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JP2017101950A - Laser gas analyzer - Google Patents

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JP2017101950A
JP2017101950A JP2015233343A JP2015233343A JP2017101950A JP 2017101950 A JP2017101950 A JP 2017101950A JP 2015233343 A JP2015233343 A JP 2015233343A JP 2015233343 A JP2015233343 A JP 2015233343A JP 2017101950 A JP2017101950 A JP 2017101950A
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JP
Japan
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mid
light
unit
laser
infrared
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Pending
Application number
JP2015233343A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
雅哉 田原
Masaya Tahara
雅哉 田原
和裕 小泉
Kazuhiro Koizumi
和裕 小泉
英之 小西
Hideyuki Konishi
英之 小西
貴誌 乾
Takashi Inui
貴誌 乾
秀夫 金井
Hideo Kanai
秀夫 金井
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser gas analyzer which, even if including a mid-infrared laser element with a large calorific value, such as a quantum cascade laser (QCL), and being in such an environment that an ambient temperature changes, makes an oscillation wavelength of a laser beam constant by combining pulse drive and wavelength scan so as to achieve both heat generation suppression and temperature control of the mid-infrared laser element, so as to be able to accurately measure the concentration of gas.SOLUTION: In a laser gas analyzer, a reverse peak affected by optical absorption by a measurement object gas is detected from a signal component of a waveform of wavelength scan, so that temperature of a mid-infrared laser element is controlled to get close to a reference temperature on the basis of change of the reverse peak. Also, the variation of height of a pulse wave affected by the optical absorption by the measurement object gas is calculated from the signal component of a waveform of pulse drive, so that the concentration of the measurement object gas is calculated from the variation of the height of the pulse wave.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、測定対象ガスのガス濃度をレーザ光により測定するレーザ式ガス分析計に関するものである。   The present invention relates to a laser type gas analyzer that measures the gas concentration of a measurement target gas with laser light.

ガスの分子・原子には、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。例えば、図8はアンモニア(NH)の光吸収スペクトルの例であり、グラフの横軸は波長を示し、縦軸は光吸収強度を示している。 It is known that each gas molecule / atom has its own light absorption spectrum. For example, FIG. 8 is an example of a light absorption spectrum of ammonia (NH 3 ), the horizontal axis of the graph indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the light absorption intensity.

レーザ式ガス分析計は、このような光吸収スペクトルを利用して各種ガスのガス濃度を検出する。レーザ式ガス分析計は、測定対象ガスの光吸収スペクトルの波長を含む発光波長領域を有する半導体レーザ光源からレーザ光を測定対象ガスに照射する。この際に測定対象ガスの分子・原子によりレーザ光の吸収が起こる。   The laser gas analyzer detects the gas concentration of various gases using such a light absorption spectrum. The laser gas analyzer irradiates the measurement target gas with laser light from a semiconductor laser light source having an emission wavelength region including the wavelength of the light absorption spectrum of the measurement target gas. At this time, laser light is absorbed by the molecules and atoms of the measurement target gas.

ここで、光吸収スペクトルの中心波長λにおける減衰量は、ガス濃度に比例する。したがって、中心波長λの発振波長を持つレーザ光をガスに照射し、その減衰量を測定して適当な係数を掛けることでガス濃度を推定することができる。 Here, the attenuation at the center wavelength λ c of the light absorption spectrum is proportional to the gas concentration. Therefore, a laser beam is irradiated to a gas having an oscillation wavelength of the center wavelength lambda c, it is possible to estimate the gas concentration by multiplying an appropriate coefficient by measuring the amount of attenuation.

このレーザ光を用いたガス分析による濃度計測方法は、大別して、差分吸収方式と周波数変調方式がある。通常、差分吸収方式は、比較的簡単な構成でガス濃度の測定が可能である。一方、周波数変調方式は、信号処理が複雑になるが高感度なガス濃度測定が可能である。   The concentration measurement method by gas analysis using laser light is roughly classified into a differential absorption method and a frequency modulation method. Usually, the differential absorption method can measure the gas concentration with a relatively simple configuration. On the other hand, the frequency modulation method enables highly sensitive gas concentration measurement although signal processing is complicated.

差分吸収方式によりガス濃度を測定する装置は、例えば特許文献1(特開平7−151681号公報、発明の名称「ガス濃度測定装置」)に記載されている。このガス濃度測定装置は、特許文献1の図8で示すように、2波長式半導体レーザ、ガスセル、受光レンズ、受光部、ガス濃度測定装置を備えた装置である。   An apparatus for measuring a gas concentration by a differential absorption method is described in, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-151681, “Gas Concentration Measuring Device”). As shown in FIG. 8 of Patent Document 1, this gas concentration measuring device is a device including a two-wavelength semiconductor laser, a gas cell, a light receiving lens, a light receiving unit, and a gas concentration measuring device.

そして、図9の差分吸収方式による濃度測定原理でも示すように、吸収線の中心波長λを発振波長とするレーザ光と、吸収線のない中心波長λを発振波長とするレーザ光と、という2種のレーザ光をガスに照射し、それぞれの受光部が出力する信号の強度を差分して得た信号強度差に適当な比例定数を乗じて濃度に換算する、というものである。 Then, as shown in the concentration measurement principle by the differential absorption method of FIG. 9, a laser beam having an oscillation wavelength at the center wavelength λ c of the absorption line, a laser beam having an oscillation wavelength at the center wavelength λ r without the absorption line, The gas is irradiated with the two types of laser light, and the signal intensity difference obtained by subtracting the intensity of the signal output from each light receiving unit is multiplied by an appropriate proportionality constant to be converted into a concentration.

また、周波数変調方式によりガス濃度を測定する装置も、例えば先に述べた特許文献1に記載されている。このガス濃度測定装置は、特許文献1の図7で示すように、周波数変調式半導体レーザ、ガスセル、受光レンズ、受光部、ガス濃度測定装置を備えた装置である。   An apparatus for measuring a gas concentration by a frequency modulation method is also described in, for example, Patent Document 1 described above. As shown in FIG. 7 of Patent Document 1, this gas concentration measuring device is a device including a frequency modulation type semiconductor laser, a gas cell, a light receiving lens, a light receiving unit, and a gas concentration measuring device.

そして、図10の周波数変調方式による濃度測定原理で示すように、中心波長λ、変調周波数fで半導体レーザの出力を周波数変調し、対象となる測定対象ガスに照射する。ガスの吸収線は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の2倍の周波数の信号(2倍波)が得られる。そして、受光部でエンベロープ検波を行うことで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倍波の振幅の比を同期させることで、受光光量に関係なくガス濃度に比例した値を得る、というものである。 Then, as shown in concentrations measuring principle according to the frequency modulation scheme of Figure 10, the center wavelength lambda c, the output of the semiconductor laser is frequency-modulated at a modulation frequency f m, is irradiated to the measurement target gas of interest. Since the absorption line of the gas is almost quadratic function with respect to the frequency twice the frequency of the signal (second harmonic) is obtained in the modulation frequency f m in the role played light receiving portion of the absorption lines discriminator It is done. The fundamental wave by amplitude modulation can be estimated by performing envelope detection in the light receiving unit, and by synchronizing the ratio of the amplitude of the fundamental wave and the amplitude of the second harmonic wave, it is proportional to the gas concentration regardless of the amount of received light. To get a value.

そして、レーザ光を用いたガス分析計の従来技術としては、例えば、図11に示すレーザ式ガス分析計が知られている。なお、このレーザ式ガス分析計は、特許文献2(特開2009−47677号公報、発明の名称「レーザ式ガス分析計」)に記載されているものである。   As a conventional gas analyzer using laser light, for example, a laser gas analyzer shown in FIG. 11 is known. This laser type gas analyzer is described in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-47677, title of the invention “laser type gas analyzer”).

図11において、101a,101bは測定対象ガスが流れる煙道壁である。これらの煙道壁101a,101bには、発光部フランジ201a、受光部フランジ201bが対向した位置にそれぞれ配置されている。   In FIG. 11, 101a and 101b are flue walls through which the measurement target gas flows. On these flue walls 101a and 101b, the light emitting portion flange 201a and the light receiving portion flange 201b are arranged at positions facing each other.

