WO2007136124A1

WO2007136124A1 - ガス分析装置及びガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法

Info

Publication number: WO2007136124A1
Application number: PCT/JP2007/060742
Authority: WO
Inventors: Katsutoshi Goto; Masahiro Yamakage; Kenji Muta; Yoshihiro Deguchi
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha; Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2007-11-29
Also published as: JP2009216385A

Abstract

　本発明のガス分析装置は、計測対象ガス成分が吸収する波長を含む波長帯のレーザ光を発光するレーザ光発光部20と、レーザ光発光部20で発光されたレーザ光を排気ガス中に照射する照射部15と、排ガス中を透過したレーザ光を受光して電気信号に変換する受光部24と、前記受光部24からの電気信号に基づいて排ガスに吸収された吸収スペクトルを解析する解析装置19とを備え、前記レーザ光が既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セル22を透過して用受光部24で受光されるように構成され、前記解析装置19で得られた吸収スペクトルのピーク値が波長帯における所定の位置になるように半導体レーザ10の波長掃引制御を行うものである。

Description

明細書ガス分析装置及びガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法技術分野

本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排ガス等を分析するガス分析装置に係り、特に、ガス中に含まれるガス成分の濃度や温度等を正確かつリアルタィムに測定するガス分析装置に関するものである。背景技術

従来、自動車等の排ガス分析装置として、特開 2004— 1 1 72 5 9号公報 (特許文献 1) に記載された車载型 HC測定 ¾置がある。この車載型 HC測定装置は、エンジンに連なる排気管を流れる排ガス中の HC (炭化水素）濃度を連続的に測定するための ND I R (非分散型赤外分光法）型ガス分析計と、排気管を流れる排ガスの流量を連続的に測定する排ガス流量計と、 ND I R型ガス分析計および排ガス流量計のそれぞれの出力を演算処理して、排ガス中の THC (全炭化水素）量を連続的に算出する演算処理回路を車両内に搭載可能としている。

特許文献 1

特開 2004— 1 1 725 9号公報発明の開示

前記特許文献 1に記載の排ガス分析装置は、実際の道路を走行中の車両において、その排ガス中の THCを簡易に測定できるものであるが、エンジンの排気経路から排ガスを分析部まで配管を通して移動させ、ガス成分の分析を行っているため、リアルタイムの分析が行えず、また、前述の設備等を小さく抑えるために、

HCなどの限られた成分しか分析することができない。エンジンの開発や、ェンジンに付属する排ガス浄化装置等の機器の開発段階において、排ガス中の炭化水素以外の成分、例えば窒素酸化物や一酸化炭素等についても簡易に測定でき、しかも、排ガス等の温度やガス成分濃度等をリアルタイムで測定できるガス分析装置が望まれている。

そこで、本出願人は、排ガス中の例えば窒素酸化物や一酸化炭素等の多数のガス成分についても、簡易にリアルタイムで測定できる半導体レーザ吸収法によるガス分析装置を開発した。そのガス分析装置は、図 8に示すように、半導体レーザ光を発光する半導体レーザ素子モジュール 20、センサユニット 8、解析装置 19等で構成されている。

半導体レーザ素子モジュール 20は、半導体レーザ 10、波長掃引信号発生器 16、素子温度制御器 12等で構成されており、波長掃引信号発生器 16からの信号が発振器で変調されて半導体レーザ 10に電流が供給され、ガス成分を測定するための波長帯のレーザ光が半導体レーザから発光される。このとき、レーザ光の波長の設定は主に半導体レーザ 10の温度を素子温度制御器 12で制御し、吸収スぺクトル検出の為のレーザ波長掃引は主に半導体レーザに供給する注入電流で制御している。

センサユニット 8は、中央にガス通過口 11が形成されており、ガス通過口 11 を挟んで反射鏡 9が対向して配置されている。センサュニット 8は排気管の排ガスがガス通過口 11を流れるように車両の排気管に取り付けられる。

そして、半導体レーザ 10から発光されたレーザ光は光ファイバ 51により分波器 21に導光され、分波器 21によって測定用レーザ光と参照用レーザ光とに分波される。分波された一方の計測用レーザ光は光ファイバ 52によりセンサュニット 8 の照射部 15に導光され、照射部 15からガス通過孔 11内を流れている排ガス中に照射される。排ガス中に照射された計測用レーザ光は反射鏡 9で反射されながら排ガス中を透過している間に特定の波長のレーザ光がガス成分によって吸収された後、計測光用受光器 24で受光される。受光された計測用レーザ光は計測光用受光器 24で電気信号 61に袭換され、その電気信号 61は差分検出器 25と I Z V変換器 26とに出力される。 I / V変換器 26に入力された電気信号 61は I / V 変換器 26によって I / V変換された後、さらに A Z D変換器 27でデジタル信号に変換されて計測受光強度信号 65として解析装置（コンピュータ） 19に入力される。

