(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変調された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学系と、この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光学系と、この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を備え、
前記信号処理回路が、前記受光部の出力信号から前記光源部における変調信号の２倍周波数成分の信号を検出して測定対象ガスの濃度を測定するレーザ式ガス分析計において、
前記光源部は、
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と前記発光波長を変調するための高周波変調信号と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する電流制御部と、
この電流制御部から出力された電流が供給される前記レーザ素子と、
を備え、
前記信号処理回路は、
前記受光部の出力信号から前記２倍周波数成分の信号の振幅を検出する同期検波回路と、
この同期検波回路の出力信号に存在する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演算部と、
を備え、
前記演算部が、
前記レーザ駆動信号発生部から前記波長走査駆動信号と同期させて出力されるパルス状のトリガ信号のタイミングを基準として、前記ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングを予め検出し、保存する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に記載したレーザ式ガス分析計において、
前記トリガ信号を、前記レーザ素子の駆動電流をゼロにするような前記波長走査駆動信号のタイミングに同期させた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、例えば煙道内のガスや排ガスなどの各種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ものである。
【背景技術】
【０００２】
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いる。例えば、図１６は、ＮＨ３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラム例である。
レーザ式ガス分析計は、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ことを利用した分析計であり、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。このうち、本発明は周波数変調方式を用いたレーザ式ガス分析計に関するものである。
【０００３】
まず、周波数変調方式を用いた従来のレーザ式ガス分析計の測定原理を説明する。
図１７は、周波数変調方式の原理図を示しており、例えば特許文献１に記載されているものである。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で半導体レーザの出射光を周波数変調し、測定対象のガスに照射する。ここで、周波数変調とは、半導体レーザ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。
半導体レーザは、図１８Ａ，図１８Ｂ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ので、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。
【０００４】
図１７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は任意の周波数でよいため、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。
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することができる。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により、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。
【０００５】
この周波数変調方式では、半導体レーザの種類の中でも、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）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場合が多い。
この場合、ＤＦＢレーザが発光するスペクトル線幅の方が測定対象ガスの吸収線幅よりも小さいため、ＤＦＢ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。
その方法として、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、ＤＦＢレーザの発光波長を温度によって制御する方法が用いられている。
上述したような検出原理を用いた従来技術としては、例えば特許文献２に記載されたガス濃度測定装置がある。
【０００６】
図１９は、特許文献２に記載されたガス濃度測定装置の全体的な構成を示している。
このガス濃度測定装置１は、主として、光源ユニット２、測定光集光部３、測定光増幅部４、受信信号検出部５、校正信号生成部６、基本波信号増幅器７Ａと２倍波信号増幅器７Ｂとからなる参照信号増幅部７、信号微分検出器８Ａと信号同期検出器８Ｂとからなる参照信号検出部８、波長安定化制御回路９、温度安定化ＰＩＤ回路１０、電流安定化回路１１、測定／校正切替部１２、演算部１３から構成されている。
【０００７】
光源ユニット２は、前述の測定対象ガス特有の吸収線に合致した波長のレーザ光を発生するものであり、図２０Ａに示すように、金属パッケージからなる箱型形状のケース本体２６の内部に、半導体レーザモジュール２１、参照ガスセル２２、光検出器（受光部）２３が収容されている。
