JPH04225142A - Measuring method of photoabsorption - Google Patents
Measuring method of photoabsorptionInfo
- Publication number
- JPH04225142A JPH04225142A JP40761490A JP40761490A JPH04225142A JP H04225142 A JPH04225142 A JP H04225142A JP 40761490 A JP40761490 A JP 40761490A JP 40761490 A JP40761490 A JP 40761490A JP H04225142 A JPH04225142 A JP H04225142A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- infrared
- concentration
- sample cell
- sample
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 8
- 230000010748 Photoabsorption Effects 0.000 title 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 22
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 59
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 28
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 23
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 22
- 239000001294 propane Substances 0.000 abstract description 11
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 9
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 description 1
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、気体、固体又は液体中
の物質成分を測定する光吸収測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、気体、固体又は液体中の物質
成分を測定する必要があった。気体の場合は、例えば、
石油精製プラントのオフガス成分を測定する場合である
。オフガス成分中の炭化水素の成分を知ることは、水素
リフォーマプラントの運転条件を適正化する上で重要で
ある。
【０００３】また、液体の場合は、例えば、潤滑油等の
定性的、定量的分析として、物質成分の測定を行う必要
がある。固体の場合は、例えば、ＧａＡｓ中に含まれる
Ｃ（炭素）濃度の測定や、ＰＳＧ（リンガラス）中のＯ
Ｈ基（水分）の測定等である。従来より、気体、固体又
は液体中の物質成分を測定する方法として、ガスクロマ
トグラフィ、質量分析法、又は白色光源と分光器を用い
て測定する赤外吸収分光法、紫外吸収分光法、可視吸収
分光法等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの測定
方法を実施するための装置は大型であり、かつ高額であ
るという欠点があった。さらに一回ずつ試料を測定する
ので、測定に長時間かかるという欠点があった。本発明
の目的は、気体、固体又は液体中の物質成分を高速、高
精度に測定でき、かつ装置も小型にすることができる光
吸収測定方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の原理について説
明する。例えば光源として発振波長λの赤外線半導体レ
ーザを用い、試料セル内に存在する単一成分の気体試料
を照射する。このとき、その気体試料が、光源からの波
長λの赤外光を一部吸収したとすると、試料セルを通過
して赤外線検出器で検出される赤外光の信号強度Ｉは、
Ｉ＝Ｉｏ ・ｅｘｐ（−ａｃ）
で表される。
【０００６】ここで、ａは波長λにおける気体試料の吸
収係数、ｃは気体試料の濃度である。Ｉｏ は試料セル
内に気体試料が存在しない場合の信号強度である。気体
試料による光の吸収の割合をＴとすると、Ｔ＝Ｉ／Ｉｏ
となる。ここで、
Ａ＝ｌｎ（１／Ｔ）
と置くと、
Ａ＝ａｃ
と表すことができる。
【０００７】次に、ｎ個の成分から構成される混合気体
の試料が、試料セル内に存在している場合について考え
る。ある波長λの光が、ｎ個の成分の混合気体により吸
収されるときの全体の吸収をＡＴ とすると、
ＡＴ ＝ａ１ ・ｃ１ ＋ａ２ ・ｃ２ ＋ａ３
・ｃ３ ＋・・・＋ａｎ ・ｃｎ と表せる。
【０００８】このとき、光源としてｎ個の赤外線半導体
レーザを用い、ｎ個の成分の混合気体の吸収係数が各々
異なるように、赤外線半導体レーザの発振波長λ１ ，
λ２ ，…、λｎ を選択する。個々の波長λ１ 〜λ
ｎ の光が、ｎ個の成分の混合気体により吸収されると
きの全体の吸収は、次式のように表すことができる。
Ａ１ ＝ａ１１・ｃ１ ＋ａ１２・ｃ２
＋ａ１３・ｃ３ ＋・・・＋ａ１ｎ・ｃｎ
Ａ２ ＝ａ２１・ｃ１ ＋ａ２２・ｃ２ ＋ａ２３・
ｃ３ ＋・・・＋ａ２ｎ・ｃｎ Ａ３ ＝
ａ３１・ｃ１ ＋ａ３２・ｃ２ ＋ａ３３・ｃ３ ＋・
・・＋ａ３ｎ・ｃｎ ・
・
・
Ａｎ ＝ａｎ１・ｃ１ ＋ａｎ２・ｃ２
＋ａｎ３・ｃ３ ＋・・・＋ａｎｎ・ｃｎ 【０００９
】これを、マトリックス形式で表すと、【００１０】
【数１】
となる。従って、ｎ個の成分の混合気体の個々の気体濃
度ｃ１ 、ｃ２ 、ｃ３ 、…、ｃｎ は、次式で表さ
れる。
【００１１】
【数２】
この式から、ｎ個の発振波長の半導体レーザ光を用いて
、混合気体による波長λ１ 〜λｎ の光の吸収を測定
することにより、ｎ成分からなる混合気体の個々の成分
の濃度を測定することができる。本発明の原理は、混合
気体の各成分の濃度測定について説明したが、一般的な
混合物（液体、固体）についても成立するのはもちろん
である。
【００１２】このように、本発明の目的は、発振波長の
それぞれ異なるｎ個の赤外線レーザを光源とし、ｎ種の