他方の参照用レーザ光は光ファイバ 53により参照光用受光器 23に導光され参照光用受光器 23で受光されて電気信号 62に変換され、その電気信号 62は差分検出器 25に出力される。差分検出器 25は、排ガス中を透過した計測用レーザ光の電気信号 61と、排ガス中を透過していない参照用レーザ光の電気信号 62との差を算出し、算出した差分信号 64を A Z D変換器 27でデジタル信号に変換して解析装置（コンピュータ） 19に出力する。

解析装置 19は、差分検出器 25から入力された差分信号 64と測定用受光器 26からの計測受光強度信号 65とに基づいて、所定強度の計測用レーザ光が排ガス中を透過したときにおける吸収スぺクトル（規格化された吸収スぺクトル）を把握する。解析装置 19は算出した吸収スぺクトルを理論スぺクトルと比較 ·解析し、排ガスの温度、圧力とともに排ガス中に含まれるガス成分の濃度を測定する。図 8で示す半導体レーザ吸収法におけるガス分析装置では、レーザ波長を計測対象ガス成分の吸収波長付近に設定するには主に素子温度制御器 12により制御していた。

しかしながら、半導体レーザ 10の温度を素子温度制御器 12により制御していても雰囲気温度が大きく変化すると、半導体レーザ 10温度が僅かに変化し、そのためレーザ波長が僅かに変化し、最終的には、得られる吸収スぺクトルの位置がずれてしまう。例えば、雰囲気温度が低くなると、半導体レーザ 10は波長の短いレーザ光を発光することになるので、図 5 ( a ) において、吸収スペクトルのピーク値の位置が破線で示すように右の方にずれることになる。

その結果、解析装置において吸収スぺクトルと理論スぺクトルとの比較 ·解析をする際に、そのずれにより正確な比較 ·解析が行われず位置ずれがない場合とくらベて解析誤差が生じていた。

上記解析誤差は、低濃度のガス成分の計測においてはその計測精度に大きく影響すると共に、吸収スぺクトルの形状から求める排ガスの温度計測にも大きな影響を及ぼす。そのため排ガス中に含まれるガス成分の中にはこのガス分析装置で測定するのに適当でないものもある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、雰囲気温度が変化してもレーザから常に設定された一定の波長のレーザ光が発光されるようにレーザを制御し、排ガスの温度とその中に含まれるガス成分の濃度を吸収スぺクトルに基づいて安定して測定できるガス分析装置を提供することを目, とする。

本発明のガス分析装置は、計測対象ガス成分が吸収する波長を含む波長帯のレ一ザ光を発光するレーザ光発光部と、ガス中を透過したレーザ光を受光して電気信号に変換する受光部と、前記受光部からの電気信号に基づいて計測対象ガス成分に吸収された吸収スぺクトルを把握して解析する解析装置とを備え、前記ガス中を透過するレーザ光は既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セルを透過して受光部で受光されるように構成されており、前記解析装置で前記吸収スぺクトルのピーク値が所定の位置になるようにレーザの波長掃引制御を行うことを特徴としている。

前記のように構成された本発明のガス分析装置は、ガス中を透過するレーザ光が既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セルを透過して受光部で受光されるように構成されているので、参照セルに封入されている既知濃度の計測対象ガス成分によってレーザ光が吸収されるため、計測対象のガス成分の濃度が低い場合でも、明確な吸収スぺクトルを得ることができる。そのため、吸収スぺクトルとノイズ等によって生じた波形と混同することがないので、ガス濃度等を誤りなく測定できるし、吸収スぺクトルに基づいて行うレーザの波長制御を正確に行うことができる。

また、吸収スペクトルに基づいて行うレーザの波長制御により、レーザによるレーザ光の波長が設定したとおりの波長に固定されることになり、吸収スぺクトルが位置ずれすることがなく、理論吸収スぺクトルとの比較 '解析に誤差が生じないので、低濃度の計測対象のガス成分でも正確に測定することができる。さらに、本発明のガス分析装置は、レーザ光発光部が、波長帯の異なるレーザ光を発光する複数の半導体レーザで構成されており、各半導体レーザに対応して前記参照セルが設けられていて各半導体レーザの波長掃引制御を行うことを特徴としている。本発明のガス分析装置は、波長帯の異なるレーザ光を発光して、複数の計測対象ガス成分の濃度等を同時に計測することができ、しかも、各半導体レーザの波長が設定された波長になるように制御されているので、正確に測定することができる。

さらに、本発明のガス分析装置は、一つの参照セルに複数の基準ガスが封入されていることを特徴としている。本発明のガス分析装置は、 —つ参照セルに複数の基準ガスが封入されているので、複数の計測対象ガス成分を計測チる場合に、参照セルをガス分析装置にコンパクトに配置することができる。

