JP7543762B2 - Laser Gas Analyzer - Google Patents
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Description
本発明は、空間内の各種の測定対象ガスの有無、濃度等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 various target gases in a space.
波長変調分光法により、微量ガスの濃度を計測するレーザ式ガス分析計が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、レーザ式ガス分析計のSN比を向上するため、ノイズを除去する方法も考案されている(例えば、特許文献2参照)。
レーザ式ガス分析計は、光学干渉に起因する周期的なノイズを精度よく除去することが好ましい。 It is preferable for the laser gas analyzer to accurately remove periodic noise caused by optical interference.
本発明の第1の態様においては、レーザ式ガス分析計を提供する。レーザ式ガス分析計は、波長変調分光法によって、測定対象空間に存在する測定対象ガスの濃度を測定してよい。レーザ式ガス分析計は、レーザ素子を備えてよい。レーザ素子は、測定対象ガスの吸収線スペクトルを含む波長帯域で変調されたレーザ光を出射してよい。レーザ式ガス分析計は、受光素子を備えてよい。受光素子は、測定対象空間を通過したレーザ光を検出してよい。レーザ式ガス分析計は、検出部を備えてよい。検出部は、受光素子の受光信号を検出波形に変換してよい。レーザ式ガス分析計は、受光信号処理部を備えてよい。受光信号処理部は、検出波形に基づいて、測定対象ガスの濃度を測定してよい。受光信号処理部は、削除波形生成部を有してよい。削除波形生成部は、削除波形を生成してよい。削除波形は、検出波形の測定対象ガスのガス吸収波形部分を削除した波形であってよい。受光信号処理部は、ノイズ波形生成部を有してよい。ノイズ波形生成部は、削除波形の残りの部分から、正弦波の和モデルを算出することにより、削除部分を補間したノイズ波形を生成してよい。受光信号処理部は、補正検出波形生成部を有してよい。補正検出波形生成部は、検出波形からノイズ波形を削除して、補正検出波形を生成してよい。受光信号処理部は、濃度測定部を有してよい。濃度測定部は、補正検出波形に基づいて、測定対象ガスの濃度を測定してよい。ノイズ波形生成部は、削除波形に基づいて振幅推定値および周波数推定値を算出してよい。ノイズ波形生成部は、振幅推定値に基づいて振幅の係数探索範囲を限定してよい。ノイズ波形生成部は、周波数推定値に基づいて周波数の係数探索範囲を限定してよい。 In a first aspect of the present invention, a laser gas analyzer is provided. The laser gas analyzer may measure the concentration of a gas to be measured present in a space to be measured by wavelength modulation spectroscopy. The laser gas analyzer may include a laser element. The laser element may emit laser light modulated in a wavelength band including the absorption line spectrum of the gas to be measured. The laser gas analyzer may include a light receiving element. The light receiving element may detect the laser light that has passed through the space to be measured. The laser gas analyzer may include a detection unit. The detection unit may convert a light receiving signal of the light receiving element into a detection waveform. The laser gas analyzer may include a light receiving signal processing unit. The light receiving signal processing unit may measure the concentration of the gas to be measured based on the detection waveform. The light receiving signal processing unit may have a deletion waveform generating unit. The deletion waveform generating unit may generate a deletion waveform. The deletion waveform may be a waveform obtained by deleting a gas absorption waveform portion of the gas to be measured from the detection waveform. The received light signal processing unit may include a noise waveform generating unit. The noise waveform generating unit may generate a noise waveform by interpolating the deleted portion by calculating a sum model of sine waves from the remaining portion of the deleted waveform. The received light signal processing unit may include a corrected detection waveform generating unit. The corrected detection waveform generating unit may generate a corrected detection waveform by deleting the noise waveform from the detection waveform. The received light signal processing unit may include a concentration measuring unit. The concentration measuring unit may measure the concentration of the measurement target gas based on the corrected detection waveform. The noise waveform generating unit may calculate an amplitude estimate value and a frequency estimate value based on the deleted waveform. The noise waveform generating unit may limit a coefficient search range for the amplitude based on the amplitude estimate value. The noise waveform generating unit may limit a coefficient search range for the frequency based on the frequency estimate value.
ノイズ波形生成部は、削除波形をフーリエ変換することにより、振幅推定値および周波数推定値を算出してよい。ノイズ波形生成部は、振幅推定値および周波数推定値に基づいて振幅の係数探索範囲および周波数の係数探索範囲を限定した後、最小二乗法を用いて正弦波の和モデルを算出してよい。 The noise waveform generation unit may calculate the amplitude estimate and the frequency estimate by performing a Fourier transform on the deleted waveform. The noise waveform generation unit may limit the amplitude coefficient search range and the frequency coefficient search range based on the amplitude estimate and the frequency estimate, and then calculate a sum model of sine waves using the least squares method.
削除波形生成部は、検出波形の測定対象ガスのガス吸収波形部分を削除する位置である削除位置を記録してよい。検出波形中の削除位置を削除することにより、削除波形を生成してよい。 The deletion waveform generating unit may record deletion positions, which are positions at which the gas absorption waveform portion of the measurement target gas is deleted from the detection waveform. The deletion waveform may be generated by deleting the deletion positions in the detection waveform.
振幅の係数探索範囲は、振幅推定値の0.5倍以上でかつ2.0倍以下であってよい。周波数の係数探索範囲は、削除波形をフーリエ変換した際の周波数分解能に基づいて決まってよい。周波数の係数探索範囲は、周波数推定値から100Hzを引いた値以上であってよい。周波数の係数探索範囲は、周波数推定値に100Hzを足した値以下であってよい。 The amplitude coefficient search range may be 0.5 times or more and 2.0 times or less than the amplitude estimate. The frequency coefficient search range may be determined based on the frequency resolution when the deleted waveform is Fourier transformed. The frequency coefficient search range may be greater than or equal to the frequency estimate minus 100 Hz. The frequency coefficient search range may be less than or equal to the frequency estimate plus 100 Hz.
受光信号処理部は、検出波形補正部を有してよい。検出波形補正部は、事前に記録したノイズ波形を用いて、ノイズ波形の傾きの補正項を取得してよい。検出波形補正部は、イズ波形の傾きの補正項に基づいて検出波形の傾きを補正してよい。受光信号処理部は、位相合わせ部を有してよい。位相合わせ部は、検出波形を補正した補正検出波形とノイズ波形を補正した補正ノイズ波形の位相を合わせてよい。受光信号処理部は、減算部を有してよい。減算部は、補正検出波形から補正ノイズ波形を減算し、減算検出波形を生成してよい。受光信号処理部は、濃度測定部を有してよい。濃度測定部は、減算検出波形に基づいて、測定対象ガスの濃度を測定してよい。 The received light signal processing unit may have a detection waveform correction unit. The detection waveform correction unit may obtain a correction term for the slope of the noise waveform using a noise waveform recorded in advance. The detection waveform correction unit may correct the slope of the detection waveform based on the correction term for the slope of the noise waveform. The received light signal processing unit may have a phase alignment unit. The phase alignment unit may align the phase of a corrected detection waveform obtained by correcting the detection waveform and a corrected noise waveform obtained by correcting the noise waveform. The received light signal processing unit may have a subtraction unit. The subtraction unit may subtract the corrected noise waveform from the corrected detection waveform to generate a subtracted detection waveform. The received light signal processing unit may have a concentration measurement unit. The concentration measurement unit may measure the concentration of the gas to be measured based on the subtracted detection waveform.
検出波形補正部は、事前に記録したノイズ波形を用いて、ノイズ波形の直流成分の補正項を取得してよい。検出波形補正部は、ノイズ波形の直流成分の補正項に基づいて検出波形の直流成分を補正してよい。 The detection waveform correction unit may use a prerecorded noise waveform to obtain a correction term for the DC component of the noise waveform. The detection waveform correction unit may correct the DC component of the detection waveform based on the correction term for the DC component of the noise waveform.
位相合わせ部は、測定対象ガスのガス吸収波形部分を含まない検出範囲における補正検出波形の最大値と検出範囲における補正ノイズ波形の最大値の時間差から時間シフト量を算出してよい。位相合わせ部は、時間シフト量から、補正検出波形と補正ノイズ波形の位相を合わせてよい。 The phase alignment unit may calculate the time shift amount from the time difference between the maximum value of the corrected detection waveform in a detection range that does not include the gas absorption waveform portion of the gas to be measured and the maximum value of the corrected noise waveform in the detection range. The phase alignment unit may align the phases of the corrected detection waveform and the corrected noise waveform from the time shift amount.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 The present invention will be described below through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Furthermore, not all of the combinations of features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.
