部11は、レーザ光30を出射する。光源部11は、出射光の波長が制御可能なレーザ素子を有する。光源部11から出射したレーザ光30は、コリメートレンズ12を含む光学系によって平行光にコリメートされる。コリメートされた光は、フランジ51aの中心を通り、配管壁50aおよび配管壁50bの間の煙道内部へ入射される。煙道内部に入射したレーザ光30は、煙道内部にある測定対象ガスを透過する際に、測定対象ガスの吸収波長に応じた波長成分の一部が吸収される。
The
本例の受光部20は、信号処理回路21、受光素子22、集光レンズ23および受光部容器24を有する。受光部容器24は、信号処理回路21、受光素子22および集光レンズ23を収容する。信号処理回路21は、受光部容器24の外部に設けられてもよい。本例の受光部容器24は、有底円筒状である。受光部容器24は、取付座52bに取り付けられている。
The
煙道内部を通過したレーザ光30は、集光レンズ23により集光されて受光素子22により受光される。受光素子22は、フォトダイオード等によって構成されており、光源部11から出射されたレーザ光30に感度を持つものが使用される。受光素子22は、光源部11の波長掃引可能範囲の全体に対して感度を有することが好ましい。受光素子22は、受光した光を電気信号に変換し、信号処理回路21に入力する。
The
信号処理回路21は、入力された電気信号に基づいて、後述する電流制御量、もしくは温度制御量を光源部11に送信する。受光部20は、信号処理回路21と光源部11を接続する通信線40を有してよい。
The
図5は、光源部11と、信号処理回路21の構成の一例を示す。光源部11は、レーザ駆動信号発生部111、電流制御部114、温度制御部115、レーザ素子116、サーミスタ117およびペルチェ素子118を備える。レーザ素子116は、図1におけるレーザ素子316と同一の機能を有してよい。レーザ素子116は、例えば半導体レーザである。サーミスタ117は、図1における温度センサ317と同一の機能を有してよい。ペルチェ素子118は、図1における温度制御素子315と同一の機能を有してよい。信号処理回路21は、演算部215および制御量算出部218を備える。図5においては、演算部215および制御量算出部218以外の信号処理回路21の構成を省略している。
FIG. 5 shows an example of the configuration of the
光源部11は、掃引信号発生部112と、変調信号発生部113とを有するレーザ駆動信号発生部111を備えている。掃引信号発生部112は、レーザ素子116の発光波長を変化させる波長掃引駆動信号を出力する。掃引信号発生部112は、測定対象ガスの吸収波長を含む波長範囲内で、レーザ素子116の発光波長を掃引させる。変調信号発生部113は、レーザ素子116の発光波長を変調するための、正弦波の高周波変調信号を出力する。レーザ駆動信号発生部111は、波長掃引駆動信号に高周波変調信号を重畳して出力する。
The
電流制御部114は、レーザ駆動信号発生部111が出力するレーザ駆動信号に応じた電流を、レーザ素子116に供給する。これにより、レーザ素子116は、レーザ駆動信号に応じた波長および強度のレーザ光30を出射する。
The
レーザ素子116に近接して、温度検出素子としてのサーミスタ117が配置されている。また、サーミスタ117にはペルチェ素子118が近接して配置されている。ペルチェ素子118は、サーミスタ117の抵抗値が一定値になるように温度制御部115によってPID制御される。これにより、レーザ素子116の温度を制御する。レーザ素子116の温度を制御することにより、レーザ素子116の発光波長を安定化させる。
A
掃引信号発生部112は、信号処理回路21の演算部215にトリガ信号を出力してよい。これにより信号処理回路21は、レーザ素子116が出力するレーザ光30の波長と、受光素子22が出力する信号とを対応付けて処理できる。
The sweep
本例の電流制御部114には、信号処理回路21の制御量算出部218から、上述した波長ロスを抑制するための電流制御量が通知される。当該電流制御量は、レーザ素子116の波長掃引範囲内に測定対象ガスの吸収波長が含まれるように、レーザ素子116の波長掃引範囲を調整する制御量である。当該電流制御量は、レーザ素子116の波長掃引範囲を、所定値だけシフトさせる制御量であってよい。
The
本例の温度制御部115には、信号処理回路21の制御量算出部218から、上述した波長ロスを抑制するための温度制御量が通知される。当該温度制御量は、レーザ素子116の波長掃引範囲内に測定対象ガスの吸収波長が含まれるように、レーザ素子116の温度を調整する制御量である。レーザ素子116の温度を調整することで、レーザ素子116の波長掃引範囲を調整できる。制御量算出部218の動作については後述する。
The
図6は、波長掃引駆動信号の一例を示す。波長掃引駆動信号は、図6に示すように、一定周期でくり返され、レーザ素子116への供給電流を直線的に変化させてレーザ素子116の発光波長を徐々に変化させる掃引部分S2を有する信号である。掃引部分S2によってレーザ素子116の発光波長を徐々にずらしていき、発光波長の掃引を可能にしている。
FIG. 6 shows an example of a wavelength sweep drive signal. As shown in FIG. 6, the wavelength sweep drive signal is repeated at a constant cycle, and has a sweep portion S2 that linearly changes the supply current to the
波長掃引駆動信号は、発光波長は掃引しないがレーザ素子116は発光させておくオフセット部分S1を有する。オフセット部分S1は、掃引部分S2の直前の部分である。オフセット部分S1により、レーザ素子116に供給する駆動電流を、レーザ素子116の発光が安定するスレッショルド電流値以上の値にしておく。また、波長掃引駆動信号は、非出射部分S3を有する。非出射部分S3は、レーザ素子116に供給する駆動電流をほぼ0にする部分である。非出射部分S3は、掃引部分S2の直後の部分である。波長掃引駆動信号は、部分S1からS3を繰り返す。
