JP5045480B2 - Gas concentration measuring device and gas concentration measuring method - Google Patents
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本発明はガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法に関し、特に、周波数変調されたレーザ光を用いてガスの濃度を測定する方法に適用して好適なものである。 The present invention relates to a gas concentration measuring apparatus and a gas concentration measuring method, and is particularly suitable for application to a method of measuring a gas concentration using a frequency-modulated laser beam.
気体状のガス分子にはそれぞれ固有の光吸収スペクトルが有ることが知られており、ガス分子の吸収線の中心周波数における減衰量はガスの濃度に比例する。このため、ガス分子の吸収線の中心周波数に一致した発振周波数をもつ半導体レーザ光をガスに照射し、その時のレーザ光の減衰量を測定することで、ガスの濃度を推定することができる(特許文献1)。
この原理を発展させたものとして2波長差分方式及び周波数変調方式があり、2波長差分方式では、半導体レーザの発振周波数はTHzオーダの信号であることから、複雑な信号処理を行うことができないのに対して、周波数変調方式では、数kHzのベースバンド領域で信号処理を行うことができるという利点がある。
It is known that each gaseous gas molecule has its own light absorption spectrum, and the attenuation at the center frequency of the absorption line of the gas molecule is proportional to the gas concentration. For this reason, the gas concentration can be estimated by irradiating the gas with semiconductor laser light having an oscillation frequency that matches the center frequency of the absorption line of gas molecules, and measuring the attenuation of the laser light at that time ( Patent Document 1).
The two-wavelength difference method and the frequency modulation method are developed from this principle. In the two-wavelength difference method, since the oscillation frequency of the semiconductor laser is a signal on the order of THz, complicated signal processing cannot be performed. On the other hand, the frequency modulation method has an advantage that signal processing can be performed in a baseband region of several kHz.
この周波数変調方式では、中心周波数fc、変調周波数fmで半導体レーザの出力が周波数変調され、測定対象ガスに照射される。なお、周波数変調とは、半導体レーザに供給されるドライブ電流を正弦波状にすることである。そして、半導体レーザは、温度や電流によって出射光の波長が変化するので、半導体レーザに供給されるドライブ電流を正弦波状にすることで、半導体レーザの出射光の波長を変調することができる。ここで、測定対象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、変調周波数fmの2倍の周波数の成分(2倍波成分)が得られる。そして、測定対象ガスの濃度が高いほどレーザ光の吸収量も大きくなるので、2倍波成分の強度も強くなり、この2倍波成分を検出することで、測定対象ガスの濃度を測定することができる。なお、以下の説明では、変調周波数fmを1f、変調周波数fmの2倍波周波数を2fとも呼び、2倍波成分を2f成分とも呼ぶ。 In this frequency modulation method, the output of the semiconductor laser is frequency-modulated at the center frequency fc and the modulation frequency fm, and irradiated to the measurement target gas. Note that frequency modulation is to make the drive current supplied to the semiconductor laser sinusoidal. In the semiconductor laser, the wavelength of the emitted light varies depending on the temperature and current. Therefore, the wavelength of the emitted light from the semiconductor laser can be modulated by making the drive current supplied to the semiconductor laser sinusoidal. Here, since the absorption line of the gas to be measured has a substantially quadratic function with respect to the modulation frequency, this absorption line serves as a discriminator and has a frequency component (double wave) that is twice the modulation frequency fm. Component) is obtained. The higher the concentration of the gas to be measured, the greater the amount of absorption of the laser beam. Therefore, the intensity of the second harmonic component is also increased, and the concentration of the gas to be measured is measured by detecting the second harmonic component. Can do. In the following description, the modulation frequency fm is also called 1f, the second harmonic frequency of the modulation frequency fm is also called 2f, and the second harmonic component is also called a 2f component.
図11は、従来のガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
図11において、ガス濃度測定装置の受信側には、半導体レーザから出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード111、フォトダイオード111から出力される電流を電圧に変換するI−V変換回路112、I−V変換回路112から出力された電圧を増幅する増幅器113、増幅器113を介して出力された信号から変調周波数の2倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ114、変調周波数fmの2倍波周波数を持つ2f参照信号を発生する2倍波周波数信号発生部115、2f参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ114の出力から2f成分を抽出する検波器116、検波器116の出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ117、ローパスフィルタ117から出力された電圧を増幅する増幅器118が設けられている。
FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration on the receiving side of a conventional gas concentration measuring apparatus.
In FIG. 11, on the receiving side of the gas concentration measuring apparatus, a
そして、例えば、NH3ガスの濃度を測定する場合、周波数変調されたレーザ光がNH3ガスを通過すると、NH3ガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、フォトダイオード111に入射し、フォトダイオード111にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード111にて検出された電流はI−V変換回路112にて電圧に変換され、増幅器113にて増幅された後、バンドパスフィルタ114にて変調周波数の2倍波成分が抽出され、検波器116に入力される。そして、2倍周波数信号発生部115にて発生された2f参照信号とバンドパスフィルタ114からの出力が検波器116にて合成されることにより、バンドパスフィルタ114からの出力から2f成分が抽出される。そして、検波器116にて抽出された2f成分は、ローパスフィルタ117にて不要な高域成分が除去された後、増幅器118にて増幅され、2f成分検出信号として出力される。
一方、送信側の変調方式として、変調の中心波長が常に吸収波長に一致するように制御するのは困難であるので、所定の振幅幅で1fの周波数にて変調しながら、変調幅の中心波長を徐々に変えて掃引する波長スキャン方式が採られることがある。
And, for example, when measuring the concentration of NH 3 gas, when the frequency-modulated laser light passes through NH 3 gas, after being attenuated corresponding to the amount of absorption by NH 3 gas, it enters the
On the other hand, as a modulation method on the transmission side, it is difficult to control the modulation center wavelength so that it always matches the absorption wavelength. Therefore, while modulating at a frequency of 1f with a predetermined amplitude width, the center wavelength of the modulation width In some cases, a wavelength scanning method is employed in which sweeping is performed by gradually changing.
