JP2010243270A - 複合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】 複合型マルチパスセルは、セル本体内において、球面状または放物面状の反射面を有する2つの反射鏡が互いに光軸が一致する状態で対向配置され、各々の反射面上におけ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、この円環状空間領域の内側の円柱状空間領域内に、前記基準光学測定系とは互いに独立した、例えば非分散型赤外線吸収法などによる他の光学測定系が構成されている。ガス測定器は、上記複合型マルチパスセルを具えてなる。
【選択図】 図3
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、例えば、いわゆる『ヘリオットセル』の動作原理を利用した多重反射型の測定セル(以下、「ヘリオット型測定セル」という。)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)。
この測定セルにおいて形成される多重反射光路(MP)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(A1)内において形成されており、各々の反射鏡(21,31)の反射面(21A,31A)上における反射点は、反射鏡(21,31)の光軸(L1,L2)を中心とする例えば円軌道(C1)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(C1)上を周回するよう構成されている。
そして、多重反射光路(MP)における光路長の大きさは、例えば、反射鏡(21,31)の焦点距離、反射鏡(21,31)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における多重反射光路は、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、前記基準光学測定系とは互いに独立した他の光学測定系が構成されていることを特徴とする。
基準光学測定系および他の光学測定系の各々における光源として、互いに異なる波長の光を照射するものが用いられることにより、高いガス選択性を得ることができて、複数種のガス成分を同時に検出することができる。
また、基準光学測定系および他の光学測定系の各々における光源として、互いに同一の波長の光を照射するものが用いられることにより、基準光学測定系における多重反射光路の光路長および他の光学測定系における光源から受光センサに至る光路長を異なる大きさとすることにより、一のガス成分について、広範囲の測定レンジを得ることができる。
図1は、本発明の複合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)左側面図であり、図2は、図1に示す複合型マルチパスセルの基準光学測定系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に示す複合型マルチパスセルの基準光学測定系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。
この複合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、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11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。
第1の光学測定系25における光源26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。
そして、この実施例における多重反射光路MP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MP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A3すなわち第1の光学測定系25の多重反射光路MP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。
測定セル部形成用部材39は、赤外線光源36から放射される赤外線に対して不透過性を有する材料よりなり、その内部空間をセル本体11の内部空間と連通させる通気用開口(図示せず)が形成されている。
第2の光学測定系35における赤外線光源36が、第1の光学測定系25における光源26と互いに異なる波長の光を照射するものである場合には、高いガス選択性を得ることができて複数種のガス成分を同時に検出することができ、例えば、特定ガス成分とその干渉ガス成分の検出を行うこともできる。
また、第2の光学測定系35における赤外線光源36が、第1の光学測定系25における光源26と互いに同一波長の光を照射するものである場合には、第1の光学測定系25における多重反射光路MPの光路長および第2の光学測定系35における赤外線光源36から受光センサ38に至る光路長dの両者に差があることから、一の特定ガス成分について、広範囲の測定レンジを得ることができる。
また、第1の光学測定系25における多重反射光路MP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17.6mm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2の光学測定系35における測定セル部形成用部材39の配設によって、第1の光学測定系25における多重反射光路MPが阻害されることなく、2系統の光学測定系25,35が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5に示すように、上記複合型マルチパスセルにより構成されたガス検知部50と、複合型マルチパスセルにおける第1の光学測定系25を構成する光源26および第2の光学測定系35を構成する赤外線光源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2種類のガス成分についての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の光学測定系25における光源26に対する供給電流の大きさが制御されることにより、光源26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MPが形成されると共に、第2の光学測定系35における赤外線光源36が例えば所定周期で点滅駆動され、この状態において、被検査ガスがセル本体11内に供給されると共に測定セル部形成用部材39における通気用開口を介して自然拡散により測定セル部形成用部材39の内部空間内に導入されることにより、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に係る赤外線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(近赤外線レーザ)を用い、第2の光学測定系35における赤外線光源36として、例えば中心波長が4.3μm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 を検出することができると共に第2の光学測定系35においてCO2 の検出を行うことができる。また、例えば、特定ガス成分とその干渉ガス成分の検出を行うことができる。
例えば、上記実施例においては、NDIRによる第2の光学測定系35において、測定セル部形成用部材39は必ずしも必要ではなく、赤外線光源36から放射される赤外線を例えば適宜の光学レンズを用いて集光して受光センサ38に受光させるよう構成されていてもよい。
また、第2の光学測定系35の構成は、特に制限されるものではなく、例えば図6に示すように、例えば第2の反射鏡31側の外方位置に配置された赤外線光源36からの光を、2つの反射鏡21, 31における、第1の光学測定系25の多重反射光路MPの形成において使用されない反射面領域を利用して反射させて赤外線光源36と同一の反射鏡側に配置された受光センサ38に受光させる反射光式のものにより構成することができる。
さらにまた、第2の光学測定系35は、NDIR以外の他の光学測定系、例えばレーザ光を利用したものにより構成されていてもよい。このような構成のものにおいては、第1の光学測定系における光源および第2の光学測定系における光源として、互いに異なる波長のレーザ光を照射するものが用いられることにより、例えば12CO2 および13CO2 などの同位体測定を行うこともできる。また、第1の光学測定系における光源および第2の光学測定系における光源として、互いに同一の波長のレーザ光を照射するものが用いられることにより、一のガス成分について、広範囲の測定レンジを得ることができる。
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 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
35 第2の光学測定系
36 赤外線光源
37 反射部材
38 受光センサ
39 測定セル部形成用部材
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
L1 第1の反射鏡の光軸
L2 第2の反射鏡の光軸
MP 第1の光学測定系における多重反射光路
A1 円環状空間領域(円筒状空間領域)
A3 円柱状空間領域
Claims (6)
- 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における多重反射光路は、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、前記基準光学測定系とは互いに独立した他の光学測定系が構成されていることを特徴とする複合型マルチパスセル。 - 他の光学測定系が、非分散型赤外線吸収法による、光源からの光を直接的に受光センサによって受光する直光式のものであることを特徴とする請求項1に記載の複合型マルチパスセル。
- 他の光学測定系が、非分散型赤外線吸収法による、光源からの光を、前記2つの反射鏡の各々における、基準光学測定系によって使用される反射面領域より光軸側の反射面領域を利用して反射させて受光センサに受光させる反射光式のものであることを特徴とする請求項1に記載の複合型マルチパスセル。
- 基準光学測定系および他の光学測定系は、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乃至請求項3のいずれかに記載の複合型マルチパスセル。
- 基準光学測定系および他の光学測定系は、互いに同一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乃至請求項3のいずれかに記載の複合型マルチパスセル。
- 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の複合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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