JP3187061B2 - ガス連続分光分析用マイクロ波空洞共振器 - Google Patents
ガス連続分光分析用マイクロ波空洞共振器Info
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- JP3187061B2 JP3187061B2 JP52726697A JP52726697A JP3187061B2 JP 3187061 B2 JP3187061 B2 JP 3187061B2 JP 52726697 A JP52726697 A JP 52726697A JP 52726697 A JP52726697 A JP 52726697A JP 3187061 B2 JP3187061 B2 JP 3187061B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
- G01N22/005—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more and using Stark effect modulation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P7/00—Resonators of the waveguide type
- H01P7/04—Coaxial resonators
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- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 本発明はプロセスガス分析器のための測定セルとして
のマイクロ波空洞共振器に関する。このような装置にお
いてマイクロ波分光方法によりStark効果を利用してプ
ロセスガスの中の含有ガス成分の濃度を求めることがで
きる。通常は測定は透過光方式が実施され、この場合、
空間的に非常に長い測定セルが使用され（ドイツ特許出
願公開第3645240号公報参照）、これにより高い検出感
度が得られる。
のマイクロ波空洞共振器に関する。このような装置にお
いてマイクロ波分光方法によりStark効果を利用してプ
ロセスガスの中の含有ガス成分の濃度を求めることがで
きる。通常は測定は透過光方式が実施され、この場合、
空間的に非常に長い測定セルが使用され（ドイツ特許出
願公開第3645240号公報参照）、これにより高い検出感
度が得られる。
このような構造長を回避するための１つの代替手段は
共振器である。できるだけ低いガス濃度を高感度で検出
するために共振器のＱ値を非常に高くすることに努力が
払われている。高いＱ値により必然的に共振器は高い感
度で周囲の影響に応答する。これらの影響は安定化措置
により補償しなければならない（R.Reinschluessel等著
“高感度空洞...の設計”（AE，第40巻,1986,第５冊,
313〜320頁）参照）。外部の影響の補償には付加的な構
造的コストがかかり、このコストにより装置コストは大
幅に高くなる。
共振器である。できるだけ低いガス濃度を高感度で検出
するために共振器のＱ値を非常に高くすることに努力が
払われている。高いＱ値により必然的に共振器は高い感
度で周囲の影響に応答する。これらの影響は安定化措置
により補償しなければならない（R.Reinschluessel等著
“高感度空洞...の設計”（AE，第40巻,1986,第５冊,
313〜320頁）参照）。外部の影響の補償には付加的な構
造的コストがかかり、このコストにより装置コストは大
幅に高くなる。
プロセス性能が高いガス分析器がドイツ“Technische
Messen"誌（58（1991）11,433〜438頁）に記載されて
いる。ここに例えば煙道ガスの迅速な分析のためのマイ
クロ波プロセス分析器が記載されている。
Messen"誌（58（1991）11,433〜438頁）に記載されて
いる。ここに例えば煙道ガスの迅速な分析のためのマイ
クロ波プロセス分析器が記載されている。
米国特許第3973186号明細書にガス連続分光分析のた
めのマイクロ波空洞共振器が記載されている。共振器は
矩形に形成されているが、しかし円筒形であることも可
能である。共振器の共振周波数は、異なる極性分子を個
別に検出できるように変換される。
めのマイクロ波空洞共振器が記載されている。共振器は
矩形に形成されているが、しかし円筒形であることも可
能である。共振器の共振周波数は、異なる極性分子を個
別に検出できるように変換される。
発電所技術と塵燃焼の領域から、本発明の基礎となる
要求が発生した、すなわち、煙道ガスの中のアンモニア
の濃度を、プロセス条件の下でかつ実時間で、プロセス
ガスのその他の成分に対する影響を与えることなく求め
ることが可能なことである。このためにプロセスに有用
な分析器を排気ガス装置の中に取付け、この分析器は過
酷な環境の中で設置でき、高信頼性で長時間作動におい
て既知のガス割合又はガス成分の濃度を検出することが
可能でなければならない。
要求が発生した、すなわち、煙道ガスの中のアンモニア
