JPS61266941A - 音響光学赤外線分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は煙道ガス放出物をモニタするための、広帯域自
動音響光学赤外線分析装置に関わる。

各種工業プロセスの反応生成物を分析するのに利用でき
る分析装置の市場は大きく、かつ成長しつつある。さら
に、炭化水素燃料の効率のよい燃焼を容易にするには、
オンライン実時間燃焼生成物分析装置が必要である。

例えば、電力会社は数年来、煙道放出物をモニタすると
いう課題と直面している。当初は燃焼効率制御のために
酸素濃度を測定し、煙の不透明度をモニタするというも
のであった。その後の規制に対応して、亜硫酸ガス及び
酸化窒素をモニタする必要が生じた。将来はその他のガ
スもモニタが必要になることは疑うべくもない。例えば
、ヨーロッパにおいて提案されている規制はもし静電集
塵器の効率維持するため煙道にアンモニアを添加する場
合にこのアンモニアをモニタすることを要求するであろ
う。最近の研究により、−酸化炭素をモニタすることで
燃焼効率を高めることができることが判明した。分析の
対象となるガスの種類は益々増大しつつある。従来の対
策はそれぞれのガスをモニタするために別々のセンサを
設置するというものであった。

このようなアプローチはコストを増大させ、モニタすべ
きガスの種類が増えるに従ってこのアプローチの採用は
困難になる。

以上に述べたような工業的な需要を満たすため、紫外線
及び赤外線スペクトル測定や、ガス及び液体クロマトグ
ラフィを利用する分析装置を使用することは公知である
。このような光学的測定装置も本発明のシステムも物質
の以下に述べるような重要な特性を利用する。即ち、特
定の分子は他のいかなる分子とも異なる固有の吸収スペ
クトルを有し、分子混合物のスペクトルは加算的であり
、吸収は分子の濃度に比例する。サンプルが光学的に透
過性であれば、サンプルが固体で娶ろうと、液体であろ
うと、気体であろうと、光学吸収スペクトルが得られ、
しかもこのスベクトルはサンプルを非破壊検査して得ら
れる。

はとんどすべてのガス分子が赤外線を吸収する。個々の
分子は固有の特定波長のそれぞれにおいて吸収特性を有
するから、固有波長における吸収の大きさをモニタする
ことによって煙道に存在するガス量を推測することがで
きる。そのためには煙道を横切って検出手段にむかって
赤外線を透過させればよい。透過光線の波長を非測定ガ
スの固有周波数と一致するように同調させる。所与の波
長における検出信号の強さはその波長における吸収ガス
の濃度と相関関係にある。赤外線の選択的同調は光路中
に狭帯域干渉フィルタを挿入するか、または適当な充填
ガスを含むセルを挿入することによって達成される。こ
の２つのアプローチはいずれも機械的運動を伴い、使用
できるセルまたはフィルタの個数には当然限度がある。

従って、信頼性及び精度はこれらの同調素子の理論上の
性質から期待され名レベルからは程遠い。

音響光学材料と呼ばれるいくつかの複屈折光学材料をス
ペクトル分析装置のフィルタとして使用できることが最
近になって発見された。このような音響光学材料におい
ては、異常光線として伝播する光線を、ある条件下では
、同じ媒質から伝播する音波と相互作用させ、かつ回折
させることによって常光線に変換することができる。こ
の現象は音波の周波数を適当に選択することによってピ
ーク透過波長を選択できる狭帯域光学フィルタの製造に
応用されている。さらに最近になって、例えば米国特許
第３，７９２，２８７号明細書に開示されているセレン
化タリウム砒素のような新規の有効な赤外線透過性音響
光学材料の出現により、約１マイクロメータから約１６
マイクロメータまでの近〜中赤外線スペクトルにわたる
動作が可能になった。

