JP5371268B2 - ガス濃度計測方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラー、ごみ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に発生するガス、あるいは該密閉容器から外部に排出されるガス、あるいは排出されたガスが滞留する可能性の高い場所におけるガス等の濃度を、レーザ光を用いて計測する計測方法および計測装置に関する。

従来から、ボイラー、ごみ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に発生するガスの濃度を測定するための手法として、レーザ光を用いる技術が開発されている。このレーザ光を用いるガス濃度測定技術は、ガス種別毎に特有波長を吸収する性質を持つことを利用し、ガス雰囲気中に特定波長のレーザ光を照射して、ガス雰囲気を通過したレーザ光のスペクトルを分析することで、特定ガス種別の濃度を把握するものであり、吸収分光法といわれている。

その例として、特許文献１（特開平１０−１４２１４８号公報）が知られており、該特許文献１には、背景光（バックグラウンドノイズ）がある条件下でも、特定種別のガス濃度を正確に測定することができるように、レーザ光を周波数変調して計測する主計測光と、別のセンサで計測する背景光とを用いて、主計測光と背景光との差分を演算することで（差分回路方式）、バックグラウンドノイズを低減する手法が示されている。

また、特許文献２（特許３３４２４４６号公報）においては、前記特許文献１と同様に主計測光と、別のセンサで計測する背景光とを用いて、主計測光と背景光との差分を演算することでバックグラウンドノイズを低減する手法が示されており、さらには、レーザ光の変調を単一の周波数でなく２つの異なる周波数で変調（二重変調）することによって、単一周波数による変調では計測用レーザの多重反射（フリンジ）に起因する計測値のドリフトが発生しやすいが、その計測値のドリフトを抑制する技術が示されている。

該特許文献２に示されるガス濃度計測装置の概要を図７、図８を参照して説明する。
図７に示すように、レーザ光を発振するための半導体レーザダイオード（ＬＤ）０１からなる光源は、ＬＤドライバ０２の制御回路に接続され、ＬＤの温度と電流が制御されるようになっている。発振されたレーザ光は、ハーフミラー０３では反射されて一方の光学窓から他方の光学窓に向けてレーザ光Ｌが計測領域に入射される。計測領域を通過したレーザ光は、他方の光学窓の近傍に配置された受光手段としての２つのフォトダイオード（ＰＤ２、ＰＤ３）０４、０５によって受光されるようになっている。

一方のフォトダイオード０４は光軸上に配置されて計測領域を通過したレーザ光Ｌを受光するようになっていて、他方のフォトダイオード０５は、レーザ光軸から外れたところに配置され、計測領域の火炎から発せられる光を背景光として受光するようになっている。この二つのフォトダイオード０４、０５からの受光信号は、測定ユニット０６を経由してＡＤ変換器０７に入力されて、そこからコンピュータ０８に送られる。

測定ユニット０６内は、図８に示すように、２つのサイン波発生器０９、０１０が設けられ、レーザ振動波長を変調するために、それぞれ異なる周波数のサイン波を半導体レーザダイオード（ＬＤ）０１の注入電流に重ねて印加するようになっている。また、測定対象ガス固有の吸収スペクトルのところでレーザ発振波長をゆっくりと掃引させるために、ランプ波０１１を半導体レーザダイオード０１の注入電流に重ねて印加するようになっている。そして、これら２つのサイン波およびランプ波は加算器０１２を経由してＬＤドライバ０２に印加される。

受光手段のフォトダイオード０４は、増幅器０１３、２つの復調手段０１４、０１５、ローパスフィルタ０１６からなる直列回路を経由してＡＤ変換器０７へ接続されるとともに、別のローパスフィルタ０１７を経由してＡＤ変換器０７へバイパス接続されている。また、背景光用のフォトダイオード０５は、ローパスフィルタ０１８を経由してＡＤ変換器０７へ接続される。

このように２つの復調手段０１４、０１５で、２つのサイン波発生器０９、０１０で変調した変調信号を復調して目的の信号を取り出すとともに、フォトダイオード０５によって背景光を受光して、バックグラウンドノイズを低減している技術が示されている。

