JP5370248B2 - Gas analyzer - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure the molecule number density of a component to be measured in sample gas in a wide dynamic range in terms of the molecule number density. <P>SOLUTION: A gas analyzing apparatus comprises a modulation part 16 in which a drive current to a wavelength variable laser device 6 is modulated by a modulation frequency fa. As a signal processing part which processes signals from a light receiving part 8 to detect laser beams made to pass through a sample cell 2, a first signal processing part 18 to extract the signals obtained by frequency 2&times;fa, and a second signal processing part 20 to extract the signals the frequency of which is less than fa are provided. When the molecule number density of the component to be measured is a low molecule number density to which a harmonic synchronization detection method can be applied based on the signals from these signal processing part 18, 20, an arithmetic part 22 executes arithmetic operation using the harmonic synchronization detection method, based on the signals from the first signal processing part 18, and when the molecule number density of the component to be measured is a high molecule number density to which the harmonic synchronization detection method cannot be applied, the arithmetic part 22 executes the arithmetic operation using a direct absorption spectrum method. <P>COPYRIGHT: (C)2012,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、レ−ザ光に対する吸収を利用して試料ガス中の測定対象成分の分子数密度を測定するガス分析装置に関するものである。   The present invention relates to a gas analyzer that measures the molecular number density of a measurement target component in a sample gas by utilizing absorption of laser light.

近年、気体中の特定ガスの分子数密度を測定する方法として、レ−ザ光に対する吸収を利用したレ−ザ吸収分光法が提案されている(例えば特許文献1参照。)。この方法は、試料ガスが導入された試料セルに所定周波数のレ−ザ光を照射して透過したレ−ザ光を解析し、試料ガス中の測定対象成分の吸収の程度からその測定対象成分分子数密度を導出するものである。この装置は、試料ガスにセンサである受光部が接触しない非接触型であるため、試料の場を乱すことなく測定することができるという利点や、応答時間がきわめて短いという利点がある。試料ガス中の測定対象成分に対する測定周波数を選択するためにレ−ザ光の光源としては、波長可変レ−ザ装置が使用される。   In recent years, laser absorption spectroscopy utilizing absorption of laser light has been proposed as a method for measuring the molecular number density of a specific gas in a gas (see, for example, Patent Document 1). This method analyzes a laser beam transmitted by irradiating a laser beam having a predetermined frequency to a sample cell into which a sample gas is introduced, and determines the measurement target component from the degree of absorption of the measurement target component in the sample gas. The molecular number density is derived. Since this apparatus is a non-contact type in which the light receiving unit that is a sensor does not come into contact with the sample gas, there are advantages that measurement can be performed without disturbing the field of the sample and that response time is extremely short. A wavelength tunable laser device is used as a laser light source to select a measurement frequency for a measurement target component in the sample gas.

ここで、レ−ザ光を用いた赤外吸収分光法の一般的な理論について説明する。なお、ここでは窒素ガス中の微量の水蒸気分子数密度を測定する場合を例に挙げる。   Here, a general theory of infrared absorption spectroscopy using laser light will be described. Here, a case where a trace amount of water vapor molecule number density in nitrogen gas is measured will be described as an example.

検出されるレ−ザ光受光強度と水蒸気分子数密度の関係は次のランバート−ベール(Lambert−Beer)の法則から式(1)で示される。I0(ν)は周波数νにおいて水分子の吸収を受けなかった場合の光強度、I(ν)は周波数νにおける透過光強度である。また、cは水分子の分子数密度、lは測定対象成分を通過する光路の長さ、Sは所定の周波数νでの吸収線強度、K(ν)は吸収特性関数である。

Figure 0005370248
The relationship between the detected light intensity of the laser beam and the water vapor molecule number density is expressed by the following formula (1) from the Lambert-Beer law. I 0 (ν) is the light intensity when water molecules are not absorbed at the frequency ν, and I (ν) is the transmitted light intensity at the frequency ν. Further, c is the number density of water molecules, l is the length of the optical path passing through the component to be measured, S is the absorption line intensity at a predetermined frequency ν, and K (ν) is the absorption characteristic function.
Figure 0005370248

試料ガスが大気圧である場合、吸収特性関数K(ν)はロ−レンツプロファイルにより式(2)で表わされる。γLは吸収スペクトルの半値幅であり、試料ガスの種類、温度及び圧力により決まる。ν0は吸収スペクトルの中心周波数である。

Figure 0005370248
When the sample gas is at atmospheric pressure, the absorption characteristic function K (ν) is expressed by equation (2) by the Lorentz profile. γ L is the half width of the absorption spectrum, and is determined by the type of sample gas, temperature and pressure. ν 0 is the center frequency of the absorption spectrum.
Figure 0005370248

上記式(1)及び式(2)から次の式(3)が成り立つ。

Figure 0005370248
From the above formulas (1) and (2), the following formula (3) is established.
Figure 0005370248

発振周波数幅が吸収スペクトルの線幅よりも極めて狭い波長可変レ−ザ装置、例えばDFB(Distributed Feedback)型半導体レーザを用いれば、分光器を別途用いることなく、それぞれの周波数νにおける測定をすることが可能である。   If a wavelength tunable laser device whose oscillation frequency width is extremely narrower than the line width of the absorption spectrum, for example, a DFB (Distributed Feedback) type semiconductor laser, is used, measurement is performed at each frequency ν without using a separate spectrometer. Is possible.

中心周波数ν0での吸収強度I(ν0)は、式(3)においてν=ν0として(4)式で表わすことができる。

Figure 0005370248
The absorption intensity I (ν 0 ) at the center frequency ν 0 can be expressed by the equation (4) where ν = ν 0 in the equation (3).
Figure 0005370248

一方、きわめて低い全圧領域(測定対象成分の全圧が1[Torr]よりも低圧の高真空領域)の下での水分子による赤外吸収においては、吸収スペクトル幅は上述したロ−レンツプロファイルの拡がりに比べて数分の1から数十分の1程度に狭くなる。この全圧領域において、吸収特性幅は主にドップラ効果により決まる。この場合の吸収特性関数K(ν)は下記(5)式(ガウス関数)で表わされる。(5)式において、γEDはドップラ幅と呼ばれるものであり、吸収スペクトルの中心周波数、分子量及び温度に依存するものである。

Figure 0005370248
On the other hand, in the infrared absorption by water molecules under a very low total pressure region (a high vacuum region where the total pressure of the component to be measured is lower than 1 [Torr]), the absorption spectrum width is the Lorentz profile described above. Compared to the spread of, the width is reduced to a fraction of a few to a few tenths. In this total pressure region, the absorption characteristic width is mainly determined by the Doppler effect. The absorption characteristic function K (ν) in this case is expressed by the following equation (5) (Gauss function). In the equation (5), γ ED is called the Doppler width and depends on the center frequency, molecular weight and temperature of the absorption spectrum.
Figure 0005370248

この場合は、(1)式と(5)式から下記(6)式が成り立ち、(6)式においてν=ν0とすることにより、中心周波数ν0での吸収強度I(ν0)は下記(7)式で表わすことができる。

Figure 0005370248
Figure 0005370248
In this case, the following expression (6) is established from the expressions (1) and (5), and by setting ν = ν 0 in the expression (6), the absorption intensity I (ν 0 ) at the center frequency ν 0 is It can be expressed by the following equation (7).
Figure 0005370248
Figure 0005370248

レ−ザ光を用いた一般的な赤外吸収分光法では、上記の(4)式又は(7)式から吸収線中心における吸光強度I00)やI(ν0)を測定し、試料ガス中における測定対象成分量を算出する。 In general infrared absorption spectroscopy using laser light, the absorption intensity I 00 ) or I (ν 0 ) at the center of the absorption line is measured from the above equation (4) or (7). The amount of the component to be measured in the sample gas is calculated.

また、レ−ザ光を用いたガス分析方法としては、吸収スペクトル波形の2次高調波成分等を検出する高調波検出(Harmonic Detection)による吸光分光法(以下、高調波同期検出法という)という検出方法がある(例えば、特許文献2、非特許文献1参照)。高調波同期検出法は赤外吸収分光法の中でも特に高感度の検出手法として知られており、測定対象成分の光吸収量が微小な場合に有効な検出方法である。   Further, as a gas analysis method using laser light, it is called absorption spectroscopy (hereinafter referred to as harmonic synchronization detection method) by harmonic detection (Harmonic Detection) for detecting a second harmonic component or the like of an absorption spectrum waveform. There are detection methods (see, for example, Patent Document 2 and Non-Patent Document 1). The harmonic synchronous detection method is known as a particularly sensitive detection method among infrared absorption spectroscopy, and is an effective detection method when the amount of light absorption of a measurement target component is very small.

高調波同期検出法について非特許文献1に基づいて説明する。高調波検出を行なう必要がある場合のように、測定対象成分の光吸収量が微小な場合、Lambert−Beerの法則である(1)式は次の(8)式で近似することができる。

Figure 0005370248
The harmonic synchronization detection method will be described based on Non-Patent Document 1. When the amount of light absorption of the component to be measured is very small as in the case where harmonic detection is necessary, the Lambert-Beer law (1) can be approximated by the following (8).
Figure 0005370248

高調波検出を行なうためには、測定対象成分へ照射する光の周波数を変調させる必要がある。周波数変調のための正弦波信号の変調振幅をa、周波数をωとすると、時間tにおける光の周波数は次の(9)式で規定される。

Figure 0005370248
In order to perform harmonic detection, it is necessary to modulate the frequency of the light applied to the measurement target component. When the modulation amplitude of the sine wave signal for frequency modulation is a and the frequency is ω, the frequency of light at time t is defined by the following equation (9).
Figure 0005370248

2次高調波検出(Second Harmonic Detection)では、受光部からの検出信号のうち2倍の周波数2ωに対応した信号成分を同期検波により抽出する。周波数νにおける2次高調波検出信号強度Signal(ν)は光吸収量が微小な場合、次の(10)式のような関係となる。したがって,(8)式から,次の(11)式の関係が得られる。(11)式においてconstは比例定数であり、検出器及び同期検出回路の感度によって変化する。この比例定数constの決定方法は、上述の(1)式に基づく測定で分子数密度が算出されたガスなど、あらかじめ既知の分子数密度のガスを測定することで決定する。
Signal(ν)∝(I0(ν)−I(ν)) (10)

Figure 0005370248
In the second harmonic detection, a signal component corresponding to the double frequency 2ω is extracted by synchronous detection from the detection signal from the light receiving unit. The second-order harmonic detection signal intensity Signal (ν) at the frequency ν has a relationship represented by the following equation (10) when the amount of light absorption is very small. Therefore, the relationship of the following equation (11) is obtained from the equation (8). In the equation (11), const is a proportionality constant and varies depending on the sensitivity of the detector and the synchronization detection circuit. The method for determining the proportionality constant const is determined by measuring a gas having a known molecular number density in advance, such as a gas whose molecular number density has been calculated by the measurement based on the above equation (1).
Signal (ν) ∝ (I 0 (ν) −I (ν)) (10)
Figure 0005370248

特開平5−099845号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-099845 特開2002−184767号公報JP 2002-184767 A

ウエブスター(C.R.Webster),「インフラレッド・レーザ・アブソープション:セオリー・アンド・アプリケーションズ・イン・レーザ・リモート・ケミカル・アナリシス(Infrared Laser Absorption : Theory and Applications in Laser Remote Chemical Analysis)」,ウィレイ(Wiley),New York(ニュー・ヨーク),1988Webster (CRWebster), “Infrared Laser Absorption: Theory and Applications in Laser Remote Chemical Analysis”, Wiley ( Wiley), New York, 1988

高調波同期検出法は高感度である反面、上記(8)式の近似が成り立つ条件でしか正確な測定ができない。したがって、測定対象成分が低い分子数密度のときは正確な検出結果が得られるものの、測定対象成分が高い分子数密度になると正確な結果を得られなくなる。   While the harmonic synchronization detection method is highly sensitive, accurate measurement can be performed only under the condition that the approximation of the above equation (8) holds. Therefore, although an accurate detection result can be obtained when the measurement target component has a low molecular number density, an accurate result cannot be obtained when the measurement target component has a high molecular number density.

