(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振する光源と、この光源を駆動するための電流を発生する手段と、上記光源から発振されるレーザ光の波長に変調を与えるための変調信号を発生する第２波形発信器と、上記光源から発信され測定対象ガスを透過したレーザ光を受光してそれに対応する受光信号を発信する第１受光装置とを具えたガス濃度測定装置において、上記光源から発振され標準ガスを透過したレーザ光を受光してそれに対応する受光信号を発信する第２受光装置と、上記第２波形発信器から発生した変調信号を３倍以上に奇数倍するための第２周波数逓倍器と、この第２周波数逓倍器によって３倍以上の奇数倍とされた変調信号と上記第２受光装置から発信された受光信号を受信して奇数次微分検波信号を出力する第２位相敏感検波装置と、この第２位相敏感検波装置から出力された奇数次微分検波信号を検波信号変換器により制御信号に変換して上記電流を発生する手段にフィードバックする手段と、上記第２波形発信器から発生した変調信号を４倍以上に偶数倍するための第１周波数逓倍器と、この第１周波数逓倍器によって４倍以上の偶数倍とされた変調信号と上記第１受光装置から発信された受光信号を受信して偶数次微分検波信号を出力する第１位相敏感検波装置とを備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はレーザ光を用いてガス状化学物質の濃度を測定するガス濃度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種ガス濃度測定装置の１例が図５に示されている。
【０００３】
図５において、１はレーザ光を発振する半導体レーザダイオード（以下LDと略称する）からなる光源、２はLD１の温度を制御するためのヒータ、電子冷却素子等からなる温度調整器、3 はLD１を駆動するための駆動電流を発生する定電流発生装置、９はレーザ光の発振波長を所要の範囲で走査せしめるためのランプ波を発生する第１波形発生器である。
【０００４】
14は定電流発生装置３からの電流信号と第１波形発生装置９からのランプ波とを合成するための波形混合器、21は第１波形発生器９からのランプ波を断・接するためのスイッチ、５は測定対象ガス、７は測定対象ガス５を透過したレーザ光を受光する第１受光装置である。
【０００５】
このガス濃度測定装置においては、波形混合器14によりLD１に投入される電流量を制御するとともに温度調整器２にてLD１の温度を制御することによって測定対象ガス５の化学種が吸収する波長（化学種毎に固有の吸収波長を有する）のレーザ光をLD１から発振する。第１受光装置７は測定対象ガス５を透過したレーザ光を受光して測定濃度出力（吸収スペクトル信号）を出力する。
【０００６】
また、図６には従来の他のガス濃度測定装置が示されている。
図６において、10はLD１から発振されるレーザ光の波長に変調を加えるための変調信号(1f 信号) を発生する第２波形発生器、13は第１波形発生器９からのランプ波と第２波形発生器10からの変調信号とを合成する第２波形混合器である。
【０００７】
12は第２波形発生器10からの変調信号(1f 信号) を偶数倍するための第１周波数逓倍器、８は第１受光装置７からの受光信号と第１周波数逓倍器12からの偶数倍された変調信号( 2n・f 信号) を受けて偶数次微分吸収スペクトル信号を出力する第１位相敏感検波装置である。
他の構成は図５に示す従来のものと同様であり、対応する部材には同じ符号が付されている。
【０００８】
このガス濃度測定装置においては、第２波形発生器10から発信された変調信号( 1f信号) と第１波形発生器９から発信されたランプ波とを合成した信号をLD１に付与することによりLD１から発振されるレーザ光に変調を加えて測定対象ガス５を透過せしめる。
【０００９】
第１受光装置７から出力される吸収スペクトル信号のうち、第１周波数逓倍器12から出力された信号( 2n・f 信号) に同調する信号のみを第１位相敏感検波装置８から偶数次微分吸収スペクトル信号として出力する。
そして、次の式１に示されるLamber−Beerの法則に照合して解析することにより測定対象ガス５中の化学種の濃度を検出する。
【００１０】
【式１】
0003782473.tif 000002
【００１１】
ここで、Ｉt ＝透過光量、Ｉo ＝入射光量
λc ＝吸収中心波長、ε＝吸収係数
Ｃ＝測定対象ガスの化学種濃度、ｄ＝吸収長
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のガス濃度測定装置においては、波形混合器14によってLD１に投入される電流量を制御し、かつ、温度調整器２によりLD１の温度を制御しているにも拘らず、LD１への投入電流量やLD１の温度が僅かでも変化すると、LD１から発振されるレーザ光の波長が大きく変化してしまうため、LD１から一定波長のレーザ光を長時間安定して測定対象ガス５に照射し続けることは困難であった。
【００１３】