発光部フランジ201aには、取付金具202aを介して発光部ケース203aが取り付けられている。この発光部ケース203aには、レーザ光源204とコリメートレンズ205等の光学部品が内蔵されている。受光部フランジ201bには、取付金具202bを介して受光部ケース203bが取り付けられている。この受光部ケース203bには、レンズ206、受光素子207、及び受光素子207の出力信号を処理する受光部回路基板208が内蔵されている。   A light emitting unit case 203a is attached to the light emitting unit flange 201a via a mounting bracket 202a. The light emitting unit case 203a incorporates optical components such as a laser light source 204 and a collimating lens 205. A light receiving part case 203b is attached to the light receiving part flange 201b via a mounting bracket 202b. The light receiving unit case 203b contains a lens 206, a light receiving element 207, and a light receiving unit circuit board 208 for processing the output signal of the light receiving element 207.

上記構成において、レーザ光源204から出射されたレーザ光は測定対象空間である煙道内部に照射され、レーザ光源204に対向して配置された受光部ケース203b内の受光素子207へ照射される。   In the above configuration, the laser light emitted from the laser light source 204 is applied to the inside of the flue, which is the measurement target space, and is applied to the light receiving element 207 in the light receiving unit case 203b disposed to face the laser light source 204.

この受光により、煙道内部に測定対象ガスが存在する場合にはレーザ光が吸収されるので、この光吸収が測定対象ガスの濃度と関連性を有することを利用して、受光部回路基板208上の受光信号処理回路が測定対象ガス濃度を演算する。受光信号処理回路では、例えば図9に示すような受光信号波形が得られ、信号の最大値と最小値の差である信号強度差からガス濃度を演算することができる。   When the measurement target gas is present inside the flue due to this light reception, the laser light is absorbed. Therefore, the light absorption circuit board 208 is utilized by utilizing the fact that this light absorption is related to the concentration of the measurement target gas. The above received light signal processing circuit calculates the gas concentration to be measured. In the received light signal processing circuit, for example, a received light signal waveform as shown in FIG. 9 is obtained, and the gas concentration can be calculated from the signal intensity difference which is the difference between the maximum value and the minimum value of the signal.

これらレーザ式ガス分析計は煙道内部の排ガスの測定にも用いられている。このような排ガスにはSOガスが含まれる。SOガスの分光特性は図12に示すように中赤外領域の光を吸収する。そこで中赤外領域のレーザ光を照射する必要がある。この中赤外光を発光するレーザ素子として、量子カスケードレーザ(QCL)がある。特許文献3(特開2010−266303号公報、発明の名称「レーザ式ガス分析計」)にはSOガスの分析を行うため、QCLを用いて中赤外領域のレーザ光を照射するレーザ式ガス分析計が開示されている。 These laser gas analyzers are also used to measure the exhaust gas inside the flue. Such exhaust gas contains SO 2 gas. The spectral characteristic of SO 2 gas absorbs light in the mid-infrared region as shown in FIG. Therefore, it is necessary to irradiate laser light in the mid-infrared region. As a laser element that emits the mid-infrared light, there is a quantum cascade laser (QCL). Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-266303, “Laser Gas Analyzer”) is a laser type that emits laser light in the mid-infrared region using QCL in order to analyze SO 2 gas. A gas analyzer is disclosed.

QCLは、他のレーザ素子に比べて、駆動電流及び駆動電圧が高く、消費電力が大きいため、発熱量も大きい。従来のレーザ素子は100mA×5V=0.5W程度の消費電力である。一方、QCLは1A×10V=10Wであり、約20倍の消費電力である。   Since QCL has a higher drive current and drive voltage and higher power consumption than other laser elements, it generates a large amount of heat. The conventional laser element has a power consumption of about 100 mA × 5 V = 0.5 W. On the other hand, QCL is 1 A × 10 V = 10 W, which is about 20 times the power consumption.

先に特許文献1を引用して説明した周波数変調方式では非常に高精度なガス濃度検出が可能であるが、レーザ素子を長時間点灯する必要がある。QCLの場合、発熱量が大きいため、レーザ式ガス分析計が設置されるような高温環境において長時間駆動すると、オーバーヒートを起こし、レーザ素子が破壊されるおそれがある。   Although the frequency modulation method described above with reference to Patent Document 1 can detect the gas concentration with very high accuracy, it is necessary to light the laser element for a long time. In the case of QCL, since the calorific value is large, if it is driven for a long time in a high temperature environment where a laser gas analyzer is installed, overheating may occur and the laser element may be destroyed.

このオーバーヒート対策の一般的な方法として、短縮パルス駆動によるガス濃度検知方法がある。この方法では、QCLにパルス駆動電流を与える。パルス幅はQCLがオーバーヒートを起こさないように、デューティ比を比較的自由に設定することができる。   As a general method for overheating countermeasures, there is a gas concentration detection method using short pulse driving. In this method, a pulse driving current is applied to the QCL. As for the pulse width, the duty ratio can be set relatively freely so that the QCL does not cause overheating.

このパルス駆動電流は、測定対象ガスの吸収がある波長を発光するように精密に制御されている。そして、測定対象ガスがないときは受光光量が最大であり、測定対象ガスがあるときは受光光量が低下する。測定対象ガスの濃度によって、受光光量の低下の度合が変化するので、この変化量を検出することで、ガス濃度を測定することができる。   This pulse drive current is precisely controlled to emit light having a wavelength at which the gas to be measured is absorbed. The amount of received light is maximum when there is no measurement target gas, and the amount of received light decreases when there is a measurement target gas. Since the degree of decrease in the amount of received light varies depending on the concentration of the measurement target gas, the gas concentration can be measured by detecting this amount of change.

特開平7−151681号公報(段落[0004],[0030]、図6,図7等)Japanese Patent Laid-Open No. 7-151681 (paragraphs [0004], [0030], FIGS. 6, 7, etc.) 特開2009−47677号公報(段落[0029]〜[0038]、図1〜図7等)Japanese Patent Laying-Open No. 2009-47677 (paragraphs [0029] to [0038], FIGS. 1 to 7 etc.) 特開2010−266303号公報(段落[0033]、図1等)JP 2010-266303 A (paragraph [0033], FIG. 1 etc.)

排ガスを分析するレーザ式ガス分析計は、煙道近傍に設置されることが多い。煙道は高温な排ガスが流通していることもあり、煙道周囲は高温環境となる。さらに通常煙道は、外気に曝されていることが多く、レーザ式ガス分析計も外気に曝されることになる。この場合、風等の外気の影響によりにレーザ式ガス分析計の周囲の温度が安定せずに常に変化する。   Laser gas analyzers that analyze exhaust gas are often installed near the flue. High temperature exhaust gas may circulate in the flue, and the environment around the flue becomes a high temperature environment. Furthermore, the normal flue is often exposed to the outside air, and the laser gas analyzer is also exposed to the outside air. In this case, the ambient temperature of the laser gas analyzer is constantly changed due to the influence of outside air such as wind.

従来技術としてオーバーヒート対策の一般的な方法である短縮パルス駆動によるガス濃度検知について説明したが、電流値が精密に制御されていても、QCLの発熱量が大きい点に加え、煙道周囲は不安定な高温環境であり、周囲温度の影響により、QCLの発振波長も影響を受ける。所望の波長が発振できず、正確なガス濃度の測定が困難になるという課題が知見された。   As a conventional technique, gas concentration detection by a shortened pulse drive, which is a general method for overheating, has been described. However, even if the current value is precisely controlled, in addition to the large amount of heat generated by the QCL, the area around the flue is not good. It is a stable high temperature environment, and the oscillation wavelength of the QCL is also affected by the influence of the ambient temperature. It has been found that the desired wavelength cannot be oscillated and it is difficult to accurately measure the gas concentration.

