JP2018084523A - ガス濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シングルパス型よりも高い感度が得られ、マルチパス型に比べて安定した連続測定を行うことができるガス濃度測定装置を提供する。【解決手段】側面に測定対象ガスを導入するための開口３３を有する筒状の挿入体２０を備えた本体１０と、挿入体２０の端部２０aと本体１０の間を区画するように設けられた窓材３２であって透光部３２２と端部２０a側に設けられた反射部３２１とを有する窓材３２と、測定光を透光部３２２を通過させて端部２０aに照射させる光導入部１１と、挿入体２０の端部２０aに設けられた凹面鏡３１であって透光部３２２を通過した測定光を反射部３２１に向けて反射させ反射部３２１を反射した測定光を透光部３２２に向けて反射させる反射面を有する凹面鏡３１と、透光部３２２を通過した測定光を検出する検出部１２とを備えることを特徴とするガス濃度測定装置１。【選択図】図４

Description

本発明は、吸光分光法を用いて測定対象ガスに含まれる目的ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に関する。

測定対象ガスに含まれる目的ガスの濃度を測定する手法に吸光分光法がある。吸光分光法では、測定対象ガスに対して目的ガスの吸収波長帯域の測定光を照射し、その透過光の強度を測定する。そして、目的ガスによる光吸収量からランベルト・ベールの法則に基づき目的ガスの吸光度を求め、該吸光度から目的ガスの濃度を求める。

吸光分光法を用いたガス濃度測定装置は、例えば自動車のエンジンに供給される燃焼ガスに含まれる酸素や、エンジンからの排気ガスに含まれる二酸化炭素等の濃度を測定するために用いられる。こうした測定では、実際にエンジンを動作させた状態でガス濃度の変化をリアルタイムで測定するために、プローブ挿入型のガス濃度測定装置が用いられる。

図１に、従来用いられているプローブ挿入型のガス濃度測定装置１００の一構成例を示す。このガス濃度測定装置１００は、筒状の挿入体１２０を有する本体１１０を備えている。本体１１０には、半導体レーザ等の光源１０２から発せられた測定光を導く光ファイバ１０３の出口端を接続するファイバ接続部１１１と、検出器１１２と、測定光を該検出器１１２に導くための第１ミラー１１３が配置されている。

筒状の挿入体１２０の端部には、目的ガスを含む測定対象ガスが流れる測定対象空間に挿入される計測部１３０が設けられている。計測部１３０の側面には開口１３３が設けられており、該開口１３３を通じて測定対象ガスが計測部１３０内を流通する。また、計測部１３０の端部には第２ミラー１３１が配置され、該第２ミラー１３１と対向する位置に該計測部１３０を挿入体１２０の本体側の空間と区画する窓材１３２が取り付けられている。

このガス濃度測定装置１００を用いた測定では、光源１０２から発せられた測定光を光ファイバ１０３によりファイバ接続部１１１に導き、該ファイバ接続部１１１から第２ミラー１３２の中央にレーザ光を照射する。このレーザ光は第２ミラー１３２及び第１ミラー１１３により順に反射され検出器１１２に入射する。検出器１１２では、計測部１３０内を流れる目的ガスによりその一部が吸収された測定光の強度を測定する。目的ガスの吸収波長を含む波長帯域で波長を変化させつつ測定を行うことにより吸収スペクトルを取得し、そのピーク強度から吸光度を計算し、さらに該吸光度から目的ガスの濃度を求める。図１のように、計測部１３０内で測定光を一往復させる構成のガス濃度測定装置１００をシングルパス型のガス濃度測定装置と呼ぶ。

ガス濃度測定装置１００では、計測部１３０内の光路長が長いほど目的ガスによる測定光の吸収量が多くなり、測定感度が上昇する。特許文献１には、図２に示すように計測部１３０a内に配置される第２ミラー１３１aを球面鏡とし、また、窓材に代えて、計測部１３０a側に反射面１３２１aを持ちその一部に透光部１３２２aが形成された球面鏡である第３ミラー１３２aを配置した構成のガス濃度測定装置１００aが記載されている。このように球面鏡を対向配置した構成はヘリオットセルと呼ばれ、透光部１３２２aから入射した測定光を第２ミラー１３１aと第３ミラー１３２aの反射面１３２１aで繰り返し反射させた後、透光部１３２２aから出射させる。これにより、計測部１３０a内での光路長を長くして測定感度を高めることができる。図２のように、計測部１３０a内で測定光を多重反射させる構成のガス濃度測定装置１００aをマルチパス型のガス濃度測定装置と呼ぶ。

