JP2008241269A - Absorbance measuring instrument and absorbance measuring method - Google Patents

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Nobuo Nishinomiya
信夫 西宮
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Tokyo Polytechnic University
Tama TLO Co Ltd
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Tama TLO Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an absorbance measuring instrument, capable of enhancing detection sensitivity and an S/N ratio in the measurement of the absorbance of a laser beam for the purpose of the measurement of gas concentration, and an absorbance measuring method. <P>SOLUTION: The diffused laser beam P is emitted to a measuring target from laser beam sources 11 and 13a, a light detection element array DA comprising a plurality of light detection elements is arranged in the irradiation surface of the laser beam P and the absorbance of the laser beam P in the measuring target is measured, on the basis of the intensity signals outputted from the respective light detection elements. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、主として気体(ガス)を測定対象物とする吸光度計測装置及び吸光度計測方法に関し、ガス濃度の測定に特に好適に使用することができる吸光度計測装置及び吸光度計測方法に関する。   The present invention relates to an absorbance measurement device and an absorbance measurement method mainly using a gas (gas) as a measurement object, and more particularly to an absorbance measurement device and an absorbance measurement method that can be suitably used for measuring a gas concentration.

石油資源を利用した産業の発展に伴い、地球温暖化の問題が深刻になっている。この地球温暖化は、大気中の温室効果ガスが赤外線の一部を吸収し、その一部を地表面に再放射し、地表面を暖めることによって起こるものである。温室効果ガスには、水蒸気、石油資源を燃焼させた際に発生する二酸化炭素、天然ガスを採掘する際やごみなどから発生するメタン、一酸化窒素、フロンなどがある。近年、石油資源の消費増大等により、これら温室効果ガスが大量に排出されており、これを抑制するため、これらガスの排出量制限が設けられるようになってきている。そのため、大気中のこれらガス濃度を測定し、これらガスの濃度を監視することが必要とされている。   With the development of industries using petroleum resources, the problem of global warming has become serious. This global warming occurs when a greenhouse gas in the atmosphere absorbs part of infrared rays, re-radiates part of it to the ground surface, and warms the ground surface. Greenhouse gases include water vapor, carbon dioxide generated when oil resources are burned, methane, nitrogen monoxide, and chlorofluorocarbons generated when mining natural gas and garbage. In recent years, due to an increase in the consumption of petroleum resources, etc., these greenhouse gases have been discharged in large quantities, and in order to suppress this, emission limits on these gases have been set. Therefore, it is necessary to measure the concentrations of these gases in the atmosphere and monitor the concentrations of these gases.

環境問題として、地球温暖化の問題のほか、大気汚染の問題も深刻になっている。汚染ガスには、一酸化炭素、窒素酸化物(NOx)、硫黄酸化物(SOx)、硫化水素、アンモニア、アセチレン、ダイオキシン、ハロゲン等があり、特に、一酸化炭素や一酸化窒素、硫化水素、ダイオキシン、ハロゲン等は吸引すると危険である。従って、これらの有害ガスが発生する可能性のある環境では、これらのガスの濃度を測定することが必要である。   In addition to global warming, air pollution has become a serious environmental problem. The polluted gases include carbon monoxide, nitrogen oxide (NOx), sulfur oxide (SOx), hydrogen sulfide, ammonia, acetylene, dioxin, halogen, etc., especially carbon monoxide, nitrogen monoxide, hydrogen sulfide, Dioxins, halogens, etc. are dangerous if inhaled. Therefore, it is necessary to measure the concentration of these gases in an environment where these harmful gases may be generated.

上記の各種ガスは、ガス分子の回転や原子間の振動等により、特定波長の光を吸収する吸収帯を有している。そこで、この吸収帯を利用したガス濃度測定法が数多く提案されている。   Each of the above gases has an absorption band that absorbs light of a specific wavelength due to rotation of gas molecules, vibration between atoms, and the like. Therefore, many gas concentration measurement methods using this absorption band have been proposed.

上記測定法としては、赤外線を利用した赤外吸収測定法(特許文献1)が知られているが、分解能の高い測定を行うことが可能であるなどの理由から、レーザ光に対するガスの吸光度を計測することによるガス濃度測定法も数多く検討されている(特許文献2〜5)。   As the above measurement method, an infrared absorption measurement method using infrared rays (Patent Document 1) is known. However, for the reason that measurement with high resolution is possible, the absorbance of gas with respect to laser light is measured. Many gas concentration measurement methods by measuring have been studied (Patent Documents 2 to 5).

