JP5278757B2 - レーザ式ガス分析計 - Google Patents

Description

本発明は、煙道内の各種の測定対象ガスの有無や濃度を分析するレーザ式ガス分析計に関する。

従来技術のレーザ式ガス分析計について説明する。まずレーザ式ガス分析計のガス濃度測定原理について説明する。図５はＮＨ_３ガスの吸収スペクトラム例を示す特性図である。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おり、例えば、この図５のＮＨ_３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラムの特性図に示すように、波長別に吸収量が相違する。

そこで、レーザ式ガス分析計は、レーザ光をガスに照射し、特定波長のレーザ光をガスの濃度に比例して吸収させ、この吸収量に基づいてガス濃度を測定する。このようなレーザ式ガス分析計の測定方式は、さらに、２波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。本発明は周波数変調方式に関するものである。

つづいて、周波数変調方式のレーザ式ガス分析計の計測原理について説明する。図６は、周波数変調方式の原理図を示している。この周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、中心周波数ｆ_ｃ、変調周波数ｆ_ｍで半導体レーザの出射光を周波数変調し、測定対象ガスに照射する。ここで、周波数変調とは、半導体レーザに供給するドライブ電流の波形を正弦波状にすることである。

周波数変調方式で距離の影響をキャンセルするためには、半導体レーザ素子の出力を周波数変調すると同時に周波数ｆ_ｍで振幅変調を行えばよいのであるが、半導体レーザ素子の出力に周波数変調を掛けると振幅変調も掛かるので、これが利用できる。

図６に示したように、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、受光部では変調周波数ｆ_ｍの２倍の周波数の信号（２倍周波数信号）が得られる。ここで、変調周波数ｆ_ｍは任意の周波数で良いため、例えば、変調周波数ｆ_ｍ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て、２倍周波数信号の抽出等の高度な信号処理を行うことが可能になる。

また、受光部によりエンベロープ検波を行えば振幅変調による基本波を推定でき、この基本波の振幅と前記２倍周波数信号の振幅との比を位相同期させて検出することで、距離に関係なく測定対象ガス濃度に比例した信号を得ることができる。

つづいて、周波数変調方式のレーザ式ガス分析計の構造について説明する。図７は従来技術のレーザ式ガス分析計を示す構造図であって、全体的な構成を示している。同図において、フランジ２０１ａ，２０１ｂは、例えば、煙道のように測定対象ガスが内部を通流する配管などの壁１０１ａ，１０１ｂに溶接等によって固定されている。一方のフランジ２０１ａには、取付座２０２ａを介して有底円筒状のカバー２０３ａが取り付けられている。

カバー２０３ａの内部には光源部２０４が配置されており、この光源部２０４から出射したレーザ光はコリメートレンズ２０５を含む光源側光学系によって平行光にコリメートされ、フランジ２０１ａの中心を通って壁１０１ａ，１０１ｂの内部（煙道内部）へ入射される。前記平行光は、壁１０１ａ，１０１ｂの内部にある測定対象ガスを透過する際に吸収を受ける。

他方のフランジ２０１ｂには、取付座２０２ｂを介して有底円筒状のカバー２０３ｂが取り付けられている。煙道内部を通過した平行光は、カバー２０３ｂ内部の受光側光学系である集光レンズ２０６により集光されて受光部２０７により受光され、電気信号に変換されて後段の信号処理回路２０８に入力される。

次に、光源部について説明する。図８は光源部２０４の構成を示している。この光源部２０４は、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とする波長走査駆動信号発生部２０４ａと、測定対象ガスの吸収波長を検出するために、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波で波長を周波数変調するための高調波変調信号発生部２０４ｂと、からなるレーザ駆動信号発生部２０４ｓを備えており、これらの信号発生部２０４ａ，２０４ｂの出力信号が合成されてレーザ駆動信号が生成されるようになっている。上記レーザ駆動信号は電流制御部２０４ｃにより電流に変換され、半導体レーザからなるレーザ素子２０４ｅに供給される。

また、レーザ素子２０４ｅには温度安定化手段が設けられている。この温度安定化手段は、温度制御部２０４ｄ、サーミスタ２０４ｆ、ペルチェ素子２０４ｇを備える。レーザ素子２０４ｅに近接して温度検出素子としてのサーミスタ２０４ｆが配置され、このサーミスタ２０４ｆにはペルチェ素子２０４ｇが近接して配置されている。このペルチェ素子２０４ｇは、サーミスタ２０４ｆの抵抗値が一定値になるように温度制御部２０４ｄによって制御され、結果としてレーザ素子２０４ｅの温度を安定化するように動作するものである。

