JP6750410B2 - Laser gas analyzer - Google Patents
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Description
本発明は、被測定ガスが導入される測定セルに対してレーザ光を照射し、当該測定セルを通過したレーザ光を検出器で検出することにより分析を行うレーザ式ガス分析装置に関するものである。 The present invention relates to a laser gas analyzer which performs analysis by irradiating a measurement cell into which a gas to be measured is introduced with laser light and detecting the laser light passing through the measurement cell with a detector. ..
ガスの圧力や温度などが時々刻々と変化する環境下において、そのガスの一部を被測定ガスとして測定セルに導入し、当該測定セルにレーザ光を照射することにより、被測定ガスに含まれる成分の濃度を分析する場合がある。測定セルに照射されるレーザ光は、その波長が一定周期で掃引される。この場合、レーザ光が測定セルを通過する過程で、被測定ガスに含まれる成分に特有の波長で吸収を受けるため、測定セルを通過したレーザ光を検出器で検出することにより、その検出信号から得られる透過スペクトルに基づいて分析を行うことができる（例えば、下記特許文献１及び２参照）。
In an environment where the pressure and temperature of the gas changes momentarily, a part of the gas is introduced into the measurement cell as the measurement gas, and the measurement cell is irradiated with laser light to be included in the measurement gas. Sometimes the concentrations of the components are analyzed. The wavelength of the laser light with which the measurement cell is irradiated is swept at a constant cycle. In this case, since the laser light is absorbed at the wavelength peculiar to the component contained in the gas to be measured in the process of passing through the measurement cell, the detection signal is detected by detecting the laser light passing through the measurement cell with the detector. The analysis can be performed based on the transmission spectrum obtained from (for example, see
上記のような方法で被測定ガスの分析を行うレーザ式ガス分析装置として、複数のレーザ光源を用いて高速で分析を行うことができるものが知られている。この種のガス分析装置には、分光器で分光する構成を有するものや、時分割にて分光する構成を有するものなどがある。 As a laser-type gas analyzer that analyzes a gas to be measured by the above-described method, one that can perform analysis at high speed using a plurality of laser light sources is known. Some gas analyzers of this type have a configuration for performing spectroscopy with a spectroscope, or have a configuration for performing time-division spectroscopy.
分光器で分光する構成を有するガス分析装置では、複数のレーザ光源からのレーザ光がカプラにより併せられ、測定セル内の被測定ガスに照射される。測定セルを通過したレーザ光は、分光器により所望の波長に分光され、波長ごとに異なる検出器で検出される。このような構成によれば、各検出器の信号の独立性を保ちつつ高速で動作させることが可能であるが、レーザ光を掃引させる中心波長が近いものになることが多いため、分光時の出射角の差が小さくなる。そのため、検出器の物理的なサイズを考慮すると、分光器から各検出器までの距離が長くなり、光学系のサイズが大きくなってしまうという問題がある。このようなサイズが大きい光学系は振動などに弱く、測定精度が低下する原因となる。 In a gas analyzer having a configuration of performing spectroscopy with a spectroscope, laser light from a plurality of laser light sources is combined by a coupler and irradiated onto a gas to be measured in a measurement cell. The laser light that has passed through the measurement cell is split into a desired wavelength by a spectroscope, and is detected by a detector that differs for each wavelength. With such a configuration, it is possible to operate at high speed while maintaining the independence of the signals of the detectors, but the central wavelength for sweeping the laser light is often close, so that the The difference in emission angle is reduced. Therefore, in consideration of the physical size of the detector, there is a problem that the distance from the spectroscope to each detector becomes long and the size of the optical system becomes large. Such an optical system having a large size is vulnerable to vibration and the like, which causes a decrease in measurement accuracy.
一方、時分割にて分光する構成を有するガス分析装置では、同一の測定セルに対して、複数のレーザ光源からのレーザ光が異なる光路上でそれぞれ掃引され、各レーザ光源からのレーザ光が時間を区切って検出器で検出される。このような構成によれば、上記のような分光器で分光する構成と同様の問題は生じないものの、同一の測定セルに対して複数のレーザ光源からのレーザ光が照射されるため、いずれかのレーザ光源からのレーザ光を光路上で掃引させながら検出器で検出しているときに、他のレーザ光源からのレーザ光の散乱光が当該光路上に入射してしまう場合がある。このような場合には、各レーザ光源からのレーザ光の独立性が失われ、測定精度が低下する原因となる。 On the other hand, in a gas analyzer having a configuration of performing time-division spectroscopy, laser light from a plurality of laser light sources is swept on different optical paths with respect to the same measurement cell, and laser light from each laser light source is timed. Are separated and detected by the detector. According to such a configuration, although the same problem as in the above-described configuration in which the light is dispersed by the spectroscope does not occur, laser light from a plurality of laser light sources is radiated to the same measurement cell. When the laser light from the laser light source is being detected by the detector while being swept on the optical path, scattered light of the laser light from another laser light source may enter the optical path. In such a case, the independence of the laser light from each laser light source is lost, which causes a decrease in measurement accuracy.
上記のような問題を回避するために、測定に用いられていないレーザ光源への電流の供給を停止させることが考えられる。すなわち、時分割により検出器で検出しているレーザ光に対応するレーザ光源のみに一定周期で電流を供給し、他のレーザ光源への電流の供給を停止させれば、他のレーザ光源からのレーザ光の散乱光が光路上に入射することがなく、各レーザ光源からのレーザ光の独立性が保たれる。 In order to avoid the above problems, it is possible to stop the supply of current to the laser light source that is not used for measurement. That is, if a current is supplied to the laser light source corresponding to the laser light detected by the detector by time division at a constant cycle and the supply of the current to the other laser light source is stopped, the laser light from the other laser light source is stopped. The scattered light of the laser light does not enter the optical path, and the independence of the laser light from each laser light source is maintained.
