JP5678452B2 - レーザ式ガス分析計 - Google Patents

Description

本発明は、測定ガス中にレーザ光を照射し、このレーザ光の光吸収による光量変化から前記測定ガスの濃度を測定するレーザ式ガス分析計に関する。

ＣＯ、ＮＯ、アンモニア等の各種ガス濃度等を検出する分析計としてレーザ式ガス分析計が知られている。この分析計は、レーザ光を測定ガス雰囲気中に照射して、レーザ光の光路に存在する分子・原子によりレーザ光が光吸収されることを利用するものである。

図２は従来のレーザ式ガス分析計の一例を示すブロック図である。図２において、ＳＧは測定ガス、１００は測定ガスＳＧへ測定用のレーザ光を照射する投光ユニット、２００は測定ガスＳＧを透過してきたレーザ光を受光し測定ガスＳＧの濃度を算出する受光ユニットである。

投光ユニット１００は、Ｉ／Ｖ変換器１０１、レーザ発光部１０２を備えている。受光ユニット２００は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）２１０、Ｄ／Ａ変換器２１１、ＰＤ（フォトダイオード）２１２、Ｉ／Ｖ変換器（電流／電圧変換器）２１３、アンプ２１４、Ａ／Ｄ変換器２１５を備えている。

まず、受光ユニット２００に内蔵されたＤＳＰ２１０において、投光ユニット１００内のレーザ発光部１０２への駆動信号Ｓｄを生成する。駆動信号Ｓｄは複数ビットのデジタル信号であり、Ｄ／Ａ変換器２１１により駆動信号Ｓｄの値に応じたアナログ電圧に変換される。Ｄ／Ａ変換器２１１の出力は、レーザ発光部１０２の駆動電圧Ｖｄとして、ケーブル３００を通じて投光ユニット１００に伝達される。

投光ユニット１００に伝達された駆動電圧Ｖｄは、Ｉ／Ｖ変換器１０１により電流に変換され、レーザ駆動電流Ｉｄとしてレーザ発光部１０２に供給される。レーザ発光部１０２は、測定ガスＳＧ雰囲気中にレーザ光Ｒを照射する。レーザ光Ｒは、測定ガスＳＧを挟んで対向配置されたＰＤ２１２に入射する。

この計測は、レーザ光Ｒの光路上の測定ガスＳＧによりレーザ光Ｒが吸収され、この吸収量がガス等の濃度と関連することを利用してその濃度等を検出するものである。レーザ光Ｒの発光波長はレーザ駆動電流Ｉｄ（すなわち駆動信号Ｓｄ）に依存した値となる。測定ガスＳＧの濃度を精度良く測定するために、測定の際にレーザ光Ｒの発光波長をスイープさせる。スイープする発光波長範囲、スイープするステップ数は事前に設定しておく。ＤＳＰ２１０は、駆動信号Ｓｄを変化させることによりレーザ光Ｒの発光波長をスイープさせながら（変調をかけながら）測定ガスＳＧに照射し、この結果得られるＰＤ２１２の出力信号をＤＳＰ２１２にて分析・演算することにより、検出対象である分子・原子のデータを得る。

ＰＤ２１２の出力はＩ／Ｖ変換器２１３に入力され、受光量に応じたアナログ電圧に変換される。Ｉ／Ｖ変換器２１３の出力は、アンプ２１４により増幅された後にＡ／Ｄ変換器２１５に入力され、受光量に応じた複数ビットのデジタル信号に変換され、ＤＳＰ２１０に入力される。ＤＳＰ２１０は、駆動信号Ｓｄとの同期を取りながらＡ／Ｄ変換器２１５からの入力信号を演算処理し、測定ガスＳＧによるレーザ光Ｒの吸収量に基づいて測定ガスＳＧの濃度を算出する。算出した結果は、ＲＳ４２２通信により上位装置のＣＰＵ４００に伝達され、モニタ５００からユーザに表示される。また、外部へ４−２０ｍＡのアナログ出力される。

