JPS591972B2 - Spectrometer with calculation compensation circuit - Google Patents

Spectrometer with calculation compensation circuit

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JPS591972B2
JPS591972B2 JP3309876A JP3309876A JPS591972B2 JP S591972 B2 JPS591972 B2 JP S591972B2 JP 3309876 A JP3309876 A JP 3309876A JP 3309876 A JP3309876 A JP 3309876A JP S591972 B2 JPS591972 B2 JP S591972B2
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JP
Japan
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spectrum
output
spectrometer
slit
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JP3309876A
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詔三 関野
卓佑 泉
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Anritsu Corp
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Anritsu Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、被測定物質である気体または液体の定性分析
または定量分析を行うために、被測定物質の吸収スペク
トルの2次微分値を測定する分光計に関し、特に光源の
スペクトルおよび媒質の吸収スペクトルの影響を補償し
て電気出力と被測定物質濃度との直線関係を低濃度まで
拡げ、大気中に含まれる低濃度汚染物質測定に際し有用
な演算補償回路付分光計に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a spectrometer that measures the second derivative of the absorption spectrum of a substance to be measured in order to perform qualitative or quantitative analysis of the substance to be measured, such as gas or liquid. This invention relates to a spectrometer with an arithmetic compensation circuit, which is useful for measuring low-concentration pollutants contained in the atmosphere, by compensating for the effects of the spectrum of the gas and the absorption spectrum of the medium, and extending the linear relationship between the electrical output and the concentration of the substance to be measured to low concentrations. It is something.

気体または液体の吸収スペクトルから、気体または液体
の定性分析および定量分析を感度良く行う分光学的方法
に高次導関数法(高次微分法)がある。
There is a high-order derivative method (higher-order differential method) as a spectroscopic method for performing qualitative and quantitative analyzes of gases or liquids with high sensitivity based on their absorption spectra.

この高次導関数法の原理は、−「気体または液体の吸収
スペクトルを波長に関して微分した1次微分スペクトル
は微分前のもとの吸収スペクトルの僅かな変化を大きく
把えスペクトルのプロフィルは急峻(シャープ)なもの
となり、さらに1次微分スペクトルを微分した2次微分
スペクトルは一層シャープなものとなるから、物質の定
性分析あるいは定量分析を前記の1次微分スペクトルあ
るいは2次微分スペクトルを用いて行うと感度の良い測
定ができる。」−というものである。この高次導関数法
に基ずく従来の分光計を大別すると、次の二つがある。
すなわち、イ)波長走査形分光器を備えて、吸収スペク
トルを測定し、この吸収スペクトルを付属の電子計算機
により微分することによつて、記録紙の上に1次微分ス
ペクトルあるいは2次微分スペクトルを描かせる分光計
と(口)分光器の入口スリットもしくは出口スリットま
たは分光器内部の光束を振らせて出口スリットの中心波
長にある波長近傍で時間的に正弦波状の変調をかけるこ
とによつてその波長近傍のスペクトルの微分値を測定す
る分光計とがある。この二種類の従来の分光計について
考察してみると、イ)の 分光計ほ付属の電子計算機を
必要とし、高価なものとなつてしまうから普及していな
い。(口)に属する分光計は装置として簡単であり、こ
れまでも種々の分光計が提案されて来た。ここで(口)
の分光計の原理を少し詳しく説明しておく。すなわち、
時間的に正弦波状の波長変調をかけることによつてその
波長近傍のスペクトルの微分値が求められることを説明
する。分光器の出口スリツトを時間的に正弦波状に振つ
て出口スリツトを通過する光の波長に時間的に正弦波状
の変調をかけ、その時の変調振幅をα、:1変調角周波
数をω、出口スリツト停止時の出口スリツト通過光の波
長をλ。
The principle of this higher-order derivative method is - ``The first-order differential spectrum obtained by differentiating the absorption spectrum of a gas or liquid with respect to wavelength largely captures slight changes in the original absorption spectrum before differentiation, and the spectral profile is steep ( The second-order differential spectrum obtained by differentiating the first-order differential spectrum is even sharper, so qualitative or quantitative analysis of the substance is performed using the first-order or second-order differential spectrum. It allows for highly sensitive measurements." Conventional spectrometers based on this higher-order derivative method can be broadly classified into the following two types.
That is, a) a wavelength scanning spectrometer is equipped to measure the absorption spectrum, and this absorption spectrum is differentiated using an attached electronic computer, thereby producing a first-order differential spectrum or a second-order differential spectrum on recording paper. The spectrometer and the (mouth) spectrometer's entrance slit or exit slit, or the light flux inside the spectrometer, are swung and temporally sinusoidally modulated in the vicinity of the wavelength at the center wavelength of the exit slit. There is a spectrometer that measures the differential value of the spectrum near the wavelength. Considering these two types of conventional spectrometers, the spectrometer (a) requires an attached computer and is expensive, so it is not popular. Spectrometers belonging to this category are simple devices, and various spectrometers have been proposed so far. here (mouth)
Let me explain in some detail the principle of the spectrometer. That is,
It will be explained that by temporally applying sinusoidal wavelength modulation, the differential value of the spectrum in the vicinity of the wavelength can be obtained. The exit slit of the spectrometer is waved sinusoidally in time to apply sinusoidal modulation to the wavelength of the light passing through the exit slit, and the modulation amplitude at that time is α, the modulation angular frequency is ω, and the exit slit is The wavelength of the light passing through the exit slit when stopped is λ.

