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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】P2024045024
(43)【公開日】2024-04-02
(54)【発明の名称】ガスの濃度の測定方法及び関連装置
(51)【国際特許分類】
G01N 21/39 20060101AFI20240326BHJP
【ＦＩ】
G01N21/39
【審査請求】有
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023136495
(22)【出願日】2023-08-24
(31)【優先権主張番号】22196656
(32)【優先日】2022-09-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(71)【出願人】
【識別番号】591005615
【氏名又は名称】ジック アーゲー
(74)【代理人】
【識別番号】110001069
【氏名又は名称】弁理士法人京都国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】トーマス ベイヤー
(72)【発明者】
【氏名】ユリアン エードラー
【テーマコード（参考）】
2G059
【Ｆターム（参考）】
2G059AA01
2G059BB01
2G059EE01
2G059GG01
2G059HH01
2G059HH02
2G059KK01
2G059MM01
2G059MM05
2G059MM09
2G059MM10
2G059MM14
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ガス混合物中のガスの濃度を測定する際に、計算が容易で誤差の影響の少ない方法に関する。
【解決手段】方法は、傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に波長変調された光線が、光源、特にレーザから測定域内へと発射されること、変調された光線が測定域内で光吸収性の媒質を通過し、受信光として検出器により検出され、受信光が検出器により検出器信号に変換されること、検出器信号の周波数範囲への変換を、特に検出器信号のフーリエ変換することにより検出器信号に基づいて微分信号が決定され、その際、微分信号を得るために、周波数範囲に変換された検出器信号の評価が、変調された光線の周波数のｎ倍について、特にｎ倍についてのみ、行われること、及び、微分信号を補正関数で補正するために微分信号の位相の少なくとも２個の測定値が決定され決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数が算出されることである。
【選択図】図１
【解決手段】方法は、傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に波長変調された光線が、光源、特にレーザから測定域内へと発射されること、変調された光線が測定域内で光吸収性の媒質を通過し、受信光として検出器により検出され、受信光が検出器により検出器信号に変換されること、検出器信号の周波数範囲への変換を、特に検出器信号のフーリエ変換することにより検出器信号に基づいて微分信号が決定され、その際、微分信号を得るために、周波数範囲に変換された検出器信号の評価が、変調された光線の周波数のｎ倍について、特にｎ倍についてのみ、行われること、及び、微分信号を補正関数で補正するために微分信号の位相の少なくとも２個の測定値が決定され決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数が算出されることである。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガス混合物（４）中のガスの濃度を測定するための方法において、
傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に同じく波長変調された光線（１０）が、光源（６）、特にレーザから測定域内へと発射されること、
前記変調された光線（１０）が前記測定域内で光吸収性の媒質（４）を通過し、受信光（１２）として検出器（８）により検出され、該受信光（１２）が該検出器（８）により検出器信号（１４）に変換されること、
前記検出器信号の周波数範囲への変換を、特に該検出器信号（１４）のフーリエ変換によって、行うことにより、該検出器信号（１４）に基づいて微分信号が決定され、その際、該微分信号を得るために、前記周波数範囲に変換された検出器信号（１４）の評価が、前記変調された光線（１０）の周波数のｎ倍について、特に該ｎ倍についてのみ、行われること、及び、
前記微分信号を補正関数（１８）で補正するために、該微分信号の位相の少なくとも２個の測定値が決定され、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数（１８）が算出されること、
を備える方法。
傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に同じく波長変調された光線（１０）が、光源（６）、特にレーザから測定域内へと発射されること、
前記変調された光線（１０）が前記測定域内で光吸収性の媒質（４）を通過し、受信光（１２）として検出器（８）により検出され、該受信光（１２）が該検出器（８）により検出器信号（１４）に変換されること、
前記検出器信号の周波数範囲への変換を、特に該検出器信号（１４）のフーリエ変換によって、行うことにより、該検出器信号（１４）に基づいて微分信号が決定され、その際、該微分信号を得るために、前記周波数範囲に変換された検出器信号（１４）の評価が、前記変調された光線（１０）の周波数のｎ倍について、特に該ｎ倍についてのみ、行われること、及び、
前記微分信号を補正関数（１８）で補正するために、該微分信号の位相の少なくとも２個の測定値が決定され、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数（１８）が算出されること、