図12(a)は、従来の半導体レーザを駆動する駆動電流の波形を示す図、図12(b)は、図12(a)の駆動電流で半導体レーザが駆動された時のレーザ光の発光波長を示す図である。なお、半導体レーザの発光光量は駆動電流にほぼ比例するため、発光光量の波形についても、図12(a)の波形と同様である。
図12において、波長スキャン方式では、例えば、0.5nm程度の範囲で波長をスキャンすることができる。ここで、あるガスAの吸収スペクトルの直ぐ近隣に別の種類のガスBの吸収スペクトルが存在する場合、1個の半導体レーザを用いて波長スキャンを行うことで、2種類のガスA、Bの濃度を検出することができる。
FIG. 12A shows a waveform of a driving current for driving a conventional semiconductor laser, and FIG. 12B shows the emission of laser light when the semiconductor laser is driven with the driving current of FIG. It is a figure which shows a wavelength. Since the light emission amount of the semiconductor laser is substantially proportional to the drive current, the waveform of the light emission amount is the same as the waveform of FIG.
In FIG. 12, in the wavelength scanning method, for example, the wavelength can be scanned in a range of about 0.5 nm. Here, when there is an absorption spectrum of another type of gas B in the immediate vicinity of an absorption spectrum of a certain gas A, a wavelength scan is performed using one semiconductor laser, so that two types of gases A and B can be detected. The concentration can be detected.
ここで、ガスAは低濃度状態、ガスBは高濃度状態にある場合、図11のフォトダイオード111で検出される信号のレベルに大きな差が発生し、全く同一の信号処理でガスA、Bの濃度を精度よく検出することができなくなる。
例えば、1747.2nmに吸収スペクトルを持つ塩化水素HClと1747.1nmに吸収スペクトルを持つ水蒸気H2Oの濃度を1個の半導体レーザを用いて検出するものとする。塩化水素は水分に非常に吸着し易く、水分量により見かけの濃度が変化するので、塩化水素の濃度とともに水蒸気の濃度を検出することは、塩化水素の濃度を正確に見積る上で有用である。
Here, when the gas A is in a low concentration state and the gas B is in a high concentration state, a large difference occurs in the signal level detected by the
For example, the concentration of hydrogen chloride HCl having an absorption spectrum at 1747.2 nm and the concentration of water vapor H 2 O having an absorption spectrum at 1747.1 nm are detected using one semiconductor laser. Since hydrogen chloride is very easily adsorbed by moisture and the apparent concentration changes depending on the amount of moisture, detecting the concentration of water vapor together with the concentration of hydrogen chloride is useful for accurately estimating the concentration of hydrogen chloride.
この場合、塩化水素はフルスケールレンジで10ppm〜500ppmの低濃度が測定され、水分は数vol%〜数十vol%程度の高濃度が測定されるのが通例である。このような状態では、各吸収スペクトルにおける吸光量は塩化水素の方が10倍以上大きいにもかかわらず、実際の吸光量は水蒸気の方が数10倍〜100倍以上大きくなる。
この結果、吸光量の大きな水蒸気の濃度が検出できるようにすると、吸光量の小さな塩化水素の検出時の信号対雑音比(SNR)が劣化し、吸光量の小さな塩化水素の濃度の検出精度を高くすると、吸光量の大きな水蒸気の検出信号が飽和する。
In this case, hydrogen chloride is usually measured at a low concentration of 10 ppm to 500 ppm in the full scale range, and water is usually measured at a high concentration of several vol% to several tens vol%. In such a state, although the amount of light absorption in each absorption spectrum is 10 times or more larger in hydrogen chloride, the actual amount of light absorption is several tens to 100 times larger in water vapor.
As a result, if the concentration of water vapor with a large amount of light absorption is detected, the signal-to-noise ratio (SNR) at the time of detecting hydrogen chloride with a small amount of light absorption deteriorates, and the detection accuracy of the concentration of hydrogen chloride with a small amount of light absorption is improved. If it is increased, the detection signal of water vapor having a large absorbance is saturated.
このため、低濃度状態にあるガスAおよび高濃度状態にあるガスBの双方の濃度を精度よく検出できるようにするため、低濃度検出用回路と高濃度検出用回路の両方を設け、各濃度に合わせて回路ゲインを最適化する方法がとられることがある。
あるいは、図12(b)の波長スキャンにおいて、ガスAが吸収される時刻t1とガスBが吸収される時刻t2との間の境界のタイミングで検出回路のゲインを切り替える方法がとられることもある。
Alternatively, in the wavelength scan of FIG. 12B, a method of switching the gain of the detection circuit at the boundary timing between the time t1 when the gas A is absorbed and the time t2 when the gas B is absorbed may be used. .
しかしながら、低濃度検出用回路と高濃度検出用回路の両方を設ける方法では、回路構成が大規模化し、コストアップを招くという問題があった。
また、検出回路のゲインを切り替える方法では、検出回路のゲインを切り替えた後に、過渡応答によってフィルタ回路などの特性が大きく変動し、これらの回路の動作が安定するまでに時間がかかる。このため、ガスAが吸収される時刻t1とガスBが吸収される時刻t2との間の間隔を大きくとる必要があり、スキャン時間を長くする必要があることから、応答性が劣化するという問題があった。
However, in the method of providing both the low concentration detection circuit and the high concentration detection circuit, there is a problem that the circuit configuration becomes large and the cost is increased.
In the method of switching the gain of the detection circuit, after switching the gain of the detection circuit, the characteristics of the filter circuit and the like greatly vary due to the transient response, and it takes time until the operation of these circuits is stabilized. For this reason, it is necessary to increase the interval between the time t1 at which the gas A is absorbed and the time t2 at which the gas B is absorbed, and it is necessary to lengthen the scan time. was there.