上記ガス分子の多くは、複数の振動/回転モードを有するために、基本振動数での吸収帯(基本バンド)を複数有しており、更に、当該各基本バンドよりも高周波側(短波長側)に基本バンドの倍音や結合音に係る多数の吸収帯を有している。これらの吸収帯のなかでは、基本バンドでの吸収強度が倍音や結合音に係る吸収帯に比して格段に大きいことが一般的であり、ガス濃度を測定するに際しては、基本バンドを対象として吸光度の計測を行うことが有利である。   Since many of the above gas molecules have a plurality of vibration / rotation modes, they have a plurality of absorption bands (fundamental bands) at the fundamental frequency, and further, a higher frequency side (shorter wavelength side) than the respective fundamental bands. ) Has a large number of absorption bands related to overtones and combined sounds of the basic band. Among these absorption bands, the absorption intensity in the basic band is generally much larger than the absorption band related to overtones and combined sounds, and when measuring the gas concentration, the basic band is the target. It is advantageous to measure the absorbance.

しかし、測定対象のガスの種類や、サンプルガス(例えば大気)の圧力、或いはサンプルガス中における測定対象のガスの濃度(分圧)によっては、基本バンドを対象とした吸光度測定によっても正確なガス濃度の測定を行うに十分な検出感度又はS/N比を得ることができない場合がある。   However, depending on the type of gas to be measured, the pressure of the sample gas (for example, the atmosphere), or the concentration (partial pressure) of the gas to be measured in the sample gas, an accurate gas can be obtained even by absorbance measurement for the basic band. In some cases, sufficient detection sensitivity or S / N ratio cannot be obtained to measure the concentration.

吸光度計測における検出感度やS/N比を高めるための手法としては多重光路測定法が知られている(例えば、特許文献4)。   As a technique for increasing detection sensitivity and S / N ratio in absorbance measurement, a multiple optical path measurement method is known (for example, Patent Document 4).

図1(A)は、多重光路測定法の測定原理を示す説明図であり、同図に示されるように、この手法は、2枚(ホワイト型セル)又は3枚(ヒリオット型セル)のミラーM間でレーザ光Pを多数回反射させることで、セル(容器)Cに収容したサンプルガス中におけるレーザ光Pの光路長を延長することにより検出感度を高めるものである。即ち、k(ν)を吸収係数、Lをセル長、n−1をミラーMでの反射回数とすると、サンプルガス中における吸光度AIは下記(1)式で表すことができるため、レーザ光Pを反射させることで光路長が延長され、吸光度AIが上昇することになる。
AI=k(ν)×[n×L] (1)
FIG. 1A is an explanatory diagram showing the measurement principle of the multiple optical path measurement method. As shown in FIG. 1A, this method uses two (white type cells) or three (Hiriot type cells) mirrors. By reflecting the laser beam P many times between M, the detection sensitivity is enhanced by extending the optical path length of the laser beam P in the sample gas accommodated in the cell (container) C. That is, if k (ν) is the absorption coefficient, L is the cell length, and n−1 is the number of reflections by the mirror M, the absorbance AI in the sample gas can be expressed by the following equation (1). Is reflected, the optical path length is extended, and the absorbance AI increases.
AI = k (ν) × [n × L] (1)

しかし、多重光路測定法は、多数回の反射を実現するために高い精度でのミラーMの角度調整が必要になる点で不便であり、更には、ミラーMでの反射毎にレーザ光Pは反射損失を受けるため、この方法による検出感度乃至S/N比の向上には限界がある。   However, the multiple optical path measurement method is inconvenient in that the angle of the mirror M needs to be adjusted with high accuracy in order to realize a number of reflections. Further, the laser beam P is reflected for each reflection at the mirror M. Due to reflection loss, there is a limit to the improvement in detection sensitivity or S / N ratio by this method.

また、上記した各種ガスの基本音バンドは、多くの場合赤外線帯域に位置するが、赤外線帯域で発振する波長可変レーザは一般に高価であり、液体窒素温度で作させることが必要となるなどの不便がある。これに対し、近赤外帯域では、光通信用途などのために安価かつ高性能であり、室温で動作可能な波長可変レーザを容易に入手することができる。しかし、近赤外帯域において存在する吸収帯は、吸収の弱い倍音や結合音に係る吸収帯であり、十分な検出感度乃至S/N比を得ることは、基本音バンドを対象とした吸光度の計測の場合に比して格段に難しくなる問題がある。
特開2004−226104号公報 特開平7−270308号公報 特開平7−27701号公報 特開平5−79976号公報 特開2005−106521号公報
In addition, the basic sound bands of various gases described above are often located in the infrared band, but wavelength tunable lasers that oscillate in the infrared band are generally expensive and inconvenient such that they need to be produced at a liquid nitrogen temperature. There is. In contrast, in the near-infrared band, a tunable laser that is inexpensive and high-performance for optical communication applications and can operate at room temperature can be easily obtained. However, the absorption band existing in the near-infrared band is an absorption band related to weak overtones or coupled sounds that are weakly absorbed, and obtaining sufficient detection sensitivity or S / N ratio is a measure of the absorbance for the fundamental sound band. There is a problem that it becomes much more difficult than in the case of measurement.
JP 2004-226104 A JP 7-270308 A Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-27701 JP-A-5-79976 JP-A-2005-106521

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、以下のいずれか一以上の目的を達成するものである。   The present invention has been made in view of the above problems, and achieves one or more of the following objects.

