JP5170034B2 - Gas analyzer - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光に対する吸収を利用して被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するガス分析装置に関する。 The present invention relates to a gas analyzer that measures the concentration of a specific gas in a gas to be measured using absorption of laser light.
近年、気体中の特定ガスの濃度を測定する方法として、波長可変レーザ光に対する吸収を利用したレーザ吸収分光法が提案されている(例えば特許文献1参照)。この方法は、被測定ガスが導入されたサンプルセルに所定波長のレーザ光を照射し、透過したレーザ光を解析し、被測定ガス中の特定の成分ガスの吸収の程度から該ガスの濃度を導出するものである。この装置は、被測定ガスにセンサである受光部が接触しない非接触型であるため、サンプルの場を乱すことなく測定が可能である、応答時間がきわめて短い、といった利点を有している。 In recent years, as a method for measuring the concentration of a specific gas in a gas, laser absorption spectroscopy using absorption with respect to a wavelength tunable laser beam has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this method, a sample cell into which a gas to be measured is introduced is irradiated with laser light of a predetermined wavelength, the transmitted laser light is analyzed, and the concentration of the gas is determined from the degree of absorption of a specific component gas in the gas to be measured. To derive. Since this apparatus is a non-contact type in which the light receiving unit as a sensor does not contact the gas to be measured, it has an advantage that measurement can be performed without disturbing the field of the sample and response time is extremely short.
いま、サンプルセルへの入射光をI0、透過光をI、特定ガスの分子数密度をc、被測定ガスを通過する光路長をL、吸収計数をεとすると、ランベルト・ベール(Lambert-Beer)の法則より、次の(1)式が成り立つ。
近年、吸収分光法の中でも、光源に波長可変半導体レーザダイオードを用い、特定のガスの濃度を測定するTDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)法が確立されている。TDLAS法では、光源の単色性が高いため、特定ガスのみの光吸収を選択的に受けるようにすることで、結果的に、他のガス成分の影響を受けにくいという利点がある。また、レーザダイオードは高速点灯、高速変調駆動が容易に行えるため、応答性にも優れる。レーザ光の波長をνとすると、上記(1)式は次の(2)式に書き換えられる。
TDLAS法では、通常、吸収スペクトルの中心波長ν0における光強度を計測するため、(2)式は次の(4)式のようになる。
[1]被測定ガスが大気圧である場合
この場合、プロファイル関数φ(ν)は次の(5)式のようなローレンツ(Lorentz)関数で表される。
[2]被測定ガスの全圧が1[Torr]よりも高真空領域である場合
この場合、プロファイル関数φ(ν)は次の(7)式のようなガウス関数となる。
[3]大気圧と1[Torr]との間の中間圧力の場合
この場合、プロファイル関数φ(ν)はフォークト(Voigt)関数と呼ばれる上記ローレンツ関数とガウス関数との畳み込み関数で表される。
[3] In the case of an intermediate pressure between atmospheric pressure and 1 [Torr] In this case, the profile function φ (ν) is expressed by a convolution function of the Lorentz function and Gaussian function called a Voigt function.
上記は直接吸収によるスペクトル検出を用いた濃度測定方法(以下「直接吸収分光法」という)であるが、濃度が非常に低い場合に有効な方法として、レーザ変調波の整数倍の周波数で検出する分光法(以下「波長変調分光法」という)が知られている(例えば非特許文献1参照)。波長変調分光を行う場合、被測定ガスへ照射する光の周波数を変調させる。いま、周波数変調のための正弦波信号の変調振幅をa、周波数をωとすると、時間tにおける光の周波数は次の(10)式で規定される。
(10)式によって周波数変調されたレーザ光をその2倍の周波数である2ωで検出すると、抽出される信号は被測定ガスの圧力に応じて、ガス濃度が非常に低い場合に限り、次の3種類の関係式のいずれかとなる。
大気圧での水分測定において、中心周波数ν0での第2高調波検出信号signal(ν0)は次の(11)式によって規定される。
In moisture measurement at atmospheric pressure, the second harmonic detection signal signal (ν 0 ) at the center frequency ν 0 is defined by the following equation (11).