物質を含む試料による光吸収を検出するための前記ｎ個
の赤外線レーザに対応したｎ個の光検出器とを用い、前
記ｎ種の物質を含まない試料の場合の前記ｎ個の光検出
器の出力である参照出力を測定する第１の較正段階と、
前記ｎ種の物質の濃度が既知であるｎ個の試料の場合の
前記ｎ個の光検出器の出力から前記ｎ個の赤外線レーザ
の発振波長におけるそれぞれの前記ｎ種の物質の吸収係
数ａ１１〜ａｎｎを演算する第２の較正段階と、前記ｎ
種の物質の濃度が未知である試料の場合の前記ｎ個の光
検出器の出力と前記参照出力の比と前記ｎ種の物質の吸
収係数ａ１１〜ａｎｎから前記濃度が未知である試料の
前記ｎ種の物質の濃度を演算する測定段階とを有するこ
とを特徴とする光吸収測定方法によって達成される。
【００１３】
【作用】本発明によれば、気体、固体又は液体中の物質
成分を高速、高精度に測定でき、さらに光源が小型で分
光器を必要としない小型の光吸収測定装置による光吸収
測定を実現することができる。
【００１４】
【実施例】本発明の一実施例による光吸収測定方法を第
１図を用いて説明する。本実施例では、石油精製プラン
トのオフガス成分をリアルタイムで測定するシステムに
ついて述べる。オフガス成分は水素、メタン、エタン、
プロパンと若干の水蒸気で構成されており、炭化水素の
成分をリアルタイムで知ることは、水素リフォーマプラ
ントの運転条件を適正化する上で重要である。
【００１５】本実施例は、オフガス成分の内、メタン、
エタン、プロパンの３成分についての濃度を測定する場
合に適用したものである。本実施例で用いる光吸収測定
装置の構成について説明する。３個の赤外線半導体レー
ザ７〜９は、液体窒素で冷却された冷却装置（図示せず
）内に設置され、冷却装置には、赤外線半導体レーザの
駆動電源１〜３及び温度コントローラ４〜６が接続され
ている。駆動電源１〜３の駆動電流は０．２〜２０ｍＡ
、温度コントローラ４〜６の温度コントロール範囲は、
８０〜１２０Ｋ（安定度：５Ｅ−３Ｋ）である。
【００１６】３個の赤外線半導体レーザ７〜９は、Ｐｂ
Ｓレーザを用いている。赤外線半導体レーザ７の発振波
長λ１ は３３１４ｎｍとし、メタンガス（ＣＨ４ ）
の濃度測定用に、赤外線半導体レーザ８の発振波長λ２
は３３２６ｎｍとし、エタンガス（Ｃ２ Ｈ６ ）の
濃度測定用に、赤外線半導体レーザ９の発振波長λ３
は３４６４ｎｍとし、プロパンガス（Ｃ３ Ｈ８ ）の
濃度測定用にそれぞれ用いられる。
【００１７】赤外線半導体レーザ７〜９の光軸上に光軸
調整用のハーフミラー１１〜１３が設けられ、ハーフミ
ラー１１〜１３に対し、赤外線半導体レーザ７〜９の光
軸とほぼ直角方向に、Ｈｅ−Ｎｅガスレーザである光軸
調整用レーザ１０が設けられている。ハーフミラー１１
〜１３の先方に、赤外線半導体レーザ７〜９のレーザ光
を断続させるチョッパ１４〜１６が設けられている。チ
ョッパ１４〜１６のチョッピング周波数は１００Ｈｚで
ある。
【００１８】チョッパ１４〜１６の先方には、赤外線半
導体レーザ７〜９の各々の光軸を平行にして、試料セル
２１内に導入するための反射ミラー１７〜２０が設けら
れている。反射ミラー１８、１９の先方に、材質がＣａ
Ｆ２ のレーザ光入射窓を有する試料セル２１が設置さ
れている。試料セル２１には圧力計２２とガス導入口２
３及びガス排出口２４が設けられている。
【００１９】試料セル２１を通過した赤外線半導体レー
ザ７〜９の各々の光軸は反射ミラー２５、２６により、
それぞれ赤外線検出器２７〜２９に入力する。各赤外線
検出器２７〜２９は、ＩｎＳｂを用いたｐｎ接合型フォ
トダイオードで、感度波長は５μｍ以下、応答時間は１
μｓ以下である。赤外線検出器２７〜２９の出力信号は
、感度が１μＶ〜１Ｖで可変のロックインアンプ３０〜
３２に入力され、チョッパ１４〜１６からの信号に基づ
いて増幅され、コンピュータ３３に入力される。
【００２０】次に、動作を説明する。メタン、エタン、
プロパンの３成分の濃度をｃ１ 、ｃ２ 、ｃ３ とし
、前述のごとくマトリックス形式で表すと、
【００２１】
【数３】
となる。ただし、吸収長は一定で、吸収係数ａに含まれ
ると仮定している。また、オフガス成分には、若干の水
蒸気と水素が含まれているが、水蒸気と水素による光の
吸収は、光の波長が３μｍ帯では無視できる。まず、Ｈ
ｅ−Ｎｅガスレーザの光軸調整用レーザ１０を用いて赤
外線半導体レーザ７〜９の各々の光軸の調整を行う。
【００２２】次に、赤外線半導体レーザ７〜９の各々の
発振波長λ１ 、λ２ 、λ３ の調整を行う。赤外線
半導体レーザ用駆動電源１〜３及び温度コントローラ４
〜６を用いて行う。次に、試料セル２１内に試料が存在
しないブランク状態で、赤外線半導体レーザ７〜９のレ
ーザ光を試料セル２１内に照射し、各波長λ１ 、λ２
、λ３ に対する赤外線検出器２７〜２９の信号強度
Ｉｏ１０ 、Ｉｏ２０ 、Ｉｏ３０ を測定しておく。
【００２３】次に、既知濃度ｃ１ ′のメタンガスのみ
をガス導入口２３から試料セル２１内に導入する。赤外
線半導体レーザ７〜９のレーザ光を試料セル２１内に照
射し、赤外線検出器２７〜２９の信号強度Ｉｏ１１ 、
Ｉｏ２１ 、Ｉｏ３１ を測定し、各波長λ１ 、λ２
、λ３ に対するメタンガスの吸収係数ａ１１、ａ１
２、ａ１３を求めておく。
次に、ガス排出口２４からメタンガスを排出した後、既
知濃度ｃ２ ′のエタンガスのみをガス導入口２３から
試料セル２１内に導入する。赤外線半導体レーザ７〜９
のレーザ光を試料セル２１内に照射し、赤外線検出器２
７〜２９の信号強度Ｉｏ１２ 、Ｉｏ２２ 、Ｉｏ３２
を測定し、各波長λ１ 、λ２ 、λ３ に対するエ
タンガスの吸収係数ａ２１、ａ２２、ａ２３を求めてお
く。
【００２４】次に、ガス排出口２４からエタンガスを排
出した後、既知濃度ｃ３ ′のプロパンガスのみをガス
導入口２３から試料セル２１内に導入する。赤外線半導
体レーザ７〜９のレーザ光を試料セル２１内に照射し、
赤外線検出器２７〜２９の信号強度Ｉｏ１３ 、Ｉｏ２
３ 、Ｉｏ３３ を測定し、それぞれの波長λ１ 、λ
２ 、λ３ に対するプロパンガスの吸収係数ａ３１、
ａ３２、ａ３３を求めておく。
【００２５】以上のようにして求めた吸収係数のマトリ
ックスの要素ａを以下に示す。
【００２６】
【数４】
単位は１／［ｃｍ・％］である。従って、メタン、エタ
ン、プロパンの３成分の濃度ｃ１ 、ｃ２ 、ｃ３ は
、以下のごとく表すことができる。
【００２７】
【数５】
次に、ガス排出口２４からプロパンガスを排出した後、
