JP5594514B2 - レーザ式ガス分析計 - Google Patents

Description

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

従来技術のレーザ式ガス分析計について説明する。まずレーザ式ガス分析計のガス濃度測定原理について説明する。図１０はＮＨ_３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラム例を示す特性図である。気体状のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトルがあることが知られており、例えば、この図１０のＮＨ_３ガスの吸収スペクトラムの特性図に示すように、縦軸が吸収量であり、波長別に吸収量が相違する。

レーザ式ガス分析計は、このようなガスにレーザ光を照射し、特定波長のレーザ光をガスの濃度に比例して吸収させ、この吸収量に基づいてガス濃度を測定する。このようなレーザ式ガス分析計の測定方式は、さらに、２波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。
このうち周波数変調方式に関するレーザ式ガス分析計の従来技術として、例えば、特許文献１（国際公開第ＷＯ２００８／０９６５２４号公報、発明の名称「レーザ式ガス分析計」）に記載の発明が知られている。

図１１に周波数変調方式のレーザ式ガス分析計によるＳＯ_２ガスの濃度測定時の検出信号を示す。ＳＯ_２ガスの吸収がある場合は、レーザ式ガス分析計は図１１に示すようなガスの吸収波形を検出する。このピーク値がガス濃度となるため、この出力のピーク振幅を計測することにより、ＳＯ_２ガスの濃度測定が可能となる。また、信号変化を積分してもよい。

国際公開第ＷＯ２００８／０９６５２４号公報（段落番号００８２〜００８７、図１５Ａ，図１５Ｂ）

近年、半導体レーザの一種である、室温で連続発振可能な量子カスケードレーザ（以下、Quantum cascade laserの略称であるＱＣＬと称する）が実用化された。ＱＣＬは従来の半導体レーザでは実現不可能であった中赤外領域（４〜１０μｍ）という広範囲な領域の波長を発光することができる。このＱＣＬを用いることにより、ＮＨ_３（アンモニア）ガス以外でも、ＳＯ_２，ＮＯ，ＮＯ_２等のように中赤外領域レーザ光に吸収波長が含まれるガス成分を測定するというような、従来技術では不可能であったレーザ式ガス分析計を実現することができる。

また、受光素子として、同じく中赤外領域に感度を有する赤外線検出素子、例えばＭＣＴ（Mercury_Cadmium_Tellurium）光導電素子（以下、ＭＣＴと表記する）を用いることが好ましい。

しかしながら、ＱＣＬやＭＣＴを搭載したレーザ式ガス分析計を高精度で分析可能とするためには各種問題があり、その一つとして、中赤外領域では測定対象ガス以外にも他の干渉ガスにより吸収がなされるという問題があった。この点について説明する。

まず、図１２に、ＳＯ_２ガスの吸収スペクトラム例を示す。前記の周波数変調方式と同様の装置構成によって、ＳＯ_２濃度測定を行う場合、ＱＣＬの波長は７．２〜７．４μｍとすることが好ましい。なお、このＳＯ_２ガスは濃度測定に適した波長範囲において、所定の波長で観察される吸収ピーク以外に、波長に明確に依存しないオフセット的な吸収（以下、オフセット吸収と表記）を有することが特徴である。

さて、このＳＯ_２ガスに対する干渉ガスとして、例えば、ＣＨ_４ガスや水（蒸気）が挙げられる。
図１３にＣＨ_４ガスの吸収スペクトラム例を示す。ＣＨ_４は、ＳＯ_２の測定波長領域（７．２〜７．４μｍ）に多数の大きな吸収ピークを有しており、ＳＯ_２濃度測定において測定誤差を生じさせる干渉ガスの一つである。
図１４にＨ_２Ｏ（水蒸気）の吸収スペクトラム例を示す。ＣＨ_４と同様に、Ｈ_２Ｏは、ＳＯ_２の測定波長領域（７．２〜７．４μｍ）に多数の大きな吸収ピークを有しており、ＳＯ_２濃度測定において測定誤差を生じさせる干渉ガスの一つである。

続いて干渉ガスの存在による測定誤差について説明する。
例えば、干渉ガスであるＣＨ_４が測定環境内に５００ｐｐｍ・ｍの濃度で存在する場合、レーザ式ガス分析計による検出信号には、図１５に示すように、同一検出波長でＳＯ_２とＣＨ_４の吸収が現れる。そのため、図１６に示すように、５０ｐｐｍ・ｍフルスケールのＳＯ_２分析計において、目標仕様の３倍超過である６％の測定誤差が生じることとなる。

このような干渉現象が生じない検出波長や波長変調条件を選定することが望ましいが、図１２，図１３，図１４に示すように、ＳＯ_２の吸収が存在する波長領域と、ＣＨ_４およびＨ_２Ｏの吸収が存在する波長領域と、が大部分で重なっており、重なりがない波長領域の選定に多大の労力を要するという問題があった。また、ＱＣＬの設計仕様において、基準波長や波長公差に対する尤度が小さくなることから、ＱＣＬ製造時の歩留まり低下によるコストが高いという問題があった。

なお、特許文献１に記載の従来技術のレーザ式ガス分析計は、ＱＣＬを採用していないため、波長の違いからＳＯ_２について計測するものではなく、このような干渉の問題は生じておらず、上記のような問題について考慮したものではなかった。