特開平１０−１４２１４８号公報 特許３３４２４４６号公報

しかし、前記特許文献１、２に示されるようなレーザ光を周波数変調して計測する主計測光と、別のセンサで計測する背景光とを用いて、主計測光と背景光との差分を演算することでバックグラウンドノイズを低減する手法では、内燃機関の燃焼室等の圧力および温度が急変するような、現象スピードが速いガス雰囲気中のガス濃度の測定を行う場合には、燃焼火炎による背景光（バックグラウンドノイズ）のレベル変化スピードが速く、従来のような差分回路方式ではバックグランドノイズから目的信号を精度よく抽出することが困難で、正確なガス濃度測定を行うことができないことがあった。
また、燃焼室の密閉容器内でなく、内燃機関からの排ガス配管内において排ガス濃度を計測する場合には、排気管では排気煤等の粒状物のために透過光量の減少により、感度が低下する問題があった。

そこで、本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、内燃機関の燃焼室内での燃焼火炎のように現象スピードが速いガス雰囲気内においてもレーザ光を用いたガス濃度計測が可能な、また、内燃機関からの排ガス配管内のような透過光量が少ない雰囲気内においてもレーザ光を用いたガス濃度計測が可能な、高い耐ノイズ性と測定感度を確保したガス濃度計測方法および計測装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本第１発明は、内燃機関の燃焼室内若しくは内燃機関からの排ガス配管内の被測定ガス雰囲気内に、ロックインアンプによって所定の振幅変調と所定の波長変調とを施した複合変調のレーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる測定信号のうち、前記振幅変調に同期した成分を取出した後に、該振幅変調に同期した成分から前記波長変調に同期する成分を取出して、前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の特定種別のガス濃度を求め、前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の測定すべきガス種別の濃度に適した受光パワーとなるようにレーザダイオードからの発光パワーを光減衰器で減衰し、該光減衰器の減衰量を、受光ダイオードによる受光信号から得られる直流成分の大きさに基づいて調整し、前記ロックインアンプが飽和領域に達さないように、前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の測定すべきガス種別の濃度に適した測定濃度範囲を予め測定レンジ設定手段で設定し、該測定レンジ設定手段での測定レンジに適した直流成分出力を目標直流値として、前記光減衰器の減衰量をフィードバック制御することを特徴とする。

かかる発明によれば、所定の振幅変調と所定の波長変調とを施した複合変調のレーザ光を照射し、該レーザ光から振幅変調と同期する光を取出すことによって、内燃機関の燃焼火炎光を含む背景光（バックグラウンドノイズ）と照射レーザ光との区別が可能になり、照射レーザ光の成分を精度よく検出でき、バックグラウンドノイズを低減できる。
そして、振幅変調に同期した成分を取出した後にレーザ光から波長変調と同期する成分を取出して目的とするガス濃度の検出ができるようになる。
従って、内燃機関の燃焼室内での燃焼火炎のように現象スピードが速いガス雰囲気内においてもレーザ光を背景光と区別して認識できるため、ガス濃度計測が可能となり、また、内燃機関からの排ガス配管内のような透過光量が少ない雰囲気内においてもレーザ光を用いたガス濃度計測が可能になり、高い耐ノイズ性および高い測定感度を確保できる。

また、先に、波長変調と同期する成分を取出して、その後振幅変調と同期する光を取出すことによって、背景光（バックグラウンドノイズ）と照射レーザ光との区別を行ってもよい。

かかる発明において好ましくは、前記振幅変調がパルス状の矩形波による振幅変調であるとよい、パルス状の矩形波で変調するため、背景光（バックグラウンドノイズ）と区別しやすく、レーザ光だけを取出しやすい。
また、パルス状の矩形波であるため、ＯＮ、ＯＦＦのそれぞれの部分に波長変調された成分が重なっている状態であるので、ＯＦＦの部分に乗っている波長変調成分とＯＮの部分に乗っている波長変調成分は同じものであるため、ＯＦＦの部分は無視して、ＯＦＦの部分に乗っているノイズを除去して、パワーの強いＯＮの部分に乗っている波長変調成分だけを復調して目的信号を取得することで、バックグラウンドノイズを低減した、感度の高い計測が可能になる。

また、かかる発明において好ましくは、波長変調されたレーザ光を矩形波生成の光変調器に通してパルス状の矩形波に波長変調された成分を重ねるようにして複合変調するとよく、また、波長変調されたレーザ光を光チョッパに通してパルス状の矩形波に波長変調された成分を重ねるようにして複合変調するとよい。
このように電気的には光変調器を用いて、または機械的には光チョッパを用いて複合変調をすることで、簡単な構成によって複合変調を行なうことができる。