音響光学技術を利用する自動音響光学赤外線分析装置は
米国特許第４，４９０，８４５号明細書に開示されてい
る。この米国特許はサンプル中を通過した赤外線との音
響光学的相互作用によってフィルタを選択された赤外線
帯域に電気的にすばやく同調させることのできる自動音
響光学同調フィルタ式赤外線分析装置を開示しており、
この赤外線分析装置は一定の赤外線吸収特性を有する被
分析サンプルに赤外線を通す手段を含む。また、赤外線
がサンプルを通過したのち、この赤外線を音響光学同調
フィルタに通す手段をも含む。音響光学同調フィルタは
赤外線を選択的に偏光させる入力偏光子を含む。同調フ
ィルタは選択的に偏光させた赤外線が結晶光軸に対して
所定の角度で通過するように光学的に整列させた音響光
学結晶を含む。音響トランスジューサ手段を結晶及び可
変周波数ＲＦエネルギー源と結合させることにより、結
晶中へ音波を発射し、偏光赤外線の選択された狭帯域部
分と相互作用させることによって狭帯域部分を残りの赤
外線から弁別可能にする。同調させた、または選択した
狭帯域赤外線はフィルタの音響トランスジューサと接続
するＲＦエネルギー源の周波数と関数関係にある。赤外
線検出手段をフィルタに結合することによってフィルタ
された出力赤外線を検出すると共に、フィルタされた出
力赤外線に応じた出力信号を発生する。自動演算手段を
設け、この演算手段に検出手段出力電気信号を供給する
ことにより、サンプル中に存在するガスの種類を判定す
る。演算手段は音響トランスジューサに供給されるＲＦ
エネルギーのタイミング及び周波数を測定することによ
って選択またはフィルタされる狭帯域赤外線波長を測定
するためにＲＦＰエネルギー源を選択的に作動させる手
段を含む。

本発明の目的は、たとえば煙道ガス放出物のモニタに好
適な改良型の自動音響光学赤外線分析装置を提供するこ
とにある。この改良型分析装置は高速走査差動吸収分光
、信号コンディショニング、及び測定された吸収スペク
トルと記憶スペクトルの比較など、「スマ−ト、センサ
」として作用させるためにマイクロコンピュータとイン
ターフェースさせ易い、電子的に作動される装置である
。

本発明では、狭帯域相互作用赤外線の角度変位がこの狭
帯域相互作用赤外線を検出手段において広帯域非相互作
用赤外線から分離するのに充分な大きさとなり、直交偏
光子が不必要となるように赤外線検出手段と音響光学同
調フィルタを分離した改良型自動音響光学赤外線分析装
置が提供される。

本発明ではさらに、ＡＯＴＦが狭帯域のパルス状または
チョップされた赤外線を、ガスを含んでいる煙道を横切
って検出手段にむかって透過させるように構成した改良
型自動音響光学式赤外線分析装置が提供される。即ち、
検知手段はこのパルス状赤外線と高温煙道からの熱線と
を弁別することができる。従りて、本発明の改良型分析
装置は被分析ガスが極めて高温であるような場合に特に
好適である。

上記目的を達成するため、本発明は、分析すべき物質を
含有している対象環境に赤外線を通過させる手段と、結
晶光軸に対して所定の角度で赤外線が通過するように光
学的に整列させた音響光学結晶を含む音響光学同調フィ
ルタと、可変周波数ＲＦエネルギー源及び音響光学結晶
と結合して結晶中へ音波を発射して赤外線の選択された
狭帯域部分と相互作用させることにより、この狭帯域部
分を残りの赤外線から弁別できるようにする音響トラン
スジューサ手段と、対象環境内の所与の物質の吸収特性
によって変化する前に赤外線を音響光学同調フィルタに
入射させる手段とを具備し、選択された狭帯域部分がＲ
Ｆエネルギー及び音波の周波数に応じて変化し、選択さ
れた狭帯域部分が音響光学同調フィルタを通過する非選
択赤外線に対して角度変位するように構成された広帯域
自動音響光学フィル。

