JPS62291544A - 光音響的手法による気体分析器 - 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】 ３、発明の詳細な説明〕 〔産業上の利用分野〕 本発明は、測定室と、変調光源と、測定室と関連しかつ
測定室内の光の吸収により生じる圧力の変化を測定する
少な（とも１つのマイクロフォンとからなる光音響分光
法の気体分析装置に関する。

〔従来の技術および解決しようとする問題点〕上記の測
定法は、分子が例えばある予め定めた波長の赤外線の如
き光を吸収するといつ事実を利用するものである。吸収
帯域の位置は物質に依存する。赤外線光は変調されて、
音響信号が測定室内で生じ、この信号は濃度に比例しか
つ変調周波数と対応する周波数を有する。

気体濃度を測定するための公知の方法は、所詰透過法で
あり、米国特許明細書第３，５６２，５２４号を参照す
ること、この方法は、光が気体セルの通路においてどれ
だけ交番するかの測定に基いており、セル内の所要の気
体の有無に拘らず測定された光の強さの相違が気体の濃
度を表示する。従って、測定結果の信頼性は気体濃度が
低い場合にむしろ高い。

上記の欠点は、光音響測定法により与えられる信号が気
体濃度と正比例し、かつ透過法とは異なり２つの略々等
しい値開の差に比例する故に、光音響測定法によって避
けられる。従って、本方法は、測定室内の光の強さが充
分に高いことを前提とすれば低い気体濃度を測定するの
に特に適している。

高い感度を有する公知の光音響測定法は、光源としてレ
ーザーを使用することに基いており（第１図参照）、レ
ーザーは一部は例えば炭酸ガスにより生じる強い光エネ
ルギを用い、また一部は発射された光の平行度を用いる
。しかし、レーザーの光源は、波長の変化に関してそれ
程尤度が太き（ない。更に、炭酸ガス・レーザーの如き
高エネルギは、高価であり、重量が大きくかつ大型とな
り。従って大量生産には適しない。

略々平行な光は公知の光音響測定法による条件であり、
また熱論、レーザー光源の代りに、熱光源またはスペク
トル・ランプの如き別の形式の光源から生じる。このよ
うに、波長の選択に関する高い柔軟性が、所要の波長間
隔の選択のために例えば光学的フィルタを使用すること
によって得られる。このような光源は、更に、廉価であ
り、小型かつ操作が容易であり、従って大量生産に適し
ている。しかし、前記光源から生じる略々平行な光線の
強さは、５１ｎ２θ（θは光の発散角度）に比例するた
め非常に低い。

その代り、測定室において収束される非常に発散度の大
きな光が使用される場合は、非常に高められた光の強さ
が得られる。しかし、このことは、光の大きな部分が測
定室の壁面に当るこれにより部分的に吸収されるという
欠点で減殺される。その結果、測定信号が部分的に減少
させられるが、これは光の一部しか測定室を通過せず、
更に強い背景信号が測定室の壁面に吸収された光エネル
ギによって生じるためである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の目的は、例えば、熱光源を含む光音響トランス
ジー−サが如何にして高い感度を呈し得るかを示すこと
にある。高い感度は次の２つの方法で得られる。即ち、
一部は光の強さ従って信号レベルを最大化することによ
り、また一部は外乱信号を最小化することによるもので
ある。

本発明は、光音響測定室を提供し、その壁面は内側から
この壁面に当る光を反射する。このように、測定室に入
射する光が前記測定室を通過し、これにより所要の気体
信号の生成に寄与する。更に、外乱を生じる°背量信号
が、光の小部分１−４か測定室の壁面により吸収されな
いため最小限度に抑えられる。背景信号は、例えば、金
の如き薄い反射コーティング層を有する銅の如き熱伝達
率の高い物質の室の壁面を作ることにより更に減少させ
ることができる。

