JP7485237B2

JP7485237B2 - ガス分析計および多重反射セル

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Publication number: JP7485237B2
Application number: JP2023563474A
Authority: JP
Inventors: 直希武田; 亮一東; 波李; 正敬大登
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Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2041-11-29
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Description

本発明は、ガス分析計および多重反射セルに関する。

従来、試料セルとして多重反射セルを備えるガス分析計が知られている（例えば、特許文献１参照）。また紫外線（波長範囲：２００ｎｍ～４００ｎｍ）領域の光を用いたガス分析計が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許文献１特開平９－４９７９３号公報
特許文献２特開平１１－３７４１０６号公報

解決しようとする課題

ガス分析計において、多重反射セルを小型化することが好ましい。

一般的開示

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、サンプルガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定するガス分析計を提供する。ガス分析計は、入射窓を備えてよい。入射窓は、光が入射されてよい。ガス分析計は、中央ミラーを備えてよい。ガス分析計は、２つ以上の反射ミラーを備えてよい。反射ミラーは、中央ミラーと向かい合って配置されてよい。ガス分析計は、折り返しミラーを備えてよい。折り返しミラーは、中央ミラーに対して、入射窓と逆側に配置されてよい。ガス分析計は、出射窓を備えてよい。出射窓は、中央ミラーに対して、入射窓と同じ側に配置されてよい。折り返しミラーは、入射窓に入射された光を出射窓に戻るように折り返してよい。

入射窓と出射窓は、共通の部材であってよい。

折り返しミラーは、反射ミラーから当該反射ミラーの曲率半径の８５％以上１１５％以下離れた範囲に設けられてよい。

折り返しミラーは、中央ミラーより反射ミラーと離れて配置されていてよい。

入射窓の出射面の中央点を中央ミラーの鏡面の中心線を基準として線対称に配置した点を基準点とし、中心線と平行で基準点を通る線を基準線とした場合、基準線より入射窓と逆側の折り返しミラーの鏡面の長さは、基準線より入射窓側の折り返しミラーの鏡面の長さより大きくてよい。

折り返しミラーは、凹面鏡であってよい。

折り返しミラーの曲率半径は、反射ミラーまたは中央ミラーの曲率半径と同じであってよい。折り返しミラーの曲率半径は、反射ミラーまたは中央ミラーの曲率半径と異なってよい。

折り返しミラーの反射特性は、反射ミラーまたは中央ミラーの反射特性と異なってよい。

ガス分析計は、光学フィルタを備えてよい。光学フィルタは、折り返しミラーと、反射ミラーの間に配置され、折り返しミラーの反射特性を変更してよい。

反射ミラーの反射特性は、中央ミラーの反射特性と異なってよい。

ガス分析計は、ファイバを備えてよい。ファイバは、入射窓に光を入射してよい。入射窓は、ファイバが出射した光に対して角度を有して配置されてよい。入射窓は、ファイバが出射した光に対して７０°以上７５°以下の角度を有するように配置されてよい。

ファイバは、光を出射する出射面および光を受光する受光面を有してよい。

ファイバは、光が通過する複数の経路を有してよい。ファイバは、測定対象成分の濃度に応じて、複数の経路のうち、ファイバから出射する光が通過する経路の本数と、ファイバに入射した光が通過する経路の本数とを制御してよい。

ファイバの出射面と反射ミラーの距離は、反射ミラーの曲率半径に対して予め定められたデフォーカス距離ずれて配置されてよい。デフォーカス距離は、ファイバの受光面の幅以下であってよい。

本発明の第２の態様においては、入射される光を多重反射して出射する多重反射セルを提供する。多重反射セルは、入射窓を有してよい。入射窓は、光が入射されてよい。多重反射セルは、中央ミラーを有してよい。多重反射セルは、２つ以上の反射ミラーを有してよい。反射ミラーは、中央ミラーと向かい合って配置されてよい。多重反射セルは、折り返しミラーを有してよい。折り返しミラーは、中央ミラーに対して、入射窓と逆側に配置されてよい。多重反射セルは、出射窓を有してよい。出射窓は、中央ミラーに対して、入射窓と同じ側に配置されてよい。折り返しミラーは、入射窓に入射された光を出射窓に戻るように折り返してよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

比較例に係るガス分析計１００の一例を示す図である。比較例に係る多重反射セル１３の一例を示す図である。比較例に係る多重反射セル１３において成立する光学関係式を説明する図である。実施例に係るガス分析計２００の一例を示す図である。実施例に係る多重反射セル１１３の一例を示す図である。ファイバ５２と反射ミラー４７の位置関係を示す図である。第１部分５４における受光面８５および出射面８６の配置の一例を示す図である。ファイバ５２を詳細に説明する図である。第２部分５６における受光面８７の配置の一例を示す図である。第３部分５８における出射面８８の配置の一例を示す図である。ファイバ５２と窓４９の位置関係を示す図である。折り返しミラー４２と反射ミラー４８の位置関係を示す図である。実施例に係る多重反射セル１１３の他の例を示す図である。折り返しミラー４２の反射特性の一例を示す図である。実施例に係る多重反射セル１１３の他の例を示す図である。折り返しミラー４２の反射特性の他の例を示す図である。実施例に係るガス分析計３００の一例を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

本明細書では、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直交座標軸を用いて技術的事項を説明する場合がある。直交座標軸は、構成要素の相対位置を特定するに過ぎず、特定の方向を限定するものではない。例えば、Ｚ軸は地面に対する高さ方向を限定して示すものではない。なお、＋Ｚ軸方向と－Ｚ軸方向とは互いに逆向きの方向である。正負を記載せず、Ｚ軸方向と記載した場合、＋Ｚ軸および－Ｚ軸に平行な方向を意味する。

