CN109975240B - 气体分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体分析装置，能够降低干涉噪声。该气体分析装置分析待测气体中包含的成分，具备：向待测气体照射激光的发光部；接收通过待测气体后的激光的光接收部；使配置在激光通过的光路上的至少一个光学元件移动从而改变激光的光路长度的驱动部；以及基于光学元件的位置相差激光波长的n/2(n为整数)的2个状态下由光接收部检测出的各个信号，计算待测气体的浓度的计算部。

Description

气体分析装置
技术领域
本发明涉及气体分析装置。
用激光吸收分光法来测定气体浓度的气体分析装置已被公众所知。在气体分析装置中，将测定气氛夹在中间的光源部与光接收部之间的光路上设有多个光学元件。由于激光具有相干性，因此在光学元件之间会发生光的多重反射而产生干涉光。干涉光叠加在测定光上成为干涉噪声。为了减少干涉光的产生，已知有使聚光透镜沿着光轴方向随机微动的技术(例如参照专利文献1)。但是，仅仅使聚光透镜等随机微动并不容易降低干涉。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2008-70314号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在气体分析装置中，希望降低干涉噪声。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的第一方式提供一种气体分析装置。气体分析装置可以分析待测气体中包含的成分。气体分析装置可以具备发光部。发光部可以向待测气体照射激光。气体分析装置可以具备光接收部。光接收部可以接收通过待测气体后的激光。气体分析装置可以具备驱动部。驱动部可以移动至少一个光学元件，使激光的光路长度改变。光学元件可以配置在供激光通过的光路上。气体分析装置可以具备计算部。计算部可以基于光学元件的位置相差激光波长的n/2倍(其中，n为整数)的2个状态下由光接收部检测出的各个信号，来计算待测气体的浓度。
发光部可以具有发光元件。光接收部可以具有光接收元件。驱动部可以使发光元件和光接收元件中的至少一方移动。
驱动部可以使光学元件以激光波长的n/2倍的振幅移动。
光接收部可以与驱动部使光学元件移动的周期同步地测定激光的强度。
发光部可以具有发光波长不同的多个发光元件。驱动部可以使光接收元件移动。
发光部可以选择任意发光元件并使其发光。驱动部可以使光接收元件以与正在发光的发光元件的发光波长相应的振幅移动。
发光部可以依次选择发光元件并使其发光。驱动部可以使光接收元件依次移动到与正在发光的发光元件的发光波长相应的位置上。
发光部可以还具有散热部。散热部可以使发光元件散热。驱动部可以使光接收元件移动。
发光部可以具有散热部。散热部可以使发光元件散热。发光部可以具有连接部。连接部可以不固定发光元件与散热部的相对位置，而是在发光元件与散热部之间进行热连接。驱动部可以使发光元件移动。
光接收部可以具有电路基板。电路基板上可以设置放大器。放大器可以对光接收元件输出的信号进行放大。驱动部可以使光接收元件和电路基板移动。
驱动部可以用三角波控制表示光学元件移动的位置的振动波形。
驱动部可以用矩形波控制表示光学元件移动的位置的振动波形。
上述发明的概要并不是对本发明的所有必要特征的列举。这些特征组的变形也可以构成发明。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1中的气体分析装置100的简要结构的剖视图。
图2是表示发光部30的一个示例剖视图。
图3是表示光接收部40的一个示例剖视图。
图4是表示激光光源部32的一个示例的图。
图5是表示扫描驱动信号的波形图的一个示例的图。
图6是从高次谐波调制信号发生部输出的调制信号的波形图的一例。
图7是从电流控制部输出的激光驱动信号的波形图的一例。
图8是表示光接收信号处理部60的简要结构的图。
图9是表示光接收信号、同步检波电路的输出信号、触发信号的一个示例的图。
图10是驱动部的驱动波形的一例。
图11是驱动部的驱动波形的另一例。
图12是驱动部的驱动波形的另一例。
图13是驱动部的驱动波形的另一例。
图14是本实施方式中将光接收元件41移动到±λ/4的位置时的测定波形和平均化波形的例子。
图15是表示本发明的实施方式2中的气体分析装置100的简要结构的剖视图。
图16是驱动部的驱动波形的一例。
图17是表示本实施方式中的气体分析装置100的处理内容的流程图。
具体实施方式
