JP7544295B2

JP7544295B2 - ガス分析計

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Publication number: JP7544295B2
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Inventors: 正敬大登; 直希武田; 亮一東; 波李
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Filing date: 2022-04-05
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Description

本発明は、ガス分析計に関する。

従来、スペクトル分析を利用したガス分析計が知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。
特許文献１特開２００１－１８８０４３号公報
非特許文献１ Quantitative Spectroscopy Radiative Transfer Vol. 56, No. 2, pp. 187-208, 1996、Johan Mellqvist and Arne Rosen「DOAS FOR FLUE GAS MONITORING - I. TEMPERATURE EFFECTS IN THE U.V./VISIBLE ABSORPTION SPECTRA OF NO, N0₂, SO₂ AND NH₃」

解決しようとする課題

ガス分析計は、ガス濃度を精度良く測定できることが好ましい。

一般的開示

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、サンプルガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定するガス分析計を提供する。ガス分析計は、前記測定対象成分の吸収波長を含む光を出射する光源部を備えてよい。ガス分析計は、前記光を反射させる１つ以上の反射ミラーを前記サンプルガスを封止した空間に収容したセルを備えてよい。ガス分析計は、前記セルを通過した前記光の放射スペクトルを取得する受光素子を備えてよい。ガス分析計は、前記光源部から前記受光素子までの光経路のいずれかに配置され、前記光源部が出射する前記光の放射スペクトルのいずれかのピークにおける強度を減少させる制限帯域を有するノッチフィルタを備えてよい。ガス分析計は、前記受光素子の受光信号を処理し、前記測定対象成分の濃度を測定する処理部を備えてよい。

前記ノッチフィルタは、前記セルの内部に配置されていてよい。

前記セルは、前記光源部からの前記光を前記セルの内部に入射させる入射窓を有してよい。前記１つ以上の反射ミラーは、前記入射窓から入射した前記光が最初に到達する第１の反射ミラーを含んでよい。前記ノッチフィルタは、前記入射窓と、前記第１の反射ミラーとの間の前記光経路に配置されていてよい。

前記ノッチフィルタは、前記光源部と前記セルとの間の前記光経路に配置されていてよい。

前記セルは、前記光を前記セルの外部に出射させる出射窓を有してよい。前記１つ以上の反射ミラーは、前記出射窓から出射する前記光が最後に反射する第２の反射ミラーを含んでよい。前記ノッチフィルタは、前記第２の反射ミラーと前記受光素子との間の前記光経路に配置されていてよい。

ガス分析計は、前記ノッチフィルタの制限帯域の波長を調整する調整部を備えてよい。

前記調整部は、前記ノッチフィルタに対する前記光の入射角度を調整することで前記制限帯域の波長を調整してよい。

前記処理部は、前記調整部が前記入射角度を調整した場合に、前記受光信号の強度を補正してよい。

前記調整部は、前記入射角度を調整した場合に、少なくとも一つの前記反射ミラーの反射面の角度を調整してよい。

前記調整部には、前記入射角度を変更できる変更範囲が設定されてよい。

前記ノッチフィルタは、前記入射角度に応じた出射角度で前記光を出射してよい。

前記出射角度が変化した場合に、少なくとも一つの前記反射ミラーにおいて前記光が照射されるスポット位置が第１の方向に変化してよい。

前記少なくとも一つの前記反射ミラーは、前記ノッチフィルタに対する前記入射角度を前記変更範囲内の最小値から最大値まで変更させた場合の前記光の前記スポット位置が含まれる大きさの反射面を有してよい。

ガス分析計は、前記ノッチフィルタを異なる複数の位置に備えてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

ガス分析装置２００の一例を示す図である。第１の実施例に係るガス分析計１００の構成例を示す図である。光源部１２０が出射する光１０６の放射スペクトルの一例を示す図である。所定の波長における光１０６の強度と、測定誤差との関係を示す図である。ノッチフィルタ１１０の透過特性の一例を示す図である。ノッチフィルタ１１０を用いた場合に、受光素子１２６に入射する光１０６の放射スペクトルの一例を示す図である。ガス分析計１００の他の構成例を示す図である。ガス分析計１００の他の構成例を示す図である。ノッチフィルタ１１０の制限帯域の波長を調整する例を示す図である。ノッチフィルタ１１０の後段の反射ミラーを示す図である。ノッチフィルタ１１０の後段の反射ミラーの反射面１５０を、光１０６の進行方向から見た図である。ガス分析計１００の他の構成例を示す図である。第２の実施例に係るガス分析計１００を説明する図である。第１の反射ミラー１１４－１の凹面部１５１と、凹面部１５１の位置におけるコリメート光１０６のスポット１９２を、コリメート光１０６の進行方向から見た図である。第２の反射ミラー１１４－２の凹面部１５１を、コリメート光１０６の進行方向から見た図である。中央反射ミラー１１２の凹面部１５１と、凹面部１５１の位置におけるコリメート光１０６のスポット１９２を、コリメート光１０６の進行方向から見た図である。中央反射ミラー１１２の凹面部１５１の他の形状例を示す図である。折り返し反射ミラー１１５の凹面部１５１を、コリメート光１０６の進行方向から見た図である。ガス分析計１００の動作試験を説明する図である。参考例における、受光素子１２６の受光量の測定値を示す図である。第２の実施例における、受光素子１２６の受光量の測定値を示す図である。第３の実施例に係るガス分析計１００を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、ガス分析装置２００の一例を示す図である。ガス分析装置２００は、煙道１０を通過する測定対象ガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定する。測定対象ガスは、例えばエンジン等の排ガスであるがこれに限定されない。測定対象成分は、硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）またはアンモニア（ＮＨ_３）等であるが、これに限定されない。

ガス分析装置２００は、ガス吸入管１１、ガス排出管１２、および、ガス分析計１００を備える。ガス分析装置２００は、ガスフィルタ１４、予熱器１５、予熱温度調節器１６およびポンプ１７の少なくともいずれかを更に備えてよい。

