(57)【要約】【課題】計測対象ガスの状態量の測定において、精度を確保するとともに、必要とされる計測器を減らすことにより簡素化を実現する技術を提供する。【解決手段】ガス計測装置１は、光源２、第１受光装置１４、第１位相敏感検波装置１８、Ｒ算出部４２、および第１判定部４３を有している。光源２は、主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を、中心波長を変化させながら発振する。第１受光装置１４は計測対象ガス３０を透過したレーザ光の強度に応じて検出信号Ｉ１を出力する。第１位相敏感検波装置１８は、検出信号Ｉ１から変調周波数ω１を２倍した高調周波数ω２で振動する二次高調波成分を取得する。Ｒ算出部４２は二次高調波成分のピークボトム比Ｒを算出する。第１判定部４３は、圧力とピークボトム比Ｒとの予め定められた関係に基づいて、ピークボトム比Ｒから圧力を判定する。【選択図】図３
2013134239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を、前記中心波長を変化させながら発振する光源と、
計測対象ガスを透過した前記レーザ光の強度に応じて検出信号を出力する検出部と、
前記検出信号から前記変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得する取得部と、
前記特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比を算出する算出部と、
前記計測対象ガスの状態を規定する状態量と前記比との予め定められた関係に基づいて、前記比から前記状態量を判定する判定部と、
を備えるガス計測装置。
【請求項２】
前記計測対象ガスの状態を規定する１または複数の測定可能状態量を測定する測定部をさらに備え、
前記判定部は、前記比および測定された前記１または複数の測定可能状態量を用いて前記状態量を判定する、
請求項１に記載のガス計測装置。
【請求項３】
前記状態量と前記比との前記予め定められた関係は、前記計測対象ガスを基準試料に置き換えた場合に前記状態量と前記比とが満たす関係である、
請求項１または２に記載のガス計測装置。
【請求項４】
前記状態量は、前記計測対象ガスの温度である、
請求項１から３のいずれかに記載のガス計測装置。
【請求項５】
前記状態量は、前記計測対象ガスの圧力である、
請求項１から３のいずれかに記載のガス計測装置。
【請求項６】
前記状態量と前記比との前記予め定められた関係は、前記１または複数の測定可能状態量および前記測定量を含み前記計測対象ガスの状態を規定する状態量群と前記比とが満たす関係である、
請求項２から５のいずれかに記載のガス計測装置。
【請求項７】
前記状態量群は、前記計測対象ガスの温度および圧力を含んでいる、
請求項６に記載のガス計測装置。
【請求項８】
主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を発振する光源と、計測対象ガスを透過した前記レーザ光の強度に応じて信号を出力する検出部と、を有するガス計測装置における前記計測対象ガスの状態量の測定方法であって、
前記中心波長を変化させながら、前記計測対象ガスを透過した前記レーザ光から検出信号を取得することと、
前記検出信号から前記変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得することと、
前記特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比を算出することと、
前記計測対象ガスの状態を規定する状態量と前記比との予め定められた関係に基づいて、前記比から前記状態量を判定することと、を含む、
状態量の測定方法。
【請求項９】
主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を、前記中心波長を変化させながら発振する光源と、
計測対象ガスを透過した前記レーザ光の強度に応じて検出信号を出力する検出部と、
前記検出信号から前記変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得する取得部と、を備えるガス計測装置に用いられるプログラムであって、
前記特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比を算出することと、
前記計測対象ガスの状態を規定する状態量と前記比との予め定められた関係に基づいて、前記比から前記状態量を判定することと、を含む状態量の測定方法をコンピュータに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変レーザ吸収分光法および波長変調分光法を用いたガス計測装置、およびガス計測装置における状態量の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、波長可変レーザ吸収分光法（Tunable Laser Absorption Spectroscopy（TLAS））を用いたガス計測装置が知られている。ＴＬＡＳにおいて用いられるレーザは、駆動電流および温度に応じた波長および強度のレーザ光を発振する。レーザが発振したレーザ光を計測対象ガスに透過させ、透過レーザ光を検出することにより、ガスを計測する。例えば、ガスに含まれる測定対象成分の濃度が測定される。
レーザが発振するレーザ光の強度に対する計測対象ガスを透過したレーザ光の強度の比が透過率Ｔであり、透過率ＴはＴ＝ｅｘｐ（−εｃｌ）で与えられる。ここで、εは測定対象成分のモル吸収係数を示し、ｃは測定対象成分の濃度を示し、ｌは光路長を示している。また、モル吸収係数εは計測対象ガスの温度に依存し、吸収線形は温度、圧力、およびガス内に共存する各成分の分圧に依存することが知られている。モル吸収係数εおよび吸収線形が温度、圧力、およびガス内に共存する各成分の分圧にどのように依存するかと、光路長ｌとが既知であれば、透過率Ｔを実測することにより、測定対象成分の濃度を判定することができる。
【０００３】