ここで、波長走査駆動信号発生部２０４ａから出力される波長走査駆動信号は、図９に示すように、一定周期で繰り返されるほぼ台形波状の信号である。
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。

そして、このような波長走査駆動信号発生部２０４ａから出力される波長走査駆動信号に対し、高周波変調信号発生部２０４ｂからの高周波変調信号を合成して、レーザ駆動信号を生成する。このレーザ駆動信号は、図１０で示すように、高周波変調信号の周波数を１０ｋＨｚ、波長走査駆動信号の周波数を５０Ｈｚとしてあり、λ_１はオフセットに相当する波長、λ_２，λ_３はＮＨ_３ガスの吸収波長に相当する走査範囲の上下限値を示している。

次に、図１１は、受光部２０７および信号処理回路２０８の構成を示している。
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。

同期検波回路２０８ｂにおいて、測定対象ガスによるレーザ光の吸収が無い場合は、同期検波回路２０８ｂによって２倍波信号が検出されないので、同期検波回路２０８ｂの出力はほぼ直線となる。
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。

次いで、測定対象ガスの濃度測定方法について述べる。
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ＮＨ_３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。

また、レーザ式ガス分析計の他の従来技術として、例えば、特許文献１（国際公開第ＷＯ２００８／０９６５２４号公報、発明の名称「レーザ式ガス分析計」）に記載の発明が知られている。
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。

国際公開第ＷＯ２００８／０９６５２４号公報

近年、半導体レーザの一種である、室温で連続発振可能な量子カスケードレーザ（以下、Quantum cascade laserの略称であるＱＣＬと称する）が実用化された。ＱＣＬは従来の半導体レーザでは実現不可能であった中赤外領域（４〜１０μｍ）という広範囲な領域の波長を発光することができる。このＱＣＬを用いることにより、ＳＯ_２，ＮＯ，ＮＯ_２等のように中赤外領域レーザ光に吸収波長が含まれるガス成分を測定するというような、従来技術では不可能であったレーザ式ガス分析計とすることができる。

図１２に、ＳＯ_２ガスの吸収スペクトラム例を示す。前記の周波数変調方式と同様の装置構成によって、ＳＯ_２濃度測定を行う場合、ＱＣＬの波長は７．２〜７．４μｍとすることが好ましい。また、受光素子として、前記波長領域に感度を有する赤外線検出素子、例えばＭＣＴ（Mercury_Cadmium_Tellurium）光導電素子（以下、ＭＣＴと表記する）を用いることが好ましい。
図１３にＳＯ_２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、ＳＯ_２濃度測定が可能となる。

さてＱＣＬは従来のレーザ式ガス分析計で使用している半導体レーザと比較して、大きな駆動電流を必要とするため、光源部２０４の放熱量が大きくなり、発光が安定しなくなるという特性がある。
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ＳＯ_２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。

そこで、このような現象を防止するためには、高度なノイズ対策や温調制御が必要であるが、信号処理回路や冷却性能に関する発光部および受光部の装置構成が複雑かつ高コストになってしまうという問題があった。特にＱＣＬを連続発光する場合は、光源部の発熱が過大となり、従来の構成では放熱不足となることからペルチェ素子による温度制御が困難であった。

そのためＱＣＬを用いる場合には、例えば図１５に示すように、フランジ３０１、レンズホルダ３０２、レーザマウント３０３、発光部回路ボックス３０６を有する発光部に対し、放熱フィン３０４、空冷ファン３０５により冷却している。このように放熱フィン３０４や空冷ファン３０５等を追加して設ける必要があり、高コストかつ複雑な構造となってしまう。構造の簡素化やコスト低減が要請されている。

そこで、本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価かつ簡易な構造で、従来では不可能であった中赤外領域に固有の光吸収スペクトルがあるＳＯ_２，ＮＯ，ＮＯ_２等のガス成分を測定するレーザ式ガス分析計を提供することにある。

本発明の請求項１に係るレーザ式ガス分析計は、
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。

また、本発明の請求項２に係るレーザ式ガス分析計は、
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。

また、本発明の請求項３に係るレーザ式ガス分析計は、
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。

また、本発明の請求項４に係るレーザ式ガス分析計は、
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。

本発明によれば、安価かつ簡易な構造で、従来では不可能であった中赤外領域に固有の光吸収スペクトルがあるＳＯ_２，ＮＯ，ＮＯ_２等のガス成分を測定するレーザ式ガス分析計を提供することができる。

