WO2014162536A1 - 多成分用レーザ式ガス分析計 - Google Patents

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WO2014162536A1
WO2014162536A1 PCT/JP2013/060206 JP2013060206W WO2014162536A1 WO 2014162536 A1 WO2014162536 A1 WO 2014162536A1 JP 2013060206 W JP2013060206 W JP 2013060206W WO 2014162536 A1 WO2014162536 A1 WO 2014162536A1
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light
detection
measurement target
light emitting
unit
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PCT/JP2013/060206
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亮一 東
秀夫 金井
雅哉 田原
増永　靖行
和裕 小泉
英之 小西
平山　紀友
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富士電機株式会社
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    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Definitions

  • the present invention relates to a multi-component laser gas analyzer that analyzes the presence and concentration of various measurement target gases in a space.
  • FIG. 6 is an overall configuration diagram of a gas concentration measuring apparatus using a conventional laser beam. This gas concentration measuring apparatus measures two kinds of gas concentrations using two laser diodes.
  • the light source of the laser light includes a first laser diode (LD 1 ) 101 and a second laser diode (LD 2 ) 102.
  • the first laser diode 101 is connected to the LD 1 current drive circuits 103 and 104 to control the temperature and current.
  • the second laser diode 102 is connected to the LD 2 current drive circuits 105 and 106 to control the temperature and current.
  • the LD 1 current drive circuit 103 receives the first DC current 108, the ramp wave 109, the modulation signals 110 and 111, the pulse signal 112a of the time division means 112, and the wavelength lock signal 113 via the adder 107, respectively. Applied.
  • the LD 2 current drive circuit 105 also passes through the adder 114 to the second DC current 115, the ramp wave 109, the modulation signals 110 and 111, the pulse signal 112a of the time division means 112, and the wavelength lock signal 113. Are applied respectively.
  • the first laser diode 101 and the second laser diode 102 oscillate alternately.
  • the first laser diode 101 oscillates at an absorption wavelength ⁇ 1 of the first gas component by an applied current (added current of the first DC current 108 and the pulse signal 112a).
  • the second laser diode 102 oscillates at the absorption wavelength ⁇ 2 of the second gas component by the applied current (added current of the second DC current 115 and the pulse signal 112a).
  • the oscillation laser from the first laser diode 101 and the oscillation laser from the second laser diode 102 are alternately joined by the multiplexer 116 and enter the duplexer 117 through the laser optical path of the optical fiber. Is done.
  • the laser beam emitted from the demultiplexer 117 passes through the gas flow region via one lens (collimator) 118 and is emitted to the other lens (condenser lens) 119.
  • the laser beam that has passed through the gas flow region is received by the photodiode (PD) of the light receiving means 120 disposed in the vicinity of the other lens 119.
  • PD photodiode
  • two types of gas concentrations are calculated by the demodulation processing means 121, the standard signal processing means 122, the AD converter 123, and the computer 124 in the subsequent stage.
  • FIG. 7 shows an outline of the oscillation of the wavelength ⁇ 1 from the first laser diode 101 and the oscillation of the wavelength ⁇ 2 from the second laser diode 102.
  • Period and the wavelength lambda 2 wavelength lambda 1 is oscillated and the period of oscillation is a laser beam appear alternately.
  • Measuring the gas concentration of the first gas from the absorption signal of the gas at the time of the wavelength lambda 1 is oscillated it is possible to wavelength lambda 2 measures the gas concentration of the second gas from the absorption signal of the gas in time to oscillate.
  • the correspondence between the timing of time division ( ⁇ t) and the extracted gas signal is automatically calculated by the computer 124. This makes it possible to calculate a plurality of types of gas concentrations easily and reliably. Thus, even if the first and second laser beams pass through the same optical axis, each laser beam is alternately irradiated to the light receiving means 120 in a time-sharing manner, so that it corresponds to each gas. The signal can be easily taken out.
  • Such a prior art gas concentration measuring device uses gas generated in a closed container such as a boiler, a garbage incinerator, or a combustion chamber of a combustion engine, or a gas discharged from the closed container as an object of measurement. .
  • the gas concentration measuring device can efficiently measure a plurality of types of gas concentrations by measuring these gases using laser light.
  • a multiplexer 116 and an optical fiber laser beam path are used to make the two laser diodes 101 and 102 the same laser beam.
  • the amount of light decreases due to insertion loss and transmission loss.
  • the amount of light that can be received by the light receiving element decreases. Therefore, there is a problem that the signal intensity for calculating the gas concentration is lowered and the stability of the gas concentration measurement is impaired.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and the purpose thereof is to suppress the loss of the first and second detection lights, which are laser lights, and to reduce the noise, thereby measuring
  • An object of the present invention is to provide a multi-component laser gas analyzer that increases the signal intensity of a target gas and measures a plurality of gas concentrations simultaneously and stably.
  • the present invention provides A frequency modulation type multi-component laser gas analyzer that measures the concentration of the first and second measurement target gases in the measurement target space, A first light emitting element that emits a laser beam in a wavelength band including a light absorption spectrum of the first measurement target gas; A second light emitting element that emits a laser beam having a wavelength band including the light absorption spectrum of the second measurement target gas; A parallel light conversion unit that converts laser light emitted and diffused from the first light emitting element into first substantially parallel light and emits it as first detection light; A through-hole for transmitting the first detection light, and a parabola for reflecting the laser light emitted from the second light emitting element and diffusing it into the second substantially parallel light to be emitted as the second detection light A parabolic mirror having a light emitting part hole for propagating the first and second detection lights to the measurement target space on the same optical axis, A modulated light generator that supplies a drive current of laser light that is frequency-modulated according to the first and second measurement target gases to
  • the present invention also provides: A frequency modulation type multi-component laser gas analyzer that measures the concentration of the first and second measurement target gases in the measurement target space, A first light emitting element that emits a laser beam in a wavelength band including a light absorption spectrum of the first measurement target gas; A second light emitting element that emits a laser beam having a wavelength band including the light absorption spectrum of the second measurement target gas; A parallel light conversion unit that converts laser light emitted and diffused from the first light emitting element into first substantially parallel light and emits it as first detection light; A through-hole for transmitting the first detection light, and a parabola for reflecting the laser light emitted from the second light emitting element and diffusing it into the second substantially parallel light to be emitted as the second detection light A parabolic mirror having a light emitting part hole for propagating the first and second detection lights to the measurement target space on the same optical axis, A modulated light generator that supplies a drive current of laser light that is frequency-modulated according to the first and second measurement target gases
  • the present invention also provides: A frequency modulation type multi-component laser gas analyzer that measures the concentration of the first and second measurement target gases in the measurement target space, A first light emitting element that emits a laser beam in a wavelength band including a light absorption spectrum of the first measurement target gas; A second light emitting element that emits a laser beam having a wavelength band including the light absorption spectrum of the second measurement target gas; A parallel light conversion unit that converts laser light emitted and diffused from the first light emitting element into first substantially parallel light and emits it as first detection light; A through-hole for transmitting the first detection light, and a parabola for reflecting the laser light emitted from the second light emitting element and diffusing it into the second substantially parallel light to be emitted as the second detection light A parabolic mirror having a light emitting part hole for propagating the first and second detection lights to the measurement target space on the same optical axis, A modulated light generator that supplies a drive current of laser light that is frequency-modulated according to the first and second measurement target gases
  • a multi-component laser gas analyzer for reduction can be provided.