また、低濃度状態にあるガスAおよび高濃度状態にあるガスBの双方の濃度を精度よく検出できるようにする方法として、低濃度状態にあるガスAは、変調周波数1fの2倍の周波数を持つ2f成分を同期検波法にて検出し、高濃度状態にあるガスBは、1f変調波形の包絡線から検出する方法も考えられる。
ただし、この方法では、包絡線の検出にはピークホールド回路が用いられるが、ピークホールドの応答性を良くすると、1fのピークから次のピークまでのピークホールド波形の変動が大きくなり、ピークホールド波形を安定させるためにピークホールドの時定数を大きくすると、包絡線の変化に追従できなくなる。
そこで、本発明の目的は、1個の半導体レーザを用いることで、回路規模の増大を抑制しつつ、高濃度ガスと低濃度ガスの濃度を安定して検出するとともに、応答性の劣化を抑制することが可能なガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法を提供することである。
As a method for accurately detecting the concentrations of both the gas A in the low concentration state and the gas B in the high concentration state, the gas A in the low concentration state has a frequency twice the modulation frequency 1f. A method of detecting the 2f component possessed by the synchronous detection method and detecting the gas B in a high concentration state from the envelope of the 1f modulation waveform is also conceivable.
However, in this method, a peak hold circuit is used to detect the envelope. However, if the response of the peak hold is improved, the fluctuation of the peak hold waveform from the peak of 1f to the next peak increases, and the peak hold waveform If the peak hold time constant is increased in order to stabilize, the change in the envelope cannot be followed.
Accordingly, an object of the present invention is to use one semiconductor laser to stably detect the concentrations of high-concentration gas and low-concentration gas while suppressing an increase in circuit scale, and to suppress deterioration in responsiveness. It is to provide a gas concentration measuring apparatus and a gas concentration measuring method that can be performed.
上述した課題を解決するために、請求項1記載のガス濃度測定装置によれば、半導体レーザから出射されるレーザ光の波長をスキャンさせる波長スキャン部と、前記半導体レーザから出射されるレーザ光を周波数変調する周波数変調部と、前記レーザ光の波長のスキャンが行われている一部の期間内に前記周波数変調が行われるように前記周波数変調のタイミングを切り替えるタイミング切替制御部と、前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われたレーザ光および前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われたレーザ光を検出する光検出部と、前記光検出部にて検出された受光信号の変調周波数の2倍の周波数の2倍波周波数参照信号を発生する2倍波周波数信号発生部と、前記2倍波周波数信号発生部にて発生された2倍波周波数参照信号を、前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われた受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の2倍波成分を抽出する検波部と、前記検波部にて抽出された前記受光信号の2倍波成分に基づいて、少なくとも2種類のガスのうちの吸光量が少ない方のガスの濃度を算出するとともに、前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われた受光信号に基づいて、吸光量が多い方のガスの濃度を算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, according to the gas concentration measuring apparatus of
また、請求項2記載のガス濃度測定方法によれば、半導体レーザから出射されるレーザ光の波長をスキャンさせるステップと、前記レーザ光の波長のスキャンが行われている一部の期間内に前記レーザ光の周波数変調を行うステップと、前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われたレーザ光および前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われたレーザ光を検出するステップと、前記検出された受光信号の変調周波数の2倍の周波数の2倍波周波数参照信号を発生するステップと、前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われた受光信号に前記2倍波周波数参照信号を掛け合わせることにより、前記受光信号の2倍波成分を抽出するステップと、前記抽出された前記受光信号の2倍波成分に基づいて、少なくとも2種類のガスのうちの吸光量が少ない方のガスの濃度を算出するステップと、前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われた受光信号に基づいて、前記少なくとも2種類のガスのうちの吸光量が多い方のガスの濃度を算出するステップとを備えることを特徴とする。 According to the gas concentration measuring method of claim 2, the step of scanning the wavelength of the laser light emitted from the semiconductor laser, and the scanning of the wavelength of the laser light within a part of the period during which the scanning is performed. Performing frequency modulation of laser light, detecting laser light that has been scanned for wavelength without frequency modulation, and laser light that has been scanned for wavelength with frequency modulation, and the detection Generating a second frequency reference signal having a frequency twice the modulation frequency of the received light signal, and multiplying the second frequency reference signal by the received light signal that has been subjected to wavelength scanning with the frequency modulation. A step of extracting a second harmonic component of the received light signal by combining, and at least based on the extracted second harmonic component of the received light signal Based on the step of calculating the concentration of the gas having the smaller amount of light absorption among the types of gases, and the received light signal that has been scanned for the wavelength without the frequency modulation, of the at least two types of gases And a step of calculating the concentration of the gas having the larger light absorption amount.
以上説明したように、本発明によれば、吸光量が少ない方のガスについては、受光信号の2倍波成分から濃度を検出することを可能としつつ、吸光量が多い方のガスについては、受光信号の2倍波成分を抽出することなく濃度を検出することが可能となる。このため、吸光量が多い方のガスの濃度を検出するために検波器などの回路が不要になり、吸光量が少ない方のガスが良好に検出できるように回路ゲインなどを最適化した場合においても、吸光量が多い方のガスの検出信号が飽和するのを防止することができる。この結果、1個の半導体レーザを用いた場合においても、回路規模の増大を抑制しつつ、高濃度ガスと低濃度ガスの濃度を安定して検出するとともに、応答性の劣化を抑制することが可能となる。 As described above, according to the present invention, the gas having a smaller amount of light absorption can detect the concentration from the second harmonic component of the received light signal, while the gas having a larger amount of light absorption can be detected. The concentration can be detected without extracting the second harmonic component of the received light signal. This eliminates the need for a circuit such as a detector to detect the concentration of the gas with the higher absorbance, and optimizes the circuit gain so that the gas with the lower absorbance can be detected well. However, it is possible to prevent the detection signal of the gas having the larger light absorption from being saturated. As a result, even when one semiconductor laser is used, it is possible to stably detect the concentrations of the high-concentration gas and the low-concentration gas while suppressing an increase in circuit scale, and to suppress deterioration in responsiveness. It becomes possible.
