JPWO2019150053A5 - - Google Patents
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Description
本発明の技術分野は、ガスを分析するための光学的方法であって、黒体または灰色体の光源を用い、光源から放射される光波の吸収を測定する方法である。 The technical field of the invention is optical methods for the analysis of gases using a black-body or gray-body light source and measuring the absorption of the light waves emitted by the light source.
ガスの分析には光学的方法がよく用いられる。センサは、ガスの成分種が互いに異なる吸収スペクトル特性を有するという事実に基づいてガスの組成を決定することを可能にする。したがって、ガス種の吸収スペクトルバンドが既知である場合、その濃度は、Beer-Lambert則を用いて、ガスを通過する光の吸収を算定することによって決定することができる。この原理は、ガス中に存在するガス種の濃度を算定することを可能にする。 Optical methods are often used to analyze gases. The sensor makes it possible to determine the composition of the gas based on the fact that the constituent species of the gas have different absorption spectral characteristics. Therefore, if the absorption spectral band of a gas species is known, its concentration can be determined by calculating the absorption of light through the gas using the Beer-Lambert law. This principle makes it possible to calculate the concentration of gas species present in the gas.
最も一般的な方法では、分析ガスは、光源と測定光検出器と呼ばれる光検出器との間にあり、光検出器は、分析ガスによって伝達される光波を測定することを目的とし、この光波は、光検出器によって部分的に吸収される。光源は、通常、赤外で発光する光源であり、使用される方法は、通常、NDIR検出と呼ばれ、頭字語NDIRは、非分散型赤外線を意味する。このような原理は頻繁に用いられており、例えば、米国特許第5026992号明細書(特許文献1)および国際公開第2007/064370号(特許文献2)に開示されている。 In the most common method, the gas to be analyzed is between a light source and a photodetector, called a measuring photodetector, which is intended to measure the light wave transmitted by the gas to be analyzed, and this light wave is partially absorbed by the photodetector. The light source is usually a light source that emits in the infrared and the method used is usually called NDIR detection, the acronym NDIR meaning non-dispersive infrared. Such principles are frequently used and disclosed, for example, in US Pat. No. 5,026,992 and WO 2007/064370.
従来の方法は、一般的に、光源から放出された参照光波と呼ばれる光波を測定することを含み、この参照光波は、分析ガスによって吸収されないか、または無視できる程度に吸収される。参照光波の測定は、光源から放射される光波の強度を算定する、または、分析ガスによる吸収がない場合に測定光検出器で検出されるであろう光波を算定することを可能にする。この技術は「二重ビーム」と呼ばれる。ガス存在下の光波とガス非存在下の光波との比較は、ガスの吸収を特徴付けることを可能にする。例えば、「吸収NDIR」と呼ばれる技術を用いて、ガス中のガス種の量を決定することが可能である。 Conventional methods generally involve measuring a light wave emitted from a light source, called a reference light wave, which is not or negligibly absorbed by the analyte gas. Measurement of the reference light wave makes it possible to estimate the intensity of the light wave emitted by the light source or to estimate the light wave that would be detected at the measurement photodetector in the absence of absorption by the analyte gas. This technique is called "dual beam". A comparison of the light wave in the presence of gas and the light wave in the absence of gas makes it possible to characterize the gas absorption. For example, a technique called "absorption NDIR" can be used to determine the amount of gas species in a gas.
参照光波は、参照光検出器によって測定される。これは、光源に対向するように配置される、測定光検出器とは異なる参照光検出器であることができ、この参照光検出器は参照光学フィルタと共に使用される。この参照光学フィルタは、分析ガスが有意な吸収を示さない参照スペクトルバンドを画定する。 A reference light wave is measured by a reference light detector. This can be a reference light detector, different from the measurement light detector, arranged opposite the light source, which reference light detector is used together with the reference optical filter. This reference optical filter defines a reference spectral band in which the analyte gas exhibits no significant absorption.
米国特許出願公開第2011/0042570号明細書(特許文献3)に開示されている1つのアプローチでは、測定光検出器および参照光検出器が使用され、これら2つの光検出器は同じスペクトルバンド、この場合はCO2の吸収スペクトルバンドの光波を検出する。参照光検出器は、測定光検出器よりも光源の近くに配置される。測定光検出器と参照光検出器とでそれぞれ測定された信号の比較は、光源から放射される光波の強度の情報を不必要とすることができる。 One approach, disclosed in U.S. Patent Application Publication No. 2011/0042570, uses a measurement photodetector and a reference photodetector, where the two photodetectors are in the same spectral band, In this case, light waves in the absorption spectral band of CO2 are detected. The reference photodetector is placed closer to the light source than the measurement photodetector. A comparison of the signals respectively measured by the measurement and reference photodetectors can obviate the knowledge of the intensity of the light waves emitted by the light source.
仏国特許第3000548号明細書(特許文献4)は、赤外スペクトルバンドの測定チャネルと、可視スペクトルバンドの参照チャネル(0.4μm~0.8μm)とを含むCO2センサを開示している。この参照チャンネルは、測定ガス中のCO2濃度の影響を受けないと考えられる。光源の発光スペクトルの変動を考慮するために、この文献では、可視および赤外のスペクトルバンドにおける光源の経時変化をそれぞれ表す関数Fの使用について言及している。この関数Fは恒等関数で近似されるので、赤外における光源の経時変化は可視における光源の経時変化に等しいと考えられる。 FR 3000548 discloses a CO 2 sensor comprising a measurement channel in the infrared spectral band and a reference channel (0.4 μm to 0.8 μm) in the visible spectral band. . This reference channel is assumed to be insensitive to the CO2 concentration in the measured gas. In order to account for variations in the emission spectrum of the light source, this document mentions the use of a function F representing the aging of the light source in the visible and infrared spectral bands, respectively. Since this function F is approximated by an identity function, the temporal change of the light source in the infrared is considered to be equal to the temporal change of the light source in the visible.