を備える方法。
【請求項2】
前記補正関数（１８）が所定のスペクトル範囲について決定され、該補正関数（１８）が前記微分信号の位相を補正するために用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記補正関数（１８）が曲線の当てはめにより決定される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
前記補正関数が線形及び／又は多項式関数を含んでいる、請求項１～３のいずれかに記載の方法。
【請求項5】
前記決定された微分信号の位相の測定値と予め定められた比較値との差に基づいて、前記補正関数（１８）に誤りがあることを示すエラーの判定が行われ、前記決定された微分信号の位相の測定値と予め定められた比較値との差の大きさが閾値ε１より大きいときにエラーが判定される、請求項１～４のいずれかに記載の方法。
【請求項6】
補正後の微分信号の複素数値の虚部に基づいて、前記補正関数（１８）に誤りがあることを示すエラーの判定が行われ、前記虚部の大きさが閾値ε２より大きい値を取るときにエラーが判定される、請求項１～５のいずれかに記載の方法。
【請求項7】
前記微分信号の位相の決定が一定の時間間隔で実行される、請求項１～６のいずれかに記載の方法。
【請求項8】
前記微分信号の位相の決定がトリガイベントによって始動される、請求項１～７のいずれかに記載の方法。
【請求項9】
ガス混合物（４）中のガスの濃度を測定するための装置（２）、特にレーザ分光計であって、
傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に波長変調された光線（１０）を測定域内に発射するように構成された光源、特にレーザであって、前記装置（２）が、前記測定域から受信光（１２）を検出してそれを検出器信号（１４）に変換するように構成された検出器（８）を備える、という光源（６）と、
前記検出器信号の周波数範囲への変換を行うこと、特に該検出器信号（１４）のフーリエ変換を行うことにより、該検出器信号（１４）に基づく微分信号を決定するように構成された計算モジュールであって、前記微分信号を得るために、前記周波数範囲に変換された検出器信号（１４）の評価を、前記変調された光線の周波数のｎ倍について、特に該ｎ倍についてのみ、行うように構成された計算モジュールと、
前記微分信号を補正関数（１８）で補正するために、前記微分信号の位相の少なくとも２個の測定値を決定し、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数（１８）を算出するように構成された補正モジュールと
を備える装置（２）。
傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に波長変調された光線（１０）を測定域内に発射するように構成された光源、特にレーザであって、前記装置（２）が、前記測定域から受信光（１２）を検出してそれを検出器信号（１４）に変換するように構成された検出器（８）を備える、という光源（６）と、
前記検出器信号の周波数範囲への変換を行うこと、特に該検出器信号（１４）のフーリエ変換を行うことにより、該検出器信号（１４）に基づく微分信号を決定するように構成された計算モジュールであって、前記微分信号を得るために、前記周波数範囲に変換された検出器信号（１４）の評価を、前記変調された光線の周波数のｎ倍について、特に該ｎ倍についてのみ、行うように構成された計算モジュールと、
前記微分信号を補正関数（１８）で補正するために、前記微分信号の位相の少なくとも２個の測定値を決定し、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数（１８）を算出するように構成された補正モジュールと
を備える装置（２）。
【請求項10】
前記補正関数（１８）に誤りがあるかどうかを判定して肯定的な判定の場合にメンテナンス信号を出力するように評価モジュールが構成されている、請求項９に記載の装置（２）。
【請求項11】
前記装置（２）が、前記メンテナンス信号が出ているときに安全運転状態に変わるように構成されている、請求項１０に記載の装置（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はガスの濃度を検出するための方法及び装置、特にレーザ分光計、に関する。
【背景技術】
【0002】
ＴＤＬＳ（Tunable Diode Laser Spectroscopy：波長可変ダイオードレーザ分光法）では、ガス又はガス混合物の吸収線を走査又は検出するようにレーザの波長を変化させる。そのために、レーザの発射光が波長変調され、測定対象のガスを通過した後で検出器により検出される。特定の波長範囲内でガス混合物により吸収された光の量を、検出器信号、即ち検出器に入射した光の量に基づいて該検出器により生成される信号から取り出すことができる。この点に関して、各ガスは一又は複数の特定の波長の光、あるいは特定の波長範囲の光を吸収する。即ち、各ガス又はガス混合物は異なる吸収線を有し、１つのガスが複数の吸収線を持つこともあり得る。ガス混合物中の個々のガスの濃度を、例えば検出器信号と吸収線から測定することができる。
【0003】
ガス濃度を測定するための今日の諸方法は、検出器信号の分析に基づいてガス混合物中のガスの濃度を決定しようとするものである。しかし、これらの方法はしばしば計算が複雑であるとともに誤差の影響を大きく受ける。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の基礎を成す目的は、ガス混合物中のガスの濃度を測定するための改良された方法及び改良された装置、特にレーザ分光計、を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
この目的は請求項１に記載の方法及び請求項８に記載の装置により達成される。
【0006】
