JP2003177093A - Infrared analysis apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線を用いて大
気中に含まれるガス、液体の濃度の測定を行う赤外分析
装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared analyzer for measuring the concentration of gas or liquid contained in the atmosphere using infrared rays.
【０００２】[0002]
【従来の技術】試料として例えば大気中のガス濃度の測
定を行う赤外分析装置として、ガスの種類によって吸収
される赤外線の波長が異なることを利用し、この吸収量
を検出することによりそのガス濃度を測定する、非分散
赤外線（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ＩｎｆｒａＲ
ｅｄ）ガス分析計（以下、ＮＤＩＲガス分析計と記す）
が使用されている。2. Description of the Related Art As a sample, for example, as an infrared analyzer for measuring the concentration of gas in the atmosphere, the fact that the wavelength of infrared rays absorbed depends on the type of gas is used, and the amount of this absorption is detected to detect that gas. Non-dispersive InfraR (Non-Dispersive InfraR)
ed) Gas analyzer (hereinafter referred to as NDIR gas analyzer)
Is used.
【０００３】図４は従来のファブリペローＮＤＩＲガス
分析計の構成図である。図４において、ファブリペロー
ＮＤＩＲガス分析計は、試料としての被測定ガスが供給
されるガスセル１と、被測定ガスに赤外線を照射する光
源２、任意所望の波長の赤外線を選択して透過させる波
長選択フィルタとしてのファブリペローフィルタ３、フ
ァブリペローフィルタ３を透過した赤外線の強度を検出
することにより赤外線の波長による吸収特性を検出する
例えば焦電素子からなる赤外検出器４、とからなってい
る。FIG. 4 is a block diagram of a conventional Fabry-Perot NDIR gas analyzer. In FIG. 4, a Fabry-Perot NDIR gas analyzer is provided with a gas cell 1 to which a gas to be measured as a sample is supplied, a light source 2 for irradiating the gas to be measured with infrared rays, and a wavelength for selectively transmitting infrared rays having any desired wavelength. It is composed of a Fabry-Perot filter 3 as a selection filter, and an infrared detector 4 composed of, for example, a pyroelectric element, which detects an absorption characteristic depending on the wavelength of the infrared ray by detecting the intensity of the infrared ray transmitted through the Fabry-Perot filter 3. .
【０００４】ファブリペローフィルタ３は、例えばシリ
コンのマイクロ加工技術によって作製され、図５に示す
ように、例えばシリコン基板上に積層された例えば多結
晶シリコンからなる固定鏡５と、固定鏡５上にギャップ
ｈを介して対向配置された例えば多結晶シリコンからな
る可動鏡６とが形成されている。そして、固定鏡５と可
動鏡６とが対向する部分の一部には不純物が高濃度に注
入された導電性の多結晶シリコンからなる電極（図示し
ない）がそれぞれ形成されている。The Fabry-Perot filter 3 is manufactured by, for example, a micromachining technique of silicon, and as shown in FIG. 5, a fixed mirror 5 made of, for example, polycrystalline silicon laminated on a silicon substrate, and a fixed mirror 5 on the fixed mirror 5. A movable mirror 6 made of, for example, polycrystalline silicon is formed to face each other with a gap h therebetween. Then, electrodes (not shown) made of conductive polycrystalline silicon in which impurities are injected at a high concentration are formed in a part of a portion where the fixed mirror 5 and the movable mirror 6 face each other.
【０００５】そして、固定鏡５と可動鏡６に形成された
電極間に任意所望の波長選択電圧を印加して静電力を発
生させる（静電駆動する）ことによりギャップｈの大き
さを変化させ、ファブリペローフィルタ３はそのギャッ
プの大きさに対応する任意所望の波長の赤外線を選択し
て透過させる。The size of the gap h is changed by applying an arbitrary desired wavelength selection voltage between the electrodes formed on the fixed mirror 5 and the movable mirror 6 to generate an electrostatic force (electrostatic drive). The Fabry-Perot filter 3 selects and transmits infrared rays having any desired wavelength corresponding to the size of the gap.
【０００６】ところで、赤外検出器としては例えば焦電
素子、ボロメータ、サーモパイル等が使用可能であり、
その多くは入射赤外線をチョッピングする必要がある。
例えば、焦電素子は入射赤外線の強度の微分（光量変
化）に応答するため、図４に示したＮＤＩＲガス分析計
は焦電素子である赤外検出器４に入射する赤外線をチョ
ッピングする必要がある。By the way, as the infrared detector, for example, a pyroelectric element, a bolometer, a thermopile, etc. can be used.
Most of them need to chop incident infrared rays.
For example, since the pyroelectric element responds to the differentiation of the intensity of incident infrared rays (change in the amount of light), the NDIR gas analyzer shown in FIG. 4 needs to chop the infrared rays incident on the infrared detector 4 which is a pyroelectric element. is there.
