(57)【要約】【課題】ガス濃度計測のノイズ環境に柔軟に対応し得るロバストなガス濃度計測装置および方法を提供する。【解決手段】ＳＮ特性計算部２２において、位相検波器１７ｂの同一変調周波数における複数回の計測結果に基づき、計測データのばらつき度合いを求め、変調パラメータ決定部２３により、複数の変調周波数それぞれのばらつき度合いに基づき、変調信号の変調周波数を計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定するガス濃度計測装置８を採用する。【選択図】図１
2011153980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象のガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を発振する光源と、
前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する変調手段と、
前記レーザ光を前記ガス状物質が存在する領域に導く導光手段と、
前記測定領域において透過、反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する復調手段とを備え、
同一変調周波数における複数回の計測結果に基づき、計測データのばらつき度合いを求める演算手段と、
複数の変調周波数それぞれのばらつき度合いに基づき、前記変調信号の変調周波数を計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定する決定手段と
を有するガス濃度計測装置。
【請求項２】
前記演算手段における複数回の計測は、前記測定対象がガス濃度の変動が少ない定常状態にあるときに行われる請求項１に記載のガス濃度計測装置。
【請求項３】
測定対象のガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を発振する光源と、
前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する変調手段と、
前記レーザ光を前記ガス状物質が存在する領域に導く導光手段と、
前記測定領域において透過、反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する復調手段と、
ガス濃度が既知の標準ガスが封入または流通可能にされた参照セルと、
前記参照セルに前記レーザ光を導入する導入手段と、
前記参照セルを通過したレーザ光を受光する第２受光手段と、
前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する第２復調手段とを備え、
前記第２復調手段の同一変調周波数における複数回の計測結果に基づき、計測データのばらつき度合いを求める演算手段と、
複数の変調周波数それぞれのばらつき度合いに基づき、前記変調信号の変調周波数を計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定する決定手段と
を有するガス濃度計測装置。
【請求項４】
前記計測データのばらつき度合いはＳＮ比であり、前記決定手段は、前記変調信号の変調周波数をＳＮ比が最も大きい変調周波数に決定する請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のガス濃度計測装置。
【請求項５】
測定対象のガス状物質が存在する領域に、所定周波数で変調した該ガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる受光信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調して、前記ガス状物質のガス濃度を測定するガス濃度計測方法であって、
同一変調周波数における複数回の計測結果に基づき、計測データのばらつき度合いを求める演算ステップと、
複数の変調周波数それぞれのばらつき度合いに基づき、前記変調信号の変調周波数を計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定する決定ステップと
を有するガス濃度計測方法。
【請求項６】
前記演算ステップにおける複数回の計測は、前記測定対象がガス濃度の変動が少ない定常状態にあるときに行われる請求項５に記載のガス濃度計測方法。
【請求項７】
測定対象のガス状物質が存在する領域に、所定周波数で変調した該ガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる受光信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調して、前記ガス状物質のガス濃度を測定し、他方で、ガス濃度が既知の標準ガスが封入または流通可能にされた参照セルに前記レーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる受光信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調して、前記参照セルのガス濃度測定が可能なガス濃度計測装置のガス濃度計測方法であって、
