JPH06194343A

JPH06194343A - ガス分析装置

Info

Publication number: JPH06194343A
Application number: JP5242243A
Authority: JP
Inventors: Roger M Langdon; マーティンラングドンロジャー
Original assignee: GEC Marconi Ltd; Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1994-07-15
Also published as: EP0590813A1; GB2271181A; GB9220634D0

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的はガス分析装置、特定的には排
気放出監視のためのガス分析装置を提供することであ
る。【構成】本ガス分析装置は排気ガスを通過させる光音
響セルを使用する。複数の被変調赤外放射ビームがセル
に入射し、各ビームの周波数は濃度を検知すべきガスの
吸収帯に対応している。各ビームはその変調周波数の周
波数を有する音響信号を生成し、この音響信号の振幅は
そのビームを吸収するガスの濃度を計算するために使用
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガス分析装置に関し、具
体的には排気放出監視のためのガス分析装置に関する。

【０００２】

【従来の装置】内燃機関、特に車両に使用される内燃機
関の排気放出監視は、排気放出法規がより厳格になるに
つれて益々重要になってきている。ガス分析装置を排気
放出モニタとして使用する際の主要な２つの問題は、検
出すべき異なるガスのレベルが変動することを予測して
ガス分析装置が多数の異なるガスを同時に監視しなけれ
ばならないこと、及び機関が排気放出を発生したならば
ガス分析装置は迅速にそれらを測定できなければならな
いことである。これらの基準を満足するために排気放出
監視用の殆どのガス分析装置は、分析すべきガスを収容
している室を通して異なる周波数の多数の電磁放射ビー
ムを通過させ、室を通過する前後のこれらのビームの強
度を測定するように動作している。異なるガスの吸収帯
の周波数のビームを使用し、ビームの減衰の程度を測定
することによってサンプル内の異なるガスの濃度を計算
することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この型のシステムには
１つの重大な欠陥が存在している。即ち、殆どの関心ガ
スの吸収係数は比較的小さいから、排気放出監視をする
に十分に有用な感度をシステムが呈するように十分な減
衰を発生させるためには、排気ガス混合体を通る経路長
を極めて長くする必要があることである。その結果、こ
の型のシステムは大型になり、かさばり、そして高価に
なり、また複雑な光学系及び長いガス管を含んでいるた
めに壊れ易くなる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明はこれらの諸問題
を、少なくとも部分的に、解決するガス分析装置を企図
している。本発明のガス分析装置は、光音響セル、複数
の分離した周波数の被変調赤外放射の源、及びマイクロ
ホンを具備し、光音響セルは分析すべきガスの混合体を
収容し、赤外放射の各周波数は検知すべきガスの吸収帯
に対応し、そして赤外放射を光音響セル内で吸収させて
混合体内のガスの濃度に対応する振幅を有し且つ赤外放
射の変調周波数の周波数を有する音響波を生成させ、こ
の音響信号をマイクロホンによって電気信号に変換す
る。

【０００５】

【実施例】以下に添付図面に基づいて本発明を使用する
ガス分析装置を説明する。図１に示す第１のガス分析装
置は、内燃機関排気放出監視を可能にするように計画さ
れている。このガス分析装置は、マイクロホン２に結合
されている円筒形の光音響セル１を具備する。この光音
響セル１の一方の端面は赤外放射透過窓３を含み、また
他方の端面は赤外放射吸収体４を含んでいる。内燃機関
排気管（図示してない）からの排気ガスは、フィルタ５
及び乾燥機６を通過し、光音響セル１に通じているガス
入口管８内へポンプ７によってポンプされる。分析され
た後のガスは光音響セル１から排出され、ガス出口管９
を通ってガス出口へ導かれる。光音響セル１への、及び
光音響セル１からのガスの出入は１対の弁、即ち入口弁
１０及び出口弁１１によって制御される。弁１０及び１
１はそれぞれ電磁サーボ１２及び１３によって開閉され
る。フィルタ５はシステムの光学成分の汚れを防ぐため
に排気ガスからの固体粒子を除去し、乾燥機６は水蒸気
による赤外放射吸収が他のガスの測定濃度に影響するの
を防ぐために排気ガスから水蒸気を除去する。