下面，通过发明的实施方式对本发明进行说明，但以下的实施方式并不是对权利要求书所涉及的发明进行的限定。此外，实施方式中所说明的特征的所有组合并不是发明的解决手段所必需的。
图1是表示本发明的实施方式1中的气体分析装置100的简要结构的剖视图。气体分析装置100分析待测气体中包含的成分。本例中，气体分析装置100测定在烟道10内流过的气体中所包含的待测气体中的对象气体浓度。气体分析装置100可以是使用激光照射的气体浓度测定装置。气体分析装置100中的测定方式没有限定。例如，可以采用波长可变半导体激光吸收分光法(TDLAS法)作为测定方式，其利用的是对照射的激光1的光吸收。
图1中，烟道10形成供气体流过的流路。本例中，烟道10的内部空间为测定对象空间11。烟道10可以是从锅炉或燃烧炉排出的气体的流路。锅炉或燃烧炉可以燃烧煤炭、重油或垃圾。但烟道10并不限于气体流路。本说明书中的烟道10只要是包含供待测对象气体流过的内部空间的设备即可，可以是容器、烟囱、排气管、脱硝装置、化工厂设备、钢铁厂设备、加热炉等各种设备。
本例中，气体分析装置100具备发光侧凸缘部21、光接收侧凸缘部22、发光部30和光接收部40。发光侧凸缘部21和光接收侧凸缘部22形成为两端开口的圆筒状。本说明书中，将从发光部30射出的激光1的光轴方向设为X轴方向。将烟道10的长边方向设为Z轴方向。将与X轴方向及Z轴方向正交的方向设为Y轴方向。
发光侧凸缘部21以穿过设于烟道10的壁部12上的开口14的方式固定在壁部12上。另一方面，光接收侧凸缘部22在夹着烟道10而与发光侧凸缘部21相对的位置上以穿过设置于壁部12的开口的方式固定在壁部12上。发光侧凸缘部21和光接收侧凸缘部22例如通过焊接等方式固定在烟道的壁部12上。发光侧凸缘部21和光接收侧凸缘部22可以由不锈钢等金属材料形成。
发光部30向待测气体照射激光1。本例中，发光部30穿过烟道10的壁部12的开口14向测定对象空间11照射激光1。发光部30可以具备包含激光发光元件31的激光光源部32。发光部30具备壳体34。例如，壳体34可以形成为一端开口且另一端封闭的有底圆筒状。壳体34可以隔着出射管35安装在发光侧凸缘部21上。
壳体34内收纳有激光光源部32。在发光部30的出射侧设有准直透镜33。准直透镜33使从激光发光元件31射出的光为平行光。经准直透镜33成为平行光的激光1可以照射到测定对象空间11。本例中，准直透镜33安装在出射管35的内部。
光接收部40接收通过待测气体后的激光1。本例中，接收的是烟道10内所通过的激光1。光接收部40可以具有光接收元件41。光接收部40具备壳体43。例如，壳体43可以形成为一端开口且另一端封闭的有底圆筒状。壳体43可以隔着入射管44安装在光接收侧凸缘部22上。光接收元件41被收纳在壳体43内。在光接收元件41的入射侧可以设有聚光透镜42。聚光透镜42可以设置成覆盖壳体43的开口。聚光透镜42将激光1聚焦到光接收元件41的位置上。
气体分析装置100具备光接收信号处理部60。光接收信号处理部60是基于光接收部40检测出的信号来计算待测气体的浓度的计算部的一个示例。光接收信号处理部60与光接收元件41电连接。图1中将光接收信号处理部60表示在光接收部40的壳体43的外部，但并不限于这种情况。也可以是光接收信号处理部60的至少一部分设置在壳体43内。
气体分析装置100具备发光部用的驱动部36。驱动部36使激光发光元件31沿着光轴方向(X轴方向)移动。本例中，驱动部36使包含激光发光元件31的激光光源部32沿着光轴方向移动。本例中，气体分析装置100具备光接收部用的驱动部47。驱动部47使光接收元件41沿着光轴方向(X轴方向)移动。驱动部36和驱动部47是使配置在激光1通过的光路上的至少一个光学元件移动从而改变激光1的光路长度的驱动部的示例。
成为驱动部的移动对象的光学元件可以包括激光发光元件31、光接收元件41、准直透镜33和聚光透镜42。根据气体分析装置100的光学***，可以将发光侧窗口部设置在准直透镜33的出射面侧，也可以将光接收侧窗口部设置在聚光透镜42的入射面侧。这种情况下，发光侧窗口部和光接收侧窗口部可以都包含在光学元件中。
本例中，具备2个驱动部36和驱动部47作为驱动部。但驱动部也可以使激光发光元件31和光接收元件41中的至少一方移动。即，驱动部36和驱动部47中的任一方可以被省略。另外，为了移动3个以上的光学元件，可以设置3个以上的驱动部。
