JP4993213B2 - レーザ式ガス分析計 - Google Patents

Description

本発明は、煙道内の排ガス等に含まれるガスの濃度を周波数変調方式により測定するレーザ式ガス分析計に関し、詳しくは、２種類の測定対象ガスの濃度を検出可能なレーザ式ガス分析計に関するものである。

気体状のガス分子は、それぞれ固有の光吸収スペクトラムがあることが知られている。この光吸収スペクトラムは各ガス固有のものであり、レーザ式ガス分析計は、レーザ光の特定波長の吸収量が測定対象ガスの濃度に比例することを利用してガス濃度を測定している。
ここで、レーザ式ガス分析計の測定原理は、２波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。このうち、本発明は周波数変調方式を用いて２種類のガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計に関する。

まず、周波数変調方式を用いた従来のレーザ式ガス分析計の測定原理を説明する。
図１０は、周波数変調方式の原理図を示しており、例えば特許文献１に記載されているものである。
周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、中心周波数ｆ_ｃ、変調周波数ｆ_ｍで半導体レーザの出射光を周波数変調し、測定対象ガスに照射する。ここで、周波数変調とは、半導体レーザに供給するドライブ電流の波形を正弦波にすることである。
ＤＦＢ（Distributed Feedback Laser）レーザ等の半導体レーザは、図１１（ａ），（ｂ）に示すようにドライブ電流や温度によって発光波長が変化するため、周波数変調を行うことにより、ドライブ電流の変調に伴って発光波長が変調されることになる。

図１０に示したように、ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、受光部では変調周波数ｆ_ｍの２倍の周波数成分の信号（２倍波信号）が得られる。ここで、変調周波数ｆ_ｍは任意の周波数で良いため、例えば、変調周波数ｆ_ｍを数ｋＨｚ程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）または汎用のプロセッサを用いて、２倍波信号の抽出等の高度な信号処理を行うことができる。
周波数変調方式において発光部と受光部との間の距離の影響をキャンセルするためには、半導体レーザの出力を周波数変調すると同時に変調周波数ｆ_ｍによって振幅変調を行えば良いが、半導体レーザの出力光に周波数変調をかければ振幅変調もかかるので、これを利用することができる。そして、受光部によりエンベロープ検波を行えば、振幅変調による基本波を推定することができ、この基本波の振幅と前記２倍波信号の振幅との比を位相同期させて検出することにより、発光部と受光部との間の距離に関係なく測定対象のガス濃度に比例した信号を得ることができる。

この周波数変調方式では、通常、測定対象ガスの吸収線幅よりも半導体レーザが発光するスペクトル線幅の方が小さいため、半導体レーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせる必要がある。
その方法として、特許文献２に記載されているように、測定対象ガスと同一成分のガスを予め封入した参照用ガスセルを用いる方法が知られている。

図１２は、特許文献２に記載されているガス分光分析計の構成図である。
図１２において、５１は光源である半導体レーザ（発光素子）、５２は集光レンズ系、５３，５４はビームスプリッタ、５５は測定用ガスセル、５６，５８，５９は光検出器、５７は参照用ガスセル（基準ガスセル）、６０は被測定ガス供給系、６１は増幅器、６２は制御用のコンピュータ、６３は発光素子５１の温度を制御するための温度コントローラ、６４は発光素子５１を駆動するドライバ、６５は発光素子５１の発振周波数を制御するためのファンクションジェネレータである。
上記参照用ガスセル５７には、被測定ガス供給系６０から供給される測定対象ガスと同一成分の参照用ガスが均一濃度で封入されているため、この参照用ガスによる吸収を測定し、測定用ガスセル５５の透過光の吸収強度が最大となるように温度コントローラ６３により発光素子５１の温度調整を行っている。

また、この従来技術では、発光素子５１からの出射光をビームスプリッタ５３等により２方向に分岐するか、または、発光素子５１はその両端面から発光可能であるため、一方を測定用ガスセル５５に入射させると共に他方を参照用ガスセル５７に入射させる等の方法が採られている。
そして、参照用ガスセル５７側を透過した光を測定し、２倍波信号の振幅と基本波の振幅との比が最大となるように発光素子５１を温度制御することにより、出射光の波長が一定になるように制御している。

特開平７−１５１６８１号公報（段落［０００５］、図４等） 特開平１１−２５８１５６号公報（段落［００１６］〜［００１７］、図１等）

ここで、煙道内の排ガス測定等に使用されるガス分析計は、排出される複数種類のガスの濃度を同時に測定するのが一般的である。
しかしながら、図１２に示したような従来技術では、発光素子５１の波長可変範囲が狭く、一種または二種程度のガスしか検出できないため、複数種類のガス濃度を測定するためには、これらのレーザ式ガス分析計を複数台設置する必要がある。このように複数台のレーザ式ガス分析計を設置する場合には、設置面積や設置工事・光軸調整費用等が分析計の台数に比例して増加するため、システムが大型化し、コストも増加する。

