JP6028889B2 - Laser gas analyzer - Google Patents
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Description
本発明は、煙道内における測定対象ガスの有無や濃度を分析するレーザ式ガス分析計に関する。 The present invention relates to a laser type gas analyzer that analyzes the presence and concentration of a measurement target gas in a flue.
従来技術のレーザ式ガス分析計について説明する。まずレーザ式ガス分析計のガス濃度測定原理について説明する。図9はNH3(アンモニア)ガスの吸収スペクトラム例を示す特性図である。気体状のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトルがあることが知られており、例えば、この図9のNH3ガスの吸収スペクトラムの特性図に示すように、縦軸が吸収量であり、波長別に吸収量が相違する。 A conventional laser gas analyzer will be described. First, the principle of gas concentration measurement of the laser gas analyzer will be described. FIG. 9 is a characteristic diagram showing an example of an absorption spectrum of NH 3 (ammonia) gas. It is known that each gaseous gas molecule has its own light absorption spectrum. For example, as shown in the characteristic diagram of the absorption spectrum of NH 3 gas in FIG. 9, the vertical axis represents the absorption amount. The amount of absorption varies depending on the wavelength.
レーザ式ガス分析計は、このようなガスにレーザ光を照射し、特定波長のレーザ光をガスの濃度に比例して吸収させ、この特定波長の吸収量がガスの濃度に比例することを利用してガス濃度を測定する。このようなレーザ式ガス分析計の測定方式は、さらに、2波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。
このうち周波数変調方式に関するレーザ式ガス分析計の従来技術として、例えば、特許文献1(国際公開WO2008/096524号公報、発明の名称「レーザ式ガス分析計」)に記載の発明が知られている。
Laser gas analyzers irradiate such gas with laser light, absorb the laser light of a specific wavelength in proportion to the gas concentration, and use the fact that the absorption amount of this specific wavelength is proportional to the gas concentration And measure the gas concentration. Measurement methods of such a laser gas analyzer are broadly divided into a two-wavelength difference method and a frequency modulation method.
Among these, as a conventional technique of a laser gas analyzer relating to a frequency modulation method, for example, an invention described in Patent Document 1 (International Publication WO2008 / 096524, title of the invention “Laser Gas Analyzer”) is known. .
この特許文献1の従来技術について説明する。図10は、従来技術(特許文献1)のレーザ式ガス分析計を示す構造図であって、全体的な構成を示している。このレーザ式ガス分析計は、周波数変調方式のレーザ式ガス分析計である。レーザ式ガス分析計は、図10に示すように、フランジ101a,101bにより、例えば、煙道のように測定対象ガスが内部を通流する配管などの壁201,202に溶接等によって固定されている。一方のフランジ101aには、透明な出射窓101cが設けられている。また、フランジ101aには、取付座102aを介して有底円筒状のカバー103aが取り付けられている。
The prior art of this
カバー103aの内部には光源部104が配置されており、この光源部104から出射したレーザ光はコリメートレンズ105を含む光源側光学系によって平行光にコリメートされ、フランジ101aの中心を通り、出射窓101cを介して壁201,202の内部(煙道内部)へ入射される。この平行光は、壁201,202の内部にある測定対象ガスを透過する際に吸収を受ける。
A
他方のフランジ101bには、取付座102bを介して有底円筒状のカバー103bが取り付けられている。また、フランジ101bには透明な入射窓101dが設けられている。煙道内部を通過した平行光は、入射窓101dを経て、カバー103b内部の受光側光学系である集光レンズ106により集光されて受光部107により受光され、電気信号に変換されて後段の信号処理回路108に入力される。
A bottomed
このようなレーザ式ガス分析計では受光光量が変化するという問題がある。この点について説明する。煙道内には測定対象ガス以外にダストや測定波長領域に吸収を持つ他のガス成分といった外乱が存在する。例えば、煙道内にダストが存在すると、光源部104から発せられるレーザ光が散乱され、受光部107の受光光量が低下する。そして、図11に示すように、受光光量が経時変動するという特性を有する。このような受光光量の経時変動に伴い、同一濃度の測定対象ガスに対するピーク振幅も変動してしまい、測定誤差が生じることとなる。
Such a laser gas analyzer has a problem that the amount of received light changes. This point will be described. In the flue, there are disturbances such as dust and other gas components having absorption in the measurement wavelength region in addition to the measurement target gas. For example, if dust is present in the flue, the laser light emitted from the
そこで、測定誤差を生じさせないようにするため、ピーク振幅(以下、スパンと表記)の受光光量による補正を行っている。このような補正は、特許文献1にも記載されているが、波長走査駆動信号成分の任意の1点を受光光量として常時モニタリングし、スパンを受光光量の変動に応じて補正する手法がとられている。
Therefore, in order not to cause a measurement error, the peak amplitude (hereinafter referred to as span) is corrected by the amount of received light. Such correction is also described in
近年では、半導体レーザの一種であり、室温で連続発振可能な量子カスケードレーザ(以下、Quantum cascade laserの略称であるQCLと称する)が実用化された。QCLは従来の半導体レーザでは実現不可能であった中赤外領域(4〜10μm)という広範囲な領域の波長を発光することができる。このQCLを用いることにより、NH3(アンモニア)ガス以外でも、SO2,NO,NO2等のように中赤外領域レーザ光に吸収波長が含まれるガス成分を測定することが可能となり、従来技術では不可能であった吸収波長を有するガスの分析を可能とするレーザ式ガス分析計を実現することができる。 In recent years, a quantum cascade laser (hereinafter referred to as QCL, which is an abbreviation of Quantum cascade laser), which is a kind of semiconductor laser and can continuously oscillate at room temperature, has been put into practical use. QCL can emit light in a wide range of wavelengths in the mid-infrared region (4 to 10 μm) that could not be realized with conventional semiconductor lasers. By using this QCL, it is possible to measure a gas component including an absorption wavelength in the mid-infrared laser beam, such as SO 2 , NO, NO 2, etc., other than NH 3 (ammonia) gas. It is possible to realize a laser type gas analyzer capable of analyzing a gas having an absorption wavelength, which is impossible with technology.
また、受光素子として、同じく中赤外領域に感度を有する赤外線検出素子、例えばMCT(Mercury Cadmium Tellurium)光導電素子(以下、MCTと表記する)を用いることが好ましい。 Further, as the light receiving element, it is preferable to use an infrared detecting element having sensitivity in the mid-infrared region, for example, an MCT (Mercury Cadmium Tellurium) photoconductive element (hereinafter referred to as MCT).
ここで、一例として図12にSO2ガスの吸収スペクトラム例を示す。SO2濃度測定を行う場合、QCLの波長は7.2〜7.4μmが好ましい。そして、図13に、周波数変調方式のレーザ式ガス分析計によるSO2ガスの濃度測定時の検出信号を示す。これは後述する同期検波回路から出力された信号である。SO2ガスの吸収がある場合は、レーザ式ガス分析計は図13に示すようなガスの吸収波形を検出する。このピーク値がガス濃度となるため、この出力のピーク振幅を計測することにより、SO2ガスの濃度測定が可能となる。また、信号変化を積分してもよい。 Here, as an example, FIG. 12 shows an example of an absorption spectrum of SO 2 gas. When performing SO 2 concentration measurement, the wavelength of QCL is preferably 7.2 to 7.4 μm. FIG. 13 shows a detection signal when measuring the concentration of SO 2 gas by a frequency modulation type laser gas analyzer. This is a signal output from a synchronous detection circuit described later. When there is SO 2 gas absorption, the laser gas analyzer detects a gas absorption waveform as shown in FIG. Since this peak value becomes the gas concentration, the concentration of SO 2 gas can be measured by measuring the peak amplitude of this output. Further, the signal change may be integrated.