ＴＬＡＳを利用してガスを計測するために、波長変調分光法（Wavelength Modulation Spectroscopy（WMS））が用いられることがある。ＷＭＳでは、レーザの駆動電流あるいは温度を変化させて、波長および強度が変調されたレーザ光を発振させる。変調されたレーザ光を計測対象ガスに透過させ、透過レーザ光が検出される。検出されたレーザ光に基づいて検出信号が生成される。さらに、検出信号中の特定成分が位相敏感検波され、検波された特定成分を用いて、測定対象成分の濃度が測定される（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
また、特許文献１に記載のガス濃度測定方法においては、基本波検波信号および２倍波検波信号に基づいて、吸収係数αの半値幅２γが検出される。そして、検出された半値幅２γの値、および半値幅２γと雰囲気の全圧との既知の関係を用いて、雰囲気の全圧が決定される。一方で、特許文献３には、透過レーザ光のスペクトルを用いて温度および圧力を測定する技術が開示されている。特許文献２に記載の技術では、透過レーザ光のスペクトルの半値幅が検出され、検出された半値幅を用いて圧力が判定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７０３８３５号公報
【特許文献２】特許第４４６７６７４号公報
【特許文献３】特許第４１９９７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、計測対象ガスにおいて測定対象成分の濃度を測定するためには、計測対象ガスの温度、圧力、およびガス内に共存する各成分の分圧などの状態量を測定する必要がある。しかしながら、熱電対、圧力計などの計測器は消耗品であり、交換が必要となるので、計測器を用いずに状態量が測定できれば有利である。また、熱電対、圧力計などの計測器では正確な計測を行うことが難しい場合には、計測器を用いない測定が必要とされる。このような場合の例としては、微小サンプルを計測する場合、および高温、高圧、腐食環境において計測を行う場合が挙げられる。また、測定対象となる状態量が多種類の場合に、それらの状態量の全てについて専用の計測器を設けることが困難な場合も考えられる。
【０００６】
特許文献１および特許文献３に記載された方法では、専用の計測器を用いずに状態量が測定されている。しかしながら、いずれの方法も半値幅の検出を伴っている。ここで、半値幅を検出するためには、スペクトルの極大および極小が現れる波長範囲の全域において、波長を掃引する必要がある。このとき、掃引範囲が大きくなると、半値幅を短時間で検出できない場合がある。また、駆動電流とレーザ光の波長との関係は一般に線形ではないので、駆動電流を変化させるとレーザ光の波長が予想外に大きく変化することがある。つまり、レーザ光の波長を精度良く制御できない場合がある。その結果、半値幅の検出において精度が低下する可能性がある。
【０００７】
ここに開示される技術は、上記の問題点を考慮して生み出されたものであり、計測対象ガスの状態量の測定において、精度を確保するとともに、必要とされる計測器を減らすことにより簡素化を実現する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の特徴に係るガス計測装置は、光源と、検出部と、取得部と、算出部と、判定部と、を有する。光源は、主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を、中心波長を変化させながら発振する。検出部は、計測対象ガスを透過したレーザ光の強度に応じて検出信号を出力する。取得部は、検出信号から変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得する。算出部は、特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比を算出する。判定部は、計測対象ガスの状態を規定する状態量と比との予め定められた関係に基づいて、比から状態量を判定する。
第２の特徴に係る測定方法は、主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を発振する光源と、計測対象ガスを透過したレーザ光の強度に応じて信号を出力する検出部と、を有するガス計測装置における計測対象ガスの状態量の測定方法である。この方法は、中心波長を変化させながら、計測対象ガスを透過したレーザ光から検出信号を取得することを含む。また、この方法は、検出信号から変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得することを含む。また、この方法は、特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比を算出することを含む。そして、この方法は、計測対象ガスの状態を規定する状態量と比との予め定められた関係に基づいて、比から状態量を判定することを含む。
【０００９】
第３の特徴に係るプログラムは、光源と、検出部と、取得部と、を備えるガス計測装置に用いられるプログラムである。光源は、主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を、中心波長を変化させながら発振する。検出部は、計測対象ガスを透過したレーザ光の強度に応じて検出信号を出力する。取得部は、検出信号から変調電流の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得する。このプログラムは、特定の周波数成分の極小値の大きさと特定の周波数成分の極大値の大きさとの比を算出することと、計測対象ガスの状態を規定する状態量と比との予め定められた関係に基づいて、比から状態量を判定することと、を含む状態量の測定方法をコンピュータに実行させる。
ここで、第１の特徴に係るガス計測装置、第２の特徴に係る測定方法、および第３の特徴に係るプログラムにおいて、主電流とは、変調電流の１周期が経過する間、強度が概ね一定に保たれる電流である。
【００１０】
この測定方法では、特定の周波数成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比から状態量が判定される。これにより、波長値を用いた半値幅のような値から状態量が判定される場合に比べて、状態量の測定における精度を高めることが容易となる。そして、専用の計測器を用いずに、状態量と比との予め定められた関係に基づいて状態量が判定される。