本発明者は、参照光波に依存することにはいくつかの欠点があることを知見した。本発明者は、これらの欠点を克服し、測定精度を改善する方法を提案する。 The inventors have found that relying on a reference light wave has several drawbacks. The inventor proposes a method to overcome these drawbacks and improve the measurement accuracy.
本発明の第1の主題は、
ガス中に存在し、吸収スペクトルバンド内の光を吸収することが可能なガス種の量を測定する方法であって、
光源と測定光検出器との間に前記ガスを配置する工程a)(ここで、前記光源は入射光波を放射可能であり、前記入射光波は、前記ガスを通って前記測定光検出器に伝搬する。)と、
前記ガスを前記光源で照明する工程b)と、
前記測定光検出器を用いて、吸収スペクトルバンドを含む測定スペクトルバンドにおいて、前記ガスによって伝達された光波の測定強度と呼ばれる強度を測定する工程c)と、
参照光検出器を用いて、参照スペクトルバンドにおいて、前記光源によって放射された参照光波の参照強度と呼ばれる強度を測定する工程d)とを含み、
工程b)~d)は、複数の測定回数(measurement times)で実施され、
各測定回(mesurement time)において、
前記参照光検出器で測定された前記参照強度および前記測定光検出器で測定された測定強度に基づいて、前記ガスによる前記入射光波の吸収を算定する工程e)と、
工程e)で算定された吸収量に基づいて、前記ガス種の量を算定する工程f)とを含む方法において、
工程e)においては、前記参照スペクトルバンドにおける前記入射光波の強度に対する、前記測定スペクトルバンドにおける前記入射光波の強度の時間的変化を表す補正関数を計算に入れる方法である。
A first subject of the present invention is
A method for measuring the amount of gas species present in a gas and capable of absorbing light within an absorption spectral band, comprising:
a) placing said gas between a light source and a measurement photodetector, wherein said light source is capable of emitting an incident light wave, said incident light wave propagating through said gas to said measurement photodetector; ) and
b) illuminating said gas with said light source;
step c) of measuring, with said measuring photodetector, the intensity, called measuring intensity, of the light wave transmitted by said gas in a measuring spectral band comprising an absorption spectral band;
d) using a reference light detector to measure the intensity, called the reference intensity, of the reference light wave emitted by said light source in a reference spectral band;
steps b)-d) are performed at a plurality of measurement times;
At each measurement time,
e) calculating the absorption of the incident light wave by the gas based on the reference intensity measured at the reference photodetector and the measured intensity measured at the measurement photodetector;
f) calculating the amount of said gas species based on the amount of absorption calculated in step e),
In step e), the method factors in a correction function representing the temporal variation of the intensity of the incident light wave in the measurement spectral band with respect to the intensity of the incident light wave in the reference spectral band.
前記光源は、照明スペクトルバンド内の光の放射を可能にする温度まで上げられたフィラメントを含むことができる。 The light source may include a filament raised to a temperature that allows emission of light within the illumination spectral band.
前記補正関数は、前記測定スペクトルバンドにおける前記入射光波の強度と、前記参照スペクトルバンドにおける前記入射光波の強度との間の比較を表し、前記比較は、測定回ごとに異なる値を取ることができる。 The correction function represents a comparison between the intensity of the incident light wave in the measured spectral band and the intensity of the incident light wave in the reference spectral band, and the comparison can take different values from measurement to measurement. .
前記比較は、比率または差分の形式で表すことができる。 Said comparison can be expressed in the form of a ratio or a difference.
前記補正関数は好ましくは、
テスト光源を、測定テスト光検出器と対向させ、参照テスト光検出器と対向させて、配置する工程cal-i)(ここで、前記テスト光源、前記測定テスト光検出器、および前記参照テスト光検出器はそれぞれ、前記光源、前記測定光検出器、および前記参照光検出器を代表する。)と、
較正期間内にある較正回数(calibration times)の間、前記測定テスト光検出器および前記参照テスト光検出器を前記テスト光源で照明する工程cal-ii)と、
前記測定スペクトルバンドにおける、前記測定テスト光検出器で検出された強度の時間変化と、前記参照スペクトルバンドにおける、前記参照テスト光検出器で検出された強度の時間変化とを比較する工程cal-iii)とを含む較正段階であらかじめ設定される。
Said correction function is preferably:
step cal-i) placing a test light source opposite a measurement test light detector and opposite a reference test light detector (wherein said test light source, said measurement test light detector and said reference test light detectors respectively represent the light source, the measurement light detector, and the reference light detector);
step cal-ii) illuminating said measurement test photodetector and said reference test photodetector with said test light source for calibration times within a calibration period;
step cal-iii of comparing the intensity over time detected at the measurement test photodetector in the measurement spectral band with the intensity over time detected at the reference test photodetector in the reference spectral band. ) is preset in the calibration stage.
前記テスト光源はパルス化されることができ、各パルスは1つの較正回(calibration time)に対応することができる。前記較正期間は少なくとも1000回の較正回数を含むことができる。 The test light source can be pulsed and each pulse can correspond to one calibration time. The calibration period can include at least 1000 calibration times.
前記補正関数は、種々の較正回数において、
前記測定テスト光検出器によって検出され、前記測定テスト光検出器によって検出された初期強度で正規化された強度と、
前記参照テスト光検出器によって検出され、前記参照テスト光検出器によって検出された初期強度で正規化された強度との間の比較に基づいて、算定されることができる。
The correction function, at various calibration times, is:
an intensity detected by the measurement test photodetector normalized with the initial intensity detected by the measurement test photodetector;
It can be calculated based on a comparison between the intensity detected by the reference test photodetector and normalized with the initial intensity detected by the reference test photodetector.
初期強度とは、前記較正期間の初期の時点で測定される強度を意味する。 By initial intensity is meant the intensity measured at the beginning of the calibration period.
