JP5933972B2 - ガス計測装置およびガス計測装置における波長変調幅の設定方法。 - Google Patents
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Description
本発明は、波長可変レーザ吸収分光法および波長変調分光法を用いたガス計測装置、およびガス計測装置におけるレーザ光の波長変調幅の設定方法に関する。
従来から、波長可変レーザ吸収分光法（Tunable Laser Absorption Spectroscopy（TLAS））を用いたガス計測装置が知られている。ＴＬＡＳにおいて用いられるレーザは、駆動電流および温度に応じた波長および強度のレーザ光を発振する。レーザが発振したレーザ光を計測対象ガスに透過させ、透過レーザ光を検出することにより、ガスを計測する。例えば、ガスに含まれる測定対象成分の濃度が測定される。
レーザが発振するレーザ光の強度に対する計測対象ガスを透過したレーザ光の強度の比が透過率Ｔであり、透過率ＴはＴ＝ｅｘｐ（−εｃｌ）で与えられる。ここで、εは測定対象成分のモル吸収係数を示し、ｃは測定対象成分の濃度を示し、ｌは光路長を示している。また、モル吸収係数εは計測対象ガスの温度に依存し、吸収線形は温度、圧力、およびガス内に共存する各成分の分圧に依存することが知られている。モル吸収係数εおよび吸収線形が温度、圧力、およびガス内に共存する各成分の分圧にどのように依存するかと、光路長ｌとが既知であれば、透過率Ｔを実測することにより、測定対象成分の濃度を判定することができる。
レーザが発振するレーザ光の強度に対する計測対象ガスを透過したレーザ光の強度の比が透過率Ｔであり、透過率ＴはＴ＝ｅｘｐ（−εｃｌ）で与えられる。ここで、εは測定対象成分のモル吸収係数を示し、ｃは測定対象成分の濃度を示し、ｌは光路長を示している。また、モル吸収係数εは計測対象ガスの温度に依存し、吸収線形は温度、圧力、およびガス内に共存する各成分の分圧に依存することが知られている。モル吸収係数εおよび吸収線形が温度、圧力、およびガス内に共存する各成分の分圧にどのように依存するかと、光路長ｌとが既知であれば、透過率Ｔを実測することにより、測定対象成分の濃度を判定することができる。
ＴＬＡＳを利用してガスを計測するために、波長変調分光法（Wavelength Modulation Spectroscopy（WMS））が用いられることがある。ＷＭＳでは、レーザの駆動電流あるいは温度を変化させて、波長および強度が変調されたレーザ光を発振させる。変調されたレーザ光を計測対象ガスに透過させ、透過レーザ光が検出される。検出されたレーザ光に基づいて検出信号が生成される。さらに、検出信号中の特定成分が位相敏感検波され、検波された特定成分を用いて、測定対象成分の濃度が測定される（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
ＷＭＳを用いる場合、波長の変調の度合いは、波長変調幅により表すことができる。ガスの計測において精度を確保するためには、この波長変調幅を適切に設定する必要がある。主な理由は、波長変調幅が装置の分解能および信号雑音比（以下、Ｓ／Ｎ比とも呼ぶ）を決定する因子であることにある。
波長変調幅は、駆動電流中に含まれた変調電流の強度により決定される。したがって、波長変調幅を設定するためには、変調電流の強度を設定する必要がある。ここで、駆動電流に対する波長変化率、つまり、駆動電流の強度の変化に対するレーザ光の波長の変化の比は、レーザの素子毎に異なる特性を有する。つまり、最適な変調電流の強度はガス計測装置毎に異なるので、変調電流の設定は装置毎に行う必要がある。また、駆動電流に対する波長変化率は、一般に、レーザを稼動させることによって経時変化する。したがって、各装置において、波長変調幅を適切な値に保つためには、稼動状況に応じて変調電流の強度を調節する必要がある。
波長変調幅は、駆動電流中に含まれた変調電流の強度により決定される。したがって、波長変調幅を設定するためには、変調電流の強度を設定する必要がある。ここで、駆動電流に対する波長変化率、つまり、駆動電流の強度の変化に対するレーザ光の波長の変化の比は、レーザの素子毎に異なる特性を有する。つまり、最適な変調電流の強度はガス計測装置毎に異なるので、変調電流の設定は装置毎に行う必要がある。また、駆動電流に対する波長変化率は、一般に、レーザを稼動させることによって経時変化する。したがって、各装置において、波長変調幅を適切な値に保つためには、稼動状況に応じて変調電流の強度を調節する必要がある。
変調電流の強度を設定する手段として、波長測定装置および既知の吸収線を有するガスの利用が考えられる。これらの手段を用いる場合、レーザ光の波長を測定することにより、駆動電流の変化に対するレーザ光の波長の変化の割合を測定する。そして、得られた割合に基づいて、所望の波長変調幅が得られるように変調電流の強度が設定される。
しかしながら、上記の手段を利用する場合には、以下が問題となり得る。
（１）波長測定装置または波長測定に適したガスを準備する必要がある。また計測対象のガスが存在する現場にガス計測装置が設置された後である場合には、波長の測定ができるようにガス計測装置および波長測定装置を配置する必要があり、装置の移動などの作業が必要とされる。
（２）レーザ光の波長を測定する必要があるので、変調電流の設定における時間および労力が増加し、作業効率が低下する。
しかしながら、上記の手段を利用する場合には、以下が問題となり得る。
（１）波長測定装置または波長測定に適したガスを準備する必要がある。また計測対象のガスが存在する現場にガス計測装置が設置された後である場合には、波長の測定ができるようにガス計測装置および波長測定装置を配置する必要があり、装置の移動などの作業が必要とされる。
（２）レーザ光の波長を測定する必要があるので、変調電流の設定における時間および労力が増加し、作業効率が低下する。
ここに開示される技術は、以上の問題点を考慮して生み出されたものであり、ガス計測装置において波長変調幅の設定を簡素化することを目的とする。
第１の特徴に係るガス計測装置は、計測対象ガスを計測するための装置であって、光源と、検出部と、取得部と、算出部と、設定部と、を有している。光源は、主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を、中心波長を変化させながら発振する。検出部は、基準試料を透過したレーザ光の強度に応じて検出信号を出力する。取得部は、検出信号から変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得する。算出部は、特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比を算出する。設定部は、比が所定の条件を満たすように、レーザ光の波長変調幅を設定する。
第２の特徴に係る設定方法は、主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を発振する光源と、計測対象ガスを透過したレーザ光の強度に応じて信号を出力する検出部と、を有するガス計測装置における波長変調幅の設定方法である。この方法は、中心波長を変化させながら、基準試料を透過したレーザ光から検出信号を取得することを含む。また、この方法は、検出信号から変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得することを含む。また、この方法は、特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比を算出することを含む。そして、この方法は、比が所定の条件を満たすように、レーザ光の波長変調幅を設定することを含む。
第２の特徴に係る設定方法は、主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を発振する光源と、計測対象ガスを透過したレーザ光の強度に応じて信号を出力する検出部と、を有するガス計測装置における波長変調幅の設定方法である。この方法は、中心波長を変化させながら、基準試料を透過したレーザ光から検出信号を取得することを含む。また、この方法は、検出信号から変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得することを含む。また、この方法は、特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比を算出することを含む。そして、この方法は、比が所定の条件を満たすように、レーザ光の波長変調幅を設定することを含む。
第３の特徴に係るプログラムは、光源と、検出部と、取得部と、を備えるガス計測装置に用いられるプログラムである。光源は、主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を、中心波長を変化させながら発振する。検出部は、基準試料を透過したレーザ光の強度に応じて検出信号を出力する。取得部は、検出信号から変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得する。このプログラムは、特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比を算出することと、比が所定の条件を満たすように、レーザ光の波長変調幅を設定することと、を含む波長変調幅の設定方法をコンピュータに実行させる。
ここで、第１の特徴に係るガス計測装置、第２の特徴に係る設定方法、および第３の特徴に係るプログラムにおいて、主電流とは、変調電流の１周期が経過する間、強度が概ね一定に保たれる電流である。また、基準試料とは、所望の波長変調幅が得られる場合における特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比が予め分かっている試料である。
第１の特徴に係るガス計測装置、第２の特徴に係る設定方法、および第３の特徴に係るプログラムでは、特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比が所定の条件を満たすように波長変調幅が設定されるので、変調電流の強度変化に対するレーザ光の波長の変化を調べるための装置または試料を用いる必要がなくなる。
第１の特徴に係るガス計測装置、第２の特徴に係る設定方法、および第３の特徴に係るプログラムでは、特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比が所定の条件を満たすように波長変調幅が設定されるので、変調電流の強度変化に対するレーザ光の波長の変化を調べるための装置または試料を用いる必要がなくなる。
このように、第１の特徴に係るガス計測装置、第２の特徴に係る設定方法、および第３の特徴に係るプログラムによれば、ガス計測装置における波長変調幅の設定を簡素化することができる。
〔１：第１実施形態〕
＜１．１：全体構成＞
図１を用いて第１実施形態に係るガス計測装置１について説明する。図１は、ガス計測装置１の構成図である。
ガス計測装置１は、光源２と、倍周器１０と、第１受光装置１４と、信号処理装置１６と、第１位相敏感検波装置１８と、温度調整器２０と、測定装置２２と、波形発生部２４と、コンピュータ４０と、を有している。また、波形発生部２４は、定電流発生装置４と、第１波形発生器６と、第２波形発生器８と、波形混合器１２と、を有している。