【発明の効果】
【００１１】
その結果、状態量の測定における精度を確保できる。また、状態量を測定するための装置を省略することが可能となるので、状態量の測定が簡素化される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ガス計測装置１の構成図。
【図２】コンピュータ４０の機能部を示した図。
【図３】ガス計測装置１における計測のフローチャート。
【図４】（Ａ）二次高調波成分の一例を示した図、（Ｂ）吸収線の一例を示した図。
【図５】（Ａ）水における圧力とピークボトム比Ｒとの関係を示した図（波長変調幅が０．１５ｎｍの場合）、（Ｂ）水における温度とピークボトム比Ｒとの関係を示した図。
【図６】温度、圧力、およびピークボトム比Ｒの間の予め定められた関係を示した図。
【図７】水における圧力と二次高調波成分の強度（比値）との関係を示した図（波長変調幅が０．１５ｎｍの場合）。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
〔１．１：全体構成〕
図１を用いて実施形態に係るガス計測装置１について説明する。図１は、ガス計測装置１の構成図である。
ガス計測装置１は、光源２と、倍周器１０と、第１受光装置１４と、信号処理装置１６と、第１位相敏感検波装置１８と、温度調整器２０と、測定装置２２と、波形発生部２４と、コンピュータ４０と、を有している。また、波形発生部２４は、定電流発生装置４と、第１波形発生器６と、第２波形発生器８と、波形混合器１２と、を有している。
【００１４】
光源２は、駆動電流に応じた波長および強度のレーザ光を発振する装置である。光源２に入力される駆動電流には、定電流、ランプ波、および変調電流が含まれる。なお、駆動電流は、定電流、ランプ波、および変調電流の全てを含んでいなくてもよい。例えば、計測対象ガス３０の濃度測定においては、駆動電流は定電流および変調電流のみを含んでいる場合がある。
本実施形態では、光源２は半導体レーザである。半導体レーザにおいては、駆動電流の強度と発振されるレーザ光の波長との関係は、半導体レーザ素子の特性に依存する。通常、駆動電流の強度と波長との関係は線形ではない。また、半導体レーザ素子の特性は個々に異なっており、一般に、同じ値の電流が２つの異なる半導体レーザに入力された場合には、２つのレーザが発振するレーザ光の波長は同じにはならない。そして、半導体レーザ素子は入力された電流の累積量に応じて劣化するため、半導体レーザを使用することにより、電流に対する波長変化率が徐々に変化する。
【００１５】
光源２が発振するレーザ光は、主電流に応じた中心波長を有する。つまり、主電流が定まると、光源２が発振するレーザ光の中心波長が定まる。主電流は、変調電流に比べて長い周期で強度が変化する、あるいは強度が概ね一定の電流である。別の表現では、主電流は、変調電流の１周期が経過する間、強度が概ね一定に保たれる電流である。本実施形態では、主電流は定電流およびランプ波を重畳することにより得られる。また、光源２が発振するレーザ光は、変調電流に応じて変調している。また、主電流にランプ波が混合されることにより、光源２は中心波長を変化させながらレーザ光を発振することができる。
定電流発生装置４は、光源２に入力するための定電流を発生する。
第１波形発生器６は、光源２に入力するためのランプ波を発生する。第１波形発生器６の生成するランプ波の強度は、傾斜状の増加とベースレベルへの復帰とを周期的に繰り返す。
【００１６】
第２波形発生器８は、光源２に入力される変調電流を発生する。変調電流は、変調周波数ω１（変調電流の周波数の一例）で振動する。変調電流は一定の振幅を有しており、振幅の大きさは変調電流の強度を表している。また、第２波形発生器８は、変調周波数ω１で振動する変調信号Ｓ１を出力する。変調周波数ω１は、ランプ波の周波数よりも大きい。これにより、変調電流の１周期の間は、ランプ波の強度を一定とみなすことができる。
倍周器１０は、第２波形発生器８から入力された変調信号Ｓ１に基づいて、変調周波数ω１を２倍した高調周波数ω２で振動する信号Ｓ２を生成する。
波形混合器１２は、定電流発生装置４の出力する定電流と、第１波形発生器６の出力するランプ波と、第２波形発生器８の出力する変調電流と、を混合し、駆動電流を生成する。
【００１７】
第１受光装置１４（検出部の一例）は、光源２の発振するレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じて検出信号Ｉ１（検出信号の一例）を出力する。第１受光装置１４には、計測対象ガス３０または基準試料（後述）を透過したレーザ光が入射する。本実施形態では、第１受光装置１４はフォトダイオードである。
信号処理装置１６は、第１受光装置１４の出力する検出信号Ｉ１に処理を施す装置である。信号処理装置１６は、ローパスフィルタ１６ａを有している。ローパスフィルタ１６ａは、第１受光装置１４から入力された検出信号Ｉ１の直流成分を抽出する。そして、信号処理装置１６は、ローパスフィルタ１６ａの抽出した直流成分の強度を表す信号Ｉ２を出力する。
【００１８】
第１位相敏感検波装置１８は、第１受光装置１４の出力する検出信号Ｉ１から、高調周波数ω２で振動する二次高調波成分（特定の周波数成分の一例）を取得する装置である。第１位相敏感検波装置１８は、ロックインアンプ１８ａと、ローパスフィルタ１８ｂと、を有している。ロックインアンプ１８ａは、二次高調波成分を位相敏感検波する。具体的には、第１位相敏感検波装置１８は、第１受光装置１４から入力された検出信号Ｉ１から高調周波数ω２で振動する成分を検出し、その成分に比例した直流信号を生成する。ロックインアンプ１８ａには、高調周波数ω２で振動する信号Ｓ２が倍周器１０から入力されており、信号Ｓ２を用いて位相敏感検波する。ローパスフィルタ１８ｂは、ロックインアンプ１８ａの出力する信号から、直流成分を抽出する。そして、第１位相敏感検波装置１８は、ローパスフィルタ１８ｂの抽出した直流成分を表す二次高調波信号Ｉ３を出力する。
【００１９】
