JP7460009B1

JP7460009B1 - Laser Gas Analyzer

Info

Publication number: JP7460009B1
Application number: JP2023086170A
Authority: JP
Inventors: 直希武田; 郁洋吉峰; ソミ篠田（シュレスタ）
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2023-05-25
Filing date: 2023-05-25
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2043-05-25

Abstract

【課題】受光部におけるレーザ光のビーム径の調整、及び受光部へのレーザ光の入射角の調整を容易にすることができるレーザ式ガス分析計を提供する。【解決手段】レーザ式ガス分析計１００は、波長可変のレーザ素子１１２と、レーザ光の波長を掃引し、かつ、レーザ光の波長を変調するためのレーザ素子駆動信号を出力する変調光生成部１１１と、レーザ素子駆動信号に応じた駆動電流をレーザ素子に供給する駆動電流制御部１１６と、を有する発光部１１０と、測定対象空間を透過したレーザ光を受光する受光素子１２２と、受光素子１２２から出力された受光信号に基づき測定対象ガスの濃度、又は有無を求める受光信号処理部１２１と、を有する受光部１２０と、を備え、発光部１１０は、レーザ素子１１２を光軸方向に移動すること、及び、光軸方向を変化させる方向にレーザ素子１１２を移動すること、のそれぞれを可能にする移動機構１１７を備える。【選択図】図１[Problem] To provide a laser gas analyzer that can easily adjust the beam diameter of a laser beam in a light receiving section and the angle of incidence of the laser beam on the light receiving section. [Solution] A laser gas analyzer 100 includes a light emitting section 110 having a wavelength-tunable laser element 112, a modulated light generating section 111 that sweeps the wavelength of the laser beam and outputs a laser element drive signal for modulating the wavelength of the laser beam, and a drive current control section 116 that supplies a drive current to the laser element according to the laser element drive signal, and a light receiving section 120 having a light receiving element 122 that receives the laser beam transmitted through a space to be measured and a light receiving signal processing section 121 that determines the concentration or presence or absence of a gas to be measured based on the light receiving signal output from the light receiving element 122, and the light emitting section 110 includes a moving mechanism 117 that enables the laser element 112 to move in the optical axis direction and to move the laser element 112 in a direction that changes the optical axis direction. [Selected Figure] Figure 1

Description

本開示は、レーザ式ガス分析計に関する。 This disclosure relates to a laser gas analyzer.

気体状のガス分子は、それぞれ固有の光吸収波長および吸収強度を表す吸収線スペクトルを有する。また、レーザ光は、特定の波長でスペクトル線幅が狭い光である。レーザ式ガス分析計は、気体状のガス分子である測定対象ガスが吸収する光吸収波長のレーザ光を測定対象ガスに吸収させ、その光吸収波長におけるレーザ光の吸収量に基づいて測定対象ガスの有無を検出する。加えて、レーザ式ガス分析計は、光吸収波長におけるレーザ光の吸収量が測定対象ガスの濃度に比例することを利用して、その濃度を検出することもできる。 Gaseous gas molecules each have a unique optical absorption wavelength and an absorption line spectrum that represents the absorption intensity. Laser light is light with a narrow spectral line width at a specific wavelength. A laser gas analyzer causes the target gas to absorb laser light of an optical absorption wavelength that is absorbed by the target gas (a gaseous gas molecule), and detects the presence or absence of the target gas based on the amount of laser light absorbed at that optical absorption wavelength. In addition, a laser gas analyzer can also detect the concentration of the target gas by taking advantage of the fact that the amount of laser light absorbed at the optical absorption wavelength is proportional to the concentration of the target gas.

このようなガス分析を行うレーザ式ガス分析計の従来技術が、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１の技術は、当該特許文献１の図１に示されるように、対象ガスの吸収線スペクトルのスペクトル線幅にわたって波長を走査可能な波長可変レーザ素子１２と、各種のプロセスによって生じたガスの間を通過するレーザ光の強度をＤＣおよび当該レーザ光の変調周波数の倍数で検出する受光素子２２と、ロックイン増幅器およびマイクロプロセッサを含む受光信号処理部２１と、変調光生成部１１と、変調光生成部１１及び受光信号処理部２１をつなぐ通信線３０と、を備える。 A conventional technique of a laser gas analyzer that performs such gas analysis is disclosed in, for example, Patent Document 1. As shown in FIG. 1 of Patent Document 1, the technology of Patent Document 1 uses a wavelength tunable laser element 12 capable of scanning the wavelength over the spectral linewidth of the absorption line spectrum of the target gas, and various processes. A light-receiving element 22 that detects the intensity of the laser light passing through the gas at DC and a multiple of the modulation frequency of the laser light, a light-receiving signal processing section 21 including a lock-in amplifier and a microprocessor, and a modulated light generation section 11. , a communication line 30 connecting the modulated light generation section 11 and the received light signal processing section 21.

特許文献１のレーザ式ガス分析計は、波長変調分光法により検出を行う。すなわち、駆動電流によって波長が掃引され、かつ特定の周波数で変調されたレーザ光を波長可変レーザ素子１２が出射し、そのレーザ光を受光素子２２が検出する。そして、受光信号処理部２１において、ロックイン増幅器が受光素子２２の検出信号を、レーザ光の変調周波数の逓倍でロックイン検出し、マイクロプロセッサが、ロックイン検出によって得られるロックイン検波波形の振幅に基づいてガス濃度を算出する。この種のレーザ式ガス分析計は、ロックイン検出により信号ノイズ比が向上するために微量ガスの計測に適する。 The laser gas analyzer disclosed in Patent Document 1 performs detection using wavelength modulation spectroscopy. That is, the variable wavelength laser element 12 emits a laser beam whose wavelength is swept by a drive current and modulated at a specific frequency, and the light receiving element 22 detects the laser beam. In the light-receiving signal processing section 21, the lock-in amplifier performs lock-in detection on the detection signal of the light-receiving element 22 by multiplying the modulation frequency of the laser beam, and the microprocessor detects the amplitude of the lock-in detection waveform obtained by the lock-in detection. Calculate the gas concentration based on This type of laser gas analyzer is suitable for measuring trace gases because the signal-to-noise ratio is improved by lock-in detection.

測定対象空間に存在する複数ガスの組成が定まっている場合には、測定対象ガスの吸光によって得られるロックイン検波波形の振幅は波長変調振幅の関数であり、極大値が存在する。したがって、標準ガスを校正する際には、ロックイン検波波形の振幅が極大となるように波長変調振幅を調節することで信号ノイズ比を最大化することができる。そして、マイクロプロセッサは、測定対象ガスのガス濃度とロックイン検波波形の振幅の対応関係（例えば比例関係など）に基づき、ガス濃度を求めることができる。 When the compositions of multiple gases existing in the measurement target space are determined, the amplitude of the lock-in detection waveform obtained by light absorption of the measurement target gas is a function of the wavelength modulation amplitude, and a maximum value exists. Therefore, when calibrating the standard gas, the signal-to-noise ratio can be maximized by adjusting the wavelength modulation amplitude so that the amplitude of the lock-in detection waveform becomes maximum. The microprocessor can then determine the gas concentration based on the correspondence relationship (eg, proportional relationship) between the gas concentration of the gas to be measured and the amplitude of the lock-in detection waveform.

ところで、レーザ式ガス分析計は、発光部から出射されたレーザ光を受光部で受光して測定するため、発光部と受光部のそれぞれの光軸を合わせることが重要となる。そのため、例えば特許文献２の図８に示されるように、アジャストボルトで受光部又は発光部がとりついた配管の蛇腹部を変形させることにより受光部又は発光部の角度を調節し、発光部から出射したレーザ光が受光部で受光できるように調整するのが一般的である。 By the way, in a laser gas analyzer, since the laser light emitted from the light emitting part is received by the light receiving part and measured, it is important to align the optical axes of the light emitting part and the light receiving part. Therefore, as shown in FIG. 8 of Patent Document 2, for example, the angle of the light receiving part or the light emitting part is adjusted by deforming the bellows part of the pipe to which the light receiving part or the light emitting part is attached using an adjustment bolt, and the light is emitted from the light emitting part. It is common practice to adjust the laser beam so that it can be received by the light receiving section.

特開２０１７－１０６７４２号公報JP 2017-106742 A 特許第６１９１３４５号公報Patent No. 6191345

しかしながら、レーザ式ガス分析計の取付工事実施後において、測定対象ガスを生じさせるプロセスの影響による熱膨張や、レーザ式ガス分析計が取り付けられた箇所の振動などにより、当該レーザ式ガス分析計の取付部位が僅かに変形することがある。レーザ式ガス分析計において、測定光路長は、０．５ｍから１０ｍといった広い範囲に亘って設定されることが多いため、取付部位の僅かな変形でも、受光部での受光が影響を受けることがある。
この場合、取付工事実施後に、プロセスが安定した状態において、作業者などが受光部又は発光部の角度調整を再度実施するのが一般的である。しかしながら、この段階の角度調整は、そのプロセス条件において最適となる調整であるため、プロセスの条件が変化した場合には再度の角度調整が必要となる。 However, after the installation work for the laser gas analyzer is completed, the installation site of the laser gas analyzer may be slightly deformed due to thermal expansion caused by the process that generates the gas to be measured, vibration of the location where the laser gas analyzer is installed, etc. In laser gas analyzers, the measurement optical path length is often set over a wide range, such as 0.5 m to 10 m, so even a slight deformation of the installation site may affect the light reception at the light receiving unit.
In this case, after the installation work is completed, the worker generally readjusts the angle of the light receiving unit or the light emitting unit when the process is stable. However, since the angle adjustment at this stage is an adjustment that is optimal for the process conditions, if the process conditions change, the angle must be adjusted again.

