JP2010197191A - 光干渉式ガス濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス濃度の測定を高い精度で行うことができ、しかも、装置全体の小型化および省電力化を図ることのできる光干渉式ガス濃度測定装置を提供すること。
【解決手段】 この光干渉式ガス濃度測定装置は、互いに同一の長さを有する標準ガス用セル部および被測定ガス用セル部を有するチャンバと、光源からの光を分割して標準ガス用セル部および被測定ガス用セル部の各々に入射させると共に、標準ガス用セル部および被測定ガス用セル部を通過した光を合成して干渉縞を生じさせる平行平面鏡と、当該平行平面鏡によって合成された光を受光して被測定ガスと標準ガスとの光の屈折率の相違を干渉縞の変位量として検出する干渉縞検出手段とを具えてなり、平行平面鏡における、光源からの光およびチャンバを通過した光が入射される表面の反射率が１０〜６０％とされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は光干渉式ガス濃度測定装置に関する。

光干渉式ガス濃度測定装置の或る種のものとしては、図１を参照して説明すると、被測定ガスが導入される被測定ガス用セル部（１２Ａ，１２Ｂ）および例えば空気などの標準ガスが導入される標準ガス用セル部（１１）が区画されてなるチャンバ（１０）と、光源（２１Ａ，２１Ｂ）からの光を分割して標準ガス用セル部（１１）および一方の被測定ガス用セル部（１２Ａ）の各々に入射させる平行平面鏡（２３）と、チャンバ（１０）を通過した光を反射することによってその進行方向を変更し、標準ガス用セル部（１１）および他方の被測定ガス用セル部（１２Ｂ）を通過させた後に平行平面鏡（２３）上において重ね合わせ、干渉縞を生じさせることのできるよう、調整されて配置されたプリズム（２８）と、平行平面鏡（２３）上で重ね合わせられた合成光（干渉光）を受光する干渉縞検出手段（３０）とを具えてなる構成のものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−３０８５９号公報

而して、上記のような構成の光干渉式ガス濃度測定装置においては、例えば省電力化が求められているが、光源（２１Ａ，２１Ｂ）として、例えば比較的高輝度の発光ダイオードを用いることが必要とされることから、光干渉式ガス濃度測定装置はその消費電力が大きなものとなってしまうのが実情である。
このような要請に対して、例えば、光量の小さい小型の光源を単に用いた場合には、形成される干渉縞を十分な明るさ（濃度）を有するものとすることができなくなり、所期のガス濃度測定を行うことができなくなる。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、所期のガス濃度測定を確実に行うことができ、しかも、省電力化および小型化を図ることのできる光干渉式ガス濃度測定装置を提供することを目的とする。

本発明の光干渉式ガス濃度測定装置は、互いに同一の長さを有する標準ガス用セル部および被測定ガス用セル部を有するチャンバと、光源からの光を分割して標準ガス用セル部および被測定ガス用セル部の各々に入射させると共に、標準ガス用セル部および被測定ガス用セル部を通過した光を合成して干渉縞を生じさせる平行平面鏡と、当該平行平面鏡によって合成された光を受光して被測定ガスと標準ガスとの光の屈折率の相違を干渉縞の変位量として検出する干渉縞検出手段とを具えた光干渉式ガス濃度測定装置であって、
前記平行平面鏡における、光源からの光およびチャンバを通過した光が入射される表面の反射率が１０〜６０％であることを特徴とする。

本発明の光干渉式ガス濃度測定装置においては、平行平面鏡は、光源からの光およびチャンバを通過した光が入射される表面に、反射膜が形成された構成のものとすることができる。

本発明の光干渉式ガス濃度測定装置によれば、平行平面鏡における、光源からの光およびチャンバを通過した光が入射される表面の反射率が所定の大きさとされていることにより、干渉縞検出手段に到達する光量を多くすることができるので、形成される干渉縞が明るくなり、従って、例えば光源として光量の小さい小型のものを用いること、あるいは、干渉縞検出手段による受光時間を短縮することにより装置全体の省電力化を図った場合であっても、所期のガス濃度測定を確実に行うことができる。
また、干渉縞検出手段による受光時間が短縮されることにより、ガス濃度変動の追従性を向上させることができて高い測定精度を得ることができる。
さらにまた、光源として光量の小さい小型のものを用いることができることによって、実際上、干渉縞検出手段によって干渉縞を検出する際に必要となる干渉縞調整用レンズとして、レンズ径の小さいものを用いることができるようになり、装置全体の小型化を図ることができる。

本発明の光干渉式ガス濃度測定装置の一例における構成の概略を示す説明図である。 本発明に係る光干渉式ガス濃度測定装置を使用して行った実験において得られた、平行平面鏡の反射率と、平行平面鏡から出射される光量の、光源から照射される光の光量に対する光量比との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の光干渉式ガス濃度測定装置の一例における構成の概略を示す説明図である。
この光干渉式ガス濃度測定装置は、互いに同一の長さを有する、被測定ガスが導入される２つの被測定ガス用セル部１２Ａ，１２Ｂおよび検知対象ガスを含まない標準ガスが導入される標準ガス用セル部１１が、標準ガス用セル部１１が中央に位置するよう並設されてなるチャンバ１０と、互いに異なる中心波長の光を放射する光源２１Ａ，２１Ｂと、チャンバ１０の一端側（図１において左側）外方位置に配設された平行平面鏡２３と、チャンバ１０の他端側（図１において右側）外方に配設された三角柱状のプリズム２８と、被測定ガスと標準ガスとの光の屈折率の相違を干渉縞の変位量として検出する干渉縞検出手段３０とを備えている。ここに、標準ガスとしては、例えば空気（Ｏ₂ 欠乏したものを含む）などを例示することができる。

この光干渉式ガス濃度測定装置においては、光源２１Ａ，２１Ｂからハーフミラー２２を介して照射された光が、ビームスプリッタをなす平行平面鏡２３によって分割されて平行光として出射され、標準ガス用セル部１１および一方の被測定ガス用セル部１２Ａを通過した後、さらに、プリズム２８の一面（光入出射面）２８Ａから入射し、各々、個別にプリズム２８に反射されることによって当該光入出射面２８Ａから出射され、再び標準ガス用セル部１１および他方の被測定ガス用セル部１２Ｂを通過した後、平行平面鏡２３上において重ね合わせられるよう、各構成部材の配置位置および配置状態（取り付け角度）が調整されている。

一方の光源２１Ａおよび他方の光源２１Ｂは、それぞれ、例えば中心波長が６６０ｎｍ、中心波長が６１２ｎｍである発光ダイオードよりなり、交互に点灯される。

干渉縞検出手段３０は、平行平面鏡２３上の点Ｐにおいて重ね合わせられた合成光（干渉光）を、平面鏡３１、干渉縞調整用レンズ、例えば凸レンズ３２および凹レンズ３３を介して、受光する、例えばＣＣＤよりなるラインイメージセンサ３５により構成されている。

而して、上記光干渉式ガス濃度測定装置においては、平行平面鏡２３における、光源２１Ａ，２１Ｂからの光およびチャンバ１０を通過した光が入射される表面に、反射膜２５が形成されており、これにより、平行平面鏡２３の一面（光入出射面）２３Ａの、光源２１Ａ，２１Ｂから放射される波長範囲の光に対する反射率が１０〜６０％とされている。 平行平面鏡２３における光入射面２３Ａの反射率は、例えば２０〜５０％であることがより好ましく、これにより、十分な明るさを有する（濃度が全体的に高い）干渉縞を確実に形成することができる。

平行平面鏡２３における、反射膜２５が形成される表面に対向する他面２３Ｂには、例えば鏡面処理が施されている。

このような構成を有する光干渉式ガス濃度測定装置は、測定動作中において、チャンバ１０に対して、被測定ガス用セル部１２Ａ，１２Ｂの各々に被測定ガスが導入されると共に、標準ガス用セル部１１に標準ガスが充填された状態で、光源２１Ａおよび２１Ｂのいずれか一方から光がハーフミラー２２を介して照射されると、光源２１Ａ，２１Ｂからの光がその一部が平行平面鏡２３に光入射面２３Ａから入射されると共に残りの実質的に全部が平行平面鏡２３における反射膜２５によって反射される。
そして、平行平面鏡２３によって分割された一方の光（反射光）Ｌ１がチャンバ１０の標準ガス用セル部１１を通過してプリズム２８に光入出射面２８Ａから入射し、このプリズム２８によって反射されて当該光入出射面２８Ａから出射された後、再度、チャンバ１０の標準ガス用セル部１１を通過して平行平面鏡２３に入射されると共に、他方の光（透過光）Ｌ２がチャンバ１０の一方の被測定ガス用セル部１２Ａを通過してプリズム２８に光入出射面２８Ａから入射され、このプリズム２８によって反射されて当該光入出射面２８Ａから出射された後、チャンバ１０の他方の被測定ガス用セル部１２Ｂを通過して平行平面鏡２３に入射される。
そして、標準ガス用セル部１１を２度通過した光と、一方の被測定ガス用セル部１２Ａおよび他方の被測定ガス用セル部１２Ｂを通過した光ビームとが、平行平面鏡２３上の点Ｐにおいて重ね合わせられ、この合成光が平行平面鏡２３から出射され、平面鏡３１、凸レンズ３２および凹レンズ３３を介して、ラインイメージセンサ３５によって受光されて干渉縞が検出されることとなる。
このようにして、上記光干渉式ガス濃度測定装置においては、ラインイメージセンサ３５によって検出される干渉縞が、被測定ガスと標準ガスとの光の屈折率差に比例して移動することを利用し、検出された干渉縞に基づいて縞数カウンタおよびフーリエ解析技術による位相解析、さらには合成波長干渉法を併用することによって干渉縞の変位量が算出され、これにより得られた干渉縞の移動量に基づいて被測定ガスに含まれる検知対象ガスの濃度が検出される。

而して、上記構成の光干渉式ガス濃度測定装置によれば、平行平面鏡２３の、光源２１Ａ，２１Ｂからの光およびチャンバ１０を通過した光が入射される表面に、反射膜２５が形成されて所定の波長範囲の光に対する反射率が１０〜６０％である構成とされていることにより、平行平面鏡２３における反射膜２５を透過して当該平行平面鏡２３の他面２３Ｂによって反射された後、光入射出面２３Ａから出射されて標準ガス用セル部１１内に入射される透過光Ｌ１と、平行平面鏡２３における反射膜２５の表面によって反射されて一方の被測定ガス用セル部１２Ａ内に入射される反射光Ｌ２との光量の適正なバランスを維持することができると共に、ラインイメージセンサ３５に到達する光量（全光量）を多くすることができるので、形成される干渉縞は、適正なコントラストを維持しながら、明るい（濃度が全体的に高い）ものとなる。
すなわち、図１に示す構成に従って試験用の光干渉式ガス濃度測定装置を作製し、光源２１Ａ，２１Ｂの点灯条件、試験用被測定ガスの種類およびその他の条件は同一とし、平行平面鏡２３における光入射出面２３Ａの反射率を適宜に変更して、平行平面鏡２３から出射される合成光（ラインイメージセンサ３５に到達する光）の光量を測定したところ、図２に示すように、反射膜２５が形成された平行平面鏡２３の光入射出面２３Ａの反射率が１０〜６０％であることにより、平行平面鏡２３から出射される合成光の光量の、光源２１Ａ，２１Ｂから照射される光の光量に対する光量比が１５％以上となり、反射膜を有さない場合（光量比が約７％程度（図２において破線で示すグラフ）に比して２〜４倍程度光量が多くなることが確認された。

以上のように、上記構成の光干渉式ガス濃度測定装置によれば、形成される干渉縞は適正なコントラストを維持しながら、十分な明るさを有する（濃度が全体的に高い）ものとなるので、例えば光源２１Ａ，２１Ｂとして光量の小さい小型のものを用いること、あるいは、ラインイメージセンサ３５による受光時間（例えば光源２１Ａ，２１Ｂの点灯時間）を短縮することにより装置全体の省電力化を図った場合であっても、所期のガス濃度測定を確実に行うことができる。
また、ラインイメージセンサ３５による受光時間が短縮されることにより、ガス濃度変動の追従性を向上させることができて高い測定精度を得ることができる。
さらにまた、光源２１Ａ，２１Ｂとして消費電力の小さい小型のものが用いられることにより、干渉縞調整用レンズ具体的には凸レンズ３２および凹レンズ３３としてレンズ径の小さいものを用いることができるようになってチャンバ１０の小型化、ひいては装置全体の小型化を図ることができると共に、いわゆる「防爆の基準」を満足するものとして構成することが容易となり、携帯型のものとしても有用なものとなる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、平行平面鏡における反射膜の具体的な構成は、上記反射特性を得ることができるよう構成されていれば特に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
また、チャンバの構造、干渉縞検出手段の構成等は、上記実施例のものに限定されるものではなく、適宜に変更することができる。
さらにまた、光源として白熱電球などを用いることができ、この場合には、干渉縞検出手段として目盛り付ガラス板、ＣＣＤカメラなどを用いて干渉縞の変位量が直接的に測定される。

１０ チャンバ
１１ 標準ガス用セル部
１２Ａ，１２Ｂ 被測定ガス用セル部
２１Ａ，２１Ｂ 光源
２２ ハーフミラー
２３ 平行平面鏡
２３Ａ 平行平面鏡の一面（光入出射面）
２３Ｂ 平行平面鏡の他面
２５ 反射膜
２８ プリズム
２８Ａ プリズムの一面（光入出射面）
３０ 干渉縞検出手段
３１ 平面鏡
３２ 凸レンズ
３３ 凹レンズ
３５ ラインイメージセンサ

Claims (2)

1. 互いに同一の長さを有する標準ガス用セル部および被測定ガス用セル部を有するチャンバと、光源からの光を分割して標準ガス用セル部および被測定ガス用セル部の各々に入射させると共に、標準ガス用セル部および被測定ガス用セル部を通過した光を合成して干渉縞を生じさせる平行平面鏡と、当該平行平面鏡によって合成された光を受光して被測定ガスと標準ガスとの光の屈折率の相違を干渉縞の変位量として検出する干渉縞検出手段とを具えた光干渉式ガス濃度測定装置であって、
   前記平行平面鏡における、光源からの光およびチャンバを通過した光が入射される表面の反射率が１０〜６０％であることを特徴とする光干渉式ガス濃度測定装置。
2. 平行平面鏡は、光源からの光およびチャンバを通過した光が入射される表面に、反射膜が形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の光干渉式ガス濃度測定装置。

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