また、特許文献3の方法では、波長走査と高周波変調を組み合わせた方式であるため、点灯時間をパルス状にしても、パルスの出現周波数を変調周波数よりも大きくする必要、つまり停止時間よりも発光時間を長くする必要があり、例えば、高温のガスが流通するような周囲温度が高い環境では、適用することができないという課題が知見された。   Further, since the method of Patent Document 3 is a method that combines wavelength scanning and high-frequency modulation, even if the lighting time is pulsed, it is necessary to make the appearance frequency of the pulse larger than the modulation frequency, that is, light emission is longer than the stop time. For example, a problem has been found that it cannot be applied in an environment where the ambient temperature is high such that a high-temperature gas circulates.

そこで、本発明が解決しようとする課題は、QCLのように発熱量の大きい中赤外レーザ素子を有し、さらに周囲温度が変化する環境にあっても、パルス駆動と波長スキャンを組み合わせることで、中赤外レーザ素子発熱抑制と中赤外レーザ素子温度制御を両立してレーザ光の発振波長を一定にし、正確なガス濃度測定を可能としたレーザ式ガス分析計を提供することにある。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to have a combination of pulse driving and wavelength scanning even in an environment where the ambient temperature changes, including a mid-infrared laser element having a large calorific value such as QCL. An object of the present invention is to provide a laser type gas analyzer capable of accurately measuring the gas concentration by making the oscillation wavelength of the laser beam constant while achieving both suppression of heat generation of the mid-infrared laser element and temperature control of the mid-infrared laser element.

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、
測定対象ガスの光吸収スペクトルの中心波長を含む中赤外領域の波長のレーザ光を出射する中赤外レーザ素子と、測定対象ガスの光吸収スペクトルの中心波長と略一致する波長のレーザ光を出射する基準温度となるように前記中赤外レーザ素子の温度調節を行う温度調節部と、を有する中赤外レーザ発光部と、
前記中赤外レーザ素子が前記基準温度となるように前記温度調節部を制御する温度制御部と、パルス状のパルス駆動波形、および、波長を連続的に変化させる波長スキャン波形をともに含むようなレーザ駆動信号を前記中赤外レーザ発光部へ出力する発光駆動部と、を有する中赤外レーザ駆動部と、
前記中赤外レーザ発光部より出射されたレーザ光をコリメートして測定対象ガスを含むガスが存在する測定対象空間に照射する発光側光学部と、
前記発光側光学部より照射されたレーザ光を集光する受光側光学部と、
前記受光側光学部より集光されたレーザ光を受光して電気的な中赤外受光信号として出力する中赤外受光部と、
前記中赤外受光部より出力された前記中赤外受光信号から前記波長スキャン波形の信号成分を抽出し、前記波長スキャン波形の信号成分から測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた逆ピークを検出し、前記逆ピークの変化に基づいて前記中赤外レーザ素子を基準温度へ近づける修正温度信号を前記温度制御部へ送信する温度修正演算部と、
前記中赤外受光部より出力された前記中赤外受光信号から前記パルス駆動波形の信号成分を抽出し、前記パルス駆動波形の信号成分から測定対象ガスによる光吸収の影響を受けたパルス波高の変化量を算出し、前記パルス波高の変化量から測定対象ガスのガス濃度を演算するガス濃度演算部と、
を備えることを特徴とするレーザ式ガス分析計とした。
In order to solve the above problem, the invention according to claim 1
A mid-infrared laser element that emits a laser beam having a wavelength in the mid-infrared region including the center wavelength of the light absorption spectrum of the measurement target gas, and a laser beam having a wavelength that approximately matches the center wavelength of the light absorption spectrum of the measurement target gas. A temperature adjustment unit for adjusting the temperature of the mid-infrared laser element so as to be a reference temperature to be emitted, and a mid-infrared laser light emitting unit,
A temperature control unit that controls the temperature adjustment unit so that the mid-infrared laser element becomes the reference temperature, a pulsed pulse drive waveform, and a wavelength scan waveform that continuously changes the wavelength are included. A mid-infrared laser driving unit having a light-emitting driving unit that outputs a laser driving signal to the mid-infrared laser light-emitting unit;
A light-emitting side optical unit that collimates the laser light emitted from the mid-infrared laser light emitting unit and irradiates the measurement target space where the gas containing the measurement target gas exists;
A light receiving side optical unit that condenses the laser light emitted from the light emitting side optical unit;
A mid-infrared light receiving unit that receives the laser light collected from the light-receiving side optical unit and outputs it as an electrical mid-infrared light reception signal;
The signal component of the wavelength scan waveform is extracted from the mid-infrared light reception signal output from the mid-infrared light receiving unit, and an inverse peak affected by light absorption by the measurement target gas is detected from the signal component of the wavelength scan waveform. A temperature correction calculation unit that detects and transmits a correction temperature signal that brings the mid-infrared laser element close to a reference temperature based on a change in the reverse peak to the temperature control unit;
A signal component of the pulse drive waveform is extracted from the mid-infrared light reception signal output from the mid-infrared light receiving unit, and a pulse wave height affected by light absorption by the measurement target gas from the signal component of the pulse drive waveform is extracted. A gas concentration calculation unit that calculates a change amount and calculates a gas concentration of the measurement target gas from the change amount of the pulse wave height;
It was set as the laser type gas analyzer characterized by providing.

請求項2に係る発明は、
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記温度修正演算部の修正温度信号は、前記波長スキャン波形の開始時間から、測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた逆ピークのボトムが出現するまでの時間を、波長スキャンのスキャン時間の半分の時間へ近づけるようにして、前記中赤外レーザ素子を基準温度へ近づける信号とすることを特徴とするレーザ式ガス分析計とした。
The invention according to claim 2
The laser gas analyzer according to claim 1, wherein
The correction temperature signal of the temperature correction calculation unit is the time from the start time of the wavelength scan waveform to the appearance of the bottom of the reverse peak affected by light absorption by the measurement target gas, which is half the scan time of the wavelength scan. The laser gas analyzer is characterized in that a signal for bringing the mid-infrared laser element closer to a reference temperature is set so as to be closer to the above time.

本発明によれば、QCLのように発熱量の大きい中赤外レーザ素子を有し、さらに周囲温度が変化する環境にあっても、パルス駆動と波長スキャンを組み合わせることで、中赤外レーザ素子発熱抑制と中赤外レーザ素子温度制御を両立してレーザ光の発振波長を一定にし、正確なガス濃度測定を可能としたレーザ式ガス分析計を提供することができる。   According to the present invention, a mid-infrared laser device having a mid-infrared laser device having a large calorific value such as QCL and combining pulse driving and wavelength scanning even in an environment where the ambient temperature changes can be obtained. It is possible to provide a laser type gas analyzer capable of performing accurate gas concentration measurement by suppressing both heat generation and mid-infrared laser element temperature control, making the oscillation wavelength of laser light constant.

本発明を実施するための第1の形態に係るレーザ式ガス分析計の構成図である。It is a block diagram of the laser type gas analyzer which concerns on the 1st form for implementing this invention. 中赤外レーザ発光部および中赤外レーザ駆動部のブロック図である。It is a block diagram of a mid infrared laser light emission part and a mid infrared laser drive part. レーザ駆動信号の説明図である。It is explanatory drawing of a laser drive signal. 中赤外受光部および信号処理・駆動部のブロック図である。It is a block diagram of a mid-infrared light receiving unit and a signal processing / driving unit. 中赤外受光信号の説明図である。It is explanatory drawing of a mid-infrared received light signal. スキャン波形を用いる温度修正の説明図であり、図6(a)は温度上昇時の温度修正の説明図、図6(b)は温度下降時の温度修正の説明図である。FIG. 6A is an explanatory diagram of temperature correction using a scan waveform, FIG. 6A is an explanatory diagram of temperature correction when the temperature rises, and FIG. 6B is an explanatory diagram of temperature correction when the temperature drops. 本発明を実施するための第2の形態に係るレーザ式ガス分析計の構成図である。It is a block diagram of the laser type gas analyzer which concerns on the 2nd form for implementing this invention. アンモニア(NH)の光吸収スペクトルを示す図である。It is a diagram illustrating an optical absorption spectrum of ammonia (NH 3). 差分吸収方式による濃度測定原理を示す図である。It is a figure which shows the density | concentration measurement principle by a differential absorption system. 周波数変調方式による濃度測定原理を示す図である。It is a figure which shows the density | concentration measurement principle by a frequency modulation system. 特許文献2に記載された従来技術のレーザ式ガス分析計の構成図である。2 is a configuration diagram of a conventional laser gas analyzer described in Patent Document 2. FIG. 二酸化硫黄(SO)の光吸収スペクトルを示す図である。It is a diagram illustrating an optical absorption spectrum of sulfur dioxide (SO 2). 特許文献3に記載された従来技術のQCL発熱量低減のための、レーザ素子に対する駆動信号を示す図である。It is a figure which shows the drive signal with respect to the laser element for the QCL calorific value reduction of the prior art described in patent document 3. FIG.