【０００６】光音響セル１は、濃度が測定されるガスが
吸収する周波数の被変調赤外放射を赤外放射透過窓３を
通して光音響セル１内へ導くことによって動作する。光
音響セル１内で赤外放射の周波数を吸収するガスを含む
ガスを通して赤外放射を通過させると、赤外放射の一部
はそのガスに吸収されて温度が上昇させられる。公知の
ように、もし容積を一定に保ってガスの温度を上昇させ
れば、その圧力が増大する。その結果、入射放射によっ
て光音響セル１内に入射放射の変調周波数の音響波が発
生し、これらの音響波はマイクロホン２によって拾われ
る。光音響セル１の内部は、ガス入口弁１０及びガス出
口弁１１によってガス入口管８及びガス出口管９から音
響的に絶縁されている。本ガス分析装置はＣＯ、Ｃ
Ｏ₂、ＨＣ、Ｎ₂、ＮＯ及び他の窒素酸化物の濃度を測
定するように計画されている。これを遂行するためには
異なる周波数の複数の赤外放射ビームが必要である。各
赤外放射ビームの周波数は、検知すべきガスの１つの吸
収帯に対応させる。本ガス分析装置が検知しようとして
いる上記全てのガスは、白熱フィラメント電球の出力を
濾過することによって発生させることができる周波数の
赤外放射内に吸収帯を有している。

【０００７】白熱フィラメント電球１４が反射器１５の
近傍に配置され、放射１６を生成する。放射１６は光音
響セル１の赤外放射透過窓３上に入射する。赤外放射透
過窓３のために適当な材料はフッ化マグネシウムまたは
フッ化カルシウムである。もし少ない数のガスを検知す
るのであればサファイア窓を使用することもできるがサ
ファイアは上述した全てのガスを検知できる程十分な透
過周波数範囲を有していない。放射１６のビームは回転
フィルタバンク１７、固定コード（またはシャッタ）板
１８、及び回転コード（またはシャッタ）ディスク１９
を通過して光音響セル１上へ入射する。回転コードディ
スク１９及び回転フィルタバンク１７は電動機２０によ
って駆動され、回転コードディスク１９が回転フィルタ
バンク１７よりも速く回転するように、回転コードディ
スク１９は歯車装置２１によって回転フィルタバンク１
７に結合されている。回転コードディスク１９及び固定
コード板１８は、放射１６の連続ビームから被変調放射
ビームを生成するようになっている。これは回転コード
ディスク１９及び固定コード板１８にそれぞれ複数の開
口１９Ａ及び１８Ａを設け、これらの開口をそれぞれ中
実部分１９Ｂ及び１８Ｂによって分離し、開口部分と中
実部分の幅を等しくすることによって達成される。回転
コードディスク１９の開口１９Ａ及び中実部分１９Ｂが
固定コード板１８上の対応する開口１８Ａ及び中実部分
１８Ｂを通過すると、それらを通過する放射の強度は回
転コードディスク１９の開口１９Ａが固定コード板１８
内の開口１８Ａを通過する周波数で変調され、ビームの
変調周波数はＮ×コードディスク１９の回転周波数にな
る。但し、Ｎは開口の数である。

【０００８】回転フィルタバンク１７は、完全な円を形
成するように配列された複数のフィルタからなる。各フ
ィルタは円形の環のセグメントであり、また各フィルタ
は異なる赤外周波数帯を通過させる。従って、回転フィ
ルタバンク１７の各セグメントは異なる周波数の赤外放
射を生成する。得られた赤外放射の被変調ビームは赤外
放射透過窓３を通って光音響セル１内を通過し、回転コ
ードディスク１９によって発生された変調周波数の周波
数を有する音響波を生成する。音響信号はマイクロホン
２によってアナログ電気信号に変換され、このアナログ
電気信号は同期検出器２２へ供給される。同期検出器２
２には、回転コードディスク１９付近に配置された回転
センサ２３からの信号も供給されている。回転センサ２
３は開口１９Ａの１つがセンサを通過する度に信号を発
生するのであるが、固定コード板１８と回転コードディ
スク１９上の開口１８Ａ及び１９Ａとが整列して赤外放
射ビームを光音響セル１へ通過させるのと同時にこの信
号が発生するように回転センサは位置決めされている。
同期検出器２２は回転センサ２３からのこれらの信号を
使用してマイクロホン２からの出力の中から赤外放射ビ
ームの変調に同期した信号を分離し、この同期した信号
だけの振幅を表す直流信号を生成する。同期検出器２２
はこの直流信号をアナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換
器２４へ供給し、Ａ／Ｄ変換器２４はそれをディジタル
化してマイクロコンピュータ２５へ供給する。マイクロ
コンピュータ２５はガス分析装置全体のための制御及び
データ処理装置として動作する。