【０００７】従って、図４において、図示しないメカニ
カルチョッパを光源２と赤外検出器４の間に設け、赤外
検出器４に入射する赤外線を物理的に周期的に遮ること
によりチョッピングするか、光源２に供給する電力をオ
ン／オフし、光源２から出射される赤外線をチョッピン
グする必要がある。Therefore, in FIG. 4, a mechanical chopper (not shown) is provided between the light source 2 and the infrared detector 4, and the infrared rays incident on the infrared detector 4 are physically blocked periodically for chopping. It is necessary to turn on / off the power supplied to the light source 2 and chop the infrared light emitted from the light source 2.
【０００８】次に、光源から出射される赤外線をチョッ
ピングした場合のガス濃度測定方法について説明する。
図６はガス濃度測定の方法を説明するための出力波形図
である。図６（ａ）は光源の駆動電圧波形図であり、光
源に焦電素子が赤外線を検出するために必要な、例えば
１〜１０Ｈｚの周波数で光源をオン／オフ制御するため
のパルス状の駆動電圧が印加される。Next, a gas concentration measuring method when the infrared rays emitted from the light source are chopped will be described.
FIG. 6 is an output waveform diagram for explaining the gas concentration measuring method. FIG. 6A is a drive voltage waveform diagram of the light source, which is a pulsed drive required for the pyroelectric element to detect infrared rays in the light source, for example, for ON / OFF control of the light source at a frequency of 1 to 10 Hz. A voltage is applied.
【０００９】図６（ｂ）はファブリペローフィルタ（Ｆ
ＰＦ）の駆動電圧波形図であり、ファブリペローフィル
タには、例えば試料中の成分（被測定ガス）として二酸
化炭素の赤外線吸収波長がピークとなる約４．２５μｍ
の測定波長の赤外線を透過するような波長選択電圧Ｖ１
と、どのガスにも吸収されない参照波長として例えば約
３．９μｍの波長の赤外線を透過させるような波長選択
電圧Ｖ２が交互にパルス状に印加される。FIG. 6B shows a Fabry-Perot filter (F
FIG. 6 is a drive voltage waveform diagram of PF), and the Fabry-Perot filter has a peak infrared absorption wavelength of carbon dioxide as a component (gas to be measured) in the sample of about 4.25 μm.
Wavelength selection voltage V1 that transmits infrared rays of the measurement wavelength
Then, a wavelength selection voltage V2 that allows infrared rays having a wavelength of, for example, about 3.9 μm to be transmitted as a reference wavelength that is not absorbed by any gas is alternately applied in pulses.
【００１０】図６（ｃ）は赤外検出器として焦電素子を
使用した場合の出力波形図であり、説明を容易にするた
めに二酸化炭素が存在しない場合を実線で、存在する場
合を破線で示し、両者を重ねて表示している。即ち、二
酸化炭素が存在する場合は、赤外線が二酸化炭素に吸収
されてその光量が減少するために焦電素子の出力波形の
ピーク（振幅）が小さくなる。FIG. 6 (c) is an output waveform diagram when a pyroelectric element is used as an infrared detector. For ease of explanation, the case where carbon dioxide does not exist is a solid line and the case where carbon dioxide is present is a broken line. , And both are displayed in an overlapping manner. That is, when carbon dioxide is present, the peak (amplitude) of the output waveform of the pyroelectric element is reduced because infrared rays are absorbed by carbon dioxide and the amount of light is reduced.
【００１１】図６（ｄ）は、図６（ｃ）のピークを検出
してホールドした場合の波形図であり、説明を容易にす
るために二酸化炭素が存在しない場合の光強度Ｉ０を実
線で、存在する場合の光強度Ｉを破線で示し、両者を重
ねて表示している。そして、波長選択電圧Ｖ１が印加さ
れている時の実線と破線の差分（光強度Ｉ，Ｉ０の差
分）が被測定ガス（二酸化炭素）の濃度に関係付けられ
た信号として検出される。FIG. 6 (d) is a waveform diagram when the peak of FIG. 6 (c) is detected and held, and the light intensity I0 in the absence of carbon dioxide is shown by a solid line for ease of explanation. , The light intensity I when it exists is shown by a broken line, and both are overlapped and displayed. Then, the difference between the solid line and the broken line (difference between the light intensities I and I0) when the wavelength selection voltage V1 is applied is detected as a signal related to the concentration of the gas to be measured (carbon dioxide).
