(57)【要約】サンプル混合物内のサンプルの濃度を検出するサンプルセンサ２００であって、光源１０１、検出器素子、処理セクション１０６及びパラメータ測定手段を含む。光源１０１は、サンプルの分子を励起させる光ビーム１１３を生成する。検出器素子は、サンプルの励起された分子の量を検出し、前記量を指示する検出器電流を供給する。処理セクション１０６は、検出器素子１０３に接続され、濃度を表す出力信号１０９を生成するために前記検出器電流を処理する。処理セクション１０６は、出力波長以外の、光源１０１の温度依存パラメータの少なくとも１つの測定値に基づいて、光源１０１の温度依存波長シフトを補償するよう構成された温度補償モジュール１１２を含む。パラメータ測定手段は、前記少なくとも１つの測定値を得る。
2010512536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル混合物内のサンプルの濃度を検出するサンプルセンサであって、
前記サンプルの分子を励起させる光ビームを生成する光源と、
前記サンプルの励起された分子の量を検出し、前記量を指示する検出器電流を供給する検出器素子と、
前記検出器素子に接続され、濃度を表す出力信号を生成するために前記検出器電流を処理する処理セクションであって、出力波長以外の、前記光源の温度依存パラメータの少なくとも１つの測定値に基づいて、前記光源の温度依存波長シフトを補償するよう構成された温度補償モジュールを含む、処理セクションと、
前記少なくとも１つの測定値を得るパラメータ測定手段とを含む、サンプルセンサ。
【請求項２】
励起される分子の量を変化させて前記サンプル混合物に圧力変動を起こさせるために前記光ビームを変調する光変調器を更に含み、
前記検出器素子は、前記圧力変動を前記検出器電流に変換する圧力センサを含む、請求項１に記載のサンプルセンサ。
【請求項３】
前記検出器素子は、前記サンプルの分子の励起により生ずる光吸収量を測定し、前記検出器電流に前記光吸収量を変換するフォットダイオードを含む、請求項１に記載のサンプルセンサ。
【請求項４】
前記温度補償モジュールに接続され、前記出力波長を制御することにより前記補償を実行する波長調整手段を更に含む、請求項１に記載のサンプルセンサ。
【請求項５】
前記温度補償モジュールは、前記温度依存波長シフトに対して出力信号を補正することにより前記補償を実行するように構成される、請求項１に記載のサンプルセンサ。
【請求項６】
前記少なくとも１つの測定値は、前記光源の光出力パワーであり、前記パラメータ測定手段は、前記光出力パワーの直接的な測定用の内部のフォットダイオードを含む、請求項１に記載のサンプルセンサ。
【請求項７】
前記光源は、半導体レーザーダイオードであり、前記少なくとも１つの測定値は、前記半導体レーザーダイオードを通る順電流の閾値電流であり、該閾値電流未満では前記光出力パワーは略ゼロであり、該閾値電流以上では前記光出力パワーは実質的に増加する、請求項４に記載のサンプルセンサ。
【請求項８】
前記光源は、半導体レーザーダイオードであり、前記少なくとも１つの測定値は、前記半導体レーザーダイオードの順電圧である、請求項１に記載のサンプルセンサ。
【請求項９】
前記温度補償モジュールは、校正測定からの校正係数を使用し、
前記光出力パワー及び前記検出器電流は、前記サンプルの既知の校正濃度及び前記光源に対する既知の校正駆動電流を用いて、種々の温度で測定されている、請求項４に記載のサンプルセンサ。
【請求項１０】
前記温度補償モジュールは、次の公式を用い、
［S］＝［S］ref＊PA/PAref＊C(P)
ここで、［S］は前記サンプルの濃度であり、［S］refは前記既知の校正濃度であり、PAは前記検出器電流であり、PArefは校正測定中の検出器電流であり、C(P)は、サンプル測定中の前記光出力パワーPに対応する校正係数であり、
PArefは、前記校正測定から導出される、請求項７に記載のサンプルセンサ。
【請求項１１】
前記温度補償モジュールは、校正測定からの校正係数を使用し、
順電圧及び前記検出器電流は、前記サンプルの既知の校正濃度及び前記光源に対する既知の校正駆動電流を用いて、種々の温度で測定されている、請求項５に記載のサンプルセンサ。
【請求項１２】
前記温度補償モジュールは、
次の公式を用い、
［S］＝［S］ref＊PA/PAref＊C(Vf)
ここで、［S］は前記サンプルの濃度であり、［S］refは前記既知の校正濃度であり、PAは前記検出器電流であり、PAref(Vf)は、順電圧Vfに対応する校正測定中の検出器電流であり、C(Vf)は、順電圧Vfに対応する校正係数であり、