前記参照セルの同一変調周波数における複数回の計測結果に基づき、計測データのばらつき度合いを求める演算ステップと、
複数の変調周波数それぞれのばらつき度合いに基づき、前記変調信号の変調周波数を計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定する決定ステップと
を有するガス濃度計測方法。
【請求項８】
前記計測データのばらつき度合いはＳＮ比であり、前記決定ステップは、前記変調信号の変調周波数をＳＮ比が最も大きい変調周波数に決定する請求項５〜請求項７の何れか１項に記載のガス濃度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス濃度計測装置および方法に係り、特に、ガス濃度計測のノイズ環境に柔軟に対応し得るロバストなガス濃度計測装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、可視または近赤外線の波長領域における半導体レーザの性能が向上し、高分解能分光の光源として利用するのに十分な分光特性を有するようになり、これを利用したガス濃度計測の手法が種々提案されている。この手法は波長可変半導体レーザ吸収分光法（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy；ＴＤＬＡＳ）と呼ばれる技術である。
【０００３】
このＴＤＬＡＳ法によるガス濃度計測装置として、例えば特許第３３４２４４６号公報に開示されたものがある。この従来のガス濃度計測装置の概要について、図４および図５を参照して説明する。図４に示すように、レーザ光を発振するための半導体レーザダイオード（ＬＤ）１０１からなる光源は、ＬＤドライバ１０２の制御回路に接続され、半導体レーザダイオード１０１の温度と電流が制御される。半導体レーザダイオード１０１から発振されたレーザ光は、ハーフミラー１０１ｂで反射されて、一方の光学窓１０７ａから他方の光学窓１０７ｂに向けてレーザ光Ｌが計測領域に入射される。計測領域を通過したレーザ光は、他方の光学窓１０７ｂの近傍に配置された受光手段としての２つのフォトダイオード（ＰＤ２、ＰＤ３）１０５，１０６によって受光される。
【０００４】
一方のフォトダイオード１０５は光軸上に配置され、計測領域を通過したレーザ光Ｌを受光する。また他方のフォトダイオード１０６は、レーザ光軸から外れたところに配置され、計測領域の火炎ガスから発せられる光を背景光として受光する。これら２つのフォトダイオード１０５，１０６からの受光信号は、測定ユニット１０８を経由してＡＤ変換器１０９に入力され、さらにコンピュータ１１０に送られる。なお、ガス濃度が既知である標準ガスが封入または流通可能にされた参照セル１０３を備えており、該参照セル１０３を通過したレーザ光はフォトダイオード（ＰＤ１）１０４によって受光され、測定ユニット１０８およびＡＤ変換器１０９を経由してコンピュータ１１０に送られる。
【０００５】
また図５に示すように、測定ユニット１０８では、２つのサイン波発生器１１２，１１３を備え、レーザ光の発振波長を変調するために、それぞれ異なる周波数（ｆおよびｗ）のサイン波が半導体レーザダイオード１０１の注入電流に重ねて印加される。またランプ波発生器１１１を備え、測定対象ガス固有の吸収スペクトルのところでレーザ光の発振波長を掃引させるために、ランプ波が半導体レーザダイオード０１の注入電流に重ねて印加される。
【０００６】
また受光後の信号処理として、フォトダイオード１０６で受光する背景光の処理ルートにはローパスフィルタ１１８を備える。またフォトダイオード１０５で受光する主計測光の信号処理については、ローパスフィルタ１１８を備える処理ルートと、増幅器１１５、位相敏感検波器１１６，１１７およびローパスフィルタ１１８を備える処理ルートとを有し、位相敏感検波器１１６，１１７でそれぞれ異なる周波数（２ｆおよび２ｗ）で復調される。
【０００７】
また、参照セル１０３を通過したレーザ光の信号処理についても、ローパスフィルタ１１８を備える処理ルートと、増幅器１１５、位相敏感検波器１１６，１１７およびローパスフィルタ１１８を備える処理ルートとを有し、位相敏感検波器１１６，１１７でそれぞれ異なる周波数（２ｆおよび２ｗ）で復調される。さらに、位相敏感検波器１１６で復調後の信号に対して奇数倍の周波数（ｗ）で位相検波を施す位相敏感検波器１１９を備えて、該位相敏感検波器１１９の出力はアンプ１２０を介して加算器１１４にフィードバックされる。
【０００８】