  • a laser gas analyzer can be provided.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a multi-component laser gas analyzer according to a first embodiment for carrying out the present invention. It is a whole block diagram of the multi-component laser type gas analyzer which concerns on the 2nd form for implementing this invention. It is a graph which shows the wavelength dependence of the light reception sensitivity of a typical InGaAs photodiode. It is a graph which shows the wavelength dependence of the spectral sensitivity characteristic of a typical MCT element. It is a whole block diagram of the laser gas analyzer for multicomponents concerning the 3rd form for carrying out the present invention. It is a whole block diagram of the gas concentration measuring device of a prior art. It is explanatory drawing of the time division light emission operation
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a multi-component laser gas analyzer according to the present embodiment.
  • the multi-component laser gas analyzer 1 of this embodiment measures the gas concentrations of the first and second measurement target gases contained in the gas flowing through the walls 50a and 50b. If the gas concentration is 0 or less than a predetermined value, it can be detected that there is no gas, and the presence or absence of gas can also be detected.
  • the multi-component laser gas analyzer 1 includes a light emitting unit 10, a light receiving unit 20, and a communication line 30.
  • the communication line 30 communicates between the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 by an electrical signal. Further, a communication unit such as wireless or optical communication may be employed instead of the communication line. A communication unit using these communication lines, wireless communication, or optical communication can be employed.
  • the light emitting unit 10 emits the first detection light 40a or the second detection light 40b. Both the first detection light 40a and the second detection light 40b are projected on the same optical axis 41. Only one of the first detection light 40a and the second detection light 40b is projected onto the measurement target space inside the walls 50a and 50b in a time-sharing manner.
  • a part of the light amount of the first detection light 40a or a part of the light amount of the second detection light 40b is absorbed by the measurement target gas.
  • the remaining light that has not been absorbed, that is, transmitted light, enters the light receiving unit 20 and the amount of light is detected.
  • the gas concentration to be measured is obtained from the detected light quantity.
  • the light emitting unit 10 includes a modulated light generating unit 11, a first light emitting element 12a, a second light emitting element 12b, a collimating lens 13, a parabolic mirror 14 with a light emitting part hole provided with a through hole 14a, and light emission.
  • a partial window plate 15, a light emitting unit container 16, and an optical axis adjusting flange 52 a are provided.
  • the light receiving unit 20 includes a light receiving signal processing unit 21, a first light receiving element 22a, a second light receiving element 22a, a condenser lens 23, and a parabolic mirror 24 with a light receiving unit hole provided with a through hole 24a,
  • the light receiving unit window plate 25, the light receiving unit container 26, and an optical axis adjusting flange 52b are provided.
  • holes 50a and 50b such as pipes, through which a gas containing the first and second measurement target gases flows are respectively drilled.
  • the flanges 51a and 51b are fixed to those holes by welding or the like.
  • the optical axis adjusting flanges 52a and 52b are attached to the flanges 51a and 51b so as to be mechanically movable.
  • the positions of the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 can be adjusted by the optical axis adjusting flanges 52a and 52b.
  • the optical axis adjusting flange 52a adjusts the emission angles of the first detection light 40a and the second detection light 40b
  • the optical axis adjustment flange 52b is the incident angle of the first detection light 40a and the second detection light 40b. Adjust.
  • the first detection light 40a or the second detection light 40b emitted from the light emitting unit 10 is received by the light receiving unit 20 with the maximum light amount by the optical axis adjusting flanges 52a and 52b. Further, both the first detection light 40a and the second detection light 40b have the same optical axis 41 and are received by the light receiving unit 20 with the maximum light amount.
  • the light-emitting unit container 16 and the light-receiving unit container 26 incorporate therein a light-emitting element, an optical component, and an electric / electronic circuit, and isolate them from the outside air to protect them from wind and rain, dust, and dirt.
  • the light emitting unit window plate 15 and the light receiving unit window plate 25 are provided so as to make a hole in a part of the light emitting unit container 16 and the light receiving unit container 26 and close them.
  • the light emitting unit window plate 15 and the light receiving unit window plate 25 are in the optical paths of the first detection light 40a and the second detection light 40b, and transmit the first detection light 40a and the second detection light 40b, while The gas containing the two measurement target gases is prevented from entering the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20. Thereby, a light emitting element, an optical component, and an electric and electronic circuit do not touch gas directly, and the inside is protected.
  • the mechanical structure is like this.
  • the wavelength absorbed by the first measurement target gas is ⁇ 1
  • the wavelength absorbed by the second measurement target gas is ⁇ 2 .
  • Laser element first light emitting element 12a is emitting at a wavelength lambda 1
  • the second light emitting element 12b is a laser element that emits light with lambda 2.
  • a collimator lens 13, and the condensing lens 23 is composed of a high permeability material at a wavelength lambda 1.
  • the parabolic mirror 14 with the light emitting part hole and the parabolic mirror 24 with the light receiving part hole are made of a material having a high reflectance at the wavelength ⁇ 2 .
  • the first light receiving element 22a is sensitive element at the wavelength lambda 1.
  • the second light receiving element 22b is sensitive element at the wavelength lambda 2.
  • the optimum detection wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 can be selected from the ultraviolet region, the visible region, the near infrared region, the mid infrared region, the terahertz region, and the like depending on the first and second measurement target gases.
  • light receiving elements corresponding to these wavelengths for example, a silicon photodiode in the ultraviolet / visible region, an InGaAs (indium gallium arsenide) photodiode in the visible / near infrared region, and an MCT (mercury cadmium in the middle infrared region). Tellurium) light receiving elements and the like can be appropriately selected for each.
  • the modulated light generator 11 is a signal processing / current driving circuit. It is necessary to irradiate the first and second laser beams corresponding to the light absorption characteristics of the first and second measurement target gases, respectively. In addition, the first and second laser beams need to be modulated light that is frequency-modulated according to the first and second measurement target gases, respectively. Therefore, the modulated light generation unit 11 supplies a drive current signal for emitting such laser light to the first light emitting element 12a and the second light emitting element 12b.
  • the first light emitting element 12a and the second light emitting element 12b are laser elements, for example, DFB laser diodes (DistributedtribuFeedback Laser Diodes) or VCSEL diodes (Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diodes).
  • the first light emitting element 12a and the second light emitting element 12b can variably control the emission wavelength according to current and temperature.
  • the light emitting point of the first light emitting element 12 a is disposed near the focal point of the collimating lens 13.
  • the outgoing light from the first light emitting element 12a enters the collimating lens 13 while being diffused, and is converted into first detection light 40a that is substantially parallel light.
  • this form demonstrates as what uses the collimating lens 13 as a parallel light conversion part of this invention, it is not the meaning limited to a collimating lens.