図1は、本発明の一つの実施形態に係るレーザ式ガス分析計100の構成の一例を示す。本例のレーザ式ガス分析計100は、発光部10、受光部20、受光信号処理部21および通信線40を備える。発光部10は、測定対象空間2にレーザ光30を照射する。受光部20は、測定対象空間2を介して伝搬されたレーザ光30を受光する。本例の受光部20は、測定対象空間2を透過したレーザ光30を受光しているが、他の例の受光部20は、測定対象空間2において散乱または反射されたレーザ光30を受光してもよい。受光信号処理部21は、受光部20における受光結果に基づいて、測定対象空間2における測定対象ガス1を分析してよい。つまり、受光信号処理部21は、受光部20における受光結果に基づいて、測定対象空間2における測定対象ガス1の濃度を測定してよい。通信線40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。また、通信線40に代えて無線や光通信のような通信部を採用してもよい。
Figure 1 shows an example of the configuration of a
本例のレーザ式ガス分析計100では、発光部10が、レーザ光30を出射する。レーザ光30は、配管壁50aと配管壁50bとの内部の測定対象空間2に投光される。レーザ光30の光量の一部は、測定対象ガス1によって吸収される。吸収されなかった残りの光、つまり透過光が、受光部20に入射し、透過光の光量が検出される。受光信号処理部21は、検出された透過光の光量に基づいて、測定対象ガス1の濃度を算出する。つまり、レーザ式ガス分析計100は、波長変調分光法によって、測定対象空間2に存在する測定対象ガス1の濃度を測定してよい。
In the
本例の測定対象空間2は、測定対象ガス1が内部を通過する管状の煙道である。図1においては、管状の煙道の断面における配管壁50aおよび配管壁50bを示している。配管壁50aは発光部10側の壁であり、配管壁50bは受光部20側の壁である。本例のレーザ式ガス分析計100は、配管壁50aと配管壁50bとの間を流通するガスに含まれる測定対象ガス1の濃度を測定する。また、本例のレーザ式ガス分析計100は、フランジ51aおよびフランジ51bを備えている。フランジ51aは配管壁50aに溶接等によって固定され、フランジ51bは配管壁50bに溶接等によって固定されている。
The
本例のレーザ式ガス分析計100は、光軸調整フランジ52aおよび光軸調整フランジ52bを備えている。光軸調整フランジ52a、52bは、フランジ51a、51bに対して機械的に移動可能に取り付けられる。光軸調整フランジ52aは、フランジ51aに発光部10を固定する。光軸調整フランジ52bは、フランジ51bに受光部20を固定する。発光部10、受光部20は、光軸調整フランジ52a、52bにより位置調整することができる。光軸調整フランジ52aは、レーザ光30の出射角を調整し、また、光軸調整フランジ52bは、レーザ光30の入射角を調整する。光軸調整フランジ52a、52bにより、発光部10から出射されるレーザ光30が受光部20において最大の光量で受光される。
The
本例の発光部10は、レーザ駆動電流生成部11、レーザ素子12、コリメートレンズ13、発光部窓板14および発光部容器15を有する。発光部容器15は、レーザ駆動電流生成部11、レーザ素子12およびコリメートレンズ13を収容する。本例の発光部容器15は、有底円筒状である。発光部容器15は、光軸調整フランジ52aに取り付けられている。発光部容器15は、内部に発光素子、光学部品および、電気電子回路を内蔵し、それらを外気から隔絶して風雨、塵埃、および、汚れ等から保護する。
The light-emitting
発光部窓板14は、発光部容器15の一部に穴を開けて塞ぐように備えられている。発光部窓板14は、レーザ光30の光路内にあり、レーザ光30を透過させつつ、特定のガスを含むガスが発光部10の内部に進入しないようにする。これにより、発光素子、光学部品、および、電気電子回路が直接ガスに触れないことになり、内部が保護される。レーザ光30は、発光部窓板14を透過し、配管壁50a、配管壁50bの内部に伝播する。
The light-emitting
レーザ駆動電流生成部11は、レーザ駆動信号を発生する。波長変調分光法により測定対象ガス1の濃度を測定するために、レーザ駆動電流生成部11は、測定対象ガス1の吸光特性に応じたレーザ光30を照射する。また、レーザ駆動電流生成部11は、波長変調された変調光であるレーザ光30を照射する。したがって、レーザ駆動電流生成部11は、レーザ光30を発光するためにレーザ駆動信号を、レーザ素子12に供給する。また、レーザ駆動電流生成部11は、波長変調分光法により高感度に測定できるよう、適切な正弦波変調を重畳してレーザ駆動信号を出力する。本明細書において、レーザ駆動信号は、駆動電流と表現される場合がある。
The laser drive current generating
レーザ素子12は、レーザ光30を出射する。レーザ素子12は、レーザ駆動信号(駆動電流)と温度により、レーザ光30の波長を制御可能である。したがって、レーザ素子12の発光中心波長は、測定対象ガス1の吸収線スペクトルの中心波長となるように温度制御される。測定対象ガス1の吸収線スペクトルの中心波長を波長λ1とする。また、波長λ1の周辺の波長で時間的に掃引されるように、レーザ駆動信号(駆動電流)が制御される。レーザ素子12は、測定対象ガス1の吸収線スペクトルを含む波長帯域で変調されたレーザ光30を出射してよい。レーザ素子12は、例えば、DFBレーザダイオード(Distributed Feedback Laser Diode)、もしくはVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)、もしくはDBRレーザダイオード(Distributed Bragg Reflector Laser Diode)である。
The
レーザ素子12から出射したレーザ光30は、コリメートレンズ13を含む光学系によって平行光にコリメートされる。コリメートされた光は、フランジ51aの中心を通り、配管壁50aおよび配管壁50bの間の煙道内部へ入射される。煙道内部に入射したレーザ光30は、煙道内部にある測定対象ガス1を透過する際に、測定対象ガス1の吸収波長に応じた波長成分の一部が吸収される。
The
コリメートレンズ13は波長λ1およ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。コリメートレンズ13により、レーザ光30は略平行光に変換され、拡散による損失を抑えながら受光部20まで伝送される。
The collimating
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、略平行光であるレーザ光30に変換される。なお、本形態では本発明の平行光変換部としてコリメートレンズ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、平行光変換部として、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。
The light emitting point of the
本例の受光部20は、受光信号処理部21、受光素子22、集光レンズ23、受光部窓板24、受光部容器25および検出部26を有する。受光部容器25は、受光信号処理部21、受光素子22および集光レンズ23を収容する。本例の受光部容器25は、有底円筒状である。受光部容器25は、光軸調整フランジ52bに取り付けられている。発光部容器は、内部に発光素子、光学部品および、電気電子回路を内蔵し、それらを外気から隔絶して、風雨、塵埃および汚れ等から保護する。
The
受光部窓板24は、受光部容器25の一部に穴を開けて塞ぐように備えられている。受光部窓板24は、レーザ光30の光路内にあり、レーザ光30を透過させつつ、特定のガスを含むガスが受光部20の内部に進入しないようにする。これにより、発光素子、光学部品、および、電気電子回路が直接ガスに触れないことになり、内部が保護される。
The light-receiving
集光レンズ23は、煙道内部を通過したレーザ光30を集光する。集光レンズ23は、波長λ1およ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、レーザ光30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。
The focusing
集光レンズ23により集光されたレーザ光30は、受光素子22により受光される。受光素子22は、フォトダイオード等によって構成されており、レーザ素子12から出射されたレーザ光30に感度を持つものが使用される。受光素子22は、レーザ素子12の波長掃引可能範囲の全体に対して感度を有することが好ましい。受光素子22は、受光した光を電気信号に変換し、受光信号処理部21に入力する。受光素子22には、波長λ1およ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することができる。受光素子22は、測定対象空間2を通過したレーザ光30を検出してよい。
The
検出部26は、受光素子22の受光信号を検出波形に変換する。検出部26には、波長変調されたレーザ光の変調周波数の高調波をロックイン検波する回路が設けられ、高感度なガス検出が可能となっている。受光信号処理部21は、検出部26が検出した検出波形に基づいて、測定対象ガス1の濃度を測定する。
The
図2は、レーザ式ガス分析計100の信号処理構成の一例を示す図である。図2において、レーザ式ガス分析計100は、レーザ駆動電流生成部11、レーザ素子12、温度制御回路111、制御回路112、受光素子22、受光信号処理部21、検出部26を備える。検出部26は、プリアンプ121、ハイパスフィルタ122、可変アンプ123およびロックイン検出回路124を有する。受光信号処理部21は、AD変換部130、削除波形生成部131、ノイズ波形生成部132、補正検出波形生成部133および濃度測定部134を有する。
Figure 2 is a diagram showing an example of the signal processing configuration of the
温度制御回路111は、レーザ素子12の出力や波長を一定に制御、安定化する。レーザ素子12の出力や波長は、温度によって変動する。したがって、温度制御回路111は、周囲温度の変化によってレーザ素子12の出力や波長が変動しないように、レーザ素子12を一定の温度に制御することが好ましい。温度制御回路111は、レーザ素子12の温度を制御する温度制御素子を有してよい。温度制御回路111は、温度制御素子としてペルチェ素子を有してもよい。温度制御回路111は、レーザ素子12の温度を検出する温度センサを有してよい。温度制御回路111は、温度センサとしてサーミスタを有してもよい。