温度調整器２０は、光源２の温度を調節する。光源２の発振するレーザ光の波長は半導体レーザ素子の温度に依存するので、温度調整器２０によりレーザ光の波長を制御することができる。
測定装置２２（測定部の一例）は、計測対象ガス３０の状態量を測定する。計測対象ガス３０の状態量には、温度、圧力、および計測対象ガス３０に含まれる各成分の分圧が含まれる。測定装置２２は、測定された状態量を示す信号Ｓ３を生成する。本実施形態では、測定装置２２は計測対象ガス３０の温度を測定するので、信号Ｓ３は計測対象ガス３０の温度を表している。
コンピュータ４０は、ガス計測装置１に含まれる各装置の出力する信号を処理する。コンピュータ４０は、ガス計測装置１の制御装置の一例である。コンピュータ４０には、信号処理装置１６の出力する信号Ｉ２、第１位相敏感検波装置１８の出力する二次高調波信号Ｉ３、および測定装置２２の出力する信号Ｓ３が入力される。また、コンピュータ４０は、波形発生部２４を制御する。具体的には、コンピュータ４０は、定電流発生装置４、第１波形発生器６、第２波形発生器８、および波形混合器１２との間で信号を送受信可能であり、これらの装置を制御する。
【００２０】
〔１．２：コンピュータ〕
次に、図２を用いて、コンピュータ４０をさらに説明する。図２は、コンピュータ４０の機能部を示している。
コンピュータ４０は、図示しないＣＰＵ（Central Processor Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、およびＲＡＭ（Random Access Memory）を有している。ＣＰＵがＲＯＭに記録されたプログラムを実行することにより、プログラムに応じた演算処理が実行される。以下に説明する機能部は、プログラムに基づいた演算処理により実現される。
コンピュータ４０は、レコーダ４１と、Ｒ算出部４２と、第１判定部４３と、第２判定部４４と、濃度測定部４５と、メモリ部４６と、を有している。また、コンピュータ４０は、ハードウェアにより実現される記録媒体読取部４７を有している。記録媒体読取部４７は、記録媒体５０を装着可能であり、記録媒体５０に情報を記録する機能および記録媒体５０から情報を読み取る機能を有している。記録媒体５０は、コンピュータ４０から取り外し可能であり、プログラムおよびデータを記録可能である。また、コンピュータ４０には、表示装置６０と、入力装置７０と、が接続されている。
【００２１】
レコーダ４１は、二次高調波成分の値を記録する。レコーダ４１には、第１位相敏感検波装置１８の出力する二次高調波信号Ｉ３が入力される。レコーダ４１は、二次高調波信号Ｉ３に基づいて二次高調波成分の値を決定する。
また、レコーダ４１は、検出信号Ｉ１の直流成分の値を記録する。レコーダ４１には、信号処理装置１６の出力する信号Ｉ２が入力される。レコーダ４１は、信号Ｉ２に基づいて検出信号Ｉ１の直流成分の値を決定する。
Ｒ算出部４２（算出部の一例）は、レコーダ４１に記録された二次高調波成分の値を読み出し、ピークボトム比Ｒを算出する。ピークボトム比Ｒについては後述する。
【００２２】
第１判定部４３（判定部の一例）は、圧力とピークボトム比Ｒとの予め定められた関係に基づいて、ピークボトム比Ｒから圧力を判定する。より詳細には、第１判定部４３は、計測対象ガス３０の状態を規定する状態量群とピークボトム比Ｒとの予め定められた関係に基づいて、計測対象ガス３０の圧力を判定する。本実施形態では、状態量群は、温度および圧力により構成される。第１判定部４３の動作については後述する。
第２判定部４４は、計測対象ガス３０の状態を規定する状態量群のうち、圧力以外の状態量、つまり温度を判定する。第２判定部４４には、測定装置２２の出力する信号Ｓ３が入力される。第２判定部４４は、信号Ｓ３に基づいて計測対象ガス３０の温度を判定する。したがって、測定装置２２が測定する状態量は、計測対象ガス３０の状態を規定する状態量群のうち、第１判定部４３により測定される状態量以外の状態量である。
【００２３】
濃度測定部４５は、信号処理装置１６から出力される信号Ｉ２、第１位相敏感検波装置１８から出力される二次高調波信号Ｉ３、第１判定部４３により判定された圧力、および測定装置２２により測定された温度に基づいて、計測対象ガス３０における標的成分の濃度を判定する。
メモリ部４６は、ガス計測装置１の動作に必要な情報を保持している。メモリ部４６には、標的成分におけるピークボトム比Ｒ、圧力、および温度の間の関係が予め記録されている。また、メモリ部４６には、標的成分の吸収係数、圧力、および温度の間の関係が予め記録されている。本実施形態では、メモリ部４６はＲＯＭにより実現されている。
【００２４】
表示装置６０は、ガス計測装置１の状態およびガス計測装置１の操作に必要な情報を視覚情報として表示する。
入力装置７０は、ガス計測装置１の操作に必要な情報を入力するために用いられる。本実施形態では入力装置７０はキーボードであるが、操作を入力できる装置であればよいので、タッチパネルなどの他の装置であっても構わない。
【００２５】
〔１．３：圧力および濃度の測定方法〕
次に、図３を用いて、ガス計測装置１における圧力（状態量の一例）の測定方法について説明する。図３は計測対象ガス３０の濃度の測定方法を示しており、圧力測定のフローはステップＳ１０１〜Ｓ１０７である。
【００２６】
ステップＳ１０１では、掃引が開始される。具体的には、第１波形発生器６から出力されたランプ波が最小値（つまり、ベースレベルの強度値）から増加を開始する。これにより、主電流の強度は変調電流の変化に比べてゆっくりと変化する。主電流および変調電流を含んだ駆動電流は光源２に入力され、光源２は駆動電流に応じてレーザ光を発振する。光源２から出射したレーザ光は、計測対象ガス３０に入射する。計測対象ガス３０を透過したレーザ光は、第１受光装置１４に入射する。
ステップＳ１０２では、第１受光装置１４により、検出信号Ｉ１が取得される。そして、検出信号Ｉ１は、信号処理装置１６および第１位相敏感検波装置１８に入力される。信号処理装置１６では、検出信号Ｉ１の直流成分を表す信号Ｉ２が取得される。
ステップＳ１０３では、第１位相敏感検波装置１８により、検出信号Ｉ１から二次高調波信号Ｉ３が取得される。二次高調波信号Ｉ３は、コンピュータ４０のレコーダ４１に入力される。そして、レコーダ４１により、二次高調波成分が記録される。