即ち、本発明の目的は、従来の吸光度計測と比較して、吸光度の検出感度又はS/N比を高めることが可能な吸光度計測装置又は吸光度計測方法を提供することにある。   That is, an object of the present invention is to provide an absorbance measuring apparatus or an absorbance measuring method capable of increasing absorbance detection sensitivity or S / N ratio as compared to conventional absorbance measurement.

本発明の他の目的は、レーザ光をガスに照射したときの吸光度計測によりガス濃度を測定することが可能な吸光度計測装置又は吸光度計測方法であって、従来の測定法と比較して、より高い検出感度又はより高いS/N比をもってガス濃度を測定することが可能な吸光度計測装置又は吸光度計測方法を提供することにある。   Another object of the present invention is an absorbance measuring apparatus or an absorbance measuring method capable of measuring a gas concentration by measuring absorbance when a laser beam is irradiated to a gas, and compared with a conventional measuring method, An object of the present invention is to provide an absorbance measuring apparatus or an absorbance measuring method capable of measuring a gas concentration with high detection sensitivity or higher S / N ratio.

本発明の他の目的は、レーザ光をガスに照射したときの吸光度計測によりガス濃度を測定することが可能な吸光度計測装置又は吸光度計測方法であって、従来よりも小型又は安価な吸光度計測装置を提供すること、又は、従来の測定法と比較して、より小型又は安価な装置をもってガス濃度を測定することが可能な吸光度計測方法を提供することにある。   Another object of the present invention is an absorbance measuring device or an absorbance measuring method capable of measuring a gas concentration by measuring absorbance when a laser beam is irradiated onto a gas, and is an absorbance measuring device that is smaller or less expensive than conventional ones. Or to provide an absorbance measurement method capable of measuring the gas concentration with a smaller or less expensive device as compared with the conventional measurement method.

本発明の更に他の目的は、近赤外波長域のレーザ光を用いた吸光度計測によって、ガス濃度の測定を行うことが可能な吸光度計測装置又は吸光度計測方法を提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide an absorbance measuring apparatus or an absorbance measuring method capable of measuring a gas concentration by measuring absorbance using a laser beam in the near infrared wavelength region.

本発明は、測定対象物に向けて拡散させたレーザ光を出射するレーザ源と、前記レーザ光の照射面内に配置され、それぞれが前記測定対象物を透過した前記レーザ光の強度信号を出力する複数の光検出素子からなる光検出素子アレイとを備えることを特徴とする吸光度計測装置(請求項1)又は、
測定対象物に向けて拡散させたレーザ光を出射するステップと、前記レーザ光の照射面内に配置される複数の光検出素子からなる光検出素子アレイによって、前記測定対象物を透過した前記レーザ光の強度信号を計測するステップとを有することを特徴とする吸光度計測方法(請求項5)により上記課題を達成したものである。
The present invention provides a laser source that emits a laser beam diffused toward a measurement object, and an intensity signal of the laser light that is disposed within the irradiation surface of the laser light and that has passed through the measurement object. An absorbance measuring device comprising a photodetecting element array comprising a plurality of photodetecting elements (claim 1), or
The laser beam that has passed through the measurement object by a step of emitting laser light diffused toward the measurement object and a light detection element array including a plurality of light detection elements arranged in the irradiation surface of the laser light The above-described object is achieved by an absorbance measurement method (claim 5) comprising a step of measuring a light intensity signal.

本発明のレーザ源は、拡散させたレーザ光を放射するものであるが、当該拡散は、光検出素子アレイを構成する複数の光検出素子にレーザ光を照射させることが可能になる程度の拡散を言う。なお、光検出素子アレイを構成する全ての光検出素子においてレーザ光の強度信号を計測する場合には、全ての光検出素子にレーザ光が照射されることが必要であるが、光検出素子アレイを構成する光検出素子の一部の光検出素子によりレーザ光の強度信号を計測する場合には、その一部の光検出素子にレーザ光が照射されれば足りる。   The laser source of the present invention emits diffused laser light, but the diffusion is performed to such an extent that it is possible to irradiate a plurality of light detection elements constituting the light detection element array with laser light. Say. In addition, when measuring the intensity signal of the laser light in all the light detection elements constituting the light detection element array, it is necessary to irradiate the laser light to all the light detection elements. In the case where the intensity signal of the laser beam is measured by a part of the light detection elements constituting the light beam, it is sufficient that the part of the light detection elements is irradiated with the laser light.