半導体レーザモジュール２１のケース２１ａ内には、図２０Ｂに示すように、周波数変調されたレーザ光を両面から出射する半導体レーザ（レーザダイオード）２４が配設されている。図２０Ａに示す如く、ケース２１ａからはコネクタ２５ａを備えた光ケーブル２５が延びており、半導体レーザ２４から出射される一方の光が、光ケーブル２５を介して図１９の測定光集光部３から外部（測定対象ガスの雰囲気）に出射される。
【０００８】
図２０Ａに示すように、ケース本体２６の底面には、冷却用フィン２７が取り付けられたペルチェ素子等の温度制御素子（図示せず）が配置されている。この温度制御素子によって動作温度を一定温度に制御することで、発振波長が制御される。
図２０Ｂに示すように、半導体レーザ２４の前後両側の光軸上には、出射光を集光するための平坦面を持たない非球面レンズ２９ａ，２９ｂが配設されている。これらの非球面レンズ２９ａ，２９ｂを集光用レンズとして使用することにより、半導体レーザ２４に光が反射して戻るのを防止している。
【０００９】
図２０Ｂに示すように、半導体レーザ２４の前後両側の光軸上で非球面レンズ２９ａ，２９ｂの外側には、光アイソレータ３０ａ，３０ｂが配設されている。
これらの光アイソレータ３０ａ，３０ｂは、９０°の偏波面の光のみを通す偏光子と４５°の偏波面の光のみを通す検光子との間に配置された結晶に磁力を印加することで、結晶中を透過する光の偏波面を回転させて偏光子での反射光の通過を阻止し、半導体レーザ２４に反射光が戻るのを防止している。
【００１０】
図２０Ａ，図２０Ｂに示すごとく、半導体レーザ２４の後側の光路上に配置された参照ガスセル２２は、測定光発振波長の安定化や測定対象ガス濃度の校正用に用いられる。この参照ガスセル２２において、空洞の金属胴２２ａの対向面に光を通過させる貫通穴が形成され、金属胴２２ａの内部に参照ガスが封入された後、貫通穴がガラス窓２２ｂによって封止されている。
参照ガスセル２２は、内径の長さが予め決められており、封入される参照ガスは、測定対象ガスの測定場所の環境とほぼ等しい組成、圧力とされている。例えば、測定場所の環境が空気であれば、参照ガスはエアバランス、すなわち空気と同じ組成であり、圧力も１気圧となっている。
【００１１】
参照ガスセル２２は、非球面レンズ２９ｂの後側の後方出射光が入射しやすい位置に固定される。参照ガスセル２２を通過したレーザ光は、その後側に配設された光検出器２３によって受光検出される。
なお、上記参照ガスセル２２は、半導体レーザ２４への戻り光を低減するため、光が通過する両端面を斜め（例えば出射光軸に対して約６°）に形成するのが好ましい。
【００１２】
図１９において、測定光集光部３は、半導体レーザ２４からの光を外部に出射し、測定対象となるガス配管などから反射した測定光をレンズ３１により集光する。そして、測定光集光部３は、集光した光を光検出器３２により検出して電気信号に変換する。
測定光増幅部４はプリアンプによって構成されており、光検出器３２にて検出した光電流を電圧に変換し、増幅して出力する。また、測定光増幅部４では、受信信号検出部５が検出する基本波位相敏感検波信号（ｆ信号：以下、基本波信号と略称する）と２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号：以下、２倍波信号と略称する）とがほぼ同じレベルになるように、基本波信号、２倍波信号のそれぞれについて最適増幅度が設定されている。
【００１３】
受信信号検出部５は、測定／校正切替部１２が測定光増幅部４側に切り替えられているときに、測定光増幅部４からの測定光信号を処理し、基本波信号（ｆ信号）、２倍波信号（２ｆ信号）、及び、２ｆ／ｆ信号を検出する。
また、受信信号検出部５は、測定／校正切替部１２が校正信号生成部６側に切り替えられているときに、校正信号生成部６からの信号を処理し、校正用基本波信号（ｒｆ信号）、校正用２倍波信号（ｒ２ｆ信号）、及び、ｒ２ｆ／ｒｆ信号を検出する。
【００１４】
上記構成では、参照ガスセル２２を用いて半導体レーザ２４の発光波長を制御している。また、光検出器３２の出力からガス濃度を示す２ｆ信号を抽出することにより、測定対象ガスの濃度を測定している。
【００１５】
【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）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、前述したように、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。
そのためには、測定対象ガスと同じガスを封入した参照ガスセルが必要であるが、参照ガスセルへの封入が不可能または困難なガスについては、その濃度の検出が困難である。
【００１７】
また、参照ガスセルを用いるために参照ガスセル自体のガス漏れも考慮しなくてはならず、測定対象ガスが腐食性ガスであるＨＣｌ等の場合、これと同じ参照ガスがガス漏れすると周囲の光学部品が劣化する。更に、振動の影響による軸ズレや参照ガスセルの破損の影響も考慮しなくてはならず、参照ガスセルを用いること自体が好ましくない。
また、参照ガスセルを用いてレーザの発光波長を特定波長に固定するとしても、ＰＩＤ制御等により温度調整を行って特定波長に固定する安定性が要求される。しかし、通常のＤＦＢレーザ素子の発光波長は１００ｐｍ／℃程度の温度依存性を持っているので、吸収線幅が４０ｐｍ程度しかないアンモニアなどを検出するには１ｐｍ以下の波長安定性、つまり、０．０１℃以下の温度安定化が必要となる。
【００１８】
近年、例えば、リニアテクノロジー社や、マキシム社からＰＩＤ制御用ＩＣが提供されており、これらのＩＣの温度調整安定性は０．００１℃〜０．０１℃となっている。しかし、上記の温度範囲はサーミスタが埋め込まれた部分であり、ＤＦＢレーザ素子に対するものではない。
半導体レーザ素子の周囲温度が一定でない場合、発光波長が変動するため、半導体レーザ素子の発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせて測定すること自体に問題があり、従来技術では長期的な安定性の向上や測定精度の向上が難しい。
