JP2008268064A

JP2008268064A - Multi-component laser gas analyzer

Info

Publication number: JP2008268064A
Application number: JP2007112994A
Authority: JP
Inventors: Takashi Iida; 貴志飯田; Noritomo Hirayama; 紀友平山; Kazuhiro Koizumi; 和裕小泉; Yusuke Nakamura; 裕介中村; Hideo Kanai; 秀夫金井
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2008-11-06

Description

本発明は、煙道内の各種の測定対象ガスの有無や濃度を分析する多成分対応レーザ式ガス分析計に関するものである。 The present invention relates to a multi-component laser gas analyzer that analyzes the presence and concentration of various gases to be measured in a flue.

気体状のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトルがあることが知られている。この点について図を参照しつつ説明する。例えば、図７は、ガス固有の光吸収スペクトルを説明する説明図であり、図７（ａ）はＮＨ_３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｂ）はＨＣｌ（塩化水素）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｃ）はＨ_２Ｓ（硫化水素）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｄ）はＣＨ_４（メタン）ガスの吸収スペクトラム例を示す図である。これら図７（ａ）〜（ｄ）からも明らかなように、ガス別に光吸収スペクトルが相違している。 It is known that each gaseous gas molecule has its own light absorption spectrum. This point will be described with reference to the drawings. For example, FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a light absorption spectrum unique to a gas, FIG. 7 (a) shows an example of an absorption spectrum of NH ₃ (ammonia) gas, and FIG. 7 (b) shows HCl (hydrogen chloride). ) A diagram showing an example of an absorption spectrum of gas, FIG. 7C shows an example of an absorption spectrum of H ₂ S (hydrogen sulfide) gas, and FIG. 7D shows an example of an absorption spectrum of CH ₄ (methane) gas. FIG. As is clear from FIGS. 7A to 7D, the light absorption spectra are different for each gas.

このように光吸収スペクトルがガス別に異なる点を利用してガスを分析する装置としてレーザ式ガス分析計が知られている。
レーザ式ガス分析計は、レーザ光の特定波長の吸光量が測定対象ガスの濃度に比例することを利用した分析計であり、ガス濃度の測定方法としては、２波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。このうち、本発明は周波数変調方式を用いたレーザ式ガス分析計に関するものである。 As described above, a laser type gas analyzer is known as an apparatus for analyzing a gas by utilizing the light absorption spectrum that is different for each gas.
The laser gas analyzer is an analyzer that utilizes the fact that the amount of absorption of a specific wavelength of laser light is proportional to the concentration of the gas to be measured. As a method for measuring the gas concentration, a two-wavelength difference method, a frequency modulation method, It is divided roughly into. Of these, the present invention relates to a laser gas analyzer using a frequency modulation method.

まず、周波数変調方式を用いた従来のレーザ式ガス分析計の測定原理を説明する。
図８は、周波数変調方式の原理図を示しており、例えば特許文献１に記載されているものである。周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、中心周波数ｆ_ｃ、変調周波数ｆ_ｍで半導体レーザの出射光を周波数変調し、測定対象ガスに照射する。ここで、周波数変調とは、半導体レーザに供給するドライブ電流の波形を正弦波状にすることである。 First, the measurement principle of a conventional laser gas analyzer using the frequency modulation method will be described.
FIG. 8 shows a principle diagram of the frequency modulation method, which is described in, for example, Patent Document 1. In laser gas analyzer of the frequency modulation method, the center frequency f _c, the output light of the semiconductor laser is frequency-modulated at a modulation frequency f _m, is irradiated to the measurement target gas. Here, the frequency modulation is to make the waveform of the drive current supplied to the semiconductor laser sine wave.

半導体レーザは、図９（ａ），（ｂ）の半導体レーザの発光波長の変化を示す図に示すようにドライブ電流や温度によって発光波長が変化するので、周波数変調を行うことにより、ドライブ電流の変調に伴って発光波長が変調されることになる。 Since the emission wavelength of the semiconductor laser changes depending on the drive current and temperature as shown in the diagrams showing the change of the emission wavelength of the semiconductor laser shown in FIGS. 9A and 9B, the frequency of the drive current can be reduced by performing frequency modulation. The emission wavelength is modulated along with the modulation.

図８に示したように、ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、受光部では変調周波数ｆ_ｍの２倍の周波数の信号（２倍周波数信号）が得られる。ここで、変調周波数ｆ_ｍは任意の周波数でよいため、例えば、変調周波数ｆ_ｍを数ｋＨｚ程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）または汎用のプロセッサを用いて、２倍周波数信号の抽出等の高度な信号処理を行うことが可能になる。
また、受光部によりエンベロープ検波を行えば振幅変調による基本波を推定でき、この基本波の振幅と前記２倍周波数信号の振幅との比を位相同期させて検出することで、距離に関係なく測定対象ガス濃度に比例した信号を得ることができる。 As shown in FIG. 8, since the absorption lines of the gas is almost quadratic function with respect to the modulation frequency, the absorption line plays the role of a discriminator, the light receiving portion of the double modulation frequency f _m A frequency signal (double frequency signal) is obtained. Since the modulation frequency f _m good at any frequency, for example, choose the modulation frequency f _m to several kHz, a digital signal processor (DSP) or using a general-purpose processor, extraction of the double frequency signal It is possible to perform advanced signal processing such as.
In addition, if envelope detection is performed by the light receiving unit, the fundamental wave by amplitude modulation can be estimated, and the ratio between the amplitude of the fundamental wave and the amplitude of the double frequency signal can be detected in phase synchronization to measure regardless of the distance. A signal proportional to the target gas concentration can be obtained.

周波数変調方式で距離の影響をキャンセルするためには、半導体レーザ素子の出力を周波数変調すると同時に周波数ｆ_ｍで振幅変調を行えばよいのであるが、半導体レーザ素子の出力に周波数変調を掛けると振幅変調も掛かるので、これが利用できる。
そして、受光部でエンベロープ検波を行うことで振幅変調による基本波を推定でき、この基本波の振幅と前記２倍周波数信号の振幅の比を位相同期させて取ることで、距離に関係なくガス濃度に比例した値を得ることができる。 To cancel the effect of the distance in the frequency modulation method is at the same time the frequency f _m if the frequency modulated output of the semiconductor laser device is the may be performed amplitude modulation and multiplied by frequency modulation to the output of the semiconductor laser element amplitude This can also be used since it is also modulated.
Then, the fundamental wave by amplitude modulation can be estimated by performing envelope detection at the light receiving unit, and the gas concentration can be obtained regardless of the distance by taking the phase synchronization of the ratio of the amplitude of the fundamental wave and the amplitude of the double frequency signal. A value proportional to can be obtained.

この周波数変調方式では、半導体レーザの種類の中でも、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）を用いて、単一波長のレーザ光のみを出射し、ガス濃度を測定する場合が多い。
この場合、ＤＦＢレーザが発光するスペクトル線幅の方が測定対象ガスの吸収線幅よりも小さいため、ＤＦＢレーザの発光波長を測定対象ガスの吸光波長に合わせる必要が生じる。
その方法として、測定対象ガスと同じガス成分を予め封入した参照ガスセルを用いて、ＤＦＢレーザの発光波長を温度によって制御する方法が用いられている。
上述したような検出原理を用いた従来技術としては、例えば特許文献２に記載されたガス濃度測定装置がある。 In this frequency modulation method, among the types of semiconductor lasers, a distributed feedback semiconductor laser (DFB laser) is often used to emit only a single wavelength laser beam and measure the gas concentration.
In this case, since the spectral line width emitted by the DFB laser is smaller than the absorption line width of the measurement target gas, it is necessary to match the emission wavelength of the DFB laser with the absorption wavelength of the measurement target gas.
As a method for this, there is used a method in which the emission wavelength of the DFB laser is controlled by temperature using a reference gas cell in which the same gas component as that of the measurement target gas is previously enclosed.
As a conventional technique using the detection principle as described above, for example, there is a gas concentration measuring device described in Patent Document 2.

図１０は、特許文献２に記載されたガス濃度測定装置の全体的な構成を示している。
このガス濃度測定装置１は、主として、光源ユニット２、測定光集光部３、測定光増幅部４、受信信号検出部５、校正信号生成部６、基本波信号増幅器７Ａと２倍波信号増幅器７Ｂとからなる参照信号増幅部７、信号微分検出器８Ａと信号同期検出器８Ｂとからなる参照信号検出部８、波長安定化制御回路９、温度安定化ＰＩＤ回路１０、電流安定化回路１１、測定／校正切替部１２、演算部１３から構成されている。 FIG. 10 shows the overall configuration of the gas concentration measuring apparatus described in Patent Document 2.
The gas concentration measuring apparatus 1 mainly includes a light source unit 2, a measuring light condensing unit 3, a measuring light amplifying unit 4, a received signal detecting unit 5, a calibration signal generating unit 6, a fundamental wave signal amplifier 7A and a second harmonic signal amplifier. 7B, a reference signal amplifying unit 7 comprising a signal differential detector 8A and a signal synchronization detector 8B, a wavelength stabilizing control circuit 9, a temperature stabilizing PID circuit 10, a current stabilizing circuit 11, It comprises a measurement / calibration switching unit 12 and a calculation unit 13.

光源ユニット２は、前述の測定対象ガス特有の吸収線に合致した波長のレーザ光を発生するものであり、図１１（ａ）に示すように、金属パッケージからなる箱型形状のケース本体２６の内部に、半導体レーザモジュール２１、参照ガスセル２２、光検出器（受光部）２３が収容されている。
半導体レーザモジュール２１のケース２１ａ内には、図１１（ｂ）に示すように、周波数変調されたレーザ光を両面から出射する半導体レーザ（レーザダイオード）２４が配設されている。図１１（ａ）に示す如く、ケース２１ａからはコネクタ２５ａを備えた光ケーブル２５が延出されており、半導体レーザ２４から出射される一方の光が光ケーブル２５を介して図１０の測定光集光部３から外部（測定対象ガスの雰囲気）に出射されるようになっている。 The light source unit 2 generates laser light having a wavelength that matches the absorption line peculiar to the gas to be measured as described above. As shown in FIG. 11A, the light source unit 2 has a box-shaped case body 26 made of a metal package. A semiconductor laser module 21, a reference gas cell 22, and a photodetector (light receiving unit) 23 are accommodated inside.
As shown in FIG. 11B, a semiconductor laser (laser diode) 24 that emits frequency-modulated laser light from both sides is disposed in the case 21a of the semiconductor laser module 21. As shown in FIG. 11A, an optical cable 25 having a connector 25a is extended from the case 21a, and one light emitted from the semiconductor laser 24 is collected through the optical cable 25 as shown in FIG. The light is emitted from the portion 3 to the outside (atmosphere of the measurement target gas).

ケース本体２６の底面には、冷却用フィン２７が取り付けられたペルチェ素子等の温度制御素子（図示せず）が配置されており、この温度制御素子により動作温度を一定温度に制御することで発振波長が制御される。
半導体レーザ２４の前後両側の光軸上には、出射光を集光するための平坦面を持たない非球面レンズ２９ａ，２９ｂが配設されている。これらの非球面レンズ２９ａ，２９ｂを集光用レンズとして使用することにより、半導体レーザ２４に光が反射して戻るのを防止することができる。 A temperature control element (not shown) such as a Peltier element to which a cooling fin 27 is attached is disposed on the bottom surface of the case body 26, and oscillation is performed by controlling the operating temperature to a constant temperature by the temperature control element. The wavelength is controlled.
Aspherical lenses 29 a and 29 b that do not have a flat surface for collecting emitted light are disposed on the optical axes on both the front and rear sides of the semiconductor laser 24. By using these aspheric lenses 29a and 29b as condensing lenses, it is possible to prevent light from being reflected back to the semiconductor laser 24.

