JP2014142299A - ガス濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉ノイズを低減し、精度良くガス濃度を測定できるガス濃度測定装置。
【解決手段】スーパールミネッセントダイオード光を発生するスーパールミネッセントダイオード７と、スーパールミネッセントダイオード７を駆動させる駆動部４ａと、ガスを導入し且つスーパールミネッセントダイオード光を入射するサンプルセル２、サンプルセル２の出力側に設けられ、スーパールミネッセントダイオード光を分光するグレーティグ８と、るグレーティグ８で分光されたスーパールミネッセントダイオード光を受光するフォトダイオードアレイ９と、フォトダイオードアレイ９の受光出力に基づきガスの濃度を演算する演算処理部５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザを用いてガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に関する。

波長可変型ダイオードレーザ分光吸収法（ＴＤＬＡＳ）は、レーザ光の周波数を変調することにより測定ガスの微小な吸収を高感度で検出し、測定ガスの濃度を測定できる方法である。

測定ガスの濃度を測定する装置として、特許文献１に記載された技術が知られている。図５は、特許文献１に記載された従来のガス濃度測定装置の構成図である。図５に示すガス濃度測定装置は、波長可変型の半導体レーザ１、煙道１７、フォトダイオード（ＰＤ）３、レーザ駆動部４、演算処理部５を有している。

レーザ駆動部４は、半導体レーザ１を駆動するもので、半導体レーザ１の発振波長を一定周期で変調する。半導体レーザ１は、発振波長が一定周期で変調されたレーザ光を発生し、発生したレーザ光を煙道１７に導く。煙道１７は、測定ガスを封入し、半導体レーザ１からのレーザ光を測定ガスを介してフォトダイオード３に導く。

測定ガスが封入された煙道１７を通過したレーザ光は、ガス濃度に応じて測定ガスにより吸収されて減少される。フォトダイオード３は、受光素子からなり、煙道１７内の測定ガスにより吸収されて減少された透過光量を検出する。演算処理部７は、例えばロックインアンプなどであり、フォトダイオード３で検出された透過光量内の変調信号を２倍周波数を同期検波することにより煙道１７内の測定ガスの濃度を測定する。

図６は、従来のガス濃度測定装置のレーザ駆動電流の波形を示す図である。図６に示すように、従来のガス濃度測定装置は、半導体レーザ１の駆動電流の大きさを徐々に変化させることにより、半導体レーザ１の発振周波数を変化させて、さらに半導体レーザ１の発振波長を一定周期で変調する。

また、他の一般的なガス吸収分光測定には、白色光を対象物に照射し、透過した光をグレーティングなどで波長毎に分解し、スペクトルを得る方法がある。白色光源として例えばハロゲンランプなどを用い、チョッパ回路などでレーザ光を変調している。

特開２０１０−２１６９５９号公報

しかしながら、通常の半導体レーザのコヒーレンス長は、数十ｃｍ以上であり、レンズなどの光学系により多重反射した光が検出面に入ることにより、光学系を直接通過した光と光学系を多重反射した光とが干渉してしまう。このため、低濃度のガスを測定する際に、測定ガスの信号に対して、検出面で強度が大きく変動し、Ｓ（信号）／Ｎ（ノイズ）が悪くなり、精度良くガス濃度を測定できないという課題を有していた。

また、検出面での強度の変動をバックグランド（測定ガスがない状態での測定）で差し引こうとしても、温度変化や振動が生じると、光路差や多重反射の回数が異なるため、検出面での強度が不規則に変動してしまう。即ち、光の干渉状態は、温度や振動の変化によって変化するため、バックグランドで差し引くことも困難であった。

また、干渉ノイズを低減するためには、レーザ素子を振動する機構が必要となり、構成が複雑化してしまう。

本発明の課題は、干渉ノイズを低減し、レーザ素子を振動する機構を必要とせず、精度良くガス濃度を測定することができるガス濃度測定装置を提供することにある。

本発明に係るガス濃度測定装置は、上記課題を解決するために、スーパールミネッセントダイオード光を発生するスーパールミネッセントダイオードと、前記スーパールミネッセントダイオードを駆動させる駆動部と、ガスを導入し且つ前記スーパールミネッセントダイオード光を入射するガス導入部と、前記ガス導入部の入力側又は出力側に設けられ、前記スーパールミネッセントダイオード光を分光する分光部と、前記分光部で分光された前記スーパールミネッセントダイオード光を受光する受光素子と、前記受光素子の受光出力に基づき前記ガスの濃度を演算する演算処理部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、スーパールミネッセントダイオードは、コヒーレンス長が数十μｍであり、半導体レーザのコヒーレンス長よりも十分に短いので、干渉ノイズを大幅に低減することができ、レーザ素子を振動する機構を必要とせず、精度良くガス濃度を測定することができる。