また、好ましくは、前記パルス状の矩形波を生成する際のＯＮ、ＯＦＦタイミング信号を用いて、ＡＤ変換器へ取り込まれた波長復調後の信号から前記矩形波ＯＮ時の成分をデジタル的に取り出すとよい、かかる構成によれば、パルス信号のＯＮ、ＯＦＦタイミング信号を用いて、同期信号を取りだすことができるため、振幅復調器を設置する必要がないため簡単な構成で目的とする信号を取出すことができる。

本発明では、前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の測定すべきガス種別の濃度に適した受光パワーとなるようにレーザダイオードからの発光パワーを光減衰器で減衰し、該光減衰器の減衰量を、受光ダイオードによる受光信号から得られる直流成分の大きさに基づいて調整する。

かかる構成によれば、受光パワーを受光ダイオードによる受光信号から得られる直流成分の大きさによって求めて、該直流成分の大きさに基づいて光減衰器の減衰量を調整することで、測定すべき濃度範囲に適した受光パワーに調整できる。
すなわち、受光パワーと測定ガス濃度との関係が図６に示すように、受光ダイオードのプリアンプ飽和領域および受光信号から波長変調に同期する信号を検出するロックインアンプの飽和領域との関係で、受光パワーが大きくなるに従って測定範囲が小さくなる。
そのため、高濃度範囲まで測定しようとする場合には、受光パワーを絞るようにして測定レンジを広げる必要があり、受光パワーを受光信号の直流成分から判断して、光減衰器の減衰量を調整することで、測定すべき濃度範囲に発光パワーを調整することができる。

この光減衰器の減衰量の調整は、前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の測定すべきガス種別の濃度に適した測定濃度範囲を予め測定レンジ設定手段で設定し、該設定された測定レンジに適した直流成分出力を目標直流値として、該目標直流値になるように前記光減衰器の減衰量をフィードバック制御する。

次に、本第２発明は、第１発明のガス濃度計測方法を実施するための計測装置に関するものであり、内燃機関の燃焼室内若しくは内燃機関からの排ガス配管内の被測定ガス雰囲気内に、レーザ光を発振する光源と、
該光源から発振されるレーザ光に所定の強度で変調する振幅変調手段と、
前記光源から発振されるレーザ光に所定の周波数で変調する波長変調手段と、
前記振幅変調手段と前記波長変調手段とによる複合変調が施されたレーザ光を前記燃焼室内若しくは排ガス配管内に導くレーザ光路と、
被測定ガス雰囲気内を透過したレーザ光を受光する受光手段と、
受光信号のうち前記振幅変調に同期する成分を取出す第１のロックインアンプである振幅復調手段と、
該振幅復調手段によって前記振幅変調に同期する成分が取出された受光信号のうち前記波長変調に同期する成分を取出す第２のロックインアンプである波長復調手段と、
レーザダイオードから発光されたレザーパワーを減衰する光減衰器と、前記受光ダイオードから得られる受光信号から直流成分を取り出す直流成分検出手段と、該直流成分検出手段によって生成された直流成分の大きさに基づいて前記光減衰器の減衰量を制御する減衰量調整手段と、
前記第１のロックインアンプ及び前記第２のロックインアンプが飽和領域に達しないように、前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の測定すべきガス種別の濃度に適した測定濃度範囲を設定する測定レンジ設定手段と
を備え、
前記振幅復調手段と前記波長復調手段とによって目的とする信号を取得して前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の特定種別ガスの濃度を求め、
前記測定レンジ設定手段で設定された測定レンジに適した直流成分出力を目標直流値として設定し、前記減衰量調整手段は前記目標直流値になるように前記光減衰器の減衰量をフィードバック制御することを特徴とする。

かかる装置発明によれば、波長変調と振幅変調との複合変調が施されたレーザ光を被測定ガス雰囲気中に照射して、透過後のレーザ光から、該振幅変調と同期する光を取出すことによって、内燃機関の燃焼火炎光のような背景光（バックグラウンドノイズ）と照射レーザ光との区別が明確にでき、照射レーザ光の成分を精度よく検出でき、バックグラウンドノイズを低減できる。