未知濃度のメタン、エタン、プロパンを含むオフガスを
ガス導入口２３から試料セル２１内に導入する。赤外線
半導体レーザ７〜９のレーザ光を試料セル２１内に照射
し、それぞれの波長λ１ 、λ２ 、λ３ に対する赤
外線検出器２７〜２９の信号強度Ｉ１ 、Ｉ２ 、Ｉ３
を測定する。
【００２８】ここで、Ａは、
Ａ＝ｌｎ（Ｉｏ ／Ｉ）
であり、Ｉｏ１０ 〜Ｉｏ３０ は既知であるから、Ａ
１ 〜Ａ３ の値はコンピュータによる計算で簡単に求
めることができる。従って、各ガスの未知濃度ｃ１ 、
ｃ２ 、ｃ３ も、上記連立１次方程式の解としてコン
ピュータによる計算で簡単に求めることができ、その濃
度をリアルタイムで計測することができる。
【００２９】本実施例によれば、気体成分の濃度を高速
かつ高精度に測定できるので、オフガス成分がリアルタ
イムで測定でき、プラントの最適運転条件が容易に得ら
れる光吸収測定装置を実現できる。また、光源に半導体
レーザを使用することにより、分解能の高い吸収スペク
トルが得られる。従って、分光器を用いる必要がなく、
装置の小形化が可能である。本発明は、上記実施例に限
らず種々の変形が可能である。
【００３０】例えば、赤外線を発する半導体レーザは、
順方向に電流を流すことにより発光し、その発光波長は
、ある範囲内で順方向電流値を変化させることにより変
化させることができるので、光源としての半導体レーザ
は、３個以下、例えば１個としてもよい。この場合、光
源としての半導体レーザの数は減らせるが、半導体レー
ザが安定するまで若干時間がかかるので、その分測定時
間は長くなる。
【００３１】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、気体、固
体又は液体中の物質成分を高速、高精度に測定でき、か
つ装置も小型にすることができる光吸収測定方法を実現
できる。Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a light absorption measurement method for measuring substance components in a gas, solid or liquid. BACKGROUND OF THE INVENTION There has heretofore been a need to measure constituents of substances in gases, solids or liquids. In the case of gas, for example,
This is a case of measuring off-gas components of an oil refinery plant. Knowing the hydrocarbon components in the off-gas components is important in optimizing the operating conditions of a hydrogen reformer plant. [0003] In the case of liquids, for example, it is necessary to measure the substance components for qualitative and quantitative analysis of lubricating oil and the like. In the case of a solid, for example, the concentration of C (carbon) contained in GaAs or the O in PSG (phosphorus glass) can be measured.
Measurement of H groups (moisture), etc. Conventionally, methods for measuring substance components in gases, solids, or liquids include gas chromatography, mass spectrometry, or infrared absorption spectroscopy, ultraviolet absorption spectroscopy, and visible absorption spectroscopy that use a white light source and a spectrometer. There are laws etc. [0004] However, the apparatuses for carrying out these measuring methods have the drawbacks of being large and expensive. Furthermore, since each sample is measured once, there is a drawback that the measurement takes a long time. An object of the present invention is to provide a light absorption measuring method that can measure substance components in gases, solids, or liquids at high speed and with high precision, and that can also be made compact. [Means for Solving the Problems] The principle of the present invention will be explained. For example, an infrared semiconductor laser with an oscillation wavelength λ is used as a light source to irradiate a single component gas sample present in a sample cell. At this time, if the gas sample absorbs some of the infrared light of wavelength λ from the light source, the signal intensity I of the infrared light that passes through the sample cell and is detected by the infrared detector is:
It is expressed as I=Io·exp(-ac). Here, a is the absorption coefficient of the gas sample at wavelength λ, and c is the concentration of the gas sample. Io is the signal intensity when there is no gas sample in the sample cell. If the rate of light absorption by the gas sample is T, then T=I/Io
becomes. Here, if A=ln(1/T), it can be expressed as A=ac. Next, consider the case where a sample of a mixed gas composed of n components exists in the sample cell. When light with a certain wavelength λ is absorbed by a gas mixture of n components, the total absorption is AT, then
AT =a1 ・c1 +a2 ・c2 +a3
・c3 +...+an ・cn At this time, n infrared semiconductor lasers are used as light sources, and the oscillation wavelengths λ1, λ1,
Select λ2,..., λn. Individual wavelengths λ1 ~ λ
The total absorption when n lights are absorbed by a gas mixture of n components can be expressed as follows. A1 = a11・c1 +a12・c2
+a13・c3 +...+a1n・cn
A2 = a21・c1 +a22・c2 +a23・
c3 +...+a2n・cn A3 =
a31・c1 +a32・c2 +a33・c3 +・
・・+a3n・cn ・ ・ ・ An =an1・c1 +an2・c2
+an3・c3 +...+ann・cn 0009
] If this is expressed in matrix form, it becomes [Equation 1]. Therefore, the individual gas concentrations c1, c2, c3,..., cn of the mixed gas of n components are expressed by the following equations. [0011] From this equation, by measuring the absorption of light with wavelengths λ1 to λn by the gas mixture using semiconductor laser beams with n oscillation wavelengths, each individual of the gas mixture consisting of n components can be determined. Concentrations of components can be measured. Although the principle of the present invention has been described with respect to measuring the concentration of each component of a mixed gas, it is of course applicable to general mixtures (liquids, solids). As described above, an object of the present invention is to use n infrared lasers each having a different oscillation wavelength as a light source, and to detect light absorption by a sample containing n types of substances. a first calibration step of measuring a reference output, which is the output of the n photodetectors for a sample not containing the n types of substances, using the n photodetectors;
Absorption coefficient a11~ of each of the n types of substances at the oscillation wavelength of the n infrared lasers from the outputs of the n photodetectors in the case of n samples in which the concentrations of the n types of substances are known. a second calibration step of calculating ann;
