JP4775798B2 - 複数ガス濃度同時測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体中の複数の微量ガス濃度を同時に検出できる、複数ガス濃度同時測定装置に関する。

人類の工業生産活動が地球規模で拡大しつつある現在、大気中の有害ガスとして排出量を規制されるガスの種類は益々増加している。例えば、自動車の排ガスだけでも、窒素酸化物、硫黄酸化物、一酸化炭素及び炭化水素が有害ガスとして排出量を規制されており、また、シアン化水素、ホルムアルデヒド、塩化水素、フェノール等の化学工業で有用な物質のほとんどは大気中の有害ガスとして極めて微量な排出量に規制されている。

このように、有害ガスに指定されるガスの種類が増え続ける結果、簡便に複数のガスの濃度が測定できる装置、すなわち、一台の測定器で、複数のガスの濃度が同時に測定できる装置の需要が高まっている。従来は主に被測定ガスを採取し、ガスクロマトグラフィ装置や質量分析装置によって測定されてきたが、これらの装置は高コストであり、取り扱いに高度の知識を必要とし、また、測定が必要な現場に持ち込んで測定することが困難であるので、これらの装置だけでは、増え続ける有害ガス濃度の測定需要に対応できないのが現状である。このため、複数の有害ガスの濃度を、測定が必要な現場に持ち込んで簡便に測定することが必要な生産現場等において、複数のガスの濃度を同時に測定でき、低コスト、且つ、測定利便性の高い測定器が求められている。

従来の、複数のガスの濃度を同時に測定できる装置として、被測定ガス固有の赤外吸収を利用したガス濃度測定装置がある。以下にその原理を説明する。
図５は従来のガス濃度同時測定装置（特許文献１、２参照）の構成を示す模式図である。図５（ａ）に示すように、従来の複数ガス濃度同時測定装置５０は、熱輻射型赤外光源５１と、赤外光源５１が発生する赤外光５１ａをコリメートする光学系（コリメータ）５２と、コリメートされた赤外光５１ａが透過するガス相関フィルタ５３と、ガス相関フィルタ５３を透過した赤外光５１ａの透過帯域を制限するバンドパスフィルタ５４と、バンドパスフィルタ５４を透過した赤外光５１ａが入射する、被測定ガス５５ａを導入又は封入した多重反射試料ガスセル５５と、多重反射試料ガスセル５５を透過した赤外光５１ａの強度を測定する赤外光検出器５６とからなる。

図５（ｂ）はガス相関フィルタ５３の平面図であり、図に示すように、ガス相関フィルタ５３は、回転軸５３ｅの回りに回転可能に支持されており、複数の被測定ガス（図では被測定ガスが３種類である場合を示す。）のそれぞれを高濃度に封入したガスセル５３ａ，５３ｂ，５３ｃと、赤外光を吸収しないガス、例えばＮ₂ ガスを封入したガスセル５３ｄとが回転軸５３ｅの回りに対称に配置されている。このガス相関フィルタ５３を用いて複数の被測定ガス濃度を測定する場合、中心軸５３ｅの回りにガス相関フィルタ５３を回転することにより、赤外光５１ａをガスセル５３ａ，５３ｂ，５３ｃに順次に入射させる。そして、ガスセル５３ａ，５３ｂ，５３ｃのガスセルを順次透過し、バンドパスフィルタ５４及び多重反射試料ガスセル５５を順次透過した赤外光５１ａの強度を赤外光検出器５６で順次測定し、これらの強度から、多重反射試料ガスセル５５に存在する被測定ガス中の複数の被測定ガスの濃度を同時に測定する。

特開平８−１０５８３３号公報 特開平２−６６４２８号公報 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇ−ｓａｎｙｕ．ｃｏ．ｊｐ

