JPH0414298B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は、気体ないし液体が混在する試料の共
鳴あるいは発光スペクトルを利用して特定成分の
定量を行うスペクトル分析装置に関し、特に背景
雑音として標的物質のスペクトルに重畳している
混在物質の干渉スペクトルの影響を除去するため
のスペクトルデータ処理方式に関する。[Detailed Description of the Invention] [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a spectrum analyzer that quantifies a specific component using the resonance or emission spectrum of a sample containing a mixture of gases or liquids. This invention relates to a spectral data processing method for removing the influence of the interference spectrum of mixed substances superimposed on the spectrum of
気体、液体あるいは固体の分光光度計等を用い
た吸収スペクトル分析や、金属、酸化金属等の熱
励起、放電励起、レーザ励起等による発光スペク
トル分析により試料中の成分濃度を知る分析技術
は、高い信頼度をもつているため、化学工業にお
いては、製品中の不純物あるいは組成の測定やプ
ラント制御装置のセンサとして広く利用され、ま
た大気汚染の監視、化学的研究における微量成分
の測定においても、感度の高さと測定時間の短さ
から有用な手段とされている。
Analytical techniques for determining the concentration of components in a sample are highly advanced, such as absorption spectrum analysis using gas, liquid, or solid spectrophotometers, and emission spectrum analysis using thermal excitation, discharge excitation, laser excitation, etc. of metals, metal oxides, etc. Because of its reliability, it is widely used in the chemical industry to measure impurities or composition in products and as a sensor for plant control equipment. It is considered to be a useful method due to its high height and short measurement time.
第1図は吸収スペクトルを用いる分析装置の原
理図であり、図中、1は波長可変レーザ等の光
源、2は試料セル、3は光電変換器、PSは光源1
から出力される光のパワー、Lは試料セル2を通
る光路長、PDは光電変換器3に入射される光の
パワーを示している。 Figure 1 is a diagram showing the principle of an analysis device that uses an absorption spectrum. In the figure, 1 is a light source such as a wavelength tunable laser, 2 is a sample cell, 3 is a photoelectric converter, and P S is a light source 1.
, L is the optical path length passing through the sample cell 2 , and P D is the power of the light incident on the photoelectric converter 3 .
この場合、PD、PS間には次のような関係があ
る。 In this case, the following relationship exists between P D and P S.
PD(ν)=PSe-〓(〓) ……(1)
ここでνは波数であつて、τ(ν)は絶対吸収
量と呼ばれ、ランベルト・ベールの法則により次
式で与えられる。 P D (ν) = P S e - 〓 ( 〓 ) ...(1) Here, ν is the wave number, and τ (ν) is called the absolute absorption amount, which is given by the following equation according to the Beer-Lambert law. It will be done.
τ(ν)=CLα(ν)+β(ν) ……(2)
ここでCは求めたい標的物質の濃度、Lは光路
長、α(ν)は標的物質の吸収係数スペクトルで
物質に固有のスペクトル、β(ν)は干渉スペク
トルである。 τ (ν) = CLα (ν) + β (ν) ... (2) Here, C is the concentration of the target substance to be determined, L is the optical path length, and α (ν) is the absorption coefficient spectrum of the target substance, which is unique to the substance. The spectrum, β(ν), is the interference spectrum.
なお、微量の成分濃度を定量測定する場合に
は、検出される吸収スペクトルの信号レベルも小
さく、測定が困難となるため、通常は導関数分光
法によりスペクトル波形を微分し、微小な凹凸部
分を強調した高次スペクトルに基づいて行われ
る。この場合のスペクトルは、S(ν)で表され
る。 In addition, when quantitatively measuring the concentration of a trace amount of a component, the signal level of the detected absorption spectrum is also small, making measurement difficult. Therefore, the spectrum waveform is usually differentiated using derivative spectroscopy to remove minute irregularities. This is done based on the emphasized higher-order spectra. The spectrum in this case is represented by S(v).
ところで、たとえば微量の標的物質を含んだ大
気の吸収スペクトルを測定し、それから標的物質
の濃度を計算する場合には、測定して得られる試
料スペクトルSX(ν)の中に、標的物質の参照ス
ペクトルSR(ν)のみならず、大きさは判らない
が形は既知のK個の物質の干渉スペクトルSI1
(ν)、SI2(ν)、…、SIK(ν)と、大きさも形も
未知の干渉スペクトルSU(ν)および不規則雑音
n(平均値零でカウス分布)とが混在しているも
のと考えられる。ここで第1図に示す構成のスペ
クトル分析装置の場合、SX(ν)は次式で表され
る。 By the way, for example, when measuring the absorption spectrum of the atmosphere containing a trace amount of the target substance and calculating the concentration of the target substance from it, the reference of the target substance is included in the sample spectrum S X (ν) obtained by measurement. Not only the spectrum S R (ν), but also the interference spectra S I1 of K substances whose sizes are unknown but whose shapes are known.