PAref(Vf)及びC(Vf)は、前記校正測定から導出される、請求項９に記載のサンプルセンサ。
【請求項１３】
請求項５によるサンプルセンサにおける前記出力信号の温度補償用の校正係数を決定する方法であって、
前記サンプルの既知の校正濃度及び前記光源に対する既知の校正駆動電流を用いつつ、種々の温度で前記光出力パワー及び前記検出器電流を測定するステップと、
前記測定された光出力パワー及び測定された検出器電流から、校正係数を決定するステップとを含む、方法。
【請求項１４】
請求項７によるサンプルセンサにおける前記出力信号の温度補償用の校正係数を決定する方法であって、
前記サンプルの既知の校正濃度及び前記光源に対する既知の校正駆動電流を用いつつ、種々の温度で順電圧及び前記検出器電流を測定するステップと、
前記測定された順電圧及び測定された検出器電流から、校正係数を決定するステップとを含む、方法。
【請求項１５】
前記光源の温度依存波長シフトに対して請求項１によるサンプルセンサの前記出力信号を補正する方法であって、
前記光源のその他の温度依存パラメータの少なくとも１つの値を測定するステップと、
前記測定された少なくとも１つの値に基づいて前記出力信号を補正するステップとを含む、方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの値は、前記光ビームの光出力パワーである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記光源は、半導体レーザーダイオードであり、前記少なくとも１つの測定値は、前記半導体レーザーダイオードを通る順電流の閾値電流であり、該閾値電流未満では前記光出力パワーは略ゼロであり、該閾値電流以上では前記光出力パワーは実質的に増加する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの値は、前記光ビームの順電圧である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記補正は、請求項１１又は１２の方法を実行することにより得られる校正係数を使用することを含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプル混合物内のサンプルの濃度を検出するサンプルセンサであって、前記サンプルの分子を励起させる光ビームを生成する光源と、前記サンプルの励起された分子の量を検出し、前記量を指示する検出器電流を供給する検出器素子と、前記検出器素子に接続され、濃度を表す出力信号を生成するために前記検出器電流を処理する処理セクションとを含むと共に、光源の温度依存波長シフトを補償する補償手段を更に含む、サンプルセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
かかるサンプルセンサは知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１は、気体混合物内のトレースガスの濃度を測定する波長変調光音響分光システム及び方法を開示する。本方法は、光源から光を生成するステップと、サンプル領域に光を通すステップと、音響検出器を用いてサンプル領域を通過する光により生成される音をサンプリングするステップと、波長コントローラを用いて光の波長を制御するセンサとを含む。波長変調は、トレースガスの最適吸収波長周辺の周波数ｆを用いて実行される。温度変動に起因して、光源からの光の平均波長が変化するとき、波長シフトが検出される。波長コントローラは、この影響を平均波長を調整することによって補償する。
【０００３】
温度補償は、次のように実行される。光の一部は、比較的高い濃度のトレースガスを備える参照ガスセルを通過する。参照セルの背後の光ダイオードは、参照セルにおける吸収量に依存する信号を提供する。周波数ｆによる波長変調は、周波数２ｆ（各変調期間に対して２つの吸収量ピーク）で光ダイオード信号に変調をもたらす。温度変化に起因して、光源により生成される光の波長がシフトしたとき、変調は、最適な吸収量の値周辺で正確にもはや実行されない。その結果、変調周波数の奇数調波（３ｆ）が、検出器信号に導入される。光検出器での３ｆ信号は、トレースガスの吸収スペクトルを介して平均波長がシフトするときに変動し、吸収ラインの中心に平均レーザー波長が対応するときにゼロに等しくなる。波長コントローラは、光ダイオード信号における３ｆ成分を最小化するために光源の平均波長を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，５５２，７９２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のアプローチは、研究機関の基礎研究に対して使用できるが、参照ガスセルの使用は、商品に対して好ましいアプローチではない。参照ガスセル信号は吸収量に基づくので、長い参照ガスセルが必要とされ、これは、コンパクトなセンサに対して魅力的なものでなく、若しくは、高濃度を使用する必要が生じ、例えば二酸化窒素の場合、参照ガスセルが事故で壊れたときに危険となる。更に、参照ガスセルの問題は、あるガスの濃度は、例えば壁付着や分離に起因して長い期間に亘って安定しないことである。
