(57)【要約】【課題】大気中に存在しない、または、大気中に微量にしか存在しないような測定対象ガスに対して、参照ガスセルがなくてもレーザ素子の発光波長ズレを自動補正し、安定的かつ正確にガス濃度を測定可能としたレーザ式ガス分析計を提供する。【解決手段】一定周期毎に測定中の一定以上の吸収強度を示した測定対象ガスを利用し、同期検波部の出力波長ズレ幅を求め、ズレに対してはレーザ素子温度を変化させて波長補正を行う。この方法により、参照ガスセルを必要とせず、波長変化による濃度誤差を防ぐことが可能となり、長期安定性を実現することが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、測定対象ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象ガスが光を吸収する波長のレーザ光を出射するレーザ素子と、このレーザ素子をサーモモジュールにより一定温度に保つ温度制御手段と、前記レーザ素子への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記レーザ素子に対する駆動信号を生成する電流制御手段と、をそれぞれ備え、
前記受光部は、
測定対象ガスが吸光された検出光であるレーザ波長に感度を有する受光素子と、高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号を生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分である２倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波手段と、同期検波手段からの検出信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、をそれぞれ備え、
この演算手段は、
前記検出信号のガス吸収波形と予め登録した基準波形とのズレの有無を判定し、ズレがある場合にレーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更してズレをなくすように修正する、
ことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
【請求項２】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、測定対象ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象ガスが光を吸収する波長のレーザ光を出射するレーザ素子と、このレーザ素子をサーモモジュールにより一定温度に保つ温度制御手段と、前記レーザ素子への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記レーザ素子に対する駆動信号を生成する電流制御手段と、をそれぞれ備え、
前記受光部は、
測定対象ガスが吸光された検出光であるレーザ波長に感度を有する受光素子と、高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号を生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分である２倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波手段と、発光部から入力したトリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段からの検出信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、をそれぞれ備え、
この演算手段は、
前記検出信号のガス吸収波形と基準波形とのズレの有無をトリガ信号を基準としつつ判定し、ズレがある場合にレーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更してズレをなくすように修正する、
ことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
【請求項３】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、測定対象ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象ガスが光を吸収する波長のレーザ光を出射するレーザ素子と、このレーザ素子をサーモモジュールにより一定温度に保つ温度制御手段と、前記レーザ素子への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号がトリガ信号を含むように生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記レーザ素子に対する駆動信号を生成する電流制御手段と、をそれぞれ備え、
前記受光部は、
測定対象ガスが吸光された検出光であるレーザ波長に感度を有する受光素子と、高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号を生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分である２倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波手段と、前記受光素子の出力信号から前記トリガ信号の成分を抽出する抽出部と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段からの検出信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、をそれぞれ備え、
この演算手段は、
前記検出信号のガス吸収波形と基準波形とのズレの有無をトリガ信号を基準としつつ判定し、ズレがある場合にレーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更してズレをなくすように修正する、
ことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中に存在しないガス、または、大気中に微量にしか存在しない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計に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体中のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトラムがあることが知られている。例えば、図１９は、ＮＨ３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラム例であり、横軸が波長、縦軸は吸収強度を示している。縦軸の吸収強度が大きいほど吸光量が大きくなる。このＮＨ３（アンモニア）ガスのように測定対象ガスは固有の吸収スペクトラムを有している。
【０００３】
レーザ式ガス分析計は、測定対象ガスが吸収する波長のレーザ光を発光するレーザ素子を搭載しており、この特定波長のレーザ光を測定対象ガスに吸光させることで測定対象ガスの有無を検出することができる。加えてレーザ光の特定波長の吸収量が測定対象ガスの濃度に比例するためレーザ式ガス分析計は濃度を検出することもできる。
【０００４】
レーザ式ガス分析計のガス濃度の測定方法としては、２波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。周波数変調方式による濃度測定装置は、例えば後述する特許文献１にも記載されているものである。本発明も周波数変調方式によるレーザ式ガス分析計に関するものである。
【０００５】
また、周波数変調では発光波長を変化させる必要があるが、このような発光波長の制御に関し、例えば、測定対象ガスと同じガス成分を予め封入した参照ガスセルを用いて、レーザ素子の発光波長を温度によって制御する方法も用いられており、例えば後述する特許文献２にも記載されているものである。
【０００６】
このようなレーザ式ガス分析計は、特に大気環境測定や制御用途に使用され、具体的には主にゴミ焼却場などのボイラの燃焼制御、煙道排ガス中の塩化水素ガス監視や電力施設のアンモニア監視に使用されることが多い。測定対象ガスは比較的高温であり、例えば、ボイラの燃焼制御に用いられるレーザ式ガス分析計が対象とする測定対象ガスの温度は、７００〜１２００℃と高温である。このような環境分野でレーザ式ガス分析計が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−１５１６８１号公報（段落［０００５］、図４等）
