JP2013534638A

JP2013534638A - 複数の波長における吸収を測定するための光学プローブ

Info

Publication number: JP2013534638A
Application number: JP2013520175A
Authority: JP
Inventors: ルベルサ、ファビアン; ユベール、マーク; ティセラン、ステファン; ルー、ローレン
Original assignee: シリオステクノロジーズ
Priority date: 2010-07-19
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2013-09-05
Also published as: FR2962805A1; US20130194576A1; CA2805205C; CN103080728A; CA2805205A1; FR2962805B1; EP2596333A1; WO2012010748A1

Abstract

本発明は、第１の発光体モジュール(ＬＥＤ１)と第１の検出信号(ＤＳ１)を生成するのに適した第１の検出器モジュール（Ｄ１）とを備えた第１のセル(Ｃ１)と、該第１の発光体モジュール(ＬＥＤ１)を監視するための第１の監視信号(ＭＳ１)を生成するのに適した第２の検出器モジュール(Ｄ２)を備えた第２のセル(Ｃ２)と、該第１の監視信号(ＭＳ１)によって該第１の検出信号(ＤＳ１)を重み付けすることによって第１の測定信号(Ｑｍ１)を生成するための制御回路(ＣＣ)と、を備えた光学プローブに関する。該第２のセル(Ｃ２)は、第２の発光体モジュール(ＬＥＤ２)を有し、該第２の検出器モジュール（Ｄ２）は、第２の検出信号を生成するのに適し、該第１の検出器モジュール(Ｄ１)は、該第２の発光体モジュール(ＬＥＤ２)を監視するための第２の監視信号を生成するのに適する。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は、複数の波長における吸収を測定するための光学プローブに関する。

本発明の技術分野は、ガス状または液体であってよい流体媒体の吸収を分析するための光学的分光測定分析を使用するものである。

分光測定分析は、発光体モジュール及び検出器モジュールを有する分析セルを備えた光学プローブによって実施される。発光体モジュールは、発光体モジュールの本体に設置された拡散ウィンドウの後ろに配置された光源を備える。オプションとして、光源と拡散ウィンドウとの間にフィルタを配置してもよい（単色光または準単色光分析）。検出器モジュールは、検出器モジュールの本体の別のウィンドウの後ろに配置された検出器を有する。オプションとして、該別のウィンドウと検出器との間にフィルタを配置してもよい。分析用の媒体は、発光体モジュールと検出器モジュールとの間に存在する。

公知の方法において、分析は二段階で行われる。第１の段階において、キャリブレーションは、基準媒体の吸収を測定することによって行われる。第２の段階において、測定自体は、分析用の肝要な媒体(測定対象の媒体)について同じ操作を実施することによって行われる。肝要な媒体の吸収は、基準媒体の吸収によって重み付けされる。

検出器モジュールは、その耐用年数にわたり増加し続ける種々のドリフトを受けることがわかっている。特に、次のものを挙げることができる。
肝要な物体の温度の変動
発光体光源のパワーの変動
光源によって放出されるビームの角度プロファイルの変動
発光スペクトルの変動
出現し、その後増加する光ノイズ

これらの種類のドリフトは、制御することができず、しばしばランダムに生じる。いつ、これらの種類のドリフトが、分析を妨害するほど大きくなるかを推定することは不可能である。都合の悪いことに、基準媒体と肝要な媒体の両方で同じ条件の下で測定が行われるようにするには、これらの種類のドリフトのそれぞれに対して、キャリブレーションをし直す必要がある。したがって、キャリブレーションを繰り返す必要があり、それは言うまでもなく重要な制約条件となりうる。

特許文献１は、吸収を測定するための光学プローブであって、発光体モジュールと検出信号を生成するのに適した検出器モジュールとの両方を備えた、第１のセル、すなわち分析セルを有する光学プローブを提案している。該光学プローブは、監視信号を生成するのに適した第２のセル、すなわち監視セルも有する。該監視セルは、光路において、発光体モジュールと検出器モジュールとの間に配置される。