測定室内の光の強さ、従って感度が、測定室の１つのウ
ィンドが反射壁面で置換される時２の因数だけ増大され
、従って測定室を通過する光の量が２倍となる。

更に普遍的な実施態様によれば、測定室は熱伝達率の非
常に大きな物質の壁面を有しかつ内側の反射コーティン
グを有する任意の形状の中空の胴部を含む。測定室に入
射する光は次に室から出る前に壁面において数回反射さ
れ、これにより強さが４までの因数だけ増幅される。球
状の測定室はこのような測定室の一例である。

強さの更なる増幅は、入射角θ〈θ−における光の供給
を許容する収束器によって得ることができる。光は、θ
〉θ鱈ならば反射される。−従って、収束器から出る光
の発散度は増大し、強さもまた増加させられる。

充分に低い壁面の背景信号を得るためには、反射コーテ
ィングがほとんど光を吸収しないことが必要である。こ
のことは赤外線により比較的容易に得られるが、紫外線
では得られない。紫外領域に対して特に適する測定室は
、石英の如き熱伝達率が低い透過性の大きな誘電物質の
壁面、および測定室の外側に塗布されるアルミニウムの
如き反射コーティングにより提供される。このように、
壁面の背景信号はかなり低減される。

測定室と接続された２つの略々同じマイクロフォンを備
えた赤外ｉ凍気体分析器は、この２つの同じマイクロフ
ォンが測定室内に保有される空気の重心に対し対称的に
配置され２つのマイクロフォンの信号が加えられる時、
振動に対する補償を可能にする。

ルが閉鎖された測定室の空間に対して接続される如き特
定の方法における形状を呈する。その結果、外側からの
音響的ノイズによる外乱が減殺される。

トランスジューサが別の光学的フィルタ、即ち基準フィ
ルタが設けられ、また２つのフィルタ間で切換る機械的
装置が設けられる時、壁面の背景信号の如き外乱を生じ
る信号、即ち干渉を生じる可能性のある気体または水の
連続体信号からの信号を補償することが可能である。こ
れは、水流中の小さな広帯域の吸収、即ち所謂「水の連
続体の吸収」から得られる。

上記の基準フィルタ補償の別の実施態様によれば、変調
器および２つのフィルタを１つの回転装置、即ち所謂差
フィルタ変調器に組合される。このように、別個の機械
的なフィルタ切換え装置が避けられ、更に信号対ノイズ
比の値が６　ｄＢだけ向上する。

水の連続体の信号の補償は、特定の基準フィルタを使用
する代りに、光源として電気的に変調されるグロー・ラ
ンプによる水の濃度の光音響測定法により得ることがで
きる。本方法は、グロー・ランプからの光のスペクトル
分布が波長の間隔１，５乃至２，７μに位置する吸収帯
域と一致するという事実に基いており、前記スペクトル
分布はグロー・ランプのスペクトル特性およびランプの
ガラスの透過特性とにより決定される。このような方法
は、非常に簡単でありかつ廉価である。

一実施態様によれば、測定室の入口部に磁気作用弁が設
けられている。これらの磁気作用弁は測定操作中測定室
を閉鎖し、このため音響ノイズの更なる減殺を保証する
。しかし、このような測定操作は連続せず、応答時間が
やや長くなる。第２の実施態様によれば、磁気作用弁は
、変調器の周波数における外側からの音響ノイズを大幅
に低下させることができる音響的低域フィルタにより置
換される。このように、気体の通過中連続的に測定する
ことが可能となり、このため短い応答時間を保証する。

しかし、感度はやや低下する。

音響的フィルタの特に有利な実施態様によれば、音響容
儀は測定されるべき気体が通過しない側方の空間と対応
する。このように、変調器の周波数は短い応答時間を失
うことなく非常に低下される。

複数の光学的フィルタならびにその直列結合のための機
械的装置を備えたトランスジューサは、いくつかの気体
の混合物中の気体濃度の逐次の測定を行なうことを可能
にする。いくつかの気体の迅速な同時の並行的な測定は
、光が多数の恒久的な光学的フィルタ間に分布されるよ
うに形成されるトランスジューサと、前記フィルタと対
応する光がその各周波数において変調されるように形成
される変調器とによって行なうことができる。種々の気
体と対応する信号がマイクロフォ／の信号の電気的な濾
過操作により分離される。

