(57)【要約】【課題】装置構成が単純化され、希薄なガスでも感度良く計測することのできる、ガス濃度計測装置及びガス濃度計測方法を提供する。【解決手段】予め設定された波形の駆動用信号を生成する駆動用信号生成部と、前記駆動用信号に基づいて被測定対象を透過するレーザ光を発振させるレーザーダイオード部と、前記被測定対象を透過した前記レーザ光を受光して受光信号を生成するフォトダイオード部と、前記駆動用信号の波形に対応した波形の参照信号を生成する参照信号生成部と、前記受光信号と前記参照信号とに基づいて、差動増幅信号を生成する差動増幅部と、前記差動増幅信号に基づいて、前記被測定対象の濃度を計算する濃度計算部とを具備する。【選択図】図２
2009156815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め設定された波形の駆動用信号を生成する駆動用信号生成部と、
前記駆動用信号に基づいてレーザ光を発振するレーザーダイオード部と、
前記レーザ光を受光して受光信号を生成するフォトダイオード部と、
前記駆動用信号の波形に対応した波形の参照信号を生成する参照信号生成部と、
前記受光信号と前記参照信号とに基づいて、差動増幅信号を生成する差動増幅部と、
前記差動増幅信号に基づいて、被測定対象の濃度を計算する濃度計算部と、
を具備し、
前記レーザダイオード部から前記フォトダイオード部までの前記レーザ光の光路は、１光路であり、前記被測定対象を透過する光路である
ガス濃度計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載されたガス濃度計測装置であって、
前記駆動用信号の波形は、前記被測定対象による吸収の存在する第１波長帯と前記被測定対象による吸収の存在しない第２波長帯との双方を含む波長領域で前記レーザ光が走査されるような波形であり、
前記参照信号生成部は、前記第２波長帯に対応した前記受光信号に基づいて、前記第１波長帯に対応する部分を補間することにより、前記参照信号を生成する
ガス濃度計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載されたガス濃度計測装置であって、
前記参照信号生成部は、前記第２波長帯のうち前記第１波長帯よりも短波長側の波長に対応する前記受光信号と、前記第２波長帯のうち前記第１波長帯よりも長波長側の波長に対応する前記受光信号とに基づいて、前記第１波長帯に対応する部分を補間する
ガス濃度計測装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載されたガス濃度計測装置であって、
前記駆動用信号は、のこぎり波であり、
前記参照信号生成部は、線形補間により、前記第１波長帯に対応する部分を補間する
ガス濃度計測装置。
【請求項５】
請求項２又は３に記載されたガス濃度計測装置であって、
前記駆動用信号は、正弦波であり、
前記参照信号生成部は、前記参照信号が正弦波となるように、前記第１波長帯に対応する部分を補間する
ガス濃度計測装置。
【請求項６】
請求項１に記載されたガス濃度計測装置であって、
前記参照信号生成部には、予め、前記駆動用信号と前記参照信号との対応関係が設定されており、
前記駆動用信号生成部は、前記駆動用信号を前記参照信号生成部へ通知し、
前記参照信号生成部は、通知された前記駆動用信号に対して設定された前記対応関係に基づいて処理を行い、前記参照信号を生成する
ガス濃度計測装置。
【請求項７】
予め設定された波形の駆動用信号を生成するステップと、
前記駆動用信号に基づいてレーザ光を発振させるステップと、
前記レーザ光を、被測定対象を透過する１光路を介して受光し、受光信号を生成するステップと、
前記駆動用信号の波形に対応した波形の参照信号を生成するステップと、
前記受光信号と前記参照信号とに基づいて、差動増幅信号を生成するステップと、
前記差動増幅信号に基づいて、前記被測定対象の濃度を計算するステップと、
を具備する
ガス濃度計測方法。
【請求項８】
請求項７に記載されたガス濃度計測方法であって、
