JP5532608B2 - レーザガス分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸収ピークが比較的近い２種類のガス濃度の測定に用いて好適なレーザガス分析計に関し、詳しくは１つの検出器で吸収ピークが比較的近い２つの成分の吸収スペクトル信号を受光しても測定を可能としたレーザガス分析計に関するものである。

TDLS（Tunable Diode Laser Spectroscopy）と呼ばれる方式のレーザガス分析計は、例えば、燃焼管理のための酸素濃度（O2）、一酸化炭素（CO）濃度測定、排ガス中のアンモニア（NH3）や塩酸（HCl）濃度測定、天然ガスパイプラインの管内水分量測定などの様々な産業分野で利用されている。

これらのガスは種類によって特定の波長成分を吸収するため、ガスにレーザ光を当て、その透過光のスペクトラムから吸収された波長を解析し、濃度を測定する。
TDLSは例えば、煙道中のガスを直接かつ高速に測定でき、そのリアルタイム性、コストパフォーマンスの高さから、今後のガス分析計の主流になっていくものと考えられている。

図３（ａ，ｂ）は２種類のガス成分を測定するための要部構成図（ａ）及び吸収ピークが比較的近い２種類のガス濃度を測定した場合の受光部で得られるスペクトルを示す図（ｂ）である。

図３（ａ）において、（イ）で囲った部分は投光側で、第１，第２ＬＤ（１ａ，１ｂ）の出射方向が直角になるように配置され、これらのＬＤが出射したレーザが交差する点に４５度傾斜して第１ダイクロイックミラー２ａが配置されており、第１ダイクロイックミラー２ａの後段には第１レンズ３ａが配置されている。

（ロ）で囲った部分は例えば少なくとも２種類の成分を含むガスが流れる煙道である。
（ハ）で囲った部分は受光側で、第１レンズ３ａに対向して第２レンズ３ｂが配置され、このレンズの後段に４５度傾斜して第２ダイクロイックミラー２ａが配置されている。 第１ＰＤ４ａは第２ダイクロイックミラーを透過した光を受光する位置に配置され、第２ＰＤ４ｂは第２ダイクロイックミラーで反射した光を受光する位置に配置されている。

上述の構成において、第１ＬＤ1ａの波長は煙道を流れる測定すべき第１のガス成分に吸収を持つ波長とされ、第２ＬＤ1ｂの波長は測定すべき第２のガス成分に吸収を持つ波長とされている。また、第１のダイクロイックミラー２ａは第１ＬＤ１ａから出射する光を透過し、第２ＬＤ１ｂから出射する光を反射するように作製されているものとする。

第１ダイクロイックミラーを透過／反射した光は第１レンズ３ａでコリメートされ、煙道２を通過して第２レンズ３ｂで集光されて第２ダイクロイックミラー２ｂで透過／反射する。そして、透過した光は第１ＰＤに入射し、反射した光は第２ＰＤに入射する。それぞれのＰＤに入射した光はガスの成分濃度に関連して吸収を受けるのでＰＤの出力信号を分析することにより測定すべき２種類のガス濃度を測定することができる。

特公平７−１８７６２号公報 特開平７−２７７０１号公報 特開２００８−２０３２４８号公報

ところで、２種類の測定対象ガスの吸収ピークが離れていて、第１，第２レーザの発振波長が大きく異なる場合はダイクロイックミラーは透過光と反射光を明確に分離可能である。
しかしながら、２種類の測定対象ガスの吸収ピークが比較的近い場合（１つのレーザで掃引できないピーク位置のとき）、ダイクロイックミラーに代表される光学素子では波長分離ができない。そのため、第１、第２ＰＤで構成される検出器では２種類の成分の吸収スペクトル信号を受光することとなる。

図３（ｂ）は、吸収スペクトルが接近した２種類のガスを同一の掃引幅（０．３ｎｍ）で掃引した場合の第１、第２ＰＤでの受光信号を示すもので、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は光吸収強度（ａｂｓ）である。図３において、曲線（イ）は測定成分１（ロ）および測定成分１（ハ）の曲線が合成されたものとなっている。この場合、それぞれの成分の単独の濃度測定ができないという問題がある。

また、吸収ピークがこれほど接近していない場合でもＳ／Ｎの劣化を招くという問題がある。なお、２つのＬＤ，ＰＤを用いてそれぞれ別個に吸収強度を測定することが考えられるが、その場合は光学系が２系列必要となり不経済である。