特開２０１５−１３７９１０号公報

ヘリオットセルを備えたマルチパス型のガス濃度測定装置１００aではミラーでの反射回数が多いために、測定開始後、時間経過に伴い第２ミラー１３１aあるいは第３ミラー１３２aの反射面に測定対象ガスの分子等が付着して汚れると大幅に感度が低下する。このため、安定した連続測定を行うことが難しいという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、シングルパス型のガス濃度測定装置よりも高い感度が得られ、マルチパス型のガス濃度測定装置に比べて安定した連続測定を行うことができるガス濃度測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るガス濃度測定装置は、
a)側面に測定対象ガスを導入するための開口を有する筒状の挿入体を備えた本体と、
b) 前記挿入体の、前記端部と前記本体の間を区画するように設けられた窓材であって、測定光を通過させる透光部と、前記端部側に設けられた反射部とを有する窓材と、
c) 前記本体に設けられた、測定光を前記透光部を通過させて前記端部に照射させる光導入部と、
d) 前記挿入体の前記端部に設けられた凹面鏡であって、前記透光部を通過した測定光を前記反射部に向けて反射し、該反射部を反射した測定光を前記透光部に向けて反射する反射面を有する凹面鏡と、
e) 前記透光部を通過した測定光を検出する検出部と
を備えることを特徴とする。

前記光導入部は、例えば光源から発せられた光を輸送する光ファイバの出口端を接続するファイバ接続部とすることができる。
前記凹面鏡は、例えば、断面が放物線状や円弧状である反射面を有するもの、該断面がＶ字状である反射面を有するものとすることができる。凹面鏡を前者とした場合、該断面内で多少の測定光の光軸ずれが生じても測定光を窓材の反射部に反射することができロバスト性が向上する。
前記検出部は、典型的には本体内に設けられるが、本体外部に設けてもよい。また、検出部は透光部を通過した測定光を直接検出する検出器のみから構成してもよく、透光部を通過した光を１乃至複数回反射する反射部や、測定光を検出器の検出面に集光する集光部等の光学系と、該光学系を通過した測定光を検出する検出器から構成してもよい。

本発明者は、上記の課題を解決するために、まず、図３に示すように、１枚の平板ミラー２３１を先端側に配置し、表面の一部（典型的には中央）に反射部２３２１を形成した平板状の窓材２３２を対向配置することにより計測部２３０（前記凹面鏡と前記窓材の間の空間）で測定光を２往復させる構成（以下、これを「ダブルパス型」と呼ぶ。）のガス濃度測定装置２００を検討した。しかし、一般に、計測部２３０を測定対象ガスが流通する領域に挿入して用いるガス濃度測定装置では、挿入体２２０の径が細く、また窓材２３２と平板ミラー２３１の離間距離に比べてファイバ接続部２１１から窓材２３２までの距離が長い。そのため、平板ミラー２３１に対して垂直に近い角度で測定光を入射し、窓材２３２の表面に形成する反射部２３２１のごく近傍で測定光を入出射させることになる。窓材２３２の表面に設けられる反射部２３２１は、多くの場合、蒸着により形成されるため、透光部２３２２と反射部２３２１の境界にこれらの中間的な特性を持つ領域が生じる。つまり、図３の構成では透光性が十分でない領域に測定光を入出射させることになり、その一部が失われて感度が低下してしまう。

本発明は、上記検討を経てなされたものであり、ダブルパス型の構成を採り、かつ窓材に入射する測定光及び窓材から出射する測定光の通過位置を反射部から遠ざける、という技術的思想に基づく。

本発明に係るガス濃度測定装置では、光導入部から導入された測定光が、窓材の透光部を通って挿入体の端部に設けられた凹面鏡に入射する。凹面鏡で反射された測定光は、続いて窓材の反射部で反射され、さらに凹面鏡で再反射され、窓部の透光部を通過して検出部で検出される。本発明に係るガス濃度測定装置では、挿入体の端部に凹面鏡を用いているため、窓材の反射部から遠い位置を通過して凹面鏡に入射した測定光を該反射部に反射することができ、また該反射部で反射された測定光を再反射し、該反射部から遠い位置から出射させることができる。従って、平面ミラーを用いる場合に生じる上述の問題が解消される。