レーザ吸収分光法でも,I00)とI(ν0)とを直接測定し(4)式や(7)式から測定対象成分の分子数密度を得る方法(以下、直接吸収スペクトル法)は、例えば大気環境中の水分分子数密度のような比較的高い分子数密度の水分を含む試料の測定に使用されるのに対し、高調波同期検出法は半導体製造ラインで使用される特殊ガス中の極微量の水分分子数密度測定というような分野で使用されている。また、両測定法は検出回路の構成も異なることから、それぞれが別々の測定装置として構成されており、両測定方法に兼用できる測定装置は存在しない。 Also in laser absorption spectroscopy, a method of directly measuring I 00 ) and I (ν 0 ) and obtaining the molecular number density of the component to be measured from the equations (4) and (7) (hereinafter referred to as the direct absorption spectrum method). ) Is used for the measurement of samples containing water with a relatively high molecular number density, such as the number of water molecules in the atmospheric environment, whereas the harmonic synchronous detection method is a special technique used in semiconductor manufacturing lines. It is used in fields such as the measurement of the trace density of water molecules in gas. Further, since both measurement methods have different detection circuit configurations, each is configured as a separate measurement device, and there is no measurement device that can be used for both measurement methods.

したがって、直接吸収スペクトル法を用いた装置で測定しているときに測定対象成分の分子数密度が急に低下した場合や、逆に高調波同期検出法の測定装置での測定中に測定対象成分の分子数密度が急に高くなったような場合には、いずれも正確な測定結果を得ることができない。   Therefore, if the molecular number density of the measurement target component suddenly decreases when measuring with a device using the direct absorption spectrum method, or conversely during measurement with the measurement device of the harmonic synchronous detection method In the case where the molecular number density suddenly increases, accurate measurement results cannot be obtained in any case.

そこで本発明は、試料ガス中における測定対象成分の分子数密度を、広いダイナミックレンジで測定することができるようにするとともに、分子数密度が急に変化した場合でも測定方式の切替えのために測定を中断することなく、連続して測定することのできるガス分析装置を提供することを目的とするものである。   Therefore, the present invention makes it possible to measure the molecular number density of the component to be measured in the sample gas with a wide dynamic range, and to measure the switching of the measurement method even when the molecular number density suddenly changes. An object of the present invention is to provide a gas analyzer capable of continuously measuring without interrupting the above.

本発明にかかるガス分析装置は、試料ガスを流通させる試料セルと、前記試料セルに対して試料ガス中の測定対象成分が吸収をもつ特定の光周波数のレーザ光を照射するレーザ照射部と、前記レーザ光を照射するための駆動電流を前記レーザ照射部に印加する光源駆動部と、前記光源駆動部から前記レーザ照射部に印加する前記駆動電流を第1の周波数faの変調周波数で変調する変調部と、前記試料セル内部を通過した前記レーザ光を受光する受光部と、前記受光部の光検出信号を前記変調周波数の整数倍の周波数で同期検波して高調波同期検出法により高調波信号強度Signal(ν)を検出する第1信号処理部と、前記受光部の光検出信号を前記第1信号処理部を経ずに取り込み、周波数フィルタによって前記第1の周波数fa以上の周波数成分を遮断し、前記特定の光周波数での光強度信号I(ν)を検出する第2信号処理部と、前記第1信号処理部で検出された高調波信号強度Signal(ν)及び前記第2信号処理部で検出された光強度信号I(ν)を取り込み、試料ガス中の前記測定対象成分の分子数密度cを算出する演算部とを備えている。   A gas analyzer according to the present invention includes a sample cell in which a sample gas is circulated, a laser irradiation unit that irradiates the sample cell with a laser beam having a specific optical frequency in which a measurement target component in the sample gas has absorption, A light source driving unit that applies a driving current for irradiating the laser light to the laser irradiating unit, and the driving current that is applied from the light source driving unit to the laser irradiating unit is modulated with a modulation frequency of a first frequency fa. A modulation unit, a light receiving unit that receives the laser light that has passed through the sample cell, and a harmonic detection by a harmonic synchronous detection method by synchronously detecting a light detection signal of the light receiving unit at a frequency that is an integral multiple of the modulation frequency A first signal processing unit for detecting a signal intensity Signal (ν), and a light detection signal of the light receiving unit is captured without passing through the first signal processing unit, and a frequency component equal to or higher than the first frequency fa by a frequency filter; A second signal processing unit that detects the light intensity signal I (ν) at the specific optical frequency, and the harmonic signal intensity Signal (ν) detected by the first signal processing unit and the second A calculation unit that takes in the light intensity signal I (ν) detected by the signal processing unit and calculates the molecular number density c of the measurement target component in the sample gas.

そして、前記演算部は、前記レーザ光が前記特定の光周波数において前記測定対象成分による吸収を受けなかったときの参照光強度信号をI0(ν)として、前記高調波信号強度Signal(ν)と参照光強度信号I0(ν)とから試料ガス中における測定対象成分分子数密度cを算出する第1演算手段と、前記光強度信号I(ν)と参照光強度信号I0(ν)とから直接吸収スペクトル測定法により試料ガス中における測定対象成分分子数密度cを算出する第2演算手段を備えている。 Then, the calculation unit sets the reference light intensity signal when the laser light is not absorbed by the measurement target component at the specific optical frequency as I 0 (ν), and the harmonic signal intensity Signal (ν) And a reference light intensity signal I 0 (ν), a first calculation means for calculating a measurement target component molecule number density c in the sample gas, the light intensity signal I (ν) and the reference light intensity signal I 0 (ν). The second calculating means for calculating the measurement target component molecule number density c in the sample gas by the direct absorption spectrum measurement method.

本発明では、演算部は第1信号処理部で抽出された信号と第2信号処理部で抽出された信号を常に取り込み、測定対象成分の分子数密度、具体的には測定対象成分の吸収線の特定の光周波数、好ましくは中心周波数、における信号強度に応じて、高調波同期検出法(第1演算手段)により求められた測定対象成分の分子数密度又は直接吸収スペクトル法(第2演算手段)により求められた測定対象成分の分子数密度のいずれか一方を選択する。既述のように、高調波同期検出法は高感度である反面、分子数密度が高い場合に直線性の不一致が生じる。一方、直接吸収スペクトル法は、感度は高調波同期検出法に比べて低いものの高い分子数密度であっても測定可能である。本発明に係るガス分析装置は、上記2つの測定方法を同じレ−ザ制御系を用い、一回の受光信号から高調波同期検出法に用いるための信号と直接吸収スペクトル法に用いるための信号を並列的に抽出し、それらの信号に基づいて測定対象成分の分子数密度に対して適当な測定手段による測定対象成分の分子数密度を採用する。これにより、両検出法の欠点を補い、広い分子数密度範囲で測定できるとともに連続的な測定が可能になる。   In the present invention, the calculation unit always takes in the signal extracted by the first signal processing unit and the signal extracted by the second signal processing unit, and the molecular number density of the measurement target component, specifically, the absorption line of the measurement target component The number density of molecules to be measured or the direct absorption spectrum method (second calculation means) obtained by the harmonic synchronous detection method (first calculation means) according to the signal intensity at a specific optical frequency, preferably the center frequency. ) To select one of the molecular number densities of the components to be measured. As described above, the harmonic synchronous detection method is highly sensitive, but linearity mismatch occurs when the molecular number density is high. On the other hand, the direct absorption spectrum method can be measured even at a high molecular number density although the sensitivity is lower than that of the harmonic synchronous detection method. The gas analyzer according to the present invention uses the same laser control system for the above two measurement methods, a signal for use in the harmonic synchronous detection method from a single received light signal, and a signal for use in the direct absorption spectrum method. Are extracted in parallel, and the molecular number density of the component to be measured by an appropriate measuring means is adopted for the molecule number density of the component to be measured based on these signals. This compensates for the shortcomings of both detection methods and enables measurement in a wide molecular number density range as well as continuous measurement.

演算部は、両演算手段で得られた測定結果を同時に出力してもよく、切替え手段を備えて試料中の測定対象成分の分子数密度に応じて精度の高い方を自動的に選択して出力するようにしてもよい。そのような切替え手段は、光強度信号I(ν)と参照光強度信号I0(ν)とから試料中の測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法による測定に適した低い分子数密度であるか又はそれより高い分子数密度で直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるかを判定し、高調波同期検出法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得たときは第1演算手段による算出分子数密度cを出力し、直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得たときは第2演算手段による算出分子数密度cを出力するように出力を切り替えるものである。 The calculation unit may output the measurement results obtained by both the calculation means at the same time, and is equipped with a switching means to automatically select the one with higher accuracy according to the molecular number density of the measurement target component in the sample. You may make it output. Such a switching means has a low molecular number suitable for measurement by the harmonic synchronous detection method in which the molecular number density of the component to be measured in the sample is based on the light intensity signal I (ν) and the reference light intensity signal I 0 (ν). Judgment whether the molecular number density is suitable for the measurement by the direct absorption spectrum measurement method with the molecular number density higher than that, or the molecular number density suitable for the measurement by the harmonic synchronous detection method When the result is obtained, the calculated molecular number density c by the first calculating means is output, and when the determination result that the molecular number density is suitable for the measurement by the direct absorption spectrum measuring method is obtained, the calculating is performed by the second calculating means. The output is switched so as to output the molecular number density c.

切替え手段の第1の形態は、(8)式中にある近似が成立するかどうかの判断ができる手段であり、そのような判断ができる手段であればいかなる手段でもよい。具体的には、ln(I0(ν)/I(ν))又は(I0(ν)−I(ν))/I0(ν)の何れかの値を常に測定しておき、それらの値が予め設定した閾値以下のときには高調波同期検出法による測定に適した低い分子数密度であるとの判定結果を得、前記差がその設定割合よりも大きいときに直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得るものである。 The first form of the switching means is means that can determine whether or not an approximation in equation (8) holds, and any means that can make such determination may be used. Specifically, one of ln (I 0 (ν) / I (ν)) or (I 0 (ν) −I (ν)) / I 0 (ν) is always measured, When the value of is less than or equal to a preset threshold value, a determination result that the molecular number density is low suitable for measurement by the harmonic synchronous detection method is obtained, and when the difference is larger than the set ratio, the direct absorption spectrum measurement method is used. A determination result that the molecular number density is suitable for measurement is obtained.

切替え手段の第2の形態は、参照光強度信号I0(ν)と光強度信号I(ν)との差I0(ν)−I(ν)を用いる手段である。具体的には、その差I0(ν)−I(ν)が予め設定した閾値よりも小さいときに高調波同期検出法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得、前記差がその設定値よりも大きいときに直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得るものである。判定のための設定値をいくらにするかは測定装置に応じて決める。 A second form of the switching means is means for using a difference I 0 (ν) −I (ν) between the reference light intensity signal I 0 (ν) and the light intensity signal I (ν). Specifically, when the difference I 0 (ν) −I (ν) is smaller than a preset threshold value, the determination result that the molecular number density is suitable for measurement by the harmonic synchronous detection method is obtained, When the difference is larger than the set value, the determination result that the molecular number density is suitable for the measurement by the direct absorption spectrum measurement method is obtained. The setting value for determination is determined according to the measuring device.

