JP2002507739A - 電磁輻射フィルタリングデバイスの波長較正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、装置外部にあって輻射が伝搬する伝搬媒体のスペクトル透過率を測定する装置（１０；３２）内にある電磁輻射フィルタリングデバイス（１６）の波長較正の方法に関する。前記フィルタリングデバイスは、波長範囲内において、物理的パラメータの値に基づいて同調可能なスペクトル透過率を有している。本発明は、伝搬媒質内に常に自然な形態で存在するガス吸収線であって、その波長がフィルタリングデバイスの同調可能な波長範囲内に含まれるものをを少なくとも一つ選択し、そして、前記選択した少なくとも一つのガス吸収線を自然の参照標準として用いて、フィルタリングデバイスを較正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、装置の外部にある輻射の透過する伝搬媒質のスペクトル透過率（sp
ectrum transmission）を測定する当該装置に含まれている電磁輻射フィルタリ ングデバイスの波長を較正する方法に関する。

【０００２】 ガス分析器、ガスセンサなどをはじめとするガスの熱量を測定する装置などの
周知の装置は、一つ以上の輻射源と、物理的なパラメータに基づいて前記輻射の
波長範囲において同調可能なスペクトル透過率を有するフィルタリングデバイス
と、前記輻射源から放射される輻射を検出するデバイスを含んで構成され、輻射
源と前記検出デバイスは、伝搬媒質を介して離間して配置される。

【０００３】 同調可能なフィルタリングデバイスの一つの特徴は、このデバイスに加えられ
る物理的なパラメータの値Ｖと、フィルタリングデバイスの透過率の最大値に対
応する中心波長λ_maxとの間の関係である。

【０００４】 この関係λ_max（Ｖ）は、一例として、フーリエ変換分光計を用いて、前記デ バイスに加えられる物理的なパラメータの値Ｖを変えてフィルタリングデバイス
の透過率を測定し、次に、フィルタリングデバイスの透過率が最大となるところ
に対応する中心波長の値を決定することによって、求めることができる。

【０００５】 図１は、物理パラメータの値Ｖ₁、Ｖ₂に対して得られたそれぞれの中心波長に
同調されたフィルタリングデバイスの波長とスペクトル透過率Ｔの関係を示して
いる。

【０００６】 波長を較正する作業は一般には実験室で行われる。この較正は、分光計の内部
の特性に依存する。その後、装置は現場に設置される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】 この装置を使用している間に、すなわちフィルタリングデバイスを使用してい
る間に、フィルタリングデバイスの透過率が最大となる中心波長と、フィルタリ
ングデバイスの制御値Ｖとの間の関係λ_max（Ｖ）は変化しうることが知られて いる。

【０００８】 このような変化は、一例として、フィルタリングデバイスが使用されていると
きは、較正されたときの温度条件とは異なる温度にさらされるという事実によっ
て説明することができる。

【０００９】 このような変化は、また、フィルタリングデバイスが作られている材料の経年
変化に起因する場合もある。

【００１０】 このような場合にできることは、装置をその場から移動し、もう一度前述のよ
うに実験室でフィルタリングデバイスの較正を行い、この再較正を行ったフィル
タリングデバイスとともに装置を再度現場に設置するということである。

【００１１】 したがって、フーリエ変換分光計を使う必要性を伴わずに実験室で較正を行う
という問題、そして、装置をその場から移動する必要性を伴わずに較正を行うと
いう問題のうちの少なくとも一方を解決する波長較正方法を見いだすことができ
れば、有益である。

【００１２】 かかる目的のために、装置外部の輻射の通過する伝搬媒質のスペクトル透過率
を測定する当該装置（１０；３２）に含まれる電磁輻射フィルタリングデバイス
（１６）のための波長較正の方法であって、前記フィルタリングデバイスは、物
理的パラメータの値に基づいて前記輻射の波長の範囲内で同調可能なスペクトル
透過率を有しており、 伝搬媒質内に自然な形態で常に存在するガス吸収線であって、その対応する波
長が前記フィルタリングデバイスの同調可能な波長範囲に含まれるものを少なく
とも一つ選択するステップと、 自然の参照標準として用いられる前記少なくとも一つのガス吸収線を用いてフ
ィルタリングデバイスを較正するステップと、 からなることを特徴とする方法を提供する。

【００１３】 この方法は、たとえば参照標準ガスを含んだセルを伴わせることによって、フ
ィルタリングデバイスが含まれている装置の変更を必要としないため、適用が非
常に容易である。

【００１４】 前記少なくとも一つのガス吸収線としては、フィルタリングデバイスのスペク
トル幅よりも小さいかあるいは等しいスペクトル幅を有し、かつ、他のガス吸収
線によってマスクされないだけの十分な強度を有するものを選択することが望ま
しい。