ガス吸入管１１およびガス排出管１２は、煙道１０と接続する。ガス吸入管１１は、煙道１０に流れる測定対象ガスの一部であるサンプルガス３０を、ガス分析計１００に導入する。ガス分析計１００は、サンプルガス３０に含まれる測定対象ガスの濃度を測定する。ガス排出管１２は、ガス分析計１００で処理されたサンプルガス３０を煙道１０に排出する。

ガス吸入管１１は、サンプルガス３０中のダストを除去するガスフィルタ１４と接続してよい。ガス吸入管１１は、サンプルガス３０を予熱する予熱器１５と接続してよい。予熱器１５は、予熱温度調節器１６によって温度が調整されてよい。ガス排出管１２は、ポンプ１７と接続してよい。ポンプ１７は、ガス分析計１００からサンプルガス３０を吸引し、煙道１０にサンプルガス３０を排出する。

ガス分析計１００は、導入されたサンプルガス３０に含まれる測定対象成分の濃度を測定する。一例としてガス分析計１００は、例えば非特許文献１に開示されているような、差分吸光光度法（ＤＯＡＳ）により、測定対象成分の濃度を測定する。ガス成分は、ガスの種類に応じた特定の吸収波長の光を吸収する。光が吸収される度合いは、ガス成分の濃度により変化する。差分吸光光度法では、測定対象成分に応じた波長成分を含む光をサンプルガス３０に通過させて、通過前後における当該波長成分の強度を比較することで、サンプルガス３０に含まれる測定対象成分の濃度を測定する。このとき、サンプルガス３０を通過した光を測定した波長スペクトルからブロードな変動を除去することで、光源の光量変動、または、サンプルガス３０中のダストおよびミストによる影響を除去できる。これにより、測定対象成分による波長スペクトルの変動を安定して測定でき、測定対象成分の濃度を安定して測定できる。

ガス分析計１００は、セル１１３、光源部１２０、受光素子１２６および処理部１２７を備える。ガス分析計１００は、ヒータ１１８、温度調整部１１９および分光器１２２の少なくともいずれかを更に備えてよい。

光源部１２０は、光１０６を出射する。本例において光源部１２０は、測定対象成分の吸収波長を含む光１０６を出射する。光源部１２０は、一例として、発光時間を極短時間に制御できるフラッシュランプである。光源部１２０は、Ｘｅフラッシュランプであってよい。光源部１２０としてＸｅフラッシュランプを用いることで、安定して光１０６を出射することができる。本例の光源部１２０は、一定の発光周期で発光することが好ましい。本例において、光１０６は、紫外線（波長範囲：２００ｎｍ～４００ｎｍ）領域の光である。

セル１１３は、サンプルガス３０を封止する。サンプルガス３０に含まれる測定対象成分の濃度を分析する場合、ガス吸入管１１を介して、サンプルガス３０をセル１１３に導入してよい。また分析終了後、ガス排出管１２を介して、サンプルガス３０をセル１１３から排出してよい。

セル１１３には光源部１２０からの光１０６が入射される。光１０６はセル１１３の内部においてサンプルガス３０を通過し、セル１１３の外部に出射される。セル１１３は多重反射セルであってよい。この場合、セル１１３に入射された光１０６は、セル１１３の内部で反射を繰り返し、セル１１３の外部に出射される。

セル１１３には、サンプルガス３０の温度を所定の温度に保つためヒータ１１８が設けられてもよい。セル１１３は、ヒータ１１８と接していてもよい。ヒータ１１８の温度は、温度調節部１１９によって制御されてよい。

受光素子１２６は、セル１１３を通過した光１０６の放射スペクトルを取得する。受光素子１２６は、分光器１２２により分光された光１０６の強度を測定する。分光器１２２は、光１０６を、所定の波長範囲内における複数の波長帯域に分光してよい。所定の波長範囲とは、例えば、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長範囲である。波長範囲は、これに限定されない。受光素子１２６は、光１０６の強度を波長帯域毎に取得することで、光１０６の放射スペクトルを取得する。

受光素子１２６は、波長帯域ごとに光１０６の強度を取得する。受光素子１２６は、一例として、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｃｕｃｔｏｒ）ラインセンサである。受光素子１２６が取得した光１０６の放射スペクトルは、受光信号として処理部１２７に送信される。

処理部１２７は、受光素子１２６の受光信号を処理する。処理部１２７は、受光信号をデジタル信号に変換してデジタル演算処理してよい。処理部１２７は、受光素子１２６の受光信号に基づいて、サンプルガス３０に含まれる測定対象成分の濃度を測定する。処理部１２７は、測定対象成分の吸収波長における光１０６の強度の変化（すなわち、光源部１２０が出射した光１０６の強度に対する、セル１１３を通過した光１０６の強度の変化）を取得することにより、測定対象成分の濃度を測定してよい。本例において処理部１２７は受光素子１２６と通信線１４９を介して有線接続しているが、無線接続であってもよい。

図２は、第１の実施例に係るガス分析計１００の構成例を示す図である。図２においては、ヒータ１１８および温度調整部１１９を省略している。また本例のガス分析計１００は、コリメートレンズ１４２を更に備えている。コリメートレンズ１４２は、光源部１２０が出射した光１０６をコリメート光に変換する。コリメート光は、光源部１２０が出射した光１０６よりも平行光に近い光である。コリメート光は、完全な平行光でなくてもよい。コリメートレンズ１４２は、光１０６を集光させて光１０６の拡がりを抑制したコリメート光を出射する。

セル１１３は、サンプルガス３０を封止する。セル１１３には、入射窓１４０および出射窓１４１が設けられている。図２においては入射窓１４０および出射窓１４１がセル１１３の同一の面に設けられているが、入射窓１４０および出射窓１４１は異なる面に設けられていてもよい。光１０６は、入射窓１４０を通過してセル１１３の内部に入射される。セル１１３の内部においてサンプルガス３０を通過した光１０６は、出射窓１４１を通過してセル１１３の外部に出射される。