図１は、比較例に係るガス分析計１００の一例を示す図である。ガス分析計１００は、煙道１０、ガス吸入管１１、ガス排出管１２、多重反射セル１３、ガスフィルタ１４、予熱器１５、予熱温度調節器１６、ポンプ１７、ヒータ１８、セル温度調節器１９、光源部２０、分光器２２、検出素子２６、演算装置２７および通信線５１を備える。ガス分析計１００は、サンプルガス３０に含まれる測定対象成分の濃度を測定する。本例において、ガス分析計１００は、光源部２０の変動を除去できる差分吸光光度法（ＤＯＡＳ）により、測定対象成分の濃度を測定する。差分吸光光度法を用いることにより、吸光スペクトルの細かな変動成分のみで測定対象成分の濃度を測定でき、安定した測定が可能である。

サンプルガス３０は、測定対象成分が含まれるガス試料である。本例において、サンプルガス３０は、煙道１０中を流れる排気ガスである。測定対象成分は、ガス分析計１００の測定の対象であり、例えば、ＮＯ、ＮＯ_２である。測定対象成分は、ＳＯ_２、ＳＯ_３、ＳＯ_Ｘ、ＮＯ_３、ＮＨ_３またはＮＯ_Ｘであってもよい。

煙道１０は、ガス吸入管１１およびガス排出管１２と接続する。また、多重反射セル１３は、ガス吸入管１１およびガス排出管１２と接続する。ガス吸入管１１は、煙道１０からサンプルガス３０を多重反射セル１３に導入する。多重反射セル１３においてサンプルガス３０の濃度を測定した後、ガス排出管１２は、多重反射セル１３からサンプルガス３０を煙道１０に排出する。

ガス吸入管１１は、サンプルガス３０中のダストを除去するガスフィルタ１４と接続してよい。ガス吸入管１１は、サンプルガス３０を予熱する予熱器１５と接続してよい。予熱器１５は、予熱温度調節器１６によって温度が調整されてよい。ガス排出管１２は、ポンプ１７と接続してよい。ガス排出管１２をポンプ１７と接続することによって、ガス吸入管１１を介して多重反射セル１３にサンプルガス３０を導入し、また多重反射セル１３からサンプルガス３０を煙道１０に排出することができる。

光源部２０は、光４３を出射する。本例において、光源部２０は、測定対象成分の吸収波長を含む光４３を出射する。光源部２０は、一例として、発光時間を極短時間に制御できるフラッシュランプである。光源部２０は、Ｘｅフラッシュランプであってよい。光源部２０としてＸｅフラッシュランプを用いることで、安定して光４３を出射することができる。本例の光源部２０は、一定の発光周期で発光することが好ましい。本例において、光４３は、紫外線（波長範囲：２００ｎｍ～４００ｎｍ）領域の光である。

多重反射セル１３は、サンプルガス３０を封止する。サンプルガス３０に含まれる測定対象成分の濃度を分析する場合、ガス吸入管１１を介して、サンプルガス３０を多重反射セル１３に導入してよい。また分析終了後、ガス排出管１２を介して、サンプルガス３０を多重反射セル１３から排出してよい。多重反射セル１３に入射された光４３は、多重反射セル１３の内部で反射を繰り返し、多重反射セル１３の外部に射出される。多重反射セル１３は、入射される光４３を多重反射して出射する。多重反射セル１３の詳細は、後述する。

多重反射セル１３には、サンプルガス３０の温度を所定の温度に保つためヒータ１８が設けられてもよい。多重反射セル１３は、ヒータ１８と接していてもよい。ヒータ１８は、セル温度調節器１９によって制御されてよい。

分光器２２は、紫外線中の所定の範囲の波長の光４３を分光する。所定の範囲とは、例えば、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長範囲である。波長範囲は、これらに限定されない。分光器２２は、分光した光４３を検出素子２６に入射する。分光器２２は、光４３を複数の波長帯域に分光してもよい。この場合、検出素子２６は、光４３の強度を波長帯域毎に取得できる。

検出素子２６は、多重反射セル１３を通過した光４３の放射スペクトルを取得する。検出素子２６は、波長ごとに光４３の放射スペクトルの強度を取得する。検出素子２６は、一例として、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｃｕｃｔｏｒ）ラインセンサである。検出素子２６が取得した光４３の放射スペクトルは、受光信号として演算装置２７に送信される。

演算装置２７は、検出素子２６の受光信号を処理する。演算装置２７は、検出素子２６の受光信号に基づいて、サンプルガス３０の測定対象成分の濃度を測定する。演算装置２７は、測定対象成分の吸収波長における光４３の強度の変化（すなわち、光源部２０が出射した光４３の強度に対する、多重反射セル１３を通過した光４３の強度の変化）を取得することにより、測定対象成分の濃度を測定してよい。本例において演算装置２７は検出素子２６と通信線５１を介して有線接続しているが、無線接続であってもよい。

図２は、比較例に係る多重反射セル１３の一例を示す図である。多重反射セル１３は、入射窓４４、出射窓４５、中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８を有する。なお説明のため図２において、多重反射セル１３の長手方向をＸ軸方向、多重反射セル１３の短手方向をＹ軸方向とする。

入射窓４４は、多重反射セル１３に光４３を導入する窓である。入射窓４４は、ガラス等で形成されてよい。入射窓４４は、入射面７１および出射面７２を有する。光源部２０は、光４３を入射窓４４の入射面７１に出射する。入射窓４４は、入射窓４４の出射面７２から光４３を反射ミラー４７に出射する。

出射窓４５は、多重反射セル１３から光４３を出射する窓である。出射窓４５は、ガラス等で形成されてよい。出射窓４５は、入射面７３および出射面７４を有する。反射ミラー４８は、光４３を出射窓４５の入射面７３に出射する。出射窓４５は、出射窓４５の出射面７４から光４３を分光器２２に出射する。

多重反射セル１３には、光４３を多重反射するためにミラーが設けられている。多重反射セル１３には、複数のミラーが設けられてよい。本例では、多重反射セル１３は、中央ミラー４６および複数の反射ミラー（反射ミラー４７、反射ミラー４８）を有する。

