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JP2013156113A - Laser type gas analyzer - Google Patents

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JP2013156113A
JP2013156113A JP2012016125A JP2012016125A JP2013156113A JP 2013156113 A JP2013156113 A JP 2013156113A JP 2012016125 A JP2012016125 A JP 2012016125A JP 2012016125 A JP2012016125 A JP 2012016125A JP 2013156113 A JP2013156113 A JP 2013156113A
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JP
Japan
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laser
light
optical fiber
light receiving
signal
Prior art date
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Pending
Application number
JP2012016125A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaya Tahara
雅哉 田原
Kazuhiro Koizumi
和裕 小泉
Noritomo Hirayama
紀友 平山
Hideyuki Konishi
英之 小西
Hideo Kanai
秀夫 金井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser type gas analyzer which achieves highly accurate measurement by reducing an interference noise caused by a laser beam.SOLUTION: In a laser type gas analyzer 10, the light emitted by a laser element 204e of a laser source part 20 is applied to a measuring object space 1 in which measured gas exists by using a floodlighting optical fiber 205, and vibration means 203 is provided on an end part of the floodlighting optical fiber 205 so as to minutely vibrate the floodlighting optical fiber 205.

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。   The present invention relates to a laser type gas analyzer that measures the concentration of a gas with a laser beam.

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。   It is known that each gaseous gas molecule has its own light absorption spectrum. Gas analyzers using laser light (hereinafter referred to as “laser-type gas analyzers”) utilize the fact that the absorption amount of laser light at a specific wavelength is proportional to the concentration of the gas to be measured (measurement target gas). It is a device that measures. Gas concentration measurement methods are roughly classified into a frequency modulation method (see Patent Document 1) and a two-wavelength difference method (see Patent Document 2).

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。   In a laser gas analyzer, interference light is generated due to multiple reflections of light between optical components such as between a laser element and a collimating lens, or between a condenser lens and a light receiving element, due to the coherent nature of the laser light. Then, it is superimposed on the received light signal as interference noise. Since this interference noise fluctuates due to changes in the external environment (particularly temperature), this hinders high sensitivity and high stability of the apparatus.

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。
Therefore, in recent years, a laser-type gas analyzer provided with means for reducing interference light due to multiple reflection of light between the optical components described above has been studied (see Patent Document 3).
FIG. 7 shows a laser gas analyzer described in Patent Document 3. In the laser type gas analyzer 700, a light projecting / receiving unit 710 and a reflection unit 720 are arranged to face each other with a predetermined measurement optical path length in a measurement atmosphere (gas G).

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。   The light projecting / receiving unit 710 receives and detects the light source unit 730 including a laser element, the condensing lens 740 that condenses the light emitted from the light source unit 730 and passed through the gas, and the light collected by the condensing lens 740. A light receiving element 750A, a light receiving signal processing unit 750B that calculates a gas concentration by processing a light receiving signal detected by the light receiving element 750A, and a vibration unit 760 that slightly vibrates the condenser lens 740 in the optical axis direction. The vibration unit 760 includes various motors such as a vibration motor and a driving unit such as a piezoelectric element, and is directly attached to the condenser lens 740. On the other hand, the reflection unit 720 includes a reflection plate 790 that reflects the laser light from the light projecting / receiving unit 710 toward the measurement atmosphere again.

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。   The laser light emitted from the light source unit 730 is reflected by the reflection mirrors 770A and 770B, and then emitted from the glass window 780 provided at the center position of the condenser lens 740 toward the measurement atmosphere. The light emitted from the glass window 780 passes through the measurement atmosphere, is reflected by the reflection plate 790, passes through the measurement atmosphere again, is collected by the condenser lens 740, and is received by the light receiving element 750A. The received light is converted into an electrical signal and then subjected to signal processing by the received light signal processing unit 750B.

