(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザから出射されるレーザ光の波長をスキャンさせる波長スキャン部と、
前記半導体レーザから出射されるレーザ光を周波数変調する周波数変調部と、
前記レーザ光の波長のスキャンが行われている一部の期間内に前記周波数変調が行われるように前記周波数変調のタイミングを切り替えるタイミング切替制御部と、
前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われたレーザ光および前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われたレーザ光を検出する光検出部と、
前記光検出部にて検出された受光信号の変調周波数の２倍の周波数の２倍波周波数参照信号を発生する２倍波周波数信号発生部と、
前記２倍波周波数信号発生部にて発生された２倍波周波数参照信号を、前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われた受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の２倍波成分を抽出する検波部と、
前記検波部にて抽出された前記受光信号の２倍波成分に基づいて、少なくとも２種類のガスのうちの吸光量が少ない方のガスの濃度を算出するとともに、前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われた受光信号に基づいて、吸光量が多い方のガスの濃度を算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
半導体レーザから出射されるレーザ光の波長をスキャンさせるステップと、
前記レーザ光の波長のスキャンが行われている一部の期間内に前記レーザ光の周波数変調を行うステップと、
前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われたレーザ光および前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われたレーザ光を検出するステップと、
前記検出された受光信号の変調周波数の２倍の周波数の２倍波周波数参照信号を発生するステップと、
前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われた受光信号に前記２倍波周波数参照信号を掛け合わせることにより、前記受光信号の２倍波成分を抽出するステップと、
前記抽出された前記受光信号の２倍波成分に基づいて、少なくとも２種類のガスのうちの吸光量が少ない方のガスの濃度を算出するステップと、
前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われた受光信号に基づいて、前記少なくとも２種類のガスのうちの吸光量が多い方のガスの濃度を算出するステップとを備えることを特徴とするガス濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法に関し、特に、周波数変調されたレーザ光を用いてガスの濃度を測定する方法に適用して好適なものである。
【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有ることが知られており、ガス分子の吸収線の中心周波数における減衰量はガスの濃度に比例する。このため、ガス分子の吸収線の中心周波数に一致した発振周波数をもつ半導体レーザ光をガスに照射し、その時のレーザ光の減衰量を測定することで、ガスの濃度を推定することができる（特許文献１）。
この原理を発展させたものとして２波長差分方式及び周波数変調方式があり、２波長差分方式では、半導体レーザの発振周波数はＴＨｚオーダの信号であることから、複雑な信号処理を行うことができないのに対して、周波数変調方式では、数ｋＨｚのベースバンド領域で信号処理を行うことができるという利点がある。
【０００３】
この周波数変調方式では、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザの出力が周波数変調され、測定対象ガスに照射される。なお、周波数変調とは、半導体レーザに供給されるドライブ電流を正弦波状にすることである。そして、半導体レーザは、温度や電流によって出射光の波長が変化するので、半導体レーザに供給されるドライブ電流を正弦波状にすることで、半導体レーザの出射光の波長を変調することができる。ここで、測定対象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、変調周波数ｆｍの２倍の周波数の成分（２倍波成分）が得られる。そして、測定対象ガスの濃度が高いほどレーザ光の吸収量も大きくなるので、２倍波成分の強度も強くなり、この２倍波成分を検出することで、測定対象ガスの濃度を測定することができる。なお、以下の説明では、変調周波数ｆｍを１ｆ、変調周波数ｆｍの２倍波周波数を２ｆとも呼び、２倍波成分を２ｆ成分とも呼ぶ。