驱动部使光学元件以激光1的波长λ的n/2倍的振幅移动。具体而言，发光部用的驱动部36使激光发光元件31以激光1的波长λ的n/2倍的振幅移动。光接收部用的驱动部47使光接收元件41以激光1的波长λ的n/2倍的振幅移动。利用驱动部36，可以实现激光发光元件31位于激光1的波长的n/2倍(其中，n为整数)的互不相同的位置的2个状态。同样，利用驱动部47，可以实现光接收元件41位于激光1的波长的n/2倍(其中，n为整数)的互不相同的位置的2个状态。光接收信号处理部60基于激光发光元件31等光学元件位于激光1的波长的n/2倍(其中，n为整数)的互不相同的位置上的2个状态下由光接收部40检测出的各个信号，来计算待测气体的浓度。
图2是表示发光部30的一例的剖视图。发光部30在壳体34内具备激光光源部32和驱动部36。本例中，在壳体34的一端设有出射管35。出射管35中安装有准直透镜33。本例中，驱动部36可以不移动准直透镜33。因此，能够固定准直透镜，并能够加以密封以防止烟道10内的气体流入壳体34内。
驱动部36可以具备使用压电元件的压电振动部38。压电振动部38是致动器的一例。驱动部36中可以内置用于控制压电振动部38的控制电路。通过利用控制电路向压电振动部38施加电压，压电振动部38发生变形，因此能够使与压电振动部38连接的激光发光元件31等沿着光轴方向(X轴方向)移动。但驱动部36中的致动器不限于压电振动部38。
驱动部36的基端可以固定在壳体34的底板37上。在驱动部36的前端可以设置压电振动部38。压电振动部38与激光光源部32相连。激光光源部32包含激光发光元件31。激光发光元件31会发热，因此需要进行散热。因此，发光部30可以具备使激光发光元件31产生的热量散热出去的散热部72。本例中，出射管35兼作散热部72，使热量从散热部72向壳体34进行散热。但并不限于这种情况，也可以是壳体34自身作为散热部72，还可以另外设置散热翅片等。
本例中，散热部72与激光发光元件31的相对位置是不固定的。在散热部72与激光光源部32之间、即散热部72与激光发光元件31之间可以设置连接部39。连接部39将激光发光元件31与散热部72之间热连接。连接部39例如是散热油脂。也可以在激光光源部32设置散热翅片，驱动部36使激光光源部32和散热翅片移动。这种情况下，可以在激光光源部32及散热翅片与出射管35或壳体34之间设置散热油脂等连接部39。通过设置连接部39，既能确保激光发光元件31的散热，又能利用驱动部36使激光发光元件31移动。
但也可以不同于本例，在发光部30中考虑散热，将激光光源部32固定在散热部72上。这种情况下，可以省略发光部用的驱动部36。光接收部用的驱动部47可以使光接收元件41移动。
图3是表示光接收部40的一例的剖视图。光接收部40在壳体43内设有光接收元件41、电路基板45和驱动部47。光接收元件41可以由光接收元件适配器41a进行保持。光接收元件适配器41a可以与电路基板45连接。在电路基板45上可以设置放大器46。放大器46对光接收元件41输出的信号进行放大。壳体34的一端可以设置入射管44。在入射管44中可以设置聚光透镜42。本例中，驱动部47不移动聚光透镜42。因此，能够固定聚光透镜42，并能够加以密封以防止烟道内的气体流入壳体43内。
驱动部47可以具备使用压电元件的压电振动部49。驱动部47中可以内置用于控制压电振动部49的控制电路。通过利用控制电路向压电振动部49施加电压，压电振动部49发生变形，因此能够使与压电振动部49连接的光接收元件41等沿着光轴方向(X轴方向)移动。但驱动部47也可以使用压电元件以外的致动器。
驱动部47的基端可以固定在壳体43的底板48上。驱动部47的前端可以设置压电振动部49。驱动部47可以使光接收元件41和电路基板45一起移动。具体而言，压电振动部49可以使光接收元件适配器41a和电路基板45移动。例如，压电振动部49与电路基板45相连。
如上所述，本实施方式的气体分析装置100具有使配置在激光1通过的光路上的至少一个光学元件移动从而改变激光1的光路长度的驱动部。而且，基于光学元件位于激光1的波长的n/2倍(其中，n为整数)的互不相同的位置上的2个状态下由光接收部40检测出的各个信号，计算待测气体的浓度。光学元件位于+λ·n/4的位置上的状态(其中，λ为激光1的波长，n为整数)下的干涉噪声与光学元件位于-λ·n/4的位置上的状态下的干涉噪声的相位相反。因此，通过对这2个状态下由光接收部40检测出的各个信号进行平均处理，能够降低干涉噪声。因而，与随机微动的情况相比，能够降低干扰。
尤其是在本实施方式中，作为光学元件，不移动聚光透镜，而是移动激光发光元件31和光接收元件41中的至少一方。因此，与移动比激光发光元件31等要重的石英透镜等聚光透镜的情况相比，能够减轻驱动部36和驱动部47的负担。由此，能够实现驱动部36和驱动部47的小型化。