取付工事実施後に、プロセスの影響に起因する角度調整を避ける手法としては、レーザ光のビーム径を予めやや拡げることにより、発光部又は受光部の取付角度に僅かなズレが生じても受光素子がレーザ光を受光できるように調整すること、が考えられる。レーザ光のビーム径を調整する手法としては、例えば特許文献１の図１において、波長可変レーザ素子１２とコリメートレンズ１３の間の距離をねじやスペーサー等で変更すること、が考えられる。
しかしながら、レーザ光のビーム径を拡げると、受光素子の受光による信号レベルが低下する等の影響が生じる。したがって、レーザ光のビーム径を調整する場合も、取付現場の状況に合わせて、必要以上にビーム径が拡がり過ぎないように調整することが好ましい。
また、ビーム径調整の際に、受光部へのレーザ光の入射角調整が必要となった場合には、発光部、又は受光部の取付角度を再度調整することとなり、調整作業が煩雑なものとなる。 A possible method for avoiding angle adjustment due to the influence of the process after installation work is to slightly widen the beam diameter of the laser light in advance so that the light receiving element can receive the laser light even if there is a slight deviation in the installation angle of the light emitting unit or the light receiving unit. A possible method for adjusting the beam diameter of the laser light is, for example, changing the distance between the wavelength tunable laser element 12 and the collimating lens 13 with a screw, spacer, etc. in Figure 1 of Patent Document 1.
However, expanding the beam diameter of the laser light has the effect of reducing the signal level of the light received by the light receiving element, etc. Therefore, even when adjusting the beam diameter of the laser light, it is preferable to adjust it so that the beam diameter does not expand more than necessary according to the conditions at the installation site.
Furthermore, if it becomes necessary to adjust the angle of incidence of the laser light on the light-receiving unit when adjusting the beam diameter, the mounting angle of the light-emitting unit or the light-receiving unit must be readjusted, making the adjustment process complicated.

本開示は、受光部におけるレーザ光のビーム径の調整、及び受光部へのレーザ光の入射角の調整を容易にすることができるレーザ式ガス分析計を提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a laser gas analyzer that can easily adjust the beam diameter of laser light in the light receiving section and the angle of incidence of the laser light on the light receiving section.

本開示の１つの態様に係るレーザ式ガス分析計は、測定対象空間に存在する測定対象ガスの濃度、又は有無を測定するレーザ式ガス分析計であって、前記測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域のレーザ光を出射する波長可変のレーザ素子と、前記波長帯域において前記レーザ素子が出射する前記レーザ光の波長を掃引し、かつ、前記レーザ光の波長を変調するためのレーザ素子駆動信号を出力する変調光生成部と、前記レーザ素子駆動信号に応じた駆動電流を前記レーザ素子に供給する駆動電流制御部と、を有する発光部と、前記測定対象空間を透過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た受光信号に基づき測定対象ガスの濃度、又は有無を求める受光信号処理部と、を有する受光部と、を備え、前記発光部は、前記レーザ素子を光軸方向に移動すること、及び、前記光軸方向を変化させる方向に前記レーザ素子を移動すること、のそれぞれを可能にする移動機構を備える。 A laser gas analyzer according to one aspect of the present disclosure is a laser gas analyzer that measures the concentration or presence or absence of a gas to be measured existing in a space to be measured, the laser gas analyzer measuring the absorption line spectrum of the gas to be measured. A wavelength-tunable laser element that emits laser light in a wavelength band that includes a light absorption wavelength, and for sweeping the wavelength of the laser light emitted by the laser element in the wavelength band and modulating the wavelength of the laser light. a light emitting unit having a modulated light generation unit that outputs a laser element drive signal, and a drive current control unit that supplies a drive current to the laser element according to the laser element drive signal; a light-receiving section having a light-receiving element that receives the laser beam; and a light-receiving signal processing section that determines the concentration or presence or absence of a gas to be measured based on the light-receiving signal output from the light-receiving element, and the light-emitting section includes: , a moving mechanism that enables each of the following: moving the laser element in the optical axis direction; and moving the laser element in a direction that changes the optical axis direction.

本開示の1つの態様によれば、受光部におけるレーザ光のビーム径の調整、及び受光部へのレーザ光の入射角の調整を容易にすることができる。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to easily adjust the beam diameter of the laser light in the light receiving section and the angle of incidence of the laser light on the light receiving section.

本開示の実施形態に係るレーザ式ガス分析計の全体構成の一例を模式的に示す図である。1 is a diagram illustrating an example of an overall configuration of a laser gas analyzer according to an embodiment of the present disclosure. 移動機構の構成の一例を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing an example of the configuration of a moving mechanism. 移動機構の各送りねじの操作と、支持部材の移動との関係の一例を模式的に示す図である。10A and 10B are diagrams illustrating an example of a relationship between the operation of each feed screw of the moving mechanism and the movement of a support member. 第１手法、及び第２手法による光路の差異を示す図である。11A and 11B are diagrams illustrating the difference in optical paths between a first technique and a second technique. 第１手法におけるレーザ素子の光軸方向への変位長と光路長の変化量との関係を示す図である。11 is a diagram showing the relationship between the displacement length of the laser element in the optical axis direction and the amount of change in the optical path length in the first technique. FIG. 第２手法におけるレーザ素子の光軸方向の変位角と光路長の変化量との関係を示す図である。13 is a diagram showing the relationship between the displacement angle of a laser element in the optical axis direction and the amount of change in optical path length in the second technique. FIG. 受光信号の平均化処理による干渉ノイズの低減効果についての説明図である。10A and 10B are diagrams illustrating the effect of reducing interference noise by averaging a received light signal.

以下、図面を参照しながら本開示に係る好適な形態を説明する。なお、図面において、各部の寸法、及び縮尺が実際と適宜に異なる場合があり、理解を容易にするために模式的に示している部分を含む場合がある。また、以下の説明において、本開示を限定する旨の特段の記載が無い限り、本開示の範囲は以下の説明に記載された形態に限られない。本開示の範囲は当該形態の均等の範囲を含む。 Hereinafter, preferred embodiments according to the present disclosure will be described with reference to the drawings. Note that in the drawings, the dimensions and scale of each part may be appropriately different from those in reality, and some parts may be shown schematically to facilitate understanding. Further, in the following description, unless there is a special description to the effect that the present disclosure is limited, the scope of the present disclosure is not limited to the forms described in the following description. The scope of this disclosure includes the scope of equivalents of such forms.

１．実施形態
図１は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計１００の全体構成の一例を模式的に示す図である。
レーザ式ガス分析計１００は、互いに対向する第１壁１５０ａと第２壁１５０ｂとの内部を流通するガスに含まれる測定対象ガスの濃度、または、測定対象ガスの有無を、レーザ光を用いて検出する装置である。第１壁１５０ａ、及び第２壁１５０ｂは、ガスが内部を通過する管状の煙道の断面が含む壁部に相当する。煙道は、産業プロセス又は化学プロセスにおいて生じたガスの流路である。
なお、第１壁１５０ａと第２壁１５０ｂの間の距離は限定されないが、例えば０．５ｍから１０ｍの範囲である。また、本開示において、産業プロセス又は化学プロセスを単に「プロセス」と称する。 1. Embodiment Fig. 1 is a diagram showing a schematic diagram of an example of the overall configuration of a laser gas analyzer 100 according to this embodiment.
The laser gas analyzer 100 is a device that detects the concentration of a target gas contained in a gas flowing through a first wall 150a and a second wall 150b facing each other, or the presence or absence of the target gas, by using a laser beam. The first wall 150a and the second wall 150b correspond to the wall portions included in the cross section of a tubular flue through which gas passes. The flue is a flow path for gas generated in an industrial process or a chemical process.
The distance between the first wall 150a and the second wall 150b is not limited, but is in the range of, for example, 0.5 m to 10 m. In addition, in the present disclosure, an industrial process or a chemical process is simply referred to as a "process".

図１に示される通り、レーザ式ガス分析計１００は、第１壁１５０ａの外側に取り付けられた発光部１１０と、第２壁１５０ｂの外側に取り付けられた受光部１２０と、発光部１１０及び受光部１２０の間における電気信号の伝送に用いられる通信線１４０と、を備える。なお、通信線１４０に代えて無線や光通信のような通信部が用いられてもよい。 As shown in FIG. 1, the laser gas analyzer 100 includes a light emitting section 110 attached to the outside of the first wall 150a, a light receiving section 120 attached to the outside of the second wall 150b, the light emitting section 110 and the light receiving section A communication line 140 used for transmitting electrical signals between the sections 120 is provided. Note that a communication section such as wireless or optical communication may be used instead of the communication line 140.

発光部１１０はレーザ光である検出光１３０を出射するユニットであり、検出光１３０が第１壁１５０ａと第２壁１５０ｂとの内部の測定対象空間に投光される。測定対象空間において、検出光１３０の一部は測定対象ガスによって吸収され、吸収されなかった残りの検出光１３０、すなわち透過光が受光部１２０に入射する。受光部１２０は、測定対象空間を透過した検出光１３０を受光し、その受光量を検出するユニットでる。また、本実施形態の受光部１２０は、検出光１３０の受光量に基づいて、測定対象ガスの濃度、又は、当該測定対象ガスの有無を求める機能を有する。 The light emitting unit 110 is a unit that emits detection light 130, which is a laser beam, and the detection light 130 is projected into the measurement target space inside the first wall 150a and the second wall 150b. In the measurement target space, a portion of the detection light 130 is absorbed by the measurement target gas, and the remaining detection light 130 that was not absorbed, that is, transmitted light, enters the light receiving section 120. The light receiving section 120 is a unit that receives the detection light 130 that has passed through the measurement target space and detects the amount of the received light. Furthermore, the light receiving unit 120 of this embodiment has a function of determining the concentration of the gas to be measured or the presence or absence of the gas to be measured based on the amount of the detection light 130 received.

次いで、発光部１１０、及び受光部１２０の取付構造について詳述する。 Next, the mounting structure of the light emitting section 110 and the light receiving section 120 will be described in detail.

発光部１１０は、発光部容器１１５と、この発光部容器１１５を第１壁１５０ａに取り付けるための第１調整フランジ部材１５２ａと、を備える。
発光部容器１１５は、検出光１３０を出射するための出射口１１５ａが開口した箱体である。発光部容器１１５の形状は限定されないが、本実施形態では略直方体形状である。また、発光部容器１１５の主材、及び製法は限定されないが、本実施形態の発光部容器１１５は、防爆構造のアルミダイカスト製品である。 The light emitting unit 110 includes a light emitting unit container 115 and a first adjustment flange member 152a for attaching the light emitting unit container 115 to the first wall 150a.
The light emitting unit container 115 is a box with an opening 115a for emitting the detection light 130. Although the shape of the light emitting unit container 115 is not limited, in this embodiment, it has a substantially rectangular parallelepiped shape. Furthermore, although the main material and manufacturing method of the light-emitting container 115 are not limited, the light-emitting container 115 of this embodiment is an aluminum die-cast product with an explosion-proof structure.