下記特許文献には、このようなレーザ式ガス分析計が記載されている。

特開２００２−２７７３９１号公報 特開２００７−１７０８４１号公報 特開２００８−１１６３６８号公報

上述のようなレーザ式ガス分析計は、排管・タンク・煙道など排気ガスが流れる箇所に直接設置されることが多く、レーザ光Ｒの光路長は数ｍから数十ｍ程度になることがある。そして、アナログ電圧のレーザ駆動電圧Ｖｄを伝達するケーブル３００は、配線の引き回しの都合上さらに距離が長くなることが多い。

しかしながら、ケーブル３００が長くなると、アナログ電圧のレーザ駆動電圧Ｖｄにノイズが乗ってしまい、レーザ駆動電流Ｉｄが変動し、その結果レーザ光Ｒの発光波長がばらついてしまう。レーザ光Ｒの発光波長がばらつくと、濃度の検出限界に影響したり、分析の安定性・再現性に問題が生じてしまう。

そこで従来は、ノイズによる影響を低減するために、レーザ光Ｒのスイープを数１００〜数１０００回繰り返してＰＤ２１２の受光量の積算を取ることにより対応していた。しかし、ノイズの影響を十分に低減するためにはスイープ回数を多く確保しなければならず、測定結果の更新周期が長くなってしまう。

本発明は、従来の問題をなくし、ノイズの影響を受けにくくすることにより測定精度が向上し、測定結果の更新周期を短縮したレーザ式ガス分析計を実現することを目的とする。

このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
測定ガス中にレーザ光を照射する投光ユニットと、前記レーザ光の光吸収による光量変化から前記測定ガスの濃度を測定する、前記投光ユニットと別体の受光ユニットとを有するレーザ式ガス分析計において、
前記受光ユニットは、
前記測定ガスの測定開始を指示するデジタルのトリガ信号を生成するトリガ信号生成部と、
前記測定ガスを透過した前記レーザ光を受光する受光部と、
この受光部の出力に基づいて前記測定ガスの濃度を算出する演算部とを有し、
前記投光ユニットは、
前記レーザ光を発生させるレーザ発光部と、
このレーザ発光部に近接して設けられ、前記受光ユニットからケーブルを介して伝達された前記デジタルのトリガ信号を受信することにより前記レーザ発光部を駆動する駆動回路とを有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記駆動回路は、
前記トリガ信号を受信し、前記レーザ発光部の前記レーザ光の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
前記駆動信号を前記レーザ光のレーザ駆動電圧に変換するＤ／Ａ変換器と、
前記レーザ駆動電圧をレーザ駆動電流に変換し前記レーザ発光部に供給する電圧電流変換器と、
からなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
請求項１または２に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記駆動回路は、前記レーザ光の発光波長をスイープさせることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ式ガス分析計において、
前記駆動回路は、前記トリガ信号を受信すると、前記レーザ光の発光波長のスイープを所定回数繰り返し、
前記演算部は、前記所定回数分得られる前記受光部の出力の平均に基づいて前記測定ガスの濃度を算出することを特徴とする。

本発明によれば、
受光ユニットは、測定ガスの測定開始を指示するデジタルのトリガ信号を生成するトリガ信号生成部と、測定ガスを透過した前記レーザ光を受光する受光部と、この受光部の出力に基づいて前記測定ガスの濃度を算出する演算部とを有し、
投光ユニットは、レーザ光を発生させるレーザ発光部と、このレーザ発光部に近接して設けられ、前記受光ユニットからケーブルを介して伝達された前記デジタルのトリガ信号を受信することにより前記レーザ発光部を駆動する駆動回路とを有するため、
駆動回路がノイズの影響を受けにくくなり、測定精度が向上したレーザ式ガス分析計を実現できる。

