JP7753933B2 - Laser Gas Analyzer - Google Patents
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Description
本発明は、測定対象空間内の各種の測定対象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 various target gases in a target space.
レーザ式ガス分析計は、レーザ素子が、気体状のガス分子である測定対象ガスが吸収する光吸収波長のレーザ光を発光し、測定対象ガスにレーザ光を吸収させ、その光吸収波長におけるレーザ光の吸収量に基づいて測定対象ガスの有無を検出する。加えて、レーザ式ガス分析計は、光吸収波長におけるレーザ光の吸収量が測定対象ガスの濃度に比例するため濃度を検出することもできる。なお、測定対象空間に多数存在するガスの中から特定の測定対象ガスのみ選択して分析する必要がある。そこで、測定対象空間中の測定対象ガスおよびその他のガスの光吸収波長のうち、測定対象ガスのみ吸収するがその他のガスが吸収しない光吸収波長が選択される。 In a laser gas analyzer, a laser element emits laser light at an optical absorption wavelength that is absorbed by the target gas (a gas molecule), causing the target gas to absorb the laser light. The presence or absence of the target gas is detected based on the amount of laser light absorbed at that optical absorption wavelength. In addition, a laser gas analyzer can also detect the concentration of the target gas, as the amount of laser light absorbed at that optical absorption wavelength is proportional to the concentration of the target gas. However, it is necessary to select and analyze only a specific target gas from the many gases present in the target space. Therefore, from the optical absorption wavelengths of the target gas and other gases in the target space, an optical absorption wavelength that is absorbed only by the target gas but not by other gases is selected.
この中で微量ガスの計測には波長変調分光法が一般的に用いられており、例えば、特許文献1がある。波長変調分光法では、駆動電流によって波長を掃引し、かつ、特定の周波数で変調したレーザ光を波長可変レーザ光源が出射し、そのレーザ光を光検出器が検出し、検出信号をロックイン検出部にて変調周波数の整数倍でロックイン検出する。そして、測定対象ガスのガス濃度とロックイン検出波形の振幅情報との比例関係等の対応関係に基づき、ガス濃度を演算することができる。 Of these, wavelength modulation spectroscopy is commonly used to measure trace gases, as described in Patent Document 1, for example. In wavelength modulation spectroscopy, the wavelength is swept using a drive current, and a tunable laser light source emits laser light modulated at a specific frequency. This laser light is detected by a photodetector, and the detection signal is locked in at an integer multiple of the modulation frequency by a lock-in detection unit. The gas concentration can then be calculated based on the proportionality or other correspondence between the gas concentration of the gas being measured and the amplitude information of the lock-in detection waveform.
ところで、測定対象ガスのガス濃度に対応した変調周波数の整数倍の検出信号は、理想的には、ガスの吸収のみに由来する信号である。
しかしながら、実際の検出信号には、レーザダイオードの非線形性や信号処理回路の歪によりガス吸収信号とは関係のない、ガス吸収信号と同じ周波数の不要な信号が含まれる。そのため、検出信号のうちガス吸収信号が相対的に小さくなってしまい、ガス吸収信号の分解能の不足、及び、それに伴う計測精度の低下が問題となった。
Incidentally, the detection signal having a frequency that is an integral multiple of the modulation frequency corresponding to the gas concentration of the gas to be measured is ideally a signal derived only from the absorption of the gas.
However, the actual detection signal contains unnecessary signals that are unrelated to the gas absorption signal and have the same frequency as the gas absorption signal due to the nonlinearity of the laser diode and distortion in the signal processing circuit. As a result, the gas absorption signal becomes relatively small within the detection signal, resulting in insufficient resolution of the gas absorption signal and an accompanying decrease in measurement accuracy.
また、近年では、ppm単位の微量な測定対象ガス分析を可能とするニーズが高まっており、益々、ガス吸収信号の分解能の不足を招くことになった。 In addition, in recent years, there has been an increasing need to be able to analyze trace amounts of target gases in the ppm range, which has led to an increasing lack of resolution in the gas absorption signal.
そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、不要成分の影響を低減し、検出信号の分解能、及び計測精度を高めたレーザ式ガス分析計を提供することにある。 The present invention was made to solve the above problems, and its purpose is to provide a laser gas analyzer that reduces the influence of unnecessary components and improves the resolution of the detection signal and measurement accuracy.
本発明の一態様は、測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス分析を行う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の光吸収波長を含む波長帯域のレーザ光を出射するレーザ素子と、前記測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域で波長が繰り返し掃引され、かつ変調されるように生成された駆動電流を前記レーザ素子に供給する変調光生成部と、前記測定対象を通過した前記レーザ光を受光する受光素子と、前記受光素子から出力された検出信号に対し、波長変調された前記レーザ光の変調周波数の整数倍の周波数を抽出するフィルタ部と、前記フィルタ部から出力された検出信号をアナログデジタル変換するAD変換器と、前記AD変換器から出力された減算前の検出信号の一部を用いて前記測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報を算出する波形分析部と、前記フィルタ部から出力された検出信号から、前記不要領域の振幅情報を減算処理する減算回路と、前記減算回路を経て前記AD変換器から出力された減算後の検出信号を、前記変調周波数の整数倍でロックイン検出して得たロックイン検波信号に基づいてガス分析を行う測定部と、を有することを特徴とする。 One aspect of the present invention is a laser gas analyzer that performs gas analysis of a target gas present in a target space, comprising: a laser element that emits laser light in a wavelength band that includes the optical absorption wavelengths of the absorption line spectrum of the target gas; a modulated light generation unit that supplies the laser element with a drive current generated so that the wavelength is repeatedly swept and modulated in the wavelength band that includes the optical absorption wavelengths of the absorption line spectrum of the target gas; a light receiving element that receives the laser light that has passed through the target space; and a detection signal output from the light receiving element that receives a frequency that is an integer multiple of the modulation frequency of the wavelength-modulated laser light. the detection signal output from the filter unit; an AD converter that performs analog-to-digital conversion of the detection signal output from the filter unit; a waveform analysis unit that calculates amplitude information of unnecessary regions that do not include absorption of the measurement target gas using a portion of the detection signal before subtraction output from the AD converter; a subtraction circuit that subtracts the amplitude information of the unnecessary regions from the detection signal output from the filter unit; and a measurement unit that performs gas analysis based on a lock-in detection signal obtained by lock-in detection at an integer multiple of the modulation frequency of the subtracted detection signal output from the AD converter via the subtraction circuit.
本発明の一態様は、前記波形分析部と、前記減算回路の間に、前記不要領域の振幅情報をデジタルアナログ変換するDA変換器を有し、前記減算回路が、デジタルアナログ変換した振幅情報を減算処理する、ことを特徴とする。 One aspect of the present invention is characterized in that a DA converter that performs digital-to-analog conversion of the amplitude information of the unnecessary region is provided between the waveform analysis unit and the subtraction circuit, and the subtraction circuit performs subtraction processing on the converted amplitude information.
本発明の一態様は、測定対象空間に存在する測定対象ガスのガス分析を行う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の光吸収波長を含む波長帯域のレーザ光を出射するレーザ素子と、前記測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域で波長が繰り返し掃引され、かつ変調されるように生成された駆動電流を前記レーザ素子に供給する変調光生成部と、前記測定対象を通過した前記レーザ光を受光する受光素子と、前記受光素子から出力された検出信号に対し、波長変調された前記レーザ光の変調周波数の整数倍の周波数を抽出するフィルタ部と、前記フィルタ部から出力された検出信号をアナログデジタル変換するAD変換器と、前記AD変換器から出力された減算前の検出信号の一部を用いて前記測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報を算出する波形分析部と、前記変調光生成部にて生成された駆動電流から、前記波形分析部により算出された振幅情報を減算処理する減算回路と、前記AD変換器から出力された減算後の検出信号を、前記変調周波数の整数倍でロックイン検出して得たロックイン検波信号に基づいてガス分析を行う測定部と、を有することを特徴とする。 One aspect of the present invention is a laser gas analyzer that performs gas analysis of a target gas present in a target space, comprising: a laser element that emits laser light in a wavelength band that includes the optical absorption wavelengths of the absorption line spectrum of the target gas; a modulated light generation unit that supplies the laser element with a drive current generated so that the wavelength is repeatedly swept and modulated in the wavelength band that includes the optical absorption wavelengths of the absorption line spectrum of the target gas; a light receiving element that receives the laser light that has passed through the target space; and a detection signal output from the light receiving element that receives a frequency that is an integer multiple of the modulation frequency of the wavelength-modulated laser light. the modulation frequency of the detection signal output from the AD converter is calculated based on a lock-in detection signal obtained by lock-in detection of the subtracted detection signal output from the AD converter at an integer multiple of the modulation frequency.
本発明の一態様は、前記減算回路と、前記レーザ素子の間に、前記減算回路により減算処理された駆動電流をデジタルアナログ変換するDA変換器を有し、デジタルアナログ変換された駆動電流が、前記レーザ素子に供給される、ことを特徴とする。 One aspect of the present invention is characterized in that a DA converter is provided between the subtraction circuit and the laser element, which performs digital-to-analog conversion of the drive current subtracted by the subtraction circuit, and the digital-to-analog converted drive current is supplied to the laser element.