しかしながら、他のレーザ光源に一定周期で電流を供給するような構成では、電流供給を停止した状態から、一定周期で急に電流供給を開始したとしても、当該レーザ光源の温度が不安定となる。そのため、所望の波長でレーザ光を照射することができず、やはり測定精度が低下する原因となる。 However, in a configuration in which a current is supplied to another laser light source at a constant cycle, the temperature of the laser light source becomes unstable even if the current supply is suddenly started at a constant cycle after the current supply is stopped. .. Therefore, laser light cannot be emitted at a desired wavelength, which also causes a decrease in measurement accuracy.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、測定精度を向上することができるレーザ式ガス分析装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a laser gas analyzer that can improve measurement accuracy.
本発明に係るレーザ式ガス分析装置は、測定セルと、複数のレーザ光源と、光源制御部と、検出器とを備える。前記測定セルには、被測定ガスが導入される。前記複数のレーザ光源は、前記測定セルに対してレーザ光を照射し、それぞれレーザ光の波長を掃引させることができる。前記光源制御部は、前記複数のレーザ光源への供給電流を変化させることにより、当該複数のレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を一定の波長範囲で掃引させる。前記検出器は、前記測定セルを通過した前記複数のレーザ光源からのレーザ光を受光し、それぞれのレーザ光の受光強度を検出する。前記光源制御部は、前記複数のレーザ光源から照射されるレーザ光の波長をそれぞれ異なる期間で掃引させ、１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときには、他のレーザ光源に一定電流を供給することを特徴とするレーザ式ガス分析装置。 A laser gas analyzer according to the present invention includes a measurement cell, a plurality of laser light sources, a light source controller, and a detector. A gas to be measured is introduced into the measurement cell. The plurality of laser light sources may irradiate the measurement cell with laser light and sweep the wavelengths of the laser light. The light source control unit sweeps the wavelength of the laser light emitted from the plurality of laser light sources in a certain wavelength range by changing the supply current to the plurality of laser light sources. The detector receives the laser light from the plurality of laser light sources that has passed through the measurement cell and detects the received light intensity of each laser light. The light source control unit sweeps the wavelengths of the laser light emitted from the plurality of laser light sources in different periods, and when sweeping the wavelengths of the laser light emitted from one laser light source, the other laser light sources. A laser gas analyzer characterized in that a constant current is supplied to the laser.
このような構成によれば、１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに、他のレーザ光源への電流の供給が停止されるのではなく、他のレーザ光源に一定電流が供給される。したがって、当該他のレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させる際には、既に一定電流が供給されている状態から供給電流が変化されるため、当該レーザ光源の温度を安定させることができる。したがって、各レーザ光源から照射されるレーザ光の波長を順次掃引させる場合であっても、各レーザ光源から所望の波長でレーザ光を照射させることができる。 With such a configuration, when the wavelength of the laser light emitted from one laser light source is being swept, the supply of the current to the other laser light source is not stopped but the other laser light source is stopped. A constant current is supplied. Therefore, when sweeping the wavelength of the laser light emitted from the other laser light source, the supply current is changed from the state where the constant current is already supplied, so that the temperature of the laser light source can be stabilized. it can. Therefore, even when the wavelength of the laser light emitted from each laser light source is sequentially swept, it is possible to emit the laser light at a desired wavelength from each laser light source.
また、１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を光路上で掃引させているときに、他のレーザ光源には一定電流が供給されるため、当該他のレーザ光源からのレーザ光の散乱光が当該光路上に入射する量は一定となる。したがって、検出器により検出される受光強度に基づいて得られる波形から、散乱光の影響を容易に取り除くことができるため、測定精度を向上することができる。 Further, when the wavelength of the laser light emitted from one laser light source is swept on the optical path, a constant current is supplied to the other laser light source, so that the laser light scattered from the other laser light source is scattered. The amount of light incident on the optical path is constant. Therefore, the influence of scattered light can be easily removed from the waveform obtained based on the received light intensity detected by the detector, so that the measurement accuracy can be improved.
前記レーザ式ガス分析装置は、基準波形推定処理部と、正規化処理部とをさらに備えていてもよい。前記基準波形推定処理部は、前記１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに前記検出器により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、前記一定の波長範囲内に収まっている場合に、被測定ガスの吸収ピークが現れていない波長範囲の波形に基づいて、前記測定セル内に被測定ガスがないときの前記一定の波長範囲内での受光強度の変化を基準波形として推定する。前記正規化処理部は、前記１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに前記検出器により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、前記一定の波長範囲内に収まっていない場合に、前記基準波形推定処理部により推定された前記基準波形に基づいて、前記検出器により検出される受光強度の波形を正規化する。 The laser gas analyzer may further include a reference waveform estimation processing unit and a normalization processing unit. The reference waveform estimation processing unit is configured such that the absorption peak of the gas under measurement that appears in the waveform of the received light intensity detected by the detector while sweeping the wavelength of the laser light emitted from the one laser light source is Based on the waveform of the wavelength range in which the absorption peak of the measured gas does not appear, when the measured gas is within the fixed wavelength range, in the fixed wavelength range when the measured gas is not present in the measurement cell, The change in received light intensity is estimated as the reference waveform. In the normalization processing unit, the absorption peak of the gas to be measured that appears in the waveform of the received light intensity detected by the detector when the wavelength of the laser light emitted from the one laser light source is swept is constant. When the wavelength is not within the wavelength range, the waveform of the received light intensity detected by the detector is normalized based on the reference waveform estimated by the reference waveform estimation processing unit.
