(57)【要約】  本発明は、ガス計測システムであって、光ビームを放射するコヒーレント光源（１、２０１、３０１、４０１）と、検出器（８、２０８、３０８、４０８）と、光源（１、２０１、３０１、４０１）と検出器（８、２０８、３０８、４０８）との間に形成されるビーム経路（２、２０２、３０２）と、検出器（８、２０８、３０８、４０８）がガスセル（４、２０４、３０４、４０４）を経由して透過された光を受けるように、光源（１、２０１、３０１、４０１）と検出器（８、２０８、３０８、４０８）との間のビーム経路に配置されるガスセル（４、２０４、３０４、４０４）とを備え、ガスセル（４、２０４、３０４、４０４）が、多孔質セラミック（１１、２１１、３１１、４１１）を備え、ガスセル（４、２０４、３０４、４０４）が、ガスセル（４、２０４、３０４、４０４）の実際の層厚さの倍数である光路長を有する、ガス計測システムにおいて、さらに、光学要素（３、２０３、３０３、４０３）が光源（１、２０１、３０１、４０１）と検出器（４、２０４、３０４、４０４）との間のビーム経路（２、２０２、３０２）に配置されること、および光ビームがガスセル（４、２０４、３０４、４０４）に入射したとき、光源（１、２０１、３０１、４０１）によって放射された光ビームが、拡大され、集束されないことを特徴とする、ガス計測システムに関する。【選択図】図１
2020519878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス計測システムであって、
光ビームを放射するコヒーレント光源（１、２０１、３０１、４０１）と、
検出器（８、２０８、３０８、４０８）と、
前記光源（１、２０１、３０１、４０１）と前記検出器（８、２０８、３０８、４０８）との間に形成されるビーム経路（２、２０２、３０２）と、
前記検出器（８、２０８、３０８、４０８）がガスセル（４、２０４、３０４、４０４）を通して透過された光を受けるように、前記光源（１、２０１、３０１、４０１）と前記検出器（８、２０８、３０８、４０８）との間の前記ビーム経路に配置される前記ガスセル（４、２０４、３０４、４０４）と、
前記光源（１、２０１、３０１、４０１）と前記ガスセル（４、２０４、３０４、４０４）との間の前記ビーム経路（２、２０２、３０２）に配置される光学要素（３、２０３、３０３、４０３）とを備え、
前記ガスセル（４、２０４、３０４、４０４）が、多孔質セラミック（１１、２１１、３１１、４１１）を備え、前記ガスセル（４、２０４、３０４、４０４）が、前記ガスセル（４、２０４、３０４、４０４）の実際の層厚さの倍数である光路長を有する、ガス計測システムにおいて、
前記光学要素（３、２０３、３０３、４０３）が、
前記光源（１、２０１、３０１、４０１）によって放射された前記光ビームが、前記ガスセル（４、２０４、３０４、４０４）に入射したとき拡大され、集束されないように、
ｉ．  光学的に透明な窓であり、および前記光ビームの拡大が、前記光ビームの発散に基づいて起き、または
ｉｉ．  前記光ビームを変形させる、拡散体もしくは少なくとも１つの回折光学要素を備えることを特徴とする、ガス計測システム。
【請求項２】
前記光路長が、前記ガスセル（４、２０４、３０４、４０４）の実際の層厚さよりも少なくとも１０倍、特に少なくとも５０倍、および好ましくは数百倍長いことを特徴とする、請求項１に記載のガス計測システム。
【請求項３】
前記ガスセルおよび／または前記多孔質セラミックが、交換可能であることを特徴とする、請求項１に記載のガス計測システム。
【請求項４】
プロセス窓を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のガス計測システム。
【請求項５】
前記光学要素（３、２０３、３０３、４０３）が、プロセス窓として機能することを特徴とする、請求項４に記載のガス計測システム。
【請求項６】
前記ガスセル（４、２０４、３０４、４０４）と前記検出器（８、２０８、３０８、４０８）との間の前記ビーム経路（２、２０２、３０２）に配置され、光学窓または反射体を備えたさらなる光学要素（９、２０９、３０９、４０９）を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載のガス計測システム。
【請求項７】
前記コヒーレント光源（１、２０１、３０１、４０１）が、レーザ、特に波長可変レーザであることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載のガス計測システム。
【請求項８】