本発明の実施の形態のレーザ式ガス分析計の受光部、信号処理回路および演算処理部の構成図である。 本発明の実施の形態のレーザ式ガス分析計の走査波形を示す図である。 オフセットデータを表す信号Ｓ４と濃度値との経時変化例を示す図である。 濃度値と補正濃度値との経時変化を示す図である。 ＮＨ_３ガスの吸収スペクトラム例を示す特性図である。 周波数変調方式の原理図である。 従来技術（本形態）のレーザ式ガス分析計を示す構造図である。 光源部の構成図である。 波長走査駆動信号発生部からの出力信号図である。 レーザ素子の走査波形、ＮＨ_３ガスの吸収波形、同期検波回路の出力波形を示す図である。 受光部および信号処理回路の構成図である。 ＳＯ_２ガスの吸収スペクトラム例を示す図である。 ＳＯ_２濃度測定時の同期検波回路の出力波形を示す図である。 ＳＯ_２濃度測定結果例を示す図である。 発光部の放熱構造部を示す図である。

続いて、本発明を実施するための形態について図を参照しつつ以下に説明する。図１は、本発明の実施の形態のレーザ式ガス分析計のうち、変更された受光部、信号処理回路および演算処理部の構成図である。本形態のレーザ式ガス分析計は、その全体的な構成およびガス濃度測定方法が図５〜図１１に示した従来技術例とほぼ同様であるが、以下に示す４点が相違点として挙げられる。

第１の相違点としては、図１に示すように、受光部２０７、信号処理回路２０８および演算処理部２０９の構成が変更されている。さらにレーザ素子２０４ｅ（図８参照）はＱＣＬを、受光素子２０７ａ（図１参照）は前記ＱＣＬによる中赤外領域レーザ光の波長領域に感度を有する赤外線検出素子、例えばＭＣＴ光導電素子を使用する点が挙げられる。

また、第２の相違点としては、ＭＣＴ光導電素子は低温でないと十分な感度が得られないため、ＭＣＴ光導電素子である受光素子２０７ａに対して、図１で示すような温度安定化手段を受光部２０７に設けた点が第２の相違点として挙げられる。図１１で示した受光部と比較すると、図１の受光部２０７は、受光素子２０７ａとしてＭＣＴ光導電素子が選択され、さらにサーミスタ２０７ｂ、ペルチェ素子２０７ｃ、温度制御部２０７ｄによる温度安定化手段が追加された点で相違する。

この温度安定化手段は、サーミスタ２０７ｂ、ペルチェ素子２０７ｃ、温度制御部２０７ｄを備える。具体的には、ＭＣＴ光導電素子内にサーミスタ２０７ｂやペルチェ素子２０７ｃが内蔵される。このようにレーザ素子２０７ａに近接して温度検出素子としてのサーミスタ２０７ｂが配置され、このサーミスタ２０７ｂにはペルチェ素子２０７ｃが近接して配置されている。

このペルチェ素子２０７ｃは、サーミスタ２０７ｂの抵抗値が一定値になるように温度制御部２０７ｄによって制御され、結果として受光素子２０７ａの温度を安定化するように動作するものである。このような温度安定化手段により、例えばＭＣＴ光導電素子の動作温度を−３℃で一定にする。

また、第３の相違点としては、波長走査駆動信号を変更する点が挙げられる。
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。

波長走査駆動信号の可変駆動信号Ｓ１は、図８のレーザ素子２０４ｅへの供給電流を直線的に変化させてレーザ素子２０４ｅの発光波長を徐々に変化させる信号であり、図２における信号Ｓ１である。信号Ｓ１では、吸収波長を走査する信号であり、図８で示すように、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部分である。この信号Ｓ１によってレーザ素子２０４ｅの発光波長を徐々にずらしていくことができ、信号Ｓ１の傾き、すなわち、供給電流の変化量によって、発光波長をサブｎｍ〜数ｎｍの範囲で走査可能である。

なお、図２では、高周波変調信号の周波数を４ｋＨｚ、波長走査駆動信号の周波数を５Ｈｚとしてあり、λ_１、λ_２はＳＯ_２ガスの吸収波長に相当する走査範囲の上下限値を示している。

波長走査駆動信号のオフセット信号Ｓ２は、レーザ素子２０４ｅの発光が安定する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とした信号であり、図２における信号Ｓ２である。図２における信号Ｓ２は、レーザ素子２０４ｅを発光させないオフセット部分である。波長走査駆動信号発生部２０４ａがこのオフセット信号Ｓ２を出力しているタイミングではＱＣＬは未発光である。