実施例１のガス濃度測定装置の構成図である。 実施例１のガス濃度測定装置のＳＬＤ駆動電流の波形を示す図である。 実施例１のガス濃度測定装置のＳＬＤのスペクトルを示す図である。 実施例２のガス濃度測定装置の構成図である。 従来のガス濃度測定装置の構成図である。 従来のガス濃度測定装置のレーザ駆動電流の波形を示す図である。

以下、本発明のガス濃度測定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施例１のガス濃度測定装置の構成図である。図１に示す実施例１のガス濃度測定装置は、スーパールミネッセントダイオード（以下、ＳＬＤと略する。）７、サンプルセル２、ＳＬＤ駆動部４ａ、グレーティング８、フォトダイオードアレイ９、演算処理部５を備えている。

ＳＬＤ駆動部４ａは、ＳＬＤ７を駆動し、波長を変調させる。ＳＬＤ７は、ＳＬＤ駆動部４ａにより駆動され、スーパールミネッセントダイオード光（以下、ＳＬＤ光と略する。）を発生する。ＳＬＤ７は、コヒーレンス長が数十μｍであり、半導体レーザのコヒーレンス長よりも十分に短い。

サンプルセル２は、ガス導入部を構成し、ガスを封入し且つＳＬＤ７からのＳＬＤ光を入射する。グレーティング８は、サンプルセル２を透過したＳＬＤ光を入射しＳＬＤ光を回折させて出射する。

フォトダイオードアレイ９は、受光素子を構成し、複数のフォトダイオードが併設されており、グレーティング８で回折されたＳＬＤ光を複数のフォトダイオードで受光する。

演算処理部５は、例えば、ロックインアンプなどであり、フォトダイオードアレイ９の信号をＳＬＤ７と同じ周波数で同期検波することにより、感度の高い信号を検出し、検出信号に基づきガスの濃度を演算する。

次に、このように構成された実施例１に係るガス濃度測定装置の動作を説明する。

まず、ＳＬＤ駆動部４ａが図２に示すような周波数ｆを持つＳＬＤ駆動電流をＳＬＤ７に与える。これにより、ＳＬＤ７から出射されるＳＬＤ光は、周波数ｆの強度変調を伴ったものとなり、サンプルセル２に入射される。サンプルセル２は、ＳＬＤ７からのＳＬＤ光を測定ガスを透過させてグレーティング８に導く。グレーティング８は、サンプルセル２を透過したＳＬＤ光を波長分散し、フォトダイオードアレイ９に導く。

フォトダイオードアレイ９に入射される各波長のＳＬＤ光は、ガスの吸収スペクトルと濃度とを反映して、強度が減少した光となる。演算処理部５は、フォトダイオードアレイ９の信号をＳＬＤ７と同じ周波数で同期検波することにより信号を検出し、検出信号に基づきガスの濃度を演算する。

その方法として、例えば吸収するガスがないときのスペクトルを参照スペクトルにし、この参照スペクトルでガスの吸収を受けたスペクトルを割ると、透過率が求められる。ランベルト・ベールの法則から
ｌｏｇ（Ｔ）＝−εｃｌ
で求められる。Ｔは透過率、εは吸収係数、ｃはガスの濃度、ｌは光路長である。εとｌとが既知であれば、ガスの濃度を求めることができる。また、ＳＬＤ７を用いることで、複数のガス濃度を測定することができる。

発光スペクトルのピーク波長が約１５５０ｎｍ、スペクトル幅が約１００ｎｍのＳＬＤ７では、測定可能なガス種として、例えば、Ｈ２０（１５１２ｎｍ）、ＮＨ３（１５３１ｎｍ）、Ｃ２Ｈ２（１５３４ｎｍ）、ＣＯ２（１５７２ｎｍ）、ＣＯ（１５８３ｎｍ）などがある。図３にＳＬＤ７のスペクトル例を示す。

発光スペクトルのピーク波長が約１４００ｎｍ、スペクトル幅が約６０ｎｍのＳＬＤ７では、測定可能なガス種として、例えば、Ｈ２０（１３９５ｎｍ）、Ｎ２Ｏ（１４００ｎｍ）、ＣＨ４（１３８７ｎｍ）などがある。

発光スペクトルのピーク波長が約１３００ｎｍ、スペクトル幅が約６０ｎｍのＳＬＤ７では、測定可能なガス種として、例えば、Ｎ２Ｏ（１２８３ｎｍ）、ＣＨ４（１３２４ｎｍ）、Ｏ２（１２７４ｎｍ）などがある。

実施例１に係るガス濃度測定装置によれば、ＳＬＤ７は、コヒーレンス長が数十μｍであり、半導体レーザのコヒーレンス長よりも十分に短いので、干渉ノイズを大幅に低減することができる。

また、光の干渉の状態変化が小さくなるため、バックグランドとして処理し易くなる。従って、精度良くガスの濃度を測定することができる。また、ＳＬＤ７のスペクトル幅は、数十ｎｍであり、半導体レーザのスペクトル幅は、数十ｐｍであり、半導体レーザを走査する幅は約１ｍｍである。

