JP2018159639A - 光通過回数調整装置、光通過回数調整方法、及び濃度算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】想定されるガスの濃度が高い場合でも低い場合でも装置構成を変更することなく、ガスの濃度を精度よく測定する。【解決手段】第１の反射鏡１４〜第３の反射鏡１８により閉光路が形成され、回転軸を中心に回転し、周囲に等間隔で光が通過可能な光通過部分が形成され、光通過部３４以外の部分は光反射部材であり、光通過部３４が閉光路の光が通過可能な位置に配置されたチョッパー型ミラー２２の回転速度を、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度が低い場合には、高い場合より、遅くして、ガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数を多くしている。【選択図】図１

Description

本発明は、光通過回数調整装置、光通過回数調整方法、及び濃度算出装置に関する。

従来、ガスセルの前段に捕集管を設け、測定対象のガス成分を捕集管に吸着させて捕集した後、ヒータによる加熱によってガス成分を脱着させることによりガス成分を濃縮してガスセルに封入し、封入されたガスに干渉光を照射し、ガスセルから出射した光を検出器で検出し、検出された光の強度に基づいて、ガスの濃度を求める装置が提案されている（特許文献１）。

特開平０７−２７０３１６号公報

しかし、上記従来の装置では、ガスセルに封入されたガスの濃度が高い場合には、干渉光のほとんどがガスに吸収され、検出器が光を検出することができないことが生ずる。また、上記従来の装置では、ガスセルに封入されたガスの濃度が低い場合には、干渉光がガスに吸収されることが少なく、ガスの濃度を精度よく測定することができない。

以上に鑑みると、ガスセルに封入されたガスの濃度が高いと想定される場合と低いと想定される場合とで、ガスの濃度を精度よく測定するためには、検出器を変更する等、装置の構成を変更することが必要となる。

本発明は、想定されるガスの濃度が高い場合でも低い場合でも装置構成を変更することなく、ガスの濃度を精度よく測定することができるようにする光通過回数調整装置、光通過回数調整方法、及び濃度算出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本願の請求項１に記載の発明の光通過回数調整装置は、光源と、光源から入射された光の閉光路を形成する光学系と、前記閉光路の光路中に配置され、内部にガスが供給されると共に前記閉光路の光が前記内部を通過して前記閉光路に出射する容器と、前記閉光路に前記光源からの光を入射することを許可すると共に、前記許可によって前記容器を通過した光を前記閉光路から出射することを許可する許可器と、前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記入射することが許可されて前記閉光路に入射された光が前記容器の内部を通過する回数が調整されて、前記閉光路から出射するように、前記許可器を制御する制御器と、を備えている。

光学系は、光源から入射された光の閉光路を形成する。
許可器は、前記閉光路の光路中に配置され、内部にガスが供給されると共に前記閉光路の光が前記内部を通過して前記閉光路に出射する容器と、前記閉光路に前記光源からの光を入射することを許可すると共に、前記許可によって前記容器を通過した光を前記閉光路から出射することを許可する。

制御器は、前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記入射することが許可されて前記閉光路に入射された光が前記容器の内部を通過する回数が調整されて、前記閉光路から出射するように、前記許可器を制御する。

前記制御器は、請求項２の発明のように、前記容器に供給されたガスの想定される濃度が低い場合には、高い場合より、前記回数が多くなるように、前記許可器を制御するようにしてもよい。

請求項３の発明のように、前記許可器を介して前記閉光路から出射した光の強度を検出する検出器を更に備え、前記制御器は、前記容器にガスが供給された状態で前記閉光路に前記光源からの光が入射され且つ前記容器を通過した光が前記閉光路から出射されるように、前記許可器を制御し、当該制御により前記許可器を介して前記閉光路から出射した光の前記検出器により検出された強度に基づいて、前記容器に供給されたガスの濃度を想定するようにしてもよい。

ところで前記許可器は、請求項４の発明のように、前記許可器は、光が通過可能な部分が形成された移動部材と、前記部分を前記閉光路の光が通過して前記閉光路から出射できる位置と、前記閉光路の光が前記移動部材の前記部分以外の所定の部分で反射して前記閉光路に戻る位置とに前記移動部材を移動させる機構と、を備え、前記制御器は、前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記回数が調整されるように、前記機構を制御するようにしてもよい。

この場合、前記移動部材は、請求項５の発明のように、軸を中心に回転し、光が通過可能な部分が形成され、前記部分を前記閉光路の光が通過可能な位置に配置された回転部材であり、前記機構は、前記回転部材の前記回転を制御するようにしてもよい。この場合、前記制御器は、前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記回転が制御されるように、前記機構を制御するようにしてもよい。

また、前記許可器は、請求項６の発明のように、光が通過可能な通過可能状態と光が通過不可能な通過不可能状態とに変更可能な部分を有し、前記通過可能状態に変更された前記部分を前記閉光路の光が通過可能な位置に配置された光通過状態変更器と、前記光通過状態変更器の前記部分を前記通過可能状態又は前記通過不可能状態に選択的に切り替える切り替え器と、を備えるようにしてもよい。この場合、前記制御器は、前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記回数が調整されるように、前記切り替え器を制御するようにしてもよい。
なお、前記光通過状態変更器は、請求項７のように、電子シャッターでもよい。