【特許文献２】特開２００１−２３５４１８号公報（段落［００１２］〜［００２４］、図２、図１１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、濃度測定を行うため２倍周波数成分の信号を受信する必要がある。そのため、測定対象ガスの吸収波長を発光するレーザ素子を選定する。詳しくは、ＤＦＢレーザ（Distributed Feedback Laser）やＤＢＲレーザ（Distributed Bragg Reflector Laser）、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などである。これらレーザ素子は電流と温度によって波長が変化する素子である。一般的に周波数変調方式では、電流駆動制御により吸収波長を中心に前後の波長を走査し、温度制御により温度を一定値になるように制御してレーザ素子の温度変化による波長ズレを防いでいる。
【０００９】
同期検波部の出力波形は図２０のような形をしており、ガス吸収波形の最大値と最小値の差分から測定対象ガスの濃度を検出する。最大値と最小値のポイントを示す波長または電流値を予め求めることができる。
【００１０】
これらのようなレーザガス分析計で使用しているレーザ素子はＭＴＢＦで数十万時間以上であり、光規格で寿命とされる初期の光出力を発光するのに必要な電流が２０％増になるまでの時間で数万時間〜数十万時間発光し続けることができる長寿命な素子である。しかし、レーザ素子は年単位で見ると徐々に劣化し、同じ電流、同じ温度で制御しても経時的に波長が変化する。原因は発光時間が増してくると、発光熱による影響で発光端面が破壊されて劣化を生じ、レーザ光を発光する閾値が上昇して光出力が小さくなり、走査する電流値に対する波長範囲が小さくなるためである。
【００１１】
使用開始直後と数万時間経過後とでそれぞれレーザ素子を同じ電流で駆動した場合、スレッショルドカレントが上昇した数万時間経過後のレーザ素子の波長は短波調側に移動する。例えば、図４の四角枠内のアンモニアガスについての出力波形Ａでは、時間軸上で左側に移動する。また、図２１ではアンモニアガスについてのスキャン波長範囲が下側に移動している。この状態で濃度を検出すると測定誤差を生じる。つまり、アンモニアガスの吸収波長は低い電流値で発光することになり、電流値が低くなる分、同じアンモニアガスの吸収強度であっても、出力波形は小さくなる。この変化は数年にわたり徐々に移動するものであり、日々の動作状況からは判断することが難しい長期的なドリフト要因となっている。
【００１２】
このように測定する波長位置と実際の波長位置が異なって指示誤差が生じる。そこで補正が必要になる。通常は半年または１年に１回、定期的にメンテナンスを行い、測定対象ガスを流して、同期検波部の出力波形の位置を確認し、ズレが生じていた場合はレーザ温度で出力波形の位置を調整する。
【００１３】
仮に大気中に十分な量が存在するガス（例えば酸素）では、参照ガスセルがなくても装置内の大気から常に吸収強度を得られるため、容易に波長位置を把握し、ズレを検知し、レーザ素子温度を変化させることによって波長補正することができる。
【００１４】
しかしながら、塩化水素ガスやアンモニアガスなどのように大気中に存在しないガス、または大気中に微量しか存在しないガスについては、常時吸収強度を得ることはできない。これら塩化水素ガスやアンモニアガスを測定する機器では、測定対象ガスがない空間において図２０の同期検波部の出力波形は現れない。
【００１５】
そのため、このようなガスに対して波長ズレを検知、補正するためには、図２２で示すようにレーザ光をビームスプリッタに入射させて光を分割し、一方を配管内の測定対象ガスに透過させ、他方を塩化水素ガスやアンモニアガスのような測定対象ガスと同じ成分のガスを封入した参照ガスセルを透過させ、そして、参照ガスセルを透過させた光から得られる検出部の出力波形から波長ズレを検知していた。しかしながら、構造上の問題により参照ガスセルが入れられない場合や塩化水素ガスなどのように吸着性があって参照ガスセルへの封入が不可能または困難なガスを用いる場合、参照ガスセルにより波長変化を検知することは難しい。
【００１６】
そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、大気中に存在しない、または、大気中に微量しか存在しない測定対象ガスに対して、参照ガスセルがなくてもレーザ素子の発光波長ズレを自動補正し、安定的かつ正確にガス濃度を測定可能としたレーザ式ガス分析計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
使用しているレーザ素子が劣化すると同じ電流値、同じ温度でも発光する波長が異なるため、測定する波長と実際の波長との間にズレが生じ、濃度誤差を生じる原因となる。そこで、本発明のレーザ式ガス分析計では、一定周期毎に測定対象ガスを利用して、検出される波形信号からレーザ素子の波長ズレの有無を判定し、レーザ素子の温度を変化させて波長補正を行い、長期安定性を実現するようにした。この方法により、参照ガスセルを必要とせず、波長変化による濃度誤差を防ぐことが可能となり、長期安定性を実現することが可能となる。
【００１８】
すなわち本発明の請求項１に係るレーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、測定対象ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象ガスが光を吸収する波長のレーザ光を出射するレーザ素子と、このレーザ素子をサーモモジュールにより一定温度に保つ温度制御手段と、前記レーザ素子への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記レーザ素子に対する駆動信号を生成する電流制御手段と、をそれぞれ備え、
前記受光部は、
測定対象ガスが吸光された検出光であるレーザ波長に感度を有する受光素子と、高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号を生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分である２倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波手段と、同期検波手段からの検出信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、をそれぞれ備え、
この演算手段は、
前記検出信号のガス吸収波形と予め登録した基準波形とのズレの有無を判定し、ズレがある場合にレーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更してズレをなくすように修正する、
ことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項２に係るレーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、測定対象ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象ガスが光を吸収する波長のレーザ光を出射するレーザ素子と、このレーザ素子をサーモモジュールにより一定温度に保つ温度制御手段と、前記レーザ素子への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記レーザ素子に対する駆動信号を生成する電流制御手段と、をそれぞれ備え、
前記受光部は、
測定対象ガスが吸光された検出光であるレーザ波長に感度を有する受光素子と、高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号を生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分である２倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波手段と、発光部から入力したトリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段からの検出信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、をそれぞれ備え、