必要に応じて、赤外線気体分析装置は、常磁性の測定装
置と組合すことができ、また同じ測定用マイクロフォン
を用いることができる。従って、常磁性気体分析器は酸
素顔料を測定するため用いることができるが、赤外線気
体分析器は残りの気体の内容を測定するため使用するこ
とができる。

本発明については、図面に関して以下に更に詳細に記述
することとする。

〔実施例〕

第１０図の気体分析器は、測定室２と光源４とからなっ
ている。変調器６およびフィルタ８は、測定室２と光源
４との間に置かれている。変調器６は、第１１図の開口
を有する回転円板である。変調器６は、測定室に対して
断続する光線を発射させる。測定室２内の吸収およびこ
の測定室内に保有される気体のその結果の加熱が、音響
信号が測定室２内で生成されることを示唆する。この信
号は、測定室と連絡するマイクロフォン１０により検出
される。この音響信号は分析される気体の濃度に比例し
、変調器の周波数と対応する周波数を有する。

第１１図は、Ｎ２０．Ｃ０２および吸収材（ａｎａｅｓ
ｔｈｅｔｌ（ｓ）によりそれぞれ吸収される波長におけ
る赤外線光を透過させるある静止フィルタ孔１１ａ　、
　ｌｌｂ　、　ｌｌｃ　ト関連する変調器６を示してい
る。光は３つの異なる周波数において同時に変調される
。このため、３種の気体濃度を同時に測定することが可
能である。

光音響信号の音圧は下式で表わされる。即ち、πω 但し、工＝測定室内の平均的な光の強さＣ＝気体濃度 に＝吸収係数 ω＝変調器の周波数、および γ＝各シ、但し、Ｃｐは一定の圧力において１゜だけ気
体１モルを加熱するため必要な熱量（モル比熱Ｃｐ）、
Ｃｖは一定の体積において１°だけ気体１モルを加熱す
るため必要な熱量である。

このように、感度は光の強さ工に比例する。更に、この
感度は変調器の周波数ωに反比例する。

しかし、この式は単に測定室の大きさに応じて予め定め
た比較的低い限度に妥尚するに過ぎない。

このため、感度を増大するためには、光の強さを増すこ
とが望ましい。

第３図は、比較的小さなウィンドつ１３を含む球状の測
定室１２を示している。光源の光は、ミラーによって収
束される。この光は非常に発散性が大きく−このことは
入射する光の強さが強いことを意味する。球状の測定室
の内表面が研摩され、所要の波長間隔において非常に反
射率が大きい物質、例えば金またはロジウムで覆われて
いる。測定室１２に進入する光は、測定室から出される
前に数回反射される。このように、光の強さは、進入光
の強さに比較して測定室１２内で増幅される。最大増幅
率は４倍である。発散する進入光および多重反射板によ
る増幅は高い感度を保証する。本方法の条件は、一部は
増幅をできるだけ極大化するため、また一部は測定室の
壁面に吸収される光の一部により生じる背景信号を低下
させるための高い反射能力である。背景信号もまた、テ
ルル銅および銅の如き壁面材料の適当な選択により低下
させることができる。このような材料は、高い熱伝達率
と高い熱容量を持たねばならない。

強さの別の増幅法は、第４図の測定室の開口に配置され
る収束器によって得ることができる。収束器は、発散角
度θくθ腐の光の通過を許容することができる。θ〉６
厘である時、この光は再び外方に反射される。収束器か
ら出て測定室に入射する光の発散性は太きい。強さ （最大増幅＝□）もまた太き（・。

５ｉｎ２　　腐 収束器から出る光はレンズによるよりも更に発π 散性が大きくなり得る（−以下）。

差のフィルタ変調器は、２つの回転する光学的フィルタ
、例えば２つの三日月形フィルタを含む第７図の形態の
ものからなり、このフィルタはそれぞれサンプル・フィ
ルタおよび基準フィルタである。基準フィルタは、壁面
の背景気体、干渉する気体または水の連続体の吸収を補
償する。

