特許 5834765 多成分用レーザ式ガス分析計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5834765

(24)【登録日】2015年11月13日

(45)【発行日】2015年12月24日

(54)【発明の名称】多成分用レーザ式ガス分析計

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/27 20060101AFI20151203BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/27 Z

【請求項の数】3

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2011-232698(P2011-232698)

(22)【出願日】2011年10月24日

(65)【公開番号】特開2012-154915(P2012-154915A)

(43)【公開日】2012年8月16日

【審査請求日】2014年9月12日

(31)【優先権主張番号】特願2011-402(P2011-402)

(32)【優先日】2011年1月5日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091281

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 雄一

(72)【発明者】

【氏名】東 亮一

(72)【発明者】

【氏名】平山 紀友

(72)【発明者】

【氏名】増永 靖行

【審査官】 横井 亜矢子

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−００１９９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１７５５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２６４８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０５５２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５２２９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３０９８００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０１５１４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／６１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象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、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子のレーザ光をそれぞれ伝送する複数のシングルモード型光ファイバと、これらのシングルモード型光ファイバの端部を束ねて各レーザ光の出射点を近接させるためのファイババンドル端部と、このファイババンドル端部から出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する放物面鏡と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ集光する放物面鏡と、この放物面鏡から出力された集光を結合させるマルチモード型光ファイバと、このマルチモード型光ファイバを介して伝送されたレーザ光を分波する分波手段と、分波手段により分波された分波光のうちの可視波長域に感度を有する可視光用受光素子と、分波手段により分波された分波光のうちの近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子と、可視光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う可視光用処理回路と、近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。

【請求項2】

レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象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、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子のレーザ光をそれぞれ伝送する複数のシングルモード型光ファイバと、これらのシングルモード型光ファイバの端部を束ねて各レーザ光の出射点を近接させるためのファイババンドル端部と、このファイババンドル端部から出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する放物面鏡と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ集光する放物面鏡と、可視波長域に感度を有する可視光用受光素子および近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子が一体化されており受光側光学部から出力された集光について両者が検出信号を出力する受光素子と、受光素子のうちの可視光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う可視光用処理回路と、受光素子のうちの近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。

【請求項3】

レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象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、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子のレーザ光をそれぞれ伝送する複数のシングルモード型光ファイバと、これらのシングルモード型光ファイバの端部を束ねて各レーザ光の出射点を近接させるためのファイババンドル端部と、このファイババンドル端部から出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する放物面鏡と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ集光する放物面鏡と、受光側光学部から出力された集光について検出信号を出力する近赤外波長域に感度のピークを持ちかつ可視波長域にも感度を有する広帯域近赤外光用受光素子と、広帯域近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空間内の各種の測定対象ガスの有無や濃度を分析する多成分用レーザ式ガス分析計に関する。

【背景技術】

【0002】

多成分用レーザ式ガス分析計の従来技術として、例えば、特許文献１（特開２０００−７４８３０号公報（特許第４０３８６３１号公報）、発明の名称「半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法および計測システム」）に記載の発明が知られている。この計測システムについて図を参照しつつ説明する。

【0003】

図１５は、従来技術の光ファイバを用いたレーザ式ガス分析計の実施形態を示す全体構成図である。図１５において、５０１，５０２は発光部としての半導体レーザで、互いに異なる波長λ_１（例えば１．９９６μｍ）、λ_２（例えば２．０５０μｍ）のレーザ光を発するものであり、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザよりなる。これらの半導体レーザ５０１，５０２は、ファンクションジェネレータ５０３によってそれぞれ電流制御される。

【0004】

５０４，５０５は半導体レーザ５０１，５０２に光ファイバ５０６，５０７を介して接続されるファイバカプラ、５０８は半導体レーザ５０１，５０２がそれぞれ発するレーザ光を後述するセル５１３に測定光として送出するためのファイバカプラで、５０９，５１０は光ファイバである。なお、ファイバカプラ５０４，５０５には、参照光としてのレーザ光用の光ファイバ５１１，５１２がそれぞれ接続されている。

【0005】

５１３は前記ファイバカプラ５０８の後段に設けられるセルである。このセル５１３の両端部は、２μｍ付近のレーザ光を透過させるセル窓５１３ａ，５１３ｂで封止されるとともに、ガス導入口５１３ｃ、ガス導出口５１３ｄを備え、ガス導入口５１３ｃには例えばＣＯ_２と空気とを適宜の割合で供給できるように開閉弁５１４，５１５を備えたガス供給ライン５１６，５１７が接続され、ガス導出口５１３ｄには開閉弁５１８および真空ポンプ５１９を備えたガス排出ライン５２０が接続されている。

【0006】

また、セル窓５１３ａ，５１３ｂの外部にミラー５２１，５２２を設け、セル５１３に入射したレーザ光がセル５１３内を数回通過した後、出射するように構成されている。
そして、５２３，５２４はセル５１３の前段側および後段側にそれぞれ設けられるコリメータで、後段側のコリメータ５２４の後段には分波器５２５が設けられている。この分波器５２５は、セル５１３を透過した二つの波長のレーザ光（測定光）を波長λ_１，λ_２のレーザ光に分離するものである。

【0007】

５２６，５２７は測定光用のフォトダイオード、５２８，５２９は参照光用のフォトダイオードで、これらのフォトダイオード５２６，５２７には分波器５２５によって分離された波長λ_１，λ_２のレーザ光（測定光）が入射し、フォトダイオード５２８，５２９には光ファイバ５１１，５１２を経て波長λ_１，λ_２のレーザ光（参照光）が入射する。

【0008】

５３０〜５３３は前記フォトダイオード５２６〜５２９にそれぞれ対応して設けられるプリアンプで、これらのプリアンプ５３０〜５３３は、Ａ／Ｄ変換器５３４を経て図示していない信号処理装置（例えばコンピュータ）に入力されるように構成されている。

