JP5286911B2 - 多成分用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複数種類のガスの濃度を周波数変調方式により測定するための多成分用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複数種類のガス濃度を測定する多成分用レーザ式ガス分析計に関するものである。

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１４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１５（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１４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１６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１６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ように用いるのが一般的である。
しかしながら、図１６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計測するためには、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、コストも増加する等の問題があった。

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、前記変調周波数の２倍の周波数の参照信号を用いて受光信号を同期検波することにより、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、この種の多成分用レーザ式ガス分析計では、振動や熱の影響によって各発光素子の光軸が変化するため、同一光軸上に結合する際の光軸の調整に時間がかかると共に、安定性を確保することが困難であった。特に、発光素子から光結合器に至る空間に存在する酸素や水分が受光信号に大きな影響を与えるため、発光部等の筐体を気密構造にして窒素等の不活性ガスで充填するといった対策を講じる必要があった。

そこで、本発明の解決課題は、複数の発光素子からの出射光を結合する際の光軸調整の煩雑さや酸素、水分等の影響をなくし、複数種類のガスの濃度を安定して測定可能にした多成分用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、複数種類のガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、検出光としてレーザ光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出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部と、を備えた多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記発光部は、
測定対象ガスの種類の数と同数設けられて周波数変調されたレーザ光を出射するピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を光ファイバ上で結合する結合手段と、この結合手段から出射される検出光を前記空間に出射する光学系と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を集光する光学系と、この光学系により集光した光を受光し、かつ、検出光の全波長に対して感度を有する受光素子と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記信号処理部は、各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、この同期検波手段の出力信号から複数種類の測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記演算手段は、前記受光素子の出力信号から波長走査駆動信号成分を抽出し、抽出した波長走査駆動信号成分と予め設定された受光光量設定値との比を受光光量補正係数として算出し、この受光光量補正係数を用いて前記同期検波手段から出力されるガス吸収波形の振幅を補正するものである。

請求項２に係る発明は、複数種類のガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、検出光としてレーザ光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出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部と、を備えた多成分用レーザ式ガス分析計において、
前記発光部は、
測定対象ガスの種類の数と同数設けられて周波数変調されたレーザ光を出射するピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を光ファイバ上で結合する結合手段と、この結合手段から出射される検出光を前記空間に出射する光学系と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を集光する光学系と、この光学系により集光した光を波長帯域ごとに分波する分波手段と、これらの分波手段により分波された検出光を受光し、かつ、これらの検出光の全波長に対して感度を有する受光素子と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記信号処理部は、各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、この同期検波手段の出力信号から複数種類の測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記演算手段は、前記受光素子の出力信号から波長走査駆動信号成分を抽出し、抽出した波長走査駆動信号成分と予め設定された受光光量設定値との比を受光光量補正係数として算出し、この受光光量補正係数を用いて前記同期検波手段から出力されるガス吸収波形の振幅を補正するものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した多成分用レーザ式ガス分析計において、各ピグテール型発光素子を時系列的に動作させ、前記受光素子の時系列的な出力信号を前記信号処理部によって処理するものである。

本発明によれば、発光部において、複数のピグテール型発光素子からの出射光を光ファイバ上で結合して出射させることにより、従来のように複数の光軸を調整する煩雑さや、発光素子から光結合器に至る空間に存在する光路上の酸素、水分等による影響を解消し、複数種類の測定対象ガスの濃度を高精度かつ安定して測定することができる。これにより、発光部等の筐体を気密構造にして不活性ガスで充填する等の対策が不要になるので、コストの低減が可能になる。
また、単一の分析計によって複数種類のガス濃度を測定可能であり、複数台の分析計を設置する場合に比べて、システム全体の小型化、コストの低減を図ることができる。

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、本発明の基本形態を示す全体構成図である。
この基本形態に係る多成分用レーザ式ガス分析計は、測定対象ガスの吸光特性に応じて周波数変調された複数のレーザ光を結合して出射する発光部１０と、この発光部１０から出射される検出光２０を受光する受光部３０とを備えている。前記発光部１０及び受光部３０は、測定対象ガスが流通する配管等の壁４１ａ，４１ｂに、溶接等により固定されたフランジ４２ａ，４２ｂ及び光軸調整フランジ４３ａ，４３ｂを介して取り付けられる。
ここで、光軸調整フランジ４３ａ，４３ｂは、発光部１０からの検出光２０が受光部３０において最大の光量で受光されるように光軸を調整するためのものである。

