JP6183227B2

JP6183227B2 - 挿入型ガス濃度測定装置

Info

Publication number: JP6183227B2
Application number: JP2014009142A
Authority: JP
Inventors: 田中　豊彦; 豊彦田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2034-01-22
Also published as: JP2015137910A

Description

本発明は吸光分光法に基づくガス濃度測定装置に関し、さらに詳しくは、測定対象空間に反射光学要素を支持した支持体を挿入し、その空間の外部に置かれた光源からの測定光を測定対象空間内の反射光学要素で反射させ、同じく外部に置かれた光検出器に導いてその強度を検出するタイプの挿入型ガス濃度測定装置に関する。

雰囲気中の特定のガス成分の濃度を検出する方法として、吸光分光法が知られている。吸光分光法は、ガスの種類に応じて吸収する光の波長が異なることを利用して、ガスに光を照射し、そのガスによる光の吸収の状況から各種ガスの濃度を求める方法である。測定に用いられる光、つまり測定光は、広い波長領域の光として、測定対象空間を透過した光の吸光度スペクトルから、そこに存在する複数のガスの濃度を測定する方式のほか、例えばＴＤＬＡＳ（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy；波長可変半導体レーザ吸収分光法）などでは、特定のガス成分が吸収する波長の光を測定光として用い、その特定のガス成分の濃度を測定する方式があり、後者の方式は濃度を知りたい特定ガス成分の吸収ピークに合致した波長の測定光を用いるが故に、他のガス成分による干渉等が生じず、特定ガス成分の濃度を正確に測定できるという利点がある。

このような特定のガス成分に対応した波長の測定光を用いた吸光分光法に基づくガス濃度測定装置としては、測定対象ガスを測定装置内にサンプリングしたうえで、そのガスに対して測定光を照射してその透過光を測定する方式と、測定対象ガスが充満ないしは流れている空間、すなわち測定対象空間内に測定光を導入してその透過光を測定する方式がある。

さらに、測定対象空間内に測定光を導入する方式には、測定対象空間を挟んでその両側に光源と光検出器を光軸を合致させた状態で対向配置する方式と、反射光学要素を支持体に支持し、その支持体を測定対象空間内に挿入するとともに、光源と光検出器を測定対象空間外に配置し、光源からの測定光を測定対象空間内の反射光学要素で反射させて光検出器に導いて検出する、いわゆる挿入型と称される方式があり、この挿入型の装置は、測定対象空間への装着が１箇所で光軸合わせも不要であることから、取扱いやすくコンパクトな構成とすることができ、限られたスペースでの測定が可能であるという利点を有している。

例えば、自動車等の内燃機関の吸排気ガス中における酸素や二酸化炭素の濃度測定をリアルタイムで行う際には、通常、これらの各ガスの吸収ピークに対応する波長の測定光を用いた挿入型のガス濃度測定装置が用いられる。このような挿入型のガス濃度測定装置では、従来、測定対象空間内に挿入される反射光学要素として、対向する一対の凹面鏡を用いてこれらの間に測定光を導入し、２つの凹面鏡間で測定光を多重反射させることで、限られたスペースにおける光路長を長くして光検出器で検出したり、あるいは平面鏡を用いて測定光を１回反射させた後に光検出器で検出したりする構造が採用されている。

測定光の波長は、具体的には、酸素の濃度計測には７６０ｎｍ付近、二酸化炭素の濃度計測には２μｍ付近のものが使用されることが多い。酸素の吸収ピーク高さは二酸化炭素のそれよりもかなり低いため、測定感度が劣る。これを是正するために、酸素計測には光路長を長くすることが可能な多重反射方式、二酸化炭素計測には光路長の短い１回反射方式の装置を用いるのが妥当である。

このような多重反射方式の挿入型ガス濃度測定装置の構成例を図４の平面図（Ａ）および縦断面図（Ｂ）に示す。この例では、本体ケース４０に円筒状フレーム４１の基端部を固定し、その円筒状フレーム４１の先端部には一対の凹面鏡４２，４３が互いに対向するように支持されている。この円筒状フレーム４１には、測定対象空間内のガスが凹面鏡４２，４３間へ自由に出入りできるように開口４１ａが形成されている。

本体ケース４０にはフォトダイオードなどの光検出器４５を収容されるとともに、光ファイバ接続口４６を設けて、別置されるレーザ光源などの光源４７からの測定光を光ファイバ４８により本体ケース４０を経由して円筒状フレーム４１内に導入している。