【０００９】代替として、回転センサ２３からの信号の
経路内に調整可能な移相器を同期検出器２２内に組み入
れ、マイクロホン２からの信号に対する回転センサ２３
からの信号の位相を調整し、同期検出器２２から最大直
流出力を発生させるようにしてもよい。マイクロコンピ
ュータ２５には回転フィルタバンク１７の回転を検知す
る回転センサ２６からの信号が供給されており、この信
号は回転フィルタバンク１７内のどのフィルタが赤外放
射ビーム１６を通過させているかをマイクロコンピュー
タ２５に通報する。マイクロコンピュータ２５は、回転
フィルタバンク１７内の各フィルタ毎にＡ／Ｄ変換器２
４からのディジタル信号レベルをガス濃度値に変換する
ために使用すべき変換係数を与え且つこのフィルタによ
って濃度が検知されたのはどのガスかを与えるルックア
ップテーブルを含んでいる。動作を説明する。各測定サ
イクルはマイクロコンピュータ２５が電磁サーボ１２及
び１３にガス弁１０及び１１を開くように命令すること
から開始される。ポンプ７によって新しいガスサンプル
が光音響セル１内に導入され、既存ガスをセル１から排
除してガス出口へ排出させる。次いでマイクロコンピュ
ータ２５は電磁サーボ１２及び１３にガス弁１０及び１
１を閉じるように命令し、光音響セル１内のガスを音響
的に絶縁させる。

【００１０】次にマイクロコンピュータ２５は、回転フ
ィルタバンク１７の各フィルタ毎に順番にマイクロホン
２からＡ／Ｄ変換器２４を通して印加される信号の値を
メモリ内に記憶し、これらの各値をルックアップテーブ
ル内に記憶されている適切な変換係数を使用してガス濃
度値に変換する。全てのフィルタ１７に対応する濃度値
を発生させた後、マイクロコンピュータ２５は全てのフ
ィルタ１７に関するガス濃度値を表示装置２７に表示さ
せる。勿論、マイクロコンピュータ２５はこれらの値を
それ自身のメモリ内に同時に記憶するか、またはそれら
をコンピュータディスクのような非揮発性記憶媒体上へ
記憶させるか、または紙に印刷することも可能である。
次いでマイクロコンピュータ２５は再度弁１０及び１１
を開かせ新しいガスサンプルを用いてプロセスを繰り返
す。もし望むならば、マイクロコンピュータ２５は一連
のガス濃度値をメモリ内に保持し、複数の測定サイクル
の後にこれら全ての値に基づく出力を発生することもで
きる。この出力は、例えば平均値及び最大値であること
ができる。代替としてマイクロコンピュータ２５は、ガ
ス濃度をメモリ内に記憶されている値と比較し、測定さ
れた値がメモリ内に記憶されている値より高いか、また
は低いかを単純に指示することもできる。メモリ内に記
憶されている値が、ガス濃度に関する法規に定められて
いる最大値である場合には、これは車両の排気放出試験
に対する簡単な合格または不合格の指示を与えることに
なる。

【００１１】もし白熱電球１４の温度が変化すれば、電
球が発生する異なる周波数における赤外放射の相対強度
が変化し、これはガス分析装置に供給される排気ガス内
のガスの濃度の測定を不正確ならしめる。この問題を回
避するために、電球駆動回路２８から白熱電球１４に印
加される電圧は、赤外放射フィルタ３０を通して白熱電
球１４を見ている光センサ即ち赤外放射検出器２９の出
力に応答して変更される。電球駆動回路２８は、赤外放
射検出器２９上に入射する強度が一定に保たれるよう
に、白熱電球１４に供給される電圧を変更するようにな
っている。このシステムに干渉する考え得る１つの源
は、電動機２０の動作に起因するガス分析装置の振動及
び回転部品１７及び１９の動作が、マイクロホン２によ
って拾われる可能性である。固定コード板１８及び回転
コードディスク１９が各々複数の開口を有しているため
に、赤外放射ビームの変調の周波数はディスク１９の回
転周波数よりも十分に高くなる。しかしながら回転部品
１７、１９及び電動機２０が発生する振動の高調波が赤
外放射ビーム１６の変調周波数に近い周波数になること
が考えられるから、回転フィルタバンク１７と回転コー
ド板１９との間の歯車装置２１に加えて、電動機２０と
回転フィルタバンク１７との間には歯車装置３１が設け
られ、これらの部品の相対回転速度をそれらの高調波が
赤外放射ビーム１６の振動周波数と一致しないように配
列することができる。ガス濃度の正確な測定が行われる
ようにするために、回転フィルタバンク１７内の各フィ
ルタが放射１６のビームを通過させる間に被変調赤外放
射ビームの十分なサイクルを発生させるように、歯車装
置２１は回転フィルタバンク１７の回転速度を赤外放射
ビームの変調周波数よりも十分に低くするようにも機能
する。