The
レーザ駆動電流生成部11は、レーザ素子12の発光する波長が特定の波長の吸収線付近で掃引されるように、かつ、所定信号で変調されるように、レーザ素子12の駆動電流を制御する。レーザ駆動電流生成部11は、掃引信号発生部、変調信号発生部および電流制御部を有してよい。掃引信号発生部は、レーザ素子12の発光波長を変化させる波長掃引駆動信号を出力する。掃引信号発生部は、測定対象ガス1の吸収波長を含む波長範囲内で、レーザ素子12の発光波長を掃引させる。変調信号発生部は、レーザ素子12の発光波長を変調するための、正弦波の高周波変調信号を出力する。波長掃引駆動信号と高周波変調信号は重畳され、レーザ駆動信号として電流制御部に出力される。電流制御部は、入力されたレーザ駆動信号に応じた電流を、レーザ素子12に供給する。
The laser drive current generating
レーザ光30の波長は駆動電流の増減によって可変であるため、例えばレーザ素子12の駆動電流が掃引されることにより、測定対象ガス1の成分の吸収線をよぎるように掃引される。また、ロックイン検出回路124において吸収を高感度で検出するため、駆動電流に正弦波を重畳する変調を行う。波長掃引・変調は、制御回路112の繰り返し出力に基づいて、レーザ光30を点灯するタイミングにおいて繰り返される。正弦波による変調周波数は、波長掃引の周波数よりも大きく設定する。
The wavelength of the
制御回路112は、レーザ駆動電流生成部11の点灯・消灯のタイミングを制御する回路である。制御回路112は、レーザ光30を点灯するタイミングで、レーザ駆動電流生成部11にレーザ素子12の駆動電流を出力させてよい。制御回路112は、レーザ光30を消灯するタイミングで、レーザ駆動電流生成部11にレーザ素子12の駆動電流を出力させなくてよい。これにより、レーザ素子12は点灯・消灯を交互に繰り返す。また、濃度測定部134の演算タイミングを制御する。
The
ガスを透過しつつ、測定対象ガス1の成分によって一部吸収されたレーザ光30は、受光素子22に入射する。受光素子22は、レーザ光30の波長に感度を有する素子であり、レーザ光30の波長が例えば760nmから763nmであれば、受光素子22には例えばシリコンフォトダイオードを選ぶことができる。このとき、受光素子22は、ガスが存在する空間などから放射される光も受光することがある。また、受光素子22がフォトダイオードの場合には暗電流を生じる。暗電流等のノイズに起因する受光信号の変動がレーザ光30の掃引を繰り返す周期よりは十分長くなるように、掃引の繰り返し周期は短く選ばれる。掃引の繰り返し周期とは、つまり、変調信号発生部が出力する高周波変調信号の周期である。
The
プリアンプ121は、受光素子22からの信号を増幅する回路である。例えば、受光素子22がフォトダイオードであれば、フォトダイオードからの電流を電圧に変換しつつ増幅するトランスインピーダンスアンプである。プリアンプ121の増幅率は、レーザ光30が最も減衰されない条件、すなわち光路上にダストなどが存在しない条件において、プリアンプ121からの信号が飽和しない程度に設定するのが好ましい。レーザ光30が最も減衰されない条件で信号が飽和しないように設定することにより、プリアンプ121の信号が飽和することを防ぐことができる。
The
ハイパスフィルタ122は、プリアンプ121からの信号に含まれる直流成分を除去する。プリアンプ121からの信号には、一般に直流成分が含まれている。直流成分は、例えばガスが存在する空間から放射される光に起因する。また、受光素子22がフォトダイオードであれば、フォトダイオードに発生する暗電流にも起因する。プリアンプ121からの信号に含まれる直流成分は、時定数がレーザ光30の掃引を繰り返す周期よりは十分長い。つまり、プリアンプ121からの信号に含まれる直流成分は、低周波である。したがって、直流成分は、ハイパスフィルタ122によって除去され、ハイパスフィルタ122からの信号は、基準電圧0Vをまたぐ波形となる。
The high-
レーザ光30の点灯・消灯の繰り返し周波数(繰り返し周期の逆数)や、レーザ光30の波長掃引・変調信号の周波数が、ハイパスフィルタ122の通過帯域となるように、ハイパスフィルタ122のカットオフ周波数を設定する。したがって、レーザ光30の点灯・消灯による信号およびレーザ光30の波長掃引・変調信号は、変化を殆ど受けずに通過する。
The cutoff frequency of the high-
プリアンプ121の直後にハイパスフィルタ122を設ける意義は、可変アンプ123で直流信号まで増幅すると、測定条件が悪い場合に、直流信号分が相対的に増加し、増幅するだけで信号電圧が飽和するからである。測定条件が悪い場合とは、ガスが存在する空間から放射される光が強い場合、暗電流が大きい場合、レーザ光30の透過率が低い場合等である。信号電圧の飽和を防ぐために、プリアンプ121の直後にハイパスフィルタ122を設ける。
The reason why the high-
ハイパスフィルタ122からの信号は、レーザ光30の点灯・消灯信号とレーザ光30の波長掃引・変調信号を主に含んでいる。このうちレーザ光30の点灯時における波長掃引・変調信号波は、例えばガスが存在する空間に共存するダスト量の変動によって、レーザ光30が散乱・減衰を受けるために変動する。ダスト量の変動等によるレーザ光30の散乱・減衰は、レーザ光30の波長掃引・変調範囲においては波長依存性がなく、ハイパスフィルタ122を通過する。
The signal from the high-
可変アンプ123は、ハイパスフィルタ122からの信号を所定の増幅率で増幅する増幅回路である。増幅率は、ハイパスフィルタ122からの信号を飽和させないように設定することが好ましい。可変アンプ123を設け、ハイパスフィルタ122からの信号を増幅することで、微量の測定対象ガス1の濃度を検出することができる。
The
ロックイン検出回路124は、可変アンプ123からの信号に含まれる変調周波数成分の信号を検出する回路である。ロックイン検出に用いる周波数は、レーザ駆動電流生成部11の変調信号発生部における変調周波数を基準として、例えばその2倍の周波数を選ぶことができる。レーザ光30が、測定対象ガス1の成分の吸収線の波長を含むように掃引されているとき、ロックイン検出回路124の出力は、測定対象ガス1の成分の吸収線に基づき極値をもつ波形となる。
The lock-in
例えば、ロックイン周波数を変調周波数の2倍に選ぶと、ガスの吸収波形の2次微分で近似され得る波形を得ることができる。このようなロックイン検出を用いることにより、ロックイン検出に用いる周波数以外の周波数領域にあるノイズを大幅に低減でき、微小な測定対象ガス1による吸収の信号だけを増幅することができる。つまり、ロックイン検出を用いることにより、前述したダスト量の変動等によるレーザ光30の散乱・減衰は、低減される。ロックイン検出回路124により出力された信号は、受光信号処理部21に入力される。
For example, if the lock-in frequency is selected to be twice the modulation frequency, a waveform that can be approximated by the second derivative of the gas absorption waveform can be obtained. By using such lock-in detection, noise in frequency ranges other than the frequency used for lock-in detection can be significantly reduced, and only the minute signal of absorption by the
ロックイン検出回路124からの信号は、ガスによる吸収波形の他に、レーザ光30の歪み由来のノイズ、回路由来のノイズ、レーザ光30がレーザ式ガス分析計100の構成要素であるレーザ素子12の窓、受光素子22の窓、レンズ端面、筐体内部で多重反射することにより引き起こさせる光学干渉のノイズ(干渉ノイズ)が重畳される。したがって、信号のSN比が悪化する。SN比が悪化する要因であるノイズの一つに、干渉ノイズがある。干渉ノイズは、2つの種類のレーザ光によって生じる。1つは、レーザ光30から出射されたコヒーレントな光から、直接受光素子22へ到達するレーザ光である。もう1つは、光学部品などで多重反射が起こり、受光素子22へ到達するレーザ光である。干渉ノイズは、直接受光素子22へ到達するレーザ光と多重反射を伴い受光素子22へ到達するレーザ光が重ね合わさって受光素子22へ到達することで干渉が生じ、光の強度が変動することにより、発生する。干渉ノイズが強め合う条件は、下記の数1で表される。また、干渉ノイズが弱め合う条件は、下記の数2で表される。下記において、直接受光素子22へ到達するレーザ光と多重反射を伴い受光素子22へ到達するレーザ光の光路長の差をΔL、レーザ光の波長をλ、整数をmとする。
レーザ式ガス分析計100ではレーザ光30を掃引して測定しているため、レーザ光30の波長がΔLの整数倍となる毎に最大となる周期的な信号が生じる。干渉ノイズは光学部品の位置関係によりその影響を変化させるため、温度などにより光学部品を支持する筐体が伸縮し、光学部品の位置関係がわずかに変化した場合に干渉ノイズの周期、大きさが変動する。温度は時間的に変動するためこのノイズの大きさも時間的に変動し、ノイズの変動によってガス濃度の測定値が変動し、正確に濃度を測定できない問題がある。
Since the
ロックイン検出回路124により出力された信号は、受光信号処理部21で補正、濃度算出される。ロックイン検出回路124により出力された信号は、AD変換部130に入力され、AD変換される。つまり、ロックイン検出回路124により出力された信号は、デジタル信号に変換される。AD変換部130において、AD変換された信号は、削除波形生成部131に入力される。削除波形生成部131、ノイズ波形生成部132および補正検出波形生成部133は、ロックイン検出回路124の出力信号に対して補正処理を行う部分である。削除波形生成部131は、検出部26が出力した検出波形の測定対象ガス1のガス吸収波形部分を削除した削除波形を生成してよい。ノイズ波形生成部132は、削除波形生成部131が生成した削除波形の残りの部分から、正弦波の和モデルを算出することにより、削除部分を補間したノイズ波形を生成してよい。正弦波の和モデルとは、振幅、周波数および位相のうち少なくとも1つが異なる正弦波の和に、直流成分を足したモデルである。補正検出波形生成部133は、検出部26が出力した検出波形からノイズ波形生成部132が生成したノイズ波形を削除して、補正検出波形を生成してよい。