(ν), S I2 (ν), ..., S IK (ν), an interference spectrum S U (ν) whose size and shape are unknown, and random noise n (Caussian distribution with zero mean value) are mixed. It is thought that there are. Here, in the case of the spectrum analyzer having the configuration shown in FIG. 1, S X (ν) is expressed by the following equation.
SX(ν)=CXS(ν)+k
〓k=1
CKSIK(ν)+SU(ν)+n ……(3)
この式は前記したランベルト・ベールの法則を
拡張したものである。なお、CXは標的物質の試
料中濃度、CKは干渉スペクトルSIK(ν)の既知の
物質の試料中濃度を表している。 S X ( ν ) = C It is. Note that C X represents the concentration of the target substance in the sample, and C K represents the concentration of the substance with known interference spectrum S IK (ν) in the sample.
第2図はこのような各種スペクトルが混在する
ものの例を概念的に示したものである。図中、斜
線を付したAは対象とする標的物質のスペクトル
情報、Bは干渉スペクトル、Tはスペクトル領域
を表している。スペクトルAの標的物質はたとえ
ばメタンCH4、NOX、SOXなどの低分子量物質で
あり、これに対して干渉スペクトルBは主として
水H2Oである。大気中におけるCH4の濃度は通常
1ppm程度であり、これに対してH2Oの濃度は桁
違いに大きい。 FIG. 2 conceptually shows an example of a mixture of such various spectra. In the figure, the shaded A represents spectrum information of the target substance, B represents the interference spectrum, and T represents the spectral region. The target substances of spectrum A are low molecular weight substances such as methane CH 4 , NO x , SO x , whereas interference spectrum B is mainly water H 2 O. The concentration of CH 4 in the atmosphere is usually
The concentration of H 2 O is about 1 ppm, whereas the concentration of H 2 O is an order of magnitude higher.
なお第2図では、説明の単純化のために干渉ス
ペクトルが1種類のみとなつているが、実際には
(3)式のように、複数種の干渉スペクトルおよび不
規則雑音が重畳されている。干渉スペクトルに
は、存在するガスの吸収スペクトルばかりでな
く、レンズや窓の曇りやほこり等に起因する平坦
なスペクトルも含まれる。このような状況では、
レーザ周波数νを固定した場合、標的ガスによる
吸収と異種ガスによる吸収とを区別することはで
きない。 In Figure 2, there is only one type of interference spectrum to simplify the explanation, but in reality there is only one type of interference spectrum.
As shown in equation (3), multiple types of interference spectra and random noise are superimposed. The interference spectrum includes not only the absorption spectrum of existing gases but also flat spectra caused by fogging, dust, etc. on lenses and windows. In this situation,
When the laser frequency ν is fixed, absorption by the target gas and absorption by a different gas cannot be distinguished.
次に、いくつかの代表的な従来技術について説
明する。
Next, some typical conventional techniques will be explained.
(a) 分光光度形
この方式は、第1図で説明した方式であり、
白色光源と分光器、あるいは波長可変な半導体
レーザ等の光源を用いて、その自由に調節でき
る光の周波数(波長)を、標的とする気体ある
いは液体に固有の値に調節して固定し、その成
分濃度を知ろうとするものである。この方法
は、前述したように標的物質以外の物質が同じ
周波数で吸収を起こすと干渉スペクトルとなつ
て妨害を生じ、測定値に影響を与える。したが
つて高い感度を得ることができない。(a) Spectrophotometric type This method is the method explained in Figure 1,
Using a light source such as a white light source and a spectrometer or a wavelength-tunable semiconductor laser, the frequency (wavelength) of the freely adjustable light is adjusted and fixed to a value specific to the target gas or liquid. The purpose is to find out the concentration of ingredients. In this method, as described above, if a substance other than the target substance absorbs at the same frequency, it becomes an interference spectrum and causes disturbance, which affects the measured value. Therefore, high sensitivity cannot be obtained.
