JP5278757B2 - レーザ式ガス分析計 - Google Patents
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Description
図9において、信号S1は、吸収波長を走査する信号であり、電流制御部204cを介してレーザ素子204eに供給される電流の大きさを直線的に変えることにより、レーザ素子204eの発光波長を徐々にずらしていき、走査可能とする部分である。例えばアンモニアガスであれば、0.2nm程度の線幅を走査可能とする部分である。
また、信号S2は、吸収波長は走査しないがレーザ素子204eは発光させておくオフセット部分であり、レーザ素子204eの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値にしておく。
また、信号S3は駆動電流をほぼ0にしたトリガ部分である。
なお、受光部207は例えばフォトダイオードによって構成されており、レーザ素子204eの発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。この受光部207の出力電流はI/V変換器208aにより電圧に変換され、発振器208cからの2f信号(2倍波信号)が加えられる同期検波回路208bに入力される。
一方、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波回路208bによって出射光の変調信号の2倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である2倍波信号が検出される。その出力波形は図10の長方形の枠内に図示された同期検波回路208bの出力波形に示すようになる。この振幅はフィルタ208dによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のCPUやDSP等である演算処理部209へ出力される。この同期検波回路208bの出力波形のピーク値が測定対象ガスの濃度に相当するため、ピーク値を測定するか、あるいは波形の一部または全部を積分してその積分値から測定対象ガスの濃度を検出すればよい。
まず、事前に、図8のレーザ素子204eの温度をサーミスタ204fにより検出し、図9に示した波長走査駆動信号のS1の中心部分で測定対象ガス(例えばNH3ガス)が測定できる(所定の吸収特性が得られる)ように、図8の温度制御部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の温度を調整する。ペルチェ素子204gはサーミスタ204fの抵抗値が一定値になるようにPID制御等で制御される。そのような設定条件で、レーザ素子204eを駆動し、壁101a,101bの内部の測定対象ガスが存在する空間にレーザ光を出射し、集光した光を受光部207へ入射させ、上記のような信号処理を行ってガス分析を行う。以上のように本実施形態によれば、光源部204によりレーザ素子204eの発光波長を所定範囲にわたって走査して測定対象ガスによりガス濃度を測定することが可能となる。
特許文献1に記載の従来技術のレーザ式ガス分析計も先に説明した原理と同様に検出を行うものである。
図13にSO2濃度測定時の同期検波回路208bの出力を示す。この出力のピーク振幅を計測することにより、SO2濃度測定が可能となる。
また、MCTは300Kの背景放射によるノイズを受けることや周囲温度の変化により感度が変動するといった特性がある。
図14にノイズや温度を考慮しないときのSO2濃度測定例を示す。このように、測定安定性が得られない場合があるが、これはQCLやMCTの前記特性が一因であると考えられる。
周波数変調された中赤外領域レーザ光を出射する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光源側光学系と、この光源側光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された透過光を集光する受光側光学系と、この受光側光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路と、を有し、前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号に基づいて測定対象ガスの濃度を測定するレーザ式ガス分析計において、
前記光源部は、
中赤外領域レーザ光を発光するレーザ素子と、
ペルチェ素子により前記レーザ素子の温度を安定化させる温度安定化手段と、
前記レーザ素子への供給電流を直線的に変化させて前記レーザ素子の発光波長を徐々に変化させる信号であって測定対象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可変駆動信号と、前記レーザ素子のスレッショルド電流値未満の電流を前記レーザ素子に供給するような値の信号であって前記レーザ素子の発熱量を減少させるように前記レーザ素子の発光を停止するオフセット信号と、前記レーザ素子のスレッショルド電流値未満の電流を前記レーザ素子に供給するような値の信号であり、かつ一の前記可変駆動信号および一の前記オフセット信号を挟んで挿入される信号であって同期用のトリガ信号と、からなる単位波形が一定周期で繰り返される信号である波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号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、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
中赤外領域に感度を有する受光素子と、
ペルチェ素子によりこの受光素子の温度を安定化させる温度安定化手段と、
を備え、
前記信号処理回路は、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の2倍周波数成分の信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波回路と、
