JP2016156836A - Method and apparatus for siloxane measurements in biogas - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of monitoring one or more silicon-containing compounds present in a biogas, in particular siloxane and trimethyl-silanol.SOLUTION: A method includes generating a first absorption spectrum on the basis of a ratio of a first spectral measurement and a second spectral measurement, where the first spectral measurement is obtained from a non-absorptive gas having substantially no infrared absorptions in a specified wavelength range of interest, and the second spectral measurement is obtained from a sample gas comprising the biogas. The method includes generating at least one surrogate-absorption spectrum on the basis of individual absorption spectrum for each of silicon-containing compounds in a subset of one or more silicon-containing compounds selected from a larger set of known silicon-containing compounds with known concentrations. A total concentration of the one or more silicon-containing compounds in the biogas can be calculated on the basis of the first absorption spectrum and the at least one surrogate absorption spectrum.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、概して吸収分光計に関する。より詳細には、たとえばバイオ燃料又はバイオガス中のシロキサン化合物の濃度の監視及び測定に関する。この技術は、すべてのシロキサン化合物の総濃度、又はバイオ燃料又はバイオガスなどの中のすべてのケイ素含有化合物の総濃度のうちの少なくとも一方を求めることにも関する。   The present invention relates generally to absorption spectrometers. More particularly, it relates to monitoring and measuring the concentration of siloxane compounds, for example in biofuels or biogas. This technique also relates to determining at least one of the total concentration of all siloxane compounds or the total concentration of all silicon-containing compounds in a biofuel or biogas or the like.

分光法は、電磁放射と(たとえば、気体、固体、液体のうちの1つ又は複数を含む)試料との間の相互作用を調べる方法である。放射が特定の試料とどのように相互作用するかは試料の特性(たとえば、分子組成)に依存する。一般に、放射が試料を通過するとき、放射の特定の波長は試料内の分子によって吸収される。吸収される放射の特定の波長は特定の試料内の各分子に固有の波長である。したがって、放射のどの波長が吸収されるかを特定することによって、試料中に存在する特定の分子を識別することが可能になる。   Spectroscopy is a method of examining the interaction between electromagnetic radiation and a sample (eg, including one or more of a gas, a solid, or a liquid). How radiation interacts with a particular sample depends on the properties of the sample (eg, molecular composition). In general, when radiation passes through a sample, a particular wavelength of radiation is absorbed by molecules within the sample. The particular wavelength of radiation that is absorbed is unique to each molecule within a particular sample. Thus, by identifying which wavelengths of radiation are absorbed, it is possible to identify specific molecules present in the sample.

赤外線分光法は、たとえば、試料(たとえば、気体、固体、液体、又はそれらの組合せ)に赤外線電磁エネルギーを与えることによって分子の種類及び試料内の個々の分子の濃度を求める、分光法の特定の分野である。一般に、赤外線エネルギーは約0.7μm(周波数14000cm−1)から約1000μm(周波数10cm−1)の間のエネルギーの波長を有する電磁エネルギーとして特徴付けられる。赤外線エネルギーは試料を通って進み、エネルギーは試料内の分子と相互作用する。試料を通過するエネルギーは検出器(たとえば、電磁検出器)によって検出される。検出された信号は次いで、たとえば、試料の分子組成及び試料内の特定の分子の濃度を求めるために使用される。 Infrared spectroscopy is a spectroscopic specific method that, for example, determines the type of molecule and the concentration of individual molecules in the sample by applying infrared electromagnetic energy to the sample (eg, gas, solid, liquid, or combination thereof). Is a field. In general, infrared energy is characterized as electromagnetic energy having a wavelength of energy between about 0.7 [mu] m (frequency 14000 cm -1) of about 1000 .mu.m (frequency 10 cm -1). Infrared energy travels through the sample and the energy interacts with molecules in the sample. The energy that passes through the sample is detected by a detector (eg, an electromagnetic detector). The detected signal is then used, for example, to determine the molecular composition of the sample and the concentration of a particular molecule within the sample.

1つの特定の種類の赤外線分光計はフーリエ変換赤外線(FTIR)分光計である。このような赤外線分光計は、たとえば、大気質監視、爆発物・生物兵器検出、半導体加工、及び薬品製造などの様々な産業において使用される。FTIR分光計の様々な用途では、ユーザが試料中にどの分子が存在するかを識別し、かつ様々な分子の濃度を求めることを可能にすべく、それぞれに異なる感度が必要になる。用途によっては、試料中の個々の分子の濃度を約10億分の1(ppb)の精度で特定することが必要になる。産業用途では感度をますます高めていく必要があるので、既存の分光システムを最適化し新しい分光構成要素を利用することによって、システムが試料中の分子の濃度をより細かく分解していくことを繰り返しかつ確実に行うことが可能になる。   One particular type of infrared spectrometer is a Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer. Such infrared spectrometers are used in various industries such as air quality monitoring, explosive / biological weapon detection, semiconductor processing, and pharmaceutical manufacturing. Different applications of FTIR spectrometers require different sensitivities to allow the user to identify which molecules are present in the sample and to determine the concentration of the various molecules. Depending on the application, it may be necessary to specify the concentration of individual molecules in a sample with an accuracy of about 1 billion parts per billion (ppb). In industrial applications, it is necessary to increase the sensitivity, so by optimizing existing spectroscopic systems and using new spectroscopic components, the system repeatedly breaks down the concentration of molecules in the sample. And it becomes possible to carry out reliably.

FTIR分光計は、たとえば、気体中の化合物の濃度を監視するために使用されてもよい。バイオ燃料(たとえば、バイオガス)は、タービン発電機を含む様々な機器を駆動するために使用される。バイオガスは燃焼して機器を駆動する。バイオガス(たとえば、動物の排泄物、廃水、又は埋立地からのガス)は、シロキサン化合物を含む様々な化合物を含むことがある。バイオガス中のシロキサン化合物はまた燃焼して酸化物(たとえば、SiO(たとえば、シリカ又は砂))を生成する。SiOはタービンブレードに付着するとともに、タービン軸受にも付着し、したがって、タービンの性能を低下させ、又は場合によってはタービンを故障させる。バイオガス中のシロキサンのレベルが高くなるにつれてこの付着工程は加速する。バイオガス生成業者は通常、活性炭フィルタを使用してシロキサンを捕捉するが、フィルタが消耗するとシロキサンレベルが上昇する。 An FTIR spectrometer may be used, for example, to monitor the concentration of a compound in a gas. Biofuel (eg, biogas) is used to drive a variety of equipment including turbine generators. Biogas burns and drives the equipment. Biogas (eg, animal waste, wastewater, or gas from landfills) may include a variety of compounds including siloxane compounds. The siloxane compounds in the biogas also burn to produce oxides (eg, SiO 2 (eg, silica or sand)). SiO 2 adheres to the turbine blades and also to the turbine bearings, thus reducing turbine performance or possibly causing the turbine to fail. This deposition process accelerates as the level of siloxane in the biogas increases. Biogas producers typically use activated carbon filters to capture siloxanes, but siloxane levels increase when the filters are depleted.

バイオガス中のシロキサン化合物の濃度を監視するための従来の方法は、バイオガスから取り出された試料を分析することによってオフラインで行われる。たとえば、従来の技法は、GC/MS(すなわち、ガスクロマトグラフィ/質量分光法)技術を使用してシロ
キサンをバックグラウンドのガスから分離して測定することを含んでなる。試料ガスを分析するには、試料を分析のためにグラブ・サンプリングしてGC/MSシステム上に流す。通常、ガス流から現地試料が取り出され、ステンレススチール製のキャニスタ又はTedlar(商標)試料バッグに導入されるかあるいはメタノール溶媒インピンジャを使用して収集される。次いで、この試料を分析実験室に移送して分析する。分析結果が分かるまでに通常数日かかる。
Conventional methods for monitoring the concentration of siloxane compounds in biogas are performed off-line by analyzing samples taken from biogas. For example, conventional techniques comprise separating and measuring siloxane from background gas using GC / MS (ie, gas chromatography / mass spectroscopy) techniques. To analyze the sample gas, the sample is grab-sampled for analysis and run on a GC / MS system. Typically, a field sample is taken from the gas stream and introduced into a stainless steel canister or Tedlar ™ sample bag or collected using a methanol solvent impinger. The sample is then transferred to an analysis laboratory for analysis. It usually takes a few days to understand the analysis results.

試料は、試料成分が凝縮し、したがって、試料の真の組成を評価することが困難になる傾向がある。そのように取り出される試料は、内容物を1回分析するだけの時間しかもたず、したがって、試料中の真の組成を表さないことがある。試料のGC/MS分析は、試料中のシロキサン化合物を分析するのに数時間かかる場合もあり、オペレータが介入できるようにするまでの時間がかかり過ぎることがある。シロキサンレベルが上昇した場合、使用可能な手段を実施する機会をすでに逃がしていることがある。バイオガス中のシロキサン及び/又はケイ素含有物の濃度を監視し測定する能力を向上させると、タービンの寿命を延ばすことが可能になる。さらに、シロキサン及び/又はケイ素含有物を監視し迅速に検出し定量化することができれば、使用可能な手段/介入を施すためのより長い時間を確保することができる。   The sample tends to condense the sample components, thus making it difficult to evaluate the true composition of the sample. Samples so removed may only have time to analyze the contents once and therefore may not represent the true composition in the sample. GC / MS analysis of a sample can take several hours to analyze the siloxane compound in the sample and can take too long to allow the operator to intervene. If the siloxane level rises, you may have already missed the opportunity to implement usable measures. Increasing the ability to monitor and measure the concentration of siloxanes and / or silicon-containing materials in biogas can extend the life of the turbine. Furthermore, if siloxane and / or silicon-containing materials can be monitored, detected and quantified quickly, a longer time can be secured for applying available means / interventions.

分光法を使用して、たとえば、バイオガス中の微量のシロキサン及びその他のケイ素含有化合物の検出、特定、及び/又は定量化(たとえば、約50億分の1(ppb)の精度で試料バイオガス中の個々のシロキサン化合物の濃度を特定する)を行ってもよい。バイオガス中の微量の環状シロキサン(たとえば、D3−シロキサン、D4−シロキサン、D5−シロキサン、D6−シロキサン)、線状シロキサン(たとえば、L2−シロキサン、L3−シロキサン、L4−シロキサン、L5−シロキサン)、及びトリメチルシラノール(TMS)を検出し定量化してもよい。シロキサン又はケイ素の濃度は概して、たとえば埋立地、動物の排泄場所、又は廃水のたまり場など、現地で(in-situ)リアルタイムに
測定され得る(たとえば、現地で試料を取得しその試料をかなり時間が経過してから実験室で分析する必要なしに試料バイオガスの内容物を処理し分析する)。インライン連続モニタは、シロキサン及び/又は総ケイ素レベルの上昇をリアルタイムに検知し、オペレータに通知するか又は工程を自動的に停止し、タービンを不必要にSiOに曝すのを防止することができる。
Spectroscopy can be used, for example, to detect, identify, and / or quantify trace siloxanes and other silicon-containing compounds in biogas (eg, sample biogas with an accuracy of about 1/5 billion ppb) The concentration of the individual siloxane compounds in it may be specified). Trace amounts of cyclic siloxanes in biogas (eg D3-siloxane, D4-siloxane, D5-siloxane, D6-siloxane), linear siloxanes (eg L2-siloxane, L3-siloxane, L4-siloxane, L5-siloxane) And trimethylsilanol (TMS) may be detected and quantified. The concentration of siloxane or silicon can generally be measured in-situ in real time, such as landfills, animal excretion sites, or wastewater pools (eg, taking a sample locally and taking the sample for a considerable amount of time). Process and analyze the contents of the sample biogas without the need to analyze in the laboratory after that). In-line continuous monitoring can detect siloxane and / or total silicon level increases in real time and notify the operator or automatically stop the process to prevent unnecessary exposure of the turbine to SiO 2. .

試料中の他の物質と比較して実質的により高い赤外線吸収率を有する物質(たとえば、化合物)(たとえば、干渉性吸収体)を含む試料は、FTIRが赤外線エネルギーを試料に加えることに依存するのでFTIR分光法では問題が生じることがある。試料中の干渉性吸収体は、実質的により低い赤外線吸収率を有する、試料中で検出される他の物質の濃度が試料において有効に検出され測定されるのを妨げる。バイオガスは、たとえばシロキサン及びその他のケイ素含有化合物、炭化水素化合物(たとえば、メタン又はエタン)、水、又は二酸化炭素などの分子を含むことがある。バイオガス中の炭化水素化合物は、シロキサン化合物(たとえば、D4シロキサンの場合、波長が約7.8ミクロンのときに吸収率が約0.001)と比較して特定の波長で比較的高い赤外線吸収率(たとえば、波長がメタンの場合、約7.8ミクロンのときに吸収率が約0.055)を有することがある。したがって、炭化水素は干渉性吸収体であり得る。シロキサン化合物は、波長が約8ミクロンから約12ミクロンの範囲で比較的高い赤外線吸収率を有することがある(たとえば、D4シロキサンの場合、約8.2ミクロンのときに吸収率が約0.075で約11ミクロンのときに吸収率が0.125)。したがって、試料バイオガス中のシロキサン化合物の濃度は、炭化水素化合物又は他の干渉性吸収体が存在する場合でも、対象となる波長
範囲(たとえば、約8ミクロンから約12ミクロン)においてスペクトル測定値を得ることによって測定されてもよい。対象となる波長範囲としては、バイオガスの主要成分(たとえば、HO、CO、CH)の吸光度が高くない波長範囲が選択されてもよい。シロキサン及びTMS化合物は、対象となる波長範囲において他の炭化水素と重複する吸光度を有することがある。多変量分析方法を使用してシロキサン化合物とその他の炭化水素との寄与を区別するとともに、厳密にシロキサン化合物及び/又はケイ素含有化合物による寄与を評価してもよい。
Samples that contain substances (eg, compounds) (eg, coherent absorbers) that have substantially higher infrared absorptance compared to other substances in the sample depend on the FTIR applying infrared energy to the sample. Thus, problems may arise with FTIR spectroscopy. Interfering absorbers in the sample prevent the concentration of other substances detected in the sample having a substantially lower infrared absorption rate from being effectively detected and measured in the sample. Biogas may include molecules such as siloxanes and other silicon-containing compounds, hydrocarbon compounds (eg, methane or ethane), water, or carbon dioxide. Hydrocarbon compounds in biogas are relatively high infrared absorption at specific wavelengths compared to siloxane compounds (eg, D4 siloxane has an absorptance of about 0.001 at a wavelength of about 7.8 microns). (E.g., when the wavelength is methane, the absorption is about 0.055 at about 7.8 microns). Thus, the hydrocarbon can be an interfering absorber. Siloxane compounds may have relatively high infrared absorption at wavelengths ranging from about 8 microns to about 12 microns (eg, D4 siloxane has an absorption of about 0.075 at about 8.2 microns). The absorption rate is 0.125 at about 11 microns. Thus, the concentration of the siloxane compound in the sample biogas is a spectral measurement in the wavelength range of interest (eg, about 8 microns to about 12 microns), even in the presence of hydrocarbon compounds or other interfering absorbers. It may be measured by obtaining. As the target wavelength range, a wavelength range in which the absorbance of the main components (for example, H 2 O, CO 2 , CH 4 ) of the biogas is not high may be selected. Siloxanes and TMS compounds may have absorbances that overlap with other hydrocarbons in the wavelength range of interest. Multivariate analysis methods may be used to distinguish the contributions of siloxane compounds and other hydrocarbons and to strictly evaluate the contributions of siloxane compounds and / or silicon-containing compounds.

1態様では、バイオガス中に存在する1つ又は複数のケイ素含有化合物を監視するための方法であって、非吸光性ガスを試料セルに供給することを含む方法が提供される。非吸光性ガスは対象となる指定された波長範囲において赤外線を実質的に吸収しない。この方法は、試料セルから第1のスペクトル測定値を得ることと、試料セルにバイオガスを供給することとを含む。この方法は、試料セルから第2のスペクトル測定値を得ることと、第1のスペクトル測定値と第2のスペクトル測定値の比に基づいて第1の吸収スペクトルを生成することとをさらに含む。この方法は、少なくとも、既知の濃度を有する既知のケイ素含有化合物のより大きい集合から選択される1つ又は複数のケイ素含有化合物の部分集合の各ケイ素含有化合物に関する個々の吸収スペクトルに基づいて少なくとも1つのサロゲート吸収スペクトルを生成することを含む。バイオガス中の1つ又は複数のケイ素含有化合物の総濃度は、第1の吸収スペクトル及び少なくとも1つのサロゲート吸収スペクトルに基づいて算出されてもよい。   In one aspect, a method is provided for monitoring one or more silicon-containing compounds present in a biogas, the method comprising supplying a non-absorbing gas to a sample cell. Non-absorbing gases do not substantially absorb infrared in the specified wavelength range of interest. The method includes obtaining a first spectral measurement from the sample cell and supplying biogas to the sample cell. The method further includes obtaining a second spectrum measurement from the sample cell and generating a first absorption spectrum based on a ratio of the first spectrum measurement and the second spectrum measurement. The method includes at least one based on an individual absorption spectrum for each silicon-containing compound of a subset of one or more silicon-containing compounds selected from a larger set of known silicon-containing compounds having a known concentration. Generating two surrogate absorption spectra. The total concentration of the one or more silicon-containing compounds in the biogas may be calculated based on the first absorption spectrum and the at least one surrogate absorption spectrum.

別の態様では、非一時的情報担体又は機械可読記憶デバイス上で有形に具現化されかつバイオガス検出システム用のデジタル信号プロセッサ上で動作可能であるコンピュータ可読製品が提供される。コンピュータ可読製品はデジタル信号プロセッサに試料セル内の非吸光性ガスの第1のスペクトル測定値を受け取らせるように動作可能である命令を含む。非吸光性ガスは、対象となる指定された波長範囲において実質的に赤外線を吸収しない。さらに、コンピュータ可読製品はデジタル信号プロセッサに試料セル内のバイオガスからなる試料ガスの第2のスペクトル測定値を受け取らせるように動作可能な命令を含む。コンピュータ可読製品は、デジタル信号プロセッサに第1のスペクトル測定値と第2のスペクトル測定値との比に基づいて第1の吸収スペクトルを生成させ、少なくとも、既知の濃度を有する既知のケイ素含有化合物のより大きい集合から選択される1つ又は複数のケイ素含有化合物の部分集合の各ケイ素含有化合物に関する個々の吸収スペクトルに基づいてサロゲート吸収スペクトルの集合を生成させるように動作可能な命令をさらに含む。コンピュータ可読製品は、デジタル信号プロセッサに第1の吸収スペクトル及びサロゲート吸収スペクトルの集合を使用してバイオガス中の1つ又は複数のケイ素含有化合物の総濃度を算出する多重回帰分析を実行させるように動作可能な命令をさらに含む。   In another aspect, a computer readable product is provided that is tangibly embodied on a non-transitory information carrier or machine readable storage device and operable on a digital signal processor for a biogas detection system. The computer readable product includes instructions operable to cause the digital signal processor to receive a first spectral measurement of the non-absorbing gas in the sample cell. Non-absorbing gases do not substantially absorb infrared radiation in the specified wavelength range of interest. Further, the computer readable product includes instructions operable to cause the digital signal processor to receive a second spectral measurement of the sample gas comprising the biogas in the sample cell. The computer readable product causes a digital signal processor to generate a first absorption spectrum based on a ratio of the first spectral measurement to the second spectral measurement, and at least a known silicon-containing compound having a known concentration. And further comprising instructions operable to generate a set of surrogate absorption spectra based on the individual absorption spectra for each silicon-containing compound of the subset of one or more silicon-containing compounds selected from the larger set. The computer readable product causes a digital signal processor to perform multiple regression analysis using the set of first absorption spectra and surrogate absorption spectra to calculate the total concentration of one or more silicon-containing compounds in the biogas. Further comprising operable instructions.

他の例では、上記の態様はいずれも以下の特徴のうちの1つ又は複数を含んでもよい。いくつかの実施形態では、総濃度に相関係数が適用される。相関係数は総濃度をある係数だけスケーリングする。いくつかの実施形態では、バイオガス中の1つ又は複数のケイ素含有化合物は少なくとも1つのシロキサンを含む。既知のケイ素含有化合物のより大きい集合も少なくとも1つのシロキサンを含んでもよい。1つ又は複数のケイ素含有化合物の部分集合も少なくとも1つのシロキサンを含んでもよい。いくつかの実施形態では、総濃度は、バイオガス中のシロキサン化合物の総濃度、バイオガス中の他のケイ素含有化合物の総濃度、又はバイオガス中のすべてのケイ素含有化合物の総濃度のうちの1つからなる。   In other examples, any of the above aspects may include one or more of the following features. In some embodiments, a correlation coefficient is applied to the total concentration. The correlation coefficient scales the total concentration by some factor. In some embodiments, the one or more silicon-containing compounds in the biogas comprises at least one siloxane. Larger collections of known silicon-containing compounds may also include at least one siloxane. The subset of one or more silicon-containing compounds may also include at least one siloxane. In some embodiments, the total concentration is of the total concentration of siloxane compounds in the biogas, the total concentration of other silicon-containing compounds in the biogas, or the total concentration of all silicon-containing compounds in the biogas. It consists of one.

いくつかの実施形態では、1つ又は複数のケイ素含有化合物の部分集合は、既知のケイ素含有化合物とバイオガス中に存在する1つ又は複数のケイ素含有化合物とのスペクトル整合に基づいて選択される。いくつかの実施形態では、1つ又は複数のケイ素含有化合物
の部分集合のうちの少なくとも1つのケイ素含有化合物がバイオガス中に存在する。いくつかの実施形態では、1つ又は複数のケイ素含有化合物の部分集合のうちの少なくとも1つのケイ素含有化合物はバイオガスには存在しない。
In some embodiments, the subset of one or more silicon-containing compounds is selected based on a spectral match between the known silicon-containing compound and one or more silicon-containing compounds present in the biogas. . In some embodiments, at least one silicon-containing compound of the subset of one or more silicon-containing compounds is present in the biogas. In some embodiments, at least one silicon-containing compound of the subset of one or more silicon-containing compounds is not present in the biogas.

いくつかの実施形態では、既知のケイ素含有化合物のより大きい集合は、D3−シロキサン、D4−シロキサン、D5−シロキサン、D6−シロキサン、L2−シロキサン、L3−シロキサン、L4−シロキサン、及びL5−シロキサンからなる。1つ又は複数のケイ素含有化合物の部分集合は、既知のケイ素含有化合物のより大きい集合から選択される3つ乃至5つのケイ素含有化合物からなり得る。   In some embodiments, a larger collection of known silicon-containing compounds is D3-siloxane, D4-siloxane, D5-siloxane, D6-siloxane, L2-siloxane, L3-siloxane, L4-siloxane, and L5-siloxane. Consists of. The subset of one or more silicon-containing compounds may consist of 3 to 5 silicon-containing compounds selected from a larger set of known silicon-containing compounds.

いくつかの実施形態では、バイオガスは埋立地ガスからなる。この場合、1つ又は複数のケイ素含有化合物の部分集合は、a)L2−シロキサン、L3−シロキサン、及びD4−シロキサン、b)L2−シロキサン、D3−シロキサン、及びD4−シロキサン、又はc)L2−シロキサン、D3−シロキサン、及びD5シロキサンのうちの1つからなり得る。   In some embodiments, the biogas comprises landfill gas. In this case, the subset of one or more silicon-containing compounds is a) L2-siloxane, L3-siloxane, and D4-siloxane, b) L2-siloxane, D3-siloxane, and D4-siloxane, or c) L2 It may consist of one of siloxane, D3-siloxane, and D5 siloxane.

いくつかの実施形態では、バイオガスは消化バイオガスからなる。この場合、1つ又は複数のケイ素含有化合物の部分集合は、a)D3−シロキサン、D5−シロキサン、及びL3−シロキサン、b)D4−シロキサン、D5−シロキサン、及びL3−シロキサン、又はc)D3−シロキサン、D5−シロキサン、及びL2シロキサンのうちの1つからなる。   In some embodiments, the biogas consists of digested biogas. In this case, a subset of the one or more silicon-containing compounds is a) D3-siloxane, D5-siloxane, and L3-siloxane, b) D4-siloxane, D5-siloxane, and L3-siloxane, or c) D3. -Consisting of one of siloxane, D5-siloxane, and L2 siloxane.

いくつかの実施形態では、サロゲート吸収スペクトルは、既知の濃度を有する既知の炭化水素化合物のより大きい集合から選択される1つ又は複数の炭化水素化合物の部分集合の各炭化水素化合物に関する個々の吸収スペクトルをさらに含む。既知の炭化水素化合物のより大きい集合は、エタン、プロパン、及びブタンからなり得る。サロゲート吸収スペクトルは、少なくとも、1つ又は複数のケイ素含有化合物の部分集合の各ケイ素含有化合物に関する個々の吸収スペクトル及び1つ又は複数の炭化水素化合物の部分集合の各炭化水素化合物に関する個々の吸収スペクトルに基づくモデルであってもよい。   In some embodiments, the surrogate absorption spectrum is an individual absorption for each hydrocarbon compound of a subset of one or more hydrocarbon compounds selected from a larger set of known hydrocarbon compounds having a known concentration. Further includes a spectrum. A larger collection of known hydrocarbon compounds can consist of ethane, propane, and butane. The surrogate absorption spectrum includes at least an individual absorption spectrum for each silicon-containing compound in a subset of one or more silicon-containing compounds and an individual absorption spectrum for each hydrocarbon compound in a subset of one or more hydrocarbon compounds. It may be a model based on.

いくつかの実施形態では、バイオガス中の1つ又は複数のケイ素含有化合物の総濃度を算出することは、プロセッサを使用して、第1の吸収スペクトル及びサロゲート吸収スペクトルを使用して多重回帰分析を行うことを含む。多重回帰分析は、クラシカル最小二乗(CLS)、部分最小二乗(PLS)、逆最小二乗(ILS)、又は主成分分析(PCA)を使用して行われてもよい。総濃度の値は、サロゲート吸収スペクトルが第1の吸収スペクトルと実質的に同様になるように求められてもよい。いくつかの実施形態では、バイオガス中の1つ又は複数のケイ素含有化合物の総濃度はリアルタイムに現地で算出されてもよい。   In some embodiments, calculating the total concentration of the one or more silicon-containing compounds in the biogas is performed using a processor and a multiple regression analysis using the first absorption spectrum and the surrogate absorption spectrum. Including performing. Multiple regression analysis may be performed using classical least squares (CLS), partial least squares (PLS), inverse least squares (ILS), or principal component analysis (PCA). The total concentration value may be determined such that the surrogate absorption spectrum is substantially similar to the first absorption spectrum. In some embodiments, the total concentration of one or more silicon-containing compounds in the biogas may be calculated locally in real time.

いくつかの実施形態では、第2のスペクトル測定値は約10秒〜約20秒の取得期間にわたって得られてもよい。
いくつかの実施形態では、バイオガスは動物の排泄物、廃水、又は埋立地から得られる。
In some embodiments, the second spectral measurement may be obtained over an acquisition period of about 10 seconds to about 20 seconds.
In some embodiments, biogas is obtained from animal waste, wastewater, or landfill.

