JP2023132453A - Laser type gas analyzer - Google Patents

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芳准 山内
Yoshinori Yamauchi
和裕 小泉
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Abstract

To provide a laser type gas analyzer capable of highly accurately measuring the concentration of a specific gas included in the gas to be measured.SOLUTION: One embodiment of the present invention is a laser type gas analyzer 1 comprising: a modulating light generation unit 11 that supplies a drive current to a laser element 12; a light receiving element 22 that receives a laser light 30; a filter unit 125 that extracts, from detection signals outputted from the light receiving element 22, an integral multiple of the modulation frequency of the laser light 30 that is wavelength modulated; a waveform analysis unit 135 that calculates amplitude information on unnecessary regions that do not include absorption of a gas to be measured, using some of the detection signals before subtraction that are outputted from an AD converter 128; a subtraction circuit 126 that subtracts the amplitude information on the unnecessary regions from the detection signals outputted from the filter unit 125; and a measurement unit 130 that performs gas analysis on the detection signals after subtraction that is outputted from the AD converter 128 by way of the subtraction circuit 126.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、測定対象空間内の各種の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 or absence and concentration of various gases to be measured in a space to be measured.

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。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。 In a laser gas analyzer, a laser element emits laser light at a light absorption wavelength that is absorbed by a target gas, which is a gaseous gas molecule, and causes the target gas to absorb the laser light. The presence or absence of the gas to be measured is detected based on the amount of light absorbed. In addition, the laser gas analyzer can also detect the concentration because the amount of laser light absorbed at the optical absorption wavelength is proportional to the concentration of the gas to be measured. Note that it is necessary to select and analyze only a specific gas to be measured from among the many gases present in the space to be measured. Therefore, among the optical 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 not other gases is selected.

この中で微量ガスの計測には波長変調分光法が一般的に用いられており、例えば、特許文献1がある。波長変調分光法では、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が出射し、そのレーザ光を光検出器が検出し、検出信号をロックイン検出部にて変調周波数の整数倍でロックイン検出する。そして、測定対象ガスのガス濃度とロックイン検出波形の振幅情報との比例関係等の対応関係に基づき、ガス濃度を演算することができる。 Among these, wavelength modulation spectroscopy is generally used to measure trace gases, and for example, Patent Document 1 is available. In wavelength modulation spectroscopy, a wavelength tunable laser light source emits a laser beam whose wavelength is swept by a drive current and modulated at a specific frequency.The laser beam is detected by a photodetector, and the detection signal is locked-in. Lock-in is detected at an integral multiple of the modulation frequency. Then, the gas concentration can be calculated based on a correspondence relationship such as a proportional relationship between the gas concentration of the gas to be measured and the amplitude information of the lock-in detection waveform.

特開2012-177612公報Japanese Patent Application Publication No. 2012-177612

ところで、測定対象ガスのガス濃度に対応した変調周波数の整数倍の検出信号は、理想的には、ガスの吸収のみに由来する信号である。
しかしながら、実際の検出信号には、レーザダイオードの非線形性や信号処理回路の歪によりガス吸収信号とは関係のない、ガス吸収信号と同じ周波数の不要な信号が含まれる。そのため、検出信号のうちガス吸収信号が相対的に小さくなってしまい、ガス吸収信号の分解能の不足、及び、それに伴う計測精度の低下が問題となった。
By the way, the detection signal having an integral multiple of the modulation frequency corresponding to the gas concentration of the gas to be measured is ideally a signal derived only from gas absorption.
However, the actual detection signal includes an unnecessary signal having the same frequency as the gas absorption signal and is unrelated to the gas absorption signal due to nonlinearity of the laser diode and distortion of the signal processing circuit. As a result, the gas absorption signal among the detection signals becomes relatively small, resulting in a problem of insufficient resolution of the gas absorption signal and an accompanying decrease in measurement accuracy.

また、近年では、ppm単位の微量な測定対象ガス分析を可能とするニーズが高まっており、益々、ガス吸収信号の分解能の不足を招くことになった。 Furthermore, in recent years, there has been an increasing need to be able to analyze minute amounts of gases to be measured on the order of ppm, which has increasingly led to insufficient resolution of gas absorption signals.

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、不要成分の影響を低減し、検出信号の分解能、及び計測精度を高めたレーザ式ガス分析計を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and its purpose is to provide a laser gas analyzer that reduces the influence of unnecessary components and improves the resolution of detection signals and measurement accuracy. There is a particular thing.

本発明の一態様は、測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス分析を行う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繰り返し掃引され、かつ変調されるように生成された駆動電流を前記レーザ素子に供給する変調光生成部と、前記測定対象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、波長変調された前記レーザ光の変調周波数の整数倍の周波数を抽出するフィルタ部と、前記フィルタ部から出力された検出信号をアナログデジタル変換するAD変換器と、前記AD変換器から出力された減算前の検出信号の一部を用いて前記測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報を算出する波形分析部と、前記フィルタ部から出力された検出信号から、前記不要領域の振幅情報を減算処理する減算回路と、前記減算回路を経て前記AD変換器から出力された減算後の検出信号を、前記変調周波数の整数倍でロックイン検出して得たロックイン検波信号に基づいてガス分析を行う測定部と、を有することを特徴とする。 One aspect of the present invention is a laser-type gas analyzer that performs gas analysis of a gas to be measured existing in a space to be measured, which emits laser light in a wavelength band including a light absorption wavelength of an absorption line spectrum of the gas to be measured. Modulated light generation that supplies the laser element with a drive current generated so that the wavelength is repeatedly swept and modulated in a wavelength band that includes the light absorption wavelength of the absorption line spectrum of the measurement target gas and the laser element that emits the light. a light-receiving element that receives the laser light that has passed through the measurement target; and a filter that extracts a frequency that is an integral multiple of the modulation frequency of the wavelength-modulated laser light from the detection signal output from the light-receiving element. an AD converter that performs analog-to-digital conversion of the detection signal output from the filter unit, and a part of the detection signal before subtraction output from the AD converter that does not include absorption of the gas to be measured. a waveform analysis section that calculates amplitude information of the unnecessary region; a subtraction circuit that subtracts the amplitude information of the unnecessary region from the detection signal output from the filter section; and a waveform analysis section that calculates the amplitude information of the unnecessary region. and a measuring section that performs gas analysis based on a lock-in detection signal obtained by lock-in detecting the subtracted detection signal at an integral multiple of the modulation frequency.

本発明の一態様は、前記波形分析部と、前記減算回路の間に、前記不要領域の振幅情報をデジタルアナログ変換するDA変換器を有し、前記減算回路が、デジタルアナログ変換した振幅情報を減算処理する、ことを特徴とする。 One aspect of the present invention includes a DA converter that performs digital-to-analog conversion of the amplitude information of the unnecessary area between the waveform analysis section and the subtraction circuit, and the subtraction circuit converts the amplitude information that has been digital-to-analog converted. It is characterized by subtraction processing.

本発明の一態様は、測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス分析を行う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繰り返し掃引され、かつ変調されるように生成された駆動電流を前記レーザ素子に供給する変調光生成部と、前記測定対象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、波長変調された前記レーザ光の変調周波数の整数倍の周波数を抽出するフィルタ部と、前記フィルタ部から出力された検出信号をアナログデジタル変換するAD変換器と、前記AD変換器から出力された減算前の検出信号の一部を用いて前記測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報を算出する波形分析部と、前記変調光生成部にて生成された駆動電流から、前記波形分析部により算出された振幅情報を減算処理する減算回路と、前記AD変換器から出力された減算後の検出信号を、前記変調周波数の整数倍でロックイン検出して得たロックイン検波信号に基づいてガス分析を行う測定部と、を有することを特徴とする。 One aspect of the present invention is a laser-type gas analyzer that performs gas analysis of a gas to be measured existing in a space to be measured, which emits laser light in a wavelength band including a light absorption wavelength of an absorption line spectrum of the gas to be measured. Modulated light generation that supplies the laser element with a drive current generated so that the wavelength is repeatedly swept and modulated in a wavelength band that includes the light absorption wavelength of the absorption line spectrum of the measurement target gas and the laser element that emits the light. a light-receiving element that receives the laser light that has passed through the measurement target; and a filter that extracts a frequency that is an integral multiple of the modulation frequency of the wavelength-modulated laser light from the detection signal output from the light-receiving element. an AD converter that performs analog-to-digital conversion of the detection signal output from the filter unit, and a part of the detection signal before subtraction output from the AD converter that does not include absorption of the gas to be measured. a waveform analysis section that calculates amplitude information of an unnecessary region; a subtraction circuit that subtracts the amplitude information calculated by the waveform analysis section from the drive current generated by the modulated light generation section; and from the AD converter. The present invention is characterized by comprising a measuring section that performs gas analysis based on a lock-in detection signal obtained by lock-in detecting the output subtracted detection signal at an integral multiple of the modulation frequency.

本発明の一態様は、前記減算回路と、前記レーザ素子の間に、前記減算回路により減算処理された駆動電流をデジタルアナログ変換するDA変換器を有し、デジタルアナログ変換された駆動電流が、前記レーザ素子に供給される、ことを特徴とする。 One aspect of the present invention includes a DA converter between the subtraction circuit and the laser element that converts the drive current subtracted by the subtraction circuit into digital-to-analog, and the digital-to-analog converted drive current is It is characterized in that it is supplied to the laser element.

本発明によれば、測定対象ガスを、高精度に分析でき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, it is possible to provide a laser gas analyzer that can analyze a gas to be measured with high precision.

