特許 7436020 ガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-13

(45)【発行日】2024-02-21

(54)【発明の名称】ガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/33 20060101AFI20240214BHJP

【ＦＩ】

G01N21/33

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020079976

(22)【出願日】2020-04-30

(65)【公開番号】P2021173717

(43)【公開日】2021-11-01

【審査請求日】2023-02-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000144991

【氏名又は名称】株式会社四国総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100123984

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 晃伸

(74)【代理人】

【識別番号】100102314

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 阿佐子

(72)【発明者】

【氏名】杉本 幸代

【審査官】小野寺 麻美子

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６３－００９８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５２－１３０６８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０３９３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２８７４１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０８２８７１４１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／７４

Ｇ０１Ｊ ３／００ － Ｇ０１Ｊ ４／０４

Ｇ０１Ｊ ７／００ － Ｇ０１Ｊ ９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

特定の紫外波長帯域において互いに干渉する第１ガスと第２ガスとが混在する測定対象空間に、前記特定の紫外波長帯域を含む波長の紫外線光を照射する照射装置と、
前記測定対象空間を通過した紫外線光を受光する受光装置と、
前記受光装置により受光した紫外線光の光強度に基づいて、前記第１ガスおよび前記第２ガスの濃度を算出する演算装置と、を備え、
前記演算装置は、前記第２ガスが干渉しない第１の紫外波長帯域における第１の光強度に基づいて、前記第２ガスが干渉する第２の紫外波長帯域における、前記第２ガスが干渉しない場合の光強度を補間するための補間線を作成して前記第２の紫外波長帯域における前記第２ガスが干渉しない場合の第２の光強度を算出し、前記第２の光強度と、前記第２の紫外波長帯域における前記第２ガスが干渉する場合の第３の光強度とに基づいて、前記第２ガスの濃度を算出すること、
前記第１ガスおよび前記第２ガスに干渉しない参照ガスを充填したセルを通過した前記紫外線光の前記第２の紫外波長帯域における光強度と、前記第２の光強度とに基づいて、前記第１ガスの濃度を算出することを特徴とする、ガス濃度測定装置。

【請求項2】

前記演算装置は、前記第１の紫外波長帯域が前記第２の紫外波長帯域よりも短波長側および長波長側の両側に存在する場合に、前記第２の紫外波長帯域よりも短波長側の前記第１の紫外波長帯域における光強度と、前記第２の紫外波長帯域よりも長波長側の前記第１の紫外波長帯域における光強度とに基づいて前記補間線を作成し、前記第２の紫外波長帯域における前記補間線上の光強度を、前記第２の光強度として特定する、請求項１に記載のガス濃度測定装置。

【請求項3】

前記演算装置は、前記第１の紫外波長帯域の波長のうち、前記第２の紫外波長帯域よりも短波長側の波長であって、前記第２の紫外波長帯域から一定の帯域幅以上を隔てた波長における光強度、または、前記第２の紫外波長帯域よりも長波長側の波長であって、前記第２の紫外波長帯域から一定の帯域幅以上を隔てた波長における光強度に基づいて、前記補間線を作成する、請求項１または２に記載のガス濃度測定装置。

【請求項4】

さらに、所定の濃度の校正ガスが継続して充填される校正セルを有し、
前記演算装置は、前記校正セルを通過した紫外線光の光強度の経時変化量に基づいて、前記第１ガスの濃度を校正する、請求項１ないし３のいずれかに記載のガス濃度測定装置。

【請求項5】

前記第１ガスは煙道中のＳＯ_２ガスであり、
前記第２ガスは煙道中のＮＯガスであり、
前記第２の紫外波長帯域は２２５～２２９ｎｍの範囲内の波長帯域である、請求項１ないし４のいずれかに記載のガス濃度測定装置。

【請求項6】

前記受光装置は、前記第１ガスが吸収する紫外波長帯域の紫外線光、および、前記第２ガスが吸収する紫外波長帯域の紫外線光を分光する分光器を有する、請求項１ないし５のいずれかに記載のガス濃度測定装置。

【請求項7】

前記照射装置は、紫外波長帯域の紫外線光を前記測定対象空間に照射する重水素ランプを有する、請求項１ないし６のいずれかに記載のガス濃度測定装置。

【請求項8】

特定の紫外波長帯域において互いに干渉する第１ガスと第２ガスとが混在する測定対象空間に、前記特定の紫外波長帯域を含む波長の紫外線光を照射し、
前記測定対象空間を通過した紫外線光を受光し、
前記受光した紫外線光の光強度に基づいて、前記第１ガスおよび前記第２ガスの濃度を算出するガス濃度測定方法であって、
前記第２ガスが干渉しない第１の紫外波長帯域における第１の光強度に基づいて、前記第２ガスが干渉する第２の紫外波長帯域における、前記第２ガスが干渉しない場合の光強度を補間するための補間線を作成して前記第２の紫外波長帯域における前記第２ガスが干渉しない場合の第２の光強度を算出し、前記第２の光強度と、前記第２の紫外波長帯域における前記第２ガスが干渉する場合の光強度とに基づいて、前記第２ガスの濃度を算出する、ガス濃度測定方法であって、
前記第１ガスおよび前記第２ガスに干渉しない参照ガスを充填したセルを通過した前記紫外線光の前記第２の紫外波長帯域における光強度と、前記第２の光強度とに基づいて、前記第１ガスの濃度を算出することを特徴とする、ガス濃度測定方法。

