(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む中赤外領域の波長帯域のレーザ光を出射する中赤外レーザ発光部と、
前記中赤外レーザ発光部を駆動する中赤外レーザ駆動部と、
前記中赤外レーザ発光部から出射されたレーザ光をコリメートして第１の測定対象ガスが存在する測定対象空間に照射する中赤外レーザ光学部と、
前記中赤外レーザ光学部から照射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、
前記中赤外受光信号から第１の測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた信号成分を抽出してこの信号成分の変化量から第１の測定対象ガスのガス濃度を演算する中赤外受光信号処理演算部と、
第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長帯域の第１のレーザ光、水分の光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長帯域の第２のレーザ光、および、水分と第１の測定対象ガスと第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルが所定量以下である近赤外領域の波長帯域の第３のレーザ光を時間別に出射する近赤外レーザ発光部と、
前記近赤外レーザ発光部を駆動する近赤外レーザ駆動部と、
前記近赤外レーザ発光部から出射された第１，第２，第３のレーザ光を時間別にコリメートして測定対象空間に照射する近赤外レーザ光学部と、
前記近赤外レーザ光学部から照射された第１，第２，第３のレーザ光を時間別に受光して電気的な近赤外受光信号として出力する近赤外受光部と、
第１のレーザ光の近赤外受光信号から第２の測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた信号成分を抽出してこの信号成分の変化量から第２の測定対象ガスのガス濃度を演算し、第２のレーザ光の近赤外受光信号から前記空間の水分濃度を演算し、また、第３のレーザ光の近赤外受光信号からダストによる光量減少量を演算するという処理を時間別に行う近赤外受光信号処理演算部と、
前記近赤外受光信号処理演算部により求めた水分濃度および光量減少量を用いて、前記中赤外受光信号処理演算部により求めた第１の測定対象ガスのガス濃度および前記近赤外受光信号処理演算部により求めた第２の測定対象ガスのガス濃度を、それぞれ補正するガス濃度補正部と、
を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記第１の測定対象ガスはＳＯ２ガスであり、かつ前記第２の測定対象ガスはＣＯ２ガスであることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記中赤外レーザ発光部から出射される中赤外領域のレーザ光の波長が３〜１０μｍであり、前記近赤外レーザ発光部から出射される近赤外領域のレーザ光の波長が０．７〜３μｍであ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、煙道内の各種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。
【背景技術】
【０００２】
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２０はアンモニア（ＮＨ３）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。
このような光吸収スペクトルを利用して各種ガス濃度を検出するガス分析計として、レーザ式ガス分析計が知られている。この分析計は、測定対象ガスの光吸収スペクトルと同じ発光波長領域を有するレーザ光源からの出射光を測定対象ガスに照射し、測定対象ガスの分子・原子によるレーザ光の吸収を利用してガス濃度を計測するものである。【０００３】
レーザ光を用いたガス分析計は、特定波長の光吸収強度がガスの濃度に比例する原理に基づいて、ガス濃度を測定する。吸収線の中心波長λｃにおける減衰量は、ガスの濃度に比例する。したがって、λｃの発振波長をもつ半導体レーザ光をガスに照射し、その減衰量を測定し適当な係数を掛けることでガスの濃度を推定することができる。【０００４】
このようにレーザ光を用いたガス分析による濃度計測方法は、大きく差分吸収方式と周波数変調方式がある。通常、差分吸収方式では、比較的簡単な構成でガス濃度の測定が可能である。一方、周波数変調方式では、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。【０００５】
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。【０００６】
そして、図２１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λｃを発振波長とするレーザ光と、吸収線の無い中心波長λｒ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掛けて濃度に換算する、というものである。【０００７】
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。【０００８】
そして、図２２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λｃ、変調周波数ｆｍ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ｆｍの２倍の周波数の信号（２倍波信号）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倍波の振幅の比を位相同期させることでガス濃度に比例した値を得る、というものである。【０００９】
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２３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。【００１０】
図２３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。【００１１】
発光部フランジ２０１ａには、取付金具２０２ａを介して発光部筐体２０３ａが取り付けられている。この発光部筐体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を介して受光部筺体２０３ｂが取り付けられている。この受光部筺体２０３ｂには、レンズ２０６、受光素子２０７、および、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。【００１２】
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筐体２０３ｂ内の受光素子２０７により受光される。
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ものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【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」、段落[０００４]，[００３０]、図７，図８等）