The wavelength sweep drive signal has an offset portion S1 that does not sweep the emission wavelength but causes the
波長掃引駆動信号と高周波変調信号をレーザ駆動信号発生部111内で合成することにより、レーザ駆動信号が生成される。レーザ駆動信号発生部111から出力されたレーザ駆動信号は電流制御部114により電流に変換され、レーザ素子116に供給される。
A laser drive signal is generated by synthesizing the wavelength sweep drive signal and the high frequency modulation signal in the laser drive signal generation unit 111. The laser drive signal output from the laser drive signal generation unit 111 is converted into a current by the
図7は、信号処理回路21の構成の一例を示す。信号処理回路21は、受光素子22の出力信号を処理し、レーザ光30の掃引範囲に存在するガス吸収波形から、測定対象ガスの濃度を測定する。
FIG. 7 shows an example of the configuration of the
本例の信号処理回路21は、I/V変換器211、同期検波回路213、フィルタ214、演算部215、発振器212および補正部216を有する。受光素子22の出力電流はI/V変換器211により電圧に変換される。I/V変換器211の出力信号は、同期検波回路213に入力される。
The
同期検波回路213には、発振器212からの2f信号(2倍波信号)も入力される。2f信号は、図5に示した変調信号発生部113の高調波変調信号の2倍の周波数の信号である。同期検波回路213は、I/V変換器211の出力信号における、高調波変調信号の2倍周波数成分の振幅のみを抽出する。同期検波回路213の出力信号は、ノイズ除去用のフィルタ214を介してCPU等の演算部215に送られる。フィルタ214の出力信号は、補正部216へ送信される。
A 2f signal (double wave signal) from the
演算部215には、掃引信号発生部112からトリガ信号が送られる。トリガ信号は、波長掃引駆動信号の1周期に同期して出力されるパルス状の信号である。
A trigger signal is sent from the sweep
測定対象ガスの濃度測定方法について説明する。まず、事前にレーザ素子116の温度をサーミスタ117により検出する。さらに、波長掃引範囲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115によりペルチェ素子118の通電を制御してレーザ素子116の温度を調整する。その後にレーザ素子116を駆動し、測定対象ガスが存在する配管壁50aおよび配管壁50bの間の測定空間にレーザ光30を出射する。受光部20において、集光した光を受光素子22へ入射させる。
A method for measuring the concentration of the gas to be measured will be described. First, the temperature of the
測定対象ガスによるレーザ光30の吸収がない場合は、同期検波回路213によって2倍波信号が検出されないため、同期検波回路213の出力信号の波形はほぼ直線となる。一方、測定対象ガスによるレーザ光30の吸収がある場合は、同期検波回路213によって2倍波信号が検出される。2倍波信号で示されるガス吸収波形の最大値または最小値が測定対象ガスの濃度に相当する。したがって、演算部215では、ガス吸収波形の最大値または最小値を測定するか、あるいはガス吸収波形の一部または全部を積分して、その積分値から測定対象ガスの濃度を算出すればよい。
When the
さらに、掃引信号発生部112から出力されるトリガ信号と同期検波回路213の出力信号との間には一定の時間的な相関関係がある。つまり、トリガ信号のタイミングに対してガス吸収波形やその最大値、最小値が発生するタイミングはあらかじめほぼ正確に検出可能であり、トリガ信号を基準として測定することで高精度な測定が可能である。
Further, there is a certain temporal correlation between the trigger signal output from the sweep
また、フィルタ214の出力信号は補正部216へ送られる。補正部216は、波長算出部217と、制御量算出部218とを有する。波長算出部217は、フィルタ214の出力信号に基づいて、測定対象ガスによるガス吸収波形のピーク波長の、波長掃引範囲内における相対位置を算出する。制御量算出部218は、波長算出部217が算出した相対位置に基づいて、電流制御部114に通知する電流制御量、もしくは、温度制御部115に通知する温度制御量を算出する。
Further, the output signal of the
レーザ式ガス分析計100の動作を説明する。レーザ式ガス分析計100は、測定対象ガスを計測する通常動作モードと、上述した電流制御量または温度制御量を算出するための補正動作モードの2種類の動作モードを有する。通常動作モードにおいてレーザ式ガス分析計100は、第1波長掃引範囲でレーザ光30を掃引する。例えば第1波長掃引範囲は、測定対象ガスの吸収波長を中心とする波長範囲である。上述したように、レーザ素子116等における熱勾配により第1波長掃引範囲がシフトすると、第1波長掃引範囲内に測定対象ガスの吸収波長が含まれなくなる等の理由で、測定対象ガスによるガス吸収波形を検出することが困難になる。
The operation of the
