JP2013156113A - レーザ式ガス分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光由来の干渉ノイズを低減して、高精度な測定を可能にするレーザ式ガス分析装置を提供する。
【解決手段】レーザ式ガス分析装置１０において、レーザ光源部２０のレーザ素子２０４ｅから出射された光を投光用光ファイバ２０５を用いて被測定ガスが存在する測定対象空間１に向けて照射するとともに、投光用光ファイバ２０５の端部に振動手段２０３を設け、投光用光ファイバ２０５を微小振動させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスの濃度をレーザ光により測定するレーザ式ガス分析装置に関するものである。

気体状のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトルがあることが知られている。レーザ光を用いたガス分析装置（以下、「レーザ式ガス分析装置」）は、レーザ光の特定波長の吸収量が被測定ガス（測定対象ガス）の濃度に比例することを利用してガス濃度を測定する装置である。ガス濃度の測定方法は、周波数変調方式（特許文献１参照）と２波長差分方式（特許文献２参照）とに大別される。

レーザ式ガス分析装置では、レーザ光のコヒーレント性によって、レーザ素子とコリメートレンズとの間、あるいは、集光レンズと受光素子との間といった光学部品間での光の多重反射により干渉光が発生し、受光信号に干渉ノイズとして重畳されてしまう。この干渉ノイズは外部環境（特に温度）の変化によって変動するため、装置の高感度化、高安定化の妨げになっている。

そこで、近年、上述した光学部品間での光の多重反射による干渉光を低減する手段を備えたレーザ式ガス分析装置が検討されている（特許文献３参照）。
図７は、特許文献３に記載されるレーザ式ガス分析装置である。このレーザ式ガス分析装置７００では、測定雰囲気（ガスＧ）中に所定測定光路長を隔てて投受光ユニット７１０と反射ユニット７２０とが対向配置されている。

投受光ユニット７１０は、レーザ素子を備える光源ユニット７３０と、光源ユニット７３０から出射されガス中を通過した光を集光する集光レンズ７４０と、集光レンズ７４０で集光した光を受光検出する受光素子７５０Ａと、受光素子７５０Ａで検出した受光信号を処理してガス濃度を演算する受光信号処理部７５０Ｂと、集光レンズ７４０を光軸方向に微小振動させる振動手段７６０とを備えている。この振動手段７６０は、振動モータなどの各種モータや圧電素子などの駆動手段で構成され、集光レンズ７４０に直接取り付けられている。一方、反射ユニット７２０は、投受光ユニット７１０からのレーザ光を再び測定雰囲気に向けて反射する反射板７９０を備えている。

光源ユニット７３０から出射されたレーザ光は、反射ミラー７７０Ａ，７７０Ｂでそれぞれ反射したのち、集光レンズ７４０の中心位置に設けられたガラス窓７８０から測定雰囲気に向けて出射される。ガラス窓７８０から出射された光は、測定雰囲気中を通過して反射板７９０で反射し、再び測定雰囲気中を通過して集光レンズ７４０で集光され、受光素子７５０Ａで受光される。受光された光は電気信号に変換されたのち、受光信号処理部７５０Ｂで信号処理される。

上記のように構成されるレーザ式ガス分析装置７００では、ガスの検出動作中に振動手段７６０を動作させると、投受光ユニット７１０における集光レンズ７４０及び窓部７８０が光軸方向に微小振動することで、反射ミラー７７０Ｂと窓部７８０との間の距離Ｄ１、窓部７８０と反射板７９０との間の距離Ｄ２、反射板７９０と集光レンズ７４０との間の距離Ｄ３、集光レンズ７４０と受光素子７５０Ａとの間の距離Ｄ４といった光学部材相互間の距離がそれぞれ変化する。これにより、窓部７８０の表面、集光レンズ７４０の表面、反射板７９０の表面での干渉光の反射位置が変わって位相ずれが生じる。その結果、上記距離Ｄ１〜Ｄ４で発生する干渉光が多重反射する間に平均化され、測定に不要な干渉光を低減することができる。

特開平７−１５１６８１号公報（段落［０００５］、図４等） 特開２００１−２３５４１８号公報（段落［００１２］〜［００２４］、図２，図１１等） 特開２００８−７０３１４号公報（段落［００２０］、図１等）

特許文献３に示されるようにガスの検出中に集光レンズを微小振動させる方法は、ガス濃度測定を妨げるノイズ要因であるレーザ光由来の干渉ノイズを低減するのに有効な方法ではあるが、以下に述べる問題がある。

