WO2023120231A1 - 分析装置、及び、分析方法 - Google Patents

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variable filter
photodetector
light
measurement cell
concentration
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Inventor
健太郎 石田
卓司 生田
Original Assignee
株式会社堀場製作所
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Definitions

  • the present invention relates to an analysis device and an analysis method.
  • an analyzer for analyzing multiple components contained in a sample such as exhaust gas an analyzer using NDIR (non-dispersive infrared absorption spectroscopy) shown in Patent Document 1 (hereinafter referred to as an NDIR analyzer) and Patent Document 2
  • NDIR non-dispersive infrared absorption spectroscopy
  • FTIR Fastier transform infrared spectroscopy
  • the NDIR analyzer has a simple optical system, but when analyzing multiple components, the number of photodetectors corresponding to the number of components is required. In addition, in the case of a sensor such as a thermopile sensor that does not have wavelength selectivity, it is necessary to use optical filters, and the number of filters is the same as the number of sensors. Furthermore, since the NDIR analyzer calculates the concentration from the absorptance using Lambert-Beer's law, the calibration curve is not linear and must be corrected by polynomial approximation or the like.
  • FTIR spectrometer can qualitatively and quantitatively evaluate multiple components, the optical system is complicated. In addition, FTIR spectrometers are expensive and bulky.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its main object is to simplify the optical system and to enable analysis of a plurality of components to be measured in a sample. .
  • an analysis apparatus for analyzing a component to be measured contained in a sample, comprising: a measurement cell into which the sample is introduced; a light source for irradiating the measurement cell; a variable filter that is provided between the light source or the photodetector and the measurement cell and whose transmission wavelength changes depending on the light incident position; and the variable filter that is moved. and a filter moving mechanism that changes the wavelength of light detected by the photodetector, and a concentration calculator that calculates the concentration of the component to be measured based on the detection signal of the photodetector. and
  • variable filter is moved in the optical system using the light source, the measurement cell, the variable filter, and the photodetector, it is possible to obtain the intensity spectrum of the detection signal while simplifying the optical system. can be done. As a result, it is possible to analyze the concentrations of a plurality of measurement target components contained in a sample while simplifying the optical system. In addition, since it is possible to acquire both intensity spectra of wavelengths with high light absorption and wavelengths with low light absorption for one measurement target component, measurements can be performed from low to high concentrations in the same cell length. be able to.
  • the concentration calculation unit calculates the concentration of the component to be measured based on changes in detection signals accompanying movement of the variable filter.
  • the filter moving mechanism move the variable filter at a constant speed.
  • the light absorption caused by the characteristic components contained in the reference gas should be the same for the travel distance or travel time of the variable filter. This fact can be used to correct the position of the variable filter. That is, the analyzer of the present invention has a position correction function of introducing a reference gas into the measurement cell and correcting the position of the variable filter using the absorption of light caused by a specific component contained in the reference gas. is desirable.
  • the filter moving mechanism continuously move the variable filter along the direction of change of the transmission wavelength.
  • variable filter can be considered to have a flat plate shape.
  • the filter moving mechanism moves the variable filter along its plane in a linear direction or in a circumferential direction.
  • the concentration calculator may calculate the concentrations of the components to be measured by multivariate analysis using the detection signals of the photodetector. desirable.
  • the light source is desirably an infrared light source.
  • the analysis method uses an analysis apparatus comprising a measurement cell into which a sample is introduced, a light source for irradiating the measurement cell with light, and a photodetector for detecting the light transmitted through the measurement cell.
  • an analysis method for analyzing a component to be measured contained in the sample wherein a variable filter whose transmission wavelength changes depending on the incident position of light is provided between the light source or the photodetector and the measurement cell, Moving the variable filter to change the wavelength of light detected by the photodetector, and calculating the concentration of the component to be measured based on the detection signal of the photodetector obtained at that time.
  • FIG. 1 is an overall view of an analysis device in one embodiment of the present invention.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the transmission wavelength of the variable filter of the same embodiment. It is a schematic diagram which shows the measurement principle of the same embodiment.
  • the analyzer 100 of the present embodiment analyzes a plurality of components to be measured contained in sample gas such as exhaust gas.
  • sample gas such as exhaust gas.
  • HC hydrocarbon, CH 4 or C 3 H 8 etc.
  • CO hydrocarbon, CH 4 or C 3 H 8 etc.
  • CO 2 CO 2
  • NO NO
  • SO 2 NH 3
  • H 2 O NH 3 and/or H 2 O and the like
  • the analyzer 100 includes a measurement cell 2 into which a sample is introduced, an infrared light source 3 for irradiating the measurement cell 2 with infrared light, and infrared light transmitted through the measurement cell 2. , a variable filter 5 whose transmission wavelength changes depending on the incident position of light, a filter moving mechanism 6 that moves the variable filter 5, and a measurement target component based on the detection signal of the photodetector 4 and a density calculation unit 7 for calculating the density of .