光源駆動部の第1の形態として、レーザ照射部から照射されるレーザ光の光周波数が測定対象成分の吸収域にある特定の光周波数となるようにレーザ照射部に印加する駆動電流を設定してレーザ光の光周波数を固定するものを挙げることができる。この場合はレーザ光が特定の光周波数において測定対象成分による吸収を受けなかったときの参照光強度信号I0(ν)を別途測定しておく必要があるので、演算部は参照光強度信号I0(ν)を保持する参照光強度信号I0(ν)保持部を備えている。そして、第1演算手段と第2演算手段は参照光強度信号I0(ν)として参照光強度信号I0(ν)保持部に保持されている参照光強度信号I0(ν)値を使用する。 As a first form of the light source drive unit, a drive current applied to the laser irradiation unit is set so that the optical frequency of the laser light emitted from the laser irradiation unit becomes a specific optical frequency in the absorption region of the measurement target component. And fixing the optical frequency of laser light. In this case, it is necessary to separately measure the reference light intensity signal I 0 (ν) when the laser light is not absorbed by the measurement target component at a specific optical frequency. 0 ([nu) and a reference light intensity signal I 0 (ν) storage unit storing. Then, using the first operation means and the second computing means the reference light intensity signal I 0 reference beam intensity signal as (ν) I 0 (ν) see held in the holding unit light intensity signal I 0 ([nu) value To do.

レーザ光の光周波数が測定対象成分の吸収域にある特定の光周波数として最も好ましいのは測定対象成分の吸収線の中心周波数(ν0)である。その場合には吸収が最も大きくなるので、S/N(信号対ノイズ)比の最もよい測定を行うことができる。レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数(ν0)に設定するためには、光源駆動部はレーザ照射部を駆動するための駆動電流を厳密に制御する必要があるので、性能のよい光源駆動部が必要となる。レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数(ν0)に厳密に設定するのが難しい場合であっても、S/N比の低下を許容できる範囲であれば本発明の所期の目的を達成することができる。そのため、光源駆動部の第1の形態を備えた本発明では、レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数(ν0)に設定する場合だけでなく、吸収域内で中心周波数(ν0)から外れた光周波数に設定する場合も含んでいる。 The center frequency (ν 0 ) of the absorption line of the measurement target component is most preferable as the specific optical frequency in which the optical frequency of the laser light is in the absorption range of the measurement target component. In that case, the absorption becomes the largest, so that the measurement with the best S / N (signal to noise) ratio can be performed. In order to set the optical frequency of the laser light to the center frequency (ν 0 ) of the absorption line of the measurement target component, the light source drive unit needs to strictly control the drive current for driving the laser irradiation unit. A light source driving unit with good performance is required. Even if it is difficult to strictly set the optical frequency of the laser beam to the center frequency (ν 0 ) of the absorption line of the measurement target component, the present invention is not limited to a range that allows a decrease in the S / N ratio. The purpose of the period can be achieved. Therefore, in the present invention having the first form of the light source driving unit, not only the case where the optical frequency of the laser light is set to the center frequency (ν 0 ) of the absorption line of the measurement target component, but also the center frequency ( This includes the case where the optical frequency is deviated from (ν 0 ).

光源駆動部の第2の形態は、レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の特定の光周波数に固定しないものである。この場合、レーザ照射部が測定対象成分による吸収を受けない光周波数のレーザ光まで発振するようにレーザ照射部に印加するレーザ駆動電流を変化させるレーザ波長走査用電流生成部を備える。そして、第2信号処理部は、レーザ波長走査用電流生成部によってレーザ照射部が測定対象成分による吸収を受けない光周波数のレーザ光を発振したときのその吸収を受けない光周波数における透過光強度も測定し、その結果から近似的に測定対象成分による光吸収がない場合に相当する特定の光周波数での参照光強度信号I0(ν)を算出する部分を備える。この場合は、レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数(ν0)に厳密に設定する必要がないので、光源駆動部の性能に対する要請が緩和される。さらに、第2信号処理部において参照光強度信号I0(ν)も求めることができるので、参照光強度信号I0(ν)を予め測定する必要もなくなる。 The 2nd form of a light source drive part does not fix the optical frequency of a laser beam to the specific optical frequency of the absorption line of a measuring object component. In this case, a laser wavelength scanning current generation unit is provided that changes the laser drive current applied to the laser irradiation unit so that the laser irradiation unit oscillates to laser light having an optical frequency that is not absorbed by the measurement target component. The second signal processing unit transmits the transmitted light intensity at the optical frequency that does not receive the laser light when the laser wavelength scanning current generation unit oscillates the laser beam having the optical frequency that is not absorbed by the measurement target component. And a portion for calculating a reference light intensity signal I 0 (ν) at a specific optical frequency corresponding to the case where there is approximately no light absorption by the measurement target component. In this case, since it is not necessary to strictly set the optical frequency of the laser light to the center frequency (ν 0 ) of the absorption line of the measurement target component, the demand for the performance of the light source driving unit is eased. Furthermore, since the reference light intensity signal I 0 (ν) can be obtained in the second signal processing unit, it is not necessary to measure the reference light intensity signal I 0 (ν) in advance.

レーザ波長走査用電流生成部の好ましい一例は、第1の周波数faよりも低い第2の周波数fb周期の鋸波を発生させるものである。   A preferred example of the laser wavelength scanning current generator generates a sawtooth wave having a period of the second frequency fb lower than the first frequency fa.

レーザ照射部から照射されるレーザ光の光周波数を固定する第1の形態の光源駆動部を備えた場合においても、参照光強度信号I0(ν)も同時に検出することができるようにするための形態として、試料セルとレーザ照射部との間にビームスプリッタを配置し、そのビームスプリッタによりレーザ照射部から出射されたレーザ光を、試料セル内に入射するレーザ光と試料セルに入射しないレーザ光に分岐させる。そして、ビームスプリッタにより分岐されて試料セルに入射しない側のレーザ光を受光する参照用受光部をさらに備える。その場合、第2信号処理部は、参照用受光部による検出信号を周波数フィルタによって第1の周波数fa成分以上を遮断し、その処理後に現れた特定の光周波数での光強度を検出して、それを測定対象成分による光吸収がない場合に相当する特定の光周波数での参照光強度信号I0(ν)とする部分を備えている。 In order to be able to detect the reference light intensity signal I 0 (ν) at the same time even when the light source driving unit of the first form for fixing the optical frequency of the laser light emitted from the laser irradiation unit is provided. As a form, a beam splitter is arranged between the sample cell and the laser irradiation unit, and laser light emitted from the laser irradiation unit by the beam splitter is incident on the sample cell and laser not incident on the sample cell. Branch to light. A reference light receiving unit is further provided for receiving the laser beam branched by the beam splitter and not incident on the sample cell. In that case, the second signal processing unit blocks the detection signal from the reference light receiving unit by using a frequency filter to block the first frequency fa component or more, detects the light intensity at a specific optical frequency that appears after the processing, There is provided a portion which becomes a reference light intensity signal I 0 (ν) at a specific optical frequency corresponding to the case where there is no light absorption by the measurement target component.

高調波同期検出法は高感度である反面、分子数密度が高い場合に直線性の不一致が生じる。一方、直接吸収スペクトル法は、感度は相対的に低いものの、高い分子数密度であっても測定可能である。本発明に係るガス分析装置はこれらの2つの測定手段を同じレーザ制御系を用いて一回の受光信号から並列的に測定するので、両検出法の欠点を補い、測定分子数密度範囲を拡大し、かつ測定の連続性を保つことを可能にしている。   While the harmonic synchronous detection method is highly sensitive, linearity mismatch occurs when the molecular number density is high. On the other hand, although the direct absorption spectrum method has a relatively low sensitivity, it can be measured even at a high molecular number density. Since the gas analyzer according to the present invention measures these two measuring means in parallel from a single received light signal using the same laser control system, it compensates for the disadvantages of both detection methods and expands the density range of the number of molecules to be measured. In addition, it is possible to maintain measurement continuity.

なお,本発明において測定対象である特定ガスの種類は特に問わないが、分子数密度変化が大きいものに有効であることから、例えば測定対象ガス中の水分の分子数密度測定などに有用である。   In the present invention, the type of the specific gas to be measured is not particularly limited, but it is effective for measuring the molecular number density of water in the gas to be measured because it is effective for those having a large change in molecular number density. .

第1実施例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows 1st Example. 第1実施例における信号処理系統の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the signal processing system | strain in 1st Example. 第1実施例における演算部を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the calculating part in 1st Example. 図2A中の信号を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the signal in FIG. 2A. 第1実施例における信号処理動作及び演算処理動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the signal processing operation and arithmetic processing operation in 1st Example. 第2実施例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows 2nd Example. 第2実施例における演算部を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the calculating part in 2nd Example. ~ 図4A中の信号を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the signal in FIG. 4A. 第2実施例における第1信号処理部により抽出される光検出信号の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the photon detection signal extracted by the 1st signal processing part in the 2nd example. 第2実施例における第2信号処理部により抽出される光検出信号の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the photon detection signal extracted by the 2nd signal processing part in the 2nd example. 第2実施例における信号処理動作及び演算処理動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the signal processing operation | movement and arithmetic processing operation in 2nd Example. 第3実施例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows 3rd Example. 第3実施例における演算部を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the calculating part in 3rd Example.

[実施例1]
本発明の第1実施例を図1及び図2A、2Bを用いて説明する。この実施例のガス分析装置は、測定対象成分中の水分の分子数密度を測定する水分測定装置である。
[Example 1]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2A and 2B. The gas analyzer of this embodiment is a moisture measuring device that measures the molecular number density of moisture in the measurement target component.

この実施例のガス分析装置は、図1に示されるように、試料ガスを上から下向きに流通させるガス流路上に略水平方向に配置された試料セル2を備えている。試料セル2の左右の開口端に互いに対向する2枚の反射鏡10a,10bが設けられている。一方の反射鏡10aの一部には光のみが通過可能なように例えば石英ガラスからなる透明窓10cが設けられ、その透明窓10cを挟んで試料セル2の外側に、略密閉構造で略大気圧雰囲気である光学チャンバ4が設置されている。光学チャンバ4内にはレーザ照射部としての波長可変レーザ装置6が収納され、さらに受光部8も収納されている。光学チャンバ4内では妨害成分である水分が除湿剤やパ−ジガスなどにより除去され、その分子数密度が無視できる程度に小さくされ、その状態が維持できるように密閉され、外気が侵入しないように光学チャンバ4内が外気と同じ大気圧状態になっている。「略密閉構造で略大気圧雰囲気」とは、光学チャンバ6内の水分除去状態が維持できる状態を指している。   As shown in FIG. 1, the gas analyzer of this embodiment includes a sample cell 2 arranged in a substantially horizontal direction on a gas flow path for flowing a sample gas downward from above. Two reflecting mirrors 10 a and 10 b facing each other are provided at the left and right opening ends of the sample cell 2. A part of one reflecting mirror 10a is provided with a transparent window 10c made of, for example, quartz glass so that only light can pass through. The transparent window 10c is sandwiched between the sample cell 2 and a substantially sealed structure. An optical chamber 4 that is an atmospheric pressure atmosphere is installed. In the optical chamber 4, a wavelength tunable laser device 6 as a laser irradiation unit is accommodated, and a light receiving unit 8 is also accommodated. In the optical chamber 4, moisture that is an interfering component is removed by a dehumidifying agent, purge gas, or the like, and its molecular number density is reduced to a negligible level, sealed so that the state can be maintained, and outside air does not enter. The inside of the optical chamber 4 is at the same atmospheric pressure as the outside air. The “substantially sealed structure and substantially atmospheric pressure atmosphere” refers to a state in which the moisture removal state in the optical chamber 6 can be maintained.