本実施の形態に係るレーザ式ガス分析計の全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram of a laser gas analyzer according to the present embodiment. 第1の実施形態に係るレーザ式ガス分析計の信号処理ブロック図である。FIG. 2 is a signal processing block diagram of the laser gas analyzer according to the first embodiment. 図3(a)は、駆動電流の波形概念図であり、図3(b)は、ロックイン検波信号の波形概念図である。FIG. 3(a) is a conceptual diagram of the waveform of the drive current, and FIG. 3(b) is a conceptual diagram of the waveform of the lock-in detection signal. ロックイン検波信号の拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of a lock-in detection signal. 従来のレーザ式ガス分析計におけるアナログデジタル変換前の検出信号の波形図であって、図5(a)は、ガス吸収が無い場合の検出信号であり、図5(b)は、図5(a)の一部を拡大した概念図であり、図5(c)は、ガス吸収がある場合の検出信号(減算処理なし)である。FIG. 5(a) is a waveform diagram of a detection signal before analog-to-digital conversion in a conventional laser gas analyzer, and FIG. 5(a) is a detection signal when there is no gas absorption, and FIG. It is a conceptual diagram in which a part of a) is enlarged, and FIG. 5(c) is a detection signal (without subtraction processing) when there is gas absorption. 図5(c)の検出信号をロックイン検出して得たロックイン検波信号である。This is a lock-in detection signal obtained by performing lock-in detection on the detection signal of FIG. 5(c). 本実施の形態に係るレーザ式ガス分析計におけるアナログデジタル変換前の検出信号であり、図7(a)は、ガス吸収がない場合の減算後の検出信号であり、図7(b)は、ガス吸収がある場合の減算後の検出信号である。FIG. 7(a) is a detection signal before analog-to-digital conversion in the laser gas analyzer according to the present embodiment, and FIG. 7(b) is a detection signal after subtraction when there is no gas absorption. This is the detection signal after subtraction when there is gas absorption. 図7(b)の減算後の検出信号をロックイン検出して得たロックイン検波信号である。This is a lock-in detection signal obtained by performing lock-in detection on the subtracted detection signal in FIG. 7(b). 第1の実施形態に係るレーザ式ガス分析計の信号処理フローを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a signal processing flow of the laser gas analyzer according to the first embodiment. 第2の実施形態に係るレーザ式ガス分析計の信号処理ブロック図である。FIG. 3 is a signal processing block diagram of a laser gas analyzer according to a second embodiment. 第2の実施形態に係るレーザ式ガス分析計の信号処理フローを示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a signal processing flow of a laser gas analyzer according to a second embodiment.

以下、本実施の形態に係るレーザ式ガス分析計について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができる。 Hereinafter, the laser gas analyzer according to the present embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and can be implemented with appropriate modifications within the scope without changing the gist thereof.

<レーザ式ガス分析計の概要>
図1は、本発明の実施の形態に係るレーザ式ガス分析計の全体構成図である。図1に示すように、レーザ式ガス分析計1は、発光部10、受光部20、及び通信線40を備えている。
<Overview of laser gas analyzer>
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a laser gas analyzer according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the laser gas analyzer 1 includes a light emitting section 10, a light receiving section 20, and a communication line 40.

レーザ式ガス分析計1は、測定対象空間に存在する測定対象ガスを分析する。レーザ式ガス分析計1は、発光部10から出射されたレーザ光30が、測定対象ガスの流路を構成する壁50a、50bの内部(測定対象空間)を流通する測定対象ガスに照射される。測定対象ガスを透過したレーザ光30が、受光部20に入射し、検出された光量から特定のガス濃度を求めることができる。また、ガス濃度が0や所定値以下であるならば、ガスが無いことを検出できるものであり、したがって、ガスの有無も検出できる。 The laser gas analyzer 1 analyzes a gas to be measured existing in a space to be measured. In the laser gas analyzer 1, a laser beam 30 emitted from a light emitting unit 10 is irradiated onto a gas to be measured flowing inside walls 50a and 50b (a space to be measured) forming a flow path for the gas to be measured. . The laser beam 30 that has passed through the gas to be measured enters the light receiving section 20, and the concentration of a specific gas can be determined from the detected amount of light. Furthermore, if the gas concentration is 0 or below a predetermined value, it is possible to detect the absence of gas, and therefore the presence or absence of gas can also be detected.

発光部10及び受光部20は、測定対象ガスの流路を構成する壁50a、50bに着脱可能に取り付けられる。壁50a、50bは、特定のガスが流れる煙道等の壁であり、それぞれに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。発光部10及び受光部20に設けられた光軸調整フランジ52a、52bは、これらフランジ51a、51bに対して機械的に着脱可能に取り付けられる。発光部10と受光部20は、壁50a、50bを挟んで、相対する位置に配置されるが、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。 The light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 are removably attached to walls 50a and 50b that constitute a flow path for the gas to be measured. The walls 50a and 50b are walls such as a flue through which a specific gas flows, and each has a hole. The flanges 51a and 51b are fixed to those holes by welding or the like. Optical axis adjusting flanges 52a and 52b provided on the light emitting section 10 and the light receiving section 20 are mechanically detachably attached to these flanges 51a and 51b. The light emitting section 10 and the light receiving section 20 are arranged at opposite positions with the walls 50a and 50b in between, but the positions can be adjusted by the optical axis adjustment flanges 52a and 52b.

光軸調整フランジ52aは、レーザ光30の出射角を調整し、また、光軸調整フランジ52bは、レーザ光30の入射角を調整することができる。光軸調整フランジ52a、52bにより、発光部10から出射されるレーザ光30が受光部20において最大の光量で受光される。 The optical axis adjustment flange 52a can adjust the emission angle of the laser beam 30, and the optical axis adjustment flange 52b can adjust the incidence angle of the laser beam 30. The optical axis adjustment flanges 52a and 52b allow the laser beam 30 emitted from the light emitting section 10 to be received by the light receiving section 20 with the maximum amount of light.

[発光部10]
発光部10について説明する。図1に示すように、発光部10は、変調光生成部11と、レーザ素子12と、コリメートレンズ13と、発光部窓板14と、発光部容器15と、光軸調整フランジ52aと、を備えて構成されている。図1に示すように、変調光生成部11、レーザ素子12及びコリメートレンズ13は、発光部容器15の内部に配置されている。発光部容器15は、内蔵された各部品を外気から隔絶して風雨、塵埃、及び、汚れ等から保護する。
[Light emitting section 10]
The light emitting section 10 will be explained. As shown in FIG. 1, the light emitting section 10 includes a modulated light generating section 11, a laser element 12, a collimating lens 13, a light emitting section window plate 14, a light emitting section container 15, and an optical axis adjustment flange 52a. Configured with the necessary features. As shown in FIG. 1, the modulated light generating section 11, the laser element 12, and the collimating lens 13 are arranged inside the light emitting section container 15. The light emitting unit container 15 isolates each built-in component from the outside air and protects it from wind, rain, dust, dirt, and the like.

変調光生成部11は、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繰り返し掃引され、かつ、変調されるように生成された駆動電流を生成する。そして、変調光生成部11は、変調されたレーザ光を発光するための駆動電流をレーザ素子12に供給する。これにより、ガス濃度分析には、測定対象ガスの吸光特性に応じて、波長変調された変調光を照射することができる。 The modulated light generation unit 11 generates a drive current whose wavelength is repeatedly swept and modulated in a wavelength band including the light absorption wavelength of the absorption line spectrum of the gas to be measured. The modulated light generation unit 11 then supplies the laser element 12 with a drive current for emitting modulated laser light. Thereby, for gas concentration analysis, modulated light whose wavelength is modulated according to the absorption characteristics of the gas to be measured can be irradiated.

レーザ素子12は、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(以下「λ1」と表記する)、及びその周辺の波長で発光する。レーザ素子12は、駆動電流と温度制御により、発光波長を可変制御する。 The laser element 12 emits light at the center wavelength (hereinafter referred to as "λ1") of a specific absorption line spectrum absorbed by the gas to be measured, and wavelengths around the center wavelength. The laser element 12 variably controls the emission wavelength by driving current and temperature control.

レーザ素子12は、発光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λ1となるように温度制御される。また、レーザ素子12から発光されるレーザ光30は、変調光生成部11から供給された駆動電流により、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長の周辺の波長を時間的に掃引するように制御され、さらに、波長変調分光法(WMS:Wavelength Modulation Spectroscopy)により高感度に測定できるように、適切な正弦波を重畳して変調されている。波長変調分光法は、2f検出法とも呼ばれる。 The temperature of the laser element 12 is controlled so that the emission center wavelength becomes the center wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas to be measured. Further, the laser light 30 emitted from the laser element 12 is controlled by the drive current supplied from the modulated light generation section 11 so as to temporally sweep the wavelength around the center wavelength of the absorption line spectrum of the gas to be measured. Furthermore, it is modulated by superimposing an appropriate sine wave so that it can be measured with high sensitivity by wavelength modulation spectroscopy (WMS). Wavelength modulation spectroscopy is also called 2f detection method.

使用するレーザ素子12は、特に限定されないが、例えば、DFBレーザダイオード(Distributed Feedback Laser Diode)、或いは、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)、又は、DBRレーザダイオード(Distributed Bragg Reflector Laser Diode)である。 The laser element 12 used is not particularly limited, but may be, for example, a DFB laser diode (Distributed Feedback Laser Diode), a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), or a DBR laser diode. Distributed Bragg Reflector Laser Diode.

コリメートレンズ13は、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1、及びその周辺の波長において透過率が高い材料で構成される。コリメートレンズ13により、レーザ光30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。 The collimating lens 13 is made of a material that has high transmittance at the center wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas to be measured and wavelengths around it. The collimating lens 13 converts the laser beam 30 into substantially parallel light, which can be transmitted to the light receiving section 20 while suppressing loss due to diffusion.