別の態様では、バイオガス中の1つ又は複数のケイ素含有化合物を監視するためのシステムが提供される。システムは、第1の放射ビームの光源と、光源から第1の放射ビームを受け取り、干渉信号からなる第2の放射ビームを形成する干渉計と、干渉計と光学的に連絡する試料セルとを含む。システムは、対象となる指定された波長範囲において赤外線を実質的に吸収しない非吸光性ガスの第1の流れ、及び試料セルを通過するバイオガスの第2の流れを確立する流れ機構をさらに含む。システムは、試料セルと光学的に連絡する
冷却検出器を含む。冷却検出器は、試料セル内の非吸光性ガス中を伝搬する第1の干渉信号及び試料セル内の試料ガス中を伝搬する第2の干渉信号を受け取るようになっている。システムは、冷却検出器と電気的に接続するプロセッサをさらに含む。プロセッサは、1)第1の干渉信号と第2の干渉信号との比に基づく第1の吸収スペクトルと、2)少なくとも、既知の濃度を有する既知のケイ素含有化合物のより大きい集合から選択される1つ又は複数のケイ素含有化合物の部分集合の各ケイ素含有化合物に関する個々の吸収スペクトルとに基づくサロゲート吸収スペクトルの集合に基づいてバイオガス中の1つ又は複数のケイ素含有化合物の総濃度を算出するように構成されている。システムは、光源、干渉計、試料セル、冷却検出器、及びプロセッサが配設されたハウジングをさらに含む。
In another aspect, a system for monitoring one or more silicon-containing compounds in biogas is provided. The system includes a light source of a first radiation beam, an interferometer that receives the first radiation beam from the light source and forms a second radiation beam of interference signals, and a sample cell in optical communication with the interferometer. Including. The system further includes a flow mechanism that establishes a first flow of non-absorbing gas that does not substantially absorb infrared radiation in the specified wavelength range of interest, and a second flow of biogas through the sample cell. . The system includes a cooling detector in optical communication with the sample cell. The cooling detector is adapted to receive a first interference signal propagating in the non-absorbing gas in the sample cell and a second interference signal propagating in the sample gas in the sample cell. The system further includes a processor in electrical connection with the cooling detector. The processor is selected from 1) a first absorption spectrum based on a ratio of the first interference signal and the second interference signal, and 2) at least a larger set of known silicon-containing compounds having a known concentration. Calculate the total concentration of one or more silicon-containing compounds in the biogas based on a set of surrogate absorption spectra based on the individual absorption spectra for each silicon-containing compound in the subset of one or more silicon-containing compounds It is configured as follows. The system further includes a housing in which the light source, interferometer, sample cell, cooling detector, and processor are disposed.

いくつかの実施形態では、システムの試料セルは、試料セルの第1の端部に凹状反射性視野鏡表面を含む。試料セルは、試料セルの第2の端部に視野鏡表面と対向関係に位置する実質的に球状の凹状反射性対物鏡表面をさらに含んでもよい。対物鏡表面は、視野鏡表面及び対物鏡表面の各々での複数の反射を介して試料セル内を伝搬する第2の放射ビームのスループットを最大にするように少なくとも1つの平面における各焦点の一致度を高める円筒状構成要素を有する。   In some embodiments, the sample cell of the system includes a concave reflective field mirror surface at the first end of the sample cell. The sample cell may further include a substantially spherical concave reflective objective mirror surface positioned in opposing relationship with the field mirror surface at the second end of the sample cell. The objective surface matches each focal point in at least one plane so as to maximize the throughput of the second radiation beam propagating in the sample cell via multiple reflections at each of the field mirror surface and the objective surface. It has a cylindrical component that increases the degree.

いくつかの実施形態では、サロゲート吸収スペクトルの集合は、少なくとも、1つ又は複数のケイ素含有化合物の部分集合の各ケイ素含有化合物に関する個々の吸収スペクトル及び既知の濃度を有する既知の炭化水素化合物のより大きい集合から選択される1つ又は複数の炭化水素化合物の部分集合の各炭化水素化合物に関する個々の吸収スペクトルに基づくモデルである。   In some embodiments, the set of surrogate absorption spectra is at least an individual absorption spectrum for each silicon-containing compound and a known concentration of a known hydrocarbon compound having a known concentration of one or more silicon-containing compound subsets. A model based on individual absorption spectra for each hydrocarbon compound in a subset of one or more hydrocarbon compounds selected from a large set.

本発明の他の態様及び利点は、すべてが本発明の原則を一例としてのみ示す以下の図面、詳細な説明、及び特許請求の範囲から明らかになろう。
上述の本発明の利点は、さらなる利点とともに、以下の説明を添付の図面に関連して参照することによってよりよく理解することができる。図面において、同じ参照符号は全般的に、様々な図全体にわたって同じ部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りであるとは限らず、全般的に本発明の原則を示すことが重視される。
Other aspects and advantages of the invention will become apparent from the following drawings, detailed description, and claims, all illustrating the principles of the invention by way of example only.
The advantages of the invention described above, together with further advantages, may be better understood by reference to the following description in conjunction with the accompanying drawings. In the drawings, like reference characters generally refer to the same parts throughout the different views. The drawings are not necessarily to scale, emphasizing overall the principles of the invention.

本発明によるガス試料中の微量ガスの監視及び/又は検出を行うための例示的な検出システムのブロック図。1 is a block diagram of an exemplary detection system for monitoring and / or detecting trace gases in a gas sample according to the present invention. 本発明による例示的な光学構成の概略図。1 is a schematic diagram of an exemplary optical configuration according to the present invention. 本発明による試料セルに試料を導入するための例示的な流れシステムのブロック図。1 is a block diagram of an exemplary flow system for introducing a sample into a sample cell according to the present invention. 本発明による、光路長/NEAと試料セルの光学表面間のパス回数を対比したグラフ。6 is a graph comparing the optical path length / NEA and the number of passes between the optical surfaces of the sample cell according to the present invention. 本発明による、微量ガスを例示的な検出システムに入力する際の微量ガスの濃度と時間を対比したグラフ。FIG. 3 is a graph comparing trace gas concentration versus time when trace gas is input to an exemplary detection system according to the present invention. FIG. 本発明による一連の測定値のタイムラインを示す図。The figure which shows the timeline of a series of measured values by this invention. 本発明による、ガス試料中の微量ガスの監視及び/又は検出を行うための例示的な検出装置の平面図。1 is a plan view of an exemplary detection device for monitoring and / or detecting trace gases in a gas sample according to the present invention. FIG. 本発明による、ガス試料中の微量ガスの監視及び/又は検出を行うための例示的な検出装置のいくつかの構成要素の平面図。FIG. 3 is a plan view of several components of an exemplary detection device for monitoring and / or detecting trace gases in a gas sample according to the present invention. 本発明の例示的な実施形態による、バイオガス中のシロキサン化合物を監視するための方法を示すフローチャート。2 is a flowchart illustrating a method for monitoring siloxane compounds in biogas, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な実施形態による、行列X(スペクトル測定値)及び行列Y(濃度データ)によって表されるスペクトル情報のNIPALS分解を表す図。FIG. 4 is a diagram representing a NIPALS decomposition of spectral information represented by matrix X (spectrum measurements) and matrix Y (concentration data), according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な実施形態による、バイオガス中のケイ素含有化合物を監視するのに使用される個々の吸収スペクトルを示す図。FIG. 4 shows individual absorption spectra used to monitor silicon-containing compounds in biogas, according to an exemplary embodiment of the present invention. バイオガス試料中のケイ素含有化合物を監視するための別の例示的な方法を示すフローチャート。6 is a flowchart illustrating another exemplary method for monitoring silicon-containing compounds in a biogas sample. 合成埋立地ガス試料に関する経時的な総シロキサン濃度の結果を示す図。The figure which shows the result of the total siloxane density | concentration with time regarding a synthetic landfill gas sample. 消化ガス試料の経時的な総シロキサン濃度の結果を示す図。The figure which shows the result of the total siloxane density | concentration with time of a digestion gas sample.

図1は、ガス試料中の微量ガスの監視及び/又は検出を行うための例示的な装置10のブロック図を示す。装置10は、サリン、タブン、ソマン、サルファマスタード、及びVX神経ガスなどの微量物質を検出するのに使用されてもよい。装置10は、たとえば、バイオガス中のシロキサンのレベルを検出するのに使用されてもよい。いくつかの実施形態では、固体又は液体の物質の蒸気を検出してもよい。装置10は、吸収分光計及び/又はフーリエ変換赤外線(FTIR)分光計であってもよい。例示的な実施形態では、装置10は、光源14と、干渉計18と、試料セル22と、ガス試料26の供給源と、検出器30と、プロセッサ34と、ディスプレイ38と、ハウジング42とを含む。様々な実施形態では、装置10を使用して微量のガスを擬陽性又は擬陰性がもしあっても、擬陽性又は擬陰性をほとんど使用せずに短時間で検出してもよい。   FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary apparatus 10 for monitoring and / or detecting trace gases in a gas sample. Device 10 may be used to detect trace substances such as sarin, tabun, soman, sulfur mustard, and VX nerve gas. The device 10 may be used, for example, to detect the level of siloxane in biogas. In some embodiments, vapors of solid or liquid substances may be detected. The apparatus 10 may be an absorption spectrometer and / or a Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer. In the exemplary embodiment, apparatus 10 includes light source 14, interferometer 18, sample cell 22, source of gas sample 26, detector 30, processor 34, display 38, and housing 42. Including. In various embodiments, the device 10 may be used to detect a trace amount of gas in a short time with little or no false positives or false negatives.

様々な実施形態では、光源14は放射ビーム(たとえば、赤外線放射ビーム)を生成してもよい。光源14は、レーザ又はインコヒーレントな光源であってもよい。1実施形態では、光源はグローバー、すなわち、約1000℃に加熱されて黒体放射を生成する不活性固体である。グローバーは、炭化ケイ素から形成されてもよく、電力を加えられてもよい。システムのスペクトル範囲は約600cm−1から約5000cm−1の間であってもよい。システムの分解能は2cm−1及び約4cm−1であってもよい。1実施形態では、検出システムは微量ガスの検出時に微量ガスのより高い分解能のスペクトルを記録してもよい。より高い分解能のスペクトルは微量ガスを特定する助けになることができる。 In various embodiments, the light source 14 may generate a radiation beam (eg, an infrared radiation beam). The light source 14 may be a laser or an incoherent light source. In one embodiment, the light source is a glow bar, ie, an inert solid that is heated to about 1000 ° C. to produce black body radiation. The glow bar may be formed from silicon carbide and may be energized. Spectral range of the system may be between about 600 cm -1 to about 5000 cm -1. The resolution of the system may be 2 cm −1 and about 4 cm −1 . In one embodiment, the detection system may record a higher resolution spectrum of the trace gas upon detection of the trace gas. Higher resolution spectra can help identify trace gases.

様々な実施形態では、放射の光源14と干渉計18は単一の機器を構成してもよい。いくつかの実施形態では、干渉計18は当技術分野で広く知られているマイケルソン干渉計である。1実施形態では、干渉計18はエムケイエスインストルメンツインコーポレイティッド社(MKS Instruments, Inc.)[米国マサチューセッツ州ウィルミントン(Wilmington)所在]から市販されているBRIK干渉計である。BRIK干渉計は、入射放射を分割し合成するコンバイナと、放射を変調するための可動コーナーキューブと、中央バーストを特定するのに使用される白色光源と、コーナーキューブの速度を監視するための垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)とを含んでもよい。BRIK干渉計は、傾斜及び側方運動エラーの影響を受けず、また熱的変動の影響を受けず、したがって、干渉計の丈夫さを高めることができる。   In various embodiments, the radiation source 14 and the interferometer 18 may comprise a single instrument. In some embodiments, interferometer 18 is a Michelson interferometer that is widely known in the art. In one embodiment, interferometer 18 is a BRIK interferometer commercially available from MKS Instruments, Inc. (Wilmington, Mass., USA). The BRIK interferometer is a combiner that splits and combines incident radiation, a movable corner cube to modulate the radiation, a white light source used to identify the central burst, and a vertical to monitor the corner cube velocity. And a cavity surface emitting laser (VCSEL). The BRIK interferometer is not affected by tilt and lateral motion errors, and is not affected by thermal fluctuations, thus increasing the robustness of the interferometer.

1実施形態では、干渉計18は、放射光源、固定鏡、可動鏡、光学モジュール、及び検出器モジュール(たとえば、検出器30)を含むモジュールであってもよい。干渉計モジュールは、その光源によって生成されかつ試料(たとえば、試料セル22内に含まれる試料26)を透過するすべての光学周波数を測定することができる。放射は、光学モジュール(たとえば、ビームスプリッタ)に向けられ、光学モジュールは放射を2条のビーム、すなわち、第1の信号と第2の信号に分割することができる。可動鏡は、電磁エネルギーからなる最初は実質的に同一の2条のビーム間の可変光路長差を形成する。可動鏡は通常、一定の速度で移動又は走行させられる。第1の信号が第2の信号とは異なる距離を伝搬した(この実施形態では、可動鏡が移動することに起因する)後、光学モジュールによって第1の信号と第2の信号を再結合し、2条のビームが干渉することによって変調された強度を有する放射測定信号を生成することができる。この干渉信号は、試料を通過し、検出器によって測定される。様々な試料(たとえば、固体、液体、又は気体)が存在すると
、検出器によって検出されるような放射の強度を変調することができる。したがって、検出器の出力は、固定鏡と可動鏡の相対位置によって確立される光路差ならびに試料によって生成される電磁信号の変調に応じて可変時間依存信号になる。この出力信号はインターフェログラムとして表すことができる。
In one embodiment, interferometer 18 may be a module that includes a radiation source, a fixed mirror, a movable mirror, an optical module, and a detector module (eg, detector 30). The interferometer module can measure all optical frequencies generated by its light source and transmitted through the sample (eg, sample 26 contained within sample cell 22). The radiation is directed to an optical module (eg, a beam splitter), which can split the radiation into two beams, a first signal and a second signal. The movable mirror initially forms a variable optical path length difference between two substantially identical beams of electromagnetic energy. The movable mirror is usually moved or moved at a constant speed. After the first signal has propagated a different distance than the second signal (in this embodiment, due to the movement of the movable mirror), the optical module recombines the first signal and the second signal. A radiometric signal having a modulated intensity can be generated by the interference of the two beams. This interference signal passes through the sample and is measured by a detector. The presence of various samples (eg, solid, liquid, or gas) can modulate the intensity of the radiation as detected by the detector. Thus, the detector output becomes a variable time dependent signal depending on the optical path difference established by the relative position of the fixed and movable mirrors and the modulation of the electromagnetic signal generated by the sample. This output signal can be represented as an interferogram.

インターフェログラムは、受け取られるエネルギー強度と可動鏡の位置を対比したプロットとして表すことができる。当業者は、インターフェログラムを時間の関数である信号と呼ぶ。インターフェログラムは、可動鏡の変位によって生成される可変光路差の関数である。通常、望ましくは可動鏡の位置を一定の速度で移動させるので、当業者はインターフェログラムを「時間ドメイン」信号と呼ぶ。インターフェログラムは、光源によって放出されかつ試料を通過するエネルギーのすべての波長の和として理解されてもよい。コンピュータ又はプロセッサは、フーリエ変換(FT)の数学的方法を使用して、インターフェログラムを試料を通して吸収されるか又は試料を透過する光を特徴付けるスペクトルに変換することができる。個々の種類の分子はエネルギーの特定の波長を吸収するので、インターフェログラム及び対応するスペクトルに基づいて試料に存在する分子を判定することが可能である。同様に、試料によって吸収されるか又は試料を透過するエネルギーの大きさを使用して試料中の分子の濃度を求めてもよい。   The interferogram can be represented as a plot of the received energy intensity versus the position of the movable mirror. Those skilled in the art refer to interferograms as signals that are a function of time. The interferogram is a function of the variable optical path difference generated by the displacement of the movable mirror. The interferogram is referred to as a “time domain” signal by those skilled in the art because it typically moves the position of the movable mirror at a constant rate. An interferogram may be understood as the sum of all wavelengths of energy emitted by a light source and passing through a sample. A computer or processor can use a Fourier transform (FT) mathematical method to convert the interferogram to a spectrum that characterizes light absorbed through or transmitted through the sample. Since each type of molecule absorbs a specific wavelength of energy, it is possible to determine the molecules present in the sample based on the interferogram and the corresponding spectrum. Similarly, the amount of energy absorbed by or transmitted through the sample may be used to determine the concentration of molecules in the sample.

様々な実施形態では、干渉計を使用せずに干渉信号が形成される。吸収分光計を使用して光学信号が記録され、微量化学種に関する情報が、試料採取領域を透過した信号から導出される。たとえば、吸収スペクトル又は差分スペクトルを使用してよい。   In various embodiments, the interference signal is formed without using an interferometer. An optical signal is recorded using an absorption spectrometer and information about trace species is derived from the signal transmitted through the sampling area. For example, an absorption spectrum or a difference spectrum may be used.

様々な実施形態では、試料セル22は屈曲光路及び/又は多重パス吸収セルであってもよい。試料セル22は、光学構成要素のシステムを囲むアルミニウム製ハウジングを含んでよい。いくつかの実施形態では、試料セル22は、米国特許第5440143号に記載され、開示が本願明細書に援用する屈曲経路光学分析ガスセルである。   In various embodiments, the sample cell 22 may be a bent optical path and / or a multi-pass absorption cell. The sample cell 22 may include an aluminum housing that encloses the system of optical components. In some embodiments, the sample cell 22 is a bent path optical analysis gas cell as described in US Pat. No. 5,440,143, the disclosure of which is incorporated herein.

様々な実施形態では、ガス26の試料の供給源は大気であってもよい。試料セル22又はガス試料採取システムは、周囲の空気を収集して試料セル22の試料採取領域に導入してもよい。ガスの試料は、試料セル22の入口46及び出口50を含む流れシステムを使用して所定の流量で試料セル22に導入されてもよい。   In various embodiments, the source of the sample of gas 26 may be the atmosphere. The sample cell 22 or gas sampling system may collect ambient air and introduce it into the sampling region of the sample cell 22. A sample of gas may be introduced into the sample cell 22 at a predetermined flow rate using a flow system that includes an inlet 46 and an outlet 50 of the sample cell 22.

様々な実施形態では、検出器30は赤外線検出器であってもよい。いくつかの実施形態では、検出器30は冷却検出器である。たとえば、検出器30は低温冷却検出器(たとえば、テルル化カドミウム水銀(MCT)検出器)、Stirling(商標)冷却検出器、又はペルティエ冷却検出器であってもよい。1実施形態では、検出器は重水素硫酸トリグリシン(DTGS)検出器である。1実施形態では、検出器は、微量ガスを検出するのに必要な感度をもたらすことができる16μmの切欠きを有する0.5mm Stirling冷却MCT検出器である。スターリング冷却MCT検出器の相対応答性(すなわち、波長の関数としての応答性の比)は対象となる主波長領域(たとえば、8.3μm〜12.5μm)全体にわたって少なくとも80%である。さらに、Stirling冷却MCT検出器のD値は少なくとも3x1010cmHz1/2−1であってもよい。Dは、検出器等価ノイズパワーにアクティブ要素面積の二乗を掛けた値の逆数として定義されてもよい。 In various embodiments, detector 30 may be an infrared detector. In some embodiments, detector 30 is a cold detector. For example, the detector 30 may be a cold cooled detector (eg, a cadmium mercury telluride (MCT) detector), a Stirling ™ cooled detector, or a Peltier cooled detector. In one embodiment, the detector is a deuterated triglycine sulfate (DTGS) detector. In one embodiment, the detector is a 0.5 mm Stirling cooled MCT detector with a 16 μm notch that can provide the sensitivity necessary to detect trace gases. The relative responsivity (i.e. the ratio of responsivity as a function of wavelength) of the Stirling cooled MCT detector is at least 80% over the dominant wavelength region of interest (e.g. 8.3 [mu] m to 12.5 [mu] m). Furthermore, the D * value of the Stirling cooled MCT detector may be at least 3 × 10 10 cmHz 1/2 W −1 . D * may be defined as the inverse of the detector equivalent noise power multiplied by the square of the active element area.

プロセッサ34は、検出器30から信号を受け取り、微量ガスのスペクトル・フィンガープリントによって微量ガスを特定するか、又は試料内の特定の物質の相対濃度又は絶対濃度を示してもよい。プロセッサ34は、たとえば、パーソナルコンピュータ上で動作する信号処理ハードウェア及び定量化分析ソフトウェアであってもよい。プロセッサ34は処理ユニット及び/又はメモリを含んでもよい。プロセッサ34は、試料内の複数のガス
の濃度を算出しつつスペクトルを連続的に取得して処理してもよい。プロセッサ34は、微量ガスの特定、微量ガスのスペクトル、及び/又は微量ガスの濃度などの情報をディスプレイ38に送ってもよい。プロセッサ34は、スペクトル濃度時刻歴をグラフ及び表フォーマットで保存するとともに測定されたスペクトル及びスペクトル残差を保存してもよく、これらは表示されてもよい。プロセッサ34は、様々な他のデータを後で再処理又は再検討できるように収集し保存してもよい。ディスプレイ38は、陰極線管ディスプレイ、発光ダイオード(LED)ディスプレイ、フラットスクリーンディスプレイ、又は当技術分野で周知の他の適切なディスプレイであってもよい。
The processor 34 may receive the signal from the detector 30 and identify the trace gas by a trace fingerprint of the trace gas or indicate the relative or absolute concentration of a particular substance in the sample. The processor 34 may be, for example, signal processing hardware and quantification analysis software running on a personal computer. The processor 34 may include a processing unit and / or memory. The processor 34 may acquire and process the spectrum continuously while calculating the concentrations of a plurality of gases in the sample. The processor 34 may send information such as trace gas identification, trace gas spectrum, and / or trace gas concentration to the display 38. The processor 34 may store the spectral concentration time history in a graph and tabular format and may store the measured spectrum and spectral residuals, which may be displayed. The processor 34 may collect and store various other data for later reprocessing or review. Display 38 may be a cathode ray tube display, a light emitting diode (LED) display, a flat screen display, or other suitable display known in the art.

様々な実施形態では、ハウジング42は、携帯性、頑丈さ、及び軽量のうちの1つ又は複数を有する検出システムを実現するように構成されてもよい。ハウジング42は、ハンドルを含んでよく、かつ/又はプルカートもしくはハンドトラックなどの搬送機構に容易に固定することができる。ハウジング42は、搬送されかつ/又は落下した場合に光学系がずれるか又は構成要素が破壊されるのを妨げるほど頑丈であってもよい。様々な実施形態では、装置10は、重量が40ポンド(18.14kg)程度であってもよい。1実施形態では、装置10は完全内蔵型である(たとえば、試料を収集し、スペクトルを記録し、スペクトルを処理し、試料に関する情報を表示するのに必要なハウジング42内のすべての構成要素を含む)。   In various embodiments, the housing 42 may be configured to provide a detection system having one or more of portability, robustness, and light weight. The housing 42 may include a handle and / or be easily secured to a transport mechanism such as a pull cart or hand truck. The housing 42 may be strong enough to prevent the optical system from shifting or components from being destroyed when transported and / or dropped. In various embodiments, the device 10 may weigh on the order of 40 pounds (18.14 kg). In one embodiment, the device 10 is fully self-contained (eg, collecting all the components in the housing 42 necessary to collect the sample, record the spectrum, process the spectrum, and display information about the sample). Including).

図2は、装置10に使用できる光学構成の例示的な実施形態を示す。光源14(たとえば、グローバー)からの放射は第1の鏡52によって(たとえば、臭化カリウム・ビームスプリッタを含む)干渉計18に向けられる。放射ビームは放物面鏡54(PM)によって第1の折畳みミラー58に向けられ、試料セル22内に向けられる。放射ビームは、試料セルから出射し、第2の折畳みミラー62によって楕円鏡66(EM)に向けられ、楕円鏡66は放射ビームを検出器30に向ける。   FIG. 2 illustrates an exemplary embodiment of an optical configuration that can be used in the apparatus 10. Radiation from the light source 14 (eg, Glover) is directed by the first mirror 52 to the interferometer 18 (eg, including a potassium bromide beam splitter). The radiation beam is directed by the parabolic mirror 54 (PM) to the first folding mirror 58 and into the sample cell 22. The radiation beam exits the sample cell and is directed by the second folding mirror 62 to the elliptical mirror 66 (EM), which directs the radiation beam to the detector 30.

代表的な1実施形態では、放物面鏡54は有効焦点距離が約105.0mmであり、みかけの焦点距離が約89.62mmであり、約74.2mmの偏心値を有してもよい。放物面鏡54の直径は約30.0mmであってもよく、反射角は約45°であってもよい。   In one exemplary embodiment, the parabolic mirror 54 has an effective focal length of about 105.0 mm, an apparent focal length of about 89.62 mm, and may have an eccentricity value of about 74.2 mm. . The diameter of the parabolic mirror 54 may be about 30.0 mm, and the reflection angle may be about 45 °.

1実施形態では、楕円鏡66は、長半径が約112.5であり、短半径が約56.09であり、楕円の傾斜角が約7.11°であり得る。楕円鏡66の直径は約30.0mmであってもよく、反射角(主光線)は約75°であってもよい。   In one embodiment, elliptical mirror 66 may have a major radius of about 112.5, a minor radius of about 56.09, and an ellipse tilt angle of about 7.11 °. The diameter of the elliptical mirror 66 may be about 30.0 mm, and the reflection angle (chief ray) may be about 75 °.

様々な実施形態では、第1の折畳み鏡58は直径が約25mmであり、第2の折畳み鏡62は直径が約30mmである。
鏡及び光学系は金のコーティング、銀のコーティング、又はアルミニウムのコーティングを含んでもよい。1実施形態では、楕円鏡及び放物面鏡は金でコーティングされ、平坦な折畳み鏡は銀でコーティングされる。
In various embodiments, the first folding mirror 58 is about 25 mm in diameter and the second folding mirror 62 is about 30 mm in diameter.
The mirror and optics may include a gold coating, a silver coating, or an aluminum coating. In one embodiment, the elliptical and parabolic mirrors are coated with gold and the flat folding mirror is coated with silver.

様々な実施形態では、試料セルは対物鏡表面74と視野鏡表面78とを含んでもよい。対物鏡表面74は実質的に球形で凹状であってもよい。視野鏡表面78は、凹状であってもよく、対物鏡表面74と向かい合う関係に位置してもよい。対物鏡表面74は、表面74と表面78の間を伝搬する放射ビームのスループットを最大にするように少なくとも1つの平面における各焦点の一致度を高める少なくとも1つの円筒状構成要素を含んでもよい。1実施形態では、対物鏡表面74は、実質的に球状の複数の凹状反射性対物鏡表面を含み得、各表面は、放射ビームのスループットを最大にするように少なくとも1つの平面における焦点の一致度を高める円筒状構成要素を含んでもよい。対物鏡表面の湾曲の中心は視野鏡表面78の後方に位置してよい。少なくとも1つの平面における焦点の一致度を高めることによって、歪み、非点収差、球面収差、及びコマをよりうまく制御することが
でき、より高いスループットを実現することができる。円筒状構成要素を追加すると、1つの平面における有効曲率半径を小さくすることができ、したがって、反射表面に入射した光が直交面における焦点によりうまく接近することが可能になる。1実施形態では、対物鏡表面74に円筒状構成要素が重畳され、2つの直交面において様々な曲率半径が形成される。対物鏡表面74はトロイダル形に近づく輪郭を有してもよい。
In various embodiments, the sample cell may include an objective mirror surface 74 and a field mirror surface 78. The objective mirror surface 74 may be substantially spherical and concave. The field mirror surface 78 may be concave and may be located in a relationship facing the objective mirror surface 74. The objective surface 74 may include at least one cylindrical component that increases the coincidence of each focal point in at least one plane so as to maximize the throughput of the radiation beam propagating between the surface 74 and the surface 78. In one embodiment, the objective surface 74 may include a plurality of substantially spherical concave reflective objective surfaces, each surface being in focus in at least one plane to maximize the throughput of the radiation beam. Cylindrical components that enhance the degree may be included. The center of curvature of the objective mirror surface may be located behind the field mirror surface 78. By increasing the focus coincidence in at least one plane, distortion, astigmatism, spherical aberration, and coma can be better controlled and higher throughput can be achieved. The addition of cylindrical components can reduce the effective radius of curvature in one plane, thus allowing light incident on the reflective surface to better approach the focal point in the orthogonal plane. In one embodiment, cylindrical components are superimposed on the objective mirror surface 74 to form various radii of curvature in two orthogonal planes. The objective surface 74 may have a contour that approximates a toroidal shape.