そして、背景光（バックグラウンドノイズ）と区別したレーザ光から波長変調と同期する成分を取出して目的の種別のガス濃度の検出ができるようになるので、内燃機関の燃焼室内での燃焼火炎のように現象スピードが速いガス雰囲気内においてもレーザ光を背景光と区別して認識できるため、ガス濃度計測が可能となり、また、内燃機関からの排ガス配管内のような透過光量が少ない雰囲気内においてもレーザ光を用いたガス濃度計測が可能になり、高い耐ノイズ性、測定感度を確保できる。

また、装置発明において、好ましくは、前記振幅変調手段は、光変調器または光チョッパからなり、パルス状の矩形波による振幅変調を行うとよい。
つまり、レーザ光を矩形波生成の光変調器に通してパルス状の矩形波に波長変調され、または、レーザ光を光チョッパに通してパルス状の矩形波に波長変調される。
このように電気的には光変調器を用いて、または機械的には光チョッパを用いてパルス状の矩形波を生成するので、該矩形波のＯＮ、ＯＦＦのそれぞれの部分に波長変調された成分を重ねることで複合変調をすることができる。

しかも、ＯＦＦの部分に乗っているノイズ成分とＯＮの部分に乗っているノイズ成分は同じものであるため、ＯＮの部分に乗っているノイズから、ＯＦＦの部分に乗っているノイズ成分を差し引くことにより、目的信号を取得することで、バックグラウンドノイズを低減した、感度の高い計測が可能になる。

また、装置発明において、好ましくは、レーザダイオードから発光されたレザーパワーを減衰する光減衰器と、前記受光ダイオードから得られる受光信号の直流成分を取り出す直流成分検出手段と、該直流成分検出手段によって生成された直流成分の大きさに基づいて前記光減衰器の減衰量を制御する減衰量調整手段とを有するとよい。

かかる構成によれば、直流成分検出手段によって取り出された直流分の大きさによって受光パワーを評価することで適切な受光パワーを判定でき、その受光パワーに基づいて光減衰器の減衰量を調整できる。
すなわち、受光信号の内直流成分は、背景光の強さや測定対象雰囲気内のガス粒子による光の吸収、散乱による光の強さを示すため、受光ダイオードの受光パワーを示すのに適切である。

また、装置発明において、前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の測定すべきガス種別の濃度に適した測定濃度範囲を設定する測定レンジ設定手段を備え、該測定レンジ設定手段で設定された測定レンジに適した直流成分出力を目標直流値として設定し、前記減衰量調整手段は前記目標直流値になるように前記光減衰器の減衰量をフィードバック制御する。さらに、測定レンジ設定手段は測定したいレンジ領域が広範囲の高濃度レンジと中範囲の標準濃度レンジと低範囲の低濃度レンジとを有し、高濃度レンジになるに従って前記目標直流値が下がるように設定される。

このように、測定すべき濃度範囲に基づいて測定レンジ設定手段によって、高濃度レンジ、標準濃度レンジ、低濃度レンジから適切なレンジを設定することで、目標直流値に基づいて光減衰器の減衰量が、フィードバック制御がされるので、手動での光減衰器の減衰量調整に比べて簡単に適切な測定レンジの設定ができる。

本発明によれば、内燃機関の燃焼室内での燃焼火炎のように現象スピードが速いガス雰囲気内においてもレーザ光を用いたガス濃度計測が可能な、また、内燃機関からの排ガス配管内のような透過光量が少ない雰囲気内においてもレーザ光を用いたガス濃度計測が可能な、高い耐ノイズ性と測定感度を確保したガス濃度計測方法および計測装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
（第１実施形態）

図１は本発明の第１実施形態に係るガス濃度計測装置２の概要示す全体構成図ブロック図である。
図１に示すように、レーザ光を発振するための半導体レーザダイオード（ＬＤ）４からなる光源は、ＬＤドライバのＬＤ温度・ＬＤ電流駆動回路６に接続され、該駆動回路でＬＤ４の温度と電流が制御されるようになっている。
ＬＤ温度・ＬＤ電流駆動回路６には、加算器８を経由してＬＤ電流設定回路１０から、直流電流ＤＣ、ランプ波、波長変調波１２がそれぞれ印加される。
直流電流ＤＣは、半導体レーザダイオード４を駆動するための電流であり、波長変調波１２は、レーザ光Ｌの発振波長に対して変調を施すために印加するものであり、この波長変調波１２および加算器８によって波長変調手段１４を構成している。
また、ランプ波は、測定対象ガス固有の吸収スペクトルのところでレーザ発振波長をゆっくりと掃引させるために印加するものである。