本発明によれば、測定対象ガスを、高精度に分析できるレーザ式ガス分析計を提供することができる。 The present invention provides a laser gas analyzer that can analyze the gas to be measured with high precision.
以下、本実施の形態に係るレーザ式ガス分析計について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができる。 The laser gas analyzer according to this embodiment will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to the following embodiment, and can be modified as appropriate within the scope of its gist.
<レーザ式ガス分析計の概要>
図1は、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。図1に示すように、レーザ式ガス分析計1は、発光部10、受光部20、及び通信線40を備えている。
<Outline of laser gas analyzer>
1 is a diagram showing the overall configuration of a laser gas analyzer according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the laser gas analyzer 1 includes a light-emitting unit 10, a light-receiving unit 20, and a communication line 40.
レーザ式ガス分析計1は、測定対象空間に存在する測定対象ガスを分析する。レーザ式ガス分析計1は、発光部10から出射されたレーザ光30が、測定対象ガスの流路を構成する壁50a、50bの内部(測定対象空間)を流通する測定対象ガスに照射される。測定対象ガスを透過したレーザ光30が、受光部20に入射し、検出された光量から特定のガス濃度を求めることができる。また、ガス濃度が0や所定値以下であるならば、ガスが無いことを検出できるものであり、したがって、ガスの有無も検出できる。 The laser gas analyzer 1 analyzes a target gas present in a target space. In the laser gas analyzer 1, laser light 30 emitted from the light-emitting unit 10 is irradiated onto the target gas flowing through the interior (target space) of walls 50a and 50b that form the flow path of the target gas. The laser light 30 passes through the target gas and enters the light-receiving unit 20, and the concentration of a specific gas can be determined from the detected light intensity. Furthermore, if the gas concentration is 0 or below a predetermined value, it can be detected that the gas is absent, and therefore the presence or absence of gas can also be detected.
発光部10及び受光部20は、測定対象ガスの流路を構成する壁50a、50bに着脱可能に取り付けられる。壁50a、50bは、特定のガスが流れる煙道等の壁であり、それぞれに穴が開けられている。フランジ51a、51bは、溶接等によりそれらの穴に固定されている。発光部10及び受光部20に設けられた光軸調整フランジ52a、52bは、これらフランジ51a、51bに対して機械的に着脱可能に取り付けられる。発光部10と受光部20は、壁50a、50bを挟んで、相対する位置に配置されるが、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。 The light-emitting unit 10 and the light-receiving unit 20 are removably attached to walls 50a, 50b that form the flow path of the gas to be measured. Walls 50a, 50b are walls such as flue gases through which a specific gas flows, and each has a hole drilled in it. Flanges 51a, 51b are fixed to these holes by welding or other means. Optical axis adjustment flanges 52a, 52b provided on the light-emitting unit 10 and the light-receiving unit 20 are mechanically and removably attached to these flanges 51a, 51b. The light-emitting unit 10 and the light-receiving unit 20 are positioned opposite each other across the walls 50a, 50b, but their positions can be adjusted using the optical axis adjustment flanges 52a, 52b.
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ことができる。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 optical axis adjustment flange 52a adjusts the emission angle of the laser beam 30, and the optical axis adjustment flange 52b adjusts the incidence angle of the laser beam 30. The optical axis adjustment flanges 52a and 52b ensure that the laser beam 30 emitted from the light-emitting unit 10 is received by the light-receiving unit 20 with the maximum amount of light.
[発光部10]
発光部10について説明する。図1に示すように、発光部10は、変調光生成部11と、レーザ素子12と、コリメートレンズ13と、発光部窓板14と、発光部容器15と、光軸調整フランジ52aと、を備えて構成されている。図1に示すように、変調光生成部11、レーザ素子12及びコリメートレンズ13は、発光部容器15の内部に配置されている。発光部容器15は、内蔵された各部品を外気から隔絶して風雨、塵埃、及び、汚れ等から保護する。
[Light-emitting unit 10]
The light-emitting unit 10 will now be described. As shown in Fig. 1, the light-emitting unit 10 is configured to include a modulated light generating unit 11, a laser element 12, a collimating lens 13, a light-emitting unit window plate 14, a light-emitting unit container 15, and an optical axis adjusting flange 52a. As shown in Fig. 1, the modulated light generating unit 11, the laser element 12, and the collimating lens 13 are disposed inside the light-emitting unit container 15. The light-emitting unit container 15 isolates the built-in components from the outside air to protect them from wind, rain, dust, dirt, and the like.
変調光生成部11は、測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域で波長が繰り返し掃引され、かつ、変調されるように生成された駆動電流を生成する。そして、変調光生成部11は、変調されたレーザ光を発光するための駆動電流をレーザ素子12に供給する。これにより、ガス濃度分析には、測定対象ガスの吸光特性に応じて、波長変調された変調光を照射することができる。 The modulated light generating unit 11 generates a drive current that repeatedly sweeps and modulates the wavelength in a wavelength band that includes the optical absorption wavelength of the absorption line spectrum of the gas being measured. The modulated light generating unit 11 then supplies the drive current to the laser element 12 to emit modulated laser light. This allows gas concentration analysis to be performed by irradiating modulated light that is wavelength-modulated according to the absorption characteristics of the gas being measured.
レーザ素子12は、測定対象ガスが吸収する特定の吸収線スペクトルの中心波長(以下「λ1」と表記する)、及びその周辺の波長で発光する。レーザ素子12は、駆動電流と温度制御により、発光波長を可変制御する。 The laser element 12 emits light at the central wavelength (hereinafter referred to as "λ1") of a specific absorption line spectrum absorbed by the gas being measured, as well as wavelengths around that central wavelength. The laser element 12 variably controls the emission wavelength by controlling the drive current and temperature.
レーザ素子12は、発光中心波長が測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1となるように温度制御される。また、レーザ素子12から発光されるレーザ光30は、変調光生成部11から供給された駆動電流により、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長の周辺の波長を時間的に掃引するように制御され、さらに、波長変調分光法(WMS:Wavelength Modulation Spectroscopy)により高感度に測定できるように、適切な正弦波を重畳して変調されている。波長変調分光法は、2f検出法とも呼ばれる。 The laser element 12 is temperature-controlled so that its central emission wavelength is the central wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas being measured. Furthermore, the laser light 30 emitted from the laser element 12 is controlled by the drive current supplied from the modulated light generating unit 11 to sweep wavelengths around the central wavelength of the absorption line spectrum of the gas being measured over time. Furthermore, the laser light is modulated by superimposing an appropriate sine wave to enable highly sensitive measurements using wavelength modulation spectroscopy (WMS). Wavelength modulation spectroscopy is also known as 2f detection.
使用するレーザ素子12は、特に限定されないが、例えば、DFBレーザダイオード(Distributed Feedback Laser Diode)、或いは、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)、又は、DBRレーザダイオード(Distributed Bragg Reflector Laser Diode)である。 The laser element 12 used is not particularly limited, but may be, for example, a DFB laser diode (Distributed Feedback Laser Diode), a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), or a DBR laser diode (Distributed Bragg Reflector Laser Diode).
コリメートレンズ13は、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1、及びその周辺の波長において透過率が高い材料で構成される。コリメートレンズ13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まで伝送することができる。 The collimating lens 13 is made of a material that has high transmittance at the central wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas being measured and at wavelengths around that wavelength. The collimating lens 13 converts the laser light 30 into approximately parallel light, allowing it to be transmitted to the light receiving unit 20 while minimizing loss due to diffusion.
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、本実施の形態では、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13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 laser element 12 is located near the focal point of the collimating lens 13. The light emitted from the laser element 12 is diffused and enters the collimating lens 13, where it is converted into laser light 30, which is substantially parallel light. Note that, although this embodiment will be described assuming that the collimating lens 13 is used as the parallel light conversion unit, this is not intended to be limiting. For example, a parabolic mirror could also be used as the parallel light conversion unit instead of the collimating lens 13.
略平行光であるレーザ光30は、発光部窓板14を透過し、壁50a、50bの内部、すなわち測定対象ガスを含むガスが存在する空間に伝播する。発光部窓板14は、発光部容器15の一部に穴を開けてそれを塞ぐように備えられている。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、特定の測定対象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、発光部容器15の内部に配置された各部品が直接ガスに触れないことになり、発光部容器15内の各部品が保護される。 The laser light 30, which is a substantially parallel beam, passes through the light-emitting unit window plate 14 and propagates inside the walls 50a and 50b, i.e., into the space where gas containing the target gas is present. The light-emitting unit window plate 14 is provided to cover a hole drilled in part of the light-emitting unit container 15. The light-emitting unit window plate 14 is located in the optical path of the laser light 30, and while allowing the laser light 30 to pass through, it prevents gas containing the specific target gas from entering the light-emitting unit 10. This prevents the components placed inside the light-emitting unit container 15 from coming into direct contact with the gas, protecting the components inside the light-emitting unit container 15.
