JP5811942B2 - ガス濃度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長可変型の半導体レーザを用いてガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に関する。

測定対象物質の濃度を光によって測定する方法は、ガスやその他の形態の試料に対して行われている。この測定方法では、光学系の汚れが濃度測定に影響を及ぼすため、何らかの方法で濃度を補正しなければならない。

例えば、特許文献１に記載された光学式濃度測定装置では、試料を流すフローセル以外に、超純粋水又は精製水のゼロ水を封入したゼロ校正部と、特定の波長に対してある程度の吸収を持つ光学フィルタとゼロ水とを封入したスパン校正部とを有している。これらを回転機構により回転させて光路中にセットし、スパン校正やゼロ校正を行い、窓の汚れを補正している。

また、特許文献２に記載された赤外線ガス分析計では、セルに流すガスを切り替える装置を備えている。これにより、セルに流すガスを基準ガスと試料ガスとに切り替え、基準ガスを流した時の検出器出力を基準として試料ガスの濃度を計算している。

また、特許文献３に記載された多成分用レーザ式ガス分析計では、煙道での排ガス測定などに適用できる補正方法として、同期検波回路の出力信号（２ｆ信号）が受光光量レベルと比例するので、受光量レベルと予め設定した受光光量設定値との比を、受光光量補正係数として算出し、この受光光量補正係数を用いて２ｆ信号を補正している。

特開平９−１１３４４０号公報 特開平７−６３６８２号公報 特開２００９−２６４８１４号公報

しかしながら、特許文献１，２では、濃度を測定するために、ガスの流れを切り替えるか、あるいは基準ガスが充填されたセルを測定光路中に、挿入しなければならない。この方法は、オープンパスでの測定や煙道のような半開放系・スペースに制限がある場合における校正には採用できない。

また、受光量レベルと予め設定した受光光量との比を用いる方法では、光源が放射する光量が例えば劣化などにより低下した場合には、光量低下を正確に把握できず、濃度の補正に誤差が生じ、濃度測定にも支障を来たす。

本発明の課題は、光路中のダストや光学素子の汚れの影響を補正することで、測定精度を向上するとともに光源の劣化や光学系の異常を把握することができるガス濃度測定装置を提供する。

本発明に係るガス濃度測定装置は、上記課題を解決するために、レーザダイオードと該レーザダイオードの出射出力をモニタするモニタ用フォトダイオードとを有する光源部と、前記レーザダイオードからの光を測定ポイントに導く光ファイバと、前記光ファイバからの光を２分岐する分岐器と、前記分岐器で分岐された一方の光を受光するファイバ用フォトダイオードと、前記分岐器で分岐され且つ測定対象ガスを透過した他方の光を受光する受光素子と、前記受光素子の出力に基づき前記レーザ光の光路上に存するガスの濃度を演算する演算回路とを備え、前記演算回路は、前記モニタ用フォトダイオードからの信号と前記ファイバ用フォトダイオードからの信号との比を算出し且つこの比の変化に基づき前記光ファイバの異常を判定し、前記ガスの吸収を受けない波長を用い且つ前記ファイバ用フォトダイオードからの信号と前記受光素子からの信号との比に基づきガスの濃度を補正することを特徴とする。

本発明によれば、演算回路は、モニタ用フォトダイオードからの信号とファイバ用フォトダイオードからの信号との比を算出し且つこの比の変化に基づき光ファイバの異常を判定し、ガスの吸収を受けない波長を用い且つファイバ用フォトダイオードからの信号と受光素子からの信号との比に基づきガスの濃度を補正するので、光路中のダストや光学素子の汚れの影響を補正でき、測定精度が向上するとともに光源の劣化や光学系の異常を把握することができる。