＜１．１：全体構成＞
図１を用いて第１実施形態に係るガス計測装置１について説明する。図１は、ガス計測装置１の構成図である。
ガス計測装置１は、光源２と、倍周器１０と、第１受光装置１４と、信号処理装置１６と、第１位相敏感検波装置１８と、温度調整器２０と、測定装置２２と、波形発生部２４と、コンピュータ４０と、を有している。また、波形発生部２４は、定電流発生装置４と、第１波形発生器６と、第２波形発生器８と、波形混合器１２と、を有している。
光源２は、駆動電流に応じた波長および強度のレーザ光を発振する装置である。光源２に入力される駆動電流には、定電流、ランプ波、および変調電流が含まれる。なお、駆動電流は、定電流、ランプ波、および変調電流の全てを含んでいなくてもよい。例えば、計測対象ガス３０の濃度測定においては、駆動電流は定電流および変調電流のみを含んでいる場合がある。
本実施形態では、光源２は半導体レーザである。半導体レーザにおいては、駆動電流の強度と発振されるレーザ光の波長との関係は、半導体レーザ素子の特性に依存する。通常、駆動電流の強度と波長との関係は線形ではない。また、半導体レーザ素子の特性は個々に異なっており、一般に、同じ値の電流が２つの異なる半導体レーザに入力された場合には、２つのレーザが発振するレーザ光の波長は同じにはならない。そして、半導体レーザ素子は入力された電流の累積量に応じて劣化するため、半導体レーザを使用することにより、電流に対する波長変化率が徐々に変化する。
本実施形態では、光源２は半導体レーザである。半導体レーザにおいては、駆動電流の強度と発振されるレーザ光の波長との関係は、半導体レーザ素子の特性に依存する。通常、駆動電流の強度と波長との関係は線形ではない。また、半導体レーザ素子の特性は個々に異なっており、一般に、同じ値の電流が２つの異なる半導体レーザに入力された場合には、２つのレーザが発振するレーザ光の波長は同じにはならない。そして、半導体レーザ素子は入力された電流の累積量に応じて劣化するため、半導体レーザを使用することにより、電流に対する波長変化率が徐々に変化する。
光源２が発振するレーザ光は、主電流に応じた中心波長を有する。つまり、主電流が定まると、光源２が発振するレーザ光の中心波長が定まる。主電流は、変調電流に比べて長い周期で強度が変化する、あるいは強度が概ね一定の電流である。別の表現では、主電流は、変調電流の１周期が経過する間、強度が概ね一定に保たれる電流である。本実施形態では、主電流は定電流およびランプ波を重畳することにより得られる。また、光源２が発振するレーザ光は、変調電流に応じて変調している。また、主電流にランプ波が混合されることにより、光源２は中心波長を変化させながらレーザ光を発振することができる。
定電流発生装置４は、光源２に入力するための定電流を発生する。
第１波形発生器６は、光源２に入力するためのランプ波を発生する。第１波形発生器６の生成するランプ波の強度は、傾斜状の増加とベースレベルへの復帰とを周期的に繰り返す。
定電流発生装置４は、光源２に入力するための定電流を発生する。
第１波形発生器６は、光源２に入力するためのランプ波を発生する。第１波形発生器６の生成するランプ波の強度は、傾斜状の増加とベースレベルへの復帰とを周期的に繰り返す。
第２波形発生器８は、光源２に入力される変調電流を発生する。変調電流は、変調周波数ω１（変調電流の周波数の一例）で振動する。変調電流は一定の振幅を有しており、振幅の大きさは変調電流の強度を表している。また、第２波形発生器８は、変調周波数ω１で振動する変調信号Ｓ１を出力する。変調周波数ω１は、ランプ波の周波数よりも大きい。これにより、変調電流の１周期の間は、ランプ波の強度を一定とみなすことができる。また、第２波形発生器８には、制御信号Ｓ４が入力される。
倍周器１０は、第２波形発生器８から入力された変調信号Ｓ１に基づいて、変調周波数ω１を２倍した高調周波数ω２で振動する信号Ｓ２を生成する。
波形混合器１２は、定電流発生装置４の出力する定電流と、第１波形発生器６の出力するランプ波と、第２波形発生器８の出力する変調電流と、を混合し、駆動電流を生成する。
倍周器１０は、第２波形発生器８から入力された変調信号Ｓ１に基づいて、変調周波数ω１を２倍した高調周波数ω２で振動する信号Ｓ２を生成する。
波形混合器１２は、定電流発生装置４の出力する定電流と、第１波形発生器６の出力するランプ波と、第２波形発生器８の出力する変調電流と、を混合し、駆動電流を生成する。
第１受光装置１４（検出部の一例）は、光源２の発振するレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じて検出信号Ｉ１（検出信号の一例）を出力する。第１受光装置１４には、計測対象ガス３０または基準試料（後述）を透過したレーザ光が入射する。本実施形態では、第１受光装置１４はフォトダイオードである。
信号処理装置１６は、第１受光装置１４の出力する検出信号Ｉ１に処理を施す装置である。信号処理装置１６は、ローパスフィルタ１６ａを有している。ローパスフィルタ１６ａは、第１受光装置１４から入力された検出信号Ｉ１の直流成分を抽出する。そして、信号処理装置１６は、ローパスフィルタ１６ａの抽出した直流成分の強度を表す信号Ｉ２を出力する。
信号処理装置１６は、第１受光装置１４の出力する検出信号Ｉ１に処理を施す装置である。信号処理装置１６は、ローパスフィルタ１６ａを有している。ローパスフィルタ１６ａは、第１受光装置１４から入力された検出信号Ｉ１の直流成分を抽出する。そして、信号処理装置１６は、ローパスフィルタ１６ａの抽出した直流成分の強度を表す信号Ｉ２を出力する。
第１位相敏感検波装置１８は、第１受光装置１４の出力する検出信号Ｉ１から、高調周波数ω２で振動する二次高調波成分（特定の周波数成分の一例）を取得する装置である。第１位相敏感検波装置１８は、ロックインアンプ１８ａと、ローパスフィルタ１８ｂと、を有している。ロックインアンプ１８ａは、二次高調波成分を位相敏感検波する。具体的には、第１位相敏感検波装置１８は、第１受光装置１４から入力された検出信号Ｉ１から高調周波数ω２で振動する成分を検出し、その成分に比例した直流信号を生成する。ロックインアンプ１８ａには、高調周波数ω２で振動する信号Ｓ２が倍周器１０から入力されており、信号Ｓ２を用いて位相敏感検波する。ローパスフィルタ１８ｂは、ロックインアンプ１８ａの出力する信号から、直流成分を抽出する。そして、第１位相敏感検波装置１８は、ローパスフィルタ１８ｂの抽出した直流成分を表す二次高調波信号Ｉ３を出力する。
温度調整器２０は、光源２の温度を調節する。光源２の発振するレーザ光の波長は半導体レーザ素子の温度に依存するので、温度調整器２０によりレーザ光の波長を制御することができる。
測定装置２２は、計測対象ガス３０の状態量を測定する。計測対象ガス３０の状態量には、温度、圧力、および計測対象ガス３０に含まれる各成分の分圧が含まれる。測定装置２２は、測定された状態量を示す信号Ｓ３を生成する。本実施形態では、測定装置２２は計測対象ガス３０の温度を測定するので、信号Ｓ３は計測対象ガス３０の温度を表している。
コンピュータ４０は、ガス計測装置１に含まれる各装置の出力する信号を処理する。コンピュータ４０は、ガス計測装置１の制御装置の一例である。コンピュータ４０には、信号処理装置１６の出力する信号Ｉ２、第１位相敏感検波装置１８の出力する二次高調波信号Ｉ３、および測定装置２２の出力する信号Ｓ３が入力される。また、コンピュータ４０は、波形発生部２４を制御する。具体的には、コンピュータ４０は、定電流発生装置４、第１波形発生器６、第２波形発生器８、および波形混合器１２との間で信号を送受信可能であり、これらの装置を制御する。
測定装置２２は、計測対象ガス３０の状態量を測定する。計測対象ガス３０の状態量には、温度、圧力、および計測対象ガス３０に含まれる各成分の分圧が含まれる。測定装置２２は、測定された状態量を示す信号Ｓ３を生成する。本実施形態では、測定装置２２は計測対象ガス３０の温度を測定するので、信号Ｓ３は計測対象ガス３０の温度を表している。
コンピュータ４０は、ガス計測装置１に含まれる各装置の出力する信号を処理する。コンピュータ４０は、ガス計測装置１の制御装置の一例である。コンピュータ４０には、信号処理装置１６の出力する信号Ｉ２、第１位相敏感検波装置１８の出力する二次高調波信号Ｉ３、および測定装置２２の出力する信号Ｓ３が入力される。また、コンピュータ４０は、波形発生部２４を制御する。具体的には、コンピュータ４０は、定電流発生装置４、第１波形発生器６、第２波形発生器８、および波形混合器１２との間で信号を送受信可能であり、これらの装置を制御する。
＜１．２：コンピュータ＞
次に、図２を用いて、コンピュータ４０をさらに説明する。図２は、コンピュータ４０の機能部を示している。
コンピュータ４０は、図示しないＣＰＵ（Central Processor Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、およびＲＡＭ（Random Access Memory）を有している。ＣＰＵがＲＯＭに記録されたプログラムを実行することにより、プログラムに応じた演算処理が実行される。以下に説明する機能部は、プログラムに基づいた演算処理により実現される。
コンピュータ４０は、レコーダ４１と、Ｒ算出部４２と、比較部４３と、設定部４４と、温度判定部４５と、濃度測定部４６と、メモリ部４７と、を有している。また、コンピュータ４０は、ハードウェアにより実現される記録媒体読取部４８を有している。記録媒体読取部４８は、記録媒体５０を装着可能であり、記録媒体５０に情報を記録する機能および記録媒体５０から情報を読み取る機能を有している。記録媒体５０は、コンピュータ４０から取り外し可能であり、プログラムおよびデータを記録可能である。また、コンピュータ４０には、表示装置６０と、入力装置７０と、が接続されている。
次に、図２を用いて、コンピュータ４０をさらに説明する。図２は、コンピュータ４０の機能部を示している。
コンピュータ４０は、図示しないＣＰＵ（Central Processor Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、およびＲＡＭ（Random Access Memory）を有している。ＣＰＵがＲＯＭに記録されたプログラムを実行することにより、プログラムに応じた演算処理が実行される。以下に説明する機能部は、プログラムに基づいた演算処理により実現される。
コンピュータ４０は、レコーダ４１と、Ｒ算出部４２と、比較部４３と、設定部４４と、温度判定部４５と、濃度測定部４６と、メモリ部４７と、を有している。また、コンピュータ４０は、ハードウェアにより実現される記録媒体読取部４８を有している。記録媒体読取部４８は、記録媒体５０を装着可能であり、記録媒体５０に情報を記録する機能および記録媒体５０から情報を読み取る機能を有している。記録媒体５０は、コンピュータ４０から取り外し可能であり、プログラムおよびデータを記録可能である。また、コンピュータ４０には、表示装置６０と、入力装置７０と、が接続されている。
レコーダ４１は、二次高調波成分の値を記録する。レコーダ４１には、第１位相敏感検波装置１８の出力する二次高調波信号Ｉ３が入力される。レコーダ４１は、二次高調波信号Ｉ３に基づいて二次高調波成分の値を決定する。
