JP4775798B2 - 複数ガス濃度同時測定装置 - Google Patents
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Description
図5は従来のガス濃度同時測定装置(特許文献1、2参照)の構成を示す模式図である。図5(a)に示すように、従来の複数ガス濃度同時測定装置50は、熱輻射型赤外光源51と、赤外光源51が発生する赤外光51aをコリメートする光学系(コリメータ)52と、コリメートされた赤外光51aが透過するガス相関フィルタ53と、ガス相関フィルタ53を透過した赤外光51aの透過帯域を制限するバンドパスフィルタ54と、バンドパスフィルタ54を透過した赤外光51aが入射する、被測定ガス55aを導入又は封入した多重反射試料ガスセル55と、多重反射試料ガスセル55を透過した赤外光51aの強度を測定する赤外光検出器56とからなる。
また、被測定ガスの種類を多くするとガス相関フィルタが大きく且つ重くなるので、可搬型の装置として使用するためには、同時に測定する被測定ガスの種類をあまり多くできないと言う課題がある。
さらに、機械的可動部分を含むため、衝撃等を与えないように十分注意して使用しなければならず、可搬性を必要とする用途には利便性が悪いという課題がある。
図1は、本発明の最良の実施の形態の複数ガス濃度同時測定装置の構成を示す図である。図1において、本発明の複数ガス濃度同時測定装置1は、複数の互いに異なる周波数信号f0,f1,f2,・・・fnを同時に送出すると共に、周波数信号f0,f1,f2,・・・fnを順次送出する周波数信号発生器2と、複数の被測定ガスのそれぞれの赤外吸収スペクトルにそれぞれ一致した赤外発光スペクトルを有する複数の赤外光源と、複数の被測定ガスの赤外吸収スペクトルのいずれにも一致しない赤外発光スペクトルを有する赤外光源と、これらの複数の赤外光源のそれぞれの発光強度を、周波数信号発生器2から同時に供給される周波数信号f0,f1,f2,・・・fnのそれぞれで振幅変調する電源部とから構成される光源部3と、振幅変調された赤外光4を、一つの光束5に形成する光束形成器6と、光束5を進行方向の異なる二つの光束7,8に分割する光分割器9と、光束7を入射し、光束7に含まれる周波数信号f0,f1,f2,・・・fnのそれぞれで振幅変調された赤外光のそれぞれの強度を、周波数信号発生器2から順次供給される周波数信号f0,f1,f2,・・・fnにより順次位相敏感検波して測定する入射光強度測定器10と、光束8を入射する多重反射試料ガスセル11と、多重反射試料ガスセル11を透過した光束12を入射し、光束12に含まれる周波数信号f0,f1,f2,・・・fnのそれぞれで振幅変調された赤外光のそれぞれの強度を、周波数信号発生器2から順次供給される周波数信号f0,f1,f2,・・・fnにより順次位相敏感検波して測定する透過光強度測定器13と、入射光強度測定器10で測定したそれぞれの赤外光強度と透過光強度測定器13で測定したそれぞれの赤外光強度とから上記複数のガスの濃度を演算し表示する演算表示器14とから成る。
なお、15は、周波数信号発生器2から同時に供給される周波数信号f0,f1,f2,・・・fnを光源部3に送出する信号線を示し、16は、周波数信号発生器2から順次供給される周波数信号f0,f1,f2,・・・fnを入射光強度測定器10に送出する信号線を示し、17は、入射光強度測定器10で測定したそれぞれの赤外光強度を順次演算表示器14に送出する信号線を示し、18は、周波数信号発生器2から順次供給される周波数信号f0,f1,f2,・・・fnを透過光強度測定器13に送出する信号線を示し、また、19は、透過光強度測定器13で測定したそれぞれの赤外光強度を順次演算表示器14に送出する信号線を示す。
演算表示器14は、周波数信号発生器2、光源部3、入射光強度測定器10及び透過光強度測定器13を逐次駆動制御する駆動制御機能も有しているが、周知であるので、図を見やすくするため、表示を省略している。
図2は、光源部3、光束形成器6、光分割器9及び入射光強度測定器10の構成と相互の接続関係を示す図である。図2において、光源部3は、複数の被測定ガスのそれぞれの赤外吸収スペクトルにそれぞれ一致した赤外発光スペクトル及び複数の被測定ガスのそれぞれの赤外吸収スペクトルのいずれにも一致しないスペクトルを有する複数の赤外光源3a,3b,・・・3nと、赤外光源3a,3b,・・・3nのそれぞれに直列接続される直流電源21と、周波数信号発生器2から同時に供給される周波数信号f0,f1,f2,・・・fnでそれぞれ振動する交流電源22とからなる。この構成によって、赤外光源3a,3b,・・・3nはそれぞれ、周波数f0,f1,f2,・・・fnで振幅変調された赤外光4a,4b,・・・4nを発生する。
