JP2000509155A - 通信用光ファイバーによるスペクトル情報の伝送 - Google Patents
通信用光ファイバーによるスペクトル情報の伝送Info
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Abstract
(57)【要約】
近赤外（ＮＩＲ）スペクトル情報を分析対象の炭化水素試料から遠隔分析器へオンラインリアルタイム伝送するための通信用光ファイバーを用いた炭化水素のＮＩＲスペクトル分析のためのシステムは、近赤外線を発生させるための光源（２２）と、分析対象の炭化水素試料とオンライン接触している光プローブヘッド（３４）と、上記近赤外線が少なくとも１度は炭化水素試料を通り該試料のスペクトルが生成されるように、上記近赤外線を上記光プローブヘッドに入射させるための少なくとも１本の通信用送信光ファイバー（３６）と、上記スペクトルを分析するための検知器（４２）と、その一部が上記の検知器および光源で構成される分析器（２０）と、上記試料を通過した後の近赤外線を受信して該近赤外線を上記検知器に入射させるための少なくとも１本の通信用受信光ファイバー（４０）とを含んでいる。
Description
【発明の詳細な説明】
通信用光ファイバーによるスペクトル情報の伝送
発明の技術分野および背景技術
本発明は、炭化水素の遠隔リアルタイム近赤外（ＮＩＲ）スペクトル分析のた
めのシステムに関するものである。より詳細には、本発明は、ＮＩＲスペクトル
情報を炭化水素試料から、例えば、燃料精製所、燃料パイプライン会社、石油化
学プラントなどのような燃料プラント内における炭化水素の化学的特性、物理的
特性、および性能特性を求めるための遠隔分析器へ、オンラインリアルタイム伝
送するための通信用光ファイバーの使用方法に関するものである。
波長の関数としての試料による光の吸収は、吸収スペクトル分析の基礎をなし
ている。上記分析は、分子が電子遷移に起因して吸光する紫外領域および可視領
域から、吸光が振動遷移に対応する赤外領域までの多くのスペクトル領域で行う
ことができる。近赤外（ＮＩＲ）領域における吸光は、分子における水素原子と
残りの原子との間の結合（以下、Ｘ−Ｈ結合と称する）内の振動遷移に対応する
。
このＸ−Ｈ結合が吸収する光の正確な波長は、分子の構造に依存する。これは
、芳香族、脂肪族、およびオレフィンといった異なる分子が異なる吸収スペクト
ルを有するという分析の基礎をなしている。
古典的な分析室でのスペクトル分析においては、特定のピークが関心の対象と
なっている特定の化合物に関係づけられる。化合物の標準溶液を測定することに
よって校正曲線を作成し、未知の溶液の適切な波長での吸収を測定することによ
って、未知の溶液の濃度を求めることができる。もし未知の溶液中に多くの化合
物が存在しそれら化合物の吸収スペクトルが部分的に重なっていれば、試料に分
離処理を施すことなしに濃度を求めることは不可能であろう。また、分析を行う
前に、微粒子や水のような他の障害物を除去する必要もあるだろう。
ＮＩＲ法は、基本的に試料の化学的構造を測定する。蒸留温度、蒸気圧、ある
いは曇点のような物理的特性、および、モーター法オクタン価（ＭＯＮ）やリサ
ーチ法オクタン価（ＲＯＮ）のような性能特性それら自体は、試料の化学的構造
の関数である。それゆえ、同じ機器を適当な数学的方法を用いて校正することに
よって、石油化学工業の関心の対象となる多種多様なパラメータを求めることが
できる。そのパラメータのいくつかを、下記の表１に記載している。
燃料精製所内および石油化学プラント内の制御プロセスに使用される制御シス
テムのような進歩した制御システムは、種々のプロセスパラメータの変更に対す
る正確な応答を可能にするために正確なリアルタイムデータを必要とする。
近赤外線（ＮＩＲ）技術は、炭化水素の物理的特性、化学的特性、および性能
特性のオンラインリアルタイム分析を可能にする技術として有望である。この技
術は、化学的特性を分析するためのガスクロマトグラフィーのような古典的な分
析方法に関連する、あるいはオクタン価算出のためのノックエンジンのような物
理的特性および性能特性を分析するための特定の分析器に関連する主要な問題を
克服する。
表１：
ＮＩＲによって求められる代表的なパラメータ
1メチルｔｅｒｔ−ブチルエーテル2
パラフィン、異性体、オレフィン、ナフテン、芳香族3
ＡＳＴＭ Ｄ３２３4
アメリカ石油協会5
ＡＳＴＭ Ｄ２８７−６７またはＡＳＴＭ Ｄ１２９８−８０
そこで、ＮＩＲ機器が、今まで分析技術の物理的限界のために試料の採取と重
要なパラメータの算出との間に長い遅れ時間を伴っていた、炭化水素の物理的特
性、化学的特性、および性能特性に関するオンラインリアルタイムデータを与え
るために使用される。それゆえ、ＮＩＲは、燃料産業におけるプロセス監視、プ
ロセス制御、およびプロセス最適化の各分野に新次元をもたらす。
スペクトル分析の遠隔測定に利用可能な多くの装置が、当該技術において周知
となっている。これらの装置の多くは、遠隔試料からの、反射光、透過光、蛍光
、あるいは光散乱を測定するために使用されるであろう。
このような装置は、一般に、３つの部分で構成されている。このようなシステ
ムは、光源または他の放射線源と検知システムとを含む分析器を特徴としている
。２つめの構成要素は、分析対象の試料に光または他の放射線を送信しそれを上
記試料から受信するのに適したタイプの光プローブヘッドである。最後に、上記
システムは、光または他の放射線を分析器とプローブヘッドとの間に誘導するの
に適した光ファイバーを特徴としている。
多くの異なる装置が、遠隔測定のために用いられている。T．Davidson，D．Tr
acy，A．Lokshin，K．DeCondre，L．McDermott，The Perkin Elmer Corp．in th
e Pittsburgh Conference，Atlanta（1993）に記載された少なくとも１つの装置
は、試料の絶対的透過信号を測定することが可能なプローブヘッドである。上記
文献中に記述されたプローブは２つのセルを含み、一方のセルは試料のためのも
のであり、他方のセルはダミーの対照セルである。試料の光路および対照セルの
光路を交替で遮断状態および非遮断状態とするのに機械式シャッターが使用され
ている。
このようなプローブは、多くの不都合を有している。第１に、上記のプローブ
は、複数のレンズ、ビームスプリッタ、複数のプリズム、複数の光窓などのよう
な多数の光学部品で構成されており、これらを正確に位置合わせすることは、厄
介で、費用がかかり、しかも困難である。第２に、上記のプローブは、ビームを
自己参照(self-reference)の光路と試料の光路とに分割するのに使用されるビー
ムスプリッタを通る２つの経路を経る間に、信号の少なくとも３／４が失われる
という点で非効率的である。
市場で入手可能な代表的な光プローブが、I．Landa等による米国特許第５，０
４４，７５５号に開示されている。上記文献中に開示されているプローブは、光
透過を測定するよう意図されている。この特定の構造においては、光ファイバー
の束から出射した光が、レンズによって視準される。光線は、その次に試料セル
を通るように誘導され、同じ光ファイバーの束内に光を集束させる同じレンズに
向かって戻るように反射される。光ファイバーの何本かは光をプローブ内へ誘導
するために使われる一方、光ファイバーの何本かは光を検知システム（すなわち
、分析器）に向けて外へ誘導するために使われる。
UOP Guided Wave社およびGalileo Electra-optics株式会社によって使用され
ているもう１つのタイプのプローブは、１本の光ファイバーであるか光ファイバ
ーの束であるかにかかわらず光ファイバーから出射した光が、試料セルを通るよ
うに光を誘導するレンズによって視準されるような伝送プローブである。光線は
、試料セルから出射するとすぐに、２番目の出力光ファイバー上に光線を集束さ
せる他のレンズによって集められる。
上述した２つのタイプのプローブはいずれも、光ファイバーの光応答を修正す
るのに用いる自己参照経路を備えていない。
M.M．Carrabbaによる米国特許第５，１１２，１２７号は、ラマン（Ｒａｍａ
ｎ）散乱を測定するための光プローブヘッドの構造を開示している。上記文献中
に記述された装置は、３つのレンズ、ビームスプリッタ、フィルター、およびプ
リズムを含む多くの光学素子で構成されている。上記の装置は、位置合わせが難
しく、非常に小さい容量の試料を測定することしかできない。また、上記の装置
は、不透明な材料をサンプリングするのには適しているかもしれないが、透明な
液体を含む使用には望ましくない。
S.D．Schwab and R.L．McCreery，in Anal．Chem．56，2199（1984）には、光
学部品を持たないラマンプローブのための単純な構造が開示されている。光ファ
イバーの束は、内部の光ファイバーが励起に作用する一方、外部の光ファイバー
が散乱光を集めるために使用される。上記の装置を使用するには、単に上記の束
の先端をサンプリングされる試料中に浸すだけである。このプローブの１つの不
都合は、光ファイバーの受光角が大きいために、上記の装置が、非常に低い光レ
ベルであってもラマン信号よりずっと強くなり得る部屋光を拾うことである。
Selaの米国特許第５，３８１，２３７号は、文献の援用により完全に記述した
ものとするが、遠隔試料に関する光学的特性を求めるための装置および方法を開
示している。上記文献中に記述された装置は、透過スペクトル、屈折率、ラマン
散乱、レイリー(Rayleigh)散乱、および蛍光スペクトルを測定するのに適した光
プローブヘッドであって、過酷な環境での使用に適し、試料の調製を必要とせず
、自己参照形態で動作させることができ、危険な環境における遠隔オンラインリ
アルタイム測定のために光ファイバーを利用する絶対的信号を与えることができ
る。Selaの発明のこれらの特徴点および他の特徴の一部あるいは全ては、光ファ
イバーの研磨側に固定されるように取り付けられた単一勾配屈折率（ＧＲＩＮ）
レンズの使用により、当該の正確な応用によっては特定の付属物の付加により、
種々の実施形態で実現される。
Selaの光プローブヘッドの実施形態の１つによれば、上記ヘッドは、試料の吸
収スペクトルを測定するためのものであって、（ａ）その少なくとも１つの面が
試料と接触している勾配屈折率レンズと、（ｂ）勾配屈折率レンズを通って来た
放射線が試料を通って勾配屈折率レンズに戻るように反射されるよう配置された
鏡と、（ｃ）勾配屈折率レンズ内に放射線を入射させるための送信光ファイバー
と、（ｄ）受信光ファイバーとを含んでいる。送信光ファイバーおよび受信光フ
ァイバーは、送信光ファイバーによって勾配屈折率レンズ内に入射された放射線
が勾配屈折率レンズおよび試料を通って鏡に到達し鏡によって反射されて試料お
よび勾配屈折率レンズを通り受信光ファイバーによって受信されるような位置に
、勾配屈折率レンズと光ファイバーとを位置合わせできるよう、勾配屈折率レン
ズと比較してしっかりと保持されている。
Selaの光プローブヘッドの他の実施形態によれば、上記ヘッドは、試料の絶対
透過または絶対吸収を測定するためのものであって、勾配屈折率レンズと鏡との
間に配された可動隔壁をさらに含み、上記隔壁は、鏡と勾配屈折率レンズとの間
で放射線を交替に遮断状態および非遮断状態とする機能を果たし、これにより、
上記隔壁が鏡と勾配屈折率レンズとの間で放射線を遮断していないときに、送信
光ファイバーによって勾配屈折率レンズ内に入射された放射線が勾配屈折率レン
ズおよび試料を通って鏡に到達し鏡によって反射されて試料および勾配屈折率レ
ンズを通り受信光ファイバーによって受信されるようになっている。
Selaによって開示されている上記プローブヘッドは、透過スペクトル分析、ラ
マンスペクトル分析、および屈折率測定における多種多様な分析器および光ファ
イバーシステムのいずれとも連係させて使用できる。
現在、遠隔スペクトル分析には、広い透過帯域を持つことから、純粋シリカ核
光ファイバーが使用されている。シリカは、原理的には広い光透過帯域を持って
いるが、実際には、この材料には重大な障害がある。
純粋シリカを基本とする光ファイバーは、重要な波長における光透過をしばし