中央ミラー４６は、反射ミラー４７および反射ミラー４８と向かい合って配置される。向かい合って配置されるとは、中央ミラー４６の鏡面７５が反射ミラーの鏡面と向かい合って配置されることであってよい。ミラーの鏡面とは、光４３が反射される面である。向かい合って配置されるとは、中央ミラー４６の鏡面７５の少なくとも一部と反射ミラーの鏡面の少なくとも一部が向かい合っていることであってよい。なお中央ミラー４６は、一部の面のみが鏡面であってよく、全ての面が鏡面であってもよい。中央ミラー４６は、入射窓４４および出射窓４５と向かい合わず配置されてよい。中央ミラー４６の鏡面７５は、入射窓４４の出射面および出射窓４５の入射面と向かい合わず配置されてよい。中央ミラー４６は、Ｙ軸方向において入射窓４４と出射窓４５に挟まれて配置されてよい。中央ミラー４６、入射窓４４および出射窓４５は、Ｙ軸方向に並んで配置されてよい。

反射ミラー４７は、中央ミラー４６と向かい合って配置される。反射ミラー４７の鏡面７６は、中央ミラー４６の鏡面７５と向かい合って配置されてよい。反射ミラー４７は、入射窓４４と向かい合って配置される。反射ミラー４７の鏡面７６は、入射窓４４の出射面７２と向かいあって配置されてよい。なお反射ミラー４７は、一部の面のみが鏡面であってよく、全ての面が鏡面であってもよい。反射ミラー４７は、中央ミラー４６に対して、Ｘ軸方向正側に設けられてよい。

反射ミラー４８は、中央ミラー４６と向かい合って配置される。反射ミラー４８の鏡面７７は、中央ミラー４６の鏡面７５と向かい合って配置されてよい。反射ミラー４８は、出射窓４５と向かい合って配置される。反射ミラー４８の鏡面７７は、出射窓４５の入射面７３と向かいあって配置されてよい。なお反射ミラー４８は、一部の面のみが鏡面であってよく、全ての面が鏡面であってもよい。反射ミラー４８は、中央ミラー４６に対して、Ｘ軸方向正側に設けられてよい。

中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８は、それぞれ凹面鏡であってよい。つまり、中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８は、それぞれ曲率半径を有する。中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８は、同一の曲率半径を有していてよい。ミラーの曲率半径とは、鏡面の曲率半径であってよい。中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８が同一の曲率半径を有することにより、光４３を多重反射させることができる。つまり多重反射セル１３は、ホワイトセルであってよい。ホワイトセルを使用することにより、光路長を大きくすることができ、測定対象成分が微量であっても精度良く濃度を測定することができる。

光４３の結像について順に説明する。反射ミラー４７は、入射窓４４の像を直接中央ミラー４６上に結像する。次に中央ミラー４６は、反射ミラー４７上に結像した入射窓４４の像を反射ミラー４８上に結像する。そして反射ミラー４８は、中央ミラー４６上に結像した入射窓４４の像を再度中央ミラー４６上に結像させる。さらに中央ミラー４６は、反射ミラー４８上に結像した入射窓４４の像を反射ミラー４７上に結像する。次に反射ミラー４７は、中央ミラー４６上に結像された入射窓４４の像を再度中央ミラー４６上に結像する。同様の手順を繰り返し、反射ミラー４８は、最後に中央ミラー４６上に結像された入射窓４４の像を出射窓４５に結像する。図２の例では、中央ミラー４６は、光４３が７回反射されるように配置されている。また図２の例では、反射ミラー４７および反射ミラー４８のそれぞれは、光４３が４回反射されるように配置されている。反射回数の例は、これらに限定されない。

図３は、比較例に係る多重反射セル１３において成立する光学関係式を説明する図である。図３の寸法は、図２の寸法と必ずしも一致しない。なお説明のため図３において、多重反射セル１３の長手方向をＸ軸方向、多重反射セル１３の短手方向をＹ軸方向とする。図３において、中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８の曲率半径をＲとする。

一般的に，曲率半径がＲである凹面鏡の収差が無視しうる光軸付近に置かれた物体とその像の間には、幾何光学原理に基づく下記数１の結像公式が成立している。ここで、ａを凹面鏡の中心から物点までの距離、ｂを凹面鏡の中心から像点までの距離、Ｒを凹面鏡の曲率半径、ｆを凹面鏡の焦点距離とする。凹面鏡の中心から物点までの距離ａを凹面鏡の曲率半径Ｒと等しくすると、数１より凹面鏡の中心から像点までの距離ｂもＲとなり、凹面鏡の光軸に関し物点と対称の位置に物点の像が結像されることとなる。
（数１）
１／ａ＋１／ｂ＝２／Ｒ＝１／ｆ

多重反射セル１３では、入射窓４４は、向かい合って配置される反射ミラー４７の鏡面７６から反射ミラー４７の曲率半径Ｒに等しい距離離れた位置に配置されるため、入射窓４４の像は反射ミラー４７から反射ミラー４７の曲率半径Ｒに等しい距離離れた位置、つまり中央ミラー４６の鏡面７５上に結像する。ミラー間の距離とは、例えば、ミラーの鏡面の中心間の距離であってよい。そして、中央ミラー４６の鏡面７５上に結像された像は、反射ミラー４８によって再度中央ミラー４６の鏡面７５上の反射ミラー４８の配置によって定まる位置に結像される。同様の手順を繰り返し、入射窓４４の像は、中央ミラー４６の鏡面７５上に複数結像される。中央ミラー４６の鏡面７５上に結像される複数の入射窓４４の像は、反射ミラー４７の曲率中心Ｃ３１と反射ミラー４８の曲率中心Ｃ３２の配置間隔ｄに依存して配列される。また中央ミラー４６の曲率中心を、Ｃ２３とする。反射ミラーの曲率中心とは、反射ミラーの曲率円の中心である。中央ミラー４６の鏡面７５上に複数の入射窓４４の像が結像された後、出射窓４５から入射窓４４の像が多重反射セル１３の外部に射出される。この時光４３のパス回数をｎ、ミラーの反射回数をｎ－１とすると、下記数２、数３が成り立つ。光４３のパス回数とは、例えば、多重反射セル１３のＸ軸方向における中心線Ｏを横切った回数であってよい。また必要光路長をＬ、中央ミラー４６の中心と入射窓４４の中心間の距離をｈとする。
（数２）
Ｒ≒Ｌ／ｎ
（数３）
ｈ＝ｎｄ／４