、時間をtとすると、出口スリツトを通過する光の波長
λは(ハ式のように表わすことができる。一方、スペク
トルI(λ)をλ。
, time is t, the wavelength λ of the light passing through the exit slit can be expressed as (C).On the other hand, the spectrum I(λ) is λ.

の近傍でテイラー展開するとと表わせる。It can be expressed as Taylor expansion in the vicinity of .

(1)式を(2)式に代入すると、が得られる。(4成
において第1項は直流信号であり、第2項のS1順、c
o頌はωtを含む交流信号で.ある。(4)式でm=1
とし、si順、cos項に注目すると、(5)式は角周
波数ωなる光強度変調信号の振幅が10)(λo)に相
当することが、また(6)式から角周波数2ωなる変調
信号の振幅がI(2)(λo)に相当することがわかる
Substituting equation (1) into equation (2) yields. (In the 4-component, the first term is a DC signal, the second term is in S1 order, c
o is an AC signal containing ωt. be. m=1 in equation (4)
Then, paying attention to the si order and the cos term, equation (5) shows that the amplitude of the optical intensity modulation signal with an angular frequency ω corresponds to 10) (λo), and from equation (6), the amplitude of the modulation signal with an angular frequency 2ω corresponds to It can be seen that the amplitude of I(2)(λo) corresponds to I(2)(λo).

同様にして、角周波数がnωである変調信号の振幅がn
次導関数I(n)(λ。)に相当することが(4)式か
ら理解される。すなわち、出口スリツトの中心波長をλ
。の近傍で変調すると、その基本角周波数がωであると
き、角周波数1(λ)P8(λ)・ E n−e・σ(Al −(2)/ :,.(2)7、 1ゝ“′(λo) PYl(λo) PO( *低濃度物質の定量測定をする場合、問題があつた。
Similarly, the amplitude of the modulation signal whose angular frequency is nω is n
It is understood from equation (4) that this corresponds to the second derivative I(n)(λ.). In other words, the center wavelength of the exit slit is λ
. When modulated in the vicinity of “'(λo) PYl(λo) PO( *There was a problem when quantitatively measuring low concentration substances.

本発明は、低濃度の物質を測定する際に問題となる光源
スペクトルの影響を電気回路において補償し、感度特性
の直線性を低濃度まで拡げ、低濃度で媒質中に含まれて
いる物質の定量測定に際し正確な測定のできる演算補償
回路付分光計を提供することが目的である。ここで本発
明による電気回路の構成を述べる前に、光源スペクトル
の影響がどのような形で出力に現われるか考察し、その
考察に基ずいて電気回路でどのような補償を施すと正し
い補償ができるのか詳しく説明する。
The present invention compensates for the influence of the light source spectrum, which is a problem when measuring low-concentration substances, in an electric circuit, extends the linearity of the sensitivity characteristics to low concentrations, and improves the sensitivity of substances contained in a medium at low concentrations. The object of the present invention is to provide a spectrometer with an arithmetic compensation circuit that can perform accurate quantitative measurements. Before describing the configuration of the electric circuit according to the present invention, we will consider how the influence of the light source spectrum appears on the output, and based on that consideration, we will determine what kind of compensation should be applied in the electric circuit to achieve correct compensation. I will explain in detail whether it is possible.

透明な媒質中に低濃度で含まれている物質の吸収を考え
るとき、ランパート・ベールの法則が成立するから、吸
収光路長を2、ガス分子の吸収断面積をσ(λ)、分子
密度をn1光源強度をP。
When considering the absorption of a substance contained at a low concentration in a transparent medium, the Lampert-Beer law holds, so the absorption optical path length is 2, the absorption cross section of gas molecules is σ (λ), and the molecular density is n1 light source intensity is P.

(λ)とすると、ガスの吸収によつて生じるスペクトル
1(λ)は、・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・(7)る2次微分は、*が一般的であり、
この場合は被測定物質(前記低濃度物質)の吸収スペク
トルの1次微分は零、すなわちσ(1)(λo)−0で
あるから(8)式は、(2)・・・l −n−l・σ(
λ..) ,一、※測定を対象としているから、n−2
・σ(λ)〈1であり、結局Exp(−n−j・σ(λ
o))ご1とみなすこ9とができる。
(λ), the spectrum 1 (λ) caused by gas absorption is...
・・・・・・(7) In the second-order differential, * is common,
In this case, the first derivative of the absorption spectrum of the substance to be measured (the low concentration substance) is zero, that is, σ(1)(λo)−0, so equation (8) is expressed as (2)...l −n −l・σ(
λ. .. ) , 1, * Since the target is measurement, n-2
・σ(λ)<1, and in the end Exp(−n−j・σ(λ
o)) can be regarded as 9.