From the ratio of the output of the n photodetectors to the reference output in the case of a sample in which the concentration of the species substance is unknown and the absorption coefficients a11 to ann of the n species substances, the concentration of the substance in the sample is unknown. This is achieved by a light absorption measurement method characterized by comprising a measurement step of calculating the concentration of n types of substances. [Operation] According to the present invention, it is possible to measure substance components in gases, solids, or liquids at high speed and with high precision, and in addition, light absorption can be measured using a compact light absorption measuring device that has a small light source and does not require a spectrometer. measurement can be realized. [Embodiment] A method for measuring light absorption according to an embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG. In this example, a system for measuring off-gas components of an oil refinery plant in real time will be described. Off gas components are hydrogen, methane, ethane,
It is composed of propane and some steam, and knowing the hydrocarbon composition in real time is important in optimizing the operating conditions of a hydrogen reformer plant. In this example, methane,
This method was applied to measure the concentrations of three components: ethane and propane. The configuration of the optical absorption measuring device used in this example will be explained. The three infrared semiconductor lasers 7 to 9 are installed in a cooling device (not shown) cooled with liquid nitrogen, and the cooling device includes drive power supplies 1 to 3 for the infrared semiconductor lasers and temperature controllers 4 to 6. It is connected. The drive current of drive power supplies 1 to 3 is 0.2 to 20mA.
, the temperature control range of temperature controllers 4 to 6 is
80-120K (stability: 5E-3K). The three infrared semiconductor lasers 7 to 9 are made of Pb
S laser is used. The oscillation wavelength λ1 of the infrared semiconductor laser 7 is 3314 nm, and methane gas (CH4) is used.
For concentration measurement, the oscillation wavelength λ2 of the infrared semiconductor laser 8
is 3326 nm, and the oscillation wavelength λ3 of the infrared semiconductor laser 9 is set to 3326 nm.
is 3464 nm, and is used for measuring the concentration of propane gas (C3 H8). Half mirrors 11 to 13 for optical axis adjustment are provided on the optical axes of the infrared semiconductor lasers 7 to 9. , an optical axis adjustment laser 10 which is a He-Ne gas laser is provided. half mirror 11
- 13 are provided with choppers 14 - 16 that cut off and cut off the laser beams of the infrared semiconductor lasers 7 - 9 . The chopping frequency of choppers 14-16 is 100Hz. Reflection mirrors 17 to 20 are provided ahead of the choppers 14 to 16 for introducing the infrared semiconductor lasers 7 to 9 into the sample cell 21 with their respective optical axes parallel to each other. In front of the reflecting mirrors 18 and 19, the material is Ca.