【００１２】[0012]
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような赤
外分析装置（ＮＤＩＲガス分析計）においては、次のよ
うな問題点があった。
（１） 光源を長期に渡って使用した場合、光源の赤外
線放射出力が経時変化し、赤外検出器の出力も経時変化
することとなり、ガス濃度測定の精度が低下する。
（２）光源と検出器間の光路（ガスセルの内部）が埃等
で汚れた場合、検出器に到達する赤外線の強度が変化し
て赤外検出器の出力も変化することとなり、ガス濃度測
定の精度が低下する。
（３）焦電素子、サーモパイル等の熱形赤外検出器は、
検出器の温度の変化に応じて感度が変化するため、赤外
検出器の出力も温度変化に応じて変化することとなり、
ガス濃度測定の精度が低下する。However, such an infrared analyzer (NDIR gas analyzer) has the following problems. (1) When the light source is used for a long period of time, the infrared radiation output of the light source changes over time, and the output of the infrared detector also changes over time, which reduces the accuracy of gas concentration measurement. (2) When the optical path between the light source and the detector (inside the gas cell) is contaminated with dust or the like, the intensity of the infrared light reaching the detector changes and the output of the infrared detector also changes. The accuracy of is reduced. (3) Thermal infrared detectors such as pyroelectric elements and thermopiles
Since the sensitivity changes according to the temperature change of the detector, the output of the infrared detector also changes according to the temperature change.
The accuracy of gas concentration measurement decreases.
【００１３】本発明は上述した問題点を解決するために
なされたものであり、赤外検出器の出力変化を補償し、
測定精度を高めた赤外分析装置を提供することを目的と
する。The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and compensates for the output change of the infrared detector,
It is an object of the present invention to provide an infrared analyzer with improved measurement accuracy.
【００１４】[0014]
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１におい
ては、試料に照射された赤外線の波長による吸収特性を
検出することにより前記試料に含まれる成分の濃度を測
定する赤外分析装置において、パルス状の波長選択電圧
により駆動され、前記赤外線の前記試料に吸収されない
参照波長と前記試料に含まれる成分に吸収される測定波
長を交互に選択して透過させる波長選択フィルタと、前
記波長選択フィルタを透過した前記参照波長と前記測定
波長の赤外線の強度を交互に検出する赤外検出器、とを
具備し、検出された前記参照波長と前記測定波長の赤外
線の強度の比に基づいて前記試料に含まれる成分の濃度
を算出することを特徴とする赤外分析装置である。According to a first aspect of the present invention, there is provided an infrared analyzer for measuring the concentration of a component contained in a sample by detecting the absorption characteristic of the infrared ray with which the sample is irradiated. A wavelength selection filter that is driven by a pulsed wavelength selection voltage and alternately selects and transmits a reference wavelength of the infrared ray that is not absorbed by the sample and a measurement wavelength that is absorbed by a component included in the sample; An infrared detector that alternately detects the intensity of infrared rays of the reference wavelength and the measurement wavelength that has passed through a filter, and, based on the ratio of the intensity of the infrared rays of the detected reference wavelength and the measurement wavelength It is an infrared analyzer characterized by calculating the concentrations of components contained in a sample.
【００１５】本発明の請求項２においては、請求項１記
載の赤外分析装置において、前記参照波長と前記測定波
長の赤外線の強度を複数回検出してそれらの比を複数回
演算し、複数の演算結果を平均化演算処理することによ
り前記試料に含まれる成分の濃度を算出することを特徴
とする赤外分析装置である。According to a second aspect of the present invention, in the infrared analyzing apparatus according to the first aspect, the infrared intensities of the reference wavelength and the measurement wavelength are detected a plurality of times, and the ratio thereof is calculated a plurality of times. The infrared analysis apparatus is characterized in that the concentration of the component contained in the sample is calculated by averaging the calculation result of the above.
【００１６】本発明の請求項３においては、請求項１記
載の赤外分析装置において、前記波長選択フィルタは、
基板にマイクロ加工技術によって作製され、固定鏡とこ
の固定鏡との間にギャップを形成した状態で固定鏡に対
向配置される可動鏡とを有し、任意所望の波長選択電圧
により前記可動鏡を駆動して前記固定鏡に対して変位さ
せることにより前記ギャップの大きさを可変とし、得ら
れたギャップの大きさに対応した任意所望の波長の赤外
線を選択して透過させるファブリペローフィルタである
ことを特徴とする赤外分析装置である。According to a third aspect of the present invention, in the infrared analyzer according to the first aspect, the wavelength selection filter is
The substrate is manufactured by a microfabrication technique, and has a fixed mirror and a movable mirror that faces the fixed mirror in a state where a gap is formed between the fixed mirror and the fixed mirror. It is a Fabry-Perot filter that makes the size of the gap variable by driving and displacing it with respect to the fixed mirror, and selects and transmits infrared rays of any desired wavelength corresponding to the size of the obtained gap. Is an infrared analyzer.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を用いて説明する。尚、以下の図面において、図４と
重複する部分は同一番号を付してその説明は適宜に省略
する。図１は本発明の一実施例を示す構成図である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings below, the same parts as those in FIG. 4 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be appropriately omitted. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
【００１８】図１において、７は光源２に接続される光
源駆動部、８はファブリペローフィルタ３に接続される
フィルタ駆動部、９は赤外検出器に接続される赤外信号
検出部、１０は制御信号処理部であり、光源駆動部７、
フィルタ駆動部８、赤外信号検出部９に接続されてい
る。In FIG. 1, 7 is a light source drive unit connected to the light source 2, 8 is a filter drive unit connected to the Fabry-Perot filter 3, 9 is an infrared signal detection unit connected to an infrared detector, 10 Is a control signal processing unit, and the light source driving unit 7,
It is connected to the filter drive unit 8 and the infrared signal detection unit 9.