ステップＳ１０４では、ランプ波による掃引が終了したかどうかが判定される。掃引はランプ波の１周期が経過することにより終了する。掃引の開始時点ではランプ波の大きさは最小であり、掃引の終了時点ではランプ波の大きさは最大である。掃引が終了した場合には、フローはステップＳ１０５に進む。掃引が途中の場合には、フローはステップＳ１０２に戻る。このように、一回の掃引の間に、二次高調波成分の取得が複数回実行される。つまり、掃引により、二次高調波成分の値の列が取得される。本実施形態では、二次高調波成分を取得するタイミングはコンピュータ４０により制御されている。
【００２７】
図４（Ａ）は、二次高調波成分の一例を示している。二次高調波成分のグラフの形状に影響し得る因子には、計測対象ガス３０の温度、圧力、共存ガスの分圧、ならびにレーザ光の波長変調幅がある。他の高調波成分および基本周波数成分についても同様である。ここで、レーザ光の波長変調幅は、変調電流の強度に依存しており、変調電流の強度を定めることにより、レーザ光の波長変調幅が定まる。波長変調幅は事前に所定の値に調整されている。
二次高調波成分のグラフの形状は、計測対象ガス３０の吸収線の形状を反映している。図４（Ｂ）は吸収線の一例を示している。圧力の影響が支配的である場合の吸収線の形状はローレンツ関数型を示し、ガス粒子の速度に起因するドップラー効果が支配的である場合の吸収線の形状はガウス関数型を示すことが知られている。そして、吸収線の形状は、半値幅２γにより特徴付けられる。
【００２８】
半値幅２γは、ドップラー効果に起因するドップラー幅および圧力の影響に起因する圧力幅に依存する。標的成分のドップラー幅αＤは、次の式（１）により表される。
【数１】
2013134239.tif 000003
ここで、Ｔは温度、Ｍは標的成分の分子量、ν０は吸収の中心波数を表している。中心波数ν０は、吸収線のピークが得られるピーク波長λ０の逆数である。一方で、標的成分の圧力幅αＰは、次の式（２）により表される。
【数２】
2013134239.tif 000004
ここで、γｉは共存ガスＧｉに固有の定数であり、Ｐｉは共存ガスＧｉの分圧を表している。また、なお、標的成分も共存ガスのひとつであり、αＰには標的成分自身の寄与も加算されている。このように、吸収線の形状は計測対象ガス３０の圧力、温度、および共存ガスの分圧に依存する。
【００２９】
ステップＳ１０５では、Ｒ算出部４２により、ピークボトム比Ｒが算出される。ピークボトム比Ｒは、二次高調波成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比である。図４（Ａ）には、二次高調波成分における極大および極小が示されている。二次高調波成分の極大値の大きさは、ベースラインとベースラインの正側にあるピークとの距離Ｐである。また、二次高調波成分の極小値の大きさは、ベースラインとベースラインの負側にあるピークとの距離Ｎである。そして、ピークボトム比ＲはＰ／Ｎにより算出される。なお、基本周波数成分および三次以上の高調波成分についても同様に極大値および極小値の大きさを特定することができる。また、二次高調波成分の強度を、距離Ｐおよび距離Ｎの和であるＰ＋Ｎ値により表すことができる。
ステップＳ１０６では、測定装置２２により、計測対象ガス３０の温度（測定可能状態量の一例）が測定される。測定装置２２から出力された信号Ｓ３は、コンピュータ４０の第２判定部４４に入力される。第２判定部４４は、信号Ｓ３に基づいて計測対象ガス３０の温度を判定する。
【００３０】
ステップＳ１０７では、第１判定部４３により、計測対象ガス３０の圧力が測定される。第１判定部４３は、ピークボトム比Ｒと計測対象ガス３０の温度および圧力との予め定められた関係に基づいて、計測対象ガス３０の圧力を判定する。
ここで、図５（Ａ）〜図６を用いて、ピークボトム比Ｒ、圧力、および温度の間の関係について説明する。
図５（Ａ）は、水を標的成分として、計測対象ガス３０の温度、共存ガスの比率、および波長変調幅が一定に保たれた条件において、圧力を変化させながら二次高調波成分のピークボトム比Ｒを計測した結果を示している。図５（Ａ）に示されるように、圧力が変化するとピークボトム比Ｒが変化する。また、図示された圧力範囲では、圧力とピークボトム比Ｒとは、一対一に対応している。したがって、計測対象ガス３０の温度、共存ガスの比率、および波長変調幅が一定に保たれた条件において、ピークボトム比Ｒを計測すれば、図５（Ａ）に示す関係を用いて、計測対象ガス３０の圧力を判定できる。
【００３１】
一方で、図５（Ｂ）は、水を標的成分として、計測対象ガス３０の圧力、共存ガスの比率、および波長変調幅が一定に保たれた条件において、温度を変化させながら二次高調波成分のピークボトム比Ｒを計測した結果を示している。図５（Ｂ）に示されるように、温度が変化するとピークボトム比Ｒが変化する。また、図示された温度範囲では、温度とピークボトム比Ｒとは、一対一に対応している。したがって、計測対象ガス３０の圧力、共存ガスの比率、および波長変調幅が一定に保たれた条件において、ピークボトム比Ｒを計測すれば、図５（Ｂ）に示す関係を用いて、計測対象ガス３０の温度を判定することができる。
【００３２】
図６は、ピークボトム比Ｒ、温度、および圧力の間の予め定められた関係を示した図である。図６において、Ｔｋ（ｋは添え字であり、正整数）は温度値を表しており、Ｑｌ（ｌは添え字であり、正整数）は圧力値を表している。また、Ｒｋｌはピークボトム比Ｒの値を表している。図６に示された関係によれば、計測対象ガス３０の温度がＴｋかつ圧力がＱｌである場合に、水（つまり、標的成分）の二次高調波成分におけるピークボトム比はＲｋｌである。例えば、測定装置２２の測定により得られた温度がＴ３であり、二次高調波成分から算出されたピークボトム比Ｒの値がＲ２３である場合には、計測対象ガス３０の圧力はＱ２であると判定される。なお、測定装置２２の測定により得られた温度が図６のＴｋのいずれとも完全には一致しない場合、および算出されたピークボトム比Ｒが図６のＲｋｌのいずれとも完全には一致しない場合がある。この場合には、補間によって圧力値が導出される。
【００３３】