また中央ミラー４６上には、入射窓４４の像がｎ／２－１個、配置間隔ｄ離れて配置される。入射窓４４と出射窓４５の配置間隔ｗは、下記の数４が成り立つ。
（数４）
ｗ＝ｎｄ／２

以上の関係式が成り立つので、パス回数ｎを４の倍数に設定し、出射窓４５は中央ミラー４６を挟んで入射窓４４と対称の位置に配置すればよい。図２、図３では、パス回数ｎを１６に設定しているので、入射窓４４から射出された光４３は、１５回の反射を繰り返して、中央ミラー４６に７個の像を結像する。その後光４３は、出射窓４５を介して多重反射セル１３の外部に射出される。

以上のように、小型小寸法でデッドスペースの少ない小容積な構造であっても必要な光路長を確保することができることがホワイトセルの利点である。したがって、ホワイトセル形式である多重反射セル１３を備えることで測定対象成分が微量であっても精度良く濃度を測定することができる。

しかし、本例において測定対象成分はＮＯ、ＮＯ_２であり、紫外線領域の光の吸収は赤外線（波長範囲：５μｍ～８μｍ）領域の光の吸収より小さくなり、また低濃度の測定が求められるため、必要な光路長が長くなる傾向になる。赤外線領域の光を用いる場合、一般的な光路長は１ｍほどであるが、紫外線領域の光を用いる場合、２～５ｍの光路長が必要となる。従来の赤外線領域の光を用いるガス分析計と同等の筐体（１９インチラックサイズ、内寸奥行約４００ｍｍ）に収まる多重反射セル１３を設計する場合、光路長５ｍでは数２よりｎ＝５０００／４００となり、パス回数は１２回または１６回となる。配置間隔ｄは最低でも入射窓４４の幅以上に設定する必要があるため、例えば光源部２０に用いられる光学素子の直径を１０ｍｍとすると、数４より入射窓４４と出射窓４５の配置間隔ｗは、１６×１０／２＝８０ｍｍ（従来配置間隔とする）となる。したがって、多重反射セル１３の大きさは概ね１００ｍｍ×４００ｍｍとなる。ここで高さを従来の赤外線領域の光を用いるガス分析計と同等にした場合、容積は１００ｍｍ×４００ｍｍ×２５ｍｍ＝１０００ｍｌ（従来容積とする）で１Ｌ程度となる。ガス分析計のサンプリング流量は１～２Ｌ毎分であり、ガス試料の置換に３０秒～１分かかることになる。信号処理時間や内部のガス吸着などの影響を考慮すると、比較例ではガス分析の応答時間が６０秒以上かかる可能性がある。そのため、応答時間を短くするために多重反射セル１３を小型化することが好ましい。

図４は、実施例に係るガス分析計２００の一例を示す図である。ガス分析計２００は、ガス吸入管１１、ガス排出管１２、光源部２０、分光器２２、検出素子２６、演算装置２７、通信線５１、ファイバ５２および多重反射セル１１３を備える。図４において、図１と同一の符号は説明を省略する。なお図４において、ガス吸入管１１の接続およびガス排出管１２の接続を一部省略している。ガス吸入管１１およびガス排出管１２は、煙道と接続してよい。ガス分析計２００は、ヒータやセル温度調節器を備えてもよい。

多重反射セル１１３は、サンプルガス３０を封止する。サンプルガス３０に含まれる測定対象成分の濃度を分析する場合、ガス吸入管１１を介して、サンプルガス３０を多重反射セル１１３に導入してよい。また分析終了後、ガス排出管１２を介して、サンプルガス３０を多重反射セル１１３から排出してよい。多重反射セル１１３に入射された光４３は、反射を繰り返し、多重反射セル１１３の外部に射出される。本例において、多重反射セル１１３に入射された光４３は、入射窓と同一の出射窓を介して多重反射セル１１３の外部に射出される。

ファイバ５２は、光を分岐する手段である。ファイバ５２は、受光面および出射面を有する。ファイバ５２は、入射窓に光４３－１を入射する。ファイバ５２の出射面から出射された光４３－１は、多重反射セル１１３の入射窓に入射される。多重反射セル１１３の出射窓から出射された光４３－２は、ファイバ５２の受光面で受光される。受光された光４３は、分光器２２において分光される。ファイバ５２の代わりに、ビームスプリッタ等が配置されていてもよい。

図５は、実施例に係る多重反射セル１１３の一例を示す図である。多重反射セル１１３は、折り返しミラー４２、中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８および窓４９を有する。なお説明のため図５において、多重反射セル１１３の長手方向をＸ軸方向、多重反射セル１１３の短手方向をＹ軸方向とする。図５において、図２、図３と同一の符号は説明を省略する。図２において折り返しミラー４２に到達する前の光４３を光４３－１とし、太い点線で示している。また折り返しミラー４２に到達した後の光４３を光４３－２とし、太線で示している。本例において光４３－１のパス回数および光４３－２のパス回数を４とする。

