(57)【要約】  ガス含有量測定装置及び方法を開示する。本装置は、コヒーレント光を測定対象（３）に送達することができる光発信機（１）；測定対象（３）を通過した光を検出することができる受信機（２）；及び光発信機（１）の光強度を受信機（２）に照準することができる光学手段（４，５，６）を備えている。本発明によれば、光学手段はレンズ素子（４）を含んでおり、このレンズ素子（４）の光軸は、測定対象（３）の長手方向軸に対して実質的に斜めに配置され、それによって測定信号に対する光学境界の法線の角度が斜めに設定される。レンズ素子（４）は屈折素子及び反射素子の双方であり、かつ測定対象（３）を、手段（１，２，５）から分離している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光を測定対象（３）に送達することができる光発信機（１）；該測定対象（３）を通過した光を検出することができる受信機（２）；及び該光発信機（１）の光強度を該受信機（２）に照準することができる光学手段（４，５，６）を含むガス含有量測定装置であって、該光学手段がレンズ素子（４）を含んでおり、該送達された光と該検出された光の双方が該レンズ素子（４）を通過するよう構成されており、該レンズ素子（４）の光軸が該測定対象（３）の長手方向軸に対して実質的に斜めに配置されており、それによって該測定信号に対する光学境界の法線の角度が斜めに設定されており、該レンズ素子（４）が屈折素子及び反射素子の双方であり、かつ該レンズ素子（４）が該測定対象（３）を汚れ易く磨耗し易い部品（１，２，５）から分離していることを特徴とするガス含有量測定装置。
【請求項２】
前記光学手段がレンズ素子（４）からなり、該レンズ素子（４）の第１の側に前記光源（１）が配置されており、該光源（１）から光路が前記レンズ素子（４）を伝わり、前記光源（１）の反対側のミラー（５）に進み、該ミラー（５）から引き続き前記測定対象（３）を通って、再び前記レンズ素子（４）を通って該レンズ素子（４）の第２の側に配置された前記検出器（２）に進むように配置されている請求項１に記載のガス含有量測定装置。
【請求項３】
前記レンズ素子（４）の前記測定対象（３）に面する側が平坦であり、前記検出器（２）に面する側が凸状である請求項１又は２に記載のガス含有量測定装置。
【請求項４】
前記光路が、前記光学素子の前記平坦表面（７）の法線に対して少なくとも１０°の角度で配置されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス含有量測定装置。
【請求項５】
前記レンズ素子（４）の光軸が、前記測定チャネル（３）に対して斜め、好ましくは該測定チャネルの長手方向軸に対して約６０°の角度で配置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス含有量測定装置。
【請求項６】
前記光発信機（１）及び前記受信機（２）が同一の光学部品（４）の相対向する側に互いに接近して配置されている請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス含有量測定装置。
【請求項７】
前記測定チャンバの窓の役目を果たす前記光学部品（４）が内部ミラーとして、かつ凸レンズとして使用されており、該光学部品（４）の光軸が前記測定チャネル（３）の長手方向軸に対して著しく斜めに設定されている請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス含有量測定装置。
【請求項８】
コヒーレント光を測定対象（３）に送達し；
該光を、光学手段（４，５，６）を用いて誘導し；さらに
測定対象を通過した該光を検出するガス含有量測定方法であって、
該光学手段がレンズ素子（４）を含んでおり、該送達された光と該検出された光の双方を該レンズ素子（４）を通過させ、該レンズ素子（４）の光軸を該測定対象（３）の長手方向軸に対して実質的に斜めに配置し、それによって、該測定信号に対する光学境界の法線の角度を斜めに設定し、該レンズ素子（４）を、屈折素子及び反射素子の双方として使用し、かつ該レンズ素子（４）を用いて、該測定対象（３）を、汚れ易く磨耗し易い部品（１，２，５）から分離することを特徴とするガス含有量測定方法。
【請求項９】
前記光学手段がレンズ素子（４）からなり、該レンズ素子（４）の第１の側に前記光源（１）を配置し、光路が、該光源（１）から該レンズ素子（４）を伝わり、前記光源（１）の反対側のミラー（５）に進み、該ミラー（５）から引き続き、前記測定対象（３）を通って、再び、前記レンズ素子（４）を通って、前記レンズ素子（４）の第２の側に配置された前記検出器（２）に進むように配置する請求項８に記載のガス含有量測定方法。
【請求項１０】
前記レンズ素子（４）を、その前記測定対象（３）に面する側が平坦であり、前記検出器（２）に面する側が凸状であるように選択する請求項８又は９に記載のガス含有量測定装置。
【請求項１１】
前記光路を、前記光学素子の前記平坦表面（７）の法線に対して少なくとも１０°の角度で配置する請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガス含有量測定装置。
【請求項１２】
前記レンズ素子（４）の光軸を、前記測定チャネル（３）に対して斜め、好ましくは該測定チャネルの長手方向軸に対して約６０°の角度で配置する請求項１〜１１のいずれか一項に記載のガス含有量測定装置。