半導体レーザ２４の前後両側の光軸上で、非球面レンズ２９ａ，２９ｂの外側には光アイソレータ３０ａ，３０ｂが配設されている。これらの光アイソレータ３０ａ，３０ｂは、９０°の偏波面の光のみを通す偏光子と４５°の偏波面の光のみを通す検光子との間に配置された結晶に磁力を印加することで、結晶中を透過する光の偏波面を回転させて偏光子での反射光の通過を阻止し、半導体レーザ２４に反射光が戻るのを防止している。 Optical isolators 30a and 30b are disposed outside the aspheric lenses 29a and 29b on the optical axes on both the front and rear sides of the semiconductor laser 24. These optical isolators 30a and 30b apply a magnetic force to a crystal disposed between a polarizer that passes only light with a 90 ° polarization plane and an analyzer that passes only light with a 45 ° polarization plane, The plane of polarization of the light transmitted through the crystal is rotated to prevent the reflected light from passing through the polarizer, and the reflected light is prevented from returning to the semiconductor laser 24.

半導体レーザ２４の後側の光路上に配置された参照ガスセル２２は、測定光発振波長の安定化や測定対象ガス濃度の校正用に用いられるもので、内部が空洞の金属胴２２ａの対向面に光を通過させる貫通穴が形成され、内部に参照ガスが封入された後、貫通穴がガラス窓２２ｂによって封止されている。
参照ガスセル２２は、内径の長さが予め決められており、封入される参照ガスは、測定対象ガスの測定場所の環境と概略等しい組成、圧力とされている。例えば測定場所の環境が空気であれば、参照ガスはエアバランス、すなわち空気と同じ組成であり、圧力も１気圧となっている。 The reference gas cell 22 arranged on the optical path on the rear side of the semiconductor laser 24 is used for stabilizing the measurement light oscillation wavelength and calibrating the measurement target gas concentration. A through hole through which light passes is formed, and after the reference gas is sealed inside, the through hole is sealed by the glass window 22b.
The reference gas cell 22 has a predetermined inner diameter, and the sealed reference gas has a composition and pressure that are approximately the same as the environment of the measurement target gas. For example, if the environment of the measurement place is air, the reference gas has an air balance, that is, the same composition as air, and the pressure is 1 atm.

参照ガスセル２２は、非球面レンズ２９ｂの後側の後方出射光が入射しやすい位置に固定される。参照ガスセル２２を通過したレーザ光は、その後側に配設された光検出器２３によって受光検出される。
なお、上記参照ガスセル２２は、半導体レーザ２４への戻り光を低減するため、光が通過する両端面を斜め（例えば出射光軸に対して約６°）に形成するのが好ましい。 The reference gas cell 22 is fixed at a position where the rear emission light on the rear side of the aspherical lens 29b is likely to enter. The laser beam that has passed through the reference gas cell 22 is received and detected by a photodetector 23 disposed on the rear side thereof.
Note that the reference gas cell 22 preferably forms both end surfaces through which light passes obliquely (for example, about 6 ° with respect to the outgoing optical axis) in order to reduce return light to the semiconductor laser 24.

前述した図１０において、測定光集光部３は、半導体レーザ２４からの光を外部に出射し、測定対象となるガス配管などから反射した測定光をレンズ３１により集光すると共に、集光した光を光検出器３２により検出して電気信号に変換する。
測定光増幅部４はプリアンプによって構成されており、前記光検出器３２にて検出した光電流を電圧に変換し、増幅して出力する。また、測定光増幅部４では、測定／校正切替部１２の後段の受信信号検出部５が検出する基本波位相敏感検波信号（ｆ信号：以下、基本波信号と略称する）と２倍波位相敏感検波信号（２ｆ信号：以下、２倍波信号と略称する）とがほぼ同じレベルになるように、基本波信号、２倍波信号のそれぞれについて最適増幅度が設定されている。 In FIG. 10 described above, the measurement light condensing unit 3 emits the light from the semiconductor laser 24 to the outside, and condenses the measurement light reflected from the gas pipe to be measured by the lens 31 and collects it. Light is detected by the photodetector 32 and converted into an electrical signal.
The measurement light amplifying unit 4 is composed of a preamplifier, converts the photocurrent detected by the photodetector 32 into a voltage, amplifies it, and outputs it. Further, in the measurement light amplifying unit 4, a fundamental wave phase sensitive detection signal (f signal: hereinafter abbreviated as a fundamental wave signal) and a second harmonic phase detected by the reception signal detection unit 5 subsequent to the measurement / calibration switching unit 12. The optimum amplification degree is set for each of the fundamental wave signal and the second harmonic signal so that the sensitive detection signal (2f signal: hereinafter, abbreviated as a second harmonic signal) has substantially the same level.

受信信号検出部５は、測定／校正切替部１２が測定光増幅部４側に切り替えられているときに、測定光増幅部４により増幅された測定光信号を処理し、基本波信号（ｆ信号）、２倍波信号（２ｆ信号）、２ｆ／ｆ信号を検出する。また、この受信信号検出部５は、測定／校正切替部１２が校正信号生成部６側に切り替えられているときに、校正信号生成部６からの信号を処理し、校正用基本波信号（ｒｆ信号）、校正用２倍波信号（ｒ２ｆ信号）、ｒ２ｆ／ｒｆ信号を検出する。 The reception signal detection unit 5 processes the measurement light signal amplified by the measurement light amplification unit 4 when the measurement / calibration switching unit 12 is switched to the measurement light amplification unit 4 side, and generates a fundamental wave signal (f signal). ) The second harmonic signal (2f signal) and 2f / f signal are detected. The reception signal detection unit 5 processes the signal from the calibration signal generation unit 6 when the measurement / calibration switching unit 12 is switched to the calibration signal generation unit 6 side, and generates a calibration fundamental wave signal (rf). Signal), calibration second harmonic signal (r2f signal), and r2f / rf signal.

上記構成において、従来では参照ガスセル２２を用いて半導体レーザ２４の発光波長を制御しており、光検出器３２の出力からガス濃度を示す２ｆ信号を抽出することで測定対象ガスの濃度を測定している In the above configuration, conventionally, the emission wavelength of the semiconductor laser 24 is controlled using the reference gas cell 22, and the concentration of the measurement target gas is measured by extracting the 2f signal indicating the gas concentration from the output of the photodetector 32. ing

この手法では、半導体レーザから出射した光をビームスプリッタなどで２方向に分岐するか、もしくは半導体レーザ素子は、素子の両端面から発光が可能なので、片側をガス濃度測定用に用い、もう一方を、ガスセルに光を入射するなど、同一の発光素子から出射した光を、ガスセルと測定対象のガスに入射できるように構成する。
このような構成にすることで、ガスセル側を透過した光で、例えば、２倍波と基本波の比が最大となる点に半導体レーザの発光波長を、半導体レーザがマウントされたペルチェ部の温度制御によって、波長が一定になるように制御する。 In this method, the light emitted from the semiconductor laser is split in two directions by a beam splitter or the like, or the semiconductor laser element can emit light from both end faces of the element, so one side is used for gas concentration measurement, and the other is used. The light emitted from the same light emitting element, such as light incident on the gas cell, is configured to be incident on the gas cell and the gas to be measured.
With this configuration, the light transmitted through the gas cell side, for example, the emission wavelength of the semiconductor laser at the point where the ratio of the second harmonic wave to the fundamental wave is maximized, and the temperature of the Peltier part where the semiconductor laser is mounted By control, the wavelength is controlled to be constant.

特開平７−１５１６８１号公報（段落［０００５］、図４等）Japanese Patent Laid-Open No. 7-151681 (paragraph [0005], FIG. 4 etc.) 特開２００１−２３５４１８号公報（段落［００１２］〜［００２４］、図２，図１１等）JP 2001-235418 A (paragraphs [0012] to [0024], FIG. 2, FIG. 11 etc.)

周波数変調方式のレーザ式ガス分析計では、前述したごとくガスの吸収線幅よりもレーザの線幅のほうが小さいため、レーザの発光波長を測定対象ガスの吸光波長に合わせる必要がある。
そのためには、測定対象ガスと同じガスをあらかじめ封入した参照ガスセルが必要であるが、参照ガスセルへの封入が不可能または困難なガスについては、その濃度の検出が困難であるという問題がある。 In the laser gas analyzer of the frequency modulation type, as described above, the laser line width is smaller than the gas absorption line width, so it is necessary to match the laser emission wavelength with the absorption wavelength of the measurement target gas.
For this purpose, a reference gas cell in which the same gas as the gas to be measured is enclosed in advance is required. However, there is a problem that the concentration of a gas that cannot be enclosed in the reference gas cell is difficult to detect.

また、参照ガスセルを用いるために参照ガスセル自体のガス漏れも考慮しなくてはならず、測定対象ガスが腐食性ガスであるＨＣｌ等の場合、これと同じ参照ガスがガス漏れすると周囲の光学部品が劣化する。更に、振動の影響による軸ズレや参照ガスセルの破損の影響も考慮しなくてはならず、参照ガスセルを用いること自体が好ましくない。
また、参照ガスセルを用いてレーザの発光波長を特定波長に固定するとしても、ＰＩＤ制御等により温度調整を行って特定波長に固定する安定性が要求される。しかし、通常のＤＦＢレーザ素子の発光波長は１００ｐｍ／℃程度の温度依存性を持っているので、吸収線幅が４０ｐｍ程度しかないアンモニアなどを検出するには１ｐｍ以下の波長安定性、つまり、０．０１℃以下の温度安定化が必要となる。 In addition, in order to use the reference gas cell, the gas leakage of the reference gas cell itself must be taken into account. When the measurement target gas is corrosive gas such as HCl, the same reference gas leaks and the surrounding optical components Deteriorates. Furthermore, it is necessary to consider the effects of shaft misalignment and damage to the reference gas cell due to the influence of vibration, and it is not preferable to use the reference gas cell itself.
Moreover, even if the emission wavelength of the laser is fixed to a specific wavelength using the reference gas cell, stability is required to perform temperature adjustment by PID control or the like and fix it to the specific wavelength. However, since the emission wavelength of a normal DFB laser element has a temperature dependency of about 100 pm / ° C., the wavelength stability of 1 pm or less, that is, 0 for detecting ammonia having an absorption line width of only about 40 pm, that is, 0 It is necessary to stabilize the temperature below 01 ° C.

近年、例えば、リニアテクノロジー社や、マキシム社からＰＩＤ制御用ＩＣが提供されており、これらの温度調整安定性は０．００１℃〜０．０１℃となっているが、これはサーミスタが埋め込まれた部分であり、ＤＦＢレーザ素子に対するものではない。
温度分布等があれば波長は変動するため、半導体レーザ素子の発光波長を測定対象ガスの吸光波長に合わせて測定すること自体が問題であり、これらが長期的な安定性や測定精度を低下させる要因となっている。
更に、測定対象ガスと参照ガスセル内に封入されたガス成分とが同一でも、実際に測定するガスの吸収幅や波長は若干変動し、また、参照ガスセル温度と測定対象ガスの温度とが異なる場合は、吸光波長に完全に合わせることが困難である。 In recent years, for example, PID control ICs have been provided by Linear Technology and Maxim, and their temperature adjustment stability is 0.001 ° C. to 0.01 ° C., which is embedded with a thermistor. This is not a part of the DFB laser element.
Since the wavelength fluctuates if there is a temperature distribution, etc., it is a problem to measure the emission wavelength of the semiconductor laser device in accordance with the absorption wavelength of the gas to be measured, which degrades long-term stability and measurement accuracy. It is a factor.
Furthermore, even if the gas to be measured and the gas component enclosed in the reference gas cell are the same, the absorption width and wavelength of the gas actually measured vary slightly, and the reference gas cell temperature and the temperature of the gas to be measured are different. Is difficult to perfectly match the absorption wavelength.

以上まとめれば、従来技術では参照ガスセルを用いて測定対象ガスの吸光波長にレーザの発光波長を合致させる必要があり、その波長安定性が測定性能に影響する。
また、ＨＣｌやＨＦなどの腐食性ガスの参照ガスセルを製作するためには、封入設備も高価となり、測定可能なガス成分が参照ガスセルの製作可否によって制約されるという問題もある。
レーザ式ガス分析計によってガス濃度を測定するには、前述のように吸光波長の一致した光を出射可能なレーザ素子が必要であると共に、この条件に合うレーザ素子が存在しても参照ガスセルが製作できなければ、分析計としての実現は不可能である。
更に、参照ガスセルからのガス漏れ対策をする必要があるなど、装置構成上も好ましくなかった。 In summary, in the prior art, it is necessary to match the light emission wavelength of the laser with the absorption wavelength of the gas to be measured using the reference gas cell, and the wavelength stability affects the measurement performance.
Further, in order to manufacture a reference gas cell of corrosive gas such as HCl or HF, there is a problem that the sealing equipment becomes expensive and the measurable gas component is restricted by whether or not the reference gas cell can be manufactured.
In order to measure the gas concentration with a laser gas analyzer, a laser element capable of emitting light having the same absorption wavelength as described above is required, and a reference gas cell is not provided even if a laser element that meets this condition exists. If it cannot be manufactured, it cannot be realized as an analyzer.
Furthermore, it is not preferable in terms of the device configuration, such as measures against gas leakage from the reference gas cell.

