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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024123830
(43)【公開日】2024-09-12
(54)【発明の名称】ガス分析装置
(51)【国際特許分類】
G01N 21/3504 20140101AFI20240905BHJP
【ＦＩ】
G01N21/3504
【審査請求】有
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023031563
(22)【出願日】2023-03-02
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2024-02-28
(71)【出願人】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110004185
【氏名又は名称】インフォート弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100121083
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 宏義
(74)【代理人】
【識別番号】100138391
【弁理士】
【氏名又は名称】天田 昌行
(74)【代理人】
【識別番号】100132067
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 喜雅
(74)【代理人】
【識別番号】100121049
【弁理士】
【氏名又は名称】三輪 正義
(72)【発明者】
【氏名】谷口 裕
(72)【発明者】
【氏名】武田 直希
【テーマコード（参考）】
2G059
【Ｆターム（参考）】
2G059AA01
2G059BB01
2G059DD12
2G059EE01
2G059FF04
2G059FF11
2G059HH01
2G059JJ03
2G059JJ24
2G059KK01
2G059LL01
2G059MM01
2G059MM07
(57)【要約】
【課題】複数種類のガス分析を同時に行うことができるガス分析装置を提供すること。
【解決手段】ガス分析装置１００は、赤外光線を射出する発光部１０と、発光部１０からの光線を透過し、高純度の複数の測定対象ガス及び赤外光に吸収を持たない１つのガスが封入された複数のガスフィルタ２１ａ～２１ｄと、複数のガスフィルタ２１ａ～２１ｄが格納され、回転機構３０を有するガスフィルタホイール２０と、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄを透過した光線が入射し、測定対象ガスを含むガスが流通する試料ガスセル４０と、試料ガスセル２１ａ～２１ｄを透過した赤外光線を受光する受光部５０と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】ガス分析装置１００は、赤外光線を射出する発光部１０と、発光部１０からの光線を透過し、高純度の複数の測定対象ガス及び赤外光に吸収を持たない１つのガスが封入された複数のガスフィルタ２１ａ～２１ｄと、複数のガスフィルタ２１ａ～２１ｄが格納され、回転機構３０を有するガスフィルタホイール２０と、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄを透過した光線が入射し、測定対象ガスを含むガスが流通する試料ガスセル４０と、試料ガスセル２１ａ～２１ｄを透過した赤外光線を受光する受光部５０と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
赤外光線を射出する光源と、
前記光源からの光線を透過し、高純度の複数の測定対象ガス及び赤外光に吸収を持たない１つのガスが封入された複数のガスフィルタと、
複数の前記ガスフィルタが格納され、回転機構を有するガスフィルタホイールと、
前記ガスフィルタを透過した光線が入射し、測定対象ガスを含むガスが流通する試料ガスセルと、
前記試料ガスセルを透過した赤外光線を受光する受光部と、
を備えたガス分析装置。
前記光源からの光線を透過し、高純度の複数の測定対象ガス及び赤外光に吸収を持たない１つのガスが封入された複数のガスフィルタと、
複数の前記ガスフィルタが格納され、回転機構を有するガスフィルタホイールと、
前記ガスフィルタを透過した光線が入射し、測定対象ガスを含むガスが流通する試料ガスセルと、
前記試料ガスセルを透過した赤外光線を受光する受光部と、
を備えたガス分析装置。
【請求項2】
前記受光部で受光した赤外光を電気信号に変換し、ガス濃度演算する信号処理装置と、
前記ガスフィルタホイールの回転に同期し、前記複数のガスフィルタの位置を検出する位置検知部と、
制御部と、を更に備え、
前記制御部は、
検出した前記ガスフィルタの位置と前記ガスフィルタを透過した光線の時間情報を同期し、
前記ガスフィルタ毎にガス濃度算出処理を行う
ことを特徴とする請求項１に記載のガスフィルタ相関方式（ＧＦＣ：Ｇａｓ Ｆｉｌｔｅｒ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）のガス分析装置。
前記ガスフィルタホイールの回転に同期し、前記複数のガスフィルタの位置を検出する位置検知部と、
制御部と、を更に備え、
前記制御部は、
検出した前記ガスフィルタの位置と前記ガスフィルタを透過した光線の時間情報を同期し、
前記ガスフィルタ毎にガス濃度算出処理を行う
ことを特徴とする請求項１に記載のガスフィルタ相関方式（ＧＦＣ：Ｇａｓ Ｆｉｌｔｅｒ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）のガス分析装置。
【請求項3】
前記位置検知部の位置を検知するフォトディテクタを更に備え、
前記位置検知部は、前記ガスフィルタの位置毎に異なる数の穴により形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のガス分析装置。