本発明はガス混合物中のガスの濃度を測定するための方法に関し、該方法は、
傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に波長変調された光線が、光源、特にレーザから測定域内へと発射されること、
前記変調された光線が前記測定域内で光吸収性の媒質を通過し、受信光として検出器により検出され、該受信光が該検出器により検出器信号に変換されること、
前記検出器信号の周波数範囲への変換を、特に該検出器信号のフーリエ変換によって、行うことにより、該検出器信号に基づいて微分信号が決定され、その際、該微分信号を得るために、前記周波数範囲に変換された検出器信号の評価が、前記変調された光線の周波数のｎ倍について、特に該ｎ倍についてのみ、行われること、及び、
前記微分信号を補正関数で補正するために、該微分信号の位相の少なくとも２個の測定値が決定され、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数が算出されること、
を含んでいる。
傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に波長変調された光線が、光源、特にレーザから測定域内へと発射されること、
前記変調された光線が前記測定域内で光吸収性の媒質を通過し、受信光として検出器により検出され、該受信光が該検出器により検出器信号に変換されること、
前記検出器信号の周波数範囲への変換を、特に該検出器信号のフーリエ変換によって、行うことにより、該検出器信号に基づいて微分信号が決定され、その際、該微分信号を得るために、前記周波数範囲に変換された検出器信号の評価が、前記変調された光線の周波数のｎ倍について、特に該ｎ倍についてのみ、行われること、及び、
前記微分信号を補正関数で補正するために、該微分信号の位相の少なくとも２個の測定値が決定され、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数が算出されること、
を含んでいる。
【0007】
前記光吸収性の媒質は例えばガス混合物とすることができる。従って「光吸収性の」とは、特に、光源の光線の波長の一部がその媒質により吸収されることを意味するものとすることができる。しかし、典型的にはその波長の大部分は吸収されることなく媒質を通過する。以下ではガス又はガス混合物という語を光吸収性の媒質と同義として用いる。ただし、本発明では任意の光吸収性の媒質、即ち例えば固体も用いることができる。
【0008】
故に、測定の原理は、検査対象のガス又はガス混合物が特定の波長又は特定の波長範囲の光を吸収し、該ガス混合物中のガスの濃度に応じて、その含有ガスに特徴的な波長の光の吸収量が大きく又は小さくなる、という事実に基づいている。このようにしてガス混合物中のガスの濃度の測定を行うことができる。
【0009】
これに関連して、光線が傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調（特に波長変調）されて測定域内へ発射される。故に、ここに記載した方法はＷＭＳ（wavelength modulation spectroscopy：波長変調分光法）に基づくものとすることができる。例えば、光線の変調は、レーザ電流を変調させるとそれに応じて光線波長の変調が起きることを利用して生じさせる。もっとも、光線の変調は他の方法で生じさせてもよい。光線の傾斜状の変調は、例えばレーザ電流を直線的に変化させ、以て波長を直線的に変化さることを含み、好ましくはその波長の直線的な変化を周期的に繰り返すことができる。光線は、特に所定のスペクトル範囲内、即ち所定の波長範囲内［λｍｉｎ，λｍａｘ］で、好ましくは連続的に変調される。所定のスペクトル範囲は、例えば設定可能であってガス混合物中のガスに基づいて設定できるものとする。典型的な波長範囲は、７６０．３ｎｍから７６０．５ｎｍまで、７６１．２ｎｍから７６１．５ｎｍまで、７６３．６ｎｍから７６３．９ｎｍまで、又は１５１２ｎｍから１５１２．６ｎｍまでの波長範囲である。
【0010】
レーザ電流の傾斜状及び／又は階段状の周期的な変調に加えて、該レーザ電流は定電流成分を含んでいてもよい。定電流成分は例えばオフセット電流とすることができる。この定電流成分は例えば７．５μＡ又は０．９μＡとすることができる。
【0011】
加えて、例えば上り傾斜中の波長の高速変調を通じて、波長を例えば正弦波変調によって周期的に変調させる。この周期的変調は任意の適切な周期的形状を有するものとすることができ、該周期的変調を特に変調周波数ｆｍｏｄで行うと、変調された光線は周波数ｆｍｏｄを持つ。例えば、傾斜毎に少なくとも５０、１００、２００、２５６又は５１２周期の周期的変調が生じるようにすることができる。周期的変調はキロヘルツの範囲内、例えば１０ｋＨｚの周波数を持つものとすることができる。その場合、微分信号については例えば２０ｋＨｚの範囲内の周波数を評価することが可能である。
【0012】
傾斜状の変調には、例えば５μＡ又は０．６μＡの電流振幅を用いることができ、高速の周期的変調には例えば０．６μＡ又は０．０８μＡの正弦振幅を持つ正弦関数を用いることができる。
【0013】
既に述べたように、検査対象のガス混合物のガスは変調された光線の一部を測定域内で吸収し、その結果、該変調された光線の残りの部分が受信光として検出器に入射し、該検出器がそれ自身に入射する受信光を検出器信号に変換する。例えば、該受信光はフォトダイオードにより検出器信号である電気信号に変換することができる。検出器信号は、例えば、ガス混合物中のガスの吸収スペクトルを含んでいたり、ガス混合物中のガスの吸収スペクトルを測定するために利用されたりすることができる。
【0014】
変調された光線は特に、測定室として形成された測定域内に導入されることができ、該測定室の一方の端において、鏡が前記変調された光線の光を反射することで該光を受信光として前記検出器に供給するものとすることができる。このような配置では、光が測定室内にあるガス混合物を２回通過することができ、それにより特徴的な波長の吸収がより強く生じる。