しかしながら、このようなQCL,MCTを用いるレーザ式ガス分析計では測定安定性が得られない場合があった。この測定安定性について説明する。具体例として図14に時間−SO2濃度の測定特性図を示す。QCL,MCTを用いるレーザ式ガス分析計で一定値のガス濃度であるSO2濃度を検出しても、図14でも明らかなように、時間経過により変動して検出されるという事象が確認されている。本願発明者は鋭意原因を追求し、受光部における受光光量の変化により測定安定性が変動することを知見した。この受光光量の変化の原因として以下(1)〜(3)が挙げられる。 However, measurement stability may not be obtained with such a laser gas analyzer using QCL and MCT. This measurement stability will be described. As a specific example, FIG. 14 shows a measurement characteristic diagram of time-SO 2 concentration. Even when the SO 2 concentration, which is a constant gas concentration, is detected by a laser gas analyzer using QCL and MCT, as is apparent from FIG. Yes. The inventor of the present application has sought the cause of eagerness and has found that the measurement stability fluctuates due to a change in the amount of received light in the light receiving portion. The following (1) to (3) can be cited as causes of this change in the amount of received light.
(1)MCTの熱特性による受光光量の変化
MCTは感熱性素子であるため、300Kの背景放射によるノイズを受けることや周囲温度の変化により感度が変動し、受光光量が変化する。これは、図14における受光部温度変化(下側グラフ)と同じ傾向でガス濃度が(上側グラフ)が変動することからも明らかである。
(1) Change in received light amount due to thermal characteristics of MCT Since MCT is a thermosensitive element, the sensitivity varies due to receiving noise due to background radiation of 300K and changes in ambient temperature, and the received light amount changes. This is apparent from the fact that the gas concentration (upper graph) fluctuates in the same tendency as the light receiving portion temperature change (lower graph) in FIG.
(2)外乱による受光光量の変化
測定対象ガスにはダストや測定波長領域に吸収を持つ他のガス成分という外乱が含まれており、これら外乱により受光光量が変動する。
(2) Change in amount of received light due to disturbance The measurement target gas includes disturbances such as dust and other gas components having absorption in the measurement wavelength region, and the amount of received light varies due to these disturbances.
(3)オフセット吸収による受光光量の変化
先に説明した図12に示すように、SO2ガスは前述の温度測定に適した波長範囲において、所定の波長で観察される吸収ピーク以外にも、波長に明確に依存しないオフセット的な吸収(以下、オフセット吸収と表記)を有することが特徴である。そのため、MCTの受光光量信号は、煙道内のダスト濃度に加えて、測定対象ガス濃度によっても受光光量が変動する。
(3) Change in received light quantity due to offset absorption As shown in FIG. 12 described above, the SO 2 gas has a wavelength other than the absorption peak observed at a predetermined wavelength in the wavelength range suitable for the temperature measurement described above. It is characterized by having offset absorption (hereinafter referred to as offset absorption) that does not clearly depend on. Therefore, the received light amount signal of the MCT varies depending on the concentration of the measurement target gas in addition to the dust concentration in the flue.
これらのように(1)〜(3)の要因により受光光量が変動する。前述した従来のレーザ式ガス分析計の光量補正方法を用いた場合、受光光量信号の変動には、煙道内のダスト等の外乱やレーザ光量変動のみによる受光光量の変動には対応できるが、オフセット吸収分とMCTの感度変動分とによる受光光量の変動については考慮されていないため、前述した従来のレーザ式ガス分析計の光量補正方法を単純に適用することができず、正確な光量補正ができない、という問題があった。少なくともオフセット吸収分を、そして可能であるならばMCTに特有のMCTの感度変動分も除去したいという要請があった。 As described above, the amount of received light varies depending on the factors (1) to (3). When the light intensity correction method of the conventional laser gas analyzer described above is used, fluctuations in the received light quantity signal can deal with fluctuations in the received light quantity due only to disturbances such as dust in the flue and fluctuations in the laser light quantity. Since the variation in the amount of received light due to the amount of absorption and the sensitivity variation of MCT is not taken into account, the above-mentioned conventional laser gas analyzer light amount correction method cannot be simply applied, and accurate light amount correction is not possible. There was a problem that it was not possible. There has been a demand to remove at least the offset absorption and, if possible, the sensitivity variation of MCT specific to MCT.
そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、オフセット吸収による受光光量の変動に対応するように正確な光量補正を行い、濃度をより正確に算出できるようにしたレーザ式ガス分析計を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to perform accurate light amount correction so as to cope with fluctuations in the amount of received light due to offset absorption, so that the concentration can be calculated more accurately. The object is to provide a laser gas analyzer.
本発明の請求項1に係るレーザ式ガス分析計は、
周波数変調された中赤外領域レーザ光を出射する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光源側光学系と、この光源側光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された透過光を集光する受光側光学系と、この受光側光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路と、処理された信号に基づいて測定対象ガスの濃度を測定する中央処理部と、を有するレーザ式ガス分析計において、
前記光源部は、
中赤外領域レーザ光を発光するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
測定対象ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を可変とする可変駆動信号と、前記レーザ素子の発熱量を減少させるように前記レーザ素子の発光を停止するオフセット信号と、を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
中赤外領域に感度を有する受光素子と、
この受光素子の温度を安定化させる受光側温度安定化手段と、
を備え、
前記信号処理回路は、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の2倍周波数成分の信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波回路と、
を備え、
前記中央処理部は、
受光光量初期値R0、オフセット吸収係数r、測定対象ガスのフルスケール濃度A、フルスケール濃度の測定対象ガスを測定した時のスパンSA、係数a,bが予め登録されており、
同期検波回路の検出信号から測定対象ガスについての受光光量実測値RYを取得する受光光量実測手段と、
同期検波回路の検出信号から求められるスパンS X と登録されるフルスケール濃度AおよびスパンS A を用いて測定対象ガスのガス濃度指示値XをX=A・(S X /S A )により取得するガス濃度指示値取得手段と、
オフセット吸収係数rを用いて測定対象ガスの受光光量理論値RXをRX=R0−rXにより算出する受光光量理論値算出手段と、
光量変動分RZをRZ=RX−RYにより算出する光量変動分算出手段と、
同期検波回路の検出信号から求められるスパンSXおよび係数a,bを用いて測定対象ガスの濃度真値YをY=SX/(a(R0−RZ)−b)により算出する測定対象ガス濃度算出手段と、
として機能することを特徴とする。
A laser type gas analyzer according to
A light source unit that emits a frequency-modulated mid-infrared laser beam, a light source side optical system that collimates the light emitted from the light source unit, and a light source side optical system that propagates through the space where the measurement target gas exists A light receiving side optical system for collecting the transmitted light, a light receiving unit for receiving the light collected by the light receiving side optical system, a signal processing circuit for processing an output signal of the light receiving unit, and a processed signal In the laser type gas analyzer having a central processing unit for measuring the concentration of the gas to be measured based on
The light source unit is
A laser element emitting mid-infrared laser light;
A light emission side temperature stabilizing means for stabilizing the temperature of the laser element;
A variable drive signal for changing the emission wavelength of the laser element so as to scan the absorption wavelength of the gas to be measured, and an offset signal for stopping emission of the laser element so as to reduce the amount of heat generated by the laser element. A laser drive signal generating unit that synthesizes a high frequency modulation signal for modulating the emission wavelength and outputs it as a laser drive signal to a wavelength scanning drive signal including;
A current controller that converts the laser drive signal output from the laser drive signal generator into a current and supplies the current to the laser element;
With
The light receiving unit is
A light-receiving element having sensitivity in the mid-infrared region;
A light receiving side temperature stabilizing means for stabilizing the temperature of the light receiving element;
With
The signal processing circuit includes:
A synchronous detection circuit that detects the amplitude of a signal having a double frequency component of the modulation signal in the light source unit from the output signal of the light receiving unit and outputs a detection signal;
With
The central processing unit is
Initial value R 0 of received light quantity, offset absorption coefficient r, full scale concentration A of measurement target gas, span S A when measuring measurement target gas of full scale concentration, coefficients a and b are registered in advance.