【００１５】 したがって、この方法は、フィルタリングデバイスを含んでいる装置が、使用
される場所に設置された状態で、フィルタリングデバイスを較正する場合に用い
るのに有効である。

【００１６】 この方法によれば、参照標準として用いられるガス吸収線が伝搬媒質内に元々
存在するので、較正を行うために装置を実験室に搬送するという必要がなくなる
。

【００１７】 伝搬媒質としては、たとえば大気を用いることができ、また、装置としては、
大気中の二酸化炭素の光線を自然の参照標準とする一酸化炭素センサとすること
ができる。

【００１８】 前記装置は、望ましくは、少なくとも一つの電磁輻射の放射源と、放射源から
放射される輻射を検出するデバイスとを含み、前記放射源及び検出デバイスは、
前記伝搬媒質を間に介して分離されているものとする。

【００１９】 また、スペクトル透過率を測定するガスであって、本発明の方法によって自然
の参照標準として用いられるガス吸収線を含むある容量のガスを、前記放射源と
検出デバイスの間に置くことが可能である。

【００２０】 この場合、本発明によると、間に置かれたある量のガスは、伝搬媒質としての
役割を果たす。

【００２１】 もしも、この間に置かれたある量のガスが放射源と検出デバイスの間の空間全
体を占めない場合は、このガス内の自然のガス吸収線と、放射源と検出デバイス
の間の前記ガスで占められていない残りの空間の自然のガス吸収線を、使用する
吸収線として選択することができる。

【００２２】 この方法は、初めて使用するよりも前に実験室内でフィルタリングデバイスを
較正するときにも適用することもでき、その場合もフーリエ変換分光計を使わな
くて済む。

【００２３】 より詳しく述べると、本発明の方法は、フィルタリングデバイスに加える物理
的パラメータを変えて、前記フィルタリングデバイスのスペクトル透過率の最大
値の波長を参照ガス吸収線の波長と一致させるステップと、 一般的振舞いが予め分かっている法則であって、波長フィルタリングデバイス
の同調特性を支配する法則の係数を導くステップと、 この法則から、他の物理的パラメータの値であって、それぞれが使用中にフィ
ルタリングデバイスのスペクトル透過率が同調される波長範囲に対応する値を決
定するステップと、 からなる各ステップを連続的に実行する。

【００２４】 たとえば、前記電磁輻射波長範囲から、他のガス吸収線からみて最も強度の高
いガス吸収線を選択することが可能である。

【００２５】 ガス吸収線は、波長範囲の最大吸収波長に対応するので、フィルタリングデバ
イスの較正中にガス吸収線を特定するのは容易である。

【００２６】 また、較正の信頼性を高めるためには、一つのガス吸収線だけを選択するより
も、電磁輻射波長範囲から二つのガス吸収線を選択する方が有利である。

【００２７】 電磁輻射は、赤外線とするのが望ましい。

【００２８】 ガス吸収線の一つは、１．６６６ミクロンにおけるメタンのガス吸収線とする
。

【００２９】 また、ガス吸収線として、フィルタリングデバイスの意図している波長領域に
応じて、１．７９１ミクロンにおけるメタンのガス吸収線を選択するのも有用で
ある。

【００３０】 望ましくは、フィルタリングデバイスに、物理的パラメータとして、電界を電
圧の形態で印加するが、磁界を用いることも可能である。

【００３１】 その他、以下のようにすることもできる。 −フィルタリングデバイスとしてファブリ・ペロー干渉計を用いる −ファブリ・ペロー干渉計は短い干渉計（a short interferometer）とする −ファブリ・ペロー干渉計は微細加工された干渉計とする −装置はガス分析器とする −装置はガスの熱量を測定する装置とする −装置はガスセンサとする。

【００３２】 以下の説明により、他の特徴及び利点が明らかとなる。ただし、以下の説明は
限定的なものではなく、例示を目的とするものである。

【００３３】 図２に、一酸化炭素ガスセンサなどのガスの濃度を測定する装置を例示し、符
号１０で示す。この装置は電磁輻射の放射源１２を含んでおり、この輻射として
は、赤外領域の輻射が望ましい。この輻射は、装置の外部にある、たとえば大気
などの伝搬媒質１４を横切るように放射される。ただしこれ以外にも、可視領域
、紫外領域、超短波領域、あるいはＸ線領域の輻射を用いることもできる。

【００３４】 赤外輻射の放射源１２としては、たとえばタングステン・フィラメントからな
る広帯域放射源を用いることができ、これは０．８μｍから２０μｍの波長の輻
射を放射する。