これらのような性能面の問題に加え、作業性でも問題があった。例えば、煙道や排ガス測定などで使用されるガス分析計は、排出される複数のガス濃度を同時に計測するように用いられるのが一般的である。従来技術では、複数のガス成分を計測するために、単成分計を複数台設置する必要があった。この理由としては、１つのＬＤ素子で可変できる波長範囲が狭く、１成分もしくは特定の２成分程度した検出できない点が挙げられる。 In addition to these performance problems, there was a problem in workability. For example, a gas analyzer used in flue and exhaust gas measurement is generally used so as to simultaneously measure a plurality of exhaust gas concentrations. In the prior art, it was necessary to install a plurality of single component meters in order to measure a plurality of gas components. The reason for this is that the wavelength range that can be varied by one LD element is narrow, and the detection cannot be performed with one component or about two specific components.

また、複数台のレーザ式ガス分析計を設置するため、設置面積や、設置工事・光軸調整費などが装置台数に比例し増加するため、システムの大型化、コストの増加などの問題があった。 In addition, since multiple laser gas analyzers are installed, the installation area, installation work, optical axis adjustment costs, etc. increase in proportion to the number of devices, resulting in problems such as an increase in system size and cost. It was.

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、測定対象ガスの吸光波長すなわちレーザ素子の発光波長を走査するための参照ガスセルを不要とし、装置を単純化してコストの低減を図ると共に、発光波長を特定波長に安定化させる必要をなくしてガス濃度を高精度に測定可能としたレーザ式ガス分析計であって、さらに複数のガスを測定する際に一台で複数のガスを同時に測定可能とした多成分対応レーザ式ガス分析計を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and the object thereof is to eliminate the need for a reference gas cell for scanning the absorption wavelength of the measurement target gas, that is, the emission wavelength of the laser element, and simplify the apparatus. A laser-type gas analyzer that can measure the gas concentration with high accuracy by reducing the cost and eliminating the need to stabilize the emission wavelength to a specific wavelength. An object of the present invention is to provide a multi-component laser gas analyzer capable of simultaneously measuring a plurality of gases.

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
駆動電流の変化に応じて発光波長が変化するレーザ素子を用いてｎ種のガスを測定する多成分対応レーザ式ガス分析計において、
測定対象ガスの吸光波長を含む波長走査範囲を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号と、発光波長を変調するための高周波変調信号と、を入力し、波長走査駆動信号と高周波変調信号とを合成した駆動信号を電流駆動信号に変換して出力する電流駆動部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる電流駆動手段と、
電流駆動部から出力された電流駆動信号に応じて発光して検出光を出射する発光部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる発光手段と、
この発光部の温度を安定化させる温度安定化部をｎ個の発光部別にｎ個備えてなる温度安定化手段と、
ｎ個の発光部から出射したｎ本の検出光を同一の光軸上で合成して検出光を測定対象ガス空間へ出射させる光軸結合手段と、
測定対象ガス空間を伝播した検出光を集光して出射する集光手段と、
ｎ種の検出光の全波長に対して感度を有し、集光した検出光の波長に応じた検出信号を出力する受光手段と、
高周波変調信号の２倍周波数である参照信号を用いて検出信号を同期検波して２倍周波数成分の同期検波信号を出力する同期検波部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる同期検波手段と、
ｎ種のガス別の同期検波信号を用いて所望の測定対象ガスの有無および／または所望の測定対象ガスの濃度を測定分析する分析手段と、
を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a multi-component laser gas analyzer according to claim 1 of the present invention provides:
In a multi-component laser gas analyzer that measures n kinds of gases using a laser element whose emission wavelength changes according to a change in driving current,
A wavelength scanning drive signal for making the emission wavelength of the laser element variable so as to scan the wavelength scanning range including the absorption wavelength of the measurement target gas, and a high-frequency modulation signal for modulating the emission wavelength are input, and the wavelength Current drive means comprising n current drive units for each of n kinds of gases, which convert and output a drive signal obtained by combining the scanning drive signal and the high-frequency modulation signal into a current drive signal;
A light-emitting means comprising n light-emitting parts that emit light in accordance with a current drive signal output from the current drive part and emit detection light;
A temperature stabilizing means comprising n temperature stabilizing sections for stabilizing the temperature of the light emitting section for each of the n light emitting sections;
optical axis coupling means for synthesizing n detection lights emitted from the n light emitting units on the same optical axis and emitting the detection light to the measurement target gas space;
Condensing means for condensing and emitting the detection light propagated through the measurement target gas space;
a light receiving means that is sensitive to all wavelengths of the n types of detection light and outputs a detection signal corresponding to the wavelength of the collected detection light;
Synchronous detection means comprising n synchronous detection units for n types of gases, which synchronously detect a detection signal using a reference signal having a frequency twice that of the high frequency modulation signal and output a synchronous detection signal having a double frequency component. ,
analysis means for measuring and analyzing the presence / absence of a desired measurement target gas and / or the concentration of the desired measurement target gas using a synchronous detection signal for each of n kinds of gases;
It is characterized by providing.

また、本発明の請求項２に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１に記載の多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記電流駆動手段は、測定対象ガスの吸光波長を含む測定範囲を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号を出力する波長走査駆動信号発生部と、発光波長を変調するための高周波変調信号を出力する高周波変調信号発生部と、波長走査駆動信号と高周波変調信号とを入力して合成により駆動信号を生成し、この駆動信号を電流駆動信号に変換して出力する電流制御部と、からなる電流駆動部をｎ種のガス別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする。 A multi-component laser gas analyzer according to claim 2 of the present invention is
The multi-component laser gas analyzer according to claim 1,
The current driving means includes a wavelength scanning drive signal generator for outputting a wavelength scanning driving signal for making the emission wavelength of the laser element variable so as to scan the measurement range including the absorption wavelength of the measurement target gas, and the emission wavelength. A high-frequency modulation signal generator that outputs a high-frequency modulation signal for modulation, a wavelength scanning drive signal and a high-frequency modulation signal are input to generate a drive signal by synthesis, and the drive signal is converted into a current drive signal and output And a current control unit comprising n current driving units for n types of gases.

また、本発明の請求項３に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１または請求項２に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記温度安定化手段は、発光部の温度を検出する温度検出部と、温度検出部からの温度検出信号を受けて発光部を一定温度とする温度駆動信号を出力する温度制御部と、発光部の温度を調整する加熱冷却部と、からなる温度安定化部をｎ個の発光部別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする。 A multi-component laser gas analyzer according to claim 3 of the present invention is
In the multi-component laser gas analyzer according to claim 1 or 2,
The temperature stabilizing means includes a temperature detection unit that detects the temperature of the light emitting unit, a temperature control unit that receives a temperature detection signal from the temperature detection unit and outputs a temperature drive signal that sets the light emitting unit to a constant temperature, and a light emitting unit And a heating / cooling unit for adjusting the temperature of the light emitting unit. The temperature stabilizing unit includes n light emitting units.

また、本発明の請求項４に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記同期検波手段は、高周波変調信号の２倍周波数である参照信号を出力する参照信号発生部と、参照信号を用いて検出信号を同期検波して２倍周波数成分の同期検波信号を出力する同期検波部と、をｎ種のガス別にｎ個備えてなる手段であることを特徴とする。 A multi-component laser gas analyzer according to claim 4 of the present invention is
In the multi-component laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 3,
The synchronous detection means is a reference signal generator that outputs a reference signal that is twice the frequency of the high-frequency modulation signal, and a synchronous that detects the detection signal synchronously using the reference signal and outputs a synchronous detection signal having a double frequency component. It is a means provided with n detectors for n kinds of gases.

また、本発明の請求項５に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号の波形は、オフセットを有し、かつ前記レーザ素子への供給電流を直線的に変化させて前記レーザ素子の発光波長を徐々に変化させる部分を有すると共に、一定周期で繰り返される波形であり、
前記オフセットは、前記レーザ素子のスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給するような値であることを特徴とする。 A multi-component laser gas analyzer according to claim 5 of the present invention is
In the multi-component laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 4,
The waveform of the wavelength scanning drive signal has an offset, and has a part that gradually changes the emission wavelength of the laser element by linearly changing the supply current to the laser element, and is repeated at a constant cycle. Is a waveform,
The offset is a value that supplies a current equal to or greater than a threshold current value of the laser element to the laser element.

また、本発明の請求項６に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記分析手段は、
前記同期検波信号の少なくとも一部を積分し、その積分値を測定対象ガスの濃度として検出することを特徴とする。 A multi-component laser gas analyzer according to claim 6 of the present invention is
In the multi-component laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 5,
The analysis means includes
It is characterized in that at least a part of the synchronous detection signal is integrated, and the integrated value is detected as the concentration of the measurement target gas.

また、本発明の請求項７に係る発明の多成分対応レーザ式ガス分析計は、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載した多成分対応レーザ式ガス分析計において、
前記分析手段は、
前記同期検波信号のピーク値を測定対象ガスの濃度として検出することを特徴とする。 A multi-component laser gas analyzer according to claim 7 of the present invention is
In the multi-component laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 5,
The analysis means includes
The peak value of the synchronous detection signal is detected as the concentration of the measurement target gas.

以上述べたような本発明によれば、参照ガスセルが不要になるため装置構成の単純化、低コスト化が可能であると共に、レーザ素子の発光波長を固定する必要が無いため検出感度が安定化し、測定精度が向上し、さらに、複数のガスを測定する際に一台で複数のガスを同時に測定可能とした多成分対応レーザ式ガス分析計を提供することができる。 According to the present invention as described above, since the reference gas cell is not required, the apparatus configuration can be simplified and the cost can be reduced, and the detection sensitivity is stabilized because it is not necessary to fix the emission wavelength of the laser element. Further, it is possible to provide a multi-component laser gas analyzer that can improve the measurement accuracy and can measure a plurality of gases at the same time when measuring a plurality of gases.

続いて、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しつつ説明する。本発明はｎ成分のガスを分析する多成分対応レーザ式ガス分析計であるが、本形態では説明の具体化のため４成分のガスを測定するような多成分対応レーザ式ガス分析計について記載する。図１は本形態の多成分対応レーザ式ガス分析計の構成図である。図２は発光部の回路ブロック図である。図３は受光部の回路ブロック図である。図４は信号の特性図であり、図４（ａ）は波長走査駆動信号を示す図、図４（ｂ）は第１高調波変調信号を示す図、図４（ｃ）は第１発光部の出力波形を示す図、図４（ｄ）は第１同期検波部の出力波形を示す図である。図５はフォトダイオードの波長感度を示す特性図である。図６は出力の写真であり、図６（ａ）はフォトダイオードから出力される検出信号を示す図、図６（ｂ）は第１同期検波回からの第１同期検波信号を示す図である。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. Although the present invention is a multi-component laser gas analyzer that analyzes n-component gas, this embodiment describes a multi-component laser gas analyzer that measures four-component gas for the purpose of concrete description. To do. FIG. 1 is a configuration diagram of a multi-component laser gas analyzer according to this embodiment. FIG. 2 is a circuit block diagram of the light emitting unit. FIG. 3 is a circuit block diagram of the light receiving unit. 4A and 4B are signal characteristic diagrams, in which FIG. 4A shows a wavelength scanning drive signal, FIG. 4B shows a first harmonic modulation signal, and FIG. 4C shows a first light emitting unit. FIG. 4D is a diagram showing the output waveform of the first synchronous detection unit. FIG. 5 is a characteristic diagram showing the wavelength sensitivity of the photodiode. FIG. 6 is a photograph of the output, FIG. 6A is a diagram showing a detection signal output from the photodiode, and FIG. 6B is a diagram showing a first synchronous detection signal from the first synchronous detection circuit. .