A received light quantity measurement means for obtaining a received light quantity measurement value RY for the measurement target gas from the detection signal of the synchronous detection circuit;
Obtained by the gas concentration indication value X of the measurement target gas by using a full-scale concentration A and span S A registered with the span S X obtained from the detection signal of the synchronous detection circuit X = A · (S X / S A) Gas concentration instruction value acquisition means for
And the amount of received light theoretical value calculating means for the light-receiving amount theoretical value R X of the measurement target gas by using the offset absorption coefficient r is calculated by R X = R 0 -rX,
A light amount variation calculating means for the variation in light volume R Z is calculated by R Z = R X -R Y,
Measurement that calculates the true concentration Y of the gas to be measured by Y = S X / (a (R 0 −R Z ) −b) using the span S X obtained from the detection signal of the synchronous detection circuit and the coefficients a and b. A target gas concentration calculating means;
It functions as.
また、本発明の請求項2に係るレーザ式ガス分析計は、
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記受光光量実測手段は、前記検出信号の前記波長走査駆動信号成分のうち、レーザ最大発光時の受光光量実測値とレーザ未発光時の受光光量実測値とを抽出して、その差分値を測定対象ガスについての受光光量実測値RYとする手段とし、
受光素子の変動成分を除去することを特徴とする。
A laser gas analyzer according to
The laser gas analyzer according to
The received light quantity measurement means extracts, from the wavelength scanning drive signal component of the detection signal, the received light quantity measurement value when the laser emits maximum light and the received light quantity measurement value when the laser does not emit light, and measures the difference value. As a means to set the received light quantity measurement value RY for the target gas,
The fluctuation component of the light receiving element is removed.
また、本発明の請求項3に係るレーザ式ガス分析計は、
請求項1または請求項2に記載のレーザ式ガス分析計において、
測定中に受光光量理論値RXに対する受光光量実測値RYの変動率が、予め定められた値を超える場合において補正を行うことを決定する決定手段と、を備えることを特徴とする。
A laser gas analyzer according to
In the laser type gas analyzer according to
Rate of change in the received light amount measured value R Y during the measurement with respect to the light receiving quantity theory R X is characterized by comprising a determining means for determining the corrected when more than a predetermined value.
本発明によれば、オフセット吸収による受光光量の変動に対応するように正確な光量補正を行い、濃度をより正確に算出できるようにしたレーザ式ガス分析計を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a laser-type gas analyzer that performs accurate light amount correction so as to cope with fluctuations in the amount of received light due to offset absorption and can calculate the concentration more accurately.
続いて、本発明を実施するための形態について図を参照しつつ以下に説明する。なお、先の図で説明した従来技術と共通する構成があるが、発明の明瞭化のため再度説明する。図1は、本形態のレーザ式ガス分析計を示す構造図であって、全体的な構成を示している。このレーザ式ガス分析計は、周波数変調方式のレーザ式ガス分析計である。レーザ式ガス分析計は、図1に示すように、フランジ101a,101bにより、例えば、煙道のように測定対象ガスが内部を通流する配管などの壁201,202に溶接等によって固定されている。一方のフランジ101aには、透明な出射窓101cが設けられている。また、フランジ101aには、取付座102aを介して有底円筒状のカバー103aが取り付けられている。
Then, the form for implementing this invention is demonstrated below, referring a figure. Although there is a configuration in common with the prior art described in the previous figure, it will be described again for clarity of the invention. FIG. 1 is a structural diagram showing a laser type gas analyzer of this embodiment, and shows the overall configuration. This laser type gas analyzer is a frequency modulation type laser type gas analyzer. As shown in FIG. 1, the laser gas analyzer is fixed by welding or the like to flanges 101a and 101b, for example,
カバー103aの内部には光源部104が配置されている。光源部104はレーザ素子104e(図2参照)を備えており、このレーザ素子104eは、詳しくはQCLを用いている。この光源部104から出射したレーザ光はコリメートレンズ105を含む光源側光学系によって平行光にコリメートされ、フランジ101aの中心を通り、出射窓101cを介して壁201,202の内部(煙道内部)へ入射される。この平行光は、壁201,202の内部にある測定対象ガスを透過する際に吸収を受ける。
A
他方のフランジ101bには、取付座102bを介して有底円筒状のカバー103bが取り付けられている。また、フランジ101bには透明な入射窓101dが設けられている。煙道内部を通過した平行光は、入射窓101dを経て、カバー103b内部の受光側光学系である集光レンズ106により集光されて受光部107により受光される。受光部107は、詳しくはMCTを使用している。受光部107は、集光を電気信号に変換し、この電気信号が後段の信号処理回路108に入力される。この信号処理回路108は、中央処理部109に接続されている。
A bottomed
次に、光源部104の詳細について説明する。図2は光源部104の構成を示している。この光源部104は、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とする波長走査駆動信号発生部104aと、測定対象ガスの吸収波長を検出するために、例えば6.5kHz程度の正弦波で波長を周波数変調するための高周波数変調信号発生部104bと、からなるレーザ駆動信号発生部104sを備えており、これらの信号発生部104a,104bの出力信号が合成されてレーザ駆動信号が生成されるようになっている。上記レーザ駆動信号は電流制御部104cにより電流に変換され、QCLによるレーザ素子104eに供給される。このQCLによるレーザ素子104eは中赤外領域レーザ光を発光する。
Next, details of the
また、レーザ素子104eには発光側温度安定化手段が設けられている。この発光側温度安定化手段は、温度制御部104d、サーミスタ104f、ペルチェ素子104gを備える。レーザ素子104eに近接して温度検出素子としてのサーミスタ104fが配置され、このサーミスタ104fにはペルチェ素子104gが近接して配置されている。このペルチェ素子104gは、サーミスタ104fの抵抗値が一定値になるようにするため、温度制御部104dによって制御が行われ、結果としてレーザ素子104eの温度を安定化するように動作するものである。
The
ここで、波長走査駆動信号発生部104aから出力される波長走査駆動信号は、図3に示すように、可変駆動信号S1およびオフセット信号S2により一のほぼ台形波状の単位波形となり、このような単位波形が一定周期で繰り返される信号である。ここで、オフセット部分S2は、光源部104のレーザ素子104eのスレッショルド電流値未満の電流を、光源部104のレーザ素子104eに供給するような値に設定する。
Here, as shown in FIG. 3, the wavelength scanning drive signal output from the wavelength scanning drive
また、波長走査駆動信号の可変駆動信号S1は、吸収波長を走査する信号であり、電流制御部104cを介してレーザ素子104eに供給される電流の大きさを直線的に変えることにより、レーザ素子104eの発光波長を徐々にずらしていき、吸収波長を走査する信号である。信号S1の傾き、すなわち、供給電流の変化量によって、発光波長をサブnm〜数nmの範囲で走査可能である。例えばSO2ガスであれば、0.2nm程度の線幅を走査可能とする部分である。
Further, the variable drive signal S1 of the wavelength scanning drive signal is a signal for scanning the absorption wavelength, and by changing the magnitude of the current supplied to the
また、波長走査駆動信号のオフセット信号S2は、レーザ素子104eが発光するスレッショルド電流値未満の電流をレーザ素子104eに供給するような値とした信号であり、レーザ素子104eを発光させないオフセット部分である。波長走査駆動信号発生部104aがこのオフセット信号S2を出力しているタイミングではQCLは未発光である。信号S1と信号S2とは交互に切り替わるように挿入されている。
Further, the offset signal S2 of the wavelength scanning drive signal is a signal having a value that supplies a current less than the threshold current value emitted by the
このようにオフセット信号S2が、レーザ素子104eの発光が安定するスレッショルド電流値未満であり、さらに可変駆動信号S1の時間に対してオフセット信号S2の時間が大幅に長い。
このような間欠発光条件、すなわち、信号S1と信号S2の時間の比は、QCLであるレーザ素子104eの発熱量とペルチェ素子等の温度安定化手段の性能とを勘案して決定すれば良く、例えばS1:S2=1:2とすることにより、連続発光する場合と比較して、発熱量を大幅に低減することができる。
Thus, the offset signal S2 is less than the threshold current value at which the light emission of the