前記位置検知部は、前記ガスフィルタの位置毎に異なる数の穴により形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のガス分析装置。
【請求項4】
前記位置検知部の位置を検知する磁気検出素子を更に備え、
前記位置検知部は、前記ガスフィルタの位置毎に異なる磁気を発する磁石により形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のガス分析装置。
前記位置検知部は、前記ガスフィルタの位置毎に異なる磁気を発する磁石により形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のガス分析装置。
【請求項5】
前記制御部は、
同期信号を参照信号とゲート信号のＡＮＤを取って分離し、分離した前記同期信号を更につなぎ合わせて連続信号に並べる信号処理を行い、
前記連続信号をロックイン処理によって前記ガス濃度算出処理を行う
ことを特徴とする請求項２から４のうち何れかに記載のガス分析装置。
同期信号を参照信号とゲート信号のＡＮＤを取って分離し、分離した前記同期信号を更につなぎ合わせて連続信号に並べる信号処理を行い、
前記連続信号をロックイン処理によって前記ガス濃度算出処理を行う
ことを特徴とする請求項２から４のうち何れかに記載のガス分析装置。
【請求項6】
前記制御部は、前記測定対象ガスが封入された前記ガスフィルタの前記連続信号の信号成分の信号レベルと、参照ガスが封入された前記ガスフィルタの前記連続信号の信号成分の信号レベルと、を比較して、所定のガスフィルタ相関法の原理式に基づき、前記測定対象ガスの各ガス濃度指示値をそれぞれ算出する
ことを特徴とする請求項５に記載のガス分析装置。
ことを特徴とする請求項５に記載のガス分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガス分析装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ガスフィルタ相関方式（ＧＦＣ：Ｇａｓ Ｆｉｌｔｅｒ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）等による赤外線吸収方式のガス分析装置が知られている。そこで、例えば、特許文献１は、試料ガスが導入された試料セルに赤外光線を断続的に入射させ、試料セルを透過した赤外光線の光量を検出器により検出して試料ガス中の測定対象ガス濃度を演算する赤外線吸収方式の測定装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第４７９０３３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献１では、測定周期を所定数により分割して生成したタイミング信号を用いて出力信号をサンプリングすることが開示されているものの、複数種類のガス分析を同時に行うことは困難であるという課題が存在していた。
【0005】
本実施形態の課題としては、複数種類のガス分析を同時に行うことができるガス分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本実施形態における一態様のガス分析装置は、赤外光線を射出する光源と、前記光源からの光線を透過し、高純度の複数の測定対象ガス及び赤外光に吸収を持たない１つのガスが封入された複数のガスフィルタと、複数の前記ガスフィルタが格納され、回転機構を有するガスフィルタホイールと、前記ガスフィルタを透過した光線が入射し、測定対象ガスを含むガスが流通する試料ガスセルと、前記試料ガスセルを透過した赤外光線を受光する受光部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、複数種類のガス分析を同時に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本実施形態にかかるガス分析装置の一例を示す全体構成図である。
【図2】本実施形態にかかるガス分析装置の概要の一例を示す図である。
【図3】ガス分析装置を構成する電気回路の機器構成の一例を示すブロック図である。
【図4】ガス分析装置を構成する電気回路の機器構成の別の実施例を示すブロック図である。
【図5】ＡＤ変換部を通過したあとのデジタル信号の一例を示す図である。
【図6】生成されたフィルタ信号の一例を示す図である。
【図7】生成されたフィルタ信号の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
一般にガス分析装置では、測定対象ガスが吸収する特定の波長の光線を当て、その減衰量（検波波形の振幅比）を測定することにより測定対象のガス濃度を計測している。ガスの吸収強度は、ランベルト・ベールの法則（Ｂｅｅｒ－Ｌａｍｂｅｒｔ ｌａｗ）に従うことが知られており、光量の比率がガス濃度と相関関係にある。
【0010】
ガスフィルタ相関方式（ＧＦＣ：Ｇａｓ Ｆｉｌｔｅｒ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）は、高濃度の測定対象ガスと参照ガス（ゼロガス）を交互に検出し差分を取ることで、電気ノイズを除く干渉ガスや光学ノイズの影響を受けない測定方法として知られている。
【0011】
ただし、ガスフィルタ相関方式を採用した場合には、ガスが封入されたガスフィルタと、変調を行う円板状のチョッパ機構（回転セクタ）と、を並立して構築しなければならないことから、装置全体のサイズが大型化しがちであり、かつ、チョッパ機構をガスフィルタと同時に機能させる必要がある。このため、ガス種類を増やす場合には、回転部分のサイズが大きくなるという問題が生じる。また、従来においては、１種類のガス検出（測定対象ガス及び参照ガスの組合せ）には対応できるものの、２種類以上のガス検出に用いることは難しいという問題があった。
【0012】
そこで本実施形態においては、以下に説明するガス分析装置の構成を想到するに至った。以下、本実施形態について図面を伴って説明する。図１は、本実施形態にかかるガス分析装置１００の一例を示す全体構成図であり、図２は、本実施形態にかかるガス分析装置１００の概要の一例を示す図である。