次に、発光部１０及び受光部３０の構成について詳細に説明する。
発光部１０は、測定対象ガスの吸光特性に応じたレーザ光を周波数変調し、これらを結合してなる検出光２０を出射するユニットである。この発光部１０は、測定対象ガスの種類の数に等しい個数のピグテール型発光素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，……を備えており、これらの発光素子には、例えば前述したＤＦＢレーザや、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等のレーザダイオード（以下、ＬＤともいう）が用いられる。ＬＤは、ガスの吸光特性に一致する近赤外領域の波長にて発光が可能であり、図１５に示したように、ドライブ電流及び温度によって発光波長を可変とすることができる。勿論、測定対象ガスの吸収波長帯域で波長掃引できるものであれば他種の発光素子を用いても良い。
なお、複数のピグテール型発光素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，……を備えたレーザ光源としては、例えばＮＴＴエレクトロニクス株式会社製のバタフライ型のパッケージを用いることができる。

ピグテール型発光素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，……から出射したレーザ光は、ピグテール（光ファイバ）１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，……内を伝播するが、その波長は、後述するように、ピグテール型発光素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，……に内蔵されたペルチェ素子による温度調節によって可変とすることができる。
図２は、ピグテール型発光素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，……の内部構成図であり、ここでは、測定対象ガスが４種類であるとし、バタフライ型のパッケージに４個のピグテール型発光素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄが内蔵されているものとして説明する。

図２において、発光素子本体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの温度は、サーミスタ等の温度検出素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄを用いて検出される。これらの温度検出素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄは温度制御回路１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄに接続されており、温度制御回路１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄは、発光素子本体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの発光波長を安定化させるため、温度検出素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの抵抗値がそれぞれ一定になるようにＰＩＤ制御等を行ってペルチェ素子１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄの温度制御を行い、発光素子本体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの温度を調節する。

また、発光波長を変化させる波長走査駆動信号発生回路１２の出力信号と、発光波長を周波数変調させるための高周波変調信号発生回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの出力信号とを、駆動信号発生回路１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄにより合成して駆動信号を生成し、この駆動信号をＶ−Ｉ変換して発光素子本体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄに供給する。これにより、発光素子本体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄからは、それぞれ異なる種類の測定対象ガスの吸光特性を走査するための、周波数変調された所定波長のレーザ光が出射される。

発光素子本体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ（ピグテール型発光素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ）の出射光は、図１において光ファイバカプラまたは光ファイバスイッチ等からなる光結合器１０３により結合され、光ファイバ１０４を介してコリメートレンズ１０５により平行な検出光２０に変換される。この検出光２０は壁４１ａ，４１ｂの内部区間（測定対象ガスが流通する空間）を伝播し、受光部３０により受光される。

受光部３０は、測定対象ガスの吸光特性により吸収された変調光を受光するユニットである。すなわち、受光部３０は、集光レンズ３１により集光した検出光２０を受光素子３２により受光し、電気信号に変換して信号処理部５０に送出する。ここで、受光素子３２には、発光素子本体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの出射光波長に感度を持つフォトダイオード等の素子が用いられる。

例えば、図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）のような吸光特性を有する４種類のガス（（ａ）ＮＨ_３，（ｂ）ＨＣｌ，（ｃ）Ｈ_２Ｓ，（ｄ）ＣＨ_４）を測定する場合、それぞれのガスの吸光特性を有する波長範囲は１６００ｎｍ〜２０００ｎｍにあるため、受光素子３２には、１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの波長感度を持つ図４のような特性の素子を用いれば良い。このような素子としては、例えば、浜松ホトニクス株式会社から販売されているＧ８３７２−０１等がある。