また、本発明に係るガス濃度測定装置はダブルパス型であり、シングルパス型に比べて2倍の光路長を持つため、シングルパス型のガス濃度測定装置よりも高い感度が得られる。また、マルチパス型のガス濃度測定装置に比べて反射回数が少ないため、測定対象ガスによってミラーが多少汚れても測定感度が大きく変化することがなく、安定した連続測定を行うことができる。

本発明に係るガス濃度測定装置では、前記凹面鏡が、前記反射部を通る前記窓材の法線に関して回転対称な反射面を有することが好ましい。これにより、例えば装置の使用中に挿入体が該法線回りに回転ずれを生じた場合でも測定光を反射部に反射することができロバスト性が向上する。

本発明に係るガス濃度測定装置を用いることにより、シングルパス型のガス濃度測定装置よりも高い感度が得られ、マルチパス型のガス濃度測定装置に比べて安定した連続測定を行うことができる。

従来のガス濃度測定装置の要部構成図。 従来の別のガス濃度測定装置の要部構成図。 ダブルパス型のガス濃度測定装置の一構成例。 本発明に係るガス濃度測定装置の一実施例の要部構成図。 本実施例のガス濃度測定装置の計測部の構成図。 本発明に係るガス濃度測定装置の変形例の計測部の構成図。 本発明に係るガス濃度測定装置の別の変形例の計測部の構成図。 本発明に係るガス濃度測定装置のさらに別の変形例の計測部の構成図。

本発明に係るガス濃度測定装置の実施例について、以下、図面を参照して説明する。図１から図３を用いて説明した構成要素と共通する構成要素については下二桁が同じ符号を付している。

図４は、本実施例のガス濃度測定装置１の要部構成図である。本実施例のガス濃度測定装置１は、筒状の挿入体２０を有する本体１０を備えている。本体１０には、波長可変の半導体レーザ光源である光源２から発せられた測定光を導く光ファイバ３の出口端を接続するファイバ接続部１１と、検出器１２と、測定光を該検出器１２に導くための第１ミラー１３が配置されている。挿入体２０の、本体１０とは反対側の端部２０aは気密に閉鎖されている。

筒状の挿入体２０の端部には、目的ガスを含む測定対象ガスが流れる配管４０に挿入される計測部３０が設けられている。計測部３０の側面には開口３３が設けられており、該開口３３を通じて測定対象ガスが計測部３０内を流通する。また、計測部３０の端部には凹面鏡である第２ミラー３１が配置されている。さらに、該第２ミラー３１と対向する位置には、計測部３０を挿入体２０の本体側の空間と気密に区画する窓材３２が取り付けられている。また、窓材３２の第２ミラー３１側の表面の中央には反射部３２１が形成されている。窓材３２の表面のうち反射部３２１以外の領域は全て透光部３２２である。本実施例では、挿入体２０の端部２０aを気密に閉鎖し、また、窓材３２によって計測部３０を本体側の空間と気密に区画することにより、配管４０から開口３３を通じて計測部３０に流入した測定対象ガスが、該計測部３０から挿入体２０の端部２０a側や本体１０側に漏出することを防止している。本実施例ではガス濃度測定装置１を挿入体２０の端部２０aが配管４０から突出するように差し込んで用いるため、挿入体２０の端部２０aを気密に閉鎖しているが、例えば、挿入体２０の端部２０aを測定対象空間内に位置させて使用する場合、挿入体２０の端部２０aを気密に閉鎖する必要はない。