【0013】
本実施形態にかかるガス分析装置１００は、図１、図２に示すように、発光部１０、ガスフィルタホイール２０、回転機構３０、試料ガスセル４０、受光部５０、信号処理装置６０、制御部７０、および電気回路２００を備える。ガス分析装置１００は、図１、図２に示していない他の構成を備えていてもよい。
【0014】
発光部１０は、赤外光線を射出する光源により構成される。例えば赤外光源として、ＪＳＩＲ３５０－５－ＢＬ－Ｒ－Ｄ３．６－０－０（ＭｉｃｒｏＨｙｂｒｉｄ社製）を用いてもよい。また図示しないが、射出される赤外光を平行光に近い光線とするために赤外光源と軸外放物面鏡を組み合わせて使用してもよい。例えば軸外放物面鏡として、ＭＰＤ００Ｍ９－Ｆ０１（焦点距離１５ｍｍ、ソーラボ社製）を用いてもよい。なお、平行光に近い光線を実現する手段として、レンズや放物面ミラー等一般的な光学部品を用いてもよい。
【0015】
ガスフィルタホイール２０は、複数のガスフィルタ２１ａ～２１ｄ、位置検知部２５ａ～２５ｄ、及びフォトディテクタ２６を備える。本実施形態においては、ガスフィルタホイール２０は、４つのガスフィルタ２１ａ～２１ｄを格納している。なお、ガスフィルタの数は４つに限定されるものではなく、少なくとも２つ以上格納することができる。
【0016】
発光部１０から射出された光線は、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄのいずれかに入射する。ガスフィルタ２１ａ～２１ｄは、ガスを封入可能なセルにより構成される。ガスフィルタ２１ａ～２１ｄのいずれか一つのガスフィルタには、ゼロガス（例えばＮ２ガス）が封入されている。本実施形態においては、例えばガスフィルタ２１ａにゼロガス（以下、「ガス種（Ａ）」とも呼ぶ）が封入されている。ガスフィルタ２１ａ～２１ｄのガスフィルタのうち、ゼロガスが封入されているガスフィルタ２１ａ以外のガスフィルタ２１ｂ～２１ｄには、測定対象ガス（例えばＣＯ２ガスなど）の複数の高純度ガス（以下、「ガス種（Ｂ）」、「ガス種（Ｃ）」、「ガス種（Ｄ）」とも呼ぶ）が封入されている。本実施形態においては、例えばガスフィルタ２１ｂ～２１ｄに測定対象ガスが封入されている。射出された光線はガスフィルタ２１ａ～２１ｄのいずれかを通過することにより、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄに封入されたガス成分によって光線の一部が吸収される。
【0017】
ガスフィルタホイール２０は、回転機構３０を有する。ガスフィルタホイール２０は、回転機構３０の駆動によって所定の方向に回転される。本実施形態においては、ガスフィルタホイール２０は、図２の矢印に示すように回転機構３０により時計回りに回転される。ガスフィルタホイール２０は、回転機構３０により反時計回りに回転されてもよい。回転機構３０には、一般的なモータを用いることができる。回転機構３０を構成するモータは、任意の回転数でガスフィルタホイール２０を回転することができる。本実施形態においては、回転機構３０を構成するモータは、例えば１０００～４０００ｒｐｍでガスフィルタホイール２０を回転することができ、本実施形態においては、２０００ｒｐｍでガスフィルタホイール２０を回転することができる。
【0018】
位置検知部２５ａ～２５ｄは、ガスフィルタホイール２０の回転に同期し、複数のガスフィルタ２１ａ～２１ｄの位置を検出する。位置検知部２５ａ～２５ｄは、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄの近傍に配置されている。本実施形態においては、位置検知部２５ａ～２５ｄは、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄに対し、ガスフィルタホイール２０の径方向の内側に配置されている。ガスフィルタホイール２０が回転機構３０により回転されると、位置検知部２５ａ～２５ｄは、フォトディテクタ２６によって検知され、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄの位置と同期した信号をゲート信号としてフォトディテクタ２６に返す。本実施形態において、ゲート信号とは、フォトディテクタ２６によって検知された位置検知部２５ａ～２５ｄに対応する各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄの位置を示す情報である。
【0019】
本実施形態においては、位置検知部２５ａ～２５ｄは、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄのフィルタ番号に対応した穴としてガスフィルタホイール２０に設けられている。
【0020】
図２に示すように、本実施形態の位置検知部２５ａ～２５ｄは、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄ毎に異なる数の穴により形成されている。例えば、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄは「１穴」～「４穴」によりそれぞれ形成されている。但し、穴の数は図１、図２に示す実施形態に限られず、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄを識別できる数により構成されればよい。
【0021】
フィルタ番号とは、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄを一意に識別できる番号を設定することができる。例えば、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄのフィルタ番号として、それぞれフィルタ１～４を設定することができる。以下、「ガスフィルタ２１ａ～２１ｄ」を「フィルタ１～４」と呼ぶこともある。フィルタ１～４は、それぞれガス種（Ａ）～（Ｄ）に対応するガスフィルタである。
【0022】