  • a parabolic mirror can be used as the parallel light conversion unit instead of the collimating lens.
  • the light emitting point of the second light emitting element 12b is arranged near the focal point of the parabolic mirror 14 with the light emitting part hole.
  • the emitted light from the second light emitting element 12b enters the parabolic mirror 14 with an optical hole while diffusing, and is converted into second detection light 40b that is substantially parallel light.
  • an off-axis parabolic mirror with an angle of 90 degrees is used, but the off-axis angle need not be 90 degrees.
  • the parabolic mirror 14 with a light emitting part hole is provided with a through hole 14a near the center of the parabolic mirror.
  • the through hole 14a transmits the first detection light 40a. Therefore, it is desirable that the size of the hole is approximately the same as the beam diameter of the first detection light 40a.
  • the amount of light incident on the through hole 14a is not converted into the second detection light 40b and is lost.
  • the smaller the opening diameter of the through hole 14a the better.
  • the beam diameter of the first detection light 40a must be smaller than the beam diameter of the second detection light 40b.
  • the through hole 14a is provided so as to be parallel to the optical axis of the second detection light 40b.
  • the first detection light 40a that has passed through the through hole 14a and the second detection light 40b that has become substantially parallel light by the parabolic mirror 14 with the light emitting portion hole have the same optical axis, although the beam diameters are different. 41 can be overlaid.
  • an optical axis fine adjustment mechanism (not shown) may be provided.
  • the first light emitting element 12a and the collimating lens 13 are finely adjusted in the direction perpendicular to the optical axis while maintaining the displacement in the optical axis direction.
  • the emission angle of the detection light 40a can be finely adjusted. Thereby, the optical axes 41 of the first detection light 40a and the second detection light 40b coincide.
  • the first detection light 40a and the second detection light 40b which are substantially parallel lights superimposed on the optical axis 41, are transmitted through the light-emitting unit window plate 15 and inside the walls 50a and 50b, that is, the first and second measurement objects. Propagates to the space where gas including gas flows.
  • the light receiving unit 20 receives the first detection light 40a and the second detection light 40b transmitted through the light receiving unit window plate 25, and analyzes the light absorbed by the light absorption characteristics of the measurement target gas.
  • the first detection light 40a and the second detection light 40b are incident on the parabolic mirror 24 with a light receiving portion hole.
  • the parabolic mirror 24 with the light receiving part hole is provided with a through hole 24 a so as to be parallel to the optical axis 41.
  • the first detection light 40 a passes through the through hole 24 a and enters the condenser lens 23.
  • the first detection light 40 a collected by the condenser lens 23 is incident on the first light receiving element 22 a having a light receiving surface disposed near the focal point of the condenser lens 23.
  • the condensing lens 23 is a specific example of the condensing unit, but a doublet lens, a diffractive lens, or the like may be employed instead of the condensing lens 23.
  • the second detection light 40b is incident on the parabolic mirror 24 with the hole of the light receiving part.
  • the second detection light 40b reflected and collected by the parabolic mirror 24 with the light receiving portion hole is a second light receiving element in which the light receiving surface is disposed near the focal point of the parabolic mirror 24 with the light receiving portion hole. 22b. A part of the second detection light 40b passes through the through hole 24 and enters the first light receiving element 22a.
  • the positional relationship among the first light receiving element 22 a, the second light receiving element 22 b, the condenser lens 23, the parabolic mirror 24 with the light receiving part hole, and the through hole 24 a is the same as that described in the light emitting part 10. 41 is optimally arranged, and the first light receiving element 22a and the second light receiving element 22b obtain a maximized received light amount.
  • the light reception signals from the first light receiving element 22a and the second light receiving element 22b include absorption signals of the first and second measurement target gases, respectively, and are sent to the light reception signal processing unit 21 as electrical signals.
  • the received light signal processing unit 21 processes the electrical signal to calculate a gas concentration value.
  • the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 cannot optically separate signals. Therefore, the first light emitting element 12 a and the second light emitting element 12 b of the light emitting unit 10 are operated in a time-sharing manner, and signal processing is alternately performed in synchronization in the light receiving unit 20 through the communication line 30.
  • the first light emitting element 12a of the light emitting unit 10 emits light and emits the first detection light 40a
  • the light receiving signal processing unit uses the detection signal received by the first light receiving element 22a.
  • 21 analyzes the gas concentration of the first measurement target gas.
  • the second light emitting element 12b of the light emitting unit 10 emits light and emits the second detection light 40b
  • the light reception signal processing unit 21 uses the detection signal received by the second light receiving element 22b to generate the second light. Analyze the gas concentration of the gas to be measured. In this way, signal separation is performed electrically. Thereby, the gas concentrations of the first and second measurement target gases can be calculated independently.
  • the multi-component laser gas analyzer 1 has been described above.
  • the multi-component laser gas analyzer can be variously modified.
  • a multi-component laser gas analyzer 2 according to a second embodiment will be described with reference to FIG.
  • a light receiving unit 20 ′ in which a part of the configuration of the light receiving unit 20 is changed in the first embodiment is adopted.
  • the communication line 30, and a detection process since it is the same as the previous description, the overlapping description is abbreviate
  • the light receiving unit 20 ′ includes a light receiving signal processing unit 21, a light receiving unit window plate 25, a light receiving unit container 26, a light receiving unit parabolic mirror 27, a broadband light receiving element 28, and an optical axis adjusting flange 52b.
  • a light receiving part parabolic mirror 27 without a hole is used as the light collecting part, and a broadband light receiving element 28 is used as the light receiving element.
  • an InGaAs photodiode having a sensitivity of 500 nm to 2500 nm can be adopted.
  • the InGaAs photodiode can detect a plurality of measurement target gases having absorption at 500 nm to 2500 nm, and can take out a signal with one light receiving element.
  • the light receiving sensitivity is as small as 0.2 A / W or less when the wavelength is 900 nm or less, such a signal can also be detected, and analysis can be performed by appropriately amplifying the detection signal.
  • an MCT element having sensitivity of 1 ⁇ m to 13 ⁇ m may be used as the broadband light receiving element 28, as shown in FIG. 4, an MCT element having sensitivity of 1 ⁇ m to 13 ⁇ m may be used.
  • the MCT element can detect a plurality of gases to be measured having absorption of 1 ⁇ m to 13 ⁇ m, and a signal can be taken out by one light receiving element.
  • both the first detection light 40a and the second detection light 40b are incident on the light receiving portion paraboloid mirror 27, and the reflected first detection light 40a and second detection light 40b are condensed and the broadband light receiving element 28. Is incident on. Since the light is condensed by the reflection method, there is an advantage that there is no influence of chromatic aberration due to the difference between the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 .
  • the light receiving unit 20 ′ emits the first detection light 40 a and emits the first detection light 40 a during a certain period, and the broadband light receiving element 28 receives the light.
  • the light reception signal processing unit 21 analyzes the gas concentration of the first measurement target gas using the detection signal.