図５は計測部３０の近傍の構成要素、特に第２ミラー３１について説明する図である。図５(a)は測定光の光路を含む面の断面図、図５(b)は、これに垂直であり測定系の軸（反射部３２１を通る窓材３２の法線）Ｃを含む面の断面図である。図５(a)及び（b）に示すように、第２ミラー３１は、測定系の軸Ｃ周りに回転対称な反射面を有する放物面鏡であり、その焦点位置の近傍に窓材３２の反射部３２１が配置されている。なお、図５以降の図面では、視認性を高めるために曲線部を実際の曲率よりも大きく図示している。また、第２ミラー３１の形状を分かりやすくするために、これらの図面では第２ミラー３１を一部、側面図のように図示している。本実施例では測定系の軸Ｃを挿入体２０の中心軸と一致させることにより、挿入体２０の内径を最小化し装置を小型化しているが、これは好ましい態様であり本発明に必須の要件ではない。

ここで、焦点位置の「近傍」と記載したのは以下の理由による。
放物面鏡は、放物線の軸に平行な光を１点（焦点）に集光する特性を有する。従って、本実施例においても、放物線の軸に平行な光を入射すると焦点に反射される。しかし、本実施例のガス濃度測定装置１において、ファイバ接続部１１から導入した測定光を窓材３２の表面に対して完全に垂直に照射した場合、窓材３２で測定光の一部が反射されると測定光に干渉が生じ、測定の精度が低下する。また、計測部３０から窓材３２を通過する光についても同様に干渉が生じる。そのため、図４及び図５から明瞭に読み取ることは困難であるが、実際には放物線の軸からわずかに（数度程度）傾斜した方向に測定光を入射する。以下、これを「略垂直」な入射という。その結果、放物面鏡により反射された光は上記焦点から僅かにずれた位置に反射されることになるため、本実施例では第２ミラー３１を焦点位置の近傍（つまり、実際に測定光が反射される位置）に配置している。

本実施例のガス濃度測定装置１では、光源２から発せられたレーザ光を光ファイバ３に導入し、その端部が接続されたファイバ接続部１１から挿入体２０の端部に設けられた第２ミラー３１に測定光として照射する。このとき、窓材３２の透光部３２２のうち反射部３２１から十分に遠い位置を通過させる。ここでいう十分に遠い位置とは、蒸着等により形成された反射部３２１の端部に生じる、透光性が十分でない領域よりも外側の位置であることをいう。第２ミラー３１に入射した光は窓材３２の反射部３２１に反射され、該反射部３２１で反射されたあと、第２ミラー３１で再反射され窓材３２の透光部３２２を通過する。本実施例では計測部３０内の各構成要素が測定系の軸Ｃに対称であるため、窓材３２を出射する測定光も反射部３２１から十分に遠い位置で透光部３２２を通過する。透光部３２２を通過した光は第１ミラー１３で反射され検出器１２で検出される。検出器１２からの出力は図示しないデータ処理部に入力される。濃度を測定する目的ガスの吸収波長を含む波長帯域で測定光の波長を変化させつつ測定を行うことにより吸収スペクトルを取得し、そのピーク強度から吸光度を計算することにより、該吸光度から目的ガスの濃度を求める。

本実施例のガス濃度測定装置１は計測部３０内で測定光を２往復させる構成（ダブルパス型）であり、計測部３０内においてシングルパス型に比べて2倍の光路長を持つため、シングルパス型のガス濃度測定装置１００よりも高い感度が得られる。また、マルチパス型のガス濃度測定装置１００aに比べて反射回数が少ないため、測定対象ガスによって第２ミラー３１の反射面が多少汚れても測定感度が大きく変化することがなく、安定した連続測定を行うことができる。

また、本実施例の濃度測定装置では、挿入体２０の端部に配置する第２ミラー３１として、測定光の光路を含む面の断面が放物線状である反射面を有する放物面鏡を用いているため、窓材３２の透光部３２２のうち反射部３２１から遠い位置を通過して入射した測定光を該反射部３２１に反射することができ、また該反射部３２１で反射された測定光を、透光部３２２のうち反射部３２１から遠い位置から出射させることができる。さらに、第２ミラー３１に入射する測定光の光軸が多少ずれても第２ミラー３１で反射した光が反射部３２１に反射することができるため、光軸ずれを生じさせるような外乱（振動等）に対しても頑強な構成である。さらに、本実施例の第２ミラー３１は、測定系の軸Ｃに回転対称な反射面を持つ放物面であるため、挿入体２０の挿入時や測定中に該挿入体２０が回転しても測定光の光路には影響がなく、この点でも頑強な構成である。