また、本発明のガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法は、計測対象ガス成分が吸収する波長を含む波長帯のレーザ光をレーザで発光させ、該レーザ光をガス中に透過させて受光部で受光し、受光部で受光した光強度に基づいて計測対象ガス成分により吸収された吸収スペクトルを把握し、前記レーザは、そのレ一ザ光の波長帯の所定位置に前記吸収スぺクトルのピーク値が位置するようにフィードバック制御されてレーザ光を波長掃弓 Iしていることを特徴としている。前記のように構成された本発明のレーザの波長掃引制御方法では、レーザは、そのレーザ光の波長帯の所定位置に前記吸収スぺクトルのピーク値が位置するようにフィードパック制御されてレーザ光を波長掃引しているので、レーザによるレーザ光の波長が設定したとおりの波長に固定されることになり、吸収スぺクトルが位置ずれすることがない。そのため、ガス分析装置における吸収スペクトルと理論吸収スぺクトルとの比較 '解析に誤差が生じないので、ガス分析装置によつて低濃度の計測対象のガス成分でも正確に測定することができる。

さらに、本発明のガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法は、ガス中を透過するレーザ光が既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セルを透過して受光部で受光されることを特徴としている。参照セルに封入されている既知濃度の計測対象ガス成分によってレーザ光が吸収されるため、計測対象のガス成分の濃度が低い場合でも、明確な吸収スペクトルが得ることができる。そのため、吸収スぺクトルとノイズ等によって生じた波形と混同することがないので、ガス濃度等を誤りなく測定できるし、吸収スぺクトルに基づいて行うレーザの波長制御を正確に行うことができる。

さらに、本発明は、レーザに注入する注入電流を制御することにより半導体レ一ザの波長掃引制御を行っていることを特徴としており、レーザは注入電流を変化させることにより微妙な波長の調節が可能なので、本発明は、正確なレ一ザ光の波長制御を行うことができる。

さらに、本発明は、レーザの温度を制御することによりレーザの波長掃引制御を行っていることを特徴としており、レーザはその温度が弯 ί : る .霡流.を変化させるより大きく波長が変わるので、本発明は大きく波長を変化させる場合でもレーザ光の波長制御を行うことができる。

さらに、本発明は、吸収スぺクトルのピーク値の位置を、吸収スぺクトルを奇数微分した奇数微分吸収スぺクトルがその中心横軸と交差する点により判別することを特徴としている。そのため、本発明は、吸収スペクトルのピーク位置を正確に特定できるので、吸収スぺクトルのピーク位置に基づくレーザの波長制御を正確に行える。

本発明は、ガス中を透過するレーザ光は既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セルを透過して受光部で受光されるように構成されており、計測対象のガス成分の濃度が低い場合でも、明確な吸収スぺクトルが得られるので、計測対象ガス成分の吸収スペクトルをノイズ等によって生じた波形と混同することがない。また、解析装置で得られた吸収スペクトルのピーク値が所定の位置になるようにレーザの波長掃引制御を行っているので、レーザ光の波長が一定となり、吸収スぺクトルの位置がずれないので、ガス成分の濃度等の測定を安定して行うことができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1の実施形態に係るガス分析装置を示すプロック構成図。図 2は、本発明の第 2の実施形態に係るガス分析装置を示すブロック構成図。図 3は、本発明の第 3の実施形態に係るガス分析装置を示すブロック構成図。図 4は、本発明の第 4の実施形態に係るガス分析装置を示すブロック構成図。図 5は、本発明に係るガス分析装置において、半導体レーザの波長の制御を説明するためのグラフであって、（a ) は差分検出器から出力される信号（吸収スベクトル）、（b ) は前記信号（a ) の奇数次微分結果例 1 ( 1次微分吸収スぺタトル）、（ c ) は前記信号（a ) の奇数次微分結果例 2 ( 3次微分吸収スぺクトル）を示す。

図 6は、ガス分析装置により大気中の酸素濃度の測定結果を示すグラフであり、 ( a ) は本発明の第 2の実施形態に係るガス分析装置によって大気中の酸素濃度を測定したグラフであり、本発明の波長制御を行った実測結果を示し、（ b〗は図 8に示すガス分析装置によって測定したグラフであり、本 ' '明 '波長制御を行わない実測結果を示す。