【００１２】電動機２０の回転速度はマイクロコンピュ
ータ２５によって制御される。即ち電動機２０と回転フ
ィルタバンク１７との間の歯車装置３１が固定比を有し
ているので、マイクロコンピュータ２５は回転センサ２
６が発生する信号から電動機２０の速度を推定すること
ができる。マイクロコンピュータ２５は電動機２０の速
度を一定に保つように動作する。図２に光音響セル４１
の代替形状を示す。光音響セル４１は実質的に円筒形で
あり、赤外放射透過窓４２によって形成されている第１
の端面と、赤外放射吸収体４３によって形成されている
第２の端面とを有している。マイクロホン４４が光音響
セル４１に近接して取付けられている。先行実施例と同
様に光音響セル４１はガス入口管８とガス出口管９とに
接続されているが、弁によって絶縁されてはいない。そ
の代わりに、光音響セル４１は、ガス入口管８及びガス
出口管９内にそれぞれ設けられている「くびれ」４５及
び４６によってそれぞれガス入口管８及びガス出口管９
から音響的に絶縁されている。くびれ４５及び４６のよ
うな管のくびれを通過する音響信号の最高周波数は計算
することができ、くびれの直径及び長さに依存する。こ
の伝送される最高周波数を一般に遮断周波数と呼ぶ。

【００１３】遮断周波数が被変調赤外放射ビームの変調
周波数よりも低くなるようにくびれ４５及び４６の寸法
を決めれば、光音響セル４１は吸収される赤外放射ビー
ムが発生する音響信号に対して密封された室として挙動
しながら、同時にガスが入口管８から光音響セル４１を
通って出口管９へ通過するのを許容するようになる。も
しこの型の光音響セルを図１に示すガス分析装置に使用
するのであれば、電磁サーボ１２、１３及びそれらの関
連制御リードを省くことが可能であり、また排気ガスを
ポンプ７によって連続的に光音響セル４１を通してポン
プすることができる。図３にガス分析装置の第２の形状
を示す。このガス分析装置は図２に示したものと同じ光
音響セル４１を具備し、この光音響セル４１には内燃機
関排気管（図示してない）から排気ガスの連続通過流が
供給される。この連続通過流は、排気ガス自体の圧力に
よって発生させてもよいし、または図１のプンプ７のよ
うなポンプを使用して圧力を高めてもよい。何れの場合
も、図１に示すようなフィルタ及び乾燥機は使用されよ
う。先行実施例のように白熱電球１４及び反射器１５を
使用して放射１６のビームを生成する。白熱電球１４の
出力を安定させるために図１の要素２８乃至３０と等価
なセンサ及び駆動システムは必要であろうが、図３では
図を簡略化するためにこれらは省略されている。放射１
６のビームは固定フィルタバンク５１、固定コード板５
２、及び回転コードディスク５３を通過する。回転コー
ドディスク５３は電動機５４によって定速回転させられ
ている。