A sample cell 21 having an F2 laser beam entrance window is installed. The sample cell 21 has a pressure gauge 22 and a gas inlet 2.
3 and a gas outlet 24 are provided. The optical axes of each of the infrared semiconductor lasers 7 to 9 that have passed through the sample cell 21 are set by reflecting mirrors 25 and 26.
The signals are input to infrared detectors 27 to 29, respectively. Each infrared detector 27 to 29 is a pn junction photodiode using InSb, and has a sensitivity wavelength of 5 μm or less and a response time of 1
It is less than μs. The output signals of the infrared detectors 27 to 29 are transmitted through lock-in amplifiers 30 to 30 whose sensitivity is variable from 1 μV to 1 V.
32, is amplified based on the signals from choppers 14 to 16, and is input to computer 33. Next, the operation will be explained. methane, ethane,
Letting the concentrations of the three components of propane be c1, c2, and c3, and expressing them in matrix form as described above, the following equation is obtained. However, it is assumed that the absorption length is constant and included in the absorption coefficient a. Further, although the off-gas component contains some water vapor and hydrogen, the absorption of light by the water vapor and hydrogen is negligible when the wavelength of light is in the 3 μm band. First, H
The optical axis of each of the infrared semiconductor lasers 7 to 9 is adjusted using the e-Ne gas laser optical axis adjustment laser 10. Next, the oscillation wavelengths λ1, λ2, and λ3 of the infrared semiconductor lasers 7 to 9 are adjusted. Infrared semiconductor laser drive power supplies 1 to 3 and temperature controller 4
-6 is used. Next, in a blank state in which no sample exists in the sample cell 21, the sample cell 21 is irradiated with laser light from the infrared semiconductor lasers 7 to 9, and each wavelength λ1, λ2 is
, λ3, the signal intensities Io10, Io20, and Io30 of the infrared detectors 27 to 29 are measured in advance. Next, only methane gas having a known concentration c1' is introduced into the sample cell 21 through the gas inlet 23. Laser light from the infrared semiconductor lasers 7 to 9 is irradiated into the sample cell 21, and the signal intensities of the infrared detectors 27 to 29 are Io11,
Io21 and Io31 are measured, and each wavelength λ1 and λ2
, absorption coefficients a11, a1 of methane gas for λ3
2. Find a13. Next, after methane gas is discharged from the gas discharge port 24, only ethane gas having a known concentration c2' is introduced into the sample cell 21 from the gas introduction port 23. Infrared semiconductor laser 7-9
The laser beam is irradiated into the sample cell 21, and the infrared detector 2
7-29 signal strength Io12, Io22, Io32
are measured, and absorption coefficients a21, a22, and a23 of ethane gas for each wavelength λ1, λ2, and λ3 are obtained. Next, after the ethane gas is discharged from the gas outlet 24, only propane gas having a known concentration c3' is introduced into the sample cell 21 from the gas inlet 23. Irradiate the inside of the sample cell 21 with laser light from infrared semiconductor lasers 7 to 9,
Signal strength of infrared detectors 27 to 29 Io13, Io2
3, Io33, and the respective wavelengths λ1, λ
2, absorption coefficient a31 of propane gas for λ3,
Find a32 and a33 in advance. Element a of the absorption coefficient matrix obtained as described above is shown below. [Equation 4] The unit is 1/[cm·%]. Therefore, the concentrations c1, c2, and c3 of the three components methane, ethane, and propane can be expressed as follows. [Equation 5] Next, after discharging the propane gas from the gas outlet 24,
Off-gas containing methane, ethane, and propane at unknown concentrations is introduced into the sample cell 21 from the gas inlet 23. Laser light from the infrared semiconductor lasers 7 to 9 is irradiated into the sample cell 21, and the signal intensities I1, I2, I3 of the infrared detectors 27 to 29 for the respective wavelengths λ1, λ2, λ3 are measured.