の濃度を、プロセス条件の下でかつ実時間で、プロセス
ガスのその他の成分に対する影響を与えることなく求め
ることが可能なことである。このためにプロセスに有用
な分析器を排気ガス装置の中に取付け、この分析器は過
酷な環境の中で設置でき、高信頼性で長時間作動におい
て既知のガス割合又はガス成分の濃度を検出することが
可能でなければならない。
本発明によりこの課題は、請求項１に記載の特徴を有
するマイクロ波のための空洞共振器として形成されてい
る測定セルにより解決される。基本思想は、低いＱ値の
共振（低Ｑ共振器）により測定セル長を短縮することに
ある。この共振器は測定ガスすなわちプロセスガスの中
の調べる成分の吸収周波数に同調調整されている。マイ
クロ波技術的特性がこの共振器のジオメトリを実質的に
定める。共振器の中での多重反射により共振器の中の有
効波長は共振器のジオメトリ的長さに比して大幅に長く
なる。これにより空間的に大幅により小さい構造が可能
となる。
するマイクロ波のための空洞共振器として形成されてい
る測定セルにより解決される。基本思想は、低いＱ値の
共振（低Ｑ共振器）により測定セル長を短縮することに
ある。この共振器は測定ガスすなわちプロセスガスの中
の調べる成分の吸収周波数に同調調整されている。マイ
クロ波技術的特性がこの共振器のジオメトリを実質的に
定める。共振器の中での多重反射により共振器の中の有
効波長は共振器のジオメトリ的長さに比して大幅に長く
なる。これにより空間的に大幅により小さい構造が可能
となる。
同軸導波管部分の中の内部導体の鋭角先端を形成する
自由端は誘電ウィンドウの直接前に位置し、このウィン
ドウまでの距離は、最大でも、マイクロ波状態の調整及
び微同調調整のための軸線方向のスライドのために必要
な距離である。測定セルの中の内部導体すなわちStark
電極の長さはこの電極の先端が電場のノードの中に位置
するように調整可能でなければならない。
自由端は誘電ウィンドウの直接前に位置し、このウィン
ドウまでの距離は、最大でも、マイクロ波状態の調整及
び微同調調整のための軸線方向のスライドのために必要
な距離である。測定セルの中の内部導体すなわちStark
電極の長さはこの電極の先端が電場のノードの中に位置
するように調整可能でなければならない。
共振器の同軸導波管部分は実際の測定セル又は相互作
用空間を形成する。実際の測定セルの中に、バイパス導
管から分岐されたプロセスガス体積が連続的に誘電ウィ
ンドウの近傍で流入し、次いでその場所の定置のマイク
ロ波リフレクタの中のガス貫流孔を介してできるかぎり
広い面積で連続的に吸込まれ、これにより測定セルの間
に所与の圧力差が調整設定される。
用空間を形成する。実際の測定セルの中に、バイパス導
管から分岐されたプロセスガス体積が連続的に誘電ウィ
ンドウの近傍で流入し、次いでその場所の定置のマイク
ロ波リフレクタの中のガス貫流孔を介してできるかぎり
広い面積で連続的に吸込まれ、これにより測定セルの間
に所与の圧力差が調整設定される。
共振器の円形空洞導波管の中でマイクロ波の入力結合
及び出力結合が行われる。マイクロ波リフレクタはその
場所で最適共振条件と最適入力結合及び出力結合条件を
調整設定するために軸線方向に位置調整可能である。
及び出力結合が行われる。マイクロ波リフレクタはその
場所で最適共振条件と最適入力結合及び出力結合条件を
調整設定するために軸線方向に位置調整可能である。
共振器はただ１つの種類のガスを測定するためにのみ
設けられ、従って共振器ジオメトリはこの測定にのみ同
調されている。しかし共振器を、類似の波長領域の中に
ある吸収線を有する別の種類のガスのためにも設けるこ
とができる。この場合、共振器を過大な寸法に決めると
有利である。この場合には高信頼性の測定のために、所
与の周波数領域内にただ１つの共振周波数（モード）が
存在する動作パラメータが求められる。
設けられ、従って共振器ジオメトリはこの測定にのみ同
調されている。しかし共振器を、類似の波長領域の中に
ある吸収線を有する別の種類のガスのためにも設けるこ
とができる。この場合、共振器を過大な寸法に決めると
有利である。この場合には高信頼性の測定のために、所
与の周波数領域内にただ１つの共振周波数（モード）が
存在する動作パラメータが求められる。
周辺の影響例えば共振器への機械的影響等を大幅に回
避し、外部の温度変動が共振器空間の中に入り込んでも
それが大きい熱容量に起因して無視できる程に些細であ
るように共振器の壁は非常に肉厚に形成されている。
避し、外部の温度変動が共振器空間の中に入り込んでも
それが大きい熱容量に起因して無視できる程に些細であ
るように共振器の壁は非常に肉厚に形成されている。
このような共振器を有する測定器と、この中に空間的
に仕切られ約1000〜2000の共振器Ｑ値を有する測定セル
（低Ｑ共振器）とは過酷なプロセス環境においても有用
であり、検出感度、保守容易性、安定性及び経済的構造
に対する要求を満足する。
に仕切られ約1000〜2000の共振器Ｑ値を有する測定セル
（低Ｑ共振器）とは過酷なプロセス環境においても有用
であり、検出感度、保守容易性、安定性及び経済的構造