【００１４】光音響セル４１に複数のガスを同時に検知
させるために、そしてガス分析装置の応答時間を短縮さ
せるために、固定フィルタバンク５１、固定コード板５
２、及び回転コードディスク５３は、複数の赤外放射ビ
ームを同時に形成し、複数の各赤外放射ビームが異なる
変調周波数を有するように配列されている。これは、固
定コード板５２及び回転コードディスク５３をそれぞれ
複数の環状トラック５２Ａ−Ｅ、及び５３Ａ−Ｅに分割
し、各トラックを回転コードディスク５３の回転軸から
半径方向に異なる距離に配列することによって達成され
ている。図４に回転コードディスク５３の詳細を示す。
各トラック５３Ａ−５３Ｅは、円形の環状に配列された
複数の開口４７と中実部分４８とを有している。各トラ
ック５３Ａ−５３Ｅにおいては開口４７と中実部分４８
とは同一寸法である。対応するトラック５２Ａ−Ｅが固
定コード板５２上に配列されており、トラック５２Ａは
トラック５３Ａに隣接し、同一寸法の開口及び中実部分
を有している。同様にトラック５２Ｂと５３Ｂ、５２Ｃ
と５３Ｃ、５２Ｄと５３Ｄ、及び５２Ｅと５３Ｅもこの
ような配列になっている。各トラック５３Ａ−５３Ｅは
異なる数の開口を有しており、その結果回転コードディ
スク５３が固定コード板５２に対して回転すると各トラ
ック５３Ａ−５３Ｅは異なる周波数で変調された放射の
ビームを発生する。固定フィルタバンク５１は複数の部
分環状トラック５１Ａ−５１Ｅに分割され、各トラック
は回転コードディスク５３及び固定コード板５２上のト
ラック５３Ａ−５３Ｅ及び５２Ａ−５２Ｅの部分の１つ
に重なっている。各トラック５１Ａ−５１Ｅは１つの周
波数帯内の赤外放射だけを通過させるフィルタである。
全てのフィルタトラック５１Ａ−５１Ｅは異なる周波数
通過帯域を有しており、また各周波数通過帯域はガス分
析装置に検知させるガスの１つの吸収帯に対応してい
る。放射１６のビームは固定フィルタバンク５１、固定
コード板５２、及び回転コードディスク５３に入射し、
各トラックＡ−Ｅは異なる周波数と異なる変調周波数を
有する赤外放射ビーム６１Ａ−６１Ｅを生成する。

【００１５】５つのトラックＡ乃至Ｅを有する図示のシ
ステムは、同時に５つの異なるガスＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ
Ｃ、Ｎ₂、及びＮＯの濃度を検知できる。望むならば、
検知できるガスの数を増加させるために、さらなるトラ
ックを追加できることは明白である。全てのビーム６１
は赤外放射透過窓４２を通して光音響セル４１内へ入
り、光音響セル４１内のガスによって同時に吸収され、
各ビームはその変調周波数の周波数を有する音響信号を
生成する。これらの全音響信号はマイクロホン４４によ
って同時に検出され、マイクロホン４４はそれらをアナ
ログ電気信号に変換して増幅器５５に供給する。増幅さ
れた信号は、赤外放射ビーム６１の全ての変調周波数を
カバーするように設定されている通過帯域を有する帯域
通過フィルタ５６に印加される。この増幅され、濾波さ
れた信号は複数の同期検出器５７Ａ乃至５７Ｅへ供給さ
れる。各同期検出器５７Ａ乃至５７Ｅには、対応する光
検出器５８Ａ乃至５８Ｅからの信号も供給されている。
電球５９及びレンズ６０が生成する光ビームは回転コー
ドディスク５３を通して光検出器５８Ａ乃至５８Ｅに入
射する。各光検出器５８Ａ乃至５８Ｅは、光検出器５８
Ａがトラック５３Ａに接してのように、回転コードディ
スク５３上のトラック５３Ａ−５３Ｅの１つに接して配
置され、また電球５９からの光ビームが光検出器５８Ａ
乃至５８Ｅに入射する時に生成される信号が赤外放射ビ
ームの変調（これらもまた回転コードディスク５３によ
って生成される）と同期して変調されるように、回転コ
ードディスク５３に対して取付けられている。

【００１６】図１の実施例におけるように、各光検出器
５８とその対応同期検出器５７との間に可変移相器を配
置することもできる。同期検出器５７Ａ乃至５７Ｅは、
マイクロホン４４からの増幅され、濾波された信号か
ら、それらに関連した光検出器５８Ａ乃至５８Ｅからの
信号と同期した部分を抽出する。つまり各同期検出器５
７Ａ乃至５７Ｅは、対応する赤外放射ビーム６１Ａ−６
１Ｅによって生成された音響信号の振幅に比例する電圧
を有する直流信号を生成するのである。各同期検出器５
７Ａ乃至５７Ｅの出力は、対応する低域通過フィルタ６
２Ａ−６２Ｅに供給される。これらの低域通過フィルタ
６２Ａ−６２Ｅは、残留する変調を除去するために数ヘ
ルツの遮断周波数を有している。これらの各濾波された
信号は、対応するＡ／Ｄ変換器６３Ａ−６３Ｅに印加さ
れる。ディジタル化された信号は全てマイクロコンピュ
ータ６４に供給されマイクロコンピュータ６４は適切な
倍率を適用してこれらの値からガス濃度を計算し、表示
装置６５上にこれらの濃度を表示させる。マイクロコン
ピュータ６４にはＡ／Ｄ変換器６６によってディジタル
化された後の光検出器５８Ａ−５８Ｅからの信号も供給
されているので、マイクロコンピュータ６４は回転コー
ドディスク５３の回転速度を決定し、電動機５４の速度
を調整して回転コードディスク５３の回転速度をほぼ一
定に保つことができる。