また、レコーダ４１は、検出信号Ｉ１の直流成分の値を記録する。レコーダ４１には、信号処理装置１６の出力する信号Ｉ２が入力される。レコーダ４１は、信号Ｉ２に基づいて検出信号Ｉ１の直流成分の値を決定する。
Ｒ算出部４２（算出部の一例）は、レコーダ４１に記録された二次高調波成分の値を読み出し、ピークボトム比Ｒを算出する。ピークボトム比Ｒについては後述する。
また、レコーダ４１は、検出信号Ｉ１の直流成分の値を記録する。レコーダ４１には、信号処理装置１６の出力する信号Ｉ２が入力される。レコーダ４１は、信号Ｉ２に基づいて検出信号Ｉ１の直流成分の値を決定する。
Ｒ算出部４２（算出部の一例）は、レコーダ４１に記録された二次高調波成分の値を読み出し、ピークボトム比Ｒを算出する。ピークボトム比Ｒについては後述する。
比較部４３は、Ｒ算出部４２により算出されたピークボトム比Ｒを、目標値と比較する。目標値については後述する。
設定部４４（設定部の一例）は、ピークボトム比Ｒが目標値と異なる場合には、変調電流の強度を変化させるための制御信号Ｓ４を出力する（図１参照）。
設定部４４（設定部の一例）は、ピークボトム比Ｒが目標値と異なる場合には、変調電流の強度を変化させるための制御信号Ｓ４を出力する（図１参照）。
温度判定部４５は、測定装置２２から出力される信号Ｓ３に基づいて、計測対象ガス３０の温度を判定する。
濃度測定部４６は、信号処理装置１６から出力される信号Ｉ２、第１位相敏感検波装置１８から出力される二次高調波信号Ｉ３、および温度判定部４５により決定された計測対象ガス３０の温度に基づいて、計測対象ガス３０における標的成分の濃度を判定する。
メモリ部４７は、ガス計測装置１の動作に必要な情報を保持している。メモリ部４７には、比較部４３においてピークボトム比Ｒと比較される目標値が記録されている。また、メモリ部４７には、標的成分の吸収係数、圧力、および温度の間の関係が予め記録されている。本実施形態では、メモリ部４７はＲＯＭにより実現されている。
濃度測定部４６は、信号処理装置１６から出力される信号Ｉ２、第１位相敏感検波装置１８から出力される二次高調波信号Ｉ３、および温度判定部４５により決定された計測対象ガス３０の温度に基づいて、計測対象ガス３０における標的成分の濃度を判定する。
メモリ部４７は、ガス計測装置１の動作に必要な情報を保持している。メモリ部４７には、比較部４３においてピークボトム比Ｒと比較される目標値が記録されている。また、メモリ部４７には、標的成分の吸収係数、圧力、および温度の間の関係が予め記録されている。本実施形態では、メモリ部４７はＲＯＭにより実現されている。
表示装置６０は、ガス計測装置１の状態およびガス計測装置１の操作に必要な情報を視覚情報として表示する。
入力装置７０は、ガス計測装置１の操作に必要な情報を入力するために用いられる。本実施形態では入力装置７０はキーボードであるが、操作を入力できる装置であればよいので、タッチパネルなどの他の装置であっても構わない。
入力装置７０は、ガス計測装置１の操作に必要な情報を入力するために用いられる。本実施形態では入力装置７０はキーボードであるが、操作を入力できる装置であればよいので、タッチパネルなどの他の装置であっても構わない。
＜１．３：波長変調幅の設定方法＞
次に、図３を用いて、ガス計測装置１における波長変調幅の設定方法について説明する。図３には、フロー１００が示されている。フロー１００は、ステップＳ１０１〜Ｓ１０７を含んでいる。本実施形態では、波長変調幅の設定はガス計測装置１の初期調整として実行される。
波長変調幅の設定を開始する時点では、計測対象ガス３０が基準試料に交換されている。基準試料については、望ましい波長変調幅が得られる場合のピークボトム比は予め分かっている。そして、望ましい波長変調幅が得られる場合のピークボトム比は、目標値としてメモリ部４７に予め記憶されている。なお、本実施形態では、基準試料は、所定の圧力、所定の温度、および所定の濃度に調整された校正用ガスである。この校正用ガスは濃度測定の対象であるガス成分（つまり、標的成分）を含んでおり、そのガス成分の校正用ガスにおける濃度は既知である。
次に、図３を用いて、ガス計測装置１における波長変調幅の設定方法について説明する。図３には、フロー１００が示されている。フロー１００は、ステップＳ１０１〜Ｓ１０７を含んでいる。本実施形態では、波長変調幅の設定はガス計測装置１の初期調整として実行される。
波長変調幅の設定を開始する時点では、計測対象ガス３０が基準試料に交換されている。基準試料については、望ましい波長変調幅が得られる場合のピークボトム比は予め分かっている。そして、望ましい波長変調幅が得られる場合のピークボトム比は、目標値としてメモリ部４７に予め記憶されている。なお、本実施形態では、基準試料は、所定の圧力、所定の温度、および所定の濃度に調整された校正用ガスである。この校正用ガスは濃度測定の対象であるガス成分（つまり、標的成分）を含んでおり、そのガス成分の校正用ガスにおける濃度は既知である。
ステップＳ１０１では、掃引が開始される。具体的には、第１波形発生器６から出力されたランプ波が最小値（つまり、ベースレベルの強度値）から増加を開始する。これにより、主電流の強度は変調電流の変化に比べてゆっくりと変化する。主電流および変調電流を含んだ駆動電流は光源２に入力され、光源２は駆動電流に応じてレーザ光を発振する。光源２から出射したレーザ光は、基準試料に入射する。基準試料を透過したレーザ光は、第１受光装置１４に入射する。
ステップＳ１０２では、第１受光装置１４により、検出信号Ｉ１が取得される。そして、検出信号Ｉ１は、信号処理装置１６および第１位相敏感検波装置１８に入力される。信号処理装置１６では、検出信号Ｉ１の直流成分を表す信号Ｉ２が取得される。
ステップＳ１０３では、第１位相敏感検波装置１８により、検出信号Ｉ１から二次高調波信号Ｉ３が取得される。二次高調波信号Ｉ３は、コンピュータ４０のレコーダ４１に入力される。そして、レコーダ４１により、二次高調波成分が記録される。
ステップＳ１０４では、ランプ波による掃引が終了したかどうかが判定される。掃引はランプ波の１周期が経過することにより終了する。掃引の開始時点ではランプ波の大きさは最小であり、掃引の終了時点ではランプ波の大きさは最大である。掃引が終了した場合には、フローはステップＳ１０５に進む。掃引が途中の場合には、フローはステップＳ１０２に戻る。このように、一回の掃引の間に、二次高調波成分の取得が複数回実行される。つまり、掃引により、二次高調波成分の値の列が取得される。本実施形態では、二次高調波成分を取得するタイミングはコンピュータ４０により制御されている。
ステップＳ１０２では、第１受光装置１４により、検出信号Ｉ１が取得される。そして、検出信号Ｉ１は、信号処理装置１６および第１位相敏感検波装置１８に入力される。信号処理装置１６では、検出信号Ｉ１の直流成分を表す信号Ｉ２が取得される。
ステップＳ１０３では、第１位相敏感検波装置１８により、検出信号Ｉ１から二次高調波信号Ｉ３が取得される。二次高調波信号Ｉ３は、コンピュータ４０のレコーダ４１に入力される。そして、レコーダ４１により、二次高調波成分が記録される。
ステップＳ１０４では、ランプ波による掃引が終了したかどうかが判定される。掃引はランプ波の１周期が経過することにより終了する。掃引の開始時点ではランプ波の大きさは最小であり、掃引の終了時点ではランプ波の大きさは最大である。掃引が終了した場合には、フローはステップＳ１０５に進む。掃引が途中の場合には、フローはステップＳ１０２に戻る。このように、一回の掃引の間に、二次高調波成分の取得が複数回実行される。つまり、掃引により、二次高調波成分の値の列が取得される。本実施形態では、二次高調波成分を取得するタイミングはコンピュータ４０により制御されている。
図４（Ａ）および（Ｂ）は、二次高調波成分のグラフを示している。また、図４（Ａ）に記載の結果を得るために用いられた波長変調幅は０．１２ｎｍであり、図４（Ｂ）に記載の結果を得るために用いられた波長変調幅である０．１８ｎｍとは異なっている。このように、波長変調幅の大きさに依存して、グラフの形状が変化する。二次高調波成分のグラフの形状に影響し得る因子には、波長変調幅に加えて、計測対象ガス３０の温度、圧力、および共存ガスの分圧がある。他の高調波成分および基本周波数成分についても同様である。なお、図４（Ａ）および（Ｂ）では横軸は波長値であるが、これらの波長値は概算値である。二次高調波成分の値の列が取得できれば、各々の二次高調波成分の値が得られたときの中心波長の値は必ずしも特定されなくてよい。
ステップＳ１０５では、Ｒ算出部４２により、ピークボトム比Ｒが算出される。ピークボトム比Ｒは、二次高調波成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比である。図５は、二次高調波成分における極大および極小を示している。二次高調波成分の極大値の大きさは、ベースラインとベースラインの正側にあるピークとの距離Ｐである。また、二次高調波成分の極小値の大きさは、ベースラインとベースラインの負側にあるピークとの距離Ｎである。そして、ピークボトム比ＲはＰ／Ｎにより算出される。なお、基本周波数成分および三次以上の高調波成分についても同様に極大値および極小値の大きさを特定することができる。
ステップＳ１０６では、比較部４３により、ピークボトム比Ｒが目標値と比較される。比較部４３はメモリ部４７から目標値を読み出し、ピークボトム比Ｒと比較する。ピークボトム比Ｒが目標値と一致する場合、つまり、両値の差が所定の許容値を超えない場合には、波長変調幅の設定が終了する。このように、波長変調幅の設定が終了するための条件は、ピークボトム比Ｒが予め定められた目標値と等しくなること（所定の条件の一例）である。ピークボトム比Ｒが目標値と一致しない場合には、フローはステップＳ１０７に進む。
ステップＳ１０６では、比較部４３により、ピークボトム比Ｒが目標値と比較される。比較部４３はメモリ部４７から目標値を読み出し、ピークボトム比Ｒと比較する。ピークボトム比Ｒが目標値と一致する場合、つまり、両値の差が所定の許容値を超えない場合には、波長変調幅の設定が終了する。このように、波長変調幅の設定が終了するための条件は、ピークボトム比Ｒが予め定められた目標値と等しくなること（所定の条件の一例）である。ピークボトム比Ｒが目標値と一致しない場合には、フローはステップＳ１０７に進む。
ステップＳ１０７では、変調電流の強度が変更される。具体的には、設定部４４は、変調電流の強度を変化させるための制御信号Ｓ４を出力する。制御信号Ｓ４は、第２波形発生器８に入力される。第２波形発生器８からは、制御信号Ｓ４に応じて強度が変更された変調電流が出力される。このように、設定部４４は、変調電流の強度を変化させることにより波長変調幅を設定する。
変調電流の強度が変更された後、ステップＳ１０１において再び掃引が開始される。ピークボトム比Ｒが目標値と一致するまでステップＳ１０１〜Ｓ１０７が繰り返し実行される。
変調電流の強度が変更された後、ステップＳ１０１において再び掃引が開始される。ピークボトム比Ｒが目標値と一致するまでステップＳ１０１〜Ｓ１０７が繰り返し実行される。
＜１．４：波長変調幅と二次高調波成分との関係＞
ここで、波長変調幅と二次高調波成分との関係について説明する。
始めに、波長変調幅とピークボトム比Ｒとの関係について説明する。ピークボトム比Ｒは、波長変調幅と一対一に対応し、二次高調波成分の振る舞いを特徴付ける指標量の一例である。また、波長変調幅と変調電流の強度とを一対一に対応させることができるので、ピークボトム比Ｒは、変調電流の強度と一対一に対応している。
ここで、波長変調幅と二次高調波成分との関係について説明する。
始めに、波長変調幅とピークボトム比Ｒとの関係について説明する。ピークボトム比Ｒは、波長変調幅と一対一に対応し、二次高調波成分の振る舞いを特徴付ける指標量の一例である。また、波長変調幅と変調電流の強度とを一対一に対応させることができるので、ピークボトム比Ｒは、変調電流の強度と一対一に対応している。
図６（Ａ）は、波長変調幅とピークボトム比Ｒとの関係を実際の例により示している。具体的には、図６（Ａ）は、アンモニアの二次高調波成分におけるピークボトム比Ｒを波長変調幅を変化させながら測定した結果を示している。
また、図６（Ｂ）に示すように、二次高調波成分の強度も波長変調幅に依存する。図６（Ｂ）は、アンモニアの二次高調波成分の強度を波長変調幅を変化させながら測定した結果を示している。図６（Ｂ）の縦軸はＰ＋Ｎ値を示しており、二次高調波成分の強度はＰ＋Ｎ値によって表されている。ここで、Ｐ＋Ｎ値は、ベースラインの正側にある二次高調波成分の極値とベースラインの負側にある二次高調波成分の極値との差、つまり、距離Ｐと距離Ｎの和である。なお、図６（Ａ）および（Ｂ）を得るための測定においては、アンモニアの圧力、温度、および濃度が一定に保たれた状態で、波長変調幅のみを変化させた。
また、図６（Ｂ）に示すように、二次高調波成分の強度も波長変調幅に依存する。図６（Ｂ）は、アンモニアの二次高調波成分の強度を波長変調幅を変化させながら測定した結果を示している。図６（Ｂ）の縦軸はＰ＋Ｎ値を示しており、二次高調波成分の強度はＰ＋Ｎ値によって表されている。ここで、Ｐ＋Ｎ値は、ベースラインの正側にある二次高調波成分の極値とベースラインの負側にある二次高調波成分の極値との差、つまり、距離Ｐと距離Ｎの和である。なお、図６（Ａ）および（Ｂ）を得るための測定においては、アンモニアの圧力、温度、および濃度が一定に保たれた状態で、波長変調幅のみを変化させた。
ピークボトム比Ｒと波長変調幅が一対一に対応することは、理論モデルからも導かれる。理論に基づくと、吸収線の形状は圧力に依存し、圧力の影響が支配的である場合の吸収線の形状はローレンツ関数型を示す。また、吸収線の形状は、ガス粒子の速度に起因して生じるドップラー効果に依存し、ドップラー効果が支配的である場合の吸収線の形状はガウス関数型を示す。
図７（Ａ）は、吸収線がローレンツ関数型である場合の、波長変調幅とピークボトム比Ｒとの関係を示している。また、図７（Ｂ）は、吸収線がローレンツ関数型である場合の、波長変調幅と二次高調波成分のＰ＋Ｎ値との関係を示している。なお、図７（Ａ）および（Ｂ）は、図６（Ａ）および（Ｂ）に示した場合よりも広い範囲で波長変調幅を変化させた場合を示している。また、図７（Ａ）および（Ｂ）における横軸の値は、波長変調幅を吸収線の線幅で割った値である。ここで、吸収線の線幅とは、吸収線の半値幅を二等分した値である。
図７（Ａ）は、吸収線がローレンツ関数型である場合の、波長変調幅とピークボトム比Ｒとの関係を示している。また、図７（Ｂ）は、吸収線がローレンツ関数型である場合の、波長変調幅と二次高調波成分のＰ＋Ｎ値との関係を示している。なお、図７（Ａ）および（Ｂ）は、図６（Ａ）および（Ｂ）に示した場合よりも広い範囲で波長変調幅を変化させた場合を示している。また、図７（Ａ）および（Ｂ）における横軸の値は、波長変調幅を吸収線の線幅で割った値である。ここで、吸収線の線幅とは、吸収線の半値幅を二等分した値である。
図７（Ａ）に示すように、ピークボトム比Ｒと波長変調幅とを一対一に対応させることができる。また、図７（Ｂ）に示すように、二次高調波成分のＰ＋Ｎ値は波長変調幅に依存する。二次高調波成分のＰ＋Ｎ値が大きいほど強度の測定におけるＳ／Ｎ比が向上するので、二次高調波成分のＰ＋Ｎ値が大きくなるように波長変調幅を設定するのが有利である。
一方で、圧力を変化させることにより、高調波成分の強度は変化する。そこで、波長変調幅は、基準試料の圧力を変化させた場合における高調波成分の変動率を基準に決定される。
一方で、圧力を変化させることにより、高調波成分の強度は変化する。そこで、波長変調幅は、基準試料の圧力を変化させた場合における高調波成分の変動率を基準に決定される。
図８（Ａ）〜（Ｃ）は、圧力を変化させた場合の二次高調波成分の強度の変化をアンモニアについて測定した結果を示している。図８（Ａ）は、波長変調幅が０．１２ｎｍに設定された場合の結果を示している。図８（Ｂ）は、波長変調幅が０．１８ｎｍに設定された場合の結果を示している。図８（Ｃ）は、波長変調幅が０．２１ｎｍに設定された場合の結果を示している。また、二次高調波成分の強度は、圧力が１００ｋＰａの場合の強度を１として表示されている。
図８（Ａ）に示すように、波長変調幅が０．１２ｎｍである場合には、圧力が１００ｋＰａから１１２ｋＰａしたことに伴う二次高調波成分の強度の変動率は２．５％である。図８（Ｂ）に示すように、波長変調幅が０．１８ｎｍである場合には、二次高調波成分の強度の変動率は０．８％である。また、図８（Ｃ）に示すように、波長変調幅が０．２１ｎｍである場合には、二次高調波成分の強度の変動率は１％である。
図８（Ａ）〜（Ｃ）に示した結果によると、この例では、波長変調幅を０．１８ｎｍに設定することにより、圧力変化に対する二次高調波成分の変動率が小さくなる。二次高調波成分が圧力変化から受ける影響が小さくなることにより、標的成分の濃度を測定する際に、二次高調波成分の強度を圧力に応じて補正する必要がなくなる。ここで、圧力が±１０％の範囲で変動した場合に、二次高調波成分のピーク強度の変動率が１％以下であることが望ましく、０．５％以下であればより好ましい。基準となる圧力の代表的な例は、大気圧である。より具体的には、圧力が１０１±１０ｋＰａの範囲で変動した場合に、二次高調波成分のピーク強度の変動率が１％以下であることが望ましく、０．５％以下であればより好ましい。強度の変動率が１％以下であれば、強度を圧力の値に応じて調整しない場合であっても、標的成分の濃度を精度良く測定することができる。
また、図６（Ｂ）を参照すると、波長変調幅が０．１８ｎｍである場合の二次高調波成分のＰ＋Ｎ値は十分に大きい。したがって、この例では、波長変調幅を０．１８ｎｍに設定することにより、良好なＳ／Ｎ比を得ることができる。また、図６（Ａ）を参照すると、波長変調幅が０．１８ｎｍであるときのピークボトム比（目標値の一例）は１．５である。したがって、ピークボトム比Ｒが１．５になるように変調電流の強度を設定することにより、波長変調幅を０．１８ｎｍに合わせることができる。
＜１．５：濃度の測定＞
次に、図９（Ａ）を用いて、計測対象ガス３０における標的成分の濃度測定について説明する。図９（Ａ）には、フロー２００が示されている、フロー２００は、フロー１００と、ステップＳ２０１〜Ｓ２０３と、を含んでいる。
フロー２００が実行される前に、レーザ光の光路上に計測対象ガス３０が配置される。次に、フロー１００が実行され、波長変調幅が設定される。さらにステップＳ２０１〜Ｓ２０３が順次実行される。
次に、図９（Ａ）を用いて、計測対象ガス３０における標的成分の濃度測定について説明する。図９（Ａ）には、フロー２００が示されている、フロー２００は、フロー１００と、ステップＳ２０１〜Ｓ２０３と、を含んでいる。
フロー２００が実行される前に、レーザ光の光路上に計測対象ガス３０が配置される。次に、フロー１００が実行され、波長変調幅が設定される。さらにステップＳ２０１〜Ｓ２０３が順次実行される。
ステップＳ２０１では、第１受光装置１４により、計測対象ガス３０を透過したレーザ光から検出信号Ｉ１が取得される。そして、検出信号Ｉ１に含まれる二次高調波成分のＰ＋Ｎ値、および検出信号Ｉ１の直流成分のピーク強度がそれぞれ検出される。具体的には、ランプ波による掃引が実行され、レコーダ４１により、二次高調波成分および検出信号Ｉ１の直流成分が取得される。さらに、二次高調波成分のＰ＋Ｎ値、および検出信号Ｉ１の直流成分のピーク強度が判定される。
ステップＳ２０２では、測定装置２２により、計測対象ガス３０の温度が測定される。測定された温度を示す信号Ｓ３は、測定装置２２から出力され、コンピュータ４０の温度判定部４５に入力される。温度判定部４５により、信号Ｓ３に基づいて、計測対象ガス３０の温度が判定される。
ステップＳ２０２では、測定装置２２により、計測対象ガス３０の温度が測定される。測定された温度を示す信号Ｓ３は、測定装置２２から出力され、コンピュータ４０の温度判定部４５に入力される。温度判定部４５により、信号Ｓ３に基づいて、計測対象ガス３０の温度が判定される。
ステップＳ２０３では、濃度測定部４６により、計測対象ガス３０における標的成分の濃度が測定される。濃度測定部４６は、二次高調波成分のＰ＋Ｎ値、および検出信号Ｉ１の直流成分のピーク強度を用いて、濃度を判定する。一般に、二次高調波成分のＰ＋Ｎ値は計測対象ガス３０の温度および圧力に依存する。したがって、二次高調波成分のＰ＋Ｎ値を用いて標的成分の濃度を測定するためには、Ｐ＋Ｎ値を圧力および温度に応じて補正する必要がある。補正に必要な情報は、標的成分に関して予め取得され、データとしてメモリ部４７に記録されている。濃度測定部４６は、メモリ部４７に記録されたデータを参照し、温度判定部４５により決定された温度に応じて二次高調波成分のＰ＋Ｎ値を補正する。一方で、本実施形態では、圧力変化に対して二次高調波成分の変動率が小さくなるように波長変調幅が選ばれている。このため、二次高調波成分のＰ＋Ｎ値の補正においては、基準となる圧力からの圧力変化は無視される。濃度測定部４６は、補正後の二次高調波成分のＰ＋Ｎ値に基づいて、標的成分の濃度を判定する。
＜１．６：第１実施形態の作用効果＞
第１実施形態は、下記のように表現可能である。
（１）
第１実施形態に係るガス計測装置１は、計測対象ガス３０を計測するための装置であって、光源２と、第１受光装置１４と、第１位相敏感検波装置１８と、Ｒ算出部４２と、設定部４４と、を有している。光源２は、主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を、中心波長を変化させながら発振する。第１受光装置１４は、基準試料を透過したレーザ光の強度に応じて検出信号Ｉ１を出力する。第１位相敏感検波装置１８は、検出信号Ｉ１から変調周波数ω１を２倍した高調周波数ω２で振動する二次高調波成分を取得する。Ｒ算出部４２は、二次高調波成分のピークボトム比Ｒを算出する。設定部４４は、ピークボトム比Ｒが所定の条件を満たすように、レーザ光の波長変調幅を設定する。
第１実施形態は、下記のように表現可能である。
（１）
第１実施形態に係るガス計測装置１は、計測対象ガス３０を計測するための装置であって、光源２と、第１受光装置１４と、第１位相敏感検波装置１８と、Ｒ算出部４２と、設定部４４と、を有している。光源２は、主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を、中心波長を変化させながら発振する。第１受光装置１４は、基準試料を透過したレーザ光の強度に応じて検出信号Ｉ１を出力する。第１位相敏感検波装置１８は、検出信号Ｉ１から変調周波数ω１を２倍した高調周波数ω２で振動する二次高調波成分を取得する。Ｒ算出部４２は、二次高調波成分のピークボトム比Ｒを算出する。設定部４４は、ピークボトム比Ｒが所定の条件を満たすように、レーザ光の波長変調幅を設定する。
ここで、主電流とは、変調電流の１周期が経過する間、強度が概ね一定に保たれる電流である。基準試料とは、所望の波長変調幅が得られる場合におけるピークボトム比が予め分かっている試料である。
ガス計測装置１では、二次高調波成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比であるピークボトム比Ｒが所定の条件を満たすように波長変調幅が設定されるので、変調電流の強度変化に対するレーザ光の波長の変化を調べるための装置または試料を用いる必要がなくなる。これにより、波長変調幅の設定に要する作業および処理を簡素化することができる。また、波長変調幅の設定に要する時間を短縮することができる。
ガス計測装置１では、二次高調波成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比であるピークボトム比Ｒが所定の条件を満たすように波長変調幅が設定されるので、変調電流の強度変化に対するレーザ光の波長の変化を調べるための装置または試料を用いる必要がなくなる。これにより、波長変調幅の設定に要する作業および処理を簡素化することができる。また、波長変調幅の設定に要する時間を短縮することができる。
（２）
第１実施形態において、所定の条件は、波長変調幅と一対一に対応するピークボトム比Ｒが予め定められた目標値と等しくなることであり、設定部４４は、変調電流の強度を変化させることにより波長変調幅を設定する。
ピークボトム比Ｒは変調電流の強度と一対一に対応しており、さらに変調電流の強度が決まると波長変調幅が特定される。したがって、ピークボトム比Ｒが予め定められた目標値と等しくなるように変調電流の強度を設定することにより、波長変調幅を所望の大きさに設定することができる。これにより、レーザ光の波長を測定する場合に比べて、波長変調幅の設定に要する作業量を低減することができる。
第１実施形態において、所定の条件は、波長変調幅と一対一に対応するピークボトム比Ｒが予め定められた目標値と等しくなることであり、設定部４４は、変調電流の強度を変化させることにより波長変調幅を設定する。
ピークボトム比Ｒは変調電流の強度と一対一に対応しており、さらに変調電流の強度が決まると波長変調幅が特定される。したがって、ピークボトム比Ｒが予め定められた目標値と等しくなるように変調電流の強度を設定することにより、波長変調幅を所望の大きさに設定することができる。これにより、レーザ光の波長を測定する場合に比べて、波長変調幅の設定に要する作業量を低減することができる。
また、ピークボトム比Ｒは、二次高調波成分の値を用いて算出される。ここで、二次高調波成分の値を利用せずに、波長値を利用して変調電流を調節することも考えられる。例えば、二次高調波成分の半値幅を利用することが考えられる。しかしながら、半値幅を検出するためには、二次高調波成分の極大および極小が現れる波長範囲の全域において、中心波長を掃引する必要がある。このとき、掃引範囲が大きくなると、半値幅を短時間で検出できない場合がある。また、駆動電流と中心波長との関係は一般に線形ではないので、駆動電流を変化させると中心波長が予想外に大きく変化することがある。つまり、中心波長を精度良く制御できない場合がある。その結果、半値幅の検出において精度が低下する可能性がある。
一方で、ピークボトム比Ｒを算出するために必要な情報は、２つの二次高調波成分値のみである。また、二次高調波成分が極大もしくは極小となる波長の近辺でのみ精度の良いデータが得られれば、ピークボトム比Ｒの精度を確保できる。したがって、半値幅を検出する場合に比べて、ピークボトム比Ｒをより少ない処理量で高精度に検出できる。その結果、波長変調幅の設定に要する処理量を低減できる。
一方で、ピークボトム比Ｒを算出するために必要な情報は、２つの二次高調波成分値のみである。また、二次高調波成分が極大もしくは極小となる波長の近辺でのみ精度の良いデータが得られれば、ピークボトム比Ｒの精度を確保できる。したがって、半値幅を検出する場合に比べて、ピークボトム比Ｒをより少ない処理量で高精度に検出できる。その結果、波長変調幅の設定に要する処理量を低減できる。
また、ピークボトム比Ｒは極小値および極大値の情報を含んでいるので、二次高調波成分のグラフの全体形状は、ピークボトム比Ｒにより特徴付けられている。つまり、ピークボトム比Ｒは、二次高調波成分のグラフの形状を特徴付ける指標量の一例でもある。ピークボトム比Ｒは入射レーザ光の強度に依存しない量であるので、優れた指標量であるといえる。指標量が入射レーザ光の強度に依存する場合には、レーザ光の強度の変化に伴い二次高調波成分の強度が変化すると、指標量が変化することになる。この場合、波長変調幅の設定を行う前に入射レーザ光の強度の校正を行うことが必要になり、作業量が増えることになる。本実施形態の方法によれば、波長変調幅の設定において、入射レーザ光の強度の校正を省略することができる。
（３）
また、目標値は基準試料の圧力を変化させた場合における二次高調波成分の変動率を基準に決定される。これにより、基準となる圧力からの圧力変化の影響を補正することなく計測対象ガス３０の計測を行うことが可能となり、計測を簡素化することができる。
（３）
また、目標値は基準試料の圧力を変化させた場合における二次高調波成分の変動率を基準に決定される。これにより、基準となる圧力からの圧力変化の影響を補正することなく計測対象ガス３０の計測を行うことが可能となり、計測を簡素化することができる。
〔２：第２実施形態〕
前述の第１実施形態では、計測対象ガス３０の温度は測定装置２２により測定されていた。これに対して、以下に説明する第２実施形態では、計測対象ガス３０の温度は測定装置２２を用いずに判定される。
第２実施形態に係るガス計測装置１は、第１実施形態に係るガス計測装置１と実質的に同じ構成を有している。ただし、第２実施形態におけるコンピュータ４０の温度判定部４５における処理は、第１実施形態における処理とは異なっている。
前述の第１実施形態では、計測対象ガス３０の温度は測定装置２２により測定されていた。これに対して、以下に説明する第２実施形態では、計測対象ガス３０の温度は測定装置２２を用いずに判定される。
第２実施形態に係るガス計測装置１は、第１実施形態に係るガス計測装置１と実質的に同じ構成を有している。ただし、第２実施形態におけるコンピュータ４０の温度判定部４５における処理は、第１実施形態における処理とは異なっている。
具体的には、第２実施形態では、計測対象ガス３０の温度は透過レーザ光の強度を利用して判定される。図９（Ｂ）に示すように、透過レーザ光は、吸収線に応じた強度を示す。図９（Ｂ）に示す例では、波長Λ１およびΛ２の位置でピークが現れている。透過レーザ光のスペクトルにおける第１のピーク強度と第２のピーク強度との比は、第１のピーク強度が現れる第１の波長と第２のピークが現れる第２の波長とが異なっている場合には、温度に依存することが知られている。図９（Ｂ）に示す例では、波長Λ１におけるピーク強度Ａ１と波長Λ２におけるピーク強度Ａ２との比Ａ１／Ａ２は温度に依存する。この特性を利用し、計測対象ガス３０の温度を判定することができる。ここで、ピーク強度は、ベースラインとピークの先端との間の距離である。
ところで、第１のピーク強度と第２のピーク強度との比は、波長変調幅の変化に応じて変化することが知られている。また、前述のように、レーザの稼動により変調電流と波長変調幅との関係は徐々に変化するので、変調電流を一定に保っていたとしても、波長変調幅が変化することがある。したがって、透過レーザ光の強度を利用して温度を判定する場合には、変調電流を調節することにより波長変調幅を一定に保つ必要がある。
第２実施形態に係るガス計測装置１では、ステップＳ２０２において、温度判定部４５により、レーザ光のピーク強度の比に基づいてガスの温度が判定される。一方で、ステップＳ２０２が実行される前にフロー１００が実行され、波長変調幅が設定されている。これにより、波長変調幅が一定に保たれるので、計測対象ガス３０の温度を精度良く測定することができる。
第２実施形態に係るガス計測装置１では、ステップＳ２０２において、温度判定部４５により、レーザ光のピーク強度の比に基づいてガスの温度が判定される。一方で、ステップＳ２０２が実行される前にフロー１００が実行され、波長変調幅が設定されている。これにより、波長変調幅が一定に保たれるので、計測対象ガス３０の温度を精度良く測定することができる。
〔３：第３実施形態〕
前述の実施形態では、波長変調幅の設定は、計測対象ガス３０が基準試料に交換された状態で行われていた。以下に説明する第３実施形態では、計測対象ガス３０を基準試料に交換することなく、波長変調幅の設定が実行される。なお、以下では、第３実施形態に係るガス計測装置３の構成のうち、第１実施形態に係るガス計測装置１と実質的に同じ構成については詳細な説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。
図１０に示すように、第３実施形態に係るガス計測装置３は、ビームスプリッタ５と、標準ガス７と、第２受光装置９と、第２位相敏感検波装置１１と、カウンタ８０と、を有している。また、ガス計測装置３においては、コンピュータ４０は制御部４９を有している。なお、図１０では、信号処理装置１６および測定装置２２の図示は省略されている。また、ガス計測装置３は、第２受光装置９の出力する検出信号Ｉ４の直流成分を抽出し、直流成分を表す信号をコンピュータ４０に入力するための装置（図示せず）を有している。
前述の実施形態では、波長変調幅の設定は、計測対象ガス３０が基準試料に交換された状態で行われていた。以下に説明する第３実施形態では、計測対象ガス３０を基準試料に交換することなく、波長変調幅の設定が実行される。なお、以下では、第３実施形態に係るガス計測装置３の構成のうち、第１実施形態に係るガス計測装置１と実質的に同じ構成については詳細な説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。
図１０に示すように、第３実施形態に係るガス計測装置３は、ビームスプリッタ５と、標準ガス７と、第２受光装置９と、第２位相敏感検波装置１１と、カウンタ８０と、を有している。また、ガス計測装置３においては、コンピュータ４０は制御部４９を有している。なお、図１０では、信号処理装置１６および測定装置２２の図示は省略されている。また、ガス計測装置３は、第２受光装置９の出力する検出信号Ｉ４の直流成分を抽出し、直流成分を表す信号をコンピュータ４０に入力するための装置（図示せず）を有している。
ビームスプリッタ５は、光源２が発振したレーザ光を２つの光路に分岐させる。
標準ガス７（基準試料の一例）は、所望の波長変調幅が得られる場合のピークボトム比が既知なガスである。本実施形態では、標準ガス７は、校正用ガスでもある。
第２受光装置９（検出部の一例）は、光源２の発振するレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じて検出信号Ｉ４（検出信号の一例）を出力する。第２受光装置９が受光するレーザ光は、ビームスプリッタ５により分岐された一方のレーザ光である。ビームスプリッタ５により分岐された他方のレーザ光は、計測対象ガス３０を透過し、第１受光装置１４に入射する。
標準ガス７（基準試料の一例）は、所望の波長変調幅が得られる場合のピークボトム比が既知なガスである。本実施形態では、標準ガス７は、校正用ガスでもある。
第２受光装置９（検出部の一例）は、光源２の発振するレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じて検出信号Ｉ４（検出信号の一例）を出力する。第２受光装置９が受光するレーザ光は、ビームスプリッタ５により分岐された一方のレーザ光である。ビームスプリッタ５により分岐された他方のレーザ光は、計測対象ガス３０を透過し、第１受光装置１４に入射する。
第２位相敏感検波装置１１は、第２受光装置９から入力された検出信号Ｉ４から、高調周波数ω２で振動する二次高調波成分（特定の周波数成分の一例）を取得する装置である。第２位相敏感検波装置１１は、図示しないロックインアンプおよびローパスフィルタを有している。第２位相敏感検波装置１１には、高調周波数ω２で振動する信号Ｓ２が倍周器１０から入力されている。第２位相敏感検波装置１１は、第１位相敏感検波装置１８と同様に機能し、二次高調波成分を表す二次高調波信号Ｉ５を出力する。二次高調波信号Ｉ５はコンピュータ４０に入力される。
カウンタ８０（計数部の一例）は、ガス計測装置３がガスの計測を継続している時間をカウントする。カウンタ８０は、コンピュータ４０との間で信号を送受信可能である。
カウンタ８０（計数部の一例）は、ガス計測装置３がガスの計測を継続している時間をカウントする。カウンタ８０は、コンピュータ４０との間で信号を送受信可能である。
ガス計測装置３においては、第１実施形態に係るガス計測装置１とは異なり、標準ガス７、第２受光装置９、および第２位相敏感検波装置１１を用いて波長変調幅の設定が実行される。つまり、第２受光装置９および第２位相敏感検波装置１１は、それぞれ、第１実施形態に係るガス計測装置１における第１受光装置１４および第１位相敏感検波装置１８と同様に動作する。
次に、ガス計測装置３の全体の動作について図１１を用いて説明する。図１１は、ガス計測装置３における波長変調幅の設定方法を示したフローチャートである。
次に、ガス計測装置３の全体の動作について図１１を用いて説明する。図１１は、ガス計測装置３における波長変調幅の設定方法を示したフローチャートである。
ガス計測装置３では、計測対象ガス３０の計測が継続して実行される。なお、ガスの計測が継続しているとは、１回のガスの計測が終了した後にガス計測装置３を停止させることなく次の計測を開始することにより、計測が繰り返し実行される状態を言う。
ステップＳ３０１では、カウンタ８０により、ガスの計測が継続している時間がカウントされる。カウンタ８０のカウントした結果は、コンピュータ４０に入力される。
ステップＳ３０１では、カウンタ８０により、ガスの計測が継続している時間がカウントされる。カウンタ８０のカウントした結果は、コンピュータ４０に入力される。
ステップＳ３０２では、コンピュータ４０の制御部４９により、カウンタ８０により計数された時間、つまりガスの計測が継続している時間が、定期メンテナンスの周期（所定の時間の一例）以上であるかどうかが判定される。定期メンテナンスの周期は、予め設定されており、コンピュータ４０のメモリ部４７に記憶されている。ステップＳ３０２において条件が満たされている場合には、フロー１００に進み、条件が満たされていない場合には、ステップＳ３０１に戻る。
フロー１００では、第１実施形態と同様に、波長変調幅の設定が実行される。本実施形態では、設定部４４は、カウンタ８０により計数された時間が所定の時間以上になった場合に、ピークボトム比Ｒが予め定められた目標値と等しくなるように波長変調幅を設定する。
ステップＳ３０３では、カウンタ８０がリセットされる。カウンタ８０がリセットされると、フローはステップＳ３０１に戻る。つまり、カウンタ８０は、リセットされた時点をゼロとして、ガスの計測が継続している時間のカウントをリスタートする。
フロー１００では、第１実施形態と同様に、波長変調幅の設定が実行される。本実施形態では、設定部４４は、カウンタ８０により計数された時間が所定の時間以上になった場合に、ピークボトム比Ｒが予め定められた目標値と等しくなるように波長変調幅を設定する。
ステップＳ３０３では、カウンタ８０がリセットされる。カウンタ８０がリセットされると、フローはステップＳ３０１に戻る。つまり、カウンタ８０は、リセットされた時点をゼロとして、ガスの計測が継続している時間のカウントをリスタートする。
以上のように、第３実施形態に係る波長変調幅の設定方法は、主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を発振する光源２と、計測対象ガス３０を透過したレーザ光の強度に応じて信号を出力する第１受光装置１４と、を有するガス計測装置３における波長変調幅の設定方法である。この方法は、計測対象ガス３０を継続して計測することと、計測対象ガス３０が所定の時間継続して計測されたかどうかを判断することと、を含む。また、この方法は、計測対象ガス３０が所定の時間継続して計測された場合に、中心波長を変化させながら、標準ガス７を透過したレーザ光から検出信号Ｉ４を取得することを含む。また、この方法は、検出信号Ｉ４から変調周波数ω１を２倍した高調周波数ω２で振動する二次高調波成分を取得し、ピークボトム比Ｒを算出することを含む。そして、この方法は、ピークボトム比Ｒが所定の条件を満たすように波長変調幅を設定することを含む。
このように、ガス計測装置３では、計測対象ガス３０の計測が所定の時間継続すると、自動的に波長変調幅の設定が実行される。これにより、ガス計測装置３を長時間稼動させた場合であっても、波長変調幅を一定に保つことができる。
〔４：他の実施形態〕
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態および変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
〔４：他の実施形態〕
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態および変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
（Ａ）
前述の実施形態では、基準試料として用いられていたのは、所定の圧力、所定の温度、よび所定の濃度に調整されたガスであった。しかしながら、望ましい波長変調幅が得られる場合のピークボトム比を特定できるのであれば、基準試料の種類および形態は問われない。例えば、基準試料は、計測対象ガス３０に含まれる成分以外の成分を組成に有するガス、あるいは吸収線を有する固体で形成されたフィルタであっても構わない。
また、基準試料の圧力、温度、および含有される成分の濃度といった状態量がよく制御されていることが好ましいが、基準試料の状態量が所望の値からずれていたとしても、そのずれによる影響を補正するための情報を有していれば、波長変調幅の調整は可能である。
前述の実施形態では、基準試料として用いられていたのは、所定の圧力、所定の温度、よび所定の濃度に調整されたガスであった。しかしながら、望ましい波長変調幅が得られる場合のピークボトム比を特定できるのであれば、基準試料の種類および形態は問われない。例えば、基準試料は、計測対象ガス３０に含まれる成分以外の成分を組成に有するガス、あるいは吸収線を有する固体で形成されたフィルタであっても構わない。
また、基準試料の圧力、温度、および含有される成分の濃度といった状態量がよく制御されていることが好ましいが、基準試料の状態量が所望の値からずれていたとしても、そのずれによる影響を補正するための情報を有していれば、波長変調幅の調整は可能である。
（Ｂ）
前述の実施形態においてはＷＭＳにより二次高調波成分が取得されていたが、検出信号Ｉ１から取得される周波数成分は、変調周波数ω１で振動する基本周波数成分（特定の周波数成分の一例）または三次以上の高調波成分（特定の周波数成分の一例）であってもよい。周波数成分の次数が２ではない場合には、得られるスペクトルにおける極小値および極大値の個数は二次の場合と異なっている。この場合には、それら複数の極値のうち、任意の２個以上を選び出し、それらの間の比を指標量として用いることにより、変調電流の設定を行うことができる。
また、前述の実施形態では、二次高調波成分における２つの極小値のうち、一方の極小値の値を用いてピークボトム比Ｒが算出されていた。しかしながら、ピークボトム比Ｒの算出においては、２つの極小値の平均値が用いられてもよい。
前述の実施形態においてはＷＭＳにより二次高調波成分が取得されていたが、検出信号Ｉ１から取得される周波数成分は、変調周波数ω１で振動する基本周波数成分（特定の周波数成分の一例）または三次以上の高調波成分（特定の周波数成分の一例）であってもよい。周波数成分の次数が２ではない場合には、得られるスペクトルにおける極小値および極大値の個数は二次の場合と異なっている。この場合には、それら複数の極値のうち、任意の２個以上を選び出し、それらの間の比を指標量として用いることにより、変調電流の設定を行うことができる。
また、前述の実施形態では、二次高調波成分における２つの極小値のうち、一方の極小値の値を用いてピークボトム比Ｒが算出されていた。しかしながら、ピークボトム比Ｒの算出においては、２つの極小値の平均値が用いられてもよい。
（Ｃ）
前述の実施形態では、波長変調幅に対応しているとともに二次高調波成分の振る舞いを特徴付ける指標量として、ピークボトム比Ｒが採用されていた。しかしながら、二次高調波成分の振る舞いを特徴付ける指標量は、ピークボトム比Ｒ以外の量であってもよい。また、波長変調幅の設定において、指標量が用いられなくてもよい。
例えば、以下に説明する実施形態を装置、方法、またはプログラムにより実現することができる。
ここに説明する実施形態では、レコーダ４１は、レーザ光の中心波長の値と、二次高調波成分の値と、を互いに関連付けられた状態で記録する。レコーダ４１には、波形混合器１２の出力する信号であって主電流を表す主電流信号と、第１位相敏感検波装置１８の出力する二次高調波信号Ｉ３と、が入力される。レコーダ４１は、主電流信号に基づいてレーザ光の中心波長の値を決定し、二次高調波信号Ｉ３に基づいて二次高調波成分の値を決定する。そして、レコーダ４１は、中心波長および二次高調波成分の値をそれぞれＸ値およびＹ値として記録する。
また、レコーダ４１は、レーザ光の中心波長の値と、検出信号Ｉ１の直流成分の値と、を互いに関連付けられた状態で記録する。
前述の実施形態では、波長変調幅に対応しているとともに二次高調波成分の振る舞いを特徴付ける指標量として、ピークボトム比Ｒが採用されていた。しかしながら、二次高調波成分の振る舞いを特徴付ける指標量は、ピークボトム比Ｒ以外の量であってもよい。また、波長変調幅の設定において、指標量が用いられなくてもよい。
例えば、以下に説明する実施形態を装置、方法、またはプログラムにより実現することができる。
ここに説明する実施形態では、レコーダ４１は、レーザ光の中心波長の値と、二次高調波成分の値と、を互いに関連付けられた状態で記録する。レコーダ４１には、波形混合器１２の出力する信号であって主電流を表す主電流信号と、第１位相敏感検波装置１８の出力する二次高調波信号Ｉ３と、が入力される。レコーダ４１は、主電流信号に基づいてレーザ光の中心波長の値を決定し、二次高調波信号Ｉ３に基づいて二次高調波成分の値を決定する。そして、レコーダ４１は、中心波長および二次高調波成分の値をそれぞれＸ値およびＹ値として記録する。
また、レコーダ４１は、レーザ光の中心波長の値と、検出信号Ｉ１の直流成分の値と、を互いに関連付けられた状態で記録する。
本項の実施形態では、前述のステップＳ１０１において、波形混合器１２から出力された主電流信号は、コンピュータ４０のレコーダ４１に入力される。主電流信号は、レコーダ４１により、中心波長に変換され記録される。
また、前述のステップＳ１０３では、レコーダ４１により、二次高調波成分は中心波長と関連付けられた状態で記録される。
また、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４における掃引により、中心波長をＸ値、二次高調波成分をＹ値とするグラフの作成が可能となる。図４（Ａ）および（Ｂ）は、Ｘ値を中心波長、Ｙ値を水の二次高調波成分とした場合のグラフを示している。これらの二次高調波成分グラフは、中心波長と二次高調波成分との関係を表している。
本項の実施形態において、二次高調波成分の振る舞いを特徴付ける量であって波長変調幅の設定に用いられる指標量は、ピークボトム比Ｒでなくてもよい。例えば、指標量は、中心波長をＸ値、高調波成分をＹ値とするＸ−Ｙグラフ上における面積を用いて決定される量でもよい。具体的には、Ｘ−Ｙグラフ上における、高調波成分とベースラインとの間の領域の面積を用いることができる。より詳細には、高調波成分とベースラインとの間の領域のうち極小値の含まれる領域の面積をＡＮ、極大値の含まれる領域をＡＰとした場合に、指標量は比ＡＰ／ＡＮであってもよい（図５参照）。
また、前述のステップＳ１０３では、レコーダ４１により、二次高調波成分は中心波長と関連付けられた状態で記録される。
また、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４における掃引により、中心波長をＸ値、二次高調波成分をＹ値とするグラフの作成が可能となる。図４（Ａ）および（Ｂ）は、Ｘ値を中心波長、Ｙ値を水の二次高調波成分とした場合のグラフを示している。これらの二次高調波成分グラフは、中心波長と二次高調波成分との関係を表している。
本項の実施形態において、二次高調波成分の振る舞いを特徴付ける量であって波長変調幅の設定に用いられる指標量は、ピークボトム比Ｒでなくてもよい。例えば、指標量は、中心波長をＸ値、高調波成分をＹ値とするＸ−Ｙグラフ上における面積を用いて決定される量でもよい。具体的には、Ｘ−Ｙグラフ上における、高調波成分とベースラインとの間の領域の面積を用いることができる。より詳細には、高調波成分とベースラインとの間の領域のうち極小値の含まれる領域の面積をＡＮ、極大値の含まれる領域をＡＰとした場合に、指標量は比ＡＰ／ＡＮであってもよい（図５参照）。
また、基準となるＸ−Ｙグラフと、波長変調幅の設定の際に得られたＸ−Ｙグラフとの一致度を判定してもよい。例えば、所望の波長変調幅において得られたＸ−Ｙグラフを基準として採用し、そのＸ−ＹグラフをＸ値およびＹ値の組として予めメモリ部４７に記録しておき、波長変調幅の設定時に得られたＸ値およびＹ値と比較してもよい。この場合は、Ｘ−Ｙグラフの一致度が予め定められた閾値よりも高いこと（所定の条件の一例）が、波長変調幅の調整が完了するための条件である。一致度の算出においては、Ｘ値およびＹ値の組は複数存在するので、多変量解析を用いた比較を利用することができる。
なお、本項の実施形態の説明において、中心波長は主電流信号から導出されるとしていた。しかしながら、前述の通り、光源２に入力される駆動電流と発振されるレーザ光の波長との関係は、半導体レーザ素子の特性に依存する。そして、本項で説明した実施形態において導出される中心波長は、主電流信号に基づいて算出された概算値である。つまり、二次高調波成分をＹ値とするＸ−Ｙグラフにおいて、中心波長の値が正確に特定される必要はなく、また、Ｘ値は中心波長の値でなくてもよい。Ｘ−ＹグラフのＸ値は、光源２に入力される主入力の大きさを表す値であればよい。
ここで、主入力とは、光源２に入力される信号であって、変調信号の１周期が経過する間、強度が概ね一定に保たれる信号である。主入力の一例としては、前述の主電流信号が挙げられる。したがって、Ｘ−ＹグラフのＸ値に主電流の大きさを用いることができる。
なお、本項の実施形態の説明において、中心波長は主電流信号から導出されるとしていた。しかしながら、前述の通り、光源２に入力される駆動電流と発振されるレーザ光の波長との関係は、半導体レーザ素子の特性に依存する。そして、本項で説明した実施形態において導出される中心波長は、主電流信号に基づいて算出された概算値である。つまり、二次高調波成分をＹ値とするＸ−Ｙグラフにおいて、中心波長の値が正確に特定される必要はなく、また、Ｘ値は中心波長の値でなくてもよい。Ｘ−ＹグラフのＸ値は、光源２に入力される主入力の大きさを表す値であればよい。
ここで、主入力とは、光源２に入力される信号であって、変調信号の１周期が経過する間、強度が概ね一定に保たれる信号である。主入力の一例としては、前述の主電流信号が挙げられる。したがって、Ｘ−ＹグラフのＸ値に主電流の大きさを用いることができる。
また、時間に対するランプ波強度の増加割合が既知であれば、掃引開始からの経過時間から、主電流の大きさを見積もることができる。つまり、第１位相敏感検波装置１８により二次高調波成分を取得したタイミングが分かれば、主電流信号を用いずに、主電流の大きさを見積もることができる。このことから、Ｘ−ＹグラフのＸ値に時間を用いることも可能である。例えば、第１位相敏感検波装置１８による二次高調波成分の取得が一定の時間間隔で実行されるように、第１位相敏感検波装置１８およびレコーダ４１が制御されてもよい。これにより、Ｘ−ＹグラフにおけるＸ値は時間となる。この場合、Ｘ値は時間であるが、主入力である主電流信号に対応している。
以上により、本項に記載の実施形態に係るガス計測装置は、次のように表現することができる。ガス計測装置は、計測対象ガスを計測するための装置であって、光源と、検出部と、取得部と、設定部と、を有している。光源は、主入力に応じた中心波長を有するとともに変調信号に応じて変調したレーザ光を、中心波長を変化させながら発振する。検出部は、基準試料を透過したレーザ光の強度に応じて検出信号を出力する。取得部は、検出信号から変調信号の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得し、主入力と特定の周波数成分との関係を得る。設定部は、主入力と特定の周波数成分との関係が所定の条件を満たすように、レーザ光の波長変調幅を設定する。
ここで、変調電流は、上記の表現における「変調信号」の一例である。また、二次高調波成分のＸ−Ｙグラフは、上記の表現における「主入力と特定の周波数成分との関係」の一例である。また、上記の表現における「主入力と特定の周波数成分との関係が満たす所定の条件」とは、前述の実施形態においてはピークボトム比Ｒが目標値と等しくなることである。また、本項の実施形態において示したように、この「所定の条件」の一例は、比ＡＰ／ＡＮが予め定められた値と等しくなることである。また、「所定の条件」の他の一例は、前述のように、Ｘ−Ｙグラフの形状の一致度が予め定められた閾値よりも高いことである。
以上により、本項に記載の実施形態に係るガス計測装置は、次のように表現することができる。ガス計測装置は、計測対象ガスを計測するための装置であって、光源と、検出部と、取得部と、設定部と、を有している。光源は、主入力に応じた中心波長を有するとともに変調信号に応じて変調したレーザ光を、中心波長を変化させながら発振する。検出部は、基準試料を透過したレーザ光の強度に応じて検出信号を出力する。取得部は、検出信号から変調信号の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得し、主入力と特定の周波数成分との関係を得る。設定部は、主入力と特定の周波数成分との関係が所定の条件を満たすように、レーザ光の波長変調幅を設定する。
ここで、変調電流は、上記の表現における「変調信号」の一例である。また、二次高調波成分のＸ−Ｙグラフは、上記の表現における「主入力と特定の周波数成分との関係」の一例である。また、上記の表現における「主入力と特定の周波数成分との関係が満たす所定の条件」とは、前述の実施形態においてはピークボトム比Ｒが目標値と等しくなることである。また、本項の実施形態において示したように、この「所定の条件」の一例は、比ＡＰ／ＡＮが予め定められた値と等しくなることである。また、「所定の条件」の他の一例は、前述のように、Ｘ−Ｙグラフの形状の一致度が予め定められた閾値よりも高いことである。
（Ｄ）
前述の第１実施形態では、ピークボトム比Ｒが目標値と等しくなるように、ガス計測装置１は自動的に変調電流の強度を変更していた。しかしながら、変調電流の調整を手動操作で行うことも可能である。例えば、表示装置６０に、ピークボトム比Ｒと目標値とのずれを示す数値を表示させる。そして、オペレータは、表示装置６０に表示された数値を確認しながら、その数値がゼロになるように入力装置７０を介して変調電流を変更する。
また、前述の第３実施形態では、ガスの計測が継続している時間が所定の時間以上であることをコンピュータ４０が判断することにより、波長変調幅の設定が自動的に開始されていた。つまり、波長変調幅が自動校正されていた。しかしながら、波長変調幅の設定は自動的に開始されなくてもよい。例えば、変調電流の調整が必要かどうかをオペレータが判断してもよい。この場合には、オペレータは入力装置７０を介してガス計測装置３に指示を与える。オペレータの指示が入力されると、ガス計測装置３は、変調電流の設定を実行する。
（Ｅ）
前述の第１実施形態では、波長変調幅の設定はガス計測装置１の初期調整として実行されていた。しかしながら、波長変調幅の設定は、初期調整として実行される場合に限られず、計測対象ガス３０の計測を中断し、計測対象ガス３０を基準試料に交換した後に実行されてもよい。
前述の第１実施形態では、ピークボトム比Ｒが目標値と等しくなるように、ガス計測装置１は自動的に変調電流の強度を変更していた。しかしながら、変調電流の調整を手動操作で行うことも可能である。例えば、表示装置６０に、ピークボトム比Ｒと目標値とのずれを示す数値を表示させる。そして、オペレータは、表示装置６０に表示された数値を確認しながら、その数値がゼロになるように入力装置７０を介して変調電流を変更する。
また、前述の第３実施形態では、ガスの計測が継続している時間が所定の時間以上であることをコンピュータ４０が判断することにより、波長変調幅の設定が自動的に開始されていた。つまり、波長変調幅が自動校正されていた。しかしながら、波長変調幅の設定は自動的に開始されなくてもよい。例えば、変調電流の調整が必要かどうかをオペレータが判断してもよい。この場合には、オペレータは入力装置７０を介してガス計測装置３に指示を与える。オペレータの指示が入力されると、ガス計測装置３は、変調電流の設定を実行する。