【0015】
検出器信号に基づいて、ガス混合物中のガスによる光の吸収量が増大する波長範囲を特定することができる。ガス混合物中のガスによる光の吸収量が増大するこのような特徴的な波長は吸収線とも呼ばれ、ガスは複数の吸収線を持つことがある。
【0016】
ガスの吸収線を特定するため、検出器信号に基づいて微分信号が生成される。そのために、検出器信号が例えばフーリエ変換により周波数範囲に変換され、評価されるが、これは変調された光線の周波数ｆＭｏｄのｎ倍の周波数（特に該周波数のみ）について行われる。以下、フーリエ変換という用語が用いられていても、本発明では信号から周波数範囲への任意の変換が意味され、実行できる。特に検出器信号の周期毎に別のフーリエ変換が、特に高速変調の周期長に相当する検出器信号の周期長で実行される。例えば、検出器信号の各周期は所定数の点、例えば周期当たり３２個の点で表すことができ、それらを用いて検出器信号の対応部分のフーリエ変換を実行する。フーリエ変換の結果生じる信号を次に周波数ｆＭｏｄのｎ倍の周波数において評価することで微分信号が得られる。ここでｎは非ゼロの整数で、好ましくはｎ＞１とする。これを検出器信号の周期毎に繰り返すことで、合わせて微分信号となる一組の評価点が得られる。検出器信号のフーリエ変換の評価は好ましくは周波数ｆＭｏｄの２倍について実行される。微分信号は特に定性的には検出器信号及び／又はガス混合物のガスの吸収スペクトルのｎ次微分に相当する。
【0017】
周波数範囲に変換された検出器信号の評価から決定された微分信号は、更にとりわけ複素空間内の信号を表しており、その微分信号が取る値はｚ＝ａ＋ｉｂという形の複素数を含んでいる。ここでａは複素数の実部、ｂは複素数の虚部を表す。ただし、複素数はｚ＝ｒ・ｅｉφという形で表すこともできる。ここでｒは複素数の大きさ、φは複素数の位相を表す。
【0018】
ガス混合物中のガスの濃度は微分信号から、特に該微分信号の形状及び高さに基づいて得られるから、該微分信号の複素信号値を位相の分だけ回転させることで、対応する複素数の虚部がほぼゼロで且つ該複素数の実部が最大となるようにすることが特に有利である。そうすれば、吸収線における微分信号の信号レベル（これを吸収線強度とも呼ぶ）を位相回転後に複素数の実部（特に該実部のみ）から決定することができる。そこで、本発明では、微分信号の位相の少なくとも２個の測定値が該微分信号の異なる位置において決定され、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数が算出され、該補正関数により微分信号、特に該微分信号の位相が補正される。吸収線に対応しない範囲においては微分信号が非常に小さい又はほぼゼロ、即ちｚ＝０であるから、前記少なくとも２個の測定値は特にガス混合物のガスの吸収線に対応する波長範囲、即ち微分信号についてｚ≠０が当てはまる波長範囲内で記録される。加えて、又は代わりに、ガス混合物のガスの吸収線に対応する特定の波長範囲と関連付けることができる一又は複数の時間範囲内で前記測定値を記録してもよい。
【0019】
故に、一般に、微分信号の位相についての測定値は吸収線において決定されるということが当てはまる。３個以上の測定値、例えば３、４、５又は１０個の測定値を決定することも通例可能であり、吸収線毎に複数の測定値を（例えば吸収線の周辺において）決定することもできる。更に測定値を例えばｚが所定の閾値より大きい箇所で決定することもできる。
【0020】
更に、前記少なくとも２個の測定値は異なる波長範囲又は吸収線において記録されることが好ましい。これらの測定値は波長又は測定時間にわたる位相の推移を近似する補正関数を決定するために用いられる。更にこれらの測定値は例えば逆三角関数を用いて微分信号から計算することができる。これには例えば逆余弦（ａｒｃｃｏｓ）関数や逆正接（ａｒｃｔａｎ）関数を用いることができる。
【0021】
本発明に係る方法には、微分信号の位相位置を回転させることによりガス混合物中のガスの濃度の測定が容易になり且つ最適化されるという利点がある。それは、微分信号の信号レベルからのガス濃度の決定はより簡単に且つより少ない労力で行うことができるからである。
【0022】
微分信号の位相の複数の測定値に基づいて補正関数を決定することにより、微分信号の位相が波長又は測定時間にわたり変化し得るという事実が考慮される。補正関数は、スペクトルにわたる（即ち所定のスペクトル範囲にわたる）微分信号の様々な位相変化に起因する測定誤差が最小になるように、波長又は時間に応じて微分信号の位相を補正する。
【0023】
微分信号の位相の変化は例えばレーザ及び電子機器の特性により生じ得る。更に、例えばレーザのレーザチップ内での熱伝導における非線形の作用が傾斜に沿って位相を変化させる。
【0024】
そこで、本発明では、微分信号の位相を補正することで、補正後の微分信号の虚部が（補正後の）スペクトルの全体にわたってほぼゼロとなるとともに、補正後の微分信号の実部が（補正後の）スペクトルの全体にわたって最大となるようにする。最大化された実部に基づいて、ガス混合物中のガスの吸収強度を高い信頼性で決定することができ、その吸収強度からガス混合物中のガスの濃度を計算することができる。更に、所定の／補正後のスペクトルの全体にわたって実部の大きさを最大化することにより信号雑音比が高まる。
【0025】
本発明の更なる実施形態は明細書、従属請求項及び図面から理解することができる。
【0026】
第１の実施形態では、前記補正関数が所定のスペクトル範囲について決定され、該補正関数が前記微分信号の位相を補正するために用いられる。補正関数は、例えば、複数の異なる波長に対して異なる補正値を有している。従って、微分信号の各信号値を異なる補正値で補正することで補正後の微分信号を得ることができる。
【0027】
前記所定のスペクトル範囲は、前記ガス（即ち検出対象ガス）の吸収線、特に全ての吸収線が該所定のスペクトル範囲内にあるように決定することができる。
【0028】