補正動作モードでは、第1波長掃引範囲よりも範囲が拡張された第2波長掃引範囲でレーザ光30を掃引する。このため、第2波長掃引範囲がシフトした場合でも、測定対象ガスによるガス吸収波形が掃引範囲に含まれやすくなる。波長掃引範囲を拡張することで、測定対象ガス以外のガスによるガス吸収波形も、第2波長掃引範囲に含まれやすくなる。測定空間に存在するガスが既知の場合、それぞれのガスのガス吸収波形のピーク波長の位置も既知となる。このため、複数のガス吸収波形の相対位置に基づいて、いずれのガス吸収波形が測定対象ガスのガス吸収波形かを識別しやすくなる。なおガス吸収波形の位置とは、波長軸における位置を指す。第2波長掃引範囲の波長範囲は、第1波長掃引範囲の波長範囲の1.5倍以上であってよく、2倍以上であってよく、3倍以上であってもよい。第2波長掃引範囲は、レーザ素子116において波長を掃引できる最大の範囲であってもよい。
In the correction operation mode, the
第2波長掃引範囲は、第1波長掃引範囲よりも範囲が拡張されているため、濃度演算において処理時間が長くなり、応答性が悪化する。また、ガス吸収波形は測定レンジ内で可能な限り増幅し、高い感度で濃度演算を行うことが好ましい。この場合、第2波長掃引範囲において複数のガスを検出する場合、最大のガス吸収波形に合わせて同じ増幅率で増幅するため、測定対象ガスの濃度が低いと十分に増幅されず高精度な分析ができない。したがって、測定対象ガスの濃度が低い場合等では、第1波長掃引範囲を制御してガス吸収波形を検出することにより、高精度な分析が可能である。 Since the second wavelength sweep range is expanded from the first wavelength sweep range, the processing time becomes longer in the density calculation, and the responsiveness deteriorates. Further, it is preferable that the gas absorption waveform is amplified as much as possible within the measurement range and the concentration calculation is performed with high sensitivity. In this case, when a plurality of gases are detected in the second wavelength sweep range, they are amplified at the same amplification factor according to the maximum gas absorption waveform. Therefore, if the concentration of the gas to be measured is low, it is not sufficiently amplified and highly accurate analysis is performed. I can't. Therefore, when the concentration of the gas to be measured is low or the like, highly accurate analysis can be performed by detecting the gas absorption waveform by controlling the first wavelength sweep range.
制御量算出部218は、波長算出部217が第2波長掃引範囲において検出した測定対象ガスのガス吸収波形の波長が含まれるように、第1波長掃引範囲を制御する。制御量算出部218は、測定対象ガスのガス吸収波形のピーク波長の位置が、第1波長掃引範囲の中央波長となるように、第1波長掃引範囲を制御してよい。
The control
補正動作は所定のタイミングで行ってよい。補正動作は、一定時間経過ごとのタイミングで行ってもよい。また、測定空間の雰囲気温度を観測し、温度の変化量または変化率が、予め定められた閾値以上となったタイミングで、補正動作を行ってもよい。また、測定対象ガスの測定濃度の変化量または変化率が、予め定められた閾値以上となったタイミングで補正動作を行ってもよい。また、測定対象ガスのガス吸収波形(ピーク)が検出されなくなったタイミングで、補正動作を行ってもよい。 The correction operation may be performed at a predetermined timing. The correction operation may be performed at the timing of each fixed time elapse. Further, the atmospheric temperature in the measurement space may be observed, and the correction operation may be performed at the timing when the amount of change or the rate of change of the temperature becomes equal to or higher than a predetermined threshold value. Further, the correction operation may be performed at the timing when the amount of change or the rate of change in the measured concentration of the gas to be measured becomes equal to or higher than a predetermined threshold value. Further, the correction operation may be performed at the timing when the gas absorption waveform (peak) of the gas to be measured is no longer detected.
