JP7437022B2 - gas analyzer - Google Patents

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Description

本発明はレーザ式ガス分析装置に関し、特に、レーザ周波数が調整できるレーザ式ガス分析装置に関する。 The present invention relates to a laser gas analyzer, and more particularly to a laser gas analyzer whose laser frequency can be adjusted.

レーザ方式のガス分析装置では、使用するレーザ周波数を分析対象ガスの吸収線付近で制御する必要がある。この制御はレーザ発振素子が半導体である場合、レーザ発振素子に印加する駆動電圧(駆動電流に比例)と当該レーザ発振素子の温度を制御して行われる。 In a laser-type gas analyzer, it is necessary to control the laser frequency used near the absorption line of the gas to be analyzed. When the laser oscillation element is a semiconductor, this control is performed by controlling the drive voltage (proportional to the drive current) applied to the laser oscillation element and the temperature of the laser oscillation element.

従って、レーザ周波数と前記レーザ発振素子の駆動電流や温度との関係を事前に調べておき、目的とする周波数でレーザが発振するように駆動電流や温度の値を設定する。しかしながら、駆動電流や温度の値を適切に設定しても、レーザ特性は経時的に変化し、これによって、レーザの発振周波数がシフトしていく現象がみられる。高精度な測定を行うには、このシフトを定期的に補正する必要がある。 Therefore, the relationship between the laser frequency and the drive current and temperature of the laser oscillation element is investigated in advance, and the values of the drive current and temperature are set so that the laser oscillates at the desired frequency. However, even if the drive current and temperature values are set appropriately, the laser characteristics change over time, and this causes a phenomenon in which the oscillation frequency of the laser shifts. To perform highly accurate measurements, it is necessary to periodically correct this shift.

この経時的な発振周波数のシフトを補正するため、波長モニター(特許文献1)や参照用ガスセルを組み込んだガス分析装置(特許文献2)が提案されている。 In order to correct this shift in the oscillation frequency over time, a gas analyzer incorporating a wavelength monitor (Patent Document 1) and a reference gas cell (Patent Document 2) has been proposed.

図5は前記参照用ガスセルを用いた場合の概念図である。 FIG. 5 is a conceptual diagram when the reference gas cell is used.

駆動回路10よりレーザ発振素子1に対して駆動電流対応の所定幅の掃引電圧が印加され、レーザ発振素子1から所定帯域幅のレーザ光が出力される。レーザ発振素子1からのレーザ光は光ファーバーポート5を介して光ファイバー11に導入されスプリッタ15で分岐されて、光ファイバー12を介してコリメータ14で測定セル20に導かれ、また光ファイバー13を介してコリメータ25で参照用ガスセル300に導かれる。 A sweep voltage of a predetermined width corresponding to the drive current is applied to the laser oscillation element 1 from the drive circuit 10, and a laser beam of a predetermined bandwidth is output from the laser oscillation element 1. Laser light from the laser oscillation element 1 is introduced into the optical fiber 11 via the optical fiber port 5, split by the splitter 15, guided via the optical fiber 12 to the measurement cell 20 by the collimator 14, and then via the optical fiber 13 to the collimator. 25 to the reference gas cell 300.

測定セル20を透過したレーザ光は受光素子21で受光され、濃度演算手段100に入力され、対象物質の濃度演算に供される。 The laser beam that has passed through the measurement cell 20 is received by the light receiving element 21, and is input to the concentration calculating means 100, where it is used to calculate the concentration of the target substance.

一方、参照用ガスセル300には既知物質が既知濃度で封入されている。前記のようにコリメータ25で参照用ガスセル300に導かれたレーザ光は、受光素子30で受光され基準値検出手段200に入力される。基準値検出手段200では、前記の既知物質に対応する周波数で、かつ、既知濃度に対応する吸収強度の吸収線を得ることになる。ここで得られる吸収線の中央位置が設定位置よりずれている場合は駆動回路10に補正させるように、前記掃引電圧をコントロールするようになっている。 On the other hand, a known substance is sealed in the reference gas cell 300 at a known concentration. The laser beam guided to the reference gas cell 300 by the collimator 25 as described above is received by the light receiving element 30 and input to the reference value detection means 200. The reference value detection means 200 obtains an absorption line at a frequency corresponding to the known substance and an absorption intensity corresponding to the known concentration. If the center position of the absorption line obtained here deviates from the set position, the sweep voltage is controlled so that the drive circuit 10 corrects it.