まず、レーザ式ガス分析装置では、通常、レーザ光のビームを拡大して測定対象空間に照射するため、集光レンズ７４０のレンズ径は２５〜３０ｍｍ程度と大きくなる。また、煙道のような高温・高腐食性の雰囲気下でガス濃度を計測する場合には、集光レンズ７４０の材料として耐熱性、耐腐食性を有する石英ガラスを用いる必要があるため、プラスチックレンズを用いる場合と比べて集光レンズ７４０の重量が重くなる。このように大きく重いガラスレンズを振動させるためには、振動手段７６０も大型かつ複雑な構造となり、コストアップの要因となる。

また、図７に示すように、集光レンズ７４０は投受光ユニット７１０の外部に露出した状態で配置されており、煙道内のガスに直接触れる構造となっている。通常、ガスが煙道外部に漏れ出すことがないように、測定対象空間である煙道内部は外気に対して陰圧となっている。このため、集光レンズ７４０を振動させる場合には、煙道内・外の気圧差で集光レンズ７４０に圧力がかかって振動させることが困難になる事態も懸念される。また、ユニット内部を機密に保つ機能を併せ持つ集光レンズ７４０を振動させることは、構造的信頼性の観点から好ましいことではない。集光レンズ７４０が外部に露出しないようにガラス板等で集光レンズ７４０の前面を覆うことも考えられるが、このガラス板によって干渉光がさらに増加してしまうために適用することは困難である。

その他、従来のレーザ式ガス分析装置に関しては、例えば半導体レーザ素子を有するレーザ光源部を振動させて干渉ノイズを低減させることも考えられるが、その場合にはレーザ素子に設置されているサーミスタやペルチェ素子が併せて加振されることになるので、振動によって特にペルチェ素子の放熱条件が変化してレーザ素子に対する精密温度制御が出来なくなったり、ペルチェ素子が破損してしまう可能性があり、ガス分析装置の測定精度低下を招く恐れがある。

なお、光ファイバを用いてレーザ光源（半導体レーザ素子）から出射されたレーザ光を測定対象空間に向けて照射する光ファイバ型のレーザ式ガス分析装置であれば、測定対象空間の近くに半導体レーザ素子を設置する必要がないので温度制御を正確に行うことができ、また、例えば光ファイバの端面を斜め研磨することによってある程度の干渉ノイズを抑制できる。しかしながら、光ファイバの端面は直径１００μｍ程度であり、半導体レーザ素子の出射端面に比べて１０倍以上の面積を持つために干渉ノイズが発生し易く、低濃度ガスについて高精度な測定を実現するには、斜め研磨による干渉ノイズ抑制対策だけでは不十分である。

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであって、ガス濃度測定を妨げるノイズ要因であるレーザ光由来の干渉ノイズを低減して、測定対象ガスが低濃度の場合であっても高精度に測定を行うことの出来るレーザ式ガス分析装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係るレーザ式ガス分析装置は、
レーザ素子を有するレーザ光源部と、被測定ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を可変とする波長走査駆動信号と前記発光波長を変調するための変調信号とを合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、前記レーザ駆動信号発生部から出力された信号を電流に変換して該レーザ素子を駆動する電流制御部と、前記レーザ素子から出射された光を被測定ガスに照射するレーザ光出射光学系と、前記被測定ガスを透過した光を集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された光の強度を測定する受光素子と、前記受光素子の出力する受光信号を処理する受光信号処理部とを備え、前記受光信号処理部の処理結果に基づいて被測定ガス成分の濃度を検出するレーザ式ガス分析装置において、
前記レーザ光出射光学系は、前記レーザ素子から出射された光を導光する投光用光ファイバを含み、前記投光用光ファイバの端部に当該光ファイバを微小振動させる第１の光ファイバ振動手段を設けた、ことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係るレーザ式ガス分析装置は、請求項１において、前記受光素子から出力される受光信号を受光用光ファイバを介して前記受光信号処理部へ導光するとともに、前記受光用光ファイバの端部に当該光ファイバを微小振動させる第２の光ファイバ振動手段を設けた、ことを特徴とする。

本発明に係るレーザ式ガス分析装置においては、半導体レーザ素子を有するレーザ光源部から出射されるレーザ光を投光用光ファイバを介して測定対象空間に向けて照射するとともに、振動手段を用いて投光用光ファイバの端部を測定光の光軸方向に微小振動させるようにしているので、半導体レーザ素子に対する精密な温度制御を可能にして安定したレーザ出力を得ることに加え、光結合部分の面積増に起因するレーザ光由来の干渉ノイズを抑えることが出来る。従って、本発明のレーザ式ガス分析装置によれば、測定対象ガスが低濃度の場合であっても高精度でガス濃度分析を行うことが可能となる。