  • the second light emitting element 12b of the light emitting unit 10 emits light and emits the second detection light 40b, and the received light signal processing unit 21 performs the second measurement using the detection signal received by the broadband light receiving element 28. Analyze the gas concentration of the target gas. In this way, signal processing is alternately performed in synchronization in the light receiving unit 20 through the communication line 40. Thereby, the gas concentrations of the first and second measurement target gases can be calculated independently. Even if such a configuration is adopted, the present invention can be implemented.
  • a light receiving unit 20 ′′ in which a part of the configuration of the light receiving unit 20 is changed is adopted in the first form.
  • the light emitting unit 10, the communication line 30, and the detection processing are the same as in the previous description. A duplicate description is omitted because it is the same, and only the differences will be described mainly.
  • the light receiving unit 20 ′′ includes a light receiving signal processing unit 21, a light receiving unit window plate 25, a light receiving unit container 26, a light receiving unit parabolic mirror 27, a broadband light receiving element 28, and an optical axis adjusting flange 52b.
  • a broadband condenser lens 29 which is a specific example of a broadband condenser is used, and a broadband light receiving device 28 is used as a light receiving device.
  • the influence of chromatic aberration due to the difference between the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 appears. Therefore, in order to reduce a decrease in the amount of received light due to chromatic aberration, for example, by using a doublet lens or a diffraction lens instead of the broadband condenser lens 29 as the broadband condenser, the influence of chromatic aberration can be reduced. Further, the light receiving area of the broadband light receiving element 28 is increased, and light can be received even if the focusing positions of the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 are shifted.
  • the first light emitting element 12a of the light emitting unit 10 emits light and irradiates the first detection light 40a during a certain period
  • the broadband light receiving element 28 Using the received detection signal, the received light signal processing unit 21 analyzes the gas concentration of the first measurement target gas, and during the other period, the second light emitting element 12b of the light emitting unit 10 emits light and the second detection light 40b. And the light reception signal processing unit 21 analyzes the gas concentration of the second measurement target gas using the detection signal received by the broadband light receiving element 28. In this manner, the light receiving unit 20 synchronizes with the communication line 40. By alternately performing signal processing, the gas concentrations of the first and second measurement target gases can be calculated independently. Even if such a configuration is adopted, the present invention can be implemented.
  • the present invention has been described above. According to the present invention, a simple spatial optical system that does not use an optical fiber optical system is used, and the light from two laser diodes is combined on the same optical axis, and the light quantity of the laser light is efficiently transmitted to the light receiving element. By transmitting and increasing the signal intensity of the gas to be measured and reducing the noise, it is possible to provide a multi-component laser gas analyzer that simultaneously and stably measures a plurality of gas concentrations.
  • the multi-component laser gas analyzer of the present invention is most suitable for combustion exhaust gas measurement such as boiler and garbage incineration, and combustion control.

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Abstract

