JP2015049168A

JP2015049168A - ガス吸光度測定装置

Info

Publication number: JP2015049168A
Application number: JP2013181842A
Authority: JP
Inventors: 松田　直樹; Naoki Matsuda; 直樹松田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-03-16

Abstract

【課題】試料セル内に該試料セルの透過光強度に影響を及ぼすような現象が発生した場合でもその影響を排除して、試料ガス中の特定ガス成分の濃度を正確に求めることができるガス吸光度測定装置を提供する。
【解決手段】本発明のガス吸光度測定装置１０は、試料ガスを収容する試料セル１２、試料ガスに含まれる目的成分の吸収波長を有するレーザ光を出射する第１光源１４、目的成分の吸収波長とは異なる波長のレーザ光を出射する第２光源１６、第１光源１４から出射されたレーザ光及び第２光源１６から出射されたレーザ光を、試料セル１２内の同一光路上を通過させる結合光学系を備え、試料セル１２を通過した光のうち第１光源１４からのレーザ光の強度を第１検出器２２１で、試料セル１２を通過した光のうち第２光源１６からのレーザ光の強度を第２検出器２２２でそれぞれ検出し、第２検出器２２２の検出信号を用いて、第１検出器２２１の検出信号を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光に対する吸収を利用して試料ガス中の特定成分の濃度を測定するガス吸光度測定装置に関する。

気体中に含まれる二酸化炭素やメタン等の特定ガスの濃度を測定する方法として、レーザ光に対する吸収を利用したレーザ吸収分光法が知られている（例えば特許文献１参照）。この方法は、試料ガスが導入された試料セルに所定波長のレーザ光を照射し、該試料セルを透過したレーザ光の強度を検出することにより、試料ガス中の特定ガス成分の濃度を求めるものである。

特開平８−３３８８０５号公報

上記した従来の方法では、レーザ光源の光量変化等が透過光強度に及ぼす影響を排除するために試料ガスを含まない基準ガス用セルを用意し、光源から出射されるレーザ光を2つに分岐して試料セルと基準ガス用セルに照射している。そして、基準ガス用セルの透過光強度を用いて試料セルの透過光強度を補正するようにしている。

ところが、上記方法ではレーザ光の分岐部から試料セルに向かう光路のみに、例えばレーザ光の光軸を変化させるような外乱が発生したり、レーザ光を遮るような埃等が侵入したりして透過光強度が変動した場合には、その影響を排除することができない。一方、レーザ光の分岐部から基準ガス用セルに向かう光路のみに上記したような外乱や埃の侵入等が生じた場合には、試料セルの透過光強度はその影響を受けないにもかかわらず上記方法ではその影響があるものとして補正してしまうことになる。つまり、いずれの場合も、試料セルの透過光強度を正確に求めることができない。

本発明が解決しようとする課題は、試料セル内に該試料セルの透過光強度に影響を及ぼすような現象が発生した場合でもその影響を排除して、試料ガス中の特定ガス成分の濃度を正確に求めることができるガス吸光度測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るガス吸光度測定装置は、
a) 試料ガスを収容する試料セルと、
b) 前記試料ガス中の目的成分の吸収波長を有するレーザ光を出射する第１光源と、
c) 前記目的成分の吸収波長とは異なる波長のレーザ光を出射する第２光源と、
d) 前記第１光源から出射されたレーザ光及び前記第２光源から出射されたレーザ光を、前記試料セル内の同一光路上を通過させる結合光学系と、
e) 前記試料セルを通過した光のうち前記第１光源からのレーザ光の強度を検出する第１検出器と、
f) 前記試料セルを通過したレーザ光のうち前記第２光源からのレーザ光の強度を検出する第２検出器と、
g) 前記第２検出器の検出信号を用いて、前記第１検出器の検出信号を補正するノイズ補正処理手段と
を備えることを特徴とする。

前記結合光学系としては、前記第１光源からのレーザ光と前記第２光源からのレーザ光を合波するファイバカプラを用いることができる。この場合、ファイバカプラと試料セルの間に合波したレーザ光を平行光化するレンズを配置すると良い。

