(57)【要約】【課題】酸素ガスの吸収波長領域にある波長でクラス３Ｂ相当のレーザ出力となるＤＦＢレーザ素子からのレーザ光に対し、クラス１またはクラス１Ｍのレーザ出力となるように調整した検出光として検出空間へ出射し、利用者に対して安全かつ利便性を向上させたレーザ式酸素ガス分析計を提供する。【解決手段】酸素ガスの吸収波長領域にある波長でクラス３Ｂのレーザ出力のレーザ光を出射するレーザ素子１０１ｅ、および、このレーザ素子１０１ｅからのレーザ光をコリメートして検出光を出射するコリメートレンズ１０２を含む発光部とし、クラス３Ｂのレーザ出力のレーザ光を光路内吸光部１０４が吸収することにより、クラス１またはクラス１Ｍのレーザ出力相当に弱めた検出光として出射するレーザ式酸素ガス分析計とした。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素ガスの吸収波長領域にある波長でクラス３Ｂのレーザ出力のレーザ光を出射するレーザ光源部、および、このレーザ光源部からのレーザ光をコリメートして検出光を出射するコリメートレンズを含む発光側光学部を有する発光部と、
測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、
を備えるレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光側光学部は、クラス３Ｂのレーザ出力のレーザ光をクラス１またはクラス１Ｍのレーザ出力相当に弱めた検出光として出射する機能を有することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記発光側光学部に含まれるコリメートレンズまたは他の光学素子の表面であってレーザ光の通過面の略中央に配置されてレーザ光を吸収する光路内吸光部を設けることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記レーザ光源部から円錐状に放射されて到達するレーザ光の一部が前記発光側光学部を透過するように前記レーザ光源部と前記発光側光学部を焦点距離よりも離して配置し、出力を弱めた検出光として出射することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記発光側光学部の周囲に設けられ、前記発光側光学部の外側に入射するレーザ光を吸収する光路外吸光部を設けることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素ガスの有無の判定やガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計に関する。
【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ラムがあることが知られている。例えば、図１４は、Ｏ２ガス（酸素ガス）の光吸収スペクトラム例であり、横軸が波長、縦軸は吸収強度を示す。縦軸の吸収強度が大きいほど光の吸収量が大きくなる。
【０００３】
レーザ式酸素ガス分析計は、測定対象である酸素ガスが吸収する波長のレーザ光を発光するレーザ素子を搭載し、この特定波長のレーザ光を酸素ガスに吸収させることで酸素ガスの有無を検出することができる。加えて、レーザ式酸素ガス分析計は、特定波長のレーザ光の吸収量（吸収強度）が酸素ガスの濃度に比例するため濃度を検出することもできる。このようなレーザ式酸素ガス分析計は、特に大気環境測定や制御用途に使用され、例えば、ゴミ焼却場などのボイラの燃焼制御に使用される。
【０００４】
レーザ式酸素ガス分析計の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。周波数変調方式による濃度測定装置は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００５】
また、周波数変調では発光波長を変化させる必要があるが、このような発光波長の制御に関し、例えば、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、レーザ素子の発光波長を温度によって制御する方法も用いられており、例えば特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザ機器に関しては、レーザ機器により使用者に障害が発生することを防止するため、日本工業規格として「レーザ製品の放射安全基準」ＪＩＳ  Ｃ  ６８０２が規定されている。この基準ではレーザに対してクラス分けを行い、安全とされるクラスから、クラス１、クラス１Ｍ、クラス２、クラス２Ｍ、クラス３Ｒ、クラス３Ｂ、クラス４に分けられている。
【０００８】
レーザ式酸素ガス分析計のレーザ出力も、一般的には、レーザクラスが小さい方がユーザにとって安全かつ使い勝手がよく、クラス１またはクラス１Ｍとすることが望ましい。クラス1は、設計上本質的に安全であり、光学部を通し人体（目や皮膚）に当っても安全というものである。
【０００９】