【００３５】 装置１０は、フィルタリングデバイス１６を有している。これは、放射源１２
から放射され、媒質１４内を伝搬する輻射を濾波する。

【００３６】 このデバイスは、装置の機能を変えることなく、放射源１２の前に直接配置す
ることもできる。

【００３７】 フィルタリング・デバイス１６は、一例として、ショート・ファブリ・ペロー
干渉計（a short Fabry-Perot interferometer）とする（干渉計の次数（order ）が、たとえば１０の）。

【００３８】 このフィルタリングデバイス１６は、周知の微細加工技術を用いて、シリコン
から製造することができる。

【００３９】 このようなフィルタリングデバイスは、たとえばヨーロッパ特許公報ＥＰ０６
０８０４９号及びＥＰ０２１９３５９号において説明されている。図３ａ及び図
３ｂに示してあるように、フィルタリングデバイス１６は、支持手段となる固定
電極１８及び可動電極２０からなり、両者は、可動電極２０が変形しない状態で
所定距離ｅ₀だけ離れている。

【００４０】 この位置（静止位置と呼ぶ）で、図３ａに矢印Ｒで示した輻射は、２ｅ₀に等 しい波長λ₀（及びこの波長の高調波）に濾波される。

【００４１】 フィルタリングデバイス１６は、スペクトル透過率Ｔを示す（図１参照）。こ
のスペクトル透過率Ｔは、赤外輻射波長領域において電磁界などの物理的パラメ
ータの値の関数として同調させることができる。言い換えると、前記フィルタリ
ングデバイスに印加する電磁界を変えることによって、フィルタリングデバイス
の透過率の最大値となる波長を、前述の領域に含まれる異なる波長と一致させる
ことができる。

【００４２】 正確に言うと、電磁界というのは電圧源２２によって生成される電界であるが
、これは磁界であってもよい。たとえば、磁石を固定電極に取り付け、コイルを
可動電極上に置くことができる（あるいはその逆）。コイル内を流れる電流は、
可動電極を固定電極に近づけ、これにより、フィルタリングデバイスが同調され
る波長を変位させる。

【００４３】 前述の物理的パラメータを、「温度」とすることもできる。その場合は、可動
電極と固定電極の間に熱膨張係数の大きい材料で作ったくさびを挿入することが
できる。温度が変化すると、くさびは両電極間の距離を変位させ、結果として、
フィルタリングデバイスの特定波長における同調特性を変えることができる。

【００４４】 電圧源２２は、可動電極及び固定電極に接続されており、電圧が印加されると
（図３ｂ）、可動電極は変形し、固定電極に近づく。その結果、両電極間の距離
はｅ₁に縮まり（ｅ₁＜ｅ₀）、輻射は２ｅ₁に等しい波長λ₁に濾波される。この ように、電圧値を変えることによって、フィルタリングデバイスを種々の波長に
同調させることができる。

【００４５】 波長範囲は、一例として、４μｍから５μｍとする。

【００４６】 装置１０は、さらに、部分的に伝搬媒質１４に吸収され、フィルタリングデバ
イス１６によって濾波される輻射を検出する検出デバイス２４を含んでいる。

【００４７】 検出デバイス２４は、ボロメーター、サーモセル、フォトダイオードなどの広
帯域幅検出器である。

【００４８】 赤外線輻射に含まれているエネルギーのうち検出器が受け取るエネルギーは、
この輻射を示す電気信号に変換される。

【００４９】 この信号は、その後増幅され、変換器２６によって数値信号に変換されて、マ
イクロプロセッサ２８に送られる。

【００５０】 アナログ・ニューメリック変換器（analogical numeric converter）３０は、
フィルタ１６のスペクトル透過率を異なる波長に同調させるのに用いられる。

【００５１】 初期近似として、干渉フィルタの透過率は、次のようなガウス型と見なすこと
ができる：

【００５２】

【数１】 ここで、Ｖはフィルタの電圧、λ_maxは透過率が最大値となる波長、σはその幅 である。

【００５３】 同調可能なフィルタリングデバイス１６に対して、最大透過率の波長λ_maxは 、次の公式に従って制御電圧Ｖと共に変化する： λ_max（λ_max−λ_max0）＋（ＫＶ）²＝０ ［１］ ここで、λ_max0（μｍ）は、Ｖ＝０（＝Ｖ₀）におけるフィルタリングデバイス の最大透過率の波長であり、Ｋ（μｍ／Ｖ）は、フィルタリングデバイスの構造
に依存する定数である。

【００５４】 フィルタリングデバイスは、印加電圧が０Ｖから２０Ｖのあいだのときに５μ
ｍから４μｍのあいだの波長に同調されるように設計されている。これは、Ｋの
値が約０．１０μｍ／Ｖの場合に対応する。