更に、測定対象ガスと参照ガスセル内に封入されたガス成分とが同一でも、実際に測定するガスの吸収幅や波長は若干変動する。また、参照ガスの温度と測定対象ガスの温度とが異なる場合は、レーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に完全に合わせることが困難である。
【００１９】
以上まとめれば、従来技術では参照ガスセルを用いて測定対象ガスの吸収波長にレーザの発光波長を合致させる必要があり、その波長安定性が測定性能に影響する。
また、ＨＣｌやＨＦなどの腐食性ガスの参照ガスセルを製作するためには、ガス封入設備も高価となり、測定可能なガス成分が参照ガスセルの製作可否によって制約されるという問題もある。
レーザ式ガス分析計によってガス濃度を測定するには、前述のように吸収波長の一致した光を出射するレーザ素子が必要であるが、この条件に合うレーザ素子が存在しても参照ガスセルが製作できなければ、分析計としての実現は不可能である。
更に、参照ガスセルからのガス漏れ対策をする必要があるなど、装置構成上も好ましくなかった。
【００２０】
また、この種のガス分析計により実際に測定するガスは、例えば煙道内のガスであるため、ガス分析計もダストの多い環境に設置されることが多い。このような場合、ダストの影響によってレーザ光が遮られてしまい、受光光量ひいては受光信号が減少するおそれがある。受光信号が減少すると、検出されるガス吸収波形の振幅も減少するので、ガス濃度を正確に検出することができない。
従って現状では、ガス分析計とは別にダスト計を設置してダスト量を測定し、その測定値を用いてガス濃度を補正する方法が採られている。
しかし、これによると、別途、ダスト計を必要とするため設備費用がかさむという問題を生じていた。
【００２１】
そこで、本発明の目的は、測定対象ガスの吸収波長すなわちレーザ素子の発光波長を走査するための参照ガスセルを不要とし、装置を単純化してコストを低減したレーザ式ガス分析計を提供することにある。
本発明の他の目的は、発光波長を特定波長に安定化させる必要をなくして、ガス濃度を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。
本発明の更に別の目的は、ダスト計等の他の計器を必要とせずに、ダスト等が多く存在する環境でも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】
【００２２】
上記目的を達成するため、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学系と、この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光学系と、この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を備えている。上記信号処理回路は、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（いわゆる２倍波信号）を検出して測定対象ガスの濃度を測定するものである。
また、前記光源部が、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と発光波長を変調するための高周波変調信号と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、レーザ駆動信号を電流に変換する電流制御部と、電流制御部の出力電流が供給されるレーザ素子と、を備えている。
また、前記信号処理回路が、受光部の出力信号から前記２倍周波数成分の信号の振幅を検出する同期検波回路と、この同期検波回路の出力信号に存在する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演算部とを備えている。
そして、前記演算部が、前記レーザ駆動信号発生部から前記波長走査駆動信号と同期させて出力されるパルス状のトリガ信号のタイミングを基準として、前記ガス吸収波形の最大値及び最小値が発生するタイミングを予め検出し、保存することを特徴としている。
【００２６】
なお、前記トリガ信号は波長走査駆動信号と同期させる必要があり、例えば請求項２に記載する如く、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れば良い。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、参照ガスセルが不要になるため装置構成の単純化、低コスト化が可能であると共に、レーザ素子の発光波長を固定する必要が無いため検出感度が安定化し、測定精度が向上するという効果が得られる。
また、ダストが多い環境においても、ダスト計等の計器を別途用いることなく、受光光量補正係数によりガス吸収波形の振幅を補正することでガス濃度を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１はこの実施形態の全体的な構成を示している。図１において、フランジ２０１ａ，２０１ｂは、例えば、測定対象ガスが内部を通過する煙道などの配管の壁１０１ａ，１０１ｂに、溶接等によって固定されている。一方のフランジ２０１ａには、取付座２０２ａを介して、有底円筒状のカバー２０３ａが取り付けられている。
【００３０】
カバー２０３ａの内部には光源部２０４が配置されており、光源部２０４から出射したレーザ光は、コリメートレンズ２０５を含む光学系によって平行光にコリメートされる。コリメートされた光は、フランジ２０１ａの中心を通って壁１０１ａ，１０１ｂの内部（煙道内部）へ入射される。前記平行光は、壁１０１ａ，１０１ｂ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。
【００３１】
他方のフランジ２０１ｂには、取付座２０２ｂを介して有底円筒状のカバー２０３ｂが取り付けられている。煙道内部を通過した平行光は、カバー２０３ｂ内部の集光レンズ２０６により集光されて受光部２０７により受光される。この光は、受光部２０７により電気信号に変換され、後段の信号処理回路２０８に入力される。