図５は、信号処理部５０の内部構成図である。受光素子３２の出力信号は、Ｉ−Ｖ変換回路５０１によって電流信号から電圧信号に変換される。また、参照信号発生回路（発振回路）５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃ，５０２ｄは、前記高周波変調信号発生回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄによる高周波変調信号の２倍周波数の信号を参照信号として出力する。Ｉ−Ｖ変換回路５０１により変換された電圧信号と前記参照信号とは同期検波回路５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃ，５０３ｄに入力され、前記電圧信号から２倍周波数成分の信号が抽出される。これらの信号はフィルタ５０４ａ，５０４ｂ，５０４ｃ，５０４ｄに入力され、ノイズ除去、増幅等の処理が行われて演算回路５０５に入力されると共に、この演算回路５０５において測定対象ガスの濃度が演算されることになる。

次に、上記の構成において、４種類の測定対象ガスの濃度を検出する原理について説明する。
図６（ａ）は、例えば発光素子本体１５ａの駆動電流波形の一例を示している。
図２の波長走査駆動信号発生回路１２において、測定対象ガスの吸光特性を走査する波長走査駆動信号Ｓ１は、発光素子本体１５ａの駆動電流値を直線的に変化させて発光素子本体１５ａの発光波長を徐々に変化させ、例えば、０．２ｎｍ程度の吸光特性を走査する。一方、信号Ｓ２は、駆動電流値を発光素子本体１５ａが安定するスレッショルドカレント以上に保ち、一定波長で発光させるためのものである。更に、信号Ｓ３では、駆動電流値を０ｍＡにしておく。

図６（ｂ）は、図２の高周波変調信号発生回路１３ａから出力される変調信号の波形図であり、測定対象ガスの吸光特性を検出するための信号Ｓ４は、例えば周波数が１０ｋＨｚの正弦波とし、波長幅を０．０２ｎｍ程度変調する。
図６（ｃ）は、図２の駆動信号発生回路１４ａから出力される駆動信号（波長走査駆動信号発生回路１２の出力信号と高周波変調信号発生回路１３ａの出力信号との合成信号）の波形図であり、この駆動信号Ｓ５を発光素子本体１５ａに供給すると、発光素子本体１５ａからは、測定対象ガスの０．２ｎｍ程度の吸光特性を波長幅０．０２ｎｍ程度で検出可能な変調光が出力される。

他の発光素子本体１５ｂ，１５ｃ，１５ｄも、上記と同様にして、測定対象ガスの吸光特性に応じて駆動される。
但し、４個の発光素子本体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの変調周波数を、例えば１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚとすると、変調信号の２倍周波数成分はそれぞれ２０ｋＨｚ，２５ｋＨｚ，３０ｋＨｚ，３５ｋＨｚとなり、参照信号発生回路５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃ，５０２ｄがこれらの周波数の参照信号を出力することで、同期検波回路５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃ，５０３ｄは上記２倍周波数成分に吸光特性を有する測定対象ガス、すなわちＮＨ_３，ＨＣｌ，Ｈ_２Ｓ，ＣＨ_４の吸光特性のみをそれぞれ検出して出力する。

発光部１０から出射した検出光２０は、測定対象ガスが流通する壁４１ａ，４１ｂ内の空間を透過する。これらの透過光は同軸上で受光部３０に入射し、測定対象ガス、例えばＮＨ_３に吸光特性がある場合、同期検波回路５０３ａからは図７に示すような吸光特性が得られる。
この吸光特性はその波形のピーク値がそのままガス濃度を表すため、例えば、図５の演算回路５０５によって上記ピーク値を測定したり、信号変化を積分したりすればＮＨ_３の濃度を測定することが可能である。他の測定対象ガスの濃度検出動作についても、同様に行えばよい。
なお、検出光２０の光路上に測定対象ガスが存在しない場合には、同期検波回路５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃ，５０３ｄの出力に図７のような吸光特性は現れない。

以上のように、基本形態によれば、測定対象ガスによる吸光特性を検出するための変調周波数を、測定対象ガスの種類によって変えると共に、測定対象ガスの吸光特性に感度を有する受光素子を用いて検出光を受光し、受光素子の出力信号から変調周波数の２倍周波数成分を検出することにより、分析計を複数台用いることなく複数種類のガス濃度を測定することができる。また、ピグテール型発光素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄからの出射光を、空間を介さずに光結合器１０３に導入する構成であるから、発光部１０内の空気中の酸素や水分が受光信号に悪影響を及ぼす心配もなく、安定した高精度の濃度測定が可能である。同時に、発光部１０等の厳密な気密性が要求されることもないので、装置の製造コストを低減させることができる。