波長走査駆動信号のトリガ信号Ｓ３は、パルス状の信号であり、同期用に挿入された信号である。トリガ信号Ｓ３もレーザ素子２０４ｅを発光させない部分であり、レーザ素子２０４ｅの発光が安定するスレッショルド電流値未満の値（オフセット信号Ｓ２よりも低い値であり、例えば０）にしておく。したがって、波長走査駆動信号発生部２０４ａがこのトリガ信号Ｓ３を出力しているタイミングではＱＣＬは未発光である。この信号Ｓ３は、信号Ｓ１から信号Ｓ２へ切り替わる間に挿入されている。

なお、波長走査駆動信号のλ_１、λ_２はＳＯ_２ガスの吸収波長に相当する走査範囲として説明しているが、ＳＯ_２以外にも、ＮＯのガス成分を測定したり、または、ＮＯ_２のガス成分を測定することができる。しかしながら、ＱＣＬの特性（電流や温度による波長走査可能範囲）とＳＯ_２，ＮＯ，ＮＯ_２の吸収スペクトルを勘案すると、ＳＯ_２，ＮＯ，ＮＯ_２の何れか一つについての単成分計として個別に測定するレーザ式ガス分析計となる。この場合レーザ式ガス分析計では、ＳＯ_２，ＮＯ，ＮＯ_２等の中から一つ選定された測定対象の吸収波長に対応した発光波長を持つＱＣＬが選定され、この測定対象のガス成分に応じて中赤外領域のλ_１、λ_２が設定される。

Ｉ／Ｖ変換器２０８ａからの出力信号を入力した演算処理部２０９はこのトリガ信号Ｓ３を抽出することが可能である。このトリガ信号Ｓ３は、波長走査駆動信号の一周期を表しており、このトリガ信号の周期に対し、同期検波回路２０８ｂの検出信号との間には一定の時間的な相関関係がある。つまり、測定対象ガスが存在する場合に、トリガ信号の周期（トリガ信号Ｓ３の周期）から得られるトリガ発生タイミングに対してガス吸収波形の最大値や最小値が発生するタイミングは、予めほぼ正確に検出可能である。
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。

しかしながら、従来技術と比較すると、本発明における特徴的な相違点は、オフセット信号Ｓ２がレーザ素子２０４ｅの発光が安定するスレッショルド電流値未満であり、さらに可変駆動信号Ｓ１の時間に対してオフセット信号Ｓ２の時間が大幅に長い点にある。
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。

従来技術では光源部２０４を連続発光させたり、または、少し停止するが殆ど連続して発光させるというものであったため、仮にＱＣＬを用いると光源部の発熱が過大となり、ペルチェ素子による温度制御が困難になることが予想されたが、本発明では上記のようにＱＣＬを発光時間よりも消光時間が長いように間欠発光させることにより、ＱＣＬの発熱量を低減し、従来のレーザ式ガス分析計と同等の構成およびコストでＱＣＬの使用が可能となる。発光時間と消光時間との割合は、温度安定化手段（図８の温度制御部２０４ｄ、サーミスタ２０４ｆ、ペルチェ素子２０４ｇ）により温度安定化が可能な限界温度を想定したとき、この限界温度よりも低い温度となるように発光時間と消光時間との割合が決定される。この場合、少なくとも発光時間よりも消光時間を長くして、温度を低下させる。

また、第４の相違点としては、図１に示す演算処理部２０９が測定値を補正しながら計測を行う補正計測手段として機能する点が挙げられる。このような処理を行うため回路構成も変更されており、図１１で示した従来技術の信号処理回路と比較すると、図１の信号処理回路２０８および演算処理部２０９において、トリガ信号抽出のため、Ｉ／Ｖ変換器２０８ａと演算処理部２０９とが接続された点で相違する。

この補正計測手段は、主にＭＣＴの特性変動に応じて測定値を補正する。まず、補正原理について図を参照しつつ説明する。図３にオフセットデータを表す信号Ｓ４と濃度値との経時変化例を示す。

図３の下側の波状の信号Ｓ４は、オフセット信号Ｓ２を、例えば、１０秒毎に取得したものである。オフセット信号Ｓ２はトリガ信号Ｓ３を基準にすることで取得することができる。このような波状の線は、デジタルデータであるオフセットデータ（後述）をつなげてアナログ的に表現したものを表す。また、図３の上側の折れ線がＳＯ_２濃度を表す濃度値を示す信号である。オフセット信号Ｓ２を取得したときの可変駆動信号Ｓ１から得られた濃度値をつなげてアナログ的に表現したものを表す。