この演算手段は、
前記検出信号のガス吸収波形と基準波形とのズレの有無をトリガ信号を基準としつつ判定し、ズレがある場合にレーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更してズレをなくすように修正する、
ことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項３に係るレーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、を備え、測定対象ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象ガスが光を吸収する波長のレーザ光を出射するレーザ素子と、このレーザ素子をサーモモジュールにより一定温度に保つ温度制御手段と、前記レーザ素子への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号がトリガ信号を含むように生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記レーザ素子に対する駆動信号を生成する電流制御手段と、をそれぞれ備え、
前記受光部は、
測定対象ガスが吸光された検出光であるレーザ波長に感度を有する受光素子と、高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号を生成する参照信号発生手段と、前記受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分である２倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波手段と、前記受光素子の出力信号から前記トリガ信号の成分を抽出する抽出部と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段からの検出信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、をそれぞれ備え、
この演算手段は、
前記検出信号のガス吸収波形と基準波形とのズレの有無をトリガ信号を基準としつつ判定し、ズレがある場合にレーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更してズレをなくすように修正する、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、大気中に存在しない、または、大気中に微量にしか存在しないような測定対象ガスに対して、参照ガスセルがなくてもレーザ素子の発光波長ズレを自動補正し、安定的かつ正確にガス濃度を測定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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態のレーザ式ガス分析計の構成図である。
【図２】レーザ光源部の構成図である。
【図３】レーザ素子の波長走査駆動信号発生部の出力波形を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の動作を説明するための、レーザ素子の走査波形、ＮＨ３ガスの吸収波形および同期検波部の出力波形を示す図である。
【図５】受光素子および信号処理部の構成図である。
【図６】周波数変調方式の原理図である。
【図７Ａ】ドライブ電流によるレーザ素子の発光波長の変化を示す図である。
【図７Ｂ】温度によるレーザ素子の発光波長の変化を示す図である。
【図８Ａ】Ｉ／Ｖ変換部及び同期検波部の出力信号を示す図である。
【図８Ｂ】Ｉ／Ｖ変換部及び同期検波部の出力信号を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態のレーザ式ガス分析計のレーザ光源部の構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態のレーザ式ガス分析計の受光素子および信号処理部の構成図である。
【図１１】レーザ素子の波長走査駆動信号発生部の出力波形および信号処理部に送られるトリガ信号の説明図である。
【図１２Ａ】Ｉ／Ｖ変換部及び同期検波部の出力信号を示す図である。
【図１２Ｂ】Ｉ／Ｖ変換部及び同期検波部の出力信号を示す図である。
【図１３】同期検波部の出力信号を示す図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態のレーザ式ガス分析計の信号処理部の構成図である。
【図１５Ａ】受光信号の波形図である。
【図１５Ｂ】受光信号の波形図である。
【図１６Ａ】図１５Ａに対応した同期検波部の出力波形を示す図である。
【図１６Ｂ】図１５Ｂに対応した同期検波部の出力波形を示す図である。
【図１７】受光光量レベルとガス吸収波形の振幅レベルとの関係を示す図である。
【図１８Ａ】図１５Ａに対応した波長走査信号成分の波形図である。
【図１８Ｂ】図１５Ｂに対応した波長走査信号成分の波形図である。
【図１９】ＮＨ３ガスの吸収スペクトラム特性図である。
【図２０】同期検波部の出力波形である。
【図２１】レーザ素子のＩＲ特性の経時変化による変化を示した図である。
【図２２】参照セルを使用した波長検知の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
続いて、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１の構成図である。レーザ式ガス分析計１は、発光部１００、受光部２００、発光部側パージ部３００、受光部側パージ部４００、通信線５００を備えている。
【００２４】
発光部１００は、さらにレーザ光源部１０１、発光部側光学系の具体例であるコリメートレンズ１０２、ボックスカバー１０３を備える。
受光部２００は、受光部側光学系の具体例である集光レンズ２０１、受光素子２０２、信号処理部２０３、ボックスカバー２０４を備える。
発光部側パージ部３００は、パージ部本体３０１、流入口３０２、流出口３０３を備える。
受光部側パージ部４００は、パージ部本体４０１、流入口４０２、流出口４０３を備える。
通信線５００は、発光部１００と、受光部２００と、を通信可能に接続する。
【００２５】
本形態のレーザ式ガス分析計は、具体例として、施設の配管に固定されているものとして説明する。この配管は、大気中に微量存在する、または、大気中に存在しない測定対象ガスが内部を通過する煙道などである。このような測定対象ガスとは例えばゴミ焼却場などの煙道から外部へ排出される塩化水素ガスや電力施設で触媒として注入されるＮＯｘと反応しなかったアンモニアガスである。なお、本形態の説明では説明の具体化のため測定対象ガスとしてアンモニアガスを用いるものとして説明するが、本発明を塩化水素に適用することはもちろん可能である。
【００２６】
壁６０１ａ，６０１ｂは、この配管の壁である。相フランジ６０２ａ，６０２ｂは、この壁６０１ａ，６０１ｂに、例えば、溶接等によって固定されている。
【００２７】
一方の相フランジ６０２ａには、角度調整機構部を含む発光部側パージ部３００のパージ部本体３０１が取り付けられている。この発光部側パージ部３００のパージ部本体３０１には、発光部１００のボックスカバー１０３が取り付けられている。発光部側パージ部３００の内部通路、相フランジ６０２ａの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー１０３とは、コリメートレンズ１０２によって空間が隔てられている。
【００２８】
他方の相フランジ６０２ｂには、角度調整機構部を含む受光部側パージ部４００のパージ部本体４０１が取り付けられている。この受光部側パージ部４００のパージ部本体４０１には、受光部２００のボックスカバー２０４が取り付けられている。受光部側パージ部４００の内部通路、相フランジ６０２ｂの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー２０４とは、集光レンズ２０１によって空間が隔てられている。
【００２９】
