激光气体分析仪的制作方法

激光气体分析仪
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2022年4月5日提交的日本专利申请第2022-062873号的优先权。该申请的全部内容通过援引加入本文。
技术领域
3.本发明涉及一种激光气体分析仪。


背景技术：

4.激光气体分析仪用特定波长范围内的激光照射测量对象气体，测量已穿过测量对象气体的激光的光量，并且计算该特定波长范围内的激光的衰减，以计算测量对象气体中包含的成分的浓度(例如，jp 2008-134076 a)。
5.存在一种激光气体分析仪，在用激光照射激光的光接收单元时而光接收单元不进行响应于激光的输出的情况下，判定为光接收单元的故障。但是，在jp 2008-134076a所描述的激光气体分析仪中，在测量对象气体中存在一定量以上的阻碍激光的光路的障碍物(例如粉尘)的情况下，光接收元件不进行输出或输出变得极小，这有可能被判定为光接收元件的故障。因此，在jp 2008-134076a的激光气体分析仪的配置中，不能准确地判定光接收元件的故障。


技术实现要素：

6.一个或多个实施例提供一种激光气体分析仪，该激光气体分析仪能够准确地判定光接收单元的故障。
7.一个或多个实施例的激光气体分析仪包括第一照射单元(激光二极管)、光接收单元(光电二极管)、计算单元(处理器)以及第二照射单元(led)。所述第一照射单元用激光照射测量对象气体。所述光接收单元接收已经穿过所述测量对象气体的激光。所述计算单元基于由所述光接收单元接收到的激光的光量来计算在所述测量对象气体中包含的成分的浓度。所述第二照射单元照射光(led光)，使得所述光不穿过测量对象气体而被所述光接收单元接收。
8.一个或多个实施例能够准确地判定光接收单元的故障。
附图说明
9.图1是根据示例1的激光气体分析仪的框图；
10.图2是示出示例1的激光二极管和led的发光时机的图；
11.图3a是示出由示例1的光接收单元检测到的光接收信号波形的图；
12.图3b是示出由示例1的光接收单元检测到的光接收信号波形的图；
13.图3c是示出由示例1的光接收单元检测到的光接收信号波形的图；
14.图3d是示出由示例1的光接收单元检测到的光接收信号波形的图；
15.图4是示出示例2的激光二极管和led的发光时机的图；
16.图5是示例3的激光气体分析仪的框图；
17.图6是比较示例的激光气体分析仪的框图；
18.图7是示出比较示例的激光二极管的发光时机的图。
具体实施方式
19.以下将参照附图描述根据实施例的激光气体分析仪。
20.《示例1》
21.图1是示例1的激光气体分析仪的框图。参照图1，将描述示例1的激光气体分析仪。激光气体分析仪1是可调谐二极管激光吸收光谱(tdlas)激光气体分析仪。激光气体分析仪1用特定波长范围内的激光照射测量对象气体，测量已经穿过测量对象气体的激光的光量，并且基于在特定波长处的衰减来计算测量对象气体中包含的成分的浓度。激光气体分析仪1包括：光发射单元10，该光发射单元10照射特定波长范围内的激光；被测单元20，向该被测单元20供给测量对象气体；光接收单元30，该光接收单元30接收已经穿过测量对象气体的激光；以及算术单元40，该算术单元40计算测量对象气体中包含的成分的浓度。注意，激光气体分析仪1不必包括被测单元20。例如，在将光发射单元10和光接收单元30安装在供给使用激光气体分析仪1的用户的测量对象气体的设施上以进行使用的情况下，激光气体分析仪1不必包括被测单元20。另外，算术单元40可以是内置于激光气体分析仪1的计算机系统，或者可以是能够与激光气体分析仪1进行通信的计算机系统(例如云服务器)。
22.(光发射单元10)
23.光发射单元10包括输出控制器11、数模转换器(dac)12、电压/电流转换电路13以及激光二极管14。输出控制器11根据来自随后描述的光接收单元30的输入控制器34的同步信号，生成激光器驱动电流的模式并将其输出。dac 12将输出控制器11输出的激光器驱动电流的模式(数字信号)转换为模拟信号并将其输出。电压/电流转换电路13根据由dac 12输出的模拟信号输出激光器驱动电流。激光二极管14根据从电压/电流转换电路13输出的激光器驱动电流，照射特定波长范围内的激光。激光二极管14是用激光照射测量对象气体的第一照射单元。由激光二极管14照射的激光穿过被供给至被测单元20的测量对象气体，并且由光接收单元30中的光电二极管31接收。
24.(被测单元20)
25.将测量对象气体供给至被测单元20。测量对象气体例如是燃料废气和过程气体。激光气体分析仪1能够计算出测量对象气体中包含的成分(例如o2、co、ch4、co2、nh3)的浓度。
26.(光接收单元30)
27.光接收单元30包括光电二极管31、滤波器/放大器电路32、模数转换器(adc)33、输入控制器34、存储器35以及led 36。光电二极管31接收已经由激光二极管14照射并且已经穿过被供给至被测单元20的测量对象气体的激光，并且输出与接收到的激光的光量相对应的模拟信号。光电二极管31是接收已经穿过测量对象气体的激光的光接收单元。将光电二极管31设置成与光发射单元10中的激光二极管14相对，在其间插入被测单元20。滤波器/放大器电路32对接收到的模拟信号中包含的预定频率分量进行滤波并将其进行放大。adc 33