【０００６】
本発明の目的は、参照ガスセルを用いることなく、温度変動に対して出力信号を補正することができるサンプルセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一局面によれば、上記目的は、冒頭の段落によるサンプルセンサであって、処理セクションが、出力波長以外の、光源の温度依存パラメータの少なくとも１つの測定値に基づいて、光源の温度依存波長シフトを補償するよう構成された温度補償モジュールを含み、更に、前記少なくとも１つの測定値を得るパラメータ測定手段を含む、サンプルセンサを提供することによって、達成される。
【０００８】
本発明は、放出された光の波長が温度に依存するのみならず、他の光源パラメータも温度依存性があり、当該依存性が、光源の温度依存波長シフトを補償するために使用できるという、考えに基づく。前記少なくとも１つの測定値は、パラメータ測定手段により取得される。光源のパラメータの値は、温度の直接の結果であり、温度は、光源の出力波長を決定するものである。従って、必要とされる温度補償は、光源の測定されたパラメータから導出可能である。本発明によるサンプルセンサは、温度補償に適しているが、温度依存波長シフトを決定するために参照ガスセルを必要としない。
【０００９】
温度の変動は、光源により放出される光の波長の変動に関連する。波長の変動は、検出器電流の偏差に対応する。これらの関係は、前記少なくとも１つの測定値に基づいて温度依存波長シフトを補償するために使用される。
【００１０】
一実施例では、サンプルセンサは、光音響検出器であり、励起された分子の量を変化させて前記サンプル混合物に圧力変動を起こさせるために前記光ビームを変調する光変調器を含み、前記検出器素子は、前記圧力変動を前記検出器電流に変換する圧力センサを含む。
【００１１】
その他の実施例では、検出は、サンプルによる光ビームの光吸収量に基づくものであり、サンプルセンサは、前記サンプルの分子の励起により生ずる光吸収量を測定し、前記検出器電流に前記光吸収量を変換するフォットダイオードを含む。
一実施例では、サンプルセンサは、温度補償モジュールに接続され、前記出力波長を制御することにより前記補償を実行する波長調整手段を更に含む。
このとき、温度依存波長シフトは、波長シフトの算出後、波長シフトが補償されるように光源の出力波長を調整することによって、補償される。
その他の実施例では、温度補償手段は、前記温度依存波長シフトに対して出力信号を補正することにより前記補償を実行するように構成される。
【００１２】
上記の特許文献１の従来の実施例及びシステムとは対照的に、この実施例によるサンプルセンサは、温度依存波長シフトを防止せず、その代わりに、波長シフトを受け入れ、光源のその他の温度依存パラメータの少なくとも１つの測定値に基づいて出力信号を補正する。
【００１３】
少なくとも１つの測定値は、前記光源の光出力パワーであり、このとき、前記パラメータ測定手段は、前記光出力パワーの直接的な測定用の内部のフォットダイオードを含む。
【００１４】
レーザーパワーの直接的な測定は、参照セル内の参照ガスによる吸収量を測定することよりも非常に容易である。
【００１５】
或いは若しくはそれに加えて、前記光源は、半導体レーザーダイオードであり、前記少なくとも１つの測定値は、前記半導体レーザーダイオードを通る順電流の閾値電流であり、該閾値電流未満では前記光出力パワーは略ゼロであり、該閾値電流以上では前記光出力パワーは実質的に増加する。半導体レーザーダイオードを備えるサンプルセンサのその他の実施例では、前記少なくとも１つの測定値は、前記半導体レーザーダイオードの順電圧である。
【００１６】
半導体レーザーに対して、固定された電流での出力パワー及び閾値電流は、レーザー温度に応じて、良好に定義される態様で、変化することが分かる。また、電圧も、固定された電流で良好に定義される態様で変化する。固定された電流でのレーザー電圧、パワー若しくは閾値電流を求めることにより、温度を導出することができる。波長（変化）及び関連する吸収量は、（既知の若しくは事前に測定された）波長対温度依存性及び吸収スペクトルから容易に得ることができる。
