CN115398205A - 气体分析装置以及气体分析方法 - Google Patents

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Abstract

气体分析装置(10)包括：激光光源(11)，对测量对象气体照射激光；激光器控制部件(14)，以使激光的波长各自在规定的波段内变化的方式控制激光光源(11)；光检测部件(19)，对透射过测量对象气体的激光进行光电转换并输出电信号；以及解析部件(23)，基于电信号分析测量对象气体的吸收波长。在气体分析装置(10)中，激光器控制部件(14)控制激光光源(11)，使得激光的强度在规定的时间期间内以至少具有实质上恒定的平坦部的形状(例如，矩形形状或梯形形状)变化，且激光的波长在时间期间内变化。

Description

气体分析装置以及气体分析方法
技术领域
本发明涉及使用激光分析对象气体的气体分析装置以及气体分析方法。
背景技术
近年来，从防止地球温暖化、化石燃料的枯竭、环境污染等观点出发，在各种领域中地球环境保护、能源的有效利用备受关注，因此正在进行各种环境技术的研究。
在那样的环境技术中，详细地阐明发动机或燃烧器等中的燃烧现象的燃烧结构、其瞬态性行为是重要的。近年来，作为在燃烧气体中高响应且时序性地测量温度或浓度的分布的部件，开发有利用了半导体激光吸收法的测量技术。
通常而言，吸收法是利用气体分子吸收化学物种特有的波长的红外线的性质及其吸收量的温度依赖性和浓度依赖性的测量方法。通过求出入射光通过光路长度一样的吸收介质(对象气体)时的、入射光的强度(Iλ0)与透射光的强度(Iλ)之比(Iλ/Iλ0)，能够测量对象气体的浓度或温度(例如，参照非专利文献1以及2)。特别是，称利用使用可变波长半导体激光器来吸收规定波长的激光的现象分析对象气体的方法为波长可变半导体激光吸收分光法(TDLAS：TUNABLE DIODE LASER ABSORPTION SPECTROSCOPY)。
在专利文献1～3等中公开了使用半导体激光器利用吸收法对测量对象气体的性质(浓度或温度)进行检测的技术。
例如在专利文献1中公开了如下方法：用分波器将激光分波为测量用激光和参照用激光，使测量用激光透射过气体并用光检测器接收，根据接收到的测量用激光的光强度与所述参照用激光的光强度来掌握由气体中的气体成分吸收的吸收光谱。
另外，在专利文献2中公开了如下方法：在用规定频率的调制信号调制激光的振荡波长时，具有用规定频率调制测定对象的气体状物质所固有的吸收波长的第一期间以及用规定频率调制偏离固有的吸收波长的波长的第二期间，通过从包含在第一期间测量的偏置信号的气体浓度信号中减去在第二期间测量的偏置信号，求出准确的气体浓度。
而且，在专利文献3中，气体分析装置包括：第一以及第二激光光源，输出第一以及第二激光；激光器控制部件，控制第一以及第二激光光源以使第一以及第二激光的波长各自在规定的波段内变化；合波部件，混合第一激光与第二激光并对测量对象气体进行照射；受光部件，接收透射过测量对象气体的激光；以及解析部件，基于来自受光部件的电信号分析测量对象气体的温度与/或浓度。此处，激光器控制部件在使激光的波长产生变化时，使第一激光的振幅的大小与第二激光的振幅的大小不同且使第一激光的强度与第二激光的强度向相反方向变化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-051598号公报
专利文献2：日本特开2011-158426号公报
专利文献3：日本特开2015-040747号公报
非专利文献
非专利文献1：Maximilian Lackner,"TUNABLE DIODE LASER ABSORPTIONSPECTROSCOPY(TDLAS)IN THE PROCESS INDUSTRIES－A REVIEW,"Reviews in ChemicalEngineering,Vol.23,Issue 2,April 2007.