Measure. [0028] Here, A is A=ln(Io/I), and Io10 to Io30 are known, so A
The values of 1 to A3 can be easily determined by computer calculation. Therefore, the unknown concentration c1 of each gas,
c2 and c3 can also be easily calculated by computer as solutions to the above simultaneous linear equations, and their concentrations can be measured in real time. According to this embodiment, the concentration of gaseous components can be measured at high speed and with high precision, so it is possible to realize a light absorption measuring device that can measure off-gas components in real time and easily obtain the optimum operating conditions for the plant. Furthermore, by using a semiconductor laser as a light source, an absorption spectrum with high resolution can be obtained. Therefore, there is no need to use a spectrometer,
It is possible to downsize the device. The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and various modifications are possible. For example, a semiconductor laser that emits infrared rays is
Light is emitted by passing a current in the forward direction, and the emission wavelength can be changed by changing the forward current value within a certain range. Therefore, the number of semiconductor lasers used as a light source is three or less, for example, one. You can also use it as In this case, the number of semiconductor lasers used as light sources can be reduced, but since it takes some time for the semiconductor lasers to stabilize, the measurement time increases accordingly. [0031] As described above, according to the present invention, there is provided a light absorption measuring method that can measure substance components in gases, solids, or liquids at high speed and with high precision, and can also be made compact. realizable.
【図１】本発明の一実施例による光吸収測定方法を示す
図である。FIG. 1 is a diagram showing a light absorption measurement method according to an embodiment of the present invention.
１〜３…電源 ４〜６…温度コントローラ ７〜９…赤外線半導体レーザ １０…光軸調整用レーザ １１〜１３…ハーフミラー １４〜１６…チョッパ １７〜２０…反射ミラー ２１…試料セル ２２…圧力計 ２３…ガス導入口 ２４…ガス排出口 ２５、２６…反射ミラー ２７〜２９…赤外線検出器 ３０〜３２…ロックインアンプ ３３…コンピュータ 1 to 3…Power supply 4-6…Temperature controller 7-9...Infrared semiconductor laser 10... Laser for optical axis adjustment 11-13…Half mirror 14-16...Chopper 17-20...Reflection mirror 21...sample cell 22...Pressure gauge 23...Gas inlet 24...Gas exhaust port 25, 26...Reflection mirror 27-29...Infrared detector 30-32…Lock-in amplifier 33...computer
Claims (1)
線レーザを光源とし、ｎ種の物質を含む試料による光吸
収を検出するための前記ｎ個の赤外線レーザに対応した
ｎ個の光検出器とを用い、前記ｎ種の物質を含まない試
料の場合の前記ｎ個の光検出器の出力である参照出力を
測定する第１の較正段階と、前記ｎ種の物質の濃度が既
知であるｎ個の試料の場合の前記ｎ個の光検出器の出力
から前記ｎ個の赤外線レーザの発振波長におけるそれぞ
れの前記ｎ種の物質の吸収係数ａ１１〜ａｎｎを演算す
る第２の較正段階と、前記ｎ種の物質の濃度が未知であ
る試料の場合の前記ｎ個の光検出器の出力と前記参照出
力の比と前記ｎ種の物質の吸収係数ａ１１〜ａｎｎから
前記濃度が未知である試料の前記ｎ種の物質の濃度を演
算する測定段階とを有することを特徴とする光吸収測定
方法。1. A light source comprising n infrared lasers each having a different oscillation wavelength, and n photodetectors corresponding to the n infrared lasers for detecting light absorption by a sample containing n types of substances. a first calibration step of measuring a reference output which is the output of the n photodetectors in the case of a sample not containing the n substances; and a first calibration step where the concentration of the n substances is known. a second calibration step of calculating the absorption coefficients a11 to ann of each of the n types of substances at the oscillation wavelengths of the n infrared lasers from the outputs of the n photodetectors for the n samples; From the ratio of the output of the n photodetectors to the reference output and the absorption coefficients a11 to ann of the n types of substances in the case of the sample in which the concentration of the n types of substances is unknown, A method for measuring light absorption, comprising: a measuring step of calculating the concentration of the n types of substances.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP40761490A JPH04225142A (en) | 1990-12-27 | 1990-12-27 | Measuring method of photoabsorption |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP40761490A JPH04225142A (en) | 1990-12-27 | 1990-12-27 | Measuring method of photoabsorption |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04225142A true JPH04225142A (en) | 1992-08-14 |
Family
ID=18517182
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP40761490A Pending JPH04225142A (en) | 1990-12-27 | 1990-12-27 | Measuring method of photoabsorption |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04225142A (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07188932A (en) * | 1993-10-29 | 1995-07-25 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | Apparatus and method for processing workpiece provided with infrared sensor |