図 7は、本発明の第 4の実施形態に係るガス分析装置による計測結果を示すグラフであって、 H ₂ 0と C O ₂を同時に計測したものである。

図 8は、本出願人が開発したガス分析装置を示すプロック構成図。

図 9は、本発明の第 1実施形態に係るガス分析装置において、センサユニット

8と参照セル Aを並列に置いた変形例の部分を示すブロック図である。図面において、 10、 10A、 10B : 半導体レーザ、 12、 12A :素子温度制御器、 13A、 13C：注入電流制御器、 14：素子温度制御器、 19：解析装置、 20、 20A、 20B、 20C ：半導体レ一ザ素子モジュール、 21 ：分波器、 22、 22A、 22B、 22C：参照セル、 22：外部制御加算型注入制御器、 23：参照光用受光器、 24：計測光用受光器、 25：差分検出器、 30：波長掃引信号制御器、 31：外部制御加算型注入電流制御器、 32：外部制御加算型素子温度制御器、 33、 34、 35、 36：コリーメートレンズ、 37：計測用合波器、 38：参照光用合波器。発明を実施するための最良の形態

図 1は本発明の第 1の実施形態に係るガス分析装置を示すプロック構成図である。ここでは、自動車の排気管にセンサユニット 8を設置してエンジンから排出される排ガス中に含まれている一酸化窒素（N O ) の濃度等を測定する場合について説明する。

20Aは半導体レーザ素子モジュールであり、レーザ光を発光する半導体レーザ 10A、素子温度制御器 12A、注入電流制御器 13A等で構成されており、レーザ光発光部である半導体レーザ 10Aは、一酸化窒素によって吸収される波長（1 7 9 6 n m) を含む波長.帯のレーザ光が発光されるように素子温度制御器 12Aと注入電流制御器 13Aにより制御されている。

半導体レーザ 10Aは温度の変化によつてその発振する波長が変化する。素子温度制御器 12Aは、半導体レーザ 10Aの温度を制御するものであり、半導体レーザ 10Aの温度を検出する温度検出手段と、半導体レーザ 10Aを加 ·冷却する刀 D熱及び冷却手段とを有している。加熱手段としてはヒータが、冷却手段としては冷却ファンがある。素子温度制御器 12Aにおける加熱及び冷却手段としては、ヒータ、冷却ファンに限られず、電流を流すことにより発熱し、電流の流す方向を逆にすることにより吸熱するペルチヱ素子を用いることもできる。

また、半導体レーザ 10Aは注入する注入電流の変化によってもその発振する波長が変化する。波長掃引信号制御器 30は、計測対象ガス成分である一酸化窒素が吸収するレーザ光の波長付近で波長掃引させるための波長掃引信号 67を外部制御加算型注入電流制御器 31に送るものであり、また、波長掃引信号制御器 30 は波長掃引信号を送るときに波長掃引トリガー信号 68を A Z D変換器 27に送信する。この波長掃引トリガ一信号 68は A Z D変換されて解析装置 19に入力される。

外部制御加算型注入電流制御器 31は、半導体レーザ 10Aに注入される注入電流を制御するものであり、波長掃引信号制御器 30からの波長掃引信号 67と解析装置 19からのレーザ波長補正信号 69， 70とに基づいて注入電流制御器 13Aを制御して半導体レーザ 10Aに供給される注入電流を制御する。

半導体レーザ素子モジュール 20Aは、素子温度制御器 12Aと外部制御加算型注入電流制御器 31とにより制御され、計測対象のガス成分が吸収する波長を含むレーザ光を半導体レーザ 10Aから発光している。

そして、半導体レーザ 10Aから発光されたレーザ光は光ファイバ 51により分波器 21に導光され、分波器 21により測定用レーザ光と参照用レーザ光とに分波される。分波された一方の計測用レーザ光は光ファイバ 52により参照セル 22Aに導光され、参照セル 22A內を透過した後、センサユニット 8の照射部 15に導光され、照射部 15からガス通過孔 11内を流れている排ガス中に照射される。

参照セル 22内には、所定の濃度の計測対象ガス成分が封入されており、レ一ザ光が入射される側とレーザ光が出て行く側にはコリーメートレンズ 33が設けられており、光フアイバ 52で導光されたレ一ザ光を集光して参照セル 22内の基準ガス内に照射し、基準ガス内を透過したレーザ光を集光して光ファイバ 54に導光するように構成されている。参照セル 22Aに封入されている計測対象ガス成 P2007/060742 分の濃度は排ガス中の計測対象ガス成分の濃度より高くするのが好ましい。

排ガス中に照射された計測用レーザ光は排ガス中を透過している間に特定の波長のレーザ光がガス成分によって吸収された後、受光部である計測光用受光器 24で受光される。計測用レ一ザ光は、濃度の高い計測対象ガス成分が封入されている参照セル 22A中を透過しているので、計測用レーザ光は、計測光用受光器 24で受光されるときには特定の波長のレ一ザ光が大きく吸収されている。