上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。
本発明に係るガス濃度測定装置は、計測部３０内で測定光を２往復させるダブルパス型の構成を採り、かつ、窓材３２の透光部３２２のうち反射部３２１から遠い位置で測定光を入出射させるという技術的思想に基づくものであり、様々な構成を採ることができる。

例えば、上記実施例の第２ミラー３１に代えて、図６に示すように板状のミラーを２枚、測定光の光路を含む面の断面がＶ字状になるように組み合わせた凹面鏡からなる第２ミラー３１aを用いることもできる。この場合には、第２ミラー３１aからの反射光を反射部３２１に入射するため、測定時に該第２ミラー３１aへの測定光の入射角を調整する必要はあるが、ミラーとしての構成は最も簡素である。また、図７に示すように、Ｖ字状の断面を有し、測定系の軸Ｃに関して回転対称な（即ち円錐状の）反射面を有する凹面鏡からなる第２ミラー３１bを用いることもできる。この場合にも、図６同様、測定時に測定光の入射角を調整する必要はあるが、使用時や測定中に挿入体２０が回転しても測定光の光路には影響がなく、第２ミラー３１bに入射した測定光を反射部３２１に向けて反射することができるため、図６の構成よりもロバスト性が高くなる。

上記実施例の第２ミラー３１に代えて、図８に示すように一方の断面のみが放物線状である反射面を有する第２ミラー３１cを用いることもできる。この場合、当該断面を有する面内で第２ミラー３１cに入射する測定光の光軸ずれが生じても、測定光を反射部３２１に反射することができるため、図６の構成よりもロバスト性が高くなる。また、放物線状でなく断面が部分円弧状や部分楕円弧状である反射面を有するものを用いることもできる。部分円弧や部分楕円弧は放物線に近い形状を有するため、この場合も図８の構成と同様の効果を得ることができる。さらに、部分円弧状や部分楕円弧状の断面を有し、測定光の軸Ｃについて回転対称な反射面を有する球面鏡を第２ミラー３１として用いることもできる。この場合には、上記実施例（図４及び図５）と同様の効果が得られる。

第２ミラー３１以外の構成要素についても適宜に変更することができる。上記実施例では光源として波長可変である半導体レーザを用いたが、光源として、白色光源と回折格子等の波長分散素子を組み合わせたものを用いてもよい。あるいは、白色光源からの光をそのまま測定光として使用し、窓材３２を出射した光をは回折格子等の波長分散素子で波長分離して測定するようにしてもよい。また、上記実施例ではファイバ接続部１１を光導入部として使用したが、測定光を所定の角度で第２ミラー３１に照射することが可能なものであればよく、適宜の構成を採ることができる。さらに、本実施例では、第１ミラー１３と検出器１２を組み合わせて検出部を構成したが、窓材３２から出射した測定光を直接検出する検出器１２のみを用いてもよい。上記実施例では検出部を本体１０の内部に配置したが、本体１０の外部や挿入体２０の内部に配置してもよい。

１…ガス濃度測定装置
２…光源
３…光ファイバ
１１…ファイバ接続部
１２…検出器
１３…第１ミラー
２０…挿入体
２０a…挿入体の端部
３０…計測部
３１、３１a、３１b、３１c…第２ミラー
３２…窓材
３２１…反射部
３２２…透光部
３３…開口
４０…配管

Claims (3)

1. a) 側面に測定対象ガスを導入するための開口を有する筒状の挿入体を備えた本体と、
   b) 前記挿入体の、前記端部と前記本体の間を区画するように設けられた窓材であって、測定光を通過させる透光部と、前記端部側に設けられた反射部とを有する窓材と、
   c) 前記本体に設けられた、測定光を前記透光部を通過させて前記端部に照射させる光導入部と、
   d) 前記挿入体の前記端部に設けられた凹面鏡であって、前記透光部を通過した測定光を前記反射部に向けて反射し、該反射部を反射した測定光を前記透光部に向けて反射する反射面を有する凹面鏡と、
   e) 前記透光部を通過した測定光を検出する検出部と
   を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
2. 前記凹面鏡の反射面が放物線状又は円弧状の断面を有することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置。
3. 前記凹面鏡の反射面が、前記反射部を通る前記窓材の法線に関して回転対称であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス濃度測定装置。

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