前記容器は、請求項８のように、少なくとも前記閉光路の光が入射する入射部分及び前記内部を通過して前記閉光路に出射する出射部分が透明であるとしてもよい。

請求項９に記載の発明の光通過回数調整方法は、光源と、光源から入射された光の閉光路を形成する光学系と、前記閉光路の光路中に配置され、内部にガスが供給されると共に前記閉光路の光が前記内部を通過して前記閉光路に出射する容器と、前記閉光路に前記光源からの光を入射することを許可すると共に、前記許可によって前記容器を通過した光を前記閉光路から出射することを許可する許可器と、前記許可器を制御する制御器と、を備えた光通過回数調整装置における光通過回数調整方法であって、前記制御器が、前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記入射することが許可されて前記閉光路に入射された光が前記容器の内部を通過する回数が調整されて、前記閉光路から出射するように、前記許可器を制御する。

請求項１０に記載の濃度算出装置は、光源と、光源から入射された光の閉光路を形成する光学系と、前記閉光路の光路中に配置され、内部にガスが供給されると共に前記閉光路の光が前記内部を通過して前記閉光路に出射する容器と、前記閉光路に前記光源からの光を入射することを許可すると共に、前記許可によって前記容器を通過した光を前記閉光路から出射することを許可する許可器と、前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記入射することが許可されて前記閉光路に入射された光が前記容器の内部を通過する回数が調整されて、前記閉光路から出射するように、前記許可器を制御する制御器と、前記許可器を介して前記閉光路から出射した光の強度を検出する検出器と、を備え、前記制御器は、前記検出器により検出された前記光の強度に基づいて、前記ガスの濃度を算出する。

本発明は、想定されるガスの濃度が高い場合でも低い場合でも装置構成を変更することなく、ガスの濃度を精度よく測定することができるようにすることができる。

第１の実施の形態の濃度算出装置の構成を示す図である。 （Ａ）は、チョッパー型ミラー２２の正面図であり、（Ｂ）は、チョッパー型ミラー２２の側面図である。 赤外光源１２からの赤外線が閉光路に入射される様子を示す図である。 赤外光源１２からの赤外線が閉光路に入射される時のチョッパー型ミラー２２の光通過部３４の位置を示す図である。 入射された赤外線が閉光路を周回する様子を示す図である。 入射された赤外線が閉光路を周回する時のチョッパー型ミラー２２の光反射部３２の位置を示す図である。 閉光路から出射した赤外線が光強度検出器２６に到達する様子を示す図である。 濃度測定処理プログラムのフローチャートである。 図８のステップ３３４の低濃度用の測定対象ガスの濃度測定処理プログラムのフローチャートである。 図８のステップ３３６の高濃度用の測定対象ガスの濃度測定処理プログラムのフローチャートである。 （Ａ）は、ガスセル２０の内部に供給された赤外線非吸収ガスを通過した赤外線の光強度が光強度検出器２６により検出され、光強度検出器２６から出力される光強度信号の時系列データを示す図であり、（Ｂ）は、ガスセル２０の内部に供給された測定対象ガスを通過した赤外線の光強度が光強度検出器２６により検出され、光強度検出器２６から出力される光強度信号の時系列データを示す図である。 ガスセル２０に、赤外線非吸収ガスを供給した場合の光強度１３０２と、ガスセル２０に、測定対象ガスを供給した場合の光強度１３０４とを示す図である。 測定対象ガスの濃度と吸光度との関係を示すグラフである。 （Ａ）は、チョッパー型ミラー２２を低速度ＶＬで回転させた場合に、閉光路に、チョッパー型ミラー２２の光反射部３２が位置する時間（反射状態参照）と光通過部３４が位置する時間（入射状態、出射状態）を示す図であり、（Ｂ）は、チョッパー型ミラー２２を高速度ＶＨで回転させた場合に、閉光路に、チョッパー型ミラー２２の光反射部３２が位置する時間（反射状態参照）と光通過部３４が位置する時間（入射状態、出射状態）を示す図である。 第２の実施の形態の濃度算出装置の構成を示す図である。 赤外光源１２からの赤外線がチョッパー型ミラー２２を介してガスセル２０に到達する様子を示す図である。 赤外線が、チョッパー型ミラー２２と反射鏡４４との間を、ガスセル２０の内部を介して、往復する様子を示す図である。 チョッパー型ミラー２２と反射鏡４４との間を、ガスセル２０の内部を介して、往復した赤外線が、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４を介して、ビームスプリッタ４２を介して、光強度検出器２６に到達する様子を示す図である。 第１の変形例に係る濃度算出装置の構成を示す図である。 第２の変形例に係る濃度算出装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１には、第１の実施の形態の濃度算出装置の構成が示されている。図１に示すように、本実施の形態の濃度算出装置は、赤外線を発光する赤外光源１２と、赤外光源１２から入射された光が周回するように閉光路を形成する第１の反射鏡１４〜第３の反射鏡１８と、を備えている。濃度算出装置は、第１の反射鏡１４〜第３の反射鏡１８により形成される閉光路の光路中に配置され、内部にガスが供給されると共に閉光路の光が内部を通過して閉光路に出射するガスセル２０を備えている。ガスセル２０は、少なくとも閉光路の光が入射する入射部分及び内部を通過して閉光路に出射する出射部分が透明である。なお、ガスセル２０は全体が透明であってもよい。