補正動作を行うタイミングで、第1波長掃引範囲に対して範囲が拡張された第2波長掃引範囲で波長掃引するためのレーザ駆動信号を、掃引信号発生部112から発生させる。
At the timing of performing the correction operation, a laser drive signal for wavelength sweeping in the second wavelength sweep range whose range is extended with respect to the first wavelength sweep range is generated from the sweep
レーザ光30の波長掃引範囲を拡張することにより、測定対象ガスに加え、測定空間内に存在する他の複数のガスの吸収波長が掃引範囲に含まれる場合がある。この場合、レーザ素子116から発光されるレーザ光30は測定空間内の複数のガスにより吸収される。測定空間に存在するガスには、水蒸気が含まれてもよい。受光素子22で受光した信号は信号処理回路21により、複数のガス吸収波形を持つ信号として補正部216へ送られる。複数のガス吸収波形には、水蒸気のガス吸収波形が含まれてよい。
By extending the wavelength sweep range of the
補正部216は、波長算出部217と、制御量算出部218とを有する。波長算出部217では、測定対象ガス、及び測定対象ガス以外の補正に用いるガスの吸収波長の理論値を、事前に保存しておく。波長算出部217は、複数のガス吸収波形の理想時のピーク波長の位置の相対関係を保存してもよい。ピーク波長の位置の相対関係とは、例えば、それぞれの波長の位置の差分である。波長算出部217は、波長算出部217に入力された複数のガス吸収波形を持つ信号のそれぞれのピーク波長の位置を算出する。
The
図8は、レーザ式ガス分析計100が検出するガス吸収波形を奇数微分した波形の一例を示す。図8に示した波形は、図1に示した波形を奇数微分した波形である。したがって、図8で示した波長範囲では、ピーク波長の位置はλAである。図8において、中心横軸は、点線の横線で示される。
FIG. 8 shows an example of a waveform obtained by odd-numbering the gas absorption waveform detected by the
ガス吸収波形のピーク波長の位置λAを算出する場合、ガス吸収波形が極大値または極小値になる波長を算出すればよい。したがって、複数のガス吸収波形を持つ信号を奇数微分した波形が、その中心横軸と交差する点の位置とすればよい。この交点が、1つのガス吸収波形に対し複数存在する場合には、それらの中で中心のものをピーク波長の位置としてもよい。奇数微分した波形がその中心横軸に対し、正の傾きを持って交差する点をピーク波長の位置としてもよい。奇数微分した波形がその中心横軸に対し、負の傾きを持って交差する点をピーク波長の位置としてもよい。また、ガス吸収波形の最小値をピーク波長の位置としてもよい。ガス吸収波形の最大値をピーク波長の位置としてもよい。 When calculating the position λ A of the peak wavelength of the gas absorption waveform, the wavelength at which the gas absorption waveform becomes the maximum value or the minimum value may be calculated. Therefore, the odd-numbered waveform of a signal having a plurality of gas absorption waveforms may be set as the position of the point where the central horizontal axis intersects. When a plurality of these intersections exist for one gas absorption waveform, the central one among them may be the position of the peak wavelength. The point where the odd-differentiated waveform intersects the central horizontal axis with a positive slope may be the position of the peak wavelength. The point where the odd-differentiated waveform intersects the central horizontal axis with a negative slope may be the position of the peak wavelength. Further, the minimum value of the gas absorption waveform may be set as the position of the peak wavelength. The maximum value of the gas absorption waveform may be the position of the peak wavelength.
第2波長掃引範囲は第1波長掃引範囲よりも範囲が拡張されている。したがって、第2波長掃引範囲でレーザ光30の波長を掃引してピーク波長の位置を算出すると、複数のガスのガス吸収波形のピーク波長の位置が得られる。それぞれのガスのガス吸収波形のピーク波長の位置は、理想的にはピーク波長の位置の理論値と等しくなる。しかし、実際には波長ロスによりそれぞれのガスのガス吸収波形のピーク波長の位置は理論値とは差異が生じる。したがって、補正動作を行うために、算出されたピーク波長の位置の中から、測定対象ガスのガス吸収波形の第2波長掃引範囲におけるピーク波長の位置を特定する必要がある。
The second wavelength sweep range is extended from the first wavelength sweep range. Therefore, when the wavelength of the
図9は、測定対象ガス、ガスA、ガスBの3種のガスの相対関係により測定対象ガスのガス吸収波形のピーク波長の位置を特定する場合の一例を示す。図9では、図3と同様にそれぞれの時間で検出されるガス吸収波形の一例を、当該直線上に模式的に示している。図9においては、測定対象ガス、ガスA、ガスBのガス吸収波形を表している。実線は、理想のガス吸収波形であり、点線は実際のガス吸収波形である。理想のガス吸収波形とは、波長ロスが起きずピーク波長の位置が変化していないガス吸収波形を意味する。理想のガス吸収波形のピーク波長の位置は、それぞれのガスのガス吸収波形のピーク波長の位置の理論値と等しい。測定対象ガス、ガスA、ガスBの理想のガス吸収波形のピーク波長の位置をそれぞれλ'、λA'、λB'とする。実際のガス吸収波形とは、波長ロスによりピーク波長の位置が変化しているガス吸収波形を意味する。実際のガス吸収波形のピーク波長の位置は、算出されるピーク波長の位置である算出値に等しい。測定対象ガス、ガスA、ガスBの実際のガス吸収波形のピーク波長の位置をそれぞれλ、λA、λBとする。 