実施例１のガス濃度測定装置の構成ブロック図である。 実施例１のガス濃度測定装置の構造図である。 実施例１のガス濃度測定装置のレーザ駆動電流を示す図である。 実施例１のガス濃度測定装置においてガスを透過した信号とガスの吸収スペクトルを示す図である。 実施例１のガス濃度測定装置において２ｆ検波によって得られたガスの吸収を受けた信号を示す図である。 実施例１のガス濃度測定装置においてダストの有無における２ｆ信号の変化を示す図である。 受光素子とモニタ用フォトダイオードと信号処理部との詳細図である。 実施例１のガス濃度測定装置においてモニタ用フォトダイオード出力、ダストの有無における受光量を示す図である。 光ファイバを用いて測定ポイントに光を導くガス濃度測定装置の構成ブロック図である。 光ファイバを用いて一つの光源部から複数の測定ポイントに光を導くガス濃度測定装置の構成ブロック図である。 光学系の汚れ防止を施したガス濃度測定装置の構造図である。 図１に示す構成とフォトダイオード出力との比と推定故障モードとを示す図である。 図９に示す構成とフォトダイオード出力との比と推定故障モードとを示す図である。

以下、本発明のガス濃度測定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

実施例のガス濃度測定装置は、レーザを用いて波長を掃引しながら測定対象ガス種に固有の波長の光強度が変化することを利用した装置である。

ガス濃度の測定には、単純にレーザの波長を変化させる（直接吸収分光法）のほか、波長走査を高周波の波長変調を伴いながら行う（ＴＤＬＡＳ）方法が高感度な測定法が知られている。

ＴＤＬＡＳは、変調周波数の２倍の周波数で信号を検波する点において、直接吸収分光法とは相違するが、これらの手法では、測定対象ガスが吸収される波長ばかりではなく、測定対象ガスが吸収されない波長も走査して、測定対象ガスが吸収される波長における光信号強度と、測定対象ガスが吸収されない波長における光信号強度との違いを検出してガスの濃度を算出する。

図１は、実施例１のガス濃度測定装置の構成ブロック図である。図２は、実施例１のガス濃度測定装置の構造図である。図２に示すガス濃度測定装置は、光源部１からのレーザ光に対して略直角方向に配置された煙道壁７にガスが流れる場合にガスの濃度を測定するものである。

図１に示すガス濃度測定装置において、左側の煙道壁７に取り付けられた発光部取付部品５ａの端側には、光源部１と、測定対象ガスに出射光を照射させるためのコリメートレンズ２と、レーザ駆動回路８、温度調整機構９とが設けられている。

測定対象ガスは、ＮＨ３、ＮＯ、ＮＯ２、ＳＯ２、ＨＣＬ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２などである。光源部１はＤＦＢ−ＬＤ（半導体レーザ）やＤＦＢ−ＱＣＬ（量子カスケードレーザ）である。

光源部１は、ガスの吸収波長と同じ波長を発光するレーザダイオード１ａと、レーザダイオード１ａの出射出力をモニタするモニタ用フォトダイオード（モニタ用ＰＤ）１ｂとを備えている。レーザ駆動回路８は、レーザダイオード１ａを駆動する。

温度調整機構９は、温度調整器９ａ、ペルチェ素子９ｂ、測温素子９ｃとを備える。測温素子９ｃは、レーザダイオード１ａの温度を検出し、温度調整器９ａは、測温素子９ｃで検出された温度に基づきペルチェ素子９ｂを駆動することによりレーザダイオード９ａの温度を制御することによりレーザダイオード１ａの波長を安定化させて、所定の波長を得る。

右側の煙道壁７に取り付けられた受光部取付部品５ｂの端側には、測定対象ガスを透過した光を集光する集光レンズ３と、集光レンズ３で集光された光を受光する受光素子４と、プリアンプ回路１０ａと、同期検波回路１０ｂと、演算回路１０ｃとが設けられている。

プリアンプ回路１０ａは、受光素子４で受光した受光信号を増幅する。同期検波回路１０ｂは、プリアンプ回路１０で増幅された受光信号に対して、レーザ駆動回路８の変調信号の２倍の周波数で同期検波し、２ｆ信号を得る。演算回路１０ｃは、同期検波回路１０ｂからの２ｆ信号に基づきガスの濃度を演算する。