に対する要求を満足する。
とりわけ煙道ガスの中のアンモニアの濃度を検出する
又は求めるための低いＱ値を有するマイクロ波空洞共振
器の１つの実施の形態が図面に略示され、以下において
詳細に説明される。
又は求めるための低いＱ値を有するマイクロ波空洞共振
器の１つの実施の形態が図面に略示され、以下において
詳細に説明される。
図1aは円形空洞導波管部分及び同軸導波管部分を有す
る共振器の概略図、図1bは低Ｑ共振器の構造を示す概略
図、図２はNH3線の線幅と共振器半値幅との比較を示す
線図、図３はガス分析器の測定構成を示す概略図であ
る。
る共振器の概略図、図1bは低Ｑ共振器の構造を示す概略
図、図２はNH3線の線幅と共振器半値幅との比較を示す
線図、図３はガス分析器の測定構成を示す概略図であ
る。
低Ｑ共振器１の構成は簡単に保持され、原理的には４
つの個々の構成要素から成る（図1b）。
つの個々の構成要素から成る（図1b）。
i. − 第１の構成要素は、実質的にStark隔壁６又はStark
電極６としての内部導体６を有する実際の測定セルとし
ての同軸導波管部分３であり、同軸導波管部分３は、定
置のマイクロ波リフレクタ５の中の内部導体の導入部の
ほかに更に内部導体の尖端の背後でテフロン星状体10に
より同軸位置で保持される。テフロン星状体10はテフロ
ン星状体10が共振器１の中のマイクロ波と連続的測定ガ
ス流を無視できる程度にしか損なわないように形成され
ている。
電極６としての内部導体６を有する実際の測定セルとし
ての同軸導波管部分３であり、同軸導波管部分３は、定
置のマイクロ波リフレクタ５の中の内部導体の導入部の
ほかに更に内部導体の尖端の背後でテフロン星状体10に
より同軸位置で保持される。テフロン星状体10はテフロ
ン星状体10が共振器１の中のマイクロ波と連続的測定ガ
ス流を無視できる程度にしか損なわないように形成され
ている。
ii. − 第２の構成要素は円形空洞導波管部分２であり、円
形空洞導波管部分２はマイクロ波結合ブロックとして用
いられ、入力結合及び出力結合部８と、λ/4変換器とし
て構成されているマイクロ波リフレクタ４とを有し、マ
イクロ波リフレクタ４は軸線方向にスライド可能であ
り、２つの調整機能を可能にする、すなわち一方では、
共振器１の中の共振の同調であり、他方、マイクロ波の
最適な入力結合及び出力結合の調整設定のための調整で
ある。
形空洞導波管部分２はマイクロ波結合ブロックとして用
いられ、入力結合及び出力結合部８と、λ/4変換器とし
て構成されているマイクロ波リフレクタ４とを有し、マ
イクロ波リフレクタ４は軸線方向にスライド可能であ
り、２つの調整機能を可能にする、すなわち一方では、
共振器１の中の共振の同調であり、他方、マイクロ波の
最適な入力結合及び出力結合の調整設定のための調整で
ある。
iii. − 第３の構成要素は、バイパス導管21の中を流れるプ
ロセスガスのための測定ガス入口のための絞り９又は制
限部９と、定置のマイクロ波リフレクタ５とを有する同
軸導波管部分３であり、マイクロ波リフレクタ５はモー
ドフィルタとして構成され、同時に、軸線方向にスライ
ド可能な内部導体６すなわちStark電極６又はStark隔壁
６のための、ホルダ及び導入部材として用いられる。測
定ガスは連続的にマイクロ波リフレクタ５の中の孔を介
して吸込まれ、その際にマイクロ波の反射の影響は無い
か又は無視できる程度である。
ロセスガスのための測定ガス入口のための絞り９又は制
限部９と、定置のマイクロ波リフレクタ５とを有する同
軸導波管部分３であり、マイクロ波リフレクタ５はモー
ドフィルタとして構成され、同時に、軸線方向にスライ
ド可能な内部導体６すなわちStark電極６又はStark隔壁
６のための、ホルダ及び導入部材として用いられる。測
定ガスは連続的にマイクロ波リフレクタ５の中の孔を介
して吸込まれ、その際にマイクロ波の反射の影響は無い
か又は無視できる程度である。
iv. − 第４の構成要素はカプトンシート７の形の誘電ウィ
ンドウ７であり、カプトンシート７は円形空洞導波管部
分２を共振器１の同軸導波管部分３から分離している。
シート７は機械的に充分に強靱でありかつ化学的に充分
に不活性であり、従って双方の共振器室２と３との間の
圧力差が維持され、化学反応が発生しない。円形空洞導
管部分２の中は一般的に周囲圧力になっており、同軸導
波管部分３の中は負圧になっている。シート７が共振器
１の中のマイクロ波に与える影響は無視できる程に小さ
い。
ンドウ７であり、カプトンシート７は円形空洞導波管部
分２を共振器１の同軸導波管部分３から分離している。
シート７は機械的に充分に強靱でありかつ化学的に充分
に不活性であり、従って双方の共振器室２と３との間の
圧力差が維持され、化学反応が発生しない。円形空洞導
管部分２の中は一般的に周囲圧力になっており、同軸導
波管部分３の中は負圧になっている。シート７が共振器
１の中のマイクロ波に与える影響は無視できる程に小さ
い。
共振器１の諸元を定めるために当該の周波数領域内の
Ｈ波タイプ及びＥ波タイプのいくつかのモードが観察さ