ところで、上記に示した従来の複数ガス濃度同時測定装置は、ガス相関フィルタを回転することが必要であり、このため、ガス相関フィルタの回転軸が光軸に対して偏心していたり、回転軸と軸受けとの間に隙間があったりすると、それぞれのガスセルに入射する赤外光強度が同一とならず、その結果、ガス濃度の測定値に誤差が生じる。このため、高精度の機械加工が必要であり、装置コストが高いと言う課題がある。
また、被測定ガスの種類を多くするとガス相関フィルタが大きく且つ重くなるので、可搬型の装置として使用するためには、同時に測定する被測定ガスの種類をあまり多くできないと言う課題がある。
さらに、機械的可動部分を含むため、衝撃等を与えないように十分注意して使用しなければならず、可搬性を必要とする用途には利便性が悪いという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、装置コストが低く、同時に測定する被測定ガスの種類を多くでき、且つ、軽量でコンパクトであり、可搬性を必要とする用途にも利便性が高い複数ガス濃度同時測定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、本発明の複数ガス濃度同時測定装置は、複数の互いに異なる周波数信号を同時に送出すると共に、この互いに異なる周波数信号を順次送出する周波数信号発生器と、複数の被測定ガスのそれぞれの赤外吸収スペクトルにそれぞれ一致した赤外発光スペクトルを有する複数の赤外光源と、複数の被測定ガスの赤外吸収スペクトルのいずれにも一致しない赤外発光スペクトルを有する赤外光源と、上記複数の赤外光源のそれぞれの発光強度を、上記周波数信号発生器から同時に供給される互いに異なった周波数信号のそれぞれで振幅変調する電源部と、振幅変調された赤外光を一つの光束に形成する光束形成器と、一つの光束に形成された赤外光を進行方向の異なる一方の光束と他方の光束との二つに分割する光分割器と、分割された二つの光束の一方を入射し、入射した一方の光束に含まれる赤外光であって互いに異なった周波数信号のそれぞれで振幅変調された赤外光におけるそれぞれの強度を、上記周波数信号発生器から順次供給される互いに異なる周波数信号により順次位相敏感検波することにより、光分割器により分割された二つの光束の一方に含まれる複数の赤外発光スペクトルの強度を測定する入射光強度測定器と、複数の被測定ガスを導入する導入口、上記他方の光束を入射する透明窓、該透明窓から入射する他方の光束を被測定ガス中で多重反射させる多重反射ミラーを有する多重反射試料ガスセルと、多重反射試料ガスセルを透過した光束を入射し、入射した光束に含まれる上記互いに異なった周波数信号のそれぞれで振幅変調された赤外光のそれぞれの強度を、上記周波数信号発生器から順次供給される互いに異なる周波数信号により順次位相敏感検波して測定する透過光強度測定器と、上記入射光強度測定器で測定したそれぞれの赤外光強度と上記透過光強度測定器で測定したそれぞれの赤外光強度とから上記複数のガスの濃度を演算し表示する演算表示器と、を備え、入射光強度測定器、透過光強度測定器の何れか一方又は双方は、赤外光検出器とこの赤外光検出器を動作させるための直流電源と負荷抵抗とを直列接続し、かつこの負荷抵抗の一端には周波数信号発生器から供給される互いに異なった周波数信号を乗算するための高周波スイッチを接続して構成されており、複数の赤外光源のそれぞれが、半導体層と絶縁層を積層した量子カスケード発光体又は量子カスケードレーザーを有しており、半導体層の厚さが被測定ガスの固有の赤外吸収スペクトルに一致するように調整されていることにより、複数の赤外光源のそれぞれから出力される赤外光のスペクトルの裾が互いに重ならないようにしたことを特徴とする。

光束形成器は、一端が赤外光源のそれぞれに光結合され、他端近傍部分が光軸を揃え、且つ密に束ねられた複数の光ファイバと、この他端に光結合したコリメート用光学レンズとから成れば好ましい。光ファイバを使用するので、軽量、コンパクトな光束形成器となり、また、機械的衝撃にも強い。