なお、図1の例では、試料セル2へのレーザ光の入射用と出射用とで透明窓10cが兼用されているが、入射用と出射用とで別々に透明窓を設ける構成としてもよい。   In the example of FIG. 1, the transparent window 10c is used for both the incidence and emission of the laser beam to the sample cell 2, but a configuration in which transparent windows are separately provided for incidence and emission is also possible. .

波長可変レーザ装置6は例えばDFB型レ−ザであり、近赤外領域から中赤外領域にわたる光周波数のレーザ光を発生させることができる。波長可変レーザ装置6としてはDFB型レーザ以外のものも使用することができる。波長可変レーザ装置6は光源駆動部12からの駆動電流により駆動される。光源駆動部12は、波長可変レーザ装置6から測定対象成分の吸収線の中心周波数ν0と同じ周波数のレーザ光を発生させるように波長可変レーザ装置6に駆動電流を与えるものである。光源駆動部12は制御部14により制御される。光源駆動部12から波長可変レーザ装置6に与えられる駆動電流は変調部16によって変調周波数faで変調される。変調部16については後述する。 The wavelength tunable laser device 6 is a DFB laser, for example, and can generate laser light having an optical frequency ranging from the near infrared region to the mid infrared region. As the wavelength tunable laser device 6, a laser other than the DFB type laser can be used. The wavelength tunable laser device 6 is driven by a drive current from the light source drive unit 12. The light source drive unit 12 supplies a drive current to the wavelength tunable laser device 6 so as to generate laser light having the same frequency as the center frequency ν 0 of the absorption line of the measurement target component from the wavelength tunable laser device 6. The light source driving unit 12 is controlled by the control unit 14. The drive current given from the light source drive unit 12 to the wavelength tunable laser device 6 is modulated by the modulation unit 16 at the modulation frequency fa. The modulation unit 16 will be described later.

波長可変レーザ装置6からのレーザ光は試料セル2内に照射され、反射鏡10a,10bで複数回反射を繰り返した後、反射鏡10aの透明窓10cから再び光学チャンバ4に戻り、受光部8に入射するように構成されている。レーザ光は、ガス流路を通過する際に測定対象成分中の各種成分による吸収を受ける。受光部8は受光素子としてフォトダイオードを備え、フォトダイオードに入射した各周波数の光量を電気信号として出力する。受光部8から出力された信号は第1信号処理部18と第2信号処理部20で所定の処理が施され、演算部22に取り込まれる。   The laser light from the wavelength tunable laser device 6 is irradiated into the sample cell 2, and after being reflected by the reflecting mirrors 10a and 10b a plurality of times, returns to the optical chamber 4 from the transparent window 10c of the reflecting mirror 10a, and the light receiving unit 8 It is comprised so that it may inject into. The laser beam is absorbed by various components in the measurement target component when passing through the gas flow path. The light receiving unit 8 includes a photodiode as a light receiving element, and outputs the light amount of each frequency incident on the photodiode as an electric signal. The signal output from the light receiving unit 8 is subjected to predetermined processing by the first signal processing unit 18 and the second signal processing unit 20, and is taken into the calculation unit 22.

第1信号処理部18では、受光部8からの検出信号が変調部16から与えられる周波数2faのクロック信号を参照信号として同期検波され、周波数2faの信号が抽出される。もちろん、周波数2faとはfaの2倍の周波数を意味する。第1信号処理部18で抽出された信号の強度がSignal(ν0)である。他方、第2信号処理部20では周波数がfa未満の信号が抽出される。第2信号処理部20で抽出された信号の強度がI(ν0)である。第1信号処理部18で抽出される信号強度Signal(ν0)は高調波同期検出法による測定を行なうための信号であり、第2信号処理部20で抽出される信号I(ν0)は直接吸収スペクトル法による測定を行なうための信号である。 In the first signal processing unit 18, the detection signal from the light receiving unit 8 is synchronously detected using the clock signal with the frequency 2 fa provided from the modulation unit 16 as a reference signal, and the signal with the frequency 2 fa is extracted. Of course, the frequency 2fa means twice the frequency of fa. The intensity of the signal extracted by the first signal processing unit 18 is Signal (ν 0 ). On the other hand, the second signal processing unit 20 extracts a signal having a frequency less than fa. The intensity of the signal extracted by the second signal processing unit 20 is I (ν 0 ). The signal intensity Signal (ν 0 ) extracted by the first signal processing unit 18 is a signal for performing measurement by the harmonic synchronous detection method, and the signal I (ν 0 ) extracted by the second signal processing unit 20 is It is a signal for performing measurement by the direct absorption spectrum method.

演算部22は、第1信号処理部18により抽出された信号に基づいて高調波同期検出法を用いた測定対象成分の分子数密度の演算を行なう第1演算手段23−1と、第2信号処理部20により抽出された信号に基づいて直接吸収スペクトル法を用いた測定対象成分の分子数密度の演算を行なう第2演算手段23−2と、測定対象成分による光の吸収がない場合の信号強度(参照光強度信号)I0(ν0)を保持するメモリからなる参照光強度信号I0(ν0)保持部23−3と、測定対象成分の分子数密度に応じていずれの演算手段23−1又は23−2の出力を採用するかを決定する切替え手段25を備えて測定対象成分の分子数密度の演算を行なう。 The calculation unit 22 includes a first calculation unit 23-1 that calculates the molecular number density of the measurement target component using the harmonic synchronization detection method based on the signal extracted by the first signal processing unit 18, and a second signal. Second calculation means 23-2 for calculating the molecular number density of the measurement target component using the direct absorption spectrum method based on the signal extracted by the processing unit 20, and a signal when there is no light absorption by the measurement target component Reference light intensity signal I 00 ) holding unit 23-3 including a memory for holding intensity (reference light intensity signal) I 00 ), and any calculation means according to the molecular number density of the measurement target component A switching means 25 for determining whether to use the output of 23-1 or 23-2 is provided, and the molecular number density of the measurement target component is calculated.

同実施例の信号処理系統の一例の詳細を図2A、2B、2Cを用いてさらに説明する。この例では、図1における光源駆動部12は、発振するレーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数ν0に合わせるためのオフセット直流電圧発生部24、加算器26及び電圧/電流変換器28で構成される。オフセット直流電圧発生部24は測定対象成分の吸収線の中心周波数のレーザ光が波長可変レーザ装置6から発せられるような電圧信号24Sを発生するものであり、加算器26を介して電圧/電流変換器28に接続されている。加算器26はオフセット直流電圧発生部24からの電圧信号24Sに変調部16からの周波数faの変調波を加算するものであり、加算器26を経て周波数faで変調された電圧信号24Sが電圧/電流変換器28で駆動電流に変換されて波長可変レーザ装置6に供給される。 Details of an example of the signal processing system of the embodiment will be further described with reference to FIGS. 2A, 2B, and 2C. In this example, the light source driver 12 in FIG. 1 includes an offset DC voltage generator 24, an adder 26, and a voltage / current for adjusting the optical frequency of the oscillating laser light to the center frequency ν 0 of the absorption line of the measurement target component. The converter 28 is configured. The offset DC voltage generator 24 generates a voltage signal 24S such that the laser light having the center frequency of the absorption line of the measurement target component is emitted from the wavelength tunable laser device 6, and the voltage / current conversion is performed via the adder 26. Connected to the device 28. The adder 26 adds the modulation wave of the frequency fa from the modulation unit 16 to the voltage signal 24S from the offset DC voltage generation unit 24, and the voltage signal 24S modulated at the frequency fa through the adder 26 is voltage / It is converted into a drive current by the current converter 28 and supplied to the wavelength tunable laser device 6.

変調部16は、周波数2faのクロック信号を生成する2faクロック生成部30、変調振幅制御用直流電圧を発生させる直流電圧発生部32、周波数2faのクロック信号を周波数faのクロックに変換する分周器34、乗算器36及び周波数fa付近の信号を抽出するための周波数fa±数百Hzの透過域をもつバンドパスフィルタ(BPF1)38で構成されている。変調振幅制御用直流電圧は任意の電圧でよいが、あまり大きすぎると後述の第2信号処理部20で検出する信号強度I(ν0)の中に他の光周波数の成分の影響が強く現れてしまい、正確な測定が出来なくなる。変調部16では、2faクロック生成部30で生成された周波数2faのクロック信号が分周器34で周波数faのクロック信号に変換され、そのクロック信号は乗算器36にて変調振幅制御用直流電圧と掛け合わされた後、バンドパスフィルタ38で正弦波に変換される。バンドパスフィルタ38は移相器39を介して加算器26に接続されており、バンドパスフィルタ38からの信号電圧は移相器39で位相調整された後でオフセット直流電圧発生部24からの電圧に加算される。 The modulation unit 16 includes a 2fa clock generation unit 30 that generates a clock signal with a frequency 2fa, a DC voltage generation unit 32 that generates a modulation amplitude control DC voltage, and a frequency divider that converts the clock signal with a frequency 2fa into a clock with a frequency fa. 34, a multiplier 36, and a band pass filter (BPF1) 38 having a transmission range of frequency fa ± several hundreds Hz for extracting a signal in the vicinity of the frequency fa. The modulation amplitude control DC voltage may be an arbitrary voltage, but if it is too large, the influence of other optical frequency components appears strongly in the signal intensity I (ν 0 ) detected by the second signal processing unit 20 described later. As a result, accurate measurement cannot be performed. In the modulation unit 16, the clock signal having the frequency 2fa generated by the 2fa clock generation unit 30 is converted into a clock signal having the frequency fa by the frequency divider 34, and the clock signal is converted into a modulation amplitude control DC voltage by the multiplier 36. After being multiplied, the band pass filter 38 converts it into a sine wave. The bandpass filter 38 is connected to the adder 26 via a phase shifter 39, and the signal voltage from the bandpass filter 38 is phase-adjusted by the phase shifter 39 and then the voltage from the offset DC voltage generator 24. Is added to

この実施例では、移相器39を変調部16の直後に配置したが、例えば第1信号処理部18の前などで位相調整を行なうなど、同期検波することが可能であれば移相器39をどこに配置してもよい。   In this embodiment, the phase shifter 39 is arranged immediately after the modulation unit 16. However, for example, if phase detection is performed in front of the first signal processing unit 18 or the like, it is possible to perform synchronous detection. Can be placed anywhere.

受光部8は、フォトダイオード(PD)40と電流/電圧変換器42で構成されている。フォトダイオード40は試料セル2内で複数回反射して再び光学チャンバ4内へ戻されたレーザ光を受光し、入射強度を電気信号として出力する。電流/電圧変換器42はフォトダイオード40からの信号電流を電圧に変換し、第1信号処理部18及び第2信号処理部20へ出力する。   The light receiving unit 8 includes a photodiode (PD) 40 and a current / voltage converter 42. The photodiode 40 receives the laser light reflected in the sample cell 2 a plurality of times and returned to the optical chamber 4 again, and outputs the incident intensity as an electric signal. The current / voltage converter 42 converts the signal current from the photodiode 40 into a voltage and outputs the voltage to the first signal processing unit 18 and the second signal processing unit 20.