濃度算出装置は、閉光路に赤外光源１２からの赤外線を入射することを許可すると共に、当該許可によってガスセル２０を通過した赤外線を閉光路から出射することを許可するチョッパー型ミラー２２とを備えている。チョッパー型ミラー２２は、軸を中心に回転する円板状に形成されている。濃度算出装置は、チョッパー型ミラー２２の単位時間当たりの回転数（回転速度）を制御する回転数調整機構２４を備えている。

濃度算出装置は、チョッパー型ミラー２２を介して閉光路から出射した光の強度を検出する光強度検出器２６を備えている。

濃度算出装置は、赤外光源１２、回転数調整機構２４、光強度検出器２６に接続される制御器２８を備えている。なお、制御器２８は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ディスプレイ等を備えたコンピュータにより構成されている。ＲＯＭには、後述する濃度測定処理プログラムが記憶されている。濃度測定処理プログラムは、ＲＯＭから読み出され、ＲＡＭに展開され、ＣＰＵにより実行されて、濃度測定処理が実行される。

なお、制御器２８には、ガスセル２０に、赤外線非吸収ガスを供給する図示しない赤外線非吸収ガス供給部と、ガスセル２０に、測定対象ガスを供給する図示しない測定対象ガス供給部とが更に接続され、制御器２８は、赤外線非吸収ガス供給部又は測定対象ガス供給部を制御して、ガスセル２０に、赤外線非吸収ガス又は測定対象ガスを供給する。

制御器２８は、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度に応じて、入射することが許可されて閉光路に入射された光がガスセル２０に供給されたガスを通過する回数が調整されて、閉光路から出射するように、回転数調整機構２４を制御する。また、制御器２８は、光強度検出器２６により検出された光の強度に基づいて、ガスの濃度を算出する。

次に、チョッパー型ミラー２２の構成を説明する。
図２には、チョッパー型ミラー２２の構成が示されている。図２（Ａ）には、チョッパー型ミラー２２の正面図が示され、図２（Ｂ）には、チョッパー型ミラー２２の側面図が示されている。

図２に示すように、チョッパー型ミラー２２は、回転軸３０を中心に回転する回転部材である。チョッパー型ミラー２２の周囲には、等間隔で光が通過可能な光通過部３４が形成されている。チョッパー型ミラー２２は、光通過部３４を閉光路の光が通過可能な位置に配置されている。なお、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４以外の部分は、光反射部３２に形成されている。光通過部３４は、光反射部３２における入射開始縁３４Ａと入射終了縁３４Ｂとの間において画定されている。

次に、図３〜図７を参照して、赤外光源１２からの赤外線が閉光路に入射され、入射された赤外線が閉光路を何度も周回し、その後、光強度検出器２６に到達する様子を説明する。

図３には、赤外光源１２からの赤外線が閉光路に入射される時の濃度算出装置の様子が示されている。図４は、赤外光源１２からの赤外線が閉光路に入射される時のチョッパー型ミラー２２の光通過部３４の位置が示されている。図５には、入射された赤外線が閉光路を何度も周回する様子が示されている。図６には、入射された赤外線が閉光路を何度も周回する時のチョッパー型ミラー２２の光反射部３２の位置が示されている。図７には、閉光路から出射した赤外線が光強度検出器２６に到達する様子が示されている。

チョッパー型ミラー２２が回転して、図４に示すように、閉光路に光通過部３４が位置し、赤外光源１２から赤外線が照射されると、図３に示すように、照射された赤外線は、光通過部３４を通過し、第１の反射鏡１４に向かう。第１の反射鏡１４に向かった赤外線は、図５に示すように、第１の反射鏡１４で、ガスセル２０に反射する。第１の反射鏡１４からガスセル２０に向かった赤外線は、ガスセル２０の透明な入射部分を介して、ガスセル２０の内部に侵入し、ガスセル２０の内部を通過し、ガスセル２０の透明な出射部分を介して閉光路に出射する。ガスセル２０の透明な出射部分を介して閉光路に出射した赤外線は第２の反射鏡１６に到達し、第２の反射鏡１６で反射して、第３の反射鏡１８に到達し、第３の反射鏡１８で反射してチョッパー型ミラー２２に向かう。図６に示すように、閉光路に光反射部３２が位置していると、第３の反射鏡１８で反射してチョッパー型ミラー２２に向かった赤外線は、光反射部３２で反射して、第１の反射鏡１４に到達する。これにより、閉光路が形成される。この状態では、赤外線は、閉光路を何度も周回、何度もガスセル２０の内部を通過する。ガスセル２０に、赤外線を吸収する測定対象ガスが供給されていれば、赤外線の一部は、ガスセル２０において測定対象ガスに吸収される。よって、閉光路を何度も周回すると、測定対象ガスに吸収されなかった赤外線も測定対象ガスに吸収されるようになる。