受光された計測用レーザ光は計測光用受光器 24で電気信号 61に変換され、その電気信号 61は差分検出器 25と I / V変換器 26とに出力される。 I Z V変換器 26に入力された電気信号 61は I / V変換器 26によって I Z V変換された後、さらに A / D変換器 27でデジタル信号に変換されて計測受光強度信号 65として解析装置（コンピュータ） 19に入力される。

他方の参照用レーザ光は光ファイバ 53により受光部である参照光用受光器 23 に導光され、参照光用受光器 23で受光されて電気信号 62に変換され、その電気信号 62は差分検出器 25に出力される。

差分検出器 25は、排ガス中を透過した計測用レーザ光の電気信号 61と、排ガス中を透過していない参照用レーザ光の電気信号 62との差を算出し、算出した差分信号 64を A Z D変換器 27でデジタル信号に変換して解析装置（コンビユータ） 19に出力する。

解析装置 19は、差分検出器 25から A Z D変換器 27を介して入力された差分信号 64と計測光用受光器 24からの計測受光強度信号 65とに基づいて排ガス中で吸収されたレーザ光の規格化された吸収スペクトルを把握する。このとき、計測用レーザ光は参照セル 22Aに封入されている濃度の高い計測対象ガス成分によって特定の波長のレーザ光が多く吸収されているので、解析装置 19は、排ガス中の濃度の低い計測対象ガス成分であっても吸収スぺクトルを明確な形状として把握することができる。そして、解析装置 19は、吸収スぺクトルを理論スぺクトルと比較 '解析し、その後参照セル中の濃度を減算して排ガスの温度、圧力とともに排ガス中に含まれるガス成分の濃度を測定する。

次に、この実施形態における半導体レーザ素子モジュール 20Aにおけるレ一ザ光の波長制御について説明する。上記で説明したように、解析装置 19は、差分検出器 25からの差分 1百兮 64と言卞測光用受光器 24からの計測受光強度信号 65とに基づいて排ガス中で計測対象ガス成分によって吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを、図 5 ( a ) に示すように明確な形状として把握できる。

そして、解析装置 19は、この把握した吸収スペクトルを奇数微分（例えば、 —次微分、又は、三次微分）し奇数微分吸収スペクトルを算出する（図 5 ( b ) と（c ) ) 。そして、この奇数微分吸収スペクトルが、二つのピーク値間において、奇数微分吸収スぺクトルの縦幅における中心線である中心横軸 X — Xと交わる点が、吸収スぺクトルのピーク値の位置になる。

また、解析装置 19は、波長掃引信号制御器 30が波長掃引信号 67を送るときに送信した波長掃引トリガー信号 68により、設定した波長の波長掃引がなされたときに吸収スペクトルのピーク値が表示されるべき位置（図 5において、設定されている波長帯 λ 1〜え 2のレーザ光が発光されていれば、吸収スぺクトルのピ一ク値は Ρの位置になる。）を特定し、その位置（Ρ点）における奇数微分吸収スぺクトルの中心横軸 X — Xに対する値を求める。

解析装置 19は、この求めた値が 0 (ゼロ）になるように半導体レーザ 10Aに注入する注入電流が制御されるようにレーザ波長補正信号 69を出力する。例えば、図 5 ( b ) と（c ) において、 P点における値がプラスであれば、半導体レーザ 10Aで掃引されている波長は適正な波長よりも短い波長が掃引されているので、長い波長が掃引されるように半導体レーザ 10への注入電流が多くなるようなレ一ザ波長捕正信号 69を出力し、また、 P点における値がマイナスであれば、短い波長が掃引されるように半導体レーザ 10Aへの注入電流が少なくなるようなレ一ザ波長補正信号 69を出力する。レーザ波長補正信号 69は D Z A変換器 29で D Z A変換されて外部制御加算型注入電流制御器 31に入力される。

外部制御加算型注入電流制御器 31は、波長掃引信号 67と解析装置 19から信号が D Z A変換されたレーザ波長補正信号 70を加算し、半導体レーザ素子モジュール 20Aの注入電流制御器 13Aに送り、半導体レーザ 10Aへの注入電流を制御する。

この実施形態では、解析装置 19で把握した吸収スぺクトルに基づいて半導体 P T/JP2007/060742 レーザ 10Aへの注入電流をフィードバック制御しているので、半導体レーザ 10A は一定の波長が掃引されレーザ光の波長が安定化される。そのため、吸収スぺクトルが位置ずれしないので、吸収スぺクトルと理論吸収スぺクトルとの比較 '分祈が正確に行われることになり、排ガスの温度、圧力とともに排ガス中に含まれるガス成分の濃度を安定して測定することができる。

上記実施形態では、本発明のガス分析装置は、自動車の排気管にセンサュニット 8を設置してエンジンから排出される排ガスのガス成分を測定しているが、自動車の排気管に限らず管等の中を流れているガスであればその管等にセンサュニット 8を設置することにより、そこを流れているガス成分の濃度等を測定することができる。