工程e)は、前記測定回に測定された前記参照強度および前記補正関数に基づいて、前記測定回において、ガスの非存在下で、前記測定光検出器により、前記測定スペクトルバンドにおいて、検出されるであろう強度を算定する工程を含んでもよい。工程e)は、前記測定回に測定された前記参照強度および前記補正関数に基づいて、前記測定強度を補正する工程を含んでもよく、補正された前記測定強度は、前記光源の経時変化がない場合の前記測定強度に対応する。 Step e) is based on the reference intensity and the correction function measured at the measurement time, and in the absence of gas at the measurement time, detected by the measuring photodetector in the measured spectral band. It may also include the step of estimating the intensity that will be Step e) may comprise correcting the measured intensity based on the reference intensity measured at the measurement time and the correction function, wherein the corrected measured intensity is free of aging of the light source. corresponds to the measured intensity of the case.
本発明の第2の主題は、
ガス中のガス種の量を測定する装置であって、
前記ガス種の吸収スペクトルバンド内に存在し、前記ガスに伝搬する入射光波を放射するように構成された光源と、
種々の測定回数で、測定スペクトルバンドにおいて、前記ガスによって伝達された光波を検出し、当該光波の測定強度と呼ばれる強度を測定するように構成された測定光検出器と、
種々の測定回数で、参照スペクトルバンドにおいて、前記光源から放射される参照光波の参照強度と呼ばれる強度を測定するように構成された参照光検出器と、
前記参照強度および前記測定強度に基づいて、本発明の第1の主題の方法の工程e)および工程f)を実施するためのプロセッサとを含む装置である。
A second subject of the present invention is
A device for measuring the amount of gas species in a gas, comprising:
a light source configured to emit an incident light wave that is within the absorption spectral band of the gas species and that propagates through the gas;
a measurement photodetector configured to detect the light wave transmitted by the gas in a measurement spectral band and to measure the intensity of the light wave, referred to as the measurement intensity, at various measurement times;
a reference light detector configured to measure the intensity, called the reference intensity, of a reference light wave emitted from said light source in a reference spectral band at different times of measurement;
a processor for performing steps e) and f) of the method of the first subject of the invention on the basis of said reference intensity and said measured intensity.
他の利点および特徴は、本発明の特定の実施形態の以下の説明からより明らかになるであろう。これらの実施形態は、非限定的な例として与えられ、以下に列挙される図に示される。 Other advantages and features will become more apparent from the following description of specific embodiments of the invention. These embodiments are given as non-limiting examples and illustrated in the figures listed below.
図1Aは、ガスを分析するための装置1の一例である。この装置は、内部空間を画定するチャンバ10を備え、その内部空間には、
内部空間に存在するガスGを照明するように、入射光波と呼ばれる光波12を放射することができる光源11(ここで、入射光波12は照明スペクトルバンドΔ12内にある。)と、
ガスGによって伝達された光波14を、入射光波12によるガスGの照明の影響下で検出するように構成された測定光検出器と呼ばれる光検出器20(ここで、光波14は、測定光波という用語で参照される。それは、測定光検出器20により、測定スペクトルバンドΔ20において検出される。)と、
参照光波と呼ばれる光波12refを参照スペクトルバンドΔrefにおいて検出するように構成された参照光検出器20ref(ここで、参照スペクトルバンドΔrefは、ガスGによる光波12の吸収が無視できると考えられるスペクトルバンドである。)とが配置されている。
FIG. 1A is an example of an apparatus 1 for analyzing gases. The device comprises a chamber 10 defining an interior space, the interior space containing:
a light source 11 capable of emitting a light wave 12, called the incident light wave, so as to illuminate the gas G present in the interior space, where the incident light wave 12 is within the illumination spectral band Δ 12 ;
A photodetector 20, called a measurement photodetector, arranged to detect a light wave 14 transmitted by the gas G under the influence of illumination of the gas G by an incident light wave 12 (here, the light wave 14 is called a measurement light wave). is detected in the measurement spectral band Δ 20 by the measurement photodetector 20), and
A reference photodetector 20 ref configured to detect the light wave 12 ref , called the reference light wave, in a reference spectral band Δ ref , where the absorption of the light wave 12 by the gas G is considered negligible. are the spectral bands where the
参照スペクトルバンドΔrefは、測定スペクトルバンドΔ20とは異なる。測定スペクトルバンドΔ20は、参照スペクトルバンドΔrefよりも顕著に広いかもしれない。測定スペクトルバンドΔ20は、参照スペクトルバンドΔrefを含むことができる。 The reference spectral band Δ ref is different from the measured spectral band Δ 20 . The measured spectral band Δ20 may be significantly broader than the reference spectral band Δref . The measured spectral band Δ 20 can include the reference spectral band Δ ref .
ガスGはガス種Gxを含み、その量(cx(k))、例えばその濃度は、ある測定回kで決定することが求められる。このガス種は、吸収スペクトルバンドΔx内の測定可能なパーセンテージの光を吸収する。 The gas G contains a gas species G x whose quantity (c x (k)), eg its concentration, is sought to be determined at some measurement time k. This gas species absorbs a measurable percentage of light within the absorption spectral band Δx .
光源11は、入射光波12を照明スペクトルバンドΔ12で放射することができ、照明スペクトルバンドΔ12は、近紫外と中間赤外との間、例えば200nmと10μmとの間、多くの場合1μmと10μmとの間に延びることができる。分析されるガス種Gxの吸収スペクトルバンドΔxは、照明スペクトルバンドΔ12に含まれる。光源11は特にパルス化されてもよく、この場合、入射光波12のパルスの持続時間は一般的に100ms~1sである。光源11は、特に、400~800℃の温度に加熱された吊り下げフィラメント光源であることができ、その発光スペクトルは、発光スペクトルバンドΔ12において、黒体の発光スペクトルに対応する。 The light source 11 may emit an incident light wave 12 in an illumination spectral band Δ 12 , which is between the near ultraviolet and mid-infrared, e.g. between 200 nm and 10 μm, often 1 μm. It can extend between 10 μm. The absorption spectral band Δx of the gas species Gx to be analyzed is contained in the illumination spectral band Δ12 . The light source 11 may in particular be pulsed, in which case the pulse duration of the incident light wave 12 is typically between 100 ms and 1 s. The light source 11 can in particular be a suspended filament light source heated to a temperature of 400-800° C., whose emission spectrum corresponds to that of a black body in the emission spectral band Δ12 .