【００１７】
或いは、温度補償モジュールは、校正測定からの校正係数を使用し、この場合、前記光出力パワー及び前記検出器電流は、前記サンプルの既知の校正濃度及び前記光源に対する既知の校正駆動電流を用いて、種々の温度で測定されている。
【００１８】
本発明による第２の側面によれば、上記の段落で記載した光音響検出器の出力信号の温度補償用の校正係数を決定するための方法が提供され、本方法は、前記サンプルの既知の校正濃度及び前記光源に対する既知の校正駆動電流を用いつつ、種々の温度で前記光出力パワー及び前記検出器電流を測定するステップと、前記測定された光出力パワー及び測定された検出器電流から、校正係数を決定するステップとを含む。
【００１９】
或いは、校正係数は、半導体レーザーの光出力パワーに代えて順電圧に関連する。
【００２０】
本発明のその他の局面によれば、光源の温度依存ン波長シフトに対して本発明による光音響検出器の出力信号を補正する方法が提供され、本方法は、前記光源のその他の温度依存パラメータの少なくとも１つの値を測定するステップと、前記測定された少なくとも１つの値に基づいて前記出力信号を補正するステップとを含む。
【００２１】
本発明のこれらの及び他の局面は、後述の実施例を参照して教示され明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による光音響検出器の一実施例を概略的に示す図。
【図２ａ】異なる温度でのレーザーダイオードの出力パワーとレーザーダイオードを通る順電流との関係を示す図。
【図２ｂ】異なる温度でのレーザーダイオードの順電圧とレーザーダイオードを通る順電流との関係を示す図。
【図３】レーザーダイオードのピーク波長と温度との関係を示す図。
【図４ａ】光源を通る順電流に対する模範的な波形及びそれによる出力パワー波形を示す図。
【図４ｂ】図４ａの波形の一部の拡大図。
【図５】本発明による校正方法の結果を示す図。
【図６】本発明による校正方法の結果を示す図。
【図７】本発明による校正方法の結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本発明によるサンプルセンサ２００の一実施例を概略的に示す。図１に示すサンプルセンサ２００は、光音響検出器であり、光吸収量に基づいてセンサ濃度を検出するように構成される。以下の説明は、主に、光音響検出器を説明するが、当業者は、濃度を測定するための光吸収量を用いるときに温度補償が同様に機能することを容易に理解することができるだろう。選択的に、双方の技術は、より信頼性の高い測定を得るために並列で使用される。
【００２４】
以下で説明する光音響トレースガス検出器２００は、ガス混合物内のトレースガス濃度を検出するが、本発明は、他のサンプル混合物内の組織、流体若しくは固体を検出するために適用されてもよい。試験されるガス混合物は、ガスセル１０７内に含められる。ガスセル１０７は、ガスセル１０７を充てん及び空にするガス入口１０４及びガス出口１０５を含んでよい。息の試験用の装置では、ユーザは、ガスセル１０７を通して試験される空気を吹くことができる。
【００２５】
トレースガス検出器２００は、光源としてレーザーダイオード１０１を用いる。レーザー光１１３の波長は、トレースガスの分子を励起できるように選択される。或いは、トレースガス分子を励起させる十分なエネルギを備える光ビームを生成できる、他の種類のレーザー源若しくは他の光源が使用されてもよい。レーザーデバイス１０２は、レーザーダイオード１０１に対して駆動信号を供給する。本実施例では、レーザードライバ１０２は、また、光ビームを変調する変調器としても機能する。レーザードライバ１０２により生成される電流を変化させることによって、光ビーム１１３の強度が時間に亘って変化される。光ビームの強度の変調は、連続的な強度で光ビームを操作することによって実現されてもよい。例えば、連続波光ビームから強度変調光ビームを生成する機械的なチョッパは我々によく知られている。
【００２６】