前記駆動用信号は、前記レーザ光が、前記被測定対象による吸収の存在する第１波長帯と前記被測定対象による吸収の存在しない第２波長帯との双方を含む波長領域で走査されるような波形を有し、
前記参照信号を生成するステップは、前記第２波長帯に対応した前記受光信号に基づいて、前記第１波長帯に対応する部分を補間することにより、前記参照信号を生成するステップを含む
ガス濃度計測方法。
【請求項９】
請求項８に記載されたガス濃度計測方法であって、
前記参照信号を生成するステップは、前記第２波長帯のうち前記第１波長帯よりも短波長側の波長に対応する前記受光信号と、前記第２波長帯のうち前記第１波長帯よりも長波長側の波長に対応する前記受光信号とに基づいて、前記第１波長帯に対応する部分を補間するステップを含む
ガス濃度計測方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載されたガス濃度計測方法であって、
前記駆動用信号は、のこぎり波であり、
前記参照信号を生成するステップは、線形補間により、前記第１波長帯に対応する部分を補間するステップを含む
ガス濃度計測方法。
【請求項１１】
請求項８又は９に記載されたガス濃度計測方法であって、
前記駆動用信号は、正弦波であり、
前記参照信号を生成するステップは、前記参照信号が正弦波となるように、前記第１波長帯に対応する部分を補間するステップを含む
ガス濃度計測方法。
【請求項１２】
請求項７に記載されたガス濃度計測方法であって、
更に、
予め、前記駆動用信号と前記参照信号との対応関係を設定しておくステップと、
を具備し、
前記参照信号を生成するステップは、前記駆動用信号を前記対応関係に基づいて処理して、前記参照信号を生成するステップを含む
ガス濃度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度計測装置及びガス濃度計測方法に関し、特に、レーザー吸収法を利用してガス濃度を計測するガス濃度計測装置及びガス濃度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼プラントやエンジン等における排ガス等の濃度を測定するために、レーザ吸収法を用いることが知られている。レーザ吸収法では、ガスが固有の吸収波長を有することが利用される。レーザ光をガスに照射すると、レーザ光はそのガス固有の吸収波長において吸収され、光強度が落ちる。ガス固有の吸収波長における光の吸収量は、ガス濃度に依存する。従って、ガス固有の吸収波長における透過光の光強度に基づいて、ガス濃度を計測することができる。
【０００３】
感度良くガス濃度測定を行うために、ガスを透過する光路と、ガスを透過しない光路との双方を設けたガス計測装置が知られている。図１は、そのようなガス計測装置の一例を示す概略構成図である。このガス計測装置は、波形発生部１０１と、ＬＤドライバ１０２と、レーザーダイオード１０３と、分波器１０４と、フォトダイオード１０６及び１０７と、検出部１０８とを備えている。このガス計測装置において、波形発生部１０１は、レーザー光の波長が所定の範囲で変化するような波形を有する駆動用信号を生成し、ＬＤドライバ１０２に供給する。ＬＤドライバ１０２は、駆動用信号に基づいてレーザーダイオード１０３を発光させる。レーザダイオード１０３によるレーザ光は、分波器１０４で二つに分けられる。一方のレーザ光は、被測定ガス１０５を透過して、フォトダイオード１０６により受光される。他方のレーザ光は、被測定ガス１０５を介さずに、そのままフォトダイオード１０７によって受光される。フォトダイオード１０６は、レーザ光を受光すると、計測信号を生成する。フォトダイオード１０７は、レーザ光を受光すると、参照信号を生成する。検出部１０８は、その計測信号とその参照信号とを比較することにより、被測定ガスによる光の吸収量を求め、被測定ガスの濃度を算出する。
【０００４】
上述のように、レーザ光が二つに分けられる構成を有するガス濃度計測装置としては、例えば特許文献１（特許第３７８２４７３号公報）及び特許文献２（特許第３１０８４２０号公報）が挙げられる。
【０００５】