ば妨害する水分子を吸着している。「低ＯＨ」あるいは低含水のシリカファイバ
ーさえ、測定を妨害する若干の吸着された水分子を有している（Fiberguide ind
ustries，１Bay St．Stirling，NJ 07980，Cat．”AnhydroguideG”low OH Vis-
IR fiber（「”Anhydroguide G”低ＯＨ可視−赤外ファイバー」）参照）。さら
に、この吸収は、結果として光ファイバーを通る際の損失をより一層高くし、そ
れゆえ実際のスペクトル分析に使用できる光ファイバーの長さが制限される。そ
れに加えて、吸収ピークが温度によって変化し、それゆえスペクトルデータの解
釈が困難となる。
純粋シリカファイバーに吸着された水は、炭化水素のスペクトル分析を含む多
くのスペクトル分析の適用に重要な波長で光を吸収する。水のピークは、９４０
ｎｍまで低下し、例えば９３６ｎｍのＣＨ2吸収ピークを妨害し、実際には同様
の隣接する吸収ピークも妨害する。
他方、通信用（ドーピングされたシリカの）光ファイバーは、比較的狭い有効
透過範囲（例えば、８００〜１，６００ｎｍ）を有するという特徴があり、それ
ゆえ広域のスペクトル情報の伝送には適していないと考えられている。実際、Ma
ckisonら（R．Mackison，S.J．Brinkworth，R.M．Belchamber，R.E．Aries，D.J
．Cutler，C．Deeley and H.M．Mould（1992）Ademonstration of truly remote
on-line near infrared process analysis.（「真に遠隔のオンライン近赤外プ
ロセス分析」）Applied Spectroscopy 46，1020-1024のpage 1021参照）は、通
信用光ファイバーの直径が小さいという理由で、スペクトル情報の伝送への通信
用光ファイバーの使用を否定する教示をしている。それにもかかわらず、通信用
光ファイバーは、（ａ）吸収ピークを妨害しないこと、（ｂ）温度のような環境
因子に対して非感応性であること、（ｃ）適切なスペクトル範囲を選択すれば長
い（最高２マイル）光ファイバーを通して測定が可能となること、最後に述べる
が軽視すべきでない（ｄ）コストがずっと低い（例えば、純粋シリカ核光ファイ
バーと比較して５〜１０倍低い）ことを特徴としているので、遠隔測定への通信
用光ファイバーの使用は純粋シリカファイバーより有利になりうる。さらなる利
点は、多くの燃料プラントが、設置された既存の光ファイバーを有しており、そ
れゆえ、おそらく光ファイバーの設置が完全に回避されるかもしれないというこ
とである。
それゆえ、ＮＩＲスペクトル情報を分析対象の炭化水素試料から炭化水素の化
学的特性、物理的特性、および性能特性を求めるための検知器へオンラインリア
ルタイム伝送するのに通信用光ファイバーを用いた炭化水素のＮＩＲスペクトル
分析のためのシステムは、非常に有利であり、該システムに対する要望が広く認
識されている。
炭化水素混合物の多くの特性（すなわち、物理的パラメータ、化学的パラメー
タ、および性能パラメータ）は、該混合物の光吸収を分析することによって求め
ることができる。これらの特性は、校正プロセスによってスペクトルデータに関
連づけられる。スペクトルデータと、関連づけられた「特性」データ、すなわち
、関心の対象となっている特性とは、数学的にこれら２つのデータと関連する「
モデル」を作成するのに使用される。上記のモデルは、一般的には、Ｕｎｓｃｒ
ａｍｂｌｅｒ（CAMOA/S，Olav Tryggvasonat 24，N-7011 Trodhein，Norway）の
ようなプログラムで生成される線形モデルである。それゆえ、現在周知の全ての
光学式を基本とする分析器は、スペクトル情報を所望のパラメータに関連づける
ための線形数学的モデルを含んでいる。
スペクトル情報を所望のパラメータ（すなわち、特性）に関連づけるための線
形数学的モデルとしては、（i）Jeffrey J．Kelly and James B．Callis（1990
）Nondestructive analytical procedure for simultaneous estimation of the
major classes of hydrocarbon constituents of finished gasolines(「処理
ガ
ソリンの主な炭化水素成分の同時評価のための無害の分析手法」)，Analytical
Chemistry 62:1444-,1451;（ii）Jeffrey J．Kelly，Clyde H．Barrow，Thomas
M．Jinguji and James B．Callis（1989）Prediction of gasoline octane numb
ers from near infrared spectral features in therange 660-1215nm.（「６６
０〜１２１５ｎｍの範囲内における近赤外スペクトルからのガソリンオクタン価
の予測」）Anal．Chem．61，313-320;（iii）EP0 285 251 A1 by BP Chemicals
Ltd.;（iv）Stephen J．Swarin ad Charlene A．Drumm（1991）Prediction of g
asoline properties with near infrared spectroscopy and chemometrics,(「
近赤外スペクトルおよびケモメリクスによるガソリン特性の予測」)SAE technic
al paper series 912390，the international fuels and lubricants meeting a
nd exposition，Toronto，Canada，October，7-10，1991，400 Commonwealthdri
ve，Warrendale，PA 15096U.S.A;（v）Peter Finch（1994）near infrared on l
ine analysis of octane number testing.（「オクタン価試験の近赤外オンライ
ン分析」）Measurement+Control 27 and John B．Cooper，Kent Wise，James Gr
oves and William T．Welch（1995）Determination of octane numbers and Rei
d vapor pressure of commercial petroleum fuels using FT-Raman spectrosco
py and partial least square regression analysis(「ＦＴ−ラマン分光スペク
トル分析および部分最小二乗回帰分析を用いた市販の石油燃料のオクタン価およ
びリード蒸気圧の測定」)に開示されたモデルが挙げられるが、これらに限定さ
れるものではない。これらの完全な記述については、全て文献の援用によること
とする。
オクタン価は、燃料のアンチノック性を表現する炭化水素燃料の性能特性であ
る。しかしながら、炭化水素混合物のオクタン価は、その複数成分のオクタン価
の非線形関数であることがよく知られている（C.T．Baird IV，Guide to Petrol
eum Product Blending，page 17，HPI Consultants，Austin，Texas，1989，and
Modern Petroleum Technology，Part II，5th edition，Edited by G.D．Hobso
n，John Wiley and Sons，1984，page787参照）。
従って、非線形の振る舞いの結果として、線形数学的モデルによるオクタン価
の算出精度は、限られたものとなる。
ＮＩＲスペクトル分析を用いて燃料試料のオクタン価を求めるための非線形数
学的モデルは、非常に有利であり、該モデルに対する要望が広く認識されている
。
上述したように、遠隔測定によるスペクトル分析に利用可能な装置は、一般に
、３つの部分、分析器、光プローブヘッド、および適当な光ファイバーで構成さ
れている。
しかしながら、プローブヘッドと分析器との間に放射線を誘導するのに用いら
れている上述した光ファイバーの他に、プローブヘッドの動作を制御するために
分析器とプローブヘッドとの間に少なくとも１つの追加の接続が必要とされる。
上述した先行技術の装置は全て、所望の制御を達成するとともに、光プローブヘ
ッドの動作のための電力を光プローブヘッドに供給するために、電気ケーブルを
使用している。
しかしながら、燃料プラントの危険区域に電気ケーブルを敷設する作業は、電
気ケーブルが、爆発から保護するという安全面の要件から特別な複雑で作成費用
が嵩む導管内に隠す必要があるために、複雑な仕事である。
さらに、プローブそれ自体の場所（すなわち、オンライン）において、既存の
保護された電気ケーブルは、種々の他の目的のために使われ、プローブの動作に
必要な電力をプローブに供給するためにも使われるかもしれない。
制御の目的で分析器と光プローブヘッドとの間を接続する電気ケーブル以外の
手段であって、電気の伝送を伴わず、それゆえ複雑な設置作業を必要としない手
段は、非常に有利であり、該手段に対する要望が広く認識されている。発明の概要
本発明によれば、ＮＩＲスペクトル情報を分析対象の炭化水素試料から分析器
までオンラインリアルタイム伝送するための通信用光ファイバーを用いた炭化水
素の遠隔近赤外（ＮＩＲ）スペクトル分析のためのシステムが提供される。
後述する本発明の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、（ａ）
近赤外線を発生させるための光源と、（ｂ）分析対象の炭化水素試料とオンライ
ン接触している光プローブヘッドと、（ｃ）上記近赤外線が少なくとも１度は炭
化水素試料を通り該試料のスペクトルが生成されるように、上記近赤外線を上記
光プローブヘッド内に入射させるための少なくとも１本の通信用の（すなわち、
ドーピングされたシリカの、あるいはグレーデッド型の）送信光ファイバーと、
（ｄ）上記スペクトルを分析するための検知器と、その一部が上記の検知器およ
び光源で構成される分析器と、（ｅ）上記試料を通過した後の近赤外線を受信し
て該近赤外線を上記検知器に入射させるための少なくとも１本の通信用受信光フ
ァイバーとを含むシステムが提供される。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記の光源は、（
ａ）適当な凸レンズを作用させることによって平行な形で伝播する近赤外線を生
成させるための照明器、（ｂ）モーターによって動作される波長校正のためのフ
ィルターホイール、および（ｄ）近赤外線を上記送信光ファイバー内に方向づけ
るための視準光学系を含んでいる。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記システムは、
燃料プラントの汎用区域でオフラインであり、追加の通信用光ファイバーによっ
て分析器とスペクトルの通信をしている１つの追加の光プローブヘッドをさらに
含み、上記の１つの追加光プローブヘッドは、炭化水素の手動分析のためのもの
である。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記視準光学系は
、第１の勾配屈折率レンズを含んでいる。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記の少なくとも
１つの送信光ファイバーは、第１の勾配屈折率レンズに取り付けられた第１の口
金(ferule)内に保持されている。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記光プローブヘ
ッドは、（ａ）その少なくとも１つの面が炭化水素試料と光学的接触（すなわち
、直接的接触または間接的接触）をしている第２の勾配屈折率レンズと、（ｂ）
第２の勾配屈折率レンズを通って来た近赤外線を、炭化水素試料を通して第２の
勾配屈折率レンズに戻るように反射させるように配置された鏡とを含み、上記の
少なくとも１つの送信光ファイバーが、光プローブヘッドの第２の勾配屈折率レ
