特開 2024-176082 レーザ式ガス分析計及びレーザ式ガス分析方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024176082

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】レーザ式ガス分析計及びレーザ式ガス分析方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/39 20060101AFI20241212BHJP

【ＦＩ】

G01N21/39

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023094312

(22)【出願日】2023-06-07

(71)【出願人】

【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】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】吉峰 郁洋

(72)【発明者】

【氏名】武田 直希

(72)【発明者】

【氏名】寺岡 佑恭

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA01

2G059BB01

2G059EE01

2G059GG02

2G059GG06

2G059GG09

2G059HH09

2G059JJ11

2G059KK01

2G059MM04

2G059MM14

2G059NN05

(57)【要約】

【課題】本開示は、レーザ発光波長制御のずれを抑制するレーザ式ガス分析計を提供する。
【解決手段】波長可変レーザ分光法及び波長変調光分光法により測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計であって、レーザ素子と、変調光生成部と、を有する発光部と、受光信号処理部を有する受光部と、を備え、受光信号処理部は、ロックイン検波の入力信号の位相を検出する機能と、前記入力信号と参照信号の位相差を所望の値に一定に調整する機能と、を有する位相調整部を備え、前記発光部は、前記受光信号処理部で入力信号と参照信号の位相差を調整したロックイン検波波形のＸ波、Ｙ波又は前記Ｘ波及び前記Ｙ波を組み合わせた波形から吸収ピーク位置を取得し、波長掃引の所定のタイミングに吸収ピーク波長が合うようにレーザ温度設定を行って、レーザ素子の発光波長制御を行うレーザ式ガス分析計。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長可変レーザ分光法及び波長変調光分光法により測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計であって、
前記測定対象ガスの吸収スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域のレーザ光を出射するレーザ素子と、
前記測定対象ガスの吸収スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域で波長が掃引され、かつ変調周波数により変調されるように駆動電流を前記レーザ素子に供給するレーザ素子駆動部及び前記レーザ素子の温度を制御するレーザ素子温調部からなる変調光生成部と、
を有する発光部と、
前記測定対象空間を通過した前記レーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子から出力された検出信号に対し、前記変調周波数又は前記変調周波数の逓倍の周波数の信号成分を取得する受光信号取得部及び取得した信号をロックイン検波して、得られたロックイン検波波形の振幅に基づいて測定対象ガスの分析を行う演算処理部からなる受光信号処理部と、
を有する受光部と、
を備え、
前記受光信号処理部は、ロックイン検波の入力信号の位相を検出する入力信号位相検出部と、前記入力信号と参照信号の位相差を所望の値に一定に調整する参照信号位相設定部と、を備え、
前記発光部は、前記受光信号処理部で入力信号と参照信号の位相差を調整したロックイン検波波形のＸ波、Ｙ波又は前記Ｘ波及び前記Ｙ波を組み合わせた波形から吸収ピーク位置を取得し、波長掃引の所定のタイミングに吸収ピーク波長が合うようにレーザ温度設定を行って、レーザ素子の発光波長制御を行う、
レーザ式ガス分析計。

【請求項2】

前記受光信号処理部は、ロックイン検波波形Ｘ波、Ｙ波の吸収ピークが同じ向き、かつ両方の波形の振幅がバランスするように一定に調整し、Ｘ波、Ｙ波を平均することでベースライン歪みを打ち消した平均波形の振幅に基づいて測定対象ガスの分析を行う、
請求項１に記載のレーザ式ガス分析計。

【請求項3】

波長可変レーザ分光法及び波長変調光分光法により測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス濃度を測定するレーザ式ガス分析方法であって、
（ａ）レーザ素子から、前記測定対象ガスの吸収スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域を含み、前記測定対象ガスの吸収スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域で波長が掃引され、かつ変調周波数により変調されるように検出光を出射する工程と、
（ｂ）受光素子により、前記測定対象空間を通過した前記検出光を受光する工程と、
（ｃ）前記受光素子から出力された検出信号に対し、前記変調周波数又は前記変調周波数の逓倍の周波数の信号成分を取得し、取得した信号をロックイン検波して、得られたロックイン検波波形の振幅に基づいて測定対象ガスの分析を行う工程と、
を含み、
前記（ｃ）工程は、
ロックイン検波の入力信号の位相を検出する工程と、
前記入力信号と参照信号の位相差を所望の値に一定に調整する工程と、
を含み、
前記（ａ）工程は、
入力信号と参照信号の位相差を調整したロックイン検波波形のＸ波、Ｙ波又は前記Ｘ波及び前記Ｙ波を組み合わせた波形から吸収ピーク位置を取得する工程と、
波長掃引の所定のタイミングに吸収ピーク波長が合うようにレーザ温度設定を行って、前記レーザ素子の発光波長制御を行う工程と、
を含む、
レーザ式ガス分析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ式ガス分析計及びレーザ式ガス分析方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、波長可変レーザ分光法及び波長変調光分光法により、測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１０６７４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

レーザ式ガス分析計により測定を行っている環境において、例えば、周囲温度が変化するとロックイン検波波形が変形する場合がある。ロックイン検波波形が変形すると、レーザ発光波長制御がずれる場合がある。

