JP3898848B2 - ガス分析装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸光分析法を利用したガス分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ここでは、従来技術として吸光分析法によるガス分析技術について説明する。
【０００３】
図７は、従来の吸光分析法によるガス分析装置の模式図である。
【０００４】
白色光源１から発せられた白色光ａから干渉フィルタ２で狭帯域の波長の光のみを取り出し、その干渉フィルタ２を透過した光ｂの一部をハーフミラー３で取り出して光量測定器４に入射させ、ハーフミラー３を透過した光を、測定しようとする気体（以下、被測定用気体と称する）中を透過させ、その被測定用気体透過後の光の一部をハーフミラー５で取り出してもう１つの光量測定器６に入射させる。
【０００５】
被測定用気体は、その気体成分に応じて特定の波長の光を吸収するため、光量測定器４での受光光量ともう１つの光量測定器６での受光光量とを比較することにより、その被測定用気体中に含まれる吸光に寄与する成分量を知ることができる。このような、被測定用気体の分析手法は、吸光分析法として知られている。
【０００６】
図８は、図７のガス分析装置の白色光源から発せられた光の波長スペクトルを示す図であり、図９は、干渉フィルタを透過した光の波長スペクトルおよび被測定用気体の吸収線スペクトルを示す図である。
【０００７】
白色光源から発せられた光ａは、図８に示すように広範囲な波長分布を有しており、干渉フィルタを用いることにより、例えば、図９に示すような１０ｎｍ程度の波長幅の光ｂが得られる。これに対し、被測定用気体による吸収線ｃは、例えば、半値幅が１０ｐｍ＝１０×１０-3ｎｍ程度であり、従って被測定用気体に入射する光の光量に対する、被測定用気体を透過した後の光の光量は、この吸収線ｃと同一波長の光が１００％吸収されたとしても高々１／１０００程度減衰しているに過ぎない。すなわち、図７に示すガス分析装置では、検出しようとする信号変化分は、吸収線ｃによりその吸収線ｃと同一波長の光が１００％吸収されたとしても高々１／１０００程度であり、その検出しようとする信号に対し約１０００倍のバイアス成分が重畳されていることになり、そのような極めて僅かな変化分を高精度に検出するのは極めて困難である。
【０００８】
このことから、白色光源に代えてレーザ光源を用いることが考えられる。レーザ光源から発せられるレーザ光の発振線幅は、例えば０．１ｐｍ程度であり、被測定用気体の吸収線の波長幅である１０ｐｍよりも十分に狭く、レーザ光の波長を制御するための何らかのフィードバックループを形成してレーザ光の波長を吸収線の波長幅内に調整することができれば、そのレーザ光全体が被測定用気体による吸収の対象となり、極めて高精度の吸光分析が可能となる。
【０００９】
しかしながら、レーザ光は温度変化や駆動電流の変動に応じて発振波長が変化しやすく、安定した吸光分析を行うことが難しいため、レーザ光を用いた吸光分析法によるガス分析装置はまだ実現されていない。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑み、動作の安定した高精度のガス分析装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のガス分析装置は、
波長可変な光を出射する光源と、
内部に所定の気体が封入され上記光源から出射した光が通過する光音響セルと、
上記光音響セル内部の音圧をピックアップするマイクロフォンと、
上記マイクロフォンでピックアップされた音圧をモニタしながら、上記光源から出射される光の波長を、上記光音響セル中の気体による吸収線の波長を中心として周期的に変化させる波長制御部と、
上記光音響セルを通過しさらに被測定用気体雰囲気を経由した光を受光する受光素子と、
上記受光素子の出力に基づいて被測定用気体の量あるいは濃度を求める演算部とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
ここで、上記光源が、半導体レーザであって、上記波長制御部が半導体レーザの駆動電流を制御するものであることが好ましい。
【００１３】
また、上記マイクロフォンが、上記光音響セル内部の音圧を表面に受けて振動するダイヤフラム、ダイヤフラムの裏面側に配置されダイヤフラムの振動をピックアップするセンサ、ダイヤフラムの裏面を隔壁の一つとする内部空間を形成し内部空間にセンサを配置してなる枠体、および、内部空間内の圧力を上記光音響セル内部の圧力に合わせるガス流路を有するものであることも好ましい。
【００１４】
さらに、上記演算部が、上記受光素子の出力を、上記波長制御部による、上記光源から出射される光の周期的変化の周波数と同一の周波数でロックイン検波を行うロックインアンプを含むものであることも好ましく、また、上記演算部が、上記受光素子の出力を、上記波長制御部による、上記光源から出射される光の周期的変化の周波数の２倍の周波数でロックイン検波を行うロックインアンプを含むものであることも好ましい態様である。
【００１５】
さらに、このガス分析装置が、エンジンの排気ガスを被測定用気体とするものであって、
上記光音響セルが、内部に水蒸気を含む気体が封入されるものであり、上記演算部が、エンジンの排気ガス中の水蒸気の量あるいは濃度を求めるものであってもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施形態のガス分析装置の概略構成図である。
【００１８】