タ式多ガス赤外線分析装置において、選択された狭帯域
赤外線部分の角度位置が狭帯域部分を広帯域の非選択赤
外線から空間的に分離させるのに充分な大きさとなるよ
うに音響光学同調フィルタに対して配置され、角度変位
した選択狭帯域赤外線部分を、対象環境を通過したのち
に検出し、検出された赤外線に応じた出力電気信号を発
生する赤外線検出手段と、検知手段出力電気信号を供給
されたサンプル・セル中に存在する物質を判定する演算
手段と、この演算手段に組み込まれた、音響光学結晶と
協働する音響トランスジューサに供給されるＲＦエネル
ギーのタイミング及び周波数を設定することによって音
響光学同調フィルタの赤外線波長選択性または同調を設
定でき、かつ検出手段が選択狭帯域部分のパルス状赤外
線と対象環境からの熱線とを弁別できるようにＲＦエネ
ルギー源をパルス動作させる手段とを含むことを特徴と
する広帯域自動音響光学同調フィルタ式多ガス赤外線分
析装置を提供する。

本発明のシステムでは、対象となる環境内の特定ガスの
存在を検出するため、環境を通過する赤外線との音響光
学的相互作用によりフィルタを選択された赤外線帯域に
すばやく電子的に同調させることができる。本発明の赤
外線分析装置は一定の赤外線吸収特性を有する被分析ガ
スを含んでいる可能性のある対象環境に赤外線を通す手
段を含む。ガスの吸収特性による変化が赤外線に起こる
前に音響光学同調フィルタに赤外線を入射させる手段を
設ける。音響光学同調フィルタは赤外線が結晶光軸に対
して一定の角度で通過するように光学的に整列させた音
響光学結晶と、可変エネルギーＲＦエネルギー源及び音
響光学結晶に結合されて結晶中へ音波を発射し、選択さ
れた狭帯域赤外線部分と相互作用させることによって狭
帯域赤外線部分を残りの赤外線から弁別可能にする音響
トランスジュサ手段とを含み、選択された狭帯域部分は
ＲＦエネルギー及び音波と関数関係にある。選択された
狭帯域部分を音響光学同調フィルタを通過する非選択ま
たは非相互作用赤外線に対して角度変位させる。角度変
位している選択された狭帯域赤外線部分を対象の環境を
通過したのちに検出する赤外線検出手段を設ける。検出
手段は検出された赤外線に応じた出力電気信号を発生す
る。検出手段は選択された狭帯域部分が検出手段におい
てこの狭帯域部分を残りの赤外線部分から空間的に分離
するのに充分な大きさとなるように、ＡＯＴＦに対して
配置する。最後に、検出手段の出力電気信号を供給され
てサンプル・セル中に存在するガスの種類を判定する演
算手段を設け、音響光学結晶と協働する音響トランスジ
ューサに供給されるＲＦエネルギーのタイミング及び周
波数を求めることによって音響光学同調フィルタの赤外
線波長選択性または同調を設定でき、かつ検出手段が選
択狭帯域部分のパルス状赤外線と対象環境からの熱線と
を弁別できるようにＲＦエネルギー源をパルス動作させ
る手段を演算手段に組み込む。従ってＡＯＴＦはガスを
含んでいる空間を横切って検出手段にむかって狭帯域パ
ルス状赤外線を透過させる。これにより、検出手段はこ
のパルス状赤外線と高温煙道からの定常的な熱線とを弁
別することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。

−第１図から明らかなように、自動音響光学同調フィル
タ赤外線分析装置１１は数個のサブシステムと、音響光
学同調フィルタ（ＡＯＴＦ）１３を含む構成要素から成
る６分析装置１１は２つの主要なサブシステム、即ち、
光学系１５及び電子系１７を含み、分析装置１１の光学
系１５は比較的広いスペクトル範囲にわたって機能でき
るように構成された赤外線ソリッド・ステート・スペク
トロメータを主体とする。光学系１５の広帯域赤外線の
１次光源として、例えばネルンスト灯のような赤外線光
源１９を利用する。光源１９からの出力赤外線の一部は
ミラー２１によりて集められ、平行光束となる。ミラー
２１からの平行光束がＡＯＴＦ１３を通過し、ここで赤
外線の狭帯域部分が選択され、第１図に点線で示したよ
うな残りの赤外線から区別される。第２ミラー２３はＡ
ＯＴＦ１３の空間的に分離された狭帯域の相互作用放射
出力を、分析すべき環境２５に通過したのちに回収する
ように整列させてあり、回収された平行光束を検出手段
２７に集束させる。本発明の基本思想を逸脱することな
く、他の方法を利用して赤外線を音響光学同調フィルタ
の入力面に集束させることができることはいうまでもな
い。この実施例の場合、分析すべき環境は例えば工業処
理プラントなどの煙道２５であある。第１図から明らか
なように、煙道２５は互いに対向する側壁２９．３１を
含む。この構成では、検出手段２７及びＡＯＴＦ１３は
煙道２５の両側に配置される。検出手段とＡＯＴＦを分
離することにより、検出手段において広帯域の非相互作
用赤外線から狭帯域の相互作用赤外線を空間的に分離す
るのに充分な角度距離だけ変位させることができる。