試料セル22の総光路長は約5mから約15mの間であってよい。ただし、用途に応じてこれよりも長い光路長及びこれよりも短い光路長を使用してもよい。詳細な1実施形態では、試料セル22は、対物鏡表面74と視野鏡表面78との間の総パス数が約48回であることによる約10.18mの総光路長を有する。試料セル22の光学系は0.5mmの検出器及び1ステラジアンの集光角が得られるように最適化されてもよい。検出器光学系倍率比は約8:1であってもよい。対物鏡表面74及び視野鏡表面78は、約800cm−1〜1200cm−1の間で公称反射率が約98.5%である金のコーティングを有してもよい。試料セルの内部体積は約0.2Lから約0.8Lの間であってもよい。ただし、用途に応じてこれよりも多い体積及びこれよりも少ない体積を使用してもよい。詳細な1実施形態では、体積は約0.45Lである。 The total optical path length of the sample cell 22 may be between about 5 m and about 15 m. However, longer optical path lengths and shorter optical path lengths may be used depending on the application. In one detailed embodiment, the sample cell 22 has a total optical path length of about 10.18 m due to the total number of passes between the objective mirror surface 74 and the field mirror surface 78 being about 48 times. The optics of the sample cell 22 may be optimized to obtain a 0.5 mm detector and a 1 steradian collection angle. The detector optics magnification ratio may be about 8: 1. Objective mirror surface 74 and field mirror surface 78 may have a gold coating between about 800 cm −1 and 1200 cm −1 with a nominal reflectivity of about 98.5%. The internal volume of the sample cell may be between about 0.2L and about 0.8L. However, a larger volume and a smaller volume may be used depending on the application. In one detailed embodiment, the volume is about 0.45 L.

1実施形態では、放射ビームを試料セル22に入射し試料セル22を通過するように向けて試料セル22の入射スリット上の放射ビームに集束させ、かつ/又は放射ビームを検出器の方へ向けるのに使用される鏡及び光学系は、試料セルの光学的特性に整合するように最適化されてもよく、それによって、放射のスループットを最大にして検出システムの感度を高めることができる。   In one embodiment, the radiation beam is incident on the sample cell 22 and is directed through the sample cell 22 to be focused on the radiation beam on the entrance slit of the sample cell 22 and / or the radiation beam is directed toward the detector. The mirrors and optics used in the process may be optimized to match the optical properties of the sample cell, thereby maximizing radiation throughput and increasing the sensitivity of the detection system.

たとえば、1実施形態では、適切に位置合わせされた光学構成は、効率が約88.8%であり得る。本明細書では、効率は、放出角度範囲内の放出された光線の総数に対する画像に入射する光線の数の比であってもよい。1実施形態では、折畳み鏡58,62ならびに検出器30の位置は調整可能であってもよく、したがって、干渉計18と放物面鏡54と試料セル22と検出器30との間の様々な機械的公差誤差を補償することが可能になる。1実施形態では、以下の公称(設計)光学距離を使用してスループットを最適化してもよい。
・検出器から楕円鏡までの距離(X1)が約21.39mm。
・楕円鏡から折畳み鏡までの距離(X2)が約132.86mm。
・折畳み鏡から試料セル(視野鏡の表面)までの距離(X3)が約70.00mm
・試料セル光路長が約10181.93mm。
・試料セルから折畳み鏡までの距離(X4)が約70mm。
・折畳み鏡から放物面鏡までの距離(X5)が約35mm。
For example, in one embodiment, a properly aligned optical configuration can be about 88.8% efficient. As used herein, efficiency may be the ratio of the number of rays incident on the image to the total number of rays emitted within the emission angle range. In one embodiment, the positions of the folding mirrors 58, 62 as well as the detector 30 may be adjustable, and thus various between the interferometer 18, the parabolic mirror 54, the sample cell 22 and the detector 30. It becomes possible to compensate for mechanical tolerance errors. In one embodiment, the following nominal (design) optical distance may be used to optimize throughput.
The distance (X1) from the detector to the elliptical mirror is about 21.39 mm.
・ The distance (X2) from the elliptical mirror to the folding mirror is about 132.86 mm.
・ The distance (X3) from the folding mirror to the sample cell (the surface of the field mirror) is about 70.00 mm.
The sample cell optical path length is about 10181.93 mm.
-The distance (X4) from the sample cell to the folding mirror is about 70 mm.
-The distance (X5) from the folding mirror to the parabolic mirror is about 35 mm.

図3は、試料セル22に試料を導入するための例示的な流れシステム82の例示的な実施形態を示す。流れシステム82は、ガス配管110に連結された、フィルタ86と、流量センサ90と、任意の加熱要素90と、ガスセル22と、圧力センサ98と、弁102と、ポンプ106とを含む。矢印は流れの方向を示す。流れシステム82の構成要素のうちの1つ又は複数には、除染温度に耐え、CWA及びTICの腐食性に抵抗し、シロキサンを凝縮させるのを回避するために、たとえば、Teflon(商標)、ステンレススチール、及びKalretz(商標)などの濡れ性部分を含めてもよい。   FIG. 3 illustrates an exemplary embodiment of an exemplary flow system 82 for introducing a sample into the sample cell 22. The flow system 82 includes a filter 86, a flow sensor 90, an optional heating element 90, a gas cell 22, a pressure sensor 98, a valve 102, and a pump 106 coupled to the gas piping 110. Arrows indicate the direction of flow. One or more of the components of the flow system 82 may include, for example, Teflon ™, to withstand decontamination temperatures, resist CWA and TIC corrosivity, and avoid condensing siloxanes. Stainless steel and wettable parts such as Kalretz ™ may be included.

フィルタ86はモットコーポレーション(Mott Corporation)[コネティカット州ファーミントン(Farmington)]から市販されているインライン2μmステンレススチール・フィルタであってもよい。流量センサ90は、ステンレススチール濡れ性部品を含む質量流量センサ、たとえば、マクミランカンパニー(McMillan Company)[テキサス州ジョージタウン(Georgetown)]から
市販されている流量センサであってもよい。加熱要素94はワットローエレクトリックマニュファクチャリングカンパニー(Watlow Electric Manufacturing Company)[モンタナ州セントルイス(St.Louis)]から市販されているラインヒータであってもよい。圧力センサ98は、エムケイエスインストルメンツ(MKS Instruments)[マサチューセッツ州ウィルミントン(Wilmington)]から市販されているBaratron(商標)圧力センサであってもよい。弁102は、ステンレススチールであってもよく、Teflon(商標)製Oリングを含んでよく、たとえ、スウェージロック(Swagelok)社[オハイオ州ソロン(Solon)]から市販されている弁であってもよい。ガス配管110はスウェージロック(Swagelok)社から市販されている直径が3/8”(9.5mm)の配管であってもよい。
Filter 86 may be an in-line 2 μm stainless steel filter commercially available from Mott Corporation (Farmington, Conn.). The flow sensor 90 may be a mass flow sensor that includes stainless steel wettability parts, such as a flow sensor commercially available from McMillan Company (Georgetown, TX). The heating element 94 may be a line heater commercially available from Watlow Electric Manufacturing Company (St. Louis, MT). The pressure sensor 98 may be a Baratron ™ pressure sensor commercially available from MKS Instruments (Wilmington, Mass.). Valve 102 may be stainless steel, may include a Teflon ™ O-ring, and may be a valve commercially available from Swagelok (Solon, Ohio). . The gas pipe 110 may be a pipe having a diameter of 3/8 "(9.5 mm) commercially available from Swagelok.

ポンプ106は、加熱されたヘッドを有する「マイクロ」ダイアフラムポンプであってもよい。エアディメンジョンズインコーポレイティッド社(Air Dimensions,Inc.)[フロリダ州ディアフィールドビーチ(Deerfield Beach)]から市販されているDia−Vac(商標)B161ポンプを使用してよい。1実施形態では、ハーグレイブステクノロジーコーポレーション(Hargraves Technology Corporation)[ノースカロライナ州ムーアスヴィル(Mooresville)]から市販されている小形ダイアフラムポンプを使用してもよい。例示的な実施形態では、ポンプ106は、試料セル22に空気を引き込むように試料セル22の下流側に位置してもよい。いくつかの実施形態では、加熱されたヘッドを有さないポンプを使用してもよい。いくつかの実施形態では、ガス試料を加圧しない場合、ポンプは必要とされない。そのような状況では、ガス試料の上部圧力は試料をガスセル内を推進させるようになっている。その結果、システム内のあらゆる漏れを分析器に押し込むのではなく、分析器から引き離し、分析器の内部構成要素を汚染する可能性を最低限に抑えることができる。さらに、ポンプのエラストマに対する意図されない化学反応の不要な生成物が試料セル22に進入するのを防止することができる。   The pump 106 may be a “micro” diaphragm pump with a heated head. A Dia-Vac ™ B161 pump commercially available from Air Dimensions, Inc. (Deerfield Beach, Florida) may be used. In one embodiment, a small diaphragm pump commercially available from Hargraves Technology Corporation (Mooresville, NC) may be used. In the exemplary embodiment, pump 106 may be located downstream of sample cell 22 to draw air into sample cell 22. In some embodiments, a pump without a heated head may be used. In some embodiments, a pump is not required if the gas sample is not pressurized. In such a situation, the upper pressure of the gas sample causes the sample to propel through the gas cell. As a result, any leaks in the system can be pulled away from the analyzer rather than pushed into the analyzer, minimizing the possibility of contaminating the internal components of the analyzer. Furthermore, unwanted products of unintended chemical reactions to the pump elastomer can be prevented from entering the sample cell 22.

様々な実施形態では、流れシステム82を通過する流量は2L/分から10L/分の間であってもよい。ただし、用途に応じてこれよりも多い流量及びこれよりも少ない流量を使用してもよい。1実施形態では、流量は3L/分から6L/分の間である。試料の圧力は約1気圧であってよい。ただし、用途に応じてこれよりも高い圧力及びこれよりも低い圧力を維持してもよい。いくつかの実施形態では、試料セルを最高4気圧などの高圧で動作させてもよい。試料セルの動作温度は約10℃から約40℃の間であってもよい。ただし、用途に応じてこれよりも高い温度及びこれよりも低い温度を維持してもよい。1実施形態では、検出システムは試料を約40℃から約180℃の間に加熱するための加熱要素を含んでもよい。1実施形態では、装置の汚染を除去するために温度を約150℃まで上昇させもよい。   In various embodiments, the flow rate through the flow system 82 may be between 2 L / min and 10 L / min. However, a higher flow rate and a lower flow rate may be used depending on the application. In one embodiment, the flow rate is between 3 L / min and 6 L / min. The sample pressure may be about 1 atmosphere. However, a higher pressure and a lower pressure may be maintained depending on the application. In some embodiments, the sample cell may be operated at a high pressure, such as up to 4 atmospheres. The operating temperature of the sample cell may be between about 10 ° C and about 40 ° C. However, higher and lower temperatures may be maintained depending on the application. In one embodiment, the detection system may include a heating element for heating the sample between about 40 ° C and about 180 ° C. In one embodiment, the temperature may be raised to about 150 ° C. to remove contamination of the device.

様々な実施形態では、試料セル光路長は約5mから約12mの間であってもよい。視野鏡表面と対物鏡表面との間の間隔は、ガス試料採取流量によって制限されることがある。1実施形態では、間隔が16cmでパス回数が32である5.11mの試料セルは内部体積が約0.2Lであってもよい。別の実施形態では、パス回数が同じである場合、パス回数が32で間隔が20.3cmであるときは体積が約0.4Lになり得る。さらに別の実施形態では、間隔が25.4cmである場合、体積は約0.6Lになり得る。適切な量の「新鮮な」周囲ガスを少なくとも10秒おきに供給することができる流量を求めてもよい。ただし、これよりも少ない試料採取率を実現してもよい。様々な実施形態では、最適なガス交換率を実現するように流量(たとえば、2L/分から10L/分の間)を最適化してもよい。たとえば、1実施形態では、ガス交換率は検出時間間隔が20秒の場合少なくとも80%である。1実施形態では、ガス交換率は検出時間間隔が10秒の場合約80%
から約95%の間である。
In various embodiments, the sample cell optical path length may be between about 5 m and about 12 m. The spacing between the field mirror surface and the objective surface may be limited by the gas sampling flow rate. In one embodiment, a 5.11 m sample cell with a spacing of 16 cm and a pass count of 32 may have an internal volume of about 0.2 L. In another embodiment, if the number of passes is the same, the volume can be about 0.4 L when the number of passes is 32 and the spacing is 20.3 cm. In yet another embodiment, if the spacing is 25.4 cm, the volume can be about 0.6L. A flow rate that can supply an appropriate amount of “fresh” ambient gas at least every 10 seconds may be determined. However, a smaller sampling rate may be realized. In various embodiments, the flow rate (eg, between 2 L / min and 10 L / min) may be optimized to achieve an optimal gas exchange rate. For example, in one embodiment, the gas exchange rate is at least 80% when the detection time interval is 20 seconds. In one embodiment, the gas exchange rate is about 80% when the detection time interval is 10 seconds.
To about 95%.

光路長/NEA比は、検出システムの感度を定量化するための測定基準として使用されてもよい。光路長は、メートル単位で測定された試料セルの総ビーム光路長であり、NEAは、吸光度単位(AU)で測定されたノイズ等価吸光度である。感度が検出システムの偶然誤差(ランダムノイズとも呼ばれる。検出器及び電子機器のノイズ)によって制限されるのであれば、検出限界は光路長/NEA比に反比例し得る。たとえば、この比が2倍になった場合、ppb又はmg/cm単位の特定の試料の検出限界が2分の1になる。したがって、これは感度性能の適切な定量化計量である。この計量では、たとえばガス加圧及び冷却トラッピングなどの高度な試料採取技術による感度向上を考慮しない。 The optical path length / NEA ratio may be used as a metric for quantifying the sensitivity of the detection system. The optical path length is the total beam optical path length of the sample cell measured in meters, and NEA is the noise equivalent absorbance measured in absorbance units (AU). If the sensitivity is limited by the chance error of the detection system (also called random noise, detector and electronics noise), the detection limit can be inversely proportional to the optical path length / NEA ratio. For example, if this ratio is doubled, the detection limit for a particular sample in units of ppb or mg / cm 3 is halved. This is therefore an appropriate quantification metric for sensitivity performance. This metering does not take into account sensitivity improvements due to advanced sampling techniques such as gas pressurization and cooling trapping.

検出器ノイズ及びデジタル化ノイズなどのシステムノイズの制限を考慮して、光路長/NEA比を様々なシステム構成について最適化することができる。最適化できるパラメータには流量、試料セル体積、光路長、試料セルにおけるパス回数、光学構成、鏡反射率、鏡反射材料、及び使用する検出器が含まれる。たとえば、最適な検出器は、サイズ、コスト、及び耐用年数の制約内で最高のD値及び速度(より短い応答時間)を有する検出器である。 Considering system noise limitations such as detector noise and digitization noise, the optical path length / NEA ratio can be optimized for various system configurations. Parameters that can be optimized include flow rate, sample cell volume, optical path length, number of passes in the sample cell, optical configuration, specular reflectivity, specular reflective material, and detector used. For example, the optimal detector is the detector that has the highest D * value and speed (shorter response time) within size, cost, and lifetime constraints.

検出器ノイズが制限された分光計の場合、光路長/NEA比の感度はD値に比例する。検出器帯域幅は最高スキャン速度を決定することができ、最高スキャン速度は許容測定期間内に実行できる最大データ平均化数を決定する。検出器又は電子機器ノイズが制限されたシステムでは、感度は一般に、平均化スキャン数、又はたとえば、これらのスキャンを実行する時間の平方根に従って高くなる。1実施形態において、スターリング冷却検出器では、光路長/NEA感度比が少なくとも1.5x10m/AUになり得る。DTGS検出器は、低コストでありかつ保守不要寿命が長いので安価な代替手段になり得る。ただし、DTGS検出器はD値がより小さくかつより低速である可能性がある。 For a spectrometer with limited detector noise, the sensitivity of the optical path length / NEA ratio is proportional to the D * value. The detector bandwidth can determine the maximum scan rate, which determines the maximum number of data averages that can be performed within an acceptable measurement period. In systems with limited detector or electronics noise, sensitivity generally increases with the number of averaged scans or, for example, the square root of the time to perform these scans. In one embodiment, for a Stirling cooling detector, the optical path length / NEA sensitivity ratio may be at least 1.5 × 10 5 m / AU. DTGS detectors can be an inexpensive alternative because of their low cost and long maintenance-free life. However, the DTGS detector may have a lower D * value and be slower.

光路長/NEA値は、視野鏡表面と対物鏡表面との間の距離及びこれらの表面間のパスの数を最適化することによって求めてもよい。図4は、様々な表面間隔、たとえば、6.3インチ(16.0cm)、8インチ(20.3cm)、及び10インチ(25.4cm)についての鏡反射の関数としての光路長/NEAのグラフを示す。図4に示すように、最大光路長/NEA値はパス回数が約92であるときに生じる。しかし、パス回数が92であるとき、鏡表面における反射損失によって光の25%のみが透過する。詳細な1実施形態では、試料セルは透過率が約50%から約60%の間である。鏡反射率が98.5%である場合、60%の透過率は、図4に垂直線で表されている約32回のパスに相当する。50%の透過率は約48回のパスに相当する。表1は、試料中の微量ガスを検出するための試料採取システムを実現するためのパラメータの例示的な組合せを示す。   The optical path length / NEA value may be determined by optimizing the distance between the field mirror surface and the objective mirror surface and the number of paths between these surfaces. FIG. 4 shows the path length / NEA as a function of mirror reflection for various surface spacings, eg, 6.3 inches (16.0 cm), 8 inches (20.3 cm), and 10 inches (25.4 cm). A graph is shown. As shown in FIG. 4, the maximum optical path length / NEA value occurs when the number of passes is about 92. However, when the number of passes is 92, only 25% of the light is transmitted due to reflection loss on the mirror surface. In one detailed embodiment, the sample cell has a transmission between about 50% and about 60%. When the mirror reflectivity is 98.5%, a transmittance of 60% corresponds to about 32 passes represented by a vertical line in FIG. A transmittance of 50% corresponds to about 48 passes. Table 1 shows exemplary combinations of parameters for realizing a sampling system for detecting trace gases in a sample.

表1 試料中の微量ガス検出システムの試料採取を実現するパラメータの例示的な組合せ   Table 1 Exemplary combinations of parameters that enable sampling of a trace gas detection system in a sample

光路長/NEA比はmg/m又は濃度の10億分の1(ppb)単位の検出限界に変換されてもよい。そのような変換に使用される方法は、予想ピーク吸光度と予想NEA値の比較である。装置10を使用してシロキサン、サリン、タブン、ソマン、サルファマスタード、及びVX神経ガスなどの微量の物質を約500ppよりも低い濃度で検出することができる。様々な実施形態において、濃度は約10ppbから約500ppbの間であってもよい。ただし、システム及び用途に応じてこれよりも高い濃度及びこれよりも低い濃度を検出してもよい。いくつかの実施形態では、濃度は種に応じて5ppbから約50ppbの間であってもよい。たとえば、装置10は微量のサリンを約8.6ppbから約30ppbの間の濃度で検出することができ、微量のタブンを約12.9ppbから約39ppbの間の濃度で検出することができ、微量のソマンを約7.3ppbから約22.8ppbの間の濃度で検出することができ、微量のサルファマスタードを約36.7ppbから約370.6ppbの間の濃度で検出することができ、微量のVX神経ガスを約12.9ppbから約43.9ppbの間の濃度で検出することができる。 The optical path length / NEA ratio may be converted to a detection limit in mg / m 3 or parts per billion (ppb) of concentration. The method used for such conversion is a comparison of expected peak absorbance and expected NEA value. Device 10 can be used to detect trace substances such as siloxane, sarin, tabun, soman, sulfur mustard, and VX nerve gas at concentrations below about 500 pp. In various embodiments, the concentration may be between about 10 ppb and about 500 ppb. However, higher and lower concentrations may be detected depending on the system and application. In some embodiments, the concentration may be between 5 ppb and about 50 ppb depending on the species. For example, the device 10 can detect traces of sarin at concentrations between about 8.6 ppb and about 30 ppb, and trace amounts of tabun at concentrations between about 12.9 ppb and about 39 ppb. Of soman can be detected at concentrations between about 7.3 ppb and about 22.8 ppb, trace amounts of sulfur mustard can be detected at concentrations between about 36.7 ppb and about 370.6 ppb, VX nerve gas can be detected at concentrations between about 12.9 ppb and about 43.9 ppb.

ガス交換率、すなわち、試料セルに供給される新鮮なガスの蓄積量の測定値を光路長/NEA比と組み合わせて、「Z秒間に検出されたXmg/m(又はppb)のガスY」として明示された検出システム応答時間を得ることができる。検出システム応答時間は測定時間と計算時間(たとえば、約5秒)とを含む。表2は、サリン、タブン、ソマン、サルファマスタード、及びVX神経ガスなどの様々な物質についての例示的な検出システム応答時間を示す。 The gas exchange rate, i.e., the measured value of the accumulated amount of fresh gas supplied to the sample cell, combined with the optical path length / NEA ratio, "X mg / m 3 (or ppb) gas Y detected in Z seconds" The detection system response time specified as can be obtained. The detection system response time includes measurement time and calculation time (eg, about 5 seconds). Table 2 shows exemplary detection system response times for various substances such as sarin, tabun, soman, sulfa mustard, and VX nerve gas.

表2 本発明の検出システムを使用して測定された微量ガスについての例示的な検出システム応答時間(すべての応答時間は秒単位である)   Table 2 Exemplary detection system response times for trace gases measured using the detection system of the present invention (all response times are in seconds)

図5は、微量ガスの濃度対ステップ・プロフィール入力を使用する時間のグラフである(たとえば、微量ガスは測定サイクルの開始時に試料セルに進入する)。測定期間「A」は、データが収集されかつ/又はインターフェログラムが記録される時間である。計算期間「B」は、インターフェログラムがスペクトルに変換され、スペクトル分析が行われてアラームレベル及び/又は濃度値を求めるのを可能にするデータが生成されるときである。   FIG. 5 is a graph of trace gas concentration versus time using a step profile input (eg, trace gas enters the sample cell at the start of a measurement cycle). The measurement period “A” is the time during which data is collected and / or the interferogram is recorded. The calculation period “B” is when the interferogram is converted to a spectrum and spectral analysis is performed to generate data that allows determination of alarm levels and / or concentration values.

図6は、一連の測定値のタイムラインを示す。物質1が試料セルに進入し、測定期間1中に検出される。計算期間1の間にインターフェログラムが分析される。測定期間1の間に物質2が試料セルに進入する。物質2は、十分に濃度が高い場合、測定期間1の残りの部分の間に検出され得る。物質2は、検出不能である場合、その後の測定期間、たとえば、測定期間2の間に検出され、その後の計算期間、たとえば、計算期間2の間にインターフェログラムが分析される。   FIG. 6 shows a timeline of a series of measured values. Substance 1 enters the sample cell and is detected during measurement period 1. During the calculation period 1, the interferogram is analyzed. During the measurement period 1, the substance 2 enters the sample cell. Substance 2 can be detected during the remainder of measurement period 1 if the concentration is sufficiently high. If substance 2 is undetectable, it is detected during a subsequent measurement period, eg, measurement period 2, and the interferogram is analyzed during a subsequent calculation period, eg, calculation period 2.

1実施形態では、各読取り値を一定の所定の間隔で時間的に分離することができる。様々な実施形態では、この間隔は、約1秒から約1分の間であってよい。ただし、用途に応じてこれよりも短い間隔又はこれよりも長い間隔を使用してもよい。いくつかの実施形態では、間隔は約5秒、約10秒、又は約20秒である。したがって、応答時間は、この間隔ならびに物質が検出システムによっていつ検出可能になるかによって決まる。   In one embodiment, each reading can be separated in time at certain predetermined intervals. In various embodiments, this interval may be between about 1 second and about 1 minute. However, shorter intervals or longer intervals may be used depending on the application. In some embodiments, the interval is about 5 seconds, about 10 seconds, or about 20 seconds. Thus, the response time depends on this interval as well as when the substance becomes detectable by the detection system.

様々な実施形態では、検出システムは、微量ガスの検出、脅威レベル、時刻、物質の影響を受ける恐れがある部屋又は建物内の人の数、特定の測定用途又はシナリオ、又はそれらの組合せなどの外部因子に基づく1つ又は複数のパラメータを採用してよい。たとえば、高脅威条件では、より短い間隔を使用して検出時間を最短にし、微量物質の検出可能性を最高にしてもよい。低脅威状況では、検出システムの寿命を維持し、誤アラーム(誤陽性又は誤陰性)の可能性を低減させることのできるより長い間隔を使用してもよい。   In various embodiments, the detection system may detect trace gases, threat level, time of day, number of people in a room or building that may be affected by a substance, specific measurement application or scenario, or combinations thereof, etc. One or more parameters based on external factors may be employed. For example, in high threat conditions, shorter intervals may be used to minimize detection time and maximize trace substance detectability. In low threat situations, longer intervals that can maintain the lifetime of the detection system and reduce the possibility of false alarms (false positives or false negatives) may be used.

さらに、特定の物質についてのしきい値レベルを超える個々の測定値によって、より短い時間で追加の測定を行うことができるように検出システムが間隔を短くするのをトリガすることができる。様々な実施形態では、第1のスペクトルを第1の分解能又は感度で記録してもよい。汚染物質が検出された場合、それぞれより高い分解能又は感度で第2のスペクトルを記録してもよい。さらに、検出器は、より高い温度で動作し、それによって検出器の感度を低下させる待機モードを有してもよい。外部因子によってトリガされたときには、検出器の温度を低下させて検出器の感度を向上させることができる。   Furthermore, individual measurements that exceed a threshold level for a particular substance can trigger the detection system to shorten the interval so that additional measurements can be made in a shorter time. In various embodiments, the first spectrum may be recorded with a first resolution or sensitivity. If contaminants are detected, the second spectrum may be recorded with a higher resolution or sensitivity, respectively. In addition, the detector may have a standby mode that operates at a higher temperature, thereby reducing the sensitivity of the detector. When triggered by an external factor, the temperature of the detector can be lowered to improve the sensitivity of the detector.

様々な実施形態では、検出システムは外部因子又は知覚される脅威に基づいてスキャンの回数を変更することができる。たとえば、スキャンの回数を増やして検出システムの感度を向上させてもよい。1実施形態では、検出システムはこれらの追加のスキャンを記録
しつつより高い分解能で動作することができる。1実施形態では、各スキャンにおいて平均の個数又は個々のスキャンの回数を増やしてもよい。
In various embodiments, the detection system can change the number of scans based on external factors or perceived threats. For example, the sensitivity of the detection system may be improved by increasing the number of scans. In one embodiment, the detection system can operate at a higher resolution while recording these additional scans. In one embodiment, the average number or the number of individual scans may be increased in each scan.

様々な実施形態では、検出システムは、スペクトルの低周波数領域(たとえば、1300cm−1よりも低い)をデジタル化するにすぎず、したがって、より高速にスキャンすることができる。電子フィルタ又は検出器の応答関数を使用してより高い周波数領域(たとえば、1300cm−1よりも大きい)を除去してもよく、それによってエイリアシングを予防するか又は最低限に抑えることができる。 In various embodiments, the detection system only digitizes the low frequency region of the spectrum (eg, below 1300 cm −1 ) and can therefore scan faster. Electronic filter or detector response functions may be used to remove higher frequency regions (eg, greater than 1300 cm −1 ), thereby preventing or minimizing aliasing.