【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」、段落[００２９]〜[００３８]、図１〜図７等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
近年、船舶の排ガスに対する規制が強化されている。具体的には、ＳＯｘの規制があり、排ガスのＳＯ２ガスとＣＯ２ガスとの濃度を測定し、以下の数１の基準を満たすことが求められている。【００１５】
［数１］
ＳＯ２ガス濃度（ｐｐｍ）÷ＣＯ２ガス濃度（ｖｏｌ％）＜４．３【００１６】
ＳＯ２ガスやＣＯ２ガスの濃度を測定する手段として、上記のようなレーザ式ガス分析計を採用することができる。しかしながら、従来のほとんどのレーザ式ガス分析計は、測定が可能な測定対象ガスの種類は１台あたり１種類であり、２種類以上のガス濃度を検出できるレーザ式ガス分析計は、ＣＯ＋ＣＯ２、ＮＨ３＋Ｈ２Ｏ、ＨＣｌ＋Ｈ２Ｏなどのように、ガス種が限定されていた。船舶排ガスのようにＳＯ２ガスとＣＯ２ガスの濃度を測定する場合は、従来では２台のレーザ式ガス分析計が必要になっていた。【００１７】
この理由について説明する。
ＳＯ２ガスは、中赤外領域に光吸収スペクトルが存在する。例えば、図２４はＳＯ２の光吸収スペクトルであり、このような光吸収スペクトルを検出するためには、レーザ光源として中赤外領域の波長のレーザ光を出射する量子カスケードレーザ等を用いることが想定される。【００１８】
また、ＣＯ２ガスは近赤外領域に光吸収スペクトルが存在する。例えば、図２５はＣＯ２の光吸収スペクトルであり、このような光吸収スペクトルを検出するためには、レーザ光源として、近赤外領域の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ等を用いることが想定される。【００１９】
このようにレーザ光源が異なる２台のレーザ式ガス分析計が必要となる。従って、分析計のコストや施工コストが上昇してしまう。さらには装置の大型化も問題となる。一台でＳＯ２ガスやＣＯ２ガスの濃度を共に測定するコンパクトなレーザ式ガス分析計が必要であった。【００２０】
また、船舶の排ガス中には、水分や煤塵（ダスト）が存在する。ダストによる光量減衰の影響は特許文献２に記載された従来技術によって補正することが可能であり、仮に煙道内にダストが存在しても、ガス濃度を正確に測定することができる。【００２１】
例えば、図２５に示すようなスペクトルをもつＣＯ２ガスは、使用する近赤外レーザ素子が走査できる波長範囲に、ＣＯ２ガスの吸収を受けない波長の光を含めることが可能である。そのため、特許文献２の従来技術を用いて、測定対象ガス成分の吸収を受けない波長の光を利用して受光光量補正を行うことで正確なガス濃度測定が可能である。【００２２】
ところが、図２６に示すようなスペクトルをもつＳＯ２ガスは、使用する中赤外レーザ素子の発光可能な波長範囲にＳＯ２ガスの吸収を受けないような波長の光が含まれていない。そのため、測定対象ガスによってＤＣ的な吸収が発生する。ダストによる光量減少はＤＣ的であり、ＳＯ２のようなガスを中赤外光で測定する場合は、測定対象ガスによる吸収なのか、ダストによる光量減衰なのかを判別し、受光光量補正を行い正確なガス濃度測定を行うことが困難であるという問題があった。【００２３】
そして、排ガス中に水分が多く存在する場合はさらに問題がある。ＳＯ２ガスを測定するための中赤外領域（図２４）には、測定対象ガスであるＳＯ２ガスの光吸収スペクトル以外に、水分の光吸収スペクトルが多数存在している。図２７は水分の光吸収スペクトルを示しているが、ＳＯ２ガスと同様に中赤外領域に光吸収スペクトルが存在しており、この光吸収スペクトルを外してＳＯ２ガス濃度を測定することは非常に困難である。
すなわち、測定対象空間の水分の濃度が高い場合、レーザ光源としての量子カスケードレーザから出射されるレーザ光は測定対象ガス以外に水分の影響を受ける。【００２４】
この影響により受光光量が減衰するという問題がある。この点について説明する。ここにＳＯ２ガスの光吸収スペクトル波長を約７．２μｍとして検出するものとし、水分による吸収の影響を実験的に調べた場合の受光信号（言い換えれば受光光量）のレベルを図２８に示す。【００２５】
受光光量の減衰がダストによる影響だけであれば、特許文献２に記載された方法により補正が可能であるが、図２８によれば、水分濃度（体積濃度）が高くなるにつれて受光光量が減衰することがわかる。このため、従来のレーザ式ガス分析計では、測定対象空間に水分が存在すると測定対象ガスの測定値が減衰してしまい、ガス濃度を正確に測定できないという問題があった。
このように船舶の排ガス中のＳＯ２ガス濃度とＣＯ２ガス濃度とを分析するためにはダストによる影響や、水分による影響を、ともに除去する必要があった。【００２６】
そして、ＳＯ２ガスのように中赤外領域の第１の測定対象ガスのガス濃度と、ＣＯ２ガスのように近赤外領域の第２の測定対象ガスのガス濃度と、を測定する場合には同様の問題が生じるため、ダストによる影響や、水分による影響を除去する必要があった。【００２７】
そこで本発明の解決課題は、ダストおよび高濃度の水分が存在する測定環境であっても、中赤外領域の第１の測定対象ガスのガス濃度と、近赤外領域の第２の測定対象ガスのガス濃度と、を１台の装置で高精度に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】
【００２８】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、
第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む中赤外領域の波長帯域のレーザ光を出射する中赤外レーザ発光部と、
前記中赤外レーザ発光部を駆動する中赤外レーザ駆動部と、
前記中赤外レーザ発光部から出射されたレーザ光をコリメートして第１の測定対象ガスが存在する測定対象空間に照射する中赤外レーザ光学部と、
前記中赤外レーザ光学部から照射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、
前記中赤外受光信号から第１の測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた信号成分を抽出してこの信号成分の変化量から第１の測定対象ガスのガス濃度を演算する中赤外受光信号処理演算部と、
第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長帯域の第１のレーザ光、水分の光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長帯域の第２のレーザ光、および、水分と第１の測定対象ガスと第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルが所定量以下である近赤外領域の波長帯域の第３のレーザ光を時間別に出射する近赤外レーザ発光部と、
前記近赤外レーザ発光部を駆動する近赤外レーザ駆動部と、
前記近赤外レーザ発光部から出射された第１，第２，第３のレーザ光を時間別にコリメートして測定対象空間に照射する近赤外レーザ光学部と、
前記近赤外レーザ光学部から照射された第１，第２，第３のレーザ光を時間別に受光して電気的な近赤外受光信号として出力する近赤外受光部と、
第１のレーザ光の近赤外受光信号から第２の測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた信号成分を抽出してこの信号成分の変化量から第２の測定対象ガスのガス濃度を演算し、第２のレーザ光の近赤外受光信号から前記空間の水分濃度を演算し、また、第３のレーザ光の近赤外受光信号からダストによる光量減少量を演算するという処理を時間別に行う近赤外受光信号処理演算部と、