【０００４】
図１１は、従来のガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
図１１において、ガス濃度測定装置の受信側には、半導体レーザから出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード１１１、フォトダイオード１１１から出力される電流を電圧に変換するＩ−Ｖ変換回路１１２、Ｉ−Ｖ変換回路１１２から出力された電圧を増幅する増幅器１１３、増幅器１１３を介して出力された信号から変調周波数の２倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ１１４、変調周波数ｆｍの２倍波周波数を持つ２ｆ参照信号を発生する２倍波周波数信号発生部１１５、２ｆ参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ１１４の出力から２ｆ成分を抽出する検波器１１６、検波器１１６の出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ１１７、ローパスフィルタ１１７から出力された電圧を増幅する増幅器１１８が設けられている。
【０００５】
そして、例えば、ＮＨ３ガスの濃度を測定する場合、周波数変調されたレーザ光がＮＨ３ガスを通過すると、ＮＨ３ガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、フォトダイオード１１１に入射し、フォトダイオード１１１にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード１１１にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路１１２にて電圧に変換され、増幅器１１３にて増幅された後、バンドパスフィルタ１１４にて変調周波数の２倍波成分が抽出され、検波器１１６に入力される。そして、２倍周波数信号発生部１１５にて発生された２ｆ参照信号とバンドパスフィルタ１１４からの出力が検波器１１６にて合成されることにより、バンドパスフィルタ１１４からの出力から２ｆ成分が抽出される。そして、検波器１１６にて抽出された２ｆ成分は、ローパスフィルタ１１７にて不要な高域成分が除去された後、増幅器１１８にて増幅され、２ｆ成分検出信号として出力される。
一方、送信側の変調方式として、変調の中心波長が常に吸収波長に一致するように制御するのは困難であるので、所定の振幅幅で１ｆの周波数にて変調しながら、変調幅の中心波長を徐々に変えて掃引する波長スキャン方式が採られることがある。
【０００６】
図１２（ａ）は、従来の半導体レーザを駆動する駆動電流の波形を示す図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の駆動電流で半導体レーザが駆動された時のレーザ光の発光波長を示す図である。なお、半導体レーザの発光光量は駆動電流にほぼ比例するため、発光光量の波形についても、図１２（ａ）の波形と同様である。
図１２において、波長スキャン方式では、例えば、０．５ｎｍ程度の範囲で波長をスキャンすることができる。ここで、あるガスＡの吸収スペクトルの直ぐ近隣に別の種類のガスＢの吸収スペクトルが存在する場合、１個の半導体レーザを用いて波長スキャンを行うことで、２種類のガスＡ、Ｂの濃度を検出することができる。
【０００７】
ここで、ガスＡは低濃度状態、ガスＢは高濃度状態にある場合、図１１のフォトダイオード１１１で検出される信号のレベルに大きな差が発生し、全く同一の信号処理でガスＡ、Ｂの濃度を精度よく検出することができなくなる。
例えば、１７４７．２ｎｍに吸収スペクトルを持つ塩化水素ＨＣｌと１７４７．１ｎｍに吸収スペクトルを持つ水蒸気Ｈ２Ｏの濃度を１個の半導体レーザを用いて検出するものとする。塩化水素は水分に非常に吸着し易く、水分量により見かけの濃度が変化するので、塩化水素の濃度とともに水蒸気の濃度を検出することは、塩化水素の濃度を正確に見積る上で有用である。
【０００８】
この場合、塩化水素はフルスケールレンジで１０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍの低濃度が測定され、水分は数ｖｏｌ％〜数十ｖｏｌ％程度の高濃度が測定されるのが通例である。このような状態では、各吸収スペクトルにおける吸光量は塩化水素の方が１０倍以上大きいにもかかわらず、実際の吸光量は水蒸気の方が数１０倍〜１００倍以上大きくなる。
この結果、吸光量の大きな水蒸気の濃度が検出できるようにすると、吸光量の小さな塩化水素の検出時の信号対雑音比（ＳＮＲ）が劣化し、吸光量の小さな塩化水素の濃度の検出精度を高くすると、吸光量の大きな水蒸気の検出信号が飽和する。