第1信号処理部18は乗算器からなる同期検波部44、ローパスフィルタ(LPF1)46及びA/Dコンバータ(ADC1)48で構成されている。図2Cに信号波形が示されているように、受光部8からの検出信号42Sは周波数faの信号のほかに周波数2faその他の高調波成分も含んでいる。同期検波部44では変調部16の2faクロック生成部30からの周波数2faのクロック信号が乗算されて、周波数2fa成分の波形の半分が反転し、周波数2fa以外の周波数成分が除去されて信号44Sとなる。この信号44Sがローパスフィルタ46を通ることにより、周波数2faの高調波成分のピーク信号強度Signal(ν0)46が抽出される。A/Dコンバータ48で信号強度Signal(ν0)がデジタル信号に変換された後、演算部22に取り込まれる。 The first signal processing unit 18 includes a synchronous detection unit 44 including a multiplier, a low-pass filter (LPF1) 46, and an A / D converter (ADC1) 48. As shown in the signal waveform of FIG. 2C, the detection signal 42S from the light receiving unit 8 includes a frequency 2fa and other harmonic components in addition to the signal of the frequency fa. The synchronous detection unit 44 multiplies the clock signal of the frequency 2fa from the 2fa clock generation unit 30 of the modulation unit 16 to invert half of the waveform of the frequency 2fa component, and removes the frequency component other than the frequency 2fa to obtain the signal 44S. Become. By passing this signal 44S through the low-pass filter 46, the peak signal intensity Signal (ν 0 ) 46 of the harmonic component of the frequency 2fa is extracted. The signal strength Signal (ν 0 ) is converted into a digital signal by the A / D converter 48 and then taken into the arithmetic unit 22.

第2信号処理部20はローパスフィルタ(LPF)50及びA/Dコンバータ52で構成されている。ローパスフィルタ50には受光部8からの信号42Sが取り込まれ、吸収ピークの変動成分のみが信号50Sとして通過する。その信号50Sが信号強度I(ν0)である。ローパスフィルタ50としては、例えば応答速度が1秒であれば0.1秒程度の時定数をもつものが適当である。その信号強度I(ν0)はA/Dコンバータ52でデジタル信号に変換された後、演算部22に取り込まれる。 The second signal processing unit 20 includes a low pass filter (LPF) 50 and an A / D converter 52. The low-pass filter 50 receives the signal 42S from the light receiving unit 8, and only the fluctuation component of the absorption peak passes as the signal 50S. The signal 50S is the signal intensity I (ν 0 ). As the low-pass filter 50, for example, if the response speed is 1 second, a filter having a time constant of about 0.1 seconds is appropriate. The signal intensity I (ν 0 ) is converted into a digital signal by the A / D converter 52 and then taken into the calculation unit 22.

既述のように、演算部22は、第1信号処理部18からの信号強度Signal(ν0)に基づき既述の(11)式を用いて高調波同期検出法により測定対象成分の分子数密度cを算出する第1演算手段23−1と、第2信号処理部20からの信号強度I(ν0)に基づき既述の(7)式を用いて直接吸収スペクトル法により測定対象成分の分子数密度cを算出する第2演算手段23−1を備えている。測定対象成分による光の吸収がない場合の参照光強度信号I0(ν0)は、この実施例では予め測定して演算部22の参照光強度信号I0(ν0)保持部23−3に保持しておく。

Figure 0005370248
Figure 0005370248
As described above, the calculation unit 22 calculates the number of molecules of the measurement target component by the harmonic synchronous detection method based on the signal intensity Signal (ν 0 ) from the first signal processing unit 18 using the above-described equation (11). Based on the first calculation means 23-1 for calculating the density c and the signal intensity I (ν 0 ) from the second signal processing unit 20, the above-described equation (7) is used to directly measure the component to be measured by the absorption spectrum method. Second calculating means 23-1 for calculating the molecular number density c is provided. In this embodiment, the reference light intensity signal I 00 ) when light is not absorbed by the measurement target component is measured in advance in this embodiment, and the reference light intensity signal I 00 ) holding unit 23-3 of the calculation unit 22 is measured. To keep.
Figure 0005370248
Figure 0005370248

このガス分析装置の信号処理と演算処理の一例について、以下に図3のフローチャートを用いて説明する。試料セル2内を通過した光を受光した受光部8からの信号が第1信号処理部18及び第2信号処理部20に入力されて所定の処理が施される(ステップS1)。第1信号処理部18では高調波同期検出法のための周波数2×faの信号強度Signal(ν0)が抽出され、第2信号処理部20では直接吸収スペクトル法のための周波数fa未満の信号強度I(ν0)が抽出される。これらの信号処理部18,20で抽出された信号強度は演算部22に取り込まれる(ステップS2)。 An example of signal processing and calculation processing of this gas analyzer will be described below with reference to the flowchart of FIG. A signal from the light receiving unit 8 that has received the light that has passed through the sample cell 2 is input to the first signal processing unit 18 and the second signal processing unit 20 and subjected to predetermined processing (step S1). The first signal processing unit 18 extracts a signal intensity Signal (ν 0 ) of frequency 2 × fa for the harmonic synchronization detection method, and the second signal processing unit 20 outputs a signal having a frequency less than the frequency fa for the direct absorption spectrum method. Intensity I (ν 0 ) is extracted. The signal strengths extracted by these signal processing units 18 and 20 are taken into the calculation unit 22 (step S2).

演算部22では、切替え手段25が参照光強度信号I0(ν0)保持部23−3から参照光強度信号I0(ν0)を取り込み、第1信号処理部18から取り込んだ信号強度Signal(ν0)と第2信号処理部20から取り込んだI(ν0)を用いて、ln(I00)/I(ν0))又は(I00)−I(ν0))/I00)を計算する(ステップS3)。切替え手段25は、その計算結果から第1演算手段23−1により(10)式を用いて高調波同期検出法により測定対象成分の分子数密度cを算出した結果を出力するか、第2演算手段23−2により(7)式を用いて直接吸収スペクトル法により測定対象成分の分子数密度cを算出した結果を出力するかを決定する(ステップS4)。 In the calculation unit 22, the switching means 25 takes in the reference light intensity signal I 00 ) from the reference light intensity signal I 00 ) holding unit 23-3 and takes in the signal intensity Signal taken in from the first signal processing unit 18. Using (ν 0 ) and I (ν 0 ) taken from the second signal processing unit 20, ln (I 00 ) / I (ν 0 )) or (I 00 ) −I (ν 0 )) / I 00 ) is calculated (step S3). The switching means 25 outputs the result of calculating the molecular number density c of the component to be measured by the harmonic synchronous detection method using the expression (10) by the first calculation means 23-1 from the calculation result or the second calculation. The means 23-2 determines whether to output the result of calculating the molecular number density c of the component to be measured by the direct absorption spectrum method using the equation (7) (step S4).

切替え手段25による判定の一例として、ln(I00)/I(ν0))又は(I00)−I(ν0))/I00)が予め設定した閾値未満のときは、測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法で測定できる低い分子数密度であるとして、第1演算手段23−1により(11)式を用いて高調波同期検出法により測定対象成分の分子数密度cを算出した結果を出力する(ステップS5)。逆に、ln(I00)/I(ν0))又は(I00)−I(ν0))/I00)が予め設定した閾値以上のときは高調波同期検出法を適用することができる分子数密度よりも高い分子数密度であるとして、第2演算手段23−2により直接吸収スペクトル法により測定対象成分の分子数密度cを算出した結果を出力する(ステップS6)。 As an example of the determination by the switching means 25, ln (I 00 ) / I (ν 0 )) or (I 00 ) −I (ν 0 )) / I 00 ) is set in advance. When it is less than the threshold, the first synchronous means 23-1 uses the equation (11) to determine that the molecular number density of the component to be measured is a low molecular number density that can be measured by the harmonic synchronous detection method. The result of calculating the molecular number density c of the measurement target component is output (step S5). Conversely, if ln (I 00 ) / I (ν 0 )) or (I 00 ) −I (ν 0 )) / I 00 ) is greater than or equal to a preset threshold, Assuming that the molecular number density is higher than the molecular number density to which the wave synchronous detection method can be applied, the result of calculating the molecular number density c of the measurement target component by the direct absorption spectrum method is output by the second computing means 23-2. (Step S6).

なお、高調波同期検出法を用いるか直接吸収スペクトル法を用いるかについての判定方法は、上記の判定方法のほかに、(I0(ν0)−I(ν0))を予め設定した閾値と比較し,閾値未満である場合は高調波同期検出法を用い、閾値以上である場合は直接吸収スペクトル法を用いるというような判定方法であってもよい。 In addition, the determination method about whether to use the harmonic synchronous detection method or the direct absorption spectrum method is a threshold value in which (I 00 ) −I (ν 0 )) is set in advance in addition to the above determination method. The determination method may be such that the harmonic synchronous detection method is used when it is less than the threshold value, and the direct absorption spectrum method is used when it is equal to or greater than the threshold value.

この実施例では第1演算手段23−1と第2演算手段23−2はともに演算を実行しており、切替え手段25により選択された方の演算結果を出力するようにしているが、切替え手段25により選択された方の演算手段のみが分子数密度を算出する演算処理を実行して出力をし、選択されなかった演算手段は演算処理を実行しないようにしてもよい。その場合には演算部22の負荷が少なくてすむ利点がある。   In this embodiment, both the first calculation means 23-1 and the second calculation means 23-2 execute the calculation, and the calculation result selected by the switching means 25 is output. Only the calculation means selected by 25 may execute and output the calculation process for calculating the molecular number density, and the calculation means not selected may not execute the calculation process. In this case, there is an advantage that the load on the calculation unit 22 can be reduced.

[実施例2]
次に、第2実施例について図4A〜4Fを用いて説明する。この実施例のガス分析装置の装置全体の構成は図1と同様であるが、この実施例ではレーザ光の光周波数が走査されることから、信号処理系統は一部異なる。以下に第1実施例との相違部分を中心に説明する。
[Example 2]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. The overall configuration of the gas analyzer of this embodiment is the same as that shown in FIG. 1, but the signal processing system is partially different in this embodiment because the optical frequency of the laser beam is scanned. The following description will focus on differences from the first embodiment.

この実施例は、周波数faよりも低い周波数fbで、例えば鋸波などで波長可変レーザ装置6の駆動電流を変化させることによりレ−ザ光の発振周波数を走査するものである。レーザ光の発振周波数を走査するため、実施例1のように測定対象成分の吸収線の中心周波数にレ−ザ光の発振周波数を高精度に合わせる必要がなく、また何度も連続して走査することが可能であるため信号の平均値を取ることでS/N比を向上することも可能になる。また、レーザ光の光周波数を走査するため、レーザ光の光周波数が測定対象成分の吸収を受けない周波数であるときの受光部8の信号強度を測定できるので、それらの信号強度に基づいてレーザ光の周波数が測定対象成分の吸収線の中心周波数であるときの信号強度を測定対象成分がない状態での参照光強度信号I0(ν0)の予測値として算出することができ、実施例1のように参照光強度信号I0(ν0)を予め測定しておく必要がない。 In this embodiment, the oscillation frequency of the laser beam is scanned by changing the drive current of the wavelength tunable laser device 6 with a frequency fb lower than the frequency fa, for example, with a sawtooth wave. In order to scan the oscillation frequency of the laser beam, it is not necessary to match the oscillation frequency of the laser beam with high accuracy to the center frequency of the absorption line of the measurement target component as in the first embodiment, and it is continuously scanned many times. Therefore, the S / N ratio can be improved by taking the average value of the signals. In addition, since the optical frequency of the laser beam is scanned, the signal intensity of the light receiving unit 8 when the optical frequency of the laser beam is a frequency that does not receive the measurement target component can be measured. The signal intensity when the light frequency is the center frequency of the absorption line of the measurement target component can be calculated as a predicted value of the reference light intensity signal I 00 ) in the absence of the measurement target component. It is not necessary to previously measure the reference light intensity signal I 00 ) as in FIG.