従って本発明の目的は、測定対象の吸収ピークが比較的近い場合においても波長分離が可能な測定方法を確立し、１つの光学系で２成分のガス測定を可能にしたレーザガス分析計を実現することにある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１に記載のレーザガス分析方法の発明においては、
波長λ１からλ２まで第１の掃引幅で掃引する第１のレーザダイオードと、
波長λ３からλ４まで前記第１の掃引幅とは異なる第２の掃引幅で掃引する第２のレーザダイオードと、
前記第１のレーザダイオードと前記第２のレーザダイオードから出射したレーザ光が測
定対象ガスを透過した光を受光するフォトダイオードと、
を備えたレーザガス分析方法であって、
前記フォトダイオードから出力される複数の測定成分が重畳した合成波の吸収スペクトルから各成分のベースライン補正を行い、ベースライン補正後のピークの面積から各成分の濃度を算出することを特徴とするレーザガス分析方法。

請求項２においては、請求項１記載のレーザガス分析方法の発明において、
前記第１，第２レーザダイオードは出射方向が略直角になるように配置され、これらのレーザダイオードから出射したレーザ光が交差する点に光学素子が配置されており、該光学素子を透過及び反射したレーザ光を前記光学素子の後段に配置された第１レンズでコリメートし、該第１レンズでコリメートした光を測定対象ガスに透過させ、その透過した光を第２レンズで集光し、その集光された光を前記フォトダイオードで受光することを特徴とする。

請求項３においては、請求項１に記載のレーザガス分析方法において、
前記光学素子はダイクロイックミラーであることを特徴とする。
請求項４においては、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザガス分析方法において、前記第１のレーザダイオードの波長は測定すべき第１のガス成分に吸収を持つ波長とされ、前記第２のレーザダイオードの波長は測定すべき第２のガス成分に吸収を持つ波長とされることを特徴とする。
請求項５においては、請求項１〜４のいずれかに記載のレーザガス分析方法において、前記波長λ３およびλ４は、前記波長λ１からλ２の範囲に含まれることを特徴とする。

本発明の請求項１，２によれば、各ガス成分の吸収ピークを分離することができるため、それぞれの測定成分単独の濃度測定、およびＳ／Ｎを劣化させずに測定することが可能となる。また、従来用いていた検出器ＰＤの直前に設置してある光学素子（ダイクロイックミラー）の必要性がなくなるとともにＰＤが１つですむためコストを下げることができる。さらに、光学系の簡素化による光学設計の容易性が向上するという効果もある。

本発明のレーザガス分析計の実施形態の一例を示す構成図である。 吸収スペクトルから各成分のピーク面積を求める説明図である。 従来のレーザガス分析計の一例を示す構成図である。

図１（ａ，ｂ）は２種類のガス成分を測定するための要部構成図（ａ）及び吸収ピークが比較的近い２種類のガス濃度を測定した場合の受光部で得られるスペクトルを示す図（ｂ）である。

図１（ａ）において、（イ）で囲った部分は投光側で、第１，第２ＬＤ（１ａ，１ｂ）の出射方向が直角になるように配置され、これらのＬＤから出射したレーザが交差する点に４５度傾斜して第１ダイクロイックミラー２ａが配置されており、第１ダイクロイックミラー２ａの後段には第１レンズ３ａが配置されている。

（ロ）で囲った部分は例えば少なくとも２種類の成分を含むガスが流れる煙道である。
（ハ）で囲った部分は受光側で、第１レンズ３ａに対向して第２レンズ３ｂが配置されている。ＰＤ４はこのレンズで集光された光を受光する位置に配置されている。

上述の構成において、第１ＬＤ1ａの波長は煙道を流れる測定すべき第１のガス成分に吸収を持つ波長とされ、第２ＬＤ1ｂの波長は測定すべき第２のガス成分に吸収を持つ波長とされているものとし、
また、第１のダイクロイックミラー２ａは第１ＬＤ１ａから出射する光を透過し、第２ＬＤ１ｂから出射する光を反射するように作製されているものとする。

第１ダイクロイックミラーを透過／反射した光は第１レンズ３ａでコリメートされ、煙道（ロ）を通過して第２レンズ３ｂで集光されてＰＤ４に入射する。ＰＤ４に入射した光はガスの成分濃度に関連して吸収を受けるのでＰＤの出力信号を分析することにより測定すべき２種類のガス濃度を測定することができる。