回転機構３０を構成するモータが回転するとフォトディテクタ２６は、位置検知部２５ａ～２５ｄにより検知されるガスフィルタ２１ａ～２１ｄの位置に対応したゲート信号に基づいて、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄの位置の情報を入手することができる。例えば、本実施形態においては、フォトディテクタ２６は、ガスフィルタ２１ａに対応する位置検知部２５ａを通過したときには１回の立ち上がり信号を入手することにより、ガスフィルタ２１ａの位置の情報を入手し、ガスフィルタ２１ｂに対応する位置検知部２５ｂを通過したときには２回の立ち上がり信号を入手することにより、ガスフィルタ２１ｂの位置の情報を入手することができる。
【0023】
本実施形態においては、位置検知部２５ａ～２５ｄとフォトディテクタ２６との組み合わせにより、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄの位置に応じた位置情報を信号としてフォトディテクタ２６が入手しているがこれに限られるものではない。例えば、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄの位置に応じた位置情報を信号として入手できる機能を有することができれば足りる。例えば、フォトディテクタ２６の代わりに、図示しない磁気検出素子（ホール素子）により位置検知部２５ａ～２５ｄにより発せられる磁気に基づいて位置情報を信号として返してもよい。この場合、位置検知部２５ａ～２５ｄはガスフィルタ２１ａ～２１ｄ毎に異なる磁気を発する磁石により形成される。フォトディテクタ２６により入手した信号は、同期信号（電気信号）としてデジタル入力端子（Ｄｉｇｉｔａｌ ｉｎｐｕｔ）５１を通じて信号処理装置６０へ入力される。
【0024】
試料ガスセル４０は、図１に示すように測定対象ガスを含むガスが流通する。ガスフィルタ２１ａ～２１ｄを透過した光線は、試料ガスセル４０に入射する。ここで、試料ガスセル４０は、高感度化を目的として、多重反射セルを用いてもよい。試料ガスセル４０を通過した光線は受光部５０に入射する。
【0025】
受光部５０は、図示しない受光素子を備える。受光素子は、光源、測定対象ガスの両方に感度を持つ素子を使用することができ、例えばＩｎＡｓＳｂ光起電力素子（Ｐ１３２４３－０２２ＭＳ（浜松ホトニクス社製））を用いることができる。ガスフィルタ２１ａ～２１ｄ及び試料ガスセル４０を透過して受光部５０から入射した光線は、電気回路２００へ入力される。
【0026】
【0027】
電気回路２００は、受光部ＰＤ（フォトダイオード：Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）２０１、ＩＶ（電流／電圧）変換部２０２、アンプ回路（プリアンプ回路）２０３、ローパスフィルタ（ＬＰＦ：Ｌｏｗ－ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）２０４、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Ｂａｎｄ－ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）２０５、及びＡＤ変換部２０６を備える。
【0028】
受光部ＰＤ２０１は、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄ及び試料ガスセル４０を透過して受光部５０から入射した光線の透過光量を電流（電気信号）に変換して電気回路２００に流入させる。ＩＶ変換部２０２は、受光部ＰＤ２０１により流入された電流を電圧に変換する。アンプ回路２０３は、変換した電圧の出力信号を増幅する。本実施形態においては、アンプ回路２０３は、出力信号を増幅しているがこれに限られない。アンプ回路２０３による出力信号の増幅を省略してもよい。
【0029】
回転機構３０を構成するモータの回転により生成される信号は、方形波形状の信号（以下、「方形波信号」とも呼ぶ）となる。方形波信号は、高調波成分を多く含む為、ローパスフィルタ２０４により、高周波ノイズを除去するとともに、バンドパスフィルタ２０５により、必要な周波数帯のみ通し、他の周波数を減衰することで、回転機構３０を構成するモータの回転に対応する周波数以外の成分を除去する。これにより、信号に含まれるノイズを除去して、ガス濃度の検出精度の向上を図ることができる。
【0030】
本実施形態においては、ローパスフィルタ２０４及びバンドパスフィルタ２０５の組み合わせにより信号に含まれるノイズを除去しているがこの限りではない。他の実施例として図４に示すように、ローパスフィルタ２０４の構成を省略して、バンドパスフィルタ２０５の構成のみにより、信号に含まれるノイズを除去してもよい。図４は、ガス分析装置１００を構成する電気回路２００の機器構成の別の実施例を示すブロック図である。図４で示す実施形態の電気回路２００においては、図３で示す電気回路２００のうち、ローパスフィルタ２０４の構成を省略し、バンドパスフィルタ２０５によりノイズを除去している。これにより電気回路２００の機器構成を簡略化することができ、製作コストの低減を図ることができる。なお、バンドパスフィルタ２０５は図示しないハイパスフィルタ及びローパスフィルタ２０４の組み合わせに置き換えて、信号に含まれるノイズを除去してもよい。
【0031】
ＡＤ変換部２０６は、ローパスフィルタ２０４、及びバンドパスフィルタ２０５によりノイズを除去したアナログ信号をデジタル化し、デジタル信号として出力する。図５は、ＡＤ変換部２０６を通過したあとのデジタル信号の一例を示す図である。図５に示すように、ＡＤ変換部２０６を通過したあとのデジタル信号は、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄのすべての信号３０１ａ～３０１ｄの情報を含む連続信号３００となって出力される。なお、図３、図４の記載において、便宜上ガスフィルタ２１ａ～２１ｄに対応するガス種（Ａ）～（Ｄ）由来の信号３０１ａ～３０１ｄをそれぞれ（１）～（４）を用いて図示している。
【0032】
