(57)【要約】光学的な気体識別システムは、測定セル２０と、変調された光源１０と、マイクロホン２２と、信号増幅器３０とを、備えている。光源１０は複数個のレーザーダイオード１２を備え、変調された特定波長の光を選択的に照射することができる。本気体識別システムは、演算処理装置７０と各種信号パターンを格納したデータベース６０とを使って対象となる信号を判別することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合気体を収容する光音響セルと、
変調された特定波長の光を前記混合気体に照射する光源と、
前記混合気体で発生する圧力変動を検出するマイクロホンと、
前記混合気体の各種信号パターンを格納するデータベースと、
出力信号と前記データベース内の信号パターンとを比較する演算処理装置と、
を備え、
前記光源が、
波長が互いに異なる複数のレーザーダイオードと、
前記レーザーダイオードを支持する結合体と、
を備える光学的な気体識別装置。
【請求項２】
前記セルが、
伝播光の透過を許容する２個の窓と、
前記混合気体の注入及び排気をそれぞれ行う気体バルブと、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の光学的な気体識別装置。
【請求項３】
前記レーザーダイオードが配置されている光結合体が回転移動することを特徴とする、請求項１に記載の光学的な気体識別装置。
【請求項４】
前記レーザーダイオードが配置されている光結合体が平行移動することを特徴とする、請求項１に記載の光学的な気体識別装置。
【請求項５】
前記光結合体の前記複数（２−１００）のレーザーダイオードが異なる波長と出力を有することを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載の光学的な気体識別装置。
【請求項６】
前記光音響セルが温度センサーを備え、
前記演算処理装置が、
前記温度センサーの温度信号を用いて前記セルの出力信号を補正することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の光学的な気体識別装置。
【請求項７】
前記レーザーダイオードから発する光が３ｍＷから５０Ｗまで変化することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の光学的な気体識別装置。
【請求項８】
レーザー光が５ｎｍから１６５０ｎｍまでの特定波長を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学的な気体識別装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光音響分析に係り、特に、混合気体中における２種以上の気体又は蒸気の測定に関与する応用とリアルタイムの気体監視とに関する。
【背景技術】
【０００２】
光音響測定は、分子の性質、すなわち、ある周波数の放射エネルギー（例えば、赤外線放射エネルギー）の照射を受けると、そのエネルギーを吸収して分子振動・回転のレベルが高レベルに達し、その結果、高温及び高圧に達するという性質に基づいている。放射エネルギーが振幅変調されると、吸収可能なエネルギーに変動が生じ、それに対応して温度及び圧力が変動する。圧力変動を示す電気的出力を生成するのに、高感度のマイクロホンが使用されている。音響信号の振幅とそれによる電気出力は、放射強度と放射エネルギーを吸収した気体の濃度とに比例する。
【０００３】
この種の装置の変形としては、例えば、米国特許第４，５５７，６０３号（オーラ（Oehler）他）、米国特許第４，８１８，８８２号（ネクソ（Nexo）他）、米国特許第５，９３３，２４５号（ウッド（Wood）他）、米国特許第６，００６，５８５（フォルスター（Forster））及び米国特許第６，１４８，６５８号（チョー（Chou）他）が知られている。これらの装置は共通の構成要素をいくつか有している。特に、レーザーなどのエネルギー源が、熱的（電源オンオフ）に又はチョッパー装置で変調される放射エネルギーを生成する。変調されたエネルギーは、放射エネルギーを吸収する気体又は混合気体を含むセルに供給され、変調周波数をたどるようにその気体に温度変動をもたらす。温度は直接的には検出されないが、その替わりに、温度変動に伴う圧力変動がセル内の高感度マイクロホンで検出される。マイクロホンの出力は変調周波数に合わせて検出され、気体濃度に比例した電気信号が生成される。
【０００４】