【請求項9】

前記第１ガスは煙道中のＳＯ_２ガスであり、
前記第２ガスは煙道中のＮＯガスであり、
前記第２の紫外波長帯域は２２５～２２９ｎｍの範囲内の波長帯域である、請求項８に記載のガス濃度測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、紫外吸収分光法を用いて非接触により測定対象空間に存在するガスの濃度を測定することが可能なガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、紫外吸収分光法を用いて非接触により測定対象空間に存在する測定対象ガスの濃度を測定する技術が知られている（たとえば非特許文献１）。たとえば非特許文献１では、紫外吸収分光法を用いて非接触により測定対象空間に存在するＳＯ_２ガス、ＮＯガス、ＮＨ_３ガスの濃度を測定することが開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】「紫外吸収分光法を用いた高温ガス濃度計測装置の開発」、四国電力、四国総合研究所 研究期報１０２（２０１５年６月）１９－２７ （ＵＲＬ：http://www.ssken.co.jp/research/pdf/102/102_04.pdf）

【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、ＮＯガスが紫外線光を吸収する紫外波長帯域と、ＳＯ_２ガスが紫外線光を吸収する紫外波長帯域とが重複するため、ＳＯ_２ガスが混在する測定対象空間において、ＮＯガスの濃度を測定しようとする場合、ＳＯ_２ガスとＮＯガスとの干渉により、ＮＯガスまたはＳＯ_２ガスの濃度を適切に測定できないという問題があった。

【0005】

本発明は、紫外線光を吸収する紫外波長帯域が重複する２以上のガスが混在する場合でも、ガスの濃度を非接触により適切に測定することが可能なガス濃度測定装置およびガス濃度測定方法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】

本発明に係るガス濃度測定装置は、特定の紫外波長帯域において互いに干渉する第１ガスと第２ガスとが混在する測定対象空間に、前記特定の紫外波長帯域を含む波長の紫外線光を照射する照射装置と、前記測定対象空間を通過した紫外線光を受光する受光装置と、前記受光装置により受光した紫外線光の光強度に基づいて、前記第１ガスおよび前記第２ガスの濃度を算出する演算装置と、を備え、前記演算装置は、前記第２ガスが干渉しない第１の紫外波長帯域における第１の光強度に基づいて、前記第２ガスが干渉する第２の紫外波長帯域における、前記第２ガスが干渉しない場合の光強度を補間するための補間線を作成して前記第２の紫外波長帯域における前記第２ガスが干渉しない場合の第２の光強度を算出し、前記第２の光強度と、前記第２の紫外波長帯域における前記第２ガスが干渉する場合の第３の光強度とに基づいて、前記第２ガスの濃度を算出すること、前記第１ガスおよび前記第２ガスに干渉しない参照ガスを充填したセルを通過した前記紫外線光の前記第２の紫外波長帯域における光強度と、前記第２の光強度とに基づいて、前記第１ガスの濃度を算出することを特徴とする。
上記ガス濃度測定装置において、前記演算装置は、前記第１の紫外波長帯域が前記第２の紫外波長帯域よりも短波長側および長波長側の両側に存在する場合に、前記第２の紫外波長帯域よりも短波長側の前記第１の紫外波長帯域における光強度と、前記第２の紫外波長帯域よりも長波長側の前記第１の紫外波長帯域における光強度とに基づいて前記補間線を作成し、前記第２の紫外波長帯域における前記補間線上の光強度を、前記第２の光強度として特定するように構成することができる。
上記ガス濃度測定装置において、前記演算装置は、前記第１の紫外波長帯域の波長のうち、前記第２の紫外波長帯域よりも短波長側の波長であって、前記第２の紫外波長帯域から一定の帯域幅以上を隔てた波長における光強度、または、前記第２の紫外波長帯域よりも長波長側の波長であって、前記第２の紫外波長帯域から一定の帯域幅以上を隔てた波長における光強度に基づいて、前記補間線を作成するように構成することができる。
上記ガス濃度測定装置において、さらに、所定の濃度の校正ガスが継続して充填される校正セルを有し、前記演算装置は、前記校正セルを通過した紫外線光の光強度の経時変化量に基づいて、前記第１ガスの濃度を校正するように構成することができる。
上記ガス濃度測定装置において、前記第１ガスは煙道中のＳＯ_２ガスであり、前記第２ガスは煙道中のＮＯガスであり、前記第２の紫外波長帯域は２２５～２２９ｎｍの範囲内の波長帯域であるように構成することができる。
上記ガス濃度測定装置において、前記受光装置は、前記第１ガスが吸収する紫外波長帯域の紫外線光、および、前記第２ガスが吸収する紫外波長帯域の紫外線光を分光する分光器を有するように構成することができる。
上記ガス濃度測定装置において、紫外波長帯域の紫外線光を前記測定対象空間に照射する重水素ランプを有するように構成することができる。

【0007】

本発明に係るガス濃度測定方法は、特定の紫外波長帯域において互いに干渉する第１ガスと第２ガスとが混在する測定対象空間に、前記特定の紫外波長帯域を含む波長の紫外線光を照射し、前記測定対象空間を通過した紫外線光を受光し、前記受光した紫外線光の光強度に基づいて、前記第１ガスおよび前記第２ガスの濃度を算出するガス濃度測定方法であって、前記第２ガスが干渉しない第１の紫外波長帯域における第１の光強度に基づいて、前記第２ガスが干渉する第２の紫外波長帯域における、前記第２ガスが干渉しない場合の光強度を補間するための補間線を作成して前記第２の紫外波長帯域における前記第２ガスが干渉しない場合の第２の光強度を算出し、前記第２の光強度と、前記第２の紫外波長帯域における前記第２ガスが干渉する場合の光強度とに基づいて、前記第２ガスの濃度を算出する、ガス濃度測定方法であって、前記第１ガスおよび前記第２ガスに干渉しない参照ガスを充填したセルを通過した前記紫外線光の前記第２の紫外波長帯域における光強度と、前記第２の光強度とに基づいて、前記第１ガスの濃度を算出することを特徴とする。
上記濃度測定方法において、前記第１ガスは煙道中のＳＯ_２ガスであり、前記第２ガスは煙道中のＮＯガスであり、前記第２の紫外波長帯域は２２５～２２９ｎｍの範囲内の波長帯域であるように構成することができる。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、紫外線光を吸収する紫外波長帯域が重複する２以上のガスが混在する場合でも、ガスの濃度を非接触により適切に測定することができることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態に係るガス濃度測定装置の構成図である。

