(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子とこの受光素子の出力信号が入力されるゲイン可変のアンプとこのアンプの出力信号が入力されるＡ／Ｄ変換器とこのＡ／Ｄ変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニットとで構成され、
前記半導体レーザのスキャンごとに前記Ａ／Ｄ変換器の出力データのピークツーピーク値を検出するピークツーピーク検出器と、このピークツーピーク検出器の出力信号があらかじめ設定されている閾値から外れていたら前記アンプのゲインを閾値内に戻す方向に調整するゲイン調整部を設け、
前記ゲイン調整部の閾値は、前記Ａ／Ｄ変換器の入力レベルが適切な状態になるように設定されているレーザガス分析装置において、
前記ゲイン調整部は、少なくとも１つのウィンドウコンパレータを含むことを特徴とするレーザガス分析装置。
【請求項２】
測定ガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子とこの受光素子の出力信号が入力されるゲイン可変のアンプとこのアンプの出力信号が入力されるＡ／Ｄ変換器とこのＡ／Ｄ変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニットとで構成されたレーザガス分析装置において、
前記半導体レーザのスキャンごとに前記Ａ／Ｄ変換器の出力データのピークツーピーク値を検出するピークツーピーク検出器と、
このピークツーピーク検出器の出力信号があらかじめ設定されている閾値から外れていたら次のスキャンでは前記アンプのゲインを閾値内に戻す方向に調整するための制御信号を前記アンプに対して出力するゲイン調整部を設けたことを特徴とするレーザガス分析装置。
【請求項３】
測定ガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子とこの受光素子の出力信号が入力されるゲイン可変のアンプとこのアンプの出力信号が入力されるＡ／Ｄ変換器とこのＡ／Ｄ変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニットとで構成されたレーザガス分析装置において、
前記半導体レーザのスキャンごとに前記アンプのゲインを前記Ａ／Ｄ変換器の入力レベルとして適切な状態になるように調整するゲイン調整部を設けたことを特徴とするレーザガス分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザガス分析装置に関し、詳しくは、受光信号のダイナミックオートゲイン制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＤＬＡＳ(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy；可変波長半導体レーザ吸収分光)法を用いたレーザガス分析計は、測定対象に可変波長半導体レーザからの光を照射するだけで、高温や腐食性ガスなどの測定対象成分の濃度でも、他の成分の干渉を受けることなく成分選択性が高く、非接触で、高速にリアルタイムで測定できるという利点がある。
【０００３】
図２はＴＤＬＡＳ法を用いた従来のレーザガス分析装置の一例を示すブロック図であって、測定ガス雰囲気中に向けて測定用レーザ光を照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、測定ガス雰囲気の測定空間を透過した測定用レーザ光を検出する受光素子およびこの受光素子の出力信号を処理する演算処理部を含む検出ユニットとで構成されている。
【０００４】
図２に示すレーザガス分析装置は、赤外から近赤外領域に存在する測定対象成分分子の振動・回転エネルギー遷移による分子固有の光吸収スペクトルを、極めて発振波長スペクトル線幅の狭い半導体レーザを用いて測定する。Ｏ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２など大半の分子の分子特有の吸収スペクトルは赤外〜近赤外領域であり、特定波長における光吸収量（吸光度）を測定することで対象成分の濃度を算出できる。
【０００５】
