JP2010243172A - 多層型マルチパスセルおよびガス測定器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 多層型マルチパスセルは、セル本体内に互いに光軸が一致する状態で対向配置された、球面状または放物面状の反射面を有する2つの反射鏡の各々の反射面上においてレーザ光の反射点が反射鏡の光軸を中心とする円軌道または楕円軌道上に並ぶよう位置される多重反射光路を形成する基準光学測定系を具えてなり、当該多重反射光路は、反射鏡の光軸に沿って伸びる円環状空間領域内において形成されており、当該円環状空間領域内側の空間領域に、前記反射鏡の各々の反射面上におけるレーザ光の反射点が円軌道または楕円軌道上に並ぶよう位置される多重反射光路を形成する他の光学測定系が少なくとも一つ位置されている。ガス測定器は、上記多層型マルチパスセルを具えてなる。
【選択図】 図2
Description
このようなガス測定器においては、例えば環境雰囲気の空気などの被検査ガスが導入される測定セル内における赤外光の光路長が大きくなるに従って、低濃度域の特定ガス成分に対して高い感度が得られることが知られており、多重反射型の測定セルが用いられた構成のものが提案されている(例えば特許文献1参照)。
この測定セルは、いわゆる『ヘリオットセル』の動作原理を利用したもの(以下、「ヘリオット型測定セル」という。)であって、互いに光軸Lが一致する状態で対向して配置された、球面状の反射面を有する2つの反射鏡61,65を具えており、一方の反射鏡61に形成された開口部(図示せず)を介して光源より照射されるレーザ光がセル本体内に入射され、2つの反射鏡61,65間において多重反射された後、再び、一方の反射鏡61における開口部を介してセル本体の外部に出射されて受光センサにより検出される構成(入射位置と出射位置とが一致する構成)とされている(非特許文献1参照)。
このヘリオット型測定セルにおいて形成される多重反射光路MP0は、反射鏡61(65)の光軸Lに沿って伸びる円環状空間領域A0内において形成されており、各々の反射鏡61,65の反射面61A,65A上における反射点は、反射鏡61,65の光軸Lを中心とする例えば円軌道C0上に並ぶよう位置される。この例においては、一の反射鏡において、反射点の位置が多重反射に伴って所定間隔毎に周方向に対して一定方向に移動されて、円軌道C0上を周回するよう構成されている。
そして、多重反射光路MP0における光路長の大きさは、例えば、反射鏡61,65の焦点距離、反射鏡61,65間の離間距離、反射回数およびその他の光学条件を適宜に設定することにより、目的に応じて設定することができる。
また、本発明の他の目的は、複数種のガス成分を同時にかつ高い精度で検出することができ、しかも、小型化のものとして構成することのできるガス測定器を提供することにある。
前記基準光学測定系の多重反射光路は、反射鏡の光軸に沿って伸びる円環状空間領域内において形成されており、当該円環状空間領域の内側の円柱状空間領域内において、前記反射鏡の各々の反射面上に形成されるレーザ光の反射点が反射鏡の光軸を中心とする円軌道または楕円軌道上に並ぶよう位置される多重反射光路を形成する他の光学測定系が少なくとも一つ位置されていることを特徴とする。
基準光学測定系を構成する光源および受光センサと、他の光学測定系を構成する光源および受光センサとは、互いに異なる反射鏡側の外方位置に配置された構成とされていることが好ましい。
そして、複数の光学測定系の各々における光源からのレーザ光の波長が互いに異なることにより、高いガス選択性を得ることができて、例えば特定ガス成分とその干渉ガス成分の検出、あるいは、同位体測定などを行うことができる。
図1は、本発明の多層型マルチパスセルの一例における構成の概略を示す説明図であって、(a)反射鏡の光軸に沿った断面を示す断面図、(b)左側面図、(c)右側面図であり、図2は、図1に示す多層型マルチパスセルにおいて形成される多重反射光路を、一方の反射鏡の反射面上に、他方の反射鏡の反射面上における反射点を投影した状態で示す、説明図、図3は、図1に示す多層型マルチパスセルにおいて形成される多重反射光路を説明するための斜視図である。
この多層型マルチパスセルは、被検査ガス(サンプルガス)が導入される円筒状のセル本体11と、その軸方向における両端位置の各々に、各々、互いに焦点距離(曲率半径)が同一の大きさの球面状の反射面21A,31Aを有する第1の反射鏡21および第2の反射鏡31が反射鏡保持部材40によって保持固定された状態で設けられており、第1の反射鏡21および第2の反射鏡31の両者は、互いに光軸L1,L2が一致する状態で対向して配置されている。図1における符号41A,41Bは、セル本体の内部空間に連通する開口部であって、一方が被検ガス導入用開口部、他方が被検ガス排出用開口部とされる。
第1の反射鏡21における開口部22は、反射鏡21の背面側から透光性を有する窓板部材45によって気密に閉塞されている。