また、上記のガス吸光度測定装置は、さらに、
h) 前記第１光源からのレーザ光を、前記試料セル内を通過する第１光路と、該第１光路とは別の第２光路とに分岐する分岐手段と、
i) 前記第２光路に配置された、前記第１光源からのレーザ光の強度を検出する第１光源光量補正用検出器と、
j) 前記第１光源光量補正用検出器の検出信号を用いて、前記第１検出器の検出信号を補正する第１光量補正処理手段と
を備えることが好ましい。
上記構成によれば、第１光源からのレーザ光の試料セルの透過光強度から該第１光源の光量変化の影響を排除することができるため、試料ガス中の目的成分濃度をより正確に測定することができる。

また、上記のガス吸光度測定装置は、さらに、
k) 前記第２光源からのレーザ光を、前記試料セル内を通過する第１光路と、該第１光路とは別の第２光路とに分岐する分岐手段と、
l) 前記第２光路に配置された、前記第２光源からのレーザ光の強度を検出する第２光源光量補正用検出器と、
m) 前記第２光源光量補正用検出器の検出信号を用いて、前記第２検出器の検出信号を補正する第２光量補正処理手段と
を備えることが好ましい。
上記構成によれば、第２光源からのレーザ光の試料セルの透過光強度から該第２光源の光量変化の影響を排除することができるため、試料ガス中の目的成分濃度をより正確に測定することができる。

本発明のガス吸光度測定装置では、第１光源からのレーザ光は試料ガスに含まれる目的成分の量に応じて試料セルを通過する際に試料ガスに吸収される。また、第２光源からのレーザ光は、目的成分の吸収波長とは異なる波長であるため、目的成分の有無や目的成分の量に影響を受けることなく試料セルを透過する。このとき、第１光源からのレーザ光と第２光源からのレーザ光は結合され、試料セル内の同一光路上を通過するため、該光路上に埃が存在した場合には、その埃によって第１光源からのレーザ光と第２光源からのレーザ光の両方が同じように遮られる。また、第１光源及び第２光源からレーザ光の光軸が変化するような外乱が試料セルに発生した場合も同様に、第１光源及び第２光源からのレーザ光の両方がその影響を受ける。従って、ノイズ補正処理手段によって、試料セルを通過したレーザ光のうち第２光源からのレーザ光の検出信号を用いて第１光源からのレーザ光の検出信号を補正することにより、第１光源からのレーザ光と第２光源からのレーザ光が結合してから試料セルを通過するまでの光路上に発生した外乱や埃等による影響を排除することができ、試料ガス中の目的成分の濃度を正確に測定することができる。

本発明の一実施例に係るガス吸光度測定装置の概略構成図。透過光検出器のＩｎＧａＡｓフォトダイオードの出力（ａ）、透過光検出器のＳｉフォトダイオードの出力（ｂ）、光量補正用検出器の出力（ｃ）、試料ガス中の目的成分の吸光度スペクトル。

以下、本発明の一実施例に係るガス吸光度測定装置の構成を説明する。
ガス吸光度測定装置１０は、試料ガスが導入される試料セル１２と、前記試料ガスの吸収波長のレーザ光を出射する第１光源１４と、試料ガスの吸収波長とは異なるレーザ光を出射する第２光源１６とを備えている。以下、第１光源１４の出射レーザ光を「吸収波長光」、第２光源１６の出射レーザ光を「非吸収波長光」ともいう。本実施例では、第１光源１４としてＣＯ_２の赤外吸収スペクトルに対応した２．０μｍ帯のＤＦＢ−ＬＤ（分布帰還型レーザダイオード、Distributed FeedBack Laser Diode）を使用し、第２光源１６として６８５ｎｍ帯のＬＤ（レーザダイオード、Laser Diode）を使用している。

第１光源１４から出射されるレーザ光と第２光源１６から出射されるレーザ光は赤外線シングルモードファイバカプラ１８（以下、「ファイバカプラ」という。）を介して試料セル１２に向かうようになっている。ファイバカプラ１８は、入射した光を分波・合波する機能を有しており、第１光源１４からのレーザ光及び第２光源１６からのレーザ光をそれぞれ二つに分岐し、各レーザ光、つまり吸収波長光と非吸収波長光とを結合して試料セル１２に向かう第１光路ＬＡに出射し、各レーザ光、つまり吸収波長光と非吸収波長光とを結合して第１光路ＬＡとは別の第２光路ＬＢに出射する。なお、ファイバカプラ１８は第２光源１６からのレーザ光を伝搬できれば良く、当該光が最適波長でなくても良い。ファイバカブラ１８と試料セル１２の間には一つに結合された吸収波長光と非吸収波長光を平行光線化するレンズ２０が配置されている。本実施例では、ファイバカプラ１８とレンズ２０から結合光学系が構成される。