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。   In the laser-type gas analyzer 700 configured as described above, when the vibration unit 760 is operated during the gas detection operation, the condenser lens 740 and the window portion 780 in the light projecting / receiving unit 710 vibrate slightly in the optical axis direction. Thus, the distance D1 between the reflection mirror 770B and the window portion 780, the distance D2 between the window portion 780 and the reflection plate 790, the distance D3 between the reflection plate 790 and the condensing lens 740, and the condensing lens 740. And the distance between the optical members such as the distance D4 between the light receiving element 750A and the light receiving element 750A change. As a result, the reflection position of the interference light on the surface of the window portion 780, the surface of the condenser lens 740, and the surface of the reflection plate 790 is changed to cause a phase shift. As a result, the interference light generated at the distances D1 to D4 is averaged during multiple reflection, and interference light unnecessary for measurement can be reduced.

特開平7−151681号公報(段落[0005]、図4等)Japanese Patent Laid-Open No. 7-151681 (paragraph [0005], FIG. 4 etc.) 特開2001−235418号公報(段落[0012]〜[0024]、図2,図11等)JP 2001-235418 A (paragraphs [0012] to [0024], FIG. 2, FIG. 11 etc.) 特開2008−70314号公報(段落[0020]、図1等)JP 2008-70314 A (paragraph [0020], FIG. 1 etc.)

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。   As shown in Patent Document 3, the method of minutely vibrating the condenser lens during gas detection is an effective method for reducing interference noise derived from laser light, which is a noise factor that hinders gas concentration measurement. There are the following problems.

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。   First, in a laser type gas analyzer, since the laser beam is normally expanded and irradiated on the measurement target space, the lens diameter of the condensing lens 740 becomes as large as about 25 to 30 mm. In addition, when measuring the gas concentration in a high temperature and highly corrosive atmosphere such as a flue, it is necessary to use quartz glass having heat resistance and corrosion resistance as a material for the condenser lens 740. The weight of the condensing lens 740 becomes heavier than when a lens is used. In order to vibrate such a large and heavy glass lens, the vibration means 760 also has a large and complicated structure, which causes an increase in cost.

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。   Further, as shown in FIG. 7, the condenser lens 740 is disposed in a state exposed to the outside of the light projecting / receiving unit 710, and has a structure in which the gas in the flue is directly touched. Usually, in order to prevent gas from leaking outside the flue, the inside of the flue, which is the measurement target space, has a negative pressure with respect to the outside air. For this reason, when the condensing lens 740 is vibrated, there is a concern that it may be difficult to vibrate the condensing lens 740 due to the pressure difference between the inside and outside of the flue. Further, it is not preferable from the viewpoint of structural reliability to vibrate the condensing lens 740 having the function of keeping the inside of the unit secret. Although it is conceivable to cover the front surface of the condensing lens 740 with a glass plate or the like so that the condensing lens 740 is not exposed to the outside, it is difficult to apply because this glass plate further increases interference light. .

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。   In addition, with regard to conventional laser gas analyzers, for example, it is conceivable to reduce interference noise by vibrating a laser light source section having a semiconductor laser element. In that case, thermistor or Peltier installed in the laser element is also conceivable. Since the element is vibrated together, the heat dissipation condition of the Peltier element may change due to vibration, and it may become impossible to control the temperature precisely for the laser element, or the Peltier element may be damaged. The measurement accuracy of the apparatus may be reduced.

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。   If an optical fiber type laser gas analyzer that irradiates laser light emitted from a laser light source (semiconductor laser element) using an optical fiber toward the measurement target space, a semiconductor laser is located near the measurement target space. Since there is no need to install an element, temperature control can be accurately performed, and interference noise can be suppressed to some extent by, for example, obliquely polishing the end face of the optical fiber. However, the end face of the optical fiber has a diameter of about 100 μm and has an area more than 10 times that of the exit end face of the semiconductor laser element, so that interference noise is likely to occur and high-precision measurement can be realized for low-concentration gas. However, it is not enough to suppress interference noise by oblique polishing.

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。   The present invention has been made in view of the above points, and reduces interference noise derived from laser light, which is a noise factor that hinders gas concentration measurement, so that even when the measurement target gas has a low concentration, high accuracy is achieved. It is an object of the present invention to provide a laser type gas analyzer capable of performing measurement.