以下、図に沿って本発明を実施するための第1の形態について説明する。図1は本形態に係るレーザ式ガス分析計の全体的な構成を示している。レーザ式ガス分析計1は、発光部10、受光部20、通信線30を備える。このうち発光部10、受光部20は煙道に固定されている。   Hereinafter, a first mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the overall configuration of a laser gas analyzer according to this embodiment. The laser gas analyzer 1 includes a light emitting unit 10, a light receiving unit 20, and a communication line 30. Among these, the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 are fixed to the flue.

発光部10は、さらに発光部ケース11、中赤外レーザ発光部12、発光側光学部13、発光部ウィンドウ14、中赤外レーザ駆動部15を備えている。受光部20は、さらに受光部ケース21、中赤外受光部22、受光側光学部23、受光部ウィンドウ24、信号処理・駆動部25を少なくとも備え、出力部26によりガス濃度を通知する。   The light emitting unit 10 further includes a light emitting unit case 11, a mid infrared laser light emitting unit 12, a light emitting side optical unit 13, a light emitting unit window 14, and a mid infrared laser driving unit 15. The light receiving unit 20 further includes at least a light receiving unit case 21, a mid-infrared light receiving unit 22, a light receiving side optical unit 23, a light receiving unit window 24, and a signal processing / driving unit 25, and notifies the gas concentration by the output unit 26.

図1において、発光部フランジ201a、受光部フランジ201bは、例えば、測定対象ガスが内部を通過する煙道等の煙道壁101a,101bに、溶接等によってそれぞれ固定されている。   In FIG. 1, a light emitting portion flange 201a and a light receiving portion flange 201b are fixed to, for example, a flue wall 101a, 101b such as a flue through which the measurement target gas passes, by welding or the like.

発光部フランジ201aには取付金具202aを介して発光部ケース11が取り付けられており、発光部ケース11の内部には、中赤外レーザ光を出射する中赤外レーザ発光部12、レンズである発光側光学部13が配置されている。そして、中赤外領域の波長の光を透過する発光部ウィンドウ14を配置することにより、発光部ケース11内部の気密が確保されている。   A light emitting unit case 11 is attached to the light emitting unit flange 201a via a mounting bracket 202a. Inside the light emitting unit case 11, there are a mid-infrared laser emitting unit 12 for emitting a mid-infrared laser beam and a lens. A light emitting side optical unit 13 is arranged. Further, by arranging the light emitting unit window 14 that transmits light having a wavelength in the mid-infrared region, the inside of the light emitting unit case 11 is secured.

中赤外レーザ発光部12には、中赤外レーザ駆動部15が接続されている。この中赤外レーザ駆動部15から中赤外レーザ発光部12へ電流信号が送られて中赤外レーザ発光部12が中赤外光を出射するように構成されている。   A mid-infrared laser driving unit 15 is connected to the mid-infrared laser light emitting unit 12. A current signal is sent from the mid-infrared laser drive unit 15 to the mid-infrared laser light-emitting unit 12 so that the mid-infrared laser light-emitting unit 12 emits mid-infrared light.

中赤外レーザ発光部12からの出射光は、レンズである発光側光学部13によりコリメートされて平行光となり、発光部フランジ201aの中心を通って中赤外レーザ光40として煙道内部300に照射される。この中赤外レーザ光40は、煙道内部300に存在する測定対象ガスによる光吸収の影響を受ける。   The light emitted from the mid-infrared laser light emitting unit 12 is collimated by the light-emitting side optical unit 13 which is a lens to become parallel light, passes through the center of the light emitting unit flange 201a, and enters the flue interior 300 as the mid-infrared laser light 40. Irradiated. The mid-infrared laser beam 40 is affected by light absorption by the measurement target gas existing in the flue interior 300.

一方、受光部フランジ201bには、取付金具202bを介して、受光部ケース21が取り付けられている。煙道内部300を通過した中赤外レーザ光40は、受光部ケース21の内部に気密に配置された受光側光学部23により集光されて中赤外受光部22により受光される。中赤外領域の波長の光を透過するウィンドウ24を配置することにより、受光部ケース21内部の気密が確保されている。   On the other hand, the light receiving part case 21 is attached to the light receiving part flange 201b via a mounting bracket 202b. The mid-infrared laser beam 40 that has passed through the flue interior 300 is collected by the light-receiving side optical unit 23 that is airtightly arranged inside the light-receiving unit case 21 and is received by the mid-infrared light receiving unit 22. By arranging the window 24 that transmits light having a wavelength in the mid-infrared region, the inside of the light receiving unit case 21 is secured.

続いて各部の動作の詳細について説明する。中赤外レーザ発光部12は、詳しくは図2で示すように、中赤外レーザ素子12a、温度検出部(サーミスタ)12b、加温・冷却部(ペルチェ素子)12cを備える。本願発明の温度調節部は、本形態では温度検出部(サーミスタ)12bおよび加温・冷却部(ペルチェ素子)12cを合わせたものである。   Next, details of the operation of each unit will be described. As shown in detail in FIG. 2, the mid-infrared laser light emitting unit 12 includes a mid-infrared laser element 12a, a temperature detection unit (thermistor) 12b, and a heating / cooling unit (Peltier element) 12c. In the present embodiment, the temperature adjustment unit of the present invention is a combination of a temperature detection unit (thermistor) 12b and a heating / cooling unit (Peltier element) 12c.

中赤外レーザ素子12aは、詳しくは量子カスケードレーザ(QCL)素子である。本形態では測定対象ガスの具体例として二酸化硫黄ガス(SOガス)を測定する。量子カスケードレーザ(QCL)素子は、測定対象ガス(SOガス)の光吸収スペクトルを含む中赤外領域の波長3〜10μmの中赤外レーザ光を出射する。 Specifically, the mid-infrared laser element 12a is a quantum cascade laser (QCL) element. In this embodiment, sulfur dioxide gas (SO 2 gas) is measured as a specific example of the measurement target gas. The quantum cascade laser (QCL) element emits mid-infrared laser light having a wavelength of 3 to 10 μm in the mid-infrared region including the light absorption spectrum of the measurement target gas (SO 2 gas).

また、中赤外レーザ駆動部15は、さらに指令信号発生部15a、レーザ駆動信号発生部15b、温度制御部15cを備える。本願発明の発光駆動部は、本形態では指令信号発生部15aおよびレーザ駆動信号発生部15bを組み合わせたものである。   The mid-infrared laser drive unit 15 further includes a command signal generation unit 15a, a laser drive signal generation unit 15b, and a temperature control unit 15c. The light emission drive unit of the present invention is a combination of the command signal generation unit 15a and the laser drive signal generation unit 15b in this embodiment.

中赤外レーザ駆動部15は、温度によって中赤外レーザ光の発光波長を可変とすることができる。図2において、中赤外レーザ素子12aの温度は、サーミスタ等の温度検出部12bを用いて検出される。この温度検出部12bは、中赤外レーザ駆動部15の温度制御部15cに接続されている。   The mid-infrared laser driving unit 15 can change the emission wavelength of the mid-infrared laser light depending on the temperature. In FIG. 2, the temperature of the mid-infrared laser element 12a is detected by using a temperature detector 12b such as a thermistor. This temperature detection unit 12 b is connected to the temperature control unit 15 c of the mid-infrared laser driving unit 15.