この実施例では、光源駆動部12には、オフセット直流電圧発生部24の他にレーザ波長走査用電流を生成するための周波数fb周期の鋸波の走査用電圧を発生するレーザ波長走査用電圧生成部25がさらに設けられ、加算器27でオフセット直流電圧発生部24からの電圧信号に鋸波の走査用電圧が加えられるように構成されている。オフセット直流電圧発生部24から発生する信号24S、レーザ波長走査用電圧生成部25から発生する信号25S及びそれらの信号が加算されて形成される信号27Sは図4cに示された波形の信号である。   In this embodiment, in addition to the offset DC voltage generator 24, the light source driver 12 generates a laser wavelength scanning voltage that generates a sawtooth scanning voltage having a frequency fb for generating a laser wavelength scanning current. A section 25 is further provided, and the adder 27 is configured to add a sawtooth scanning voltage to the voltage signal from the offset DC voltage generation section 24. The signal 24S generated from the offset DC voltage generator 24, the signal 25S generated from the laser wavelength scanning voltage generator 25, and the signal 27S formed by adding these signals are signals having the waveforms shown in FIG. 4c. .

第2信号処理部20aには、ローパスフィルタ(LPF)50とA/Dコンバータ(ADC2)52に加えて、周波数fb付近の信号を抽出するための透過域をもつバンドパスフィルタ(BPF3)54とA/Dコンバータ56(ADC3)が追加されている。ローパスフィルタ(LPF)50とA/Dコンバータ(ADC2)52は第1実施例と同じく、直流成分信号である吸収ピークの信号強度I(ν0)を抽出するものである。バンドパスフィルタ(BPF3)54は周波数fb周期で現れる吸収スペクトルを測定するのに適したものであり、バンドパスフィルタ(BPF3)54で抽出された信号がA/Dコンバータ56によってデジタル信号に変換されて演算部22aに取り込まれる。 In addition to the low-pass filter (LPF) 50 and the A / D converter (ADC2) 52, the second signal processing unit 20a includes a bandpass filter (BPF3) 54 having a transmission band for extracting a signal near the frequency fb, An A / D converter 56 (ADC3) is added. The low-pass filter (LPF) 50 and the A / D converter (ADC2) 52 extract the signal intensity I (ν 0 ) of the absorption peak, which is a DC component signal, as in the first embodiment. The bandpass filter (BPF3) 54 is suitable for measuring an absorption spectrum appearing at a frequency fb period. The signal extracted by the bandpass filter (BPF3) 54 is converted into a digital signal by the A / D converter 56. Are taken into the calculation unit 22a.

第1信号処理部18aでは、ローパスフィルタ(LPF2)46aは第1実施例のローパスフィルタ(LPF1)46とは異なり、周波数fb付近の信号を抽出する必要があることから、数kHz程度のカットオフ周波数をもつものとなる。   In the first signal processing unit 18a, unlike the low-pass filter (LPF1) 46 of the first embodiment, the low-pass filter (LPF2) 46a needs to extract a signal in the vicinity of the frequency fb. It has a frequency.

演算部22aにおける第1演算手段23−1aは第1信号処理部18aからの走査された信号に基づいて信号強度Signal(ν0)を抽出し、さらにその抽出した信号強度Signal(ν0)と第2演算手段23−2aが抽出したI0(ν0)に基づき既述の(11)式を用いて高調波同期検出法により測定対象成分の分子数密度cを算出する。第2演算手段23−2aは第2信号処理部20aからの走査された2つの信号から信号強度I(ν0)とI0(ν0)を抽出し、抽出した信号強度I(ν0)とI0(ν0)に基づき既述の(7)式を用いて直接吸収スペクトル法により測定対象成分の分子数密度cを算出する。第1演算手段23−1aと第2演算手段23−2aは常に演算を行なっており、切替え手段25は第2演算手段23−1aからの信号強度I(ν0)とI0(ν0)に基づいて演算手段23−1a又は23−2aのいずれの演算結果の算出分子数密度cを出力するかを決定する。 The first computing means 23-1a in the computing unit 22a extracts the signal strength Signal (ν 0 ) based on the scanned signal from the first signal processing unit 18a, and further extracts the extracted signal strength Signal (ν 0 ) and Based on I 00 ) extracted by the second calculation means 23-2a, the molecular number density c of the measurement target component is calculated by the harmonic synchronous detection method using the above-described equation (11). The second computing means 23-2a extracts the signal intensities I (ν 0 ) and I 00 ) from the two scanned signals from the second signal processor 20a, and the extracted signal intensities I (ν 0 ). Based on the above and I 00 ), the molecular number density c of the measurement target component is calculated by the direct absorption spectrum method using the above-described equation (7). The first computing means 23-1a and the second computing means 23-2a always perform computations, and the switching means 25 performs signal strengths I (ν 0 ) and I 00 ) from the second computing means 23-1a. The calculation unit 23-1a or 23-2a determines whether to output the calculated molecular number density c of the calculation means 23-1a or 23-2a.

この実施例の動作について説明する。
加算器26では加算器27からの周波数fbの鋸波信号27Sに変調周波数faの信号39Sが加算されて、図4Dに示されるような駆動信号26Sとなって電圧/電流変換器28に印加される。この駆動信号によりレーザ発振が制御されることにより、発生するレーザ光は周波数fbの鋸波で波長が発振周波数ν0を中心として走査され、周波数faで変調されたものとなる。走査周波数fbは変調周波数faよりもかなり低く、数Hz〜数百Hzが好ましい。変調周波数faは一般的に数kHz〜数MHz程度である。このように、周波数faで変調させた正弦波を加えたレ−ザ光が試料ガスに照射される。ここで、周波数faの正弦波の振幅の大きさは周波数fbの鋸波の振幅よりも充分に小さい方が望ましい。これは実施例1と同様に、あまり大きすぎると第2信号処理部20aで検出する信号強度I(ν0)中に他の光周波数の成分影響が強く現れてしまい、正確な測定が出来な
The operation of this embodiment will be described.
In the adder 26, the signal 39S of the modulation frequency fa is added to the sawtooth signal 27S of the frequency fb from the adder 27, and the drive signal 26S as shown in FIG. 4D is applied to the voltage / current converter 28. The By controlling the laser oscillation by this drive signal, the generated laser light is a sawtooth wave of frequency fb, the wavelength is scanned around the oscillation frequency ν 0, and is modulated at the frequency fa. The scanning frequency fb is considerably lower than the modulation frequency fa, and is preferably several Hz to several hundred Hz. The modulation frequency fa is generally about several kHz to several MHz. As described above, the sample gas is irradiated with the laser beam to which the sine wave modulated at the frequency fa is added. Here, it is desirable that the amplitude of the sine wave having the frequency fa is sufficiently smaller than the amplitude of the sawtooth wave having the frequency fb. As in the first embodiment, if it is too large, the influence of other optical frequency components appears strongly in the signal intensity I (ν 0 ) detected by the second signal processing unit 20a, and accurate measurement cannot be performed.

試料セルで測定対象成分に吸収されたレ−ザ光は受光部8のフォトダイオード40で検出され、第1信号処理部18aと第2信号処理部20aにおいて信号処理される。   Laser light absorbed by the measurement target component in the sample cell is detected by the photodiode 40 of the light receiving unit 8 and is subjected to signal processing in the first signal processing unit 18a and the second signal processing unit 20a.

第2信号処理部20aでローパスフィルタ50及びバンドパスフィルタ54で抽出された信号は、それぞれ図4Dに信号50S,54Sとして示された信号になる。信号50Sは信号強度I(ν0)に相当し、これは第1実施例の場合と同じである。信号54Sは周波数fbで繰り返し現れる信号である。これらの信号はそれぞれのA/Dコンバ−タ52,56でデジタル変換され、演算部22aに取り込まれて加算された後は図4Dに信号(50S+54S)として示された信号になる。 The signals extracted by the low-pass filter 50 and the band-pass filter 54 in the second signal processing unit 20a become signals shown as signals 50S and 54S in FIG. 4D, respectively. The signal 50S corresponds to the signal intensity I (ν 0 ), which is the same as in the first embodiment. The signal 54S is a signal that repeatedly appears at the frequency fb. These signals are digitally converted by the respective A / D converters 52 and 56, and taken into the arithmetic unit 22a and added to become a signal shown as a signal (50S + 54S) in FIG. 4D.

第1信号処理部18aでは、受光部8からの検出信号42Sに同期検波部44で変調部16の2faクロック生成部30からの周波数2faのクロック信号が乗算されて、周波数2fa成分の波形の半分が反転し、周波数2fa以外の周波数成分が除去されて信号44Sとなる。この信号44Sがローパスフィルタ46aを通ることにより、周波数2faの高調波成分のピーク信号強度Signal(ν0)を含む信号46aSが抽出される。それらの信号42s,44s,46asは図4Eに示されるような波形をもつ。第1実施例と同様に周波数2faで同期検波されるが、本実施例ではレーザ光の波数νが走査されているので、ローパスフィルタ46aを通過した信号は、周波数fb周期の波形となって現れる。その信号46aSはA/Dコンバータ48でデジタル信号に変換された後、演算部22aに取り込まれる。 In the first signal processing unit 18a, the detection signal 42S from the light receiving unit 8 is multiplied by the clock signal of the frequency 2fa from the 2fa clock generation unit 30 of the modulation unit 16 by the synchronous detection unit 44, and half the waveform of the frequency 2fa component. Is inverted, and frequency components other than the frequency 2fa are removed, and a signal 44S is obtained. By passing this signal 44S through the low-pass filter 46a, a signal 46aS including the peak signal intensity Signal (ν 0 ) of the harmonic component of the frequency 2fa is extracted. These signals 42s, 44s and 46as have waveforms as shown in FIG. 4E. As in the first embodiment, synchronous detection is performed at a frequency of 2fa. However, in this embodiment, the wave number ν of the laser beam is scanned, so that the signal passing through the low-pass filter 46a appears as a waveform with a frequency fb period. . The signal 46aS is converted into a digital signal by the A / D converter 48 and then taken into the arithmetic unit 22a.

図5は第1信号処理部18aにより抽出される信号の波形の一例であり、図6は第2信号処理部20aにより抽出される信号の波形の一例である。図5及び図6において、横軸はレーザ光の光周波数νと測定対象成分の吸収線の中心周波数ν0との差(ν−ν0)を波数として表したもの、縦軸は検出信号強度である。レーザ波長を走査するための信号26sとの関係を示すと、図4Fに示されるように、これらの信号は鋸波の周波数fbの周期で繰り返し得られる。このように、図5及び図6に示されるような波形の信号を周波数fbの周期で繰り返し得ることができるので、平均化処理によりS/N比を高めることができる。 FIG. 5 is an example of a waveform of a signal extracted by the first signal processing unit 18a, and FIG. 6 is an example of a waveform of a signal extracted by the second signal processing unit 20a. 5 and 6, the horizontal axis represents the difference (ν−ν 0 ) between the optical frequency ν of the laser beam and the center frequency ν 0 of the absorption line of the measurement target component, and the vertical axis represents the detection signal intensity. It is. When the relationship with the signal 26s for scanning the laser wavelength is shown, as shown in FIG. 4F, these signals are repeatedly obtained at the period of the sawtooth frequency fb. As described above, since a signal having a waveform as shown in FIGS. 5 and 6 can be repeatedly obtained at a period of the frequency fb, the S / N ratio can be increased by the averaging process.