  • an aperture mechanism (or a light collecting mechanism for collecting infrared light) 10 that narrows down the infrared light that has passed through the measurement cell 2.
  • the measurement cell 2 has, for example, a substantially cylindrical shape, and cell windows 2a and 2b made of an infrared permeable material are formed at both ends thereof.
  • the side wall of the measurement cell 2 is provided with an introduction port P1 for introducing the sample gas into the measurement cell 2 and an outlet port P2 for leading the sample gas to the outside of the measurement cell 2 .
  • a sample gas flow path L1 for introducing a sample gas into the measurement cell 2
  • a flow path L1 for introducing a reference gas such as air into the measurement cell 2.
  • a switching unit 8 such as an electromagnetic valve is provided for switching between the reference gas flow path L2 and the reference gas flow path L2. The switching unit 8 is controlled by the control unit 9 to switch between a state in which the sample gas is introduced into the measurement cell 2 and a state in which the reference gas is introduced into the measurement cell 2 .
  • the infrared light source 3 is provided facing the cell window 2a on one end side of the measurement cell 2, and irradiates the inside of the measurement cell 2 with infrared light.
  • the photodetector 4 is provided facing the cell window 2b on the other end side of the measurement cell 2, and detects infrared light that has passed through the measurement cell 2 via the cell window 2b.
  • the photodetector 4 is composed of, for example, a thermopile sensor or a semiconductor sensor, and is an infrared sensor that does not have wavelength selectivity in the infrared wavelength band.
  • a detection signal obtained by the photodetector 4 is output to the concentration calculator 7 .
  • the variable filter 5 is provided between the infrared light source 3 or the measurement cell 2 and the photodetector 4, and is provided between the measurement cell 2 and the photodetector 4 here.
  • the variable filter 5 is, for example, a plate-like filter, and as shown in FIG. 2, is a linear variable filter configured such that the transmission wavelength continuously changes along a predetermined direction.
  • the variable filter 5 is a wedge-shaped filter that continuously changes the transmission wavelength by moving the incident position of light in the longitudinal direction.
  • the variable filter 5 of this embodiment changes the transmission wavelength, for example, within the range of 3.0 ⁇ m to 7.5 ⁇ m.
  • the filter moving mechanism 6 moves the variable filter 5 to change the wavelength of light detected by the photodetector 4 . Specifically, the filter moving mechanism 6 continuously moves the variable filter 5 along its plane in the direction of change of the transmission wavelength. In this embodiment, since the transmission wavelength of the variable filter 5 changes in the longitudinal direction (linear direction), the filter moving mechanism 6 linearly moves the variable filter 5 along the longitudinal direction of the variable filter 5. be. Further, the filter moving mechanism 6 can move the variable filter 5 at a constant speed in a direction perpendicular to the optical path of the infrared light. Note that the variable filter 5 is controlled by the control section 9 .
  • the filter moving mechanism 6 has, for example, a holding member that holds the variable filter 5 and an actuator section that moves the holding member along the longitudinal direction of the variable filter 5 .
  • the actuator section may use, for example, a ball screw mechanism, an air cylinder, or a linear motor.
  • the concentration calculator 7 uses the detection signal (light intensity signal) obtained by the photodetector 4 to calculate the concentration of the measurement target component contained in the sample gas. Specifically, the concentration calculator 7 calculates the concentration of the component to be measured based on the change in the detection signal that accompanies the movement of the variable filter 5 . The calculated concentration of the component to be measured is displayed on the display unit DP such as a display.
  • FIG. 3(b) Changes in the detection signal accompanying the movement of the variable filter 5 are shown in FIG. 3(b). Note that FIG. 3 assumes that the sample gas contains two components.
  • the transmission wavelength detected by the photodetector 4 changes.
  • the gas component 1 that absorbs the transmission wavelength ⁇ 1 can be detected, and if the transmission wavelength detected by the photodetector 4 is ⁇ 2, the gas component 2 that absorbs the transmission wavelength ⁇ 2 can be detected. .
  • the time t1 during which the variable filter 5 transmits the transmission wavelength ⁇ 1 and the time t2 during which the transmission wavelength ⁇ 2 is transmitted are set in advance.
  • the sample gas contains gas components 1 and 2 that absorb the transmission wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 corresponding to those times.
  • FIGS. A calibration curve showing the relationship between the concentration of gas component 1 or gas component 2 and the detection signal at time t1 or t2, the amount of light, the amount of light absorption (optical absorptance), or the absorbance by measuring the amount (optical absorptance) or absorbance be created in advance.
  • Data representing this calibration curve is stored in a data storage unit (not shown) of the analyzer 100 .
  • the relationship between the concentration and the absorbance is used for the calibration curve, since the absorbance is linear with respect to the concentration, it is possible to easily correct the calibration curve.