単一の波長において分析が実施される場合には、上記の光学プローブは十分なものである。しかし、複数の波長において分析を実施するのが適当な場合には、各波長に対してそれぞれのプローブを準備する必要がある。

FR 2 939 894

本発明の目的は、２個のセルによって、複数の波長において吸収を測定することができるようにする光学プローブを提供することである。

本発明によれば、光学プローブは、
第１の発光体モジュールと第１の検出信号を生成するのに適した第１の検出器モジュールとを備えた第１のセルと、
該第１の発光体モジュール監視するための第１の監視信号を生成するのに適した第２の検出器モジュールを備えた第２のセルと、
該第１の監視信号によって該第１の検出信号を重み付けすることによって第１の測定信号を生成するための制御回路と、を備える。

さらに、該第２のセル、第２の発光体モジュールを有し、該第２の検出器モジュールは、第２の検出信号を生成するのに適し、該第１の検出器モジュールは、該第２の発光体モジュールを監視するための第２の監視信号を生成するのに適する。

通常、該第１及び第２のセルのそれぞれは、有効面を有する密閉体の形状である。

該第１及び第２のセルのそれぞれは、その有効面に設置されたそれぞれのウィンドウの後ろに配置されるのが有利である。

追加の特徴によれば、該第１及び第２の検出器モジュールのそれぞれは、対応するウィンドウに隣接するそれぞれの部分反射板の後ろに配置されている。

該第１及び第２の検出器が同一であるのが好ましい。

さらに、該第１及び第２のセルは、接続手段によって接続され、該第１及び第２のセルの有効面は互いに向き合っている。

たとえば、該第１の測定信号Ｑｍは、検出信号を監視信号で除した比に等しい。

該制御回路がメモリに
基準測定値Ｑｒ、
基準吸収値Ａｒ、及び
特性長Ｌｃ
を、自然対数を示すＬｎ項とともに格納し、該制御回路は式

によって導かれる吸収値Ａｍを生成するのが有利である。

該制御回路が温度補償を備えているのが好ましい。

たとえば、該温度補償は、２個の定数Ｋ１及びＫ２、キャリブレーション温度θ_０及び測定が行われる温度θによって、式

を使用して実施される。

変形例において、該第１及び第２の発光体モジュールの一方は、部分反射板を介して向き合う検出器モジュールを照射する２個の光源を含む。

本発明は、説明及び添付の図面の参照によって与えられる実施形態の以下の記述によって、さらに詳細に示される。

吸収を測定する光学プローブの透視図である。光学プローブの機械的な配置を示す断面図であり、第１のオプションを示す。光学プローブの機械的な配置を示す断面図であり、第２のオプションを示す。光学プローブの電気回路の図である。光学プローブの変形例の断面図である。

複数の図に存在する部品は、それぞれの図において同じ符号で示される。

図１を参照すると、光学プローブは、２個の別個の部品、第１のセルＣ１及び第２のセルＣ２の形態をなす。本例において、２個のセルのそれぞれは、シリンダー体形状である。２個のセルは、上部バーＬ１及び下部バーＬ２の形態をなす接続手段によってともに接続される。この接続は、両方のシリンダー体が同一の軸を共有するように実施される。２個のシリンダー体の向き合う面は、以下において、それらの「有効」面と呼称する。分析される媒体は、当然、これらの２個の有効面の間で検出される。

図２ａを参照すると、第１のオプションにおいて、第１のセルＣ１は、第１の発光体モジュールＬＥＤ１、たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、及び第１の検出器モジュールＤ１を備える。

これらの２個の第１のモジュールＬＥＤ１及びＤ１は、第１のセルＣ１の有効面を実現する第１のウィンドウＨ１の後ろに配置される。光源の性質に応じて、光源とウィンドウＨ１との間にバンドパスフィルタを備えるのが必要な場合もある。発光体モジュールが比較的狭い発光スペクトルを示すＬＥＤであれば、フィルタは必ずしも必要ではない。