【0005】

本開示は、レーザ発光波長制御のずれを抑制するレーザ式ガス分析計を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一の態様によれば、波長可変レーザ分光法及び波長変調光分光法により測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計であって、前記測定対象ガスの吸収スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域のレーザ光を出射するレーザ素子と、前記測定対象ガスの吸収スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域で波長が掃引され、かつ変調周波数により変調されるように駆動電流を前記レーザ素子に供給するレーザ素子駆動部及び前記レーザ素子の温度を制御するレーザ素子温調部からなる変調光生成部と、を有する発光部と、前記測定対象空間を通過した前記レーザ光を受光する受光素子と、前記受光素子から出力された検出信号に対し、前記変調周波数又は前記変調周波数の逓倍の周波数の信号成分を取得する受光信号取得部及び取得した信号をロックイン検波して、得られたロックイン検波波形の振幅に基づいて測定対象ガスの分析を行う演算処理部からなる受光信号処理部と、を有する受光部と、を備え、前記受光信号処理部は、ロックイン検波の入力信号の位相を検出する入力信号位相検出部と、前記入力信号と参照信号の位相差を所望の値に一定に調整する参照信号位相設定部と、を備え、前記発光部は、前記受光信号処理部で入力信号と参照信号の位相差を調整したロックイン検波波形のＸ波、Ｙ波又は前記Ｘ波及び前記Ｙ波を組み合わせた波形から吸収ピーク位置を取得し、波長掃引の所定のタイミングに吸収ピーク波長が合うようにレーザ温度設定を行って、レーザ素子の発光波長制御を行うレーザ式ガス分析計を提供する。

【発明の効果】

【0007】

本開示のレーザ式ガス分析計によれば、レーザ発光波長制御のずれを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計の構成を示す図である。

【図2】図２は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における変調光生成部及び受光信号処理部の概略構成を示す図である。

【図3】図３は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計におけるロックイン検波部の概略構成を示す図である。

【図4】図４は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における信号波形及び同期信号のタイムチャートを示す図である。

【図5】図５は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における入力信号から位相検出する方法の一例を示す図である。

【図6】図６は、レーザ式ガス分析計におけるガスの吸収による乗算波形の位相シフトの一例を示す図である。

【図7】図７は、レーザ式ガス分析計における２位相ロックイン検波における出力信号と位相の関係を示す図である。

【図8】図８は、レーザ式ガス分析計における入力信号と参照信号の位相差による検波波形の変化の一例を示す図である。

【図9】図９は、レーザ式ガス分析計における波形の位相シフトにより吸収ピークの検出位置がずれる一例を示す図である。

【図10】図１０は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における位相調整したロックイン検波波形の一例を示す図である。

【図11】図１１は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計におけるＸＹ平均波形により吸収ピーク取得位置の誤差を低減する一例を示す図である。

【図12】図１２は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計におけるＸＹ平均波形によりベースライン歪みを打ち消す一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0010】

なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の又は対応する機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する場合がある。また、理解を容易にするために、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。

【0011】

平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右及び前後等の方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直には、それぞれ略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直が含まれてもよい。

【0012】

例えば、略平行は、２つの線又は２つの面が互いに完全に平行でなくても、製造上許容される範囲内であれば互いに平行として扱うことができることを意味する。他の略直角、略直交、略水平及び略垂直のそれぞれについても、略平行と同様に、２つの線又は２つの面の相互の位置関係が製造上許容される範囲内であればそれぞれに該当することが意図される。

【0013】

≪本実施形態に係るレーザ式ガス分析計≫
本実施形態に係るレーザ式ガス分析計は、波長可変レーザ分光法及び波長変調光分光法により測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計である。本実施形態に係るレーザ式ガス分析計は、発光部と、受光部と、を備える。

【0014】

本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における発光部は、測定対象ガスの吸収スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域のレーザ光を出射するレーザ素子を有する。また、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における発光部は、変調光生成部を有する。本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における変調光生成部は、測定対象ガスの吸収スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域で波長が掃引され、かつ変調周波数により変調されるように駆動電流をレーザ素子に供給するレーザ素子駆動部を有する。さらに、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における変調光生成部は、レーザ素子の温度を制御するレーザ素子温調部を有する。

【0015】

本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における受光部は、測定対象空間を通過したレーザ光を受光する受光素子を有する。また、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における受光部は、受光信号処理部を有する。本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における受光信号処理部は、受光素子から出力された検出信号に対し、変調周波数又は変調周波数の逓倍の周波数の信号成分を取得する受光信号取得部を有する。また、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における受光信号処理部は、取得した信号をロックイン検波して、得られたロックイン検波波形の振幅に基づいて測定対象ガスの分析を行う演算処理部を有する。

【0016】

本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における受光信号処理部は、ロックイン検波の入力信号の位相を検出する機能と、入力信号と参照信号の位相差を所望の値に一定に調整する機能と、を有する位相調整部を備える。また、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計における発光部は、受光信号処理部で入力信号と参照信号の位相差を調整したロックイン検波波形のＸ波、Ｙ波又はＸ波及びＹ波を組み合わせた波形から吸収ピーク位置を取得し、波長掃引の所定のタイミングに吸収ピーク波長が合うようにレーザ温度設定を行って、レーザ素子の発光波長制御を行う。