以下、本発明の実施形態に係るガス濃度測定装置について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示す断面図である。
図1において、ガス濃度測定装置の送信側には、レーザユニット17から出射されたレーザ光の発光波長をスキャンさせながら、スキャンが行われている一部の期間内に周波数変調を行う送信部基板14、レーザユニット17から出射されたレーザ光を平行ビームに変換するコリメートレンズ16およびレーザ素子が搭載されたレーザユニット17が設けられている。なお、レーザ素子としては半導体レーザを用いることができ、レーザユニット17には、レーザ素子の温度を検出するサーミスタおよびレーザ素子の温度を調整するペルチェ素子を搭載することができる。
Hereinafter, a gas concentration measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a gas concentration measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, on the transmission side of the gas concentration measuring apparatus, a transmitter substrate that performs frequency modulation within a part of the period during which scanning is performed while scanning the emission wavelength of the laser light emitted from the
また、ガス濃度測定装置の受信側には、測定対象ガスを透過したレーザ光を集光する集光レンズ20、測定対象ガスを透過したレーザ光を検出する光検出部21および測定対象ガスを透過したレーザ光の2倍波周波数から低濃度ガスの濃度を算出するとともに、周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われた受光信号に基づいて、高濃度ガスの濃度を算出する受信部基板22が設けられている。なお、光検出部21としては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。
Further, on the receiving side of the gas concentration measuring apparatus, a condensing
ここで、送信部基板14、コリメートレンズ16およびレーザユニット17はハウジング18に収容されるとともに、集光レンズ20、光検出部21および受信部基板22はハウジング19に収容されている。そして、煙道などの測定対象ガスが流れる配管などの隔壁11a、11bには、フランジ12a、12bが溶接などの方法にて取り付けられる。そして、送信部基板14、コリメートレンズ16およびレーザユニット17が収容されたハウジング18は、ウェッジ窓15aにて配管内と仕切られるようにしてフランジ12aに取り付けられるとともに、集光レンズ20、光検出部21および受信部基板22が収容されたハウジング19は、ウェッジ窓15bにて配管内と仕切られるようにしてフランジ12bに取り付けられる。
Here, the
そして、レーザユニット17から出射されたレーザ光の発光波長がスキャンされながら、発光波長のスキャンが行われている一部の期間内に中心周波数fc、変調周波数fmでレーザ光が周波数変調される。そして、発光波長がスキャンされながら周波数変調が間欠的に行われたレーザ光がレーザユニット17から出射され、コリメートレンズ16にて平行ビームに変換された後、ウェッジ窓15aを介して隔壁11a、11b間の種類の異なる2種類以上の測定対象ガスを透過する。そして、種類の異なる2種類以上の測定対象ガスを透過したレーザ光は、測定対象ガスのガス分子の吸収線にそれぞれ対応した波長の吸収を受けた後、ウェッジ窓15bを介して集光レンズ20に入射し、集光レンズ20にて光検出部21上に集光される。そして、光検出部21にレーザ光が入射すると、光検出部21にて電気信号に変換され、その電気信号が受信部基板22に送られる。そして、光検出部21にて変換された電気信号が受信部基板22に送られると、変調周波数の2倍波周波数を持つ2倍波周波数参照信号を受光信号に掛け合わせることにより、受光信号の2倍波成分を抽出し、その抽出された受光信号の2倍波成分に基づいて、低濃度ガスの濃度を算出するとともに、周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われた受光信号に基づいて、高濃度ガスの濃度を算出することができる。
Then, while the emission wavelength of the laser light emitted from the
図2は、本発明の一実施形態に係る周波数変調方式によるガス濃度の測定原理を説明する図である。
図2において、中心周波数fc、変調周波数fmで半導体レーザの出力を周波数変調し、測定対象ガスに照射されたものとする。ここで、測定対象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、光検出部21では変調周波数fmの2倍の周波数の成分(2倍波成分)が得られる。そして、変調周波数fmは任意の周波数でよいので、例えば、変調周波数fmを数kHz程度に選ぶと、デジタル信号処理装置(DSP)または汎用のプロセッサを用い高度な信号処理を施すことが可能となる。
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of measuring the gas concentration by the frequency modulation method according to one embodiment of the present invention.
In FIG. 2, it is assumed that the output of the semiconductor laser is frequency-modulated with a center frequency fc and a modulation frequency fm, and the measurement target gas is irradiated. Here, since the absorption line of the gas to be measured has a substantially quadratic function with respect to the modulation frequency, this absorption line serves as a discriminator, and the
そして、半導体レーザと光検出部21との距離に起因するレーザ光の減衰量の影響を周波数変調方式にてキャンセルするためには、半導体レーザの出力に周波数変調を行うと同時に変調周波数fmで振幅変調を行えばよく、半導体レーザの出力に周波数変調をかけることで振幅変調もかけることができる。そして、光検出部21でエンベロープ検波を行うことで振幅変調による基本波成分を推定することができ、この基本波成分の振幅と2倍波成分の振幅の比を位相同期させて取ることで、半導体レーザと光検出部21との距離に依存することなく、測定対象ガスの濃度に比例した値を得ることができる。
In order to cancel the influence of the attenuation amount of the laser beam due to the distance between the semiconductor laser and the
図3は、本発明の一実施形態に係る駆動電流と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図3において、半導体レーザの発光波長は駆動電流が増加するに従って長くなる。このため、半導体レーザの駆動電流を制御することにより、半導体レーザの発光波長を調整することができる。
図4は、本発明の一実施形態に係る温度と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図4において、半導体レーザの発光波長は温度が増加するに従って長くなる。このため、半導体レーザの温度を制御することにより、半導体レーザの発光波長を調整することができる。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the drive current and the emission wavelength of the semiconductor laser according to one embodiment of the present invention.