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、略平行光であるレーザ光30に変換される。なお、本実施の形態では、平行光変換部としてコリメートレンズ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、平行光変換部として、コリメートレンズ13の代わりに放物面鏡を用いることもできる。 A light emitting point of the laser element 12 is arranged near the focal point of the collimating lens 13. The emitted light from the laser element 12 enters the collimating lens 13 while being diffused, and is converted into laser light 30 which is substantially parallel light. In this embodiment, the collimating lens 13 is used as the parallel light converting section, but it is not intended to be limited to the collimating lens. For example, a parabolic mirror can be used instead of the collimating lens 13 as the parallel light converter.

略平行光であるレーザ光30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存在する空間に伝播する。発光部窓板14は、発光部容器15の一部に穴を開けてそれを塞ぐように備えられている。発光部窓板14は、レーザ光30の光路内にあり、レーザ光30を透過させつつ、特定の測定対象ガスを含むガスが発光部10の内部に進入しないようにする。これにより、発光部容器15の内部に配置された各部品が直接ガスに触れないことになり、発光部容器15内の各部品が保護される。 The laser light 30, which is substantially parallel light, passes through the light emitting unit window plate 14 and propagates inside the walls 50a and 50b, that is, into the space where the gas containing the gas to be measured exists. The light emitting unit window plate 14 is provided so as to make a hole in a part of the light emitting unit container 15 and cover the hole. The light emitting unit window plate 14 is located in the optical path of the laser light 30 and allows the laser light 30 to pass therethrough while preventing gas containing a specific gas to be measured from entering the light emitting unit 10 . This prevents each component placed inside the light-emitting container 15 from coming into direct contact with the gas, thereby protecting each component inside the light-emitting container 15.

[受光部20]
受光部20について説明する。受光部20は、受光信号処理部21と、受光素子22と、集光レンズ23と、受光部窓板24と、受光部容器25と、を備えて構成されている。受光部容器25は、内部に受光素子22、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。
[Light receiving section 20]
The light receiving section 20 will be explained. The light receiving section 20 includes a light receiving signal processing section 21, a light receiving element 22, a condenser lens 23, a light receiving section window plate 24, and a light receiving section container 25. The light-receiving unit container 25 houses the light-receiving element 22, optical components, and electrical and electronic circuits therein, and isolates them from the outside air to protect them from wind, rain, dust, dirt, and the like.

受光部20は、受光部窓板24を透過したレーザ光30を受光し、測定対象ガスの吸光特性により吸収された光について分析する。受光部窓板24は、受光部容器25の一部に穴を開けてそれを塞ぐように備えられている。受光部窓板24は、レーザ光30の光路内にあり、レーザ光30を透過させつつ、特定の測定対象ガスを含むガスが受光部20の内部に進入しないようにする。これにより、受光部20内に配置された各部品が直接ガスに触れないことになり、内部が保護される。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に入射する。なお、本実施の形態では、集光レンズ23を用いているが、集光レンズ23に代えて、放物面鏡や、ダブレットレンズ、或いは回折レンズなどを採用することもできる。 The light receiving section 20 receives the laser beam 30 that has passed through the light receiving section window plate 24, and analyzes the absorbed light based on the light absorption characteristics of the gas to be measured. The light receiving section window plate 24 is provided so as to make a hole in a part of the light receiving section container 25 and close the hole. The light receiving unit window plate 24 is located in the optical path of the laser beam 30 and prevents gas containing a specific measurement target gas from entering the light receiving unit 20 while allowing the laser beam 30 to pass therethrough. This prevents each component placed within the light receiving section 20 from coming into direct contact with the gas, thereby protecting the interior. The laser beam 30 is condensed by a condensing lens 23 and enters the light receiving element 22 . In this embodiment, the condenser lens 23 is used, but instead of the condenser lens 23, a parabolic mirror, a doublet lens, a diffraction lens, or the like may be used.

受光素子22は、測定対象ガスを通過したレーザ光30を受光する。測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ、及びその周辺波長において、感度を有する受光素子を選択することができる。受光素子22からの受光信号は、受光信号処理部21に電気信号として送られる。 The light receiving element 22 receives the laser beam 30 that has passed through the gas to be measured. It is possible to select a light-receiving element that is sensitive at the center wavelength λ of the absorption line spectrum of the gas to be measured and its surrounding wavelengths. The light reception signal from the light receiving element 22 is sent to the light reception signal processing section 21 as an electrical signal.

集光レンズ23は、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1、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、レーザ光30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。 The condenser lens 23 is made of a material that has high transmittance at the center wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas to be measured and wavelengths around it. Since the laser beam 30 is focused on the light receiving element 22 by the condensing lens 23, high signal strength can be obtained.

受光信号処理部21は、受光素子22で受光した電気信号を処理して、ガス濃度を算出する。波長変調されたレーザ光30の変調周波数の高調波をロックイン検出し、その検出波形の振幅情報を算出し、高感度なガス検出が可能となっている。 The light-receiving signal processing unit 21 processes the electric signal received by the light-receiving element 22 and calculates the gas concentration. Highly sensitive gas detection is possible by lock-in detecting harmonics of the modulation frequency of the wavelength-modulated laser beam 30 and calculating amplitude information of the detected waveform.

図1に示すように、通信線40は、発光部10と受光部20と接続して、構成されている。発光部10と受光部20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。 As shown in FIG. 1, the communication line 40 is connected to the light emitting section 10 and the light receiving section 20. Communication occurs between the light emitting section 10 and the light receiving section 20 using electrical signals. Further, instead of the communication line, a communication unit such as wireless or optical communication may be used.

<第1の実施の形態のレーザ式ガス分析計を構成するブロックの説明>
以下、図2を参照して、第1の実施形態に係るレーザ式ガス分析計について説明する。
<Description of blocks constituting the laser gas analyzer of the first embodiment>
The laser gas analyzer according to the first embodiment will be described below with reference to FIG. 2.

図2は、第1の実施形態に係るレーザ式ガス分析計1の信号処理ブロック図である。なお、図2のブロック図では、図1に示すレーザ式ガス分析計1の発光部10及び受光部20のうち、特に、変調光生成部11及び受光信号処理部21を詳しく説明するが、図2に示されていなくても、レーザ式ガス分析計1が通常備える構成については備えているものとする。 FIG. 2 is a signal processing block diagram of the laser gas analyzer 1 according to the first embodiment. In the block diagram of FIG. 2, the modulated light generation section 11 and the received light signal processing section 21 of the light emitting section 10 and the light receiving section 20 of the laser gas analyzer 1 shown in FIG. 1 will be explained in detail. 2, it is assumed that the laser gas analyzer 1 has the usual configurations even if not shown in FIG.

図2に示すように、発光部10は、変調光生成部11、レーザ素子12、及びレーザ素子温度制御回路112を備えて構成されている。変調光生成部11は、波長掃引・変調電流設定部113、及びDA変換器114を備えて構成されている。 As shown in FIG. 2, the light emitting section 10 includes a modulated light generating section 11, a laser element 12, and a laser element temperature control circuit 112. The modulated light generation section 11 includes a wavelength sweep/modulation current setting section 113 and a DA converter 114.

波長掃引・変調電流設定部113は、レーザ素子12の発光するレーザ光30の波長が測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1の吸収線付近で掃引されるように、かつ、所定信号で変調されるように、レーザ素子の駆動電流を制御する。また、波長掃引・変調電流設定部113は、受光部20の制御部160の指令に基づいて、波長掃引・変調電流設定部113の駆動方法が選択される。例えば、駆動電流は、オンとオフが繰り返され、これにより、レーザ光30は、点灯と消灯を繰り返すよう制御される。このとき、所定の点灯タイミングにおいて、繰り返し波長が掃引される。この際、正弦波による変調周波数は、波長掃引の周波数よりも大きく設定することが好ましい。 The wavelength sweep/modulation current setting unit 113 modulates the wavelength of the laser beam 30 emitted by the laser element 12 with a predetermined signal so that the wavelength of the laser beam 30 emitted by the laser element 12 is swept near the absorption line with the center wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas to be measured. The driving current of the laser element is controlled so that the Further, in the wavelength sweep/modulation current setting section 113 , a driving method for the wavelength sweep/modulation current setting section 113 is selected based on a command from the control section 160 of the light receiving section 20 . For example, the drive current is repeatedly turned on and off, thereby controlling the laser light 30 to be repeatedly turned on and off. At this time, the wavelength is repeatedly swept at a predetermined lighting timing. At this time, it is preferable that the modulation frequency by the sine wave is set higher than the wavelength sweep frequency.

DA変換器114は、デジタル信号をアナログ信号に変換する。よって、DA変換器114は、波長掃引・変調電流設定部113から送られた駆動電流をDA変換し、レーザ素子12に送る。 DA converter 114 converts the digital signal into an analog signal. Therefore, the DA converter 114 performs DA conversion on the drive current sent from the wavelength sweep/modulation current setting section 113 and sends it to the laser element 12 .

レーザ素子温度制御回路112は、レーザ素子12の出力や波長を一定に制御、安定化する。レーザ素子12の出力や波長は、温度によって変動するため、周囲温度の変化によって出力や波長が変動しないように、レーザ素子温度制御回路112によって一定の温度に制御する。また、レーザ素子温度制御回路112は、受光部の制御部160の指令に基づいて、制御されている。 The laser element temperature control circuit 112 controls and stabilizes the output and wavelength of the laser element 12 to be constant. Since the output and wavelength of the laser element 12 vary depending on the temperature, the temperature is controlled to be constant by the laser element temperature control circuit 112 so that the output and wavelength do not fluctuate due to changes in ambient temperature. Further, the laser element temperature control circuit 112 is controlled based on commands from the control section 160 of the light receiving section.

