JP7259813B2 - ガス分析システム及びガス分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス分析システム及びガス分析方法に関する。

測定対象ガスを分析するガス分析システムの１つに、測定対象ガスに照射した光の吸光度に基づいて、測定対象ガスの濃度を測定するものがある。このようなガス分析システムでは、測定精度（感度）を高めるために、波長変調分光法（ＷＭＳ：Wavelength Modulation Spectroscopy）が用いられることがある。波長変調分光法は、変調周波数ｆで変調されたレーザ光を測定対象ガスに照射し、測定対象ガスを透過したレーザ光を検出して得られる２倍波成分（２ｆ成分）に基づいて測定対象ガスの濃度を測定する手法である。

波長変調分光法では、検出される変調周波数ｆの成分（１ｆ成分）に対する２ｆ成分の比を求めて受光光量の規格化を行った上で、測定対象ガスの濃度の測定が行われることが多い。これは、測定対象ガス以外の要因によるレーザ光の受光光量の変動の影響を低減するためである。尚、波長変調分光法は、２ｆ検波法と言われることもある。以下の特許文献１には、波長変調分光法を用いてガス濃度の測定を行う従来のガス分析システムの一例が開示されている。

国際公開第２０１７／０１４０９７号

ところで、上述したガス分析システムにおいて、レーザ光が、レンズ等の光学素子、窓、薄膜等を通過する際に、光学干渉ノイズが発生することがある。この光学干渉ノイズは、例えば、光学素子等の内部において多重反射したレーザ光が干渉することによって生ずるものであり、その大きさは、レーザ光の波長に依存して周期的に変化する。例えば、ファブリペローエタロンの透過率が波長に対して周期的になるように、光学干渉ノイズの大きさも波長に対して周期的になる。このような光学干渉ノイズがあると、測定対象ガスの濃度の検出限界が悪化してしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、測定対象ガスの濃度の検出限界を改善できるガス分析システム及びガス分析方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様によるガス分析システム（１）は、所定の変調周波数（ｆ）で変調されたレーザ光を射出する発光素子（１３）と、測定対象ガス（ＧＳ）を介した前記レーザ光を受光する受光素子（１７）と、前記受光素子から出力される受光信号に含まれる前記変調周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有する成分である第１成分から、前記発光素子から前記受光素子に至る前記レーザ光の光路で生ずる光学干渉ノイズの前記第１成分と同じ周波数の成分である第２成分を除去して得られる第３成分の大きさに基づいて前記測定対象ガスの濃度を求める処理部（２０）と、を備える。

また、本発明の一態様によるガス分析システムは、前記受光信号に含まれる前記第１成分の振幅（Ｒ_２ｆ）及び位相（θ_２ｆ）を検出する検出部（１９）を備えており、前記処理部が、前記第２成分の振幅（Ｒ_０、Ｒ_０２ｆ）及び位相（θ_０、θ_０２ｆ）を記憶する記憶部（２１）と、前記検出部で検出された前記第１成分の振幅及び位相と、前記記憶部に記憶された前記第２成分の振幅及び位相とを用いて、前記第１成分から前記第２成分を除去する演算を行って前記第３成分を求める演算部と、を備える。

また、本発明の一態様によるガス分析システムは、前記検出部が、前記第１成分に加えて、前記受光信号に含まれる前記変調周波数と同じ周波数を有する成分である基本成分を検出し、前記演算部は、前記基本成分の振幅（Ｒ_１ｆ）に対する前記第３成分の振幅（Ｒ′_２ｆ）の比（Ｒ′_２ｆ／Ｒ_１ｆ）に基づいて前記測定対象ガスの濃度を求める。

また、本発明の一態様によるガス分析システムは、前記記憶部に記憶される前記第２成分の振幅及び位相が、前記レーザ光の光路上に前記測定対象ガスが存在しない状態又は前記レーザ光の光路上における前記測定対象ガスの濃度が十分低い状態のときに、前記検出部で検出される前記第１成分の振幅及び位相である。

或いは、本発明の一態様によるガス分析システムは、前記記憶部に記憶される前記第２成分の振幅及び位相が、前記レーザ光の光路上に既知の第１濃度の前記測定対象ガスが存在する状態のときに前記検出部で検出される前記第１成分の振幅及び位相と、前記レーザ光の光路上に既知の第２濃度の前記測定対象ガスが存在する状態のときに前記検出部で検出される前記第１成分の振幅及び位相とを用いて所定の演算を行って得られる振幅及び位相である。

或いは、本発明の一態様によるガス分析システムは、前記記憶部に記憶される前記第２成分の振幅及び位相が、前記レーザ光の光路長が予め規定された基準長に設定された状態のときに、前記検出部で検出される前記第１成分の振幅及び位相であり、前記演算部が、前記レーザ光の光路長が前記基準長に設定されない状態のときに前記検出部で検出される前記基本成分の位相と、前記レーザ光の光路長が前記基準長に設定された状態のときに前記検出部で検出される前記基本成分の位相との差に基づいて、前記レーザ光の光路長が前記基準長に設定されない状態のときに前記検出部で検出される前記第１成分の位相を補正した上で、前記第１成分から前記第２成分を除去する演算を行って前記第３成分を求める。

