JPWO2016125338A1 - ガス分析方法およびガス分析装置 - Google Patents
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Abstract
ガス分析方法は、ガスセルに導入されたサンプルガスに含まれる対象ガスの１つの吸収線に対応する波長にチューニングされた赤外光を前記サンプルガスに入射し、前記ガスセルを透過した前記赤外光の透過光の強度に対応したサンプル信号値を測定し、前記ガスセル内の前記サンプルガスを排気したのち基準ガスで置換し、前記基準ガスを透過した前記赤外光の透過光の強度に対応した基準信号値を測定し、前記基準信号値に対する前記サンプル信号値の比率から前記１つの吸収線におけるガス濃度を算出する。
Description
本発明の実施形態は、ガス分析方法およびガス分析装置に関する。
赤外光を放出するレーザ装置は、ガス分析装置に応用されている。
多くのガスは、固有の吸収スペクトルにしたがって赤外線を吸収する。吸光度はガス濃度に依存するが、赤外光の入射光強度に対する透過光強度を測定することにより求めることができる。このため、濃度を知りたいガスにおいて、赤外光の透過強度を測定することにより、ガス濃度を知ることができる。
たとえば、ガスが呼気である場合、含まれるＣＯ２、ＮＯ２、ＮＨ３、アセトン、メタンなどは微量である。このため、ガス濃度測定精度を高めることが要求される。
ガス濃度を高い精度で測定可能なガス分析方法およびガス分析装置を提供する。
実施形態のガス分析方法は、ガスセルに導入されたサンプルガスに含まれる対象ガスの１つの吸収線に対応する波長にチューニングされた赤外光を前記サンプルガスに入射し、前記ガスセルを透過した前記赤外光の透過光の強度に対応したサンプル信号値を測定し、前記ガスセル内の前記サンプルガスを排気したのち基準ガスで置換し、前記基準ガスを透過した前記赤外光の透過光の強度に対応した基準信号値を測定し、前記基準信号値に対する前記サンプル信号値の比率から前記１つの吸収線におけるガス濃度を算出する。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態にかかるガス分析装置の構成図である。
ガス分析装置５は、光源１０と、ガスセル２０と、検出部４０と、制御部５０と、を有する。
図１は、本実施形態にかかるガス分析装置の構成図である。
ガス分析装置５は、光源１０と、ガスセル２０と、検出部４０と、制御部５０と、を有する。
光源１０は、サンプルガスＳＧに含まれる対象ガスが有する吸収線に波長をチューニング可能な赤外光Ｇを放出する。光源１０をＱＣＬ（Quantum Cascade Laser）、半導体レーザ、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser)などとすると、赤外光Ｇを光密度が高いレーザ光とすることができる。赤外光Ｇの波長を３〜１２μｍなどとすると、多くの有機ガスや無機ガスの濃度を測定することができる。
ガスセル２０は、導入口２２と、排出口２６と、を有する。基準ガスＲＧおよびサンプルガスＳＧが選択的にガスセル２０内に導入される。排出口２４の外側に真空ポンプ２６を設けると、ガスの切換を迅速にできる。
また、ガスセル２０は、１つのガスの吸収線のうちの第１の吸収線に対応する赤外光が入射する入射部３０と赤外光が出射する出射部３２とを有する。
検出部４０は、光吸収が十分に小さい基準ガスＲＧの透過光強度ＩＯに対応した基準信号値に対するサンプルガスＳＧの透過光強度Ｉに対応したサンプル信号値を検出する。検出部４０は、たとえば、冷却型検出器（ＭＣＴ：ＨｇＣｄＴｅからなる）やフォトダイオードとすることができる。
制御部５０は、第１の吸収線において、サンプル信号値を基準信号値よりも先に測定するようにガス導入順序を選択する。また、制御部５０は基準信号値に対するサンプル信号値の比率から１つの吸収線におけるガス濃度ｃを算出する。
吸光度Ａは、式（１）で表される。
また、吸収係数αは、式（２）で表される。
ガス濃度ｃは、式（３）から算出できる。
また、ガスセル２０内は互いに対向する凹面ミラー２８、２９を配置することができる。このようにすると、マルチパスとなり、赤外光Ｇの光路長Ｌを実質的に長くできる。このため、式（１）より吸光度Ａを高めることができる。
図２は、第１の実施形態にかかるガス分析方法のフロー図である。