Such intermittent light emission conditions, that is, the ratio of the time between the signal S1 and the signal S2, may be determined in consideration of the amount of heat generated by the
仮にQCLを用いる光源部を連続発光させたり、または、少し停止するが殆ど連続して発光させたりすると発熱が過大となり、ペルチェ素子による温度制御が困難になることが予想されるが、本形態では上記のようにQCLを発光時間よりも消光時間が長いように間欠発光させることにより、QCLの発熱量を低減し、従来のレーザ式ガス分析計と同等の構成およびコストでQCLの使用が可能となるようにした。発光時間と消光時間との割合は、発光側温度安定化手段(図2の温度制御部104d、サーミスタ104f、ペルチェ素子104g)により温度安定化が可能な限界温度を想定したとき、この限界温度よりも低い温度となるように発光時間と消光時間との割合が決定される。この場合、少なくとも発光時間よりも消光時間を長くして、温度を低下させる。このような駆動方式は、QCLやMCTの不安定性の解消に寄与するものである。
If the light source unit using the QCL is made to emit light continuously, or if it stops for a while but emits light almost continuously, it is expected that heat generation will be excessive and temperature control by the Peltier element will be difficult. By causing QCL to emit light intermittently so that the extinction time is longer than the light emission time as described above, the amount of heat generated by QCL can be reduced, and QCL can be used with the same configuration and cost as conventional laser gas analyzers. It was made to become. The ratio between the light emission time and the quenching time is determined from the limit temperature when a limit temperature that can be stabilized by the light emission side temperature stabilization means (
さて、このような波長走査駆動信号発生部104aから出力される波長走査駆動信号に対し、高周波変調信号発生部104bからの高周波変調信号を合成して周波数変調を行い、図4で示すようなレーザ駆動信号を生成する。このレーザ駆動信号は、SO2ガスの場合では、高周波変調信号の周波数を6.5kHz、波長走査駆動信号の周波数を20Hzとなり、λ1、λ2はSO2ガスの吸収波長に相当する走査範囲の上下限値を示している。
Now, the wavelength scanning drive signal output from the wavelength scanning drive
なお、波長走査駆動信号のλ1、λ2はSO2ガスの吸収波長に相当する走査範囲として説明しているが、SO2以外にも、NOのガス成分を測定したり、または、NO2のガス成分を測定したりすることができる。しかしながら、QCLの特性(電流や温度による波長走査可能範囲)とSO2,NO,NO2の吸収スペクトルを合わせて勘案すると、SO2,NO,NO2の何れか一つについての単成分計として個別に測定するレーザ式ガス分析計となる。この場合レーザ式ガス分析計では、SO2,NO,NO2等の中から一つ選定された測定対象の吸収波長に対応した発光波長を持つQCLが選定され、この測定対象のガス成分に応じて中赤外領域のλ1、λ2が設定される。このようなレーザ駆動信号が出力される。 Note that although λ 1 and λ 2 of the wavelength scanning drive signal are described as scanning ranges corresponding to the absorption wavelength of SO 2 gas, in addition to SO 2 , NO gas components are measured or NO 2 is measured. The gas component can be measured. However, QCL characteristics (current and wavelength scanning range due to temperature) and SO 2, NO, Considering the combined absorption spectra of NO 2, SO 2, NO, as a single component meter for any one of NO 2 It becomes a laser type gas analyzer that measures individually. In this case, in the laser type gas analyzer, a QCL having an emission wavelength corresponding to the absorption wavelength of the measurement target selected from SO 2 , NO, NO 2, etc. is selected, and depending on the gas component of the measurement target Then, λ 1 and λ 2 in the mid-infrared region are set. Such a laser drive signal is output.
次に、図5は、受光部107、信号処理回路108および中央処理部109の構成を示している。中赤外領域に感度を有するMCT光導電素子は低温でないと十分な感度が得られないため、MCT光導電素子である受光素子107aに対して、受光側温度安定化手段を受光部107に設けている。
Next, FIG. 5 shows the configuration of the
受光側温度安定化手段は、さらにサーミスタ107b、ペルチェ素子107c、温度制御部107dを備え、受光素子107aを冷却する。具体的には、MCT光導電素子内にサーミスタ107bやペルチェ素子107cが内蔵される。このように受光素子107aに近接して温度検出素子としてのサーミスタ107bが配置され、このサーミスタ107bにはペルチェ素子107cが近接して配置されている。
The light receiving side temperature stabilizing means further includes a
このペルチェ素子107cは、サーミスタ107bの抵抗値が一定値になるように温度制御部107dによって制御され、結果として受光素子107aの温度を安定化するように動作するものである。このような受光側温度安定化手段により、例えばMCT光導電素子の動作温度を−3℃で一定にする。
The
MCT光導電素子である受光素子107aは、QCLであるレーザ素子104eの中赤外領域レーザ光の発光波長に感度を持つ受光素子である。この受光部107の出力電流はI/V変換器108aへ入力される。I/V変換器108aは、発振器108cから2f信号(2倍波信号)が入力されており、出力電流に対して2f信号(2倍波信号)により変調してから電圧に変換して電圧信号を出力する。この電圧信号が同期検波回路108bに入力される。同期検波回路108bはこの電圧信号に対して検波を行い、変調信号の2倍周波数成分の振幅のみを取り出す。
The
ここで周波数変調方式のレーザ式ガス分析計の計測原理について説明する。図6は、周波数変調方式の原理図を示している。この周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、中心周波数fc、変調周波数fmで半導体レーザの出射光を周波数変調し、測定対象ガスに照射する。ここで、周波数変調とは、レーザ素子104eに供給するドライブ電流の波形を正弦波状にすることである。
周波数変調方式で距離の影響をキャンセルするためには、半導体レーザ素子の出力を周波数変調すると同時に周波数fmで振幅変調を行えばよいのであるが、半導体レーザ素子の出力に周波数変調を掛けると振幅変調も掛かるので、これが利用できる。
Here, the measurement principle of the frequency modulation type laser gas analyzer will be described. FIG. 6 shows a principle diagram of the frequency modulation method. In this frequency modulation type laser gas analyzer, the emission light of the semiconductor laser is frequency-modulated at the center frequency fc and the modulation frequency fm, and irradiated to the measurement target gas. Here, the frequency modulation is to make the waveform of the drive current supplied to the
In order to cancel the influence of distance by the frequency modulation method, it is only necessary to modulate the output of the semiconductor laser element at the same time as the amplitude modulation at the frequency fm. However, if the output of the semiconductor laser element is subjected to frequency modulation, the amplitude modulation is performed. It can also be used.
図6に示したように、ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ2次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、受光部では変調周波数fmの2倍の周波数の信号(2倍周波数信号)が得られる。ここで、変調周波数fmは任意の周波数で良いため、例えば、変調周波数fmを数kHz程度に選ぶと、デジタル信号処理装置(DSP)または汎用のプロセッサを用いて、2倍周波数信号の抽出等の高度な信号処理を行うことが可能になる。 As shown in FIG. 6, since the absorption line of the gas has a substantially quadratic function with respect to the modulation frequency, the absorption line serves as a discriminator, and the light receiving unit has a frequency twice as high as the modulation frequency fm. Signal (double frequency signal) is obtained. Here, since the modulation frequency fm may be an arbitrary frequency, for example, when the modulation frequency fm is selected to be about several kHz, a double frequency signal is extracted using a digital signal processing device (DSP) or a general-purpose processor. It becomes possible to perform advanced signal processing.
また、受光部によりエンベロープ検波を行えば振幅変調による基本波を推定でき、この基本波の振幅と前記2倍周波数信号の振幅との比を位相同期させて検出することで、距離に関係なく測定対象ガス濃度に比例した信号を得ることができる。 In addition, if envelope detection is performed by the light receiving unit, the fundamental wave by amplitude modulation can be estimated, and the ratio between the amplitude of the fundamental wave and the amplitude of the double frequency signal can be detected in phase synchronization to measure regardless of the distance. A signal proportional to the target gas concentration can be obtained.