第１の検出器モジュールは、第１の発光体モジュールＬＥＤ１の近傍において、第１のウィンドウＨ１の後ろに配置される第１の検出器Ｄ１を有する。第１の部分反射板ＰＲ１が、第１のウィンドウＨ１及び第１の検出器Ｄ１の間に置かれる。この部分反射板は、ウィンドウに組み込んでもよい。

同様に、第２のセルＣ２は、第２の発光体モジュールＬＥＤ２と第２の検出器モジュールＤ２とを備える。

これらの２個の第２のモジュールＬＥＤ２及びＤ２は、第２のセルＣ２の有効面を実現する第２のウィンドウＨ２の後ろに配置される。

第２の検出器モジュールは、第２の発光体モジュールＬＥＤ２の近傍において、第２のウィンドウＨ２の後ろに配置される第２の検出器Ｄ２を有する。第２の部分反射板ＰＲ２が、第２のウィンドウＨ２及び第２の検出器Ｄ２の間に置かれる。

分析用の媒体は流体であるので、セルＣ１及びＣ２は、当然に密閉される。セルＣ１及びＣ２のそれぞれは、それらの有効面と反対側の端部に壁を備える。

以上の記載において、これらのセルの本体は、分析に使用される放射を通さないことが暗に仮定されている。本発明は、本体が放射に対して透明である場合にも適用されるので、本体が放射を通さないことは、本発明の限定とみなされるべきではない。「ウィンドウ」という用語は、広く、すなわち透明な面として、理解されるべきであることが理解できる。

プローブの性能を最適化するために、第２の検出器Ｄ２は、第１の検出器Ｄ１と同一であるのが好ましい。同様に、２個のウィンドウは、同じ種類のものである。

プローブの機械的な配置は、第１の発光体モジュールＬＥＤ１からの光ビームが、第１のウィンドウＨ１、分析用の媒体、及び第２のウィンドウＨ２を順次通過するようなものである。この光ビームは、つぎに第２の部分反射板ＰＲ２に到達する。光ビームの一部は、第２の部分反射板ＰＲ２を透過して第２の検出器Ｄ２に到達し、他方、光ビームの一部は、第２の部分反射板ＰＲ２に反射されて第１のウィンドウＨ１に到達し、最終的には、第１の部分反射板ＰＲ１を通過し、第１の検出器Ｄ１に到達する。

同様に、第２の発光体モジュールＬＥＤ２からの光ビームは、第２のウィンドウＨ２、分析用の媒体、及び第１のウィンドウＨ１を順次通過する。この光ビームは、つぎに第１の部分反射板ＰＲ１に到達する。光ビームの一部は、第１の部分反射板ＰＲ１を透過して第１の検出器Ｄ１に到達し、他方、光ビームの一部は、第１の部分反射板ＰＲ１に反射されて第２のウィンドウＨ２に到達し、最終的には、第２の部分反射板ＰＲ２を通過し、第１の検出器Ｄ２に到達する。

本例において、ウィンドウＨ１及びＨ２は、プローブの軸にほぼ垂直である。この構成によって、検出器をプローブの軸に平行に配置し、発光体モジュールをプローブの軸に対して傾けることにより、発光体モジュールＬＥＤ１及びＬＥＤ２の両方を使用して検出器Ｄ１及びＤ２の両方を照射することが可能となる。

このように、第２の検出器Ｄ２は、第１の発光体モジュールＬＥＤ１を第１の検出器Ｄ１へ接続する光路上に存在する。同様に、第１の検出器Ｄ１は、第２の発光体モジュールＬＥＤ２を第２の検出器Ｄ２へ接続する光路上に存在する。