【０００９】
このため、低濃度状態にあるガスＡおよび高濃度状態にあるガスＢの双方の濃度を精度よく検出できるようにするため、低濃度検出用回路と高濃度検出用回路の両方を設け、各濃度に合わせて回路ゲインを最適化する方法がとられることがある。
あるいは、図１２（ｂ）の波長スキャンにおいて、ガスＡが吸収される時刻ｔ１とガスＢが吸収される時刻ｔ２との間の境界のタイミングで検出回路のゲインを切り替える方法がとられることもある。
【特許文献１】特開平１０−１４２１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、低濃度検出用回路と高濃度検出用回路の両方を設ける方法では、回路構成が大規模化し、コストアップを招くという問題があった。
また、検出回路のゲインを切り替える方法では、検出回路のゲインを切り替えた後に、過渡応答によってフィルタ回路などの特性が大きく変動し、これらの回路の動作が安定するまでに時間がかかる。このため、ガスＡが吸収される時刻ｔ１とガスＢが吸収される時刻ｔ２との間の間隔を大きくとる必要があり、スキャン時間を長くする必要があることから、応答性が劣化するという問題があった。
【００１１】
また、低濃度状態にあるガスＡおよび高濃度状態にあるガスＢの双方の濃度を精度よく検出できるようにする方法として、低濃度状態にあるガスＡは、変調周波数１ｆの２倍の周波数を持つ２ｆ成分を同期検波法にて検出し、高濃度状態にあるガスＢは、１ｆ変調波形の包絡線から検出する方法も考えられる。
ただし、この方法では、包絡線の検出にはピークホールド回路が用いられるが、ピークホールドの応答性を良くすると、１ｆのピークから次のピークまでのピークホールド波形の変動が大きくなり、ピークホールド波形を安定させるためにピークホールドの時定数を大きくすると、包絡線の変化に追従できなくなる。
そこで、本発明の目的は、１個の半導体レーザを用いることで、回路規模の増大を抑制しつつ、高濃度ガスと低濃度ガスの濃度を安定して検出するとともに、応答性の劣化を抑制することが可能なガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するために、請求項１記載のガス濃度測定装置によれば、半導体レーザから出射されるレーザ光の波長をスキャンさせる波長スキャン部と、前記半導体レーザから出射されるレーザ光を周波数変調する周波数変調部と、前記レーザ光の波長のスキャンが行われている一部の期間内に前記周波数変調が行われるように前記周波数変調のタイミングを切り替えるタイミング切替制御部と、前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われたレーザ光および前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われたレーザ光を検出する光検出部と、前記光検出部にて検出された受光信号の変調周波数の２倍の周波数の２倍波周波数参照信号を発生する２倍波周波数信号発生部と、前記２倍波周波数信号発生部にて発生された２倍波周波数参照信号を、前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われた受光信号に掛け合わせることにより、前記受光信号の２倍波成分を抽出する検波部と、前記検波部にて抽出された前記受光信号の２倍波成分に基づいて、少なくとも２種類のガスのうちの吸光量が少ない方のガスの濃度を算出するとともに、前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われた受光信号に基づいて、吸光量が多い方のガスの濃度を算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２記載のガス濃度測定方法によれば、半導体レーザから出射されるレーザ光の波長をスキャンさせるステップと、前記レーザ光の波長のスキャンが行われている一部の期間内に前記レーザ光の周波数変調を行うステップと、前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われたレーザ光および前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われたレーザ光を検出するステップと、前記検出された受光信号の変調周波数の２倍の周波数の２倍波周波数参照信号を発生するステップと、前記周波数変調を伴いながら波長のスキャンが行われた受光信号に前記２倍波周波数参照信号を掛け合わせることにより、前記受光信号の２倍波成分を抽出するステップと、前記抽出された前記受光信号の２倍波成分に基づいて、少なくとも２種類のガスのうちの吸光量が少ない方のガスの濃度を算出するステップと、前記周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われた受光信号に基づいて、前記少なくとも２種類のガスのうちの吸光量が多い方のガスの濃度を算出するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、吸光量が少ない方のガスについては、受光信号の２倍波成分から濃度を検出することを可能としつつ、吸光量が多い方のガスについては、受光信号の２倍波成分を抽出することなく濃度を検出することが可能となる。