このような特性において、外乱等によるＭＣＴの特性変動により、濃度値も変動しており、ゼロ点安定性の規格値であるフルスケール比±２％（以下、±２％ＦＳのように表記）を超過し、約±３％ＦＳであることが分かる。また、本来は一定値であるオフセット信号Ｓ４も周囲温度の変動等の影響により所定周期で増減しており、また、時間が経過するにつれて上昇傾向にある。
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、ＳＯ_２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。

続いて具体的な補正について説明する。この補正処理は、所定期間のデータを一括して補正する処理である。まず、分析を開始したとする。
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Ｚ_ｉ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Ｚ_ｉ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。

続いて演算処理部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（例えばトリガ信号Ｓ３を基準として数ｍ〜数１０ｍｓ後に）、Ｉ／Ｖ変換回路２０８ａの出力信号のオフセット信号Ｓ２のある箇所を、内蔵するＡ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換してオフセットデータＸ_ｉを生成し、このオフセットデータＸ_ｉを演算処理部２０９の図示しないメモリに保存する手段（オフセットデータ生成手段）として機能する。

演算処理部２０９は、上記濃度データ算出手段および上記オフセットデータ生成手段を交互に所定期間（例えば１０分間）まで行う。すると、演算処理部２０９の図示しないメモリ部には、上記のような濃度データＺ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）およびオフセットデータＸ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）が蓄積される。このｉが異なると取得された時間が異なる。つまりｉは時間を表す。また、波形単位別にｉを異ならせるように設定しても良い。

演算処理部２０９は、続いて、オフセットデータＸ_ｉの最小値である基準データＸ_ｍｉｎ、および、オフセットデータＸ_ｉを用いて変動率データＹ_ｉを算出する手段（変動率データ算出手段）として機能する。

基準データＸ_ｍｉｎは、具体的には、演算処理部２０９の図示しない内蔵メモリに保存されたオフセットデータＸ_ｉの中から最小値であるオフセットデータを探索して最小値であるオフセットデータを抽出し、以後基準データＸ_ｍｉｎとして用いるため内蔵メモリへ別途保存する。

変動率データＹ_ｉは、具体的には、ある時点でのオフセットデータＸ_ｉから基準データＸ_ｍｉｎを差分し、その差分データを基準データＸ_ｍｉｎで除して算出したものである。このような変動率データＹ_ｉは次式のようになる。

［数１］
Ｙ_ｉ＝（Ｘ_ｉ−Ｘ_ｍｉｎ）／Ｘ_ｍｉｎ＝Ｘ_ｉ／Ｘ_ｍｉｎ−１ （但し、ｉ＝１，２，・・・，ｎ）

このような変動率データＹ_ｉは全てのオフセットデータＸ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）についてそれぞれ算出される。つまり時間別（または波形単位別）に算出される。
この変動率データＹ_ｉ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Ｙ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）として表している。

演算処理部２０９は、変動率データＹ_ｉに基づいて濃度データＺ_ｉを補正して補正濃度データＤ_ｉを算出する手段（補正濃度データ算出手段）として機能する。具体的には、時間別（または波形単位別）の濃度データＺ_ｉに変動率データＹ_ｉ と補正係数データｃとを乗じ、その値を濃度データＺ_ｉから減ずることによって、補正濃度データＤ_ｉを得る。補正濃度データＤ_ｉは次式のようになる。

［数２］
Ｄ_ｉ＝Ｚ_ｉ−ｃＹ_ｉＺ_ｉ＝Ｚ_ｉ（１−ｃＹ_ｉ）

このような補正濃度データＤ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）がそれぞれ算出される。つまり時間別（または波形単位別）に算出される。
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。

図４に濃度データを表す濃度値と補正濃度データを表す補正濃度とを合わせて示す。この補正濃度データについては、前記補正によりゼロ点安定性は約±１．６％ＦＳとなり、規格値（±２％ＦＳ）を満足することが可能となる。

なお、この補正ではＭＣＴの特性変動を念頭においているが、仮にＱＣＬの光量が変動したとしてもトリガ抽出信号が変化することからＱＣＬの上記変動も補正される。このようにＭＣＴやＱＣＬの特性変動が補正されるため、計測精度の向上に寄与する。

以上、本発明のレーザ式ガス分析計について説明した。
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ＳＯ_２，ＮＯ，ＮＯ_２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。

さらに、ＭＣＴの特性変動をリアルタイムで監視し、その変動率に応じて測定値を補正することにより、ＱＣＬを用いたレーザ式ガス分析計の測定精度を向上させることができる。

本発明のレーザ式ガス分析計は、中赤外領域の固有の光吸収スペクトルがあるＳＯ_２，ＮＯ，ＮＯ_２等のガス成分の測定に適用することができる。

１０１ａ，１０１ｂ：壁
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

Images