図１は、本実施の形態のレーザ式ガス分析装置の全体構成を示す概略断面図である。 図２は、レーザ光源部の概略構成を示す図である。 図３（ａ）は、波長走査駆動信号発生部から出力される走査駆動信号の波形図、図３（ｂ）は、高調波変調信号発生部から出力される変調信号の波形図、図３（ｃ）は、電流制御部から出力される駆動信号の波形図である。 図４は、受光信号処理部の構成を示す図である。 図５は、受光信号、同期検波回路の出力信号、トリガ信号を示す図である。 図６は、振動なしのときの信号波形と信号ありのときの信号波形の一例を示す図である。 図７は、集光レンズを微小振動させる振動手段を備えた従来のレーザ式ガス分析装置の構成を示す図である。

添付図面を参照して、本発明に係るレーザ式ガス分析装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。以下では、本発明を周波数変調方式のレーザ式ガス分析装置に適用した例にもとづいて説明する。

図１は、本実施の形態のレーザ式ガス分析装置１０の構成を示す概略断面図である。図１に例示されるレーザ式ガス分析装置１０は、被測定ガスＧが通過する測定対象空間１である煙道などの配管の壁Ｗ１，Ｗ２に設置されている。
一対のフランジ１１ａ，１１ｂは、両端が開口した円筒状に形成されたものであり、煙道の壁Ｗ１，Ｗ２に溶接等によって固定されている。投光部筐体１３，受光部筐体１４は、一端が開口し他端が閉塞した有底円筒状に形成されたものであり、それぞれ、取付座１２ａ，１２ｂを介してフランジ１１ａ，１１ｂに取付けられている。

レーザ素子を有するレーザ光源部２０から出射された光は、投光用光ファイバ２０５によって投光部筐体１３内へ導かれ、コリメートレンズ３０を含む光学系にて平行光にされた後、測定用レーザ光Ｌとして測定対象空間１に向けて照射される。測定用レーザ光Ｌは、煙道内に存在する被測定ガスを通過する際にガスによる吸収を受ける。煙道を通過した測定用レーザ光Ｌは、受光部筐体１４内に配置された集光レンズ４０により集光されたのち、受光素子５０により受光され、受光用光ファイバ６０１によって受光信号処理部６０へ導かれる。

図２は、図１に示したレーザ光源部２０の構成を示す図である。レーザ光源部２０は、以下に説明する半導体レーザ素子等の複数の部品をパッケージに収容したユニットとして構成されている。図２に示すように、このレーザ光源部２０の内部には、波長制御手段２０４ｓとしての波長走査駆動信号発生部２０４ａ及び高周波変調信号発生部２０４ｂ、電流制御部（レーザ素子駆動手段）２０４ｃ、レーザ素子２０４ｅ、サーミスタ２０４ｆ、ペルチェ素子２０４ｇ、温度制御部２０４ｄが収容されている。

波長走査駆動信号発生部２０４ａは、被測定ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子２４ｅの発光波長を可変とする波長走査信号を発生する。高周波変調信号発生部２０４ｂは、ガスの吸収波形を検出するために、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波信号を発生して波長を周波数変調する。電流制御部２０４ｃは、波長走査駆動信号発生部２０４ａで発生させた波長走査信号と高周波変調信号発生部２０４ｂで発生させた正弦波信号とを合成した信号（レーザ駆動信号）を、レーザ素子の駆動電流に変換してレーザ素子２０４ｅを駆動する。

レーザ素子２０４ｅは半導体レーザ（ＬＤ： laser diode）であり、電流制御部２０４ｃから供給される駆動電流によりレーザ光を出射する。サーミスタ２０４ｆは、レーザ素子２０４ｅの温度を検出するための温度検出素子であり、レーザ素子２０４ｅと接した状態で配置される。ペルチェ素子２０４ｇは、レーザ素子２０４ｅの加熱冷却手段であり、サーミスタ２０４ｆと接した状態で配置される。温度制御部２０４ｄは、サーミスタ２０４ｆで測定した温度に基づいてペルチェ素子２０４ｇを制御し、これによりレーザ素子２０４ｅの温度を一定温度に保つことで、レーザ光の発振波長が制御される。

