JP2691124B2 - 光学式ガス分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を用いて光吸
収強度を検出することにより、被測定ガスの濃度を測定
する光学式ガス分析装置に関し、一層詳細には、レーザ
光の光周波数を掃引して得られる複数の特定周波数に対
する光吸収強度を平均化することで、レーザ光の光干渉
雑音による測定精度の低下を防止した光学式ガス分析装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガス濃度を測定するガス分析装置
には、ガスクロマトグラフィ、質量分析装置、赤外分光
分析装置などいくつかの装置が知られている。これらの
ガス分析装置のうち、ガス濃度の測定、分析の現場で
は、構造が大規模でなく、簡単で且つ比較的安価であ
り、取り扱いや保守が容易で、実時間測定に適した装置
として、赤外分光分析装置が広く使用されてきた。

【０００３】ここで、図２Ａおよび図２Ｂに示す光吸収
スペクトルの一例を用いて、ガス濃度を測定する場合に
ついて説明する。図２Ａは試料ガスａに対する光吸収ス
ペクトル、図２Ｂは他の試料ガスｂに対する光吸収スペ
クトルを示し、横軸は光周波数、縦軸は光吸収強度を示
す。なお、図２Ａおよび図２Ｂは、試料ガスａ、ｂの光
吸収スペクトル線が光周波数軸上で非常に接近している
場合を例示している。

【０００４】単一種類の試料ガスに対して、分子の振動
・回転エネルギー遷移に伴いそれぞれ図２Ａ、図２Ｂの
実線イ、ロで示した光吸収スペクトルが発生するとした
場合、複数のガスの混合体からなる試料ガスに対して
は、例えば、当該試料ガスが前記試料ガスａとｂとの混
合体であるとすると、図２Ａ、図２Ｂの実線イ、ロが重
畳した光吸収スペクトルが発生することになる。

【０００５】光吸収スペクトルの検出に当たって、赤外
分光分析装置の光周波数分解能が十分に高い場合には、
図２Ａ、図２Ｂに実線イ、ロで示す通りの光吸収スペク
トルが検出可能であり、各スペクトル線も一本ずつ分離
して検出することができるが、光周波数分解能が低い場
合には、図２Ａ、図２Ｂの破線ハ、ニで示すような検出
結果となり、単一種類の試料ガスに対する個々の光吸収
スペクトル線も検出することができなくなってしまう。
このため、光吸収スペクトル線が、光周波数軸上で極め
て接近しているような場合は、各々のガスに対する光吸
収強度の検出、分離が困難になる。特に、試料ガス中に
おける存在比率の低いガスの測定を行う場合、この影響
は顕著になる。

【０００６】従来の光学式ガス分析装置の代表的一例で
ある赤外分光分析装置は、光周波数弁別器として使用さ
れる回折格子の光周波数分解能が低く、混合ガスを試料
ガスとした場合において、特に重畳した光吸収スペクト
ル線の分離検出性能は十分なものではなかった。

【０００７】一方、前記赤外分光分析装置と同等の操作
性を有する光学式ガス分析装置として、レーザ分光分析
装置がある。このレーザ分光分析装置は、図３に示すよ
うに、レーザ光源２、検出器４、制御回路６、処理回路
８および変換回路１０とからなり、レーザ光源２と検出
器４との間に試料ガスを導入した試料セル１２をおき、
レーザ光源２から出射されるレーザ光１４を試料セル１
２に照射し、試料セル１２を透過した透過光１５を検出
器４で検出するように構成されている。

【０００８】図３において、レーザ光源２は、光スペク
トル幅の非常に狭いレーザ光１４を出射するものであ
り、このレーザ光１４の光周波数は、制御回路６により
試料ガスの特定の光周波数の範囲内で掃引される。レー
ザ光１４は試料セル１２に照射され、試料ガスによる吸
収を受けた後、透過光１５として試料セル１２を透過
し、検出器４によってその光強度が検出される。

【０００９】ここで、処理回路８は、制御回路６から出
力されるレーザ光１４に係る光周波数情報１６と、この
光周波数のレーザ光１４に対して検出器４が出力する光
強度信号１８とから、試料ガスに含まれるガスの特定光
周波数における光吸収強度を求め、これを変換回路１０
において濃度データに変換する。