【図2】ＮＯガス、ＳＯ_２ガス、ＮＨ_３ガスの単体での吸収断面積（ｃｍ^２）と紫外波長帯域における波長との関係を示すグラフである。

【図3】ＮＯガスとＳＯ_２ガスとが混在する混在ガスの紫外分光光度分析の測定結果の一例を示すグラフである。

【図4】ＳＯ_２ガス単体での紫外分光光度分析の測定結果の一例を示すグラフである。

【図5】ＮＯガス濃度の測定方法を説明するためのグラフである。

【図6】ＳＯ_２ガス濃度の測定方法を説明するためのグラフである。

【図7】ＮＯガスおよびＳＯ_２ガスのガス濃度の校正方法を説明するためのグラフである。

【図8】実施例１におけるＮＯガスの濃度の測定結果を示すグラフである。

【図9】実施例２におけるＮＯガスの濃度の測定結果を示すグラフである

【図10】実施例３におけるＮＯガスの濃度の測定結果を示すグラフである

【図11】本実施形態に係るガス濃度測定処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、図に基づいて、本実施形態に係るガス濃度測定装置を説明する。なお、本実施形態では、火力発電所などの煙道の排ガス中に含まれるＮＯｘガス（たとえばＮＯガスやＮＯ_２ガス）およびＳＯ_２ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置を例示して、本発明を説明するが、本発明に係るガス濃度測定装置はこの用途に限定されるものではなく、たとえば、紫外線光を吸収する紫外波長帯域が重複する２以上のガス、具体的には、紫外波長帯域におけるガスの紫外線吸収帯域が連続的な第１ガス（たとえばＣＯ_２，Ｏ_２，ＣＯ，Ｈ_２Ｓ，ＮＨ_３，Ｃｌ_２，ＨＣｌ，ＣＯＳ）と、紫外波長帯域におけるガスの紫外線吸収帯域が断続的な第２ガス（たとえばＮＯガス）が存在する場合に、いずれかの１以上のガスの濃度を測定するガス濃度測定装置にも適用することができる。また、本発明において、測定対象空間は、たとえば、煙道の排出口付近などの開放空間でもよいし、煙道内に紫外線透過性の窓を設けた、煙道内の閉鎖空間としてもよい。さらに、火力発電所の煙道に限定されず、ごみ処理場の排ガスの測定、工業用のプロセス管理や排ガスの測定などにも利用することができる。なお、本実施形態においては、ＮＯ_２／ＮＯコンバータによりＮＯ_２をＮＯに変換して測定する。

【0011】

また、以下の本実施形態では、本発明における「第１ガス」としてＳＯ_２ガスを、「第２ガス」としてＮＯガスを例示して説明する。なお、本発明において、第２ガスが「干渉しない」紫外波長帯域（「第１の紫外波長帯域」）とは、第２ガスが紫外線光を全く吸収しない紫外波長帯域に加えて、第２ガスが「干渉する」紫外波長帯域（「第２の紫外波長帯域」）と比べて、第２ガスの吸収特性（吸収断面積）が１／１０以下である紫外波長帯域も含むものとする。

【0012】

図１は、本実施形態に係るガス濃度測定装置１を示す構成図である。ガス濃度測定装置１は、図１に示すように、照射装置１０と、レンズ１１と、ビームスプリッタ１２，１３と、反射鏡１４，１５と、サンプルセル２０と、調温装置３０と、校正セル４０と、遮光板５１，５２と、分光器６０と、演算装置７０とを有する。

【0013】

照射装置１０は、少なくとも紫外波長帯域の波長を含む光（以下、紫外線光ともいう）を射出する光源を有している。このような光源として、重水素ランプを用いることができる。照射装置１０から照射された紫外線光は、レンズ１１により拡径され平行光とされた後に、ビームスプリッタ１２により、２つの光束に分割され、一方はサンプルセル２０へと導かれ、他方は校正セル４０へと導かれる。なお、ビームスプリッタ１２は、紫外線光を分割できるものであれば、特に限定されないが、本実施形態では、透過率が約５０％のポルカドットビームスプリッタを用いる。

【0014】

サンプルセル２０は、測定対象の混在ガス（少なくとも一部の紫外波長帯域において干渉する２以上のガスを含有する混在ガス）をサンプルセル２０内に導入するための導入口２１と、測定対象の混在ガスをサンプルセル２０から排出するための排出口２２とを有する。ビームスプリッタ１２により分割された一方の紫外線光は、サンプルセル２０の一端からサンプルセル２０内に入力され、サンプルセル２０内の光路２３を通過して、サンプルセル２０の他端から外部へと出力される。なお、本実施形態に係るサンプルセル２０は、光路長が４００ｍｍであり、窓材を合成石英から構成しているが、この構成に限定されるものではない。