ンズ内に近赤外線を入射させるためのものであり、上記の少なくとも１つの送信
光ファイバーと上記の少なくとも１つの受信光ファイバーとは、上記送信光ファ
イバーによって第２の勾配屈折率レンズ内に入射された近赤外線が第２の勾配屈
折率レンズおよび炭化水素試料を通って鏡に到達し鏡によって反射されて炭化水
素試料および勾配屈折率レンズを通り上記の少なくとも１つの受信光ファイバー
によって受信されるような位置に、第２の勾配屈折率レンズと両方の光ファイバ
ーとを位置合わせできるよう、第２の勾配屈折率レンズと比較してしっかりと保
持されている。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記光プローブは
、（ｃ）第２の勾配屈折率レンズと鏡との間に配された可動隔壁を含み、上記隔
壁は、鏡と第２の勾配屈折率レンズとの間で近赤外線を交替に遮断状態および非
遮断状態とする機能を果たし、上記の少なくとも１つの送信光ファイバーは、第
２の勾配屈折率レンズ内に近赤外線を入射させるためのものであり、上記の少な
くとも１つの送信光ファイバーと上記の少なくとも１つの受信光ファイバーとは
、上記隔壁が鏡と第２の勾配屈折率レンズとの間で近赤外線を遮断していないと
きに上記送信光ファイバーによって第２の勾配屈折率レンズ内に入射された近赤
外線が第２の勾配屈折率レンズおよび炭化水素試料を通って鏡に到達し鏡によっ
て反射されて炭化水素試料および勾配屈折率レンズを通り上記の少なくとも１つ
の受信光ファイバーによって受信され、かつ、上記送信光ファイバーによって上
記勾配屈折率レンズ内に入射されて上記勾配屈折率レンズと上記試料との界面で
反射された近赤外線が上記の少なくとも１つの受信光ファイバーによって受信さ
れるような位置に、第２の勾配屈折率レンズと光ファイバーとを位置合わせでき
るよう、第２の勾配屈折率レンズと比較してしっかりと保持されている。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記の少なくとも
１つの送信光ファイバーと上記の少なくとも１つの受信光ファイバーとは、第２
の勾配屈折率レンズに取り付けられた第２の口金内に保持されている。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記の光ファイバ
ーと第２の勾配屈折率レンズとの位置合わせは、光ファイバーの１本を通して近
赤外線を導入し、光ファイバーと第２の勾配屈折率レンズとを他の光ファイバー
内で最大の放射線強度が検出されるまで相対的に移動させ、光ファイバーおよび
第２の勾配屈折率レンズを固定することによって実現される。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記光プローブヘ
ッドは、分析対象の炭化水素試料を入れるための試料セルを含み、上記セルは、
第１および第２の透明な窓を含み、上記の第２の勾配屈折率レンズの少なくとも
１つの面は、第１の窓を介して炭化水素試料と間接的に接触しており、鏡は第２
の窓の裏側にある。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、第１および第２の
窓の各々が、低い表面自由エネルギーを有する材料を含んでいる。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記の低い表面自
由エネルギーを有する材料は、透明なテフロン（ＴＥＦＬＯＮ；フルオロカーボ
ン重合体の登録商標）である。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、試料セルは、頂部
と、底部と、炭化水素入口と、頂部に配置された頂部炭化水素出口と、底部に配
置された底部炭化水素出口とを含み、底部炭化水素出口は、頂部炭化水素出口よ
り狭く、セルの頂部から汚染物の少なくとも一部が除去されるように、かつ、汚
染物の低減された領域内で近赤外線が炭化水素試料を通過するように底部に堆積
した汚染物を除去する機能を果たすものである。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記システムは、
（ａ）光線を発生させるための光源と、（ｂ）分析対象の炭化水素試料とオンラ
イン接触している光プローブヘッドであって、分析対象の炭化水素試料を入れる
ための試料セルを含む光プローブヘッドと、（ｃ）上記光線が少なくとも１度は
炭化水素試料を通り該炭化水素試料のスペクトルが生成されるように、上記光線
を上記光プローブヘッドに入射させるための少なくとも１本の送信光ファイバー
と、（ｄ）上記スペクトルを分析するための検知器と、その一部が上記の検知器
および光源で構成される分析器と、（ｅ）上記試料を通過した後の光線を受信し
て該光線を上記検知器に入射させるための少なくとも１本の受信光ファイバーと
を含み、上記試料セルは、頂部と、底部と、炭化水素入口と、頂部に配置された
頂部炭化水素出口と、底部に配置された底部炭化水素出口とを含み、底部炭化水
素出口は、頂部炭化水素出口より狭く、セルの頂部から汚染物の少なくとも一部
が除去されるように、かつ、汚染物の低減された領域内で光線が炭化水素試料を
通過するように底部に堆積した汚染物を除去する機能を果たすものである。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記システムは、
（ａ）光線を発生させるための光源と、（ｂ）分析対象の炭化水素試料とオンラ
イン接触している光プローブヘッドと、（ｃ）上記光線が少なくとも１度は炭化
水素試料を通るように、かつ、光線の少なくとも一部が炭化水素試料によって吸
収されて試料に関連づけられたスペクトルが生成されるように、上記光線を上記
光プローブヘッドに入射させるための少なくとも１本の送信光ファイバーと、（
ｄ）上記スペクトルを分析するための検知器と、その一部が上記の検知器および
光源で構成される分析器と、（ｅ）上記試料を通過した後の光線を受信して該光
線を上記検知器に入射させるための少なくとも１本の受信光ファイバーと、（ｆ
）光プローブヘッドを制御するために、分析器と光プローブヘッドとの間を接続
する少なくとも１本の制御光ファイバーとを含んでいる。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、（ａ）炭化水素試
料を入れるための試料セルを有する光学系であって、炭化水素試料の吸収スペク
トルデータを集めるための光学系を使用する工程と、（ｂ）非線形モデルによっ
て炭化水素試料のオクタン価を求めるためにスペクトルデータを使用する工程と
を含む炭化水素試料のオクタン価を求める方法が提供される。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、非線形モデルは、
人工ニューラルネットワークを訓練することによって得られる。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、人工ニューラルネ
ットワークの訓練は、（ａ）種々の炭化水素試料に関するスペクトルデータと炭
化水素のオクタン特性との間の回帰関係を規定する主成分であって、訓練データ
セットにおける種々の炭化水素試料間での主な系統変化を表すために最も関連性
の高い情報を含み、かつ、線形アルゴリズムを用いて算出されている主成分であ
る訓練データセットを人工ニューラルネットワークに与え、（ｂ）ニューラルネ
ットワークがテストデータセットのオクタン特性を予測する精度を最適化するよ
うに訓練データセットを処理するために、テストデータセット（すなわち、妥当
性検査データセット）を人工ニューラルネットワークに与えることによって実現
される。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、線形アルゴリズム
の使用は、試料セルを除いた光学系の吸収スペクトルである対照スペクトルデー
タの収集を含み、上記線形アルゴリズムは、さらに、（ｉ）前処理された試料ス
ペクトルデータを得るために、試料スペクトルデータの各々から対照スペクトル
データを減算することによって試料スペクトルデータの各々を前処理し、（ｉｉ
）前処理された試料スペクトルデータの各々について、前処理された試料スペク
トルデータから高周波成分を除去し、前処理された試料スペクトルデータの低周
波成分を残すことによってベースラインを求め、（ｉｉｉ）ベースラインが修正
された試料スペクトルデータを得るために、前処理された試料スペクトルデータ
からベースラインを減算することによってベースライン訂正を実行し、（ｉｖ）
平滑化された試料スペクトルデータを得るために、高周波雑音を除去することに
よってベースラインが修正された試料スペクトルデータを平滑化し、（ｖ）平滑
化された試料スペクトルデータを積分し、（ｖｉ）正規化された試料スペクトル
データを得るために、平滑化された試料スペクトルデータにおける各点を積分値
で割ることによって平滑化された試料スペクトルデータを正規化し、（ｖｉｉ）
正規化された試料スペクトルデータを種々の炭化水素試料の炭化水素オクタン特
性と関連づけて、最も関連性の高い情報を含む主成分を得ることによってなされ
る。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、上記線形アルゴリ
ズムは、主成分回帰アルゴリズムおよび部分最小二乗アルゴリズムからなる群よ
り選ばれたものである。
本発明の１つの目的は、炭化水素試料の特性を求めるための遠隔測定システム
を提供することにある。
本発明の他の目的は、ＮＩＲスペクトル情報を分析対象の炭化水素試料から炭
化水素の化学的特性、物理的特性、および性能特性を求めるための分析検知器へ
オンラインリアルタイム伝送するのに通信用光ファイバーを用いた炭化水素のＮ
ＩＲスペクトル分析のためのシステムを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、炭化水素試料のオクタン価を求めるための非線形
数学的モデルを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、制御の目的で分析器と光プローブヘッドとの間を
接続するための、電気ケーブル以外の手段であって、電気の伝送を伴わず、それ
ゆえ複雑な設置作業を必要としない手段を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、分析対象の試料中の微粒子、水、異質成分などの
不純物による影響の少ない試料セルを提供することにある。
本発明は、（ｉ）ＮＩＲスペクトル情報を分析対象の炭化水素試料から分析検
知器までオンラインリアルタイム伝送するのに通信用光ファイバーを使用する炭
化水素試料のＮＩＲスペクトル分析を用いた、炭化水素試料の特性を求めるため
の遠隔測定システムを提供すること、（ｉｉ）分析器と光プローブヘッドとの間
の通信に用いられる制御光ファイバーを提供すること、（ｉｉｉ）不純物による
影響の少ない改良された試料セルを提供すること、および、（ｉｉｉ）炭化水素
試料のオクタン価を求めるための非線形数学的モデルを提供することによって、
現在公知の構成の欠点に対処することに成功したものである。図面の簡単な説明
以下、本発明について、次の添付図面を参照して例のみによって説明する。
図１は、本発明の遠隔測定システムの基本構成を示す概略図である。
図２は、ＮＩＲ領域での波長の関数をｄｂ／２ｋｍとして測定した純粋シリカ
核通信用光ファイバーのファイバー光損失のプロットを表す。
図３は、ＮＩＲ領域における炭化水素の吸収スペクトルを表すプロットである
。
図４は、米国特許５，３８１，２３７号に係る光プローブヘッドの主要な構成
要素を示す概略図である。
図５は、屈折率光プローブヘッドとして使用した米国特許５，３８１，２３７
号に係る光プローブヘッドを表す概略図である。
図６は、単光束光プローブヘッドとして使用した米国特許５，３８１，２３７
号に係る光プローブヘッドを表す概略図である。
図７は、複光束光プローブヘッドとして使用した米国特許５，３８１，２３７
号に係る光プローブヘッドを表す概略図である。
図８は、本発明の光プローブヘッド内に配置された試料セルを示す概略図であ