そこで、本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な分析ロジックを追加することで、干渉の影響を排除し、濃度を正確に算出できるようにしたレーザ式ガス分析計を提供することにある。

本発明の請求項１に係るレーザ式ガス分析計は、
周波数変調された中赤外領域レーザ光を出射する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光源側光学系と、この光源側光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された透過光を集光する受光側光学系と、この受光側光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路と、処理された信号に基づいて測定対象ガスの濃度を測定する中央処理部と、を有するレーザ式ガス分析計において、
前記光源部は、
中赤外領域レーザ光を発光するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
測定対象ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を可変とする可変駆動信号と、前記レーザ素子の発熱量を減少させるように前記レーザ素子の発光を停止するオフセット信号と、を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
中赤外領域に感度を有する受光素子と、
この受光素子の温度を安定化させる受光側温度安定化手段と、
を備え、
前記信号処理回路は、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の２倍周波数成分の信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波回路と、
を備え、
前記中央処理部は、
異なる波長Ｘと波長Ｙとの間の干渉ガスの測定誤差の比率ａが予め登録されており、
干渉ガスを含む測定対象ガスにおける測定対象ガスのガス濃度を測定する場合、
発光部側の前記電流制御部および前記発光側温度安定化手段に対し、複数の異なる波長Ｘと波長Ｙとの中赤外領域レーザ光を発光するようなレーザ駆動電流およびレーザ動作温度とする制御を行う制御手段と、
一定時間に異なる波長Ｘと波長Ｙとの中赤外領域レーザ光によってそれぞれ得られる、複数のガス吸収波形をもとに、波長Ｘのときの測定対象ガスの濃度Ｓ _Ｘ 〔％〕、および、波長Ｙのとき測定対象ガスの濃度Ｓ _Ｙ 〔％〕を生成する生成手段と、
測定対象ガスの濃度をＳ _０ ＝Ｓ _Ｙ ／（１−ａ）−ａＳ _Ｘ ／（１−ａ）により算出して測定対象ガスによる吸収成分と干渉ガスによる吸収成分とを分別しつつ測定対象ガスの濃度を算出する測定対象ガス濃度算出手段として機能することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係るレーザ式ガス分析計は、
請求項１に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記中央処理部は、
濃度Ｂの干渉ガスの波長Ｘにおける吸収の測定誤差ｘ、および、濃度Ｂの干渉ガスの波長Ｙにおける吸収の測定誤差ｙが予め登録されており、
干渉ガスの濃度をＢ _０ ＝Ｂ（Ｓ _Ｘ −Ｓ _Ｙ ）／（ｘ−ｙ）により算出する干渉ガス濃度算出手段として機能することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係るレーザ式ガス分析計は、
周波数変調された中赤外領域レーザ光を出射する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光源側光学系と、この光源側光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された透過光を集光する受光側光学系と、この受光側光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路と、処理された信号に基づいて測定対象ガスの濃度を測定する中央処理部と、を有するレーザ式ガス分析計において、
前記光源部は、
中赤外領域レーザ光を発光するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
測定対象ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を可変とする可変駆動信号と、前記レーザ素子の発熱量を減少させるように前記レーザ素子の発光を停止するオフセット信号と、を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
中赤外領域に感度を有する受光素子と、
この受光素子の温度を安定化させる受光側温度安定化手段と、
を備え、
前記信号処理回路は、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の２倍周波数成分の信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波回路と、
を備え、
前記中央処理部は、
濃度Ｂの干渉ガスの波長Ｘにおける吸収の測定誤差ｘ、および、濃度Ｂの干渉ガスの波長Ｙにおける吸収の測定誤差ｙが予め登録されており、
干渉ガスを含む測定対象ガスにおける干渉ガスのガス濃度を測定する場合、
発光部側の前記電流制御部および前記発光側温度安定化手段に対し、複数の異なる波長Ｘと波長Ｙとの中赤外領域レーザ光を発光するようなレーザ駆動電流およびレーザ動作温度とする制御を行う制御手段と、
一定時間に異なる波長Ｘと波長Ｙとの中赤外領域レーザ光によってそれぞれ得られる、複数のガス吸収波形をもとに、波長Ｘのときの測定対象ガスの濃度Ｓ _Ｘ 〔％〕、および、波長Ｙのとき測定対象ガスの濃度Ｓ _Ｙ 〔％〕を生成する生成手段と、
干渉ガスの濃度をＢ_０＝Ｂ（Ｓ_Ｘ−Ｓ_Ｙ）／（ｘ−ｙ）により算出して測定対象ガスによる吸収成分と干渉ガスによる吸収成分とを分別しつつ干渉ガスの濃度を算出する干渉ガス濃度算出手段として機能することを特徴とする。

