JP2017173291A - Substance analysis method and analysis device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substance analysis method and an analysis device with which it is possible to measure an absorption rate with high accuracy.SOLUTION: The substance analysis method comprises: a first step of estimating, within a frequency band that includes at least one absorption line of an object substance included in a measurement sample, a tentative reference signal from a sample signal of a low absorption rate section on the basis of a sample signal that corresponds to the intensity of light having passed through the measurement sample; a second step of subtracting the tentative reference signal from the sample signal and calculating the distribution of tentative absorption rate; a third step of determining a wavenumber section in which the tentative absorption rate is less than or equal to a prescribed value, and re-estimating a reference signal on the basis of a sample signal of the wavenumber section; and a fourth step of subtracting the re-estimated reference signal from the sample signal and calculating the distribution of absorption rate.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明の実施形態は、物質分析方法および分析装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a material analysis method and an analysis apparatus.

ガスは、赤外線に対して固有の吸収スペクトルを有する。   Gas has an intrinsic absorption spectrum for infrared.

サンプルガスを透過した赤外線強度を測定することにより、ガスの吸収係数やガス濃度を算出できる。   By measuring the infrared intensity transmitted through the sample gas, the gas absorption coefficient and gas concentration can be calculated.

波長が3μm以上の赤外線は、量子カスケードレーザから放出可能である。但し、レーザ光は、出力変動や波長変動を生じる。基準信号を用いて毎回測定値を補正すると、特性変動による誤差を低減することができる。   Infrared rays having a wavelength of 3 μm or more can be emitted from the quantum cascade laser. However, the laser beam causes output fluctuations and wavelength fluctuations. If the measurement value is corrected each time using the reference signal, an error due to characteristic variation can be reduced.

環境測定のように長期間にわたってガス分析を行う場合、測定の度に基準信号を測定することが困難なことがある。   When performing gas analysis over a long period of time, such as environmental measurement, it may be difficult to measure the reference signal for each measurement.

特開2003−232732号公報JP 2003-232732 A

赤外線吸収率を高い精度で測定可能な物質分析方法および分析装置を提供する。   Provided are a material analysis method and an analysis apparatus capable of measuring an infrared absorption rate with high accuracy.

実施形態の物質分析方法は、測定試料に含まれる対象物質の少なくとも1つの吸収線を含む波数帯域内において、前記測定試料を透過した光の強度に対応したサンプル信号に基づいて、吸収率が低い区間のサンプル信号から暫定リファレンス信号を推定する第1ステップと、前記サンプル信号から前記暫定リファレンス信号を除算して暫定吸収率の分布を算出する第2ステップと、前記暫定吸収率が所定値以下となる波数区間を決定し、前記波数区間のサンプル信号に基づいてリファレンス信号を再推定する第3ステップと、前記サンプル信号から前記第3ステップにおいて再推定された前記リファレンス信号を除算して吸収率の分布を算出する第4ステップと、を有する。   The substance analysis method according to the embodiment has a low absorption rate based on a sample signal corresponding to the intensity of light transmitted through the measurement sample in a wave number band including at least one absorption line of the target substance included in the measurement sample. A first step of estimating a provisional reference signal from a sample signal in a section; a second step of calculating a distribution of provisional absorption rate by dividing the provisional reference signal from the sample signal; and And a third step of re-estimating a reference signal based on a sample signal in the wave number interval, and dividing the reference signal re-estimated in the third step from the sample signal to And a fourth step of calculating the distribution.

第1の実施形態にかかるガス分析方法に用いるガス分析装置を例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates the gas analyzer used for the gas analysis method concerning 1st Embodiment. 図2(a)〜図2(c)は赤外線の波数を吸収線にチューニングする作用を説明するグラフ図であり、図2(a)はQCLの動作電流の波形図、図2(b)は波長の変化を示すグラフ図、図2(c)は検出器出力を示すグラフ図、である。2A to 2C are graphs for explaining the effect of tuning the infrared wave number to the absorption line, FIG. 2A is a waveform diagram of the operating current of the QCL, and FIG. FIG. 2C is a graph showing a change in wavelength, and FIG. 2C is a graph showing a detector output. 第1の実施形態にかかるガス分析方法のフロー図である。It is a flowchart of the gas analysis method concerning a 1st embodiment. 図4(a)は1番目のサンプル信号の検出器出力、図4(b)は1番目の吸収率、図4(c)は1番目に決定された波数区間、図4(d)は1番目に決定されたリファレンス推定信号、を表すグラフ図である。4 (a) shows the detector output of the first sample signal, FIG. 4 (b) shows the first absorption rate, FIG. 4 (c) shows the first determined wave number interval, and FIG. It is a graph showing the reference estimated signal determined in the second. 比較例にかかるガス分析方法を説明するグラフ図である。It is a graph explaining the gas analysis method concerning a comparative example. 図6(a)〜(c)は同位体比の測定原理を説明するグラフ図であり、図6(a)は時間に対する検出器出力依存性を表すグラフ図、図6(b)は波数に対する吸収係数依存性を表すグラフ図、図6(c)は波数に対するフィッティング後の吸収係数依存性を表すグラフ図、である。6A to 6C are graphs for explaining the measurement principle of the isotope ratio, FIG. 6A is a graph showing the detector output dependence with respect to time, and FIG. 6B is the wave number. FIG. 6C is a graph showing the absorption coefficient dependency after fitting to the wave number. 図7(a)は圧力をパラメータとしたの波数に対する吸収係数依存性、図7(b)は温度をパラメータとした波数に対する吸収係数依存性、を表すグラフ図である。FIG. 7A is a graph showing the absorption coefficient dependency on the wave number with the pressure as a parameter, and FIG. 7B is a graph showing the absorption coefficient dependency on the wave number with the temperature as a parameter. フィッティング範囲の決定方法を説明するグラフ図である。It is a graph explaining the determination method of a fitting range. 第3の実施形態にかかるリファレンス信号推定方法を説明するグラフ図である。It is a graph explaining the reference signal estimation method concerning 3rd Embodiment. 第4の実施形態にかかるリファレンス信号推定方法を説明するグラフ図である。It is a graph explaining the reference signal estimation method concerning 4th Embodiment.