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１はこの実施形態の全体的な構成を示している。多成分対応レーザ式ガス分析計１００は、大別して検出光を出射するユニットである発光部２００と、検出光を受光するユニットである受光部３００と、を備える。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, FIG. 1 shows the overall configuration of this embodiment. The multi-component laser gas analyzer 100 includes a light emitting unit 200 that is a unit that emits detection light roughly and a light receiving unit 300 that is a unit that receives the detection light.

まず、発光部２００について説明する。発光部２００は、ガスの吸光特性に応じた光を後述のように変調した検出光として出射するユニットである。
発光部２００の機械的構造は、図１に示すように、フランジ２０１、窓部２０２、調整用フランジ２０３、収納部２０４、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄ、光軸結合部２０６を備える。 First, the light emitting unit 200 will be described. The light emitting unit 200 is a unit that emits light corresponding to the light absorption characteristics of gas as detection light modulated as described below.
As shown in FIG. 1, the mechanical structure of the light emitting unit 200 includes a flange 201, a window unit 202, an adjustment flange 203, a storage unit 204, a first laser element 205a, a second laser element 205b, a third laser element 205c, A fourth laser element 205d and an optical axis coupling unit 206 are provided.

また、発光部２００の回路構成は、図２に示すように、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄ、波長走査駆動信号発生部２０７、第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第４高周波変調信号発生部２０８ｄ、第１電流制御部２０９ａ、第２電流制御部２０９ｂ、第３電流制御部２０９ｃ、第４電流制御部２０９ｄ、第１温度制御部２１０ａ、第２温度制御部２１０ｂ、第３温度制御部２１０ｃ、第４温度制御部２１０ｄ、第１サーミスタ２１１ａ、第２サーミスタ２１１ｂ、第３サーミスタ２１１ｃ、第４サーミスタ２１１ｄ、第１ペルチェ素子２１２ａ、第２ペルチェ素子２１２ｂ、第３ペルチェ素子２１２ｃ、第４ペルチェ素子２１２ｄを備える。 Further, as shown in FIG. 2, the circuit configuration of the light emitting unit 200 includes a first laser element 205a, a second laser element 205b, a third laser element 205c, a fourth laser element 205d, a wavelength scanning drive signal generating unit 207, A first high-frequency modulation signal generator 208a, a second high-frequency modulation signal generator 208b, a third high-frequency modulation signal generator 208c, a fourth high-frequency modulation signal generator 208d, a first current controller 209a, a second current controller 209b, 3 current control part 209c, 4th current control part 209d, 1st temperature control part 210a, 2nd temperature control part 210b, 3rd temperature control part 210c, 4th temperature control part 210d, 1st thermistor 211a, 2nd thermistor 211b , Third thermistor 211c, fourth thermistor 211d, first Peltier element 212a, second Peltier element 212b, third Peltier element 212c, a fourth Peltier element 212d.

受光部３００は、ガスの吸光特性により吸収された検出光を受光し、ガス濃度を検出するユニットである。
また、受光部３００の機械的構造は、図１に示すように、フランジ３０１、窓部３０２、調整用フランジ３０３、収納部３０４、集光レンズ３０５、センサ部３０６、信号処理回路３０７を備える。
また、受光部３００の回路構成は、図３に示すように、センサ部３０６、信号処理回路３０７を備える。 The light receiving unit 300 is a unit that receives the detection light absorbed by the gas absorption characteristic and detects the gas concentration.
As shown in FIG. 1, the mechanical structure of the light receiving unit 300 includes a flange 301, a window 302, an adjustment flange 303, a storage unit 304, a condensing lens 305, a sensor unit 306, and a signal processing circuit 307.
Further, the circuit configuration of the light receiving unit 300 includes a sensor unit 306 and a signal processing circuit 307 as shown in FIG.

センサ部３０６は、詳しくは図３に示すように、フォトダイオード３０８、Ｉ／Ｖ変換部３０９を備える。
信号処理回路３０７は、詳しくは図３に示すように、第１参照信号発生部３１０ａ、第２参照信号発生部３１０ｂ、第３参照信号発生部３１０ｃ、第４参照信号発生部３１０ｄ、第１同期検波部３１１ａ、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄ、第１フィルタ３１２ａ、第２フィルタ３１２ｂ、第３フィルタ３１２ｃ、第４フィルタ３１２ｄを備える。
多成分対応レーザ式ガス分析計１００の発光部２００と、受光部３００と、はこのようなものである。 As shown in detail in FIG. 3, the sensor unit 306 includes a photodiode 308 and an I / V conversion unit 309.
As shown in FIG. 3 in detail, the signal processing circuit 307 includes a first reference signal generator 310a, a second reference signal generator 310b, a third reference signal generator 310c, a fourth reference signal generator 310d, and a first synchronization. A detection unit 311a, a second synchronous detection unit 311b, a third synchronous detection unit 311c, a fourth synchronous detection unit 311d, a first filter 312a, a second filter 312b, a third filter 312c, and a fourth filter 312d are provided.
The light emitting unit 200 and the light receiving unit 300 of the multi-component laser gas analyzer 100 are as described above.

次に発光部２００の構成や動作の詳細について説明する。
フランジ２０１は、図１に示すように、測定したいガスが通流する煙道など配管の壁４１０に溶接などで固定される。フランジ２０１の内部には貫通孔が形成される。
窓部２０２は、光が透過する材料にて形成され、フランジ２０１の貫通孔を塞ぐように配置されてガス成分が漏れないようにしている。
光軸調整用の調整用フランジ２０３は、フランジ２０１と収納部２０４との間に介在して配置されており、フランジ２０１に対して発光部２００の位置や角度等が調節可能なように収納部２０４を取り付ける。これにより壁４１０に対して発光部２００は光軸調整可能に設置される。後述するが発光部２００からの検出光が受光部３００にて確実に受光されるように調整される。 Next, the configuration and operation details of the light emitting unit 200 will be described.
As shown in FIG. 1, the flange 201 is fixed to a wall 410 of a pipe such as a flue through which a gas to be measured flows by welding or the like. A through hole is formed in the flange 201.
The window portion 202 is formed of a material that transmits light, and is disposed so as to close the through hole of the flange 201 so that the gas component does not leak.
The adjustment flange 203 for adjusting the optical axis is disposed between the flange 201 and the storage portion 204, and the storage portion so that the position and angle of the light emitting portion 200 can be adjusted with respect to the flange 201. 204 is attached. Thus, the light emitting unit 200 is installed on the wall 410 so that the optical axis can be adjusted. As will be described later, the detection light from the light emitting unit 200 is adjusted so as to be reliably received by the light receiving unit 300.

収納部２０４は、その内部に、図１で示すような、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄ、光軸結合部２０６を収納している。また、図２で示す回路構成のうち少なくとも第１サーミスタ２１１ａ、第２サーミスタ２１１ｂ、第３サーミスタ２１１ｃ、第４サーミスタ２１１ｄ、第１ペルチェ素子２１２ａ、第２ペルチェ素子２１２ｂ、第３ペルチェ素子２１２ｃ、第４ペルチェ素子２１２ｄを収容している。 The storage unit 204 stores therein a first laser element 205a, a second laser element 205b, a third laser element 205c, a fourth laser element 205d, and an optical axis coupling unit 206 as shown in FIG. . 2, at least the first thermistor 211a, the second thermistor 211b, the third thermistor 211c, the fourth thermistor 211d, the first Peltier element 212a, the second Peltier element 212b, the third Peltier element 212c, 4 Peltier elements 212d are accommodated.

なお、波長走査駆動信号発生部２０７、第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第４高周波変調信号発生部２０８ｄ、第１電流制御部２０９ａ、第２電流制御部２０９ｂ、第３電流制御部２０９ｃ、第４電流制御部２０９ｄ、第１温度制御部２１０ａ、第２温度制御部２１０ｂ、第３温度制御部２１０ｃ、第４温度制御部２１０ｄについては収納部２０４内に収納しても良く、また、収納部２０４内からリード線を引き出して図示しない他の回路収納部内に収容しても良い。 The wavelength scanning drive signal generator 207, the first high-frequency modulation signal generator 208a, the second high-frequency modulation signal generator 208b, the third high-frequency modulation signal generator 208c, the fourth high-frequency modulation signal generator 208d, the first current control Unit 209a, second current control unit 209b, third current control unit 209c, fourth current control unit 209d, first temperature control unit 210a, second temperature control unit 210b, third temperature control unit 210c, fourth temperature control unit 210d may be stored in the storage unit 204, or a lead wire may be drawn from the storage unit 204 and stored in another circuit storage unit (not shown).

第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄは、本発明の４個の発光部に相当するものであり、これらにより発光手段を構成している。第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄは、例えばＤＦＢレーザ(Distributed Feedback laser)、もしくはＶＣＳＥＬ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)と言われるレーザダイオード（以下ＬＤとする）である。これらＬＤは、レーザ光波長がガスの吸光特性に一致する近赤外領域にて発光が可能であり、かつ、温度と注入電流により発光波長が変化することが一般的に知られている。なお、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄは、電流と温度により、発光波長を可変できるものであればよく、他の発光素子でも同様な動作ができればよい。測定するガス１成分につき１個の発光素子が必要であり、４個のＬＤを採用することで４成分を計測可能としている。 The first laser element 205a, the second laser element 205b, the third laser element 205c, and the fourth laser element 205d correspond to the four light emitting portions of the present invention, and constitute light emitting means. The first laser element 205a, the second laser element 205b, the third laser element 205c, and the fourth laser element 205d are, for example, a laser diode (hereinafter referred to as a DFB laser (Distributed Feedback Laser) or a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)). LD). It is generally known that these LDs can emit light in the near-infrared region where the laser light wavelength matches the light absorption characteristic of the gas, and the light emission wavelength varies depending on the temperature and the injection current. The first laser element 205a, the second laser element 205b, the third laser element 205c, and the fourth laser element 205d only need to be capable of changing the emission wavelength depending on the current and temperature, and the same applies to other light emitting elements. It only needs to be able to operate. One light emitting element is required for each gas component to be measured, and four components can be measured by employing four LDs.

例えば、図７のような吸収特性を有する４種類のガス種（ａ：ＮＨ_３，ｂ：ＨＣｌ、ｃ：Ｎ_２Ｓ，ｄ：ＣＨ_４）を測定する場合、４種類のガスの吸光特性を有する波長がいずれも１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲であるため、１６００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度のレーザ光波長を有する。なお、後述するが、第１電流制御部２０９ａにより駆動制御された第１レーザ素子２０５ａは第１検出光を出力する。同様に第２電流制御部２０９ｂにより駆動制御された第２レーザ素子２０５ｂは第２検出光を、第３電流制御部２０９ｃにより駆動制御された第３レーザ素子２０５ｃは第３検出光を、第４電流制御部２０９ｄにより駆動制御された第４レーザ素子２０５ｄは第４検出光をそれぞれ出力する。 For example, when measuring four kinds of gas species having absorption characteristics as shown in FIG. 7 (a: NH ₃ , b: HCl, c: N ₂ S, d: CH ₄ ), the absorption characteristics of the four kinds of gases are measured. Since all the wavelengths are in the range of 1600 nm to 2000 nm, the laser light wavelength is about 1600 nm to 2000 nm. As will be described later, the first laser element 205a that is driven and controlled by the first current controller 209a outputs the first detection light. Similarly, the second laser element 205b driven and controlled by the second current control unit 209b receives the second detection light, the third laser element 205c driven and controlled by the third current control unit 209c receives the third detection light, and the fourth detection light. The fourth laser element 205d driven and controlled by the current controller 209d outputs the fourth detection light.

光軸結合部２０６は、本発明の光軸結合手段に相当するものであり、具体的にはプリズム型ミラーである。光軸結合部２０６は、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄから出射したレーザ光による第１，第２、第３、第４検出光を通過させると角度を変換しつつ同軸上に合成した検出光を出射する機能を有する。 The optical axis coupling unit 206 corresponds to the optical axis coupling means of the present invention, and is specifically a prism type mirror. The optical axis coupling unit 206 outputs the first, second, third, and fourth detection lights by the laser beams emitted from the first laser element 205a, the second laser element 205b, the third laser element 205c, and the fourth laser element 205d. When passing, it has a function of emitting detection light synthesized on the same axis while changing the angle.