前記検出器（８、２０８、３０８、４０８）が、光検出器、特にサーモパイル検出器、ボロメータ、焦電検出器、光電子増倍管、フォトダイオード、またはフォロレジスタであることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載のガス計測システム。
【請求項９】
前記ガスセル（４、２０４、３０４、４０４）の上流の試料調製ユニット（７）をさらに備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載のガス計測システム。
【請求項１０】
ＮｅＳＳＩ対応であることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載のガス計測システム。
【請求項１１】
前記多孔質セラミック（１１、２１１、３１１、４１１）が、ナノ多孔質または微孔質であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載のガス計測システム。
【請求項１２】
前記多孔質セラミック（１１、２１１、３１１、４１１）が、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、ガリウムリン、多孔質シリコン、またはその混合物を備えることを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載のガス計測システム。
【請求項１３】
以下のガス、すなわち、酸素（Ｏ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、メタン（ＣＨ４）、アミン、アンモニア（ＮＨ３）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、硫黄酸化物（ＳＯ２）、ＨＣｌもしくはＨＦなどのハロゲン化水素、水および／または水分（Ｈ２Ｏ）、またはその混合物のうちの１つまたは複数の含有量の吸収分光測定のための請求項１から１２のいずれかに記載のガス計測システムの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、ガスセルを有するガス計測システム（ｇａｓ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｓｙｓｔｅｍ）に関する。ガス計測システムは、ガス状計測媒質（ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｍｅｄｉｕｍ）の少なくとも１つの化学的および／または物理的パラメータの吸収分光測定に使用される。
【背景技術】
【０００２】
[0002]吸収分光法、特にＴＤＬＡＳ（波長可変ダイオードレーザ吸収分光法：ｔｕｎａｂｌｅ  ｄｉｏｄｅ  ｌａｓｅｒ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）とも特徴付けられる、波長可変レーザを用いるいわゆるダイオードレーザ吸収分光法は、例えば、酸素（Ｏ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、メタン（ＣＨ４）、アミン、アンモニア（ＮＨ３）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、硫黄酸化物（ＳＯ２）、ＨＣｌまたはＨＦなどのハロゲン水素化合物、水および／または水分（Ｈ２Ｏ）、あるいはさらにはその混合物などのガスの具体的な吸収を分析し、それによって、計測媒質中の上記ガスの濃度を測定することを可能にする。酸素計測システムの適用例の領域は、例えば、排出監視の領域における簡単な適用例から化学および石油化学の領域における複雑なプロセス制御までにわたる。適用例のさらなる例示的な領域は、エネルギー発生および廃棄物焼却における燃焼プロセスの制御を含む。
【０００３】
[0003]計測は、通常、透過配置で行われ、透過反射配置（ｔｒａｎｓｆｌｅｃｔａｎｃｅ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）での計測も周知である。レーザまたはダイオードレーザなどのコヒーレント光源によって放射されたビームは、計測媒質を経由して向けられ、それとの相互作用の後、適切な検出器によって検出される。
【０００４】
[0004]そのような計測の検出感度は、ランベルト・ベールの法則により吸収経路、すなわち、分析するべきガス中の光の光路長に依存する。これによれば、より長い吸収経路が、より小さな濃度を測定するのに必要である。
【０００５】