このような原理のもと、同期検波回路108bにおいて、測定対象ガスによるレーザ光の吸収が無い場合は、同期検波回路108bによって2倍波信号が検出されないので、同期検波回路108bの出力はほぼ直線となる。
一方、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波回路108bによって出射光の変調信号の2倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である2倍波信号が検出される。その出力波形は図4の長方形の枠内に図示された同期検波回路108bの出力波形に示すようになる。この波形はフィルタ108dによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のCPUやDSP等である中央処理部109へ出力される。
なお、I/V変換器108aからの出力信号は抽出回路(フィルタ)108eにも入力され、抽出された波長走査駆動信号成分S11が中央処理部109に送られるが、この波長走査駆動信号成分S11は後述するタイミング同期で用いられることとなる。
Based on such a principle, when the
On the other hand, when there is absorption of laser light by the measurement target gas, a double wave signal, which is a signal obtained by extracting only the amplitude of the double frequency component of the modulation signal of the emitted light, is detected by the
The output signal from the I /
この図4の四角枠内に示される同期検波回路108bの出力波形のピーク値が測定対象ガスの濃度に相当するため、ピーク値を測定するか、あるいは波形の一部または全部を積分してその積分値から測定対象ガスの濃度を検出すればよい。以下、この濃度検出手段によって求められるピーク値、あるいは積分値を「スパン」と表記する。
Since the peak value of the output waveform of the
次いで、光量補正の原理について説明する。
(1)MCTの熱特性による受光光量の変化に対する補正
図3で示す波長走査駆動信号S11の波形は、光源部104のレーザ素子への供給電流を直線的に変化させて光源部104のレーザ素子の発光波長を徐々に変化させる部分S1と、レーザ素子が発光しないオフセット部分S2と、からなる基本波が一定周期で繰り返される波形である。
Next, the principle of light quantity correction will be described.
(1) Correction for change in received light quantity due to thermal characteristics of MCT The waveform of the wavelength scanning drive signal S11 shown in FIG. Is a waveform in which a fundamental wave composed of a part S1 for gradually changing the emission wavelength of the light source and an offset part S2 where the laser element does not emit light is repeated at a constant period.
光量を計測するとき、図5に示す中央処理部109へはI/V変換器108a、抽出回路108eを経て、図3で示すような波長走査駆動信号成分S11が入力される。中央処理部109は信号S1の出力終了時のタイミングと信号S2の出力を開始するタイミングと、すなわちQCL発光量最大時とQCL未発光時とにおいて、図2の同期検波回路108b、フィルタ108dを経て入力される図13の同期検波回路信号出力からデジタルデータである受光光量実測値をそれぞれ入力し、その差分を取って受光光量実測値RYとし、この受光光量実測値RYを、一定時間ごとに、例えば1秒ごとに中央処理部109の図示しないメモリ部に保存する。隣接するタイミングで取得された二個の受光光量実測値には受光素子の長期周期の感度変動分が共に含まれており、差分値をとることで感度変動分を除去することができ、正確な受光光量をモニタリングすることが可能となる。これにより、受光光量信号からMCTの感度変動分を除去した受光光量実測値RYを取得することが可能となる。
When measuring the amount of light, the wavelength processing signal component S11 as shown in FIG. 3 is input to the
(2)ダスト等の外乱およびオフセット吸収による受光光量の変化に対する補正
また、本願発明者は、SO2のオフセット吸収による光量変動量とSO2濃度との関係を詳細に調査した結果、受光光量信号に含まれる、SO2のオフセット吸収による光量変動分とダスト等の外乱による光量変動分とを区別して、以下の数1,数3のように算出することが可能であることを見出した。
(2) Correction for Dust Disturbance and Change in Received Light Amount Due to Offset Absorption Further, the inventor of the present application conducted a detailed investigation on the relationship between the light amount fluctuation amount due to the SO 2 offset absorption and the SO 2 concentration. It was found that the amount of light fluctuation due to SO 2 offset absorption and the amount of light fluctuation due to disturbance such as dust can be differentiated and calculated as in the following
[数1]
RX=R0−rX
[Equation 1]
R X = R 0 -rX
RX〔V〕は、SO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時の受光光量理論値(ダスト等の外乱影響なし)である。
R0〔V〕は受光光量初期値である。なお、R0〔V〕はレーザ式ガス分析計を煙道に設置した直後に、測定対象ガスや前記外乱が存在しない状況で測定した値である。
r〔V/ppm・m〕はオフセット吸収係数である。ここで、rXは、SO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時のオフセット吸収による光量変動量rX〔V〕となる。
また、X〔ppm・m〕は計測により求められるSO2濃度指示値である。このXは、数2のように算出される。
[数2]
X=A・(SX/SA)
なお、Aは測定対象ガスのフルスケール濃度〔ppm・m〕である。
SX〔V〕はSO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時のスパンである。
SAは出荷前の工場試験時に、フルスケール濃度の測定対象ガスを測定した時のスパン〔V〕である。
上記のAおよびSAが中央処理部109の図示しないメモリに登録されている。
R X [V] is a theoretical value of received light amount (no influence of disturbance such as dust) at the SO 2 concentration instruction value X [ppm · m].
R 0 [V] is the initial value of the received light amount. Incidentally, R 0 [V] after direct that established a laser type gas analysis meter flue is measured boss was a value in a situation where the measurement target gas and the disturbance is not present.
r [V / ppm · m] is an offset absorption coefficient. Here, rX is a light amount fluctuation amount rX [V] due to offset absorption at the SO 2 concentration instruction value X [ppm · m].
X [ppm · m] is an SO 2 concentration instruction value obtained by measurement. This X is calculated as shown in
[Equation 2]
X = A · (S X / S A )
Incidentally, A is full-scale concentration of the measurement target gas [ppm · m].
S X [V] is a span at the SO 2 concentration instruction value X [ppm · m].
S A during factory testing prior to shipment, a span of time of measuring the measurement target gas in a full-scale concentration of [V].
The above A and S A are registered in a memory (not shown) of the
すなわち、SO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時の受光光量理論値RX〔V〕は、受光光量初期値R0〔V〕からSO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時のオフセット吸収による光量変動量rX〔V〕を差し引いたものであり、この点でオフセット吸収による光量変動を考慮したものである。続いて数3について説明する。
That is, the received light intensity theoretical value R X [V] at the SO 2 concentration instruction value X [ppm · m] is from the received light intensity initial value R 0 [V] to the SO 2 concentration instruction value X [ppm · m]. The amount of light fluctuation rX [V] due to the offset absorption is subtracted, and the light quantity fluctuation due to the offset absorption is taken into consideration at this point. Next,
[数3]
RY=(R0−Z)−r’Y
[Equation 3]
R Y = (R 0 −Z) −r′Y
RY〔V〕は、SO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時の受光光量実測値である。
Z〔V〕はダスト等の外乱による受光光量変動量である。
r’〔V/ppm・m〕は、ダスト等の外乱により受光光量が(R0−Z)〔V〕に変動した時のオフセット吸収係数である。
Y〔ppm・m〕は、SO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時の、煙道内の実際のSO2濃度真値である。
R Y [V] is an actually measured amount of received light at the SO 2 concentration instruction value X [ppm · m].
Z [V] is the amount of change in the amount of received light due to disturbance such as dust.
r ′ [V / ppm · m] is an offset absorption coefficient when the amount of received light varies to (R 0 −Z) [V] due to a disturbance such as dust.
Y [ppm · m] is an actual SO 2 concentration true value in the flue at the SO 2 concentration instruction value X [ppm · m].
すなわち、SO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時の受光光量実測値RY〔V〕は、受光光量初期値R0〔V〕から前記外乱による受光光量変動量Z〔V〕と、SO2濃度実測値Y〔ppm・m〕に対する、オフセット吸収による受光光量変動量r’Y〔V〕を差し引いたものであり、この点で外乱による光量変動を考慮したものである。 That is, the measured received light amount R Y [V] at the SO 2 concentration instruction value X [ppm · m] is the received light amount fluctuation amount Z [V] due to the disturbance from the received light amount initial value R 0 [V]. This is obtained by subtracting the received light amount fluctuation amount r′Y [V] due to offset absorption from the actually measured SO 2 concentration Y [ppm · m], and in this respect, the light quantity fluctuation due to disturbance is taken into consideration.