【0009】

上述のように構成されたレーザ式ガス分析計においては、セル５１３にＣＯ_２と空気とを適宜の割合で混合したガスが被測定ガスとして供給される。この状態において、半導体レーザ５０１，５０２からそれぞれ発せられた二つの波長のレーザ光λ_１，λ_２が、混合した状態で被測定ガスが充填されたセル５１３を測定光として透過する。この測定光は、分波器５２５において元の波長λ_１，λ_２のレーザ光となり、フォトダイオード５２６，５２７に入射する。一方、前記半導体レーザ５０１，５０２からそれぞれ発せられた二つの波長のレーザ光λ_１，λ_２は、そのまま光ファイバ５１１，５１２を経て参照光としてフォトダイオード５２８，５２９に入射する。

【0010】

そして、フォトダイオード５２６〜５２９からは、入射する光に応じた信号を出力し、これらの出力信号は、プリアンプ５３０〜５３３を経てＡ／Ｄ変換器５３４に入り、その変換出力がコンピュータに入力され、信号処理される。セル５１３に供給された被測定ガスの温度・濃度・化学種が求められる。

【0011】

このレーザ式ガス分析計においては、計測に用いるレーザ光を、従来よりも長い波長である２μｍ付近の相異なる波長λ_１，λ_２のレーザ光を用いているので、吸収の強い吸収線で計測を行うことができ、必要光路長の短縮や、温度・濃度・化学種の測定におけるＳ／Ｎの向上が図れる。従来技術はこのようなものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２０００−７４８３０号公報（特許第４０３８６３１号公報）、発明の名称「半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法および計測システム」

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

この先行技術では、発光側において異なる波長のレーザ光をファイバカプラ５０８によって１本の光ファイバ上に結合しているが、一般に、ファイバカプラには挿入損失が存在する。例えば、２入力１出力の溶融延伸型ファイバカプラであれば少なくとも一方の入力ポートにおいて３ｄＢ以上の挿入損失がある。また、異なる２波長のみを結合する場合は、それら特定の２波長に対して挿入損失を３ｄＢ以下に低減するように設計された波長分割多重（ＷＤＭ）型ファイバカプラを用いることが可能であるが、異なる３波長以上では、波長分割多重方式は適用できない。

【0014】

すなわち、例えば酸素検出用の波長７６３ｎｍレーザと、二酸化炭素検出用の波長２００４ｎｍレーザと、一酸化炭素検出用の波長２３３０ｎｍレーザの３波長をファイバカプラで１本の光ファイバ上に結合する場合には、波長分割多重型ファイバカプラであらかじめ２波長を１本の光ファイバに結合し、そこでの各挿入損失を３ｄＢ以下に抑えたとしても、残りの１波長と前記の２波長を結合するためにもう一段ファイバカプラで結合することとなり、結局少なくとも１波長は３ｄＢ以上の挿入損失を生じる。

【0015】

このように、発光側において異なる３波長以上のレーザ光をファイバカプラによって１本の光ファイバ上に結合する場合には、レーザ光源から出た光のパワーを受光素子まで効率よく伝送することができず、測定ガスの吸収信号の強度が低下するという問題がある。

【0016】

そこで、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、発光側において、異なる複数波長以上のレーザ光源から出た光を、ファイバカプラを使用せずに空間に放射することによって、発光側での挿入損失を無くし、光のパワーを効率よく受光素子まで伝送することで、測定ガスの吸収信号の強度を高める多成分用レーザ式ガス分析計を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象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、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子のレーザ光をそれぞれ伝送する複数のシングルモード型光ファイバと、これらのシングルモード型光ファイバの端部を束ねて各レーザ光の出射点を近接させるためのファイババンドル端部と、このファイババンドル端部から出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する放物面鏡と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ集光する放物面鏡と、この放物面鏡から出力された集光を結合させるマルチモード型光ファイバと、このマルチモード型光ファイバを介して伝送されたレーザ光を分波する分波手段と、分波手段により分波された分波光のうちの可視波長域に感度を有する可視光用受光素子と、分波手段により分波された分波光のうちの近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子と、可視光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う可視光用処理回路と、近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。

【0018】

請求項２に係る発明は、レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象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、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子のレーザ光をそれぞれ伝送する複数のシングルモード型光ファイバと、これらのシングルモード型光ファイバの端部を束ねて各レーザ光の出射点を近接させるためのファイババンドル端部と、このファイババンドル端部から出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する放物面鏡と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ集光する放物面鏡と、可視波長域に感度を有する可視光用受光素子および近赤外波長域に感度を有する近赤外光用受光素子が一体化されており受光側光学部から出力された集光について両者が検出信号を出力する受光素子と、受光素子のうちの可視光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う可視光用処理回路と、受光素子のうちの近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。