【００１７】勿論、前述したように、計算されたガス濃
度を表示もしくは記憶するのではなく、ある時間にわた
る異なるガスの濃度の平均値または変動を計算し、表示
することもでき、また印刷することも可能である。若干
の環境においては、上述したガスの他に酸素の濃度も測
定できることが望ましい。これは、図３のシステムに単
純に別のトラックを追加しただけでは達成することはで
きない。何故ならば、ガス状酸素は十分に強い赤外放射
吸収帯を有していないからである。ガス状酸素は複数の
密にグループ化した吸収線を有しているが、たとえこの
吸収線のグループの周波数の赤外放射ビームを発生させ
るために帯域通過フィルタを使用しても、線間の間隙と
は対照的に、吸収線内には赤外放射ビーム内のエネルギ
の極めて僅かな割合が含まれるだけであり、従って吸収
される放射の合計割合は極めて低いことが分かった。そ
の結果、酸素に対するガス分析装置の感度は、他のガス
に対する感度よりも遥かに低くなる。実際には酸素に対
するガス分析装置の感度は、背景雑音から酸素による信
号を拾い上げることが不可能である程度に、他のガスに
対する感度よりも遥かに低いことが分かった。

【００１８】しかしながら、酸素は赤外領域内に狭い吸
収線を有しており、これらは光音響セル内において酸素
濃度を測定できる程十分に強いものである。このために
は、吸収線の幅に等しいか、またはそれより狭い周波数
帯域幅を有する被変調レーザビームを使用する必要があ
る。図５に、他のガスの濃度に加えて、酸素の濃度を検
知することができる装置を示す。この装置は、図３に示
した排気ガスを検知するための光音響セル４１及び他の
成分を具備しているが、図５では簡略化のためにそれら
の殆どを省略してある。酸素濃度を検知できるようにす
るためにガリウム・アルミニウム・砒素（ＧＡＡＳ）レ
ーザダイオード７１を使用している。ＧＡＡＳレーザダ
イオードは 700乃至 780ｎｍの領域内の波長を発生させ
ることができ、またそれらの動作温度を変えることによ
って数ｎｍの範囲にわたって波長を同調させることがで
きる。製造されたＧＡＡＳレーザダイオードから適当な
ものを選別することによって 760ｎｍの酸素吸収帯付近
の波長を有するＧＡＡＳレーザダイオードを選択するこ
とができる。前述したように、実際には酸素吸収帯は複
数の密に離間した極めて狭い吸収線であり、レーザダイ
オード７１はその温度を調整することによって 760.4ｎ
ｍ吸収線のようなこれらの吸収線の１つに同調させるこ
とができる。このようにするために、レーザダイオード
７１をオーブン７２内に配置し、オーブン７２の温度を
可変電圧電源７４からオーブン７２内の加熱要素７３に
供給される電圧を変えることによってオーブン７２の温
度を制御する。レーザダイオード７１が放出するレーザ
ビームはレンズ７５によって平行化され、ガラス製の光
学平面によって形成されている１対の半透明反射器７６
及び７７を通過させられる。両半透明反射器７６及び７
７を通るレーザビームの一部は赤外放射透過窓４２を通
って光音響セル４１へ入射して吸収され、音響信号を生
成し、この音響信号はマイクロホン（図示してない）に
よって拾われる。レーザビームはレーザダイオード７１
への電源を変調することによって変調される。光音響セ
ル４１上に入射する他の全ての赤外放射ビーム６１の変
調周波数とは異なるようにこの変調周波数を設定するこ
とによって、光音響セル４１内の酸素によるレーザビー
ムの吸収に起因する音響信号を、他の音響信号とは区別
することができる。

