JP5695302B2 - 複合型マルチパスセルおよびガス測定器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、レーザ光を用いた複合型マルチパスセルおよび当該複合型マルチパスセルを具えてなるガス測定器に関する。

現在、例えばレーザ光源からの赤外線が検知対象ガス（特定ガス成分）によって吸収されることによる赤外線量の減衰の程度に応じて当該検知対象ガスの濃度を検出する、赤外線吸収分光法を利用したガス測定器が多数提案されている。
このようなガス測定器においては、例えば環境雰囲気の空気などの被検査ガスが導入される測定セル内における赤外光の光路長が大きくなるに従って、低濃度域の特定ガス成分に対して高い感度が得られることが知られており、例えば、いわゆる『ヘリオットセル』の動作原理を利用した多重反射型の測定セル（以下、「ヘリオット型測定セル」という。）が用いられた構成のものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

ヘリオット型測定セルの構成について、図３を参照して説明すると、互いに光軸（Ｌ１，Ｌ２）が一致する状態で対向して配置された、球面状の反射面を有する２つの反射鏡（２１，３１）を具えており、一方の反射鏡（２１）に形成された開口部（図示せず）を介して光源より照射されるレーザ光がセル本体内に入射され、２つの反射鏡（２１，３１）間において多重反射された後、再び、一方の反射鏡（２１）における開口部を介してセル本体の外部に出射されて受光センサにより検出される構成（入射位置と出射位置とが一致する構成）とされている（非特許文献１参照）。
この測定セルにおいて形成される多重反射光路（ＭＰ）は、反射鏡（２１，３１）の光軸（Ｌ１，Ｌ２）に沿って伸びる円環状空間領域（Ａ１）内において形成されており、各々の反射鏡（２１，３１）の反射面（２１Ａ，３１Ａ）上における反射点は、反射鏡（２１，３１）の光軸（Ｌ１，Ｌ２）を中心とする例えば円軌道（Ｃ１）上に並ぶよう位置される。この例においては、一の反射鏡において、反射点の位置が多重反射に伴って所定間隔毎に周方向に対して一定方向に移動されて、円軌道（Ｃ１）上を周回するよう構成されている。
そして、多重反射光路（ＭＰ）における光路長の大きさは、例えば、反射鏡（２１，３１）の焦点距離、反射鏡（２１，３１）間の離間距離、反射回数およびその他の光学条件を適宜に設定することにより、目的に応じて設定することができる。

Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ Ｐａｔｈｓ ｉｎ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ Ｄ．Ｈｅｒｒｉｏｔｔ，Ｈ．Ｋｏｇｅｌｎｉｋ，ａｎｄ Ｒ．Ｋｏｍｐｆｎｅｒ（Ａｐｒｉｌ １９６４／Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．４／ＡＰＰＬＩＥＤ ＯＰＴＩＣＳ）

特開２００６−５８００９号公報

而して、ヘリオット型測定セルにおいては、反射鏡間において形成される多重反射光路は一系統であり、一のガス成分を測定対象とするものであるのが実情であり、例えば、装置それ自体の大型化を伴うことなく、複数種のガス成分を同時に検出することができるものであることが望まれている。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、複数種のガス成分を同時に検出することのできる新規な構造を有する複合型マルチパスセルを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、複数種のガス成分を同時にかつ高い精度で検出することができ、しかも、小型化のものとして構成することのできるガス測定器を提供することにある。