演算部22aにおける第1演算手段23−1aは、図5に示されているように、信号処理部1により抽出される信号の波形における下側のピークから上側のピークまでの高さとして信号強度Signal(ν0)を抽出する。 As shown in FIG. 5, the first calculation means 23-1a in the calculation unit 22a has a signal intensity as a height from the lower peak to the upper peak in the waveform of the signal extracted by the signal processing unit 1. Extract Signal (ν 0 ).

一方、演算部22aにおける第2演算手段23−2aは、図6において測定対象成分の吸収線の中心周波数における信号強度としてI(ν0)を抽出し、この波形の周囲の信号強度に基づいて近似線を作成することにより参照光強度信号I00)を抽出する。したがって、レーザ光の周波数を走査して行う1回の測定によりI00)、I(ν0)及びSignal(ν0)のすべてを得ることができる。I00)、I(ν0)及びSignal(ν0)に基づく測定対象成分の分子数密度cの演算処理については第1実施例と同様である。 On the other hand, the second calculation means 23-2a in the calculation unit 22a extracts I (ν 0 ) as the signal intensity at the center frequency of the absorption line of the measurement target component in FIG. 6, and based on the signal intensity around this waveform. The reference light intensity signal I 00 ) is extracted by creating an approximate line. Therefore, all of I 00 ), I (ν 0 ), and Signal (ν 0 ) can be obtained by a single measurement performed by scanning the frequency of the laser beam. The calculation process of the molecular number density c of the measurement target component based on I 00 ), I (ν 0 ), and Signal (ν 0 ) is the same as in the first embodiment.

切替え手段25は第2演算手段23−2aから信号I00)とI(ν0)を取り込み、第1実施例と同様の判定によりいずれの演算手段23−1a又は23−2aでの分子数密度演算結果を出力するを決定する。この場合、第1演算手段23−1aによる信号強度Signal(ν0)から分子数密度cの演算と、第2演算手段23−2aによる信号I00)とI(ν0)から分子数密度cの演算は常に実行されており、切替え手段25から選択されると分子数密度演算結果を出力する。 The switching means 25 takes in the signals I 00 ) and I (ν 0 ) from the second computing means 23-2a, and in either computing means 23-1a or 23-2a by the same determination as in the first embodiment. Determine whether to output the number density calculation result. In this case, the calculation of the molecular number density c from the signal intensity Signal (ν 0 ) by the first calculation means 23-1a, and the numerator from the signals I 00 ) and I (ν 0 ) by the second calculation means 23-2a. The calculation of the number density c is always executed, and when selected from the switching means 25, the molecular number density calculation result is output.

この実施例の場合でも、第2信号処理部20aを1つのローパスフィルタ50と1つのA/Dコンバータ52とで構成してもよい。ただし、その場合は、ローパスフィルタ50はレーザ波長走査用の周波数fbをもつ信号を通過させる必要があることから、数kHz程度のカットオフ周波数をもつローパスフィルタとする必要がある。   Even in this embodiment, the second signal processing unit 20 a may be configured by one low-pass filter 50 and one A / D converter 52. However, in that case, since the low-pass filter 50 needs to pass a signal having the frequency fb for laser wavelength scanning, it needs to be a low-pass filter having a cutoff frequency of about several kHz.

この実施例のガス分析装置の信号処理と演算処理の一例について、以下に図7のフローチャートを用いて説明する。試料セル2内を通過した光を受光した受光部8からの信号が第1信号処理部18a及び第2信号処理部20bに入力されて所定の処理が施され、図5、図6に示される波形を示すデータが演算部22aに入力される(ステップS11)。第1演算手段23−1aでは信号強度Signal(ν0)が抽出され、第2演算手段23−2aでは信号I(ν0)とI0(ν0)が抽出される(ステップS12)。 An example of signal processing and calculation processing of the gas analyzer of this embodiment will be described below with reference to the flowchart of FIG. A signal from the light receiving unit 8 that has received the light that has passed through the sample cell 2 is input to the first signal processing unit 18a and the second signal processing unit 20b and subjected to predetermined processing, as shown in FIGS. Data indicating the waveform is input to the calculation unit 22a (step S11). The first computing means 23-1a extracts the signal intensity Signal (ν 0 ), and the second computing means 23-2a extracts the signals I (ν 0 ) and I 00 ) (step S12).

演算部22aでは、切替え手段25が第2演算手段23−2aからの信号I(ν0)とI0(ν0)を用いて、ln(I00)/I(ν0))又は(I00)−I(ν0))/I00)を計算し、その計算結果に基づいて第1実施例と同様にいずれの演算手段23−1a又は23−2aでの分子数密度演算結果を出力するかを決定する(ステップS13)。切替え手段25が第1演算手段23−1aを指定したときは第1演算手段23−1aが(11)式を用いて高調波同期検出法により計算した測定対象成分の分子数密度cを出力し(ステップS14)、切替え手段25が第2演算手段23−2aを指定したときは第2演算手段23−2aが(1)式を用いて直接吸収スペクトル法により計算した測定対象成分の分子数密度cを出力する(ステップS15)。 In the computing unit 22a, the switching means 25 uses the signals I (ν 0 ) and I 00 ) from the second computing means 23-2a to make ln (I 00 ) / I (ν 0 )). Or (I 00 ) −I (ν 0 )) / I 00 ) is calculated, and based on the calculation result, any of the arithmetic means 23-1a or 23-2a is calculated in the same manner as in the first embodiment. It is determined whether to output the molecular number density calculation result at (step S13). When the switching means 25 designates the first calculation means 23-1a, the first calculation means 23-1a outputs the molecular number density c of the measurement target component calculated by the harmonic synchronous detection method using the equation (11). (Step S14) When the switching means 25 designates the second computing means 23-2a, the second computing means 23-2a calculates the molecular number density of the component to be measured calculated by the direct absorption spectrum method using the equation (1). c is output (step S15).

[実施例3]
次に、ガス分析装置の第3実施例を図8A、8Bを用いて説明する。この実施例では、波長可変レーザ装置6から発せられるレ−ザ光の一部をビームスプリッタ7で試料セル2へ照射されるレーザ光から分岐させ、試料セル2を通過させることなく受光部8b側へ導くように構成する。受光部8bは、試料セル2内を通過させたレーザ光を検出するためのフォトダイオード40aとフォトダイオード40aの電流信号を電圧信号に変換する電流/電圧変換器42aに加え、試料セル2内を通過させないレーザ光を検出するためのフォトダイオード40bと電流/電圧変換器42bを備え、試料セル2内を通過させたレーザ光と通過させないレーザ光とを同時に別個の検出器で検出する。フォトダイオード40bでは試料セル2内を通過させないレーザ光を検出するため、この検出信号を測定対象成分による吸収がない場合の検出信号、すなわち参照光強度信号として使用する。
[Example 3]
Next, a third embodiment of the gas analyzer will be described with reference to FIGS. 8A and 8B. In this embodiment, a part of the laser light emitted from the wavelength tunable laser device 6 is branched from the laser light irradiated to the sample cell 2 by the beam splitter 7, and the light receiving unit 8 b side is passed without passing through the sample cell 2. Configure to lead to. The light receiving unit 8b is added to the photodiode 40a for detecting the laser light that has passed through the sample cell 2 and the current / voltage converter 42a that converts the current signal of the photodiode 40a into a voltage signal, and the inside of the sample cell 2 A photodiode 40b and a current / voltage converter 42b for detecting laser light that is not allowed to pass are provided, and laser light that has passed through the sample cell 2 and laser light that is not allowed to pass are detected simultaneously by separate detectors. Since the photodiode 40b detects laser light that does not pass through the sample cell 2, this detection signal is used as a detection signal when there is no absorption by the measurement target component, that is, a reference light intensity signal.

第2信号処理部20bは、フォトダイオード40aからの信号を処理するためのローパスフィルタ(LPF1)50及びA/Dコンバータ(ADC2)52に加え、フォトダイオード40bからの信号を処理するためのローパスフィルタ(LPF2)60及びA/Dコンバータ(ADC3)62を備えている。電流/電圧変換器42aはローパスフィルタ(LPF1)50に増幅器58aを介して接続され、電流/電圧変換器42bはローパスフィルタ(LPF2)60に増幅器58bを介して接続されている。増幅器58aと58bは、反射鏡10a,10bでレ−ザ光が反射する際の減衰などの影響をなくしてフォトダイオード40aと40bからの信号を等価な信号として比較できるように調整するためのものである。   The second signal processing unit 20b includes a low-pass filter for processing a signal from the photodiode 40b in addition to a low-pass filter (LPF1) 50 and an A / D converter (ADC2) 52 for processing a signal from the photodiode 40a. (LPF2) 60 and A / D converter (ADC3) 62 are provided. The current / voltage converter 42a is connected to the low-pass filter (LPF1) 50 via the amplifier 58a, and the current / voltage converter 42b is connected to the low-pass filter (LPF2) 60 via the amplifier 58b. The amplifiers 58a and 58b are for adjusting so that the signals from the photodiodes 40a and 40b can be compared as equivalent signals without the influence of attenuation or the like when the laser light is reflected by the reflecting mirrors 10a and 10b. It is.

その他の構成については図2A、2Bに示した第1実施例の構成と同様であるが、参照光強度信号I00)がフォトダイオード40bからの信号として得られるので、演算部22bには参照光強度信号I00)を保持しておくI00)保持部を設ける必要はない。この構成により、第1信号処理部18でSignal(ν0)を、第2信号処理部20bでI(ν0)及びI00)を抽出し、演算部22bにおいて第1実施例と同様に高調波同期検出法による測定対象成分の分子数密度cの算出及び直接吸収スペクトル法による測定対象成分の分子数密度cの算出を行い、切替え手段25により切り替えて出力する。 Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIGS. 2A and 2B, but the reference light intensity signal I 00 ) is obtained as a signal from the photodiode 40b. There is no need to provide an I 00 ) holding unit for holding the reference light intensity signal I 00 ). With this configuration, the first signal processing unit 18 extracts Signal (ν 0 ), the second signal processing unit 20 b extracts I (ν 0 ) and I 00 ), and the calculation unit 22 b performs the same operations as in the first embodiment. Similarly, calculation of the molecular number density c of the measurement target component by the harmonic synchronous detection method and calculation of the molecular number density c of the measurement target component by the direct absorption spectrum method are performed by switching by the switching means 25 and output.

上記の実施例は本発明に係るガス分析装置を測定対象成分中の水分の分子数密度の測定に適用したものであるが、本発明は水分以外の任意のガス分子数密度の測定に適用することができる。   In the above embodiment, the gas analyzer according to the present invention is applied to the measurement of the molecular number density of water in the component to be measured, but the present invention is applied to the measurement of any gas molecular number density other than water. be able to.