セル１１３において、サンプルガス３０を封止した空間には、光１０６を反射させる１つ以上の反射ミラーが収容されている。反射ミラーは、セル１１３に導入された光１０６が、セル１１３内部において複数回反射するように配置される。例えばセル１１３の長手方向の両端部近傍に反射ミラーが配置されている。この場合、セル１１３の長手方向に沿って、光１０６がセル１１３の内部を往復する。光１０６がセル１１３の内部を往復することで、光１０６がサンプルガス３０を通過する光路長を長くすることができ、測定対象成分が微量であっても精度良く濃度を測定することができる。

本例では、第１の反射ミラー１１４－１、第２の反射ミラー１１４－２および中央反射ミラー１１２がセル１１３の内部に設けられている。第１の反射ミラー１１４－１は、入射窓１４０を通過した光１０６が最初に到達する反射ミラーである。第２の反射ミラー１１４－２は、出射窓１４１を通過する光１０６が最後に反射した反射ミラーである。中央反射ミラー１１２は、第１の反射ミラー１１４－１で反射した光１０６を更に反射させる。また中央反射ミラー１１２は、入射されるいずれかの光１０６を第２の反射ミラー１１４－２に向けて反射する。図２の例では、中央反射ミラー１１２は、第１の反射ミラー１１４－１から入射した光１０６を、第２の反射ミラー１１４－２に向けて反射する。第２の反射ミラー１１４－２において反射した光１０６は、出射窓１４１からセル１１３の外部に出射する。

中央反射ミラー１１２と、第１の反射ミラー１１４－１および第２の反射ミラー１１４－２とは、互いの反射面１５０が向かい合うように配置されている。それぞれの反射面１５０において光１０６が反射する。図２の例では、中央反射ミラー１１２は、セル１１３の長手方向における端部のうち、入射窓１４０および出射窓１４１が設けられる側の端部に配置されている。第１の反射ミラー１１４－１および第２の反射ミラー１１４－２は、セル１１３の長手方向における端部のうち、中央反射ミラー１１２とは逆側の端部に配置されている。図２の例では、中央反射ミラー１１２と向かい合う位置に２つの反射ミラー１１４が配置されているが、他の例では、中央反射ミラー１１２と向かい合う位置により多くの反射ミラー１１４が配置されていてもよい。この場合、光１０６がセル１１３の内部を往復する回数を増大させて、光１０６がサンプルガス３０を通過する距離を更に長くできる。なお中央反射ミラー１１２と向かい合う複数の反射ミラー１１４は、一体の反射ミラーであってもよい。この場合、当該反射ミラーのうち、入射窓１４０を通過した光が最初に到達する領域が第１の反射ミラー１１４－１であり、出射窓１４１を通過する光が最後に反射した領域が第２の反射ミラー１１４－２である。

本例のガス分析計１００は、ノッチフィルタ１１０を備える。ノッチフィルタ１１０は、光源部１２０から受光素子１２６までの光１０６が通過する光経路のいずれかに配置される。ノッチフィルタ１１０は、光源部１２０が出射する光１０６の放射スペクトルのいずれかのピークにおける強度を減少させる制限帯域を有する。ノッチフィルタ１１０は、例えば互いに屈折率が異なる複数の誘電体膜が、光１０６の進行方向に沿って積層された構造を有する。

図３は、光源部１２０が出射する光１０６の放射スペクトルの一例を示す図である。図３において、横軸は波長を示し、縦軸は光１０６の強度を示す。光１０６の放射スペクトルは、複数のピークを有する。ピークは、図３に示す放射スペクトルにおいて、強度が極大値を示す部分である。例えば図３の放射スペクトルは、波長２３０ｎｍの近傍においてピーク３００を有する。ピーク３００は、放射スペクトルの複数のピークのうち、強度が最大のピークであってよい。

本例の放射スペクトルは、ピーク３００における強度が０．２０以上を示す。一方で、波長が３３０ｎｍ近傍の領域３０２では、光１０６の強度が０．０５以下を示している。つまりピーク３００は、領域３０２に比べて４倍以上の強度である。受光素子１２６は測定範囲（ダイナミックレンジ）を有している。ピーク３００に合わせて受光素子１２６のダイナミックレンジを設定すると、領域３０２の波長帯域では、ダイナミックレンジの一部の範囲でしか光１０６の強度を測定できない。このため光１０６の放射スペクトルの強度が小さい波長領域では、受光素子１２６における熱雑音または迷光等の雑音成分に対する信号成分の比が小さくなり、測定精度が低下する。

図４は、所定の波長における光１０６の強度と、測定誤差との関係を示す図である。横軸は、受光素子１２６における光１０６の強度の測定値を示している。本例の受光素子１２６は、ＣＭＯＳラインセンサである。本例の受光素子１２６のダイナミックレンジは１００ｄＢ程度である。受光素子１２６におけるダイナミックレンジをデジタル値に量子化すると、０～６５５３５（９６．４ｄＢ）である。ピーク３００における光１０６の強度が、測定値の範囲の上限近傍となるようにダイナミックレンジが設定される。

図４の縦軸の値が小さいほど、測定誤差が小さいことを示す。図４に示すように、光１０６の強度が大きくなると、測定誤差が小さくなる。図４の例では、信号強度が２００００程度あれば、測定誤差が十分小さくなっている。図３の領域３０２のように、光１０６の強度が小さい波長帯域では、受光素子１２６における測定値が１６３８３．７５（６５５３５÷４）以下となってしまう。このため、領域３０２における測定誤差が大きくなる。つまり、複数の波長における光１０６の強度に差異があると、いずれかの波長における受光素子１２６のダイナミックレンジが小さくなり、当該波長における測定精度が悪化してしまう。このため、複数の波長において光１０６の強度を測定する場合、それぞれの測定波長における光１０６の強度の差異をできるだけ小さくすることが好ましい。

図２に示したように、本例のガス分析計１００は、光１０６のいずれかのピーク３００を含む波長帯域の強度を低減するノッチフィルタ１１０を備える。これにより、光１０６の放射スペクトルにおける強度差を小さくし、複数の波長における測定誤差を低減する。