前記近赤外受光信号処理演算部により求めた水分濃度および光量減少量を用いて、前記中赤外受光信号処理演算部により求めた第１の測定対象ガスのガス濃度および前記近赤外受光信号処理演算部により求めた第２の測定対象ガスのガス濃度を、それぞれ補正するガス濃度補正部と、
を備えたことを特徴とする。【００２９】
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、
前記第１の測定対象ガスはＳＯ２ガスであり、かつ前記第２の測定対象ガスはＣＯ２ガスであることを特徴とする。【００３０】
請求項３に係る発明は、
請求項２に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記中赤外レーザ発光部から出射される中赤外領域のレーザ光の波長が３〜１０μｍであり、前記近赤外レーザ発光部から出射される近赤外領域のレーザ光の波長が０．７〜３μｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、ダストおよび高濃度の水分が存在する測定環境であっても、中赤外領域の第１の測定対象ガスのガス濃度と、近赤外領域の第２の測定対象ガスのガス濃度と、を１台の装置で高精度に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】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ式ガス分析計の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザ式ガス分析計の回路ブロック図である。
【図３】レーザ発光部およびレーザ駆動部の回路ブロック図である。
【図４】発光波長の説明図であり、図４（ａ）はレーザ素子の発光波長と電流との関係を示す特性図、図４（ｂ）はレーザ素子の発光波長と温度との関係を示す特性図である。
【図５】波長走査駆動信号を示す図である。
【図６】レーザ素子に対する駆動信号を示す図である。
【図７】中赤外受光信号処理演算部および近赤外受光信号処理演算部のブロック図である。
【図８】波長領域１．９９μｍ付近のＣＯ２と水（Ｈ２Ｏ）の光吸収スペクトルを示す図である。
【図９】ダストがない環境下での受光信号波形図である。
【図１０】ダストがある環境下での受光信号波形図である。
【図１１】ダストがない環境下で吸収があったときの出力波形図である。
【図１２】ダストがある環境下で吸収があったときの出力波形図である。
【図１３】レーザ素子の発光波長と検出波長との関係の説明図である。
【図１４】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特性図である。
【図１５】ダストがない環境下で吸収がないときの出力波形図である。
【図１６】ダストがある環境下で吸収がないときの出力波形図である。
【図１７】ダスト量に対する近赤外光の受光光量と中赤外光の受光光量との関係を示す特性図である。
【図１８】近赤外光の受光光量減少量と中赤外光の受光光量減少量との関係を示す特性図である。
【図１９】レーザ素子の発光波長と検出波長との他の関係の説明図である。
【図２０】アンモニア（ＮＨ３）の光吸収スペクトルを示す図である。
【図２１】差分吸収方式による濃度測定原理を示す図である。
【図２２】周波数変調方式による濃度測定原理を示す図である。
【図２３】特許文献２に記載された従来のレーザ式ガス分析計の構成図である。
【図２４】二酸化硫黄（ＳＯ２）の光吸収スペクトルを示す図である。
【図２５】ＣＯ２ガスの分光特性を示す図である。
【図２６】ＳＯ２ガスの分光特性を示す図である。
【図２７】波長領域７．１〜７．７μｍの水（Ｈ２Ｏ）の光吸収スペクトルを示す図である。
【図２８】中赤外領域における水による吸収の影響がある場合の受光信号レベルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。本形態のレーザ式ガス分析計では、具体例として、船舶の排ガス中のＳＯ２ガス濃度とＣＯ２ガス濃度とを分析する装置であり、第１の測定対象ガスとしてＳＯ２ガスを、また、第２の測定対象ガスとしてＣＯ２ガスをそれぞれ分析するものとした。レーザ式ガス分析計は、船舶の排ガスという高濃度の水分およびダストが存在する環境において、測定対象空間に存在する水分の影響、および、測定対象空間に存在するダストの影響を除去しつつ、中赤外レーザ発光部を用いてＳＯ２ガス濃度を測定し、かつ、近赤外レーザ発光部を用いてＣＯ２ガス濃度を測定することができ、目的とするガス濃度を高精度に測定するものである。
【００３４】
まず、図１はこの実施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。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。
【００３５】
発光部フランジ２０１ａには発光部筐体２０３ａが取り付けられており、発光部筺体２０３ａには発光部ケース３が取り付けられている。発光部筐体２０３ａ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７、近赤外レーザ光を出射する近赤外レーザ発光部８、レンズ９、凹面ミラー１０が気密に配置されている。そして、使用する波長の光を透過するウィンドウ１８を配置することにより、発光部筐体２０３ａ内部の気密が確保されている。
【００３６】
発光部筐体２０３ａには発光部ケース３が取り付けられていると共に、その内部の発光部回路基板４には、詳しくは図２のブロック図で示すように、中赤外レーザ駆動部２０及び近赤外レーザ駆動部２１が搭載されている。これらの中赤外レーザ駆動部２０及び近赤外レーザ駆動部２１から中赤外レーザ発光部７及び近赤外レーザ発光部８に電気信号が送られて中赤外レーザ発光部７が中赤外光のレーザを、また、近赤外レーザ発光部８が近赤外光のレーザをそれぞれ出射するように構成されている。
【００３７】
ここで、中赤外レーザ発光部７は、第１の測定対象ガスであるＳＯ２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量子カスケードレーザ等の素子であり、中赤外レーザ駆動部２０では、上記の中赤外領域の波長を掃引するようなレーザ駆動信号を生成して中赤外レーザ発光部７を発光させる。
【００３８】
一方、近赤外レーザ発光部８は、第２の測定対象ガスであるＣＯ２ガスの光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長１．５〜２．１μｍの近赤外レーザ光を出射するレーザ素子であり、近赤外レーザ駆動部２１では、上記の近赤外領域の波長を掃引するようなレーザ駆動信号を生成して近赤外レーザ発光部８を発光させる。
【００３９】
中赤外レーザ発光部７からの出射光は、本発明の中赤外レーザ光学部としての凹面ミラー１０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２として煙道内部１に照射される。この中赤外レーザ光２は、煙道内部１に存在する第１の測定対象ガスであるＳＯ２ガスによる光吸収の影響を受ける。また、同時に存在するダストによる光散乱の影響を受ける。また、特に中赤外領域では水分による影響を受ける。
【００４０】