その後、図７に示すように、閉光路に光通過部３４が位置するようになると、閉光路を何度も周回し測定対象ガスに吸収されなかった赤外線が、光通過部３４から出射して、光強度検出器２６に到達する。これにより、光強度検出器２６は、赤外線の光強度を検出し、光強度を示す光強度信号を制御器２８に出力する。

チョッパー型ミラー２２の回転速度が小さくなると、閉光路が形成される時間が長くなり、赤外線がガスセル２０を通過する回数が多くなる。逆に、チョッパー型ミラー２２の回転速度が大きくなると、閉光路が形成される時間が短くなり、赤外線がガスセル２０を通過する回数が少なくなる。

次に、本実施の形態の作用を説明する。
詳細には後述するが、制御器２８（図１参照）は、ガスセル２０に供給した測定対象ガスの濃度を想定する。即ち、ガスセル２０に測定対象ガスが供給された状態で閉光路に赤外光源１２からの赤外線が入射され且つガスセル２０を通過した光が閉光路から出射されるように、回転数調整機構２４を制御する。制御器２８は、当該制御によりチョッパー型ミラー２２を介して閉光路から出射した光の光強度検出器２６により検出された強度に基づいて、ガスセル２０に供給されたガスの濃度を想定する。そして、制御器２８は、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度が低い場合には、高い場合より、ガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数が多くなるように、回転数調整機構２４を制御する。

図８には、濃度測定処理プログラムのフローチャートが示されている。図９には、図８のステップ３３４の低濃度用の測定対象ガスの濃度測定処理プログラムのフローチャートが示され、図１０には、図８のステップ３３６の高濃度用の測定対象ガスの濃度測定処理プログラムのフローチャートが示されている。

図８に示すように、ステップ３０２で、赤外線非吸収ガスをガスセル２０に供給する。ステップ３０４で、チョッパー型ミラー２２を所定速度Ｖ０で回転させる。ステップ３０６で、赤外光源１２を制御して、赤外線を一定期間、閉光路に向けて入射する。上記のようにチョッパー型ミラー２２が所定速度Ｖ０で回転しているため、図４に示すように、光通過部３４が閉光路に位置する状態が生ずる。このような状態の場合、図３に示すように、赤外光源１２からの赤外線は、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４を通過し、図６に示すように、光反射部３２が閉光路に位置すると、図５に示すように、閉光路を赤外線が何度も周回する。その後、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４が閉光路に位置すると、図７に示すように、閉光路形成中に赤外線非吸収ガスを通過した赤外線は、閉光路から光通過部３４を介して、光強度検出器２６に到達する。

ステップ３０８で、赤外線を入射した一定期間中に光強度検出器２６から出力された光強度信号の時系列データに基づいて、閉光路形成中に赤外線非吸収ガスを通過した赤外線の光の強度Ｉ０を、次のように算出する。

図１１（Ａ）は、ガスセル２０の内部に供給された赤外線非吸収ガスを通過した赤外線の光強度が光強度検出器２６により検出され、光強度検出器２６から出力される光強度信号の時系列データが示されている。図１１（Ｂ）は、ガスセル２０の内部に供給された測定対象ガスを通過した赤外線の光強度が光強度検出器２６により検出され、光強度検出器２６から出力される光強度信号の時系列データが示されている。

閉光路形成中に赤外線非吸収ガスを何度も通過した後、光通過部３４の入射開始縁３４Ａが閉光路にさしかかり（図１１（Ａ）の時間０）、チョッパー型ミラー２２の回転が継続すると、時系列データは、図１１（Ａ）に示すように徐々に大きくなる。その後、時系列データは、ピークに到達すると徐々に小さくなり、入射終了縁３４Ｂが閉光路にさしかかり（図１１（Ａ）の時間Ｔ１）、チョッパー型ミラー２２の回転が継続すると、時系列データは、次に入射開始縁３４Ａが閉光路にさしかかる時（図１１（Ａ）の時間Ｔ２）まで、一定となる。ステップ３０８では、次式に示すように、時間０〜時間Ｔ１までの時系列データの積分値から、時間Ｔ１〜Ｔ２までの積分値を差し引くことにより、求める。

なお、後述する他のステップでの光強度の算出も、上記式を用いて、行われる。

ステップ３１０で、チョッパー型ミラー２２を低速度ＶＬで回転させ、ステップ３１２で、赤外線を一定期間入射し、ステップ３１４で、閉光路形成中に赤外線非吸収ガスを通過した光の強度ＩＬを算出する。

ステップ３１６で、チョッパー型ミラー２２を高速度ＶＨで回転させ、ステップ３１８で、赤外線を一定期間入射し、ステップ３２０で、赤外線を入射した一定期間中に光強度検出器２６から出力された光強度信号の時系列データに基づいて、閉光路形成中に赤外線非吸収ガスを通過した赤外線の強度ＩＨを算出する。

ステップ３２２で、測定対象ガスをガスセル２０に供給する。ステップ３２４で、チョッパー型ミラー２２を、上記所定速度Ｖ０で回転させ、ステップ３２６で、赤外線を一定期間入射し、ステップ３２８で、赤外線を入射した一定期間中に光強度検出器２６から出力された光強度信号の時系列データに基づいて、閉光路形成中に測定対象ガスを通過した赤外線の強度Ｉ１を算出する。なお、この場合の光強度検出器２６からの光強度信号の時系列データは、図１１（Ｂ）に示すように、図１１（Ａ）に示す光強度信号の時系列データと比較すると、値は小さいが、変化の様子は同様である。