レーザ素子12は、掃引された駆動電流によって、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1の吸収線全体をよぎるように波長が掃引・変調されたレーザ光30を出射する。レーザ光30は、駆動電流に正弦波を重畳して変調されている。 The laser element 12 emits a laser beam 30 whose wavelength is swept and modulated by the swept drive current so as to cross the entire absorption line at the center wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas to be measured. The laser light 30 is modulated by superimposing a sine wave on a drive current.

図2に示す、受光素子22に入射されるレーザ光30は、測定対象ガスによって一部吸収されるが、測定対象ガスによって吸収されなかった残りの光、すなわち透過光で構成される。 The laser beam 30 shown in FIG. 2 that is incident on the light receiving element 22 is partially absorbed by the gas to be measured, but is composed of the remaining light not absorbed by the gas to be measured, that is, transmitted light.

受光素子22は、レーザ光30の波長に感度を有する素子であり、受光素子22には、例えば、フォトダイオードなど、レーザ光30の波長や信号強度により適宜、選ぶことができる。このとき、受光素子22は、ガスの存在する空間などから放射される光も受光することがある。また、受光素子22がフォトダイオードの場合には暗電流を生じる。これらに起因する受光信号の変動がレーザ光30の掃引を繰り返す周期よりは十分長くなるように、掃引の繰り返し周期は短く選ばれる。 The light receiving element 22 is an element that is sensitive to the wavelength of the laser beam 30, and can be appropriately selected depending on the wavelength and signal strength of the laser beam 30, such as a photodiode, for example. At this time, the light receiving element 22 may also receive light emitted from a space where gas exists. Further, when the light receiving element 22 is a photodiode, a dark current is generated. The repetition period of the sweep is selected to be short so that fluctuations in the received light signal due to these factors are sufficiently longer than the period of repetition of the sweep of the laser beam 30.

図2に示すように、受光信号処理部21は、IV変換回路122、ハイパスフィルタ123、第1の増幅回路124、バンドパスフィルタ125、減算回路126、第2の増幅回路127、AD変換器128、測定部130、波形分析部135、DA変換器150、及び制御部160を備える。測定部130は、ロックイン検出部131、ロックイン検波信号からガス濃度に応じた信号を算出するためのピーク・ボトム演算部133、及び、ガス濃度演算補正部134を備える。 As shown in FIG. 2, the received light signal processing section 21 includes an IV conversion circuit 122, a high-pass filter 123, a first amplifier circuit 124, a band-pass filter 125, a subtraction circuit 126, a second amplifier circuit 127, and an AD converter 128. , a measurement section 130, a waveform analysis section 135, a DA converter 150, and a control section 160. The measurement unit 130 includes a lock-in detection unit 131, a peak/bottom calculation unit 133 for calculating a signal according to the gas concentration from the lock-in detection signal, and a gas concentration calculation correction unit 134.

IV変換回路122は、受光素子22からの電流信号を電圧信号に変換する回路である。例えば、受光素子22がフォトダイオードであれば、フォトダイオードからの電流を電圧に変換しつつ増幅するトランスインピーダンスアンプを選ぶことができる。ここでは、レーザ光30が最も減衰されない条件、すなわち光路上にダストなどが存在しない条件において、信号が飽和しない程度に、適宜、図示しない増幅回路により増幅を行っても良い。 The IV conversion circuit 122 is a circuit that converts a current signal from the light receiving element 22 into a voltage signal. For example, if the light receiving element 22 is a photodiode, a transimpedance amplifier that amplifies the current from the photodiode while converting it into voltage can be selected. Here, under the condition that the laser beam 30 is least attenuated, that is, under the condition that there is no dust or the like on the optical path, amplification may be appropriately performed using an amplification circuit (not shown) to the extent that the signal is not saturated.

ハイパスフィルタ123は、IV変換回路122からの検出信号に含まれる直流成分を除去する。IV変換回路122からの検出信号には、一般に直流成分が含まれている。直流成分は、例えば、ガスが存在する空間から放射される光に起因する。また、例えば、受光素子22がフォトダイオードであれば、フォトダイオードに発生する暗電流にも起因する。これらの直流成分は、変動するとしてもその時定数がレーザ光30の掃引を繰り返す周期よりは十分長い。つまり、低周波であるために、ハイパスフィルタ123によって、直流成分が除去され、基準電圧0Vをまたぐ波形となる。 The high-pass filter 123 removes the DC component contained in the detection signal from the IV conversion circuit 122. The detection signal from the IV conversion circuit 122 generally contains a DC component. The direct current component is caused, for example, by light emitted from a space where gas exists. For example, if the light-receiving element 22 is a photodiode, it is also caused by dark current generated in the photodiode. Even if these DC components fluctuate, their time constants are sufficiently longer than the cycle of repeating the sweep of the laser beam 30. That is, since it is a low frequency, the DC component is removed by the high-pass filter 123, resulting in a waveform that straddles the reference voltage 0V.

レーザ光30の点灯及び消灯の繰り返し周波数(繰り返し周期の逆数)や、レーザ光30の波長掃引・変調信号の周波数は、ハイパスフィルタ123の通過帯域となるように、ハイパスフィルタ123のカットオフ周波数を選ぶ。その結果、レーザ光30の点灯・消灯及びレーザ光30の波長掃引・変調信号は、変化を殆ど受けずに通過する。 The cutoff frequency of the high-pass filter 123 is set so that the repetition frequency (reciprocal of the repetition period) of turning on and off the laser beam 30 and the frequency of the wavelength sweep/modulation signal of the laser beam 30 are within the pass band of the high-pass filter 123. choose. As a result, the turning on/off of the laser beam 30 and the wavelength sweep/modulation signal of the laser beam 30 pass through with almost no change.

IV変換回路122の直後にハイパスフィルタ123を設ける意義は、後述の第1の増幅回路124で直流信号まで増幅すると、測定条件が悪い場合、例えば、ガスが存在する空間から放射される光が強く、暗電流が大きく、レーザ光30の透過率が低い場合に、測定に有効となるガスによる吸収信号が相対的に小さくなり、検出感度が低下するためである。このような事態を防ぐために、IV変換回路122の直後にハイパスフィルタ123を設けて直流成分を予め除去する。 The reason why the high-pass filter 123 is provided immediately after the IV conversion circuit 122 is that if the first amplifier circuit 124 described below amplifies the DC signal, if the measurement conditions are poor, for example, the light emitted from the space where gas exists will be strong. This is because when the dark current is large and the transmittance of the laser beam 30 is low, the absorption signal by the gas that is effective for measurement becomes relatively small, and the detection sensitivity decreases. In order to prevent such a situation, a high-pass filter 123 is provided immediately after the IV conversion circuit 122 to remove the DC component in advance.

ハイパスフィルタ123からの信号波は、レーザ光30の点灯・消灯信号とレーザ光30の波長掃引・変調信号を主に含んでいる。このうち、レーザ光30の点灯時における波長掃引・変調信号波は、例えば、ガスが存在する空間に共存するダスト量の変動によって、レーザ光30が散乱・減衰を受けるために変動する。この波長掃引・変調信号波の散乱・減衰による信号変動は、レーザ光30の波長掃引・変調範囲においては波長依存性がなく、ハイパスフィルタ123を通過する。 The signal wave from the high-pass filter 123 mainly includes a signal for turning on/off the laser beam 30 and a wavelength sweep/modulation signal for the laser beam 30. Among these, the wavelength swept/modulated signal wave when the laser beam 30 is turned on varies because the laser beam 30 is scattered and attenuated due to, for example, a variation in the amount of dust coexisting in a space where gas exists. This signal fluctuation due to scattering and attenuation of the wavelength sweep/modulation signal wave has no wavelength dependence in the wavelength sweep/modulation range of the laser beam 30 and passes through the high-pass filter 123.

第1の増幅回路124は、ハイパスフィルタ123を通過した検出信号を飽和させることなく適当な増幅率で増幅する。 The first amplification circuit 124 amplifies the detection signal that has passed through the high-pass filter 123 at an appropriate amplification factor without saturating it.

バンドパスフィルタ125は、受光素子22から出力された検出信号に対し、波長変調されたレーザ光30の変調周波数の整数倍の周波数を抽出するフィルタ部を構成する。バンドパスフィルタ125では、例えば、変調周波数の2倍の周波数信号(以下、「2f信号」と表記する)を抽出する。 The bandpass filter 125 constitutes a filter section that extracts a frequency that is an integral multiple of the modulation frequency of the wavelength-modulated laser beam 30 from the detection signal output from the light receiving element 22. The bandpass filter 125 extracts, for example, a frequency signal twice the modulation frequency (hereinafter referred to as "2f signal").

波長変調法ではガスの吸収信号として変調信号の整数倍の信号を元にガス濃度を検出する。上記のように、例えば、2f信号を用いるが、この信号はレーザ光30の波長掃引・変調信号に比べ非常に小さい。これにより、バンドパスフィルタ125から2f信号を抽出し、増幅回路により信号を飽和させることなく適当な増幅率で増幅でき、デジタル信号への変換後、精度よくガス濃度の検出に用いることができる。 In the wavelength modulation method, the gas concentration is detected based on a signal that is an integral multiple of the modulation signal as a gas absorption signal. As mentioned above, for example, a 2f signal is used, but this signal is much smaller than the wavelength sweep/modulation signal of the laser beam 30. Thereby, the 2f signal can be extracted from the bandpass filter 125 and amplified by an appropriate amplification factor without saturating the signal by the amplifier circuit, and after being converted into a digital signal, it can be used to accurately detect the gas concentration.