【００５５】 λ_max（Ｖ）の関係を最初に（すなわちフィルタリングデバイス１６及び計測 器１０が使用される前に）確立させることからなる波長較正作業は、センサに対
する振幅較正作業と同様に、実験室においてフーリエ変換分光計を用いて行われ
る。

【００５６】 使用中にフィルタリングデバイスがさらされる温度が、フィルタリングデバイ
スの較正のときの温度と異なるときは、フィルタリングデバイスには波長シフト
が生じる場合があり、これは電圧を０Ｖから２０Ｖのあいだで変えたときに５μ
ｍから４μｍのあいだで同調されずに、たとえば４．９μｍから３．８μｍのあ
いだの波長で同調されるといった結果につながる。

【００５７】 これについて何ら補正がなされなければ、ガスセンサは、一酸化炭素の濃度測
定において正確さを失うことになる。

【００５８】 本発明は、フィルタリングデバイス１６の周波数較正を実行するために、分析
しようとするガスの中に自然に存在するガス状物質の吸収線を少なくとも一つ使
用する。

【００５９】 本発明の方法では、４μｍから５μｍまでの波長範囲から、この範囲に常に存
在するガス吸収線に対応する特定の波長を選択する。

【００６０】 やがて消滅するような、あるいは温度、圧力などの他のパラメータの変化に追
従するような、干渉を起こすガスの吸収線などは選択すべきでない。

【００６１】 ここでは二酸化炭素ガスの吸収線を選択するが、これは、ＣＯ₂ガスの吸収線 の位置が圧力にも温度にも依存せず、また大気中に常に存在するという点で賢明
な選択である。

【００６２】 他の応用例（異なる環境、異なる波長範囲など）では、大気中での測定のため
に水蒸気ガスの吸収線を選択すること、あるいはメタンガスの吸収線を選択する
ことも有用な場合がある。

【００６３】 これらのガスの吸収線は、多くの波長において見られる。たとえば、Ｈ₂Ｏに ついての１．８９３μｍ（波数約５２８１ｃｍ^-1）あるいは１．８５５μｍ（波
数約５３９０ｃｍ^-1）（図６）、ＣＯ₂についての４．２８０μｍ（波数約２３ ３６ｃｍ^-1）あるいは４．２３７μｍ（波数約２３６０ｃｍ^-1）（図７）などで
ある。

【００６４】 選択する吸収線は幅が狭いことが望ましい。すなわち、フィルタリングデバイ
スのスペクトル透過率におけるどのようなシフトも検出されるように、最大透過
率近傍のピークとなる領域でフィルタリングデバイスのスペクトル幅よりも狭い
かあるいは等しくなるようにするのが望ましい。

【００６５】 この吸収線は、また、この波長領域において他のガスの吸収線から容易に識別
できるよう、他のガスの吸収線からみて十分に強いことが望ましい。

【００６６】 もしも吸収線が他のガスの吸収線によってマスクされるおそれがあると、較正
用の自然の参照標準としては役に立たない。４．２３７μｍの波長において見ら
れる二酸化炭素の吸収線は、上述の基準を満たすので、自然の参照標準として用
いることができる。

【００６７】 選択した吸収線のスペクトル幅は約１ｎｍであり、フィルタリングデバイスの
それは約１０ｎｍである。

【００６８】 前述のように、フィルタリングデバイスを使う前には波長の較正を行い（関係
λ（Ｖ））、また、その成分が既知の標準ガスを用いて装置を振幅に対して較正
する。これは、電圧／波長の値の組をマイクロプロセッ２８に入力するためであ
る。この電圧／波長の値の組は、［１］の関係を証明し、これは使用中における
フィルタリングデバイスの動作点に対応するものである。

【００６９】 これらの値の組には、Ｖ_iという値の電圧を印加した状態でフィルタリングデ バイスを波長４．２３７μｍに同調させたときのフィルタリングデバイスの動作
点に対応するＶ_i／４．２３７μｍという値の組を含める。

【００７０】 較正している間は、このＶ_i／４．２３７μｍという値の組だけを記憶してお くことも可能であり、後に、使用中のフィルタリングデバイスの動作点に対応し
て、別の電圧／波長の組を計算し、記憶させることも可能である。

【００７１】 フィルタリングデバイスを含んだセンサ１０を使用後に、予め決められた長さ
の時間を経て、あるいは特定の理由により、フィルタリングデバイスについて波
長の較正を行う必要が生じる場合がある。これを行うために、マイクロプロセッ
サ２８により、一連の電圧をフィルタリングデバイス１６に印加する。これによ
り、フィルタリングデバイスのスペクトル透過率は異なる波長［４；５μｍ］に
同調される。対応する信号は、検出器２４の出力部において各電圧について取得
される。