  • the concentration calculator 7 calculates the concentrations of the gas components 1 and 2 from the detection signal obtained by measuring the sample gas, the amount of light, the amount of light absorption (light absorption rate), or the absorbance, using the above calibration curve. can be calculated.
  • the absorbance can be obtained from the ratio of the detection signal obtained by introducing the reference gas into the measurement cell 2 and the detection signal obtained by introducing the standard gas or sample gas into the measurement cell 2 .
  • the concentration calculator 7 can also calculate the concentration of the component to be measured by multivariate analysis using the detection signal obtained by the photodetector 4 .
  • a plurality of standard data used for this multivariate analysis are stored in advance in the data storage unit of the analysis device 100 .
  • the plurality of standard data are the detection signal, the amount of light, the amount of light absorption (light absorptance), or the absorbance obtained when measuring a gas containing one or a plurality of components with known concentrations.
  • the control unit 9 of the analysis device 100 controls the switching unit 8 to alternately introduce the reference gas and the sample gas into the measurement cell 2 .
  • the filter moving mechanism 6 is controlled by the controller 9 to move the variable filter 5 .
  • a reference detection signal in the reference gas is thereby detected.
  • the filter moving mechanism 6 moves the variable filter 5 while the sample gas is being introduced. A sample detection signal in the sample gas is thereby detected.
  • the filter movement when measuring the reference gas is forward movement (one-way movement from one longitudinal direction to the other), and the filter movement when measuring the sample gas is the return movement (one-way movement from the other longitudinal direction to the other). ).
  • the concentration calculator 7 calculates an absorbance spectrum, performs multivariate analysis on the absorbance spectrum, or calculates an arbitrary position of the absorbance spectrum (here, time) is used to calculate the concentration of the component to be measured.
  • the reference detection signal acquired in the outward movement and the sample detection signal detected in the return movement should be symmetrically inverted (for example, the reference detection signal is the detection signal that goes from short wavelength to long wavelength, and the sample detection signal is It becomes a detection signal going from a long wavelength to a short wavelength.), it is necessary to take into consideration such as performing an arithmetic processing for inverting one of the long and short wavelengths at the time of calculation.
  • the reference gas was measured during outward movement and the sample gas was measured during return movement, but the following method may also be used.
  • the reference gas is measured in both the outward movement and the return movement (reciprocating movement), and the sample gas is measured in the reciprocating movement.
  • reciprocating movement it is possible to obtain two spectra for each of the reference gas and the sample gas by reciprocating movement, and it is possible to calculate the average spectra of each of the reference gas and the sample gas.
  • a symmetrical spectrum can be obtained, signal processing is facilitated, and computational load can be reduced.
  • the reference gas is measured during outward movement or reciprocating movement to obtain a background reference detection signal. Thereafter, the sample gas is measured multiple times by reciprocating movement. Then, the reference gas is periodically measured in forward movement or back-and-forth movement. By regularly moving forward or back and forth, the background reference detection signal is reacquired. Note that the acquisition of the reference detection signal may be performed only before measurement of the sample gas (before use).
  • the reference gas is measured by reciprocating movement several times to average the reference detection signal, and then the sample gas is measured by reciprocating movement.
  • the sample gas is measured while the background noise level is reduced.
  • This reference detection signal averaging process may be performed periodically, or may be performed only before measurement (before use) of the sample gas.
  • the signal sampling period can be shortened by narrowing the movement range.
  • the absorption wavelength of CO 2 is 4.2 ⁇ m, and that of CO is 4.6 ⁇ m.
  • the analyzer 100 introduces a reference gas (for example, air) into the measurement cell 2, and absorbs light caused by a specific component (for example, CO 2 ) contained in the reference gas ("atmospheric CO 2 Absorption”) may be used to correct the position of the variable filter 5. This position correction can also be performed when acquiring the above-described background reference detection signal.
  • a reference gas for example, air
  • CO 2 Absorption a specific component contained in the reference gas
  • variable filter 5 When the variable filter 5 is in a normal position and when the variable filter 5 is in an abnormal position, the time (peak position) at which absorption of a specific component is detected when the variable filter 5 is moved differs from each other. . Using this fact, confirmation of the position of the variable filter 5, correction of positional displacement of the variable filter 5, correction of spectrum shift due to positional displacement of the variable filter 5, correction of wavelength shift due to temperature change of the variable filter 5, etc. It can be performed. These corrections may be implemented as a correction function of the analyzer 100, or may be performed by a user or the like confirming the peak position of a specific component of the intensity spectrum.
