JP7006800B2 - ガス測定装置及びガス測定方法 - Google Patents
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Description
図4において、レーザ光源部1から射出された所定波長のレーザ光は、光スイッチ3を通して、被測定ガスが収容されている測定セル40に導入される。筒状である測定セル40の両端には一対の高反射率(ごく僅かに光が透過する)のミラー47、48が対向して配置されており、測定セル40、及びミラー47、48は光共振器4を構成する。この光共振器4は例えばレーザ装置等で一般的に用いられているものと同様のファブリペロー共振器であり、共振し得る光の波長(周波数)は共振条件に応じて決まっている。なお、光共振器4は、2枚のミラーを対向して配置した構成の共振器でなく、3枚以上のミラーで構成されるリング型の共振器であってもよい。
α=1/c{(1/τ)-(1/τ0)} …(1)
ここで、cは光速、τは測定セル40内に被測定ガスが収容されているときのリングダウン時間、τ0は測定セル40内に被測定ガスが収容されていない(例えば真空状態である)とき或いは被測定ガス中の成分による吸収が全く無視できるときの基準状態のリングダウン時間である。また、目的成分(吸収物質)の吸収係数α、単位体積当たりの目的成分分子の数密度n、及び、目的成分による吸収断面積σの関係は次の(2)式のようになる。
α=nσ …(2)
(1)光共振器4を構成するミラー47、48に被測定ガス中の物質が付着することによる、該ミラー47、48の実効的な反射率の低下。
(2)上記ミラー47、48の微小な変動や該ミラー47、48への入射光位置の微小な変動による該ミラー47、48の実効的な反射率の変化、及び光共振器長(つまりは片道の光路長)の実効的な変化。
(3)周囲温度の変化によって生じる熱膨張・収縮による光共振器長の変化。
前記レーザ光照射部によるレーザ光を前記光共振器に入射させ、該レーザ光の波長を目的成分の吸収ピークを含む所定の波長範囲で走査しつつ前記光検出部によりキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実施するように各部を制御する測定制御部と、
前記測定制御部の制御の下で所定の波長範囲内の各波長毎に得られたデータに基づいて、吸収スペクトルを作成するスペクトル作成部と、
前記吸収スペクトルにおける前記目的成分の吸収ピークの、ピークトップを含む所定の波長範囲における波形形状を2次以上の多項式で近似し、該多項式における所定の偶数次の項の係数を取得する演算処理部と、
予め作成された、前記所定の偶数次の項の係数と吸収強度との対応関係を示す参照情報に基づいて、前記演算処理部で得られた係数から吸収強度を導出する結果導出部と、
を備えるものである。
一対の高反射ミラー、及び被測定ガスが収容される測定セル、を含む光共振器に、レーザ光を入射させ、該レーザ光の波長を前記目的成分の吸収ピークを含む所定の波長範囲で走査しつつ検出することにより、キャビティリングダウン吸収分光法による測定を実施する測定工程と、
前記測定工程において所定の波長範囲内の各波長毎に得られたデータに基づいて、吸収スペクトルを作成するスペクトル作成工程と、
前記吸収スペクトルにおける前記目的成分の吸収ピークの、ピークトップを含む所定の波長範囲における波形形状を2次以上の多項式で近似し、該多項式における所定の偶数次の項の係数を取得する演算工程と、
予め作成された、前記所定の偶数次の項の係数と吸収強度との対応関係を示す参照情報に基づいて、前記係数から吸収強度を導出する結果導出工程と、
を実行するものである。
ユーザは事前に、目的成分の種類などを入力部8から入力する。
S(ν)=(1/c){(1/τ)-(1/τ0)}=(1/c){(c[(1-R’)+α(ν)L]/L)-(c[1-R]/L)}=α(ν)+(R-R’)/L …(3)
ここで、α(ν)はミラーの反射率に変動がない場合の吸収係数である。
S(ν)=b0'+b1'(ν-<ν>)+b2'(ν-<ν>)2+b3'(ν-<ν>)3+・・・ …(4)
α(ν)=b0+b1(ν-<ν>)+b2(ν-<ν>)2+b3(ν-<ν>)3+・・・ …(5)
ここで、<ν>は吸収スペクトルを取得する波長範囲の中心の波長、つまり、本実施形態ではΔν=0の位置である。