本発明の複合型マルチパスセルは、セル本体と、このセル本体内において、互いに光軸が一致する状態で対向配置された、球面状または放物面状の反射面を有する２つの反射鏡と、各々の反射鏡の反射面上においてレーザ光の反射点が反射鏡の光軸を中心とする円軌道または楕円軌道上に並ぶよう位置される多重反射光路を形成する基準光学測定系と、当該基準光学測定系とは互いに独立した、非分散型赤外線吸収法による、光源からの光を直接的に受光センサによって受光する直光式の他の光学測定系とを具えてなり、
前記基準光学測定系における多重反射光路は、反射鏡の光軸に沿って伸びる円環状空間領域内において形成されており、当該円環状空間領域の内側の円柱状空間領域内において前記他の光学測定系が構成されており、
前記基準光学測定系を構成する光源および受光センサが、一方の反射鏡側の外方位置に配置されており、当該光源からのレーザ光が当該一方の反射鏡に形成された開口部を介してセル本体内に入射され、２つの反射鏡で多重反射された後、再び当該開口部を介してセル本体外に出射されて当該受光センサによって受光される構成とされており、
前記他の光学測定系を構成する光源および受光センサが一方の反射鏡および他方の反射鏡の中央部において互いに対向して設けられていることを特徴とする。

さらにまた、本発明の複合型マルチパスセルにおいては、基準光学測定系および他の光学測定系の各々における光源は、互いに同一波長の光を照射するものであっても、互いに異なる波長の光を照射するものであっても、いずれのもであってもよい。

本発明のガス測定器は、上記複合型マルチパスセルを具えてなることを特徴とする。

本発明の複合型マルチパスセルによれば、一のセル本体内において、互いに独立した２系統の多重反射光路が形成されているので、例えば複数種のガス成分を同時に検出することができる。
基準光学測定系および他の光学測定系の各々における光源として、互いに異なる波長の光を照射するものが用いられることにより、高いガス選択性を得ることができて、複数種のガス成分を同時に検出することができる。
また、基準光学測定系および他の光学測定系の各々における光源として、互いに同一の波長の光を照射するものが用いられることにより、基準光学測定系における多重反射光路の光路長および他の光学測定系における光源から受光センサに至る光路長を異なる大きさとすることにより、一のガス成分について、広範囲の測定レンジを得ることができる。

本発明のガス測定器によれば、上記複合型マルチパスセルを具えていることにより、複数種のガス成分を同時に検出することができる構成のものでありながら、ガス測定器それ自体を小型のものとして構成することができ、しかも、所期のガス検知を高い精度で行うことができる。

本発明の複合型マルチパスセルの一例における構成の概略を示す説明図であって、（ａ）反射鏡の光軸に沿った断面を示す断面図、（ｂ）左側面図である。 図１に示す複合型マルチパスセルの基準光学測定系において形成される多重反射光路を、一方の反射鏡の反射面上に、他方の反射鏡の反射面上における反射点を投影した状態で示す、説明図である。 図１に示す複合型マルチパスセルの基準光学測定系において形成される多重反射光路を説明するための斜視図である。 図１に示す複合型マルチパスセルの他の光学測定系の一例における構成の概略を示す説明図である。 本発明のガス測定器の一例における構成の概略を示すブロック図である。 図１に示す複合型マルチパスセルの他の光学測定系の他の例における構成の概略を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の複合型マルチパスセルの一例における構成の概略を示す説明図であって、（ａ）反射鏡の光軸に沿った断面を示す断面図、（ｂ）左側面図であり、図２は、図１に示す複合型マルチパスセルの基準光学測定系において形成される多重反射光路を、一方の反射鏡の反射面上に、他方の反射鏡の反射面上における反射点を投影した状態で示す、説明図、図３は、図１に示す複合型マルチパスセルの基準光学測定系において形成される多重反射光路を説明するための斜視図である。
この複合型マルチパスセルは、被検査ガス（サンプルガス）が導入される円筒状のセル本体１１と、その軸方向における両端位置の各々に、互いに焦点距離（曲率半径）が同一の大きさの球面状の反射面２１Ａ，３１Ａを有する第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１が反射鏡保持部材４０によって保持固定された状態で設けられており、第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１の両者は、互いに光軸Ｌ１，Ｌ２が一致する状態で対向して配置されている。図１における符号４１Ａ，４１Ｂは、セル本体１１の内部空間に連通する開口部であって、一方が被検ガス導入用開口部、他方が被検ガス排出用開口部とされる。