本発明における光検出素子アレイを構成する複数の光検出素子は、レーザ光の照射面内に配置されるが、配置の態様は、マトリクス状であっても直線状であっても構わない。なお、装置のコンパクト化などの観点からは、マトリクス状の配置とすることが好ましい。   The plurality of photodetecting elements constituting the photodetecting element array in the present invention are arranged in the laser light irradiation surface, but the arrangement may be in a matrix or a linear form. In view of reducing the size of the apparatus, it is preferable to use a matrix arrangement.

図1(B)は、本発明のメカニズムを模式的に示す概念説明図である。   FIG. 1B is a conceptual explanatory view schematically showing the mechanism of the present invention.

図示のように、本発明では、ビーム断面が所定の面積Sとなるように拡散させたレーザ光Pが測定対象物を収容する容器Cに照射され、当該測定対象物を透過したレーザ光の強度が光検出素子アレイDAを構成する複数の光検出装置によって並行して計測される。従って、本発明により計測される吸光度AIは、nを光検出素子の個数として下記(2)式で表されることになるが、下記(2)式は、上記(1)式と等価であることから、多重光路測定法の場合と同様に、吸光度の検出感度又はS/N比の上昇が達成されるものである。
AI=n×[k(ν)×L] (2)
As shown in the drawing, in the present invention, the intensity of the laser light that is irradiated to the container C that accommodates the measurement object and is transmitted through the measurement object is irradiated with the laser light P diffused so that the beam cross section has a predetermined area S. Are measured in parallel by a plurality of photodetectors constituting the photodetector array DA. Therefore, the absorbance AI measured according to the present invention is expressed by the following formula (2), where n is the number of light detection elements, but the following formula (2) is equivalent to the above formula (1). Therefore, as in the case of the multiple optical path measurement method, an increase in absorbance detection sensitivity or S / N ratio is achieved.
AI = n × [k (ν) × L] (2)

ただし本発明では、多重光路測定法の場合と異なり、ミラーMの調整の困難を伴わない利点があり、更に、ミラーMによる反射損失の問題を有さないが故に、光検出素子数を増加させることで多重光路測定法におけるよりも高い検出感度又はS/N比を達成することも可能となる点において多重光路測定法よりも優れているといえる。   However, in the present invention, unlike the multiple optical path measurement method, there is an advantage that the adjustment of the mirror M is not difficult, and further, since there is no problem of reflection loss due to the mirror M, the number of light detection elements is increased. Thus, it can be said that it is superior to the multiple optical path measurement method in that a higher detection sensitivity or S / N ratio can be achieved than in the multiple optical path measurement method.

なお、本発明は、多重光路測定法を否定するものではなく、例えば、図1(A)における光検出素子Dに代えて本発明の光検出素子アレイDAを配置することで吸光度の計測を行うことが可能であり、多重光路測定法に本発明を適用することが可能である。   The present invention does not deny the multiple optical path measurement method. For example, the absorbance is measured by arranging the photodetector array DA of the present invention instead of the photodetector D in FIG. It is possible to apply the present invention to a multiple optical path measurement method.

本発明では、前記測定対象物を所定の容器に収容されたガスとすること(請求項2)が好ましい。   In the present invention, it is preferable that the measurement object is a gas accommodated in a predetermined container (claim 2).

かかる発明では、地球温暖化や環境問題への対応として必要とされる各種ガスの濃度測定における検出感度又はS/N比を上昇させることが可能となり、或いはガス濃度の測定を安価且つ小型の装置で実現することが可能になる。   In this invention, it becomes possible to increase the detection sensitivity or S / N ratio in the concentration measurement of various gases required to cope with global warming and environmental problems, or the gas concentration measurement is an inexpensive and small device. Can be realized.

本発明では、前記レーザ光の周波数を変化させる周波数制御手段と、前記レーザ光の周波数を横軸として前記光検出素子のそれぞれから出力される強度信号の合計値又は平均値をプロットすることにより得られるスペクトル曲線と、前記測定対象物による吸収がないことを表す直線とによって囲まれる領域の面積を算出する計算手段とを更に備えること(請求項3)が好ましい。   In the present invention, the frequency control means for changing the frequency of the laser beam and the total value or the average value of the intensity signals output from each of the light detection elements with the frequency of the laser beam as the horizontal axis are plotted. It is preferable to further comprise calculation means for calculating the area of a region surrounded by the spectral curve to be measured and a straight line indicating that there is no absorption by the measurement object (Claim 3).