光源４７側の凹面鏡４２には、図５の正面図（Ａ）および側面図（Ｂ）にその構成を示すように、中心から離れた位置に鏡面コーティングを施さない部位を設けて光透過窓ｗ１を形成している。

光源４７から円筒状フレーム４１内に導入された測定光Ｌは、光源側の凹面鏡４２の光透過窓ｗ１に向けて導かれ、その光透過窓ｗ１を透過して先端側の凹面鏡４３により反射される。先端側の凹面鏡４３への測定光Ｌの入射位置は、その中心から所定距離だけ離隔した位置であり、この凹面鏡４３によって反射された測定光は光源側の凹面鏡４２に向けて進み、この凹面鏡４２の中心から上記と同じ距離だけ離隔した位置において反射され、再び先端側の凹面鏡４３によって反射されることを繰り返す。各凹面鏡４２，４３への測定光Ｌの入射位置、つまり各凹面鏡４２、４３による測定光Ｌの反射位置は、上記のようにそれぞれの中心から一定の距離だけ離隔した位置であり、その円周方向への位置は、１回の反射ごとに等間隔で移動していき、その反射位置が１周した時点で、測定光Ｌは光源側の凹面鏡４２の光透過窓ｗ１の位置に到来して透過する。このような一対の凹面鏡を用いて測定光を多重反射させるセルは、ヘリオットセルと称されて多用されている（例えば特許文献１参照）。

一対の凹面鏡４２，４３間で多重反射して光透過窓ｗ１を透過した測定光Ｌは、本体ケース４０内に設けられているミラー４９によって光検出器４５の受光面へと導かれ、その強度が検出される。測定光Ｌは凹面鏡４２，４３間で多重反射してこれらの間を複数回往復する分、測定対象空間内における光路長が長くなり、測定感度を向上させることができることから、吸収ピーク高さの低い酸素の濃度測定に適している。

一方、１回反射方式の挿入型ガス濃度測定装置の構成は、図６の平面図（Ａ）および縦断面図（Ｂ）に例示する通りである。すなわち、図５に示したものと同様の本体ケース６０と円筒状フレーム６１を備えるとともに、その円筒状フレーム６１の先端部に平面鏡６２を配置し、その平面鏡６２から本体ケース６０側に所定距離だけ離隔した位置に光透過窓６３を配置している。そして、円筒状フレーム６１には、これらの光透過窓６３と平面鏡６２間へ測定対象空間内のガスが自由に出入りできるように開口６１ａが形成されている。

本体ケース６０には、上記と同様に光検出器６５を収容し、光ファイバ接続口６６を設けて、別置される光源６７からの測定光を、光ファイバ６８を介して円筒状フレーム６１内に導入している。

光ファイバ６８により円筒状フレーム６１内に導入された測定光Ｌは、光透過窓６３を透過して平面鏡６２により反射され、再び光透過窓６３を逆側から透過して、本体ケース６０内に配置されたミラー６９によって光検出器６５に導かれ、その強度が検出される。このような１回反射方式における測定光Ｌの測定対象空間内での光路長は、平面鏡６２と光透過窓６３の間を１往復するだけの長さではあるが、二酸化炭素などの吸収ピーク高さの高いガス濃度の測定には十分な感度を有している。

特許第５１０４８０９号公報

ところで、上記したような挿入型のガス濃度測定装置は、測定対象空間に対して片側から挿入して使用に供されることから、他のガス濃度分析装置に比して相当に小型化されているが、酸素と二酸化炭素の濃度を同時に測定したい場合等においては、タイプの異なる図４，６に例示したものをそれぞれ用いて２箇所に挿入する必要があるため、測定スペース上の理由から困難な場合もある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、例えば酸素と二酸化炭素など、２種類のガス成分を従来の挿入型ガス濃度測定装置に比してより少ない所要スペースのもとに同時に計測することのできる挿入型ガス濃度測定装置の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の挿入型ガス濃度測定装置は、互いに対向する一対の凹面鏡を支持する筒状フレームを測定対象空間内に挿入するとともに、その測定対象空間外には、特定ガス成分に吸収される波長の測定光を出力する光源と光検出器を配置し、上記光源からの測定光を、一方の凹面鏡に設けられた光透過窓を介してその背面側から他方の凹面鏡に導いて多重反射させた後、上記光透過窓を介して上記光検出器に導いて検出し、その検出出力から上記測定対象空間内における上記特定ガス成分の濃度を算出する挿入型ガス濃度測定装置において、上記測定対象空間外に、上記特定ガス成分とは異なる第２の特定ガス成分に吸収される波長の第２の測定光を出力する第２の光源と、その第２の測定光を検出するための第２の光検出器が配置されているとともに、上記他方の凹面鏡には、上記多重反射に関与しない部位に平面鏡が形成され、上記一方の凹面鏡には、その平面鏡に対して上記第２の測定光を当該一方の凹面鏡の背面側から導き、かつ、その反射光を上記第２の光検出器に導くための光透過窓が形成され、その第２の光検出器の出力から上記第２の特定ガス成分の濃度を算出することによって特徴づけられる。