(b) 紫外域相関分光光度計
この方式は、気体の紫外域吸収スペクトルか
ら成分濃度を測定しようとするものである。上
記分光光度計の分光器スリツトに標的ガス種の
スペクトルの配列に対応する2種類のパターン
を有する相関スリツト列を設け、それを交互に
用いることにより特定種のガス濃度にのみ高い
感度を有するようにして、異種ガスの干渉スペ
クトルによる影響を除去している。しかしこの
相関スリツト列のパターンは固定であるため、
異なるガス種に対する融通性に乏しく、また雑
音を抑圧するスムージング(平滑化、一種のデ
ジタルフイルタ処理)機能ももたせにくい。(b) Ultraviolet region correlation spectrophotometer This method attempts to measure component concentrations from the ultraviolet absorption spectrum of gases. The spectrometer slit of the above spectrophotometer is provided with a correlated slit array having two types of patterns corresponding to the spectral arrangement of the target gas species, and by using these slits alternately, it is possible to have high sensitivity only to the concentration of a specific species of gas. This eliminates the influence of interference spectra of different gases. However, since the pattern of this correlation slit array is fixed,
It lacks flexibility for different gas types, and it is also difficult to provide a smoothing function to suppress noise (smoothing, a type of digital filter processing).
(c) 非分散型赤外線ガス分析計
この方式は、白色赤外光を用い、被測定ガス
による吸収を、標的ガスが被測定ガスと全く同
一の種類のガスの熱膨脹を利用して測定するも
のである。この方式は、利用するスペクトル領
域内で干渉スペクトルのレベルが一定の場合に
限定され、また原理的に直接吸収法しか適用で
きず、SN比のよい高次導関数分光法を使用す
ることができない。また機械的方法が用いられ
るため、精度が低く、感度は多くの場合10ppm
程度である。(c) Non-dispersive infrared gas analyzer This method uses white infrared light to measure the absorption by the target gas by utilizing the thermal expansion of the same type of gas as the target gas. It is. This method is limited to cases where the level of the interference spectrum is constant within the spectral region to be used, and in principle only direct absorption methods can be applied, and higher-order derivative spectroscopy with a good signal-to-noise ratio cannot be used. . Also, because mechanical methods are used, accuracy is low, with sensitivity often 10 ppm.
That's about it.
本発明の目的は、スペクトル分析装置におい
て、標的物質を含む複数の物質が混在している試
料について測定されたスペクトルから、標的物質
以外の既知の物質に基因する干渉スペクトルの影
響を除去して、高感度で標的物質の濃度を求める
ことを可能にする手段を提供することにある。
An object of the present invention is to remove the influence of an interference spectrum caused by a known substance other than the target substance from a spectrum measured for a sample in which a plurality of substances including the target substance are mixed in a spectrum analyzer, The object of the present invention is to provide a means that makes it possible to determine the concentration of a target substance with high sensitivity.
すなわち、混合物質の成分濃度分析において、
センサにより直接検出される信号情報が、光の波
数νや掃引制御電圧などの関数のスペクトルS
(ν)であつて、これがM個の混合物質の成分濃
度Cn、m=1、2、…、Mによつて
S(ν)=M
〓m=1
CnSn(ν) ……(4)
と表されるとき、特定の1つの物質(標的物質)
の成分濃度のCiのみを他の成分濃度の値に干渉さ
れずに算出する方式を実現するものである。 In other words, in component concentration analysis of mixed substances,
The signal information directly detected by the sensor is the spectrum S of a function such as the wave number ν of light or the sweep control voltage.
(ν), which is the component concentration C n of M mixed substances, m=1, 2,..., M: S(ν)= M 〓 m=1 C n S n (ν)... (4) When expressed as, one specific substance (target substance)
This method realizes a method of calculating only C i of the component concentration without being interfered with by the values of other component concentrations.
本発明に基づくスペクトル分析装置は、例えば
前記した(3)式において、大きさおよび形が未知の
干渉スペクトルSU(ν)と不規則雑音nを無視で
きるものとして、次の近似式
SX(ν)=CXSR+k
〓k=1
CkSIk(ν) ……(5)
を導き、この式について、特別な重み付けスペク
トルS*を考え、S*とSX(ν)との内積<S*、SX>
をつくる。すなわち
<S*、SX>=CX<S*、SR>+k
〓k=1
Ck<S*、SIk> ……(6)
とし、ここでk=1、2、…、Kについて内積
<S*、SIk>=0、<S*、SR>≠0 ……(7)
となるようなS*を見出すことができれば、
CX=<S*、SX>/<S*、SR> ……(8)
として、干渉スペクトルSIk、k=1、2、…、
Kの影響なしに標的物質の濃度CXを求めること
ができる。
For example, in the above-mentioned equation (3), the spectrum analyzer based on the present invention uses the following approximate equation S X ( ν ) = C _ _ _ _ _ Inner product of <S * , S X >
Create. That is , < S * , S X > = C For K, if we can find S * such that the inner product <S * , S Ik >=0, <S * , S R >≠0 ...(7), then C X = <S * , S X >/ <S * , S R > ...(8) As the interference spectrum S Ik , k=1, 2, ...,
The concentration CX of the target substance can be determined without the influence of K.
