JP2009041941A - ガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガス濃度測定装置の送信側の光学系には、2成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を出射する複数の発光素子5a〜5dを設け、光波長が互いに異なる複数の発光素子5a〜5dからレーザ光を時系列的に出射させ、吸収波長が互いに異なる2成分以上の測定対象ガスを透過させてから、単一の受光素子10にて検出し、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にかかる部分についての基本波成分と2倍波成分との振幅比を信号処理装置11にて順次算出し、測定対象ガスの特定の成分の濃度を順次算出する。
【選択図】 図1
Description
ここで、周波数変調方式では、ガスの吸収線幅よりもレーザ光の線幅の方が小さいことから、ガスの吸収波長と半導体レーザの発光波長とを合わせる必要がある。この方法として、予め測定したいガスと同じ成分を封入した参照ガスセルを用いる方法がある(特許文献2)。
図12において、光源ユニットには、半導体レーザモジュール121、参照ガスセル122およびフォト検出器123が収容され、光源ユニットのケース本体126の底面には、冷却用フィン127が取り付けられたペルチェ素子128が配設されている。ここで、半導体レーザモジュール121には、周波数変調されたレーザ光を両面から出射する半導体レーザが配設されるとともに、コネクタ125aを備えた光ケーブル125が延出され、半導体レーザから出射される一方の光が光ケーブル125を介して測定対象ガスの雰囲気に出射される。
そして、参照ガスセル122を通過したレーザ光を参照しながらペルチェ素子128にて半導体レーザの温度制御を行い、2倍波と基本波との比が最大となるように半導体レーザの発光波長を制御することにより、ガスの吸収波長と半導体レーザの発光波長とを合わせることができる。
そこで、本発明の目的は、発光素子の波長可変範囲を超える吸収特性を持つ複数種類のガスの濃度を単成分計にて計測することが可能なガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法を提供することである。
また、請求項3記載のガス濃度測定方法によれば、2成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を共通の変調周波数で周波数変調させるステップと、前記周波数変調されたレーザ光の発光波長が測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれかかるように、前記レーザ光をそれぞれ出射する発光素子の温度を設定するステップと、前記周波数変調されたレーザ光の発光波長を測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯がスキャンされるようにそれぞれ変化させながら、前記測定対象ガスに前記レーザ光を順次入射させるステップと、前記測定対象ガスを順次透過したレーザ光を共通の検出器にて検出するステップと、前記検出器にて順次検出されたレーザ光から基本波成分および2倍波成分を抽出するステップと、前記抽出された基本波成分および2倍波成分に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの特定の成分の濃度をそれぞれ算出するステップとを備えることを特徴とする。
図1は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置における光学系の概略構成を示す断面図である。
図1において、ガス濃度測定装置の送信側の光学系には、2成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を出射する複数の発光素子5a〜5d、発光素子5a〜5dからそれぞれ出射されたレーザ光の光軸を同一方向に一致させるプリズム型ミラー6が設けられている。なお、プリズム型ミラー6には、反射面を4面設けることができ、発光素子5a〜5dからそれぞれ出射されたレーザ光をプリズム型ミラー6の各面で反射させることにより、発光素子5a〜5dからそれぞれ出射されたレーザ光の光軸を同一方向に一致させることができる。なお、発光素子5a〜5dとしては、DFBレーザ(Distributed Feedback Laser)やVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)などの半導体レーザを用いることができる。
図2において、ガス濃度測定装置の送信側には、複数の発光素子5a〜5dが設けられ、発光素子5a〜5dには、発光素子5a〜5dの温度をそれぞれ検出する温度検出素子16a〜16dおよび発光素子5a〜5dの温度をそれぞれ調整する温度調整素子17a〜17dが搭載されている。なお、温度検出素子16a〜16dとしては、例えば、サーミスタ、温度調整素子17a〜17dとしては、例えば、ペルチェ素子を用いることができる。また、温度検出素子16a〜16dは、発光素子5a〜5dに直接接触させることなく、アルミニウムなどの熱伝導性のよい材料に穴を空け、熱伝導性のよいシリコーンなどの樹脂を用いることで、サーミスタなどの温度検出素子16a〜16dをその穴に埋め込むようにしてもよい。
なお、発光素子5a〜5dの温度を制御する温度制御素子としては、例えば、マキシム社製MAX1978やリニアテクノロジ社製LTC1923などを用いることができる。