同様に1{Torr}よりも高真空領域での水分測定において、中心周波数ν0での第2高調波検出信号signal(ν0)は次の(12)式によって規定される。
従来、TDLAS法による特定ガス濃度測定は、例えば大気中の特定ガス(例えば一酸化炭素、二酸化窒素など)の連続モニタリング、半導体処理ガス中の水分の連続モニタリングなどに利用されているが、こうした用途では被測定ガスの圧力がおおよそ一定であるという条件の下での計測が一般的である。これに対し、真空室内の特定残留ガスのモニタリングを行う場合などにおいては、被測定ガスの圧力が大気圧付近から急激に且つ大きく減じるような状況の下で特定ガスの濃度測定を行う必要がある。この場合、被測定ガスの急激な圧力変動に伴ってプロファイル関数φ(ν)又はφ'(ν)を変更する必要があるが、圧力計による圧力値測定のタイミングと吸収光の信号強度の測定タイミングとに時間的なずれが生じると、適切なプロファイル関数が用いられずに特定ガス濃度の算出精度が低下する。 Conventionally, specific gas concentration measurement by the TDLAS method has been used for, for example, continuous monitoring of specific gases in the atmosphere (for example, carbon monoxide, nitrogen dioxide, etc.), continuous monitoring of moisture in semiconductor processing gases, etc. Then, measurement is generally performed under the condition that the pressure of the gas to be measured is approximately constant. On the other hand, when monitoring the specific residual gas in the vacuum chamber, it is necessary to measure the concentration of the specific gas under a situation where the pressure of the gas to be measured decreases suddenly and greatly from near atmospheric pressure. . In this case, it is necessary to change the profile function φ (ν) or φ ′ (ν) in accordance with the rapid pressure fluctuation of the gas to be measured, but the timing of the pressure value measurement by the pressure gauge and the measurement of the signal intensity of the absorbed light When a time lag occurs in timing, an appropriate profile function is not used, and the calculation accuracy of the specific gas concentration decreases.
上述した、圧力計による圧力値測定のタイミングと吸収光の信号強度の測定タイミングとに時間的なずれが生じる大きな理由の一つは、データ処理のハードウエア/ソフトウエア上の制約である。即ち、波長走査に伴い短い時間間隔で吸収光の測定を行うのと並行して圧力値のモニタも高速に行うとすると、データの並列処理を行うか或いはデータ処理系を大幅に高速化する必要が生じる。そのため、装置コストがかなり高くなることが避けられない。また、一般的に利用されている圧力計は比較的応答が遅く、この応答の遅れを考慮して圧力値測定タイミングを吸収光の測定タイミングに合わせる必要があるためにデータ処理は一段と複雑になる。応答が高速である圧力計も入手可能であるものの、こうした圧力計は高価であってコストが高くなる。 One of the major reasons for the time difference between the pressure value measurement timing by the pressure gauge and the measurement timing of the signal intensity of the absorbed light described above is the restriction on data processing hardware / software. In other words, if the pressure value is monitored at a high speed in parallel with the measurement of the absorbed light at a short time interval along with the wavelength scanning, it is necessary to perform parallel processing of data or greatly speed up the data processing system. Occurs. Therefore, the apparatus cost is inevitably increased. Further, a pressure gauge that is generally used has a relatively slow response, and it is necessary to adjust the pressure value measurement timing to the measurement timing of the absorbed light in consideration of the delay in the response, so that the data processing becomes more complicated. . Although pressure gauges with a fast response are available, such pressure gauges are expensive and expensive.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、データ処理系などのコストの増加を抑えつつ、被測定ガスの圧力が急激且つ大きく変化する状況の下でも特定ガス濃度を高い精度で測定することができるレーザ吸光方式のガス分析装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to suppress an increase in the cost of a data processing system and the like, even under a situation where the pressure of the gas to be measured changes suddenly and greatly. An object of the present invention is to provide a laser absorption type gas analyzer capable of measuring a specific gas concentration with high accuracy.
上記課題を解決するために成された本発明は、被測定ガスが導入されるサンプルセルと、該サンプルセルの外側に配置されたレーザ照射部及び受光部と、を具備し、レーザ照射部から出射したレーザ光をサンプルセル内の被測定ガスに通過させた後に受光部により検出し、その検出信号に基づいて被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を算出するガス分析装置において、
a)前記サンプルセル中の被測定ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
b)前記受光部による検出信号を取得する時点よりも時間的に前の時点とその検出信号を取得した時点よりも時間的に後の時点とを少なくともそれぞれ一点ずつ含む複数の時点において前記圧力検出手段により圧力値を取得するとともに、取得した複数の圧力値に基づいて前記検出信号を取得した時点における圧力値を推定する圧力推定手段と、
c)前記圧力推定手段により推定された圧力値を用い、検出信号に基づいて特定ガスの濃度を算出する際の光吸収の圧力依存性を補正する補正演算手段と、
を備えることを特徴としている。
The present invention made to solve the above problems comprises a sample cell into which a gas to be measured is introduced, and a laser irradiation unit and a light receiving unit arranged outside the sample cell. In the gas analyzer that detects the detected laser beam after passing the emitted laser beam through the gas to be measured in the sample cell and calculates the concentration of the specific gas contained in the gas to be measured based on the detection signal.
a) pressure detecting means for detecting the pressure of the gas to be measured in the sample cell;
b) The pressure detection at a plurality of time points each including at least one time point before the time point when the detection signal is acquired by the light receiving unit and a time point after the time point when the detection signal is acquired. Pressure estimation means for obtaining a pressure value by means, and estimating a pressure value at the time of obtaining the detection signal based on the plurality of obtained pressure values;
c) correction calculation means for correcting the pressure dependence of light absorption when calculating the concentration of the specific gas based on the detection signal using the pressure value estimated by the pressure estimation means;
It is characterized by having.