いくつかの実施形態では、検出システムはスペクトルの一部において微量ガスの存在を検出することができる。スペクトルの第2の部分を分析して微量ガスの存在を確認しかつ/又は微量ガスの濃度レベルを求めてもよい。   In some embodiments, the detection system can detect the presence of trace gases in a portion of the spectrum. The second portion of the spectrum may be analyzed to confirm the presence of trace gas and / or to determine the trace gas concentration level.

1実施形態では、検出システムを小形の自給多重ガス分析器としてパッケージングすることができる。たとえば、検出システムは大気質を記録し、図表化し、分析し、報告するための診断ツールであってもよい。図7及び図8は、大気質、たとえば、微量ガスの周囲空気を監視するための例示的な検出システムを示す。図7を参照すると分かるように、検出システムは、ハウジング42’と、第1のディスプレイ38’と、第2のディスプレイ38”と、ガス入口46’と、ガス出口50’と、外部デバイスに連結されるポート118とを含む。   In one embodiment, the detection system can be packaged as a small self-contained multi-gas analyzer. For example, the detection system may be a diagnostic tool for recording, charting, analyzing and reporting air quality. 7 and 8 illustrate an exemplary detection system for monitoring air quality, for example ambient air of trace gases. As can be seen with reference to FIG. 7, the detection system is coupled to the housing 42 ′, the first display 38 ′, the second display 38 ″, the gas inlet 46 ′, the gas outlet 50 ′, and an external device. Port 118 to be connected.

ハウジング42’は、頂部パネル122と、側部パネル126と、底部パネル130(図8に示す)とを含む三次元矩形ボックスであってもよい。頂部パネル122は、ヒンジによって側部パネル126から取外し可能であり、したがって、ハウジング42’は使用時に開放されてもよい。頂部パネル122の外部表面は、外部表面に取り付けられるか又は外部表面に埋め込まれた第1のディスプレイ38’及び第2のディスプレイ38”を含んでもよい。第1のディスプレイ38’は、たとえば、タッチスクリーン・ディスプレイを有する液晶ディスプレイ(LCD)であってもよい。第1のディスプレイ38’は、検出システムを動作させるためのコマンドを受け取ってもよく、グラフィカルユーザインターフェース(GUI)を表示してもよい。第2のディスプレイ38”は、たとえば、脅威レベル、アラームステータス、及び/又は検出システム状態ステータスを示すように点灯される一連のLEDを含む発光ダイオード(LED)ディスプレイであってもよい。たとえば、第2のディスプレイ38”は、アラームステータスを示す第1の一連の緑色LED、黄色LED、及び赤色LED、ならびにセンサ状態ステータスを示す第2の一連の緑色LED、黄色LED、及び赤色LEDを含んでもよい。様々な実施形態では、ハウジング42’は周囲空気を取り込むための穴を画定してよい。この穴を使用してガスの試料を流れシステムに導入し試料セルにおける検出を可能にすることができる。   The housing 42 'may be a three-dimensional rectangular box that includes a top panel 122, a side panel 126, and a bottom panel 130 (shown in FIG. 8). The top panel 122 is removable from the side panel 126 by a hinge, so that the housing 42 'may be opened in use. The outer surface of the top panel 122 may include a first display 38 ′ and a second display 38 ″ attached to or embedded in the outer surface. The first display 38 ′ may be, for example, a touch It may be a liquid crystal display (LCD) having a screen display, the first display 38 ′ may receive commands for operating the detection system and may display a graphical user interface (GUI). The second display 38 "may be, for example, a light emitting diode (LED) display that includes a series of LEDs that are lit to indicate threat level, alarm status, and / or detection system status status. For example, the second display 38 ″ includes a first series of green, yellow, and red LEDs that indicate alarm status, and a second series of green, yellow, and red LEDs that indicate sensor status. In various embodiments, the housing 42 'may define a hole for taking in ambient air, which is used to introduce a sample of gas into the flow system to allow detection in the sample cell. be able to.

図8は、頂部パネル122がヒンジによって開放されたときの頂部パネル122及び底部パネル130の内部図を示す。底部パネルは、光学構成要素を収納するための光学系ボックス134を含む内部本体を含む。光学系ボックス134は、アルミニウムシェル(たとえば、6061−T6)から形成されてもよい。1実施形態では、光学系ボックス134は気密のボックスである。図8に示すように、光学系ボックス134は光源14’と、干渉計18’と、試料セル22’と、検出器30’と、放物面鏡54’と、第1の折畳み鏡58’と、第2の折畳み鏡62’と、楕円鏡66’と、対物鏡表面74’と、視野鏡表面78’とを含む。光学系ボックス134は、ガス流量を調整するための弁138と、圧力センサ98’と、ポンプ106’と、ガス配管110と、連結を行うための取付け具142とを含む流れシステムを含んでもよい。様々な構成要素及びファン150用の電源146を底部パネル130に取り付けてもよい。検出システムは静止空気中で動作させることができ、ファン150はシステムの内部温度を維持することができる。底部パネル13
0は、頂部パネル122とインターフェースをとるコネクタ154も含む。
FIG. 8 shows an internal view of the top panel 122 and the bottom panel 130 when the top panel 122 is opened by a hinge. The bottom panel includes an inner body that includes an optics box 134 for housing optical components. The optics box 134 may be formed from an aluminum shell (eg, 6061-T6). In one embodiment, the optics box 134 is an airtight box. As shown in FIG. 8, the optical box 134 includes a light source 14 ', an interferometer 18', a sample cell 22 ', a detector 30', a parabolic mirror 54 ', and a first folding mirror 58'. And a second folding mirror 62 ', an elliptical mirror 66', an objective mirror surface 74 ', and a field mirror surface 78'. The optics box 134 may include a flow system that includes a valve 138 for regulating the gas flow rate, a pressure sensor 98 ′, a pump 106 ′, a gas line 110, and a fitting 142 for coupling. . A power supply 146 for the various components and fan 150 may be attached to the bottom panel 130. The detection system can be operated in still air and the fan 150 can maintain the internal temperature of the system. Bottom panel 13
0 also includes a connector 154 that interfaces with the top panel 122.

図8に示すように、頂部パネル122には電子構成要素が取り付けられてもよい。たとえば、頂部パネル122はデータ取得モジュール158と、鏡運動制御モジュール162と、単一ボードコンピュータ166と、配電モジュール170と、ハードライブ172とを含んでもよい。データ取得モジュール158は前置増幅器と、アナログ・デジタル変換器と、データ取得ボードとを含んでもよい。前置増幅器は、検出器30’から受け取られたアナログ信号を増幅してもよい。アナログ信号は、アナログ・デジタル変換器を使用してデジタル信号に変換されてもよい。データ取得ボードはネットバーナー社(Netburner)[カリフォルニア州サンディエゴ(San Diego)]から市販されているNetburnerプロセッサボードであってもよい。単一ボードコンピュータ166は、Windows(登録商標)を実行し、ユーザにGUIを提示する容易に入手可能なPCマザーボードであってもよい。   As shown in FIG. 8, electronic components may be attached to the top panel 122. For example, the top panel 122 may include a data acquisition module 158, a mirror motion control module 162, a single board computer 166, a power distribution module 170, and a hard drive 172. The data acquisition module 158 may include a preamplifier, an analog to digital converter, and a data acquisition board. The preamplifier may amplify the analog signal received from detector 30 '. The analog signal may be converted to a digital signal using an analog to digital converter. The data acquisition board may be a Netburner processor board commercially available from Netburner (San Diego, Calif.). The single board computer 166 may be a readily available PC motherboard that runs Windows and presents a GUI to the user.

配電モジュール170は、システム内の他のモジュールへの電力を処理し分配してもよく、検出システムの機能を監視するのに使用される状態センサ及びステータスセンサを実現してもよい。たとえば、配電モジュール170は、AC電力をシステム電源146及びファン150に分配してもよく、温度コントローラ174、たとえば、ドワイヤーインストルメンツインコーポレイティッド社(Dwyer Instruments,Inc.)[インディアナ州ミシガンシティ(Michigan City)]から市販されているLove Controls(商標)を制御してもよい。配電モジュール170はまた、試料セル圧力、エアフィルタにおける差圧、試料セル温度、及び検出器温度を監視し、出力をA/D変換し、結果を単一ボードコンピュータ166に送り返す。配電モジュール170は、単一ボードコンピュータ166からのコマンドの下でStirling冷却検出器の冷却器を制御してもよい。頂部パネル122は試料セル温度送信機を含んでもよい。   The power distribution module 170 may process and distribute power to other modules in the system and may implement status sensors and status sensors that are used to monitor the functionality of the detection system. For example, the power distribution module 170 may distribute AC power to the system power supply 146 and the fan 150, and may include a temperature controller 174, such as Dwyer Instruments, Inc. [Michigan City, Ind. You may control Love Controls (trademark) commercially available from Michigan City). The power distribution module 170 also monitors the sample cell pressure, the differential pressure in the air filter, the sample cell temperature, and the detector temperature, A / D converts the output, and sends the result back to the single board computer 166. The power distribution module 170 may control the cooler of the Stirling cooling detector under commands from the single board computer 166. The top panel 122 may include a sample cell temperature transmitter.

データ処理は、頂部パネル122に取り付けられ、データのリアルタイム分析を可能にし得るモジュールを使用して行うことができる。スペクトルライブラリは約300個から約400個の間のガスのスペクトル・フィンガープリントを含んでもよい。しかしながら、スペクトルを記録する場合、より多くのガスを追加してもよい。データ処理は、MATLAB又はC++などの標準的なコンピュータ・プログラミング言語によって行うことができる。記録されたスペクトルをMATLABに転送してスペクトル後処理を行い、ガス濃度、スペクトル残差、及び/又は誤アラームレートを算出してもよい。様々な実施形態では、検出システムの動作時に誤アラームが生じる回数は1年間で約6回未満である。誤アラームは、ノイズ、異常スペクトル作用、分析コード、モデルエラー、スペクトルライブラリのエラー、又は未知の干渉物質によって生じることがある。   Data processing can be performed using modules that can be attached to the top panel 122 and allow real-time analysis of the data. The spectral library may include spectral fingerprints of between about 300 and about 400 gases. However, more gas may be added when recording spectra. Data processing can be done by standard computer programming languages such as MATLAB or C ++. The recorded spectrum may be transferred to MATLAB for post-spectral processing to calculate gas concentration, spectral residual, and / or false alarm rate. In various embodiments, the number of false alarms that occur during operation of the detection system is less than about 6 times per year. False alarms can be caused by noise, anomalous spectral effects, analysis codes, model errors, spectral library errors, or unknown interfering substances.

コンピュータ・ソフトウェアは、グラフィカル遠隔制御機能を有するJava(登録商標)ベースのプラットフォーム上で動作してもよい。コンピュータ・ソフトウェアは、ユーザログイン、ウェブベースのGUI、アラーム・トリガリング、及び/又は検出システムから遠くに配置されてもよいクライアント・コンピュータへのEthernet(商標)インターフェースを含む標準的なサービスを組み込んでもよい。コンピュータ・ソフトウェアは、遠隔健康管理診断を実行してもよい。さらに、ポート118を使用して、データ処理及びデータ分析を実行することのできるスタンドアロン・コンピュータにシステムを接続してもよい。   The computer software may run on a Java-based platform with graphical remote control capabilities. The computer software may incorporate standard services including a user login, web-based GUI, alarm triggering, and / or an Ethernet ™ interface to a client computer that may be located remotely from the detection system. Good. The computer software may perform a remote health care diagnosis. In addition, the port 118 may be used to connect the system to a stand-alone computer capable of performing data processing and data analysis.

ハウジング42’は、50Gの衝撃に耐えるように設計される。1実施形態では、ハウジング42’は長さが約406mmであり、幅が約559mmであってもよい。検出システムの質量は約20kgであってもよい。ハウジング42’は壁、可動カート、又は手押
し車に取付け可能であってもよく、手動で又は機械的引上げ装置を使用して運ぶためのハンドル(図示せず)を含んでもよい。1実施形態では、ハウジングを建物の空調システムの一部として取り付けてもよい。検出器が汚染物質の存在を検知すると、その汚染物質を考慮した救済措置を講じることができる。たとえば、アラームが鳴って建物を排気してもよく、又は空調システム内の空気流を増大させて汚染物質を公共区域から吹き飛ばすか又は微量ガスを許容レベルまで希釈してもよい。
The housing 42 'is designed to withstand 50G impact. In one embodiment, the housing 42 ′ may be about 406 mm long and about 559 mm wide. The mass of the detection system may be about 20 kg. The housing 42 'may be attachable to a wall, a movable cart, or a wheelbarrow, and may include a handle (not shown) for carrying manually or using a mechanical lifting device. In one embodiment, the housing may be attached as part of a building air conditioning system. When the detector detects the presence of a contaminant, remedial action can be taken to account for that contaminant. For example, an alarm may sound and the building may be exhausted, or air flow within the air conditioning system may be increased to blow contaminants away from public areas or to dilute trace gases to an acceptable level.

様々な実施形態では、検出システムは、汚染が生じた場合に高温で動作させてシステムの汚染を除去してもよい。システムは、試料セル及び流れシステムを約150℃から約200℃の間まで加熱することができ、一方、電子機器及び光学構成要素を含む残りの構成要素が約70℃よりも低い温度に維持されるように構成されてもよい。たとえば、約150°まで加熱された構成要素は、周囲の構成要素から絶縁され、電子機器の損傷及び光学構成要素の再調整又は損傷を防止することができる。試料セル及び流れシステムが高温で動作すると、汚染物質の脱着を迅速化することができる。1実施形態では、システムの汚染が除去されている間検出システムを動作させてもよく、したがって、汚染除去の進行を監視することができる。1実施形態では、検出システムは汚染除去の間窒素ガス又は周囲空気によってパージされる。ガスは水分(たとえば、相対湿度が約30%以上)を含んでもよい。様々な実施形態では、システムは、約2時間未満で汚染を除去することができ、使用可能な状態に戻す準備を整えることができる。   In various embodiments, the detection system may be operated at elevated temperatures to remove system contamination if contamination occurs. The system can heat the sample cell and flow system to between about 150 ° C. and about 200 ° C., while the remaining components, including electronics and optical components, are maintained at a temperature below about 70 ° C. You may be comprised so that. For example, components heated to about 150 ° can be isolated from surrounding components to prevent electronics damage and optical component readjustment or damage. When the sample cell and flow system operate at high temperatures, contaminant desorption can be accelerated. In one embodiment, the detection system may be operated while the system is decontaminated, and thus the progress of decontamination can be monitored. In one embodiment, the detection system is purged with nitrogen gas or ambient air during decontamination. The gas may contain moisture (eg, a relative humidity of about 30% or higher). In various embodiments, the system can remove contamination in less than about 2 hours and can be ready to return to a usable state.

1実施形態では、検出システムにおける汚染物質の濃度を求めてもよく、汚染物質の濃度が汚染値を超える場合、少なくとも試料領域を汚染除去温度まで加熱して汚染物質を除去してもよい。汚染物質の濃度は、試料領域を加熱する間監視されてもよく、汚染物質の濃度が汚染除去値に達したときに加熱を低減又は終了させてもよい。汚染値は、検出システムの実行を抑制する物質の濃度であってもよい。汚染除去値は、汚染物質の影響を受けずに検出システムを動作させることのできる物質の濃度であってもよい。   In one embodiment, the concentration of contaminant in the detection system may be determined, and if the concentration of contaminant exceeds a contamination value, at least the sample region may be heated to the decontamination temperature to remove the contaminant. Contaminant concentration may be monitored while heating the sample area, and heating may be reduced or terminated when the contaminant concentration reaches a decontamination value. The contamination value may be the concentration of a substance that inhibits the performance of the detection system. The decontamination value may be the concentration of a substance that can operate the detection system without being affected by the contaminant.

様々な実施形態では、検出システムの試料セルを高圧で動作させてもよい。光路長/NEA比は変化しないが、同じ光路長を有する試料セル内に存在できる微量ガス試料の量が増えるにつれて検出システムの感度を向上させることができる。これによって、基準線に対してより大きい吸光信号を生成することができる。試料セルの体積をそのままに維持しつつ流量を増やすことによって、圧力を高めてもよい。   In various embodiments, the sample cell of the detection system may be operated at high pressure. Although the optical path length / NEA ratio does not change, the sensitivity of the detection system can be improved as the amount of trace gas sample that can be present in a sample cell having the same optical path length increases. Thereby, a light absorption signal larger than the reference line can be generated. The pressure may be increased by increasing the flow rate while maintaining the volume of the sample cell.

視野鏡表面及び対物鏡表面は、圧力を高めるときに視野鏡表面及び対物鏡表面の位置が実質的に変化しないように固定的に取り付けられてもよい。たとえば、視野鏡表面及び対物鏡表面は、これらの表面を保持するロッド上に取り付けられてもよい。さらに、試料セルは実質的に気密であってもよい。試料セル内の対物鏡表面及び視野鏡表面は試料ガス中に露出させてもよく、それによって、視野鏡表面及び対物鏡表面の各々の裏面に陽圧を加えて高圧での変形を防止することができる。様々な実施形態では、この圧力は1気圧から約10気圧の間であってもよい。1実施形態では、この圧力は4気圧である。   The field mirror surface and the objective mirror surface may be fixedly mounted so that the position of the field mirror surface and the objective mirror surface does not substantially change when the pressure is increased. For example, the field mirror surface and the objective surface may be mounted on a rod that holds these surfaces. Furthermore, the sample cell may be substantially airtight. The objective and field mirror surfaces in the sample cell may be exposed in the sample gas, thereby applying positive pressure to the back of each of the field mirror surface and objective surface to prevent deformation at high pressure. Can do. In various embodiments, this pressure may be between 1 atmosphere and about 10 atmospheres. In one embodiment, this pressure is 4 atmospheres.

いくつかの実施形態では、2つの異なる圧力での信号を測定してもよく、これらの信号の比を求めてもよい。この信号の比によって基準線ノイズの除去、感度の向上、及び/又は基準線信号に対する微量ガスの吸収プロフィールの振幅の増大が可能になる。   In some embodiments, signals at two different pressures may be measured and the ratio of these signals may be determined. This signal ratio allows for removal of baseline noise, increased sensitivity, and / or increased amplitude of the trace gas absorption profile relative to the baseline signal.

試料セルにおいて第1の圧力で周囲空気の試料中を伝搬する放射ビームの第1の信号を測定する。試料セルを周囲空気によって第2の圧力まで加圧する。周囲空気の試料中を伝搬する放射ビームの第2の信号を試料セルにおいて第2の圧力で測定する。第1の信号と第2の信号を組み合わせて微量ガスの存在を示す信号を求めてもよい。たとえば、これらの信号を組み合わせて微量ガスに関する吸収プロフィールを生成してもよい。1実施形態
では、放射ビームは干渉信号を含んでもよい。微量ガスの吸収プロフィールを干渉信号から求めてもよい。1実施形態では、第1の圧力は約1気圧であり、第2の圧力は約1気圧から10気圧の間である。詳細な1実施形態では、第1の圧力は約1気圧であり、第2の圧力は約4気圧である。
A first signal of a radiation beam propagating through a sample of ambient air at a first pressure in a sample cell is measured. The sample cell is pressurized with ambient air to a second pressure. A second signal of the radiation beam propagating through the ambient air sample is measured at the second pressure in the sample cell. A signal indicating the presence of a trace gas may be obtained by combining the first signal and the second signal. For example, these signals may be combined to generate an absorption profile for trace gases. In one embodiment, the radiation beam may include an interference signal. A trace gas absorption profile may be determined from the interference signal. In one embodiment, the first pressure is about 1 atmosphere and the second pressure is between about 1 atmosphere and 10 atmospheres. In one detailed embodiment, the first pressure is about 1 atmosphere and the second pressure is about 4 atmospheres.

様々な実施形態では、圧力を高めたときに試料セルの光学的位置合わせは実質的に変化しないままであるので、第1の信号は第2の信号の基準線信号として使用される。いくつかの実施形態では、基準線信号は、第1の信号と第2の信号の両方の基準線信号として測定され使用される。   In various embodiments, the first signal is used as a baseline signal for the second signal because the optical alignment of the sample cell remains substantially unchanged when the pressure is increased. In some embodiments, the baseline signal is measured and used as a baseline signal for both the first signal and the second signal.

様々な実施形態では、流れシステムは、ガス状試料をその飽和温度よりも低い温度に冷却することによって、対象となるガス状試料を捕捉するためのコールドフィンガを含んでもよい。多くの揮発性物質は−75℃以下で凝縮する。1実施形態では、試料セルのガス出口に低温コールドトラップが確立される。指定された期間又は収集期間の後で、1種又は数種の捕捉されたガスを加熱することによって急速に気化させるか又は試料セル内に「フラッシュバックさせ」てもよく、スペクトル測定を行ってもよい。この技術では、試料セルを大気圧に維持しつつ目標ガスの量を約1桁又は2桁増加させることができる。1実施形態では、連続的な流量測定はある間隔、たとえば、約10秒おきに行われ、一方、フラッシングはそれよりも長い時間間隔で生じる。   In various embodiments, the flow system may include a cold finger for capturing the gaseous sample of interest by cooling the gaseous sample to a temperature below its saturation temperature. Many volatile substances condense below -75 ° C. In one embodiment, a cold cold trap is established at the gas outlet of the sample cell. After a specified period or collection period, one or several trapped gases may be rapidly vaporized by heating or “flashed back” into the sample cell, where spectral measurements are made. Also good. This technique can increase the amount of target gas by about one or two orders of magnitude while maintaining the sample cell at atmospheric pressure. In one embodiment, continuous flow measurements are taken at certain intervals, for example, approximately every 10 seconds, while flushing occurs at longer time intervals.

様々な実施形態では、検出システムは長波長パスフィルタを含んでもよい。A/D変換器によるノイズは検出器によるノイズと同程度であってもよい。長波長パスフィルタを組み込むと、より高い波数領域を遮断することができ、インターフェログラム・センターバースト値を小さくすることによりデジタイザ・ダイナミックレンジ要件を低減させることによって感度を向上させることができる。光学フィルタを有さない検出器のダイナミックレンジは約600cm−1から約5000cm−1の間であってもよい。対象となる有毒物質の多くは1500cm−1よりも小さい値で検出可能であるので、長波長パスフィルタを使用して感度を得ることによって、1500cm−1よりも高いスペクトルを無くすことができる。たとえば、カットオフ周波数が約1667cm−1である容易に入手可能な標準的な長波長パスフィルタでは、光路長/NEA比の利得は約20%〜約30%であってもよい。さらに、長波長パスフィルタを使用すると、検出器をより高い利得、たとえば、特定の検出器によって実現可能な最高の利得で動作できるようにすることによって、検出システムの信号対雑音比を向上させることができる。様々な実施形態では、MCT検出器又はDTGS検出器などの低感度検出器を使用してより高い周波数領域におけるスペクトルを記録してもよい。 In various embodiments, the detection system may include a long wavelength pass filter. The noise due to the A / D converter may be comparable to the noise due to the detector. Incorporating a long wavelength pass filter can block higher wavenumber regions and improve sensitivity by reducing the digitizer dynamic range requirement by reducing the interferogram center burst value. Dynamic range of the detector without an optical filter may be between about 600 cm -1 to about 5000 cm -1. Since many of the toxic substances of interest can be detected with a value smaller than 1500 cm −1 , a spectrum higher than 1500 cm −1 can be eliminated by obtaining sensitivity using a long wavelength pass filter. For example, in a readily available standard long wavelength pass filter with a cutoff frequency of about 1667 cm −1 , the gain of the optical path length / NEA ratio may be about 20% to about 30%. In addition, using a long wavelength pass filter improves the signal-to-noise ratio of the detection system by allowing the detector to operate at a higher gain, for example, the highest gain achievable with a particular detector. Can do. In various embodiments, a low sensitivity detector such as an MCT detector or a DTGS detector may be used to record the spectrum in the higher frequency domain.

バイオ燃料を使用してタービン発電機のエンジンを駆動してもよい。バイオガスには一般に、たとえば、100分の1レベルのCO及びHOを含む炭化水素(たとえば、CH)などの種が含まれる。バイオガスにはシラン含有炭化水素及びシロキサン化合物が含まれる。消化装置によって生成されたバイオガスには環状シロキサン(たとえば、D3−シロキサン〜D6−シロキサン)が存在することがある。埋立地から得られるバイオガスには線状シロキサン(たとえば、「直鎖」L2−シロキサン〜L6−シロキサン)、環状シロキサン、及び/又はトリメチルシラノール(TMS)を含めてもよい。バイオガス中のTMS及びシロキサン化合物の濃度は、100万分の1(ppm)レベルから10億分の1(ppb)レベルまでの範囲であってもよい。TMSとシロキサン化合物は、タービン内で酸化されたときに一緒にSiO粒子を生成し、過度の磨耗及び割れを推進する。したがって、バイオ燃料処理システムがバイオ燃料をTMS及びシロキサンに関して連続的に監視することによって、TMS及びシロキサン化合物を早期に検出し測定するのを可能にし得る。システムはスタンドアロン・プロセッサ(たとえば、図1のプロセッサ34)を使用してTMS及びシロキサンの濃度を定量化してもよい(たとえば、バイオ燃料
中のシロキサン不純物のレベルをppmレベルからppbレベルまでの範囲で検出するスタンドアロンFTIR)。
Biofuel may be used to drive the turbine generator engine. Biogas generally includes species such as, for example, hydrocarbons (eg, CH 4 ) containing hundredths of the level of CO 2 and H 2 O. Biogas includes silane-containing hydrocarbons and siloxane compounds. Cyclic siloxanes (eg, D3-siloxane to D6-siloxane) may be present in the biogas produced by the digester. Biogas obtained from landfills may include linear siloxanes (eg, “linear” L2-siloxane to L6-siloxane), cyclic siloxanes, and / or trimethylsilanol (TMS). The concentration of TMS and siloxane compounds in the biogas may range from parts per million (ppm) levels to parts per billion (ppb) levels. TMS siloxane compound generates SiO 2 particles together when oxidized in the turbine and promote excessive wear and cracking. Thus, the biofuel processing system may enable early detection and measurement of TMS and siloxane compounds by continuously monitoring the biofuel for TMS and siloxane. The system may use a stand-alone processor (eg, processor 34 of FIG. 1) to quantify the concentration of TMS and siloxane (eg, the level of siloxane impurities in the biofuel ranging from ppm to ppb levels). Stand-alone FTIR to detect).