【0019】

請求項３に係る発明は、レーザ光による検出光を出射する発光部と、複数の測定対象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、複数種類の測定対象ガスの濃度を測定する周波数変調方式の多成分用レーザ式ガス分析計であって、
前記発光部は、
それぞれの測定対象ガス別に設けられる素子であって周波数変調されたレーザ光を出射する複数のピグテール型発光素子と、これらのピグテール型発光素子のレーザ光をそれぞれ伝送する複数のシングルモード型光ファイバと、これらのシングルモード型光ファイバの端部を束ねて各レーザ光の出射点を近接させるためのファイババンドル端部と、このファイババンドル端部から出射された結合光に対して収差の影響を低減しつつ前記空間に検出光として出射する放物面鏡と、を備え、
前記受光部は、
前記空間を透過した検出光を収差の影響を低減しつつ集光する放物面鏡と、受光側光学部から出力された集光について検出信号を出力する近赤外波長域に感度のピークを持ちかつ可視波長域にも感度を有する広帯域近赤外光用受光素子と、広帯域近赤外光用受光素子からの検出信号に基づいてガス分析を行う近赤外光用処理回路と、を備え、
前記ピグテール型発光素子は、
発光素子本体と、この発光素子本体の温度検出手段と、前記発光素子本体の加熱冷却手段と、前記発光素子本体からの出射波長が所定値になるように前記温度検出手段による検出温度に応じて前記加熱冷却手段を制御する温度制御手段と、前記発光素子本体への供給電流を変化させて測定対象ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号およびトリガ信号を生成する波長走査駆動信号発生手段と、高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生手段と、前記波長走査駆動信号を前記高周波変調信号により変調して前記発光素子本体に対する駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、をそれぞれ備えると共に、
前記可視光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記可視光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備え、
前記近赤外光用処理回路は、
各ピグテール型発光素子における高周波変調信号の２倍周波数成分を有する参照信号をそれぞれ生成する参照信号発生手段と、前記近赤外光用受光素子の出力信号から前記２倍周波数成分をそれぞれ検出する同期検波手段と、トリガ信号を基準として所定時間経過したときの同期検波手段の出力信号の値に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、発光側において、異なる複数波長以上のレーザ光源から出た光を、ファイバカプラを使用せずに空間に放射することによって、発光側での挿入損失を無くし、光のパワーを効率よく受光素子まで伝送することで、測定ガスの吸収信号の強度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施の形態の多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。

【図2】ピグテール型発光素子の内部構成図である。

【図3】半導体レーザの発光波長の変化を示す特性図であり、図３（ａ）はドライブ電流−発光波長特性図、図３（ｂ）は温度−発光波長特性図である。

【図4】ファイババンドル端部の断面構成図である。

【図5】可視光用受光素子についての波長−受光感度特性を示す特性図である。

【図6】近赤外光用受光素子についての波長−受光感度特性を示す特性図である。

【図7】分析部の一部構成図であり、図７（ａ）は可視光用受光素子および可視光用処理回路の構成図、図７（ｂ）は近赤外光用受光素子および近赤外光用処理回路の構成図である。

【図8】Ｏ_２ガス，ＨＣＬガス，ＣＯ_２ガス、ＣＯガスの吸収スペクトラム例を示す特性図である。

【図9】各部で検出される波形の説明図であり、図９（ａ）はレーザ素子の波長走査駆動信号発生回路の出力波形を示す図、図９（ｂ）は高調波変調信号発生回路の出力波形を示す図、図９（ｃ）は駆動信号発生回路の出力波形を示す図である。

【図10】受光信号、同期検波回路の出力信号、トリガ信号を示す波形図である。

【図11】受光信号、同期検波回路の出力信号、トリガ信号を示す波形図である。

【図12】可視光・近赤外光用受光素子の構造図である。

【図13】他の形態の検出部を説明するブロック図である。

【図14】他の形態の検出部を説明するブロック図である。

【図15】従来技術の多成分用レーザ式ガス分析計の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

続いて、本発明を実施するための形態に係る多成分用レーザ式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、本形態の多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。
本形態の多成分用レーザ式ガス分析計１は、周波数変調方式を採用している。この多成分用レーザ式ガス分析計１は、変調光生成部１０、発光側光学部２０、受光側光学部３０、分析部４０を備えている。このうち、図１でも示すように、変調光生成部１０、発光側光学部２０で本発明の発光部１００を構成する。また、受光側光学部３０、分析部４０で本発明の受光部２００を構成する。

【0024】

変調光生成部１０は、さらにピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、シングルモード型ファイバ（ピグテール）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、を備える。
発光側光学部２０は、さらにファイババンドル端部２１と、コリメート放物面鏡２２と、発光側ウェッジ付窓板２３と、を備える。

【0025】

受光側光学部３０は、さらに集光放物面鏡３１と、ファイバ端部３２と、受光側ウェッジ付窓板３３と、を備える。
分析部４０は、さらにマルチモード型光ファイバ４１，４３ａ，４３ｂと、分波器４２と、可視光用受光素子４４ａと、近赤外用受光素子４４ｂと、可視光用処理回路４５ａと、近赤外用処理回路４５ｂと、を備える。

【0026】

発光側光学部２０、受光側光学部３０は、図１に示すように、複数の測定対象ガスからなるガスが流通する配管等の壁７１ａ，７１ｂに、溶接等により固定されたフランジ７２ａ，７２ｂ及び光軸調整フランジ７３ａ，７３ｂを介して取り付けられる。ここで、光軸調整フランジ７３ａ，７３ｂは、発光側光学部２０から出射される検出光６０が受光側光学部３０において最大の光量で受光されるように光軸を調整するためのものである。

【0027】

なお、発光側ウェッジ付窓板２３、受光側ウェッジ付窓板３３は、光路内にあり、検出光６０を透過させつつ、複数の測定対象ガスを含むガスが発光側光学部２０や受光側光学部３０の内部に進入しないようにし、コリメート放物面鏡２２、集光放物面鏡３１やファイババンドル端部２１、ファイバ端部３２が直接ガスに触れないよう保護する役割を果たす。

【0028】

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１〜図４を参照しつつ詳細に説明する。
変調光生成部１０は、測定対象ガスの吸光特性に応じたレーザ光の発光素子を複数設けて、測定対象ガスの個数のレーザ光を照射するようになされており、これらレーザ光に対して周波数を変調した変調光を複数生成し、これら複数の変調光を発光側光学部２０へと伝送するユニットである。

【0029】

変調光生成部１０は、図１で示すように、さらに測定対象ガスの種類の数に等しい個数（本形態では例示的に４個として説明する）のピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、ピグテール型発光素子と同じ本数（本形態では例示的に４本として説明する）のシングルモード型光ファイバ（ピグテール）１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとを備えている。なお、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、シングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとは、それぞれ、予め光学的に接続された状態でピグテール型レーザ素子として市販されているものもあり、この場合、光学的な調整が不要である。

