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JP2014016313A - Laser type gas analyzer - Google Patents

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JP2014016313A
JP2014016313A JP2012155697A JP2012155697A JP2014016313A JP 2014016313 A JP2014016313 A JP 2014016313A JP 2012155697 A JP2012155697 A JP 2012155697A JP 2012155697 A JP2012155697 A JP 2012155697A JP 2014016313 A JP2014016313 A JP 2014016313A
Authority
JP
Japan
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gas
signal
unit
temperature
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2012155697A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaya Tahara
雅哉 田原
Kazuhiro Koizumi
和裕 小泉
Noritomo Hirayama
紀友 平山
Hideo Kanai
秀夫 金井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP2012155697A priority Critical patent/JP2014016313A/en
Publication of JP2014016313A publication Critical patent/JP2014016313A/en
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Abstract

【課題】ガス温度の変化に応じて、周波数変調方式を利用したガス濃度検出と、差分吸収方式を利用したガス濃度検出と、を切り換えることで、ガス温度に応じて吸収が大きく変化するガスでも、広いガス温度範囲でガス濃度を正確に測定するレーザ式ガス分析計を提供する。
【解決手段】測定ガス用温度センサ40からの温度信号に基づいて、切換制御部50は、温度が所定温度を上回る場合には周波数変調方式ガス濃度測定部33を選択し、また、温度が所定温度を下回る場合には差分吸収方式ガス濃度測定部34を選択するように制御する。これにより、広いガス温度範囲でガス濃度を正確に測定するレーザ式ガス分析計1とした。
【選択図】図1
Even a gas whose absorption changes greatly according to the gas temperature by switching between gas concentration detection using a frequency modulation method and gas concentration detection using a differential absorption method according to a change in gas temperature. The present invention provides a laser gas analyzer that accurately measures gas concentration over a wide gas temperature range.
Based on a temperature signal from a temperature sensor for measurement gas, a switching control unit selects a frequency modulation type gas concentration measurement unit when the temperature exceeds a predetermined temperature, and the temperature is predetermined. When the temperature falls below, control is performed such that the differential absorption method gas concentration measurement unit 34 is selected. Thus, the laser gas analyzer 1 that accurately measures the gas concentration in a wide gas temperature range was obtained.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、空間内の測定ガスの有無や濃度を分析するレーザ式ガス分析計に関する。   The present invention relates to a laser gas analyzer that analyzes the presence and concentration of a measurement gas in a space.

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13のNHガスの吸収スペクトルのような特性を有する。レーザ光を用いたガス分析計は、このように特定波長の吸収量がガスの濃度に比例する原理に基づいて、ガス濃度を測定する。ここで、吸収線の中心の周波数fc における減衰量は、ガスの濃度に比例する。したがって、fc の発振周波数をもつ半導体レーザ光をガスに照射し、その減衰量を測定し適当な係数を掛けることでガスの濃度を推定することができる。 It is known that each gaseous gas molecule has its own light absorption spectrum. For example, it has characteristics such as the absorption spectrum of NH 3 gas in FIG. The gas analyzer using laser light measures the gas concentration based on the principle that the absorption amount at a specific wavelength is proportional to the gas concentration. Here, the attenuation at the frequency fc at the center of the absorption line is proportional to the gas concentration. Therefore, the gas concentration can be estimated by irradiating a semiconductor laser beam having an oscillation frequency of fc to the gas, measuring the attenuation, and multiplying the gas by an appropriate coefficient.

このようにレーザ光を用いたガス分析による濃度計測方法は、大きく差分吸収方式と周波数変調方式がある。通常、差分吸収方式では、比較的簡単な構成でガス濃度の測定が可能である。一方、周波数変調方式では、信号処理が複雑になるが高感度なガス濃度測定が可能である。   As described above, the concentration measurement method based on the gas analysis using the laser beam includes a differential absorption method and a frequency modulation method. Usually, in the differential absorption method, the gas concentration can be measured with a relatively simple configuration. On the other hand, with the frequency modulation method, signal processing is complicated, but highly sensitive gas concentration measurement is possible.

差分吸収方式によりガス濃度を測定する装置は、例えば特許文献1(特開平7−151681号公報、発明の名称「ガス濃度測定装置」)に記載されている。このガス濃度測定装置は、特許文献1の図8で示すように、2波長式半導体レーザ、ガスセル、受光レンズ、受光部、ガス濃度測定装置を備えた装置である。   An apparatus for measuring a gas concentration by a differential absorption method is described in, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-151681, “Gas Concentration Measuring Device”). As shown in FIG. 8 of Patent Document 1, this gas concentration measuring device is a device including a two-wavelength semiconductor laser, a gas cell, a light receiving lens, a light receiving unit, and a gas concentration measuring device.

そして、図14の差分吸収方式による濃度測定原理でも示すように、吸収線の中心周波数fを発振周波数とするレーザ光と、吸収線の無い中心周波数fを発振周波数とするレーザ光と、という2種のレーザ光をガスに照射し、それぞれの受光部が出力する信号の強度を差分して得た信号強度差に適当な比例定数を掛けて濃度に換算する、というものである。 Then, as shown in concentration measurement principle of the differential absorption method of FIG. 14, a laser beam for the laser beam to the center frequency f c of the absorption line and the oscillation frequency, without center frequency f r of the absorption line and the oscillation frequency, The gas is irradiated with the two types of laser light, and the signal intensity difference obtained by subtracting the intensity of the signal output from each light receiving unit is multiplied by an appropriate proportionality constant to be converted into a concentration.

また、周波数変調方式によりガス濃度を測定する装置も、例えば先に述べた特許文献1に記載されている。このガス濃度測定装置は、特許文献1の図7で示すように、周波数変調式半導体レーザ、ガスセル、受光レンズ、受光部、ガス濃度測定装置を備えた装置である。   An apparatus for measuring a gas concentration by a frequency modulation method is also described in, for example, Patent Document 1 described above. As shown in FIG. 7 of Patent Document 1, this gas concentration measuring device is a device including a frequency modulation type semiconductor laser, a gas cell, a light receiving lens, a light receiving unit, and a gas concentration measuring device.

そして、図15の周波数変調方式による濃度測定原理で示すように、中心周波数f、変調周波数fで半導体レーザの出力を周波数変調し、対象となる測定ガスに照射する。ガスの吸収線は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fの2倍の周波数の信号(2倍波)が得られる。そして、受光部でエンベロープ検波を行うことで振幅変調による基本波を推定でき、この基本波の振幅と前記2倍波の振幅の比を位相同期させることで、距離に関係なくガス濃度に比例した値を得る、というものである。 Then, as shown in concentrations measuring principle according to the frequency modulation scheme of Figure 15, the center frequency f c, the output of the semiconductor laser is frequency-modulated at a modulation frequency f m, is irradiated to the measurement gas of interest. Since the absorption line of the gas is almost quadratic function with respect to the frequency twice the frequency of the signal (second harmonic) is obtained in the modulation frequency f m in the role played light receiving portion of the absorption lines discriminator It is done. The fundamental wave by amplitude modulation can be estimated by performing envelope detection at the light receiving unit, and the ratio of the amplitude of the fundamental wave to the amplitude of the second harmonic wave is phase-synchronized to be proportional to the gas concentration regardless of the distance. To get a value.