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図1は、第1の実施形態に係るガス分析方法に用いるガス分析装置を例示する模式図である。
図1に表したように、ガス分析装置110は、セル部20と、光源部30と、検出部40と、制御部45と、を含む。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view illustrating a gas analyzer used in the gas analysis method according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the gas analyzer 110 includes a cell unit 20, a light source unit 30, a detection unit 40, and a control unit 45.

セル部20には、サンプルガス50が導入される。すなわち、セル部20に設けられる空間23sにサンプルガス50が導入される。サンプルガス50は、二酸化炭素(同位体を含む)、硫化水素、アセトン、アンモニウム、などを含む。   A sample gas 50 is introduced into the cell unit 20. That is, the sample gas 50 is introduced into the space 23 s provided in the cell unit 20. The sample gas 50 includes carbon dioxide (including isotopes), hydrogen sulfide, acetone, ammonium, and the like.

光源部30は、空間23sに赤外線30Lを入射させる。また、光源部30は、駆動部30bにより赤外線30Lの波長を、変化させる。   The light source unit 30 causes the infrared rays 30L to enter the space 23s. Moreover, the light source part 30 changes the wavelength of the infrared rays 30L by the drive part 30b.

この例では、光源部30は、QCL(Quantum Cascade Laser:量子カスケードレーザ)30aを含む。QCL30aとして、例えば、分布帰還(DFB:Distributed Feed-Back)型QCLが用いられる。QCL30aは、端面発光型でも、面発光型でもよい。   In this example, the light source unit 30 includes a QCL (Quantum Cascade Laser) 30a. As the QCL 30a, for example, a distributed feedback (DFB) type QCL is used. The QCL 30a may be an edge emitting type or a surface emitting type.

検出部40は、例えば、空間23sにサンプル50が導入された状態において空間23sを通過した赤外線30Lを検出する。検出部40は、空間23sを通過した透過光の強度Iを検出する。検出部40には、赤外領域に感度を有する素子が用いられ、たとえば、サーモパイルまたは半導体センサ素子(例えばInAsSbなどとされる)。   For example, the detection unit 40 detects the infrared ray 30L that has passed through the space 23s in a state where the sample 50 is introduced into the space 23s. The detection unit 40 detects the intensity I of the transmitted light that has passed through the space 23s. For the detection unit 40, an element having sensitivity in the infrared region is used. For example, a thermopile or a semiconductor sensor element (for example, InAsSb) is used.

入射光の強度をI、吸光度をA、透過率をT、吸収係数(cm−1)をα、セル部20の光路長をLとするとき、吸光度Aは、式(1)で表される。 When the intensity of incident light is I 0 , the absorbance is A, the transmittance is T R , the absorption coefficient (cm −1 ) is α, and the optical path length of the cell unit 20 is L, the absorbance A is expressed by the formula (1). Is done.


モル濃度をεとするとき、吸収係数(cm−1)は、式(2)で表される。 When the molar concentration is ε, the absorption coefficient (cm −1 ) is expressed by Equation (2).


また、サンプルガスのモル濃度cは、式(3)で表される。   Further, the molar concentration c of the sample gas is represented by the formula (3).


制御部45は、測定された透過光強度Iに基づいて、吸収係数α、吸収率B、モル濃度c、HITRANデータベースに基づいた吸収スペクトルの計算などを行う。   Based on the measured transmitted light intensity I, the control unit 45 calculates an absorption coefficient α, an absorption rate B, a molar concentration c, an absorption spectrum based on the HITRAN database, and the like.