图4是表示激光光源部32的一例的图。激光光源部42可以构成为将以下说明的激光发光元件31等多个元器件封装收纳的一个单元。如图4所示，在激光光源部32的内部收纳有作为波长控制部202的波长扫描驱动信号发生部204和高次谐波调制信号发生部205、电流控制部206、激光发光元件31、热敏电阻208、帕尔帖(Peltier)元件210和温度控制部207。
波长扫描驱动信号发生部204生成使激光发光元件31的发光波长可变的波长扫描信号，以对待测气体的吸收波长进行扫描。高次谐波调制信号发生部205生成例如10kHz左右的正弦波信号，用于检测气体吸收波形。所生成的正弦波信号被用作为调制信号。电流控制部206将激光驱动信号转换成激光发光元件31的驱动电流来驱动激光发光元件31。激光驱动信号是将波长扫描驱动信号发生部204产生的波长扫描信号和高次谐波调制信号发生部205产生的正弦波信号合成后得到的信号。
激光发光元件31可以是半导体激光二极管(LD：Laser Diode)。激光发光元件31根据电流控制部206所提供的驱动电流射出激光1。热敏电阻208是用于检测激光发光元件31的温度的温度检测元件。帕尔帖元件210是对激光发光元件31进行冷却的冷却部。激光发光元件31可以配置成与热敏电阻208相接的状态。温度控制部207基于热敏电阻208测得的温度控制帕尔帖元件210。从而，将激光发光元件31的温度保持在固定温度，从而控制激光1的波长。
图5是表示扫描驱动信号的波形图的一个示例的图。图5表示从图4的波长扫描驱动信号发生部204输出的电流波形的一例。对待测气体的光吸收特性进行扫描的波长扫描驱动信号S1使激光发光元件31的驱动电流值线性地变化。从而，激光发光元件31的发光波长逐渐变化。例如，发光波长以扫描0.2nm左右的光吸收特性的方式进行变化。另一方面，信号S2将驱动电流值保持在激光发光元件31稳定的阈值电流(threshold current)以上，从而使激光发光元件31以固定波长发光。进而，信号S3使驱动电流值为0mA。触发信号是与信号S3同步的信号。
图6是从高次谐波调制信号发生部205输出的调制信号的波形图的一例。图6是从图4的高次谐波调制信号发生部205输出的调制信号的波形图。用于检测测定对象气体的光吸收特性的信号S4例如是频率为10kHz的正弦波，并在0.02nm左右的调制宽度下调制波长。
图7是从电流控制部输出的激光驱动信号的波形图的一例。图7表示从图4的电流控制部206输出的激光驱动信号。驱动信号S5被提供给激光发光元件31。从而，从激光发光元件31输出以0.02nm的调制宽度调制波长且在0.2nm左右的波长范围内能够检测测定对象气体的光吸收特性的调制光。
图8是表示光接收信号处理部60的简要结构的图。图1所示的光接收元件41例如是光电二极管。作为光接收元件41适用对激光发光元件31的发光波长具有灵敏度的元件。光接收元件41的输出通过布线被发送至光接收信号处理部60。
光接收信号处理部60具备I-V转换器61、振荡器62、同步检波电路63、低通滤波器64A、低通滤波器64B和运算部65。I-V转换器61将光接收元件41的输出转换成电压输出。低通滤波器64A从电压输出中去除高次谐波噪声分量。来自低通滤波器64A的输出信号被输入至同步检波电路63。同步检波电路63将来自低通滤波器64A的输出信号与来自振荡器62的2f信号(2倍波信号)叠加，仅提取出激光1的调制信号的2倍频率分量的振幅。同步检波电路63的输出信号经过低通滤波器64B进行噪声去除和放大后，被发送至运算部65。运算部65进行气体浓度检测用的运算处理。
对使用上述结构的气体分析装置100的气体浓度检测方法进行说明。首先，事先利用热敏电阻208检测出激光发光元件31的温度。并且利用温度控制部207控制帕尔帖元件210的通电，将激光发光元件31的温度保持在所期望的温度，从而能够在图5所示的波长扫描驱动信号S1的中心部分测得待测气体的浓度。
帕尔帖元件210将激光发光元件31的温度保持在所期望的温度，同时电流控制部206通过改变驱动电流来驱动激光发光元件31。其结果是，向待测气体所在的烟道10内照射测定用的激光1。通过待测气体后的激光1射入光接收元件41。在待测气体吸收了激光1的情况下，由同步检波电路63检测出2倍波信号，从而出现气体的吸收波形。
图9是表示光接收信号、同步检波电路的输出信号、触发信号的一个示例的图。图9表示检测到待测气体时的同步检波电路63的输出波形。然后，从波长扫描驱动信号发生部204向运算部65输入触发信号。触发信号是每隔包括了上述信号S1、信号S2和信号S3在内的一个周期输出的信号。触发信号由激光光源部32的波长扫描驱动信号发生部204输出。触发信号通过通信线路输入到光接收信号处理部60的运算部65。触发信号与上述波长扫描驱动信号的S3同步。