図9は、バイオガス中のケイ素含有化合物(たとえば、シロキサン)を監視するための例示的な方法を示すフローチャートを示す。この方法は、試料セル(たとえば、図1及び図3の試料セル22)に非吸光性ガス(たとえば、窒素又はヘリウム)を供給するステップを含む(ステップ205)。非吸光性ガスは対象となる指定された波長範囲において赤外線放射を実質的に吸収しないガスである。この方法は、試料セルから第1のスペクトル測定値を得る(たとえば、バックグラウンド機器応答)ステップも含む(ステップ210)。試料セルにバイオガスを供給する(ステップ215)。バイオガスは(たとえば、TMS、L2−シロキサン、L3−シロキサン、L4−シロキサン、L5−シロキサン、D3−シロキサン、D4−シロキサン、D5−シロキサン、又はD6−シロキサンからなる群から選択される)少なくとも1つのケイ素含有化合物を含む。この方法は、試料セルから第2のスペクトル測定値を得ることも含む(ステップ220)。非吸光性ガスからの第1のスペクトル測定値と第2のスペクトル測定値(たとえば、試料セルに供給されるバイオガスからなる試料ガスから得られる測定値)の比に基づいて第1の吸収スペクトルが生成される(ステップ225)。少なくとも、バイオガス中の少なくとも1つのケイ素含有化合物の既知の濃度に関する第1の個別の吸収スペクトルに基づいて第2の吸収スペクトルが生成される(ステップ230)。バイオガス中の少なくとも1つのケイ素含有化合物(たとえば、シロキサン又はTMS)の濃度は、第1の吸収スペクトル及び第2の吸収スペクトルを使用することによって算出される(ステップ235)。たとえば、CLS及び/又は直接的なスペクトル比較を行うその他の方法を使用すると、あり得る干渉物質/ガスのすべてがまずスペクトル(たとえば、第1の吸収スペクトル)から除去された後で少なくとも1つのケイ素含有化合物の濃度を算出することができる。代替として、干渉物質/ガスは除去されず、スペクトルフィッティング・ルーチンにおいて使用される。   FIG. 9 shows a flowchart illustrating an exemplary method for monitoring silicon-containing compounds (eg, siloxanes) in biogas. The method includes supplying a non-absorbing gas (eg, nitrogen or helium) to a sample cell (eg, sample cell 22 of FIGS. 1 and 3) (step 205). Non-absorbing gases are gases that do not substantially absorb infrared radiation in the specified wavelength range of interest. The method also includes obtaining a first spectral measurement from the sample cell (eg, background instrument response) (step 210). Biogas is supplied to the sample cell (step 215). The biogas is at least 1 (eg, selected from the group consisting of TMS, L2-siloxane, L3-siloxane, L4-siloxane, L5-siloxane, D3-siloxane, D4-siloxane, D5-siloxane, or D6-siloxane). Contains two silicon-containing compounds. The method also includes obtaining a second spectral measurement from the sample cell (step 220). The first absorption spectrum based on the ratio of the first spectrum measurement value from the non-absorbing gas and the second spectrum measurement value (for example, the measurement value obtained from the sample gas composed of biogas supplied to the sample cell). Is generated (step 225). A second absorption spectrum is generated based on at least a first individual absorption spectrum for a known concentration of at least one silicon-containing compound in the biogas (step 230). The concentration of at least one silicon-containing compound (eg, siloxane or TMS) in the biogas is calculated by using the first absorption spectrum and the second absorption spectrum (step 235). For example, using CLS and / or other methods of performing a direct spectral comparison, at least one silicon after all possible interfering substances / gas are first removed from the spectrum (eg, the first absorption spectrum). The concentration of the contained compound can be calculated. Alternatively, the interfering substance / gas is not removed and is used in the spectral fitting routine.

非吸光性ガスとバイオガスの両方を試料セルに供給してもよく(ステップ205及びステップ215)、それによってスペクトル測定値を得ることができる(ステップ210及びステップ220)。バイオガスはたとえば、動物の排泄物、廃水、又は埋立地から得てもよい。一般に、データ取得期間(スペクトル測定値を得るための期間)が長いほど検出限界が低くなる(たとえば、より低い濃度の種を検出することができる)。データ取得期間が長いほど厳密な測定が可能になる(たとえば、信号対雑音比が高くなる)。たとえば、ノイズがランダムである場合(ホワイトノイズ)、信号対雑音比は取得期間の平方根に応じて高くなる。第2のスペクトル測定値(たとえば、ステップ220)は約10秒から約90秒の取得期間にわたって得てもよい。いくつかの実施形態では、試料セルからの第2のスペクトル測定値は、約8ミクロンから約12ミクロンまでの波長範囲において得られる。第2のスペクトル測定値を得るステップは、試料セルから赤外線信号を取得すること(たとえば、バイオガスからなるガスの試料を得ること)を含んでもよい。   Both non-absorbing gas and biogas may be supplied to the sample cell (step 205 and step 215), thereby obtaining spectral measurements (step 210 and step 220). Biogas may be obtained, for example, from animal waste, waste water, or landfill. In general, the longer the data acquisition period (the period for obtaining a spectrum measurement), the lower the detection limit (eg, a lower concentration species can be detected). The longer the data acquisition period, the more accurate the measurement becomes possible (for example, the signal to noise ratio becomes higher). For example, if the noise is random (white noise), the signal to noise ratio increases with the square root of the acquisition period. The second spectral measurement (eg, step 220) may be obtained over an acquisition period of about 10 seconds to about 90 seconds. In some embodiments, the second spectral measurement from the sample cell is obtained in a wavelength range from about 8 microns to about 12 microns. Obtaining the second spectral measurement may include obtaining an infrared signal from the sample cell (eg, obtaining a sample of a gas composed of biogas).

少なくとも1つのケイ素含有化合物の濃度は、リアルタイムに(たとえば、数秒又は数分で得られたTMS又はシロキサン化合物の濃度を定量化した結果)現地で(たとえば、インラインで又はバイオガスの供給源と流体連通するデバイスにおいて、かつ試料ガスを収集するための容器又は吸収媒体の必要なしに)算出されてもよい(たとえば、ステップ235)。試料セル及びプロセッサ(たとえば、図1のプロセッサ34)をバイオガスの供給源と流体連通させてもよく、試料を得て(たとえば、既存のGC/MS方法などによって)分析のために現地から搬送する必要なしに供給源の所で/供給源の実質的に近くで分析を行ってもよい。試料を得て分析する(たとえば、シロキサンの濃度、TMSの濃度、及び/又は試料中のすべてのケイ素含有化合物の濃度を算出する)時間は、バイオガス混合物中のレベルでケイ素含有化合物を正確に定量化するのに必要な最終的な信号対雑音比に応じて数秒から数分のスケールであってもよい。たとえば、信号対雑音比が特定の濃
度を厳密に測定するのに十分ではない場合、取得時間を延ばしてノイズをさらに低減させる(たとえば、信号対雑音比を高くする)ことができる。いくつかの実施形態では、少なくとも1つのケイ素含有化合物の濃度がしきい値に達したときにタービン発電機を停止させる。
The concentration of the at least one silicon-containing compound is determined in real time (eg, as a result of quantifying the concentration of TMS or siloxane compound obtained in seconds or minutes) on-site (eg, in-line or biogas source and fluid It may be calculated (eg, step 235) in a communicating device and without the need for a container or absorbent medium to collect the sample gas. The sample cell and processor (eg, processor 34 of FIG. 1) may be in fluid communication with a source of biogas, and the sample is obtained (eg, by existing GC / MS methods) and transported from the field for analysis. The analysis may be performed at / substantially near the source without having to do so. The time for obtaining and analyzing the sample (eg calculating the concentration of siloxane, the concentration of TMS, and / or the concentration of all silicon-containing compounds in the sample) allows the silicon-containing compounds to be accurately measured at the level in the biogas mixture. It may be on the scale of seconds to minutes depending on the final signal-to-noise ratio required to quantify. For example, if the signal to noise ratio is not sufficient to accurately measure a particular concentration, the acquisition time can be extended to further reduce noise (eg, increase the signal to noise ratio). In some embodiments, the turbine generator is shut down when the concentration of the at least one silicon-containing compound reaches a threshold value.

いくつかの実施形態では、プロセッサ(たとえば、図1のプロセッサ34)を使用してバイオガス中の少なくとも1つのケイ素含有化合物の濃度を算出してもよい(ステップ235)。分光法(たとえば、FTIR分光法)と数学(たとえば、多重回帰分析)と組み合わせたケモメトリックスによって、バイオガス中のケイ素含有化合物に関する明確な定量情報を生成してもよい。たとえば、プロセッサを使用して、第1の吸収スペクトル及び第2の吸収スペクトルを用いて多重回帰分析を行ってバイオガス中の少なくとも1つのケイ素含有化合物の濃度を算出する。多重回帰分析は、クラシカル最小二乗(CLS)、部分最小二乗(PLS)、逆最小二乗(ILS)、主成分分析(PCA)、及び/又はその他のケモメトリック・アルゴリズムを使用して行われてもよい。   In some embodiments, a processor (eg, processor 34 of FIG. 1) may be used to calculate the concentration of at least one silicon-containing compound in the biogas (step 235). Chemometrics combined with spectroscopy (eg, FTIR spectroscopy) and mathematics (eg, multiple regression analysis) may generate clear quantitative information about silicon-containing compounds in biogas. For example, using a processor, a multiple regression analysis is performed using the first absorption spectrum and the second absorption spectrum to calculate the concentration of at least one silicon-containing compound in the biogas. Multiple regression analysis may be performed using classical least squares (CLS), partial least squares (PLS), inverse least squares (ILS), principal component analysis (PCA), and / or other chemometric algorithms. Good.

(たとえば、ステップ230で得られる)第2の吸収スペクトルは、少なくとも、第1の個別の吸収スペクトル、及び1つ又は複数の追加のシロキサン化合物(たとえば、L2−シロキサン、L3−シロキサン、L4−シロキサン、L5−シロキサン、D3−シロキサン、D4−シロキサン、D5−シロキサン、又はD6−シロキサン)、トリメチルシラノール(TMS)などのケイ素含有アルコール、たとえば、芳香族化合物及び塩素化炭化水素を含む炭化水素化合物、水、又は二酸化炭素に関するに関する個々の吸収スペクトルに基づいて生成されてもよい。第2の吸収スペクトルは、シロキサン化合物、TMS、炭化水素化合物、水、又は二酸化炭素の既知の濃度に基づくモデル(たとえば、バイオガス中の物質の個々の吸収スペクトルを表すモデル)であってもよい。いくつかの実施形態では、第2の吸収スペクトルは、少なくとも、(たとえば、シロキサン化合物に関する)第1の個別の吸収スペクトル及び/又は1つもしくは複数の追加のシロキサン化合物、TMS、炭化水素化合物(たとえば、メタンもしくはエタン)、水、もしくは二酸化炭素に関する個々の吸収スペクトルに基づくモデルである。   The second absorption spectrum (eg, obtained in step 230) includes at least a first individual absorption spectrum and one or more additional siloxane compounds (eg, L2-siloxane, L3-siloxane, L4-siloxane). , L5-siloxane, D3-siloxane, D4-siloxane, D5-siloxane, or D6-siloxane), silicon-containing alcohols such as trimethylsilanol (TMS), for example, hydrocarbon compounds including aromatic compounds and chlorinated hydrocarbons, It may be generated based on individual absorption spectra for water or carbon dioxide. The second absorption spectrum may be a model based on a known concentration of a siloxane compound, TMS, hydrocarbon compound, water, or carbon dioxide (eg, a model representing an individual absorption spectrum of a substance in biogas). . In some embodiments, the second absorption spectrum is at least a first individual absorption spectrum (eg, for a siloxane compound) and / or one or more additional siloxane compounds, TMS, hydrocarbon compounds (eg, , Methane or ethane), water, or carbon dioxide.

いくつかの実施形態では、第2の吸収スペクトルが第1の吸収スペクトルと実質的に同様になるように(たとえば、モデル吸収スペクトルを測定吸収スペクトルに数学的に当てはめる)少なくとも1つのシロキサン化合物の濃度の値を求める(たとえば、ステップ235)。一例として、少なくとも1つのシロキサン化合物の濃度を表す少なくとも1つの変数を与え、第2の吸収スペクトルが第1の吸収スペクトルと実質的に同様になるように(たとえば、第2の吸収スペクトルを第1の吸収スペクトルに数学的に当てはめる)少なくとも1つの変数の値(たとえば、濃度の値)を求めることによって、少なくとも1つのシロキサン化合物の濃度を算出してもよい。   In some embodiments, the concentration of at least one siloxane compound such that the second absorption spectrum is substantially similar to the first absorption spectrum (eg, mathematically fitting the model absorption spectrum to the measured absorption spectrum). Is determined (eg, step 235). As an example, at least one variable representing the concentration of at least one siloxane compound is provided such that the second absorption spectrum is substantially similar to the first absorption spectrum (eg, the second absorption spectrum is the first The concentration of at least one siloxane compound may be calculated by determining the value of at least one variable (eg, the concentration value) that is mathematically applied to the absorption spectrum of

たとえば、一変量分析技術と多変量分析技術の両方に基づく様々な異なる種類の定量分析を使用してスペクトル測定値を実際の化学的組成に直接リンクしてもよい。一変量方法は、スペクトル曲線の下方のスペクトルピーク高さ又は領域をバイオガス中の種の既知の化学量に関する同じ特性と相関させることを含む。いくつかの実施形態では、これをたとえば、最小二乗回帰を使用してバイオガス中の様々な種の実際の濃度を予測する定量モデルを開発することによって行ってもよい。代替実施形態において使用できる別の一変量方法は、明示的な線形加法モデル(たとえば、以下の数式1において説明するベールの法則)に基づくK行列又はクラシカル最小二乗(CLS)である。CLSは、スペクトル領域内のすべての化学成分に関する回帰においてスペクトルのより大きい部分(又はスペクトル全体)を使用する。   For example, a variety of different types of quantitative analysis based on both univariate and multivariate analysis techniques may be used to link spectral measurements directly to the actual chemical composition. The univariate method involves correlating the spectral peak height or region below the spectral curve with the same characteristics for the known stoichiometry of the species in the biogas. In some embodiments, this may be done, for example, by developing a quantitative model that predicts the actual concentrations of various species in the biogas using least squares regression. Another univariate method that can be used in alternative embodiments is a K-matrix or classical least squares (CLS) based on an explicit linear additive model (eg, Beer's Law described in Equation 1 below). CLS uses a larger portion of the spectrum (or the entire spectrum) in regression for all chemical components in the spectral region.

CLSには、たとえば未知の濃度によってモデル精度が低下するので、適切な予測モデ
ルを開発できるようにするには、スペクトル的にアクティブであるすべての成分の濃度が既知であり、較正モデルに含まれる必要があるという制限がある。このこと及び一変量モデルを使用する際に生じることがある他の問題を回避するには、通常、多変量技術の方が有用である。ある多変量方法では、多重線形回帰(MLR)(P行列又は逆最小二乗(ILS)とも呼ばれる)を使用して対象となる化学成分の濃度のみを用いてモデルを作成する(たとえば、エイチ.マーク(H.Mark)Analytical Chemistry、58、2814、1986参照)。この技術では、既知の濃度のみを使用して不要な効果なしにモデルを作成することができるが、このモデルは、各成分を記述するのに使用できる波長の数が制限される。
CLS reduces model accuracy, for example, due to unknown concentrations, so the concentrations of all components that are spectrally active are known and included in the calibration model so that an appropriate predictive model can be developed. There is a restriction that it is necessary. To avoid this and other problems that may arise when using univariate models, multivariate techniques are usually more useful. One multivariate method uses multiple linear regression (MLR) (also called P matrix or inverse least squares (ILS)) to create a model using only the concentration of the chemical component of interest (eg, H. Mark). (See H. Mark) Analytical Chemistry, 58, 2814, 1986). With this technique, a model can be created without unwanted effects using only known concentrations, but this model limits the number of wavelengths that can be used to describe each component.

(フレデリックスら(Fredericks et al.)Applied Spectroscopy、39:303、1985に記載されているように)(CLSモデルの能力と同様に)スペクトルの大きい領域を使用して対象となる組成を表す能力を(MLRモデルの能力と同様に)対象となる組成のみに対処する能力を組み合わせる他の多変量技術を代替実施形態において使用してもよい。1実施形態では、主成分回帰(PCR)が(フレデリックスら(Fredericks et al.)Applied Spectroscopy、39:303、1985に記載されているように)使用される。この方法は、主成分分析(PCA)を使用してスペクトル分解を行い、その後、PCAスコア行列に対する既知の濃度値の回帰を実施することに基づく。具体的には、PCRを用いる場合、まずPCAをスコア行列T及びローディング行列PをもたらすX行列によって構成する。次のステップでは、Yデータによる多重線形回帰において第1のスコアベクトルのうちのいくつかのスコアベクトルを使用する。PCAの最初のいくつかの構成要素がYに対するXの情報の大部分を実際に要約する構成要素である場合、PCRは立体データに対する部分最小二乗(PLS)とほぼ同様に良好に働く。このことについて以下に説明する。   (As described in Fredericks et al. Applied Spectroscopy, 39: 303, 1985) (as well as the ability of the CLS model) to represent compositions of interest using large regions of the spectrum. Other multivariate techniques that combine the ability to address only the composition of interest (as well as the capabilities of the MLR model) may be used in alternative embodiments. In one embodiment, principal component regression (PCR) is used (as described in Fredericks et al. Applied Spectroscopy, 39: 303, 1985). This method is based on performing spectral decomposition using principal component analysis (PCA) and then performing a regression of known concentration values against the PCA score matrix. Specifically, when PCR is used, the PCA is first configured by an X matrix that yields a score matrix T and a loading matrix P. The next step uses some of the first score vectors in the multiple linear regression with Y data. If the first few components of PCA are components that actually summarize most of the X information for Y, PCR works as well as partial least squares (PLS) for stereo data. This will be described below.

別の実施形態では、PLSを使用してスペクトルデータに基づいて病変組成の実際の濃度値を得ることができる(たとえば、ダブリュー.リンドバーグ、ジェイ.パーソン、及びエス.ウォルド(W.Lindberg、J.Persson、及びS.Wold)Analytical Chemistry、55:643、1983年;ピー ゲラディ及びビー コワルスキー(P Geladi and B Kowalski)Analtical Chemica Acta、35:1、1986年;ならびにハーランド及びトーマス(Haaland and Thomas)Analytical Chemistry、60:1193,1202、1988年を参照されたい)。PLSはPCRに類似しているが、PLSを用いる場合、スペクトル情報と濃度情報の両方がこの方法の開始時に分解され、得られたスコア行列が2つのグループ間で交換される。これによって、濃度情報と相関されたスペクトル情報にモデル内でより重い重みが与えられ、したがって、PCRよりも正確なモデルが得られる。PLSアルゴリズムの核となるものは、非線形反復部分最小二乗(NIPALS)(たとえば、ウォルド(Wold)Perspectives in Probability and Statistics、ジェイ ガニ(J Gani)(編)(Academic Press、London、pp520−540、1975)又は単純部分最小二乗(SIMPLS)(ヨング(Jong)Chemon.Intell.Lab.Syst.、18:251、1993)アルゴリズムを介して実施されるスペクトル分解ステップである。   In another embodiment, PLS can be used to obtain the actual concentration value of the lesion composition based on the spectral data (eg, W. Lindberg, J. W. Lindberg, J. Parson, and S. Wald). Persson, and S. Wald) Analytical Chemistry, 55: 643, 1983; P Geladi and B Kowalski, Analytical Chemical Acta, 35: 1, 1986; and Harland, Thomas Chemistry, 60: 1193, 1202, 1988). PLS is similar to PCR, but when using PLS, both spectral and concentration information are decomposed at the start of the method, and the resulting score matrix is exchanged between the two groups. This gives heavier weight in the model to the spectral information correlated with the concentration information, thus providing a more accurate model than PCR. The core of the PLS algorithm is non-linear iterative partial least squares (NIPALS) (eg, Wald Perspectives in Probability and Statistics, J Gani) (Academic Press, London, pp 520-540, pp. 540-540). ) Or simple partial least squares (SIMPLS) (Jong Chemon. Intel. Lab. Syst., 18: 251, 1993) algorithm.

PCA分析、PCR分析、MLR分析、及びPLS分析のさらなる詳細は、本明細書に援用する「Multi− and Megavariate Data Analysis,Part I、Basic Principles and Applications」エリクソンら(Eriksson et al.)、Umetrics Academy、2006年1月及び「Multi− and Megavariate Dat
a Analysis、Part II,Advanced Applications
and Method Extensions」エリクソンら(Eriksson et al.)、Umetrics Academy、2006年3月に記載されている。
For further details of PCA analysis, PCR analysis, MLR analysis, and PLS analysis, see “Multi- and Megavariate Data Analysis, Part I, Basic Principles and Applications” Ericsson et al., Ericsson U.S. , January 2006 and "Multi- and Megavariate Dat"
a Analysis, Part II, Advanced Applications
and Methods Extensions ", Eriksson et al., Umetrics Academy, March 2006.

上述のように、様々なケモメトリック・アルゴリズム(たとえば、PCA、PCR、MLR、PLS)を使用してバイオガス中の1つ又は複数のケイ素含有化合物の濃度を算出してもよい。ケモメトリック・アルゴリズム方法は、全体的な吸収率(たとえば、バイオガスから得られたスペクトル測定値に基づく測定スペクトル)を各組成種(たとえば、シロキサン、TMS、メタン)の吸収率に当てはめ、各組成種の計算濃度を求めるのに利用される。ベールの法則は次式の通りである。   As described above, various chemometric algorithms (eg, PCA, PCR, MLR, PLS) may be used to calculate the concentration of one or more silicon-containing compounds in the biogas. The chemometric algorithm method fits the overall absorption rate (eg, a measured spectrum based on spectral measurements obtained from biogas) to the absorption rate of each composition type (eg, siloxane, TMS, methane) Used to determine the calculated concentration of the seed. Beer's law is as follows:

が波数 Is wave number

における種iの吸光度であり、 The absorbance of species i at

はその波数における種の吸収率であり、bは光路長であり、cは種の濃度である。したがって、既知の濃度での種の吸光度を測定することによって、既知の濃度及び所与の波長(たとえば、波数)に関する種の吸収率を求めることが可能である。ある波長範囲についての既知の濃度での種の吸光度を測定することによって吸収スペクトルを生成することができる。 Is the absorption rate of the species in the wave number, b is the optical path length, the concentration of c i species. Thus, by measuring the absorbance of a species at a known concentration, it is possible to determine the absorbance of the species for a known concentration and a given wavelength (eg, wave number). An absorption spectrum can be generated by measuring the absorbance of a species at a known concentration for a range of wavelengths.

試料中に複数の種(たとえば、分子)がある場合、数式1は、試料(たとえば、試料セル内の試料ガス)の測定吸光度が試料中のすべての種の吸光度の和であることを反映するように修正されてもよい。一例として、バイオガスが1つ又は複数のケイ素含有化合物、芳香族化合物及び塩素化炭化水素を含む炭化水素化合物、水、及び二酸化炭素を含む場合、バイオガス試料の測定吸光度はバイオガス中の種のすべての吸光度の和(たとえば、ケイ素含有化合物、炭化水素化合物、水、及び二酸化炭素)である。したがって、定量分析を使用してバイオガス中の様々なケイ素含有化合物の実際の濃度を予測してもよい。   If there are multiple species (eg, molecules) in the sample, Equation 1 reflects that the measured absorbance of the sample (eg, sample gas in the sample cell) is the sum of the absorbances of all species in the sample. It may be modified as follows. As an example, if the biogas contains one or more silicon-containing compounds, hydrocarbon compounds including aromatics and chlorinated hydrocarbons, water, and carbon dioxide, the measured absorbance of the biogas sample is the species in the biogas. The sum of all absorbances of (eg, silicon-containing compounds, hydrocarbon compounds, water, and carbon dioxide). Thus, quantitative analysis may be used to predict the actual concentration of various silicon-containing compounds in the biogas.

ケモメトリック・アルゴリズムを使用して試料中の種の濃度を求めてもよい。たとえば、ケモメトリック・アルゴリズムを数式1及び/又はその他の数式に使用して、(たとえば、すべての干渉成分が除去された後にモデルスペクトルを数学的に測定スペクトルに当てはめることによって)モデルスペクトル(たとえば、第2の吸収スペクトル)が測定ス
ペクトル(たとえば、第1の吸収スペクトル)と実質的に同様になるような濃度の値を求めてもよい。
A chemometric algorithm may be used to determine the concentration of species in the sample. For example, using the chemometric algorithm in Equation 1 and / or other equations, the model spectrum (eg, by mathematically fitting the model spectrum to the measured spectrum after all interference components have been removed) A concentration value such that the second absorption spectrum is substantially similar to the measurement spectrum (for example, the first absorption spectrum) may be obtained.

1実施形態では、PLSを使用してシロキサン(及び/又はバイオガス中の他の化合物)の濃度を算出する。図10は、スペクトル測定値を含む行列X及び濃度情報を含む行列Yによって表されるスペクトル情報の非線形反復部分最小二乗(NIPALS)分解を表す図である。PLSモデルのPLS成分は、NIPALSアルゴリズム(又は他の同様の分解アルゴリズム)を使用して従来通り算出される。PLSでは、2つのデータ行列X及びYを線形多変量モデルによって互いに関係付ける。手短に言えば、線形モデルは従属変数又は応答変数y又は1組の応答変数Yと1組の予測変数Xとの関係を指定する。たとえば、応答変数yは濃度であり、予測変数Xはスペクトル測定値1002a〜1002nである。Yにおける数1.0及び0.45は、対応するスペクトルにおけるガス成分の計算濃度である。NIPALSアルゴリズムには、行列−ベクトル乗算(たとえば、X’y)からなる多数の変形例がある。S及びUはそれぞれ、スペクトル情報及び成分情報から得られるスコア行列である。Sにおける数0.39及び−0.37は、最初の1組のスペクトルの線形組合せを表す基本ベクトルのスカラー(スコア)修正子である。これらの数は、S及びUを満たす数の第1の行の例にすぎない。この例では、観測された1組のスペクトル全体が2つの基底ベクトルに分解され、したがって、2つの数がある。PCx表現における対応する行にこれらの数を掛けた場合、最初のスペクトルが再生される(たとえば、最小ノイズ)。他の実施形態では、1組の観測されたスペクトルを任意の数の基底ベクトルに分解してもよい。PCx及びPCyは、それぞれスペクトル情報及び成分情報に関して得られる主成分(又は潜在変数/固有ベクトル)である。PCxは潜在変数1004a〜1004fを含む。図中の他の符号は、スペクトルの数(n)、スペクトルあたりのデータポイントの数(p)、成分の数(m)、及び最後の潜在変数/固有ベクトルの数(f)の符号である。   In one embodiment, PLS is used to calculate the concentration of siloxane (and / or other compounds in the biogas). FIG. 10 is a diagram representing a non-linear iterative partial least squares (NIPALS) decomposition of spectral information represented by a matrix X containing spectral measurements and a matrix Y containing concentration information. The PLS component of the PLS model is calculated conventionally using the NIPALS algorithm (or other similar decomposition algorithm). In PLS, two data matrices X and Y are related to each other by a linear multivariate model. In short, the linear model specifies the relationship between a dependent variable or response variable y or a set of response variables Y and a set of predictor variables X. For example, the response variable y is the concentration and the predictor variable X is the spectrum measurements 1002a to 1002n. The numbers 1.0 and 0.45 in Y are the calculated concentrations of gas components in the corresponding spectrum. There are many variations of the NIPALS algorithm consisting of matrix-vector multiplication (eg, X'y). S and U are score matrices obtained from spectrum information and component information, respectively. The numbers 0.39 and -0.37 in S are basic vector scalar (score) modifiers representing the linear combination of the first set of spectra. These numbers are only examples of the number of first rows that satisfy S and U. In this example, the entire set of observed spectra is decomposed into two basis vectors, so there are two numbers. When these numbers are multiplied by the corresponding lines in the PCx representation, the first spectrum is regenerated (eg, minimum noise). In other embodiments, a set of observed spectra may be decomposed into any number of basis vectors. PCx and PCy are principal components (or latent variables / eigenvectors) obtained for spectral information and component information, respectively. PCx includes latent variables 1004a to 1004f. Other symbols in the figure are the number of spectra (n), the number of data points per spectrum (p), the number of components (m), and the number of last latent variables / eigenvectors (f).