すなわち(9)式は、躇)・n−2・σゝ″(λo)・
・・・・・・・・・・・ClI第2項は被測定物質の濃
度に比例する純粋な吸収スペクトルの2次微分値に相当
する項である。
In other words, equation (9) is expressed as
......The second term of ClI is a term corresponding to the second derivative of a pure absorption spectrum that is proportional to the concentration of the substance to be measured.

AO)式より、被測定物質の濃度が低くなつて、第1項
が第2項に比べて無視できなくなると、2次微分値1(
2)(λo)は被測定物質の濃度に比例しなくなること
が理解される。すなわち、分光器の出口スリツトを通過
する光に角周波数ωなる波長変調をかけて、角周波数2
ωなる変調信号の振幅より吸収スペクトルの2次微分値
(2)(λo)を測定することによつて被測定物質の濃
度を求める分光計では、被測定物質の濃度に純粋に比例
する吸収スペクトルの2次微分値と光源スペクトルの2
次微分値との和が出力として現れ、被測定物質が低濃度
の場合は光源スベクトルの2次微分値を除去しなければ
ならないことが以上の考察から理解される。
According to the formula AO), when the concentration of the substance to be measured becomes low and the first term can no longer be ignored compared to the second term, the second derivative value 1 (
2) It is understood that (λo) is no longer proportional to the concentration of the substance to be measured. In other words, the light passing through the exit slit of the spectrometer is subjected to wavelength modulation with an angular frequency ω, resulting in an angular frequency of 2.
A spectrometer that determines the concentration of a substance to be measured by measuring the second derivative value (2) (λo) of the absorption spectrum from the amplitude of the modulation signal ω has an absorption spectrum that is purely proportional to the concentration of the substance to be measured. The second derivative of the light source spectrum and the second derivative of the light source spectrum
It is understood from the above consideration that the sum with the second-order differential value appears as an output, and if the concentration of the substance to be measured is low, the second-order differential value of the light source vector must be removed.

ここで被測定物質が決つていれば測定対象波長(被測定
物質の吸収スペクトルの吸収極大値または吸収極小値を
示す波長)λoが決まるからP(2)(λ。)も一定の
決つた値となるから、本発明ではp(2)(λo)に相
当する基準信号をあらかじめ設けておき測定出力1(2
)(λo)から前記基準信号を減算することによつて光
源スペクトルの影響を除去した。以下図面によつて説明
する。
Here, if the substance to be measured is determined, the wavelength to be measured (wavelength indicating the absorption maximum or minimum value of the absorption spectrum of the substance to be measured) is determined, so P(2) (λ.) is also fixed. Therefore, in the present invention, a reference signal corresponding to p(2)(λo) is provided in advance and the measurement output 1(2)
The influence of the light source spectrum was removed by subtracting the reference signal from )(λo). This will be explained below with reference to the drawings.