波長走査駆動信号発生部２０７は、ある測定対象ガスの吸光波長を含む測定範囲を走査するように第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄの発光波長を可変とするための波長走査駆動信号を出力する。ここで、波長走査駆動信号発生部２０７の出力する波長走査駆動信号とは、図４（ａ）に示すように、一定周期で繰り返されるほぼ台形波状の信号である。なお、波長走査駆動信号は４種類のガス種（ａ：ＮＨ_３，ｂ：ＨＣｌ、ｃ：Ｎ_２Ｓ，ｄ：ＣＨ_４）の測定に共通して用いられる。以下の説明ではＮＨ_３を測定対象ガスとする測定を説明する。 The wavelength scanning drive signal generator 207 emits light from the first laser element 205a, the second laser element 205b, the third laser element 205c, and the fourth laser element 205d so as to scan the measurement range including the absorption wavelength of a certain measurement target gas. A wavelength scanning drive signal for changing the wavelength is output. Here, the wavelength scanning drive signal output from the wavelength scanning drive signal generating unit 207 is a substantially trapezoidal signal repeated at a constant period, as shown in FIG. The wavelength scanning drive signal is commonly used for measurement of four kinds of gases (a: NH ₃ , b: HCl, c: N ₂ S, d: CH ₄ ). In the following description, measurement using NH ₃ as a measurement target gas will be described.

図４（ａ）において、吸光波長を走査する信号Ｓ２は、第１電流制御部２０９ａを介して第１レーザ素子２０４ａのＬＤに供給される電流の大きさを直線的に変えることにより、第１レーザ素子２０４ａのＬＤの発光波長を徐々にずらしていく（図９（ａ）参照）というものであり、ＮＨ_３（アンモニア）ガスでは、０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能とする部分である。 In FIG. 4A, the signal S2 for scanning the absorption wavelength is obtained by linearly changing the magnitude of the current supplied to the LD of the first laser element 204a via the first current control unit 209a. The laser light emission wavelength of the laser element 204a is gradually shifted (see FIG. 9A), and NH ₃ (ammonia) gas is a portion that can scan a line width of about 0.2 nm. .

また、Ｓ１は、吸光波長は走査しないが第１レーザ素子２０４ａのＬＤを発光させておくオフセット部分であり、第１レーザ素子２０４ａのＬＤの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値にしておく。
更に、Ｓ３は駆動電流をほぼ０ｍＡにした部分である。
このような波長走査駆動信号が波長走査駆動信号発生部２０７から出力される。 S1 is an offset portion that does not scan the absorption wavelength but causes the LD of the first laser element 204a to emit light, and is set to a value equal to or higher than the threshold current value at which the LD of the first laser element 204a is stabilized.
Further, S3 is a portion where the drive current is set to approximately 0 mA.
Such a wavelength scanning drive signal is output from the wavelength scanning drive signal generator 207.

第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第４高周波変調信号発生部２０８ｄは、ガス濃度を検出する各々のレーザ素子の発光波長を変調する高周波変調信号を出力する。ここにそれぞれ異なる測定対象ガスの吸光波長を検出するために、第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第４高周波変調信号発生部２０８ｄは、それぞれ１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚ程度で波長幅を０．０２ｎｍとした正弦波である第１，第２，第３，第４高周波変調信号を出力する。なお、図４（ｂ）では１０ｋＨｚの正弦波である第１高周波変調信号のみ図示しているが、１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚの正弦波は周波数のみ異なるものであり、図示を省略している。 The first high-frequency modulation signal generation unit 208a, the second high-frequency modulation signal generation unit 208b, the third high-frequency modulation signal generation unit 208c, and the fourth high-frequency modulation signal generation unit 208d change the emission wavelength of each laser element that detects the gas concentration. A high frequency modulation signal to be modulated is output. Here, in order to detect the absorption wavelengths of the different gases to be measured, a first high-frequency modulation signal generator 208a, a second high-frequency modulation signal generator 208b, a third high-frequency modulation signal generator 208c, and a fourth high-frequency modulation signal generator 208d outputs first, second, third and fourth high frequency modulation signals which are sine waves having a wavelength width of about 0.02 nm at about 10 kHz, 12.5 kHz, 15 kHz and 17.5 kHz, respectively. In FIG. 4B, only the first high frequency modulation signal, which is a sine wave of 10 kHz, is shown, but the sine waves of 12.5 kHz, 15 kHz, and 17.5 kHz differ only in frequency, and are not shown. ing.

第１電流制御部２０９ａ、第２電流制御部２０９ｂ、第３電流制御部２０９ｃ、第４電流制御部２０９ｄは、ＬＤを駆動する電流信号を出力する。
第１電流制御部２０９ａは、波長走査駆動信号発生部２０７からの波長走査駆動信号と、第１高周波変調信号発生部２０８ａからの第１高周波変調信号を重畳させて第１駆動信号を生成し、この第１駆動信号を電流に変換して第１電流駆動信号として出力する。第１レーザ素子２０５ａは、第１電流駆動信号に駆動されてレーザ光による第１検出光を照射する。波長走査駆動信号発生部２０７、第１高周波変調信号発生部２０８ａ、第１電流制御部２０９ａとで第１電流駆動部を構成する。 The first current control unit 209a, the second current control unit 209b, the third current control unit 209c, and the fourth current control unit 209d output a current signal that drives the LD.
The first current control unit 209a generates a first drive signal by superimposing the wavelength scanning drive signal from the wavelength scanning drive signal generation unit 207 and the first high frequency modulation signal from the first high frequency modulation signal generation unit 208a, This first drive signal is converted into a current and output as a first current drive signal. The first laser element 205a is driven by the first current drive signal and irradiates the first detection light by the laser light. The wavelength scanning drive signal generation unit 207, the first high frequency modulation signal generation unit 208a, and the first current control unit 209a constitute a first current drive unit.

第２電流制御部２０９ｂは、波長走査駆動信号発生部２０７からの波長走査駆動信号と、第２高周波変調信号発生部２０８ｂからの第２高周波変調信号を重畳させて第２駆動信号を生成し、この第２駆動信号を電流に変換して第２電流駆動信号として出力する。第２レーザ素子２０５ｂは、第２電流駆動信号に駆動されてレーザ光による第２検出光を照射する。波長走査駆動信号発生部２０７、第２高周波変調信号発生部２０８ｂ、第２電流制御部２０９ｂとで第２電流駆動部を構成する。 The second current control unit 209b generates a second drive signal by superimposing the wavelength scan drive signal from the wavelength scan drive signal generation unit 207 and the second high frequency modulation signal from the second high frequency modulation signal generation unit 208b, This second drive signal is converted into a current and output as a second current drive signal. The second laser element 205b is driven by the second current drive signal and emits the second detection light by the laser light. The wavelength scanning drive signal generator 207, the second high frequency modulation signal generator 208b, and the second current controller 209b constitute a second current driver.

第３電流制御部２０９ｃは、波長走査駆動信号発生部２０７からの波長走査駆動信号と、第３高周波変調信号発生部２０８ｃからの第３高周波変調信号を重畳させて第３駆動信号を生成し、この第３駆動信号を電流に変換して第３電流駆動信号として出力する。第３レーザ素子２０５ｃは、第３電流駆動信号に駆動されてレーザ光による第３検出光を照射する。波長走査駆動信号発生部２０７、第３高周波変調信号発生部２０８ｃ、第３電流制御部２０９ｃとで第３電流駆動部を構成する。 The third current control unit 209c generates a third drive signal by superimposing the wavelength scanning drive signal from the wavelength scanning drive signal generating unit 207 and the third high frequency modulation signal from the third high frequency modulation signal generating unit 208c, This third drive signal is converted into a current and output as a third current drive signal. The third laser element 205c is driven by the third current drive signal and emits the third detection light by the laser light. The wavelength scanning drive signal generator 207, the third high frequency modulation signal generator 208c, and the third current controller 209c constitute a third current driver.

第４電流制御部２０９ｄは、波長走査駆動信号発生部２０７からの波長走査駆動信号と、第４高周波変調信号発生部２０８ｄからの第４高周波変調信号を重畳させて第４駆動信号を生成し、この第４駆動信号を電流に変換して第４電流駆動信号として出力する。第４レーザ素子２０５ｄは、第４電流駆動信号に駆動されてレーザ光による第４検出光を照射する。波長走査駆動信号発生部２０７、第４高周波変調信号発生部２０８ｄ、第４電流制御部２０９ｄとで第４電流駆動部を構成する。
これら第１，第２，第３，第４電流駆動部は、本発明の電流駆動手段の一具体例となっている。 The fourth current control unit 209d generates a fourth drive signal by superimposing the wavelength scanning drive signal from the wavelength scanning drive signal generating unit 207 and the fourth high frequency modulation signal from the fourth high frequency modulation signal generating unit 208d, This fourth drive signal is converted into a current and output as a fourth current drive signal. The fourth laser element 205d is driven by the fourth current drive signal and emits the fourth detection light by the laser light. The wavelength scanning drive signal generation unit 207, the fourth high frequency modulation signal generation unit 208d, and the fourth current control unit 209d constitute a fourth current drive unit.
These first, second, third and fourth current driving units are specific examples of the current driving means of the present invention.

続いて、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄの温度調整に用いる構成について説明する。温度が変化すると図９（ｂ）でも示したように第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄの発光する光の波長も変化するが、本発明では波長の制御は電流のみによるものとするため、温度を一定に制御するものである。 Subsequently, a configuration used for temperature adjustment of the first laser element 205a, the second laser element 205b, the third laser element 205c, and the fourth laser element 205d will be described. When the temperature changes, the wavelength of light emitted from the first laser element 205a, the second laser element 205b, the third laser element 205c, and the fourth laser element 205d also changes as shown in FIG. 9B. In this case, since the wavelength is controlled only by the current, the temperature is controlled to be constant.

第１温度制御部２１０ａ、第２温度制御部２１０ｂ、第３温度制御部２１０ｃ、第４温度制御部２１０ｄは、温度を制御する回路である。
第１サーミスタ２１１ａ、第２サーミスタ２１１ｂ、第３サーミスタ２１１ｃ、第４サーミスタ２１１ｄは、本発明の温度検出部の一具体例に相当するものであり、温度に応じて抵抗値が変化する機能を有し、抵抗の変化により温度の変化を検出できる温度検出素子である。
第１ペルチェ素子２１２ａ、第２ペルチェ素子２１２ｂ、第３ペルチェ素子２１２ｃ、第４ペルチェ素子２１２ｄは、本発明の加熱冷却部の一具体例に相当するものであり、吸熱により冷却するための温度調整素子である。 The first temperature controller 210a, the second temperature controller 210b, the third temperature controller 210c, and the fourth temperature controller 210d are circuits that control the temperature.
The first thermistor 211a, the second thermistor 211b, the third thermistor 211c, and the fourth thermistor 211d correspond to a specific example of the temperature detection unit of the present invention, and have a function of changing the resistance value according to the temperature. The temperature detecting element can detect a change in temperature by a change in resistance.
The first Peltier element 212a, the second Peltier element 212b, the third Peltier element 212c, and the fourth Peltier element 212d correspond to a specific example of the heating / cooling unit of the present invention, and are temperature adjusted for cooling by absorbing heat. It is an element.

第１温度制御部２１０ａは、第１サーミスタ２１１ａ、第１ペルチェ素子２１２ａが接続される。第１レーザ素子２０５ａに近接して温度検出素子としての第１サーミスタ２１１ａが配置され、また、この第１サーミスタ２１１ａには第１ペルチェ素子２１２ａが近接して配置されている。第１温度制御部２１０ａは、第１サーミスタ２１１ａの抵抗値が一定値になるようにＰＩＤ制御等でよって第１ペルチェ素子２１２ａを制御し、結果として第１レーザ素子２０５ａの温度を安定化させて第１レーザ素子２０５ａから出射する光波長は電流の変化のみによるようにする。第１温度制御部２１０ａは、第１サーミスタ２１１ａ、第１ペルチェ素子２１２ａで第１温度安定化部となり、第１レーザ素子２０５ａの温度安定化を行う。 The first temperature controller 210a is connected to the first thermistor 211a and the first Peltier element 212a. A first thermistor 211a as a temperature detecting element is disposed in the vicinity of the first laser element 205a, and a first Peltier element 212a is disposed in the vicinity of the first thermistor 211a. The first temperature controller 210a controls the first Peltier element 212a by PID control or the like so that the resistance value of the first thermistor 211a becomes a constant value, and as a result, stabilizes the temperature of the first laser element 205a. The wavelength of light emitted from the first laser element 205a is set only by a change in current. The first temperature control unit 210a is a first temperature stabilization unit including the first thermistor 211a and the first Peltier element 212a, and stabilizes the temperature of the first laser element 205a.