測定光検出器20は、好ましくは、ガス種の吸収スペクトルバンドΔxの全部または一部を包含する測定スペクトルバンドΔ20を画定する光学フィルタ18と共に使用される。 The measurement photodetector 20 is preferably used with an optical filter 18 that defines a measurement spectral band Δ 20 that encompasses all or part of the absorption spectral band Δx of the gaseous species.
この例では、測定光検出器20はサーモパイルであり、検出された光波の強度に応じた信号を送ることができる。あるいは、測定光検出器は、フォトダイオードまたは別のタイプの光検出器であってもよい。 In this example, the measuring photodetector 20 is a thermopile, capable of sending a signal dependent on the intensity of the detected light waves. Alternatively, the measurement photodetector may be a photodiode or another type of photodetector.
参照光検出器20refは、測定光検出器20の横に配置され、測定光検出器20と同じタイプである。それは、参照光学フィルタ18refと呼ばれる光学フィルタと共に使用される。参照光学フィルタ18refは、対象とするガス種によって吸収されない波長の範囲に対応する参照スペクトルバンドΔrefを画定する。参照スペクトルバンドΔrefは、例えば、波長3.91μmを中心とする。 The reference photodetector 20 ref is arranged next to the measurement photodetector 20 and is of the same type as the measurement photodetector 20 . It is used with an optical filter called reference optical filter 18 ref . The reference optical filter 18 ref defines a reference spectral band Δ ref corresponding to the range of wavelengths not absorbed by the gas species of interest. The reference spectral band Δ ref is centered, for example, at a wavelength of 3.91 μm.
ある測定回kで測定光検出器20によって検出される光波14の測定強度と呼ばれる強度I(k)は、Beer-Lambert式に従って、ある測定回の量cx(k)に依存する。
μ(cx(k))は、回数kにおける量cx(k)に依存する吸収係数であり、
lは、チャンバ10内で光波によって通過されるガスの厚さであり、
Io(k)は、チャンバー内に吸収性ガスが存在しない状態で測定光検出器20に到達する光波の、測定スペクトルバンドΔ20における強度に対応する、回数kにおける入射光波の強度である。
The intensity I(k), called the measured intensity, of the light wave 14 detected by the measurement photodetector 20 at a measurement epoch k depends, according to the Beer-Lambert equation, on the quantity c x (k) at a measurement epoch.
μ(c x (k)) is the absorption coefficient dependent on the quantity c x (k) at times k,
l is the thickness of the gas passed by the light wave in the chamber 10;
Io(k) is the intensity of the incident light wave at times k corresponding to the intensity in the measured spectral band Δ20 of the light wave reaching the measurement photodetector 20 in the absence of absorbing gas in the chamber.
I(k)とI0(k)とを比I(k)/I0(k)の形で比較することにより、回数kで対象とするガス種によって生じた吸収abs(k)を求めることができる。 Comparing I(k) and I 0 (k) in the form of the ratio I(k)/I 0 (k) to determine the absorption abs(k) caused by the gas species of interest at times k can be done.
したがって、光源11の各パルスの間にμ(cx(k))を決定することができ、cx(k)とμ(cx(k))との間の関係が既知であれば、これによって、cx(k)を算定することが可能である。 Therefore, if μ(c x (k)) can be determined during each pulse of light source 11 and the relationship between c x (k) and μ(c x (k)) is known, This makes it possible to calculate c x (k).
式(1)は、測定回kにおける入射光波12の強度Io(k)の制御を前提としている。 Equation (1) presupposes control of the intensity Io(k) of the incident light wave 12 at measurement times k.
図1Bは、プランクの法則に従う黒体タイプの光源11の発光スペクトルを概略的に示す。
L(λ,T)は、黒体の波長λと表面温度Tに依存する放射輝度であり、
hは、プランク定数であり、
kは、ボルツマン定数であり、
cは、空気中の光の速度である。
FIG. 1B schematically shows the emission spectrum of a black body type light source 11 according to Planck's law.
L(λ, T) is the radiance that depends on the wavelength λ of the black body and the surface temperature T,
h is Planck's constant,
k is the Boltzmann constant,
c is the speed of light in air.
光源11の発光スペクトルSは、光源が温度Tまで上昇するとき、λの関数としての放射輝度L(λ,T)の変化に対応する。一般的に、温度Tは、400~800℃である。 The emission spectrum S of the light source 11 corresponds to the change in radiance L(λ,T) as a function of λ as the source increases to a temperature T. Generally, the temperature T is between 400 and 800°C.
図1Bは、光源11の1μmと10μmとの間に延びる照明スペクトルバンドΔ12を示す。参照スペクトルバンドΔrefも破線で示した。 FIG. 1B shows an illumination spectral band Δ 12 extending between 1 μm and 10 μm of light source 11 . The reference spectral band Δ ref is also indicated by a dashed line.
このタイプの光源は、光源の温度Tを変調することによって簡易に照明スペクトルSを変調できるので、特に有利である。したがって、各温度Tに対して、1つの照明スペクトルSが関連付けられる。 This type of light source is particularly advantageous because the illumination spectrum S can be modulated simply by modulating the temperature T of the light source. Thus, for each temperature T, one illumination spectrum S is associated.