【００７２】 フィルタリングデバイスのスペクトル透過率が４．２３７μｍに同調されてい
る初期電圧Ｖ_iを知っているので、マイクロプロセッサ２８は、Ｖ_iに近い電圧に
対応するフィルタリングデバイスの位置に対する数値信号のうちで最も弱い信号
を特定する。

【００７３】 この信号が得られた電圧値Ｖ_fは、波長４．２３７μｍとともに記憶され、フ ィルタリングデバイスのシフト量は、次式の差によって与えられる。 ΔＶ＝｜Ｖ_f−Ｖ_i｜ このシフト量と、フィルタリングデバイスのスペクトル透過率を同調させよう
としている波長λ_maxが分かっているので、同調される新たな電圧値Ｖ′は、Ｖ ′＝Ｖ＋ΔＶという式から導かれる。

【００７４】 この方法は、フィルタリングデバイスのλ_max（Ｖ）という関係を少なくとも 一点に対して再較正でき、あるいはフィルタリングデバイス１６又は装置１０を
分解することなしに波長の安定性を確かめることができるという点で、有利であ
る。

【００７５】 いくつかの点で再較正すれば、これよりももっと複雑なλ（Ｖ）の関係を考慮
に入れることができる。

【００７６】 さらに、標準吸収線は温度及び圧力というパラメータには影響されないので、
この方法は温度及び圧力からは独立している。

【００７７】 図４に装置３２として例示した他の応用例では、装置の構造は図２に示した前
述の装置と同じであるが、放射源１２によって放射される赤外輻射の経路に沿っ
た伝搬媒質１４に、分析しようとするガスのサンプルが入ったセル３４が置かれ
ている。

【００７８】 図２に示した要素と同じものについては、同じ符号が用いられている。

【００７９】 元々伝搬媒質内に参照標準として存在するガス吸収線（たとえばＣＯ₂又は水 蒸気の吸収線）を保持することは可能であり、その場合は、上で説明したフィル
タリングデバイス１６の較正方法が同じように適用される。あるいは、スペクト
ル吸収率を測定しようとするガス内に元々存在する一又は二以上のガスの吸収線
を選択し、これをフィルタリングデバイス１６の波長の較正に使用することも可
能である。

【００８０】 後者の方法では、たとえば、熱量を測定しようとする天然ガスが入ったセル内
のメタンの吸収線を選択する。

【００８１】 本発明の方法の一つの変形例として、幅が狭く、強度が高く、常に存在する波
長が、問題の波長範囲［４；５μｍ］内にある二つのガス吸収線を選択する。

【００８２】 この吸収線、たとえばＣＯ₂の４．２３７μｍ及び４．２８０μｍという吸収 線である。

【００８３】 第二の吸収線を選択し、これをフィルタリングデバイスの較正に用いることは
、フィルタリングデバイスを構成している材料が経時変化するという観点からは
有利である。すなわち、材料の弾性係数（ヤング係数）は変化し、前に定義した
定数Ｋが変化する可能性がある。

【００８４】 二つのガス吸収線を用いることによって、［１］式の関係を特徴づける二つの
パラメータλ_max0及びＫが、以下のようにして決定される。

【００８５】 フィルタリングデバイス１６の第１及び第２の最小透過率に対応する電圧Ｖ₁ 及びＶ₂が調べられる。実際には、これは、フィルタリングデバイスを最初に参 照標準吸収線の波長に同調させた各電圧値の近くで局所的な最小値を調べる。

【００８６】 こうして得られたＶ₁及びＶ₂から、次の値を計算することができる。

【００８７】

【数２】 及び

【００８８】

【数３】 所望の波長を得るためにフィルタリングデバイスに加えられる電圧値は、［１
］式の関係と上記の係数λ_max0及びＫから計算することができる。

【００８９】 再度の較正の精度を高めるなどのために、二つ以上のガス吸収線を選択するこ
とも有用である点にも注意すべきである。

【００９０】 これらの吸収線を調べるときには、最初の較正のときにこれらが現れる順番を
特定し、この順番に指標を付す。

【００９１】 本発明の方法は、混合ガス分析器あるいは天然ガスなどのガスの熱に関する値
を測定するための装置などに含まれるフィルタリングデバイスにも適用すること
ができる。

【００９２】 後者は、図２、図３ａ、図３ｂにおいて説明したものと同じ要素１２及び２８
からなる。

【００９３】 フィルタリングデバイス１６のスペクトル透過率を同調できる波長範囲は、た
とえば１．５０μｍから１．８５μｍまでである。

【００９４】 メタンは天然ガスの主要成分であり、常に存在する。従って、フィルタリング
デバイス１６の周波数の較正を実行するために、自然の参照標準としてメタンの
吸収線を選択することはきわめて有用である。