第1図は本発明による第一実施例を示す構成図である。
同図において、重水素放電管1から放射された光はコリ
メータレンズ5によつて平行光束された後、大気(被測
定媒質)を採取導入して吸収スペクトルを生じさせるた
めの吸収セル10の内部に吸収セルの入射窓11から入
射する。吸収セル10には被測定媒質が例えば吸排気口
13,14を通して導入される。この入射した平行光束
は、吸収セル内に設けられた繰返し反射光学装置20の
ミラー(21や22など)によつて複数回繰返し反射し
た後に吸収セルの出射口12から出射し、さらにコレク
タレンズ30によつて分光器40の固定された入口スリ
ツト41に集光され、分光器40の内部に入射する。分
光器40へ入射した光は分光器の分散機構42によつて
波長分散されて単色光が出口スリツト55を通過し受光
面が実質的に均一な頭部窓形光電子増倍管80の受光面
に入射する。出口スリツト55はスリツト板50に形成
されており、スリツト板50はスリツト振動装置60に
装着されている。駆動回路70によつてスリツト振動装
置60を振動させることにより、出口スリツト55が横
方向(第1図においてX方向)に時間的に正弦波状の振
動をするようにして、出口スリツトを通過する光の波長
に時間的に正弦波状の変調をかけている。ここで、SO
2ガスの測定を例にすると、SO2ガスの吸収極大を示
す波長、(たとえば300nm)を中心にし、約2nm
の振幅で波長変調がかかるように出口スリツトを振動さ
せ、出口スリツト55の角周波数ωに対し2倍の周波数
2ωの光強度変調信号 すなわち1(2)(λo)に相
当する電気出力を電気処理系85内の処理部90で発生
する。この時、処理部90の出力には、前述したように
光源スペクトルの2次微分値?J)(λo)が重畳して
いるから、このp(X)(λo)に相当する基準値を基
準信号発生器92によつて発生させ、引き算回路93に
よつて処理部90の出力信号より前記基準値を減算し、
引き算回路93の出力、すなわち光源スペクトルの影響
の無い出力、を出力表示器96で表示する。次に本発明
の第一実施例で用いたスリツト振動装置60について詳
細に説明する。第2図において固有振動数が高くしかも
安定で、振幅が安定なU字形音叉61を出口スリツト5
5の振動源として使用する。このU字形音叉61の一方
の自由端に出口スリツト55を形成したスリツト板50
をホールダ63を介して取り付け、さらにもう一方の自
由端に音叉のバランスを保つためのバランサ62を取り
付けて非常にQの高い振動器を構成してある。この振幅
器の固有振動をピツクアツプするためのピツクアツプ用
電磁ヘツド64、このピツクアツプされた交流電流を増
幅し一定の出力の,駆動用交流信号を発生する1駆動回
路70、前記振器を励振するための駆動用電磁ヘツド6
5および前記振動器とから電気一機械系の発振装置を構
成してあり、この発振装置を自励発振させることによつ
て出口スリツト55を振動させている。第2図では電磁
ヘツド64,65はそれぞれコア68,68′およびコ
アの回りに巻かれたコイル69,69′から構成され、
駆動回路70は増幅器73,75と、定電流発生回路7
1と、検波回路76と、低域濾波器77と、出力電圧調
節回路74とから構成されている。以上説明したスリツ
ト振動装置を用いた実験結果では、振幅が約1m71L
1振動数が約400Hzの非常に安定で、しかも正しく
正弦波状の振動を得た。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention.
In the same figure, light emitted from a deuterium discharge tube 1 is collimated by a collimator lens 5, and then inside an absorption cell 10 in which the atmosphere (measuring medium) is sampled and introduced to generate an absorption spectrum. is incident through the entrance window 11 of the absorption cell. A medium to be measured is introduced into the absorption cell 10 through, for example, intake and exhaust ports 13 and 14 . This incident parallel light flux is reflected multiple times by the mirrors (21, 22, etc.) of the repeating reflection optical device 20 provided in the absorption cell, and then exits from the exit port 12 of the absorption cell, and then exits from the collector lens 30. The light is focused on a fixed entrance slit 41 of the spectrometer 40 and enters the interior of the spectrometer 40. The light incident on the spectrometer 40 is wavelength-dispersed by the dispersion mechanism 42 of the spectrometer, and monochromatic light passes through the exit slit 55.The light-receiving surface of the head window photomultiplier tube 80 has a substantially uniform light-receiving surface. incident on . The exit slit 55 is formed in a slit plate 50, and the slit plate 50 is attached to a slit vibration device 60. By vibrating the slit vibrating device 60 by the drive circuit 70, the exit slit 55 is made to vibrate sinusoidally in the lateral direction (X direction in FIG. 1) over time, and the light passing through the exit slit is The wavelength of the signal is temporally modulated sinusoidally. Here, S.O.
Taking the measurement of two gases as an example, the wavelength that shows the maximum absorption of SO2 gas (for example, 300 nm) is the center, and the wavelength is about 2 nm.
The exit slit is vibrated so that wavelength modulation is applied with an amplitude of This occurs in the processing unit 90 within the system 85. At this time, the output of the processing unit 90 includes the second-order differential value of the light source spectrum, as described above. Since p(X)(λo) is superimposed, the reference signal generator 92 generates a reference value corresponding to this p(X)(λo), and the subtraction circuit 93 generates a reference value from the output signal of the processing unit 90. subtracting the reference value;
The output of the subtraction circuit 93, that is, the output not affected by the light source spectrum, is displayed on an output display 96. Next, the slit vibrating device 60 used in the first embodiment of the present invention will be explained in detail. In Fig. 2, a U-shaped tuning fork 61 with a high natural frequency and stable amplitude is inserted into the exit slit 5.
5. Used as a vibration source. A slit plate 50 with an outlet slit 55 formed at one free end of this U-shaped tuning fork 61
is attached via a holder 63, and a balancer 62 is attached to the other free end to maintain the balance of the tuning fork, thereby constructing an extremely high Q vibrator. A pick-up electromagnetic head 64 for picking up the natural vibration of the oscillator, a drive circuit 70 for amplifying the picked-up AC current and generating a drive AC signal with a constant output, and a drive circuit 70 for exciting the oscillator. Electromagnetic head 6 for driving
5 and the vibrator constitute an electro-mechanical oscillation device, and the exit slit 55 is vibrated by self-excited oscillation of this oscillation device. In FIG. 2, the electromagnetic heads 64, 65 each consist of a core 68, 68' and a coil 69, 69' wound around the core.
The drive circuit 70 includes amplifiers 73 and 75 and a constant current generation circuit 7.
1, a detection circuit 76, a low-pass filter 77, and an output voltage adjustment circuit 74. According to the experimental results using the slit vibration device explained above, the amplitude was approximately 1m71L.
Very stable and accurate sinusoidal vibrations with a frequency of approximately 400 Hz were obtained.