また、近赤外レーザ発光部８からの出射光は、レンズ９によって平行光となり、近赤外レーザ光１７として、凹面ミラー１０の中央部付近に形成された開口部１１から発光部フランジ２０１ａの中心を通って煙道内部１に照射される。なお、レンズ９及び開口部１１は、本発明の近赤外レーザ光学部を構成している。上記のように、近赤外レーザ光１７は中赤外レーザ光２の内部を同軸上に出射されることになり、この近赤外レーザ光１７は、煙道内部１の第２の測定対象ガスであるＣＯ２ガスによる光吸収の影響を受ける。また、同時に存在するダストによる光散乱の影響を受ける。なお、近赤外領域では水分による影響を受けない波長があり、この波長を利用する。
【００４１】
一方、受光部フランジ２０１ｂには、受光部筐体２０３ｂが取り付けられている。煙道内部１を通過した中赤外レーザ光２は、受光部筐体２０３ｂの内部に気密に配置された凹面ミラー１５より集光されて中赤外受光素子１２により受光される。そして、使用する波長の光を透過するウィンドウ１９を配置することにより、受光部筐体２０３ｂ内部の気密が確保されている。なお、凹面ミラー１５及び中赤外受光素子１２は、本発明の中赤外受光部を構成している。
【００４２】
中赤外受光素子１２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、中赤外受光素子１２の出力信号は、受光部ケース５内の受光部回路基板６に搭載される中赤外受光信号処理演算部２２（図２参照）へ入力される。中赤外受光信号処理演算部２２は、中赤外光受光素子１２からの中赤外受光信号を信号処理し、ＳＯ２ガスの光吸収による信号変化成分が抽出されてＳＯ２ガスのガス濃度信号として得るものであり、水分の影響や光量減衰を補正しないときのＳＯ２ガスのガス濃度を測定する。
【００４３】
また、近赤外レーザ光１７は、凹面ミラー１５の中央部付近に形成された開口部１６を通ってレンズ１４により集光され、近赤外受光素子１３により受光される。なお、開口部１６、レンズ１４及び近赤外受光素子１３は、本発明における近赤外受光部を構成している。
【００４４】
近赤外受光素子１３は、近赤外領域の波長に感度を持つフォトダイオード等の素子であり、近赤外受光素子１３の出力信号は、受光部回路基板６の近赤外受光信号処理演算部２３（図２参照）へ入力される。近赤外受光信号処理演算部２３は、近赤外光受光素子１３の信号を信号処理することで、光量減衰を補正しないときのＣＯ２ガスのガス濃度と、水分の濃度と、ダストに衝突したときの散乱による光量減少と、を測定する。
【００４５】
中赤外受光信号処理演算部２２および近赤外受光信号処理演算部２３は、ガス濃度補正部２４に接続されており、補正を行って、水分の濃度、および、ダストによる光量減少が考慮された正確なガス濃度を算出する。
【００４６】
続いて各部の動作について説明する。まずは、第１の測定対象ガスの測定を行う中赤外受光信号処理系の各部から説明していく。詳しくは図３で示すように、中赤外レーザ駆動部２０として、さらに波長走査駆動信号発生部２０ａ、高周波変調信号発生部２０ｂ、レーザ駆動信号発生部２０ｃ、温度制御部２０ｄを備える。また、中赤外レーザ発光部７として、さらに中赤外レーザ素子７ａ、温度検出部（サーミスタ）７ｂ、温度調節部（ペルチェ素子）７ｃを備える。
【００４７】
中赤外レーザ素子７ａは、発光波長が第１の測定対象ガスの吸光特性に一致する波長およびその周辺領域にて発光が可能であり、さらに、図４（ａ）に示したようにドライブ電流により発光波長を可変とすることができ、また、図４（ｂ）に示したように温度によって発光波長を可変とすることができる。本形態では第１の測定対象ガスとして二酸化硫黄ガス（ＳＯ２ガス）を測定するものとし、波長も二酸化硫黄ガス（ＳＯ２ガス）を吸収する波長を採用するものとする。
【００４８】
図３において、中赤外レーザ素子７ａの温度は、サーミスタ等の温度検出部７ｂを用いて検出される。この温度検出部７ｂは、中赤外レーザ駆動部２０の温度制御部２０ｄに接続されている。この温度制御部２０ｄは、中赤外レーザ素子７ａの発光波長の安定化および波長の調節のため、サーミスタ等の温度検出部７ｂ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温度調節部７ｃの温度制御を行い、中赤外レーザ素子７ａの温度を調節する。
【００４９】
また、ＳＯ２ガスの吸収波長をスキャンするようにレーザの発光波長を変化させる波長走査駆動信号発生部２０ａの出力信号と、ＳＯ２ガスの吸収波形を検出するための例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波で発光波長を周波数変調させるための高周波変調信号発生部２０ｂの出力信号とを、レーザ駆動信号発生部２０ｃへ入力すると、レーザ駆動信号発生部２０ｃがこれら出力信号を合成して駆動信号を生成し、この駆動信号をＶ−Ｉ変換して中赤外レーザ素子７ａに供給する。
【００５０】
ここで、レーザ光の変調について説明する。図５は、波長走査駆動信号発生部２０ａの出力信号を示している。ＳＯ２ガスの吸光特性を走査する波長走査駆動信号Ｓ１は、中赤外レーザ素子７ａの駆動電流値を直線的に変化させて中赤外レーザ素子７ａの発光波長を徐々に変化させ、例えば、２０ｎｍ程度の吸光特性を走査する。一方、信号Ｓ２は、駆動電流値を中赤外レーザ素子７ａが安定するスレッショルドカレント以上に保ち、一定波長で発光させるためのものである。さらに、信号Ｓ３では、駆動電流値を０ｍＡにしておく。
【００５１】
図３の高周波変調信号発生部２０ｂの下側には高周波変調信号発生部２０ｂから出力される変調信号の波形図が図示されているが、この変調信号は、例えば周波数が１０ｋＨｚの正弦波であり、波長幅が０．２ｎｍ程度である。
【００５２】
図６は、図３のレーザ駆動信号発生部２０ｃから出力される駆動信号（波長走査駆動信号発生部２０ａの出力信号と高周波変調信号発生部２０ｂの出力信号との合成信号）の波形図である。この駆動信号は、一定周期で繰り返される台形形状である。レーザ駆動信号発生部２０ｃが、この駆動信号を中赤外レーザ素子７ａに供給すると、中赤外レーザ素子７ａからは、測定対象ガスの２０ｎｍ程度の吸光特性を波長幅０．２ｎｍ程度で検出可能な変調光が出力される。
【００５３】
これにより、中赤外レーザ素子７ａからは、ＳＯ２ガスの吸光特性を走査するための、周波数変調された所定波長のレーザ光が出射される。図１で示すように、中赤外レーザ素子７ａから出射したレーザ光は凹面ミラー１０により平行な中赤外レーザ光２として出射される。中赤外レーザ素子７ａの温度は、事前に波長走査駆動信号の中心部分でＳＯ２ガスが計測されるように温度が調整される。
【００５４】
このような中赤外レーザ光２は、煙道壁１０１ａ，１０１ｂの内部区間（測定対象ガスが流通する空間）である煙道内部を伝播し、この間を透過する際にＳＯ２ガスによるガス吸収を受ける。本発明の中赤外レーザ駆動部、中赤外レーザ発光部、中赤外レーザ光学部の動作・機能はこのようになる。
【００５５】
続いて、本発明の中赤外受光部について説明する。
ＳＯ２ガス、ＣＯ２ガス、水分やダストが存在する空間を介して伝播され、そのうちのＳＯ２ガス吸収を受けた検出光は凹面ミラー１５により集光されてから中赤外受光素子１２により受光される。中赤外受光素子１２は、受光量に応じて電気信号による検出信号を出力する。中赤外受光素子１２は、例えばフォトダイオードであり、レーザの発光波長に感度を持つ素子を適用する。
【００５６】
続いて、中赤外受光信号処理演算部２２について説明する。中赤外受光信号処理演算部２２は、図７で示すように、Ｉ／Ｖ変換部２２ａ、同期検波部２２ｂ、参照信号発生部（発振器）２２ｃ、フィルタ部２２ｄ、演算部２２ｅを備える。中赤外受光素子１２からガス濃度演算部２２へ入力された検出信号は、Ｉ／Ｖ変換部２２ａによって電流信号から電圧信号に変換される。この電圧信号は、図９に示すような出力波形を有する。この電圧信号が同期検波部２２ｂへ入力される。また、参照信号発生部（発振器）２２ｃは、高周波変調信号発生部２０ｂ（図３参照）による高周波変調信号の２倍周波数の信号を参照信号として同期検波部２２ｂへ出力する。同期検波部２２ｂでは、変調信号の２倍周波数成分の振幅のみを取り出す。