【0017】

図１は、第１実施形態に係るレーザ式ガス分析計の一例であるレーザ式ガス分析計１の構成を示す図である。第１実施形態に係るレーザ式ガス分析計について、レーザ式ガス分析計１を用いて説明する。

【0018】

気体状のガス分子は、それぞれ固有の光吸収波長及び吸収強度を表す吸収スペクトルを有する。また、レーザ光は、特定の波長でスペクトル線幅が狭い光である。レーザ式ガス分析計は、レーザ素子が、気体状のガス分子である測定対象ガスが吸収する光吸収波長のレーザ光を発光し、測定対象ガスにレーザ光を吸収させる。そして、レーザ式ガス分析計は、光吸収波長におけるレーザ光の吸収量に基づいて測定対象ガスの有無を検出する。加えて、レーザ式ガス分析計は、光吸収波長におけるレーザ光の吸収量が測定対象ガスの濃度に比例するため濃度を検出できる。

【0019】

レーザ式ガス分析計１は、壁５０ａと壁５０ｂとの内部を流通するガスに含まれる特定のガスの濃度を測定する。また、レーザ式ガス分析計１は、ガス濃度が０又は所定値以下であるならばガスが無いことを検出できる。言い換えると、レーザ式ガス分析計１は、ガスの有無も検出できる。

【0020】

レーザ式ガス分析計１は、発光部１０と、受光部２０と、通信線３０と、を備える。通信線３０は発光部１０と受光部２０との間で電気信号により通信する。なお、通信線３０に換えて無線や光通信のような通信部を採用してもよい。レーザ式ガス分析計１は、これら通信線、無線、光通信による通信部を採用できる。

【0021】

レーザ式ガス分析計１は、発光部１０から検出光４０を出射する。そして、検出光４０は壁５０ａと壁５０ｂとの内部の測定対象空間に投光される。

【0022】

検出光４０が測定対象空間内に投光されると、検出光４０の光量の一部は、特定のガスによって吸収される。発光部１０から投光された検出光４０において吸収されなかった残りの光、すなわち透過光が、受光部２０に入射する。受光部２０は、入射した透過光の光量を検出する。受光部２０は、検出された透過光の光量から特定のガス濃度を求める。

【0023】

続いて各部の詳細について説明する。

【0024】

［発光部１０］
発光部１０の光学的機能について説明する。測定対象ガスが吸収する特定の吸収スペクトルの中心波長をλとする。発光部１０は、中心波長λ及びその周辺の波長で、波長を変調しながら、検出光４０を受光部２０に向けて出射する。略平行光である検出光４０は、発光部窓板１４を透過し、壁５０ａ，５０ｂの内部、すなわち測定対象ガスを含むガスが流通する空間に伝播する。

【0025】

発光部１０は、変調光生成部１１と、レーザ素子１２と、コリメートレンズ１３と、発光部窓板１４と、発光部容器１５と、を少なくとも備える。

【0026】

（変調光生成部１１）
変調光生成部１１は、信号処理・電流駆動回路である。発光部１０は、測定対象ガスの吸光特性に応じたレーザ光を照射する必要がある。加えて、発光部１０は、レーザ光を周波数変調された変調光とする必要がある。そこで、変調光生成部１１は、測定対象ガスの吸光特性に応じたレーザ光を周波数変調された変調光として発光するための駆動電流信号を、レーザ素子１２に供給する。

【0027】

（レーザ素子１２）
レーザ素子１２は中心波長λ及びその周辺の波長で発光する。レーザ素子１２は、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ））レーザである。また、レーザ素子１２は、例えば、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）でもよい。さらに、レーザ素子１２は、例えば、分布反射型（ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ））レーザでもよい。

【0028】

レーザ素子１２は、駆動電流と温度により、発光波長を可変制御可能である。したがって、レーザ素子１２が発光するレーザ光の中心波長が、測定対象ガスの吸収スペクトルの中心波長となるように温度制御される。また、レーザ光の中心波長の周辺の波長が時間的に掃引されるように、駆動電流が制御される。さらに、波長変調分光法により高感度にて測定できるように、適切な波長変調振幅および周波数を有する正弦波が駆動電流に重畳される。

【0029】

レーザ素子１２の発光点は、コリメートレンズ１３の焦点付近に配置されている。レーザ素子１２からの出射光は、拡散しつつコリメートレンズ１３に入射して、略平行光である検出光４０に変換される。

【0030】

（コリメートレンズ１３）
コリメートレンズ１３は、中心波長λ及びその周辺の波長において透過率が高い材料で構成される。コリメートレンズ１３は、レーザ素子１２から出射した検出光４０を略平行光に変換する。コリメートレンズ１３が検出光４０を平行光に変換することにより、発光部１０は、拡散による損失を抑えながら、検出光４０を受光部２０まで伝送できる。

【0031】

なお、本形態ではコリメートレンズ１３を用いるものとして説明するが、コリメートレンズに限定する趣旨ではない。例えば、コリメートレンズの代わりに放物面鏡を用いることもできる。