前記受光部の出力信号に含まれるトリガ信号に基づいて前記同期検波回路の前記検出信号からガス吸収波形信号を抽出し、このガス吸収波形信号から測定対象ガスの濃度を検出する手段と、前記受光部の出力信号のうちのトリガ信号に同期しつつ、前記同期検波回路からの前記検出信号をA/D変換してガス吸収波形信号データを生成し、このガス吸収波形信号データの最大値と最小値との差分から測定対象ガス濃度についての濃度データを算出する濃度データ算出手段と、前記受光部の出力信号のうちのトリガ信号に同期しつつ、前記受光部の出力信号のオフセット信号箇所をA/D変換してオフセットデータを生成するオフセットデータ生成手段と、最小値のオフセットデータである基準データおよび前記オフセットデータを用いて変動率データを算出する変動率データ算出手段と、前記変動率データに基づいて前記濃度データを補正して補正濃度データを算出する補正濃度データ算出手段と、を有する演算処理部と、
を備え、
前記レーザ駆動信号発生部は、前記波長走査駆動信号の前記可変駆動信号の出力時間に対して前記オフセット信号の出力時間を長い信号として前記レーザ素子の発熱時間を短縮するとともに、
前記温度安定化手段は、前記光源部および前記受光部を安定化させる安定範囲温度となるように前記光源部および前記受光部の温度調整を行って受発光を安定化させ、かつ、
前記信号処理回路は、前記光源部および前記受光部の特性変動の影響を吸収した補正濃度を算出することを特徴とする。
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記光源部の前記レーザ素子は、中赤外領域の波長を発光する量子カスケードレーザ(QCL:Quantum cascade laser)であり、
前記受光部の前記受光素子は、前記波長領域に感度を有するMCT(Mercury_Cadmium_Tellurium)光導電素子であることを特徴とする。
請求項1または請求項2に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号の前記可変駆動信号の出力時間S1に対して前記オフセット信号の出力時間S2を長い信号としS1:S2=1:4とすることを特徴とする。
請求項1〜請求項3の何れか一項に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記濃度データ算出手段は、ガス吸収波形信号データの最大値と最小値との差分により得た測定対象ガス濃度についての濃度データをZ i (i=1,2,・・・,n)とし、
前記オフセットデータ生成手段は、前記受光部の出力信号のうちのトリガ信号に同期しつつ、前記受光部の出力信号のオフセット信号箇所をA/D変換して得たオフセットデータをX i (i=1,2,・・・,n)とし、
前記変動率データ算出手段は、最小値のオフセットデータである基準データおよび前記オフセットデータを用いて変動率データY i を次式
[数1]
Y i =(X i −X min )/X min =X i /X min −1
(但し、i=1,2,・・・,n)
により算出し、
前記補正濃度データ算出手段は、前記変動率データに基づいて前記濃度データを次式
[数2]
D i =Z i −cY i Z i =Z i (1−cY i )
(但しcは補正係数データ、i=1,2,・・・,n)
により補正して補正濃度データD i を算出することを特徴とする。
波長走査駆動信号は、図2に示すように、可変駆動信号S1、オフセット信号S2およびトリガ信号S3により一の単位波形となり、このような単位波形が一定周期で繰り返される信号である。
このような波長走査駆動信号は、図9で示した従来技術の波長走査駆動信号と同様の波形である。
このような間欠発光条件、すなわち、信号S1と信号S2の時間の比は、QCLであるレーザ素子204eの発熱量とペルチェ素子等の温度安定化手段の性能とを勘案して決定すれば良く、例えばS1:S2=1:4とすることにより、連続発光する場合と比較して、発熱量を1/5にまで低減することができる。
ここで、信号S4は予め設定値が判っているため、変化傾向を判定することができる。そこで、SO2の濃度測定とともに、オフセット信号S2をモニタリングし、このオフセット信号S2の変動率に応じて測定結果を補正するものである。
演算処理部209は、I/V変換回路208aにより電圧信号に変換された受光部207の出力信号のうちのトリガ信号S3に同期しつつ、同期検波回路208bからの検出信号を、内蔵するA/D変換器によりA/D変換してガス吸収波形信号データを生成し、このガス吸収波形データの最大値と最小値との差分から測定対象ガス濃度についての濃度データZiを算出する手段(濃度データ算出手段)として機能する。測定対象ガス濃度についての濃度データZiを算出する手法は従来技術と同様であり、トリガ信号S3を基準として特定したガス吸収波形データから算出する。
Yi=(Xi−Xmin)/Xmin=Xi/Xmin−1 (但し、i=1,2,・・・,n)
この変動率データYiは、MCT光導電素子の最低受光レベルを基準とし、時間別(または波形単位別)のMCT受光レベルを変動率データYi(i=1,2,・・・,n)として表している。
Di=Zi−cYiZi=Zi(1−cYi)
このようにして補正濃度データを用いて以下のガスレーザ分析を行うこととなる。
本発明によれば、QCLを間欠的に発光させることにより、光源部の放熱量を低減することが可能となる。その結果、光源部の冷却機構を簡素化することが可能となり、従来のレーザ式ガス分析計では不可能であったSO2,NO,NO2等のガス成分を測定する、低コストなレーザ式ガス分析計を提供することができる。
201a,201b:フランジ
202a,202b:取付座
203a,203b:カバー
204:光源部
204a:波長走査駆動信号発生部
204b:高周波変調信号発生部
204c:電流制御部
204d:温度制御部
204e:レーザ素子
204f:サーミスタ
204g:ペルチェ素子
204s:レーザ駆動信号発生部
205:コリメートレンズ
206:集光レンズ
207:受光部
207a:受光素子
207b:サーミスタ
207c:ペルチェ素子
207d:温度制御部
208:信号処理回路
208a:I/V変換回路
208b:同期検波回路
208c:発振器
208d:フィルタ
209:演算処理部