図５は、ノッチフィルタ１１０の透過特性の一例を示す図である。図５の横軸はノッチフィルタ１１０に入射する光１０６の波長を示す。縦軸は、ノッチフィルタ１１０に入射した光１０６の強度に対する、ノッチフィルタ１１０から出射する光１０６の強度の比を示す。ノッチフィルタ１１０は、透過率が極小値を示す制限帯域ＲＢを有する。制限帯域ＲＢは、例えば透過率が７０％以下となる帯域である。制限帯域ＲＢにおける透過率の極小値は２０％以上であってよく、３０％以上であってよく、４０％以上であってもよい。

制限帯域ＲＢにピーク３００の波長が含まれる。これにより、ピーク３００の強度を低下させて、光１０６の放射スペクトルにおける強度差を低減できる。光源部１２０がキセノンフラッシュランプの場合、制限帯域ＲＢの中心波長は２２０ｎｍから２４０ｎｍの範囲に存在してよい。制限帯域ＲＢの幅は、１０ｎｍ以上であってよく、２０ｎｍ以上であってもよい。制限帯域ＲＢの幅は、４０ｎｍ以下であってよく、３０ｎｍ以下であってもよい。

図６は、ノッチフィルタ１１０を用いた場合に、受光素子１２６に入射する光１０６の放射スペクトルの一例を示す図である。図６において、横軸は波長を示し、縦軸は光１０６の強度を示す。図３に示した光１０６の放射スペクトルに比べて、波長が２３０ｎｍ付近の強度が弱まっている。ノッチフィルタ１１０を用いることで光１０６の放射スペクトルの強度の差を抑えることができ、測定精度を向上することができる。

図２に示すように、ノッチフィルタ１１０は、セル１１３の内部における光経路に配置されてよい。ノッチフィルタ１１０は、入射窓１４０と、第１の反射ミラー１１４－１との間の光経路に配置されていてよい。

図７は、ガス分析計１００の他の構成例を示す図である。本例のガス分析計１００は、ノッチフィルタ１１０を設ける位置が、図２から図６の例と相違する。他の構造は、図２から図６において説明したいずれかの態様と同様である。

本例のノッチフィルタ１１０は、光源部１２０とセル１１３の入射窓１４０との間の光経路に配置されている。ノッチフィルタ１１０は、コリメートレンズ１４２等の光学部材と、入射窓１４０との間に配置されてよい。ノッチフィルタ１１０をセル１１３の外部に設けることで、ノッチフィルタ１１０に対する光１０６の入射角度の調整が容易になる。

図８は、ガス分析計１００の他の構成例を示す図である。本例のガス分析計１００は、ノッチフィルタ１１０を設ける位置が、図２から図６の例と相違する。他の構造は、図２から図６において説明したいずれかの態様と同様である。

本例のノッチフィルタ１１０は、第２の反射ミラー１１４－２と、受光素子１２６との間の光経路に配置されている。ノッチフィルタ１１０は、図８に示すように、セル１１３の内部において第２の反射ミラー１１４－２と出射窓１４１との間に配置されてよい。ノッチフィルタ１１０は、出射窓１４１と、受光素子１２６との間の光経路に配置されてもよい。ノッチフィルタ１１０は、出射窓１４１と、分光器１２２との間の光経路に配置されてもよい。

ノッチフィルタ１１０の制限帯域を調整した場合、ノッチフィルタ１１０より後段の反射ミラーの角度等を調整すべき場合がある。例えばノッチフィルタ１１０に対する光１０６の入射角度を調整することで制限帯域の波長帯を調整した場合、ノッチフィルタ１１０より後段の反射ミラーの角度を合わせて調整してよい。本例によれば、ノッチフィルタ１１０より後ろの光経路に反射ミラーが存在しないので、反射ミラーの角度調整をしなくてよい。

図９は、ノッチフィルタ１１０の制限帯域の波長を調整する例を示す図である。本例のガス分析計１００は、ノッチフィルタ１１０の制限帯域の波長を調整する調整部１９０を備える。

本例のノッチフィルタ１１０は、屈折率が異なる複数の誘電体膜が積層されたフィルタである。この場合、ノッチフィルタ１１０に対する光１０６の入射角度θ１を調整することで、ノッチフィルタ１１０の制限帯域を調整できる。調整部１９０は、ノッチフィルタ１１０を回転させることで、入射角度θ１を調整してよい。

調整部１９０は、光源部１２０が出射する光１０６の放射スペクトルに基づいて、入射角度θ１を調整してよい。調整部１９０は、放射スペクトルにおいて最大のピーク３００を検出し、ピーク３００がノッチフィルタ１１０の制限帯域に含まれるように、入射角度θ１を調整してよい。調整部１９０は、光１０６の放射スペクトルのうち、ガス分析計１００の測定対象の波長帯域内における最大のピーク３００を検出してもよい。

光１０６の放射スペクトルは、受光素子１２６が測定してよく、使用者等からスペクトルデータが与えられてもよい。例えばセル１１３を真空状態にし、またはガス分析計１００の測定帯域内に吸収スペクトルを有さないガスをセル１１３に導入した状態で、光１０６をセル１１３に入射する。受光素子１２６は、この状態でセル１１３から出射する光１０６の放射スペクトルを測定してよい。

ノッチフィルタ１１０の入射角θ１を変更すると、ノッチフィルタ１１０からの光１０６の出射角度θ２の変動し得る。光１０６の出射角度θ２が変動すると、ノッチフィルタ１１０よりも後段の光経路が変化する。

光経路が変化すると、受光素子１２６に入射する光１０６の光軸が変化するので、受光素子１２６が検出する光１０６の強度が変動する場合がある。処理部１２７は、調整部１９０が入射角度θ１を調整した場合に、受光信号の強度を補正してよい。処理部１２７には、入射角度θ１の調整量と、受光信号の強度の補正量とを対応付けた補正用データが予め設定されてよい。補正用データは、入射角度θ１を順次変更させた場合に、受光素子１２６における受光強度がどのように変化するかの実測データから生成してよい。