第２温度制御部２１０ｂは、第２サーミスタ２１１ｂ、第２ペルチェ素子２１２ｂが接続される。先の説明と同様に温度制御がなされる。第２温度制御部２１０ｂは、第２サーミスタ２１１ｂ、第２ペルチェ素子２１２ｂで第２温度安定化部となり、第２レーザ素子２０５ｂの温度安定化を行う。
第３温度制御部２１０ｃは、第３サーミスタ２１１ｃ、第３ペルチェ素子２１２ｃが接続される。先の説明と同様に温度制御がなされる。第３温度制御部２１０ｃは、第３サーミスタ２１１ｃ、第３ペルチェ素子２１２ｃで第３温度安定化部となり、第３レーザ素子２０５ｃの温度安定化を行う。
第４温度制御部２１０ｄは、第４サーミスタ２１１ｄ、第４ペルチェ素子２１２ｄが接続される。先の説明と同様に温度制御がなされる。第４温度制御部２１０ｄは、第４サーミスタ２１１ｄ、第４ペルチェ素子２１２ｄで第４温度安定化部となり、第４レーザ素子２０５ｄの温度安定化を行う。
これら第１，第２，第３，第４温度安定化部は、本発明の温度安定化手段の一具体例となっている。 The second temperature controller 210b is connected to the second thermistor 211b and the second Peltier element 212b. Temperature control is performed in the same manner as described above. The second temperature control unit 210b is a second temperature stabilization unit including the second thermistor 211b and the second Peltier element 212b, and stabilizes the temperature of the second laser element 205b.
The third temperature controller 210c is connected to the third thermistor 211c and the third Peltier element 212c. Temperature control is performed in the same manner as described above. The third temperature control unit 210c is a third temperature stabilization unit including the third thermistor 211c and the third Peltier element 212c, and stabilizes the temperature of the third laser element 205c.
The fourth temperature controller 210d is connected to the fourth thermistor 211d and the fourth Peltier element 212d. Temperature control is performed in the same manner as described above. The fourth temperature control unit 210d is a fourth temperature stabilization unit including the fourth thermistor 211d and the fourth Peltier element 212d, and stabilizes the temperature of the fourth laser element 205d.
These first, second, third, and fourth temperature stabilizing sections are specific examples of the temperature stabilizing means of the present invention.

続いて発光部２００の一連の発光動作について説明する。まず、事前に温度校正が行われる。
第１温度制御部では以下のように調整が行われる。第１レーザ素子２０４ａの温度を第１サーミスタ２１１ａにより検出し、図４（ａ）に示した波長走査駆動信号のＳ２の中心部分で測定対象ガス（例えばＮＨ_３ガス）が測定できる（所定の吸光特性が得られる）ように、第１温度制御部２１０ａにより第１ペルチェ素子２１２ａの通電を制御して第１レーザ素子２０４ａの温度を調整する。
第１温度安定化部について説明し、第２，第３，第４温度安定化部については同じであるものとして重複する説明を省略する。 Next, a series of light emitting operations of the light emitting unit 200 will be described. First, temperature calibration is performed in advance.
In the first temperature control unit, adjustment is performed as follows. The temperature of the first laser element 204a is detected by the first thermistor 211a, and the measurement target gas (for example, NH ₃ gas) can be measured at the center portion of S2 of the wavelength scanning drive signal shown in FIG. The temperature of the first laser element 204a is adjusted by controlling the energization of the first Peltier element 212a by the first temperature controller 210a so that the characteristics can be obtained.
The first temperature stabilizing unit will be described, and the second, third, and fourth temperature stabilizing units are the same and will not be described repeatedly.

第１レーザ素子２０５ａからの検出光は図４（ｃ）で示すようになる。なお、図４（ｃ）では、高周波変調信号の周波数を１０ｋＨｚ、波長走査駆動信号の周波数を５０Ｈｚとしてあり、λ_１はオフセットに相当する波長、λ_２，λ_３はＮＨ_３ガスの吸光波長に相当する走査範囲の上下限値を示している。第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄも周波数が異なる以外は同様の原理である。 The detection light from the first laser element 205a is as shown in FIG. In FIG. 4C, the frequency of the high frequency modulation signal is 10 kHz, the frequency of the wavelength scanning drive signal is 50 Hz, λ ₁ is the wavelength corresponding to the offset, and λ ₂ and λ ₃ are the absorption wavelengths of the NH ₃ gas. The upper and lower limit values of the corresponding scanning range are shown. The second laser element 205b, the third laser element 205c, and the fourth laser element 205d have the same principle except that the frequencies are different.

このような発光部では、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄがそれぞれ光を出射すると、光軸結合部２０６で４本の光線である第１，第２，第３，第４検出光である検出光が同じ光軸上を通過するように光軸結合する。光軸結合された光線である検出光は窓部２０２を通過して煙道内を照射する。壁４１０，４２０の内部の測定対象ガスが存在する空間を検出光が透過すると、この検出光は吸収を受けることとなる。
発光部２００はこのようなものである。 In such a light emitting unit, when the first laser element 205a, the second laser element 205b, the third laser element 205c, and the fourth laser element 205d emit light, the optical axis coupling unit 206 outputs four light beams. The optical axes are coupled so that the detection lights as the first, second, third, and fourth detection lights pass on the same optical axis. Detection light, which is a light beam coupled to the optical axis, passes through the window 202 and irradiates the inside of the flue. When the detection light passes through the space where the measurement target gas exists inside the walls 410 and 420, the detection light is absorbed.
The light emitting unit 200 is like this.

続いて受光部３００について説明する。
フランジ３０１は測定したいガスが通流する煙道など配管の壁４２０に溶接などで固定される。フランジ３０１の内部には貫通孔が形成される。
窓部３０２は、光が透過する材料にて形成され、貫通孔を塞ぐことでガス成分が漏れないようにしている。
光軸調整用の調整用フランジ３０３は、フランジ３０１と収納部３０４との間に介在して配置されており、フランジ３０１に対して受光部３００の位置や角度等が調節可能なように収納部３０４を取り付ける。これにより壁４２０に対して受光部３００は光軸調整可能に設置される。受光部２００と受光部３００とは、発光部２００からの検出光が受光部３００で最大の受光光量になるように調整されている。 Next, the light receiving unit 300 will be described.
The flange 301 is fixed by welding or the like to a wall 420 of a pipe such as a flue through which a gas to be measured flows. A through hole is formed inside the flange 301.
The window 302 is made of a material that allows light to pass through, and prevents gas components from leaking by closing the through hole.
The adjustment flange 303 for adjusting the optical axis is disposed between the flange 301 and the storage portion 304, and the storage portion can be adjusted so that the position and angle of the light receiving portion 300 can be adjusted with respect to the flange 301. 304 is attached. Thus, the light receiving unit 300 is installed on the wall 420 so that the optical axis can be adjusted. The light receiving unit 200 and the light receiving unit 300 are adjusted so that the detection light from the light emitting unit 200 becomes the maximum amount of light received by the light receiving unit 300.

収納部３０４はその内部に、図１で示すような、集光レンズ３０５、センサ部３０６、信号処理回路３０７を収納している。また、図３で示す回路構成のフォトダイオード３０８、Ｉ／Ｖ変換部３０９、第１参照信号発生部３１０ａ、第２参照信号発生部３１０ｂ、第３参照信号発生部３１０ｃ、第４参照信号発生部３１０ｄ、第１同期検波部３１１ａ、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄ、第１フィルタ３１２ａ、第２フィルタ３１２ｂ、第３フィルタ３１２ｃ、第４フィルタ３１２ｄを備える。なお、信号処理回路３０７については収納部３０４内からリード線を引き出して図示しない他の回路収納部内に収容しても良い。 The storage unit 304 stores therein a condenser lens 305, a sensor unit 306, and a signal processing circuit 307 as shown in FIG. In addition, the photodiode 308, the I / V conversion unit 309, the first reference signal generation unit 310a, the second reference signal generation unit 310b, the third reference signal generation unit 310c, and the fourth reference signal generation unit having the circuit configuration illustrated in FIG. 310d, first synchronous detector 311a, second synchronous detector 311b, third synchronous detector 311c, fourth synchronous detector 311d, first filter 312a, second filter 312b, third filter 312c, and fourth filter 312d. Prepare. Note that the signal processing circuit 307 may be housed in another circuit housing unit (not shown) by drawing out a lead wire from the housing unit 304.

フォトダイオード３０８は、第１レーザ素子２０５ａ、第２レーザ素子２０５ｂ、第３レーザ素子２０５ｃ、第４レーザ素子２０５ｄの全てのレーザ光線の発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。例えば、図７のような吸収特性を有する４種類のガス種（ａ：ＮＨ_３，ｂ：ＨＣｌ、ｃ：Ｎ_２Ｓ，ｄ：ＣＨ_４）を測定する場合、それぞれのガスの吸光特性を有する波長が１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲のため、フォトダイオード３０８は１６００ｎｍ〜２０００ｎｍの波長感度を持つ図５のような特性を持つ素子を用いればよい。このような素子としては、例えば、浜松ホトニクスから販売されているＧ８３７２−０１などがある。
Ｉ／Ｖ変換部３０９は、このセンサ部３０６からの電流信号による検出信号をＩ−Ｖ変換により電圧信号による検出信号に変換する。 As the photodiode 308, a light receiving element having sensitivity to the emission wavelengths of all the laser beams of the first laser element 205a, the second laser element 205b, the third laser element 205c, and the fourth laser element 205d is used. For example, when measuring four kinds of gas species (a: NH ₃ , b: HCl, c: N ₂ S, d: CH ₄ ) having absorption characteristics as shown in FIG. Since the wavelength is in the range of 1600 nm to 2000 nm, the photodiode 308 may be an element having the wavelength sensitivity of 1600 nm to 2000 nm and the characteristics shown in FIG. An example of such an element is G8372-01 sold by Hamamatsu Photonics.
The I / V conversion unit 309 converts the detection signal based on the current signal from the sensor unit 306 into a detection signal based on the voltage signal by IV conversion.

第１参照信号発生部３１０ａ、第２参照信号発生部３１０ｂ、第３参照信号発生部３１０ｃ、第４参照信号発生部３１０ｄは、参照用の信号を発生する機能を有している。
第１参照信号発生部３１０ａは、第１高周波変調信号発生部２０８ａの第１高周波変調信号の周波数ｆを２倍にした２ｆ信号（２倍波信号）である第１参照信号を発生する。
第２参照信号発生部３１０ｂは、第２高周波変調信号発生部２０８ｂの第２高周波変調信号の周波数ｆを２倍にした２ｆ信号（２倍波信号）である第２参照信号を発生する。 The first reference signal generator 310a, the second reference signal generator 310b, the third reference signal generator 310c, and the fourth reference signal generator 310d have a function of generating a reference signal.
The first reference signal generator 310a generates a first reference signal that is a 2f signal (double wave signal) obtained by doubling the frequency f of the first high frequency modulation signal of the first high frequency modulation signal generator 208a.
The second reference signal generator 310b generates a second reference signal that is a 2f signal (double wave signal) obtained by doubling the frequency f of the second high frequency modulation signal of the second high frequency modulation signal generator 208b.

第３参照信号発生部３１０ｃは、第３高周波変調信号発生部２０８ｃの第３高周波変調信号の周波数ｆを２倍にした２ｆ信号（２倍波信号）である第３参照信号を発生する。
第４参照信号発生部３１０ｄは、第３高周波変調信号発生部２０８ｄの第４高周波変調信号の周波数ｆを２倍にした２ｆ信号（２倍波信号）である第４参照信号を発生する。 The third reference signal generator 310c generates a third reference signal that is a 2f signal (double wave signal) obtained by doubling the frequency f of the third high frequency modulation signal of the third high frequency modulation signal generator 208c.
The fourth reference signal generator 310d generates a fourth reference signal that is a 2f signal (double wave signal) obtained by doubling the frequency f of the fourth high frequency modulation signal of the third high frequency modulation signal generator 208d.