レーザ発光部の駆動回路は、請求項２のように、トリガ信号を受信し、レーザ発光部のレーザ光の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、駆動信号をレーザ光のレーザ駆動電圧に変換するＤ／Ａ変換器と、レーザ駆動電圧をレーザ駆動電流に変換しレーザ発光部に供給する電圧電流変換器とで構成してもよい。

請求項３の発明によれば、
駆動回路は、レーザ光の発光波長をスイープさせるため、より正確に測定ガスを分析できる。

請求項４の発明によれば、
駆動回路は、トリガ信号を受信すると、レーザ光の発光波長のスイープを所定回数繰り返して積算し、演算部は、所定回数分得られる受光部の出力の平均に基づいて測定ガスの濃度を算出するため、よりノイズによる影響を排除し測定精度を向上させることができる。なお、ノイズの影響を受けにくくなることで、従来例と同程度にノイズの影響を排除するにあたり、従来例よりも積算回数を減らすことが可能となり、測定結果の更新周期を短縮できる。あるいは、従来例と同じ積算回数を実施した場合には、従来例よりも安定性が向上し、測定感度を向上させることができる。

本発明のレーザ式ガス分析計の一例を示すブロック図である。 従来のレーザ式ガス分析計の一例を示すブロック図である。

図１は本発明のレーザ式ガス分析計の一例を示すブロック図である。図１において、ＳＧは測定ガス、１は測定ガスＳＧへ測定用のレーザ光を照射する投光ユニット、２は測定ガスＳＧを透過してきたレーザ光を受光し測定ガスＳＧの濃度を算出する受光ユニットである。

投光ユニット１は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１０ａ、Ｄ／Ａ変換器１０ｂ、Ｉ／Ｖ変換器１０ｃ、レーザ発光部１１を備えている。受光ユニット２は、ＤＳＰ２０、ＰＤ（フォトダイオード）２１、Ｉ／Ｖ変換器（電流／電圧変換器）２２、アンプ２３、Ａ／Ｄ変換器２４を備えている。

まず、受光ユニット２に内蔵されたＤＳＰ２０において、測定ガスＳＧの測定開始を指示するトリガ信号Ｓｔｒｇを生成する。トリガ信号ＳｔｒｇはＬ／Ｈのデジタル信号であり、ケーブル３を通じて投光ユニット１に伝達される。

トリガ信号Ｓｔｒｇは、投光ユニット１のＤＳＰ１０ａで受信される。ＤＳＰ１０ａは、トリガ信号Ｓｔｒｇを受信すると、レーザ発光部１１への駆動信号Ｓｄを生成する。駆動信号Ｓｄは複数ビット（たとえば１４ｂｉｔ）のデジタル信号とする。駆動信号Ｓｄは、Ｄ／Ａ変換器１０ｂにより、駆動信号Ｓｄの値に応じたレーザ駆動電圧Ｖｄに変換される。Ｄ／Ａ変換器１０ｂの出力はＩ／Ｖ変換器１０ｃに入力され、駆動電圧Ｖｄに応じたレーザ駆動電流Ｉｄに変換され、レーザ発光部１１に供給される。レーザ発光部１１は、測定ガスＳＧ雰囲気中にレーザ光Ｒを照射する。レーザ光Ｒは、測定ガスＳＧを挟んで対向配置されたＰＤ２１に入射する。

ここで、ＤＳＰ１０ａ、Ｄ／Ａ１０ｂ、Ｉ／Ｖ変換器１０ｃでレーザ発光部１１の駆動回路１０を構成している。駆動回路１０は投光ユニット１内に設けられているため、レーザ発光部１１と近接して配置された状態となっている。

この計測は、レーザ光Ｒの光路上の測定ガスによりレーザ光Ｒが吸収され、この吸収量がガス等の濃度と関連することを利用してその濃度等を検出するものである。レーザ光Ｒの発光波長はレーザ駆動電流Ｉｄ（すなわち駆動信号Ｓｄ）に依存した値となる。