上記の点に鑑み、近年では、複数種類の測定対象ガスと同数の発光素子を設け、これらの発光波長の変調周波数を異ならせると共に、各発光素子からの出射光を、発光部内の空間を介してプリズムミラー等の光結合器により同一光軸上に結合してから測定対象ガスに透過させ、受光信号から２倍波信号成分を同期検波して各ガスの濃度を測定するようにした多成分用レーザ式ガス分析計も提供されている。
しかし、測定対象ガスごとに受光信号を同期検波する場合には、一般的に高価な同期検波回路が複数必要になるので、これがコスト上昇の新たな原因となっていた。

そこで、本発明の解決課題は、複数の同期検波回路を必要とせずに２種類のガスの濃度を安定して測定可能にした低コストのレーザ式ガス分析計を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、周波数変調されたレーザ光を出射する単一のレーザ素子を有する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光学系と、この光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された透過光を集光する光学系と、この光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路と、を備え、２種類の測定対象ガスの濃度を検出するレーザ式ガス分析計において、
前記光源部は、
前記レーザ素子の温度を制御してその発光波長を可変とする温度制御手段と、
測定対象ガスの吸収波長を走査するように前記発光波長を変化させるための波長走査駆動信号を発生する波長走査駆動信号発生手段と、
前記発光波長を周波数変調するための高周波変調信号として正弦波信号を発生する高周波変調信号発生手段と、
前記波長走査駆動信号と前記正弦波信号とを合成した信号を前記レーザ素子駆動用のレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生手段と、を備え、
前記信号処理回路は、
前記受光部の出力信号を増幅して前記正弦波信号の周波数成分を検波信号として出力する１倍周波数検波手段と、
前記受光部の出力信号を増幅して前記正弦波信号の２倍の周波数成分を検波信号として出力する２倍周波数検波手段と、
を備え、
一方の測定対象ガスの濃度を前記１倍周波数検波手段の出力信号から検出し、他方の測定対象ガスの濃度を前記２倍周波数検波手段の出力信号から検出するものである。

本発明によれば、光源部として単一のレーザ素子を使用すると共に、測定対象ガスの濃度に応じて、低濃度レンジのガスに対しては２倍周波数検波手段を用いて濃度を検出し、高濃度レンジのガスに対しては、構成が簡単な１倍周波数検波手段を用いて濃度を検出する。このため、光源部や信号処理回路等の部品数を大幅に削減し、２種類のガス濃度を計測するレーザ式ガス分析計を低コストにて提供することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は、本発明の実施形態を示す全体構成図である。
同図において、フランジ２０１ａ，２０１ｂは、例えば、煙道のように測定対象ガスが内部を通流する配管等の壁１０１ａ，１０１ｂに溶接等によって固定されている。一方のフランジ２０１ａには、取付座２０２ａを介して有底円筒状のカバー２０３ａが取り付けられている。

カバー２０３ａの内部には光源部２０４が配置されており、この光源部２０４から出射したレーザ光はコリメートレンズ２０５を含む光学系によって平行光にコリメートされ、フランジ２０１ａの中心を通って壁１０１ａ，１０１ｂの内部（煙道内部）へ入射される。前記平行光は、壁１０１ａ，１０１ｂの内部にある測定対象ガスを透過する際に吸収を受ける。
他方のフランジ２０１ｂには、取付座２０２ｂを介して有底円筒状のカバー２０３ｂが取り付けられている。煙道内部を通過した平行光は、カバー２０３ｂ内部の集光レンズ２０６により集光されてフォトダイオード等の受光素子２０７により受光され、電気信号に変換されて後段の信号処理回路２０８に入力される。

次に、図２は前記光源部２０４の構成を示している。
この光源部２０４は、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子２０４ｅの発光波長を可変とする波長走査駆動信号発生部２０４ａと、測定対象ガスの吸収波長を検出するために、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波で発光波長を周波数変調するための高調波変調信号発生部２０４ｂと、からなるレーザ駆動信号発生部２０４ｓを備えており、上記信号発生部２０４ａ，２０４ｂの出力信号が合成されてレーザ駆動信号が生成される。
このレーザ駆動信号は電流制御部２０４ｃにより電流に変換され、半導体レーザからなるレーザ素子２０４ｅに供給される。