実施例１のガス濃度測定装置のＴＤＬＡＳでは、図３に示すように、レーザに高周波変調（周波数ｆ）を重畳しながら、ガスの吸収スペクトルを走査するような発光をさせる駆動電流が与えられる。即ち、図３に示すような吸収スペクトルを走査しつつ高周波変調動作するための駆動電流をレーザダイオード１ａに供給する。

ガスを透過した後の信号とガスの吸収スペクトルとを図４に示す。ガスにより信号が吸収されると、変調周波数の２倍の周波数成分が発生する。この信号に対して周波数２ｆで同期検波回路により同期検波を行うと、図５に示すように、吸収度スペクトルの２次微分波形と同等で、ガスの濃度に比例したピーク高さ（又はピークトゥバレー）を持つ信号が観測される。

図５に示す波形の信号強度は、ガス濃度だけではなく、図６に示すように、ガスに照射されるレーザ光強度に比例する。従って、光学系の汚れや光路中のダストなどによって、濃度測定用の受光素子４で受光する強度が低下した場合には、図６に示すように、光学系の汚れや光路中のダストなどがない時の信号に比較して、小さい信号になる。このため、測定されたガスの濃度が小さく計算される。

（ガス濃度の誤差補正）
実施例１のガス濃度測定装置は、ＴＤＬＡＳにおいて、ガスの吸収のない波長領域のモニタ用フォトダイオード１ｂの出力と受光素子４からの受光出力との比によって、光学系の汚れや光路中のダストなどによる光強度の低下を検出し、ガス濃度の測定誤差を補正することを特徴とする。

図７は、受光素子とモニタ用フォトダイオードと信号処理部との詳細図である。モニタ用ＰＤプリアンプ１０ｄは、モニタ用フォトダイオード１ｂからの信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器および演算回路１０ｃに出力する。プリアンプ回路１０ａは、受光素子４からの信号を増幅し、同期検波回路１０ｂを介してＡ／Ｄ変換器および演算回路１０ｃに出力する。Ａ／Ｄ変換器および演算回路１０ｃは、モニタ用ＰＤプリアンプ１０ｄからの信号と受光素子４からの信号とをディジタル信号に変換し、このディジタル信号に基づいてガス濃度の測定誤差を補正する。補正に使用する信号は、受光素子もモニタ用フォトダイオードいずれも同期検波回路１０ｂによる２ｆ検波しない信号である。

以下、ガス濃度の測定誤差の補正方法を詳細に説明する。演算回路１０ｃは、図８に示すようなダストがないときの受光素子４からの受光出力Ｐｎ（ｔ）を、モニタ用フォトダイオード１ｂの出力Ｐｏ（ｔ）で除算し、Ｐｎ（ｔ）／Ｐｏ（ｔ）＝Ａｏを算出する。以後、ガス濃度を測定中は、この比をモニタし続ける。

演算回路１０ｃは、ダストがあるときの受光素子４の受光出力がＰｄ（ｔ）であるとき、Ｐｄ（ｔ）／Ｐｏ（ｔ）＝Ａを求め、値Ａと値Ａｏとを用いて値Ｂ＝Ａ／Ａｏを算出する。

演算回路１０ｃは、ダストがあるときの２ｆ信号のｐ−ｖ値を値Ｂで除算することにより、ダストがないときの２ｆ信号強度に補正し、補正された２ｆ信号に基づいてガスの濃度を計算することができる。この場合、ガス濃度計算では、光学系（コリメートレンズ、集光レンズ）の汚れによる光量低下も補正できる。