图9中，虚线包围的区域A的部分是有待测气体存在时得到的输出波形。如图9所示，从触发信号的施加开始时刻起经过了规定时间tb、tc、td时，在同步检波电路63的输出波形中检测出最小值B、最大值C、最小值D。这些规定时间tb、tc、td可以在出厂前或校正时预先通过实验计算出并登录在存储器中。
运算部65在自触发信号的施加开始时刻起经过了规定时间tb、tc、td时，读取同步检波电路63的输出波形的值并存储。然后，运算部65根据存储的输出波形计算出浓度。同步检波电路的输出波形在其波形的波峰处的最大值C直接对应于气体浓度。因此，运算部65可以输出与最大值C相关联的值作为待测气体的成分浓度。除此以外，运算部65也可以输出从最大值C减去最小值B后的差分值和从最大值C减去最小值D后的差分值中的至少一方所关联的值作为浓度。由此，根据触发信号，运算部65对每一次偏移(offset)测定待测气体的浓度。
利用上述方法，能够检测出气体浓度。由于光源使用的是激光发光元件31，因此由于其比通常的光源具有更高的相干性，例如在激光发光元件31与准直透镜33的入射面之间、在聚光透镜42与光接收元件41之间等会使激光1的一部分发生多重反射，而该多重反射光会成为干涉噪声。
为了减轻该干涉噪声，本实施方式中，根据图1～图3所说明的，利用驱动部36和驱动部47，使激光发光元件31和光接收元件41中的至少一方以激光1的波长的n/2倍的振幅移动。从而，与使聚光透镜随机微动的情况相比，能够减低干扰。
图10是驱动部的驱动波形的一例。图10的横轴表示时间，纵轴表示振动位移。如图10所示，驱动部可以用三角波控制表示光学元件移动的位置的振动波形。具体而言，驱动部36使激光发光元件31以激光1的波长λ的n/2倍的振幅在光轴方向(X轴方向)上振动。驱动部36使激光发光元件31移动到±λ/4的位置上。波长λ为6μm～2μm的情况下，使激光发光元件31移动到±0.4μm～±0.5μm左右。同样，驱动部47使光接收元件41以激光1的波长λ的n/2倍的振幅在光轴方向(X轴方向)上振动。本例中，n＝1。
压电振动部38的振动周期可以与图5所示的波长扫描驱动信号S1的周期同步。压电振动部38的振动周期也可以是波长扫描驱动信号S1的周期的n倍(n为整数)。换言之，若将压电振动部38的振动周期设为f，将波长扫描驱动信号的频率设为fs1，则f＝fs1/n(n为整数)。如图9所示，波长扫描驱动信号S1与光接收部40的测定时序(同步检波电路的输出)是同步的。因此，光接收部40可以与驱动部36使光学元件移动的周期同步地测定激光1的强度。尤其是可以使基于光接收部40检测到的信号来获取同步检波电路输出的周期与驱动部36使光学元件移动的周期同步。例如，驱动部36和同步检波电路输出根据共用的时钟信号进行动作。
若驱动部36改变激光光源部32与准直透镜33之间的距离，则激光光源部32与准直透镜33的表面之间的多重反射光所产生的干涉光的强度因干涉发生条件发生变化而变动。该干涉光变动的频率等于驱动部36中的压电振动部38的振动频率。因此，可以利用能够去除振动频率分量的低通滤波器等的滤波处理，从检测信号去除干涉噪声。
另外，激光发光元件31位于+λ·n/4的位置上的状态(其中，λ为激光1的波长，n为整数)下的干涉噪声与激光发光元件31位于-λ·n/4的位置上的状态下的干涉噪声的相位相反。因此，通过对这2个状态下由光接收部40检测出的各个信号进行平均处理，能够降低干涉噪声。因而，与随机微动的情况相比，能够降低干涉噪声。
在一次测定周期(offset：偏移)中获取一个测定值，并进行4次平均处理，从而能够期待降低干涉光的强度。通过用位移的变化是线性的三角波来控制光学元件移动的位置，能够高效地去除干涉噪声。
图11是驱动部的驱动波形的另一例。图11的横轴表示时间，纵轴表示振动位移。如图11所示，驱动部可以用正弦波控制表示光学元件移动的位置的振动波形。本例中，也能够基于激光发光元件31位于激光1的波长的n/2倍(其中，n为整数)的互不相同的位置上的2个状态下由光接收部40检测出的各个信号，计算待测气体的浓度。因此，能够降低干涉噪声。
图12是驱动部的驱动波形的另一例。图12的横轴表示时间，纵轴表示振动位移。如图12所示，驱动部可以用矩形波控制表示光学元件移动的位置的振动波形。例如，在通过T秒(例如1秒中)的平均值计算出待测气体的浓度的情况下，在前半的T/2时间内，驱动部36使激光发光元件31移动到+λ/4的位置。在后半的T/2时间内，驱动部36使激光发光元件31移动到-λ/4的位置。本例中，矩形波的周期是测定周期(offset)的整数倍。图12所示的例子中，矩形波的周期是测定周期(offset)的8倍。
