JPH02500541A - 気体混合物中のガスの濃度を測定する方法及びこの方法を実施するための装置 - 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】 体　４　の′スの゛　を゛　る　法　びこの　法をるための 本発明は、気体混合物中のガスの濃度を測定する方法及びこの方法を実施するた めの装置に係わる。

ガスの吸収スペクトル検査によるガス濃度の測定は、フーリエ形式の適用及びこ れらの方法を実施するための簡単な装置の構想によって目覚ましい進歩をとげて きた。

仏画特許第２，１６８，９４８号、第２，２１６，５６５号、第２，３００，９ ９８号、第２，３００，９９９号、第２，３４０，５４０号、第２，４２０，７ ５４号、第２．５５５，７４７号、第２，５５５，７４８号、第２，５６６．５ ３２号及び第２，５８１゜１９０号には、波数σに基づく周期ｐをもつほぼ周期 的な精造を局部的に含む吸収スペクトルを有するガスの濃度測定に適した前記方 法の基礎となる主要操作ステップが開示されている。

実際、干渉計システムによって得られる前述のごときガスの吸収スペクトルのフ ーリエ変換図形（ｔｒａｎｓｆｏｒｍ６ｅ　ｄｅＦｏｕｒｉｅｒ）は、周期Ｐに 対応して光路差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｄｅｍａｒｅｈｅ）Δｅ＝１／ｐの近 傍に検出可能な信号を含む、この信号は吸収スペクトル線のスペクトル位置の周 期性を表す。

この信号は分子に特異的な信号であり、該分子を検出し且つその濃度を測定する のに使用できる。吸収バンドのスペクトル位置σと前記干渉計信号とを同時に使 用すれば同定を極めて確実に実施せしめる二成分スペクトル符号定数（ｓｉｇｎ ａｔｕｒｅ）が得られる。従って、マイクルソン干渉計の使用は不要になり、Δ Ｃに近い一定の光路差に合わせて調整した複屈折板を用いる簡単な装置だけでよ いことになる。

勿論、前記信号が最大になる時の△の値を選択する方が有利である。

前出の様々な特許明細書にはこの方法の詳細と、該方法を実施するための幾つか の装置とが記述されている。

この方法は、多くのガス、特にＳＯ３、Ｎｏ、、Ｎｏ、　ＨＣＩのような成る種 の汚染物質の濃度を簡単且つ確実に測定することができる。

しかしながらこの方法は実際には、同じスペクトル範囲内に位置し且つ互いに類 似したもしくは同じ２つの周期Ｐ、ｐｏをもつく従って同じ符号定数をもつ）は ぼ周期的な精造を有する吸収スペクトルをもつ２種類のガスを含むような気体混 合物の検査には不向きである。

本発明の目的は、前述のごとき利点を有すると共に、装置を余り複雑化すること なく、分子Ｍ１と実質的に同等の前記２つのスペクトル特性をもつ寄生分子（ｍ ｏｌｅｃｕｌｅ　ｐａｒａ−ｓｉｔｅ）Ｎ２の存在下で分子Ｈ８を検出するとい う典型的用途にも使用できる新規の測定方法を提供することにある０本発明を使 用すれば気体分子の同定をより確実に行うことができる。

前記２つの分子の特性値σ及びΔＣが実質的に同じ場合には、これらの分子を見 分けるための第３の基準を見つけると都合がよい、そのためには、△Ｃ領域内で 干渉計を正確に使用することが提案される。

そこで本発明では先ず、周期ｐのほぼ周期的な構造を局部的に含む吸収スペクト ルを有する第１ガスと、ｐと類似の又は同じ周期ｐ°のほぼ周期的な構造をもつ 吸収スペクトルを有する第２ガスとを含む気体混合物の第１ガスの濃度を測定す る方法を提案する。この方法は干渉計システムによって生じる吸収スペクトルの フーリエ変換図形を分析することからなり、干渉計システムによって光路差が導 入された時に生じる信号の強さを測定することを特徴とする。

尚、前記光路差は、前記信号の振幅に対する第２ガスの影響が皆無であるか又は 一定しているような光路差である。

本発明では更に、前記方法を実施するための装置も提案する。この装置は光源と 、被検気体混合物の入った容器を透過する光束を形成する光学システムと、光路 差を正確に変化させる補償板を含む干渉装置とで構成される。

以下、添付図面に基づき本発明をより詳細に説明する。

これらの図面中。

−第１図は光源からの発光スペクトル及び（吸収スペクトル線が規則的間隔で位 置する場合の）第１ガスの吸収スペクトルを示している。

−第２図は第１ガスの試料を透過した光の吸収スペクトル−第３図は第１ガスを 透過した後のスペクトルのインターフェログラムの振動部分を第２ガスの透過の 結果得られるスペクトルと比較して詳細に示している。