つぎに、図３を参照しながら、光学プローブの電気回路、及び、第１の発光体モジュールＬＥＤ１のみが作動状態にあるとして、第１の検出器Ｄ１の受光帯域において吸収を測定する方法について説明する。

制御回路ＣＣは、
第１の検出器Ｄ１からの第１の検出信号ＤＳ１、及び
第２の検出器Ｄ２からの第１の監視信号ＭＳ１を受け取る。

制御回路ＣＣは、吸収係数Ａまたは該吸収係数を得ることを可能にするすべての中間値を生成する。

以下において、下記の符号を使用する。

Ｉ０第１の発光体モジュールＬＥＤ１によって放出される強度
Ｉ１第１の検出信号ＤＳ１によって表される、第１の検出器Ｄ１によって受け取られる強度
Ｉ２第１の監視信号ＭＳ１によって表される、第２の検出器Ｄ２によって受け取られる強度
Ｒ第２のウィンドウＨ２の反射係数
Ｔ第２のウィンドウＨ２の透過係数
Ｇ２第１の発光体モジュールＬＥＤ１と第２のウィンドウＨ２との間の減衰係数
Ｇ１第１の発光体モジュールＬＥＤ１と第１のウィンドウＨ１との間の減衰係数
Ｌｃ２個のウィンドウＨ１及びＨ２の間の距離
Ａ吸収係数、より詳細には、（制御回路ＣＣに格納される）基準媒体における吸収係数Ａｒと分析用媒体における吸収係数Ａｍ
ｅｘｐ指数関数
Ｌｎ自然対数
減衰係数は、検出器が、検出器に向けて放出される光束の全てを受け取ることはないとの事実を考慮している。減衰係数は、このように、幾何学的な問題に依存し、吸収係数とは独立したものである。他方、吸収係数は、分析される媒体の物理化学的性質に依存する。

第２の検出器によって受け取られる強度は、以下の式によって与えられる。

第１の検出器によって受け取られる強度は、以下の式によって与えられる。

プローブの感度を最適化するためには、強度Ｉ２及びＩ１が同様の大きさとなるように第２のウィンドウＨ２を設計するということを、ここで強調すべきである。このウィンドウによる部分的な反射は、種々の方法、特に、以下の少なくとも一つによって得られる。
微細な厚さの金属の被覆
市松模様、列状などに配置された開口部を有する、不透明で反射性の金属の層
中央開口を有するミラー
誘電体ミラー
ウィンドウの一部を覆うミラー