光分割器は、光ビームスプリッターであれば好ましい。光ビームスプリッターであると、一つの光束を波長によらずに一定比率の二つの光束に分割できる。

本発明によれば、複数の被測定ガスに固有の赤外吸収スペクトルにそれぞれ一致した赤外発光スペクトルを有する赤外光源を、それぞれ異なった周波数で振幅変調しながら常時発光させ、これらの赤外光を一つの光束に形成して二つの光束に分解し、一方の光束を、これらの周波数でそれぞれ位相敏感検波することにより、多重反射試料ガスセルへのこれらの赤外光のそれぞれの入射光強度を測定し、多重反射試料ガスセルを透過した他方の光束を、これらの周波数でそれぞれ位相敏感検波することにより、これらの赤外光の透過光強度をそれぞれ測定するので、単一ガス用の光学系で、機械的可動部分を必要とすることなく、複数のガスの濃度を同時に測定できる。また、単一のガス濃度測定用の光学系でよく、機械的可動部分を必要としないので、装置コストが低く、同時に測定する被測定ガスの種類を多くでき、且つ、軽量でコンパクトであり、可搬性を必要とする用途にも利便性が高い。

以下、本発明の最良の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材には同一の符号を用いて説明する。
図１は、本発明の最良の実施の形態の複数ガス濃度同時測定装置の構成を示す図である。図１において、本発明の複数ガス濃度同時測定装置１は、複数の互いに異なる周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎを同時に送出すると共に、周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎを順次送出する周波数信号発生器２と、複数の被測定ガスのそれぞれの赤外吸収スペクトルにそれぞれ一致した赤外発光スペクトルを有する複数の赤外光源と、複数の被測定ガスの赤外吸収スペクトルのいずれにも一致しない赤外発光スペクトルを有する赤外光源と、これらの複数の赤外光源のそれぞれの発光強度を、周波数信号発生器２から同時に供給される周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎのそれぞれで振幅変調する電源部とから構成される光源部３と、振幅変調された赤外光４を、一つの光束５に形成する光束形成器６と、光束５を進行方向の異なる二つの光束７，８に分割する光分割器９と、光束７を入射し、光束７に含まれる周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎのそれぞれで振幅変調された赤外光のそれぞれの強度を、周波数信号発生器２から順次供給される周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎにより順次位相敏感検波して測定する入射光強度測定器１０と、光束８を入射する多重反射試料ガスセル１１と、多重反射試料ガスセル１１を透過した光束１２を入射し、光束１２に含まれる周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎのそれぞれで振幅変調された赤外光のそれぞれの強度を、周波数信号発生器２から順次供給される周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎにより順次位相敏感検波して測定する透過光強度測定器１３と、入射光強度測定器１０で測定したそれぞれの赤外光強度と透過光強度測定器１３で測定したそれぞれの赤外光強度とから上記複数のガスの濃度を演算し表示する演算表示器１４とから成る。
なお、１５は、周波数信号発生器２から同時に供給される周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎを光源部３に送出する信号線を示し、１６は、周波数信号発生器２から順次供給される周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎを入射光強度測定器１０に送出する信号線を示し、１７は、入射光強度測定器１０で測定したそれぞれの赤外光強度を順次演算表示器１４に送出する信号線を示し、１８は、周波数信号発生器２から順次供給される周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎを透過光強度測定器１３に送出する信号線を示し、また、１９は、透過光強度測定器１３で測定したそれぞれの赤外光強度を順次演算表示器１４に送出する信号線を示す。
演算表示器１４は、周波数信号発生器２、光源部３、入射光強度測定器１０及び透過光強度測定器１３を逐次駆動制御する駆動制御機能も有しているが、周知であるので、図を見やすくするため、表示を省略している。

次に、光源部３の構成を説明する。
図２は、光源部３、光束形成器６、光分割器９及び入射光強度測定器１０の構成と相互の接続関係を示す図である。図２において、光源部３は、複数の被測定ガスのそれぞれの赤外吸収スペクトルにそれぞれ一致した赤外発光スペクトル及び複数の被測定ガスのそれぞれの赤外吸収スペクトルのいずれにも一致しないスペクトルを有する複数の赤外光源３ａ，３ｂ，・・・３ｎと、赤外光源３ａ，３ｂ，・・・３ｎのそれぞれに直列接続される直流電源２１と、周波数信号発生器２から同時に供給される周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎでそれぞれ振動する交流電源２２とからなる。この構成によって、赤外光源３ａ，３ｂ，・・・３ｎはそれぞれ、周波数ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎで振幅変調された赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎを発生する。