  • variable filter 5 is moved in the optical system using the single infrared light source 3, the measurement cell 2, the variable filter 5, and the single photodetector 4. Therefore, the intensity spectrum of the detection signal can be acquired while simplifying the optical system. As a result, it is possible to analyze the concentrations of a plurality of measurement target components contained in a sample while simplifying the optical system. In addition, since it is possible to obtain spectra of both wavelengths with high light absorption and low light absorption for a single measurement target component, it is possible to measure from low to high concentrations in the same cell length. can be done. Furthermore, since a single photodetector 4 can be used, even when measuring a plurality of components to be measured, there is no need to consider individual differences of sensors such as sensor temperature characteristics.
  • the change direction of the transmission wavelength of the variable filter 5 may be the circumferential direction.
  • the filter moving mechanism 6 is configured to move the variable filter 5 in the circumferential direction within the plane.
  • variable filter 5 may be provided between the infrared light source 3 and the measurement cell 2, between the infrared light source 3 and the measurement cell 2, and between the measurement cell 2 and the photodetector 4. You can set it.
  • the filter moving mechanism 6 may be configured to move the variable filter 5 at a constant speed, or may be configured to move at a non-uniform speed according to the change characteristic of the transmission wavelength of the variable filter 5 . For example, even if the change rate of the transmission wavelength of the variable filter 5 is not uniform, by moving the variable filter 5 at a non-uniform speed, the change rate of the transmission wavelength detected by the photodetector 4 becomes uniform. can be considered.
  • an infrared light source is used as the light source, but various light sources can be used depending on the object to be measured. good.
  • the characteristic component contained in the reference gas for using absorbance was used to correct the positional deviation or wavelength shift of the variable filter.
  • a correction gas may be used for correcting them.
  • multiple measurement target components in a sample can be analyzed while simplifying the optical system.