このため、レーザ光の波長を測定対象ガス５中の化学種の吸収中心波長に固定させることが困難となる。
従って、正確なガス濃度の測定を行うには、頻繁にレーザ光の波長較正作業を行なう等の煩雑な作業が必要となる。
【００１４】
本発明の目的とするところは、レーザ光の波長較正等の煩雑な作業を要することなく、一定の波長のレーザ光を長時間安定して測定対象ガスに照射することができ、かつ、高感度のガス濃度測定ができるガス濃度測定装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために発明されたものであって、その要旨とするところは、レーザ光を発振する光源と、この光源を駆動するための電流を発生する手段と、上記光源から発振されるレーザ光の波長に変調を与えるための変調信号を発生する第２波形発信器と、上記光源から発信され測定対象ガスを透過したレーザ光を受光してそれに対応する受光信号を発信する第１受光装置とを具えたガス濃度測定装置において、上記光源から発振され標準ガスを透過したレーザ光を受光してそれに対応する受光信号を発信する第２受光装置と、上記第２波形発信器から発生した変調信号を３倍以上に奇数倍するための第２周波数逓倍器と、この第２周波数逓倍器によって３倍以上の奇数倍とされた変調信号と上記第２受光装置から発信された受光信号を受信して奇数次微分検波信号を出力する第２位相敏感検波装置と、この第２位相敏感検波装置から出力された奇数次微分検波信号を検波信号変換器により制御信号に変換して上記電流を発生する手段にフィードバックする手段と、上記第２波形発信器から発生した変調信号を４倍以上に偶数倍するための第１周波数逓倍器と、この第１周波数逓倍器によって４倍以上の偶数倍とされた変調信号と上記第１受光装置から発信された受光信号を受信して偶数次微分検波信号を出力する第１位相敏感検波装置とを備えることを特徴とするガス濃度測定装置にある。
【００１６】
【作用】
本発明においては、標準ガスを透過したレーザ光を第２位相敏感検波装置にて奇数倍検波を行ってこれを制御信号に変換し、光源への投入電流量や温度調整に対してフィードバック制御を加えることにより、光源より発振されるレーザ光の波長を測定対象ガスの目標とする吸収中心波長に固定することができる。
【００１７】
これと同時に第１位相敏感検波装置により測定対象ガスを透過したレーザ光を偶数倍検波を行うことによって測定対象ガスの化学種の濃度を高感度で検出することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、図１〜図４を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図１はガス濃度測定装置のブロック図が示されている。
図１において、１は半導体レーザダイオード（以下LDと略称する) からなる光源、２はLD１の温度を制御するための温度調整器、３はLD１を定常駆動するための電流を発生する定電流発生装置である。
【００１９】
５は化学種の濃度を測定する対象となる測定対象ガス、６は測定対象の化学種のみからなる標準ガス、４はLD１から発振されたレーザ光を測定対象ガス５及び標準ガス６に分光する反射器、プリズム等からなるの光学系である。
【００２０】
７は測定対象ガス５を透過したレーザ光を受光してそれに応じた受光信号を出力する第１受光装置、7aは標準ガス６を透過したレーザ光を受光してそれに応じた受光信号を出力する第２受光装置である。
【００２１】
９はレーザ光の波長を所要の範囲で走査せしめるためのランプ波を発生する第１波形発生器、10はレーザ光の波長に変調を加えるための変調信号(1f 信号) を発生する第２波形発生器、12はこの変調信号(1f 信号) を受けてこれを偶数倍してなる変調信号(2n ・f 信号) を出力する第１周波数逓倍器、12a は変調信号(1f 信号) を受けてこれを奇数倍してなる変調信号（(2n ＋1)f 信号）を出力する第２周波数逓倍器である。
【００２２】
８は第１受光装置７から出力された受光信号と第１周波数逓倍器１２から出力された変調信号（２ｎ・ｆ信号）を受けて偶数次微分吸収スペクトル信号（２ｎ・ｆ検波信号）を出力する第１位相敏感検波装置、８ａは第２受光装置７ａから出力された受光信号と第２周波数逓倍器１２ａから出力された変調信号（（２ｎ＋１）f 信号) を受けて制御信号、即ち、奇数次微分吸収スペクトル信号を検波信号変換器１１に出力する第２位相敏感検波装置、１１は第２位相敏感検波装置８ａから入力された奇数次微分吸収スペクトル信号を制御用信号に変換するための検波信号変換器である。
【００２３】
１３は第１波形発生器９から出力されたランプ波と第２波形発生器10から出力された変調信号（１ｆ信号) 、もしくは、この変調信号（１ｆ信号) と検波信号変換器１１から出力された制御信号とを合成する第２波形混合器、２１は制御信号とランプ波とを切り換えて第２波形混合器13に入力するための切換スイッチ、１４は第２波形混合器１３から出力された波形信号と定電流発生装置３からの電流とを合成する波形混合器である。