そして、レーザ駆動信号発生部14a〜14dに順次入力された波長走査駆動信号および高周波変調信号は、レーザ駆動信号発生部14a〜14dにてそれぞれ合成され、電圧−電流変換処理が行われた後、発光素子5a〜5dに順次注入される。そして、発光素子5a〜5dに電流が順次注入されると、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯をそれぞれスキャンする波長帯で発光素子5a〜5dが順次発光し、図1のプリズム型ミラー6を介して測定対象ガスに入射した後、受光素子10にて検出される。
図3において、ガス濃度測定装置の受信側には、発光素子5a〜5dからそれぞれ出射されたレーザ光を共通に検出する受光素子10、受光素子10から出力される電流を電圧に変換するI−V変換回路25、高周波変調信号の2倍の周波数の信号を発生させる参照信号発生器26、I−V変換回路25の出力から高周波変調信号の2倍の周波数成分を抽出する同期検波器27、同期検波器27の出力から不要な帯域成分を除去するフィルタ28が設けられている。
図4において、中心周波数fc、変調周波数fmで発光素子5a〜5dの出力をそれぞれ周波数変調し、測定対象ガスに照射されたものとする。ここで、測定対象ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ2次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、受光素子10では変調周波数fmの2倍の周波数の成分(2倍波成分)が得られる。ここで、変調周波数fmは任意の周波数でよいので、例えば、変調周波数fmを数kHz程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置(DSP)または汎用のプロセッサを用い高度な信号処理を施すことが可能となる。
図5において、発光素子5a〜5dからそれぞれ出射されるレーザ光の発光波長は駆動電流が増加するに従って長くなる。このため、発光素子5a〜5dの駆動電流を制御することにより、発光素子5a〜5dからそれぞれ出射されるレーザ光の発光波長を調整することができる。
図6は、本発明の一実施形態に係る温度と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図6において、発光素子5a〜5dからそれぞれ出射されるレーザ光の発光波長は温度が増加するに従って長くなる。このため、発光素子5a〜5dの温度を制御することにより、発光素子5a〜5dからそれぞれ出射されるレーザ光の発光波長を調整することができる。
図7において、図2の波長走査駆動信号発生器12にて発生される波長走査信号は、強度が一定に保たれた部分20と、強度が台形状に直線的に増加する部分19と、強度が0である部分21とから構成することができる。ここで、強度が台形状に直線的に増加する部分19は、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯が走査されるように、発光素子5a〜5dからそれぞれ出射されるレーザ光の波長を徐々に変化させることができる。
ここで、測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯を含むように周波数変調されたレーザ光は測定対象ガスの特定の成分による吸収量に対応した減衰を受けるため、同期検波器27からの出力は測定対象ガスの特定の成分による吸収波形に対応した値となる。
図8において、測定対象ガスには吸収波長が互いに異なる4つの成分が含まれ、測定対象ガスの吸収波長帯は単一の発光素子5a〜5dの波長可変範囲を超えているものとする。
そして、発光素子5aは、その波長可変範囲が測定対象ガスの第1の成分の吸収波長帯に対応するように発光波長を選択し、発光素子5bは、その波長可変範囲が測定対象ガスの第2の成分の吸収波長帯に対応するように発光波長を選択し、発光素子5cは、その波長可変範囲が測定対象ガスの第3の成分の吸収波長帯に対応するように発光波長を選択し、発光素子5dは、その波長可変範囲が測定対象ガスの第4の成分の吸収波長帯に対応するように発光波長を選択することができる。
なお、1600nm〜2000nmの範囲に波長感度を持つフォトダイオードとしては、例えば、浜松フォトニクス製G8372−01を用いることができる。
図11において、例えば、NH3ガスの吸光特性がある場合、図3の同期検波器27の出力波形には、ピークが発生する。そして、吸光特性はピーク値がそのままガス濃度を表すため、ピークの振幅を測定したり、出力波形の変化部分を積分したりすることで、NH3ガスの濃度を測定することができる。
なお、上述した実施形態では、波長可変範囲が測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれ対応するように発光素子5a〜5dの発光波長を選択する方法について説明したが、全ての発光素子5a〜5dの発光波長を測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれ対応させる必要はなく、受光素子10が感度を持つ範囲内において、複数の発光素子5a〜5dのうちの一部は、測定対象ガスによる吸収がない発光波長を選択するようにしてもよい。
2a、2b 固定フランジ
3a、3b 調整フランジ
4、8 ハウジング
5a〜5d 発光素子
6 プリズム型ミラー
7a、7b 窓材
9 集光レンズ
10 受光素子
11 信号処理装置
12 波長走査駆動信号発生器
13a〜13d 高周波変調信号発生部
14a〜14d レーザ駆動信号発生部
16a〜16d 温度検出素子