第１調整フランジ部材１５２ａは、円筒部１５２ａ１と、円筒部１５２ａ１の先端に設けられたフランジ部１５２ａ２とを有する部材であり、主材には、例えばアルミ合金が用いられる。円筒部１５２ａ１の基端が出射口１１５ａを包囲するように発光部容器１１５に溶接等で強固に固定され、円筒部１５２ａ１の内部を検出光１３０が伝播する。
一方、第１壁１５０ａには、発光部１１０から出射された検出光１３０を内部に導入するための開口１５０ａ１が設けられ、当該開口１５０ａ１には第１フランジ１５１ａが溶接等により固定される。第１調整フランジ部材１５２ａのフランジ部１５２ａ２は、この第１フランジ１５１ａに結合される。 The first adjustment flange member 152a is a member having a cylindrical portion 152a1 and a flange portion 152a2 provided at the tip of the cylindrical portion 152a1, and is made of, for example, an aluminum alloy as a main material. The base end of the cylindrical portion 152a1 is firmly fixed to the light emitting unit container 115 by welding or the like so as to surround the emission port 115a, and the detection light 130 propagates inside the cylindrical portion 152a1.
On the other hand, the first wall 150a is provided with an opening 150a1 for introducing the detection light 130 emitted from the light emitting section 110 into the opening 150a1, and a first flange 151a is fixed to the opening 150a1 by welding or the like. The flange portion 152a2 of the first adjustment flange member 152a is coupled to the first flange 151a.

受光部１２０は、受光部容器１２５と、この受光部容器１２５を第２壁１５０ｂに取り付けるための第２調整フランジ部材１５２ｂと、を備える。
受光部容器１２５は、検出光１３０の透過光を内部に導入するための導入口１２５ａが開口した箱体である。受光部容器１２５の形状は限定されないが、本実施形態では略直方体形状である。また、受光部容器１２５の主材、及び製法は限定されないが、本実施形態の受光部容器１２５は、防爆構造のアルミダイカスト製品である。 The light receiving unit 120 includes a light receiving unit container 125 and a second adjustment flange member 152b for attaching the light receiving unit container 125 to the second wall 150b.
The light-receiving unit container 125 is a box with an opening 125a for introducing the transmitted light of the detection light 130 into the interior. Although the shape of the light-receiving unit container 125 is not limited, it is approximately rectangular parallelepiped in this embodiment. Although the main material and manufacturing method of the light-receiving unit container 125 are not limited, the light-receiving unit container 125 of this embodiment is an aluminum die-cast product with an explosion-proof structure.

第２調整フランジ部材１５２ｂは、円筒部１５２ｂ１と、円筒部１５２ｂ１の先端に設けられたフランジ部１５２ｂ２とを有する部材であり、主材には、例えばアルミ合金が用いられる。円筒部１５２ｂ１の基端は、導入口１２５ａを包囲するように受光部容器１２５に溶接等で強固に固定され、測定対象空間を透過した検出光１３０が円筒部１５２ｂ１の内部を伝播して受光部容器１２５の内部に導入される。
一方、第２壁１５０ｂには、測定対象空間を透過した検出光１３０を外部に導出するための開口１５０ｂ１が設けられ、当該開口１５０ｂ１には第２フランジ１５１ｂが溶接等により固定される。第２調整フランジ部材１５２ｂのフランジ部１５２ｂ２は、この第２フランジ１５１ｂに結合される。 The second adjustment flange member 152b is a member having a cylindrical portion 152b1 and a flange portion 152b2 provided at the tip of the cylindrical portion 152b1, and is mainly made of, for example, an aluminum alloy. The base end of the cylindrical portion 152b1 is firmly fixed to the light-receiving portion container 125 by welding or the like so as to surround the introduction port 125a, and the detection light 130 transmitted through the measurement target space is propagated inside the cylindrical portion 152b1 and introduced into the light-receiving portion container 125.
On the other hand, the second wall 150b is provided with an opening 150b1 for guiding the detection light 130 transmitted through the measurement target space to the outside, and the second flange 151b is fixed to the opening 150b1 by welding or the like. The flange portion 152b2 of the second adjustment flange member 152b is coupled to this second flange 151b.

本実施形態において、第１調整フランジ部材１５２ａは、第１壁１５０ａに対する発光部１１０の取付角度、すなわち、発光部１１０から出射される検出光１３０が第１壁１５０ａに入射する角度を可変する手段でもある。具体的には、第１調整フランジ部材１５２ａは、自身の円筒部１５２ａ１の中心軸の方向を第１フランジ１５１ａに対して可変することにより、発光部１１０の取付角度を可変する取付角度可変機構を備える。本実施形態の取付角度可変機構は、フランジ部１５２ａ２と第１フランジ１５１ａとの間を連結する金属製の蛇腹部材１５２ａ４と、フランジ部１５２ａ２と第１フランジ１５１ａとを結合する複数本のアジャストボルト１５２ａ３とを備え、それぞれのアジャストボルト１５２ａ３の変位量によって第１フランジ１５１ａに対する第１調整フランジ部材１５２ａの中心軸の方向が可変される。 In this embodiment, the first adjustment flange member 152a is a means for varying the mounting angle of the light emitting section 110 with respect to the first wall 150a, that is, the angle at which the detection light 130 emitted from the light emitting section 110 is incident on the first wall 150a. There is also. Specifically, the first adjusting flange member 152a has a mounting angle variable mechanism that changes the mounting angle of the light emitting section 110 by varying the direction of the central axis of its own cylindrical portion 152a1 with respect to the first flange 151a. Be prepared. The mounting angle variable mechanism of this embodiment includes a metal bellows member 152a4 that connects the flange portion 152a2 and the first flange 151a, and a plurality of adjustment bolts 152a3 that connects the flange portion 152a2 and the first flange 151a. The direction of the central axis of the first adjustment flange member 152a with respect to the first flange 151a is varied by the amount of displacement of each adjustment bolt 152a3.

同様に、本実施形態において、第２調整フランジ部材１５２ｂは、第２壁１５０ｂに対する受光部１２０の取付角度、すなわち、第２壁１５０ｂから受光部１２０に入射する検出光１３０の角度を可変する手段でもある。具体的には、第２調整フランジ部材１５２ｂは、自身の円筒部１５２ｂ１の中心軸の方向を第２フランジ１５１ｂに対して可変することにより、受光部１２０の取付角度を可変する取付角度可変機構を備える。本実施形態の取付角度可変機構は、フランジ部１５２ｂ２と第２フランジ１５１ｂとの間を連結する金属製の蛇腹部材１５２ｂ４と、フランジ部１５２ｂ２と第２フランジ１５１ｂとを結合する複数本のアジャストボルト１５２ｂ３とを備え、それぞれのアジャストボルト１５２ｂ３の変位量によって第２フランジ１５１ｂに対する第２調整フランジ部材１５２ｂの中心軸の方向が可変される。 Similarly, in this embodiment, the second adjustment flange member 152b is also a means for varying the mounting angle of the light receiving unit 120 relative to the second wall 150b, i.e., the angle of the detection light 130 incident on the light receiving unit 120 from the second wall 150b. Specifically, the second adjustment flange member 152b has an attachment angle variable mechanism that varies the direction of the central axis of its own cylindrical portion 152b1 relative to the second flange 151b to vary the mounting angle of the light receiving unit 120. The attachment angle variable mechanism of this embodiment includes a metal bellows member 152b4 that connects the flange portion 152b2 and the second flange 151b, and a plurality of adjustment bolts 152b3 that connect the flange portion 152b2 and the second flange 151b, and the direction of the central axis of the second adjustment flange member 152b relative to the second flange 151b is varied depending on the displacement amount of each adjustment bolt 152b3.

なお、第１調整フランジ部材１５２ａ、及び第２調整フランジ部材１５２ｂが備える取付角度可変機構は、本実施形態で説明した形態に限定されない。 Note that the mounting angle variable mechanism included in the first adjustment flange member 152a and the second adjustment flange member 152b is not limited to the form described in this embodiment.

次いで、発光部１１０、及び受光部１２０の内部構成について詳述する。 Next, the internal configurations of the light emitting section 110 and the light receiving section 120 will be described in detail.

発光部１１０は、レーザ素子１１２と、コリメートレンズ１１３と、変調光生成部１１１と、駆動電流制御部１１６と、移動機構１１７と、移動機構駆動部１１８と、を備え、これらが発光部容器１１５に収められる。 The light emitting section 110 includes a laser element 112, a collimating lens 113, a modulated light generating section 111, a drive current control section 116, a moving mechanism 117, and a moving mechanism driving section 118, which are connected to the light emitting section container 115. It can be stored in

レーザ素子１１２は、検出光１３０に用いられるレーザ光を出射する、波長可変型のレーザ光源の一例である。レーザ素子１１２には、例えば、ＤＦＢレーザダイオード（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）、ＶＣＳＥＬ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ）、及びＤＢＲレーザダイオード（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）などが用いられる。 The laser element 112 is an example of a wavelength tunable laser light source that emits laser light used as the detection light 130. The laser element 112 includes, for example, a DFB laser diode (Distributed Feedback Laser Diode), a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), and a DBR laser diode (Distributed Braser Diode). g Reflector Laser Diode), etc. are used.

コリメートレンズ１１３は、レーザ素子１１２が出射する検出光１３０を平行光化する光学素子の一例であり、検出光１３０の波長において透過率が高い材料を主材とする。検出光１３０がコリメートレンズ１１３によって略平行光に変換されることにより、拡散による損失を抑えながら受光部１２０に伝播される。本実施形態の発光部１１０において、コリメートレンズ１１３が発光部容器１１５の出射口１１５ａに嵌め込まれることにより、出射口１１５ａが閉塞される。なお、コリメートレンズ１１３の代わりに放物面鏡が用いられてもよい。 The collimating lens 113 is an example of an optical element that collimates the detection light 130 emitted by the laser element 112, and is mainly made of a material that has a high transmittance at the wavelength of the detection light 130. The detection light 130 is converted into approximately parallel light by the collimating lens 113, and is propagated to the light receiving unit 120 while suppressing loss due to diffusion. In the light emitting unit 110 of this embodiment, the collimating lens 113 is fitted into the emission port 115a of the light emitting unit container 115, thereby blocking the emission port 115a. Note that a parabolic mirror may be used instead of the collimating lens 113.