なお、図示されていないが、集光レンズ３１により集光した検出光２０を分波型の光カプラ等の光分波手段により複数の波長帯に分別して受光素子３２に受光させ、その出力信号から変調周波数の２倍周波数成分を検出するようにしても良い。

また、基本形態では、ピグテール型発光素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ（発光素子本体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ）における変調周波数を変え、これらの変調周波数に応じた参照信号周波数を用いて複数種類のガスの濃度を同時に検出している。
しかし、図８に示すように、発光素子本体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを時系列的にオンして発光させ、受光部３０側でも受光信号を時系列的に同期検波して複数種類のガスａ，ｂ，ｃ，ｄの濃度を順次測定するようにすれば、変調周波数は同一でも良い。

次に、図９は本発明の実施形態における信号処理部５０Ａの構成を示しており、図５と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
また、図１０（ａ），（ｂ）は図９のＩ−Ｖ変換回路５０１から出力される電圧信号（受光信号）の波形図であり、図１０（ａ）は、測定環境（壁４１ａ，４１ｂの内部区間、すなわち測定対象ガスが流通する空間）にダストがない清浄な空間における受光信号波形、図１０（ｂ）は、ダストが存在する空間における受光信号波形である。これらの図から明らかなように、ダストが存在する場合には検出光２０が遮られるため、受光光量（受光信号レベル）が低下することになる。

前述したように、例えば同期検波回路５０３ａにより、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅が抽出されるため、図１０（ａ），（ｂ）に示した受光信号を同期検波すると、それぞれ図１１（ａ），（ｂ）のような波形となる。
図１１（ａ）におけるＡはガス吸収波形であり、この波形の振幅ｗ（＝ｗ_ａ）を検出することでガス濃度を測定することができる。一方、ダストが存在する場合の図１１（ｂ）では、図１０（ｂ）に対応して振幅ｗ（＝ｗ_ｂ）も小さくなっている。
このように、受光光量によってガス吸収波形の振幅が変動するため、特にダスト量が変動する環境では、正確なガス濃度の測定が困難である。

そこで、本実施形態では、図１２に示すように受光光量レベルとガス吸収波形の振幅レベルとがほぼ比例関係にあることに着目し、演算回路５０５においてガス吸収波形の振幅を補正することにより、ダスト等が存在する環境においても正確なガス濃度の検出を可能にしたものである。

すなわち、図９に示すように、Ｉ−Ｖ変換回路５０１から出力された受光信号を抽出手段としてのフィルタ５０６に入力して、波長走査駆動信号成分を取り出す。そして、演算回路５０５により、波長走査駆動信号成分と受光光量設定値との比を受光光量補正係数βとして算出し、フィルタ５０４ａ〜５０４ｄから出力されるガス吸収波形の振幅を、上記補正係数βにより補正するようにした。

例えば、図１０（ａ），（ｂ）に示した受光信号をフィルタ５０６に入力して波長走査駆動信号成分を取り出すと、図１３（ａ），（ｂ）のような波形が得られる。図１３（ａ）はダストがなく受光光量が低下していない場合、図１３（ｂ）はダストがあって受光光量が低下している場合である。
図１３（ａ）のように、ある時点において、ダストがなく受光光量が最大である時の受光信号（フィルタ５０６から出力される波長走査駆動信号）のレベルＰ（＝Ｐ_ｍａｘ）を、前記受光光量設定値として演算回路５０５に予め設定しておく。演算回路５０５は、図１３（ａ）のようにダストがある場合の受光信号レベルＰを検出し、このＰと同一時点のＰ_ｍａｘとの比を、受光光量補正係数βとして数式１により演算する。
［数式１］
β＝Ｐ_ｍａｘ／Ｐ

上記の補正係数βを、ガス吸収波形の振幅ｗ（例えば図１１（ｂ）のｗ_ｂ）に乗算または除算することにより、数式２に示す如く、ダストに起因する受光光量の変動分を補正した振幅ｗ_ｈを得ることができる。
［数式２］
ｗ_ｈ＝ｗ×β