非专利文献2：村田昭弘，“工艺用激光器气体分析仪的介绍”，环境，日本环境技术协会，18～19页，2010年1月
发明内容
发明要解决的技术问题
在专利文献1～3中公开的技术中，不能够消除设置在光路中的窗口污染等所引起的激光强度的降低的影响。具体来说，当基于吸收光谱对测量对象气体进行测定时，对吸收光谱所出现的信号强度的降低部分(以下也称为“吸收线”)的位置(波长)以及大小进行检测很重要。存在除了设置在激光的光路中的窗口的污染等本来的吸收以外的因素的作用下，照射在测量对象气体的激光发生变动的情况，在这样的情况下，存在吸收光谱所出现的信号强度的降低部分(吸收线)的大小与本来的吸收作用下的情况不同，气体的分析精度降低的问题。
特别是，在专利文献3中，存在由于在混合后的信号中产生微小的变动，高灵敏度化以及高精度化变得困难的问题点。
本发明的目的在于，提供与现有技术相比能够以高精度对气体进行分析的气体分析装置以及气体分析方法。
用于解决技术问题的方案
本发明中的气体分析装置包括：
激光光源，对测量对象气体照射激光；
激光器控制部件，以使所述激光的波长各自在规定的波段内变化的方式控制所述激光光源；
光检测部件，对透射过所述测量对象气体的激光进行光电转换并输出电信号；以及
解析部件，基于所述电信号来分析所述测量对象气体的吸收波长，
其中，所述激光器控制部件控制所述激光光源，以使所述激光的强度在规定的时间期间内以至少具有实质上恒定的平坦部的形状变化，且所述激光的波长在所述时间期间内变化。
发明效果
因此，根据本发明，激光器控制部件控制所述激光光源，使得所述激光的强度在规定的时间期间内以至少具有实质上恒定的平坦部的形状变化，且所述激光的波长在所述时间期间内变化。由此，与现有技术相比能够提高气体分析的检测精度。
附图说明
图1A是示出实施方式1中的气体分析装置10的结构例的框图。
图1B是示出图1A的激光器控制装置14以及激光器11的细节的框图。
图2是示出图1A的气体分析装置10的动作的图，是激光1的强度、激光1的波长以及来自光检测器19的电信号Sd的输出电压的概略波形图。
图3是示出实施方式2中的气体分析装置10A的结构例的框图。
图4是示出图3的气体分析装置10A的动作的图，是激光1、2的强度、激光1、2的波长以及来自光检测器19的电信号Sd的输出电压的概略波形图。
图5是示出实施方式3中的气体分析装置10B的结构例的框图。
图6是示出实施方式1～3的变形例中的激光1的强度的波形图。
图7是示出实施方式1～3中气体分析装置10、10A、10B中的对象气体为H20时的吸收度的波长特性的吸收光谱图。
图8是实施方式1中的气体分析装置10的实施例的实验结果，对象气体为H2O且腔室压力为100Torr时的光检测器19的输出电压的波形图。
图9是实施方式1中的气体分析装置10的实施例的实验结果，对象气体为H2O且腔室压力为50Torr时的光检测器19的输出电压的波形图。
图10是实施方式1中的气体分析装置10的实施例的实验结果，对象气体为H2O且腔室压力为10Torr时的光检测器19的输出电压的波形图。
图11是示出实施方式4中的二维气体分析装置10C的结构例的框图。
图12是示出图11的二维气体分析装置10C在燃烧器100中的应用例1的示意图。
图13是示出图11的二维气体分析装置10C在发动机200中的应用例2的示意图。
图14是示出图11的二维气体分析装置10C在喷气发动机300中的应用例3的示意图。
图15是示出图11的二维气体分析装置10C在半导体工艺处理中的应用例4的示意图。
图16是示出图15的应用例4的流程图。
图17是示出图11的二维气体分析装置10C在脱硝装置400中的应用例5的示意图。
图18是示出图11的二维气体分析装置10C在废气脱硝系统500中的应用例6的流程图。
图19是实施方式1中的气体分析装置10的实施例1的实验结果，对象气体为H2O且腔室压力为10Torr(1.3kPa)时的光检测器19的输出电压的波形图。