このような構成によれば、１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに検出器により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、一定の波長範囲内に収まっている場合には、測定セル内に被測定ガスがないときの前記一定の波長範囲内での受光強度の変化を基準波形として推定することができる。そして、レーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに検出器により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、前記一定の波長範囲内に収まっていない場合には、推定された基準波形に基づいて、検出器により検出される受光強度の波形を正規化することができる。 With such a configuration, the absorption peak of the gas to be measured, which appears in the waveform of the received light intensity detected by the detector when the wavelength of the laser light emitted from one laser light source is swept, has a constant wavelength. If it is within the range, it is possible to estimate the change in the received light intensity within the constant wavelength range when the measurement gas does not exist in the measurement cell as the reference waveform. When the absorption peak of the gas to be measured that appears in the waveform of the received light intensity detected by the detector when the wavelength of the laser light emitted from the laser light source is being swept is not within the fixed wavelength range. In addition, the waveform of the received light intensity detected by the detector can be normalized based on the estimated reference waveform.
すなわち、基準波形を推定できない環境下であっても、基準波形を推定できる環境のときに推定された基準波形に基づいて、正規化された波形を得ることができる。したがって、ガスの圧力や温度などが時々刻々と変化する環境下であっても、常に正規化された波形を得ることができ、その波形に基づいて分析を行うことができる。 That is, even in an environment in which the reference waveform cannot be estimated, a normalized waveform can be obtained based on the reference waveform estimated in the environment in which the reference waveform can be estimated. Therefore, even in an environment where the gas pressure, temperature, etc. change momentarily, it is possible to always obtain a normalized waveform and perform analysis based on the waveform.
前記レーザ式ガス分析装置は、散乱成分算出処理部と、散乱成分除去処理部とをさらに備えていてもよい。前記散乱成分算出処理部は、前記１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに前記検出器により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、前記一定の波長範囲内に収まっている場合に、当該波形に含まれる前記他のレーザ光源から照射されるレーザ光の散乱成分を算出する。前記散乱成分除去処理部は、前記１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに前記検出器により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、前記一定の波長範囲内に収まっていない場合に、前記正規化処理部により正規化された波形に基づいて算出される波形から、前記散乱成分算出処理部により算出された散乱成分を除去する。 The laser gas analyzer may further include a scattered component calculation processing unit and a scattered component removal processing unit. The scattering component calculation processing unit is configured such that the absorption peak of the gas to be measured which appears in the waveform of the received light intensity detected by the detector while sweeping the wavelength of the laser light emitted from the one laser light source is When it is within a certain wavelength range, the scattered component of the laser light emitted from the other laser light source included in the waveform is calculated. The scattering component removal processing unit has the absorption peak of the gas to be measured which appears in the waveform of the received light intensity detected by the detector when sweeping the wavelength of the laser light emitted from the one laser light source, When it is not within the fixed wavelength range, the scattering component calculated by the scattering component calculation processing unit is removed from the waveform calculated based on the waveform normalized by the normalization processing unit.
このような構成によれば、１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに検出器により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、一定の波長範囲内に収まっている場合には、当該波形に含まれる他のレーザ光源から照射されるレーザ光の散乱成分を算出することができる。そして、レーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに検出器により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、前記一定の波長範囲内に収まっていない場合には、算出された散乱成分に基づいて、正規化処理部により正規化された波形に基づいて算出される波形を補正することができる。 With such a configuration, the absorption peak of the gas to be measured, which appears in the waveform of the received light intensity detected by the detector when the wavelength of the laser light emitted from one laser light source is swept, has a constant wavelength. If it is within the range, it is possible to calculate the scattered component of the laser light emitted from another laser light source included in the waveform. When the absorption peak of the gas to be measured that appears in the waveform of the received light intensity detected by the detector when the wavelength of the laser light emitted from the laser light source is being swept is not within the fixed wavelength range. In addition, the waveform calculated based on the waveform normalized by the normalization processing unit can be corrected based on the calculated scattering component.
すなわち、受光強度の波形に含まれる散乱成分を算出できる環境のときに、その散乱成分を算出しておき、受光強度の波形に含まれる散乱成分を算出できない環境のときには、算出された散乱成分に基づいて、当該散乱成分が除去された波形を得ることができる。したがって、ガスの圧力や温度などが時々刻々と変化する環境下であっても、常に散乱成分が除去された波形を得ることができ、その波形に基づいて分析を行うことができる。 That is, in an environment in which the scattered component included in the waveform of the received light intensity can be calculated, the scattered component is calculated in advance, and in the environment in which the scattered component included in the waveform of the received light intensity cannot be calculated, the calculated scattered component is changed to the calculated scattered component. Based on this, it is possible to obtain a waveform in which the scattering component is removed. Therefore, even in an environment in which the gas pressure, temperature, and the like change momentarily, it is possible to obtain a waveform in which the scattered components are always removed, and perform analysis based on the waveform.
本発明によれば、検出器の検出信号に基づいて得られる波形から、散乱光の影響を容易に取り除くことができるため、測定精度を向上することができる。 According to the present invention, the influence of scattered light can be easily removed from the waveform obtained based on the detection signal of the detector, so that the measurement accuracy can be improved.