図１０は、ノッチフィルタ１１０の後段の反射ミラーを示す図である。本例では、第１の反射ミラー１１４－１を示している。ノッチフィルタ１１０を通過した光１０６は、第１の反射ミラー１１４－１に最初に到達する。本例の調整部１９０は、ノッチフィルタ１１０に対する光１０６の入射角度θ１（図９参照）を調整した場合に、ノッチフィルタ１１０より後段の少なくとも一つの反射ミラーの反射面１５０の角度を調整する。本例の反射面１５０は凹面であるが、反射面１５０は平坦な面であってよく、凹面および平坦面の両方を含んでいてもよい。

図９において説明したように、ノッチフィルタ１１０における入射角度θ１を変更すると、ノッチフィルタ１１０からの出射角度θ２が変化してしまう。調整部１９０は、出射角度θ２の変化による光１０６の光軸の変化を相殺するように、ノッチフィルタ１１０よりも後段の反射ミラーの反射面１５０の角度θ３を調整する。角度θ３は、所定の基準面１８９に対する反射面１５０の角度である。基準面１８９は、例えばセル１１３の長手方向と直交する面である。これにより、光１０６の光軸がずれて、例えば後段の反射ミラーの反射面１５０に光１０６が当たらなくなることを防げる。

調整部１９０は、ノッチフィルタ１１０の直後の第１の反射ミラー１１４－１の反射面１５０の角度θ３を調整してよい。第１の反射ミラー１１４－１の角度の調整だけでは光１０６の光軸のずれを相殺できない場合、調整部１９０は、他の反射ミラーの反射面１５０の角度を更に調整してよい。第１の反射ミラー１１４－１の角度の調整だけで光１０６の光軸のずれを相殺できる場合、調整部１９０は、他の反射ミラーの反射面１５０の角度を調整しなくてよい。

図１１は、ノッチフィルタ１１０の後段の反射ミラーの反射面１５０を、光１０６の進行方向から見た図である。本例では、第１の反射ミラー１１４－１の反射面１５０を示している。ノッチフィルタ１１０における入射角度θ１を調整した場合、ノッチフィルタ１１０から出射する光１０６の光軸が変化する。このため、反射ミラー１１４の反射面１５０において、光１０６が照射されるスポット１９２の位置は、ノッチフィルタ１１０の入射角度θ１および出射角度θ２の変更に応じて、第１の方向に移動する。

本例の調整部１９０には、ノッチフィルタ１１０における入射角度θ１を変更できる変更範囲が設定されている。ノッチフィルタ１１０に対する入射角度θ１を当該変更範囲内の最小値に設定した場合、例えばスポット１９２－１の位置に光１０６が照射される。またノッチフィルタ１１０に対する入射角度θ１を当該変更範囲内の最大値に設定した場合、例えばスポット位置１９２－２の位置に光１０６が照射される。反射ミラー１１４－１は、ノッチフィルタ１１０に対する入射角度θ１を最小値から最大値まで変更した場合の、スポット１９２－１およびスポット１９２－２が含まれる大きさの反射面１５０を有することが好ましい。これにより、ノッチフィルタ１１０における入射角度θ１を変更した場合でも、光１０６が反射面１５０で反射できる。図１１では反射ミラー１１４－１について説明したが、ノッチフィルタ１１０の後段の全ての反射ミラーも同様であってよい。

それぞれの反射ミラーの反射面１５０は、円形であってよく、他の形状であってもよい。例えば反射面１５０は、第１の方向における長さが、第１の方向と直交する第２の方向における長さより大きくてもよい。ガス分析計１００は、図９において説明した構成、図１０において説明した構成、および、図１１において説明した構成のうちの２つ以上を組み合わせて備えてもよい。

図１２は、ガス分析計１００の他の構成例を示す図である。本例のガス分析計１００は、ノッチフィルタ１１０を複数設ける点で、図２から図１１の例と相違する。他の構造は、図２から図１１において説明したいずれかの態様と同様である。本例のノッチフィルタ１１０は、光経路上の異なる複数の位置に設けられている。

セル１１３の内部に複数のノッチフィルタ１１０が設けられてよく、セル１１３の外部に複数のノッチフィルタ１１０が設けられてよく、セル１１３の内部および外部の両方にノッチフィルタ１１０が設けられてもよい。図１２の例では、入射窓１４０と第１の反射ミラー１１４－１との間、および、出射窓１４１と第２の反射ミラー１１４－２との間にノッチフィルタ１１０が設けられている。それぞれのノッチフィルタ１１０の通過特性は同一であってよく異なっていてもよい。調整部１９０は、それぞれのノッチフィルタ１１０の特性を調整してよく、いずれかのノッチフィルタ１１０の特性だけを調整してもよい。

図１３は、第２の実施例に係るガス分析計１００を説明する図である。図１３においては、図２から図１２において示した構成のうち、セル１１３以外の構成を省略している。セル１１３以外の構成は、図２から図１２において説明したいずれかの態様と同様であってよい。図１３のセル１１３は、入射窓１４０と出射窓１４１とが共通の窓である折り返し型のセルであるが、セル１１３は、図２から図１２において説明した実施例と同様の構成であってもよい。また、図２から図１２において説明した実施例におけるセル１１３も、図１３に示す折り返し型のセルであってよい。

本例では、第１の反射ミラー１１４－１、第２の反射ミラー１１４－２、中央反射ミラー１１２および折り返し反射ミラー１１５がセル１１３の内部に設けられている。それぞれの反射ミラーは反射面に凹面部１５１を有する。折り返し反射ミラー１１５は、セル１１３の長手方向において、中央反射ミラー１１２と同じ側の端部に配置されている。折り返し反射ミラー１１５は、中央反射ミラー１１２に対して、入射窓１４０とは逆側に配置されている。