このようなS*は、本発明において随伴スペク
トルと呼ばれ、
S*(ν)=SR(ν)−k
〓k=1
<SR(μ)、UIk(μ)>UIk(ν) ……(9)
で与えられる。ただし、K個のスペクトルUIk
(ν)、(k=1、2、…、K)は既知のK個の干
渉スペクトルSIk(ν)、(k=1、2、…、K)か
ら合成される正規直交系であり、S*は任意定数
倍の自由度をもつ。 Such S * is called an adjoint spectrum in the present invention, and S * (ν)=S R (ν) − k 〓 k=1 < S R (μ), U Ik (μ) > U Ik (ν ) ... is given by (9). However, K spectra U Ik
(ν), (k=1, 2,..., K) are orthonormal systems synthesized from K known interference spectra S Ik (ν), (k=1, 2,..., K), S * has degrees of freedom times an arbitrary constant.
ところで以上の記述中、<S*、SX>、<S*、SR
>などの記号<x(η)、y(η)>は、2つのスペ
クトルx(η)、y(η)の間に行われる内積演算
をあらわし、結果は実数となる。具体的には、ス
ペクトル領域(η1、η2)について、
r=∫n2 o1x(η)y(η)w(η)dη ……(10)
で表現され、スペクトルがN個のデイジタル・デ
ータの列であらわされるときは
R=N
〓n=1
XoYoWo ……(11)
によつて計算される。w(η)およびWoは正の数
で、重み付けを行う窓関数である。これらの関数
値を適当に選ぶことにより、設定されているスペ
クトル領域が有限であることにより発生する誤差
を逓減せしめ得る。 By the way, in the above description, <S * , S X >, <S * , S R
Symbols <x(η), y(η)> such as > represent an inner product operation performed between two spectra x(η) and y(η), and the result is a real number. Specifically, the spectral region (η 1 , η 2 ) is expressed as r=∫ n2 o1 x (η) y (η) w (η) dη ...(10), and the spectrum is When expressed as a string of data, it is calculated by R= N 〓 n=1 X o Y o W o (11). w(η) and W o are positive numbers and are window functions for weighting. By appropriately selecting these function values, it is possible to gradually reduce errors caused by the finite spectral region being set.
本発明では、上記w(η)、Woをスペクトル領
域の端部で特に小さくとることにより、スペクト
ル領域が有限であること、あるいはさらに飛び飛
びの不連続領域の集合である場合の分解能の限界
を改善している。第3図は、窓関数の1例を示し
たものである。 In the present invention, by making w(η) and W o particularly small at the edges of the spectral region, the limit of resolution when the spectral region is finite or a collection of discrete discontinuous regions can be avoided. It's improving. FIG. 3 shows an example of a window function.
随伴スペクトルS*は、第4図に示すように、
測定範囲として設定されたスペクトル領域T内の
P個の波数ν0、ν1、…、νP-1における成分S*
(ν0)、S*(ν1)、…、S*(νP-1)からなる。すな
わ
ち、
S*(ν)=(S*(ν0)、S*(ν1)、…、
S*(νP-1))……(12)
で表される。同様に干渉スペクトルSIk、k=1、
2、…、Kも
SIk=(SIk(ν0)、SIk(ν1)、…、SIk
(νP-1))……(13)
で表される。 The adjoint spectrum S * is, as shown in Figure 4,
Component S * at P wave numbers ν 0 , ν 1 , ..., ν P-1 within the spectral region T set as the measurement range
(ν 0 ), S * (ν 1 ), ..., S * (ν P-1 ). That is, S * (ν) = (S * (ν 0 ), S * (ν 1 ), ...,
S * (ν P-1 ))...(12) Similarly, the interference spectrum S Ik , k=1,
2, ..., K also S Ik = (S Ik (ν 0 ), S Ik (ν 1 ), ..., S Ik
(ν P-1 ))...(13)
S*(ν)は、K個の干渉スペクトルSI1、SI2、
…、SIkが張る線形部分空間の直交補空間から選
ばれる。具体的には、
SI={SI1、SI2、…、SIk} ……(14)
より正規直交基底
UI={UI1、UI2、…、UIk} ……(15)
を選び、前記(9)式を計算する。 S * (ν) is the K interference spectra S I1 , S I2 ,
..., is selected from the orthogonal complement space of the linear subspace spanned by S Ik . Specifically, from S I = {S I1 , S I2 , ..., S Ik } ... (14), the orthonormal basis U I = {U I1 , U I2 , ..., U Ik } ... (15) and calculate the above equation (9).