本発明によれば、簡易な分析ロジックを追加することで、干渉の影響を排除し、濃度を正確に算出できるようにしたレーザ式ガス分析計を提供することができる。

本発明の実施の形態のレーザ式ガス分析計を示す全体構成図である。 本発明の実施の形態のレーザ式ガス分析計の光源部の構成図である。 波長走査駆動信号発生部からの出力信号図である。 本発明の実施の形態のレーザ式ガス分析計のレーザ素子の波長走査駆動信号波形、ＳＯ_２ガスの吸収波形、同期検波回路のガス吸収波形を示す図である。 本発明の実施の形態のレーザ式ガス分析計の受光部、信号処理回路および中央処理部の構成図である。 周波数変調方式の原理図である。 本発明の実施形態における測定値補正を説明するための、検出波長と干渉ガス（Ｈ_２Ｏ）による測定誤差との関係を示す図である。 本発明の実施形態における測定値補正を説明するための、検出波長と干渉ガス（Ｈ_２Ｏ）による測定誤差との関係を示す図である。 本発明の実施形態における測定補正を説明するための、測定対象ガスおよび干渉ガスによる吸収波形を示す図である。 ＮＨ_３ガスの吸収スペクトラム例を示す特性図である。 周波数変調方式のレーザ式ガス分析計によるＳＯ_２ガスの濃度測定時の検出信号を示す図である。 ＳＯ_２ガスの吸収スペクトラム例を示す特性図である。 ＣＨ_４ガスの吸収スペクトラム例を示す図である。 Ｈ_２Ｏの吸収スペクトラム例を示す図である。 ＣＨ_４が干渉するＳＯ_２の濃度測定時のガス吸収波形信号を示す図である。 ＣＨ_４が干渉するＳＯ_２の濃度測定例を示す図である。

続いて、本発明を実施するための形態について図を参照しつつ以下に説明する。図１は、本形態のレーザ式ガス分析計を示す構造図であって、全体的な構成を示している。このレーザ式ガス分析計は、周波数変調方式のレーザ式ガス分析計である。レーザ式ガス分析計は、図１に示すように、フランジ１０１ａ，１０１ｂにより、例えば、煙道のように測定対象ガスが内部を通流する配管などの壁２０１，２０２に溶接等によって固定されている。一方のフランジ１０１ａには、透明な出射窓１０１ｃが設けられている。また、フランジ１０１ａには、取付座１０２ａを介して有底円筒状のカバー１０３ａが取り付けられている。

カバー１０３ａの内部には光源部１０４が配置されており、この光源部１０４から出射したレーザ光はコリメートレンズ１０５を含む光源側光学系によって平行光にコリメートされ、フランジ１０１ａの中心を通り、出射窓１０１ｃを介して壁２０１，２０２の内部（煙道内部）へ入射される。この平行光は、壁２０１，２０２の内部にある測定対象ガスを透過する際に吸収を受ける。

他方のフランジ１０１ｂには、取付座１０２ｂを介して有底円筒状のカバー１０３ｂが取り付けられている。また、フランジ１０１ｂには透明な入射窓１０１ｄが設けられている。煙道内部を通過した平行光は、入射窓１０１ｄを経て、カバー１０３ｂ内部の受光側光学系である集光レンズ１０６により集光されて受光部１０７により受光され、電気信号に変換されて後段の信号処理回路１０８に入力される。また、光源部１０４および信号処理回路１０８は、中央処理部１０９に接続されている。

次に、光源部について説明する。図２は光源部１０４の構成を示している。この光源部１０４は、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とする波長走査駆動信号発生部１０４ａと、測定対象ガスの吸収波長を検出するために、例えば６．５ｋＨｚ程度の正弦波で波長を周波数変調するための高調波変調信号発生部１０４ｂと、からなるレーザ駆動信号発生部１０４ｓを備えており、これらの信号発生部１０４ａ，１０４ｂの出力信号が合成されてレーザ駆動信号が生成されるようになっている。上記レーザ駆動信号は電流制御部１０４ｃにより電流に変換され、ＱＣＬによるレーザ素子１０４ｅに供給される。このＱＣＬによるレーザ素子１０４ｅは中赤外領域レーザ光を発光する。なお、波長走査駆動信号発生部１０４ａは中央処理部１０９と接続されており、特に振幅や出射タイミングが入力されてレーザ駆動電流が制御される。

また、レーザ素子１０４ｅには発光側温度安定化手段が設けられている。この発光側温度安定化手段は、温度制御部１０４ｄ、サーミスタ１０４ｆ、ペルチェ素子１０４ｇを備える。レーザ素子１０４ｅに近接して温度検出素子としてのサーミスタ１０４ｆが配置され、このサーミスタ１０４ｆにはペルチェ素子１０４ｇが近接して配置されている。このペルチェ素子１０４ｇは、サーミスタ１０４ｆの抵抗値が一定値になるようにするため、温度制御部１０４ｄによって制御が行われ、結果としてレーザ素子１０４ｅの温度を安定化するように動作するものである。なお、温度制御部１０４ｄは中央処理部１０９と接続されており、レーザ動作温度が制御される。

ここで、波長走査駆動信号発生部１０４ａから出力される波長走査駆動信号は、図３に示すように、可変駆動信号Ｓ１およびオフセット信号Ｓ２により一の単位波形となり、このような単位波形が一定周期で繰り返されるほぼ台形波状の信号である。

波長走査駆動信号の可変駆動信号Ｓ１は、吸収波長を走査する信号であり、電流制御部１０４ｃを介してレーザ素子１０４ｅに供給される電流の大きさを直線的に変えることにより、レーザ素子１０４ｅの発光波長を徐々にずらしていき、吸収波長を走査する信号である。信号Ｓ１の傾き、すなわち、供給電流の変化量によって、発光波長をサブｎｍ〜数ｎｍの範囲で走査可能である。例えばＳＯ_２ガスであれば、０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能とする部分である。