【0030】

ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、詳しくは後述するが、図２で示すような構成としている。
ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、それぞれ発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄを内蔵している。これら発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄは、測定対象ガス１成分につき１個の発光素子を用いるように構成している。これらは、例えば、ＤＦＢレーザ（Distributed Feedback Laser）、もしくはＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）といわれるレーザ素子である。

【0031】

これらレーザ素子は、発光波長がガスの吸光特性に一致する可視領域や近赤外領域にて発光が可能であり、かつ、電流と温度により、発光波長を可変可能である。本形態では説明の具体化のため、可視領域を発するのはピグテール型発光素子１１ａであるとし、また、近赤外領域を発するのはピグテール発光素子１１ｂ，１１ｃ，１１ｄであるものとして説明する。

【0032】

なお、このような構成は測定対象ガスの実状に応じて決定されるものであり、例えば、可視領域を発するピグテール型発光素子を２個、近赤外領域を発するピグテール型発光素子を４個というように適宜選択することができる。一般に可視領域を発するｍ個のピグテール型発光素子および近赤外領域を発するｎ個のピグテール型発光素子を配置するものである。

【0033】

本形態では測定対象ガスとして酸素ガス（Ｏ_２ガス）、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を測定するものとする。
可視領域として、例えば、酸素ガス（Ｏ_２ガス）を検出するために波長７６３ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ａとし、近赤外領域として、例えば塩素ガス（ＨＣｌガス）を検出するために波長１７８０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｂとし、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）を検出するために波長２００４ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｃとし、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を検出するために波長２３３０ｎｍを発光するレーザ素子１１ｄとする。

【0034】

これらのピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、ガスの吸収特性に一致する可視領域・近赤外領域の波長にて発光が可能であり、さらに、図３（ａ）に示したようにドライブ電流により発光波長を可変とすることができる。また、図３（ｂ）に示したように温度によって発光波長を可変とすることができる。このように温度と電流で、レーザの発光波長を可変可能である。なお、レーザ素子以外でも上記の条件を満たす、つまり測定対象ガスの吸収波長帯域で波長掃引できるものであれば他種の発光素子を用いてもよい。

【0035】

続いてピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ内の制御について説明する。
図２において、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの温度は、サーミスタ等の温度検出素子１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄを用いて検出される。これらの温度検出素子１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄは温度制御回路１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄに接続されている。これら、温度制御回路１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄは、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの発光波長を安定化させるため、温度検出素子１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄの抵抗値がそれぞれ一定になるようにＰＩＤ制御等を行ってペルチェ素子１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄの温度制御を行い、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの温度を調節する。

【0036】

また、発光波長を変化させる波長走査駆動信号発生回路１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄの出力信号と、発光波長を周波数変調させるための高周波変調信号発生回路１１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄの出力信号とを、駆動信号発生回路１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ，１１７ｄにより合成して駆動信号を生成し、この駆動信号をＶ−Ｉ変換して発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄに供給する。これにより、発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄからは、それぞれ異なる種類の測定対象ガスの吸光特性を走査するための、周波数変調された所定波長のレーザ光が出射される。したがって、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから所定波長のレーザ光が出射される。

【0037】

そして、波長走査駆動信号発生回路１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄからはそれぞれトリガ信号ａ，トリガ信号ｂ，トリガ信号ｃ，トリガ信号ｄが出力される。これらトリガ信号ａは、通信線５０を介して可視光用処理回路４５ａの演算回路４５５ａへ入力され（図７（ａ）参照）、また、トリガ信号ｂ，トリガ信号ｃ，トリガ信号ｄは近赤外光処理回路４５ｂの演算回路４５５ｂ，４５５ｃ，４５５ｄへ入力される（図７（ｂ）参照）。これらトリガ信号については後述する。

【0038】

図１にもどるが、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから出射したレーザ光は、それぞれシングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ内を伝送される。これらシングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、ピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの各々の発光波長に応じた適切なコア径や屈折率のものを選ぶことができる。

【0039】

このことにより、マルチモード型光ファイバを用いて複数の波長をまとめて伝送する場合と比較して、伝送損失を小さく抑えることができる。また、途中に光ファイバカプラを使用しないため、挿入損失が発生せず、効率よく光を伝送できるという利点がある。こうしてピグテール型レーザ素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄから出射したレーザ光は、発光側光学部３０内にあるファイババンドル端部２１へと効率よく伝送される。

【0040】

次に、ファイババンドル端部２１の詳細を説明する。ファイババンドル端部２１は、図４に示すように、フェルール２１１により、シングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの端部を束ねて、各レーザ光の出射点を近接させる役割を果たす。図４では、４本の光ファイバを束ねた場合の断面の一例を示す。

【0041】

フェルール２１１は、その中心部に、断面が正方形状の中空穴２１２を備えている。中空穴２１２の大きさは、シングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを断面が正方格子状に接するように並べたときに、内接する大きさとしており、そのため光ファイバ同士の位置関係は固定される。

【0042】

例えば、典型的なシングルモード型光ファイバの直径は１２５μｍであるから、正方形状の中空穴２１２の一辺の長さを２５０μｍとして、光ファイバ同士の位置関係を固定する。このようにシングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを近接させることにより、レーザ素子からの発光点を近接させる。

【0043】

図４の場合においては、シングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは正方格子状に並んでいるため、発光点の間隔は最近接で１２５μｍとなる。これにより複数のシングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄから発せられる各レーザ光をファイババンドル端部２１で近接させつつ出射することで結合して結合光を生成することができる。

【0044】

また、ファイババンドル端部２１の先端は、断面での反射による戻り光の影響を低減するために、斜め研磨あるいは斜め球面研磨とすることができる。なお、中空穴２１２の形状は正方形に限定されるものではなく、例えば円形であってもよく、光ファイバ同士の位置関係が固定できればよい。また、シングルモード型光ファイバが２本，３本，５本、６本という場合でも適宜形状の中空穴２１２を形成してファイババンドル端部２１で把持することが可能である。

