JP2005315711A - ガス分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で、かつ、分析対象ガスによる光吸収が小さくても精度良くガス分析が可能なガス分析装置を提供するものである。
【解決手段】 本発明に係るガス分析装置１０は、光の吸収を利用してガス濃度、成分の吸光分析を行うものであり、
光を出射する光源１１と、
出射された光を一端側から導入し、案内する少なくとも２つの経路１２ａ，１２ｂを有する光ガイド部材１２と、
光ガイド部材１２の一の経路１２ａに設けられ、吸光分析の対象となるガスが収容されるサンプルセル１３と、
光ガイド部材１２の他端側に接続され、かつ、サンプルセル１３を通過し、光吸収されたサンプル光Ｌ１及び光ガイド部材１２の他の経路１２ｂを通過したレファレンス光Ｌ２をそれぞれ所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子２２、及び各波長バンドごとに各光Ｌ１，Ｌ２のスペクトルの差を検出するアレイ検出素子２５を有するマルチチャンネル分光器２０と、
を備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光の吸収を利用してガス濃度、成分の吸光分析を行うガス分析装置に関するものである。

近年、エネルギー源の多角化が進んでいるが、化石燃料への依存度は依然として高い。火力発電においては、石炭の他に、硫黄分を多く含んだ安価な燃料、例えば、オリマルジョンや重質油を用いている。ところが、硫黄分を多く含んだ燃料焚きボイラでは、石炭焚きボイラに比べて、燃焼排ガス中に高濃度のＳＯ₃が含まれる。

ＳＯ₃は、約３００℃以下で水と反応して硫酸となり、約１６０℃以下となると露点となって煙道壁面に凝結する。この硫酸は、煙道壁面や機器の腐食を引き起こす原因となるため、煙道の温度管理や、アンモニア等のアルカリ剤によるＳＯ₃の中和を行っている。ＳＯ₃の中和を行うには、ＳＯ₃の濃度を正確に測定する必要がある。

燃焼排ガスなどに含まれるＳＯ₃のように、濃度や成分が不明、未知のガスを分析するガス分析装置として、図１５に示す装置が挙げられる。このガス分析装置１５０は、主に、光源であるランプ１５１、分析対象であるガスＧ２が充填されたサンプルセル１５２、不活性ガスが充填された（又は真空状態に保った）参照セル１５３、回折格子１５４、検出器１５５で構成される。ランプ１５１から出射された光Ｌは、ハーフミラー１５６ａで透過光Ｌ１と反射光Ｌ２に分岐される。透過光Ｌ１は、サンプルセル１５２、チョッパー１５８、ハーフミラー１５６ｂ、回折格子１５４を介して検出器１５５で検出される。また、反射光Ｌ２は、ミラー１５７ａ、参照セル１５３、チョッパー１５８、ミラー１５７ｂ、ハーフミラー１５６ｂ、回折格子１５４を介して検出器１５５で検出される。サンプルセル１５２を通過し、吸光された透過光Ｌ１と、参照セル１５３を通過し、全く吸光されていない反射光Ｌ２は、メカニカルに回転するチョッパー１５８でそれぞれチョッピングされ、各光Ｌ１，Ｌ２は交互に検出器で検出される。

また、ガス分析装置、例えば、ＳＯ₃の分析装置として、ＳＯ₃が紫外線領域の光に吸収があることを利用したものがある（特許文献１参照）。具体的には、分析対象となるガスをセル内に導入しておき、その光学セル内部に紫外線を導くことで、光学セル内部にマルチパスの紫外線光路が形成される。光学セルを通過し、吸光された紫外線は、分光器で分光され、スペクトルが得られる。その後、ケモメトリックス法により、スペクトルの解析を行うことで、ＳＯ₃濃度が測定される。

特開２００１−１８８０４０号公報（第２図）

ところで、図１５に示したガス分析装置１５０は、透過光Ｌ１と反射光Ｌ２を比較することでガス分析を行っており、装置構成上、サンプルセル１５２及び参照セル１５３の２本のセルを必要とする。ここで、サンプルセル１５２と参照セル１５３は、比較対照を行う都合上、同サイズとする必要がある。その結果、ガス分析装置１５０の装置構成が大きくなってしまうという問題があった。

また、ガス分析装置１５０は、チョッパー１５８などの機械的駆動部分を有していることから、その駆動によって振動が生じると、光軸にズレが生じるおそれがあった。つまり、ガス分析装置１５０においては、振動による光軸のズレは避けることができず、定期的に光学系の調整を行わなければならないという問題があった。

一方、特許文献１記載のガス分析装置は、サンプルセルのみを用いるものであって、図１５に示したガス分析装置１５０のように参照セルを必要としないことから、ガス分析装置１５０と比べて装置の小型化を図ることができる。特許文献１記載のガス分析装置では、ＳＯ₃の光吸収が小さいため、十分な光吸収を得るために、光路長を長くしている。しかしながら、その結果、分析対象ガスの分析を妨害するガス（以下、妨害ガスと記す）による光吸収も大きくなる。よって、精度良くガス分析を行うためには、分析対象ガス中に含まれる妨害ガス濃度を低く抑える必要が生じ、分析可能なガスが限定されるという問題があった。

また、特許文献１記載のガス分析装置は、全体の光路長が長く、かつ、ミラーなどの光学部品数も多いことから、光軸に僅かなズレが生じたら、装置全体でのズレは大きなものとなる。よって、特許文献１記載のガス分析装置においても、定期的に光学系の調整を行う必要があるという問題があった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、小型で、かつ、分析対象ガスによる光吸収が小さくても精度良くガス分析が可能なガス分析装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係るガス分析装置は、光の吸収を利用してガス濃度、成分の吸光分析を行うものであり、
光を出射する光源と、
出射された光を一端側から導入し、案内する少なくとも２つの経路を有する光ガイド部材と、
光ガイド部材の一の経路に設けられ、吸光分析の対象となるガスが収容されるサンプルセルと、
光ガイド部材の他端側に接続され、かつ、サンプルセルを通過し、光吸収されたサンプル光及び光ガイド部材の他の経路を通過したレファレンス光をそれぞれ所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子、及び各波長バンドごとに各光のスペクトルの差を検出するアレイ検出素子を有するマルチチャンネル分光器と、
を備えたものである。