本発明に係るガス分析装置の一態様として、前記レーザ照射部から出射されるレーザ光を、周波数fで変調させる周波数変調手段と、前記受光部による検出信号を周波数fの整数倍の周波数でもって同期検出する同期検出手段と、その同期検出結果に基づいて特定ガスの濃度を算出するガス濃度算出手段と、をさらに備え、前記ガス濃度算出手段で特定ガス濃度を算出する際に前記補正演算手段により光吸収の圧力依存性を補正する構成とすることができる。即ち、この態様のガス分析装置は、波長変調分光法により特定ガスの濃度を求めるものである。もちろん、本発明に係るガス分析装置は、直接吸光検出法により特定ガスの濃度を求める場合にも適用可能であるが、波長変調分光法によればより微量のガス成分を高い精度でもって測定することができる。 As one aspect of the gas analyzer according to the present invention, the frequency modulation means for modulating the laser beam emitted from the laser irradiation unit with the frequency f, and the detection signal from the light receiving unit with a frequency that is an integral multiple of the frequency f. Synchronization detecting means for detecting synchronously, and gas concentration calculating means for calculating the concentration of the specific gas based on the synchronous detection result, and the correction calculating means when calculating the specific gas concentration by the gas concentration calculating means Thus, the pressure dependency of light absorption can be corrected. That is, the gas analyzer of this aspect obtains the concentration of a specific gas by wavelength modulation spectroscopy. Of course, the gas analyzer according to the present invention can also be applied to the case where the concentration of a specific gas is obtained by direct absorption detection, but according to wavelength modulation spectroscopy, a trace amount of gas component is measured with high accuracy. be able to.
本発明に係るガス分析装置において圧力推定手段は、予め定めておいた計算式やこれに相当するテーブルなどを用いて、特定ガス成分によるレーザ光の吸収に対応する検出信号を取得する時点よりも時間的に前の時点と時間的に後の時点とで得られた圧力値から、検出信号を取得した時点の圧力値を推定する。圧力検出手段が応答遅れがあるものの場合には、その応答遅れを見込んで上記計算式やそれに相当する情報を定めておけばよい。実際に圧力検出手段により取得される圧力値の点数が多ければ、それだけ上記の圧力値の推定精度は高くなる。 In the gas analyzer according to the present invention, the pressure estimating means uses a predetermined calculation formula or a table corresponding thereto, and obtains a detection signal corresponding to the absorption of the laser beam by the specific gas component. The pressure value at the time when the detection signal is acquired is estimated from the pressure values obtained at the previous time point and the later time point. If the pressure detection means has a response delay, the above calculation formula or information corresponding thereto may be determined in consideration of the response delay. If the number of pressure values actually acquired by the pressure detecting means is large, the estimation accuracy of the pressure value is increased accordingly.
具体的には、特定ガス成分による吸収ピークの高さなどから該成分の濃度(量)を計算する際に吸収線のプロファイル関数が用いられるが、このプロファイル関数が圧力依存性を有する。そこで補正演算手段は、このプロファイル関数を推定圧力値に応じて変更することで補正を行うものとすることができる。 Specifically, the profile function of the absorption line is used when calculating the concentration (amount) of the component from the height of the absorption peak due to the specific gas component, and this profile function has pressure dependency. Therefore, the correction calculation means can perform correction by changing the profile function according to the estimated pressure value.
本発明に係るガス分析装置によれば、吸収光の信号強度を取得する時点における被測定ガスの圧力値を高い精度で知ることができるので、それによって、被測定ガスの圧力が急激に且つ大きく変化するような状況の下でも、特定ガス成分の濃度を精度良く算出することができる。また、圧力検出手段により検出される圧力値の読み込みなどのデータ処理と受光部で得られる検出信号の読み込みなどのデータ処理とを並行的に行う必要がないので、データ処理系の高速化や並列化などが不要であって、コスト増加を抑えることができる。 According to the gas analyzer of the present invention, the pressure value of the gas to be measured at the time when the signal intensity of the absorbed light is acquired can be known with high accuracy, whereby the pressure of the gas to be measured is rapidly and greatly increased. Even under changing circumstances, the concentration of the specific gas component can be accurately calculated. In addition, data processing such as reading of the pressure value detected by the pressure detection means and data processing such as reading of the detection signal obtained by the light receiving unit do not need to be performed in parallel. It is not necessary to make it more cost-effective and the cost increase can be suppressed.