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Abstract

本発明は、光学系を簡単にしつつ、サンプル中の複数の測定対象成分を分析できるようにするものであり、サンプルに含まれる測定対象成分の濃度を分析する分析装置１００であって、サンプルが導入される測定セル２と、測定セル２に光を照射する光源３と、測定セル２を透過した光を検出する光検出器４と、光源３又は光検出器４と測定セル２との間に設けられ、光の入射位置によって透過波長が変化するバリアブルフィルタ５と、バリアブルフィルタ５を移動させて、光検出器４により検出される光の波長を変化させるフィルタ移動機構６と、光検出器４の検出信号に基づいて、測定対象成分の濃度を算出する濃度算出部７とを備える。

Description

分析装置、及び、分析方法
　本発明は、分析装置、及び、分析方法に関するものである。
　従来、排ガス等のサンプルに含まれる複数成分を分析するものとしては、特許文献１に示すＮＤＩＲ（非分散赤外線吸収法）を用いた分析計（以下、ＮＤＩＲ分析計）や、特許文献２に示すＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）を用いた分析計（以下、ＦＴＩＲ分析計）がある。
　ＮＤＩＲ分析計は、光学系が単純であるが、複数成分を分析する場合には成分数に応じた数の光検出器が必要である。また、サーモパイルセンサ等の波長選択性を持たないセンサの場合には、光学フィルタを利用する必要があり、センサの数だけ枚数が必要になってしまう。さらに、ＮＤＩＲ分析計は、ランバートベールの法則を用いて吸収率から濃度を算出するため、検量線がリニアではなく、検量線を多項式近似などで補正する必要がある。
　また、ＦＴＩＲ分析計では、複数成分を定性評価及び定量評価することができるものの、光学系が複雑になってしまう。その他、ＦＴＩＲ分析計は、高価であり、大型になってしまう。
特開２０００－３４６８０１号公報
　そこで、本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、光学系を簡単にしつつ、サンプル中の複数の測定対象成分を分析できるようにすることをその主たる課題とするものである。
　すなわち、本発明に係る分析装置は、サンプルに含まれる測定対象成分を分析する分析装置であって、前記サンプルが導入される測定セルと、前記測定セルに光を照射する光源と、前記測定セルを透過した光を検出する光検出器と、前記光源又は前記光検出器と前記測定セルとの間に設けられ、光の入射位置によって透過波長が変化するバリアブルフィルタと、前記バリアブルフィルタを移動させて、前記光検出器により検出される光の波長を変化させるフィルタ移動機構と、前記光検出器の検出信号に基づいて、前記測定対象成分の濃度を算出する濃度算出部とを備えることを特徴とする。
　このような構成であれば、光源、測定セル、バリアブルフィルタ及び光検出器を用いた光学系においてバリアブルフィルタを移動させているので、光学系を簡単にしつつ、検出信号の強度スペクトルを取得することができる。その結果、光学系を簡単にしつつ、サンプルに含まれる複数の測定対象成分の濃度を分析することができる。また、１つの測定対象成分に対して、光の吸収の大きい波長及び光の吸収の小さい波長の両方の強度スペクトルを取得することができるので、同一のセル長において低濃度から高濃度まで測定することができる。
　濃度算出部による濃度算出の具体的な実施の態様としては、前記濃度算出部は、前記バリアブルフィルタの移動に伴う検出信号の変化に基づいて、前記測定対象成分の濃度を算出することが望ましい。
　光検出器の検出信号の演算処理を簡単にするためには、前記フィルタ移動機構は、前記バリアブルフィルタを等速移動させるものであることが望ましい。
　参照ガスに含まれる特性成分により生じる光吸収は、バリアブルフィルタの移動距離又は移動時間において同じとなるはずである。このことを利用してバリアブルフィルタの位置を補正することができる。
　つまり、本発明の分析装置は、前記測定セルに参照ガスを導入し、当該参照ガスに含まれる特定成分により生じる光の吸収を用いて、前記バリアブルフィルタの位置を補正する位置補正機能を有することが望ましい。
　フィルタ移動機構によるバリアブルフィルタの移動態様としては、前記フィルタ移動機構は、前記バリアブルフィルタを、その透過波長の変化方向に沿って連続的に移動させるものであることが望ましい。
　具体的に前記バリアブルフィルタは、平板状をなすものが考えられる。この構成において、前記フィルタ移動機構は、前記バリアブルフィルタを、その平面に沿って直線方向又は円周方向に移動させるものであることが望ましい。
　濃度算出部により複数の測定対象成分の濃度を算出するためには、前記濃度算出部は、前記光検出器の検出信号を用いた多変量解析により、前記測定対象成分の濃度を算出することが望ましい。
　前記光源は、赤外光源であることが望ましい。
　また、本発明に係る分析方法は、サンプルが導入される測定セルと、前記測定セルに光を照射する光源と、前記測定セルを透過した光を検出する光検出器とを備える分析装置を用いて、前記サンプルに含まれる測定対象成分を分析する分析方法であって、前記光源又は前記光検出器と前記測定セルとの間に、光の入射位置によって透過波長が変化するバリアブルフィルタを設け、前記バリアブルフィルタを移動させて、前記光検出器により検出される光の波長を変化させ、その際に得られる前記光検出器の検出信号に基づいて、前記測定対象成分の濃度を算出することを特徴とする。
　以上に述べた本発明によれば、光学系を簡単にしつつ、サンプル中の複数の測定対象成分を分析できる。