次に電気処理系85を第3図によつて詳細に説明する。
同図において、頭部窓形光電子増倍管80の電気出力信
号は電気処理形85内の処理部90に内蔵された前置増
幅器120で増幅され、コンデンサ121によつて直流
成分を除去した後にバンドパスフイルタ122によつて
出口スリツトの振動数ωの2倍の周波数2ωの交流信号
を取り出し、さらに増幅器123により増幅し、同期ス
イツチ回路124に入れられる。この同期スイツチ回路
124は周波数2ωの変調信号が正の半波の時スイツチ
がオンになり、負の半波の時オフになつて信号を半波整
流する作用をしている。また増幅器123の出力を極性
反転回路125で極性反転すると、増幅器123の出力
信号の負の半波は正の半波となるから、この正の半波を
同期スイツチ回路124′によつて取り出し、同期スイ
ツチ回路124の出力信号と低域濾波器130の入口で
合わせることによつて増幅器123の出力信号を全波整
流している。同期スイツチ回路124および124′の
同期信号は、駆動回路TOの周波数ωなる駆動信号を位
相調整のための位相器110を通し、てい倍回路111
で周波数4ωの信号とし、さらに分周器112で位相が
180゜シフトした周波数2ωの二つの矩形波を作り、
これを使つた。前述の全波整流された信号は、低域濾波
器130で平滑され除算器135の分子に入る。一方、
前置増幅器120の出力のうち直流成分を直流増幅器1
31で増幅した後、除算器135の分母に入れる。除算
器135への分子入力は前述した様にI(”)(λ。)
に相当し、分母入力は(4式の第1項の直流信号であり
、ほぽI(λo)に相当し、これは(7)式よりほぽP
。(λo)に等しいから、除算器135での演算は、を
していることになる。
Next, the electrical processing system 85 will be explained in detail with reference to FIG.
In the figure, the electrical output signal of the head window type photomultiplier tube 80 is amplified by a preamplifier 120 built in a processing section 90 in an electrical processing type 85, and after the DC component is removed by a capacitor 121. An alternating current signal with a frequency 2ω, which is twice the frequency ω of the exit slit, is extracted by a bandpass filter 122, further amplified by an amplifier 123, and input to a synchronous switch circuit 124. This synchronous switch circuit 124 is turned on when the modulation signal of frequency 2ω is a positive half-wave, and turned off when it is a negative half-wave, thereby performing half-wave rectification of the signal. Furthermore, when the polarity of the output of the amplifier 123 is inverted by the polarity inverting circuit 125, the negative half wave of the output signal of the amplifier 123 becomes a positive half wave, so this positive half wave is extracted by the synchronous switch circuit 124'. By combining the output signal of the synchronous switch circuit 124 and the input of the low-pass filter 130, the output signal of the amplifier 123 is full-wave rectified. The synchronization signals of the synchronization switch circuits 124 and 124' are generated by passing the drive signal of the frequency ω of the drive circuit TO through a phase shifter 110 for phase adjustment, and a multiplier circuit 111.
to create a signal with a frequency of 4ω, and further create two rectangular waves with a frequency of 2ω with a phase shift of 180° using a frequency divider 112.
I used this. The aforementioned full-wave rectified signal is smoothed by a low-pass filter 130 and then enters the numerator of a divider 135. on the other hand,
The DC component of the output of the preamplifier 120 is transferred to the DC amplifier 1.
31 and then input into the denominator of the divider 135. As mentioned above, the numerator input to the divider 135 is I('')(λ.)
, and the denominator input is the DC signal of the first term in equation (4), which corresponds to Hopo I (λo), which is determined by Equation (7) to Hopo P
. Since it is equal to (λo), the operation in the divider 135 is as follows.

al)式より、被測定物質(本発明の第一実施例ではS
02ガス)の濃度に比例する項(第1項)と光源スペ
クトルの2次微分値に相当する項(第2項)の和が、除
算器135の出力である。そして、この光源スペクトル
の2次微分値に相当する項p(:)(ん)/P。(λ。
)は光源強度P。に依存しない一定の値であるから、こ
の値に等しい出力を基準信号発生器92によつて発生さ
せ、引き算回路93により除算器135の出力信号より
減算することにより光源スペク卜ルの2次微分値に相当
する項を除去して純粋に被測定物質の濃度に比例する出
力を出力表示器96で表示する。この時、光源スペクト
ルの2次微分値に相当する値p(:)(λ。)/P。(
λ。)は次のようにして実験的に求めた。すなわち、吸
収セル10内に高純度窒素(零ガス)を導入して吸収セ
ル内に被測定物質が存在しない状態を作り出す。このと
き処理部90の出力に現われるものは、光源スペクトル
の2次微分値に相当する値pA”)(λ。)/ Po(
λo)に他ならない。こうして基準信号発生器92の基
準信号を実験的に求めている。本発明は、要するに光源
強度P。に依存しない出力を得た後に、光源スペクトル
の微分値に相当する量を減算することであり、次に述べ
る第2実施例のように変更することも可能である。第2
実施例を第4図に示し、同図にもとずいて説明する。
al) formula, the substance to be measured (in the first embodiment of the present invention, S
The output of the divider 135 is the sum of a term (first term) proportional to the concentration of 02 gas) and a term (second term) corresponding to the second-order differential value of the light source spectrum. Then, the term p(:)(n)/P corresponds to the second-order differential value of this light source spectrum. (λ.
) is the light source intensity P. Since this value is a constant value that does not depend on The term corresponding to the value is removed and an output that is purely proportional to the concentration of the substance to be measured is displayed on the output display 96. At this time, the value p(:)(λ.)/P corresponds to the second-order differential value of the light source spectrum. (
λ. ) was experimentally determined as follows. That is, high purity nitrogen (zero gas) is introduced into the absorption cell 10 to create a state in which the substance to be measured does not exist within the absorption cell. At this time, what appears in the output of the processing unit 90 is a value pA'')(λ.)/Po(
λo). In this way, the reference signal of the reference signal generator 92 is experimentally determined. In short, the present invention focuses on light source intensity P. After obtaining an output that does not depend on , an amount corresponding to the differential value of the light source spectrum is subtracted, and it is also possible to modify it as in the second embodiment described below. Second
An embodiment is shown in FIG. 4, and will be explained based on the same figure.