In FIG. 3, the emission wavelength of the semiconductor laser becomes longer as the drive current increases. For this reason, the emission wavelength of the semiconductor laser can be adjusted by controlling the driving current of the semiconductor laser.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the temperature and the emission wavelength of the semiconductor laser according to one embodiment of the present invention.
In FIG. 4, the emission wavelength of the semiconductor laser becomes longer as the temperature increases. For this reason, the emission wavelength of the semiconductor laser can be adjusted by controlling the temperature of the semiconductor laser.
図5は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の送信側の概略構成を示すブロック図である。
図5において、ガス濃度測定装置の送信側には、半導体レーザ36が設けられ、半導体レーザ36には、半導体レーザ36の温度を検出するサーミスタ37および半導体レーザ36の温度を調整するペルチェ素子38が搭載されている。
また、サーミスタ37にて検出された温度に基づいてペルチェ素子38を駆動することにより、半導体レーザ36の温度を制御する温度制御部35、半導体レーザ36から出射されるレーザ光の波長をスキャンさせる波長走査信号S1を発生させる波長走査駆動信号発生器31、半導体レーザ36から出射されるレーザ光を周波数変調する高周波信号S2を発生させる高周波変調信号発生部32、レーザ光の波長のスキャンが行われている一部の期間内に周波数変調が行われるように周波数変調のタイミングを切り替える切替制御部40、高周波変調信号発生部32の出力をオン/オフするスイッチ39、波長走査信号S1と高周波信号S2を合成する合成器33、波長走査信号S1に高周波信号S2が間欠的に合成された信号に基づいて半導体レーザ36を駆動する電流を制御する電流制御部34が設けられている。なお、波長走査駆動信号発生器31としては、三角波発生回路を用いることができ、安定性の観点からは、デジタルカウンタとDA変換器とを組み合わせた回路を用いるようにしてもよい。
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration on the transmission side of the gas concentration measurement apparatus according to one embodiment of the present invention.
In FIG. 5, a
Further, by driving the Peltier element 38 based on the temperature detected by the
図6は、NH3ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図である。
図6において、NH3ガスでは、1512nm付近に吸収波長帯のピークがある。このため、波長走査駆動信号発生器31は、周波数変調されたレーザ光の発光波長が1512nm付近をスキャンするように半導体レーザ36の駆動電流を変化させることで、NH3ガス中でレーザ光を吸収させ、NH3ガスの濃度を計測させることができる。また、温度制御部35は、ペルチェ素子38を駆動することにより、波長スキャン時の中心部分でNH3ガスの濃度が検出されるように半導体レーザ36の温度を事前に設定することができる。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an absorption spectrum of NH 3 gas.
In FIG. 6, NH 3 gas has an absorption wavelength band peak near 1512 nm. Therefore, the wavelength scanning
ここで、NH3ガスが高濃度状態にある場合、切替制御部40は、高周波変調信号発生部32の出力をオフし、波長走査信号S1に高周波信号S2が合成されない信号に基づいて半導体レーザ36を駆動させることができる。また、NH3ガスが低濃度状態にある場合、切替制御部40は、高周波変調信号発生部32の出力をオンし、波長走査信号S1に高周波信号S2が合成された信号に基づいて半導体レーザ36を駆動させることができる。
Here, when the NH 3 gas is in a high concentration state, the switching
図7は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
図7において、ガス濃度測定装置の受信側には、半導体レーザから出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード41、フォトダイオード41から出力される電流を電圧に変換するI−V変換回路42、I−V変換回路42から出力された電圧を増幅する増幅器43、増幅器43を介して出力された信号から変調周波数の2倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ44、変調周波数fmの2倍波周波数を持つ2f参照信号を発生する2倍波周波数信号発生部45、2f参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ44の出力から2f成分を抽出する検波器46、検波器46の出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ47、ローパスフィルタ47から出力された電圧を増幅する増幅器48、増幅器43から出力された受光光量信号および増幅器48から出力された2f成分検出信号をデジタル信号に変換するAD変換器49およびガスの濃度の算出処理を行う制御プロセッサ50が設けられている。
ここで、制御プロセッサ50は、増幅器43から出力された受光光量信号に基づいて、高濃度ガスの濃度を算出するとともに、増幅器48から出力された2f成分検出信号に基づいて、低濃度ガスの濃度を算出することができる。
FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration on the receiving side of the gas concentration measuring apparatus according to one embodiment of the present invention.