図１には、波長可変なレーザ光１１ａを出射する半導体レーザ１１と、内部に気体Ｇ１が封入され、半導体レーザ１１から出射したレーザ光１１ａが通過する光音響セル１２と、光音響セル１２内部の音圧をピックアップするマイクロフォン１３と、マイクロフォン１３でピックアップされた音圧をモニタしながら、半導体レーザ１１から出射されるレーザ光１１ａの波長を、光音響セル１２中の気体Ｇ１による吸収線の波長を中心として周期的に変化させる波長制御部１４と、光音響セル１２を通過したレーザ光がさらに被測定用気体Ｇ２雰囲気を通過した後のレーザ光１１ｂを受光する、フォトダイオードなどの受光素子１５と、受光素子１５の出力に基づいて被測定用気体Ｇ２の量あるいは濃度を求める演算部１６とを備えたガス分析装置１０が示されている。
【００１９】
波長制御部１４は、半導体レーザ１１の温度をコントロールする温度コントローラ１４ａ、半導体レーザ１１の駆動電流をコントロールする電流コントローラ１４ｂ、およびマイクロフォン１３からの出力信号を、後述する変調信号発生回路１９の変調信号でロックイン検波するロックインアンプ１４ｃからなる。
【００２０】
演算部１６には、受光素子１５の出力を、変調信号発生回路１９の変調信号でロックイン検波するロックインアンプ１６ａおよびロックインアンプ１６ａからの検波出力から被測定用気体Ｇ２の量あるいは濃度を求めるＣＰＵ１６ｂを内蔵している。
【００２１】
このガス分析装置１０には、これらのほかに、半導体レーザ１１の温度を所定の温度に設定するための温度設定回路１７、半導体レーザ１１に所定の駆動電流を供給するための電流供給回路１８、半導体レーザ１１の駆動電流に周期的変化を与えるための変調信号を発生する変調信号発生回路１９、および、レーザ光の光路上に配置されたいくつかのレンズが備えられている。
【００２２】
なお、本実施形態における半導体レーザ１１は、本発明にいう光源に相当するものである。光源は必ずしも半導体レーザに限定されるものではなく、波長可変な光であればよいが、小型であること、および取り扱い易さなどの点から半導体レーザを用いることが好ましい。
【００２３】
次に、このガス分析装置１０の動作について説明する。
【００２４】
この実施形態では、エンジンの排気ガスを被測定用気体Ｇ２として用いており、光音響セル１２内部には、水蒸気を含む気体Ｇ１が封入されている。
【００２５】
温度設定回路１７および電流供給回路１８を用いて、半導体レーザ１１の発振波長が、測定対象である光音響セル１２中の気体Ｇ１中の水蒸気による吸収線の中心波長とほぼ一致するように半導体レーザ１１の温度および駆動電流を設定するとともに、半導体レーザ１１の駆動電流に、変調信号発生回路１９で発生させた変調信号を重畳する。電流供給回路１８から供給されるＤＣ電流に変調信号発生回路１９の変調信号が重畳されると、半導体レーザ１１の発振周波数が変調される。
【００２６】
いま、ＤＣ電流による発振周波数をν0、変調成分をνm、変調周波数をｆmとすると、半導体レーザ１１の発振周波数νは、（１）式で表される。
【００２７】
ν＝ν0＋νmｃｏｓ（２πｆmｔ） … （１）
測定対象の気体Ｇ１による吸収線の信号スペクトルをｆ（ν）とすると、半導体レーザ１１からのレーザ光１１ａを光音響セル１２に入力した場合、マイクロフォン１３から出力される信号は次式に比例する。
【００２８】
ｆ（ν）＝ｆ（ν0＋νmｃｏｓ（２πｆmｔ）） … （２）
いま、ν0＞＞νmとすると（３）式が得られる。
【００２９】
ｆ（ν）＝ｆ（ν0）＋ｆ’（ν0）・νm・ｃｏｓ（２πｆmｔ） … （３）
吸収線の中心周波数をνc、スペクトル半値幅をνhとし、測定対象の気体の吸収線の線スペクトルをローレンツ型で表すと（４）式が得られる。
【００３０】
ｆ（ν）＝１／（１＋（（ν−νc）2／νh2）） … （４）
ここで、（３）式をロックインアンプで変調周波数ｆmでロックイン検波して周波数ｆmの信号成分のみを出力する。その出力をＳとし、ロックインアンプのゲインをＡとすると（５）式が得られる。
【００３１】
Ｓ＝Ａｆ’（ν0）・νm … （５）
（５）式に（４）式を微分して代入すると（６）式が得られる。
【００３２】
Ｓ＝−２Ａ（ν0−νc）／νh2（１＋（（ν0−νc）2／νh2）2） … （６）
（６）式より、ＤＣ電流による発振周波数ν0が、吸収線の中心周波数νcと一致すると、ロックインアンプの出力Ｓはゼロになることがわかる。
【００３３】
図２は、測定対象の気体の吸収線の線スペクトル、およびレーザ光の波長を変化させたときのロックインアンプの出力を示すグラフである。
【００３４】
図２に示した線スペクトルＡは上記（４）式に対応するものであり、ロックインアンプの出力Ｓは上記（６）式に対応するものである。
【００３５】
上記のような線スペクトルＡを有する気体Ｇ１が封入された光音響セル１２に、この線スペクトルＡの中心波長λ0に近い波長を中心として周期的に波長が変化するレーザ光１１ａを通過させ、マイクロフォン１３により音圧信号を検出し、それを変調信号発生回路１９からの変調信号でロックイン検波すると、その検波出力Ｓは、レーザ光１１ａの波長が線スペクトルＡの中心波長λ0と一致した時には図２にＳ0点として示すように出力ゼロとなるが、レーザ光１１ａの波長が線スペクトルＡの中心波長λ0よりも図２の左側の波長λ1となった時には図２にＳ1点として示すようにプラスの電圧が出力され、反対に、レーザ光１１ａの波長が線スペクトルＡの中心波長λ0よりも図２の右側の波長λ2となった時には図２にＳ2点として示すようにマイナスの電圧が出力される。
【００３６】
図１に示す本実施形態のガス分析装置１０では、電流供給回路１８から供給されるＤＣ電流に、変調信号発生回路１９からの変調信号を重畳することにより半導体レーザ１１から出射されるレーザ光の波長を周期的に変化させている。
【００３７】