【0045】

図１に戻って説明する。ファイババンドル端部２１から出射したレーザ光は、コリメート放物面鏡２２により平行光に変換される。ここで、放物面鏡について説明する。放物面鏡とは、その反射面が回転放物面の一部からなる鏡である。放物面鏡の回転軸に対して平行に反射面に入射した光は、放物面鏡の焦点に集光する。一方、放物面鏡の焦点から発し反射面に入射した光は、放物面鏡の回転軸に対して平行な光に変換される。上記の性質を利用して、以下のようにコリメート光学系を構成する。

【0046】

すなわち、ファイババンドル端部２１をコリメート放物面鏡２２の焦点に配置することにより、ファイババンドル端部２１から出射した結合光２４はコリメート放物面鏡２２によって反射され、検出光６０は平行光となる。実際には、光ファイババンドル端部２１を焦点に配置しても、シングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの発光点のすべてを焦点と完全に一致させることはできず、光ファイバの半径程度の距離をもって離れることとなる。

【0047】

この影響は、検出光６０に含まれる複数のレーザ光の断面形状が非円形状となることや、光軸に対して若干の角度をもつこととなって現れるが、光路長が数ｍ程度であればその影響は十分に小さい。なお、レーザ光のコリメートにレンズではなく放物面鏡を採用した理由を説明すると、レンズはコリメートの原理に屈折を利用するために色収差の影響があり、波長７６０ｎｍから２３３０ｎｍに渡る広帯域なレーザ光を等しく平行にすることが困難であるからである。放物面鏡であればコリメートの原理に反射を利用するために、レンズの場合のような色収差は発生しないので、波長によらずレーザ光を等しくコリメートすることが可能である。

【0048】

上記のように平行光となった検出光６０は、発光側ウェッジ付窓板２３を透過し、壁７１ａ，７１ｂの内部区間（複数の測定対象ガスが流通する空間）を伝播し、受光側ウェッジ付窓板３３を透過する。ここで平行平面窓板ではなく、ウェッジ付窓板を採用する理由を説明する。
一般に、窓板の表面あるいは裏面では、レーザ光が多少の反射を起こす。このため、窓板の表面あるいは裏面（本実施形態の場合は、発光側ウェッジ付窓板２３の表面と裏面および受光側ウェッジ付窓板３３の表面と裏面の合計４面ある）のうち、複数の面が光軸に対して垂直に配置されていると、多重反射を生じ光学干渉ノイズを引き起こす。その結果、受光信号の強度を変調させ、ガス濃度の計測が不正確となってしまう。この現象を避けるために、平行平面窓板を採用せず、ウェッジ付窓板を採用する。また、ウェッジ付窓板の表面、裏面はそれらのどれもが光軸に対して垂直とならないように配置することが望ましい。

【0049】

続いて、受光部２００について説明する。受光部２００は、検出光６０を受光し、測定対象ガスの吸光特性により吸収された光について分析するユニットである。すなわち、受光側光学部３０では、図１で示すように、受光側ウェッジ付窓板３３を透過した平行光である検出光６０は、集光放物面鏡３１に入射し、反射してファイバ端部３２へと集束する集光３４となり、マルチモード型光ファイバ４１に結合する。ファイバ端部３２を集光放物面鏡３１の焦点に配置し、集光放物面鏡３１の回転軸を検出光６０に対して平行に配置することにより、検出光６０はマルチモード型光ファイバ４１に効率よく結合する。従って、この形態によれば、レーザ光の波長に依存せずにコリメート及び集光が可能であるため、確実に検出光６０をマルチモード型光ファイバ４１に入力することが可能になる。

【0050】

続いて、分析部４０について説明する。分析部４０は、検出光６０をマルチモード型光ファイバ４１を介して受光し、測定対象ガスの吸光特性により吸収された光について分析するユニットである。

【0051】

ここで、マルチモード型光ファイバ４１を採用した理由（シングルモード型ではなくマルチモード型である理由）を説明する。それは、マルチモード型光ファイバの方が、シングルモード型光ファイバに比べてコアの直径が大きく、レーザ光の結合効率が高いからである。集光放物面鏡３１によって集光されたレーザ光は、必ずしも１点に集光されるわけではなく、有限の広がりをもつて集光する。シングルモード型光ファイバ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの発光点が、コリメート放物面鏡２２の焦点からずれて配置される影響や、コリメート放物面鏡２２および集光放物面鏡３１の反射面の品質の影響により、集光されたレーザ光の断面形状はある程度の広がりをもつこととなる。
さらに、装置周辺の振動や温度変化によって徐々に光軸調整がずれた場合に、集光されたレーザ光が光ファイバ端部３２から外れるため、コアの直径は十分に大きくして余裕をもたせることが望ましい。

【0052】

そのため、シングルモード型光ファイバのようにコアの直径が１０μｍ程度の光ファイバではなく、マルチモード型光ファイバのように、コアの直径が５０μｍ以上あるような光ファイバを採用し、集光されたレーザ光を効率よく結合させ、かつ光軸調整のずれに対する余裕を与える。なお、マルチモード型光ファイバ４１のコアの直径は、適当な値を選ぶことができるが、大きくするほど、伝送損失が大きくなることには注意が必要である。

【0053】

そして、分析部４０では、マルチモード型光ファイバ４１を伝送したレーザ光を分波器４２が適当な分岐比で分波する。この分波器４２は、分波機能を有しているものであればよく、具体的には、マルチモード型光ファイバカプラ、または、マルチモード型の光ファイバスイッチを採用することができる。

【0054】

これら分波光はマルチモード型光ファイバ４３ａ，４３ｂを介してそれぞれ可視光用受光素子４４ａ、近赤外光用受光素子４４ｂにてそれぞれ受光される。測定対象ガスとして酸素ガス（Ｏ_２ガス）、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を測定するが、可視光用受光素子４４ａは、酸素ガス（Ｏ_２ガス）を検出するために、図５に示すように４００ｎｍ〜１０００ｎｍに感度をもつ可視波長域に感度をもつＳｉフォトダイオードを採用することができる。また、近赤外光用受光素子４４ｂは、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を検出するために、図６に示すように１２００ｎｍ〜２５００ｎｍに感度をもつ近赤外波長域に感度をもつＩｎＧａＡｓフォトダイオードを採用することができる。