[受光部20]
受光部20について説明する。受光部20は、受光信号処理部21と、受光素子22と、集光レンズ23と、受光部窓板24と、受光部容器25と、を備えて構成されている。受光部容器25は、内部に受光素子22、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。
[Light receiving section 20]
The light receiving unit 20 will now be described. The light receiving unit 20 is configured to include a light receiving signal processing unit 21, a light receiving element 22, a condenser lens 23, a light receiving unit window plate 24, and a light receiving unit container 25. The light receiving unit container 25 houses the light receiving element 22, optical components, and electrical and electronic circuits, and isolates them from the outside air to protect them from wind, rain, dust, dirt, and the like.
受光部20は、受光部窓板24を透過したレーザ光30を受光し、測定対象ガスの吸光特性により吸収された光について分析する。受光部窓板24は、受光部容器25の一部に穴を開けてそれを塞ぐように備えられている。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、特定の測定対象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、受光部20内に配置された各部品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、集光レンズ23により集光されて、受光素子22に入射する。なお、本実施の形態では、集光レンズ23を用いているが、集光レンズ23に代えて、放物面鏡や、ダブレットレンズ、或いは回折レンズなどを採用することもできる。 The light-receiving unit 20 receives the laser light 30 that has passed through the light-receiving unit window plate 24 and analyzes the light absorbed due to the absorption characteristics of the target gas. The light-receiving unit window plate 24 is provided to cover a hole drilled in part of the light-receiving unit container 25. The light-receiving unit window plate 24 is located in the optical path of the laser light 30, allowing the laser light 30 to pass through while preventing gas, including the specific target gas, from entering the interior of the light-receiving unit 20. This prevents the components arranged within the light-receiving unit 20 from coming into direct contact with the gas, protecting the interior. The laser light 30 is focused by the focusing lens 23 and enters the light-receiving element 22. Note that while the focusing lens 23 is used in this embodiment, a parabolic mirror, doublet lens, or diffractive lens may also be used instead of the focusing lens 23.
受光素子22は、測定対象ガスを通過したレーザ光30を受光する。測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ、及びその周辺波長において、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からの受光信号は、受光信号処理部21に電気信号として送られる。 The light-receiving element 22 receives the laser light 30 that has passed through the gas to be measured. A light-receiving element that is sensitive to the central wavelength λ of the absorption line spectrum of the gas to be measured and its surrounding wavelengths can be selected. The received light signal from the light-receiving element 22 is sent as an electrical signal to the received light signal processing unit 21.
集光レンズ23は、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1、及びその周辺の波長において、透過率が高い材料で構成する。集光レンズ23により、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 lens 23 is made of a material that has high transmittance at the central wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas being measured and at wavelengths around that wavelength. The focusing lens 23 focuses the laser light 30 onto the light-receiving element 22, thereby obtaining a high signal intensity.
受光信号処理部21は、受光素子22で受光した電気信号を処理して、ガス濃度を算出する。波長変調されたレーザ光30の変調周波数の高調波をロックイン検出し、その検出波形の振幅情報を算出し、高感度なガス検出が可能となっている。 The light-receiving signal processing unit 21 processes the electrical signal received by the light-receiving element 22 to calculate the gas concentration. It performs lock-in detection of the harmonics of the modulation frequency of the wavelength-modulated laser light 30 and calculates amplitude information of the detected waveform, enabling highly sensitive gas detection.
図1に示すように、通信線40は、発光部10と受光部20と接続して、構成されている。発光部10と受光部20間で電気信号により通信する。また、通信線に代えて無線や光通信のような通信部を採用しても良い。 As shown in FIG. 1, the communication line 40 is configured to connect the light-emitting unit 10 and the light-receiving unit 20. Communication is performed between the light-emitting unit 10 and the light-receiving unit 20 using electrical signals. Alternatively, a communication unit such as a wireless or optical communication unit may be used instead of the communication line.
<第1の実施の形態のレーザ式ガス分析計を構成するブロックの説明>
以下、図2を参照して、第1の実施形態に係るレーザ式ガス分析計について説明する。
<Description of Blocks Constituting the Laser Gas Analyzer of the First Embodiment>
Hereinafter, the laser gas analyzer according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
図2は、第1の実施形態に係るレーザ式ガス分析計1の信号処理ブロック図である。なお、図2のブロック図では、図1に示すレーザ式ガス分析計1の発光部10及び受光部20のうち、特に、変調光生成部11及び受光信号処理部21を詳しく説明するが、図2に示されていなくても、レーザ式ガス分析計1が通常備える構成については備えているものとする。 Figure 2 is a signal processing block diagram of the laser gas analyzer 1 according to the first embodiment. The block diagram of Figure 2 provides a detailed explanation of the light-emitting unit 10 and light-receiving unit 20 of the laser gas analyzer 1 shown in Figure 1, particularly the modulated light generating unit 11 and the light-receiving signal processing unit 21. However, even if not shown in Figure 2, it is assumed that the laser gas analyzer 1 also includes components that are normally included.
図2に示すように、発光部10は、変調光生成部11、レーザ素子12、及びレーザ素子温度制御回路112を備えて構成されている。変調光生成部11は、波長掃引・変調電流設定部113、及びDA変換器114を備えて構成されている。 As shown in FIG. 2, the light-emitting unit 10 is configured to include a modulated light generating unit 11, a laser element 12, and a laser element temperature control circuit 112. The modulated light generating unit 11 is configured to include a wavelength sweep/modulation current setting unit 113 and a DA converter 114.
波長掃引・変調電流設定部113は、レーザ素子12の発光するレーザ光30の波長が測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1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、レーザ素子の駆動電流を制御する。また、波長掃引・変調電流設定部113は、受光部20の制御部160の指令に基づいて、波長掃引・変調電流設定部113の駆動方法が選択される。例えば、駆動電流は、オンとオフが繰り返され、これにより、レーザ光30は、点灯と消灯を繰り返すよう制御される。このとき、所定の点灯タイミングにおいて、繰り返し波長が掃引される。この際、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ことが好ましい。 The wavelength sweep/modulation current setting unit 113 controls the drive current of the laser element 12 so that the wavelength of the laser light 30 emitted by the laser element 12 is swept near the absorption line of the central wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas being measured, and so that it is modulated with a predetermined signal. The wavelength sweep/modulation current setting unit 113 also selects its drive method based on commands from the control unit 160 of the light receiving unit 20. For example, the drive current is repeatedly turned on and off, thereby controlling the laser light 30 to repeatedly turn on and off. At this time, the wavelength is repeatedly swept at a predetermined lighting timing. In this case, it is preferable to set the sinusoidal modulation frequency higher than the wavelength sweep frequency.
DA変換器114は、デジタル信号をアナログ信号に変換する。よって、DA変換器114は、波長掃引・変調電流設定部113から送られた駆動電流をDA変換し、レーザ素子12に送る。 The DA converter 114 converts digital signals into analog signals. Therefore, the DA converter 114 converts the drive current sent from the wavelength sweep/modulation current setting unit 113 into an analog signal and sends it to the laser element 12.
レーザ素子温度制御回路112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ため、周囲温度の変化によって出力や波長が変動しないように、レーザ素子温度制御回路112によって一定の温度に制御する。また、レーザ素子温度制御回路112は、受光部の制御部160の指令に基づいて、制御されている。 The laser element temperature control circuit 112 controls and stabilizes the output and wavelength of the laser element 12 at constant levels. Because the output and wavelength of the laser element 12 fluctuate with temperature, the laser element temperature control circuit 112 controls the temperature to a constant level so that the output and wavelength do not fluctuate with changes in the ambient temperature. The laser element temperature control circuit 112 is also controlled based on commands from the light receiving unit control unit 160.
レーザ素子12は、掃引された駆動電流によって、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1の吸収線全体をよぎるように波長が掃引・変調されたレーザ光30を出射する。レーザ光30は、駆動電流に正弦波を重畳して変調されている。 The laser element 12 emits laser light 30 whose wavelength is swept and modulated by the swept drive current so that it crosses the entire absorption line of the central wavelength λ1 in the absorption line spectrum of the gas being measured. The laser light 30 is modulated by superimposing a sine wave on the drive current.
図2に示す、受光素子22に入射されるレーザ光30は、測定対象ガスによって一部吸収されるが、測定対象ガスによって吸収されなかった残りの光、すなわち透過光で構成される。 As shown in Figure 2, the laser light 30 incident on the light receiving element 22 is partially absorbed by the gas being measured, but consists of the remaining light that is not absorbed by the gas being measured, i.e., transmitted light.
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、受光素子22には、例えば、フォトダイオードなど、レーザ光30の波長や信号強度により適宜、選ぶことができる。このとき、受光素子22は、ガスの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。これら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。 The light-receiving element 22 is an element sensitive to the wavelength of the laser light 30, and can be selected as appropriate based on the wavelength and signal strength of the laser light 30, such as a photodiode. In this case, the light-receiving element 22 may also receive light emitted from a space containing gas. Furthermore, if the light-receiving element 22 is a photodiode, dark current will be generated. The sweep repetition period is selected to be short so that fluctuations in the light-receiving signal due to these factors are sufficiently longer than the period for repeating the sweep of the laser light 30.