图20是实施方式2中的气体分析装置10A的实施例2的实验结果，对象气体为H2O且腔室压力为10Torr(1.3kPa)时的光检测器19的输出电压的波形图。
图21是实施方式2中的气体分析装置10A的实施例2的实验结果，是示出能够提高作为AC信号的放大率的、光检测器19的输出电压的波形图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明中的实施方式进行说明。需要说明的是，对相同或同样的结构要件标注相同的附图标记。
＜实施方式的特征＞
在本发明中的实施方式以及变形例中，通过使用可变波长分布活性分布反馈(TDFB)型半导体激光器，用TDLAS法分析测量对象气体，检测浓度以及温度。此处，在本实施方式中，特别是如后文详述的那样，例如其特征在于，控制所述激光光源，使得激光的强度在规定的时间期间内以至少具有实质上恒定的平坦部的形状(例如，矩形形状或梯形形状)变化，并且所述激光的波长在所述时间期间内变化。
＜实施方式1＞
(气体分析装置的结构)
图1A是示出实施方式1中气体分析装置10的结构例的框图，图1B是示出图1A的激光器控制装置14以及激光器11的细节的框图。另外，图2是示出图1A的气体分析装置10的动作的图，是激光1的强度、激光1的波长以及来自光检测器19的电信号Sd的输出电压的概略波形图。
在图1A中，气体分析装置10包括：作为激光光源的半导体激光(以下，称为激光)11、激光器控制装置14、准直器17、光检测器19、对来自光检测器19的电信号Sd进行放大的AC放大器21以及解析装置23。需要说明的是，如后详述的那样，AC放大器21不限定于AC放大器，只要是能够以激光的强度为恒定的平坦部的部分为基准进行放大的放大器即可。
在图1B中，激光器控制装置14构成为包括：控制器60、波形发生器61以及电流电源62。控制器60控制波形发生器61来设定由波形发生器61产生的电压信号的周期、占空比、电压等。响应于此，波形发生器61产生具有例如矩形波或梯形波的形状的规定的电压信号并输出至电流电源62。电流电源62包含电压/电流转换电路，将输入的电压信号转换成具有例如矩形波或梯形波的形状的规定的驱动电流并在激光器11的一对电极41、42之间流动。
另外，在图1B中，激光器11构成为在一对电极41、42之间夹设有p型包层43、活性层44、n型包层45以及n型基板46，在一侧面形成有反射面51。响应于流过一对电极41、42的电流，活性层44产生激光且由反射面51反射的激光沿图1B的横向射出。
即，激光器11是能够输出规定的波段中的激光1的激光光源，在本实施方式中，激光器11是公知的可变波长分布活性分布反馈(TDFB)型半导体激光器，后述的激光器12，13与其相同。一般来说，TDFB激光器通过以超过阈值电流的激励电流进行输入，能够输出规定强度的激光。此处，在所述驱动电流的作用下流经激光器11的电流值以例如矩形波或梯形波的形状变化，激光的输出产生变化，此时激光器11的温度产生变化。由此，由于激光器11的内部的衍射光栅间隔产生变化，使激光的波长产生变化。
在本实施方式中，激光器控制装置14通过与规定频率的时钟信号同步地改变对于激光器11的激励电流值，如图2所示，使激光1的强度以例如占空比为50％(时间期间T1＝T2)的矩形脉冲形状变化。通过这样对激光器11进行控制，激光1的强度在时间期间T1内大致恒定为矩形脉冲的最大强度E1，具有平坦部Lf1。此处，优选的是，例如为了后述的半导体工艺装置中用于水分检测的高精度化，平坦部Lf1的强度变动相对于最大强度E1例如设定为阈值10-6以下。
此时，激光1的波长从光强度的上升稍微延迟，随着激光器1的温度的上升，在例如从波长λ1到波长λ2的波长扫描范围Lw1内与时间大致成比例地单调增加而变化。即激光器控制装置14能够控制激光器11，一边使激光1的波长随时间性地变化(扫描)，一边从激光器11输出激光1。