図２において、光源ユニット１０に設けられている半導体レーザ１１は、測定用レーザ光を測定ガス２０の雰囲気中に照射出力する。この半導体レーザ１１が出力するレーザ光は、発振波長スペクトル線幅が極めて狭く、レーザ温度や駆動電流を変えることで発振波長を変更できるので、吸収スペクトルの各吸収ピークの１本のみを測定できる。
【０００６】
したがって、干渉ガスの影響を受けない吸収ピークを選定することができ、波長選択性が高く、他干渉成分の影響を受けることがないため、測定の前段階における干渉ガスを除去することなくプロセスガスを直接測定できる。
【０００７】
半導体レーザ１１の発振波長を測定成分の１本の吸収線の近傍でスキャンすることにより、干渉成分と重ならない正確なスペクトルの測定が行えるが、そのスペクトル形状は、測定ガス温度、測定ガス圧力、共存ガス成分などによるスペクトルのブロードニング（Broadening）現象により変化する。このため、これらの環境変動を伴う実プロセス測定では、その補正が必要になる。
【０００８】
そこで、図２の装置では、半導体レーザ１１の発振波長をスキャンして吸収スペクトルを測定することによりスペクトル面積を求め、そのスペクトル面積から成分濃度に変換するスペクトル面積法を用いている。
【０００９】
他のレーザガス分析装置では、吸収スペクトルのピーク高さから測定成分を求めるピーク高さ法や波長スキャン信号を変調してその周波数の２倍周波数変調波形のＰ−Ｐ（ピーク・ツー・ピーク）値から測定成分の濃度を求める２ｆ法が使われているが、これらは、温度、圧力、共存ガス成分の変動などにより大きな影響を受けやすい。
【００１０】
これに対し、スペクトル面積は原理的に共存ガス成分の違いによる変化の影響を受けることはなく（スペクトルの面積は共存ガス成分によらずほとんど一定）、圧力変動に対してもスペクトル面積は原理的に線形変化を示す。
【００１１】
ピーク高さ法や２ｆ法では、上記３変動要因（温度、圧力、共存ガス成分）が全て非線形に影響し、これら変動要因が共存する場合は補正が困難であるが、スペクトル面積法によれば、ガス圧力変動に対する線形補正とガス温度変動に対する非線形補正を行うことができ、正確な補正を実現できる。
【００１２】
測定ガス２０の雰囲気中を通過した測定用レーザ光は検出ユニット３０に設けられている受光素子３１で受光され、電気信号に変換される。
【００１３】
受光素子３１の出力信号はゲイン可変のアンプ３２を介して適切な振幅レベルに調整されてＡ／Ｄ変換器３３に入力され、デジタル信号に変換される。
【００１４】
Ａ／Ｄ変換器３３の出力データについて、半導体レーザ１１の波長のスキャンに同期して、積算器３４とメモリ３５との間で所定回数（たとえば数百〜数千回）の積算とメモリ３５への格納が繰り返されて測定信号に含まれるノイズが除去されてデータが平滑化された後、ＣＰＵ３６に入力される。
【００１５】
ＣＰＵ３６は、ノイズが除去された測定信号に基づき測定ガスの濃度解析などの演算処理を行うとともに、受光素子３１の出力信号の振幅レベルがＡ／Ｄ変換器３３の入力レベルとして適切でない場合にアンプ３２のゲイン調整を行う。
【００１６】
非特許文献１には、可変波長半導体レーザ分光を応用したレーザガス分析計の測定原理とその特長および具体的な測定事例について記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】田村  一人、外３名、「レーザガス分析計TDLS200とその産業プロセスへの応用」、横河技報、横河電機株式会社、２０１０年、Ｖｏｌ．５３  Ｎｏ．２（２０１０）  ｐ．５１−５４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ところで、図２に示すような構成のレーザガス分析装置では、前述のように、測定信号に含まれるノイズを除去してデータを平滑化するために、Ａ／Ｄ変換器３３の出力データについて、半導体レーザ１１の波長のスキャンに同期して、積算器３４とメモリ３５との間で数百〜数千回の積算とメモリ３５への格納が繰り返して行われるが、これら数百〜数千回のスキャンと積算と格納が行われる一連の解析処理期間中は、アンプ３２のゲインを調整してＡ／Ｄ変換器３３の入力レベルを一定に維持する必要がある。
【００１９】