本発明の一態様によるガス分析方法は、所定の変調周波数（ｆ）で変調されたレーザ光を射出する第１ステップと、測定対象ガス（ＧＳ）を介した前記レーザ光を受光して受光信号を得る第２ステップと、前記受光信号に含まれる前記変調周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有する成分である第１成分から、前記レーザ光の光路で生ずる光学干渉ノイズの前記第１成分と同じ周波数の成分である第２成分を除去して第３成分を得る第３ステップ（Ｓ１４、Ｓ２５）と、前記第３成分の大きさに基づいて前記測定対象ガスの濃度を求める第４ステップ（Ｓ１５，Ｓ２６）と、を有する。

また、本発明の一態様によるガス分析方法は、前記測定対象ガスの測定に先立って、予め前記第２成分を求めるステップ（Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２）を更に備える。

本発明によれば、測定対象ガスの濃度の検出限界を改善できるという効果がある。

本発明の第１実施形態によるガス分析システムの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態において、演算部で行われる処理を説明するための図である。 本発明の第１実施形態によるガス分析方法を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態によるガス分析システムの測定結果を示す図である。 本発明の第２実施形態における２ｆノイズ成分を求める方法を説明するための図である。 本発明の第３実施形態によるガス分析方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態によるガス分析システム及びガス分析方法について詳細に説明する。以下では、まず本実施形態の概要について説明し、その後に各実施形態の詳細について説明する。

〔概要〕
本発明の実施形態は、測定対象ガスの濃度の検出限界を改善できるようにするものである。具体的には、測定対象ガスの濃度が低い場合であっても、測定対象ガスの濃度を高い精度で測定することができるようにするものである。つまり、理論的に求められる検出限界付近においても、測定対象ガスの濃度を高い精度で測定することができるようにするものである。

波長変調分光法において、検出される２倍波成分（２ｆ成分）の振幅の大きさは以下の（１）式で表される。

上記（１）式において、Ｉ_ｓは２ｆ成分の振幅の大きさ（ＲＭＳ：二乗平均平方根）である。また、ｓは受光素子の感度を示す係数であり、Ｐ_ｄｃはレーザ光の受光パワーであり、ｋ_２はレーザ光の変調周波数で決まる定数である。また、α_０は測定対象ガスの中心波長における吸光度であり、Ｃ_Ｒは測定対象ガスのガス濃度である。

また、検出される２ｆ成分のノイズＩ_Ｎは、以下の（２）式で表される。

上記（２）式において、ＲＩＮはレーザ光源の相対強度雑音（Relative Intensity Noise）であり、Ｉ_ｄａｒｋは受光素子の暗電流である。また、eは電気素量であり、ｋ_Ｂはボルツマン定数であり、Ｔは受光素子の温度であり、Ｒ_ｓｈは受光素子の並列抵抗であり、Δｔは２ｆ成分の検出に用いられるロックインアンプの時定数である。

信号対雑音比（ＳＮ比：Signal-Noise ratio）が「１」であるときの、測定対象ガスの濃度の検出限界Ｃ_Ｒ ^{ｌｉｍｉｔ}は、以下の（３）式で示される。

ここで、２ｆ成分のノイズＩ_Ｎを示す上記（２）式、測定対象ガスの濃度の検出限界Ｃ_Ｒ ^{ｌｉｍｉｔ}を示す上記（３）式では、光学干渉ノイズが考慮されていない。光学干渉ノイズは、レーザ光が、レンズ等の光学素子、窓、薄膜等を通過する際に発生するものである。例えば、光学干渉ノイズは、光学素子等の内部において多重反射したレーザ光が干渉することによって生ずるものであり、その大きさは、レーザ光の波長や光学素子等の厚みに依存して周期的に変化する。このため、例えば、光学素子等の厚みによって、光学干渉ノイズの半値全幅と測定対象ガスの吸収スペクトルの半値全幅とが同程度になる場合には、光学干渉ノイズと測定対象ガスの吸収スペクトルとを分離することが困難になる。

このような光学干渉ノイズは、例えば、以下に示す対策（光学的な対策）を施すことによって、取り除く（或いは、低減する）ことが可能である。
・原因となる光学素子等の入射面及び射出面に反射防止膜（ＡＲ膜）を形成する
・原因となる光学素子等のレーザ光の光路に対する入射面及び射出面を傾ける
・吸収スペクトルのＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum：半値全幅）と光学干渉の周期が同程度にならないように設計する
しかしながら、これらの対策を施すには、コストの増加、構成の複雑化、設計自由度の低下、調整の煩雑化等のデメリットが生ずる。

本発明の実施形態では、まず、所定の変調周波数で変調されたレーザ光を射出し、測定対象ガスを介したレーザ光を受光して受光信号を得る。次に、受光信号に含まれる変調周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有する成分である第１成分から、レーザ光の光路で生ずる光学干渉ノイズの第１成分と同じ周波数の成分である第２成分を除去して第３成分を得る。そして、第３成分の大きさに基づいて測定対象ガスの濃度を求める。これにより、コストの増加、構成の複雑化、設計自由度の低下、調整の煩雑化等のデメリットが生ずることなく、測定対象ガスの濃度の検出限界を改善できる。

〔第１実施形態〕
〈ガス分析システム〉
図１は、本発明の第１実施形態によるガス分析システムの要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態のガス分析システム１は、ガス分析装置１０及び信号処理装置２０（処理部）を備えており、波長変調分光法を用いて測定対象ガスＧＳの濃度を測定する。具体的に、本実施形態のガス分析システム１は、変調周波数ｆで変調されたレーザ光を測定対象ガスＧＳに照射し、検出される２倍波成分（２ｆ成分）に基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を測定する。