【請求項１３】
前記光発信機（１）及び前記受信機（２）を同一の光学部品（４）の相対向する側に互いに接近して配置する請求項１〜１２のいずれか一項に記載のガス含有量測定装置。
【請求項１４】
前記測定チャンバの窓の役目を果たす前記光学部品（４）を、内部ミラーとして、かつ凸レンズとして使用し、該光学部品（４）の光軸を前記測定チャネル（３）の長手方向軸に対して著しく斜めに設定する請求項１〜１３のいずれか一項に記載のガス含有量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文に記載したガス含有量測定装置に関する。
【０００２】
本発明はまた測定方法にも関する。
【０００３】
かかる種類の測定装置は、例えば酸素含有量を測定するのに使用される。
【背景技術】
【０００４】
従来技術では、コヒーレント素子を光源として使用し、ミラーを使用して、測定チャンバを２回伝わらせる光路を配置した測定配置構成が実施されてきた。この配置構成を使用することによって全ての測定電子部品を測定チャネルの同じ側に配置できるようになった。従来技術による解決策において、適切な測定精度を達成するには比較的長い測定チャネルを作ることが必要である。
【０００５】
測定誤差を生じる原因の一つは、コヒーレント光信号の反射によって生じる誤差である。反射は、拡散光を形成し、特に、干渉現象の形態で測定を乱す強度変動をもたらす。光源へ戻る際の反射もまた測定誤差の原因となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した従来技術の問題点をなくすことを意図しており、そのために、ガス含有量を測定する新しいタイプの装置及び大幅に改良された方法を提供する。
【０００７】
本発明は、反射によって生じる乱れをなくすために、全ての光学表面の法線を測定信号の進行方向に対して斜めに設定することに基づく。本発明の課題は、装置についての他の要求も満たすような方法でこの原理を実施することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
好適な場合において、光路の軸方向ビームが一本も、結像面の光検出器含む、屈折を生じる光学境界面に対して直角の関係になく、したがって境界面から光源及び光検出器への拡散光の直接反射が防止される。さらに、各境界面を配向させて、拡散光が光源又は検出器に間接的に、すなわち、拡張反射によって到達することができないようにする。たとえば、光源から見える第１の光学境界の法線の角度は光源のビームの広がり角度より大きく、ガス含有量測定に使用される光源の場合、１０°よりかなり大きいことが多い。本発明の１つの好ましい実施の形態では、この一般的な考え方を平凸レンズ及びこの平凸レンズ内に組み込んだ内部ミラーを使用して実施し、光路を平凸レンズの光軸の一方の側に配置する。さらに、光学配置構成の開口を著しく小さくするためにコリメーションを使用し、これにより測定チャンバの全径を最小にする。
【０００９】
より具体的には、本発明による測定装置は請求項１の特徴部に記載されたことを特徴とする。
【００１０】
本発明方法はまた、請求項６の特徴部に記載されたことを特徴とする。
【００１１】
本発明により種々の利点が得られる。
【００１２】
本発明によれば干渉によって生じる誤差が最小になる。しかも同時に、発信機素子と受信機素子は共に厳しい測定条件から保護される。本発明に係る光学配置構成によれば、測定機器の性能を損なわずに経済的なレンズ部品を使用することが可能である。性能の改善によって測定装置の大幅な小型化が可能になる。本発明のいくつかの好ましい実施形態では、測定チャネルは、性能を低下させることなく、従来技術による解決策の測定チャネルの３分の１にまで短縮することができる。
【００１３】
以下、本発明を、その実施例を示し、添付図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明による測定環境においては、コヒーレント光源１を利用し、コヒーレント光源１からの光の測定チャネル内における減衰を、所望のガスの吸収極大又は吸収極小の近傍で監視する。コヒーレント光源１の狭いスペクトル帯域は、測定信号を背景光から分離することを容易にする。こうして、測定されるガスによって生じる測定チャネル内における減衰をガス固有のスペクトルピークにおける狭い帯域で測定する。狭帯域特性は、狭帯域を有する光源若しくは検出器に接続して配置した別個の狭帯域フィルタ、又は両者の組み合わせによって実現することができる。
【００１５】
図１に示すように、本発明による測定装置の中心部品は平凸レンズ４であり、平凸レンズ４の平坦表面上にコヒーレント光源１が配置される。光源は、そのビームを、レンズ４の平坦表面７に対して斜めに配向させるため、光の光源１へのフィードバックが回避される。図に示した例では、ビームの入射角度は、平面７の法線に対して２５°であるため、放射源に対する広がり角度の程度（ＦＷＨＭ）におけるフィードバック１２は、４より大きい標準偏差の信頼水準で防止される。レンズ４の平坦表面７を通過した後に光ビームが合集される反射表面５がレンズ４の凸状表面８上に形成されている。そのため、反射表面５は凹状内部ミラーの役を果たす。反射表面５のサイズ及び形状を調整して、反射表面５が反射するビームのサイズ及び形状を画定することができる。ビームのコリメーションは、表面８の凸性によって制御される。