【００９５】 １．６６６μｍに対応する吸収線は、考察している波長範囲におけるすべての
吸収線のうちで強度が最も高く、フィルタリングデバイス１６のスペクトル幅（
約１０ｎｍ）からみて十分に幅が狭い（約１ｎｍ）。

【００９６】 本発明の較正方法は、上に述べたのと同様の方法で、ＣＯ測定器に適用するこ
とができる。

【００９７】 １．６６６μｍに対応する吸収線が波長範囲［１．５０；１．８５μｍ］にお
けるすべての吸収線のうちで強度が最も高いと仮定すると、検出器２４の出力部
において最小信号を検出するのは容易である。

【００９８】 透過率Ｔを波長λの関数として表した図５に矢印で示したように、波長範囲［
１．５０；１．８５μｍ］から二つのメタン吸収線として、１．６６６μｍの吸
収線と１．７３１μｍの吸収線を選択することができる。

【００９９】 このようにして、上で述べたＣＯ測定器に対する利点が得られる。

【０１００】 天然ガスは、一例として以下の成分からなる： メタン ８９．５％ エタン ５％ プロパン １％ ブタン ０．６％ ペンタン ０．３％ 中性ガス ３．６％ 熱的な値には寄与しない中性ガスを除いて、上で述べた天然ガスの種々の成分
による寄与を決定するために、いくつかの波長λ₁〜λ₅が用いられる。

【０１０１】 これらの波長は、いくつかの可燃性の成分の寄与が、それぞれの波長に対応す
るというものでる。

【０１０２】 フィルタリングデバイス１６に既知の電圧、たとえば２０Ｖの電圧を印加する
ことによって、フィルタリングデバイスは波長λ₁に同調し、検出器２４はＳ₁（
Ｖ）に対応する電気的な信号を与える：

【０１０３】

【数４】 ここで、Ｅ（λ）は、放射源１２により放射される光の強度を示し、

【０１０４】

【数５】 は、この波長に存在するすべてのガス可燃性成分によるスペクトル反応を示し、
Ｌは、ガス内における光学経路の長さを示し、 ｘ_iは、圧力Ｐ、温度Ｔにおける単位体積あたりの可燃性成分ｉのモル数を表し 、 α_iは、可燃性成分ｉの吸収係数を示し、これは波長、圧力及び温度に依存し、 θｆ（λ，Ｖ）は、フィルタリングデバイス１６による光透過率を示し、そして
、Ｓｄは、検出器のスペクトル反応を表す。

【０１０５】 フィルタリングデバイス１６を、電圧値Ｖ₁からＶ₅までの異なる電圧に対して
波長λ₁からλ₅までの異なる波長に同調させることによって、値Ｓ₁（Ｖ₁）から
Ｓ₅（Ｖ₅）までを測定する。吸光度Ａは、Ａ（Ｖ）＝Ｌｎ（１／Ｓ（Ｖ））によ
って定義される。ここで、Ｌｎはネピアの対数であり、以下の五つの方程式から
なる系が得られる： Ａ₁（Ｖ₁）＝ａ₁₁ｘ₁＋ａ₂₁ｘ₂＋…＋ａ₅₁ｘ₅ Ａ₂（Ｖ₂）＝ａ₁₂ｘ₁＋ａ₂₂ｘ₂＋…＋ａ₅₂ｘ₅ ……………………………………………………… Ａ₅（Ｖ₅）＝ａ₁₅ｘ₁＋ａ₂₅ｘ₂＋…＋ａ₅₅ｘ₅ ここで、ａ_ijの項は、成分ｉ及び装置１０に依存する。

【０１０６】 構成成分が未知の天然ガスに本発明を適用する前には、実験室で予備的に、所
定のＴ及びＰの値において単位体積当たりのモル数ｘ_iが既知であるいくつかの ガスを装置１０に注入することによって、予備的な較正作業を実行する。

【０１０７】 実験室におけるフィルタリングデバイスの波長較正作業は、通常フーリエ変換
分光計を用いて行われる。

【０１０８】 本発明の方法によれば、この較正作業に分光計を使う必要はなく、単にたとえ
ば１．６６６μｍと１．７９１μｍにおけるメタンの吸収線を用いて実行するこ
とができる。

【０１０９】 これを行うために、既知の混合ガスを装置１０に注入し、前記デバイスの最大
透過率が前述のメタンの参照標準吸収線の波長と一致するように、フィルタリン
グデバイス１６に印加されている電圧Ｖを変える。

【０１１０】 Ｖ_a及びＶ_bが得られたら、フィルタリングデバイスのスペクトル透過率が波長
１．６６６μｍと１．７９１μｍに同調される電圧、パラメータＫ及びλ_max0（
Ｖ）が、上で述べたようにして決定され、そして、λ_max（Ｖ）の関係を完全に 知ることができる。