【００１０】図３のレーザ分光分析装置においては、レ
ーザ光源２として光スペクトルの幅が極めて狭いレーザ
光１４を出射する光源を用いているため、光周波数分解
能が十分に高く、図２に示した例のように、試料ガス中
に光周波数軸上で極めて接近した光吸収スペクトル線を
有する複数のガスが存在している場合でも、各々の光吸
収スペクトル線を分離して検出することが可能である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示す従来のレーザ分光分析装置等において使用されてい
るレーザ光は、光スペクトル幅が極めて狭いため、可干
渉性が高く、光路上に光共振器が存在すると、干渉によ
って光強度に変動が生じるという不都合がある。

【００１２】すなわち、図３のレーザ分光分析装置にお
いて、試料セル１２、検出器４等の光学素子の入出射面
に理想的な透過性を期待することは不可能であり、現実
には微少な反射を生じるため、結果的に前記光学素子が
光共振器を構成することになる。一方、レーザ光源２か
ら出射されるレーザ光１４の光周波数は、試料ガスの特
定の光周波数に対応して選択されている。従って、検出
器４に入射する光強度は、試料ガスによる吸収の他、光
周波数ｆの変化量Δｆ（＝ｃ／２ｎＬ）を周期として変
動する光干渉雑音を含んでいる。なお、ｃは光速、ｎは
屈折率、Ｌは光共振器長である。

【００１３】試料ガスの濃度測定においては、光吸収に
伴う光強度の微少変化を、高精度に検出することが要求
されるが、前記のように、光強度の周期的変動が光干渉
雑音として光吸収スペクトルの検出信号に重畳するた
め、測定精度向上の障害となっていた。しかも、前記の
光干渉雑音によって生じる測定精度の低下は、他の光雑
音、電気雑音と比較して極めて大きく、ガス濃度の検出
感度を決定づける大きな要因となっていた。

【００１４】そこで、本発明では、上記の問題を解消
し、光周波数軸上で光吸収スペクトル線の接近した複数
のガスが被測定ガス中に存在しても、高い分解能で、相
互の光吸収スペクトルの影響を受けることなく且つレー
ザ光の光干渉雑音を低減して各々のガス濃度の高精度な
測定を容易に実現することのできる光学式ガス分析装置
を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、被測定ガスの光吸収スペクトル線幅お
よび光吸収スペクトル線間隔に対して十分に狭い光スペ
クトル幅を有するレーザ光を発生するレーザ光源と、前
記被測定ガスの複数の光吸収スペクトル線の光周波数情
報を選択する選択回路と、前記レーザ光源を制御し、前
記光周波数情報の範囲でレーザ光の光周波数を掃引する
制御回路と、前記被測定ガスを透過したレーザ光の光強
度を検出する検出器と、前記検出器により検出された光
強度から前記被測定ガスの複数の光吸収スペクトル線の
光周波数に対する光吸収強度を抽出する処理回路と、前
記処理回路により抽出された複数の光吸収スペクトル線
に対する光吸収強度を平均化する平均化回路とを備える
ことを特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明の光学式ガス分析装置では、被測定ガス
が有する複数の光吸収スペクトル線の光周波数情報を選
択し、これに基づいてレーザ光を前記被測定ガスに照射
し、その透過光を検出する。次いで、検出された複数の
光強度データを平均化してレーザ光の光干渉雑音を平滑
化し、これから濃度を求める。

【００１７】

【実施例】本発明に係る光学式ガス分析装置について、
実施例を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説
明する。図１は本発明に係る光学式ガス分析装置の一実
施例の構成を示す図である。図１において、参照符号２
はレーザ光源、４は検出器、６は制御回路、８は処理回
路、１０は変換回路、１２は試料ガスを導入した試料セ
ル、２８は選択回路、３０は平均化回路である。

【００１８】レーザ光源２は、試料ガスの光吸収スペク
トル線幅および光吸収スペクトル線の間隔に対して十分
に狭い光スペクトル幅を有するレーザ光１４を発生す
る。検出器４は、試料セル１２を透過したレーザ光１４
の光強度を検出する。