従って、半導体レーザの走査幅よりもＳＬＤ７のスペクトル幅の方が広いため、従来、測定できなかった波長帯の吸収線も取得できるようになり、複数のガスを測定できる。黒体炉やハロゲンランプ、赤外線ヒータより高輝度であり、Ｓ／Ｎが良くガスの濃度を測定することができる。

図４は、実施例２のガス濃度測定装置の構成図である。図４に示す実施例２のガス濃度測定装置は、図１に示す実施例１のガス濃度測定装置に対して、グレーティング８の代わりに、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を備えたことを特徴とする。フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）は、干渉計１４を使用し、非分散で一定の波長領域のスペクトルを測定する装置である。

図４に示す実施例２のガス濃度測定装置は、ＳＬＤ７、サンプルセル２、ＳＬＤ駆動部４ａ、干渉計１４、フォトダイオード３、演算処理部５を備えている。干渉計１４は、ＳＬＤ７とサンプルセル２との間に設けられ、ビームスプリッタ１１と、固定鏡１２と、移動鏡１３とを有している。

ビームスプリッタ１１は、入射されたＳＬＤ光を反射光と透過光とを分割する。固定鏡１２は、固定された反射鏡からなり、ビームスプリッタ１１からのＳＬＤ光を反射し、ビームスプリッタ１１に戻す。移動鏡１３は、移動可能な反射鏡からなり、ビームスプリッタ１１からのＳＬＤ光を反射し、ビームスプリッタ１１に戻す。

ビームスプリッタ１１は、固定鏡１２から反射されてくるＳＬＤ光と移動鏡１３から反射されてくるＳＬＤ光とを合成して、サンプルセル２に導く。サンプルセル２から出射されてくるＳＬＤ光は、干渉光である。フォトダイオード３は、サンプルセル２からの干渉光を受光する。

演算処理部５は、フォトダイオード３からの干渉光に対してフーリエ変換を行うことにより、各周波数成分を横軸に表示したスペクトルを取得することができる。演算処理部５は、取得されたスペクトルに基づいてガスの濃度を計算する。

その方法として、例えば吸収するガスがないときのスペクトルを参照スペクトルにし、この参照スペクトルでガスの吸収を受けたスペクトルを割ると、透過率が求められる。ランベルト・ベールの法則から
ｌｏｇ（Ｔ）＝−εｃｌ
で求められる。Ｔは透過率、εは吸収係数、ｃはガスの濃度、ｌは光路長である。εとｌとが既知であれば、ガスの濃度を求めることができる。また、ＳＬＤ７を用いることで、ガス濃度を測定することができる。

このように実施例２に係るガス濃度測定装置によれば、グレーティング８の代わりに、干渉計１４を用いて、フーリエ変換赤外分光光度計を組むことで、従来では測定できなかった波長帯の吸収線も取得できるようになり、複数のガスの濃度を測定することができる。

また、実施例２に係るガス濃度測定装置においても、実施例１に係るガス濃度測定装置の効果と同様の効果が得られる。

本発明に係るガス濃度測定装置は、ガス分析装置に利用可能である。

１ 半導体レーザ
２ サンプルセル
３ フォトダイオード
４ レーザ駆動部
４ａ ＳＬＤ駆動部
５ 演算処理部
６ レーザ光
７ ＳＬＤ
８ グレーティング
９ フォトダイオードアレイ
１２ 固定鏡
１３ 移動鏡
１４ 干渉計
１６ ＳＬＤ光
１７ 煙道

Claims (5)

1. スーパールミネッセントダイオード光を発生するスーパールミネッセントダイオードと、
   前記スーパールミネッセントダイオードを駆動させる駆動部と、
   ガスを導入し且つ前記スーパールミネッセントダイオード光を入射するガス導入部と、
   前記ガス導入部の入力側又は出力側に設けられ、前記スーパールミネッセントダイオード光を分光する分光部と、
   前記分光部で分光された前記スーパールミネッセントダイオード光を受光する受光素子と、
   前記受光素子の受光出力に基づき前記ガスの濃度を演算する演算処理部と、
   を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
2. 前記分光部は、前記ガス導入部からの前記スーパールミネッセントダイオード光を分光する回折格子からなることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
3. 前記分光部は、前記スーパールミネッセントダイオードからの前記スーパールミネッセントダイオード光を分光する干渉計からなることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
4. 前記干渉計は、前記スーパールミネッセントダイオードからの前記スーパールミネッセントダイオード光を分光するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタからの前記スーパールミネッセントダイオード光を反射して前記ビームスプリッタを介して前記ガス導入部に導く固定鏡と、
   前記ビームスプリッタからの前記スーパールミネッセントダイオード光を反射して前記ビームスプリッタを介して前記ガス導入部に導く移動鏡と、
   を備えることを特徴とする請求項３記載のガス濃度測定装置。
5. 前記ガス導入部は、前記ガスを封入し且つ前記スーパールミネッセントダイオード光を入射するサンプルセルであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のガス濃度測定装置。

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