第2の増幅回路127は、バンドパスフィルタ125により出力された検出信号を飽和させることなく適当な増幅率で増幅する。後述するように、本実施の形態では、減算回路126により、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号から不要成分を除去するが、不要成分の除去前は、不要成分の信号強度が大きいため、レンジオーバとならないように増幅率を低く設定する処理をする。不要成分を除去した後は、できるだけガスの吸収信号を大きい状態にしてAD変換器128へ信号を送るため、増幅率を高く設定する処理をする。増幅処理の制御は、制御部160によって制御されている。 The second amplification circuit 127 amplifies the detection signal output by the bandpass filter 125 at an appropriate amplification factor without saturating the detection signal. As will be described later, in this embodiment, the subtraction circuit 126 removes unnecessary components from the detection signal output from the bandpass filter 125. However, before the unnecessary components are removed, the signal strength of the unnecessary components is large. Processing is performed to set the amplification factor low to avoid overrange. After removing unnecessary components, processing is performed to set the amplification factor high in order to make the gas absorption signal as large as possible and send the signal to the AD converter 128. The amplification process is controlled by the control section 160.

AD変換器128は、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号をAD変換する。AD変換器128では、第2の増幅回路127から送られたアナログ信号をデジタル信号に変換する。図2に示すように、AD変換器128からロックイン検出部131と、AD変換器128から波形分析部135との二手に分岐しており、該デジタル信号は、ロックイン検出部131、又は波形分析部135に送られる。AD変換器128は、変調成分が十分検出可能なように適宜、サンプリング速度の素子を選定する。例えば、レーザの変調成分が50kHzの場合、2f検波法ではその2倍の100kHzの周波数成分を検出する。そのため、これらの周波数成分が十分検出可能なように、例えば、1MHz以上のサンプリング速度を持つAD変換素子を選定する。 The AD converter 128 performs AD conversion on the detection signal output from the bandpass filter 125. The AD converter 128 converts the analog signal sent from the second amplifier circuit 127 into a digital signal. As shown in FIG. 2, the AD converter 128 is branched into a lock-in detector 131 and the AD converter 128 is branched into a waveform analyzer 135. It is sent to the analysis section 135. The AD converter 128 appropriately selects an element with a sampling rate so that the modulation component can be sufficiently detected. For example, if the modulation component of the laser is 50 kHz, the 2f detection method detects a frequency component of 100 kHz, which is twice that frequency. Therefore, for example, an AD conversion element having a sampling rate of 1 MHz or more is selected so that these frequency components can be sufficiently detected.

波形分析部135は、AD変換器128から出力された検出信号の一部を用いて測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報(不要成分)を算出する。算出した振幅情報に応じた2f信号と同期した位相及び周波数の信号を、DA変換器150に送る。 The waveform analysis unit 135 uses a portion of the detection signal output from the AD converter 128 to calculate amplitude information (unnecessary components) of an unnecessary region that does not include absorption of the measurement target gas. A signal whose phase and frequency are synchronized with the 2f signal according to the calculated amplitude information is sent to the DA converter 150.

DA変換器150は、波形分析部135と、減算回路126の間に設けられており、波形分析部135から出力された信号をDA変換する。これにより、波形分析部135により算出された不要領域の振幅情報をデジタルアナログ変換し、減算回路126に送る。 The DA converter 150 is provided between the waveform analysis section 135 and the subtraction circuit 126, and performs DA conversion on the signal output from the waveform analysis section 135. As a result, the amplitude information of the unnecessary region calculated by the waveform analysis section 135 is converted into digital/analog and sent to the subtraction circuit 126.

減算回路126は、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号から、波形分析部135により算出された不要領域の振幅情報を減算処理する。このように、波形分析部135の算出結果を元に、測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報に相当する信号が除去され、不要成分の信号強度を、ガス吸収信号以下のレベルまで小さくできる。 The subtraction circuit 126 subtracts the amplitude information of the unnecessary region calculated by the waveform analysis section 135 from the detection signal output from the bandpass filter 125. In this way, based on the calculation results of the waveform analyzer 135, signals corresponding to amplitude information in unnecessary regions that do not include absorption of the gas to be measured are removed, and the signal strength of unnecessary components is reduced to a level below the gas absorption signal. Can be made smaller.

ロックイン検出部131は、第2の増幅回路127からの信号に含まれる波長掃引・変調電流設定部113における変調周波数を基準として、2倍の周波数で位相検波(ロックイン検出)を行う。 The lock-in detection section 131 performs phase detection (lock-in detection) at twice the frequency of the modulation frequency in the wavelength sweep/modulation current setting section 113 included in the signal from the second amplifier circuit 127 as a reference.

ピーク・ボトム演算部133は、ロックイン検波信号からガス濃度に応じた信号を算出するためのピーク・ボトムを演算する。ガス濃度演算補正部134は、ロックイン検出部131、ピーク・ボトム演算部133で処理された信号からガス濃度の検出、演算、及び補正処理を行う。ガス濃度演算補正部134による処理は、制御部160において制御される。 The peak/bottom calculating section 133 calculates the peak/bottom for calculating a signal according to the gas concentration from the lock-in detection signal. The gas concentration calculation correction section 134 performs gas concentration detection, calculation, and correction processing from the signals processed by the lock-in detection section 131 and the peak/bottom calculation section 133. The processing by the gas concentration calculation correction section 134 is controlled by the control section 160.

制御部160は、測定対象ガスの情報に基づいて、波長掃引・変調電流設定部113、レーザ素子温度制御回路112、第2の増幅回路127、波形分析部135、ロックイン検出部131、及びガス濃度演算補正部134を制御する。 The control unit 160 controls the wavelength sweep/modulation current setting unit 113, the laser element temperature control circuit 112, the second amplifier circuit 127, the waveform analysis unit 135, the lock-in detection unit 131, and the gas based on the information on the gas to be measured. Controls the concentration calculation correction section 134.

<ガス分析の演算処理について>
図3(a)は、駆動電流a1の波形概念図であり、図3(b)は、ロックイン検波信号b1の波形概念図である。図3(a)に示す駆動電流a1は、変調光生成部11にて、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1を含む波長帯域で波長が繰り返し掃引され、かつ、変調されるように生成される。図3(b)は、図2におけるロックイン検出部131の検波後の波形に相当する。
<About calculation processing for gas analysis>
FIG. 3(a) is a conceptual diagram of the waveform of the drive current a1, and FIG. 3(b) is a conceptual diagram of the waveform of the lock-in detection signal b1. The drive current a1 shown in FIG. 3(a) is generated by the modulated light generation unit 11 so that the wavelength is repeatedly swept and modulated in a wavelength band including the center wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas to be measured. be done. FIG. 3(b) corresponds to the waveform after detection by the lock-in detection unit 131 in FIG.

図4は、図3(b)に示すロックイン検波信号b1の拡大図である。図3(b)及び図4に示すように、ロックイン検波信号b1は、測定対象ガス成分の吸収線に基づき極値をもつ波形となることが望ましい。 FIG. 4 is an enlarged view of the lock-in detection signal b1 shown in FIG. 3(b). As shown in FIGS. 3(b) and 4, it is desirable that the lock-in detection signal b1 has a waveform having an extreme value based on the absorption line of the gas component to be measured.

図4に示すロックイン検波信号b1の信号強度のボトム-ピーク間の差分Dは、ガス濃度と相関がある。したがって、予め各濃度に設定した標準ガスにより校正を行っておくことで、差分Dを検出してガス濃度を測定することが出来る。 The difference D between the bottom and peak signal intensities of the lock-in detection signal b1 shown in FIG. 4 has a correlation with the gas concentration. Therefore, by performing calibration using standard gases set in advance for each concentration, it is possible to detect the difference D and measure the gas concentration.

<従来技術における問題点について>
ところで、測定対象ガスのガス分析において、理想的には、測定対象ガスのガス濃度に対応した変調周波数の整数倍の検出信号(2f信号)は、測定対象ガスの吸収のみに由来する信号である。しかしながら、実際には、レーザダイオードの非線形性や信号処理回路の歪によりガス吸収信号とは関係のない、ガス吸収信号と同じ周波数の不要な2f信号(不要成分)が含まれる。この不要成分がガス吸収信号よりも大きいと、不要成分が飽和しない程度に増幅回路の増幅率を決定することになり、相対的にガス吸収信号が小さくなる。
<Problems with conventional technology>
By the way, in gas analysis of a gas to be measured, ideally a detection signal (2f signal) having an integral multiple of the modulation frequency corresponding to the gas concentration of the gas to be measured is a signal derived only from absorption of the gas to be measured. . However, in reality, due to nonlinearity of the laser diode and distortion of the signal processing circuit, an unnecessary 2f signal (unnecessary component) having the same frequency as the gas absorption signal is included, which is unrelated to the gas absorption signal. If this unnecessary component is larger than the gas absorption signal, the amplification factor of the amplifier circuit will be determined to such an extent that the unnecessary component will not be saturated, and the gas absorption signal will become relatively small.