これにより、米国特許第４．４９０，８４５号明細書に
開示されているシステムが直交偏光子を設ける必要がな
くなるように改良される。

音響光学同調フィルタ１３は適当な結晶３３における光
波と音波との相互作用により動作する。典型的な実施態
様として、音響トランスジューサ３５を光学結晶１３に
接着し、後述する制御可能ＲＦ傷信号よって駆動する。

音響光学装置に使用するための各種光学材料が開発され
ており、米国特許 第３，７９２，２９７号、第３．９２９，９７０号及び
第３，７９９，６５９号の明細書に開示されているセレ
ン化タリウム砒素がその一例である。結晶３３は比較的
大きい一定の屈折率を有する。

トランスジューサ３５を結晶３３の入射光源とほぼ直交
する側に接着する。音響トンラスジューサ３５はインジ
ウム金属接着剤で音響光学結晶に固定したニオブ酸リチ
ウム結晶Ｘ板から成る。ニオブ酸リチウム・トランスジ
ューサの両側に導電電極パターンを設ける。

電極は後述のように電子システムから駆動される。結晶
３３の人力光学面３７は入射赤外線と直交するようにカ
ットしてあり、出力光線は入射光線に対して約６°の角
度で回折され、射出光学面はこの回折光線と直交するよ
うにカットされている。音響光学結晶３３は結晶ｂ−ｃ
軸が結晶の入射光学平面に含まれ、光線が所定の角度で
伝搬されるように構成されている。トランスジューサ３
５からの音響エネルギーは光線伝搬方向とほぼ直交方向
に伝搬される。トランスジューサにＲＦエネルギーが供
給されると、結晶の光軸に対して所定角度の通路に沿っ
て入力赤外線が伝搬され、狭帯域周波数が選択的に音波
と相互作用する。選択または同調された狭帯域赤外線は
影響を受けない入力線の通路に対して小さい角度でシフ
トまたは回折されるから、残りの入力線から区別するこ
とができる。、典型的な例として、前記小さい角度は約
６°である。即ち、このオフセット角のため、フィルタ
された光は空間的に分離される。セレン化タリウム砒素
音響光学結晶は結晶ｂ−ｃ軸を含むベース平面を有し、
光線は第２図に示すように、結晶Ｃ軸または光軸に対し
て約３５°の角度で伝搬される。入射光線と結晶Ｃ軸ま
たは光軸との間でこの角度関係は必須条件ではないが、
この角度関係の変化は所期の帯域幅波長をフィルタまた
は同調するのに利用される固有ＲＦ同調周波数に影響を
及ぼす可能性がある。

次に、第１図に示す電子システム１７を説明する。赤外
線検出手段２７からのアナログ出力信号が増幅器５１及
びアナログ／デジタル変換器５３に供給され、増幅、変
換されたデジタル信号がマイクロコンピュータ５５に供
給される。電子システム１７はトランスジューサ３５を
介して音響光学同調フィルタ１３において光学系１５と
インタフェースし、トランスジューサ３５はＲＦ増幅器
５７と接続し、このＲＦ増幅器５７から設定された周波
数のＲＦ駆動力がトランスジューサ３５を介して供給さ
れて結晶３３中へ音波を発射する。従って、光学的にフ
ィルタされた赤外線全検出し、マイクロコンピュータに
よって演算処理することによって所定のガスが煙道２５
中に存在することから生ずる吸収を算出することができ
る。マイクロコンピュータ５５は検出信号を可視表示す
るためのビデオ出力手段５９のほか、メモリ手段６１及
びプリンタ６３を含むのが普通である。メモリ手段６１
はシステムの制御／操作信号を記憶する。