次に、光束形成器６の構成を説明する。
図２において、光束形成器６は、光ファイバ６ａ，６ｂ，・・・６ｎを有し、光ファイバ６ａ，６ｂ，・・・６ｎのそれぞれの一端は赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎのそれぞれを取り込むように赤外光源３ａ，３ｂ，・・・３ｎにそれぞれ光結合し、他端部分６ｐは互いに平行に且つ密に束ねられている。光ファイバ６ａ，６ｂ，・・・６ｎの他端には、光ファイバ６ａ，６ｂ，・・・６ｎから出射する赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎを平行光線である光束５に変換する光学系２３が取り付けられている。この構成によって、赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎからなる光束５が得られる。なお、この構成は一例であって、もちろん光ファイバカプラ−や、各光ファイバを相互に融着して光束を形成しても良い。

次に、光分割器９の構成を説明する。
図２において、光分割器９は、光束５の進行方向に対して面方位を４５°傾けたガラス等の透明基板２４で構成されている。もちろんプリズムでも良い。この構成によれば、赤外光波長によらずに一定の強度比率で光束５を光束７，８に分割できる。光ファイバカプラーを用いても良い。

次に、入射光強度測定器１０の構成を説明する。
図２において、入射光強度測定器１０は、赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎの強度を測定する赤外フォトダイオード等の赤外光検出器２５と、赤外光検出器２５を動作させるための直流電源２６と、負荷抵抗２７とが直列接続されており、負荷抵抗２７の一端には、周波数信号発生器２から順次供給される周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎを乗算するための高周波スイッチ２８が接続されており、高周波スイッチ２８の出力端には、ローパスフィルタ２９が接続され、ローパスフィルタ２９の出力端にはアンプ３０が接続されており、アンプ３０の出力は演算表示器１４に送出される。
この構成によれば、入射光強度測定器１０が、周波数信号発生器２から順次供給される周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎにより位相敏感検波（ロックイン検出）するので、光束７に含まれる、赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎのそれぞれの強度を順次検出できる。また、このようにして求めた赤外光強度は、多重反射試料ガスセル１１への入射光強度として用いる。

次に、多重反射試料ガスセル１１の構成を説明する。
図３は、多重反射試料ガスセル１１、透過光強度測定器１３及び演算表示器１４の構成と相互の接続関係を示す図である。
図３において、多重反射試料ガスセル１１は周知の構成であり、被測定ガス３７を導入する導入口１１ａと、被測定ガス３７を排出する排出口１１ｂと、光束８を入射する透明窓１１ｄと、入射した光束８を被測定ガス３７中で多重反射して、実質的光路長を増大させる多重反射ミラー１１ｅと、多重反射試料ガスセル１１から光束８を透過させ、透過光１２を形成する透明窓１１ｆとから成る。

次に、透過光強度測定器１３の構成を説明する。
図１３において、透過光強度測定器１３は、透過光１２に含まれる赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎの強度を測定する赤外フォトダイオード等の赤外光検出器３１と、赤外光検出器３１を動作させるための直流電源３２と、負荷抵抗３３とが直列接続されており、負荷抵抗３３の一端には、周波数信号発生器２から順次供給される周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎを乗算するための高周波スイッチ３４が接続されており、高周波スイッチ３４の出力端には、ローパスフィルタ３５が接続され、ローパスフィルタ３５の出力端にはアンプ３６が接続されており、アンプ３６の出力は演算表示器１４に送出される。
この構成によれば、透過光強度測定器１３が、周波数信号発生器２から順次供給される周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎにより位相敏感検波（ロックイン検出）するので、光束１２に含まれる、赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎのそれぞれの強度を順次検出できる。また、このようにして求めた赤外光強度は、多重反射試料ガスセル１１の透過光強度として用いる。

次に、演算表示器１４の構成を説明する。
図３において、演算表示器１４は、例えば、パーソナルコンピュータ等のコンピュータからなり、入射光強度測定器１０から送出されてくる、赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎのそれぞれの強度を、多重反射試料ガスセル１１への赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎのそれぞれの入射光強度とし、透過光強度測定器１３から送出されてくる、赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎのそれぞれの強度を、多重反射試料ガスセル１１の赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎのそれぞれの透過光強度として演算し、赤外光４ａ，４ｂ，・・・４ｎのそれぞれに対応する複数のガスの濃度を求め、表示窓１４ａに表示する。