[第1実施例]
本発明に係るガス分析装置の第1実施例である水分測定装置について、図1〜図5を参照して説明する。この実施例の装置は、直接吸収分光法により被測定ガス中の水分の濃度を測定するものであるが、特定波長でレーザ光を吸収するガスであれば、他のガス濃度の測定も可能である。図1は本実施例による水分測定装置の測定光学系の概略構成図、図2はこの水分測定装置における信号処理系及び制御系の概略ブロック図である。
[First embodiment]
A moisture measuring apparatus which is a first embodiment of a gas analyzer according to the present invention will be described with reference to FIGS. The apparatus of this embodiment measures the concentration of moisture in the gas to be measured by direct absorption spectroscopy, but other gas concentrations can be measured as long as the gas absorbs laser light at a specific wavelength. is there. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a measurement optical system of a moisture measuring apparatus according to this embodiment, and FIG. 2 is a schematic block diagram of a signal processing system and a control system in the moisture measuring apparatus.
本実施例の水分測定装置は、被測定ガスが上から下向きに流通するガス流路2の途中に、略水平方向にサンプルセル1を備える。サンプルセル1の左右の開口端には、対向して反射鏡3、4を備える。一方の反射鏡3には光のみが通過可能な透明窓5が設けられ、その透明窓5を挟んでサンプルセル1の外側には、略密閉構造で略大気圧雰囲気である光学チャンバ6が設置されている。この光学チャンバ6内には、レーザ照射部としての波長可変レーザ装置7と、受光部としての光検出部8とが収納されている。
The moisture measuring apparatus of the present embodiment includes a
波長可変レーザ装置7としては、水分子が吸収スペクトルをもつ1.3[μm]で発振するDFB(Distributed Feedback)型レーザを使用することができる。これ以外でも、水分子の吸収スペクトルが存在する波長で発振するような波長可変レーザであれば使用することができる。もちろん、水ではなく別の特定ガスの濃度を測定する場合には、その特定ガスの吸収スペクトルが存在する波長で発振するような波長可変レーザを用いればよい。
As the wavelength
光検出部8は、フォトダイオード等の光電変換素子と、その光電変換素子で得られる電流信号を電圧信号に変換するI/V変換アンプと、を含む。なお、光学チャンバ6内の水分(妨害水分)は除湿剤やパージガスなどにより除去されており、その濃度は無視できる程度に小さいものとする。
The
サンプルセル1には圧力計12が取り付けられ、この圧力計12により被測定ガスの圧力が計測できるようになっている。圧力計12は主として略1[Torr]から略大気圧の測定範囲に対応したものが適している。ここでは、圧力計12として、絶対圧0〜760[Torr]の範囲で0〜5[V]の電圧が出力されるダイヤフラム式の圧力トランスデューサを用いるものとする。
A
図1において、レーザ制御部10による制御の下に波長可変レーザ装置7から出射したレーザ光L1は、透明窓5を通過してサンプルセル1内に入射し、反射鏡3、4の間で反射を繰り返す。図1に記載の光路では、レーザ光はガス流路2を横切って反射鏡3、4の間を2往復するが、さらに往復回数を増やす光学系としてもよい。ガス流路2を通過する際に、レーザ光は被測定ガス中の各種成分による吸収を受ける。そうして吸収を受けた後のレーザ光L2が透明窓5を通って光学チャンバ6内に戻り、光検出部8に到達する。光検出部8で取り出された電気信号は信号処理部11に入力される。
In FIG. 1, laser light L <b> 1 emitted from the wavelength
図2に示すように、光検出部8で得られた電圧信号はアンプ21で増幅された後に、ローパスフィルタ(LPF)25でノイズ成分が除去され、アナログ/デジタル変換器(ADC)26に入力される。このADC26の出力は演算部28、より詳しくは、ガス濃度を算出するための濃度演算部281に入力される。
As shown in FIG. 2, the voltage signal obtained by the
LD波長走査用電圧発生部37はデジタル/アナログ変換器を含み、制御部29から出力される、水分子の吸収スペクトル付近の所定の波長領域に亘るスイープを繰り返し行うためのデジタルデータをスイープ電圧に変換して出力する。このスイープ電圧が電圧/電流変換器(V/I)39により電流信号に変換され、波長可変レーザ装置7に駆動電流として供給される。これにより、波長可変レーザ装置7は時間経過に伴って、所定波長範囲で繰り返し波長が変化するレーザ光L1を出射する。
The LD wavelength
サンプルセル1内の被測定ガスの圧力は圧力計12により電圧信号に変換され、その電圧信号はADC27によりデジタル値に変換されて演算部28、より詳しくは測定時圧力推定部282に入力される。測定時圧力推定部282は後述するようにガス濃度を算出するための検出信号取得時点での被測定ガスの圧力を推定する。圧力補正データ記憶部283は推定された圧力値に応じた補正データとして、プロファイル関数値を濃度演算部281に送出する。
The pressure of the gas to be measured in the
本実施例の水分測定装置における、被測定ガス中の水分量測定の原理と動作とを説明する。 The principle and operation of measuring the amount of moisture in the gas to be measured in the moisture measuring device of this embodiment will be described.