スペクトルデータ及び濃度/組成データの第1の分解によってX行列及びY行列の各々の潜在変数及びスコアを生成し、スペクトル情報(S)のスコア行列を濃度情報(U)を含むスコア行列と交換する。PCx及びPCyから得られた潜在変数をそれぞれX行列及びY行列から引く。次いで、これらの新たに減算された行列を使用して、データを表すのに十分な潜在変数がPCx及びPCyから求められるまでラウンドごとに次の潜在変数及びスコアを算出する。各分解ラウンドの前に、新しいスコア行列を交換し、PCx及びPCyから得られた新しい潜在変数を小さくされたX行列及びY行列から削除する。   Generate a latent variable and score for each of the X and Y matrices by a first decomposition of spectral data and concentration / composition data, and replace the score matrix of spectral information (S) with a score matrix containing concentration information (U) . Subtract the latent variables obtained from PCx and PCy from the X and Y matrices, respectively. These newly subtracted matrices are then used to calculate the next latent variable and score for each round until enough latent variables are found from PCx and PCy to represent the data. Before each decomposition round, the new score matrix is exchanged and the new latent variables obtained from PCx and PCy are removed from the reduced X and Y matrices.

スコア行列を交換するとスペクトル情報が濃度情報に相関付けられるので、PLS分解から求められた潜在変数(又は基底ベクトル)の最終的な数(f)は、交換されるスコア行列によって濃度情報と高度に相関付けられる。有利なことに、スコア行列を交換すると、互いに自然に相関付けられた行列の両方の組に基底ベクトルが残る。PCx行列及びPCy行列は、モデルを作成するのに使用される組成に対して高度に相関付けられたスペクトルの変形例を含む。第2の1組の行列、S及びUは、各スペクトルに存在する潜在変数変形例の各々の量を表す実際のスコアを含む。PLSモデルではS行列値が使用される。   Since the spectrum information is correlated with the concentration information when the score matrix is exchanged, the final number (f) of latent variables (or basis vectors) obtained from the PLS decomposition is highly dependent on the concentration information by the exchanged score matrix. Correlated. Advantageously, exchanging the score matrix leaves basis vectors in both sets of matrices that are naturally correlated with each other. The PCx and PCy matrices include spectral variations that are highly correlated to the composition used to create the model. The second set of matrices, S and U, contain the actual scores that represent the amount of each of the latent variable variants present in each spectrum. In the PLS model, S matrix values are used.

1実施形態では、PLS方法を使用してバイオガス中のシロキサン化合物の実際の成分を予測する。たとえば、PLSアルゴリズムを使用してバイオガスの化学的含有量を直接予測するか、又はたとえば、存在する化合物(たとえば、ケイ素含有化合物、芳香族化合物及び塩素化炭化水素を含む炭化水素化合物、水、又は二酸化炭素)の百分率の形で予測してもよい。   In one embodiment, the PLS method is used to predict the actual components of the siloxane compound in the biogas. For example, the PLS algorithm can be used to directly predict the chemical content of biogas or, for example, existing compounds (eg, hydrocarbon compounds including silicon-containing compounds, aromatic compounds and chlorinated hydrocarbons, water, (Or carbon dioxide) as a percentage.

別の実施形態では、CLSを使用してモデルスペクトル及び測定スペクトルに基づいてシロキサン(及び/又はその他の化合物)の濃度を算出する。いくつかの実施形態では、
試料は混合物中に2つの成分及び/又は種(s及びs)を含む。バイオガスは2つよりも多くの成分/種を含んでもよい(たとえば、バイオガスは様々な種のケイ素含有化合物、炭化水素化合物などを含んでもよい)。ただし、説明を明確にするために、以下の例では、2つの成分を仮定する。
In another embodiment, CLS is used to calculate the concentration of siloxane (and / or other compounds) based on the model spectrum and the measured spectrum. In some embodiments,
The sample contains two components and / or species (s 1 and s 2 ) in the mixture. The biogas may include more than two components / species (eg, the biogas may include various types of silicon-containing compounds, hydrocarbon compounds, etc.). However, for clarity of explanation, the following example assumes two components.

試料が2つの種を含む場合、種は少なくとも2つの波数が異なるはずである。1実施形態では、各波長における吸光度の関係に基づきCLSを使用して、2つの波数の吸光度をモデル化することができる。たとえば、第1の波長の吸光度は、第1の波長における第1の種sの吸収率、第1の波長における第2の種sの吸光度、光路長(たとえば、上記に図2〜図4に関して説明したような試料セル22の光路長)、第1の種sの濃度、第2の種sの濃度、及び第1の波長の回帰分析によって得られる残差の関係に基づく。同様に、たとえば、第2の波長の吸光度は、第2の波長における第1の種sの吸収率、第2の波長における第2の種sの吸光度、光路長、第1の種s及び第2の種sの濃度、ならびに第2の波長の回帰分析によって得られる残差の関係に基づく。 If the sample contains two species, the species should have at least two different wave numbers. In one embodiment, CLS can be used to model the absorbance of two wave numbers based on the relationship of absorbance at each wavelength. For example, the absorbance of the first wavelength is the absorbance of the first species s 1 at the first wavelength, the absorbance of the second species s 2 at the first wavelength, the optical path length (eg, FIG. the optical path length of the sample cell 22 as described with respect to 4), a first concentration of species s 1, based on the relation of the residual obtained by regression analysis of the second concentration of the species s 2, and the first wavelength. Similarly, for example, the absorbance of the second wavelength is the absorbance of the first species s 1 at the second wavelength, the absorbance of the second species s 2 at the second wavelength, the optical path length, the first species s. Based on the concentration of the first and second species s 2 and the residual relationship obtained by regression analysis of the second wavelength.

光路長が一定である場合、各波長の吸光度を求めるときに光路長は考慮されない。その代わり、第1の波長の吸光度は、第1の波長における第1の種sの吸収係数と、第1の波長における第2の種sの吸収係数と、第1の種sと第2の種sの濃度と、第1の波長の回帰分析によって得られる残差との関係に基づく。同様に、第2の波長の吸光度は、第2の波長における第1の種sの吸収係数と、第2の波長における第2の種sの吸収係数と、第1の種s及び第2の種sの濃度と、第2の波長の回帰分析によって得られる残差との関係に基づく。 When the optical path length is constant, the optical path length is not considered when determining the absorbance of each wavelength. Instead, the absorbance at the first wavelength is the absorption coefficient of the first species s 1 at the first wavelength, the absorption coefficient of the second species s 2 at the first wavelength, and the first species s 1 . Based on the relationship between the concentration of the second species s 2 and the residual obtained by regression analysis of the first wavelength. Similarly, the absorbance of the second wavelength is the absorption coefficient of the first species s 1 at the second wavelength, the absorption coefficient of the second species s 2 at the second wavelength, and the first species s 1 and a second species s 2 concentration, based on the relationship between the residual obtained by regression analysis of the second wavelength.

上述の関係を使用すると、既知の濃度における試料の吸光度を測定することによってある波長について吸収係数を求めることができる。次いで、このような吸収係数を使用して試料中の種s及びsの未知の濃度を測定する/求めることができる。たとえば、2つの波長において試料の吸光度(たとえば、測定スペクトル)を測定し、それぞれの波数の吸光度の値を得てもよい。吸光係数は既知であるので、吸光度値と一緒に使用して種の濃度を算出してもよい。 Using the above relationship, the absorption coefficient can be determined for a certain wavelength by measuring the absorbance of the sample at a known concentration. Such absorption coefficients can then be used to measure / determine the unknown concentration of species s 1 and s 2 in the sample. For example, the absorbance (for example, measurement spectrum) of the sample may be measured at two wavelengths, and the absorbance value of each wave number may be obtained. Since the extinction coefficient is known, it may be used together with the absorbance value to calculate the concentration of the species.

上述のように、バイオガスは2つよりも多くの成分/種を含んでもよい。そのような場合、吸光度、吸収係数、及び濃度の値は以下の行列を使用してモデル化されてもよい。   As mentioned above, the biogas may contain more than two components / species. In such cases, absorbance, absorption coefficient, and concentration values may be modeled using the following matrix.

上式において、「A行列」はスペクトル吸光度の行列であり、「K行列」は吸光係数を表す行列であり、「C行列」は濃度を表す行列である。試料(スペクトル)の数は「n」によって表され、較正に使用される波長の数は「p」によって表され、種/成分の数は「m」によって表される。数式6は簡略化され試料中の種の濃度を算出するのに使用されてもよい。   In the above equation, “A matrix” is a matrix of spectral absorbance, “K matrix” is a matrix representing an extinction coefficient, and “C matrix” is a matrix representing a concentration. The number of samples (spectra) is represented by “n”, the number of wavelengths used for calibration is represented by “p”, and the number of species / components is represented by “m”. Equation 6 may be simplified and used to calculate the concentration of the species in the sample.

C=A・K−1 数式3
上式において、K−1はK行列の逆数である。数式2のK行列は、個々の種の濃度が既知である試料の吸光度を測定し、以下の数式を使用することによって解かれてもよい。
C = A · K− 1 Formula 3
In the above equation, K −1 is the inverse of the K matrix. The K matrix of Equation 2 may be solved by measuring the absorbance of a sample with known concentration of each species and using the following equation:

K=A・C−1 数式4
個々の種(たとえば、たとえばバイオガス中に存在するシロキサン化合物、炭化水素化合物、水、又は二酸化炭素)の濃度が既知である場合、「C行列」は既知である。「A行列」は、たとえば、図1の検出システム(たとえば、FTIR分光計)を使用して得られるスペクトル測定値に基づいて作成されてもよい。したがって、A行列及び既知の濃度によるC行列の逆数を使用した場合、数式4を使用してK行列が求められる。
K = A · C −1 Formula 4
If the concentration of an individual species (eg, siloxane compound, hydrocarbon compound, water, or carbon dioxide present in biogas, for example) is known, the “C matrix” is known. The “A matrix” may be created based on spectral measurements obtained using, for example, the detection system of FIG. 1 (eg, FTIR spectrometer). Therefore, if the A matrix and the reciprocal of the C matrix with a known density are used, the K matrix is obtained using Equation 4.

K行列を数式4から算出した後、数式3を使用して試料中の濃度を算出する。(たとえば、既知の濃度を有する試料を使用して数式4から算出された)K行列の逆数を使用して、個々の種の濃度が未知である試料中の種(たとえば、バイオガス中のシロキサン)の濃度を算出する。検出システム(たとえば、図1のシステム)を使用して試料(たとえば、試料バイオガス)のスペクトル測定値を得てもよい。試料中の個々の種の吸光度のまとめたものを表すA行列は、スペクトル測定値に基づいて生成される。K行列の逆数及びA行列を数式3において使用して試料中の個々の種の濃度を算出する。   After calculating the K matrix from Equation 4, the concentration in the sample is calculated using Equation 3. Using the inverse of the K matrix (e.g., calculated from Equation 4 using a sample with a known concentration), the species in the sample where the concentration of the individual species is unknown (e.g., siloxane in biogas ) Is calculated. A detection system (eg, the system of FIG. 1) may be used to obtain a spectral measurement of a sample (eg, sample biogas). An A matrix that represents a summary of the absorbance of individual species in the sample is generated based on the spectral measurements. The inverse of the K matrix and the A matrix are used in Equation 3 to calculate the concentration of individual species in the sample.

図11は、920ppbのD4−シロキサン、400ppbのD5−シロキサン、65%のメタン、35%の二酸化炭素、1400ppmのエタン、340ppmのプロパン、及び65ppmのブタンを含む廃水消化ガス化合物のCLS(すなわち、クラシカル最小二乗)分析結果のグラフである。グラフは、吸光度の値(y軸)を波長(すなわち、波数)(x軸)の関数として示す。曲線300は測定スペクトルを表し、曲線305はメタンの個別の吸収スペクトルであり、曲線310は二酸化炭素の個別の吸収スペクトルであり、曲線315はエタンの個別の吸収スペクトルであり、曲線319はプロパンの個別の吸収スペクトルであり、曲線320はブタンの個別の吸収スペクトルであり、曲線325はD4−シロキサンの個別の吸収スペクトルであり、曲線330はD5−シロキサンの個別の吸収スペクトルである。残差値が比較的小さいため、モデル吸収スペクトルが測定スペクトル300と重なり合うので、組成スペクトル305、310、315、320、325、及び330の和を表すモデル吸収スペクトルは、図を明確にするために示されていない。   FIG. 11 shows a CLS of a wastewater digestion gas compound containing 920 ppb D4-siloxane, 400 ppb D5-siloxane, 65% methane, 35% carbon dioxide, 1400 ppm ethane, 340 ppm propane, and 65 ppm butane (ie, It is a graph of an analysis result of classical least squares. The graph shows absorbance values (y-axis) as a function of wavelength (ie, wavenumber) (x-axis). Curve 300 represents the measured spectrum, curve 305 is the individual absorption spectrum of methane, curve 310 is the individual absorption spectrum of carbon dioxide, curve 315 is the individual absorption spectrum of ethane, and curve 319 is the propane spectrum. Individual absorption spectra, curve 320 is the individual absorption spectrum of butane, curve 325 is the individual absorption spectrum of D4-siloxane, and curve 330 is the individual absorption spectrum of D5-siloxane. Since the model absorption spectrum overlaps with the measurement spectrum 300 because the residual value is relatively small, the model absorption spectrum representing the sum of the composition spectra 305, 310, 315, 320, 325, and 330 is used to clarify the figure. Not shown.

図11に示すスペクトルなどのデータを使用してシロキサン化合物(たとえば、D4−シロキサン及びD5−シロキサン)の濃度を算出してもよい。測定/観測スペクトル300を使用して数式7及び数式10のA行列の値を追加してもよい。既知の濃度についての個々の種の個々の吸収スペクトル305、310、315、320、325、及び330を使用して数式7及び数式10のK行列及び/又はP行列の値を追加してもよい。したがって、測定A行列ならびに計算K行列及び/又はP行列を使用して測定スペクトル中の個々の種の既知の濃度の値を求める。   You may calculate the density | concentration of a siloxane compound (for example, D4-siloxane and D5-siloxane) using data, such as a spectrum shown in FIG. Using the measured / observed spectrum 300, the values of the A matrix of Equation 7 and Equation 10 may be added. Individual absorption spectra 305, 310, 315, 320, 325, and 330 for individual species for known concentrations may be used to add values for K and / or P matrices of Equation 7 and Equation 10. . Therefore, the measured A matrix and the calculated K matrix and / or P matrix are used to determine the known concentration values of individual species in the measured spectrum.

別の実施形態では、ILSを使用して試料中の種の濃度を算出してもよい。CLSでは、吸光度は従属変数である。ILSでは、濃度が従属変数になる。たとえば、第1の種sの濃度は、(2つの波長数における第1の種s1の吸収率の関数である)線形逆係数と、第1の波長及び第2の波長における吸光度と、第1の種sの回帰分析から得られる残差との関係に基づく。これは、試料中にいくつかの種があるときには以下の行列に簡略化される。 In another embodiment, ILS may be used to calculate the concentration of the species in the sample. In CLS, absorbance is a dependent variable. In ILS, concentration becomes a dependent variable. For example, the concentration of the first species s 1 is the linear inverse coefficient (which is a function of the absorption rate of the first species s1 at two wavelengths), the absorbance at the first wavelength and the second wavelength, Based on the relationship with the residual obtained from the regression analysis of one species s1. This is simplified to the following matrix when there are several species in the sample.

C=P・A+E 数式5
数式5において、Cは濃度の行列であり、Pは線形逆係数であり、Aは吸光度の行列であり、Eは残差の行列である。CLSの場合と同様に、試料の既知の濃度を使用してP行列を求めてもよい。このシナリオでは、(たとえば、残差が零に十分に近くなったことを示すしきい値を設定することによって)残差が零に十分に近くなるまでILSモデルを再
計算することができ、かつ数式5を次式のように修正できるので、残差を零と仮定してもよい。
C = P · A + E C Formula 5
In Equation 5, C is a concentration matrix, P is a linear inverse coefficient, A is an absorbance matrix, and E is a residual matrix. As with CLS, the P matrix may be determined using a known concentration of the sample. In this scenario, the ILS model can be recalculated until the residual is close enough to zero (eg, by setting a threshold indicating that the residual is close enough to zero), and Since Equation 5 can be modified as follows, the residual may be assumed to be zero.

P=C・A−1 数式6
個々の種の既知の濃度を使用すると、C行列の値が得られる。A行列は、(たとえば、FTIR分光計などの図1の検出システムを使用して)既知の濃度を有する試料から得られたスペクトル測定値に基づいて作成される。したがって、P行列は、試料中の種の既知の濃度から測定されたスペクトルに基づいて数式6を使用して算出されてもよい。
P = C · A −1 Formula 6
Using the known concentrations of the individual species, the value of the C matrix is obtained. The A matrix is created based on spectral measurements obtained from a sample having a known concentration (eg, using the detection system of FIG. 1 such as an FTIR spectrometer). Thus, the P matrix may be calculated using Equation 6 based on a spectrum measured from known concentrations of species in the sample.

次いで、P行列を数式5に使用して試料中の種の未知の濃度について解いてもよい。具体的には、FTIRシステムなどの(たとえば、図1の)検出システムを使用して、個々の種の未知の濃度を有する試料からスペクトル測定値を得てもよい。スペクトル測定値を使用してA行列中の吸光度の値を追加してもよい。P行列は、既知の濃度に基づいて数式6を使用して算出され、P行列を数式5において使用してC行列を算出し、それによって試料中の個々の種の濃度の値を得てもよい。   The P matrix may then be used in Equation 5 to solve for the unknown concentration of species in the sample. In particular, a detection system (eg, of FIG. 1) such as an FTIR system may be used to obtain a spectral measurement from a sample having an unknown concentration of an individual species. Spectral measurements may be used to add absorbance values in the A matrix. The P matrix is calculated using Equation 6 based on the known concentrations, and the P matrix is used in Equation 5 to calculate the C matrix, thereby obtaining concentration values for individual species in the sample. Good.

上述のような例示的な技術のいずれかを組み込んだ上記の図1のシステムなどのシステムを使用して、バイオガス中のケイ素含有化合物(たとえば、シロキサン)を定量化し監視してもよい。このシステムは、たとえば、第1の放射ビームの光源(たとえば、図1の光源14)と、干渉計(たとえば、図1の干渉計18)と、試料セル(たとえば、図1のセル22)と、流れ機構(たとえば、図3の流れシステム82)と、冷却検出器(たとえば、図1の検出器30)と、プロセッサ(たとえば、図1のプロセッサ34)と、光源、干渉計、試料セル、冷却検出器、及びプロセッサが配設されたハウジング(たとえば、図1のハウジング42)とを含んでもよい。干渉計は、光源から第1の放射ビームを受け取り、干渉信号(たとえば、干渉計信号)からなる第2の放射ビーム(たとえば、試料セル内で合計で約48回反射され、約10.18メートルの有効光路長を生成する第2のビーム)を形成する。試料セルは干渉計と光学的に連絡する。流れ機構は、非吸光性ガス(たとえば、対象となる指定された波長範囲において赤外線を実質的に吸収しないガス)の流れ及び試料セル内のバイオガス(たとえば、試料セルに導入された加圧された(たとえば、3psig〜5psig)試料(たとえば、400mLのバイオガス)、バイオガスの対流時間は約5秒程度)の第2の流れを確立する。検出器(たとえば、冷却検出器)は、試料セルと光学的に連絡し、試料セル内の非吸光性ガス中を伝搬する第1の干渉信号及び試料セル内の試料ガス中を伝搬する第2の干渉信号を受け取り、試料ガスはバイオガスからなる。プロセッサは、検出器(たとえば、低温(たとえば、Stirling(商標)エンジン)冷却MCT(テルル化カドミウム水銀)検出器)と電気的に接続し、バイオガス中の少なくとも1つのシロキサン化合物の濃度を算出する。プロセッサは、ケモメトリック技術(たとえば、CLS技術及びILS技術など)を使用して第1の吸収スペクトル及び第2の吸収スペクトルに基づいてバイオガス中の少なくとも1つのシロキサン化合物の濃度を算出する。第1の吸収スペクトルは、検出器から得られる第1の干渉信号と第2の干渉信号の比に基づく。第2の吸収スペクトルは、少なくとも、少なくとも1つのシロキサン化合物の既知の濃度に関する個別の吸収スペクトルに基づく。   A system, such as the system of FIG. 1 above, incorporating any of the exemplary techniques as described above may be used to quantify and monitor silicon-containing compounds (eg, siloxanes) in biogas. The system includes, for example, a light source of a first radiation beam (eg, light source 14 of FIG. 1), an interferometer (eg, interferometer 18 of FIG. 1), and a sample cell (eg, cell 22 of FIG. 1). A flow mechanism (eg, flow system 82 of FIG. 3), a cooling detector (eg, detector 30 of FIG. 1), a processor (eg, processor 34 of FIG. 1), a light source, an interferometer, a sample cell, It may include a cooling detector and a housing (eg, housing 42 of FIG. 1) in which the processor is disposed. The interferometer receives a first beam of radiation from a light source and is reflected a second beam of radiation (eg, an interferometer signal) (eg, about 48 times total in the sample cell, about 10.18 meters). A second beam that produces an effective optical path length of The sample cell is in optical communication with the interferometer. The flow mechanism is a flow of non-absorbing gas (eg, a gas that does not substantially absorb infrared radiation in the specified wavelength range of interest) and a biogas (eg, pressurized gas introduced into the sample cell). A second flow of sample (eg, 3 psig to 5 psig) (eg, 400 mL biogas), biogas convection time is on the order of about 5 seconds). A detector (eg, a cooled detector) is in optical communication with the sample cell, and a first interference signal that propagates in the non-absorbing gas in the sample cell and a second that propagates in the sample gas in the sample cell. The sample gas is made of biogas. The processor is electrically connected to a detector (eg, a low temperature (eg, Stirling ™ engine) cooled MCT (cadmium mercury telluride) detector) to calculate the concentration of at least one siloxane compound in the biogas. . The processor calculates a concentration of at least one siloxane compound in the biogas based on the first absorption spectrum and the second absorption spectrum using chemometric techniques (eg, CLS technique and ILS technique). The first absorption spectrum is based on the ratio of the first interference signal and the second interference signal obtained from the detector. The second absorption spectrum is based at least on an individual absorption spectrum for a known concentration of at least one siloxane compound.

いくつかの実施形態では、試料セル(たとえば、上記に図2に関して説明した光学構成を有する図1のセル22)は、試料セルの第1の端部における凹状反射性視野鏡表面(たとえば、図2の視野鏡表面78)と、視野鏡表面と対向関係にある試料セルの第2の端部における実質的に球形の凹状反射性対物鏡表面(たとえば、図2の対物鏡表面74)とを含み、対物鏡表面は、視野鏡表面及び対物鏡表面の各々での複数の反射を介して試料セル内を伝搬する第2の放射ビームのスループットを最大にするように少なくとも1つの平面内の焦点の一致度を高める円筒形構成要素を有する。   In some embodiments, the sample cell (eg, cell 22 of FIG. 1 having the optical configuration described above with respect to FIG. 2) is a concave reflective field mirror surface (eg, FIG. 1) at the first end of the sample cell. Two field mirror surfaces 78) and a substantially spherical concave reflective objective mirror surface (eg, objective mirror surface 74 in FIG. 2) at the second end of the sample cell opposite the field mirror surface. And the objective surface includes a focus in at least one plane to maximize the throughput of the second radiation beam propagating through the sample cell via a plurality of reflections at each of the field mirror surface and the objective surface. It has a cylindrical component that increases the degree of coincidence.

1実施形態において、コンピュータ可読製品は、情報担体又は機械可読記憶デバイス上で有形に具現化され、バイオガス検出システム(たとえば、図1のシステム)のデジタル信号プロセッサ(たとえば、図1のプロセッサ34)上で動作可能である。コンピュータ可読製品は、デジタル信号プロセッサに試料採取セル(たとえば、図1のセル22)内の非吸光性ガスから得た(たとえば、図1の検出器30からの)第1のスペクトル測定値を受け取らせるように動作可能な命令を含み、非吸光性ガスは、対象となる指定された波長範囲において赤外線を実質的に吸収しない。コンピュータ製品は、デジタル信号プロセッサに、試料採取セル内のバイオガスからなる試料ガスから得た第2のスペクトル測定値を受け取らせ、第1のスペクトル測定値と第2のスペクトル測定値の比に基づいて第1の吸収スペクトル(たとえば、測定吸収スペクトル)を生成させてもよい。少なくとも、少なくとも1つのシロキサン化合物の既知の濃度に関する第1の個別の吸収スペクトルに基づいて第2の吸収スペクトル(たとえば、モデル吸収スペクトル)を生成/形成してもよい。コンピュータ製品は、プロセッサに上述のケモメトリック技法を使用して1つ又は複数のシロキサン化合物の濃度を算出させてもよい(たとえば、多重回帰分析を実行し、第2の吸収スペクトルを第1の吸収スペクトルに数学的に当てはめてバイオガス中の少なくとも1つのシロキサン化合物の濃度を算出する)。   In one embodiment, the computer readable product is tangibly embodied on an information carrier or machine readable storage device and is a digital signal processor (eg, processor 34 of FIG. 1) of a biogas detection system (eg, the system of FIG. 1). It can be operated on. The computer readable product receives a first spectral measurement (eg, from detector 30 of FIG. 1) obtained from a non-absorbing gas in a sampling cell (eg, cell 22 of FIG. 1) in a digital signal processor. The non-absorbing gas substantially does not absorb infrared radiation in the specified wavelength range of interest. The computer product causes a digital signal processor to receive a second spectral measurement obtained from a sample gas consisting of biogas in the sampling cell and based on a ratio of the first spectral measurement to the second spectral measurement. A first absorption spectrum (for example, a measured absorption spectrum) may be generated. A second absorption spectrum (eg, a model absorption spectrum) may be generated / formed based on at least a first individual absorption spectrum for a known concentration of at least one siloxane compound. The computer product may cause the processor to calculate the concentration of the one or more siloxane compounds using the chemometric techniques described above (eg, performing a multiple regression analysis and extracting the second absorption spectrum to the first absorption spectrum). Mathematically fit to the spectrum to calculate the concentration of at least one siloxane compound in the biogas).

上述のように、試料セル内のバイオガスのスペクトル測定値に基づく吸収スペクトル及びバイオガス中の個々の成分/種に関する個々のスペクトル(たとえば、たとえばシロキサン及びケイ素含有化合物、炭化水素化合物、水、又は二酸化炭素などのバイオガス中の種の個々のスペクトル)を使用して試料中の個々の種の濃度を算出してよい。図11に示すスペクトルなどの吸収スペクトルを使用して、(たとえば、使用される1つ又は複数の分析方法に応じた濃度範囲及び/又は様々なスペクトル混合物に基づく)個々の吸収スペクトルをまとめたものを表す較正された吸収スペクトル(たとえば、上記に図9に関して説明した第2の吸収スペクトル)に基づくモデルを生成してもよい。具体的には、未知のバイオガスのスペクトル測定値に基づく吸収スペクトルを使用して上述のようなA行列を生成し、たとえば、数式7及び数式11を使用してシロキサンの濃度を算出してもよい。種の既知の濃度による測定値に基づいて得られた個々のスペクトルを使用して個々の種を表すモデルスペクトルを生成してもよい。既知の濃度に関する個々のスペクトルを使用して、上記に数式8及び数式12において説明したようなP行列又はK行列を算出してもよい。このモデルは、たとえば、たとえば数式7及び数式11を使用してシロキサンの濃度を算出するのに使用できる(たとえば、種の既知の濃度を使用することによって求められる)P行列又はK行列を含んでもよい。図11は、本発明の例示的な実施形態による、バイオガス中のシロキサン化合物の濃度を定量化するのに使用できるデータのスペクトルを示す。試料中の各吸収種は、固有の吸収対周波数分布(すなわち、吸収スペクトル)を有する。ケモメトリック・アルゴリズム(たとえば、多重回帰分析)を使用すると、各成分を特徴付け定量化することができ、したがって、干渉性吸収体(たとえば、メタン又はエタンなどの炭化水素化合物)が存在する場合でもシロキサン化合物の個々の種を検出することができる。   As noted above, absorption spectra based on spectral measurements of the biogas in the sample cell and individual spectra for individual components / species in the biogas (eg, siloxane and silicon-containing compounds, hydrocarbon compounds, water, or The individual spectra of species in biogas such as carbon dioxide) may be used to calculate the concentration of individual species in the sample. A collection of individual absorption spectra (eg, based on concentration ranges and / or various spectral mixtures depending on the analytical method or methods used) using an absorption spectrum such as that shown in FIG. A model may be generated that is based on a calibrated absorption spectrum that represents (eg, the second absorption spectrum described above with respect to FIG. 9). Specifically, an A matrix as described above is generated using an absorption spectrum based on a spectrum measurement value of an unknown biogas, and the concentration of siloxane can be calculated using, for example, Equation 7 and Equation 11. Good. Individual spectra obtained based on measurements with known concentrations of species may be used to generate model spectra representing individual species. Individual spectra for known concentrations may be used to calculate P or K matrices as described above in Equations 8 and 12. This model may include, for example, a P matrix or K matrix (eg, determined by using known concentrations of species) that can be used to calculate the concentration of siloxane using, for example, Equation 7 and Equation 11. Good. FIG. 11 shows a spectrum of data that can be used to quantify the concentration of siloxane compounds in biogas, according to an illustrative embodiment of the invention. Each absorbing species in the sample has a unique absorption versus frequency distribution (ie, an absorption spectrum). Using chemometric algorithms (eg, multiple regression analysis), each component can be characterized and quantified, thus even in the presence of interfering absorbers (eg, hydrocarbon compounds such as methane or ethane). Individual species of siloxane compounds can be detected.