半導体レーザ１１から出射されたレーザ光１１ａは光音響セル１２に導かれ、レーザ光１１ａによる音圧がマイクロフォン１３でピックアップされる。マイクロフォン１３でピックアップされた音圧は電気信号に変換されて波長制御部１４のロックインアンプ１４ｃに入力される。ロックインアンプ１４ｃは、入力された信号を、変調信号発生回路１９の変調信号でロックイン検波する。電流コントローラ１４ｂは、ロックインアンプ１４ｃによる検波出力をモニタしながら半導体レーザ１１の駆動電流をコントロールすることにより、半導体レーザ１１から出射されるレーザ光１１ａの波長が、光音響セル１２中の気体Ｇ１による吸収線の中心波長λ0（図２参照）を中心として周期的に変化するように制御する。すなわち、波長制御部１４は、半導体レーザ１１から出射されるレーザ光１１ａの、変調信号による波長の周期的な変化の中心の波長が、吸収線スペクトルＡの中心波長λ0と一致するように、半導体レーザ１１の駆動電流をコントロールする。
【００３８】
レーザ光１１ａの波長をこのように制御することにより、例えば温度変化、あるいは電源の変動などにより半導体レーザ１１の発信周波数がドリフトしても、レーザ光１１ａの波長は気体Ｇ１の吸収線スペクトルの中心波長λ0を中心として所定の波長幅で周期的に変化し続ける。
【００３９】
このように制御された状態で半導体レーザ１１から出射されたレーザ光１１ａは、光音響セル１２を通過しさらに被測定用気体Ｇ２雰囲気を経由した後、受光素子１５により受光される。レーザ光１１ｂを受光した受光素子１５からの出力信号は演算部１６に送られる。
【００４０】
演算部１６に備えられたロックインアンプ１６ａは、受光素子１５からの出力信号を、変調信号発生回路１９から送られてきた参照信号Ｒ、すなわち変調信号の周波数でロックイン検波する。
【００４１】
図３は、被測定用気体Ｇ２雰囲気を経由した後のレーザ光受光信号の電圧波形（ａ）、およびそれを変調信号の周波数と同一の周波数ｆでロックイン検波した後の出力波形（ｂ）を示す図である。
【００４２】
前述のように、レーザ光１１ａの波長は、気体Ｇ１の吸収線スペクトルの中心波長λ0を中心として周期的に変化するが、レーザ光１１ａの波長を周期的に変化させるにあたっては、変調信号により半導体レーザ１１の駆動電流を周期的に変化させている。このため、レーザ光１１ａは波長が周期的に変化するとともにその光量も周期的に変化し、従って受光素子１５からの出力信号は、図３（ａ）に示すように、先ずは被測定用気体Ｇ２による吸収分とは無関係に１／ｆの周期で変化している。このレーザ光１１ａは、その波長が波長λ0と一致した時にレーザ光は被測定用気体Ｇ２により吸収されてその吸収された分だけ減光するので、図３（ａ）に示すように、被測定用気体Ｇ２雰囲気を経由した後のレーザ光受光信号の出力波形には、１／ｆの周期毎に２回、出力が低下する。この出力低下の度合いは、被測定用気体Ｇ２の量あるいは濃度に比例しているのでこの出力低下分を取り出すことにより気体Ｇ２の量あるいは濃度を求めることができる。
【００４３】
図３（ｂ）に示すように、受光素子出力を変調信号の周波数と同一の周波数ｆでロックイン検波した後の検波出力は、光量の１／ｆの周期変化に起因するオフセット分を含んでいるので、演算部１６のＣＰＵ１６ｂにより、そのオフセット分Ｌ０と、被測定用気体Ｇ２が存在する状態におけるロックイン検波出力レベルＬ１との差Ｌ２を演算で求めることにより被測定用気体Ｇ２の量あるいは濃度を得ることができる。
【００４４】
なお、この図３では、後述する第２の実施形態との対比上、変調信号による１／ｆの周期の光量変化およびそれに起因するオフセット分Ｌ０が強調して描かれているが、これらは、必要とする測定精度がそれほどの高精度である必要がないときは、誤差として無視してもよいレベルのものである。
【００４５】
次に、図１に示した本実施形態のガス分析装置１０に備えられたマイクロフォン１３について説明する。
【００４６】
図４は、本実施形態のガス分析装置に備えられたマイクロフォンの内部構造の概要を示す模式図である。
【００４７】
マイクロフォン１３は、その頭部１３ａが光音響セル１２の内部に配置された状態に、光音響セル１２に気密状態に固定されている。
【００４８】
このマイクロフォン１３は、その頭部１３ａにダイヤフラム１３１を有し、そのダイヤフラム１３１は、そのダイヤフラム１３１の表面１３１ａに光音響セル１２の内部に封入された被測定用気体の音圧ΔＰを受けて振動する。このダイヤフラム１３１の裏面１３１ｂの側には、その裏面１３１ｂを１つの隔壁とする内部空間１３２が形成されており、その内部空間１３２の、ダイヤフラム１３１の近傍には、ダイヤフラム１３１の振動をピックアップするセンサ１３３が配置されている。そのセンサ１３３は、例えばコンデンサマイクロフォンの場合、ダイヤフラム１３１との間の静電容量測定用の電極板からなり、ダイヤフラム１３１の振動に伴って変化する静電容量がピックアップされる。そのセンサ１３３は、取付具１３４を介して枠体１３５に固定されている。
【００４９】
ここで、従来のマイクロフォンでは、取付具１３４と枠体１３５との間など部品どうしの隙間を介して僅かながら空気の出入りがあり、内部空間の圧力は、外気圧Ｐ2と同一の圧力に保たれるが、この図４に示すマイクロフォン１３の場合、それら部品どうしの隙間は完全な気密性が保たれるようにシールされている。
【００５０】
マイクロフォン１３の枠体１３５の、光音響セル１２の外部に晒された部分と、光音響セル１２との間には、気体流路１３６が形成されており、マイクロフォン１３の内部空間１３２と光音響セル１２の内部とを合わせた空間が外部から気密に保たれている。このため、光音響セル１２内部の圧力がどのような圧力であっても、マイクロフォン１３を図１に示すように光音響セル１２に取り付けた状態で暫く放置することにより、内部空間１３２は光音響セル１２の内部の圧力Ｐ1と同一の圧力Ｐ1となり、ダイヤフラム１３１は平らに張られた状態となり、光音響セル１２内部の音圧ΔＰを測定することができる。
【００５１】