変調光生成部１１１は、波長可変レーザ分光法、及び波長変調光分光法による測定対象ガスの濃度、又は有無の分析を実施するために、測定対象ガスの吸収波長を含む波長範囲内でレーザ素子１１２の波長を掃引し、なおかつ、レーザ素子１１２の波長を変調するための信号を出力する機能部である。
具体的には、本実施形態の変調光生成部１１１は、掃引信号発生回路と、変調信号発生回路と、駆動信号発生回路とを備える。掃引信号発生回路は、測定対象ガスの吸収波長を走査するために、当該測定対象ガスの吸収波長を含む波長範囲内でレーザ素子１１２の波長を掃引させる波長掃引駆動信号を出力する電気回路である。変調信号発生回路は、ガス吸収波形を検出するために、正弦波の高周波変調信号を出力する電気回路である。この高周波変調信号はレーザ素子１１２の波長を変調するために用いられる。駆動信号発生回路は、波長掃引駆動信号に高周波変調信号を重畳したレーザ素子駆動信号を出力する電気回路である。 The modulated light generation unit 111 uses a laser element within a wavelength range that includes the absorption wavelength of the gas to be measured in order to analyze the concentration or presence or absence of the gas to be measured by wavelength tunable laser spectroscopy and wavelength modulated light spectroscopy. This is a functional unit that sweeps the wavelength of the laser element 112 and outputs a signal for modulating the wavelength of the laser element 112.
Specifically, the modulated light generation section 111 of this embodiment includes a sweep signal generation circuit, a modulation signal generation circuit, and a drive signal generation circuit. The sweep signal generation circuit is an electric circuit that outputs a wavelength sweep drive signal that sweeps the wavelength of the laser element 112 within a wavelength range that includes the absorption wavelength of the gas to be measured in order to scan the absorption wavelength of the gas to be measured. . The modulation signal generation circuit is an electric circuit that outputs a sinusoidal high frequency modulation signal in order to detect the gas absorption waveform. This high frequency modulation signal is used to modulate the wavelength of the laser element 112. The drive signal generation circuit is an electric circuit that outputs a laser element drive signal obtained by superimposing a high frequency modulation signal on a wavelength sweep drive signal.

駆動電流制御部１１６は、レーザ駆動信号発生回路が出力するレーザ素子駆動信号を電流に変換することにより、レーザ素子駆動信号に応じた駆動電流をレーザ素子１１２に供給する電気回路を備える。係る駆動電流がレーザ素子１１２に供給されることにより、レーザ素子１１２は、レーザ駆動信号に応じた波長、及び強度のレーザ光、すなわち、測定対象ガスの吸収波長を含む波長範囲内で波長が掃引され、なおかつ、波長が変調されたレーザ光を検出光１３０として出射する。 The drive current control unit 116 includes an electric circuit that converts the laser element drive signal output from the laser drive signal generation circuit into a current, thereby supplying the laser element 112 with a drive current according to the laser element drive signal. By supplying such a drive current to the laser element 112, the laser element 112 generates laser light with a wavelength and intensity according to the laser drive signal, that is, the wavelength sweeps within a wavelength range that includes the absorption wavelength of the gas to be measured. In addition, the wavelength-modulated laser light is emitted as detection light 130.

なお、変調光生成部１１１は、レーザ素子１１２の波長制御のために、当該レーザ素子１１２の温度を制御する温度制御機能を備えてもよい。温度制御機能を実現する具体的な要素には、例えば、レーザ素子１１２の温度を検出する温度センサ、当該レーザ素子１１２の温度を制御する温度制御素子、及び、温度センサによる検出温度等に基づいて温度制御素子を制御する制御回路が挙げられる。温度センサには例えばサーミスタを用いてもよく、温度制御素子には例えばペルチェ素子を用いてもよい。 The modulated light generating unit 111 may have a temperature control function for controlling the temperature of the laser element 112 in order to control the wavelength of the laser element 112. Specific elements for realizing the temperature control function include, for example, a temperature sensor for detecting the temperature of the laser element 112, a temperature control element for controlling the temperature of the laser element 112, and a control circuit for controlling the temperature control element based on the temperature detected by the temperature sensor. For example, a thermistor may be used as the temperature sensor, and for example, a Peltier element may be used as the temperature control element.

移動機構１１７、及び移動機構駆動部１１８は、発光部容器１１５の内部空間においてレーザ素子１１２を複数の所定方向に移動するためのものである。これらについては後に詳述する。 The moving mechanism 117 and the moving mechanism driving section 118 are for moving the laser element 112 in a plurality of predetermined directions in the internal space of the light emitting unit container 115. These will be detailed later.

受光部１２０は、受光素子１２２と、集光レンズ１２３と、受光信号処理部１２１と、を備え、これらが受光部容器１２５に収められる。
受光素子１２２は、受光部１２０の内部に導入された検出光１３０を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する素子であり、例えばフォトダイオードを備える。受光素子１２２は、検出光１３０に対する波長掃引範囲の全体に対して感度を有する。
集光レンズ１２３は、受光部１２０に入射する検出光１３０を、当該受光部１２０の内部に設置された受光素子１２２の受光面に集光する光学素子の一例である。本実施形態の受光部１２０において、集光レンズ１２３が受光部容器１２５の導入口１２５ａに嵌め込まれることにより、導入口１２５ａが閉塞される。なお、集光レンズ１２３に代えて、放物面鏡、ダブレットレンズ、及び回折レンズなどが用いられてもよい。 The light receiving section 120 includes a light receiving element 122 , a condenser lens 123 , and a received light signal processing section 121 , which are housed in a light receiving section container 125 .
The light receiving element 122 is an element that receives the detection light 130 introduced into the light receiving section 120 and outputs a light receiving signal according to the amount of received light, and includes, for example, a photodiode. The light receiving element 122 has sensitivity to the entire wavelength sweep range for the detection light 130.
The condensing lens 123 is an example of an optical element that condenses the detection light 130 incident on the light receiving unit 120 onto the light receiving surface of the light receiving element 122 installed inside the light receiving unit 120. In the light receiving unit 120 of this embodiment, the condensing lens 123 is fitted into the inlet 125a of the light receiving unit container 125, thereby blocking the inlet 125a. Note that instead of the condensing lens 123, a parabolic mirror, a doublet lens, a diffractive lens, or the like may be used.

受光信号処理部１２１は、受光素子１２２が出力する受光信号に基づいて、測定対象ガスのガス濃度、又は有無を求める機能部である。具体的には、受光信号処理部１２１は、ロックインアンプと、プロセッサと、を備える。
ロックインアンプは、変調されたレーザ光である検出光１３０の受光信号を、当該検出光１３０の変調周波数の逓倍でロックイン検出する同期検波回路の一例である。測定対象空間内を通った検出光１３０が測定対象ガスに吸収された場合には、ロックイン検出によって得られるロックイン検波波形に、測定対象ガスの吸収波形が現れる。
プロセッサは、ロックイン検波波形の振幅に基づいて測定対象ガスの濃度を求める演算回路である。詳細には、変調光生成部１１１における波長掃引駆動信号に同期した信号が上述の通信線１４０を通じて演算器に入力されており、プロセッサは、ロックイン検波波形における１回の波長掃引に対応する区間を、波長掃引駆動信号に同期した信号に基づいて特定し、当該区間内に現れた測定対象ガスの吸収波形の振幅に基づいて、測定対象ガスの濃度を求める。 The received light signal processing unit 121 is a functional unit that determines the gas concentration or the presence or absence of the measurement target gas based on the received light signal output by the light receiving element 122. Specifically, the received light signal processing unit 121 includes a lock-in amplifier and a processor.
The lock-in amplifier is an example of a synchronous detection circuit that performs lock-in detection of the received light signal of detection light 130, which is modulated laser light, at a multiple of the modulation frequency of the detection light 130. When detection light 130 that has passed through the measurement target space is absorbed by the measurement target gas, an absorption waveform of the measurement target gas appears in the lock-in detection waveform obtained by lock-in detection.
The processor is an arithmetic circuit that determines the concentration of the target gas based on the amplitude of the lock-in detection waveform. In detail, a signal synchronized with the wavelength sweep drive signal in the modulated light generating unit 111 is input to the arithmetic unit through the above-mentioned communication line 140, and the processor identifies a section corresponding to one wavelength sweep in the lock-in detection waveform based on the signal synchronized with the wavelength sweep drive signal, and determines the concentration of the target gas based on the amplitude of the absorption waveform of the target gas that appears in the section.

なお、受光信号処理部１２１は、受光信号からノイズを除去したり、当該信号を増幅したりするためのローパスフィルタを備えてもよい。 Note that the light-receiving signal processing section 121 may include a low-pass filter for removing noise from the light-receiving signal and amplifying the signal.

レーザ式ガス分析計１００を煙道に取り付ける取付工事について説明すると、作業者は、先ず、発光部１１０、及び受光部１２０のそれぞれを、第１壁１５０ａ、及び第２壁１５０ｂに取り付ける。上述の通り、本実施形態のレーザ式ガス分析計１００は、発光部１１０の発光部容器１１５、及び受光部１２０の受光部容器１２５がいずれも防爆構造の容器であるため、可燃性ガスや粉塵が存在し得る雰囲気下でも使用可能である。 To explain the installation work for attaching the laser gas analyzer 100 to a flue, an operator first attaches the light emitting section 110 and the light receiving section 120 to the first wall 150a and the second wall 150b, respectively. As described above, in the laser gas analyzer 100 of the present embodiment, the light emitting unit container 115 of the light emitting unit 110 and the light receiving unit container 125 of the light receiving unit 120 are both explosion-proof containers, so that combustible gas and dust cannot be detected. It can also be used in an atmosphere where

次いで、作業者は、発光部１１０、及び受光部１２０の少なくとも一方の取付角度を、第１調整フランジ部材１５２ａ、及び第２調整フランジ部材１５２ｂを用いて調整することにより、発光部１１０から出射された検出光１３０が受光部１２０に入射し、当該受光部１２０の受光素子１２２によって受光されるようにする。この場合において、作業者は、受光部１２０において最大の光量で受光されるように、発光部１１０、及び受光部１２０の少なくとも１つの取付角度を調整する。 Next, the operator adjusts the mounting angle of at least one of the light emitting part 110 and the light receiving part 120 using the first adjustment flange member 152a and the second adjustment flange member 152b, so that the light emitted from the light emitting part 110 is adjusted. The detected light 130 enters the light receiving section 120 and is received by the light receiving element 122 of the light receiving section 120. In this case, the operator adjusts the mounting angle of at least one of the light emitting section 110 and the light receiving section 120 so that the light receiving section 120 receives the maximum amount of light.