特開平7−151681号公報(発明の名称「ガス濃度測定装置」)Japanese Patent Laid-Open No. 7-151681 (Title of Invention “Gas Concentration Measuring Device”)

これらのようなガス分析計は、例えばごみ焼却場の煙道などに設置される。ガス分析計の校正は、設置場所で通常使用されるガス温度で行われるが、煙道内のガス温度は、炉の運転状態によって変化し、ガス濃度測定中に100℃オーダのガス温度変化が生じる場合もある。一般的に、ガス温度が低いときに、ガスの吸収は大きくなっている(なお、測定ガスおよび測定波長によっては、逆の場合もある)。   Such gas analyzers are installed, for example, in a flue of a garbage incinerator. The gas analyzer is calibrated at the gas temperature normally used at the installation site, but the gas temperature in the flue varies depending on the operating condition of the furnace, and a gas temperature change of the order of 100 ° C. occurs during the gas concentration measurement. In some cases. In general, when the gas temperature is low, the gas absorption is large (depending on the measurement gas and the measurement wavelength, the reverse may occur).

例えば、図16に示すように、1000℃と25℃とのHClガスを比較すると、25℃のときに吸収が大きい。このようにガス温度に応じ吸収量が変化するため、下式のようなガス温度補正処理を行っている。   For example, as shown in FIG. 16, when comparing HCl gas at 1000 ° C. and 25 ° C., the absorption is large at 25 ° C. Since the amount of absorption changes according to the gas temperature in this way, a gas temperature correction process such as the following equation is performed.

[数1]
補正ガス濃度=α×測定ガス濃度
[Equation 1]
Corrected gas concentration = α x measured gas concentration

ただし、αはガス温度補正係数である。
このような処理を行うことで、ガス温度が変化した時にも正確なガス濃度測定が可能となる。
Where α is a gas temperature correction coefficient.
By performing such processing, it is possible to accurately measure the gas concentration even when the gas temperature changes.

周波数変調方式を採用する場合、通常使用するガス温度に合わせて同期検波信号などを出力する回路ゲインを調整する。ガス温度が低下して吸収が大きくなると、同期検波信号の振幅が大きくなって測定ガス濃度が大きくなる。さらにガス温度が低下するとサチレーション(飽和)が発生する。また、図17に示すように、広帯域な吸収特性を持つSOガスの場合は、さらなるガス温度低下で吸収が大きくなると、受光光量低下も大きくなるため、同期検波信号の信号が小さくなり、測定ガス濃度は低下に転ずる。このような場合のガス温度−ガス濃度の特性は、図18で示すようになる。 When the frequency modulation method is adopted, the circuit gain for outputting a synchronous detection signal or the like is adjusted according to the gas temperature normally used. When the gas temperature decreases and the absorption increases, the amplitude of the synchronous detection signal increases and the measurement gas concentration increases. When the gas temperature further decreases, saturation (saturation) occurs. Further, as shown in FIG. 17, in the case of SO 2 gas having a broad absorption characteristic, if the absorption is further increased due to further gas temperature decrease, the amount of received light is also increased, so that the signal of the synchronous detection signal is reduced and the measurement is performed. The gas concentration starts to decrease. FIG. 18 shows the gas temperature-gas concentration characteristics in such a case.

図18の区間Aのガス温度範囲であれば、数式1に示すガス温度補正方法が適用できる。しかしながら、区間Bのガス温度範囲でガス濃度を測定する場合は、数式1に示すガス温度補正方法は適用できない。   If it is the gas temperature range of the section A of FIG. 18, the gas temperature correction method shown in Formula 1 can be applied. However, when the gas concentration is measured in the gas temperature range of section B, the gas temperature correction method shown in Equation 1 cannot be applied.

一方で、差分吸収方式の場合は、周波数変調方式に比べて感度が低いため、より広いガス温度範囲で数式1のガス温度補正を適用可能である。しかし、既に述べた通り、周波数変調方式に比べて感度が低いため、吸収の小さいガス(ガス温度が高い)ときに、煙道で要求される精度のガス濃度測定ができないことがある。
周波数変調方式と差分吸収方式とは、ともに長所と短所とを併せ持つものであった。
On the other hand, in the case of the differential absorption method, since the sensitivity is lower than that of the frequency modulation method, the gas temperature correction of Formula 1 can be applied in a wider gas temperature range. However, as already described, since the sensitivity is lower than that of the frequency modulation method, the gas concentration measurement with the accuracy required in the flue may not be possible when the gas has low absorption (the gas temperature is high).
Both the frequency modulation method and the differential absorption method have both advantages and disadvantages.

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、ガス温度の変化に応じて、周波数変調方式を利用したガス濃度検出と、差分吸収方式を利用したガス濃度検出と、を切り換えることで、ガス温度に応じて吸収が大きく変化するガスでも、広いガス温度範囲でガス濃度を正確に測定するレーザ式ガス分析計を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to detect a gas concentration using a frequency modulation method and a gas concentration detection using a differential absorption method according to a change in gas temperature. Thus, it is an object of the present invention to provide a laser gas analyzer that accurately measures the gas concentration in a wide gas temperature range even for a gas whose absorption varies greatly according to the gas temperature.

本発明の請求項1に係るレーザ式ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、
測定ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光して検出信号を出力する受光部と、
受光部から出力された検出信号に基づいて周波数変調方式でガス濃度を測定する周波数変調方式ガス濃度測定部と、受光部から出力された検出信号に基づいて差分吸収方式でガス濃度を測定する差分吸収方式ガス濃度測定部と、を備える信号処理部と、
測定ガスが存在する空間内の温度を測定して温度信号を出力する測定ガス用温度センサと、
測定ガス用温度センサからの温度信号に基づいてガス濃度測定方式を、周波数変調方式または差分吸収方式を選択するように、信号処理部を制御する切換制御部と、
を備えることを特徴とするレーザ式ガス分析計とした。
A laser type gas analyzer according to claim 1 of the present invention comprises:
A light emitting unit for emitting detection light by laser light;
A light receiving unit that receives the detection light propagated through the space where the measurement gas exists and outputs a detection signal;
A frequency modulation type gas concentration measurement unit that measures the gas concentration by the frequency modulation method based on the detection signal output from the light receiving unit, and a difference that measures the gas concentration by the differential absorption method based on the detection signal output from the light receiving unit An absorption method gas concentration measurement unit, a signal processing unit comprising:
A temperature sensor for measuring gas that measures the temperature in the space where the measuring gas exists and outputs a temperature signal;
A switching control unit for controlling the signal processing unit so as to select the gas concentration measurement method, the frequency modulation method or the differential absorption method based on the temperature signal from the temperature sensor for the measurement gas;
It was set as the laser type gas analyzer characterized by providing.