激光发光元件31位于+λ·n/4的位置上的状态(其中，λ为激光1的波长，n为整数)下的干涉噪声与激光发光元件31位于-λ·n/4的位置上的状态下的干涉噪声的相位相反。因此，通过对这2个状态下由光接收部40检测出的各个信号进行平均处理，能够降低干涉噪声。驱动部36能够使压电振动部38的振动频率低于测定频率。因此，无需使作为致动器的压电振动部38高速动作，从而易于使压电振动部38稳定地动作。
图10、图11、图12中，说明了激光发光元件31位于±λ/4的位置且振幅为λ/2这样的驱动部36使激光发光元件31移动的情况。但是，本实施方式的气体分析装置100不限于此。驱动部36也可以使激光发光元件31移动到±2λ/4(±λ/2)的位置，还可以使激光发光元件31移动到±3λ/4的位置。
图13是驱动部的驱动波形的另一例。图13的横轴表示时间，纵轴表示振动位移。如图13所示，本例中，激光发光元件31的振动位移随着时间变化。在第一次偏移中，在驱动部36使激光发光元件31移动到+λ/4的位置的状态下，光接收信号处理部60获得气体浓度的测定值。在下一次偏移中，在使激光发光元件31移动到+2λ/4(+λ/2)的位置的状态下，光接收信号处理部60获得气体浓度的测定值。然后，在下一次偏移中，在使激光发光元件31移动到+3λ/4的位置的状态下，光接收信号处理部60获得气体浓度的测定值。
同样地，驱动部36使激光发光元件31移动到-λ/4、-2λ/4(-λ/2)、-3λ/4的位置。在各状态下，光接收信号处理部60获得气体浓度的测定值。如图13所示，也可以使激光发光元件31不是移动到波长λ/4的整数倍的位置、而是移动到波长λ/4n(n为整数)的位置的时间区间。由此，在利用时间T的平均值计算待测气体的浓度并输出的情况下，也可以在时间T的期间内，利用驱动部36使光学元件的移动振幅依次发生变化。
作为表示激光发光元件31移动的位置的振动波形，通过组合满足λ·n/2(n为整数)且具有不同振幅的多个波形，能够降低噪声而与激光发光元件31与光接收元件41之间存在的光学***无关。
在光学元件以能够去除干涉的最小振幅(λ/2)的整数倍的振幅振动时，能够起到去除干涉的效果。其中，发光部30与光接收部40的光学***的机体差异导致最佳振幅有差异。因此，从一开始以使光学元件以多个振幅(λ/2、2λ/2、3λ/2)进行移动，再通过平均处理，能够有效地去除干涉噪声。图10～图13中，说明了驱动部36使激光发射元件31移动的情况，驱动部47使光接收元件41移动的情况也一样。因此，省略重复的说明。
图14是本实施方式中光接收元件41移动到±λ/4的位置时的测定波形和平均化波形的例子。光接收元件41移动到+λ/4的位置时的测定波形5和光接收元件41移动到-λ/4的位置时的测定波形6的相位相反。因此，对在光接收元件41位于激光1的波长的n/2倍(n为整数)的互不相同的位置上的2个状态下由光接收部40检测出的各信号进行平均处理，由此得到的波形如平均化波形7所示，干涉噪声得到降低。
图15是表示本发明的实施方式2中的气体分析装置100的简要结构的剖视图。本实施方式与图1所示的实施方式1的气体分析装置100的不同之处在于发光部50。除了发光部50以外，本实施方式的气体分析装置100与实施方式1的结构是通用的。因此，省略重复的说明。本实施方式的气体分析装置100中，发光部50具有第一发光元件51和第二发光元件52作为激光发光元件。第一发光元件51和第二发光元件52设置在壳体54内。第一发光元件51和第二发光元件52是发光波长互不相同的多个发光元件。第一发光元件51射出第一激光3。第二发光元件52射出第二激光2。
根据待测气体成分，第一发光元件51和第二发光元件52之一可以是发光波长范围在0.7μm以上2.5μm以下的近红外发光元件，另一是发光波长范围在3μm以上10μm以下的中红外发光元件。
本例中，设有凹面镜53用于对第二激光2进行准直。在凹面镜54的中央部可以设置开口。在凹面镜53的背面侧所设置的第一发光元件51穿过开***出第一激光3。也可以在凹面镜53的背面侧设置用于对第一发光元件51输出的第一激光3进行准直的微透镜。但只要具有发光波长互不相同的多个发光元件，则光学***并不限于图15所示的结构。本例中，未设置发光部用的驱动部。设置了光接收部用的驱动部47。驱动部47使光接收元件41移动。