係る取付工事の実施後、又は、実施中において、作業者は、プロセスの影響による熱膨張や、第１壁１５０ａ、及び第２壁１５０ｂの振動などによって発光部１１０、及び受光部１２０の取付角度が僅かにズレた場合でも、受光素子１２２の受光量が確保されるように、検出光１３０のビーム径を予め拡げる作業を行う。
しかしながら、本実施形態の発光部１１０は、防爆構造の発光部容器１１５を備え、当該発光部容器１１５に、レーザ素子１１２、及びコリメートレンズ１１３などが収められているため、取付工事の現場において、作業者が発光部容器１１５の内部にアクセスし、ビーム径を調整することは困難である。 After or during the installation work, the worker performs work to expand the beam diameter of the detection light 130 in advance so that the amount of light received by the light receiving element 122 is secured even if the installation angles of the light emitting unit 110 and the light receiving unit 120 are slightly shifted due to thermal expansion caused by the process or vibration of the first wall 150a and the second wall 150b.
However, the light-emitting unit 110 of this embodiment is equipped with an explosion-proof light-emitting unit container 115 in which the laser element 112, the collimator lens 113, etc. are housed, so that it is difficult for workers at the installation site to access the inside of the light-emitting unit container 115 and adjust the beam diameter.

本実施形態のレーザ式ガス分析計１００は、作業者が係る作業を、発光部１１０の内部にアクセスすることなく実施可能にするために、上述の移動機構１１７、及び移動機構駆動部１１８と、操作装置１６０と、を備える。また、これらの構成は、ビーム径の調整の他にも、レーザ素子１１２の光軸調整、及び、レーザ素子１１２と受光素子１２２の間の光路長の調整にも用いられる。
以下、係る構成について詳述する。 The laser gas analyzer 100 of the present embodiment includes the above-mentioned moving mechanism 117 and moving mechanism drive section 118 in order to enable the operator to perform the work without accessing the inside of the light emitting section 110. An operating device 160 is provided. In addition to adjusting the beam diameter, these configurations are also used to adjust the optical axis of the laser element 112 and the optical path length between the laser element 112 and the light receiving element 122.
The configuration will be described in detail below.

移動機構１１７は、発光部容器１１５の内部の所定位置に配置された機構であり、レーザ素子１１２の６つの自由度のうちの少なくとも２つの自由度について調整することにより、レーザ素子１１２を複数の方向に移動可能な機構である。６つの自由度は、発光部容器１１５の内部空間において、剛体と見做されるレーザ素子１１２の自由な運動の自由度を意味し、直交３次元空間におけるＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のそれぞれの方向への並進移動、並びに、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸のそれぞれのまわりの回転Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚの方向への回転移動に対応する。すなわち、本実施形態の移動機構１１７は、発光部容器１１５の内部においてレーザ素子１１２を、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各方向へ並進移動すること、及び、回転Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚの各方向へ回転移動すること、を可能にする。 The moving mechanism 117 is a mechanism arranged at a predetermined position inside the light-emitting container 115, and is a mechanism capable of moving the laser element 112 in multiple directions by adjusting at least two of the six degrees of freedom of the laser element 112. The six degrees of freedom refer to the degrees of freedom of free movement of the laser element 112, which is regarded as a rigid body, in the internal space of the light-emitting container 115, and correspond to translational movement in each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions in an orthogonal three-dimensional space, and rotational movement in the directions of rotations Rx, Ry, and Rz around the X-axis, Y-axis, and Z-axis, respectively. That is, the moving mechanism 117 of this embodiment enables the laser element 112 to be translated in each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions inside the light-emitting container 115, and to be rotated in each of the directions of rotations Rx, Ry, and Rz.

図２は移動機構１１７の構成の一例を示す斜視図である。
本実施形態の移動機構１１７には、レーザ素子１１２を支持する光学マウントの一形態であるキネマティックマウントが用いられる。キネマティックマウントは、レーザ素子１１２の６つの自由度を拘束しつつ、１以上の自由度を高精度に調整可能にするマウントである。本実施形態の移動機構１１７には、６つの自由度のそれぞれを調整可能にするキネマティックマウントが用いられる。 FIG. 2 is a perspective view showing an example of the configuration of the moving mechanism 117.
The movement mechanism 117 of this embodiment uses a kinematic mount, which is a form of an optical mount that supports the laser element 112. The kinematic mount is a mount that allows one or more degrees of freedom to be adjusted with high precision while constraining six degrees of freedom of the laser element 112. The movement mechanism 117 of this embodiment uses a kinematic mount that allows each of the six degrees of freedom to be adjusted.

具体的には、移動機構１１７は、図２に示される通り、レーザ素子１１２を支持する第１主面１５０Ｓ１を有する板状の支持部材１５０と、この支持部材１５０の第２主面１５０Ｓ２に先端が当接する３本の送りねじＳＴ、ＳＢ、ＳＣと、３本の送りねじを連結する連結部材１５２と、を備える。３本の送りねじＳＴ、ＳＢ、ＳＣのそれぞれが操作されることによって、レーザ素子１１２を保持した支持部材１５０について６つの自由度のそれぞれが調整される。
なお、以下の説明では、支持部材１５０の第１主面１５０Ｓ１に平行な平面をＸＹ平面と定義し、当該ＸＹ平面の法線方向をＺ軸と定義する。また、レーザ素子１１２は、その光軸がＺ軸に一致する姿勢で支持部材１５０に保持されるものとする。 2, the moving mechanism 117 includes a plate-shaped supporting member 150 having a first main surface 150S1 that supports the laser element 112, three feed screws ST, SB, and SC whose tips abut against a second main surface 150S2 of the supporting member 150, and a connecting member 152 that connects the three feed screws. By manipulating each of the three feed screws ST, SB, and SC, each of the six degrees of freedom of the supporting member 150 that holds the laser element 112 is adjusted.
In the following description, a plane parallel to the first main surface 150S1 of the support member 150 is defined as an XY plane, and a normal direction of the XY plane is defined as a Z axis. The laser element 112 is held by the support member 150 in a position in which its optical axis coincides with the Z axis.

図３は、移動機構１１７の各送りねじＳＴ、ＳＢ、ＳＣの操作と、支持部材１５０の移動との関係の一例を模式的に示す図である。 FIG. 3 is a diagram schematically showing an example of the relationship between the operations of the feed screws ST, SB, and SC of the moving mechanism 117 and the movement of the support member 150.

操作形態１に示されるように、３本の送りねじＳＴ、ＳＢ、ＳＣが全て同じ量で連結部材１５２に対して押し込まれ、又は引き出される操作により、支持部材１５０がＺ軸方向、すなわちレーザ素子１１２の光軸方向に並進移動する。
また、操作形態２に示されるように、３本の送りねじＳＴ、ＳＢ、ＳＣのうちの１本の送りねじＳＢが連結部材１５２に対して押し込まれ、又は引き出される操作により、支持部材１５０がＸ軸まわりの回転Ｒｘの方向に回転移動する。
また、操作形態３に示されるように、３本の送りねじＳＴ、ＳＢ、ＳＣのうちの１本の送りねじＳＴが連結部材１５２に対して押し込まれ、又は引き出される操作により、支持部材１５０がＹ軸まわりの回転Ｒｙの方向に回転移動する。 As shown in operation form 1, by pushing or pulling all three feed screws ST, SB, and SC into or out of the connecting member 152 by the same amount, the support member 150 moves translationally in the Z-axis direction, i.e., in the optical axis direction of the laser element 112.
Also, as shown in operation form 2, by pushing or pulling one of the three feed screws ST, SB, and SC, feed screw SB, into or out of the connecting member 152, the support member 150 rotates in the direction of rotation Rx around the X-axis.
Also, as shown in operation form 3, by pushing or pulling one of the three feed screws ST, SB, and SC into or out of the connecting member 152, the support member 150 rotates in the direction of rotation Ry around the Y axis.

なお、図示は省略するが、本実施形態の移動機構１１７において、３本の送りねじＳＴ、ＳＢ、ＳＣのそれぞれが適宜に押し込まれ、又は引き出されることにより、支持部材１５０がＸ軸方向、及びＹ軸方向のそれぞれに並進移動し、また、Ｚ軸まわりの回転Ｒｚの方向にも回転移動する。 Although not shown, in the movement mechanism 117 of this embodiment, the three feed screws ST, SB, and SC are pushed in or pulled out as appropriate, causing the support member 150 to translate in the X-axis direction and the Y-axis direction, and also rotate in the direction of rotation Rz around the Z-axis.

移動機構駆動部１１８は、移動機構１１７の各送りねじＳＴ、ＳＢ、ＳＣを駆動する機能部であり、各送りねじＳＴ、ＳＢ、ＳＣを駆動するアクチュエータを備える。なお、移動機構１１７は、各送りねじＳＴ、ＳＢ、ＳＣに代えて、ピエゾアクチュエータ等のような直線変位を可能にする機器を備えてもよい。 The movement mechanism drive unit 118 is a functional unit that drives the feed screws ST, SB, and SC of the movement mechanism 117, and includes actuators that drive the feed screws ST, SB, and SC. Note that the movement mechanism 117 may include devices that enable linear displacement, such as piezoelectric actuators, instead of the feed screws ST, SB, and SC.

操作装置１６０は、通信線１４０を介して信号を送受可能に移動機構駆動部１１８に接続された装置であり、発光部１１０、及び受光部１２０の外部に設けられる。また、操作装置１６０は、作業者などのユーザによるユーザ操作を受け付け、各送りねじＳＴ、ＳＢ、ＳＣの駆動を指示する指示信号をユーザ操作に基づいて移動機構駆動部１１８に入力する。係る操作装置１６０には、例えば、キーボード等の入力装置、表示装置等の出力装置、及びコンピュータを備えるコンピュータシステムが用いられる。
なお、本実施形態において、操作装置１６０は、発光部１１０、及び受光部１２０のそれぞれの制御に係る各種情報、及び設定値を出力装置に出力する機能を備える。また、操作装置１６０は、設定値についてのユーザ設定を入力装置から取得し、当該ユーザ設定を設定する機能も備える。これらの機能により、ユーザは、各種情報、及び設定値を確認し、また、適宜に設定できる。 The operating device 160 is a device connected to the moving mechanism driving section 118 so as to be able to send and receive signals via the communication line 140, and is provided outside the light emitting section 110 and the light receiving section 120. Further, the operating device 160 accepts a user operation by a user such as a worker, and inputs an instruction signal instructing to drive each of the feed screws ST, SB, and SC to the moving mechanism drive unit 118 based on the user operation. As the operating device 160, for example, a computer system including an input device such as a keyboard, an output device such as a display device, and a computer is used.
In this embodiment, the operating device 160 has a function of outputting various information and setting values related to the control of the light emitting section 110 and the light receiving section 120 to the output device. The operating device 160 also has a function of acquiring user settings regarding setting values from the input device and setting the user settings. These functions allow the user to check various information and setting values, and to set them as appropriate.