　同一光軸上に結合されたレーザ光の光量を効率よく伝送し、測定対象ガスの信号強度を高め、ノイズを低減することにより、複数のガス濃度を同時かつ安定に測定する多成分用レーザ式ガス分析計を提供する。　ある期間に発光部穴付き放物面鏡の貫通穴および受光部穴付き放物面鏡の貫通穴を経由する第１の検出光を第１の受光素子が受光し、および、他の期間に発光部穴付き放物面鏡の放物面鏡および受光部穴付き放物面鏡の放物面鏡を経由する第２の検出光を第２の受光素子が受光し、第１，第２の受光素子から期間別に受信した第１，第２の検出信号に基づいて第１，第２の測定対象ガスの濃度をそれぞれ個別に測定する多成分用レーザ式ガス分析計とする。

Description

多成分用レーザ式ガス分析計
　本発明は、空間内の各種の測定対象ガスの有無や濃度を分析する多成分用レーザ式ガス分析計に関する。
　多成分用レーザ式ガス分析計の従来技術として、例えば、特許文献１に記載の発明が知られている。この装置について図を参照しつつ説明する。
　図６は、従来技術のレーザ光を用いたガス濃度計測装置の全体構成図である。このガス濃度計測装置は、２個のレーザダイオードを用いて、２種のガス濃度を計測する。
　レーザ光の光源は、第１レーザダイオード（ＬＤ１）１０１と第２レーザダイオード（ＬＤ２）１０２とからなる。第１レーザダイオード１０１は、ＬＤ１電流駆動回路１０３，１０４に接続されて温度と電流とが制御される。第２レーザダイオード１０２は、ＬＤ２電流駆動回路１０５，１０６に接続されて温度と電流とが制御される。
　ＬＤ１電流駆動回路１０３には、加算器１０７を経由して、第１直流電流１０８、ランプ波１０９、変調信号１１０，１１１、時分割手段１１２のパルス信号１１２ａ、および、波長ロック信号１１３がそれぞれ印加される。また、ＬＤ２電流駆動回路１０５にも、加算器１１４を経由して、第２直流電流１１５、ランプ波１０９、変調信号１１０，１１１、時分割手段１１２のパルス信号１１２ａ、および、波長ロック信号１１３がそれぞれ印加される。
　第１レーザダイオード１０１と第２レーザダイオード１０２とは交互に発振する。第１レーザダイオード１０１は、印加される電流（第１直流電流１０８とパルス信号１１２ａとの加算電流）により、第１ガス成分の吸収波長λ１で発振する。また、第２レーザダイオード１０２は、印加される電流（第２直流電流１１５とパルス信号１１２ａとの加算電流）により、第２ガス成分の吸収波長λ２で発振する。
　このように第１レーザダイオード１０１からの発振レーザと第２レーザダイオード１０２からの発振レーザは、合波器１１６によって交互に合流されて、光ファイバのレーザ光路を通って、分波器１１７へ入射される。分波器１１７から照射されたレーザビームは、一方のレンズ（コリメータ）１１８を介してガス流通領域を通過し、他方のレンズ（集光レンズ）１１９へ出射される。
　ガス流通領域を通過したレーザ光は、他方のレンズ１１９の近傍に配置された受光手段１２０のフォトダイオード（ＰＤ）によって受光される。受光手段１２０によって受光されたガス吸収信号に基づいて、後段の復調処理手段１２１、標準信号処理手段１２２、ＡＤ変換器１２３およびコンピュータ１２４により、２種のガス濃度が算出される。
　図７には、第１レーザダイオード１０１からの波長λ１の発信と、第２レーザダイオード１０２からの波長λ２との発振の概要が示されている。波長λ１が発振する期間と波長λ２が発振する期間とが交互に出現するレーザ光となっている。波長λ１が発振する時間におけるガスの吸収信号から第１ガスのガス濃度を計測し、波長λ２が発振する時間におけるガスの吸収信号から第２ガスのガス濃度を計測することができる。
　なお、時間分割（Δｔ）のタイミングと取出したガス信号との対応付けは、コンピュータ１２４において自動的に算出されるようになっている。これにより複数種のガス濃度を簡単確実に算出可能としている。
　このように第１，第２のレーザビームが同じ光軸を通過するものであっても、時分割して交互にそれぞれのレーザ光が受光手段１２０に照射されるため、それぞれのガスに対応する信号の取出しが容易である。
　このような従来技術のガス濃度計測装置は、ボイラ、ゴミ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に発生するガス、または、この密閉容器から外部に排出されるガスを測定対象とする。ガス濃度計測装置は、これらガスに対してレーザ光を用いて測定することにより、複数種のガス濃度を効率よく計測可能とする。
特開２０１２－１０８１５６号公報（発明の名称「ガス濃度計測方法および装置」）
　特許文献１に記載の従来技術では、２個のレーザダイオード１０１，１０２を同一のレーザビームとするために、合波器１１６と光ファイバのレーザ光路とを用いている。一般に複数のレーザダイオードからのレーザ光を結合し光ファイバを介して伝送する際、挿入損失および伝送損失により光量が低下する。その結果、受光素子で受光可能な光量が低下する。したがって、ガス濃度を算出するための信号強度が低下し、ガス濃度測定の安定性を損ねるという課題がある。
　また、レーザダイオードからのレーザ光を光ファイバに結合する際に、レーザダイオードと光ファイバとの間で光学干渉ノイズが発生するおそれがある。この光学干渉ノイズにより、ガス濃度を算出するためのノイズが増加し、ガス濃度測定の安定性を損ねるという課題がある。
　そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、レーザ光である第１，第２の検出光の損失を抑え、また、ノイズを低減することにより、測定対象ガスの信号強度を高め、複数のガス濃度を同時かつ安定に測定する多成分用レーザ式ガス分析計を提供することにある。
　そこで、本発明は、
　測定対象空間の第１，第２の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
　第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第１の発光素子と、
　第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第２の発光素子と、
　第１の発光素子から出射して拡散するレーザ光を第１の略平行光に変換し第１の検出光として出射する平行光変換部と、
　第１の検出光を透過させる貫通穴と、第２の発光素子から出射して拡散するレーザ光を反射して第２の略平行光に変換し第２の検出光として出射するための放物面鏡と、を有し、第１，第２の検出光を同一の光軸上で測定対象空間に伝播させる発光部穴付き放物面鏡と、
　第１，第２の測定対象ガスに応じて周波数変調されたレーザ光の駆動電流を第１，第２の発光素子に供給する変調光生成部と、
　を有する発光部と、
　同一の光軸上で測定対象空間に伝播する第１，第２の検出光のうち貫通穴を介して第１の検出光を透過させ、また、第２の検出光を放物面鏡で集光しつつ反射させる受光部穴付き放物面鏡と、
　貫通穴を透過した第１の検出光を集光する集光部と、
　集光部で集光した第１の検出光を受光して第１の検出信号を出力する第１の受光素子と、
　受光部穴付き放物面鏡の放物面鏡で集光しつつ反射した第２の検出光を受光して第２の検出信号を出力する第２の受光素子と、
　第１，第２の受光素子から受信した第１，第２の検出信号に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
　を有する受光部と、
　を備え、
　発光部の変調光生成部と受光部の受光信号処理部とで同期させて時間別に第１，第２の測定対象ガスの濃度をそれぞれ個別に測定することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
　また、本発明は、
　測定対象空間の第１，第２の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
　第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第１の発光素子と、
　第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第２の発光素子と、
　第１の発光素子から出射して拡散するレーザ光を第１の略平行光に変換し第１の検出光として出射する平行光変換部と、
　第１の検出光を透過させる貫通穴と、第２の発光素子から出射して拡散するレーザ光を反射して第２の略平行光に変換し第２の検出光として出射するための放物面鏡と、を有し、第１，第２の検出光を同一の光軸上で測定対象空間に伝播させる発光部穴付き放物面鏡と、
　第１，第２の測定対象ガスに応じて周波数変調されたレーザ光の駆動電流を第１，第２の発光素子に供給する変調光生成部と、
　を有する発光部と、
　同一の光軸上で測定対象空間に伝播する第１，第２の検出光を共に反射させる受光部放物面鏡と、
　受光部放物面鏡で集光しつつ反射した第１，第２検出光を受光して第１，第２の検出信号を出力する広帯域受光素子と、
　広帯域受光素子から受信した第１，第２の検出信号に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