この温度制御部15cは、中赤外レーザ素子12aの発光波長の安定化および発光波長の調節のため、サーミスタ等の温度検出部12bから得られる抵抗値が一定になるようにPID制御等を行ってペルチェ素子等の加温・冷却部12cの温度制御を行い、中赤外レーザ素子12aの温度を調節することで、発光波長を制御する。   This temperature control unit 15c performs PID control or the like so that the resistance value obtained from the temperature detection unit 12b such as a thermistor becomes constant in order to stabilize the emission wavelength of the mid-infrared laser element 12a and adjust the emission wavelength. Thus, the temperature of the heating / cooling unit 12c such as a Peltier element is controlled, and the emission wavelength is controlled by adjusting the temperature of the mid-infrared laser element 12a.

また、中赤外レーザ駆動部15は、レーザ駆動信号により中赤外レーザ光の発光波長を可変とすることができる。中赤外レーザ駆動部15は、中赤外領域の波長を発光するため、電流によるレーザ駆動信号を制御して、発光波長が測定対象ガス(SOガス)の吸光特性に一致する波長およびその周辺領域の波長にてスキャンするように中赤外レーザ発光部12を発光させる。 Further, the mid-infrared laser driving unit 15 can change the emission wavelength of the mid-infrared laser light by a laser driving signal. Since the mid-infrared laser driving unit 15 emits a wavelength in the mid-infrared region, the laser driving signal by the current is controlled, and the wavelength at which the emission wavelength matches the absorption characteristic of the measurement target gas (SO 2 gas) and its wavelength The mid-infrared laser light emitting unit 12 is caused to emit light so as to scan at a wavelength in the peripheral region.

続いて、このレーザ駆動信号の駆動波形を決定する指令信号発生部15aについて述べる。指令信号発生部15aでは図3のような指令信号を生成する。この指令信号では、パルス状のパルス駆動波形、および、波長を連続的に変化させる波長スキャン波形を含む。   Next, the command signal generator 15a that determines the drive waveform of the laser drive signal will be described. The command signal generator 15a generates a command signal as shown in FIG. This command signal includes a pulsed pulse drive waveform and a wavelength scan waveform that continuously changes the wavelength.

図3に示すレーザ駆動信号のうち、パルス状のパルス駆動波形では、同じ波長のパルスが複数連続して出力される波形である。このパルス駆動波形の波長は、測定対象ガス(SOガス)のガス吸収が最も強い波長となるように調整する。 Among the laser drive signals shown in FIG. 3, the pulse-like pulse drive waveform is a waveform in which a plurality of pulses having the same wavelength are continuously output. The wavelength of this pulse drive waveform is adjusted so that the gas absorption of the measurement target gas (SO 2 gas) is the strongest wavelength.

また、波長を連続的に変化させる波長スキャン波形は、測定対象ガス(SOガス)による吸収が無い部分も含めて波長スキャンを行う。このスキャン波形では、波長スキャン時間が時間Tであるときに半分の時間(T/2)の波長(図3のA点)と、測定対象ガス(SOガス)の吸光特性に一致する中心波長と、が一致するようにスキャン幅が調整されている。 Further, the wavelength scanning waveform to continuously change the wavelength, the wavelength scan, including portions having no absorption by the measurement target gas (SO 2 gas). In this scan waveform, when the wavelength scan time is time T S , the wavelength (point A in FIG. 3) of half time (T S / 2) matches the light absorption characteristics of the measurement target gas (SO 2 gas). The scan width is adjusted so that the center wavelength matches.

このような指令信号を一定周期ごとに繰り返しレーザ駆動信号発生部15bへ入力すると、レーザ駆動信号発生部15bが、この指令信号をV/I変換してパルス状のパルス駆動波形、および、波長を連続的に変化させる波長スキャン波形をともに含むような電流のレーザ駆動信号として中赤外レーザ素子12aに供給する。レーザ素子12aは、図3で示すような波長の中赤外レーザ光40を出力する。   When such a command signal is repeatedly input to the laser drive signal generation unit 15b at regular intervals, the laser drive signal generation unit 15b performs V / I conversion on the command signal to change the pulsed pulse drive waveform and wavelength. It is supplied to the mid-infrared laser element 12a as a laser drive signal having a current that includes both wavelength scan waveforms that are continuously changed. The laser element 12a outputs a mid-infrared laser beam 40 having a wavelength as shown in FIG.

続いて、本発明の中赤外受光部22について説明する。図4に示すように、測定対象ガス(SOガス)が存在する空間を介して伝播され、ガス吸収を受けた中赤外レーザ光40は受光側光学部23により集光されてから中赤外受光部22により受光される。中赤外受光部22は、受光量に応じて電気信号による中赤外受光信号を出力する。 Next, the mid-infrared light receiving unit 22 of the present invention will be described. As shown in FIG. 4, the mid-infrared laser light 40 that has propagated through the space where the measurement target gas (SO 2 gas) exists and has absorbed the gas is condensed by the light-receiving side optical unit 23, and then the medium-red Light is received by the outer light receiving unit 22. The mid-infrared light receiving unit 22 outputs a mid-infrared light reception signal based on an electric signal according to the amount of received light.

中赤外受光部22は中赤外領域の波長に感度を持つMCT(Mercury Cadmium Tellurium)光導電素子等であり、中赤外受光部22が出力した中赤外受光信号は、信号処理・駆動部25へ入力される。信号処理・駆動部25は、中赤外受光部22の中赤外受光信号を信号処理し、測定対象ガスの光吸収による信号変化成分を抽出して、測定対象ガスのガス濃度を算出し、また、中赤外レーザ素子の発熱抑制と発振波長安定化の制御も行う。   The mid-infrared light receiving unit 22 is an MCT (Mercury Cadmium Tellurium) photoconductive element having sensitivity to wavelengths in the mid-infrared region, and the mid-infrared light receiving signal output from the mid-infrared light receiving unit 22 is signal processing / driving. Input to the unit 25. The signal processing / driving unit 25 performs signal processing on the mid-infrared light reception signal of the mid-infrared light receiving unit 22, extracts a signal change component due to light absorption of the measurement target gas, calculates a gas concentration of the measurement target gas, It also controls heat generation suppression and oscillation wavelength stabilization of the mid-infrared laser element.

続いて、信号処理・駆動部25の詳細について説明する。信号処理・駆動部25は、図4で示すように、I/V変換部25a、フィルタ部25b、初期設定記憶部25c、演算部25dを備える。初期設定記憶部25cでは、工場出荷時や校正時において登録したものであって、最大受光光量Pmax,スパン校正値GAが記憶されている。最大受光光量Pmaxは、測定対象空間において測定対象ガスがないときに図3で示すような波長の中赤外レーザ光40を受光したときのパルスの最大波高を表す。 Next, details of the signal processing / driving unit 25 will be described. As shown in FIG. 4, the signal processing / driving unit 25 includes an I / V conversion unit 25a, a filter unit 25b, an initial setting storage unit 25c, and a calculation unit 25d. The initial setting storage unit 25c is registered at the time of factory shipment or calibration, and stores the maximum received light amount P max and the span calibration value GA. The maximum received light amount Pmax represents the maximum pulse height when a mid-infrared laser beam 40 having a wavelength as shown in FIG. 3 is received when there is no measurement target gas in the measurement target space.