一般に、上記に図9に関して説明したバイオガス中のケイ素含有化合物を監視するための方法は、既知の濃度を有するすべての既知のケイ素含有化合物及び炭化水素化合物の個々の吸収スペクトルに基づいて第2の吸収スペクトルを生成することを含む(ステップ230)。したがって、第2の吸収スペクトルは、すべての考えられる環状シロキサン化合物及び線状シロキサン化合物ならびに所与の試料中に存在させることのできる(たとえば、種分化手法)TMSなどの他のケイ素含有化合物を表す。この種分化手法を使用して、たとえば、上記に数式2〜数式4に関して説明したCLS(クラシカル最小二乗)分析又は上記に数式5及び数式6に関して説明したILS(すなわち、逆最小二乗)分析を用いることによって試料中のケイ素含有化合物の各種(たとえば、シロキサン及び/又はTMS)の濃度を算出してよい(ステップ235)。   In general, the method for monitoring silicon-containing compounds in biogas described above with respect to FIG. 9 is based on a second absorption spectrum based on the individual absorption spectra of all known silicon-containing compounds and hydrocarbon compounds having known concentrations. Generating an absorption spectrum of (step 230). Thus, the second absorption spectrum represents all possible cyclic and linear siloxane compounds and other silicon-containing compounds such as TMS that can be present in a given sample (eg, speciation techniques). . Using this seeding technique, for example, the CLS (Classical Least Squares) analysis described above with respect to Equations 2 to 4 or the ILS (ie, inverse least squares) analysis described above with respect to Equations 5 and 6 is used. Thus, the concentration of various types of silicon-containing compounds (eg, siloxane and / or TMS) in the sample may be calculated (step 235).

種分化手法を使用することの1つの欠点は、試料中の低レベル濃度(たとえば、0.02ppm−v未満)のケイ素含有化合物を検出できないことである。たとえば、モデル化時に第1の吸収スペクトルにおいてすべての既知のシロキサン化合物を使用するが、少なくとも1つのシロキサンが実際の試料に存在しないか又は他の成分に類似している場合、相互相関作用によって、特に低濃度における試料中のシロキサンの様々な種の正確な測定が妨げられる可能性がある。種分化手法の別の欠点は、分析時の任意の時間に存在させることのできるすべての未知のケイ素含有化合物を第2の吸収スペクトルの一部として含める必要があることである。この結果生じる相互相関作用は、シロキサン、TMS、及びその他のケイ素含有化合物の濃度に寄与する各種の分析全体にノイズを注入させ、それによって、低ppbレベルにおいて化学的検出を行う能力を低下させる可能性がある。   One drawback of using speciation techniques is that low level concentrations (eg, less than 0.02 ppm-v) of silicon-containing compounds in the sample cannot be detected. For example, if all known siloxane compounds are used in the first absorption spectrum when modeling, but at least one siloxane is not present in the actual sample or is similar to other components, In particular, accurate measurement of various species of siloxanes in samples at low concentrations can be hindered. Another disadvantage of the speciation technique is that all unknown silicon-containing compounds that can be present at any time during the analysis need to be included as part of the second absorption spectrum. The resulting cross-correlation can inject noise throughout the various analyzes that contribute to the concentration of siloxanes, TMS, and other silicon-containing compounds, thereby reducing the ability to perform chemical detection at low ppb levels. There is sex.

これらの欠点を考慮して、バイオガス試料(埋立地ガス又は消化ガス)中のケイ素含有化合物を検出/監視するための別の方法を提供する。この方法では、試料中に存在する各ケイ素含有化合物の濃度を算出する代わりに、1つ又は複数の総濃度値を算出する。総濃度値は、たとえば、試料中のシロキサンの総濃度の単一の値、試料中の他のケイ素含有種の総濃度の単一の値、及び/又はすべてのケイ素含有種の総濃度の単一の値を含んでもよい。単一の値は、種分化手法とは異なり、対象となるバイオガスに一般に存在するケイ素含有化合物及び/又は炭化水素化合物のすべてを使用するのではなく、これらの既知の化合物の部分集合に対応する1つ又は複数の吸収スペクトルに基づいて求められてもよい。具体的には、この方法では、すべてのケイ素含有化合物及び/又は炭化水素化合物の既知の濃度を使用して、たとえば、種分化方法に使用されるようなCLSに基づいてバイオガス試料を当てはめるのではなく、既知のケイ素含有化合物及び/又は炭化水素化合物の選択された部分集合のみを使用してフィッティング分析を行う。   In view of these shortcomings, another method for detecting / monitoring silicon-containing compounds in biogas samples (landfill gas or digestion gas) is provided. In this method, instead of calculating the concentration of each silicon-containing compound present in the sample, one or more total concentration values are calculated. The total concentration value may be, for example, a single value for the total concentration of siloxanes in the sample, a single value for the total concentration of other silicon-containing species in the sample, and / or a single value for the total concentration of all silicon-containing species. One value may be included. A single value, unlike the speciation method, corresponds to a subset of these known compounds rather than using all of the silicon-containing and / or hydrocarbon compounds that are commonly present in the biogas of interest. May be determined based on one or more absorption spectra. Specifically, the method uses known concentrations of all silicon-containing compounds and / or hydrocarbon compounds to fit a biogas sample based on, for example, CLS as used in speciation methods. Rather, the fitting analysis is performed using only a selected subset of known silicon-containing compounds and / or hydrocarbon compounds.

図12は、バイオガス試料中のケイ素含有化合物を監視するための他の例示的な方法を示すフローチャート300を示す。この方法は、試料セル(たとえば、図1及び図3の試料セル22)に非吸光性ガス(たとえば、窒素又はヘリウム)を供給するステップを含む(ステップ305)。非吸光性ガスは、対象となる指定された波長範囲において赤外線を実質的に吸収しないガスである。この方法は、試料セルから第1のスペクトル測定値を取り出す(たとえば、バックグラウンド機器応答)ステップ(ステップ310)も含む。試料セルにバイオガスを供給する(ステップ315)。バイオガスは、濃度が未知である(たとえば、L2−シロキサン、L3−シロキサン、L4−シロキサン、L5−シロキサン、D3−シロキサン、D4−シロキサン、D5−シロキサン、又はD6−シロキサンからなる群から得られる)少なくとも1つのシロキサン化合物などの少なくとも1つのケイ素含有化合物を含む。この方法は、試料セルから第2のスペクトル測定値を得ることも含む(ステップ320)。第1の吸収スペクトルは、非吸光性ガスから得られる第1のスペクトル測定値と第2のスペクトル測定値(たとえば、試料セルに供給されるバイオガスからなる試料ガスから得られる測定値)との比に基づいて生成される(ステップ325)。いくつかの実施形態では、図12のフローチャート300のステップ305,310,315,320,325はそれぞれ、図9のフローチャート200のステップ205,210,215,220,225と実質的に同じである。   FIG. 12 shows a flowchart 300 illustrating another exemplary method for monitoring silicon-containing compounds in a biogas sample. The method includes supplying a non-absorbing gas (eg, nitrogen or helium) to a sample cell (eg, sample cell 22 of FIGS. 1 and 3) (step 305). A non-light-absorbing gas is a gas that does not substantially absorb infrared radiation in the specified wavelength range of interest. The method also includes retrieving a first spectral measurement from the sample cell (eg, background instrument response) (step 310). Biogas is supplied to the sample cell (step 315). The biogas has an unknown concentration (eg, obtained from the group consisting of L2-siloxane, L3-siloxane, L4-siloxane, L5-siloxane, D3-siloxane, D4-siloxane, D5-siloxane, or D6-siloxane). ) At least one silicon-containing compound such as at least one siloxane compound; The method also includes obtaining a second spectral measurement from the sample cell (step 320). The first absorption spectrum includes a first spectrum measurement value obtained from a non-light-absorbing gas and a second spectrum measurement value (for example, a measurement value obtained from a sample gas composed of biogas supplied to a sample cell). Generated based on the ratio (step 325). In some embodiments, steps 305, 310, 315, 320, and 325 of flowchart 300 of FIG. 12 are substantially the same as steps 205, 210, 215, 220, and 225 of flowchart 200 of FIG. 9, respectively.

引き続き図12を参照すると、吸収スペクトルのサロゲート集合を判定する(ステップ330)。サロゲート集合中の各吸収スペクトルは既知のケイ素含有化合物の個別の吸収スペクトルに基づくが、上記に図9に関して説明した種分化手法とは異なり、すべての既知のケイ素含有化合物がこのサロゲートに含まれこの方法で使用されるとは限らない。ここでは、吸収スペクトルのサロゲート集合を生成するためのサロゲート手法を使用する。サロゲート手法では、モデル化段階で使用すべき既知のケイ素含有化合物(たとえば、シロキサン化合物)の部分集合のみを選択することを含む。この部分集合は、たとえば、D
3−シロキサン、D4−シロキサン、D5−シロキサン、D6−シロキサン、L2−シロキサン、L3−シロキサン、L4−シロキサン、L5−シロキサン、及びトリメチルシラノール(TMS)を含むより大きい集合から選択されてもよい。既知のケイ素含有化合物のより大きいグループから選択されるケイ素含有化合物の部分集合に関する吸収スペクトルを以下、サロゲート集合と呼ぶ。いくつかの実施形態では、すべての既知のケイ素含有化合物から3つから5つのシロキサン化合物のみをサロゲート集合に含めるシロキサン化合物として選択する。サロゲート集合に含まれるシロキサン化合物は1つだけであってもよい。いくつかの実施形態では、サロゲート集合は、たとえば、メタン、エタン、ブタン、プロパンを含む既知の炭化水素化合物のより大きい集合のうちの部分集合からなる。別の例では、既知の炭化水素のより大きい集合はメタン、トルエン、エタノール、及びメタノールを含んでもよい。いくつかの実施形態では、サロゲート集合は既知のシロキサン化合物及び/又は炭化水素化合物の部分集合からなる。いくつかの実施形態では、サロゲート集合は、既知のシロキサン化合物、既知の炭化水素化合物、及び/又はTMSの部分集合からなる。一般に、モデルにおいて使用される吸収スペクトルのサロゲート集合は、既知のケイ素含有化合物(シロキサン及びTMSを含む)及び/又は炭化水素化合物の部分集合の各化合物の個別の吸収スペクトルに基づく。
Still referring to FIG. 12, a surrogate set of absorption spectra is determined (step 330). Each absorption spectrum in the surrogate assembly is based on the individual absorption spectra of known silicon-containing compounds, but unlike the speciation method described above with respect to FIG. 9, all known silicon-containing compounds are included in this surrogate. It is not always used in the method. Here, a surrogate method for generating a surrogate set of absorption spectra is used. The surrogate approach involves selecting only a subset of known silicon-containing compounds (eg, siloxane compounds) to be used in the modeling phase. This subset is, for example, D
It may be selected from a larger collection including 3-siloxane, D4-siloxane, D5-siloxane, D6-siloxane, L2-siloxane, L3-siloxane, L4-siloxane, L5-siloxane, and trimethylsilanol (TMS). The absorption spectrum for a subset of silicon-containing compounds selected from a larger group of known silicon-containing compounds is hereinafter referred to as a surrogate set. In some embodiments, only 3 to 5 siloxane compounds from all known silicon-containing compounds are selected as siloxane compounds to be included in the surrogate assembly. Only one siloxane compound may be included in the surrogate assembly. In some embodiments, the surrogate set consists of a subset of a larger set of known hydrocarbon compounds including, for example, methane, ethane, butane, propane. In another example, a larger collection of known hydrocarbons may include methane, toluene, ethanol, and methanol. In some embodiments, the surrogate set consists of a subset of known siloxane compounds and / or hydrocarbon compounds. In some embodiments, the surrogate set consists of a subset of known siloxane compounds, known hydrocarbon compounds, and / or TMS. In general, the surrogate set of absorption spectra used in the model is based on the individual absorption spectra of each compound in a subset of known silicon-containing compounds (including siloxanes and TMS) and / or hydrocarbon compounds.

サロゲート集合に含めるケイ素含有化合物及び/又は炭化水素化合物としてどのケイ素含有化合物及び/又は炭化水素化合物を選択するかは試料の種類に依存し得る。たとえば、埋立地バイオガスの場合、サロゲート集合は、a)L2−シロキサン、L3−シロキサン、及びD4−シロキサン、b)L2−シロキサン、D3−シロキサン、及びD4−シロキサン、又はc)L2−シロキサン、D3−シロキサン、及びD5−シロキサンを含んでもよい。いくつかの実施形態では、埋立地の埋立年数に応じて、サロゲート集合にTMSも追加する。消化バイオガスの場合、サロゲート集合には、a)D3−シロキサン、D5−シロキサン、及びL3−シロキサン、b)D4−シロキサン、D5−シロキサン、及びL3−シロキサン、又はc)D3−シロキサン、D5−シロキサン、及びL2−シロキサンを含んでもよい。   Which silicon-containing compound and / or hydrocarbon compound is selected as the silicon-containing compound and / or hydrocarbon compound to be included in the surrogate assembly may depend on the type of sample. For example, in the case of landfill biogas, surrogate aggregates are: a) L2-siloxane, L3-siloxane, and D4-siloxane, b) L2-siloxane, D3-siloxane, and D4-siloxane, or c) L2-siloxane, D3-siloxane and D5-siloxane may also be included. In some embodiments, TMS is also added to the surrogate set depending on the landfill years. In the case of digestive biogas, surrogate assemblies include a) D3-siloxane, D5-siloxane, and L3-siloxane, b) D4-siloxane, D5-siloxane, and L3-siloxane, or c) D3-siloxane, D5- Siloxane and L2-siloxane may also be included.

シロキサン化合物と同様に、サロゲート集合中の1つ又は複数の炭化水素化合物をバイオガス試料の種類に基づいて選択してもよい。たとえば、選択される炭化水素化合物は、どの炭化水素化合物がバイオガス中に存在する可能性が高いかに応じて決まり得る。埋立地バイオガスの場合、サロゲート集合中の炭化水素化合物には、限定はしないが、炭化水素化合物の約10ppmから最大で約1%レベル(場合によってはそれよりも高いレベル)のエタノール、メタノール、トルエン、及び/もしくはfreon(商標)、最大で95%のメタン、ならびに/又は約5%から最大で約50%のCOを含めてもよい。消化ガスの場合、サロゲート集合中の炭化水素化合物には、限定はしないが、炭化水素化合物の約100ppmから最大で約1%レベル(場合によってはそれよりも高いレベル)のエタン、プロパン、及び/もしくはブタン、ならびに/又は約10%から最大で約50%のCOを含めてもよい。 Similar to the siloxane compound, one or more hydrocarbon compounds in the surrogate assembly may be selected based on the type of biogas sample. For example, the hydrocarbon compound selected can depend on which hydrocarbon compound is likely to be present in the biogas. In the case of landfill biogas, the hydrocarbon compounds in the surrogate assembly include, but are not limited to, about 10 ppm up to about 1% level (and possibly higher levels) of ethanol, methanol, Toluene and / or freon ™, up to 95% methane, and / or from about 5% up to about 50% CO 2 may be included. In the case of digestion gas, the hydrocarbon compounds in the surrogate assembly include, but are not limited to, ethane, propane, and / or about 100 ppm up to about 1% level (and possibly higher levels) of hydrocarbon compounds. Alternatively, butane and / or about 10% up to about 50% CO 2 may be included.

特定の試料のサロゲート集合に含めるケイ素含有化合物及び/又は炭化水素化合物としてどのケイ素含有化合物及び/又は炭化水素化合物を選択するかは、実験によって、たとえば、選択されるサロゲート化合物のスペクトルピークがバイオガス試料中の化合物のスペクトルピークのうちの1つ又は複数と一致するかどうかに基づいて判定されてもよい。たとえば、化合物のサロゲート集合はGC/MSを使用してガス成分を検査することによって求められてもよい。バイオガス試料がすでに加圧されている場合、ポンプは不要になる。1実施形態では、FTIR分光計は、スキャンレート10秒〜20秒、スキャン回数平均値36回〜72回で動作する。これによって検出限界を非常に低くすることができる。バイオガス試料は、加熱されずにFTIR分光計のガスセルに入力されてもよい。ガスセルはたとえば40℃で加熱されてもよい。スペクトルは35℃から40℃で測定されて
もよい。試料におけるスペクトルは、検出限界をより低くするように約10.18mのガスセル光路長を使用して約4cm−1の分解能で収集されてもよい。FTIR分光計上にメタンを流してもよく、バイオガスにおける観測メタンスペクトルを40%から最高で100%に及ぶ各システムの較正に使用してもよい。これによって良好なスペクトル減算結果を得ることができる。たとえば、高いメタンレベルが存在する場合でも、シロキサン濃度及び/又は総ケイ素濃度の検出限界を低くして非常に少ない残差及び小さいスペクトル細部を推定することができる。
Which silicon-containing compound and / or hydrocarbon compound is selected as the silicon-containing compound and / or hydrocarbon compound to be included in the surrogate assembly of a specific sample is determined by experiment, for example, the spectral peak of the selected surrogate compound is a biogas. It may be determined based on whether it matches one or more of the spectral peaks of the compound in the sample. For example, the surrogate set of compounds may be determined by examining gas components using GC / MS. If the biogas sample is already pressurized, the pump is not necessary. In one embodiment, the FTIR spectrometer operates at a scan rate of 10 to 20 seconds and an average scan count of 36 to 72 times. This can make the detection limit very low. The biogas sample may be input to the gas cell of the FTIR spectrometer without being heated. The gas cell may be heated at 40 ° C., for example. The spectrum may be measured from 35 ° C to 40 ° C. The spectrum in the sample may be collected with a resolution of about 4 cm −1 using a gas cell path length of about 10.18 m to lower the detection limit. Methane may be flowed through the FTIR spectrometer and the observed methane spectrum in biogas may be used to calibrate each system ranging from 40% up to 100%. Thereby, a good spectral subtraction result can be obtained. For example, even in the presence of high methane levels, the detection limit of siloxane concentration and / or total silicon concentration can be lowered to estimate very little residual and small spectral details.

いくつかの実施形態では、サロゲート集合に含められるケイ素含有化合物又は炭化水素化合物として選択されるケイ素含有化合物又は炭化水素化合物はバイオガス試料に存在する可能性が高いが、このことは必要とされない。すなわち、サロゲート集合内のケイ素含有化合物又は炭化水素化合物が試料に存在する必要はない。いくつかの実施形態では、サロゲート集合のライブラリが維持され、各サロゲート集合を特定の種類のバイオガス試料に使用してもよい。たとえば、L2−シロキサン、D3−シロキサン、及びD4−シロキサンを含むサロゲート集合を使用して、バイオガスをいつ/どこで収集するかにかかわらず任意の埋立地バイオガスをモデル化してもよい。   In some embodiments, the silicon-containing compound or hydrocarbon compound selected as the silicon-containing compound or hydrocarbon compound to be included in the surrogate assembly is likely to be present in the biogas sample, but this is not required. That is, the silicon-containing compound or hydrocarbon compound in the surrogate assembly need not be present in the sample. In some embodiments, a library of surrogate sets may be maintained, and each surrogate set may be used for a particular type of biogas sample. For example, a surrogate set comprising L2-siloxane, D3-siloxane, and D4-siloxane may be used to model any landfill biogas regardless of when / where the biogas is collected.

第1の吸収スペクトルを求め(ステップ325)、吸収スペクトルのサロゲート集合を求め(ステップ330)、第1の吸収スペクトル及び吸収スペクトルのサロゲート集合を使用することによってバイオガスのすべてのシロキサン化合物の総濃度を算出する(ステップ335)。すべてのケイ素含有化合物の総濃度を算出してもよい。CLS、PLS、ILS、PCA、及び/又は直接的なスペクトル比較を行うその他の方法を使用すると、干渉物質/ガスがモデル化方法を介して除去された後で(たとえば、メタン、CO2、特定の干渉性炭化水素などを除去する)試料中のすべてのシロキサン種及び/又はケイ素含有種の総濃度を表す単一の数を求めることができる。総濃度は、吸収スペクトルのサロゲート集合が第1の吸収スペクトルと比較され、フィッティング・ルーチンから求められたスペクトル特徴の差が最小限度に抑えられるように求められてもよい。いくつかの実施形態では、基準線値又はオフセット値の少なくとも一方がフィッティング・ルーチンにおけるフィッティング・パラメータとしても使用される。一例として、上記に数式2〜数式4を参照して説明したCLS分析において、サロゲート集合において使用される化合物の数がより少ないことを考慮して、サロゲート手法では、種分化手法と比較してA行列、K行列、及びC行列の寸法を小さくする。いくつかの実施形態では、バイオガス試料中のシロキサンの総濃度を算出するために、C行列内の各サロゲートシロキサンの得られるそれぞれの濃度値のすべてを合計して総シロキサン値を生成する。この総シロキサン値はppm又はmg/m3として表してもよい。いくつかの実施形態では、バイオガス試料中のケイ素含有化合物の総濃度を表す総ケイ素値を算出してもよい。この値は、まずサロゲートがケイ素分子を含む場合に各サロゲート濃度をその特定の成分に存在するケイ素の量だけ補正することによって求められてもよい。次いで、C行列内のTMSサロゲート、他のケイ素含有サロゲート、及びシロキサンサロゲートの各濃度を合計して総ケイ素値を生成する。いくつかの実施形態では、濃度をケイ素含有成分として個別に合計し、総ケイ素値を生成し、シロキサン含有成分として総シロキサン値を生成してもよい。一般に、当業者は、上記に種分化手法を参照して説明した分析技法(たとえば、CLS、PLS、ILS、又はPCA)に基づくサロゲート手法を使用して試料中のシロキサン化合物の総濃度及び/又はケイ素含有化合物の総濃度をどのように算出したらよいかを容易に判定することができる。   The first absorption spectrum is determined (step 325), the surrogate set of the absorption spectrum is determined (step 330), and the total concentration of all siloxane compounds in the biogas by using the first absorption spectrum and the surrogate set of the absorption spectrum Is calculated (step 335). The total concentration of all silicon-containing compounds may be calculated. Using CLS, PLS, ILS, PCA, and / or other methods that perform direct spectral comparisons, after interfering substances / gases have been removed via modeling methods (eg, methane, CO2, specific A single number representing the total concentration of all siloxane species and / or silicon-containing species in the sample (which removes interfering hydrocarbons, etc.) can be determined. The total concentration may be determined such that the surrogate set of the absorption spectrum is compared with the first absorption spectrum, and the spectral feature difference determined from the fitting routine is minimized. In some embodiments, at least one of a baseline value or an offset value is also used as a fitting parameter in the fitting routine. As an example, in the CLS analysis described above with reference to Equations 2 to 4, in consideration of the fact that the number of compounds used in the surrogate set is smaller, the surrogate method uses A as compared to the speciation method. Reduce the size of the matrix, K matrix, and C matrix. In some embodiments, all of the resulting respective concentration values for each surrogate siloxane in the C matrix are summed to calculate the total siloxane value to calculate the total concentration of siloxane in the biogas sample. This total siloxane value may be expressed as ppm or mg / m 3. In some embodiments, a total silicon value may be calculated that represents the total concentration of silicon-containing compounds in the biogas sample. This value may be determined by first correcting each surrogate concentration by the amount of silicon present in that particular component when the surrogate contains silicon molecules. The TMS surrogate, other silicon-containing surrogate, and siloxane surrogate concentrations in the C matrix are then summed to produce the total silicon value. In some embodiments, the concentrations may be summed individually as a silicon-containing component to produce a total silicon value and a total siloxane value as a siloxane-containing component. In general, one of ordinary skill in the art will use a surrogate approach based on the analytical technique (eg, CLS, PLS, ILS, or PCA) described above with reference to the speciation technique and / or the total concentration of siloxane compounds in the sample and / or It can be easily determined how to calculate the total concentration of the silicon-containing compound.

方法300は、値を特定の係数によってスケーリングすることなど、ステップ335において求められた総シロキサン値及び/又は総ケイ素値に補正係数を適用する任意のステップ(ステップ340)を含んでもよい。補正係数は、分析されるバイオガスの種類、サロゲート集合において使用されるシロキサン化合物、サロゲート集合において使用される
炭化水素化合物、又はそれらの任意の組合せに基づいて決定されてもよい。たとえば、補正係数は、既知の濃度のシロキサン化合物を含むバイオガスを同じバイオガスについてステップ335において求められたシロキサン濃度と有すると比較することによって算出されてもよい。比較に基づいて、補正係数が必要であるかどうかを判定し、必要である場合、補正係数がどのようであるべきかを判定してもよい。いくつかの実施形態では、埋立地ガスなどのある種のバイオガスについて補正係数が求められた後、同じ補正係数を他の埋立地ガスの分析に使用してもよい。いくつかの実施形態では、様々なサロゲート集合にそれぞれに異なる補正係数が使用される。いくつかの実施形態では、補正係数は、たとえば、現地試験の結果としてバイオガス試料ごとに修正を施される。
Method 300 may include an optional step (step 340) of applying a correction factor to the total siloxane value and / or total silicon value determined in step 335, such as scaling the value by a particular factor. The correction factor may be determined based on the type of biogas being analyzed, the siloxane compound used in the surrogate assembly, the hydrocarbon compound used in the surrogate assembly, or any combination thereof. For example, the correction factor may be calculated by comparing a biogas containing a known concentration of a siloxane compound with the siloxane concentration determined in step 335 for the same biogas. Based on the comparison, it may be determined whether a correction factor is necessary, and if so, it may be determined what the correction factor should be. In some embodiments, after correction factors are determined for certain biogases such as landfill gases, the same correction factors may be used for analysis of other landfill gases. In some embodiments, different correction factors are used for different surrogate sets. In some embodiments, the correction factor is modified for each biogas sample, for example, as a result of a field test.