将从滤波器/放大器电路32接收到的模拟信号转换为数字信号并将其输出。输入控制器34对从adc 33接收到的数字信号进行初级算术处理(例如积分处理)，并将其存储在存储器35中。存储在存储器35中的数字信号指示已经穿过测量对象气体的激光的接收光量的波形。在下文中，适当地将存储在存储器35中的数字信号称为光接收信号波形。
28.将led 36相对于被测单元20设置在光电二极管31侧。led 36是照射光、使得光不穿过测量对象气体而被光电二极管31接收的第二照射单元。由led 36照射的光不穿过测量对象气体而被光电二极管31接收。因此，即使在测量对象气体中存在障碍物(例如粉尘)的情况下，由led 36照射的光也在不受到障碍物的影响的情况下被光电二极管31接收。输入控制器34控制led 36的发光时机。
29.算术单元40读取存储在存储器35中的光接收信号波形，并且计算测量对象气体中包含的成分的浓度。算术单元40是基于由光电二极管31接收到的激光的光量来计算在测量对象气体中包含的成分的浓度的计算单元。算术单元40是计算机，并且包括处理器(例如中央处理器(cpu)、现场可编程门阵列(fpga)或数字信号处理器(dsp))、存储器(例如，随机存取存储器(ram))、辅助存储单元(例如，硬盘驱动器(hdd)和固态驱动器(ssd))、向外部设备信息的输出单元(例如电流输出、触点输出或以太网通信)、显示单元等。例如，处理器从辅助存储单元读取用于计算浓度的程序，将该程序加载到存储器中，并且执行该程序。显示单元例如显示计算出的浓度，并且信息输出单元例如将计算出的浓度输出到外部设备。另外，处理器例如从辅助存储单元读取用于判定光接收单元30是否存在故障的程序，将该程序加载到存储器中，并且执行该程序。
30.图2是示出示例1的激光二极管和led的发光时机的图。如图2所示，区间(周期)(a)是不发射激光的区间，区间(周期)(d)是发射激光的区间。激光二极管14以预定区间(区间(a))为间隔间歇地照射激光。区间(a)例如是约0.1ms。区间(d)取决于测量对象气体而不同，例如为约1ms至3ms的范围。区间(a)的前半区间(b)是等待(暂停)对光电二极管31的输出进行结算的结算等待区间(结算等待周期)，后半区间(c)是用于测量暗电流的暗电流测量区间(暗电流测量周期)。也就是说，前半区间(b)是不用于算术单元40的算术运算的区间。后半区间(c)是用于由算术单元40计算算术运算的基准值的区间。结算等待区间可以是预定时间，或者可以是直到判定在光电二极管31的输出低于阈值或更低的同时已经过去预定时间为止的时间。暗电流测量区间为预定时间。
31.led 36在前半区间(b)中的光接收信号的结算等待区间发光。算术单元40在前半区间(b)中持续地在光接收信号波形中观察由led 36的光发射引起的尖峰信号的存在，以确认光接收单元30的健全性。
32.图3a至图3d是示出示例1的光接收信号波形的图。
33.光接收信号波形被分成以下四种模式。
34.模式a：既包括与激光二极管14照射的激光相对应的信号也包括与led 36照射的光相对应的尖峰信号的模式(参见图3a)。
35.模式b：不包括与激光二极管14照射的激光相对应的信号但包括与led 36照射的光相对应的尖峰信号的模式(参见图3b)。
36.模式c：包括与激光二极管14照射的激光相对应的信号但不包括与led 36照射的光相对应的尖峰信号的模式(参见图3c)。
37.模式d：既不包括与激光二极管14照射的激光相对应的信号也不包括与led 36照射的光相对应的尖峰信号的模式(参见图3d)。
38.算术单元40是基于光电二极管31的输出来判定光电二极管31是否存在故障的算术单元，该光电二极管31既接收由激光二极管14照射的激光也接收由led 36照射的光。在算术单元40已经确认如图3a所示的模式a的光接收信号波形的情况下，算术单元40判定光发射单元10和光接收单元30都正常。另外，在算术单元40已经确认如图3b所示的模式b的光接收信号波形的情况下，算术单元40判定光发射单元10和光接收单元30都正常。在这种情况下，认为虽然不能确认与由激光二极管14照射的激光相对应的信号，但是在测量对象气体中存在阻挡激光光路的一定量或更多的障碍物。另外，在算术单元40已经确认如图3c所示的模式c的光接收信号波形的情况下，算术单元40判定光发射单元10正常而光接收单元30中的led 36异常。在算术单元40已经确认如图3d所示的模式d的光接收信号波形的情况下，算术单元40判定光发射单元10正常，而光接收单元30中的光电二极管31、滤波器/放大器电路32或adc 33中的至少一个异常。算术单元40中的显示单元可以显示每个判定结果。另外，可以经由信息输出单元将每个判定结果传输到外部设备。
39.(示例1的效果)
40.由led 36照射的光不穿过测量对象气体而被光电二极管31接收。因此，光电二极管31能够在不受测量对象气体的影响的情况下接收由led 36照射的光。结果，即使在测量对象气体中存在一定量以上的障碍物的情况下，也能够确认光接收单元30的健全性。结果，提高故障检测的可靠性，从而改善了故障检测率。此外，故障检测率是功能安全性方面的重要指标，因此在功能安全性标准方面也是有利的。
41.输入控制器34使led 36在结算等待区间(图2中的前半区间(b))中的预定时机发光。因此，利用在激光气体分析仪1中的通常运行期间不用于算术运算的区间，能够判定光接收单元30的故障。也就是说，在示例1中，在不停止激光气体分析仪1的通常运行的情况下，就能够判定光接收单元30的故障。
42.《示例2》