次に、半導体レーザダイオード４から発振されたレーザ光は、光ファイバのレーザ光路１６を通って、光偏波面コントローラ１８を経由して光変調器２０に導かれる。この光偏波面コントローラ１８ではレーザ光の偏波面を一定に整えて、次の光変調器２０での振幅変調を行いやすいようにしている。光変調器２０には振幅変調のために振幅変調波２２が供給され、該振幅変調波２２には、例えばサイン波が用いられる。サイン波を光変調器２０に供給することでパルス状の矩形波が生成されて、該矩形波による振幅変調が施される。この振幅変調波２２および光変調器２０で振幅変調手段２４を構成している。

光変調器２０を通ったレーザ光Ｌは、エンジンの燃焼室内、またはエンジンの排気管内のガス流通領域に一方のコリメータ（光学レンズ）２６から他方のコリメータ（光学レンズ）２８に向けて計測領域に入射される。計測領域を通過したレーザ光は、他方のコリメータ２８の近傍に配置された受光手段３０としてのフォトダイオード（ＰＤ）（受光ダイオード）３２によって受光されるようになっている。

フォトダイオード３２によって受光され受光信号は、プリアンプ３４によって増幅されて、受光信号の復調を行う復調処理手段３６と受光信号から直流成分を取り出す直流成分検出手段３８とに送られる。
この復調処理手段３６の部分は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４０と、ＡＣアンプ４２と、第１ロックインアンプ（振幅復調手段）４４と、第２ロックインアンプ（波長復調手段）４６と、ＤＣアンプ４８とが直列に接続されて構成されている。
また、直流成分検出手段３８の部分は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０と、ＤＣアンプ５２とが直列に接続されて構成されている。復調処理手段３６からの出力、および直流成分検出手段３８からの出力はＡＤ変換器５４に入力されて、そこからコンピュータ５６に送られる。

復調処理手段３６に送られた受光信号は、バンドパスフィルタ４０によって一定周波数帯域の信号を通過させ、ＡＣアンプ４２で増幅する。その後、第１ロックインアンプ（振幅復調手段）４４へ入力させて、この第１ロックインアンプ４４では、振幅変調手段２４から参照信号Ｓ１が入力されて該参照信号Ｓ１と等しい信号、すなわち振幅変調手段２４で変調したパルス状の矩形波、すなわちＯＮ、ＯＦＦパルス信号と同期する信号を取り出す。

次に、その振幅変調に同期した信号をさらに、第２ロックインアンプ（波長復調手段）４６に入力させて、この第２ロックインアンプ４６では、波長変調手段１４から参照信号Ｓ２が入力されて該参照信号Ｓ２と等しい信号、すなわち波長変調手段１４で変調した波長信号と同期する信号を取り出す。
このようにして、取り出した目的信号をＤＣアンプ４８によって増幅して、ＡＤ変換器５４に入力する。

また、直流成分検出手段３８に送られた受光信号は、ローパスフィルタ５０によって低周波成分だけを通過させて、ＤＣアンプ５２によって増幅して、ＡＤ変換器５４に入力する。
復調処理手段３６からの出力および直流成分検出手段３８からの出力はＡＤ変換器５４を通過後、コンピュータ５６に入力されて、対象ガス濃度の解析処理が行われる。

以上のように、振幅変調手段２４による振幅変調と波長変調手段１４による波長変調とを施した複合変調のレーザ光を、振幅変調の信号と同期する信号を取り出すことでレーザ光を背景光と区別して取り出すことができる。
特に、ＯＮ、ＯＦＦパルス信号による振幅変調を施した場合には、ＯＦＦの部分に乗っているノイズ成分とＯＮの部分に乗っているノイズ成分は同じものであるため、ＯＮの部分に乗っているノイズから、ＯＦＦの部分に乗っているノイズ成分を差し引くことにより、目的信号を取得することで、バックグラウンドノイズを低減した、感度の高い計測が可能になる。
（第２実施形態）

