(57)【要約】【課題】簡素な構造で高精度にガス濃度を計測することができ、しかも製造コストの低減を可能にしたガス濃度計測装置を提供する。【解決手段】周波数変調されたレーザ光を出射するレーザ光源部１０１と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播されたレーザ光を受光する受光素子２０２と、その出力信号からレーザ光の変調信号の２倍周波数成分を抽出して測定対象ガスの濃度を測定する受光信号処理回路２０３と、測定対象ガスと同一成分で濃度が既知である参照ガスが封入された参照ガスセル１０３と、参照ガスを透過したレーザ光から抽出した２倍周波数成分に基づいてレーザ光の波長を制御する波長制御回路１０１ｅとを備え、前記参照ガスが、レーザ光源部１０１から出射して受光素子２０２に入射するレーザ光Ｌ１の直線状の光軸Ｌ０上に存在するように、参照ガスセル１０３を配置する。【選択図】図１
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【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レーザ光源部と、
測定対象ガスが存在する空間を介して伝播されたレーザ光を受光する受光手段と、
前記受光手段の出力信号からレーザ光の変調信号の２倍周波数成分を抽出し、この２倍周波数成分から前記測定対象ガスの濃度を測定する受光信号処理手段と、
前記測定対象ガスと同一成分で濃度が既知である参照ガスが封入された参照ガスセルと、
前記参照ガスを透過したレーザ光から抽出した前記２倍周波数成分に基づいて、レーザ光の波長を制御する波長制御手段と、
を備えたガス濃度計測装置において、
前記参照ガスが、前記レーザ光源部から出射して前記受光手段に入射するレーザ光の直線状の光軸上に存在するように、前記参照ガスセルを配置したことを特徴とするガス濃度計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載したガス濃度計測装置において、
前記受光信号処理手段は、
前記測定対象ガス及び前記参照ガスを透過したレーザ光を前記受光手段が受光したときの前記２倍周波数成分の振幅と、前記参照ガスのみを透過したレーザ光を前記受光手段が受光したときの前記２倍周波数成分の振幅と、の差を求めて、前記測定対象ガスの濃度を測定することを特徴とするガス濃度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数変調したレーザ光を用いて各種のガス濃度を測定するガス濃度計測装置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４は、ＮＨ３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラム例である。
レーザ光を用いたガス濃度計測装置は、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計測装置であり、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ガス濃度計測装置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ガス濃度計測装置の測定原理を説明する。
図５は、周波数変調方式の原理図を示している。周波数変調方式のガス濃度計測装置では、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６（ａ），（ｂ）に示すようにドライブ電流や温度によって出射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レーザ光の波長が変調されることになる。
【０００４】
図５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倍の周波数成分の信号（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、受光部において検出される２倍波信号の振幅は測定対象ガス濃度に比例した値となっており、変調周波数ｆｍに同期した２倍波信号の周波数によって受光信号を同期検波することで、測定対象ガス濃度を計測することができる。