需要说明的是，在图2，在激光1的波长的图示中，虚线表示激光1的波长未定而不确定，这同样适用于后述的图4。此处，通过将测量对象气体的吸收波长设定在波长λ1至λ2之间，在规定的波长λa中产生来自光检测器19的电信号Sd的输出电压的下落部分Ld1。
将来自激光器11的激光1经由使激光1平行并聚焦的准直器17照射到测量对象气体后，输入到光检测器19。光检测器19接收透射过测量对象气体的激光，光电转换为根据接收到的激光的强度且包含交流分量的模拟电信号Sd。AC放大器21具有能够充分放大电信号Sd的交流分量的放大频带(特别是由于激光1的强度急剧地上升或下降，因此具有高次谐波分量)，并且是能够以激光的强度为恒定的平坦部的部分为基准进行放大的放大器。特别是，AC放大器21构成为例如对电信号Sd施加规定的偏置，以位于图2的电信号Sd的输出电压中的下落部Ld1左右的平坦部作为例如0V的基准电压进行放大。AC放大器21对来自光检测器19的模拟电信号Sd如上述那样地进行放大，将放大后的电信号Sda输出到解析装置23。接着，解析装置23从AC放大器21输入模拟电信号Sda并通过内置的AD转换器进行AD转换后，如公知的那样对电信号Sda的波形(吸收光谱)进行解析，并对测量对象气体的浓度以及温度进行解析(例如，参照非专利文献1以及2)。解析装置23能够通过例如计算机(信息处理装置)来实现。
在上述那样构成的气体分析装置10中，例如在包含推定的吸收波长λa的波长为λ1～λ2的规定的波段中一边扫描由激光器11输出的激光1的波长一边对测量对象气体照射激光1，此时通过解析得到的包含测量对象气体的吸收信息的电信号Sda的激光的吸收光谱，进行测量对象气体的浓度或温度的测量。此处，通过激光1的矩形脉冲波的反复，对应于多个矩形脉冲波进行多次累计的分析，从而能够通过计算其平均值来提高分析精度。
解析装置23基于输入的电信号Sda的信号波形，对测量对象气体的浓度或温度进行解析。解析例如通过以下的方法进行。解析装置23关于测量对象气体，预先包括针对各种浓度或温度的测量受光强度信号(电信号)的信号波形的理论值的信息。解析装置23对由测量实际得到的信号波形与信号波形的理论值进行比较，确定当它们的误差为最小时的信号波形的理论值。然后，通过求出与该确定的理论值相关的浓度和温度，能够求出测量对象气体的浓度或温度的测量值。
需要说明的是，气体浓度以及温度的分析优选的是基于激光器控制装置14内的时钟信号而同步。此处，也可以是取代激光器控制装置14内的时钟信号，从接收的电信号Sda对时钟信号进行再生，与再生时钟信号同步地进行气体浓度以及温度的分析。
图7是示出气体分析装置10中的测量对象气体为H20时的吸收度的波长特性的吸收光谱图。另外，在表1中示出测量对象气体与吸收波长λ的关系的一例。以使对应于图2的下落部Ld1的波长λa在波长扫描范围Lw1内成为图7或表1中所示的吸收波长的方式，来对激光1的强度的振幅E1进行设定，。
[表1]
测定物体 吸收波长(nm)
水 1390
二氧化碳 1960
一氧化碳 1570
一氧化碳 2330
一氧化氮 1800
一氧化氮 2650
二氧化氮 680
一氧化二氮 2260
二氧化硫 240
甲烷 1650
乙炔 1520
氟化氢 1310
氯化氢 1790
溴化氢 1960
碘化氢 1540
氰化氢 1540
硫化氢 1570
臭氧 280
氨 1500
甲醛 1930
磷化氢 2150
氧 760