上記正規直交基底UIk、k=1、2、…、Kは、
VIkを中間結果として次のようにして求められる。 The above orthonormal basis U Ik , k=1, 2,..., K is
It is obtained as follows using V Ik as an intermediate result.
UI1=SI1/|SI1|
VI2=(SI2−<UI1、SI2>UI1)
UI2=SI2/|SI2|
VI3=(SI3−<UI2、SI3>UI2
−<UI1、SI3>UI1)
UI3=VI3/|VI3|
〓
VIk=(SIk−k-1
〓j-1
<SIk、UIJ、>UIJ)
UIk=VIk/|VIk| ……(16)
具体的には、(13)式のSIk(ν)=(SIk(ν0)、S
Ik
(ν1)、…、SIk(νP-1))で考えて、
SIkがフラツトな場合、νi(i=0、1、…、P
−1)について
SIk(νi)=C (C:const) ……(17)
SIkがSioの場合、
SIk(νi)=Sin(2πi/P−1 ……(18)
となり、
VIk={SIk−k-1
〓J=1
(P=1
〓i=0
SIk(νi)・UIJ(νi)} ……(19)
として計算することができ、予め用意できる。U I1 = S I1 / | S I1 | V I2 = (S I2 − < U I1 , S I2 > U I1 ) U I2 = S I2 / | S I2 | V I3 = (S I3 − < U I2 , S I3 >U I2 −<U I1 , S I3 >U I1 ) U I3 = V I3 / | V I3 | 〓 V Ik = (S Ik − k-1 〓 j-1 <S Ik , U IJ , >U IJ ) U Ik = V Ik / | V Ik | ...(16) Specifically, S Ik (ν) = (S Ik (ν 0 ), S
Ik
(ν 1 ), ..., S Ik (ν P-1 )), and if S Ik is flat, ν i (i=0, 1, ..., P
-1) S Ik (ν i )=C (C:const) ...(17) If S Ik is S io , S Ik (ν i )=Sin(2πi/P-1 ...(18) , V Ik = {S Ik − k-1 〓 J=1 ( P=1 〓 i=0 S Ik (ν i )・U IJ (ν i )} ...(19) can be calculated and prepared in advance.
このようにして得られる随伴スペクトルS*に
より、全てのk=1、2、…、Kについて<S*、
SIk>=0なる関係が成り立つことにより、標的
物質以外の事前にスペクトル形状が予測されてい
る既知の混在物質の干渉スペクトルは、標的物質
の濃度測定にはまつたく影響をおよぼさない。 With the adjoint spectrum S * obtained in this way, <S * , for all k=1, 2,...,K,
Since the relationship S Ik >=0 holds, the interference spectrum of a known mixed substance other than the target substance whose spectral shape is predicted in advance does not affect the concentration measurement of the target substance.
次に、本発明の詳細を実施例にしたがつて説明
する。
Next, details of the present invention will be explained based on examples.
第5図は、本発明に基づくスペクトル分析装置
の1実施例構成図である。図中、4は分光装置、
5は波長可変の半導体レーザ、6は掃引制御部、
7は試料セル、8および9は反射鏡、10は半透
鏡、11は光電変換器、12は参照セル、13は
光電変換器、14は処理装置、15は入力信号処
理部、16は試料スペクトル記憶部、17は参照
スペクトル記憶部、18は干渉スペクトル記憶
部、18aは随伴スペクトル発生部、19は窓関
数記憶部、20は定数記憶部、21は濃度計算
部、22は入出力装置、LXは試料セル7の光路
長、LRは参照セル12の光路長、CXは標的物質
の試料中濃度、CRは標的物質の参照セル中濃度、
SXは試料スペクトル、SRは参照スペクトルを表
している。 FIG. 5 is a block diagram of one embodiment of a spectrum analyzer based on the present invention. In the figure, 4 is a spectrometer,
5 is a wavelength tunable semiconductor laser; 6 is a sweep control unit;
7 is a sample cell, 8 and 9 are reflecting mirrors, 10 is a semi-transparent mirror, 11 is a photoelectric converter, 12 is a reference cell, 13 is a photoelectric converter, 14 is a processing device, 15 is an input signal processing section, 16 is a sample spectrum Storage unit, 17 is a reference spectrum storage unit, 18 is an interference spectrum storage unit, 18a is an adjoint spectrum generation unit, 19 is a window function storage unit, 20 is a constant storage unit, 21 is a concentration calculation unit, 22 is an input/output device, L X is the optical path length of the sample cell 7, L R is the optical path length of the reference cell 12, C X is the concentration of the target substance in the sample, C R is the concentration of the target substance in the reference cell,
S X represents the sample spectrum, and S R represents the reference spectrum.