【００１９】光源駆動部７は、図６（ａ）に示したよう
に、赤外検出器３（焦電素子）が赤外線を検出するため
に必要な、例えば１〜１０Ｈｚの周波数で光源をオン／
オフ制御するためのパルス状の駆動電圧を光源に供給す
る。As shown in FIG. 6A, the light source driving section 7 turns on the light source at a frequency of 1 to 10 Hz, which is necessary for the infrared detector 3 (pyroelectric element) to detect infrared rays. /
A pulsed driving voltage for off control is supplied to the light source.
【００２０】フィルタ駆動部８は、図６（ｂ）に示した
ように、例えば被測定ガスとして二酸化炭素の赤外線吸
収波長がピークとなる約４．２５μｍの測定波長の赤外
線を透過するようなパルス状の波長選択電圧Ｖ１と、ど
のガスにも吸収されない参照波長として例えば約３．９
μｍの波長の赤外線を透過させるようなパルス状の波長
選択電圧Ｖ２を交互に波長選択フィルタとしてのファブ
リペローフィルタ３に印加する。As shown in FIG. 6 (b), the filter driving section 8 transmits, for example, a pulse which transmits infrared rays having a measurement wavelength of about 4.25 μm at which the infrared absorption wavelength of carbon dioxide as a gas to be measured has a peak. -Shaped wavelength selection voltage V1 and a reference wavelength not absorbed by any gas, for example, about 3.9.
A pulsed wavelength selection voltage V2 that transmits infrared rays having a wavelength of μm is alternately applied to the Fabry-Perot filter 3 as a wavelength selection filter.
【００２１】赤外信号検出部９は、例えばロックインア
ンプ、ピークホールド回路等から構成され、図６（ｃ）
に示したように、赤外検出器４から所定の周期で出力さ
れる出力信号（光強度信号）のピークを検出して、図６
（ｄ）に示したように二酸化炭素が存在しない場合の光
強度Ｉ０、二酸化炭素が存在する場合の光強度Ｉ、参照
光の光強度Ｉｒｅｆを出力する。The infrared signal detector 9 is composed of, for example, a lock-in amplifier, a peak hold circuit, etc., and is shown in FIG.
As shown in FIG. 6, the peak of the output signal (light intensity signal) output from the infrared detector 4 in a predetermined cycle is detected,
As shown in (d), the light intensity I0 in the absence of carbon dioxide, the light intensity I in the presence of carbon dioxide, and the light intensity Iref of the reference light are output.
【００２２】制御信号処理部１０は、光源駆動部７とフ
ィルタ駆動部８を同期制御すると共に、赤外信号検出部
９の出力を処理し、参照波長と測定波長の赤外線の強度
の比に基づいて試料に含まれる成分の濃度を算出する。The control signal processing unit 10 synchronously controls the light source driving unit 7 and the filter driving unit 8 and processes the output of the infrared signal detecting unit 9 based on the ratio of the infrared intensity of the reference wavelength to the measurement wavelength. Then, the concentrations of the components contained in the sample are calculated.