１．レーザ式ガス分析装置の全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ式ガス分析装置１の構成例を示した概略図である。このレーザ式ガス分析装置１（以下、単に「ガス分析装置１」という。）は、被測定ガスに対してレーザ光を照射して、被測定ガスの濃度などを分析するためのものであり、例えば測定セル２、第１レーザ光源３、第２レーザ光源４、検出器５、制御部６、第１受光部７及び第２受光部８などを備えている。
1. Overall Configuration of
測定セル２は、透明な中空状の部材であり、被測定ガスが連続的に導入される。被測定ガスは、例えば圧力や温度などが時々刻々と変化する環境下にあるガスであり、そのガスの一部が測定セル２内に連続的に導入されることにより、リアルタイムで分析が行われる。
The measuring
本実施形態では、２つのレーザ光源（第１レーザ光源３及び第２レーザ光源４）から測定セル２にレーザ光が照射されるようになっている。第１レーザ光源３及び第２レーザ光源４は、互いに平行な光軸に沿ってレーザ光を照射可能であり、それぞれ測定セル２内の異なる光路２１，２２を通過する。各レーザ光源３，４は、例えば半導体レーザダイオードからなる。各レーザ光源３，４から照射されるレーザ光の波長は、各レーザ光源３，４への供給電力を変化させることにより掃引（走査）させることができる。
In this embodiment, the
第１レーザ光源３からのレーザ光は、レンズ３１により平行光とされてから測定セル２に照射され、測定セル２内の光路２１を通過したレーザ光は、レンズ３２により集光される。一方、第２レーザ光源３からのレーザ光は、レンズ４１により平行光とされてから測定セル２に照射され、測定セル２内の光路２２を通過したレーザ光は、レンズ４２により集光される。測定セル２内を通過した各レーザ光源３，４からのレーザ光は、合波されて同一の光ファイバ９により検出器５に導かれる。
The laser light from the first
検出器５は、例えばフォトダイオードからなり、受光したレーザ光の強度（受光強度）に応じた電気信号を出力する。測定セル２内を通過する各レーザ光源３，４からのレーザ光は、被測定ガスに含まれる成分に特有の波長（吸収波長）で吸収を受ける。したがって、測定セル２を通過した各レーザ光源３，４からのレーザ光を検出器５で検出することにより、その検出信号から得られる透過スペクトルに基づいて分析を行うことができる。
The
また、第１レーザ光源３からのレーザ光は、第１受光部７でも受光される。同様に、第２レーザ光源４からのレーザ光は、第２受光部８でも受光される。これらの受光部７，８は、例えばフォトダイオードからなり、各レーザ光源３，４から照射されるレーザ光をモニターするためのものである。各受光部７，８により受光されるレーザ光は、検出器５により受光されるレーザ光とは異なり、測定セル２内を通過することによる影響（例えば光量の減少など）を受けない。
The laser light from the first
制御部６は、例えばＣＰＵを含む構成であり、ガス分析装置１に備えられた各部の動作を制御するとともに、各種データ処理を行う。各レーザ光源３，４への電流の供給量は、制御部６により制御される。また、検出器５、第１受光部７及び第２受光部８からの検出信号は制御部６に入力され、制御部６によりデータ処理が行われる。
The
２．制御部の構成及び処理
図２は、制御部６の構成例を示したブロック図である。制御部６は、例えばＣＰＵがプログラムを実行することにより、例えば光源制御部６１、基準波形推定処理部６２、正規化処理部６３、散乱成分算出処理部６４及び散乱成分除去処理部６５として機能する。
2. Configuration and Processing of Control Unit FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the
光源制御部６１は、各レーザ光源３，４への供給電力を個別に制御する。具体的には、光源制御部６１は、各レーザ光源３，４への供給電力を一定に保つこともできるし、各レーザ光源３，４への供給電力を変化させることによりレーザ光の波長を掃引させることもできる。被測定ガスの分析時には、光源制御部６１が各レーザ光源３，４への供給電流を一定周期でランプ波状（のこぎり波状）に変化させることにより、レーザ光の波長が一定の波長範囲Ｒで掃引される。
The light
図３は、光源制御部６１が各レーザ光源３，４への供給電流を変化させる態様の一例を示した図である。図３（ａ）は、第１レーザ光源３への供給電流の経時的変化を示しており、図３（ｂ）は、第２レーザ光源４への供給電流の経時的変化を示している。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a mode in which the light
本実施形態では、一定期間Ｔｎ（ｎ＝１，２，３，・・・）ごとに、第１レーザ光源３又は第２レーザ光源４に対してランプ波状の電流が交互に供給される。そして、第１レーザ光源３にランプ波状の電流が供給されているときには、第２レーザ光源４に一定電流が供給され、第２レーザ光源４にランプ波状の電流が供給されているときには、第１レーザ光源３に一定電流が供給されるようになっている。
In the present embodiment, a ramp-wave-shaped current is alternately supplied to the first
すなわち、図３における期間Ｔ２，Ｔ４，・・・では、第１レーザ光源３にランプ波状の電流が供給され、第２レーザ光源４に一定電流が供給されている。一方、図３における期間Ｔ１，Ｔ３，・・・では、第２レーザ光源４にランプ波状の電流が供給され、第１レーザ光源３に一定電流が供給されている。このように、光源制御部６１は、各レーザ光源３，４から照射されるレーザ光の波長をそれぞれ異なる期間で掃引させ、１つのレーザ光源（第１レーザ光源３又は第２レーザ光源４）から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときには、他のレーザ光源（第２レーザ光源４又は第１レーザ光源３）に一定電流を供給するようになっている。
That is, in the periods T2, T4,... In FIG. 3, a ramp wave current is supplied to the first
図４は、被測定ガスに照射するレーザ光の波長を掃引させたときに得られる透過スペクトルの一例を示した図である。各レーザ光源３，４にランプ波状の電流を供給して波長を掃引させた場合には、図４に実線で示すように、得られる透過スペクトルもランプ波状の波形となる。そして、被測定ガスに特有の波長において検出器５の受光強度が低下することにより、波形上に吸収ピークＰが現れる。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a transmission spectrum obtained when the wavelength of the laser light with which the gas to be measured is irradiated is swept. When a ramp-wave-shaped current is supplied to each of the
再び図２を参照すると、基準波形推定処理部６２は、検出器５により検出される受光強度に基づいて、測定セル２内に被測定ガスがないときの受光強度の変化を基準波形として推定する。また、正規化処理部６３は、基準波形推定処理部６２により推定された基準波形を用いて、検出器５により検出される受光強度の波形を正規化する処理を行う。
Referring again to FIG. 2, the reference waveform
具体的には、図４の例のように、レーザ光の波長を掃引させているときに検出器５により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークＰが、一定の波長範囲Ｒ内に収まっている場合に、基準波形推定処理部６２は、被測定ガスの吸収ピークＰが現れていない波長範囲Ｒ１，Ｒ２の波形に基づいて、測定セル２内に被測定ガスがないとき（吸収がないとき）の一定の波長範囲Ｒ内での受光強度の変化を基準波形Ｗとして推定する。
Specifically, as in the example of FIG. 4, the absorption peak P of the gas to be measured, which appears in the waveform of the received light intensity detected by the
上記のような基準波形Ｗの推定は、例えば波長範囲Ｒ１，Ｒ２の波形を三次関数などの多項式にフィッティング（近似）する演算により行うことができる。このようなフィッティングの手法は周知であるため、ここでの詳細な説明は省略する。 The above-described estimation of the reference waveform W can be performed by, for example, an operation of fitting (approximating) the waveforms of the wavelength ranges R1 and R2 to a polynomial such as a cubic function. Since such a fitting method is well known, detailed description thereof is omitted here.