[0005]ＴＤＬＡＳの場合、波長可変レーザのビームは、計測媒質中を通過する。この場合のビームの波長は、所定の波長範囲内で周期的に変動し、レーザによって横断される波長範囲は、好ましくは、分析するべきガスの１つまたは複数の吸収帯を含む。対象とされる波長範囲は、使用されるレーザによって、より正確に言えば、使用されるダイオードレーザによって決まる。複数のレーザおよびダイオードレーザが周知である。いわゆるＤＦＢレーザ（分布帰還型レーザ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｌａｓｅｒｓ）は、約７００ｎｍから約３μｍの間の波長範囲を対象とすることができる。いわゆるＶＣＳＥＬレーザ（垂直キャビティ面発光レーザ：ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒｓ）は、最大約２．１μｍまでの波長範囲を対象とすることができ、ＱＣＬレーザ（量子カスケードレーザ：ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ）は、約３．５μｍ超またはさらには約４．３μｍ超の波長範囲を対象とすることができ、ＩＣＬレーザ（バンド間カスケードレーザ：ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ）は、約３μｍから６μｍの波長範囲を対象とすることができる。
【０００６】
[0006]ガスセルの一部としての多孔質セラミック材料、特に微孔質またはナノ多孔質セラミックの使用は、小さなまたは低い濃度を計測するために光路長を延ばす方式を表す。しかし、ビーム経路におけるそのような材料の使用は、まさにこの多孔質材料上の散乱による望ましくない干渉効果、いわゆる検出器上のスペックル形成をもたらし、それによって、波長スキャンの動的状況における非常に強い雑音レベルを有する信号がもたらされることがすでに示されている。
【０００７】
[0007]Ｔ．Ｓｖｅｎｓｓｏｎら  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１０７、１４３９０１（２０１１）では、特に、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、または二酸化アルミニウム（ＡＩ２Ｏ３）を備える異なる細孔の大きさを有する焼結セラミックなどの、強く散乱するナノ多孔質および微孔質材料における光とガスの相互作用に関する研究が記載されている。そのような多孔質セラミックからの光は、無作為に散乱され、または微小散乱され、それによって、光路長が透過セラミック材料の実際の厚さに比例して大幅に延ばされることが示されている。これらの材料は、７６０ｎｍにおける酸素のＴＤＬＡＳ測定に小型マルチパスガスセルとして一般に適切であることがさらに示されており、二酸化チタンは、７６０ｎｍにおける強力な吸収帯により、あまり適切ではないことが分かっている。
【０００８】
[0008]光干渉雑音は、例えば、レーザビームディザリングによって抑制することができ、Ｔ．Ｓｖｅｎｓｓｏｎら、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３３（１）、８０（２００８）によってより詳細に記載されているが、分光分析の周知の限界を表す。そのために、試料を回転させることができおよび／またはトラッキングコイルを使用することができ、トラッキングコイルはレンズを備え、レンズは２つのコイルに近接して配置され、それによって、レンズ位置の適合が可能になる。
【０００９】
[0009]Ｊ．Ｌａｒｓｓｏｎら  Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ５４（３３）、９７７２（２０１５）では、同様に、波長変調分光法を用いて７６０ｎｍにおける光学的に不透明な媒質として木材中の酸素を測定するためにＴＤＬＡＳ配置のマルチパスセルとして強く散乱する多孔質セラミックが記載されており、波長変調は、雑音抑制を通じて計測システムの感度を改善するのに使用される。約５ｍｍの厚さの一片のセラミック材料が、分析するべき木材に配置され、材料中に散乱されたレーザ光が検出され、レーザ光は第１の光ファイバを介して材料内に結合され、第２の光ファイバを介してまた外へ結合された。この実験において、有害な光干渉は、光学構成部品が小型モータを用いて動かされたという点において抑制された。
【００１０】
[0010]ＣＮ１０２６２１０６３Ｂでは、多孔質酸化アルミニウムのガスセルを有するガス計測システムが開示されており、干渉雑音を抑制するために、コリメータが使用されて、レーザビームを最適化し、レーザビームは、ガスセルに結合されたファイバを通して向けられる。
【００１１】
[0011]ＣＮ２０２５９００９２Ａでは、レーザと、多孔質材料の芯を有するガスセルとを有するガス計測システムが開示されており、散乱レーザ光用の検出器は、検出器が所望の光路長を調整および／または記録するために動かすことができるように、３次元並進ステージ上に配置される。