【００２３】次に、制御信号処理部による濃度算出の方
法について詳細に説明する。ファブリペローフィルタの
透過スペクトルピークをガスの特性吸収に一致させた場
合、ガスの吸収率は光源の光強度によらず一定であるの
で、ガスが存在する時の光強度：Ｉは次式（１）のよう
に表すことができる。
Ｉ／Ｉ０＝ｆ（Ｃ，Ｋ，Ｌ） （１）
ここで、Ｉ０：ガス濃度がゼロの時の光強度、Ｉ：ガス
濃度がＣの時の光強度、ｆ：検量線、Ｃ：ガス濃度、
Ｋ：ガスの吸収係数、Ｌ：光路長、である。そして、対
象となるガス種（透過スペクトルピーク）と光学系の条
件を固定した場合は、式（１）は次式（２）で示され
る。
Ｉ／Ｉ０＝ｆ（Ｃ） （２）Next, the method of calculating the density by the control signal processing section will be described in detail. When the transmission spectrum peak of the Fabry-Perot filter is matched with the characteristic absorption of the gas, the absorptance of the gas is constant regardless of the light intensity of the light source. Therefore, the light intensity in the presence of the gas: I ) Can be expressed as. I / I0 = f (C, K, L) (1) Where, I0: light intensity when gas concentration is zero, I: light intensity when gas concentration is C, f: calibration curve, C: gas concentration,
K: absorption coefficient of gas, L: optical path length. Then, when the target gas species (transmission spectrum peak) and the conditions of the optical system are fixed, the equation (1) is represented by the following equation (2). I / I0 = f (C) (2)
【００２４】そして、検量線ｆは、予め濃度が分かって
いる標準ガス（校正用ガス）をガスセル内に導入して複
数のガス濃度に対するＩ／Ｉ０を実測することにより作
成される。また、この検量線ｆ（ガス濃度とＩ／Ｉ０の
関係）は、吸収係数Ｋ、光路長Ｌを一定として、ガス濃
度Ｃを変数とする例えば、Ｉ／Ｉ０＝ｆ（Ｃ）＝ａ・Ｃ
３＋ｂ・Ｃ２＋ｃ・Ｃ＋ｄ（ａ，ｂ，ｃ，ｄは定数）の
ような適当な関数（この場合は３次式）で近似すること
ができる。The calibration curve f is created by introducing a standard gas (calibration gas) whose concentration is known in advance into the gas cell and measuring I / I0 for a plurality of gas concentrations. Further, this calibration curve f (relationship between gas concentration and I / I0) has a constant absorption coefficient K and an optical path length L and a gas concentration C as a variable, for example, I / I0 = f (C) = a · C
It can be approximated by an appropriate function (in this case, a cubic expression) such as 3 + b · C 2 + c · C + d (a, b, c, and d are constants).
【００２５】そして、参照光の光強度Ｉｒｅｆは、次式
（３）で示される。
Ｉ０＝α・Ｉｒｅｆ （３）
ここで、α：ガス濃度によらない定数、である。そし
て、式（３）を式（２）に代入すると、次式（４）が得
られる。
Ｉ／（α・Ｉｒｅｆ）＝ｆ（Ｃ） （４）The light intensity Iref of the reference light is given by the following equation (3). I0 = α · Iref (3) where α is a constant that does not depend on the gas concentration. Then, by substituting the equation (3) into the equation (2), the following equation (4) is obtained. I / (α · Iref) = f (C) (4)
【００２６】そして、制御信号処理部１０は、予め実測
により求められた検量線ｆ及び定数αと、赤外信号検出
部９から出力されるガス濃度がゼロの時の光強度Ｉ０、
ガス濃度がＣの時の光強度Ｉに基づいて、式（４）から
ガス濃度Ｃを演算により求める。Then, the control signal processing unit 10 calculates the calibration curve f and the constant α previously obtained by actual measurement, and the light intensity I0 when the gas concentration output from the infrared signal detection unit 9 is zero,
Based on the light intensity I when the gas concentration is C, the gas concentration C is calculated from the equation (4).
【００２７】ところで、光源の劣化、ガスセルの汚れが
ガス濃度測定に与える影響（出力変動）は、日単位以上
の長時間の計測で問題となるものである。そして、それ
らはガス濃度Ｃの時の光強度Ｉと参照光強度Ｉｒｅｆの
双方に影響を与える。従って、式（４）において、ガス
濃度は両者の比（Ｉ／Ｉｒｅｆ）に基づいて演算される
ので、その演算結果に対して光源の劣化、セルの汚れの
影響はキャンセルされる。By the way, the influence of the deterioration of the light source and the contamination of the gas cell on the gas concentration measurement (output fluctuation) becomes a problem when the measurement is performed for a long time of a day or more. Then, they affect both the light intensity I and the reference light intensity Iref when the gas concentration is C. Therefore, in the formula (4), the gas concentration is calculated based on the ratio (I / Iref) of the two, so that the influence of the deterioration of the light source and the contamination of the cell on the calculation result is canceled.
【００２８】一方、赤外検出器の感度の変動は、室温変
動や日照による温度変動等が主原因であり、これらは１
０秒〜１分程度の短い計測時間で問題となる変動であ
る。従って、赤外検出器の感度の変動がガス濃度測定に
与える影響を低減するためには、赤外検出器の感度の変
動が問題とならない短い時間内にＩとＩｒｅｆそれぞれ
を計測して式（４）の演算を行う必要がある。On the other hand, fluctuations in the sensitivity of the infrared detector are mainly caused by room temperature fluctuations and temperature fluctuations due to sunlight.
This is a problematic variation in a short measurement time of about 0 seconds to 1 minute. Therefore, in order to reduce the influence of the fluctuation of the sensitivity of the infrared detector on the gas concentration measurement, I and Iref are measured within a short time in which the fluctuation of the sensitivity of the infrared detector is not a problem, and the formula ( It is necessary to perform the calculation of 4).