図5は、従来のレーザ式ガス分析計におけるアナログデジタル変換前の検出信号の波形図であり、図5(a)は、ガス吸収が無い場合の検出信号であり、図5(b)は、図5(a)の一部を拡大した概念図である。従来のレーザ式ガス分析計には、図2に示す本実施の形態の構成と異なって、減算回路126及び波形分析部135は存在せず、図2に示すバンドパスフィルタ125からの検出信号は、AD変換器128を通って、ロックイン検出部131に直接送られる。 FIG. 5 is a waveform diagram of a detection signal before analog-to-digital conversion in a conventional laser gas analyzer, FIG. 5(a) is a detection signal when there is no gas absorption, and FIG. 5(b) is a It is a conceptual diagram which expanded a part of Fig.5 (a). Unlike the configuration of this embodiment shown in FIG. 2, the conventional laser gas analyzer does not include the subtraction circuit 126 and the waveform analysis section 135, and the detection signal from the bandpass filter 125 shown in FIG. , and is directly sent to the lock-in detection section 131 through the AD converter 128.

レーザ光30にガス吸収がない場合、理想的には、バンドパスフィルタ125からの検出信号(2f信号)が発生しないため、信号強度は0である。しかしながら、実際には、図5(a)、図5(b)のように、ガス吸収信号とは関係のない不要な2f信号が存在する。 If there is no gas absorption in the laser beam 30, ideally the detection signal (2f signal) from the bandpass filter 125 is not generated, so the signal strength is 0. However, in reality, as shown in FIGS. 5(a) and 5(b), there are unnecessary 2f signals that are unrelated to the gas absorption signal.

図5(c)は、レーザ光30にガス吸収がある場合の従来の検出信号の波形図である。図5(c)のうち(I)の領域は、レーザ光30が測定対象ガスを吸収した領域の信号である。一方、図5(c)の(II)の領域は、ガス吸収を含まない不要領域の信号である。この不要領域の信号よりもガスの吸収信号が小さいと、図5(c)のような検出信号の波形図となり、AD変換器128に入力する前の第2の増幅回路127での増幅率は、不要領域の信号が飽和しない程度に設定されることになる。このため、ガス吸収信号に対して十分な増幅ができない。 FIG. 5C is a waveform diagram of a conventional detection signal when the laser beam 30 has gas absorption. The region (I) in FIG. 5C is a signal of the region where the laser beam 30 absorbed the gas to be measured. On the other hand, the region (II) in FIG. 5(c) is a signal in an unnecessary region that does not include gas absorption. If the gas absorption signal is smaller than the signal in this unnecessary region, the waveform diagram of the detection signal will be as shown in FIG. , is set to such an extent that signals in unnecessary areas are not saturated. Therefore, the gas absorption signal cannot be sufficiently amplified.

図6は、従来におけるロックイン検出後のロックイン検波信号である。図6で示すようにロックイン検波信号では、ガス吸収を含む(III)の領域において、信号強度の差分Dが相対的に小さくなる。そのため、ガス吸収信号に対して十分な分解能が得られず計測精度が低下する問題があった。 FIG. 6 shows a conventional lock-in detection signal after lock-in detection. As shown in FIG. 6, in the lock-in detection signal, the difference D in signal strength becomes relatively small in the region (III) including gas absorption. Therefore, there was a problem that sufficient resolution for the gas absorption signal could not be obtained, resulting in a decrease in measurement accuracy.

そこで、本実施の形態では、図2に示すように、波形分析部135及び減算回路126を、バンドパスフィルタ125の後部に組み込み、波形分析部135では、ガス吸収が無い不要領域の振幅情報を算出し、この不要領域の振幅情報を、減算回路126にて、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号から減算する。これにより、不要領域の振幅情報が、ガス吸収信号以下のレベルまで小さくなるように制御した。この処理によって、測定対象ガスのガス分析を、高精度に測定できる。 Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 2, a waveform analysis section 135 and a subtraction circuit 126 are incorporated in the rear part of the bandpass filter 125, and the waveform analysis section 135 collects amplitude information of an unnecessary region where there is no gas absorption. The amplitude information of this unnecessary area is subtracted from the detection signal output from the bandpass filter 125 in the subtraction circuit 126. As a result, the amplitude information in the unnecessary region was controlled to be reduced to a level below the gas absorption signal. This process allows highly accurate gas analysis of the gas to be measured.

<本実施の形態における減算処理について>
本実施の形態においては、図2に示すように、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号は減算処理されることなく減算回路126を通過すると、AD変換器128にてアナログデジタル変換された後、波形分析部135に送られる。
<About subtraction processing in this embodiment>
In this embodiment, as shown in FIG. 2, the detection signal output from the bandpass filter 125 passes through the subtraction circuit 126 without being subjected to subtraction processing, and after being analog-to-digital converted by the AD converter 128. , are sent to the waveform analysis section 135.

このとき減算前のバンドパスフィルタ125からの検出信号の波形図は、ガス吸収がある場合、例えば、図5(c)と同様である。上記したように、図5(c)のうち(I)の領域はガス吸収を含む領域の信号であり、(II)の領域はガス吸収を含まない不要領域の信号である。波形分析部135では、図5(c)のうち、(II)の不要領域の振幅情報を算出し、それに応じた2f信号と同期した位相及び周波数の信号をDA変換器150から出力する。そして、図2に示す減算回路126では、バンドパスフィルタ125の信号から、DA変換器150の信号を減算することで、図5(c)の(II)の不要領域の振幅情報を除去することができる。 At this time, the waveform diagram of the detection signal from the bandpass filter 125 before subtraction is similar to, for example, FIG. 5(c) when there is gas absorption. As described above, in FIG. 5C, the region (I) is a signal in a region including gas absorption, and the region (II) is a signal in an unnecessary region not including gas absorption. The waveform analysis unit 135 calculates the amplitude information of the unnecessary region (II) in FIG. The subtraction circuit 126 shown in FIG. 2 subtracts the signal from the DA converter 150 from the signal from the bandpass filter 125 to remove the amplitude information in the unnecessary region (II) in FIG. 5(c). I can do it.

図7は、本実施の形態に係るレーザ式ガス分析計におけるアナログデジタル変換前の検出信号の波形図であり、図7(a)は、ガス吸収がない場合の減算後の検出信号であり、図7(b)は、ガス吸収がある場合の減算後の検出信号である。 FIG. 7 is a waveform diagram of a detection signal before analog-to-digital conversion in the laser gas analyzer according to the present embodiment, and FIG. 7(a) is a detection signal after subtraction when there is no gas absorption. FIG. 7(b) shows the detection signal after subtraction when there is gas absorption.

図7(a)に示すように、バンドパスフィルタ125の信号から、不要成分が除去されたことにより、ガス吸収がない場合では、AD変換前の信号強度は、十分小さくなり、ほぼ0である。 As shown in FIG. 7(a), since unnecessary components are removed from the signal of the bandpass filter 125, the signal strength before AD conversion becomes sufficiently small and becomes almost 0 in the case where there is no gas absorption. .

一方、図7(b)は、ガス吸収がある場合の信号強度であるが、不要成分を減算処理したため、ガスの吸収信号が飽和しない程度に十分増幅でき、図5(c)と比べて明らかなように、極値を有する検出信号を得ることができる。 On the other hand, Fig. 7(b) shows the signal intensity when there is gas absorption, but since unnecessary components were subtracted, the gas absorption signal was amplified sufficiently to the extent that it did not become saturated, which is clear compared to Fig. 5(c). Thus, a detection signal having an extreme value can be obtained.

図8は、図7(b)の減算後の検出信号をロックイン検出して得たロックイン検波信号である。本実施の形態において得られたロックイン検波信号は、図6の従来例と比べて、信号強度に大きな差分Dを得ることができる。このように大きな差分Dを得られることにより、ガス吸収信号に対して高い分解能を得ることができ、ガス分析精度を向上させることができる。 FIG. 8 shows a lock-in detection signal obtained by performing lock-in detection on the subtracted detection signal of FIG. 7(b). The lock-in detection signal obtained in this embodiment can obtain a large difference D in signal strength compared to the conventional example shown in FIG. By obtaining such a large difference D, it is possible to obtain high resolution for the gas absorption signal, and it is possible to improve the accuracy of gas analysis.

<不要成分について>
図5(c)の(II)に示すガス吸収を含まない不要領域の振幅情報(不要成分)について説明する。
<About unnecessary ingredients>
The amplitude information (unnecessary component) of the unnecessary region not including gas absorption shown in (II) of FIG. 5(c) will be explained.

本実施の形態において、ガス分析を行う前、例えば、出荷前の工場での調整において、測定対象となるガス(標準ガス)を用いて、レーザ掃引区間のおおよそ中心位置にガスの吸収波形が発生するように、波長掃引・変調電流設定部113でのレーザ駆動電流やレーザ素子温度制御回路112の設定値を調整する。これにより、掃引区間内(所定の掃引時間内)でガス吸収波形が存在する領域(時間領域)とガス吸収波形が存在しない領域を制御部160に記憶する。例えば、ロックイン検出部131からガス濃度演算補正部134に至る出力結果に基づき、波長掃引・変調電流設定と温度制御を行うため、ロックイン検出部131及びガス濃度演算補正部134からの情報を制御部160に集約し、制御部160から波形分析部135へ、不要成分の情報を送信することができる。 In this embodiment, before gas analysis is performed, for example, during factory adjustment before shipping, a gas absorption waveform is generated approximately at the center of the laser sweep section using the gas to be measured (standard gas). The laser drive current in the wavelength sweep/modulation current setting section 113 and the set value of the laser element temperature control circuit 112 are adjusted so as to do so. As a result, the region (time domain) in which the gas absorption waveform exists and the region in which the gas absorption waveform does not exist within the sweep section (within a predetermined sweep time) are stored in the control unit 160. For example, in order to perform wavelength sweep/modulation current setting and temperature control based on the output results from the lock-in detection section 131 to the gas concentration calculation correction section 134, information from the lock-in detection section 131 and the gas concentration calculation correction section 134 is used. Information on unnecessary components can be collected in the control unit 160 and transmitted from the control unit 160 to the waveform analysis unit 135.