また、モニタ用フォトダイオード１ｂの出力が低下した場合、即ち出力が変化した場合には、レーザダイオード１ａが異常であるとして光源部１の状態を把握することができる。

また、実施例１のガス濃度測定装置は、図９に示すような光ファイバ１２を用いて測定ポイントに光を導く構成を備えている。図９において、光ファイバ１２は、レーザダイオード１ａから出射された光を測定ポイントに設けられた光カプラ１３又はビームスプリッタ１４（分岐器）に導く。

光カプラ１３又はビームスプリッタ１４は、光ファイバ１２からの光を２分岐して光ファイバ用フォトダイオード１５と、コリメートレンズ２と測定対象ガスと介して集光レンズ３に導く。光ファイバ用フォトダイオード１５は、光ファイバ１２からの光を受光する。従って、光ファイバ用フォトダイオード１５の受光量によって、光ファイバ１２の断線や光軸のずれをモニタすることができる。

また、演算回路１０ｃは、光ファイバ用フォトダイオード１５の出力信号と、モニタ用フォトダイオード１ｂの出力信号との比を算出し、この比をモニタすることにより光ファイバ１２の断線などの異常を検出することができる。

さらに、光ファイバ用フォトダイオード１５の信号強度とガスを透過した光を受ける受光素子４の信号強度とを用いて、光学系やダストの影響を補正できることは言うまでもない。

また、光ファイバ１２を用いる方法は、図１０に示すような方法であっても良い。図１０に示すように、レーザダイオード１ａからの光は、光カプラ１３により２つの光ファイバ１２に２分岐した後、複数の測定ポイントに導くことができる。

各測定ポイントに設けられた光ファイバ用フォトダイオード１５により、光ファイバ１２、光学系の異常の把握、光学系の汚れ、ダストの影響の補正を測定ポイント毎に個別に行うことができる。

また、信号処理部１０は、レーザの使用初期段階の受光出力Ｐｏ（ｔ）をＰｏｉｎｔ（ｔ）として、演算回路１０ｃに格納しておき、受光出力Ｐｏｉｎｔ（ｔ）と濃度測定時に得られる値とを比較することで、レーザダイオード１ａの発光強度の低下をモニタする。

これにより、発光強度の低下を把握でき、発光強度が予め設定した出力の下限値以下になった場合には、レーザダイオード１ａが故障であると判定しても良い。

また、図１１に示すように、パージガス供給管１１からパージガスがコリメートレンズ２，集光レンズ３などの光学系に供給された場合には、光学系の汚れが防止される。即ち、光学系に汚れが付着しない場合、光路中での光強度変化は、ガスによるガスによる吸収を除くと、ダストに起因すると考えられる。従って、Ｐｎ（ｔ）／Ｐｏ（ｔ）＝Ａｏはダスト濃度に反比例する。

この場合、ガスによる吸収を受けない波長の光強度について、演算回路１０ｃは、モニタ用フォトダイオード１ｂからの信号と受光素子４からの信号との比に基づきダストの濃度を算出することができる。

また、図１、図９、図１０に示すような構成において、複数のフォトダイオードの出力比を用いることにより、故障箇所の特定確度を向上させることができる。

例えば、図１２に示す構成では、比ｒ＝（受光素子４の出力）／（モニタ用フォトダイオード１ｂの出力）とし、モニタ用フォトダイオード１ｂの初期出力を得るとともに、比ｒを算出する。これにより、モニタ用フォトダイオード１ｂの故障、ダストによる出力低下、受光素子４の故障、レーザダイオード１ａ駆動系の異常を推定することができる。

また、図１３に示す構成では、比ｒ１＝（受光素子４の出力）／（モニタ用フォトダイオード１ｂの出力）、比ｒ２（光ファイバ用フォトダイオード１５の出力）／（モニタ用フォトダイオード１ｂの出力）、比ｒ３（受光素子４の出力）／（光ファイバ用フォトダイオード１５の出力）として、モニタ用フォトダイオード１ｂの初期出力、光ファイバ用フォトダイオード１５を得る。これにより、光ファイバの異常を含めた各種の異常を推定することができる。

例えば、モニタ用フォトダイオード１ｂの出力が低下して比ｒ１，ｒ２が上昇し、比ｒ３が初期値である場合には、モニタ用フォトダイオード１ｂが故障していると推定できる。また、モニタ用フォトダイオード１ｂの出力は変化せず、比ｒ１，ｒ２が低下し、光ファイバ用フォトダイオード１５の出力が低下して、比ｒ３が変化しなければ、光ファイバの異常と推定できる。

このように実施例のガス濃度測定装置によれば、ダストや光学系の汚れに起因する２ｆ信号強度の変化を、出射直後とガスを透過した後の光強度との比とによって補正し、ガス濃度の測定誤差を補正することができる。

なお、モニタ用フォトダイオード１ｂがパッケージに内蔵されているレーザダイオード１ａが入手できるので、モニタ用フォトダイオード１ｂを別途用意せずに済む。モニタ用フォトダイオード１ｂの信号からレーザダイオード１ａの発光強度をモニタできるため、レーザダイオード１ａの出力低下を観測でき、レーザダイオード１ａの劣化を把握できる。

また、光ファイバ１２を用いて測定ポイントに光を導く場合には、測定ポイントを設けることにより、上記効果以外に光ファイバ１２の断線などの異常を把握することができる。

本発明に係るガス濃度測定装置は、ガス分析装置や排ガス測定装置に利用可能である。

１‥光源部、１ａ‥レーザダイオード、１ｂ‥モニタ用フォトダイオード、２‥コリメートレンズ、３‥集光レンズ、４‥受光素子、５ａ‥発光部取付部品、５ｂ‥受光部取付部品、７‥煙道壁、８‥レーザ駆動回路、９ａ‥温度調整器、９ｂ‥ペルチェ素子、９ｃ‥測温素子、１０‥信号処理部、１０ａ‥プリアンプ回路、１０ｂ‥同期検波回路、１０ｃ‥Ａ／Ｄ変換および演算回路、１０ｄ‥モニタＰＤ用プリアンプ回路、１１‥パージガス供給管、１２‥光ファイバ、１３‥光カプラ（スプリッタ）、１４‥ビームスプリッタ、１５‥光ファイバ用モニタ、１６‥電気−光変換器、１７‥光−電気変換器。

Claims (4)

1. レーザダイオードと該レーザダイオードの出射出力をモニタするモニタ用フォトダイオードとを有する光源部と、
   前記レーザダイオードからの光を測定ポイントに導く光ファイバと、
   前記光ファイバからの光を２分岐する分岐器と、
   前記分岐器で分岐された一方の光を受光するファイバ用フォトダイオードと、
   前記分岐器で分岐され且つ測定対象ガスを透過した他方の光を受光する受光素子と、
   前記受光素子の出力に基づき前記レーザ光の光路上に存するガスの濃度を演算する演算回路とを備え、
   前記演算回路は、前記モニタ用フォトダイオードからの信号と前記ファイバ用フォトダイオードからの信号との比を算出し且つこの比の変化に基づき前記光ファイバの異常を判定し、前記ガスの吸収を受けない波長を用い且つ前記ファイバ用フォトダイオードからの信号と前記受光素子からの信号との比に基づきガスの濃度を補正することを特徴とするガス濃度測定装置。
2. 前記演算回路は、前記ガスの吸収を受けない波長を用い且つ前記受光素子からの信号と前記モニタ用フォトダイオードからの信号との比に基づきガスの濃度を補正することを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
3. 光学系内にパージガスを供給するパージガス供給管を備え、
   前記演算回路は、前記ファイバ用フォトダイオードからの信号と前記受光素子からの信号との比に基づきダストの濃度を補正することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガス濃度測定装置。
4. 前記演算回路は、前記モニタ用フォトダイオードからの信号の変化に基づき前記レーザダイオードの異常を判定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガス濃度測定装置。

Images