【００１９】酸素吸収線の１つに同調させたレーザビー
ムを使用したとしても、酸素に対するガス分析装置の感
度は未だ比較的低い。この感度を増加させるために反射
ストリップ７８及び７９を赤外放射吸収体４３及び赤外
放射透過窓４２の後面上にそれぞれ配置し、レーザビー
ムをそれらの間で反射させて光音響セル４１内を数回に
わたって通過させ、経路長と吸収されるエネルギの量と
を増加させることによって、発生する音響信号の大きさ
を増加させることができるのは明白であろう。平行化さ
れたレーザビームの直径が比較的小さいために、反射ス
トリップ７９が他の赤外放射ビーム６１に対する光音響
セル４１の感度に大きい影響を与えることなく、上記の
如きことがなし得るのである（図６参照）。半透明反射
器７６及び７７は、レーザダイオード７１が放出する放
射の波長を760.4 ｎｍの選択された酸素吸収線上に保つ
フィードバック回路の一部を形成している。２枚の半透
明反射器７６及び７７から反射された２つのビームはフ
ィルタ８０を通って１対の光検出器８１及び８２上にそ
れぞれ入射する。反射器７６からのビームは光検出器８
１上に入射し、反射器７７からのビームは光検出器８２
上に入射する。２つのビームはフィルタ８０においてほ
ぼ２°の角度に収束するように配列されている。

【００２０】フィルタ８０は丁度 760.4ｎｍを中心とす
る通過帯域を有する薄膜フィルタであり、矢印で示して
あるように、それを通るレーザビームに対して傾斜させ
ることが可能である。フィルタの中心波長はレーザビー
ムに対してフィルタを適切な角度に傾斜させることによ
って微細に同調させることができる。何故ならば、これ
は薄膜フィルタであり、従ってその通過帯域は放射の入
射角に依存して変化するからである。この角度は始めに
設定してしまえば、操作中に再度調整する必要はない。
フィルタ８０の通過帯域はレーザ放出のスペクトル幅よ
りも遥かに広いが、２つの光検出器８１及び８２に衝突
する光の相対強度（フィルタ８０が通過させる２つのビ
ームの相対強度に対応する）を測定することによってレ
ーザ出力の波長を精密に測定することができる。光検出
器８１及び８２にそれぞれ入射するビームの相対強度Ｉ
₁及びＩ₂は、レーザダイオード７１が放出する放射の
波長と、フィルタ８０への２つのビームの入射角とに依
存する。２つのビームの入射角はそれらがフィルタ８０
の透過最大値の両側に位置するように配列されており、
従って強度Ｉ₁及びＩ₂の比はレーザ波長だけに依存し
て変化する（図７参照）。

【００２１】光検出器８１及び８２からの信号は比回路
８３内で比較される。回路８３は、レーザダイオード７
１の放出波長の 760.4ｎｍに対応する最適値に強度Ｉ₁
及びＩ₂の比を戻すようにオーブン７２の加熱要素７３
への供給電圧を変更することを可変電圧電源７４に命令
する。勿論、図３のガス分析装置に付加したのと同じ容
易さで、図１のガス分析装置に付加的な装置を付加して
酸素検知を可能にすることができる。マイクロホン出力
の異なる周波数における強度を見出すためには、同期検
出器を使用する代わりにマイクロホンからの出力を弁別
し、次いで高速フーリエ変換してもよい。音響信号振幅
値からガス濃度を計算するためにマイクロコンピュータ
２５及び６４が使用する変換係数は、ガスが吸収するエ
ネルギの量がその濃度に対して線形に上昇しないという
事実を斟酌して、単純な乗算係数以上のものとすべきで
ある。必要な変換係数は容易に計算することができる。
回転コードディスクまたはフィルタバンクを使用する代
わりに、振動エンコーダまたはフィルタバンクを使用す
ることもできる。代替として、回転コードディスク及び
固定（静的）コード板を、ブラッグ( Bragg ) セルまた
は液晶シャッタのようなソリッドステート変調器で置換
することもできる。

【００２２】適切な周波数帯を有するビームを生成する
ために帯域通過フィルタを使用する代わりに、適切な周
波数のレーザビームを使用して前述したガスの何れかを
検知することもできるが、通常これは不経済である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による排気ガス分析装置の実施例の概要
図である。