2 試料セル
4 光学チャンバ
6 波長可変レーザ装置
8,8b 受光部
10a,10b 反射鏡
12 光源駆動部
14 制御部
16 変調部
18 第1信号処理部
20,20a,20b 第2信号処理部
22,22a,22b 演算部
23−1,23−1a 第1演算手段
23−2,23−2a 第2演算手段
24 オフセット直流電圧発生部
25 切替え手段
26 加算器
28 電圧電流変換器
30 クロック生成部
32 直流電圧発生器
34 分周器
36 乗算器
38,46 バンドパスフィルタ
39 移相器
40,40a,40b フォトダイオード
42,42a,42b 電流/電圧変換器
44 同期検波部
48,52 A/Dコンバータ
50 ローパスフィルタ
2 Sample cell 4 Optical chamber 6 Wavelength tunable laser device 8, 8b Light receiving unit 10a, 10b Reflector 12 Light source driving unit 14 Control unit 16 Modulating unit 18 First signal processing unit 20, 20a, 20b Second signal processing unit 22, 22a , 22b arithmetic units 23-1, 23-1a first arithmetic means 23-2, 23-2a second arithmetic means 24 offset DC voltage generator 25 switching means 26 adder 28 voltage-current converter 30 clock generator 32 DC voltage Generator 34 Divider 36 Multiplier 38, 46 Band pass filter 39 Phase shifter 40, 40a, 40b Photodiode 42, 42a, 42b Current / voltage converter 44 Synchronous detection unit 48, 52 A / D converter 50 Low pass filter

Claims (8)

試料ガスを流通させる試料セルと、
前記試料セルに対して試料ガス中の測定対象成分が吸収をもつ特定の光周波数のレーザ光を照射するレーザ照射部と、
前記レーザ光を照射するための駆動電流を前記レーザ照射部に印加する光源駆動部と、
前記光源駆動部から前記レーザ照射部に印加する前記駆動電流を第1の周波数faの変調周波数で変調する変調部と、
前記試料セル内部を通過した前記レーザ光を受光する受光部と、
前記受光部の光検出信号を前記変調周波数の整数倍の周波数で同期検波して高調波同期検出法により高調波信号強度Signal(ν)を検出する第1信号処理部と、
前記受光部の光検出信号を前記第1信号処理部を経ずに取り込み、周波数フィルタによって前記第1の周波数fa以上の周波数成分を遮断し、前記特定の光周波数での光強度信号I(ν)を検出する第2信号処理部と、
前記第1信号処理部で検出された高調波信号強度Signal(ν)及び前記第2信号処理部で検出された光強度信号I(ν)を取り込み、試料ガス中の前記測定対象成分の分子数密度cを算出する演算部と、を備え、
前記演算部は、
前記レーザ光が前記特定の光周波数において前記測定対象成分による吸収を受けなかったときの参照光強度信号をI0(ν)として、前記高調波信号強度Signal(ν)と参照光強度信号I0(ν)とから試料ガス中における測定対象成分の分子数密度cを算出する第1演算手段と、
前記光強度信号I(ν)と参照光強度信号I0(ν)とから直接吸収スペクトル測定法により試料ガス中における測定対象成分の分子数密度cを算出する第2演算手段と、
前記光強度信号I(ν)と参照光強度信号I 0 (ν)とのみから試料中の前記測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法による測定に適した低い分子数密度であるか又はそれより高い分子数密度で直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるかを判定し、高調波同期検出法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得たときは第1演算手段による算出分子数密度cを出力し、直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得たときは第2演算手段による算出分子数密度cを出力するように出力を切り替える切替え手段と、
を備えているガス分析装置。
A sample cell for circulating a sample gas;
A laser irradiation unit that irradiates the sample cell with a laser beam having a specific optical frequency in which the measurement target component in the sample gas has absorption;
A light source driving unit that applies a driving current for irradiating the laser beam to the laser irradiating unit;
A modulation unit that modulates the drive current applied from the light source drive unit to the laser irradiation unit with a modulation frequency of a first frequency fa;
A light receiving unit that receives the laser light that has passed through the inside of the sample cell;
A first signal processing unit that synchronously detects a light detection signal of the light receiving unit at a frequency that is an integral multiple of the modulation frequency, and detects a harmonic signal intensity Signal (ν) by a harmonic synchronous detection method;
The light detection signal of the light receiving unit is captured without passing through the first signal processing unit, the frequency component above the first frequency fa is blocked by a frequency filter, and the light intensity signal I (ν ) Detecting a second signal processing unit;
The harmonic signal intensity Signal (ν) detected by the first signal processing unit and the light intensity signal I (ν) detected by the second signal processing unit are taken in, and the number of molecules of the measurement target component in the sample gas An operation unit for calculating the density c,
The computing unit is
When the laser light is not absorbed by the measurement target component at the specific optical frequency, the reference light intensity signal is I 0 (ν), and the harmonic signal intensity Signal (ν) and the reference light intensity signal I 0 a first calculation means for calculating the molecular number density c of the component to be measured in the sample gas from (ν);
A second calculating means for calculating the molecular number density c of the component to be measured in the sample gas by the direct absorption spectrum measurement method from the light intensity signal I (ν) and the reference light intensity signal I 0 (ν);
Whether the molecular number density of the component to be measured in the sample is a low molecular number density suitable for the measurement by the harmonic synchronous detection method from only the light intensity signal I (ν) and the reference light intensity signal I 0 (ν) Judgment was made whether the molecular number density was suitable for the measurement by the direct absorption spectrum measurement method at a higher molecular number density, and the judgment result was obtained that the molecular number density was suitable for the measurement by the harmonic synchronous detection method. When the molecular weight density calculated by the first calculating means is output, and the determination result that the molecular number density is suitable for the measurement by the direct absorption spectrum measurement method is obtained, the calculated molecular number density c by the second calculating means is obtained. Switching means for switching the output so as to output
Gas analyzer equipped with.
前記切替え手段は、ln(I0(ν)/I(ν))もしくは(I0(ν)−I(ν))/I0(ν)が予め定めた値以下のときに高調波同期検出法による測定に適した低い分子数密度であるとの判定結果を得、前記値がその予め定めた値よりも大きいときに直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得るものである請求項に記載のガス分析装置。 The switching means detects harmonic synchronization when ln (I 0 (ν) / I (ν)) or (I 0 (ν) −I (ν)) / I 0 (ν) is less than a predetermined value. The determination result is low molecular number density suitable for measurement by the method, and when the value is larger than the predetermined value, it is determined that the molecular number density is suitable for measurement by the direct absorption spectrum measurement method. The gas analyzer according to claim 1 , which obtains a result. 前記切替え手段は、前記光強度信号I(ν)と参照光強度信号I0(ν)の差が予め設定した値以下のときに高調波同期検出法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得、前記差がその設定値よりも大きいときに直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得るものである請求項に記載のガス分析装置。 When the difference between the light intensity signal I (ν) and the reference light intensity signal I 0 (ν) is not more than a preset value, the switching means has a molecular number density suitable for measurement by the harmonic synchronous detection method. the determination results obtained and the difference is the gas analyzer according to claim 1 is intended to obtain a determination result that the molecule number density suitable for measurement by direct absorption spectroscopy when greater than the set value . 前記光源駆動部は前記レーザ照射部から照射されるレーザ光の周波数が前記特定周波数となるように前記レーザ照射部に印加する駆動電流を設定しているものであり、
前記演算部は前記レーザ光が前記特定周波数において前記測定対象成分による吸収を受けなかったときの参照光強度信号I0(ν)を保持する参照光強度信号I0(ν)保持部を備えており、
前記第1演算手段と第2演算手段は参照光強度信号I0(ν)として前記参照光強度信号I0(ν)保持部に保持されている参照光強度信号I0(ν)値を使用する請求項1からのいずれか一項に記載のガス分析装置。
The light source driving unit sets a driving current to be applied to the laser irradiation unit such that the frequency of the laser light emitted from the laser irradiation unit becomes the specific frequency,
The arithmetic unit includes a reference light intensity signal I 0 ([nu) reference light intensity signal I 0 for holding ([nu) holding portion when the laser beam is not subjected to absorption by the measurement target component in the specific frequency And
Using said first arithmetic means and the reference light intensity signal I 0 (ν) see held in the holding unit light intensity signal I 0 (ν) value and the second computation means as the reference light intensity signal I 0 (ν) The gas analyzer according to any one of claims 1 to 3 .
前記特定周波数が前記測定対象成分の吸収線の中心周波数(ν0)である請求項に記載のガス分析装置。 The gas analyzer according to claim 4 , wherein the specific frequency is a center frequency (ν 0 ) of an absorption line of the measurement target component. 前記レーザ照射部が測定対象成分による吸収を受けない周波数のレーザ光まで発振するように前記レーザ照射部に印加するレーザ駆動電流を変化させるレーザ波長走査用電流生成部を備え、
前記第2信号処理部は、前記レーザ波長走査用電流生成部によって前記レーザ照射部が測定対象成分による吸収を受けない周波数のレーザ光を発振したときのその吸収を受けない周波数における透過光強度も測定し、その結果から近似的に測定対象成分による光吸収がない場合に相当する前記特定の光周波数での参照光強度信号I0(ν)を算出する部分を備えている請求項1からのいずれか一項に記載のガス分析装置。
A laser wavelength scanning current generation unit that changes a laser drive current applied to the laser irradiation unit so that the laser irradiation unit oscillates to a laser beam having a frequency that is not absorbed by the measurement target component;
The second signal processing unit also has a transmitted light intensity at a frequency at which the laser irradiation unit generates no laser light having a frequency at which the laser irradiation unit does not receive absorption by the measurement target component by the laser wavelength scanning current generation unit. measured, the specific reference light intensity signal I 0 of the optical frequency ([nu) 3 from claim 1, further comprising a part for calculating the equivalent when there is no light absorption by approximately measurement target component from the result The gas analyzer according to any one of the above.
前記レーザ波長走査用電流生成部は、前記第1の周波数faよりも低い第2の周波数fb周期の鋸波を発生させるものである請求項に記載のガス分析装置。 The gas analyzer according to claim 6 , wherein the laser wavelength scanning current generator generates a sawtooth wave having a second frequency fb period lower than the first frequency fa. 前記試料セルと前記レーザ照射部との間に配置され、前記レーザ照射部から出射されたレーザ光を試料セル内に入射するレーザ光と試料セルに入射しないレーザ光に分岐させるビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより分岐されて前記試料セルに入射しない側のレーザ光を受光する参照用受光部とをさらに備え、
前記第2信号処理部は、前記参照用受光部による検出信号を周波数フィルタによって第1の周波数fa成分以上を遮断し,その処理後に現れた前記特定の光周波数での光強度を検出して、それを測定対象成分による光吸収がない場合に相当する前記特定周波数での参照光強度信号I0(ν)とする部分を備えている請求項1からのいずれか一項に記載のガス分析装置。
A beam splitter that is arranged between the sample cell and the laser irradiation unit, and splits the laser beam emitted from the laser irradiation unit into a laser beam that enters the sample cell and a laser beam that does not enter the sample cell;
A reference light receiving unit that receives the laser beam that is branched by the beam splitter and does not enter the sample cell;
The second signal processing unit is configured to block the detection signal from the reference light receiving unit by using a frequency filter to block the first frequency fa component or more, and detect the light intensity at the specific optical frequency that appears after the processing, The gas analysis according to any one of claims 1 to 3 , further comprising a portion that serves as a reference light intensity signal I 0 (ν) at the specific frequency corresponding to a case where light is not absorbed by a measurement target component. apparatus.
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