本発明に係る別のガス分析装置は、
光を出射する光源と、
出射された光を案内する少なくとも２つの経路を有する光ガイド部材と、
光ガイド部材の一の経路に設けられ、吸光分析の対象となるガスが収容されるサンプルセルと、
サンプルセルを通過し、光吸収されたサンプル光及び光ガイド部材の他の経路を通過したレファレンス光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
回折格子で分光された各光を反射させる光反射手段と、
反射された各光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、サンプル光とレファレンス光のスペクトルの差を出力するアレイ検出素子と、
アレイ検出素子からの出力に基づいてガス濃度の演算を行う演算手段と、
を備えたものである。

本発明に係るまた別のガス分析装置は、
光を出射する光源と、
出射された光を一端側から導入し、案内する少なくとも２つの経路を有する光ガイド部材と、
光ガイド部材の一の経路に設けられ、吸光分析の対象となるガスが収容されるサンプルセルと、
光ガイド部材の他端側に接続され、かつ、サンプルセルを通過し、光吸収されたサンプル光及び光ガイド部材の他の経路を通過したレファレンス光をそれぞれ所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子、及び各光の光量の総和を検出する検出素子を有するマルチチャンネル分光器と、
を備えたものである。

本発明に係る更に別のガス分析装置は、
光を出射する光源と、
出射された光を案内する少なくとも２つの経路を有する光ガイド部材と、
光ガイド部材の一の経路に設けられ、吸光分析の対象となるガスが収容されるサンプルセルと、
サンプルセルを通過し、光吸収されたサンプル光及び光ガイド部材の他の経路を通過したレファレンス光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
回折格子で分光された各光を反射させる光反射手段と、
サンプル光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた濃度算出用のスペクトルと同じ重みの重み付けを行うべく、上記光反射手段でのサンプル光の反射率の制御を波長バンドごとに行う演算手段と、
反射された各光を集光する集光手段と、
集光された各光の光量の総和を交互に検出する検出素子と、
を備えたものである。

ここで、光反射手段は、分光された各光を所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子であることが好ましい。

また、プログラマブル回折格子は、ＭＥＭＳアクチュエータを有することが好ましい。

さらに、サンプル光とレファレンス光を別々に反射、偏向させるべく、光反射偏向手段を少なくとも２つ設けることが好ましい。

また、集光手段は、第２回折格子又は積分球とされる。

一方、本発明に係るガス分析方法は、光の吸収を利用してガス濃度、成分の吸光分析を行うものであって、
光源から出射された光を少なくとも２つに分岐し、
一方の光を吸光分析の対象となるガスが収容されたサンプルセルに導入し、光吸収させると共にサンプルセルを通過させてサンプル光とし、他方の光は光吸収させず、出射された状態のままのレファレンス光とし、
各光を所定の波長バンドごとに分光し、
分光された各光を反射させると共に、反射された各光の波長バンドごとのスペクトルをそれぞれ検出器で検出し、波長バンドごとにサンプル光とレファレンス光のスペクトルの差を出力し、
それらの出力値に基づいてガス濃度の演算を行うものである。

本発明に係る別のガス分析方法は、
光源から出射された光を少なくとも２つに分岐し、
一方の光を吸光分析の対象となるガスが収容されたサンプルセルに導入し、光吸収させると共にサンプルセルを通過させてサンプル光とし、他方の光は光吸収させず、出射された状態のままのレファレンス光とし、
各光を所定の波長バンドごとに分光し、
分光された各光を反射させると共に、分光されたサンプル光の反射率の制御を波長バンドごとに行って、サンプル光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた濃度算出用のスペクトルと同じ重みの重み付けを行い、
反射された各光を集光し、
集光された各光の光量の総和を検出器で検出し、各総和を用いてガス濃度を求めるものである。

ここで、反射された各光の波長バンドごとのスペクトルが交互に検出器で検出されるように、各光を反射させる際、各光を偏向させると共に、その偏向制御を同期させて行うことが好ましい。

また、集光された各光の光量の総和が交互に検出器で検出されるように、各光を反射させる際、各光を偏向させると共に、その偏向制御を同期させて行うことが好ましい。

本発明によれば、サンプルセルが小さく、かつ、精度良くガス分析が可能なガス分析装置を得ることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の好適一実施の形態に係るガス分析装置の斜視概略図を図１に示す。

図１に示すように、本実施の形態に係るガス分析装置１０は、光の吸収を利用してガス濃度、成分の吸光分析を行うものであり、光を出射する光源１１と、光ガイド部材１２と、サンプルセル１３と、マルチチャンネル分光器２０とで構成される。

光ガイド部材１２は、出射された光を一端側から導入し、案内する少なくとも２つの経路（図１中では経路１２ａ，１２ｂ）を有する。この光ガイド部材１２の一の経路１２ａに、吸光分析の対象となるガスが収容されるサンプルセル１３が設けられる。光ガイド部材１２としては、慣用の光ファイバなどが適用される。また、経路１２ａ，１２ｂを構成する光ファイバは、同一のものであることが好ましい。

マルチチャンネル分光器２０は、光ガイド部材１２の他端側に光学的に接続される。マルチチャンネル分光器２０は、光の伝搬方向上流側から、回折格子２１、光反射偏向手段（光反射手段）２２、アパチャ２３、屈折手段２４、アレイ検出素子２５の順に設けられる。

回折格子２１には、光ガイド部材１２の一の経路１２ａを経て出射されたサンプル光Ｌ１が照射され、反射される。サンプル光Ｌ１は、光源１１から出射された光がサンプルセル１３を通過し、光吸収されたものである。また、回折格子２１には、光ガイド部材１２の他の経路１２ｂを経て出射されたレファレンス光Ｌ２が照射され、反射される。反射された各光Ｌ１，Ｌ２は、所定の波長バンドごとに分光される。