図３（ａ）は、図２の波長走査駆動信号発生部２０４ａから出力される電流波形の一例を示している。被測定ガスの吸光特性を走査する波長走査駆動信号Ｓ１は、レーザ素子２０４ｅの駆動電流値を直線的に変化させて発光波長を徐々に変化させ、例えば、０．２ｎｍ程度の吸光特性を走査する。一方、信号Ｓ２は、駆動電流値をレーザ素子２０４ｅが安定するスレッショルドカレント以上に保ち、一定波長で発光させるためのものである。更に、信号Ｓ３では、駆動電流値を０ｍＡにしておく。なお、トリガ信号は信号Ｓ３と同期する信号である。

図３（ｂ）は、図２の高周波変調信号発生部２０４ｂから出力される変調信号の波形図であり、測定対象ガスの吸光特性を検出するための信号Ｓ４は、例えば周波数が１０ｋＨｚの正弦波とし、波長幅を０．０２ｎｍ程度変調する。
図３（ｃ）は、図２の電流制御部２０４ｃから出力される駆動信号の波形図であり、この駆動信号Ｓ５をレーザ素子２０４ｅに供給すると、レーザ素子２０４ｅからは、測定対象ガスの０．２ｎｍ程度の吸光特性を波長幅０．０２ｎｍ程度で検出可能な変調光が出力される。

図４は、図１における受光信号処理部６０の概略構成を示す図である。図１の受光素子５０は、例えばフォトダイオードであり、レーザ素子２０４ｅの発光波長に感度を持つ素子を適用する。受光素子５０の出力が、受光用光ファイバ６０１を介して受光信号処理部６０に送られると、図４のＩ−Ｖ変換器６１で電圧出力に変換され、ローパスフィルタ６４Ａで高周波ノイズ成分が除去される。ローパスフィルタ６４Ａからの出力信号は、発振器６２からの２ｆ信号（２倍波信号）が加えられる同期検波回路６３に入力され、レーザ光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが抽出される。同期検波回路６３の出力信号は、ローパスフィルタ６４Ｂでノイズ除去や増幅が行われ、演算部６５に送られる。演算部６５では、ガス濃度検出のための演算処理を行う。

上記のように構成したレーザ式ガス分析装置１０を用いたガス濃度検出の方法について説明する。まず、事前に、レーザ素子２０４ｅの温度をサーミスタ２０４ｆにより検出する。さらに、図３に示した波長走査駆動信号Ｓ１の中心部分で被測定ガスＧを測定できるように、温度制御部２０４ｄによりペルチェ素子２０４ｇの通電を制御してレーザ素子２０４ｅの温度を所望の温度に保つ。

レーザ素子２０４ｅの温度を所望の温度に保ちながら、ドライブ電流を変化させることによりレーザ素子２０４ｅを駆動し、被測定ガスＧが存在する煙道内に向けて測定用レーザ光Ｌを照射し、受光素子５０へ光を入射させる。被測定ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波回路６３によって２倍波信号が検出され、ガスの吸収波形が現れる。図５に、ガスを検出しているときの同期検波回路６３の出力波形を示す。

続いて、演算部６５には、波長走査駆動信号発生部２０４ａからトリガ信号ａが入力される。トリガ信号は、上記のＳ１，Ｓ２，Ｓ３を含めた１周期ごとに出力される信号であり、レーザ光源部２０の波長走査駆動信号発生部２０４ａより出力され、不図示の通信線を介して受光信号処理部６０の演算部６５へ入力される。トリガ信号は、上述の波長走査駆動信号のＳ３と同期がとれている。図５において点線で囲った領域Ａの部分は被測定ガスＧが存在する場合に得られる出力波形である。図５で示すように、トリガ信号から所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ経過したときに同期検波回路６３の出力波形においてＢ点の最小値Ｂ、Ｃ点の最大値Ｃ、Ｄ点の最小値Ｄが検出される。これら所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄは工場出荷前や校正時に実験的に予め算出しておいてメモリに登録しておく。

演算部６５は、トリガ信号から所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ経過するときに同期検波回路６３の出力波形の値を読みとって記憶し、その後に濃度を算出する処理を行う。この同期検波回路出力波形はその波形のピークにある最大値がそのままガス濃度を表すため、例えば、最大値を濃度として出力する。または最大値から最小値を減じた差分値を濃度とするというものである。

上述した方法によりガス濃度検出が可能となるが、光源にレーザ素子２０４eを使用しているため、その非常に高いコヒーレンス性によって、例えばレーザ素子２０４eと光ファイバ２０５の入射側の端面との間、光ファイバ２０５の出射側の端面とコリメートレンズ３０との間などでレーザ光の一部が多重反射し、この多重反射光が干渉ノイズとなる。