マイクロコンピュータ５５はメモリ手段６１から制御信
号を供給されると、ゲート手段６゜９を介してＲＦ増幅
器５７と接続するパルス動作のための周波数合成器６７
からの出力周波数及び振幅を制御する。パルス抑止回路
手段７１とゲート６９を併用することにより、ＲＦエネ
ルギーのデユーティサイクルを、結晶３３をオーバヒー
トしない負荷レベルに制限しながら、適正幅のＲＦパル
スをトランスジューサに供給することができる。従って
、このシステムは迅速同調狭帯域赤外線フィルタとして
作用するだけでなく、ソリッドステート光学チョッパと
して作用することもできる。典型的な例として、有効周
波数範囲約２０〜１００メガヘルツ、ピーク電力約１０
ワツト、長さ約３．５マイクロセコンドのＲＦパルスを
音響光学同調フィルタ１３のトランスジューサ３５に逐
次供給するため、メモリ手段６１からマイクロセコンド
コンピュータ５５に制御信号を供給する。パルスは吸収
のない基準ｉ長において、次いで既知のガスが比較的強
い吸収を有する波長においてフィルタを透過性にするよ
うに構成する。種々のガスについて迅速に吸収波長をサ
ンプリングするだけでなく、このシステムはガスが存在
しない場合に、基準波長及びガス吸収波長に関してアナ
ログ／デジタル変換器によって測定された値としてサン
プル振幅信号を提示するように初期値設定されている。

この場合、マイクロコンピュータを利用して分析結果に
応じたフィード、バック・プロセス制御信号を発生させ
ることにより、分析の対象である例えば燃焼のような特
定プロセスを制御することができる。

このシステムを利用して通常の燃焼生成ガスをサンプリ
ングした。即ち、４１メガヘルツのＲＦ周波数を供給し
て亜硫酸ガスをサンプリングしたところ、亜硫酸ガスを
示す通常帯域波長は、４．２マイクロメータであった。

酸化窒素については、３６メガヘルツのＲＦ周波数を供
給し、通常帯域波長は５．２マイクロメータであった。

−酸化炭素に対しては、３７メガヘルツのＲＦ周波数で
４．７マイクロメータの通常帯域波長が得られ、メタン
に対しては５３メガヘルツのＲＦ周波数で、３．３ｇマ
イクロメータの通常帯域波長が得られ名。