また、本発明の請求項2に係るレーザ式ガス分析計は、
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記発光部は、
レーザ素子と、
レーザ素子の温度検出部と、
レーザ素子の温度調節部と、
レーザ素子からの出射波長が所定値になるように温度検出部による検出温度に応じて温度調節部を制御する温度制御部と、
レーザ素子への供給電流を変化させて測定ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号を生成する波長走査駆動信号発生部と、
高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生部と、
波長走査駆動信号を高周波変調信号により変調してレーザ素子に対する駆動信号を生成し、駆動信号を電流信号に変換してレーザ素子へ出力するするレーザ駆動信号発生部と、
を備え、
前記信号処理部の周波数変調方式ガス濃度測定部は、
受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生成する参照信号発生部と、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部と、同期検波部の出力信号の値に基づいて測定ガスの濃度を演算する演算部と、
を備え、
前記信号処理部の差分吸収方式ガス濃度測定部は、
受光素子の出力信号から基礎信号を抽出するフィルタ部と、測定ガスがないときの基準信号を出力する信号記憶部と、基準信号から基礎信号を引いた差分値に基づいて測定ガスの濃度を演算する演算部と、を備えることを特徴とするレーザ式ガス分析計とした。
A laser gas analyzer according to claim 2 of the present invention is
The laser gas analyzer according to claim 1, wherein
The light emitting unit
A laser element;
A temperature detector of the laser element;
A temperature control unit of the laser element;
A temperature control unit that controls the temperature adjustment unit according to the temperature detected by the temperature detection unit so that the emission wavelength from the laser element becomes a predetermined value;
A wavelength scanning drive signal generator for generating a wavelength scanning drive signal for scanning the absorption characteristics of the measurement gas by changing a supply current to the laser element;
A high-frequency modulation signal generator for generating a high-frequency modulation signal;
A laser drive signal generator that modulates the wavelength scanning drive signal with a high frequency modulation signal to generate a drive signal for the laser element, converts the drive signal into a current signal, and outputs the current signal to the laser element;
With
The frequency modulation type gas concentration measurement unit of the signal processing unit,
A reference signal generator for generating a reference signal having a double frequency component of the high frequency modulation signal in the light receiving element, a synchronous detector for detecting the double frequency component from the output signal of the light receiving element, and an output signal of the synchronous detector A calculation unit for calculating the concentration of the measurement gas based on the value of
With
The differential absorption method gas concentration measurement unit of the signal processing unit is:
Filter unit that extracts the basic signal from the output signal of the light receiving element, signal storage unit that outputs the reference signal when there is no measurement gas, and calculates the concentration of the measurement gas based on the difference value obtained by subtracting the basic signal from the reference signal A laser type gas analyzer.

本発明によれば、ガス温度の変化に応じて、周波数変調方式を利用したガス濃度検出と、差分吸収方式を利用したガス濃度検出と、を切り換えることで、ガス温度に応じて吸収が大きく変化するガスでも、広いガス温度範囲でガス濃度を正確に測定するレーザ式ガス分析計を提供することができる。   According to the present invention, the absorption changes greatly according to the gas temperature by switching between the gas concentration detection using the frequency modulation method and the gas concentration detection using the differential absorption method according to the change of the gas temperature. It is possible to provide a laser type gas analyzer that accurately measures gas concentration over a wide gas temperature range.

本発明の実施の形態に係るレーザ式ガス分析計の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a laser type gas analyzer according to an embodiment of the present invention. 発光部の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of a light emission part. 発光波長の説明図であり、図3(a)はレーザ素子の発光波長と電流との関係を示す特性図、図3(b)はレーザ素子の発光波長と温度との関係を示す特性図である。FIG. 3A is a characteristic diagram showing the relationship between the light emission wavelength of the laser element and the current, and FIG. 3B is a characteristic diagram showing the relationship between the light emission wavelength of the laser element and temperature. is there. 波長走査駆動信号を示す図である。It is a figure which shows a wavelength scanning drive signal. レーザ素子に対する駆動信号を示す図である。It is a figure which shows the drive signal with respect to a laser element. 周波数変調方式ガス濃度測定部のブロック図である。It is a block diagram of a frequency modulation type gas concentration measuring unit. 差分吸収方式ガス濃度測定部のブロック図である。It is a block diagram of a difference absorption system gas concentration measurement part. 受光信号の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a light reception signal. 同期検波部により抽出された同期検波信号の一例である。It is an example of the synchronous detection signal extracted by the synchronous detection part. フィルタにより抽出された受光強度波形の一例である。It is an example of the received light intensity waveform extracted by the filter. 受光強度波形の比較の説明図であり、図11(a)はN流通時の受光強度波形を示す図、図11(b)は測定ガス流通時の受光強度波形を示す図である。Is an explanatory view of a comparison of the received light intensity waveform, FIG. 11 (a) illustrates the figure, FIG. 11 (b) receiving intensity waveform of the measurement gas flow showing the received light intensity waveform when N 2 flow. 流通時と測定ガス流通時の受光強度波形の差分信号の一例である。It is an example of the difference signal of the light receiving intensity waveform of the measurement gas flow at the time of N 2 flow. NHガスの吸収スペクトルを示す図である。NH 3 is a diagram showing the absorption spectrum of the gas. 差分吸収方式による濃度測定原理を示す図である。It is a figure which shows the density | concentration measurement principle by a differential absorption system. 周波数変調方式による濃度測定原理を示す図である。It is a figure which shows the density | concentration measurement principle by a frequency modulation system. 測定ガスの吸収のガス温度による変化を示す図である。It is a figure which shows the change by gas temperature of absorption of measurement gas. SOガスの吸収スペクトルを示す図である。It shows the absorption spectrum of the SO 2 gas. 測定方法による測定濃度を比較したガス温度−測定ガス濃度特性図である。It is a gas temperature-measurement gas concentration characteristic figure which compared the measurement density | concentration by a measuring method.

以下、本発明を実施するための形態に係る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、本形態のレーザ式ガス分析計の全体構成図である。
本形態のレーザ式ガス分析計1は、発光部10、受光部20、信号処理部30、測定ガス用温度センサ40、切換制御部50、出力部60を備えている。
Hereinafter, a laser gas analyzer according to an embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a laser type gas analyzer of this embodiment.
The laser gas analyzer 1 of this embodiment includes a light emitting unit 10, a light receiving unit 20, a signal processing unit 30, a measurement gas temperature sensor 40, a switching control unit 50, and an output unit 60.

発光部10は、図1で示すように、レーザ駆動制御部11、レーザ発光部12、コリメートレンズ13、ケース14を備える。
受光部20は、図1で示すように、集光レンズ21、受光素子22、ケース23を備える。
信号処理部30は、図1で示すように、I/V変換部31、切換部32、周波数変調方式ガス濃度測定部33、差分吸収方式ガス濃度測定部34、切換部35を備える。
As shown in FIG. 1, the light emitting unit 10 includes a laser drive control unit 11, a laser light emitting unit 12, a collimating lens 13, and a case 14.
As shown in FIG. 1, the light receiving unit 20 includes a condenser lens 21, a light receiving element 22, and a case 23.
As shown in FIG. 1, the signal processing unit 30 includes an I / V conversion unit 31, a switching unit 32, a frequency modulation type gas concentration measuring unit 33, a differential absorption type gas concentration measuring unit 34, and a switching unit 35.