このため、吸光量が多い方のガスの濃度を検出するために検波器などの回路が不要になり、吸光量が少ない方のガスが良好に検出できるように回路ゲインなどを最適化した場合においても、吸光量が多い方のガスの検出信号が飽和するのを防止することができる。この結果、１個の半導体レーザを用いた場合においても、回路規模の増大を抑制しつつ、高濃度ガスと低濃度ガスの濃度を安定して検出するとともに、応答性の劣化を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係るガス濃度測定装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示す断面図である。
図１において、ガス濃度測定装置の送信側には、レーザユニット１７から出射されたレーザ光の発光波長をスキャンさせながら、スキャンが行われている一部の期間内に周波数変調を行う送信部基板１４、レーザユニット１７から出射されたレーザ光を平行ビームに変換するコリメートレンズ１６およびレーザ素子が搭載されたレーザユニット１７が設けられている。なお、レーザ素子としては半導体レーザを用いることができ、レーザユニット１７には、レーザ素子の温度を検出するサーミスタおよびレーザ素子の温度を調整するペルチェ素子を搭載することができる。
【００１６】
また、ガス濃度測定装置の受信側には、測定対象ガスを透過したレーザ光を集光する集光レンズ２０、測定対象ガスを透過したレーザ光を検出する光検出部２１および測定対象ガスを透過したレーザ光の２倍波周波数から低濃度ガスの濃度を算出するとともに、周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われた受光信号に基づいて、高濃度ガスの濃度を算出する受信部基板２２が設けられている。なお、光検出部２１としては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。
【００１７】
ここで、送信部基板１４、コリメートレンズ１６およびレーザユニット１７はハウジング１８に収容されるとともに、集光レンズ２０、光検出部２１および受信部基板２２はハウジング１９に収容されている。そして、煙道などの測定対象ガスが流れる配管などの隔壁１１ａ、１１ｂには、フランジ１２ａ、１２ｂが溶接などの方法にて取り付けられる。そして、送信部基板１４、コリメートレンズ１６およびレーザユニット１７が収容されたハウジング１８は、ウェッジ窓１５ａにて配管内と仕切られるようにしてフランジ１２ａに取り付けられるとともに、集光レンズ２０、光検出部２１および受信部基板２２が収容されたハウジング１９は、ウェッジ窓１５ｂにて配管内と仕切られるようにしてフランジ１２ｂに取り付けられる。
【００１８】
そして、レーザユニット１７から出射されたレーザ光の発光波長がスキャンされながら、発光波長のスキャンが行われている一部の期間内に中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍでレーザ光が周波数変調される。そして、発光波長がスキャンされながら周波数変調が間欠的に行われたレーザ光がレーザユニット１７から出射され、コリメートレンズ１６にて平行ビームに変換された後、ウェッジ窓１５ａを介して隔壁１１ａ、１１ｂ間の種類の異なる２種類以上の測定対象ガスを透過する。そして、種類の異なる２種類以上の測定対象ガスを透過したレーザ光は、測定対象ガスのガス分子の吸収線にそれぞれ対応した波長の吸収を受けた後、ウェッジ窓１５ｂを介して集光レンズ２０に入射し、集光レンズ２０にて光検出部２１上に集光される。そして、光検出部２１にレーザ光が入射すると、光検出部２１にて電気信号に変換され、その電気信号が受信部基板２２に送られる。そして、光検出部２１にて変換された電気信号が受信部基板２２に送られると、変調周波数の２倍波周波数を持つ２倍波周波数参照信号を受光信号に掛け合わせることにより、受光信号の２倍波成分を抽出し、その抽出された受光信号の２倍波成分に基づいて、低濃度ガスの濃度を算出するとともに、周波数変調を伴うことなく波長のスキャンが行われた受光信号に基づいて、高濃度ガスの濃度を算出することができる。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態に係る周波数変調方式によるガス濃度の測定原理を説明する図である。