【0032】

（発光部窓板１４）
発光部窓板１４は、発光部容器１５の一部に穴を開けてそれを塞ぐように設けられている。発光部窓板１４は、検出光４０の光路内にあり、検出光４０を透過させつつ、測定対象空間におけるガスが発光部１０の内部に進入しないようにする。発光部窓板１４は、内部に収納する光学素子、光学部品及び電気電子回路等が直接ガスに触れないようにする。発光部窓板１４は、内部に収納する光学素子、光学部品及び電気電子回路等が直接ガスに触れないように保護する。

【0033】

（発光部容器１５）
発光部容器１５は、内部に光学素子、光学部品及び電気電子回路等を収容する。発光部容器１５は、内部に収納する光学素子、光学部品及び電気電子回路等を外気から隔絶する。発光部容器１５は、内部に収納する光学素子、光学部品及び電気電子回路等を風雨、塵埃及び汚れ等から保護する。

【0034】

図１に示すように、測定対象ガスを含むガスが流通する配管等の壁５０ａ及び５０ｂのそれぞれに穴が開けられている。フランジ５１ａ及びフランジ５１ｂのそれぞれは、溶接等によりそれらの穴に固定されている。

【0035】

発光部１０は、発光部容器１５に光軸調整フランジ５２ａを備える。光軸調整フランジ５２ａは、フランジ５１ａに対して機械的に移動可能に取り付けられる。発光部１０は、光軸調整フランジ５２ａによりフランジ５１ａに取り付けられることによって、位置調整できる。光軸調整フランジ５２ａは、検出光４０の出射角を調整する。光軸調整フランジ５２ａは、光軸調整フランジ５２ｂとあわせて、発光部１０から出射される検出光４０が受光部２０において最大の光量で受光されるように調整する。

【0036】

［受光部２０］
次に、受光部２０について説明する。受光部２０は、受光部窓板２４を透過した検出光４０を受光し、測定対象ガスにより吸収された光量について分析する。受光部２０は、受光信号処理部２１と、受光素子２２と、集光レンズ２３と、受光部窓板２４と、受光部容器２５と、を少なくとも備える。

【0037】

（受光信号処理部２１）
受光信号処理部２１は、受信した検出光４０に基づいて、測定対象ガスのガス濃度を算出する信号処理・受光回路である。受光信号処理部２１は、受光素子２２により検出光４０を電気信号に変換した信号を処理して、測定対象ガスのガス濃度を算出する。より具体的に説明すると、受光信号処理部２１は、受光素子２２により検出光４０を電気信号に変更した信号に対して、ロックインアンプにより検出光４０の変調周波数の２倍の周波数成分を抽出する。そして、受光信号処理部２１は、抽出した成分から測定対象ガスのガス濃度を算出する。

【0038】

（受光素子２２）
受光素子２２には、中心波長λ及びその周辺の波長において、感度を有する受光素子を選択できる。

【0039】

（集光レンズ２３）
集光レンズ２３は、中心波長λ及びその周辺の波長において、透過率が高い材料で構成する。集光レンズ２３により、検出光４０は受光素子２２に集光されるため、高い信号強度を得ることができる。検出光４０は、集光レンズ２３の焦点付近に受光面が配置された受光素子２２に入射する。なお、本形態では集光レンズ２３を用いているが、集光レンズ２３に代えて、放物面鏡、ダブレットレンズや回折レンズなどを採用することもできる。

【0040】

受光素子２２からの受光信号は、受光信号処理部２１に検出信号として送られる。受光信号処理部２１では、この検出信号を処理して、ガス濃度を算出する。

【0041】

（受光部窓板２４）
受光部窓板２４は、受光部容器２５の一部に穴を開けてそれを塞ぐように設けられている。受光部窓板２４は、検出光４０の光路内にあり、検出光４０を透過させつつ、測定対象空間におけるガスが受光部２０の内部に進入しないようにする。受光部窓板２４は、内部に収納する光学素子、光学部品及び電気電子回路等が直接ガスに触れないようにする。受光部窓板２４は、内部に収納する光学素子、光学部品及び電気電子回路等が直接ガスに触れないように保護する。

【0042】

（受光部容器２５）
受光部容器２５は、内部に光学素子、光学部品及び電気電子回路等を収容する。受光部容器２５は、内部に収納する光学素子、光学部品及び電気電子回路等を外気から隔絶する。受光部容器２５は、内部に収納する光学素子、光学部品及び電気電子回路等を風雨、塵埃、及び汚れ等から保護する。

【0043】

受光部２０は、受光部容器２５に光軸調整フランジ５２ｂを備える。光軸調整フランジ５２ｂは、フランジ５１ｂに対して機械的に移動可能に取り付けられる。受光部２０は、光軸調整フランジ５２ｂによりフランジ５１ｂに取り付けられることによって、位置調整できる。光軸調整フランジ５２ｂは、検出光４０の入射角を調整する。光軸調整フランジ５２ｂは、光軸調整フランジ５２ａとあわせて、発光部１０から出射される検出光４０が受光部２０において最大の光量で受光されるように調整する。

【0044】

＜変調光生成部１１及び受光信号処理部２１における処理＞
次に、変調光の変調条件（振幅、周波数）の決定方法について説明する。図２は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計の一例であるレーザ式ガス分析計１における変調光生成部１１及び受光信号処理部２１の概略構成を示す図である。