TDLAS法により水分量を測定する場合には、上記の(4)式に示すように、吸収スペクトルの中心波長ν0における入射光強度I(ν0)と透過光強度I0(ν0)とをそれぞれ実測する必要がある。 When the water content is measured by the TDLAS method, the incident light intensity I (ν 0 ) and transmitted light intensity I 0 (ν 0 ) at the center wavelength ν 0 of the absorption spectrum are expressed as shown in the above equation (4). Need to be measured.
図3は、計算(シミュレーション)により求めた直接吸収分光法で得られる信号波形の一例であり、横軸は周波数(波長)偏差ν−ν0、縦軸は信号強度である。周波数偏差ゼロ、つまり中心周波数ν0付近において水分子による吸収で信号強度が大きく低下するピークが観測される。I(ν0)は光検出部8で得られる吸収ピークのピークトップの信号強度であり、I0(ν0)は水分子による吸収がないと仮定されるときの信号強度である。後者は、図3中に示すように、非吸収領域の信号強度から近似曲線を描くことで求めることができる。即ち、I(ν0)、I0(ν0)ともに、周波数ν0を中心とする所定の周波数範囲で走査を行うときに光検出部8で得られる検出信号から求まる。このようにしてI0(ν0)及びI(ν0)が求まれば、(4)式におけるSの値はHITRANのデータベースから容易に得られ、Lは光路長で既知であるから、あとはプロファイル関数φ(ν0)が分かれば水分子の体積濃度cが計算できる。
FIG. 3 shows an example of a signal waveform obtained by direct absorption spectroscopy obtained by calculation (simulation). The horizontal axis represents frequency (wavelength) deviation ν−ν 0 , and the vertical axis represents signal intensity. A peak at which the signal intensity greatly decreases due to absorption by water molecules is observed near zero frequency deviation, that is, around the center frequency ν 0 . I (ν 0 ) is the signal intensity at the peak top of the absorption peak obtained by the
図4は、被測定ガスの圧力とプロファイル関数の吸収線中心での値φ(ν0)の大きさとの関係を、760[Torr]におけるφ(ν0)の値を1として示したグラフである。ここでは、ガスの種類及び温度は一定であるとしている。この図4を見れば、被測定ガス圧力が大気圧〜1[Torr]の範囲でφ(ν0)が大きく変化していることが分かる。また、1[Torr]よりも高真空領域では(8)式及び(9)式のとおり、圧力に依存しない関数であるので一定となることが分かる。一般的に真空装置では、非常に短い時間で略大気圧と約1[Torr]との間で圧力が変化するので、圧力の測定タイミングと吸光の測定タイミングとの僅かなずれも、濃度の演算結果に大きな影響を与えることが理解できる。 4, the relationship between the magnitude of the value at the absorption line center of pressure and the profile function of the measured gas φ (ν 0), the value of φ (ν 0) in 760 [Torr] in the graph shown as 1 is there. Here, the type and temperature of the gas are assumed to be constant. As can be seen from FIG. 4, φ (ν 0 ) changes greatly when the gas pressure to be measured is in the range of atmospheric pressure to 1 [Torr]. Also, it can be seen that in a higher vacuum region than 1 [Torr], since the function does not depend on the pressure as shown in the equations (8) and (9), it is constant. In general, in a vacuum device, the pressure changes between about atmospheric pressure and about 1 [Torr] in a very short time, so even a slight difference between the pressure measurement timing and the absorbance measurement timing can be used to calculate the concentration. It can be understood that the results are greatly affected.
