(57)【要約】【課題】低濃度から高濃度までの広い範囲でガス濃度を精度良く測定できるガス濃度測定装置。【解決手段】半導体レーザ1aを有する光源1と、低周波信号を発生する低周波信号発生器11bと、高周波変調信号を発生する高周波信号発生器11cと、低周波発生器からの低周波信号に高周波変調信号を重畳させて光源の駆動電流を発生する光源駆動電流発生器11aと、ガスを封入し且つ半導体レーザからのレーザ光を入射するガスセル5と、ガスセルからのレーザ光を受光する受光素子8とを有するガス濃度測定装置において、半導体レーザを駆動する時に受光素子からの信号に基づき低周波信号に高周波変調信号を重畳させるか否かを判断する判断回路12dと、高周波信号発生器に接続され、判断回路の出力結果に応じてオン／オフするスイッチSW1とを有する。【選択図】図３
2012220250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザを有する光源と、低周波信号を発生する低周波信号発生器と、高周波変調信号を発生する高周波信号発生器と、前記低周波発生器からの低周波信号に前記高周波変調信号を重畳させて前記光源の駆動電流を発生する光源駆動電流発生器と、前記半導体レーザからのレーザ光をガスに入射させ、該ガスを透過したレーザ光を受光する受光素子とを有するガス濃度測定装置において、
前記半導体レーザを駆動する時に前記受光素子からの信号に基づき前記低周波信号に前記高周波変調信号を重畳させるか否かを判断する判断回路と、
前記高周波信号発生器に接続され、前記判断回路の出力結果に応じてオン／オフするスイッチと、
を有することを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記判断回路は、前記ガスの吸収を受けないときの検出光強度と前記ガスの吸収を受けたときの検出光強度との光強度比が所定値を超えた場合、前記低周波信号に前記高周波変調信号を重畳させないためのオフ信号を生成し、前記光強度比が所定値以下の場合、前記低周波信号に前記高周波変調信号を重畳させるためのオン信号を生成し、
前記スイッチは、前記判断回路からのオフ信号によりオフし、前記判断回路からのオン信号によりオンすることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
低周波信号に高周波信号発生器の高周波変調信号を重畳させて光源の駆動電流を発生させて半導体レーザを発振し、前記半導体レーザからのレーザ光をガスに入射させガスを透過したレーザ光を受光し受光信号に基づきガス濃度を測定するガス濃度測定方法において、
前記半導体レーザを駆動する時に前記受光信号に基づき前記低周波信号に前記高周波変調信号を重畳させるか否かを判断する判断ステップと、
前記高周波信号発生器に接続されたスイッチにより、前記判断ステップの出力結果に応じてオン／オフする切替ステップと、
を有することを特徴とするガス濃度測定方法。
【請求項４】
前記判断ステップは、前記ガスの吸収を受けないときの検出光強度と前記ガスの吸収を受けたときの検出光強度との光強度比が所定値を超えた場合、前記低周波信号に前記高周波変調信号を重畳させないためのオフ信号を生成し、前記光強度比が所定値以下の場合、前記低周波信号に前記高周波変調信号を重畳させるためのオン信号を生成し、
前記スイッチは、前記判断ステップからのオフ信号によりオフし、前記判断ステップからのオン信号によりオンすることを特徴とする請求項３記載のガス濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変型の半導体レーザを用いてガスセル内のガスの濃度を測定するガス濃度測定装置及びガス濃度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体の分子においては主に分子の振動とその倍音や結合音に起因する固有の吸収スペクトルが赤外線領域で観測される。この吸収の強度は光路上に存在する分子の数に比例することを利用して、ガスの吸収スペクトルに波長を合わせた光源をガスに入射させ、ガスを透過した光を観測して吸光度を求めて、ガスの濃度を求めることができる。この光源に波長可変レーザを用いた波長可変型半導体レーザ分光吸収法（ＴＤＬＡＳ）は、感度の高い手法として知られている。
【０００３】
この手法は、図８に示すように、半導体レーザの発振波長が注入電流により制御できることを利用したものである。即ち、ガスの吸収スペクトルに一致させた波長を発振する半導体レーザを用いて、半導体レーザの駆動電流に変調を施してガスに照射し、透過光を変調周波数やその高調波によって同期検波することにより、高感度にガス濃度を測定することができる。
【０００４】