【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レーザの出射波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせる必要が生じる。
その方法として、例えば特許文献１に記載されているように、測定対象ガスと同一成分で濃度が既知である参照ガスを予め封入した参照ガスセルを用いて、ＤＦＢレーザの出射波長を温度によって制御する方法が用いられている。
【０００６】
図７は、特許文献１に記載されたガス濃度計測装置の主要部を示す構成図である。この計測装置は、例えば酸素ガス濃度の計測に用いられる。
図７において、窒素ガスがパージされた容器２の中に、レーザダイオード（ＬＤ）３、ハーフミラー６，計測セル７、第１のフォトダイオード（ＰＤＳ）８、ミラー９、参照セル１０，第２のフォトダイオード（ＰＤＲ）１１が設けられている。
計測セル７は、ガス供給装置（図示せず）に連通するガス管７ｃ，７ｄを介して、測定対象ガスとして種々異なる酸素濃度の標準ガスが計測セル７内を循環する。標準ガスの酸素濃度は、例えば０％，２％，１０．５％，２１％のように、既知の値にそれぞれ調整される。
【０００７】
計測セル７の一端には入射窓７ａが、他端には出射窓７ｂが設けられている。入射窓７ａの前方にはハーフミラー６が配置され、ハーフミラー６の更に前方には光源としてのレーザダイオード３が配置されている。レーザダイオード３から出射されたレーザ光５はハーフミラー６を通って部分透過光５ａとなり、入射窓７ａを介して計測セル７に入射する。
なお、レーザダイオード３のレーザ発振動作は、レーザダイオードドライバ４からの制御信号Ｓ１により制御される。このドライバ４は、レーザダイオード３から出射するレーザ光５の波長を酸素分子（Ｏ２）に固有の吸収波長の一つにマッチングさせる制御回路を備えている。
【０００８】
計測セル７の出射窓７ｂの後方には、第１のフォトダイオード（ＰＤＳ）８が配置されている。このフォトダイオード８は、計測セル７を通過したレーザ光５ｂを受光し、その強度に応じた信号Ｓ４を直流成分検出部としてのローパスフィルタ（ＬＰＦＳ）２１及び位相敏感検波器（ＰＳＤＳ：ロックインアンプともいう）２２にそれぞれ出力する。
【０００９】
ハーフミラー６の近傍にはミラー９が設けられ、ハーフミラー６からの反射光５ｃを参照セル１０に入射させる。反射光５ｃは窓１０ａを通って参照セル１０に入射し、参照セル１０を通過した後に、窓１０ｂを通って出て行く。参照セル１０の中には酸素濃度２１％の標準ガスが封入されている。参照セル１０を通過したレーザ光５ｄは、第２のフォトダイオード１１により受光される。このフォトダイオード１１から、受光信号Ｓ６がローパスフィルタ（ＬＰＦＲ）１２及び位相敏感検波器（ＰＳＤＲ）１３のそれぞれに出力される。
【００１０】
変調部は、レーザ発振波長に対して異なる周波数の変調信号をそれぞれ印加すると共に、その変調信号に同期した参照信号をそれぞれ出力する第１及び第２の波形発生器（ＦＧ：変調成分発生器ともいう）１６，１７を備えている。
第１の変調成分発生器１６は、レーザ発振波長に変調を加えるための変調信号Ｓ２をレーザダイオードドライバ４に出力すると共に、その変調信号に同期した参照信号Ｓ２を位相敏感検波器１３，２２にそれぞれ出力する。
第２の変調成分発生器１７は、レーザ発振波長に変調を加えるための変調信号Ｓ３をレーザダイオードドライバ４に出力すると共に、その変調信号に同期した参照信号Ｓ３を位相敏感検波器１４，１５及び位相敏感検波器（ＰＳＤＲ：ロックインアンプともいう）２３にそれぞれ出力する。
【００１１】
位相敏感検波部は、第１，第２の変調成分発生器１６，１７からそれぞれ出力される参照信号Ｓ２，Ｓ３とフォトダイオード８から出力される受光信号Ｓ４とを用いて、計測セル７中の酸素分子によるレーザ光の吸収量を検出するロックインアンプ２２，２３を備えている。