頭部窓形光電子増倍管80の出力を前置増幅器120に
より増幅した後に、さらに直流増幅器131′で頭部窓
形光電子増倍管80の直流成分だけを増幅する。
After the output of the head window type photomultiplier tube 80 is amplified by the preamplifier 120, only the DC component of the head window type photomultiplier tube 80 is further amplified by the DC amplifier 131'.

そして基準電圧回路155によつてあらかじめ設定して
ある基準電圧と直流増幅器131′の出力とを比較回路
160で比較し、それらの差が零になるように頭部窓形
光電子増倍管80の印加電圧を調整する。この調整は直
流高圧発生回路165の出力電圧を印加電圧調整器17
0を調整することによつて行う。光電子増倍管80の直
流出力が常に一定となるように印加電圧を調整すること
によつて、見かけ上、光源強度を一定に保つているのと
同じ効果が得られるから、光源強度を補償するための除
算器135を必要としない。したがつて、低域濾波器1
30の出力から直ちに基準信号発生器92の出力を引き
算回路93で減算することにより光源スペクトルの影響
を除去できる。次に第3実施例について説明する。
A comparison circuit 160 compares the reference voltage preset by the reference voltage circuit 155 with the output of the DC amplifier 131', and adjusts the head window photomultiplier tube 80 so that the difference between them becomes zero. Adjust the applied voltage. This adjustment is performed by applying the output voltage of the DC high voltage generation circuit 165 to the applied voltage regulator 17.
This is done by adjusting 0. By adjusting the applied voltage so that the DC output of the photomultiplier tube 80 is always constant, the same effect as keeping the light source intensity constant can be obtained, so the light source intensity is compensated. There is no need for a divider 135 for this purpose. Therefore, the low pass filter 1
By immediately subtracting the output of the reference signal generator 92 from the output of the reference signal generator 30 using the subtraction circuit 93, the influence of the light source spectrum can be removed. Next, a third embodiment will be described.

第5図は第3実施例を示す構成図であり、光源および吸
収セルは省略し図示していない。同図において、45は
分光器40の分散機構42内の分散素子(たとえば回折
格子)の入出射角を変えて波長を変えるような波長切換
え装置であり、スイツチ95は波長切換装置45と連動
している。大気中のSO2ガス、NOガス、NO2ガス
を測定するために、波長切換装置45によつてそれぞれ
の測定対称波長λ。,λ1,λ2を切換えることができ
る。まずSO2を測定しようとすると、波長切換装置4
5により出口スリツト55を通過する変調光の中心波長
をλ。に合わせ、その時スイツチ95は波長切換装置4
5に連動して基準信号発生器92に接続する。基準信号
発生器92は光源スペクトルの波長λ。における2次微
分値Pl2)(λo)に相当する出力を発生しており、
したがつて引き算回路93によつて処理部90の出力か
ら基準信号発生器92の出力を減算することにより光源
スペタトルの影響を除去する。同様にNOガスを測定す
る場合は、波長切換装置45により、変調光の中心波長
をλ1に合わせ、それに連動してスイツチ95は基準信
号Pl2)(λ1)を発生している基準信号発生器92
′に接続し、引き算回路93によつてNOガス測定に際
する光源スペクトルの影響、すなわちPl2)(λ1)
を除去する。NO2ガスを測定する場合も同様で、波長
切換装置45によりλ2に合わせると、スイツチ95が
連動して基準信号発生器92″に接続する。この基準信
号発生器92Iは光源スペクトルの波長λ2における2
次微分値p(2)(λ2)に相当する出力を発生してお
り、引き算回路93で光源スペクトルの影響P9)(λ
2)を減算し補償する。以上説明した実施例では、被測
定物質は3種類であつたが、被測定物質は3種類に限る
ものでは無いことは当然であるO次に第四実施例につい
て説明する。
FIG. 5 is a block diagram showing the third embodiment, and the light source and absorption cell are omitted and not shown. In the figure, 45 is a wavelength switching device that changes the wavelength by changing the incident and output angle of a dispersion element (for example, a diffraction grating) in the dispersion mechanism 42 of the spectrometer 40, and a switch 95 is interlocked with the wavelength switching device 45. ing. In order to measure SO2 gas, NO gas, and NO2 gas in the atmosphere, the respective measurement target wavelengths λ are set by the wavelength switching device 45. , λ1, λ2 can be switched. First, when trying to measure SO2, the wavelength switching device 4
5, the center wavelength of the modulated light passing through the exit slit 55 is λ. At that time, the switch 95 switches the wavelength switching device 4.
5 and connected to the reference signal generator 92. The reference signal generator 92 generates the wavelength λ of the light source spectrum. It generates an output corresponding to the second-order differential value Pl2)(λo) in
Therefore, by subtracting the output of the reference signal generator 92 from the output of the processing section 90 by the subtraction circuit 93, the influence of the light source spectrum is removed. Similarly, when measuring NO gas, the wavelength switching device 45 adjusts the center wavelength of the modulated light to λ1, and in conjunction with this, the switch 95 operates the reference signal generator 92 which generates the reference signal Pl2) (λ1).
', and the subtraction circuit 93 calculates the influence of the light source spectrum on NO gas measurement, that is, Pl2)(λ1)
remove. The same goes for measuring NO2 gas; when the wavelength switching device 45 sets the wavelength to λ2, the switch 95 is linked and connects the reference signal generator 92''.
It generates an output corresponding to the order differential value p(2)(λ2), and the subtraction circuit 93 generates an output corresponding to the order differential value p(2)(λ2), which is affected by the light source spectrum P9)(λ
2) is subtracted and compensated. In the embodiments described above, there were three types of substances to be measured, but it goes without saying that the number of substances to be measured is not limited to three types.Next, a fourth embodiment will be described.