　を有する受光部と、
　を備え、
　発光部の変調光生成部と受光部の受光信号処理部とで同期させて時間別に第１，第２の測定対象ガスの濃度をそれぞれ個別に測定することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
　また、本発明は、
　測定対象空間の第１，第２の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
　第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第１の発光素子と、
　第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第２の発光素子と、
　第１の発光素子から出射して拡散するレーザ光を第１の略平行光に変換し第１の検出光として出射する平行光変換部と、
　第１の検出光を透過させる貫通穴と、第２の発光素子から出射して拡散するレーザ光を反射して第２の略平行光に変換し第２の検出光として出射するための放物面鏡と、を有し、第１，第２の検出光を同一の光軸上で測定対象空間に伝播させる発光部穴付き放物面鏡と、
　第１，第２の測定対象ガスに応じて周波数変調されたレーザ光の駆動電流を第１，第２の発光素子に供給する変調光生成部と、
　を有する発光部と、
　同一の光軸上で測定対象空間に伝播する第１，第２の検出光を共に集光させる広帯域集光部と、
　広帯域集光部で集光した第１，第２検出光を受光して第１，第２の検出信号を出力する広帯域受光素子と、
　広帯域受光素子から受信した第１，第２の検出信号に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
　を有する受光部と、
　を備え、
　発光部の変調光生成部と受光部の受光信号処理部とで同期させて時間別に第１，第２の測定対象ガスの濃度をそれぞれ個別に測定することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
　本発明によれば、光ファイバ光学系を使用しない簡易な空間光学系を用いて２個のレーザダイオードからの発光を同一光軸上に結合しており、挿入損失、伝送損失および光学干渉ノイズを低減する多成分用レーザ式ガス分析計を提供することできる。
　総じて、レーザ光である第１，第２の検出光の損失を抑え、また、ノイズを低減することにより、測定対象ガスの信号強度を高め、複数のガス濃度を同時かつ安定に測定する多成分用レーザ式ガス分析計を提供することができる。
本発明を実施するための第１の形態に係る多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。 本発明を実施するための第２の形態に係る多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。 典型的なＩｎＧａＡｓフォトダイオードの、受光感度の波長依存性を示すグラフである。 典型的なＭＣＴ素子の、分光感度特性の波長依存性を示すグラフである。 本発明を実施するための第３の形態に係る多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。 従来技術のガス濃度計測装置の全体構成図である。 従来技術のガス濃度計測装置の時分割発光動作の説明図である。
　続いて、本発明を実施するための第１の形態に係る多成分用レーザ式ガス分析計について図を参照しつつ以下に説明する。図１は、本形態の多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。
　本形態の多成分用レーザ式ガス分析計１は、壁５０ａと壁５０ｂとの内部を流通するガスに含まれる第１，第２の測定対象ガスのガス濃度を測定する。また、ガス濃度が０や所定値以下であるならばガスが無いことを検出できるものであり、ガスの有無も検出できる。多成分用レーザ式ガス分析計１は、発光部１０、受光部２０、通信線３０を備えている。通信線３０は発光部１０と受光部２０との間で電気信号により通信する。また、通信線に代えて無線や光通信のような通信部を採用しても良い。これら通信線、無線、光通信による通信部を採用できる。
　このような多成分用レーザ式ガス分析計１では、発光部１０が、第１検出光４０ａまたは第２検出光４０ｂを出射する。これら第１検出光４０ａまたは第２検出光４０ｂは、共に同一の光軸４１で投光される。そして、第１検出光４０ａまたは第２検出光４０ｂの何れか一方のみが時分割で壁５０ａと壁５０ｂとの内部の測定対象空間に投光される。
　このとき、第１検出光４０ａの光量の一部、または、第２検出光４０ｂの光量の一部は、測定対象ガスによって吸収される。吸収されなかった残りの光、すなわち透過光が、受光部２０に入射し、その光量が検出される。検出された光量から測定対象のガス濃度が求められる。
　続いて各部の詳細について説明する。
　発光部１０は、変調光生成部１１と、第１発光素子１２ａと、第２発光素子１２ｂと、コリメートレンズ１３と、貫通穴１４ａが設けられた発光部穴付き放物面鏡１４と、発光部窓板１５と、発光部容器１６と、光軸調整フランジ５２ａと、を備える。
　受光部２０は、受光信号処理部２１と、第１受光素子２２ａと、第２受光素子２２ａと、集光レンズ２３と、貫通穴２４ａが設けられた受光部穴付き放物面鏡２４と、受光部窓板２５と、受光部容器２６と、光軸調整フランジ５２ｂと、を備える。
　まず、構造について説明する。
　図１に示すように、第１，第２の測定対象ガスを含むガスが流通する配管等の壁５０ａ，５０ｂにそれぞれ穴が開けられている。フランジ５１ａ，５１ｂは、溶接等によりそれらの穴に固定されている。光軸調整フランジ５２ａ，５２ｂは、これらフランジ５１ａ，５１ｂに対して機械的に移動可能に取り付けられる。発光部１０、受光部２０は光軸調整フランジ５２ａ，５２ｂにより位置調整することができる。
　したがって、光軸調整フランジ５２ａは、第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂの出射角を調整し、また、光軸調整フランジ５２ｂは、第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂの入射角を調整する。光軸調整フランジ５２ａ，５２ｂにより、発光部１０から出射される第１検出光４０ａまたは第２検出光４０ｂが受光部２０において最大の光量で受光される。さらに第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂは、両者が同一の光軸４１であり、受光部２０でともに最大の光量で受光される。
　発光部容器１６および受光部容器２６は、それぞれの内部に発光素子、光学部品、および、電気電子回路を内蔵し、それらを外気から隔絶して風雨、塵埃、および、汚れ等から保護する。
　発光部窓板１５および受光部窓板２５は、発光部容器１６および受光部容器２６の一部に穴を開けてそれを塞ぐように備えられている。発光部窓板１５および受光部窓板２５は、第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂの光路内にあり、第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂを透過させつつ、第１，第２の測定対象ガスを含むガスが発光部１０や受光部２０の内部に進入しないようにする。これにより、発光素子、光学部品、および、電気電子回路が直接ガスに触れないことになり、内部が保護される。機械的構造はこのようなものである。
　次に、発光部１０および受光部２０の光学的機能について説明する。第１の測定対象ガスが吸収する波長をλ１、第２の測定対象ガスが吸収する波長をλ２とする。
　第１発光素子１２ａは波長λ１で発光するレーザ素子、第２発光素子１２ｂはλ２で発光するレーザ素子である。
　コリメートレンズ１３、および、集光レンズ２３は波長λ１において透過率が高い材料で構成する。
　発光部穴付き放物面鏡１４および受光部穴付き放物面鏡２４は、波長λ２において反射率が高い材料で構成する。
　第１受光素子２２ａは波長λ１において感度が高い素子である。第２受光素子２２ｂは波長λ２において感度が高い素子である。
　従って、第１，第２の測定対象ガスによって最適な検出波長λ１、λ２を紫外領域、可視領域、近赤外領域、中赤外領域、テラヘルツ領域などの中から選ぶことができる。また、それらの波長に対応する受光素子に関しては、例えば、紫外・可視領域はシリコンフォトダイオード、可視・近赤外領域ではＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ化物）フォトダイオード、中赤外領域ではＭＣＴ(水銀カドミウムテルル)受光素子などを、それぞれに適切に選択することができる。
　次に、発光部１０および受光部２０の信号処理機能について説明する。まず、発光部１０について説明する。
　変調光生成部１１は、信号処理・電流駆動回路である。第１，第２の測定対象ガスの吸光特性に応じた第１，第２のレーザ光をそれぞれ照射する必要がある。加えて、第１，第２のレーザ光はそれぞれ第１，第２の測定対象ガスに応じて周波数変調された変調光とする必要がある。そこで、変調光生成部１１は、これらのようなレーザ光を発光するための駆動電流信号を、第１発光素子１２ａおよび第２発光素子１２ｂに供給する。