測定値Ｑは、第１の検出器Ｄ１によって受けたられる強度を第２の検出器Ｄ２によって受けたられる強度で除した比として定義される。

項(R.G1)/(T.G2)は、Ｋと記載することのできる定数である。

２個のウィンドウＨ１及びＨ２の間の距離Ｌｃのみが含まれることがわかる。したがって、この距離は、光学プローブの特性長である。

この特性長Ｌｃは、制御回路ＣＣに格納される。

基準媒体におけるキャリブレーションによって、基準測定値Ｑｒが得られる。

この基準測定値も制御回路ＣＣに格納される。

分析用媒体における測定によって測定値信号Ｑｍが得られる。

上記から以下の式が導かれる。

制御回路は、求める吸収係数Ａｍを生成する。

分析用媒体の吸収係数Ａｍを得るために他の手段を利用することもできる。たとえば、基準測定値Ｑｒに対する測定値信号Ｑｍの比を直接計算することもできる。

そこで

式[1]及び[2]は等価であり、本発明は、上述の原理から導かれるいずれの解法にも適用される。

キャリブレーションと測定自体は、同一の温度で実施されないということを考慮するために、オプションとして温度補償を行ってもよい。

強度は、温度θの関数として線形に変化し、この変化は、4個の定数α、β、χ及びδによって定量化されると仮定する。ここで、θは、

と同じである。

第２の検出器Ｄ２によって受け取られる強度は、

によって得られる。

第1の検出器によって受け取られる強度は、

によって得られる。

測定値Ｑ（θ）は、常に、第1の検出器Ｄ１によって受け取られる強度の、第２の検出器Ｄ２によって受け取られる強度に対する比を与える。

キャリブレーションは、キャリブレーション温度θ₀における、公知の吸収の基準媒体において実施される。

温度θにおける、分析用媒体における測定によって、測定値信号Ｑｍ（θ）が得られる。

上記から以下の式が導かれる。

定数β／α及びδ／χは実験的に定める。温度によって吸収が変化しない液体に対して、温度θの関数としての、第１の検出器Ｄ１によって受け取られる強度Ｉ１（θ）の特性は、２個の定数ａ及びｂによって定められる。

式[４]と上記の式を使用して、以下の式が導かれる。

比Ｋ１＝β／αは、上記から簡単に導かれ、比ｂ／ａに等しい。

比Ｋ２＝δ／χを得るために、温度θの関数としての、第２の検出器Ｄ２によって受け取られる強度Ｉ２（θ）の特性を定めるのに、同様の手順が使用される。

温度変化を特徴づけるこれらの２個の比Ｋ１及びＫ２は、キャリブレーション温度θ₀とともに制御回路ＣＣに格納される。さらに、(図示しない)センサは、測定が行われる温度θの情報を制御回路ＣＣに与える。

当業者は、２個のセルＣ１及びＣ２が対称であることに気付く。したがって、第２の発光体モジュールのみが作動状態にあると仮定して、第２の検出器Ｄ２の受信帯域における吸収をどのように測定するかを詳細に説明する必要はない。

各検出器における吸収を測定するために、検出器に対して両方の発光体モジュールが同時に動作するのを避ける必要がある。

第１の解決策は、発光体モジュールを順次作動させることである。

第２の解決策は、発光体モジュールを２個の異なる周波数で変調することである。それぞれが、２個の周波数のそれぞれに同調された検出器は、同時検出を実施するのに使用される。これは、当業者にはよく知られた技術である。

一般的に、検出器は、２個の別個の波長に合わせられる。検出器が、同じスペクトル応答を有し、冗長性が生成される場合にも本発明は適用される。

図２ｂを参照すると、第２のオプションとして、プローブの軸に対してウィンドウＨ１及びＨ２を傾け、２個の検出器Ｄ１及びＤ２ならびに２個の発光体モジュールＬＥＤ１及びＬＥＤ２を該軸に平行に配置することによって、所望の幾何学的構成が得られる。図２ａを参照しながらなされた説明は、修正することなくあてはまる。

図４を参照すると、スペクトルの範囲をさらに増加させることを可能にするプローブの変形例が記載されている。

第１のセルは、図２ｂを参照しながら記載された第２のオプションと同様に配置される。

第２のセルは、上述のものと同一の第２の検出器モジュールを備えるが、第２の発光体モジュールは異なる。

これらの２個のモジュールは、第２のウィンドウＨ２の後ろに配置される。

この変形例における第２の発光体モジュールは、半透過板ＳＲを照射する第１及び第２の光源ＳＥａ及びＳＥｂから構成される。幾何学的な構成は以下のとおりである。第１の光源ＳＥａからのビームは、半透過板ＳＲを通過して、第１の検出器Ｄ１に到達し、第２の光源ＳＥｂからのビームは、半透過板ＳＲで反射されて同様に第１の検出器Ｄ１に至る。

一般的に、２個の光源は、２個の別個の波長に合わせられる。２個の光源が同じスペクトルを発光し、２個の光源の一方の故障の影響を軽減することを可能にする場合にも適用される。

２個の光源が、２個の別個の波長に合わせられる場合には、２個の光源を同時に使用することを避ける必要がある。

本発明の光学プローブは、肝要な媒体の光学特性を、基準媒体の光学特性と比較することによって、吸収を測定する。

監視セルが、背景技術で述べた種々のドリフトに影響されるのを避けることができるので、キャリブレーションは、プローブを動作させる前に１回行われる。キャリブレーションは、安全上の理由のみにより、オプションとして時々実施してもよい。