図2において、光束形成器6は、光ファイバ6a,6b,・・・6nを有し、光ファイバ6a,6b,・・・6nのそれぞれの一端は赤外光4a,4b,・・・4nのそれぞれを取り込むように赤外光源3a,3b,・・・3nにそれぞれ光結合し、他端部分6pは互いに平行に且つ密に束ねられている。光ファイバ6a,6b,・・・6nの他端には、光ファイバ6a,6b,・・・6nから出射する赤外光4a,4b,・・・4nを平行光線である光束5に変換する光学系23が取り付けられている。この構成によって、赤外光4a,4b,・・・4nからなる光束5が得られる。なお、この構成は一例であって、もちろん光ファイバカプラ−や、各光ファイバを相互に融着して光束を形成しても良い。
図2において、光分割器9は、光束5の進行方向に対して面方位を45°傾けたガラス等の透明基板24で構成されている。もちろんプリズムでも良い。この構成によれば、赤外光波長によらずに一定の強度比率で光束5を光束7,8に分割できる。光ファイバカプラーを用いても良い。
図2において、入射光強度測定器10は、赤外光4a,4b,・・・4nの強度を測定する赤外フォトダイオード等の赤外光検出器25と、赤外光検出器25を動作させるための直流電源26と、負荷抵抗27とが直列接続されており、負荷抵抗27の一端には、周波数信号発生器2から順次供給される周波数信号f0,f1,f2,・・・fnを乗算するための高周波スイッチ28が接続されており、高周波スイッチ28の出力端には、ローパスフィルタ29が接続され、ローパスフィルタ29の出力端にはアンプ30が接続されており、アンプ30の出力は演算表示器14に送出される。
この構成によれば、入射光強度測定器10が、周波数信号発生器2から順次供給される周波数信号f0,f1,f2,・・・fnにより位相敏感検波(ロックイン検出)するので、光束7に含まれる、赤外光4a,4b,・・・4nのそれぞれの強度を順次検出できる。また、このようにして求めた赤外光強度は、多重反射試料ガスセル11への入射光強度として用いる。
図3は、多重反射試料ガスセル11、透過光強度測定器13及び演算表示器14の構成と相互の接続関係を示す図である。
図3において、多重反射試料ガスセル11は周知の構成であり、被測定ガス37を導入する導入口11aと、被測定ガス37を排出する排出口11bと、光束8を入射する透明窓11dと、入射した光束8を被測定ガス37中で多重反射して、実質的光路長を増大させる多重反射ミラー11eと、多重反射試料ガスセル11から光束8を透過させ、透過光12を形成する透明窓11fとから成る。
図13において、透過光強度測定器13は、透過光12に含まれる赤外光4a,4b,・・・4nの強度を測定する赤外フォトダイオード等の赤外光検出器31と、赤外光検出器31を動作させるための直流電源32と、負荷抵抗33とが直列接続されており、負荷抵抗33の一端には、周波数信号発生器2から順次供給される周波数信号f0,f1,f2,・・・fnを乗算するための高周波スイッチ34が接続されており、高周波スイッチ34の出力端には、ローパスフィルタ35が接続され、ローパスフィルタ35の出力端にはアンプ36が接続されており、アンプ36の出力は演算表示器14に送出される。
この構成によれば、透過光強度測定器13が、周波数信号発生器2から順次供給される周波数信号f0,f1,f2,・・・fnにより位相敏感検波(ロックイン検出)するので、光束12に含まれる、赤外光4a,4b,・・・4nのそれぞれの強度を順次検出できる。また、このようにして求めた赤外光強度は、多重反射試料ガスセル11の透過光強度として用いる。
図3において、演算表示器14は、例えば、パーソナルコンピュータ等のコンピュータからなり、入射光強度測定器10から送出されてくる、赤外光4a,4b,・・・4nのそれぞれの強度を、多重反射試料ガスセル11への赤外光4a,4b,・・・4nのそれぞれの入射光強度とし、透過光強度測定器13から送出されてくる、赤外光4a,4b,・・・4nのそれぞれの強度を、多重反射試料ガスセル11の赤外光4a,4b,・・・4nのそれぞれの透過光強度として演算し、赤外光4a,4b,・・・4nのそれぞれに対応する複数のガスの濃度を求め、表示窓14aに表示する。
初めに、光束8に含まれる赤外光4aは、複数の被測定ガスの赤外吸収スペクトルのいずれにも一致しない赤外発光スペクトルを有する赤外光とし、赤外光4b・・・4nは、被測定ガス37b・・・37nのそれぞれの赤外吸収スペクトルにそれぞれ一致した赤外発光スペクトルを有する赤外光とし、また、多重反射試料ガスセル11中の被測定ガス37b・・・37nの吸光度をそれぞれ、αb・・・αnとする。