第１の反射ミラー１１４－１は、入射窓１４０を通過した光１０６が最初に到達する反射ミラーである。第１の反射ミラー１１４－１は、入射窓１４０からの光１０６を中央反射ミラー１１２に向けて反射する。中央反射ミラー１１２は、第１の反射ミラー１１４－１からの光１０６を第２の反射ミラー１１４－２に向けて反射する。

第２の反射ミラー１１４－２は、折り返し反射ミラー１１５と向かい合って配置され、中央反射ミラー１１２からの光１０６を折り返し反射ミラー１１５に向けて反射し、折り返し反射ミラー１１５からの光１０６を中央反射ミラー１１２に向けて反射する。中央反射ミラー１１２は、第２の反射ミラー１１４－２からの光１０６を、第１の反射ミラー１１４－１に向けて反射する。第１の反射ミラー１１４－１は、中央反射ミラー１１２からの光１０６を、出射窓１４１に向けて反射する。本例によれば、セル１１３のサイズを大きくせずに、光１０６の反射回数を容易に増大させることができる。図１３の例では、中央反射ミラー１１２と向かい合う位置に２つの反射ミラー１１４が配置されているが、他の例では、中央反射ミラー１１２と向かい合う位置により多くの反射ミラー１１４が配置されていてもよい。

向かいあう２つの反射ミラーの距離は、当該反射ミラーの凹面部１５１の曲率半径とほぼ等しい。例えば当該距離は、当該曲率半径の９０％以上、１１０％以下である。それぞれの反射ミラーの凹面部１５１の曲率半径もほぼ等しくてよい。それぞれの反射ミラーの曲率半径の最小値に対する最大値の比率は、１００％以上、１２０％以下であってよい。

ガス分析計１００の温度変動等により、受光素子１２６における光１０６の受光強度が変動する場合がある。例えば温度変動により反射ミラーの曲率が変化すると、反射ミラーの凹面部１５１の光軸に対する傾きが変化する。凹面部１５１の中央近傍における傾きの変化は小さいが、光軸から離れた反射面１５０の端部においては、光軸に対する傾きの変化は比較的に大きくなる。このため温度変動が生じると、光１０６の光軸から離れた成分が、受光素子１２６まで到達するか否かが変化して、受光素子１２６における受光量が変化する場合がある。

本例のガス分析計１００は、コリメート部１４３を備えている。コリメート部１４３は、光源部１２０とセル１１３との間に配置される。コリメート部１４３は、光源部１２０が出射した光１０６をコリメート光に変換して入射窓１４０に入射する。本例のコリメート部１４３は、放物面鏡を用いている。これにより、収差影響の少ないコリメート光を生成できる。ただしコリメート部１４３は、図２等に示したレンズであってもよい。

本例においては、入射窓１４０から入射したコリメート光１０６が最初に到達する第１の反射ミラー１１４－１の凹面部１５１の幅が、コリメート光１０６の幅よりも小さい。凹面部１５１は、第１の反射ミラー１１４－１の反射面のうち、凹面となっている部分である。つまり凹面部１５１は平坦な部分を含まない。第１の反射ミラー１１４－１の反射面の全体が凹面部１５１になっていてもよい。

図１４は、第１の反射ミラー１１４－１の凹面部１５１と、コリメート光１０６のスポット１９２を、コリメート光１０６の進行方向から見た図である。図１４のスポット１９２は、凹面部１５１の位置におけるスポットを示している。コリメート光１０６の進行方向における凹面部１５１の位置は、凹面部１５１の中央部１９３の位置である。つまりスポット１９２は、当該位置における平面にコリメート光１０６が照射される範囲である。他の例では、スポット１９２は、コリメート部１４３が出射した直後のコリメート光１０６のスポットであってよく、入射窓１４０の位置におけるコリメート光１０６のスポットであってもよい。スポット１９２は、コリメート光１０６の進行方向と垂直な平面における光強度が、最大値Ｐ１の半分（０．５×Ｐ１）以上となる範囲であってよい。つまり当該平面の光の強度分布において、半値全幅の領域をコリメート光１０６のスポット１９２とみなしてよい。

凹面部１５１の幅をＲ１、コリメート光１０６のスポット１９２の幅をＲ０とする。当該幅は、凹面部１５１の中央部１９３における微小面と平行な面における幅であってよい。当該幅は、コリメート光１０６の進行方向と垂直な面における幅であってもよい。凹面部１５１が円形の場合、凹面部１５１の幅は円形の直径である。凹面部１５１が非円形の場合、凹面部１５１の幅は、当該面における凹面部１５１の幅のうち最大のものを指す。例えば凹面部１５１が正方形の場合、凹面部１５１の幅は正方形の対角線の長さである。スポット１９２の幅の測定方法も、凹面部１５１の幅と同様である。

凹面部１５１の幅Ｒ１は、コリメート光１０６のスポット１９２の幅Ｒ０より小さい。これによりコリメート光１０６のうち、凹面部１５１の中央部１９３から離れた成分については凹面部１５１で反射されない。このため、温度変動により凹面部１５１の傾きが変化した場合であっても、中央部１９３から離れた位置のコリメート光１０６は受光素子１２６における測定値に影響を与えない。このため、温度変動による誤差を抑制できる。また、コリメート部１４３により光１０６をコリメート光１０６に変化しているので、コリメート光１０６の進行方向と垂直な面における光強度の分布を平坦化できる。このため、コリメート光１０６の光軸の位置が、凹面部１５１の中央部１９３からずれた場合であっても、凹面部１５１の全体に照射される光量の変動を抑制でき、ガス濃度を精度よく測定できる。また、それぞれの反射ミラーが凹面部１５１を有することで、反射ミラーにおける反射光の平行性を維持しやすくなる。幅Ｒ１は、２０ｍｍ以下であってよく、１０ｍｍ以下であってもよい。