【００２９】しかし計測時間が短いと、ＩとＩｒｅｆそ
れぞれの計測データにばらつきが生じて計測精度が低下
し、式（４）によるガス濃度の演算結果の精度を高くす
ることが困難となる。従って、式（４）の演算を複数回
行い、それらの演算結果データを例えば指数平均処理等
の平均化演算処理を行うことによりを計測データのバラ
ツキをキャンセルすることができる。However, if the measurement time is short, the measurement data of I and Iref will vary and the measurement accuracy will decrease, making it difficult to increase the accuracy of the gas concentration calculation result according to equation (4). Therefore, it is possible to cancel the variation of the measurement data by performing the calculation of the formula (4) a plurality of times and performing the averaging calculation process such as the exponential averaging process on the calculation result data.
【００３０】図２は、演算結果の平均化演算処理方法の
一例を説明するための図である。図２において、制御信
号処理部１０は、２．５秒おきにＩｒｅｆとＩの計測を
交互に行うように光源駆動部７、フィルタ駆動部８を制
御する。そして、赤外信号検出部９は赤外検出器４から
の出力に基づいて２．５秒毎に交互にＩｒｅｆとＩを出
力する。FIG. 2 is a diagram for explaining an example of an averaging calculation processing method of calculation results. In FIG. 2, the control signal processing unit 10 controls the light source driving unit 7 and the filter driving unit 8 so as to alternately measure Iref and I every 2.5 seconds. Then, the infrared signal detector 9 alternately outputs Iref and I every 2.5 seconds based on the output from the infrared detector 4.
【００３１】そして、制御信号処理部１０は、５秒毎に
ＩｒｅｆとＩの組合わせについて式（４）に基づいたガ
ス濃度の演算を行い、測定開始より１５秒後に０〜１５
秒間に３回行った式（４）の演算結果の平均化演算処理
を行い、その結果をガス濃度として出力する。そしてそ
の後、５秒毎に３回分の式（４）の演算結果の平均化演
算処理を行い、その結果をガス濃度として順次出力す
る。Then, the control signal processing unit 10 calculates the gas concentration based on the equation (4) for the combination of Iref and I every 5 seconds, and 0 to 15 seconds after the start of measurement, 15 seconds later.
Averaging calculation processing of the calculation result of the formula (4) performed three times per second is performed, and the result is output as the gas concentration. Then, after every 5 seconds, the averaging calculation processing of the calculation result of the formula (4) for three times is performed, and the result is sequentially output as the gas concentration.
【００３２】尚、図２においては５秒毎にＩｒｅｆとＩ
の組合わせにより式（４）の演算を行う例を示している
が、０〜５秒、２．５〜７．５秒、５〜１０秒のように
２．５秒毎にＩｒｅｆとＩの組合わせにより式（４）の
演算を行うようにしても良い。In FIG. 2, Iref and Iref are calculated every 5 seconds.
Although the example of performing the calculation of the formula (4) is shown by the combination of, the Iref and the Iref are calculated every 2.5 seconds such as 0 to 5 seconds, 2.5 to 7.5 seconds, and 5 to 10 seconds. You may make it perform the calculation of Formula (4) by a combination.
【００３３】次に赤外検出器３の具体的な実施例につい
て説明する。赤外検出器３は、例えば図３に示すような
半導体基板にマイクロ加工技術によって作製されたファ
ブリペローフィルタを使用することが可能である。Next, a concrete example of the infrared detector 3 will be described. As the infrared detector 3, for example, a Fabry-Perot filter manufactured by a microfabrication technique on a semiconductor substrate as shown in FIG. 3 can be used.
【００３４】図３はファブリペローフィルタの断面図で
ある。図３において、１１は基板、１２は固定鏡、１３
は固定電極、１４は可動鏡、１５は可動電極、１６は層
間絶縁膜、１７はエッチングホール、１８はエアギャッ
プである。基板１１は、透過波長帯域の光を透過する材
料、例えばシリコン、サファイア、ゲルマニウムなどか
らなる。FIG. 3 is a sectional view of the Fabry-Perot filter. In FIG. 3, 11 is a substrate, 12 is a fixed mirror, and 13
Is a fixed electrode, 14 is a movable mirror, 15 is a movable electrode, 16 is an interlayer insulating film, 17 is an etching hole, and 18 is an air gap. The substrate 11 is made of a material that transmits light in the transmission wavelength band, such as silicon, sapphire, or germanium.