【００５７】
これは先に説明した図２２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λｃ、変調周波数ｆｍで中赤外レーザ素子７ａの出力が周波数変調されており、対象となるＳＯ２ガスに照射すると、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変調周波数ｆｍの２倍の周波数の信号（２倍波）が得られ、この信号は、ＳＯ２ガス濃度に比例した値を得る。この信号はフィルタ部２２ｄでノイズを除去後に演算部２２ｅに入力されるとともに、この演算部２２ｅにおいてＳＯ２ガスの濃度が演算されることになる。
【００５８】
次に、周波数変調方式によるＳＯ２ガスの濃度算出について説明する。ＳＯ２ガスにより吸光された場合、フィルタ部２２ｄを経て図１１のような信号が演算部２２ｅへ出力される。このピーク値がガス濃度となるために、演算部２２ｅは、ピーク振幅を計測しても良いし、信号変化を積分しても良い。
【００５９】
一例を挙げれば、演算部２２ｅは、図１１のようなピーク振幅ＷＡに対してあるＳＯ２ガス濃度用のスパン校正値ＧＡおよびガス温度補正係数αＡを掛けることでガス濃度を検出できる。
【００６０】
［数２］
ＳＯ２ガスのガス濃度＝αＡ×ＧＡ×ＷＡ
【００６１】
ガス温度補正係数αＡは、ＳＯ２ガスのガス温度に対して一意に決まる係数であればよく、関数形式やテーブル形式などという形式は限定されない。
【００６２】
なお、ＳＯ２ガス濃度は、水分による影響およびダストによる光量減少の影響を受けており、補正が必要である。演算部２２ｅは、この水分による影響およびダストによる光量減少の影響を受けているＳＯ２ガス濃度をガス濃度補正部２４へ送る。なお、ガス濃度補正部２４による処理は後述する。中赤外光によるＳＯ２ガス濃度検出はこのように行われる。
【００６３】
続いて、近赤外レーザ駆動部および近赤外受光信号処理演算部について説明する。近赤外レーザ駆動部２１では、図８で示すように、第１，第２の波長掃引帯域をスキャンするように駆動される。まず、第１の波長掃引帯域として水分の濃度を計測するようなレーザ光（本発明の第２のレーザ光）を発光するための走査が行われ、そして第２の波長掃引帯域としてＣＯ２ガスのガス濃度検出を行うようなレーザ光（本発明の第１のレーザ光）に続いて光量減少量を計測するようなレーザ光（本発明の第３のレーザ光）を発光するための走査が行われる。第１，第２の波長掃引帯域は時間別に続けて行われるものであり、例えば、第１の波長掃引帯域のスキャンを所定期間行い、続いて第２の波長掃引帯域のスキャンを所定期間行うというものである。
【００６４】
まず、近赤外レーザ駆動部２１は、第１の波長掃引帯域（図８参照）のスキャン、つまりＣＯ２ガスによる光吸収は受けないが水分の光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長帯域の第２のレーザ光を出射するためのスキャンを行う。
【００６５】
水分の光吸収スペクトルは、図２７に示したように中赤外領域に広く分布している。測定対象空間に水分が存在する場合には、ＳＯ２による光吸収と水分による光吸収とが干渉するので、ＳＯ２濃度を正確に測定することが困難になる。水分による光吸収の影響を除去するためには、水分の光吸収スペクトルとＳＯ２ガスの光吸収スペクトルとを比較して、水分の光吸収スペクトルができるだけ存在しない波長を選定することが考えられる。この対策によれば、ある程度の水分濃度までは対応可能であるが、例えば水分濃度が１０ｖｏｌ％（体積濃度）以上の高濃度の環境では水分による光吸収が非常に強く、ＳＯ２ガスのガス濃度測定値が減少するためＳＯ２ガスのガス濃度を高精度に測定することができない。そこで、ＳＯ２ガスのガス濃度を正確に測定するためには、水分濃度に応じてＳＯ２ガスのガス濃度を補正する必要がある。
【００６６】
水分の光吸収スペクトルは、中赤外領域の他には近赤外領域に存在する。波長１．９９μｍ付近のＣＯ２と水の光吸収スペクトルを図８に示す。これに対し、ＳＯ２ガスの光吸収スペクトルは、２μｍ以下の近赤外領域には存在しない。そこで、ＣＯ２ガスのガス濃度と水分濃度を測定するための近赤外レーザ素子８として、例えば波長１．９９μｍ付近のレーザ光を出射する半導体レーザ素子を選定する。波長１．９９μｍ付近では、ＣＯ２ガスと水分の吸収線が近接しているが共に含まれており、例えば、図８に示す第１の波長掃引領域で水分を測定し、また、第２の波長掃引領域でＣＯ２を測定することができる。
【００６７】
近赤外レーザ駆動部２１は中赤外レーザ駆動部２０と同じ構成であり、先の図３を参照しつつ説明する。本発明の近赤外レーザ駆動部２１として、図３で示すように、波長走査駆動信号発生部２０ａ、高周波変調信号発生部２０ｂ、レーザ駆動信号発生部２０ｃ、温度制御部２０ｄを備え、また、近赤外レーザ発光部８として、さらに近赤外レーザ素子８ａ、温度検出部（サーミスタ）７ｂ、温度調節部（ペルチェ素子）７ｃを備え、近赤外レーザ光学部は、レンズ９、開口部１１を備える。
【００６８】
近赤外レーザ素子８ａは、発光波長がＣＯ２ガスの吸光特性に一致する波長およびその周辺領域（水分の吸光波長、および、ＣＯ２ガスや水分がほとんど吸光しない波長を含む）にて発光が可能であり、ドライブ電流により発光波長を可変とすることができ、また、温度によって発光波長を可変とすることができる。
【００６９】
図３において、近赤外レーザ素子８ａの温度は、サーミスタ等の温度検出部７ｂを用いて検出される。この温度検出部７ｂは、近赤外レーザ駆動部２１の温度制御部２０ｄに接続されている。この温度制御部２０ｄは、近赤外レーザ素子８ａの発光波長の安定化および波長の調節のため、サーミスタ等の温度検出部７ｂ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温度調節部７ｃの温度制御を行い、近赤外レーザ素子８ａの温度を調節する。
【００７０】
まず、近赤外レーザ駆動部２１は、ＣＯ２ガスによる光吸収は受けないが水分の光吸収スペクトルを含むような近赤外領域の波長の第２のレーザ光を出射するための第１の波長掃引帯域をスキャンする。第１の波長掃引帯域をスキャンするようにレーザの発光波長を変化させる波長走査駆動信号発生部２０ａの出力信号と、水分の吸収波形を検出するための例えば２０ｋＨｚ程度の正弦波で発光波長を周波数変調させるための高周波変調信号発生部２０ｂの出力信号とを、レーザ駆動信号発生部２０ｃへ入力すると、レーザ駆動信号発生部２０ｃがこれら出力信号を合成して駆動信号を生成し、この駆動信号をＶ−Ｉ変換して近赤外レーザ素子８ａに供給する。
【００７１】
近赤外レーザ光の変調は、中赤外光レーザの変調と同様であり、図１３の波長走査駆動信号発生部２０ａの出力信号を用いる。また、図３の高周波変調信号発生部２０ｂの下側には高周波変調信号発生部２０ｂから出力される変調信号の波形図が図示されているが、この変調信号は、例えば周波数が２０ｋＨｚの正弦波であり、波長幅が０．２ｎｍ程度であり、このような出力信号を用いる。
【００７２】
そして、レーザ駆動信号発生部２０ｃから出力される駆動信号（波長走査駆動信号発生部２０ａの出力信号と高周波変調信号発生部２０ｂの出力信号との合成信号）を、レーザ駆動信号発生部２０ｃが、この駆動信号を近赤外レーザ素子８ａに供給すると、近赤外レーザ素子８ａからは、水分の２０ｎｍ程度の吸光特性を波長幅０．２ｎｍ程度で検出可能な変調光が出力される。