43.图4是示出示例2的激光二极管和led的发光时机的图。led 36的发光时间在示例1和示例2之间颠倒。在示例1中，led 36在光接收信号的结算等待区间(b)中的预定时机照射光。在示例2中，led 36在光接收信号的结算等待区间(b)中的预定时机关闭(在停止周期期间停止照射光)。在示例2中，led 36在除了预定时机(停止周期)之外的区间中持续地照射光。在前半区间(b)中，算术单元40持续地观察在光接收信号波形中是否存在通过关闭led 36而产生的负尖峰信号，以确认光接收单元30的健全性。
44.(示例2的效果)
45.通过持续地使led 36在预定时机以外的区间发光，将由于led 36的发光而引起的偏移光量添加到光电二极管31的接收光量。通过调整由led 36照射的光的光量，光电二极管31可以接收激光并且在相对于光电二极管31的输入的输出准确度高的范围内进行输出。因此，光电二极管31能够相对于接收到的激光输出高准确度的值。由于其他效果与示例1的效果类似，因此将省略其描述。
46.《示例3》
47.图5是示例3的激光气体分析仪的框图。参照图5，将描述示例3的激光气体分析仪
5。与示例1的激光气体分析仪1类似，示例3的激光气体分析仪5包括光发射单元10、被测单元20、光接收单元30以及算术单元40。激光气体分析仪5的被测单元20是取回测量对象气体的探针。另外，激光气体分析仪5包括反射激光的反射单元50。由激光二极管14照射的激光穿过被供给至被测单元20的气体，并且由反射单元50进行反射。反射后的激光由光电二极管31接收。将示例3的光发射单元10和光接收单元30相对于被测单元20设置在同一侧。
48.(示例3的效果)
49.包括探针式被测单元20的激光气体分析仪5使得可以获得与示例1类似的效果。
50.尽管仅针对有限数量的实施例描述了本公开，但是本领域技术人员在受益于本公开的情况下将理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以设计各种其他实施例。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求限定。
51.例如，示例1至示例3的led 36的数量为1个，但也可以为2个以上。
52.另外，示例1至示例3的led 36可以是另一种发光体(例如激光二极管)，并且能够改变由该发光体照射的光的光量和波长。通过改变由发光体照射的光的光量和波长并且评估由光电二极管31检测到的光量变化，可以评估光电二极管31的健全性和性能。上述波长的变化可以通过多个发光体的光的开启和关闭的组合来实现。
53.另外，在示例1至示例3的激光气体分析仪具有自动增益功能的情况下，优选自动增益功能不作用于led 36的脉冲信号。
54.此外，在如示例2那样使led 36持续地发光的情况下，优选使用ac耦合。
55.另外，在示例1至示例3中，使用结算等待区间来判定光接收单元30的故障。然而，例如，只有准备激光气体分析仪的故障诊断模式并且在故障诊断模式中使光电二极管31和led 36发光是必要的。
56.《比较示例》
57.图6是示出比较示例的激光气体分析仪的框图。参照图6，将描述比较示例的激光气体分析仪100的电路配置和运行。
58.在光发射单元110中，输出控制器111从光接收单元130中的输入控制器134接收同步信号，并且生成激光器驱动电流的模式。该模式作为驱动电流经由数模转换器(dac)112和电压/电流转换电路113被供给至激光二极管114。因此，激光二极管114照射激光。穿过测量对象气体后的激光由光接收单元130中的光电二极管131检测。将光电二极管131的输出经由滤波器/放大器电路132和模数转换器(adc)133输入到输入控制器134。输入控制器134将光电二极管131的输出依次存储在存储器135中。算术单元140读取存储在存储器135中的光电二极管131的输出，并且计算浓度值。
59.图7是示出由比较示例的激光气体分析仪检测到的光接收信号波形的图。将参照图7描述激光的发光时机。在图7中，区间(a)是不发射激光的区间，区间(d)是发射激光的区间。交替地重复激光的发射和不发射。
60.接着，将描述比较示例的激光气体分析仪100中的光接收单元130中的光电二极管131、滤波器/放大器电路132以及adc 133的故障诊断方法。在光电二极管131、滤波器/放大器电路132以及adc 133中的任一个发生故障的情况下，adc 133的输出值很可能被固定为某个恒定值。因此，在比较示例的激光气体分析仪100中，在adc 133的输出变化在一定范围内的情况下，判定光接收单元130(光电二极管131、滤波器/放大器电路132、adc 133中的任
一个)发生了故障。
61.然而，不仅在光电二极管131、滤波器/放大器电路132、adc 133中的任一个发生故障的情况下，而且在测量对象气体中存在一定量以上阻碍激光光路的障碍物(例如粉尘)的情况下，adc 133的输出变化均有可能在恒定范围内。因此，在比较示例的故障诊断方法中，将测量对象气体中存在一定量以上阻碍激光光路的障碍物(例如粉尘)的情况判定为光接收单元130的故障，因此无法准确地判定光接收单元130的故障。
62.符号说明
63.1激光气体分析仪
64.10光发射单元
65.11输出控制器
66.12dac
67.13电压/电流转换电路
68.14 激光二极管
69.20 被测单元
70.30 光接收单元
71.31光电二极管
72.32滤波器/放大器电路
73.33adc
74.34 输入控制器
75.35 存储器
76.36led
77.40 算术单元
78.50 反射单元