正規化処理部６３は、図４に実線で示す波形（吸収ピークＰを含む波形）を、一点鎖線で示す推定された基準波形Ｗを用いて正規化する。具体的には、吸収ピークＰを含む波形の各波長における受光強度が、基準波形Ｗにおける対応する波長の受光強度で除算されることにより、正規化処理が行われる。 The normalization processing unit 63 normalizes the waveform indicated by the solid line in FIG. 4 (the waveform including the absorption peak P) using the estimated reference waveform W indicated by the alternate long and short dash line. Specifically, the received light intensity at each wavelength of the waveform including the absorption peak P is divided by the received light intensity of the corresponding wavelength in the reference waveform W to perform the normalization process.
図５は、図４に示す吸収ピークＰを含む波形が基準波形Ｗを用いて正規化された状態を示す図である。図５では、図４に示す一定の波長範囲Ｒを波数に変換して示している。この図５に示すように、基準波形Ｗを用いて正規化された波形は、波長範囲Ｒ１，Ｒ２に対応する波数範囲では透過率が「１」に近い値となり、吸収ピークＰに対応する波数範囲では透過率が低下した波形となる。 FIG. 5 is a diagram showing a state in which the waveform including the absorption peak P shown in FIG. 4 is normalized using the reference waveform W. In FIG. 5, the constant wavelength range R shown in FIG. 4 is converted into a wave number and shown. As shown in FIG. 5, the waveform normalized using the reference waveform W has a transmittance close to “1” in the wave number range corresponding to the wavelength ranges R1 and R2, and the wave number corresponding to the absorption peak P. In the range, the waveform has a reduced transmittance.
図６は、図５の波形から得られた１ｆ信号（１次信号）の波形を示す図である。また、図７は、図５の波形から得られた２ｆ信号（２次信号）の波形を示す図である。図６に示す１ｆ信号の波形は、図５の波形から一定波数ごとに点を抽出し、各点について１次関数にフィッティングすることにより得られる。一方、図７に示す２ｆ信号の波形は、図５の波形から一定波数ごとに点を抽出し、各点について２次関数にフィッティングすることにより得られる。 FIG. 6 is a diagram showing the waveform of the 1f signal (primary signal) obtained from the waveform of FIG. FIG. 7 is a diagram showing the waveform of the 2f signal (secondary signal) obtained from the waveform of FIG. The waveform of the 1f signal shown in FIG. 6 is obtained by extracting points from the waveform of FIG. 5 at constant wave numbers and fitting a linear function at each point. On the other hand, the waveform of the 2f signal shown in FIG. 7 is obtained by extracting points from the waveform of FIG. 5 at constant wavenumbers and fitting each point to a quadratic function.
以上のように、レーザ光の波長を掃引させているときに検出器５により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークＰが、一定の波長範囲Ｒ内に収まっている場合には、基準波形Ｗを推定することができ、その基準波形Ｗを用いて透過スペクトルの正規化を行うことができる。一方、例えば図４に二点鎖線で示すように吸収ピークが一定の波長範囲Ｒ内に収まっていない場合には、その一定の波長範囲Ｒ内に被測定ガスの吸収ピークＰが現れていない波長範囲が存在しない。そのため、基準波形Ｗを推定することができず、透過スペクトルの正規化を行うことができない。
As described above, when the absorption peak P of the gas to be measured, which appears in the waveform of the received light intensity detected by the
そこで、本実施形態では、時々刻々と変化する透過スペクトルのうち、図４に実線で示すように吸収ピークＰが一定の波長範囲Ｒ内に収まっているときに推定された基準波形Ｗを用いて、図４に二点鎖線で示すように吸収ピークが一定の波長範囲Ｒ内に収まっていないときの正規化処理が行われるようになっている。 Therefore, in the present embodiment, the reference waveform W estimated when the absorption peak P is within the constant wavelength range R as shown by the solid line in FIG. As shown by the chain double-dashed line in FIG. 4, the normalization processing is performed when the absorption peak is not within the fixed wavelength range R.