なお、上記のマイクロフォン１３では、枠体１３５の、光音響セル１２の外部に晒された部分と光音響セル１２との間に気体流路１３６が形成されているが、このような気体流路１３６を必ず設けなければならないわけではなく、例えば、図４のダイヤフラム１３１の中央に、気体流路としてのピンホールを穿設することにより、そのピンホールを介して光音響セル１２の内部の被測定気体が、マイクロフォン１３の内部空間１３２に出入りし、その内部空間１３２が、光音響セル１２の内部の圧力Ｐ1と同一の圧力Ｐ1に保たれるようにしてもよい。
【００５２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００５３】
図５は、本発明の第２の実施形態のガス分析装置の概略構成図である。
【００５４】
このガス分析装置２０と図１に示した本発明の第１の実施形態のガス分析装置１０との相違点は、演算部２６が、ロックインアンプ２６ａおよびＣＰＵ２６ｂに加え、さらに周波数逓倍装置２６ｃを備えた構成となっている点である。この周波数逓倍装置２６ｃは、参照信号Ｒとして送られてきた変調信号の周波数ｆの２倍の周波数２ｆの変調信号を生成してロックインアンプ２６ａに送る。ロックインアンプ２６ａは、その周波数２ｆでロックイン検波を行う。
【００５５】
図６は、被測定用気体Ｇ２雰囲気を経由した後のレーザ光受光信号の電圧波形（ａ）、およびそれを変調信号の周波数ｆの２倍の周波数２ｆでロックイン検波した後の出力波形（ｂ）を示す図である。
【００５６】
図６（ａ）に示す電圧波形は、図３（ａ）と同様であるが、図６（ｂ）に示すように、受光素子の出力を吸収線中心周波数の２倍の周波数２ｆでロックイン検波した後の出力は、変調成分によるオフセット分がゼロとなるので、検波出力レベルＬ１から直接、被測定用気体Ｇ２の量あるいは濃度を得ることができる。 従って、第１の実施形態のガス分析装置１０における吸収線中心周波数１ｆでロックイン検波した場合と異なり、変調成分によるオフセット分を分離除去する必要がなくなるので、演算部２６のＣＰＵ２６ｂによる演算を簡略化することができ、かつ測定精度を向上させることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガス分析装置によれば、内部に気体が封入された光音響セルに波長可変な光を通過させ、光音響セル内部の音圧をモニタしながら、光の波長が、光音響セル内の気体による吸収線スペクトルを中心として周期的に変化するように制御するとともに、その制御された光を被測定用気体雰囲気中を通過させて受光素子で受光し、その受光出力に基づいて被測定用気体の量あるいは濃度を求めているので、動作の安定した高精度のガス分析装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のガス分析装置の概略構成図である。
【図２】測定対象の気体の吸収線の線スペクトル、およびレーザ光の波長を変化させたときのロックインアンプの出力を示すグラフである。
【図３】被測定用気体Ｇ２雰囲気を経由した後のレーザ光受光信号の電圧波形（ａ）、およびそれを変調信号の周波数と同一の周波数ｆでロックイン検波した後の出力波形（ｂ）を示す図である。
【図４】本実施形態のガス分析装置に備えられたマイクロフォンの内部構造の概要を示す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施形態のガス分析装置の概略構成図である。
【図６】被測定用気体Ｇ２雰囲気を経由した後のレーザ光受光信号の電圧波形（ａ）、およびそれを変調信号の周波数ｆの２倍の周波数２ｆでロックイン検波した後の出力波形（ｂ）を示す図である。
【図７】従来の吸光分析法によるガス分析装置の模式図である。
【図８】図７のガス分析装置の白色光源から発せられた光の波長スペクトルを示す図である。
【図９】干渉フィルタを透過した光の波長スペクトルおよび被測定用気体の吸収線スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１ 白色光源
２ 干渉フィルタ
３，５ ハーフミラー
４，６ 光量測定器
１０ ガス分析装置
１１ 半導体レーザ
１１ａ，１１ｂ レーザ光
１２ 光音響セル
１３ マイクロフォン
１３ａ 頭部
１４ 波長制御部
１４ａ 温度コントローラ
１４ｂ 電流コントローラ
１４ｃ ロックインアンプ
１５ 受光素子
１６ 演算部
１６ａ ロックインアンプ
１６ｂ ＣＰＵ
１７ 温度設定回路
１８ 電流供給回路
１９ 変調信号発生回路
２０ ガス分析装置
２６ 演算部
２６ａ ロックインアンプ
２６ｂ ＣＰＵ
２６ｃ 周波数逓倍装置
１３１ ダイヤフラム
１３１ａ 表面
１３１ｂ 裏面
１３２ 内部空間
１３３ センサ
１３４ 取付具
１３５ 枠体
１３６ 気体流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸光分析法を利用したガス分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ここでは、従来技術として吸光分析法によるガス分析技術について説明する。
【０００３】
図７は、従来の吸光分析法によるガス分析装置の模式図である。
【０００４】
白色光源１から発せられた白色光ａから干渉フィルタ２で狭帯域の波長の光のみを取り出し、その干渉フィルタ２を透過した光ｂの一部をハーフミラー３で取り出して光量測定器４に入射させ、ハーフミラー３を透過した光を、測定しようとする気体（以下、被測定用気体と称する）中を透過させ、その被測定用気体透過後の光の一部をハーフミラー５で取り出してもう１つの光量測定器６に入射させる。
【０００５】