れる。基本モードは、共振器１の直径に対する遮断波長
の最大比を有するモードである。これは本使用例ではH
11モードである。低Ｑ共振器１の構造のためにH11モー
ドが基礎となっている。この場合にはすべてのその他の
モードは所望の周波数領域より大幅に高い遮断周波数を
有し、従って共振器１の中で伝播できない。
Ｈ波タイプ及びＥ波タイプのいくつかのモードが観察さ
れる。基本モードは、共振器１の直径に対する遮断波長
の最大比を有するモードである。これは本使用例ではH
11モードである。低Ｑ共振器１の構造のためにH11モー
ドが基礎となっている。この場合にはすべてのその他の
モードは所望の周波数領域より大幅に高い遮断周波数を
有し、従って共振器１の中で伝播できない。
公知の高周波技術又はマイクロ波技術の観察から導出
されて（例えばMeinke Grundlach著“Taschenbuch de
r Hf−Technik"等参照）製造技術上の理由から共振器
１の内径はＤ＝10mmに選択される。この場合に小さな構
造的変更によりこの内径は30GHzの近傍の周波数まで使
用されることが可能である、最低有効周波数０はより低
く、H11においては約17.56GHzである。
されて（例えばMeinke Grundlach著“Taschenbuch de
r Hf−Technik"等参照）製造技術上の理由から共振器
１の内径はＤ＝10mmに選択される。この場合に小さな構
造的変更によりこの内径は30GHzの近傍の周波数まで使
用されることが可能である、最低有効周波数０はより低
く、H11においては約17.56GHzである。
一般的に自由空間内での波長λ０＝12.556mm（f0＝2
3.87013GHz）と導波管の遮断波長λｃとを有する場合の
空洞導波管内の波長λｇは次式により得られる。
3.87013GHz）と導波管の遮断波長λｃとを有する場合の
空洞導波管内の波長λｇは次式により得られる。
λｇ＝λ0/ν［１−（λ0/λｃ）２］ 直径Ｄ＝10mmでの円形空洞導波管２及び同軸導波管３
の中のH11モードへの整合のために内部導体６又はStark
電極６の直径ｄは、遮断波長を等しくすること（（円形
空洞導波管の中の）λcHL＝（同軸空洞導波管の中の）
λcKoak）により整合されなければならない。５より小
さい直径比D/dにおいては次式が成立つ。
の中のH11モードへの整合のために内部導体６又はStark
電極６の直径ｄは、遮断波長を等しくすること（（円形
空洞導波管の中の）λcHL＝（同軸空洞導波管の中の）
λcKoak）により整合されなければならない。５より小
さい直径比D/dにおいては次式が成立つ。
λｃ＝0.973×（π/2）×（Ｄ＋ｄ） 従って、 ｄ＝（λc/0.973）×（2/π）−Ｄ 上記の式からStark電極６において最適の直径ｄ＝2.1
3mmが得られる。2mmの市販の棒材料（特殊鋼、真鍮）に
より空洞導波管の中の電磁波を同軸導波管部分３（λ
cKoax＝18.34mm）に十分整合することが可能である。こ
の太さの材料はStark電極６のプロセスの間に発生する
機械的振動を減衰する。このような振動は回避されなけ
ればならない、何故ならばこのような振動は望ましくな
いことにStark電圧を変調し、ひいては信号振幅も変調
する。
3mmが得られる。2mmの市販の棒材料（特殊鋼、真鍮）に
より空洞導波管の中の電磁波を同軸導波管部分３（λ
cKoax＝18.34mm）に十分整合することが可能である。こ
の太さの材料はStark電極６のプロセスの間に発生する
機械的振動を減衰する。このような振動は回避されなけ
ればならない、何故ならばこのような振動は望ましくな
いことにStark電圧を変調し、ひいては信号振幅も変調
する。
パラメータｐ、半波長の整数倍の種々の値において、
H11モード（λｃ＝1.706xD）において、共振周波数f0＝
23.87013GHz（円形空洞導波管２の中に生ずる波長はλ
０＝12.556mm、λgHL＝18.54mm）、アンモニア（NH3）
の所望の吸収線とＤ＝10mmにおいて、同軸部分３無しの
共振器２の部分の長さＬ′（図1a＋ｂ）のための次の近
似値が得られる。
H11モード（λｃ＝1.706xD）において、共振周波数f0＝
23.87013GHz（円形空洞導波管２の中に生ずる波長はλ
０＝12.556mm、λgHL＝18.54mm）、アンモニア（NH3）
の所望の吸収線とＤ＝10mmにおいて、同軸部分３無しの
共振器２の部分の長さＬ′（図1a＋ｂ）のための次の近
似値が得られる。
ｐ ４ ５ ６ ７ ８ Ｌ′/mm 37.09 46.36 55.63 64.89 74.16 低Ｑ共振器１の同軸導波管部分３においては次の値が
同様に得られる。
同様に得られる。
ｐ 25 26 27 28 29 L/mm 201.00 209.04 217.08 225.12 225.12 約207mm又は215mmに対して最適な共振像のためのStar
k電極６の長さＬが、共振器１の中の順次の類似の状態
に対して測定された。従って２つの最適な状態の間隔、
すなわち共振器１の中の同軸部分の中の導波管半波長は