【0045】

［変調光生成部１１］
変調光生成部１１は、レーザ素子駆動部１１０と、レーザ素子温調部１２０と、を備える。

【0046】

レーザ素子駆動部１１０は、レーザ素子１２が発光するレーザ光（検出光４０）の波長を制御するための駆動電流Ｉｄｒを、レーザ素子１２に出力する。レーザ素子駆動部１１０は、電流制御回路１１１と、デジタル－アナログ変換器ＤＡＣ１１２と、を備える。検出パラメータ設定部３１０で設定された電流制御値ＭＶＩが、デジタル－アナログ変換器１１２により、制御値ＭＶＩａに変換される。そして、変換された制御値ＭＶＩａが電流制御回路１１１に入力される。電流制御回路１１１は、入力された制御値ＭＶＩａに基づいて、駆動電流Ｉｄｒをレーザ素子１２に出力する。

【0047】

レーザ素子温調部１２０は、レーザ素子１２が発光するレーザ光（検出光４０）の波長を制御するために、レーザ素子１２を温度調節する。レーザ素子温調部１２０は、温度制御回路１２１と、デジタル－アナログ変換器ＤＡＣ１２２と、を備える。検出パラメータ設定部３１０で設定された温度制御値ＭＶＴが、デジタル－アナログ変換器１２２により、制御値ＭＶＴａに変換される。そして、変換された制御値ＭＶＴａが温度制御回路１２１に入力される。温度制御回路１２１は、入力された制御値ＭＶＴａに基づいて、レーザ素子１２の温度を調節する制御信号Ｔｄｒを出力する。

【0048】

レーザ素子１２は、例えば、ペルチェ素子を備える。レーザ素子温調部１２０は、レーザ素子１２が備えるペルチェ素子に供給する電流を制御することにより、レーザ素子１２の温度を調節する。

【0049】

レーザ素子１２は、検出パラメータ設定部３１０で設定される駆動電流Ｉｄｒ及び制御信号Ｔｄｒに応じた変調光である検出光４０を出射する。

【0050】

なお、変調光生成部１１に用いられるデジタル－アナログ変換器１１２は、低歪であることが望ましい。例えば、特許文献１のようなレーザ式ガス分析計では、変調されたレーザ光が測定対象ガスの吸収により歪が生じることを利用し、変調周波数の高調波成分（一般的には第２高調波）を測定することで濃度検出しているという性質から、特定の周波数で発振する低歪アナログ発振器を用いること多い。一方で、近年はハイレゾリューションオーディオ等の分野でＤＡＣ素子の高精度、低歪化が進んでいる。そして、従来の低歪アナログ発振器の全高調波歪率（－８０～－９０ｄＢ程度）を大きく下回る低歪率を達成しているものが発売されている（例えば、旭化成製ＡＫ４４９９ＥＱ、全高調波歪率－１２５ｄＢ）。上述のような低歪率の高精度ＤＡＣを用いることで、ガス濃度測定に必要な低歪の変調性能を備えながら、任意の波形でレーザを駆動することが可能となる。また、上述のような低歪率の高精度ＤＡＣを用いることにより、回路の大規模化を抑制できる。

【0051】

［受光信号処理部２１］
受光信号処理部２１は、受光信号取得部２１０と、演算処理部２２０と、を備える。

【0052】

受光信号取得部２１０は、増幅部２１１と、フィルタ部２１２及びフィルタ部２１３と、増幅部２１４と、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）２１５と、を備える。

【0053】

受光信号取得部２１０は、受光素子２２からの受光信号Ｓｍを検出光４０の強度に応じて増幅部２１１で増幅する。増幅部２１１における増幅率は、検出パラメータ設定部３１０により設定される。増幅部２１１は、受光信号Ｓｍを増幅した信号Ｓｍ１をフィルタ部２１２に出力する。

【0054】

次に、受光信号取得部２１０は、フィルタ特性をデジタル制御可能なフィルタ素子を有するフィルタ部２１２及びフィルタ部２１３において、検出パラメータ設定部３１０で設定されたフィルタ特性により変調周波数の２倍の周波数信号を抽出する。フィルタ部２１２は、ハイパスフィルタである。フィルタ部２１３は、ローパスフィルタである。フィルタ部２１２は、信号Ｓｍ１をフィルタリングした信号Ｓｍ２をフィルタ部２１３に出力する。フィルタ部２１３は、信号Ｓｍ２をフィルタリングした信号Ｓｍ３を増幅部２１４に出力する。

【0055】

次に、受光信号取得部２１０は、抽出した信号を増幅部２１４で増幅する。増幅部２１４は、信号Ｓｍ３を増幅した信号Ｓｍ４をアナログ－デジタル変換器２１５に出力する。

【0056】

次に、受光信号取得部２１０は、アナログ－デジタル変換器２１５により、信号Ｓｍ４をデジタル信号である入力信号ＤＳに変換する。受光信号取得部２１０は、変換したデジタル信号である入力信号ＤＳを演算処理部２２０に出力する。