また、レーザ素子２０４ｅに近接して温度検出素子としてのサーミスタ２０４ｆが配置され、このサーミスタ２０４ｆにはペルチェ素子２０４ｇが近接して配置されている。このペルチェ素子２０４ｇは、サーミスタ２０４ｆの抵抗値が一定値になるように温度制御部２０４ｄによって制御され、結果としてレーザ素子２０４ｅの温度を安定化するように動作する。

ここで、前記波長走査駆動信号発生部２０４ａの出力信号は、図３に示すように、一定周期で繰り返されるほぼ台形波状の信号である。
図３において、吸収波長を走査する信号Ｓ２は、電流制御部２０４ｃを介してレーザ素子２０４ｅに供給される電流の大きさを直線的に変えることにより、レーザ素子２０４ｅの発光波長を徐々にずらしていき、例えばアンモニアガスであれば０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能とする部分である。
また、Ｓ１は、吸収波長は走査しないがレーザ素子２０４ｅを発光させ、レーザ素子２０４ｅの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値にしておくためのオフセット部分であり、Ｓ３は駆動電流をほぼ０にした部分である。

さて、前述したように、複数種類のガス濃度を測定する場合、従来では、測定対象ガスの種類と同数のレーザ式ガス分析計を用いて発光波長をそれぞれ異ならせるか、発光波長の変調周波数を変化させてその２倍波信号成分を同期検波する方法（以下、２ｆ検波という）を採っている。
しかし、測定対象ガスの種類によっては、必ずしも上記のような方法をとる必要はない。例えば、塩化水素（ＨＣＬ）の吸収波長１７９２．９７ｎｍの近傍には水の吸収波長１７９２．７４ｎｍも存在する。従って、光源部２０４の発光波長を広く走査させれば、光源部２０４が単一であっても塩化水素と水とを同時に検出することができる。
そこで、本実施形態においては、測定対象ガスの種類を２種類とし、それらのガスの吸収波長が近傍に存在する場合を想定している。

図４は、塩化水素と水とを同時に検出した場合の受光信号波形の一例を示している。
この信号は、２ｆ検波回路の出力信号であり、発光波長を走査することによって２種類のガス吸収波形を検出できることがわかる。ここで、図４の波形は塩化水素も水も低濃度の場合であるが、通常の使用環境下では、塩化水素の濃度は一般的に数ｐｐｍ〜数１０００ｐｐｍといった濃度レンジであるのに対し、水の濃度は数％〜数１０％といった濃度レンジである。つまり、塩化水素は低濃度レンジであるのに対し、水は非常に高濃度レンジとなっている。
従って、実際の使用環境において、塩化水素及び水に対する受光信号を同一の増幅率で増幅すると、受光信号波形は図５のようになり、水のガス吸収波形が飽和してしまう問題が発生する。これは、低濃度の塩化水素を検出するために非常に大きな増幅率で受光信号を増幅しているためである。

この状況を避けるためには、測定対象ガスごとに信号処理系を設けて、それぞれのガスの濃度レンジに応じた増幅率で信号を増幅し、２ｆ検波方法によりガス濃度を測定することが考えられる。しかしながら、前述したように同期検波回路は一般に構成が複雑で高価なため、この同期検波回路を測定対象ガスの種類ごとに設けると装置全体が複雑かつ高価になる。

そこで本実施形態においては、高濃度レンジで測定するガスについては、光源部２０４の変調周波数の成分をそのまま検出する検波方法（以下、１ｆ検波という）を用いる。
水のように高濃度ガスを測定する場合、低増幅率でも光源部の変調周波数成分に大きな信号変化が現れ、１ｆ検波すると後述する図９に示すような信号波形が得られる。この信号波形の振幅ｗ_２からガス濃度を検出することができる。

２ｆ検波では同期信号や複雑な回路が必要であるのに対し、１ｆ検波はダイオード等による包絡線検波であるため、非常に簡易な構成で安価に実現できる利点がある。図７は最も簡単な１ｆ検波回路の構成を示しており、Ｄはダイオード、Ｃはコンデンサ、Ｒは抵抗、ｖ_ｉ（ｔ），ｖ_ｏ（ｔ）はそれぞれ入出力信号である。
しかしながら、１ｆ検波は微小信号を扱う場合に安定性に欠けるため、低濃度レンジで高精度に安定的にガス濃度を検出することが困難である。このため、１ｆ検波は、水のように高濃度レンジで検出する場合に適していると考えられる。
これに対し、塩化水素のように低濃度レンジで測定するガスについては同期検波回路を用いた２ｆ検波により濃度を検出することとした。