亜硫酸ガスに対して、４４メガヘルツのＲＦ周波数を供
給すると、４．０マイクロメータの通常帯域波長が得ら
れる。

以上に述べたのは煙道の一方の側に赤外線光源及び音響
光学同調フィルタを配置し、煙道の他方の側に赤外線検
出手段を配置した改良型自動音響光学式分析装置である
。検出手段を音響光学同調フ・イルタから分離すること
により、検出手段における広帯域の非相互作用光線から
空間的に分離するに充分な角度距離だけ狭帯域の相互作
用光線を引き離して、偏光子を不要にすることができる
。このように構成することにより、音響光学同調フィル
タがガス含有空間を通って検出手段に入射するように狭
帯域パルス光線を透過させるという第２の改良点が得ら
れる。検出手段は高温の煙道から放出されるこれらのパ
ルス線と定常的な熱線と弁別することができ、 ＡＯＴＦ、光源及び検出手段をこのように構成すれば、
同調された回折光が検出手段において光源からの回折さ
れない広帯域スペクトルがら空間的に分離され、ＡＯＴ
Ｆの同調機能がチコッピング機能と組み合わされて外来
光線の弁別を可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、自動音響光学赤外線分析装置を暗示する構成
図。 第２図は、本発明の音響光学同調フィルタを、これを通
過する広帯域非相互作用光線に対する狭帯域相互作用光
線の角度変位と共に示す拡大図である。 １３・・・・ＡＯＴＦ １９・・・・光源゛ ２１・・・・第１ミラー ２３・・・・第２ミラー ２５・・・・対象環境 ２７・・・・検出手段 ３５・・・・音響トランスジューサ ＦＩＧ、　１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、分析すべき物質を含有している対象環境に赤外線を
   通過させる手段と、結晶光軸に対して所定の角度で赤外
   線が通過するように光学的に整列させた音響光学結晶を
   含む音響光学同調フィルタと、可変周波数ＲＦエネルギ
   ー源及び音響光学結晶と結合して結晶中へ音波を発射し
   て赤外線の選択された狭帯域部分と相互作用させること
   により、この狭帯域部分を残りの赤外線から弁別できる
   ようにする音響トランスジューサ手段と、対象環境内の
   所与の物質の吸収特性によって変化する前に赤外線を音
   響光学同調フィルタに入射させる手段とを具備し、選択
   された狭帯域部分がＲＦエネルギー及び音波の周波数に
   応じて変化し、選択された狭帯域部分が音響光学同調フ
   ィルタを通過する非選択赤外線に対して角度変位するよ
   うに構成された広帯域自動音響光学フィルタ式多ガス赤
   外線分析装置におい て、選択された狭帯域赤外線部分の角度位置が狭帯域部
   分を広帯域の非選択赤外線から空間的に分離させるのに
   充分な大きさとなるように音響光学同調フィルタに対し
   て配置さ れ、角度変位した選択狭帯域赤外線部分を、対象環境を
   通過したのちに検出し、検出された赤外線に応じた出力
   電気信号を発生する赤外線検出手段と、検知手段出力電
   気信号を供給されたサンプル・セル中に存在する物質を
   判定する演算手段と、この演算手段に組み込まれた、音
   響光学結晶と協働する音響トランスジューサに供給され
   るＲＦエネルギーのタイミング及び周波数を設定するこ
   とによって音響光学同調フィルタの赤外線波長選択性ま
   たは同調を設定でき、かつ検出手段が選択狭帯域部分の
   パルス状赤外線と対象環境からの熱線とを弁別できるよ
   うにＲＦエネルギー源をパルス動作させる手段とを含む
   ことを特徴とする広帯域自動音響光学同調フィルタ式多
   ガス赤外線分析装置。 ２、演算手段がマイクロプロセッサ、及び所定の分子を
   示す信号を記憶し、これらの信号と検出信号を比較でき
   るようにするメモリ手段を含み、メモリ手段が一定シー
   ケンスの信号を出力し、これがマイクロプロセッサに供
   給され、マイクロプロセッサがこれを周波数合成器に供
   給することにより、音響光学結晶に結合されたトランス
   ジューサに供給されるＲＦエネルギの周波数を変化させ
   て分析される赤外線狭帯域部分の選択を変化させるこ と、及び、所定の分子サンプルにそれぞれ対応する周波
   数が供給されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の分析装置。 ３、ＲＦエネルギー源が音響トランスジュサと接続する
   増幅器と電子信号ゲート手段を介して結合されたＲＦエ
   ネルギー周波数合成器を含み、演算手段が音響光学同調
   フィルタに供給されるＲＦエネルギーの周波数を所定の
   態様で変化させるためＲＦ周波数合成器に逐次的パルス
   制御信号を供給するマイクロプロセッサ及びメモリ手段
   を含み、ＲＦ増幅器にパルス幅変調ＲＦエネルギーを供
   給するため電子信号ゲート手段に制御信号を供給するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記
   載の分析装置。 ４、光学的に整列させた音響光学結晶がセレン化タリウ
   ム砒素結晶であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項から第３項までのいずれかに記載の分析装置。 ５、赤外線を通過させる結晶が結晶光軸に対して所定角
   度だけ傾斜し、音響トランスジューサが可変周波数ＲＦ
   エネルギー及び音響光学結晶に結合されて結晶晶内へ音
   波を発射して選択された狭帯域赤外線部分と相互作用さ
   せることにより、狭帯域赤外線部分を残りの赤外線から
   弁別可能にすることを特徴とする特許請求の範囲第４項
   に記載の分析装置。