一方、大気中の水分については、測定の妨害成分と考えられており、その影響を抑えるために、光路を真空容器内に入れたり、光路に乾燥ガスを導入したりすることが行われている(特許文献3)。 On the other hand, moisture in the atmosphere is considered to be a component that interferes with measurements, and in order to suppress its effects, the optical path is placed in a vacuum container or dry gas is introduced into the optical path. (Patent Document 3).

特開2006-234810号公報Japanese Patent Application Publication No. 2006-234810 特開2008-232920号公報Japanese Patent Application Publication No. 2008-232920 特開2001-41877号公報Japanese Patent Application Publication No. 2001-41877

上記のように波長モニタや参照用ガスセルを組み込んだガス分析装置は、当然のことながらコストデメリットが大きくなり、また、参照用ガスセルを用いた場合は、装置容積が大きく、携帯用には不向きである。更に、参照用ガスセル自体の経年変化(ガス抜け)等があり、保守やそのための経費が掛かるという課題があった。 As mentioned above, a gas analyzer that incorporates a wavelength monitor or a reference gas cell naturally has a large cost disadvantage, and if a reference gas cell is used, the device volume is large, making it unsuitable for portable use. be. Furthermore, there is a problem in that the reference gas cell itself deteriorates over time (gas leakage), which requires maintenance and expenses.

本発明は上記従来の事情に鑑みて提案されたものあって、レーザ周波数を補正するについてのより簡易な方法・構成を提示することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of the above-mentioned conventional circumstances, and an object of the present invention is to present a simpler method and structure for correcting the laser frequency.

本発明は、レーザ装置に設置したレーザ発振素子に、所定幅の駆動電圧を印加してレーザ光を得、当該レーザ光を、前記レーザ装置内に前記レーザ発振素子との間に所定間隔aを保って配置した発振側光ファイバーポートで受け止め、当該光ファイバーポートから光ファイバーを介してコリメータに入力し、当該コリメータから分析対象物質を含むガスを充填した測定セルを通過させることによって、前記分析対象物質の濃度を測定するガス分析装置において、以下の分岐回路と検出器と、中心電圧検出手段と、中心電圧設定手段とを沿備える。 In the present invention, a driving voltage of a predetermined width is applied to a laser oscillation element installed in a laser device to obtain a laser beam, and the laser beam is transmitted within the laser device with a predetermined distance a between the laser oscillation element and the laser oscillation element. The concentration of the analyte is determined by receiving it at the oscillation-side optical fiber port arranged at a constant temperature, inputting it from the optical fiber port to a collimator via an optical fiber, and passing from the collimator through a measurement cell filled with a gas containing the analyte. A gas analyzer for measuring the following includes a branch circuit, a detector, a center voltage detection means, and a center voltage setting means.

前記分岐回路は、前記光ファイバーを2岐に分岐し、前記コリメータへの光ファイバーを一方の光ファイバーとなし、残りの光ファイバーを他方の光ファイバーとなす。前記光検出器は、前記他方の光ファイバーの先端に配置された受光側光ファイバーポートと、当該受光側光ファイバーポートより所定間隔bを保って配置され前記受光側光ファイバーポートからのレーザ光を受光する受光素子を備える。The branch circuit branches the optical fiber into two branches, with the optical fiber to the collimator serving as one optical fiber, and the remaining optical fiber serving as the other optical fiber. The photodetector includes a light-receiving side optical fiber port arranged at the tip of the other optical fiber, and a light-receiving element arranged at a predetermined distance b from the light-receiving side optical fiber port and receiving laser light from the light-receiving side optical fiber port. Equipped with