図 9は、図 1に示す本発明の第 1実施形態に係るガス分析装置において、センサュニット 8と参照セル Aを並列に置いた変形例の部分を示す。この変形例では、スィツチ 80により校正時と計測時に切換えるようにしたものである。

図 2は、本発明の第 2の実施態様に係るガス分析装置を示すブロック構成図であり、上記図 1に示すガス分析装置が安定してガス成分等を計測できるかを実証するために、一定濃度である大気中の酸素（o ₂ ) 濃度を測定するようにしたものである。図 2に示すガス分析装置では、酸素が最も吸収するレーザ光の波長が 7 6 0 n mであるから、半導体レーザ素子モジュール 20Bは、 7 6 0 n mを含む波長帯の波長を掃引できるものであり、また、参照セル 22B中には大気が封入されている。これは大気中には酸素が多く含まれているからであり、所定の濃度 (例えば、 1 0 % ) の酸素を封入してもよい。 34は、大気中の酸素濃度を計測する計測部であり、周壁が大気と連通されている筒体の一方には照射されるレーザ光を集光させるためのコリーメートレンズ 35が配置されており、また、他方には透過したレーザ光を集光させて光ファイバに送るためのコリーメートレンズ 36が配置されている。他の構成は図 1に示すものと同じである。

図 2のガス分析装置によって大気中にある酸素の濃度を測定した。また、図 2 のガス分析装置と比較するために、吸収スぺクトルに基づいて半導体レーザの注入電流をフィードバック制御していない、図 8に示すガス分析装置によっても図

2における計測部 34と同じ構成によって大気中の酸素濃度を計測した。図 2のガス分析装置と図 8のガス分析装置との実測結果は図 6に示すとおりである。図 2に示す本発明のガス分析装置では、吸収スペクトルに基づいて半導体レ一ザ 10Bに注入する注入電流をフィードバック制御しているから、半導体レーザ 10を素子温度制御器 12のみによって制御している図 8のものと比べ安定してガス成分の濃度を測定できることが分かる。

図 3は本発明の第 3の実施形態に係るガス分析装置を示すブロック構成図である。

20Cは半導体レーザ素子モジュールであり、レーザ光を発光する半導体レーザ 10C、注入電流制御器 13C等で構成されており、レーザ光発光部である半導体レ一ザ 10Cから、計測対象のガス成分によって吸収される波長を含む波長帯のレーザ光が発光されるように素子温度制御器 14と注入電流制御器 13Cにより制御されている。

半導体レーザ 10Cは温度の変化によってその発振するレーザ光の波長が変化する。素子温度制御器 14は、半導体レ一ザ 10Cの温度を制御するものであり、半導体レーザ 10Cの温度を検出する温度検出手段と、半導体レーザ 10Cを加熱 ·冷却する加熱及ぴ冷却手段とを有している。加熱手段としてはヒータが、冷却手段としては冷却ファンがある。素子温度制御器 14における加熱及び冷却手段としては、ヒータ、冷却ファンに限られず、電流を流すことにより発熱し、電流の流す方向を逆にすることにより吸熱するペルチヱ素子を用いることもできる。素子温度制御器 14は外部制御加算型素子温度制御器 32からの温度制御信号 71によっても半導体レーザ 10Cの温度を制御している。

波長掃引信号制御器 30は、計測対象ガス成分が吸収するレーザ光の波長付近で波長掃引させるための波長掃引信号 67を半導体レーザ素子モジュール 20Cに供給するとともに、また、波長掃引信号制御器 30は波長掃引信,号 67を送るときに波長掃引トリガー信号 68を A / D変換器 27を介して解析装置 19に出力する。そして、このガス分析装置も、分波器 21で分波された計測用レーザ光は、高濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セル 22Cを透過しているので、第 1の実施形態と同様に、解析装置 19は、差分検出器 25からの差分信号 64と測定光用受光器 24からの計測受光強度信号 65とに基づいて排ガス中で計測対象ガス成分によって吸収されたレーザ光の規格化された吸収スペクトルを図 5 ( a ) に不すように明確な形状として把握できる。

そして、解析装置 19は、この把握した吸収スペクトルを奇数微分（例えば、一次微分、又は、三次微分）し奇数微分吸収スペクトルを算出するとともに、波長掃引信号制御器 30から A/D変換器 27を介して入力された波長掃引トリガー信号 68により所定の位置（図 5 (b) ( c ) での Pの位置）における奇数微分吸収スペクトルの中心横軸 X _ Xに対する値を求め、この求めた値が 0 (ゼロ）になるように半導体レーザ 10cの温度が制御されるように半導体レーザ温度捕正信号 71を出力する。例えば、図 5 (a) において、 P点における値がプラスであれば、半導体レーザ 10で掃引されている波長は適正な波長よりも短い波長が掃引されているので、長い波長が掃引されるように半導体レーザ 10Cの温度が高くなるような半導体レーザ温度補正信号 71を出力し、また、 P点における値がマイナスであれば、短い波長が掃引されるように半導体レーザ 10Cの温度を低くするような半導体レーザ温度補正信号 71を出力する。