ステップ３３０で、チョッパー型ミラー２２を上記所定速度Ｖ０で回転させた状態で上記のように算出された、閉光路形成中に赤外線非吸収ガスを通過した赤外線の光の強度Ｉ０から閉光路形成中に測定対象ガスを通過した光の強度Ｉ１を差し引いて、両者の差ΔＩを算出する（ΔＩ←Ｉ０−Ｉ１）。

ステップ３３２で、ΔＩ≦Ｉｔｈか否かを判断する。

ここで、しきい値Ｉｔｈについて説明する。
ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が低いと、赤外線はそれほど吸収されないため、閉光路形成中に測定対象ガスを通過した光の強度Ｉ１は、閉光路形成中に赤外線非吸収ガスを通過した赤外線の光の強度Ｉ０と比較的変わらない。
しかし、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が高いと低い場合より、赤外線は吸収され、閉光路形成中に測定対象ガスを通過した光の強度Ｉ１は、閉光路形成中に赤外線非吸収ガスを通過した赤外線の光の強度Ｉ０より小さい。
しきい値Ｉｔｈは、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が低いと判断できる光強度の値である。

ステップ３３２で、ΔＩ≦Ｉｔｈであると判断された場合には、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が低いと想定でき、ΔＩ≦Ｉｔｈであると判断されなかった場合には、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が高いと想定できる。

ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が低いと想定された場合（ステップ３３２：Ｙ）には、濃度測定処理は、ステップ３３４（図９参照）に移行し、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が高いと想定された場合（ステップ３３２：Ｎ）には、濃度測定処理は、ステップ３３６（図１０参照）に移行して、濃度測定処理は終了する。

次に、図９を参照して、ステップ３３４の低濃度用の測定対象ガスの濃度測定処理を説明する。

ステップ４０２で、チョッパー型ミラー２２を上記低速度ＶＬで回転させ、ステップ４０４で、赤外線を一定期間入射し、ステップ４０６で、赤外線を入射した一定期間中に光強度検出器２６から出力された光強度信号の時系列データに基づいて、閉光路形成中に測定対象ガスを何度も通過した光の強度ＩＬ１を算出する。

ステップ４０８で、赤外線非吸収ガスを通過した光の強度ＩＬと測定対象ガスを通過した光の強度ＩＬ１とから、吸光度を、吸光度＝−ｌｏｇ_１０（ＩＬ１／ＩＬ）から、計算する。

図１２には、ガスセル２０に、赤外線非吸収ガスを供給した場合の光強度１３０２と、ガスセル２０に、測定対象ガスを供給した場合の光強度１３０４とが示されている。図１２に示すように、ガスセル２０に赤外線非吸収ガスを供給した場合の光強度１３０２のほうが、ガスセル２０に測定対象ガスを供給した場合の光強度１３０４より大きい。

ステップ４１０で、測定対象ガスの濃度と吸光度との関係と、ステップ４１０で計算された吸光度とから、測定対象ガスの濃度を計算する。

図１３には、測定対象ガスの濃度と吸光度との関係を示すグラフが示されている。図１３に示すように、測定対象ガスの濃度と吸光度とは線形の関係を有する。

ステップ４１２で、計算された濃度を、ディスプレイに表示する。

次に、図１０を参照して、ステップ３３６の高濃度用の測定対象ガスの濃度測定処理を説明する。

ステップ５０２で、チョッパー型ミラー２２を上記高速度ＶＨで回転し、ステップ５０４で、赤外線を一定期間入射し、ステップ５０６で、赤外線を入射した一定期間中に光強度検出器２６から出力された光強度信号の時系列データに基づいて、閉光路形成中に測定対象ガスを通過した光の強度ＩＨ１を算出する。

ステップ５０８で、赤外線非吸収ガスを通過した光の強度ＩＨと、測定対象ガスを通過した光の強度ＩＨ１とから、吸光度を、吸光度＝−ｌｏｇ_１０（ＩＨ１／ＩＨ）から、計算する。ステップ５１０で、測定対象ガスの濃度と吸光度との関係と、計算された吸光度とから、測定対象ガスの濃度を計算し、ステップ５１２で、計算された濃度を、ディスプレイに表示する。

図１４（Ａ）には、チョッパー型ミラー２２を上記低速度ＶＬで回転させた場合に、閉光路に、チョッパー型ミラー２２の光反射部３２が位置する時間（反射状態参照）と光通過部３４が位置する時間（入射状態、出射状態）が示されている。図１４（Ｂ）には、チョッパー型ミラー２２を上記高速度ＶＨで回転させた場合に、閉光路に、チョッパー型ミラー２２の光反射部３２が位置する時間（反射状態参照）と光通過部３４が位置する時間（入射状態、出射状態）が示されている。