【０１１１】 波長λ_i（ｉ＝１，…，５）、に加えて、 λ_max（Ｖ）（λ_max（Ｖ）−λ_max0）＋（ＫＶ）²＝０ という形に書くことができるλ_max（Ｖ）の関係を知ることによって、フィルタ リングデバイスが波長λ_i（ｉ＝１，…，５）に一致するフィルタリングデバイ スの位置に対応する電圧Ｖ_i（ｉ＝１，…，５）を導くことができる。

【０１１２】 値Ｋ、λ_max0及び値の組Ｖ_a／１．６６６μｍ、Ｖ_b／１．７９１μｍ、Ｖ_i／ λ_iは、図３のマイクロプロセッサ２８に記憶される。

【０１１３】 このようにして得られた電圧Ｖ_i（ｉ＝１，…，５）は、続いてフィルタリン グデバイスに印加され、これにより、その透過率は波長λ_i（ｉ＝１，…，５） に同調し、検出器は各値の組Ｖ_i／λ_iに対して値Ｓ_ij（Ｖ_i）を与える。

【０１１４】 このようにして、五つの方程式からなる系 Ａ₁₁（Ｖ₁）＝ａ₁₁ｘ₁＋ａ₂₁ｘ₂＋…＋ａ₅₁ｘ₅ Ａ₁₂（Ｖ₂）＝ａ₁₂ｘ₁＋ａ₂₂ｘ₂＋…＋ａ₅₂ｘ₅ ……………………………………………………… Ａ₁₅（Ｖ₅）＝ａ₁₅ｘ₁＋ａ₂₅ｘ₂＋…＋ａ₅₅ｘ₅ が得られる。ここで、ｘ_i（ｉ＝１，…，５）は既知であり、ａ_ijの項は未知で ある。

【０１１５】 装置１０に成分が既知の別の四つの混合ガスを注入することによって、さらに
上と同じ項ａ_ijを伴う２０個の方程式が得られる。

【０１１６】 これにより、一次方程式の解法等の周知の数学的方法によって、次のように定
義される係数ａ_ij

【０１１７】

【数６】 を計算することができる。ここで、添字ｋは、問題としている周知の混合ガスを
示す。

【０１１８】 変形例として、混合ガスのどの成分の寄与も対応していない波長を選ぶことに
よって参照測定を実行し、これから対応する電圧を上述の関係λ_max（Ｖ）から 導くことも可能である。

【０１１９】 この電圧は、フィルタリングデバイスに印加され、検出器の出力側でＳ_refの 値が取得され、そして、Ｓ_refに対するＳ_ij（Ｖ_i）の比が計算される。この比Ｓ _ij （Ｖ_i）／Ｓ_refは、上で述べたように値Ｓ_ij（Ｖ_i）の代わりに用いられ、装 置１０内におけるシフトが回避される。

【０１２０】 通常の数学的な逆演算を用いて行列［ａ_ij］を反転させることによって、以下
の方程式系が得られる。

【０１２１】

【数７】 こうして、ｘ_iの値が

【０１２２】

【数８】 によって与えられる。

【０１２３】 必要なことは、較正の際に計算されたｂ_ijのデータをマイクロプロセッサ２８
のメモリに記憶することであり、未知の成分の、したがって熱量も未知である天
然ガスを調べるときには、異なる電圧値に対して得られる対応するフィルタ波長
に対して差分値Ａｊ（Ｖ）を測定し、そしてこれからｘ_iの項を容易に導くこと ができる。

【０１２４】 ガスの熱量Ｈ（Ｐ，Ｔ）は、

【０１２５】

【数９】 によって与えられる。ここで、Ｈ_iは、モル当たりのジュールを単位としてあら わした成分ｉの熱量である。

【０１２６】 したがって、ｘ_iが一旦決定されれば、熱量Ｈ（Ｐ，Ｔ）は、直接的に得られ る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 物理パラメータの値Ｖ₁、Ｖ₂に対して得られたそれぞれの中心波長に同調され
たフィルタリングデバイスの波長とスペクトル透過率Ｔの関係を示した図である
。

【図２】 ガスセンサの種々の構成要素を図式的に示した図である。

【図３】 図３ａ及び図３ｂは、電気的に同調可能なフィルタリングデバイスの、二つの
異なる電圧値に対する連続的な位置を示した図である。

【図４】 図２に示したセンサとは異なる応用例におけるガスセンサを構成する種々の要
素を示した図である。

【図５】 メタンガスの吸収線の振る舞いを示した図である。

【図６】 水分子の振動回転スペクトルの強度（ａｔｍ^-1）を、波数（ｃｍ^-1）の関数と
して示した図である。

【図７】 二酸化炭素分子の振動回転スペクトルの強度（ａｔｍ^-1）を、波数（ｃｍ^-1）
の関数として示した図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2G020 AA03 BA02 BA12 CA02 CA12 CB06 CC01 CC21 CC23 CD03 CD13 CD16 CD35 CD37 CD39 2G059 AA01 AA05 BB01 CC04 CC13 EE01 EE09 EE12 HH01 HH06 JJ01 MM01 MM05 MM10 MM14