前記中心電圧検出手段は、前記受光素子で得られた、所定間隔aと所定間隔bの合計距離よりなる大気中の水分の吸収線の中心電圧を検出する。前記中心電圧設定手段は、前記中心電圧を前記レーザ発振素子の駆動回路に設定する。 The center voltage detection means detects a center voltage of an absorption line of moisture in the atmosphere, which is obtained by the light receiving element and is formed by a total distance of a predetermined interval a and a predetermined interval b . The center voltage setting means sets the center voltage in a drive circuit of the laser oscillation element .

本発明は、前記測定セルとして光共振器を用いた場合は、当該光共振器のレーザ光の入射側のミラーからの反射光を前記コリメータを介して前記一方の光ファイバーに戻し、当該一方の光ファイバーから前記他方の光ファイバーに導く戻し回路を備える。このとき、前記中心電圧検出手段は、前記所定間隔a、所定間隔bおよび前記コリメータと前記ミラーとの間の距離cの2倍の合計距離よりなる大気中の水分の吸収線の中心電圧を検出する。 In the present invention, when an optical resonator is used as the measurement cell, the reflected light from the mirror on the laser beam incident side of the optical resonator is returned to the one optical fiber via the collimator, and the optical fiber is connected to the optical fiber. and a return circuit leading from the optical fiber to the other optical fiber. At this time, the center voltage detection means detects the center voltage of the atmospheric moisture absorption line formed by the predetermined interval a, the predetermined interval b, and a total distance twice the distance c between the collimator and the mirror. do.

本発明の1実施形態を示す図。FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of the present invention. 本発明の他の実施の形態を示す図。FIG. 7 is a diagram showing another embodiment of the present invention. 吸収線と駆動電圧の関係を示す図。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between absorption lines and driving voltage. 水の吸収波数を示す図。A diagram showing the absorption wavenumber of water. 標準参照セルを用いた従来例を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a conventional example using a standard reference cell.

<原理>
水の吸収のある波長帯(波長1.4 μm, 1.8 μm, 2.6μm, 6.7 μm帯)を持つレーザ光を大気中に出射し、所定間隔(例えば2cm)を介して受光した場合、受光強度は大気中の水分濃度に対応する吸収線を示すことになる(図4参照、但し図4は波数で表現)。
<Principle>
When a laser beam with a wavelength band that water absorbs (wavelengths of 1.4 μm, 1.8 μm, 2.6 μm, and 6.7 μm) is emitted into the atmosphere and received at a predetermined interval (for example, 2 cm), the received light intensity will be the same as that of the atmosphere. It shows an absorption line corresponding to the water concentration in the liquid (see Fig. 4, however, Fig. 4 is expressed in wave numbers).

水の吸収線は赤外から近赤外に存在しており、比較的強い吸収線(HITRANデータベースにあるライン強度が1.0×10-20 cm以上の吸収線)は、図4に示すように330本ある。これらの吸収線は、低湿度の測定環境である、気温20 ℃、相対湿度30 %rhであっても、光路長が2 cmあれば、レーザ光の1%程度の吸収量になるので、容易に観測することができる。 Water absorption lines exist in the infrared to near-infrared range, and relatively strong absorption lines (absorption lines with a line intensity of 1.0 × 10 -20 cm or more in the HITRAN database) are 330 as shown in Figure 4. There are books. These absorption lines can be easily detected even in a low-humidity measurement environment at a temperature of 20 °C and a relative humidity of 30% RH, because if the optical path length is 2 cm, the amount of absorption is about 1% of the laser light. can be observed.

通常の測定環境では、上記よりも高い湿度となっているので、より容易に吸収線の観測が可能となる。 In a normal measurement environment, the humidity is higher than the above, so absorption lines can be observed more easily.