図２において、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザの出力を周波数変調し、測定対象ガスに照射されたものとする。ここで、測定対象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、光検出部２１では変調周波数ｆｍの２倍の周波数の成分（２倍波成分）が得られる。そして、変調周波数ｆｍは任意の周波数でよいので、例えば、変調周波数ｆｍを数ｋＨｚ程度に選ぶと、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）または汎用のプロセッサを用い高度な信号処理を施すことが可能となる。
【００２０】
そして、半導体レーザと光検出部２１との距離に起因するレーザ光の減衰量の影響を周波数変調方式にてキャンセルするためには、半導体レーザの出力に周波数変調を行うと同時に変調周波数ｆｍで振幅変調を行えばよく、半導体レーザの出力に周波数変調をかけることで振幅変調もかけることができる。そして、光検出部２１でエンベロープ検波を行うことで振幅変調による基本波成分を推定することができ、この基本波成分の振幅と２倍波成分の振幅の比を位相同期させて取ることで、半導体レーザと光検出部２１との距離に依存することなく、測定対象ガスの濃度に比例した値を得ることができる。
【００２１】
図３は、本発明の一実施形態に係る駆動電流と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図３において、半導体レーザの発光波長は駆動電流が増加するに従って長くなる。このため、半導体レーザの駆動電流を制御することにより、半導体レーザの発光波長を調整することができる。
図４は、本発明の一実施形態に係る温度と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図４において、半導体レーザの発光波長は温度が増加するに従って長くなる。このため、半導体レーザの温度を制御することにより、半導体レーザの発光波長を調整することができる。
【００２２】
図５は、本発明の一実施形態に係る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５において、ガス濃度測定装置の送信側には、半導体レーザ３６が設けられ、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および半導体レーザ３６の温度を調整するペルチェ素子３８が搭載されている。
また、サーミスタ３７にて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の温度を制御する温度制御部３５、半導体レーザ３６から出射されるレーザ光の波長をスキャンさせる波長走査信号Ｓ１を発生させる波長走査駆動信号発生器３１、半導体レーザ３６から出射されるレーザ光を周波数変調する高周波信号Ｓ２を発生させる高周波変調信号発生部３２、レーザ光の波長の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制御部４０、高周波変調信号発生部３２の出力をオン／オフするスイッチ３９、波長走査信号Ｓ１と高周波信号Ｓ２を合成する合成器３３、波長走査信号Ｓ１に高周波信号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電流制御部３４が設けられている。なお、波長走査駆動信号発生器３１としては、三角波発生回路を用いることができ、安定性の観点からは、デジタルカウンタとＤＡ変換器とを組み合わせた回路を用いるようにしてもよい。
【００２３】
図６は、ＮＨ３ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図である。
図６において、ＮＨ３ガスでは、１５１２ｎｍ付近に吸収波長帯のピークがある。このため、波長走査駆動信号発生器３１は、周波数変調されたレーザ光の発光波長が１５１２ｎｍ付近をスキャンするように半導体レーザ３６の駆動電流を変化させることで、ＮＨ３ガス中でレーザ光を吸収させ、ＮＨ３ガスの濃度を計測させることができる。また、温度制御部３５は、ペルチェ素子３８を駆動することにより、波長スキャン時の中心部分でＮＨ３ガスの濃度が検出されるように半導体レーザ３６の温度を事前に設定することができる。
【００２４】
ここで、ＮＨ３ガスが高濃度状態にある場合、切替制御部４０は、高周波変調信号発生部３２の出力をオフし、波長走査信号Ｓ１に高周波信号Ｓ２が合成されない信号に基づいて半導体レーザ３６を駆動させることができる。また、ＮＨ３ガスが低濃度状態にある場合、切替制御部４０は、高周波変調信号発生部３２の出力をオンし、波長走査信号Ｓ１に高周波信号Ｓ２が合成された信号に基づいて半導体レーザ３６を駆動させることができる。
【００２５】
図７は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