以上の構成により、特許第３３４２４４６号公報に開示のガス濃度計測装置は、以下のような特徴を持つ。すなわち、（１）レーザ光の変調を２つの異なる周波数で変調（二重変調）することにより、計測用レーザの多重反射（フリンジ）に起因する計測値のドリフトが抑制される。（２）測定領域を透過したレーザ光強度の変調成分と直流成分を測定でき、ガス濃度と固体粒子濃度との同時計測が可能である。（３）波長掃引を掛けてレーザ光の発振波長を参照セル内のガス吸収がピークとなる波長にロックすることにより、レーザ光の発振波長が安定化する。（４）主計測光と、別に計測する背景光との差分を演算することにより、背景光（バックグラウンドノイズ）の影響が低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３３４２４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、特許文献１に開示された技術においては、ガス濃度に相当するガス吸収信号の周波数帯は、レーザ光の発振波長を変調するための変調信号周波数の２倍の周波数に重畳されることになる。実際のガス濃度計測環境では、電源、インバータ等の外部からのノイズや、ホワイトノイズのように全周波数帯にわたるノイズが存在し、ガス吸収信号の周波数帯と同じ周波数帯にノイズが混入する場合には、ガス濃度の計測精度が悪化するおそれがあり、ノイズに対してよりロバストなガス濃度計測装置および方法が望まれていた。
【００１１】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、ガス濃度計測のノイズ環境に柔軟に対応し得るロバストなガス濃度計測装置および方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用する。
本発明に係るガス濃度計測装置は、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を発振する光源と、前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する変調手段と、前記レーザ光を前記ガス状物質が存在する領域に導く導光手段と、前記測定領域において透過、反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する復調手段とを備え、同一変調周波数における複数回の計測結果に基づき、計測データのばらつき度合いを求める演算手段と、複数の変調周波数それぞれのばらつき度合いに基づき、前記変調信号の変調周波数を計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定する決定手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
同一変調周波数における複数回の計測結果に基づく計測データのばらつきについて、計測データのばらつきが少ないほどより標準状態（全ての計測結果がほぼ同値の理想的な計測環境）に近く、また、計測データのばらつきが大きいほど突発的な外乱因子（即ち、外部からのノイズ）による影響が大きく存在することを意味している。したがって、本発明によれば、計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定することで、外部からのノイズによる影響が最も少なく、よりロバストな計測条件とすることができ、結果として、ガス濃度計測のノイズ環境に柔軟に対応し得るロバストなガス濃度計測装置を実現できる。
【００１４】
また、本発明は、上記記載のガス濃度計測装置において、前記演算手段における複数回の計測は、前記測定対象がガス濃度の変動が少ない定常状態にあるときに行われることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、測定対象がガス濃度の変動が少ない定常状態にあるときに複数回の計測を行うことにより、測定対象のガス濃度変動に伴う計測データのばらつきへの影響を抑制することができ、より最適な変調周波数の決定を行うことができる。
【００１６】
また、本発明に係るガス濃度計測装置は、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を発振する光源と、前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する変調手段と、前記レーザ光を前記ガス状物質が存在する領域に導く導光手段と、前記測定領域において透過、反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する復調手段と、ガス濃度が既知の標準ガスが封入または流通可能にされた参照セルと、前記参照セルに前記レーザ光を導入する導入手段と、前記参照セルを通過したレーザ光を受光する第２受光手段と、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