図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）から、チョッパー型ミラー２２の回転速度が小さい（ＶＬ）と、閉光路が形成される時間が長くなるのに対し、チョッパー型ミラー２２の回転速度が大きくなる（ＶＨ）と、閉光路が形成される時間が短くなることが理解される。

チョッパー型ミラー２２の回転速度を小さくして、閉光路が形成される時間を長くすると、赤外線がガスセル２０を通過する回数を多くすることができる。逆に、チョッパー型ミラー２２の回転速度を大きくして、閉光路が形成される時間を短くすると、赤外線がガスセル２０を通過する回数を少なくすることができる。

ところで、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度に無関係にチョッパー型ミラー２２を一定の回転速度で回転させると、測定対象ガスの濃度が高い場合には、赤外線のほとんどが測定対象ガスに吸収され、ガスセル２０から赤外線が出射せずに、光強度検出器２６が光強度を検出することができない場合がある。測定対象ガスの濃度が低い場合には、赤外線のほとんどが測定対象ガスに吸収されず、測定対象ガスでの光強度と赤外線非吸収ガスでの光強度とでは差がほとんどない場合がある。よって、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度に無関係にチョッパー型ミラー２２を一定の回転速度で回転させて、測定対象ガスの濃度を測定しても、ガスの濃度を精度よく測定することができない場合がある。

これに対し、本実施の形態では、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が高いと想定される場合と低いと想定される場合とで、赤外線がガスセル２０を通過する回数を調整している。具体的には、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度が低い場合には、高い場合より、ガスセル２０に供給された測定対象ガスを通過する赤外線の回数を多くしている。即ち、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度が低い場合には、高い場合より、固定された長さの閉光路を周回する赤外線の光路長をより長くしている。

よって、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度が低い場合には、ガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数をより多くすることにより、赤外線をよりガスに吸収させている。これにより、測定対象ガスでの光強度と赤外線非吸収ガスでの光強度との差をより大きくさせ、検出できる濃度の下限値を低くさせて、ガスの濃度を精度よく測定することができるようにしている。

一方、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度が高い場合には、ガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数をより少なくすることにより、赤外線をよりガスに吸収されないようにしている。これにより、ガスセル２０から赤外線が出射されないで、光強度検出器２６が光強度を検出できないことを防止して、ガスの濃度を精度よく測定することができるようにしている。

以上説明したように本実施の形態では、想定されるガスの濃度が高い場合でも低い場合でも装置構成を変更することなく、ガスの濃度を精度よく測定することができる。

また、本実施の形態では、測定対象ガスの濃度を想定し、想定された濃度が低い場合には高い場合より、ガスセル２０に供給された測定対象ガスを通過する赤外線の回数を多くしている。よって、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が変化しても、ガスの濃度を精度よく測定することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。第２の実施の形態の構成は、第１の実施の形態の構成と同様な部分であるので、同様な部分には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

図１５には、第２の実施の形態の濃度算出装置の構成が示されている。図１５に示すように、第２の実施の形態の濃度算出装置は、赤外光源１２とチョッパー型ミラー２２との間にビームスプリッタ４２が配置されている。ビームスプリッタ４２は、２つの三角プリズムを、底面同士が接するように、組合せて構成されている。なお、ビームスプリッタ４２は、２つの三角プリズムを組合せて構成することに限定されず、例えば、偏光ビームスプリッタを採用してもよい。

また、第２の実施の形態では、第１の実施の形態の第１の反射鏡１４〜第３の反射鏡１８に代えて、チョッパー型ミラー２２に対し、ガスセル２０を挟んで、１つの反射鏡４４を備えている。チョッパー型ミラー２２の光反射部３２がガスセル２０の真下に位置すると、光が往復する閉光路が形成される。

図１６には、光強度検出器２６からの赤外線がチョッパー型ミラー２２を介してガスセル２０に到達する様子が示されている。図１７には、赤外線が、チョッパー型ミラー２２と反射鏡４４との間を、ガスセル２０の内部を介して、何度も往復する様子が示されている。図１８には、チョッパー型ミラー２２と反射鏡４４との間を、ガスセル２０の内部を介して、何度も往復した赤外線が、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４を介して、ビームスプリッタ４２を介して、光強度検出器２６に到達する様子が示されている。

図１６に示すように、ビームスプリッタ４２の２つの三角プリズムの一方の斜面から入射した赤外線の一部は、一方の三角プリズムの底面を通過して他方の三角プリズムの底面を介して、他方の三角プリズムに入射する。その後、他方の三角プリズムの斜面を介して出射してチョッパー型ミラー２２に到達する。チョッパー型ミラー２２に到達する際、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４が閉光路に位置すると、他方の三角プリズムを出射した光は、ガスセル２０を通過して、反射鏡４４に到達し反射鏡で反射して、ガスセル２０を通過して、チョッパー型ミラー２２に到達する。図１７に示すように、チョッパー型ミラー２２に到達する際、チョッパー型ミラー２２の光反射部３２が閉光路に位置すると、赤外線は、チョッパー型ミラー２２と反射鏡４４との間を、ガスセル２０の内部を介して、何度も往復する。そして、図１８に示すように、チョッパー型ミラー２２と反射鏡４４との間を、ガスセル２０の内部を介して、何度も往復した赤外線の一部は、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４、ビームスプリッタ４２の他方の三角プリズムの底面で反射して、他方の三角プリズムの斜面を介して、光強度検出器２６に到達する。