このレーザ式酸素ガス分析計は、測定対象である酸素ガスの吸収波長が近赤外領域にあるため、７６０ｎｍから７８０ｎｍまでの波長を発光するレーザ素子を使用する。このレーザ素子の種類として、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と呼ばれる面発光レーザを使用することもあるが、入手性から出力が数ｍＷ〜数十ｍＷのＤＦＢレーザ（Distributed Feedback Laser）と呼ばれる分布帰還型半導体レーザを使用することが多い。
【００１０】
しかしながら、このＤＦＢレーザ素子は、出力が小さい素子でも数ｍＷ以上の出力を持っており、出力が高いものである。
【００１１】
レーザクラスは波長によって上限出力が異なり、１４００ｎｍ以上の波長の光では、レーザ出力は１０ｍＷ以下であればクラス１に該当するが、１４００ｎｍ未満の波長の光では、波長により許容出力が異なる。
【００１２】
例えば酸素の吸収波長領域にある波長７６０〜７８０ｎｍ付近では約０．５２ｍＷ以下となり、１４００ｎｍ以上の波長のレーザ光と比べ約２０分の１まで出力を下げないとクラス１またはクラス１Ｍとして取り扱うことができない。このように、１４００ｎｍ以上か未満かによって同じクラスでも許容出力範囲が大きく異なる。
【００１３】
レーザ式酸素ガス分析計で使用するＤＦＢレーザ素子はクラス３Ｂに相当するため、直接ビーム内観察をすると危険である。ＤＦＢレーザ素子の出力は通常数ｍＷ〜数十ｍＷであるが、本願発明者は、酸素の吸収波長領域の７６０から７８０ｎｍの間で、この出力をＤＦＢレーザ素子の能力よりも小さい０．５２ｍＷ以下にし、より安全かつ使い勝手のよい分析計にするという考えのもと鋭意研究を行い、本発明を着想するに到った。
【００１４】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸素ガスの吸収波長領域にある波長でクラス３Ｂ相当のレーザ出力となるＤＦＢレーザ素子からのレーザ光に対し、クラス１またはクラス１Ｍのレーザ出力となるように調整した検出光として検出空間へ出射し、利用者に対して安全かつ利便性を向上させたレーザ式酸素ガス分析計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】
【００１５】
本発明の請求項１に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
酸素ガスの吸収波長領域にある波長でクラス３Ｂのレーザ出力のレーザ光を出射するレーザ光源部、および、このレーザ光源部からのレーザ光をコリメートして検出光を出射するコリメートレンズを含む発光側光学部を有する発光部と、
測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、
を備えるレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光側光学部は、クラス３Ｂのレーザ出力のレーザ光をクラス１またはクラス１Ｍのレーザ出力相当に弱めた検出光として出射する機能を有することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計とした。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項１に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記発光側光学部に含まれるコリメートレンズまたは他の光学素子の表面であってレーザ光の通過面の略中央に配置されてレーザ光を吸収する光路内吸光部を設けることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計とした。
【００１７】
また、本発明の請求項３に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項２に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記レーザ光源部から円錐状に放射されて到達するレーザ光の一部が前記発光側光学部を透過するように前記レーザ光源部と前記発光側光学部を焦点距離よりも離して配置し、出力を弱めた検出光として出射することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計とした。
【００１８】
また、本発明の請求項４に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記発光側光学部の周囲に設けられ、前記発光側光学部の外側に入射するレーザ光を吸収する光路外吸光部を設けることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計とした。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、酸素ガスの吸収波長領域にある波長でクラス３Ｂ相当のレーザ出力となるＤＦＢレーザ素子からのレーザ光に対し、クラス１またはクラス１Ｍのレーザ出力となるように調整した検出光として検出空間へ出射し、利用者に対して安全かつ利便性を向上させたレーザ式酸素ガス分析計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態のレーザ式酸素ガス分析計の構成図である。