図６に示された関係（予め定められた関係の一例）は、基準試料を計測することにより予め取得され、データとしてメモリ部４６に記録されている。基準試料は、標的成分を組成に有する試料である。本実施形態では、基準試料は校正用ガスであり、標的成分を含有している。波長変調幅を一定に保ちつつ、基準試料の圧力および温度を変化させながら、二次高調波成分のピークボトム比Ｒが計測される。そして、計測されたピークボトム比Ｒが、計測時の温度および圧力と関連付けられた状態で記録される。したがって、図６に示された関係は、計測対象ガス３０を基準試料に置き換えた場合に、圧力および温度とピークボトム比Ｒとが満たす関係である。ここで、計測対象ガス３０のピークボトム比Ｒを計測する際の波長変調幅を、基準試料のピークボトム比Ｒを計測した際の波長変調幅に一致させておく必要がある。
【００３４】
なお、基準試料の組成は、計測対象ガス３０の組成に合わせて調整されている。基準試料は、計測対象ガス３０に含まれると考えられる成分のうち、標的成分の吸収線に影響を及ぼす可能性のある成分を含んでいる。そして、基準試料において、標的成分の吸収線に影響を及ぼす可能性のある成分の比率は、計測対象ガス３０におけるそれらの成分の比率と概ね等しくなるように調整されている。これにより、計測対象ガス３０と基準試料とを比較した場合に、標的成分の吸収線に影響を及ぼす可能性のある成分の比率が若干異なっていても、基準試料において決定されたピークボトム比Ｒと温度と圧力との関係を、計測対象ガス３０に適用することができる。
図６に示した例では、計測対象ガス３０内の大部分を特定の共存ガス（例えば、窒素ガス）が占めており、その特定の共存ガス以外の共存ガスが吸収線に与える影響は、本実施形態に係る状態量の測定が可能である程度に小さい。このことは、温度および圧力の測定は計測対象ガス３０における水（つまり、標的成分）の濃度にほとんど依存せずに実施可能である。したがって、水の濃度が未知であっても、図６に示した関係を用いて、計測対象ガス３０の圧力または温度を判定することができる。ここで、ある共存ガス成分の「吸収線に与える影響が本実施形態に係る状態量の測定が可能である程度に小さい」とは、その共存ガスの影響度が小さいことを意味している。影響度の大小は、各共存ガスの分圧と、共存ガスに固有の定数（前述のγｉ）により評価できる。
【００３５】
まとめると、ステップＳ１０７では、Ｒ算出部４２により算出されたピークボトム比Ｒ、および測定装置２２により測定された温度が、第１判定部４３に入力される。第１判定部４３は、入力された温度およびピークボトム比Ｒを用いて、メモリ部４６に記録されたデータを参照することにより、温度および圧力とピークボトム比Ｒとの予め定められた関係に基づいて、ピークボトム比Ｒから計測対象ガス３０の圧力を判定する。
ステップＳ１０８では、濃度測定部４５により、計測対象ガス３０における標的成分の濃度が測定される。濃度測定部４５は、二次高調波成分のＰ＋Ｎ値、および検出信号Ｉ１の直流成分のピーク強度を用いて、濃度を判定する。
【００３６】
二次高調波成分の強度、すなわちＰ＋Ｎ値は、計測対象ガス３０の圧力および温度に依存する。図７は、水を標的成分として、計測対象ガス３０の温度、共存ガスの比率、および波長変調幅が一定に保たれた条件において、圧力を変化させながら二次高調波成分の強度を計測した結果を示している。図７に示す結果は、図５（Ａ）に示す結果と対応している。図７において、二次高調波成分の強度は、圧力が１０５ｋＰａの場合の強度を１として表示されている。図７に示されるように、水の二次高調波成分の強度は圧力が増加するにつれて減少する。圧力の増加により吸収線の半値幅は広がるのに対して、波長変調幅が一定であることが、強度が減少する主な理由である。ここでは二次高調波成分の強度が圧力に依存することのみを例により示したが、一般に、高調波成分の強度は圧力だけでなく温度にも依存する。
したがって、二次高調波成分の強度を用いて標的成分の濃度を測定するためには、二次高調波成分の強度を圧力および温度に応じて補正する必要がある。補正に必要な情報は、標的成分に関して予め取得され、データとしてメモリ部４６に記録されている。ステップＳ１０８では、濃度測定部４５は、メモリ部４６に記録されたデータを参照し、計測対象ガス３０の圧力および温度に応じて二次高調波成分のＰ＋Ｎ値を補正する。そして、濃度測定部４５は、二次高調波信号の補正後のＰ＋Ｎ値に基づいて、標的成分（本実施形態では、水）の濃度を判定する。
【００３７】
〔１．４：実施形態の作用効果〕
上記実施形態は、下記のように表現可能である。
（１）
上記実施形態に係るガス計測装置１は、光源２と、第１受光装置１４と、第１位相敏感検波装置１８と、Ｒ算出部４２と、第１判定部４３と、を有している。光源２は、主電流に応じた中心波長を有するとともに変調電流に応じて変調したレーザ光を、中心波長を変化させながら発振する。第１受光装置１４は、計測対象ガス３０を透過したレーザ光の強度に応じて検出信号Ｉ１を出力する。第１位相敏感検波装置１８は、検出信号Ｉ１から変調周波数ω１を２倍した高調周波数ω２で振動する二次高調波成分を取得する。Ｒ算出部４２は、二次高調波成分のピークボトム比Ｒを算出する。第１判定部４３は、圧力とピークボトム比Ｒとの予め定められた関係に基づいて、ピークボトム比Ｒから圧力を判定する。
【００３８】
ここで、主電流とは、変調電流の１周期が経過する間、強度が概ね一定に保たれる電流である。
このガス計測装置１では、二次高調波成分の極小値の大きさと極大値の大きさとの比であるピークボトム比Ｒから圧力が判定される。これにより、波長値を用いた半値幅のような値から圧力が判定される場合に比べて、圧力測定における精度を高めることが容易となる。そして、専用の計測器を用いずに、圧力とピークボトム比Ｒとの予め定められた関係に基づいて圧力が判定される。これにより、圧力を測定するための装置を省略することが可能となるので、圧力の測定が簡素化される。その結果、コストの削減が可能となる。
【００３９】
（２）
ガス計測装置１は、計測対象ガス３０の状態を規定する温度を測定する測定装置２２をさらに備えている。そして、第１判定部４３は、ピークボトム比および測定された温度を用いて圧力を判定する。これにより、ガス計測装置１によれば、測定する状態量が複数である場合に、使用する測定器の個数を減らすことができる。