第一実施例、第二実施例および第三実施例では吸収セル
10を光源1と分光器の入ロスリツト41との間に配置
したが、吸収セルを分光器の出口スリツト55と光電子
増倍管80との間に配置しても良い。このような配置に
すると、出口スリツトを振つた際に光束が繰返し反射光
学装置内で振れるから繰返し反射光学装置を構成するミ
ラーのわずかな汚れや光束の周縁がミラーからはずれる
などのために光強度変調信号(零時信号)が発生して好
ましくないから、出口スリツトを振らずに入ロスリツト
を振つた方が良い。こうした配置を第6図に示した。同
図において4「はスリツト板507に形成された分光器
40の入ロスリツト、55/は分光器40の固定された
出口スリツトである。スリツト板5『はスリツト振動装
置60に装着されており、スリツト振動装置60により
入ロスリツト41′を振動させることによつて固定され
た出口スリツト55/を通過する光に波長変調をかけて
いる。ここで以上に述べて来た光源スペクトルP。
In the first, second and third embodiments, the absorption cell 10 was placed between the light source 1 and the input loss slit 41 of the spectrometer, but the absorption cell was placed between the output slit 55 of the spectrometer and the photomultiplier tube. It may be placed between 80 and 80. With this kind of arrangement, when the exit slit is swung, the light beam will repeatedly sway within the reflective optical device, and the light intensity will decrease due to slight dirt on the mirror that makes up the repetitive reflective optical device, or the periphery of the light beam coming off the mirror. Since a modulation signal (zero time signal) is generated, which is undesirable, it is better to swing the input loss slit without swinging the exit slit. Such an arrangement is shown in FIG. In the same figure, 4'' is an input loss slit of the spectrometer 40 formed on the slit plate 507, and 55/ is a fixed exit slit of the spectrometer 40.The slit plate 5'' is attached to a slit vibration device 60, By vibrating the input loss slit 41' with the slit vibrator 60, wavelength modulation is applied to the light passing through the fixed exit slit 55/.Here, the light source spectrum P described above.

(λ)について少し考察する。光源1から放射された光
が光電子増倍管へ到達して電気信号に変換されるまでの
経路には、それぞれ波長特性を有するレンズ5,10、
ミラー(21,22など)、分光器40および光電子増
倍管80などが存在する。すなわち、光電子増倍管80
により光電変換された電気信号は、これら全ての波長特
性がかけ合わされた波長特性を有している。したがつて
処理部90の出力に現われるPl2)(λo)/PO(
λo)は前記のかけ合わさつた波長特性を2次微分した
値であり、この値を実1験的に求めて基準信号発生器9
2でその値を発生し、引き算回路93で補償しているか
ら、本発明は純粋な光源スペクトルの影響を除去するだ
けでなく、光源1から光電子増倍管80に到るまでの光
路上に存在する光学素子や光学装置の全ての波長特性を
も補償していることになる。以上説明したように、本発
明によれば、零ガスを吸収セルに導入した状態での変調
度出力(処理部90の出力)を実験的に求め、この出力
に等しい基準信号を基準信号発生器で発生させ、前記変
調度出力から前記基準信号を引き算回路により減算した
から、光源スペクトルの影響が除去できた、と同時に、
各光学素子や光学装置の波長特性の影響をも除去するこ
とができ、低濃度まで測定出力と被測定物質の濃度の直
線関係を拡げることができた。
Let us consider (λ) a little. Lenses 5 and 10, each having a wavelength characteristic, are provided on the path from which the light emitted from the light source 1 reaches the photomultiplier tube and is converted into an electrical signal.
Mirrors (21, 22, etc.), a spectroscope 40, a photomultiplier tube 80, etc. are present. That is, the photomultiplier tube 80
The electrical signal photoelectrically converted has a wavelength characteristic that is the product of all of these wavelength characteristics. Therefore, Pl2)(λo)/PO( which appears in the output of the processing unit 90)
λo) is a value obtained by second-order differentiation of the above-mentioned multiplied wavelength characteristics, and this value is obtained experimentally and used in the reference signal generator 9.
2 and compensated by the subtraction circuit 93, the present invention not only eliminates the influence of the pure light source spectrum, but also eliminates the influence of the pure light source spectrum on the optical path from the light source 1 to the photomultiplier tube 80. This means that all wavelength characteristics of existing optical elements and optical devices are also compensated for. As explained above, according to the present invention, the modulation degree output (output of the processing unit 90) with zero gas introduced into the absorption cell is experimentally determined, and a reference signal equal to this output is generated by the reference signal generator. Since the reference signal was generated in
It was also possible to eliminate the influence of the wavelength characteristics of each optical element and optical device, and it was possible to extend the linear relationship between the measurement output and the concentration of the substance to be measured down to low concentrations.