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 装置外部の輻射の通過する伝搬媒質のスペクトル透過率を測
   定する当該装置（１０；３２）に含まれる電磁輻射フィルタリングデバイス（１
   ６）のための波長較正の方法であって、前記フィルタリングデバイスは、物理的
   パラメータの値に基づいて前記輻射の波長の範囲内で同調可能なスペクトル透過
   率を有しており、前記方法は、 伝搬媒質内に自然な形態で常に存在するガス吸収線であって、その対応する波
   長が前記フィルタリングデバイスの同調可能な波長範囲に含まれるもの、を少な
   くとも一つ選択するステップと、 自然の参照標準として用いられる前記少なくとも一つのガス吸収線を用いてフ
   ィルタリングデバイスを較正するステップと、 からなることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 前記少なくとも一つのガス吸収線として、一方で、フィルタ
   リングデバイスのスペクトル幅よりも小さいかあるいは等しいスペクトル幅を有
   し、他方で、他のガス吸収線によってマスクされないだけの十分な強度を有する
   ものを選択するステップを含む請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 フィルタリングデバイス（１６）に加える物理的パラメータ
   を変えて、前記フィルタリングデバイスの最大スペクトル透過率の波長を参照ガ
   ス吸収線の波長と一致させるステップと、 一般的振舞いが予め分かっている法則であって、波長フィルタリングデバイス
   （１６）の同調特性を支配する法則の係数を導くステップと、 この法則から、他の物理的パラメータの値であって、それぞれが使用中にフィ
   ルタリングデバイスのスペクトル透過率が同調される波長範囲に対応する値を決
   定するステップと、 からなる各ステップを連続的に実行する請求項１又は２記載の方法。
4. 【請求項４】 使用される場所に設置された状態でフィルタリングデバイス
   （１６）を較正するステップを含む、請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の
   方法。
5. 【請求項５】 少なくとも一つの電磁輻射の放射源（１２）と、放射源から
   放射される輻射を検出するデバイス（２４）とを含み、前記放射源及び検出デバ
   イス（２４）は、前記伝搬媒質によって分離されている、請求項１乃至４のうち
   いずれか一項記載の方法。
6. 【請求項６】 スペクトル透過率を測定するある容量のガスを、前記放射源
   （１２）と検出デバイス（２４）の間に置くステップを含んでいる請求項１乃至
   ５のうちいずれか一項記載の方法。
7. 【請求項７】 前記電磁輻射波長範囲から、他のガス吸収線からみて最も強
   度の高いガス吸収線を選択するステップを含む、請求項２乃至６のうちいずれか
   一項記載の方法。
8. 【請求項８】 前記電磁輻射波長範囲から二つのガス吸収線を選択するステ
   ップを含む、請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の方法。
9. 【請求項９】 前記電磁輻射は赤外タイプである請求項１乃至８のうちいず
   れか一項記載の方法。
10. 【請求項１０】 ガス吸収線の一つは、１．６６６ミクロンにおけるメタン
    のガス吸収線である請求項９記載の方法。
11. 【請求項１１】 ガス吸収線の一つは、１．７９１ミクロンにおけるメタン
    のガス吸収線である請求項９記載の方法。
12. 【請求項１２】 フィルタリングデバイスに、物理的パラメータとして、電
    界を電圧の形態で印加するステップを含む、請求項１乃至１１のうちいずれか一
    項記載の方法。
13. 【請求項１３】 フィルタリングデバイスはファブリ・ペロー干渉計（１６
    ）である、請求項１乃至１２のうちいずれか一項記載の方法。
14. 【請求項１４】 前記ファブリ・ペロー干渉計（１６）は短い干渉計である
    請求項１３記載の方法。
15. 【請求項１５】 前記ファブリ・ペロー干渉計（１６）は微細加工された干
    渉計である請求項１３又は１４記載の方法。
16. 【請求項１６】 前記装置はガス分析器（１０；３２）である請求項１乃至
    １５のうちいずれか一項記載の方法。
17. 【請求項１７】 前記装置は、ガスの熱量を測定する装置（１０；３２）で
    ある請求項１乃至１５のうちいずれか一項記載の方法。
18. 【請求項１８】 前記装置はガスセンサ（１０；３２）である請求項１乃至
    １５のうちいずれか一項記載の方法。