In FIG. 7, on the receiving side of the gas concentration measuring device, a photodiode 41 that detects laser light emitted from a semiconductor laser, an
Here, the
図8は、本発明の一実施形態に係る波長スキャン方式によるガス濃度の測定方法を示す図である。ここで、図5の波長走査信号S1は、波長走査信号S1の強度が一定に保たれた一定信号73と、波長走査信号S1の強度が台形状に直線的に増加する波長掃引信号72と、波長走査信号S1の強度が0であるゼロ信号74とから構成することができる。なお、図8の例では、複数の測定対象ガスとして、HClガスとH2Oガスとを例にとった。
FIG. 8 is a diagram illustrating a gas concentration measurement method using a wavelength scanning method according to an embodiment of the present invention. Here, the wavelength scanning signal S1 of FIG. 5 includes a
そして、HClガスとH2Oガスの濃度を測定する場合、図5の温度制御部35は、ペルチェ素子38を駆動することにより、波長走査信号S1の中心の近隣部分でHClガスとH2Oガスの濃度が検出されるように半導体レーザ36の温度を事前に設定する。
そして、図5の波長走査駆動信号発生器31は、半導体レーザ36の発光を安定化させるために、波長走査信号S1の強度が半導体レーザ35のスレッショルドカレント以上になるようにして一定に保ちながら、波長走査信号S1の一定信号73を合成器33に出力するとともに、切替制御部40はスイッチ39をオンすることで、高周波変調信号発生部73は10kHz程度の正弦波からなる高周波信号S2をスイッチ39を介して合成器33に出力する。
When measuring the concentrations of the HCl gas and the H 2 O gas, the
Then, the wavelength scanning
そして、波長走査信号S1の一定信号73と高周波信号S2とは合成器33にて合成され、波長走査信号S1の一定信号73と高周波信号S2とが合成された信号に基づいて半導体レーザ36の電流が制御されることにより、HClガスとH2Oガスによる吸収を受けない波長λ1を中心として10kHz程度の正弦波にてレーザ光が周波数変調される。
Then, the
そして、周波数変調されたレーザ光はHClガスとH2Oガスを通過すると、HClガスとH2Oガスによる吸収を受けることなく図7のフォトダイオード41に入射し、フォトダイオード41にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード41にて検出された電流はI−V変換回路42にて電圧に変換され、増幅器43にて増幅された後、バンドパスフィルタ44にて変調周波数の2倍波成分が抽出され、検波器46に入力される。そして、2倍周波数信号発生部45にて発生された2f参照信号とバンドパスフィルタ44からの出力が検波器46にて合成されることにより、バンドパスフィルタ44からの出力から2f成分が抽出される。そして、検波器46にて抽出された2f成分は、ローパスフィルタ47にて不要な高域成分が除去された後、増幅器48にて増幅され、2f成分検出信号としてAD変換器49に出力される。
When the laser beam is frequency-modulated passes through the HCl gas and the H 2 O gas, and enters the photodiode 41 in FIG. 7 without being absorbed by the HCl gas and the H 2 O gas, the laser beam by the photodiode 41 Is detected. The current detected by the photodiode 41 is converted into a voltage by the
ここで、波長λ1を中心として周波数変調されたレーザ光はHClガスとH2Oガスによる吸収を受けないため、I−V変換回路42の出力から高周波信号S2の2倍の周波数成分が抽出されることはなく、検波器46からの出力は一定となる。
次に、図5の波長走査駆動信号発生器31は、H2Oガスの吸収波長帯をスキャンさせるために、波長走査信号S1の強度を台形状に直線的に増加させることで、波長走査信号S1の波長掃引信号72を合成器33に出力するとともに、切替制御部40はスイッチ39をオフすることで、高周波変調信号発生部32にて生成された10kHz程度の正弦波からなる高周波信号S2が合成器33に出力されるのを阻止する。なお、HClガスとH2Oガスの濃度を測定する場合、波長走査駆動信号発生器31は、0.2nm程度の線幅をスキャンできるように波長走査信号S1を発生することができる。
Here, since the laser light frequency-modulated around the wavelength λ 1 is not absorbed by the HCl gas and the H 2 O gas, a frequency component twice the high-frequency signal S 2 is extracted from the output of the
Next, the wavelength scanning
そして、波長走査信号S1の波長掃引信号72は合成器33にて高周波信号S2と合成されることなく、電流制御部34に出力され、波長走査信号S1の波長掃引信号72に基づいて半導体レーザ36の電流が制御されることにより、H2Oガスの吸収波長帯を含むように波長λ2から波長λ3までの範囲で波長がスキャンされたレーザ光が出射される。
The
そして、波長がスキャンされたレーザ光はH2Oガスを通過すると、H2Oガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、図7のフォトダイオード45に入射し、フォトダイオード41にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード41にて検出された電流はI−V変換回路42にて電圧に変換され、増幅器43にて増幅された後、受光光量信号としてAD変換器49に送られ、デジタルデータに変換される。そして、デジタルデータに変換された受光光量信号は制御プロセッサ50に送られ、デジタルデータに変換された受光光量信号に基づいて、H2Oガスの濃度が算出される。
When the laser beam wavelength was scanned passes through the H 2 O gas, after being attenuated corresponding to the absorption by the H 2 O gas, and enters the
ここで、H2Oガスの吸収波長帯を含むように波長λ2から波長λ3までの範囲で波長がスキャンされたレーザ光はH2Oガスによる吸収量に対応した減衰を受けるため、I−V変換回路42からの出力はH2Oガスによる吸収波形に対応した値となる。
次に、図5の波長走査駆動信号発生器31は、HClガスの吸収波長帯をスキャンさせるために、波長走査信号S1の強度を台形状にさらに直線的に増加させることで、波長走査信号S1の波長掃引信号72を合成器33に出力するとともに、切替制御部40はスイッチ39をオンすることで、高周波変調信号発生部32は10kHz程度の正弦波からなら高周波信号S2を合成器33に出力する。
Since the laser beam wavelength was scanned in the range of the wavelength lambda 2 so as to include an absorption wavelength band of the H 2 O gas to the wavelength lambda 3 is receiving an attenuation corresponding to absorption by the H 2 O gas, I The output from the −
Next, in order to scan the absorption wavelength band of HCl gas, the wavelength scanning
そして、波長走査信号S1の波長掃引信号72と高周波信号S2とは合成器33にて合成され、波長走査信号S1の波長掃引信号72と高周波信号S2とが合成された信号に基づいて半導体レーザ36の電流が制御されることにより、HClガスの吸収波長帯を含むように波長λ3から波長λ4までの範囲を中心として10kHz程度の正弦波にてレーザ光が周波数変調される。
Then, the