ところが、一連の解析処理期間中に突発的な外来ノイズなどの急激な環境の変化が発生すると、ＣＰＵ３６のソフトウェア処理に基づくアンプ３２のゲイン調整が対応できなくなって測定データがたとえばクリップしてしまい、その解析処理期間における解析結果は不正データになってしまうという問題がある。
【００２０】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、１スキャン毎に適切なゲイン調整が行えるレーザガス分析装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
測定ガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子とこの受光素子の出力信号が入力されるゲイン可変のアンプとこのアンプの出力信号が入力されるＡ／Ｄ変換器とこのＡ／Ｄ変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニットとで構成され、
前記半導体レーザのスキャンごとに前記Ａ／Ｄ変換器の出力データのピークツーピーク値を検出するピークツーピーク検出器と、このピークツーピーク検出器の出力信号があらかじめ設定されている閾値から外れていたら前記アンプのゲインを閾値内に戻す方向に調整するゲイン調整部を設け、
前記ゲイン調整部の閾値は、前記Ａ／Ｄ変換器の入力レベルが適切な状態になるように設定されているレーザガス分析装置において、
前記ゲイン調整部は、少なくとも１つのウィンドウコンパレータを含むことを特徴とする。
【００２２】
請求項２記載の発明は、
測定ガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子とこの受光素子の出力信号が入力されるゲイン可変のアンプとこのアンプの出力信号が入力されるＡ／Ｄ変換器とこのＡ／Ｄ変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニットとで構成されたレーザガス分析装置において、
前記半導体レーザのスキャンごとに前記Ａ／Ｄ変換器の出力データのピークツーピーク値を検出するピークツーピーク検出器と、
このピークツーピーク検出器の出力信号があらかじめ設定されている閾値から外れていたら次のスキャンでは前記アンプのゲインを閾値内に戻す方向に調整するための制御信号を前記アンプに対して出力するゲイン調整部を設けたことを特徴とする。
【００２３】
請求項３記載の発明は、
測定ガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子とこの受光素子の出力信号が入力されるゲイン可変のアンプとこのアンプの出力信号が入力されるＡ／Ｄ変換器とこのＡ／Ｄ変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニットとで構成されたレーザガス分析装置において、
前記半導体レーザのスキャンごとに前記アンプのゲインを前記Ａ／Ｄ変換器の入力レベルとして適切な状態になるように調整するゲイン調整部を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
これにより、半導体レーザのスキャンごとに、ゲイン可変アンプのゲインを、Ａ／Ｄ変換器の入力レベルとして適切な状態になるように調整できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】従来のレーザガス分析装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図２と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図２の相違点は、ゲイン可変のアンプ３２のゲインを調整する手段として、ＣＰＵ３６に代えて、Ａ／Ｄ変換器３３の出力データのＰ−Ｐ値を検出するＰ−Ｐ検出器３７と、ゲイン調整部３８を設けていることである。
【００２７】
図１において、光源ユニット１０に設けられている半導体レーザ１１は、従来と同様に測定用レーザ光を測定ガス２０の雰囲気中に照射出力する。このとき、測定ガス２０の測定対象成分の吸収スペクトルの面積を求めるために、吸収波長を含む狭い帯域で半導体レーザ１１の波長をスキャンさせる。
