JP6968885B2 - 気体監視装置 - Google Patents
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Description
したがって、本発明の実施形態は、添付特許クレームによる、光学的手段に基づいて気体を監視する装置、システム、または方法を提供することにより、上記のように同定した従来技術の1つ以上の欠陥、欠点もしくは問題を単独でもしくは何らかの組み合わせで好適に軽減し、緩和し、または除去するものである。
本発明のさらなる目的は、最適化された数の構成要素と、それらの相対位置とを備えた気体監視システムを提供することである。
本発明の第1の態様によれば、対象気体の少なくとも1つの特性を判定する気体監視システムであって、前記気体監視システムは、少なくとも1つの光源を備え、前記光源は、対象気体が少なくとも1つの吸収線を有する波長範囲内で光を照射するものであり、前記気体監視システムはさらに、レトロリフレクタおよび制御ユニットを備え、前記気体監視システムは、対象気体に光を透過させてレトロリフレクタに照射し、且つ前記光を受光系に戻すものであり、前記気体監視システムはさらに、前記光を検出する少なくとも1つの光感知検出器を有する検出システムを備え、前記光感知検出器は、制御ユニットによって受信される信号を生成するものであり、前記制御ユニットは、気体監視システムを制御し且つ対象気体の少なくとも1つの特性を演算する、前記気体監視システムにおいて、前記気体監視システムは、ミラー機構を備え、前記ミラー機構は、それぞれが面および光軸を備えた中央ミラーおよび周囲ミラーを備え、前記中央ミラーおよび前記周囲ミラーは、当該中央ミラーおよび当該周囲ミラーの光軸間に偏倚角度をなすように配置され、前記中央ミラーおよび前記周囲ミラーの光軸は、前記中央ミラーの面の幾何学的中心近傍の交点で交差し、前記ミラー機構は、揺動点を中心に3次元立体角内で任意の方向に傾動可能であり、前記揺動点は、前記交点の近傍に位置付けられ、前記中央ミラーは、前記光源からの光を受光するとともに当該光を前記レトロリフレクタへ反射するものであり、前記レトロリフレクタは、反射された光を周囲ミラーへ戻すものであり、前記周囲ミラーは、当該光を検出システム内へ反射させるものであることを特徴とする。
前記揺動点は、前記光軸の交点から20mm未満に位置付けられることが好ましい。
前記気体監視システムは、複数のビームを形成するものであってもよく、各ビームは軸を有し、光源系からのビームは、光源から前記中央ミラーへのビームと、前記中央ミラーから前記レトロリフレクタへのビームと、前記レトロリフレクタから前記周囲ミラーへのビームと、前記周囲ミラーから前記検出システムへのビームとを備え、前記気体監視システムは、前記レトロリフレクタへのビームと前記レトロリフレクタからのビームとが概ね同軸であるように配置され、前記光源系から前記中央ミラーへのビームの軸と前記周囲ミラーから前記検出システムへのビームの軸とが非同軸とされている。
前記光源系と、前記検出システムは、異なる光軸上に位置決めされている。
さらにまた、前記反射手段が除去された前記レトロリフレクタの中央部分には、拡散要素が配置される。前記拡散要素は、光学ノイズおよび前記レトロリフレクタの背後の面からの反射を低減する。前記中央部分の反射面は、当該反射面を実質的に除去して拡散要素を形成するためにサンドブラストまたはエッチングが実行された反射面を含む。
本発明のまた別の態様は、対象気体の少なくとも1つの特性を判定する方法であって、以下のステップ、すなわち、
対象気体が光源からのビーム中に少なくとも1つの吸収線を有する範囲で光を照射するステップと、
中央ミラーが、光を対象気体のサンプルに透過させてレトロリフレクタに向けて反射するステップと、
前記レトロリフレクタが、光を、中央ミラーを囲繞する周囲ミラーに向けて戻すステップと、
周囲ミラーが、光を検出システムに向けて反射するステップと、
検出システムに設けられた少なくとも1つの検出器が、光を検出するステップと、
制御システムが、検出システムからの信号を受け取り、気体の少なくとも1つの特性を判定するステップと、
を備える方法である。
理想的には、ミラーアセンブリは、小さな中央ミラーの中心の面のある箇所の周りで動く、すなわち傾動する。このことは、ミラーアセンブリを保持するように設計されたジンバル状機構を用いて具体化することが可能である。しかし、移動点が、図1、図2、および図3に示すように、中央ミラーの面背後に離間して置かれている光学機械的解決手段を具体化する方がより容易である。このような解決策は、幾分きめ細かな調整範囲をもたらす。
図面は縮尺通りではないことに留意されたい。
いくつかの実施例では、ビームスプリッタを使用するのではなく、異なる波長に対して感度のある結合型またはサンドイッチ型検出器を用いることにより、または、いくつかの実施例では、スペクトル分離の他の手段によって、複数の検出器が利用される。