また、第2の反射鏡31の反射面31A上における反射点(図2においては(B)が付された符号で示されており、図3においては、便宜上、丸数字で示されており、数字は反射順序を示している。)は、第2の反射鏡31の光軸L2を中心とする半径R1の円軌道C1上に並ぶよう、位置されている。
そして、この実施例における多重反射光路MP1は、例えば、一の反射鏡21(31)において、反射点の位置が多重反射に伴って所定間隔毎に周方向の一定方向(図2において反時計方向)に移動されて、円軌道C1上を周回、例えば5周すると共に、第1の反射鏡21の反射面21A上に、第2の反射鏡31における反射点を軸方向に投影したとき、第1の反射鏡21における互いに隣接する2つの反射点、例えば2(A)および28(A)の間の位置に、第2の反射鏡31における1つの反射点、例えば15(B)が位置されるよう構成されている。
すなわち、第1の光学測定系25における多重反射光路MP1は、反射鏡21(31)の光軸L1(L2)に沿って伸びる円環状空間領域(円筒状空間領域)A1内において形成されており、当該円環状空間領域A1の内側の円柱状空間領域すなわち第1の光学測定系25の多重反射光路において使用されない空間領域において、一つの他の光学測定系(以下、「第2の光学測定系」という。)が位置されている。
第2の反射鏡31における開口部32は、反射鏡31の背面側から透光性を有する窓板部材45によって気密に閉塞されている。
また、第1の反射鏡21の反射面21A上における反射点(図2においては(D)が付された符号で示されており、図3においては、便宜上、四角で囲まれた数字で示されており、数字は反射順序を示している。)は、第1の反射鏡21の光軸L1を中心とする半径R2の円軌道C2上に並ぶよう、位置されている。
そして、この実施例における多重反射光路MP2は、例えば、一の反射鏡21(31)において、反射点が多重反射に伴って所定間隔毎に周方向の一定方向(図2において反時計方向)に移動されて、円軌道C2上を周回、例えば5周すると共に、第1の反射鏡21の反射面21A上に、第2の反射鏡31における反射点を軸方向に投影したとき、第2の反射鏡31における互いに隣接する2つの反射点、例えば2(C)および28(C)の間の位置に、第1の反射鏡21における1つの反射点、例えば15(D)が位置されるよう構成されている。
第1の光学測定系25および第2の光学測定系35を構成する光源26,36によるレーザ光の波長の一例を検知対象ガスとの関係において示すと、例えば、12CO2 (質量数が12の炭素)の検知に用いられるレーザ光の波長は2.014または2.004〔μm〕、13CO2 (質量数が13の炭素)の検知に用いられるレーザ光の波長は2.040〔μm〕であり、CH4 の検知においては1.651または1.654〔μm〕、COの検知においては1.568〔μm〕、C2 H2 の検知においては1.520または1.530〔μm〕、NH3 の検知においては1.517〔μm〕、N2 Oの検知においては1.516〔μm〕,H2 Oである場合には1.364または1.847〔μm〕、HClの検知においては1.747または1.743〔μm〕である。
また、第1の光学測定系25における多重反射光路MP1が形成される円環状空間領域A1の最内側位置は、反射鏡21(31)の光軸L1(L2)から26.4mm程度の位置であり、レーザ光のビーム径が約φ3mm程度であり、従って、第1の光学測定系25および第2の測定光学系35は、光学的な干渉を生ずることなく、互いに独立したものとして構成される。
本発明のガス測定器は、図4に示すように、上記マルチパスセルにより構成されたガス検知部50と、マルチパスセルにおける第1の光学測定系25を構成する第1の光源26および第2の光学測定系35を構成する第2の光源36の各々の動作制御を行う機能を有すると共に受光センサ28,38の各々からの検出信号に基づいてガス濃度を算出する機能を有する制御手段55とを具えてなる。
そして、ガス検知においては、制御手段55における光源制御部56によって、例えば第1の光源26および第2の光源36に対する供給電流の大きさが制御されることにより、第1の光学測定系25における第1の光源26および第2の測定光学系35における第2の光源36の各々から、例えば周波数変調されたレーザ光がセル本体11内に入射され、これにより多重反射光路MP1,MP2が形成された状態において、被検査ガスがセル本体11内に供給されることにより、第1の光学測定系25に係るレーザ光がその波長付近に吸収特性を有する第1の検知対象ガスに吸収されることによって受光センサ28により検出される赤外線光量が低下し、この赤外線光量の減衰の程度に応じたガス濃度が制御手段55における信号処理部57によって検出されると共に、第2の光学測定系35に係るレーザ光がその波長付近に吸収特性を有する、第1の検知対象ガスとは異なる種類の第2の検知対象ガスに吸収されることによって受光センサ38により検出される赤外線光量が低下し、この赤外線光量の減衰の程度に応じたガス濃度が制御手段55における信号処理部57によって検出される。