【００３５】固定鏡１２は基板１１上に形成され、フィ
ルタの中心波長λの１／４波長に相当する光学膜厚を有
する単層又は多層膜からなる。多層膜としては、例えば
高屈折率層をポリシリコン、低屈折率層を酸化シリコン
で形成したものが挙げられる。固定電極１３は、可動鏡
１４を静電駆動するための電極であり、例えば固定鏡１
２の多結晶シリコンに不純物をドーピングした電極であ
る。The fixed mirror 12 is formed on the substrate 11 and is composed of a single layer or a multilayer film having an optical film thickness corresponding to a quarter wavelength of the center wavelength λ of the filter. Examples of the multilayer film include those in which the high refractive index layer is formed of polysilicon and the low refractive index layer is formed of silicon oxide. The fixed electrode 13 is an electrode for electrostatically driving the movable mirror 14, and for example, the fixed mirror 1
2 is an electrode in which polycrystalline silicon of 2 is doped with impurities.
【００３６】可動鏡１４は固定鏡１２上に形成された図
示しない犠牲層を介して形成され、この犠牲層をエッチ
ングすることにより固定鏡１２との間にギャップを形成
した状態で固定鏡１２に対向配置される。この可動鏡１
４は固定鏡１２との間で干渉により特定波長を透過させ
る反射鏡であり、例えば、単層の多結晶シリコンや、張
力を得るために図示する様な、多結晶シリコン／窒化シ
リコン／多結晶シリコンの３層のλ／４膜で形成する。
可動電極１５は、静電駆動のための電極であり、例えば
可動鏡１４のシリコンに不純物をドーピングした電極で
ある。The movable mirror 14 is formed through a sacrificial layer (not shown) formed on the fixed mirror 12, and the sacrificial layer is etched to form a gap between the movable mirror 14 and the fixed mirror 12. It is arranged to face each other. This movable mirror 1
Reference numeral 4 denotes a reflecting mirror that transmits a specific wavelength by interference with the fixed mirror 12, and is, for example, a single layer of polycrystalline silicon, or polycrystalline silicon / silicon nitride / polycrystalline as shown to obtain tension. It is formed of a three-layer λ / 4 film of silicon.
The movable electrode 15 is an electrode for electrostatic driving, and is, for example, an electrode obtained by doping silicon of the movable mirror 14 with impurities.
【００３７】層間絶縁膜１６は、固定電極１３と可動電
極１５の絶縁を保つ絶縁膜であり、例えば窒化シリコン
などからなる。エッチングホール１７は、上述した図示
しない犠牲層をエッチングしてエアギャップ１８を形成
するためのエッチング液が入るための穴であり、可動鏡
１４の中心及び外周部に形成され、エッチング液の拡散
と置換及び乾燥を容易にしている。The interlayer insulating film 16 is an insulating film for keeping the fixed electrode 13 and the movable electrode 15 insulated, and is made of, for example, silicon nitride. The etching hole 17 is a hole into which an etching liquid for etching the above-mentioned not-shown sacrificial layer to form the air gap 18 is formed, and is formed in the center and the outer peripheral portion of the movable mirror 14 to diffuse the etching liquid. It facilitates replacement and drying.
【００３８】そして、任意所望の波長選択電圧を固定電
極１３と可動電極１５との間に印加すると、可動鏡１４
が静電駆動されて固定鏡１２の方向に変位し、エアギャ
ップ１８の大きさが変化する。そして、ファブリペロー
フィルタは、得られたエアギャップ１８の大きさに対応
する任意所望の波長の赤外線を選択して透過させる。When an arbitrary desired wavelength selection voltage is applied between the fixed electrode 13 and the movable electrode 15, the movable mirror 14 is moved.
Is electrostatically driven and displaced in the direction of the fixed mirror 12, and the size of the air gap 18 changes. Then, the Fabry-Perot filter selects and transmits infrared rays of any desired wavelength corresponding to the size of the obtained air gap 18.
【００３９】[0039]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
参照波長と測定波長の赤外線の強度の比に基づいて試料
に含まれる成分の濃度を算出するようにしたので、光源
の劣化、セルの汚れの影響をキャンセルし、測定精度を
高めた赤外分析装置を提供することができる。As described above, according to the present invention,
Since the concentration of the component contained in the sample is calculated based on the ratio of the infrared intensity of the reference wavelength to the measurement wavelength, the influence of the deterioration of the light source and the contamination of the cell is canceled, and the infrared analysis improves the measurement accuracy. A device can be provided.
【００４０】また、本発明によれば、参照波長と測定波
長の赤外線の強度を複数回検出してそれらの比を複数回
演算し、複数の演算結果の平均値に基づいて試料に含ま
れる成分の濃度を算出するようにしたので、赤外検出器
の感度の変動による影響をキャンセルし、測定精度を高
めた赤外分析装置を提供することができる。Further, according to the present invention, the intensities of infrared rays of the reference wavelength and the measurement wavelength are detected a plurality of times, the ratio thereof is calculated a plurality of times, and the components contained in the sample are calculated based on the average value of the plurality of calculation results. Since the concentration is calculated, it is possible to provide an infrared analysis device in which the influence of the fluctuation of the sensitivity of the infrared detector is canceled and the measurement accuracy is improved.