図７において、ガス濃度測定装置の受信側には、半導体レーザから出射されたレーザ光を検出するフォトダイオード４１、フォトダイオード４１から出力される電流を電圧に変換するＩ−Ｖ変換回路４２、Ｉ−Ｖ変換回路４２から出力された電圧を増幅する増幅器４３、増幅器４３を介して出力された信号から変調周波数の２倍波成分を抽出するバンドパスフィルタ４４、変調周波数ｆｍの２倍波周波数を持つ２ｆ参照信号を発生する２倍波周波数信号発生部４５、２ｆ参照信号を用いることで、バンドパスフィルタ４４の出力から２ｆ成分を抽出する検波器４６、検波器４６の出力から不要な高域成分を除去するローパスフィルタ４７、ローパスフィルタ４７から出力された電圧を増幅する増幅器４８、増幅器４３から出力された受光光量信号および増幅器４８から出力された２ｆ成分検出信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器４９およびガスの濃度の算出処理を行う制御プロセッサ５０が設けられている。
ここで、制御プロセッサ５０は、増幅器４３から出力された受光光量信号に基づいて、高濃度ガスの濃度を算出するとともに、増幅器４８から出力された２ｆ成分検出信号に基づいて、低濃度ガスの濃度を算出することができる。
【００２６】
図８は、本発明の一実施形態に係る波長スキャン方式によるガス濃度の測定方法を示す図である。ここで、図５の波長走査信号Ｓ１は、波長走査信号Ｓ１の強度が一定に保たれた一定信号７３と、波長走査信号Ｓ１の強度が台形状に直線的に増加する波長掃引信号７２と、波長走査信号Ｓ１の強度が０であるゼロ信号７４とから構成することができる。なお、図８の例では、複数の測定対象ガスとして、ＨＣｌガスとＨ２Ｏガスとを例にとった。
【００２７】
そして、ＨＣｌガスとＨ２Ｏガスの濃度を測定する場合、図５の温度制御部３５は、ペルチェ素子３８を駆動することにより、波長走査信号Ｓ１の中心の近隣部分でＨＣｌガスとＨ２Ｏガスの濃度が検出されるように半導体レーザ３６の温度を事前に設定する。
そして、図５の波長走査駆動信号発生器３１は、半導体レーザ３６の発光を安定化させるために、波長走査信号Ｓ１の強度が半導体レーザ３５のスレッショルドカレント以上になるようにして一定に保ちながら、波長走査信号Ｓ１の一定信号７３を合成器３３に出力するとともに、切替制御部４０はスイッチ３９をオンすることで、高周波変調信号発生部７３は１０ｋＨｚ程度の正弦波からなる高周波信号Ｓ２をスイッチ３９を介して合成器３３に出力する。
【００２８】
そして、波長走査信号Ｓ１の一定信号７３と高周波信号Ｓ２とは合成器３３にて合成され、波長走査信号Ｓ１の一定信号７３と高周波信号Ｓ２とが合成された信号に基づいて半導体レーザ３６の電流が制御されることにより、ＨＣｌガスとＨ２Ｏガスによる吸収を受けない波長λ１を中心として１０ｋＨｚ程度の正弦波にてレーザ光が周波数変調される。
【００２９】
そして、周波数変調されたレーザ光はＨＣｌガスとＨ２Ｏガスを通過すると、ＨＣｌガスとＨ２Ｏガスによる吸収を受けることなく図７のフォトダイオード４１に入射し、フォトダイオード４１にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード４１にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路４２にて電圧に変換され、増幅器４３にて増幅された後、バンドパスフィルタ４４にて変調周波数の２倍波成分が抽出され、検波器４６に入力される。そして、２倍周波数信号発生部４５にて発生された２ｆ参照信号とバンドパスフィルタ４４からの出力が検波器４６にて合成されることにより、バンドパスフィルタ４４からの出力から２ｆ成分が抽出される。そして、検波器４６にて抽出された２ｆ成分は、ローパスフィルタ４７にて不要な高域成分が除去された後、増幅器４８にて増幅され、２ｆ成分検出信号としてＡＤ変換器４９に出力される。
【００３０】
ここで、波長λ１を中心として周波数変調されたレーザ光はＨＣｌガスとＨ２Ｏガスによる吸収を受けないため、Ｉ−Ｖ変換回路４２の出力から高周波信号Ｓ２の２倍の周波数成分が抽出されることはなく、検波器４６からの出力は一定となる。
次に、図５の波長走査駆動信号発生器３１は、Ｈ２Ｏガスの吸収波長帯をスキャンさせるために、波長走査信号Ｓ１の強度を台形状に直線的に増加させることで、波長走査信号Ｓ１の波長掃引信号７２を合成器３３に出力するとともに、切替制御部４０はスイッチ３９をオフすることで、高周波変調信号発生部３２にて生成された１０ｋＨｚ程度の正弦波からなる高周波信号Ｓ２が合成器３３に出力されるのを阻止する。なお、ＨＣｌガスとＨ２Ｏガスの濃度を測定する場合、波長走査駆動信号発生器３１は、０．２ｎｍ程度の線幅をスキャンできるように波長走査信号Ｓ１を発生することができる。
【００３１】