第１，第２，第３，第４高周波変調信号は、それぞれ１０ｋＨｚ，１２．５ｋＨｚ，１５ｋＨｚ，１７．５ｋＨｚ程度の正弦波・矩形波などの参照波であるため、第１，第２，第３，第４参照信号は第１，第２，第３，第４高周波変調信号の２倍周波数の参照波となり、それぞれ２０ｋＨｚ，２５ｋＨｚ，３０ｋＨｚ，３５ｋＨｚとなる。 The first, second, third, and fourth high-frequency modulation signals are reference waves such as sine waves and rectangular waves of about 10 kHz, 12.5 kHz, 15 kHz, and 17.5 kHz, respectively. The third and fourth reference signals are reference waves having a frequency twice that of the first, second, third, and fourth high-frequency modulation signals, and are 20 kHz, 25 kHz, 30 kHz, and 35 kHz, respectively.

第１同期検波部３１１ａ、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄは、検出信号を同期検波することで同期検波信号を出力する機能を有している。
第１フィルタ３１２ａ、第２フィルタ３１２ｂ、第３フィルタ３１２ｃ、第４フィルタ３１２ｄは、同期検波信号からノイズ成分をフィルタリングする機能を有している。 The first synchronous detector 311a, the second synchronous detector 311b, the third synchronous detector 311c, and the fourth synchronous detector 311d have a function of outputting a synchronous detection signal by synchronously detecting the detection signal.
The first filter 312a, the second filter 312b, the third filter 312c, and the fourth filter 312d have a function of filtering noise components from the synchronous detection signal.

第１同期検波部３１１ａは、Ｉ／Ｖ変換部３０９からの検出信号と、第１参照信号発生部３１０ａからの第１参照信号とが入力されて、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが検出信号から抽出された第１同期検波信号が出力される。第１参照信号発生部３１０ａ、第１同期検波部３１１ａで本発明の第１同期検波部を構成する。この検波信号は図４（ｄ），図６の第１同期検波部３１１ａからの出力波形となる。そして、第１フィルタ３１２ａがこの検波信号に対してフィルタリングを行ってノイズが除去され、適宜増幅した上で、最終的な第１検波信号を出力する。 The first synchronous detection unit 311a receives the detection signal from the I / V conversion unit 309 and the first reference signal from the first reference signal generation unit 310a, and outputs the double frequency component of the modulated signal of the emitted light. A first synchronous detection signal in which only the amplitude is extracted from the detection signal is output. The first reference signal generator 310a and the first synchronous detector 311a constitute the first synchronous detector of the present invention. This detection signal becomes an output waveform from the first synchronous detection unit 311a shown in FIGS. The first filter 312a performs filtering on the detected signal to remove noise, amplifies it appropriately, and then outputs the final first detected signal.

第２同期検波部３１１ｂは、Ｉ／Ｖ変換部３０９からの検出信号と、第２参照信号発生部３１０ｂからの２ｆ信号（２倍波信号）とが入力されて、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが検出信号から抽出された第２同期検波信号が出力される。第２参照信号発生部３１０ｂ、第２同期検波部３１１ｂで第２同期検波部を構成する。そして、第２フィルタ３１２ｂがこの検波信号に対してフィルタリングを行ってノイズが除去され、適宜増幅した上で、最終的な第２検波信号を出力する。 The second synchronous detection unit 311b receives the detection signal from the I / V conversion unit 309 and the 2f signal (second harmonic signal) from the second reference signal generation unit 310b, and outputs 2 of the modulation signal of the emitted light. A second synchronous detection signal in which only the amplitude of the double frequency component is extracted from the detection signal is output. The second reference signal generation unit 310b and the second synchronous detection unit 311b constitute a second synchronous detection unit. Then, the second filter 312b performs filtering on the detection signal to remove noise, amplifies it appropriately, and outputs the final second detection signal.

第３同期検波部３１１ｃは、Ｉ／Ｖ変換部３０９からの検出信号と、第３参照信号発生部３１０ｃからの２ｆ信号（２倍波信号）とが入力されて、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが検出信号から抽出された第３同期検波信号が出力される。第３参照信号発生部３１０ｃ、第３同期検波部３１１ｃで第３同期検波部を構成する。そして、第３フィルタ３１２ｃがこの検波信号に対してフィルタリングを行ってノイズが除去され、適宜増幅した上で、最終的な第３検波信号を出力する。 The third synchronous detection unit 311c receives the detection signal from the I / V conversion unit 309 and the 2f signal (second harmonic signal) from the third reference signal generation unit 310c, and outputs 2 of the modulation signal of the emitted light. A third synchronous detection signal in which only the amplitude of the double frequency component is extracted from the detection signal is output. The third reference signal generator 310c and the third synchronous detector 311c constitute a third synchronous detector. Then, the third filter 312c performs filtering on the detection signal to remove noise, and after appropriately amplifying, outputs the final third detection signal.

第４同期検波部３１１ｄは、Ｉ／Ｖ変換部３０９からの検出信号と、第４参照信号発生部３１０ｄからの２ｆ信号（２倍波信号）とが入力されて、出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが検出信号から抽出された第４検波信号が出力される。第４参照信号発生部３１０ｄ、第４同期検波部３１１ｄで第４同期検波部を構成する。そして、第４フィルタ３１２ｄがこの検波信号に対してフィルタリングを行ってノイズが除去され、適宜増幅した上で、最終的な第４検波信号を出力する。
これら第１，第２，第３，第４同期検波部は、本発明の同期検波手段の一具体例となっている。 The fourth synchronous detection unit 311d receives the detection signal from the I / V conversion unit 309 and the 2f signal (second harmonic signal) from the fourth reference signal generation unit 310d, and outputs 2 of the modulation signal of the emitted light. A fourth detection signal in which only the amplitude of the double frequency component is extracted from the detection signal is output. The fourth reference signal generation unit 310d and the fourth synchronous detection unit 311d constitute a fourth synchronous detection unit. Then, the fourth filter 312d performs filtering on the detected signal to remove noise, amplifies it appropriately, and outputs the final fourth detected signal.
These first, second, third and fourth synchronous detection units are specific examples of the synchronous detection means of the present invention.

信号処理回路３０７は本発明の分析手段に相当する分析部（図示せず）を内蔵しておりは、分析部は得られた第１，第２，第３，第４同期検波信号を用いて分析部（図示せず）がガス濃度を分析する。 The signal processing circuit 307 includes an analysis unit (not shown) corresponding to the analysis means of the present invention. The analysis unit uses the obtained first, second, third, and fourth synchronous detection signals. An analysis unit (not shown) analyzes the gas concentration.

続いて受光部３００の一連の受光動作について説明する。
測定ガスを透過した検出光は、窓部３０２を経て、集光レンズ３０５へ到達する。集光レンズ３０５により集光された光は、センサ部３０６のフォトダイオード３０８へ入射させる。検出光は同軸上でフォトダイオード３０８へ入射するのでフォトダイオード３０８は１個で受光できる。フォトダイオード３０８からの電流信号による検出信号はＩ／Ｖ変換部３０９により電圧信号による検出信号に変換されて第１同期検波部３１１ａ、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄへ出力される。 Next, a series of light receiving operations of the light receiving unit 300 will be described.
The detection light that has passed through the measurement gas reaches the condenser lens 305 through the window 302. The light condensed by the condenser lens 305 is incident on the photodiode 308 of the sensor unit 306. Since the detection light is coaxially incident on the photodiode 308, the single photodiode 308 can receive light. The detection signal based on the current signal from the photodiode 308 is converted into the detection signal based on the voltage signal by the I / V conversion unit 309, and the first synchronous detection unit 311a, the second synchronous detection unit 311b, the third synchronous detection unit 311c, and the fourth It is output to the synchronous detector 311d.

第１同期検波部３１１ａは、第１参照信号発生部３１０ａからの第１参照信号を用いて変換された検出信号を同期検波して変調信号の２倍周波数成分である第１同期検波信号を出力に得る。 The first synchronous detection unit 311a synchronously detects the detection signal converted using the first reference signal from the first reference signal generation unit 310a and outputs a first synchronous detection signal that is a double frequency component of the modulation signal. To get to.

測定対象ガスによるレーザ光の吸収が無い場合は、図３の第１同期検波部３１１ａによって２倍数信号による吸光特性が検出されないので、第１同期検波部３１１ａの出力である第１同期検波信号はほぼ直線となる。この場合測定対象のガスがないと判定される。
一方、測定対象ガス、例えば、ＮＨ_３のガス成分のによる検出光の吸光がある場合は、第１同期検波部３１１ａによって２倍周波数信号による第１同期検波信号（吸光特性）が検出される。その出力波形は図４（ｄ），図６に示すようになる。 When there is no absorption of laser light by the measurement target gas, the first synchronous detection signal that is the output of the first synchronous detection unit 311a is not detected by the first synchronous detection unit 311a of FIG. Almost straight. In this case, it is determined that there is no gas to be measured.
On the other hand, when the detection light is absorbed by the measurement target gas, for example, the gas component of NH ₃ , the first synchronous detection signal (absorption characteristic) by the double frequency signal is detected by the first synchronous detection unit 311a. The output waveform is as shown in FIGS.

同様に、第２同期検波部３１１ｂ、第３同期検波部３１１ｃ、第４同期検波部３１１ｄもそれぞれ２倍周波数成分である第２，第３，第４同期検波信号を出力に得る。
その後、第１フィルタ３１２ａ、第２フィルタ３１２ｂ、第３フィルタ３１２ｃ、第４フィルタ３１２ｄによりノイズ除去、信号増幅などを行う。 Similarly, the second synchronous detector 311b, the third synchronous detector 311c, and the fourth synchronous detector 311d also obtain the second, third, and fourth synchronous detection signals, which are double frequency components, as outputs.
Thereafter, noise removal, signal amplification, and the like are performed by the first filter 312a, the second filter 312b, the third filter 312c, and the fourth filter 312d.

信号処理回路３０７は、得られた第１検波信号を用いて計測処理部（図示せず）がガス濃度を分析する。この波形のピーク値が測定対象ガスの濃度に相当するため、ピーク振幅値を測定するか、あるいは波形の一部または全部を積分してその積分値から測定対象ガスの濃度を検出すればよい。 In the signal processing circuit 307, a measurement processing unit (not shown) analyzes the gas concentration using the obtained first detection signal. Since the peak value of this waveform corresponds to the concentration of the measurement target gas, the peak amplitude value may be measured, or a part or all of the waveform may be integrated to detect the concentration of the measurement target gas from the integrated value.

このような吸光特性は、第２，第３，第４同期検波信号でも同様である。第１，第２，第３，第４同期検波信号は、それぞれ測定対象とするガスの吸光特性を表す。すなわち第１同期検波信号がＮＨ_３の吸光特性を、第２同期検波信号がＨＣｌの吸光特性を、第３同期検波信号がＮ_２Ｓの吸光特性を、第４同期検波信号がＣＨ_４の吸光特性を表す。
多成分対応レーザ式ガス分析計１００はこのようなものである。 Such light absorption characteristics are the same for the second, third, and fourth synchronous detection signals. The first, second, third and fourth synchronous detection signals represent the light absorption characteristics of the gas to be measured. That is, the first synchronous detection signal is the absorption characteristic of NH ₃ , the second synchronous detection signal is the absorption characteristic of HCl, the third synchronous detection signal is the absorption characteristic of N ₂ S, and the fourth synchronous detection signal is the absorption characteristic of CH ₄ . Represents a characteristic.
The multi-component laser gas analyzer 100 is as described above.

以上のように、吸光波長を検出する変調信号の周波数を測定するガス毎に変え、検出するガスの吸光波長に感度を持つ受光素子を用いることにより、複数台用いることなく一台で複数種類のガス濃度を測定することが可能となる。 As described above, the frequency of the modulation signal for detecting the absorption wavelength is changed for each gas to be measured, and by using a light receiving element having sensitivity to the absorption wavelength of the gas to be detected, a plurality of types can be used in one unit without using a plurality of units. It becomes possible to measure the gas concentration.