そして、本形態では、煙道及び排ガスなどの各種ガス濃度測定等に適用するレーザ式ガス分析計として説明する。
発光部10、受光部20は、図1に示すように、測定ガスが流通する煙道などである配管等の壁3a,3bに、溶接等により固定されたフランジ2a,2bを介して取り付けられる。フランジ2aに発光部10のケース14が、また、フランジ2bに受光部20のケース23がそれぞれ取り付けられる。
And this form demonstrates as a laser type gas analyzer applied to various gas concentration measurement etc., such as a flue and exhaust gas.
As shown in FIG. 1, the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 are attached to walls 3a and 3b such as pipes, which are flues through which a measurement gas flows, via flanges 2a and 2b fixed by welding or the like. . The case 14 of the light emitting unit 10 is attached to the flange 2a, and the case 23 of the light receiving unit 20 is attached to the flange 2b.

続いて各部の動作について説明する。発光部10は、詳しくは図2で示すように、レーザ駆動制御部11として、さらに波長走査駆動信号発生部11a、高周波変調信号発生部11b、レーザ駆動信号発生部11c、温度制御部11dを備える。また、レーザ発光部12として、さらにレーザ素子12a、温度検出部(サーミスタ)12b、温度調節部(ペルチェ素子)12cを備える。   Next, the operation of each unit will be described. As shown in detail in FIG. 2, the light emitting unit 10 further includes a wavelength scanning drive signal generation unit 11a, a high frequency modulation signal generation unit 11b, a laser drive signal generation unit 11c, and a temperature control unit 11d as a laser drive control unit 11. . Further, the laser light emitting unit 12 further includes a laser element 12a, a temperature detecting unit (thermistor) 12b, and a temperature adjusting unit (Peltier element) 12c.

レーザ素子12aは、発光波長がガスの吸光特性に一致する周波数およびその周辺領域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、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。レーザ素子12aは、例えば、DFBレーザ(Distributed Feedback Laser)、もしくはVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)といわれるレーザダイオードである。なお、レーザダイオード以外でも上記の条件を満たす、つまり測定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。本形態では測定ガスの具体例として二酸化硫黄ガス(SOガス)を測定するものとし、波長も二酸化硫黄ガス(SOガス)を吸収する波長を採用するものとする。 The laser element 12a can emit light at a frequency where the emission wavelength matches the light absorption characteristic of the gas and its peripheral region, and further, the emission wavelength can be made variable by the drive current as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 3B, the emission wavelength can be made variable depending on the temperature. The laser element 12a is, for example, a laser diode called a DFB laser (Distributed Feedback Laser) or a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Other than the laser diode, other types of light emitting elements may be used as long as the above conditions are satisfied, that is, the wavelength can be swept in the absorption wavelength band of the measurement gas. In this embodiment, sulfur dioxide gas (SO 2 gas) is measured as a specific example of the measurement gas, and a wavelength that absorbs sulfur dioxide gas (SO 2 gas) is adopted as the wavelength.

図2において、レーザ素子12aの温度は、サーミスタ等の温度検出部12bを用いて検出される。この温度検出部12bは、レーザ駆動制御部11の温度制御部11dに接続されている。この温度制御部11dは、レーザ素子12aの発光波長の安定化および波長の調節のため、サーミスタ等の温度検出部12bから得られる抵抗値が一定になるようにPID制御等を行ってペルチェ素子等の温度調節部12cの温度制御を行い、レーザ素子12aの温度を調節する。   In FIG. 2, the temperature of the laser element 12a is detected using a temperature detector 12b such as a thermistor. The temperature detection unit 12 b is connected to the temperature control unit 11 d of the laser drive control unit 11. The temperature control unit 11d performs PID control or the like so that the resistance value obtained from the temperature detection unit 12b such as a thermistor becomes constant in order to stabilize the emission wavelength of the laser element 12a and adjust the wavelength, and so on. The temperature control unit 12c is controlled to adjust the temperature of the laser element 12a.

また、測定ガスの吸収波長をスキャンするようにレーザの発光波長を変化させる波長走査駆動信号発生部11aの出力信号と、測定ガスの吸収波形を検出するための例えば10kHz程度の正弦波で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部11bの出力信号とを、駆動信号発生部11cへ入力すると、駆動信号発生部11cがこれら出力信号を合成して駆動信号を生成し、この駆動信号をV−I変換してレーザ素子12aに供給する。   The output wavelength of the wavelength scanning drive signal generator 11a that changes the emission wavelength of the laser so as to scan the absorption wavelength of the measurement gas, and the emission wavelength by a sine wave of, for example, about 10 kHz for detecting the absorption waveform of the measurement gas When the output signal of the high frequency modulation signal generation unit 11b for frequency-modulating the signal is input to the drive signal generation unit 11c, the drive signal generation unit 11c combines the output signals to generate a drive signal. V-I conversion is applied to the laser element 12a.

ここで、レーザ光の変調について説明する。図4は、波長走査駆動信号発生部11aの出力信号を示している。測定ガスの吸光特性を走査する波長走査駆動信号Sは、レーザ素子12aの駆動電流値を直線的に変化させてレーザ素子12a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は、波長はずらさないが、駆動電流値をレーザ素子12a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では、駆動電流値を0mAにしておく。 Here, the modulation of the laser light will be described. FIG. 4 shows an output signal of the wavelength scanning drive signal generator 11a. The wavelength scanning drive signal S 1 for scanning the absorption characteristic of the measurement gas linearly changes the drive current value of the laser element 12a to gradually change the emission wavelength of the laser element 12a. Scan characteristics. On the other hand, the signal S 2 is not shifted wavelength laser device 12a the driving current value is maintained above the threshold current to stabilize, is intended for illuminating at a certain wavelength. Furthermore, keep the signal S 3, the drive current value to 0 mA.

図2の高周波変調信号発生部11bの下側には高周波変調信号発生部11bから出力される変調信号の波形図が図示されているが、この変調信号は、例えば周波数が10kHzの正弦波であり、波長幅が0・02nm程度である。
図5は、図2のレーザ駆動信号発生部11cから出力される駆動信号(波長走査駆動信号発生部11aの出力信号と高周波変調信号発生部11bの出力信号との合成信号)の波形図である。この駆動信号は、一定周期で繰り返される台形形状である。レーザ駆動信号発生部11cは、レーザを駆動する電流に変え、この駆動信号をレーザ素子12aに供給すると、レーザ素子12aからは、測定ガスの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。
A waveform diagram of a modulation signal output from the high-frequency modulation signal generation unit 11b is illustrated below the high-frequency modulation signal generation unit 11b in FIG. 2. This modulation signal is, for example, a sine wave having a frequency of 10 kHz. The wavelength width is about 0.02 nm.
FIG. 5 is a waveform diagram of the drive signal (the combined signal of the output signal of the wavelength scanning drive signal generator 11a and the output signal of the high frequency modulation signal generator 11b) output from the laser drive signal generator 11c of FIG. . This drive signal has a trapezoidal shape that is repeated at a constant period. When the laser drive signal generator 11c changes the current to drive the laser and supplies this drive signal to the laser element 12a, the laser element 12a produces a light absorption characteristic of the measurement gas of about 0.2 nm and a wavelength width of about 0.02 nm. The modulated light that can be detected at is output.