即ち、本願発明者は、特開2007−004693号において、周波数を変化させつつレーザ光を測定対象のガスに照射してその透過光強度を光検出素子で計測し、レーザ光の周波数を横軸として前記光検出素子により測定される透過光強度をプロットすることにより得られるスペクトル曲線と、前記測定対象物の吸収がないことを表す直線とによって囲まれる領域の面積を算出することにより、基準ガスを参照することなく、しかもピーク強度を測定することもなく、高感度でガス濃度を測定することができる装置及び方法を開示しているが、かかる装置又は方法に、本願請求項2の発明を適用することにより、ガス濃度の測定精度の一層の向上、及び測定装置の小型化、低廉化を達成することが可能である。   That is, the inventor of the present application disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-004693, irradiates a measurement target gas with laser light while changing the frequency, measures the transmitted light intensity with a light detection element, and sets the frequency of the laser light on the horizontal axis. By calculating the area of the region surrounded by the spectrum curve obtained by plotting the transmitted light intensity measured by the photodetecting element and the straight line representing the absence of absorption of the measurement object, the reference gas An apparatus and a method capable of measuring a gas concentration with high sensitivity without referring to the above and without measuring peak intensity are disclosed. By applying it, it is possible to further improve the measurement accuracy of the gas concentration and to reduce the size and cost of the measuring device.

図2は、請求項3に係る発明におけるガス濃度の導出方法を示す説明図である。   FIG. 2 is an explanatory view showing a method for deriving a gas concentration in the invention according to claim 3.

図の横軸及び縦軸は、それぞれレーザ光Pの発振周波数及び吸光度であり、図中の20a、20bは、図1(B)に示す装置において容器C中に例えばCOなどの測定対象ガスを含むサンプルガスを封入してそれぞれ異なる条件下で計測された吸光度を示す吸収曲線である。なお、吸光度AI=K(ν)×Lは、入射光強度をIとして、透過光強度I(ν)と下記(3)式の関係にある。
AI=(I−I(ν))/I (3)
The horizontal axis and the vertical axis in the figure are the oscillation frequency and absorbance of the laser beam P, respectively, and 20a and 20b in the figure are measurement target gases such as CO 2 in the container C in the apparatus shown in FIG. It is an absorption curve which shows the light absorbency measured by enclosing the sample gas containing and each under different conditions. The absorbance AI = K (ν) × L is in the relationship of the transmitted light intensity I (ν) and the following equation (3), where the incident light intensity is I 0 .
AI = (I 0 −I (ν)) / I 0 (3)

本発明者は、上記のようにして計測した測定対象ガスの吸収曲線20a、20と、吸収がないことを示す直線21により囲まれる領域22a、22bの面積が、サンプルガスに測定対象ガス以外の物質が含まれるか否かにかかわらず、測定対象ガスの圧力のみに依存すること確認している。従って、領域22a、22bの面積から測定対象ガスの圧力を得、その圧力をサンプルガスの全圧で除することにより、測定対象ガスの濃度を簡単に導出することができる。   The inventor determined that the area of the regions 22a and 22b surrounded by the absorption curves 20a and 20 of the measurement target gas measured as described above and the straight line 21 indicating no absorption is other than the measurement target gas. It has been confirmed that it depends only on the pressure of the gas to be measured, regardless of whether or not it contains substances. Therefore, the concentration of the measurement target gas can be easily derived by obtaining the pressure of the measurement target gas from the area of the regions 22a and 22b and dividing the pressure by the total pressure of the sample gas.

なお、図2における曲線23a、23bは、それぞれ、1.5GHz又は300MHz毎に共振を生じるファブリ−ペロー共振器による吸収曲線であり、上記測定時におけるレーザ光Pの周波数校正用データとして示されているものであり、凸状のピーク24は、吸収曲線における例えば透過率90%の高さを示す目安として示されているものである。   The curves 23a and 23b in FIG. 2 are absorption curves by a Fabry-Perot resonator that resonates every 1.5 GHz or 300 MHz, respectively, and are shown as data for frequency calibration of the laser beam P at the time of the measurement. The convex peak 24 is shown as a guideline indicating a height of, for example, 90% transmittance in the absorption curve.

本発明では、前記レーザ源から放射されるレーザ光の波長が近赤外領域にあること(請求項4)が好ましい。   In the present invention, it is preferable that the wavelength of the laser beam emitted from the laser source is in the near infrared region.