【００７３】
これにより、近赤外レーザ素子８ａからは、水分の吸光特性を走査するための、周波数変調された所定波長のレーザ光が出射される。このレーザ光は、図１３の（ａ）で示すように、水分の吸光スペクトルを走査するように波長が設定されている。図１で示すように、近赤外レーザ素子８ａから出射したレーザ光は凹面ミラー１０の中央穴と通過して平行な近赤外レーザ光１７として出射される。近赤外レーザ素子８ａの温度は、事前に波長走査駆動信号の中心部分で水分が計測されるように温度が調整される。これにより水分の光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長のレーザ光が出射される。このような近赤外レーザ光１７は、煙道壁１０１ａ，１０１ｂの内部区間（測定対象ガスが流通する空間）である煙道内部を伝播し、この間を透過する際に水分によるガス吸収を受ける。
【００７４】
続いて、本発明の近赤外受光部について説明する。
ＳＯ２ガス、ＣＯ２ガス、水分やダストが存在する空間を介して伝播された検出光は、そのうちの水分の光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長のレーザ光が吸収を受ける。この検出光は凹面ミラー１５の開口部１６を通過してからレンズ１４で集光されてから近赤外受光素子１３により受光される。近赤外受光素子１３は、受光量に応じて電気信号による検出信号を出力する。近赤外受光素子１３は、例えばフォトダイオードであり、レーザの発光波長に感度を持つ素子を適用する。
【００７５】
続いて、近赤外受光信号処理演算部２３について説明する。近赤外受光信号処理演算部２３は、その内部には中赤外受光信号処理演算部２２と同じ構成を有するものであり、図７で示すように、Ｉ／Ｖ変換部２２ａ、同期検波部２２ｂ、発振器２２ｃ、フィルタ部２２ｄ、演算部２２ｅを備える。
【００７６】
水分による吸収を受けた場合、近赤外受光素子１３から近赤外受光信号処理演算部２３へ入力された検出信号は、Ｉ／Ｖ変換部２２ａによって電流信号から電圧信号に変換される。この電圧信号も、図９に示すような出力波形を有する。この電圧信号が同期検波部２２ｂへ入力される。また、参照信号発生部（発振器）２２ｃは、高周波変調信号発生部２０ｂ（図３参照）による高周波変調信号の２倍周波数の信号を参照信号として同期検波部２２ｂへ出力する。同期検波部２２ｂでは、変調信号の２倍周波数成分の振幅のみを取り出す。
【００７７】
これは先に説明した図２２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λｃ、変調周波数ｆｍで近赤外レーザ素子８ａの出力が周波数変調されており、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変調周波数ｆｍの２倍の周波数の信号（２倍波）が得られ、この信号は、水分濃度に比例した値を得る。同期検波部２２ｂからの出力をフィルタ部２２ｄでノイズを除去後に図１１のようなピーク値を抽出する。
【００７８】
この信号は演算部２２ｅに入力され、演算部２２ｅにおいて水分の濃度が演算されることになる。そして、このピーク値が濃度となるために、演算部２２ｅは、ピーク振幅を計測しても良いし、信号変化を積分しても良い。
【００７９】
一例を挙げれば、演算部２２ｅは、図１１のようなピーク値の振幅ＷＢに対してある水分濃度用のスパン校正値ＧＢおよび温度補正係数αＢを掛けることで水分濃度を検出できる。
【００８０】
［数３］
水分濃度＝αＢ×ＧＢ×ＷＢ
【００８１】
温度補正係数αＢは、水分の温度に対して一意に決まる係数であればよく、関数形式やテーブル形式などという形式は限定されない。
【００８２】
なお、この水分濃度は補正に用いられるため、演算部２２ｅは、この水分濃度をガス濃度補正部２４へ送る。なお、ガス濃度補正部２４による処理は後述する。
【００８３】
続いて、近赤外レーザ駆動部２１は、第２の波長帯域をスキャン、つまりＣＯ２ガスの光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長帯域の第１のレーザ光、および、水分と第１の測定対象ガス（ＳＯ２ガス）と第２の測定対象ガス（ＣＯ２ガス）の光吸収スペクトルを少ししか含まない、つまり所定量以下だけ含む近赤外領域の波長帯域の第３のレーザ光を時間別に出射するためのスキャンを行う。
【００８４】
このうち第１のレーザ光はＣＯ２ガスによる光吸収を利用してＣＯ２ガスの濃度を検出するものであるが、第３のレーザ光は、近赤外光を用いるダストによる光量減少量の算出に用いられる。この光量減少量の検出原理について先に説明する。ダストの影響によってレーザ光が遮られると、受光光量が減少する。受光光量が減少すると、検出されるガス吸収波形の振幅も減少するので、ガス濃度を正確に測定することができない。
【００８５】
例えば、ダストが無い環境下で図９、図１１のような受光信号及びピーク値が得られたとすると、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、ダストがある環境下では、図１０、図１２のように受光信号レベルが低下し、ピーク値の振幅Ｗ（＝ＷＤ）も小さくなり、正確なガス濃度検出ができない。
【００８６】
そこで、図１４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がほぼ比例関係にあることに着目し、近赤外受光信号処理演算部２３において補正係数を算出するための受光量を算出し、ガス濃度補正部２４で補正することにより、ダスト等が存在する環境下においても正確なガス濃度検出を可能としている。
【００８７】
近赤外レーザ駆動部２１が第２の波長帯域をスキャンするとは、ＣＯ２ガスの吸収波長のスキャンと光量減少量検出用のスキャンを続けて行うようにするものである。近赤外レーザ光の変調は、中赤外光レーザの変調と同様であり、図１３の（ｂ）の波長走査駆動信号発生部２０ａの出力信号を用いる。ａ点の波長でＣＯ２ガスを、ｂ点の波長で光量減少量を検出できるように波長帯域を設定している。（ａ点は、図２５の特性の白地状の領域のピーク点であり、ｂ点は、図２５の特性の砂地状の領域の最底点である。）
【００８８】
このように調整されたレーザの発光波長を変化させる波長走査駆動信号発生部２０ａの出力信号と、ＣＯ２ガスの吸収波形を検出するための例えば２０ｋＨｚ程度の正弦波で発光波長を周波数変調させるための高周波変調信号発生部２０ｂの出力信号とを、レーザ駆動信号発生部２０ｃへ入力すると、レーザ駆動信号発生部２０ｃがこれら出力信号を合成して駆動信号を生成する。そして、図６のレーザ駆動信号発生部２０ｃから出力される駆動信号（波長走査駆動信号発生部２０ａの出力信号と高周波変調信号発生部２０ｂの出力信号との合成信号）の波形図のような駆動信号を、レーザ駆動信号発生部２０ｃが、この駆動信号をＶ−Ｉ変換して近赤外レーザ素子８ａに供給する。
【００８９】
これにより、近赤外レーザ素子８ａからは、第２の測定対象ガス（ＣＯ２ガス）の数ｎｍ程度の吸光特性を波長幅０．２ｎｍ程度で走査される周波数変調された所定波長帯域の第１のレーザ光が出力され、また、光量減少量検出用の信号を取得するための所定波長帯域の第３のレーザ光が出射される。図１で示すように、近赤外レーザ素子８ａから出射したレーザ光は凹面ミラー１０の中央穴と通過して平行な近赤外レーザ光１７として出射される。近赤外レーザ素子８ａの温度は、事前に波長走査駆動信号の中心部分でガスが計測されるように温度が調整される。これによりＣＯ２ガスの光吸収スペクトルおよび光量減少量検出用の波長を含む近赤外領域の波長のレーザ光が出射される。