半導体レーザ5は、掃引制御部6により駆動さ
れ、第3図に示すような適当に選択されたスペク
トル領域Tの中でデジタル制御により離散的な波
数位置νiを順次的に掃引する。現在掃引中の波数
νiあるいは掃引制御電圧に関する情報は、同期を
とるため処理装置14へ通知される。 The semiconductor laser 5 is driven by a sweep control section 6 and sequentially sweeps discrete wave number positions ν i under digital control within an appropriately selected spectral region T as shown in FIG. Information regarding the wave number ν i currently being swept or the sweep control voltage is notified to the processing device 14 for synchronization.
半導体レーザ5から出力された光は、試料セル
7に対して、反射鏡8,9で折り返されることに
より、試料中を、光路長LXだけ通過し、試料物
質による吸収を受ける。試料セル7から出た光
は、半透鏡10において2分され、一方は光電変
換器11へ入力され、他方は参照セル12中の標
的物質中を光路長LRだけ通過してから光電変換
器13へ入力される。 The light output from the semiconductor laser 5 is reflected by the reflecting mirrors 8 and 9 with respect to the sample cell 7, passes through the sample by an optical path length LX , and is absorbed by the sample substance. The light emitted from the sample cell 7 is split into two by a semi-transparent mirror 10, one of which is input to the photoelectric converter 11, and the other passes through the target substance in the reference cell 12 by an optical path length L R and is then input to the photoelectric converter. 13.
光電変換器11,13からの各出力信号は、処
理装置14へ入力され、入力信号処理部15にお
いて増幅およびA/D変換され、さらに透過光の
パワーに関する因子を正規化して試料スペクトル
SXおよび参照スペクトルSRのデータが生成され
る。これらのSXおよびSRのデータは、それぞれ
試料スペクトル記憶部16および参照スペクトル
記憶部17に格納される。 Each output signal from the photoelectric converters 11 and 13 is input to a processing device 14, amplified and A/D converted in an input signal processing section 15, and further normalized by factors related to the power of transmitted light to obtain a sample spectrum.
S X and reference spectrum S R data are generated. These S X and S R data are stored in the sample spectrum storage section 16 and the reference spectrum storage section 17, respectively.
他方、予め作成されている正規直交された干渉
スペクトルUI1…UIRのデータは、干渉スペクトル
記憶部18に格納してあり、同様に窓関数Wは窓
関数記憶部19に格納してあり、またLR、CR、
LXなどの定数も定数記憶部20に設定されてい
る。 On the other hand, the data of orthogonal interference spectra U I1 ... U IR created in advance are stored in the interference spectrum storage section 18, and the window function W is similarly stored in the window function storage section 19. Also L R , C R ,
Constants such as LX are also set in the constant storage section 20.
濃度計算部21は、上記SRおよびUI1…UIRから
随伴スペクトルS*を算出したうえで上記SX、SR、
W、LR、CR、LXの各データを用いて、次式の計
算を行い、標的物質の試料中濃度CXを求める。 The concentration calculation unit 21 calculates the accompanying spectrum S * from the above S R and U I1 ... U IR , and then calculates the above S X , S R ,
Using each data of W, L R , C R , and L X , the following formula is calculated to determine the concentration C X of the target substance in the sample.
CX=LRCR/LX・<S*、SX>/<Sx、SR> ……(20)
求められたCXは、入出力装置22へ出力され、
デイスプレイあるいはプリントされる。なお、上
記(20)式は第5図の分光装置4の構成に対応す
るものであり、光路の長さに関する量、参照ガス
濃度の値をくくりだしたために前記(8)式とは異な
つている。 C X = L R C R / L X・< S * ,S
displayed or printed. Note that the above equation (20) corresponds to the configuration of the spectroscopic device 4 in Fig. 5, and is different from the above equation (8) because the quantity related to the length of the optical path and the value of the reference gas concentration are extracted. There is.