【図２】レーザ光源部の構成図である。
【図３】レーザ素子の波長走査駆動信号発生部の出力波形を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の動作を説明するための、レーザ素子の走査波形、Ｏ２ガスの吸収波形および同期検波部の出力波形を示す図である。
【図５】受光素子および信号処理部の構成図である。
【図６】周波数変調方式の原理図である。
【図７】温度によるレーザ素子の発光波長の変化を示す図である。
【図８】ドライブ電流によるレーザ素子の発光波長の変化を示す図である。
【図９】通常構成のレーザ素子とコリメートレンズの説明図である。
【図１０】クラス３ＢのＤＦＢレーザ素子とコリメートレンズを用いてクラス１またはクラス１Ｍの発光部とする第１の実施の形態の説明図である。
【図１１】クラス３ＢのＤＦＢレーザ素子とコリメートレンズを用いてクラス１またはクラス１Ｍの発光部とする第２の実施の形態の説明図である。
【図１２】クラス３ＢのＤＦＢレーザ素子とコリメートレンズを用いてクラス１またはクラス１Ｍの発光部とする第３の実施の形態の説明図である。
【図１３】クラス３ＢのＤＦＢレーザ素子とコリメートレンズを用いてクラス１またはクラス１Ｍの発光部とする第４の実施の形態の説明図である。
【図１４】Ｏ２ガスの吸収スペクトラム特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明を実施するための第１の形態に係るレーザ式酸素ガス分析計について図を参照しつつ以下に説明する。図１は、本形態のレーザ式酸素ガス分析計１の構成図である。レーザ式酸素ガス分析計１は、発光部１００、受光部２００、発光部側パージ部３００、受光部側パージ部４００を備えている。
【００２２】
発光部１００は、さらにレーザ光源部１０１、コリメートレンズ１０２、ボックスカバー１０３を備える。
受光部２００は、集光レンズ２０１、受光素子２０２、信号処理部２０３、ボックスカバー２０４を備える。
【００２３】
発光部側パージ部３００は、パージ部本体３０１、流入口３０２、流出口３０３を備える。
受光部側パージ部４００は、パージ部本体４０１、流入口４０２、流出口４０３を備える。
【００２４】
本形態のレーザ式酸素ガス分析計では、具体例として、酸素ガスを含む測定対象ガスが内部を通過する煙道などの配管に固定されているものとして説明する。測定対象ガスは例えば燃焼時に発生する排ガスなどである。
壁５０１ａ，５０１ｂは、この配管の壁である。相フランジ５０２ａ，５０２ｂは、この壁５０１ａ，５０１ｂに、例えば、溶接等によって固定されている。
【００２５】
一方の相フランジ５０２ａには、図示しない角度調整機構部を含む発光部側パージ部３００のパージ部本体３０１が取り付けられている。このパージ部本体３０１には、発光部１００のボックスカバー１０３が取り付けられている。ボックスカバー１０３は後に詳述する電子基板や光学部品を内蔵している。発光部側パージ部３００の内部通路と、相フランジ５０２ａの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー１０３とパージ部本体３０１の内部通路とは、図示しないウィンドウによって空間が隔てられている。
【００２６】
他方の相フランジ５０２ｂには、図示しない角度調整機構部を含む受光部側パージ部４００のパージ部本体４０１が取り付けられている。このパージ部本体４０１には、受光部２００のボックスカバー２０４が取り付けられている。ボックスカバー２０４も後に詳述する電子基板や光学部品を内蔵している。受光部側パージ部４００の内部通路と、相フランジ５０２ｂの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー２０４とパージ部本体４０１の内部通路とは、図示しないウィンドウによって空間が隔てられている。
【００２７】
発光部１００のボックスカバー１０３は電子基板に搭載されるレーザ光源部１０１、光学部品であるコリメートレンズ１０２を内蔵する。レーザ光源部１０１はＤＦＢレーザ素子を内蔵する。レーザ光源部１０１から出射したレーザ光は、コリメートレンズ１０２を含む発光側光学部によって平行光にコリメートされる。さらにコリメートレンズ１０２を含む発光側光学部は、酸素の吸収波長領域の７６０から７８０ｎｍの間で、クラス３Ｂのレーザ出力のレーザ光を、クラス１またはクラス１Ｍのレーザ出力相当に弱める。この発光側光学部の詳細については後に図を用いて別途詳述する。コリメートされた検出光６００は、発光部側パージ部３００の内部通路の中心と相フランジ５０２ａの内部通路の中心を通って壁５０１ａ，５０１ｂの内部（煙道内部）へ入射される。
【００２８】
この検出光６００は、壁５０１ａ，５０１ｂの内部にある測定対象ガス中の酸素ガスを透過する際に吸収される。また、相フランジ５０２ａ，５０２ｂの内部、発光部側パージ部３００の内部通路、受光部側パージ部４００の内部通路に測定対象である酸素ガスが存在する際にも同様に吸収される。