次に、図２を参照して、第２実施形態について説明する。
第２実施形態は、第１実施形態に対して、振幅変調を行う部分が相違するのみで、他の構成要素は第１実施形態と同様であるため、同一符号を付してして説明は省略する。
半導体レーザダイオード４から発振されたレーザ光は、光ファイバのレーザ光路１６を通って、コリメータ（光学レンズ）６０へと送られて、コリメータ６０から照射されたレーザ光は、光チョッパ６２に照射され、その光チョッパ６２によって振幅変調波に応じたＯＮ、ＯＦＦパルス状のレーザ光を生成することができる。光チョッパ６２はコリメータ６０からのレーザ光を一定の周期で断続光にするものであり、円板にスリットが形成され、回転された円板の一方面から照射されたレーザ光がスリットを通過するタイミングで振幅変調されたＯＮ、ＯＦＦパルス状のレーザ光が生成される。

前記第１実施形態においては、電気的にＯＮ、ＯＦＦパルス状の振幅変調を行ったが、本第２実施形態では、光チョッパ６２を用いて機械的にＯＮ、ＯＦＦパルス状の振幅変調を行うものである。
第２実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果を有し、さらに、機械的にＯＮ、ＯＦＦパルス状の振幅変調を行うので、計測装置全体の構造が単純化されるとともに、制御装置も簡単化される。
（第３実施形態）

次に、図３を参照して、第３実施形態について説明する。
第３実施形態は、第２実施形態に対して、第１ロックインアンプ４４を設けず、さらに、参照信号Ｓ１を直接ＡＤ変換器５４に入力する点が相違し、その他の構成要素は第２実施形態と同様である。そのため、同一符号を付してして説明は省略する。

本第３実施形態は、第２実施形態の第１ロックインアンプ４４を取り除き、第１ロックインアンプ４４に入力されていた振幅変調手段２４からの参照信号Ｓ１をＡＤ変換器５４へ入力する構成である。
第２実施形態では第１ロックインアンプ４４に入力されていた振幅変調手段２４からの参照信号Ｓ１は、パルス状の矩形波を生成する際のＯＮ、ＯＦＦタイミング信号であるため、そのタイミング信号を用いて、タイミング信号をＡＤ変換器５４へ直接入力して、ＯＮタイミング信号を用いて、第２ロックインアンプ４６およびＤＣアンプ４８を通過して生成された波長復調後の信号から、ＯＮタイミングのときの信号だけをＡＤ変換器５４からデジタル信号として取出してコンピュータ５６に出力するものである。

かかる第３実施形態によれば、第１ロックインアンプ（振幅復調手段）４４を設けないため、簡単な構成で目的とする信号を取出すことができるので、計測装置全体の構造が単純化されるとともに、制御装置も簡単化される。
（第４実施形態）

次に、図４を参照して、第４実施形態について説明する。
第４実施形態は、第２実施形態に対して、半導体レーザダイオード４から発振されたレーザ光の発光パワーを調整する光減衰器７０およびその減衰量を調整する減衰量調整手段７２を設けた点が相違し、その他の構成要素は第２実施形態と同様である。そのため、同一符号を付してして説明は省略する。

半導体レーザダイオード４から発振されたレーザ光が、光ファイバのレーザ光路１６を通って、コリメータ（光学レンズ）６０へと送られる。このレーザ光路１６の途中に、レーザ光の発光パワーを減衰する光減衰器７０を設け、該光減衰器７０の減衰量を、直流成分検出手段３８のＤＣアンプ５２の出力信号に基づいて調整する。

この調整は、具体的には、操作者がＤＣアンプ５２の出力信号を見て、測定したいガス濃度範囲が測定できるか否かを判断して、減衰量調整手段７２を操作して光減衰器７０の減衰量を調整する。
すなわち、受光手段３０のフォトダイオード３２によって受光される受光パワーと、測定可能な濃度レンジとの関係は、図６に示すように、受光パワーが大きくなるに従って、測定濃度レンジは小さくなり、受光パワーが小さいほど広レンジまで濃度測定が可能である。