如上所述，根据本实施方式，激光器控制装置14通过与规定频率的时钟信号同步地改变对于激光器11的激励电流值，如图2所示，使激光1的强度以矩形脉冲形状变化，此时，激光1的强度在时间期间T1内大致恒定为矩形脉冲的最大强度E1，具有平坦部Lf1。此时，激光1的波长从光强度的上升稍微延迟，并随着激光器1的温度的上升，在例如从波长λ1到波长λ2的波长扫描范围Lw1内与时间大致成比例地变化。即激光器控制装置14能够控制激光器11，一边使激光1的波长随时间性地变化(扫描)，一边从激光器11输出激光1。此处，通过将测量对象气体的吸收波长λa设定在波长λ1至λ2之间，在规定的吸收波长λa中产生来自光检测器19的电信号Sd的输出电压的下落部分Ld1。通过如上述那样地对该下落部分Ld1中的电信号Sda进行解析，能够对测量对象气体的浓度以及温度进行测定。
即，激光器控制装置14以使激光1的强度在规定的时间期间T1内以至少具有实质上平坦的平坦部Lf1的振幅E1的矩形形状变化，且使激光1的波长在时间期间T1内变化的方式来控制激光器11。由此，与现有技术相比能够大幅提高气体分析的检测精度以及检测灵敏度。另外，图1A的气体分析装置10使用1个激光器构成，与使用2个激光器的专利文献3的气体分析装置相比能够简化结构。
(实施方式1的变形例)
在以上的实施方式1中，设为T1＝T2，但通过设为T1＞T2，能够使激光1的波长扫描范围Lw1比T1＝T2情况下的大。但是，如图2所示，在激光1的强度的上升以及下降中，激光1的波长稍微延迟并到达波长扫描范围Lw1后，经由波长扫描范围Lw1超出该范围外，因此期望将激光1的强度的占空比设定在例如80％以下。但是，当过度降低占空比时，由于波长扫描范围Lw1变得狭窄，因此需要进行那些情况的权衡，例如优选占空比为30％以上。
另外，通过将吸收波长λa设定在波长扫描范围Lw1的大致一半的位置，能够将输出电压的下落部分Ld1设定在波长扫描范围Lw1的大致一半的位置。由此，能够不涉及波长为不确定的部分，以高精度进行测量对象气体的分析。
实施例
(实施方式1的实施例)
图8～图10分别是实施方式1的气体分析装置10的实施例的实验结果，是在对象气体为H2O且腔室压力为100Torr、50Torr以及10Torr时的光检测器19的输出电压的波形图。此处，实施例的适用试验中的规格条件如下所示。
Figure BDA0003881246510000111
从图8～图10可以明确的是，在波长变化范围Lw1内产生了下落部Ld1，示出能够通过解析装置23进行测量对象气体的分析。
在本实施方式的气体分析装置10中，为了提高灵敏度以及检测精度考虑如下措施。
(1)将累计时间设为1秒，约为现有技术的10倍。另外，增大累计次数。
(2)使用冷却型光检测器作为光检测器19，使用具有约为现有技术的10倍检测灵敏度的冷却型光检测器。
(3)使AC放大器21的放大度约为现有技术的10倍。
(4)使来自激光器11的激光1的强度约为现有技术的10倍。
(5)与现有技术相比，减少其他的电路中的噪声。
＜实施方式2＞
图3是示出实施方式2的气体分析装置10A的结构例的框图。另外，图4是示出图3的气体分析装置10A的动作的图，是激光1、2的强度、激光1、2的波长以及来自光检测器19的电信号Sd的输出电压的概略波形图。实施方式2的气体分析装置10A与图1A的实施方式1的气体分析装置10相比，有以下几点不同。
(1)还包括发射激光2的激光器12。
(2)取代激光器控制装置14，包括控制2个激光器11、12的激光器控制装置14A。此处，激光器控制装置14A构成为包括：图1B的控制器60、2个信号发生器61(图1B)以及2个电流电源62(图1B)。
(3)在激光器11、12与准直器17之间设置合波器15。
(4)取代解析装置23，包括以分时方式对与2个激光1、2对应的电信号的各部分进行分析的解析装置23A。
以下，关于不同点进行说明。
激光器控制装置14A通过与规定频率的时钟信号同步地改变对于激光器11的激励电流值，如图4所示，使激光1的强度以例如占空比为50％(时间期间T1＝T2)的矩形脉冲形状变化。通过这样对激光器11进行控制，激光1的强度在时间期间T1内大致恒定为矩形脉冲的最大强度E1，具有平坦部Lf1。