図2(a)〜図2(c)は赤外線の波数を吸収線にチューニングする作用を説明するグラフ図である。すなわち、図2(a)はQCLの動作電流の波形図、図2(b)は波長の変化を示すグラフ図、図2(c)は検出器出力を示すグラフ図、である。
図2(a)において、縦軸はQCL30aの電流J、横軸は時間t、を表す。図2(b)において、縦軸は波長、横軸は時間t、を表す。なお、波数は、波長の逆数である。図2(c)において、縦軸は検出器出力Sg、横軸は時間t、である。QCL30aに供給される電流Jは、時間tの増加とともに単調に変化する。図2(a)に表すように電流を三角波とすると、波長λは1周期内で時間とともに増加し(図2(b))時間t1で赤外線の波長はλ1となり、時間t2で赤外線の波長はλ2(>λ1)となる。なお、図2において、右半分は、対象ガスを含むサンプルガスをセルに導入した場合であり、左半分は、対象ガスを含まない基準ガスを導入した場合である。
FIG. 2A to FIG. 2C are graphs for explaining the effect of tuning the wave number of infrared rays to an absorption line. 2A is a waveform diagram of the operating current of the QCL, FIG. 2B is a graph showing the change in wavelength, and FIG. 2C is a graph showing the detector output.
In FIG. 2A, the vertical axis represents the current J of the QCL 30a, and the horizontal axis represents time t. In FIG. 2B, the vertical axis represents wavelength and the horizontal axis represents time t. The wave number is the reciprocal of the wavelength. In FIG. 2C, the vertical axis represents the detector output Sg, and the horizontal axis represents time t. The current J supplied to the QCL 30a changes monotonously as the time t increases. As shown in FIG. 2A, when the current is a triangular wave, the wavelength λ increases with time within one period (FIG. 2B), the infrared wavelength becomes λ1 at time t1, and the infrared wavelength at time t2 becomes λ2 (> λ1). In FIG. 2, the right half is when the sample gas containing the target gas is introduced into the cell, and the left half is when the reference gas not containing the target gas is introduced.

たとえば、波長λ1が第1の吸収線に対応し、波長λ2が第2の吸収線に対応するものとする。それぞれの吸収線の近傍では、対象ガスを含むサンプルガスがセルに導入されている右半分では、赤外線がサンプルガス50に吸収されるので、サンプルガス50を透過した赤外線の検出器出力は対象ガスを含まない基準ガスがセルに導入されている左半分に比べて減少する。なお、1つのサンプルガス50に対して、三角波を繰り返し発生し、検出器出力の平均値を求めると、測定精度を高めることができる。   For example, the wavelength λ1 corresponds to the first absorption line, and the wavelength λ2 corresponds to the second absorption line. In the vicinity of each absorption line, in the right half where the sample gas containing the target gas is introduced into the cell, the infrared light is absorbed by the sample gas 50, so that the infrared detector output transmitted through the sample gas 50 is the target gas. The reference gas that does not contain is reduced compared to the left half introduced into the cell. In addition, if a triangular wave is repeatedly generated for one sample gas 50 and an average value of detector outputs is obtained, measurement accuracy can be improved.

光源部30において、波長λの変化は、短時間(例えば100ms程度以下)で行われる。例えば、赤外線の波長λの中心値を、4.345マイクロメートル以上4.384マイクロメータ以下とすると、二酸化炭素の吸収線を含む。この場合、波数帯域は、2281cm−1以上2301cm−1以下となる。 In the light source unit 30, the wavelength λ is changed in a short time (for example, about 100 ms or less). For example, when the center value of the wavelength λ of infrared rays is set to be not less than 4.345 micrometers and not more than 4.384 micrometers, carbon dioxide absorption lines are included. In this case, the wave number band is 2281 cm −1 or more and 2301 cm −1 or less.

ガス分析の際には、式(1)に用いる(I/I)がこの吸収の有無における検出器出力の比に一致する。そのため、サンプルガスを透過した検出器出力である「サンプル信号」に対して、吸収が無い場合の「リファレンス信号」が必要である。従来技術ではこのリファレンス信号を上記の通り、対象ガスを含まない基準ガスの測定によって求めていたが、本発明ではサンプル信号から求めるため、基準ガスでの測定を不要にする。 In the gas analysis, (I / I 0 ) used in the equation (1) matches the ratio of the detector output with and without the absorption. Therefore, a “reference signal” when there is no absorption is required for the “sample signal” that is the detector output that has passed through the sample gas. In the prior art, as described above, this reference signal is obtained by measuring a reference gas that does not include the target gas. However, in the present invention, since it is obtained from the sample signal, measurement with the reference gas is not required.

図3は、実施形態にかかるガス分析方法のフロー図である。
また、図4(a)はサンプル信号の検出器出力、図4(b)は暫定の吸収率、図4(c)は決定された波数区間、図4(d)は決定されたリファレンス推定信号、を表すグラフ図である。
図4(a)において、縦軸は検出器出力(V)、横軸は時間(s)、である。図4(b)において、縦軸は吸収率、横軸は時間(s)、である。図4(c)において、縦軸は吸収率、横軸は時間(s)、である。
FIG. 3 is a flowchart of the gas analysis method according to the embodiment.
4A shows the detector output of the sample signal, FIG. 4B shows the provisional absorption rate, FIG. 4C shows the determined wave number interval, and FIG. 4D shows the determined reference estimation signal. FIG.
In FIG. 4A, the vertical axis represents the detector output (V), and the horizontal axis represents time (s). In FIG. 4B, the vertical axis represents the absorption rate, and the horizontal axis represents time (s). In FIG.4 (c), a vertical axis | shaft is an absorptivity and a horizontal axis is time (s).