る。
図９は、本発明に係る非線形モデルの使用方法の好ましい実施形態を表すフロ
ーチャートである。
図１０は、種々の燃料に関する、残留リサーチ法オクタン価と、先行技術のＰ
ＬＳ１線形モデルによって予測されたリサーチ法オクタン価との間の相関関係を
表すグラフである。
図１１は、種々の燃料に関する、残留リサーチ法オクタン価と、本発明に係る
非線形ニューラルネットワーク技術によって作成された非線形のモデルによって
予測されたリサーチ法オクタン価との間の相関関係を表すグラフである。
図１２は、精製所内における本発明に係るシステムの代表的な設置形態を示す
概略図である。
図１３は、流動接触分解（ＦＣＣ）管、および改質管、混合管の３つの精製管
から互いに異なる複数の段階で得られた燃料のモーター法オクタン価（ＭＯＮ）
を、従来のモーターノックエンジンを使用する先行技術のＡＳＴＭ ０２７００
の方法によって測定された当該燃料のＭＯＮの関数として、本発明のシステムお
よび非線形モデルを用いて求めたプロットを示す。
図１４は、本発明のシステムおよび非線形モデルを用いて求めた燃料精製所内
における３カ月間のリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）およびモーター法オクタン
価（ＭＯＮ）のプロットと、従来のＡＳＴＭ Ｄ０２６９９およびＡＳＴＭ ０
２７００の方法による同一期間のプロットとを示す。好ましい実施形態の説明
本発明は、ＮＩＲスペクトル情報を分析対象の炭化水素試料から遠隔分析器へ
オンラインリアルタイム伝送するのに通信用光ファイバーを用いた燃料などの炭
化水素の遠隔近赤外（ＮＩＲ）スペクトル分析のためのシステムに関するもので
ある。上記システムは、分析対象の炭化水素の化学的特性、物理的特性、および
性能特性を求めるのに使用することができる。詳細には、本発明は、例えば、燃
料精製所内や燃料パイプライン内における燃料などの炭化水素に関する、モータ
ー法オクタン価（ＭＯＮ）、リサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）、リード蒸気圧（
ＡＳＴＭ Ｄ３２３）、粘度、ＡＰＩ比重（ＡＳＴＭ Ｄ２８７−６７またはＡ
ＳＴＭ Ｄ１２９８−８０）、凝固点、流動点、引火点、曇点、留出温度、全芳
香族留分の容量、ベンゼン留分の容量、ＭＴＢＥ（メチルｔｅｒｔ−ブチルエー
テル）留分の容量、各種オレフィン留分の容量、ＰＩＯＮＡ（パラフィン、異性
体、オレフィン、ナフテン、芳香族）、およびその他のパラメータを求めるのに
使用することができる。
可視領域および紫外領域（＜８００ｎｍ）のスペクトル分析と同様に、ＮＩＲ
スペクトル分析（すなわち、８００〜１，８００ｎｍ）および中赤外（ＭＩＲ、
＞１，８００ｎｍ）スペクトル分析も全て、炭化水素を含む種々の材料の化学的
特性、物理的特性、および性能特性を求めるのに使用することができる。それに
もかかわらず、Kelly et al.，Jeffrey J．Kelly and James B．Callis（1990）
Nondestructive analytical procedure for simultaneous estimation of the m
ajor classes of hydrocarbon constituents of finished gasolines（「処理ガ
ソリンの主な炭化水素成分の同時評価のための無害の分析手法」），Analytical
Chemistry 62:1444-1451に開示されているように、炭化水素の特性を求めるに
は、ＮＩＲの使用が最も正確に働く。
ＮＩＲを特徴づけている正確さの根拠の１つは、０．５ＡＵ（吸収単位）とい
う好ましい範囲で働き、ＭＩＲには約０．５ｍｍの光学的長さを持つ試料セルが
必要とされるのに対して、炭化水素はＮＩＲ線よりもＭＩＲ線を良く吸収するの
で、ＮＩＲスペクトル分析を利用するときに必要とされる光学的長さかその１０
〜２０倍であるということである。
ＮＩＲスペクトル分析は、化学工業および燃料工業における炭化水素液体のプ
ロセス流れを分析する多くの方法に利用することができる。
第１の選択肢は、伝統的な「オフライン」分析である。試料は、プロセス流れ
から取り出され、分析のために手作業で分析室に運ばれる。このアプローチは、
試料の採取、試料の移送、分析、および結果の報告を含む分析にかかる合計の時
間が長く、その間にプロセス条件が顕著に変化する可能性があるという重大な欠
点を持っている。
２番目の選択肢は、「アットライン(at-line)」分析、あるいは「オンライン
」分析である。これは、現在の最も一般的な形態である。分析器が、プロセス配
管に隣接するように配置され、短い試料配管によってプロセス配管に接続されて
いる。あるいは、代わりに、分析器が、長さの短い光ファイバーケーブル（１０
〜５０ｍ）によって試料配管または流れに接続されているかもしれない。このア
プローチの主な欠点は、安全性と費用にある。機器は、爆発物雰囲気を含む過酷
かつ危険な環境で動作可能でなくてはならない。この要求は、窒素パージされた
特別な箱の中に入れられる頑丈な機器、あるいは、コストを伴う特別な分析器シ
ェルター内への機器の収容のいずれかを必要とする。分析器は、測定箇所の近く
に配置する必要があるので、１つの分析器によってリアルタイムでモニターでき
るプロセス流れは、通常１つだけである。
３番目の選択枝は「遠隔オンライン」と呼ばれる。測定は、プロセス流れの中
でなされる。光プローブは、プロセス流れに直接挿入され、１対の光ファイバー
によって遠隔の分光計に接続されている。この構成によれば、安全上の利点、コ
スト上の利点、および幾らかの性能上の利点を得ることができる。分析器は、プ
ロセスから遠く離れた汎用区域に配置されており、それによって分析器シェルタ
ーをパージおよび空調する必要を排除している。特別に「強化された」装置を備
える必要がないから、高品質の研究グレードの分光計を使用することができる。
光学式多重送信は、１つの機器が連続的に幾つかのプロセス流れを監視すること
ができるので、更なるコスト削減を達成することができる。
これが最も望ましいシステム構成であることに疑いはないが、この構成の実行
は単純でない。試料の状態を調整することは不可能であり、プローブのメインテ
ナンスは難しく、この構成を用いて達成することができる信号対雑音比には限界
がある。使用されている光ファイバーの種類および半径も、信号対雑音比に影響
を与える。
本発明のシステムに実装される４つめの選択肢は、他の選択肢の最も良い特徴
を組み合わせたものである。上記プローブそれ自体が、プロセス流れの近くに配
置され、試料のループを放出する。プロセス流れ自体に作用する困難が回避され
、もし必要であれば試料の状態調整を加えることができ、遅れ時間は最小となる
。しかしながら、大部分の電子部品および光学部品は、制御室のような「汎用区
域」内の、上記プローブから最高２マイル（３キロメーター）まで離れた位置に
配置できるメイン分析ユニット内に配置される。これによって、危険区域に分析
器を設置することによる問題および出費は完全に回避される。
本発明に係るシステムの原理および動作は、図面およびそれに関する記述を参
照すればもっと良く理解されるであろう。
ここで図面を参照すれば、図１は、以下ではシステム２０と呼ぶ本発明の遠隔
測定システムの基本構成を概略的に示す。システム２０は、近赤外（ＮＩＲ）線
を発生させるための光源２２を含んでいる。好ましい実施形態では、光源２２は
、平行に伝播する近赤外線を発生させる照明器２４を含んでいる。適当な照明器
２４は、Gilway,800 west Cummings Park，Woburn，MA 01801-6355,specificall
y model 186-1によって製造されたもののような小さいタングステンハロゲンラ
ンプである。照明器２４は、代表的には、上記の近赤外線の平行な伝播をもたら
すための凸レンズ２６を含んでいる。
システム２０は、さらに、分析対象の炭化水素試料と光学的に接触している光
プローブヘッド３４を含んでいる。好ましい光プローブヘッドは、Selaの米国特
許５，３８１，２３７号公報に開示されており、これに関する完全な記述は文献
の援用によることとする。好ましい光プローブヘッドについて、以下、更なる記
述を行う。
システム２０は、さらに、上記近赤外線が少なくとも炭化水素試料を通り該試
料のスペクトルが生成されるように、光プローブヘッド３４内にＮＩＲ線を入射
させるための少なくとも１つの通信用（すなわち、ドーピングされたシリカ、グ
レーデッド型）送信光ファイバー３６を含んでいる。
好ましい実施形態では、光源２２は、近赤外線を上記送信光ファイバー３６内
に方向づけるための視準光学系３２を含んでいる。視準光学系３２は、好ましく
は第１の勾配屈折率（ＧＲＩＮ）レンズ３８を含んでいる。好ましい実施形態で
は、送信光ファイバー３６は、第１のＧＲＩＮレンズ３８に取り付けられた第１
の口金３９内に保持されている。
システム２０は、上記試料を少なくとも１度通過した後の近赤外線を受信して
試料のスペクトルを分析するための検知器４２に近赤外線を入射させるための少
なくとも１本の通信用受信光ファイバー４０を含んでいる。検知器４２は、好ま
しくはスリット４４タイプの分光光度計であって、モノクロメーター４６（例え
ば、グレーティング、プリズムなど）および検知器ヘッド４８を含んでいる。こ
れらは全て、当該技術分野において同様に良く知られている。スリット４４タイ
プの分光光度計は、一般に小さい直径（例えば、５０-１００ナノメートル）を
持ちそれゆえにシステム２０のスペクトル解像度およびスペクトル感度を増大さ
せるという特徴がある通信用受信光ファイバー４０から、光線の大部分を集める
ことを可能にする。これは、以下により詳細に説明するように、標準通信用光フ
ァイバー３６および４０をスペクトル情報の伝送に使用するのに必要である。適
当なモノクロメーター４６は、Scientific Measurement Systems Inc.，606 For
esight Circle East，Grand Junction CO，81501．によって製造された“Monosp
ec 18 Spectrograph”である。適当な検知器ヘッド４８は、Hamamatsu，1122 Ic
hino-cho，Hamamatsu City，Japan，Cat.No．S3903-1024Qによって製造されたも
のである。好ましい実施形態では、光源２２は、検知器４２の波長校正のための
、モーター２８によって動作されるフィルターホイール３０を含んでいる。これ
らは、スペクトル測定の技術分野で同様に良く知られている。
通信用光ファイバー３６および４０は、勾配屈折率（ＧＲＩＮ）タイプのもの
であるので、上述したように好ましくは第１のＧＲＩＮレンズ３８を含む視準光
学系３２によるスペクトルの結合に大いに適しているとともに、後述するように
好ましくは第２のＧＲＩＮレンズを含む光プローブヘッド３４によるスペクトル
の結合にも大いに適している。
システム２０は、検知器４２、光源２２、および光プローブヘッド３４の動作
を制御するための演算手段（図示しない）を含んでいる。上記演算手段、検知器
４２、および光源２２は、集合して分析器を形成し、好ましくは保護された環境
にある燃料プラントの汎用区域、例えば、制御室にて実行され、光ファイバー３
６および４０を介して、プラント内の燃料管（すなわち、オンライン）にそれ自
体が配置された光プローブヘッド３４とスペクトル通信する。
このシステム２０の構成によれば、光学式多重送信装置（図示しない）は、１
つのメイン分析ユニットに数十（例えば、２５以上）のプローブを使用すること
を可能にする。メイン分析ユニットは、好ましくは制御室に配置され、精製所じ
ゅうのプローブまたは現場ユニットとスペクトル通信している。上記現場ユニッ
トは、炭化水素プロセスの入力または出力を監視し、フィードフォワード制御お
よびフィードバック制御のためのデータ監視を実現することができる。各現場ユ
ニットは、１つの流れについて幾つかの異なる特性を同時に測定することができ
る。
本発明に係る進歩性(inventive steps)の１つは、スペクトルデータの伝達の