いくつかのレーザは、他のレーザよりも光学的なフィードバックに対してより感度がある。この発明の基本的構造は、レトロリフレクタからの光の一部を小さな中央ミラーへ戻し、該中央ミラーが光を光源系に戻す。このフィードバックは、より多くの光学的ノイズが生じるように、および最悪の場合には、レーザを非作動にするようにレーザを妨害する可能性がある。このことは、シェード(shade)、すなわちビーム遮蔽板(2210,2211)を、レトロリフレクタ(2200)の中央部分(2240)に挿入することによって解決することができる。シェードの直径は、光路長およびビーム発散度に合わせて調整することができる。直径は、所定のビーム発散度および平行光学系の形状寸法に対する特定の範囲の光路長に対して最適化することができる。理想的には、光は、検出器の信号には寄与しないが、レーザを妨害する可能性があるため、シェードは、光が中央ミラーに達するのを阻止しなければならない。
制御ユニットは、取得したデータおよび既知の情報およびデータに基づいて、一種類以上の気体の濃度を計算し、場合により、分光分析データに基づいて、温度(T)および圧力(p)の少なくともいずれか一方を演算する。
1100 第1のレーザとは異なる波長を有する第2のレーザ
1200 芯合わせ用レーザ、典型的には可視光、場合により赤色
2000 放物線状ミラーアセンブリ
2050 放物線状ミラーアセンブリの揺動点すなわち回転軸
2060 芯合わせシステムの押しねじ
2070 芯合わせシステムの押しねじ
2100 レーザからの発散ビームを反射する平らなミラー
2150 周辺ミラーの光軸
2200 レトロリフレクタ、キューブコーナー
2210 シェードすなわちビーム遮蔽板
2211 幾分大きなシェードすなわちビーム遮蔽板
2230 レトロリフレクタ用ホルダ
2240 レトロリフレクタの中央部分
2250 拡散要素
2300 戻り光を検出器に合焦させる放物線鏡面
2310 放物線ミラーと等価な平らなミラー
2350 中央ミラーの光軸
2500 傾斜した楔状の装置のウィンドウ
2600 結合レーザ光を平らなミラー2100へ反射させるミラー
2700 2つのレーザからの光を2つの検出器に対して分割するビームスプリッタ
2720 第1のレーザを含むビームスプリッタ
2740 第2のレーザを含むビームスプリッタ
2810 第1のレーザからの基準信号を合焦させるレンズ
2820 第2のレーザからの基準信号を合焦させるレンズ
2910 第1のレーザのチェック用のスパンまたは基準セル
2920 第2のレーザのチェック用のスパンまたは基準セル
3000 光感知検出器
3100 第2のレーザ波長からの光を検出する第2の検出器
3200 第1のレーザのチェック用検出器
3300 第2のレーザのチェック用検出器
4100 レーザからの発散ビーム
4200 平らなミラーによって反射されたレーザからのビーム
4210 角度が2δ変えられた、平らなミラーによって反射されたレーザからのビーム
4300 放物線ミラーへの途中のキューブコーナーから反射されたビーム
4310 角度が2δ変えられた、放物線状の等価物である平らなミラーへの途中のキューブコーナーから反射されたビーム
4400 放物線ミラーから検出器への集束ビーム
4410 第1の検出器に合焦されたビーム
4420 第2の検出器に合焦されたビーム
4450 放物線状の等価物である平らなミラーから集束レンズへ反射されたビーム
4460 検出器への途中の集束ビーム
5000 分析する対象気体
6000 光を検出器に合焦させるレンズ
Claims (29)
- 対象気体(5000)の少なくとも1つの特性を判定する気体監視システムであって、前記気体監視システムは、少なくとも1つの光源(1000)を備え、前記少なくとも1つの光源(1000)は、前記対象気体(5000)が少なくとも1つの吸収線を有する波長範囲内で光を照射するように構成され、前記気体監視システムはさらに、反射手段を有するレトロリフレクタ(2200)および制御ユニットを備え、前記気体監視システムは、光を前記対象気体(5000)に透過させて前記レトロリフレクタ(2200)に案内し、当該光を受光系に戻すように構成され、前記気体監視システムはさらに、前記光を検出する少なくとも1つの光感知検出器を有する検出システムを備え、前記少なくとも1つの光感知検出器は、前記制御ユニットによって受信される信号を供給するように構成され、前記制御ユニットは、前記気体監視システムを制御し、前記対象気体の少なくとも1つの特性を演算するように構成される、前記気体監視システムにおいて、
前記気体監視システムは、ミラー機構(2000)を備え、
前記ミラー機構(2000)は、中央ミラー(2100)および周囲ミラー(2300)を含み、該中央ミラー(2100)および周囲ミラー(2300)の各々は、面、幾何学的中心、および光軸を有し、