本発明の一実施形態における分析装置の全体図である。 同実施形態のバリアブルフィルタの透過波長を示す模式図である。 同実施形態の測定原理を示す模式図である。
　以下に本発明の一実施形態に係る排ガス分析装置について図面を参照して説明する。なお、以下に示すいずれの図についても、わかりやすくするために、適宜省略し又は誇張して模式的に描かれている。同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
　本実施形態の分析装置１００は、例えば排ガス等のサンプルガスに含まれる複数の測定対象成分を分析するものである。なお、測定対象成分としては、ＨＣ（炭化水素、ＣＨ４又はＣ３Ｈ８等）、ＣＯ、ＣＯ２、ＮＯ、ＳＯ２、ＮＨ３及び／又はＨ２Ｏ等を挙げることができる。
　具体的に分析装置１００は、図１に示すように、サンプルが導入される測定セル２と、測定セル２に赤外光を照射する赤外光源３と、測定セル２を透過した赤外光を検出する光検出器４と、光の入射位置によって透過波長が変化するバリアブルフィルタ５と、バリアブルフィルタ５を移動させるフィルタ移動機構６と、光検出器４の検出信号に基づいて、測定対象成分の濃度を算出する濃度算出部７とを備えている。本実施形態では、測定セル２と光検出器４との間には、測定セル２を透過した赤外光を絞る絞り機構（又は赤外光を集光する集光機構）１０が設けられている。
　測定セル２は、例えば概略筒形状をなし、その両端部に赤外線透過性材料からなるセル窓２ａ、２ｂが形成されている。また、測定セル２の側壁には、サンプルガスを測定セル２の内部に導入するための導入ポートＰ１及びサンプルガスを測定セル２の外部に導出するための導出ポートＰ２が設けられている。
　本実施形態では、測定セル２の導入ポートＰ１の上流側には、サンプルガスを測定セル２に導入するためのサンプルガス流路Ｌ１と、例えば大気などの参照ガスを測定セル２に導入するための参照ガス流路Ｌ２とを切り替える例えば電磁弁などの切替部８が設けられている。この切替部８が制御部９により制御されて、測定セル２にサンプルガスが導入される状態と、測定セル２に参照ガスが導入される状態とで切り替えられる。
　赤外光源３は、測定セル２の一端側においてセル窓２ａに対向して設けられており、測定セル２の内部に赤外光を照射するものである。
　光検出器４は、測定セル２の他端側におけるセル窓２ｂに対向して設けられており、セル窓２ｂを介して測定セル２を透過した赤外光を検出するものである。光検出器４は、例えばサーモパイルセンサ又は半導体センサから構成されており、赤外線波長帯域において波長選択性を有さない赤外線センサである。なお、この光検出器４により得られた検出信号は、濃度算出部７に出力される。
　バリアブルフィルタ５は、赤外光源３又は測定セル２と光検出器４との間に設けられるものであり、ここでは、測定セル２と光検出器４との間に設けられている。また、バリアブルフィルタ５は、例えば平板状をなすものであり、図２に示すように、所定の一方向に沿って透過波長が連続的に変化するように構成されたリニアバリアブルフィルタである。具体的にバリアブルフィルタ５は、光の入射位置を長手方向に移動させることにより、透過波長を連続的に変化させる楔形のフィルタである。本実施形態のバリアブルフィルタ５は、透過波長を例えば３．０μｍ～７．５μｍの範囲で変化させるものである。
　フィルタ移動機構６は、バリアブルフィルタ５を移動させて、光検出器４により検出される光の波長を変化させるものである。具体的にフィルタ移動機構６は、バリアブルフィルタ５を、その平面に沿って、透過波長の変化方向に沿って連続的に移動させるものである。本実施形態では、バリアブルフィルタ５の透過波長の変化方向が長手方向（直線方向）であるため、フィルタ移動機構６は、バリアブルフィルタ５の長手方向に沿って、バリアブルフィルタ５を直線移動させるものである。また、フィルタ移動機構６は、バリアブルフィルタ５を赤外光の光路に直交する方向に等速移動させることができる。なお、バリアブルフィルタ５は、制御部９により制御される。
　なお、フィルタ移動機構６は、例えば、バリアブルフィルタ５を保持する保持部材と、当該保持部材をバリアブルフィルタ５の長手方向に沿って移動させるアクチュエータ部とを有している。なお、アクチュエータ部は、例えばボールねじ機構を用いたものであっても良いし、エアシリンダを用いたものであっても良いし、リニアモータを用いたものであっても良い。
　濃度算出部７は、光検出器４により得られた検出信号（光強度信号）を用いて、サンプルガスに含まれる測定対象成分の濃度を算出するものである。具体的に濃度算出部７は、バリアブルフィルタ５の移動に伴う検出信号の変化に基づいて、測定対象成分の濃度を算出する。なお、算出された測定対象成分の濃度は、ディスプレイ等の表示部ＤＰに表示される。
　バリアブルフィルタ５の移動に伴う検出信号の変化は、図３（ｂ）に示すものとなる。なお、図３では、サンプルガスに２成分が含まれている場合を想定している。
　バリアブルフィルタ５の移動に伴って、図３（ａ）に示すように、光検出器４で検出される透過波長が変化し、光検出器４で検出される透過波長がλ１の場合には、当該透過波長λ１を吸収するガス成分１を検出することができ、光検出器４で検出される透過波長がλ２の場合には、当該透過波長λ２を吸収するガス成分２を検出することができる。
　ここで、バリアブルフィルタ５を移動させてから（測定開始から）、バリアブルフィルタ５が透過波長λ１を透過する時間ｔ１、透過波長λ２を透過する時間ｔ２を予め設定しておく。そして、それら時間ｔ１、ｔ２において光吸収が生じた場合には、それら時間に対応した透過波長λ１、λ２を吸収するガス成分１、２がサンプルガスに含まれていることが検出できる。