ガス分析装置１０は、信号発生器１１、駆動回路１２、半導体レーザ１３（発光素子）、光増幅器１４、レンズ１５、レンズ１６、光検出器１７（受光素子）、アンプ１８、及びロックインアンプ１９（検出部）を備える。このようなガス分析装置１０は、測定対象ガスＧＳに照射するレーザ光の射出、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光の受光、受光信号に含まれる変調周波数ｆの成分（１ｆ成分）及び２ｆ成分の検出等を行う。

信号発生器１１は、信号処理装置２０の制御の下で、駆動回路１２を制御するための制御信号ＣＳと、ロックインアンプ１９で用いられる参照信号ＲＳとを出力する。信号発生器１１から出力される参照信号ＲＳは、信号発生器１１から出力される制御信号ＣＳに同期している。この信号発生器１１としては、例えば、任意波形発生器やファンクションジェネレータ等を用いることができる。

駆動回路１２は、信号発生器１１から出力される制御信号ＣＳに基づいて、半導体レーザ１３を駆動するための駆動信号を出力する。駆動回路１２から出力される駆動信号は、例えば、一定の大きさ（振幅）を有する直流電流に対し、変調周波数ｆの交流電流が重畳された信号である。尚、変調周波数ｆの交流電流は、例えば、正弦波状のものであっても、正弦波状以外のものであっても良い。

半導体レーザ１３は、駆動回路１２から出力される駆動信号によって駆動され、測定対象ガスＧＳに照射するレーザ光を射出する。半導体レーザ１３から射出されるレーザ光は、例えば、変調の中心波長が測定対象ガスＧＳの吸収スペクトルの中心波長とされ、波長変調幅（変調周波数ｆ）が測定対象ガスＧＳの吸収スペクトルのＦＷＨＭの２．２倍とされたレーザ光である。半導体レーザ１３から射出されるレーザ光の波長変調幅（変調周波数ｆ）は、測定対象ガスＧＳの吸収スペクトルのＦＷＨＭの１倍以上、好ましくは２倍以上、又は１０倍以上でも良い。尚、半導体レーザ１３として、例えば、ＱＣＬ（Quantum Cascade Laser：量子カスケードレーザ）、又はＩＣＬ（Interband Cascade Laser：インターバンドカスケードレーザ）を用いることができる。

光増幅器１４は、半導体レーザ１３から射出されたレーザ光を増幅する。この光増幅器１４としては、例えば、光ファイバ増幅器（ＯＦＡ：Optical Fiber Amplifier）又は半導体光増幅器 (ＳＯＡ: Semiconductor Optical Amplifiers) 等を用いることができる。レンズ１５は、光増幅器１４を介したレーザ光を、平行光に変換する。このようなレンズ１５としては、コリメートレンズを用いることができる。尚、光増幅器１４を介したレーザ光を平行光に変換できるのであれば、レンズ１５に代えて、他の光学素子（例えば、放物面鏡）を用いることもできる。

レンズ１５でコリメートされたレーザ光は、測定対象ガスＧＳに照射される。測定対象ガスＧＳに照射されたレーザ光のうち、測定対象ガスＧＳを透過したレーザ光は、壁等の散乱体ＳＭで反射された後に、測定対象ガスＧＳを再び透過してレンズ１６に入射する。尚、ガス分析装置１０と散乱体ＳＭとの間の距離は、任意の距離で良いが、例えば、１００［ｍ］程度以下に設定される。

レンズ１６は、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光を光検出器１７に集光する。このようなレンズ１６としては、集光レンズを用いることができる。尚、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光を光検出器１７に集光できるのであれば、レンズ１６に代えて、他の光学素子（例えば、放物面鏡）を用いることもできる。光検出器１７は、レンズ１６で集光されたレーザ光を電気信号に変換し、受光信号として出力する。この光検出器１７として、例えば、ＰＤ（PhotoDiode）を用いることができる。

アンプ１８は、光検出器１７から出力される受光信号を増幅する。アンプ１８の増幅率は、例えば、光検出器１７に入射するレーザ光の強度に応じて、適切な増幅率に設定される。光検出器１７がＰＤである場合には、アンプ１８として、光検出器１７から受光信号として出力される光電流を電圧に変換するＩＶ変換回路を用いることができる。

ロックインアンプ１９は、信号発生器１１から出力される参照信号ＲＳを用いて、アンプ１８で増幅された受光信号から特定の周波数成分を検出する。具体的に、ロックインアンプ１９は、信号発生器１１から出力される参照信号ＲＳを用いて、位相敏感検波（ＰＳＤ：Phase Sensitive Detection）を行って、アンプ１８で増幅された受光信号から１ｆ成分（基本成分）と２ｆ成分（第１成分）とを検出する。

信号処理装置２０は、記憶部２１、演算部２２、及び出力部２３を備えており、ガス分析装置１０の動作を制御し、ガス分析装置１０の検出結果（ロックインアンプ１９の検出結果）を用いて測定対象ガスＧＳの濃度を測定する。信号処理装置２０は、例えば、パーソナルコンピュータ等のコンピュータによって実現される。