被測定用気体は、その気体成分に応じて特定の波長の光を吸収するため、光量測定器４での受光光量ともう１つの光量測定器６での受光光量とを比較することにより、その被測定用気体中に含まれる吸光に寄与する成分量を知ることができる。このような、被測定用気体の分析手法は、吸光分析法として知られている。
【０００６】
図８は、図７のガス分析装置の白色光源から発せられた光の波長スペクトルを示す図であり、図９は、干渉フィルタを透過した光の波長スペクトルおよび被測定用気体の吸収線スペクトルを示す図である。
【０００７】
白色光源から発せられた光ａは、図８に示すように広範囲な波長分布を有しており、干渉フィルタを用いることにより、例えば、図９に示すような１０ｎｍ程度の波長幅の光ｂが得られる。これに対し、被測定用気体による吸収線ｃは、例えば、半値幅が１０ｐｍ＝１０×１０-3ｎｍ程度であり、従って被測定用気体に入射する光の光量に対する、被測定用気体を透過した後の光の光量は、この吸収線ｃと同一波長の光が１００％吸収されたとしても高々１／１０００程度減衰しているに過ぎない。すなわち、図７に示すガス分析装置では、検出しようとする信号変化分は、吸収線ｃによりその吸収線ｃと同一波長の光が１００％吸収されたとしても高々１／１０００程度であり、その検出しようとする信号に対し約１０００倍のバイアス成分が重畳されていることになり、そのような極めて僅かな変化分を高精度に検出するのは極めて困難である。
【０００８】
このことから、白色光源に代えてレーザ光源を用いることが考えられる。レーザ光源から発せられるレーザ光の発振線幅は、例えば０．１ｐｍ程度であり、被測定用気体の吸収線の波長幅である１０ｐｍよりも十分に狭く、レーザ光の波長を制御するための何らかのフィードバックループを形成してレーザ光の波長を吸収線の波長幅内に調整することができれば、そのレーザ光全体が被測定用気体による吸収の対象となり、極めて高精度の吸光分析が可能となる。
【０００９】
しかしながら、レーザ光は温度変化や駆動電流の変動に応じて発振波長が変化しやすく、安定した吸光分析を行うことが難しいため、レーザ光を用いた吸光分析法によるガス分析装置はまだ実現されていない。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑み、動作の安定した高精度のガス分析装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のガス分析装置は、
波長可変な光を出射する光源と、
内部に所定の気体が封入され上記光源から出射した光が通過する光音響セルと、
上記光音響セル内部の音圧をピックアップするマイクロフォンと、
上記マイクロフォンでピックアップされた音圧をモニタしながら、上記光源から出射される光の波長を、上記光音響セル中の気体による吸収線の波長を中心として周期的に変化させる波長制御部と、
上記光音響セルを通過しさらに被測定用気体雰囲気を経由した光を受光する受光素子と、
上記受光素子の出力に基づいて被測定用気体の量あるいは濃度を求める演算部とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
ここで、上記光源が、半導体レーザであって、上記波長制御部が半導体レーザの駆動電流を制御するものであることが好ましい。
【００１３】
また、上記マイクロフォンが、上記光音響セル内部の音圧を表面に受けて振動するダイヤフラム、ダイヤフラムの裏面側に配置されダイヤフラムの振動をピックアップするセンサ、ダイヤフラムの裏面を隔壁の一つとする内部空間を形成し内部空間にセンサを配置してなる枠体、および、内部空間内の圧力を上記光音響セル内部の圧力に合わせるガス流路を有するものであることも好ましい。
【００１４】
さらに、上記演算部が、上記受光素子の出力を、上記波長制御部による、上記光源から出射される光の周期的変化の周波数と同一の周波数でロックイン検波を行うロックインアンプを含むものであることも好ましく、また、上記演算部が、上記受光素子の出力を、上記波長制御部による、上記光源から出射される光の周期的変化の周波数の２倍の周波数でロックイン検波を行うロックインアンプを含むものであることも好ましい態様である。
【００１５】
さらに、このガス分析装置が、エンジンの排気ガスを被測定用気体とするものであって、
上記光音響セルが、内部に水蒸気を含む気体が封入されるものであり、上記演算部が、エンジンの排気ガス中の水蒸気の量あるいは濃度を求めるものであってもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施形態のガス分析装置の概略構成図である。
【００１８】
図１には、波長可変なレーザ光１１ａを出射する半導体レーザ１１と、内部に気体Ｇ１が封入され、半導体レーザ１１から出射したレーザ光１１ａが通過する光音響セル１２と、光音響セル１２内部の音圧をピックアップするマイクロフォン１３と、マイクロフォン１３でピックアップされた音圧をモニタしながら、半導体レーザ１１から出射されるレーザ光１１ａの波長を、光音響セル１２中の気体Ｇ１による吸収線の波長を中心として周期的に変化させる波長制御部１４と、光音響セル１２を通過したレーザ光がさらに被測定用気体Ｇ２雰囲気を通過した後のレーザ光１１ｂを受光する、フォトダイオードなどの受光素子１５と、受光素子１５の出力に基づいて被測定用気体Ｇ２の量あるいは濃度を求める演算部１６とを備えたガス分析装置１０が示されている。
【００１９】
波長制御部１４は、半導体レーザ１１の温度をコントロールする温度コントローラ１４ａ、半導体レーザ１１の駆動電流をコントロールする電流コントローラ１４ｂ、およびマイクロフォン１３からの出力信号を、後述する変調信号発生回路１９の変調信号でロックイン検波するロックインアンプ１４ｃからなる。
【００２０】
演算部１６には、受光素子１５の出力を、変調信号発生回路１９の変調信号でロックイン検波するロックインアンプ１６ａおよびロックインアンプ１６ａからの検波出力から被測定用気体Ｇ２の量あるいは濃度を求めるＣＰＵ１６ｂを内蔵している。