しかしながら、図１で示した例のように、一つのレーザ光を二つに分けるには、分波器、参照光用の光学経路、及び参照光用のフォトダイオードなどを用意しなければならない。そのため、装置構成が複雑となると共に部品点数が増え、装置価格が高くなってしまう。また、一つの光を二つに分けるために光強度が半分となり、希薄なガスを計測する場合には不利となる。
【特許文献１】特許第３７８２４７３号公報
【特許文献２】特許第３１０８４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の目的は、装置構成が単純化され、希薄なガスでも感度良く計測することのできる、ガス濃度計測装置及びガス濃度計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用する括弧付き符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであり、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００８】
本発明のガス濃度計測装置は、予め設定された波形の駆動用信号を生成する駆動用信号生成部（１１）と、その駆動用信号に基づいて被測定対象を透過するレーザ光を発振させるレーザーダイオード部（１２）と、被測定対象を透過したレーザ光を受光して受光信号を生成するフォトダイオード部（１３）と、その駆動用信号の波形に対応した波形の参照信号を生成する参照信号生成部（１５）と、受光信号と参照信号とに基づいて、差動増幅信号を生成する差動増幅部（３０）と、差動増幅信号に基づいて、被測定対象の濃度を計算する濃度計算部（８）とを具備する。レーザダイオード部（１２）からフォトダイオード部（１３）までのレーザ光の光路は、１光路であり、被測定対象を透過する光路である。
この発明によれば、参照信号生成部が、駆動用信号の波形に対応した波形の参照信号を生成する。参照信号を生成するにあたり、測定光の光学経路とは別に、参照光用の光学経路を設ける必要はない。測定光が二つに分けられる必要もないので、測定光の光強度が半分になることもない。
【０００９】
その駆動用信号は、レーザ光が、被測定対象による吸収の存在する第１波長帯と被測定対象による吸収の存在しない第２波長帯との双方を含む波長領域で走査されるような波形を有し、参照信号生成部（１５）は、第２波長帯に対応した受光信号に基づいて、第１波長帯に対応する部分を補間することにより、参照信号を生成することが好ましい。
【００１０】
参照信号生成部（１５）は、第２波長帯のうち第１波長帯よりも短波長側の波長に対応する受光信号と、第２波長帯のうち第１波長帯よりも長波長側の波長に対応する受光信号とに基づいて、第１波長帯に対応する部分を補間することが好ましい。
【００１１】
その駆動用信号がのこぎり波であるとき、参照信号生成部（１５）は、線形補間により、第１波長帯に対応する部分を補間することが好ましい。
【００１２】
その駆動用信号が正弦波であるとき、参照信号生成部（１５）は、参照信号が正弦波となるように、第１波長帯に対応する部分を補間することが好ましい。
【００１３】
参照信号生成部（１５）には、予め、駆動用信号と参照信号との対応関係が設定されているとき、駆動用信号生成部（１１）は、駆動用信号を参照信号生成部（１５）へ通知する。参照信号生成部（１５）は、通知された駆動用信号に対して設定された対応関係に基づいて処理を行い、参照信号を生成する。
【００１４】
本発明に係るガス濃度計測方法は、予め設定された波形の駆動用信号を生成するステップと、その駆動用信号に基づいて被測定対象を透過するレーザ光を発振させるステップと、被測定対象を透過した前記レーザ光を受光して受光信号を生成するステップと、その駆動用信号の波形に対応した波形の参照信号を生成するステップと、その受光信号とその参照信号とに基づいて、差動増幅信号を生成するステップと、その差動増幅信号に基づいて、前記被測定対象の濃度を計算するステップとを具備する。
【００１５】
その駆動用信号は、前記レーザ光が、前記被測定対象による吸収の存在する第１波長帯と前記被測定対象による吸収の存在しない第２波長帯との双方を含む波長領域で走査されるような波形を有し、その参照信号を生成するステップは、前記第２波長帯に対応した前記受光信号に基づいて、前記第１波長帯に対応する部分を補間することにより、前記参照信号を生成するステップを含むことが好ましい。