　具体的には、ガス成分１又はガス成分２の濃度が既知の標準ガスを用いて、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、上記時間ｔ１又はｔ２における検出信号、光量、光吸収量（光吸収率）又は吸光度を測定し、ガス成分１又はガス成分２の濃度と、時間ｔ１又はｔ２における検出信号、光量、光吸収量（光吸収率）又は吸光度との関係を示す検量線を予め作成しておく。なお、この検量線を示すデータは、分析装置１００のデータ格納部（不図示）に格納しておく。ここで、検量線に濃度と吸光度との関係を用いた場合には、吸光度は濃度に対して直線性があるため、検量線の補正を容易にすることができる。
　そして、濃度算出部７は、サンプルガスを測定して得られた検出信号、光量、光吸収量（光吸収率）又は吸光度から、上記の検量線を用いて、ガス成分１、２の濃度を算出することができる。なお、吸光度は、測定セル２に参照ガスを導入して得られた検出信号と、測定セル２に標準ガス又はサンプルガスを導入して得られた検出信号との比から求めることができる。
　さらに、濃度算出部７は、光検出器４により得られた検出信号を用いた多変量解析により、測定対象成分の濃度を算出することもできる。この多変量解析に用いる複数の標準データは、分析装置１００のデータ格納部に予め格納されている。なお、複数の標準データは、濃度既知の１又は複数の成分を含むガスを測定した際に得られた検出信号、光量、光吸収量（光吸収率）又は吸光度である。
＜分析装置の動作の一例＞
　次に、本実施形態の分析装置１００の動作（分析方法）の一例を説明する。
　分析装置１００の制御部９は、切替部８を制御して、測定セル２に参照ガスとサンプルガスとを交互に導入する。
　そして、参照ガスが導入されている状態で、フィルタ移動機構６は、制御部９により制御されて、バリアブルフィルタ５を移動させる。これにより、参照ガスにおけるリファレンス検出信号が検出される。また、サンプルガスが導入されている状態で、フィルタ移動機構６は、バリアブルフィルタ５を移動させる。これにより、サンプルガスにおけるサンプル検出信号が検出される。
　ここで、参照ガスを測定する際のフィルタ移動を往路移動（長手方向一方から他方への片道移動）とし、サンプルガスを測定する際のフィルタ移動を復路移動（長手方向他方から一方への片道移動）とすることが考えられる。
　上記により得られたリファレンス検出信号及びサンプル検出信号を用いて、濃度算出部７は、例えば、吸光度スペクトルを算出し、当該吸光度スペクトルを多変量解析し、又は、吸光度スペクトルの任意の位置（ここでは時間）における吸光度を用いて、測定対象成分の濃度を算出する。なお、往路移動で取得したリファレンス検出信号と、復路移動で検出したサンプル検出信号とは対称に反転するはず（例えばリファレンス検出信号は、短波長から長波長に向かう検出信号で、サンプル検出信号は、長波長から短波長に向かう検出信号となる。）で、演算時に何れか一方を長短において反転させる演算処理を行う等の考慮が必要となる。
　上記では、往路移動で参照ガスを測定し、復路移動でサンプルガスを測定したが、以下の方式であっても良い。
　往路移動及び復路移動の両方（往復移動）で参照ガスを測定し、また、往復移動でサンプルガスを測定する。この方式では、往復移動で参照ガス及びサンプルガスそれぞれ２回分のスペクトルを取得することができ、参照ガス及びサンプルガスそれぞれの平均スペクトルを求めて演算することができる。ここで、往復移動でそれぞれのスペクトルを取得する場合には、対称型のスペクトルを得ることができ、信号処理が容易となり、演算負荷の低減を図ることができる。
　また、往路移動又は往復移動で参照ガスを測定し、これによりバックグラウンドとなるリファレンス検出信号を取得する。その後は、往復移動でサンプルガスを複数回測定する。そして、定期的に往路移動又は往復移動で参照ガスを測定する。定期的に往路移動又は往復移動することで、バックグラウンドとなるリファレンス検出信号を再取得する。なお、リファレンス検出信号の取得は、サンプルガスの測定前（使用前）にのみ行っても良い。
　さらに、数回の往復移動で参照ガスを測定してリファレンス検出信号を平均化し、その後は往復移動でサンプルガスを測定する。この構成であれば、平均化されたリファレンス検出信号をバックグラウンドとすることにより、バックグラウンドのノイズレベルを小さくした状態で、サンプルガスを測定することができる。このリファレンス検出信号の平均化処理は、定期的に行っても良いし、サンプルガスの測定前（使用前）にのみ行っても良い。
　また、上記のバリアブルフィルタ５の移動範囲としては、測定対象成分が限定されていて測定すべき波長範囲が狭い場合は、移動範囲を狭くすることで信号のサンプリング周期を速くすることができる。例えば、ＣＯ２の吸収波長は４．２μｍ、ＣＯの４．６μｍであり、バリアブルフィルタ５を例えば４．０～４．８μｍの範囲で移動させれば良い。
　その他、分析装置１００は、測定セル２に参照ガス（例えば大気）を導入し、当該参照ガスに含まれる特定成分（例えばＣＯ２）により生じる光の吸収（図３（ｂ）の「大気ＣＯ２吸収」）を用いて、バリアブルフィルタ５の位置を補正する位置補正機能を有していても良い。この位置補正は、上述したバックグラウンドとなるリファレンス検出信号を取得する際に行うこともできる。