また、被測定ガスによる吸収損失以外の損失、すなわち、透明窓11d,11fの反射、吸収損失、多重反射ミラー11eの吸収損失、及び、透明窓11d,11f、多重反射ミラー11eの光軸変動による損失、並びに、透明窓11d,11f、多重反射ミラー11eの汚れによる吸収損失による損失率をγとする。
光束8を多重反射試料ガスセル11に入射すると、赤外光4aは被測定大気37によって吸収されないので、赤外光4aの入射光強度I4a iと透過光強度I4a tとから吸収損失以外の損失γを次式(1)から求める。
赤外光4a・・・4nの入射光強度及び透過光強度は、入射光強度測定器10及び透過光強度測定器13から順次、演算表示器14に送られてくるので、演算表示器14はこれらの強度から、(1)式及び(2)式を用いて、被測定ガス37b・・37nの濃度を表示する。
透明窓11d,11f、多重反射ミラー11eの光軸変動による損失、及び、透明窓11d,11f、多重反射ミラー11eの汚れによる吸収損失は、測定環境の温度や測定頻度によって時々刻々に変化するので、吸収損失以外の損失による損失率γは、測定環境の温度や測定頻度によって時々刻々に変化しているが、例えば、周波数信号発生器2から順次供給する周波数信号f0,f1,f2,・・・fnの組を1kHzの周期で供給すれば、1m秒毎にγを校正していることになるので、面倒な校正操作を行わずに、極めて信頼性の高い側定値が得られる。
また、透明窓11d,11f、多重反射ミラー11eの汚れによる吸収損失は、赤外光の波長によって異なる場合もあり、この場合には、複数の被測定ガスの赤外吸収スペクトルのいずれにも一致しない赤外発光スペクトルを有する赤外光源を測定赤外波長範囲に亘って均一に複数分布させ、これらの赤外光源によるγをそれぞれ求め、被測定ガス37b・・・37nのそれぞれの濃度は、被測定ガス37b・・・37nの濃度測定に用いるそれぞれの赤外発光波長に直近のγを用いて求めれば、さらに測定精度が高くなる。
赤外光源には、被測定ガスの固有赤外吸収スペクトルに一致した赤外発光スペクトルを有する赤外光源を用いる。この赤外光源は、量子カスケード発光体又は量子カスケードレーザーを用いることによって実現できる。以下に、量子カスケード発光体又は量子カスケードレーザーを説明する。
図4は、量子カスケード発光体の発光原理を説明するための模式図である。
図4(a)に示すように、量子カスケード発光体41は、極めて薄い半導体層42と絶縁層43を多数積層した構造(多重量子井戸構造)を有し、半導体層42毎に膜厚方向に量子化された電子のエネルギー準位(サブ準位)s0,・・・snを有する発光体である。
良く知られているように、半導体層42の厚さdを変えることによってサブ準位間のエネルギーギャップg1の大きさを変えることができる。図4(b)は、厚さdを図4(a)よりも小さくして、エネルギーギャップg2を図4(a)より大きくした場合を示している。
図4(c)は、図4(a)の構成の多重量子井戸構造の膜厚方向に電圧を印加して電子eをサブ準位s1に注入した場合を示しており、電子eは、サブ準位s0に遷移すると共に、ギャップエネルギーg1に相当したエネルギーの赤外光を発光する。サブ準位s0に遷移した電子は電界によって膜厚方向に進み、電子のエネルギーがサブ準位s1に相当する半導体層42に到ると再び、ギャップエネルギーg1に相当したエネルギーの赤外光44を発光する。このサイクルを繰り返すことにより、波長選択性に優れた赤外光を発光することができる。また、一つの電子が何回も発光するので、極めて発光効率の高い発光体である。
図4(d)は、図4(b)の構成の多重量子井戸構造に、図4(c)と同様に電圧を印加した場合を示している。図4(c)と同様に、ギャップエネルギーg2に相当したエネルギーの赤外光44を発光するが、図4(c)の構成のギャップエネルギーg2は図4(a)の構成のギャップエネルギーg1に較べて大きいので、赤外発光波長は(c)に較べて短くなる。また、多重量子井戸構造の外側にフィードバック用ミラーを設ければ、レーザーとして動作する。
このように、量子カスケード発光体は、半導体層42の厚さdを変えることによって発光波長を選択できるので、被測定ガスの固有赤外吸収スペクトルに一致した赤外発光スペクトルを有する赤外光源を得ることができる。