【００１９】選択回路２８には、測定対象となる各種ガ
スに対して、それぞれ複数の光吸収スペクトル線の光周
波数情報が予め登録されており、試料ガスの全ての光吸
収スペクトル線の光周波数情報１６を選択して制御回路
６に出力し、当該光周波数の掃引範囲の設定を行う。ま
た、前記選択回路２８は、特定の試料ガスに係る光周波
数情報３７を平均化回路３０に出力する。制御回路６
は、前記掃引範囲内でレーザ光源２の光周波数を掃引す
るとともに、出力中の光周波数情報１６を処理回路８に
供給する。処理回路８は、検出器４で検出された光強度
から前記光周波数情報１６に対応した光吸収強度を抽出
する。平均化回路３０は、処理回路８から供給される特
定の試料ガスに係る光吸収強度の平均化処理を行う。変
換回路１０は、前記平均化されたそれぞれの光吸収強度
を濃度データに変換する。

【００２０】次に、本実施例の光学式ガス分析装置の動
作について説明する。

【００２１】先ず、試料セル１２に導入される試料ガス
が特定されると、当該試料ガスに係る光周波数情報１６
が選択回路２８において選択され、これが制御回路６に
転送される。制御回路６は、前記光周波数情報１６の範
囲でレーザ光源２を制御し、レーザ光１４を出力させ
る。

【００２２】レーザ光源２から出力され、試料ガスを導
入した試料セル１２に照射されたレーザ光１４は、試料
セル１２の内部の試料ガスで吸収を受けた後、透過光１
５として検出器４に入射する。検出器４は透過光１５の
光強度を検出し、光強度信号１８を処理回路８に出力す
る。処理回路８では、制御回路６からの光周波数情報１
６と、検出器４が出力する光強度信号１８とから、複数
の特定光周波数において、それぞれの光吸収スペクトル
線に対応した光吸収強度を求める。

【００２３】平均化回路３０では、処理回路８で得られ
た光吸収強度から、さらに、選択回路２８で選択した特
定の試料ガスに対する光周波数情報３７に対応した光吸
収信号を抽出し、これらを平均化する。次いで、前記平
均化された光吸収強度が変換回路１０において濃度デー
タに変換される。この場合、スペクトル線の間隔と、レ
ーザ光の光干渉雑音周期との間には一般に相関がなく、
光干渉雑音を含む光吸収強度が平均化されるため、以上
のような構成によって、光干渉雑音を低減したガス濃度
の高精度測定が実現される。なお、選択回路２８および
平均化回路３０は、マイクロコンピュータやアナログ演
算回路等、従来から広く使用されている周知の素子を用
いて容易に構成することができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明に係る光学式ガス分析装置によれ
ば、以下の効果が得られる。すなわち、被測定ガスが複
数のガスの混合体で、仮に、これらのガスの光吸収スペ
クトル線が光周波数軸上で非常に接近している場合で
も、高い分解能によって各々の光吸収強度を分離して検
出することが可能であり、また、その高い測定精度か
ら、極微量なガス濃度測定も可能である。この場合、レ
ーザ光の干渉によって生じる雑音は、各光吸収スペクト
ル線に対する光吸収強度を平均化することで除去できる
ため、極めて高い精度での濃度測定が実現される。

【００２５】なお、代謝機能検査や環境測定に広く用い
られている同位体ガスの分析においては、同位体ガス同
士の光吸収スペクトル線が光周波数軸上で非常に接近し
ている点や、通常一方の同位体ガスの存在比が極微量で
ある点から、本発明に係る光学式ガス分析装置を使用す
る場合の効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光学式ガス分析装置の構成ブロッ
ク図である。

【図２】図２Ａおよび図２Ｂは、試料ガスに対する光吸
収スペクトルの特性図である。

【図３】従来のレーザ分光分析装置の構成ブロック図で
ある。

【符号の説明】

２…レーザ光源 ４…検出器 ６…制御回路 ８…処理回路 １２…試料セル ２８…選択回路 ３０…平均化回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定ガスの光吸収スペクトル線幅および
   光吸収スペクトル線間隔に対して十分に狭い光スペクト
   ル幅を有するレーザ光を発生するレーザ光源と、 前記被測定ガスの複数の光吸収スペクトル線の光周波数
   情報を選択する選択回路と、 前記レーザ光源を制御し、前記光周波数情報の範囲でレ
   ーザ光の光周波数を掃引する制御回路と、 前記被測定ガスを透過したレーザ光の光強度を検出する
   検出器と、 前記検出器により検出された光強度から前記被測定ガス
   の複数の光吸収スペクトル線の光周波数に対する光吸収
   強度を抽出する処理回路と、 前記処理回路により抽出された複数の光吸収スペクトル
   線に対する光吸収強度を平均化する平均化回路とを備え
   ることを特徴とする光学式ガス分析装置。