【００１２】
[0012]干渉雑音を抑制するための周知の選択肢は、計測システムの光学構成部品の動きが機械的に複雑であり、大きな空間ならびに複雑な電子作動装置（ａｃｔｕａｔｉｏｎ）が必要とされるので、プロセス環境における商用ガス計測システムにおいて有用ではなく、それによってそのようなガス計測システムは、大型でありおよび／または広範囲に及ぶ保守を受けることを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
[0013]したがって、本発明の目的は、多孔質セラミックを備え、改善された信号対雑音比を有する、コンパクトなガスセルを有する堅牢なガス計測システムの提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
[0014]この目的は、光ビームを放射するコヒーレント光源と、検出器と、光源と検出器との間に形成されるビーム経路と、検出器がガスセルを通して透過された光を受けるように、光源と検出器との間のビーム経路に配置されるガスセルとを備える、本発明によるガス計測システムを用いて実現される。ガスセルは、多孔質セラミック材料を備え、ガスセルの実際の層厚さの倍数である光路長を有する。さらに、光学要素が、光源とガスセルとの間のビーム経路に配置され、光源によって放射された光ビームは、光ビームがガスセルに入射したとき拡大され、集束されない。光学要素は、光学的に透明な窓であり、光ビームの拡大が、光ビームの発散に基づいて起きるか、または光学要素は、光源によって放射された光ビームが、光ビームがガスセルに入射したとき拡大され、集束されないように、光ビームを変形させる、拡散体もしくは少なくとも１つの回折光学要素を備えるかのいずれかである。
【００１５】
[0015]ガスセルにおける多孔質セラミックの使用により、ガスセル、より正確に言えば多孔質セラミックに入射する光は、セラミック内で複数回反射され、または無作為に散乱されてからセラミックから出射し、それは結果として、ガスセルの実際の層厚さの、特に、多孔質セラミックの層厚さの倍数である光路長となる。
【００１６】
[0016]前に説明したように、そのような多孔質セラミックの使用は、望ましくない干渉およびスペックル形成をもたらす。これは、光源によって放射された光ビームが、光ビームがガスセルに入射したとき拡大され、集束されない点において、本発明によるガス計測システムにおいて抑制され、それによって起きた干渉は、互いに打ち消し、計測信号からフィルタ処理することができる。
【００１７】
[0017]好ましくは、光波の位相および／または光源によって放射された光ビームは、可能な限り混合される。ガウスビームの想定の下に、これは、ビームウエストからさらに離れている波面がより強く湾曲されることを意味するはずである。
【００１８】
[0018]ガスセルの実際の層厚さよりも少なくとも１０倍、特に少なくとも５０倍大きくおよび／または長い光路長が実装可能である。最適条件下で、さらには実際の層厚さよりも最大数百倍まで長い光路長を実装することができる。「ガスセルの実際の層厚さ」という用語は、ガスセルの厚さであると理解され、それは多孔質セラミックにおける無作為の散乱なしでガスセルを通って進む経路に対応する。最初は光路長の極端な延長により、非常に小型の、コンパクトなガス計測システムの構築が可能になる。それに応じて小型のガスセルは、小さな試料容量により、非常に迅速なガス交換時間を実現することができ、したがって、迅速な濃度変化を確実に検出し、分析するべきガスにおいて分析することもできるという利点をさらに有する。
【００１９】
[0019]一実施形態において、光学要素は光学的に透明な窓、特にプロセス窓である。光学的に透明な窓は、特に、光源および検出器などの他の光学構成部品からガスセルを分離し、例えば、計測するべきガスがガスセルからガス計測システムの他の構成部品に侵入するのを防止するのに主に使用される。これは、光ビームの「自然」発散だけが光ビームを拡大するのに使用されているとき特に重要である。
【００２０】
[0020]さらなる実施形態において、光学要素は光ビームを変形させ、光学要素は拡散体または回折光学要素または回折要素の組合せを備える。このやり方で設計された光学要素は、光ビームに対して能動的に作用し、それを、拡大され、集束されない光ビームがガスセルに入射することができるように拡大するのに使用される。そのようなビーム拡大は、例えば、円柱レンズ、開口部と組み合わせた円柱レンズ、レンズアレイ、またはパウエルレンズの使用により実現することができる。回折光学要素の代わりに、屈折光学要素をビーム拡大に使用することもできる。