【００２９】
煙道内部を通過したほぼ平行光である検出光６００は、受光部２００へ入射される。受光部２００のボックスカバー２０４は光学部品である集光レンズ２０１、電子基板に搭載される受光素子２０２や信号処理部２０３を内蔵する。壁５０１ａ，５０１ｂの内部（煙道内部）を透過した平行光である検出光６００は、相フランジ５０２ｂの内部通路と受光部側パージ部４００の内部通路との中心を通ってボックスカバー２０４内部の集光レンズ２０１により集光されて受光素子２０２により受光される。この光は、受光素子２０２により電気信号に変換され、後段の信号処理部２０３に入力される。
【００３０】
この際、測定対象ガスによる熱や腐食、汚れを防ぐため、発光部側パージ部３００には流入口３０２からパージ部本体３０１内へパージガスが流入し、発光部側パージ部３００の内部通路をパージし、また流出口３０３を通過して相フランジ５０２ａの内部通路をパージする。このパージの後に壁５０１ａ，５０１ｂの内部（煙道内部）へパージガスが排出される。同様に受光部側パージ部４００には流入口４０２からパージ部本体４０１内部へパージガスが流入し、受光部側パージ部４００の内部通路をパージし、また流出口４０３を通過して相フランジ５０２ｂの内部通路をパージする。このパージの後に壁５０１ａ，５０１ｂの内部（煙道内部）へパージガスが排出される。
【００３１】
このパージガスにより、測定対象ガスに含まれて各部に付着した煤塵等を吹き飛ばし、発光部１００および受光部２００の図示しないウィンドウ表面を清浄に保っている。また、パージ用に流入するパージガスが常温（例えば２５℃）であり、パージ部本体３０１、４０１内、相フランジ５０２ａ、５０２ｂの内部を強制的に冷却している。
【００３２】
このパージガスとしては計装窒素が望ましい。この理由であるが、仮に計装空気を使用するとなると、計装空気には酸素ガスが含まれており、煙道の酸素ガスの分析ではこのパージガス中の酸素ガスによる影響を受けるためである。パージガスに窒素ガスを使えば、測定対象である酸素ガスの酸素濃度に影響を与えることはない。計装窒素の利用は設備コストや運用コストを要するが、それでも製鉄所や鉄鋼所のような火災・爆発の危険性がある場所では採用されている。
【００３３】
また、パージガスとして圧縮空気である計装空気の使用も可能である。一般的な焼却炉では計装空気を使用している。計装空気には通常では約２０．６ｖｏｌ％の酸素が含まれている。レーザ式酸素ガス分析計は、パージガスとして計測空気を使用する場合にこの約２０．６ｖｏｌ％の酸素の影響を受ける。空気を使用した場合、空気中の酸素ガスは測定対象である酸素ガスに対して影響がないようにする必要がある。この影響を回避するため計装空気に含まれる酸素ガスの酸素量を求め、予めオフセットとして濃度換算して測定するようにしても良い。
【００３４】
次に、発光部１００、および、受光部２００の詳細構成について説明する。まず、発光部１００について図２，図３を参照しつつ詳細に説明する。図２はレーザ光源部１０１の詳細を示している。このレーザ光源部１０１は、波長走査駆動信号発生部１０１ａと、高周波変調信号発生部１０１ｂと、を有するレーザ駆動信号発生部１０１ｓを備える。
【００３５】
波長走査駆動信号発生部１０１ａは、測定対象である酸素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ための波長走査駆動信号を出力する。
【００３６】
高周波変調信号発生部１０１ｂは、測定対象である酸素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ための高周波変調信号を出力する。
【００３７】
このような波長走査駆動信号発生部１０１ａから出力される波長走査駆動信号に対し、高周波変調信号発生部１０１ｂからの高周波変調信号を合成して周波数変調を行いレーザ駆動信号が生成される。レーザ駆動信号発生部１０１ｓから出力されたレーザ駆動信号は電流制御部１０１ｃ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１０１ｅに供給される。このレーザ素子１０１ｅは、詳しくは上記のように、ＤＦＢレーザ素子である。
【００３８】
また、レーザ素子１０１ｅには温度安定化手段が設けられている。この温度安定化手段は、温度制御部１０１ｄ、サーミスタ１０１ｆ、ペルチェ素子１０１ｇを備える。レーザ素子１０１ｅに近接して温度検出素子としてのサーミスタ１０１ｆが配置され、このサーミスタ１０１ｆにはペルチェ素子１０１ｇが近接して配置されている。このペルチェ素子１０１ｇは、サーミスタ１０１ｆの抵抗値が一定値になるようにするため、温度制御部１０１ｄによってＰＩＤ（比例・積分・微分）制御が行われ、結果としてレーザ素子１０１ｅの温度を安定化するように動作させるものである。
【００３９】
ここで、波長走査駆動信号発生部１０１ａから出力される波長走査駆動信号は、図３に示すように、可変駆動信号Ｓ１およびオフセット信号Ｓ２により、ほぼ台形波状の単位波形となり、このような単位波形が一定周期で繰り返される信号である。