【００１６】
その参照信号を生成するステップは、その第２波長帯のうちの第１波長帯よりも短波長側の波長に対応する受光信号と、その第２波長帯のうちの第１波長帯よりも長波長側の波長に対応する受光信号とに基づいて、第１波長帯に対応する部分を補間するステップを含むことが好ましい。
【００１７】
その駆動用信号がのこぎり波であるとき、その参照信号を生成するステップは、線形補間により、第１波長帯に対応する部分を補間するステップを含むことが好ましい。
【００１８】
その駆動用信号が正弦波であるとき、その参照信号を生成するステップは、参照信号が正弦波となるように、第１波長帯に対応する部分を補間するステップを含むことが好ましい。
【００１９】
予め、前記駆動用信号と前記参照信号との対応関係を設定しておくステップを具備するとき、その参照信号を生成するステップは、駆動用信号を前記対応関係に基づいて処理して、参照信号を生成するステップを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、装置構成が単純化され、希薄なガスでも感度良く計測することのできる、ガス濃度計測装置及びガス濃度計測方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（第１の実施形態）
図面を参照しつつ、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２２】
図２は、本実施形態に係るガス濃度計測装置１０を用いたガス濃度計測システムを示す概略構成図である。このガス濃度計測システムは、計測プローブ部分２０と、ガス濃度計測装置１０とを備えている。このガス濃度計測システムは、排気管内の被測定ガスの濃度を計測するように構成されている。
【００２３】
計測プローブ部分２０は、コリメートレンズ２２及び集光レンズ２３の収められた計測ブローブ２１と、ミラー２５とを有している。コリメートレンズ２２及び集光レンズ２３は、ファイバーケーブルを介してガス濃度計測装置１０に接続されている。コリメートレンズ２２は、ガス濃度計測装置１０から送られてきたレーザ光を、排気管内に出射するように配置されている。ミラー２５は、コリメートレンズ２２から出射されて排気管を通過したレーザ光を、集光レンズ２３に向けて反射するように配置されている。集光レンズ２３は、ミラー２５により反射されたレーザ光を、ファイバーケーブルを介してガス濃度計測装置１０に導くように配置されている。
【００２４】
ガス濃度計測装置１０からのレーザ光は、排気管内の被測定ガスを透過する１光路を通って、再びガス濃度計測装置１０へ導かれる。
【００２５】
ガス濃度計測装置１０は、排気管内のガスの特定成分の濃度を計測する装置である。ガス濃度計測装置１０の被測定ガス成分としては、ＣＯ、ＣＯ２、及びＮＯｘなどが例示される。被測定ガスは、固有の吸収波長を有している。以下の説明において、被測定ガスに固有の吸収波長帯を第１波長帯と記載することにする。また、被測定ガスによる吸収のない波長帯を、第２波長帯と記載することとする。
【００２６】
概略的には、ガス濃度計測装置１０は、第１波長帯を含む波長範囲でレーザ光を発振して、計測プローブ部分２０に供給する。そして、計測プローブ分２０から被測定ガスを透過したレーザ光を受光し、その第１波長帯における吸収量を測定することにより、ガス濃度を計測する。第１波長帯における吸収量を正確に求めるために、参照信号が用いられる。参照信号は、被測定ガスを透過させなかった場合を模擬した信号である。実際に被測定ガスを透過したレーザ光による信号（受光信号）が、参照信号と比較され、第１波長帯における吸収量が求められる。
【００２７】
以下に、ガス濃度計測装置１０の構成を詳細に説明する。
【００２８】
ガス濃度計測装置１０は、駆動用信号を生成する信号発生回路１１と、駆動用信号に基づき所定の波長範囲で走査されるレーザ光を発振するレーザーダイオード部１２と、被測定ガスを透過したレーザ光を受光して受光信号を生成するフォトダイオード部１３と、参照信号を生成する参照信号生成部１５と、受光信号と参照信号とを差動増幅して差動増幅信号を生成する差動増幅部３０と、差動増幅信号に基づいてガス濃度を計算する濃度計算部８とを備えている。