发光部50从第一发光元件51和第二发光元件52中选择任意发光元件进行发光。驱动部47使光接收元件41以与正在发光的发光元件的发光波长相应的振幅移动。例如，若第一发光元件51是发出发光波长范围在0.7μm以上2.5μm以下的范围内的第一波长λ1的第一激光的近红外发光元件，则驱动部47使光接收元件41以λ1·n/2的振幅、例如0.35μm以上1.25μm以下的振幅(n＝1时)移动。同样，若第二发光元件52是发出发光波长范围在3μm以上10μm以下的范围内的第二波长λ2的第二激光的中红外发光元件，则驱动部47使光接收元件41以λ2·n/2的振幅、例如1.5μm以上5μm以下的振幅(n＝1时)移动。因此，与第一发光元件51发光的情况相比，在第二发光元件52发光的情况下光接收元件41移动的振幅更大。
在将驱动部设置于发光部50侧的情况下，为了移动第一发光元件51和第二发光元件52，需要设置多个驱动部。另外，发光部50的构造较为复杂，不方便设置驱动部。然而，根据本例，驱动部47能够使光接收元件41以与正在发光的发光元件的发光波长相应的振幅进行移动，因此能够提供无需增加驱动部(致动器)的数量且能够应对多种气体的激光式气体分析仪。
在待测气体的浓度是以时间T内的气体浓度的平均值来计算的情况下，在时间T内，发光部50可以依次选择第一发光元件51和第二发光元件52使其发光。这种情况下，驱动部47使光接收元件41以与正在发光的发光元件的发光波长相应的振幅移动。
图16是驱动部47的驱动波形的一例。本例中，示出±λ·n/4(n为整数)在n＝4时的情况。本例中，在第一个测定周期(offset)，使第一发光元件51发光，从而射出第一波长λ1的第一激光3。然后，使光接收元件41移动到+λ1(+λ1·n/4，其中n＝4)的位置。接着，第一发光元件51停止发光，第二发光元件52进行发光。从而，射出第二波长λ2的第二激光2。然后，使光接收元件41移动到+λ2(+λ2·n/4，其中n＝4)的位置。接着，第二发光元件52停止发光，第一发光元件51进行发光。然后，使光接收元件41移动到-λ1的位置。接着，第一发光元件51停止发光，第二发光元件52进行发光。然后，使光接收元件41移动到-λ2的位置。重复进行以上处理。
与光接收元件41按照+λ1、-λ1、+λ2、-λ2的顺序移动而振动的情况相比，能够降低各偏移之间致动器即压电振动部49的移动量。因而，在依次选择具有多个波长λ1、λ2的多个发光元件的情况下，可以在从基准位置进行观察的第一方向(+X轴方向)上依次移动到与各个波长λ1、λ2相应的位置+λ1·n/4、+λ2·n/4后，在与第一方向相反的第二方向(-X轴方向)上依次移动到与各个波长λ1、λ2相应的位置-λ1·n/4、-λ2·n/4。
但使光接收元件41等光学元件移动的顺序不限于此。也可以每隔输出待测气体浓度的间隔即时间T，改变移动光学元件的顺序。
图17是表示本实施方式中的气体分析装置100的处理内容的流程图。发光部50选择第一发光元件51使其发光(步骤S101)。驱动部47使光接收元件41以与正在发光的第一发光元件51的发光波长λ1相应的振幅移动(步骤S102)。基于光接收元件41位于第一激光3的波长λ1的n/2倍(其中，n为整数)的互不相同的位置上的2个状态下由光接收部40检测出的各个信号，计算待测气体的浓度(步骤S103)。
然后，发光部50选择第二发光元件52使其发光(步骤S104)。驱动部47使光接收元件41以与正在发光的第二发光元件52的发光波长λ2相应的振幅移动。基于光接收元件41位于第二激光2的波长λ2的n/2倍(其中，n为整数)的互不相同的位置上的2个状态下由光接收部40检测出的各个信号，计算待测气体的浓度(步骤S106)。
步骤S102中，也可以根据波长λ1，使光接收元件41沿着光轴以振幅nλ1/2进行振动，当光接收元件41位于2个位置±nλ1/4时，获取光接收部40检测到的信号。同样，步骤S105中，也可以根据波长λ2，使光接收元件41沿着光轴以振幅nλ2/2进行振动，当光接收元件位于2个位置±nλ2/4时，获取光接收部40检测到的信号。另一方面，如图16所示，驱动部47也可以按照+nλ1/4、+nλ2/4、-nλ1/4、-nλ2/4的顺序使光接收元件41依次移动，在光接收元件41位于各个位置时，获取光接收部40检测到的信号。
在以上的说明中，说明了驱动部使作为光学元件的光接收元件41和激光发光元件31中的至少一方移动的情况。但是在使聚光透镜42等能够移动的情况下，驱动部也可以使聚光透镜42等其它的光学元件移动。这种情况下，也是基于光学元件位于激光波长的n/2倍(其中，n为整数)的互不相同的位置上的2个状态下由光接收部检测出的各个信号，来计算待测气体的浓度。从而，与使聚光透镜随机移动的情况相比，能够降低干涉噪声。尤其是光接收部40和光接收信号处理部60可以与驱动部使光学元件移动的周期同步地测定激光的强度和进行信号处理，因此能够提供可高效去除振动的气体分析装置。