サンプルガス50に含まれる少なくとも1つの対象ガスの吸収線を含む波数帯域内で赤外線の波数を変化させ、サンプルガス50を透過した赤外線の透過光強度Iの変化を測定してサンプル信号とする(第1ステップS100および図4(a))。   The wave number of infrared rays is changed within the wave number band including the absorption line of at least one target gas contained in the sample gas 50, and the change in the transmitted light intensity I of the infrared ray that has passed through the sample gas 50 is measured to obtain a sample signal ( First step S100 and FIG. 4 (a)).

吸収率が常に低い複数の区間(レーザ光の波長変動を考慮しても吸収率が常に低くなる時間範囲、「低い」とは、たとえば5×10−5以下を意味するものとする)のサンプル信号のレベルの例えば2次曲線による内挿から暫定リファレンス信号を推定する(第2ステップS102)。 Samples in a plurality of sections where the absorptance is always low (a time range in which the absorptance is always low even when the wavelength variation of the laser light is taken into account, “low” means, for example, 5 × 10 −5 or less) A provisional reference signal is estimated from the interpolation of the signal level, for example, by a quadratic curve (second step S102).

サンプル信号から暫定リファレンス信号を除算し、暫定吸収率を算出する(第3ステップS104および図4(b))。   The provisional reference signal is divided from the sample signal to calculate the provisional absorption rate (third step S104 and FIG. 4B).

所定の吸収率(たとえば、5×10−5)以下の複数の波数区間を決定し、その波数区間のサンプル信号のレベルの例えば2次曲線による内挿からリファレンス信号を再推定する(第4ステップS106および図4(d))。 A plurality of wave number intervals of a predetermined absorption rate (for example, 5 × 10 −5 ) or less are determined, and the reference signal is re-estimated from interpolation of, for example, a quadratic curve of the level of the sample signal in the wave number interval (fourth step) S106 and FIG. 4 (d)).

サンプル信号から再推定されたリファレンス信号を除算し、吸収率を算出する(第5ステップS108)。   The reference signal re-estimated from the sample signal is divided to calculate the absorption rate (fifth step S108).

次に測定するサンプルガスがあれば第1ステップS100へ戻り、なければ終了する(第6ステップS110)。   If there is a sample gas to be measured next, the process returns to the first step S100, and if not, the process ends (sixth step S110).

図5は、比較例にかかるガス分析方法を説明するグラフ図である。
縦軸は検出器出力(V)、横軸は時間t、である。比較例では、リファレンス信号を内挿により推定する波数区間F11、F12などは、時間軸上で固定されている。他方、QCLの特性は、経時変化、ガスセル内外の環境(温度や圧力など)変化により、吸収のある範囲が時間軸上で、図5に表すように変動する。このため、波数帯域F11、F12を時間軸上の範囲で固定すると、サンプル信号A1ではリファレンス信号が正しく推定されるが、サンプル信号A2では、推定されたリファレンス信号が本来のリファレンス推定信号よりも過小となり吸収率B算出における誤差が増大する。
FIG. 5 is a graph for explaining a gas analysis method according to a comparative example.
The vertical axis represents the detector output (V), and the horizontal axis represents time t. In the comparative example, wave number intervals F11 and F12 for estimating the reference signal by interpolation are fixed on the time axis. On the other hand, the characteristics of QCL fluctuate as shown in FIG. 5 on the time axis due to changes over time and changes in the environment (temperature, pressure, etc.) inside and outside the gas cell. For this reason, if the wave number bands F11 and F12 are fixed in the range on the time axis, the reference signal is correctly estimated in the sample signal A1, but the estimated reference signal is less than the original reference estimation signal in the sample signal A2. Thus, the error in calculating the absorption rate B increases.

これに対して、第1の実施形態にかかるガス分析方法では、吸収率Bが所定の値(たとえば5×10−5以下)よりも低くなる波数区間を、内挿によりリファレンス信号を推定する波数区間としてサンプルガス毎に決定する。このため、内挿範囲に吸収率Bが高い波数区間が含まれないので、リファレンス信号の推定精度が損なわれず、吸収率Bの測定精度を高めることができる。 On the other hand, in the gas analysis method according to the first embodiment, the wave number at which the reference signal is estimated by interpolation in the wave number section in which the absorption rate B is lower than a predetermined value (for example, 5 × 10 −5 or less). The interval is determined for each sample gas. For this reason, since the wave number section with a high absorption rate B is not included in the interpolation range, the estimation accuracy of the reference signal is not impaired, and the measurement accuracy of the absorption rate B can be increased.

次に、波数区間内に同位体元素により生じる少なくとも2つの吸収線がある場合を考える。第2の実施形態にかかるガス分析方法は、双峰性の吸収スペクトル曲線をフィッティングにより2つのスペクトルに分離し、2つの同位体比を算出する。   Next, consider a case where there are at least two absorption lines generated by an isotope element in the wave number section. In the gas analysis method according to the second embodiment, a bimodal absorption spectrum curve is separated into two spectra by fitting, and two isotope ratios are calculated.