【図２】図１の排気ガス分析装置に使用するのに適する
光音響セルの代替形状を示す図である。

【図３】本発明による排気ガス分析装置の別の実施例の
概要図である。

【図４】図３の排気ガス分析装置の変調器及びフィルタ
の詳細図である。

【図５】図３の排気ガス分析装置に付加して酸素を検知
することを可能にする要素を示す図である。

【図６】図５のガス分析装置の光音響セルの一部の拡大
図である。

【図７】図５のガス分析装置の動作を説明するためのグ
ラフである。

【符号の説明】

１光音響セル２マイクロホン３赤外放射透過窓４赤外放射吸収体５フィルタ６乾燥機７ポンプ８ガス入口管９ガス出口管１０入口弁１１出口弁１２、１３電磁サーボ１４白熱フィラメント電球１５反射器１６（赤外）放射１７回転フィルタバンク１８固定コード板１９回転コードディスク２０電動機２１歯車装置２２同期検出器２３回転センサ２４Ａ／Ｄ変換器２５マイクロコンピュータ２６回転センサ２７表示装置２８電球駆動回路２９赤外放射検出器３０赤外放射フィルタ３１歯車装置４１光音響セル４２赤外放射透過窓４３赤外放射吸収体４４マイクロホン４５、４６管のくびれ４７開口４８中実部分５１フィルタバンク５２固定コード板５３回転コードディスク５４電動機５５増幅器５６帯域通過フィルタ５７同期検出器５８光検出器５９電球６０レンズ６１赤外放射ビーム６２低域通過フィルタ６３Ａ／Ｄ変換器６４マイクロコンピュータ６５表示装置７１ガリウム・アルミニウム・砒素レーザダイオード７２オーブン７３加熱要素７４可変電圧電源７５レンズ７６、７７半透明反射器７８、７９反射ストリップ８０フィルタ８１、８２光検出器８３比回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光音響セル、被変調赤外レーザ放射の第
１の源、及びマイクロホンを具備し、光音響セルは分析
すべきガスの混合体を収容し、赤外レーザ放射の周波数
は酸素の吸収帯に対応し、赤外レーザ放射を光音響セル
内で吸収させて混合体内の酸素の濃度に対応する振幅を
有し且つ変調周波数の周波数を有する音響波を生成さ
せ、この音響信号をマイクロホンによって電気信号に変
換するように配列したことを特徴とするガス分析装置。
【請求項２】複数の分離した周波数の被変調赤外放射
の第２の源をも具備し、各周波数は検知すべきガスの吸
収帯に対応し、赤外放射を光音響セル内で吸収させ、各
周波数に混合体内のガスの濃度に対応する振幅を有し且
つ赤外放射の変調周波数の周波数を有する音響波を生成
させ、これらの全ての音響信号をマイクロホンによって
電気信号に変換するように配列した請求項１に記載のガ
ス分析装置。
【請求項３】被変調赤外放射の第２の源は、広スペク
トル電磁放射源、変調器、及び異なる赤外周波数帯を通
過させる複数の帯域通過フィルタからなる請求項２に記
載おガス分析装置。
【請求項４】変調器は赤外放射をある一定の周波数で
変調し、帯域通過フィルタは各々が異なる赤外周波数帯
を有する複数の赤外放射ビームを順次に生成するように
運動する請求項３に記載のガス分析装置。
【請求項５】変調器及び帯域通過フィルタは複数の赤
外放射ビームを同時に生成し、各ビームは異なる赤外周
波数帯及び異なる変調周波数を有している請求項３に記
載のガス分析装置。
【請求項６】ガスの混合体は、内燃機関からの排気で
ある請求項１乃至５の何れかに記載のガス分析装置。
【請求項７】ガスは、光音響セル内のガスを音響的に
絶縁するくびれを有する管を通して光音響セルに出入す
る請求項１乃至６の何れかに記載のガス分析装置。
【請求項８】広スペクトル電磁放射源は、白熱電球で
ある請求項３に記載のガス分析装置。
【請求項９】第１の源は、ガリウム・アルミニウム・
砒素（ＧＡＡＳ）レーザである請求項１に記載のガス分
析装置。
【請求項１０】レーザは、その温度を変化させること
によって酸素吸収線の周波数に同調される請求項９に記
載のガス分析装置。
【請求項１１】第１及び第２の半透明反射器と、第１
及び第２の赤外放射センサと、薄膜フィルタと、レーザ
の温度を制御する制御手段をも含み、光音響セル内に進
入するレーザビームの他に１対の参照ビームが生成され
るようにレーザビームの経路内に第１及び第２の半透明
反射器は配置され、参照レーザビームは非平行であって
各々が赤外放射センサの１つに入射する前に薄膜フィル
タを通過し、制御手段は赤外放射センサの出力に依存し
てレーザ温度を制御するようにした請求項１０に記載の
ガス分析装置。