【0057】

演算処理部２２０は、ロックイン検波部２２１と、ピーク検出部２２２と、濃度演算部２２３と、を備える。演算処理部２２０は、ロックイン検波部２２１により変調周波数の２倍周波数成分のロックイン検波信号ＬＳを取得する。そして、演算処理部２２０は、ピーク検出部２２２によりロックイン検波信号ＬＳの強度のピークを検出する。また、演算処理部２２０は、濃度演算部２２３によりロックイン検波信号ＬＳを処理してガス濃度を算出する。

【0058】

なお、受光信号処理部２１に用いられるフィルタ素子は、１から１５０キロヘルツの高周波帯までを柔軟にフィルタ特性をデジタル制御可能であることが望ましい。受光信号処理部２１に用いられるフィルタ素子は、例えば、ＭＡＸＩＭ製ＭＡＸ２６３／２６４、ＭＡＸ２６７／２６８等が望ましい。プログラマブルなフィルタ素子を用いることで、共通の回路構成を用いてソフトウェア制御のみで、変調光の設定周波数に応じた２倍周波数信号を抽出することが可能となる。

【0059】

＜本実施形態に係るレーザ式ガス分析計におけるロックイン検波＞
続いて、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計におけるロックイン検波の位相調整方法について説明する。図３は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計の一例であるレーザ式ガス分析計１におけるロックイン検波部２２１の概略構成を示す図である。

【0060】

ロックイン検波部２２１は、入力信号位相検出部２２１ａと、参照信号位相設定部２２１ｂと、信号発生部２２１ｃと、乗算器２２１ｄ及び乗算器２２１ｆと、ローパスフィルタ２２１ｅ及びローパスフィルタ２２１ｇと、を備える。

【0061】

受光信号取得部２１０は、受光信号Ｓｍにおける取得した変調周波数の２倍周波数成分を抽出して増幅する。ロックイン検波部２２１は、受光信号取得部２１０から信号Ｓｍ４をアナログ－デジタル変換した入力信号ＤＳを取得する。

【0062】

入力信号位相検出部２２１ａは、入力信号ＤＳから、変調周波数の２倍の周波数成分の基準位相θ１を抽出する。

【0063】

参照信号位相設定部２２１ｂは、基準位相に対して一定の位相差Δθとなるように参照信号の位相θ２を設定する。

【0064】

図４は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計の一例であるレーザ式ガス分析計１における信号波形及び同期信号のタイムチャートを示す図である。図４は、変調光生成部１１および受光信号処理部２１の各部の信号波形と両者を同期するトリガ信号のタイムチャートを示す。図４における横軸は時間、縦軸は強度等を模式的に示す。図４におけるＴｍは、測定周期を示す。

【0065】

図４（ａ）は、発光部１０及び受光部２０のそれぞれの動作を同期させるためのトリガ信号を示す。図４（ｂ）は、レーザ素子１２を駆動する電流信号を示す。図４（ｃ）は、受光素子２２によって検出される受光信号を示す。図４（ｄ）は、ロックイン検波部２２１に入力されるロックイン入力信号を示す。図４（ｅ）は、ロックイン検波部２２１から出力されるロックイン検波出力波形を示す。

【0066】

入力信号位相検出部２２１ａは、変調周波数の２倍の周波数成分の基準位相θ１を、各測定周期Ｔｍにおけるトリガ信号の立ち上がり又は立ち下がりを基準時刻ｔ＝０とし、入力信号ＤＳが変調周波数の２倍周波数かつ時刻ｔ＝０における基準位相θ１の正弦波信号であるとしてフィッティング計算などにより取得する。

【0067】

水分の吸収波形を含む入力信号から基準位相を検出した一例を図５に示す。図５は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計の一例であるレーザ式ガス分析計１における入力信号から位相検出する方法の一例を示す図である。

【0068】

入力信号位相検出部２２１ａは、ガスによる吸収を含まない領域のデータを用いて、基準位相θ１を算出する。入力信号位相検出部２２１ａが、ガスによる吸収を含まない領域のデータを用いて、基準位相θ１を算出する理由について説明する。図６は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計の一例であるレーザ式ガス分析計１におけるガスの吸収による乗算波形の位相シフトの一例を示す図である。図６に示すように、ガスの吸収がある領域においては、変調信号にガス吸収の信号成分が重畳して位相のシフトが生じる。したがって、入力信号位相検出部２２１ａは、変調信号にガス吸収の信号成分が重畳して位相のシフトが生じる領域を避けて、ガスによる吸収を含まない領域のデータを用いる。

【0069】

次に、参照信号位相設定部２２１ｂは、入力信号位相検出部２２１ａが算出した基準位相である基準位相θ１と参照信号である位相θ２の位相差Δθを決定する。ロックインアンプから出力される同相成分（Ｘ波）及び直交位相成分（Ｙ波）と、絶対値Ｒ＝√(Ｘ^２+Ｙ^２)及び位相差Δθとの関係について説明する。図７は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計の一例であるレーザにおける２位相ロックイン検波における出力信号と位相の関係を示す図である。ロックインアンプから出力される同相成分（Ｘ波）及び直交位相成分（Ｙ波）と、絶対値Ｒ＝√(Ｘ^２+Ｙ^２)及び位相差Δθとは、図７に示す関係にある。したがって、絶対値Ｒを算出することにより、位相差Δθによらず信号の振幅を得ることができる。