　バリアブルフィルタ５が正常な位置にある場合と、バリアブルフィルタ５が異常な位置にある場合とでは、バリアブルフィルタ５を移動させた際に特定成分の吸収が検出される時間（ピーク位置）は互いに異なる。このことを利用して、バリアブルフィルタ５の位置の確認、バリアブルフィルタ５の位置ずれの補正、バリアブルフィルタ５の位置ずれによるスペクトルのシフト補正、又は、バリアブルフィルタ５の温度変化による波長シフトの補正等を行うことができる。これらの補正は、分析装置１００の補正機能として実装しても良いし、ユーザなどが強度スペクトルの特定成分のピーク位置を確認することで行っても良い。
＜本実施形態の効果＞
　このように構成した本実施形態の分析装置１００によれば、単一の赤外光源３、測定セル２、バリアブルフィルタ５及び単一の光検出器４を用いた光学系においてバリアブルフィルタ５を移動させているので、光学系を簡単にしつつ、検出信号の強度スペクトルを取得することができる。その結果、光学系を簡単にしつつ、サンプルに含まれる複数の測定対象成分の濃度を分析することができる。また、１つの測定対象成分に対して、光の吸収の大きい波長及び光の吸収の小さい波長の両方のスペクトルを取得することができるので、同一のセル長において低濃度から高濃度まで測定することができる。さらに、単一の光検出器４を用いることができるので、複数の測定対象成分を測定する場合であっても、センサの温度特性等のセンサの個体差を考慮する必要がなくなる。
＜その他の実施形態＞
　例えば、バリアブルフィルタ５の透過波長の変化方向は円周方向であっても良い。この場合、フィルタ移動機構６は、バリアブルフィルタ５をその平面内において円周方向に移動させる構成となる。
　また、バリアブルフィルタ５を赤外光源３と測定セル２との間に設けても良いし、赤外光源３と測定セル２との間、及び、測定セル２と光検出器４との間に設けても良い。
　さらに、フィルタ移動機構６は、バリアブルフィルタ５を等速移動させる構成のほか、バリアブルフィルタ５の透過波長の変化特性に合わせて不等速移動させる構成としても良い。例えば、バリアブルフィルタ５の透過波長の変化率が均一ではない場合においても、バリアブルフィルタ５を不等速移動させることにより、光検出器４で検出される透過波長の変化率が均一となるようにすることが考えられる。
　その上、前記実施形態では、光源として赤外光源を用いているが、測定対象に応じて種々の光源にすることができ、例えば、可視光源であっても良いし、紫外光源であっても良い。
　加えて、前記実施形態では、吸光度を用いるための参照ガスに含まれる特性成分を用いて、バリアブルフィルタの位置ずれ又は波長シフトの補正を行う構成であったが、吸光度を用いるための参照ガスとは別に、それらの補正を行うための補正用ガスを用いても良い。
　その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。
　本発明によれば、光学系を簡単にしつつ、サンプル中の複数の測定対象成分を分析できる。
１００・・・分析装置
２　　・・・測定セル
３　　・・・赤外光源
４　　・・・光検出器
５　　・・・バリアブルフィルタ
６　　・・・フィルタ移動機構
７　　・・・濃度算出部

Claims (9)

  1. 　サンプルに含まれる測定対象成分を分析する分析装置であって、
    　前記サンプルが導入される測定セルと、
    　前記測定セルに光を照射する光源と、
    　前記測定セルを透過した光を検出する光検出器と、
    　前記光源又は前記光検出器と前記測定セルとの間に設けられ、光の入射位置によって透過波長が変化するバリアブルフィルタと、
    　前記バリアブルフィルタを移動させて、前記光検出器により検出される光の波長を変化させるフィルタ移動機構と、
    　前記光検出器の検出信号に基づいて、前記測定対象成分の濃度を算出する濃度算出部とを備える、分析装置。
  2. 　前記濃度算出部は、前記バリアブルフィルタの移動に伴う検出信号の変化に基づいて、前記測定対象成分の濃度を算出する、請求項１に記載の分析装置。
  3. 　前記フィルタ移動機構は、前記バリアブルフィルタを等速移動させるものである、請求項１又は２に記載の分析装置。
  4. 　前記測定セルに参照ガスを導入し、当該参照ガスに含まれる特定成分により生じる光の吸収を用いて、前記バリアブルフィルタの位置ずれ又は波長シフトを補正する補正機能を有する、請求項１乃至３の何れか一項に記載の分析装置。
  5. 　前記フィルタ移動機構は、前記バリアブルフィルタを、その透過波長の変化方向に沿って連続的に移動させるものである、請求項１乃至４の何れか一項に記載の分析装置。
  6. 　前記バリアブルフィルタは、平板状をなすものであり、
    　前記フィルタ移動機構は、前記バリアブルフィルタを、その平面に沿って直線方向又は円周方向に移動させるものである、請求項１乃至５の何れか一項に記載の分析装置。
  7. 　前記濃度算出部は、前記光検出器の検出信号を用いた多変量解析により、前記測定対象成分の濃度を算出する、請求項１乃至６の何れか一項に記載の分析装置。
  8. 　前記光源は、赤外光源である、請求項１乃至７の何れか一項に記載の分析装置。
  9. 　サンプルが導入される測定セルと、前記測定セルに光を照射する光源と、前記測定セルを透過した光を検出する光検出器とを備える分析装置を用いて、前記サンプルに含まれる測定対象成分を分析する分析方法であって、
    　前記光源又は前記光検出器と前記測定セルとの間に、光の入射位置によって透過波長が変化するバリアブルフィルタを設け、
    　前記バリアブルフィルタを移動させて、前記光検出器により検出される光の波長を変化させ、その際に得られる前記光検出器の検出信号に基づいて、前記測定対象成分の濃度を算出する、分析方法。
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