セル本体１１の、第１の反射鏡２１側の外方位置には、光源２６および適宜の反射ミラー２７を介してセル本体１１から出射された光を検出する受光センサ２８が配置されており、光源２６から照射されるレーザ光が第１の反射鏡２１に形成された開口部２２を介してセル本体１１内に入射され、２つの反射鏡２１，３１によって多重反射された後、再び、当該開口部２２を介してセル本体１１の外部に出射され、反射ミラー２７を介して受光センサ２８によって受光される、基準光学測定系としての第１の光学測定系２５が構成されている。
第１の反射鏡２１における開口部２２は、反射鏡２１の背面側から透光性を有する窓板部材４５によって気密に閉塞されている。

第１の光学測定系２５における光源２６は、例えば近赤外線半導体レーザにより構成することができる。
第１の光学測定系２５における光源２６によるレーザ光の波長の一例を検知対象ガスとの関係において示すと、例えば、¹²ＣＯ₂ （質量数が１２の炭素）の検知に用いられるレーザ光の波長は２．０１４または２．００４〔μｍ〕、¹³ＣＯ₂ （質量数が１３の炭素）の検知に用いられるレーザ光の波長は２．０４０〔μｍ〕であり、ＣＨ₄ の検知においては１．６５１または１．６５４〔μｍ〕、ＣＯの検知においては１．５６８〔μｍ〕、Ｃ₂ Ｈ₂ の検知においては１．５２０または１．５３０〔μｍ〕、ＮＨ₃ の検知においては１．５１７〔μｍ〕、Ｎ₂ Ｏの検知においては１．５１６〔μｍ〕、Ｈ₂ Ｏである場合には１．３６４または１．８４７〔μｍ〕、ＨＣｌの検知においては１．７４７または１．７４３〔μｍ〕である。

第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰにおいて、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上における反射点（図２および図３において（Ａ）が付された符号で示されており、数字は反射順序を示している。）は、セル本体１１内に対する光の入射位置（開口部２２の形成位置）０（Ａ）を含む、反射鏡２１の光軸Ｌ１を中心とする半径Ｒ１の円軌道Ｃ１上に並び、出射位置３２（Ａ）が入射位置０（Ａ）と一致するよう、位置されている。 また、第２の反射鏡３１の反射面３１Ａ上における反射点（図２および図３において（Ｂ）が付された符号で示されており、数字は反射順序を示している。）は、第２の反射鏡３１の光軸Ｌ２を中心とする半径Ｒ１の円軌道Ｃ１上に並ぶよう、位置されている。
そして、この実施例における多重反射光路ＭＰは、例えば、一の反射鏡２１（３１）において、反射点の位置が多重反射に伴って所定間隔毎に周方向の一定方向（図２において反時計方向）に移動されて、円軌道Ｃ１上を周回、例えば５周すると共に、第１の反射鏡２１の反射面２１Ａ上に、第２の反射鏡３１における反射点を軸方向に投影したとき、第１の反射鏡２１における互いに隣接する２つの反射点、例えば２（Ａ）および２８（Ａ）の間の位置に、第２の反射鏡３１における１つの反射点、例えば１５（Ｂ）が位置されるよう構成されている。

多重反射光路ＭＰの光路長は、特に制限されるものではなく、例えば、反射鏡２１，３１の焦点距離（曲率半径）、反射鏡２１，３１間の離間距離（中心位置間距離）、反射回数およびその他の光学条件を適宜に選定することにより、目的に応じて適宜に設定することができる。

而して、このマルチパスセルにおいては、各々、光路長の大きさが互いに異なる、互いに独立した２系統の光学測定系が一のセル本体内において形成されている。
すなわち、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰは、反射鏡２１（３１）の光軸Ｌ１（Ｌ２）に沿って伸びる円環状空間領域（円筒状空間領域）Ａ１内において形成されており、当該円環状空間領域Ａ１の内側の円柱状空間領域Ａ３すなわち第１の光学測定系２５の多重反射光路ＭＰにおいて使用されない空間領域において、一つの他の光学測定系（以下、「第２の光学測定系」という。）が位置されている。