図１に表す実施形態のガス分析装置は、環境ガス、Ｈ２Ｏ、化学物質、生体ガスなどを含む種々のガス分析が可能である。本図では、サンプルガスＳＧをヒトの呼気とする例を説明する。もちろん、サンプルガスＳＧは呼気に限定されない。
図１に表す実施形態のガス分析装置は、環境ガス、Ｈ２Ｏ、化学物質、生体ガスなどを含む種々のガス分析が可能である。本図では、サンプルガスＳＧをヒトの呼気とする例を説明する。もちろん、サンプルガスＳＧは呼気に限定されない。
まず、ガス分析装置のスイッチをオンとする。この場合、光源１０のスイッチをオンとすることができる。
続いて、サンプル信号値を測定する（Ｓ２００）。ステップＳ２００は、サンプルガスＳＧを導入し、赤外光の波長をサンプルガスＳＧの吸収線の１つにチューニングしてサンプルガスＳＧに照射し、透過光強度Ｉを測定するステップを含む。対象とするサンプルガスＳＧが複数のガス成分を含むとき、複数の吸収線におけるサンプル信号値が測定される。
続いて、ガスセル２０内のサンプルガスＳＧを大気を含む基準ガスＲＧで置換する（Ｓ２０２）。
続いて、基準信号値を測定する（Ｓ２０４）。ステップＳ２０４は、赤外光の波長をサンプルガスＳＧの吸収線の１つにチューニングして基準ガスに照射し、透過光強度Ｉを測定するステップを含む。対象とするサンプルガスＳＧが複数のガス成分を含むとき、複数の吸収線における基準信号値が測定される。
制御部５０は、基準信号値に対するサンプル信号値の比率から１つの吸収線におけるガス濃度ｃを、式（１）〜（３）などを用いて算出する（Ｓ２０６）。
他のサンプルガスＳＧを測定する場合（ｙｅｓ）には、ステップＳ２００に戻る。この場合、ガスセル２０内には、基準ガスＲＧが充填されていたので内部の汚染度は低い。このため、ステップＳ２００のサンプルガスＳＧの導入が可能となる。他のサンプルガスＳＧを測定しない場合（ｎｏ）は、測定を終了する。
たとえば、ヒトの呼気に含まれる微量のＣＯ２、ＮＯ２、ＮＨ３、アセトン、メタンを測定することにより、種々の病気の予防や早期発見が容易になる。
図３は、比較例にかかるガス分析方法のフロー図である。
なお、ガス分析装置は、図１と同じとするがガスの導入順序が異なる。
まず、ガスセル２０に残っていたガスを排出し、大気などを導入し洗浄したのち基準ガスＲＧで置換する（Ｓ３００）。
なお、ガス分析装置は、図１と同じとするがガスの導入順序が異なる。
まず、ガスセル２０に残っていたガスを排出し、大気などを導入し洗浄したのち基準ガスＲＧで置換する（Ｓ３００）。
次に、基準信号値を測定する（Ｓ３０２）。ステップＳ３０２は、赤外光の波長をサンプルガスＳＧの吸収線の１つにチューニングして基準ガスＲＧに照射し、透過光強度Ｉ０を測定するステップを含む。対象とするサンプルガスＳＧが複数のガス成分を含むとき、複数の吸収線における基準信号値が測定される。
続いて、ガスセル２０内を大気を含むサンプルガスＳＧで置換する（Ｓ３０４）。
続いて、サンプル信号値を測定する（Ｓ３０６）。ステップＳ３０６は、赤外光の波長をサンプルガスＳＧの吸収線の１つにチューニングしてサンプルガスＳＧに照射し、透過光強度Ｉ０を測定するステップを含む。対象とするサンプルガスＳＧが複数のガス成分を含むとき、複数の吸収線におけるサンプル信号値が測定される。
制御部５０は、基準信号値に対するサンプル信号値の比率から第１の吸収線におけるガス濃度ｃを、式（１）〜（３）などを用いて算出する（Ｓ３０８）。
他のサンプルガスＳＧを測定する場合（ｙｅｓ）には、ステップ３００に戻る。この場合、ガスセル２０内には、長い時間サンプルガスが充填されるので内部が汚染されていることが多い。このため、ステップ３００の洗浄が必要である。このため、測定時間が第１のガス分析方法に比較して長くなる。他のサンプルガスＳＧを測定しない場合（ｎｏ）は、測定を終了する。
図４（ａ）は比較例における光強度波形を表すグラフ図、図４（ｂ）は第１の実施形態における光強度波形を表すグラフ図、である。
図４（ａ）の比較例において、破線で表す基準信号値および実線で表すサンプル信号値ともに時間変動が大きい。このため、２つの信号値の比率の変動が大きくなり、測定精度が低下する。他方、図４（ｂ）に表す第１の実施形態において、破線で表す基準信号値および実線で表すサンプル信号値の変化がともに低減され安定している。このため、２つの信号値の比率の変化も低減され、測定精度を高めることができる。
図４（ａ）の比較例において、破線で表す基準信号値および実線で表すサンプル信号値ともに時間変動が大きい。このため、２つの信号値の比率の変動が大きくなり、測定精度が低下する。他方、図４（ｂ）に表す第１の実施形態において、破線で表す基準信号値および実線で表すサンプル信号値の変化がともに低減され安定している。このため、２つの信号値の比率の変化も低減され、測定精度を高めることができる。