【００３２】
次に、図２は前記光源部２０４の構成を示している。
この光源部２０４は、波長走査駆動信号発生部２０４ａと、高周波変調信号発生部２０４ｂと、からなるレーザ駆動信号発生部２０４ｓを備えている。
波長走査駆動信号発生部２０４ａ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し、高周波変調信号発生部２０４ｂは、測定対象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。
これらの信号発生部２０４ａ，２０４ｂの出力信号をレーザ駆動信号発生部２０４ｓ内で合成することにより、レーザ駆動信号が生成される。
レーザ駆動信号発生部２０４ｓから出力されたレーザ駆動信号は電流制御部２０４ｃ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２０４ｅに供給される。
【００３３】
レーザ素子２０４ｅに近接して、温度検出素子としてのサーミスタ２０４ｆが配置され、サーミスタ２０４ｆにはペルチェ素子２０４ｇが近接して配置されている。
ペルチェ素子２０４ｇは、サーミスタ２０４ｆの抵抗値が一定値になるように温度制御部２０４ｄによってＰＩＤ（比例・積分・微分）制御され、結果としてレーザ素子２０４ｅの温度を安定化させるためのものである。
【００３４】
前記波長走査駆動信号発生部２０４ａの出力信号は、図３に示すように、一定周期で繰り返されるほぼ台形波状の信号である。
図３において、吸収波長を走査する信号Ｓ２は、電流制御部２０４ｃを介してレーザ素子２０４ｅ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Ｓ２によってレーザ素子２０４ｅの発光波長を徐々にずらしていき、例えばアンモニアガスであれば、０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能としている。
図３における信号Ｓ１は、吸収波長は走査しないがレーザ素子２０４ｅは発光させておくオフセット部分であり、レーザ素子２０４ｅの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値にしておく。
更に、信号Ｓ３は駆動電流をほぼ０にした部分である。
【００３５】
次に、図４は、図１における信号処理回路２０８の第１実施例の構成を示している。以下では、この第１実施例の信号処理回路に番号２０８Ａを付すものとする。
なお、図４の受光部２０７は例えばフォトダイオードによって構成されており、レーザ素子２０４ｅの発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。
【００３６】
図４において、受光部２０７の出力電流はＩ／Ｖ変換器２０８ａにより電圧に変換される。Ｉ／Ｖ変換器２０８ａの出力信号は、発振器２０８ｃからの２ｆ信号（２倍波信号）が加えられる同期検波回路２０８ｂに入力され、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る。同期検波回路２０８ｂの出力信号は、ノイズ除去用のフィルタ２０８ｄを介してＣＰＵ等の演算部２０８ｅに送られる。
【００３７】
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、事前に、レーザ素子２０４ｅの温度をサーミスタ２０４ｆにより検出する。更に、図３に示した波長走査駆動信号のＳ２の中心部分で測定対象ガス（例えばＮＨ３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２０４ｄによりペルチェ素子２０４ｇの通電を制御してレーザ素子２０４ｅの温度を調整する。
その後にレーザ素子２０４ｅを駆動し、測定対象ガスが存在する壁１０１ａ，１０１ｂの内部空間にレーザ光を出射し、集光した光を受光部２０７へ入射させる。
【００３８】
図４の信号処理回路２０８Ａ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、同期検波回路２０８ｂによって２倍波信号が検出されないので、同期検波回路２０８ｂ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２０８ｂによって２倍波信号が検出され、その出力波形は図５に示すようになる。この波形における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の最大値または最小値が測定対象ガスの濃度に相当する。従って、演算部２０８ｅでは、ガス吸収波形Ａの最大値または最小値を測定するか、あるいはガス吸収波形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ガスの濃度を検出すればよい。
なお、図５では、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。
【００３９】
次に、図６は、信号処理回路２０８の第２実施例の構成を示している。以下では、この第２実施例の信号処理回路に番号２０８Ｂを付すものとする。
この信号処理回路２０８Ｂの構成は、基本的に図４の信号処理回路２０８Ａと同一であるが、演算部２０８ｅに、前記波長走査駆動信号発生部２０４ａからのトリガ信号Ｓ４が入力されている点が異なっている。なお、説明の都合上、Ｉ／Ｖ変換器２０８ａの出力信号をＳａとし、同期検波回路２０８ｂの出力信号をＳｂとする。
【００４０】
図７は、上記トリガ信号Ｓ４を説明するための図である。図示するように、トリガ信号Ｓ４は、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２０４ａ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２０４ｅ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良い。
【００４１】
次に、第２実施例の信号処理回路２０８Ｂによる濃度測定動作を説明する。