The signal output by the lock-in
濃度測定部134は、補正検出波形生成部133からのガス吸収波形に基づいて、その極値の振幅を算出する回路である。濃度測定部134は、補正検出波形生成部133が生成した補正検出波形に基づいて、ガスの吸収波形の極値の振幅を算出してよい。濃度測定部134は、ガスの吸収波形の極値の振幅に基づいて、測定対象ガス1の濃度を測定してよい。つまり、濃度測定部134は、補正検出波形生成部133が生成した補正検出波形に基づいて、測定対象ガス1の濃度を測定してよい。ガスの吸収波形の極値の振幅を算出するタイミングは、制御回路112に基づき制御されてよい。補正検出波形生成部133が生成した補正検出波形に基づいて、測定対象ガス1の濃度を測定することにより、干渉ノイズのような周期的なノイズを精度よく除去し、精度の高い測定をすることができる。
The
図3は、受光信号処理部21の信号処理のブロック図の一例を示す図である。図3を用いて、受光信号処理部21の処理内容を詳細に記述する。第一に、ロックイン検出回路124の信号をAD変換し、デジタル信号に変換する(S101)。次に、バンドパスフィルタ(図2においては、不図示)により所定の周波数成分のみを抽出する周波数制限を実施する(S102)。データ補間でのノイズ推定精度を高めるために、AD変換後の検出データをバンドパスフィルタによりできるだけガス吸収波形の周波数帯のみを含むように周波数制限を行い、不要成分を除去しておく。
Figure 3 is a block diagram showing an example of the signal processing of the received light
周波数制限を実施した後、時系列データから吸収波形データの部分を削除する(S103)。削除波形生成部131は、時系列データから吸収波形データの部分を削除することにより、削除波形を生成してよい。
After implementing the frequency restriction, the absorption waveform data portion is deleted from the time series data (S103). The deleted
削除波形の残りの部分を用いてデータ補間を実施する。データ補間は下記数3に示す正弦波の和でモデル化した式を用いて、残ったデータを用いた最小二乗法により係数の算出を行う。下記数3において、vは補間後の算出データであり、ai、bi、ciはそれぞれ、振幅、周波数、位相に関する係数、dは直流成分、tは時刻(サンプリング点)である。
除去の対象となるデータは、周期性を持った干渉ノイズであるため、データの補間は前述したように正弦波の和モデルにより推定し、補間する。組合せとなる正弦波の数nは、例えば3であるが、多いほどより複雑なノイズ波形に対しても推定可能である一方で、算出しなければならない係数も増えてしまい計算量の増大を招くため、信号処理のリソースに応じて設定する。 The data to be removed is periodic interference noise, so the data is estimated and interpolated using a sine wave sum model as described above. The number of sine waves in the combination, n, is 3, for example. The larger the number, the more complex the noise waveforms that can be estimated. However, the more coefficients that must be calculated, which increases the amount of calculations, so the number is set according to the signal processing resources.
周波数および振幅に対応する係数に関しては、振幅、周波数、位相が任意に決定可能であるために局所解に陥り、ノイズ推定精度を悪化させる場合がある。したがって、あらかじめ吸収波形の部分を削除したデータをフーリエ変換することにより求めた周波数推定値および振幅推定値を決定しておき、最小二乗法における係数探索範囲を限定した上で処理を行い、係数を算出する。位相の係数に関しては、0以上2π以下の範囲に限定されており、0以上2π以下の任意の値を取りえるため係数探索範囲を限定しなくてもよい。削除波形の残りの部分を用いて、フーリエ変換を実施する(S104)。フーリエ変換により、周波数推定値および振幅推定値を算出する(S105)。まとめると、ノイズ波形生成部132は、削除波形をフーリエ変換することにより、振幅推定値および周波数推定値を算出する。フーリエ変換を用いることにより、高精度な振幅推定値および周波数推定値を得ることができる。
The coefficients corresponding to frequency and amplitude may fall into a local solution because the amplitude, frequency, and phase can be arbitrarily determined, which may deteriorate the noise estimation accuracy. Therefore, the frequency estimate and amplitude estimate are determined by performing a Fourier transform on the data from which the absorption waveform portion has been deleted in advance, and the coefficient search range in the least squares method is limited before processing to calculate the coefficients. The phase coefficient is limited to a range of 0 to 2π, and since any value from 0 to 2π can be taken, the coefficient search range does not need to be limited. A Fourier transform is performed using the remaining portion of the deleted waveform (S104). A frequency estimate and an amplitude estimate are calculated by the Fourier transform (S105). In summary, the noise
周波数推定値および振幅推定値を算出後、最小二乗法により係数を算出する(S106)。ノイズ波形生成部132は、振幅推定値および周波数推定値に基づいて振幅の係数探索範囲および周波数の係数探索範囲を限定した後、最小二乗法を用いて正弦波の和モデルを算出する。周波数および振幅の最小二乗法による係数探索範囲を限定することにより、局所解に陥ることを防ぎ、確実に係数を算出することができる。ノイズ波形生成部132は、削除波形に基づいて振幅推定値および周波数推定値を算出してよい。ノイズ波形生成部132は、振幅推定値に基づいて振幅の係数探索範囲を限定してよい。ノイズ波形生成部132は、周波数推定値に基づいて周波数の係数探索範囲を限定してよい。
After calculating the frequency estimate and the amplitude estimate, the coefficients are calculated by the least squares method (S106). The noise
なお、本実施形態では、振幅推定値と周波数推定値の2つを求め、周波数および振幅の係数探索範囲を限定しているが、どちらか1つのみの推定値を求め、係数を限定してよい。つまり、ノイズ波形生成部132は、削除波形に基づいて振幅推定値のみ算出してよい。また、ノイズ波形生成部132は、削除波形に基づいて周波数推定値のみ算出してよい。
In this embodiment, both an amplitude estimate and a frequency estimate are obtained, and the coefficient search ranges for frequency and amplitude are limited, but an estimate of only one of them may be obtained, and the coefficient may be limited. In other words, the noise
係数を算出した後、補間データを用いて、ノイズ波形を生成する(S107)。ノイズ波形は、削除波形に補間データを補間することにより、生成する。そして、検出波形からノイズ波形を引くことにより、補正検出波形を生成する(S108)。補正検出波形を用いて、吸収振幅演算、ガス濃度演算を実施する(S109)。 After calculating the coefficients, the interpolated data is used to generate a noise waveform (S107). The noise waveform is generated by interpolating the interpolated data into the deleted waveform. Then, the noise waveform is subtracted from the detected waveform to generate a corrected detected waveform (S108). The corrected detected waveform is used to perform absorption amplitude calculations and gas concentration calculations (S109).