これにより、レーザ素子12aからは、測定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。図1で示すように、レーザ素子12aから出射したレーザ光はコリメートレンズ13により平行な検出光70にコリメートされてから出射する。レーザ素子12aの温度は、事前に波長走査駆動信号の中心部分でガスが計測されるように温度を調整する。   As a result, a laser beam having a predetermined wavelength that is frequency-modulated to scan the light absorption characteristics of the measurement gas is emitted from the laser element 12a. As shown in FIG. 1, the laser light emitted from the laser element 12 a is collimated by the collimating lens 13 to the parallel detection light 70 and then emitted. The temperature of the laser element 12a is adjusted in advance so that gas is measured at the central portion of the wavelength scanning drive signal.

このような発光部10を経て検出光70が出射される。図1に示すように、発光部10から出力された平行光である検出光70は、壁3a,3bの内部区間(測定ガスが流通する空間)である煙道内部を伝播し、この間を透過する際にガス吸収を受ける。ガス吸収を受けた検出光は受光部20により受光される。   The detection light 70 is emitted through the light emitting unit 10. As shown in FIG. 1, the detection light 70, which is parallel light output from the light emitting unit 10, propagates through the interior of the flue, which is an internal section of the walls 3 a and 3 b (a space in which the measurement gas flows), and is transmitted between these Gas absorption when doing. The detection light that has received the gas absorption is received by the light receiving unit 20.

続いて、受光部20について説明する。受光部20では、平行光である検出光70を集光レンズ21が集光して受光素子22へ入射させ、測定ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光素子22が受光し、受光量に応じて電気信号による検出信号を出力する。受光素子22は、例えばフォトダイオードであり、レーザの発光波長に感度を持つ素子を適用する。   Next, the light receiving unit 20 will be described. In the light receiving unit 20, the detection light 70 that is parallel light is collected by the condenser lens 21 and incident on the light receiving element 22, and the light receiving element 22 receives the detection light propagated through the space in which the measurement gas exists. A detection signal based on an electrical signal is output according to the amount of received light. The light receiving element 22 is, for example, a photodiode, and an element having sensitivity to the emission wavelength of the laser is applied.

続いて、信号処理部30、測定ガス用温度センサ40、切換制御部50について説明する。信号処理部30は、周波数変調方式ガス濃度測定部33、差分吸収方式ガス濃度測定部34を共に備え、両方式によるガス濃度測定をすることができる。そして、熱電対等の測定ガス用温度センサ40は、測定ガスが存在する空間内の温度を測定して温度信号を切換制御部50へ出力し、この温度信号に基づいて温度が所定温度を上回る場合(図18のガス温度区間Aにある場合)には周波数変調方式ガス濃度測定部33を選択し、また、温度が所定温度を下回る場合(図18のガス温度区間Bにある場合)には差分吸収方式ガス濃度測定部34を選択するように、切換制御部50が、信号処理部30の切換部32,35をそれぞれ制御する。   Next, the signal processing unit 30, the measurement gas temperature sensor 40, and the switching control unit 50 will be described. The signal processing unit 30 includes both the frequency modulation type gas concentration measuring unit 33 and the differential absorption type gas concentration measuring unit 34, and can measure the gas concentration by both methods. And the temperature sensor 40 for measurement gas, such as a thermocouple, measures the temperature in the space where measurement gas exists, outputs a temperature signal to the switching control part 50, and when temperature exceeds predetermined temperature based on this temperature signal The frequency modulation type gas concentration measuring unit 33 is selected (when it is in the gas temperature zone A in FIG. 18), and if the temperature is lower than the predetermined temperature (when it is in the gas temperature zone B in FIG. 18), the difference is selected. The switching control unit 50 controls the switching units 32 and 35 of the signal processing unit 30 so as to select the absorption method gas concentration measuring unit 34.

つまり測定ガスの温度が所定温度を上回る場合(図18のガス温度区間Aにある場合)には、図6で示すように切換部32,35が切り替えられて、I/V変換部31、切換部32,周波数変調方式ガス濃度測定部33、切換部35、出力部60の経路が選択される。また、測定ガスの温度が所定温度を下回る場合(図18のガス温度区間Bにある場合)には、図7で示すように切換部32,35が切り替えられて、I/V変換部31、切換部32、差分吸収方式ガス濃度測定部34、切換部35、出力部60の経路が選択される。   That is, when the temperature of the measurement gas exceeds the predetermined temperature (when it is in the gas temperature section A of FIG. 18), the switching units 32 and 35 are switched as shown in FIG. The path of the unit 32, the frequency modulation type gas concentration measuring unit 33, the switching unit 35, and the output unit 60 is selected. Further, when the temperature of the measurement gas is lower than the predetermined temperature (when it is in the gas temperature section B of FIG. 18), the switching units 32 and 35 are switched as shown in FIG. 7, and the I / V conversion unit 31, The path of the switching unit 32, the differential absorption method gas concentration measuring unit 34, the switching unit 35, and the output unit 60 is selected.

続いて測定ガスの温度が所定温度を上回る場合(図18のガス温度区間Aにある場合)であり、図6で示すように、I/V変換部31、切換部32,周波数変調方式ガス濃度測定部33、切換部35、出力部60の経路が選択されて、周波数変調方式によるガス濃度測定がなされる場合について説明する。   Subsequently, when the temperature of the measurement gas exceeds the predetermined temperature (when it is in the gas temperature section A of FIG. 18), as shown in FIG. 6, the I / V conversion unit 31, the switching unit 32, the frequency modulation type gas concentration A case will be described in which the path of the measurement unit 33, the switching unit 35, and the output unit 60 is selected and gas concentration measurement is performed by a frequency modulation method.

受光素子22から信号処理部30へ入力された検出信号は、I−V変換回路31によって電流信号から電圧信号に変換される。この電圧信号は、図8に示すような出力波形を有する。この電圧信号が切換部32を経て、同期検波部33aへ入力される。また、参照信号発生部(発振器)33bは、図2の高周波変調信号発生部11b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同期検波部33aへ出力する。同期検波部33aでは、変調信号の2倍周波数成分の振幅のみを取り出す。   The detection signal input from the light receiving element 22 to the signal processing unit 30 is converted from a current signal to a voltage signal by the IV conversion circuit 31. This voltage signal has an output waveform as shown in FIG. This voltage signal is input to the synchronous detection unit 33a through the switching unit 32. Further, the reference signal generator (oscillator) 33b outputs a signal having a frequency twice the high frequency modulation signal by the high frequency modulation signal generator 11b of FIG. 2 to the synchronous detection unit 33a as a reference signal. The synchronous detection unit 33a extracts only the amplitude of the double frequency component of the modulation signal.

これは先に説明した図15の周波数変調方式による濃度測定原理で示すように、中心周波数f、変調周波数fでレーザ素子12aの出力が周波数変調されており、対象となる測定ガスに照射すると、ガスの吸収線は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20では変調周波数fの2倍の周波数の信号(2倍波)が得られる。そして、受光部20でエンベロープ検波を行うことで振幅変調による基本波を推定でき、参照信号発生部(発振器)33bからの基本波の振幅と前記2倍波の振幅の比を位相同期させることで、距離に関係なくガス濃度に比例した値を得る。この信号は演算部33cに入力されるとともに、この演算部33cにおいて測定ガスの濃度が演算されることになる。 This is because the output of the laser element 12a is frequency-modulated at the center frequency f c and the modulation frequency f m as shown in the concentration measurement principle by the frequency modulation method of FIG. 15 described above, and the target measurement gas is irradiated. Then, since the absorption lines of the gas is almost quadratic function with respect to the frequency twice the frequency of the signal (second harmonic of the absorption lines discriminator role played light receiving unit 20 in the modulation frequency f m ) Is obtained. Then, the fundamental wave by amplitude modulation can be estimated by performing envelope detection in the light receiving unit 20, and the ratio of the amplitude of the fundamental wave from the reference signal generator (oscillator) 33b and the amplitude of the second harmonic wave is phase-synchronized. A value proportional to the gas concentration is obtained regardless of the distance. This signal is input to the calculation unit 33c, and the concentration of the measurement gas is calculated in the calculation unit 33c.