本実施例の水分測定装置では、図4に示したような被測定ガス圧力と吸収中心波長ν0におけるプロファイル関数値との関係を予め計算してデータベース化し、これを圧力補正データ記憶部283に格納しておく。これにより、圧力補正データ記憶部283に圧力値が入力されると、直ちにその圧力値に対応したプロファイル関数値φ(ν0)が出力される。なお、濃度測定対象であるガス成分の種類が相違すれば、プロファイル関数値が相違するから、圧力補正データ記憶部283に格納されるデータも相違する。
In the moisture measuring apparatus of this embodiment, the relationship between the gas pressure to be measured and the profile function value at the absorption center wavelength ν 0 as shown in FIG. 4 is calculated in advance and stored in a database, and this is stored in the pressure correction
図5は測定のタイミングを示す概略図である。本実施例の水分測定装置では、上述したような波長走査に伴う吸光測定に先立って、まず被測定ガスの圧力測定を行う。即ち、時刻T1において、圧力計12による電圧信号がADC27によりデジタル化された圧力値X1を、測定時圧力推定部282に取り込む。続いて、所定の波長範囲に亘るレーザ光の波長走査に対応してアンプ21で増幅された検出信号をADC26を通して濃度演算部281に取り込む。このときの波長走査に伴って得られる検出信号の形状は図3に示すようになり、この信号が所定のサンプリング時間間隔でデジタル化されて濃度演算部281に取り込まれる。濃度演算部281は取り込んだデータに基づいて、I(ν0)及びI0(ν0)を取得する。このI(ν0)及びI0(ν0)の取得タイミングは波長走査に際し波長がν0になる時点T2である。波長走査の開始、終了、走査速度は制御部29により制御されるから、制御部29は時刻T2を容易に求めることができる。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the timing of measurement. In the moisture measuring apparatus of the present embodiment, the pressure of the gas to be measured is first measured prior to the absorption measurement accompanying the wavelength scanning as described above. That is, at
波長走査に伴う吸光測定が終了したあとに、時刻T3において、圧力計12による電圧信号がADC27によりデジタル化された圧力値X2を、再び測定時圧力推定部282に取り込む。波長走査の間、圧力値の計測は行われないので、時刻T2における圧力値は不明である。そこで、測定時圧力推定部282は、時刻T1、T2、T3、及び実測の圧力値X1、X2からT2における被測定ガスの圧力値Xadjを推定する。例えば、圧力計12での検出の応答遅れが無視できるとすれば、最も簡単な推定方法は、次の(13)式による直線補間によるものである。
After the absorption measurement associated with the wavelength scanning is completed, the pressure value X2 obtained by digitizing the voltage signal from the
上記のように推定圧力値Xadjが計算できたならば、その推定圧力値Xadjを圧力補正データ記憶部283に入力し、出力としてプロファイル関数値φ(ν0)を取得する。濃度演算部281は、こうして得られた推定圧力値Xadjに基づくプロファイル関数値φ(ν0)と実測により得られたI(ν0)及びI0(ν0)とを用い、さらに上記のように求まるS、Lを用い、(4)式により水分子の体積濃度cを算出する。これにより、検出信号において吸収ピークのピークトップが出現するタイミングでの被測定ガスの圧力を反映した、正確な水分子体積濃度を算出することができる。
If the estimated pressure value Xadj can be calculated as described above, the estimated pressure value Xadj is input to the pressure correction
なお、上記説明では、2点(時刻T1、T3)の実測圧力値のみに基づいてXadjを推定していたが、3以上の複数点の実測圧力値を用い、高次の補間曲線へのフィッティングを行うようにすることで、圧力値の推定精度を向上させることができる。 In the above description, Xadj is estimated based only on the measured pressure values at two points (time T1, T3), but fitting to a higher-order interpolation curve using measured pressure values at three or more points. By performing the above, it is possible to improve the estimation accuracy of the pressure value.
また、圧力計12の検出の応答遅れ時間が無視できない程度に大きい場合には、この応答遅れ時間Δtを予め考慮した補正式を定めればよい。具体的には、図5の例では、時刻T1及びT3で取得される圧力値データは、それぞれT1及びT3からΔTだけ遡った時点の被測定ガスの圧力であるとして(13)式を書き換えればよい。この場合のΔTは圧力計の特性により決まるから、予備的な測定で求めることができる。
If the response delay time detected by the
[第2実施例]
次に、本発明の第2実施例による水分測定装置について、図6及び図7を参照して説明する。この実施例の装置は、波長変調分光法により被測定ガス中の水分の濃度を測定するものである。図6は本実施例の水分測定装置における信号処理系及び制御系の概略ブロック図、図7は計算(シミュレーション)により求めた波長変調分光法で得られる信号波形の一例である。図6において第1実施例と同一の構成要素については同じ符号を付してある。
[Second Embodiment]
Next, a moisture measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The apparatus of this embodiment measures the concentration of moisture in the gas to be measured by wavelength modulation spectroscopy. FIG. 6 is a schematic block diagram of a signal processing system and a control system in the moisture measuring apparatus of the present embodiment, and FIG. 7 is an example of a signal waveform obtained by wavelength modulation spectroscopy obtained by calculation (simulation). In FIG. 6, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