半導体レーザ温度捕正信号 71は DZ A変換器 29で D/ A変換されて外部制御加算型素子温度制御器 32に入力される。外部制御加算型素子温度制御器 32は、 D/ A変換された半導体レーザ温度補正信号 73を素子温度制御器 14に送り、素子温度制御器 14の加熱 ·冷却手段で半導体レーザ 10cを加熱 ·冷却する。

この実施形態では、解析装置 19で把握した吸収スぺクトルに基づいて半導体レーザ 10Cの温度をフィードパック制御することにより、半導体レーザ 10Cの温度が正確に制御されるので、半導体レーザ 10Cは一定の波長のレーザ光が掃引されレーザ波長が安定化されるため、排ガスの温度、圧力とともに排ガス中に含まれるガス成分の濃度を安定して測定することができる。

この実施形態のガス分析装置も、図 2のように変更し、大気中の酸素（0₂) 濃度を測定し、安定したガス成分濃度の測定ができることを確認できた。

図 4は本発明の第 4の実施形態に係るガス分析装置を示すプロック構成図であり、エンジンから排気される排ガス中に含まれる多成分 (H₂0、 NH₃、 C〇、 C0₂、 CH₄、 NO、 N₂0、 0₂、 H₂ S) を同時に計測するためのものである。半導体レ一ザ素子モジュールは幅の広い波長帯のレーザ光を掃引することができないので、複数の波長のレーザ光を発光させるために計測対象ガス成分が吸収する波長帯に応じてそれぞれ別々の半導体レーザ素子モジュール 20a、 20b - · · 20jが設けられている。

半導体レーザ素子モジュール制御装置 40には、ファンクションジェネレータ等の信号発生器を備え、信号発生器で複数の周波数の信号を発生して半導体レーザ素子モジュール 20a、 20b - · · 20]·から異なる波長帯のレーザ光を発光させるとともに、トリガー信号 68を A Z D変換器 27を介して解析装置 19に送る。

半導体レ一ザ素子モジュール 20aは、水蒸気を検出するためのものであり、 1 3 5 0 n mを含む波長帯のレーザ光を発光し、半導体レーザ素子モジュール 20b は、アンモニアを検出するためのものであり、 1 5 3 0 n mを含む波長帯のレーザ光を発光し、半導体レーザ素子モジュール 20jは、メタンガスを検出するためのものであり、 1 6 8 0 n mを含む波長帯のレーザ光を発光する。

半導体レーザ素子モジュール 20a、 20b - · · 20;jでそれぞれ発光されたレーザ光はそれぞれ光ファイバ 51A、 51B · · · 51Jで分波器 21A、 21B - · · 21Jに導光され、そこで計測用レーザ光と参照用レーザ光に分波される。分波器 21A、 21B · · · 21Jで分波された計測用レーザ光は計測用合波器 37で合波され、光ファィバ 52で参照セル 22aに導光される。

参照セル 22a、 22b - · · 22jには、それぞれ計測対象のガス成分が封入されており、例えば、参照セル 22aには計測対象ガス成分である既知濃度の水蒸気が、参照セル 22bには既知濃度のアンモニアガスが、参照セル 22jには既知濃度のメタンガスが、それぞれ封入されている。参照セルには、 1つの参照セルに 1つの計測対象ガス成分を封入するものに限定されず、 1つの参照セルに複数の計測対象ガス成分を封入してもよい。 1つの参照セルに複数の計測対象ガス成分を封入すれば参照セルの数が減り、参照セルの設置をコンパクトにできる。

計測用レーザ光はこれらの参照セル 22a、 22b - · ' 22jを透過した後に、自動車の排気管に設置されているセンサュニット 8において照射部 15から排ガスが流れている排ガス中に照射される。排ガス中に照射されたレーザ光は排ガス中の水、アンモニア、メタンガス等によって特定の波長のレーザ光が吸収され、計測光用受光器 24で受光されて電気信号であるに計測光強度信号 61に変換される。 0742 分波器 21A、 21B · · · 21Jで分波された参照用レーザ光は光ファイバ 57A、 57B - · · 57Jを経て参照光用合波器 38で合波され、参照光用受光器 23で受光され、電気信号に変換されて参照光強度信号 62として差分検出器 25に出力される。差分検出器 25は計測光強度信号 61と参照光強度信号 62とから差分信号 64を算出し、 A / D変換器 27で A / D変換して解析装置 19に出力する。