光反射偏向手段２２には、回折格子２１で分光された各光Ｌ１，Ｌ２が照射され、反射、偏向される。この光反射偏向手段２２は、分光された各光Ｌ１，Ｌ２を所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子であることが好ましい。また、プログラマブル回折格子が、ＭＥＭＳアクチュエータを有することがより好ましい。さらに、光反射偏向手段２２は、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２を別々に反射、偏向させるべく、光ガイド部材１２の経路数と同数（図１中では２２ａ，２２ｂの２つ）設けることが好ましい。

アパチャ２３は、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２の通過／断遮を行う遮光絞りである。偏向された各光Ｌ１，Ｌ２が、遮断体２３ａに照射されると伝搬遮断となる。また、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２が、隣接する遮断体２３ａ間の開口部に向けて照射されると通過となる。遮断体２３ａの形状は、特に限定するものではなく、矩形状の他に、円形状であってもよい。開口部は、遮断体２３ａ自体に設けた溝（スリット）であってもよい。

屈折手段２４（例えば、プルーフプリズム）には、アパチャ２３を通過した各光Ｌ１，Ｌ２が照射され、各光Ｌ１，Ｌ２の波長バンドごとのスペクトルが、アレイ検出素子２５に達するように屈折させる。

アレイ検出素子２５は、プリズム２４によって屈折された各スペクトルを検出し、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２のスペクトルの差を出力する。アレイ検出素子２５には、演算手段（図示せず）が電気的に接続されており、アレイ検出素子２５の出力に基づいて、演算手段がガス濃度の演算を行う。

光源１１から出射される光としては、特に限定するものではなく、紫外線、赤外線などが挙げられる。ここで、分析対象ガスが例えばＳＯ₃である場合、紫外線を用いることが好ましい。また、光源１１としては、装置コストが安価なランプが好ましいが、レーザ発振手段を用いてもよい。

屈折手段２４としては、アパチャ２３を通過した各光Ｌ１，Ｌ２を、アレイ検出素子２５の位置に屈折させることができるものであれば特に限定するものではなく、プリズムの他に、円筒レンズ（シリンドリカルレンズ）などが挙げられる。

本実施の形態に係るガス分析装置１０は、例えば、図１２に示す煙道１２０の近傍に配置され、流通ガスＧ１のガス分析に供される。具体的には、流通ガスＧ１が流れる煙道１２０に、ガス採取・供給ライン１２１及びガス排出ライン１２２の各一端部を臨んで設け、各ライン１２１，１２２の他方の端部に、ガス分析装置１０のサンプルセル１３が接続される。また、ガス採取・供給ライン１２１の中途にはダストフィルタ１２３が、ガス排出ライン１２２の中途にはポンプ１２４が設けられる。さらに、各ライン１２１，１２２の周りには、ラインを加熱するためのヒータ（図示せず）が設けられる。また、サンプルセル１３の周りにはセルヒータ１２５が設けられ、このセルヒータ１２５には温度調節手段１２６が接続される。さらに、図１２，図１３に示すように、ガス分析装置１０のアレイ検出素子２５には、ＡＣアンプ１２７を介して演算装置１２８が接続される。

次に、本実施の形態に係るガス分析装置１０を用いたガス分析方法を、添付図面に基づいて説明する。

図２に示すように、分析対象ガス２１が充填されたサンプルセル２２の一端側（図２中では左側）から入射光Ｉ０を入射させることで、入射光Ｉ０が吸光され、サンプルセル２２の他端側（図２中では右側）から出射光Ｉ１として出射される。この時、入射光Ｉ０と出射光Ｉ１との間には、
Ｉ１（λ）＝Ｉ０（λ）×Ｔ（λ）
ここで、Ｔ（λ）は透過率
の関係が成り立つ。透過率が十分小さい時、透過率は分析対象ガス２１の濃度に比例する。

また、この時の、入射光Ｉ０及び出射光Ｉ１の各スペクトルを図３に示す。入射光Ｉ０は、ある一定の波長域で光強度がＰ１である。これに対して、出射光Ｉ１は、ある一定の波長域で光強度がＰ２（＜Ｐ１）であり、かつ、波長域λ１〜λ３（中心波長λ２）の範囲において光強度が減衰しており、波長λ２の時に光強度が最小（Ｐ３）となっている。Ｐ１は前述の式のＩ０（λ）、Ｐ２は前述の式のＩ１（λ）に相当している。また、波長域λ１〜λ３（中心波長λ２）において、ΔＰａ（＝Ｐ２−Ｐ３）の光減衰があることから、波長域からガスの種類、光減衰の程度からその濃度がわかる。

ところで、光源であるランプやレーザ発振手段から出射される光（入射光Ｉ０）の光強度が常に一定であれば、最初に入射光Ｉ０の光強度を測定しておくことで、常に正確にガス分析を行うことができる。しかし、入射光Ｉ０の光強度は、周囲の気温の変化などに応じて変動する。

このため、図１５に示したガス分析装置１５０においては、サンプルセル１５２と別に設けた参照セル１５３内にレファレンス光を常時導入しておき、レファレンス光を常時計測することで、入射光Ｉ０の光強度を求めていた。一方、前述した特許文献１記載のガス分析装置においては、所定の時間間隔でサンプルセル内にゼロガス（Ｎ₂ガスなど）を流してサンプルセル内のガスをパージし、入射光Ｉ０の光強度を所定間隔で再計測していた。これによって、入射光Ｉ０の光強度の変動を補正していた。しかしながら、パージ間隔より短いスパンでは、光学ノイズやドリフトの補正を行うことができないため、パージ直前の段階では分析精度が悪化してしまう。また、パージ間隔を短くすれば分析精度を向上させることができるが、連続的にガス分析を行うのが困難となってしまう。