また、波長走査駆動信号のオフセット信号Ｓ２は、レーザ素子１０４ｅが発光するスレッショルド電流値未満の電流を前記レーザ素子に供給するような値とした信号であり、レーザ素子１０４ｅを発光させないオフセット部分である。波長走査駆動信号発生部１０４ａがこのオフセット信号Ｓ２を出力しているタイミングではＱＣＬは未発光である。信号Ｓ１と信号Ｓ２とは交互に切り替わるように挿入されている。

このようにオフセット信号Ｓ２がレーザ素子１０４ｅの発光が安定するスレッショルド電流値未満であり、さらに可変駆動信号Ｓ１の時間に対してオフセット信号Ｓ２の時間が大幅に長い。
このような間欠発光条件、すなわち、信号Ｓ１と信号Ｓ２の時間の比は、ＱＣＬであるレーザ素子１０４ｅの発熱量とペルチェ素子等の温度安定化手段の性能とを勘案して決定すれば良く、例えばＳ１：Ｓ２＝１：４とすることにより、連続発光する場合と比較して、発熱量を１／５にまで低減することができる。

仮にＱＣＬを用いる光源部を連続発光させたり、または、少し停止するが殆ど連続して発光させると発熱が過大となり、ペルチェ素子による温度制御が困難になることが予想されるが、本形態では上記のようにＱＣＬを発光時間よりも消光時間が長いように間欠発光させることにより、ＱＣＬの発熱量を低減し、従来のレーザ式ガス分析計と同等の構成およびコストでＱＣＬの使用が可能となるようにした。発光時間と消光時間との割合は、発光側温度安定化手段（図２の温度制御部１０４ｄ、サーミスタ１０４ｆ、ペルチェ素子１０４ｇ）により温度安定化が可能な限界温度を想定したとき、この限界温度よりも低い温度となるように発光時間と消光時間との割合が決定される。この場合、少なくとも発光時間よりも消光時間を長くして、温度を低下させる。このような駆動方式は、ＱＣＬやＭＣＴの不安定性の解消に寄与するものである。

さて、このような波長走査駆動信号発生部１０４ａから出力される波長走査駆動信号に対し、高周波変調信号発生部１０４ｂからの高周波変調信号を合成して周波数変調を行い、図４で示すようなレーザ駆動信号を生成する。このレーザ駆動信号は、ＳＯ_２ガスの場合では、高周波変調信号の周波数を６．５ｋＨｚ、波長走査駆動信号の周波数を２０Ｈｚとなり、λ_１、λ_２はＳＯ_２ガスの吸収波長に相当する走査範囲の上下限値を示している。

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

次に、図５は、受光部１０７および信号処理回路１０８の構成を示している。中赤外領域に感度を有するＭＣＴ光導電素子は低温でないと十分な感度が得られないため、ＭＣＴ光導電素子である受光素子１０７ａに対して、受光側温度安定化手段を受光部１０７に設けている。

受光側温度安定化手段は、さらにサーミスタ１０７ｂ、ペルチェ素子１０７ｃ、温度制御部１０７ｄを備え、受光素子１０７ａを冷却する。具体的には、ＭＣＴ光導電素子内にサーミスタ１０７ｂやペルチェ素子１０７ｃが内蔵される。このようにレーザ素子１０７ａに近接して温度検出素子としてのサーミスタ１０７ｂが配置され、このサーミスタ１０７ｂにはペルチェ素子１０７ｃが近接して配置されている。

このペルチェ素子１０７ｃは、サーミスタ１０７ｂの抵抗値が一定値になるように温度制御部１０７ｄによって制御され、結果として受光素子１０７ａの温度を安定化するように動作するものである。このような受光側温度安定化手段により、例えばＭＣＴ光導電素子の動作温度を−３℃で一定にする。

ＭＣＴ光導電素子である受光素子１０７ａは、ＱＣＬであるレーザ素子１０４ｅの中赤外領域レーザ光の発光波長に感度を持つ受光素子である。この受光部１０７の出力電流はＩ／Ｖ変換器１０８ａへ入力される。Ｉ／Ｖ変換器１０８ａは、発振器１０８ｃから２ｆ信号（２倍波信号）が入力されており、出力電流に対して２ｆ信号（２倍波信号）により変調してから電圧に変換して電圧信号を出力する。この電圧信号が同期検波回路１０８ｂに入力される。同期検波回路１０８ｂはこの電圧信号に対して検波を行い、変調信号の２倍周波数成分の振幅のみを取り出す。

ここで周波数変調方式のレーザ式ガス分析計の計測原理について説明する。図６は、周波数変調方式の原理図を示している。この周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、中心周波数ｆ_ｃ、変調周波数ｆ_ｍで半導体レーザの出射光を周波数変調し、測定対象ガスに照射する。ここで、周波数変調とは、レーザ素子１０４ｅに供給するドライブ電流の波形を正弦波状にすることである。
周波数変調方式で距離の影響をキャンセルするためには、半導体レーザ素子の出力を周波数変調すると同時に周波数ｆ_ｍで振幅変調を行えばよいのであるが、半導体レーザ素子の出力に周波数変調を掛けると振幅変調も掛かるので、これが利用できる。

図６に示したように、ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、受光部では変調周波数ｆ_ｍの２倍の周波数の信号（２倍周波数信号）が得られる。ここで、変調周波数ｆ_ｍは任意の周波数で良いため、例えば、変調周波数ｆ_ｍを数ｋＨｚ程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）または汎用のプロセッサを用いて、２倍周波数信号の抽出等の高度な信号処理を行うことが可能になる。