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。
A laser type gas analyzer according to claim 1 of the present invention comprises:
A laser light source unit having a laser element, a wavelength scanning drive signal for changing the emission wavelength of the laser element so as to scan the absorption wavelength of the gas to be measured, and a modulation signal for modulating the emission wavelength are synthesized. A laser drive signal generator that outputs a laser drive signal; a current controller that converts the signal output from the laser drive signal generator into a current to drive the laser element; and light emitted from the laser element. A laser beam emitting optical system for irradiating the gas to be measured; a condensing optical system for condensing the light transmitted through the gas to be measured; and a light receiving element for measuring the intensity of the light collected by the condensing optical system; A laser-type gas analyzer that includes a light-receiving signal processing unit that processes a light-receiving signal output from the light-receiving element, and that detects a concentration of a gas component to be measured based on a processing result of the light-receiving signal processing unit.
The laser light emitting optical system includes a light projecting optical fiber that guides light emitted from the laser element, and a first optical fiber that slightly vibrates the optical fiber at an end of the light projecting optical fiber. A vibration means is provided.

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。   A laser gas analyzer according to a second aspect of the present invention is the laser gas analyzer according to the first aspect, wherein the light reception signal output from the light receiving element is guided to the light reception signal processing unit via a light receiving optical fiber. A second optical fiber vibrating means for minutely vibrating the optical fiber is provided at the end of the light receiving optical fiber.

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。   In the laser type gas analyzer according to the present invention, the laser light emitted from the laser light source unit having the semiconductor laser element is irradiated toward the measurement target space through the optical fiber for projection, and the vibration means is used. The end of the light projecting optical fiber is minutely oscillated in the direction of the optical axis of the measurement light. This enables precise temperature control of the semiconductor laser element to obtain a stable laser output. The interference noise derived from the laser beam due to the increase in the area can be suppressed. Therefore, according to the laser gas analyzer of the present invention, it is possible to perform gas concentration analysis with high accuracy even when the measurement target gas has a low concentration.

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。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of the laser type gas analyzer of the present embodiment. 図2は、レーザ光源部の概略構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the laser light source unit. 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。3A is a waveform diagram of the scanning drive signal output from the wavelength scanning drive signal generator, FIG. 3B is a waveform diagram of the modulation signal output from the harmonic modulation signal generator, and FIG. c) is a waveform diagram of a drive signal output from the current control unit. 図4は、受光信号処理部の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of the light reception signal processing unit. 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。FIG. 5 is a diagram illustrating the light reception signal, the output signal of the synchronous detection circuit, and the trigger signal. 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。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a signal waveform when there is no vibration and a signal waveform when there is a signal. 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。FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a conventional laser gas analyzer equipped with a vibrating means for minutely vibrating the condenser lens.

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。   Exemplary embodiments of a laser type gas analyzer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, the present invention will be described based on an example in which the present invention is applied to a frequency modulation type laser gas analyzer.

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。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a laser type gas analyzer 10 of the present embodiment. A laser type gas analyzer 10 illustrated in FIG. 1 is installed on walls W1 and W2 of piping such as a flue, which is a measurement target space 1 through which a gas to be measured G passes.
The pair of flanges 11a and 11b are formed in a cylindrical shape with both ends opened, and are fixed to the flue walls W1 and W2 by welding or the like. The light projecting unit housing 13 and the light receiving unit housing 14 are formed in a bottomed cylindrical shape with one end opened and the other end closed. Installed.

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。   The light emitted from the laser light source unit 20 having the laser element is guided into the light projecting unit housing 13 by the light projecting optical fiber 205, converted into parallel light by the optical system including the collimating lens 30, and then measured. The laser beam L is irradiated toward the measurement target space 1. The measurement laser beam L is absorbed by the gas when passing through the measurement gas existing in the flue. The measurement laser light L that has passed through the flue is collected by the condenser lens 40 disposed in the light receiving unit housing 14, then received by the light receiving element 50, and received by the light receiving optical fiber 601. To 60.