第２の光学測定系３５は、非分散型赤外線吸収法（ＮＤＩＲ）によって検知対象ガスを検出する構成のものであって、例えば図４に示すように、両端部が第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１の各々の中央部に固定された状態で、第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１の光軸Ｌ１，Ｌ２に沿って伸びるよう配設された、両端が閉塞された円筒状の測定セル部形成用部材３９内の一端側に赤外線光源３６が設けられると共に他端側に受光センサ３８が設けられてなる、赤外線光源３６からの光が直接的に受光センサ３８によって受光される直光式のものである。図４において、符号３７は、赤外線光源３６から放射される光を反射して受光センサ３８側に照射するための反射部材である。
測定セル部形成用部材３９は、赤外線光源３６から放射される赤外線に対して不透過性を有する材料よりなり、その内部空間をセル本体１１の内部空間と連通させる通気用開口（図示せず）が形成されている。

第２の光学測定系３５における赤外線光源３６は、第１の光学測定系２５における光源２６と、互いに同一波長の光を照射するものであっても、互いに異なる波長の光を照射するものであっても、いずれのものであってもよい。
第２の光学測定系３５における赤外線光源３６が、第１の光学測定系２５における光源２６と互いに異なる波長の光を照射するものである場合には、高いガス選択性を得ることができて複数種のガス成分を同時に検出することができ、例えば、特定ガス成分とその干渉ガス成分の検出を行うこともできる。
また、第２の光学測定系３５における赤外線光源３６が、第１の光学測定系２５における光源２６と互いに同一波長の光を照射するものである場合には、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰの光路長および第２の光学測定系３５における赤外線光源３６から受光センサ３８に至る光路長ｄの両者に差があることから、一の特定ガス成分について、広範囲の測定レンジを得ることができる。

また、第２の光学測定系３５を構成する赤外線光源３６としては、例えばフィラメントランプ等を用いることができる。

第２の光学測定系３５の光路長ｄは、赤外線光源３６と受光センサ３８との離間距離によって設定されるが、赤外線光源３６および受光センサ３８は、測定セル部形成用部材３９の両端位置に配設されている必要はなく、従って、測定セル部形成用部材３９の軸方向長さの範囲内において目的に応じて適宜に設定することができる。

上記構成の複合型マルチパスセルの一構成例について示すと、第１の反射鏡２１および第２の反射鏡３１は、焦点距離が３６０ｍｍ、曲率半径が７２０ｍｍ、反射面２１Ａ（３１Ａ）の外周縁の径（有効反射面の径）がφ４５ｍｍ、反射鏡２１，３１間の離間距離（中心位置間距離）が３２０ｍｍであり、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰは、反射回数が３１回（１６往復）、各々の反射鏡２１，３１の反射面２１Ａ，３１Ａ上において反射点が位置される円軌道Ｃ１の半径Ｒ１が２０ｍｍ、光路長が約１０．２４ｍであり、第２の光学測定系３５における測定セル部形成用部材３９の外径がφ１５ｍｍ、光路長ｄは約３２０ｍｍである。
また、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰが形成される円環状空間領域Ａ１の最内側位置は、反射鏡２１（３１）の光軸Ｌ１（Ｌ２）から１７．６ｍｍ程度の位置であり、レーザ光のビーム径が約φ３ｍｍ程度であり、従って、第２の光学測定系３５における測定セル部形成用部材３９の配設によって、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰが阻害されることなく、２系統の光学測定系２５，３５が互いに独立したものとして構成される。