【００２１】
このガス分析装置１０には、これらのほかに、半導体レーザ１１の温度を所定の温度に設定するための温度設定回路１７、半導体レーザ１１に所定の駆動電流を供給するための電流供給回路１８、半導体レーザ１１の駆動電流に周期的変化を与えるための変調信号を発生する変調信号発生回路１９、および、レーザ光の光路上に配置されたいくつかのレンズが備えられている。
【００２２】
なお、本実施形態における半導体レーザ１１は、本発明にいう光源に相当するものである。光源は必ずしも半導体レーザに限定されるものではなく、波長可変な光であればよいが、小型であること、および取り扱い易さなどの点から半導体レーザを用いることが好ましい。
【００２３】
次に、このガス分析装置１０の動作について説明する。
【００２４】
この実施形態では、エンジンの排気ガスを被測定用気体Ｇ２として用いており、光音響セル１２内部には、水蒸気を含む気体Ｇ１が封入されている。
【００２５】
温度設定回路１７および電流供給回路１８を用いて、半導体レーザ１１の発振波長が、測定対象である光音響セル１２中の気体Ｇ１中の水蒸気による吸収線の中心波長とほぼ一致するように半導体レーザ１１の温度および駆動電流を設定するとともに、半導体レーザ１１の駆動電流に、変調信号発生回路１９で発生させた変調信号を重畳する。電流供給回路１８から供給されるＤＣ電流に変調信号発生回路１９の変調信号が重畳されると、半導体レーザ１１の発振周波数が変調される。
【００２６】
いま、ＤＣ電流による発振周波数をν0、変調成分をνm、変調周波数をｆmとすると、半導体レーザ１１の発振周波数νは、（１）式で表される。
【００２７】
ν＝ν0＋νmｃｏｓ（２πｆmｔ） … （１）
測定対象の気体Ｇ１による吸収線の信号スペクトルをｆ（ν）とすると、半導体レーザ１１からのレーザ光１１ａを光音響セル１２に入力した場合、マイクロフォン１３から出力される信号は次式に比例する。
【００２８】
ｆ（ν）＝ｆ（ν0＋νmｃｏｓ（２πｆmｔ）） … （２）
いま、ν0＞＞νmとすると（３）式が得られる。
【００２９】
ｆ（ν）＝ｆ（ν0）＋ｆ’（ν0）・νm・ｃｏｓ（２πｆmｔ） … （３）
吸収線の中心周波数をνc、スペクトル半値幅をνhとし、測定対象の気体の吸収線の線スペクトルをローレンツ型で表すと（４）式が得られる。
【００３０】
ｆ（ν）＝１／（１＋（（ν−νc）2／νh2）） … （４）
ここで、（３）式をロックインアンプで変調周波数ｆmでロックイン検波して周波数ｆmの信号成分のみを出力する。その出力をＳとし、ロックインアンプのゲインをＡとすると（５）式が得られる。
【００３１】
Ｓ＝Ａｆ’（ν0）・νm … （５）
（５）式に（４）式を微分して代入すると（６）式が得られる。
【００３２】
Ｓ＝−２Ａ（ν0−νc）／νh2（１＋（（ν0−νc）2／νh2）2） … （６）
（６）式より、ＤＣ電流による発振周波数ν0が、吸収線の中心周波数νcと一致すると、ロックインアンプの出力Ｓはゼロになることがわかる。
【００３３】
図２は、測定対象の気体の吸収線の線スペクトル、およびレーザ光の波長を変化させたときのロックインアンプの出力を示すグラフである。
【００３４】
図２に示した線スペクトルＡは上記（４）式に対応するものであり、ロックインアンプの出力Ｓは上記（６）式に対応するものである。
【００３５】
上記のような線スペクトルＡを有する気体Ｇ１が封入された光音響セル１２に、この線スペクトルＡの中心波長λ0に近い波長を中心として周期的に波長が変化するレーザ光１１ａを通過させ、マイクロフォン１３により音圧信号を検出し、それを変調信号発生回路１９からの変調信号でロックイン検波すると、その検波出力Ｓは、レーザ光１１ａの波長が線スペクトルＡの中心波長λ0と一致した時には図２にＳ0点として示すように出力ゼロとなるが、レーザ光１１ａの波長が線スペクトルＡの中心波長λ0よりも図２の左側の波長λ1となった時には図２にＳ1点として示すようにプラスの電圧が出力され、反対に、レーザ光１１ａの波長が線スペクトルＡの中心波長λ0よりも図２の右側の波長λ2となった時には図２にＳ2点として示すようにマイナスの電圧が出力される。
【００３６】
図１に示す本実施形態のガス分析装置１０では、電流供給回路１８から供給されるＤＣ電流に、変調信号発生回路１９からの変調信号を重畳することにより半導体レーザ１１から出射されるレーザ光の波長を周期的に変化させている。
【００３７】
半導体レーザ１１から出射されたレーザ光１１ａは光音響セル１２に導かれ、レーザ光１１ａによる音圧がマイクロフォン１３でピックアップされる。マイクロフォン１３でピックアップされた音圧は電気信号に変換されて波長制御部１４のロックインアンプ１４ｃに入力される。ロックインアンプ１４ｃは、入力された信号を、変調信号発生回路１９の変調信号でロックイン検波する。電流コントローラ１４ｂは、ロックインアンプ１４ｃによる検波出力をモニタしながら半導体レーザ１１の駆動電流をコントロールすることにより、半導体レーザ１１から出射されるレーザ光１１ａの波長が、光音響セル１２中の気体Ｇ１による吸収線の中心波長λ0（図２参照）を中心として周期的に変化するように制御する。すなわち、波長制御部１４は、半導体レーザ１１から出射されるレーザ光１１ａの、変調信号による波長の周期的な変化の中心の波長が、吸収線スペクトルＡの中心波長λ0と一致するように、半導体レーザ１１の駆動電流をコントロールする。
【００３８】
レーザ光１１ａの波長をこのように制御することにより、例えば温度変化、あるいは電源の変動などにより半導体レーザ１１の発信周波数がドリフトしても、レーザ光１１ａの波長は気体Ｇ１の吸収線スペクトルの中心波長λ0を中心として所定の波長幅で周期的に変化し続ける。
【００３９】