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。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the laser light source unit 20 shown in FIG. The laser light source unit 20 is configured as a unit in which a plurality of components such as a semiconductor laser element described below are accommodated in a package. As shown in FIG. 2, the laser light source unit 20 includes a wavelength scanning drive signal generation unit 204a and a high frequency modulation signal generation unit 204b as a wavelength control unit 204s, a current control unit (laser element driving unit) 204c, and a laser. The element 204e, the thermistor 204f, the Peltier element 204g, and the temperature controller 204d are accommodated.

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。   The wavelength scanning drive signal generator 204a generates a wavelength scanning signal that makes the emission wavelength of the laser element 24e variable so as to scan the absorption wavelength of the gas to be measured. The high-frequency modulation signal generation unit 204b generates a sine wave signal of, for example, about 10 kHz and frequency-modulates the wavelength in order to detect the gas absorption waveform. The current control unit 204c drives a laser element using a signal (laser drive signal) obtained by synthesizing the wavelength scan signal generated by the wavelength scan drive signal generation unit 204a and the sine wave signal generated by the high frequency modulation signal generation unit 204b. The laser element 204e is driven by converting into current.

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。   The laser element 204e is a semiconductor laser (LD: laser diode), and emits laser light by a driving current supplied from the current control unit 204c. The thermistor 204f is a temperature detection element for detecting the temperature of the laser element 204e, and is disposed in contact with the laser element 204e. The Peltier element 204g is a heating / cooling means for the laser element 204e, and is disposed in contact with the thermistor 204f. The temperature control unit 204d controls the Peltier element 204g based on the temperature measured by the thermistor 204f, and thereby maintains the temperature of the laser element 204e at a constant temperature, thereby controlling the oscillation wavelength of the laser light.

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。   FIG. 3A shows an example of a current waveform output from the wavelength scanning drive signal generator 204a of FIG. The wavelength scanning drive signal S1 for scanning the light absorption characteristics of the gas to be measured changes the emission wavelength gradually by linearly changing the drive current value of the laser element 204e, for example, scanning the light absorption characteristics of about 0.2 nm. . On the other hand, the signal S2 is for maintaining the drive current value to be equal to or higher than the threshold current at which the laser element 204e is stable and to emit light at a constant wavelength. Further, in the signal S3, the drive current value is set to 0 mA. The trigger signal is a signal synchronized with the signal S3.

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。
FIG. 3B is a waveform diagram of the modulation signal output from the high frequency modulation signal generator 204b of FIG. 2, and the signal S4 for detecting the light absorption characteristics of the measurement target gas is, for example, a sine wave having a frequency of 10 kHz. And the wavelength width is modulated by about 0.02 nm.
FIG. 3C is a waveform diagram of the drive signal output from the current control unit 204c of FIG. 2. When this drive signal S5 is supplied to the laser element 204e, the laser element 204e receives 0. 0 of the measurement target gas. Modulated light capable of detecting light absorption characteristics of about 2 nm with a wavelength width of about 0.02 nm is output.

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。   FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the received light signal processing unit 60 in FIG. The light receiving element 50 in FIG. 1 is, for example, a photodiode, and an element having sensitivity to the emission wavelength of the laser element 204e is applied. When the output of the light receiving element 50 is sent to the light receiving signal processing unit 60 via the light receiving optical fiber 601, it is converted into a voltage output by the IV converter 61 of FIG. 4, and a high frequency noise component is removed by the low pass filter 64A. Is done. The output signal from the low-pass filter 64A is input to the synchronous detection circuit 63 to which the 2f signal (double wave signal) from the oscillator 62 is added, and only the amplitude of the double frequency component of the modulation signal of the laser beam is extracted. The output signal of the synchronous detection circuit 63 is subjected to noise removal and amplification by the low-pass filter 64B, and is sent to the arithmetic unit 65. The calculation unit 65 performs calculation processing for gas concentration detection.

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。   A gas concentration detection method using the laser gas analyzer 10 configured as described above will be described. First, the temperature of the laser element 204e is detected in advance by the thermistor 204f. Further, the temperature control unit 204d controls the energization of the Peltier element 204g so that the temperature of the laser element 204e is set to a desired temperature so that the measurement gas G can be measured at the central portion of the wavelength scanning drive signal S1 shown in FIG. keep.