【0055】

なお、分波器４１により分波された分波光は、全ての波長のレーザ光が含まれているが、可視光用受光素子４４ａ、近赤外光用受光素子４４ｂは、波長に対して感度をもつ波長領域がそれぞれ決まっているため、それぞれ異なる領域の受光が可能となる。例えば、検出光のうち波長が７６３ｎｍの光は可視光用受光素子４４ａでのみ検出される。また、検出光のうち波長が１７８０ｎｍ，２００４ｎｍ，２３３０ｎｍの光は近赤外光用受光素子４４ｂでのみで検出される。

【0056】

これら可視光用受光素子４４ａ、近赤外光用受光素子４４ｂは、受光量に応じて、電気信号による検出信号に変換して可視光用処理回路４５ａ，近赤外光用処理回路４５ｂに送る。これら可視光用処理回路４５ａ，近赤外光用処理回路４５ｂは、例えば、検出信号に対して増幅やノイズのフィルタリングを行い、濃度を検出する。

【0057】

図７（ａ）は、可視光用処理回路４５ａの内部構成図である。可視光用受光素子４４ａから可視光用処理回路４５ａへ入力された検出信号は、Ｉ−Ｖ変換回路４５１ａによって電流信号から電圧信号に変換される。また、参照信号発生回路（発振回路）４５２ａは、前記高周波変調信号発生回路１１６ａによる高周波変調信号の２倍周波数の信号を参照信号として出力する。Ｉ−Ｖ変換回路４５１ａにより変換された電圧信号と前記参照信号とは同期検波回路４５３ａに入力され、前記電圧信号から２倍周波数成分の信号が抽出される。これらの信号はフィルタ４５４ａに入力され、ノイズ除去、増幅等の処理が行われて演算回路４５５ａに入力されると共に、この演算回路４５５ａにおいて測定対象ガス（詳しくは酸素ガス（Ｏ_２ガス））の濃度が演算されることになる。

【0058】

また、図７（ｂ）は、近赤外光用処理回路４５ｂの内部構成図である。近赤外光用受光素子４４ｂから近赤外光用処理回路４５ｂへ入力された検出信号は、Ｉ−Ｖ変換回路４５１ｂによって電流信号から電圧信号に変換される。また、参照信号発生回路（発振回路）４５２ｂ，４５２ｃ，４５２ｄは、高周波変調信号発生回路１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄによる高周波変調信号の２倍周波数の信号を参照信号として出力する。Ｉ−Ｖ変換回路４５１ｂにより変換された電圧信号と前記参照信号とは同期検波回路４５３ｂ，４５３ｃ，４５３ｄに入力され、前記電圧信号から２倍周波数成分の信号が抽出される。これらの信号はフィルタ４５４ｂ，４５４ｃ，４５４ｄに入力され、ノイズ除去、増幅等の処理が行われて演算回路４５５ｂ，４５５ｃ，４５５ｄに入力されると共に、この演算回路４５５ｂ，４５５ｃ，４５５ｄにおいて測定対象ガス（詳しくは、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス））の濃度が演算されることになる。

【0059】

次に、上記の構成において、測定対象ガスの濃度を検出する原理について説明する。ここでは可視領域にある酸素ガス（Ｏ_２ガス）と近赤外領域にある塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）について検出する。酸素は、図８に示すように７６０ｎｍ〜７６８ｎｍで吸光特性を有する。酸素検出するために、可視領域として、波長７６３ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ａとする。同様に、近赤外領域として、例えば、塩素ガスを検出するために波長１７８０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｂとし、二酸化炭素ガスを検出するために波長２００４ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｃとし、一酸化炭素ガスを検出するために波長２３３０ｎｍを発光するピグテール型発光素子１１ｄとする。本発明では５００〜２５００ｎｍまでの光が光ファイバ、分波器を伝播されるようにしたため、検出は可能である。

【0060】

まず、変調光生成部１０から出射した検出光６０は、測定対象ガスが流通する壁７１ａ，７１ｂ内の空間を透過し、吸光されたものとする。これらの検出光は分析部４０に入射する。
そして、可視光に感度をもつ可視光用受光素子（Ｓｉフォトダイオード）４４ａでは、７６３ｎｍのピグテール型発光素子１１ａからの光のみを受光し、また、近赤外波長域に感度をもつ近赤外光用受光素子（ＩｎＧａＡｓフォトダイオード）４４ｂは、波長１７８０ｎｍのピグテール型発光素子１１ｂからのレーザ光、２００４ｎｍのピグテール型発光素子１１ｃからのレーザ光、波長２３３０ｎｍのピグテール型発光素子１１ｄからのレーザ光を受光する。

【0061】

図９（ａ）は、例えばピグテール型発光素子１１ａの駆動電流波形の一例を示している。
測定対象ガスの吸光特性を走査する波長走査駆動信号Ｓ_１は、ピグテール型発光素子１１ａの駆動電流値を直線的に変化させてピグテール型発光素子１１ａの発光波長を徐々に変化させ、例えば、０．２ｎｍ程度の吸光特性を走査する。一方、信号Ｓ_２は、駆動電流値をピグテール型発光素子１１ａが安定するスレッショルドカレント以上に保ち、一定波長で発光させるためのものである。さらに、信号Ｓ_３では、駆動電流値を０ｍＡにしておく。