前記中央ミラー(2100)および前記周囲ミラー(2300)は、当該中央ミラー(2100)および当該周囲ミラー(2300)の光軸(2150,2350)間に偏倚角度をなすように配置され、
前記中央ミラー(2100)および前記周囲ミラー(2300)の光軸(2150、2350)は、前記中央ミラー(2100)の面の幾何学的中心近傍の交点で交差し、
前記ミラー機構は、揺動点(2050)を中心に3次元立体角内で任意の方向に傾動可能であり、前記揺動点(2050)は、前記交点の近傍で位置付けられ、
前記中央ミラー(2100)は、前記光源(1000)からの光を受光して当該光を前記レトロリフレクタ(2200)に向けるように配置され、前記レトロリフレクタ(2200)は、向けられた光を前記周囲ミラー(2300)へ戻すように配置され、前記周囲ミラー(2300)は、当該光を検出システム内へ反射させるように配置されることを特徴とする気体監視システム。 - 前記光軸(2150,2350)の交点は、前記中央ミラー(2100)の面の幾何学的中心から10mm未満に位置付けられる、請求項1に記載の気体監視システム。
- 前記揺動点(2050)は、前記光軸(2150,2350)の交点から20mm未満に位置付けられる、請求項1または2に記載の気体監視システム。
- 前記光軸(2150,2350)と前記揺動点(2050)との交点は、前記中央ミラー(2100)の面の幾何学的中心に位置付けられる、請求項1から3のいずれか1項に記載の気体監視システム。
- 前記気体監視システムは、複数のビームを形成するように構成され、各ビームは軸を有し、該複数のビームは、前記少なくとも1つの光源(1000)を備える光源系から前記中央ミラー(2100)へのビーム(4100)と、前記中央ミラー(2100)から前記レトロリフレクタ(2200)へのビーム(4200)と、前記レトロリフレクタ(2200)から前記周囲ミラー(2300)へのビーム(4300)と、前記周囲ミラー(2300)から前記検出システムへのビーム(4400)とを含み、
前記気体監視システムは、前記レトロリフレクタ(2200)へのビームと前記レトロリフレクタ(2200)からのビームとが概ね同軸であるように構成され、前記光源系から前記中央ミラー(2100)へのビームの軸と前記周囲ミラー(2300)から前記検出システムへのビームの軸とが非同軸とされている、請求項1から4のいずれか1項に記載の気体監視システム。 - 前記中央ミラー(2100)の光軸と前記周囲ミラー(2300)の光軸とがなす角度の2倍の角度は、前記光源系の光軸と前記検出システム(3000)とがなす角度に概ね対応している、請求項5の記載の気体監視システム。
- 前記中央ミラー(2100)および前記周囲ミラー(2300)の各々は、光を反射させる面を含み、前記ミラー機構(2000)は、前記周囲ミラー(2300)の面が前記中央ミラー(2100)の面を囲繞するように構成される、請求項1から6のいずれか一項に記載の気体監視システム。
- 前記中央ミラー(2100)および前記周囲ミラー(2300)の面は、前記光軸(2150,2350)の交点が前記中央ミラー(2100)の光学的中心に位置付けられるように配置されている、請求項7に記載の気体監視システム。
- 前記中央ミラー(2100)は、平板状、放物線状、軸外し放物線状、および球状のうちの1つの形態であり、前記周囲ミラー(2300)は、平板状、放物線状、軸外し放物線状、および球状のうちの1つの形態である、請求項1から8のいずれか一項に記載の気体監視システム。
- 前記検出システムは、前記ミラー機構(2000)と前記レトロリフレクタ(2200)との間のビーム(4200,4300)の外側に配置される、請求項1から9のいずれか一項に記載の気体監視システム。
- 前記光源(1000)は、垂直共振器面発光レーザ、分布帰還型レーザ、量子カスケードレーザ、インターバンドカスケードレーザ、およびファブリ・ペロー・レーザ、ならびに異なるアレイ式のレーザのうちの1つのレーザである、請求項1から10のいずれか一項に記載の気体監視システム。
- 前記レトロリフレクタ(2200)は、キューブコーナー、または反射テープである、請求項1から11のいずれか一項に記載の気体監視システム。
- 前記ミラー機構(2000)は、前記中央ミラー(2100)からのビームを、概ねレトロリフレクタ(2200)に向かう指向方向に向けるように構成され、前記気体監視システムは、前記ミラー機構(2000)の指向方向を調整する芯合わせ手段を備えている、請求項1から12のいずれか一項に記載の気体監視システム。
- 前記芯合わせ手段は、概ね前記揺動点(2050)を中心に前記ミラー機構(2000)を傾動させるように構成される、請求項13に記載の気体監視システム。
- 前記揺動点(2050)は、前記中央ミラー(2100)の幾何学的中心の近傍に位置付けられる、請求項13または14に記載の気体監視システム。