SO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時の受光光量理論値RXから受光光量実測値RYを引いた差RZ〔V〕は、上記の数1,数3から数4のように表される。
The difference R Z [V] obtained by subtracting the measured received light amount R Y from the theoretical received light amount R X at the SO 2 concentration instruction value X [ppm · m] is expressed by the
[数4]
RZ=RX−RY=Z+r’Y−rX
[Equation 4]
R Z = R X −R Y = Z + r′Y−rX
図7に、ダスト等の外乱による光量変動がない場合の、SO2濃度とスパンとの関係及びSO2濃度とオフセット吸収による受光光量変動量との関係の一例を示す。SO2濃度とオフセット吸収による受光光量変動量の関係を示す近似直線の傾きがオフセット吸収係数rである。また、SO2濃度とスパンの関係を示す近似直線の傾きをスパン係数s〔V/ppm・m〕とすると、s≒10×rであることが分かる。 FIG. 7 shows an example of the relationship between the SO 2 concentration and the span and the relationship between the SO 2 concentration and the amount of received light amount variation due to offset absorption when there is no light amount variation due to disturbance such as dust. The slope of the approximate line indicating the relationship between the SO 2 concentration and the amount of change in the amount of received light due to offset absorption is the offset absorption coefficient r. Also, if SO 2 concentration and span coefficients a slope of the approximate straight line indicating the relationship between the span s [V / ppm · m], it is found that s ≒ 10 × r.
図8にオフセット吸収係数r及びスパン係数sと、受光光量との関係の一例を示す。前記外乱により、受光光量に対するオフセット吸収係数及びスパン係数の変動率は同様であり、受光光量が変動しても、上記のrとsの関係は不変であることが分かる。
ここで、s〔V/ppm・m〕をSO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時のスパン係数、s’〔V/ppm・m〕をダスト等の外乱により受光光量が(R0−Z)〔V〕に変動した時のスパン係数とすると、数4はスパン係数を用いて数5のように表せる。
An offset absorption coefficient r and span coefficient s 8 shows an example of the relationship between the received light amount. By the disturbance, the offset absorption coefficient and span coefficients of variation rate with respect to the received light amount is the same, also the amount of received light fluctuates, it can be seen the relationship of the above r and s is unchanged.
Here, s [V / ppm · m] of SO 2 span coefficient when the concentration indicator values X [ppm · m], s' received light amount due to a disturbance of dust or the like [V / ppm · m] is when (
[数5]
RZ=Z+r’・Sx/s’−r・Sx/s
[Equation 5]
R Z = Z + r ′ · S x / s′−r · S x / s
図3の結果から、rとsの比は受光光量に依存せず、r/s=r’/s’となり、RZ=Zであることが分かる。すなわち、SO2濃度指示値X〔ppm・m〕の時の受光光量理論値と受光光量実測値との差RZ〔V〕は前記外乱による光量変動分に相当する。 From the result of FIG. 3 , it can be seen that the ratio of r and s does not depend on the amount of received light, r / s = r ′ / s ′, and R Z = Z. That is, the difference R Z [V] between the received light quantity theoretical value and the actually measured received light quantity at the SO 2 concentration instruction value X [ppm · m] corresponds to the amount of light quantity fluctuation due to the disturbance.
そこで、受光光量初期値R0〔V〕はダスト等の外乱により、(R0−RZ)〔V〕に変動したとみなすことができ、図3の受光光量とスパン吸収係数との関係式から、数6のように煙道内の実際のSO2濃度を求めることができる。
Therefore, the light-receiving amount initial value R 0 [V] due to disturbances such as dust, (
[数6]
Y=SX/s’=SX/[a(R0−RZ)−b]
[Equation 6]
Y = S X / s ′ = S X / [a (R 0 −R Z ) −b]
この式では(R0−RZ)でダスト等の外乱が補正されている。そして、[a(R0−RZ)−b]によりオフセット吸収による外乱が補正される。
なお、a,bは図8の関係から求められる比例定数である。測定原理はこのようなものである。
Disturbance of dust or the like is corrected by This formula (R 0 -R Z). The Ru is corrected disturbance by the offset absorption by [a (R 0 -R Z) -b].
Here, a and b are proportional constants obtained from the relationship of FIG. The measurement principle is like this.
続いてレーザ式ガス分析計による分析処理について説明する。ここに干渉ガスおよび測定対象ガスを含むガスが煙道内を流れているものとする。説明の具体化のため、SO2ガスを分析するものとして説明する。 Next, analysis processing by a laser gas analyzer will be described. Here, it is assumed that the gas including the interference gas and the measurement target gas flows in the flue. For the sake of concreteness of explanation, it will be assumed that SO 2 gas is analyzed.
ここで、レーザ式ガス分析計では、予め工場出荷前や校正時において補正式の確定処理がなされている必要がある。この処理ではレーザ式ガス分析計を用いて実際のガス測定を行い、得られた計測値を用いてSX やR0や数6のa,bを予め確定する処理である。
Here, in the laser type gas analyzer, it is necessary that a correction type determination process be performed in advance before factory shipment or at the time of calibration. In this process, actual gas measurement is performed using a laser gas analyzer, and S X , R 0, and a and b in
図2に示したように、QCLを用いたSO2分析〔フルスケール:100ppm・m〕の測定例において、受光光量初期値R0は2.63〔V〕であり、そのときのオフセット吸収係数rは4.76×10−3〔V/ppm・m〕、スパン係数sは、4.84×10−2〔V/ppm・m〕であった。また、SO2濃度100ppm・mガス流通時のスパンSAは4.82〔V〕であった。これらデータが中央処理部109の図示しないメモリに登録される。
As shown in FIG. 2 , in the measurement example of SO 2 analysis [full scale: 100 ppm · m] using QCL, the received light amount initial value R 0 is 2.63 [V], and the offset absorption coefficient at that time r is 4.76 × 10 -3 [V / ppm · m], span coefficient s was 4.84 × 10 -2 [V / ppm · m]. Further, the span S A at S O 2 concentration 100 ppm · m Gas flow was 4.82 [V]. These data are registered in a memory (not shown) of the
ダスト等の外乱による受光光量変動を模擬するため、QCLの駆動条件を調整し、発光量を約80%としてSO2濃度100ppm・mガスを測定したところ、SO2濃度指示値Xは75.1ppm・m(スパンSX=3.62〔V〕)、受光光量実測値RYは1.71〔V〕であった。受光光量実測値RY=1.71〔V〕、SO2濃度指示値X=75.1[ppm・m]、スパンSX=3.62〔V〕を関連させて、中央処理部109の図示しないメモリに登録される。 In order to simulate fluctuations in the amount of received light due to disturbances such as dust, the driving condition of the QCL was adjusted, and when the SO 2 concentration was 100 ppm · m gas with the light emission amount being about 80%, the SO 2 concentration indication value X was 75.1 ppm. M (span S X = 3.62 [V]) and the received light quantity measurement value R Y was 1.71 [V]. The measured light amount R Y = 1.71 [V], the SO 2 concentration instruction value X = 75.1 [ppm · m], and the span S X = 3.62 [V]. It is registered in a memory (not shown).
さらに、発光量を約50%として同様の測定を行ったところ、SO2濃度指示値Xは50.8ppm・m(スパンSX=2.45〔V〕)、受光光量実測値RYは、1.25〔V〕であった。ここで受光光量実測値RY=1.25〔V〕、SO2濃度指示値X=50.8[ppm・m]、スパンSX=2.45〔V〕を関連させて、中央処理部109の図示しないメモリに登録される。
以下同様に、このようなデータが発光量のパーセンテージを変えて多数蓄積されて中央処理部109の図示しないメモリ部に登録されている。
Further, when the same measurement was performed with the light emission amount being about 50%, the SO 2 concentration instruction value X was 50.8 ppm · m (span S X = 2.45 [V]), and the received light quantity measurement value RY was It was 1.25 [V]. Here, the received light quantity measurement value R Y = 1.25 [V], the SO 2 concentration instruction value X = 50.8 [ppm · m], and the span S X = 2.45 [V] are related to the central processing unit. 109 is registered in a memory (not shown).