ここで、本発明においては、上記平面鏡および上記第２の測定光を透過させるための光透過窓は、それぞれの凹面鏡の中心部に形成されている構成（請求項２）を好適に採用することができる。

また、本発明においては、上記他方の凹面鏡と当該他方の凹面鏡の一部に形成されている平面鏡は、それぞれが反射する各測定光波長に対応した光反射特性を有している構成（請求項３）を採用することが好ましい。

本発明は、一対の凹面鏡を対向配置して光を多重反射させる光学系の性質として、各凹面鏡において光が反射する部位が一部だけであること、すなわち、各凹面鏡の中心から所定半径の円周上で、周方向に等間隔で離散的に並ぶ微小スポットだけが測定光の反射に関与し、それ以外の部位は多重反射には関与しないことを利用し、光源から遠い方の凹面鏡の一部に平面鏡を形成し、この平面鏡により別の光源からの測定光を１回反射させ、多重反射と１回反射の同時測定を１つの装置で実現しようとするものである。

すなわち、特定のガス成分（以下、第１の特定ガス成分と称する）に吸収される波長の測定光（以下、第１の測定光と称する）を、測定対象空間内に挿入される筒状フレームに対向して支持された一対の凹面鏡間に導入して多重反射させた後に、光検出器（以下、第１の光検出器と称する）で検出して上記の第１の特定ガス成分の濃度を求める構成において、本発明では、光源から遠い方の凹面鏡（他方の凹面鏡）の多重反射に関与しない部位に平面鏡を形成している。この平面鏡に向けて、上記第１の特定ガス成分とは異なる第２の特定ガス成分に吸収される波長の第２の測定光を、光源に近い方の凹面鏡（一方の凹面鏡）に形成した光透過窓を介して照射して１回反射させた後、第２の光検出器で検出することにより、第２の特定ガス成分の濃度を同時に求めるようにしている。

この構成により、測定対象空間内に１つの筒状フレームを挿入するだけで、２種類のガス成分の濃度を測定することが可能となり、所要スペースを縮小させることができる。

上記の他方の凹面鏡では、多重反射に関与しない部分で最も広い面積をとれるのがその中心部であるため、請求項２に係る発明の構成を採用するのが合理的である。なお、その場合には、一方の凹面鏡にもその中心に第２の測定光を透過させる光透過窓を設けるようにする。また、第１、第２の測定光はその波長が相違するため、他方の凹面鏡とその一部に設けられる平面鏡の反射特性は、それぞれの測定光の反射に適したものとする（請求項３）のがよい。

本発明によれば、測定対象空間内に１つの筒状フレームを挿入するだけで、２種類のガス成分の濃度を同時に測定することができ、特に自動車等の内燃機関の排気ガスに含まれる酸素と二酸化炭素の濃度計測など、計測に狭小なスペースしか確保できない場合のガス濃度測定に有効である。

また、本発明によれば、互いに対向する一対の凹面鏡間という狭い空間内での２種類のガス成分濃度を測定することができるので、従来技術ではそれぞれに専用の測定装置を用いて２種類のガス成分の濃度を測定するため、互いに異なる位置での濃度測定結果となるのに対し、本発明では同時に同じ位置での濃度の測定が可能となるという利点も有している。

本発明の実施形態を示す平面図（Ａ）と縦断面図（Ｂ）。図１における光源側凹面鏡の構成を示す正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）。図１における先端側凹面鏡の構成を示す正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）。従来の多重反射方式の挿入型ガス濃度測定装置の構成例を示す平面図（Ａ）と縦断面図（Ｂ）。図４における光源側凹面鏡の構成を示す正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）。従来の１回反射方式の挿入型ガス濃度測定装置の構成例を示す平面図（Ａ）と縦断面図（Ｂ）。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１に本発明の挿入型ガス濃度測定装置の平面図（Ａ）と縦断面図（Ｂ）を示す。また、図２には光源側に設けられる凹面鏡１２、図３には先端側に設けられる凹面鏡１３の構成を、それぞれ正面図（Ａ）、側面図（Ｂ）として示す。
この例では、排気管Ｅの内部を測定対象空間とし、排気管Ｅに設けた測定用差し込み口Ｍに本発明の実施の形態であるガス濃度測定装置を装着する場合の構成を示している。