【0015】

調温装置３０は、サンプルセル２０の導入口２１および排出口２２の近傍を一定の温度に調温する。本実施形態では、調温装置３０により、サンプルセル２０の導入口２１および排出口２２の近傍を５０℃程度まで加熱保温している。このようにサンプルセル２０の導入口２１および排出口２２の近傍を調温することで、混合ガス中に含まれる水分が窓に付着し、ガス濃度の検出精度が低下してしまうことを有効に防止することができる。なお、調温温度は、５０℃に限定されず、たとえば４５～５５℃の範囲における任意の温度とすることができる。

【0016】

サンプルセル２０から出力された紫外線光は、反射鏡１４により反射された後、ビームスプリッタ１３でも反射され、分光器６０へと入力される。なお、反射鏡１４は、特に限定されないが、反射率が８０％以上のアルミ増反射ミラーを用いることができる。また、ガス濃度測定装置１では、サンプルセル２０から出力された紫外線光、および、後述する校正セル４０から出力される紫外線光を、同一の光路により分光器６０に入力するために、ビームスプリッタ１３を用いている。すなわち、ビームスプリッタ１３を用いることで、サンプルセル２０から出力され、反射鏡１４により反射された紫外線光が、ビームスプリッタ１３でも反射され、分光器６０へと入力されるとともに、校正セル４０から出力される紫外線光は、ビームスプリッタ１３を通過して分光器６０に入力される。なお、ビームスプリッタ１３は、特に限定されないが、本実施形態では、透過率が約３０％のポルカドットビームスプリッタを用いている。

【0017】

また、本実施形態に係るガス濃度測定装置１では、照射装置１０の光源の劣化による、サンプルセル２０内を通過する紫外線光の光量の低下を検出するために、校正セル４０を有している。ここで、本実施形態にガス濃度測定装置１では、混在ガスの濃度を測定する場合、紫外線光がサンプルセル２０を通過するように、遮光板５１を光路上に配置するとともに遮光板５２を光路上から回避させることで、校正セル４０への紫外線光の入力を防止するとともに、サンプルセル２０から出力された紫外線光が分光器６０に入力されるようにしている。これに対して、照射装置１０の光源の劣化を検出する場合、遮光板５１を光路から回避させるとともに遮光板５２を光路上に配置することで、紫外線光に校正セル４０を通過させるとともにサンプルセル２０から出力された紫外線光が分光器６０に入力されることを防止している。これにより、校正セル４０を通過した紫外線光だけを分光器６０に入力させることができる。なお、遮光板５１，５２は、手動により位置を変える構成としてもよいし、使用者がボタンなど操作することで位置を自動で変える構成としてもよい。

【0018】

校正セル４０には、約１００％の割合でＮ_２ガスが継続的に充填されており、充填圧力も継続的に１気圧（１ａｔｍ）とされている。また、本実施形態では、使用前（光源が劣化する前）の状態で、校正セル４０を通過させた紫外線光のスペクトルを予め測定しており、使用前の状態のスペクトルと、現時点で校正セル４０を通過させた場合の紫外線光のスペクトルとを比較することで、光源の劣化による、紫外線光の光量の減少量を検出することができる。なお、校正セル４０での測定結果を用いて、サンプルセル２０において測定した紫外線光の光強度を校正する方法の詳細については後述する。

【0019】

分光器６０は、紫外線光を波長ごとに分光し、波長ごとの強度（スペクトル）を測定する。なお、分光器６０は、レンズ６１を有し、分光器６０に入力される紫外線光の光束を収斂して測定することができる。そして、分光器６０による測定結果は、演算装置７０へと出力される。

【0020】

演算装置７０は、分光器６０による測定結果に基づいて、ＮＯガスの濃度を測定する。ここで、図２は、ＮＯガス、ＳＯ_２ガス、ＮＨ_３ガスそれぞれの単体での吸収断面積（ｃｍ^２）と紫外波長帯域との関係を示すグラフである。図２に示すように、ＮＯガス、ＳＯ_２ガス、ＮＨ_３ガスは、それぞれ紫外線光を吸収する波長や、紫外線光を吸収する吸収断面積が異なるが、特定の紫外波長帯域においては、２種以上のガスが重複して吸収されることが分かる。たとえば、図２に示すように、ＳＯ_２ガスは２００～２５０ｎｍの紫外波長帯域の全体において紫外線光を吸収する一方、ＮＯガスは２００～２５０ｎｍの紫外波長帯域のうち一部の波長帯域（たとえば２２６．０ｎｍ～２２７．５ｎｍなど）のみにおいて紫外線光を吸収する特性であることが分かる。そして、ＳＯ_２ガスは２００～２５０ｎｍの波長帯域全体において紫外線光を吸収するため、ＮＯガスが紫外線光を吸収する波長帯域（たとえば２２６．０ｎｍ～２２７．５ｎｍなど）では、ＮＯガスおよびＳＯ_２ガスが共に紫外線光を吸収することとなり、受光装置６０により検出される紫外線光の光強度に干渉が生じることとなる。

【0021】

そのため、ガス濃度測定装置１において、ＮＯガスとＳＯ_２ガスとが混在する混合ガスをサンプルセル２０に流して紫外線光を測定した場合、ＮＯガスおよびＳＯ_２ガスが干渉する紫外波長帯域を含む２２０～２３０ｎｍにおける紫外線光のスペクトルは、図３に示すように、ＮＯガスが紫外線光を吸収する紫外波長帯域（たとえば２２６．０ｎｍ～２２７．５ｎｍ）において光強度が大きく低下する。なお、図３は、ＮＯガスとＳＯ_２ガスとの混合ガスをサンプルセル２０に流して紫外線光の光強度を測定した結果の一例を示す図であり、ＳＯ_２ガスの濃度を１００ｐｐｍとした場面を示している。