次に、演算表示器１４で行う演算を説明する。
初めに、光束８に含まれる赤外光４ａは、複数の被測定ガスの赤外吸収スペクトルのいずれにも一致しない赤外発光スペクトルを有する赤外光とし、赤外光４ｂ・・・４ｎは、被測定ガス３７ｂ・・・３７ｎのそれぞれの赤外吸収スペクトルにそれぞれ一致した赤外発光スペクトルを有する赤外光とし、また、多重反射試料ガスセル１１中の被測定ガス３７ｂ・・・３７ｎの吸光度をそれぞれ、α_ｂ・・・α_ｎとする。
また、被測定ガスによる吸収損失以外の損失、すなわち、透明窓１１ｄ，１１ｆの反射、吸収損失、多重反射ミラー１１ｅの吸収損失、及び、透明窓１１ｄ，１１ｆ、多重反射ミラー１１ｅの光軸変動による損失、並びに、透明窓１１ｄ，１１ｆ、多重反射ミラー１１ｅの汚れによる吸収損失による損失率をγとする。
光束８を多重反射試料ガスセル１１に入射すると、赤外光４ａは被測定大気３７によって吸収されないので、赤外光４ａの入射光強度Ｉ_４ａ ^ｉと透過光強度Ｉ_４ａ ^ｔとから吸収損失以外の損失γを次式（１）から求める。

赤外光４ｂは、被測定ガス３７ｂによる吸収損失と吸収損失以外の損失の両方を受けるので、赤外光４ｂの透過光強度Ｉ_４ｂ ^ｔは入射光強度Ｉ_４ｂ ^ｉを用いて、次式（２）で表される。

（２）式に、（１）式で求めたγを代入し、Ｉ_４ｂ ^ｔとＩ_４ｂ ^ｉを代入することによって、吸光度α_ｂを求め、α_ｂから被測定ガス３７ｂの濃度を求める。被測定ガス３１ｃ・・・３１ｎの濃度についても同様に求める。
赤外光４ａ・・・４ｎの入射光強度及び透過光強度は、入射光強度測定器１０及び透過光強度測定器１３から順次、演算表示器１４に送られてくるので、演算表示器１４はこれらの強度から、（１）式及び（２）式を用いて、被測定ガス３７ｂ・・３７ｎの濃度を表示する。
透明窓１１ｄ，１１ｆ、多重反射ミラー１１ｅの光軸変動による損失、及び、透明窓１１ｄ，１１ｆ、多重反射ミラー１１ｅの汚れによる吸収損失は、測定環境の温度や測定頻度によって時々刻々に変化するので、吸収損失以外の損失による損失率γは、測定環境の温度や測定頻度によって時々刻々に変化しているが、例えば、周波数信号発生器２から順次供給する周波数信号ｆ_０，ｆ_１，ｆ_２，・・・ｆ_ｎの組を１ｋＨｚの周期で供給すれば、１ｍ秒毎にγを校正していることになるので、面倒な校正操作を行わずに、極めて信頼性の高い側定値が得られる。
また、透明窓１１ｄ，１１ｆ、多重反射ミラー１１ｅの汚れによる吸収損失は、赤外光の波長によって異なる場合もあり、この場合には、複数の被測定ガスの赤外吸収スペクトルのいずれにも一致しない赤外発光スペクトルを有する赤外光源を測定赤外波長範囲に亘って均一に複数分布させ、これらの赤外光源によるγをそれぞれ求め、被測定ガス３７ｂ・・・３７ｎのそれぞれの濃度は、被測定ガス３７ｂ・・・３７ｎの濃度測定に用いるそれぞれの赤外発光波長に直近のγを用いて求めれば、さらに測定精度が高くなる。