前記補正関数は前記所定のスペクトル範囲全体にわたる連続関数又は不連続関数であるものとすることができる。不連続な補正関数については特に、該補正関数がいくつかの波長範囲、例えばどの吸収線にも対応しない波長範囲内で、ゼロに等しい値を取るものとすることができる。
【0029】
更なる実施例では、前記補正関数が曲線の当てはめにより決定される。
【0030】
更なる実施形態では、前記補正関数が線形及び／又は多項式関数を含んでいる。
【0031】
例えば、前記補正関数は線形及び／又は多項式回帰により決定することができ、それにより該補正関数は線形及び／又は多項式関数（特に少なくとも２次又は３次）の形を取る。こうして補正関数を微分信号の実際の位相位置に応じて決定することができる。補正関数は特に波長に応じて異なる補正値を取るものとすることができる。その結果、微分信号の位相位置の柔軟な適合化又は補正が可能となる。特に、測定誤差を低減するために、位相の推移に基づいて決定された補正関数を通じて可能な限り誤差のない微分信号の位相補正を達成することができる。更に、線形又は多項式の補正関数を用いることにより測定対象のガス混合物のガスへの個別の適合が可能になる。それは、ガスが異なれば吸収線の数も異なり、従って異なる補正関数が必要になる可能性があるからである。一般には任意の適切な関数を補正関数として用いることができる。即ち、補正関数は線形及び／又は多項式関数に限定されない。
【0032】
更なる実施形態では、前記決定された微分信号の位相の測定値と予め定められた比較値との差に基づいて、前記補正関数に誤りがあることを示すエラーの判定が行われ、前記決定された微分信号の位相の測定値と予め定められた比較値との差の大きさが第１の閾値ε１より大きいときにエラーが判定される。
【0033】
例えば、装置に予期せぬ変化が生じた場合、例えばレーザ若しくは電子機器の特性の変化又は熱伝導性の変化あるいはそれらの組み合わせの結果、位相変化が生じた場合に、補正関数が誤ったものになる可能性がある。
【0034】
更なる実施形態では、補正後の微分信号の複素数値の虚部に基づいて、前記補正関数に誤りがあることを示すエラーの判定が行われ、前記虚部の大きさが第２の閾値ε２より大きい値を取るときにエラーが判定される。
【0035】
補正関数に誤りがあることを示すエラーの判定は補正後の微分信号の虚部関数より下の面積に基づいて行うことも可能であり、その際、前記虚部関数は、例えば該虚部関数の絶対面積の積分によって前記補正後の微分信号の虚数値に対応する関数を表しており、前記面積の大きさが第３の閾値ε３より大きい値を取るときにエラーが判定される。
【0036】
例えば、前記比較値はメモリに保存され、必要なときに参照される。更に、異なるガス又はガス混合物に対して異なる比較値をメモリに保存してもよい。メモリに保存された比較値は、例えば装置製造時の最初の測定を出所とすることができる。決定された測定値の数は比較値の数と一致していることが好ましい。代わりに、決定された測定値の数と比較値の数が異なっていてもよい。このような場合、例えば、同じ波長範囲に関連付けられた測定値と比較値のみを互いに比較すればよい。同じ波長又は同じ波長範囲に少なくとも１個の決定された測定値と１個の比較値が関連付けられている限り、エラー判定処理を上述のように首尾良く実行し続けることができる。
【0037】
加えて、又は代わりに、前記補正関数を予め定められた比較関数と比較することでエラーを判定することもできる。例えば、補正関数と予め定められた比較関数との差を波長又は時間にわたり積分して第１の閾値と比較することでエラーを判定することができる。補正関数と予め定められた比較関数との差の積分が第１の閾値より大きければ、例えば、エラーが存在すると判定することができる。あるいは、補正関数の個々の点を予め定められた比較関数から減算又はその逆に減算し、その結果得られる差分点の和を求めてエラーを判定することもできる。例えば、差分点の和が第１の閾値より大きければ、エラーが存在すると判定することができる。
【0038】
既に述べたように、エラー判定は補正後の微分信号の複素数値の虚部、特に該虚部の大きさに基づいて行うこともできる。補正関数で微分信号を補正した後、その補正後の微分信号の虚部の大きさは理想的にはほぼゼロであるから、例えばゼロからのずれが第２の閾値ε２よりも大きければ、それは相応のエラーを示している可能性がある。
【0039】
更なる実施形態では、前記微分信号の位相の決定が一定の時間間隔で実行される。例えば、微分信号の位相の決定が予め定められた周波数で連続的に実行される。微分信号の位相の決定が行われるたびに、前述したエラー判定を追加的に実行して、微分信号の位相の決定がエラーなしで行われるかどうか確認することができる。例えば、位相位置が測定時間にわたり、例えば測定装置の経年誤差により又は熱的な作用により変化した場合、それを適時に判定することができる。
【0040】
更なる実施形態では、前記微分信号の位相の決定がトリガイベントによって始動される。例えばトリガイベントは、オペレータにより手動で始動されるガス混合物のガスの濃度の測定又は位相決定の開始とすることができる。こうして、トリガイベントに基づいて位相の決定を行って正しい処理動作を確認することができる。
【0041】
本発明の更なる態様はガス混合物中のガスの濃度を測定するための装置、特にレーザ分光計に関し、該装置は、
傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に波長変調された光線を測定域内に発射するように構成された光源、特にレーザであって、前記装置が、前記測定域から受信光を検出してそれを検出器信号に変換するように構成された検出器を備える、という光源と、
前記検出器信号の周波数範囲への変換を行うこと、特に該検出器信号のフーリエ変換を行うことにより、該検出器信号に基づく微分信号を決定するように構成された計算モジュールであって、前記微分信号を得るために、前記周波数範囲に変換された検出器信号の評価を、前記変調された光線の周波数のｎ倍について、特に該ｎ倍についてのみ、行うように構成された計算モジュールと、