すなわち、正規化処理部６３は、レーザ光の波長を掃引させているときに検出器５により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、一定の波長範囲Ｒ内に収まっていない場合に、基準波形推定処理部６２により推定された基準波形Ｗに基づいて、検出器５により検出される受光強度の波形を正規化する。具体的には、図４に二点鎖線で示すような波形の各波長における受光強度が、基準波形Ｗにおける対応する波長の受光強度で除算されることにより、正規化処理が行われる。
That is, in the normalization processing unit 63, the absorption peak of the gas to be measured, which appears in the waveform of the received light intensity detected by the
散乱成分算出処理部６４は、１つのレーザ光源（第１レーザ光源３又は第２レーザ光源４）から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに検出器５により検出される受光強度の波形について、他のレーザ光源（第２レーザ光源４又は第１レーザ光源３）から照射されるレーザ光の散乱成分を算出する。すなわち、１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときであっても、他のレーザ光源には一定電流が供給されているため、光路２１，２２間で互いに散乱光が入射してしまう。この散乱光に基づく受光強度（散乱成分）が、散乱成分算出処理部６４により算出される。
The scattered component
具体的には、１つのレーザ光源（第１レーザ光源３又は第２レーザ光源４）から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに検出器５により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークＰが、一定の波長範囲Ｒ内に収まっている場合に、推定された基準波形Ｗを用いて散乱成分が算出される。その際、まず、推定された基準波形Ｗを用いて正規化処理部６３により正規化された波形に基づいて、図７に示すような２ｆ信号の波形が算出される。このとき、２次関数へのフィッティングにより、下記式（１）の各係数ｂｆｉｔ２，ｂｆｉｔ１，ｂｆｉｔ０が求められる。
ｂｆｉｔ２・ν２＋ｂｆｉｔ１・ν＋ｂｆｉｔ０ ・・・（１）
Specifically, it appears in the waveform of the received light intensity detected by the
bfit 2 ·ν 2 +bfit 1 ·ν+bfit 0 (1)
この場合、推定された基準波形Ｗは散乱光の影響を受けているが、この基準波形Ｗを用いて正規化される波形（吸収ピークＰを含む波形）も散乱光の影響を受けている。そのため、正規化された波形は散乱光の影響を受けていない状態となり、２ｆ値Ｙを下記式（２）で算出することができる。
Ｙ＝ｂｆｉｔ２／ｂｆｉｔ０ ・・・（２）
In this case, the estimated reference waveform W is influenced by the scattered light, but the waveform normalized using this reference waveform W (the waveform including the absorption peak P) is also influenced by the scattered light. Therefore, the normalized waveform is not affected by scattered light, and the 2f value Y can be calculated by the following equation (2).
Y=bfit 2 /bfit 0 (2)
次に、推定された基準波形Ｗの代わりに、当該１つのレーザ光源（第１レーザ光源３又は第２レーザ光源４）に対応する受光部（第１受光部７又は第２受光部８）により検出される受光強度の波形を基準波形として、正規化処理部６３による正規化処理が行われる。そして、正規化された波形に基づいて２ｆ信号の波形が算出される。このとき、２次関数へのフィッティングにより、下記式（３）の各係数ｂ２ ´，ｂ１ ´，ｂ０ ´が求められる。
ｂ２ ´・ν２＋ｂ１ ´・ν＋ｂ０ ´ ・・・（３）
Next, instead of the estimated reference waveform W, a light receiving unit (first
b 2 ′ ·ν 2 +b 1 ′ ·ν+b 0 ′ (3)
この場合、受光部７，８により検出される受光強度の波形は散乱光の影響を受けていないが、この波形を基準波形に用いて正規化される波形（吸収ピークＰを含む波形）は散乱光の影響を受けている。そのため、正規化された波形は散乱光の影響を受けた状態となる。しかし、その影響は、式（３）の切片の項にのみ現れるため、散乱成分をａ０とすると、上記各係数ｂ２ ´，ｂ１ ´，ｂ０ ´は、下記式（４）〜（６）のように表される。
ｂ２ ´＝ｂ２ ・・・（４）
ｂ１ ´＝ｂ１ ・・・（５）
ｂ０ ´＝ｂ０＋ａ０ ・・・（６）
In this case, the waveform of the received light intensity detected by the
b 2 ′ =b 2 (4)
b 1 ′ =b 1 (5)
b 0 ′ =b 0 +a 0 (6)
したがって、式（４）〜（６）を用いて、２ｆ値Ｙを下記式（７）で算出することができる。
Ｙ＝ｂ２／ｂ０＝ｂ２ ´／（ｂ０ ´−ａ０） ・・・（７）
Therefore, the 2f value Y can be calculated by the following equation (7) using the equations (4) to (6).
Y = b 2 / b 0 = b 2 '/ (b 0' -a 0) ··· (7)
そして、式（２）及び式（７）から、下記式（８）が得られる。係数ｂｆｉｔ２，ｂｆｉｔ０，ｂ２ ´，ｂ０ ´は、フィッティングにより求められているため、その値を代入することにより、散乱成分ａ０を算出することができる。
ｂｆｉｔ２／ｂｆｉｔ０＝ｂ２ ´／（ｂ０ ´−ａ０） ・・・（８）
Then, the following expression (8) is obtained from the expressions (2) and (7). Since the coefficients bfit 2 , bfit 0 , b 2 ′ , and b 0 ′ are obtained by fitting, the scattering component a 0 can be calculated by substituting the values.