図５（ａ）は比較例における累積回数に対する基準ガス透過光強度依存性を表すグラフ図、図５（ｂ）は第１の実施形態の累積回数に対する基準ガス透過光強度依存性を表すグラフ図、である。
図５（ａ）、（ｂ)は、ガス分析装置を約８日間稼働させて、基準ガスを透過した透過光の光強度を測定した結果である。図５（ａ）の比較例では、ガス分析装置が測定していない期間、ガスセル２０内にはサンプルガスが充填されている。このため、基準ガスを透過した赤外光の光強度の変化が大きい。特に長時間測定は行われない状態であると、光強度の変化が大きくなる。他方、図５（ｂ）の第１の実施形態では、１測定サイクルの終了時に、ガスセル２０の内部は、大気のような基準ガスで充填されている。このため、約８日間の稼働においても、ガスセル２０の内部の汚染が抑制され、光強度の変化が小さい。このため、次の測定サイクルをサンプルガス導入から始めても高精度測定が可能である。
図５（ａ）、（ｂ)は、ガス分析装置を約８日間稼働させて、基準ガスを透過した透過光の光強度を測定した結果である。図５（ａ）の比較例では、ガス分析装置が測定していない期間、ガスセル２０内にはサンプルガスが充填されている。このため、基準ガスを透過した赤外光の光強度の変化が大きい。特に長時間測定は行われない状態であると、光強度の変化が大きくなる。他方、図５（ｂ）の第１の実施形態では、１測定サイクルの終了時に、ガスセル２０の内部は、大気のような基準ガスで充填されている。このため、約８日間の稼働においても、ガスセル２０の内部の汚染が抑制され、光強度の変化が小さい。このため、次の測定サイクルをサンプルガス導入から始めても高精度測定が可能である。
図６は、本実施形態のガス分析装置の第１変形例である。
ガス分析装置は、光源１０と、ガスセル２０と、検出部４０と、制御部５０と、吸着カラム５４と、を有する。
吸着カラム５４は、大気などの基準ガスＲＧを導入する経路に設けられる。吸着カラム５４は、たとえば、不純物吸着材を含むフィルタなどとすることができる。
ガス分析装置は、光源１０と、ガスセル２０と、検出部４０と、制御部５０と、吸着カラム５４と、を有する。
吸着カラム５４は、大気などの基準ガスＲＧを導入する経路に設けられる。吸着カラム５４は、たとえば、不純物吸着材を含むフィルタなどとすることができる。
図７は、第２の実施形態にかかるガス分析方法のフロー図である。
第２の実施形態では、まず赤外光の光強度が所定値よりも高いかを判断する。
第２の実施形態では、まず赤外光の光強度が所定値よりも高いかを判断する。
ガス測定装置のスイッチをオンにしたのち、ガスセル２０にサンプルガスＳＧを導入する前に赤外光の光強度を測定する（Ｓ４００）。
続いて、赤外光の光強度が所定値Ｅ１以下であると、ガスセル２０を排気して洗浄する（Ｓ４０４）。もし、赤外光の透過光Ｉ０が所定値Ｅ１よりも大きいと、ガスセル２０内の汚染度は低いと見なせるので、ステップ４０６のサンプル信号値測定を行う（Ｓ４０６）。ステップ４０６以降は、第１の実施形態のステップ２００以降と同一である。
所定値Ｅ１は、図５（ｂ）の縦軸に表す相対基準ガス透過光強度の平均値を求め、その平均値の約９５％などとすることができる。
図８は、第３の実施形態にかかるガス分析方法のフロー図である。
ガスセル２０内の排気および洗浄を所定回数（たとえば、２回など）繰り返しても赤外光の光強度が所定値Ｅ１以下であると、吸着カラム５４の交換を要求するなどのアラーム信号を出力することができる。ステップ５０６以降は、第１の実施形態のステップ２００以降と同一である。これにより、排気や洗浄のための無駄な時間を費やすことがなくなる。
ガスセル２０内の排気および洗浄を所定回数（たとえば、２回など）繰り返しても赤外光の光強度が所定値Ｅ１以下であると、吸着カラム５４の交換を要求するなどのアラーム信号を出力することができる。ステップ５０６以降は、第１の実施形態のステップ２００以降と同一である。これにより、排気や洗浄のための無駄な時間を費やすことがなくなる。
図９は、アラーム信号を出力するシーケンスの他の例を表すフロー図である。
たとえば、赤外光の光強度が所定値Ｅ１以下であるとする（Ｓ６００）。ガスセル排気を所定回数を行っても所定値Ｅ１以下であると吸着カラム５４の交換を要求するアラーム信号が出力される（Ｓ６２２）。さらに、吸着カラム５４を交換後排気を行う（Ｓ６０４）。たとえば、所定時間排気を行っても光強度が所定値Ｅ１以下であれば、さらにアラーム信号が出力される。