【００２８】
測定ガス２０の雰囲気中を通過した測定用レーザ光は検出ユニット３０に設けられている受光素子３１で受光され、電気信号に変換される。
【００２９】
受光素子３１の出力信号はゲイン可変のアンプ３２を介してＡ／Ｄ変換器３３の入力レベルとして適切な振幅レベルに調整されてＡ／Ｄ変換器３３に入力され、デジタル信号に変換される。
【００３０】
Ａ／Ｄ変換器３３の出力データは、半導体レーザ１１の波長のスキャンに同期して積算器３４とメモリ３５との間で所定回数（たとえば数百〜数千回）の積算とメモリ３５への格納が繰り返されて測定信号に含まれるノイズが除去されて平滑化された後、ＣＰＵ３６に入力される。
【００３１】
ＣＰＵ３６は、ノイズが除去された測定信号に基づき測定ガスの濃度解析などの演算処理を行う。
【００３２】
Ｐ−Ｐ検出器３７は、半導体レーザ１１のスキャンごとにＡ／Ｄ変換器３３の出力データのＰ−Ｐ値をリアルタイムで検出し、検出結果をゲイン調整部３８に入力する。具体的には、Ｐ−Ｐ検出器３７は、Ａ／Ｄ変換器３３のサンプリングタイミングでリアルタイムにデータの比較を行う。
【００３３】
ゲイン調整部３８は、Ｐ−Ｐ検出器３７の出力信号があらかじめ設定されている閾値から外れていたら、次のスキャンではゲイン可変のアンプ３２のゲインを閾値内に戻す方向に調整するための制御信号を、アンプ３２に対して出力する。このようなゲイン調整部３８としては、たとえばウィンドウコンパレータを含むものを用いる。
【００３４】
一連の解析処理期間中に突発的な外来ノイズなどの急激な環境の変化が発生した場合には、Ｐ−Ｐ検出器３７がリアルタイムでＡ／Ｄ変換器３３のＰ−Ｐ値を的確に検出してその検出結果をゲイン調整部３８に入力する。
【００３５】
そして、ゲイン調整部３８は、Ｐ−Ｐ検出器３７から入力されるＰ−Ｐ値の検出結果をあらかじめ設定されている閾値に基づいてそのスキャン周期におけるＡ／Ｄ変換器３３の出力データのＰ−Ｐ値がＡ／Ｄ変換器３３の適正入力レベルに対してオーバーフロー状態なのか極端に低いレベル状態なのかを判断し、次のスキャンではゲイン可変のアンプ３２のゲインを閾値内に戻す方向に調整するための制御信号をアンプ３２に対して出力する。
【００３６】
これにより、一連の解析処理期間中に突発的な外来ノイズなどの急激な環境の変化が発生しても、１スキャンの最終時点でＡ／Ｄ変換器３３の出力データのＰ−Ｐ値が決まり、その次のサンプリングではＡ／Ｄ変換器３３の適正入力レベルになるようにアンプ３２のゲインを変更することができる。
【００３７】
このようなゲイン調整を繰り返すことにより、スキャン毎のアンプ３２の適正なゲイン調整が可能となり、Ａ／Ｄ変換器３３の出力データがオーバーフローや極端に低いレベルの状態での解析による不正データが出力されることを防止でき、常に高精度の解析結果を出力できることから、各種プロセス産業におけるプロセスガスの直接測定に好適なレーザガス分析装置を実現できる。
【００３８】
なお、ゲイン調整部３８には、複数個のウィンドウコンパレータを用いてもよい。そうすることで、Ａ／Ｄ変換器３３の出力データのＰ−Ｐ値のレベルが著しく変化したときでも、アンプ３２のゲインを１段ずつの調整するのではなく、最適なゲインへ一度に変更することができる。
【００３９】
また、ゲイン調整部３８は、実質的にウィンドウコンパレータと同様な機能を有するものであればよく、ウィンドウコンパレータに限るものではない。
【００４０】
以上説明したように、本発明によれば、１スキャン毎に適切なゲイン調整が行えることから、スペクトル面積法の適用とあいまって、長期間にわたって安定に高精度の解析結果をリアルタイムで高速に出力するレーザガス分析装置を実現でき、各種プロセスガスの直接測定に有効である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  光源ユニット
１１  半導体レーザ
１２  フェイルメモリ
２０  測定ガス
３０  検出ユニット
３１  受光素子
３２  ゲイン可変のアンプ
３３  Ａ／Ｄ変換器
３４  積算器
３５  メモリ
３６  ＣＰＵ
３７  Ｐ−Ｐ検出器
３８  ゲイン調整部
【図１】
0005440524.tif 000002
【図２】
0005440524.tif 000003