[發(fā)明專利]氣體濃度測量裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110209392.9
• 申請日: 2011-07-22
• 公開（公告）號: CN102346137A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發(fā)明（設計）人: 星野洋輔;田窪健二;森谷直司
• 申請（專利權）人: 株式會社島津制作所
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 北京林達劉知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇

技術領域

本發(fā)明涉及氣體濃度測量裝置，該氣體濃度測量裝置通過使用氣體對激光的吸收來測量該氣體中所包含的特定成分的濃度。

背景技術

作為用于測量氣體濃度的一個方法，已知有被稱為可調諧二極管激光吸收光譜(Tunable?Diode?Laser?Absorption?Spectroscopy)測量法(以下簡稱為“TDLAS”測量法)的技術。

在TDLAS測量法中，將以頻率f調制了波長的激光束照射到裝有一種或多種要分析的氣體的測量單元中，并且利用光檢測器檢測已通過該氣體的激光束的功率。該氣體包含多種成分，其中各個成分吸收特定波長的光。因此，當以充分低于調制頻率f的頻率掃描調制波長的中心時，激光束在該氣體的目標成分的特有波長附近被強烈吸收。將激光束強度的光譜吸收線分布轉換成調制頻率f的諧波分量的振幅的變化。通過相敏檢測來提取光檢測器的輸出信號中包含的調制頻率f的n次諧波分量(n是等于或大于2的整數(shù))，并且根據(jù)提取出的分量的大小來確定被分析氣體中目標成分的濃度。

TDLAS測量法是光檢測器和其它元件不與被分析氣體相接觸的非接觸式測量法。這種方法具有以下優(yōu)點：可以在不干擾被分析氣體的場的情況下進行測量；響應時間極短并且可以近似實時地測量濃度；以及可以進行高靈敏度測量。

背景技術文獻

非專利文獻

非專利文獻1：J.Reid?and?D.Labrie，“Second-Harmonic?Detection?with?Tunable?Diode?Lasers-Comparison?of?Experiment?and?Theory”，Appl.Phys.，B26，1981，pp.203-210

發(fā)明內容

發(fā)明要解決的問題

通過以下的兩個步驟來進行TDLAS測量法中的相敏檢測：步驟1，將光檢測器的檢測信號與通常為頻率f的正弦波的參考信號相乘；步驟2，對預定時間內通過步驟1所獲得的乘積進行積分。在這些處理中，將檢測信號中的nf分量轉換成DC信號(即，頻率約為0的分量)，并去除其它的AC(頻率)分量。由低通濾波器來進行步驟2。

盡管可以使用模擬濾波器作為前述的低通濾波器，但數(shù)字濾波器相對于模擬濾波器在一些方面具有優(yōu)勢，諸如工作速度更快或電路規(guī)模更小等。作為數(shù)字濾波器，眾所周知有FIR(有限脈沖響應)濾波器和IIR(無限脈沖響應)濾波器。FIR濾波器是使用預定數(shù)量的以前采樣得到的數(shù)據(jù)的非遞歸濾波器。IIR濾波器是將最新的計算結果連同以前的數(shù)據(jù)一起反饋到輸入端的遞歸濾波器。

在使用數(shù)字濾波器進行相敏檢測的情況下，采用諸如DSP(數(shù)字信號處理器)等的專用計算裝置來進行濾波處理。諸如FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)等的PLD(可編程邏輯器件)不用于此目的。其原因如下。

PLD適合于整數(shù)計算和定點計算并且適合于并行處理，但并不適合于浮點計算。因此，盡管PLD的計算速度比DSP的計算速度快，但PLD的計算精確度較低。在相敏檢測中，低通濾波器需要極其陡峭的衰減特性以提取處理信號中極小的DC分量，并且要求較高的計算精確度。在濾波處理中使用PLD將使得計算精確度過低而不能提取TDLAS用的DC分量。

由于使用PLD進行相敏檢測對于提高整個裝置的工作速度有利，因此仍值得嘗試。此外，PLD還適用于進行裝置控制，并因此使得裝置控制用的電路和數(shù)學運算處理用的電路可以一體化。這有利于縮小電路規(guī)模、降低功耗以及減少裝置成本。

因此，本發(fā)明要實現(xiàn)的目的是提供利用TDLAS方法進行測量的氣體濃度測量裝置，其中該裝置可以僅利用整數(shù)運算裝置來進行數(shù)字處理。

用于解決問題的方案

目的在于解決前述問題的根據(jù)本發(fā)明的氣體濃度測量裝置是如下的一種氣體濃度測量裝置，其包括：激光光源，用于發(fā)出波長可變的激光；激光控制器，用于驅動所述激光光源，從而利用頻率f調制所述激光的波長并且使調制范圍的中心點(平均波長)以與調制頻率f的周期相比足夠長的周期重復掃描預定波長范圍；測量單元，要分析的氣體將被引入至所述測量單元內；以及光檢測器，用于檢測已通過了所述測量單元的激光，其中，基于由所述光檢測器所產(chǎn)生的信號中包含的諧波分量來確定所述要分析的氣體中特定成分的濃度，所述氣體濃度測量裝置還包括：

A/D轉換器，用于將來自所述光檢測器的輸出信號轉換成數(shù)字信號；