【００２４】
このガス濃度測定装置において、第２波形発生器10から出力された変調信号(1f 信号) と第１波形発生器９から出力されたランプ波、もしくは、この変調信号(1f 信号) と検波信号変換器11から出力された制御信号とを第２波形混合器13で合成し、この波形信号と定電流発生装置３からの電流を波形混合器14で合成した信号をLD１に付与することによりLD１から発振されるレーザ光に変調を加えて測定対象ガス５及び標準ガス６を透過せしめる。
【００２５】
第１受光装置７から出力された受光信号のうち、第１周波数逓倍器12から出力された変調信号（2n・f 信号) に同調する信号のみが第１位相敏感検波装置８より偶数次微分吸収スペクトル信号として出力される。
即ち、測定対象ガス５を透過したレーザ光の微分量が高感度で検出され、これを前述の式１で示されるLaｍbert-Beer の法則に照合して解析することにより測定対象ガス６中の化学種の濃度が検出される。
【００２６】
一方、第２受光装置7aから出力された受光信号のうち第２周波数逓倍器12a から出力された変調信号((2n＋1)f 信号) と同調する信号のみが第２位相敏感検波装置8aから奇数次微分吸収スペクトル信号として出力され、この信号が検波信号変換器11により制御信号に変換されてLD１へフィードバックされる。
【００２７】
以下その動作に付き説明する。
通常、測定対象ガス中の化学種の吸収スペクトルは図２に示されるように、多くの吸収線から構成され、これら各吸収線は図３(A) に示されるような形をなす。
【００２８】
しかるに、第１受光装置７の受光信号の中から変調信号（2n・f 信号) と同期した信号のみを第１位相敏感検波装置８から取り出すと、この検波信号は吸収スペクトルの波長に関する２次微分形信号であって、この検波信号の特徴は図３(C) に示されるように吸収スペクトル中心波長で最大ピークレベルとなる。
【００２９】
また、第２受光装置7aの受光信号の中から変調信号（（2n＋1)f 信号）と同期した信号のみを第２位相敏感検波装置8aから取り出すと、この検波信号は吸収スペクトルの波長に関する（2n＋1)次微分形信号であって、この検波信号の特徴は図３(B) に示されるように吸収スペクトル中心波長でＯレベルとなる。
【００３０】
そこで、この検波信号が常にＯレベルになるように、LD１にフィードバック制御を加えれば、LD１から発振されるレーザ光の波長を図３(A) に示されるように目標とする吸収中心の波長に固定することができる。
【００３１】
また、これと同時に受光装置７から出力される受光信号に対して、第１位相敏感検波装置８にて偶数倍検波を行えば、測定対象ガス５の化学種の濃度も高感度で検出することができる。
【００３２】
図４(A) 、(B) は、上記本発明の実施例に係わる測定装置と、図６に示す従来の測定装置を用いて測定対象ガス中の酸素濃度を計測した結果を比較したものである。なお、図４(A) 、(B) の縦軸は計測値( 酸素濃度に対応) 、横軸は時間である。
図４(A) 、(B) から明らかなとおり、実施例における計測結果は波長の頻繁な調整等の煩雑な作業を必要とせずに、レーザ光の波長を安定に保持することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明においては、光源から発振されるレーザ光の波長を測定対象ガス中の化学種の吸収中心波長に長時間安定して保持することが可能となり、従って、波長調整等の煩雑な作業を要することなく測定対象ガス中の化学種のガス濃度を高感度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に係わるガス濃度測定装置のブロック図である。
【図２】上記実施例における化学種の吸収スペクトルの全体例を示す図である。
【図３】上記実施例の吸収スペクトルの波形を示し、(A) は単体の吸収スペクトル、(B) は一次微分吸収スペクトル、(C) は２次微分吸収スペクトルである。
【図４】  (A) は上記実施例の測定結果を、(B) は従来装置の計測結果を示す線図である。
【図５】従来のガス濃度測定装置のブロック図である。
【図６】従来の他のガス濃度測定装置のブロック図である。
【符号の説明】
１  光源
２  温度調整器
３  定電流発生装置
５  測定対象ガス
６  標準ガス
７  第１受光装置
7a  第２受光装置
８  第１位相敏感検波装置
8a  第２位相敏感検波装置
９  第１波形発生器
10  第２波形発生器
11  検波信号変換器
12  第１周波数逓倍器
12a 第２周波数逓倍器
13  第２波形混合器
14  波形混合器
【図１】
0003782473.tif 000003
【図２】
0003782473.tif 000004
【図３】
0003782473.tif 000005
【図４】
0003782473.tif 000006
【図５】
0003782473.tif 000007
【図６】
0003782473.tif 000008