そこで、本実施の形態に係るガス分析装置１０においては、サンプル光の参照対象であるレファレンス光を、実際に参照セルを用いるのではなく、参照セルを用いた状態をシミュレートして測定するものである。このシミュレーションにより測定されたレファレンス光の光強度を、常時、サンプル光の入射光Ｉ０の光強度としてフィードバックすることで、常に精度良くガス分析を行うことができる。

具体的には、図４に示すように、先ず、光源１１から出射された光強度Ｉ０の光（白色光）は、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２の２つに分岐される。

サンプル光Ｌ１は、分析対象ガスが充填されたサンプルセル１３を通ることで、光強度がＩ１に減衰され、固定された回折格子２１で反射される。同様に、レファレンス光Ｌ２も固定された回折格子２１で反射される。この時、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２は、回折格子２１の別々の位置（図１中では上段と下段）で反射されるので、互いに干渉されない。回折格子２１によって、光は波長バンドごとのスペクトルに分光され、虹色光となる。

分光されたサンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２は、上下二段に配置された２つの光反射偏向手段（MEMS（Micro Electro Mechanical System）アクチュエータを有するプログラマブル回折格子（以下、MEMS型プログラマブル回折格子と記す））２２ａ，２２ｂで反射、偏向される。図４に示すように、MEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂにおける各MEMSアクチュエータ（以下、MEMS１，MEMS２と記す）に到達した各光Ｌ１，Ｌ２は、所定の角度範囲で高速で反射、偏向され、交互にアパチャ２３へと向かう。この反射、偏向によって、各光Ｌ１，Ｌ２の光強度Ｉ１，Ｉ０は、光強度Ｉ２，Ｉ０に調整される。

例えば、図５（ａ）に示すように、MEMS１（又はMEMS２）は、基板５１上に静止電極５２ａ…５２ｎ（図５（ａ）中では５２ａのみ図示）が設けられ、各静止電極５２ａ…５２ｎと離間して移動電極５３ａ…５３ｎ（図５（ａ）中では５３ａのみ図示）を設けたものである。各移動電極５３ａ…５３ｎは、各静止電極５２ａ…５２ｎに対して当接、離間自在（図５（ａ）中では上下方向移動自在）に設けられる。また、各移動電極５３ａ…５３ｎは、基板５１に設けられる脚部５４ａ，５４ｂと、電極本体部（ミラー部）５５と、一端が脚部５４ａ，５４ｂに固定して設けられ、他端が電極本体部５５を吊設するフレキシブル接続部５６ａ，５６ｂとを有している。フレキシブル接続部５６ａ，５６ｂの厚さＤ２は、電極本体部５５の厚さＤ１よりも薄く（例えば、約１／３）形成しておくことで、フレキシブル接続部５６ａ，５６ｂは自在に屈曲される。電極本体部５５は剛直で、屈曲しない。各静止電極５２ａ…５２ｎは、それぞれが制御手段（例えば、コンピュータ（図示せず））の各アドレスに独立して接続されている。

各静止電極５２ａ…５２ｎと各移動電極５３ａ…５３ｎ間の電圧（電位差）を、制御手段によりそれぞれ制御することで、各移動電極５３ａ…５３ｎを独立させて駆動させることができる。その結果、各静止電極５２ａ…５２ｎと各移動電極５３ａ…５３ｎ間の離間距離Ｈ１…Ｈｎ（図５（ａ）中ではＨ１のみ図示）を、それぞれ無段階に自在に調節することができる。電圧と離間距離Ｈ１…Ｈｎとの関係は予め検量線を作成しておき、この検量線に基づいて、離間距離Ｈ１…Ｈｎを調節する。このように、静止電極と移動電極の各離間距離Ｈ１…Ｈｎを、それぞれ無段階に自在に調節することで、アパチャ２３を通過する光の強度を波長バンドごとに調節することができる。また、MEMS１，MEMS２の各移動電極５３ａ…５３ｎの制御は、高速で、かつ、制御手段によって同期させて交互に行われる。

具体的には、図５（ｂ）に示すように、全ての移動電極５３ａ…５３ｎを動かさず、静止電極５２ａ…５２ｎから離間させたままとすることで（全ＯＦＦ時）、アパチャ２３において、所定の波長バンドの光（図５（ｂ）中では光５９ａ〜５９ｃ）が全て遮断される。また、図５（ｃ）に示すように、全ての移動電極５３ａ…５３ｎを静止電極５２ａ…５２ｎと当接させることで（全ＯＮ時）、所定の波長バンドの光（図５（ｃ）中では光５９ａ〜５９ｃ）がアパチャ２３間を通過する。また、図５（ｄ）に示すように、移動電極５３ａ…５３ｎの一部を静止電極５２ａ…５２ｎと当接又は近接させ、残部の移動電極５３ａ…５３ｎを動かさず、離間させたままとすることで（光強度調整時）、当接又は近接させる静止電極と対応したある波長バンドの光（図５（ｄ）中では光５９ｂ，５９ｃ）だけが、光強度を調整されてアパチャ２３間を通過する。離間させたままの静止電極と対応したある波長バンドの光（図５（ｄ）中では光５９ａ）は、アパチャ２３で遮断される。

アパチャ２３間を通過した光強度がＩ２，Ｉ０の各光Ｌ１，Ｌ２は、交互に屈折手段２４に照射される。屈折手段２４に入射した各光Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ屈折させられ、波長バンドごとのスペクトルがアレイ検出素子２５に達するように出射される。

屈折手段２４を通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、図４に示したように、交互に検出器（アレイ検出素子２５）で受光される。アレイ検出素子２５は、水平に配列、配置された各検出部を有しており、各検出部で各波長バンドごとのスペクトルがそれぞれ受光される。各検出部で、プリズム２４によって屈折された各光Ｌ１，Ｌ２の各スペクトルが交互に検出され、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２の各波長バンドごとのスペクトルの差がそれぞれＡＣ出力される。図４中では、検出器から出力δIが出力される。このＡＣ出力は、各波長バンドごとのスペクトルの吸収度合いに比例している。