する第２復調手段とを備え、前記第２復調手段の同一変調周波数における複数回の計測結果に基づき、計測データのばらつき度合いを求める演算手段と、複数の変調周波数それぞれのばらつき度合いに基づき、前記変調信号の変調周波数を計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定する決定手段とを有することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、ガス濃度の変動が無い参照セルのガス濃度を計測して、同一変調周波数における複数回の計測結果に基づく計測データのばらつきを求めるので、測定対象のガス濃度変動に伴う計測データのばらつきへの影響を無くすことができ、より最適な変調周波数の決定を行うことができる。
【００１８】
また、本発明は、上記記載のガス濃度計測装置において、前記計測データのばらつき度合いはＳＮ比であり、前記決定手段は、前記変調信号の変調周波数をＳＮ比が最も大きい変調周波数に決定することを特徴とする。
【００１９】
計測データのばらつき度合いをＳＮ比とするとき、計測データのばらつきが少ないほどＳＮ比は大きな値となり、計測データのばらつきが大きいほどＳＮ比は小さな値となる。また、ＳＮ比が大きな値となるほどより標準状態に近く、ＳＮ比が小さな値となるほど突発的な外乱因子（外部からのノイズ）による影響が大きく存在することを意味している。したがって、本発明によれば、ＳＮ比が最も大きい変調周波数に決定することで、外部からのノイズによる影響が最も少なく、よりロバストな計測条件とすることができ、結果として、ガス濃度計測のノイズ環境に柔軟に対応し得るロバストなガス濃度計測装置を実現できる。
【００２０】
また、本発明に係るガス濃度計測方法は、測定対象のガス状物質が存在する領域に、所定周波数で変調した該ガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる受光信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調して、前記ガス状物質のガス濃度を測定するガス濃度計測方法であって、同一変調周波数における複数回の計測結果に基づき、計測データのばらつき度合いを求める演算ステップと、複数の変調周波数それぞれのばらつき度合いに基づき、前記変調信号の変調周波数を計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定する決定ステップとを有することを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定することで、外部からのノイズによる影響が最も少なく、よりロバストな計測条件とすることができ、結果として、ガス濃度計測のノイズ環境に柔軟に対応し得るロバストなガス濃度計測方法を実現できる。
【００２２】
また、本発明は、上記記載のガス濃度計測方法において、前記演算ステップにおける複数回の計測は、前記測定対象がガス濃度の変動が少ない定常状態にあるときに行われることを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、測定対象がガス濃度の変動が少ない定常状態にあるときに複数回の計測を行うことにより、測定対象のガス濃度変動に伴う計測データのばらつきへの影響を抑制することができ、より最適な変調周波数の決定を行うことができる。
【００２４】
また、本発明に係るガス濃度計測方法は、測定対象のガス状物質が存在する領域に、所定周波数で変調した該ガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる受光信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調して、前記ガス状物質のガス濃度を測定し、他方で、ガス濃度が既知の標準ガスが封入または流通可能にされた参照セルに前記レーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる受光信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調して、前記参照セルのガス濃度測定が可能なガス濃度計測装置のガス濃度計測方法であって、前記参照セルの同一変調周波数における複数回の計測結果に基づき、計測データのばらつき度合いを求める演算ステップと、複数の変調周波数それぞれのばらつき度合いに基づき、前記変調信号の変調周波数を計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定する決定ステップとを有することを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、ガス濃度の変動が無い参照セルのガス濃度を計測して、同一変調周波数における複数回の計測結果に基づく計測データのばらつきを求めるので、測定対象のガス濃度変動に伴う計測データのばらつきへの影響を無くすことができ、より最適な変調周波数の決定を行うことができる。