即ち、地球温暖化や環境問題への対応から測定することが必要又は有益とされるガスの多くが、近赤外領域に結合音又は倍音に係る吸収帯を有している。これらの吸収帯での吸収強度は、基本音での吸収帯に比較すると微弱ではあるが、本発明の吸光度計測装置では、光検出素子アレイを構成する光検出素子数を増加させることにより、吸光度の検出感度又はS/N比を増大させることが可能であるために、市場において安価且つ容易に入手できる近赤外領域で発振するレーザ源を用いた安価且つ小型の吸光度計測装置によるガス濃度の測定が可能になる。   That is, most of the gases that are necessary or beneficial to measure from the response to global warming and environmental problems have an absorption band related to the combined sound or overtone in the near infrared region. Although the absorption intensity in these absorption bands is weak compared to the absorption band in the basic sound, in the absorbance measuring device of the present invention, the absorbance is increased by increasing the number of the photodetector elements constituting the photodetector element array. The detection sensitivity or the S / N ratio of the gas concentration can be increased by using an inexpensive and small absorbance measuring device using a laser source that oscillates in the near infrared region, which is cheap and easily available in the market. Measurement becomes possible.

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図3は、本発明に係る吸光度計測装置10の構成を示す説明図である。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing the configuration of the absorbance measuring apparatus 10 according to the present invention.

図中11は、波長可変レーザ素子であり、当該レーザ素子11は、コンピュータ14からの信号に基づくD/Aコンバータ12からのアナログ信号により指定される発信波長のレーザ光Pを放射し、当該レーザ光Pは、全反射ミラーM1、M2による反射を受けた後に拡散レンズ13aにおいてビーム径が所定面積となるまで拡散を受け、コリメータレンズ13bにより平行光にされた状態で気体(ガス)などの形態の測定対象物を収容するサンプル容器Cに導かれ、測定対象物を通過したレーザ光Pによって光検出素子アレイDAを構成する複数の光検出素子が照射される。上記レーザ光Pを受光することにより光検出素子アレイDAの各光検出素子が出力する強度信号は信号チャンネルCh1〜Ch16に入力されて、コンピュータ14において解析処理される。   In the figure, reference numeral 11 denotes a wavelength tunable laser element. The laser element 11 emits a laser beam P having a transmission wavelength designated by an analog signal from the D / A converter 12 based on a signal from the computer 14, and the laser. The light P is reflected by the total reflection mirrors M1 and M2 and then diffused in the diffusion lens 13a until the beam diameter reaches a predetermined area. The light P is converted into parallel light by the collimator lens 13b. A plurality of light detection elements constituting the light detection element array DA are irradiated with the laser light P guided to the sample container C that accommodates the measurement object and passing through the measurement object. Intensity signals output from the respective light detection elements of the light detection element array DA by receiving the laser light P are input to the signal channels Ch1 to Ch16 and analyzed by the computer 14.

また、全反射ミラーM1、M2間のレーザ光Pの光路上には4つのハーフミラーM3〜M6が配置されており、そのそれぞれからレーザ光P1〜P4が分岐される。   Further, four half mirrors M3 to M6 are arranged on the optical path of the laser beam P between the total reflection mirrors M1 and M2, and the laser beams P1 to P4 are branched from each of them.

このうち、レーザ光P1は周波数モニター15に導かれてレーザ素子11の発信波長がモニタされる。   Among these, the laser beam P1 is guided to the frequency monitor 15 and the transmission wavelength of the laser element 11 is monitored.

また、レーザ光P2、P3の光路上には、それぞれ300MHz及び1500MHz毎に共振を生じるファブリ−ペロー共振器16a、16bが配置され、ファブリ−ペロー共振器16a、16bからの出力光がそれぞれ光検出素子D1、D2に導かれ、ハーフミラーM6からのレーザ光P4はそのまま光検出素子D3に導かれており、光検出素子D1〜D3は、受光したレーザ光P2〜P4の強度信号をそれぞれコンピュータ14の信号チャンネルCh17〜Ch19に出力する。従って、光検出素子D1、D2からの出力信号における300MHz及び1500MHz毎のピークによってレーザ素子11の正確な発信周波数を知ることが可能であり、光検出素子D3からの出力信号はレーザパワーモニタ信号として使用される。   In addition, Fabry-Perot resonators 16a and 16b that resonate every 300 MHz and 1500 MHz are arranged on the optical paths of the laser beams P2 and P3, respectively, and the output light from the Fabry-Perot resonators 16a and 16b is detected by light. The laser light P4 from the half mirror M6 is guided to the light detection element D3 as it is, guided to the elements D1 and D2, and the light detection elements D1 to D3 respectively receive the intensity signals of the received laser lights P2 to P4 on the computer 14. Are output to the signal channels Ch17 to Ch19. Therefore, it is possible to know the exact transmission frequency of the laser element 11 from the peaks at 300 MHz and 1500 MHz in the output signals from the light detection elements D1 and D2, and the output signal from the light detection element D3 is used as a laser power monitor signal. used.

以下、測定対象物をCOガスとして上記吸光度計測装置10を用いて行った吸光度計測の結果について説明する。 Hereinafter, the result of the absorbance measurement performed using the absorbance measurement apparatus 10 with the measurement object as CO 2 gas will be described.