【0062】

図９（ｂ）は、図２の高周波変調信号発生回路１１６ａから出力される変調信号の波形図であり、測定対象ガスの吸光特性を検出するための信号Ｓ_４は、例えば周波数が１０ｋＨｚの正弦波とし、波長幅を０．０２ｎｍ程度変調する。
図９（ｃ）は、図２の駆動信号発生回路１１７ａから出力される駆動信号（波長走査駆動信号発生回路１１５ａの出力信号と高周波変調信号発生回路１１６ａの出力信号との合成信号）の波形図であり、この駆動信号Ｓ_５を発光素子本体１１１ａに供給すると、発光素子本体１１１ａからは、測定対象ガスの０．２ｎｍ程度の吸光特性を波長幅０．０２ｎｍ程度で検出可能な変調光が出力される。

【0063】

他の発光素子本体１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄも、上記と同様にして、測定対象ガスの吸光特性に応じて分析される。
４個の発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの変調波周波数を、例えば１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚとすると、変調信号の２倍周波数成分はそれぞれ２０ｋＨｚ，２５ｋＨｚ，３０ｋＨｚ，３５ｋＨｚとなり、参照信号発生回路４５２ａ，４５２ｂ，４５２ｃ，４５２ｄがこれらの周波数の参照信号を出力することで、同期検波回路４５３ａ，４５３ｂ，４５３ｃ，４５３ｄは上記２倍周波数成分に吸光特性を有する測定対象ガス、すなわち、Ｏ_２ガス、ＣＯ_２ガス、ＨＣｌガス、ＣＯガスの吸光特性のみをそれぞれ検出して出力することができる。

【0064】

測定対象ガス、すなわちＯ_２ガス、ＣＯ_２ガス、ＨＣｌガス、ＣＯガスに吸光特性がある場合、同期検波回路４５３ａ，４５３ｂ，４５３ｃ，４５３ｄからは図１０に示すような吸光特性が得られる。なお、検出光６０の光路上に測定対象ガスが存在しない場合には、同期検波回路４５３ａ，４５３ｂ，４５３ｃ，４５３ｄの出力に図１０のような吸光特性は現れず、図１１で示すような出力となる。

【0065】

続いて演算回路による濃度算出方法について説明する。ここではＯ_２ガスについて例示的に説明する。
演算回路４５５ａには、波長走査駆動信号発生回路１１５ａからトリガ信号ａが入力される。
図９（ａ）におけるトリガ信号は、上記Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を含めた１周期ごとに出力される信号であり、波長走査駆動信号発生回路１１６ａより出力され、通信線５０を介して、演算回路４５５ａへ入力される。トリガ信号は、波長走査駆動信号のＳ３と同期がとれている。図１０で示すように、トリガ信号から所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ経過したときに同期検波回路出力波形でＢ点の最小値Ｂ、Ｃ点の最大値Ｃ、Ｄ点の最小値Ｄが登場する。これら所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄは工場出荷前や校正時に実験的に予め算出しておいて、図示しないメモリに登録しておく。この値を用いて濃度を算出する。

【0066】

演算回路４５５ａとしては、トリガ信号から所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ経過するときに同期検波回路出力波形の値を読みとって記憶し、その後に濃度を算出する処理を行う。この同期検波回路出力波形はその波形のピークにある最大値がそのままガス濃度を表すため、例えば、最大値を濃度として出力する。または最大値から最小値を減じた差分値を濃度とするというものである。他の測定対象ガス（ＣＯ_２ガス、ＨＣＬガス、ＣＯガス）の濃度検出動作についても、同様に行えばよい。

【0067】

特にガス濃度が低くなると、光学窓材料やレンズなどによるレーザ光の干渉による影響のノイズの影響が強くなり、これらのノイズがピークとなって検出されてしまうなど、ピークの発見が困難であるが、本発明ではこのようにガス吸収が発生する部分をあらかじめ設定しトリガ信号を基準にガス吸収のピークを検出するようにしたため、ノイズ等に影響されることなく正確なガス濃度検出ができるという利点がある。

【0068】

このような装置構成によって、従来技術と同様に、２倍周波数の信号を検出することでガス濃度が計測可能となる。本発明では特に光ファイバとしてマルチモード光ファイバを用いているので、５００〜２５００ｎｍという広い波長域で計測可能となる。したがって、本形態で例示したピグテール型発光素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄだけでなく、変調周波数を変えるか、レーザの発光をシリーズに発光させることで、受光素子の波長領域が同一の場合も分離して計測可能である。

【0069】

また、低損失であるためピークが確実に表れるようにして低濃度のガスの検出能力を向上させた。加えて同期によりピーク位置を正確に検出できるようにしたため、やはり低濃度のガスの検出能力を向上させた。
このような装置構成によって、ガス濃度が計測可能となる。本発明では５００〜２５００ｎｍという広い波長域で計測可能となる。

【0070】

以上本発明の多成分レーザ式ガス分析計について説明した。この多成分レーザ式ガス分析計では各種の変形形態が可能である。
続いて他の形態について説明する。この形態では、先の形態のうち、分析部４０のみを変更するものである。先の形態の分析部４０は、詳しくは、図１で示したように、分波器４１を用いる構成であったが、本形態では、分析部４０側は、図１２に示すような可視光領域に感度をもつＳｉフォトダイオードと、近赤外領域に感度をもつＩｎＧａＡｓフォトダイオードとが一体化された可視光・近赤外光用受光素子４６を用い、図１３で示すように、分波器を用いずに、マルチモード型光ファイバ４１から直接照射されるレーザ光を可視光・近赤外受光素子４６が受光し、Ｓｉフォトダイオードからは可視光用処理回路４５ａへ出力し、また、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードからは近赤外光用処理回路４５ｂへ出力し、可視光用処理回路４５や近赤外光用処理回路４５ｂのそれぞれが信号処理するようにしてもよい。このような構成を採用しても本発明の実施は可能である。