【００２６】
また、本発明は、上記記載のガス濃度計測方法において、前記計測データのばらつき度合いはＳＮ比であり、前記決定ステップは、前記変調信号の変調周波数をＳＮ比が最も大きい変調周波数に決定することを特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、ＳＮ比が最も大きい変調周波数に決定するので、外部からのノイズによる影響が最も少なく、よりロバストな計測条件とすることができ、結果として、ガス濃度計測のノイズ環境に柔軟に対応し得るロバストなガス濃度計測方法を実現できる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、計測データのばらつきが最も少ない（ＳＮ比が最も大きい）変調周波数に決定することで、外部からのノイズによる影響が最も少なく、よりロバストな計測条件とすることができ、結果として、ガス濃度計測のノイズ環境に柔軟に対応し得るロバストなガス濃度計測装置および方法を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。
【図２】本実施形態のガス濃度計測方法を説明するフローチャートである。
【図３】変調周波数毎のＳＮ比を例示する説明図である。
【図４】従来のガス濃度計測装置の説明図である。
【図５】従来のガス濃度計測装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明のガス濃度計測装置および方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明の一実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。本実施形態のガス濃度計測装置８においても従来（特許文献１）と同様に波長可変半導体レーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ）を用いているが、従来の測定ユニット１０８による信号処理、並びにコンピュータ１１０によるガス濃度演算処理を、ＤＳＰまたはＭＰＵ等のプロセッサで実現されるディジタル信号処理部６による構成としており、図５の構成とは大幅に異なる構成となっている。
【００３２】
また図１では、ガス濃度計測装置８内に、レーザ光を発振する光源（半導体レーザダイオードＬＤ）１、ＬＤドライバ２、光スイッチ１ａ（ハーフミラー１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃに相当する）、参照セル３、受光手段（フォトダイオードＰＤ２）５および第２受光手段（フォトダイオードＰＤ１）４を含む構成としているが、機能的に分かり易く示したものであり、各構成要素の実際の配置は従来（図４参照）と同様である。
【００３３】
すなわち、半導体レーザダイオード１はＬＤドライバ２に接続されて、温度および注入電流がＬＤドライバ２によって制御される。半導体レーザダイオード１から発振されたレーザ光は光スイッチ１ａを介して計測対象システム７の計測領域に入射される。該計測領域を通過したレーザ光は、該レーザ光の光軸上に配置されたフォトダイオード（ＰＤ２）５によって受光される。なお、本実施形態では背景光を受光するフォトダイオードを省略した構成である。また、ガス濃度が既知である標準ガスが封入または流通可能にされた参照セル３を備え、光スイッチ１ａを介して該参照セル３を通過したレーザ光は、フォトダイオード（ＰＤ１）４によって受光される。
【００３４】
また、ガス濃度計測装置８は、上記構成要素以外に、加算器１４、ハイパスフィルタ１５ａ，１５ｂ、ローパスフィルタ１８ｄ、電圧変換回路２０およびディジタル信号処理部６を備える。加算器１４はディジタル信号処理部６から出力される変調信号およびバイアス電圧を加算してＬＤドライバ２に出力する。またハイパスフィルタ１５ａ，１５ｂは、それぞれフォトダイオード（ＰＤ１）４およびフォトダイオード（ＰＤ２）５で受光した信号の低周波ノイズを除去するものであり、ローパスフィルタ１８ｄはフォトダイオード（ＰＤ２）５で受光した信号の高周波ノイズを除去するものである。また、電圧変換回路２０は、計測対象システムの計測領域に設置された温度センサおよび圧力センサそれぞれの検知信号に応じた電圧レベルを生成する回路である。
【００３５】
また、ディジタル信号処理部６には、主要な機能ブロックとして、変調波生成部（変調手段）１２、復調部１３、ＰＩ制御部１９、ガス濃度演算部２１、ＳＮ特性計算部（演算手段）２２および変調パラメータ決定部（決定手段）２３を備えている。またインタフェースとして、Ｄ／Ａ変換部２５ａ，２５ｂ、Ａ／Ｄ変換部２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅ、並びに他の機器１０とのインタフェースを司る通信インタフェース２８を備えている。