そして、周波数変調されたレーザ光はHClガスを通過すると、HClガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、図7のフォトダイオード41に入射し、フォトダイオード41にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード41にて検出された電流はI−V変換回路42にて電圧に変換され、増幅器43にて増幅された後、バンドパスフィルタ44にて変調周波数の2倍波成分が抽出され、検波器46に入力される。そして、2倍周波数信号発生部45にて発生された2f参照信号とバンドパスフィルタ44からの出力が検波器46にて合成されることにより、バンドパスフィルタ44からの出力から2f成分が抽出される。そして、検波器46にて抽出された2f成分は、ローパスフィルタ47にて不要な高域成分が除去された後、増幅器48にて増幅され、2f成分検出信号としてAD変換器49に送られることで、デジタルデータに変換される。そして、デジタルデータに変換された2f成分検出信号は制御プロセッサ50に送られ、デジタルデータに変換された2f成分検出信号に基づいて、HClガスの濃度が算出される。
When the frequency-modulated laser beam passes through the HCl gas, the laser beam is attenuated corresponding to the amount absorbed by the HCl gas, and then enters the photodiode 41 shown in FIG. 7. The laser beam is detected by the photodiode 41. . The current detected by the photodiode 41 is converted into a voltage by the
ここで、HClガスの吸収波長帯を含むように波長λ3から波長λ4までの範囲を中心として周波数変調されたレーザ光はHClガスによる吸収量に対応した減衰を受けるため、検波器46からの出力はHClガスによる吸収波形に対応した値となる。
これにより、吸光量が少ない方のHClガスについては、受光信号の2倍波成分から濃度を検出することを可能としつつ、吸光量が多い方のH2Oガスについては、受光信号の2倍波成分を抽出することなく濃度を検出することが可能となる。このため、吸光量が多い方のH2Oガスの濃度を検出するために検波器などの回路が不要になり、吸光量が少ない方のHClガスが良好に検出できるように回路ゲインなどを最適化した場合においても、吸光量が多い方のH2Oガスの検出信号が飽和するのを防止することができる。この結果、1個の半導体レーザ36を用いた場合においても、回路規模の増大を抑制しつつ、高濃度ガスと低濃度ガスの濃度を安定して検出するとともに、応答性の劣化を抑制することが可能となる。
Here, since the laser light frequency-modulated around the range from the wavelength λ 3 to the wavelength λ 4 so as to include the absorption wavelength band of the HCl gas is attenuated corresponding to the amount of absorption by the HCl gas, the
As a result, it is possible to detect the concentration of the HCl gas having the smaller amount of light absorption from the double wave component of the light reception signal, while the H 2 O gas having the larger amount of light absorption is twice the light reception signal. It is possible to detect the concentration without extracting the wave component. For this reason, a circuit such as a detector is not required to detect the concentration of the H 2 O gas with the higher absorbance, and the circuit gain is optimized so that the HCl gas with the lower absorbance can be detected well. Even in this case, it is possible to prevent the detection signal of the H 2 O gas having the larger light absorption from being saturated. As a result, even when one
図9(a)は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザの駆動電流(または発光光量)の波形を示す図、図9(b)は、図9(a)の駆動電流で半導体レーザが駆動された時にフォトダイオードで受光された受光光量の波形を示す図である。
図9(a)において、図5の半導体レーザ36の駆動電流は、波長走査信号S1の波長掃引信号72に高周波信号S2が間欠的に重畳された波形になり、半導体レーザ36の発光光量の波形についても、図9(a)の波形と同様になる。
そして、図9(a)の発光光量のレーザ光がガス流路を通過すると、図9(b)に示すように、そのガスの特定波長の吸光量に対応した減衰を受ける。そして、その減衰を受けたレーザ光を図7のフォトダイオード41で受光し、領域R1の受光光量信号に基づいて、高濃度ガスの濃度を算出するとともに、領域R2の2f成分検出信号に基づいて、低濃度ガスの濃度を算出することができる。−
FIG. 9A is a diagram showing the waveform of the drive current (or light emission amount) of the semiconductor laser according to one embodiment of the present invention, and FIG. 9B is the drive current of FIG. It is a figure which shows the waveform of the light-receiving light quantity light-received with the photodiode when it drive | operated.
In FIG. 9A, the drive current of the
Then, when the laser beam having the light emission quantity in FIG. 9A passes through the gas flow path, as shown in FIG. 9B, the laser beam is attenuated corresponding to the light absorption amount of the specific wavelength. Then, the attenuated laser light is received by the photodiode 41 of FIG. 7, and the concentration of the high-concentration gas is calculated based on the received light amount signal of the region R1, and based on the 2f component detection signal of the region R2. The concentration of the low concentration gas can be calculated. −
図10は、図9(b)のRAの部分の時間軸を拡大して示す図である。
図10において、吸光が起きていない波長を点A、B、吸光が起きている波長を点Nとし、点A、点B、点Nの時刻をそれぞれtA、tB、tN、点A、点B、点Nの波長での受光光量信号の電圧値をそれぞれyA、yB、yNとすると、吸光量に相当する電圧値VNは、以下の(1)式にて求めることができる。
(tN−tA)(yA−yB)/(tB−tA)+yA−yN (1)
この電圧値VNはガスの濃度に比例することから、図9(b)のRAの部分から電圧値VNを求めることにより、ガスの濃度を検出することができる。
FIG. 10 is an enlarged view showing the time axis of the RA portion in FIG.
In FIG. 10, the wavelengths at which no light absorption occurs are points A and B, the wavelengths at which light absorption occurs are point N, and the times at points A, B, and N are t A , t B , t N , and point A, respectively. If the voltage values of the received light quantity signals at the wavelengths of B , N and N are y A , y B , and y N , respectively, the voltage value V N corresponding to the amount of light absorption is obtained by the following equation (1). Can do.