そこで、水の吸収のある上記のいずれかの波長帯で、レーザ光を所定距離の大気中を通過させることによって、当該大気中に存在する水分の吸収線を得る。 Therefore, by passing a laser beam through the atmosphere at a predetermined distance in one of the above wavelength bands in which water is absorbed, an absorption line of moisture present in the atmosphere is obtained.

得られた吸収線の信号を処理して中心周波数を求める。ここでは例として、ローレンツ関数を使って信号をフィッティングして得られた結果を図3に示す(大気圧下での吸収線の形状はローレンツ関数で説明できる)。レーザ発振素子に経時変化がなければ、前記のようにして得られた吸収線の中心周波数と、掃引電圧の関係に変動は生じないが、経時変化があれば、前記測定された吸収線の中心周波数は、前記電圧と異なった値となる(図3(a)のS→(b)のS参照)。この場合に、前記変化後の中心周波数対応の印加電圧を新たな掃引電圧の中心に位置するように補正することによって、経時変化によるレーザ発振周波数のシフトが補正され、精度の高い測定が可能となる。 The obtained absorption line signal is processed to find the center frequency. As an example, Fig. 3 shows the results obtained by fitting a signal using the Lorentz function (the shape of the absorption line under atmospheric pressure can be explained by the Lorentz function). If there is no change in the laser oscillation element over time, there will be no change in the relationship between the center frequency of the absorption line obtained as described above and the sweep voltage. However, if there is a change over time, the center frequency of the absorption line measured The frequency has a value different from the voltage (see S 0 in FIG. 3(a) → S 1 in FIG. 3(b)). In this case, by correcting the applied voltage corresponding to the center frequency after the change so that it is located at the center of the new sweep voltage, the shift in the laser oscillation frequency due to changes over time is corrected, and highly accurate measurement is possible. Become.

前記吸収線の中心周波数はHITRAN等のデータベースで入手可能である。また、この中心周波数は気圧に僅かに依存するが、気圧が±0.1 atm変動したとしても、それによる中心波数の変化は±0.0013 cm-1以下であるのでレーザ方式によるガスの定量分析に必要となる波数の測定精度である0.01 cm-1程度では無視できる値となる。
<装置>
図1は上記原理に基づいた、レーザ発振素子から発振するレーザ光の周波数を補正する装置の機能ブロック図である。
The center frequency of the absorption line can be obtained from a database such as HITRAN. Furthermore, although this center frequency slightly depends on the atmospheric pressure, even if the atmospheric pressure fluctuates by ±0.1 atm, the change in the central wave number due to this change is less than ±0.0013 cm -1 , which is necessary for quantitative gas analysis using the laser method. It is a negligible value at the measurement accuracy of the wave number of about 0.01 cm -1 .
<Device>
FIG. 1 is a functional block diagram of a device based on the above principle that corrects the frequency of laser light emitted from a laser oscillation element.

駆動回路10は、所定幅で変化する掃引電圧によって、当該掃引電圧に比例する駆動電流でレーザ発振素子1を駆動する。これによって、レーザ発振素子1よりのレーザ光は、分析対象物質の吸収周波数を中心とした所定範囲の周波数で変化するように設定されている。 The drive circuit 10 drives the laser oscillation element 1 with a drive current proportional to the sweep voltage, which varies in a predetermined width. Thereby, the laser beam from the laser oscillation element 1 is set to vary in frequency within a predetermined range centered on the absorption frequency of the substance to be analyzed.