前記微分信号を補正関数で補正するために、前記微分信号の位相の少なくとも２個の測定値を決定し、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数を算出するように構成された補正モジュールと
を備えている。
傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に波長変調された光線を測定域内に発射するように構成された光源、特にレーザであって、前記装置が、前記測定域から受信光を検出してそれを検出器信号に変換するように構成された検出器を備える、という光源と、
前記検出器信号の周波数範囲への変換を行うこと、特に該検出器信号のフーリエ変換を行うことにより、該検出器信号に基づく微分信号を決定するように構成された計算モジュールであって、前記微分信号を得るために、前記周波数範囲に変換された検出器信号の評価を、前記変調された光線の周波数のｎ倍について、特に該ｎ倍についてのみ、行うように構成された計算モジュールと、
前記微分信号を補正関数で補正するために、前記微分信号の位相の少なくとも２個の測定値を決定し、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数を算出するように構成された補正モジュールと
を備えている。
【0042】
前記変調された光線の一部を吸収するガス混合物が特に前記測定域内に存在しており、該変調された光線のうち未吸収の部分が受信光として前記検出器に入射する。本発明に係る方法に関して述べたことは相応に当てはまる。
【0043】
更なる実施形態では、前記補正関数又は補正に誤りがあるかどうかを判定して肯定的な判定の場合にメンテナンス信号を出力するように評価モジュールが構成されている。評価モジュールは特にエラー判定のための前述の手順を実行するように構成されている。
【0044】
更なる実施形態では、前記装置が、前記メンテナンス信号が出ているときに安全運転状態に変わるように構成されている。従ってこの装置は、例えばＳＩＬ１、ＳＩＬ２又はＳＩＬ３（safety integrity level）に従った安全な装置となることができる。
【0045】
本発明に係る方法に関して述べたことは本装置にも相応に当てはまる。これは特に利点及び実施形態に関して当てはまる。更に、本願において言及される全ての特徴及び実施形態は、明示的に別段の陳述がない限り、互いに組み合わせることができることは暗黙に理解されている。
【0046】
以下、図面を参照しながら本発明を純粋に例によって紹介する。図は次の通りである。
【図面の簡単な説明】
【0047】
【図1】ガス混合物中のガスの濃度を測定するための装置、特にレーザ分光計。
【図2】（Ａ）傾斜状に変調された光線の検出器信号、及び（Ｂ）傾斜状に変調されると同時に周期的に変調された光線の検出器信号。
【図3】複素空間内の微分信号。
【図4】（Ａ）線形及び（Ｂ）多項式補正関数。
【図5】補正関数で補正された複素空間内の微分信号。
【発明を実施するための形態】
【0048】
図１はガス混合物４中のガスの濃度を測定するための、レーザ分光計形の装置２を示しており、該装置２は、レーザ形の光源６、検出器８、計算モジュール（図示せず）、及び補正モジュールを備えている。
【0049】
光源６は、傾斜状に波長変調されるとともに周期的に波長変調された光線１０をガス混合物４が配置された測定域内に発射する。ガス混合物４又は該ガス混合物４中のガスは変調された光線１０の少なくとも一部を吸収し、例えばガス混合物４中のガスが一又は複数の特定の波長範囲の光を吸収する。
【0050】
変調された光線１０のうち測定域又はガス混合物４の通過後に残っている未吸収の残部が受信光１２として検出器８に入射する。該検出器は受信光１２を受けてそれを検出器信号１４（図２）、特に電気信号に変換する。
【0051】
図１では光源６と検出器８が互いに離れて配置されて示されており、光線１０が光源６と検出器８の間で測定域又はガス混合物４を通過する。代わりに、図１の検出器８の位置に例えば鏡を取り付けることも可能であり、その場合、光源６と検出器８の両方を光源６の側に、例えば共通のハウジング内に配置することができる。
【0052】
図２に示したように、検出器信号１４は吸収線において、即ちガス混合物４のガスに対する特定の波長範囲内で信号強度が下がっているが、これは変調された光線１０がガス混合物４のガスにより吸収されることによる。検出器信号１４に基づいてガス混合物４のガスの濃度に関する結論を引き出すために、検出器信号１４に基づいて計算モジュールにより微分信号が決定される。計算モジュールはフーリエ変換によって検出器信号１４を波長範囲に変換し、検出器信号１４のフーリエ変換を周波数ｎ・ｆＭｏｄにおいて評価する。ここで周波数ｆＭｏｄは変調された光線１０の各々の瞬間的な周波数に相当し、ｎは本例では２である。故に、周波数２・ｆＭｏｄにおける検出器信号１４のフーリエ変換を評価してこのように２ｆ微分信号１６を得る。
【0053】
次のステップにおいて、２ｆ微分信号１６が更に評価される。２ｆ微分信号１６は複素空間内の関数を表しており、従って（後で図３～５を参照してより詳しく説明するように）関数値の実部と虚部の間の位相位置も有しているから、２ｆ微分信号１６の評価を改善するために補正モジュールによって２ｆ微分信号１６が適合化される。そのために、補正モジュールは２ｆ微分信号１６の位相の少なくとも２個の測定値を決定し、その決定された２ｆ微分信号１６の位相の測定値に基づき、２ｆ微分信号１６を補正又は適合化する補正関数１８を算出する。補正関数１８は曲線の当てはめ、例えば測定値の内挿及び／外挿により算出される。例えば補正関数１８は線形及び／又は多項式関数である。補正後の２ｆ微分信号１６の虚部２０の大きさが所定のスペクトル範囲全体及び／又は測定時間全体にわたってほぼゼロの値を取るとともに補正後の２ｆ微分信号１６の実部２２の大きさが所定のスペクトル範囲全体及び／又は測定時間全体にわたって最大値を取るように、２ｆ微分信号１６、特に該２ｆ微分信号１６の位相がその補正関数１８により補正される。吸収線における２ｆ微分信号１６の実部２２の大きさに基づいて、即ち２ｆ微分信号１６の吸収線強度に基づいて、ガス混合物４のガスの濃度を決定することができる。