一方のロックインアンプ２２は、受光信号Ｓ４の交流成分中から参照信号（第１変調信号）Ｓ２の２倍高調波に同期する成分の強度を示す信号Ｓ８を他方のロックインアンプ２３に出力する。他方のロックインアンプ２３は、信号Ｓ８の交流成分中から参照信号（第２変調信号）Ｓ３の２倍高調波に同期する成分の強度を示す信号Ｓ９をパーソナルコンピュータ２４に出力する。
【００１２】
解析部は、ロックインアンプ２３からの信号Ｓ９及びローパスフィルタ２１からの信号Ｓ５に基づいて、計測セル７内の酸素濃度及び固体粒子濃度をそれぞれ算出するパーソナルコンピュータ２４と、このコンピュータ２４により算出した各濃度値を数値化またはグラフ化して画面に表示する表示装置（図示せず）と、を備えている。
【００１３】
更に、レーザダイオード３からのレーザ光５を２つに分光し、一方の光５ｃを、一定の酸素濃度（例えば２１％）に保持した標準ガスを封入してなる参照セル１０に入射させ、位相敏感検波器１３，１４やローパスフィルタ１２を用いて、パーソナルコンピュータ２４により計測セル７中の酸素濃度計測値を校正したり、位相敏感検波器１３，１５を用いてレーザダイオード３の出射波長を酸素分子の吸収中心波長に固定するためのロック機構を備えている。
【００１４】
上記のように、特許文献１記載のガス濃度計測装置では、レーザダイオードドライバ４内の制御回路が、参照セル１０を通過したレーザ光５ｄによる受光信号Ｓ６を用いて、レーザ光５の波長が酸素分子に固有の吸収波長の一つになるように制御すると共に、レーザ光５を、計測対象空間を介してフォトダイオード８により受光させ、その出力から２倍波信号を抽出することにより、測定対象ガス濃度を測定している。
【００１５】
【特許文献１】特開２００１−７４６５４号公報（段落［００５１］〜［００５９］、図１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
前述したように周波数変調方式のガス濃度計測装置では、測定対象ガスの吸収波長にレーザ光５の波長を合わせる必要がある。そのためには、測定対象ガスと同一成分で濃度が既知である参照ガスを封入した参照セルが必要であり、図７の従来技術では、レーザ光５のうちの一部の光５ｃを参照セル１０に入射させるため、ハーフミラー６を用いてレーザ光５を分岐させている。
【００１７】
しかし、光軸上にハーフミラー６等の光学部材を配置することは、光の干渉ノイズを増大させる要因になり、検出精度が低下するという問題がある。また、測定対象ガスを検出するためのレーザ光量（計測セル７に到達する光量）がほぼ１／２に減少するので、検出信号のＳ／Ｎが劣化するといった問題がある。
更に、参照セル用のフォトダイオード１１、ローパスフィルタ１２、及び位相敏感検波器１４，１５等の検出回路が必要であるため、構造が複雑で部品点数が多く、参照セル１０の周辺の光学系部品の光軸調整作業も必要なことから、製造コストが高くなるという問題がある。
【００１８】
そこで、本発明の解決課題は、簡素な構造で高精度にガス濃度を計測することができ、しかも製造コストの低減を可能にしたガス濃度計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の課題を達成するため、請求項１に係る発明は、周波数変調されたレーザ光を出射するレーザ光源部と、測定対象ガスが存在する空間を介して伝播されたレーザ光を受光する受光手段と、その出力信号からレーザ光の変調信号の２倍周波数成分を抽出し、この２倍周波数成分から測定対象ガスの濃度を測定する受光信号処理手段と、測定対象ガスと同一成分で濃度が既知である参照ガスが封入された参照ガスセルと、参照ガスを透過したレーザ光から抽出した２倍周波数成分に基づいて、レーザ光の波長を制御する波長制御手段と、を備えたガス濃度計測装置において、
前記参照ガスが、レーザ光源部から出射して受光手段に入射するレーザ光の直線状の光軸上に存在するように、参照ガスセルを配置したものである。
【００２０】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記受光信号処理手段が、測定対象ガス及び参照ガスを透過したレーザ光を受光手段が受光したときの２倍周波数成分の振幅と、参照ガスのみを透過したレーザ光を受光手段が受光したときの２倍周波数成分の振幅と、の差を求めて、測定対象ガスの濃度を測定するものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、レーザ光源部から受光手段に至るレーザ光の直線状の光軸上に参照ガスセルを配置したため、従来技術のようにハーフミラーを用いてレーザ光を分岐させ、参照ガスセルに入射させる構造に比べて、光の干渉ノイズが少なく、検出精度の低下を招く恐れがない。また、受光手段に到達するレーザ光が減少する心配もないので、Ｓ／Ｎの低下も生じない。