【００２１】
[0021]光ビームを拡大するための光学要素の使用または光ビームの自然発散は、このやり方において、機械的に可動の構成部品および／または複雑な電子作動装置の使用を回避することができ、それにより、小型のおよびコンパクトなガス計測システムの構築が可能になるので、特に有利である。
【００２２】
[0022]さらなる実施形態において、光ビームを変形させる光学要素は、プロセス窓としてさらに働くことができる。光学要素をビーム変形にも、ガスセルを分離するのにも、使用することができるので、この実施形態は、本発明によるガス計測システムが特に小型のおよびコンパクトなものとして設計されるとき、特定の利点を有する。
【００２３】
[0023]ガス計測システムは、ガスセルと検出器との間のビーム経路に配置され、光学窓または反射体を備えた、さらなる光学要素をさらに備えることができる。ガス計測システムの設計により、検出器をガスセルから空間的に分離するのにさらなる光学要素が使用され、これは主に透過配置に関連し、または他の光学要素が反射体として機能し、光ビームがガスセルから出射した後ガスセルにまた反射することを可能にし、ガスセルを再度通過した後検出器だけに向けられ、それは透過反射配置としても特徴付けられる。
【００２４】
[0024]ガス計測システムのコヒーレント光源は、好ましくは、レーザ、特に波長可変レーザである。酸素の測定には、例えば、７６０ｎｍの範囲において放射する、または変動させることができるレーザが適切であり、ＮＨ３の測定には、おおよそ１５００ｎｍの範囲において放射する、または変調することができるレーザが適切である。何故なら、酸素またはＮＨ３の強力な吸収帯がこれらの範囲にあるからである。
【００２５】
[0025]検出器は、光検出器として、例えば、サーモパイル検出器、ボロメータ、焦電検出器、光電子増倍管、フォトダイオード、またはフォトレジスタとして設計される。この場合の検出器の選択は、特に検出するべきビームのおよび／または検出するべき光の波長によって決まる。
【００２６】
[0026]さらなる実施形態において、本発明によるガス計測システムは、ガスセルの上流の試料調製ユニットをさらに有する。このやり方において、例えば、有害な汚染物質を計測媒質から除去し、および／または試料を容器またはプロセス環境から除去し、続いてそれを計測することが可能である。
【００２７】
[0027]ガス計測システムは、好ましくは、ＮｅＳＳＩ対応である。ＮｅＳＳＩは、ＳｅａｔｔｌｅのＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎの取り組みであるＮｅｗ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ／Ｓｅｎｓｏｒ  Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅを表し、それは、システムを対応する弁、減圧弁、フィルタ、およびさらなる構成部品を用いて密封し、それらと結合させることの標準化により、小さな空間またはさらには最小の空間における試料採取および／または計測システムのモジュラー設定を可能にする。
【００２８】
[0028]ガスセルに使用される多孔質セラミックは、好ましくは、ナノ多孔質または微孔質である。この場合のセラミックの最適な細孔の大きさは、実験的に測定しなければならず、使用される波長、したがって、分析するべきガスの両方に、ならびに使用されるセラミック材料に依存する。
【００２９】
[0029]多孔質セラミックは、好ましくは、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、ガリウムリン、多孔質シリコン、またはその混合物を備える。
【００３０】
[0030]ガス計測システムの設計により、それは、以下のガス、すなわち、酸素（Ｏ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、メタン（ＣＨ４）、アミン、アンモニア（ＮＨ３）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、硫黄酸化物（ＳＯ２）、ＨＣｌまたはＨＦなどのハロゲン水素化合物、水および／または水分（Ｈ２Ｏ）、またはその混合物のうちの１つまたは複数の含有量を測定するのに使用することができる。
【００３１】
[0031]本発明によるガス計測システムの様々な実施形態を図を用いて以下に説明する。図は以下を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】透過における本発明によるガス計測システムの概略図である。