この実施の形態は、図４に示した従来の多重反射方式の測定装置と同様に、本体ケース１０に円筒状フレーム１１の基端部を固定し、その円筒状フレーム１１の先端部に一対の凹面鏡１２，１３を互いに対向するように支持させた構造を有している。円筒状フレーム１１には、凹面鏡１２，１３間へ測定対象空間内のガスが自由に出入りできるように開口１１ａが形成されている。

本体ケース１０には２つの光検出器、すなわち第１の光検出器１４と第２の光検出器１５が収容されているとともに、２つの光ファイバ接続口１６と１７が設けられている。このうち、一方の光ファイバ接続口１６に一端が接続された光ファイバ１８の他端は、別置された第１の光源１９に接続されており、また、他方の光ファイバ接続口１７に一端が接続された光ファイバ２０の他端は、同じく別置された第２の光源２１に接続されている。

第１の光源１９および第２の光源２１はいずれもレーザ光源であって、第１の光源１９からの第１の測定光Ｌ１は酸素に吸収される波長の光、すなわち酸素濃度測定用の光であり、第２の光源２１からの第２の測定光Ｌ２は二酸化炭素に吸収される波長の光、すなわち二酸化炭素濃度測定用の光である。

一対の凹面鏡１２，１３のうち、本体ケース１０に近い方の凹面鏡１２には、図４に示した多重反射方式の従来例と同様に、鏡面コーティングを施さない部位からなる光透過窓ｗが形成されている（図２参照）。この実施の形態における光透過窓ｗは、図４の凹面鏡４２に設けた光透過窓ｗ１と同じ中心からずれた領域ｗ１に、凹面鏡１２の中心に形成した円形領域ｗ２を加えた形状を有している。

また、円筒状フレーム１１の先端側の凹面鏡１３には、図３に示すように、多重反射に関与しない中央部分に平面鏡２３が形成されている。この凹面鏡１３の周辺部分、つまり平面鏡２３の形成位置を除く部分は、上記の凹面鏡１２と同等の、第１の測定光Ｌ１に対して適した反射特性を持つように加工されており、また、平面鏡２３は、第２の測定光Ｌ２に対して適した反射特性を持つように加工されている。

本体ケース１０内には、第１と第２の２つの反射鏡ブロック２４，２５が収容されている。これらの第１，第２の反射鏡ブロック２４，２５は、いずれも、互いに約９０°の角度をなす２つの平面鏡２４ａと２４ｂ、あるいは２５ａと２５ｂを一体のブロックに形成したもので、第１の反射鏡ブロック２４は第１の測定光Ｌ１用であり、第２の反射鏡ブロック２５は第２の測定光Ｌ２用である。

さて、酸素濃度測定用の第１の測定光Ｌ１は、光ファイバ１８により本体ケース１０内に導入された後、第１の反射鏡ブロック２４の平面鏡２４ａで反射されて円筒状フレーム１１内に導かれ、凹面鏡１２の光透過窓ｗの中心からずれた領域ｗ１を透過して対向する凹面鏡１３の中心から所定距離だけ離隔した規定位置において反射し、図４の従来例と同様に凹面鏡１２と１３の間で多重反射した後、光透過窓ｗの前記領域ｗ１を透過する。そして、この多重反射後の測定光Ｌ１は、第１の反射ブロック２４の平面鏡２４ｂで反射され、第１の光検出器１４の受光面へと導かれてその強度が検出される。そして、その検出結果を用いた演算によって酸素濃度が求められる。なお、この測定動作は、図４に示した多重反射方式のガス濃度測定装置と全く同じである。