第２の実施の形態でも、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が高いと想定される場合と低いと想定される場合とで、赤外線がガスセル２０を通過する回数を調整している。具体的には、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度が低い場合には、高い場合より、ガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数を多くしている。即ち、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度が低い場合には、高い場合より、固定された長さの閉光路を往復する赤外線の光路長をより長くしている。

よって、第２の実施の形態でも、想定されるガスの濃度が高い場合でも低い場合でも装置構成を変更することなく、ガスの濃度を精度よく測定することができる。また、第２の実施の形態でも、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が変化しても、ガスの濃度を精度よく測定することができる。

更に、第２の実施の形態では、第１の実施の形態の第１の反射鏡１４〜第３の反射鏡１８に代えて、チョッパー型ミラー２２に対し、ガスセル２０を挟んで、１つの反射鏡４４を備えて、閉光路を構成している。よって、第２の実施の形態では、第１の実施の形態の構成より、部品点数をより少なくすることができる。

（変形例）
次に、変形例を説明する。
（第１の変形例）
図１９には、第１の変形例に係る濃度算出装置の構成が示されている。図１９に示すように、第１の変形例の構成は、第１の実施の形態の構成（図１参照）と同様な部分であるので、同様な部分には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

第１の変形例では、チョッパー型ミラー２２に代えて、光が通過可能な通過可能状態と光が通過不可能な通過不可能状態とに変更可能な部分を有し、通過可能状態に変更された部分を閉光路の光が通過可能な位置に配置された高速光シャッター５２と、制御器２８からの信号のパルス幅に応じて、高速光シャッター５２の上記部分を通過可能状態又は通過不可能状態に選択的に切り替えるパルス幅調整機構５４とを備えている。

制御器２８は、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が高いと想定される場合と低いと想定される場合とで、赤外線がガスセル２０を通過する回数を調整している。具体的には、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度が低い場合には、高い場合より、ガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数が多くなるように、パルス幅が調整された信号で、パルス幅調整機構５４を制御する。

第１の変形例でも、想定されるガスの濃度が高い場合でも低い場合でも装置構成を変更することなく、ガスの濃度を精度よく測定することができる。また、第１の変形例でも、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が変化しても、ガスの濃度を精度よく測定することができる。

（第２の変形例）
図２０には、第２の変形例に係る濃度算出装置の構成が示されている。図２０に示すように、第２の変形例の構成は、第２の実施の形態（図１５参照）及び第１の変形例（図１９参照）の構成と同様な部分であるので、同様な部分には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみを説明する。第２の変形例では、チョッパー型ミラー２２に代えて、高速光シャッター５２と、パルス幅調整機構５４とを備えている。

制御器２８は、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が高いと想定される場合と低いと想定される場合とで、赤外線がガスセル２０を通過する回数を調整している。具体的には、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度が低い場合には、高い場合より、ガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数が多くなるように、パルス幅が調整された信号で、パルス幅調整機構５４を制御する。

第２の変形例でも、想定されるガスの濃度が高い場合でも低い場合でも装置構成を変更することなく、ガスの濃度を精度よく測定することができる。また、第２の変形例でも、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が変化しても、ガスの濃度を精度よく測定することができる。

（その他の変形例）
第１の実施の形態及び第２の実施の形態におけるチョッパー型ミラー２２に代えて、孔や切欠きが形成された移動部材を閉光路に侵入させたり退避させたりしてもよい。

また、第１の変形例及び第２の変形例では、高速光シャッター５２に代えて、機械制御式シャッター、レンズの中に設置した光を遮るシャッター羽根を開閉させてシャッターを切るレンズシャッター(リーフシャッター)等を採用してもよい。

更に、上記各例では、制御器２８がガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度を想定している。本発明はこれに限定されない。例えば、濃度が低いこと又は高いことが予め想定され、キーボード等の入力装置を介して、当該想定された内容のデータが入力された場合に、想定された濃度に応じてガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数を調整するようにしてもよい。

また、上記各例では、ガスセル２０に供給された測定対象ガスの濃度が高い場合と低い場合との２段階で、濃度に応じてガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数を調整している。本発明はこれに限定されない。例えば、３以上の複数の段階に応じてガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数を調整してもよい。この場合には、例えば、複数段階の速度の各々に対し、チョッパー型ミラー２２を当該速度で回転させた状態で算出された、閉光路形成中に測定対象ガスを通過した光の強度を取得し、複数段階の速度の各々に対して得られた光の強度の差が小さい場合には、測定対象ガスの濃度が低いと判断する。また、チョッパー型ミラー２２を最も遅い速度で回転させた状態で算出された、閉光路形成中に測定対象ガスを通過した光の強度が、閾値以下である場合には、測定対象ガスの濃度が高いと判断する。それ以外の場合には、測定対象ガスの濃度が、高濃度と低濃度の中間であると判断する。測定対象ガスの濃度の段階に応じて、ガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数を調整すればよい。
また、複数段階の速度の切り替えを短時間で行い、測定対象ガスの濃度変化に応じてガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数を調整するようにしてもよい。これにより、測定対象ガスの濃度変化に追従して、ガスの濃度を精度よく測定することができる。