【図２】透過反射における本発明によるガス計測システムの概略図である。
【図３】光ビーム経路の概略図である。
【図４】ＮｅＳＳＩ対応である、透過における本発明によるガス計測システムの分解組立図である。
【図５】図４のコンパクトなガス計測システムの断面図における概略図である。
【図６】光ビームがガスセル上に集束および／または拡大された酸素吸収線の比較計測グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
[0032]図１は、透過における、本発明によるガス計測システムの概略図を示す。ガス計測システムは、矢印で示すビーム経路２に沿って光またはビームを放射するコヒーレント光源１を備える。レーザ、ダイオードレーザ、および特に波長可変ダイオードレーザをコヒーレント光源として使用することができ、ビーム光の波長は、測定するべきガスを用いて選択される。酸素を測定するために、例えば、７６０ｎｍの波長を有する、特にコヒーレント光源１を使用することができる。
【００３４】
[0033]光源１の光は、光学要素３を用いて、多孔質セラミック１１を備えるガスセル４に向けられる。多孔質セラミック１１は、好ましくは、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、ケイ酸塩、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、ガリウムリン、多孔質シリコン、またはその混合物を備える、微孔質またはナノ多孔質セラミック１１である。この場合の多孔質セラミック１１の細孔の大きさは、コヒーレント光源の利用される波長を用いて選択され、好ましくは、２０ｎｍから５μｍの間である。ＭＩＲ（中赤外：ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ）範囲における波長を有する適用例には、最大１０μｍまでの細孔の大きさを有するセラミックを使用することができる。７６０ｎｍにおける酸素の測定には、特に約１００ｎｍの細孔の大きさを有する二酸化ジルコニウムが適切である。
【００３５】
[0034]ガスセル４に当たるまたはガスセル４に入射する光ビームは、好ましくは、多孔質セラミック１１が平坦であり、集束されたビームの場合と同様に所々で照射されるだけであるように、集束されず、拡大される。約１８ｍｍの直径を有する円盤状のセラミック１１を使用したとき、約４ｍｍのビーム直径が十分な干渉抑制をもたらすことが実験的に示されている。
【００３６】
[0035]ビーム拡大は、単に光源１から出射する光の「自然」発散を用いてある距離にわたって実現することができる。この場合、光学要素３は、具体的な撮像特性なしで、光学的に不透明な窓またはプロセス窓として形成することができ、したがって、主に光源を試料および／または計測媒質から分離するのに使用される。さらに、光学要素は、拡散体または回折光学要素として設計することができる。これらの要素は、好ましくは、光学的に不透明な窓として同時に機能することができ、またはそれらは、追加のプロセス窓とともに使用することができる。
【００３７】
[0036]ここに示すように、ガスセル４は、分析するべきガス試料を導入し、または排出するための接続部５、６をさらに備える。試料は、例えば、ガス状計測媒質でもよく、またはさらには計測媒質から分離された試料でもよい。ガス状試料は、ここに示すように、直接または試料除去または試料調製システム７を介してガスセル４に配置することができる。異なる試料除去または試料調製システムが周知であり、それを用いて、ガス状試料を、設計により、計測媒質またはプロセス環境から除去することができ、また調製することができる。
【００３８】
[0037]ガスセル４内の光は、そこに含まれる試料と相互作用し、ガスセル４から出射した後適切な検出器８に向けられる。このために、ここに例により示すように、さらなる光学要素９をガスセル４と検出器８との間のビーム経路に配置することができる。透過におけるガス計測システムにおいて、例えば、ガスセル４から検出器８上に出射する光を集束させる集光光学系をさらなる光学要素９として使用することができる。特にコンパクトなガス計測システムにおいて、さらなる光学要素は、プロセス窓としてさらに働き、したがって、試料を検出器８から物理的に分離する。検出器８は、およびコヒーレント光源１も、適切な制御および／または調節ユニット１０に接続され、制御および／または調節ユニット１０は、評価ユニットを備えることもできる。
【００３９】