中赤外受光部22から信号処理・駆動部25へ入力された中赤外受光信号は、I/V変換部25aによって電流信号から電圧信号に変換される。そしてフィルタ25bによりノイズ除去された電圧信号が演算部25dに入力される。この電圧信号は、図5に示すような出力波形を有する。この演算部25dにおいて測定対象ガスのガス濃度が演算され、また、発熱抑制と発振波長安定化の制御が行われる。   The mid-infrared light receiving signal input from the mid-infrared light receiving unit 22 to the signal processing / driving unit 25 is converted from a current signal to a voltage signal by the I / V conversion unit 25a. The voltage signal from which noise has been removed by the filter 25b is input to the arithmetic unit 25d. This voltage signal has an output waveform as shown in FIG. The calculation unit 25d calculates the gas concentration of the measurement target gas, and controls heat generation suppression and oscillation wavelength stabilization.

続いて、このようなレーザ式ガス分析計における演算部25dによる処理について説明する。まず演算部25dが、中赤外レーザ素子12aに対する発熱抑制と発振波長安定化の制御のため、本発明の温度修正演算部として機能する。   Then, the process by the calculating part 25d in such a laser type gas analyzer is demonstrated. First, the calculation unit 25d functions as a temperature correction calculation unit of the present invention for suppressing heat generation and stabilizing the oscillation wavelength for the mid-infrared laser element 12a.

演算部25dは、中赤外受光部22より出力され、フィルタ25bによりノイズ除去された図5の中赤外受光信号から波長スキャン波形の信号成分を抽出する。例えば、演算部25dが内蔵するメモリに波長スキャン波形を表すデジタルデータを登録する。ある時間における波高を表すデータであり、スキャン幅に含まれる期間の多数のデータが登録される。   The calculation unit 25d extracts the signal component of the wavelength scan waveform from the mid-infrared light reception signal output from the mid-infrared light reception unit 22 and noise-removed by the filter 25b. For example, digital data representing a wavelength scan waveform is registered in a memory built in the calculation unit 25d. Data representing the wave height at a certain time, and a large number of data in a period included in the scan width are registered.

演算部25dは、波長スキャン波形の信号成分から測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた逆ピークを検出する。詳しくは登録したデジタルデータから逆ピークのボトムが出現するまでの時間を選択する。この時間は、図6(a)で示すTや図6(b)で示すTのようにスキャン波形の始まりから逆ピークの中心が出現するまでの時間となる。 The computing unit 25d detects a reverse peak affected by light absorption by the measurement target gas from the signal component of the wavelength scan waveform. Specifically, the time until the bottom of the reverse peak appears from the registered digital data is selected. This time is the time from the beginning of the scan waveform until the center of the reverse peak appears, such as T f shown in FIG. 6A or T d shown in FIG. 6B.

演算部25dは、逆ピークの変化に基づいて中赤外レーザ素子が基準温度となるように温度制御部を制御する。例えば、図6(a)で示すように、中赤外レーザ素子12aの温度上昇時のスキャン波形は、矢印aのように上側へずれるため、測定対象ガス(SOガス)が吸収する中心波長に速く到達して、時間Tで逆ピークが出現する。そこで、時間的に速く逆ピークが出現したならば、中赤外レーザ素子12aの温度を下げるような温度修正信号を、通信線30を介して温度制御部15cへ送信すると、温度制御部15cは中赤外レーザ素子12aの温度を下げるように加温・冷却部12cを駆動する。時間Tが少ないほど、温度を多く下げるようにする。例えば、(T/2−T)に係数を乗じて下げる温度を算出しても良い。この冷却により中赤外レーザ素子12aの温度が下がって、スキャン波形も矢印bのように通常時に戻って、逆ピークの出現時間はT/2へもどる。 The calculation unit 25d controls the temperature control unit so that the mid-infrared laser element becomes the reference temperature based on the change in the reverse peak. For example, as shown in FIG. 6 (a), the scan waveform when the temperature of the mid-infrared laser element 12a rises shifts upward as indicated by an arrow a, so that the central wavelength absorbed by the measurement target gas (SO 2 gas) A reverse peak appears at time Tf . Therefore, if a reverse peak appears quickly in time, a temperature correction signal that lowers the temperature of the mid-infrared laser element 12a is transmitted to the temperature control unit 15c via the communication line 30, and the temperature control unit 15c The heating / cooling unit 12c is driven so as to lower the temperature of the mid-infrared laser element 12a. The temperature is decreased more as the time Tf is smaller. For example, the temperature to be lowered by multiplying (T S / 2-T f ) by a coefficient may be calculated. Due to this cooling, the temperature of the mid-infrared laser element 12a is lowered, the scan waveform is returned to the normal time as shown by the arrow b, and the appearance time of the reverse peak returns to T S / 2.

また、図6(b)で示すように、中赤外レーザ素子12aの温度下降時のスキャン波形は、矢印bのように下側へずれるため、測定対象ガス(SOガス)が吸収する中心波長に遅く到達して、時間Tで逆ピークが出現する。そこで、時間的に遅く逆ピークが出現したならば、中赤外レーザ素子12aの温度を上げるような温度修正信号を、通信線30を介して温度制御部15cへ送信すると、温度制御部15cは中赤外レーザ素子12aの温度を上げるように加温・冷却部12cを駆動する。時間Tが多いほど、温度を多く上げるようにする。例えば、(T−T/2)に係数を乗じて上げる温度を算出しても良い。加温により中赤外レーザ素子12aの温度が上がって、スキャン波形も矢印aのように通常時に戻って、逆ピークの出現時間はT/2へもどる。このようにしてガス濃度の測定に影響のない範囲に収まるように中赤外レーザ素子12aの温度を調節する。 Further, as shown in FIG. 6B, the scan waveform when the temperature of the mid-infrared laser element 12a is lowered shifts downward as indicated by an arrow b, so that the measurement target gas (SO 2 gas) absorbs the center. The wavelength arrives late and an inverse peak appears at time Td . Therefore, if a reverse peak appears later in time, a temperature correction signal that increases the temperature of the mid-infrared laser element 12a is transmitted to the temperature control unit 15c via the communication line 30, and the temperature control unit 15c The heating / cooling unit 12c is driven so as to increase the temperature of the mid-infrared laser element 12a. As the time Td increases, the temperature is increased. For example, the temperature to be raised by multiplying (T d −T S / 2) by a coefficient may be calculated. Due to the heating, the temperature of the mid-infrared laser element 12a rises, the scan waveform also returns to the normal time as shown by the arrow a, and the appearance time of the reverse peak returns to T S / 2. In this way, the temperature of the mid-infrared laser element 12a is adjusted so that it does not affect the measurement of the gas concentration.

これらのような温度修正信号は、波長スキャン波形の開始時間から、測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた逆ピークのボトムが出現するまでの時間を、波長スキャンのスキャン時間の半分の時間へ近づけるようにして加温・冷却を行う信号となる。このような温度修正を、スキャン波形を取得する毎に行うことで、中赤外線レーザ素子は常に基準温度に維持され、発光波長が一定に維持される。これにより中赤外線レーザ素子の温度による発振波長制御を実現する。   These temperature correction signals change the time from the start time of the wavelength scan waveform to the appearance of the bottom of the reverse peak affected by light absorption by the measurement target gas, to half the scan time of the wavelength scan. It is a signal for heating and cooling as close to each other. By performing such temperature correction every time the scan waveform is acquired, the mid-infrared laser element is always maintained at the reference temperature, and the emission wavelength is maintained constant. This realizes oscillation wavelength control according to the temperature of the mid-infrared laser element.

続いて演算部25dが本発明のガス濃度演算部として機能する。
まず、演算部25dは、中赤外受光部22から受信した中赤外受光信号からパルス駆動波形の信号成分を抽出する。例えば、演算部25dが内蔵するメモリにデジタルデータとして登録する。このパルス駆動波形のパルス幅は十分に短いため、QCLなどのレーザ発光素子12aが発光したときの発熱抑制を実現している。
Subsequently, the calculation unit 25d functions as a gas concentration calculation unit of the present invention.
First, the calculation unit 25d extracts a signal component of a pulse drive waveform from the mid-infrared light reception signal received from the mid-infrared light reception unit 22. For example, it registers as digital data in a memory built in the calculation unit 25d. Since the pulse width of this pulse drive waveform is sufficiently short, heat generation is suppressed when the laser light emitting element 12a such as QCL emits light.