測定ガスＳＧの濃度を精度良く測定するために、測定の際にレーザ光Ｒの発光波長をスイープさせる。スイープする発光波長範囲、スイープするステップ数は事前に設定し、ＤＳＰ１０ａに保持させておく。たとえば、スイープの発光波長範囲は、レーザ駆動電圧Ｖｄで０〜２Ｖの範囲、スイープのステップ数は２１４段階（すなわち、１ステップ＝２Ｖ／２１４＝０．９３５ｍＶ）のように設定しておく。

ＤＳＰ１０ａは、駆動信号Ｓｄを変化させることによりレーザ光Ｒの発光波長をスイープさせながら（変調をかけながら）測定ガスＳＧに照射し、この結果得られるＰＤ２１の出力信号をＤＳＰ２０にて演算する。

ＰＤ２１の出力はＩ／Ｖ変換器２２に入力され、受光量に応じたアナログ電圧に変換される。Ｉ／Ｖ変換器２２の出力は、アンプ２３により増幅された後にＡ／Ｄ変換器２４に入力され、受光量に応じた複数ビット（たとえば１４ｂｉｔ）のデジタル信号に変換され、ＤＳＰ２０に入力される。ＤＳＰ２０は、トリガ信号Ｓｔｒｇとの同期を取りながらＡ／Ｄ変換器２４からの入力信号を積算演算処理し、ＲＳ４２２通信により上位装置のＣＰＵ４に伝達される。ＣＰＵ４は、ＤＳＰ２０の積算演算結果に基づいて、測定ガスＳＧによるレーザ光Ｒの吸収量を求め、測定ガスＳＧの濃度を算出する。算出した測定ガスＳＧの濃度は、モニタ５からユーザに表示される。また、ＲＳ４２２通信により再度ＣＰＵ４からＤＳＰ２０に伝達され、ＤＳＰ２０から４−２０ｍＡのアナログ出力される。

本実施例では、受光ユニット２から投光ユニット１へ伝達する信号を従来のようなアナログの電圧信号からデジタルのトリガ信号にしたことで、従来よりもノイズに強く、結果的にレーザ光Ｒの発光波長にノイズの影響が出にくいレーザ式ガス分析計を構成できる。
また、レーザ発光部１１に近接して設けた駆動回路１０にて駆動信号Ｓｄを生成しているため、駆動電圧Ｖｄ、駆動電流Ｉｄにノイズが乗る危険性が低減され、レーザ光Ｒの発光波長にノイズの影響が出にくくなる。

本実施例は以上のように構成され、
受光ユニット２が、測定ガスＳＧの測定開始を指示するデジタルのトリガ信号Ｓｔｒｇを生成するＤＳＰ２０と、測定ガスＳＧを透過したレーザ光Ｒを受光するＰＤ２１と、このＰＤ２１の出力に基づいて測定ガスＳＧの濃度を算出するＤＳＰ２０とを有し、
投光ユニット１が、レーザ光Ｒを発生させるレーザ発光部１１と、このレーザ発光部１１に近接して設けられ、受光ユニット２からケーブル３を介して伝達されたデジタルのトリガ信号Ｓｔｒｇを受信することによりレーザ発光部１１を駆動する駆動回路１０とを有するため、駆動回路１０がノイズの影響を受けにくくなり、測定精度が向上したレーザ式ガス分析計を実現できる。

また、ＤＳＰ１０ａは、駆動信号Ｓｄを変化させてレーザ光Ｒの発光波長をスイープさせるため、より正確に測定ガスＳＧを分析できる。

また、ＤＳＰ１０ａは、トリガ信号Ｓｔｒｇを受信すると、駆動信号Ｓｄを所定回数繰り返して生成し、ＤＳＰ２０は、所定回数分得られるＰＤ２１の出力の平均に基づいて測定ガスＳＧの濃度を算出するため、よりノイズによる影響を排除し測定精度を向上させることができる。なお、ノイズの影響を受けにくくなることで、従来例と同程度にノイズの影響を排除するにあたり、従来例よりもスイープ回数を減らすことが可能となり、測定結果の更新周期を短縮できる。