図2に示すように、受光信号処理部21は、IV変換回路122、ハイパスフィルタ123、第1の増幅回路124、バンドパスフィルタ125、減算回路126、第2の増幅回路127、AD変換器128、測定部130、波形分析部135、DA変換器150、及び制御部160を備える。測定部130は、ロックイン検出部131、ロックイン検波信号からガス濃度に応じた信号を算出するためのピーク・ボトム演算部133、及び、ガス濃度演算補正部134を備える。 As shown in FIG. 2, the received light signal processing unit 21 includes an IV conversion circuit 122, a high-pass filter 123, a first amplifier circuit 124, a band-pass filter 125, a subtraction circuit 126, a second amplifier circuit 127, an AD converter 128, a measurement unit 130, a waveform analysis unit 135, a DA converter 150, and a control unit 160. The measurement unit 130 includes a lock-in detection unit 131, a peak/bottom calculation unit 133 for calculating a signal corresponding to the gas concentration from the lock-in detection signal, and a gas concentration calculation correction unit 134.
IV変換回路122は、受光素子22からの電流信号を電圧信号に変換する回路である。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を選ぶことができる。ここでは、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、信号が飽和しない程度に、適宜、図示しない増幅回路により増幅を行っても良い。 The IV conversion circuit 122 is a circuit that converts the current signal from the light receiving element 22 into a voltage signal. For example, if the light receiving element 22 is a photodiode, a transimpedance amplifier can be selected that converts the current from the photodiode into a voltage while amplifying it. Here, under conditions where the laser light 30 is least attenuated, i.e., conditions where there is no dust or the like on the optical path, amplification may be performed using an amplifier circuit (not shown) as appropriate to the extent that the signal does not saturate.
ハイパスフィルタ123は、IV変換回路122からの検出信号に含まれる直流成分を除去する。IV変換回路122からの検出信号には、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、例えば、受光素子22がフォトダイオードであれば、フォトダイオードに発生する暗電流にも起因する。これらの直流成分は、変動するとしてもその時定数がレーザ光30の掃引を繰り返す周期よりは十分長い。つまり、低周波であるために、ハイパスフィルタ123によって、直流成分が除去され、基準電圧0Vをまたぐ波形となる。 The high-pass filter 123 removes the DC component contained in the detection signal from the IV conversion circuit 122. The detection signal from the IV conversion circuit 122 generally contains a DC component. The DC component is caused, for example, by light emitted from a space where gas is present. Furthermore, if the light-receiving element 22 is a photodiode, it can also be caused by dark current generated in the photodiode. Even if these DC components fluctuate, their time constant is sufficiently longer than the period of repeated sweeps of the laser light 30. In other words, because they are low frequency, the DC component is removed by the high-pass filter 123, resulting in a waveform that crosses the reference voltage of 0V.
レーザ光30の点灯及び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・変調信号の周波数は、ハイパスフィルタ123の通過帯域となるように、ハイパスフィルタ123のカットオフ周波数を選ぶ。その結果、レーザ光30の点灯・消灯及びレーザ光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-pass filter 123 is selected so that the repetition frequency (the inverse of the repetition period) of the laser light 30 and the frequency of the wavelength sweep and modulation signal of the laser light 30 are within the passband of the high-pass filter 123. As a result, the on/off of the laser light 30 and the wavelength sweep and modulation signal of the laser light 30 pass through with almost no change.
IV変換回路122の直後にハイパスフィルタ123を設ける意義は、後述の第1の増幅回路124で直流信号まで増幅すると、測定条件が悪い場合、例えば、ガスが存在する空間から放射される光が強く、暗電流が大きく、レーザ光30の透過率が低い場合に、測定に有効となるガスによる吸収信号が相対的に小さくなり、検出感度が低下するためである。このような事態を防ぐために、IV変換回路122の直後にハイパスフィルタ123を設けて直流成分を予め除去する。 The reason for providing a high-pass filter 123 immediately after the IV conversion circuit 122 is that if the signal is amplified to a DC signal by the first amplifier circuit 124 (described below), under poor measurement conditions (for example, when the light emitted from the space containing the gas is strong, the dark current is large, and the transmittance of the laser light 30 is low), the absorption signal due to the gas that is effective for measurement will become relatively small, reducing detection sensitivity. To prevent this from happening, the high-pass filter 123 is provided immediately after the IV conversion circuit 122 to remove the DC component in advance.
ハイパスフィルタ123からの信号波は、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。この波長掃引・変調信号波の散乱・減衰による信号変動は、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123を通過する。 The signal wave from the high-pass filter 123 mainly includes a signal for turning on and off the laser light 30 and a wavelength sweep and modulation signal for the laser light 30. Of these, the wavelength sweep and modulation signal wave when the laser light 30 is turned on fluctuates because the laser light 30 is scattered and attenuated due to, for example, fluctuations in the amount of dust coexisting in the space where gas is present. This signal fluctuation due to scattering and attenuation of the wavelength sweep and modulation signal wave is not wavelength-dependent within the wavelength sweep and modulation range of the laser light 30, and passes through the high-pass filter 123.
第1の増幅回路124は、ハイパスフィルタ123を通過した検出信号を飽和させることなく適当な増幅率で増幅する。 The first amplifier circuit 124 amplifies the detection signal that has passed through the high-pass filter 123 at an appropriate amplification rate without saturating it.
バンドパスフィルタ125は、受光素子22から出力された検出信号に対し、波長変調されたレーザ光30の変調周波数の整数倍の周波数を抽出するフィルタ部を構成する。バンドパスフィルタ125では、例えば、変調周波数の2倍の周波数信号(以下、「2f信号」と表記する)を抽出する。 The bandpass filter 125 constitutes a filter section that extracts frequencies that are integer multiples of the modulation frequency of the wavelength-modulated laser light 30 from the detection signal output from the light-receiving element 22. The bandpass filter 125 extracts, for example, a frequency signal that is twice the modulation frequency (hereinafter referred to as the "2f signal").
波長変調法ではガスの吸収信号として変調信号の整数倍の信号を元にガス濃度を検出する。上記のように、例えば、2f信号を用いるが、この信号はレーザ光30の波長掃引・変調信号に比べ非常に小さい。これにより、バンドパスフィルタ125から2f信号を抽出し、増幅回路により信号を飽和させることなく適当な増幅率で増幅でき、デジタル信号への変換後、精度よくガス濃度の検出に用いることができる。 In the wavelength modulation method, gas concentration is detected based on a signal that is an integer multiple of the modulation signal as the gas absorption signal. As described above, for example, a 2f signal is used, but this signal is much smaller than the wavelength sweep/modulation signal of the laser light 30. This allows the 2f signal to be extracted from the bandpass filter 125 and amplified by an amplifier circuit at an appropriate amplification rate without saturating the signal. After conversion to a digital signal, it can be used to accurately detect gas concentration.
第2の増幅回路127は、バンドパスフィルタ125により出力された検出信号を飽和させることなく適当な増幅率で増幅する。後述するように、本実施の形態では、減算回路126により、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号から不要成分を除去するが、不要成分の除去前は、不要成分の信号強度が大きいため、レンジオーバとならないように増幅率を低く設定する処理をする。不要成分を除去した後は、できるだけガスの吸収信号を大きい状態にしてAD変換器128へ信号を送るため、増幅率を高く設定する処理をする。増幅処理の制御は、制御部160によって制御されている。 The second amplifier circuit 127 amplifies the detection signal output by the bandpass filter 125 at an appropriate amplification factor without saturating it. As will be described later, in this embodiment, the subtraction circuit 126 removes unnecessary components from the detection signal output by the bandpass filter 125. However, before the unnecessary components are removed, the signal strength of the unnecessary components is high, so the amplification factor is set low to prevent range over. After the unnecessary components are removed, the amplification factor is set high to make the gas absorption signal as strong as possible and send it to the AD converter 128. The amplification process is controlled by the control unit 160.
AD変換器128は、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号をAD変換する。AD変換器128では、第2の増幅回路127から送られたアナログ信号をデジタル信号に変換する。図2に示すように、AD変換器128からロックイン検出部131と、AD変換器128から波形分析部135との二手に分岐しており、該デジタル信号は、ロックイン検出部131、又は波形分析部135に送られる。AD変換器128は、変調成分が十分検出可能なように適宜、サンプリング速度の素子を選定する。例えば、レーザの変調成分が50kHzの場合、2f検波法ではその2倍の100kHzの周波数成分を検出する。そのため、これらの周波数成分が十分検出可能なように、例えば、1MHz以上のサンプリング速度を持つAD変換素子を選定する。 The AD converter 128 performs AD conversion on the detection signal output from the bandpass filter 125. The AD converter 128 converts the analog signal sent from the second amplifier circuit 127 into a digital signal. As shown in FIG. 2, the signal branches from the AD converter 128 to the lock-in detection unit 131 and the waveform analysis unit 135, and the digital signal is sent to either the lock-in detection unit 131 or the waveform analysis unit 135. The AD converter 128 selects an element with an appropriate sampling speed so that the modulation component can be sufficiently detected. For example, if the laser modulation component is 50 kHz, the 2f detection method detects a frequency component of 100 kHz, twice that frequency. Therefore, an AD conversion element with a sampling speed of, for example, 1 MHz or higher is selected so that these frequency components can be sufficiently detected.