この水分測定装置では、光検出部8で得られた電圧信号はアンプ21で増幅されたあとに、同期検出器22に入力される。同期検出器22には、後述する2fクロック生成部31で生成された周波数2fのクロック信号が参照信号として入力されており、同期検出器22は、アンプ21を通して入力された検出信号から参照信号の位相及び周波数に同期した信号を抽出する。この同期検出信号はLPF23により高周波成分が除去され、ADC24によりデジタル信号に変換される。このADC24の出力が演算部28の濃度演算部284に入力される。
In this moisture content measuring device, a voltage signal obtained by the
2fクロック生成部31、分周器32、変調振幅制御用電圧発生部33、乗算器34、及びバンドパスフィルタ(BPF)35は、任意の変調振幅の設定が可能な周波数fの正弦波発生器30を構成する。制御部29’の制御の下に、2fクロック生成部31は周波数2fのクロック信号を生成し、分周器32はこのクロック信号を1/2に分周することで周波数がfでデューティ比が50%であるクロック信号を生成する。変調振幅制御用電圧発生部33は制御部29’から与えられるデジタルデータをアナログ値に変換するデジタル/アナログ変換器を含み、変調振幅に応じた直流電圧を出力する。この直流電圧と周波数fのクロック信号とが乗算器34で乗算される。乗算後のクロック信号は周波数がfで、直流電圧により決まる振幅を有する。BPF35は中心周波数がfである所定の通過帯域を有し、中心周波数が周波数fである矩形波状のクロック信号を中心周波数がfである正弦波信号に変換する。この正弦波信号が周波数変調のための変調信号である。なお、このような構成ではなく、デジタル/アナログ変換器による変換により、直接、周波数がfである正弦波を生成するようにしてもよい。
The 2f
LD波長走査用電圧発生部37はデジタル/アナログ変換器を含み、制御部29’から出力される、水分子の吸収スペクトル付近の所定の波長領域に亘るスイープを行うためのデジタルデータをスイープ電圧に変換して出力する。上述したBPF35からの正弦波信号は移相器36において検出信号と同期するように位相がシフトされた後に、加算器38により上記スイープ電圧に加算される。このスイープ電圧に正弦波信号が重畳された電圧が電圧/電流変換器39により電流信号に変換され、波長可変レーザ装置7に駆動電流として供給される。これにより、波長可変レーザ装置7は時間経過に伴って波長が変化し、且つ所定の変調振幅で周波数変調が施されたレーザ光L1を出射する。
The LD wavelength scanning
このような波長走査に際し、同期検出器22の出力、つまり2f同期検出信号は図7に示したような形状となる。周波数偏差ゼロ、つまり中心周波数ν0における信号強度が水分子による吸収の強さを示しているが、実際の同期検出信号は正方向ピークと負方向ピークとが加算されたものとなり、それらを演算上で分離することは困難である。そのため、信号波形のピーク・トゥ・ピークの信号強度SIGが、前述の(11)式、(12)式の左辺中のsignal(ν0)と比例関係となる。この比例関係を定義する比例定数Bは、同期検波で使用する周波数2fの信号(2fクロック生成部31の出力信号)が完全な正弦波であれば、理論的に1である。また、この2f信号が正弦波でなく矩形波であっても予め実験的に求めておくことができる。濃度演算部281は波長走査に伴ってADC24を通して同期検出データを受け取ると、信号波形のピーク・トゥ・ピークの信号強度SIGを求め、比例定数Bを用いてSignal(ν0)を計算する。
During such wavelength scanning, the output of the
なお、本実施例では明示していないが、別途、I0(ν0)を取得する必要がある。このためには、第1実施例と同じ検出部の構成を同期検出器22、LPF23、ADC24と並列に加えてもよいし、I0の変動が実際の測定に影響しない程度に安定している場合であれば、予めI0(ν0)を固定値とみなして濃度演算を行うこともできる。
Although not explicitly shown in the present embodiment, it is necessary to acquire I 0 (ν 0 ) separately. For this purpose, the same configuration of the detection unit as in the first embodiment may be added in parallel with the
波長変調分光法の場合、第1実施例の直接吸収分光法とは中心波長ν0におけるプロファイル関数の値φ'(ν0)は相違するものの、やはり被測定ガスの圧力が大気圧〜1[Torr]の範囲でφ'(ν0)は大きく変化する。そこで、圧力とφ'(ν0)との関係を予め計算してデータベース化し、これを圧力補正データ記憶部285に格納しておく。これにより、圧力補正データ記憶部285に圧力値が入力されると、直ちにその圧力値に対応したプロファイル関数値φ'(ν0)が出力される。
In the case of wavelength modulation spectroscopy, although the profile function value φ ′ (ν 0 ) at the center wavelength ν 0 is different from the direct absorption spectroscopy of the first embodiment, the pressure of the gas to be measured is still from atmospheric pressure to 1 [ In the range of Torr], φ ′ (ν 0 ) varies greatly. Therefore, the relationship between the pressure and φ ′ (ν 0 ) is calculated in advance and stored in a database, and this is stored in the pressure correction
そして、第1実施例と同様に、波長走査に伴う吸光測定の前後に少なくともそれぞれ1点ずつ実測圧力値を求め、測定時圧力推定部282は波長走査で中心波長ν0に対する信号が得られる時点の圧力値Xadjを推定し、その推定圧力値Xadjを圧力補正データ記憶部285に入力し、出力としてプロファイル関数値φ'(ν0)を取得する。濃度演算部284は、こうして得られた推定圧力値Xadjに基づくプロファイル関数値φ'(ν0)と実測に基づいて得られたSingnal(ν0)とを用い、さらに上記のように求まるS、Lを用い、(11)式により水分子の体積濃度cを算出する。これにより、同期検出信号においてピークトップが出現するタイミングでの被測定ガスの圧力を反映した、正確な水分子体積濃度を算出することができる。
As in the first embodiment, the measured pressure value is obtained at least one point before and after the absorption measurement associated with the wavelength scanning, and the measurement time