【００９０】
このような近赤外レーザ光１７は、煙道壁１０１ａ，１０１ｂの内部区間（測定対象ガスが流通する空間）である煙道内部を伝播し、この間を透過する際にＣＯ２ガスによるガス吸収や光量減少を受ける。本発明の近赤外レーザ駆動部、近赤外レーザ発光部、近赤外レーザ光学部の動作・機能はこのようになる。
【００９１】
続いて、本発明の近赤外受光部について説明する。第２の波長帯域については第１，第３のレーザ光を連続して出力し、信号処理も連続して行われるものであるが説明の明瞭化のため、まず、第１のレーザ光を受光した際の信号処理について説明する。
ＳＯ２ガス、ＣＯ２ガス、水分やダストが存在する空間を介して伝播された検出光は、第１のレーザ光によりＣＯ２ガスの光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長のレーザ光がＣＯ２ガス吸収を受ける。この検出光は凹面ミラー１５の開口部１６を通過してからレンズ１４で集光されてから近赤外受光素子１３により受光される。近赤外受光素子１３は、受光量に応じて電気信号による検出信号を出力する。近赤外受光素子１３は、例えばフォトダイオードであり、レーザの発光波長に感度を持つ素子を適用する。
【００９２】
続いて、近赤外受光信号処理演算部２３では、まず、最初にＣＯ２ガスによる吸収を受けた場合、近赤外受光素子１３から近赤外受光信号処理演算部２３へ入力された検出信号は、Ｉ／Ｖ変換部２２ａによって電流信号から電圧信号に変換される。この電圧信号も、図９に示すような出力波形を有する。この電圧信号が同期検波部２２ｂへ入力される。また、参照信号発生部（発振器）２２ｃは、高周波変調信号発生部２０ｂ（図３参照）による高周波変調信号の２倍周波数の信号を参照信号として同期検波部２２ｂへ出力する。同期検波部２２ｂでは、変調信号の２倍周波数成分の振幅のみを取り出す。これは先に説明した図２２の周波数変調方式による濃度測定原理により測定される。
【００９３】
この信号はフィルタ部２２ｄでノイズを除去後に演算部２２ｅに入力される。演算部２２ｅは、この信号を用いてＣＯ２ガスのガス濃度を演算する。この信号は、ＣＯ２ガスのガス濃度に比例した値であり、図１１で示すようなピーク値である。このピーク値からガス濃度を演算するために、演算部２２ｅは、ピーク振幅を計測しても良いし、信号変化を積分しても良い。
【００９４】
一例を挙げれば、演算部２２ｅは、図１１のような同期検波信号の振幅ＷＣに対してあるＣＯ２ガス濃度用のスパン校正値ＧＣおよびガス温度補正係数αＣを掛けることでガス濃度を検出できる。
【００９５】
［数４］
ＣＯ２ガスのガス濃度＝αＣ×ＧＣ×ＷＡ
【００９６】
ガス温度補正係数αＣは、ＣＯ２ガスのガス温度に対して一意に決まる係数であればよく、関数形式やテーブル形式などという形式は限定されない。
【００９７】
なお、なお、ＣＯ２ガス濃度は、水分による影響は少ないがダストによる光量減少の影響を受けており、補正が必要である。演算部２２ｅは、このＣＯ２ガス濃度をガス濃度補正部２４へ送る。なお、ガス濃度補正部２４による処理は後述する。
【００９８】
続いて、第２の波長帯域について第３のレーザ光を受光した際の信号処理について説明する。ＳＯ２ガス、ＣＯ２ガス、水分やダストが存在する空間を介して伝播された検出光は、ＣＯ２ガスとＳＯ２ガスとの光吸収スペクトルを含まない近赤外領域の波長帯域の第３レーザ光はガス吸収がなくダストによる光量減少のみを受ける。この検出光は凹面ミラー１５の開口部１６を通過してからレンズ１４で集光されてから近赤外受光素子１３により受光される。近赤外受光素子１３は、受光量に応じて電気信号による検出信号を出力する。近赤外受光素子１３は、例えばフォトダイオードであり、レーザの発光波長に感度を持つ素子を適用する。
【００９９】
続いて、ダストによる光量減少を受けた場合、近赤外受光素子１３から近赤外受光信号処理演算部２３へ入力された検出信号は、近赤外受光信号処理演算部２３のＩ／Ｖ変換部２２ａによって電流信号から電圧信号に変換される。この電圧信号は、図１０に示すような出力波形を有する。この電圧信号が同期検波部２２ｂへ入力される。また、参照信号発生部（発振器）２２ｃは、高周波変調信号発生部２０ｂ（図３参照）による高周波変調信号の２倍周波数の信号を参照信号として同期検波部２２ｂへ出力する。同期検波部２２ｂでは、変調信号の２倍周波数成分の振幅のみを取り出す。これは先に説明した図２２の周波数変調方式による濃度測定原理により測定される。
【０１００】
この信号はフィルタ部２２ｄでノイズを除去後に演算部２２ｅに入力される。この信号は、ガスや水分の吸収は受けてないがダストで散乱された光量減少に比例した値であり、図１６のような波形である。この演算部２２ｅにおいて時間１５における光量減少量Ｐが演算されることになる。演算部２２ｅは、この光量減少量をガス濃度補正部２４へ送る。なお、ガス濃度補正部２４による処理は後述する。
【０１０１】
続いて、ガス濃度補正部２４による補正処理について説明する。ガス濃度補正部２４は、近赤外受光信号処理演算部２３により求めた水分濃度および光量減少量を用いて、中赤外受光信号処理演算部２２により求めた第１の測定対象ガス（ＳＯ２ガス）のガス濃度および近赤外受光信号処理演算部２３により求めた第２の測定対象ガス（ＣＯ２ガス）のガス濃度を、それぞれ補正する。詳しくは、ＳＯ２ガスのガス濃度についての水分濃度および光量減少量による補正を行い、また、ＣＯ２ガスのガス濃度についての光量減少量による補正を行う。
【０１０２】
まず、光量補正の詳細について述べる。近赤外光と中赤外光のダスト量に対する受光光量の変化は図１７で示すようになる。特に近赤外光ではダスト量が増大するに連れて受光光量が大きく減少する。この値から次式により光量減少量を計算する。
【０１０３】
［数５］
光量減少量＝−log（受光光量相対値）
【０１０４】
そして、近赤外光光量減少量と中赤外光光量減少量の相関をとると、図１８のようなグラフになり、ダストに対する近赤外光と中赤外光の光量減少の特性は強い相関があることが分かる。そこで、ダストにより減少する中赤外光の受光光量は、ダストにより減少する近赤外光受光光量に基づいて推定することが可能である。
【０１０５】
光量減少量を検出する場合、図９，図１０に示した受光信号を近赤外受光信号処理演算部２３の同期検波部２２ｂやフィルタ部２２ｄを経て波長走査駆動信号成分を取り出すと、図１５，図１６のような波形が得られる。図１５はダストがなく受光光量が低下していない場合、図１６はダストがあって受光光量が低下している場合である。なお、図１５、図１６において、この近赤外光の時間１５の位置では図１３（ｂ）のｂ点のようにＣＯ２ガスによる影響を受けないため、ダストの影響による減少のみを検出することができる。
【０１０６】
図１５のように、工場出荷時や校正時というある時点において、ダストが無く受光光量が最大であるときの受光信号のレベルＰｍａｘを受光光量設定値として演算部２２ｅに予め設定しておく。演算部２２ｅは、図１６のようにダストがある場合（先の第３のレーザ光により求めた光量が減少した場合）の受光信号レベルＰsを検出し、光量減少量としてガス濃度補正部２４へ出力する。ガス濃度補正部２４は、このＰsと同一時点のＰｍａｘとの比を、受光光量補正係数βとして、数式６により算出する。
【０１０７】
［数６］
β＝Ｐｍａｘ／Ｐｓ
【０１０８】
ガス濃度補正部２４は、この受光光量補正係数βを、ガス濃度に乗算または除算することにより、数式７のように、ダストに起因する受光光量の変動分を補正したガス濃度を得ることができる。