各ＡＣ出力が演算手段（例えば、データ演算装置）に取り込まれ、ケモメトリックスなどの多変量解析手法を用いて波形処理を行うことで、ガス成分、ガス濃度の分析がなされる。ここでは、例えば、予め作成しておいた濃度算出用のスペクトルｂ（重みスペクトルや、回帰ベクトルなど）と検出器からの出力δIとの積を、全ての波長バンドで計算し、その総和を求めることで、分析対象ガスのガス濃度ｙが求まる。濃度算出用のスペクトルｂは、分析対象ガスの種類ごとに、演算装置のメモリに記憶、保存されている。濃度ｙは以下の(1)式で表される。

ここで、本実施の形態に係るガス分析装置１０は、濃度演算を、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２の各波長バンドごとのスペクトルの差を基に行っている。よって、ある波長のスペクトルの差が小さくても、言い換えると分析対象ガスによるある波長の光吸収が小さくても、分割波長バンドの全域に亘って各波長バンドごとのスペクトルの差を光強度調整（光強度を増幅及び／又は減衰）することで、ある波長のスペクトルの差を強調させる（増幅させる）ことができる。

例えば、図５（ｄ）における光強度調整の一例を図６に示すように、波長範囲がλ４〜λ９、光強度がＰ４の入射光６１は、図５（ｄ）に示したMEMS１（又はMEMS２）により反射され、アパチャを通過することで通過光６２となる。この通過光６２は、λ６〜λ７、λ８〜λ９の波長バンドにおいて光強度がＰ５（＜Ｐ４）に調整される。また、通過光６２は、λ４〜λ５の波長バンドにおいて光強度がＰ６（＜Ｐ５）に調整される。さらに、通過光６２は、λ５〜λ６の波長バンドで、光強度がＰ６からＰ７（＜Ｐ６）に連続的に減少するように調整される。また、通過光６２は、λ７〜λ８の波長バンドにおいて光強度がＰ８（＜Ｐ７）に調整される。このように、MEMS１（又はMEMS２）は、波長バンドごとに、入射光６１を偏向させると共に、入射光６１の光強度を自在に調整することができる。

このため、分析対象ガスの光吸収が小さくても、図１５に示したガス分析装置１５０のように全長が約１ｍ程度の大きなサンプルセルを用いたり、特許文献１記載のガス分析装置のようにマルチパス化により光路長を長くする必要がない。よって、本実施の形態に係るガス分析装置１０においては、サンプルセル１３自体の大きさを小さくすることができ、例えば、約１０ｃｍ程度に小型化することができる。その結果、ガス分析装置１０全体の小型化を図ることができる。また、サンプルセル１３を小型化できることから、サンプルセル１３内のガス温度を一定に保つセルヒータ１２５（図１２参照）を小型化できる。延いては、セルヒータ１２５による加熱コスト（ランニングコスト）を低減することができる。

また、本実施の形態に係るガス分析装置１０は、設置スペースが狭隘であるため、従来、サンプルセルの設置が困難であった場所、例えば、図１２に示すように、流通ガスＧ１（分析対象ガス）が流れる煙道１２０の近傍に、サンプルセル１３を設置することができるようになる。その結果、流通ガスＧ１の採取・供給ライン１２１及び排出ライン１２２は短くて済む。よって、各ライン１２１，１２２の装置コストを低減することができる。また、特に採取・供給ライン１２１のライン長が短くなることで、ライン１２１内でガス構成成分同士が反応するおそれが低減し、ガス分析の精度が向上する。さらに、各ライン１２１，１２２内を流れるガス温度を一定に保つためのヒータによる加熱量も少なくて済み、ランニングコストを低減することができる。

また、本実施の形態に係るガス分析装置１０においては、サンプルセル１３の長さは短く、かつ、光路長を長くするために、セル内部にマルチパスの光路を形成する必要もない。このため、本実施の形態に係るガス分析装置１０において、妨害ガスによる光吸収も小さくなる。その結果、分析対象ガス中に高濃度の妨害ガスが含まれていても、精度良くガス分析を行うことができる。また、サンプルセル１３の長さ及び光路長が短いことから、サンプルセル１３内でのタイムラグが短くなると共に、サンプルセル１３内部における温度によるサンプル光の揺らぎが少なくなる。

また、本実施の形態に係るガス分析装置１０は、特許文献１記載のガス分析装置と比較して、装置全体の光路長を短くすることができる。よって、装置の稼働に伴って、震動などにより光軸にズレが生じたとしても、光路長が短い分、ある程度の光軸ズレを許容することができる。よって、本実施の形態に係るガス分析装置１０は、特許文献１記載のガス分析装置と比較して、光学系の調整を行うメンテナンス間隔を長くすることができ、メンテナンスが容易となる。

次に、レファレンス光Ｌ２のシミュレーションによる計測について、具体的に説明する。先ず、サンプルセル１３内に分析、測定対象ガスが充填されていない状態で、サンプルセル１３内にＮ₂ガスなどを注入する。この状態で、光源１１から光を出射し、サンプル光Ｌ１及びレファレンス光Ｌ２の各波長バンドごとのスペクトルの差をアレイ検出素子２５からＡＣ出力する。この時、各ＡＣ出力がゼロとなるように、MEMS２の各移動電極５３ａ…５３ｎを調節し、この状態をMEMSデータ１として記憶させておく。

その後、サンプルセル１３内に分析、測定対象ガスを注入する。この状態で、光源１１から光強度Ｉ０の光を出射し、各波長バンドごとのスペクトルに分光された各光Ｌ１，Ｌ２を、MEMS１，MEMS２で反射、偏向させる。MEMS１，MEMS２は、各波長バンドごとのスペクトルに分光された各光Ｌ１，Ｌ２がアレイ検出素子２５に達するように、各光Ｌ１，Ｌ２を反射、偏向させる。この時、MEMS１，MEMS２は、各光Ｌ１，Ｌ２の各スペクトルが交互にアレイ検出素子２５で検出されるべく、それぞれ制御手段により同期させて制御される。また、光Ｌ２がアレイ検出素子２５に達するように光Ｌ２をMEMS２で反射、偏向させる際、MEMS２は予め記憶しておいたMEMSデータ１の状態に制御される。