発光部１００のボックスカバー１０３は電子基板に搭載されるレーザ光源部１０１、光学部品であるコリメートレンズ１０２を内蔵する。レーザ光源部１０１から出射したレーザ光は、コリメートレンズ１０２によって平行光にコリメートされる。コリメートされた検出光７００は、発光部側パージ部３００の内部通路と相フランジ６０２ａの内部通路の中心を通って壁６０１ａ，６０１ｂの内部（煙道内部）へ入射される。
【００３０】
検出光７００は、壁６０１ａ，６０１ｂの内部にある測定対象ガス中のアンモニアガスなどを透過する際に吸収を受ける。検出光７００は受光部２００へ入射される。受光部２００のボックスカバー２０４は光学部品である集光レンズ２０１、電子基板に搭載される受光素子２０２や信号処理部２０３を内蔵する。壁６０１ａ，６０１ｂの内部（煙道内部）を透過した平行光である検出光７００は、相フランジ６０２ｂの内部通路と受光部側パージ部４００の内部通路との中心を通ってボックスカバー２０４内部の集光レンズ２０１により集光されて受光素子２０２により受光される。この光は、受光素子２０２により電気信号に変換され、後段の信号処理部２０３に入力される。
【００３１】
この際、測定対象ガスによる熱や腐食、汚れを防ぐため、発光部側パージ部３００には流入口３０２からパージ部本体３０１内へ圧縮空気である計装空気が流入し、発光部側パージ部３００の内部通路をパージし、また流出口３０３を通過して相フランジ６０２ａの内部通路をパージする。このパージの後に壁６０１ａ，６０１ｂの内部（煙道内部）へパージガスが排出される。同様に受光部側パージ部４００には流入口４０２からパージ部本体４０１内へ圧縮空気である計装空気が流入し、受光部側パージ部４００の内部通路をパージし、また流出口４０３を通過して相フランジ６０２ｂの内部通路をパージする。このパージの後に壁６０１ａ，６０１ｂの内部（煙道内部）へパージガスが排出される。
【００３２】
この計装空気により、測定対象ガスに含まれて各部に付着した煤塵等を吹き飛ばし、発光部１００および受光部２００のレンズ表面を清浄に保っている。また、パージ用に流入する計装空気が常温（例えば２５℃）であり、パージ部本体３０１、４０１内、相フランジ６０２ａ、６０２ｂの内部を強制的に冷却している。
【００３３】
次に、発光部１００、および、受光部２００の詳細構成について説明する。まず、発光部１００について図２，図３を参照しつつ詳細に説明する。図２はレーザ光源部１０１の詳細を示している。このレーザ光源部１０１は、波長走査駆動信号発生部１０１ａと、高周波変調信号発生部１０１ｂと、を有するレーザ駆動信号発生部１０１ｓを備える。
【００３４】
波長走査駆動信号発生部１０１ａ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。
高周波変調信号発生部１０１ｂは、測定対象ガスであるアンモニアガスの吸収波長を検出するために、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波で波長を周波数変調する。
【００３５】
このような波長走査駆動信号発生部１０１ａ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１０１ｂからの高周波変調信号を合成して周波数変調を行いレーザ駆動信号が生成されるようになっている。レーザ駆動信号発生部１０１ｓから出力されたレーザ駆動信号は電流制御部１０１ｃにより電流に変換され、半導体レーザからなるレーザ素子１０１ｅに供給される。このレーザ素子１０１ｅは、例えば、ＤＦＢレーザ（Distributed Feedback Laser）、ＤＢＲレーザ（Distributed Bragg Reflector Laser）、もしくはＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）といわれるレーザ素子である。
【００３６】
また、レーザ素子１０１ｅにはサーモモジュールである温度制御手段が設けられている。この温度制御手段は、温度制御部１０１ｄ、サーミスタ１０１ｆ、ペルチェ素子１０１ｇを備える。レーザ素子１０１ｅに近接して温度検出素子としてのサーミスタ１０１ｆが配置され、このサーミスタ１０１ｆにはペルチェ素子１０１ｇが近接して配置されている。このペルチェ素子１０１ｇは、サーミスタ１０１ｆの抵抗値が一定値になるようにするため、温度制御部１０１ｄによってＰＩＤ（比例・積分・微分）制御が行われ、結果としてレーザ素子１０１ｅの温度が所望の設定温度と一致するように動作するものである。温度制御部１０１ｄは演算部２０３ｅと通信線５００を介して通信可能に接続されている。
【００３７】
ここで、波長走査駆動信号発生部１０１ａ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、ほぼ台形波状の単位波形となり、このような単位波形が一定周期で繰り返される信号である。
【００３８】
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１０１ｃを介してレーザ素子１０１ｅに供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号Ｓ１によってレーザ素子１０１ｅ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。例えばアンモニアガス（ＮＨ３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。
【００３９】
波長走査駆動信号のオフセット信号Ｓ２は、吸収波長は走査しないがレーザ素子１０１ｅは発光させておくオフセット部分であり、光源部１０１のレーザ素子１０１ｅの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値を光源部１０１のレーザ素子１０１ｅに供給するような値に設定する。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。
信号Ｓ３は駆動電流をほぼ０にした部分である。
【００４０】
続いて発光部１００による発光を説明する。
まず、事前に、レーザ素子１０１ｅの温度をサーミスタ１０１ｆにより検出する。さらに、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であるアンモニアガスを測定できるように（所定の吸収特性が得られるように）、温度制御部１０１ｄによりペルチェ素子１０１ｇの通電を制御してレーザ素子１０１ｅの温度を調整する。
その後にレーザ素子１０１ｅを駆動する。
【００４１】
なお、図４はレーザ素子の駆動信号を示しており、高周波変調信号の周波数を１０ｋＨｚ，波長走査駆動信号の周波数を５０Ｈｚとしてあり、λ１はオフセットに相当する波長、λ２，λ３はアンモニアガス（ＮＨ３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。
レーザ素子１０１ｅがこのようなレーザ光をコリメートレンズ１０２へ照射して平行光である検出光７００を生成し、測定対象ガスが存在する壁６０１ａ，６０１ｂの内部空間にこの検出光７００を出射し、集光した光を受光素子２０２へ入射させる。
【００４２】
続いて受光部２００について説明する。図５は、受光素子２０２、信号処理部２０３の構成を示している。信号処理部２０３はさらにＩ／Ｖ変換部２０３ａ、同期検波部２０３ｂ、発振器２０３ｃ、フィルタ２０３ｄ、演算部２０３ｅを備えている。
【００４３】
受光素子２０２は例えばフォトダイオードによって構成されており、発光部１００のレーザ素子１０１ｅの発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。この受光素子２０２の出力電流はＩ／Ｖ変換部２０３ａへ入力される。Ｉ／Ｖ変換部２０３ａにより受光素子２０２の出力電流が電圧に変換される。Ｉ／Ｖ変換部２０３ａの出力信号は、同期検波部２０３ｂに入力される。同期検波部２０３ｂには、発信器２０３ｃからの２ｆ信号が加えられ、出射光の同位相の２倍波信号の振幅のみを抽出したガス波形信号が得られる。同期検波部２０３ｂの検出信号は、ノイズ除去用のフィルタ２０３ｄを介してＣＰＵ等の演算部２０３ｅに送られる。演算部２０３ｅは後述する各種の処理によりアンモニアガスの有無の検出やアンモニア濃度の算出を行う。また、演算部２０３ｅは通信線５００を介して通信可能に接続されている温度制御部１０１ｄに対し、設定温度の制御を行う。また、Ｉ／Ｖ変換部２０３ａの出力信号は演算部２０３ｅへ入力される。