<第1の実施の形態のレーザ式ガス分析計を用いたフローチャートの説明>
図9は、第1の実施の形態のレーザ式ガス分析計を用いたフローチャートである。図9のステップS01に示すように、変調光生成部11では、駆動電流を生成する。変調光生成部11では、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1を含む波長帯域で波長が繰り返し掃引され、かつ、変調されるように生成された駆動電流をレーザ素子12に供給する。変調光生成部11を構成する波長掃引・変調電流設定部113では、制御部160の指令に基づいて、波長掃引・変調電流設定部113、レーザ素子温度制御回路112の駆動方法が選択される。駆動電流の一例を図3(a)に示す。
<Description of flowchart using the laser gas analyzer of the first embodiment>
FIG. 9 is a flowchart using the laser gas analyzer of the first embodiment. As shown in step S01 of FIG. 9, the modulated light generation section 11 generates a drive current. The modulated light generation unit 11 supplies the laser element 12 with a drive current generated such that the wavelength is repeatedly swept and modulated in a wavelength band including the center wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas to be measured. In the wavelength sweep/modulation current setting section 113 configuring the modulated light generation section 11 , a driving method for the wavelength sweep/modulation current setting section 113 and the laser element temperature control circuit 112 is selected based on a command from the control section 160 . An example of the drive current is shown in FIG. 3(a).

図2に示すDA変換器114では、波長掃引・変調電流設定部113から送られたデジタル信号をアナログ信号に変換し、レーザ素子12に送る。 The DA converter 114 shown in FIG. 2 converts the digital signal sent from the wavelength sweep/modulation current setting section 113 into an analog signal and sends it to the laser element 12.

次に、図9のステップS02、及びステップS03に示すように、レーザ素子12から、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1を含む波長帯域のレーザ光30を出射し、ガスを含む測定対象空間を通り抜けて、受光素子22で受光する。受光素子22で受光した信号を、IV変換回路122、ハイパスフィルタ123、及び第1の増幅回路124、で信号処理し、バンドパスフィルタ125に送信する。 Next, as shown in steps S02 and S03 in FIG. 9, the laser element 12 emits laser light 30 in a wavelength band that includes the center wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas to be measured, and The light passes through the space and is received by the light receiving element 22. The signal received by the light receiving element 22 is processed by the IV conversion circuit 122, the high pass filter 123, and the first amplifier circuit 124, and is transmitted to the band pass filter 125.

図9のステップS04に示すように、バンドパスフィルタ125では、変調周波数の整数倍、例えば2倍の周波数信号(2f信号)を抽出する。 As shown in step S04 of FIG. 9, the bandpass filter 125 extracts a frequency signal (2f signal) that is an integral multiple of the modulation frequency, for example, twice the modulation frequency.

図9のステップS05に示すように、図2に示すAD変換器128では、バンドパスフィルタ125から出力された2f信号をAD変換する。 As shown in step S05 in FIG. 9, the AD converter 128 shown in FIG. 2 performs AD conversion on the 2f signal output from the bandpass filter 125.

次に、図9のステップS06に示すように、ステップS05でAD変換された検出信号が、減算前か減算後かにより分岐する。すなわち、図2に示すように、AD変換器128より手前に減算回路126が設けられているが、この減算回路126で所定の減算処理を行っている場合(減算後[YES])は、ステップS09に進み、減算回路126で所定の減算処理を行っていない場合(減算前[NO])は、ステップS07に進む。 Next, as shown in step S06 in FIG. 9, the detection signal AD-converted in step S05 branches depending on whether it is before or after subtraction. That is, as shown in FIG. 2, a subtraction circuit 126 is provided before the AD converter 128, but when the subtraction circuit 126 is performing a predetermined subtraction process (after subtraction [YES]), the step The process advances to step S09, and if the predetermined subtraction process is not performed in the subtraction circuit 126 (before subtraction [NO]), the process advances to step S07.

ステップS07では、波形分析部135において、測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報を算出する。すなわち、ステップS07では、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号の一部を用いて、波形分析部135が、測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報を算出する。既に説明したように、本実施の形態では、図5(c)の(II)に示す不要領域が予め把握できており、したがって、不要領域の振幅情報を算出することができる。 In step S07, the waveform analysis unit 135 calculates amplitude information of an unnecessary region that does not include absorption of the gas to be measured. That is, in step S07, the waveform analysis unit 135 uses a portion of the detection signal output from the bandpass filter 125 to calculate amplitude information of an unnecessary region that does not include absorption of the gas to be measured. As already explained, in this embodiment, the unnecessary area shown in (II) of FIG. 5C can be known in advance, and therefore the amplitude information of the unnecessary area can be calculated.

波形分析部135で算出された不要領域の振幅情報信号を、DA変換器150でDA変換し、減算回路126に送る。 The amplitude information signal of the unnecessary region calculated by the waveform analyzer 135 is subjected to DA conversion by the DA converter 150 and sent to the subtraction circuit 126 .

図9のステップS08では、減算回路126において、ステップS04のバンドパスフィルタ125から出力された2f信号から、波形分析部135により算出された振幅情報を減算処理する。これにより、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号において、ガス吸収を含まない不要領域の振幅情報の信号強度をガス吸収信号以下のレベルまで小さくでき、例えば、図7(b)に示す検出信号を得ることができる。 In step S08 in FIG. 9, the subtraction circuit 126 subtracts the amplitude information calculated by the waveform analysis unit 135 from the 2f signal output from the bandpass filter 125 in step S04. As a result, in the detection signal output from the band-pass filter 125, the signal strength of the amplitude information in the unnecessary region that does not include gas absorption can be reduced to a level below the gas absorption signal. For example, the detection signal shown in FIG. 7(b) can be obtained.

減算処理後は、再びステップS05に戻り、減算後の検出信号をAD変換し、続いてステップS06では、減算処理済みであるため、ステップS09へと進む。ステップS09では、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号に基づいて、図2に示す測定部130により、濃度演算する。なお、制御部160から、第2の増幅回路127への増幅率の設定は減算処理されているか否かに応じて、種々変更できる。 After the subtraction processing, the process returns to step S05 again to AD convert the detection signal after the subtraction, and then in step S06, since the subtraction processing has been completed, the process proceeds to step S09. In step S09, the measurement unit 130 shown in FIG. 2 calculates the concentration based on the detection signal output from the bandpass filter 125. Note that the setting of the amplification factor from the control unit 160 to the second amplifier circuit 127 can be changed in various ways depending on whether or not subtraction processing is being performed.

<第2の実施の形態のレーザ式ガス分析計を構成するブロック図>
本発明を実施するための第2の形態に係るレーザ式ガス分析計について信号処理ブロック図を図10に示す。以降の説明では第1の実施の形態と異なる部分のみ説明する。
<Block diagram configuring the laser gas analyzer of the second embodiment>
FIG. 10 shows a signal processing block diagram of a laser gas analyzer according to a second embodiment of the present invention. In the following description, only the parts that are different from the first embodiment will be described.

図10に示すように、減算回路115が、波長掃引・変調電流設定部113とレーザ素子12の間に、備えて構成されている。減算回路115は、波長掃引・変調電流設定部113から出力された駆動電流の信号から、波形分析部135により算出された振幅情報を減算処理する。 As shown in FIG. 10, a subtraction circuit 115 is provided between the wavelength sweep/modulation current setting section 113 and the laser element 12. The subtraction circuit 115 subtracts the amplitude information calculated by the waveform analysis section 135 from the drive current signal output from the wavelength sweep/modulation current setting section 113.

DA変換器114が、減算回路115とレーザ素子12の間に、備えて構成されている。減算回路115により減算処理された信号はDA変換器114によりデジタルアナログ変換される。デジタルアナログ変換された信号が、レーザ素子12に送られる。 A DA converter 114 is provided between the subtraction circuit 115 and the laser element 12. The signal subjected to subtraction processing by the subtraction circuit 115 is digital-to-analog converted by the DA converter 114. The digital-to-analog converted signal is sent to the laser element 12.

第2の実施の形態では、波形分析部135で得られたデータに応じた信号を発光部10へ送信し、その信号を波長掃引・変調電流設定部113の信号から減算回路115で差し引くことで、発光部10で不要成分を除去する。その他の動作および得られる検出信号は第1の形態と同様である。 In the second embodiment, a signal corresponding to the data obtained by the waveform analysis section 135 is transmitted to the light emitting section 10, and the signal is subtracted from the signal of the wavelength sweep/modulation current setting section 113 by the subtraction circuit 115. , unnecessary components are removed by the light emitting section 10. Other operations and obtained detection signals are the same as in the first embodiment.

第1の実施の形態のレーザ式ガス分析計1では、受光部20側で減算処理を行うため、送信経路上のノイズ等の影響が小さく、高精度にガス濃度検出を行うことができる。一方、第2の実施の形態のレーザ式ガス分析計2では、第1の実施の形態と異なり受光部20でのDA変換器150が不要となり、減算処理もあらかじめ発光部10に搭載されているマイコンやFPGAなどによるデジタル信号処理で行えるため、部品点数が少なく済み、回路規模の点で有利である。 In the laser gas analyzer 1 of the first embodiment, since the subtraction process is performed on the light receiving unit 20 side, the influence of noise on the transmission path is small, and gas concentration can be detected with high accuracy. On the other hand, in the laser gas analyzer 2 of the second embodiment, unlike the first embodiment, the DA converter 150 in the light receiving section 20 is not required, and the subtraction process is also installed in the light emitting section 10 in advance. Since it can be performed by digital signal processing using a microcomputer, FPGA, etc., the number of parts can be reduced, which is advantageous in terms of circuit scale.