黒体または灰色体タイプの光源の放射率は、時間の経過と共に変化し、光源の経時変化の結果、顕著に減少することが知られている。光源11の発光におけるこの時間変化は、参照光検出器20refによって考慮される。参照光検出器20refは、光源11によって放射される入射光波12を表す参照光波12refを検出するように構成される。この参照光波12refは、ガスGと相互作用することなく、またはガスGと有意に相互作用することなく、参照光検出器20refに到達する。測定回kにおいて、参照光検出器20refによって検出される参照光波12refの強度を参照強度Iref(k)という用語で表す。光源11の発光スペクトルが既知であれば、Iref(k)から、ガスGの非存在下測定光検出器20に到達するであろう光波の強度
この装置は、本発明の方法の工程(後述する)を実施することを可能にする命令を含むメモリ32に接続された、マイクロプロセッサ30を含む。 The apparatus includes a microprocessor 30 connected to a memory 32 containing instructions enabling the steps of the method of the invention (described below) to be performed.
第1実施形態によれば、マイクロプロセッサ30は、各測定回kにおいて参照光検出器20refによって測定される参照光波12refの強度Iref(k)を表す信号を受信するように構成される。このマイクロプロセッサ30は、Iref(k)から
強度
I(k)に基づいて、入射光波の吸収を次式を用いて算定することができる。
第2実施形態によれば、マイクロプロセッサ30は、参照強度Iref(k)を表す信号を受信し、次いで、測定強度I(k)の補正を行うように構成される。補正された強度をI*(k)で示す。この補正された強度は、光源の経時変化がない場合に測定光検出器によって測定されるであろう強度に対応する。入射光波の吸収量abs(k)は、次式によって得ることができる。
I0(k=0)は、チャンバ内に吸収性ガスが存在しない状態で、初期測定回k=0において、すなわち、光源11が新品であると考えられるときに、測定光検出器に入射する光波を表す。
式(1)を用いて、μ(cx(k))、次いでcx(k)が得られる。
According to a second embodiment, the microprocessor 30 is arranged to receive a signal representative of the reference intensity I ref (k) and then perform a correction of the measured intensity I(k). Denote the corrected intensity by I * (k). This corrected intensity corresponds to the intensity that would be measured by the measuring photodetector in the absence of aging of the light source. The absorption amount abs(k) of the incident light wave can be obtained by the following equation.
I 0 (k=0) is incident on the measurement photodetector at the initial measurement time k=0, i.e. when the light source 11 is considered new, with no absorbing gas present in the chamber. Represents light waves.
Using equation (1), μ(c x (k)) and then c x (k) are obtained.
参照スペクトルバンドΔrefと測定スペクトルバンドΔ20における光源11の放射率の比は、通常、以下のような仮定の下で、同じように減少すると考えられる。
第1実施形態が実施されるとき、光源の理論的な発光スペクトルの知見に基づいて、または、
強度
第2実施形態が実施されるとき、補正関数を適用して、Iref(k)から補正強度I*(k)
が得られる。
When the first embodiment is practiced, based on knowledge of the theoretical emission spectrum of the light source, or
Strength
When the second embodiment is implemented, a correction function is applied to obtain the corrected intensity I * (k) from I ref (k)
is obtained.
しかしながら、本発明者は、光源11の経時変化が参照スペクトルバンドΔrefと測定スペクトルバンドΔ20とで異なる影響を及ぼすことを知見した。仏国特許第3000548号明細書で示唆されていることとは対照的に、測定スペクトルバンドにおける経時変化が、参照スペクトルバンドΔrefにおける経時変化と同様であると考えることはできない。このことを確定するために、本発明者は、図2A~図2Cを参照して以下に説明する実験的較正を行った。彼は、図1Aを参照して説明した測定センサおよび参照センサのそれぞれと同様の測定テストセンサ20’および参照テストセンサ20’refを使用した。較正中、分析ガスは既知のガスであり、この例では濃度400ppmのCO2であった。実験パラメータは以下の通りであった。
測定フィルタ18:Heimann F4.26-180フィルタ、中心波長4.26μm。
参照フィルタ18ref:Heimann F3.91-90フィルタ、中心波長3.91μm。
測定および参照の光検出器20、20ref:Heimann HCM Cx2 Fx サーモパイル。
However, the inventors have found that aging of the light source 11 affects the reference spectral band Δ ref and the measured spectral band Δ 20 differently. In contrast to what is suggested in FR 3 000 548, it cannot be assumed that the time course in the measured spectral band is similar to the time course in the reference spectral band Δref . To establish this, the inventor performed an experimental calibration described below with reference to FIGS. 2A-2C. He used a measurement test sensor 20' and a reference test sensor 20' ref similar to the measurement and reference sensors, respectively, described with reference to FIG. 1A. During calibration, the analyzed gas was a known gas, in this example CO2 with a concentration of 400 ppm. The experimental parameters were as follows.
Measurement filter 18: Heimann F4.26-180 filter, center wavelength 4.26 μm.
Reference filter 18 ref : Heimann F3.91-90 filter, center wavelength 3.91 μm.
Measurement and reference photodetectors 20, 20 ref : Heimann HCM Cx2 Fx thermopiles.
この試験では、測定フィルタ18は、発明者によって観察される経時変化を明確に示すことができるように、意図的に狭い測定スペクトルバンドΔ20を画定した。なお、本発明は、他の測定スペクトルバンドΔ20、特に参照スペクトルバンドΔrefよりも広い測定スペクトルバンドΔ20にも適用可能であることは理解されよう。 In this test, the measurement filter 18 deliberately defined a narrow measurement spectral band Δ 20 so as to be able to clearly show the aging observed by the inventors. It will be appreciated that the present invention is also applicable to other measured spectral bands Δ 20 , especially wider measured spectral bands Δ 20 than the reference spectral band Δ ref .
図1Aを参照して説明した光源と同様のテスト光源11’を、初期較正回k=0と最終較正回k=Kとの間の種々の回数kにおいて、パルス状に作動させた。各パルスの持続時間は300msであり、次のパルスとの時間間隔は300msであった。約2600万パルスを発生させた。図2Aは、以下の時間変化を示す。
測定テスト光検出器20’によって測定された、測定スペクトルバンドΔ20における測定強度I’(k);および
参照テスト光検出器20’refによって測定された、参照スペクトルバンドΔrefにおける参照強度I’ref(k)。
A test light source 11', similar to the light source described with reference to FIG. 1A, was pulsed at various times k between an initial calibration time k=0 and a final calibration time k=K. The duration of each pulse was 300 ms and the time interval between subsequent pulses was 300 ms. Approximately 26 million pulses were generated. FIG. 2A shows the following time variations.