記憶部２１は、半導体レーザ１３から光検出器１７に至るレーザ光の光路で生ずる光学干渉ノイズの所定の成分（第２成分）を記憶する。具体的に、記憶部２１は、光学干渉ノイズの成分のうち、２ｆ成分と同じ周波数の成分（以下、「２ｆノイズ成分」という）の振幅Ｒ_０及び位相θ_０を記憶する。尚、位相θ_０は、信号発生器１１から出力される参照信号ＲＳの位相を基準とした位相である。ここで、記憶部２１に記憶される振幅Ｒ_０及び位相θ_０は、例えば、ガス分析装置１０から射出されるレーザ光の光路上に測定対象ガスＧＳが存在しない（或いは、レーザ光の光路上における測定対象ガスＧＳの濃度が十分低い）状態のときに、ロックインアンプ１９で検出される２ｆ成分の振幅及び位相である。ここで「測定対象ガスＧＳの濃度が十分低い」とは、レーザ光の光路上における測定対象ガスＧＳの濃度が、濃度測定時におけるレーザ光の光路上における測定対象ガスＧＳの濃度よりも十分低いことをいい、ガス分析システム１の検出限界よりも低い濃度であることが好ましい。

演算部２２は、ガス分析装置１０の検出結果（ロックインアンプ１９の検出結果）と、記憶部２１に記憶された２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０及び位相θ_０とを用いて、測定対象ガスＧＳの濃度を求める。具体的に、演算部２２は、ロックインアンプ１９で検出された２ｆ成分の振幅Ｒ_２ｆ及び位相θ_２ｆから、記憶部２１に記憶された２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０及び位相θ_０を除去する演算を行う。これにより、演算部２２は、２ｆ成分から２ｆノイズ成分が除去された成分（以下、「ノイズ除去２ｆ成分」という：第３成分）の振幅Ｒ′_２ｆを求める。

例えば、演算部２２は、以下の（４）式に示される演算を行って、ノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆを求める。

図２は、本発明の第１実施形態において、演算部で行われる処理を説明するための図である。図２示すグラフは、ロックインアンプ１９のＸ出力を横軸にとり、Ｙ出力を縦軸にとったグラフである。尚、図２に示すグラフは、横軸が実軸であり、縦軸が虚軸である複素平面のグラフと見ることもできる。図２において、２ｆ成分はベクトルＶ_２ｆで表されており、２ｆノイズ成分はベクトルＶ_０で表されている。また、ノイズ除去２ｆ成分はベクトルＶ′_２ｆで表されている。

尚、ベクトルＶ_２ｆの長さは２ｆ成分の振幅Ｒを示しており、正の実軸に対するベクトルＶ_２ｆの反時計回りの回転角度は２ｆ成分の位相θを示している。また、ベクトルＶ_０の長さは２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０を示しており、正の実軸に対するベクトルＶ_０の反時計回りの回転角度は２ｆ成分の位相θ_０を示している。同様に、ベクトルＶ′_２ｆの長さはノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆを示しており、正の実軸に対するベクトルＶ′_２ｆの反時計回りの回転角度はノイズ除去２ｆ成分の位相を示している。

図２に示す通り、ロックインアンプ１９で検出される２ｆ成分（図２中のベクトルＶ_２ｆ）は、ノイズ除去２ｆ成分（図２中のベクトルＶ′_２ｆ）と、２ｆノイズ成分（ベクトルＶ_０）との和で表される。尚、ノイズ除去２ｆ成分（図２中のベクトルＶ′_２ｆ）は、２ｆノイズ成分の影響を受けていない本来の２ｆ成分である。演算部２２は、前述した（４）式を用いて、ロックインアンプ１９で検出される２ｆ成分（図２中のベクトルＶ_２ｆ）からベクトルＶ_０を減算して、本来の２ｆ成分（図２中のベクトルＶ′_２ｆ）の長さ（ノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆ）を求めている。

また、演算部２２は、ロックインアンプ１９で検出された１ｆ成分の振幅Ｒ_１ｆに対する、ノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆの比（Ｒ′_２ｆ／Ｒ_１ｆ）に基づいて、測定対象ガスＧＳの濃度を測定する。ここで、上記の比に基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を測定するのは、測定対象ガス以外の要因によるレーザ光の受光光量の変動の影響を低減するためである。

出力部２３は、演算部２２の演算結果を外部に出力する。例えば、出力部２３は、演算部２２で測定された測定対象ガスＧＳの濃度を示す情報を出力する。尚、出力部２３は、測定対象ガスＧＳの濃度を示す情報以外に、２ｆ成分を示す情報、１ｆ成分を示す情報、２ｆノイズ成分を示す情報、その他の各種情報を出力しても良い。出力部２３は、これらの情報を示す信号を外部に出力するものであっても良く、これらの情報を表示することで外部に出力するものであっても良い。

〈ガス分析方法〉
図３は、本発明の第１実施形態によるガス分析方法を示すフローチャートである。まず、測定対象ガスＧＳの測定に先立って、２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０及び位相θ_０を取得する処理が行われる。

具体的には、測定対象ガスＧＳが存在しない状態のときに、変調周波数ｆで変調されたレーザ光を射出し、散乱体ＳＭで反射されたレーザ光を光検出器１７で検出し、光検出器１７から出力される受光信号をロックインアンプ１９で検出する処理が、ガス分析装置１０で行われる。そして、ロックインアンプ１９で検出された２ｆ成分の振幅及び位相を取得し（ステップＳ１１）、取得した２ｆ成分の振幅及び位相を振幅Ｒ_０及び位相θ_０として記憶部２１に記憶させる処理が信号処理装置２０で行われる（ステップＳ１２）。