測定ガスの濃度を測定する装置として、特許文献１に記載された技術が知られている。図９は、特許文献１に記載された従来のガス濃度測定装置の送信側の概略構成を示すブロック図である。図９において、半導体レーザ３６には、半導体レーザ３６の温度を検出するサーミスタ３７及び半導体レーザ３６の温度を調整するペルチェ素子３８が設けられている。温度制御部３５は、サーミスタ３７で検出された温度に基づいてペルチェ素子３８を駆動することにより、半導体レーザ３６の温度を制御する。
【０００５】
波長走査駆動信号発生器３１は、半導体レーザ３６からのレーザ光の波長をスキャンさせる波長走査信号Ｓ１を発生させ、高周波変調信号発生器３２は、半導体レーザ３６からのレーザ光を周波数変調する高周波変調信号Ｓ２を発生させ、合成器３３は、波長走査信号Ｓ１と高周波変調信号Ｓ２とを合成する。
【０００６】
切替制御部４０は、レーザ光の波長スキャンが行われている一部の期間内に周波数変調が行われるように周波数変調のタイミングを切り替える切替信号をスイッチ３９に出力し、スイッチ３９は、切替制御部４０からの切替信号により高周波変調信号発生器３２の出力をオン／オフする。電流制御部３４は、波長走査信号Ｓ１に高周波変調信号Ｓ２が間欠的に合成された信号に基づいて半導体レーザ３６を駆動する電流を制御する。
【０００７】
以上の構成により、図１０に示す波長スキャンにおいて、レーザ光の波長をスキャンさせている一部の期間内に周波数変調を行う期間（正弦波信号部分）と、周波数変調を行わない期間（直線部分）とが設けられる。対象とするガスは少なくとも２種類（この例ではＨＣｌガス（吸光量少）とＨ２Ｏガス（吸光量多））のガスである。
【０００８】
従来のガス濃度測定方法は、図１１に示すフローチャートに従って行われる。レーザの波長走査駆動が開始され（ステップＳ１０１）、吸収の強いガススペクトルの波長スキャンのタイミングの場合（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、吸光量が多い方のガス濃度は、変調を行わない時の受光信号に基づいて計算される（ステップＳ１０３）。
【０００９】
吸収の強いガススペクトルの波長スキャンのタイミングでない場合（ステップＳ１０２のＮＯ）、レーザの変調動作を開始し（ステップＳ１０４）、変調周波数の２倍検波を行い（ステップＳ１０５）、吸光量が少ない方のガス濃度は、変調周波数の２倍検波成分に基づいて計算される（ステップＳ１０６）。
【００１０】
また、特許文献１では、少なくとも２種類のガスと記載されているガスの間には、１０倍〜１００倍以上の濃度差があることを前提としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１９２２４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１の技術では、隣接する複数の測定対象ガスの濃度は、予め想定され、その濃度に応じて、周波数変調を重畳するか否かを予め決めていた。また、対象ガスの濃度は大幅に変動しないという前提であった。
【００１３】
しかし、測定対象ガスそのももの濃度が変動する場合、その変化した濃度によっては、周波数変調を重畳しないと精度の良い測定ができない場合に周波数変調が重畳されなかったりすることがあった。
【００１４】
また、図１２に示すように、吸収が強いガスに対して周波数変調を重畳して動作させ、歪んだ２倍周波数２ｆ信号によって精度の良い測定ができないことがあった。図１２（ａ）は吸収が大きいガスで得られた信号を示し、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ部の詳細を示し、図１２（ｃ）は図１２（ａ）のＢ部の詳細を示す。図１２（ｂ）では、吸収が大きく変調信号がつぶれ、図１２（ｃ）では、吸収が小さく変調信号がそのままである。
【００１５】
本発明の課題は、低濃度から高濃度までの広い範囲でガス濃度を精度良く測定することができるガス濃度測定装置及びガス濃度測定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係るガス濃度測定装置は、上記課題を解決するために、半導体レーザを有する光源と、低周波信号を発生する低周波信号発生器と、高周波変調信号を発生する高周波信号発生器と、前記低周波発生器からの低周波信号に前記高周波変調信号を重畳させて前記光源の駆動電流を発生する光源駆動電流発生器と、前記半導体レーザからのレーザ光をガスに入射させガスを透過したレーザ光を受光する受光素子とを有するガス濃度測定装置において、前記半導体レーザを駆動する時に前記受光素子からの信号に基づき前記低周波信号に前記高周波変調信号を重畳させるか否かを判断する判断回路と、前記高周波信号発生器に接続され、前記判断回路の出力結果に応じてオン／オフするスイッチとを有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明のガス濃度測定方法は、低周波信号に高周波信号発生器の高周波変調信号を重畳させて光源の駆動電流を発生させて半導体レーザを発振し、前記半導体レーザからのレーザ光をガスに入射し、ガスを透過したレーザ光を受光し受光信号に基づきガス濃度を測定するガス濃度測定方法において、前記半導体レーザを駆動する時に前記受光信号に基づき前記低周波信号に前記高周波変調信号を重畳させるか否かを判断する判断ステップと、前記高周波信号発生器に接続されたスイッチにより、前記判断ステップの出力結果に応じてオン／オフする切替ステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、半導体レーザを駆動する時に受光信号に基づき低周波信号に高周波変調信号を重畳させるか否かを判断し、高周波信号発生器に接続されたスイッチが判断回路の出力結果に応じてオン／オフするので、低濃度から高濃度までの広い範囲でガス濃度を精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１のガス濃度測定装置の構成図である。
【図２】実施例１のガス濃度測定装置の他の構成図である。
【図３】実施例１のガス濃度測定装置の送信側及び受信側の詳細な構成ブロックを示す図である。
【図４】実施例１のガス濃度測定装置の各駆動電流を示す図である。
【図５】実施例１のガス濃度測定装置において変調のない動作で得られた信号を示す図である。
【図６】実施例１のガス濃度測定装置において変調のない動作で得られた信号を処理して得られた透過スペクトルを示す図である。
【図７】実施例１のガス濃度測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図８】半導体レーザの発振波長と電流との関係を示す図である。
【図９】従来のガス濃度測定装置の送信側の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】従来のガス濃度測定装置の波長スキャン方式を示す図である。
【図１１】従来のガス濃度測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図１２】従来のガス濃度測定装置において吸収が大きいガスで得られた信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明のガス濃度測定装置及びガス濃度測定方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明のガス濃度測定装置及びガス濃度測定方法は、ガス濃度測定中にも信号から読み取られる吸収強度により、高周波変調を重畳するか否かを切り替えることを特徴とする。
【実施例１】
【００２１】
図１は、実施例１のガス濃度測定装置の構成図である。図１に示すガス濃度測定装置において、ガスセル５の一端側には窓材４を介して光源ユニット１とコリメートレンズ２と光源制御回路１１とを有する光源ユニットケース３が設けられている。光源制御回路１１は、光源ユニット１１を制御する。光源ユニット１１は、レーザ光をコリメートレンズ２と窓材４を介してガスセル５に照射する。
【００２２】
ガスセル５の一端側に設けられたガス導入管６からガスセル５にガスが導入され、ガスセル５の他端側に設けられたガス排出管７からガスセル５内のガスが排出されるようになっている。
【００２３】
ガスセル５の他端側には受光素子８と信号増幅回路９と信号処理回路１２とを有する受光ユニットケース１０が設けられている。受光素子８は、ガスセル５を透過したレーザ光を受光し受光信号を電気信号に変換し、信号増幅回路９は、受光素子８で変換された電気信号を増幅し、信号処理回路１２は、信号増幅回路９で増幅された電気信号に基づきガスの濃度を計算する。
【００２４】
測定対象のガスは、ＮＨ３、ＮＯ、ＮＯ２、ＳＯ２、ＨＣＬ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２、等の赤外活性を有するガスあるいは、Ｏ２のような核スピンを持つため、磁気双極子相互作用に伴う電子遷移によって760nm付近にA-Bandと呼ばれる吸収体を有するガスである。（有本元、木村徹他  「変調分光法による排ガス測定における高温動作時の振舞い」  第43回光波センシング技術研究会講演論文集  p.103-110,2009）
光源はＤＦＢ−ＬＤ（半導体レーザ）やＤＦＢ−ＱＣＬ（量子カスケードレーザ）であり、受光素子８は、ＰＤ（フォトダイオード）やＭＣＴ検出器である。