そして、波長走査信号Ｓ１の波長掃引信号７２は合成器３３にて高周波信号Ｓ２と合成されることなく、電流制御部３４に出力され、波長走査信号Ｓ１の波長掃引信号７２に基づいて半導体レーザ３６の電流が制御されることにより、Ｈ２Ｏガスの吸収波長帯を含むように波長λ２から波長λ３までの範囲で波長がスキャンされたレーザ光が出射される。
【００３２】
そして、波長がスキャンされたレーザ光はＨ２Ｏガスを通過すると、Ｈ２Ｏガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、図７のフォトダイオード４５に入射し、フォトダイオード４１にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード４１にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路４２にて電圧に変換され、増幅器４３にて増幅された後、受光光量信号としてＡＤ変換器４９に送られ、デジタルデータに変換される。そして、デジタルデータに変換された受光光量信号は制御プロセッサ５０に送られ、デジタルデータに変換された受光光量信号に基づいて、Ｈ２Ｏガスの濃度が算出される。
【００３３】
ここで、Ｈ２Ｏガスの吸収波長帯を含むように波長λ２から波長λ３までの範囲で波長がスキャンされたレーザ光はＨ２Ｏガスによる吸収量に対応した減衰を受けるため、Ｉ−Ｖ変換回路４２からの出力はＨ２Ｏガスによる吸収波形に対応した値となる。
次に、図５の波長走査駆動信号発生器３１は、ＨＣｌガスの吸収波長帯をスキャンさせるために、波長走査信号Ｓ１の強度を台形状にさらに直線的に増加させることで、波長走査信号Ｓ１の波長掃引信号７２を合成器３３に出力するとともに、切替制御部４０はスイッチ３９をオンすることで、高周波変調信号発生部３２は１０ｋＨｚ程度の正弦波からなら高周波信号Ｓ２を合成器３３に出力する。
【００３４】
そして、波長走査信号Ｓ１の波長掃引信号７２と高周波信号Ｓ２とは合成器３３にて合成され、波長走査信号Ｓ１の波長掃引信号７２と高周波信号Ｓ２とが合成された信号に基づいて半導体レーザ３６の電流が制御されることにより、ＨＣｌガスの吸収波長帯を含むように波長λ３から波長λ４までの範囲を中心として１０ｋＨｚ程度の正弦波にてレーザ光が周波数変調される。
【００３５】
そして、周波数変調されたレーザ光はＨＣｌガスを通過すると、ＨＣｌガスによる吸収量に対応した減衰を受けた後、図７のフォトダイオード４１に入射し、フォトダイオード４１にてレーザ光が検出される。そして、フォトダイオード４１にて検出された電流はＩ−Ｖ変換回路４２にて電圧に変換され、増幅器４３にて増幅された後、バンドパスフィルタ４４にて変調周波数の２倍波成分が抽出され、検波器４６に入力される。そして、２倍周波数信号発生部４５にて発生された２ｆ参照信号とバンドパスフィルタ４４からの出力が検波器４６にて合成されることにより、バンドパスフィルタ４４からの出力から２ｆ成分が抽出される。そして、検波器４６にて抽出された２ｆ成分は、ローパスフィルタ４７にて不要な高域成分が除去された後、増幅器４８にて増幅され、２ｆ成分検出信号としてＡＤ変換器４９に送られることで、デジタルデータに変換される。そして、デジタルデータに変換された２ｆ成分検出信号は制御プロセッサ５０に送られ、デジタルデータに変換された２ｆ成分検出信号に基づいて、ＨＣｌガスの濃度が算出される。
【００３６】
ここで、ＨＣｌガスの吸収波長帯を含むように波長λ３から波長λ４までの範囲を中心として周波数変調されたレーザ光はＨＣｌガスによる吸収量に対応した減衰を受けるため、検波器４６からの出力はＨＣｌガスによる吸収波形に対応した値となる。
これにより、吸光量が少ない方のＨＣｌガスについては、受光信号の２倍波成分から濃度を検出することを可能としつつ、吸光量が多い方のＨ２Ｏガスについては、受光信号の２倍波成分を抽出することなく濃度を検出することが可能となる。このため、吸光量が多い方のＨ２Ｏガスの濃度を検出するために検波器などの回路が不要になり、吸光量が少ない方のＨＣｌガスが良好に検出できるように回路ゲインなどを最適化した場合においても、吸光量が多い方のＨ２Ｏガスの検出信号が飽和するのを防止することができる。この結果、１個の半導体レーザ３６を用いた場合においても、回路規模の増大を抑制しつつ、高濃度ガスと低濃度ガスの濃度を安定して検出するとともに、応答性の劣化を抑制することが可能となる。
【００３７】
図９（ａ）は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザの駆動電流（または発光光量）の波形を示す図、図９（ｂ）は、図９（ａ）の駆動電流で半導体レーザが駆動された時にフォトダイオードで受光された受光光量の波形を示す図である。
図９（ａ）において、図５の半導体レーザ３６の駆動電流は、波長走査信号Ｓ１の波長掃引信号７２に高周波信号Ｓ２が間欠的に重畳された波形になり、半導体レーザ３６の発光光量の波形についても、図９（ａ）の波形と同様になる。