必要事項の一つとして、混合気体中に含まれる１種以上の気体の濃度を決定することが必要である。これは２以上のセンシングシステムを用いることで達成することができるが、検査中の各気体毎に１つのシステムを供し、複数のシステム間で構成要素を共有すれば、経費を節減することができる。それに応じて、ただ１個の光音響セルを用いて２種以上の気体を検出することに関し幾つかの提案が出されている。
【０００５】
例えば、ネクソ他の特許には、隣接する窓間の間隔が異なる３組のフィルター窓群を有する穴あき板が開示されており、その穴あき板が、赤外線を、“Ｎ2Ｏ、ＣＯ2及び麻酔薬の各々により吸収される”異なる波長に同時に濾過し、その波長を３種の異なる周波数に変調している。各種の気体に対応する信号は、マイクロホン信号の電気的濾過によって分離される。
【０００６】
オーラ他の特許には、異なる干渉フィルターを備えた機械的光変調装置及びモノクロメータが開示されており、その干渉フィルターにより、混合気体の幾つかの成分を同時かつ別個に検出することができるようになっている。オーラは、測定気体又は干渉成分の最大域又は側域に適合した１種以上の狭帯域フィルターを使用することにより、他の気体成分による測定時の干渉を大幅に軽減することができる、と示唆している。異なる成分の濃度は、異なる狭帯域フィルターを光路上に順次導入して実施した測定から決定することができる。
【０００７】
これらシステムの不利な点は、非常に狭い帯域内で放射エネルギーを供給しなければならない所である。これは、エネルギー生成用のレーザーか、又は光源から光音響セルまでの光路に異なる狭帯域フィルターを順次導入するように設計された装置のいずれかを、必要とする。どちらの方法でもシステム経費を増加させる。更に、これらシステムの制限範囲内では、吸収帯域が重複又は一致する２種の気体同士の区別が難しく、また、未知の吸収がある気体の存在を判別することが難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、互いに重複又は一致する吸収線又は帯域を有する複数種の気体の濃度を別々に測定することであり、また、吸収帯域又は線が、検出したい複数種の気体と重複又は一致する他の気体の存在を検出することである。
【０００９】
本発明のシステムは、質量分析など他の分析技術の問題点や欠点から影響を受けることはない。多くの現用化学分析技術には、遅いとか費用が掛かるとかいう不満がある。
【００１０】
走行中の自動車の排出物を汚染物質の観点で検査することは、主な汚染源を阻止し、総合的な大気品質を改善するために重要である。また、迅速で信頼性が高くて正確な検出方法と検出器は、大気汚染源に立ち向かうのに重要な道具となる。
【００１１】
迅速で経済的で信頼性の高い検出器及び検出方法が重要となる他の実例として、天然ガスのパイプラインに近接した大気を調べて漏洩の有無を判別する場合がある。クロロベンゼンその他の汚染物質のような濃い非水相層化学薬品を含む可能性のある土壌サンプルにも、汚染物質の存在を検出するのに、迅速で経済的で信頼性の高い検出方法、検出システム及び検出器が必要とされる。
【００１２】
もう一つの実例としては、軍事又は保安の分野において、迅速で信頼性が高くて正確な検出器と検出方法が、爆発物や化学兵器用物質の存在を検出するのに必要とされている。幾つかの例を除き、前述の検出器に必要とされるのは、高価ではないが信頼性が高く、質量分析器やガスクロマトグラフィーの欠点がないことである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
これら及びその他の目的を達成するため、気体識別装置が提供される。この装置は各種波長の放射エネルギー源を含み、放射光エネルギーを吸収したとき光音響信号を測定してその光音響信号と蓄積された光音響信号パターンとを比較する。
【００１４】
具体的には、前記装置は、気体試料を収容する測定セルと、選択された波長の光を測定セルに照射する光源結合体と、圧力変動を検出して電気信号に変換するマイクロホンと、 様々な信号パターンを格納したデータベースと、信号パターンを比較・分析する演算処理装置と、波長の異なる光を放射する複数のレーザーダイオードと、選択された波長の光を照射する位置に移動可能な固定された光源結合体とを、含んでいる。
【００１５】
前記測定セルは、壁構造、好ましくはアルミニウム又はその他の金属から構成される壁構造を有し、その壁が略立方体状に囲んでいる。前記セルは気体試料を収容する空間を有し、そのセル本体は、前方及び後方の窓が開いており、気体試料の出入りを許容する一つ以上のバルブを有している。