【００２９】
レーザーダイオード部１２は、レーザーダイオード１９と、ＬＤドライバ１６とを備えている。ＬＤドライバ１６は、レーザーダイオード１９に電流を供給するための回路であり、電流アンプ１８とデジタル／アナログコンバータ１７とを備えている。デジタル／アナログコンバータ１７は、信号発生回路１１で生成された駆動用信号をアナログ信号に変換し、電流アンプ１８に供給する。電流アンプ１８は、供給されたアナログ信号を電流に変換して、レーザーダイオード１９に供給する。レーザダイオード１９は、電流の供給を受けてレーザ光を発振する。発振されたレーザ光は、ファイバーケーブルを介してコリメートレンズ２２に導入される。
【００３０】
信号発生回路１１は、駆動用信号を生成するための回路である。駆動用信号は、デジタル信号であり、レーザダイオード部１２において発振されるレーザ光の波長を走査させるための信号である。発振されるレーザ光の波長は、この駆動用信号のレベルにより決定される。駆動用信号の波形は、レーザ光が、第１波長帯を完全に含み且つ第２波長帯の少なくとも一部を含むような波長範囲で走査されるような波形である。すなわち、レーザダイオード１９で発振されるレーザ光は、第１波長帯を完全に含み且つ第２波長帯の少なくとも一部を含むような波長範囲で走査される。本実施形態では、このような駆動用信号として、こぎり波が生成されるものとする。
【００３１】
フォトダイオード部１３は、フォトダイオード１と、プリアンプ２とを備えている。フォトダイオード１には、集光レンズ２３からファイバーケーブルを介してレーザ光が入射する。これにより、フォトダイオード１に起電力が生じる。プリアンプ２は、フォトダイオード１に生じた起電力を増幅して、受光信号を生成する。受光信号は、差動増幅部３０の入力端のうちの一方に入力されると共に、参照信号生成部１５にも入力される。
【００３２】
参照信号生成部１５は、参照信号を生成するために設けられている。参照信号は、被測定ガスが存在しない時の受光信号を模擬した信号である。参照信号生成部１５は、アナログ／デジタルコンバータ３と、演算処理部４と、デジタル／アナログコンバータ５とを備えている。アナログ／デジタルコンバータ３は、フォトダイオード部１３から入力された受光信号をデジタル信号に変換するとともに、第２波長帯におけるデータを複数点抽出する。そして、抽出したデータ（以下、抽出データ）を、演算処理部４に通知する。演算処理部４は、抽出データに対して、駆動用信号の波形に基づいた処理を行い、第１波長帯に対応する部分を補間する。補間されたデータは、参照信号データとして、デジタル／アナログコンバータ５に入力される。デジタル／アナログコンバータ５は、参照信号データをアナログ信号に変換し、これを参照信号として差動増幅部３０に入力する。
【００３３】
なお、このような参照信号生成部１５は、複数の論理回路の組み合わせにより実現されてもよいし、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びＣＰＵなどを有するコンピュータによりソフトウェアが実行されることで実現されてもよい。
【００３４】
差動増幅部３０は、オペアンプ１４とアナログ／デジタルコンバータ９とを有している。フォトダイオード部１３からの受光信号は、オペアンプの非反転入力（−）端子に入力される。参照信号生成部１５からの参照信号は、オペアンプの反転入力（＋）端子に入力される。オペアンプの出力信号は、アナログ／デジタルコンバータ９を介してデジタル信号に変換され、差動増幅信号として濃度計算部８に供給される。
【００３５】
濃度計算部８は、パルス抽出回路６と、パルス波高値検出回路７とを備えている。パルス抽出回路６は、差動増幅信号からパルス部分を抽出してパルス信号を生成し、そのパルス信号をパルス波高値検出回路７に供給する。パルス波高値検出回路７は、パルス信号のピーク値を算出する。このピーク値は、被測定ガスの濃度の算出に用いられる。濃度の算出は、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵなどを有するコンピュータにより実現することができる。