約8mmである。18.4mmの同一の遮断波長Lcにおいて円形
空洞導波管の非同軸部分２の中の２つの空洞導波管半波
長間の間隔は9.3mmである。従って共振器１の同軸導波
管部分３は約207mm、円形空洞導波管部分２は約55mmの
長さである。
k電極６の長さＬが、共振器１の中の順次の類似の状態
に対して測定された。従って２つの最適な状態の間隔、
すなわち共振器１の中の同軸部分の中の導波管半波長は
約8mmである。18.4mmの同一の遮断波長Lcにおいて円形
空洞導波管の非同軸部分２の中の２つの空洞導波管半波
長間の間隔は9.3mmである。従って共振器１の同軸導波
管部分３は約207mm、円形空洞導波管部分２は約55mmの
長さである。
共振器１の共振器特性曲線13の半値幅（図２）は有利
には約２〜３倍吸収線14の半値幅より大きい。この半値
はNH3において所与の圧力において約7MHzであり（図
２）、より低い圧力においてはより小さく、より高い圧
力に対しては増加する（線幅の広がり）。これらのデー
タによりまず初めに、1000〜2000の共振器１のＱが目指
される。前述の観点からの低Ｑ共振器１の構成により最
終的に約1200のＱが得られる。
には約２〜３倍吸収線14の半値幅より大きい。この半値
はNH3において所与の圧力において約7MHzであり（図
２）、より低い圧力においてはより小さく、より高い圧
力に対しては増加する（線幅の広がり）。これらのデー
タによりまず初めに、1000〜2000の共振器１のＱが目指
される。前述の観点からの低Ｑ共振器１の構成により最
終的に約1200のＱが得られる。
送信器15からのマイクロ波の供給は矩形空洞導波管11
と円形空洞導波管２の壁の中の結合スリットとを介して
行われる。同様に検波器17の取付けも同じように行われ
ている。これらの２つの結合スリットはそれぞれおおよ
そ共振波長の1/2の長さである。幅及び壁厚はこのスリ
ット長に比して小さい。入力結合及び出力結合領域内の
壁厚はマイクロ波技術的視点からは無限に薄肉でなけれ
ばならないが、しかし壁厚は、作動中に充分な機械的安
定性が維持され、マイクロ波への影響が僅かなままであ
るように小さく保持される。
と円形空洞導波管２の壁の中の結合スリットとを介して
行われる。同様に検波器17の取付けも同じように行われ
ている。これらの２つの結合スリットはそれぞれおおよ
そ共振波長の1/2の長さである。幅及び壁厚はこのスリ
ット長に比して小さい。入力結合及び出力結合領域内の
壁厚はマイクロ波技術的視点からは無限に薄肉でなけれ
ばならないが、しかし壁厚は、作動中に充分な機械的安
定性が維持され、マイクロ波への影響が僅かなままであ
るように小さく保持される。
プロセスへの接続は図1bの概略図に示されているよう
に、通常は加熱されているバイパス導管21を介して行わ
れ、バイパス導管21は、監視するガス流を測定セル３に
バイパスして供給する。絞り９から出る通気突出部はバ
イパス導管21の中の主流の中に突出し、供給される測定
ガス体積を連続的に分岐する。絞り９は別の実施の形態
では弁９としても形成され、一般的には制限装置９とし
て形成され、絞り９は測定セル３の中の圧力を、測定ガ
スを吸込むことにより低下し、これにより絞り９と、測
定セル３の他端に位置するマイクロ波リフレクタ５との
間の圧力勾配が維持される。従ってポンプ20の吸込み性
能は、別の測定するガスにおいては異なることもある圧
力領域に整合される。
に、通常は加熱されているバイパス導管21を介して行わ
れ、バイパス導管21は、監視するガス流を測定セル３に
バイパスして供給する。絞り９から出る通気突出部はバ
イパス導管21の中の主流の中に突出し、供給される測定
ガス体積を連続的に分岐する。絞り９は別の実施の形態
では弁９としても形成され、一般的には制限装置９とし
て形成され、絞り９は測定セル３の中の圧力を、測定ガ
スを吸込むことにより低下し、これにより絞り９と、測
定セル３の他端に位置するマイクロ波リフレクタ５との
間の圧力勾配が維持される。従ってポンプ20の吸込み性
能は、別の測定するガスにおいては異なることもある圧
力領域に整合される。
測定値をとりわけ迅速に検出するように最適化されて
いる低Ｑ測定システムは、ガス路の構成においていくつ
かの付加的な措置を必要とする。重要な点はバイパス導
管21を測定セル３のできるだけ近傍に配置し、これによ
り、測定セル３の中の絞り９と測定ガスタップすなわち
バイパス導管21の中の最大ガス流の領域内の通気突出部
との間の不可避なむだ空間が最小にされる。調整可能な
絞り９は、一般的に構造的に複雑な弁に置換される。
いる低Ｑ測定システムは、ガス路の構成においていくつ
かの付加的な措置を必要とする。重要な点はバイパス導
管21を測定セル３のできるだけ近傍に配置し、これによ
り、測定セル３の中の絞り９と測定ガスタップすなわち
バイパス導管21の中の最大ガス流の領域内の通気突出部
との間の不可避なむだ空間が最小にされる。調整可能な
絞り９は、一般的に構造的に複雑な弁に置換される。
測定セル３の中の過大の圧力勾配により、測定信号が
圧力に依存することに起因して信号の低下が発生する。