この干渉ノイズを低減させるために、本実施形態では、図１に示す投光部筐体１３に設けた振動手段２０３（第１の光ファイバ振動手段）により投光用光ファイバ２０５の出射側の端部を微小振動させ、投光用光ファイバ２０５の端面とコリメートレンズ３０との間の距離を変化させるようにしている。振動手段２０３は、圧電素子を用いて構成された圧電振動部２０１と振動制御部２０２とからなる。圧電振動部２０１には投光用光ファイバ２０５の端部が接続されており、振動制御部２０２の指令信号に基づいた振動周波数および振幅（光軸方向の変位量）で圧電振動部２０１が振動することで、投光用光ファイバ２０５の端部が測定用レーザ光Ｌの光軸方向に微小振動する。この微小振動の振幅は数μｍから数１０μｍ程度である。また、圧電振動部２０１の振動周波数は、高周波変調信号発生部２０４ａによる正弦波信号の周波数（たとえば１０ｋＨｚ）の１０倍以上（たとえば１００ｋＨｚ以上）もしくは１／１０倍以下（たとえば１ｋＨｚ）に設定することが望ましい。圧電振動部２０１の振動周波数が正弦波信号の周波数の１／１０倍より大きく１０倍未満の場合、レーザの変調周波数（たとえば１０ｋＨｚ）と振動周波数の分離が困難となり、干渉ノイズの除去が困難となる。

振動手段２０３によって、投光用光ファイバ２０５の端面とコリメートレンズ３０との間の距離を変化させると、投光用光ファイバ２０５の端面とコリメートレンズ３０の表面と間の多重反射光によって発生している干渉光の強度は、干渉発生条件が変化するため変動する。この干渉光変動の周期は圧電振動部２０１の振動周波数に等しい。そこで、振動周波数成分を除去可能なローパスフィルタ等のフィルタ処理によって検出信号から干渉ノイズを除去することが可能となる。

図６に、振動手段２０３を動作させた場合とさせない場合の受光信号処理部による出力信号波形の一例を示す。図６に示すように、振動手段２０３を動作させない場合（振動なし）の信号波形には、凹凸形状の干渉ノイズが発生している。一方、振動手段２０３を動作させたとき（振動あり）には、大幅に干渉ノイズが低減できていることが分かる。

ところで、干渉光は集光レンズ４０と受光素子５０との間でも発生する。そこで、受光素子５０と結合された受光用光ファイバ６０１の入射側の端部を振動させる第２の光ファイバ振動手段（図示せず）を設けるようにしても良い。この第２の光ファイバ振動手段は、振動手段２０３と同様に構成される。

１０ レーザ式ガス分析装置
１１ａ，１１ｂ フランジ
１２ａ，１２ｂ 取付座
１３ 投光部筐体
１４ 受光部筐体
２０ レーザ光源部
２０１ 圧電振動部
２０２ 振動制御部
２０３ 振動手段
２０５ 投光用光ファイバ
３０ コリメートレンズ
４０ 集光レンズ
５０ 受光素子
６０ 受光信号処理部
６０１ 受光用光ファイバ

Claims (2)

1. レーザ素子を有するレーザ光源部と、
   被測定ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を可変とする波長走査駆動信号と前記発光波長を変調するための変調信号とを合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
   前記レーザ駆動信号発生部から出力された信号を電流に変換して該レーザ素子を駆動する電流制御部と、
   前記レーザ素子から出射された光を被測定ガスに照射するレーザ光出射光学系と、
   前記被測定ガスを透過した光を集光する集光光学系と、
   前記集光光学系で集光された光の強度を測定する受光素子と、
   前記受光素子の出力する受光信号を処理する受光信号処理部とを備え、
   前記受光信号処理部の処理結果に基づいて被測定ガス成分の濃度を検出するレーザ式ガス分析装置において、
   前記レーザ光出射光学系は、前記レーザ素子から出射された光を導光する投光用光ファイバを含み、
   前記投光用光ファイバの端部に当該光ファイバを微小振動させる第１の光ファイバ振動手段を設けた、ことを特徴とするレーザ式ガス分析装置。
2. 請求項１に記載のレーザ式ガス分析装置において、
   前記受光素子から出力される受光信号を受光用光ファイバを介して前記受光信号処理部へ導光するとともに、前記受光用光ファイバの端部に当該光ファイバを微小振動させる第２の光ファイバ振動手段を設けた、ことを特徴とするレーザ式ガス分析装置。