【００３６】
変調波生成部１２では、変調パラメータ決定部２３が指示する変調周波数に応じた変調信号を生成する。具体的には、Ｄ／Ａ変換部２５ａに対し変調周波数に応じた時間刻みで正弦波データを出力する。また他方で、後述のように、ＰＩ制御部１９によりレーザ光の発振波長を参照セル３内のガス吸収がピークとなる波長にロックされ、Ｄ／Ａ変換部２５ｂを介して該波長に応じたバイアス電圧が出力される。これら変調信号およびバイアス電圧が加算器１４によって加算され、半導体レーザダイオード１から発振されるレーザ光の発振波長が所定周波数の変調信号で変調されることとなる。
【００３７】
次に、復調部１３には、バンドパスフィルタ１６ａ，１６ｂ、位相検波器１７ａ，１７ｂ，１７ｃ、並びにローパスフィルタ１８ａ，１８ｂ，１８ｃを備えている。バンドパスフィルタ１６ａ，１６ｂは、それぞれ（Ａ／Ｄ変換部２７ａを介して入力された）参照ガス計測ルートの計測信号および（Ａ／Ｄ変換部２７ｂを介して入力された）実ガス計測ルートの計測信号の高周波ノイズおよび低周波ノイズを除去するものである。なお、バンドパスフィルタ１６ａ，１６ｂの高域カットオフ周波数および低域カットオフ周波数は、変調パラメータ決定部２３が指示する値に可変設定可能な構成である。
【００３８】
また、位相検波器１７ａは、参照ガス計測ルートの計測信号を、変調周波数の奇数倍の周波数（ここでは１倍）を持ち変調信号に同調した位相検波信号で位相検波してガス吸収信号を得る。また位相検波器１７ｂは特許請求の範囲にいう第２復調手段に該当し、参照ガス計測ルートの計測信号を、変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）を持ち変調信号に同調した位相検波信号で位相検波してガス吸収信号を得る。さらに位相検波器１７ｃは特許請求の範囲にいう復調手段に該当し、実ガス計測ルートの計測信号を、変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）を持ち変調信号に同調した位相検波信号で位相検波してガス吸収信号を得る。なお、位相検波器１７ａ，１７ｂ，１７ｃそれぞれの位相検波信号は、変調パラメータ決定部２３が指示する値に可変設定可能な構成である。
【００３９】
また、ローパスフィルタ１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、それぞれ位相検波器１７ａ，１７ｂ，１７ｃから出力されるガス吸収信号の高周波ノイズを除去するものである。なお、ローパスフィルタ１８ａ，１８ｂ，１８ｃのカットオフ周波数は、変調パラメータ決定部２３が指示する値に可変設定可能な構成である。
【００４０】
次に、ＰＩ制御部１９は、参照ガス計測ルートでの波長掃引により、半導体レーザダイオード１から発振されるレーザ光の発振波長を参照セル３内のガス吸収がピークとなる波長にロックする。位相検波器１７ａの出力は、参照セル３内のガスによる吸収信号の１次微分信号であり、該１次微分信号は吸収中心波長付近でガス吸収中心波長とレーザ光の発振波長との差に比例することから、位相検波器１７ａの出力がゼロとなるようにバイアス電圧を設定することにより、レーザ光の発振波長がガス吸収のピーク波長にロックされることとなる。
【００４１】
次に、ＳＮ特性計算部２２では、同一変調周波数における複数回の計測結果に基づき、計測データのばらつき度合いを求める。つまり、変調パラメータ決定部２３が指示する変調パラメータ（変調周波数、位相検波周波数および各フィルタ係数（カットオフ周波数））の設定で、参照ガス計測ルートによる参照セル３内のガス濃度計測を所定時間内に複数回（例えば１０００回）行い、その計測データのばらつき度合いを求めるものである。
【００４２】
計測データのばらつき度合いの指標としては、ここでは、品質工学で用いられているＳＮ比を使用する。このＳＮ比は平均値と標準偏差の比であり、
ＳＮ比＝１０log（平均値／標準偏差）２  ［ｄＢ］              …（１）
で求められるものとする。
【００４３】
また、変調パラメータ決定部２３では、ＳＮ特性計算部２２によって得た複数の変調周波数それぞれのばらつき度合いに基づき、変調信号の変調周波数を計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定する。つまり、変調パラメータ決定部２３が指示する変調パラメータ（変調周波数、位相検波周波数および各フィルタ係数（カットオフ周波数））の設定を複数回変更して、それぞれのばらつき度合い（ＳＮ比）を求め、計測データのばらつきが最も少ない（ＳＮ比が最も大きい）変調周波数に決定するものである。
【００４４】