【００４０】
波長走査駆動信号の可変駆動信号Ｓ１は、吸収波長を走査する信号であり、電流制御部１０１ｃを介してレーザ素子１０１ｅ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Ｓ１によってレーザ素子１０１ｅの発光波長を徐々にずらしていき、吸収波長を走査する信号である。信号Ｓ１の傾き、すなわち、供給電流の変化量によって、発光波長をサブｎｍ〜数ｎｍの範囲で走査可能である。例えば酸素ガスであれば、０．０２ｎｍ程度の線幅を走査可能とする部分である。
【００４１】
波長走査駆動信号のオフセット信号Ｓ２は、吸収波長は走査しないがレーザ素子１０１ｅは発光させておくオフセット部分であり、光源部１０１のレーザ素子１０１ｅの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値を光源部１０１のレーザ素子１０１ｅに供給するように設定する。信号Ｓ１と信号Ｓ２とは交互に切り替わるように挿入されている。
信号Ｓ３は駆動電流をほぼ０にした部分である。
【００４２】
続いて発光部１００による発光を説明する。
まず、事前に、レーザ素子１０１ｅの温度をサーミスタ１０１ｆにより検出する。さらに、図３に示した波長走査駆動信号のＳ１の中心部分で測定対象である酸素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１０１ｄによりペルチェ素子１０１ｇの通電を制御してレーザ素子１０１ｅの温度を調整する。その後にレーザ素子１０１ｅを駆動し、測定対象である酸素ガスが存在する壁５０１ａ，５０１ｂの内部空間にレーザ光を出射し、集光した光を受光部２００へ入射させる。
【００４３】
図４は酸素ガスを検出する際のレーザ素子の駆動信号を示している。レーザ素子駆動信号生成部１０１ｓが出力する信号を説明するための図であり、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，λ４は酸素ガス（Ｏ２ガス）の吸収波長に相当する走査波長の上下限値、λ３は吸収波形のピークの波長を示している。
【００４４】
レーザ素子１０１ｅがこのように波長λ２からλ４まで変化するレーザ光をコリメートレンズ１０２へ照射して平行光である検出光６００を生成し、酸素ガスを含む測定対象ガスが存在する壁５０１ａ，５０１ｂの内部空間にこの検出光６００を出射し、集光した光を受光素子２０２へ入射させる。
【００４５】
続いて受光部２００について説明する。図５は、受光素子２０２、信号処理部２０３の構成を示している。信号処理部２０３はさらにＩ／Ｖ変換部２０３ａ、同期検波部２０３ｂ、発振器２０３ｃ、フィルタ２０３ｄ、演算部２０３ｅを備えている。
【００４６】
受光素子２０２は例えばフォトダイオードによって構成されており、発光部１００のレーザ素子１０１ｅの発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。この受光素子２０２の出力電流はＩ／Ｖ変換部２０３ａへ入力される。Ｉ／Ｖ変換部２０３ａにより受光素子２０２の出力電流が電圧に変換される。Ｉ／Ｖ変換部２０３ａの出力信号は、同期検波部２０３ｂに入力される。同期検波部２０３ｂには、発信器２０３ｃからの２ｆ信号が加えられ、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみを抽出した出力波形信号が得られる。同期検波部２０３ｂの出力波形信号は、ノイズ除去用のフィルタ２０３ｄを介してＣＰＵ等の演算部２０３ｅに送られる。演算部２０３ｅは後述する各種の処理により酸素ガスの有無の検出や酸素ガスのガス濃度の算出を行う。
【００４７】
ここで周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計の計測原理について、図６のレーザ式酸素ガス分析計の波長変調方式の原理図を参照しつつ説明する。図１４の酸素ガスの吸収スペクトラムに示すように、この酸素ガスの吸収線は線状のスペクトラムで表わされるため、周波数変調方式による濃度検出が可能である。そして、この周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計では、中心波長ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザ素子の出射光を周波数変調し、測定対象である酸素ガスに照射する。ここで、周波数変調とは、レーザ素子１０１ｅに供給するドライブ電流の波形を正弦波状に変調することである。
【００４８】
この周波数変調方式では、上記のようにＤＦＢレーザ素子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。この場合、ＤＦＢレーザ素子が発光するスペクトラム線幅が測定対象である酸素ガスの吸収線幅よりも小さいため、レーザの発光波長を酸素ガスの吸収波長に合わせる必要がある。そこでＤＦＢレーザ素子の温度制御や電流制御を行って発光波長の制御を行う。
【００４９】