【００２５】
図２は、実施例１のガス濃度測定装置の他の構成図である。図２に示す他の構成例は、図１に示すガスセル５に代えて、光源ユニット１からのレーザ光に対して略直角方向に配置された煙道１４にガスが流れる場合にガスの濃度を測定するものである。
【００２６】
図３は、実施例１のガス濃度測定装置の送信側及び受信側の詳細な構成ブロックを示す図である。まず、送信側の構成を説明する。光源ユニット１は、光源素子１ａ、測温素子１ｂ、ペルチェ素子１ｃを有している。
【００２７】
光源素子１ａは、レーザ光を発生する波長可変型の半導体レーザからなり、測温素子１ｂは、光源素子１ａの温度を検出し、温度調整器１１ｄは、測温素子１ｂで検出された温度に基づきペルチェ素子１ｃを駆動することにより光源素子１ａの温度を制御する。
【００２８】
光源制御回路１１は、光源駆動電流発生器１１ａ、低周波信号発生器１１ｂ、高周波信号発生器１１ｃ、温度調整器１１ｄを有している。低周波信号発生器１１ｂは、図４（ａ）に示すようなガスの吸収スペクトルを走査するための低周波信号（低周波電流）を発生し、この低周波信号を光源駆動電流発生器１１ａに出力する。低周波信号としては、例えば、１００Ｈｚの鋸波電流が光源駆動電流発生器１１ａから光源素子１ａに供給される。
【００２９】
高周波信号発生器１１ｃは、図４（ｂ）に示すような高周波変調動作をするための高周波変調信号（高周波電流）を発生する。高周波信号発生器１１ｃは、スイッチＳＷ１を有し、スイッチＳＷ１がオン時に発生した高周波変調信号を光源駆動電流発生器１１ａに出力する。高周波変調信号としては、例えば、１００ｋＨｚの正弦波電流が光源駆動電流発生器１１ａから光源素子１ａに供給される。
【００３０】
スイッチＳＷ１は、受信側に設けられた判断回路１２ｄからのオン／オフ信号に応じてオン／オフされる。光源駆動電流発生器１１ａは、スイッチＳＷ１がオン時に、低周波信号発生器１１ｂからの低周波信号と高周波信号発生器１１ｃからの高周波変調信号とを合成して、図４（ｃ）に示すようなスペクトルを走査しつつ、高周波変調動作するための駆動電流を光源素子１ａに供給する。
【００３１】
また、高周波信号発生器１１ｃは、受信側の検波器１２ａに高周波変調信号を参照信号ｅとして出力する。
【００３２】
次に、受信側の構成を説明する。信号処理回路１２は、検波器１２ａ、Ａ／Ｄ変換器１２ｂ、信号処理部１２ｃ、判断回路１２ｄ、濃度計算部１２ｅを有している。
【００３３】
検波器１２ａは、高周波変調動作を行っているときには、高周波信号発生器１１ｃから供給される参照信号（周波数は高周波変調周波数ｆ）の２倍の周波数を用いて、増幅回路９からの電気信号から２ｆ信号を検出して、Ａ／Ｄ変換器１２ｂは、検出された２ｆ信号をＡ／Ｄ変換する。高周波変調動作を行っていないときには、Ａ／Ｄ変換器１２ｂは、増幅回路９からの電気信号をＡ／Ｄ変換する。
【００３４】
信号処理部１２ｃは、Ａ／Ｄ変換器１２ｂからの信号に基づき検出光強度（吸光度）を計算し、この検出光強度を判断回路１２ｄと濃度計算部１２ｅとに出力する。
【００３５】
判断回路１２ｄは、光源素子１ａとしての半導体レーザを駆動する時に、受光素子８からの信号に基づき低周波信号に高周波変調信号を重畳させるか否かを判断する。具体的には、判断回路１２ｄは、信号処理部１２ｃから送られてくるガスの吸収を受けないときの検出光強度Ｉｏとガスの吸収を受けたときの検出光強度Ｉとの光強度比が所定値を超えた場合、低周波信号に高周波変調信号を重畳させないためのオフ信号を生成し、光強度比が所定値以下の場合、低周波信号に高周波変調信号を重畳させるためのオン信号を生成する。
【００３６】
スイッチＳＷ１は、判断回路１２ｄからのオフ信号によりオフし、判断回路１２ｄからのオン信号によりオンする。濃度計算部１２ｅは、信号処理部１２ｃからの吸光度に基づいてガスの濃度を計算する。
【００３７】
次に、このように構成された実施例１のガス濃度測定装置の動作（ガス濃度測定方法）を図５乃至図７を参照しながら詳細に説明する。
【００３８】
まず、レーザの波長走査駆動を開始する（ステップＳ１１）。この場合、高周波信号発生器１１ｃによる高周波変調はなしとする。このとき、スイッチＳＷ１はオフである。即ち、濃度のわからないガスに対して、高周波変調を重畳させないでガスの吸収スペクトルを走査するように光源を動作させる。
【００３９】
このように高周波変調を重畳させない動作により受光素子８で得られた信号強度は、図５に示すようになる。図５の吸収のない部分から得られる近似直線が、ガスによる吸収が無い時の信号と考えられる。従って、この信号を近似直線で除することにより、図６に示すような透過率を示す透過スペクトルとなる。