波形分析部135は、AD変換器128から出力された検出信号の一部を用いて測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報(不要成分)を算出する。算出した振幅情報に応じた2f信号と同期した位相及び周波数の信号を、DA変換器150に送る。 The waveform analysis unit 135 calculates amplitude information (unnecessary components) of the unnecessary region that does not contain absorption by the measurement target gas using a portion of the detection signal output from the AD converter 128. A signal with a phase and frequency synchronized with the 2f signal corresponding to the calculated amplitude information is sent to the DA converter 150.
DA変換器150は、波形分析部135と、減算回路126の間に設けられており、波形分析部135から出力された信号をDA変換する。これにより、波形分析部135により算出された不要領域の振幅情報をデジタルアナログ変換し、減算回路126に送る。 The DA converter 150 is located between the waveform analysis unit 135 and the subtraction circuit 126 and performs DA conversion on the signal output from the waveform analysis unit 135. This converts the amplitude information of the unnecessary region calculated by the waveform analysis unit 135 from digital to analog and sends it to the subtraction circuit 126.
減算回路126は、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号から、波形分析部135により算出された不要領域の振幅情報を減算処理する。このように、波形分析部135の算出結果を元に、測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報に相当する信号が除去され、不要成分の信号強度を、ガス吸収信号以下のレベルまで小さくできる。 The subtraction circuit 126 subtracts the amplitude information of the unnecessary region calculated by the waveform analysis unit 135 from the detection signal output from the bandpass filter 125. In this way, based on the calculation results of the waveform analysis unit 135, signals corresponding to the amplitude information of the unnecessary region that does not include absorption of the gas to be measured are removed, and the signal intensity of the unnecessary components can be reduced to a level below the gas absorption signal.
ロックイン検出部131は、第2の増幅回路127からの信号に含まれる波長掃引・変調電流設定部113における変調周波数を基準として、2倍の周波数で位相検波(ロックイン検出)を行う。 The lock-in detection unit 131 performs phase detection (lock-in detection) at twice the frequency based on the modulation frequency in the wavelength sweep/modulation current setting unit 113 contained in the signal from the second amplifier circuit 127.
ピーク・ボトム演算部133は、ロックイン検波信号からガス濃度に応じた信号を算出するためのピーク・ボトムを演算する。ガス濃度演算補正部134は、ロックイン検出部131、ピーク・ボトム演算部133で処理された信号からガス濃度の検出、演算、及び補正処理を行う。ガス濃度演算補正部134による処理は、制御部160において制御される。 The peak/bottom calculation unit 133 calculates peaks and bottoms from the lock-in detection signal to calculate a signal corresponding to the gas concentration. The gas concentration calculation correction unit 134 detects, calculates, and corrects the gas concentration from the signals processed by the lock-in detection unit 131 and peak/bottom calculation unit 133. The processing by the gas concentration calculation correction unit 134 is controlled by the control unit 160.
制御部160は、測定対象ガスの情報に基づいて、波長掃引・変調電流設定部113、レーザ素子温度制御回路112、第2の増幅回路127、波形分析部135、ロックイン検出部131、及びガス濃度演算補正部134を制御する。 The control unit 160 controls the wavelength sweep/modulation current setting unit 113, the laser element temperature control circuit 112, the second amplifier circuit 127, the waveform analysis unit 135, the lock-in detection unit 131, and the gas concentration calculation correction unit 134 based on information about the gas to be measured.
<ガス分析の演算処理について>
図3(a)は、駆動電流a1の波形概念図であり、図3(b)は、ロックイン検波信号b1の波形概念図である。図3(a)に示す駆動電流a1は、変調光生成部11にて、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1を含む波長帯域で波長が繰り返し掃引され、かつ、変調されるように生成される。図3(b)は、図2におけるロックイン検出部131の検波後の波形に相当する。
<Gas analysis calculation processing>
3A is a conceptual diagram of the waveform of the drive current a1, and FIG. 3B is a conceptual diagram of the waveform of the lock-in detection signal b1. The drive current a1 shown in FIG. 3A is generated by the modulated light generating unit 11 so that the wavelength is repeatedly swept and modulated in a wavelength band including the center wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the measurement target gas. FIG. 3B corresponds to the waveform after detection by the lock-in detection unit 131 in FIG. 2.
図4は、図3(b)に示すロックイン検波信号b1の拡大図である。図3(b)及び図4に示すように、ロックイン検波信号b1は、測定対象ガス成分の吸収線に基づき極値をもつ波形となることが望ましい。 Figure 4 is an enlarged view of the lock-in detection signal b1 shown in Figure 3(b). As shown in Figures 3(b) and 4, it is desirable that the lock-in detection signal b1 has a waveform with an extremum based on the absorption line of the gas component being measured.
図4に示すロックイン検波信号b1の信号強度のボトム-ピーク間の差分Dは、ガス濃度と相関がある。したがって、予め各濃度に設定した標準ガスにより校正を行っておくことで、差分Dを検出してガス濃度を測定することが出来る。 The difference D between the bottom and peak of the signal intensity of the lock-in detection signal b1 shown in Figure 4 correlates with the gas concentration. Therefore, by calibrating in advance using standard gases set to each concentration, it is possible to detect the difference D and measure the gas concentration.
<従来技術における問題点について>
ところで、測定対象ガスのガス分析において、理想的には、測定対象ガスのガス濃度に対応した変調周波数の整数倍の検出信号(2f信号)は、測定対象ガスの吸収のみに由来する信号である。しかしながら、実際には、レーザダイオードの非線形性や信号処理回路の歪によりガス吸収信号とは関係のない、ガス吸収信号と同じ周波数の不要な2f信号(不要成分)が含まれる。この不要成分がガス吸収信号よりも大きいと、不要成分が飽和しない程度に増幅回路の増幅率を決定することになり、相対的にガス吸収信号が小さくなる。
<Problems with conventional technology>
In gas analysis of a measurement target gas, ideally, the detection signal (2f signal) at an integer multiple of the modulation frequency corresponding to the gas concentration of the measurement target gas is a signal derived solely from the absorption of the measurement target gas. However, in reality, due to the nonlinearity of the laser diode and distortion in the signal processing circuit, an unnecessary 2f signal (unwanted component) of the same frequency as the gas absorption signal that is unrelated to the gas absorption signal is included. If this unnecessary component is larger than the gas absorption signal, the amplification factor of the amplifier circuit is determined so that the unnecessary component is not saturated, and the gas absorption signal becomes relatively small.
図5は、従来のレーザ式ガス分析計におけるアナログデジタル変換前の検出信号の波形図であり、図5(a)は、ガス吸収が無い場合の検出信号であり、図5(b)は、図5(a)の一部を拡大した概念図である。従来のレーザ式ガス分析計には、図2に示す本実施の形態の構成と異なって、減算回路126及び波形分析部135は存在せず、図2に示すバンドパスフィルタ125からの検出信号は、AD変換器128を通って、ロックイン検出部131に直接送られる。 Figure 5 shows the waveform of the detection signal before analog-to-digital conversion in a conventional laser gas analyzer. Figure 5(a) shows the detection signal when there is no gas absorption, and Figure 5(b) is a conceptual diagram of an enlarged portion of Figure 5(a). Unlike the configuration of this embodiment shown in Figure 2, conventional laser gas analyzers do not include the subtraction circuit 126 and waveform analysis unit 135, and the detection signal from the bandpass filter 125 shown in Figure 2 is sent directly to the lock-in detection unit 131 via the AD converter 128.
レーザ光30にガス吸収がない場合、理想的には、バンドパスフィルタ125からの検出信号(2f信号)が発生しないため、信号強度は0である。しかしながら、実際には、図5(a)、図5(b)のように、ガス吸収信号とは関係のない不要な2f信号が存在する。 If there is no gas absorption in the laser light 30, ideally no detection signal (2f signal) is generated from the bandpass filter 125, and the signal intensity is 0. However, in reality, as shown in Figures 5(a) and 5(b), there is an unnecessary 2f signal that is unrelated to the gas absorption signal.
図5(c)は、レーザ光30にガス吸収がある場合の従来の検出信号の波形図である。図5(c)のうち(I)の領域は、レーザ光30が測定対象ガスを吸収した領域の信号である。一方、図5(c)の(II)の領域は、ガス吸収を含まない不要領域の信号である。この不要領域の信号よりもガスの吸収信号が小さいと、図5(c)のような検出信号の波形図となり、AD変換器128に入力する前の第2の増幅回路127での増幅率は、不要領域の信号が飽和しない程度に設定されることになる。このため、ガス吸収信号に対して十分な増幅ができない。 Figure 5(c) is a waveform diagram of a conventional detection signal when gas absorption occurs in the laser light 30. Region (I) in Figure 5(c) is the signal in the region where the laser light 30 absorbs the gas to be measured. On the other hand, region (II) in Figure 5(c) is the signal in the unwanted region that does not include gas absorption. If the gas absorption signal is smaller than the signal in this unwanted region, the detection signal waveform will be as shown in Figure 5(c), and the amplification factor in the second amplifier circuit 127 before input to the AD converter 128 will be set to a level that does not saturate the signal in the unwanted region. As a result, the gas absorption signal cannot be sufficiently amplified.