前記レーザ発振素子1よりのレーザ光はレーザー装置19内部の所定距離a(例えば1cm程度)の大気中を介して光ファイバーポート5で受け止められ光ファイバー11及びスプリッタ15を介して2路に分岐される。前記分岐された一方は光ファイバー12とコリメータ14を介して測定セル20に入射され、ガス分析に供される。測定セル20からの出射光は受光素子21で光電変換され、濃度演算手段100に渡される。尚、前記距離aは意図的に設けられるのではなく、レーザ発振素子1を内蔵するレーザ装置19の設計上必然的に生じる距離である。以下に説明する距離b、距離cも同様である。 The laser beam from the laser oscillation element 1 is received by the optical fiber port 5 through the atmosphere at a predetermined distance a (for example, about 1 cm) inside the laser device 19, and is branched into two paths via the optical fiber 11 and the splitter 15. One of the branches is inputted into the measurement cell 20 via the optical fiber 12 and the collimator 14, and is subjected to gas analysis. The light emitted from the measurement cell 20 is photoelectrically converted by the light receiving element 21 and is passed to the concentration calculating means 100. Note that the distance a is not intentionally provided, but is a distance that inevitably occurs due to the design of the laser device 19 that incorporates the laser oscillation element 1. The same applies to distance b and distance c described below.

前記スプリッタ15で分岐された他方は、光ファイバー13と光ファイバーポート6を介して光検出器31内部の大気中に出射され、所定間隔b(例えば1cm)を隔てた位置に配置された受光素子30で受光される。受光素子30からの出力は、中心電圧検出手段40に入力される。前記したように、大気圧下での水分の吸収線の形状はローレンツ関数で説明できるので、中心電圧検出手段40では受光素子30の出力から吸収線を得、これをローレンツ関数でフィッティングして中心に対応する中心電圧Sを検出する(後述、図3(a))。 The other side branched by the splitter 15 is emitted into the atmosphere inside the photodetector 31 via the optical fiber 13 and the optical fiber port 6, and is sent to the light receiving element 30 arranged at a predetermined interval b (for example, 1 cm). Light is received. The output from the light receiving element 30 is input to the center voltage detection means 40. As mentioned above, the shape of the moisture absorption line under atmospheric pressure can be explained by the Lorentz function, so the center voltage detection means 40 obtains the absorption line from the output of the light receiving element 30 and fits it with the Lorentz function to determine the center The center voltage S 0 corresponding to is detected (described later, FIG. 3(a)).

この結果は中心電圧設定手段50に入力され、中心電圧設定手段50はこの値Sを駆動回路10の掃引電圧の中心値に設定する。以後、駆動回路10は、当該Sが掃引電圧の中心値になる掃引電圧でレーザ発振素子1を駆動する。 This result is input to the center voltage setting means 50, and the center voltage setting means 50 sets this value S0 as the center value of the sweep voltage of the drive circuit 10. Thereafter, the drive circuit 10 drives the laser oscillation element 1 with a sweep voltage such that S0 is the center value of the sweep voltage.

次いで、所定期間の後、再び、上記と同様の処理をして、中心電圧検出手段40で吸収線の中心に対応する中心電圧Sを得たとき、中心電圧設定手段50はその値を駆動回路10に設定し、当該駆動回路10は当該電圧Sが中心である掃引電圧で、レーザ発振素子1を駆動することになる(図3(b))。 Then, after a predetermined period of time, the same process as above is performed again, and when the center voltage detection means 40 obtains the center voltage S1 corresponding to the center of the absorption line, the center voltage setting means 50 drives that value. The driving circuit 10 drives the laser oscillation element 1 with a sweep voltage centered around the voltage S1 (FIG. 3(b)).

ここで、図1において、レーザ発振素子10の温度を21 ℃に固定し、駆動電流を90 mA~155 mAの範囲で掃引し、前記所定距離aを1cm、所定距離bを1cmとして、合計2cmの大気中の空間に存在する水の吸収線を測定し、図3の吸収線を得た。 Here, in FIG. 1, the temperature of the laser oscillation element 10 is fixed at 21 °C, the drive current is swept in the range of 90 mA to 155 mA, and the predetermined distance a is 1 cm, the predetermined distance b is 1 cm, and a total of 2 cm. The absorption lines of water existing in the atmospheric space were measured, and the absorption lines shown in Figure 3 were obtained.