例えば、第1の光学測定系25における第1の光源26として、例えば中心波長が1.651μm付近である赤外線光源を用い、第2の光学測定系35における第2の光源36として、例えば中心波長が1.364μm付近である赤外線光源を用いた場合には、第1の光学測定系25においてCH4 の検出を行うことができると共に第2の光学測定系35においてH2 Oの検出を行うことができる。第1の光学測定系25に係る検知対象ガスと第2の光学測定系35に係る検知対象ガスとの組み合わせとしては、例えばCH4 の検出(中心波長1.651μm付近)とNH3 の検出(中心波長1.517μm付近)、あるいは、CH4 の検出(中心波長1.651μm付近)とCOの検出(中心波長1.568μm付近)等を例示することができるが、特に限定されるものではなく、また、例えばCOの検出においては、中心波長が4.7μm付近の中赤外域のレーザ光を用いることもできる。さらにまた、例えばある特定ガス成分とその干渉ガス成分の検出、あるいは、12CO2 および13CO2 などの同位体測定などを行うこともできる。
また、第1の光学測定系25を構成する光源26および受光センサ28と、第2の光学測定系35を構成する光源36および受光センサ38とが、互いに異なる反射鏡側の外方位置に配置された構成とされていることにより、第1の光学測定系25および第2の光学測定系35の相互の物理的な(構成上の)干渉あるいは光学的な干渉が生ずることを確実に防止することができる。
例えば、セル本体内に形成される多重反射光路の数は、2系統に限定されるものではなく、例えば3系統以上であってもよく、このような構成のものにおいても、各々の多重反射光路における光路長は互いに実質的に同一の大きさとされる。
また、上記実施例において、第1の光学測定系における第1の光源および受光センサと、第2の光学測定系における第2の光源および受光センサとが、一方の反射鏡側の外方位置に形成された構成であってもよい。
さらにまた、各々の光学測定系における多重反射光路は、反射鏡の反射面上における反射点の位置が多重反射に伴って周回するよう構成されている必要はなく、例えば、反射点が周方向に対して所定の方向に順次に並び、適正に設定された回数の反射が行われた後、最終的に、入射位置をなす開口部から出射されるよう構成されていてもよい。
さらにまた、反射鏡の構成、2つの反射鏡の離間距離の大きさ、反射回数、多重反射光路における光路長の大きさおよびその他の具体的構成は、上記実施例に限定されるものではなく、目的に応じて適宜に設定することができる。
21 第1の反射鏡
21A 反射面
22 開口部
25 第1の光学測定系
26 第1の光源
27 反射ミラー
28 受光センサ
31 第2の反射鏡
31A 反射面
32 開口部
35 第2の光学測定系
36 第2の光源
37 反射ミラー
38 受光センサ
40 反射鏡保持部材
41A,41B 開口部
45 窓板部材
50 検知部
55 制御手段
56 光源制御部
57 信号処理部
61,65 反射鏡
61A,65A 反射面
L1 第1の反射鏡の光軸
L2 第2の反射鏡の光軸
C0 多重反射光路において反射点が位置される円軌道
C1 第1の光学測定系の多重反射光路において反射点が位置される円軌道
C2 第2の光学測定系の多重反射光路において反射点が位置される円軌道
MP1 第1の光学測定系に係る多重反射光路
MP2 第2の光学測定系に係る多重反射光路
A0 円環状空間領域
A1 円環状空間領域(円筒状空間領域)
A2 円環状空間領域(円筒状空間領域)
Claims (4)
- セル本体と、このセル本体内において、互いに光軸が一致する状態で対向配置された、球面状または放物面状の反射面を有する2つの反射鏡と、各々の反射鏡の反射面上においてレーザ光の反射点が反射鏡の光軸を中心とする円軌道または楕円軌道上に並ぶよう位置される多重反射光路を形成する基準光学測定系とを具えてなり、
前記基準光学測定系の多重反射光路は、反射鏡の光軸に沿って伸びる円環状空間領域内において形成されており、当該円環状空間領域の内側の円柱状空間領域内において、前記反射鏡の各々の反射面上に形成されるレーザ光の反射点が反射鏡の光軸を中心とする円軌道または楕円軌道上に並ぶよう位置される多重反射光路を形成する他の光学測定系が少なくとも一つ位置されていることを特徴とする多層型マルチパスセル。 - 基準光学測定系および他の光学測定系の各々は、多重反射光路の光路長の大きさが互いに同一であって、互いに異なる波長の光を照射する光源を具えていることを特徴とする請求項1に記載の多層型マルチパスセル。
- 基準光学測定系および一つの他の光学測定系の二つの光学測定系を具えてなり、
基準光学測定系を構成する光源および受光センサと、他の光学測定系を構成する光源および受光センサとは、互いに異なる反射鏡側の外方位置に配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の多層型マルチパスセル。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の多層型マルチパスセルを具えてなることを特徴とするガス測定器。
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