図4は、図3のS102の処理後の検出波形201の一例である。縦軸は、信号強度、横軸は、時間を表す。図4において、レーザ素子12の駆動電流の掃引は時間に対して一定の変化率で掃引されているため、横軸の時間は、波長と1対1対応である。図4では、横軸の中心付近にガス吸収波形のピークがある。横軸の中心付近に存在するガス吸収波形に重畳するように周期的な干渉ノイズが重畳している。吸収波形の振幅のピークとボトムの時間間隔はレーザの掃引時間、変調振幅により任意に設定可能であるが、例えば、ピークとボトムの時間間隔が1ms~2msの場合は、バンドパスフィルタはおおよそ100Hz~3000Hz程度に制限しておく。
Figure 4 is an example of the
図5は、図3のS103の処理後の削除波形202の一例である。縦軸、横軸は、図4と同様である。削除波形202は、横軸の中心付近に存在するガス吸収波形を削除している。図5中のガス吸収波形を削除した残りの波形の内、左側の波形を波形301、右側の波形を波形302とする。周波数および振幅の係数探索範囲を限定する際には、波形301および波形302のどちらか一方を用いて、FFTなどの周波数分析を行い、ノイズの振幅と周波数の推定値を算出しておく。
Figure 5 is an example of deleted
横軸の時間は、波長と1対1対応である。したがって、吸収波形の位置はレーザの駆動電流、温度制御と検出したいガス種によりほぼ一定の位置となるため、あらかじめ削除する位置を記録しておき、その部分のデータを削除する。図5において、吸収波形の位置とは、横軸(時間軸)上の位置である。横軸が波長で表される場合、吸収波形の位置とは、波長軸上の位置である。削除波形生成部131は、検出波形の測定対象ガス1のガス吸収波形部分を削除する位置である削除位置を記録し、検出波形中の削除位置を削除することにより、削除波形を生成してよい。削除位置を記録することにより、補正処理のたびに削除位置を決定する必要がなく、無駄な処理が少ないため、サンプリング点の多い測定が可能である。
The time on the horizontal axis corresponds one-to-one to the wavelength. Therefore, since the position of the absorption waveform is almost constant depending on the laser drive current, temperature control, and the type of gas to be detected, the position to be deleted is recorded in advance, and the data of that portion is deleted. In FIG. 5, the position of the absorption waveform is the position on the horizontal axis (time axis). When the horizontal axis is represented by wavelength, the position of the absorption waveform is the position on the wavelength axis. The deleted
本例において、振幅は振幅推定値の0.5倍以上でかつ2.0倍以下に制限し、探索を行った。振幅の係数探索範囲は、振幅推定値の0.5倍以上でかつ2.0倍以下であってよい。また、振幅の係数探索範囲は、振幅推定値の0.25倍以上でかつ4.0倍以下であってよい。 In this example, the amplitude was limited to 0.5 times or more and 2.0 times or less of the amplitude estimate value, and a search was performed. The amplitude coefficient search range may be 0.5 times or more and 2.0 times or less of the amplitude estimate value. The amplitude coefficient search range may also be 0.25 times or more and 4.0 times or less of the amplitude estimate value.
本例において、周波数分析における周波数分解能は100Hzである。周波数分析における周波数分解能とは、周波数分析(例えば、フーリエ変換)における最小単位である。したがって、周波数は、周波数推定値±100Hzに制限し探索を行えばよい。周波数の係数探索範囲は、削除波形をフーリエ変換した際の周波数分解能に基づいて決まってよい。周波数の係数探索範囲は、周波数分解能が高いほど狭めてよい。また、周波数の係数探索範囲は、周波数推定値±周波数分解能であってよい。周波数の係数探索範囲は、周波数推定値から100Hzを引いた値以上でかつ周波数推定値に100Hzを足した値以下であってよい。なお、周波数分解能が十分に高い場合、探索を行わず、周波数推定値を周波数の係数としてもよい。 In this example, the frequency resolution in the frequency analysis is 100 Hz. The frequency resolution in the frequency analysis is the smallest unit in the frequency analysis (e.g., Fourier transform). Therefore, the frequency may be limited to the frequency estimate value ±100 Hz for the search. The frequency coefficient search range may be determined based on the frequency resolution when the deleted waveform is Fourier transformed. The frequency coefficient search range may be narrower as the frequency resolution increases. In addition, the frequency coefficient search range may be the frequency estimate value ± the frequency resolution. The frequency coefficient search range may be equal to or greater than the value obtained by subtracting 100 Hz from the frequency estimate value and equal to or less than the value obtained by adding 100 Hz to the frequency estimate value. Note that if the frequency resolution is sufficiently high, the frequency estimate value may be used as the frequency coefficient without performing a search.
振幅、周波数に関して探索を行った結果、250Hz、1kHz、1500kHzの正弦波の組合せとなった。バンドパスフィルタにより制限された周波数成分内の小さい周波数から大きな周波数まで広い範囲の周波数が算出できているのが確認された。 After searching for amplitude and frequency, a combination of sine waves of 250 Hz, 1 kHz, and 1500 kHz was found. It was confirmed that a wide range of frequencies could be calculated, from small to large, within the frequency components restricted by the bandpass filter.