１２ 赤外光源
１４ 第１の反射鏡
１６ 第２の反射鏡
１８ 第３の反射鏡
２０ ガスセル
２２ チョッパー型ミラー
２４ 回転数調整機構
２６ 光強度検出器
２８ 制御器
３０ 回転軸
３２ 光反射部
３４ 光通過部
３４Ａ 入射開始縁
３４Ｂ 入射終了縁
４２ ビームスプリッタ
４４ 反射鏡
５２ 高速光シャッター
５４ パルス幅調整機構

Claims (10)

1. 光源と、
   光源から入射された光の閉光路を形成する光学系と、
   前記閉光路の光路中に配置され、内部にガスが供給されると共に前記閉光路の光が前記内部を通過して前記閉光路に出射する容器と、
   前記閉光路に前記光源からの光を入射することを許可すると共に、前記許可によって前記容器を通過した光を前記閉光路から出射することを許可する許可器と、
   前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記入射することが許可されて前記閉光路に入射された光が前記容器の内部を通過する回数が調整されて、前記閉光路から出射するように、前記許可器を制御する制御器と、
   を備えた光通過回数調整装置。
2. 前記制御器は、前記容器に供給されたガスの想定される濃度が低い場合には、高い場合より、前記回数が多くなるように、前記許可器を制御する請求項１に記載の光通過回数調整装置。
3. 前記許可器を介して前記閉光路から出射した光の強度を検出する検出器を更に備え、
   前記制御器は、前記容器にガスが供給された状態で前記閉光路に前記光源からの光が入射され且つ前記容器を通過した光が前記閉光路から出射されるように、前記許可器を制御し、当該制御により前記許可器を介して前記閉光路から出射した光の前記検出器により検出された強度に基づいて、前記容器に供給されたガスの濃度を想定する、
   請求項２に記載の光通過回数調整装置。
4. 前記許可器は、
   光が通過可能な部分が形成された移動部材と、
   前記部分を前記閉光路の光が通過して前記閉光路から出射できる位置と、前記閉光路の光が前記移動部材の前記部分以外の所定の部分で反射して前記閉光路に戻る位置とに前記移動部材を移動させる機構と、
   を備え、
   前記制御器は、前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記回数が調整されるように、前記機構を制御する、
   請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光通過回数調整装置。
5. 前記移動部材は、軸を中心に回転し、光が通過可能な部分が形成され、前記部分を前記閉光路の光が通過可能な位置に配置された回転部材であり、
   前記機構は、前記回転部材の前記回転を制御し、
   前記制御器は、前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記回転が制御されるように、前記機構を制御する、
   請求項４に記載の光通過回数調整装置。
6. 前記許可器は、
   光が通過可能な通過可能状態と光が通過不可能な通過不可能状態とに変更可能な部分を有し、前記通過可能状態に変更された前記部分を前記閉光路の光が通過可能な位置に配置された光通過状態変更器と、
   前記光通過状態変更器の前記部分を前記通過可能状態又は前記通過不可能状態に選択的に切り替える切り替え器と、
   を備え、
   前記制御器は、前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記回数が調整されるように、前記切り替え器を制御する、
   請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光通過回数調整装置。
7. 前記光通過状態変更器は、電子シャッターである請求項６に記載の光通過回数調整装置。
8. 前記容器は、少なくとも前記閉光路の光が入射する入射部分及び前記内部を通過して前記閉光路に出射する出射部分が透明である、
   請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の光通過回数調整装置。
9. 光源と、
   光源から入射された光の閉光路を形成する光学系と、
   前記閉光路の光路中に配置され、内部にガスが供給されると共に前記閉光路の光が前記内部を通過して前記閉光路に出射する容器と、
   前記閉光路に前記光源からの光を入射することを許可すると共に、前記許可によって前記容器を通過した光を前記閉光路から出射することを許可する許可器と、
   前記許可器を制御する制御器と、
   を備えた光通過回数調整装置における光通過回数調整方法であって、
   前記制御器が、前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記入射することが許可されて前記閉光路に入射された光が前記容器の内部を通過する回数が調整されて、前記閉光路から出射するように、前記許可器を制御する、
   光通過回数調整方法。
10. 光源と、
    光源から入射された光の閉光路を形成する光学系と、
    前記閉光路の光路中に配置され、内部にガスが供給されると共に前記閉光路の光が前記内部を通過して前記閉光路に出射する容器と、
    前記閉光路に前記光源からの光を入射することを許可すると共に、前記許可によって前記容器を通過した光を前記閉光路から出射することを許可する許可器と、
    前記容器に供給されたガスの想定される濃度に応じて、前記入射することが許可されて前記閉光路に入射された光が前記容器の内部を通過する回数が調整されて、前記閉光路から出射するように、前記許可器を制御する制御器と、
    前記許可器を介して前記閉光路から出射した光の強度を検出する検出器と、
    を備え、
    前記制御器は、前記検出器により検出された前記光の強度に基づいて、前記ガスの濃度を算出する、
    濃度算出装置。