Measured intensity I′(k) in measurement spectral band Δ 20 , measured by measurement test photodetector 20′; and Reference intensity I′ in reference spectral band Δref , measured by reference test photodetector 20′ ref . ref (k).
これらの変動は、初期較正回(k=0)における測定強度と参照強度によってそれぞれ正規化された。 These variations were normalized by the measured and reference intensities at the initial calibration round (k=0), respectively.
I’(k)およびI’ref(k)の表記は、これらの強度が、テストセンサ、テスト光源、および既知のガスを用いて、較正段階で測定されるものであることを示す。較正段階では、テスト光源11’と同じ性質の光源11の経時変化を測定することができた。 The notation I'(k) and I' ref (k) indicates that these intensities are measured in the calibration stage using test sensors, test light sources, and known gases. During the calibration phase it was possible to measure the aging of the light source 11 of the same nature as the test light source 11'.
各曲線で観察された変動は、CO2濃度の一時的かつ意図的な変動に対応する。 The observed variations in each curve correspond to temporal and intentional variations in CO2 concentration.
較正の間、測定強度I’(k)および参照強度I’ref(k)は、予想されたように、経時的に減少したことが分かるであろう。これは、光源11の経時変化に対応する。また、測定スペクトルバンドΔ20と参照スペクトルバンドΔrefにおける減少がそれぞれ異なることが分かるであろう。このことは、測定スペクトルバンドΔ20における光源11の経時変化が、参照スペクトルバンドΔrefにおける光源11の経時変化とは異なることを意味する。したがって、比率I’(k)/I’ref(k)は回数kの関数として変化する。このことは、光源11の経時変化に伴って、発光スペクトルにわずかな変化が生じることを意味する。 It will be seen that during calibration, the measured intensity I'(k) and the reference intensity I' ref (k) decreased over time, as expected. This corresponds to aging of the light source 11 . It will also be seen that the reduction in the measured spectral band Δ20 and the reference spectral band Δref are different. This means that the aging of the light source 11 in the measured spectral band Δ20 is different than the aging of the light source 11 in the reference spectral band Δref . Therefore, the ratio I'(k)/I' ref (k) varies as a function of the number k. This means that the emission spectrum slightly changes as the light source 11 changes over time.
図2Bは、参照スペクトルバンドにおける放射率の損失ELref(x軸)の関数として、測定スペクトルバンドにおける放射率の損失EL20(y軸)を示す。各スペクトルバンドにおける放射率の損失(%)はそれぞれ、次式を用いて各回数kについて得られる。
図2Bの曲線の変動は、CO2濃度の一時的な変動、すなわち、図2Aを参照して述べたような変動に対応している。EL20は、ELrefの関数として、1より大きい傾きAで、直線的に変動することが分かるであろう。図2Bでは、曲線EL20=ELrefは破線で描いた。 The variations in the curve of Figure 2B correspond to temporal variations in CO2 concentration, ie variations as described with reference to Figure 2A. It will be seen that EL 20 varies linearly as a function of EL ref with a slope A greater than one. In FIG. 2B the curve EL 20 =EL ref is drawn with a dashed line.
光源11の供給電位Vを変化させて同様の試験を行った。3つの同一の光検出器を用い、それぞれを、同じタイプの3つの光源のうちの1つに対向させた。3つの光源の電位はそれぞれ、V=1.48V(これは、図2Bで報告した試験で光源の上昇させた電位に対応している)、V=1.28V、およびV=1.18Vであった。図2Cは、各電位Vについてそれぞれ、ELrefの関数として曲線EL20を示す。電位が減少すると、光源11の経時変化がより目立たないため、放射率の損失は高電位のときよりも低くなる。ただし、3つの曲線が重なっていることが分かるであろう。したがって、測定スペクトルバンドΔ20および参照スペクトルバンドΔrefにおける発光の経時変化の影響は、光源11の電位の上昇とは無関係であると考えられる。 A similar test was conducted while changing the supply potential V of the light source 11 . Three identical photodetectors were used, each facing one of the three light sources of the same type. The potentials of the three light sources were V=1.48 V (which corresponds to the elevated potential of the light source in the tests reported in FIG. 2B), V=1.28 V, and V=1.18 V, respectively. there were. FIG. 2C shows the curve EL 20 as a function of EL ref for each potential V, respectively. As the potential decreases, the loss of emissivity is lower than at high potentials because the aging of the light source 11 is less noticeable. However, it will be seen that the three curves overlap. Therefore, the effects of time-varying emission in the measured spectral band Δ 20 and the reference spectral band Δ ref are believed to be independent of the increase in the potential of the light source 11 .
図2A~図2Cを参照して説明した試験は、参照スペクトルバンドΔrefに対する測定スペクトルバンドΔ20における光源11の経時変化差を測定した較正試験と考えることができる。この試験は、未知のガスを分析するためのセンサが備えているものと同様の構成要素を有するテストセンサを用いて実施した。 The test described with reference to FIGS. 2A-2C can be considered a calibration test that measured the difference in aging of the light source 11 in the measured spectral band Δ 20 relative to the reference spectral band Δ ref . This test was performed with a test sensor having components similar to those provided by sensors for analyzing unknown gases.
このような較正試験は、2つのスペクトルバンドΔ20およびΔrefにおける相対的な放射率の変化を特徴づける補正関数δを決定することを可能にする。補正関数δは、各回数kにおける、参照強度と測定スペクトルバンドの強度との比較を含む。 Such a calibration test makes it possible to determine a correction function δ characterizing the relative emissivity change in the two spectral bands Δ 20 and Δ ref . The correction function δ involves comparing the intensity of the measured spectral band with the reference intensity at each iteration k.