図6は、従来におけるロックイン検出後のロックイン検波信号である。図6で示すようにロックイン検波信号では、ガス吸収を含む(III)の領域において、信号強度の差分Dが相対的に小さくなる。そのため、ガス吸収信号に対して十分な分解能が得られず計測精度が低下する問題があった。 Figure 6 shows the lock-in detection signal after conventional lock-in detection. As shown in Figure 6, in the lock-in detection signal, the difference D in signal intensity becomes relatively small in the region (III) that includes gas absorption. As a result, there is a problem in that sufficient resolution cannot be obtained for the gas absorption signal, resulting in reduced measurement accuracy.
そこで、本実施の形態では、図2に示すように、波形分析部135及び減算回路126を、バンドパスフィルタ125の後部に組み込み、波形分析部135では、ガス吸収が無い不要領域の振幅情報を算出し、この不要領域の振幅情報を、減算回路126にて、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号から減算する。これにより、不要領域の振幅情報が、ガス吸収信号以下のレベルまで小さくなるように制御した。この処理によって、測定対象ガスのガス分析を、高精度に測定できる。 In this embodiment, as shown in FIG. 2, the waveform analysis unit 135 and subtraction circuit 126 are incorporated after the bandpass filter 125, and the waveform analysis unit 135 calculates amplitude information for the unnecessary region where there is no gas absorption. The subtraction circuit 126 subtracts this amplitude information for the unnecessary region from the detection signal output from the bandpass filter 125. This controls the amplitude information for the unnecessary region to be reduced to a level below the gas absorption signal. This process enables highly accurate gas analysis of the gas to be measured.
<本実施の形態における減算処理について>
本実施の形態においては、図2に示すように、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号は減算処理されることなく減算回路126を通過すると、AD変換器128にてアナログデジタル変換された後、波形分析部135に送られる。
<Subtraction Processing in the Present Embodiment>
In this embodiment, as shown in FIG. 2, the detection signal output from the band-pass filter 125 passes through the subtraction circuit 126 without being subjected to subtraction processing, and is then converted from analog to digital by the AD converter 128 before being sent to the waveform analysis unit 135.
このとき減算前のバンドパスフィルタ125からの検出信号の波形図は、ガス吸収がある場合、例えば、図5(c)と同様である。上記したように、図5(c)のうち(I)の領域はガス吸収を含む領域の信号であり、(II)の領域はガス吸収を含まない不要領域の信号である。波形分析部135では、図5(c)のうち、(II)の不要領域の振幅情報を算出し、それに応じた2f信号と同期した位相及び周波数の信号をDA変換器150から出力する。そして、図2に示す減算回路126では、バンドパスフィルタ125の信号から、DA変換器150の信号を減算することで、図5(c)の(II)の不要領域の振幅情報を除去することができる。 At this time, if gas absorption is present, the waveform diagram of the detection signal from the bandpass filter 125 before subtraction will be similar to, for example, Figure 5(c). As described above, region (I) in Figure 5(c) is a signal in the region including gas absorption, and region (II) is a signal in the unnecessary region not including gas absorption. The waveform analysis unit 135 calculates amplitude information for the unnecessary region (II) in Figure 5(c), and outputs a signal with a corresponding phase and frequency synchronized with the 2f signal from the DA converter 150. Then, the subtraction circuit 126 shown in Figure 2 subtracts the signal from the DA converter 150 from the signal from the bandpass filter 125, thereby removing the amplitude information for the unnecessary region (II) in Figure 5(c).
図7は、本実施の形態に係るレーザ式ガス分析計におけるアナログデジタル変換前の検出信号の波形図であり、図7(a)は、ガス吸収がない場合の減算後の検出信号であり、図7(b)は、ガス吸収がある場合の減算後の検出信号である。 Figure 7 shows waveform diagrams of the detection signal before analog-to-digital conversion in a laser gas analyzer according to this embodiment. Figure 7(a) shows the detection signal after subtraction when there is no gas absorption, and Figure 7(b) shows the detection signal after subtraction when there is gas absorption.
図7(a)に示すように、バンドパスフィルタ125の信号から、不要成分が除去されたことにより、ガス吸収がない場合では、AD変換前の信号強度は、十分小さくなり、ほぼ0である。 As shown in Figure 7(a), by removing unnecessary components from the signal of the bandpass filter 125, in the absence of gas absorption, the signal strength before AD conversion is sufficiently small, almost zero.
一方、図7(b)は、ガス吸収がある場合の信号強度であるが、不要成分を減算処理したため、ガスの吸収信号が飽和しない程度に十分増幅でき、図5(c)と比べて明らかなように、極値を有する検出信号を得ることができる。 On the other hand, Figure 7(b) shows the signal intensity when gas absorption is present. However, because unnecessary components have been subtracted, the gas absorption signal can be amplified sufficiently to avoid saturation, and as is clear from comparison with Figure 5(c), a detection signal with an extreme value can be obtained.
図8は、図7(b)の減算後の検出信号をロックイン検出して得たロックイン検波信号である。本実施の形態において得られたロックイン検波信号は、図6の従来例と比べて、信号強度に大きな差分Dを得ることができる。このように大きな差分Dを得られることにより、ガス吸収信号に対して高い分解能を得ることができ、ガス分析精度を向上させることができる。 Figure 8 shows a lock-in detection signal obtained by lock-in detection of the subtracted detection signal in Figure 7(b). The lock-in detection signal obtained in this embodiment has a large difference D in signal strength compared to the conventional example in Figure 6. Obtaining such a large difference D makes it possible to obtain high resolution for the gas absorption signal and improve the accuracy of gas analysis.
<不要成分について>
図5(c)の(II)に示すガス吸収を含まない不要領域の振幅情報(不要成分)について説明する。
<About unnecessary ingredients>
The amplitude information (unnecessary components) of the unnecessary region not containing gas absorption shown in (II) of FIG. 5(c) will be described.
本実施の形態において、ガス分析を行う前、例えば、出荷前の工場での調整において、測定対象となるガス(標準ガス)を用いて、レーザ掃引区間のおおよそ中心位置にガスの吸収波形が発生するように、波長掃引・変調電流設定部113でのレーザ駆動電流やレーザ素子温度制御回路112の設定値を調整する。これにより、掃引区間内(所定の掃引時間内)でガス吸収波形が存在する領域(時間領域)とガス吸収波形が存在しない領域を制御部160に記憶する。例えば、ロックイン検出部131からガス濃度演算補正部134に至る出力結果に基づき、波長掃引・変調電流設定と温度制御を行うため、ロックイン検出部131及びガス濃度演算補正部134からの情報を制御部160に集約し、制御部160から波形分析部135へ、不要成分の情報を送信することができる。 In this embodiment, prior to gas analysis, for example, during factory adjustment prior to shipping, the laser drive current in the wavelength sweep/modulation current setting unit 113 and the setting values of the laser element temperature control circuit 112 are adjusted using the gas to be measured (standard gas) so that the gas absorption waveform is generated approximately at the center of the laser sweep interval. This allows the control unit 160 to store the regions (time regions) within the sweep interval (within a specified sweep time) where the gas absorption waveform exists and the regions where the gas absorption waveform does not exist. For example, to perform wavelength sweep/modulation current setting and temperature control based on the output results from the lock-in detection unit 131 to the gas concentration calculation correction unit 134, information from the lock-in detection unit 131 and the gas concentration calculation correction unit 134 can be collected in the control unit 160, and information on unwanted components can be sent from the control unit 160 to the waveform analysis unit 135.
<第1の実施の形態のレーザ式ガス分析計を用いたフローチャートの説明>
図9は、第1の実施の形態のレーザ式ガス分析計を用いたフローチャートである。図9のステップS01に示すように、変調光生成部11では、駆動電流を生成する。変調光生成部11では、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1を含む波長帯域で波長が繰り返し掃引され、かつ、変調されるように生成された駆動電流をレーザ素子12に供給する。変調光生成部11を構成する波長掃引・変調電流設定部113では、制御部160の指令に基づいて、波長掃引・変調電流設定部113、レーザ素子温度制御回路112の駆動方法が選択される。駆動電流の一例を図3(a)に示す。
<Explanation of Flowchart Using Laser Gas Analyzer of First Embodiment>
FIG. 9 is a flowchart using the laser gas analyzer of the first embodiment. As shown in step S01 of FIG. 9, the modulated light generating unit 11 generates a drive current. The modulated light generating unit 11 supplies the generated drive current to the laser element 12 so that the wavelength is repeatedly swept and modulated in a wavelength band including the center wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas to be measured. The wavelength sweep/modulation current setting unit 113 constituting the modulated light generating unit 11 selects a drive method for the wavelength sweep/modulation current setting unit 113 and the laser element temperature control circuit 112 based on a command from the control unit 160. An example of the drive current is shown in FIG. 3(a).