次にフォトディテクタ２６にて検出される位置情報の挙動について説明する。フォトディテクタ２６によって検出される位置情報は、ガスフィルタホイール２０の回転に基づく。したがって、回転機構３０を構成するモータが回転すると、フォトディテクタ２６は、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄの位置に合わせた立ち上がり信号を入手することができる。この信号は、デジタル入力端子５１よりデジタル信号として、信号処理装置６０に入力される。入力する手段としてコンパレータを用いることができる。
【0033】
信号処理装置６０は、フォトディテクタ２６により入手したデジタル化された同期信号（電気信号）に基づいて、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄの位置を示すゲート信号を生成する。
【0034】
制御部７０は、ガス分析装置１００全体を統括的に制御するもので、プログラムを読込んでガス濃度算出処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）（不図示）を有する。記憶部８０は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等を有する。記憶部８０は、制御部７０が実行するプログラム、その他各種データを記憶する。また、記憶部８０は、制御部７０がプログラムを実行する際の作業領域を提供する。
【0035】
ＡＤ変換部２０６では、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄに対応するガス種（Ａ）～（Ｄ）の信号（１）～（４）が順番に出力され、図５に示すように、ＡＤ変換部２０６を通過したあとのデジタル信号は、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄのすべての信号３０１ａ～３０１ｄの情報を含む連続した正弦波のような連続信号３００の形状となって出力される。振幅はガスの吸収に左右され、ガス種（Ａ）～（Ｄ）の信号（１）～（４）はそれぞれ異なる振幅をもつ。
【0036】
信号処理装置６０は、フォトディテクタ２６により入手したデジタル化された同期信号（電気信号）に基づいて、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄの位置を示す参照信号を生成する。参照信号は、検出したガスフィルタ２１ａ～２１ｄの位置と、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄを透過した光線の時間情報と、を同期するために用いられる信号である。ガスフィルタ２１ａ～２１ｄによる出力と同期して生成される同期信号は、デジタル入力端子５１から信号処理装置６０を通して、ゲート信号と参照信号を生成する。本実施形態においては、信号処理装置６０により生成されるゲート信号は、例えばＯＮ又はＯＦＦの２進数により表される。ゲート信号は、同期信号の信号パターン（フィルタ１なら１つのＯＮ又はＯＦＦ信号、フィルタ２なら２つのＯＮ又はＯＦＦ信号、フィルタ３なら３つのＯＮ又はＯＦＦ信号、フィルタ４なら４つのＯＮ又はＯＦＦ信号）を元に各フィルタ１～フィルタ４の回転位置を検出し、フィルタ４の後に来たフィルタ１の同期信号をトリガ信号として１回転を４分割に区切り、フィルタ１の正弦波の間ＯＮとなるようなゲート信号（１）と、フィルタ２の正弦波の間ＯＮとなるようなゲート信号（２）と、フィルタ３の正弦波の間ＯＮとなるようなゲート信号（３）と、フィルタ４の正弦波の間ＯＮとなるようなゲート信号（４）を生成する。この際、バンドパスフィルタ２０５の影響で信号に遅延が生じる可能性があるため、各ゲート信号（１）～（４）のＯＮタイミングはこのバンドパスフィルタ２０５の遅延時間を考慮して決める必要がある。
【0037】
参照信号は、上記トリガ信号を起点として、次のトリガ信号までの間に４周期分の矩形波または正弦波をデジタル的に生成すればよいが、上記の通りバンドパスフィルタ２０５による遅延の影響を考慮し、位相を調整する必要がある。参照信号は正弦波でも矩形波でもよいが、矩形波の場合は参照信号に整数倍の高調波成分が含まれるため、ロックイン処理で単一の周波数成分に絞ることができなくなる。ＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ－Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を向上させるためには、参照信号を正弦波とすることが望ましい。ただし、アンプ回路２０３を通過した受光信号がバンドパスフィルタ２０５により著しく振幅が低下する場合、バンドパスフィルタ２０５の通過帯域を広げて信号振幅を稼ぐ方がＳＮ向上に有利な場合がある。その場合は参照信号を矩形波としたロックイン処理が有効である。したがって、ロックイン処理を行うためには、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄのすべての信号３０１ａ～３０１ｄを含む連続信号３００をそれぞれのガスフィルタ２１ａ～２１ｄ毎のフィルタ信号４０１ａ～４０１ｄに並び替える必要がある。
【0038】
そこで、ロックイン処理において、制御部７０は、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄのすべての信号３０１ａ～３０１ｄを含む連続信号３００を信号処理装置６０が生成したゲート信号に合わせ、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄのすべての信号３０１ａ～３０１ｄを含む連続信号３００を分割して、それぞれのガスフィルタ２１ａ～２１ｄ毎のフィルタ信号４０１ａ～４０１ｄを生成する。信号処理装置６０は、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄ（フィルタ１～４）の位置を示すゲート信号と、各フィルタ１～４に対応する信号３０１ａ～３０１ｄをそれぞれ乗算して、各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄにそれぞれ対応するフィルタ信号４０１ａ～４０１ｄを生成する。これにより、ガス種（Ａ）～（Ｄ）に対応するゲート信号（１）～（４）とＡＮＤをとることにより、信号をフィルタ信号４０１ａ～４０１ｄに分離させる。