第1のアプローチでは、補正関数δは次式のようなものであることができる。
Aは、図2Bおよび図2Cに示すデータに線形回帰を適用して得られる直線の傾きである。Aは、各スペクトルバンドにおける光源の経時変化差を表すスカラー値である。 A is the slope of the line obtained by applying linear regression to the data shown in FIGS. 2B and 2C. A is a scalar value representing the difference in illuminant aging in each spectral band.
図3に測定強度I(k)の時間変化の例を示す。この変動は図2Aで測定した変動に対応する。測定信号I(k)に対する以下の2つの補正を、図3に示した。
従来技術に対応する第1の補正(曲線1)。この補正は、次式のように、一定の補正係数を適用して得られる。
A first correction (curve 1) corresponding to the prior art. This correction is obtained by applying a constant correction factor, as follows:
V=1.48Vで実施した試験の間に、回数KにおいてI(k)の補正に影響するドリフトε(K)を算定し、図3に示す。ドリフトε(K)は、次式に従って%で表される。
以下のことが分かるであろう。
式(6)に従って第1の補正を適用する場合、ε(K)値は1.34%である;
式(10)に従って第2の補正を適用する場合、ε(K)値は0.08%である。
You will find the following.
When applying the first correction according to equation (6), the ε(K) value is 1.34%;
When applying the second correction according to equation (10), the ε(K) value is 0.08%.
図4は、本発明を実施する測定方法の主な工程を示す。 FIG. 4 shows the main steps of a measurement method embodying the invention.
工程100:ある回数kにおいて、ガスを照明する。 Step 100: At some number k, illuminate the gas.
工程110:参照光検出器20refを用いて、参照スペクトルバンドΔrefにおける参照強度Iref(k)を測定する。 Step 110: Measure the reference intensity I ref (k) in the reference spectral band Δ ref using the reference photodetector 20 ref .
工程120:測定光検出器20を用いて、測定スペクトルバンドΔ20における、ガスによって伝達された放射光14の強度I(k)を測定する。 Step 120: Using the measurement photodetector 20, measure the intensity I(k) of the radiation 14 transmitted by the gas in the measurement spectral band Δ20 .
工程130:チャンバ内にガスが存在しない状態で、測定光検出器20によって測定スペクトルバンドΔ20において検出されるであろう強度
工程140:測定スペクトルバンドΔ20における吸収
工程150:吸収に基づいて、式(1)を適用して、比から、ガス種Gxの量cx(k)を算定する。 Step 150: Based on the absorption, apply equation (1) to calculate the quantity c x (k) of the gas species G x from the ratio.
工程160:測定回数kを増加させて、工程100~150を繰り返す、または、アルゴリズムを終了する。 Step 160: Increase the number of measurements k and repeat steps 100-150 or terminate the algorithm.
この実施形態は、各測定回kで測定される参照強度Iref(k)の各測定に対して補正関数δを適用できるようにするために、較正に続いて、経時変化差Aの値のみを保持すればよいので、有利である。 This embodiment follows the calibration only with the value of the time-varying difference A, in order to be able to apply the correction function δ for each measurement of the reference intensity I ref (k) measured at each measurement time k. , which is advantageous.
補正関数δには他の式を考えることも可能である。例えば、補正関数δは次式であってもよい。
次に、工程130において、
一変形例によれば、工程130において、測定センサによって測定される強度の値I(k)は、補正関数δを用いて補正される。補正された強度I*(k)が得られる。補正関数δは、式(9)のように表すことができる。
この変形例によれば、工程140において、次式を用いて吸収が得られる。
したがって、一般的に、較正段階は、参照スペクトルバンドおよび測定スペクトルバンドにおいて光源によって生成される照明放射の強度の相対的な経時的減少を評価することを可能にする。補正関数は、各スペクトルバンドにおける減少の比較を含む。補正関数δ(k)の使用は、2つのスペクトルバンドにおける照明放射12の強度の減少の変動を考慮し、以下のものを得ることを可能にする。
ガスの非存在下で、測定光検出器によって測定されるであろう強度
または、光源の経時変化がない場合に測定光検出器によって測定されるであろう補正強度I*(k)。
Thus, in general, the calibration stage makes it possible to assess the relative decrease over time of the intensity of the illumination radiation produced by the light source in the reference spectral band and the measurement spectral band. A correction function includes a comparison of the reduction in each spectral band. The use of the correction function δ(k) takes into account variations in the intensity reduction of the illumination radiation 12 in the two spectral bands, making it possible to obtain the following.
Intensity that would be measured by the measuring photodetector in the absence of gas
Or the corrected intensity I * (k) that would be measured by the measuring photodetector in the absence of light source aging.
本発明は、吸収スペクトルΔ20が測定スペクトルバンドΔ20に含まれるガス種Gxの量を検出するために用いることができる。測定スペクトルバンドΔ20は、上述の実験例におけるように、狭くてもよい。測定スペクトルバンドΔ20はまた、例えば、複数の異なるガス種の吸収スペクトルバンドΔxを含むように、広くてもよい。 The present invention can be used to detect the amount of gas species G x whose absorption spectrum Δ 20 falls within the measured spectral band Δ 20 . The measured spectral band Δ 20 may be narrow, as in the experimental example above. The measured spectral band Δ 20 may also be broad, eg, to include absorption spectral bands Δ x of a plurality of different gas species.