図2に示すDA変換器114では、波長掃引・変調電流設定部113から送られたデジタル信号をアナログ信号に変換し、レーザ素子12に送る。 The DA converter 114 shown in Figure 2 converts the digital signal sent from the wavelength sweep/modulation current setting unit 113 into an analog signal and sends it to the laser element 12.
次に、図9のステップS02、及びステップS03に示すように、レーザ素子12から、測定対象ガスの吸収線スペクトルの中心波長λ1を含む波長帯域のレーザ光30を出射し、ガスを含む測定対象空間を通り抜けて、受光素子22で受光する。受光素子22で受光した信号を、IV変換回路122、ハイパスフィルタ123、及び第1の増幅回路124、で信号処理し、バンドパスフィルタ125に送信する。 Next, as shown in steps S02 and S03 of Figure 9, laser element 12 emits laser light 30 in a wavelength band including the central wavelength λ1 of the absorption line spectrum of the gas to be measured, which passes through the gas-containing measurement space and is received by light-receiving element 22. The signal received by light-receiving element 22 is processed by IV conversion circuit 122, high-pass filter 123, and first amplifier circuit 124, and then sent to band-pass filter 125.
図9のステップS04に示すように、バンドパスフィルタ125では、変調周波数の整数倍、例えば2倍の周波数信号(2f信号)を抽出する。 As shown in step S04 of Figure 9, the bandpass filter 125 extracts a frequency signal that is an integer multiple of the modulation frequency, for example, twice the modulation frequency (2f signal).
図9のステップS05に示すように、図2に示すAD変換器128では、バンドパスフィルタ125から出力された2f信号をAD変換する。 As shown in step S05 of Figure 9, the AD converter 128 shown in Figure 2 performs AD conversion on the 2f signal output from the bandpass filter 125.
次に、図9のステップS06に示すように、ステップS05でAD変換された検出信号が、減算前か減算後かにより分岐する。すなわち、図2に示すように、AD変換器128より手前に減算回路126が設けられているが、この減算回路126で所定の減算処理を行っている場合(減算後[YES])は、ステップS09に進み、減算回路126で所定の減算処理を行っていない場合(減算前[NO])は、ステップS07に進む。 Next, as shown in step S06 of Figure 9, the process branches depending on whether the detection signal AD converted in step S05 is before or after subtraction. That is, as shown in Figure 2, a subtraction circuit 126 is provided before the AD converter 128. If the subtraction circuit 126 is performing the specified subtraction process (after subtraction [YES]), the process proceeds to step S09. If the subtraction circuit 126 is not performing the specified subtraction process (before subtraction [NO]), the process proceeds to step S07.
ステップS07では、波形分析部135において、測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報を算出する。すなわち、ステップS07では、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号の一部を用いて、波形分析部135が、測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報を算出する。既に説明したように、本実施の形態では、図5(c)の(II)に示す不要領域が予め把握できており、したがって、不要領域の振幅情報を算出することができる。 In step S07, the waveform analysis unit 135 calculates amplitude information for the unnecessary region that does not include absorption of the measurement target gas. That is, in step S07, the waveform analysis unit 135 calculates amplitude information for the unnecessary region that does not include absorption of the measurement target gas using a portion of the detection signal output from the bandpass filter 125. As already explained, in this embodiment, the unnecessary region shown in (II) of Figure 5(c) can be determined in advance, and therefore amplitude information for the unnecessary region can be calculated.
波形分析部135で算出された不要領域の振幅情報信号を、DA変換器150でDA変換し、減算回路126に送る。 The amplitude information signal of the unnecessary region calculated by the waveform analysis unit 135 is converted to analog by the DA converter 150 and sent to the subtraction circuit 126.
図9のステップS08では、減算回路126において、ステップS04のバンドパスフィルタ125から出力された2f信号から、波形分析部135により算出された振幅情報を減算処理する。これにより、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号において、ガス吸収を含まない不要領域の振幅情報の信号強度をガス吸収信号以下のレベルまで小さくでき、例えば、図7(b)に示す検出信号を得ることができる。 In step S08 of Figure 9, the subtraction circuit 126 subtracts the amplitude information calculated by the waveform analysis unit 135 from the 2f signal output from the bandpass filter 125 in step S04. This reduces the signal intensity of the amplitude information in the unnecessary region that does not contain gas absorption in the detection signal output from the bandpass filter 125 to a level below the gas absorption signal, thereby obtaining, for example, the detection signal shown in Figure 7(b).
減算処理後は、再びステップS05に戻り、減算後の検出信号をAD変換し、続いてステップS06では、減算処理済みであるため、ステップS09へと進む。ステップS09では、バンドパスフィルタ125から出力された検出信号に基づいて、図2に示す測定部130により、濃度演算する。なお、制御部160から、第2の増幅回路127への増幅率の設定は減算処理されているか否かに応じて、種々変更できる。 After the subtraction process, the process returns to step S05, where the subtracted detection signal is AD converted. Then, in step S06, since the subtraction process has been completed, the process proceeds to step S09. In step S09, the concentration is calculated by the measurement unit 130 shown in FIG. 2 based on the detection signal output from the bandpass filter 125. The gain setting for the second amplifier circuit 127 from the control unit 160 can be changed in various ways depending on whether or not subtraction process has been performed.
<第2の実施の形態のレーザ式ガス分析計を構成するブロック図>
本発明を実施するための第2の形態に係るレーザ式ガス分析計について信号処理ブロック図を図10に示す。以降の説明では第1の実施の形態と異なる部分のみ説明する。
<Block diagram of a laser gas analyzer according to a second embodiment>
A signal processing block diagram of a laser gas analyzer according to a second embodiment of the present invention is shown in Fig. 10. In the following description, only the parts that differ from the first embodiment will be explained.
図10に示すように、減算回路115が、波長掃引・変調電流設定部113とレーザ素子12の間に、備えて構成されている。減算回路115は、波長掃引・変調電流設定部113から出力された駆動電流の信号から、波形分析部135により算出された振幅情報を減算処理する。 As shown in FIG. 10, the subtraction circuit 115 is provided between the wavelength sweep/modulation current setting unit 113 and the laser element 12. The subtraction circuit 115 subtracts the amplitude information calculated by the waveform analysis unit 135 from the drive current signal output from the wavelength sweep/modulation current setting unit 113.
DA変換器114が、減算回路115とレーザ素子12の間に、備えて構成されている。減算回路115により減算処理された信号はDA変換器114によりデジタルアナログ変換される。デジタルアナログ変換された信号が、レーザ素子12に送られる。 A DA converter 114 is provided between the subtraction circuit 115 and the laser element 12. The signal subjected to subtraction processing by the subtraction circuit 115 is converted from digital to analog by the DA converter 114. The converted digital-to-analog signal is sent to the laser element 12.
第2の実施の形態では、波形分析部135で得られたデータに応じた信号を発光部10へ送信し、その信号を波長掃引・変調電流設定部113の信号から減算回路115で差し引くことで、発光部10で不要成分を除去する。その他の動作および得られる検出信号は第1の形態と同様である。 In the second embodiment, a signal corresponding to the data obtained by the waveform analysis unit 135 is sent to the light-emitting unit 10, and this signal is subtracted by the subtraction circuit 115 from the signal from the wavelength sweep/modulation current setting unit 113, thereby removing unnecessary components in the light-emitting unit 10. Other operations and the resulting detection signal are the same as in the first embodiment.
第1の実施の形態のレーザ式ガス分析計1では、受光部20側で減算処理を行うため、送信経路上のノイズ等の影響が小さく、高精度にガス濃度検出を行うことができる。一方、第2の実施の形態のレーザ式ガス分析計2では、第1の実施の形態と異なり受光部20でのDA変換器150が不要となり、減算処理もあらかじめ発光部10に搭載されているマイコンやFPGAなどによるデジタル信号処理で行えるため、部品点数が少なく済み、回路規模の点で有利である。 In the laser gas analyzer 1 of the first embodiment, the subtraction process is performed on the light-receiving unit 20 side, which reduces the impact of noise on the transmission path and enables highly accurate gas concentration detection. On the other hand, in the laser gas analyzer 2 of the second embodiment, unlike the first embodiment, the DA converter 150 in the light-receiving unit 20 is not required, and the subtraction process can be performed by digital signal processing using a microcomputer or FPGA pre-installed in the light-emitting unit 10, which reduces the number of parts and is advantageous in terms of circuit size.
図11は、本実施の形態の第2の実施形態に係るレーザ式ガス分析計の信号処理のフローチャートである。以降の説明では第1の実施の形態と異なる部分のみ説明する。 Figure 11 is a flowchart of signal processing for a laser gas analyzer according to a second embodiment of the present invention. The following explanation will focus on only the differences from the first embodiment.