更に、光学系の構成を単純化できるため、低コストで高精度なガス濃度計測装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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、実施形態に係る周波数変調方式のガス濃度計測装置の全体的な構成図である。
このガス濃度計測装置は、発光部１００及び受光部２００を備えている。これらの発光部１００及び受光部２００は、例えば煙道３０３のように測定対象ガスが内部を流通する配管壁３０１，３０２の外周面に、フランジ４０１，４０２を用いて溶接により取り付けられる。なお、発光部１００及び受光部２００の取付箇所や取付構造は、図示例に何ら限定されるものではない。
【００２３】
発光部１００は、レーザ光源部１０１と、レーザ光Ｌ１の光軸Ｌ０上に順次配置されたレンズ１０２及び参照ガスセル（図７における参照セルと同義である）１０３を備えている。
参照ガスセル１０３には、測定対象ガスと同一成分で濃度が既知である参照ガスが封入されている。この参照ガスセル１０３は、石英ガラス等により形成された専用のガスセルであっても良いし、金属配管の軸方向両端部にレーザ光Ｌ１を入出射させるためのガラス窓を設けたものであっても良い。図示例では、参照ガスセル１０３がフランジ４０１の内部空間に取り付けられているが、光軸Ｌ０上であれば他の場所でも良い。
【００２４】
発光部１００では、周波数変調されてレーザ光源部１０１から出射したレーザ光Ｌ１をレンズ１０２により平行光にコリメートし、参照ガスセル１０３の内部を透過させた後、煙道３０３の内部へ入射させる。レーザ光Ｌ１は、参照ガスセル１０３を透過することにより、予め既知である所定波長のガス吸収を受ける。
【００２５】
参照ガスセル１０３の内部を透過したレーザ光Ｌ１は、煙道３０３内の測定対象ガスを透過して、光軸Ｌ０上に配置された受光部２００に到達する。
受光部２００は、レンズ２０１と、フォトダイオード等の受光素子２０２と、受光信号処理回路２０３とを備えている。ここで、受光素子２０２はレーザ光Ｌ１の波長に感度を有している。
上記構成の受光部２００では、煙道３０３の内部を透過したレーザ光Ｌ１をレンズ２０１により集光して受光素子２０２にて受光し、受光信号処理回路２０３において電気信号として検出される。
【００２６】
なお、受光素子２０２の出力電流は、受光信号処理回路２０３内のＩ／Ｖ（電流／電圧）変換回路により適当な大きさの電圧に変換される。そして、この電圧信号を同じく受光信号処理回路２０３内の同期検波回路に入力して、レーザ光Ｌ１の変調周波数の２倍の周波数の信号（２倍波信号）Ｓ２１を抽出し、必要に応じてフィルタ処理や増幅を行って所望の波形、大きさの信号を生成する。そして、この２倍波信号Ｓ２１は、ＣＰＵ等の演算回路による測定対象ガス濃度の演算に用いられる。
また、受光信号処理回路２０３から出力された２倍波信号Ｓ２１は、発光部１００のレーザ光源部１０１に伝送されてレーザ光Ｌ１の波長制御を行うようになっている。
【００２７】
図２は、上記レーザ光源部１０１の構成を示している。
レーザ光源部１０１は、互いに密接して配置されたレーザダイオード等のレーザ素子１０１ａ及びペルチェ素子１０１ｂと、波長制御回路１０１ｃと、高周波変調回路１０１ｄと、図示しない電源回路等を備えている。
波長制御回路１０１ｃは、温度制御信号Ｓ２２をペルチェ素子１０１ｂに送ってレーザ素子１０１ａの温度を可変とすることによりレーザ光Ｌ１の波長を制御し、高周波変調回路１０１ｄは、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波でレーザ光Ｌ１を周波数変調するための高周波変調信号Ｓ２３をレーザ素子１０１ａに送っている。
【００２８】