次に、赤外光源について説明する。
赤外光源には、被測定ガスの固有赤外吸収スペクトルに一致した赤外発光スペクトルを有する赤外光源を用いる。この赤外光源は、量子カスケード発光体又は量子カスケードレーザーを用いることによって実現できる。以下に、量子カスケード発光体又は量子カスケードレーザーを説明する。
図４は、量子カスケード発光体の発光原理を説明するための模式図である。
図４（ａ）に示すように、量子カスケード発光体４１は、極めて薄い半導体層４２と絶縁層４３を多数積層した構造（多重量子井戸構造）を有し、半導体層４２毎に膜厚方向に量子化された電子のエネルギー準位（サブ準位）ｓ_０，・・・ｓ_ｎを有する発光体である。
良く知られているように、半導体層４２の厚さｄを変えることによってサブ準位間のエネルギーギャップｇ１の大きさを変えることができる。図４（ｂ）は、厚さｄを図４（ａ）よりも小さくして、エネルギーギャップｇ２を図４（ａ）より大きくした場合を示している。
図４（ｃ）は、図４（ａ）の構成の多重量子井戸構造の膜厚方向に電圧を印加して電子ｅをサブ準位ｓ_１に注入した場合を示しており、電子ｅは、サブ準位ｓ_０に遷移すると共に、ギャップエネルギーｇ１に相当したエネルギーの赤外光を発光する。サブ準位ｓ_０に遷移した電子は電界によって膜厚方向に進み、電子のエネルギーがサブ準位ｓ_１に相当する半導体層４２に到ると再び、ギャップエネルギーｇ１に相当したエネルギーの赤外光４４を発光する。このサイクルを繰り返すことにより、波長選択性に優れた赤外光を発光することができる。また、一つの電子が何回も発光するので、極めて発光効率の高い発光体である。
図４（ｄ）は、図４（ｂ）の構成の多重量子井戸構造に、図４（ｃ）と同様に電圧を印加した場合を示している。図４（ｃ）と同様に、ギャップエネルギーｇ２に相当したエネルギーの赤外光４４を発光するが、図４（ｃ）の構成のギャップエネルギーｇ２は図４（ａ）の構成のギャップエネルギーｇ１に較べて大きいので、赤外発光波長は（ｃ）に較べて短くなる。また、多重量子井戸構造の外側にフィードバック用ミラーを設ければ、レーザーとして動作する。
このように、量子カスケード発光体は、半導体層４２の厚さｄを変えることによって発光波長を選択できるので、被測定ガスの固有赤外吸収スペクトルに一致した赤外発光スペクトルを有する赤外光源を得ることができる。
また、従来の被測定ガス固有の赤外吸収を利用したガス濃度測定装置では、被測定ガス固有の赤外吸収スペクトルの裾が互いに重なる（干渉効果）場合があり、この場合には測定誤差が生じていたが、本発明の装置によれば、量子カスケード発光体や量子カスケードレーザーの発光スペクトルを、半導体層４２の厚さｄを選択して、互いに重ならないようにすることによって、干渉効果を除去することもできる。

上記説明から理解されるように、本発明の複数ガス濃度同時測定装置によれば、機械的可動部分を必要としないので、装置コストが低く、同時に測定する被測定ガスの種類が多くでき、且つ、軽量でコンパクトであり、可搬性を必要とする用途にも利便性が高い。
従って、複数の有害ガスの濃度を簡便に測定することが必要な分野で用いれば極めて有用である。

本発明の実施形態に係る複数ガス濃度同時測定装置の構成を示す図である。 本発明の複数ガス濃度同時測定装置の光源部，光束形成器，光分割器、及び入射光強度測定器の構成と相互の接続関係を示す図である。 本発明の複数ガス濃度同時測定装置の多重反射試料ガスセル、透過光強度測定器及び演算表示器の構成と相互の接続関係を示す図である。 量子カスケード発光体の発光原理を説明するための模式図である。 従来のガス濃度同時測定装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１ 複数ガス濃度同時測定装置
２ 周波数信号発生器
３ 光源部
３ａ 赤外光源
３ｂ 赤外光源
３ｎ 赤外光源
４ 振幅変調された赤外光
４ａ 赤外光
４ｂ 赤外光
４ｎ 赤外光
５ 光束
６ 光束形成器
６ａ 光ファイバ
６ｂ 光ファイバ
６ｎ 光ファイバ
６ｐ 他端部分
７ 光束
８ 光束
９ 光分割器
１０ 入射光強度測定器
１１ 多重反射試料ガスセル
１１ａ ガス導入口
１１ｂ ガス排出口
１１ｄ 透明窓
１１ｅ 多重反射ミラー
１１ｆ 透明窓
１２ 光束
１３ 透過光強度測定器
１４ 演算表示器
１５ 信号線
１６ 信号線
１７ 信号線
１８ 信号線
１９ 信号線
２１ 直流電源
２２ 交流電源
２４ 透明基板
２５ 赤外光検出器
２６ 直流電源
２７ 負荷抵抗
２８ 高周波スイッチ
２９ ローパスフィルタ
３０ アンプ
３１ 赤外光検出器
３２ 直流電源
３３ 負荷抵抗
３４ 高周波スイッチ
３５ ローパスフィルタ
３６ アンプ
３７ 被測定大気
３７ｂ 被測定ガス
３７ｎ 被測定ガス
４１ 量子カスケード発光体
４２ 半導体層
４３ 絶縁層
４４ 赤外光