ＤＦＢレーザ素子は、図７、図８に示すように温度やドライブ電流によって発光波長が変化する。ＤＦＢレーザ素子は温度と電流の一定値によって、特定の波長を発光することができるため、予め設定した温度と電流値によって吸収波長にあわせることができる。そして、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。
【００５０】
このように半導体レーザ素子は電流や温度で波長を変えることができるが、その波長範囲は数ｎｍであり、酸素ガスの吸収波長の近傍を発光するＤＦＢレーザ素子を使用する必要がある。このＤＦＢレーザ素子の波長選択性の性質から、図１４に示したような全ての吸収線を測定対象にすることができず、測定に使用する吸収線は、比較的吸収強度が大きく、他ガスと吸収が重なり合わない１本または２本である。
【００５１】
図６に示したように、ガスの１本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は任意の周波数で良いため、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。
【００５２】
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でき、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で、濃度以外に存在する同じ周波数成分の信号に影響されずに酸素ガス濃度に比例した信号を得ることができる。
【００５３】
このような原理のもと、酸素ガスによるレーザ光の吸収が無い場合は、同期検波部２０３ｂは２倍波信号を検出しないので、同期検波部２０３ｂの出力はほぼ直線となる。
【００５４】
一方、酸素ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波部２０３ｂは、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た信号である２倍波信号を検出する。その出力波形は図４の点線の円内に図示された同期検波部２０３ｂの出力であるピーク波形の信号強度となる。この信号強度はフィルタ２０３ｄによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のＣＰＵやＤＳＰ等である演算部２０３ｅへ出力される。演算部２０３ｅは後述する各種の処理により酸素ガスの有無の検出や酸素ガスのガス濃度の算出を行う。
【００５５】
演算部２０３ｅは以下のように機能する。まず、この信号強度を用いる酸素ガスの分析原理について説明する。Lambert-Beerの法則により、得られる信号強度は、ガス濃度と、そのガスが存在する距離と、により決定される点について説明する。Lambert-Beerの式を次式の数１に記す。
【００５６】
［数１］
Ｉ（Ｌ）＝Ｉ（０）・ｅｘｐ［−ｋｓ・ｎｓ・Ｌｓ］
Ｉ（Ｌ）：受光光量      ｋｓ：ガス係数
Ｉ（０）：発光光量      ｎｓ：ガス濃度
Ｌｓ：煙道またはセル長
【００５７】
よって、信号強度は受光光量であり、ガス係数ｋｓ、ガス濃度ｎｓ、煙道の長さＬｓがパラメータとなる。発光光量Ｉ（０）は予め計測の上で登録しておき、ガス係数ｋｓはガス固有の値であり、また、煙道の長さＬｓは設計により決定される定数である。すなわち、受光光量Ｉ（Ｌ）が計測できればガス濃度ｎｓが算出される。検出原理はこのようなものである。
【００５８】
続いて、演算部２０３ｅによるガス濃度ｎｓの算出について説明する。まず、この図４の点線の円内のピーク波形が酸素ガスによる吸収を受けた部分のガス吸収波形Ａであり、このガス吸収波形Ａの最大値または最小値が信号強度に相当する。従って、演算部２０３ｅでは、この図４の円内に示される同期検波部２０３ｂの出力であるガス吸収波形Ａを用いて、信号強度に相当する波形のピーク値を測定するか、ガス吸収波形Ａの最大値または最小値の振幅差を測定するか、または、ガス吸収波形Ａの一部または全部を積分して、信号強度を算出する。この受光光量である信号強度と上記の数１から酸素ガスのガス濃度ｎｓを算出する。
【００５９】
そして、求めた酸素ガスのガス濃度ｎｓにより濃度分析を行う。また、ガス濃度が所定値より低い場合に酸素ガスがないと判断できる。演算部２０３ｅには図示しない変換器が接続されている。この変換器は、演算部２０３ｅで算出したガス濃度をガス温度やガス圧力の変化に応じた濃度値に補正する補正部と、補正部で補正した濃度値をディスプレイ表示する表示部と、補正した濃度値をアナログ、ディジタル信号を送信する外部伝送部と、を備えている。補正部で補正された濃度値が表示部でディスプレイ表示がなされる。酸素ガスの検出はこのように行われる。
【００６０】
続いて本発明の特徴をなすレーザ出力の調整について説明する。本発明の特徴をなす発光側光学部は、ＤＦＢレーザ素子による酸素の吸収波長領域の７６０から７８０ｎｍの間でのクラス３Ｂのレーザ出力のレーザ光を、クラス１またはクラス１Ｍのレーザ出力相当に弱めた検出光とする。
【００６１】
従来技術では、図９で示すように、通常のレーザ素子１０１ｅから発光される光は、コリメートレンズ１０２によってほぼ平行光となり、装置外であって壁５０１ａ，５０１ｂの中の煙道内へ照射され、その殆どが受光部２００へ到達することになる。