レーザービーム１１３のより強い強度は、トレースガスのより多くの分子が励起される結果を生み、これにより、ガス混合物のより高い温度がもたらされる。駆動信号のより大きい振幅は、より大きい励起及びより大きい温度変動を生む。トレースガスのより高い濃度は、トレースガス分子の増加した励起を介して、より大きな温度変動も生む。温度変動は、ガス混合物内に圧力変動若しくは音波を引き起こす。圧力変動は、マイクロフォンや発振器素子のような、検出器素子１０３により検出される。レーザー光が、発振器素子の共振周波数で変調される場合、音波が発振器を励起する。好ましくは、発振器素子は、水晶チューニングフォークのような、水晶発振器である。水晶チューニングフォークは、高い感度を有し、高い周波数で動作する。更に、水晶チューニングフォークは、例えばデジタル時計の製造のためのように、大規模で使用されているので、非常に高価ではない。
【００２７】
検出器１０３からの信号は、トレースガスの濃度を表す出力信号１０９を生成するために処理セクション１０６に送られる。本発明によれば、光源の幾つかのパラメータは、パラメータ測定手段１１１により測定され、パラメータは、また、処理セクション１０６に供給される。例えば、レーザーダイオード１０１を通る駆動電流若しくはレーザーダイオード１０１に亘る順電圧は、処理セクション１０６に送られる。順電流も、レーザードライバ１０２から直接取得されてもよい。処理セクション１０６に供給されてもよい他のパラメータは、光源１０１の出力パワーである。この実施例では、出力パワーは、レーザーダイオード１０１の後方の小平面の背後に直接的に配置される内部ダイオード１１０により測定される。以下で説明するように、これらの光源パラメータは、温度依存波長シフトを補償するために処理セクション１０６の温度補償モジュール１１２により使用される。これらのパラメータは、光源１０１から直接取得可能であるので、温度補償は、参照ガスを備える参照ガスセルを必要とした上述の先行技術の光音響検出器よりも非常に容易である。
【００２８】
光ダイオード１０８は、光ビームがガスセルを出る位置に配置される。この光ダイオード１０８は、光吸収量に基づいて濃度を測定するために使用される。ガスセル内のサンプルの有り無しで測定された光ダイオード信号の相違は、この際、処理ユニットに対する入力として使用される。
【００２９】
図２ａは、異なる温度（２０℃、４０℃及び６０℃）でのレーザーダイオード１０１の出力パワー及びレーザーダイオード１０１を通る順電流の間の関係を示す。全ての温度で、低い順電流Ifは、如何なるレーザー出力パワーPoutを生まない。Ifが閾値電流Ithを超えるとき、レーザーダイオードは、光を放出し始める。閾値電流Ithは、レーザーダイオードの温度に依存する。図２ａから分かるように、低温（２０℃）では、Ith２４は、高温（６０℃）でのIth２３より小さい。従って、Ithが異なる温度に対して知られている場合、レーザーダイオード温度は、Ithを求めることによって判断することができる。Ithと温度の間の関係は、通常、レーザーダイオードのサプライヤにより提供される。もしそうで無い場合は、関係は、構成測定を介して取得されてもよい。或いは若しくはそれに加えて、ダイオード温度は、好ましくは考えられる最も高い温度に対するIthよりも大きい既知の順電流に対してPoutを測定することによって判断されてもよい。図２ａから分かるように、固定の順電流では、Pout２２は、低温（２０℃）では、高温（６０℃）でのPout２１より低い。所定の順電流に対する温度及びPoutの関係も、レーザーダイオードのサプライヤにより提供されてもよいし、若しくは、校正測定を介して取得されてもよい。
【００３０】
図２ｂは、異なる温度でのレーザーダイオードを通る順電流とレーザーダイオードに亘る順電圧Vfの間の関係を示す。図２ｂから分かるように、固定の順電流では、Vf２６は、低温（２０℃）では、高温（６０℃）でのVf２５より大きい。所定の順電流に対するVfと温度の関係も、レーザーダイオードのサプライヤにより提供されてもよいし、若しくは、校正測定を介して取得されてもよい。
【００３１】
図３は、レーザーダイオードのピーク波長λpeakと温度の関係を示す。図２ａ及び図２ｂからの情報を用いてレーザーダイオード温度を判断した後、レーザーダイオードの温度依存波長シフトは、図３からの情報を用いて判断される。サンプルの吸収スペクトルに依存して、この波長シフトは、同一の分子による光の吸収量に小さい若しくは大きい影響を有する。処理セクション１０６の温度補償モジュール１１２は、光の平均出力波長を調整してもよいし、若しくは、出力信号１０９に補正を施してもよい。光源１０１の出力波形を適合することは、本分野で一般的に知られている幾つかの方法でなされてもよい。出力信号１０９の補正は、元の補正されていない出力信号１０９への波長シフトの寄与度を判断することにより実行される。この寄与度は、とりわけ、出力波長以外の、光源１０１の温度依存パラメータの測定値を用いて計算される。
【００３２】