以上，使用实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围并不限于上述实施方式所记载的范围。本领域技术人员明白能够对上述实施方式进行各种变更或改进。进行了这样的变更或改进后的方式也包括在本发明的技术范围内，并且可以从权利要求书的记载了解。
应当注意的是，权利要求书、说明书和附图中所示的装置、***、程序及方法中的动作、顺序、步骤、阶段等各处理的执行顺序只要没有特别明确地示出“之前”、“先前”等，或者在之后的处理要用到之前的处理的输出的情况下，可以按照任意的顺序来实现。权利要求书、说明书和附图中的动作流程中，为了方便说明，使用了“首先”、“然后”等，但并不意味着一定要按照这样的顺序来实施。
标号说明
1激光；2第二激光；3第一激光；5测定波形；6测定波形；7平均化波形；10烟道；11测定对象空间；12壁部；14开口；21发光侧凸缘部；22光接收侧凸缘部；30发光部；31激光发光元件；32激光光源部；33准直透镜；34壳体；35出射管；36驱动部；37底板；38压电振动部；39连接部；40光接收部；41光接收元件；42聚光透镜；43壳体；44入射管；45电路基板；46放大器；47驱动部；48底板；49压电振动部；50发光部；51第一发光元件；52第二发光元件；53凹面镜；54壳体；60光接收信号处理部；61I-V转换器；62振荡器；63同步检波电路；64低通滤波器；65运算部；72散热部；100气体分析装置；202波长控制部；204波长扫描驱动信号发生部；205高次谐波调制信号发生部；206电流控制部；207温度控制部；208热敏电阻；210帕尔帖元件。

Claims (12)

1.一种气体分析装置，对待测气体中包含的成分进行分析，该气体分析装置的特征在于，包括：
发光部，该发光部向所述待测气体照射激光；
光接收部，该光接收部接收通过所述待测气体后的所述激光；
驱动部，该驱动部使配置在供所述激光通过的光路上的至少一个光学元件移动，从而改变所述激光的光路长度；以及
计算部，该计算部基于在所述光学元件的位置分别为所述激光的波长的n/4倍的位置和所述激光的波长的-n/4倍的位置从而相差所述激光的波长的n/2倍的2个状态下由所述光接收部检测出的各个信号，来计算所述待测气体的浓度，其中，n为整数。
2.如权利要求1所述的气体分析装置，其特征在于，
所述发光部具有发光元件，
所述光接收部具有光接收元件，
所述驱动部使所述发光元件和所述光接收元件中的至少一方移动。
3.如权利要求1或2所述的气体分析装置，其特征在于，
所述驱动部使所述光学元件以所述激光的波长的n/2倍的振幅移动。
4.如权利要求3所述的气体分析装置，其特征在于，
所述光接收部与所述驱动部根据共用的时钟信号进行动作,
所述驱动部根据所述时钟信号使所述光学元件移动,
所述光接收部根据所述时钟信号测定所述激光的强度。
5.如权利要求2所述的气体分析装置，其特征在于，
所述发光部具有发光波长不同的多个所述发光元件，
所述驱动部使所述光接收元件移动。
6.如权利要求5所述的气体分析装置，其特征在于，
所述发光部选择任意所述发光元件并使其发光，
所述驱动部使所述光接收元件以与正在发光的所述发光元件的发光波长相应的振幅移动。
7.如权利要求5所述的气体分析装置，其特征在于，
所述发光部依次选择所述发光元件并使其发光，
所述驱动部使所述光接收元件依次移动到与正在发光的所述发光元件的发光波长相应的位置上。
8.如权利要求2所述的气体分析装置，其特征在于，
所述发光部还具有使所述发光元件散热的散热部，
所述驱动部使所述光接收元件移动。
9.如权利要求2所述的气体分析装置，其特征在于，
所述发光部具有：
散热部，该散热部使所述发光元件散热；以及
连接部，该连接部使所述发光元件和所述散热部的相对位置不固定，而在所述发光元件和所述散热部之间进行热连接，
所述驱动部使所述发光元件移动。
10.如权利要求2所述的气体分析装置，其特征在于，
所述光接收部还具有电路基板，该电路基板上设有对所述光接收元件输出的信号进行放大的放大器，
所述驱动部使所述光接收元件和所述电路基板移动。
11.如权利要求1或2所述的气体分析装置，其特征在于，
所述驱动部用三角波控制表示所述光学元件移动的位置的振动波形。
12.如权利要求1或2所述的气体分析装置，其特征在于，
所述驱动部用矩形波控制表示所述光学元件移动的位置的振动波形。
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