以上のような複合型マルチパスセルは、上述したように、例えば、赤外線吸収分光法によるガス測定器に好適に用いられる。
本発明のガス測定器は、図５に示すように、上記複合型マルチパスセルにより構成されたガス検知部５０と、複合型マルチパスセルにおける第１の光学測定系２５を構成する光源２６および第２の光学測定系３５を構成する赤外線光源３６の各々の動作制御を行う機能を有すると共に受光センサ２８，３８の各々からの検出信号に基づいて２種類のガス成分についての濃度を算出する機能を有する制御手段５５とを具えてなる。
そして、ガス検知においては、制御手段５５における光源制御部５６によって、例えば第１の光学測定系２５における光源２６に対する供給電流の大きさが制御されることにより、光源２６から例えば周波数変調されたレーザ光がセル本体１１内に入射され、これにより多重反射光路ＭＰが形成されると共に、第２の光学測定系３５における赤外線光源３６が例えば所定周期で点滅駆動され、この状態において、被検査ガスがセル本体１１内に供給されると共に測定セル部形成用部材３９における通気用開口を介して自然拡散により測定セル部形成用部材３９の内部空間内に導入されることにより、第１の光学測定系２５に係るレーザ光がその波長付近に吸収特性を有する第１の検知対象ガスに吸収されることによって受光センサ２８により検出される赤外線光量が低下し、この赤外線光量の減衰の程度に応じたガス濃度が制御手段５５における信号処理部５７によって検出されると共に、第２の光学測定系３５に係る赤外線がその波長付近に吸収特性を有する、第１の検知対象ガスとは異なる種類の第２の検知対象ガスに吸収されることによって受光センサ３８により検出される赤外線光量が低下し、この赤外線光量の減衰の程度に応じたガス濃度が制御手段５５における信号処理部５７によって検出される。

而して、上記構成の複合型マルチパスセルによれば、一のセル本体１１内において、互いに独立した２系統の光学測定系２５, ３５が形成されており、例えば、第１の光学測定系２５における光源２６と第２の光学測定系３５における赤外線光源３６として、互いに異なる波長のレーザ光を照射するものが用いられることにより、高いガス選択性を得ることができて被検査ガスに含まれる２種類のガス成分を同時に検出することができ、しかも、第１の光学測定系の多重反射光路においては、第２の光学測定系に阻害されることなく、必要な大きさの光路長が確保されたものとして構成することができる。
例えば、第１の光学測定系２５における光源２６として例えば中心波長が１．６５１μｍ付近である赤外線光源（近赤外線レーザ）を用い、第２の光学測定系３５における赤外線光源３６として、例えば中心波長が４．３μｍである赤外線光源を用いた場合には、第１の光学測定系２５においてＣＨ₄ を検出することができると共に第２の光学測定系３５においてＣＯ₂ の検出を行うことができる。また、例えば、特定ガス成分とその干渉ガス成分の検出を行うことができる。

従って、上記複合型マルチパスセルを具えてなるガス測定器によれば、複合型マルチパスセルが、互いに独立した２系統の光学測定系２５，３５が形成されて２種類のガス成分を同時に検知することができるよう構成されているので、複数種のガス成分を同時に検出することができる構成のものでありながら、ガス測定器それ自体を小型のものとして構成することができ、しかも、各々の光学測定系２５，３５においては、相互に阻害されることなく、必要な大きさの光路長を確保することができるので、所期のガス検知を高い精度で行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、上記実施例においては、ＮＤＩＲによる第２の光学測定系３５において、測定セル部形成用部材３９は必ずしも必要ではなく、赤外線光源３６から放射される赤外線を例えば適宜の光学レンズを用いて集光して受光センサ３８に受光させるよう構成されていてもよい。
また、第２の光学測定系３５の構成は、特に制限されるものではなく、例えば図６に示すように、例えば第２の反射鏡３１側の外方位置に配置された赤外線光源３６からの光を、２つの反射鏡２１, ３１における、第１の光学測定系２５の多重反射光路ＭＰの形成において使用されない反射面領域を利用して反射させて赤外線光源３６と同一の反射鏡側に配置された受光センサ３８に受光させる反射光式のものにより構成することができる。
さらにまた、第２の光学測定系３５は、ＮＤＩＲ以外の他の光学測定系、例えばレーザ光を利用したものにより構成されていてもよい。このような構成のものにおいては、第１の光学測定系における光源および第２の光学測定系における光源として、互いに異なる波長のレーザ光を照射するものが用いられることにより、例えば¹²ＣＯ₂ および¹³ＣＯ₂ などの同位体測定を行うこともできる。また、第１の光学測定系における光源および第２の光学測定系における光源として、互いに同一の波長のレーザ光を照射するものが用いられることにより、一のガス成分について、広範囲の測定レンジを得ることができる。