迅速性の面で最適化されている測定システムのために信
号振幅とガス流量とセルの中の圧力との間の妥協点を見
出さなければならない。
圧力に依存することに起因して信号の低下が発生する。
迅速性の面で最適化されている測定システムのために信
号振幅とガス流量とセルの中の圧力との間の妥協点を見
出さなければならない。
ガス分析器の装置構成全体は、ドイツ連邦共和国特許
第3645240号明細書において用いられているような公知
のスキーマに相当し、図３に略示されている。周波数安
定化マイクロ波送信器15すなわちガンダイオードは低Ｑ
共振器の中に入射する。送信器15は入力結合部からアイ
ソレーター16を介して減結合される。Stark変調された
マイクロ波電磁場は検波器17により検波され、ロックイ
ン増幅器18に供給される。ロックイン増幅器18は受信信
号をStark信号に位相同期して増幅し、この増幅は評価
装置例えばマイクロコンピュータが、処理された信号を
利用できる程度に行われる。図２は、Stark効果により
シフトされた線が充分に変調され、これにより本来の吸
収線14が対称に現れることを示している。
第3645240号明細書において用いられているような公知
のスキーマに相当し、図３に略示されている。周波数安
定化マイクロ波送信器15すなわちガンダイオードは低Ｑ
共振器の中に入射する。送信器15は入力結合部からアイ
ソレーター16を介して減結合される。Stark変調された
マイクロ波電磁場は検波器17により検波され、ロックイ
ン増幅器18に供給される。ロックイン増幅器18は受信信
号をStark信号に位相同期して増幅し、この増幅は評価
装置例えばマイクロコンピュータが、処理された信号を
利用できる程度に行われる。図２は、Stark効果により
シフトされた線が充分に変調され、これにより本来の吸
収線14が対称に現れることを示している。
測定セル３の小さい寸法とガス路の最適化とにより得
られるこの共振器１における短いガス交換時間すなわち
約100測定セル容積/secに起因して測定ガスの中の変化
への応答時間は大幅に短縮される。外部の付加的な試料
採取導管無しの純粋な測定システムにおいてアンモニア
においても、すなわち強い吸収特性を有する成分におい
ても約30ミリ秒の値が得られた。従って通常の測定作動
においては１秒より大幅に短い応答時間が得られる。こ
れは、ドイツ特許第3645240号明細書に記載の装置に比
して少なくとも200倍の速度上昇を意味し、検出限界内
でこの装置の速度は２倍を上回った。低Ｑ測定セル１を
有する分析器は、20秒のロックイン増幅器の時定数にお
いてアンモニア（NH3）において0.1vppmの検出を行うこ
とができた。この分析器により、分析器の緩慢性に起因
して解決できなかった制御技術的課題が解決可能であ
る。
られるこの共振器１における短いガス交換時間すなわち
約100測定セル容積/secに起因して測定ガスの中の変化
への応答時間は大幅に短縮される。外部の付加的な試料
採取導管無しの純粋な測定システムにおいてアンモニア
においても、すなわち強い吸収特性を有する成分におい
ても約30ミリ秒の値が得られた。従って通常の測定作動
においては１秒より大幅に短い応答時間が得られる。こ
れは、ドイツ特許第3645240号明細書に記載の装置に比
して少なくとも200倍の速度上昇を意味し、検出限界内
でこの装置の速度は２倍を上回った。低Ｑ測定セル１を
有する分析器は、20秒のロックイン増幅器の時定数にお
いてアンモニア（NH3）において0.1vppmの検出を行うこ
とができた。この分析器により、分析器の緩慢性に起因
して解決できなかった制御技術的課題が解決可能であ
る。
参照番号リスト １ 共振器、低Ｑ共振器 ２ 円形空洞導波管部分 ３ 同軸導波管部分、測定セル ４ 軸線方向にスライド可能なマイクロ波リフレクタ ５ 定置のマイクロ波リフレクタ ６ 内部導体、Stark電極、Stark隔壁 ７ 誘電ウィンドウ カプトンシート、シート ８ マイクロ波結合平面、入力結合及び出力結合 ９ 絞り、制限装置、弁、ガス入口 10 誘電星状体、テフロン星状体 11 導波管、矩形導波管 12 ガス出口 13 共振器特性曲線 14 アンモニア線、吸収線 15 マイクロ波送信器 16 アイソレーター 17 検出器 18 ロックイン増幅器 19 Stark発生器 20 ポンプ 21 バイパス導管 22 誘電空洞円筒、マイクロ波サンプ 23 Stark電極の尖端
フロントページの続き (72)発明者 ハンス―ディーター メッツガー ドイツ連邦共和国 カールスルーエ ゲ ブリューダー―ロイヒレ―シュトラーセ ２ (72)発明者 ゲルハルト シュミット ドイツ連邦共和国 フランクフルト ム ランスキーシュトラーセ ５ (56)参考文献 特開 昭53−100887（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 22/00 - 22/04
Claims (7)
- 【請求項１】プロセス媒体流の中のある特定成分の濃度
検出用のガス連続分光分析用マイクロ波空洞共振器にお
いて、 共振器直径に対する遮断波長の最大比を有するモードを