希釈試験によって、サロゲート手法は種分化手法と比較してうまく働くことが分かっている。しかし、サロゲート手法に関連する多数の利点がある。1つの利点は、サロゲート手法では、方法を変更又は修正する必要なしに様々な埋立地において現地工程監視が可能になることである。別の利点は、試料が(たとえば、試料を可搬容器内に捕捉するか又はガス流をアルコール溶液中にインピンジさせることによって)処理されることがなく、したがって、試料が処理される場合と比べて、試料中のシロキサン化合物をより正確に定量化することが可能になる。サロゲート手法のもう1つの利点は、バイオガス流から試料を得るうえでキャニスタ及び/又は試料バッグが必要とされないことである。たとえば、シロキサンを吸収しない試料配管を介してバイオガス流と直接接続してもよい。バイオガスは試料配管を介して直接FTIR分析器に移送されてもよい。   Dilution tests have shown that the surrogate technique works better than the speciation technique. However, there are a number of advantages associated with the surrogate approach. One advantage is that the surrogate approach allows on-site process monitoring at various landfills without the need to change or modify the method. Another advantage is that the sample is not processed (eg, by capturing the sample in a portable container or impinging the gas stream into the alcohol solution), and thus compared to when the sample is processed. Thus, the siloxane compound in the sample can be quantified more accurately. Another advantage of the surrogate approach is that no canister and / or sample bag is required to obtain a sample from the biogas stream. For example, it may be connected directly to the biogas stream through a sample pipe that does not absorb siloxane. The biogas may be transferred directly to the FTIR analyzer via the sample piping.

さらに、サロゲート手法は、総シロキサン値を600ppbから60ppbに低下させるなど、図9の種分化手法と比較してバイオガス中のシロキサン化合物及び/又はケイ素含有化合物の全体的な検出限界を少なくとも10倍だけ低下させることができる。いくつかの実施形態では、たとえば、FTIR分析を使用して1桁の検出限界を実現することができる。当業者には、FTIR分析がFellgett及びJacquinotの利得(たとえば、スペクトルスループット及び感度が自然に向上する)を含むことが明らかである。そのようなFellgett及びJacquinotの利得と、低温冷却された高感度検出器を使用することが相まって、質の高い検出を行うことができる。   In addition, the surrogate technique reduces the total siloxane value from 600 ppb to 60 ppb, such as reducing the overall detection limit of siloxane compounds and / or silicon-containing compounds in biogas compared to the speciation technique of FIG. Can only be lowered. In some embodiments, for example, FTIR analysis can be used to achieve a single digit detection limit. It will be apparent to those skilled in the art that FTIR analysis includes Fellgett and Jacquinot gains (eg, spectral throughput and sensitivity are naturally improved). Combined with the gain of such Fellgett and Jacquinot and the use of a high-sensitivity detector cooled at low temperature, high-quality detection can be performed.

いくつかの実施形態では、サロゲート手法を使用して、ろ過システムの後で生成される埋立地ガス又は消化ガスに存在するシロキサンレベル及び/又は総ケイ素レベルを監視してもよい。ガス流を使用して、タービン、ボイラ、自動車、及び/又は家庭電化製品を駆動してもよく、これらの機器はすべて、シロキサン含有量及び/又はケイ素含有量の監視及び調節を行わなかった場合に損傷する恐れがある。シロキサンレベル及び/又はケイ素レベルは、ガスが圧縮天然ガス配管用の国内輸送パイプラインに進入できるようになる前に分析することが必要になることがある。いくつかの実施形態では、サロゲート手法は、どちらもマサチューセッツ州アンドーバー(Andover)のエムケイエスインストルメンツインコーポレイティッド社(MKS Instruments,Inc.)から市販されているAIRGARD(商標)システム又はMultiGas2030(商標)ファミリ上に実装されてもよい。   In some embodiments, a surrogate approach may be used to monitor siloxane levels and / or total silicon levels present in landfill gas or digestion gas produced after the filtration system. The gas stream may be used to drive turbines, boilers, automobiles, and / or home appliances, all of which have not been monitored and adjusted for siloxane content and / or silicon content There is a risk of damage. Siloxane levels and / or silicon levels may need to be analyzed before the gas can enter the domestic transportation pipeline for compressed natural gas piping. In some embodiments, the surrogate approach is either the AIRGARD ™ system or the MultiGas 2030 (Mus Instruments, Inc.), both commercially available from MKS Instruments, Inc., Andover, Massachusetts. (Trademark) family.

図13は、ブレンディングにも使用されたメタン以外のL2−シロキサン、L3−シロキサン、L4−シロキサン、D3−シロキサン、D4−シロキサン、D4−シロキサン、及びD5−シロキサンからなる540ppbの混合物を含むシミュレートされた埋立地ガス試料についての経時的なppm単位の総シロキサン濃度の結果を示す。シロキサン濃度は、図9に示すような種分化方法、又は図12に示すような、補正係数を用いることも用いないこともあるサロゲート手法に関連して、CLS分析手法を使用して求められてもよい。マサチューセッツ州アンドーバー(Andover)のエムケイエスインストルメンツインコーポレイティッド社(MKS Instruments,Inc.)から市販さ
れているMKS MG2030(商標)FTIR分光計を使用して測定値を得てもよい。分光計は、40℃に加熱される5.11mのガスセルを有し、20秒のデータが100秒まで平均化される。図13は、第2の吸収スペクトルの集合が既知のシロキサン化合物及び/又は炭化水素化合物のすべてを含む、種分化手法を使用して求められた総シロキサングラフ1310、2)吸収スペクトルのサロゲート集合が既知のシロキサン化合物及び/又は炭化水素化合物の部分集合のみを含む、補正係数を使用しないサロゲート手法を使用して求められた総シロキサングラフ1320と、3)グラフ1320と同じサロゲート手法を使用して求められたが、補正係数が適用された総シロキサングラフ1330を示す。この合成バイオガス試料では、予想される総シロキサンピーク量は3.24ppm−vになるはずである(すなわち、合成ガス試料中の6つのシロキサンについて540ppbの6倍)。シロキサングラフ1310は、種分化手法によって生成され、3.11ppm−vにおいて非希釈シリンダ値の最大濃度を有する。この場合、予想量(3.24ppm−v)を約4%逸脱するが、これは許容誤差範囲内である。図示のように、補正係数を使用するサロゲート手法によって生成された総シロキサングラフ1330は、種分化によって得られたシロキサングラフ1310と同程度に正確である。この特定の例では、サロゲート方法は、総シロキサン濃度を50ppb−vを中心として分割することから開始してもよい。
FIG. 13 shows a simulation involving a 540 ppb mixture of L2-siloxane, L3-siloxane, L4-siloxane, D3-siloxane, D4-siloxane, D4-siloxane, and D5-siloxane other than methane that was also used for blending. Figure 3 shows the results for total siloxane concentration in ppm over time for a given landfill gas sample. The siloxane concentration is determined using the CLS analysis method in connection with the speciation method as shown in FIG. 9 or the surrogate method as shown in FIG. 12, which may or may not use correction factors. Also good. Measurements may be obtained using a MKS MG2030 ™ FTIR spectrometer commercially available from MKS Instruments, Inc. of Andover, Massachusetts. The spectrometer has a 5.11 m gas cell heated to 40 ° C. and 20 seconds of data is averaged up to 100 seconds. FIG. 13 shows a total siloxane graph 1310 determined using a speciation technique, where the second set of absorption spectra includes all known siloxane compounds and / or hydrocarbon compounds, and 2) the surrogate set of absorption spectra A total siloxane graph 1320 determined using a surrogate method that does not use a correction factor and includes only a subset of known siloxane compounds and / or hydrocarbon compounds, and 3) determined using the same surrogate method as graph 1320. And shows the total siloxane graph 1330 with the correction factor applied. For this synthesis biogas sample, the expected total siloxane peak amount should be 3.24 ppm-v (ie, 6 times 540 ppb for 6 siloxanes in the synthesis gas sample). Siloxane graph 1310 is generated by a speciation technique and has a maximum concentration of undiluted cylinder values at 3.11 ppm-v. In this case, the expected amount (3.24 ppm-v) deviates by about 4%, which is within an allowable error range. As shown, the total siloxane graph 1330 generated by the surrogate approach using the correction factor is as accurate as the siloxane graph 1310 obtained by speciation. In this particular example, the surrogate method may begin by dividing the total siloxane concentration around 50 ppb-v.

図14は、100%メタンを使用して希釈された消化ガス試料の経時的な総シロキサン濃度の結果を示す。消化ガス試料は、約60%のメタンならびにいくらかのエタン及びプロパンと40%の炭素中に、合計で200ppb−v未満でありD4−シロキサンとD5−シロキサンの近似比が75%対25%であるシロキサン化合物を含む。シロキサン濃度はCLS分析手法を使用して求められてもよい。測定値は、マサチューセッツ州アンドーバー(Andover)のエムケイエスインストルメンツインコーポレイティッド社(MKS Instruments,Inc.)から市販されているMKS AIRGARD(商標)システムを使用して得られてもよい。このシステムは、40℃に加熱される10.18mのガスセルを有し、20秒のデータが100秒まで平均化される。図14は、非希釈消化ガスにメタンを付加する際にCO2濃度及びその変化に追従し、消化試料中の非希釈シロキサン合計に基づく総シロキサン値の仮定される変化をプロットすることに基づく希釈係数を使用することによって生成された総シロキサングラフ1410、2)吸収スペクトルの第2の集合がすべての主シロキサン化合物(3つの環状シロキサン成分及び3つの線状シロキサン成分)及び炭化水素化合物の第1の部分集合を含む、種分化手法を使用して求められた総シロキサングラフ1420、3)吸収スペクトルの第2の集合がすべての主シロキサン化合物(3つの環状シロキサン成分及び3つの線状シロキサン成分)及び炭化水素化合物の第2の部分集合を含む、種分化手法を使用して求められた総シロキサングラフ1430、4)吸収スペクトルのサロゲート集合がシロキサン化合物の第1の部分集合及びグラフ1420において使用される炭化水素化合物の第1の部分集合を含む、サロゲート手法を使用して求められた総シロキサングラフ1440、ならびに5)吸収スペクトルのサロゲート集合がシロキサン化合物のサロゲート集合及びグラフ1430において使用される炭化水素化合物の第2の部分集合を含む、サロゲート手法を使用して求められた総シロキサングラフ1450を示す。図14に示すように、グラフ1440,1450は、各々がサロゲート手法を使用して求められ、基準グラフ1410に対する経時的なシロキサン濃度の変化を追跡する。しかし、グラフ1420,1430は、各々が種分化手法を使用して求められ、基準グラフ1410に対する消化ガス中の経時的なシロキサン濃度の変化を追跡する。グラフ1420,1430はまた、サロゲート炭化水素としてどの炭化水素を選択するかによって、グラフ1440,1450によって表される2つのサロゲート方法のいずれよりも大きな影響を受ける。したがって、図14は、特にシロキサン濃度が低ppb−vで変化するときにシロキサン化合物のサロゲート集合(すなわち、部分集合)を使用して総シロキサン濃度を求めると有利であることを示す。   FIG. 14 shows the results of total siloxane concentration over time for digestion gas samples diluted using 100% methane. The digestion gas sample is less than 200 ppb-v in approximately 60% methane and some ethane and propane and 40% carbon, and the approximate ratio of D4-siloxane to D5-siloxane is 75% to 25%. Contains siloxane compounds. Siloxane concentration may be determined using CLS analysis techniques. Measurements may be obtained using the MKS AIRGARD ™ system commercially available from MKS Instruments, Inc. of Andover, Massachusetts. The system has a 10.18 m gas cell heated to 40 ° C. and 20 seconds of data is averaged up to 100 seconds. FIG. 14 is a dilution factor based on plotting hypothesized changes in total siloxane values based on undiluted siloxane total in digested samples following CO2 concentration and its changes when adding methane to undiluted digestion gas. 2) the second set of absorption spectra is generated for all the main siloxane compounds (three cyclic siloxane components and three linear siloxane components) and the first of the hydrocarbon compounds. Total siloxane graph 1420 determined using a speciation technique, including subsets, 3) the second set of absorption spectra is all the main siloxane compounds (three cyclic siloxane components and three linear siloxane components) and Total siloxane graph 143 determined using speciation techniques, including a second subset of hydrocarbon compounds 4) a total siloxane graph 1440 determined using a surrogate approach, wherein the surrogate set of absorption spectra includes a first subset of siloxane compounds and a first subset of hydrocarbon compounds used in graph 1420; And 5) shows a total siloxane graph 1450 determined using the surrogate approach, where the surrogate set of the absorption spectrum includes the surrogate set of the siloxane compound and the second subset of the hydrocarbon compound used in graph 1430. As shown in FIG. 14, graphs 1440 and 1450 are each determined using a surrogate technique and track the change in siloxane concentration over time relative to the reference graph 1410. However, graphs 1420 and 1430 are each determined using a speciation technique and track the change in siloxane concentration over time in the digestion gas relative to baseline graph 1410. Graphs 1420 and 1430 are also more affected than either of the two surrogate methods represented by graphs 1440 and 1450 depending on which hydrocarbon is selected as the surrogate hydrocarbon. Accordingly, FIG. 14 shows that it is advantageous to determine the total siloxane concentration using a surrogate set (ie, a subset) of siloxane compounds, particularly when the siloxane concentration varies at low ppb-v.

上述のシステム及び方法はデジタル電子回路、コンピュータ・ハードウェア、ファームウェア、及び/又はソフトウェアに実装されてもよい。実装はコンピュータ・プログラム製品として行われてもよい(すなわち、コンピュータ・プログラムは情報担体において有形に具現化される)。実装はたとえば、機械可読記憶デバイスで行われ、かつ/又はデータ処理装置によって実行されるかもしくはデータ処理装置の動作を制御する伝搬信号で行われてもよい。実装はたとえば、プログラム可能なプロセッサ、コンピュータ、及び/又は複数のコンピュータであってもよい。   The systems and methods described above may be implemented in digital electronic circuitry, computer hardware, firmware, and / or software. Implementation may be performed as a computer program product (ie, the computer program is tangibly embodied in an information carrier). Implementation may be performed, for example, on a machine-readable storage device and / or a propagated signal that is executed by a data processing device or controls the operation of the data processing device. An implementation may be, for example, a programmable processor, a computer, and / or multiple computers.

コンピュータ・プログラムは、コンパイラ型言語及び/又はインタープリタ型言語を含む任意の形態のプログラミング言語で書かれてよく、かつスタンドアロンプログラムあるいはサブルーチン、要素、及び/又はコンピューティング環境において使用するのに適したその他のユニットとして導入することを含む任意の形態で展開されてもよい。コンピュータ・プログラムは、1つの現場において1つのコンピュータ又は複数のコンピュータ上で実行されるように展開されてもよい。   The computer program may be written in any form of programming language, including a compiler-type language and / or interpreted language, and may be a stand-alone program or subroutine, element, and / or other suitable for use in a computing environment It may be deployed in any form including introduction as a unit. The computer program may be deployed to be executed on one computer or multiple computers at one site.

方法ステップは、入力データに作用し出力を生成することによって本発明の機能を実現するようにコンピュータ・プログラムを実行する1つ又は複数のプログラマブル・プロセッサによって実施されてもよい。方法ステップを専用論理回路によって実施してもよく、装置を専用論理回路として実装してもよい。回路はたとえば、FPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)及び/又はASIC(特定用途向け集積回路)であってもよい。モジュール、サブルーチン、及びソフトウェア・エージェントは、機能を実現するコンピュータ・プログラム、プロセッサ、専用回路、ソフトウェア、及び/又はハードウェアの部分を参照してもよい。   The method steps may be performed by one or more programmable processors executing a computer program to implement the functionality of the present invention by acting on input data and generating output. The method steps may be performed by dedicated logic circuitry and the device may be implemented as dedicated logic circuitry. The circuit may be, for example, an FPGA (Field Programmable Gate Array) and / or an ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Modules, subroutines, and software agents may refer to portions of computer programs, processors, dedicated circuits, software, and / or hardware that implement functions.

コンピュータ・プログラムを実行するのに適したプロセッサは、一例として、汎用マイクロプロセッサと専用マイクロプロセッサの両方と、任意の種類のデジタルコンピュータの1つ又は複数のプロセッサとを含む。一般に、プロセッサは読取り専用メモリ又はランダムアクセスメモリ又はその両方から命令及びデータを受け取る。コンピュータの基本的な要素は、命令を実行するためのプロセッサ、ならびに命令及びデータを記憶するための1つ又は複数のメモリデバイスである。一般に、コンピュータは、データを記憶するための1つ又は複数の大容量記憶デバイス(たとえば、磁気ディスク、磁気光学ディスク、又は光学ディスク)を含んでもよく、1つ又は複数の大容量記憶デバイスからデータを受け取りかつ/又は大容量記憶デバイスにデータを転送するように動作可能に結合されてもよい。   Processors suitable for executing computer programs include, by way of example, both general and special purpose microprocessors and one or more processors of any type of digital computer. Generally, a processor will receive instructions and data from a read-only memory or a random access memory or both. The basic elements of a computer are a processor for executing instructions and one or more memory devices for storing instructions and data. Generally, a computer may include one or more mass storage devices (eg, magnetic disks, magneto-optical disks, or optical disks) for storing data, and data from one or more mass storage devices. And / or operably coupled to transfer data to the mass storage device.

ユーザとの対話を可能にするために、上述の技法がディスプレイ・デバイスを有するコンピュータ上で実施されてもよい。ディスプレイ・デバイスはたとえば、陰極線管(CRT)及び/又は液晶ディスプレイ(LCD)モニタであってもよい。ユーザとの対話はたとえば、ユーザに対する情報の表示と、ユーザがコンピュータに入力を行う(たとえば、ユーザインターフェース要素と対話する)のを可能にするキーボード及びポインティング・デバイス(たとえば、マウス又はトラックボール)であってもよい。他の種類のデバイスを使用してユーザとの対話を実現してもよい。他のデバイスはたとえば、任意の形の感覚フィードバック(たとえば、視覚フィードバック、聴覚フィードバック、又は触覚フィードバック)としてユーザに与えられるフィードバックであってもよい。ユーザからの入力はたとえば、音響入力、発話入力、及び/又は触覚入力を含む任意の形で受け取られてもよい。   The techniques described above may be implemented on a computer having a display device to allow user interaction. The display device may be, for example, a cathode ray tube (CRT) and / or a liquid crystal display (LCD) monitor. User interaction is, for example, with a keyboard and pointing device (eg, a mouse or trackball) that allows the user to display information and allow the user to make input to the computer (eg, interact with user interface elements). There may be. Other types of devices may be used to implement user interaction. The other device may be, for example, feedback provided to the user as any form of sensory feedback (eg, visual feedback, audio feedback, or haptic feedback). Input from the user may be received in any form including, for example, acoustic input, speech input, and / or haptic input.

上述の技術は、バックエンド構成要素を含む分散コンピューティング・システムにおいて実施されてもよい。バックエンド構成要素はたとえば、データサーバ、ミドルウェア構成要素、及び/又はアプリケーションサーバであってもよい。上述の技法はフロントエン
ド構成要素を含む分散コンピューティング・システムにおいて実施されてもよい。フロントエンド構成要素はたとえば、グラフィカル・ユーザインターフェース、ユーザが例示的な実装形態と対話するのを可能にするウェブブラウザ、及び/又は送信デバイス用のその他のグラフィカル・ユーザインターフェースを有するクライアント・コンピュータであってもよい。システムの各構成要素同士はデジタルデータ通信の任意の形態又は媒体(たとえば、通信ネットワーク)によって相互接続されてもよい。通信ネットワークの例にはローカルエリアネットワーク(LAN)、ワイドエリアネットワーク(WAN)、インターネット、有線ネットワーク、及び/又はワイヤレスネットワークが含まれる。
The techniques described above may be implemented in a distributed computing system that includes a back-end component. The backend component may be, for example, a data server, a middleware component, and / or an application server. The techniques described above may be implemented in a distributed computing system that includes a front-end component. The front-end component may be, for example, a client computer having a graphical user interface, a web browser that allows the user to interact with the exemplary implementation, and / or other graphical user interfaces for the sending device. May be. The components of the system may be interconnected by any form or medium of digital data communication (eg, a communication network). Examples of communication networks include a local area network (LAN), a wide area network (WAN), the Internet, a wired network, and / or a wireless network.

システムはクライアントとサーバとを含んでもよい。クライアントとサーバは一般に互いに離れており、通常通信ネットワークを介して相互作用する。クライアントとサーバの関係は、それぞれのコンピュータ上で実行され、互いにクライアント−サーバ関係を有するコンピュータ・プログラムによって生じる。   The system may include a client and a server. A client and server are generally remote from each other and typically interact through a communication network. The client-server relationship is caused by computer programs that execute on each computer and have a client-server relationship with each other.

本発明について特にその好ましい実施形態を参照して図示し説明したが、当業者には、添付の特許請求の範囲に包含される発明の範囲から逸脱せずに実施形態の形態及び詳細に様々な変更を施せることが理解されよう。   Although the invention has been particularly shown and described with reference to preferred embodiments thereof, those skilled in the art will recognize that various forms and details of the embodiments can be used without departing from the scope of the invention as encompassed by the appended claims. It will be understood that changes can be made.

Claims (10)

バイオガス中の1つ又は複数のケイ素含有化合物を監視するためのシステムにおいて、
第1の放射ビームの光源と、
前記光源から前記第1の放射ビームを受け取り、干渉信号からなる第2の放射ビームを形成する干渉計と、
前記干渉計と光学的に連絡する試料セルと、
前記試料セルと光学的に連絡する検出器であって、
前記試料セル内の非吸光性ガスであって、対象となる指定された波長範囲において赤外線を実質的に吸収しない前記非吸光性ガス中を伝搬する第1の干渉信号、及び
前記試料セル内の、前記バイオガスからなる前記試料ガス中を伝搬する第2の干渉信号を受け取る検出器と、
前記検出器と電気的に接続し、前記バイオガス中の前記1つ又は複数のケイ素含有化合物の総濃度を計算するためのプロセッサであって、前記計算は、
前記第1の干渉信号と前記第2の干渉信号との比に基づく第1の吸収スペクトル、及び少なくとも、既知の濃度を有する既知のケイ素含有化合物のより大きい集合から選択される1つ又は複数のケイ素含有化合物の部分集合の各ケイ素含有化合物に関する個々の吸収スペクトルに基づくサロゲート吸収スペクトルの集合に基づいて計算するプロセッサとを備える、システム。
In a system for monitoring one or more silicon-containing compounds in a biogas,
A light source of a first radiation beam;
An interferometer that receives the first beam of radiation from the light source and forms a second beam of radiation comprising an interference signal;
A sample cell in optical communication with the interferometer;
A detector in optical communication with the sample cell,
A non-absorbing gas in the sample cell, the first interference signal propagating in the non-absorbing gas that does not substantially absorb infrared radiation in a specified wavelength range of interest; and in the sample cell A detector for receiving a second interference signal propagating in the sample gas comprising the biogas;
A processor in electrical connection with the detector and for calculating a total concentration of the one or more silicon-containing compounds in the biogas, the calculation comprising:
One or more selected from a first absorption spectrum based on a ratio of the first interference signal to the second interference signal and at least a larger set of known silicon-containing compounds having a known concentration A processor that calculates based on a set of surrogate absorption spectra based on individual absorption spectra for each silicon-containing compound in the subset of silicon-containing compounds.
前記バイオガス中の前記1つ又は複数のケイ素含有化合物は少なくとも1つのシロキサンからなる、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the one or more silicon-containing compounds in the biogas comprises at least one siloxane. 前記試料セルは、
前記試料セルの第1の端部における凹状反射性視野鏡表面と、
前記試料セルの第2の端部に前記視野鏡表面と対向関係に位置する実質的に球状の凹状反射性対物鏡表面とさらに備え、前記対物鏡表面が、前記視野鏡表面及び前記対物鏡表面の各々での複数の反射を介して前記試料セル内を伝搬する前記第2の放射ビームのスループットを最大にするように少なくとも1つの平面における各焦点の一致度を高める円筒状構成要素を有する、請求項1に記載のシステム。
The sample cell is
A concave reflective field mirror surface at a first end of the sample cell;
A substantially spherical concave reflective objective mirror surface facing the field mirror surface at a second end of the sample cell, the objective mirror surface comprising the field mirror surface and the objective mirror surface; A cylindrical component that increases the coincidence of each focal point in at least one plane so as to maximize the throughput of the second radiation beam propagating through the sample cell via a plurality of reflections at each of The system of claim 1.
サロゲート吸収スペクトルの前記集合は、少なくとも、1つ又は複数のケイ素含有化合物の前記部分集合の各ケイ素含有化合物に関する前記個々の吸収スペクトル及び既知の濃度を有する既知の炭化水素化合物のより大きい集合から選択される1つ又は複数の炭化水素化合物の部分集合の各炭化水素化合物に関する個々の吸収スペクトルに基づくモデルである、請求項1に記載のシステム。   The set of surrogate absorption spectra is selected from at least the individual absorption spectrum for each silicon-containing compound of the subset of one or more silicon-containing compounds and a larger set of known hydrocarbon compounds having a known concentration The system of claim 1, wherein the system is a model based on an individual absorption spectrum for each hydrocarbon compound in the subset of one or more of the hydrocarbon compounds being processed. 前記総濃度は、前記バイオガス中のシロキサン化合物の総濃度、前記バイオガス中の他のケイ素含有化合物の総濃度、又は前記バイオガス中のすべてのケイ素含有化合物の総濃度のうちの1つからなる、請求項1に記載のシステム。   The total concentration is from one of a total concentration of siloxane compounds in the biogas, a total concentration of other silicon-containing compounds in the biogas, or a total concentration of all silicon-containing compounds in the biogas. The system of claim 1. 前記プロセッサは、前記総濃度をある係数だけスケーリングする補正係数を前記総濃度に適用する、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the processor applies a correction factor to the total density that scales the total density by a factor. 前記サロゲート吸収スペクトルの集合は、既知の濃度を有する既知の炭化水素化合物のより大きい集合から選択される1つ又は複数の炭化水素化合物の部分集合の各炭化水素化合物に関する個々の吸収スペクトルをさらに含んでなる、請求項1に記載のシステム。   The set of surrogate absorption spectra further includes an individual absorption spectrum for each hydrocarbon compound of a subset of one or more hydrocarbon compounds selected from a larger set of known hydrocarbon compounds having a known concentration. The system of claim 1, comprising: 前記サロゲート吸収スペクトルの集合は、少なくとも、1つ又は複数のケイ素含有化合物の前記部分集合の各ケイ素含有化合物に関する前記個々の吸収スペクトル及び1つ又は
複数の炭化水素化合物の前記部分集合の各炭化水素化合物に関する前記個々の吸収スペクトルに基づくモデルである、請求項1に記載のシステム。
The set of surrogate absorption spectra is at least the individual absorption spectrum for each silicon-containing compound of the subset of one or more silicon-containing compounds and each hydrocarbon of the subset of one or more hydrocarbon compounds. The system of claim 1, which is a model based on the individual absorption spectra for a compound.
前記プロセッサは、前記第1の吸収スペクトル及び前記少なくとも1つのサロゲート吸収スペクトルを使用して多重回帰分析を行う、請求項1に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the processor performs multiple regression analysis using the first absorption spectrum and the at least one surrogate absorption spectrum. 前記プロセッサは、前記第1の吸収スペクトル、前記少なくとも1つのサロゲート吸収スペクトル、及び基準線値又はオフセット値の少なくとも一方に基づいてクラシカル最小二乗(CLS)フィッティング・ルーチンを使用して前記バイオガス中の前記1つ又は複数のケイ素含有化合物のスペクトル特徴を表すことによって前記総濃度を計算する、請求項1に記載のシステム。   The processor uses a classical least squares (CLS) fitting routine based on at least one of the first absorption spectrum, the at least one surrogate absorption spectrum, and a baseline or offset value in the biogas. The system of claim 1, wherein the total concentration is calculated by representing spectral characteristics of the one or more silicon-containing compounds.
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