次に、測定対象ガスＧＳの測定が行われる。具体的には、測定対象ガスＧＳが存在している状態で、変調周波数ｆで変調されたレーザ光を射出し（第１ステップ）、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光を光検出器１７で検出して受光信号を得て（第２ステップ）、受光信号をロックインアンプ１９で検出する処理が、ガス分析装置１０で行われる。そして、ロックインアンプ１９で検出された測定対象ガスの１ｆ成分の振幅Ｒ_１ｆと、２ｆ成分の振幅Ｒ_２ｆ及び位相θ_２ｆとを取得する処理が信号処理装置２０で行われる（ステップＳ１３）。

次いで、前述した式（４）式に示される演算を行って、ノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆを算出する処理が演算部２２で行われる（ステップＳ１４：第３ステップ）。具体的には、ステップＳ１２で記憶部２１に記憶された振幅Ｒ_０及び位相θ_０と、ステップＳ１３で取得した２ｆ成分の振幅Ｒ_２ｆ及び位相θ_２ｆとを、前述した式（４）式に代入してノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆを算出する処理が演算部２２で行われる。

続いて、ステップＳ１３で得られた１ｆ成分の振幅Ｒ_１ｆに対するノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆの比（Ｒ′_２ｆ／Ｒ_１ｆ）を求めて、測定対象ガスＧＳの濃度を算出する処理が演算部２２で行われる（ステップＳ１５：第４ステップ）。そして、演算部２２で測定された測定対象ガスＧＳの濃度を示す情報が出力部２３から出力される。以降、ステップＳ１３～Ｓ１５の処理が、予め規定された一定の時間間隔をもって繰り返し行われる。

図４は、本発明の第１実施形態によるガス分析システムの測定結果を示す図である。図４に示す測定結果は、測定対象ガスとしてメタン(ＣＨ_４）ガスを測定した結果であって、図４（ａ）は、本実施形態のガス分析システム１の測定結果を示す図であり、図４（ｂ）は、従来のガス分析システムの測定結果を示す図である。尚、図４（ａ）に示す測定結果は、ノイズ除去２ｆ成分と１ｆ成分との振幅比（Ｒ′_２ｆ／Ｒ_１ｆ）とメタンガスの濃度との関係を示すものであり、図４（ｂ）に示す測定結果は、２ｆ成分と１ｆ成分との振幅比（Ｒ_２ｆ／Ｒ_１ｆ）とメタンガスの濃度との関係を示すものである。

図４（ｂ）に示す測定結果を参照すると、濃度が１００［ｐｐｍｍ］以下になると、２ｆ成分と１ｆ成分との振幅比（Ｒ_２ｆ／Ｒ_１ｆ）とメタンガスの濃度との関係を示すグラフの直線性が崩れている。これにより、従来は、濃度が１００［ｐｐｍｍ］以下になると測定対象ガスの濃度を精度良く測定できていないことが分かる。これに対し、図４（ａ）に示す測定結果を参照すると、濃度が１００［ｐｐｍｍ］以下であってもノイズ除去２ｆ成分と１ｆ成分との振幅比（Ｒ′_２ｆ／Ｒ_１ｆ）とメタンガスの濃度との関係を示すグラフの直線性が保たれている。これにより、本実施形態では、測定対象ガスの濃度が低くとも、測定対象ガスの濃度を高い精度で測定できていることが分かる。

以上の通り、本実施形態では、まず、所定の変調周波数ｆで変調されたレーザ光を射出し、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光を受光して受光信号を得ている。次に、受光信号に含まれる２ｆ成分から、レーザ光の光路で生ずる２ｆノイズ成分を除去してノイズ除去２ｆ成分を得ている。そして、ノイズ除去２ｆ成分の大きさに基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を求めている。これにより、コストの増加、構成の複雑化、設計自由度の低下、調整の煩雑化等のデメリットが生ずることなく、測定対象ガスＧＳの濃度の検出限界を改善できる。

このように、本実施形態では、振幅の情報だけでなく位相の情報も用いることで、光学干渉ノイズ等の位相が決まった成分を除去することが可能となる。これにより、半導体レーザ１３のＲＩＮ（相対強度雑音）やアンプ１８等の回路の白色雑音で決まる検出限界レベルまで、測定対象ガスＧＳの濃度を精度良く測定することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態におけるガス分析システムは、図１に示すガス分析システム１と同様の構成である。本実施形態と上述した第１実施形態とが異なる点は、２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０及び位相θ_０の取得方法である。つまり、本実施形態と第１実施形態とは、図３に示すステップＳ１１，Ｓ１２の処理が異なる。

上述した第１実施形態では、図３に示すステップＳ１１の処理にて、ガス分析装置１０から射出されるレーザ光の光路上に測定対象ガスＧＳが存在しない状態のときに、ロックインアンプ１９で検出される２ｆ成分の振幅及び位相を取得していた。そして、図３に示すステップＳ１１の処理にて、取得した２ｆ成分の振幅及び位相を、２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０及び位相θ_０として記憶部２１に記憶していた。