【００４４】
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、図６のレーザ式ガス分析計の周波数変調方式の原理図を参照しつつ説明する。図１９のアンモニアガス（ＮＨ３ガス）の吸収スペクトラムに示すように、このアンモニアガスの吸収線は線状のスペクトラムで表わされるため、周波数変調方式による濃度検出が可能である。そして、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ｆｃ、変調周波数ｆｍでレーザ素子の出射光を周波数変調し、測定対象であるアンモニアガスに照射する。ここで、周波数変調とは、レーザ素子１０１ｅに供給するドライブ電流の波形を正弦波状に変調することである。
【００４５】
この周波数変調方式では、上記のように分布帰還型レーザ素子（ＤＦＢレーザ）、分布ブラッグ反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）、または、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いて単一波長のレーザ光のみを出射しガス濃度を測定する。この場合、レーザ素子が発光するスペクトラム線幅が測定対象ガスの吸収線幅よりも小さいため、レーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせる必要がある。そこでレーザ素子の温度制御や電流制御を行って発光波長の制御を行う。
【００４６】
レーザ素子は、図７Ａ、図７Ｂに示すようにドライブ電流や温度によって発光波長が変化する。レーザ素子は温度と電流の一定値によって、特定の波長を発光することができるため、予め設定した温度と電流値によって吸収波長にあわせることができる。そして、周波数変調を行うことにより、ドライブ電流の変調に伴って発光波長が変調されることになる。この場合に電流駆動制御により吸収波長を中心に前後の波長を走査し、また、温度制御により温度が一定値になるように制御してレーザ素子の温度変化による波長ズレを防いでいる。
【００４７】
このようにレーザ素子は電流や温度で波長を変えることができるが、その波長範囲は数ｎｍであり、測定対象ガスの吸収波長の近傍を発光するレーザ素子を使用する必要がある。このレーザ素子の波長選択性の性質から、図１９に示したような全ての吸収線を測定対象にすることができず、測定に使用する吸収線は、比較的吸収強度が大きく、他ガスと吸収が重なり合わない１本または２本である。
【００４８】
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ｆｍの２倍の周波数の信号（２倍波信号）が得られる。ここで、変調周波数ｆｍは任意の周波数で良いため、例えば、変調周波数ｆｍ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倍波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。
【００４９】
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倍波信号の振幅との比を位相同期させて検出することで、濃度以外に存在する同じ周波数成分の信号に影響されずに測定対象ガス濃度に比例した信号を得ることができる。
【００５０】
このような原理のもと、同期検波部２０３ｂ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、同期検波部２０３ｂによって２倍波信号が検出されないので、同期検波部２０３ｂの出力はほぼ直線となる（例えば図８Ａ参照）。
【００５１】
一方、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波部２０３ｂ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部２０３ｂの出力波形や図８Ｂのようなピーク波形になる。このピーク波形はフィルタ２０３ｄによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のＣＰＵやＤＳＰ等である演算部２０３ｅへ出力される。演算部２０３ｅは後述する各種の処理によりアンモニアガスの有無の検出やアンモニア濃度の算出を行う。
【００５２】
演算部２０３ｅは以下のように機能する。まず、この図８Ｂのピーク波形におけるＡが測定対象ガスによる吸収を受けた部分（ガス吸収波形）であり、この吸収波形Ａの最大値Ｃまたは最小値Ｂ，Ｄが測定対象ガスの濃度に相当する。従って、演算部２０３ｅでは、この図８Ｂに示される同期検波部２０３ｂの出力であるガス吸収波形Ａを用いて、測定対象ガスの濃度に相当する波形のピーク値を測定するか、ガス吸収波形Ａの最大値Ｃまたは最小値Ｂ，Ｄの振幅差を測定して、測定対象ガスであるアンモニアガスの濃度を検出する手段として機能する。または、ガス吸収波形Ａの一部または全部を積分して、その積分値から測定対象であるアンモニアガスの濃度を検出する手段として機能する。また、ガス濃度が所定値より低い場合にアンモニアガスがないと判断する手段として機能する。
【００５３】
演算部２０３ｅには図示しない出力部が接続されている。この出力部は、演算部２０３ｅで濃度換算した値をガス温度やガス圧力の変化に応じた濃度値に補正する補正部と、補正部で補正した濃度値をディスプレイ表示する表示部と、補正した濃度値をアナログ、ディジタル信号を送信する外部伝送部と、を備えている。演算部２０３ｅは出力制御をおこなって補正機能表示部で補正された濃度値が表示部でディスプレイ表示がなされる。レーザ式ガス分析計によるガス分析はこのようなものである。
【００５４】
続いて、このようなレーザ式ガス分析計による波長ズレの自動補正について説明する。このような補正は演算部２０３ｅが行うものである。まず、前提として演算部２０３ｅは、予め特定濃度の基準ガスを壁６０１ａ，６０１ｂ内に流し、そのときに得られた波形を登録している。例えば、図８Ｂの信号Ｓｂで示すような波形であり、特に波形のピークである最大値Ｃ、最小値Ｂ，Ｄを図示しないメモリ部に記憶させている。また、信号Ｓａのたち下がり部を基準として最大値Ｃ、最小値Ｂ，Ｄが現れる時間も登録しておく。この際、波形は波長ズレを検知できる十分大きな出力波形となる濃度の基準ガスとしており、波長位置を把握しやすいように配慮している。また、基準ガスとは、所定濃度のアンモニアガスである。この基準は装置立ち上げ時や工場出荷時に取得するようにしても良い。
【００５５】
そして、所定期間（例えば６ヶ月）経過して行われる定期検診時に、演算部２０３ｅは、上記の基準ガスと同じガスである測定対象ガスを壁６０１ａ，６０１ｂ内に流して比較する。まず、サンプリングによりデジタルデータとして取得した波形データから波形のピークである一個の最大値や二個の最小値、そして信号Ｓａのたち下がり部を基準として最大値、最小値が現れる時間とを記憶する。
【００５６】
そして、図４の四角形の枠内で示すように予め取得した特定濃度の基準ガスと比較してピークの出現時間が短くなって時間軸上で左側へズレが生じている場合には、そのズレ量を上記の出力部の表示部に表示させ、作業員はこのズレ量を確認する。また演算部２０３ｅは、通信線５００を介して温度制御手段の温度制御部１０１ｄを制御して設定温度を変更する。演算部２０３ｅは時間ズレが小さくなるように温度制御部１０１ｄの設定温度を変更し、先の測定対象ガスを検出して同様の比較を行い、以下同様の制御を繰り返し行い、最終的に時間ズレが０となる温度を新たに設定温度として温度制御部１０１ｄに登録させ、以下この設定温度を維持するように温度制御部１０１ｄが制御する。
【００５７】
このように波長ズレが起きている場合は、レーザ素子の温度を制御して初期の出力波形位置になるように自動調整が行われる。従来では所定期間（例えば６ヶ月）毎の定期検診時に手動で行われていたが、本発明では自動調整を行えるようにして保守性を向上させており、優れている。また、塩化水素ガス用のレーザ素子についても同様の手法で補正が行われる。なお、波長ズレを検出するには測定対象ガスに限定する趣旨ではなく、例えば、基準ガスと同じで濃度が異なる校正用ガスを用いて検出する場合でも、ピークが出現する位置が左側へズレが生じていることが検出できるため、このような時に温度制御を行うようにしても良い。
【００５８】