図3(a)は一回目の測定データである。縦軸は吸光度、横軸は駆動回路10に印加した掃引電圧を示し、これは駆動電流に比例する。前記したように、受光素子30より得られたデータをフィッティング手段40でローレンツ関数でフィッティングして、吸収線の中央位置に対応する中心電圧0.17448 Vを得た。この値は、空気中でのこの吸収線の中心波数である7181.14 cm-1 (HITRANデータベースを参照した)に相当する。 Figure 3(a) shows the first measurement data. The vertical axis represents the absorbance, and the horizontal axis represents the sweep voltage applied to the drive circuit 10, which is proportional to the drive current. As described above, the fitting means 40 fitted the data obtained from the light receiving element 30 with a Lorentz function to obtain a center voltage of 0.17448 V corresponding to the center position of the absorption line. This value corresponds to the central wavenumber of this absorption line in air, 7181.14 cm -1 (referenced to the HITRAN database).

図3(b)は、12週間後に行った前記と同じ実験の2回目の結果を示す。この図での中心電圧は0.17163 Vとなっており、経時によるレーザ特性の変化によって、吸収線の中心がシフトしているのがわかる。このシフト量は波数で0.04 cm-1に相当する。中心電圧設定手段50は、上記中心電圧0.17163 Vを検出し、当該0.17163 Vを波数7181.14 cm-1に対応するように新たに設定し直して、この新設定値に基づいて、駆動回路10に渡す電圧を修正することで、12週間のうちに発生したレーザ周波数のシフトを補正することができる。 Figure 3(b) shows the results of a second run of the same experiment performed 12 weeks later. The center voltage in this figure is 0.17163 V, and it can be seen that the center of the absorption line shifts due to changes in laser characteristics over time. This amount of shift corresponds to 0.04 cm -1 in wave number. The center voltage setting means 50 detects the center voltage 0.17163 V, resets the 0.17163 V to correspond to a wave number of 7181.14 cm -1 , and passes it to the drive circuit 10 based on this new set value. Modifying the voltage can compensate for shifts in laser frequency that occur over a 12-week period.

またこの結果から、ガスの定量分析に必要となる波数の測定精度0.01 cm-1を確保するには、このレーザ発振素子の場合、週に1度程度の補正が必要であることがわかる。従って、図1において、定期的(電源をオンする毎、あるいは週に一回程度)に、前記中心電圧検出手段40と中心電圧設定手段40を起動させて、前記駆動回路10に新たな中心電圧を渡すようにすると、当該駆動回路10がそれに対応して掃引電圧の中央値を変更する。あるいは、更新を必要とするときに更新ボタンをオンして、前記中心電圧検出手段40、と中心電圧設定手段40を起動させ駆動手段10に新たな中心電圧を渡すようにすることでもよい。 The results also show that this laser oscillation device requires correction about once a week to ensure the wavenumber measurement accuracy of 0.01 cm -1 required for quantitative gas analysis. Therefore, in FIG. 1, the center voltage detecting means 40 and the center voltage setting means 40 are activated periodically (every time the power is turned on, or about once a week) to set the drive circuit 10 to a new center voltage. , the drive circuit 10 changes the median value of the sweep voltage accordingly. Alternatively, when an update is required, the update button may be turned on to activate the center voltage detection means 40 and the center voltage setting means 40 and pass a new center voltage to the drive means 10.

上記において、レーザ光をスプリッタ15で分岐して、そのうち一方のレーザ光を使って大気中の水分の測定をしたが、測定セル20として光共振器400などを使い、入射側の高反射率ミラー22からの反射光が十分強くなる場合は、図2に示すように、この高反射率ミラー22からの反射光をコリメータ14を介して光ファイバー12に戻して、サーキュレータ16を使って反射光を分離して、それを受光素子30で測定してもよい。 In the above, the laser beam is split by the splitter 15 and one of the laser beams is used to measure moisture in the atmosphere. When the reflected light from mirror 22 becomes strong enough, as shown in FIG. Then, it may be measured by the light receiving element 30.