| JP2008534964A (en) * | 2005-03-29 | 2008-08-28 | ザ ダウ ケミカル カンパニー | Spectroscopic Analysis and Control This invention was made under the Department of Energy Code DE-FC07-0211D14428, which the government has certain ownership rights in this invention. |
| WO2009060750A1 (en) | 2007-11-07 | 2009-05-14 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Hydrocarbon concentration measuring apparatus and hydrocarbon concentration measuring method |
| JP2009522541A (en) * | 2005-12-29 | 2009-06-11 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア | Method for determining homology and non-homology and concentration of chemical compounds in a medium |
| JP2010210594A (en) * | 2009-03-12 | 2010-09-24 | Toyota Motor Corp | Hydrocarbon concentration measuring instrument, and method of the same |
| JP2012108156A (en) * | 2012-02-29 | 2012-06-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Gas concentration measurement method and device |
-
1990
- 1990-12-27 JP JP40761490A patent/JPH04225142A/en active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07188932A (en) * | 1993-10-29 | 1995-07-25 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | Apparatus and method for processing workpiece provided with infrared sensor |
| JP2008534964A (en) * | 2005-03-29 | 2008-08-28 | ザ ダウ ケミカル カンパニー | Spectroscopic Analysis and Control This invention was made under the Department of Energy Code DE-FC07-0211D14428, which the government has certain ownership rights in this invention. |
| JP2009522541A (en) * | 2005-12-29 | 2009-06-11 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア | Method for determining homology and non-homology and concentration of chemical compounds in a medium |
| WO2009060750A1 (en) | 2007-11-07 | 2009-05-14 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Hydrocarbon concentration measuring apparatus and hydrocarbon concentration measuring method |
| JP2009115654A (en) * | 2007-11-07 | 2009-05-28 | Toyota Motor Corp | Hydrocarbon concentration measuring instrument, and hydrocarbon concentration measuring method |
| JP2010210594A (en) * | 2009-03-12 | 2010-09-24 | Toyota Motor Corp | Hydrocarbon concentration measuring instrument, and method of the same |
| JP2012108156A (en) * | 2012-02-29 | 2012-06-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Gas concentration measurement method and device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4410273A (en) | Scanning laser spectrometer | |
| US4622845A (en) | Method and apparatus for the detection and measurement of gases | |
| CN111122496B (en) | Calibration-free gas concentration measuring device and method | |
| US5170064A (en) | Infrared-based gas detector using a cavity having elliptical reflecting surface | |
| US8049881B2 (en) | Optical analysis system and methods for operating multivariate optical elements in a normal incidence orientation | |
| US4730112A (en) | Oxygen measurement using visible radiation | |
| US5464983A (en) | Method and apparatus for determining the concentration of a gas | |
| US8009293B2 (en) | Modulation cancellation method in laser spectroscopy | |
| JP2010517043A (en) | Chemical analyzers for industrial process control | |
| WO1994024545A1 (en) | Raman spectrometer | |
| CN108279209A (en) | A kind of more gas detecting systems of wave-length coverage and wavelength continuously adjustable | |
| CN208013060U (en) | A kind of more gas detecting systems of wave-length coverage and wavelength continuously adjustable | |
| JP2903457B2 (en) | Gas analyzer and gas analyzer | |
| JP2007513351A (en) | Trace gas analysis apparatus and analysis method using cavity ring-down spectroscopy | |
| CN114397271A (en) | Detection device and method for spectral analysis of greenhouse gases | |
| US4803052A (en) | Carbon monoxide detector | |
| US20050062972A1 (en) | System and method for cavity ring-down spectroscopy using continuously varying continuous wave excitation | |
| JPH04225142A (en) | Measuring method of photoabsorption | |
| Loewenstein | Diode laser harmonic spectroscopy applied to in situ measurements of atmospheric trace molecules | |
| US4527062A (en) | Portable infrared spectrophotometer | |
| JP2003042950A (en) | Instrument for measuring gas component | |
| CN108398393B (en) | Optical cavity ring-down spectrometer and measuring method for rapidly measuring greenhouse gas content | |
| EP0105659B1 (en) | Carbon monoxide detectors | |
| EP0462755A1 (en) | Detecting the presence of a substance in a fluid | |
| US6977179B2 (en) | Method and apparatus for measuring the heating value of a single or multi-component fuel gas |