具体的な濃度計算処理例を示すと、干渉スペク
トルSIkが1個のみ、すなわちK=1の場合であ
つて、UI1がフラツト、そしてスペクトル領域内
の波数νiの点がi=0、1、2…、255すなわち
Pが256個あつたものとすれば、(19′)式より、
となり、
SR=(SR0、SR1、…、SR256) ……(22)
とすると、(9)式において、
<SR、UI1>UI1=(R、R、…、R)
……(24)
となり、ベクトルSxの各元の値はベクトルSRの元
SR 1、S2 R…、S256 Rからその平均値Rを引いたもの
となる。 To show a specific example of concentration calculation processing, there is only one interference spectrum S Ik , that is, K=1, U I1 is flat, and the point of wave number ν i in the spectral region is i=0, If we assume that there are 1, 2..., 255, that is, 256 P, then from equation (19'), Then, if S R = (S R0 , S R1 , ..., S R256 ) ... (22), then in equation (9), <S R , U I1 >U I1 = ( R , R , …, R )
...(24) The value of each element of vector S x is the element of vector S R
It is obtained by subtracting the average value R from S R 1 , S 2 R . . . , S 256 R.
したがつて、
<S*、SX>/<S*、SR>=〓〓SXiSRi−(
〓SXi〓SRi)/256/〓SRi 2−(〓SRi)2/256……(25
)
が計算され、これにLRCR/LXを乗算することに
よりCXが得られる。 Therefore, <S * , S X >/<S * , S R >=〓〓S Xi S Ri −(
〓S Xi 〓S Ri )/256/〓S Ri 2 −(〓S Ri ) 2 /256……(25
) is calculated and multiplied by L R C R /L X to obtain C X.
なお、(5)式では無視されたスペクトル形状が未
知の干渉スペクトルSU(ν)の中で、形状が正確
に知られていなくとも、いま問題にしているスペ
クトル領域内でゆるやかに変化していることが判
つている干渉スペクトルについては、たとえばν
の低次多項式で代用して、随伴スペクトルS*内
に取り込むことができる。これにより、問題とす
るスペクトル領域から遠く離れた位置に中心をも
つスペクトルであつて、その吸収線の裾が干渉し
ているような場合(たとえば第2図)が、効果的
に改善できる。 Note that in Equation (5), the ignored spectral shape is the unknown interference spectrum S U (ν), and even if the shape is not precisely known, it changes slowly within the spectral region in question. For example, for the interference spectrum that is known to be
can be incorporated into the adjoint spectrum S * by substituting it with a low-order polynomial of . As a result, it is possible to effectively improve a spectrum whose center is far away from the spectral region in question, and where the tails of its absorption lines interfere (for example, as shown in FIG. 2).
また、半導体レーザの波数掃引の範囲は、必ず
しもひとつづきの領域とは限らず、利用できるも
のであれば複数の飛び飛びの区間の集まりであつ
ても良い。勿論1つの区間は1つの点だけから成
つていてもよい。これは、実際のガスのスペクト
ルがあつても、その中でガス濃度の測定精度に大
きく寄与する部分とそうでない部分とがあること
から、無駄な部分については測定を省くことによ
り測定時間を短縮し、また雑音や干渉の多い部分
を避けることにより精度の低下を防ぐことが可能
となる。 Further, the range of the wave number sweep of the semiconductor laser is not necessarily limited to one continuous region, but may be a collection of a plurality of discrete sections as long as it can be used. Of course, one section may consist of only one point. This is because even if there is an actual gas spectrum, there will be parts that contribute greatly to the measurement accuracy of gas concentration and parts that do not, so by omitting measurements of unnecessary parts, measurement time can be shortened. Furthermore, by avoiding areas with a lot of noise and interference, it is possible to prevent a decrease in accuracy.
以上のように本発明によれば、スペクトル分析
装置を用いた微量の混合物質の濃度測定を、干渉
スペクトルの影響をほとんど受けることなく、高
い感度と短い測定時間で容易に行うことができ
る。
As described above, according to the present invention, it is possible to easily measure the concentration of a trace amount of a mixed substance using a spectrum analyzer with high sensitivity and short measurement time, almost without being affected by interference spectra.