ここで、レーザ光Ｌ１は参照ガスセル１０３を必ず透過するので、参照ガスセル１０３内で参照ガスによる吸収を受ける。
また、参照ガス及び測定対象ガスを透過したレーザ光Ｌ１による２倍波信号Ｓ２１は、図３に実線で示す波形のように検出され、２倍波信号Ｓ２１のピーク位置Ａにおける波長が測定対象ガス及び参照ガスの吸収波長（中心波長）である。従って、図２における波長制御回路１０１ｃは、２倍波信号Ｓ２１のレベルが最大値になるように温度制御信号Ｓ２２によってレーザ素子１０１ａの温度を微調整し、レーザ光Ｌ１の波長が測定対象ガスの吸収波長に一致するように制御する。
上記のような構成により、測定対象ガスの有無にかかわらず、レーザ光Ｌ１の波長を常に測定対象ガスの吸収波長にロックすることが可能である。
【００２９】
次に、この実施形態におけるガス濃度の測定方法について説明する。
前述したように、レーザ素子１０１ａから出射するレーザ光Ｌ１の波長は、波長制御回路１０１ｃにより測定対象ガスの吸収波長と等しくなるように制御されると共に、レーザ光Ｌ１は高周波変調回路１０１ｄにより変調周波数ｆｍにて周波数変調されている。
そのような設定条件のもとで、レーザ素子１０１ａを駆動して煙道３０３内にレーザ光Ｌ１を照射し、その透過光を受光素子２０２へ入射させる。
【００３０】
受光部２００において、煙道３０３内に測定対象ガスがない場合は、受光信号処理回路２０３内の同期検波処理による２倍波信号Ｓ２１は参照ガスセル１０３内の参照ガスによる吸収のみであるから、図３における既知の値Ｓ２１０（図３の点線で示す波形の正側ピーク値）が検出される。
これに対し、煙道３０３内に測定対象ガスが存在する場合の２倍波信号Ｓ２１は、参照ガスセル１０３内の参照ガスによる吸収分Ｓ２１０に、測定対象ガスによる吸収分を加算した値に相当する値Ｓ２１１（図３の実線で示す波形の正側ピーク値）となる。
従って、受光信号処理回路２０３内の演算回路がこれらの差である（Ｓ２１１−Ｓ２１０）を演算することにより、測定対象ガス濃度に比例した値を求めることができる。
【００３１】
なお、本実施形態では、２倍波信号Ｓ２１の正側のピーク値Ｓ２１１（図３のＡ点）のみを検出してガス濃度を算出する場合を説明したが、Ａ点の吸収波長を基準にして波長挿引させ、図３のＢ点及びＣ点における２倍波信号Ｓ２１の負側のピーク値も用いてガス濃度を検出してもよい。
【００３２】
以上のように、本実施形態では、レーザ素子１０１ａから出射して受光素子２０２に入射するレーザ光Ｌ１の直線状の光軸Ｌ０上に参照ガスセル１０３を配置している。
このため、従来技術のようにハーフミラーを用いてレーザ光を参照ガスセルに入射させる構造に比べて、光の干渉ノイズの増大や検出信号のＳ／Ｎの低下等を生じる恐れがないと共に、光学系の構成も至って単純である。従って、レーザ光Ｌ１の波長制御による高精度なガス濃度計測を、簡素な構成によって安価に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係るガス濃度計測装置の全体構成図である。
【図２】図１におけるレーザ光源部の構成図である。
【図３】本発明の実施形態における２倍波信号の検出例を示す図である。
【図４】ＮＨ３ガスの吸収スペクトラム例である。
【図５】周波数変調方式の原理図である。
【図６】半導体レーザの出射波長の変化を示す図である。
【図７】特許文献１に記載されたガス濃度測定装置の主要部を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１００：発光部
１０１：レーザ光源部
１０１ａ：レーザ素子
１０１ｂ：ペルチェ素子
１０１ｃ：波長制御回路
１０１ｄ：高周波変調回路
１０２，２０１：レンズ
１０３：参照ガスセル
２００：受光部
２０２：受光素子
２０３：受光信号処理回路
３０１，３０２：配管壁
３０３：煙道
４０１，４０２：フランジ
Ｌ１：レーザ光
Ｌ０：光軸
Ｓ２１：２倍波信号
Ｓ２２：温度制御信号
Ｓ２３：高周波変調信号
【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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