図6は、図3のS107の処理後のノイズ波形203の一例である。縦軸、横軸は、図4と同様である。削除波形202に、補間データである波形303を補間することにより、ノイズ波形203を生成する。図6において、波形303の周波数は、干渉ノイズの周波数と近い値であることが分かる。
Figure 6 is an example of a
図7は、図3のS108の処理後の補正検出波形204の一例である。縦軸、横軸は、図4と同様である。検出波形201から、ノイズ波形203を引くことにより、補正検出波形204を生成する。図7において、干渉ノイズが除去されている。したがって、精度の高い濃度分析が可能である。
Figure 7 is an example of a corrected
図8は、レーザ式ガス分析計100の信号処理構成の他の例を示す図である。図8のレーザ式ガス分析計100は、受光信号処理部21の構成が図1のレーザ式ガス分析計100と異なる。図8のレーザ式ガス分析計100のそれ以外の構成は、図1のレーザ式ガス分析計100と同一であってよい。図8の受光信号処理部21は、AD変換部130、検出波形補正部141、位相合わせ部142、減算部143および濃度測定部134を有する。
Figure 8 is a diagram showing another example of the signal processing configuration of the
AD変換部130において、AD変換された信号は、検出波形補正部141に入力される。検出波形補正部141は、事前に記録したノイズ波形を用いて、検出波形を補正検出波形に補正する。本例におけるノイズ波形は、測定対象ガス1のガス吸収波形を含まない。ノイズ波形は、温度制御回路111によりレーザ素子12の温度を制御することにより、事前に取得されてよい。また、ノイズ波形は、測定対象空間2内から測定対象ガス1を除去することによって取得されてもよい。なお、ノイズ波形は、検出波形補正部141に記録されてもよく、受光信号処理部21が別途、記録部を有し、検出波形補正部141が当該記録部を参照してもよい。
The AD converted signal from the
位相合わせ部142は、検出波形補正部141が補正した補正検出波形とノイズ波形を補正した補正ノイズ波形の位相を合わせる。補正ノイズ波形は、ノイズ波形と同様に、検出波形補正部141に記録されてもよく、受光信号処理部21が別途、記録部を有し、検出波形補正部141が当該記録部を参照してもよい。また、検出波形補正部141において、補正ノイズ波形は生成されてもよい。位相を合わせることにより、減算部143で減算した際にノイズが相殺せずに残ることを防ぐことができる。
The
減算部143は、位相合わせした補正検出波形から補正ノイズ波形を減算し、減算検出波形を生成する。濃度測定部134は、減算部143からの減算検出波形に基づいて、その極値の振幅を算出する回路である。濃度測定部134は、減算部143が生成した減算検出波形に基づいて、ガスの吸収波形の極値の振幅を算出してよい。濃度測定部134は、ガスの吸収波形の極値の振幅に基づいて、測定対象ガス1の濃度を測定してよい。つまり、濃度測定部134は、減算部143が生成した減算検出波形に基づいて、測定対象ガス1の濃度を測定してよい。減算部143が生成した減算検出波形に基づいて、測定対象ガス1の濃度を測定することにより、干渉ノイズのような周期的なノイズを精度よく除去し、精度の高い測定をすることができる。
The
図9は、図8の受光信号処理部21の信号処理のブロック図の一例を示す図である。図9を用いて、図8の受光信号処理部21の処理内容を詳細に記述する。第一に、ロックイン検出回路124の信号をAD変換し、デジタル信号に変換する(S401)。次に、バンドパスフィルタ(図8においては、不図示)により所定の周波数成分のみを抽出する周波数制限を実施する(S402)。データ補間でのノイズ推定精度を高めるために、AD変換後の検出データをバンドパスフィルタによりできるだけガス吸収波形の周波数帯のみを含むように周波数制限を行い、不要成分を除去しておく。
Figure 9 is a diagram showing an example of a block diagram of signal processing in the light receiving
次に、受光信号処理部21は、検出波形補正かノイズ波形補正を実施する(S403)。ノイズ波形を記録する場合は、受光信号処理部21は、ノイズ波形補正を実施する(S404)。検出波形を補正する場合は、受光信号処理部21は、検出波形補正を実施する(S408)。
Next, the light receiving
まず、ノイズ波形補正(S404)について説明する。レーザ素子12の出力と電流の非線形性等の要因により、レーザ素子12から出射されるレーザ光30は、高周波数成分に出力が生じる。高周波数成分の出力は、レーザ素子12の波長掃引範囲で一定ではないため、ロックイン検出後に、ノイズ波形として傾きと直流成分が生じる。このノイズ波形の補正項を取得し、記録する(S405)。具体的には、ノイズ波形の傾きの補正項およびノイズ波形の直流成分を取得し、それぞれ記録する。ノイズ波形の傾きの補正項は、最小二乗法によって取得されてよい。ノイズ波形の直流成分の補正項は、平均化によって取得されてよい。そして、ノイズ波形の傾きの補正項およびノイズ波形の直流成分の補正項を用いることで、補正ノイズ波形を取得し、記録する(S406)。補正ノイズ波形Vnoise'(t)は、下記数4で表される。下記数4において、Vnoise(t)はノイズ波形、Vslopeは傾きの補正項、Vdcは直流成分の補正項である。Vnoise'(t)およびVnoise(t)は、時間tの関数である。
次に、補正ノイズ波形の最大値検出を実施し、記録する(S407)。補正ノイズ波形の最大値は、位相合わせ(S409)の際に使用される。補正ノイズ波形の最大値の検出範囲は、補正ノイズ波形の全体でもよく、補正ノイズ波形の一部でもよい。記録したノイズ波形の補正項、補正ノイズ波形、最大値は、次にノイズ波形補正(S404)が実施されるまで記録される。 Next, the maximum value of the corrected noise waveform is detected and recorded (S407). The maximum value of the corrected noise waveform is used during phase alignment (S409). The detection range for the maximum value of the corrected noise waveform may be the entire corrected noise waveform or a part of the corrected noise waveform. The correction term, corrected noise waveform, and maximum value of the recorded noise waveform are recorded until the next time noise waveform correction (S404) is performed.
続いて、検出波形補正(S408)について説明する。検出波形補正部141は、ノイズ波形の傾きの補正項およびノイズ波形の直流成分の補正項を用いることで、検出波形を補正検出波形に補正する(S408)。つまり、傾きの補正に関しては、事前に記録したノイズ波形を用いて、ノイズ波形の傾きの補正項を取得して、ノイズ波形の傾きの補正項に基づいて検出波形の傾きを補正する。直流成分の補正に関しては、事前に記録したノイズ波形を用いて、ノイズ波形の直流成分の補正項を取得し、ノイズ波形の直流成分の補正項に基づいて検出波形の直流成分を補正する。補正検出波形Vgas'(t)は、下記数5で表される。下記数5において、Vgas(t)は検出波形、Vslopeは補正項記録(S406)で記録した傾きの補正項、Vdcは補正項記録(S406)で記録した直流成分の補正項である。Vgas'(t)およびVgas(t)は、時間tの関数である。
検出波形補正(S408)を実施後、位相合わせ部142は、補正検出波形と補正ノイズ波形の位相を合わせる(S409)。位相合わせ(S409)は、実施されず補正検出波形と補正ノイズ波形がそのまま減算されてもよい。位相合わせ部142は、補正ノイズ波形の最大値記録(S407)と同様に、補正検出波形の最大値検出を実施する(S410)。補正検出波形の最大値の検出範囲は、測定対象ガスのガス吸収波形部分を除いた補正検出波形の一部であることが好ましい。補正検出波形の最大値が当該ガス吸収波形部分に該当してしまい、補正ノイズ波形と位相を合わせることが困難になるためである。
After performing the detection waveform correction (S408), the
次に、位相合わせ部142は、測定対象ガスのガス吸収波形部分を含まない検出範囲における補正検出波形の最大値と補正ノイズ波形の最大値の時間差から時間シフト量tshiftを算出する(S411)。位相合わせ部142は、補正ノイズ波形を時間シフト量tshiftだけシフトさせ、補正検出波形と補正ノイズ波形を位相合わせする(S412)。位相合わせ部142は、時間シフト量tshiftから、補正検出波形と補正ノイズ波形の位相を合わせてよい。
Next, the
位相合わせ後、補正検出波形から補正ノイズ波形を減算し、減算検出波形を生成する(S413)。減算後波形Vsubtract(t)は、下記数6で表される。Vsubtract(t)は、時間tの関数である。減算後波形を用いて、吸収振幅演算、ガス濃度演算を実施する(S414)。
図10は、位相合わせの一例を示す図である。図10(a)は、ノイズ波形401の一例を示している。ノイズ波形401は、傾き成分と直流成分を有している。
Figure 10 shows an example of phase alignment. Figure 10(a) shows an example of a
図10(b)は、補正ノイズ波形402の一例を示している。図10(b)の波形は、図10(a)の波形から傾き成分と直流成分を除去している。図10(b)に示すように、補正ノイズ波形402の検出範囲501における最大値はAである。検出範囲501は、補正ノイズ波形402のピークが検出できる範囲であればよい。
Figure 10(b) shows an example of the corrected
図10(c)は、検出波形403の一例を示している。図10(a)と同様に、検出波形403は、傾き成分と直流成分を有している。
Figure 10(c) shows an example of a
図10(d)は、補正検出波形404の一例を示している。図10(d)の波形は、図10(c)の波形から傾き成分と直流成分を除去している。図10(d)に示すように、測定対象ガスのガス吸収波形部分を除いた補正検出波形404の検出範囲501における最大値はBである。図10(d)の検出範囲501は、図10(b)の検出範囲501と同様であるが、補正検出波形404のピークが検出できれば、異なっていてもよい。波長掃引時間の範囲が0msから10msであり(波長掃引時間が10msであり)、測定対象ガスのガス吸収波形部分が波長掃引時間の3msから8msの範囲となる場合は、検出範囲501は、例えば、波長掃引時間の0msから2msの範囲である。
Figure 10(d) shows an example of the corrected
図10(e)は、補正ノイズ波形402と補正検出波形404の位相合わせの一例を示している。図10(e)では、補正ノイズ波形402を時間シフト量tshiftだけシフトさせている。
Fig. 10E shows an example of phase alignment between the corrected
図10(f)は、減算後波形405の一例を示している。図10(f)に示すように、減算後波形405は、周期的なノイズが除去されているため、精度良い測定が可能である。
Figure 10(f) shows an example of the subtracted
図11は、比較例に係る位相合わせの一例を示す図である。図11(a)は、ノイズ波形401の他の例を示している。図11(a)では、ノイズ波形401を補正する前に、最大値を算出している。ノイズ波形401は、傾き成分を有しているため、最大値は、検出範囲502の端であるA'となる。
Figure 11 is a diagram showing an example of phase alignment according to a comparative example. Figure 11(a) shows another example of a
図11(b)は、検出波形403の他の例を示している。図11(b)では、検出波形403を補正する前に、最大値を算出している。図11(b)に示すように、測定対象ガスのガス吸収波形部分を除いた検出波形403の検出範囲502における最大値はBである。
Figure 11 (b) shows another example of the
図11(c)は、ノイズ波形401と検出波形403の位相合わせの一例を示している。図11(c)では、ノイズ波形401を時間シフト量tshift'だけシフトさせている。