なお、本実施例では、駆動回路１０を、トリガ信号Ｓｔｒｇを受信し、レーザ発光部１３のレーザ光Ｒの駆動信号Ｓｄを生成するＤＳＰ１０ａと、駆動信号Ｓｄをレーザ駆動電圧Ｖｄに変換するＤ／Ａ変換器１０ｂと、レーザ駆動電圧Ｖｄをレーザ駆動電流Ｉｄに変換しレーザ発光部１３に供給するＩ／Ｖ変換器１０ｃとで構成したが、トリガ信号Ｓｔｒｇを受信することによりレーザ光Ｒを発光させる構成であれば、他の構成で実現してもよい。

また、本実施例では、受光ユニット２側にてトリガ信号Ｓｔｒｇを生成して投光ユニット１側に伝達したが、投光ユニット１側でトリガ信号Ｓｔｒｇを生成して受光ユニット２側に伝達し、伝達されたトリガ信号Ｓｔｒｇを合図に測定ガスを透過してきたレーザ光を受光するようにしてもよい。受光ユニット２−投光ユニット１間をデジタルのトリガ信号Ｓｔｒｇで伝達することにより、ノイズの影響を受けにくく測定精度を向上したレーザ式ガス分析計を実現できる。

本実施例におけるＤＳＰ２０は特許請求の範囲におけるトリガ信号生成部に相当し、ＤＳＰ２０とＣＰＵ４は演算部に相当し、ＰＤ２１は受光部に相当し、ＤＳＰ１０ａは駆動信号生成部に相当し、Ｉ／Ｖ変換器１０ｃは電流電圧変換器に相当する。

１ 投光ユニット
１０ 駆動回路
１０ａ ＤＳＰ
１０ｂ Ｄ／Ａ変換器
１０ｃ Ｉ／Ｖ変換器
１１ レーザ発光部
２ 受光ユニット
２０ ＤＳＰ
２１ ＰＤ（フォトダイオード）
ＳＧ 測定ガス
Ｒ レーザ光
Ｓｔｒｇ トリガ信号
Ｓｄ 駆動信号

Claims (4)

1. 測定ガス中にレーザ光を照射する投光ユニットと、前記レーザ光の光吸収による光量変化から前記測定ガスの濃度を測定する、前記投光ユニットと別体の受光ユニットとを有するレーザ式ガス分析計において、
   前記受光ユニットは、
   前記測定ガスの測定開始を指示するデジタルのトリガ信号を生成するトリガ信号生成部と、
   前記測定ガスを透過した前記レーザ光を受光する受光部と、
   この受光部の出力に基づいて前記測定ガスの濃度を算出する演算部とを有し、
   前記投光ユニットは、
   前記レーザ光を発生させるレーザ発光部と、
   このレーザ発光部に近接して設けられ、前記受光ユニットからケーブルを介して伝達された前記デジタルのトリガ信号を受信することにより前記レーザ発光部を駆動する駆動回路とを有することを特徴とするレーザ式ガス分析計。
2. 前記駆動回路は、
   前記トリガ信号を受信し、前記レーザ発光部の前記レーザ光の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
   前記駆動信号を前記レーザ光のレーザ駆動電圧に変換するＤ／Ａ変換器と、
   前記レーザ駆動電圧をレーザ駆動電流に変換し前記レーザ発光部に供給する電圧電流変換器と、
   からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ式ガス分析計。
3. 前記駆動回路は、前記レーザ光の発光波長をスイープさせることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ式ガス分析計。
4. 前記駆動回路は、前記トリガ信号を受信すると、前記レーザ光の発光波長のスイープを所定回数繰り返し、
   前記演算部は、前記所定回数分得られる前記受光部の出力の平均に基づいて前記測定ガスの濃度を算出す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式ガス分析計。

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