以上本実施形態について説明した。従来技術では、レーザ式ガス分析計に使用しているレーザ素子は長時間使用すると同じ電流、同じ温度で制御していても波長が短波長側へシフトする。波長変化が生じた場合、元の状態になるように、温度などで制御しないと濃度誤差を生じる。そして大気中に存在しないガスの場合には、参照セルなどを装置内部に内蔵し、波長補正を行う構造にしているが、吸着性が強いガスなどはセル内にガスを封止することが難しい。参照セルを使えない場合は、定期的なメンテナンス時にズレの補正をする必要がある。そこで、定期的なメンテナンス時に調整用装置等を用いて保守作業員が波長調整をしたり、参照ガスセルを使用して自動補正するなどが行われてきた。
【００５９】
しかしながら、本発明によれば、特に大気中に存在しない、または大気中に微量にしか存在しないような測定対象ガス、例えば塩化水素ガスやアンモニアガスを測定するレーザ式ガス分析計であって、測定対象ガスを封止した参照ガスセルを内蔵しない構造でも、レーザ素子の劣化による波長ズレによる測定誤差の補正を一定値以上の測定対象ガスの吸収波形から波長ズレ幅を測定して吸収波形から波長ズレを検知し、レーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更して波長を修正し、レーザの劣化による波長変動が原因で濃度値に影響が及ぶ問題を自動で波長補正して解決することで、長期安定性を有するレーザ式ガス分析計を提供することができる。また、人による長時間の調整が不要になり、かつ、参照セルなどの部品も不要として大幅なコスト削減が可能である。また。波長ズレがなくなることにより、測定誤差が殆ど生じなくなるレーザ式ガス分析計とすることができる。
【００６０】
続いて本発明の第２形態について図を参照しつつ説明する。先の第１形態と比較すると、本形態では、基本的に図１と同じ構成を有するものであるが、詳しくは、図９で示すように、レーザ光源部１０１’の波長走査駆動信号発生部１０１ａから波長走査駆動信号のうちのトリガ信号Ｓ４（図１１参照）が抽出されて出力され、また、図１０で示すように、Ｉ／Ｖ変換部２０３ａからの演算部２０３ｅへの出力を無くすとともに、信号処理部２０３’の演算部２０３ｅがこのトリガ信号Ｓ４を入力し、トリガ信号Ｓ４（図１１参照）を用いて同期を取る点が相違する。なお、図９の発光部１００のレーザ光源部１０１’と、図１０の受光部２００の信号処理部２０３’と、は、図２のレーザ光源部１０１と図５の信号処理部２０３と比較すると同一の構成を有するが、Ｉ／Ｖ変換部出力に代えてトリガ信号Ｓ４を入出力し、演算部２０３ｅがこのトリガ信号Ｓ４に基づいて演算処理する点が相違するものであり、他の構成については同じ符号を付すとともに重複する説明を省略し、相違点のみを説明するものである。
【００６１】
図１１は、上記トリガ信号Ｓ４を説明するための図である。演算部２０３ｅに、波長走査駆動信号発生部１０１ａからトリガ信号Ｓ４が入力される。図示するように、トリガ信号Ｓ４は、上記Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を含めた波長走査駆動信号の１周期に同期して波長走査駆動信号発生部１０１ａから出力されるパルス状の信号である。このトリガ信号Ｓ４は、例えば、レーザ素子１０１ｅの駆動電流をゼロにするような波長走査駆動信号のタイミング（信号Ｓ３の発生タイミング）に同期して発生させればよい。波長走査駆動信号発生部１０１ａよりトリガ信号Ｓ４が出力され、通信線５００を介して、演算回路２０３ｅへ入力される。
【００６２】
続いて本形態の信号処理部２０３の演算部２０３ｅによる酸素ガスの濃度算出方法について説明する。図９で示すように、レーザ光源部１０１では、波長走査駆動信号Ｓ１の中心部分で測定対象ガスを測定できるように、温度制御部１０１ｄによりペルチェ素子１０１ｇの通電を制御してレーザ素子１０１ｅの温度を調整する。レーザ素子１０１ｅを駆動し、測定対象ガスが存在する壁６０１ａ，６０１ｂの内部空間にレーザ光を出射する。
【００６３】
レーザ光は、集光部２０１により集光され、この集光した光を受光素子２０２へ入射させる。測定対象ガスとしてアンモニアガスを測定する。この受光素子２０２は、受光量に応じて、電気信号による検出信号に変換して信号処理部２０３に送る。これら信号処理部２０３は、例えば、検出信号に対して増幅やノイズのフィルタリングを行い、濃度を検出する。信号処理部２０３において、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がない場合は、図１２Ａで示すように、同期検波部２０３ｂによって２倍周波数信号が検出されないため、同期検波部２０３ｂの出力はほぼ直線となる。
【００６４】
一方で、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波部２０３ｂによって２倍周波数信号が検出される。図１２Ｂは、同期検波部２０３ｂの出力信号ＳｂをＩ／Ｖ変換部２０３ａの出力信号Ｓａと併せて示した波形図である。図１２Ｂにおいて、点線で囲んだ部分がガス吸収波形Ａである。
【００６５】
ここで、何らかの原因によって同期検波部２０３ｂの出力信号Ｓｂにオフセットがある場合、図１３に示すように、本来の出力信号Ｓｂ０ではなくオフセット分が加算された信号Ｓｂ１が現れる。その結果、図１２Ｂにおけるガス吸収波形Ａの最大値または最小値、あるいは波形の積分値による検出では誤差が生じてしまい、ガス濃度を正確に検出できないおそれがある。そこで、本形態では、ガス濃度を更に高精度かつ安定的に検出するために、以下のような方法を用いることとした。
【００６６】
前述したように、測定対象ガスが存在しない図１２Ａで示すような場合は、同期検波部２０３ｂにより２倍周波数信号は検出されず、同期検波部２０３ｂの出力はほぼ直線となる。しかし、様々なノイズが存在するので、仮に測定対象ガスが存在しない場合でも、図１２Ａに示すように、同期検波部２０３ｂの出力信号Ｓｂは少しの凹凸のある波形となる。このような波形の場合、単純に波形の最大値や最小値のみを検出する方法ではノイズによる凹凸部分をガス吸収波形として誤認し、最大値や最小値を誤って検出するおそれがある。また、波形の積分値を求める場合にも、同様に誤検出する可能性がある。特に、測定対象ガスが低濃度である場合には、上記凹凸部分がガス濃度検出時の大きな誤差要因となる。
【００６７】
このため、本形態では、ノイズによる凹凸部分をガス吸収波形として誤認しないように、図１２Ｂで示すような、波長走査駆動信号発生部２０４ａから出力されるトリガ信号Ｓ４を用いて、ガス吸収波形の最大値または最小値が存在するべき位置を特定する。トリガ信号Ｓ４は、波長走査駆動信号の一周期に同期し特に波長走査駆動信号のＳ３と同期がとれている。このトリガ信号Ｓ４と同期検波部２０３ｂの出力信号Ｓｂとの間には一定の時間的な相関関係がある。
【００６８】
つまり、測定対象ガスが存在する場合に、トリガ信号Ｓ４のタイミングに対して図１２Ａ，図１２Ｂのガス吸収波形Ａや最大値Ｃ、最小値Ｂ，Ｄが発生するタイミングは、予めほぼ正確に検出可能である。そこで、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部出力波形でＢ点の最小値Ｂ、Ｃ点の最大値Ｃ、Ｄ点の最小値Ｄが登場するものとして計測を行う。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、図示しないメモリに登録しておく。この値を用いて濃度を算出する。
【００６９】
そして、ガス濃度の測定時には、波長走査駆動信号発生部２０４ａから受信したトリガ信号Ｓ４を基準として、最大値Ｃ及び最小値Ｂ，Ｄが発生するべきタイミング所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄにおける同期検波部２０３ｂの出力信号Ｓｂ（フィルタ２０３ｄの出力信号）から最大値及び最小値を測定する。
【００７０】
これにより、測定対象ガスの濃度が限りなく０に近いような低濃度の場合にも、演算部２０３ｅは、トリガ信号Ｓ４に基づいてガス吸収波形Ａや最大値Ｃ及び最小値Ｂ，Ｄを検出する手段として機能する。演算部２０３ｅは、これら値を正確に検出し、測定することができる。従って、ノイズによる波形の凹凸部分に影響されることなく、ガス濃度の演算を高精度に行うことが可能である。
【００７１】