本実施形態のレーザ式ガス分析計１００によれば、作業者は、操作装置１６０を操作して移動機構１１７を駆動することにより、発光部１１０の内部にアクセスすることなく発光部容器１１５の内部に配置されたレーザ素子１１２を複数の方向に移動できる。そして、レーザ素子１１２を移動させることにより、その移動方向に応じて、発光部１１０が出射する検出光１３０のビーム径、その検出光１３０の光軸、並びに、レーザ素子１１２と受光素子１２２との間の光路長が調整される。
以下、これらの調整について詳述する。 According to the laser gas analyzer 100 of the present embodiment, by operating the operating device 160 to drive the moving mechanism 117, the operator can move inside the light emitting unit container 115 without accessing the inside of the light emitting unit 110. The laser element 112 disposed in can be moved in multiple directions. By moving the laser element 112, the beam diameter of the detection light 130 emitted by the light emitting section 110, the optical axis of the detection light 130, and the relationship between the laser element 112 and the light receiving element 122 are adjusted according to the moving direction. The optical path length between the two is adjusted.
These adjustments will be explained in detail below.

［ビーム径調整］
発光部１１０から出射される検出光１３０のビーム径は、レーザ素子１１２とコリメートレンズ１１３との距離を可変するように移動機構１１７によってレーザ素子１１２を移動することにより調整される。当該距離は、レーザ素子１１２の光軸に沿った距離であり、本実施形態において、レーザ素子１１２の光軸はＺ軸に一致する。したがって、図３の操作形態１の操作によって移動機構１１７がレーザ素子１１２をＺ軸方向に並進移動させることにより、検出光１３０のビーム径が調整される。この場合において、レーザ素子１１２の発光面がコリメートレンズ１１３のバックフォーカスよりもコリメートレンズ１１３に近いほどビーム径は拡がり、これとは逆に、レーザ素子１１２の発光面がコリメートレンズ１１３のバックフォーカスよりもコリメートレンズ１１３から遠いほどビーム径は狭まる。 [Beam diameter adjustment]
The beam diameter of the detection light 130 emitted from the light emitting unit 110 is adjusted by moving the laser element 112 by the moving mechanism 117 so as to vary the distance between the laser element 112 and the collimating lens 113. The distance is a distance along the optical axis of the laser element 112, and in this embodiment, the optical axis of the laser element 112 coincides with the Z-axis. Therefore, the beam diameter of the detection light 130 is adjusted by the moving mechanism 117 translating the laser element 112 in the Z-axis direction by the operation of the operation form 1 in FIG. 3. In this case, the closer the light emitting surface of the laser element 112 is to the collimating lens 113 than the back focus of the collimating lens 113, the wider the beam diameter becomes, and conversely, the farther the light emitting surface of the laser element 112 is from the collimating lens 113 than the back focus of the collimating lens 113, the narrower the beam diameter becomes.

作業者は、係るビーム径の調整作業を、レーザ式ガス分析計１００の取付工事実施後、又は、実施中において行うことにより、プロセスの影響による熱膨張や、第１壁１５０ａ、及び第２壁１５０ｂの振動などによって発光部１１０、及び受光部１２０の取付角度が僅かにズレた場合でも、受光素子１２２の受光量が確保されるように、検出光１３０のビーム径を予め設定することができる。 By adjusting the beam diameter after or during the installation of the laser gas analyzer 100, the worker can preset the beam diameter of the detection light 130 so that the amount of light received by the light receiving element 122 is ensured even if the installation angles of the light emitting unit 110 and the light receiving unit 120 are slightly misaligned due to thermal expansion caused by the process or vibration of the first wall 150a and the second wall 150b.

［光軸調整］
発光部１１０から出射される検出光１３０の光軸、すなわち出射角の調整は、移動機構１１７によって、レーザ素子１１２を、その光軸と直交する他の軸まわりに回転移動させることにより調整される。本実施形態において、光軸と直交する他の軸は、Ｘ軸、及びＹ軸である。したがって、図３の操作形態２、及び操作形態３の少なくとも一つの操作によって、移動機構１１７がレーザ素子１１２をＸ軸まわりの回転Ｒｘの方向、及びＹ軸まわりの回転Ｒｙの方向の少なくとも１つの方向に回転移動させることにより、検出光１３０の光軸が調整される。
ただし、本実施形態の移動機構１１７において、操作形態２、または操作形態３によって光軸調整が行われた場合、レーザ素子１１２の光軸方向の位置が調整前の位置からズレる。したがって、光軸調整実施後には、操作形態２、及び操作形態３において固定されていた２つの送りねじを同じ量だけ押し込み、又は引き出す操作をすることで、ズレを解消することが好ましい。 [Optical axis adjustment]
The optical axis of the detection light 130 emitted from the light-emitting unit 110, i.e., the emission angle, is adjusted by rotating the laser element 112 by the movement mechanism 117 around another axis perpendicular to the optical axis. In this embodiment, the other axes perpendicular to the optical axis are the X-axis and the Y-axis. Therefore, by performing at least one of the operations of the operation form 2 and the operation form 3 in FIG. 3, the movement mechanism 117 rotates the laser element 112 in at least one of the directions of rotation Rx around the X-axis and rotation Ry around the Y-axis, thereby adjusting the optical axis of the detection light 130.
However, in the moving mechanism 117 of this embodiment, when the optical axis adjustment is performed in the operation form 2 or the operation form 3, the position of the optical axis direction of the laser element 112 is shifted from the position before the adjustment. Therefore, after the optical axis adjustment is performed, it is preferable to eliminate the shift by pushing in or pulling out the two feed screws that were fixed in the operation form 2 and the operation form 3 by the same amount.

作業者は、レーザ式ガス分析計１００の取付工事実施後、又は、実施中において、第１調整フランジ部材１５２ａ、及び第２調整フランジ部材１５２ｂによる取付角度の調整に加え、レーザ素子１１２の光軸調整を実施することにより、発光部１１０からの検出光１３０の出射角、及び受光部１２０への検出光１３０の入射角を微調整できる。 After or during the installation of the laser gas analyzer 100, the worker can fine-tune the emission angle of the detection light 130 from the light-emitting unit 110 and the incidence angle of the detection light 130 on the light-receiving unit 120 by adjusting the optical axis of the laser element 112 in addition to adjusting the installation angle using the first adjustment flange member 152a and the second adjustment flange member 152b.

［光路長調整］
レーザ素子１１２と受光素子１２２との間の光路長は、移動機構１１７によって、レーザ素子１１２を光軸方向に並進移動し、又は、光軸方向が変化する方向にレーザ素子１１２を移動することにより調整される。本実施形態において、光軸方向へのレーザ素子１１２の並進移動は図３の操作形態１の操作によって行われる。また、本実施形態において、光軸方向を変化させる方向は、回転Ｒｘの方向、及び回転Ｒｙの方向である。回転Ｒｘの方向、及び回転Ｒｙの方向へのレーザ素子１１２の移動は、図３の操作形態２、及び操作形態３の操作によって行われる。 [Optical path length adjustment]
The optical path length between the laser element 112 and the light receiving element 122 can be determined by moving the laser element 112 in translation in the optical axis direction or by moving the laser element 112 in a direction in which the optical axis direction changes using the moving mechanism 117. be adjusted. In this embodiment, the translational movement of the laser element 112 in the optical axis direction is performed by the operation of operation mode 1 in FIG. Furthermore, in this embodiment, the directions in which the optical axis direction is changed are the direction of rotation Rx and the direction of rotation Ry. The movement of the laser element 112 in the direction of rotation Rx and the direction of rotation Ry is performed by the operations in operation mode 2 and operation mode 3 in FIG.

ここで、本実施形態において、レーザ素子１１２と受光素子１２２と間の光路長の可変は、レーザ式ガス分析計１００における光学干渉の問題解決に用いられる。
詳述すると、一般に、レーザ式ガス分析計において、レーザ素子から出射した検出光が、コリメートレンズなどの各種の光学素子に複数回反射し受光素子に到達すると、直接到達した検出光と、複数回反射して到達した検出光とが干渉し、互いに強め合ったり打ち消し合ったりすることにより、受光素子の受光信号に干渉信号が干渉ノイズとして重畳されることが知られている（例えば、特開２０１９－１１７１４７号公報参照）。 In this embodiment, the ability to vary the optical path length between the laser element 112 and the light receiving element 122 is used to solve the problem of optical interference in the laser gas analyzer 100 .
In more detail, in general, in a laser gas analyzer, when the detection light emitted from the laser element is reflected multiple times by various optical elements such as a collimating lens and reaches the light receiving element, the detection light that reaches directly and the detection light that reaches after being reflected multiple times interfere with each other and reinforce or cancel each other out, causing an interference signal to be superimposed on the light receiving signal of the light receiving element as interference noise (see, for example, JP 2019-117147 A).

これに対し、レーザ素子１１２と受光素子１２２と間の光路長が変化することによって、コリメートレンズ１１３、及び集光レンズ１２３などの光学素子における干渉光の反射位置が変わり位相ずれを生じさせることができる。したがって、当該光路長を微小量の範囲で周期的に繰り返し変化させ、1つの周期の間に得られる複数の受光信号を平均化することにより光学干渉の影響を低減できることとなる。
この場合において、「微少量」はレーザ光の波長と同じオーダーであり、例えば、その波長の数分の１から数倍の値である。ただし、レーザ素子１１２が光軸方向に並進移動することによって光路長が可変された場合、レーザ素子１１２とコリメートレンズ１１３の間の距離が変わることにより、レーザ光のビーム径も変わる。したがって、「微少量」は、受光素子１２２における受光量が大きく変わらない範囲とすることが好ましい。
また、光路長が変化する周期は適宜であるが、レーザ光の波長の掃引周期に比べて十分に長いことが望ましい。例えば、光路長が変化する周期は、レーザ光の波長の掃引周期の３００倍～８００倍程度である。レーザ光の波長の掃引周期が０．１５ｍｓの場合、光路長が変化する周期は４５ｍｓ～１２０ｍｓが妥当である。 On the other hand, when the optical path length between the laser element 112 and the light receiving element 122 changes, the reflection position of the interference light in optical elements such as the collimating lens 113 and the condensing lens 123 changes, causing a phase shift. can. Therefore, the influence of optical interference can be reduced by periodically and repeatedly changing the optical path length within a minute range and by averaging a plurality of received light signals obtained during one period.
In this case, the "very small amount" is of the same order as the wavelength of the laser beam, and is, for example, a value from a fraction of the wavelength to several times the wavelength. However, when the optical path length is varied by translationally moving the laser element 112 in the optical axis direction, the beam diameter of the laser light also changes as the distance between the laser element 112 and the collimating lens 113 changes. Therefore, it is preferable that the "very small amount" be set within a range in which the amount of light received by the light receiving element 122 does not change significantly.
Further, although the period at which the optical path length changes is appropriate, it is desirable that it be sufficiently long compared to the sweep period of the wavelength of the laser beam. For example, the period at which the optical path length changes is about 300 to 800 times the wavelength sweep period of the laser beam. When the wavelength sweep period of the laser beam is 0.15 ms, the appropriate period for changing the optical path length is 45 ms to 120 ms.