−第４図は本発明の測定装置の説明口である。

−第５図は本発明の測定装置の第１具体例を示している。

−第６図は本発明の測定装置の第２具体例を示している。

第１図は光源からの発光の連続スペクトルＳ０と、５０カ〜ら引き離されること になる低濃度分子の検出すべき吸収スペクトルＳ１とを示している。このスペク トルは、吸収最大値が強さは変化するが規則的間隔をおいて位置するため、はぼ 周期的と言える。これら最大値の間の間隔はスペクトル周期ｐを決定する。

第２図には、光源から送出された光束が吸収性ガスを透過した結果生じる光束の 典型的インターフェログラムが示されている（曲線Ｃ）、従ってこの第２図では 、横座標に光路差が示され、縦座標に干渉計信号が示されている。Ｓ、に関する 情報を運ぶ可変部分をｉ（Δ）とすれば、■（△）＝Ｉｏ”ｉ（Δ）である、こ のガスの吸収スペクトルがほぼ周期的であるため、対応光路差△ｅ＝１７ｐの周 囲に信号が発生する。

周知のように、頻繁に撒き散らされる多くの分子は曲線Ｓ、のようにほぼ周期的 な構造を局部的に含む吸収スペクトルを有する（第１図）、これは特に、前述の ような汚染物質Ｓ０２、Ｎｏｔ、Ｎｏ、　ＩＩｃＩ、０３等に関して顕著である 。

また、これも周知であるが、光束のスペクトル分布のフーリエ変換図形は干渉計 を用いて得ることができ、従って光路差Δｅｘｔ／ｐの近傍の信号の強さに基づ いてスペクトル周期ｐのほぼ周期的な構造を含むガスの濃度を測定することがで きる。

この方法は勿論、互いに同じスペクトル範囲内の吸収スペクトルを有し且つ互い に極めて類似した周期のほぼ周期的な構造をもつ２種類の分子Ｍ１及びＮ２を含 む被検気体混合物には使用できない、その場合は、ΔＣ近併のＮ３及びＮ２のイ ンターフェログラムが、台、及びＭ、（夫々曲線Ｃ１及びＣ２）のｉ（Δ）の振 動を拡大して示す第３図に見られるように互いに類似し得るからである。これら ２種類の分子は（σ及び△Ｃの値は同じであっても）互いに異なる分子であるた め、Ｍｌ及びＮ２のゼロ位置及びｉ（△）位置は同一にはなり得ない。

従って、△に関する曲線の位置、特にｉ（ム）のゼロ位置を正確に知ることが極 めて重要になる９１（△）を最大又は最小にするΔ値のマーキングが（特に△の 変調に起因して）ゼロのマーキングより正確な場合には、ｉ（△）３固定的にす る△の値も操作することができる。

本発明では、前記２つの基準と共に第３の基準を使用することを提案する。この 第３の基準とはスペクトル信号の可変部分のゼロ値の正確な位置である。実際、 スペクトル信号の可変部分がゼロになる時の光路差が２種類のガスの各々につい て同一になることは普通はない。従って、この性質を一方のガスの濃度測定に利 用することができる。

２種類のガスＭ１及びＮ２の混合物の検査は下記のように案施し得る： 先ず、例えばＮ１の測定を妨害し得るような適当な割合の分子Ｍ２を含んだ雰囲 気を容器内に導入し、装置がＮ２の存在に感応しないように、Ｎ２の信号を相殺 する光路差△Ｃに合わせて正確な調整を行う０次いで、Ｎ２を存在させずに既知 の割合の１を導入して、分子Ｍ１に対する装置の感度を較正する。最後にＭ、、 Ｍ、混合物を導入し、この混合物の存在下で測定を行う。

このような光路差を用いる場合には、第１ガスに対する感度が通常は最大になら ない地点で測定が行われる。従ってガスＭ１のみに関する測定条件は最良ではな いが、この欠点は、第２ガスの影響が皆無であり従って実施される測定が第２ガ スの濃度に些かも左右されることな（Ｍ、濃度にのみ依存するという事実によっ て相殺される。

また、Ｍ、　、Ｍ、混合物の存在下で装置の応答曲線が正確に測定されるように することもできる。濃度Ｃ１、Ｃ２が低い場合には実験曲線が、Ｃ３及びＣ３に 比例した係数で容易に知ることのできるＮ３だけの濃度曲線及びＮ２だけの濃度 曲線を直線的に組合わせたものからなる。この方法を用いれば精度も高くなり得 る。