標準通信用光ファイバーの使用である。なお、このような通信用光ファイバーの
使用については、当該技術の多くの学者によって否定的な教示がされている（例
えば、R．Mackison，S.J．Brinkworth，R.M．Belchamber，R.E．Aries，D.J．Cu
tler，C．Deeley and H.M．Mould（1992）A demonstration of truly remote on
-line near infrared process analysis．Applied Spectroscopy 46，1020-102
４参照）。
これまで遠隔スペクトル分析に使用されていた光ファイバーは、それらの広い
光透過帯域のために純粋なシリカ核ファイバーに限定されていた。しかしながら
、この材料には実際には主要な困難があるのに対して、通信用に使用されている
ドーピングされたシリカ光ファイバーは、これらの純粋なシリカ核ファイバーに
対して幾つかの利点を持っている。背景の項で述べたように、純粋なシリカ光フ
ァイバーは、重要な波長における光透過をしばしば妨害する水分子を吸着する。
ここで図２〜３を参照すれば、図２は、ＮＩＲ領域（例えば、８００〜１００
０ｎｍ）での波長の関数をｄｂ／２ｋｍとして測定したシリカ光ファイバー（プ
ロット５０）および通信用光ファイバー（プロット５２）のファイバー光損失の
プロットを表す。プロット５０における９４０ｎｍのピークは、シリカファイバ
ー中の水分子による光の吸収に起因するものである。この吸収は、結果として光
ファイバーを通る際の損失をより一層高くし、それゆえ実際のスペクトル分析に
使用できる光ファイバーの長さが制限される。炭化水素のＮＩＲスペクトル分析
の多くのスペクトル情報が存在する（図３参照）８５０〜９５０ｎｍの波長領域
におけるプロット５０とプロット５２とを比較すると、平均で、シリカファイバ
ーの損失（約１１ｄｂ／２ｋｍ）が通信用光ファイバーの損失（約６ｄｂ／２ｋ
ｍ）と比較して３倍であることは明らかである。それに加えて、９４０ｎｍの吸
収ピークは温度によって変化し（図示しない）、それゆえスペクトルデータの解
釈を困難にする。
さらに、図３に示すように、純粋なシリカファイバーを特徴づけている水の吸
収は、多くの分光学的応用において重要な波長にある。例えば、図３は、ＮＩＲ
領域における炭化水素の吸収スペクトルを示す。９４０ｎｍの水のピークは、９
３６ｎｍのＣＨ2吸収を妨害するとともに、実際、例えば、ＣＨ3吸収や芳香族吸
収などの隣接する吸収も妨害する。
通信用（ドーピングされたシリカ、グレーデッド型）光ファイバーを特徴づ
けている比較的狭い透過範囲（すなわち、８００〜１，６００ｎｍ）、および、
完全に透過させることができる放射線強度を制限しそれゆえ感度（すなわち、信
号対雑音比）を減少させるそれらの小さい直径（一般に５０〜１００μｍ）にも
かかわらず、高感度かつ高品質の研究グレードの分光光度計を検知に使用すれば
、十分なＮＩＲスペクトル情報が化学分析に利用可能となる。例えば、上記の表
１でリストアップした特性についての炭化水素混合物の分析は、本発明のシステ
ムを用いて通信用光ファイバーを通して得られたこの領域でのスペクトルデータ
によって行うことができる。
グレーデッド型光ファイバーである通信用光ファイバーは、ステップ型光ファ
イバー（例えば、純粋なシリカファイバー）と比較すると、ステップ型光ファイ
バーよりもうまくＧＲＩＮレンズと光結合するので、この利用にはより適してい
る。例えば、１００μｍ核および１４０μｍクラッドファイバーからなるグレー
デッド型光ファイバーであるSpectran inc.，150 Fisher drive，Avon CTによっ
て製造されたCat.No．ACU-MC100C、あるいは、類似の光ファイバーであるComing
inc.，Telecommunication Products division，Coming，NY 1483１によって製
造されたCat．No．100/140 CPC3が、極めて好適である。
それにもかかわらず、通信用グレーデッド型光ファイバーは、より小さい直径
を持ち、それゆえに比較的高い連結モード雑音(associated modal noise)を持ち
、ファイバー内で生じるモードの数はファイバー核の半径の二乗に比例するので
、このモード数が低いほど連結モード雑音がより大きくなる（Fiber optics han
dbook‐An introduction and reference guide to fiber optics technology an
d measurement techniques，2nd edition(「ファイバー・オプティックスハンド
ブック−ファイバー・オプティックス技術と測定技術の概論および参照の手引き
、第２版」),C．Hentschel Ed.Hewlett-Packard Gmbh，Boeblingen instruments
division，Germany，1988参照）。それゆえ、バックグラウンドの減算処理は、
後でより詳細に述べるが、好ましくは光プローブヘッド３４によって行われる。
通信用光ファイバー自体に、純粋シリカファイバーを特徴づけている吸収ピー
クを妨害する、温度のような環境因子に対して敏感である、長いファイバー長で
測定が不可能となるなど、上述した全ての制限がなく、炭化水素の全ての必要な
スペクトル情報が、通信用光ファイバーを通して効率的に伝送されるＮＩＲ領域
内に入るために、炭化水素の遠隔測定のためにＮＩＲスペクトル分析と標準通信
用光ファイバーとを組み合わせることが実現可能となっている。
遠隔測定に通信用光ファイバーを用いることは、次のような追加の利点を持っ
ている。まず第１に、標準通信用光ファイバーの価格は、純粋なシリカファイバ
ーと比較して約１０倍低い。第２に、通信用光ファイバーは、曲げ半径がより小
さいことから、設置がより容易である。第３に、コネクター、マルチプレクサー
、接続箱、および光ファイバー接合装置などの常備付属品（products Cat．of A
MP incorporated fiberoptic products，Harrisburg PA 17105参照）は、通信用
光ファイバー用のものが純粋なシリカファイバー用のものと比較して低い価格で
入手可能であり、これにより本発明に係るシステムのコストがさらに低減される
。
光プローブヘッド３４は、多くの形式をとりうる。その例としては、（i）the
head disclosed in U.S．Pat．No．5,218,428 to Hoult、（ii）the head disc
losed in John Coats，Timothy Davidson and Lawrence McDermott（1992）The
design and application of spectrometrics analyzers of the chemical proce
ss industry，Spectroscopy7(9)Pages 41-49、（iii）the shuttle probe head
（
partNo．1SHX SO-17X）manufactured by Guided Wave Inc.，5 190 Golden Foot
hill Parkway，El Dorado Hills，CA 95630、（iv）the probe disclosed in U.
S．Pat．No．4,994,671 to Safinya et al．、（v）the head disclosed in R.G
.Driver，G.L．Dewey，D.A.,Greenberg and J.D．Stark（1994）The sample int
erphase i non-Iine process monitoring，spectroscopy 9，36-41、および(vi
)the head disclosed in R．Mackison，S.J．Brinkworth，R.M．Belchamber，R.
E．Aries，D.J．Cutler，C．Deeley and H.M．Mould（1992）A demonstration o
f truly remote on-line near infrared process analysis.Applied Spectrosco
py 46，1020-1024が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、こ
れらについての完全な記述は、文献の援用によることとする。
好ましい実施形態では、光ヘッド３４は、Selaの米国特許５，３８１，２３７
号に開示された複数の実施形態から選択される。これらに関する完全な記述は文
献の援用によることとする。
図４は、米国特許５，３８１，２３７号に係る光プローブヘッドの基本的な
構成要素を示す。１対の光ファイバー１００および１０２が、第２の勾配屈折率
（ＧＲＩＮ）レンズ１０６に対して後述する次の配置で接着によってしっかりと
取り付けられた第２の口金内１０４内に挿入されている。ＧＲＩＮレンズ１０６
のピッチは、光ファイバー１００から出射された光が視準されるように選択され
る。
図５には、単一光束屈折率光プローブヘッドとして使用したときにプローブが
どのようになるかを概略的に示している。理解できようが、図５のプローブは、
ハウジング１０８に部分的に納められた図４に表されたプローブを含んでいる。
光源（図示しない）からの光は、ファイバー１００を通るように誘導され、ファ
イバー１００から第２のＧＲＩＮレンズ１０６内へ出射する。ＧＲＩＮレンズ１
０６は、ファイバー１００から出射する光を視準する。光の一部は、試料とＧＲ
ＩＮレンズ１０６との間の界面から戻るように反射される。鏡面反射された信号
は、検知器（図示しない）へ光信号を誘導する光ファイバー１０２内に戻るよう
に集束される。
上の記述から容易に明白となるように、反射された信号が光ファイバー１０２
内に正確に集束されることを確実にするために上記装置を正確に位置合わせする
ことは重要であり、上記の位置合わせは、米国特許５，３８１，２３７号にさら
に記述された多くの方法で実現することができる。
試料の吸収スペクトルを測定するための米国特許５，３８１，２３７号に係る
プローブヘッドを、図６に示す。光源からの光は、光ファイバー１００を通るよ
うに誘導される。上記の光は、第２のＧＲＩＮレンズ１０６によって視準され、
試料セル１２２を通過する。上記の光は、遠い方の端にて、鏡１２４により反射
され、次に試料セル１２２および第２のＧＲＩＮレンズ１０６を逆方向に通過す
る。第２のＧＲＩＮレンズ１０６は、反射された光を、信号分析システム（図示
しない）に光を誘導する光ファイバー１０２内に集束させる。
図７に、自己参照(self-referencing)する（すなわち、バックグラウンドの減
算を行う）ことなく透過を測定するための米国特許５，３８１，２３７号に係る
プローブヘッドを示す。プローブヘッドは、鏡１２４からの反射光が光ファイバ
ー１０２内に集束されるように位置合わせされる。適当な隔壁１２６は、好まし
くはハウジング１３０内における試料セル１２２の前部に配置され、ソレノイド
１２８のような何らかの適当な手段によって作動され、光軸または光路を交替で
遮断状態および非遮断状態とするのに用いられる。試料セル１２２は、その前面
および背面の表面上に光窓１３２および１３４を備えることを特徴としている。
信号の約５％は、ＧＲＩＮレンズ１０６の近い側の表面から光ファイバー１０２
内へ戻るように反射される。この分の信号は、試料を通して転送されず、上記装
置を自己参照するのに用いられる。
スペクトル分析に通常使用される試料セルは、一端に窓を備える長く狭い管か
らなっている。この構成は、次のような多くの理由からオンラインプロセス測定
に適していない。まず第１に、泡がセル内に集まって光路を妨害する可能性があ
る。第２に、水および土が、セルの底に沈澱し、最終的に増加して光路を妨害す
る可能性がある。第３に、セルの窓は、測定を妨害するごみ(dirt)または「泥(m
uck)」を集める傾向がある。
通信用光ファイバーを通してアクセス可能なスペクトル領域では多くの炭化水
素の吸収が弱いために、長い光路長を持つ試料セルが可能である。これにより、
後述する幾つかの利点を得ることができる。