【００６２】
また、コリメートレンズ１０２での反射によりレーザ素子１０１ｅへ戻り光として入射した場合に、レーザの発振状態を不安定にしてノイズ源となる。通常数ｍＷ〜数十ｍＷと出力が大きいＤＦＢレーザでは、特にノイズが大きくなる。
【００６３】
このように通常数ｍＷ〜数十ｍＷのＤＦＢレーザ素子の出力を、酸素ガスの吸収波長領域にある波長ではクラス１やクラス１Ｍ相当の０．５２ｍＷ以下にして発光部１００から出射しなくてはならない。
【００６４】
そこで、本発明の発光側光学部ではレーザ出力をクラス１またはクラス１Ｍ相当にまでに下げる発光側光学部を採用する。このような発光側光学部を図１０に示す。発光側光学部は、コリメートレンズ１０２、光路内吸光部１０４を備える。レーザ素子１０１ｅから照射されるレーザ光の強度は中心部分が最も強い正規分布のような形を示す。この際、レーザ出力はレーザ光の広がり角とコリメートレンズ１０２との焦点距離によって求まるが、通常、コリメートレンズ１０２の焦点距離付近にレーザ素子１０１ｅの発光面を配置し、またレーザ素子１０１ｅの全出力が出射されるようにコリメートレンズ１０２の径の大きさを設定する。
【００６５】
そして、コリメートレンズ１０２のレンズ面の中心部分に、レーザ光を吸収するシートなどである光路内吸光部１０４を貼り付けて、特に強度が大きい中心部で吸光し、レーザ出力を低下させる。光路内吸光部１０４は同波長のレーザ光を約９９％吸収し、戻り光も発生させないようにしている。そしてコリメートレンズ１０２からは断面リング状で光強度が小さいレーザ光が出射される。
【００６６】
このように光を吸収させることでレーザ出力が低下し、クラス１やクラス１Ｍ相当の検出光となって安全な光となっている。
【００６７】
なお、図１０ではコリメートレンズ１０２の下流側（パージ部側）のレンズ面に光路内吸光部１０４を配置しているが、図示しないがコリメートレンズ１０２の上流側（レーザ素子側）のレンズ面に光路内吸光部１０４を配置してもよい。
【００６８】
続いて本発明の第２の実施の形態のレーザ式酸素ガス分析計について図を参照しつつ説明する。先の第１の実施の形態と比較すると、本形態では、基本的に図１と同じ構成を有するレーザ式酸素ガス分析計であるが、発光側光学部のみが相違する。この発光側光学部でも、ＤＦＢレーザ素子による酸素の吸収波長領域の７６０から７８０ｎｍの間でのクラス３Ｂのレーザ出力のレーザ光を、クラス１またはクラス１Ｍのレーザ出力相当に弱めた検出光とするための光学系を有する。発光側光学部は、図１１で示すように、コリメートレンズ１０２、光路内吸光部１０４、透明板１０５を備える。
【００６９】
第１の実施形態では、図１０で示すように、コリメートレンズ１０２のレンズ面に光路内吸光部１０４を設けていたが、本形態では図１１で示すように、コリメートレンズ１０２に代えて、光学素子である透明板１０５に光路内吸光部１０４を形成し、この透明板１０５をコリメートレンズ１０２に隣接させて配置する。光路内吸光部１０４は、特に強度が大きい中心部に位置しており、レーザ出力を低下させる。
【００７０】
光路内吸光部１０４は、同波長の光を約９９％吸収するため、クラス１やクラス１Ｍ程度の安全な光となっている。そして透明板１０５からは断面リング状で光強度が小さいレーザ光が出射される。なお、図１１ではコリメートレンズ１０２の下流側（パージ部側）に透明板１０５を配置しているが、図示しないがコリメートレンズ１０２の上流側（レーザ素子側）に透明板１０５と光路内吸光部１０４を配置してもよい。このようにしても同様の効果を有する。
【００７１】
続いて本発明の第３の実施の形態のレーザ式酸素ガス分析計について図を参照しつつ説明する。先の第１の実施の形態と比較すると、本形態では、基本的に図１と同じ構成を有するレーザ式酸素ガス分析計であるが、発光側光学部のみが相違する。この発光側光学部でも、ＤＦＢレーザ素子による酸素の吸収波長領域の７６０から７８０ｎｍの間でのクラス３Ｂのレーザ出力のレーザ光を、クラス１またはクラス１Ｍのレーザ出力相当に弱めた検出光とするための光学系を有する。発光側光学部は、図１２で示すように、コリメートレンズ１０２、光路内吸光部１０４、光路外吸光部１０６を備える。
【００７２】
第１の実施形態では図１０で示すように、コリメートレンズ１０２のレンズ面に、レーザ素子１０１ｅからのレーザ光が全て入射するものとしていたが、本形態では図１２で示すように、コリメートレンズ１０２の焦点距離よりも長い所定距離を離れた位置にレーザ素子１０１ｅを配置して、コリメートレンズ１０２へは一部のレーザ光のみが入射するようにしてクラス３Ｂ相当のレーザ光のレーザ出力を低下させている。さらに、コリメートレンズ１０２のレンズ面の中心部分に、レーザ光を吸収するシートなどである光路内吸光部１０４を貼り付けて強度が大きい中心部で吸収し、やはりレーザ出力を低下させる。光路内吸光部１０４は同波長の光を約９９％吸収するため、クラス１やクラス１Ｍ相当となっている。そしてコリメートレンズ１０２からは断面リング状で光強度が小さいレーザ光が出射される。
【００７３】