【0070】

なお、位相差Δθは、フィルタ回路の位相遅れ特性、部品の温度特性、許容誤差などにより変化する。位相差Δθの変化にともなってＸ波、Ｙ波の形状も変化する。位相差Δθが変化したときにおけるロックイン出力の波形について説明する。図８は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計の一例であるレーザ式ガス分析計１における入力信号と参照信号の位相差による検波波形の変化の一例を示す図である。

【0071】

図８に含まれるそれぞれの図における横軸は時間、縦軸はロックイン出力信号の電圧を示す。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、参照信号に対する位相差がそれぞれ０、１／４π、１／２π、３／４π、π、５／４π、３／２π、７／４πのときのＸ波及びＹ波のそれぞれの波形である。

【0072】

図５に示す入力信号に対して参照信号との位相差Δθを変化させた場合、図８に示すように検出波形が変化する。入力信号に対して参照信号との位相差Δθを変化しても、前述のように、信号振幅は保存される。したがって、ガス濃度演算は、位相の変化の影響を受けずにできる。一方、レーザ式ガス分析計において、ロックイン検波波形のＸ波又はＹ波から吸収ピークを取得し、波長掃引の中心に吸収ピーク波長が合うようにレーザ温度設定によるレーザ素子の発光波長制御を行う場合がある。例えば、実際の測定現場で受光信号アンプゲイン変更によるフィルタ特性の変化や周囲温度の変化の影響などで位相がシフトして検波波形が変形した場合に、吸収ピーク自体を検出できない、又は、吸収ピークを誤検知するという場合がある。

【0073】

図９は、波形の位相シフトにより吸収ピークの検出位置がずれる一例を示す図である。図９は、位相差Δθにより、吸収ピークの検出位置がずれる例を示している。波長掃引範囲においてＸ波の極大値あるいは極小値から吸収ピーク位置を抽出しようとした際に、図９（ａ）の波形であれば正確に吸収ピークを捉えることができる。一方、図９（ｂ）の波形はＸ波の振幅が小さく、また反転している。図９（ｂ）のように一方の波形の振幅が小さく、波形が反転している場合、吸収ピークを誤検知する場合がある。吸収ピークを誤検知する結果、レーザ波長制御のずれが生じる場合がある。

【0074】

図１０は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計の一例であるレーザ式ガス分析計１における位相調整したロックイン検波波形の一例を示す図である。レーザ式ガス分析計１は、図１０のように、参照信号と入力信号との位相差Δθを、Ｘ波、Ｙ波の吸収ピークが同じ向きに現れ、かつ両方の波形の振幅が等しくなるように一定に調整する。具体的には、レーザ式ガス分析計１は、図７に示した関係から位相差Δθが１／４π又は５／４πになるように、参照信号の位相θ２を設定する。言い換えると、レーザ式ガス分析計１は、参照信号の位相θ２をθ１＋１／４π又はθ１＋５／４πに設定する。

【0075】

レーザ式ガス分析計１が、位相差Δθが１／４π又は５／４πになるように、参照信号の位相θ２を設定することにより、吸収ピークの誤検知を抑制できる。

【0076】

また、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計において、Ｘ波、Ｙ波の平均波形を取得するようにしてもよい。図１１は、ＸＹ平均波形により吸収ピーク取得位置の誤差を低減する一例を示す図である。図１１に示すようにすることで、位相シフトに対して信号の振幅を常に確保して吸収ピークの誤検知を抑制できる。なお、上述の位相設定と組み合わせて行ってもよい。

【0077】

図１２は、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計におけるＸＹ平均波形によりベースライン歪みを打ち消す一例を示す図である。レーザ式ガス分析計のロックイン検波波形は、図１２に示すようにベースラインの歪み（傾き）が生じる場合がある。ベースラインの歪み（傾き）は、レーザ素子の駆動電流に対する波長の変化や回路の非線形性などにより、波長掃引範囲において波長掃引ピッチや変調振幅が一定でないために発生すると考えられる。ベースラインに歪み（傾き）があると、図１２の拡大図のように、吸光度の低い吸収波長や微小濃度のガスを測定しようとすると、吸収信号の振幅が小さいため、このベースラインが測定誤差の大きな要因となる。

【0078】

例えば、Ｘ波、Ｙ波の本来の振幅をそれぞれＡｘ、Ａｙとし、ベースライン歪みの重畳による振幅の化量をそれぞれｄＡｘ、ｄＡｙとすると、式１に示すような誤差ｅ１が生じる。

【0079】

【数1】

【0080】

例えば、図１０に示すように、位相差Δθを調整して、Ａｘ＝Ａｙ、ｄＡｘ＝ｄＡｙとなる場合は、式２に示すように誤差ｅ２となる。

【0081】

【数2】

【0082】

位相差を調整したＸ波及びＹ波は、ベースライン歪みが両信号の中間レベルに対して対象に反転して現れる。したがって、位相差を調整したＸ波及びＹ波の平均波形を取ることでベースライン歪みを打ち消しできる。ベースライン歪みを打ち消すことにより、平均波形の振幅に基づいて測定対象ガスの分析を行うことで、レーザ素子特性によるベースライン歪みの影響による測定誤差を低減できる。