計測データのばらつきが少ないほどＳＮ比は大きな値となり、計測データのばらつきが大きいほどＳＮ比は小さな値となる。また、ＳＮ比が大きな値となるほどより標準状態に近く、ＳＮ比が小さな値となるほど突発的な外乱因子（ここでは外部からのノイズに相当）による影響が大きく存在することを意味している。したがって、計測データのばらつき度合いの指標（ＳＮ比）が最も大きい変調周波数に決定することで、外部からのノイズによる影響が最も少なく、よりロバストな計測条件とすることができる。
【００４５】
なお、品質工学で用いられるＳＮ比には種々のものがあり、計測環境に応じて選択するのが望ましい。より詳しくは、「田口玄一・横山巽子共著，“ベーシック  品質工学へのとびら”，日本規格協会（2007）」を参照されたい。
【００４６】
次に、ガス濃度演算部２１では、位相検波器１７ｃで得られたガス吸収信号（実ガス計測ルート）に基づき、フォトダイオード（ＰＤ２）５による受光信号の光強度、ガス温度、並びにガス圧力を参照して、ガス濃度を演算する。該演算により得られたガス濃度は、通信インタフェース２８を介して他の機器１０に送られて、計測対象システム７の分析・監視データとなる。
【００４７】
次に、以上の各構成要素を備えたガス濃度計測装置におけるガス濃度計測方法について、図２および図３を参照して説明する。ここで、図２は本実施形態のガス濃度計測方法を説明するフローチャート、図３は変調周波数毎のＳＮ比を例示する説明図である。
【００４８】
図２において、計測が開始されると、まず、計測モードを判断する（ステップＳ１０１）。計測モードが計測対象システム７の計測領域のガス濃度を計測する実ガス計測モードであればステップＳ１１１に進み、計測モードが参照セル３のガス濃度を計測して最適な変調周波数を探索する最適周波数探索モードであればステップＳ１０２に進む。
【００４９】
最適周波数探索モードのときには、光スイッチ１ａを切り換えて、参照ガス計測ルートによるガス濃度計測が行われるようにセットし（ステップＳ１０３）、変調パラメータ（変調周波数、位相検波周波数および各フィルタ係数（カットオフ周波数））を初期値にセットする（ステップＳ１０４）。
【００５０】
次に、ＳＮ特性計算部２２により、変調パラメータ決定部２３が指示する変調パラメータ（変調周波数、位相検波周波数および各フィルタ係数（カットオフ周波数））の設定で、参照ガス計測ルートによる参照セル３内のガス濃度計測を所定時間（Ｔ［秒］）内に複数回（例えば１０００回）行い（ステップＳ１０４）、その計測データのばらつき度合い（ＳＮ比；（１）式参照）を求める（ステップＳ１０５）。
【００５１】
次に、探索すべき変調周波数全てについてステップＳ１０４およびＳ１０５の処理を行ったか否か（周波数スイープ終了か否か）を判断し（ステップＳ１０６）、スイープ途中であれば、ステップＳ１０７で変調パラメータ（変調周波数、位相検波周波数および各フィルタ係数（カットオフ周波数））を変更して、ステップＳ１０４およびＳ１０５の処理を繰り返し、またスイープ終了であればステップＳ１０８に進む。
【００５２】
なお、探索すべき変調周波数毎の変調パラメータ（変調周波数、位相検波周波数および各フィルタ係数（カットオフ周波数））は、予め、ディジタル信号処理部６内のメモリ（図示せず）にテーブル形式で記憶されており、初期値設定および変更設定は該メモリデータをロードして行われる。
【００５３】
スイープ終了のときには、変調パラメータ決定部２３では、ステップＳ１０５で得た全探索対象の変調周波数それぞれのばらつき度合い（ＳＮ比）に基づき、変調信号の変調周波数を計測データのばらつきが最も少ない（ＳＮ比が最も大きい）変調周波数に決定し、変調パラメータをディジタル信号処理部６内のメモリに記憶する（ステップＳ１０８）。図３に示す例では、変調周波数Ｃ［ｋＨｚ］のときのＳＮ比が最も大きく、変調周波数Ｃ［ｋＨｚ］に決定されることとなる。なお、変調周波数ＡおよびＢ［ｋＨｚ］では、電源やインバータ等の外部からのノイズの影響が大きく現れており、他と比べてＳＮ比が極端に小さい値となっている。
【００５４】
そして、ガス濃度計測を終了するか否かが判断され（ステップＳ１０９）、計測終了の場合にはそのまま終了し、実ガス計測の処理に移行する場合にはステップＳ１１１に進む。
【００５５】
実ガス計測の処理では、まず、光スイッチ１ａを切り換えて、実ガス計測ルートによるガス濃度計測が行われるようにセットし（ステップＳ１１１）、変調パラメータ（変調周波数、位相検波周波数および各フィルタ係数（カットオフ周波数））をメモリからロードしてセットする（ステップＳ１１２）。
【００５６】