図6(a)〜(c)は同位体比の測定原理を説明するグラフ図である。すなわち、図6(a)は時間に対する検出器出力依存性を表すグラフ図、図6(b)は波数に対する吸収係数依存性を表すグラフ図、図6(c)は波数に対するフィッティング後の吸収係数依存性を表すグラフ図、である。
図6(a)において、縦軸は検出器出力、横軸は時間、である。図6(b)において、縦軸は吸収係数、横軸は波数(cm−1)、である。図6(c)において、縦軸は吸収係数、横軸は波数(cm−1)、である。
FIGS. 6A to 6C are graphs for explaining the measurement principle of the isotope ratio. 6A is a graph showing the detector output dependency with respect to time, FIG. 6B is a graph showing the absorption coefficient dependency with respect to the wave number, and FIG. 6C is an absorption coefficient after fitting with respect to the wave number. It is a graph showing a dependency.
In FIG. 6A, the vertical axis represents the detector output, and the horizontal axis represents time. In FIG. 6B, the vertical axis represents the absorption coefficient, and the horizontal axis represents the wave number (cm −1 ). In FIG.6 (c), a vertical axis | shaft is an absorption coefficient and a horizontal axis is a wave number (cm <-1> ).

なお、本図において、同位体は、13CO12COとする。図6(a)に表すように、第1の実施形態にかかるガス分析方法により、リファレンス推定信号を算出する。図6(b)に表すように、検出器出力の強度分布からリファレンス推定信号の強度分布を除算し、吸収係数分布を算出する。図6(c)に表すように、理論値とのフィッティングにより、13CO12COとの吸収係数スペクトルを分離する。 In this figure, the isotopes are 13 CO 2 and 12 CO 2 . As shown in FIG. 6A, the reference estimation signal is calculated by the gas analysis method according to the first embodiment. As shown in FIG. 6B, the absorption coefficient distribution is calculated by dividing the intensity distribution of the reference estimation signal from the intensity distribution of the detector output. As shown in FIG. 6C, the absorption coefficient spectra of 13 CO 2 and 12 CO 2 are separated by fitting with theoretical values.

次に、吸収スペクトルのフィッティングを行うために、ガス吸収モデルについて説明する。ガス吸収モデルでは、HITRANデータベースの値を使用し、吸収スペクトルを計算する。また、計算は、各吸収線(3190本)ごとに、圧力依存性・温度依存性を考慮して行う。   Next, a gas absorption model will be described in order to perform absorption spectrum fitting. In the gas absorption model, the absorption spectrum is calculated using the value of the HITRAN database. The calculation is performed for each absorption line (3190 lines) in consideration of pressure dependency and temperature dependency.

吸収係数αiは、式(4)により算出される。   The absorption coefficient αi is calculated by equation (4).


それぞれの吸収線強度S(T)は、式(5)により算出される。   Each absorption line intensity S (T) is calculated by the equation (5).


スペクトル形状関数f(ν、T、p)は、式(6)により算出される。   The spectrum shape function f (ν, T, p) is calculated by the equation (6).


図7(a)は圧力をパラメータとした波数に対する吸収係数依存性、図7(b)は温度をパラメータとした波数に対する吸収係数依存性、を表すグラフ図である。
図7(a)、(b) において、縦軸は吸収係数(cm−1)、横軸は波数(cm−1)、である。
FIG. 7A is a graph showing the absorption coefficient dependence on the wave number with pressure as a parameter, and FIG. 7B is a graph showing the absorption coefficient dependence on the wave number with temperature as a parameter.
7A and 7B, the vertical axis represents the absorption coefficient (cm −1 ), and the horizontal axis represents the wave number (cm −1 ).

図7(a)に表すよう、圧力を0.4atm、0.5atm、0.6atmと変化したとき吸収係数がピークとなる波数の変動は少ないが、吸収係数の極小値は変動する。また、図7(b)に表すように、温度を296K、300K、304Kと変化したとき吸収係数がピークとなる波数の変動は少ないが、吸収係数の極大値が変動する。このようなガス吸収モデルを用いて、測定値から求められた吸収スペクトルと、理論値とをフィッティングさせることにより、たとえば、2つの同位体の吸収スペクトルを分離して、同位体比の精度を高めることができる。   As shown in FIG. 7A, when the pressure is changed to 0.4 atm, 0.5 atm, and 0.6 atm, the fluctuation of the wave number at which the absorption coefficient peaks is small, but the minimum value of the absorption coefficient varies. Further, as shown in FIG. 7B, when the temperature is changed to 296K, 300K, and 304K, the fluctuation of the wave number at which the absorption coefficient peaks is small, but the maximum value of the absorption coefficient varies. By using such a gas absorption model and fitting an absorption spectrum obtained from a measured value and a theoretical value, for example, the absorption spectra of two isotopes are separated to improve the accuracy of the isotope ratio. be able to.