このように制御された状態で半導体レーザ１１から出射されたレーザ光１１ａは、光音響セル１２を通過しさらに被測定用気体Ｇ２雰囲気を経由した後、受光素子１５により受光される。レーザ光１１ｂを受光した受光素子１５からの出力信号は演算部１６に送られる。
【００４０】
演算部１６に備えられたロックインアンプ１６ａは、受光素子１５からの出力信号を、変調信号発生回路１９から送られてきた参照信号Ｒ、すなわち変調信号の周波数でロックイン検波する。
【００４１】
図３は、被測定用気体Ｇ２雰囲気を経由した後のレーザ光受光信号の電圧波形（ａ）、およびそれを変調信号の周波数と同一の周波数ｆでロックイン検波した後の出力波形（ｂ）を示す図である。
【００４２】
前述のように、レーザ光１１ａの波長は、気体Ｇ１の吸収線スペクトルの中心波長λ0を中心として周期的に変化するが、レーザ光１１ａの波長を周期的に変化させるにあたっては、変調信号により半導体レーザ１１の駆動電流を周期的に変化させている。このため、レーザ光１１ａは波長が周期的に変化するとともにその光量も周期的に変化し、従って受光素子１５からの出力信号は、図３（ａ）に示すように、先ずは被測定用気体Ｇ２による吸収分とは無関係に１／ｆの周期で変化している。このレーザ光１１ａは、その波長が波長λ0と一致した時にレーザ光は被測定用気体Ｇ２により吸収されてその吸収された分だけ減光するので、図３（ａ）に示すように、被測定用気体Ｇ２雰囲気を経由した後のレーザ光受光信号の出力波形には、１／ｆの周期毎に２回、出力が低下する。この出力低下の度合いは、被測定用気体Ｇ２の量あるいは濃度に比例しているのでこの出力低下分を取り出すことにより気体Ｇ２の量あるいは濃度を求めることができる。
【００４３】
図３（ｂ）に示すように、受光素子出力を変調信号の周波数と同一の周波数ｆでロックイン検波した後の検波出力は、光量の１／ｆの周期変化に起因するオフセット分を含んでいるので、演算部１６のＣＰＵ１６ｂにより、そのオフセット分Ｌ０と、被測定用気体Ｇ２が存在する状態におけるロックイン検波出力レベルＬ１との差Ｌ２を演算で求めることにより被測定用気体Ｇ２の量あるいは濃度を得ることができる。
【００４４】
なお、この図３では、後述する第２の実施形態との対比上、変調信号による１／ｆの周期の光量変化およびそれに起因するオフセット分Ｌ０が強調して描かれているが、これらは、必要とする測定精度がそれほどの高精度である必要がないときは、誤差として無視してもよいレベルのものである。
【００４５】
次に、図１に示した本実施形態のガス分析装置１０に備えられたマイクロフォン１３について説明する。
【００４６】
図４は、本実施形態のガス分析装置に備えられたマイクロフォンの内部構造の概要を示す模式図である。
【００４７】
マイクロフォン１３は、その頭部１３ａが光音響セル１２の内部に配置された状態に、光音響セル１２に気密状態に固定されている。
【００４８】
このマイクロフォン１３は、その頭部１３ａにダイヤフラム１３１を有し、そのダイヤフラム１３１は、そのダイヤフラム１３１の表面１３１ａに光音響セル１２の内部に封入された被測定用気体の音圧ΔＰを受けて振動する。このダイヤフラム１３１の裏面１３１ｂの側には、その裏面１３１ｂを１つの隔壁とする内部空間１３２が形成されており、その内部空間１３２の、ダイヤフラム１３１の近傍には、ダイヤフラム１３１の振動をピックアップするセンサ１３３が配置されている。そのセンサ１３３は、例えばコンデンサマイクロフォンの場合、ダイヤフラム１３１との間の静電容量測定用の電極板からなり、ダイヤフラム１３１の振動に伴って変化する静電容量がピックアップされる。そのセンサ１３３は、取付具１３４を介して枠体１３５に固定されている。
【００４９】
ここで、従来のマイクロフォンでは、取付具１３４と枠体１３５との間など部品どうしの隙間を介して僅かながら空気の出入りがあり、内部空間の圧力は、外気圧Ｐ2と同一の圧力に保たれるが、この図４に示すマイクロフォン１３の場合、それら部品どうしの隙間は完全な気密性が保たれるようにシールされている。
【００５０】
マイクロフォン１３の枠体１３５の、光音響セル１２の外部に晒された部分と、光音響セル１２との間には、気体流路１３６が形成されており、マイクロフォン１３の内部空間１３２と光音響セル１２の内部とを合わせた空間が外部から気密に保たれている。このため、光音響セル１２内部の圧力がどのような圧力であっても、マイクロフォン１３を図１に示すように光音響セル１２に取り付けた状態で暫く放置することにより、内部空間１３２は光音響セル１２の内部の圧力Ｐ1と同一の圧力Ｐ1となり、ダイヤフラム１３１は平らに張られた状態となり、光音響セル１２内部の音圧ΔＰを測定することができる。
【００５１】
なお、上記のマイクロフォン１３では、枠体１３５の、光音響セル１２の外部に晒された部分と光音響セル１２との間に気体流路１３６が形成されているが、このような気体流路１３６を必ず設けなければならないわけではなく、例えば、図４のダイヤフラム１３１の中央に、気体流路としてのピンホールを穿設することにより、そのピンホールを介して光音響セル１２の内部の被測定気体が、マイクロフォン１３の内部空間１３２に出入りし、その内部空間１３２が、光音響セル１２の内部の圧力Ｐ1と同一の圧力Ｐ1に保たれるようにしてもよい。
【００５２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００５３】
図５は、本発明の第２の実施形態のガス分析装置の概略構成図である。
【００５４】
このガス分析装置２０と図１に示した本発明の第１の実施形態のガス分析装置１０との相違点は、演算部２６が、ロックインアンプ２６ａおよびＣＰＵ２６ｂに加え、さらに周波数逓倍装置２６ｃを備えた構成となっている点である。この周波数逓倍装置２６ｃは、参照信号Ｒとして送られてきた変調信号の周波数ｆの２倍の周波数２ｆの変調信号を生成してロックインアンプ２６ａに送る。ロックインアンプ２６ａは、その周波数２ｆでロックイン検波を行う。