もう少し具体的に述べると、大気中のSO2ガスの30
〜10ppb以下の濃度測定を行うには、本発明により
光源スペクトルの影響を除去しないと正しい測定はでき
ない。このように特に低濃度測定をもつぱら行う公害関
連分野での応用に効果が犬きい。
To be more specific, 30% of SO2 gas in the atmosphere
In order to measure concentrations below ~10 ppb, correct measurements cannot be made unless the influence of the light source spectrum is removed by the present invention. As such, it is especially effective for applications in pollution-related fields that involve low-concentration measurements.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明による分光計の第一実施例を示す構成図
である。 第2図は本発明の第一実施例で用いたスリツト振動装置
の構成および動作を説明する図である。第3図は本発明
の第一実施例で用いた電気処理系の構成図であり、電気
処理系の動作を説明するための図である。第4図は本発
明の第二実施例を示す構成図である。第5図は本発明の
第三実施例を示す構成図である。第6図は本発明の第四
実施例を示す構成図である。1・・・・・・光源、10
・・・・・・吸収セル、20・・・・・・繰返し反射光
学装置、40・・・・・・分光器、41・・・・・・固
定された入ロスリツト、4「・・・・・・振動する入ロ
スリツト、55・・・・・・振動する出口スリット、5
5′・・・・・・固定された出口スリツト、60・・・
・・・スリツト振動装置、80・・・・・・光電子増倍
管、85・・・・・・電気処理系、90・・・・・・表
示出力値を発生する処理部、92・・・・・・基準信号
発生器、93・・・・・・引き算回路。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a spectrometer according to the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration and operation of the slit vibrating device used in the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a block diagram of the electrical processing system used in the first embodiment of the present invention, and is a diagram for explaining the operation of the electrical processing system. FIG. 4 is a configuration diagram showing a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a block diagram showing a fourth embodiment of the present invention. 1...Light source, 10
... Absorption cell, 20 ... Repeated reflection optical device, 40 ... Spectrometer, 41 ... Fixed input loss slit, 4 "... ...Vibrating inlet slit, 55...Vibrating exit slit, 5
5'...Fixed exit slit, 60...
... Slit vibration device, 80 ... Photomultiplier tube, 85 ... Electric processing system, 90 ... Processing section that generates a display output value, 92 ... ...Reference signal generator, 93...Subtraction circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 光源と、該光源からの集光された光束を通過させる
入口スリットと分散機構を通つて分散されたスペクトル
結像位置に配置された出口スリットとを備える分光器と
、前記出口スリットの中心波長に変調をかけるようにさ
れた振動装置と、該出口スリットからの出射光束を受光
する光電変換器と、該光電変換器の出力信号を受領して
被測定物質の吸収スペクトルの2次微分値を表示するよ
うにされた電気回路とを備えた分光計において;前記電
気回路が前記光源のスペクトル又は該光源のスペクトル
および該被測定物質が含まれる媒質の吸収スペクトルの
微分値に相当する信号を発生する基準信号発生器と、該
光電変換器の出力信号から得られた光源のスペクトル又
は該光源のスペクトルおよび該媒質の吸収スペクトルの
影響をうけている前記表示出力値から該基準信号発生器
の出力値を減算するための引き算回路とを備えているこ
とを特徴とする演算補償回路付分光計。
1. A spectrometer comprising a light source, an entrance slit through which the focused light beam from the light source passes, and an exit slit arranged at spectral imaging positions dispersed through a dispersion mechanism, and a center wavelength of the exit slit. a photoelectric converter that receives the output light beam from the exit slit; and a photoelectric converter that receives the output signal of the photoelectric converter and calculates the second derivative value of the absorption spectrum of the substance to be measured. an electric circuit adapted to display; the electric circuit generates a signal corresponding to the spectrum of the light source or a differential value of the spectrum of the light source and the absorption spectrum of a medium containing the substance to be measured; and an output of the reference signal generator from the display output value influenced by the spectrum of the light source obtained from the output signal of the photoelectric converter or the spectrum of the light source and the absorption spectrum of the medium. A spectrometer with an arithmetic compensation circuit, characterized in that it is equipped with a subtraction circuit for subtracting values.
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