試料セル１２の後段には、試料セル１２を透過した光を検出する透過光検出器２２が配置されている。この透過光検出器２２は、赤外領域に感度を持つＩｎＧａＡｓフォトダイオード２２１と、可視及び紫外領域に感度を持つＳｉフォトダイオード２２２をタンデムに搭載した複合素子から構成されている。ＩｎＧａＡｓフォトダイオード２２１は本発明の第１検出器に相当し、Ｓｉフォトダイオード２２２は本発明の第２検出器に相当する。

また、第２光路ＬＢ上には光量補正用検出器２４が配置されており、ファイバカプラ１８によって分岐された他方の吸収波長光と非吸収波長光の結合光が入射するようになっている。光量補正用検出器２４は、赤外領域に感度を持つＩｎＧａＡｓフォトダイオードから構成されている。

ガス吸光度測定装置１０は透過光検出器２２と光量補正用検出器２４の検出信号が入力されるデータ処理装置２６を備えている。該データ処理処置２６は、透過光検出器２２のＩｎＧａＡｓフォトダイオードの検出信号から光量補正用検出器２４のＩｎＧａＡｓフォトダイオードの検出信号を除算することで、第１光源１４の光量変化の補正処理を行う。なお、光量補正用検出器２４には第２光源１６からのレーザ光も入射するが、光量補正用検出器２４は非吸収波長光に感度を持たないＩｎＧａＡｓフォトダイオードが用いられているため、光量変化の補正処理には影響が及ばない。

また、データ処理装置２６は、透過光検出器２２のＳｉフォトダイオードの検出信号により透過光検出器２２のＩｎＧａＡｓフォトダイオードの検出信号を除算することで、試料セル１２の入射窓の汚れや試料セル１２中に侵入した埃等による光量変化の補正処理を行う。そして、これら補正処理によって得られた結果から、ガス吸収スペクトルが求められる。このガス吸収スペクトルは表示装置２８に出力されて、その表示画面に表示される。

図２に透過光検出器２２及び光量補正用検出器２４の出力データ及びデータ処理装置２６の出力データの一例を示す。なお、図２では、透過光検出器２２を「検出器（１）」と、光量補正用検出器２４を「検出器（２）」と表している。また、図２は、ガス吸光度の計測中に試料ガス中に含まれる煤が試料セル１２内の光路を横切った場合の例を示す。

図２（ａ）は透過光検出器２２のＩｎＧａＡｓフォトダイオードの出力を示しており、試料ガス中の目的成分（ＣＯ_２）による吸収特性（透過光強度）が検出される。図２（ａ）から、目的成分の吸収特性には煤による光量低下が観察されることが分かる。図２（ｂ）は透過光検出器２２のＳｉフォトダイオードの出力を示しており、目的成分による吸収特性は検出されず、煤による光量低下のみが観察される。図２（ｃ）は光量補正用検出器２４の出力を示しており、第１光源１４の光量変化のみが観察される。

図２（ａ）の結果を、図２（ｂ）の結果及び図２（ｃ）の結果で除算し、得られたガス吸光度スペクトルを図２（ｄ）に示す。図２（ｄ）の結果から、第１光源１４の光量変化の影響及び煤による光量低下の影響が排除され、試料ガスに含まれる目的成分本来のガス吸光度スペクトルが得られることが分かる。
このように、本実施例では、第１光源１４からのレーザ光と第２光源１６からのレーザ光を結合させた後、試料セル１２内の同一光路上を通過させて各レーザ光の透過光強度を検出するようにした。そして、第２光源１６からのレーザ光の透過光強度を用いて第１光源１４からのレーザ光の透過光強度を補正したため、試料セル１２内はもちろん、ファイバカプラ１８から試料セル１２に至るまでの光路上に発生する外乱や埃の侵入といった目的成分の透過光強度に及ぼす影響を排除することができる。