この計測では、レーザ素子として、インジウム−アルミニウム−ガリウム−ヒ素系の光帰還型波長可変半導体レーザ(サンテック(株)製TSL−210/出力2mW)を使用し、1.5μm帯域にあるCO分子の2ν+2ν+2νバンドのR(18)線における吸収を測定した。測定におけるCOの圧力は、0.5〜10.8kPaとし、検出法は、7MHz/digitのビデオ法(周波数掃引)とし、15GHz/150mSの速度でレーザ素子11の発信周波数を掃引した。 In this measurement, an indium-aluminum-gallium-arsenic optical feedback type tunable semiconductor laser (TSL-210 / output 2 mW manufactured by Suntech Co., Ltd.) is used as a laser element, and CO 2 molecules in a 1.5 μm band are used. The absorption at the R (18) line of the 2ν 1 + 2ν 2 + 2ν 3 band of was measured. The CO 2 pressure in the measurement was 0.5 to 10.8 kPa, the detection method was the video method (frequency sweep) of 7 MHz / digit, and the oscillation frequency of the laser element 11 was swept at a speed of 15 GHz / 150 mS.

なお、図4(A)には、結合バンド2ν+2ν+νの基本バンドであるν、ν及びνの振動モードを示す説明図が示されており、図4(B)には、2ν+2ν+νバンドにおけるレーザ光Pの透過率が示されている。本測定において、上記2ν+2ν+νバンドのR(18)線を測定対象としたのは、当該バンドがレーザ素子の入手が容易な近赤外帯域にあり、図4(B)に示されるように、2ν+2ν+νバンド中においては、R(18)線での吸収が比較的大きいことによる。 4A is an explanatory diagram showing vibration modes of ν 1 , ν 2, and ν 3 which are basic bands of the coupling band 2ν 1 + 2ν 2 + ν 3 , and FIG. Shows the transmittance of the laser beam P in the 2ν 1 + 2ν 2 + ν 3 band. In this measurement, the R (18) line of the 2ν 1 + 2ν 2 + ν 3 band was measured in the near-infrared band where the laser element is easily available, as shown in FIG. 4 (B). As can be seen, in the 2ν 1 + 2ν 2 + ν 3 band, the absorption at the R (18) line is relatively large.

図5には、上記により行った計測の結果が示されている。図における縦軸及び横軸は、それぞれ、光検出素子アレイDAにより検出された光強度(電圧値/V)であり、横軸はレーザ光Pの周波数であり、(A)は、単一の光検出素子を使用した場合、(B)は、光検出素子アレイDAに4つの光検出素子を使用した場合の各光検出素子により検出された光強度の平均値であり、(C)は、(B)の測定を20回繰り返して行ったときの総平均値である。   FIG. 5 shows the result of the measurement performed as described above. In the figure, the vertical axis and the horizontal axis represent the light intensity (voltage value / V) detected by the light detection element array DA, the horizontal axis represents the frequency of the laser beam P, and (A) is a single value. When the light detection elements are used, (B) is an average value of the light intensity detected by each light detection element when four light detection elements are used in the light detection element array DA, and (C) is: It is a total average value when the measurement of (B) is repeated 20 times.

図示のように、(A)及び(B)を比較すれば、複数の光検出素子からなる光検出素子アレイDAを使用することにより吸光度の検出感度又はS/N比が向上することが明瞭である。また、(B)の測定の平均値である(C)においては、(B)の場合よりも更に高い検出感度又はS/N比が得られることから、光検出素子アレイDAを構成する光検出素子数を増加させることにより、検出感度又はS/N比の更なる向上が達成できるものと考えられる。   As shown in the figure, when (A) and (B) are compared, it is clear that the absorbance detection sensitivity or S / N ratio is improved by using a photodetection element array DA comprising a plurality of photodetection elements. is there. Further, in (C), which is the average value of the measurement in (B), a higher detection sensitivity or S / N ratio is obtained than in the case of (B), so that the light detection that constitutes the light detection element array DA is performed. It is considered that further improvement in detection sensitivity or S / N ratio can be achieved by increasing the number of elements.

本発明の吸光度計測装置及び吸光度計測方法は、大気中の温室効果ガスや有害な環境ガスの監視、規制などの目的で行われる二酸化炭素、メタン、一酸化窒素、フロン、一酸化炭素、窒素酸化物(NOx)、硫黄酸化物(SOx)、硫化水素、アンモニア、アセチレン、ダイオキシン、ハロゲンなどのガス濃度測定の分野に利用できる他、上記以外のガス、或いは液体、粉塵などにおけるレーザ光の吸光度を測定することによるサンプル中に含まれる元素や分子の同定又は濃度測定を含む多様な産業分野において利用することができる。   The absorbance measuring apparatus and the absorbance measuring method of the present invention are carbon dioxide, methane, nitric oxide, chlorofluorocarbon, carbon monoxide, nitrogen oxidation performed for the purpose of monitoring and regulating greenhouse gases and harmful environmental gases in the atmosphere. It can be used in the field of gas concentration measurement such as substances (NOx), sulfur oxides (SOx), hydrogen sulfide, ammonia, acetylene, dioxin, halogen, etc. In addition to the above, the absorbance of laser light in gases, liquids, dusts, etc. It can be used in various industrial fields including identification or concentration measurement of elements and molecules contained in a sample by measurement.