窓４９は、多重反射セル１１３に光４３を導入する窓である。窓４９は、ガラス等で形成されてよい。窓４９は、面８１および面８２を有する。光源部２０（ファイバ５２）は、光４３－１を窓４９の面８１に出射する。つまり、窓４９に光が入射される。窓４９は、窓４９の面８２から光４３－１を反射ミラー４７に出射する。また窓４９は、多重反射セル１１３から光４３を出射する窓である。反射ミラー４７は、光４３－２を窓４９の面８２に出射する。窓４９は、窓４９の面８１から光４３－２を分光器２２（ファイバ５２）に出射する。つまり、窓４９は入射窓および出射窓として機能する。本例において、入射窓および出射窓は、共通の部材である。本例において、出射窓は、中央ミラー４６に対して、入射窓と同じ側に配置されている。

折り返しミラー４２は、反射ミラー４８と向かい合って配置される。折り返しミラー４２の鏡面８３は、反射ミラー４８の鏡面７７と向かい合って配置されてよい。なお折り返しミラー４２は、一部の面のみが鏡面であってよく、全ての面が鏡面であってもよい。折り返しミラー４２は、中央ミラー４６に対して、窓４９と逆側に配置される。本例において折り返しミラー４２は、中央ミラー４６に対して、Ｙ軸負側に配置される。

折り返しミラー４２は、入射窓に入射された光４３－１を出射窓に戻るように折り返す。本例において折り返しミラー４２は、窓４９に入射された光４３－１を光４３－２として窓４９に戻るように折り返す。本例の折り返しミラー４２は、反射ミラー４８から入射した光４３－１を、光４３－２として反射ミラー４８に折り返す。折り返しミラー４２に入射する光４３－１が通過する経路と、折り返しミラー４２から出射する光４３－２が通過する経路とは同一であってよい。本例の折り返しミラー４２は、光４３－１が通過してきた経路を光４３－２が逆向きに進むように、光４３－２を出射する。光４３－２は、反射ミラー４８、中央ミラー４６および反射ミラー４７により反射されて窓４９に到達する。本例において、光４３－１のパス回数は４であるため、光４３－２のパス回数は同様に４となる。したがって、光４３はパス回数８で窓４９から射出される。折り返しミラー４２を設けることにより、光４３のパス回数を２倍にすることができる。したがって、数４のパス回数を半分にすることができ、光学素子の直径を１０ｍｍとすると、数４と同様に計算することにより、折り返しミラー４２と窓４９の配置間隔は８×１０／２＝４０ｍｍとなり、従来配置間隔に比べ配置間隔を小さくできる。この場合、容積は６０ｍｍ×４００ｍｍ×２５ｍｍ＝６００ｍｌで従来例と比べ容積を削減することができる。したがって、多重反射セル１１３を小型化することができ、更に応答時間を短くすることができる。

折り返しミラー４２は、少なくとも１つの反射ミラーから、当該反射ミラーの曲率半径の８５％以上１１５％以下離れた範囲に設けられる。本例では、折り返しミラー４２は、反射ミラー４８の曲率半径の８５％以上１１５％以下の距離だけ反射ミラー４８の反射面から離れた範囲に設けられる。なお、ミラーどうしの距離として、ミラーの鏡面の中心間の距離を用いてよい。折り返しミラー４２が、反射ミラー４８に対して、反射ミラー４８の曲率半径の８５％以上１１５％以下離れた範囲に設けられることにより、光４３－２を反射ミラー４８に効率よく戻すことができる。折り返しミラー４２と反射ミラー４８の配置に関しては、図１２で説明する。

本例では折り返しミラー４２は、中央ミラー４６より反射ミラー４８と離れて配置されている。つまり、折り返しミラー４２と反射ミラー４８との距離が、中央ミラー４６と反射ミラー４８との距離より大きい。本例では折り返しミラー４２は、反射ミラー４８から、反射ミラー４８の曲率半径の１００％より大きくかつ１１５％以下離れた範囲に設けられる。折り返しミラー４２が中央ミラー４６より反射ミラー４８と離れて配置されているため、折り返しミラー４２と反射ミラー４８との距離と、中央ミラー４６と反射ミラー４８との距離との差分の倍の長さだけ光４３の光路長を長くすることができる。

折り返しミラー４２は、凹面鏡であってよい。つまり、折り返しミラー４２は、曲率半径を有する。折り返しミラー４２の曲率半径は、中央ミラー４６、反射ミラー４７または反射ミラー４８の曲率半径と同一であってよい。曲率半径を同一にすることで、多重反射セル１１３を製造しやすくなる。本明細書で「同一」と称した場合、±１０％以下の誤差を含んでよい。折り返しミラー４２の曲率半径は、中央ミラー４６、反射ミラー４７または反射ミラー４８の曲率半径と異なってもよい。曲率半径を異ならせることにより、光４３－２を反射ミラー４８に効率よく戻すように調整可能である。

図６は、ファイバ５２と反射ミラー４７の位置関係を示す図である。ファイバ５２の受光面８５および出射面８６が設けられ部分を第１部分５４とする。図６において、ファイバ５２の受光面８５および出射面８６が設けられる面を、ＹＺ面とする。

図７は、第１部分５４における受光面８５および出射面８６の配置の一例を示す図である。図７において、図６の第１部分５４をＸ軸正側から見た受光面８５および出射面８６の配置を示している。ファイバ５２の受光面８５は、出射面８６より外側に設けられる。またファイバ５２の受光面８５は、複数設けられる。ファイバ５２の出射面８６は、受光面８５より外側に設けられてもよい。ファイバ５２の出射面８６は、複数設けられてもよい。受光範囲φは、ファイバ５２の受光面８５が設けられる範囲であってよい。受光範囲φは、図７に示すように複数の受光面８５と外接する円の直径であってよい。

本例では、ファイバ５２の出射面８６と反射ミラー４７の距離は、反射ミラー４７の曲率半径Ｒに対して予め定められたデフォーカス距離Ｄｆずれて配置される。図６では、ファイバ５２の出射面８６と反射ミラー４７の距離は、反射ミラー４７の曲率半径Ｒに対して予め定められたデフォーカス距離Ｄｆ離れて配置される。反射ミラー４７の曲率半径Ｒに対して予め定められたデフォーカス距離Ｄｆずれて配置されるため、受光効率のばらつきを低減することができる。