そして、図９（ａ）の発光光量のレーザ光がガス流路を通過すると、図９（ｂ）に示すように、そのガスの特定波長の吸光量に対応した減衰を受ける。そして、その減衰を受けたレーザ光を図７のフォトダイオード４１で受光し、領域Ｒ１の受光光量信号に基づいて、高濃度ガスの濃度を算出するとともに、領域Ｒ２の２ｆ成分検出信号に基づいて、低濃度ガスの濃度を算出することができる。−
【００３８】
図１０は、図９（ｂ）のＲＡの部分の時間軸を拡大して示す図である。
図１０において、吸光が起きていない波長を点Ａ、Ｂ、吸光が起きている波長を点Ｎとし、点Ａ、点Ｂ、点Ｎの時刻をそれぞれｔＡ、ｔＢ、ｔＮ、点Ａ、点Ｂ、点Ｎの波長での受光光量信号の電圧値をそれぞれｙＡ、ｙＢ、ｙＮとすると、吸光量に相当する電圧値ＶＮは、以下の（１）式にて求めることができる。
（ｔＮ−ｔＡ）（ｙＡ−ｙＢ）／（ｔＢ−ｔＡ）＋ｙＡ−ｙＮ                （１）
この電圧値ＶＮはガスの濃度に比例することから、図９（ｂ）のＲＡの部分から電圧値ＶＮを求めることにより、ガスの濃度を検出することができる。
【００３９】
このように、本発明の実施形態によれば、高濃度ガスの検出には１ｆ変調を行うことなく波長掃引を行うことで受光信号の光量波形を計測し、低濃度ガスの検出には波長掃引を行いながら１ｆ変調を行い、同期検波にて２ｆ成分を計測するようにしたので、処理回路が複雑化したり、応答性が遅くなったり、波形の変動が大きくなったりするのを防止しつつ、簡易な構成を付加するだけで、複数の半導体レーザを用いることなく、高濃度ガスと低濃度ガスの濃度を安定して検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る周波数変調方式によるガス濃度の測定原理を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る駆動電流と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る温度と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る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６】ＮＨ３ガスの吸収スペクトラムの一例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る波長スキャン方式によるガス濃度の測定方法を示す図である。
【図９】図９（ａ）は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザの駆動電流の波形を示す図、図９（ｂ）は、図９（ａ）の駆動電流で半導体レーザが駆動された時にフォトダイオードで受光された受光光量の波形を示す図である。
【図１０】図９（ｂ）のＲＡの部分の時間軸を拡大して示す図である。
【図１１】従来のガス濃度測定装置の受信側の概略構成を示すブロック図である。
【図１２】図１２（ａ）は、従来の半導体レーザを駆動する駆動電流の波形を示す図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の駆動電流で半導体レーザが駆動された時のレーザ光の発光波長を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１ａ、１１ｂ  隔壁
１２ａ、１２ｂ  フランジ
１４  送信部基板
１５ａ、１５ｂ  ウェッジ窓
１６  コリメートレンズ
１７  レーザユニット
１８、１９  ハウジング
２０  集光レンズ
２１  光検出部
２２  受信部基板
３１  波長走査駆動信号発生器
３２  高周波変調信号発生部
３３  合成器
３４  電流制御部
３５  温度制御部
３６  半導体レーザ
３７  サーミスタ
３８  ペルチェ素子
３９  スイッチ
４０  切替制御部
４１  フォトダイオード
４２  Ｉ／Ｖ変換回路
４３、４８  増幅器
４４  バンドパスフィルタ
４５  ２倍波周波数信号発生部
４６  検波器
４７  ローパスフィルタ
４９  ＡＤ変換器
５０  制御プロセッサ
【図１】
0005045480.tif 000002
【図２】
0005045480.tif 000003
【図３】
0005045480.tif 000004
【図４】
0005045480.tif 000005
【図５】
0005045480.tif 000006
【図６】
0005045480.tif 000007
【図７】
0005045480.tif 000008
【図８】
0005045480.tif 000009
【図９】
0005045480.tif 000010
【図１０】
0005045480.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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