ここで図８を参照すれば、好ましい実施形態では、試料セル１２２の窓１３２
および１３４の各々が、あるいは低い表面自由エネルギーを持つ透明材料１４０
によって覆われているかあるいは透明材料１４０からなる（すなわち、透明材料
１４０を含んでいる）。このような材料の１つの例は、例えば、ガラスが１ｃｍ2
あたり５００ニュートンの表面自由エネルギーを持つのに対して、１ｃｍ2あた
り１５ニュートンの表面自由エネルギーを持つデュポン（DuPont）によって製造
された透明なテフロン（TEFLON AF-1600）である。それにより、窓１３２および
１３４を選択することは、親水性粒子と水分子のような不純物とが窓に付着しな
いよう保証し、泥が増加するという問題を回避する。
さらに図８を参照すれば、他の好ましい実施形態では、試料セル１２２が、頂
部１５０と底部１５２と、炭化水素入口１５４と、頂部１５０に配置された頂部
炭化水素出口１５６と、底部１５２に配置された底部炭化水素出口１５８とを含
んでいる。底部炭化水素出口１５８は、頂部炭化水素出口１５６より狭く選択さ
れ、セル１２２の頂部１５０から汚染物の少なくとも一部が除去されるように、
かつ、汚染物の低減された領域内で近赤外線が窓１３２と窓１３４との間を炭化
水素試料を通って進むように、底部１５２に堆積した不純物である水やごみ１６
０などの汚染物を除去する機能を果たす。
図８に示す試料セルは、一般に、物理的に大きく（例えば、容量３００ｍ１、
光路１００ｍｍ）頑丈である。試料液体は、底部からセル内に流れ込み、頂部を
通って流れ出る。穏やかなレベルの乱流がセル内に保たれ、試料の良好な混合を
保証する。セル内に入った泡は、光路からセルの頂部に上昇し、上記液体ととも
に頂部出口を通って出ていく。セルに入った水およびごみは、セルの底部で、光
路から蓄積して、そしてセルの底部で底部出口を通してセルから洗い流される。
底部出口は頂部出口よりずっと小さく、それゆえ、試料流れの大部分がセルの底
部からセルの頂部へと向かう一方、水およびごみを除去するために小さな流れが
底部出口を通るように保たれる。
この構成により、次のような多くの利点がもたらされる。まず第１に、セルに
水またはごみの蓄積がない。第２に、水、ごみ、および泡が、ほとんど全て光路
から遠ざけられる。第３に、穏やかな乱流は、測定を妨害するかもしれないシュ
リーレン(Schlieren)効果による光屈折をもたらす可能性がある試料中の不均一
性を防止する。そして、第４に、大容量のセルは、比較的小さい表面積を持ち、
低い表面積／容量比は、校正の間にあるいは小さな漏れ穴の存在によって生じる
かもしれない蒸発効果に対する試料の敏感さを低減する。
背景の項で述べたように、遠隔測定のスペクトル分析に利用可能な装置は、一
般に、３つの部分、（ｉ）放射線源と検知システムとを含む分析器、（ｉｉ）試
料に放射線を送信し放射線をを上記試料から受信するのに適したタイプの光プロ
ーブヘッド、および、（ｉｉｉ）放射線を分析器とプローブヘッドとの間に誘導
するのに適した光ファイバーで構成されている。
背景の項でさらに述べたように、放射線をプローブヘッドと分析器との間に誘
導するのに用いられている前述の光ファイバーの横には、プローブヘッドの動作
を制御するために分析器とプローブヘッドとの間に少なくとも１つの追加の接続
が必要とされる。先行技術の装置は、望ましい制御装置を実現するとともに光プ
ローブに対してその動作のための電力を供給するために、電気ケーブル（例えば
、デジタル通信リンクの形式、John Coats，Timothy Davidson and Lawrence Mc
Dermott（1992）The design and application of spectrometrics analyzers of
the chemical process industry（「化学プロセス工業におけるスペクトル分析
器の設計および適用」），Spectroscopy7(9)Pages 41-49を参照）を使用してい
る。しかしながら、例えば燃料精製所に電気ケーブルを敷設する作業は、電気ケ
ーブルが安全面の要件から特別な複雑で作成費用が嵩む導管内に隠す必要がある
ために、複雑な仕事である。プローブヘッドそれ自体の場所（すなわち、オンラ
イン）において、既存の電源電気ケーブルが種々の他の目的のために使われ、プ
ローブの動作に必要な電力をプローブに供給するのにも使用されるかもしれない
ので、光プローブヘッドの動作を制御するために分析器と光プローブとの間を接
続する少なくとも１つの制御光ファイバー（図１に１７０として示す）の使用は
、ここに初めて開示されたものである。どんなタイプの光ファイバーでもこの目
的に利用できるかもしれないが、通信用ファイバーはこの目的に理想的な特性を
持っている。このような制御伝送ファイバーは、どんな先行技術タイプの分析
器とどんな先行技術タイプの光プローブヘッドとの間にでも実装することができ
る。
このような接続が、先行技術のシステムで使用されているデジタル通信リンク
より安全でかつ安価であることが理解できよう。さらに図１に示すように、探知
器４２、光源２２、および演算手段（図示しない）のような分析器の種々の部分
の間の接続は、これらのコンポーネント全てが依然として精製所の制御区域に配
置されていることから、普通のデジタル通信リンク１７２によって実現すること
ができる。
それで、好ましい実施形態では、分析器とプローブまたは現場ユニットとの間
のデータ通信は１対の光ファイバーを通して行われる。分析器と現場ユニットと
の間の唯一の接続は、例えば、２本のスペクトル分析用光ファイバーと２本の通
信用光ファイバーとの４本の光ファイバーを持つ光ケーブルである。この構成は
、設置される必要のあるケーブルが１本だけであり、電気ケーブルが必要とする
ような保護も必要なく、結果として設置がずっと簡単になる。光ファイバーは、
大型のモーターによって生じるような電磁気的干渉を受けない。それらは、電気
ケーブルと異なり、爆発の危険も引き起こさない。
前記の背景の項で述べたように、炭化水素混合物の多くの特性は、該混合物の
光吸収を分析することによって求めることができる。これらの特性は、校正プロ
セスによってスペクトルデータと関連付けられる。スペクトルデータと、関連づ
けられた特性データ、すなわち、関心の対象である特性は、両者を数学的に関連
付ける「モデル」を作成するのに用いられる。上記のモデルは、一般に、Unscra
mbler(CAMO A/S，Olav Tryggvasongst 24，N-7011 Trondhein，Norway)のような
プログラムで作成される線形モデルである。それゆえ、先行技術の光学式を基本
とした分析器は、望ましいパラメータにスペクトル情報を関連づけるための線形
数学的モデルを含んでいる。
オクタン価は、燃料のアンチノック性を表現する炭化水素燃料の性能特性であ
る。炭化水素混合物のオクタン価は、その複数成分のオクタン価の非線形関数で
あることが知られている(C.T．Baird IV，Guide to Petroleum Product Blendin
g，page.17，HPI Consultants，Austin，Texas，1989参照）。それゆえ、非線形
の振る舞いの結果として、線形数学的モデルによるオクタン価の算出精度は、限
られたものとなる。
そこで、本発明に係る燃料試料のオクタン価の算出は、燃料試料の吸収スペク
トルデータを収集するとともに、非線形モデルによって燃料のオクタン価を計算
するのにスペクトルデータを使用するために、光学系（すなわち、何らかの適当
な光学系、例えば、特に限定されるものではないが、研究用分光光度計や、上述
した本発明に係るシステムの実施形態のいずれかが挙げられる）を使用する方法
によって行われる。
好ましい実施形態では、非線形モデルは、人工ニューラルネットワークを訓練
することによって得られる。人工ニューラルネットワークの訓練については、人
工ニューラルネットワークを利用した多変数校正のためのソフトウェア、Neural
-UNSC，version 1.02（1993）CAMO A/S Olav Tryggvasonat 24，N-7011 Trodhei
n，Norwayのユーザーガイドを参照されたい。これに関する完全な記述は、文献
の援用によることとする。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、人工ニューラルネ
ットワークの訓練は、（ａ）種々の炭化水素試料に関するスペクトルデータと炭
化水素のオクタン特性との間の回帰関係を規定する主成分であって、訓練データ
セットにおける種々の炭化水素試料間での主な系統変化を表すために最も関連性
の高い情報を含む主成分である訓練データセットを人工ニューラルネットワーク
に与え、（ｂ）ニューラルネットワークがテストデータセットのオクタン特性を
予測する精度を最適化するように訓練データセットを処理するために、テストデ
ータセット（すなわち、妥当性検査データセット）を人工ニューラルネットワー
クに与えることによって実現される。主成分は、一般に、先行技術の線形アルゴ
リズムを用いることにより得られる。先行技術の線形アルゴリズムとしては、主
成分回帰（ＰＣＲ）アルゴリズムあるいは部分最少二乗（ＰＬＳ）アルゴリズム
が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
炭化水素燃料のオクタン価予測のための非線形モデルの開発において重要な工
程が、ニューラルネットワークの構成の決定、すなわち、ニューラルネットワー
クに含まれるニューロンの数とニューロンが互いに結合する様式との決定である
。現在、ニューラルネットワークの構成の決定は、当該技術分野で良く知られて
いるようにオペレーターによってなされている。
上述の好ましい実施の形態におけるさらなる特徴によれば、線形アルゴリズム
の使用は、試料セルを除いた光学系の吸収スペクトルである対照スペクトルデー
タの収集を含み、上記線形アルゴリズムは、さらに、（ｉ）前処理された試料ス
ペクトルデータを得るために、試料スペクトルデータの各々から対照スペクトル
データを減算することによって試料スペクトルデータの各々を前処理し、（ｉｉ
）前処理された試料スペクトルデータの各々について、前処理された試料スペク
トルデータから高周波成分を除去し、前処理された試料スペクトルデータの低周
波成分を残すことによってベースラインを求め、（ｉｉｉ）ベースラインが修正
された試料スペクトルデータを得るために、前処理された試料スペクトルデータ
からベースラインを減算することによってベースライン訂正を実行し、（ｉｖ）
平滑化された試料スペクトルデータを得るために、高周波雑音を除去することに
よってベースラインが修正された試料スペクトルデータを平滑化し、（ｖ）平滑
化された試料スペクトルデータを積分し、（ｖｉ）正規化された試料スペクトル
データを得るために、平滑化された試料スペクトルデータにおける各点を積分値
で割ることによって平滑化された試料スペクトルデータを正規化し、（ｖｉｉ）
正規化された試料スペクトルデータを種々の燃料試料の炭化水素オクタン特性と
関連づけて、最も関連性の高い情報を含む主成分を得ることによってなされる。
ここで図１、７、および９を参照する。図９は、本発明に係る非線形モデルの
好ましい使用方法の概要を表すフローチャートである。好ましい使用によれば、
まず第１に、プローブヘッド３４の隔壁（すなわち、シャッター）１２６が、セ
ル１２２内への光路を遮断し、プローブヘッド３４にその自己参照モードの動作
をさせるのに使用される。第２に、モーター２８で動作されるフィルターハンド
ル３０を使用して波長校正処理がなされる。第３に、バックグラウンドが測定さ
れる。第４に、隔壁１２６が、そのサンプリングモードの動作にされる、すなわ
ち、セル１２２内への光路を非遮断状態にする。第５に、セル１２２によって収
容された炭化水素試料がスペクトル測定される。第６に、予め自己参照の間に求
められたバックグラウンドが試料スペクトルから減算される。第７に、このよう
にして得られた信号が吸収単位（ＡＵ）に変換される。第８に、ベースライン減
算処理が上述したようになされる。第９に、高周波雑音の平滑化処理が上述した
ようになされる。そして第１０に、スペクトル正常化処理が上述したようになさ