【００１６】
反射表面５から、ビームはレンズ５の平坦表面７（ビームはレンズ４を斜めに横切り、図の例における中心ビームは平面７の法線に対して２２°をなしている）に向かって進み続け、測定チャネル３へと進み続ける。測定チャネル３の端部において測定信号は反射され、凹状ミラー６から平坦表面７へ戻るように集束される。図の例では、中心ビームは平面７の法線に対して３１°の入射角度を有している。測定信号は、凸状表面８に移動し続け、測定信号もまた該表面に斜めに配向しており、図の例では、中心ビームは、表面の法線に対して３４°の入射角度を有している。ビームは、表面８から、表面に対して斜めに設けられた検出器２に進み、図の例の場合では、中心ビームは、４６°の入射角度で検出器２を横切る。
【００１７】
図示した幾何学的配置を使用して、光源から発信される垂直偏光の６６％より多くが検出器２の表面に伝えられ、その幾何学的配置によって光のオーバルポイントの９３％が検出器表面（例の場合、２．５×５．０ｍｍ２の表面積を有する）上で吸収される。伝播損失は、光学境界面及びミラー５によって画定される開口において起こり、光学境界面の表面積は、図の例の場合、３８．５ｍｍ２である。
【００１８】
上記配置構成は水平偏光の進行を減衰させ、その特性は、光源１が明確に偏光される場合には利用することができる。
【００１９】
図２によれば、測定信号の経路は基本的に面上にあり、この投影図では全ての光学部品は直角を成しており、装置の製造が容易である。
【００２０】
図３に、測定デバイスの機械的構造をより詳細に示す。図に示すように、測定チャネル３から気密に分離された器具チャンバ１２がレンズ４の背後に作製されている。レンズ４の平坦表面７は、Ｏリングによって測定チャネル３から密閉される。測定チャネルの化学的環境は腐食性及び／又は酸化性であることが多いため、ミラー６は保護層によって保護される。保護層は、通常、酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化珪素、又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ）である。損傷を受けやすい他の部品は、レンズ４を使用して測定されるガスから分離されるため、他の部品を個別に保護する必要性は存在しない。支持ロッド１１内部に、開放された測定チャネル３が形成される。ミラー６は、支持ロッド１１の端部に配置される。測定チャネル内の光路長は通常３０ｃｍであるため、支持ロッドは約１０ｃｍ長である。支持ロッド１１の材料は通常はステンレス鋼である。検出器１の前部に、基準ガスチャンバとして使用することができるチャンバ１３が存在する。一定量の既知のガスをこのチャンバ内に配置することができる。あるいは、これに相当するものとして、たとえば、酸素を測定するときに、普通の空気の酸素含有量の変動は殆んどないため、該チャンバに一定量の環境空気を配することができる。高い熱伝導率を有する冷却素子は、光源１の近くに配置されて、光源１から熱が逃げるように伝導させる。光学配置構成における全ての寸法公差は、従来の機械加工法を使用して実現することができる（±０．１ｍｍ）。
【００２１】
この例の場合、測定チャネルは２５ｍｍの直径を有しており、測定光ビームは壁又は支持ロッドに当たらないように配向させる。
【００２２】
好ましくない反射に対する可能な最も効果的な吸収のために、本装置は拡散経路の終点に黒色の表面を装備している。可能な拡散ビーム及びその反射点は既存の方法を使用して確定することができる。
【００２３】
図４は、好ましくない可能性がある１つの光路の例を示し、この場合、この光路は全反射を使用して光源への進行が阻止される。好ましい光学配置構成では、それぞれの屈折光学表面に対応する６つの他の同様な拡散光路が現れ、屈折光学表面から進行する拡散光路は、光検出器に進行することも、光源に戻ることも阻止される。図４によれば、拡散光から生じる信号を利用して、追加の検出器１５をレンズ４の下方縁に配置して、水平偏光１６の強度を測定することができる。平坦表面７の全反射は、図に示す光路を作る。
【００２４】
ミラー５は半透明に作ることができ、追加の検出器（図示せず）は、ミラー５の背後の空間１２内に斜めに設置することができる。第２の検出器を使用して、光源の光強度が監視され、したがって、たとえば、ミラー６及び平坦表面７の汚れ、並びに、光源１の劣化及びずれに関する情報を得ることができる。
【００２５】
レンズ４は通常、測定チャネル３の長手方向軸に対して約４０〜８０°、好ましくは約６０°の角度で傾斜させる。
【００２６】
本発明の好ましい一実施形態では、光ビームは平坦表面７の法線に対して少なくとも１０°の角度で配置される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る光学配置の概略的な側面図である。
【図２】図１の光学配置の底面図である。
【図３】図１による機器の実施形態の側面図であり、機器の支持構造が共に示される。
【図４】本発明に係る光学部品及び該光学部品内の拡散光の１経路の側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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