bfit 2 / bfit 0 = b 2 '/ (b 0' -a 0) ··· (8)
散乱成分除去処理部６５は、１つのレーザ光源（第１レーザ光源３又は第２レーザ光源４）から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに検出器５により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークＰが、一定の波長範囲Ｒ内に収まっていない場合に、正規化処理部６３により正規化された波形に基づいて算出される波形（２ｆ信号の波形）から、散乱成分算出処理部６４により算出された散乱成分ａ０を除去する。
The scattered component
すなわち、図４に二点鎖線で示すような波形の各波長における受光強度が、基準波形Ｗにおける対応する波長の受光強度で除算されることにより正規化され、その正規化された波形の各点が２次関数にフィッティングされることにより、２ｆ信号の波形が得られる。このとき、フィッティングにより得られる上記係数ｂ２ ´，ｂ０ ´と、予め算出されている散乱成分ａ０とが上記式（７）に代入されることにより、２ｆ値Ｙが算出される。 That is, the received light intensity at each wavelength of the waveform shown by the two-dot chain line in FIG. 4 is normalized by being divided by the received light intensity of the corresponding wavelength in the reference waveform W, and each point of the normalized waveform is obtained. Is fitted to a quadratic function to obtain the waveform of the 2f signal. At this time, the 2f value Y is calculated by substituting the coefficients b 2 ′ and b 0 ′ obtained by the fitting and the previously calculated scattering component a 0 into the equation (7).
３．作用効果
本実施形態では、図３に示すように、１つのレーザ光源（第１レーザ光源３又は第２レーザ光源４）から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに、他のレーザ光源（第２レーザ光源４又は第１レーザ光源３）への電流の供給が停止されるのではなく、他のレーザ光源に一定電流が供給される。したがって、当該他のレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させる際には、既に一定電流が供給されている状態から供給電流が変化されるため、当該レーザ光源の温度を安定させることができる。したがって、各レーザ光源から照射されるレーザ光の波長を順次掃引させる場合であっても、各レーザ光源から所望の波長でレーザ光を照射させることができる。
3. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, when the wavelength of the laser light emitted from one laser light source (first
また、１つのレーザ光源（第１レーザ光源３又は第２レーザ光源４）から照射されるレーザ光の波長を光路（光路２１又は光路２２）上で掃引させているときに、他のレーザ光源（第２レーザ光源４又は第１レーザ光源３）には一定電流が供給されるため、当該他のレーザ光源からのレーザ光の散乱光が当該光路上に入射する量は一定となる。したがって、検出器５により検出される受光強度に基づいて得られる波形から、散乱光の影響を容易に取り除くことができるため、測定精度を向上することができる。
When the wavelength of the laser light emitted from one laser light source (first
また、本実施形態では、図４に実線で示すように、１つのレーザ光源（第１レーザ光源３又は第２レーザ光源４）から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに検出器５により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークＰが、一定の波長範囲Ｒ内に収まっている場合には、基準波形推定処理部６２の処理により、測定セル２内に被測定ガスがないときの一定の波長範囲Ｒ内での受光強度の変化を基準波形Ｗとして推定することができる。そして、図４に二点鎖線で示すように、レーザ光源３，４から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに検出器５により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、一定の波長範囲Ｒ内に収まっていない場合には、正規化処理部６３の処理により、推定された基準波形Ｗに基づいて、検出される受光強度の波形を正規化することができる。
Further, in the present embodiment, as shown by the solid line in FIG. 4, the detector is used when the wavelength of the laser light emitted from one laser light source (first
すなわち、基準波形Ｗを推定できない環境下であっても、基準波形Ｗを推定できる環境のときに推定された基準波形Ｗに基づいて、正規化された波形を得ることができる。したがって、ガスの圧力や温度などが時々刻々と変化する環境下であっても、常に正規化された波形を得ることができ、その波形に基づいて分析を行うことができる。 That is, even in an environment in which the reference waveform W cannot be estimated, a normalized waveform can be obtained based on the reference waveform W estimated in the environment in which the reference waveform W can be estimated. Therefore, even in an environment where the gas pressure, temperature, etc. change momentarily, it is possible to always obtain a normalized waveform and perform analysis based on the waveform.
本実施形態のように、各レーザ光源３，４から照射されるレーザ光を、測定セル２に照射させるだけでなく、測定セル２を通過しないモニター用の受光部７，８でも受光するような構成の場合には、そのモニター用のレーザ光の受光強度の変化を基準波形Ｗとして、測定セル２を通過したレーザ光の受光強度の波形を正規化することも可能である。この場合、基準波形Ｗを推定できない環境下であっても、モニター用のレーザ光の受光強度の変化を基準波形とすることにより、正規化された波形が得られる。しかし、この場合には、測定セル２を通過したレーザ光の受光強度の方が、測定セル２を通過しないモニター用のレーザ光の受光強度よりも小さくなるため、その誤差を補正する必要がある。
As in the present embodiment, not only the
これに対して、本実施形態では、基準波形Ｗを推定できる環境下であるか否かに拘らず、測定セル２を通過したレーザ光の受光強度に基づいて推定された基準波形Ｗに基づいて、正規化された波形を得ることができる。したがって、モニター用のレーザ光の受光強度の変化を基準波形とするような構成とは異なり、上記のような誤差が生じることがないため、測定精度を向上することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the reference waveform W is estimated based on the received light intensity of the laser beam that has passed through the
また、本実施形態では、１つのレーザ光源（第１レーザ光源３又は第２レーザ光源４）から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに検出器５により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークＰが、一定の波長範囲Ｒ内に収まっている場合には、上記式（１）〜（８）を用いた散乱成分算出処理部６４の処理により、当該波形に含まれる他のレーザ光源（第２レーザ光源４又は第１レーザ光源３）から照射されるレーザ光の散乱成分ａ０を算出することができる。そして、レーザ光源３，４から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに検出器５により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークＰが、一定の波長範囲Ｒ内に収まっていない場合には、散乱成分除去処理部６５の処理により、算出された散乱成分ａ０に基づいて、正規化された波形に基づいて算出される波形（２ｆ信号の波形）を補正することができる。
Further, in the present embodiment, the waveform of the received light intensity detected by the
すなわち、受光強度の波形に含まれる散乱成分ａ０を算出できる環境のときに、その散乱成分ａ０を算出しておき、受光強度の波形に含まれる散乱成分ａ０を算出できない環境のときには、算出された散乱成分ａ０に基づいて、当該散乱成分ａ０が除去された波形を得ることができる。したがって、ガスの圧力や温度などが時々刻々と変化する環境下であっても、常に散乱成分ａ０が除去された波形を得ることができ、その波形に基づいて分析を行うことができる。 That is, when the scattering component a 0 included in the waveform of the received light intensity can be calculated, the scattering component a 0 is calculated in advance, and when the scattering component a 0 included in the waveform of the received light intensity cannot be calculated, Based on the calculated scattering component a 0 , it is possible to obtain a waveform in which the scattering component a 0 is removed. Therefore, even in an environment where the gas pressure, temperature, etc. change momentarily, it is possible to always obtain a waveform in which the scattered component a 0 is removed, and to perform analysis based on the waveform.