凹面部１５１の幅Ｒ１は、コリメート光１０６のスポット１９２の幅Ｒ０の８０％以下であってよい。これにより、温度変動による測定誤差を低減しやすくなる。幅Ｒ１は、幅Ｒ０の７５％以下であってよく、７０％以下であってもよい。ただし、幅Ｒ１を小さくしすぎると、受光素子１２６に到達する光量が小さくなり、ＳＮ比が低下してしまう。幅Ｒ１は、幅Ｒ０の５０％以上であってよい。幅Ｒ１は、幅Ｒ０の５５％以上であってよく、６０％以上であってもよい。

第１の反射ミラー１１４－１の反射面の全体の幅が、コリメート光１０６の幅Ｒ０より小さくてもよい。例えば反射面が凹面部１５１の周囲に平坦面を有する場合において、反射面の全体の幅が、コリメート光１０６の幅Ｒ０より小さくてもよい。また、反射面の全体が凹面部１５１になっていてもよい。この場合、反射面全体の幅は、凹面部１５１の幅Ｒ１である。図１４においては、第１の反射ミラー１１４－１について説明したが、セル１１３の他の反射ミラーにおいても、凹面部１５１の幅がコリメート光の幅より小さくてよい。

図１５は、第２の反射ミラー１１４－２の凹面部１５１を、コリメート光１０６の進行方向から見た図である。図１５においては、図１４と同一のスポット１９２を重ねて示している。第２の反射ミラー１１４－２の凹面部１５１の幅をＲ２とする。凹面部１５１の幅Ｒ２は、コリメート光１０６のスポット１９２の幅Ｒ０より小さくてよい。幅Ｒ２は、幅Ｒ１と同一であってもよい。幅Ｒ２を幅Ｒ０より小さくすることで、第１の反射ミラー１１４－１で反射した後に、コリメート光１０６の幅が広がった場合でも、第２の反射ミラー１１４－２において再度コリメート光１０６の幅を成形できる。これにより温度変動による誤差成分を更に抑制して、ガス濃度を更に精度よく測定できる。幅Ｒ２は、２０ｍｍ以下であってよく、１０ｍｍ以下であってもよい。

幅Ｒ２は、幅Ｒ１よりも小さくてよい。反射ミラーの幅を徐々に小さくすることで、コリメート光１０６の光軸が、反射ミラーの中央部１９３からずれた場合であっても、当該反射ミラーの全体にコリメート光１０６を照射しやすくなる。このため、光軸ずれによる測定誤差を抑制できる。他の例では、第１の反射ミラー１１４－１以外の全ての反射ミラーの幅は、第１の反射ミラー１１４－１の幅Ｒ１よりも大きくてよい。これにより、第１の反射ミラー１１４－１よりも後段で光軸ずれが生じた場合でも、各反射ミラーにおいてコリメート光１０６の全体を反射しやすくなる。

幅Ｒ２は、幅Ｒ１より大きくてもよい。幅Ｒ２は、幅Ｒ０より大きくてもよい。第１の反射ミラー１１４－１において、コリメート光１０６の幅がＲ１に成形される。このため、第２の反射ミラー１１４－２の幅Ｒ２を第１の反射ミラー１１４－１の幅Ｒ１と同一にした場合、コリメート光１０６の光軸が第２の反射ミラー１１４－２の中央部１９３からずれると、コリメート光１０６の一部が第２の反射ミラー１１４－２から外れてしまい、第２の反射ミラー１１４－２で反射されなくなる。このため、受光素子１２６に到達する光量が小さくなりすぎる場合がある。幅Ｒ２を幅Ｒ１より大きくすることで、受光素子１２６に到達する光量を確保しやすくなる。第２の反射ミラー１１４－２は、図２に示す構造のように、出射窓１４１の直前の反射ミラーであってよい。第１の反射ミラー１１４－１においてコリメート光１０６の直径を小さく成形することにより、測定誤差を効率よく低減できる。また、第２の反射ミラー１１４－２を比較的に大きくすることで、受光素子１２６に到達する光量を確保しやすくなる。

図１６は、中央反射ミラー１１２の凹面部１５１と、中央反射ミラー１１２の凹面部１５１の位置におけるコリメート光１０６のスポット１９２を、コリメート光１０６の進行方向から見た図である。中央反射ミラー１１２の凹面部１５１の幅をＲ３とする。中央反射ミラー１１２に到達するコリメート光１０６は、第１の反射ミラー１１４－１により幅Ｒ１に成形されている。幅Ｒ３は、幅Ｒ１より大きくてよい。図１３に示した構造においては、中央反射ミラー１１２には、第１の反射ミラー１１４－１からのコリメート光１０６（スポット１９２－３）と、第２の反射ミラー１１４－２からのコリメート光１０６（スポット１９２－４）が入射する。スポット１９２－３およびスポット１９２－４は、凹面部１５１の異なる場所に配置される場合がある。中央反射ミラー１１２は、第１の反射ミラー１１４－１からのコリメート光１０６と、第２の反射ミラー１１４－２からのコリメート光１０６との両方を反射できるように、幅Ｒ１よりも大きい幅Ｒ３を有してよい。幅Ｒ３は、幅Ｒ０より大きくてもよい。幅Ｒ３は、２０ｍｍより大きくてよく、３０ｍｍ以上であってもよい。

図１７は、中央反射ミラー１１２の凹面部１５１の他の形状例を示す図である。図１６の例においては、中央反射ミラー１１２は円形である。本例の中央反射ミラー１１２は、非円形である。中央反射ミラー１１２において、スポット１９２－３およびスポット１９２－４が並ぶ方向における幅をＲ３とし、当該方向と直交する方向の幅をＷ３とする。幅Ｗ３は、幅Ｒ３より小さくてよい。幅Ｗ３は、幅Ｒ１より大きくてよく、小さくてもよい。このような構造においても、中央反射ミラー１１２は、第１の反射ミラー１１４－１からのコリメート光１０６と、第２の反射ミラー１１４－２からのコリメート光１０６との両方を反射できる。