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

このような原理のもと、同期検波回路１０８ｂにおいて、測定対象ガスによるレーザ光の吸収が無い場合は、同期検波回路１０８ｂによって２倍波信号が検出されないので、同期検波回路１０８ｂの出力はほぼ直線となる。
一方、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波回路１０８ｂによって出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である２倍波信号が検出される。その出力波形は図４の長方形の枠内に図示された同期検波回路１０８ｂの出力波形に示すようになる。この波形はフィルタ１０８ｄによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のＣＰＵやＤＳＰ等である中央処理部１０９へ出力される。
なお、Ｉ／Ｖ変換器１０８ａからの出力信号は抽出手段（フィルタ）１０８ｅにも入力され、抽出された波長走査駆動信号成分が中央処理部１０９に送られるが、この波長走査駆動信号成分は異常判定などに用いられることとなる。

この図４に示される同期検波回路１０８ｂの出力波形のピーク値が測定対象ガスの濃度に相当するため、ピーク値を測定するか、あるいは波形の一部または全部を積分してその積分値から測定対象ガスの濃度を検出すればよい。

次いで、測定対象ガスの濃度測定方法について述べる。まず、本発明のレーザ式ガス分析計における分析原理について説明する。ここに干渉ガスおよび測定対象ガスを含むガスを想定する。

まず、事前に、波長Ｘ〔ｎｍ〕において濃度Ｂ〔ｐｐｍ・ｍ〕の干渉ガスに対して吸収があったときにその吸収に伴う測定誤差がｘ〔％〕であること、および、波長Ｙ〔ｎｍ〕において濃度Ｂ〔ｐｐｍ・ｍ〕の干渉ガスに対して吸収があったときにその吸収に伴う測定誤差がｙ〔％〕であることが予め判明しているものとする。

続いてレーザ式ガス分析を行うものとする。まず、ガスに波長Ｘ〔ｎｍ〕のレーザを用いてレーザ分析を行う。レーザ分析の結果、波長Ｘ〔ｎｍ〕においてガス濃度Ｓ_Ｘ〔％〕が計測されたとする。
続いて、ガスに波長Ｙ〔ｎｍ〕のレーザを用いてレーザ分析を行う。レーザ分析の結果、波長Ｙ〔ｎｍ〕においてガス濃度Ｓ_Ｙ〔％〕が計測されたとする。これらＳ_Ｘ〔％〕，Ｓ_Ｙ〔％〕は干渉ガスによる測定誤差が含まれている測定対象ガスの濃度である。

続いて、測定対象ガスおよび干渉ガスの濃度の真値を算出する。
測定対象ガス（ＳＯ_２）の実際の濃度がＳ_０〔％〕、干渉ガス（Ｈ_２Ｏ）の実際の濃度がＢ_０〔ｐｐｍ・ｍ〕であるとした場合、ガス濃度Ｓ_ＸおよびＳ_Ｙは下式のように表される。

［数１］
Ｓ_Ｘ＝Ｓ_０＋（Ｂ_０／Ｂ）・ｘ

［数２］
Ｓ_Ｙ＝Ｓ_０＋（Ｂ_０／Ｂ）・ｙ

ここに測定誤差比率ａは次の数式３のようになる。

［数３］
ａ＝ｙ／ｘ

この測定誤差比率ａは干渉ガスの濃度が変動しても一定である。

続いて測定対象ガスの実際の濃度Ｓ_０を、計測されるガス濃度Ｓ_Ｘ，Ｓ_Ｙを用いて表す。数式１を変形すると、Ｂ_０／Ｂは下式のように表される。

［数４］
Ｂ_０／Ｂ＝（Ｓ_Ｘ−Ｓ_０）／ｘ

数式２に数式３，４を代入し、Ｓ_０を求める式に変形すると、下式のように表される。

［数５］
Ｓ_０＝Ｓ_Ｙ／（１−ａ）−ａＳ_Ｘ／（１−ａ）

ここで計測濃度Ｓ_ＸやＳ_Ｙは実際に計測されるため取得可能である。また、ａについては、予め波長Ｘ〔ｎｍ〕においてＢ〔ｐｐｍ・ｍ〕の濃度の干渉ガスに対して吸収があったとき、その吸収に伴う測定誤差ｘを算出しておき、同様に、予め波長Y〔ｎｍ〕においてＢ〔ｐｐｍ・ｍ〕の濃度の干渉ガスに対して吸収があったとき、その吸収に伴う測定誤差ｙを算出しておき、上記［数３］により測定誤差比率ａを算出しておく。そして、測定誤差比率ａ、および、波長Ｘと波長Ｙとの場合の測定誤差であるｘ、ｙとを登録しておき、測定誤差比率ａを算出することができる。この測定誤差比率ａは波長を変えて多数の組み合わせが登録されている。

このようにして、波長ＸにおけるＳＯ_２の濃度の測定値Ｓ_Ｘと、波長ＹにおけるＳＯ_２の濃度の測定値Ｓ_Ｙと、予め求めておいた干渉ガスによる測定誤差の複数波長間の比率ａと、を基に、干渉ガスとともにガスに含まれる測定対象ガスであるＳＯ_２の濃度を求めることができることが分かる。