第2の実施形態では、ステップS07後において、減算回路115が、ステップS01の波長掃引・変調電流設定部113から出力された駆動電流の信号から、波形分析部135により算出された振幅情報(不要成分)を減算処理する(ステップS10)。これにより、波長掃引・変調電流設定部113から出力された駆動電流の信号において、ガス吸収を含まない領域の振幅情報(不要成分)を除去する。さらに、DA変換器114において減算回路115により減算処理された信号は、DA変換される。その後、ステップS02へ進む。 In the second embodiment, after step S07, the subtraction circuit 115 subtracts the amplitude information (unnecessary components) calculated by the waveform analysis unit 135 from the drive current signal output from the wavelength sweep/modulation current setting unit 113 in step S01 (step S10). This removes amplitude information (unnecessary components) from the drive current signal output from the wavelength sweep/modulation current setting unit 113 in the region that does not contain gas absorption. Furthermore, the signal that has been subtracted by the subtraction circuit 115 in the DA converter 114 is DA converted. Then, the process proceeds to step S02.
デジタルアナログ変換された信号は、レーザ素子12に送られ、ステップS02へと送られる。以後は、ステップS02からステップS06を経て、ステップS09に進み、測定対象ガスに含まれる特定のガス濃度を分析する。なお、制御部160から、第2の増幅回路127への増幅率の設定は減算処理されているか否かに応じて、種々変更できる。 The digital-to-analog converted signal is sent to the laser element 12 and then to step S02. Subsequently, the process proceeds from step S02 to step S06, and then to step S09, where the concentration of a specific gas contained in the gas to be measured is analyzed. The gain setting for the second amplifier circuit 127 from the control unit 160 can be changed in various ways depending on whether or not subtraction processing is performed.
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、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 laser gas analyzer of the present invention is ideal for measuring combustion exhaust gases from boilers, waste incineration plants, and other combustion control applications. It is also useful for steel gas analysis (blast furnaces, converters, heat treatment furnaces, sintering (pelletizing equipment), coke ovens), fruit and vegetable storage and aging, biochemistry (microorganisms) (fermentation), air pollution (incinerators, flue gas desulfurization and denitrification), exhaust gases from internal combustion engines (detester) for automobiles and ships, disaster prevention (explosive gas detection, toxic gas detection, combustion gas analysis of new building materials), plant cultivation, chemical analysis (oil refineries, petrochemical plants, gas generating plants), environmental applications (ground concentration, tunnel concentration, parking lots, building management), and various physical and chemical experiments.
1 レーザ式ガス分析計
10 発光部
11 変調光生成部
12 レーザ素子
13 コリメートレンズ
14 発光部窓板
15 発光部容器
20 受光部
21 受光信号処理部
22 受光素子
23 集光レンズ
24 受光部窓板
25 受光部容器
30 レーザ光
40 通信線
50a、50b 壁
51a、51b フランジ
52a、52b 光軸調整フランジ
112 レーザ素子温度制御回路
113 波長掃引・変調電流設定部
114 DA変換器
115 減算回路
122 IV変換回路
123 ハイパスフィルタ
124 増幅回路
125 バンドパスフィルタ
126 減算回路
127 増幅回路
128 AD変換器
131 ロックイン検出部
132 検波周波数設定部
133 ピーク・ボトム演算部
134 ガス濃度演算部
135 波形分析部
150 DA変換器
160 制御部
1 Laser gas analyzer 10 Light emitter 11 Modulated light generation unit 12 Laser element 13 Collimator lens 14 Light emitter window plate 15 Light emitter container 20 Light receiver 21 Light-receiving signal processing unit 22 Light receiver element 23 Condenser lens 24 Light receiver window plate 25 Light receiver container 30 Laser light 40 Communication line 50a, 50b Wall 51a, 51b Flange 52a, 52b Optical axis adjustment flange 112 Laser element temperature control circuit 113 Wavelength sweep/modulation current setting unit 114 DA converter 115 Subtraction circuit 122 IV conversion circuit 123 High-pass filter 124 Amplification circuit 125 Band-pass filter 126 Subtraction circuit 127 Amplification circuit 128 AD converter 131 Lock-in detection unit 132 Detection frequency setting unit 133 Peak/bottom calculation unit 134 Gas concentration calculation unit 135 Waveform analysis unit 150 DA converter 160 Control unit
Claims (4)
前記測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域のレーザ光を出射するレーザ素子と、
前記測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域で波長が繰り返し掃引され、かつ変調されるように生成された駆動電流を前記レーザ素子に供給する変調光生成部と、
前記測定対象を通過した前記レーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子から出力された検出信号に対し、波長変調された前記レーザ光の変調周波数の整数倍の周波数を抽出するフィルタ部と、
前記フィルタ部から出力された検出信号をアナログデジタル変換するAD変換器と、
前記AD変換器から出力された減算前の検出信号の一部を用いて前記測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報を算出する波形分析部と、
前記フィルタ部から出力された検出信号から、前記不要領域の振幅情報を減算処理する減算回路と、
前記減算回路を経て前記AD変換器から出力された減算後の検出信号を、前記変調周波数の整数倍でロックイン検出して得たロックイン検波信号に基づいてガス分析を行う測定部と、を有することを特徴とするレーザ式ガス分析計。 A laser gas analyzer that performs gas analysis of a measurement target gas present in a measurement target space,
a laser element that emits laser light in a wavelength band that includes the optical absorption wavelength of the absorption line spectrum of the measurement target gas;
a modulated light generating unit configured to supply to the laser element a drive current generated so that the wavelength is repeatedly swept and modulated in a wavelength band including the optical absorption wavelength of the absorption line spectrum of the measurement target gas;
a light receiving element that receives the laser light that has passed through the object to be measured;
a filter unit that extracts a frequency that is an integer multiple of a modulation frequency of the wavelength-modulated laser light from the detection signal output from the light receiving element;
an AD converter that converts the detection signal output from the filter unit into an analog-to-digital signal;
a waveform analysis unit that calculates amplitude information of an unnecessary region that does not include absorption of the measurement target gas using a part of the detection signal before subtraction output from the AD converter;
a subtraction circuit that subtracts amplitude information of the unnecessary region from the detection signal output from the filter unit;
a measurement unit that performs gas analysis based on a lock-in detection signal obtained by lock-in detection of the subtracted detection signal output from the AD converter via the subtraction circuit at an integer multiple of the modulation frequency.
前記不要領域の振幅情報をデジタルアナログ変換するDA変換器を有し、
前記減算回路が、デジタルアナログ変換した振幅情報を減算処理する、ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ式ガス分析計。 Between the waveform analysis unit and the subtraction circuit,
a DA converter that performs digital-to-analog conversion of amplitude information of the unnecessary region;
2. The laser gas analyzer according to claim 1, wherein the subtraction circuit performs subtraction processing on the amplitude information that has been digital-to-analog converted.
前記測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域のレーザ光を出射するレーザ素子と、
前記測定対象ガスの吸収線スペクトルの光吸収波長を含む波長帯域で波長が繰り返し掃引され、かつ変調されるように生成された駆動電流を前記レーザ素子に供給する変調光生成部と、
前記測定対象を通過した前記レーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子から出力された検出信号に対し、波長変調された前記レーザ光の変調周波数の整数倍の周波数を抽出するフィルタ部と、
前記フィルタ部から出力された検出信号をアナログデジタル変換するAD変換器と、
前記AD変換器から出力された減算前の検出信号の一部を用いて前記測定対象ガスの吸収を含まない不要領域の振幅情報を算出する波形分析部と、
前記変調光生成部にて生成された駆動電流から、前記波形分析部により算出された振幅情報を減算処理する減算回路と、
前記AD変換器から出力された減算後の検出信号を、前記変調周波数の整数倍でロックイン検出して得たロックイン検波信号に基づいてガス分析を行う測定部と、を有することを特徴とするレーザ式ガス分析計。 A laser gas analyzer that performs gas analysis of a measurement target gas present in a measurement target space,
a laser element that emits laser light in a wavelength band that includes the optical absorption wavelength of the absorption line spectrum of the measurement target gas;
a modulated light generating unit configured to supply to the laser element a drive current generated so that the wavelength is repeatedly swept and modulated in a wavelength band including the optical absorption wavelength of the absorption line spectrum of the measurement target gas;
a light receiving element that receives the laser light that has passed through the object to be measured;
a filter unit that extracts a frequency that is an integer multiple of a modulation frequency of the wavelength-modulated laser light from the detection signal output from the light receiving element;
an AD converter that converts the detection signal output from the filter unit into an analog-to-digital signal;
a waveform analysis unit that calculates amplitude information of an unnecessary region that does not include absorption of the measurement target gas using a part of the detection signal before subtraction output from the AD converter;
a subtraction circuit that subtracts amplitude information calculated by the waveform analysis unit from the drive current generated by the modulated light generation unit;
a measurement unit that performs gas analysis based on a lock-in detection signal obtained by lock-in detection of the subtracted detection signal output from the AD converter at an integer multiple of the modulation frequency.
前記減算回路により減算処理された駆動電流をデジタルアナログ変換するDA変換器を有し、
デジタルアナログ変換された駆動電流が、前記レーザ素子に供給される、
ことを特徴とする請求項3に記載のレーザ式ガス分析計。
Between the subtraction circuit and the laser element,
a DA converter that performs digital-to-analog conversion of the drive current that has been subjected to the subtraction processing by the subtraction circuit;
The digital-to-analog converted drive current is supplied to the laser element.
4. The laser gas analyzer according to claim 3.
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