【００１６】
前記光源結合体の前記レーザーダイオードは回転又は平行移動する。
【００１７】
また、前記セルは温度センサーを備え、温度修正する。
【００１８】
前記レーザーダイオードの出力は３ｍＷから５０Ｗまで調整でき、レーザーダイオードから放射する光の波長は５ｎｍから１６５０ｎｍまでである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、試料気体の種類と濃度を明かにすることができる。また、試料の前処理過程が要求されていないので、迅速に測定でき、少ない経費で気体を分析することができる。このような特徴により、道路上で車両が排出する公害物質やその他の深刻な問題を招く公害物質をより迅速で正確に測定して、必要な措置を行なうことができる。また、爆発物の感知や火薬及び麻薬などの危険物から出るであろう漏洩気体を迅速かつ正確に感知できるので、軍事分野や保安分野に多様に応用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１を参照して、本発明の全般を説明する。
【００２１】
図示のように、本発明の光音響分析装置は、変調された光エネルギーを供給する光源１０と、試料気体を収容するセル２０と、マイクロホン２２で検出された信号を増幅する予備増幅器３０と、予備増幅器３０から出力された特定信号を検出するロック−イン増幅器４０と、セル２０内に設置された温度センサー２３と、温度センサー２３から出力された温度の補正をおこなう副演算処理装置５０と、様々な混合気体の信号パターンを格納したデータベース６０と、副演算処理装置５０が処理した信号を比較して信号パターンを分析する主演算処理装置７０と、電源９０及び光源１０を制御して分析結果を表示するコントローラ及びディスプレイ８０と、光源その他の構成要素に電力を供給する電源９０とを、備えている。
【００２２】
光源１０は、単一波長の光を放射する各種レーザーダイオードを組み合わせたものであり、各レーザーダイオードは、連続波であって３ｍＷから５０Ｗまでの出力の光を放射する。レーザーダイオードの出力は任意に調整できる。
【００２３】
セル２０は、気体を収容すると共に、光源１０の光線を照射する貫通窓と、圧力変動を検出するマイクロホン２２と、セル２０内の温度を測定する温度センサー２３とを、備えている。
【００２４】
予備増幅器３０は、詳細な分析のために、マイクロホン２２から入力される電気信号を増幅する。
【００２５】
ロック−イン増幅器４０は、増幅された電気信号の中からノイズを除去し、光音響信号だけを抽出する。
【００２６】
副演算処理装置５０は、温度センサー２３の出力信号を用いてロック−イン増幅器４０の出力信号を補正する。
【００２７】
主演算処理装置７０は、データベース６０に格納された信号と温度補正された光音響信号とを分析・比較する。データベース６０は、気体の光音響信号パターンを多数格納しており、気体の濃度、種類及び混合比を判定できる。定性的及び定量的分析のために統計的方法が用いられる。
【００２８】
コントローラ及びディスプレイ８０は、全ての処理を制御し、処理命令と結果を表示する。
【００２９】
この気体識別装置は持ち運び可能である。
【００３０】
図２に示す通り、円筒状の光源結合体１１は、異なる波長の光を放射する複数のレーザーダイオード１２を備え、この光源結合体１１は支持軸１３で固定されている。コントローラ８０が光源結合体１１を回転させることができるようになっており、ユーザは、セル２０に照射する光の波長を種々選択することができる。
この光源結合体１１は、支持軸１３が回転することによって回転可能である。レーザーの波長や出力を変えるため、光源結合体１１にはもう一つの異なる光源結合体１１が実装されてもよいし、又は光源結合体１１が交換可能とされてもよい。
【００３１】
図３に示す通り、直方体状の光源結合体１１は、異なる波長の光を放射する複数のレーザーダイオード１２を備え、光源結合体１１は支持軸１３で固定されている。コントローラ８０が光源結合体１１を上下左右に平行移動させることができるようになっており、ユーザは、セル２０に照射する光の波長を種々選択することができる。更に、レーザーの波長や出力を変えるため、光源結合体１１にはもう一つの異なる光源結合体１１が実装されてもよいし、又は光源結合体１１がそれとは異なる光源結合体１１に互いに交換可能とされてもよい。
【００３２】