解析装置 19は、差分検出器 25から入力された差分信号 64と計測光用受光器 24 からの計測受光強度信号 61とに基づいて排ガス中に含まれる水蒸気、アンモニァガス、メタンガス等によって吸収された吸収スぺクトルを把握する。

解析装置 19は、吸収スペクトルを奇数微分するとともに、設定した波長の波長掃引がなされたときに水、アンモニア、メタンガス等のそれぞれ吸収スぺタトルのピーク値が表示されるべき位置を信号発生器からのトリガ一信号に基づいて特定し、その位置における奇数微分吸収スぺクトルのその中心横軸 X — Xに対する値を求める。解析装置 19は、この求めた値が 0 (ゼロ）になるようにそれぞれの半導体レーザ素子モジュール 20a、 20b - · · 20〕·に注入する注入電流が制御されるようにレーザ波長補正信号 69を出力する。レーザ波長補正信号 69は、 D / A変換器で D Z A変換されて半導体レーザ素子モジュール制御装置 40に入力され、半導体レ一ザ素子モジュール制御装置 40から各半導体レーザ素子モジュール 20a、 20b - · · 20]·に送られて各半導体レーザに注入する注入電流をフィードバック制御する。そのため、各半導体レーザ素子モジュール 20a、 20b ' · · 20]·から発光されるレーザ光は波長が一定の安定したものとなるので、複数のガス成分の濃度等を安定して測定できる。

このガス分析装置により車両の排気管を流れている排ガスに含まれる水蒸気と炭酸ガスの濃度を計測した。その結果は図 ⁷に示すとおりであり、複数のガス成分を安定してリアルタイムに測定できた。

Claims

請求の範囲

1 . 計測対象ガス成分が吸収する波長を含む波長畨のレーザ光を発光するレーザ光発光部と、ガス中を透過したレーザ光を受光して電気信号に変換する受光部と、前記受光部からの電気信号に基づいて計測対象ガス成分に吸収された吸収スぺクトルを把握して解析する解析装置とを備えているガス分析装置であって、

前記ガス中を透過するレーザ光は既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セルを透過して受光部で受光されるように構成されており、前記解析装置で前記吸収スぺクトルのピーク値が所定の位置になるようにレーザの波長掃引制御を行うことを特徴とするガス分析装置。

2 . 前記レーザの波長掃引制御はレーザに注入する注入電流を制御することにより行うことを特徴とする請求項 1記載のガス分析装置。

3 . 前記レーザの波長掃引制御はレーザの温度を制御することにより行うことを特徴とする請求項 1記載のガス分析装置。

4 . 前記吸収スぺクトルのピーク値の位置は、吸収スぺクトルを奇数微分した奇数微分吸収スぺクトルがその中心横軸と交差する点により判別することを特徴とする請求項 1ないし 3のいずれかに記載のガス分析装置。

5 . 前記レーザ光発光部は、波長帯の異なるレーザ光を発光する複数の半導体レ一ザで構成されており、各半導体レーザに対応して前記参照セルが設けられていて各半導体レーザの波長掃引制御を行うことを特徴とする請求項 1ないし 4のいずれかに記載のガス分析装置。

6 . 前記レーザ光発光部は、波長帯の異なるレーザ光を発光する複数の半導体レ一ザで構成されており、前記参照セルは、一つの参照セルに複数の計測対象ガス成分が封入されていることを特徴とする請求項 1ないし 4のいずれかに記載のガス分析装置。

7 . 計測対象ガス成分が吸収する波長を含む波長帯のレーザ光をレーザで発光させ、該レーザ光をガス中を透過させて受光部で受光し、受光部で受光した光強度に基づいて計測対象ガス成分により吸収された吸収スぺクトルを把握し、該吸収スぺクトルを分析するガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法であって、前記レーザは、そのレーザ光の波長帯の所定位置に前記吸収スぺクトルのピーク値が位置するようにフィ一ドバック制御されてレーザ光を波長掃引していることを特徴とするガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法。

8 . 前記ガス中を透過するレーザ光は既知濃度の計測対象ガス成分が封入された参照セルを透過して受光部で受光されることを特徴とする請求項 7記載のガス分祈装置におけるレーザの波長掃引制御方法。

9 . 前記レーザは、レーザに注入する注入電流を制御することにより制御されていることを特徴とする請求項 7又は 8記载のガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法。

1 0 . 前記レーザは、レーザの温度を制御することにより制御されていることを特徴とする請求項 7又は 8記載のガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法。

1 1 . 前記吸収スぺクトルのピーク値の位置は、吸収スぺクトルを奇数微分した奇数微分吸収スぺクトルがその中心横軸と交差する点により判別することを特徴とする請求項 7ないし 1 0のいずれかに記載のガス分析装置におけるレーザの波長掃引制御方法。