これに対し、本実施形態では、レーザ光の光路上に既知の第１濃度の測定対象ガスＧＳが存在する状態のときにロックインアンプ１９で検出される２ｆ成分の振幅及び位相を取得する。また、レーザ光の光路上に既知の第２濃度の測定対象ガスＧＳが存在する状態のときにロックインアンプ１９で検出される２ｆ成分の振幅及び位相を取得する。そして、取得した２つの振幅及び位相と、測定対象ガスＧＳの濃度（第１濃度、第２濃度）とを用いて演算により、２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０及び位相θ_０を求めるものである。

尚、２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０及び位相θ_０を求める際には、測定対象ガスＧＳが封入された２種類のガスセルを、レーザ光の光路上に配置するのが望ましい。具体的には、上述した第１濃度の測定対象ガスＧＳが封入されたガスセルと、上述した第２濃度の測定対象ガスＧＳが封入されたガスセルとを交互にレーザ光の光路上に配置して、ロックインアンプ１９で検出される２ｆ成分の振幅及び位相を取得するのが望ましい。

図５は、本発明の第２実施形態における２ｆノイズ成分を求める方法を説明するための図である。尚、図５においては、図２と同様に、ロックインアンプ１９のＸ出力を横軸にとり、Ｙ出力を縦軸にとってある。尚、図５に示すグラフは、図２と同様に、横軸が実軸であり、縦軸が虚軸である複素平面のグラフと見ることもできる。

図５において、レーザ光の光路上に既知の第１濃度の測定対象ガスＧＳが存在する状態のときにロックインアンプ１９で検出される２ｆ成分は、ベクトルＶ１_２ｆで表されている。また、レーザ光の光路上に既知の第２濃度の測定対象ガスＧＳが存在する状態のときにロックインアンプ１９で検出される２ｆ成分は、ベクトルＶ２_２ｆで表されている。また、２ｆノイズ成分はベクトルＶ_０で表されている。

尚、図５中のベクトルＶ１′_２ｆは、第１濃度の測定対象ガスＧＳが存在する状態のときの、２ｆノイズ成分の影響を受けていない本来の２ｆ成分を示している。また、ベクトルＶ２′_２ｆは、第２濃度の測定対象ガスＧＳが存在する状態のときの、２ｆノイズ成分の影響を受けていない本来の２ｆ成分を示している。ベクトルＶ１′_２ｆの長さ（振幅）は、測定対象ガスＧＳの第１濃度に応じた長さになる。同様に、ベクトルＶ２′_２ｆの長さ（振幅）は、測定対象ガスＧＳの第２濃度に応じた長さになる。測定対象ガスＧＳの第１濃度をｄ１、測定対象ガスＧＳの第２濃度をｄ２とする。

信号処理装置２０は、以下に示す（５）式に示される演算を行って、２ｆノイズ成分（ベクトルＶ_０）を求めている。

尚、ベクトルＶ_０の長さが２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０であり、正の実軸に対するベクトルＶ_０の反時計回りの回転角度が２ｆノイズ成分の位相θ_０である。このようにして求められた２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０及び位相θ_０は、記憶部２１に記憶される。

以上の通り、本実施形態と上述した第１実施形態とは、２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０及び位相θ_０の取得方法が異なるのみである。本実施形態においても、第１実施形態と同様に、受光信号に含まれる２ｆ成分から、レーザ光の光路で生ずる２ｆノイズ成分を除去してノイズ除去２ｆ成分を得て、ノイズ除去２ｆ成分の大きさに基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を求めている。これにより、コストの増加、構成の複雑化、設計自由度の低下、調整の煩雑化等のデメリットが生ずることなく、測定対象ガスＧＳの濃度の検出限界を改善できる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態におけるガス分析システムは、図１に示すガス分析システム１と同様の構成である。本実施形態と上述した第１実施形態とが異なる点は、２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０及び位相θ_０の取得方法と、演算部２２で行われるノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆを算出する処理とが異なる。本実施形態は、変調周波数が高く、且つ測定距離（レーザ光の光路長）が様々に変化する場合に対応したものである。

変調周波数が高く、且つ測定距離（レーザ光の光路長）が様々に変化する場合には、ロックインアンプ１９で用いられている参照信号ＲＳに対するレーザ光（光検出器１７で検出されるレーザ光）の位相が変化する。本実施形態は、このような位相変化を補正することで、測定対象ガスＧＳの濃度の検出限界を改善できるようにしたものである。

本実施形態において、記憶部２１は、レーザ光の光路長が、予め規定された基準長（例えば、０［ｍ］）に設定された場合の１ｆ成分の位相θ_０１ｆと、２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０２ｆ及び位相θ_０２ｆとを記憶する。尚、本実施形態では、第１，第２実施形態における２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０及び位相θ_０と特別するために、２ｆノイズ成分の振幅及び位相を振幅Ｒ_０２ｆ及び位相θ_０２ｆと表記している。位相θ_０１ｆ，θ_０２ｆは、信号発生器１１から出力される参照信号ＲＳの位相を基準とした位相である。

本実施形態において、演算部２２は、レーザ光の光路長が基準長に設定されないときに得られる１ｆ成分の位相θ_１ｆと、レーザ光の光路長が基準長に設定されたときに得られる１ｆ成分の位相θ_０１ｆとの位相差φを算出する。また、演算部２２は、ガス分析装置１０の検出結果（ロックインアンプ１９の検出結果）と、記憶部２１に記憶された２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０２ｆ及び位相θ_０２ｆとを用いて、測定対象ガスＧＳの濃度を求める。