本実施形態では、レーザ式ガス分析計１００においてガス分析が行われる間、操作装置１６０が移動機構駆動部１１８を制御することによって移動機構１１７を駆動することにより、レーザ素子１１２を微小な範囲で周期的に移動することにより（すなわち、微小な振幅で振動させることにより）、光路長を微小な範囲で繰り返し周期的に変化させ、干渉ノイズを抑えた分析を可能としている。 In this embodiment, while gas analysis is being performed in the laser gas analyzer 100, the operating device 160 controls the movement mechanism drive unit 118 to drive the movement mechanism 117, thereby periodically moving the laser element 112 over a small range (i.e., vibrating it with a small amplitude), thereby repeatedly and periodically changing the optical path length over a small range, enabling analysis with reduced interference noise.

ところで、光路長を可変するための手法には、上述の通り、レーザ素子１１２を光軸方向に並進移動する第１手法と、レーザ素子１１２の光軸方向を変化させる第２手法と、の２つの手法がある。以下、第１手法、及び第２手法における干渉ノイズの低減効果の違いについて詳述する。 By the way, as mentioned above, there are two methods for varying the optical path length: the first method of translating the laser element 112 in the optical axis direction, and the second method of changing the optical axis direction of the laser element 112. There are two methods. Hereinafter, the difference in interference noise reduction effects between the first method and the second method will be described in detail.

図４は、第１手法、及び第２手法による光路の差異を示す図である。なお、同図において、固定形態は、レーザ素子１１２が所定の基準位置に固定されている場合を示す。また直線ＫｓはＺ軸と一致した状態の光軸を示す。
第１手法によれば、レーザ素子１１２が光軸方向に微小な変位長αで周期的に並進移動するため（すなわち、レーザ素子１１２が変位長αで光軸方向に振動するため）、レーザ素子１１２とコリメートレンズ１１３との間である区間Ａにおいて光路長が変化する。したがって、受光信号の平均化処理により、区間Ａで生じる干渉光の影響が低減されることになる。
しかしながら、コリメートレンズ１１３と集光レンズ１２３との間である区間Ｂ、及び、集光レンズ１２３と受光素子１２２との間である区間Ｃにおいて光路長は変化しないため、区間Ｂ、及び区間Ｃで生じる干渉光の影響は低減されない。 4 is a diagram showing the difference in the optical path between the first method and the second method. In the figure, the fixed form shows the case where the laser element 112 is fixed at a predetermined reference position. The straight line Ks shows the optical axis in a state where it coincides with the Z axis.
According to the first technique, the laser element 112 periodically translates in the optical axis direction with a small displacement length α (i.e., the laser element 112 vibrates in the optical axis direction with a displacement length α), so that the optical path length changes in a certain section A between the laser element 112 and the collimator lens 113. Therefore, the influence of the interference light occurring in section A is reduced by averaging the received light signal.
However, since the optical path length does not change in section B between the collimating lens 113 and the focusing lens 123, and in section C between the focusing lens 123 and the light receiving element 122, the influence of the interference light occurring in sections B and C is not reduced.

第２手法によれば、レーザ素子１１２が回転Ｒｘ、又は回転Ｒｙの方向に回転移動することにより、光軸の方向が直線Ｋｓを中心に微小な変位角θだけ周期的に変化する（すなわち、レーザ素子１１２が変位角θの範囲で直線Ｋｓ（Ｚ軸）を中心に振動する）。この結果、コリメートレンズ１１３、及び集光レンズ１２３のそれぞれの光学面において検出光１３０の入射角、及び出射角が変化するため、区間Ａ、区間Ｂ、及び区間Ｃのすべてにおいて光路長が変化する。したがって、第２手法によれば、第１手法とは異なり、受光信号の平均化処理により、区間Ａ、区間Ｂ、及び区間Ｃのすべてにおいて、そこで生じる干渉光の影響を低減できることとなる。 According to the second method, the laser element 112 rotates in the direction of rotation Rx or Ry, causing the direction of the optical axis to change periodically by a small displacement angle θ around the straight line Ks (i.e., the laser element 112 vibrates around the straight line Ks (Z-axis) within the range of the displacement angle θ). As a result, the incidence angle and emission angle of the detection light 130 change on the optical surfaces of the collimator lens 113 and the condenser lens 123, respectively, and the optical path length changes in all of sections A, B, and C. Therefore, according to the second method, unlike the first method, the averaging process of the received light signal can reduce the influence of the interference light occurring in all of sections A, B, and C.

図５は第１手法におけるレーザ素子１１２の光軸方向への変位長αと光路長の変化量Ｄとの関係を示す図である。図６は第２手法におけるレーザ素子１１２の光軸方向の変位角θと光路長の変化量Ｄとの関係を示す図である。光軸方向の変位角θはＺ軸方向に対する光軸の角度である。また、光路長の変化量Ｄは、レーザ素子１１２と受光素子１２２との間の最長光路長Ｋｍａｘと最短光路長Ｋｍｉｎとの差である。最長光路長Ｋｍａｘと最短光路長Ｋｍｉｎは図４に示されている。
図５に示されるように、第１手法において、光軸方向へのレーザ素子１１２の変位長αが大きくなっても、光路長の変化量Ｄはほぼ一定である。これに対し、図６に示されるように、第２手法において、光軸方向の変位角θが大きくなるほど、光路長の変化量Ｄは大きくなる。
したがって、第２手法により、光路長の変位角θを可変することで光路長をより変化させることができ、受光信号の平均化処理による干渉光の影響の低減について、第１手法よりも大きな効果が見込めることが分かる。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the displacement length α of the laser element 112 in the optical axis direction and the amount of change D in the optical path length in the first method. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the displacement angle θ of the laser element 112 in the optical axis direction and the amount of change D in the optical path length in the second method. The displacement angle θ in the optical axis direction is the angle of the optical axis with respect to the Z-axis direction. Further, the amount of change D in the optical path length is the difference between the longest optical path length Kmax and the shortest optical path length Kmin between the laser element 112 and the light receiving element 122. The longest optical path length Kmax and the shortest optical path length Kmin are shown in FIG.
As shown in FIG. 5, in the first method, even if the displacement length α of the laser element 112 in the optical axis direction increases, the amount of change D in the optical path length remains almost constant. On the other hand, as shown in FIG. 6, in the second method, the larger the displacement angle θ in the optical axis direction, the larger the amount of change D in the optical path length.
Therefore, the second method allows the optical path length to be changed more by varying the displacement angle θ of the optical path length, and has a greater effect than the first method on reducing the influence of interference light due to the averaging process of the received light signal. It can be seen that this can be expected.

図７は、受光信号の平均化処理による干渉ノイズの低減効果についての説明図である。
なお、図７に示される検出例は、それぞれ、測定対象ガスが測定対象空間に存在しない状態、換言すれば測定対象空間における検出光１３０の吸光が無視できる状態において、受光信号処理部１２１が受光信号をロックイン検出することにより得られたロックイン検波波形を示す。
具体的には、例Ａは、レーザ素子１１２が所定の基準位置に固定された状態において受光信号処理部１２１によって得られたロックイン検波波形の一例である。例Ａは、第２手法により光軸方向の変位角θが４点の異なる角度に変化するごとに、受光信号処理部１２１によって得られたロックイン検波波形Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、及びＢ４を重ねて示したものである。例Ｃは、検出例２における４つのロックイン検波波形Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４を平均化処理した後の波形を示す。
例Ｂに示される通り、レーザ素子１１２の光軸方向の角度が変化するごとに光路長が変化するため、干渉ノイズの位相が変化する。したがって、例Ｃに示される通り、ロックイン検波波形Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、及びＢ４を一定時間で平均化処理することで、干渉ノイズを大幅に低減したロックイン検波波形が得られる。 FIG. 7 is an explanatory diagram of the effect of reducing interference noise by averaging processing of received light signals.
In each of the detection examples shown in FIG. 7, the light reception signal processing unit 121 detects light in a state in which the measurement target gas does not exist in the measurement target space, in other words, in a state in which the absorption of the detection light 130 in the measurement target space can be ignored. A lock-in detection waveform obtained by lock-in detection of a signal is shown.
Specifically, Example A is an example of a lock-in detection waveform obtained by the received light signal processing section 121 in a state where the laser element 112 is fixed at a predetermined reference position. In example A, the lock-in detection waveforms B1, B2, B3, and B4 obtained by the received light signal processing unit 121 are superimposed each time the displacement angle θ in the optical axis direction changes to four different angles by the second method. This is what is shown. Example C shows a waveform after averaging the four lock-in detection waveforms B1, B2, B3, and B4 in detection example 2.
As shown in Example B, the optical path length changes every time the angle in the optical axis direction of the laser element 112 changes, so the phase of the interference noise changes. Therefore, as shown in Example C, by averaging lock-in detection waveforms B1, B2, B3, and B4 over a certain period of time, a lock-in detection waveform with significantly reduced interference noise can be obtained.

以上の通り、光路長を可変する手法として第２手法を用いることで、第１手法に比べ、コリメートレンズ１１３、及び集光レンズ１２３等の全ての光学素子の間のそれぞれの区間において光路長を変化させることができ、それぞれの区間における干渉光の影響を低減できる。加えて、レーザ素子１１２から受光素子１２２の間の光路長の変化量Ｄがより大きくなるため、干渉光の影響低減について、より大きな効果を期待できる。 As described above, by using the second method as a method for varying the optical path length, the optical path length can be increased in each section between all the optical elements such as the collimating lens 113 and the condensing lens 123, compared to the first method. can be changed, and the influence of interference light in each section can be reduced. In addition, since the amount of change D in the optical path length between the laser element 112 and the light receiving element 122 becomes larger, a greater effect can be expected in reducing the influence of interference light.