図４ａは、光源を通る順電流４２、Ifに対する模範的な波形（実線）及びそれによる出力パワー波形４１、Pout（破線）を示す。図４ａに示すような変調スキームを用いる場合、レーザーダイオードの２つの異なる温度依存パラメータを取得することができる。これらのパラメータの取得方法が図４ｂを参照して説明される。
【００３３】
図４ｂは、図４ａの波形の一部の拡大図である。図２ａを参照して上述した如く、レーザーダイオードの温度は、閾値電流If、又は所定の順電流Ifでの光出力パワーPoutを用いて判断されてもよい。これらの２つの温度依存パラメータは、図４ｂに示すような波形信号４１，４２から取得されてもよい。Ithは、Poutが増加し始める瞬間４３若しくはPoutが最小値に到達する瞬間４６でのIfに対する値である。Ifの波形４２の形状が知られている場合、Ithは、Ifが増加し始める瞬間からPoutも増加し始める瞬間までの時間遅延４５から取得されてもよい。この方法は、Ifがレーザードライバ１０２により制御されそれ故にIfの波形４２が知られているので、非常に有用である。同等の時間遅れは、Pout及びIfがそれぞれの最小値に達する瞬間の間に生ずる。Ithが知られるとき、レーザーダイオード１０１の温度は、図２ａの情報を用いて判断される。
【００３４】
温度は、或いは若しくはそれに加えて、所定の順電流Ifでの光出力パワーPoutから取得されてもよい。原理上、これは、駆動電流変調の振幅内の任意のIfでなされてもよい。好ましくは、レーザーダイオード１０１の温度は、Ifに対する所定の最大値でのPoutに基づいて判断される。Poutに対するこの値４４は、変調中のPoutの最大値である。If及びPoutの最大値を知ることにより、レーザーダイオード１０１の温度は、図２ａの情報を用いて判断される。或いは、順電圧Vfは、順電流Ifの変調中に測定されてもよい。If及びVfの最大値（若しくは他の対応する値）を知ると、レーザーダイオード１０１の温度は、図２ｂの情報を用いて判断される。
【００３５】
図５，６及び７は、本発明による温度補償校正方法の結果を示す。この校正測定では、レーザーダイオード１０１のハウジングは、その温度を制御するペルチェ素子上に配置された。図５は、内部光ダイオード１１０の反応から判断された測定パワー５１（実線）及び出力信号５２（点線）を示し、これらの双方は、レーザーハウジングの温度の関数である。校正測定中、セル１０７を通過して導かれ若しくはセル１０７内に維持されたサンプル混合物内のサンプルの濃度、及び、放電ランプ１０１の順電流の変調振幅は双方とも固定されている。温度の低下は、レーザー出力パワーPoutの増加をもたらすが、光音響出力信号５２の現象をもたらし、これは、サンプルの吸収スペクトルの形状（微細構造）及び光源１０１の波長シフトに起因する。パワー及び出力信号５２対温度依存性から、図６に示す温度補償校正曲線６１を取得することができる。校正曲線６１は、内部光ダイオード１０により測定された出力パワーと光音響検出器信号の関係を示す。光音響ガスセルを用いてレーザーダイオードの温度の制御無しに未知のガス濃度を測定することを可能とするため、濃度校正が実行される。このため、既知のサンプル濃度［Sref］がガスセルに適用され、温度補償校正の間に同一の電流変調振幅が適用される。続いて、光音響信号PArefは、内部光ダイオード１１０上の信号Prefと同様に、判断される。図７に示すような温度補償曲線は、次いで、P＝Prefでゼロに光音響信号を正規化することにより校正曲線６１から導出される。
【００３６】
図７を用いると、未知のセンサ濃度は、校正測定中と同一の順電流変調振幅をレーザーダイオードに印加し、出力信号を測定し、次の公式を用いて測定された出力信号を測定することによって、判断されてもよい。
［S］＝［S］ref＊PA/PAref＊C(P)
ここで、［S］はサンプルの濃度であり、［S］refは既知の校正濃度であり、PAは出力電流であり、PArefは校正測定中の出力電流であり、C(P)は、未知のサンプル濃度測定中の光出力パワーに対する温度補償係数である。濃度校正測定中、サンプル濃度は、［S］refであり、内部光ダイオードにより測定される光パワーはPrefである。
【００３７】
図５、６及び７を参照して上述した校正方法は、光源１０１のその他の温度依存パラメータを用いて実行されてもよい。例えば、レーザーダイオード１０１に亘る順電流Vfは、出力パワーPoutに代えて測定されてもよい。
【００３８】