具体的に、演算部２２は、ロックインアンプ１９で検出された２ｆ成分の振幅Ｒ_２ｆ及び位相θ_２ｆから、記憶部２１に記憶された２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０２ｆ及び位相θ_０２ｆを除去する演算を行う。このとき、演算部２２は、上記の１ｆ成分の位相差φを考慮して、２ｆ成分の位相θ_２ｆの補正を行う。

例えば、演算部２２は、以下の（６）式に示される演算を行って、ノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆを求める。

図６は、本発明の第３実施形態によるガス分析方法を示すフローチャートである。まず、測定対象ガスＧＳの測定に先立って、レーザ光の光路長が基準長に設定されたときの１ｆ成分の位相θ_０１ｆと、２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０２ｆ及び位相θ_０２ｆを取得する処理が行われる。尚、レーザ光の光路長を基準長にする方法としては、例えば、レーザ光の光路上に治具を配置する方法が挙げられる。

具体的には、レーザ光の光路長が基準長に設定された状態で、変調周波数ｆで変調されたレーザ光を射出し、例えば、治具によって反射されたレーザ光を光検出器１７で検出し、光検出器１７から出力される受光信号をロックインアンプ１９で検出する処理が、ガス分析装置１０で行われる。そして、ロックインアンプ１９で検出された１ｆ成分の位相と、２ｆ成分の振幅及び位相とを取得する処理が信号処理装置２０で行われる（ステップＳ２１）。また、取得した１ｆ成分の位相を位相θ_０１ｆとして記憶部２１に記憶させ、取得した２ｆ成分の振幅及び位相を振幅Ｒ_０２ｆ及び位相θ_０２ｆとして記憶部２１に記憶させる処理が信号処理装置２０で行われる（ステップＳ２２）。

次に、測定対象ガスＧＳの測定が行われる。例えば、上述した治具がレーザ光の光路上から取り除かれ、レーザ光の光路上に測定対象ガスＧＳが存在している状態で、変調周波数ｆで変調されたレーザ光を射出し（第１ステップ）、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光を光検出器１７で検出して受光信号を得て（第２ステップ）、受光信号をロックインアンプ１９で検出する処理が、ガス分析装置１０で行われる。そして、ロックインアンプ１９で検出された測定対象ガスの１ｆ成分の振幅Ｒ_１ｆ及び位相θ_１ｆと、２ｆ成分の振幅Ｒ_２ｆ及び位相θ_２ｆとを取得する処理が信号処理装置２０で行われる（ステップＳ２３）。

次いで、ステップＳ２３で取得された１ｆ成分の位相θ_１ｆと、記憶部２１に記憶された１ｆ成分の位相θ_０１ｆとの位相差φを算出する処理が演算部２２で行われる（ステップＳ２４）。続いて、前述した式（６）式に示される演算を行って、１ｆ成分の位相差φを考慮しつつ、ノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆを算出する処理が演算部２２で行われる（ステップＳ２５：第３ステップ）。具体的には、ステップＳ２２で記憶部２１に記憶された振幅Ｒ_０２ｆ及び位相θ_０２ｆと、ステップＳ２３で取得した２ｆ成分の振幅Ｒ_２ｆ及び位相θ_２ｆと、ステップＳ１４で算出した位相差φとを、前述した式（６）式に代入してノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆを算出する処理が演算部２２で行われる。

続いて、ステップＳ２３で得られた１ｆ成分の振幅Ｒ_１ｆに対するノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆの比（Ｒ′_２ｆ／Ｒ_１ｆ）を求めて、測定対象ガスＧＳの濃度を算出する処理が演算部２２で行われる（ステップＳ２６：第４ステップ）。そして、演算部２２で測定された測定対象ガスＧＳの濃度を示す情報が出力部２３から出力される。以降、ステップＳ２３～Ｓ２６の処理が、予め規定された一定の時間間隔をもって繰り返し行われる。

以上の通り、本実施形態と上述した第１実施形態とは、２ｆノイズ成分の振幅Ｒ_０２ｆ及び位相θ_０２ｆの取得方法と、演算部２２で行われるノイズ除去２ｆ成分の振幅Ｒ′_２ｆを算出する処理とが異なるのみである。本実施形態においても、第１実施形態と同様に、受光信号に含まれる２ｆ成分から、レーザ光の光路で生ずる２ｆノイズ成分を除去してノイズ除去２ｆ成分を得て、ノイズ除去２ｆ成分の大きさに基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を求めている。これにより、コストの増加、構成の複雑化、設計自由度の低下、調整の煩雑化等のデメリットが生ずることなく、測定対象ガスＧＳの濃度の検出限界を改善できる。

また、本実施形態では、レーザ光の光路長が基準長に設定されないときに得られる１ｆ成分の位相θ_１ｆと、レーザ光の光路長が基準長に設定されたときに得られる１ｆ成分の位相θ_０１ｆとの位相差φを算出し、２ｆ成分の位相θ_２ｆの補正を行ようにしている。これにより、変調周波数が高く、且つ測定距離（レーザ光の光路長）が様々に変化する場合であっても、測定対象ガスＧＳの濃度の検出限界を改善ができる。