図8は、フィッティング範囲の決定方法の一例を説明するグラフ図である。
吸収率Bのスペクトル曲線のフィッティング範囲は、13COの吸収線および12COの吸収線に対して、たとえば、それぞれのピーク強度の2分の1以上かつ信号対雑音比SNRが10以上となる領域とすることができる。
FIG. 8 is a graph illustrating an example of a method for determining the fitting range.
The spectrum curve fitting range of the absorption rate B is, for example, 13 or more of the absorption lines of 13 CO 2 and 12 CO 2 , and the signal intensity ratio SNR is 10 or more of each peak intensity. Can be a region.

COの同位体比を(存在比=13CO12CO)を%で表すと、小数点以下の桁数が多くなる。このため。天然の同位体比からの乖離度をパーミル(‰)で表すデルタ記法を用いると都合がよい。天然の同位体比を、(13CO12CO)ref=1.12372%とする。 Expressed in the isotope ratio of CO 2 (the abundance ratio = 13 CO 2/12 CO 2 )%, becomes large number of decimal places. For this reason. It is convenient to use the delta notation in which the degree of deviation from the natural isotope ratio is expressed in permil (‰). The natural isotopic ratio, and (13 CO 2/12 CO 2 ) ref = 1.12372%.

式(7)は、デルタ記法による表示式を表す。   Formula (7) represents the display formula by the delta notation.


たとえば、環境ガス分析を行う場合、13CO12COとの濃度比をδ13C(‰)で表すことができる。対流圏の自由大気のδ13Cは−8‰などであり、化石燃料の濃度比δ13Cは−28‰などであり、土壌のδ13Cは−25.7‰などとなるように、CO発生源による濃度比δ13Cが異なる。このため、濃度比δ13Cを測定することにより、COの発生源を特定することが可能である。 For example, when environmental gas analysis is performed, the concentration ratio between 13 CO 2 and 12 CO 2 can be represented by δ 13 C (‰). The tropospheric free air δ 13 C is −8 ‰, the fossil fuel concentration ratio δ 13 C is −28 ‰, and the soil δ 13 C is −25.7 ‰. The concentration ratio δ 13 C by the two generation sources is different. For this reason, it is possible to specify the generation source of CO 2 by measuring the concentration ratio δ 13 C.

同様に、火山活動レベルにより濃度比δ13Cの値が異なる。このため、火口近傍で濃度比δ13Cを測定することにより、噴火予知に活用できる。 Similarly, the value of the concentration ratio δ 13 C varies depending on the volcanic activity level. For this reason, it can utilize for an eruption prediction by measuring density | concentration ratio (delta) 13C in the vicinity of a crater.

すなわち、第2の実施形態では、2つの同位体を含む吸収係数の測定値を理論スペクトルとフィッティングさせることにより、同位体比を高精度に求めることができる。   That is, in the second embodiment, the isotope ratio can be obtained with high accuracy by fitting the measured value of the absorption coefficient including two isotopes with the theoretical spectrum.

図9は、第3の実施形態にかかるリファレンス信号推定方法を説明するグラフ図である。
第3の実施形態では、図9に表すようにサンプル信号中に2つの同位体の吸収スペクトルがある場合に、それぞれの吸収波数におけるリファレンス信号を、それぞれの両側にある、低吸収区間から個別に内挿する。第1の実施形態では、サンプル信号中の低吸収区間全てから例えば2次曲線一本によるリファレンス推定を行っているため、それぞれの吸収波数においてリファレンス信号の誤差が大きくなるが、本実施形態ではその誤差を抑制することができる。
FIG. 9 is a graph for explaining the reference signal estimation method according to the third embodiment.
In the third embodiment, as shown in FIG. 9, when there are two isotope absorption spectra in the sample signal, the reference signals at the respective absorption wave numbers are individually received from the low absorption sections on both sides. Interpolate. In the first embodiment, since the reference estimation is performed by using, for example, one quadratic curve from all the low absorption sections in the sample signal, the error of the reference signal increases in each absorption wave number. Errors can be suppressed.

図10は、第4の実施形態にかかるリファレンス信号推定方法を説明するグラフ図である。
第4の実施形態では、図10に表すようにサンプル信号中に複数の対象ガスの吸収スペクトルがある場合に、そのピーク時間に波数を対応させて、例えばHITRANデータベース等から決定される理論上の低吸収な波数区間のみを細分化して、それらの内挿によりリファレンス信号を推定する。第1の実施形態では、内挿区間に理論上の低吸収ではない範囲が含まれているのに対して、本実施形態ではより低吸収な区間のみから内挿するため、リファレンス信号の推定精度が向上する。
FIG. 10 is a graph illustrating the reference signal estimation method according to the fourth embodiment.
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 10, when there are absorption spectra of a plurality of target gases in the sample signal, the wave number is associated with the peak time, and the theoretical value determined from, for example, the HITRAN database or the like. Only the low-absorption wavenumber interval is subdivided, and the reference signal is estimated by interpolating them. In the first embodiment, a range that is not theoretically low absorption is included in the interpolation interval, whereas in this embodiment, since interpolation is performed only from the lower absorption interval, the estimation accuracy of the reference signal Will improve.