一方、二酸化炭素濃度測定用の第２の測定光Ｌ２は、光ファイバ２０により本体ケース１０内に導かれた後、第２の反射鏡ブロック２５の平面鏡２５ａで反射されて円筒状フレーム１１内に導かれ、凹面鏡１２の光透過窓ｗ中心の円形領域ｗ２を透過して対向する凹面鏡１３の中心に形成されている平面鏡２３に照射されて反射し、再び凹面鏡１２の光透過窓ｗの領域ｗ２を透過し、第２の反射鏡ブロック２５の平面鏡２５ｂで反射され、第２の光検出器１５の受光面へと導かれてその強度が検出される。そして、その検出結果を用いた演算によって二酸化炭素濃度が求められる。なお、この測定動作は、図６に示した１回反射方式のガス濃度測定装置と全く同じである。

以上の本発明の実施の形態において特に注目すべき点は、１つの円筒状フレーム１１を測定対象空間内に挿入するだけで、酸素と二酸化炭素の濃度を同時に測定することができる点であり、特にスペースに制約のある測定環境下での２種類のガス濃度の同時測定において大きな効果を発揮する。しかも、酸素と二酸化炭素といった２種類のガス濃度を、対向する一対の凹面鏡１２，１３間で同時に測定することから、得られる各ガスの濃度のデータは、実質的に同じポイントでの測定結果となり、従来技術では取得不可能であったデータとなり得る。

ここで、以上の実施の形態は、酸素と二酸化炭素の濃度を同時測定する例について述べたが、ガスの種類は特に限定されるものはなく、吸収ピーク高さが低く光路長を長くする必要があって多重反射による測定が必要な任意のガスと、１回反射による測定でよい任意のガスとの２種類のガスの濃度を同時に測定する場合に等しく適用することができる。

また、以上の実施の形態においては、測定対象空間内に挿入され、一対の凹面鏡を支持する部材として円筒状フレームを用いたが、その形状を円筒状とする必要は特になく、要は、凹面鏡を支持して測定光を通過させる空洞があれば、任意の断面形状を有する筒状のフレームを用いることができる。

さらに、先端側の凹面鏡に形成する平面鏡の位置は、必ずしも凹面鏡の中心である必要はなく、多重反射に関与しない位置であれば任意の位置とすることができるが、凹面鏡の中心部分は多重反射に関与しない領域が最も広くとれることや、加工上の観点から、中心部分に形成することが望ましい。
さらに、上記の実施例では、プローブサイズと性能のバランスを最適化するために光源側を光ファイバ導入、検出器を直接搭載の形としたが、光源側にレーザを直接搭載しても、検出器側を光ファイバを用いて外部検出器に導く形としても、本発明の範疇に入ることは明らかである。

１０本体ケース
１１円筒状フレーム
１１ａ開口
１２凹面鏡
１３凹面鏡
１４第１の光検出器
１５第２の光検出器
１６第１の光ファイバ接続口
１７第２の光ファイバ接続口
１８光ファイバ
１９第１の光源
２０光ファイバ
２１第２の光源
２３平面鏡
２４，２５反射鏡ブロック
２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ平面鏡
Ｌ１第１の測定光
Ｌ２第３の測定光
ｗ光透過窓

Claims

互いに対向する一対の凹面鏡を支持する筒状フレームを測定対象空間内に挿入するとともに、その測定対象空間外には、特定ガス成分に吸収される波長の測定光を出力する光源と光検出器を配置し、上記光源からの測定光を、一方の凹面鏡に設けられた光透過窓を介してその背面側から他方の凹面鏡に導いて多重反射させた後、上記光透過窓を介して上記光検出器に導いて検出し、その検出出力から上記測定対象空間内における上記特定ガス成分の濃度を算出する挿入型ガス濃度測定装置において、
上記測定対象空間外に、上記特定ガス成分とは異なる第２の特定ガス成分に吸収される波長の第２の測定光を出力する第２の光源と、その第２の測定光を検出するための第２の光検出器が配置されているとともに、上記他方の凹面鏡には、上記多重反射に関与しない部位に平面鏡が形成され、上記一方の凹面鏡には、その平面鏡に対して上記第２の測定光を当該一方の凹面鏡の背面側から導き、かつ、その反射光を上記第２の光検出器に導くための光透過窓が形成され、その第２の光検出器の出力から上記第２の特定ガス成分の濃度を算出することを特徴とする挿入型ガス濃度測定装置。
上記平面鏡および上記第２の測定光を透過させるための光透過窓は、それぞれの凹面鏡の中心部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の挿入型ガス濃度測定装置。
上記他方の凹面鏡と当該他方の凹面鏡の一部に形成されている平面鏡は、それぞれが反射する各測定光波長に対応した光反射特性を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の挿入型ガス濃度測定装置。