FIG. 9 shows an example in which the position of the peak wavelength of the gas absorption waveform of the gas to be measured is specified by the relative relationship of the three types of gases, the gas to be measured, the gas A, and the gas B. In FIG. 9, an example of the gas absorption waveform detected at each time is schematically shown on the straight line as in FIG. In FIG. 9, the gas absorption waveforms of the gas to be measured, the gas A, and the gas B are shown. The solid line is the ideal gas absorption waveform, and the dotted line is the actual gas absorption waveform. The ideal gas absorption waveform means a gas absorption waveform in which no wavelength loss occurs and the position of the peak wavelength does not change. The position of the peak wavelength of the ideal gas absorption waveform is equal to the theoretical value of the position of the peak wavelength of the gas absorption waveform of each gas. Let the positions of the peak wavelengths of the ideal gas absorption waveforms of the gas to be measured, gas A, and gas B be λ', λ A ', and λ B ', respectively. The actual gas absorption waveform means a gas absorption waveform in which the position of the peak wavelength is changed due to wavelength loss. The position of the peak wavelength of the actual gas absorption waveform is equal to the calculated value which is the position of the calculated peak wavelength. Let λ, λ A , and λ B be the positions of the peak wavelengths of the actual gas absorption waveforms of the gas to be measured, gas A, and gas B, respectively.
ガス吸収特性は波長に依存しており、複数のガスのピーク波長の位置の相対関係は常に一定に保たれる。例えば、それぞれのガス吸収波形のピーク波長の位置の差分は一定である。したがって、取得した複数のガスのピーク波長の位置の算出値と複数のガスのピーク波長の位置の理論値から、測定対象ガスのピーク波長の位置が得られる。測定対象ガスのピーク波長の位置は、下記の式で算出することができる。
λ'、λA'、λB' は理論値であるため、既知である。λA、λBは第2波長掃引範囲におけるピーク波長の位置から特定する必要がある。しかし、λA、λBの差分は一定に保たれるため、容易に特定が可能である。したがって、λ'、λA'、λB'、λA、λBから、測定対象ガスの実際のガス吸収波形のピーク波長の位置λを算出することができる。 λ ', λ A', λ B ' is for a theoretical value, is known. λ A and λ B need to be specified from the position of the peak wavelength in the second wavelength sweep range. However, since the difference between λ A and λ B is kept constant, it can be easily specified. Therefore, the position λ of the peak wavelength of the actual gas absorption waveform of the gas to be measured can be calculated from λ', λ A ', λ B ', λ A , and λ B.
なお、図9では、各種ガスの大小関係がλA<λ<λBとなっているが、この関係に限ったものではなく、λの相対位置が一意に決まるのであれば、例えば、λ<λA<λBやλA<λB<λといった関係でもよい。また、λの相対位置が一意に決まるのであれば、2種以上の任意の数のガス種を用いてもよい。以上のように、複数ガスのピーク波長の位置の相対関係により、測定対象ガスのガス吸収波形の第2波長掃引範囲におけるピーク波長の位置を特定することができる。 In FIG. 9, the magnitude relationship of various gases is λ A <λ <λ B , but the relationship is not limited to this, and if the relative position of λ is uniquely determined, for example, λ < The relationship may be λ A <λ B or λ A <λ B <λ. Further, as long as the relative position of λ is uniquely determined, two or more kinds of gas types may be used. As described above, the position of the peak wavelength in the second wavelength sweep range of the gas absorption waveform of the gas to be measured can be specified by the relative relationship of the positions of the peak wavelengths of the plurality of gases.
図10は、HCl(塩化水素)とH2O(水蒸気)に関して波長と吸収強度の関係の一例を示す。図10を用いて、煙道内の排ガスの濃度測定において、測定対象ガスがHCLの場合のピーク波長の位置の算出方法について具体的な例を説明する。図10において、HClのガス吸収波形のピーク波長の位置は、1742.38nmである。また、近傍にはH2Oのガス吸収波形のピーク波長の位置が存在する。図10において、H2Oのガス吸収波形のピーク波長の位置は、1742.51nm、1742.60nm、1742.68nmである。図10に示すガス吸収波形のピーク波長の位置は、ガス吸収波形のピーク波長の位置の理論値である。 Figure 10 shows an example of a relationship between the wavelength and the absorption intensity with respect to HCl (hydrogen chloride) and H 2 O (water vapor). A specific example of a method of calculating the position of the peak wavelength when the gas to be measured is HCl in the concentration measurement of the exhaust gas in the flue will be described with reference to FIG. In FIG. 10, the position of the peak wavelength of the gas absorption waveform of HCl is 1742.38 nm. Further, in the vicinity there is the position of the peak wavelength of of H 2 O gas absorption waveform. 10, the position of the peak wavelength of of H 2 O gas absorption waveform, 1742.51nm, 1742.60nm, is 1742.68Nm. The position of the peak wavelength of the gas absorption waveform shown in FIG. 10 is a theoretical value of the position of the peak wavelength of the gas absorption waveform.