【0071】

続いて他の形態について説明する。この形態では、図１〜図１１を用いて説明した第１の形態のうち、発光部１００は同じ構成とするが、受光部２００を変更するものである。
第１の形態の受光部２００は、詳しくは、図１で示したように、分析部４０において分波器４２を用いる構成であったが、本形態では、受光部２００の分析部４０において、図１４に示すように分波器を用いずに、広帯域近赤外光用受光素子４７、近赤外光用処理回路４５ｂを備える構成とした。近赤外波長域に感度のピークを持ちかつ可視波長域にも感度を有する広帯域近赤外光用受光素子４７を用い、マルチモード型光ファイバ４１から直接照射される集光を広帯域近赤外光用受光素子４７が受光し、広帯域近赤外光用受光素子４７から出力される検出信号を、近赤外光用処理回路４５ｂが受信して近赤外波長域の信号と可視波長域の信号とをそれぞれ信号処理する。このような構成を採用しても本発明の実施は可能である。

【0072】

続いて他の形態について説明する。先に説明した各形態では、周波数が異なる複数光線を結合した検出光であるものとして説明した。本形態では、それぞれのピグテール型光素子を、時分割で動作させるものとした。そして検波手段では、受光手段の信号から、高周波変調の基本波成分と２倍波成分を、動作中のピグテール型発光素子と同期しながら検波することとした。例えば、図８の発光素子本体１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄと、参照信号発生回路４５２ａ，４５２ｂ，４５２ｃ，４５２ｄと、それぞれ演算回路４５５ａ，４５５ｂ，４５５ｃ，４５５ｄに接続し、ともに一個ずつ動作するように同期させて検波手段の信号から変調周波数成分を測定する。このように複数のガス成分を時分割で測定するような多成分用レーザ式ガス分析計としてもよい。

【0073】

続いて他の形態について説明する。先に説明した各形態では、ファイバ端部３２の端面については限定していなかったが、本形態ではファイババンドル端部２１やファイバ端部３２をともに斜め研磨端とする。このように構成することで、戻り光は斜め研磨端での反射により光ファイバ内に戻ることがなく戻り光の影響を除去することが可能になる。

【0074】

続いて他の形態について説明する。先に説明した各形態では、受光側はマルチモード光ファイバカプラであったが、分枝カプラとしてもよい。この場合、変調周波数をそれぞれ、分けなくてもよい。

【0075】

続いて他の形態について説明する。先に説明した各形態では、例示的に酸素ガス（Ｏ_２ガス）、塩素ガス（ＨＣｌガス）、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）を測定するものとして説明したが、これらガスのみに限定される趣旨ではなく、他の成分のガスを含んでいても良い。その場合、他の成分のガスを検出できるような波長を有するピグテール型発光素子が追加され、この波長で検出できるように演算回路の演算処理内容が変更されて用いられるというものである。例えば、可視領域の波長を有するｍのガスや近赤外領域を発するｎのガスを検出するため、可視領域を発するｍ個のピグテール型発光素子および近赤外領域を発するｎ個のピグテール型発光素子を配置した場合でも、ファイババンドル端部２１でｍ＋ｎ個のシングルモード型光ファイバを近接させた状態で固定し、受光部側ではｍ組のＩ−V変換回路、参照信号発生回路、同期検波回路、フィルタ、演算回路による可視光用処理回路とし、また、ｎ組のＩ−V変換回路、参照信号発生回路、同期検波回路、フィルタ、演算回路による近赤外光用処理回路とするというものである。実状に応じて適宜変更される。

【0076】

以上本発明について説明した。本発明のレーザ式ガス分析計によれば、可視光および近赤外光に渉って吸光する複数のガスを含む測定対象ガスに対してガス成分を正確に検出することが可能となる。特に、波長５００ｎｍから２５００ｎｍまでの広い波長範囲にわたる異なる３波長以上のレーザ光源から出た光を、ファイバカプラを使用せずに空間に放射し、受光側で１本の光ファイバ上に結合することによって、発光側での挿入損失を無くし、光のパワーを効率よく受光素子まで伝送することで、測定ガスの吸収信号の強度を高めることができる。

【0077】

また、半導体レーザを用いた吸収分光法に基づくレーザ式ガス分析計において、従来の光ファイバ式ガス分析計では、ガスの吸収スペクトル波形のピークを検出するように信号処理していたが、信号強度が電気信号ノイズよりも大きくなければならず、濃度が低いガス濃度検出が困難であったが、本願提案では低損失であるためピークが確実に表れるようにして低濃度のガスの検出能力を向上させた。さらに波長走査信号のトリガ信号をもとに、ガス吸収ピークを検出することで、低濃度ガス検出が可能となった。加えて同時に複数成分測定が可能となる。

【産業上の利用可能性】

【0078】

本発明の多成分用レーザ式ガス分析計は、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】

【0079】

１００：発光部
１０：変調光生成部
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ：ピグテール型発光素子
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ：発光素子本体
１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ：温度検出素子
１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ：温度制御回路
１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄ：ペルチェ素子
１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄ：波長走査駆動信号発生回路
１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃ，１１６ｄ：高周波変調信号発生回路
１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ，１１７ｄ：駆動信号発生回路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ：シングルモード型光ファイバ（ピグテール）
２０：発光側光学部
２１：ファイババンドル端部
２２：コリメート放物面鏡
２３：発光側ウェッジ付窓板
２４：結合光
２００：受光部
３０：受光側光学部
３１：集光放物面鏡
３２：ファイバ端部
３３：発光側ウェッジ付窓板
３４：集光
４０：分析部
４１：マルチモード型光ファイバ
４２：分波器
４３ａ，４３ｂ：マルチモード型光ファイバ
４４ａ：可視光用受光素子
４４ｂ：近赤外光用受光素子
４５ａ：可視光用処理回路
４５ｂ：近赤外光用処理回路
４６：可視光・近赤外光用受光素子
４７：広帯域近赤外光用受光素子
５０：通信線
６０：検出光
７１ａ，７１ｂ：壁
７２ａ，７２ｂ：フランジ
７３ａ，７３ｂ：光軸調整フランジ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】