デフォーカス距離Ｄｆは、ファイバ５２の受光範囲φ以下であってよい。デフォーカス距離Ｄｆをファイバ５２の受光範囲φ以下に設定することにより、受光効率のばらつきを低減しつつ、受光効率を上げることができる。デフォーカス距離Ｄｆは、ファイバ５２の受光範囲φの半分以上であってよい。またデフォーカス距離Ｄｆは、ファイバ５２の受光範囲φの２倍以下であってもよい。

戻り光（光４３－２）の受光面８５における照射範囲をａとする。照射範囲ａの直径は、デフォーカス距離をＤｆ、反射ミラー４７の曲率半径をＲ、反射ミラー４７の有効径をαとすると、下記数５で表せる。照射範囲ａは、ファイバ５２の受光範囲φに、製造公差により考えられるズレ量と、温度による照射範囲のズレ分を足した範囲に設定することが好ましい。照射範囲ａをこのような範囲に設定することにより、温度の影響を受けず安定した測定が可能である。まとめると、デフォーカス距離を設けることで製造の許容公差が大きくなるため、製造が容易になる。また温度特性や受光効率のばらつきも改善されるため、ガス分析計２００の温度特性や振動等による経時変化も緩和されることが期待でき、長期間にわたって安定した測定性能を実現できる。

図８は、ファイバ５２を詳細に説明する図である。ファイバ５２は、第１部分５４、第２部分５６および第３部分５８を有する。本例においてファイバ５２は、光４３が通過する複数の経路を有する。図８において、ファイバ５２の受光面８５および出射面８６が設けられる面を、ＹＺ面とする。

図９は、第２部分５６における受光面８７の配置の一例を示す図である。図９において、図８の第２部分５６をＸ軸負側から見た受光面８７の配置を示している。第２部分５６には、受光面８７が設けられる。第１部分５４の出射面８６と第２部分５６の受光面８７はそれぞれ接続している。したがって、光源部２０から出射された光４３は、第２部分５６の受光面８７で受光され、出射面８６で多重反射セル１１３（窓４９）に出射される。図９においてファイバ５２から出射する光４３が通過する経路の本数は、１本である。

図１０は、第３部分５８における出射面８８の配置の一例を示す図である。図１０において、図８の第３部分５８をＸ軸負側から見た出射面８８の配置を示している。第３部分５８には、出射面８８が設けられる。第１部分５４の受光面８５と第３部分５８の出射面８８は接続している。したがって、多重反射セル１１３（窓４９）から出射された光４３は、第１部分５４の受光面８５で受光され、出射面８８で分光器２２に出射される。図１０においてファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数は、６本である。

本例においてファイバ５２から出射する光４３が通過する経路の本数が１本で、ファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数が６本であるが、ファイバ５２から出射する光４３が通過する経路の本数やファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数は制御されてよい。例えば、測定対象成分の濃度に応じて、複数の経路のうち、ファイバ５２から出射する光４３が通過する経路の本数と、ファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数とを制御してよい。一例として、測定対象成分の濃度が低い場合、ファイバ５２から出射する光４３が通過する経路の本数が１本にし、ファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数を６本にする。測定対象成分の濃度が低い場合、ファイバ５２への受光量を増やすため、ファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数を増やしてよい。また反対に測定対象成分の濃度が高い場合、ファイバ５２から出射する光４３が通過する経路の本数が６本にし、ファイバ５２に入射した光４３が通過する経路の本数を１本にしてよい。

図１１は、ファイバ５２と窓４９の位置関係を示す図である。図１１では、ファイバ５２の第１部分５４のみを示している。

本例では、窓４９はファイバ５２が出射した光４３－１に対して角度を有して配置される。窓４９がファイバ５２によって出射された光４３－１に対して角度を有して配置されるとは、ファイバ５２によって出射された光４３－１と窓４９の面８１と成す角度θ（９０°以下）が０°より大きく９０°より小さいことであってよい。つまり、窓４９がファイバ５２によって出射された光４３－１に対して角度を有して配置されるとは、窓４９の面８１がファイバ５２によって出射された光４３－１に対して平行でも垂直でもないことであってよい。同様に４９がファイバ５２によって出射された光４３－１に対して角度を有して配置されるとは、ファイバ５２によって出射された光４３－１と窓４９の面８２と成す角度θ（９０°以下）が０°より大きく９０°より小さいことであってよい。窓４９がファイバ５２によって出射された光４３－１に対して角度を有して配置されるため、出射された光４３－１が面８１や面８２によって反射された反射光の光軸と戻り光（光４３－２）の光軸をずらすことができる。したがって、出射された光４３－１が面８１や面８２によって反射された反射光が戻り光と混入することを防ぐことができる。

本例において窓４９は、ファイバ５２が出射した光４３に対して７０°以上７５°以下の角度θを有するように配置される。角度θが小さすぎると窓４９を通過する距離が大きくなるため、角度θは小さすぎないことが好ましい。

図１２は、折り返しミラー４２と反射ミラー４８の位置関係を示す図である。折り返しミラー４２の鏡面８３の中心をＣ４１とし、反射ミラー４８の鏡面７７の中心をＣ４２とする。折り返しミラー４２と反射ミラー４８の距離Ｌ１は、折り返しミラー４２の鏡面８３の中心Ｃ４１と反射ミラー４８の鏡面７７の中心Ｃ４２の距離であってよい。したがって、折り返しミラー４２と反射ミラー４８の距離Ｌ１は、反射ミラー４８の曲率半径の８５％以上１１５％以下であってよい。