次に、実ガス計測ルートによるガス濃度計測が行われる（ステップＳ１１３）。そして、ガス濃度計測を終了するか否かが判断され（ステップＳ１１４）、計測終了の場合にはそのまま終了し、実ガス計測の処理に移行する場合にはステップＳ１１３に戻る。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態のガス濃度計測装置および方法では、ＳＮ特性計算部２２（演算手段；演算ステップ）において、位相検波器１７ｂ（第２復調手段）の同一変調周波数における複数回の計測結果に基づき、計測データのばらつき度合いを求め、変調パラメータ決定部２３（決定手段；決定ステップ）により、複数の変調周波数それぞれのばらつき度合いに基づき、変調信号の変調周波数を計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定する。
【００５８】
同一変調周波数における複数回の計測結果に基づく計測データのばらつきについて、計測データのばらつきが少ないほどより標準状態（全ての計測結果がほぼ同値の理想的な計測環境）に近く、また、計測データのばらつきが大きいほど突発的な外乱因子（即ち、外部からのノイズ）による影響が大きく存在することを意味している。したがって、本実施形態のガス濃度計測装置および方法によれば、計測データのばらつきが最も少ない変調周波数に決定することで、外部からのノイズによる影響が最も少なく、よりロバストな計測条件とすることができ、結果として、ガス濃度計測のノイズ環境に柔軟に対応し得るロバストな本実施形態のガス濃度計測装置および方法を実現できる。
【００５９】
また、計測データのばらつき度合いをＳＮ比とするとき、計測データのばらつきが少ないほどＳＮ比は大きな値となり、計測データのばらつきが大きいほどＳＮ比は小さな値となる。また、ＳＮ比が大きな値となるほどより標準状態に近く、ＳＮ比が小さな値となるほど突発的な外乱因子（外部からのノイズ）による影響が大きく存在することを意味している。したがって、ガス濃度計測装置および方法によれば、ＳＮ比が最も大きい変調周波数に決定することで、外部からのノイズによる影響が最も少なく、よりロバストな計測条件とすることができる。
【００６０】
〔変形例〕
以上説明した実施形態では、参照ガス計測ルートを備え、参照セル３のガス濃度を計測して最適な変調周波数を探索することとしたが、参照ガス計測ルート、即ち参照セル３、フォトダイオード（ＰＤ１）４（第２受光手段）および位相検波器１７ｂ（第２復調手段）等を介するルートを持たないガス濃度計測装置に対しても本発明を適用することは可能である。
【００６１】
この場合、上記実施形態において、実ガス計測ルート、即ち計測対象システム７、フォトダイオード（ＰＤ２）５（受光手段）および位相検波器１７ｃ（復調手段）等を介するルートにより、計測対象システム７のガス濃度を計測して最適な変調周波数を探索することとなる。なお、演算手段または演算ステップ（ＳＮ特性計算部２２）における複数回の計測を、測定対象システム７の測定領域におけるガス濃度の変動が少ない定常状態にあるときに行うのが望ましい。定常状態とすることにより、測定対象のガス濃度変動に伴う計測データのばらつきへの影響を抑制することができ、より最適な変調周波数の決定を行うことができるからである。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のガス濃度計測装置および方法は、燃焼を利用した全ての装置や化学プラント等のガスを発生または排出する可能性のある装置およびその周辺において、或いは地下駐車場、トンネル、高速道路の料金所などのガスが滞留する可能性の高い場所などで、さらには車両等に搭載されて、各種のガスまたは排ガス等々を計測、分析、監視する装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１  半導体レーザダイオード（ＬＤ；光源）
１ａ  光スイッチ
２  ＬＤドライバ
３  参照セル
４  フォトダイオード（ＰＤ１；第２受光手段）
５  フォトダイオード（ＰＤ２；受光手段）
６  ディジタル信号処理部
７  計測対象システム
８  ガス濃度計測装置
１０  他の機器
１２  変調波生成部（変調手段）
１３  復調部
１４  加算器
１５ａ，１５ｂ  ハイパスフィルタ
１６ａ，１６ｂ  バンドパスフィルタ
１７ａ  位相検波器
１７ｂ  位相検波器（第２復調手段）
１７ｃ  位相検波器（復調手段）
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ  ローパスフィルタ
１９  ＰＩ制御部
２０  電圧変換回路
２１  ガス濃度演算部
２２  ＳＮ特性計算部（演算手段）
２３  変調パラメータ決定部（決定手段）
２５ａ，２５ｂ  Ｄ／Ａ変換部
２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅ  Ａ／Ｄ変換部
２８  通信インタフェース
【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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