以上説明したように、本実施形態のレーザ式ガス分析計１００は、測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域のレーザ光（検出光１３０）を出射する波長可変のレーザ素子１１２と、その波長帯域においてレーザ素子１１２が出射するレーザ光の波長を掃引し、かつ、レーザ光の波長を変調するためのレーザ素子駆動信号を出力する変調光生成部１１１と、レーザ素子駆動信号に応じた駆動電流をレーザ素子１１２に供給する駆動電流制御部１１６と、を有する発光部１１０を備える。また、レーザ式ガス分析計１００は、測定対象空間を透過したレーザ光を受光する受光素子１２２と、受光素子１２２から出力された受光信号に基づき測定対象ガスの濃度、又は有無を求める受光信号処理部１２１と、を有する受光部１２０と、を備える。さらに、発光部１１０は、レーザ素子１１２を光軸方向に移動すること、及び、光軸方向を変化させる方向にレーザ素子１１２を移動すること、のそれぞれを可能にする移動機構１１７を備える。 As described above, the laser gas analyzer 100 of this embodiment includes a tunable laser element 112 that emits laser light (detection light 130) in a wavelength band including the optical absorption wavelength of the absorption line spectrum of the gas to be measured, a modulated light generating unit 111 that sweeps the wavelength of the laser light emitted by the laser element 112 in the wavelength band and outputs a laser element drive signal for modulating the wavelength of the laser light, and a drive current control unit 116 that supplies a drive current corresponding to the laser element drive signal to the laser element 112. The laser gas analyzer 100 also includes a light receiving unit 120 that includes a light receiving element 122 that receives the laser light transmitted through the space to be measured, and a light receiving signal processing unit 121 that determines the concentration or presence or absence of the gas to be measured based on the light receiving signal output from the light receiving element 122. Furthermore, the light emitting unit 110 includes a moving mechanism 117 that enables each of moving the laser element 112 in the optical axis direction and moving the laser element 112 in a direction that changes the optical axis direction.

この構成によれば、レーザ素子１１２を光軸方向に移動させることによりビーム径を調整し、また、光軸方向を変化させる方向にレーザ素子１１２を移動することにより受光部１２０へのレーザ光の入射角を調整する、といった作業が、移動機構１１７の操作だけで容易に行うことができる。 With this configuration, the beam diameter can be adjusted by moving the laser element 112 in the optical axis direction, and the angle of incidence of the laser light on the light receiving unit 120 can be adjusted by moving the laser element 112 in a direction that changes the optical axis direction, all by operating the movement mechanism 117.

本実施形態のレーザ式ガス分析計１００は、移動機構１１７を駆動するアクチュエータを含む移動機構駆動部１１８と、移動機構１１７によるレーザ素子１１２の移動を移動機構駆動部１１８に指示する操作装置１６０と、を備える。
この構成によれば、作業者は、操作装置１６０の操作によって移動機構１１７を駆動し、ビーム径の調整、及び、受光部１２０へのレーザ光の入射角の調整を容易に行うことができる。 The laser gas analyzer 100 of this embodiment includes a moving mechanism driving section 118 that includes an actuator that drives the moving mechanism 117, and an operating device 160 that instructs the moving mechanism driving section 118 to move the laser element 112 by the moving mechanism 117. , is provided.
According to this configuration, the operator can easily adjust the beam diameter and the incident angle of the laser beam onto the light receiving section 120 by driving the moving mechanism 117 by operating the operating device 160.

本実施形態のレーザ式ガス分析計１００において、発光部１１０は、防爆構造の発光部容器１１５を備え、レーザ素子１１２、及び移動機構１１７が発光部容器１１５に収められる。
この構成によれば、作業者は、上記操作装置１６０を操作することにより、発光部容器１１５を開けることなく、ビーム径の調整、及び、受光部１２０へのレーザ光の入射角の調整を容易に行うことができる。 In the laser gas analyzer 100 of this embodiment, the light emitting unit 110 includes a light emitting unit container 115 having an explosion-proof structure, and the laser element 112 and the moving mechanism 117 are housed in the light emitting unit container 115.
According to this configuration, by operating the operating device 160, the operator can easily adjust the beam diameter and the incident angle of the laser beam to the light receiving section 120 without opening the light emitting section container 115. can be done.

本実施形態のレーザ式ガス分析計１００において、移動機構１１７は、キネマティックマウントを含む。
この構成によれば、レーザ素子１１２を高精度に移動させることができる。 In the laser gas analyzer 100 of this embodiment, the movement mechanism 117 includes a kinematic mount.
According to this configuration, the laser element 112 can be moved with high precision.

本実施形態のレーザ式ガス分析計１００において、レーザ素子１１２は、光軸方向、又は、光軸方向を変化させる方向の少なくとも１の方向に移動機構１１７によって周期的に移動する。
この構成によれば、コリメートレンズ１１３、及び集光レンズ１２３等の光学素子での複数回反射に起因した干渉光の影響を低減できる。
特に、レーザ素子１１２が光軸方向を変化させる方向に周期的に移動することにより、各光学素子の間のそれぞれにおいて生じる干渉光の影響を低減できる。 In the laser gas analyzer 100 of this embodiment, the laser element 112 is periodically moved by a moving mechanism 117 in the optical axis direction or in at least one direction that changes the optical axis direction.
According to this configuration, the influence of interference light caused by multiple reflections at optical elements such as the collimator lens 113 and the condenser lens 123 can be reduced.
In particular, by periodically moving the laser element 112 in a direction that changes the optical axis direction, the influence of interference light occurring between each of the optical elements can be reduced.

２．変形例
上述の実施形態は多様に変形され得る。前述の形態に適用され得る変形の形態を以下に例示する。 2. Modifications The embodiments described above may be modified in various ways. Examples of variations that can be applied to the above-mentioned embodiments are given below.

例えば、上述の実施形態において、操作装置１６０は、外部からの制御信号に基づいて移動機構駆動部１１８に移動機構１１７の駆動を指示してもよい。
この構成によれば、例えば遠隔地からでも移動機構１１７を駆動し、ビーム径の調整、及び、受光部１２０へのレーザ光の入射角の調整を行うことができる。 For example, in the above-described embodiment, the operation device 160 may instruct the movement mechanism driving unit 118 to drive the movement mechanism 117 based on a control signal from outside.
According to this configuration, for example, it is possible to drive the moving mechanism 117 even from a remote location to adjust the beam diameter and the incident angle of the laser light to the light receiving unit 120 .

また例えば、上述の実施形態において、操作装置１６０は、受光部１２０の受光信号、又は、受光信号処理部１２１から出力される信号に基づいて移動機構駆動部１１８に移動機構１１７の駆動を指示してもよい。
この構成によれば、受光部１２０における受光状態に応じて移動機構１１７を自動的に駆動し、ビーム径の調整、及び、受光部１２０へのレーザ光の入射角の調整を行うことができる。 For example, in the embodiment described above, the operating device 160 instructs the moving mechanism driving section 118 to drive the moving mechanism 117 based on the light reception signal of the light receiving section 120 or the signal output from the light reception signal processing section 121. It's okay.
According to this configuration, the moving mechanism 117 can be automatically driven according to the light receiving state in the light receiving section 120, and the beam diameter and the incident angle of the laser beam on the light receiving section 120 can be adjusted.

また例えば、上述の実施形態において、移動機構１１７として、レーザ素子１１２について６つの自由度を調整可能にする機構を説明した。しかしながら、移動機構１１７は、レーザ素子１１２を光軸方向に移動すること、及び、光軸方向を変化させる方向にレーザ素子１１２を移動すること、を可能にする自由度について調整可能な機構であればよい。 For example, in the above-described embodiment, a mechanism that allows six degrees of freedom of the laser element 112 to be adjusted was described as the moving mechanism 117. However, the moving mechanism 117 is a mechanism that can adjust the degree of freedom to move the laser element 112 in the optical axis direction and to move the laser element 112 in a direction that changes the optical axis direction. Bye.

１００…レーザ式ガス分析計、１１０…発光部、１１１…変調光生成部、１１２…レーザ素子、１１３…コリメートレンズ、１１５…発光部容器、１１６…駆動電流制御部、１１７…移動機構、１１８…移動機構駆動部、１２０…受光部、１２１…受光信号処理部、１２２…受光素子、１２３…集光レンズ、１２５…受光部容器、１３０…検出光（レーザ光）、１５２ａ…第１調整フランジ部材、１５２ａ３…アジャストボルト、１５２ａ４…蛇腹部材、１５２ｂ…第２調整フランジ部材、１５２ｂ２…フランジ部、１５２ｂ３…アジャストボルト、１５２ｂ４…蛇腹部材、１６０…操作装置。 100...laser gas analyzer, 110...light emitting unit, 111...modulated light generating unit, 112...laser element, 113...collimating lens, 115...light emitting unit container, 116...drive current control unit, 117...moving mechanism, 118...moving mechanism driving unit, 120...light receiving unit, 121...light receiving signal processing unit, 122...light receiving element, 123...condensing lens, 125...light receiving unit container, 130...detection light (laser light), 152a...first adjustment flange member, 152a3...adjusting bolt, 152a4...bellows member, 152b...second adjustment flange member, 152b2...flange portion, 152b3...adjusting bolt, 152b4...bellows member, 160...operating device.

Claims

A laser gas analyzer that measures the concentration or presence of a target gas in a measurement space,
a tunable laser element that emits laser light in a wavelength band that includes an optical absorption wavelength of the absorption line spectrum of the measurement target gas;
a moving mechanism that enables each of moving the laser element in an optical axis direction and periodically moving the laser element in a direction that changes the optical axis direction of the laser element;
a light receiving element that receives the laser light that has passed through the measurement target space;
a light receiving signal processing unit that performs processing including averaging processing on the light receiving signal output from the light receiving element to determine the concentration or presence or absence of a measurement target gas;
A laser gas analyzer comprising:

a modulated light generating unit that sweeps the wavelength of the laser light emitted by the laser element in the wavelength band and outputs a laser element drive signal for modulating the wavelength of the laser light;
a drive current control unit that supplies a drive current corresponding to the laser element drive signal to the laser element;
The laser gas analyzer of claim 1 further comprising:

a movement mechanism drive unit including an actuator that drives the movement mechanism;
an operation device that instructs the movement mechanism drive unit to move the laser element by the movement mechanism;
The laser gas analyzer according to claim 1 or 2, further comprising: