JP2012013573A - オゾン濃度計及び該オゾン濃度計を備えたオゾン濃度監視用キット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】オゾン吸収スペクトルにおいてオゾン吸光度を示す波長領域内の所定の波長をλ1としたときに、前記のλ1に発光ピークを有するLED1と、該LED1からの発光に対するオゾン吸光度の1/2以下となるオゾン吸光度を示す波長λ2に発光ピークを有するLED2とからなる複数の光源と、試料空気を収納する試料測定用セルと、LED1の光源1とLED2の光源2からの光強度を、試料測定用セルに入射する前及び通過した後でそれぞれ測定するための検出器1と検出器2とからなる複数の検出器とを有し、検出器1及び検出器2によって測定されるLED1とLED2との光強度比を用いて、差分吸光法によってオゾン濃度を求めることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
/2以下、好ましくは1/5以下となるような吸光度を示すλ2に発光ピークを有するものを使用する。本発明においてLED1とLED2との組合せは、例えば次のようにして選択することができる。図2には、模式的に、LED2の吸光度A1又はA2が、LED1の吸光度(A0)の1/2又は1/5となる波長をそれぞれλ2a又はλ2bで示している。ここで、LED2の候補として、λ2a又はλ2bよりも長波長側に発光ピークを有するLED選択した後、このLED2を用いて実測したオゾン吸光度(吸光断面積)が、LED1を用いて実測したオゾン吸光度(吸光断面積)よりも1/2以下、好ましくは1/5以下となることを確認する。確認の結果、両者のオゾン吸光度の比が1/2以下、好ましくは1/5以下の関係を満たしていれば、候補として選択したLED2をそのまま本発明のオゾン濃度計の光源のひとつとして用いる。仮に、所望の値が得られなかった場合は、再度、より長波長に発光ピークを有するLED2を選択して、上記と同様にしてオゾン吸光度の比を確認することによって、LED1に対する最適なLED2の組み合わせと用いる。図2には、λ1よりも長波長側の場合を示しているが、この場合に限らず、本発明ではλ1よりも短波長側に発光ピークを有するLEDを使用しても差し支えない。しかし、吸光度がゼロに近くなるようなλ2を選択してLED1とLED2との波長の差を大きくした場合は、逆に、波長の差に起因する光強度信号の誤差が大きくなる。例えば、λ2として長波長側の可視領域を選択したときに、測定試料中に可視光の吸収を有する物質が含まれている場合に光強度の測定値に誤差が生じる。また、可視光は測定中に周囲から試料測定用セル6中へ侵入しやすいために同様の問題が発生して、高精度のオゾン濃度測定を行うことが困難になる。そのため、本発明は、LED1とLED2との発光強度及び波長の両者の差を考慮して波長λ2を選択する必要があり、本発明では、波長λ1と波長λ2との差が、10nm以上100nm以下、好ましくは15nm以上80nm以下となるようなLED1とLED2の組合せとすることが好適である。
Ia1=Sa1(LED1に対する検出器12の感度)×Fa1(LED1からの光のうち検出器12に検出される割合)×∫1I1(λ)dλ ――――(1)
(LED1からの光強度をその発光波長範囲で積分したもの)
Ia2=Sa2(LED2に対する検出器12の感度)×Fa2(LED2からの光のうち検出器12によって検出される割合)×∫1I2(λ)dλ ――――(2)
(LED2からの光強度をその発光波長範囲で積分したもの)
信号検出器13で検出されるLED1及びLED2からの光強度信号は、流路2が選択されている時、それぞれ試料セル中のオゾンによる吸収を受けて減少する。
Ib1=Sb1(LED1に対する検出器13の感度)×Fb1(LED1からの光のうち検出器13に検出される割合)×∫1I1(λ)・exp(−σ(λ)・[O3]・L)dλ ――――(3)
(試料測定用セル6中でオゾン吸収を受けたLED1からの光強度をその発光波長範囲で積分したもの。ここで、σ(λ)および[O3]とLは、それぞれオゾンの波長λにおける光吸収断面積および試料測定用セル6中のオゾン濃度と試料測定用セル6の長さを意味する。)
Ib2=Sb2(LED2に対する検出器13の感度)×Fb2(LED2からの光のうち検出器13に検出される割合)×∫2I2(λ)・exp(−σ(λ)・[O3]・L)dλ ―――(4)
(試料測定用セル6中でオゾン吸収を受けたLED2からの光強度をその発光波長範囲で積分したもの。)
∫1I1(λ)dλ=Ip1・∫1w1(λ)dλ、
∫2I2(λ)dλ=Ip2・∫2w2(λ)dλ
で表すことができ、Ip1、Ip2は時間変化するが、w1、w2の時間変化は小さいと考えられる。
w1、w2をあらかじめ測定しておくことで、W1=∫1w1(λ)dλ、W2=∫2w2(λ)dλ及びS1=∫1w1(λ)・σ(λ)dλ、S2=∫2w2(λ)・σ(λ)dλが得られる。
すると上記の(1)〜(4)の式は、それぞれ
Ia1=Sa1・Fa1・Ip1・W1
Ia2=Sa2・Fa2・Ip2・W2
Ib1=Sb1・Fb1・Ip1・∫1w1(λ)・exp(−σ(λ)・[O3]・L)dλ
Ib2=Sb2・Fb2・Ip2・∫2w2(λ)・exp(−σ(λ)・[O3]・L)dλ
となり、オゾンによる吸収量は0.1%のオーダーと小さい値なので、テイラー展開の1次の項までで十分な精度で、
∫1w1(λ)・exp(−σ(λ)・ [O3]・L)dλ≒∫1w1(λ)dλ−[O3]・L・∫1w1(λ)・σ(λ)dλ
と近似することができる。したがって、
Ib1=Sb1・Fb1・Ip1・(W1−S1・[O3]・L)
Ib2=Sb2・Fb2・Ip2・(W2−S2・[O3]・L)
とすることができる。
よって、各信号の比T=(Ib1/Ib2)/(Ia1/Ia2)をとると、
T=(Ib1/Ib2)/(Ia1/Ia2)=(Sb1/Sb2)・(Fb1/Fb2)・(Ip1/Ip2)・{(W1−S1・[O3]・L)/(W2−S2・[O3]・L)}/[(Sa1/Sa2)・(Fa1/Fa2)・(Ip1/Ip2)・(W1/W2)]=(Sb1/Sb2)・Rb・{(W1−S1・[O3]・L)/(W2−S2・[O3]・L)}/[(Sa1/Sa2)・Ra・(W1/W2)]
ここで、測定前又は測定中においてRa、Rb等の時間変化が無視できる程度の時間間隔で、流路をゼロ較正側空気流路3に切り替えてオゾンを含まない空気を試料測定用セルに満たし、そのときのIa1、Ia2、Ib1、Ib2を測定することで、下記の式(5)によって定数Cが求められる。これは周囲の温度条件等が変化しても変化の小さい量である。
C=[(Sb1/Sb2)・Rb]/[(Sa1/Sa2)・Ra] ――― (5)
(5)式で表される定数Cを代入し、
T=C・(W1−S1・[O3]・L)/(W2−S2・[O3]・L)/(W1/W2)
となるので、この式を整理した次の式で、オゾン濃度を求めることができる。
[O3]=(T−C)・W1・W2/{L・(T・W1・S2−C・W2・S1)}
図3は、本発明の第1の実施の形態に係る複数のLEDを組み合わせた1つの光源の断面及び該複数のLEDを組み合わせた1つの光源を有するオゾン濃度計の構成を示す図である。
図4は、本発明の第2の実施の形態に係るLEDパッケージ光源の断面及び該LEDパッケージを光源として有するオゾン濃度計の構成を示す図である。
図5は、本発明の第3の実施の形態に係る複数のLEDを光源として用いたときの光結合方法と該複数のLEDを光源として有するオゾン濃度計の構成を示す図である。
図6は、本発明の第4の実施の形態に係るオゾン濃度監視用キットの構成を示す図である。本発明のオゾン濃度監視用キットは、上記第1〜3のいずれかの本実施の形態で得られたオゾン濃度計を用いて、各検出器12と13によって検出された光強度信号の入出力装置23、気体流量、気体流路の切り替え、オゾン分解器の稼動状況、ポンプの開閉等の各種測定条件を制御するための制御装置24、及び取り込んだ光信号強度の増幅回路と光信号強度の比と該光信号強度の比からオゾン濃度を算出するための中央演算処理ユニット(CPU)を含む解析装置25から構成される。さらに、本発明のオゾン濃度監視用キットは、解析装置25と電気的に接続したオゾン濃度を表示するための表示部分と、必要に応じてオゾン濃度が許容値に近づいたとき又は許容値を超えたときに警告及び/又は表示を行う装置26を有する。
Claims (10)