【００４０】
（３）
また、圧力とピークボトム比Ｒとの予め定められた関係は、計測対象ガス３０を基準試料に置き換えた場合に圧力とピークボトム比Ｒとが満たす関係であるので、校正用ガスを基準試料として用いることができる。これにより、特別な試料を用意する必要なく、圧力とピークボトム比Ｒとの関係を予め調べることができる。
【００４１】
〔２：他の実施形態〕
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態および変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
（Ａ）
前述の実施形態では、測定装置２２により温度が測定され、第１判定部４３により圧力が測定されていた。しかしながら、測定装置２２により温度以外の状態量が測定されてもよく、また、第１判定部４３により、圧力以外の状態量が測定されてもよい。
例えば、測定装置２２により圧力（測定可能状態量の一例）が測定され、第１判定部４３により温度（状態量の一例）が測定されてもよい。この場合には、Ｒ算出部４２により算出されたピークボトム比Ｒ、および測定装置２２により測定された圧力が、第１判定部４３に入力される。第１判定部４３は、温度とピークボトム比Ｒとの予め定められた関係に基づいて、ピークボトム比Ｒから温度を判定する。より詳細には、第１判定部４３は、入力された圧力およびピークボトム比Ｒを用いて、メモリ部４６に記録されたデータを参照することにより、ピークボトム比Ｒと温度および圧力との予め定められた関係に基づいて、計測対象ガス３０の温度を判定する。前述の実施形態と同様に、図６に示されたデータがメモリ部４６に記録されており、予め定められた関係として用いられる。
【００４２】
また、第１判定部４３により、計測対象ガス３０に含まれる共存ガスの分圧（状態量の一例）が測定されてもよい。この場合には、分圧測定の対象である成分の分圧を除く全ての状態量（測定可能状態量の一例）が測定装置２２またはそれ以外の手段により測定される。また、事前に、基準試料を用意し、基準試料の圧力、温度、および共存ガスの分圧を変化させながら、ピークボトム比Ｒを計測しておく。ここで、基準試料に含まれる共存ガスの種類は、計測対象ガス３０に含まれ標的成分の吸収線に影響を及ぼす可能性のある共存ガスの種類と一致している必要がある。事前に計測されたピークボトム比Ｒの情報は、計測時の温度、圧力、および共存ガスの分圧（状態量群の一例）と関連付けられた状態で、メモリ部４６に記録される。共存ガスの分圧を測定する際には、第１判定部４３は、測定装置２２またはそれ以外の手段により測定された状態量、およびＲ算出部４２により算出されたピークボトム比Ｒを用いて、メモリ部４６のデータを参照しながら、特定の共存ガスの分圧を判定する。
【００４３】
このように、ここに開示された方法を用いて、標的成分の吸収線に影響を及ぼす可能性のある共存ガスの分圧を測定することができる。さらに、以上に説明した、圧力、温度、および共存ガスの分圧以外であっても、標的成分の吸収線に影響を及ぼす可能性のある状態量を、ここに開示された方法を用いて測定してもよい。
（Ｂ）
前述の実施形態においてはＷＭＳにより二次高調波成分が取得されていたが、検出信号Ｉ１から取得される周波数成分は、変調周波数ω１で振動する基本周波数成分（特定の周波数成分の一例）または三次以上の高調波成分（特定の周波数成分の一例）であってもよい。周波数成分の次数が２ではない場合には、得られるスペクトルにおける極小値および極大値の個数は二次の場合と異なっている。この場合には、それら複数の極値のうち、任意の２個以上を選び出し、それらの間の比を指標量として用いることにより、状態量の測定を行うことができる。
【００４４】
また、前述の実施形態では、二次高調波成分における２つの極小値のうち、一方の極小値の値を用いてピークボトム比Ｒが算出されていた。しかしながら、ピークボトム比Ｒの算出においては、２つの極小値の平均値が用いられてもよい。
（Ｃ）
前述の実施形態では、状態量の測定に用いられ二次高調波成分の振る舞いを特徴付ける指標量として、ピークボトム比Ｒが採用されていた。しかしながら、状態量の測定に用いられる指標量は、ピークボトム比Ｒ以外の量であってもよい。
例えば、以下に説明する実施形態を装置、方法、またはプログラムにより実現することができる。
ここに説明する実施形態では、レコーダ４１は、レーザ光の中心波長の値と、二次高調波成分の値と、を互いに関連付けられた状態で記録する。レコーダ４１には、波形混合器１２の出力する信号であって主電流を表す主電流信号と、第１位相敏感検波装置１８の出力する二次高調波信号Ｉ３と、が入力される。レコーダ４１は、主電流信号に基づいてレーザ光の中心波長の値を決定し、二次高調波信号Ｉ３に基づいて二次高調波成分の値を決定する。そして、レコーダ４１は、中心波長および二次高調波成分の値をそれぞれＸ値およびＹ値として記録する。
また、レコーダ４１は、レーザ光の中心波長の値と、検出信号Ｉ１の直流成分の値と、を互いに関連付けられた状態で記録する。
本項の実施形態では、前述のステップＳ１０１において、波形混合器１２から出力された主電流信号は、コンピュータ４０のレコーダ４１に入力される。主電流信号は、レコーダ４１により、中心波長に変換され記録される。
また、前述のステップＳ１０３では、レコーダ４１により、二次高調波成分は中心波長と関連付けられた状態で記録される。
また、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４における掃引により、中心波長をＸ値、二次高調波成分をＹ値とするグラフの作成が可能となる。図４（Ａ）は、Ｘ値を中心波長、Ｙ値を水の二次高調波成分とした場合のグラフを示している。これらの二次高調波成分グラフは、中心波長と二次高調波成分との関係を表している。