【0022】

これに対して、図４は、ＳＯ_２ガス単体での紫外線光の光強度を測定した結果の一例を示す図であり、図３と同様に、ＳＯ_２ガスの濃度を１００ｐｐｍとした場面を示している。図４に示すように、ＮＯガスが存在しない場合には、ＮＯガスが紫外線光を吸収する紫外波長帯域（たとえば２２６．０ｎｍ～２２７．５ｎｍ）において光強度が低下していないことがわかる。このことからも、図３において、ＮＯガスが紫外線光を吸収する紫外波長帯域（たとえば２２６．０ｎｍ～２２７．５ｎｍ）において光強度が低下していることは、ＮＯガスが紫外線光を吸収するためであると想定することができる。

【0023】

このように、ＮＯガスが紫外線光を吸収する紫外波長帯域（以下、第２の紫外波長帯域ともいう）において低下した光強度の変化量は、ＮＯガスが吸収した紫外線光に応じた光強度の変化量と想定される。そこで、本実施形態において、演算装置７０は、図５に示すように、第２の紫外波長帯域において低下した光強度の変化量に基づいて、ＮＯガスの濃度を算出する。なお、図５は、ＮＯガスの濃度を測定する方法を説明するための図である。

【0024】

具体的には、演算装置７０は、まず、図５に示すように、ＮＯガスが干渉しない紫外波長帯域（以下、第１の紫外波長帯域Ｗ１ともいう）における所定の波長の光強度Ｃ１，Ｃ２を特定する。なお、上記所定の波長としては、図５に示すように、第１の紫外波長帯域Ｗ１，Ｗ３の波長のうち、第２の紫外波長帯域Ｗ２から比較的近い波長とすることが好ましく、第２の紫外波長帯域Ｗ２から所定の帯域幅（余裕代）を隔てた波長とすることが好ましい。たとえば、図５に示す例では、第２の紫外波長帯域（２２６．０ｎｍ～２２７．５ｍ）から、ＮＯガスの半値幅である１．５ｎｍの帯域幅（余裕代）を隔てた２２４．５ｎｍおよび２２９．０ｎｍにおける波長を所定の波長として特定している。

【0025】

そして、演算装置７０は、第１の紫外波長帯域Ｗ１，Ｗ３における所定の波長の光強度Ｃ１，Ｃ２に基づいて、第２の紫外波長帯域Ｗ２においてＮＯガスが干渉しない場合の紫外線光の光強度を補間する。たとえば、図５に示す例において、演算装置７０は、第２の紫外波長帯域（２２６．０ｎｍ～２２７．５ｍ）から１．５ｎｍの帯域幅（余裕代）を隔てた２２４．５ｎｍおよび２２９．０ｎｍの波長を所定の波長Ｃ１，Ｃ２として特定しており、紫外線光のスペクトルにおいて、２２４．５ｎｍにおける光強度Ｃ１と、２２９．０ｎｍにおける光強度Ｃ２とを結ぶ直線を、第２の紫外波長帯域Ｗ２においてＮＯガスが干渉しない場合の紫外線光のスペクトルを示す補間線として作成する。

【0026】

さらに、演算装置７０は、第２の紫外波長帯域Ｗ２の補間線上における光強度Ｃ４（すなわち、第２の紫外波長帯域Ｗ２においてＮＯガスが干渉しない場合の光強度Ｃ４）と、第２の紫外波長帯域Ｗ２において実際に測定された光強度Ｃ３（すなわち、第２の紫外波長帯域Ｗ２においてＮＯガスが干渉する場合の光強度Ｃ３）とに基づいて、ＮＯガスの濃度を算出する。なお、ＮＯガスの濃度は、下記式１により算出することができる。

【数1】

上記式１において、Ｉ_０（λ）は第２の紫外波長帯域Ｗ２の補間線上における光強度Ｃ４、Ｉ（λ）は第２の紫外波長帯域Ｗ２において実際に測定された光強度Ｃ３、ｎはＮＯガスの分子密度（濃度）、σ（λ）は吸収断面積、Ｌは光路長となる。

【0027】

また、本実施形態においては、ＮＯガスに加えて、ＳＯ_２ガスのガス濃度を測定する構成とすることもできる。ＳＯ_２ガスのガス濃度は、ＮＯガスにより干渉を受けない第１の紫外波長帯域Ｗ１，Ｗ３における光強度を用いて算出してもよいし、ＮＯガスが干渉する第２の紫外波長帯域Ｗ２における補間線上の光強度に基づいて算出してもよい。

【0028】

具体的には、演算装置７０は、測定対象の混合ガスをサンプルセル２０に導入する前に、２００ｎｍ以上の紫外波長帯域において紫外線光を吸収しないＮ_２ガスなどの参照ガスをサンプルセル２０に導入し、図６に示すように、サンプルセル２０におけるＮ_２ガス存在時の紫外線光の光強度を参照光強度として測定する。その後、演算装置７０は、測定対象の混合ガスをサンプルセル２０に導入し、混合ガス存在時の紫外線光の光強度を測定する。Ｎ_２ガス存在時の紫外線光の参考光強度は、他のガスにより吸収されていない場合の紫外線光の光強度とみなすことができ、図６に示すように、Ｎ_２ガス存在時の紫外線光の参考光強度Ｃ５と第２の紫外波長帯域Ｗ２における補間線上の光強度Ｃ４との差が、ＳＯ_２ガスが紫外線光を吸収することにより低下した光強度の変化量と考えることができる。よって、演算装置７０は、上記式１において、Ｉ_０（λ）に紫外線光の参考光強度Ｃ５（ＮＯガスおよびＳＯ_２ガスが存在しない場合の光強度Ｃ５）を代入し、Ｉ（λ）に第２の紫外波長帯域Ｗ２の補間線上における光強度Ｃ４（ＮＯガスが干渉しない場合の光強度Ｃ４）を代入することで、ＳＯ_２ガスの濃度ｎを算出することができる。なお、図６は、サンプルセル２０にＮ_２を導入した際の紫外線光のスペクトルを図５に示すグラフに重畳したグラフである。