【００５５】
図６は、被測定用気体Ｇ２雰囲気を経由した後のレーザ光受光信号の電圧波形（ａ）、およびそれを変調信号の周波数ｆの２倍の周波数２ｆでロックイン検波した後の出力波形（ｂ）を示す図である。
【００５６】
図６（ａ）に示す電圧波形は、図３（ａ）と同様であるが、図６（ｂ）に示すように、受光素子の出力を吸収線中心周波数の２倍の周波数２ｆでロックイン検波した後の出力は、変調成分によるオフセット分がゼロとなるので、検波出力レベルＬ１から直接、被測定用気体Ｇ２の量あるいは濃度を得ることができる。 従って、第１の実施形態のガス分析装置１０における吸収線中心周波数１ｆでロックイン検波した場合と異なり、変調成分によるオフセット分を分離除去する必要がなくなるので、演算部２６のＣＰＵ２６ｂによる演算を簡略化することができ、かつ測定精度を向上させることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガス分析装置によれば、内部に気体が封入された光音響セルに波長可変な光を通過させ、光音響セル内部の音圧をモニタしながら、光の波長が、光音響セル内の気体による吸収線スペクトルを中心として周期的に変化するように制御するとともに、その制御された光を被測定用気体雰囲気中を通過させて受光素子で受光し、その受光出力に基づいて被測定用気体の量あるいは濃度を求めているので、動作の安定した高精度のガス分析装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のガス分析装置の概略構成図である。
【図２】測定対象の気体の吸収線の線スペクトル、およびレーザ光の波長を変化させたときのロックインアンプの出力を示すグラフである。
【図３】被測定用気体Ｇ２雰囲気を経由した後のレーザ光受光信号の電圧波形（ａ）、およびそれを変調信号の周波数と同一の周波数ｆでロックイン検波した後の出力波形（ｂ）を示す図である。
【図４】本実施形態のガス分析装置に備えられたマイクロフォンの内部構造の概要を示す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施形態のガス分析装置の概略構成図である。
【図６】被測定用気体Ｇ２雰囲気を経由した後のレーザ光受光信号の電圧波形（ａ）、およびそれを変調信号の周波数ｆの２倍の周波数２ｆでロックイン検波した後の出力波形（ｂ）を示す図である。
【図７】従来の吸光分析法によるガス分析装置の模式図である。
【図８】図７のガス分析装置の白色光源から発せられた光の波長スペクトルを示す図である。
【図９】干渉フィルタを透過した光の波長スペクトルおよび被測定用気体の吸収線スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１ 白色光源
２ 干渉フィルタ
３，５ ハーフミラー
４，６ 光量測定器
１０ ガス分析装置
１１ 半導体レーザ
１１ａ，１１ｂ レーザ光
１２ 光音響セル
１３ マイクロフォン
１３ａ 頭部
１４ 波長制御部
１４ａ 温度コントローラ
１４ｂ 電流コントローラ
１４ｃ ロックインアンプ
１５ 受光素子
１６ 演算部
１６ａ ロックインアンプ
１６ｂ ＣＰＵ
１７ 温度設定回路
１８ 電流供給回路
１９ 変調信号発生回路
２０ ガス分析装置
２６ 演算部
２６ａ ロックインアンプ
２６ｂ ＣＰＵ
２６ｃ 周波数逓倍装置
１３１ ダイヤフラム
１３１ａ 表面
１３１ｂ 裏面
１３２ 内部空間
１３３ センサ
１３４ 取付具
１３５ 枠体
１３６ 気体流路
Claims (5)
- 波長可変な光を出射する光源と、
内部に所定の気体が封入され前記光源から出射した光が通過する光音響セルと、
前記光音響セル内部の音圧をピックアップするマイクロフォンと、
前記マイクロフォンでピックアップされた音圧をモニタしながら、前記光源から出射される光の波長を、前記光音響セル中の気体による吸収線の波長を中心として周期的に変化させる波長制御部と、
前記光音響セルを通過しさらに被測定用気体雰囲気を経由した光を受光する受光素子と、
前記受光素子の出力に基づいて被測定用気体の量あるいは濃度を求める演算部とを備え、
前記マイクロフォンが、前記光音響セル内部の音圧を表面に受けて振動するダイヤフラム、該ダイヤフラムの裏面側に配置され該ダイヤフラムの振動をピックアップするセンサ、該ダイヤフラムの裏面を隔壁の一つとする内部空間を形成し該内部空間に該センサを配置してなる枠体、および、該内部空間内の圧力を前記光音響セル内部の圧力に合わせるガス流路を有するものであることを特徴とするガス分析装置。 - 前記光源が、半導体レーザであって、前記波長制御部が該半導体レーザの駆動電流を制御するものであることを特徴とする請求項１記載のガス分析装置。
- 前記演算部が、前記受光素子の出力を、前記波長制御部による、前記光源から出射される光の周期的変化の周波数と同一の周波数でロックイン検波を行うロックインアンプを含むものであることを特徴とする請求項１記載のガス分析装置。
- 前記演算部が、前記受光素子の出力を、前記波長制御部による、前記光源から出射される光の周期的変化の周波数の２倍の周波数でロックイン検波を行うロックインアンプを含むものであることを特徴とする請求項１又は２記載のガス分析装置。
- このガス分析装置は、エンジンの排気ガスを被測定用気体とするものであって、
前記光音響セルが、内部に水蒸気を含む気体が封入されるものであり、
前記演算部が、エンジンの排気ガス中の水蒸気の量あるいは濃度を求めるものであることを特徴とする請求項１記載のガス分析装置。
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