差分フィルタ変調器の代りに、最初にオンとなる第１の
フィルタにより逐次測定を実施し、次いで第２のフィル
タのオンの切換えが続いて測定することができ、この手
順は数学的補償が続く。フィルタ変調器の利点は、フィ
ルタ切換え装置が不要であること、更に同じ測定周間の
間６　ｄＢ高い信号対ノイズ比が得られる（差が直接測
定されるため、３ｄＢおよび変調器のｊ−り期間が測定
のため使用される３　ａＢ）。

特に望ましい実施態様によれば、球状の測定室には第５
図の外側反射コーティングが設けられ、これにより壁面
の背景信号が減殺される。この壁面は透明材料から作ら
れ、熱的に厚い、例えば熱拡散距離よりも厚くなければ
ならず、前記拡散距離は変調器の周波数および材料の熱
特性に依存する。熱伝達率が大きいことは、この材料が
長い拡散距離を有し、従って壁面は更に厚くなければな
らないことを意味する。

一実施態様によれば、第２図の円筒状の測定室が含まれ
、この実施態様は特に大量生産するものである。このよ
うな室は研摩が容易である。しかし、その代り強さの増
幅は球状の実施態様に比較して２の因数だけ減殺される
。

第１２図は測定室の斜視図であり、これにおいては光学
的フィルタを測定室の前方に配置することができる。測
定室はテルル銅のブロックに配置されることか望ましく
、この材料は純銅よりは処理が容易である。測定室の内
側はニッケルおよび金で覆われることが望ましい。

水の連続体の信号に対する補償は、水の濃度の測定を必
要とする。これはマイクロフォンおよび電気的に変調さ
れるグロー・ランプにより光音響的に実施されるが、そ
の周波数特性は水の帯域の２．７μと対応する。後者の
場合に、各フィルタの特性に基く数学的補償が行なわれ
る。ランプのガラスの最大遮断周波数は３μであり、こ
のため特に４．２７μにおける炭酸ガスの周波数帯によ
り影響を受けることがない。従って、光学的フィルタは
省くことができる。電気的に変調されるグロー・ランプ
は機械的なフィルタ・スイッチの省略を可能にする。

水の連続体の吸収は、水の流れにおける広い帯域の吸収
である。この吸収係数は、波長と共に「やや」変化する
。一般に、この吸収係数は線構造を持ち吸収が濃度に比
例する活性吸収帯とは異なり一水の漏痔の２乗に圧侑１
する、 上記の実施態様は振動に感応する。振動の感度は、一部
はマイクロフォンの隔膜の質量によるもので、即ちこの
隔膜はその結果薄くなければ、また一部は測定室内に含
まれる空気の質量によるものである。上記の感度を低下
させるため２つのマイクロフォン１５．１６が使用され
、反対方向に向いている。更に、これらマイクロフォン
は測定室内に含まれる空気の重心の周囲に対称的に配置
されている。この２つのマイクロフォン１５．１６の信
号は加算され、これにより振動が回避される。空気と隔
膜の双方からの振動信号の同時の補償のため同一のマイ
クロフォンが必要とされる。このような実施態様は、信
号電力の６　ａＢの増加ならびに信号対ノイズ比の３　
ｄＢの増加を保証する。

各マイクロフォンは更に、外部からの音響的ノイズを低
下させるため、圧力均衡チャネルが測定室と連通し、周
囲とは連通しないような形状とすることができる。

熱光源からの発散光による測定室に進入し得る電力の大
きさは、例えば９．８μおよび０．７μの帝域中が約１
３ｍＷ　もたらすという事実によって示すことができる
。

第１３図は、電磁性の測定装置と関連する光音響測定装
置を示し、同じマイクロフォンが両方の場合に使用する
ことができるという事実が利用される。光音響測定法は
特に例えばＮ２０の含量測定に適するが、電磁性測定法
は酸素の含量測定のため適している。