Fig. 11C shows an example of phase alignment between the
図11(d)は、減算後波形405の他の例を示す図である。減算後波形Vsubtract(t)は、下記数7で表される。
位相合わせの際にノイズ波形401と検出波形403の位相がずれていたため、図11(d)の減算後波形405は、図10(f)の減算後波形405に比べノイズが残留している。以上より、ノイズ波形401と検出波形403をそれぞれ補正した上で、位相合わせを実施することが好ましい。
Because the phases of the
図12は、ノイズ波形401、検出波形403の取得方法の一例を示す図である。図12の例では、ノイズ波形401、検出波形403は、温度制御回路111によりレーザ素子12の温度を制御することにより、取得される。図12(a)は、レーザ駆動電流生成部11が制御するレーザ駆動電流値の一例を示している。図12(b)は、温度制御回路111が制御するレーザ素子12の温度の一例を示す図である。図12(c)は、レーザ駆動電流値およびレーザ素子12の温度を制御した際の波形の一例を示す図である。図12では、横軸(時間)を統一して表している。
Figure 12 is a diagram showing an example of a method for acquiring a
図12に示すように、ノイズ波形401を取得する際は、レーザ素子12の温度をT1とし、検出波形403を取得する際は、レーザ素子12の温度をT2としている。温度T1は、波形が測定対象ガス1のガス吸収波形を含まないように設定してよい。温度T2は、波形が測定対象ガス1のガス吸収波形を含むように設定してよい。また、レーザ駆動電流値は、ノイズ波形401、検出波形403のどちらを取得する場合でも同一である。このように、レーザ駆動電流値およびレーザ素子12の温度を制御することにより、ノイズ波形401、検出波形403を取得することができる。
As shown in FIG. 12, when acquiring the
レーザ式ガス分析計100は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用、燃焼制御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]、青果貯蔵および熟成、生化学(微生物)[発酵]、大気汚染[焼却炉、排煙脱硫・脱硝]、自動車・船等の内燃機関の排ガス(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
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 The present invention has been described above using embodiments, but the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It is clear to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the above embodiments. Furthermore, not all of the combinations of features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。
[項目1]
測定対象空間に存在する測定対象ガスの濃度を測定する波長変調分光法によ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線スペクトルを含む波長帯域で変調されたレーザ光を出射するレーザ素子と、
前記測定対象空間を通過した前記レーザ光を検出する受光素子と、
前記受光素子の受光信号を検出波形に変換する検出部と、
前記検出波形に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を測定する受光信号処理部と、
を備え、
前記受光信号処理部は、
前記検出波形の前記測定対象ガスのガス吸収波形部分を削除した削除波形を生成する削除波形生成部と、
前記削除波形の残りの部分から、正弦波の和モデルを算出することにより、削除部分を補間したノイズ波形を生成するノイズ波形生成部と、
前記検出波形から前記ノイズ波形を削除して、補正検出波形を生成する補正検出波形生成部と、
前記補正検出波形に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を測定する濃度測定部と、
を有し、
前記ノイズ波形生成部は、
前記削除波形に基づいて振幅推定値および周波数推定値を算出し、
前記振幅推定値に基づいて振幅の係数探索範囲を限定し、
前記周波数推定値に基づいて周波数の係数探索範囲を限定する、
レーザ式ガス分析計。
[項目2]
前記ノイズ波形生成部は、前記削除波形をフーリエ変換することにより、前記振幅推定値および前記周波数推定値を算出する、項目1に記載のレーザ式ガス分析計。
[項目3]
前記ノイズ波形生成部は、前記振幅推定値および前記周波数推定値に基づいて前記振幅の係数探索範囲および前記周波数の係数探索範囲を限定した後、最小二乗法を用いて前記正弦波の和モデルを算出する、項目1または2に記載のレーザ式ガス分析計。
[項目4]
前記削除波形生成部は、
前記検出波形の前記測定対象ガスのガス吸収波形部分を削除する位置である削除位置を記録し、
前記検出波形中の前記削除位置を削除することにより、前記削除波形を生成する、
項目1から3のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。
[項目5]
前記振幅の係数探索範囲は、前記振幅推定値の0.5倍以上でかつ2.0倍以下である、項目1から4のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。
[項目6]
前記周波数の係数探索範囲は、前記削除波形をフーリエ変換した際の周波数分解能に基づいて決まる、項目2に記載のレーザ式ガス分析計。
[項目7]
前記周波数の係数探索範囲は、前記周波数推定値から100Hzを引いた値以上でかつ前記周波数推定値に100Hzを足した値以下である、項目6に記載のレーザ式ガス分析計。
[項目8]
測定対象空間に存在する測定対象ガスの濃度を測定する波長変調分光法によ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線スペクトルを含む波長帯域で変調されたレーザ光を出射するレーザ素子と、
前記測定対象空間を通過した前記レーザ光を検出する受光素子と、
前記受光素子の受光信号を検出波形に変換する検出部と、
前記検出波形に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を測定する受光信号処理部と、
を備え、
前記受光信号処理部は、
事前に記録したノイズ波形を用いて、前記ノイズ波形の傾きの補正項を取得して、前記ノイズ波形の傾きの補正項に基づいて前記検出波形の傾きを補正する検出波形補正部と、
前記検出波形を補正した補正検出波形と前記ノイズ波形を補正した補正ノイズ波形の位相を合わせる位相合わせ部と、
前記補正検出波形から前記補正ノイズ波形を減算し、減算検出波形を生成する減算部と、
前記減算検出波形に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を測定する濃度測定部と、
を有する、
レーザ式ガス分析計。
[項目9]
前記検出波形補正部は、事前に記録した前記ノイズ波形を用いて、前記ノイズ波形の直流成分の補正項を取得し、前記ノイズ波形の直流成分の補正項に基づいて前記検出波形の直流成分を補正する、項目8に記載のレーザ式ガス分析計。
[項目10]
前記位相合わせ部は、
前記測定対象ガスのガス吸収波形部分を含まない検出範囲における前記補正検出波形の最大値と前記検出範囲における前記補正ノイズ波形の最大値の時間差から時間シフト量を算出し、
前記時間シフト量から、前記補正検出波形と前記補正ノイズ波形の位相を合わせる、
項目8または9に記載のレーザ式ガス分析計。
It should be noted that the order of execution of each process, such as operations, procedures, steps, and stages, in the devices, systems, programs, and methods shown in the claims, specifications, and drawings is not specifically indicated as "before,""priorto," etc., and may be realized in any order unless the output of a previous process is used in a later process. Even if the operational flow in the claims, specifications, and drawings is described using "first,""next," etc. for convenience, it does not mean that it is essential to perform the process in this order.
[Item 1]
A laser gas analyzer that uses wavelength modulation spectroscopy to measure the concentration of a measurement target gas present in a measurement target space,
a laser element that emits laser light modulated in a wavelength band including an absorption line spectrum of the measurement target gas;
a light receiving element that detects the laser light that has passed through the measurement target space;
a detection unit that converts a light receiving signal of the light receiving element into a detection waveform;
a light receiving signal processing unit that measures the concentration of the measurement target gas based on the detected waveform;
Equipped with
The light receiving signal processing unit includes:
a deleted waveform generating unit for generating a deleted waveform by deleting a gas absorption waveform portion of the measurement target gas from the detection waveform;
a noise waveform generating unit that generates a noise waveform by interpolating the deleted portion by calculating a sum model of sine waves from the remaining portion of the deleted waveform;
a corrected detection waveform generating unit that removes the noise waveform from the detection waveform to generate a corrected detection waveform;
a concentration measuring unit that measures a concentration of the measurement target gas based on the corrected detection waveform;
having
The noise waveform generating unit is
calculating an amplitude estimate and a frequency estimate based on the deleted waveform;
limiting a coefficient search range for amplitude based on the amplitude estimate;
limiting a frequency coefficient search range based on the frequency estimate;
Laser gas analyzer.