４．変形例
以上の実施形態では、２つのレーザ光源３，４が備えられたガス分析装置１について説明した。しかし、このような構成に限らず、３つ以上のレーザ光源が備えられたガス分析装置にも本発明を適用することが可能である。この場合、光源制御部６１は、各レーザ光源から照射されるレーザ光の波長を、一定の順序に従って一定周期で掃引させればよい。また、１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときには、他の２つ以上のレーザ光源に一定電流が供給される。
4. Modified Example In the above embodiment, the
１ レーザ式ガス分析装置
２ 測定セル
３ 第１レーザ光源
４ 第２レーザ光源
５ 検出器
６ 制御部
７ 第１受光部
８ 第２受光部
９ 光ファイバ
２１ 光路
２２ 光路
６１ 光源制御部
６２ 基準波形推定処理部
６３ 正規化処理部
６４ 散乱成分算出処理部
６５ 散乱成分除去処理部
1
Claims (1)
前記測定セルに対してレーザ光を照射し、それぞれレーザ光の波長を掃引させることができる複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源への供給電流を変化させることにより、当該複数のレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を一定の波長範囲で掃引させる光源制御部と、
前記測定セルを通過した前記複数のレーザ光源からのレーザ光を受光し、それぞれのレーザ光の受光強度を検出する検出器とを備え、
前記光源制御部は、前記複数のレーザ光源から照射されるレーザ光の波長をそれぞれ異なる期間で掃引させ、１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときには、他のレーザ光源に一定電流を供給し、
前記１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに前記検出器により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、前記一定の波長範囲内に収まっている場合に、被測定ガスの吸収ピークが現れていない波長範囲の波形に基づいて、前記測定セル内に被測定ガスがないときの前記一定の波長範囲内での受光強度の変化を基準波形として推定する基準波形推定処理部と、
前記１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに前記検出器により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、前記一定の波長範囲内に収まっていない場合に、前記基準波形推定処理部により推定された前記基準波形に基づいて、前記検出器により検出される受光強度の波形を正規化する正規化処理部と、
前記１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに前記検出器により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、前記一定の波長範囲内に収まっている場合に、当該波形に含まれる前記他のレーザ光源から照射されるレーザ光の散乱成分を算出する散乱成分算出処理部と、
前記１つのレーザ光源から照射されるレーザ光の波長を掃引させているときに前記検出器により検出される受光強度の波形に現れる被測定ガスの吸収ピークが、前記一定の波長範囲内に収まっていない場合に、前記正規化処理部により正規化された波形に基づいて算出される波形から、前記散乱成分算出処理部により算出された散乱成分を除去する散乱成分除去処理部とをさらに備えることを特徴とするレーザ式ガス分析装置。 A measuring cell into which the gas to be measured is introduced,
Irradiating the measurement cell with laser light, a plurality of laser light sources capable of sweeping the wavelength of each laser light,
By changing the supply current to the plurality of laser light sources, a light source control unit for sweeping the wavelength of the laser light emitted from the plurality of laser light sources in a constant wavelength range,
Receiving laser light from the plurality of laser light sources that have passed through the measurement cell, a detector for detecting the received light intensity of each laser light,
The light source control unit sweeps the wavelengths of the laser light emitted from the plurality of laser light sources in different periods, and when sweeping the wavelengths of the laser light emitted from one laser light source, the other laser light sources. Supply a constant current to
When the wavelength of the laser light emitted from the one laser light source is swept, the absorption peak of the gas to be measured which appears in the waveform of the received light intensity detected by the detector falls within the fixed wavelength range. If the absorption peak of the gas to be measured does not appear, based on the waveform in the wavelength range, the change in the received light intensity within the constant wavelength range when the gas to be measured is not present in the measurement cell is used as a reference waveform. A reference waveform estimation processing unit for estimating,
The absorption peak of the gas to be measured that appears in the waveform of the received light intensity detected by the detector when the wavelength of the laser light emitted from the one laser light source is swept is within the certain wavelength range. If not, based on the reference waveform estimated by the reference waveform estimation processing unit, a normalization processing unit that normalizes the waveform of the received light intensity detected by the detector,
When the wavelength of the laser light emitted from the one laser light source is swept, the absorption peak of the gas to be measured which appears in the waveform of the received light intensity detected by the detector falls within the fixed wavelength range. When there is, a scattering component calculation processing unit that calculates a scattering component of the laser light emitted from the other laser light source included in the waveform,
The absorption peak of the gas to be measured that appears in the waveform of the received light intensity detected by the detector when the wavelength of the laser light emitted from the one laser light source is swept is within the certain wavelength range. And a scattering component removal processing unit that removes the scattering component calculated by the scattering component calculation processing unit from the waveform calculated based on the waveform normalized by the normalization processing unit. Characteristic laser gas analyzer.
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