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の動作を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the present invention.
【図３】ファブリペロフィルターの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a Fabry-Perot filter.
【図４】従来の赤外分析装置の構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional infrared analyzer.
【図５】ファブリペロフィルターの断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a Fabry-Perot filter.
【図６】従来の赤外分析装置の動作を説明するための波
形図である。FIG. 6 is a waveform diagram for explaining the operation of a conventional infrared analyzer.
１ ガスセル ２ 光源 ３ ファブリペローフィルタ ４ 赤外検出器 ７ 光源駆動部 ８ フィルタ駆動部 ９ 赤外信号検出部 １０ 制御信号処理部 １２ 固定鏡 １５ 可動鏡 １８ エアギャップ 1 gas cell 2 light sources 3 Fabry Perot filter 4 infrared detector 7 Light source drive 8 Filter driver 9 Infrared signal detector 10 Control signal processing unit 12 fixed mirror 15 Movable mirror 18 air gap
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 健太郎 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2G020 AA03 BA02 BA12 BA14 CA02 CB07 CB53 CC23 CC48 CC56 CD05 CD13 CD26 CD28 2G059 AA01 BB02 BB04 CC04 EE01 EE11 FF08 GG08 HH01 JJ03 MM01 MM03 MM12 NN05 NN07 2H048 GA01 GA07 GA09 GA13 GA25 GA34 GA61 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Kentaro Suzuki 2-9-32 Nakamachi, Musashino City, Tokyo Yokogawa Electric Co., Ltd. F-term (reference) 2G020 AA03 BA02 BA12 BA14 CA02 CB07 CB53 CC23 CC48 CC56 CD05 CD13 CD26 CD28 2G059 AA01 BB02 BB04 CC04 EE01 EE11 FF08 GG08 HH01 JJ03 MM01 MM03 MM12 NN05 NN07 2H048 GA01 GA07 GA09 GA13 GA25 GA34 GA61
Claims (3)
収特性を検出することにより前記試料に含まれる成分の
濃度を測定する赤外分析装置において、 パルス状の波長選択電圧により駆動され、前記赤外線の
前記試料に吸収されない参照波長と前記試料に含まれる
成分に吸収される測定波長を交互に選択して透過させる
波長選択フィルタと、 前記波長選択フィルタを透過した前記参照波長と前記測
定波長の赤外線の強度を交互に検出する赤外検出器、と
を具備し、 検出された前記参照波長と前記測定波長の赤外線の強度
の比に基づいて前記試料に含まれる成分の濃度を算出す
ることを特徴とする赤外分析装置。1. An infrared analyzer for measuring the concentration of a component contained in the sample by detecting the absorption characteristic of the infrared ray irradiated to the sample, wherein the infrared ray is driven by a pulsed wavelength selection voltage. The reference wavelength not absorbed by the sample and a wavelength selection filter that alternately transmits the measurement wavelength absorbed by the components contained in the sample, and the infrared of the reference wavelength and the measurement wavelength transmitted through the wavelength selection filter An infrared detector for alternately detecting the intensities of, and calculating the concentration of the component contained in the sample based on the ratio of the infrared intensities of the detected reference wavelength and the measured wavelength. Infrared analyzer.
出してそれらの比を複数回演算し、複数の演算結果を平
均化演算処理することにより前記試料に含まれる成分の
濃度を算出することを特徴とする赤外分析装置。2. The infrared analyzer according to claim 1, wherein the infrared intensities of the reference wavelength and the measurement wavelength are detected a plurality of times, the ratio thereof is calculated a plurality of times, and the plurality of calculation results are averaged. An infrared analyzer characterized by calculating the concentration of a component contained in the sample by processing.
って作製され、固定鏡とこの固定鏡との間にギャップを
形成した状態で固定鏡に対向配置される可動鏡とを有
し、任意所望の波長選択電圧により前記可動鏡を駆動し
て前記固定鏡に対して変位させることにより前記ギャッ
プの大きさを可変とし、得られたギャップの大きさに対
応した任意所望の波長の赤外線を選択して透過させるフ
ァブリペローフィルタであることを特徴とする赤外分析
装置。3. The infrared analysis device according to claim 1, wherein the wavelength selective filter is formed on a substrate by a microfabrication technique, and is formed on the fixed mirror with a gap formed between the fixed mirror and the fixed mirror. A movable mirror that is arranged to face the movable mirror, and the movable mirror is driven by an arbitrary desired wavelength selection voltage to be displaced with respect to the fixed mirror, thereby varying the size of the gap. An infrared analysis device, which is a Fabry-Perot filter that selects and transmits infrared rays of any desired wavelength corresponding to the height.
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