【0039】
図６、図７は、生成されたフィルタ信号４０１ａ～４０１ｄの一例を示す図である。各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄ（フィルタ１～４）に対応するフィルタ信号４０１ａ～４０１ｄは、図６に示すように、所定のタイミングごとに分割して生成されるため、所定のタイミングごとに立ち上がる断片的な正弦波として生成される。したがって、信号処理装置６０は、図７に示すように、生成した断片的な正弦波を連続した正弦波のフィルタ信号４０１ａ～４０１ｄとして生成する。これにより、各フィルタ信号４０１ａ～４０１ｄには、それぞれ各ガスフィルタ２１ａ～２１ｄ（フィルタ１～４）に対応する正弦波の信号を連続して含めることができる。分離された各ガス種（Ａ）～（Ｄ）に対応するフィルタ信号４０１ａ～４０１ｄは、４信号間隔で信号を出力する。次にこの成分をつなぎ合わせ、連続信号として出力し、連続信号に並べる信号処理を行う。出力されたこの連続信号の包絡線は、ガス種（Ａ）～（Ｄ）ごとの吸収信号、ノイズ等を全て内包した信号となる。この信号にロックイン処理（参照信号の乗算とローパスフィルタ処理）を行うことで、ノイズを含む信号においても感度良く包絡線を抽出することができる。
【0040】
制御部７０は、出力した連続信号をロックイン処理によってガス濃度算出処理を行う。ガス濃度算出処理では、フィルタ信号４０１ａ～４０１ｄは、乗算器７１ａ～７１ｄにより参照信号と乗算され、デジタルＬＰＦ７２ａ～７２ｄを通過することで、各ガス種の吸収信号を含むＤＣ成分を残した各信号成分が出力される。デジタルＬＰＦ７２ａ～７２ｄにより各フィルタ信号４０１ａ～４０１ｄのノイズ成分が除去されることにより、制御部７０は、ＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ－Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）良好な信号成分を取得することができる。
【0041】
ここで、ロックイン処理後に出力された各信号成分は、各時間の温度変化、圧力変化、光源ふらつきなどの外乱要因を含んでいる。各測定成分ガス封入フィルタとして設定されたガスフィルタ２１ｂ～２１ｄ由来の連続信号の信号成分の信号レベルと、ゼロガス封入フィルタとして設定されたガスフィルタ２１ａ由来の連続信号の信号成分の信号レベルと、を比較することで、外乱成分による各時間間のノイズを除去することが可能になる。
【0042】
制御部７０を通過した各信号成分は、式１によるガスフィルタ相関法の原理式に基づき、ガス濃度を算出する。式１は、測定成分ガスがＣＯの場合のガスフィルタ相関法の原理式の一例である。
【数1】
【0043】
ここでＮ２のフィルタを通過した光線はガスフィルタ内の測定対象ガスによる吸収を含み、測定対象ガスを封入したフィルタを通過した信号は、理想的にはフィルタ内で測定対象ガスによる吸収を全て吸収する為、後段のガスセル内部に存在する測定対象ガスの濃度に関わらず信号を出力する。つまりＮ２のガスフィルタ＋試料ガスセル４０を通過した信号の信号レベルから、測定対象ガスのガスフィルタ＋試料ガスセル４０を通過した信号の信号レベルの差分をとることで、双方の経路に共通するノイズ成分を除去することができる。
【0044】
式１により算出される値は、ランベルト・ベールの法則に従いガス濃度に比例する。所定の方法により、ゼロ・スパン校正をすることで、各ガス種（Ａ）～（Ｄ）のガス濃度指示値を算出することができる。
【0045】
本実施形態においては、ガスフィルタ相関方式を採用した場合であっても、ガスが封入されたガスフィルタ２１ａ～２１ｄと、回転を行うガスフィルタホイール２０と、を並立して構築する必要がない。このため、ガス分析装置１００全体のサイズを小型にすることができ、かつ、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄは、透過した光線と時間情報が同期される。このため、ガス種類が複数に増えた場合であっても、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄの数を増やすだけで対応することができ、ガスフィルタホイール２０のサイズが大きくなるという問題が解消される。したがって、従来において１種類のガス濃度算出しかできなかったガス分析を２種類以上のガス分析に用いることができる。したがって、ガスフィルタ２１ａ～２１ｄの数を変更するだけで所望の数のガス分析を行うことができ、複数種類のガス分析を同時に行うことができる。
【0046】
以上のように、上記の実施の形態によれば、ロックイン処理は、制御部７０により実行されているがこの限りではない。例えば、ガス分析装置１００に接続された、図示しない汎用ＰＣにより、ロックイン処理を実行してもよい。これにより、ガス分析装置１００の制御部７０の構成を簡易な構成することができ、コストの低減を図ることができる。
【0047】
本発明の実施の形態は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
【符号の説明】
【0048】
１０ ：発光部
２０ ：ガスフィルタホイール
２１ａ～２１ｄ ：ガスフィルタ
２５ａ～２５ｄ ：位置検知部
２６ ：フォトディテクタ
３０ ：回転機構
４０ ：試料ガスセル
５０ ：受光部
５１ ：デジタル入力端子
６０ ：信号処理装置
７０ ：制御部
７１ａ～７１ｄ ：乗算器
７２ａ～７２ｄ ：デジタルＬＰＦ
８０ ：記憶部
１００ ：ガス分析装置
２００ ：電気回路
２０１ ：受光部ＰＤ
２０２ ：ＩＶ変換部
２０３ ：アンプ回路
２０４ ：ローパスフィルタ
２０５ ：バンドパスフィルタ
２０６ ：ＡＤ変換部
３００ ：連続信号
３０１ａ～３０１ｄ ：信号
４０１ａ～４０１ｄ ：フィルタ信号
２０ ：ガスフィルタホイール
２１ａ～２１ｄ ：ガスフィルタ