[0038]図２は、透過反射における、本発明によるガス計測システムを概略的に示し、その場合、コヒーレント光源２０１および検出器２０８は、共通の筐体２１２に配置され、適切な制御および／または調節ユニット２１０に接続される。光源２０１によって放射された光ビームは、上記光ビームのビーム経路２０２がここに矢印で示されるが、好ましくは同時にプロセス窓として働く光学要素２０３を用いて、多孔質セラミック２１１を備えたガスセル２０４に向けられる。分析するべきガスは、ガスセル２０４に導入し、次いで、適切な入口２０５および出口２０６を用いて再度除去することができる。例によりここに示す実施形態において、ガス試料は、ガスセル２０４を通して向けられる。セラミック２１１および／またはガスセル２０４を通過した後、出射光は、ここで反射体として設計されているさらなる光学要素２０９を用いて、再度またガスセル２０５および光学要素２０３を通して向けられる。
【００４０】
[0039]図３は、本発明によるガス計測システムの光ビーム経路を例によりおよび概略的に示し、概要を分かりやすくするために透過におけるビーム経路だけが示される。コヒーレント光源３０１から、光ビーム３０２が放射され、光ビーム３０２は、光学要素３０３、ガスセル、およびさらなる光学要素３０９を用いて検出器３０８に向けられる。放射された光ビーム３０２は、ガスセル３０４に、より正確に言えば、それに含まれる多孔質セラミック３１１に当たるまで拡大し、したがって、上記ガスセルが、拡散したレーザ光により照射される。有害な干渉、特にスペックル形成が、光および／またはレーザビームの拡大により大幅に抑制されたこと、および酸素吸収線の計測に対する図５における例により示されるように、信号対雑音比が顕著に改善されたことが実験的に示された。
【００４１】
[0040]ここに示すように、ガス計測システムは、開口部３１３をさらに有することができ、開口部３１３は、光学要素３０３とガスセル３０４との間のビーム経路３０２に配置される。絞り開口部が使用された場合、光ビームの直径を変更し、したがって、ガスセル３０４に入射する光の強度を変更することがさらに可能である。
【００４２】
[0041]多孔質セラミック３１１は、約５ｍｍから１０ｍｍの実際の層厚さを有するが、しかし、セラミックに存在するナノ粒子または微小粒子上の拡散した反射により、光が進む有効光学経路３１４は、矢印で示すように、何回も延ばされる。したがって、ガスセル３０４の光路長は、その実際の層厚さよりも何倍も長い。
【００４３】
[0042]ガスセルから出射した光は、さらなる光学要素３０９を用いて検出器８に向けられる。さらなる光学要素３０９の設計は、透過配置に対する図１に関連して、および透過反射配置に対する図２に関連して説明された。
【００４４】
[0043]図１および２に関連してすでに説明された異なる選択肢は、光学要素３、２０３、３０３およびガスセル４、３０４、４０４として使用することができる。さらに、ビーム経路２、２０２、３０２に沿った光ビームは、光源１、２０１、３０１とガスセル４、２０４、３０４との間でおよび／またはガスセル４、２０４、３４と検出器８、２０８、３０８との間で、全体的にまたは部分的に光導体において誘導することができる。
【００４５】
[0044]図４および５は、ＮｅＳＳＩ対応である、本発明によるガス計測システムの断面図を示す。図４は本発明によるガス計測システムを断面図で示し、図５は３次元表示である。
【００４６】
[0045]例えば、ＶＣＳＥＬレーザなどのコヒーレント光源４０１からの光は、光学要素４０３を用いて多孔質セラミック４１１を有するガスセル４０４を通して向けられ、光学要素４０３は、プロセス窓として働き、光ビームを拡大するのに使用され、多孔質セラミック４１１は、拡大された光ビームを用いて照射される。ガスセル４０４は、ガス接続部４０５、４０６をさらに有し、それを用いて、分析するべきガスをガスセル４０４内に導入し、次いで、再度除去することができる。分析するべきガスは、ガスセル４０４内に直接導入することができ、または前に図１に示したように、あらかじめ試料除去システム７を用いて向けることができる。さらに、ガス計測システムは、少なくとも１つの計測センサ４１５を有し、それを用いて、例えば、ガスセル４０４内の温度および／または圧力を測定することができる。ガスセル４０４、特に多孔質セラミック４１１を通る透過の後、光および／または光ビームは、さらなる光学要素４０９を用いて検出器４０８に向けられ、光学要素４０９は、ここでプロセス窓としても働く。検出器４０８は、例えば、光検出器として設計される。
【００４７】