また、ボックスカバー１０３の内側であって特にコリメートレンズ１０２の周辺に、レーザ光を吸収するシートなどである光路外吸光部１０６を貼り付けて反射光を少なくしている。更に、レーザ素子１０１ｅとコリメートレンズ１０２との焦点距離をずらすことにより、コリメートするレーザ出力を低下させている。したがって、レーザ素子１０１ｅから出射してコリメートレンズ１０２の外側に到達した光は、この光路外吸光部１０６が吸収して光が反射しない。これら光路内吸光部１０４や光路外吸光部１０６のため、戻り光によるレーザ素子の発振への影響を低減させている。
【００７４】
なお、図１２ではコリメートレンズ１０２の下流側（パージ部側）のレンズ面に光路内吸光部１０４を配置しているが、図示しないがコリメートレンズ１０２の上流側（レーザ素子側）のレンズ面に光路内吸光部１０４を配置してもよい。このようにしても同様の効果を有する。
【００７５】
続いて本発明の第４の実施の形態のレーザ式酸素ガス分析計について図を参照しつつ説明する。先の第１の実施の形態と比較すると、本形態では、基本的に図１と同じ構成を有するレーザ式酸素ガス分析計であるが、発光側光学部のみが相違する。この発光側光学部でも、ＤＦＢレーザ素子による酸素の吸収波長領域の７６０から７８０ｎｍの間でのクラス３Ｂのレーザ出力のレーザ光を、クラス１またはクラス１Ｍのレーザ出力相当に弱めた検出光とするための光学系を有する。発光側光学部は、図１３で示すように、コリメートレンズ１０２、光路内吸光部１０４、透明板１０５、光路外吸光部１０６を備える。
【００７６】
第３の実施形態では図１２で示すように、ボックスカバー１０３の内側であってコリメートレンズ１０２の外側の光路外吸光部１０６を設けていたが、本形態では図１３で示すように、ボックスカバー１０３には吸光部を設けないで、光学素子である透明板１０５に円状の透明部を残してその他の箇所に光路外吸光部１０６を形成し、この透明板１０５をコリメートレンズ１０２に隣接させて上流側（レーザ素子側）に配置する。透明部を透過したレーザ光はコリメートレンズ１０２へ入射するが、その他のレーザ光は光路外吸光部１０６へ到達する。
【００７７】
コリメートレンズ１０２の光路内吸光部１０４は同波長の光を約９９％吸収するため、クラス１やクラス１Ｍ相当となっている。コリメートレンズ１０２からは断面リング状で光強度が小さいレーザ光が出射される。
また、光路外吸光部１０６も同波長の光を約９９％吸収するため、反射を抑える。
【００７８】
なお、図１３ではコリメートレンズ１０２の下流側（パージ部側）のレンズ面に光路内吸光部１０４を配置しているが、図示しないがコリメートレンズ１０２の上流側（レーザ素子側）のレンズ面に光路内吸光部１０４を配置してもよい。
【００７９】
また透明板１０５はその中央でレーザ光を透過させているが、この透過箇所を単なる孔にすれば透明板でなくとも良い。例えば、板状の光路外吸光部に孔が設けられた絞り部のような光学素子としても良い。
【００８０】
また、本形態でもボックスカバー１０３の内側に光路外吸光部１０６を設けても良い。このようにしても同様の効果を有する。
【００８１】
以上、本発明について説明した。本発明では、発光側光学部が、酸素の吸収波長領域の７６０から７８０ｎｍの間でのクラス３Ｂのレーザ出力のレーザ光を、クラス１またはクラス１Ｍ相当にした検出光として出力するものであり、レーザ式酸素ガス分析計をより安全に取り扱うことができるようにした。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明のレーザ式酸素ガス分析計は、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】
【００８３】
１：レーザ式酸素ガス分析計
１００：発光部
１０１：レーザ光源部
１０１ａ：波長走査駆動信号発生部
１０１ｂ：高周波変調信号発生部
１０１ｃ：電流制御部
１０１ｄ：温度制御部
１０１ｅ：レーザ素子
１０１ｆ：サーミスタ
１０１ｇ：ペルチェ素子
１０１ｓ：レーザ駆動信号発生部
１０２：コリメートレンズ
１０３：ボックスカバー
１０４：光路内吸光部
１０５：透明板
１０６：光路外吸光部
２００：受光部
２０１：集光レンズ
２０２：受光素子
２０３：信号処理部
２０３ａ：Ｉ／Ｖ変換部
２０３ｂ：同期検波部
２０３ｃ：発振器
２０３ｄ：フィルタ
２０３ｅ：演算部
２０４：ボックスカバー
３００：発光部側パージ部
３０１：パージ部本体
３０２：流入口
３０３：流出口
４００：受光部側パージ部
４０１：パージ部本体
４０２：流入口
４０３：流出口
５０１ａ，５０１ｂ：壁
５０２ａ，５０２ｂ：相フランジ
６００：検出光
【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】
2017067475.tif 000012
【図１１】
2017067475.tif 000013
【図１２】
2017067475.tif 000014
【図１３】
2017067475.tif 000015
【図１４】
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