なお、本形態では単なる板状の窓部２０２，３０２を用いるものとして説明した。しかしながら窓部２０２，３０２に代えてコリメートレンズ（図示せず）を配置するようにしても良い。光軸結合部２０６から出射したレーザ光はコリメートレンズによって平行光にコリメートされ、フランジ２０１の中心を通って壁４１０，４２０の内部（煙道内部）へ入射される。平行光は、壁４１０，４２０の内部にある測定対象ガスを透過する際に吸収を受けることとなる。このような構成を採用しても良い。 In the present embodiment, the description has been made assuming that simple plate-like windows 202 and 302 are used. However, a collimating lens (not shown) may be disposed in place of the windows 202 and 302. The laser light emitted from the optical axis coupling unit 206 is collimated into parallel light by the collimating lens, and enters the walls 410 and 420 (inside the flue) through the center of the flange 201. The parallel light is absorbed when it passes through the measurement target gas inside the walls 410 and 420. Such a configuration may be adopted.

以上説明した本実施形態によれば、光源部によりレーザ素子の発光波長を所定範囲にわたって走査することにより、参照ガスセルを用いなくても測定対象ガスによる吸光波長を検出することができる。
従来技術では、測定対象ガスによる吸収を特定波長における受光信号の振幅のみから検出していたが、本実施形態では、吸収波形の全体を検出することでレーザ素子の発光波長を固定する必要が無くなり、検出感度が安定化して測定精度が向上するといった効果が得られる。
また、複数のガス濃度をを検出する場合でも、複数のレーザ素子は異なる変調周波数で動作させているので、各ガス濃度は、単体の受光装置により検出された信号から各々の変調波の２倍周波数成分を検出することにより測定することができる。 According to the present embodiment described above, the light absorption wavelength of the measurement target gas can be detected without using the reference gas cell by scanning the light emission wavelength of the laser element over a predetermined range by the light source unit.
In the prior art, the absorption by the measurement target gas is detected only from the amplitude of the light reception signal at a specific wavelength. However, in this embodiment, it is not necessary to fix the emission wavelength of the laser element by detecting the entire absorption waveform. Thus, the detection sensitivity is stabilized and the measurement accuracy is improved.
Even when detecting a plurality of gas concentrations, the plurality of laser elements are operated at different modulation frequencies, so that each gas concentration is twice as high as each modulation wave from a signal detected by a single light receiving device. It can be measured by detecting the frequency component.

本発明を実施するための最良の形態の多成分対応レーザ式ガス分析計の構成図である。It is a block diagram of the multi-component corresponding | compatible laser type gas analyzer of the best form for implementing this invention. 発光部の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of a light emission part. 受光部の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of a light-receiving part. 信号の特性図であり、図４（ａ）は波長走査駆動信号を示す図、図４（ｂ）は第１高調波変調信号を示す図、図４（ｃ）は第１レーザ素子の出力波形を示す図、図４（ｄ）は第１同期検波部の出力波形を示す図である。FIG. 4A is a diagram illustrating a signal characteristic, FIG. 4A is a diagram illustrating a wavelength scanning drive signal, FIG. 4B is a diagram illustrating a first harmonic modulation signal, and FIG. 4C is an output waveform of the first laser element. FIG. 4D is a diagram showing an output waveform of the first synchronous detection unit. フォトダイオードの波長感度を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the wavelength sensitivity of a photodiode. 出力の写真であり、図６（ａ）はフォトダイオードから出力される検出信号を示す図、図６（ｂ）は第１同期検波回からの第１同期検波信号を示す図である。FIG. 6A is a view showing a detection signal output from the photodiode, and FIG. 6B is a view showing a first synchronous detection signal from the first synchronous detection round. ガス固有の光吸収スペクトルを説明する説明図であり、図７（ａ）はＮＨ_３（アンモニア）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｂ）はＨＣｌ（塩化水素）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｃ）はＨ_２Ｓ（硫化水素）ガスの吸収スペクトラム例を示す図、図７（ｄ）はＣＨ_４（メタン）ガスの吸収スペクトラム例を示す図である。FIG. 7A is an explanatory diagram for explaining a light absorption spectrum unique to a gas, FIG. 7A is a diagram showing an example of an absorption spectrum of NH ₃ (ammonia) gas, and FIG. 7B is an example of an absorption spectrum of HCl (hydrogen chloride) gas. FIG. 7C is a diagram illustrating an example of an absorption spectrum of H ₂ S (hydrogen sulfide) gas, and FIG. 7D is a diagram illustrating an example of an absorption spectrum of CH ₄ (methane) gas. 周波数変調方式の原理図である。It is a principle diagram of a frequency modulation system. 半導体レーザの発光波長の変化を示す図であり、図９（ａ）はドライブ電流による波長変化を示す図、図９（ｂ）は温度による波長変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the light emission wavelength of a semiconductor laser, Fig.9 (a) is a figure which shows the wavelength change by a drive current, FIG.9 (b) is a figure which shows the wavelength change by temperature. 特許文献２に記載されたガス濃度測定装置の全体的な構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the gas concentration measuring apparatus described in patent document 2. FIG. ガス濃度測定装置の主要部の構成図である。It is a block diagram of the principal part of a gas concentration measuring apparatus.

Explanation of symbols

１００：多成分対応レーザ式ガス分析計
２００：発光部
２０１：フランジ
２０２：窓部
２０３：調整用フランジ
２０４：収納部
２０５ａ：第１レーザ素子
２０５ｂ：第２レーザ素子
２０５ｃ：第３レーザ素子
２０５ｄ：第４レーザ素子
２０６：光軸結合部
２０７：波長走査駆動信号発生部
２０８ａ：第１高周波変調信号発生部
２０８ｂ：第２高周波変調信号発生部
２０８ｃ：第３高周波変調信号発生部
２０８ｄ：第４高周波変調信号発生部
２０９ａ：第１電流制御部
２０９ｂ：第２電流制御部
２０９ｃ：第３電流制御部
２０９ｄ：第４電流制御部
２１０ａ：第１温度制御部
２１０ｂ：第２温度制御部
２１０ｃ：第３温度制御部
２１０ｄ：第４温度制御部
２１１ａ：第１サーミスタ
２１１ｂ：第２サーミスタ
２１１ｃ：第３サーミスタ
２１１ｄ：第４サーミスタ
２１２ａ：第１ペルチェ素子
２１２ｂ：第２ペルチェ素子
２１２ｃ：第３ペルチェ素子
２１２ｄ：第４ペルチェ素子
３００：受光部
３０１：フランジ
３０２：調整用フランジ
３０３：収納部
３０４：窓部
３０５：集光レンズ
３０６：センサ部
３０７：信号処理回路
３０８：フォトダイオード
３０９：Ｉ／Ｖ変換部
３１０ａ：第１参照信号発生部
３１０ｂ：第２参照信号発生部
３１０ｃ：第３参照信号発生部
３１０ｄ：第４参照信号発生部
３１１ａ：第１同期検波部
３１１ｂ：第２同期検波部
３１１ｃ：第３同期検波部
３１１ｄ：第４同期検波部
３１２ａ：第１フィルタ
３１２ｂ：第２フィルタ
３１２ｃ：第３フィルタ
３１２ｄ：第４フィルタ 100: multi-component laser analyzer 200: light emitting unit 201: flange 202: window 203: adjustment flange 204: storage unit 205a: first laser element 205b: second laser element 205c: third laser element 205d: Fourth laser element 206: optical axis coupling unit 207: wavelength scanning drive signal generation unit 208a: first high frequency modulation signal generation unit 208b: second high frequency modulation signal generation unit 208c: third high frequency modulation signal generation unit 208d: fourth high frequency Modulation signal generator 209a: first current controller 209b: second current controller 209c: third current controller 209d: fourth current controller 210a: first temperature controller 210b: second temperature controller 210c: third Temperature controller 210d: fourth temperature controller 211a: first thermistor 211b: second thermistor 211c: third thermistor 211d Fourth thermistor 212a: First Peltier element 212b: Second Peltier element 212c: Third Peltier element 212d: Fourth Peltier element 300: Light receiving part 301: Flange 302: Adjustment flange 303: Storage part 304: Window part 305: Collection Optical lens 306: sensor unit 307: signal processing circuit 308: photodiode 309: I / V conversion unit 310a: first reference signal generation unit 310b: second reference signal generation unit 310c: third reference signal generation unit 310d: fourth Reference signal generator 311a: first synchronous detector 311b: second synchronous detector 311c: third synchronous detector 311d: fourth synchronous detector 312a: first filter 312b: second filter 312c: third filter 312d: first 4 filters

Claims

In a multi-component laser gas analyzer that measures n kinds of gases using a laser element whose emission wavelength changes according to a change in driving current,
A wavelength scanning drive signal for making the emission wavelength of the laser element variable so as to scan the wavelength scanning range including the absorption wavelength of the measurement target gas, and a high-frequency modulation signal for modulating the emission wavelength are input, and the wavelength Current drive means comprising n current drive units for each of n kinds of gases, which convert and output a drive signal obtained by combining the scanning drive signal and the high-frequency modulation signal into a current drive signal;
A light-emitting means comprising n light-emitting parts that emit light in accordance with a current drive signal output from the current drive part and emit detection light;
A temperature stabilizing means comprising n temperature stabilizing sections for stabilizing the temperature of the light emitting section for each of the n light emitting sections;
optical axis coupling means for synthesizing n detection lights emitted from the n light emitting units on the same optical axis and emitting the detection light to the measurement target gas space;
Condensing means for condensing and emitting the detection light propagated through the measurement target gas space;
a light receiving means that is sensitive to all wavelengths of the n types of detection light and outputs a detection signal corresponding to the wavelength of the collected detection light;
Synchronous detection means comprising n synchronous detection units for n types of gases, which synchronously detect a detection signal using a reference signal having a frequency twice that of the high frequency modulation signal and output a synchronous detection signal having a double frequency component. ,
analysis means for measuring and analyzing the presence / absence of a desired measurement target gas and / or the concentration of the desired measurement target gas using a synchronous detection signal for each of n kinds of gases;
A multi-component laser gas analyzer characterized by comprising:

The multi-component laser gas analyzer according to claim 1,
The current driving means includes a wavelength scanning drive signal generator for outputting a wavelength scanning driving signal for making the emission wavelength of the laser element variable so as to scan the measurement range including the absorption wavelength of the measurement target gas, and the emission wavelength. A high-frequency modulation signal generator that outputs a high-frequency modulation signal for modulation, a wavelength scanning drive signal and a high-frequency modulation signal are input to generate a drive signal by synthesis, and the drive signal is converted into a current drive signal and output A multi-component laser gas analyzer, comprising: a current control unit configured to provide n current drive units each including n types of gases.

In the multi-component laser gas analyzer according to claim 1 or 2,
The temperature stabilizing means includes a temperature detection unit that detects the temperature of the light emitting unit, a temperature control unit that receives a temperature detection signal from the temperature detection unit and outputs a temperature drive signal that sets the light emitting unit to a constant temperature, and a light emitting unit A multi-component laser gas analyzer comprising: a heating / cooling unit that adjusts the temperature of the light source; and a temperature stabilizing unit that includes n light emitting units.

In the multi-component laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 3,
The synchronous detection means is a reference signal generator that outputs a reference signal that is twice the frequency of the high-frequency modulation signal, and a synchronous that detects the detection signal synchronously using the reference signal and outputs a synchronous detection signal having a double frequency component. A multi-component laser gas analyzer, comprising: n detectors for n types of gases.

In the multi-component laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 4,
The waveform of the wavelength scanning drive signal has an offset, and has a part that gradually changes the emission wavelength of the laser element by linearly changing the supply current to the laser element, and is repeated at a constant cycle. Is a waveform,
The multi-component laser gas analyzer according to claim 1, wherein the offset is a value that supplies a current equal to or higher than a threshold current value of the laser element to the laser element.

In the multi-component laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 5,
The analysis means includes
A multi-component laser gas analyzer characterized by integrating at least a part of the synchronous detection signal and detecting the integrated value as the concentration of the gas to be measured.

In the multi-component laser gas analyzer according to any one of claims 1 to 5,
The analysis means includes
A multi-component laser gas analyzer that detects a peak value of the synchronous detection signal as a concentration of a measurement target gas.