【００３６】
続いて、本実施形態におけるガス濃度計測システムの動作について説明する。
【００３７】
信号発生回路１１が、駆動用信号として、のこぎり波を生成する。図３（ａ）は、生成される駆動用信号の波形パターンを示している。図３（ａ）において、横軸が時刻であり、縦軸が信号電圧である。図３（ａ）に示されるように、駆動用信号の電圧は、時刻ｔ１〜ｔ３の間においてＶ１からＶ３へ向かって直線的に上昇し、時刻ｔ３において再びＶ１に戻る。
【００３８】
駆動用信号の供給を受けたレーザーダイオード部１２では、レーザダイオード１９がレーザ光を発振する。図３（ｂ）は、発振されるレーザ光の波長と時刻との関係を示している。レーザ光の波長は、レーザダイオード１９に供給される電流に比例して変化する。レーザダイオード１９に供給される電流は駆動用信号が変換されたものであるので、レーザ光の波長は駆動用信号の波形に対応している。従って、時刻ｔ１においては、駆動用信号の電圧Ｖ１に対応した波長λ１のレーザ光が生成される。時刻ｔ３においては、駆動用信号の電圧Ｖ３に対応した波長λ３のレーザ光が生成される。レーザ光の波長は、時刻ｔ１〜時刻ｔ３の間で、λ１からλ３に向かって直線的に上昇する。また、図示されていないが、レーザ光の光強度も、レーザダイオード１９に供給される電流に比例する。
【００３９】
ここで、被測定ガスに固有の吸収波長帯（第１波長帯）が、λ２を中心として、λ２−１からλ２−２の波長帯であるものとする。また、レーザ光の波長が第１波長帯（λ２−１〜λ２−２）となるのは、時刻ｔ２−１〜時刻ｔ２−２の間（以下、第１期間）であるものとする。第１期間内に発振されたレーザ光は、排気管内で被測定ガスによる吸収を受けることになる。
【００４０】
レーザーダイオード１９によって生成されたレーザー光は、計測プローブ部分２０において被測定ガスを透過し、フォトダイオード１により受光され、起電力に変換される。プリアンプ２は、フォトダイオード１に生じた起電力を増幅し、受光信号を生成する。
【００４１】
図３（ｃ）は、受光信号の電圧と時刻との関係を示している。フォトダイオード１における起電力の大きさは、光強度及びレーザ光の波長に比例する。従って、被測定ガスによる吸収を受けない期間（時刻ｔ１〜ｔ２−１、時刻ｔ２−２〜ｔ３；以下、第２期間）において、受光信号の電圧は時刻に比例して上昇する。しかし、被測定ガスによる吸収を受ける第１期間では、被測定ガスによる吸収により、受光信号の電圧が減少する。
【００４２】
受光信号は、差動増幅部３０に入力されると共に、参照信号生成部４にも入力される。
【００４３】
図４（ａ）、（ｂ）は、参照信号生成部４における処理を説明するための説明図である。参照信号生成部４においては、アナログ／デジタルコンバータ３が、受光信号をデジタル信号に変換する。アナログ／デジタルコンバータ３は、図４（ａ）に示されるように、第２期間における受光信号を、６点抽出する。具体的には、第１期間よりも前の第２期間から点ａ１、ａ２、ａ３を抽出し、第１期間よりも後の第２期間から点ｂ１、ｂ２、及びｂ３を抽出する。アナログ／デジタルコンバータ３は、抽出したデータを抽出データとして演算処理部４に通知する。
【００４４】
演算処理部４は、図４（ｂ）に示されるように、抽出データを補間して、参照信号データを生成する。この際、演算処理部４は、信号発生回路１１が生成した駆動用信号の波形に対応した処理により、抽出信号データを補間する。本実施形態では、駆動用信号の波形パターンがのこぎり波である。そのため、被測定ガスによる吸収がないと仮定した場合の受光信号も、のこぎり波となるはずである。すなわち、受光信号の電圧は時刻ｔ１〜ｔ３の間において直線的に上昇するはずである。従って、演算処理部４は、抽出データを線形補間することで、参照信号データを生成する。演算処理４は、例えば、最小二乗法を用いて、抽出データを補間する。
【００４５】