本発明では第１、第２ＬＤ（１ａ、１ｂ）の掃引幅に差をつけて掃引する。
図１（ｂ）は掃引幅に差をつけて掃引した場合のＰＤ４の出力信号を示すもので、（ニ）で示す曲線は合成波である。（ホ）で示す曲線は例えばＬＤ１から出射する波長をλ１〜λ２まで変化させ掃引幅を０．３ｎｍとした場合であり、（ヘ）で示す曲線は例えばＬＤ２から出射する波長をλ３〜λ４まで変化させ掃引幅を０．０５ｎｍとした場合である。なお、図では省略するがそれぞれのＬＤには出射するレーザの出力波長や掃引幅を制御する装置が設けられているものとする。

即ち、（ニ）で示す曲線は（ホ）で示す吸収スペクトルの曲線に（ヘ）で示す吸収スペクトルの曲線が重畳したものとなっている。

吸収スペクトルから各成分のピーク面積を求める手法を以下に示す。
（１）図２に示すように、測定成分２の吸収ピークであるピーク（ニ）に対して、Ａ地点およびＢ地点でベースライン補正を行う。（ＡＢ間の補正式を公知の演算方法により算出する）これにより、ＰＤで受光された信号から測定成分２のみを抽出できる。
（２）ベースライン補正後のピーク（ニ）の面積を公知の演算手法により求め、測定成分２の濃度を算出する。（測定成分ヘを単独で測定したことと同等である）

（３）測定成分１の吸収ピーク（ホ）に対してベースライン補正を行う。
（４）吸収ピーク（ホ）の頂点部分でピーク（ニ）と結合している箇所（ＡＢ間）に関しては、先に求めたＡＢ間の補正式を利用し、ピーク（ホ）の面積を求め、測定成分１の濃度を算出する。これにより、ＰＤ４で受光された信号から測定成分１のみのピークを抽出することができる。

上記のような手法により、各成分の吸収ピークを分離することができるため、それぞれの測定成分単独の濃度測定、およびＳ／Ｎを劣化させずに測定することが可能となる。
また、本発明によれば、図３に示す従来例で第１、第２ＰＤ（検出器）直前に設置してあるダイクロイックミラーに代表される光学素子の必要性がなくなるとともにＰＤ（検出器）も1つで十分であるため、図３に示す第２ＰＤ（４ｂ）も必要なくなり、コストを下げることができる。
さらに、光学系の簡素化による光学設計の容易性が向上する利点もある。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。たとえば測定範囲内（レーザの掃引可能な範囲）に測定対象成分の吸収ピークが多数ある場合でも、多成分測定が可能となるため、様々な測定対象に適用することができる。

また、測定波長を変更させたり、掃引幅を変更させることで、他のガス成分測定が可能になったり、測定成分数を増やすことも可能になる。また、実施例では第１、第２ＬＤの出射方向を直角とし、ダイクロイックミラーの角度を４５度傾斜させたが、測定対象ガスを透過した第１、第２ＬＤレーザの光が一つのＰＤに入射する角度であればよい。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

１ ＬＤ（レーザダイオード）
２ 光学素子（ダイクロイックミラー）
３ レンズ
４ ＰＤ（フォトダイオード）

Claims (5)

1. 波長λ１からλ２まで第１の掃引幅で掃引する第１のレーザダイオードと、
   波長λ３からλ４まで前記第１の掃引幅とは異なる第２の掃引幅で掃引する第２のレーザダイオードと、
   前記第１のレーザダイオードと前記第２のレーザダイオードから出射したレーザ光が測
   定対象ガスを透過した光を受光するフォトダイオードと、
   を備えたレーザガス分析方法であって、
   前記フォトダイオードから出力される複数の測定成分が重畳した合成波の吸収スペクトルから各成分のベースライン補正を行い、ベースライン補正後のピークの面積から各成分の濃度を算出することを特徴とするレーザガス分析方法。
2. 前記第１，第２レーザダイオードは出射方向が略直角になるように配置され、これらのレーザダイオードから出射したレーザ光が交差する点に光学素子が配置されており、該光学素子を透過及び反射したレーザ光を前記光学素子の後段に配置された第１レンズでコリメートし、該第１レンズでコリメートした光を測定対象ガスに透過させ、その透過した光を第２レンズで集光し、その集光された光を前記フォトダイオードで受光することを特徴とする請求項１に記載のレーザガス分析方法。
3. 前記光学素子はダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項２に記載のレーザガス分析方法。
4. 前記第１のレーザダイオードの波長は測定すべき第１のガス成分に吸収を持つ波長とされ、
   前記第２のレーザダイオードの波長は測定すべき第２のガス成分に吸収を持つ波長とされることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザガス分析方法。
5. 前記波長λ３およびλ４は、前記波長λ１からλ２の範囲に含まれることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザガス分析方法。