[0046]図４および５に分解組立図および断面図で示すガス計測システムは、設計が特に小型でコンパクトであり、すべての光学構成部品は、筐体ブロック４１６に組立状態で配置される。多孔質セラミック４１１を有するガスセル４０４は、好ましくは、特にセラミック４１１が、例えば汚れたとき、容易に交換することができるように設計される。ガスセルは、分析するべきガスのための入口４０５／出口４０６をさらに有する。このために、多孔質セラミック４１１は、例えば、レンズまたは光学フィルタの取付けには、周知でもあるように、適切な枠組み４１８において円盤として取り付けられる。コヒーレント光源４０１および／またはブラケット４１７に配置される検出器４０８は同様に交換することができ、これは、異なる波長を有する異なるガスを同じ設定を用いて計測することができるので特に有利である。
【００４８】
[0047]本発明によるガス計測システムは、好ましくは、ＮｅＳＳＩ対応である。図４および５に示すように、例えば、５ｃｍ未満の辺長を有するコンパクトな立方体として試作品が実装された。この場合の多孔質セラミック４１１は、約１６ｍｍの直径、約６．４ｍｍの層厚さおよび約１００ｎｍの細孔の大きさを有する酸化ジルコニウム製の円盤として設計され、それによって最大約５ｍまでの光路長が実現された。これは、実際にはガスセルの実際の層厚さの８００倍の拡大または延長に対応する。特に多孔質セラミック４１１の寸法によって与えられる、ガスセル４０４の小容量は、極めて高速のガス交換をガスセル４０４において実装することができ、それによって、濃度の迅速な変化を計測媒質および／または分析するべきガスにおいて検出することができるという利点をさらに有する。
【００４９】
[0048]ＮｅＳＳＩは、ＳｅａｔｔｌｅのＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎの取り組みであるＮｅｗ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ／Ｓｅｎｓｏｒ  Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅを表し、それは、システムを対応する弁、減圧弁、フィルタ、およびさらなる構成部品を用いて密封し、それらと結合させることの標準化により、小さな空間における試料採取および／または計測システムのモジュラー設定を可能にする。
【００５０】
[0049]比較において、図６は、ガスセル上に集束された光ビーム（線Ａ）または本発明による拡大された光ビーム（線Ｂ）を有する酸素吸収線の計測を示す。７６０ｎｍの波長を有するＶＣＳＥＬレーザがコヒーレント光源として使用され、光検出器が検出器として使用され、約６．４ｍｍの層厚さを有する二酸化ジルコニウムの円盤が多孔質セラミックとして使用された。多孔質セラミックを通る光路長は、空中較正を用いて約５ｍであると測定され、したがって、実際には有効層厚さよりも８００倍大きかった。使用された二酸化ジルコニウムセラミックの細孔の大きさは、約１００ｎｍであった。計測Ａは約７０ミクロンまで集束されたレーザビームを用いて行われ、計測Ｂは約４．１ｍｍの直径まで拡大されたレーザビームを用いて行われた。それによって、干渉、特にスペックル形成を強く抑制することが可能であり、それは拡大された光ビームを吸収した吸収線Ｂの顕著に改善された信号対雑音比において示された。加えて、スペックル形成の有り無し両方の雑音の比率を定義する
【００５１】
【数１】
2020519878.tif 000003
【００５２】
のスペックル抑制係数が測定された。
[0050]信号対雑音比におけるこの顕著な改善は、完全に光学的な解決策および／または可動要素も追加の電子作動装置も必要としない受動的な解決策を用いて本発明によるガス計測システムにおいて実現される。したがって、本発明によるガス計測システムは、極めて堅牢であり、小型のおよびコンパクトな設計により実現することもできる。
【符号の説明】
【００５３】
[0051]
１、２０１、３０１、４０１  光源
２、２０２、３０２  ビーム経路
３、２０３、３０３、４０３  光学要素
４、２０４、３０４、４０４  ガスセル
５、２０５、４０５  接続部
６、２０６、４０６  接続部
７  試料除去または試料調製システム
８、２０８、３０８、４０８  検出器
９、２０９、３０９、４０９  さらなる光学要素
１０、２１０  制御および／または調節ユニット
１１、２１１、３１１、４１１  多孔質セラミック
２１２  筐体
３１３  開口部
３１４  光学経路
４１５  計測センサ
４１６  筐体ブロック
４１７  ブラケット
４１８  枠組み
【図１】
2020519878.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020519878.tif 000009
【国際調査報告】
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