【0029】

また、本実施形態においては、校正セル４０を用いて、ＳＯ_２ガスの濃度を校正する構成とすることもできる。ここで、図７は、校正セル４０を用いたＳＯ_２ガスのガス濃度の校正方法を説明するためのグラフである。校正セル４０には一定の濃度のＮ_２ガスが充填されているため、演算装置７０は、測定対象である混合ガスのガス濃度測定時（今回測定時）において測定した校正セル４０における紫外線光のスペクトルと、使用前（照射装置１０の光源が劣化する前）に測定した紫外線光のスペクトルとを比較することで、光源が劣化しているか否かを判断する。たとえば、演算装置７０は、校正セル４０を用いて、図７に示すように、今回測定したスペクトルの光強度Ｃ７と使用前のスペクトルの光強度Ｃ６とを比較して、その比（使用前の参照光強度Ｃ６／今回測定時の参照光強度Ｃ７）を校正率（変化率）αとして算出する。そして、演算装置７０は、図６に示すように、Ｎ_２ガス存在時の紫外線光の参照光強度Ｃ５に校正率αを乗じることで、参考光強度Ｃ５を校正する。校正した参考光強度Ｃ５’と第２の紫外波長帯域Ｗ２における補間線上の光強度Ｃ４との差は、光源の劣化を加味した、ＳＯ_２ガスが紫外線光を吸収することにより低下した光強度の変化量（Ｃ５’－Ｃ４）に応じたものと考えられ、演算装置７０は、校正した参考光強度Ｃ５’と、補間線上の光強度Ｃ４とに基づいて、光源の劣化を加味したＳＯ_２ガスのガス濃度を算出することができる。たとえば、校正セル４０において今回測定した紫外線光のスペクトルの参照光強度Ｃ７が使用前のスペクトルの参照光強度Ｃ６と比べて１０％低い場合には（校正率αが１．１である場合には）、光源から照射される紫外線光の光量が１０％低下したものとして、サンプルセル２０を通過した紫外線光の光強度Ｃ５を１０％上昇させる校正を行うことで、校正後の光強度を用いて、ＳＯ_２ガスの適切な濃度を求めることができる。

【実施例】

【0030】

（実施例１）
実施例１では、本実施形態に係るガス濃度測定装置１を用い、サンプルセル２０に所定の濃度のＮＯガスを連続して導入し、ＮＯガスの濃度を測定することで、ＮＯガスが適切に測定できるかを検証した。また、実施例１においては、ＮＯガスの濃度を０ｐｐｍから５分ごとに１００ｐｐｍずつ増加するように調整し、ＮＯガスの濃度を測定した。実施例１におけるＮＯガスの濃度の測定結果を図８に示す。図８に示すように、ガス濃度測定装置１での混合ガスを対象とするＮＯガスの濃度の測定結果と、サンプルセル２０に実際に導入したＮＯガスの濃度とはほぼ一致し、良好な測定結果が得られることが分かった。

【0031】

（実施例２）
また、実施例２では、ＮＯガスの濃度を固定する一方、ＳＯ_２ガスの濃度を変えて、ＮＯガスの濃度を測定した。また、実施例２では、ＮＯガスの濃度をそれぞれ２００ｐｐｍ、４００ｐｐｍ、６００ｐｐｍに固定し、またそれぞれの濃度についてＮＯ_２／ＮＯコンバータを用いた場合と用いていない場合とで測定を行った。その結果、図９に示すように、ＳＯ_２ガスの濃度を変更しても、ＮＯガスの濃度を適切に測定することができることがわかった。また、ＮＯ_２／ＮＯコンバータを用いた場合、用いていない場合ともに、ＮＯガスの濃度を適切に測定することもできることがわかった。なお、図９は、実施例２におけるＮＯガスの濃度の測定結果を示すグラフである。

【0032】

（実施例３）
さらに、実施例３では、本実施形態に係るガス濃度測定装置１において、ＮＯガスの濃度を固定したまま、照射装置１０の光源の光量を変化させて、ＮＯガスの濃度を測定した。具体的には、実施例３では、ＮＯガスとＳＯ_２ガスの混合ガスが充填されたサンプルセル２０で検出した紫外線光のスペクトルに基づいて、補間線を作成し、サンプルセル２０における紫外線光の光強度Ｃ３と補間線上の光強度Ｃ４とに基づいて、ＮＯガスの濃度を算出した。実施例３における、ＮＯガスの濃度の測定結果を図１０に示す。図１０に示すように、本実施形態に係るガス濃度測定装置１では、サンプルセル２０における紫外線光のスペクトルに基づいて補間線を作成し、サンプルセル２０における紫外線光の光強度Ｃ３と補間線上の光強度Ｃ４との差に基づいてＮＯガスの濃度を算出する構成のため、光源の光量が変化する場合でも、ＮＯガスの濃度を適切に測定できることが分かった。