２５ａ～２５ｄ ：位置検知部
２６ ：フォトディテクタ
３０ ：回転機構
４０ ：試料ガスセル
５０ ：受光部
５１ ：デジタル入力端子
６０ ：信号処理装置
７０ ：制御部
７１ａ～７１ｄ ：乗算器
７２ａ～７２ｄ ：デジタルＬＰＦ
８０ ：記憶部
１００ ：ガス分析装置
２００ ：電気回路
２０１ ：受光部ＰＤ
２０２ ：ＩＶ変換部
２０３ ：アンプ回路
２０４ ：ローパスフィルタ
２０５ ：バンドパスフィルタ
２０６ ：ＡＤ変換部
３００ ：連続信号
３０１ａ～３０１ｄ ：信号
４０１ａ～４０１ｄ ：フィルタ信号
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【手続補正書】
【提出日】2023-07-04
【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】
赤外光線を射出する光源と、
前記光源からの光線を透過し、高純度の複数の測定対象ガス及び赤外光に吸収を持たない１つのガスが封入された複数のガスフィルタと、
複数の前記ガスフィルタが格納され、回転機構を有するガスフィルタホイールと、
前記ガスフィルタを透過した光線が入射し、測定対象ガスを含むガスが流通する試料ガスセルと、
前記試料ガスセルを透過した赤外光線を受光する受光部と、
前記回転機構により生成される信号から必要な周波数帯のみ通し、他の周波数を減衰するバンドパスフィルタと、
を備えたガス分析装置。
前記光源からの光線を透過し、高純度の複数の測定対象ガス及び赤外光に吸収を持たない１つのガスが封入された複数のガスフィルタと、
複数の前記ガスフィルタが格納され、回転機構を有するガスフィルタホイールと、
前記ガスフィルタを透過した光線が入射し、測定対象ガスを含むガスが流通する試料ガスセルと、
前記試料ガスセルを透過した赤外光線を受光する受光部と、
前記回転機構により生成される信号から必要な周波数帯のみ通し、他の周波数を減衰するバンドパスフィルタと、
を備えたガス分析装置。
【請求項2】
前記受光部で受光した赤外光を電気信号に変換し、ガス濃度演算する信号処理装置と、
前記ガスフィルタホイールの回転に同期し、前記複数のガスフィルタの位置を検出する位置検知部と、
制御部と、を更に備え、
前記制御部は、
検出した前記ガスフィルタの位置と前記ガスフィルタを透過した光線の時間情報を同期し、
前記ガスフィルタ毎にガス濃度算出処理を行う
ことを特徴とする請求項１に記載のガスフィルタ相関方式（ＧＦＣ：Ｇａｓ Ｆｉｌｔｅｒ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）のガス分析装置。
前記ガスフィルタホイールの回転に同期し、前記複数のガスフィルタの位置を検出する位置検知部と、
制御部と、を更に備え、
前記制御部は、
検出した前記ガスフィルタの位置と前記ガスフィルタを透過した光線の時間情報を同期し、
前記ガスフィルタ毎にガス濃度算出処理を行う
ことを特徴とする請求項１に記載のガスフィルタ相関方式（ＧＦＣ：Ｇａｓ Ｆｉｌｔｅｒ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）のガス分析装置。
【請求項3】
前記位置検知部の位置を検知するフォトディテクタを更に備え、
前記位置検知部は、前記ガスフィルタの位置毎に異なる数の穴により形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のガス分析装置。
前記位置検知部は、前記ガスフィルタの位置毎に異なる数の穴により形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のガス分析装置。
【請求項4】
前記位置検知部の位置を検知する磁気検出素子を更に備え、
前記位置検知部は、前記ガスフィルタの位置毎に異なる磁気を発する磁石により形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のガス分析装置。
前記位置検知部は、前記ガスフィルタの位置毎に異なる磁気を発する磁石により形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のガス分析装置。
【請求項5】
前記制御部は、
同期信号を参照信号とゲート信号のＡＮＤを取って分離し、分離した前記同期信号を更につなぎ合わせて連続信号に並べる信号処理を行い、
前記連続信号をロックイン処理によって前記ガス濃度算出処理を行う
ことを特徴とする請求項２から４のうち何れかに記載のガス分析装置。
同期信号を参照信号とゲート信号のＡＮＤを取って分離し、分離した前記同期信号を更につなぎ合わせて連続信号に並べる信号処理を行い、
前記連続信号をロックイン処理によって前記ガス濃度算出処理を行う
ことを特徴とする請求項２から４のうち何れかに記載のガス分析装置。
【請求項6】
前記制御部は、前記測定対象ガスが封入された前記ガスフィルタの前記連続信号の信号成分の信号レベルと、参照ガスが封入された前記ガスフィルタの前記連続信号の信号成分の信号レベルと、を比較して、所定のガスフィルタ相関法の原理式に基づき、前記測定対象ガスの各ガス濃度指示値をそれぞれ算出する
ことを特徴とする請求項５に記載のガス分析装置。
ことを特徴とする請求項５に記載のガス分析装置。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0006】
本実施形態における一態様のガス分析装置は、赤外光線を射出する光源と、前記光源からの光線を透過し、高純度の複数の測定対象ガス及び赤外光に吸収を持たない１つのガスが封入された複数のガスフィルタと、複数の前記ガスフィルタが格納され、回転機構を有するガスフィルタホイールと、前記ガスフィルタを透過した光線が入射し、測定対象ガスを含むガスが流通する試料ガスセルと、前記試料ガスセルを透過した赤外光線を受光する受光部と、前記回転機構により生成される信号から必要な周波数帯のみ通し、他の周波数を減衰するバンドパスフィルタと、を備えることを特徴とする。
【手続補正書】
【提出日】2023-11-07