そして演算部２０３ｅとしては、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部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手段として機能する。この同期検波部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。これらＡＢＣＤを用いて濃度を計測する。図１０の演算部２０３ｅは、図１２Ａに示したガス吸収波形Ａにおいて、最大値Ｃとその前後の最小値Ｂ，Ｄとを検出し、以下の数１または数２によってガス濃度を演算する手段として機能する。
【００７２】
［数１］
ガス濃度＝α×｜Ｂ−Ｃ｜
【００７３】
［数２］
ガス濃度＝α×｜Ｃ−Ｄ｜
【００７４】
なお、数１、数２においては、αはガス濃度変換係数である。ガス濃度変換係数αは、測定対象ガス成分の濃度が既知であるガスで予め校正することによって決定される。たとえば、測定対象ガス成分の濃度が０ｐｐｍのゼロガスと、測定対象ガス成分の濃度が所望の測定レンジの最大濃度であるスパンガスと、を測定し、ゼロガス、スパンガスの実測値を第一校正点、第二校正点とし、その２点を結ぶ直線を基準検量線とする。該基準検量線の傾きをガス濃度変換係数αとする。ガス濃度はこのようにして算出される。また、図１２Ａで示すような同期検波部出力の場合には酸素ガス濃度が所定値以下となり、測定対象ガス（アンモニアガス）がないと判定される。演算部２０３ｅはこのような処理を行う手段として機能する。
【００７５】
このように、単にガス吸収波形の最大値や最小値、あるいは積分値だけを検出する場合に比べ、トリガ信号の同期によりピーク位置を正確に検出できるようにしたため、やはり低濃度のガスの検出能力を向上させた。特にアンモニアガスは濃度が低いことが多いため、上記構成を採用すれば計測精度をより高めることができる。
【００７６】
また、低損失であるためピークが確実に表れるようにしてやはり低濃度のアンモニアガスの検出能力を向上させた。
また、特に、レーザ素子の駆動電流をゼロにするような波長走査駆動信号のタイミングに同期させており、同期信号を判別できる。
【００７７】
また、特にガス濃度が低くなると、光学窓材料やレンズなどによるレーザ光の干渉による影響のノイズの影響が強くなり、これらのノイズがピークとなって検出されてしまうなど、ピークの発見が困難であるが、本発明ではこのようにガス吸収が発生する部分をあらかじめ設定しトリガ信号を基準にガス吸収のピークを検出するようにしたため、ノイズ等に影響されることなく正確なガス濃度検出ができるという利点がある。
【００７８】
続いて、このようなレーザ式ガス分析計による波長ズレの自動補正について説明する。このような補正は演算部２０３ｅが行うものである。まず、前提として演算部２０３ｅは、予め特定濃度の基準ガスを壁６０１ａ，６０１ｂ内に流し、そのときに得られた波形を登録している。例えば、図８Ｂの信号Ｓｂで示すような波形であり、特に波形のピークである最大値Ｃ、最小値Ｂ，Ｄを演算部２０３ｅの図示しないメモリ部に記憶させている。また、トリガ信号Ｓ４を基準として最大値Ｃ、最小値Ｂ，Ｄが現れる時間ｔｃ，ｔｂ，ｔｄも登録しておく。この際、波形は波長ズレを検知できる十分大きな出力波形となる濃度の基準ガスとしており、波長位置を把握しやすいように配慮している。また、基準ガスとは、所定濃度のアンモニアガスである。この基準は装置立ち上げ時や工場出荷時に取得するようにしても良い。
【００７９】
そして、所定期間（例えば６ヶ月）経過して行われる定期検診時に、演算部２０３ｅは、上記基準ガスと同じガスである測定対象ガスを壁６０１ａ，６０１ｂ内に流して比較する。まず、サンプリングによりデジタルデータとして取得した波形データから波形のピークである一個の最大値や二個の最小値、そしてトリガ信号Ｓ４を基準として最大値、最小値が現れる時間とを記憶する。
【００８０】
そして、図４の四角形の枠内で示すように予め特定濃度の基準ガスと比較して、トリガ信号Ｓ４を基準とするピークの出現時間が短くなって時間軸上で左側へズレが生じている場合には、そのズレ量を上記の出力部の表示部に表示させ、作業員はこのズレ量を確認する。また演算部２０３ｅは、通信線５００を介して温度制御手段の温度制御部１０１ｄを制御して設定温度を変更する。演算部２０３ｅは時間ズレが小さくなるように温度制御部１０１ｄの設定温度を変更し、先の測定対象ガスを検出して同様の比較を行い、以下同様の制御を繰り返し行い、最終的に時間ズレが０となる温度を新たに設定温度として温度制御部１０１ｄに登録させ、以下この設定温度を維持するように温度制御部１０１ｄが制御する。
【００８１】
このように波長ズレが起きている場合は、レーザ素子の温度を制御して初期の出力波形位置になるように自動調整が行われる。また、塩化水素ガス用のレーザ素子についても同様の手法で補正が行われる。従来では所定期間（例えば６ヶ月）毎の定期検診時に手動で行われていたが、本発明では自動調整を行えるようにして保守性を向上させており、優れている。なお、波長ズレを検出するには測定対象ガスに限定する趣旨ではなく、例えば、基準ガスと同じで濃度が異なる校正用ガスを用いて検出する場合でも、ピークが出現する位置が左側へズレが生じていることが検出できるため、このような時に温度制御を行うようにしても良い。
【００８２】
本発明によれば、特に大気中に微量が存在する、または、大気中に存在しないような測定対象ガス、例えば塩化水素ガスやアンモニアガスを測定するレーザ式ガス分析計において、測定対象ガスを封止した参照ガスセルを内蔵しない構造でも、レーザ素子の劣化による波長ズレによる測定誤差の補正を一定値以上の測定対象ガスの吸収波形から波長ズレ幅を測定し吸収波形から波長ズレを検知し、レーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更し波長を修正し、レーザの劣化による波長変動が原因で濃度値に影響が及ぶ問題を自動で波長補正し解決することで、長期安定性を有するレーザ式ガス分析計を提供することができる。特にトリガ信号を基準とするため波長ズレをより正確に検出することができる。また、人による長時間の調整が不要になり、かつ、参照セルなどの部品も不要として大幅なコスト削減が可能である。また。波長ズレがなくなることにより、測定誤差が殆ど生じなくなるレーザ式ガス分析計とすることができる。
【００８３】
続いて本発明の第３形態について図を参照しつつ説明する。先の第１形態と比較すると、本形態では、全体構成として図１のレーザ式ガス分析計と同様の構造を有し、また、発光部１００に関しては図２のレーザ光源部と同一の構成を有しているが、受光部２００に関しては図１４の受光部２００の信号処理部２０３”において、Ｉ／Ｖ変換部２０３ａと演算部２０３ｅとに接続される抽出部２０３ｆをさらに備え、この抽出部２０３ｆで抽出された受光光量レベルを信号処理部２０３の演算部２０３ｅを入力し、受光光量レベルを参照値として得る点が相違する。なお、図１、図２，図５と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
【００８４】
図１４において、受光素子２０２の出力は電流信号であり、この電流信号はＩ／Ｖ変換部２０３ａにより電圧信号に変換される。この電圧信号を受光信号と呼ぶものとし、その波形の一例を図１５Ａ、図１５Ｂに示す。図１５Ａは、測定環境にダストがない清浄な空間における受光信号波形であり、図１５Ｂは、ダストが存在する空間における受光信号波形である。これらの図から明らかなように、ダストが存在する場合にはレーザ光が遮られるため、受光光量（受光信号レベル）が低下している。
【００８５】
前述したように、同期検波部２０３ｂにより、出射光の変調信号の２倍周波数成分である２倍波信号の振幅のみが抽出される。例えば、図１５Ａ、図１５Ｂに示した受光信号を同期検波とすると、それぞれ図１６Ａ、図１６Ｂのような波形が得られる。
図１６ＡにおけるＡは前記同様にガス吸収波形であり、この波形の振幅ｗ（＝ｗａ）を検出することでガス濃度を測定することができる。
一方、ダストが存在する場合の図１６Ｂでは、図１５Ｂに対応して振幅ｗ（＝ｗｂ）も小さくなっている。
このように、受光光量によってガス吸収波形の振幅が変動するために、特にダスト量が変動する環境では、正確なガス濃度の測定が困難である。
【００８６】
そこで、本実施形態では、図１７に示すように受光光量レベルとガス吸収波形の振幅レベルとがほぼ比例関係になるように同期検波の位相調整を行い、演算部２０３ｅにおいて受光光量レベルを得るための波長走査駆動信号成分を参照してガス吸収波形の振幅を補正することにより、ダスト等が存在する環境においても正確なガス濃度の検出を可能にしたものである。