この場合、レーザ発振素子10から光ファイバーポート5に至る前記空間距離a、光ファイバーポート6から受光素子30に至る空間距離b、およびコリメータ14から高反射率ミラー22に至る空間距離cを利用することになるが、前記空間距離cはコリメータ14と反射率ミラー22との往復なので距離が2倍となり、またこの距離は調節が容易なことから、この方法では吸収線の強度を簡単に強くすることができる。 In this case, the spatial distance a from the laser oscillation element 10 to the optical fiber port 5, the spatial distance b from the optical fiber port 6 to the light receiving element 30, and the spatial distance c from the collimator 14 to the high reflectance mirror 22 are used. However, since the spatial distance c is a round trip between the collimator 14 and the reflectance mirror 22, the distance is doubled, and since this distance is easy to adjust, the intensity of the absorption line can be easily increased with this method. can.

コリメータ14、スプリッタ15、サーキュレータ16、レーザ装置19、光検出器31は光ファイバ11、12、13にコネクタを介して接続可能な小型タイプの製品が市販されており、それらが利用できる。従って、波長モニタや参照用ガスセルを導入した場合に比べて、配置スペースを大幅に削減できるため、本発明はガス分析装置の小型化に有効である。 The collimator 14, splitter 15, circulator 16, laser device 19, and photodetector 31 are commercially available small-sized products that can be connected to the optical fibers 11, 12, and 13 via connectors, and these can be used. Therefore, compared to the case where a wavelength monitor or a reference gas cell is introduced, the installation space can be significantly reduced, so the present invention is effective in downsizing the gas analyzer.

尚、ここではローレンツ関数によるフィッティングで中心電圧を検出する例を示したが、フィッティング関数として他の関数(フォークト関数、二次関数等)を用いてもよいし、フィッティングを行わず吸収線の強度の最大値から中心電圧を検出してもよい。 In addition, here we have shown an example of detecting the center voltage by fitting with a Lorentz function, but other functions (Voigt function, quadratic function, etc.) may be used as the fitting function, or the intensity of the absorption line may be detected without fitting. The center voltage may be detected from the maximum value of .

以上、水分の分析についてのみ説明したが、本発明は、水の吸収のある波長帯(波長1.4 μm, 1.8 μm, 2.6 μm, 6.7 μm帯)の近辺に吸収周波数も持つ物質を含むガス分析に利用できることは勿論である。尚、中心電圧検出手段と中心電圧設定手段は回路として実現できることは勿論、コンピュータと連動するプログラムでも実現できる。 Although only the analysis of moisture has been described above, the present invention is applicable to the analysis of gases containing substances that also have absorption frequencies near the wavelength bands where water absorbs (wavelength bands of 1.4 μm, 1.8 μm, 2.6 μm, and 6.7 μm). Of course, it can be used. Note that the center voltage detection means and the center voltage setting means can be realized not only as a circuit but also as a program linked to a computer.

上記したように本発明は、水分の分析はもちろん、水の吸収のある波長帯(波長1.4 μm, 1.8 μm, 2.6 μm, 6.7 μm帯)の近辺に吸収周波数も持つ物質を含むガス分析装置に利用でき、極めて有効である。 As described above, the present invention is applicable not only to moisture analysis but also to gas analyzers that contain substances that have absorption frequencies near the wavelength bands where water absorbs (wavelength bands of 1.4 μm, 1.8 μm, 2.6 μm, and 6.7 μm). available and extremely effective.

1・・レーザ発振素子
5、6・・光ファイバーポート
10・・駆動回路
11、12、13・・光ファイバー
14、25・・コリメータ
15・・スプリッタ
16・・サーキュレータ
19・・レーザ装置
20・・測定セル
21、30・・受光素子
22、23・・高反射率ミラー
31・・光検出器
40・・中心電圧検出手段
50・・中心電圧設定手段
100・・濃度演算手段
200・・基準値検出
300・・参照用ガスセル
400・・光共振器
a、b、c・・距離