演算処理部４により生成された参照信号データは、デジタル／アナログコンバータ５によりアナログ化され、参照信号として差動増幅部３０に入力される。この参照信号は、受信信号のうちの被測定ガスによる吸収を受けない部分に基づいて生成された信号であり、被測定ガスによる吸収がなかった場合の受信信号を正確に模擬している。生成された参照信号は、図示しないタイマー回路などにより、フォトダイオード部１３から直接入力される受光信号に同期されて、入力される。
【００４６】
差動増幅部３０においては、参照信号と受光信号との差分を示す差動増幅信号が生成される。図５は、差動増幅信号の波形を示している。図５に示されるように、差動増幅信号の信号電圧は、被測定ガスの吸収波長帯のレーザ光が出射されている第１期間において、レーザ光の吸収量に対応する分だけ上昇することになる。差動増幅信号は、濃度計算部８に入力される。濃度計算部８においては、パルス抽出回路６が、差動増幅信号のパルス部分を抽出する。そして、抽出されたパルス部分は、パルス波高値検出回路７によりそのピーク値(波高値）が検出される。このピーク値は、被測定ガスの濃度に依存した値である。従って、検出されたピーク値に基づいて、被測定ガスの濃度を算出することができる。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態によれば、参照信号は、実際に被測定ガスを透過したレーザー光による受光信号に対して、駆動用信号の波形に基づいた処理を行うことにより、生成される。ここで、被測定ガスを透過しない参照光用の光路を設ける必要はない。従って、装置構成を単純化することができ、安価な構成とすることをできる。また、レーザ光を二つに分ける必要もないので、出射されたときの光強度を保ったままレーザ光を被測定ガスに入射させることができる。これにより、希薄なガスでも感度良く計測することができる。
【００４８】
尚、本実施形態では、駆動用信号がのこぎり波であるため、演算処理部４が、線形補間により参照信号データを生成する場合について説明した。しかし、駆動用信号の波形がのこぎり波以外の波形であれば、演算処理部４は、線形補間に限られず、駆動用信号の波形に対応した補間により、参照信号データを生成する。
例えば、駆動用信号が正弦波であったとする。図６（ａ）は、駆動用信号が正弦波であった場合の参照信号生成部１５の処理を説明する説明図である。図６（ａ）に示されるように、受光信号の電圧は、第１期間内において、減少している。これはのこぎり波の場合と同じである。アナログ／デジタルコンバータ３は、第２期間中の中から、６点（ａ４、ａ５、ａ６、ｂ４、ｂ５、ｂ６）のデータを抽出する。次に、図６（ｂ）に示されるように、演算処理部４が、抽出データを補間して参照信号データを生成する。ここで、駆動用信号が正弦波であるので、被測定ガスを透過させなかったときの受光信号も正弦波となるはずである。従って、演算処理部４は、線形補間を行うのではなく、参照信号データが正弦波となるような補間を行う。
【００４９】
また、本実施形態では、参照信号生成部１５において、受光信号データの第２期間から６点が抽出される場合について説明した。しかし、抽出される点の数は、６点に限定されない。例えば、線形補間を行う場合、駆動用信号の波形に対応する受光信号の傾きが予め設定されていれば、抽出される点が１点だけであっても、抽出した点と予め設定された傾きとに基づいて参照信号データを生成することができる。
但し、より精度良く参照信号データを生成するためには、第１期間を挟むように、複数点が抽出されることが好ましい。すなわち、第１期間よりも前後の第２期間から、少なくとも一点づつデータを抽出することが好ましい。フォトダイオード部１３により生成される受光信号の波形は、コリメートレンズ２２や集光レンズ２３の経年使用による汚れなどによっても影響を受けることがある。たとえば、駆動用信号がのこぎり波である場合、受光信号の傾きが汚れなどの影響により変化してしまう可能性がある。したがって、一点だけを抽出した場合には、参照信号の精度が落ちてしまうことがある。これに対して、第１期間を挟むように第２期間から複数点を抽出すれば、汚れなどの影響を受けることなく、参照信号を生成することができる。
【００５０】
（第２の実施形態）