次に、周波数変調方式による測定ガスの濃度を検出する原理について説明する。ここでは、二酸化硫黄(SOガス)について検出する。測定ガス、すなわち二酸化硫黄(SOガス)に吸光特性がある場合、同期検波部33aから図9のような同期検波信号を抽出する。同期検波信号は、演算部33cへ出力される。ガス濃度がこのピーク値がガス濃度となるために、演算部33cは、ピーク振幅を計測しても良いし、信号変化を積分しても良い。 Next, the principle of detecting the concentration of the measurement gas by the frequency modulation method will be described. Here, to detect the sulfur dioxide (SO 2 gas). When the measurement gas, that is, sulfur dioxide (SO 2 gas) has an absorption characteristic, a synchronous detection signal as shown in FIG. 9 is extracted from the synchronous detection unit 33a. The synchronous detection signal is output to the calculation unit 33c. Since the peak value of the gas concentration becomes the gas concentration, the calculation unit 33c may measure the peak amplitude or may integrate the signal change.

一例を挙げれば、演算部33cは、図9のような同期検波信号の振幅Wに対してあるスパン校正値Gおよびガス温度補正係数αを掛けることでガス濃度を検出できる。 In one example, computing unit 33c can detect the gas concentration by multiplying the span calibration value G A and gas temperature correction coefficient alpha A such relative amplitude W A of the synchronous detection signal as shown in FIG.

[数2]
測定ガス濃度=α×G×W
[Equation 2]
Measuring gas concentration = α A × G A × W A

ガス温度補正係数αは、ガス温度に対して一意に決まる係数であれば、関数形式やテーブル形式などという形式は限定されない。 As long as the gas temperature correction coefficient α A is a coefficient that is uniquely determined with respect to the gas temperature, the function format, the table format, and the like are not limited.

演算部33cは、この測定ガス濃度を切換部35を介して出力部60へ送る。出力部60は、例えば、ディスプレイ装置や警報装置などであり、あるいは、他のコンピュータへ送信する送信装置などである。周波数変調方式による測定ガスの濃度の検出はこのように行われる。 The computing unit 33 c sends this measured gas concentration to the output unit 60 via the switching unit 35. The output unit 60 is, for example, a display device or an alarm device, or a transmission device that transmits to another computer. Detection of the concentration of the measurement gas by the frequency modulation method is performed in this way.

続いて測定ガスの温度が所定温度を下回る場合(図18のガス温度区間Bにある場合)であり、図7で示すように、I/V変換部31、切換部32,差分吸収方式ガス濃度測定部34、切換部35、出力部60の経路が選択されて、差分吸収方式によるガス濃度測定がなされる場合について説明する。   Subsequently, when the temperature of the measurement gas is lower than the predetermined temperature (when it is in the gas temperature section B in FIG. 18), as shown in FIG. 7, the I / V conversion unit 31, the switching unit 32, and the differential absorption method gas concentration. A case where the measurement unit 34, the switching unit 35, and the output unit 60 are selected to perform gas concentration measurement by the differential absorption method will be described.

受光素子22から信号処理部30へ入力された検出信号は、I−V変換回路31によって電流信号から電圧信号に変換される。この電圧信号は、図8に示すようになる。この電圧信号が切換部32を経て、フィルタ部34aへ入力される。フィルタ部34aは、図8の受光信号から図10のような受光強度信号を抽出する。   The detection signal input from the light receiving element 22 to the signal processing unit 30 is converted from a current signal to a voltage signal by the IV conversion circuit 31. This voltage signal is as shown in FIG. This voltage signal is input to the filter unit 34a through the switching unit 32. The filter unit 34a extracts a received light intensity signal as shown in FIG. 10 from the received light signal of FIG.

ここで、ガス濃度は吸収による変化なので、例えば、窒素のような吸収を受けないガスの信号と、測定ガスで吸収を受けた信号と、の比率を濃度として捉える信号処理を行う。Nのように吸収を受けないガスの場合は、図11(a)のような受光強度波形になる。一方、測定ガスにより吸収を受けると図11(b)のように変化する。そこで、図11(a)のような受光強度波形を有する受光強度信号を予めN強度信号として信号記憶部34bに記憶させておき、差分器34cにより、図11(a)のN強度信号から、図11(b)のような受光強度波形を有する受光強度信号を引いて差分値をとると、図12のような出力波形である差分信号が得られる。 Here, since the gas concentration changes due to absorption, for example, signal processing is performed in which the ratio of a signal of a gas that is not absorbed, such as nitrogen, and a signal that is absorbed by the measurement gas is regarded as a concentration. In the case of a gas that is not absorbed, such as N 2, the received light intensity waveform is as shown in FIG. On the other hand, when it is absorbed by the measurement gas, it changes as shown in FIG. Therefore, allowed to advance N 2 intensity signals stored in the signal storage unit 34b as the received-light-intensity-signal having a received light intensity waveform as shown in FIG. 11 (a), a subtractor 34c, N 2 intensity signal shown in FIG. 11 (a) Then, when a received light intensity signal having a received light intensity waveform as shown in FIG. 11B is subtracted to obtain a difference value, a differential signal having an output waveform as shown in FIG. 12 is obtained.

なお、本形態の差分吸収方式は、二波長のレーザを用いるものではなく、一方は登録値を用いる点で、従来技術として説明した純粋な差分吸収方式とは異なる。しかしながら、基準波形については信号記憶部34bに登録させた値を採用しても充分に差分吸収方式として機能することを知見したものであり、差分吸収方式と見なすことができる。このように本発明により差分吸収方式では、複数波長のレーザ素子を必要としないため、構成を簡素化でき、優れている。   Note that the differential absorption method of this embodiment does not use a two-wavelength laser, and one differs from the pure differential absorption method described as the prior art in that a registered value is used. However, the reference waveform has been found to function sufficiently as a differential absorption method even if a value registered in the signal storage unit 34b is adopted, and can be regarded as a differential absorption method. As described above, the differential absorption method according to the present invention does not require a laser element having a plurality of wavelengths, and thus the configuration can be simplified and is excellent.

このように測定ガスではなく予め測定しておいた基準ガスが流通するときの波長λの信号強度と、測定ガスがあるときの波長λの信号強度の差をとることで、測定ガスの濃度を測定することができる。信号記憶部34bへの入力は校正時や工場出荷時に行われる。この差分信号は演算部34dに入力されるとともに、この演算部34dにおいて測定ガスの濃度が演算されることになる。この差分信号の振幅Wに対してあるスパン校正値Gおよびガス温度補正係数αを掛けることでガス濃度が検出できる。 Thus, by taking the difference between the signal intensity of the wavelength λ a when the reference gas measured in advance and not the measurement gas flows, and the signal intensity of the wavelength λ a when the measurement gas is present, The concentration can be measured. The input to the signal storage unit 34b is performed at the time of calibration or factory shipment. The difference signal is input to the calculation unit 34d, and the concentration of the measurement gas is calculated in the calculation unit 34d. By multiplying the span calibration value G B and the gas temperature correction coefficient alpha B relative amplitude W B of the difference signal can be detected gas concentration.