なお、上記実施例はいずれも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形や修正、追加などを行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。 It should be noted that any of the above-described embodiments is an example of the present invention, and it is obvious that modifications, corrections, additions, and the like as appropriate within the scope of the present invention are included in the scope of the claims of the present application.
1…サンプルセル
2…ガス流路
3、4…反射鏡
5…透明窓
6…光学チャンバ
7…波長可変レーザ装置
8…光検出部
10…レーザ制御部
11…信号処理部
12…圧力計
21…アンプ
22…同期検出器
23、25…LPF
24、26、27…ADC
28…演算部
281、284…濃度演算部
282…測定時圧力推定部
283、285…圧力補正データ記憶部
29、29’…制御部
30…正弦波発生器
31…2fクロック生成部
32…分周器
33…変調振幅制御用電圧発生部
34…乗算器
35…BPF
36…移相器
37…LD波長走査用電圧発生部
38…加算器
39…電圧/電流変換器
DESCRIPTION OF
24, 26, 27 ... ADC
28 ...
36 ...
Claims (2)
a)前記サンプルセル中の被測定ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
b)前記受光部による検出信号を取得する時点よりも時間的に前の時点とその検出信号を取得した時点よりも時間的に後の時点とを少なくともそれぞれ一点ずつ含む複数の時点において前記圧力検出手段により圧力値を取得するとともに、取得した複数の圧力値に基づいて前記検出信号を取得した時点における圧力値を推定する圧力推定手段と、
c)前記圧力推定手段により推定された圧力値を用い、検出信号に基づいて特定ガスの濃度を算出する際の光吸収の圧力依存性を補正する補正演算手段と、
を備えることを特徴とするガス分析装置。 A sample cell into which a gas to be measured is introduced and a laser irradiation unit and a light receiving unit arranged outside the sample cell are provided, and laser light emitted from the laser irradiation unit passes through the gas to be measured in the sample cell. In the gas analyzer that detects the concentration of the specific gas contained in the gas to be measured based on the detection signal after the detection by the light receiving unit,
a) pressure detecting means for detecting the pressure of the gas to be measured in the sample cell;
b) The pressure detection at a plurality of time points each including at least one time point before the time point when the detection signal is acquired by the light receiving unit and a time point after the time point when the detection signal is acquired. Pressure estimation means for obtaining a pressure value by means, and estimating a pressure value at the time of obtaining the detection signal based on the plurality of obtained pressure values;
c) correction calculation means for correcting the pressure dependence of light absorption when calculating the concentration of the specific gas based on the detection signal using the pressure value estimated by the pressure estimation means;
A gas analyzer comprising:
前記レーザ照射部から出射されるレーザ光を、周波数fで変調させる周波数変調手段と、前記受光部による検出信号を周波数fの整数倍の周波数でもって同期検出する同期検出手段と、その同期検出結果に基づいて特定ガスの濃度を算出するガス濃度算出手段と、をさらに備え、前記ガス濃度算出手段で特定ガス濃度を算出する際に前記補正演算手段により光吸収の圧力依存性を補正することを特徴とするガス分析装置。 The gas analyzer according to claim 1,
Frequency modulation means for modulating the laser light emitted from the laser irradiation section at a frequency f, synchronization detection means for synchronously detecting a detection signal from the light receiving section at an integer multiple of the frequency f, and the synchronization detection result Gas concentration calculating means for calculating the concentration of the specific gas based on the above, and correcting the pressure dependence of light absorption by the correction calculating means when calculating the specific gas concentration by the gas concentration calculating means. Characteristic gas analyzer.
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