(T N -t A) (y A -y B) / (t B -t A) + y A -y N (1)
Since the voltage value V N is proportional to the gas concentration, the gas concentration can be detected by obtaining the voltage value V N from the RA portion in FIG. 9B.
このように、本発明の実施形態によれば、高濃度ガスの検出には1f変調を行うことなく波長掃引を行うことで受光信号の光量波形を計測し、低濃度ガスの検出には波長掃引を行いながら1f変調を行い、同期検波にて2f成分を計測するようにしたので、処理回路が複雑化したり、応答性が遅くなったり、波形の変動が大きくなったりするのを防止しつつ、簡易な構成を付加するだけで、複数の半導体レーザを用いることなく、高濃度ガスと低濃度ガスの濃度を安定して検出することが可能となる。 As described above, according to the embodiment of the present invention, the light amount waveform of the received light signal is measured by performing the wavelength sweep without performing the 1f modulation for the detection of the high concentration gas, and the wavelength sweep for the detection of the low concentration gas. 1f modulation is performed and 2f component is measured by synchronous detection, so that it is possible to prevent the processing circuit from becoming complicated, responsiveness slowing down, and waveform fluctuations from increasing. By simply adding a simple configuration, it is possible to stably detect the concentrations of the high-concentration gas and the low-concentration gas without using a plurality of semiconductor lasers.
11a、11b 隔壁
12a、12b フランジ
14 送信部基板
15a、15b ウェッジ窓
16 コリメートレンズ
17 レーザユニット
18、19 ハウジング
20 集光レンズ
21 光検出部
22 受信部基板
31 波長走査駆動信号発生器
32 高周波変調信号発生部
33 合成器
34 電流制御部
35 温度制御部
36 半導体レーザ
37 サーミスタ
38 ペルチェ素子
39 スイッチ
40 切替制御部
41 フォトダイオード
42 I/V変換回路
43、48 増幅器
44 バンドパスフィルタ
45 2倍波周波数信号発生部
46 検波器
47 ローパスフィルタ
49 AD変換器
50 制御プロセッサ
11a,
Claims (2)
前記半導体レーザから出射されるレーザ光を周波数変調する周波数変調部と、
前記レーザ光の波長のスキャンが行われている一部の期間内に前記周波数変調が行われるように前記周波数変調のタイミングを切り替えるタイミング切替制御部と、
前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われたレーザ光および前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われたレーザ光を検出する光検出部と、
前記光検出部にて検出された受光信号の変調周波数の2倍の周波数の2倍波周波数参照信号を発生する2倍波周波数信号発生部と、
前記2倍波周波数信号発生部にて発生された2倍波周波数参照信号を、前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われた受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の2倍波成分を抽出する検波部と、
前記検波部にて抽出された前記受光信号の2倍波成分に基づいて、少なくとも2種類のガスのうちの吸光量が少ない方のガスの濃度を算出するとともに、前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われた受光信号に基づいて、吸光量が多い方のガスの濃度を算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とするガス濃度測定装置。 A wavelength scanning unit that scans the wavelength of laser light emitted from the semiconductor laser;
A frequency modulation unit for frequency modulating laser light emitted from the semiconductor laser;
A timing switching control unit that switches the timing of the frequency modulation so that the frequency modulation is performed within a period of time during which the wavelength of the laser beam is scanned;
A light detection unit that detects the laser light that has been scanned for wavelength without frequency modulation and the laser light that has been scanned for wavelength while accompanied by frequency modulation;
A second harmonic frequency signal generator for generating a second harmonic frequency reference signal having a frequency twice as high as the modulation frequency of the received light signal detected by the light detector;
By multiplying the second harmonic frequency reference signal generated by the second harmonic frequency signal generator with the received light signal that has been subjected to wavelength scanning with frequency modulation, the second harmonic component of the received light signal is obtained. A detector for extracting
Based on the second harmonic component of the received light signal extracted by the detection unit, the concentration of the gas having the smaller absorption amount of at least two kinds of gases is calculated, and the wavelength is not accompanied by the frequency modulation. A gas concentration measuring apparatus comprising: a gas concentration calculating unit that calculates a concentration of a gas having a larger amount of light absorption based on the received light signal.
前記レーザ光の波長のスキャンが行われている一部の期間内に前記レーザ光の周波数変調を行うステップと、
前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われたレーザ光および前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われたレーザ光を検出するステップと、
前記検出された受光信号の変調周波数の2倍の周波数の2倍波周波数参照信号を発生するステップと、
前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われた受光信号に前記2倍波周波数参照信号を掛け合わせることにより、前記受光信号の2倍波成分を抽出するステップと、
前記抽出された前記受光信号の2倍波成分に基づいて、少なくとも2種類のガスのうちの吸光量が少ない方のガスの濃度を算出するステップと、
前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われた受光信号に基づいて、前記少なくとも2種類のガスのうちの吸光量が多い方のガスの濃度を算出するステップとを備えることを特徴とするガス濃度測定方法。 Scanning the wavelength of the laser light emitted from the semiconductor laser;
Performing frequency modulation of the laser light within a period of time during which scanning of the wavelength of the laser light is performed;
Detecting a laser beam that has been scanned with a wavelength without accompanying frequency modulation and a laser beam that has been scanned with a wavelength while involving frequency modulation; and
Generating a second frequency reference signal having a frequency twice the modulation frequency of the detected light reception signal;
Extracting a second harmonic component of the received light signal by multiplying the received light signal that has been scanned with a wavelength with the frequency modulation by the second harmonic frequency reference signal;
Calculating a concentration of a gas having a smaller amount of light absorption of at least two kinds of gases based on a second harmonic component of the extracted received light signal;
Calculating a concentration of a gas having a larger light absorption amount among the at least two kinds of gases based on a light reception signal that has been scanned for a wavelength without frequency modulation. Gas concentration measurement method.
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