また、数式３，４，５により、ある測定環境における干渉ガスの濃度Ｂ_０は下式のように表される。

［数６］
Ｂ_０＝Ｂ（Ｓ_Ｘ−Ｓ_Ｙ）／（ｘ−ｙ）

ここに干渉ガスの濃度Ｂ〔ｐｐｍ・ｍ〕は予め判明しており、波長ＸにおけるＳＯ_２の濃度の測定値Ｓ_Ｘと、波長ＹにおけるＳＯ_２の濃度の測定値Ｓ_Ｙと、波長Ｘ〔ｎｍ〕において濃度Ｂ〔ｐｐｍ・ｍ〕の干渉ガスに対する吸収に伴う測定誤差ｘ〔％〕と、波長Ｙ〔ｎｍ〕において濃度Ｂ〔ｐｐｍ・ｍ〕の干渉ガスに対する吸収に伴う測定誤差ｙ〔％〕と、を基に、測定対象ガスとともにガスに含まれる干渉ガスであるＨ_２Ｏの濃度Ｂ_０のみを求めることができることが分かる。測定原理はこのようなものである。

続いてレーザ式ガス分析計による分析処理について説明する。ここに干渉ガスおよび測定対象ガスを含むガスが煙道内を流れているものとする。説明の具体化のため、干渉ガスとしてＨ_２Ｏ（水分）、測定対象ガスとしてＳＯ_２と、が混合されたガスが流れており、このガスをレーザ分析するものとする。ＳＯ_２濃度測定を行う場合、ＱＣＬの波長は７．２〜７．４μｍであるが、本形態では検出波長を７３５８ｎｍ（７．３５８μｍ）を基準に若干ずれる波長Ｘ，波長Ｙである。以後、検出波長は波長Ｘ_７３５８〔ｎｍ〕、波長Ｙ_７３５８〔ｎｍ〕と表記する。

そして、事前に測定干渉試験を行なってデータを取得しておく。
図７に検出波長がＸ_７３５８〔ｎｍ〕の水分の測定干渉試験結果を示す。この試験は予め行わているものである。この場合の水分による測定誤差はｘ＝＋５％である。
また、図８に検出波長がＹ_７３５８〔ｎｍ〕の水分の測定干渉試験結果を示す。この試験は予め行わているものである。この場合の水分による測定誤差はｙ＝＋２．５％であることが分かる。
これら試験の結果を予め登録しておく。中央処理部１０９は、波長Ｘ_７３５８〔ｎｍ〕における測定誤差ｘ＝＋５％、波長Ｙ_７３５８〔ｎｍ〕における測定誤差ｙ＝＋２．５％、ｙ／ｘで表される測定誤差比率ａ＝０．５を記憶している。

つまり、中央処理部１０９の図示しないメモリには、波長Ｘと波長Ｙ、波長Ｘと波長Ｙとの場合の測定誤差であるｘ、ｙ、および、測定誤差であるｘとｙとの測定誤差比率ａが予め登録されているものとする。メモリには、波長Ｘ，Ｙの場合のみならず、波長を変えて多数の組み合わせが登録されている。このような登録は、例えば、工場出荷時に予め行われている。

続いて分析を開始する。
まず、中央処理部１０９は、光源部１０４が波長Ｘ_７３５８〔ｎｍ〕を中心に吸収波長に相当する操作範囲となるように波長に幅があるレーザ光を発光するように制御する。詳しくは中央処理部１０９は、波長操作駆動信号発生部１０４ａに指令してレーザ駆動電流を調整し、また、温度制御部１０４ｄに指令してレーザ動作温度を調整し、レーザ素子１０４ｅから波長Ｘ_７３５８〔ｎｍ〕を中心に波長に幅がある中赤外域レーザ光を発光する。

この際、温度制御部１０４ｄは、まず、事前に、図２のレーザ素子１０４ｅの温度をサーミスタ１０４ｆにより検出し、図３に示した波長走査駆動信号のＳ１の中心部分で測定対象ガス（ＳＯ_２ガス）が測定できる（所定の吸収特性が得られる）ように、図２の温度制御部１０４ｄによりペルチェ素子１０４ｇの通電を制御してレーザ素子１０４ｅの温度を調整する。ペルチェ素子１０４ｇはサーミスタ１０４ｆの抵抗値が一定値になるようにＰＩＤ制御等で制御される。そのような設定条件で、レーザ素子１０４ｅを駆動し、壁２０１，２０２の内部の測定対象ガスが存在する空間にレーザ光を出射し、集光した光を受光部１０７へ入射させる。受光部１０７は信号を検出して電流信号に変換の上で信号処理部１０８へ出力する。

続いて、中央処理部１０９は、光源部１０４が波長Ｙ_７３５８〔ｎｍ〕を中心に吸収波長に相当する操作範囲となるように波長に幅があるレーザ光を発光するように制御する。波長Ｙ_７３５８〔ｎｍ〕は波長Ｘ_７３５８〔ｎｍ〕に対して若干ずれた値である。詳しくは中央処理部１０９は、波長操作駆動信号発生部１０４ａに指令してレーザ駆動電流を調整し、また、温度制御部１０４ｄに指令してレーザ動作温度を調整し、レーザ素子１０４ｅから波長Ｙ_７３５８〔ｎｍ〕を中心に波長に幅がある中赤外域レーザ光を発光する。Ｘ_７３５８〔ｎｍ〕と比較してレーザ駆動電流やレーザ動作温度温度をずらして調整している。受光部１０７は信号を検出して電流信号に変換の上で信号処理部１０８へ出力する。