前記同様に、波長走査駆動信号のＳ２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２０４ｄによりペルチェ素子２０４ｇの通電を制御してレーザ素子２０４ｅの温度を調整する。
その後にレーザ素子２０４ｅを駆動し、測定対象ガスが存在する壁１０１ａ，１０１ｂの内部空間にレーザ光を出射し、集光した光を受光部２０７へ入射させる。
【００４２】
信号処理回路２０８Ｂ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、同期検波回路２０８ｂによって２倍波信号が検出されないため、同期検波回路２０８ｂの出力はほぼ直線となる。
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２０８ｂによって２倍波信号が検出される。
【００４３】
図８は、同期検波回路２０８ｂの出力信号ＳｂをＩ／Ｖ変換器２０８ａの出力信号Ｓａと併せて示した波形図である。図８において、点線で囲んだ部分がガス吸収波形Ａである。
ここで、何らかの原因によって同期検波回路２０８ｂの出力信号Ｓｂにオフセットがある場合、図９に示すように、本来の出力信号Ｓｂ０が信号Ｓｂ１として現れる。その結果、図８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。
【００４４】
そこで、本実施例では、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。
すなわち、図６の演算部２０８ｅは、図８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、以下の数式１または数式２によってガス濃度を演算する。なお、数式１，数式２において、αはガス濃度変換係数である。
［数式１］
ガス濃度＝α×｜Ｂ−Ｃ｜
［数式２］
ガス濃度＝α×｜Ｃ−Ｄ｜
【００４５】
前述したように、測定対象ガスが存在しない場合は、同期検波回路２０８ｂにより２倍波信号は検出されず、同期検波回路２０８ｂ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１０に示すように、同期検波回路２０８ｂの出力信号Ｓｂは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。
【００４６】
このため、本実施例では、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、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又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ているので、このトリガ信号Ｓ４と同期検波回路２０８ｂ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。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８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。
【００４７】
そこで、図６に示した演算部２０８ｅでは、トリガ信号Ｓ４のタイミングに対してガス吸収波形Ａの最大値Ｃ、最小値Ｂ，Ｄが発生するタイミングを予め検出し、保存しておく。
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における同期検波回路２０８ｂの出力信号Ｓｂ（フィルタ２０８ｄの出力信号）から最大値及び最小値を測定する。
【００４８】
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２０８ｅ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、前述した数式１または数式２によるガス濃度の演算を高精度に行うことが可能である。
【００４９】
以上のようにこの実施形態によれば、光源部２０４においてレーザ素子２０４ｅの発光波長を所定範囲にわたって走査することにより、参照ガスセルを用いなくても測定対象ガスによる吸収波長を検出することができる。
従来技術では、測定対象ガスによる吸収を特定波長における受光信号の振幅のみから検出している。これに対し、本実施形態では、ガス吸収波形の全体を検出することでレーザ素子の発光波長を固定する必要がなくなるので、検出感度が安定化して測定精度が向上する。
また、信号処理回路２０８Ｂを図６のように構成することにより、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、一層正確にガス濃度を測定することができる。
【００５０】
次に、図１１は、信号処理回路２０８の第３実施例の構成を示しており、この第３実施例の信号処理回路に番号２０８Ｃを付すものとする。なお、図４，図６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。
【００５１】
図１１において、受光部２０７の出力は電流信号であり、この電流信号はＩ／Ｖ変換器２０８ａ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１２Ａ，図１２Ｂに示す。
図１２Ａ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１２Ｂ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。
【００５２】
前述したように、同期検波回路２０８ｂにより、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る。例えば、図１２Ａ，図１２Ｂに示した受光信号を同期検波すると、それぞれ図１３Ａ，図１３Ｂのような波形が得られる。
図１３Ａ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１３Ｂでは、図１２Ｂ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、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。