また、従来の被測定ガス固有の赤外吸収を利用したガス濃度測定装置では、被測定ガス固有の赤外吸収スペクトルの裾が互いに重なる(干渉効果)場合があり、この場合には測定誤差が生じていたが、本発明の装置によれば、量子カスケード発光体や量子カスケードレーザーの発光スペクトルを、半導体層42の厚さdを選択して、互いに重ならないようにすることによって、干渉効果を除去することもできる。
従って、複数の有害ガスの濃度を簡便に測定することが必要な分野で用いれば極めて有用である。
2 周波数信号発生器
3 光源部
3a 赤外光源
3b 赤外光源
3n 赤外光源
4 振幅変調された赤外光
4a 赤外光
4b 赤外光
4n 赤外光
5 光束
6 光束形成器
6a 光ファイバ
6b 光ファイバ
6n 光ファイバ
6p 他端部分
7 光束
8 光束
9 光分割器
10 入射光強度測定器
11 多重反射試料ガスセル
11a ガス導入口
11b ガス排出口
11d 透明窓
11e 多重反射ミラー
11f 透明窓
12 光束
13 透過光強度測定器
14 演算表示器
15 信号線
16 信号線
17 信号線
18 信号線
19 信号線
21 直流電源
22 交流電源
24 透明基板
25 赤外光検出器
26 直流電源
27 負荷抵抗
28 高周波スイッチ
29 ローパスフィルタ
30 アンプ
31 赤外光検出器
32 直流電源
33 負荷抵抗
34 高周波スイッチ
35 ローパスフィルタ
36 アンプ
37 被測定大気
37b 被測定ガス
37n 被測定ガス
41 量子カスケード発光体
42 半導体層
43 絶縁層
44 赤外光
Claims (3)
- 複数の互いに異なる周波数信号を同時に送出すると共に、この互いに異なる周波数信号を順次送出する周波数信号発生器と、
複数の被測定ガスのそれぞれの赤外吸収スペクトルにそれぞれ一致した赤外発光スペクトルを有する複数の赤外光源と、この複数の被測定ガスの赤外吸収スペクトルのいずれにも一致しない赤外発光スペクトルを有する赤外光源と、
上記複数の赤外光源のそれぞれの発光強度を、上記周波数信号発生器から同時に供給される互いに異なった周波数信号のそれぞれで振幅変調する電源部と、
この振幅変調された赤外光を、一つの光束に形成する光束形成器と、
この一つの光束に形成された赤外光を進行方向の異なる一方の光束と他方の光束との二つに分割する光分割器と、
この分割された二つの光束の一方を入射し、この入射した一方の光束に含まれる赤外光であって互いに異なった周波数信号のそれぞれで振幅変調された赤外光におけるそれぞれの強度を、上記周波数信号発生器から順次供給される互いに異なる周波数信号により順次位相敏感検波することにより、上記光分割器により分割された二つの光束の一方に含まれる複数の赤外発光スペクトルの強度を測定する入射光強度測定器と、
複数の被測定ガスを導入する導入口、上記他方の光束を入射する透明窓、該透明窓から入射する他方の光束を被測定ガス中で多重反射させる多重反射ミラーを有する多重反射試料ガスセルと、
この多重反射試料ガスセルを透過した光束を入射し、この入射した光束に含まれる上記互いに異なった周波数信号のそれぞれで振幅変調された赤外光のそれぞれの強度を、上記周波数信号発生器から順次供給される互いに異なる周波数信号により順次位相敏感検波して測定する透過光強度測定器と、
上記入射光強度測定器で測定したそれぞれの赤外光強度と上記透過光強度測定器で測定したそれぞれの赤外光強度とから上記複数のガスの濃度を演算し表示する演算表示器と、
を備え、
上記入射光強度測定器、上記透過光強度測定器の何れか一方又は双方は、赤外光検出器と該赤外光検出器を動作させるための直流電源と負荷抵抗とを直列接続し、かつ該負荷抵抗の一端には上記周波数信号発生器から供給される互いに異なった周波数信号を乗算するための高周波スイッチを接続して構成されており、
上記複数の赤外光源のそれぞれが、半導体層と絶縁層を積層した量子カスケード発光体又は量子カスケードレーザーを有しており、上記半導体層の厚さが被測定ガスの固有の赤外吸収スペクトルに一致するように調整されていることにより、上記複数の赤外光源のそれぞれから出力される赤外光のスペクトルの裾が互いに重ならないようにしたことを特徴とする、複数ガス濃度同時測定装置。 - 前記光束形成器は、一端が前記赤外光源のそれぞれに光結合され他端部分が光軸を揃え且つ密に束ねられた複数の光ファイバと、この他端に光結合したコリメート用光学レンズとから成ることを特徴とする、請求項1に記載の複数ガス濃度同時測定装置。
- 前記光分割器は、光ビームスプリッターであることを特徴とする、請求項1に記載の複数ガス濃度同時測定装置。
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