温度補償係数C(P)若しくはC(Vf)は、例えば温度補償モジュール１１２のルックアップテーブルの形態で実現されることができる。温度補償曲線自体は、多数の方法で取得することができる。上述の温度補償校正ルーチンでは、試験的なアプローチが取られている。温度補償曲線を導出するその他の方法は、レーザーダイオードの逆電圧との組み合わせの有り無しで波長の温度依存性を判断し、これらをサンプルガスの高い分解能の吸収線の形に組み合わせることである。センサが大量に生成されるべきであり、レーザーが初期の波長の変動で印加されるとき、レーザーに対するピーク波長のみを判断しデータベースから正しい補償曲線を選択することによって、初期の波長のセット内で温度補償曲線を判断し、あるセンサモジュールに対する適切な補償曲線を選択することが適切となりうる。
【００３９】
なお、上述の実施例は、本発明を制限するものでなく例示するものであり、当業者は、添付のクレームの範囲から逸脱することなく多くの代替実施例を設計することができるだろう。クレームでは、カッコ内の如何なる参照符号もクレームを限定するものの解釈されるべきでない。単語“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）”及び“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”等は、請求項や明細書全体に列挙された要素やステップ以外の要素やステップの存在を除外するものでない。要素に付される単数表現は、かかる要素の複数の存在を除外するものでない。本発明は、幾つかの区別される要素を含むハードウェアにより、及び、適切にプログラムされたコンピューターにより、実現されることができる。幾つかの手段を列挙する装置クレームでは、これらの手段のいくつかが、１つの同一のハードウェアのアイテムにより具現化されることができる。ある手段が、相互に異なる従属項の請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが効果的に使用できないことを意味するものではない。
【図１】
2010512536.tif 000003
【図２ａ】
2010512536.tif 000004
【図２ｂ】
2010512536.tif 000005
【図３】
2010512536.tif 000006
【図４ａ】
2010512536.tif 000007
【図４ｂ】
2010512536.tif 000008
【図５】
2010512536.tif 000009
【図６】
2010512536.tif 000010
【図７】
2010512536.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成21年6月15日(2009.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル混合物内のサンプルの濃度を検出する光音響トレースガス検出器であって、
前記サンプルの分子を励起させる光ビームを生成する光源と、
励起される分子の量を変化させて前記サンプル混合物に圧力変動を起こさせるために前記光ビームを変調する光変調器と、
前記サンプルの励起された分子の量を検出する検出器素子であって、前記量を表す検出器電流に前記圧力変動を変換する圧力センサを含む検出器素子と、
前記検出器素子に接続され、濃度を表す出力信号を生成するために前記検出器電流を処理する処理セクションであって、出力波長以外の、前記光源の温度依存パラメータの少なくとも１つの測定値に基づいて、前記光源の温度依存波長シフトに対して前記出力信号を補正するよう構成された温度補償モジュールを含む、処理セクションと、
前記少なくとも１つの測定値を得るパラメータ測定手段とを含む、光音響トレースガス検出器。
【請求項２】
前記少なくとも１つの測定値は、前記光源の光出力パワーであり、前記パラメータ測定手段は、前記光出力パワーの直接的な測定用の内部のフォットダイオードを含む、請求項１に記載の光音響トレースガス検出器。
【請求項３】
前記光源は、半導体レーザーダイオードであり、前記少なくとも１つの測定値は、前記半導体レーザーダイオードを通る順電流の閾値電流であり、該閾値電流未満では前記光出力パワーは略ゼロであり、該閾値電流以上では前記光出力パワーは実質的に増加する、請求項１に記載の光音響トレースガス検出器。
【請求項４】
前記光源は、半導体レーザーダイオードであり、前記少なくとも１つの測定値は、前記半導体レーザーダイオードの順電圧である、請求項１に記載の光音響トレースガス検出器。
【請求項５】
前記温度補償モジュールは、校正測定からの校正係数を使用し、
前記光出力パワー及び前記検出器電流は、前記サンプルの既知の校正濃度及び前記光源に対する既知の校正駆動電流を用いて、種々の温度で測定されている、請求項２に記載の光音響トレースガス検出器。