一方、光源１１から出射される光の光強度は、周囲の気温の変化などにより変動する。しかし、光強度がＩ０からＩ０′に変動した場合でも、レファレンス光Ｌ２は、MEMSデータ１の状態に調節されたMEMS２で反射、偏向される。その後、アレイ検出素子２５で、光強度Ｉ０′のレファレンス光Ｌ２に対応した各光スペクトルを検出し、この新たな検出値と、光強度Ｉ０のレファレンス光Ｌ２に対応した各光スペクトルとを比較することで、光強度の変動量が求められる。この光強度の変動量から新たな光強度Ｉ０′が決定され、この新たな光強度Ｉ０′は、即座にサンプル光Ｌ１の光強度Ｉ０′としてフィードバックされる。

本実施の形態に係るガス分析装置１０においては、レファレンス光Ｌ２を、実際に参照セルを用いて測定するのではなく、参照セルを用いた状態をシミュレートして測定する。そして、このシミュレーションにより測定されたレファレンス光Ｌ２の光強度を、常時、サンプル光Ｌ１の入射光Ｉ０の光強度としてフィードバックしている。よって、参照セルを用いなくても、常に光強度の変動を検出でき、常に精度良くガス分析を行うことができる。

また、レファレンス光Ｌ２の光強度を常時測定できることを利用し、光源１１の電圧を制御することで、レファレンス光Ｌ２の光強度が一定となるように補正を行ってもよい。この補正を、具体例を挙げて説明する。

先ず、入射光Ｉ０の光スペクトル（ゼロガススペクトル）を２０秒間隔で１０回計測し、それぞれの時の積算平均スペクトルを求めた。その結果、図７に示すように、最も受光強度が大きくなるのは、波長が２２８ｎｍの時であり、その時の受光強度は約29700であった。

次に、最も受光強度が大きな波長２２８ｎｍの時の受光強度と経過時間との関係を求めた。その結果、図８に菱形印のプロットで示すように、受光強度は常に一定ではなく、時間の経過に伴って変動し、最大で約1400のバラツキが生じた。この受光強度の変動は、ノイズに伴うランプ強度の変動によるものと考えられる。

各計測時におけるＩ０の変動は、ガス濃度を計算する際に誤差が生じる要因となる。ここで、ノイズの原因を解析するために、以下の計算を行った。

各受光強度スペクトルをPi(ｘ)、ｉは計測の順番（１〜１０）、ｘは検知素子の番号（波長バンドに相当）とすると、１０個の各計測スペクトルの積算平均は、以下の(2)式で表される。

また、(2)式で得られた積算平均スペクトルのバラツキ具合を調べるために、分散スペクトルvar(ｘ)を計算すると、(3)式で表される。

(3)式で得られた分散の大きさが、波長依存性を有しているのか又はランダムであるのかを調べるために、分散の移動平均ptSDを計算すると、(4)式で表される。ここでは、９ポイントを移動平均した。

(4)式で得られた９点移動平均値と１０回計測時の平均受光強度との関係を図９に示すように、９点移動平均値と平均受光強度は強く相関していることがわかる。ここで、移動平均値は、ノイズの大きさに相当していることから、Ｉ０の変動は、受光強度、つまりランプ強度の変動に大きく起因していることがわかる。受光強度とノイズの大きさで単回帰分析を行うと、
ｙ＝0.0128ｘ＋2.9838（Ｒ²＝0.999（Ｒ:相関係数）） …(5)式
となる。

(5)式から、ランプ強度とノイズの大きさとの関係を求めると図１０となる。図１０に示すように、線１０１で表されるノイズの大きさは、線１０２で表される電気系ノイズ（ランプ以外のノイズ）と、線１０３で表されるランプノイズとの和となる。つまり、ノイズの大きさは２つの要素に起因しており、一方はランプ強度の大きさに比例するランプノイズ、他方はランプ強度の大きさに関係なく常に一定の値を示す電気系ノイズである。

波長２２８ｎｍにおける受光強度（約29700）の場合、図９に示したように９点移動平均値（ノイズの大きさ１０１）は約３５０であった。このため、受光強度Ｉ０の変動も最大約３５０となった。ところが、図１０に示したように、ランプノイズ１０３による影響をゼロとすると、ノイズの大きさ１０１は理論的には３±0.5となり、受光強度Ｉ０の変動を最大で３±0.5とすることが可能となる。例えば、波長２２８ｎｍの光の受光強度がＩ０の時、ランプノイズ１０３による影響をゼロとした場合（光強度の補正を行った場合）、図１１に四角印のプロットで示すように、時間の経過に関係なく、受光強度は略一定（約29700）となる。図１１に菱形印のプロットで示す光強度補正前と比較すると、受光強度の変動が抑制されていることがわかる。

そこで、シミュレーションにより測定されたレファレンス光Ｌ２の光強度を、常時、光源１１に接続して設けた電圧制御手段（図示せず）にフィードバックし、光源１１の電圧制御を行うようにする。これによって、レファレンス光Ｌ２の光強度は常にほぼ一定となり、本実施の形態に係るガス分析装置１０は、常に精度良くガス分析を行うことができる。

次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の他の好適一実施の形態に係るガス分析装置の斜視概略図を図１４に示す。尚、図１と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。

図１４に示すように、本実施の形態に係るガス分析装置１４０の基本的な構成は、図１に示したガス分析装置１０と同じである。ガス分析装置１４０が、ガス分析装置１０と異なる点は、アパチャ２３と屈折手段２４との間に第２回折格子１４３（集光手段）を設け、検出手段として検出器１４５を設け、各MEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂに制御演算手段１４１を接続した点である。