本発明のさらなる利点は、両方のセルが同一であってもよいことである。このことにより、プローブのサブアセンブリの数が非常に少なくなり、製造が簡略化される。

上述の本発明の実施形態は、具体的な性質の故に選択されたものである。しかしながら、本発明によってカバーされる実施形態を網羅的に挙げることは可能ではない。特に、記載されたどのような手段も、本発明の範囲を超えることなく、等価な手段と置き換えることができる。

Claims

第１の発光体モジュール(ＬＥＤ１)と第１の検出信号(ＤＳ１)を生成するのに適した第１の検出器モジュール（Ｄ１）とを備えた第１のセル(Ｃ１)と、
該第１の発光体モジュール(ＬＥＤ１)を監視するための第１の監視信号(ＭＳ１)を生成するのに適した第２の検出器モジュール(Ｄ２)を備えた第２のセル(Ｃ２)と、
該第１の監視信号(ＭＳ１)によって該第１の検出信号(ＤＳ１)を重み付けすることによって第１の測定信号(Ｑｍ)を生成するための制御回路(ＣＣ)と、を備え、
該第２のセル(Ｃ２)は、第２の発光体モジュール(ＬＥＤ２、ＳＲ−ＳＥａ−ＳＥｂ)を有し、該第２の検出器モジュール（Ｄ２）は、第２の検出信号を生成するのに適し、該第１の検出器モジュール(Ｄ１)は、該第２の発光体モジュール(ＬＥＤ２、ＳＲ−ＳＥａ−ＳＥｂ)を監視するための第２の監視信号を生成するのに適する光学プローブ。
該第１及び第２のセル(Ｃ１、Ｃ２)のそれぞれは、有効面を有する密閉体の形状である請求項１に記載の光学プローブ。
該第１及び第２のセル(Ｃ１、Ｃ２)のそれぞれは、その有効面に設置されたそれぞれのウィンドウ(Ｈ１、Ｈ２)の後ろに配置された請求項２に記載の光学プローブ。
該第１及び第２の検出器モジュール（Ｄ１、Ｄ２）のそれぞれは、対応するウィンドウ(Ｈ１、Ｈ２)に隣接するそれぞれの部分反射板(ＰＲ１、ＰＲ２)の後ろに配置された請求項３に記載の光学プローブ。
該第１及び第２の検出器モジュール（Ｄ１、Ｄ２）が同一である請求項４に記載の光学プローブ。
該第１及び第２のセル(Ｃ１、Ｃ２)は、接続手段(Ｌ１、Ｌ２)によって接続され、該第１及び第２のセル(Ｃ１、Ｃ２)の有効面は互いに向き合っている請求項５に記載の光学プローブ。
該第１の測定信号(Ｑｍ)が、該第１の検出信号(ＤＳ１)を該第１の監視信号(ＭＳ１)で除した比に等しい請求項１から６のいずれかに記載の光学プローブ。
該制御回路(ＣＣ)がメモリに
基準測定値Ｑｒ、
基準吸収値Ａｒ、及び
特性長Ｌｃ
を、自然対数を示すＬｎ項とともに格納し、該制御回路は式

によって導かれる吸収値Ａｍを生成する請求項７に記載の光学プローブ。
該制御回路(ＣＣ)が温度補償を備えた請求項８に記載の光学プローブ。
該温度補償が、２個の定数Ｋ１及びＫ２、キャリブレーション温度θ_０及び測定が行われる温度θによって、式

を使用して実施される請求項９に記載の光学プローブ。
該第１及び第２の発光体モジュールの一方は、部分反射板(ＳＲ)を介して向き合う検出器モジュール(Ｄ１)を照射する２個の光源（ＳＥａ、ＳＥｂ）を含む請求項１から１０のいずれかに記載の光学プローブ。