本発明の装置は前記方法を実施するためのものである。

好ましい一興体例として本発明の装置は、連続多色光源（１）、例えば赤外領域 のタングステンフィラメントランプと、被検気体混合物の入った吸収容器（４） を透過する光束を形成する光学システム（２，３）と、吸収バンドのスペクトル 領域σに合わせて調整した非色消しフィルタ（５）と、光路差△Ｃに合わせて調 整した干渉システム（６）と、光電受信器（７）と、同期検出器（８）とを含む ０本発明の装置では多数の干渉システムを使用し得る。このシステムは、被検気 体混合物の入った容器（４）を透過する光束のスペクトルの特徴を表し且つ装置 に導入された光路差に依存する干渉計信号が受信器（７）レベルに得られるよう にする任意のシステムである。

好ましい具体例の１つとして、該測定装置で使用される最も簡単な構造の干渉計 は偏光子（１０）と分析器（１１）との間に配置された複屈折結晶板（９）を含 む。

結晶板９は偏光子によって生じた光の軸線に対して４５°の角度で配置する。そ の厚みは、偏光された光の２つの成分の間に本発明の方法の実施に必要な光路差 ΔＣが生じるように、語根の構成材料に応じて選択する。同期検出器は信号を妨 害し得るノイズの大部分を通常の方法で該信号から除去せしめる。

本発明を実施するためには、干渉計システム（６）が更に、成る波長領域で偏光 された光の２つの成分の間に導入される光路差を極めて正確に変化させることの できる複屈折補償板（１２）も含む。

複屈折補償板（１２）は、厚みが変化する複屈折板の等個物を精成すべく一方が 他方の上を滑動し得る２つの楔形複屈折プレートからなる「ソレイユの補償板」 でもよい。

この補償板があるために、本発明の装置は可変周期のほぼ周期的な構造をもつ複 数のガスの濃度測定に使用できる５この補償板はまた。１つの気体混合物中に含 まれる第１ガス及び第２ガスの濃度を測定したい場合に、本発明の方法のいずれ かの実施態様に従って測定位置を決定する光路差を変化させることも可能にする 。

光路差の変化は、複屈折結晶板（９）の温度を変えることによっても生じ得る。

この場合の構造は第５図及び第６図のようになる。これらの構造では補償板（１ ２）は使用されず、板（９）の温度を調節する制御装置が使用される。

特に紫外線で使用される別の具体例では、干渉計システム（６）が、複屈折板（ ９）に接続され且つ２つのつオラストンプリズム（１４）、（１５）の間に配置 された光弾性変調器（１３）を含む。この場合も補償板（１２）を使用する。

光弾性変調器（１３）は干渉計システムによって導入された光路差を高周波数で 変化させ、従って信号対ノイズの比を改善せしめる。

フィルタ（５）は、第１ガスの周期ｐとほぼ又は全く同じ周期をもつが第１ガス とは異なるスペクトル領域内に位置するほぼ周期的な吸収スペクトル線をスペク トルの一部分にわたって有するガスが信号に何等かの影響を及ぼすのを阻止する 。

特に有用な具体例ではフィルタ（５）に代えて、例えば、２つのスリット（１７ ）、（１８）の間に配置された格子（１６）からなるモノクロメータを使用し得 る。この場合は、入射ビームの軸線に対する格子の方位を変化させればスペクト ルの選択領域を変えることができる。

以上、２種類のガスを含む混合物を例にとって本発明の詳細な説明してきたが、 本発明の方法はｎ種類のガスからなる気体混合物にも容易に適用できる。各測定 をいずれがのガスの影響が皆無であるような光路差で行いながら３回の測定を実 施するとｎ個の未知数の一次方程式が成立し、これらの方程式を解けばｎ個の濃 度が検出される。

国際調査報告

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．周期ｐのほぼ周期的な構造を局部的に含む吸収スペクトルを有する第１ガス と、ｐと類似の又は同じ周期ｐ′のほぼ周期的な構造をもつ吸収スペクトルを有 する第２ガスとを含む気体混合物の第１ガスの濃度を測定する方法であって、干 渉計システムによって生じる吸収スペクトルのフーリエ変換図形を分析すること からなり、信号の振幅に対する第２ガスの影響が皆無であるか又は一定している ような光路差が干渉計システムによって導入された時に生じる信号の強さを測定 することを特徴とする方法。
2. ２．測定を行う時の光路差を、純粋な第２ガスのインターフェログラムの分析に よって予め決定しておくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ３．第１ガス及び第２ガスの役割を順次交換して、これら２種類のガスの各濃度 を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. ４．請求項１から３のいずれかに記載の方法を実施するための装置であって、光 源（１）と、被検気体混合物の入った容器（４）を透過する光束を形成する光学 システム（２、３）と、光路差を正確に変化させる手段を含む干渉装置とを含む ことを特徴とする装置。
5. ５．光路差を正確に変化させる手段が「ソレイユ補償板」と称する補償板である ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. ６．干渉装置が複屈折板（９）と該板の温度を変化させることによって導入光路 差を変化させる手段とを含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。