図９は、Ｘ_７３５８〔ｎｍ〕，Ｙ_７３５８〔ｎｍ〕と連続したときのＳＯ_２濃度測定時の同期検波回路１０８ｂの出力を示す。検出波長をＸ_７３５８〔ｎｍ〕からＹ_７３５８〔ｎｍ〕へ連続させた時の、測定対象ガスであるＳＯ_２と、測定干渉ガスである水分のガス吸収波形を示す。同一の波長領域に両者が吸収ピークを有することが分かる。ＳＯ_２の吸収波形において、図中のＡ−Ａ’およびＢ−Ｂ’のように吸収ピーク振幅は２通り求められる。このピーク値がガス濃度となるため、この出力のＡ−Ａ’のピーク振幅をガス濃度Ｓ_Ｘと、また、Ｂ−Ｂ’のピーク振幅をガス濃度Ｓ_ｙとして計測する。

中央処理部１０９は、波長Ｘのときの測定対象ガスの濃度Ｓ_Ｘ〔％〕、および、波長Ｙのとき測定対象ガスの濃度Ｓ_Ｙ〔％〕を生成するものであり、詳しくは、同期検波回路１０８ｂの出力最小値と最大値とから濃度Ｓ_Ｘと濃度Ｓ_Ｙ とを生成する手段として機能する。Ａ−Ａ’は波長Ｘのときの濃度Ｓ_Ｘとして登録される。また、Ｂ−Ｂ’は波長Ｙのときの濃度Ｓ_Ｙとして登録される。

なお、Ａ−Ａ’およびＢ−Ｂ’のピーク振幅がそれぞれ最大となるように、ＱＣＬの発光波長を走査するが、本形態では波長走査を主に、ＱＣＬの動作温度によって行っており、両検出波長の動作温度差ΔＴ＝１．５℃であった。波長走査の時間間隔は、ＱＣＬの動作温度変更による発光安定化時間を考慮して、例えば１分とすることができる。

中央処理部１０９は、測定対象ガスの濃度を算出するものであり、詳しくは測定対象ガスの濃度Ｓ_０＝Ｓ_Ｙ／（１−ａ）−ａＳ_Ｘ／（１−ａ）により算出する算出手段として機能する。

ここで、実際の測定値が波長Ｘ_７３５８〔ｎｍ〕においてＳ_Ｘ＝６０〔％〕、波長Ｙ_７３５８〔ｎｍ〕においてＳ_Ｙ＝５５〔％〕であった場合、前記の測定誤差の比率ａと、２種の検出波長による測定誤差Ｓ_ＸおよびＳ_Ｙを数式５に代入することにより、実際のＳＯ_２の濃度は５０〔％〕と求めることができる。

また、中央処理部１０９は、干渉ガスの濃度をＢ_０＝Ｂ（Ｓ_Ｘ−Ｓ_Ｙ）／（ｘ−ｙ）により算出する算出手段として機能する。
波長Ｘ_７３５８〔ｎｍ〕においてＳ_Ｘ＝６０〔％〕、波長Ｙ_７３５８〔ｎｍ〕においてＳ_Ｙ＝５５〔％〕、波長Ｘ_７３５８〔ｎｍ〕においてｘ＝＋５％、波長Ｙ_７３５８〔ｎｍ〕においてｙ＝＋２．５％であり、Ｂ＝５０［ｐｐｍ・ｍ］であるからＢ_０ ＝１００［ｐｐｍ・ｍ］であると求めることができる。

中央処理部１０９は、光源部１０４および信号処理回路１０８をＯＦＦにしてレーザ分析を終了する。レーザ式ガス分析計はこのようなものである。

以上のように本実施形態によれば、光源部１０４によりレーザ素子１０４ｅの発光波長を所定範囲にわたって走査して測定対象ガスによりガス濃度を測定することが可能となる。

以上、本発明のレーザ式ガス分析計について説明した。
なお、本形態では測定対象ガスとしてＳＯ_２ の濃度を求めるものとして説明した。しかしながら、ＳＯ_２に限定する趣旨でないのはいうまでもなく、例えば、ＮＯ、ＮＯ_２ の濃度を求めて良い。

本発明によれば、ＱＣＬ（量子カスケードレーザ）を用いたレーザ式ガス分析計の光源部において、レーザ駆動電流およびレーザ動作温度を調整して、レーザ素子から一定時間ごとに異なる波長の中赤外域レーザ光を発光することにより、複数のガス吸収波形を得られる。中央処理部では、ガス吸収波形に含まれる、測定対象ガスによる吸収成分と測定干渉ガスによる吸収成分とを分別することにより、測定対象ガスの濃度を算出することが可能となる。

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

２０１，２０２：壁
１０１ａ，１０１ｂ：フランジ
１０１ｃ：出射窓
１０１ｄ：入射窓
１０２ａ，１０２ｂ：取付座
１０３ａ，１０３ｂ：カバー
１０４：光源部
１０４ａ：波長走査駆動信号発生部
１０４ｂ：高周波変調信号発生部
１０４ｃ：電流制御部
１０４ｄ：温度制御部
１０４ｅ：レーザ素子
１０４ｆ：サーミスタ
１０４ｇ：ペルチェ素子
１０４ｓ：レーザ駆動信号発生部
１０５：コリメートレンズ
１０６：集光レンズ
１０７：受光部
１０７ａ：受光素子
１０７ｂ：サーミスタ
１０７ｃ：ペルチェ素子
１０７ｄ：温度制御部
１０８：信号処理回路
１０８ａ：Ｉ／Ｖ変換回路
１０８ｂ：同期検波回路
１０８ｃ：発振器
１０８ｄ：フィルタ
１０８ｅ：抽出手段（フィルタ）
１０９：中央処理部