本発明の実施形態によれば、 吸収率を高い精度で測定可能なガス分析方法が提供される。また、透過光強度の測定値を補正するリファレンス推定信号は、吸収率の強度分布に基づいてそれぞれのサンプルガス毎に推定される。このため、基準ガスを用いたリファレンス信号を測定する必要がなく、分析装置を簡素な構成とできる。   According to the embodiment of the present invention, a gas analysis method capable of measuring the absorption rate with high accuracy is provided. The reference estimation signal for correcting the measured value of the transmitted light intensity is estimated for each sample gas based on the intensity distribution of the absorptance. For this reason, it is not necessary to measure the reference signal using the reference gas, and the analyzer can be configured simply.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

30 光源、30a QCL、30L 赤外線、40 検出器、50 サンプルガス、S 吸収線強度、B 吸収率、α、αi 吸収係数、F1、F2、F3 波数区間、SNR 信号対雑音比 30 light source, 30a QCL, 30L infrared, 40 detector, 50 sample gas, S absorption line intensity, B absorption rate, α, αi absorption coefficient, F1, F2, F3 wave number interval, SNR signal to noise ratio

実施形態の物質分析方法は、測定試料に含まれる対象物質の少なくとも1つの吸収線を含む波数帯域内において、前記測定試料を透過した光の強度に対応したサンプル信号に基づいて、吸収率が低い区間のサンプル信号から暫定リファレンス信号を推定する第1ステップと、前記サンプル信号から前記暫定リファレンス信号を除算して暫定吸収率の分布を算出する第2ステップと、前記暫定吸収率を理論スペクトルとフィッティングさせることにより、前記対象物質の濃度を算出する第3ステップと、を有する。 The substance analysis method according to the embodiment has a low absorption rate based on a sample signal corresponding to the intensity of light transmitted through the measurement sample in a wave number band including at least one absorption line of the target substance included in the measurement sample. A first step of estimating a provisional reference signal from a sample signal in a section; a second step of calculating a distribution of provisional absorption by dividing the provisional reference signal from the sample signal; and fitting the provisional absorption to a theoretical spectrum And a third step of calculating the concentration of the target substance .

サンプルガス50に含まれる少なくとも1つの対象ガスの吸収線を含む波数帯域内で赤外線の波数を変化させ、サンプルガス50を透過した赤外線の透過光強度Iの変化を測定してサンプル信号とする(ステップS100および図4(a))。   The wave number of infrared rays is changed within the wave number band including the absorption line of at least one target gas contained in the sample gas 50, and the change in the transmitted light intensity I of the infrared ray that has passed through the sample gas 50 is measured to obtain a sample signal ( Step S100 and FIG. 4 (a)).

吸収率が常に低い複数の区間(レーザ光の波長変動を考慮しても吸収率が常に低くなる時間範囲、「低い」とは、たとえば5×10−5以下を意味するものとする)のサンプル信号のレベルの例えば2次曲線による内挿から暫定リファレンス信号を推定する(ステップS102)。 Samples in a plurality of sections where the absorptance is always low (a time range in which the absorptance is always low even when the wavelength variation of the laser light is taken into account, “low” means, for example, 5 × 10 −5 or less) The provisional reference signal is estimated from the interpolation of the signal level by, for example, a quadratic curve (step S102).

サンプル信号から暫定リファレンス信号を除算し、暫定吸収率を算出する(ステップS104および図4(b))。   The provisional reference signal is divided from the sample signal to calculate the provisional absorption rate (step S104 and FIG. 4B).

暫定吸収率を理論スペクトルとフィッティングさせることにより、対象物質の濃度を算出する(ステップ106)。The concentration of the target substance is calculated by fitting the provisional absorption rate with the theoretical spectrum (step 106).

次に測定するサンプルガスがあればステップS100へ戻り、なければ終了する(ステップS110)。   If there is a sample gas to be measured next, the process returns to step S100, and if not, the process ends (step S110).

Claims (10)