演算部25dは、パルス駆動波形の信号成分から測定対象ガスによる光吸収の影響を受けたパルス波高の変化量を算出する。パルス状であるから値の小さいデジタルデータと値の大きいデジタルデータが取得されるが、この中から値の大きいデジタルデータを選択する。この値の大きいデジタルデータは、一周期のパルス駆動波形で複数パルス分(図5では10パルス分)取得されるため、これらの平均値をパルス波高Pとする。そして、演算部25dは、初期設定記憶部25cに記憶されている最大受光光量Pmaxを読み出し、次式によりパルス波高の変化量を取得する。 The calculation unit 25d calculates a change amount of the pulse wave height affected by light absorption by the measurement target gas from the signal component of the pulse drive waveform. Digital data having a small value and digital data having a large value are acquired because they are in a pulse form, and digital data having a large value is selected from these. Since digital data with a large value is acquired for a plurality of pulses (10 pulses in FIG. 5) in one cycle of the pulse drive waveform, the average value of these is set as the pulse wave height P. Then, the calculation unit 25d reads the maximum received light amount Pmax stored in the initial setting storage unit 25c, and acquires the change amount of the pulse wave height by the following equation.

[数1]
パルス波高の変化量=(Pmax−P)
[Equation 1]
Change amount of pulse wave height = (P max −P)

演算部25dは、パルス波高Pの変化量から測定対象ガス濃度を演算する。この際、演算部25dは、初期設定記憶部25cに記憶されているスパン校正値GAを読み出し、次式によって光量を補正した値をガス濃度として出力する。   The calculation unit 25d calculates the measurement target gas concentration from the amount of change in the pulse wave height P. At this time, the calculation unit 25d reads the span calibration value GA stored in the initial setting storage unit 25c, and outputs a value obtained by correcting the light quantity by the following equation as a gas concentration.

[数2]
測定対象ガス濃度(補正後)=(Pmax−P)×GA
[Equation 2]
Gas concentration to be measured (after correction) = (P max −P) × GA

この補正後の測定対象ガス濃度を出力部26へ送る。出力部26は、例えば、ディスプレイ装置や警報装置などであり、あるいは、他のコンピュータへ送信する送信装置などである。測定対象ガスの濃度の検出はこのように行われる。   The corrected measurement target gas concentration is sent to the output unit 26. The output unit 26 is, for example, a display device or an alarm device, or a transmission device that transmits to another computer. The concentration of the measurement target gas is detected in this way.

本発明によれば、測定対象ガスの濃度を検出するためのパルス駆動波形と、発振波長を制御するための波長スキャン波形とを組み合わせ、周囲温度が大きく変化する環境下においてQCLのように発熱量が大きいレーザ素子を用いても、パルス駆動により発熱を少なくする駆動とし、また、波長スキャンにより発振波長が一定となるように制御することで、オーバーヒートすることがない。さらに、パルス駆動されるパルスの波長が、測定対象ガス(SOガス)が吸収する中心波長と一致するように制御され、中赤外領域に吸収をもつ測定対象ガス(SOガス)の濃度を正確に測定することが可能となる。 According to the present invention, a pulse drive waveform for detecting the concentration of a measurement target gas and a wavelength scan waveform for controlling the oscillation wavelength are combined, and the amount of heat generated as in QCL in an environment where the ambient temperature changes greatly. Even if a laser element having a large value is used, overheating is prevented by controlling the oscillation wavelength to be constant by wavelength scanning and by driving to reduce heat generation by pulse driving. Further, the wavelength of the pulse which is pulse-driven, the concentration of the measurement target gas (SO 2 gas) is controlled so as to coincide with the center wavelength of the absorption, measured gas (SO 2 gas) having absorption in the mid-infrared region Can be measured accurately.

続いて本発明を実施するための第2の形態について図を参照しつつ説明する。まず、図7はこの第2の形態に係るレーザ式ガス分析計のブロック図を示している。このうち、レーザ式ガス分析計2は、発光部10’、受光部20’、通信線30を備える。発光部10’、受光部20’は煙道に固定されている。   Next, a second embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. First, FIG. 7 shows a block diagram of a laser type gas analyzer according to the second embodiment. Among these, the laser gas analyzer 2 includes a light emitting unit 10 ′, a light receiving unit 20 ′, and a communication line 30. The light emitting unit 10 'and the light receiving unit 20' are fixed to the flue.

発光部10’は、さらに発光部ケース11、中赤外レーザ発光部12、発光側光学部13’、発光部ウィンドウ14、中赤外レーザ駆動部15を備えている。受光部20’は、さらに受光部ケース21、中赤外受光部22、受光側光学部23’、受光部ウィンドウ24、信号処理・駆動部25を少なくとも備え、出力部26によりガス濃度を通知する。   The light emitting unit 10 ′ further includes a light emitting unit case 11, a mid infrared laser light emitting unit 12, a light emitting side optical unit 13 ′, a light emitting unit window 14, and a mid infrared laser driving unit 15. The light receiving unit 20 ′ further includes at least a light receiving unit case 21, a mid-infrared light receiving unit 22, a light receiving side optical unit 23 ′, a light receiving unit window 24, and a signal processing / driving unit 25, and notifies the gas concentration by the output unit 26. .

このような第2の形態は、第1の形態と比較すると、発光部10’の発光側光学部13’と、受光部20’の受光側光学部23’と、のみが相違するが、他は同じ構成であり、同じ構成には同じ符号を付すとともに重複する説明を省略する。以下、相違点である発光部10’の発光側光学部13’と、受光部20’の受光側光学部23’について説明する。   The second embodiment is different from the first embodiment only in the light emitting side optical unit 13 ′ of the light emitting unit 10 ′ and the light receiving side optical unit 23 ′ of the light receiving unit 20 ′. Are the same components, and the same components are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted. Hereinafter, the light emitting side optical unit 13 ′ of the light emitting unit 10 ′ and the light receiving side optical unit 23 ′ of the light receiving unit 20 ′ which are different points will be described.

本形態では、発光部10’の発光側光学部13’、および、受光部20’の受光側光学部23’はともに放物面鏡である。中赤外レーザ発光部12からの出射光は、発光側光学部13’としての放物面鏡によりコリメートされて平行光となり、発光部フランジ201aの中心を通って中赤外レーザ光40として煙道内部300に照射される。   In this embodiment, the light emitting side optical unit 13 ′ of the light emitting unit 10 ′ and the light receiving side optical unit 23 ′ of the light receiving unit 20 ′ are both parabolic mirrors. The emitted light from the mid-infrared laser light emitting unit 12 is collimated by a parabolic mirror as the light-emitting side optical unit 13 ′ to become parallel light, and passes through the center of the light-emitting unit flange 201a as smoke. The road interior 300 is irradiated.

この中赤外レーザ光40は、煙道内部300に存在する測定対象ガスによる光吸収の影響を受ける。そして、煙道内部300を通過した中赤外レーザ光40は、受光部20’の中の放物面鏡である受光側光学部23’より集光されて中赤外受光部22により受光される。以下の温度制御や濃度演算は第1の形態と同じである。本形態はこのようなものである。なお、この他にも、発光部の発光側光学部がレーザ光をコリメートし、および、受光部の受光側光学部が集光をする構成を採用しても本発明の実施は可能である。これら第1,第2の形態ではいずれも本発明の効果を奏しうる。   The mid-infrared laser beam 40 is affected by light absorption by the measurement target gas existing in the flue interior 300. Then, the mid-infrared laser beam 40 that has passed through the flue interior 300 is condensed by the light-receiving side optical unit 23 ′ that is a parabolic mirror in the light-receiving unit 20 ′ and received by the mid-infrared light receiving unit 22. The The following temperature control and concentration calculation are the same as in the first embodiment. This form is like this. In addition to this, the present invention can be implemented even if a configuration in which the light emitting side optical unit of the light emitting unit collimates the laser light and the light receiving side optical unit of the light receiving unit collects light is adopted. In both the first and second embodiments, the effects of the present invention can be achieved.