【００８７】
すなわち、図１４に示すように、Ｉ／Ｖ変換部２０３ａから出力された受光信号を抽出部（フィルタ）２０３ｆに入力して、波長走査駆動信号成分を取り出す。そして、演算部２０３ｅにより、波長走査駆動信号成分と受光光量設定値との比を受光光量補正係数βとして算出し、フィルタ２０３ｄから出力されるガス吸収波形の振幅を、上記補正係数βにより補正するようにした。
【００８８】
例えば、図１５Ａ，図１５Ｂに示した受光信号を抽出部（フィルタ）２０３ｆに入力して波長走査駆動信号成分を取り出すと、図１８Ａ、図１８Ｂのような波形が得られる。図１８Ａはダストがなく受光光量が低下していない場合、図１８Ｂはダストがあって受光光量が低下している場合である。
【００８９】
図１８Ａのように、ある時点において、ダストがなく受光光量が最大である時の受光信号（フィルタ２０３ｆから出力される波長走査駆動信号）のレベルＰ（＝Ｐｍａｘ）を、前記受光光量設定値として演算部２０３ｅに予め設定登録しておく。演算部２０３ｅは、図１８Ｂのようにダストがある場合の受光信号レベルＰを検出し、このＰと同一時点のＰｍａｘとの比を、受光光量補正係数βとして数３により演算する。
【００９０】
［数３］
β＝Ｐｍａｘ／Ｐ
【００９１】
上記の補正係数βを、ガス吸収波形の振幅ｗ（例えば図１６Ｂのｗｂ）に乗算または除算することにより、数４に示すごとく、ダストに起因する受光光量の変動分を補正した振幅ｗｈを得ることができる。
【００９２】
［数４］
ｗｈ＝ｗ×β
【００９３】
こうして補正されたガス吸収波形の振幅ｗｈを用いてガス濃度を測定することで、煙道のようにダスト量が多い環境で受光光量の減少が著しい場合にも、ガス濃度を正確に測定することができる。
【００９４】
このようなレーザ式ガス分析計によれば、受光部の出力信号からの前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部（フィルタ）を備え、出力信号を演算部に出力する。演算部は、抽出部（フィルタ）の出力信号と受光光量設定値（例えば、ダストがない清浄な環境で測定した場合の、受光光量が最大であるときの抽出手段の出力信号レベル）との比である受光光量補正係数を用いて、ガス吸収波形の振幅を補正するようにしている。
【００９５】
続いて、このようなレーザ式ガス分析計による波長ズレの自動補正について説明する。このような補正は演算部２０３ｅが行うものである。まず、前提として演算部２０３ｅは、予め特定濃度の基準ガスを壁６０１ａ，６０１ｂ内に流し、そのときに得られた波形を登録している。例えば、図８Ｂの信号Ｓｂで示すような波形であり、特に波形のピークである最大値Ｃ、最小値Ｂ，Ｄを演算部２０３ｅの図示しないメモリ部に記憶させている。また、抽出部２０３ｆが抽出した波長走査駆動信号の成分に含まれるトリガ信号Ｓ４を基準として最大値Ｃ、最小値Ｂ，Ｄが現れる時間ｔｃ，ｔｂ，ｔｄも登録しておく。この際、波形は波長ズレを検知できる十分大きな出力波形となる濃度の基準ガスとしており、波長位置を把握しやすいように配慮している。また、基準ガスとは、所定濃度のアンモニアガスである。この基準は装置立ち上げ時や工場出荷時に取得するようにしても良い。
【００９６】
そして、所定期間（例えば６ヶ月）経過して行われる定期検診時に、演算部２０３ｅは、上記基準ガスと同じガスである測定対象ガスを壁６０１ａ，６０１ｂ内に流して比較する。まず、サンプリングによりデジタルデータとして取得した波形データから波形のピークである一個の最大値や二個の最小値、そしてトリガ信号Ｓ４を基準として最大値、最小値が現れる時間とを記憶する。このトリガ信号Ｓ４は抽出部が抽出する波長走査駆動信号の成分に含まれるものであり、同期タイミングを検出することができる。
【００９７】
そして、図４の四角形の枠内で示すように予め特定濃度の基準ガスと比較して、トリガ信号Ｓ４を基準とするピークの出現時間が短くなって時間軸上で左側へズレが生じている場合には、そのズレ量を上記の出力部の表示部に表示させ、作業員はこのズレ量を確認する。また演算部２０３ｅは、通信線５００を介して温度制御手段の温度制御部１０１ｄを制御して設定温度を変更する。演算部２０３ｅは時間ズレが小さくなるように温度制御部１０１ｄの設定温度を変更し、先の測定対象ガスを検出して同様の比較を行い、以下同様の制御を繰り返し行い、最終的に時間ズレが０となる温度を新たに設定温度として温度制御部１０１ｄに登録させ、以下この設定温度を維持するように温度制御部１０１ｄが制御する。
【００９８】
このように波長ズレが起きている場合は、レーザ素子の温度を制御して初期の出力波形位置になるように自動調整が行われる。また、塩化水素ガス用のレーザ素子についても同様の手法で補正が行われる。従来では所定期間（例えば６ヶ月）毎の定期検診時に手動で行われていたが、本発明では自動調整を行えるようにして保守性を向上させており、優れている。なお、波長ズレを検出するには測定対象ガスに限定する趣旨ではなく、例えば、基準ガスと同じガスで濃度が異なる校正用ガスを用いて検出する場合でも、ピークが出現する位置が左側へズレが生じていることが検出できるため、このような時に温度制御を行うようにしても良い。
【００９９】
本発明によれば、特に大気中に微量が存在する、または、大気中に存在しないような測定対象ガス、例えばアンモニアガスを測定するレーザ式ガス分析計において、測定対象ガスを封止した参照ガスセルを内蔵しない構造でも、レーザ素子の劣化による波長ズレによる測定誤差の補正を一定値以上の測定対象ガスの吸収波形から波長ズレ幅を測定し吸収波形から波長ズレを検知し、レーザ素子の温度を制御しているサーモモジュールの設定温度を変更し波長を修正し、レーザの劣化による波長変動が原因で濃度値に影響が及ぶ問題を自動で波長補正し解決することで、長期安定性を有するレーザ式ガス分析計を提供することができる。特にトリガ信号を基準とするため波長ズレを確実に検出することができる。また、人による長時間の調整が不要になり、かつ、参照セルなどの部品も不要として大幅なコスト削減が可能である。また。波長ズレがなくなることにより、測定誤差が殆ど生じなくなるレーザ式ガス分析計とすることができる。
【０１００】
以上本発明のレーザ式ガス分析計について説明した。
これまでのレーザガス分析計では、同じ電流、温度で制御したレーザ素子でも、素子の劣化によって波長ズレは必ず発生し、大気中に存在しないガス、例えば塩化水素ガスやアンモニアガスなどの場合、参照セル内にガスを封入し、波長ズレ補正を行っていた。しかしながら、本発明によれば、参照セルを使わなくても、波長ズレを検知し、自動補正を行うため、長期的な安定性を得ることができる。またシンプルな構造を構築でき、部品点数を減らすことができるためコスト削減にもなる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明のレーザ式ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼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。
【符号の説明】
【０１０２】
１，１’，１”：レーザ式ガス分析計
１００：発光部
１０１，１０１’：レーザ光源部
１０１ａ：波長走査駆動信号発生部
１０１ｂ：高周波変調信号発生部
１０１ｃ：電流制御部
１０１ｄ：温度制御部
１０１ｅ：レーザ素子
１０１ｆ：サーミスタ
１０１ｇ：ペルチェ素子
１０１ｓ：レーザ駆動信号発生部
１０２：コリメートレンズ
１０３：ボックスカバー
２００：受光部
２０１：集光レンズ
２０２：受光素子
２０３，２０３’，２０３”：信号処理部
２０２：受光素子
２０３：信号処理部
２０３ａ：Ｉ／Ｖ変換部
２０３ｂ：同期検波部
２０３ｃ：発振器
２０３ｄ：フィルタ
２０３ｅ：演算部
２０３ｆ：抽出部（フィルタ）
２０４：ボックスカバー
３００：発光部側パージ部
３０１：パージ部本体
３０２：流入口
３０３：流出口
４００：受光部側パージ部
４０１：パージ部本体
４０２：流入口
４０３：流出口
５００：通信線
６０１ａ，６０１ｂ：壁
６０２ａ，６０２ｂ：相フランジ
７００：検出光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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