【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】
赤外光線を射出する光源と、
前記光源からの光線を透過し、高純度の複数の測定対象ガス及び赤外光に吸収を持たない１つのガスが封入された複数のガスフィルタと、
複数の前記ガスフィルタが格納され、回転機構を有するガスフィルタホイールと、
前記ガスフィルタを透過した光線が入射し、前記測定対象ガスを含むガスが流通する試料ガスセルと、
前記試料ガスセルを透過した前記赤外光線を受光する受光部と、
前記受光部が出力する信号を通すバンドパスフィルタと、
前記受光部で受光した赤外光を電気信号に変換し、ガス濃度演算する信号処理装置と、
前記ガスフィルタホイールの回転に同期し、前記複数のガスフィルタの位置を検出する位置検知部と、
制御部と、を備え、
前記バンドパスフィルタは、
前記受光部が出力する信号のうち、前記回転機構を構成するモータの回転に対応する周波数帯の信号のみを通過し、前記回転機構を構成する前記モータの回転に対応する前記周波数帯以外の信号を減衰し、
前記制御部は、
検出した前記ガスフィルタの位置と前記ガスフィルタを透過した光線の時間情報を同期し、
同期信号を参照信号とゲート信号のＡＮＤを取って分離し、分離した前記同期信号を更につなぎ合わせて連続信号に並べる信号処理を行い、
前記連続信号をロックイン処理によって前記ガスフィルタ毎にガス濃度算出処理を行うガスフィルタ相関方式（ＧＦＣ：Ｇａｓ Ｆｉｌｔｅｒ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）のガス分析装置。
前記光源からの光線を透過し、高純度の複数の測定対象ガス及び赤外光に吸収を持たない１つのガスが封入された複数のガスフィルタと、
複数の前記ガスフィルタが格納され、回転機構を有するガスフィルタホイールと、
前記ガスフィルタを透過した光線が入射し、前記測定対象ガスを含むガスが流通する試料ガスセルと、
前記試料ガスセルを透過した前記赤外光線を受光する受光部と、
前記受光部が出力する信号を通すバンドパスフィルタと、
前記受光部で受光した赤外光を電気信号に変換し、ガス濃度演算する信号処理装置と、
前記ガスフィルタホイールの回転に同期し、前記複数のガスフィルタの位置を検出する位置検知部と、
制御部と、を備え、
前記バンドパスフィルタは、
前記受光部が出力する信号のうち、前記回転機構を構成するモータの回転に対応する周波数帯の信号のみを通過し、前記回転機構を構成する前記モータの回転に対応する前記周波数帯以外の信号を減衰し、
前記制御部は、
検出した前記ガスフィルタの位置と前記ガスフィルタを透過した光線の時間情報を同期し、
同期信号を参照信号とゲート信号のＡＮＤを取って分離し、分離した前記同期信号を更につなぎ合わせて連続信号に並べる信号処理を行い、
前記連続信号をロックイン処理によって前記ガスフィルタ毎にガス濃度算出処理を行うガスフィルタ相関方式（ＧＦＣ：Ｇａｓ Ｆｉｌｔｅｒ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）のガス分析装置。
【請求項2】
前記位置検知部の位置を検知するフォトディテクタを更に備え、
前記位置検知部は、前記ガスフィルタの位置毎に異なる数の穴により形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
前記位置検知部は、前記ガスフィルタの位置毎に異なる数の穴により形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項3】
前記位置検知部の位置を検知する磁気検出素子を更に備え、
前記位置検知部は、前記ガスフィルタの位置毎に異なる磁気を発する磁石により形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
前記位置検知部は、前記ガスフィルタの位置毎に異なる磁気を発する磁石により形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項4】
前記制御部は、前記測定対象ガスが封入された前記ガスフィルタの前記連続信号の信号成分の信号レベルと、参照ガスが封入された前記ガスフィルタの前記連続信号の信号成分の信号レベルと、を比較して、所定のガスフィルタ相関法の原理式に基づき、前記測定対象ガスの各ガス濃度指示値をそれぞれ算出する
ことを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
ことを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0006】
本実施形態における一態様のガス分析装置は、赤外光線を射出する光源と、前記光源からの光線を透過し、高純度の複数の測定対象ガス及び赤外光に吸収を持たない１つのガスが封入された複数のガスフィルタと、複数の前記ガスフィルタが格納され、回転機構を有するガスフィルタホイールと、前記ガスフィルタを透過した光線が入射し、前記測定対象ガスを含むガスが流通する試料ガスセルと、前記試料ガスセルを透過した前記赤外光線を受光する受光部と、前記受光部が出力する信号を通すバンドパスフィルタと、前記受光部で受光した赤外光を電気信号に変換し、ガス濃度演算する信号処理装置と、前記ガスフィルタホイールの回転に同期し、前記複数のガスフィルタの位置を検出する位置検知部と、制御部と、を備え、前記バンドパスフィルタは、前記受光部が出力する信号のうち、前記回転機構を構成するモータの回転に対応する周波数帯の信号のみを通過し、前記回転機構を構成する前記モータの回転に対応する前記周波数帯以外の信号を減衰し、前記制御部は、検出した前記ガスフィルタの位置と前記ガスフィルタを透過した光線の時間情報を同期し、同期信号を参照信号とゲート信号のＡＮＤを取って分離し、分離した前記同期信号を更につなぎ合わせて連続信号に並べる信号処理を行い、前記連続信号をロックイン処理によって前記ガスフィルタ毎にガス濃度算出処理を行うガスフィルタ相関方式（ＧＦＣ：Ｇａｓ Ｆｉｌｔｅｒ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）であることを特徴とする。