以上、本発明の実施形態によるガス分析システム及びガス分析方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、レーザ光の変調周波数ｆの２倍波成分（２ｆ成分）に基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を測定する場合について説明した。しかしながら、レーザ光の変調周波数ｆのｎ倍波成分（ｎは３以上の整数)に基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を測定しても良い。

また、上記実施形態では、光検出器１７から出力される受光信号に含まれる１ｆ成分及び２ｆ成分をロックインアンプ１９で検出する例について説明した。しかしながら、ロックインアンプ１９を省略するとともに、ロックインアンプ１９の機能を信号処理装置２０に実装し、受光信号に含まれる１ｆ成分及び２ｆ成分を信号処理部で検出するようにしても良い。或いは、ロックインアンプ１９の機能に代えて、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）の機能を信号処理装置２０に実装し、受光信号に含まれる１ｆ成分及び２ｆ成分を信号処理部で検出するようにしても良い。

尚、上述した実施形態のガス分析システムに設けられる信号処理装置２０の機能は、それらの機能を実現するプログラムをコンピュータにインストールすることによりソフトウェア的に実現されても良い。つまり、信号処理装置２０の機能は、ソフトウェアとハードウェア資源とが協働することによって実現されても良い。尚、信号処理装置２０の機能は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。

１ ガス分析システム
１３ 半導体レーザ
１７ 光検出器
１９ ロックインアンプ
２０ 信号処理装置
２１ 記憶部
２２ 演算部
ｆ 変調周波数
ＧＳ 測定対象ガス

Claims (7)

1. 所定の変調周波数で変調されたレーザ光を射出する発光素子と、
   測定対象ガスを介した前記レーザ光を受光する受光素子と、
   前記受光素子から出力される受光信号に含まれる前記変調周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有する成分である第１成分の振幅及び位相を検出する検出部と、
   前記発光素子から前記受光素子に至る前記レーザ光の光路で生ずる光学干渉ノイズの前記第１成分と同じ周波数の成分である第２成分の振幅及び位相を記憶する記憶部と、前記第１成分から前記第２成分を除去して得られる第３成分の大きさに基づいて前記測定対象ガスの濃度を求める演算部と、備える処理部と、
   を備え、
   前記演算部は、前記検出部で検出された前記第１成分の振幅及び位相と、前記記憶部に記憶された前記第２成分の振幅及び位相とを用いて、前記第１成分から前記第２成分を除去する演算を行って前記第３成分を求める、
   ガス分析システム。
2. 前記検出部は、前記第１成分に加えて、前記受光信号に含まれる前記変調周波数と同じ周波数を有する成分である基本成分を検出し、
   前記演算部は、前記基本成分の振幅に対する前記第３成分の振幅の比に基づいて前記測定対象ガスの濃度を求める、
   請求項１記載のガス分析システム。
3. 前記記憶部に記憶される前記第２成分の振幅及び位相は、前記レーザ光の光路上に前記測定対象ガスが存在しない状態又は前記レーザ光の光路上における前記測定対象ガスの濃度が十分低い状態のときに、前記検出部で検出される前記第１成分の振幅及び位相である、請求項１又は請求項２記載のガス分析システム。
4. 前記記憶部に記憶される前記第２成分の振幅及び位相は、前記レーザ光の光路上に既知の第１濃度の前記測定対象ガスが存在する状態のときに前記検出部で検出される前記第１成分の振幅及び位相と、前記レーザ光の光路上に既知の第２濃度の前記測定対象ガスが存在する状態のときに前記検出部で検出される前記第１成分の振幅及び位相とを用いて所定の演算を行って得られる振幅及び位相である、請求項１又は請求項２記載のガス分析システム。
5. 前記記憶部に記憶される前記第２成分の振幅及び位相は、前記レーザ光の光路長が予め規定された基準長に設定された状態のときに、前記検出部で検出される前記第１成分の振幅及び位相であり、
   前記演算部は、前記レーザ光の光路長が前記基準長に設定されない状態のときに前記検出部で検出される前記基本成分の位相と、前記レーザ光の光路長が前記基準長に設定された状態のときに前記検出部で検出される前記基本成分の位相との差に基づいて、前記レーザ光の光路長が前記基準長に設定されない状態のときに前記検出部で検出される前記第１成分の位相を補正した上で、前記第１成分から前記第２成分を除去する演算を行って前記第３成分を求める、
   請求項２記載のガス分析システム。
6. 所定の変調周波数で変調されたレーザ光を射出する第１ステップと、
   測定対象ガスを介した前記レーザ光を受光して受光信号を得る第２ステップと、
   前記受光信号に含まれる前記変調周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有する成分である第１成分の振幅及び位相を検出する第３ステップと、
   前記レーザ光の光路で生ずる光学干渉ノイズの前記第１成分と同じ周波数の成分である第２成分の振幅及び位相を記憶する第４ステップと、
   前記第１成分から前記第２成分を除去して第３成分を得る第５ステップと、
   前記第３成分の大きさに基づいて前記測定対象ガスの濃度を求める第６ステップと、
   を有し、
   前記第５ステップは、前記第３ステップで検出された前記第１成分の振幅及び位相と、前記第４ステップで記憶された前記第２成分の振幅及び位相とを用いて、前記第１成分から前記第２成分を除去する演算を行って前記第３成分を求める、
   ガス分析方法。
7. 前記測定対象ガスの測定に先立って、予め前記第２成分を求めるステップを更に備える、請求項６記載のガス分析方法。

Images