【0054】
図２（Ａ）は、変調された光線１０が傾斜状にのみ波長変調されている場合の、測定時間にわたる検出器信号１４の推移を示している。このような場合、検出器信号１４は直線的に増加し、吸収線において、即ち０．００８秒付近及び０．０１８秒付近において、信号レベルつまり検出器８上で検出される光の量が、ガス混合物４のガスにより吸収される光の量に起因して減少する。いまの場合、これは、２つの波長範囲内、即ち２本の吸収線において、ガス混合物４のガスによる光の吸収量が増加した結果、検出器信号１４が２箇所で一時的に低下したことを意味している。
【0055】
図２（Ｂ）は、変調された光線１０が傾斜状に且つ周期的に波長変調されている場合の、測定時間にわたる検出器信号１４の推移を示している。図２（Ｂ）を見ると、検出器信号１４でも２本の吸収線において一時的に信号が低下していることが分かる。特に、変調された光線１０の波長が周期的に変調されているため、吸収線における検出器信号１４の一時的な信号低下に時間的な遅れがあることが分かる。
【0056】
図３に２ｆ微分信号１６の推移を複素空間内に示す。更に図３は、２ｆ微分信号１６の実部２２及び虚部２０の推移と時間軸に沿った２ｆ微分信号１６の射影２４とを示している。２ｆ微分信号１６には吸収線の範囲内で生じる信号変位が２箇所あることが分かる。
【0057】
これに関連して、信号変位が例えば複数の信号ピークを含むことがある。図３では信号変位が３個の信号ピークを持っており、より大きい正の信号ピーク、即ち虚部及び実部の正の範囲にある信号ピークが、より小さい２個の負の信号ピーク、即ち虚部及び実部の負の範囲にある信号ピークに挟まれている。これに関連して、２ｆ微分信号１６の２つの信号変位のうち１番目の信号変位２６の正の信号ピークは、該２つの信号変位のうち２番目の信号ピーク２８の正の信号ピークよりも小さい。
【0058】
２ｆ微分信号１６に信号変位がない範囲においては、該２ｆ微分信号１６の虚部２０及び実部２２の信号値はほぼゼロである。いま、正の信号ピークの大きさを求めるものとする。そのためには、虚部２０の大きさがほぼゼロで実部２２の大きさが最大となるように、複素数である２ｆ微分信号１６をその位相位置に関して回転させることが有利である。ただし、図３に示したように、２ｆ微分信号１６の位相位置が測定時間又は波長にわたって一定ではないということが起こりうる。時間軸に沿った２ｆ微分信号１６の射影２４に基づき、２ｆ微分信号１６の２つの信号変位のうち１番目の信号変位２６は２番目の信号変位２８と位相位置が異なっていることが分かる。そこで、測定時間又は波長に応じて２ｆ微分信号１６を位相補正値、特に異なる位相補正値を用いて補正する。
【0059】
図４（Ａ）は２ｆ微分信号１６の位相を補正するための線形補正関数１８を示している。この補正関数１８は、２ｆ微分信号１６の位相の吸収線、即ち信号変位の範囲において、線形補正関数１８を決定する線形回帰を実行するために決定された２ｆ微分信号１６の位相の２個の測定値Ｍ１及びＭ２を用いて決定されている。図４（Ａ）において、線形補正関数は２個の測定値Ｍ１及びＭ２の接続線である。
【0060】
図４（Ｂ）は２ｆ微分信号１６の位相の決定された測定値Ｍ３、Ｍ４及びＭ５に基づいて決定された線形補正関数１８を示しており、多項式回帰を実行することで３次の多項式関数を含む多項式補正関数を決定したものである。
【0061】
図５は、図３の２ｆ微分信号１６を線形補正関数１８で補正した後の、補正後の２ｆ微分信号とそれに対応する虚部３２及び実部３４並びに時間軸に沿った補正後の２ｆ微分信号の射影３６を示している。２ｆ微分信号１６を測定時間又は波長に応じて補正することで、補正後の２ｆ微分信号３０の虚部３２が両方の吸収線についてほぼゼロになり、実部３４が両方の吸収線について最大になるようにした。補正後の２ｆ微分信号３０の虚部３２は特に測定時間全体にわたってほぼゼロになっている。その結果、ガス混合物４のガスの濃度の決定は、補正後の２ｆ微分信号３０の実部３４の大きさ（特に該大きさのみ）に基づいて行うことができ、その際、補正後の２ｆ微分信号３０の実部３４が測定時間全体又は所定のスペクトル全体にわたって最大であるため、測定誤差の影響が小さい。
【符号の説明】
【0062】
２ 装置
４ ガス混合物
６ 光源
８ 検出器
１０ 変調された光線
１２ 受信光
１４ 検出器信号
１６ ２ｆ微分信号
１８ 補正関数
２０ ２ｆ微分信号の虚部
２２ ２ｆ微分信号の実部
２４ ２ｆ微分信号の射影
２６ １番目の信号変位
２８ ２番目の信号変位
３０ 補正後の２ｆ微分信号
３２ 補正後の２ｆ微分信号の虚部
３４ 補正後の２ｆ微分信号の実部
３６ 補正後の２ｆ微分信号の射影
４ ガス混合物
６ 光源
８ 検出器
１０ 変調された光線
１２ 受信光
１４ 検出器信号
１６ ２ｆ微分信号
１８ 補正関数
２０ ２ｆ微分信号の虚部
２２ ２ｆ微分信号の実部
２４ ２ｆ微分信号の射影
２６ １番目の信号変位
２８ ２番目の信号変位
３０ 補正後の２ｆ微分信号
３２ 補正後の２ｆ微分信号の虚部
３４ 補正後の２ｆ微分信号の実部
３６ 補正後の２ｆ微分信号の射影
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【手続補正書】
【提出日】2023-09-19
【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】
ガス混合物（４）中のガスの濃度を測定するための方法において、
傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に同じく波長変調された光線（１０）が、光源（６）、特にレーザから測定域内へと発射されること、
前記変調された光線（１０）が前記測定域内で光吸収性の媒質（４）を通過し、受信光（１２）として検出器（８）により検出され、該受信光（１２）が該検出器（８）により検出器信号（１４）に変換されること、