Claims (7)
入射光波(12)を放射するように構成された光源(11)と測定光検出器(20)との間に前記ガスを配置する工程a)と、
前記ガス(G)を前記光源(11)で照明し、それによって、前記入射光波は、前記ガスを通って前記測定光検出器(20)に伝搬する工程b)と、
前記測定光検出器(20)を用いて、吸収スペクトルバンド(Δx)を含む測定スペクトルバンド(Δ20)において、前記ガスによって伝達された光波(14)の測定強度(I(k))を測定する工程c)と、
参照光検出器(20ref)を用いて、参照スペクトルバンド(Δref)において、前記光源(11)によって放射された参照光波(12ref)の参照強度(Iref(k))を測定する工程d)とを含み、
工程b)~d)は、複数の測定回数(measurement times)(1、、、k、、、K)で実施され、
各測定回(measurement time)において、
前記参照光検出器で測定された前記参照強度(Iref(k))および前記測定光検出器で測定された測定強度(I(k))を用いて、前記ガスによる前記入射光波(12)の吸収(abs(k))を算定する工程e)と、
工程e)で算定された吸収量に基づいて、前記ガス種(Gx)の量(cx(k))を算定する工程f)とを含む方法において、
工程e)においては、前記参照スペクトルバンド(Δref)における前記入射光波(12)の強度に対する、前記測定スペクトルバンド(Δ20)における前記入射光波(12)の強度の時間的変化を表す補正関数(δ)を計算に入れ、
前記補正関数(δ)は、
テスト光源(11’)を、測定テスト光検出器(20’)と対向させ、参照テスト光検出器(20’ref)と対向させて、配置する工程cal-i)(ここで、前記テスト光源、前記測定テスト光検出器、および前記参照テスト光検出器はそれぞれ、前記光源(11)、前記測定光検出器(20)、および前記参照光検出器(20ref)と同様である。)と、
較正期間内にある較正回数(calibration times)の間、前記測定テスト光検出器および前記参照テスト光検出器を前記テスト光源で照明する工程cal-ii)と、
前記測定スペクトルバンド(Δ20)における、前記測定テスト光検出器で検出された強度(I’(k))の時間変化と、前記参照スペクトルバンド(Δref)における、前記参照テスト光検出器で検出された強度(I’ref(k))の時間変化とを比較する工程cal-iii)とを含む較正段階であらかじめ設定される、方法。 A method of measuring the amount (c x ) of gas species (G x ) present in a gas and configured to absorb light within an absorption spectral band (Δ x ), comprising:
a) placing said gas between a light source (11) arranged to emit an incident light wave (12) and a measuring light detector (20);
b) illuminating said gas (G) with said light source (11), whereby said incident light wave propagates through said gas to said measurement light detector (20);
using said measuring photodetector (20) to measure the intensity (I(k)) of the light wave (14) transmitted by said gas in a measuring spectral band (Δ 20 ) including an absorption spectral band (Δ x ); step c) of measuring;
measuring a reference intensity (I ref (k)) of a reference light wave (12 ref ) emitted by said light source (11) in a reference spectral band (Δ ref ) using a reference photodetector (20 ref ); d) and
steps b)-d) are performed at a plurality of measurement times (1, k, K),
At each measurement time,
using the reference intensity (I ref (k)) measured with the reference photodetector and the measured intensity (I(k)) measured with the measurement photodetector, the incident light wave (12) by the gas; step e) of calculating the absorption (abs(k)) of
and step f) of calculating the amount (c x (k)) of the gas species (G x ) based on the amount of absorption calculated in step e),
In step e) a correction function representing the temporal variation of the intensity of the incident light wave (12) in the measured spectral band (Δ 20 ) with respect to the intensity of the incident light wave (12) in the reference spectral band (Δ ref ) . Taking into account (δ),
The correction function (δ) is
step cal-i) of placing a test light source (11') opposite a measurement test light detector (20') and opposite a reference test light detector ( 20'ref ) (wherein said test light source , said measurement test photodetector and said reference test photodetector are respectively similar to said light source (11), said measurement photodetector (20) and said reference photodetector ( 20ref ). ,
step cal-ii) illuminating said measurement test photodetector and said reference test photodetector with said test light source for calibration times within a calibration period;
time variation of intensity (I'(k)) detected at the measurement test photodetector in the measurement spectral band (Δ 20 ) and at the reference test photodetector in the reference spectral band (Δ ref ) a step cal-iii) comparing the detected intensity (I' ref (k)) with the time variation.
初期の較正回において、前記測定テスト光検出器(20’)によって検出され、前記測定テスト光検出器によって検出された初期強度(I’(k=0))で正規化された強度(I’(k))と、
初期の較正回において、前記参照テスト光検出器によって検出され、前記参照テスト光検出器によって検出された初期強度(I’ref(k=0))で正規化された強度(I’ref(k))との間の比較に基づいて、算定される、請求項1~3のいずれか1項に記載の方法。 The correction function (δ) is, at various calibration times,
In an initial calibration round, the intensity (I' (k)) and
In an initial calibration round, the intensity (I ' ref (k ))).
前記ガス種(Gx)の吸収スペクトルバンド(Δx)内に存在し、前記ガス(G)に伝搬する入射光波(12)を放射するように構成された光源(11)と、
種々の測定回数(k)で、測定スペクトルバンドにおいて、前記ガスによって伝達された光波(14)を検出し、当該光波の測定強度(I(k))を測定するように構成された測定光検出器(20)と、
種々の測定回数(k)で、参照スペクトルバンドにおいて、前記光源(11)から放射される参照光波(12ref)の参照強度(Iref(k))を測定するように構成された参照光検出器(20ref)と、
前記参照強度(Iref(k))および前記測定強度(I(k))に基づいて、請求項1~6のいずれか1項に記載の方法の工程e)および工程f)を実施するためのプロセッサ(30)とを含む、装置。 A device (1) for measuring the amount (c x (k)) of a gas species (G x ) in a gas,
a light source (11) configured to emit an incident light wave (12) lying within an absorption spectral band (Δ x ) of said gas species (G x ) and propagating in said gas (G);
a measurement light detector adapted to detect the light wave (14) transmitted by said gas in a measurement spectral band at different number of measurements (k) and to measure the measured intensity (I(k)) of said light wave. a vessel (20);
Reference light detection arranged to measure a reference intensity (I ref (k)) of a reference light wave (12 ref ) emitted from said light source (11) in a reference spectral band at different number of measurements (k). a device (20 ref );
for performing steps e) and f) of the method according to any one of claims 1 to 6 on the basis of said reference intensity (I ref (k)) and said measured intensity (I(k)) and a processor (30) of
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