另外，激光器控制装置14A通过与将所述时钟信号反转而产生的反转时钟信号同步地改变对于激光器12的激励电流值，如图4所示，激光2的强度以例如占空比为50％(时间期间T1＝T2)的矩形脉冲形状变化。通过这样对激光器12进行控制，激光2的强度在时间期间T2内大致恒定为矩形脉冲的最大强度E2，具有平坦部Lf2。
即如图4所示，激光器控制装置14A控制激光器11、12使激光1与激光2交替反复，使其以实质上相同的最大强度E1、E2(E1≈E2)的矩形脉冲形状变化。此处，能够从最大强度E1、E2之差求出E1、E2的强度，如下进行控制。
(1)例如后述为了半导体工艺装置中用于水分检测的高精度化，优选的是，平坦部Lf1、Lf2的强度变动各自相对于最大强度E1、E2，例如设定为阈值10-6以下。
(2)优选的是，E1、E2之差相对于最大强度E1、E2，例如设定为阈值10-6以下。
此时，与实施方式1同样地，激光1的波长从光强度的上升稍微延迟于，随着激光器1的温度的上升，在例如从波长λ1到波长λ2的波长扫描范围Lw1内与时间大致成比例地单调增加而变化。即激光器控制装置14能够控制激光器11，一边使激光1的波长时间性地变化(扫描)，一边从激光器11输出激光1。
另外，激光2的波长从光强度的上升稍微延迟，随着激光器2的温度的上升，在例如从波长λ3到波长λ4的波长扫描范围Lw2(Lw1≈Lw2，但是也有稍有不同的情况)内与时间大致成比例地单调增加而变化。即激光器控制装置14A能够控制激光器12，一边使激光2的波长时间性地变化(扫描)，一边从激光器12输出激光2。
此处，通过将第一测量对象气体的吸收波长设定在激光1的波长λ1至λ2之间，在规定的波长λa1中产生来自光检测器19的电信号Sd的输出电压的下落部分Ld1。另外，通过将第二测量对象气体的吸收波长设定在激光2的波长λ3至λ4之间，在规定的波长λa2(λa1≈λa2，但是也有稍有不同的情况)中产生来自光检测器19的电信号Sd的输出电压的下落部分Ld2。
来自激光器11、12的2个激光1、2通过合波器15进行合波后，该合波光4经由使合波光4平行并聚焦的准直器17照射到测量对象气体后，输入到光检测器19。光检测器19接收透射过测量对象气体的激光，光电转换为根据接收的激光的强度且包含交流分量的模拟电信号Sd。AC放大器21具有能够充分放大电信号Sd的交流分量的放大频带(特别是由于激光1的强度急剧地上升或下降，因此具有高次谐波分量)，对来自光检测器19的模拟电信号Sd进行放大，将放大后的电信号Sda输出到解析装置23。然后，解析装置23从AC放大器21输入模拟电信号Sda并通过内置的AD转换器进行AD转换后，如公知的那样对电信号Sda的波形(吸收光谱)进行解析，并对测量对象气体的浓度以及温度进行解析(例如，参照非专利文献1以及2)。解析装置23能够通过例如计算机(信息处理装置)实现。
此处，实施方式2的解析装置23A基于激光器控制装置14内的时钟信号或由解析装置23A再生的时钟信号而同步，通过对电信号Sda进行分时处理而执行气体浓度以及温度的分析处理。即在时间期间T1内，执行对具有吸收波长λa1的测量对象气体的分析处理(包含信号累计)，在时间期间T2内，执行对具有吸收波长λa2的测量对象气体的分析处理(包含信号累计)。由此，能够实质上同时地进行对2个测量对象气体的分析。
在如上构成的气体分析装置10A中，例如在包含推定的吸收波长λa的波长为λ1～λ2的规定的波段中一边扫描由激光器11输出的激光1的波长一边对测量对象气体照射激光1，另外，例如在包含推定的吸收波长λa2的波长为λ3～λ4的规定的波段中一边扫描由激光器12输出的激光2的波长一边对测量对象气体照射激光2。此时通过解析得到的包含测量对象气体的吸收信息的电信号Sda的激光的吸收光谱，进行测量对象气体的浓度或温度的测量。此处，通过激光1、2的矩形脉冲波的反复，对应于各激光1、2的各个矩形脉冲波进行多次累计的分析，能够通过计算其平均值来提高分析精度。