前記検出器信号の周波数範囲への変換を、特に該検出器信号（１４）のフーリエ変換によって、行うことにより、該検出器信号（１４）に基づいて微分信号が決定され、その際、該微分信号を得るために、前記周波数範囲に変換された検出器信号（１４）の評価が、前記変調された光線（１０）の周波数のｎ倍について、特に該ｎ倍についてのみ、行われること、及び、
前記微分信号を補正関数（１８）で補正するために、該微分信号の位相の少なくとも２個の測定値が決定され、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数（１８）が算出されること、
を備える方法。
傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に同じく波長変調された光線（１０）が、光源（６）、特にレーザから測定域内へと発射されること、
前記変調された光線（１０）が前記測定域内で光吸収性の媒質（４）を通過し、受信光（１２）として検出器（８）により検出され、該受信光（１２）が該検出器（８）により検出器信号（１４）に変換されること、
前記検出器信号の周波数範囲への変換を、特に該検出器信号（１４）のフーリエ変換によって、行うことにより、該検出器信号（１４）に基づいて微分信号が決定され、その際、該微分信号を得るために、前記周波数範囲に変換された検出器信号（１４）の評価が、前記変調された光線（１０）の周波数のｎ倍について、特に該ｎ倍についてのみ、行われること、及び、
前記微分信号を補正関数（１８）で補正するために、該微分信号の位相の少なくとも２個の測定値が決定され、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数（１８）が算出されること、
を備える方法。
【請求項2】
前記補正関数（１８）が所定のスペクトル範囲について決定され、該補正関数（１８）が前記微分信号の位相を補正するために用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記補正関数（１８）が曲線の当てはめにより決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記補正関数が線形及び／又は多項式関数を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記決定された微分信号の位相の測定値と予め定められた比較値との差に基づいて、前記補正関数（１８）に誤りがあることを示すエラーの判定が行われ、前記決定された微分信号の位相の測定値と予め定められた比較値との差の大きさが閾値ε１より大きいときにエラーが判定される、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
補正後の微分信号の複素数値の虚部に基づいて、前記補正関数（１８）に誤りがあることを示すエラーの判定が行われ、前記虚部の大きさが閾値ε２より大きい値を取るときにエラーが判定される、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記微分信号の位相の決定が一定の時間間隔で実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記微分信号の位相の決定がトリガイベントによって始動される、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
ガス混合物（４）中のガスの濃度を測定するための装置（２）、特にレーザ分光計であって、
傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に波長変調された光線（１０）を測定域内に発射するように構成された光源、特にレーザであって、前記装置（２）が、前記測定域から受信光（１２）を検出してそれを検出器信号（１４）に変換するように構成された検出器（８）を備える、という光源（６）と、
前記検出器信号の周波数範囲への変換を行うこと、特に該検出器信号（１４）のフーリエ変換を行うことにより、該検出器信号（１４）に基づく微分信号を決定するように構成された計算モジュールであって、前記微分信号を得るために、前記周波数範囲に変換された検出器信号（１４）の評価を、前記変調された光線の周波数のｎ倍について、特に該ｎ倍についてのみ、行うように構成された計算モジュールと、
前記微分信号を補正関数（１８）で補正するために、前記微分信号の位相の少なくとも２個の測定値を決定し、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数（１８）を算出するように構成された補正モジュールと
を備える装置（２）。
傾斜状及び／又は階段状に波長変調され、更に周期的にも変調、特に波長変調された光線（１０）を測定域内に発射するように構成された光源、特にレーザであって、前記装置（２）が、前記測定域から受信光（１２）を検出してそれを検出器信号（１４）に変換するように構成された検出器（８）を備える、という光源（６）と、
前記検出器信号の周波数範囲への変換を行うこと、特に該検出器信号（１４）のフーリエ変換を行うことにより、該検出器信号（１４）に基づく微分信号を決定するように構成された計算モジュールであって、前記微分信号を得るために、前記周波数範囲に変換された検出器信号（１４）の評価を、前記変調された光線の周波数のｎ倍について、特に該ｎ倍についてのみ、行うように構成された計算モジュールと、
前記微分信号を補正関数（１８）で補正するために、前記微分信号の位相の少なくとも２個の測定値を決定し、該決定された微分信号の位相の測定値に基づいて補正関数（１８）を算出するように構成された補正モジュールと
を備える装置（２）。
【請求項10】
前記補正関数（１８）に誤りがあるかどうかを判定して肯定的な判定の場合にメンテナンス信号を出力するように評価モジュールが構成されている、請求項９に記載の装置（２）。
【請求項11】
前記装置（２）が、前記メンテナンス信号が出ているときに安全運転状態に変わるように構成されている、請求項１０に記載の装置（２）。
【外国語明細書】