[Item 2]
2. The laser gas analyzer according to
[Item 3]
3. The laser gas analyzer according to
[Item 4]
The deleted waveform generating unit
a deletion position where a portion of the gas absorption waveform of the measurement target gas is deleted from the detection waveform is recorded;
generating the deleted waveform by deleting the deletion position in the detected waveform;
4. The laser gas analyzer according to any one of
[Item 5]
5. The laser gas analyzer according to
[Item 6]
3. The laser gas analyzer according to
[Item 7]
7. The laser gas analyzer according to item 6, wherein the frequency coefficient search range is equal to or greater than the frequency estimate value minus 100 Hz and equal to or less than the frequency estimate value plus 100 Hz.
[Item 8]
A laser gas analyzer that uses wavelength modulation spectroscopy to measure the concentration of a measurement target gas present in a measurement target space,
a laser element that emits a laser beam modulated in a wavelength band including an absorption line spectrum of the measurement target gas;
a light receiving element that detects the laser light that has passed through the measurement target space;
a detection unit that converts a light receiving signal of the light receiving element into a detection waveform;
a light receiving signal processing unit that measures the concentration of the measurement target gas based on the detected waveform;
Equipped with
The light receiving signal processing unit includes:
a detection waveform correction unit that uses a noise waveform recorded in advance to obtain a correction term for the slope of the noise waveform and corrects the slope of the detection waveform based on the correction term for the slope of the noise waveform;
a phase matching unit that matches the phases of a corrected detection waveform obtained by correcting the detection waveform and a corrected noise waveform obtained by correcting the noise waveform;
a subtraction unit that subtracts the corrected noise waveform from the corrected detection waveform to generate a subtracted detection waveform;
a concentration measuring unit that measures the concentration of the measurement target gas based on the subtraction detection waveform;
having
Laser gas analyzer.
[Item 9]
9. The laser gas analyzer according to
[Item 10]
The phase matching unit includes:
calculating a time shift amount from a time difference between a maximum value of the corrected detection waveform in a detection range not including a gas absorption waveform portion of the measurement target gas and a maximum value of the corrected noise waveform in the detection range;
aligning the phases of the corrected detection waveform and the corrected noise waveform based on the amount of time shift;
10. The laser gas analyzer according to
1・・測定対象ガス、2・・測定対象空間、10・・発光部、11・・レーザ駆動電流生成部、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、26・・検出部、30・・レーザ光、40・・通信線、50・・配管壁、51・・フランジ、52・・光軸調整フランジ、100・・レーザ式ガス分析計、111・・温度制御回路、112・・制御回路、121・・プリアンプ、122・・ハイパスフィルタ、123・・可変アンプ、124・・ロックイン検出回路、130・・AD変換部、131・・削除波形生成部、132・・ノイズ波形生成部、133・・補正検出波形生成部、134・・濃度測定部、141・・検出波形補正部、142・・位相合わせ部、143・・減算部、201・・検出波形、202・・削除波形、203・・ノイズ波形、204・・補正検出波形、301・・波形、302・・波形、303・・波形、401・・ノイズ波形、402・・補正ノイズ波形、403・・検出波形、404・・補正検出波形、405・・減算後波形、501・・検出範囲、502・・検出範囲 1: Gas to be measured, 2: Space to be measured, 10: Light emitting unit, 11: Laser drive current generating unit, 12: Laser element, 13: Collimating lens, 14: Light emitting unit window plate, 15: Light emitting unit container, 20: Light receiving unit, 21: Light receiving signal processing unit, 22: Light receiving element, 23: Condenser lens, 24: Light receiving unit window plate, 25: Light receiving unit container, 26: Detection unit, 30: Laser light, 40: Communication line, 50: Pipe wall, 51: Flange, 52: Optical axis adjustment flange, 100: Laser gas analyzer, 111: Temperature control circuit, 112: Control circuit, 121: Preamplifier, 122: High pass filter, 12 3: Variable amplifier, 124: Lock-in detection circuit, 130: AD conversion section, 131: Deleted waveform generation section, 132: Noise waveform generation section, 133: Corrected detection waveform generation section, 134: Concentration measurement section, 141: Detection waveform correction section, 142: Phase alignment section, 143: Subtraction section, 201: Detection waveform, 202: Deleted waveform, 203: Noise waveform, 204: Corrected detection waveform, 301: Waveform, 302: Waveform, 303: Waveform, 401: Noise waveform, 402: Corrected noise waveform, 403: Detection waveform, 404: Corrected detection waveform, 405: Subtracted waveform, 501: Detection range, 502: Detection range
Claims (7)
前記測定対象ガスの吸収線スペクトルを含む波長帯域で変調されたレーザ光を出射するレーザ素子と、
前記測定対象空間を通過した前記レーザ光を検出する受光素子と、
前記受光素子の受光信号を検出波形に変換する検出部と、
前記検出波形に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を測定する受光信号処理部と
を備え、
前記受光信号処理部は、
前記検出波形の前記測定対象ガスのガス吸収波形部分を削除した削除波形を生成する削除波形生成部と、
前記削除波形の残りの部分から、正弦波の和モデルを算出することにより、削除部分を補間したノイズ波形を生成するノイズ波形生成部と、
前記検出波形から前記ノイズ波形を削除して、補正検出波形を生成する補正検出波形生成部と、
前記補正検出波形に基づいて、前記測定対象ガスの濃度を測定する濃度測定部と
を有し、
前記ノイズ波形生成部は、
前記削除波形に基づいて振幅推定値および周波数推定値を算出し、
前記振幅推定値に基づいて振幅の係数探索範囲を限定し、
前記周波数推定値に基づいて周波数の係数探索範囲を限定する
レーザ式ガス分析計。 A laser gas analyzer that uses wavelength modulation spectroscopy to measure the concentration of a measurement target gas present in a measurement target space,
a laser element that emits a laser beam modulated in a wavelength band including an absorption line spectrum of the measurement target gas;
a light receiving element that detects the laser light that has passed through the measurement target space;
a detection unit that converts a light receiving signal of the light receiving element into a detection waveform;
a light receiving signal processing unit that measures a concentration of the measurement target gas based on the detection waveform,
The light receiving signal processing unit includes:
a deleted waveform generating unit for generating a deleted waveform by deleting a gas absorption waveform portion of the measurement target gas from the detection waveform;
a noise waveform generating unit that generates a noise waveform by interpolating the deleted portion by calculating a sum model of sine waves from the remaining portion of the deleted waveform;
a corrected detection waveform generating unit that removes the noise waveform from the detection waveform to generate a corrected detection waveform;
a concentration measuring unit that measures a concentration of the measurement target gas based on the corrected detection waveform,
The noise waveform generating unit is
calculating an amplitude estimate and a frequency estimate based on the deleted waveform;
limiting a coefficient search range for amplitude based on the amplitude estimate;
A laser gas analyzer that limits a frequency coefficient search range based on the frequency estimate.
請求項1に記載のレーザ式ガス分析計。 The laser gas analyzer according to claim 1 , wherein the noise waveform generator calculates the amplitude estimate value and the frequency estimate value by performing a Fourier transform on the deleted waveform.
請求項1または2に記載のレーザ式ガス分析計。 3. The laser gas analyzer according to claim 1, wherein the noise waveform generator limits a coefficient search range of the amplitude and a coefficient search range of the frequency based on the amplitude estimate value and the frequency estimate value, and then calculates the sum model of the sine waves using a least squares method.
前記検出波形の前記測定対象ガスのガス吸収波形部分を削除する位置である削除位置を記録し、
前記検出波形中の前記削除位置を削除することにより、前記削除波形を生成する
請求項1から3のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。 The deleted waveform generating unit
a deletion position where a portion of the gas absorption waveform of the measurement target gas is deleted from the detection waveform is recorded;
The laser gas analyzer according to claim 1 , wherein the deleted waveform is generated by deleting the deletion position in the detected waveform.
請求項1から4のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。 The laser gas analyzer according to claim 1 , wherein the coefficient search range of the amplitude is 0.5 times or more and 2.0 times or less of the amplitude estimate value.
請求項2に記載のレーザ式ガス分析計。 The laser gas analyzer according to claim 2 , wherein the frequency coefficient search range is determined based on a frequency resolution when the deleted waveform is subjected to a Fourier transform.
請求項6に記載のレーザ式ガス分析計。 7. The laser gas analyzer according to claim 6, wherein the frequency coefficient search range is equal to or greater than a value obtained by subtracting 100 Hz from the frequency estimate value and equal to or less than a value obtained by adding 100 Hz to the frequency estimate value.
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