- 少なくとも、オゾン吸収スペクトルにおいてオゾン吸光度を示す波長領域内の所定の波長をλ1としたときに、前記のλ1に発光ピークを有する固体発光素子(LED)1と、前記LED1からの発光に対するオゾン吸光度の1/2以下となるオゾン吸光度を示す波長λ2に発光ピークを有する固体発光素子(LED)2とからなる複数の光源と、試料空気を収納する試料測定用セルと、前記LED1の光源1と前記LED2の光源2からの光強度を、前記試料測定用セルに入射する前及び前記試料測定用セルを通過した後で、それぞれ測定するための検出器1と検出器2とからなる複数の検出器とを有し、前記の検出器1によって測定される前記LED1と前記LED2との光強度比及び前記検出器2によって測定される前記LED1と前記LED2との光強度比を用いて、差分吸光法によってオゾン濃度を求めることを特徴とするオゾン濃度計。
- 前記の検出器1によって測定される前記LED1と前記LED2との光強度の比を(Ia1/Ia2)とし、前記検出器2によって測定される前記LED1と前記LED2との光強度比を(Ib1/Ib2)としたときに、前記試料測定用セル中にオゾンを含まない状態で測定して求めた両者の比T(ここで、T=(Ib1/Ib2)/(Ia1/Ia2)である)を用いて、前記LED1と前記LED2の光源位置や波長の違いに起因する光強度信号の違いを補正することによって、オゾンを含む前記試料測定用セル中のオゾン濃度を求めることを特徴とする請求項1に記載のオゾン濃度計。
- 前記の波長λ2に発光ピークを有するLED2からの発光に対するオゾン吸光度が、前記の波長λ1に発光ピークを有するLED1からの発光に対するオゾン吸光度の1/5以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のオゾン濃度計。
- 前記の波長λ1が、オゾン吸収スペクトルにおいてオゾン吸光度の極大値を示す波長(λ0)の±20nmの範囲内にあることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のオゾン濃度計。
- 前記の波長λ1に発光ピークを有するLED1と波長λ2に発光ピークを有するLED2とをそれぞれ単数又は複数組み合わせた光源を、1つの光源として具備することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のオゾン濃度計。
- 前記の波長λ1に発光ピークを有するLED素子1と波長λ2に発光ピークを有するLED素子2をそれぞれ単数又は複数搭載したLEDパッケージを、1つの光源として具備することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のオゾン濃度計。
- 請求項5又は6に記載のオゾン濃度計において、前記LED1とLED2又は前記LED素子1とLED素子2は、同じ波長に発光ピークを有するLED又はLED素子を同じ一つの群として、それぞれの群を交互点灯型にすることによって、点灯時間の差を利用して複数波長の光強度を区別して検出することを特徴とするオゾン濃度計。
- 請求項5又は6に記載のオゾン濃度計において、前記LED1とLED2又は前記LED素子1とLED素子2は、同じ波長を有するLED又はLED素子を同じ一つの群として、それぞれの群を1〜0.001秒の範囲にある所定の周期で交互に点灯させる交互点灯型にすることによって、点灯時間の差を利用して複数波長の光強度を区別して検出することを特徴とするオゾン濃度計。
- 前記の波長λ1に発光ピークを有するLED1と波長λ2に発光ピークを有するLED2とからなる複数の光源を、同時点灯型にすることによって、同時に複数波長の光強度を検出することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のオゾン濃度計。
- 請求項1〜9のいずれかに記載のオゾン濃度計、前記検出器1及び前記検出器2によって測定されたデータを取り込んでオゾン濃度を求める解析装置、及び前記のオゾン濃度を表示する表示装置からなり、必要に応じて前記解析装置によって求めたオゾン濃度が許容値に近づいたとき又は許容値を超えたときの警告及び/又は表示を行う装置を有することを特徴とするオゾン濃度監視用キット。
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