　第１発光素子１２ａおよび第２発光素子１２ｂは、レーザ素子であり、例えば、ＤＦＢレーザダイオード（Distributed Feedback Laser Diode）、もしくはＶＣＳＥＬダイオード（Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode）である。第１発光素子１２ａおよび第２発光素子１２ｂは、電流と温度により、発光波長を可変制御可能である。
　第１発光素子１２ａの発光点は、コリメートレンズ１３の焦点付近に配置されている。第１発光素子１２ａからの出射光は、拡散しつつコリメートレンズ１３に入射して、略平行光である第１検出光４０ａに変換される。なお、本形態では本発明の平行光変換部としてコリメートレンズ１３を用いるものとして説明するが、コリメートレンズに限定する趣旨ではない。例えば、平行光変換部として、コリメートレンズの代わりに放物面鏡を用いることもできる。
　第２発光素子１２ｂの発光点は、発光部穴付き放物面鏡１４の焦点付近に配置されている。第２発光素子１２ｂからの出射光は、拡散しつつ光学部穴付き放物面鏡１４に入射して、略平行光である第２検出光４０ｂに変換される。なお本形態では、角度９０度の軸外し放物面鏡を用いているが、軸外し角度は９０度でなくともよい。
　発光部穴付き放物面鏡１４は、その放物面鏡の中心付近に貫通穴１４ａを備えている。貫通穴１４ａは、第１検出光４０ａを透過させる。従って、その穴の大きさは、第１検出光４０ａのビーム直径と同程度であることが望ましい。
　一方、第２発光素子１２ｂからの発光のうち、貫通穴１４ａに入射する分の光量は第２検出光４０ｂに変換されないため、損失する。この損失を小さく抑えるためには、貫通穴１４ａの開口径は小さければ小さいほどよい。
　従って、第１検出光４０ａのビーム直径は、第２検出光４０ｂのビーム直径より小さくなくてはならない。これを実現するために、コリメートレンズ１３の焦点距離を、発光部穴付き放物面鏡１４の焦点距離より十分小さくすることが望ましい。
　また、貫通穴１４ａを第２検出光４０ｂの光軸と平行になるように設ける。これにより、貫通穴１４ａを透過した第１検出光４０ａと、発光部穴付き放物面鏡１４によって略平行光となった第２検出光４０ｂとは、ビーム直径は異なるものの、同一の光軸４１上に重ねることができる。
　また、図示しない光軸微調整機構を設けてもよい。例えば、第１発光素子１２ａとコリメートレンズ１３との間で、光軸方向の変位はそのままにして光軸と垂直方向の変位を微調整することにより、略平行光を維持したままで、第１検出光４０ａの出射角度を微調整することができる。これにより、第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂの光軸４１が一致する。
　光軸４１に重ねられた略平行光である第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂは、発光部窓板１５を透過し、壁５０ａ，５０ｂの内部、すなわち第１，第２の測定対象ガスを含むガスが流通する空間に伝播する。
　次に、受光部２０について説明する。受光部２０は、受光部窓板２５を透過した第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂを受光し、測定対象ガスの吸光特性により吸収された光について分析する。第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂは、受光部穴付き放物面鏡２４に入射する。
　受光部穴付き放物面鏡２４は、光軸４１に平行となるように貫通穴２４ａが備えられている。
　第１検出光４０ａは貫通穴２４ａを透過し、集光レンズ２３に入射する。集光レンズ２３により集光された第１検出光４０ａは、集光レンズ２３の焦点付近に受光面が配置された第１受光素子２２ａに入射する。なお、本形態では集光レンズ２３を集光部の具体例としているが、集光レンズ２３に代えてダブレットレンズや回折レンズなどを採用することもできる。
　また、第２検出光４０ｂは受光部穴付き放物面鏡２４に入射する。受光部穴付き放物面鏡２４の放物面鏡で反射集光された第２検出光４０ｂは、受光部穴付き放物面鏡２４の焦点付近に受光面が配置された第２受光素子２２ｂに入射する。第２検出光４０ｂの一部は、貫通穴２４を透過して、第１受光素子２２ａに入射する。
　このような第１受光素子２２ａ、第２受光素子２２ｂ、集光レンズ２３、受光部穴付き放物面鏡２４および貫通穴２４ａの位置関係は、発光部１０での説明と同様に、光軸４１に対して最適に配置され、第１受光素子２２ａ、第２受光素子２２ｂでは最大化された受光光量を得る。
　第１受光素子２２ａ、第２受光素子２２ｂからの受光信号は、それぞれ第１，第２の測定対象ガスの吸収信号を含んでおり、受光信号処理部２１に電気信号として送られる。受光信号処理部２１では、前記電気信号を処理して、ガス濃度値を算出する。
　なお、これら発光部１０および受光部２０では光学的に信号を分離することはできない。そこで、発光部１０の第１発光素子１２ａと第２発光素子１２ｂとで時分割動作させ、通信線３０を通じて受光部２０において同期して交互に信号処理する。
　図７でも示したように、ある期間では発光部１０の第１発光素子１２ａが発光して第１検出光４０ａを照射し、第１受光素子２２ａが受光した検出信号を用いて受光信号処理部２１が第１の測定対象ガスのガス濃度を分析する。また、他の期間では発光部１０の第２発光素子１２ｂが発光して第２検出光４０ｂを照射し、第２受光素子２２ｂが受光した検出信号を用いて受光信号処理部２１が第２の測定対象ガスのガス濃度を分析する。このように信号分離を電気的に行う。これにより、第１，第２の測定対象ガスのガス濃度を独立に算出することができる。
　以上、多成分用レーザ式ガス分析計１について説明した。なお、この多成分用レーザ式ガス分析計では各種の変形形態が可能である。
　続いて第２の形態の多成分用レーザ式ガス分析計２について図２を参照しながら説明する。本形態では、先の第１の形態のうち、受光部２０の構成の一部を変更した受光部２０’を採用する。なお、発光部１０、通信線３０、検出処理については先の説明と同じであるとして重複する説明を省略し、相違点のみ重点的に説明する。
　受光部２０’は、受光信号処理部２１と、受光部窓板２５と、受光部容器２６と、受光部放物面鏡２７と、広帯域受光素子２８と、光軸調整フランジ５２ｂと、を備える。
　本形態では、集光部として穴がない受光部放物面鏡２７を用い、受光素子として広帯域受光素子２８を用いる。
　広帯域受光素子２８は、例えば、図３に示すように、５００ｎｍ～２５００ｎｍに感度をもつＩｎＧａＡｓフォトダイオードを採用することができる。ＩｎＧａＡｓフォトダイオードは、５００ｎｍ～２５００ｎｍに吸収をもつ複数の測定対象ガスを検出することができ、１個の受光素子で信号を取り出すことが可能である。
　なお、波長が９００ｎｍ以下では受光感度が０．２Ａ／Ｗ以下と小さいがこのような信号でも検出可能であり、検出信号を適宜増幅することで分析は可能である。
　また、広帯域受光素子２８は、図４に示すように、１μｍ～１３μｍに感度をもつＭＣＴ素子を用いてもよい。ＭＣＴ素子は、１μｍ～１３μｍの吸収をもつ複数の測定対象ガスを検出することができ、１個の受光素子で信号を取り出すことが可能である。
　本形態では、第１検出光４０ａと第２検出光４０ｂは共に受光部放物面鏡２７に入射し、反射した第１検出光４０ａと第２検出光４０ｂが集光して広帯域受光素子２８に入射する。反射方式で集光するために、波長λ１とλ２の違いによる色収差の影響が出ないという利点がある。
　このような受光部２０’は、先の第１形態と同様に、ある期間では発光部１０の第１発光素子１２ａが発光して第１検出光４０ａを照射し、広帯域受光素子２８が受光した検出信号を用いて受光信号処理部２１が第１の測定対象ガスのガス濃度を分析する。また、他の期間では発光部１０の第２発光素子１２ｂが発光して第２検出光４０ｂを照射し、広帯域受光素子２８が受光した検出信号を用いて受光信号処理部２１が第２の測定対象ガスのガス濃度を分析する。このように、通信線４０を通じて受光部２０において同期して交互に信号処理する。これにより、第１，第２の測定対象ガスのガス濃度を独立に算出することができる。
　このような構成を採用しても本発明の実施は可能である。
　続いて第３の形態について図５を参照しながら説明する。本形態では、先の第１の形態のうち、受光部２０の構成の一部を変更した受光部２０”を採用する。なお、発光部１０、通信線３０、検出処理については先の説明と同じであるとして重複する説明を省略し、相違点のみ重点的に説明する。
　受光部２０”は、受光信号処理部２１と、受光部窓板２５と、受光部容器２６と、受光部放物面鏡２７と、広帯域受光素子２８と、光軸調整フランジ５２ｂと、を備える。
　本形態では、第１の形態の受光部放物面鏡２７に代えて、広帯域集光部の具体例である広帯域集光レンズ２９を用い、受光素子として広帯域受光素子２８を用いる。