17a〜17d 温度調整素子
18a〜18d 温度制御回路
19 切り替え制御部
25 IV変換回路
26 参照信号発生器
27 同期検波器
28 フィルタ
Claims (4)
- 2成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を出射する複数の発光素子と、
前記発光素子からそれぞれ出射されたレーザ光を共通の変調周波数で周波数変調させる高周波変調信号を発生する高周波変調信号発生部と、
前記周波数変調されたレーザ光の発光波長にて測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯をそれぞれスキャンさせる波長走査駆動信号を発生する波長走査駆動信号発生器と、
前記高周波変調信号および前記波長走査駆動信号に基づいて前記発光素子をそれぞれ駆動することにより、前記発光素子の発光波長を変調させるレーザ駆動信号発生部と、
前記レーザ駆動信号発生部にて駆動される発光素子を時系列的に切り替える切り替え制御手段と、
前記レーザ駆動信号発生部にて駆動されるレーザ光の発光波長が前記測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれかかるように前記発光素子の温度を設定する温度設定部と、
前記レーザ駆動信号発生部にてそれぞれ周波数変調された複数のレーザ光を共通に検出する光検出部と、
前記複数の発光素子から出射されたレーザ光を前記光検出部に導く光反射手段と、
前記光検出部にて検出されたレーザ光から基本波成分を検出する基本波成分検出部と、
前記光検出部にて検出されたレーザ光から2倍波成分を検出する2倍波成分検出部と、
前記基本波成分と2倍波成分との振幅比に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの特定の成分の濃度をそれぞれ算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とするガス濃度測定装置。 - 前記複数の発光素子の一部は、レーザ光の発光波長が前記測定対象ガスの吸収波長帯にかからないように選択されることを特徴とする請求項1記載のガス濃度測定装置。
- 2成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を共通の変調周波数で周波数変調させるステップと、
前記周波数変調されたレーザ光の発光波長が測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれかかるように、前記レーザ光をそれぞれ出射する発光素子の温度を設定するステップと、
前記周波数変調されたレーザ光の発光波長を測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯がスキャンされるようにそれぞれ変化させながら、前記測定対象ガスに前記レーザ光を順次入射させるステップと、
前記測定対象ガスを順次透過したレーザ光を共通の検出器にて検出するステップと、
前記検出器にて順次検出されたレーザ光から基本波成分および2倍波成分を抽出するステップと、
前記抽出された基本波成分および2倍波成分に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの特定の成分の濃度をそれぞれ算出するステップとを備えることを特徴とするガス濃度測定方法。 - 2成分以上の測定対象ガスの吸収波長にそれぞれ対応した波長を有するレーザ光を共通の変調周波数で周波数変調させるステップと、
前記周波数変調されたレーザ光の発光波長が測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯にそれぞれかかるように、前記レーザ光をそれぞれ出射する発光素子の温度を設定するステップと、
前記周波数変調されたレーザ光の発光波長を測定対象ガスの特定の成分の吸収波長帯がスキャンされるようにそれぞれ変化させながら、前記測定対象ガスに前記レーザ光を順次入射させるステップと、
前記測定対象ガスを順次透過したレーザ光を共通の検出器にて検出するステップと、
前記検出器にて順次検出されたレーザ光から基本波成分および2倍波成分を抽出するステップと、
前記抽出された基本波成分および2倍波成分に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの特定の成分の濃度をそれぞれ算出するステップと、
前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光を前記変調周波数で周波数変調させるステップと、
前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光を前記測定対象ガスに入射させるステップと、
前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光を前記検出器にて検出するステップと、
前記検出器にて検出された前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光から基本波成分および2倍波成分を抽出するステップと、
前記測定対象ガスの吸収波長にかからない波長を有するレーザ光から抽出された基本波成分および2倍波成分に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を補正するステップとを備えることを特徴とするガス濃度測定方法。
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