測定室の各入口部は、無関係な音響的信号を除く音響的
フィルタが設けられるのが望ましく、この音響的フィル
タは音響的ＲＣ素子である。第９ａ図は従来周知のＲＣ
素子を示すが、第９ｂ図は音響的ＲＣ素子を示し、この
場合Ｃは側方の空間で表わされる。このような側方の空
間の特に有利な点は、応答時間を減少することなく音響
レベルの大きな低下が得られることである。このように
、数種の気体の迅速な測定が数十秒の時定数で可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザーを使用する公知の光音響測定法を示す
図、第２図は熱光源からの発散光の使用を可能にする反
射壁面を有する光音響測定室を示す図、第３図は測定室
の第２の実施態様の一例を示す図、第４図は収束器を備
えた測定室を示す図、第５図は外側の反射コーティング
を有する透明な誘電材料の測定室を示す図、第６図は２
つのマイクロフォンによる振動の補償措置を示す図、第
７図は差のフィルタ変調器の一例を示す図、第８図は入
口部における磁気作用弁または音響的低域フィルタを備
えた測定室を示す図、第９ａ図及び第９ｂ図は音響的フ
ィルタを示す図、第１０図は気体の混合物のいくつかの
気体の同時の測定を行なう・ための光光響トランジーー
サを示す図、第１１図は第１０図の変調器の正面図、第
１２図は測定室の一例を示す斜視図、および第１３図は
常磁性体分析器と組合せた光音響気体分析器を示す図で
ある。 ２・・・測定室　　　　　４・・・光源６・・・変調器
　　　　　８・・・フィルタ（外４名）、・ニー」 １寸　　　　　　　　哨 Ｃ ひ ；　　　　　　迫 ：　　　　　　　０） マ　　　　　　　　　　　艷− ば　　　　へ 歪

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測定室と、変調光源と、該測定室に関連させて測定
   室内の光の吸収により生じる圧力の変化を測定する少な
   くとも１つのマイクロフォンとを含む光音響式気体分析
   器において、反射性コーティングされた湾曲面を含む測
   定室を設けることを特徴とする光音警式気体分析器。 ２、前記湾曲面が実質的に円筒状である測定室を設ける
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光音響式
   気体分析器。 ３、前記反射性コーティングが測定室の外側にほどこさ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項に記載の光音響式気体分析器。 ４、強さを増すように増幅するため前記測定室の前方の
   収束器を設けることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至第３項のいずれかに記載の光音響式気体分析器。 ５、２つの実質的に同じマイクロフォンが前記測定室と
   関連して設けられる特許請求の範囲第１項乃至第４項の
   いずれかに記載の光音響式気体分析器において、前記の
   ２つの同じマイクロフォンが前記測定室に対し対称的に
   配置され、該２つのマイクロフォンの信号が付加される
   ことを特徴とする光音響式気体分析器。 ６、光が複数の恒久的な光学的フィルタ間に分布される
   ことと、これらフィルタと対応する光がそれらの各周波
   数において変調されるように形成された変調器とを特徴
   とする特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれかに記
   載の光音響式気体分析器。 ７、前記変調器および前記フィルタが１つの回転装置に
   組合されることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載
   の光音響式気体分析器。 ８、例えば常磁性装置の如き第２の測定装置と組合され
   ることを特徴とする光音響式気体分析器。 ９、１つ以上の音響的ＲＣ素子の形態の音響フィルタを
   設け、該フィルタが前記測定室の各入口部に配置される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第８項のい
   ずれかに記載の光音響式気体分析器。 １０、音響的ＲＣ素子の形態の音響フィルタが側方の室
   を有することを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の
   光音響式気体分析器。 １１、前記マイクロフォンの後方の空間からの圧力均衡
   チャネルが閉鎖された測定室の空間と連通することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれか
   に記載の光音響式気体分析器。 １２、マイクロフォンおよび電気的に変調されたグロー
   ランプによる、光音響測定法による水の濃度を補償する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第１１項の
   いずれかに記載の光音響式気体分析器。