【0033】

このように、本実施形態に係るガス濃度測定装置１では、ＳＯ_２ガスとＮＯガスとが混在する場合でも、また、光源の劣化などにより紫外線光の光量が低下する場合でも、ＮＯガスを高い精度で測定することができた。

【0034】

次に、本実施形態に係るガス濃度測定装置１の測定処理について説明する。図１１は、本実施形態に係るガス濃度測定装置１の測定処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態では、ＮＯガスおよびＳＯ_２ガスの濃度を繰り返し測定する方法を例示して説明するが、ＮＯガスの濃度だけを繰り返し測定する構成とすることもでき、この場合、ステップＳ１１２の処理を省略することができる。また、図１１に示す例では、使用前（照射装置１０の光源が劣化する前）において、校正セル４０に参照ガス（Ｎ_２ガス）を導入した状態で紫外線光のスペクトルが測定され記憶されているものとする。

【0035】

まず、ステップＳ１０１では、今回測定時において校正セル４０を通過する紫外線光の参照光強度Ｃ６の検出が行われる。具体的には、照射装置１０により紫外線光が校正セル４０に照射され、校正セル４０を通過した紫外線光が分光器６０において受光され、校正セル４０を通過した紫外線光のスペクトルが測定される。なお、演算装置７０は、当該スペクトルのうち、たとえば測定対象ガスの濃度を測定する周波数（たとえば２２６．７ｎｍ）における光強度Ｃ６を検出する。また、ステップＳ１０１においては、遮光板５１を光路上から回避するとともに、遮光板５２を光路上に配置することで、サンプルセル２０への紫外線光の入力を防止するとともに、校正セル４０に紫外線光を入力し、校正セル４０を通過した紫外線光が分光器６０に入力されるようにしている。

【0036】

ステップＳ１０２では、演算装置７０により、校正率αの算出が行われる。具体的には、演算装置７０は、図１１に示すガス濃度測定処理を開始する前から記憶している使用前における校正セル４０の紫外線光のスペクトルから、測定対象ガスの濃度を測定する周波数（たとえば２２６．７ｎｍ）における光強度を使用前の参照光強度Ｃ７として検出する。そして、演算装置７０は、ステップＳ１０１で取得した現時点での校正セル４０における紫外線光の参考光強度Ｃ６と、使用前の紫外線光の参考光強度Ｃ７との比（Ｃ６／Ｃ７）を、校正率αとして算出する。

【0037】

ステップＳ１０３では、サンプルセル２０に参照ガス（Ｎ_２ガスなど）が導入される。そして、ステップＳ１０４では、演算装置７０により、サンプルセル２０における参照ガス存在時の紫外線光の参照光強度Ｃ５の検出が行われる。具体的には、照射装置１０により紫外線光が参照ガスの導入されたサンプルセル２０に照射され、分光器６０により参照ガス存在時における紫外線光のスペクトルが測定される。演算装置７０は、測定したスペクトルのうち測定対象ガスの濃度を測定する周波数（たとえば２２６．７ｎｍ）における光強度を、サンプルセル２０における参照ガス存在時の紫外線光の参照光強度Ｃ５として検出する。なお、ステップＳ１０４以降においては、遮光板５１を光路上に配置するとともに、遮光板５２を光路から回避させることで、校正セル４０への紫外線光の入力を防止するとともに、サンプルセル２０から出力された紫外線光が分光器６０に入力されるようにしている。

【0038】

ステップＳ１０５では、サンプルセル２０に測定対象の混合ガスが導入される。そして、ステップＳ１０６では、演算装置７０により、サンプルセル２０における測定対象ガス存在時の紫外線光の参照光強度Ｃ３の検出が行われる。なお、演算装置７０は、測定した紫外線光のスペクトルのうち、ステップＳ１０１やステップＳ１０４で光強度Ｃ６，Ｃ５を検出した周波数（たとえば２２６．７ｎｍ）における光強度を、サンプルセル２０における測定対象ガス存在時の紫外線光の光強度Ｃ３として検出する。

【0039】

ステップＳ１０７では、演算装置７０により、ＮＯガスが干渉しない第１の紫外波長帯域Ｗ１，Ｗ３の所定の波長における光強度Ｃ１，Ｃ２が特定される。なお、図５に示す例では、第２の紫外波長帯域（２２６．０ｎｍ～２２７．５ｍ）から１．５ｎｍの帯域幅を隔てた２２４．５ｎｍおよび２２９．０ｎｍの波長における光強度Ｃ１，Ｃ２を、所定の波長における光強度として特定する。そして、ステップ１０８では、演算装置７０により、サンプルセル２０を通過した紫外線光のスペクトルにおいて、ステップＳ１０７で抽出した波長の光強度Ｃ１，Ｃ２を結んだ直線が補間線として作成される。

【0040】

ステップＳ１０９では、演算装置７０により、ステップＳ１０８で作成した補間線上の光強度Ｃ４が検出される。たとえば、演算装置７０は、ステップＳ１０８で作成した補間線上の光強度であって、測定対象ガスの濃度を測定する周波数（たとえば２２６．７ｎｍ）における光強度を、補間線上の光強度Ｃ４として検出する。

【0041】

ステップＳ１１０では、演算装置７０により、ＮＯガスの濃度の算出が行われる。具体的には、演算装置７０は、上記式１に基づいて、補間線上における光強度Ｃ４と、第２の紫外波長帯域Ｗ２における紫外線光の実際の光強度Ｃ３とに基づいて、サンプルセル２０に導入された混合ガスのうちＮＯガスの濃度を算出することができる。