301:フランジ
302:レンズホルダ
303:レーザマウント
304:放熱フィン
305:空冷ファン
306:ケース
Claims (4)
- 周波数変調された中赤外領域レーザ光を出射する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光源側光学系と、この光源側光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された透過光を集光する受光側光学系と、この受光側光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路と、を有し、前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号に基づいて測定対象ガスの濃度を測定するレーザ式ガス分析計において、
前記光源部は、
中赤外領域レーザ光を発光するレーザ素子と、
ペルチェ素子により前記レーザ素子の温度を安定化させる温度安定化手段と、
前記レーザ素子への供給電流を直線的に変化させて前記レーザ素子の発光波長を徐々に変化させる信号であって測定対象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可変駆動信号と、前記レーザ素子のスレッショルド電流値未満の電流を前記レーザ素子に供給するような値の信号であって前記レーザ素子の発熱量を減少させるように前記レーザ素子の発光を停止するオフセット信号と、前記レーザ素子のスレッショルド電流値未満の電流を前記レーザ素子に供給するような値の信号であり、かつ一の前記可変駆動信号および一の前記オフセット信号を挟んで挿入される信号であって同期用のトリガ信号と、からなる単位波形が一定周期で繰り返される信号である波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号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、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
中赤外領域に感度を有する受光素子と、
ペルチェ素子によりこの受光素子の温度を安定化させる温度安定化手段と、
を備え、
前記信号処理回路は、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の2倍周波数成分の信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波回路と、
前記受光部の出力信号に含まれるトリガ信号に基づいて前記同期検波回路の前記検出信号からガス吸収波形信号を抽出し、このガス吸収波形信号から測定対象ガスの濃度を検出する手段と、前記受光部の出力信号のうちのトリガ信号に同期しつつ、前記同期検波回路からの前記検出信号をA/D変換してガス吸収波形信号データを生成し、このガス吸収波形信号データの最大値と最小値との差分から測定対象ガス濃度についての濃度データを算出する濃度データ算出手段と、前記受光部の出力信号のうちのトリガ信号に同期しつつ、前記受光部の出力信号のオフセット信号箇所をA/D変換してオフセットデータを生成するオフセットデータ生成手段と、最小値のオフセットデータである基準データおよび前記オフセットデータを用いて変動率データを算出する変動率データ算出手段と、前記変動率データに基づいて前記濃度データを補正して補正濃度データを算出する補正濃度データ算出手段と、を有する演算処理部と、
を備え、
前記レーザ駆動信号発生部は、前記波長走査駆動信号の前記可変駆動信号の出力時間に対して前記オフセット信号の出力時間を長い信号として前記レーザ素子の発熱時間を短縮するとともに、
前記温度安定化手段は、前記光源部および前記受光部を安定化させる安定範囲温度となるように前記光源部および前記受光部の温度調整を行って受発光を安定化させ、かつ、
前記信号処理回路は、前記光源部および前記受光部の特性変動の影響を吸収した補正濃度を算出することを特徴とするレーザ式ガス分析計。 - 請求項1に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記光源部の前記レーザ素子は、中赤外領域の波長を発光する量子カスケードレーザ(QCL:Quantum cascade laser)であり、
前記受光部の前記受光素子は、前記波長領域に感度を有するMCT(Mercury_Cadmium_Tellurium)光導電素子であることを特徴とするレーザ式ガス分析計。 - 請求項1または請求項2に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号の前記可変駆動信号の出力時間S1に対して前記オフセット信号の出力時間S2を長い信号としS1:S2=1:4とすることを特徴とするレーザ式ガス分析計。 - 請求項1〜請求項3の何れか一項に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記濃度データ算出手段は、ガス吸収波形信号データの最大値と最小値との差分により得た測定対象ガス濃度についての濃度データをZ i (i=1,2,・・・,n)とし、
前記オフセットデータ生成手段は、前記受光部の出力信号のうちのトリガ信号に同期しつつ、前記受光部の出力信号のオフセット信号箇所をA/D変換して得たオフセットデータをX i (i=1,2,・・・,n)とし、
前記変動率データ算出手段は、最小値のオフセットデータである基準データおよび前記オフセットデータを用いて変動率データY i を次式
[数1]
Y i =(X i −X min )/X min =X i /X min −1
(但し、i=1,2,・・・,n)
により算出し、
前記補正濃度データ算出手段は、前記変動率データに基づいて前記濃度データを次式
[数2]
D i =Z i −cY i Z i =Z i (1−cY i )
(但しcは補正係数データ、i=1,2,・・・,n)
により補正して補正濃度データD i を算出することを特徴とするレーザ式ガス分析計。
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