[数3]
測定ガス濃度=α×G×W
[Equation 3]
Measuring gas concentration = α B × G B × W B

ガス温度補正係数αは、ガス温度に対して一意に決まる係数であれば、関数形式やテーブル形式など形式は限定されない。 As long as the gas temperature correction coefficient α B is a coefficient uniquely determined with respect to the gas temperature, the format such as the function format and the table format is not limited.

この演算部34dは、この測定ガス濃度を、切換部35を介して出力部60へ送る。出力部60は、例えば、ディスプレイ装置や警報装置などであり、あるいは、他のコンピュータへ送信する送信装置などである。差分吸収方式による測定ガスの濃度の検出はこのように行われる。 The calculation unit 34d sends the measured gas concentration to the output unit 60 via the switching unit 35. The output unit 60 is, for example, a display device or an alarm device, or a transmission device that transmits to another computer. Detection of the concentration of the measurement gas by the differential absorption method is performed in this way.

以上、本発明について説明したが、本発明は各種の変形形態が可能である。
例えば、先に説明した形態では、測定ガス用温度センサからの温度信号に基づいて温度が所定温度を上回る場合には周波数変調方式ガス濃度測定部を選択し、また、温度が所定温度を下回る場合には差分吸収方式ガス濃度測定部を選択するように、信号処理部を制御する切換制御部であるものとして説明した。
Although the present invention has been described above, the present invention can be variously modified.
For example, in the embodiment described above, when the temperature exceeds a predetermined temperature based on the temperature signal from the measurement gas temperature sensor, the frequency modulation type gas concentration measurement unit is selected, and when the temperature falls below the predetermined temperature. Is described as being a switching control unit that controls the signal processing unit so as to select the differential absorption type gas concentration measurement unit.

しかしながら、一般的に、ガス温度が低いときに、ガスの吸収は大きくなっているが、測定ガスおよび測定波長によっては、逆の場合もある点について説明している。この逆の場合であって、ガス温度が低く吸収が小さいときには、周波数変調方式を利用した高精度なガス濃度検出を採用し、また、ガス温度が高く吸収が大きいときには、差分吸収方式を利用したガス濃度検出を採用することで、精度の高い検出が可能となる。この場合の切換制御部は、測定ガス用温度センサからの温度信号に基づいて温度が所定温度を下回る場合には周波数変調方式ガス濃度測定部を選択し、また、温度が所定温度を上回る場合には差分吸収方式ガス濃度測定部を選択するように、信号処理部を制御することになる。このような構成を採用しても良い。   However, generally, when the gas temperature is low, the gas absorption is large, but depending on the measurement gas and the measurement wavelength, the opposite case may be described. In the opposite case, when the gas temperature is low and the absorption is small, a highly accurate gas concentration detection using a frequency modulation method is adopted, and when the gas temperature is high and the absorption is large, a differential absorption method is used. By adopting gas concentration detection, highly accurate detection is possible. In this case, the switching control unit selects the frequency modulation type gas concentration measurement unit when the temperature is lower than the predetermined temperature based on the temperature signal from the temperature sensor for the measurement gas, and when the temperature is higher than the predetermined temperature. Controls the signal processing unit to select the differential absorption type gas concentration measurement unit. Such a configuration may be adopted.

また、本発明のレーザ式ガス分析計によれば、図4,図5で示すようにS信号が1周期ごとに出力される信号である点に着目し、S3信号を検出してから所定時間経過したときに同期検波部出力波形のピーク値が登場するため、このタイミングで濃度を算出すると良い。
また、濃度を測定するものとしたが、濃度がほぼ0の時には測定ガスが存在しないものと判定することで測定ガスの有無を検出することもできる。
Further, according to the laser gas analyzer of the present invention, FIG. 4, paying attention to a point which is a signal S 3 signal is output for each cycle as shown in Figure 5, a predetermined from the detection of the signal S3 Since the peak value of the output waveform of the synchronous detector appears when the time has elapsed, the concentration should be calculated at this timing.
Although the concentration is measured, the presence or absence of the measurement gas can be detected by determining that the measurement gas does not exist when the concentration is almost zero.

また、先に説明した形態では、例示的に硫化酸素ガス(SO)であるものとして説明したが、これに限定される趣旨ではなく、酸素ガス(Oガス)、塩素ガス(HClガス)、二酸化炭素ガス(COガス)、一酸化炭素ガス(COガス)、アンモニアガス(NH)などの他の成分のガスでもよい。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レーザ素子が採用され、この波長で検出できるように演算部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。 In the above-described embodiment, the oxygen sulfide gas (SO 2 ) is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and oxygen gas (O 2 gas), chlorine gas (HCl gas) is not limited thereto. Other component gases such as carbon dioxide gas (CO 2 gas), carbon monoxide gas (CO gas), and ammonia gas (NH 3 ) may be used. In that case, a laser element having a wavelength capable of detecting a gas of another component is employed, and the calculation processing content of the calculation unit is changed and used so as to be detected at this wavelength.

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、測定ガスの温度別に周波数変調方式と差分吸収方式とを使い分けるため、測定ガスの温度に拘わらず精度の高い計測が可能となる。   The present invention has been described above. According to the laser type gas analyzer of the present invention, since the frequency modulation method and the differential absorption method are selectively used according to the temperature of the measurement gas, highly accurate measurement is possible regardless of the temperature of the measurement gas.

本発明の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。   The laser gas analyzer of the present invention is optimal for measuring combustion exhaust gas such as boilers and garbage incineration. In addition, gas analysis for steel [blast furnace, converter, heat treatment furnace, sintering (pellet equipment), coke oven], fruit and vegetable storage and ripening, biochemistry (microorganism) [fermentation], air pollution [incinerator, flue gas desulfurization / Denitration], automobile exhaust gas (remove tester), disaster prevention [explosive gas detection, toxic gas detection, new building material combustion gas analysis], plant growth, chemical analysis [oil refinery plant, petrochemical plant, gas generation plant], It is also useful as an analyzer for environmental [landing concentration, tunnel concentration, parking lot, building management], and various physics and chemistry experiments.