Claims (3)

1. 複数の互いに異なる周波数信号を同時に送出すると共に、この互いに異なる周波数信号を順次送出する周波数信号発生器と、
   複数の被測定ガスのそれぞれの赤外吸収スペクトルにそれぞれ一致した赤外発光スペクトルを有する複数の赤外光源と、この複数の被測定ガスの赤外吸収スペクトルのいずれにも一致しない赤外発光スペクトルを有する赤外光源と、
   上記複数の赤外光源のそれぞれの発光強度を、上記周波数信号発生器から同時に供給される互いに異なった周波数信号のそれぞれで振幅変調する電源部と、
   この振幅変調された赤外光を、一つの光束に形成する光束形成器と、
   この一つの光束に形成された赤外光を進行方向の異なる一方の光束と他方の光束との二つに分割する光分割器と、
   この分割された二つの光束の一方を入射し、この入射した一方の光束に含まれる赤外光であって互いに異なった周波数信号のそれぞれで振幅変調された赤外光におけるそれぞれの強度を、上記周波数信号発生器から順次供給される互いに異なる周波数信号により順次位相敏感検波することにより、上記光分割器により分割された二つの光束の一方に含まれる複数の赤外発光スペクトルの強度を測定する入射光強度測定器と、
   複数の被測定ガスを導入する導入口、上記他方の光束を入射する透明窓、該透明窓から入射する他方の光束を被測定ガス中で多重反射させる多重反射ミラーを有する多重反射試料ガスセルと、
   この多重反射試料ガスセルを透過した光束を入射し、この入射した光束に含まれる上記互いに異なった周波数信号のそれぞれで振幅変調された赤外光のそれぞれの強度を、上記周波数信号発生器から順次供給される互いに異なる周波数信号により順次位相敏感検波して測定する透過光強度測定器と、
   上記入射光強度測定器で測定したそれぞれの赤外光強度と上記透過光強度測定器で測定したそれぞれの赤外光強度とから上記複数のガスの濃度を演算し表示する演算表示器と、
   を備え、
   上記入射光強度測定器、上記透過光強度測定器の何れか一方又は双方は、赤外光検出器と該赤外光検出器を動作させるための直流電源と負荷抵抗とを直列接続し、かつ該負荷抵抗の一端には上記周波数信号発生器から供給される互いに異なった周波数信号を乗算するための高周波スイッチを接続して構成されており、
   上記複数の赤外光源のそれぞれが、半導体層と絶縁層を積層した量子カスケード発光体又は量子カスケードレーザーを有しており、上記半導体層の厚さが被測定ガスの固有の赤外吸収スペクトルに一致するように調整されていることにより、上記複数の赤外光源のそれぞれから出力される赤外光のスペクトルの裾が互いに重ならないようにしたことを特徴とする、複数ガス濃度同時測定装置。
2. 前記光束形成器は、一端が前記赤外光源のそれぞれに光結合され他端部分が光軸を揃え且つ密に束ねられた複数の光ファイバと、この他端に光結合したコリメート用光学レンズとから成ることを特徴とする、請求項１に記載の複数ガス濃度同時測定装置。
3. 前記光分割器は、光ビームスプリッターであることを特徴とする、請求項１に記載の複数ガス濃度同時測定装置。

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