基本モードとして、Ｑが1000〜2000の間の値をとるとと
もに、共振器特性曲線の半値幅が測定吸収線の半値幅に
比して２〜３倍大きくなるように調整設定して共振器の
諸元が定められており、 前記共振器（１）が、マイクロ波リフレクタ（4,5）に
より制限されている空洞円筒体であり、前記空洞円筒体
は円形空洞導波管部分（２）と同軸導波管部分（３）と
から成り、前記円筒形空洞導波管部分（２）と前記同軸
導波管部分（３）とを互いにガス密かつ圧力密の誘電ウ
ィンドウ（７）を介して分離し、前記同軸導波管部分
（３）の軸線方向にスライド可能な内部導体（６）をSt
ark変調を適用するための電極として用い、マイクロ波
リフレクタ（５）の中で貫通案内して保持し、 ２つの空洞導波管（11）すなわち共振器（１）の中への
マイクロ波入力結合のための一方の空洞導波管（11）と
前記共振器（１）からのマイクロ波出力結合のための前
記空洞導波管（11）とを、前記共振器（１）の軸線に対
称に前記共振器に前記円形空洞導波管部分（２）の領域
内でフランジ接続し、 前記マイクロ波リフレクタ（4,5）のうちの一方を固定
配置し、他方を、予定の最大吸収周波数とマイクロ波の
最適な入力結合及び出力結合への調整への同調のために
軸線方向にスライド可能にし、 前記プロセス媒体流から連続的に、分岐されている部分
がガス状で貫流するバイパス導管（21）が、直接的に前
記同軸導波管部分（３）の側を前記誘電ウィンドウ
（７）の領域内で通過し、その場所へ共振器壁の中の絞
りすなわち制限装置（９）を介して前記同軸導波管部分
（３）への短い長さの分岐を有し、これにより連続的で
小さい体積での試料導入が可能となり、前記導入試料を
連続的に、所与の圧力勾配を維持してその場所の前記マ
イクロ波リフレクタ（５）の中の少なくとも１つの開口
を介してポンピングして吸込むことが可能であることを
特徴とするガス連続分光分析用マイクロ波空洞共振器。 - 【請求項２】基本モードがH11モードであることを特徴
とする請求項１に記載のガス連続分光分析用マイクロ波
空洞共振器。 - 【請求項３】共振器（１）が、機械的安定性のために及
び大きな熱容量を形成するために肉厚な構造を有してい
ることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波空洞共
振器。 - 【請求項４】企図するモードの励起が空洞円筒形共振器
体の内半径を定めるようにするか又は内半径を過大寸法
に定めることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波
空洞共振器。 - 【請求項５】同軸導波管部分（３）の中のマイクロ波リ
フレクタ（５）を定置に配置し、前記マイクロ波リフレ
クタ（５）がモードフィルタとして作用し、Stark電極
（６）を導入する導入部材として用いられ、導入した測
定ガスを前記同軸導波管部分（５）を貫通して広面積で
吸込み可能に構成し、 円形空洞導波管部分（２）の中のマイクロ波リフレクタ
（４）を、前記円形空洞導波管部分（２）がλ/4変換器
として作用し、マイクロ波サンプとして用いられる薄肉
誘電空洞円筒（22）を介して共振器壁から導電的に分離
されているように構成することを特徴とする請求項４に
記載のマイクロ波空洞共振器。 - 【請求項６】Stark電極（６）の自由端が尖端（23）を
有し、これにより双方の導波管領域（2,3）の間の移行
がマイクロ波技術的に滑らかに生ずるようにすることが
可能であり、前記Stark電極（６）を、共振器（１）の
中のガス流及びマイクロ波に影響しないか最大でも無視
できる程度にしか影響しない誘電星状体（10）を介して
同軸に保持することを特徴とする請求項５に記載のマイ
クロ波空洞共振器。 - 【請求項７】絞りすなわち制限装置（９）が交換可能で
あり、前記絞り（９）の通気突出部分がバイパス導管
（21）の横断面領域内に突出していることを特徴とする
請求項６に記載のマイクロ波空洞共振器。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19603905.3 | 1996-02-03 | ||
| DE19603905A DE19603905C1 (de) | 1996-02-03 | 1996-02-03 | Mikrowellenhohlraumresonator für die kontinuierliche, spektroskopische Gasanalyse |
| PCT/EP1997/000175 WO1997028440A1 (de) | 1996-02-03 | 1997-01-16 | Mikrowellenhohlraumresonator für die kontinuierliche, spektroskopische gasanalyse |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11505026A JPH11505026A (ja) | 1999-05-11 |