【００５３】
そこで、本実施形態では、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とがほぼ比例関係にあることに着目し、演算部２０８ｅにおい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。
【００５４】
すなわち、図１１に示すように、Ｉ／Ｖ変換器２０８ａから出力された受光信号を抽出手段としてのフィルタ２０８ｆ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２０８ｅ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２０８ｄ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。
【００５５】
例えば、図１２Ａ，図１２Ｂに示した受光信号をフィルタ２０８ｆに入力して波長走査駆動信号成分を取り出すと、図１５Ａ，図１５Ｂのような波形が得られる。図１５Ａはダストがなく受光光量が低下していない場合、図１５Ｂはダストがあって受光光量が低下している場合である。
図１５Ａ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２０８ｆ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２０８ｅに予め設定しておく。演算部２０８ｅは、図１５Ａ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として数式３により演算する。
［数式３］
β＝Ｐｍａｘ／Ｐ
【００５６】
上記の補正係数βを、ガス吸収波形の振幅ｗ（例えば図１３Ｂのｗｂ）に乗算または除算することにより、数式４に示す如く、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。
［数式４］
ｗｈ＝ｗ×β
【００５７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図である。
【図２】図１における光源部の構成図である。
【図３】図２における波長走査駆動信号発生部の出力信号波形図である。
【図４】図１における信号処理回路の第１実施例を示す構成図である。
【図５】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、同期検波回路の出力波形を示す図である。
【図６】図１における信号処理回路の第２実施例を示す構成図である。
【図７】図６の信号処理回路に送られるトリガ信号の説明図である。
【図８】図６におけるＩ／Ｖ変換器及び同期検波回路の出力信号を示す図である。
【図９】図６における同期検波回路の出力信号を示す図である。
【図１０】図６におけるＩ／Ｖ変換器及び同期検波回路の出力信号を示す図である。
【図１１】図１における信号処理回路の第３実施例を示す構成図である。
【図１２Ａ】図１１における受光信号の波形図である。
【図１２Ｂ】図１１における受光信号の波形図である。
【図１３Ａ】図１２Ａに対応した同期検波回路の出力波形を示す図である。
【図１３Ｂ】図１２Ｂに対応した同期検波回路の出力波形を示す図である。
【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図である。
【図１５Ａ】図１２Ａに対応した波長走査信号成分の波形図である。
【図１５Ｂ】図１２Ｂに対応した波長走査信号成分の波形図である。
【図１６】ＮＨ３ガスの吸収スペクトラム例である。
【図１７】周波数変調方式の原理図である。
【図１８Ａ】ドライブ電流による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。
【図１８Ｂ】温度による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。
【図１９】特許文献２に記載されたガス濃度測定装置の全体的な構成図である。
【図２０Ａ】図１９における主要部の構成図である。
【図２０Ｂ】図２０Ａにおける主要部の構成図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０１ａ，１０１ｂ：壁
２０１ａ，２０１ｂ：フランジ
２０２ａ，２０２ｂ：取付座
２０３ａ，２０３ｂ：カバー
２０４：光源部
２０４ａ：波長走査駆動信号発生部
２０４ｂ：高周波変調信号発生部
２０４ｃ：電流制御部
２０４ｄ：温度制御部
２０４ｅ：レーザ素子
２０４ｆ：サーミスタ
２０４ｇ：ペルチェ素子
２０４ｓ：レーザ駆動信号発生部
２０５：コリメートレンズ
２０６：集光レンズ
２０７：受光部
２０８，２０８Ａ，２０８Ｂ，２０８Ｃ：信号処理回路
２０８ａ：Ｉ／Ｖ変換器
２０８ｂ：同期検波回路
２０８ｃ：発振器
２０８ｄ，２０８ｆ：フィルタ
２０８ｅ：演算部
【図１】
0005176535.tif 000002
【図２】
0005176535.tif 000003
【図３】
0005176535.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005176535.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005176535.tif 000008
【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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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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２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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