另外，如实施方式2那样地，通过向对象气体照射将具有互不相同的最大强度E1、E2的2个激光1、2合波后的合波光并得到吸收光谱，与现有技术相比能够凭借简单的结构以高精度对吸收量的变化进行检测。另外，能够使每规定时间内的累计次数倍增，与现有技术相比能够提高分析精度。
(实施方式2的变形例)
在以上的实施方式2中，设E1≈E2，并在大致相同的吸收波段内关于相同的测量对象气体进行分析，但是本发明不限于此，也可以设E1≠E2，在互不相同的吸收波段内关于不同的测量对象气体进行分析。在该情况下，除了包含对与测量对象气体成分不同的气体成分进行吸收的波长的波段的激光之外，还使用包含对与测量对象气体成分不同的气体成分进行吸收的波长的波段的激光，由此能够进行多个气体成分的同时测量。此处，优选的是解析装置23A中为了在时间期间T1，T2内对不同的测量对象气体进行分析，以使在波长扫描范围Lw1内存在1个测量对象气体的吸收波长λa1，在波长扫描范围Lw2内存在测量对象气体的吸收波长λa2的方式，来设定波长扫描范围Lw1、Lw2。
在以上的实施方式2中，设T1＝T2，但也可以设T1≠T2。由此，也可以使激光1的波长扫描范围Lw1与激光2的波长扫描范围Lw2互不相同。但是，如实施方式1的变形例中说明的那样，关于波长扫描范围Lw1、Lw2的设定，优选的是考虑矩形脉冲波的占空比而设定。
另外，通过将吸收波长λa1设定在波长扫描范围Lw1的大致一半的位置，能够将输出电压的下落部分Ld1设定在波长扫描范围Lw1的大致一半的位置。通过将吸收波长λa2设定在波长扫描范围Lw2的大致一半的位置，能够将输出电压的下落部分Ld2设定在波长扫描范围Lw2的大致一半的位置。由此，能够不涉及波长为不确定的部分，以高精度进行测量对象气体的分析。
＜实施方式3＞
图5是示出实施方式3的气体分析装置10B的结构例的框图。实施方式3的气体分析装置10B与图3的实施方式3的气体分析装置10A相比,有以下几点不同。
(1)还包括发射激光3的激光器13。
(2)取代激光器控制装置14A，包括控制3个激光器11、12、13的激光器控制装置14B。
(3)取代解析装置23A，包括以分时方式对与3个激光1、2、3对应的电信号的各部分进行分析的解析装置23B。
通过如上构成，通过反复依次使激光1、2、3的矩形脉冲波不重叠地发射，与各激光1、2、3的各多个矩形脉冲波对应地进行多次累计的分析，通过计算该平均值，能够提高分析精度。
此处，各激光1、2、3的最大强度E1、E2、E3可以设定为互相相同，也可以设定为互不相同或至少2个相同。由此，能够将对应于波长设定范围且包含吸收波长的波段设定为互相相同或互不相同，或设定为至少2个相同。
另外，各激光1、2、3的时间期间内E1、E2、E3可以设定为互相相同，也可以设定为互不相同或至少2个相同。但是，由时间期间内E1、E2、E3的长度，波长扫描范围与实施方式2同样地产生变化，实施方式2中的设定的注意事项也相同。
需要说明的是，在实施方式3中，使用3个激光器11、12、13并对3个激光1、2、3进行合波，但本发明不限于此，也可以使用4个以上的激光器并对4个激光进行合波，例如对4个以上的不同的测量对象气体进行分析。
＜实施方式1～3的变形例＞
图6是示出实施方式1～3的变形例的激光1的强度的波形图。如图6所示，也可以控制激光器11使激光1等的强度的形状为梯形形状，而非矩形形状。这可以广泛适用于实施方式1～3及其变形例。
但是，为了使波长扫描范围Lw1尽可能长，对梯形的升起部Lfa与降下部Lfb，优选增大这些的倾斜而使其急剧升起或急剧降下。另外，也可以使梯形的升起部Lfa与降下部Lfb的其中一方构成为实质上90゜或-90゜的角度。
＜实施方式4＞
图11是示出实施方式4的二维气体分析装置10C的结构例的框图。在实施方式1～3中，对具有1个路径(光路)来一维地测定测量对象气体的状态的气体分析装置10、10A、10B的结构进行说明。在实施方式4中，为了能够二维地测量测量对象气体的浓度或温度，对能够通过多个路径进行测定的二维气体分析装置的结构进行说明。