こうして補正されたガス吸収波形の振幅ｗ_ｈを用いてガス濃度を測定することで、煙道のようにダスト量が多く受光光量の減少が著しい環境においても、ガス濃度を正確に測定することができる。

本発明の基本形態を示す全体構成図である。 図１におけるピグテール型発光素子の内部構成図である。 測定対象ガスの吸光特性を示す図である。 図１における受光素子としての受光素子の波長感度を示す図である。 図１における信号処理部の内部構成図である。 基本形態における発光素子本体の駆動電流、高周波変調信号及び駆動信号の波形図である。 基本形態における受光信号と同期検波回路の出力信号を示す波形図である。 基本形態の変形例における動作説明図である。 本発明の実施形態の主要部を示す構成図である。 図９における受光信号の波形図である。 図９における同期検波回路の出力波形を示す図である。 受光光量レベルとガス吸収波形の振幅レベルとの関係を示す図である。 受光信号レベルの波形図である。 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

１０：発光部
１２：波長走査駆動信号発生回路
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ：高周波変調信号発生回路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ：駆動信号発生回路
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ：発光素子本体
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ：温度検出素子
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ：ペルチェ素子
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ：温度制御回路
２０：検出光
３０：受光部
３１：集光レンズ
３２：受光素子
４１ａ，４１ｂ：壁
４２ａ，４２ｂ：フランジ
４３ａ，４３ｂ：光軸調整フランジ
５０，５０Ａ：信号処理部
１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ：ピグテール型発光素子
１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ：ピグテール
１０３：光結合器
１０４：光ファイバ
１０５：コリメートレンズ
５０１：Ｉ−Ｖ変換回路
５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃ，５０２ｄ：参照信号発生回路
５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃ，５０３ｄ：同期検波回路
５０４ａ，５０４ｂ，５０４ｃ，５０４ｄ，５０６：フィルタ
５０５：演算回路

Claims (3)

1. 複数種類のガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、検出光としてレーザ光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出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部と、を備えた多成分用レーザ式ガス分析計において、
   前記発光部は、
   測定対象ガスの種類の数と同数設けられて周波数変調されたレーザ光を出射するピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を光ファイバ上で結合する結合手段と、この結合手段から出射される検出光を前記空間に出射する光学系と、を備え、
   前記受光部は、
   前記空間を透過した検出光を集光する光学系と、この光学系により集光した光を受光し、かつ、検出光の全波長に対して感度を有する受光素子と、を備え、
   前記ピグテール型発光素子は、
   発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
   前記信号処理部は、各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、この同期検波手段の出力信号から複数種類の測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
   前記演算手段は、前記受光素子の出力信号から波長走査駆動信号成分を抽出し、抽出した波長走査駆動信号成分と予め設定された受光光量設定値との比を受光光量補正係数として算出し、この受光光量補正係数を用いて前記同期検波手段から出力されるガス吸収波形の振幅を補正することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
2. 複数種類のガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、検出光としてレーザ光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出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部と、を備えた多成分用レーザ式ガス分析計において、
   前記発光部は、
   測定対象ガスの種類の数と同数設けられて周波数変調されたレーザ光を出射するピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子の出射光を光ファイバ上で結合する結合手段と、この結合手段から出射される検出光を前記空間に出射する光学系と、を備え、
   前記受光部は、
   前記空間を透過した検出光を集光する光学系と、この光学系により集光した光を波長帯域ごとに分波する分波手段と、これらの分波手段により分波された検出光を受光し、かつ、これらの検出光の全波長に対して感度を有する受光素子と、を備え、
   前記ピグテール型発光素子は、
   発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
   前記信号処理部は、各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、この同期検波手段の出力信号から複数種類の測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
   前記演算手段は、前記受光素子の出力信号から波長走査駆動信号成分を抽出し、抽出した波長走査駆動信号成分と予め設定された受光光量設定値との比を受光光量補正係数として算出し、この受光光量補正係数を用いて前記同期検波手段から出力されるガス吸収波形の振幅を補正することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
3. 請求項１または２に記載した多成分用レーザ式ガス分析計において、
   各ピグテール型発光素子を時系列的に動作させ、前記受光素子の時系列的な出力信号を前記信号処理部によって処理することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。