図６は、図１における信号処理回路２０８の内部構成図であり、本実施形態の主要部を示している。
図６において、受光素子２０７の出力電流はＩＶ変換回路２０８ａにより電圧信号に変換された後、増幅回路２０８ｂ，２０８ｅによって各測定対象ガスの濃度レンジに適合した増幅率（例えば、低濃度のガスに対しては増幅回路２０８ｂの増幅率を高くし、高濃度のガスに対しては増幅回路２０８ｅの増幅率を低くする）で増幅される。増幅回路２０８ｂ，２０８ｅから出力される信号はそれぞれ検波回路２０８ｃ，２０８ｆに入力される。

低濃度の塩化水素と高濃度の水とを検出する場合、塩化水素を検出するための検波回路２０８ｃを２ｆ検波回路により構成することにより、低ノイズかつ高感度、高安定性で塩化水素のガス吸収波形を検出することができる。このときのガス吸収波形は、例えば図８のようになる。
また、水を検出するための検波回路２０８ｆは、前述した図７のような１ｆ検波回路により構成する。このときのガス吸収波形を図９に示す。

検波回路２０８ｃ，２０８ｆからの出力信号は、ＡＤ変換回路２０８ｄ，２０８ｇにそれぞれ入力され、ＡＤ変換されてＣＰＵ２０８ｈに取り込まれる。ＣＰＵ２０８ｈでは、例えば図８に示す信号波形の場合、ガス吸収波形の振幅ｗ_１を検出することにより、測定対象ガスである塩化水素の濃度を検出する。また、図９に示す信号波形の場合、ガス吸収波形の振幅ｗ_２を検出することにより、測定対象ガスである水の濃度を検出する。
上記のようにこの実施形態によれば、２種類の測定対象ガス用にそれぞれ２ｆ検波用の同期検波回路を設ける必要がないので、構成の簡略化が可能であり、安価なガス分析計を実現することができる。

本発明の実施形態を示す全体構成図である。 図１における光源部の内部構成図である。 図２における波長走査駆動信号発生部の出力信号の波形図である。 塩化水素と水とを同時に検出した場合の受光信号の波形図である。 塩化水素と水とを同時に検出した場合の受光信号の波形図である。 図１における信号処理回路の構成図である。 １ｆ検波回路の回路図である。 受光信号の波形図である。 受光信号の波形図である。 周波数変調方式の原理図である。 ドライブ電流及び温度による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。 特許文献２に記載された従来技術の構成図である。

符号の説明

１０１ａ，１０１ｂ： 壁
２０１ａ，２０１ｂ：フランジ
２０２ａ，２０２ｂ：取付座
２０３ａ，２０３ｂ：カバー
２０４：光源部
２０４ａ：波長走査駆動信号発生部
２０４ｂ：高周波変調信号発生部
２０４ｃ：電流制御部
２０４ｄ：温度制御部
２０４ｅ：レーザ素子
２０４ｆ：サーミスタ
２０４ｇ：ペルチェ素子
２０４ｓ：レーザ駆動信号発生部
２０５：コリメートレンズ
２０６：集光レンズ
２０７：受光素子
２０８：信号処理回路
２０８ａ：ＩＶ変換回路
２０８ｂ，２０８ｅ：増幅回路
２０８ｃ，２０８ｆ：検波回路
２０８ｄ，２０８ｇ：ＡＤ変換回路
２０８ｈ：ＣＰＵ

Claims (1)

1. 周波数変調されたレーザ光を出射する単一のレーザ素子を有する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光学系と、この光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された透過光を集光する光学系と、この光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路と、を備え、２種類の測定対象ガスの濃度を検出するレーザ式ガス分析計において、
   前記光源部は、
   前記レーザ素子の温度を制御してその発光波長を可変とする温度制御手段と、
   測定対象ガスの吸収波長を走査するように前記発光波長を変化させるための波長走査駆動信号を発生する波長走査駆動信号発生手段と、
   前記発光波長を周波数変調するための高周波変調信号として正弦波信号を発生する高周波変調信号発生手段と、
   前記波長走査駆動信号と前記正弦波信号とを合成した信号を前記レーザ素子駆動用のレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生手段と、を備え、
   前記信号処理回路は、
   前記受光部の出力信号を増幅して前記正弦波信号の周波数成分を検波信号として出力する１倍周波数検波手段と、
   前記受光部の出力信号を増幅して前記正弦波信号の２倍の周波数成分を検波信号として出力する２倍周波数検波手段と、
   を備え、
   一方の測定対象ガスの濃度を前記１倍周波数検波手段の出力信号から検出し、他方の測定対象ガスの濃度を前記２倍周波数検波手段の出力信号から検出することを特徴とするレーザ式ガス分析計。

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