（Ｅ）
前述の第１実施形態では、波長変調幅の設定はガス計測装置１の初期調整として実行されていた。しかしながら、波長変調幅の設定は、初期調整として実行される場合に限られず、計測対象ガス３０の計測を中断し、計測対象ガス３０を基準試料に交換した後に実行されてもよい。
また、前述の第３実施形態では、計測の継続時間は定期メンテナンスの周期と比較されていたが、計測の継続時間の比較基準は任意に定めることができる。つまり、継続期間の比較基準は、波長変調幅を適切な値に維持できるのであれば、どのような期間が採用されてもよい。
（Ｆ）
前述の実施形態では、標的成分の濃度測定において、ランプ波による掃引が実行されていたが、ランプ波による掃引を行わずにＷＭＳを実行することも可能である。
（Ｆ）
前述の実施形態では、標的成分の濃度測定において、ランプ波による掃引が実行されていたが、ランプ波による掃引を行わずにＷＭＳを実行することも可能である。
（Ｇ）
前述の実施形態では、波長変調幅は、圧力変化に対する二次高調波成分の変動率、およびＳ／Ｎ比を考慮して決定されていた。しかしながら、これら２つ以外の因子を考慮して波長変調幅が決定されてもよい。例えば、ガス計測装置１の分解能を基準に波長変調幅が決定されてもよい。波長変調幅が大きい場合には、標的成分以外の成分によるレーザ光の吸収が測定誤差を生じさせるおそれがある。したがって、分解能の低下を防止するために、波長変調幅の大きさを制限してもよい。
このように、波長変調幅は、圧力変化に対する二次高調波成分の変動率、Ｓ／Ｎ比、および分解能を考慮して決定することができる。しかしながら、これらの因子が全て考慮されなくてもよく、いずれかの因子のみ、あるいは２つのみを考慮して波長変調幅を決定しても構わない。
前述の実施形態では、波長変調幅は、圧力変化に対する二次高調波成分の変動率、およびＳ／Ｎ比を考慮して決定されていた。しかしながら、これら２つ以外の因子を考慮して波長変調幅が決定されてもよい。例えば、ガス計測装置１の分解能を基準に波長変調幅が決定されてもよい。波長変調幅が大きい場合には、標的成分以外の成分によるレーザ光の吸収が測定誤差を生じさせるおそれがある。したがって、分解能の低下を防止するために、波長変調幅の大きさを制限してもよい。
このように、波長変調幅は、圧力変化に対する二次高調波成分の変動率、Ｓ／Ｎ比、および分解能を考慮して決定することができる。しかしながら、これらの因子が全て考慮されなくてもよく、いずれかの因子のみ、あるいは２つのみを考慮して波長変調幅を決定しても構わない。
したがって、圧力変化に対する二次高調波成分の変動率を考慮せずに目標とする波長変調幅が定められても構わない。この場合には、計測対象ガス３０の圧力を測定し、二次高調波成分の強度を圧力で補正してもよい。
（Ｈ）
前述の波長変調幅の設定および濃度測定は、計測対象ガス３０が存在している現場で実行されてもよいし、計測対象ガス３０をサンプリングすることにより、現場とは異なる場所で実行されてもよい。ここに開示された波長変調幅の設定方法によれば、波長測定装置が必要とされないので、波長測定装置を持ち込むことが困難な現場においても波長変調幅の設定を行うことができる。
（Ｈ）
前述の波長変調幅の設定および濃度測定は、計測対象ガス３０が存在している現場で実行されてもよいし、計測対象ガス３０をサンプリングすることにより、現場とは異なる場所で実行されてもよい。ここに開示された波長変調幅の設定方法によれば、波長測定装置が必要とされないので、波長測定装置を持ち込むことが困難な現場においても波長変調幅の設定を行うことができる。
（Ｉ）
前述の実施形態の各処理はハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェア（ＯＳ（Operating System）、ミドルウェア、あるいは、所定のライブラリとともに実現される場合を含む。）により実現されてもよい。さらに、前述の実施形態の各処理は、ソフトウェアおよびハードウェアの混在処理により実現されてもよい。
また、前述の実施形態における処理方法の実行順序は、必ずしも、前述の実施形態の記載に制限されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、実行順序が入れ替えられても構わない。
また、前述の実施形態における各処理を実行するためのプログラムは、メモリ部４７に記録することも可能であり、取り外し可能な記録媒体５０に記録することも可能である。
前述の実施形態の各処理はハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェア（ＯＳ（Operating System）、ミドルウェア、あるいは、所定のライブラリとともに実現される場合を含む。）により実現されてもよい。さらに、前述の実施形態の各処理は、ソフトウェアおよびハードウェアの混在処理により実現されてもよい。
また、前述の実施形態における処理方法の実行順序は、必ずしも、前述の実施形態の記載に制限されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、実行順序が入れ替えられても構わない。
また、前述の実施形態における各処理を実行するためのプログラムは、メモリ部４７に記録することも可能であり、取り外し可能な記録媒体５０に記録することも可能である。
ここに開示された波長変調幅の設定方法は、波長変調幅の設定における作業の簡素化を実現することができるため、ガス計測装置の分野において有用である。
１ ガス計測装置
２ 光源
３ ガス計測装置
４ 定電流発生装置
５ ビームスプリッタ
６ 第１波形発生器
７ 標準ガス
８ 第２波形発生器
９ 第２受光装置
１０ 倍周器
１１ 第２位相敏感検波装置
１２ 波形混合器
１４ 第１受光装置
１６ 信号処理装置
１６ａ ローパスフィルタ
１８ 第１位相敏感検波装置
１８ａ ロックインアンプ
１８ｂ ローパスフィルタ
２０ 温度調整器
２２ 測定装置
２４ 波形発生部
３０ 計測対象ガス
４０ コンピュータ
４１ レコーダ
４２ Ｒ算出部
４３ 比較部
４４ 設定部
４５ 温度判定部
４６ 濃度測定部
４７ メモリ部
４８ 記録媒体読取部
４９ 制御部
５０ 記録媒体
６０ 表示装置
７０ 入力装置
８０ カウンタ
２ 光源
３ ガス計測装置
４ 定電流発生装置
５ ビームスプリッタ
６ 第１波形発生器
７ 標準ガス
８ 第２波形発生器
９ 第２受光装置
１０ 倍周器
１１ 第２位相敏感検波装置
１２ 波形混合器
１４ 第１受光装置
１６ 信号処理装置
１６ａ ローパスフィルタ
１８ 第１位相敏感検波装置
１８ａ ロックインアンプ
１８ｂ ローパスフィルタ
２０ 温度調整器
２２ 測定装置
２４ 波形発生部
３０ 計測対象ガス
４０ コンピュータ
４１ レコーダ
４２ Ｒ算出部
４３ 比較部
４４ 設定部
４５ 温度判定部
４６ 濃度測定部
４７ メモリ部
４８ 記録媒体読取部
４９ 制御部
５０ 記録媒体
６０ 表示装置
７０ 入力装置
８０ カウンタ
Claims (6)
- 計測対象ガスを計測するためのガス計測装置であって、
主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を、前記中心波長を変化させながら発振する光源と、
基準試料を透過した前記レーザ光の強度に応じて検出信号を出力する検出部と、
前記検出信号から前記変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得する取得部と、
前記特定の周波数成分のベースラインと前記ベースラインの負側にあるピークとの距離である極小値の大きさと、前記ベースラインと前記ベースラインの正側にあるピークとの距離である極大値の大きさとの比を算出する算出部と、
前記比が所定の条件を満たすように、前記レーザ光の波長変調幅を設定する設定部と、
を備えるガス計測装置。 - 前記所定の条件は、前記波長変調幅と一対一に対応する前記比が予め定められた目標値と等しくなることであり、
前記設定部は、前記変調電流の強度を変化させることにより前記波長変調幅を設定する、
請求項１に記載のガス計測装置。 - 前記目標値は、前記基準試料の圧力を変化させた場合における、前記特定の周波数成分の変動率を基準に決定される、
請求項２に記載のガス計測装置。 - 前記計測対象ガスの計測が継続している時間を計数する計数部をさらに備え、
前記設定部は、前記計数部により計数された時間が所定の時間以上になった場合に、前記比が前記所定の条件を満たすように前記波長変調幅を設定する、
請求項１から３のいずれかに記載のガス計測装置。 - 主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を発振する光源と、計測対象ガスを透過した前記レーザ光の強度に応じて信号を出力する検出部と、を有するガス計測装置における前記レーザ光の波長変調幅の設定方法であって、
前記中心波長を変化させながら、基準試料を透過した前記レーザ光から検出信号を取得することと、
前記検出信号から前記変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得することと、
前記特定の周波数成分のベースラインと前記ベースラインの負側にあるピークとの距離である極小値の大きさと、前記ベースラインと前記ベースラインの正側にあるピークとの距離である極大値の大きさとの比を算出することと、
前記比が所定の条件を満たすように、前記レーザ光の波長変調幅を設定することと、を含む、
波長変調幅の設定方法。 - 主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を、前記中心波長を変化させながら発振する光源と、
基準試料を透過した前記レーザ光の強度に応じて検出信号を出力する検出部と、
前記検出信号から前記変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得する取得部と、を備えるガス計測装置に用いられるプログラムであって、
前記特定の周波数成分のベースラインと前記ベースラインの負側にあるピークとの距離である極小値の大きさと、前記ベースラインと前記ベースラインの正側にあるピークとの距離である極大値の大きさとの比を算出することと、
前記比が所定の条件を満たすように、前記レーザ光の波長変調幅を設定することと、
を含む波長変調幅の設定方法をコンピュータに実行させるプログラム。
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| JP2011286765A JP5933972B2 (ja) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | ガス計測装置およびガス計測装置における波長変調幅の設定方法。 |
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| JP2011286765A JP5933972B2 (ja) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | ガス計測装置およびガス計測装置における波長変調幅の設定方法。 |
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