Claims (3)

1. 周波数変調された中赤外領域レーザ光を出射する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光源側光学系と、この光源側光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された透過光を集光する受光側光学系と、この受光側光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路と、処理された信号に基づいて測定対象ガスの濃度を測定する中央処理部と、を有するレーザ式ガス分析計において、
   前記光源部は、
   中赤外領域レーザ光を発光するレーザ素子と、
   前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
   測定対象ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を可変とする可変駆動信号と、前記レーザ素子の発熱量を減少させるように前記レーザ素子の発光を停止するオフセット信号と、を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
   このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
   を備え、
   前記受光部は、
   中赤外領域に感度を有する受光素子と、
   この受光素子の温度を安定化させる受光側温度安定化手段と、
   を備え、
   前記信号処理回路は、
   前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の２倍周波数成分の信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波回路と、
   を備え、
   前記中央処理部は、
   異なる波長Ｘと波長Ｙとの間の干渉ガスの測定誤差の比率ａが予め登録されており、
   干渉ガスを含む測定対象ガスにおける測定対象ガスのガス濃度を測定する場合、
   発光部側の前記電流制御部および前記発光側温度安定化手段に対し、複数の異なる波長Ｘと波長Ｙとの中赤外領域レーザ光を発光するようなレーザ駆動電流およびレーザ動作温度とする制御を行う制御手段と、
   一定時間に異なる波長Ｘと波長Ｙとの中赤外領域レーザ光によってそれぞれ得られる、複数のガス吸収波形をもとに、波長Ｘのときの測定対象ガスの濃度Ｓ _Ｘ 〔％〕、および、波長Ｙのとき測定対象ガスの濃度Ｓ _Ｙ 〔％〕を生成する生成手段と、
   測定対象ガスの濃度をＳ _０ ＝Ｓ _Ｙ ／（１−ａ）−ａＳ _Ｘ ／（１−ａ）により算出して測定対象ガスによる吸収成分と干渉ガスによる吸収成分とを分別しつつ測定対象ガスの濃度を算出する測定対象ガス濃度算出手段として機能することを特徴とするレーザ式ガス分析計。
2. 請求項１に記載のレーザ式ガス分析計において、
   前記中央処理部は、
   濃度Ｂの干渉ガスの波長Ｘにおける吸収の測定誤差ｘ、および、濃度Ｂの干渉ガスの波長Ｙにおける吸収の測定誤差ｙが予め登録されており、
   干渉ガスの濃度をＢ _０ ＝Ｂ（Ｓ _Ｘ −Ｓ _Ｙ ）／（ｘ−ｙ）により算出する干渉ガス濃度算出手段として機能することを特徴とするレーザ式ガス分析計。
3. 周波数変調された中赤外領域レーザ光を出射する光源部と、この光源部からの出射光をコリメートする光源側光学系と、この光源側光学系から測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された透過光を集光する受光側光学系と、この受光側光学系により集光された光を受光する受光部と、この受光部の出力信号を処理する信号処理回路と、処理された信号に基づいて測定対象ガスの濃度を測定する中央処理部と、を有するレーザ式ガス分析計において、
   前記光源部は、
   中赤外領域レーザ光を発光するレーザ素子と、
   前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
   測定対象ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を可変とする可変駆動信号と、前記レーザ素子の発熱量を減少させるように前記レーザ素子の発光を停止するオフセット信号と、を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
   このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
   を備え、
   前記受光部は、
   中赤外領域に感度を有する受光素子と、
   この受光素子の温度を安定化させる受光側温度安定化手段と、
   を備え、
   前記信号処理回路は、
   前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の２倍周波数成分の信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波回路と、
   を備え、
   前記中央処理部は、
   濃度Ｂの干渉ガスの波長Ｘにおける吸収の測定誤差ｘ、および、濃度Ｂの干渉ガスの波長Ｙにおける吸収の測定誤差ｙが予め登録されており、
   干渉ガスを含む測定対象ガスにおける干渉ガスのガス濃度を測定する場合、
   発光部側の前記電流制御部および前記発光側温度安定化手段に対し、複数の異なる波長Ｘと波長Ｙとの中赤外領域レーザ光を発光するようなレーザ駆動電流およびレーザ動作温度とする制御を行う制御手段と、
   一定時間に異なる波長Ｘと波長Ｙとの中赤外領域レーザ光によってそれぞれ得られる、複数のガス吸収波形をもとに、波長Ｘのときの測定対象ガスの濃度Ｓ _Ｘ 〔％〕、および、波長Ｙのとき測定対象ガスの濃度Ｓ _Ｙ 〔％〕を生成する生成手段と、
   干渉ガスの濃度をＢ_０＝Ｂ（Ｓ_Ｘ−Ｓ_Ｙ）／（ｘ−ｙ）により算出して測定対象ガスによる吸収成分と干渉ガスによる吸収成分とを分別しつつ干渉ガスの濃度を算出する干渉ガス濃度算出手段として機能することを特徴とするレーザ式ガス分析計。

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