1... Laser oscillation element 5, 6... Optical fiber port 10... Drive circuit 11, 12, 13... Optical fiber 14, 25... Collimator 15... Splitter 16... Circulator 19... Laser device 20... Measurement cell 21, 30... Light receiving element 22, 23... High reflectance mirror 31... Photodetector 40... Center voltage detection means 50... Center voltage setting means 100... Concentration calculation means 200... Reference value detection 300.・Reference gas cell 400...Optical resonators a, b, c...Distance

Claims (2)

レーザ装置に設置したレーザ発振素子に、所定幅の駆動電圧を印加してレーザ光を得、当該レーザ光を、前記レーザ装置内に前記レーザ発振素子との間に所定間隔aを保って配置した発振側光ファイバーポートで受け止め、当該光ファイバーポートから光ファイバーを介してコリメータに入力し、当該コリメータから分析対象物質を含むガスを充填した測定セルを通過させることによって、前記分析対象物質の濃度を測定するガス分析装置において、
前記光ファイバーを2岐に分岐し、前記コリメータへの光ファイバーを一方の光ファイバーとなし、残りの光ファイバーを他方の光ファイバーとなす分岐回路と、
前記他方の光ファイバーの先端に配置された受光側光ファイバーポートと、当該受光側光ファイバーポートより所定間隔bを保って配置され前記受光側光ファイバーポートからのレーザ光を受光する受光素子を備えた光検出器と、
前記受光素子で得られた、所定間隔aと所定間隔bの合計距離よりなる大気中の水分の吸収線の中心電圧を検出する中心電圧検出手段と、
前記中心電圧を前記レーザ発振素子の駆動回路に設定する中心電圧設定手段と
を備えたことを特徴とするガス分析装置。
A driving voltage of a predetermined width is applied to a laser oscillation element installed in a laser device to obtain laser light, and the laser light is arranged within the laser device with a predetermined distance a between it and the laser oscillation element. A gas that is received at an oscillation side optical fiber port, inputted from the optical fiber port to a collimator via an optical fiber, and passed from the collimator through a measurement cell filled with a gas containing the analyte, thereby measuring the concentration of the analyte. In the analyzer,
a branching circuit that branches the optical fiber into two branches, with the optical fiber to the collimator serving as one optical fiber and the remaining optical fiber serving as the other optical fiber;
a photodetector comprising a light-receiving optical fiber port disposed at the tip of the other optical fiber; and a light-receiving element arranged at a predetermined distance b from the light-receiving optical fiber port and receiving laser light from the light-receiving optical fiber port. and,
center voltage detection means for detecting a center voltage of an absorption line of atmospheric moisture obtained by the light receiving element and formed by the total distance of the predetermined interval a and the predetermined interval b ;
A gas analyzer comprising: center voltage setting means for setting the center voltage in a drive circuit of the laser oscillation element .
前記測定セルとして光共振器を用い、当該光共振器のレーザ光の入射側のミラーからの反射光を前記コリメータを介して前記一方の光ファイバーに戻し、当該一方の光ファイバーから前記他方の光ファイバーに導く戻し回路を備え、
前記中心電圧検出手段が、前記所定間隔a、所定間隔bおよび前記コリメータと前記ミラーとの間の距離cの2倍の合計距離よりなる大気中の水分の吸収線の中心電圧を検出する請求項1に記載のガス分析装置。
An optical resonator is used as the measurement cell, and reflected light from a mirror on the laser beam incident side of the optical resonator is returned to the one optical fiber via the collimator, and guided from the one optical fiber to the other optical fiber. Equipped with a return circuit,
2. The center voltage detection means detects a center voltage of an atmospheric moisture absorption line formed by a total distance of the predetermined interval a, the predetermined interval b, and twice the distance c between the collimator and the mirror. 1. The gas analyzer according to 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000019109A (en) 1998-07-02 2000-01-21 Nippon Sanso Kk Spectral analysis method of gas by laser beam
JP2017219499A (en) 2016-06-10 2017-12-14 富士電機株式会社 Infrared gas analyzer
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