続いて、第２の実施形態について説明する。図７は、本実施形態に係る濃度計測装置１０を示す概略構成図である。尚、計測プローブ部分２０に関する図示は省略されている。第１の実施形態と比較して、本実施形態では、信号発生回路１１で生成される駆動用信号が参照信号生成部１５にも入力される点、及び参照信号生成部１５が受光信号に関係なく駆動用信号に基づいて参照信号を生成する点が異なっている。その他の点については、第１の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【００５１】
信号発生回路１１により生成された駆動用信号は、レーザーダイオード部１２へ供給されると共に、参照信号生成部１５にも供給される。
【００５２】
参照信号生成部１５には、予め駆動用信号と参照信号との対応関係が設定されている。その対応関係は、たとえば、ＲＡＭなどに設定されている。その対応関係は、信号発生回路１１からレーザダイオード部１２及びフォトダイオード部１３を介して受光信号が生成されるまでの経路の考慮された関係であり、例えば予め実験を行うことにより得られることができる。
【００５３】
演算処理部４は、信号発生回路１１から取得した駆動用信号に対して、予め設定された対応関係に基づいて処理を行い、参照信号データを生成する。ここで生成される参照信号データは、結果的に、駆動用信号の波形に対応していることになる。参照信号データは、デジタル／アナログコンバータ５により参照信号に変換され、差動増幅部３０に入力される。
【００５４】
本実施形態では、参照信号が、実際に被測定ガスを透過したレーザ光に基づく受光信号とは関係なく生成される。そのため、第１の実施形態で述べたような光学面の汚れなどによる影響は考慮されていない。しかしながら、第１の実施形態と同様に、被測定ガスを透過しない参照光用の光路を設ける必要はない。従って、装置構成を単純化することができるという作用効果を奏することができる。また、レーザ光を二つに分ける必要がなく、レーザ光の光強度を保つことができる観点から、第１の実施形態と同様に感度良く計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】ガス濃度計測装置の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態にかかるガス濃度計測装置の概略構成図である。
【図３】ガス濃度計測装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】参照信号生成部の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】差動増幅信号を説明するための説明図である。
【図６】駆動用信号が正弦波である場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】第２の実施形態にかかるガス濃度計測装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  フォトダイオード
２  プリアンプ
３  アナログ／デジタルコンバータ
４  演算処理部
５  デジタル／アナログコンバータ
６  パルス抽出回路
７  パルス波高値検出回路
８  濃度計算部
９  アナログ／デジタルコンバータ
１０  ガス濃度計測装置
１１  駆動用信号生成部
１２  レーザーダイオード部
１３  フォトダイオード部
１４  オペアンプ
１５  参照信号生成部
１６  ＬＤドライバ
１７  デジタル／アナログコンバータ
１８  電流アンプ
１９  レーザーダイオード
２０  計測プローブ部分
２１  計測プローブ
２２  コリメートレンズ
２３  集光レンズ
２４  排気管
２５  ミラー
３０  差動増幅部
１０１  波形発生部
１０２  ＬＤドライバ
１０３  レーザーダイオード
１０４  分波器
１０５  被測定ガス
１０６  フォトダイオード
１０７  フォトダイオード
１０８  検出部
【図１】
2009156815.tif 000003
【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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