さらに、本実施例では、第１光源１４からのレーザ光を２つに分岐し、そのうちの一方を光量補正用検出器２４で検出し、この結果を用いて第１光源１４からのレーザ光の透過光強度を補正するようにした。そのため、第１光源１４の光量変化の影響も排除することができる。

さらにまた、本実施例では、非吸収波長光である第２光源１６からのレーザ光として可視光を用いたため、該レーザ光を赤外光である吸収波長光のガイド光として利用することができる。従って、吸収波長光と非吸収波長光の結合光の光路上に位置するレンズ２０や試料セル１２、検出器２２等の位置調整を容易に行うことができる。

なお、本実施例の装置は、（１）試料セルの光路上に煤が存在する時の光量低下を補正する場合の他、（２）試料セル内の温度変化により目的成分のピーク形状が変化したときに該ピーク形状を補正することも可能である。

また、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく以下の変形が可能である。
例えば、ファイバから発せられた光は、レンズを使ってコリメートしているが、放物面鏡などの光学素子を使ってコリメートしても良い。
ファイバカプラに代えてビームスプリッタ等に第１光源及び第２光源からのレーザ光を入射させ、各レーザ光を二つに分岐すると共に、分岐後の各レーザ光の一方ずつを一つにまとめるようにしても良い。
試料セルを通過した吸収波長光と非吸収波長光の結合波をビームスプリッタで２つに分岐し、吸収波長に感度を持つ検出器と非吸収波長に感度を持つ検出器を用いて各波長光を検出するようにしても良い。
あるいは積分球と検出器を組み合わせて、入射された結合波を吸収波長に感度を持つ検出器と非吸収波長に感度を持つ検出器を用いて各波長光を検出するようにしても良い。
光量補正用検出器２４としてＩｎＧａＡｓフォトダイオードとＳｉフォトダイオードの両方を備えた検出器を用いてもよい。この構成では、第１光源と第２光源の両方の光量補正を行うことができる。

１０…ガス吸光度測定装置
１２…試料セル
１４…第１光源
１６…第２光源
１８…赤外線シングルモードファイバカプラ（結合光学系）
２０…レンズ（結合光学系）
２２…透過光検出器
２４…光量補正用検出器
２６…データ処理装置

Claims

a) 試料ガスを収容する試料セルと、
b) 前記試料ガス中の目的成分の吸収波長を有するレーザ光を出射する第１光源と、
c) 前記目的成分の吸収波長とは異なる波長のレーザ光を出射する第２光源と、
d) 前記第１光源から出射されたレーザ光及び前記第２光源から出射されたレーザ光を、前記試料セル内の同一光路上を通過させる結合光学系と、
e) 前記試料セルを通過した光のうち前記第１光源からのレーザ光の強度を検出する第１検出器と、
f) 前記試料セルを通過した光のうち前記第２光源からのレーザ光の強度を検出する第２検出器と、
g) 前記第２検出器の検出信号を用いて、前記第１検出器の検出信号を補正するノイズ補正処理手段と
を備えることを特徴とするガス吸光度測定装置。
前記結合光学系が、前記第１光源からの光と前記第２光源からの光を合波するファイバカプラを備えることを特徴とする請求項１に記載のガス吸光度測定装置。
請求項１又は２に記載のガス吸光度測定装置において、さらに、
h) 前記第１光源からのレーザ光を、前記試料セル内を通過する第１光路と、該第１光路とは別の第２光路とに分岐する分岐手段と、
i) 前記第２光路に配置された、前記第１光源からのレーザ光の強度を検出する第１光源光量補正用検出器と、
j) 前記第１光源光量補正用検出器の検出信号を用いて、前記第１検出器の検出信号を補正する第１光量補正処理手段と
を備えることを特徴とするガス吸光度測定装置。
請求項１又は２に記載のガス吸光度測定装置において、さらに、
k) 前記第２光源からのレーザ光を、前記試料セル内を通過する第１光路と、該第１光路とは別の第２光路とに分岐する分岐手段と、
l) 前記第２光路に配置された、前記第２光源からのレーザ光の強度を検出する第２光源光量補正用検出器と、
m) 前記第２光源光量補正用検出器の検出信号を用いて、前記第２検出器の検出信号を補正する第２光量補正処理手段と
を備えることを特徴とするガス吸光度測定装置。