【0042】

ステップＳ１１１では、演算装置７０により、ステップＳ１０４で検出したサンプルセル２０における参照ガスＮ_２存在時の紫外線光の参照光強度Ｃ５を、校正率αに基づいて校正する処理が行われる。なお、以下においては、校正された光強度Ｃ５をＣ５’として説明する。

【0043】

ステップＳ１１２では、演算装置７０により、ＳＯ_２ガスの濃度の算出が行われる。具体的には、演算装置７０は、上記式１において、Ｉ_０（λ）に、ステップＳ１１１で校正した第２の紫外波長帯域Ｗ２における紫外線光の参照光強度Ｃ５’を代入し、Ｉ（λ）に、第２の紫外波長帯域Ｗ２の補間線上における光強度Ｃ４を代入することで、ＳＯ_２ガスの濃度ｎを算出することができる。

【0044】

そして、ステップＳ１１３では、演算装置７０により、測定対象ガスの測定を終了するか否かの判断が行われる。ユーザが測定対象ガスの測定の終了を指示するまでは、ステップＳ１０６～Ｓ１１３の処理を繰り返すことで、ガス濃度測定装置１は周期的に測定対象ガスの濃度の測定を繰り返し、対象測定ガスの監視を行うことができる。そして、ユーザが測定対象ガスの測定の終了を指示することで、図１１に示すガス濃度測定処理を終了する。

【0045】

以上のように、本実施形態に係るガス濃度測定装置１は、ＮＯガスが干渉しない第１の紫外波長帯域における光強度に基づいて、ＮＯガスが干渉する第２の紫外波長帯域における、ＮＯが干渉しない場合の光強度を補間し、第２の紫外波長帯域におけるＮＯガスが干渉しない場合の光強度と、第２の紫外波長帯域におけるＮＯガスが干渉する場合の光強度とに基づいて、ＮＯガスの濃度を算出する。これにより、互いに干渉するＮＯガスとＳＯ_２ガスとが混在する場合でも、ＮＯガスの濃度を適切に算出することができる。

【0046】

また、本実施形態では、ＮＯガスが干渉しない第１の紫外波長帯域における波長の光強度Ｃ１，Ｃ２を結ぶ直線を補間線として作成することで、第２の紫外波長帯域においてＮＯガスが干渉しない場合の光強度を容易に補間することができる。さらに、本実施形態では、ＮＯガスが干渉しない第１の紫外波長帯域における波長の光強度Ｃ１，Ｃ２、第２の紫外波長帯域から所定の帯域幅（余裕代）だけ隔てた波長の光強度とすることで、第２の紫外波長帯域においてＮＯガスが干渉しない場合の光強度を適切に特定することができる。

【0047】

さらに、本実施形態では、ＮＯガスの濃度だけではなく、校正セル４０を通過した紫外線光の光強度に基づいて、ＳＯ_２ガスの濃度ｎを算出することもできる。すなわち、校正セル４０には、２００ｎｍ以上の紫外波長帯域では紫外線光を吸収しないＮ_２ガスが略１００％の割合で充填されており、校正セル４０を通過した紫外線光の光強度は、他のガスにより吸収されていない場合の紫外線光の光強度とみなすことができる。そのため、演算装置７０は、上記式１において、Ｉ_０（λ）に校正セル４０を通過した紫外線光の光強度Ｃ５を代入し、Ｉ（λ）に第２の紫外波長帯域Ｗ２の補間線上における光強度Ｃ４を代入することで、ＳＯ_２ガスの濃度ｎを算出することができる。

【0048】

加えて、本実施形態に係るガス濃度測定装置１では、サンプルセル２０における紫外線光のスペクトルに基づいて補間線を作成し、サンプルセル２０における紫外線光の光強度Ｃ３と補間線上の光強度Ｃ４との差（Ｃ４－Ｃ３）に基づいてＮＯガスの濃度を算出する構成のため、照射装置１０の光源が劣化した場合でも、ＮＯガスの濃度を適切に測定できる。また、校正セル４０における使用前の紫外線光のスペクトルと現在の紫外線光のスペクトルとの比較結果に基づいて、サンプルセル２０または校正セル４０を通過した紫外線光のスペクトルを校正する構成とすることで、照射装置１０の光源が劣化した場合でも、ＳＯ_２ガスの濃度も適切に測定することができる。

【0049】

以上、本発明の好ましい実施形態例について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載に限定されるものではない。上記実施形態例には様々な変更・改良を加えることが可能であり、そのような変更または改良を加えた形態のものも本発明の技術的範囲に含まれる。

【0050】

たとえば、上述した実施形態では、ＮＯガスの濃度を測定する場合に、図５に示すように、第２の紫外波長帯域Ｗ２よりも短波長側の第１の紫外波長帯域Ｗ１の波長の光強度Ｃ１と、第２の紫外波長帯域Ｗ２よりも長波長側の第１の紫外波長帯域Ｗ３の波長の光強度Ｃ２とに基づいて、補間線を作成する構成を例示したが、この構成に限定されず、たとえば、第１の紫外波長帯域Ｗ１の２つの波長の光強度Ｃ１，Ｃ２に基づいて、あるいは、第１の紫外波長帯域Ｗ３の２つの波長の光強度Ｃ１，Ｃ２に基づいて、補間線を作成する構成とすることもできる。

【符号の説明】

【0051】

１…ガス濃度測定装置
１０…照射装置
１１…レンズ
１２，１３…ビームスプリッタ
１４，１５…反射鏡
２０…サンプルセル
２１…導入口
２２…排出口
２３…光路
３０…調温装置
４０…校正セル
５１，５２…遮光板
６０…分光器
６１…レンズ
７０…演算装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】