図１３は、実施例に係る多重反射セル１１３の他の例を示す図である。図１３の多重反射セル１１３は折り返しミラー４２の構成が、図５の多重反射セル１１３と異なる。図１３のそれ以外の構成は、図５の多重反射セル１１３と同一であってよい。なお図１３において光４３を省略している。

本例において、中央ミラー４６の鏡面７５の中心線をＤ１とし、窓４９の面８２の中央点をＣ４３とする。中心線Ｄ１を基準として、中央点Ｃ４３を線対称に配置した点を基準点Ｃ４４とする。基準点Ｃ４４を通り、中心線Ｄ１と平行な線を基準線Ｄ２とする。この場合、基準線Ｄ２より窓４９と逆側の折り返しミラー４２の鏡面８３の長さＬ２は、基準線Ｄ２より窓４９側の折り返しミラー４２の鏡面８３の長さＬ３より大きくてよい。折り返しミラー４２の鏡面８３の長さとは、Ｙ軸方向の鏡面８３の長さであってよい。折り返しミラー４２の鏡面８３の長さとは、鏡面８３に沿った長さであってもよい。折り返しミラー４２の鏡面８３の長さＬ２は、折り返しミラー４２の鏡面８３の長さＬ３の２倍以上であってもよい。折り返しミラー４２の鏡面８３の長さＬ２を折り返しミラー４２の鏡面８３の長さＬ３より大きくすることで、反射ミラー４８からの光４３をより多く反射することができる。

図１４は、折り返しミラー４２の反射特性の一例を示す図である。図１４において、折り返しミラー４２の波長毎の反射率を示している。本例では折り返しミラー４２において紫外線（波長範囲：２００ｎｍ～４００ｎｍ）領域の光の反射率は、波長に依存せず一定である。中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８の鏡面も同様に、図１４の反射特性を有してよい。

図１５は、実施例に係る多重反射セル１１３の他の例を示す図である。図１５の多重反射セル１１３は光学フィルタ６０を備える点で、図５の多重反射セル１１３と異なる。図１５のそれ以外の構成は、図５の多重反射セル１１３と同一であってよい。なお図１５において光４３を省略している。

光学フィルタ６０は、折り返しミラー４２と反射ミラー４８の間に配置される。光学フィルタ６０は、Ｘ軸方向において反射ミラー４８より折り返しミラー４２側に設けられてよい。本例では、折り返しミラー４２の鏡面８３上に光学フィルタ６０が設けられる。

光学フィルタ６０は、折り返しミラー４２の反射特性を変更する。光学フィルタ６０は、一例として誘電体多層膜である。折り返しミラー４２の反射特性は、折り返しミラー４２に誘電体多層膜を成膜することによって調整することができる。誘電体多層膜の膜厚、材料、層構造等を調整し、特定波長の反射率以外の反射率を向上させることにより、特定波長の反射率を相対的に低くすることができる。誘電体多層膜は、折り返しミラー４２の鏡面８３に部分的に設けられてもよい。

図１６は、折り返しミラー４２の反射特性の他の例を示す図である。図１６において、折り返しミラー４２の波長毎の反射率を示している。図１６に示す通り本例では、折り返しミラー４２は、特定波長λ１の反射率が、所定の波長範囲における平均反射率より低い。

折り返しミラー４２の反射特性は、中央ミラー４６、反射ミラー４７または反射ミラー４８の反射特性と異なってよい。例えば、折り返しミラー４２は図１６の反射特性を有し、中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８は図１４の反射特性を有する。折り返しミラー４２は、中央ミラー４６、反射ミラー４７および反射ミラー４８と比較して、光４３の反射回数が少ない。したがって、特定波長の反射率を容易に調整することができる。

また反射ミラー４７または反射ミラー４８の反射特性は、中央ミラー４６の反射特性と異なってよい。例えば、反射ミラー４７および反射ミラー４８は図１６の反射特性を有し、中央ミラー４６は図１４の反射特性を有する。反射ミラー４７および反射ミラー４８は、中央ミラー４６と比較して、光４３の反射回数が少ない。したがって、特定波長の反射率を容易に調整することができる。

図１７は、実施例に係るガス分析計３００の一例を示す図である。図１７のガス分析計３００はファイバ５２の代わりにコリメート手段７０を有する点で、図４のガス分析計２００と異なる。図１７のそれ以外の構成は、図４のガス分析計２００と同一であってよい。

コリメート手段７０は、光源部２０からの光４３－１を平行光に変換してよい。コリメート手段７０によって変換された平行光は多重反射セル１１３内を伝搬し、再びコリメート手段７０に集光する。再びコリメート手段７０に集光した光４３－２は、分光器２２に射出される。光源部２０から射出される光４３－１は拡散光であり、図４のガス分析計２００のように拡散光のまま多重反射セル１１３に射出する場合と比べ、多重反射セル１１３の壁面やミラー等のケラレを減らすことができる。

コリメート手段７０は、収差影響の少ない放物面鏡が好ましい。コリメート手段７０は、放物面鏡に限られない。コリメート手段７０は、レンズ等であってもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

１０・・煙道、１１・・ガス吸入管、１２・・ガス排出管、１３・・多重反射セル、１４・・ガスフィルタ、１５・・予熱器、１６・・予熱温度調節器、１７・・ポンプ、１８・・ヒータ、１９・・セル温度調節器、２０・・光源部、２２・・分光器、２６・・検出素子、２７・・演算装置、３０・・サンプルガス、４２・・折り返しミラー、４３・・光、４４・・入射窓、４５・・出射窓、４６・・中央ミラー、４７・・反射ミラー、４８・・反射ミラー、４９・・窓、５１・・通信線、５２・・ファイバ、５４・・第１部分、５６・・第２部分、５８・・第３部分、６０・・光学フィルタ、７０・・コリメート手段、７１・・入射面、７２・・出射面、７３・・入射面、７４・・出射面、７５・・鏡面、７６・・鏡面、７７・・鏡面、８１・・面、８２・・面、８３・・鏡面、８５・・受光面、８６・・出射面、８７・・受光面、８８・・出射面、１００・・ガス分析計、１１３・・多重反射セル、２００・・ガス分析計、３００・・ガス分析計