第1図は吸収スペクトルを用いる分析装置の原
理図、第2図は各種スペクトルが混在する例の概
念図、第3図は窓関数の1例を示す説明図、第4
図はスペクトル領域内の波数位置と随伴スペクト
ルS*の成分の説明図、第5図は本発明の1実施
例装置の構成図である。
図中、4は分光装置、5は半導体レーザ、6は
掃引制御部、7は試料セル、11および13は光
電変換器、12は参照セル、14は処理装置、1
6は試料スペクトル記憶部、17は参照スペクト
ル記憶部、18は干渉スペクトル記憶部、18a
は随伴スペクトル発生部、19は窓関数記憶部、
20は定数記憶部、21は濃度計算部、22は入
出力装置を表す。
Figure 1 is a principle diagram of an analysis device that uses absorption spectra, Figure 2 is a conceptual diagram of an example in which various spectra are mixed, Figure 3 is an explanatory diagram showing an example of a window function, Figure 4
The figure is an explanatory diagram of the wave number position in the spectral domain and the components of the adjoint spectrum S * , and FIG. 5 is a diagram of the configuration of an apparatus according to an embodiment of the present invention. In the figure, 4 is a spectroscopic device, 5 is a semiconductor laser, 6 is a sweep control unit, 7 is a sample cell, 11 and 13 are photoelectric converters, 12 is a reference cell, 14 is a processing device, 1
6 is a sample spectrum storage unit, 17 is a reference spectrum storage unit, 18 is an interference spectrum storage unit, 18a
19 is an adjoint spectrum generation unit, 19 is a window function storage unit,
20 represents a constant storage section, 21 represents a concentration calculation section, and 22 represents an input/output device.
Claims (1)
源と、該光源の光の波長を設定されたスペクトル
領域内で掃引させる掃引制御手段と、該光源から
出力される光を用いて複数の物質が混在する試料
のスペクトルSXおよび、標的物質のスペクトル
SRをそれぞれ測定する手段と、該標的物質のスペ
クトルおよび干渉スペクトルとなることが予測さ
れるK個の物質のスペクトルSIk(k=1、2、
…、K)に基づいて、内積<S*、SIk>=0、内
積<S*、SR>≠0であるような随伴スペクトル
S*を生成し、上記標的物質の試料中濃度CXを、
演算<S*、SX>/<S*、SR>に基づいて求める
手段とをそなえ、上記演算中の各内積には、上記
設定されたスペクトル領域の端部において小さな
値となる重み付けを行うことを特徴とするスペク
トル分析装置における混在物質の干渉スペクトル
除去処理方式。1. In a spectrum analyzer, a wavelength tunable light source, a sweep control means for sweeping the wavelength of the light from the light source within a set spectral region, and a sample containing a mixture of multiple substances using the light output from the light source. spectrum S X and the spectrum of the target substance
Means for measuring S R and spectra of K substances S Ik (k=1, 2,
..., K), the adjoint spectrum such that the inner product <S * , S Ik >=0, and the inner product <S * , S R >≠0
S * and the concentration of the target substance in the sample C
and a means for calculating based on the calculation < S * , S An interference spectrum removal processing method for mixed substances in a spectrum analyzer, characterized in that:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6296984A JPS60205336A (en) | 1984-03-30 | 1984-03-30 | System for removing and processing interference spectrum of mixed material in spectrochemical analyzing apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6296984A JPS60205336A (en) | 1984-03-30 | 1984-03-30 | System for removing and processing interference spectrum of mixed material in spectrochemical analyzing apparatus |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS60205336A JPS60205336A (en) | 1985-10-16 |
JPH0414298B2 true JPH0414298B2 (en) | 1992-03-12 |
Family
ID=13215676
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6296984A Granted JPS60205336A (en) | 1984-03-30 | 1984-03-30 | System for removing and processing interference spectrum of mixed material in spectrochemical analyzing apparatus |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS60205336A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007502432A (en) * | 2003-05-06 | 2007-02-08 | ベイカー ヒューズ インコーポレイテッド | Method and apparatus using a tunable diode laser spectrometer for the analysis of hydrocarbon samples |
JP2011174798A (en) * | 2010-02-24 | 2011-09-08 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | Spectrum analyzer and spectrum analysis method |
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JPH0718795B2 (en) * | 1986-04-03 | 1995-03-06 | 株式会社日立製作所 | Luminescence analyzer |
US5014216A (en) * | 1988-07-19 | 1991-05-07 | Beckman Instruments, Inc. | Concentration determination with multiple wavelength flash photometers |
US4921350A (en) * | 1989-02-10 | 1990-05-01 | Beckman Instruments, Inc. | Monochromator second order subtraction method |
JP2519325B2 (en) * | 1989-09-13 | 1996-07-31 | 株式会社日立製作所 | Automated analyzers and methods for clinical testing |
US5807750A (en) * | 1995-05-02 | 1998-09-15 | Air Instruments And Measurements, Inc. | Optical substance analyzer and data processor |
-
1984
- 1984-03-30 JP JP6296984A patent/JPS60205336A/en active Granted
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JPS60205336A (en) | 1985-10-16 |
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