図11は、本実施の形態の第2の実施形態に係るレーザ式ガス分析計の信号処理のフローチャートである。以降の説明では第1の実施の形態と異なる部分のみ説明する。 FIG. 11 is a flowchart of signal processing of the laser gas analyzer according to the second embodiment of the present invention. In the following description, only the parts that are different from the first embodiment will be described.

第2の実施形態では、ステップS07後において、減算回路115が、ステップS01の波長掃引・変調電流設定部113から出力された駆動電流の信号から、波形分析部135により算出された振幅情報(不要成分)を減算処理する(ステップS10)。これにより、波長掃引・変調電流設定部113から出力された駆動電流の信号において、ガス吸収を含まない領域の振幅情報(不要成分)を除去する。さらに、DA変換器114において減算回路115により減算処理された信号は、DA変換される。その後、ステップS02へ進む。 In the second embodiment, after step S07, the subtraction circuit 115 extracts the amplitude information (unnecessary component) is subtracted (step S10). As a result, amplitude information (unnecessary components) in a region that does not include gas absorption is removed from the drive current signal output from the wavelength sweep/modulation current setting section 113. Further, the signal subjected to subtraction processing by the subtraction circuit 115 in the DA converter 114 is subjected to DA conversion. After that, the process advances to step S02.

デジタルアナログ変換された信号は、レーザ素子12に送られ、ステップS02へと送られる。以後は、ステップS02からステップS06を経て、ステップS09に進み、測定対象ガスに含まれる特定のガス濃度を分析する。なお、制御部160から、第2の増幅回路127への増幅率の設定は減算処理されているか否かに応じて、種々変更できる。 The digital-to-analog converted signal is sent to the laser element 12, and then sent to step S02. Thereafter, the process proceeds from step S02 to step S06, and then proceeds to step S09, where the concentration of a specific gas contained in the gas to be measured is analyzed. Note that the setting of the amplification factor from the control unit 160 to the second amplifier circuit 127 can be changed in various ways depending on whether or not subtraction processing is being performed.

本発明のレーザ式ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用、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 laser gas analyzer of the present invention is most suitable for measuring combustion exhaust gas from boilers, garbage incineration, etc., and for combustion control. Other areas include gas analysis for steel [blast furnaces, converters, heat treatment furnaces, sintering (pellet equipment), coke ovens], fruit and vegetable storage and ripening, biochemistry (microorganisms) [fermentation], air pollution [incinerators, flue gas desulfurization, Denitration], Exhaust gas (removal tester) from internal combustion engines of automobiles, ships, etc., Disaster prevention [Explosive gas detection, toxic gas detection, combustion gas analysis for new construction materials], Plant cultivation, Chemical analysis [Oil refinery plants, petrochemicals] It is also useful as an analyzer for environmental purposes (land concentration, tunnel concentration, parking lot, building management), and various physical and chemical experiments.

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
25 受光部容器
30 レーザ光
40 通信線
50a、50b 壁
51a、51b フランジ
52a、52b 光軸調整フランジ
112 レーザ素子温度制御回路
113 波長掃引・変調電流設定部
114 DA変換器
115 減算回路
122 IV変換回路
123 ハイパスフィルタ
124 増幅回路
125 バンドパスフィルタ
126 減算回路
127 増幅回路
128 AD変換器
131 ロックイン検出部
132 検波周波数設定部
133 ピーク・ボトム演算部
134 ガス濃度演算部
135 波形分析部
150 DA変換器
160 制御部


1 Laser gas analyzer 10 Light emitting unit 11 Modulated light generating unit 12 Laser element 13 Collimating lens 14 Light emitting unit window plate 15 Light emitting unit container 20 Light receiving unit 21 Light receiving signal processing unit 22 Light receiving element 23 Condensing lens 24 Light receiving unit window plate 25 Light receiving unit container 30 Laser beam 40 Communication lines 50a, 50b Walls 51a, 51b Flanges 52a, 52b Optical axis adjustment flange 112 Laser element temperature control circuit 113 Wavelength sweep/modulation current setting unit 114 DA converter 115 Subtraction circuit 122 IV conversion circuit 123 High-pass filter 124 Amplification circuit 125 Band-pass filter 126 Subtraction circuit 127 Amplification circuit 128 AD converter 131 Lock-in detection section 132 Detection frequency setting section 133 Peak/bottom calculation section 134 Gas concentration calculation section 135 Waveform analysis section 150 DA converter 160 Control Department


Claims (4)

測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス分析を行う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繰り返し掃引され、かつ変調されるように生成された駆動電流を前記レーザ素子に供給する変調光生成部と、
前記測定対象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、波長変調された前記レーザ光の変調周波数の整数倍の周波数を抽出するフィルタ部と、
前記フィルタ部から出力された検出信号をアナログデジタル変換するAD変換器と、
前記AD変換器から出力された減算前の検出信号の一部を用いて前記測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報を算出する波形分析部と、
前記フィルタ部から出力された検出信号から、前記不要領域の振幅情報を減算処理する減算回路と、
前記減算回路を経て前記AD変換器から出力された減算後の検出信号を、前記変調周波数の整数倍でロックイン検出して得たロックイン検波信号に基づいてガス分析を行う測定部と、を有することを特徴とするレーザ式ガス分析計。
A laser gas analyzer that performs gas analysis of a gas to be measured existing in a space to be measured,
a laser element that emits laser light in a wavelength band that includes the light absorption wavelength of the absorption line spectrum of the gas to be measured;
a modulated light generation unit that supplies the laser element with a drive current generated such that the wavelength is repeatedly swept and modulated in a wavelength band including the light absorption wavelength of the absorption line spectrum of the measurement target gas;
a light receiving element that receives the laser beam that has passed through the measurement target;
a filter section that extracts a frequency that is an integral multiple of a modulation frequency of the wavelength-modulated laser light from the detection signal output from the light receiving element;
an AD converter that converts the detection signal output from the filter section from analog to digital;
a waveform analysis unit that calculates amplitude information of an unnecessary region that does not include absorption of the measurement target gas using a part of the detection signal output from the AD converter before subtraction;
a subtraction circuit that subtracts amplitude information of the unnecessary region from the detection signal output from the filter section;
a measurement unit that performs gas analysis based on a lock-in detection signal obtained by lock-in detecting the subtracted detection signal output from the AD converter via the subtraction circuit at an integral multiple of the modulation frequency; A laser gas analyzer characterized by having:
前記波形分析部と、前記減算回路の間に、
前記不要領域の振幅情報をデジタルアナログ変換するDA変換器を有し、
前記減算回路が、デジタルアナログ変換した振幅情報を減算処理する、ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ式ガス分析計。
between the waveform analysis section and the subtraction circuit;
It has a DA converter that converts the amplitude information of the unnecessary area into digital/analog,
2. The laser gas analyzer according to claim 1, wherein the subtraction circuit performs subtraction processing on amplitude information converted from digital to analog.
測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス分析を行う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繰り返し掃引され、かつ変調されるように生成された駆動電流を前記レーザ素子に供給する変調光生成部と、
前記測定対象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、波長変調された前記レーザ光の変調周波数の整数倍の周波数を抽出するフィルタ部と、
前記フィルタ部から出力された検出信号をアナログデジタル変換するAD変換器と、
前記AD変換器から出力された減算前の検出信号の一部を用いて前記測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報を算出する波形分析部と、
前記変調光生成部にて生成された駆動電流から、前記波形分析部により算出された振幅情報を減算処理する減算回路と、
前記AD変換器から出力された減算後の検出信号を、前記変調周波数の整数倍でロックイン検出して得たロックイン検波信号に基づいてガス分析を行う測定部と、を有することを特徴とするレーザ式ガス分析計。
A laser gas analyzer that performs gas analysis of a gas to be measured existing in a space to be measured,
a laser element that emits laser light in a wavelength band that includes the light absorption wavelength of the absorption line spectrum of the gas to be measured;
a modulated light generation unit that supplies the laser element with a drive current generated such that the wavelength is repeatedly swept and modulated in a wavelength band including the optical absorption wavelength of the absorption line spectrum of the measurement target gas;
a light receiving element that receives the laser beam that has passed through the measurement target;
a filter section that extracts a frequency that is an integral multiple of a modulation frequency of the wavelength-modulated laser light from the detection signal output from the light receiving element;
an AD converter that converts the detection signal output from the filter section from analog to digital;
a waveform analysis unit that calculates amplitude information of an unnecessary region that does not include absorption of the measurement target gas using a part of the detection signal output from the AD converter before subtraction;
a subtraction circuit that subtracts amplitude information calculated by the waveform analysis unit from the drive current generated by the modulated light generation unit;
A measurement unit that performs gas analysis based on a lock-in detection signal obtained by lock-in detecting the subtracted detection signal output from the AD converter at an integral multiple of the modulation frequency. Laser type gas analyzer.
前記減算回路と、前記レーザ素子の間に、
前記減算回路により減算処理された駆動電流をデジタルアナログ変換するDA変換器を有し、
デジタルアナログ変換された駆動電流が、前記レーザ素子に供給される、
ことを特徴とする請求項3に記載のレーザ式ガス分析計。

between the subtraction circuit and the laser element,
a DA converter that converts the drive current subtracted by the subtraction circuit into digital-to-analog;
A digital-to-analog converted drive current is supplied to the laser element.
The laser gas analyzer according to claim 3, characterized in that:

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