波長算出部217では、HClおよびH2Oのガス吸収波形のピーク波長の位置の理論値を事前に記憶しておく。図10の例では、λ' =1742.38nm、λA'=1742.51nm、λB'=1742.60nmとする。また、1742.68nmをピーク波長の位置の理論値として用いてもよい。H2Oは大気中に一定濃度存在するため、これらすべてのガス吸収波形を含むように、第2波長掃引範囲の波長掃引範囲を拡大することで、H2Oのガス吸収波形2種のピーク波長の位置λA、λBが検出可能となる。したがって、受光信号からH2Oのピーク波長の位置λA、λBを算出し、上式によりHClの実際のガス吸収波形のピーク波長の位置λを得ることができる。
The
補正部216は、測定対象ガスのガス吸収波形のピーク波長の位置に基づいて、レーザ光30の第1波長掃引範囲を補正する。補正を行うことにより、第1波長掃引範囲で測定対象ガスのガス吸収波形のピーク波長の位置を検出することが可能になる。したがって、測定対象ガスの濃度が低い場合でも第1波長掃引範囲でガス吸収波形を検出することができ、高精度な濃度分析が可能である。
The
補正部216は、第1波長掃引範囲で測定対象ガスのガス吸収波形を検出できるように補正を行う。補正部216は、特定された測定対象ガスのピーク波長の位置が、第1波長掃引範囲内になるように、第1波長掃引範囲を補正してもよい。補正部216は、特定された測定対象ガスのピーク波長の位置が、第1波長掃引範囲の中心になるように、第1波長掃引範囲を補正してもよい。
The
制御量算出部218は、第1波長掃引範囲を補正するための電流制御量もしくは温度制御量を決定する。電流制御量および温度制御量は、実際のガス吸収波形のピーク波長の位置と第1波長掃引範囲の中心波長の差分より求めてよい。
The control
電流制御により補正を行う場合の例を示す。算出した測定対象ガスの実際のガス吸収波形のピーク波長の位置λが制御量算出部218に送られる。制御量算出部218は、測定対象ガスが第1波長掃引範囲における所定の位置(例えば、範囲の中心)になるように電流制御量を決定する。レーザ素子116の波長の電流特性が約12pm/mAであることを考慮し、電流制御量は下記の式で決定される。電流制御量(通常制御に加算する補正量)をdI[mA]、測定対象ガスの実際のガス吸収波形のピーク波長の位置をλ[pm]、第1波長掃引範囲の中心波長をλp[pm]とする。式は測定対象ガスのガス吸収波形のピーク波長の位置が第1波長掃引範囲の中心になるように補正する場合の例である。
補正部216は、決定された電流制御量を電流制御部114に送信することにより、レーザ光30の第1波長掃引範囲を補正する。したがって、電流制御により、第1波長掃引範囲で測定対象ガスのガス吸収波形のピーク波長の位置を検出することが可能になる。
The
また、電流制御の代わりに温度制御による補正を行ってもよい。その場合、レーザ素子116の温度依存性が約100pm/℃であることを考慮し、温度制御量は下記の式で決定される。温度制御量(通常制御に加算する補正量)をdT[℃]、測定対象ガスの実際のガス吸収波形のピーク波長の位置をλ[pm]、第1波長掃引範囲の中心波長をλp[pm]とする。式は測定対象ガスのガス吸収波形のピーク波長の位置が第1波長掃引範囲の中心になるように補正する場合の例である。
補正部216は、決定された温度制御量を温度制御部115に送信することにより、レーザ光30の第1波長掃引範囲を補正する。したがって、温度制御により、第1波長掃引範囲で測定対象ガスのガス吸収波形のピーク波長の位置を検出することが可能になる。
The
図11は、比較例に係るレーザ式ガス分析計400の構成の例を示す。レーザ式ガス分析計400は、レーザ素子416、温度センサ417温度制御素子415および参照ガスセル419を有する。参照ガスセル419を有する点で、図1のレーザ式ガス分析計300とは異なる。レーザ式ガス分析計400のそれ以外の構成は、図1のレーザ式ガス分析計300と同一であってよい。
FIG. 11 shows an example of the configuration of the
参照ガスセル419は、既知濃度の測定対象ガスを封入する。既知濃度の測定対象ガスをレーザ素子416と測定空間との間に設置することで、レーザ光は参照ガスセル419通過後に測定空間を通って受光素子へ入力される。したがって、測定空間内の測定対象ガスが低濃度の場合であっても必ずガス吸収波形のピークが検出できる。また、このようにして検出したガス吸収波形について、レーザ光の波長掃引範囲に対する位置を補正することにより、測定対象ガスのガス吸収波形を確実に捉え、雰囲気温度の急激な変化がある環境においても安定して高精度な濃度分析を行うことができる。
The
レーザ式ガス分析計100は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用、燃焼制御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]、青果貯蔵および熟成、生化学(微生物)[発酵]、大気汚染[焼却炉、排煙脱硫・脱硝]、自動車・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
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or improvements can be made to the above embodiments. It is clear from the description of the claims that such modified or improved forms may also be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of operations, procedures, steps, steps, etc. in the devices, systems, programs, and methods shown in the claims, specification, and drawings is particularly "before" and "prior to". It should be noted that it can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Even if the scope of claims, the specification, and the operation flow in the drawings are explained using "first", "next", etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It's not a thing.