たとえば、赤外光の光強度が所定値Ｅ１以下であるとする（Ｓ６００）。ガスセル排気を所定回数を行っても所定値Ｅ１以下であると吸着カラム５４の交換を要求するアラーム信号が出力される（Ｓ６２２）。さらに、吸着カラム５４を交換後排気を行う（Ｓ６０４）。たとえば、所定時間排気を行っても光強度が所定値Ｅ１以下であれば、さらにアラーム信号が出力される。
また、赤外光の光強度が所定値よりも高くなり、サンプルガスＳＧおよび基準ガスＲＧの測定が行われるとする（Ｓ６２０）。その測定後のガスセル２０は基準ガスＲＧが充填されている。この状態で、再び光強度が所定値Ｅ１以下であるかを判断し、必要ならば、ステップ６２２〜６２６のステップを行うことができる。
図１０は、オフラインでガス濃度を測定する構成図である。
呼気であるサンプルガスＳＧは、バルブ８２を開としてサンプリングバッグ８０に一旦蓄えられる。サンプルバッグの容積は、たとえば、１５０リットルなどとすることができる。また、基準ガスＲＧは、吸着カラム５４を通り、切換バルブ８４によりガス分析装置５に導入される。このようにすると、オフラインでガス分析ができる。
呼気であるサンプルガスＳＧは、バルブ８２を開としてサンプリングバッグ８０に一旦蓄えられる。サンプルバッグの容積は、たとえば、１５０リットルなどとすることができる。また、基準ガスＲＧは、吸着カラム５４を通り、切換バルブ８４によりガス分析装置５に導入される。このようにすると、オフラインでガス分析ができる。
本実施形態により、ガス濃度を高い精度で測定可能なガス分析方法およびガス分析装置が提供される。たとえば、呼気中に含まれる微量ガス濃度を測定することにより、種々の病気の予防や早期発見が容易になる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Claims (10)
- ガスセルに導入されたサンプルガスに含まれる対象ガスの１つの吸収線に対応する波長にチューニングされた赤外光を前記サンプルガスに入射し、
前記ガスセルを透過した前記赤外光の透過光の強度に対応したサンプル信号値を測定し、
前記ガスセル内の前記サンプルガスを排気したのち基準ガスで置換し、
前記基準ガスを透過した前記赤外光の透過光の強度に対応した基準信号値を測定し、
前記基準信号値に対する前記サンプル信号値の比率から前記１つの吸収線におけるガス濃度を算出する、ガス分析方法。 - 前記ガスセルに前記サンプルガスを導入する前に前記赤外光の光強度を測定し、
前記赤外光の強度が所定値以下であると、前記制御部は前記ガスセル内を洗浄する信号を出力する請求項１記載のガス分析方法。 - 前記基準ガスを吸着カラムを通してから前記ガスセルに導入する請求項２記載のガス分析方法。
- 前記ガスセル内の洗浄を所定回数繰り返しても前記赤外光の強度が前記所定値よりも高くならないとき、前記吸着カラムを交換するアラーム信号を出力する請求項３記載のガス分析方法。
- 前記赤外光はＱＣＬレーザ光である請求項１記載のガス分析方法。
- サンプルガスに含まれる対象ガスが有する吸収線に波長をチューニング可能な赤外光を放出する光源と、
基準ガスおよび前記サンプルガスのいずれかが選択的に導入され、１つの吸収線に対応する赤外光が入射する入射部と前記赤外光が出射する出射部とを有するガスセルと、
前記基準ガスの透過光の強度に対応した基準信号値および前記サンプルガスの透過光の強度に対応したサンプル信号値を検出する検出部と、
前記１つの吸収線において、前記サンプル信号値を前記基準信号値よりも先に測定するようにガス導入順序を選択し、かつ前記基準信号値に対する前記サンプル信号値の比率から前記１つの吸収線におけるガス濃度を算出する制御部と、
を備えたガス分析装置。 - 前記基準ガスの透過光の強度が所定値以下であることを前記検出器が検出すると、前記制御部は前記ガスセル内を洗浄する信号を出力する請求項６記載のガス分析装置。
- 基準ガスを清浄化する吸着カラムをさらに備えた請求項７記載のガス分析装置。
- 前記ガスセル内の洗浄を所定回数繰り返しても前記赤外光の前記光強度が前記所定値以下であると、前記吸着カラムを交換するアラーム信号を出力する請求項８記載のガス分析装置。
- 前記赤外光は、ＱＣＬレーザ光である請求項６記載のガス分析装置。
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