れる。
オクタン価予測のための非線形モデルの作成については、図９のフローチャー
トの左下部に注目してほしい。この場合、上記の記述は、訓練データセットおよ
びテストデータセットからなる炭化水素試料に関するものである。それで、オク
タン価算出のための非線形モデルを作成するためには、まず第１に、主成分回帰
（ＰＣＲ）あるいは部分最少二乗（ＰＬＳ）が、上述したように、主成分を得る
ために訓練データセットに対して行われる。第２に、人工ニューラルネットワー
クがこれらの主成分を用いて訓練される。第３に、テストデータセットが、矢印
で示されるように、結果の妥当性を検査するために繰り返し使用される。そして
第４に、結果の妥当性が検査されれば、オクタン価予測のために非線形モデルが
最適化されて有効となる。
非線形モデルを用いた化水素のオクタン価予測については、図９のフローチャ
ートの右下部に注目してほしい。この場合、上記の記述は、オクタン予測のため
の試料測定に関するものである。それで、炭化水素試料のオクタン価を予測する
ために、まず第１に、主成分か求められる。第２に、異常値(outliers)が検出さ
れれば警告信号がセットされる一方、異常値が検出されなければ、オクタン価予
測プロセスは第３段階に移行する。第３段階では、非線形モデルを用いて測定対
象の試料のオクタン価が予測され、報告される。
本発明のシステムは、初期のＮＩＲ機器と異なり、標準通信用光ファイバーの
使用に基づいて構築されている。このことは、システムが測定可能なスペクトル
の範囲を幾分制限するものの、石油化学工業において関心の対象となる材料に関
する不可欠な情報は全て、このスペクトルの範囲内で得ることができる。
標準通信用光ファイバーの使用は、多くの実用的な利点をもたらす。メイン分
析ユニットは、現場ユニット（すなわち、プローブ）から最高２マイルまで離れ
た所に配置することができる。結果として、メインユニットは、制御室のような
汎用区域に配置することができ、特別なハウジングや、ユーティリティー、メイ
ンテナンスを一切必要としない。光ファイバーは、容易に利用可能で、安価で、
しかも容易に設置できる。これらの光ファイバーは、湿度がなく、それゆえ、幾
つかのシリカファイバーがＮＩＲ領域で示す温度効果を受けない。
本発明に係るシステムの典型的な精製所内への設置作業は、上述したように精
製所の配管に沿った種々の位置に配置された現場ユニット（すなわち、光プロー
ブヘッド）と光学式ファイバーを通してスペクトル通信しているメイン分析ユニ
ットの設置、例えば精製所の汎用区域内の制御室への設置を含んでいる。
望ましい実施形態では、現場ユニットも汎用区域（すなわち、オフライン）内
の分析室に配置され、現場ユニットは、メイン分析器ユニットとスペクトル通信
し、分析室において手動の炭化水素分析のために使用されている一般的な他のス
ペクトル機器に取って代わる。この構成は、ＮＩＲ領域の光を効率的に伝送する
ことができる通信用光ファイバーを使用しているために、最高２マイル（３キロ
メートル）にまで適応する。この構成は、分析室に配置されたユニットが、他の
機器として、妥当性検査、校正、タンクに格納された燃料の測定などに使用する
ことができる一方、単一のメイン分析ユニットを使用していることから異なる複
数の機器の使用に伴う反復性の問題が低減されるという利点を持っている、
スペクトル分析における単光束光ファイバーの使用は、取るに足らないことで
はない。上記光ファイバー自体が、処理されなくてはならないモードノイズの主
要な発生源となるかもしれない。参照装置が、モード雑音を低減するために必要
とされる。システム設計を簡素化するために、このような参照装置は、上記シス
テムの他の光学素子（光源、分光写真器、検知器など）を補償できるものである
ことが望ましい。
最新の光学系は、効率的にこれらの効果を補償する。Ｓｅｌａの米国特許５，
３８１，２３７号に開示されている革新的なプローブ構成は、試料セルとの効率
的な光結合、およびファイバー光効果に対するバックグラウンド補正を可能にす
る。上記試料セル構成は、透過測定のために設計された自己参照装置である。革
新的な試料セル構成および構成材料が、試料の状態を調整する必要がないシステ
ムを生み出した。この試料セルと、関連するアルゴリズムとは、追加の温度プロ
ーブなしに温度補償を可能にする。試料流れにおける適度なレベルの水（最高５
％）、泡、および微粒子は、測定を妨害しない。それゆえ、本発明のシステムに
よるＮＩＲスペクトル分析の使用は、分析対象の試料から気泡、微粒子、不均一
性、および水のような不純物を除去してもっと多くの正確な結果を得るために、
試料の状態を調整するシステム（ＳＣＳ）（ＳＣＳの使用については、例えば、
John Coats，Timothy Davidson and Lawrence McDermott（1992）The design an
d application of spectrometrics analyzers of the chemical process indust
ry，Spectroscopy 7(9)Pages 41-49を参照）を使用する必要を省く。
「訓練セット」（元来機器を校正するために使われる試料のセット）と顕著に
異なる試料も、機器校正範囲を外れているにもかかわらず機器によって測定され
るであろう。これらの試料は「異常物」(”outliers”)と呼ばれる。異常値が検
出された場合に、上記現場ユニットが分析室で分析する対象の試料を自動的に、
その後に上記の「異常物」を上記モデルの校正範囲に含める後のモデル更新を可
能にしてもよい。
上記構成の更なる特徴は、現場ユニットとメイン分析ユニットとの間の全ての
通信がファイバー光ケーブル内の追加のファイバーを介して行われることである
。両ユニットの間には電気的な接続が一切必要ない。現場ユニットは、現場で容
易に入手可能な電力によって作動される。
システムは、本質的にメインテナンスを必要としない。それは、ＮＩＲシステ
ムを含むプロセス分析器において一般に見られた複雑な機械的組立てを一切必要
としない。必要とされる日常的な整備は、周期的な光源の取り替えだけである。
本発明について限定された数の実施形態に関して記述したが、本発明について
多くの変更、部分的変更、および他の応用をなしうることが分かるであろう。
上記の記載と一緒に次の各実施例を参照して、本発明を具体的に説明する。
〔実施例１〕
図１０および１１は、種々の燃料についての、残留リサーチ法オクタン価（Ｒ
ＯＮ）（すなわち、ＡＳＴＭ Ｄ０２６９９に従いリサーチノックエンジン(Cor
e Laboratories製）によって測定されたＲＯＮとスペクトル分析によって算出さ
れたＲＯＮとの間の差）と、スペクトル分析によって算出された予測ＲＯＮとの
間の相互関係を表し、図１０においてはＲＯＮ予測が線形モデル、この場合には
ＰＬＳＩによってなされ、図１１においてはＲＯＮ予測が上述した非線形ニュー
ラルネットワーク技術によって作成された非線形モデルによってなされている。
図示しないが、ＡＳＴＭ ０２７００によれば、モーター法オクタン価（ＭＯＮ
）についても類似の結果が得られた。
図１０および１１のグラフにおける太線によって縁取りされた点の分布の相違
に注目してほしい。図１１に示す非線形モデルを用いたＲＭＳＥＰは０．１５し
かないのに対して、図１０に示す線形モデルの場合におけるの予測二乗平均平方
根誤差（ＲＭＳＥＰ）は０．１９であり、線形モデルに対し相当な改良である。
〔実施例２〕
種々の燃料に関する種々の物理的特性、化学的特性、および性能特性の算出に
おける本発明のシステムの精度は、統計的方法によって評価した。結果を下の表
２に示す。
表２
システム精度
表２は、測定対象の特性の各々について表２に示す範囲内の少なくとも１００
点で測定し、本発明のシステムによって得られた結果を、標準方法（例えば、Ｒ
ＯＮおよびＭＯＮのそれぞれのためのＡＳＴＭ Ｄ０２６９９およびＡＳＴＭ０
２７００）によって得られた結果と比較することによって求められたＲＭＳＥＰ
値および相関係数に測定された特性の各々に起因するとみなして、統計的に表す
。測定された全ての特性について高い相関係数値が得られていることに注目して
ほしい。これは、燃料特性を求める際における本発明に係るシステムの妥当性を
示している。
〔実施例３〕
ここで図１２および１３を参照する。図１２は、本発明に係るシステムの精製
所内への代表的な設置を概略的に表す。メイン分析ユニットは、上述した光学式
ファイバーを通して、例えば精製所の汎用区域内の制御室に設置され、いずれも
精製所の危険区域に配置された３つの配管である改質管、流動接触分解（ＦＣＣ
）管、および混合管に配置された３つの現場ユニット（すなわち、光プローブヘ
ッド）とスペクトル通信している。メイン分析ユニットは、これらの配管に関す
るデータを、配管を制御する精製所制御システムおよび分析室に供給し、分析室
では試料の手動の検査を、例えば上述した追加の現場ユニットを用いて並列に行
うことができ、その追加のユニットはメイン分析ユニットにスペクトル的に接続
されている。
図１３は、モーターノックエンジンを使用するＡＳＴＭ ０２７００の方法に
よって測定された当該燃料のＭＯＮの関数として、前述した本発明のシステムお
よび非線形モデルを用いて求めた、３つの異なる精製所配管から異なる段階で得
られた燃料のモーター法オクタン価（ＭＯＮ）を表し、接触分解（ＦＣＣ）管を
黒点で、改質管を黒より薄い点で、混合機を薄い点で示す。
全ての点が対角線から狭い範囲内にあることに注目してほしい。これは、本発
明のシステムによって行われた測定の妥当性および普遍性を示している。
〔実施例４〕
図１４は、本発明のシステムおよび非線形モデルを用いて求めた燃料精製所内
における３カ月間のリサーチ法オクタン価（ＲＯＮ）およびモーター法オクタン
価（ＭＯＮ）のプロット（それぞれプロット１７４および１７６）と、従来の２
つの方法、すなわちＡＳＴＭ Ｄ０２６９９およびＡＳＴＭ ０２７００（プロ
ット１７８および１８０）のそれぞれによる同一期間のプロットとを示す。
なお、本発明のシステムおよび従来の方法を用いたＲＯＮの測定値とＭＯＮの
測定値との間には、ＲＯＮおよびＭＯＮの両方の低下が記録された３２日目を含
めて強い相互関係が存在する。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １．炭化水素の遠隔リアルタイム近赤外スペクトル分析のためのシステムであ って、 （ａ）近赤外線を発生させるための光源と、 （ｂ）分析対象の炭化水素試料とオンライン接触している光プローブヘッドと 、 （ｃ）上記近赤外線が少なくとも１度は炭化水素試料を通り該試料のスペクト ルが生成されるように、上記近赤外線を上記光プローブヘッド内に入射させるた めの少なくとも１本の標準通信用送信光ファイバーと、 （ｄ）上記スペクトルを分析するための検知器と、その一部が上記の検知器お よび光源で構成される分析器と、 （ｅ）上記試料を通過した後の近赤外線を受信して該近赤外線を上記検知器に 入射させるための少なくとも１本の標準通信用受信光ファイバーとを含み、上記 標準通信用受信光ファイバーの各々が、グレーデッド型のドーピングされたシリ カからなり、かつ、約５０〜１００マイクロメーターの核直径を有するシステム 。 ２．上記の光源が、 （ａ）平行な形で伝播する近赤外線を発生させるための照明器と、 （ｂ）モーターによって動作される波長校正のためのフィルターホイールと、 （ｄ）近赤外線を上記送信光ファイバー内に方向づけるための視準光学系とを 含む請求項１記載のシステム。 ３．上記照明器が、近赤外線の平行な伝播をもたらすための凸レンズを含む請 求項２記載のシステム。 ４．燃料プラントの汎用区域でオフラインであり、追加の通信用光ファイバー によって分析器とスペクトルの通信をしている１つの追加の光プローブヘッドを さらに含み、上記の１つの追加光プローブヘッドが炭化水素の手動分析のための ものである請求項１記載のシステム。 ５．上記視準光学系が第１の勾配屈折率レンズを含む請求項２記載のシステム 。 ６．上記の少なくとも１つの送信光ファイバーが、第１の勾配屈折率レンズに 取り付けられた第１の口金内に保持されている請求項５記載のシステム。 ７．上記通信用光ファイバーが勾配屈折率を有する請求項５記載のシステム。 ８．上記光プローブヘッドが、 （ａ）その少なくとも１つの面が炭化水素試料と光学的接触をしている勾配屈 折率レンズと、 （ｂ）勾配屈折率レンズを通って来た近赤外線を、炭化水素試料を通して勾配 屈折率レンズに戻るように反射させるように配置された鏡とを含み、 上記の少なくとも１つの送信光ファイバーが、光プローブヘッドの勾配屈折率 レンズ内に近赤外線を入射させるためのものであり、上記の少なくとも１つの送 信光ファイバーと上記の少なくとも１つの受信光ファイバーとは、上記送信光フ ァイバーによって勾配屈折率レンズ内に入射された近赤外線が勾配屈折率レンズ および炭化水素試料を通って鏡に到達し鏡によって反射されて炭化水素試料およ び勾配屈折率レンズを通り上記の少なくとも１つの受信光ファイバーによって受 信されるような位置に、勾配屈折率レンズと両方の光ファイバーとを位置合わせ できるよう、勾配屈折率レンズと比較してしっかりと保持されている請求項１記 載のシステム。 ９．上記の少なくとも１つの送信光ファイバーと上記の少なくとも１つの受信 光ファイバーとが、上記勾配屈折率レンズに取り付けられた口金内に保持されて いる請求項８記載のシステム。 １０．上記の光ファイバーと勾配屈折率レンズとの位置合わせは、光ファイバ ーの１本を通して近赤外線を導入し、光ファイバーと勾配屈折率レンズとを他の 光ファイバー内で最大の近赤外線強度が検出されるまで相対的に移動させ、光フ ァイバーおよび勾配屈折率レンズの位置を固定することによって実現されている 請求項８記載のシステム。 １１．上記光プローブヘッドは、分析対象の炭化水素試料を入れるための試料 セルを含み、上記セルは、第１および第２の透明な窓を含み、上記の勾配屈折率 レンズの少なくとも１つの面は、第１の窓を介して炭化水素試料と間接的に接触 しており、上記の鏡は、第２の窓の裏側にある請求項８記載のシステム。 １２．第１および第２の窓の各々が、低い表面自由エネルギーを有する材料を 含んでいる請求項１１記載のシステム。 １３．上記の低い表面自由エネルギーを有する材料が透明なフルオロカーボン 重合体である請求項１２記載のシステム。 １４．試料セルが、頂部と、底部と、炭化水素入口と、頂部に配置された頂部 炭化水素出口と、底部に配置された底部炭化水素出口とを含み、底部炭化水素出 口が、頂部炭化水素出口より狭く、セルの頂部から汚染物の少なくとも一部が除 去されるように、かつ、汚染物の低減された領域内で近赤外線が炭化水素試料を 通過するように底部に堆積した汚染物を除去する機能を果たすものである請求項 １１記載のシステム。 １５．上記光プローブが、 （ａ）勾配屈折率レンズと、 （ｂ）勾配屈折率レンズを通って来た近赤外線を、炭化水素試料を通して勾配 屈折率レンズに戻るように反射させるように配置された鏡と、 （ｃ）勾配屈折率レンズと鏡との間に配された可動隔壁とを含み、上記隔壁は 、鏡と勾配屈折率レンズとの間で近赤外線を交替に遮断状態および非遮断状態と する機能を果たし、 上記の少なくとも１つの送信光ファイバーは、勾配屈折率レンズ内に近赤外線 を入射させるためのものであり、上記の少なくとも１つの送信光ファイバーと上 記の少なくとも１つの受信光ファイバーとは、上記隔壁が鏡と勾配屈折率レンズ との間で近赤外線を遮断していないときに上記送信光ファイバーによって勾配屈 折率レンズ内に入射された近赤外線が勾配屈折率レンズおよび炭化水素試料を通 って鏡に到達し鏡によって反射されて炭化水素試料および勾配屈折率レンズを通 り上記の少なくとも１つの受信光ファイバーによって受信され、かつ、上記送信 光ファイバーによって上記勾配屈折率レンズ内に入射されて上記勾配屈折率レン ズと上記試料との界面で反射された近赤外線が上記の少なくとも１つの受信光フ ァイバーによって受信されるような位置に、勾配屈折率レンズと光ファイバーと を位置合わせできるよう、勾配屈折率レンズと比較してしっかりと保持されてい る請求項１記載のシステム。 １６．上記の少なくとも１つの送信光ファイバーと上記の少なくとも１つの受 信光ファイバーとが、上記勾配屈折率レンズに取り付けられた口金内に保持され ている請求項１５記載のシステム。 １７．上記の光ファイバーと勾配屈折率レンズとの位置合わせは、光ファイバ ーの１本を通して近赤外線を導入し、光ファイバーと勾配屈折率レンズとを他の 光ファイバー内で最大の近赤外線強度が検出されるまで相対的に移動させ、光フ ァイバーおよび勾配屈折率レンズの位置を固定することによって実現されている 請求項１５記載のシステム。 １８．上記光プローブヘッドは、分析対象の炭化水素試料を入れるための試料 セルを含み、上記セルは、第１および第２の透明な窓を含み、上記の勾配屈折率 レンズの少なくとも１つの面は、第１の窓を介して炭化水素試料と間接的に接触 しており、上記の鏡は、第２の窓の裏側にある請求項１５記載のシステム。 １９．第１および第２の窓の各々が、低い表面自由エネルギーを有する材料を 含んでいる請求項１８記載のシステム。 ２０．上記の低い表面自由エネルギーを有する材料が透明なフルオロカーボン 重合体である請求項１９記載のシステム。 ２１．試料セルが、頂部と、底部と、炭化水素入口と、頂部に配置された頂部 炭化水素出口と、底部に配置された底部炭化水素出口とを含み、底部炭化水素出 口が、頂部炭化水素出口より狭く、セルの頂部から汚染物の少なくとも一部が除 去されるように、かつ、汚染物の低減された領域内で近赤外線が炭化水素試料を 通過するように底部に堆積した汚染物を除去する機能を果たすものである請求項 １８記載のシステム。 ２２．上記光プローブヘッドは、分析対象の炭化水素試料を入れるための試料 セルを含み、上記セルは、第１および第２の透明な窓を含み、上記の勾配屈折率 レンズの少なくとも１つの面は、第１の窓を介して炭化水素試料と間接的に接触 しており、上記の鏡は、第２の窓の裏側にある請求項１記載のシステム。 ２３．第１および第２の窓の各々が、低い表面自由エネルギーを有する材料を 含んでいる請求項２２記載のシステム。 ２４．上記の低い表面自由エネルギーを有する材料が透明なフルオロカーボン 重合体である請求項２３記載のシステム。 ２５．試料セルが、頂部と、底部と、炭化水素入口と、頂部に配置された頂部 炭化水素出口と、底部に配置された底部炭化水素出口とを含み、底部炭化水素出 口が、頂部炭化水素出口より狭く、セルの頂部から汚染物の少なくとも一部が除 去されるように、かつ、汚染物の低減された領域内で近赤外線が炭化水素試料を 通過するように底部に堆積した汚染物を除去する機能を果たすものである請求項 ２２記載のシステム。 ２６．炭化水素の遠隔リアルタイムスペクトル分析のためのシステムであって 、 （ａ）光線を発生させるための光源と、 （ｂ）分析対象の炭化水素試料とオンライン接触している光プローブヘッドで あって、分析対象の炭化水素試料を入れるための試料セルを含む光プローブヘッ ドと、 （ｃ）上記光線が少なくとも１度は炭化水素試料を通り該炭化水素試料のスペ クトルが生成されるように、上記光線を上記光プローブヘッドに入射させるため の少なくとも１本の送信光ファイバーと、 （ｄ）上記スペクトルを分析するための検知器と、その一部が上記の検知器お よび光源で構成される分析器と、 （ｅ）上記試料を通過した後の光線を受信して該光線を上記検知器に入射させ るための少なくとも１本の受信光ファイバーとを含み、 上記試料セルは、頂部と、底部と、炭化水素入口と、頂部に配置された頂部炭 化水素出口と、底部に配置された底部炭化水素出口とを含み、底部炭化水素出口 は、頂部炭化水素出口より狭く、セルの頂部から汚染物の少なくとも一部が除去 されるように、かつ、汚染物の低減された領域内で光線が炭化水素試料を通過す るように底部に堆積した汚染物を除去する機能を果たすものであるステム。 ２７．上記システムが、上記試料の少なくとも１つの特性を求めるためのもの であり、上記の少なくとも１つの特性が、炭化水素の物理的特性、炭化水素の化 学的特性、および炭化水素の性能特性からなる群より選ばれたものである請求項 １記載のシステム。 ２８．（ａ）上記性能特性が、モーターオクタン価およびリサーチ法オクタン 価からなる群より選ばれたものであり、 （ｂ）上記物理的特性が、リード蒸気圧、粘度、ＡＰＩ比重、凝固点、流動点 、引火点、曇点、および留出温度からなる群より選ばれたものであり、 （ｃ）上記化学的特性が、全芳香族留分の容量、ベンゼン留分の容量、ＭＴＢ Ｅ留分の容量、各種オレフィン留分の容量、およびＰＩＯＮＡからなる群より選 ばれたものである請求項２７記載のシステム。 ２９．炭化水素試料のオクタン価を求める方法であって、 （ａ）炭化水素試料を入れるための試料セルを有する光学系であって、炭化水 素試料の吸収スペクトルデータを集めるための光学系を使用する工程と、 （ｂ）非線形モデルによって炭化水素試料のオクタン価を算出するためにスペ クトルデータを使用する工程とを含む方法。 ３０．上記非線形モデルが、人工ニューラルネットワークを訓練することによ って得られる請求項２９記載の方法。 ３１．上記の人工ニューラルネットワークの訓練が、 （ａ）種々の炭化水素試料に関するスペクトルデータと炭化水素のオクタン特 性との間の回帰関係を規定する主成分であって、訓練データセットにおける種々 の炭化水素試料間での主な系統変化を表すために最も関連性の高い情報を含み、 かつ、線形アルゴリズムを用いて算出されている主成分である訓練データセット を人工ニューラルネットワークに与え、 （ｂ）ニューラルネットワークがテストデータセットのオクタン特性を予測す る精度を最適化するように訓練データセットを処理するために、テストデータセ ットを人エニューラルネットワークに与えることによって実現される請求項３０ 記載の方法。 ３２．上記線形アルゴリズムの使用が、試料セルを除いた光学系の吸収スペク トルである対照スペクトルデータの収集を含み、上記線形アルゴリズムは、さら に、 （ｉ）前処理された試料スペクトルデータを得るために、試料スペクトルデー タの各々から対照スペクトルデータを減算することによって試料スペクトルデー タの各々を前処理し、 （ｉｉ）前処理された試料スペクトルデータの各々について、前処理された試 料スペクトルデータから高周波成分を除去し、前処理された試料スペクトルデー タの低周波成分を残すことによってベースラインを求め、 （ｉｉｉ）ベースラインが修正された試料スペクトルデータを得るために、前 処理された試料スペクトルデータからベースラインを減算することによってベー スライン訂正を実行し、 （ｉｖ）平滑化された試料スペクトルデータを得るために、高周波雑音を除去 することによってベースラインが修正された試料スペクトルデータを平滑化し、 （ｖ）平滑化された試料スペクトルデータを積分し、 （ｖｉ）正規化された試料スペクトルデータを得るために、平滑化された試料 スペクトルデータにおける各点を積分値で割ることによって平滑化された試料ス ペクトルデータを正規化し、 （ｖｉｉ）正規化された試料スペクトルデータを種々の炭化水素試料の炭化水 素オクタン特性と関連づけて、最も関連性の高い情報を含む主成分を得ることに よってなされる請求項３１記載の方法。 ３３．上記線形アルゴリズムが、主成分回帰アルゴリズムおよび部分最小二乗 アルゴリズムからなる群より選ばれたものである請求項３２記載の方法。 ３４．炭化水素の遠隔リアルタイムスペクトル分析のためのシステムであって 、 （ａ）光線を発生させるための光源と、 （ｂ）分析対象の炭化水素試料とオンライン接触している光プローブヘッドと 、 （ｃ）上記光線が少なくとも１度は炭化水素試料を通るように、かつ、光線の 少なくとも一部が炭化水素試料によって吸収されて試料に関連づけられたスペク トルが生成されるように、上記光線を上記光プローブヘッドに入射させるための 少なくとも１本の送信光ファイバーと、 （ｄ）上記スペクトルを分析するための検知器と、その一部が上記の検知器お よび光源で構成される分析器と、 （ｅ）上記試料を通過した後の光線を受信して該光線を上記検知器に入射させ るための少なくとも１本の受信光ファイバーと、 （ｆ）光プローブヘッドを制御するために、分析器と光プローブヘッドとの間 を接続する少なくとも１本の制御光ファイバーとを含むシステム。
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