10・・発光部、11・・光源部、12・・コリメートレンズ、13・・発光部容器、20・・受光部、21・・信号処理回路、22・・受光素子、23・・集光レンズ、24・・受光部容器、30・・レーザ光、40・・通信線、50・・配管壁、51・・フランジ、52・・取付座、111・・レーザ駆動信号発生部、112・・掃引信号発生部、113・・変調信号発生部、114・・電流制御部、115・・温度制御部、116・・レーザ素子、117・・サーミスタ、118・・ペルチェ素子、100・・レーザ式ガス分析計、211・・I/V変換器、212・・発振器、213・・同期検波回路、214・・フィルタ、215・・演算部、216・・補正部、217・・波長算出部、218・・制御量算出部、300・・レーザ式ガス分析計、315・・温度制御素子、316・・レーザ素子、317・・温度センサ、400・・レーザ式ガス分析計、415・・温度制御素子、416・・レーザ素子、417・・温度センサ、419・・参照ガスセル 10 ... Light emitting part, 11 ... Light source part, 12 ... Collimating lens, 13 ... Light emitting part container, 20 ... Light receiving part, 21 ... Signal processing circuit, 22 ... Light receiving element, 23 ... Condensing lens , 24 ... Light receiving part container, 30 ... Laser light, 40 ... Communication line, 50 ... Piping wall, 51 ... Flange, 52 ... Mounting seat, 111 ... Laser drive signal generator, 112 ... Sweep Signal generator, 113 ... Modulation signal generator, 114 ... Current control, 115 ... Temperature control, 116 ... Laser element, 117 ... Thermista, 118 ... Perche element, 100 ... Laser gas analysis Total, 211 ... I / V converter, 212 ... Laser, 213 ... Synchronous detection circuit, 214 ... Filter, 215 ... Calculation unit, 216 ... Correction unit, 217 ... Wave frequency calculation unit, 218 ... Control amount calculation unit, 300 ... laser gas analyzer, 315 ... temperature control element, 316 ... laser element, 317 ... temperature sensor, 400 ... laser gas analyzer, 415 ... temperature control element, 416・ ・ Laser element, 417 ・ ・ Temperature sensor, 419 ・ ・ Reference gas cell
Claims (15)
測定対象ガスが存在する測定空間を介して伝播された前記レーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子の出力信号を処理し、前記レーザ光の第1波長掃引範囲に存在するガス吸収波形から前記測定対象ガスの濃度を測定する信号処理回路と
を備え、
前記信号処理回路は、前記第1波長掃引範囲よりも範囲が拡張された第2波長掃引範囲で前記レーザ光の波長を掃引することで検出した複数の前記ガス吸収波形のピーク波長の位置の相対関係により、前記測定対象ガスの前記ガス吸収波形の前記第2波長掃引範囲におけるピーク波長の位置を特定し、前記測定対象ガスの前記ガス吸収波形の前記第2波長掃引範囲におけるピーク波長の位置に基づいて前記レーザ光の前記第1波長掃引範囲を補正する補正部
を有するレーザ式ガス分析計。 A light source unit that sweeps wavelengths and emits laser light,
A light receiving element that receives the laser beam propagated through the measurement space in which the gas to be measured exists, and a light receiving element.
It is provided with a signal processing circuit that processes the output signal of the light receiving element and measures the concentration of the gas to be measured from the gas absorption waveform existing in the first wavelength sweep range of the laser beam.
The signal processing circuit is relative to the positions of the peak wavelengths of the plurality of gas absorption waveforms detected by sweeping the wavelength of the laser beam in the second wavelength sweep range extended from the first wavelength sweep range. In relation to this, the position of the peak wavelength of the gas absorption waveform of the measurement target gas in the second wavelength sweep range is specified, and the position of the peak wavelength of the gas absorption waveform of the measurement target gas in the second wavelength sweep range is set. A laser gas analyzer having a correction unit that corrects the first wavelength sweep range of the laser light based on the correction unit.