【0083】

レーザ式ガス分析計が、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１のレーザ式ガス分析計は、波長変調分光法により検出を行う。駆動電流によって波長を掃引し、かつ特定の周波数で変調したレーザ光を波長可変レーザ素子が出射する。そして、波長可変レーザ素子から出射したレーザ光を受光素子が検出し、ロックインアンプが信号を変調周波数の２倍でロックイン検波し、このロックイン検波波形の振幅からガス濃度を算出する。特許文献１のレーザ式ガス分析計は、ロックイン検波により信号ノイズ比が向上するために微量ガスの計測に適している。

【0084】

測定対象空間に存在する複数ガスの組成が定まっている場合には、測定対象ガスの吸光によって得られるロックイン検波波長の振幅は波長変調振幅の関数であり、極大値が存在する。したがって、標準ガスを校正する際には、ロックイン検波波形の振幅が極大となるように波長変調振幅を調節して、信号ノイズ比を最大化することができる。そして、測定対象ガスのガス濃度とロックイン検波波形の振幅の対応関係（比例関係など）に基づき、ガス濃度を演算することができる。

【0085】

ロックインアンプは、参照信号と入力信号（被測定信号）の間に位相ずれが生じると、完全に位相がそろっている場合と比べて出力が低下するという問題があり、正確な出力を得るために位相調整が非常に重要である。しかし、この位相ずれは回路に位相遅れを引き起こすフィルタが含まれる場合に生じ、さらにその温度特性、部品の許容誤差によっても変動するため、単純に位相補償回路を追加するだけでは対応しきれない。そこで、２位相式ロックインアンプが多く用いられている。２位相式ロックインアンプでは、通常の参照信号に加えて位相が９０°異なる参照信号を乗算し、続くローパスフィルタを通して得られた出力は、入力信号の同相成分（Ｘ波）と直交位相成分（Ｙ波）の低周波信号となり、得られた測定値の絶対値および正接を算出することで，位相調整無しで入力信号の振幅が得られるとともに、入力信号と参照信号の位相差Δθが計測可能になる。

【0086】

ロックインアンプを用いた２ｆ波長変調分光法においては、レーザの発光波長を制御する方法として、ロックイン検波波形に含まれる測定ガスの吸収ピークを検出し、レーザ波長掃引の所定のタイミングに吸収ピーク波長が合うようにレーザ温度設定を行って制御する方法が用いられる。２位相式ロックインアンプを用いる場合、Ｘ波又はＹ波の吸収ピークを検出して波長制御を行う。Ｘ波又はＹ波の吸収ピークを検出して波長制御を行うとき、入力信号と参照信号の位相差のずれ具合によっては、波長制御用の波形の吸収波形が反転したり、振幅が潰れたりする場合がある。また、ガス濃度が小さく相対的に波形のベースライン傾きが大きくなる場合に、吸収ピークを正しく検出できず、レーザ波長制御に誤差や誤動作が生じる場合がある。

【0087】

本実施形態に係るレーザ式ガス分析計によれば、参照信号の位相差を調節することによって、吸収ピークを正しく検出できる。また、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計によれば、吸収ピークを正しく検出することによって、レーザ発光波長制御のずれを抑制できる。本実施形態に係るレーザ式ガス分析計によれば、レーザ発光波長制御のずれを抑制することにより、レーザ波長制御に誤差や誤動作が生じることなく、ガス濃度を測定できる。

【0088】

本実施形態に係るレーザ式ガス分析計は、例えば、車・船等の内燃機関の排ガス（除テスタ）に適用できる。また、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計は、防災用［爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析］、化学分析用［石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント］に適用できる。また、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計は、環境測定用［着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理］、植物育成用、理化学各種実験用に適用できる。

【0089】

以上、レーザ式ガス分析計を実施形態により説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本開示の範囲内で可能である。

【符号の説明】

【0090】

１ レーザ式ガス分析計
１０ 発光部
１１ 変調光生成部
１２ レーザ素子
１３ コリメートレンズ
１４ 発光部窓板
１５ 発光部容器
２０ 受光部
２１ 受光信号処理部
２２ 受光素子
２３ 集光レンズ
２４ 受光部窓板
２５ 受光部容器
３０ 通信線
４０ 検出光
５０ａ 壁
５０ｂ 壁
５１ａ、５１ｂ フランジ
５２ａ、５２ｂ 光軸調整フランジ
１１０ レーザ素子駆動部
１１１ 電流制御回路
１１２ デジタル－アナログ変換器
１２０ レーザ素子温調部
１２１ 温度制御回路
１２２ デジタル－アナログ変換器
２１０ 受光信号取得部
２１１、２１４ 増幅部
２１２、２１３ フィルタ部
２１５ アナログ－デジタル変換器
２２０ 演算処理部
２２１ ロックイン検波部
２２１ａ 入力信号位相検出部
２２１ｂ 参照信号位相設定部
２２１ｃ 信号発生部
２２１ｄ、２２１ｆ 乗算器
２２１ｅ、２２１ｇ ローパスフィルタ
２２２ ピーク検出部
２２３ 濃度演算部
３１０ 検出パラメータ設定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】