| JP3187061B2 true JP3187061B2 (ja) | 2001-07-11 |
Family
ID=7784427
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP52726697A Expired - Lifetime JP3187061B2 (ja) | 1996-02-03 | 1997-01-16 | ガス連続分光分析用マイクロ波空洞共振器 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0877929B1 (ja) |
| JP (1) | JP3187061B2 (ja) |
| AT (1) | ATE217082T1 (ja) |
| DE (2) | DE19603905C1 (ja) |
| WO (1) | WO1997028440A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| JP2005172779A (ja) * | 2003-12-10 | 2005-06-30 | Semiconductor Res Found | 電磁波を照射してバクテリア、ウィルスおよび毒性物質を測定する方法および装置 |
| JP2009075134A (ja) * | 2009-01-05 | 2009-04-09 | Junichi Nishizawa | 細菌又は毒性物質の同定装置 |
| WO2014029663A1 (en) * | 2012-08-20 | 2014-02-27 | Sony Corporation | Gas analysis apparatus and method |
| RU2762058C1 (ru) * | 2021-02-17 | 2021-12-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Устройство для измерения физических свойств диэлектрической жидкости |
| JP2023076780A (ja) * | 2021-11-23 | 2023-06-02 | Ｅｍラボ株式会社 | 開放形共振器およびそれを用いた誘電特性の測定方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5544904B2 (ja) * | 1973-09-05 | 1980-11-14 | ||
| DE3645240C2 (en) * | 1986-07-09 | 1993-08-12 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe, De | Analysis of gaseous media using microwaves |
| DE3723606A1 (de) * | 1987-07-17 | 1989-01-26 | Kernforschungsz Karlsruhe | Verfahren und vorrichtung zur analyse mittels mikrowellen |
-
1996
- 1996-02-03 DE DE19603905A patent/DE19603905C1/de not_active Expired - Lifetime
-
1997
- 1997-01-16 DE DE59707157T patent/DE59707157D1/de not_active Expired - Fee Related
- 1997-01-16 EP EP97901535A patent/EP0877929B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1997-01-16 JP JP52726697A patent/JP3187061B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1997-01-16 WO PCT/EP1997/000175 patent/WO1997028440A1/de active IP Right Grant
- 1997-01-16 AT AT97901535T patent/ATE217082T1/de active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ATE217082T1 (de) | 2002-05-15 |
| EP0877929B1 (de) | 2002-05-02 |
| WO1997028440A1 (de) | 1997-08-07 |
| JPH11505026A (ja) | 1999-05-11 |
| EP0877929A1 (de) | 1998-11-18 |
| DE19603905C1 (de) | 1997-03-20 |
| DE59707157D1 (de) | 2002-06-06 |
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