以上本発明について説明したが、本発明は各種の変形形態が可能である。例えば、本発明のレーザ式ガス分析計によれば、測定対象ガスが、例示的に硫化酸素ガス(SO)であるものとして説明したが、これに限定される趣旨ではなく、中赤外領域の波長に光吸収スペクトルを持つCO、CO、CH、SO,NO,NO等のガスでもよい。その場合、他の成分のガスを検出できるような波長を有するレーザ発光部が採用され、この波長で検出できるように演算部の演算処理内容が変更されて用いられるというものである。 Although the present invention has been described above, the present invention can be variously modified. For example, according to the laser gas analyzer of the present invention, the measurement target gas has been described as an example of oxygen sulfide gas (SO 2 ). However, the present invention is not limited to this, and the mid-infrared region is used. A gas such as CO, CO 2 , CH 4 , SO 2 , NO, NO 2 or the like having a light absorption spectrum at a wavelength of may be used. In that case, a laser emission unit having a wavelength capable of detecting other component gases is employed, and the calculation processing content of the calculation unit is changed so as to be detected at this wavelength.

本発明のレーザ式酸素ガス分析計は、船舶排ガス測定用として最適である。その他、鉄鋼用ガス分析[高炉、転炉、熱処理炉、焼結(ペレット設備)、コークス炉]、青果貯蔵及び熟成、生化学(微生物)[発酵]、大気汚染[焼却炉、排煙脱硫・脱硝]、自動車排ガス(除テスタ)、防災[爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析]、植物育成用、化学用分析[石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント]、環境用[着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理]、理化学各種実験用などの分析計としても有用である。   The laser-type oxygen gas analyzer of the present invention is optimal for ship exhaust gas measurement. In addition, gas analysis for steel [blast furnace, converter, heat treatment furnace, sintering (pellet equipment), coke oven], fruit and vegetable storage and ripening, biochemistry (microorganism) [fermentation], air pollution [incinerator, flue gas desulfurization / Denitration], automobile exhaust gas (remove tester), disaster prevention [explosive gas detection, toxic gas detection, new building material combustion gas analysis], plant growth, chemical analysis [oil refinery plant, petrochemical plant, gas generation plant], It is also useful as an analyzer for environmental [landing concentration, tunnel concentration, parking lot, building management], and various physics and chemistry experiments.

1,2:レーザ式ガス分析計
10,10’:発光部
11:発光部ケース
12:中赤外レーザ発光部
13,13’:発光側光学部
14:発光部ウィンドウ
15:中赤外レーザ駆動部
20,20’:受光部
21:受光部ケース
22:中赤外受光部
23,23’:受光側光学部
24:受光部ウィンドウ
25:信号処理・駆動部
26:出力部
30:通信線
40:中赤外レーザ光
101a,101b:煙道壁
201a:発光部フランジ
201b:受光部フランジ
202a:取付金具
202b:取付金具
300:煙道内部(測定対象空間)
1, 2: Laser gas analyzer 10, 10 ': Light emitting unit 11: Light emitting unit case 12: Mid infrared laser light emitting unit 13, 13': Light emitting side optical unit 14: Light emitting unit window 15: Mid infrared laser drive Units 20, 20 ′: light receiving unit 21: light receiving unit case 22: mid-infrared light receiving unit 23, 23 ′: light receiving side optical unit 24: light receiving unit window 25: signal processing / driving unit 26: output unit 30: communication line 40 : Mid-infrared laser beam 101a, 101b: Flue wall 201a: Light emitting portion flange 201b: Light receiving portion flange 202a: Mounting bracket 202b: Mounting bracket 300: Inside the flue (measurement target space)

Claims (2)

測定対象ガスの光吸収スペクトルの中心波長を含む中赤外領域の波長のレーザ光を出射する中赤外レーザ素子と、測定対象ガスの光吸収スペクトルの中心波長と略一致する波長のレーザ光を出射する基準温度となるように前記中赤外レーザ素子の温度調節を行う温度調節部と、を有する中赤外レーザ発光部と、
前記中赤外レーザ素子が前記基準温度となるように前記温度調節部を制御する温度制御部と、パルス状のパルス駆動波形、および、波長を連続的に変化させる波長スキャン波形をともに含むようなレーザ駆動信号を前記中赤外レーザ発光部へ出力する発光駆動部と、を有する中赤外レーザ駆動部と、
前記中赤外レーザ発光部より出射されたレーザ光をコリメートして測定対象ガスを含むガスが存在する測定対象空間に照射する発光側光学部と、
前記発光側光学部より照射されたレーザ光を集光する受光側光学部と、
前記受光側光学部より集光されたレーザ光を受光して電気的な中赤外受光信号として出力する中赤外受光部と、
前記中赤外受光部より出力された前記中赤外受光信号から前記波長スキャン波形の信号成分を抽出し、前記波長スキャン波形の信号成分から測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた逆ピークを検出し、前記逆ピークの変化に基づいて前記中赤外レーザ素子を基準温度へ近づける修正温度信号を前記温度制御部へ送信する温度修正演算部と、
前記中赤外受光部より出力された前記中赤外受光信号から前記パルス駆動波形の信号成分を抽出し、前記パルス駆動波形の信号成分から測定対象ガスによる光吸収の影響を受けたパルス波高の変化量を算出し、前記パルス波高の変化量から測定対象ガスのガス濃度を演算するガス濃度演算部と、
を備えることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
A mid-infrared laser element that emits a laser beam having a wavelength in the mid-infrared region including the center wavelength of the light absorption spectrum of the measurement target gas, and a laser beam having a wavelength that approximately matches the center wavelength of the light absorption spectrum of the measurement target gas. A temperature adjustment unit for adjusting the temperature of the mid-infrared laser element so as to be a reference temperature to be emitted, and a mid-infrared laser light emitting unit,
A temperature control unit that controls the temperature adjustment unit so that the mid-infrared laser element becomes the reference temperature, a pulsed pulse drive waveform, and a wavelength scan waveform that continuously changes the wavelength are included. A mid-infrared laser driving unit having a light-emitting driving unit that outputs a laser driving signal to the mid-infrared laser light-emitting unit;
A light-emitting side optical unit that collimates the laser light emitted from the mid-infrared laser light emitting unit and irradiates the measurement target space where the gas containing the measurement target gas exists;
A light receiving side optical unit that condenses the laser light emitted from the light emitting side optical unit;
A mid-infrared light receiving unit that receives the laser light collected from the light-receiving side optical unit and outputs it as an electrical mid-infrared light reception signal;
The signal component of the wavelength scan waveform is extracted from the mid-infrared light reception signal output from the mid-infrared light receiving unit, and an inverse peak affected by light absorption by the measurement target gas is detected from the signal component of the wavelength scan waveform. A temperature correction calculation unit that detects and transmits a correction temperature signal that brings the mid-infrared laser element close to a reference temperature based on a change in the reverse peak to the temperature control unit;
A signal component of the pulse drive waveform is extracted from the mid-infrared light reception signal output from the mid-infrared light receiving unit, and a pulse wave height affected by light absorption by the measurement target gas from the signal component of the pulse drive waveform is extracted. A gas concentration calculation unit that calculates a change amount and calculates a gas concentration of the measurement target gas from the change amount of the pulse wave height;
A laser gas analyzer comprising:
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記温度修正演算部の修正温度信号は、前記波長スキャン波形の開始時間から、測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた逆ピークのボトムが出現するまでの時間を、波長スキャンのスキャン時間の半分の時間へ近づけるようにして、前記中赤外レーザ素子を基準温度へ近づける信号とすることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
The laser gas analyzer according to claim 1, wherein
The correction temperature signal of the temperature correction calculation unit is the time from the start time of the wavelength scan waveform to the appearance of the bottom of the reverse peak affected by light absorption by the measurement target gas, which is half the scan time of the wavelength scan. The laser gas analyzer is characterized in that a signal for bringing the mid-infrared laser element closer to a reference temperature is set so as to be closer to a predetermined time.
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