各レーザーダイオード１２は単一波長の光を放射し、その放射出力は３ｍＷから５０Ｗまで調整可能である。したがって、レーザーダイオードを選択することによって、レーザービームの波長や放射出力を調整することができる。レーザーダイオード１２は、５ｎｍから１６５０ｎｍまでの波長の光を放射でき、試料気体の違いに合わせてその組み合わせも異とされる。レーザーダイオードの組み合わせを異にすると、相対的に強くて効果的な光音響信号を得ることができ、光源の出力を調整したり光源結合体１１からセルまでの距離を調整したりすることで、光線の強度を調整することができる。
【００３３】
レーザーダイオード１２の出力の調整及び周波数の変調は、電気回路によって行われる。
【００３４】
前述のように、波長の選択は、光源結合体１１の平行又は回転移動によって行われる。したがって、光学レンズを用いることで、選択され変調されたレーザー光をセル２０内に向けることができる。光源結合体１１が移動している間は、全ての測定処理が停止し、正確な測定を行うことができるようになっている。
【００３５】
また、光源結合体１１を固定し、測定セル２０を光源結合体１１と同じ形態で移動させることも可能である。この場合、セル２０が移動している間は、全ての測定処理が停止し、正確な測定を行うことができるようになっている。
【００３６】
以上の方法で、如何なる光学フィルターもモノクロメータも使わずに、光源結合体１１のみを用いて光線の波長及び出力の種々の設定を行うことができる。
【００３７】
図４は、気体識別装置の測定セル２０の概略図である。
【００３８】
測定セルは、セル本体２１、マイクロホン２２、温度センサー２３、前方窓２４、後方窓２５、二つのバルブ２６、２７を備えている。
【００３９】
セル本体２１は、測定セル２０のフレームであって、試料気体の収容用空間を形成し、構成要素を設置するための基礎となっている。測定セル２０の内部空間は円筒状を呈し、セルの諸寸法は共鳴周波数によって決まる。本発明において、その共鳴周波数は１００Ｈｚから１０００Ｈｚまでの範囲にわたる。また、測定セル２０の内部の表面は、光線を効率よく反射するように機械的に研磨されている。
【００４０】
マイクロホン２２は、セル本体２１に設置されており、圧力変動を検出してその圧力変動を電気的信号に変換する。
【００４１】
温度センサー２３は、セル本体２１に設置されており、セル内部の温度を検出してその測定情報を副演算処理装置５０に送信する。感度向上のために２個以上のマイクロホンが設置されてもよい。
【００４２】
前方窓２４は試料気体を閉じ込める赤外線透過性の窓である。後方窓２５も試料気体を閉じ込める赤外線透過性の窓であり、光線を鏡で反射して吸収率を高めている。
【００４３】
２個のバルブ２６、２７は、試料気体をそれぞれ許容又は排気してセル２０の内部を清浄するために設置されている。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る気体識別装置の概略図である。
【図２】気体識別装置の複数の光源を示す概略図である。
【図３】気体識別装置の複数の光源を示す概略図である。
【図４】気体識別装置の測定セルを示す概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  光源
１１  光源結合体
１２  レーザーダイオード
１３  支持軸
２０  測定セル（内部セル）
２１  セル本体
２２  マイクロホン
２３  温度センサー
２４  前方窓
２５  後方窓
２６、２７  バルブ
３０  予備増幅器
４０  ロック−イン増幅器
５０  副演算処理装置
６０  データベース
７０  主演算処理装置
８０  コントローラ及びディスプレイ
９０  電源
【図１】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2004533620.tif 000006
2004533620.tif 000007
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2004533620.tif 000009
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2004533620.tif 000019
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【国際調査報告】
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