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。   The laser element 204e is driven by changing the drive current while maintaining the temperature of the laser element 204e at a desired temperature, and the measurement laser light L is irradiated toward the flue where the gas G to be measured exists, and the light receiving element Light is incident on 50. When laser light is absorbed by the gas to be measured, the second harmonic signal is detected by the synchronous detection circuit 63, and an absorption waveform of the gas appears. FIG. 5 shows an output waveform of the synchronous detection circuit 63 when the gas is detected.

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。   Subsequently, the trigger signal a is input to the calculation unit 65 from the wavelength scanning drive signal generation unit 204a. The trigger signal is a signal that is output every cycle including the above-described S1, S2, and S3, and is output from the wavelength scanning drive signal generation unit 204a of the laser light source unit 20 and received through a communication line (not shown). The signal is input to the calculation unit 65 of the signal processing unit 60. The trigger signal is synchronized with S3 of the wavelength scanning drive signal described above. In FIG. 5, a region A surrounded by a dotted line is an output waveform obtained when the measurement gas G exists. As shown in FIG. 5, when a predetermined time tb, tc, td elapses from the trigger signal, the minimum value B at point B, the maximum value C at point C, and the minimum value D at point D in the output waveform of the synchronous detection circuit 63 are as follows. Detected. These predetermined times tb, tc, td are experimentally calculated in advance and registered in the memory before factory shipment or at the time of calibration.

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。   The calculation unit 65 reads and stores the value of the output waveform of the synchronous detection circuit 63 when a predetermined time tb, tc, td has elapsed from the trigger signal, and then performs a process of calculating the concentration. This synchronous detection circuit output waveform outputs the maximum value as the concentration, for example, because the maximum value at the peak of the waveform directly represents the gas concentration. Alternatively, the difference value obtained by subtracting the minimum value from the maximum value is used as the density.

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。   Although the gas concentration can be detected by the above-described method, since the laser element 204e is used as a light source, for example, between the laser element 204e and the incident end face of the optical fiber 205 due to its extremely high coherence, A part of the laser beam is multiple-reflected between the end face on the emission side of the optical fiber 205 and the collimating lens 30, and this multiple reflected light becomes interference noise.

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。   In order to reduce this interference noise, in this embodiment, the vibration means 203 (first optical fiber vibration means) provided in the light projecting section housing 13 shown in FIG. The end portion is minutely vibrated to change the distance between the end face of the light projecting optical fiber 205 and the collimating lens 30. The vibration means 203 includes a piezoelectric vibration unit 201 and a vibration control unit 202 configured using piezoelectric elements. An end of a projecting optical fiber 205 is connected to the piezoelectric vibration unit 201, and the piezoelectric vibration unit 201 vibrates at a vibration frequency and amplitude (amount of displacement in the optical axis direction) based on a command signal from the vibration control unit 202. As a result, the end of the light projecting optical fiber 205 slightly vibrates in the optical axis direction of the measurement laser light L. The amplitude of this minute vibration is about several μm to several tens of μm. Further, the vibration frequency of the piezoelectric vibration unit 201 is set to be 10 times or more (for example, 100 kHz or more) or 1/10 times or less (for example, 1 kHz) of the frequency (for example, 10 kHz) of the sine wave signal by the high frequency modulation signal generating unit 204a. Is desirable. When the vibration frequency of the piezoelectric vibration unit 201 is greater than 1/10 times and less than 10 times the frequency of the sine wave signal, it is difficult to separate the laser modulation frequency (for example, 10 kHz) from the vibration frequency, and it is difficult to remove interference noise. Become.

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。   When the distance between the end face of the light projecting optical fiber 205 and the collimating lens 30 is changed by the vibration means 203, it is generated by the multiple reflected light between the end face of the light projecting optical fiber 205 and the surface of the collimating lens 30. The intensity of the interference light is fluctuating because the conditions for generating interference change. The period of the interference light fluctuation is equal to the vibration frequency of the piezoelectric vibration unit 201. Therefore, it is possible to remove interference noise from the detection signal by filter processing such as a low-pass filter that can remove the vibration frequency component.