これは、受光パワーが大きくなると、受光手段３０のプリアンプ３４が飽和領域Ａに達して測定困難となり、また、濃度が高くなると、ロックインアンプ４４、４６の飽和領域Ｂに達してしまい測定困難となるため、測定可能領域はＣ領域となる。
従って、測定したい濃度範囲を含む測定レンジになる受光パワーになるように、ＤＣアンプ５２の出力を見て減衰量調整手段７２を手動で操作して、レーザ光の発光パワーを調整する。

直流成分検出手段３８から出力される直流分の大きさによって受光パワーを評価することで適切な受光強度を判定できる。すなわち、フォトダイオード３２によって受光される受光信号のうち直流成分は、背景光の強さや測定対象雰囲気内のガス粒子による光の吸収、散乱による光の強さを示すため、フォトダイオード３２からの受光パワーを評価するのに適しているからである。
（第５実施形態）

次に、図５を参照して、第５実施形態について説明する。
第５実施形態は、第４実施形態に対して、手動による減衰量調整手段７２の調整ではなく、測定レンジ設定手段７４によって、予め設定した測定レンジにおける目標受光パワーとなるようにフィードバック制御をする点が相違し、その他の構成要素は第４実施形態と同様である。そのため、同一符号を付してして説明は省略する。

減衰量調整手段７２には、直流成分検出手段３８のＤＣアンプ５２の出力信号が入力され、さらに、測定レンジ設定手段７４によって設定された測定レンジ信号が入力される。設定される測定レンジは、例えば、低濃度レンジ７６と、標準濃度レンジ７８と、高濃度レンジ８０の３レンジが設定されており、測定しようとするガス濃度に応じてレンジの設定をする。

低濃度レンジを設定した場合には、例えば、図６の低濃度レンジの受光パワーのＰ３を、ＤＣアンプ５２の目標直流値として設定して、ＤＣアンプ５２の出力値がＰ３になるように減衰量調整手段７２が光減衰器７０の減衰量をフィードバック制御する。
また、標準濃度レンジを設定した場合には受光パワーのＰ２を目標直流値として設定し、高濃度レンジを設定したときは受光パワーのＰ１を目標直流値として設定する。

以上のように、測定レンジ設定手段７４によって設定された目標直流値に基づいて光減衰器７０の減衰量が、減衰量調整手段７２によってフィードバック制御がされるので、手動での光減衰器７０の減衰量調整に比べて簡単に適切な測定レンジの設定ができる。

なお、第１〜５実施形態では、光源として半導体レーザダイオード４を例に説明したが、その他の波長変調、振幅変調可能なレーザ発振器に適用可能である。

本発明によれば、内燃機関の燃焼室内での燃焼火炎のように現象スピードが速いガス雰囲気内においてもレーザ光を用いたガス濃度計測が可能になり、また、内燃機関からの排ガス配管内のような透過光量が少ない雰囲気内においてもレーザ光を用いたガス濃度計測が可能になり、高い耐ノイズ性と測定感度を確保するので、ガス濃度計測方法および計測装置燃焼診断装置への適用に際して有益である。

本発明の第１実施形態に係るガス濃度計測装置の概要示す全体構成図ブロック図である。 第２実施形態に係るガス濃度計測装置の概要示す全体構成図ブロック図である。 第３実施形態に係るガス濃度計測装置の概要示す全体構成図ブロック図である。 第４実施形態に係るガス濃度計測装置の概要示す全体構成図ブロック図である。 第５実施形態に係るガス濃度計測装置の概要示す全体構成図ブロック図である。 受光パワーと測定ガス濃度との関係を示す関係図である。 従来技術を示す説明図である。 従来技術を示す説明図である。

符号の説明

２ ガス濃度計測装置
４ 半導体レーザダイオード（ＬＤ）（光源）
１０ ＬＤ電流設定回路
１２ 波長変調波
１４ 波長変調手段
１６ レーザ光路
２２ 振幅変調波
２４ 振幅変調手段
２６、２８、６０ コリメータ（光学レンズ）
３０ 受光手段
３６ 復調処理手段
３８ 直流成分検出手段
４４ 第１ロックインアンプ（振幅復調手段）
４６ 第２ロックインアンプ（波長復調手段）
７０ 光減減衰器
７２ 減衰量調整手段
７４ 測定レンジ設定手段

Claims (9)