Similarly, a large amount of such data is accumulated by changing the percentage of the light emission amount and registered in a memory unit (not shown) of the
なお、少なくとも2回計測しておれば、以上の結果から、図8のように受光光量とスパン係数との関係式が求められ、数6の比例定数はa=2.07×10−2,b=6.25×10−3であることが分かる。
これでa,b,R0が算出されたため、数6が具体的に確定された。具体的な数式を次式に示す。
Incidentally, if I is measured at least twice, the above results, relationship between the received light amount and the span coefficient is determined as shown in FIG. 8, the proportionality constant of
Since a, b, and R0 were calculated by this,
[数7]
SO2濃度真値Y=SX/[2.07×10−2(2.63−RZ)−6.23×10−3]
[Equation 7]
SO 2 concentration true value Y = S X /[2.07×10 −2 (2.63−R Z ) −6.23 × 10 −3 ]
このように工場出荷時にオフセット吸収係数r、スパン吸収係数s及び数6の定数a,b,R 0を、中央処理部109の図示しない演算部の図示しないメモリに登録しておく。
中央処理部109は、数7を用いてSO2濃度真値を算出することとなる。
Thus factory-time to the offset absorption coefficient r, span absorption coefficient s and 6 constants a, b, and R 0, registering in a memory (not shown) of the operation unit (not shown) of the
The
続いて、中央処理部による実際のガス分析処理について説明する。この状態では分析を所望する箇所にレーザ式ガス分析計が設置されて、図1で示すような状態で測定対象ガス(SO2ガス)が通流しているものとする。 Next, actual gas analysis processing by the central processing unit will be described. In this state, it is assumed that a laser gas analyzer is installed at a location where analysis is desired, and the measurement object gas (SO 2 gas) is flowing in the state as shown in FIG.
前提として、中央処理部109には、先に説明したように受光光量初期値R0、受光光量実測値RYに対応するガス濃度指示値X、測定対象ガスのガス濃度指示値Xに対応するスパンSX、係数a,bが予め登録されているものとする。また、中央処理部109が処理する値はデジタルデータであってデジタル演算を行うものであるが、理解を容易にするため、通常の値として説明している。
As a prerequisite, the
中央処理部109は、抽出回路108eからの検出信号の波長走査駆動信号成分S11をタイミング信号とし、レーザ最大発光時においてフィルタ108dから出力される検波信号の受光光量実測値を取得し、さらにレーザ未発光時においてフィルタ108dから出力される検波信号の受光光量実測値を取得し、その差分値を測定対象ガスについての受光光量実測値RYとする受光光量実測手段として機能する。これにより受光素子の熱による感度変動成分を除去する。
The
ここで中央処理部109の差分処理の詳細について説明する。I/V変換回路108aの出力信号から抽出回路108eを通過した信号は、図3で示すような波長走査駆動信号成分S11となる。中央処理部109は、この波長走査駆動信号成分S11をモニタリングする。
Here, details of the difference processing of the
このモニタリングでは、波長走査駆動信号発生部104aからの信号S1の出力終了直前のタイミングと、信号S2の出力を開始するタイミングと、すなわちQCL発光量最大時と、QCL未発光時と、で同期検波回路108bからの出力波形をそれぞれサンプリングして受光光量実測値を取得し、その差分値を一定時間ごとに、例えば1秒ごとに信号処理回路62に保存する。両タイミングにおけるデータには熱による感度変動分が共に重畳されているため、差分を取ることで感度変動分がキャンセルされる。これにより、受光素子(MCT)の感度変動分を除去した上で所定期間毎の受光光量をモニタリングすることが可能となる。以下の説明では、中央処理部109はこのようなMCTの熱特性による受光光量の変化をキャンセルする処理により受光光量に関する受光光量実測値RYを取得しているものとして説明する。
In this monitoring, synchronous detection is performed at the timing immediately before the output of the signal S1 from the wavelength scanning drive
以上のように求められた受光光量変動量をもとに、数7により、中央処理部109は、SO2濃度真値Yを求める。
まず、中央処理部109は、受光光量実測値RYに基づいて測定対象ガスのガス濃度指示値X〔ppm・m〕を取得するガス濃度指示値取得手段として機能する。
Based on the received light amount fluctuation amount obtained as described above, the
First, the
このガス濃度指示値取得手段では、例えば、中央処理部109は、SO2濃度100ppm・mのガスを検出したところ、受光光量実測値RYが1.71〔V〕であり、スパンSxは3.62〔V〕であり、AおよびSAをメモリ部から読み出し、SO2濃度としてX=100〔ppm・m〕×3.62/4.82=75.1〔ppm・m〕を検出したものとする。
In this gas concentration indication value acquisition means, for example, when the
続いて、中央処理部109は、オフセット吸収係数rを用いて測定対象ガスの受光光量理論値RXをRX=R0−rXにより算出する受光光量理論値算出手段として機能する。
Subsequently, the
この受光光量理論値算出手段では、例えば、中央処理部109は、数1からRX=2.63−4.76×10−2×75.1=2.27〔V〕を算出する。
In this received light quantity theoretical value calculation means, for example, the
続いて、中央処理部109は、光量変動分RZをRZ=RX−RYにより算出する光量変動分算出手段として機能する。
Subsequently, the
この光量変動分算出手段では、例えば、中央処理部109は、RZ=RX−RY=Z=2.27−1.71=0.56〔V〕を算出する。
In this light quantity fluctuation amount calculating means, for example, the
続いて、中央処理部109は、係数a,bを用いて測定対象ガスの濃度真値YをY=SX/(a(R0−RZ)−b)により算出する測定対象ガス濃度算出手段として機能する。
Subsequently, the
この測定対象ガス濃度算出手段では、中央処理部109は、スパンSX=3.62〔V〕を図示しないメモリから読み出し、上記のように算出した各値を数7に代入し、SO2濃度真値Y=3.62/[2.07×10−2×(2.63−0.56)−6.23×10−3]=99.1ppm・mを算出する。
In this measurement target gas concentration calculating means, the
このように光量補正による誤差はSO2濃度100ppm・mと比較しても1%未満と精度の高い補正値を得ることが可能である。 Thus, even if the error due to the light amount correction is less than 1% even when compared with the SO 2 concentration of 100 ppm · m, it is possible to obtain a highly accurate correction value.
また、他の例について説明する。
中央処理部109は、ガス濃度指示値取得手段として機能し、SO2濃度100ppm・mのガスを検出したところ、受光光量実測値RYが1.25〔V〕であり、スパンSxは2.45〔V〕であり、AおよびSAをメモリ部から読み出し、SO2濃度としてX=100〔ppm・m〕×2.45/4.82=50.8ppm・mを検出したものとする。
Another example will be described.
The
続いて中央処理部109は、受光光量理論値算出手段として機能し、数1からRX=2.63−4.76×10−2×50.8=2.39〔V〕を算出する。
Subsequently, the
続いて中央処理部109は、光量変動分算出手段として機能し、RZ=RX−RY=Z=2.39−1.25=1.14〔V〕を算出する。
Subsequently, the
続いて中央処理部109は、測定対象ガス濃度算出手段として機能し、中央処理部109は、スパンSX=2.45〔V〕を図示しないメモリから読み出し、上記のように算出した各値を数7に代入し、SO2濃度真値Y=2.45/[2.07×10−2×(2.63−1.14)−6.23×10−3]=99.5ppm・mを算出する。
Subsequently, the
このように光量補正による誤差はSO2濃度100ppm・mと比較しても前述の結果と同様に1%未満と精度の高い補正値を得ることが可能である。 Thus, even if the error due to the light amount correction is compared with the SO 2 concentration of 100 ppm · m, it is possible to obtain a highly accurate correction value of less than 1% as in the above-described result.
なお、このような補正であるが、全て一律に補正しても良いが、例えば、測定中に受光光量理論値RXに対する受光光量実測値RYの変動率(=[RY−RX]×100/RX)が、所定値(例えば5%)を超えるような場合において、上記光量補正法により求められる演算値を表示するようにしてもよい。光量補正はこのようなものである。 Although such a correction, it may be corrected in all uniformly, for example, rate of change in the received light amount measured value R Y during the measurement with respect to the light receiving quantity theory R X (= [R Y -R X] When × 100 / R X ) exceeds a predetermined value (for example, 5%), the calculated value obtained by the light amount correction method may be displayed. The light amount correction is like this.