- 前記揺動点(2050)は、前記中央ミラー(2100)の軸線(2150)の近傍において、前記中央ミラー(2100)の幾何学的中心の背後に位置付けられる、請求項13または14に記載の気体監視システム。
- 前記芯合わせ手段は、
信号を監視し、かつ、最適な信号を検出しつつ、ミラーアセンブリを駆動することによって、前記ミラーアセンブリを前記レトロリフレクタ(2200)に向けて自動的に芯合わせする手段を含む、請求項13から16のいずれか一項に記載の気体監視システム。 - 前記気体監視システムの芯合わせを可能にするために、少なくとも1つの光源(1000)からのビームと概ね同軸に、可視光から成るコリメートビームを送出するように構成された可視光源(1200)を備える請求項1から17のいずれか一項に記載の気体監視システム。
- 異なる波長で機能する複数の光源(1000,1100)を備え、
各光源(1000,1100)は、当該光源(1000,1100)からの光ビームを共通の経路に合流させるビームスプリッタを有し、それぞれのビームスプリッタは、各ビームスプリッタに対応する光源(1000,1100)からの光を概ね反射する一方、他の光源(1000,1100)からの波長における光を概ね透過させるスペクトル特性を有する、請求項1から18のいずれか一項に記載の気体監視システム。 - 複数の光感知検出器と、各光源(1000)からの波長を個々の光感知検出器へ分離する複数のビームスプリッタとを備える、請求項1から19のいずれか一項に記載の気体監視システム。
- 時分割多重化または周波数分割多重化して各光源(1000)からの波長を分離するように構成された請求項19または20に記載の気体監視システム。
- 前記気体監視システムは、前記ビームスプリッタからの余剰光を、前記複数の光源(1000,1100)ごとに設けた少なくとも1つの気体セルに透過させ、次いで、前記複数の光源(1000,1100)ごとに設けた少なくとも1つの追加的な光感知検出器に到達させるように構成され、
前記少なくとも1つの気体セルは、自己較正用に用いられ、且つスペクトル動作点に関して機器の完全性を監視するのに適した吸収特性を有する気体を収容している、請求項19から21のいずれか一項に記載の気体監視システム。 - 前記レトロリフレクタ(2200)は、
当該レトロリフレクタ(2200)の中心軸周りに概ね対称的に配置されて、当該レトロリフレクタ(2200)によって反射された光が前記中央ミラー(2100)を介して光源(1000)に戻るのを防ぐように構成されたビーム遮蔽板(2211)を含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の気体監視システム。 - 前記ビーム遮蔽板(2211)は、光路長の範囲およびビーム発散度に対して最適化された直径を有する円盤状に概ね形成される、請求項23に記載の気体監視システム。
- 前記ビーム遮蔽板(2211)は、前記レトロリフレクタ(2200)の光軸に対して傾斜した角度をなして配置される、請求項23または24に記載の気体監視システム。
- 前記レトロリフレクタ(2200)は、レーザ光が前記中央ミラー(2100)を介して前記光源(1000)に反射して戻ることを防ぐために実質的に前記反射手段が取り除かれた中央部分(2240)を含む、請求項1から25のいずれか1項に記載の気体監視システム。
- 前記反射手段が取り除かれた前記レトロリフレクタ(2200)の中央部分(2240)には、拡散要素(2250)が配置され、前記拡散要素(2250)は、光学ノイズおよび前記レトロリフレクタ(2200)の背後の面からの反射を低減させる、請求項26に記載の気体監視システム。
- 前記中央部分(2240)の反射手段は、反射面を含み、
前記反射面には、該反射面を実質的に取り除いて前記拡散要素(2250)を形成するためにサンドブラストまたはエッチングが実行されている、請求項27に記載の気体監視システム。 - 対象気体(5000)の少なくとも1つの特性を判定する方法であって、
対象気体(5000)が光源(1000)からのビーム内に少なくとも1つの吸収線を有する範囲で光を照射するステップと、
中央ミラー(2100)が、光を対象気体(5000)のサンプルを透過させてレトロリフレクタ(2200)に向けて反射するステップと、
前記レトロリフレクタ(2200)が、光を、中央ミラー(2100)を囲繞する周囲ミラー(2300)に向けて戻すステップと、
周囲ミラー(2300)が、光を検出システムに向けて反射するステップと、
検出システムに設けられた少なくとも1つの検出器が、光を検出するステップと、
制御システムが、検出システムからの信号を受け取り、気体の少なくとも1つの特性を判定するステップと、を備える方法。
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