(A)は、多重光路測定法の測定原理を示す説明図。(B)は、本発明のメカニズムを模式的に示す概念説明図。(A) is explanatory drawing which shows the measurement principle of the multiple optical path measurement method. (B) is a conceptual explanatory view schematically showing the mechanism of the present invention. 本発明の特に好ましい態様におけるガス濃度の導出方法を示す説明図。Explanatory drawing which shows the derivation | leading-out method of the gas concentration in the especially preferable aspect of this invention. 本発明の一実施形態に係る吸光度計測装置の構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the light absorbency measuring apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. (A)は、二酸化炭素の結合バンド2ν+2ν+νの基本バンドであるν、ν及びνの振動モードを示す説明図、(B)は、二酸化炭素の2ν+2ν+νバンドにおけるレーザ光の透過率を示す説明図。(A) is an explanatory view showing vibration modes of ν 1 , ν 2, and ν 3 , which are fundamental bands of the carbon dioxide binding band 2ν 1 + 2ν 2 + ν 3 , and (B) is 2ν 1 + 2ν 2 + ν of carbon dioxide. Explanatory drawing which shows the transmittance | permeability of the laser beam in 3 bands. 本発明の一実施形態に係る吸光度計測装置による吸光度の測定結果を示す説明図Explanatory drawing which shows the measurement result of the light absorbency by the light absorbency measuring apparatus which concerns on one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 吸光度計測装置
11 レーザ素子
12 D/Aコンバータ
13a 拡散レンズ
13b コリメータレンズ
14 コンピュータ
15 周波数モニター
16a、16b ファブリ−ペロー共振器
C 容器
DA 光検出素子アレイ
D 光検出素子
M ミラー
P レーザ光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Absorbance measuring device 11 Laser element 12 D / A converter 13a Diffuse lens 13b Collimator lens 14 Computer 15 Frequency monitor 16a, 16b Fabry-Perot resonator C Container DA Photodetector array D Photodetector M Mirror P Laser light

Claims (5)

測定対象物に向けて拡散させたレーザ光を出射するレーザ源と、
前記レーザ光の照射面内に配置され、それぞれが前記測定対象物を透過した前記レーザ光の強度信号を出力する複数の光検出素子からなる光検出素子アレイとを備えることを特徴とする吸光度計測装置。
A laser source that emits laser light diffused toward the measurement object;
An absorbance measurement comprising: a photodetection element array comprising a plurality of photodetection elements that are arranged in an irradiation surface of the laser light and each output an intensity signal of the laser light transmitted through the measurement object. apparatus.
前記測定対象物が、所定の容器に収容されたガスであることを特徴とする請求項1に記載の吸光度計測装置。   The absorbance measurement apparatus according to claim 1, wherein the measurement object is a gas contained in a predetermined container. 前記レーザ光の周波数を変化させる周波数制御手段と、
前記レーザ光の周波数を横軸として前記光検出素子のそれぞれから出力される強度信号の合計値又は平均値をプロットすることにより得られるスペクトル曲線と、前記測定対象物による吸収がないことを表す直線とによって囲まれる領域の面積を算出する計算手段とを更に備えることを特徴とする請求項2に記載の吸光度計測装置。
Frequency control means for changing the frequency of the laser beam;
A spectral curve obtained by plotting a total value or an average value of intensity signals output from each of the light detection elements with the frequency of the laser light as a horizontal axis, and a straight line representing no absorption by the measurement object The absorbance measuring apparatus according to claim 2, further comprising: a calculating unit that calculates an area of a region surrounded by.
前記レーザ光の波長が近赤外領域にあることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の吸光度計測装置。   The absorbance measuring apparatus according to claim 1, wherein the wavelength of the laser light is in a near infrared region. 測定対象物に向けて拡散させたレーザ光を出射するステップと、
前記レーザ光の照射面内に配置される複数の光検出素子からなる光検出素子アレイによって、前記測定対象物を透過した前記レーザ光の強度信号を計測するステップとを有することを特徴とする吸光度計測方法。
Emitting a laser beam diffused toward the measurement object;
Measuring the intensity signal of the laser beam that has passed through the object to be measured by a photodetector array comprising a plurality of photodetectors arranged within the laser light irradiation surface. Measurement method.
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