b0'≒b0+(R-R’)/L …(6)
b1'≒b1 …(7)
b2'≒b2 …(8)
S(ν)=(1/c){(1/τ)-(1/τ0)}=(1/c){(c[(1-R)+α(ν)L’]/L’)-(c[1-R]/L)}=α(ν)+{(1-R)(L-L’)/L・L’} …(9)
S(ν)=(1/c){(1/τ)-(1/τ0)}=(1/c){(c[(1-R’)+α(ν)L’]/L’)-(c[1-R]/L)}=α(ν)+{[(1-R’)L-(1-R)L’]/L・L’} …(10)
これらの式は(3)式と同様の式であるから、この場合にも、S(ν)の近似多項式の2次項の係数b2がそれらの変動に依存しないことを意味していることが分かる。
2…レーザ駆動部
3…光スイッチ
4…光共振器
40…測定セル
41…ガス導入管
42…導入バルブ
43…ガス排出管
44…排出バルブ
47、48…ミラー
5…光検出器
6…測定制御部
7…データ処理部
71…リングダウン時間算出部
72…スペクトル作成部
73…フィッティング処理部
74…濃度算出部
75…参照情報記憶部
8…入力部
9…出力部
Claims (8)
- 波長可変であるレーザ光照射部と、一対の高反射ミラー及び被測定ガスが収容される測定セルを含み、前記レーザ光照射部から発して該測定セル内に導入されたレーザ光を共振させる光共振器と、該光共振器から取り出されたレーザ光を検出する光検出部と、を具備し、キャビティリングダウン吸収分光法により被測定ガス中の目的成分の濃度を求めるガス測定装置において、
前記レーザ光照射部によるレーザ光を前記光共振器に入射させ、該レーザ光の波長を目的成分の吸収ピークを含む所定の波長範囲で走査しつつ前記光検出部によりキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実施するように各部を制御する測定制御部と、
前記測定制御部の制御の下で所定の波長範囲内の各波長毎に得られたデータに基づいて、吸収スペクトルを作成するスペクトル作成部と、
前記吸収スペクトルにおける前記目的成分の吸収ピークの、ピークトップを含む所定の波長範囲における波形形状を2次以上の多項式で近似し、該多項式における所定の偶数次の項の係数を取得する演算処理部と、
予め作成された、前記所定の偶数次の項の係数と吸収強度との対応関係を示す参照情報に基づいて、前記演算処理部で得られた係数から吸収強度を導出する結果導出部と、
を備えるガス測定装置。 - 前記多項式は2次多項式であり、前記所定の偶数次の項は2次の項である、請求項1に記載のガス測定装置。
- 前記測定制御部は前記多項式の2次の項の係数を算出するのに必要十分な波長範囲の波長走査を行う、請求項2に記載のガス測定装置。
- 前記必要十分な波長範囲は目的成分の吸収ピークのピーク幅の略1/2に相当する波長範囲である、請求項3に記載のガス測定装置。
- キャビティリングダウン吸収分光法により被測定ガス中の目的成分の濃度を求めるガス測定方法であって、
一対の高反射ミラー、及び被測定ガスが収容される測定セル、を含む光共振器に、レーザ光を入射させ、該レーザ光の波長を前記目的成分の吸収ピークを含む所定の波長範囲で走査しつつ検出することにより、キャビティリングダウン吸収分光法による測定を実施する測定工程と、
前記測定工程において所定の波長範囲内の各波長毎に得られたデータに基づいて、吸収スペクトルを作成するスペクトル作成工程と、
前記吸収スペクトルにおける前記目的成分の吸収ピークの、ピークトップを含む所定の波長範囲における波形形状を2次以上の多項式で近似し、該多項式における所定の偶数次の項の係数を取得する演算工程と、
予め作成された、前記所定の偶数次の項の係数と吸収強度との対応関係を示す参照情報に基づいて、前記係数から吸収強度を導出する結果導出工程と、
を実行するガス測定方法。 - 前記多項式は2次多項式であり、前記所定の偶数次の項は2次の項である、請求項5に記載のガス測定方法。
- 前記測定制御部は前記多項式の2次の項の係数を算出するのに必要十分な波長範囲の波長走査を行う、請求項6に記載のガス測定方法。
- 前記必要十分な波長範囲は目的成分の吸収ピークのピーク幅の略1/2に相当する波長範囲である、請求項7に記載のガス測定方法。
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