測定試料に含まれる対象物質の少なくとも1つの吸収線を含む波数帯域内において、前記測定試料を透過した光の強度に対応したサンプル信号に基づいて、吸収率が低い区間のサンプル信号から暫定リファレンス信号を推定する第1ステップと、
前記サンプル信号から前記暫定リファレンス信号を除算して暫定吸収率の分布を算出する第2ステップと、
前記暫定吸収率が所定値以下となる波数区間を決定し、前記波数区間のサンプル信号に基づいてリファレンス信号を再推定する第3ステップと、
前記サンプル信号から前記第3ステップにおいて再推定された前記リファレンス信号を除算して吸収率の分布を算出する第4ステップと、
を備えた物質分析方法。
Based on the sample signal corresponding to the intensity of the light transmitted through the measurement sample in the wave number band including at least one absorption line of the target substance contained in the measurement sample, the provisional reference signal from the sample signal in the interval where the absorption rate is low A first step of estimating
A second step of calculating a provisional absorption distribution by dividing the provisional reference signal from the sample signal;
A third step of determining a wave number interval in which the temporary absorption rate is equal to or less than a predetermined value, and re-estimating a reference signal based on a sample signal of the wave number interval;
A fourth step of calculating an absorptance distribution by dividing the reference signal re-estimated in the third step from the sample signal;
A material analysis method comprising:
時間とともに波数が単調に変化する、請求項1記載の物質分析方法。   The material analysis method according to claim 1, wherein the wave number changes monotonously with time. 前記波数帯域内に同位体元素により生じる少なくとも2つの吸収線がある場合、前記吸収率をフィッティングにより少なくとも2つのスペクトルに分離する、請求項1または2に記載の物質分析方法。   The material analysis method according to claim 1 or 2, wherein when there are at least two absorption lines generated by an isotope element in the wave number band, the absorption rate is separated into at least two spectra by fitting. 前記吸収率のスペクトル曲線のフィッティング範囲は、それそれの吸収線に対して、それぞれのピーク強度のおよそ2分の1以上かつ信号対雑音比が約10以上となるスペクトル強度領域とする請求項3記載の物質分析方法。   4. The fitting range of the spectrum curve of the absorptance is a spectral intensity region in which each peak intensity is about one-half or more of the respective absorption lines and the signal-to-noise ratio is about 10 or more. The substance analysis method described. 前記光は、量子カスケードレーザから放出される、請求項1〜4のいずれか1つに記載の物質分析方法。   The material analysis method according to claim 1, wherein the light is emitted from a quantum cascade laser. 測定試料に含まれる対象物質の少なくとも1つの吸収線を含む波数帯域内において、前記測定試料を透過した光の強度に対応したサンプル信号に基づいて、前記測定試料を分析する分析装置であって、
吸収率が低い区間のサンプル信号から暫定リファレンス信号を推定し、前記サンプル信号から前記暫定リファレンス信号を除算して暫定吸収率の分布を算出し、前記暫定吸収率が所定値以下となる波数区間を決定し、前記波数区間のサンプル信号に基づいてリファレンス信号を再推定し、前記サンプル信号から再推定された前記リファレンス信号を除算して吸収率の分布を算出する制御部を備えた分析装置。
An analyzer for analyzing the measurement sample based on a sample signal corresponding to the intensity of light transmitted through the measurement sample in a wave number band including at least one absorption line of the target substance contained in the measurement sample,
A provisional reference signal is estimated from a sample signal in a section with a low absorption rate, a provisional absorption ratio distribution is calculated by dividing the provisional reference signal from the sample signal, and a wave number section in which the provisional absorption ratio is a predetermined value or less An analysis apparatus comprising: a control unit that determines, re-estimates a reference signal based on a sample signal in the wave number interval, and calculates an absorption rate distribution by dividing the reference signal re-estimated from the sample signal.
測定試料に含まれる対象物質の少なくとも1つの吸収線を含む波長帯域内で光の波数を変化させる光源部と、
前記測定試料が導入されるセル部と、
前記測定試料を透過した前記光の強度を測定することにより前記対象物質の吸収率を算出するためのデータを収集する検出部と、
を備え、
前記データは、前記吸収率が低い区間のサンプル信号から暫定リファレンス信号を推定し、前記測定試料から前記暫定リファレンス信号を除算して暫定吸収率の分布を算出し、前記暫定吸収率が所定値以下となる波数区間を決定し、前記波数区間のサンプル信号に基づいてリファレンス信号を再推定し、前記サンプル信号から再推定された前記リファレンス信号を除算して吸収率の分布を算出するための前記光の前記強度の測定値を含む、分析装置。
A light source unit that changes a wave number of light within a wavelength band including at least one absorption line of a target substance contained in a measurement sample;
A cell part into which the measurement sample is introduced;
A detector that collects data for calculating the absorption rate of the target substance by measuring the intensity of the light transmitted through the measurement sample;
With
The data is obtained by estimating a provisional reference signal from a sample signal in a section with a low absorption rate, dividing the provisional reference signal from the measurement sample to calculate a distribution of the provisional absorption rate, and the provisional absorption rate is equal to or less than a predetermined value. The light for calculating a distribution of absorption by dividing the reference signal re-estimated from the sample signal, re-estimating the reference signal based on the sample signal in the wave number interval An analytical device comprising a measurement value of said intensity.
前記光源部は、前記光を放出可能な量子カスケードレーザを有する請求項7記載の分析装置。   The analyzer according to claim 7, wherein the light source unit includes a quantum cascade laser capable of emitting the light. 前記光源部は、時間とともに波数を単調に変化させる請求項7または8に記載の分析装置。   The analyzer according to claim 7 or 8, wherein the light source unit monotonously changes the wave number with time. 前記制御部は、前記波数帯域内に同位体元素により生じる少なくとも2つの吸収線がある場合、前記吸収率をフィッティングにより少なくとも2つのスペクトルに分離する、請求項7〜9のいずかれ1つに記載の分析装置。   10. The controller according to claim 7, wherein, when there is at least two absorption lines generated by an isotope element in the wave number band, the control unit separates the absorption rate into at least two spectra by fitting. The analyzer described.
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