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。   FIG. 6 shows an example of an output signal waveform by the received light signal processing unit when the vibration unit 203 is operated and not operated. As shown in FIG. 6, uneven interference noise is generated in the signal waveform when the vibration means 203 is not operated (no vibration). On the other hand, when the vibration means 203 is operated (with vibration), it can be seen that the interference noise can be greatly reduced.

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。   Incidentally, the interference light is also generated between the condenser lens 40 and the light receiving element 50. Accordingly, second optical fiber vibrating means (not shown) for vibrating the incident side end of the light receiving optical fiber 601 coupled to the light receiving element 50 may be provided. This second optical fiber vibrating means is configured in the same manner as the vibrating means 203.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser type gas analyzer 11a, 11b Flange 12a, 12b Mounting seat 13 Light emission part housing | casing 14 Light receiving part housing | casing 20 Laser light source part 201 Piezoelectric vibration part 202 Vibration control part
203 Vibrating means 205 Light projecting optical fiber 30 Collimating lens 40 Condensing lens 50 Light receiving element 60 Light receiving signal processing unit 601 Light receiving optical fiber

Claims (2)

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。
A laser light source unit having a laser element;
A laser drive signal for synthesizing a wavelength scanning drive signal for changing the emission wavelength of the laser element so as to scan the absorption wavelength of the gas to be measured and a modulation signal for modulating the emission wavelength and outputting as a laser drive signal Generating part,
A current controller that converts the signal output from the laser drive signal generator into a current to drive the laser element;
A laser beam emission optical system for irradiating a gas to be measured with light emitted from the laser element;
A condensing optical system for condensing the light transmitted through the measurement gas;
A light receiving element for measuring the intensity of the light collected by the condensing optical system;
A light receiving signal processing unit for processing a light receiving signal output from the light receiving element,
In the laser type gas analyzer that detects the concentration of the gas component to be measured based on the processing result of the light receiving signal processing unit,
The laser light emitting optical system includes a light projecting optical fiber that guides light emitted from the laser element,
A laser type gas analyzer characterized in that a first optical fiber vibrating means for minutely vibrating the optical fiber is provided at an end of the light projecting optical fiber.
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。

In the laser type gas analyzer according to claim 1,
A second optical fiber vibration that guides the light reception signal output from the light receiving element to the light reception signal processing unit through the light receiving optical fiber and causes the end of the light receiving optical fiber to vibrate slightly. A laser type gas analyzer characterized by comprising means.

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015200654A (en) * 2014-04-08 2015-11-12 横河電機株式会社 Systems, methods, and apparatus for optical noise management in optical spectroscopy
JP2017058221A (en) * 2015-09-16 2017-03-23 株式会社島津製作所 Gas analyzing device
KR20190022696A (en) 2016-06-27 2019-03-06 제이엔씨 주식회사 Optically isotropic liquid crystal medium and optical element
WO2019045200A1 (en) * 2017-08-31 2019-03-07 한국전력공사 Laser light control device of laser measurement device
FR3075961A1 (en) * 2017-12-27 2019-06-28 Fuji Electric Co., Ltd. GAS ANALYSIS INSTALLATION

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015200654A (en) * 2014-04-08 2015-11-12 横河電機株式会社 Systems, methods, and apparatus for optical noise management in optical spectroscopy
JP2017058221A (en) * 2015-09-16 2017-03-23 株式会社島津製作所 Gas analyzing device
KR20190022696A (en) 2016-06-27 2019-03-06 제이엔씨 주식회사 Optically isotropic liquid crystal medium and optical element
WO2019045200A1 (en) * 2017-08-31 2019-03-07 한국전력공사 Laser light control device of laser measurement device
FR3075961A1 (en) * 2017-12-27 2019-06-28 Fuji Electric Co., Ltd. GAS ANALYSIS INSTALLATION
US10677719B2 (en) 2017-12-27 2020-06-09 Fuji Electric Co., Ltd. Gas analyzing apparatus

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