【請求項６】
前記温度補償モジュールは、次の公式を用い、
［S］＝［S］ref＊PA/PAref＊C(P)
ここで、［S］は前記サンプルの濃度であり、［S］refは前記既知の校正濃度であり、PAは前記検出器電流であり、PArefは校正測定中の検出器電流であり、C(P)は、サンプル測定中の前記光出力パワーPに対応する校正係数であり、
PArefは、前記校正測定から導出される、請求項５に記載の光音響トレースガス検出器。
【請求項７】
前記温度補償モジュールは、校正測定からの校正係数を使用し、
順電圧及び前記検出器電流は、前記サンプルの既知の校正濃度及び前記光源に対する既知の校正駆動電流を用いて、種々の温度で測定されている、請求項４に記載の光音響トレースガス検出器。
【請求項８】
前記温度補償モジュールは、
次の公式を用い、
［S］＝［S］ref＊PA/PAref＊C(Vf)
ここで、［S］は前記サンプルの濃度であり、［S］refは前記既知の校正濃度であり、PAは前記検出器電流であり、PAref(Vf)は、順電圧Vfに対応する校正測定中の検出器電流であり、C(Vf)は、順電圧Vfに対応する校正係数であり、
PAref(Vf)及びC(Vf)は、前記校正測定から導出される、請求項７に記載の光音響トレースガス検出器。
【請求項９】
請求項５による光音響トレースガス検出器における前記出力信号の温度補償用の校正係数を決定する方法であって、
前記サンプルの既知の校正濃度及び前記光源に対する既知の校正駆動電流を用いつつ、種々の温度で前記光出力パワー及び前記検出器電流を測定するステップと、
前記測定された光出力パワー及び測定された検出器電流から、校正係数を決定するステップとを含む、方法。
【請求項１０】
請求項７による光音響トレースガス検出器における前記出力信号の温度補償用の校正係数を決定する方法であって、
前記サンプルの既知の校正濃度及び前記光源に対する既知の校正駆動電流を用いつつ、種々の温度で順電圧及び前記検出器電流を測定するステップと、
前記測定された順電圧及び測定された検出器電流から、校正係数を決定するステップとを含む、方法。
【請求項１１】
前記光源の温度依存波長シフトに対して請求項１による光音響トレースガス検出器の前記出力信号を補正する方法であって、
前記光源のその他の温度依存パラメータの少なくとも１つの値を測定するステップと、
前記測定された少なくとも１つの値に基づいて前記出力信号を補正するステップとを含む、方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの値は、前記光ビームの光出力パワーである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光源は、半導体レーザーダイオードであり、前記少なくとも１つの測定値は、前記半導体レーザーダイオードを通る順電流の閾値電流であり、該閾値電流未満では前記光出力パワーは略ゼロであり、該閾値電流以上では前記光出力パワーは実質的に増加する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの値は、前記光ビームの順電圧である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記補正は、請求項９又は１０の方法を実行することにより得られる校正係数を使用することを含む、請求項１１に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の一局面によれば、上記目的は、請求項１による光音響トレースガス検出器により達成される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
光音響検出器は、励起された分子の量を変化させて前記サンプル混合物に圧力変動を起こさせるために前記光ビームを変調する光変調器を含み、前記検出器素子は、前記圧力変動を前記検出器電流に変換する圧力センサを含む。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記の特許文献１の従来の実施例及びシステムとは対照的に、この実施例による検出器は、温度依存波長シフトを防止せず、その代わりに、波長シフトを受け入れ、光源のその他の温度依存パラメータの少なくとも１つの測定値に基づいて出力信号を補正する。
【国際調査報告】
2010512536.tif 000012
2010512536.tif 000013
2010512536.tif 000014