第２回折格子１４３としては、回折格子２１と同じものが使用可能である。回折格子１４３により、各波長バンドごとのスペクトル（虹色の光）に分光された各光Ｌ１，Ｌ２が、単一光（白色光）にコンデンス（集光）される。また、集光手段として、第２回折格子１４３の代わりに積分球を用いてもよい。

検出器１４５としては、アレイ型の検出器である必要はなく、シングル型の検出器で十分である。

制御演算手段１４１は、各MEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂの制御手段としての機能と、図１に示したアレイ検出素子２５に接続された演算手段としての機能を併せ持つものである。制御手段としての機能部と演算手段としての機能部は、一体に設けてもよく、又はそれぞれ別体に設けてもよい。

次に、本実施の形態に係るガス分析装置１４０を用いたガス分析方法を、添付図面に基づいて説明する。

本実施の形態に係るガス分析装置１４０を用いたガス分析方法は、基本的に前実施の形態に係るガス分析装置１０を用いたガス分析方法と同じであるが、分析対象ガスの濃度を演算する手法が異なる。

図４に示したように、先ず、光源１１から出射された光強度Ｉ０の光（白色光）は、サンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２の２つに分岐される。

サンプル光Ｌ１は、分析対象ガスが充填されたサンプルセル１３を通ることで、光強度がＩ１に減衰され、固定された回折格子２１で反射される。同様に、レファレンス光Ｌ２も固定された回折格子２１で反射される。回折格子２１によって、光は波長バンドごとのスペクトルに分光され、虹色光となる。

分光されたサンプル光Ｌ１とレファレンス光Ｌ２は、上下二段に配置された２つのMEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂで反射、偏向される。MEMS型プログラマブル回折格子２２ａ，２２ｂにおけるMEMS１，MEMS２に到達した各光Ｌ１，Ｌ２は、所定の角度範囲で高速で反射、偏向される。

ここで、MEMS１における反射、偏向は、前実施の形態の［数１］で示した(1)式の演算結果に基づいてなされる。具体的には、(1)式の演算内容と同じことが、MEMS１において光学的に行われる。この時、濃度算出用スペクトルｂと同じ割合となるように、MEMS１の各移動電極５３ａ…５３ｎを調節して光の反射率Ｒ(λ)を制御し、波長バンドごとのスペクトルに分光されたサンプル光Ｌ１を、各波長バンドごとに反射率を変えて反射、偏向させる。言い換えると、MEMS１において、分光されたサンプル光Ｌ１の反射率の制御を波長バンドごとに行って、サンプル光Ｌ１の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた濃度算出用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを行い、この状態で分光されたサンプル光Ｌ１を反射、偏向させる。

MEMS１，MEMS２において、所定の角度範囲で高速で反射、偏向された各光Ｌ１，Ｌ２は、交互にアパチャ２３へと向かう。アパチャ２３間を交互に通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、第２回折格子１４３で集光される。この集光によって、各光Ｌ１，Ｌ２の全波長バンドのスペクトルがまとめられる（足し合わされる）。

その後、集光された各光Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ屈折手段２４で屈折させられ、波長バンドごとのスペクトルが検出器１４５に達するように出射される。

屈折手段２４を通過した各光Ｌ１，Ｌ２は、交互に検出器１４５で受光される。検出器１４５でそれぞれ受光、検出されるのは、各光Ｌ１，Ｌ２の全波長バンドにおける光量の総和である。よって、検出器１４５からの出力が、そのまま分析対象ガスの濃度となる。

また、分析対象ガスが多成分ガスである場合、各成分（成分ｃ１、成分ｃ２、…、成分ｃｎ）の濃度演算をシーケンシャルに行う（逐次行う）。具体的には、先ず、MEMS１において、サンプル光Ｌ１の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた成分ｃ１の濃度算出用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを行い、成分ｃ１の濃度を検出器１４５から出力する。次に、MEMS１において、サンプル光Ｌ１の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた成分ｃ２の濃度算出用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを行い、成分ｃ２の濃度演算を検出器１４５から出力する。順次、この演算を繰り返し、最後に、MEMS１において、サンプル光Ｌ１の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた成分ｃｎの濃度算出用スペクトルｂと同じ重みの重み付けを行い、成分ｃｎの濃度演算を検出器１４５から出力する。

本実施の形態に係るガス分析装置１４０では、前実施の形態に係るガス分析装置１０のように、アレイ検出素子２５から多量のデータを演算手段に転送し、それらのデータを演算手段で演算する必要がないため、より高速度なガス分析が可能となる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

本発明の好適一実施の形態に係るガス分析装置の斜視概略図である。 サンプルセルにおける吸光の様子を示すモデル図である。 入射光及び出射光における波長と光強度との関係を示す図である。 図１におけるガス分析装置を伝搬される各光の光強度を示すモデル図である。 MEMSアクチュエータの概略図である。図５（ａ）は横断面図、図５（ｂ）は全OFF時のモデル図、図５（ｃ）は全ON時のモデル図、図５（ｄ）は光強度調整時のモデル図である。 入射光及び通過光における波長と光強度との関係を示す図である。 ある波長バンドの光の、波長と受光強度との関係を示す図である。 ある波長バンドの光の、受光強度の変動を示す図である。横軸は経過時間、縦軸は受光強度を示す。 平均受光強度と９点移動平均値との関係を示す図である。 ランプ強度とノイズの大きさとの関係を示す図である。 補正前及び補正後の、ある光の受光強度の変動を示す図である。横軸は経過時間、縦軸は受光強度を示す。 本発明の好適一実施の形態に係るガス分析装置の適用例を示す図である。 図１２におけるガス分析装置の上面図である。 本発明の他の好適一実施の形態に係るガス分析装置の斜視概略図である。 従来のガス分析装置の模式図である。