【００４０】
このとき、信号処理部１２ｃは、Ａ／Ｄ変換器１２ｂからの信号に基づき吸光度を計算し（ステップＳ１２）、判断回路１２ｄは、吸光度に対応する透過スペクトルを用いて、継続するガスの濃度測定に高周波変調動作を重畳させるか否かを判断する。
【００４１】
判断の基準として、例えば、Second-Harmonic Detection with Tunable Diode Lasers-Comparison of Experiment and Theory, J.Reid and D.Labrie Appl.Phys. B26,203-210(1981)によると、吸収を受けないときの検出光強度をＩｏ、吸収を受けたときの検出光強度をＩとしたとき、ｌｎ（Io/I）≦０．０５でない場合には（ステップＳ１３のＮＯ）、即ち、ｌｎ（Io/I）が０．０５よりも大きい場合には、スイッチＳＷ１をオフさせて、次の測定動作も高周波変調を重畳させずに測定動作を行う。ｌｎ（Io/I）が求まれば、吸光係数をα、光路長をＬとすれば、αＬが求められる。そして、αはモル吸光係数と濃度との積であり、Ｌは測定系の既知である。モル吸光係数はガス種と波長とにより決まる物性値であるから、ガスの濃度を求めることができる（ステップＳ１４）。
【００４２】
一方、ｌｎ（Io/I）≦０．０５である場合には（ステップＳ１３のＹＥＳ）、即ち、ｌｎ（Io/I）が０．０５よりも小さい場合には、スイッチＳＷ１をオンさせて、高周波信号発生器１１ｃによる高周波変調動作を重畳させて波長走査駆動を開始する（ステップＳ１５）。
【００４３】
検波器１２ａは、高周波信号発生器１１ｃから供給される参照信号の２倍の周波数を用いて、２ｆ信号を検出する（ステップＳ１６）。濃度計算部１２ｅは、得られる信号と、吸光度が比例する関係などを用いて演算によりガスの濃度を計算する（ステップＳ１７）。
【００４４】
さらに、判断回路１２ｄは、高周波変調を重畳させるか否かを判断する。ｌｎ（Io/I）≦０．０５である場合には（ステップＳ１８のＹＥＳ）、ステップＳ１５の処理に戻り、ステップＳ１５からステップＳ１７の処理を繰り返す。ｌｎ（Io/I）≦０．０５でない場合には（ステップＳ１８のＮＯ）、高周波変調動作を停止する（ステップＳ１９）。
【００４５】
このように実施例１のガス濃度測定装置及びガス濃度測定方法によれば、ガスの吸光度が所定値以下の場合には、高周波変調を重畳させ、ガスの吸光度が所定値を超えた場合には、高周波変調を重畳させないようにしたので、ガスの濃度が変動した場合でも、低濃度から高濃度までの広い範囲でガス濃度を精度良く測定することができる。
【００４６】
なお、本発明のガス濃度測定装置では、ガスの濃度変化が高周波変調動作の有無の判定処理周期に近づくと、光源の動作は高周波変調の有無の２つの動作状態を繰り返したり、判断処理速度より速いガス濃度変化がある場合には、精度の高い測定ができなくなる恐れがある。このため、波長走査の周波数を１００Ｈｚ程度にすることで、例えば大気中のガスや燃焼ガスの濃度測定ではそれほど速い変化はないので、精度良くガスの濃度を測定できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係るガス濃度測定装置は、ガス分析装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１‥光源ユニット、１ａ‥光源素子、１ｂ‥測温素子、１ｃ‥ペルチェ素子、２‥コリメートレンズ、３‥光源ユニットケース、４‥窓材、５‥ガスセル、６‥ガス導入管、７‥ガス排出管、８‥受光素子、９‥信号増幅回路、１０‥受光ユニットケース、１１‥光源制御回路、１１ａ‥光源駆動電流発生器、１１ｂ‥低周波信号発生器、１１ｃ‥高周波信号発生器、１１ｄ‥温度調整器、１１ｅ‥参照信号、１２‥信号処理回路、１２ａ‥検波器、１２ｂ‥Ａ／Ｄ変換器、１２ｃ‥信号処理部、１２ｄ‥判断回路、１２ｅ‥濃度計算部、１３‥取付フランジ、１４‥煙道。
【図１】
2012220250.tif 000003
【図２】
2012220250.tif 000004
【図３】
2012220250.tif 000005
【図４】
2012220250.tif 000006
【図５】
2012220250.tif 000007
【図６】
2012220250.tif 000008
【図７】
2012220250.tif 000009
【図８】
2012220250.tif 000010
【図９】
2012220250.tif 000011
【図１０】
2012220250.tif 000012
【図１１】
2012220250.tif 000013
【図１２】
2012220250.tif 000014