Claims

サンプルガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定するガス分析計であって、
光が入射される入射窓と、
中央ミラーと、
前記中央ミラーと第１方向において向かい合って配置された２つ以上の反射ミラーと、
前記中央ミラーに対して、前記第１方向と垂直な第２方向において前記入射窓と逆側に配置された折り返しミラーと、
前記中央ミラーに対して、前記第２方向において前記入射窓と同じ側に配置された出射窓と、
前記出射窓から出射される前記光を検出する検出素子と
を有し、
前記折り返しミラーは、前記入射窓に入射された光を前記出射窓に戻るように折り返し、
前記入射窓の出射面の中央点を前記中央ミラーの鏡面の中心線を基準として線対称に配置した点を基準点とし、前記中心線と平行で前記基準点を通る線を基準線とした場合、
前記基準線より前記入射窓と逆側の前記折り返しミラーの鏡面の長さは、前記基準線より前記入射窓側の前記折り返しミラーの鏡面の長さより大きい
ガス分析計。
サンプルガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定するガス分析計であって、
光が入射される入射窓と、
中央ミラーと、
前記中央ミラーと第１方向において向かい合って配置された２つ以上の反射ミラーと、
前記中央ミラーに対して、前記第１方向と垂直な第２方向において前記入射窓と逆側に配置された折り返しミラーと、
前記中央ミラーに対して、前記第２方向において前記入射窓と同じ側に配置された出射窓と、
前記出射窓から出射される前記光を検出する検出素子と
を有し、
前記折り返しミラーは、前記入射窓に入射された光を前記出射窓に戻るように折り返し、
光を出射する出射面および光を受光する受光面を有するファイバを更に備え、
前記ファイバは、
光が通過する複数の経路を有し、
前記測定対象成分の濃度に応じて、前記複数の経路のうち、前記ファイバから出射する光が通過する経路の本数と、前記ファイバに入射した光が通過する経路の本数とを制御する
ガス分析計。
サンプルガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定するガス分析計であって、
光が入射される入射窓と、
中央ミラーと、
前記中央ミラーと第１方向において向かい合って配置された２つ以上の反射ミラーと、
前記中央ミラーに対して、前記第１方向と垂直な第２方向において前記入射窓と逆側に配置された折り返しミラーと、
前記中央ミラーに対して、前記第２方向において前記入射窓と同じ側に配置された出射窓と、
前記出射窓から出射される前記光を検出する検出素子と
を有し、
前記折り返しミラーは、前記入射窓に入射された光を前記出射窓に戻るように折り返し、
光を出射する出射面および光を受光する受光面を有するファイバを更に備え、
少なくとも１つの前記出射面および少なくとも１つの前記受光面は、前記ファイバの１つの面に設けられる
ガス分析計。
前記ファイバの前記出射面と前記反射ミラーの距離は、前記反射ミラーの曲率半径に対して予め定められたデフォーカス距離ずれて配置される
請求項２または３に記載のガス分析計。
前記デフォーカス距離は、前記ファイバの前記受光面の幅以下である
請求項４に記載のガス分析計。
前記入射窓と前記出射窓は、共通の部材である
請求項１から５のいずれか一項に記載のガス分析計。
前記折り返しミラーは、前記反射ミラーから当該前記反射ミラーの曲率半径の８５％以上１１５％以下離れた範囲に設けられる
請求項１から６のいずれか一項に記載のガス分析計。
前記折り返しミラーは、前記中央ミラーより前記反射ミラーと離れて配置されている
請求項１から７のいずれか一項に記載のガス分析計。
前記折り返しミラーは、凹面鏡である
請求項１から８のいずれか一項に記載のガス分析計。
前記折り返しミラーの曲率半径は、前記反射ミラーまたは前記中央ミラーの曲率半径と同じである
請求項９に記載のガス分析計。
前記折り返しミラーの曲率半径は、前記反射ミラーまたは前記中央ミラーの曲率半径と異なる
請求項９に記載のガス分析計。
前記折り返しミラーの反射特性は、前記反射ミラーまたは前記中央ミラーの反射特性と異なる
請求項１から１１のいずれか一項に記載のガス分析計。
前記折り返しミラーと、前記反射ミラーの間に配置され、前記折り返しミラーの反射特性を変更する光学フィルタを備える
請求項１２に記載のガス分析計。
前記反射ミラーの反射特性は、前記中央ミラーの反射特性と異なる
請求項１２または１３に記載のガス分析計。
前記入射窓に光を入射するファイバを備え、
前記入射窓は、前記ファイバが出射した光に対して角度を有して配置される
請求項１から１４のいずれか一項に記載のガス分析計。
前記入射窓は、前記ファイバが出射した光に対して７０°以上７５°以下の角度を有するように配置される
請求項１５に記載のガス分析計。
入射される光を多重反射して出射する多重反射セルであって、
光が入射される入射窓と、
中央ミラーと、
前記中央ミラーと第１方向において向かい合って配置された２つ以上の反射ミラーと、
前記中央ミラーに対して、前記第１方向と垂直な第２方向において前記入射窓と逆側に配置された折り返しミラーと、
前記中央ミラーに対して、前記第２方向において前記入射窓と同じ側に配置された出射窓と
を有し、
前記折り返しミラーは、前記入射窓に入射された光を前記出射窓に戻るように折り返し、
前記入射窓の出射面の中央点を前記中央ミラーの鏡面の中心線を基準として線対称に配置した点を基準点とし、前記中心線と平行で前記基準点を通る線を基準線とした場合、
前記基準線より前記入射窓と逆側の前記折り返しミラーの鏡面の長さは、前記基準線より前記入射窓側の前記折り返しミラーの鏡面の長さより大きい
多重反射セル。