　本形態では、広帯域集光レンズ２９の屈折効果によって広帯域受光素子２８に集光するために、波長λ１とλ２の違いによる色収差の影響がでる。そこで、色収差による受光光量の低下を低減するため、例えば広帯域集光部として広帯域集光レンズ２９に代えてダブレットレンズや回折レンズなどを用いることで、色収差の影響を低減することができる。また、広帯域受光素子２８の受光面積を大きくし、波長λ１とλ２の集束位置がずれても受光することができる。
　このような受光部２０”は、例えば、先の第１形態と同様に、ある期間では発光部１０の第１発光素子１２ａが発光して第１検出光４０ａを照射し、広帯域受光素子２８が受光した検出信号を用いて受光信号処理部２１が第１の測定対象ガスのガス濃度を分析する。また、他の期間では発光部１０の第２発光素子１２ｂが発光して第２検出光４０ｂを照射し、広帯域受光素子２８が受光した検出信号を用いて受光信号処理部２１が第２の測定対象ガスのガス濃度を分析する。このように、通信線４０を通じて受光部２０において同期して交互に信号処理する。これにより、第１，第２の測定対象ガスのガス濃度を独立に算出することができる。
　このような構成を採用しても本発明の実施は可能である。
　以上本発明について説明した。本発明によれば、光ファイバ光学系を使用しない簡易な空間光学系を用いて、２個のレーザダイオードからの発光を同一光軸上に結合しつつ、レーザ光の光量を効率よく受光素子まで伝送し、測定対象ガスの信号強度を高め、ノイズを低減することにより、複数のガス濃度を同時かつ安定に測定する多成分用レーザ式ガス分析計を提供することができる。
　本発明の多成分用レーザ式ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用、燃焼制御用として最適である。その他、鉄鋼用ガス分析[高炉、転炉、熱処理炉、焼結（ペレット設備）、コークス炉]、青果貯蔵および熟成、生化学（微生物）［発酵］、大気汚染［焼却炉、排煙脱硫・脱硝］、自動車・船等の内燃機関の排ガス（除テスタ）、防災［爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析］、植物育成用、化学用分析［石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント］、環境用［着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理］、理化学各種実験用などの分析計としても有用である。
１，２，３：多成分用レーザ式ガス分析計
１０：発光部
１１：変調光生成部
１２ａ：第１発光素子
１２ｂ：第２発光素子
１３：コリメートレンズ
１４：発光部穴付き放物面鏡
１４ａ：貫通穴
１５：発光部窓板
１６：発光部容器
２０，２０’，２０”：受光部
２１：受光信号処理部
２２ａ：第１受光素子
２２ｂ：第２受光素子
２３：集光レンズ
２４：受光部穴付き放物面鏡
２４ａ：貫通穴
２５：受光部窓板
２６：受光部容器
２７：受光部放物面鏡
２８：広帯域受光素子
２９：広帯域集光レンズ
３０：通信線
４０ａ：第１検出光
４０ｂ：第２検出光
４１：光軸
５０ａ，５０ｂ：壁
５１ａ，５１ｂ：フランジ
５２ａ，５２ｂ：光軸調整フランジ
 

Claims (3)

  1. 　測定対象空間の第１，第２の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
    　第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第１の発光素子と、
    　第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第２の発光素子と、
    　第１の発光素子から出射して拡散するレーザ光を第１の略平行光に変換し第１の検出光として出射する平行光変換部と、
    　第１の検出光を透過させる貫通穴と、第２の発光素子から出射して拡散するレーザ光を反射して第２の略平行光に変換し第２の検出光として出射するための放物面鏡と、を有し、第１，第２の検出光を同一の光軸上で測定対象空間に伝播させる発光部穴付き放物面鏡と、
    　第１，第２の測定対象ガスに応じて周波数変調されたレーザ光の駆動電流を第１，第２の発光素子に供給する変調光生成部と、
    　を有する発光部と、
    　同一の光軸上で測定対象空間に伝播する第１，第２の検出光のうち貫通穴を介して第１の検出光を透過させ、また、第２の検出光を放物面鏡で集光しつつ反射させる受光部穴付き放物面鏡と、
    　貫通穴を透過した第１の検出光を集光する集光部と、
    　集光部で集光した第１の検出光を受光して第１の検出信号を出力する第１の受光素子と、
    　受光部穴付き放物面鏡の放物面鏡で集光しつつ反射した第２の検出光を受光して第２の検出信号を出力する第２の受光素子と、
    　第１，第２の受光素子から受信した第１，第２の検出信号に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
    　を有する受光部と、
    　を備え、
    　発光部の変調光生成部と受光部の受光信号処理部とで同期させて時間別に第１，第２の測定対象ガスの濃度をそれぞれ個別に測定することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
  2. 　測定対象空間の第１，第２の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
    　第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第１の発光素子と、
    　第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第２の発光素子と、
    　第１の発光素子から出射して拡散するレーザ光を第１の略平行光に変換し第１の検出光として出射する平行光変換部と、
    　第１の検出光を透過させる貫通穴と、第２の発光素子から出射して拡散するレーザ光を反射して第２の略平行光に変換し第２の検出光として出射するための放物面鏡と、を有し、第１，第２の検出光を同一の光軸上で測定対象空間に伝播させる発光部穴付き放物面鏡と、
    　第１，第２の測定対象ガスに応じて周波数変調されたレーザ光の駆動電流を第１，第２の発光素子に供給する変調光生成部と、
    　を有する発光部と、
    　同一の光軸上で測定対象空間に伝播する第１，第２の検出光を共に反射させる受光部放物面鏡と、
    　受光部放物面鏡で集光しつつ反射した第１，第２検出光を受光して第１，第２の検出信号を出力する広帯域受光素子と、
    　広帯域受光素子から受信した第１，第２の検出信号に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
    　を有する受光部と、
    　を備え、
    　発光部の変調光生成部と受光部の受光信号処理部とで同期させて時間別に第１，第２の測定対象ガスの濃度をそれぞれ個別に測定することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
  3. 　測定対象空間の第１，第２の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
    　第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第１の発光素子と、
    　第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第２の発光素子と、
    　第１の発光素子から出射して拡散するレーザ光を第１の略平行光に変換し第１の検出光として出射する平行光変換部と、
    　第１の検出光を透過させる貫通穴と、第２の発光素子から出射して拡散するレーザ光を反射して第２の略平行光に変換し第２の検出光として出射するための放物面鏡と、を有し、第１，第２の検出光を同一の光軸上で測定対象空間に伝播させる発光部穴付き放物面鏡と、
    　第１，第２の測定対象ガスに応じて周波数変調されたレーザ光の駆動電流を第１，第２の発光素子に供給する変調光生成部と、
    　を有する発光部と、
    　同一の光軸上で測定対象空間に伝播する第１，第２の検出光を共に集光させる広帯域集光部と、
    　広帯域集光部で集光した第１，第２検出光を受光して第１，第２の検出信号を出力する広帯域受光素子と、
    　広帯域受光素子から受信した第１，第２の検出信号に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
    　を有する受光部と、
    　を備え、
    　発光部の変調光生成部と受光部の受光信号処理部とで同期させて時間別に第１，第２の測定対象ガスの濃度をそれぞれ個別に測定することを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
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