1:レーザ式ガス分析計
10:発光部
11:レーザ駆動制御部
11a:波長走査駆動信号発生部
11b:高周波変調信号発生部
11c:レーザ駆動信号発生部
11d:温度制御部
12:レーザ発光部
12a:レーザ素子
12b:温度検出部(サーミスタ)
12c:温度調節部(ペルチェ素子)
13:コリメートレンズ
14:ケース
20:受光部
21:集光レンズ
22:受光素子
23:ケース
30:信号処理部
31:I/V変換部
32:切換部
33:周波数変調方式ガス濃度測定部
33a:同期検波部
33b:参照信号発生部
33c:演算部
34:差分吸収方式ガス濃度測定部
34a:フィルタ部
34b:信号記憶部
34c:差分部
34d:演算部
35:切換部
40:測定ガス用温度センサ
50:切換制御部
60:出力部
70:検出光

2a,2b:フランジ
3a,3b:壁
1: Laser gas analyzer 10: Light emission unit 11: Laser drive control unit 11a: Wavelength scanning drive signal generation unit 11b: High frequency modulation signal generation unit 11c: Laser drive signal generation unit 11d: Temperature control unit 12: Laser light emission unit 12a : Laser element 12b: Temperature detector (thermistor)
12c: Temperature control unit (Peltier element)
13: Collimating lens 14: Case 20: Light receiving unit 21: Condensing lens 22: Light receiving element 23: Case 30: Signal processing unit 31: I / V conversion unit 32: Switching unit 33: Frequency modulation type gas concentration measuring unit 33a: Synchronous detection unit 33b: reference signal generation unit 33c: calculation unit 34: differential absorption method gas concentration measurement unit 34a: filter unit 34b: signal storage unit 34c: difference unit 34d: calculation unit 35: switching unit 40: temperature sensor for measurement gas 50: Switching control unit 60: Output unit 70: Detection light

2a, 2b: Flange 3a, 3b: Wall

Claims (2)

レーザ光による検出光を出射する発光部と、
測定ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光して検出信号を出力する受光部と、
受光部から出力された検出信号に基づいて周波数変調方式でガス濃度を測定する周波数変調方式ガス濃度測定部と、受光部から出力された検出信号に基づいて差分吸収方式でガス濃度を測定する差分吸収方式ガス濃度測定部と、を備える信号処理部と、
測定ガスが存在する空間内の温度を測定して温度信号を出力する測定ガス用温度センサと、
測定ガス用温度センサからの温度信号に基づいてガス濃度測定方式を、周波数変調方式または差分吸収方式を選択するように、信号処理部を制御する切換制御部と、
を備えることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
A light emitting unit for emitting detection light by laser light;
A light receiving unit that receives the detection light propagated through the space where the measurement gas exists and outputs a detection signal;
A frequency modulation type gas concentration measurement unit that measures the gas concentration by the frequency modulation method based on the detection signal output from the light receiving unit, and a difference that measures the gas concentration by the differential absorption method based on the detection signal output from the light receiving unit An absorption method gas concentration measurement unit, a signal processing unit comprising:
A temperature sensor for measuring gas that measures the temperature in the space where the measuring gas exists and outputs a temperature signal;
A switching control unit for controlling the signal processing unit so as to select the gas concentration measurement method, the frequency modulation method or the differential absorption method based on the temperature signal from the temperature sensor for the measurement gas;
A laser gas analyzer comprising:
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記発光部は、
レーザ素子と、
レーザ素子の温度検出部と、
レーザ素子の温度調節部と、
レーザ素子からの出射波長が所定値になるように温度検出部による検出温度に応じて温度調節部を制御する温度制御部と、
レーザ素子への供給電流を変化させて測定ガスの吸光特性を走査するための波長走査駆動信号を生成する波長走査駆動信号発生部と、
高周波変調信号を生成する高周波変調信号発生部と、
波長走査駆動信号を高周波変調信号により変調してレーザ素子に対する駆動信号を生成し、駆動信号を電流信号に変換してレーザ素子へ出力するするレーザ駆動信号発生部と、
を備え、
前記信号処理部の周波数変調方式ガス濃度測定部は、
受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生成する参照信号発生部と、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部と、同期検波部の出力信号の値に基づいて測定ガスの濃度を演算する演算部と、
を備え、
前記信号処理部の差分吸収方式ガス濃度測定部は、
受光素子の出力信号から基礎信号を抽出するフィルタ部と、測定ガスがないときの基準信号を出力する信号記憶部と、基準信号から基礎信号を引いた差分値に基づいて測定ガスの濃度を演算する演算部と、を備えることを特徴とするレーザ式ガス分析計。
The laser gas analyzer according to claim 1, wherein
The light emitting unit
A laser element;
A temperature detector of the laser element;
A temperature control unit of the laser element;
A temperature control unit that controls the temperature adjustment unit according to the temperature detected by the temperature detection unit so that the emission wavelength from the laser element becomes a predetermined value;
A wavelength scanning drive signal generator for generating a wavelength scanning drive signal for scanning the absorption characteristics of the measurement gas by changing a supply current to the laser element;
A high-frequency modulation signal generator for generating a high-frequency modulation signal;
A laser drive signal generator that modulates the wavelength scanning drive signal with a high frequency modulation signal to generate a drive signal for the laser element, converts the drive signal into a current signal, and outputs the current signal to the laser element;
With
The frequency modulation type gas concentration measurement unit of the signal processing unit,
A reference signal generator for generating a reference signal having a double frequency component of the high frequency modulation signal in the light receiving element, a synchronous detector for detecting the double frequency component from the output signal of the light receiving element, and an output signal of the synchronous detector A calculation unit for calculating the concentration of the measurement gas based on the value of
With
The differential absorption method gas concentration measurement unit of the signal processing unit is:
Filter unit that extracts the basic signal from the output signal of the light receiving element, signal storage unit that outputs the reference signal when there is no measurement gas, and calculates the concentration of the measurement gas based on the difference value obtained by subtracting the basic signal from the reference signal A laser type gas analyzer.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105067564A (en) * 2015-07-14 2015-11-18 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 Optical fiber gas concentration detection method with temperature compensation capacity
WO2016158895A1 (en) * 2015-03-31 2016-10-06 日本電信電話株式会社 So3 analysis method and analysis device
CN114460038A (en) * 2021-12-31 2022-05-10 南京星空低碳科技中心(有限合伙) Device and method for online monitoring of sulfur trioxide concentration
JP2023184500A (en) * 2022-06-16 2023-12-28 韓國恩替股▲分▼有限公司 concentration measuring device
JP7710746B2 (en) 2022-06-16 2025-07-22 韓國恩替股▲分▼有限公司 concentration measuring device

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016158895A1 (en) * 2015-03-31 2016-10-06 日本電信電話株式会社 So3 analysis method and analysis device
JP2016191616A (en) * 2015-03-31 2016-11-10 日本電信電話株式会社 Analyzer and method for analyzing so3
US10101270B2 (en) 2015-03-31 2018-10-16 Nippon Telegraph And Telephone Corporation SO3 analysis method and analysis device
CN105067564A (en) * 2015-07-14 2015-11-18 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 Optical fiber gas concentration detection method with temperature compensation capacity
CN105067564B (en) * 2015-07-14 2017-10-13 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 A kind of optical fiber gas concentration detection method with temperature compensation capability
CN114460038A (en) * 2021-12-31 2022-05-10 南京星空低碳科技中心(有限合伙) Device and method for online monitoring of sulfur trioxide concentration
CN114460038B (en) * 2021-12-31 2023-09-01 南京星空低碳科技中心(有限合伙) Device and method for on-line monitoring concentration of sulfur trioxide
JP2023184500A (en) * 2022-06-16 2023-12-28 韓國恩替股▲分▼有限公司 concentration measuring device
JP7710746B2 (en) 2022-06-16 2025-07-22 韓國恩替股▲分▼有限公司 concentration measuring device

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