1. 内燃機関の燃焼室内若しくは内燃機関からの排ガス配管内の被測定ガス雰囲気内に、プリアンプを介して所定の振幅変調と所定の波長変調とを施した複合変調のレーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる測定信号のうち、ロックインアンプを用いて前記振幅変調に同期した成分を取出した後に、該振幅変調に同期した成分から前記波長変調に同期する成分を取出して、前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の特定種別のガス濃度を求め、
   前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の測定すべきガス種別の濃度に適した受光パワーとなるようにレーザダイオードからの発光パワーを光減衰器で減衰し、該光減衰器の減衰量を、受光ダイオードによる受光信号から得られる直流成分の大きさに基づいて調整し、
   前記プリアンプ及びロックインアンプが飽和領域に達さないように、前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の測定すべきガス種別の濃度に適した測定濃度範囲を予め測定レンジ設定手段で設定し、該測定レンジ設定手段での測定レンジに適した直流成分出力を目標直流値として、前記光減衰器の減衰量をフィードバック制御することを特徴とするガス濃度計測方法。
2. 前記振幅変調がパルス状の矩形波による振幅変調であることを特徴とする請求項１記載のガス濃度計測方法。
3. 波長変調されたレーザ光を矩形波生成の光変調器に通してパルス状の矩形波に波長変調された成分を重ねるようにして複合変調することを特徴とする請求項２記載のガス濃度計測方法。
4. 波長変調されたレーザ光を光チョッパに通してパルス状の矩形波に波長変調された成分を重ねるようにして複合変調することを特徴とする請求項２記載のガス濃度計測方法。
5. 前記パルス状の矩形波を生成する際のＯＮ、ＯＦＦタイミング信号を用いて、ＡＤ変換器へ取り込まれた波長復調後の信号から前記矩形波ＯＮ時の成分をデジタル的に取り出すことを特徴とする請求項３または請求項４記載のガス濃度計測方法。
6. 前記直流成分の大きさに基づいて測定すべきガス種別の濃度に適した測定濃度範囲になるように前記光減衰器の減衰量を手動で切換え調整することを特徴とする請求項１記載のガス濃度計測方法。
7. 内燃機関の燃焼室内若しくは内燃機関からの排ガス配管内の被測定ガス雰囲気内に、レーザ光を発振する光源と、
   該光源から発振されるレーザ光に所定の強度で変調する振幅変調手段と、
   前記光源から発振されるレーザ光に所定の周波数で変調する波長変調手段と、
   前記振幅変調手段と前記波長変調手段とによる複合変調が施されたレーザ光を前記燃焼室内若しくは排ガス配管内に導くレーザ光路と、
   被測定ガス雰囲気内を透過したレーザ光をプリアンプを介して受光する受光手段と、
   受光信号のうち前記振幅変調に同期する成分を取出す第１のロックインアンプである振幅復調手段と、
   該振幅復調手段によって前記振幅変調に同期する成分が取出された受光信号のうち前記波長変調に同期する成分を取出す第２のロックインアンプである波長復調手段と、
   レーザダイオードから発光されたレザーパワーを減衰する光減衰器と、前記受光ダイオードから得られる受光信号から直流成分を取り出す直流成分検出手段と、該直流成分検出手段によって生成された直流成分の大きさに基づいて前記光減衰器の減衰量を制御する減衰量調整手段と、
   前記プリアンプ、前記第１のロックインアンプ及び前記第２のロックインアンプが飽和領域に達しないように、前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の測定すべきガス種別の濃度に適した測定濃度範囲を設定する測定レンジ設定手段と
   を備え、
   前記振幅復調手段と前記波長復調手段とによって目的とする信号を取得して前記燃焼室内若しくは排ガス配管内の特定種別ガスの濃度を求め、
   前記測定レンジ設定手段で設定された測定レンジに適した直流成分出力を目標直流値として設定し、前記減衰量調整手段は前記目標直流値になるように前記光減衰器の減衰量をフィードバック制御することを特徴とするガス濃度計測装置。
8. 前記振幅変調手段は、光変調器または光チョッパからなり、パルス状の矩形波による振幅変調を行うことを特徴とする請求項７記載のガス濃度計測装置。
9. 測定レンジ設定手段は測定したいレンジ領域が広範囲の高濃度レンジと中範囲の標準濃度レンジと低範囲の低濃度レンジとを有し、高濃度レンジになるに従って前記目標直流値が下がるように設定されることを特徴とする請求項７記載のガス濃度計測装置。

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