本項の実施形態において、状態量の測定に用いられる指標量は、ピークボトム比Ｒでなくてもよい。例えば、指標量は、中心波長をＸ値、高調波成分をＹ値とするＸ−Ｙグラフ上における面積を用いて決定される量でもよい。具体的には、Ｘ−Ｙグラフ上における、高調波成分とベースラインとの間の領域の面積を用いることができる。より詳細には、高調波成分とベースラインとの間の領域のうち極小値の含まれる領域の面積をＡＮ、極大値の含まれる領域をＡＰとした場合に、指標量は比ＡＰ／ＡＮであってもよい（図４（Ａ）参照）。つまり、比ＡＰ／ＡＮと状態量との関係を予め取得しておき、比ＡＰ／ＡＮの値を計測することにより、比ＡＰ／ＡＮと状態量との関係を用いて状態量が測定される。
【００４５】
なお、本項の実施形態の説明において、中心波長は主電流信号から導出されるとしていた。しかしながら、前述の通り、光源２に入力される駆動電流と発振されるレーザ光の波長との関係は、半導体レーザ素子の特性に依存する。そして、本項で説明した実施形態において導出される中心波長は、主電流信号に基づいて算出された概算値である。つまり、二次高調波成分をＹ値とするＸ−Ｙグラフにおいて、中心波長の値が正確に特定される必要はなく、Ｘ値は中心波長の値でなくてもよい。Ｘ−ＹグラフのＸ値は、光源２に入力される主入力の大きさを表す値であればよい。
ここで、主入力とは、光源２に入力される信号であって、変調信号の１周期が経過する間、強度が概ね一定に保たれる信号である。主入力の一例としては、前述の主電流信号が挙げられる。したがって、Ｘ−ＹグラフのＸ値に主電流の大きさを用いることができる。
また、時間に対するランプ波強度の増加割合が既知であれば、掃引開始からの経過時間から、主電流の大きさを見積もることができる。つまり、第１位相敏感検波装置１８により二次高調波成分を取得したタイミングが分かれば、主電流信号を用いずに、主電流の大きさを見積もることができる。このことから、Ｘ−ＹグラフのＸ値に時間を用いることも可能である。例えば、第１位相敏感検波装置１８による二次高調波成分の取得が一定の時間間隔で実行されるように、第１位相敏感検波装置１８およびレコーダ４１が制御されてもよい。これにより、Ｘ−ＹグラフにおけるＸ値は時間となる。この場合、Ｘ値は時間であるが、主入力である主電流信号に対応している。
以上により、本項に記載の実施形態に係るガス計測装置は、次のように表現することができる。ガス計測装置は、光源と、検出部と、取得部と、算出部と、判定部と、を有する。光源は、主入力に応じた中心波長を有するとともに変調信号に応じて変調したレーザ光を、中心波長を変化させながら発振する。検出部は、計測対象ガスを透過したレーザ光の強度に応じて検出信号を出力する。取得部は、検出信号から変調信号の周波数を正の整数倍した周波数で振動する特定の周波数成分を取得する。算出部は、特定の周波数成分の値を用いて、主入力と特定の周波数成分との関係を表す指標量を算出する。判定部は、計測対象ガスの状態を規定する状態量と指標量との予め定められた関係に基づいて、指標量から状態量を判定する。
ここで、変調電流は、上記の表現における「変調信号」の一例である。また、二次高調波成分のＸ−Ｙグラフは、上記の表現における「主入力と特定の周波数成分との関係」の一例である。また、上記の表現における「指標量」は、前述の実施形態においてはピークボトム比Ｒである。また、本項の実施形態において示したように、この「指標量」の他の一例は、比ＡＰ／ＡＮである。
（Ｄ）
前述の実施形態では、圧力および温度とピークボトム比Ｒとの関係は、数値データで表されていたが、この関係は数式により表されていてもよい。例えば、ピークボトム比Ｒおよび温度を２つの変数とし圧力を出力とする関数（予め定められた関係の一例）を表す式を予め用意してもよい。この場合には、第１判定部４３は、測定装置２２により測定された温度およびＲ算出部４２により算出されたピークボトム比Ｒを関数に入力することにより、圧力を算出する。
【００４６】
（Ｅ）
前述の実施形態では、標的成分の濃度測定において、ランプ波による掃引が実行されていたが、ランプ波による掃引を行わずにＷＭＳを実行することも可能である。
（Ｆ）
前述の実施形態の各処理はハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェア（ＯＳ（Operating System）、ミドルウェア、あるいは、所定のライブラリとともに実現される場合を含む。）により実現されてもよい。さらに、前述の実施形態の各処理は、ソフトウェアおよびハードウェアの混在処理により実現されてもよい。
また、前述の実施形態における処理方法の実行順序は、必ずしも、前述の実施形態の記載に制限されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、実行順序が入れ替えられても構わない。
また、前述の実施形態における各処理を実行するためのプログラムは、メモリ部４６に記録することも可能であり、取り外し可能な記録媒体５０に記録することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
ここに開示された状態量の測定方法は、状態量を測定するための計測器の省略を可能にするので、ガス計測装置の分野において有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１      ガス計測装置
２      光源
４      定電流発生装置
６      第１波形発生器
８      第２波形発生器
１０    倍周器
１２    波形混合器
１４    第１受光装置
１６    信号処理装置
１６ａ  ローパスフィルタ
１８    第１位相敏感検波装置
１８ａ  ロックインアンプ
１８ｂ  ローパスフィルタ
２０    温度調整器
２２    測定装置
２４    波形発生部
４０    コンピュータ
４１    レコーダ
４２    Ｒ算出部
４３    第１判定部
４４    第２判定部
４５    濃度測定部
４６    メモリ部
４７    記録媒体読取部
５０    記録媒体
６０    表示装置
７０    入力装置
【図１】
2013134239.tif 000005
【図２】
2013134239.tif 000006
【図３】
2013134239.tif 000007
【図４】
2013134239.tif 000008
【図５】
2013134239.tif 000009
【図６】
2013134239.tif 000010
【図７】
2013134239.tif 000011