【０１０９】
［数７］
測定対象ガス濃度（補正後）＝β×測定対象ガス濃度（補正前）
＝Ｐｍａｘ／Ｐｓ×測定対象ガス濃度（補正前）
【０１１０】
そして、先に説明した数２，数４により次式のように表される。
【０１１１】
［数８］
ＳＯ２ガスのガス濃度（補正後）＝αＡ×ＧＡ×ＷＡ×Ｐｍａｘ／Ｐｓ
【０１１２】
［数９］
ＣＯ２ガスのガス濃度（補正後）＝αＢ×ＧＢ×ＷＢ×Ｐｍａｘ／Ｐｓ
【０１１３】
ガス濃度補正部２４は、ＳＯ２ガスのガス濃度、ＣＯ２ガスのガス濃度それぞれに対して上記の補正を行う。続いて水分濃度に基づき、先に求めたＳＯ２ガスのガス濃度測定値を補正する。この補正方法としては、測定対象空間の水分濃度に応じてガス濃度測定値がどの程度減少するかは予め測定可能であるから、水分濃度による光量減少量に応じた既知のガス濃度測定値減少量を用いて、先に求めたＳＯ２ガスのガス濃度測定値を補正すればよい。水分濃度による光量減少量はダストによる光量減少量と同じ手法で算出することができる。
【０１１４】
例えば、水分濃度に関してある関数ｆの中赤外光の光量が変動していたとする。
【０１１５】
［数１０］
γ＝ｆ（水分濃度）
【０１１６】
ここでγは水分による受光光量補正係数である。
近赤外受光信号処理演算部２３から出力された水分濃度を用い、ガス濃度補正部２４は、この受光光量補正係数γを算出する。ガス濃度補正部２４は、この受光光量補正係数γを、ＳＯ２ガスのガス濃度（補正後）に乗算または除算することにより、次式のように、水分に起因する受光光量の変動分を補正したガス濃度を得ることができる。
【０１１７】
［数１１］
ＳＯ２ガスのガス濃度（補正後）＝αＡ×ＧＡ×ＷＡ×γ×Ｐｍａｘ／Ｐｓ
【０１１８】
このような補正を行った後のＳＯ２ガスのガス濃度（前記数１１参照）、ＣＯ２ガスのガス濃度（前記数９参照）を後段の出力部へ送る。出力部は、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。周波数変調方式による測定対象ガスの濃度の検出はこのように行われる。このように光量の減少分が補正されたガス濃度を算出することで、ダストにより受光光量が変動する環境下においてもＳＯ２とＣＯ２の正確なガス濃度測定が可能となる。
【０１１９】
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、先の説明では図１３の（ｂ）で示すようなタイミングで検出するものとして第２の波長掃引帯域を設定したが、例えば、図１９の（ａ）で示すように波長の両側のａ，ｃ点でＣＯ２ガスを検出し、波長中央のｂ点で光量減少量を検出するもの、図１９の（ｂ）で示すように波長の中央のｅ点でＣＯ２ガスを検出し、波長の両側のｄ，ｆ点で光量減少量を検出するもの、図１９の（ｃ）で示すように波長の一方の側のｈ点でＣＯ２ガスを検出し、波長の他方の側のｇ点で光量減少量を検出するものなど、各種タイミングで検出するように波長帯域を設定することが可能である。
【０１２０】
また、中赤外領域でＳＯ２ガスを、近赤外領域でＣＯ２ガスを測定するものとしたが、中赤外領域ではＮＯガス、ＮＯ２ガス等の測定が可能であり、近赤外領域ではＮＨ３ガス、ＨＣｌガスの測定が可能である。船舶の排ガスの分析用途でなければ、第１，第２の測定対象ガスとしてこれらガスを選択・組み合わせたレーザ式ガス分析計としても良い。レーザ光の波長についても中赤外領域の３〜１０μｍから第１の測定対象ガスに応じた最適な波長が選択され、また、近赤外領域のレーザ光の波長についても０．７〜３μｍから第２の測定対象ガスに応じた最適な波長が選択される。
【０１２１】
また、測定タイミングとして、中赤外領域でＳＯ２ガスを、近赤外領域でＣＯ２ガスを同時のタイミングで測定するようにして時間的に同一であって煙道内のダスト・水分の分布条件を一致させるようにしても良い。
【０１２２】
また、本発明のレーザ式ガス分析計によれば、図５，図６で示すようにＳ３信号が１周期ごとに出力される信号である点に着目し、Ｓ３信号を検出してから所定時間経過したときに同期検波部出力波形のピーク値が登場するため、このタイミングで濃度を算出すると良い。
また、濃度を測定するものとしたが、濃度がほぼ０の時には測定対象ガスが存在しないものと判定することで測定対象ガスの有無を検出することもできる。
【０１２３】
また、本形態では中赤外光と近赤外光とで光路が一致しているが、光路が分かれた構成としても良い。しかしながら、煙道内のダスト・水分の分布が一様とは限らないため、ガス分析を行う光路とダストによる光量減少を測定する光路は一致していることが望ましい。
【０１２４】
なお、この実施形態では、中赤外レーザ光２の内部を近赤外レーザ光１７が同軸上に通過するようにすれば良く、例えば中赤外レーザ発光部７と近赤外レーザ発光部８との配置を逆にすることにより、近赤外レーザ光１７の内部を中赤外レーザ光２が同軸上に通過するようにしてもよい。
これらのレーザ発光部７，８の配置以外に関しても、本発明は上述の実施形態に限定されず、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更を含むものである。
【０１２５】
また、本発明では各自がタイミングを合わせて発光および検出するものとして説明したが、図示しないＣＰＵ部を中赤外レーザ駆動部２０、近赤外レーザ駆動部２１、中赤外受光信号処理演算部２２、近赤外受光信号処理演算部２３、ガス濃度補正部２４と接続し、このＣＰＵ部がタイミングを調整しつつ発光・検出についての動作制御や演算を行うものとしても良い。
【０１２６】
本発明によれば、ＣＯ２ガスによる吸収がある波長のレーザ光と、ＳＯ２ガスによる吸収がある波長のレーザ光と、を同軸上に出射させる光学系により、ガス濃度測定する光路上の光量減少量を同条件で測定することが可能となり、レーザ光波長走査範囲全域にわたって吸収スペクトルを持つＳＯ２ガスの濃度を正確に測定するとともに、ＣＯ２ガスを同時に測定することが可能となる。
【０１２７】
また、煙道内部等の測定対象空間に水分が高濃度で存在する場合でも、近赤外レーザ光１７を用いて水分濃度を測定することによりガス濃度測定値を補正することができるため、測定対象ガスの濃度を高精度に測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
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】
【０１２９】
１：煙道内部（測定対象空間）
２：中赤外レーザ光
３：発光部ケース
４：発光部回路基板
５：受光部ケース
６：受光部回路基板
７：中赤外レーザ発光部
７ａ：中赤外レーザ素子
７ｂ：温度検出部（サーミスタ）
７ｃ：温度調節部（ペルチェ素子）
８：近赤外レーザ発光部
８ａ：近赤外レーザ素子
９，１４：レンズ
１０，１５：凹面ミラー
１１，１６：開口部
１２：中赤外受光素子
１３：近赤外受光素子
１７：近赤外レーザ光
１８，１９：ウィンドウ
２０：中赤外レーザ駆動部
２０ａ：波長走査駆動信号発生部
２０ｂ：高周波変調信号発生部
２０ｃ：レーザ駆動信号発生部
２０ｄ：温度制御部
２１：近赤外レーザ駆動部
２２：中赤外受光信号処理演算部
２３：近赤外受光信号処理演算部
２４：ガス濃度補正部
１０１ａ，１０１ｂ：煙道壁
２０１ａ：発光部フランジ
２０１ｂ：受光部フランジ
２０３ａ：発光部筺体
２０３ｂ：受光部筺体
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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