符号の説明

１０ ガス分析装置
１１ 光源
１２ 光ガイド部材
１２ａ，１２ｂ 経路
１３ サンプルセル
２０ マルチチャンネル分光器
２２ プログラマブル回折格子（光反射偏向手段）
２５ アレイ検出素子
Ｌ１ サンプル光
Ｌ２ レファレンス光

Claims (12)

1. 光の吸収を利用してガス濃度、成分の吸光分析を行うガス分析装置において、
   光を出射する光源と、
   出射された光を一端側から導入し、案内する少なくとも２つの経路を有する光ガイド部材と、
   光ガイド部材の一の経路に設けられ、吸光分析の対象となるガスが収容されるサンプルセルと、
   光ガイド部材の他端側に接続され、かつ、サンプルセルを通過し、光吸収されたサンプル光及び光ガイド部材の他の経路を通過したレファレンス光をそれぞれ所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子、及び各波長バンドごとに各光のスペクトルの差を検出するアレイ検出素子を有するマルチチャンネル分光器と、
   を備えたことを特徴とするガス分析装置。
2. 光の吸収を利用してガス濃度、成分の吸光分析を行うガス分析装置において、
   光を出射する光源と、
   出射された光を案内する少なくとも２つの経路を有する光ガイド部材と、
   光ガイド部材の一の経路に設けられ、吸光分析の対象となるガスが収容されるサンプルセルと、
   サンプルセルを通過し、光吸収されたサンプル光及び光ガイド部材の他の経路を通過したレファレンス光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
   回折格子で分光された各光を反射させる光反射手段と、
   反射された各光の波長バンドごとのスペクトルを交互に検出し、サンプル光とレファレンス光のスペクトルの差を出力するアレイ検出素子と、
   アレイ検出素子からの出力に基づいてガス濃度の演算を行う演算手段と、
   を備えたことを特徴とするガス分析装置。
3. 光の吸収を利用してガス濃度、成分の吸光分析を行うガス分析装置において、
   光を出射する光源と、
   出射された光を一端側から導入し、案内する少なくとも２つの経路を有する光ガイド部材と、
   光ガイド部材の一の経路に設けられ、吸光分析の対象となるガスが収容されるサンプルセルと、
   光ガイド部材の他端側に接続され、かつ、サンプルセルを通過し、光吸収されたサンプル光及び光ガイド部材の他の経路を通過したレファレンス光をそれぞれ所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子、及び各光の光量の総和を検出する検出素子を有するマルチチャンネル分光器と、
   を備えたことを特徴とするガス分析装置。
4. 光の吸収を利用してガス濃度、成分の吸光分析を行うガス分析装置において、
   光を出射する光源と、
   出射された光を案内する少なくとも２つの経路を有する光ガイド部材と、
   光ガイド部材の一の経路に設けられ、吸光分析の対象となるガスが収容されるサンプルセルと、
   サンプルセルを通過し、光吸収されたサンプル光及び光ガイド部材の他の経路を通過したレファレンス光がそれぞれ照射され、各光を反射し、所定の波長バンドごとに分光する回折格子と、
   回折格子で分光された各光を反射させる光反射手段と、
   サンプル光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた濃度算出用のスペクトルと同じ重みの重み付けを行うべく、上記光反射手段でのサンプル光の反射率の制御を波長バンドごとに行う演算手段と、
   反射された各光を集光する集光手段と、
   集光された各光の光量の総和を交互に検出する検出素子と、
   を備えたことを特徴とするガス分析装置。
5. 上記光反射手段が、分光された上記各光を所定の波長バンドごとに掃引、変調するプログラマブル回折格子である請求項２又は４記載のガス分析装置。
6. 上記プログラマブル回折格子が、ＭＥＭＳアクチュエータを有する請求項１，３，５いずれかに記載のガス分析装置。
7. 上記サンプル光とレファレンス光を別々に反射、偏向させるべく、上記光反射偏向手段を少なくとも２つ設けた請求項２，４，５，６いずれかに記載のガス分析装置。
8. 上記集光手段が、第２回折格子又は積分球である請求項４記載のガス分析装置。
9. 光の吸収を利用してガス濃度、成分の吸光分析を行うガス分析方法において、
   光源から出射された光を少なくとも２つに分岐し、
   一方の光を吸光分析の対象となるガスが収容されたサンプルセルに導入し、光吸収させると共にサンプルセルを通過させてサンプル光とし、他方の光は光吸収させず、出射された状態のままのレファレンス光とし、
   各光を所定の波長バンドごとに分光し、
   分光された各光を反射させると共に、反射された各光の波長バンドごとのスペクトルをそれぞれ検出器で検出し、波長バンドごとにサンプル光とレファレンス光のスペクトルの差を出力し、
   それらの出力値に基づいてガス濃度の演算を行うことを特徴とするガス分析方法。
10. 光の吸収を利用してガス濃度、成分の吸光分析を行うガス分析方法において、
    光源から出射された光を少なくとも２つに分岐し、
    一方の光を吸光分析の対象となるガスが収容されたサンプルセルに導入し、光吸収させると共にサンプルセルを通過させてサンプル光とし、他方の光は光吸収させず、出射された状態のままのレファレンス光とし、
    各光を所定の波長バンドごとに分光し、
    分光された各光を反射させると共に、分光されたサンプル光の反射率の制御を波長バンドごとに行って、サンプル光の波長バンドごとのスペクトルに、予め作製しておいた濃度算出用のスペクトルと同じ重みの重み付けを行い、
    反射された各光を集光し、
    集光された各光の光量の総和を検出器で検出し、各総和を用いてガス濃度を求めることを特徴とするガス分析方法。
11. 反射された各光の波長バンドごとのスペクトルが交互に検出器で検出されるように、各光を反射させる際、各光を偏向させると共に、その偏向制御を同期させて行う請求項９記載のガス分析方法。
12. 集光された各光の光量の総和が交互に検出器で検出されるように、各光を反射させる際、各光を偏向させると共に、その偏向制御を同期させて行う請求項１０記載のガス分析方法。
    

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