以上説明した本発明によれば、量子カスケードレーザ用いたレーザ式ガス分析計の演算部において、受光信号のうち、測定対象ガスの吸収ピークを検出する2倍周波数成分信号の振幅と、前記レーザ素子の発光量を検出する波長走査駆動信号成分とを用いることにより、ダスト等の外乱による受光光量の変動と測定対象ガスのピーク外吸収による受光光量の変動とを区別して、常時モニタリングして、受光光量の変動に応じて測定値を補正することができる。 According to the present invention described above, in the arithmetic unit of the laser gas analyzer using the quantum cascade laser, the amplitude of the double frequency component signal for detecting the absorption peak of the gas to be measured among the received light signal, and the laser element By using a wavelength scanning drive signal component that detects the amount of emitted light, it is possible to distinguish between fluctuations in the amount of received light due to dust and other disturbances and fluctuations in the amount of received light due to off-peak absorption of the measurement target gas. The measurement value can be corrected according to the fluctuation of the light amount.
本発明の多成分用レーザ式ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用として最適である。その他、鉄鋼用ガス分析[高炉、転炉、熱処理炉、焼結(ペレット設備)、コークス炉]、青果貯蔵及び熟成、生化学(微生物)[発酵]、大気汚染[焼却炉、排煙脱硫・脱硝]、自動車排ガス(除テスタ)、防災[爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析]、植物育成用、化学用分析[石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント]、環境用[着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理]、理化学各種実験用などの分析計としても有用である。 The multi-component laser gas analyzer of the present invention is optimal for measuring flue gas such as boilers and garbage incineration. In addition, gas analysis for steel [blast furnace, converter, heat treatment furnace, sintering (pellet equipment), coke oven], fruit and vegetable storage and ripening, biochemistry (microorganism) [fermentation], air pollution [incinerator, flue gas desulfurization / Denitration], automobile exhaust gas (remove tester), disaster prevention [explosive gas detection, toxic gas detection, new building material combustion gas analysis], plant growth, chemical analysis [oil refinery plant, petrochemical plant, gas generation plant], It is also useful as an analyzer for environmental [landing concentration, tunnel concentration, parking lot, building management], and various physics and chemistry experiments.
201,202:壁
101a,101b:フランジ
101c:出射窓
101d:入射窓
102a,102b:取付座
103a,103b:カバー
104:光源部
104a:波長走査駆動信号発生部
104b:高周波変調信号発生部
104c:電流制御部
104d:温度制御部
104e:レーザ素子
104f:サーミスタ
104g:ペルチェ素子
104s:レーザ駆動信号発生部
105:コリメートレンズ
106:集光レンズ
107:受光部
107a:受光素子
107b:サーミスタ
107c:ペルチェ素子
107d:温度制御部
108:信号処理回路
108a:I/V変換回路
108b:同期検波回路
108c:発振器
108d:フィルタ
108e:抽出手段(フィルタ)
109:中央処理部
201, 202:
109: Central processing unit
Claims (3)
前記光源部は、
中赤外領域レーザ光を発光するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
測定対象ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を可変とする可変駆動信号と、前記レーザ素子の発熱量を減少させるように前記レーザ素子の発光を停止するオフセット信号と、を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
中赤外領域に感度を有する受光素子と、
この受光素子の温度を安定化させる受光側温度安定化手段と、
を備え、
前記信号処理回路は、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の2倍周波数成分の信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波回路と、
を備え、
前記中央処理部は、
受光光量初期値R0、オフセット吸収係数r、測定対象ガスのフルスケール濃度A、フルスケール濃度の測定対象ガスを測定した時のスパンSA、係数a,bが予め登録されており、
同期検波回路の検出信号から測定対象ガスについての受光光量実測値RYを取得する受光光量実測手段と、
同期検波回路の検出信号から求められるスパンS X と登録されるフルスケール濃度AおよびスパンS A を用いて測定対象ガスのガス濃度指示値XをX=A・(S X /S A )により取得するガス濃度指示値取得手段と、
オフセット吸収係数rを用いて測定対象ガスの受光光量理論値RXをRX=R0−rXにより算出する受光光量理論値算出手段と、
光量変動分RZをRZ=RX−RYにより算出する光量変動分算出手段と、
同期検波回路の検出信号から求められるスパンSXおよび係数a,bを用いて測定対象ガスの濃度真値YをY=SX/(a(R0−RZ)−b)により算出する測定対象ガス濃度算出手段と、
として機能することを特徴とするレーザ式ガス分析計。 A light source unit that emits a frequency-modulated mid-infrared laser beam, a light source side optical system that collimates the light emitted from the light source unit, and a light source side optical system that propagates through the space where the measurement target gas exists A light receiving side optical system for collecting the transmitted light, a light receiving unit for receiving the light collected by the light receiving side optical system, a signal processing circuit for processing an output signal of the light receiving unit, and a processed signal In the laser type gas analyzer having a central processing unit for measuring the concentration of the gas to be measured based on
The light source unit is
A laser element emitting mid-infrared laser light;
A light emission side temperature stabilizing means for stabilizing the temperature of the laser element;
A variable drive signal for changing the emission wavelength of the laser element so as to scan the absorption wavelength of the gas to be measured, and an offset signal for stopping emission of the laser element so as to reduce the amount of heat generated by the laser element. A laser drive signal generating unit that synthesizes a high frequency modulation signal for modulating the emission wavelength and outputs it as a laser drive signal to a wavelength scanning drive signal including;
A current controller that converts the laser drive signal output from the laser drive signal generator into a current and supplies the current to the laser element;
With
The light receiving unit is
A light-receiving element having sensitivity in the mid-infrared region;
A light receiving side temperature stabilizing means for stabilizing the temperature of the light receiving element;
With
The signal processing circuit includes:
A synchronous detection circuit that detects the amplitude of a signal having a double frequency component of the modulation signal in the light source unit from the output signal of the light receiving unit and outputs a detection signal;
With
The central processing unit is
Initial value R 0 of received light quantity, offset absorption coefficient r, full scale concentration A of measurement target gas, span S A when measuring measurement target gas of full scale concentration, coefficients a and b are registered in advance.
A received light quantity measurement means for obtaining a received light quantity measurement value RY for the measurement target gas from the detection signal of the synchronous detection circuit;
Obtained by the gas concentration indication value X of the measurement target gas by using a full-scale concentration A and span S A registered with the span S X obtained from the detection signal of the synchronous detection circuit X = A · (S X / S A) Gas concentration instruction value acquisition means for
And the amount of received light theoretical value calculating means for the light-receiving amount theoretical value R X of the measurement target gas by using the offset absorption coefficient r is calculated by R X = R 0 -rX,
A light amount variation calculating means for the variation in light volume R Z is calculated by R Z = R X -R Y,
Measurement that calculates the true concentration Y of the gas to be measured by Y = S X / (a (R 0 −R Z ) −b) using the span S X obtained from the detection signal of the synchronous detection circuit and the coefficients a and b. A target gas concentration calculating means;
It functions as a laser gas analyzer.
前記受光光量実測手段は、前記検出信号の前記波長走査駆動信号成分のうち、レーザ最大発光時の受光光量実測値とレーザ未発光時の受光光量実測値とを抽出して、その差分値を測定対象ガスについての受光光量実測値RYとする手段とし、
受光素子の変動成分を除去することを特徴とすることを特徴とするレーザ式ガス分析計。 The laser gas analyzer according to claim 1, wherein
The received light quantity measurement means extracts, from the wavelength scanning drive signal component of the detection signal, the received light quantity measurement value when the laser emits maximum light and the received light quantity measurement value when the laser does not emit light, and measures the difference value. As a means to set the received light quantity measurement value RY for the target gas,
A laser type gas analyzer characterized by removing fluctuation components of a light receiving element.
測定中に受光光量理論値RXに対する受光光量実測値RYの変動率が、予め定められた値を超える場合において補正を行うことを決定する決定手段と、を備えることを特徴とするレーザ式ガス分析計。 In the laser type gas analyzer according to claim 1 or 2,
Rate of change in the received light amount measured value R Y during the measurement with respect to the light receiving quantity theory R X is characterized by comprising a determining means for determining the corrected when more than a predetermined value laser type Gas analyzer.
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