図１８は、折り返し反射ミラー１１５の凹面部１５１を、コリメート光１０６の進行方向から見た図である。図１８においては、図１４と同一のスポット１９２を重ねて示している。折り返し反射ミラー１１５の凹面部１５１の幅をＲ４とする。凹面部１５１の幅Ｒ４は、コリメート光１０６のスポット１９２の幅Ｒ０より小さくてよい。幅Ｒ４は、幅Ｒ１と同一であってもよい。幅Ｒ４は、幅Ｒ２と同一であってもよい。幅Ｒ４を幅Ｒ０より小さくすることで、第２の反射ミラー１１４－２で反射した後に、コリメート光１０６の幅が広がった場合でも、折り返し反射ミラー１１５において再度コリメート光１０６の幅を成形できる。これにより温度変動による誤差成分を更に抑制して、ガス濃度を更に精度よく測定できる。

幅Ｒ４は、幅Ｒ２よりも小さくてよい。反射ミラーの幅を徐々に小さくすることで、コリメート光１０６の光軸が、反射ミラーの中央部１９３からずれた場合であっても、当該反射ミラーの全体にコリメート光１０６を照射しやすくなる。このため、光軸ずれによる測定誤差を抑制できる。幅Ｒ４は、幅Ｒ１より大きくてもよい。幅Ｒ４は幅Ｒ２より大きくてもよい。幅Ｒ４は、２０ｍｍ以下であってよく、１０ｍｍ以下であってもよい。

図１９は、ガス分析計１００の動作試験を説明する図である。本例では、ガス分析計１００の温度を変化させたときの、受光素子１２６における特定波長の受光量の測定値を検出した。図１９は、ガス分析計１００の温度変化パターンの一例である。

図２０は、参考例における、受光素子１２６の受光量の測定値を示す図である。本例では、全ての反射ミラーの凹面部１５１の幅が、コリメート光１０６の幅以上である。参考例では、温度変動に伴って、受光素子１２６の測定値が大きく変動する。

図２１は、第２の実施例における、受光素子１２６の受光量の測定値を示す図である。本例では、第１の反射ミラー１１４－１の凹面部１５１の幅Ｒ１が、コリメート光の幅Ｒ０より小さい。本例では、温度変動に伴う測定値の変動を抑制できている。

図２２は、第３の実施例に係るガス分析計１００を示す図である。本例のガス分析計１００は、図２から図１２の第１の実施例で説明したいずれかの態様のノッチフィルタ１１０を、図１３から図２１の第２の実施例で説明したいずれかの態様のガス分析計１００に追加した構成を有する。本例のガス分析計１００は、図９または図１０において説明した調整部１９０を更に備えてよい。本例のガス分析計１００は、図２から図１２において説明した各機能を有してよい。本例のガス分析計１００は、第１の実施例の構成と、第２の実施例の構成とを適宜組み合わせた構成を有してよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

１０・・煙道、１１・・ガス吸入管、１２・・ガス排出管、１４・・ガスフィルタ、１５・・予熱器、１６・・予熱温度調節器、１７・・ポンプ、３０・・サンプルガス、１００・・・ガス分析計、１０６・・・光、１１０・・・ノッチフィルタ、１１２・・・中央反射ミラー、１１３・・・セル、１１４・・・反射ミラー、１１５・・・折り返し反射ミラー、１１８・・ヒータ、１１９・・温度調整部、１２０・・光源部、１２２・・分光器、１２６・・受光素子、１２７・・処理部、１４０・・・入射窓、１４１・・・出射窓、１４２・・・コリメートレンズ、１４３・・・コリメート部、１４９・・・通信線、１５０・・・反射面、１５１・・・凹面部、１８９・・・基準面、１９０・・・調整部、１９２・・・スポット、１９３・・・中央部、２００・・・ガス分析装置、３００・・・ピーク、３０２・・・領域

Claims

サンプルガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定するガス分析計であって、
前記測定対象成分の吸収波長を含む光を出射する光源部と、
前記光を反射させる１つ以上の反射ミラーを前記サンプルガスを封止した空間に収容したセルと、
前記セルを通過した前記光の放射スペクトルを取得する受光素子と、
前記光源部から前記受光素子までの光経路のいずれかに配置され、前記光源部が出射する前記光の放射スペクトルのいずれかのピークにおける強度を減少させる制限帯域を有するノッチフィルタと、
前記受光素子の受光信号を処理し、前記測定対象成分の濃度を測定する処理部と、
前記ノッチフィルタの制限帯域の波長を調整する調整部と
を備え、
前記ノッチフィルタは、前記セルの内部に配置されており、
前記調整部は、前記ノッチフィルタに対する前記光の入射角度を調整することで前記制限帯域の波長を調整し、
前記調整部は、前記入射角度を調整した場合に、少なくとも一つの前記反射ミラーの反射面の角度を調整する
ガス分析計。
前記セルは、前記光源部からの前記光を前記セルの内部に入射させる入射窓を有し、
前記１つ以上の反射ミラーは、前記入射窓から入射した前記光が最初に到達する第１の反射ミラーを含み、
前記ノッチフィルタは、前記入射窓と、前記第１の反射ミラーとの間の前記光経路に配置されている
請求項１に記載のガス分析計。
前記処理部は、前記調整部が前記入射角度を調整した場合に、前記受光信号の強度を補正する
請求項１に記載のガス分析計。
前記調整部には、前記入射角度を変更できる変更範囲が設定されており、
前記ノッチフィルタは、前記入射角度に応じた出射角度で前記光を出射し、
前記出射角度が変化した場合に、少なくとも一つの前記反射ミラーにおいて前記光が照射されるスポット位置が第１の方向に変化し、
前記少なくとも一つの前記反射ミラーは、前記ノッチフィルタに対する前記入射角度を前記変更範囲内の最小値から最大値まで変更させた場合の前記光の前記スポット位置が含まれる大きさの反射面を有する
請求項１から３のいずれか一項に記載のガス分析計。
前記ノッチフィルタを異なる複数の位置に備える
請求項１から３のいずれか一項に記載のガス分析計。
前記反射面は、前記第１の方向における長さが、前記第１の方向と直交する第２の方向における長さよりも大きい
請求項４に記載のガス分析計。