さらにまた、第１の光学測定系２５における多重反射光路ＭＰは、反射鏡の反射面上における反射点の位置が周回するよう構成されている必要はなく、例えば、反射点の位置が周方向に対して所定の方向に順次に並び、適正に設定された回数の反射が行われた後、最終的に、入射位置をなす開口部から出射されるよう構成されていてもよい。
さらにまた、反射鏡の構成、２つの反射鏡の離間距離の大きさ、反射回数、多重反射光路における光路長の大きさおよびその他の具体的構成は、上記実施例に限定されるものではなく、目的に応じて適宜に設定することができる。

１１ セル本体
２１ 第１の反射鏡
２１Ａ 反射面
２２ 開口部
２５ 第１の光学測定系
２６ 光源
２７ 反射ミラー
２８ 受光センサ
３１ 第２の反射鏡
３１Ａ 反射面
３５ 第２の光学測定系
３６ 赤外線光源
３７ 反射部材
３８ 受光センサ
３９ 測定セル部形成用部材
４０ 反射鏡保持部材
４１Ａ，４１Ｂ 開口部
４５ 窓板部材
５０ 検知部
５５ 制御手段
５６ 光源制御部
５７ 信号処理部
Ｌ１ 第１の反射鏡の光軸
Ｌ２ 第２の反射鏡の光軸
ＭＰ 第１の光学測定系における多重反射光路
Ａ１ 円環状空間領域（円筒状空間領域）
Ａ３ 円柱状空間領域

Claims (4)

1. セル本体と、このセル本体内において、互いに光軸が一致する状態で対向配置された、球面状または放物面状の反射面を有する２つの反射鏡と、各々の反射鏡の反射面上においてレーザ光の反射点が反射鏡の光軸を中心とする円軌道または楕円軌道上に並ぶよう位置される多重反射光路を形成する基準光学測定系と、当該基準光学測定系とは互いに独立した、非分散型赤外線吸収法による、光源からの光を直接的に受光センサによって受光する直光式の他の光学測定系とを具えてなり、
   前記基準光学測定系における多重反射光路は、反射鏡の光軸に沿って伸びる円環状空間領域内において形成されており、当該円環状空間領域の内側の円柱状空間領域内において前記他の光学測定系が構成されており、
   前記基準光学測定系を構成する光源および受光センサが、一方の反射鏡側の外方位置に配置されており、当該光源からのレーザ光が当該一方の反射鏡に形成された開口部を介してセル本体内に入射され、２つの反射鏡で多重反射された後、再び当該開口部を介してセル本体外に出射されて当該受光センサによって受光される構成とされており、
   前記他の光学測定系を構成する光源および受光センサが一方の反射鏡および他方の反射鏡の中央部において互いに対向して設けられていることを特徴とする複合型マルチパスセル。
2. 基準光学測定系および他の光学測定系は、互いに異なる波長の光を照射する光源を具えていることを特徴とする請求項１に記載の複合型マルチパスセル。
3. 基準光学測定系および他の光学測定系は、互いに同一波長の光を照射する光源を具えていることを特徴とする請求項１に記載の複合型マルチパスセル。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の複合型マルチパスセルを具えてなることを特徴とするガス測定器。
   

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