技术特征：
1.一种激光气体分析仪，包括：激光二极管，该激光二极管用激光照射测量对象气体；光电二极管，该光电二极管接收已经穿过所述测量对象气体的所述激光；处理器，该处理器基于由所述光电二极管接收到的所述激光的光量来计算在所述测量对象气体中包含的成分的浓度；以及发光二极管，该发光二极管照射led光，使得所述led光不穿过所述测量对象气体而被所述光电二极管接收。2.根据权利要求1所述的激光气体分析仪，其中，所述激光二极管间歇地照射所述激光，并且所述发光二极管在所述激光二极管不照射所述激光的周期期间的预定时机照射所述led光。3.根据权利要求2所述的激光气体分析仪，其中，所述周期包括：结算等待周期，在结算等待周期暂停所述光电二极管的输出的结算；以及用于测量暗电流的暗电流测量周期，并且所述发光二极管在所述结算等待周期期间照射所述led光。4.根据权利要求1所述的激光气体分析仪，其中，所述处理器基于既接收所述激光又接收所述led光的所述光电二极管的输出，判定所述光电二极管是否存在故障。5.根据权利要求1所述的激光气体分析仪，其中，所述激光二极管间歇地照射所述激光，并且所述发光二极管在除了所述激光二极管不照射所述激光的停止周期以外持续地照射所述led光。6.根据权利要求1所述的激光气体分析仪，其中，所述发光二极管改变所述led光的光量或所述led光的波长中的至少一个。

技术总结
本公开提供了一种激光气体分析仪，其包括：激光二极管，该激光二极管用激光照射测量对象气体；光电二极管，该光电二极管接收已经穿过测量对象气体的激光；算术单元，该算术单元根据由光电二极管接收到的激光的光量来计算在测量对象气体中包含的成分的浓度；以及LED，该LED照射光，使得该光不穿过测量对象气体而被光电二极管接收。体而被光电二极管接收。体而被光电二极管接收。


技术研发人员：中村元
受保护的技术使用者：横河电机株式会社
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/10/19