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計。 The correction unit makes the position of the peak wavelength of the gas absorption waveform of the gas to be measured specified by the signal processing circuit in the second wavelength sweep range within the first wavelength sweep range. The laser gas analyzer according to claim 1, which corrects a one-wavelength sweep range.
請求項2に記載のレーザ式ガス分析計。 The correction unit performs the correction unit so that the position of the peak wavelength of the gas absorption waveform of the gas to be measured specified by the signal processing circuit in the second wavelength sweep range becomes the center of the first wavelength sweep range. The laser gas analyzer according to claim 2, which corrects the first wavelength sweep range.
レーザ素子の発光波長を変化させる波長掃引駆動信号および前記発光波長を変調する高周波変調信号を合成し、レーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
前記レーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換する電流制御部と、
前記電流制御部から出力された電流が供給される前記レーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を制御する温度制御部と
を有する
請求項1から3のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。 The light source unit
A laser drive signal generator that synthesizes a wavelength sweep drive signal that changes the emission wavelength of the laser element and a high-frequency modulation signal that modulates the emission wavelength and outputs it as a laser drive signal.
A current control unit that converts the laser drive signal output from the laser drive signal generation unit into a current, and a current control unit.
The laser element to which the current output from the current control unit is supplied, and
The laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 3, further comprising a temperature control unit that controls the temperature of the laser element.
前記オフセット部分は、前記レーザ素子の発光が安定するスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給する値である
請求項4に記載のレーザ式ガス分析計。 The waveform of the wavelength sweep drive signal has an offset portion and a portion that linearly changes the supply current to the laser element to gradually change the emission wavelength of the laser element, and has a fixed period. It is a repeating waveform,
The laser gas analyzer according to claim 4, wherein the offset portion is a value that supplies a current equal to or greater than a threshold current value at which the light emission of the laser element is stable to the laser element.
前記レーザ光の前記第1波長掃引範囲を補正するための電流制御量を計算し、
前記電流制御量を前記電流制御部に送信することにより、前記レーザ光の前記第1波長掃引範囲を補正する
請求項4または5に記載のレーザ式ガス分析計。 The correction unit
The current control amount for correcting the first wavelength sweep range of the laser beam is calculated.
The laser gas analyzer according to claim 4 or 5, wherein the first wavelength sweep range of the laser light is corrected by transmitting the current control amount to the current control unit.
前記レーザ光の前記第1波長掃引範囲を補正するための温度制御量を計算し、
前記温度制御量を前記温度制御部に送信することにより、前記レーザ光の前記第1波長掃引範囲を補正する
請求項4または5に記載のレーザ式ガス分析計。 The correction unit
The temperature control amount for correcting the first wavelength sweep range of the laser beam is calculated.
The laser gas analyzer according to claim 4 or 5, wherein the temperature control amount is transmitted to the temperature control unit to correct the first wavelength sweep range of the laser light.
請求項1から7のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。 The laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 7, wherein the correction unit stores the relative relationship between the positions of the ideal peak wavelengths of the plurality of gas absorption waveforms.
請求項1から8のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。 The laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 8, wherein the plurality of gas absorption waveforms include the gas absorption waveform of water vapor.
請求項1から9のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。 The laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 9, wherein the first wavelength sweep range of the laser beam is corrected at a timing at regular time intervals.
請求項1から9のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。 Claim 1 that observes the atmospheric temperature of the measurement space and corrects the first wavelength sweep range of the laser beam at the timing when the amount of change or the rate of change of the temperature of the measurement space becomes equal to or higher than a predetermined threshold value. 9. The laser gas analyzer according to any one of 9.
請求項1から9のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。 According to any one of claims 1 to 9, the first wavelength sweep range of the laser beam is corrected at the timing when the amount of change or the rate of change in the measured concentration of the gas to be measured becomes equal to or higher than a predetermined threshold value. The laser gas analyzer described.
請求項1から9のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。 The laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 9, wherein the first wavelength sweep range of the laser beam is corrected at a timing when the gas absorption waveform of the gas to be measured is no longer detected.
請求項1から13のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。 The laser gas analysis according to any one of claims 1 to 13, wherein the position of the peak wavelength of the gas absorption waveform is determined by the point where the waveform obtained by oddly differentiating the gas absorption waveform intersects the horizontal axis passing through the origin. Total.
請求項1から13のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。 The laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 13, wherein the position of the peak wavelength of the gas absorption waveform is determined by the minimum value of the gas absorption waveform.
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WO2023095881A1 (en) * | 2021-11-25 | 2023-06-01 | 株式会社堀場製作所 | Analysis device, program for analysis device, and analysis method |
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JP2000019109A (en) * | 1998-07-02 | 2000-01-21 | Nippon Sanso Kk | Spectral analysis method of gas by laser beam |
JP2014240808A (en) * | 2013-06-12 | 2014-12-25 | 富士電機株式会社 | Laser oxygen gas analyser |
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