一般公知的X射线计算机断层扫描(CT：Computed Tomography)是利用X射线扫描对象物并对其截面内进行细分化，测量每个其划分的要素的X射线吸收量，通过收集与未知数相同的量的X射线吸收量的信息来构建对象物截面的技术。当测量对象气体中包含大量水蒸气、二氧化碳等成分时，照射的光通过具有固有的吸收光谱的那些化学物种时，在某个波长一部分被吸收并衰减。在吸收法中，测量透射过测量场的光路的积分值作为吸收量。将多个激光照射到测量场，通过使用CT技术重新构建二维图像，能够测量二维温度分布。
(二维气体分析装置的结构)
图11的二维气体分析装置10C是能够对测量对象气体的浓度或温度进行二维地测量地二维气体分析装置，其构成为包括：2个激光器11、12、激光器控制装置14A、合波器15、光纤分路器31、测量单元30以及解析装置23C。此处，AC放大器21内置于解析装置23C内。
测量单元30具有开口且具有大致圆形形状的框架33。对于框架33，为了测量16个光路(路径)的透射光强度，安装有16个准直器17以及与各准直器17相对设置的16个光检测器19。因此，测量单元30在其开口处，一对准直器17与光检测器19形成路径(光路)。即测量单元3具有16个路径(光路)。各路径(光路)构成为包含在相同的平面，在该平面内能够进行二维的测量。需要说明的是，以下，将包含各路径(光路)的平面的法线方向称为“测量单元30的法线方向”。
具有这样的结构的测量单元30配置在包含测量对象气体的测量场，二维气体分析装置10C进行测量单元30的开口区域中的气体成分的测定。
激光器11输出激光1，激光1包含第一测量对象气体的成分所吸收的吸收波长λa1的波段，激光器12输出激光2，激光2包含第一测量对象气体的成分不吸收的特定波长λa2或与第一测量对象气体成分不同的第二测量对象气体的成分所吸收的吸收波长λa2的波段。另外，激光器11以及激光器12输出强度变化的朝向互不相同的或最大强度E1、E2不同的激光1、2。
将分别从激光器11以及激光器12射出的激光1、2输入合波器15，并将合波后的合波光输入光纤分路器31。光纤分路器31将所述合波光分支为16个分支光并分别输入16个准直器17。各分支光经由准直器17照射到测量场。透射过测量场的激光被各光检测器19接收并光电转换为电信号后，输入到解析装置23。
解析装置23对来自各光检测器19的电信号的信号波形进行解析，并重新构建为示出气体成分的浓度与/或温度分布的二维图像。二维图像的重新构建能够使用现有的CT技术进行。
在以上的实施方式4中，说明了路径(光路)的数量为16个的例子，但是路径(光路)的个数并不限定于16，也可以是8、12等。
根据如上构成的实施方式4的二维气体分析装置10C，能够对测量对象气体的温度或浓度的分布进行二维地测量。特别是，通过使2个激光的各振幅具有差，能够消除激光强度由于窗口的污染等作为目的的气体成分的本来的吸收以外的效果而衰减的效果，从而能够防止气体的分析精度的降低。
＜应用例＞
以下，对实施方式4的二维气体分析装置10C的应用例进行说明。需要说明的是，在以下的应用例中，也可以使用实施方式1～4的气体分析装置10～10B。
(应用例1)
图12是示出图11的二维气体分析装置10C在燃烧器100中的应用例1的示意图。
如图12所示，二维气体分析装置10C能够适用于火力发电所等所使用的锅炉用燃烧器100的燃烧室内的燃烧状态(对象气体的温度以及浓度)的检测。例如，通过将图11的测量单元30配置在锅炉的燃烧室110，能够二维地把握燃烧器100的燃烧室110内的燃烧状态。而且，对于燃烧室110，通过在其法线方向排列配置多个测量单元30，还能够三维地测定燃烧状态。
(2)应用例2
图13是示出图11的二维气体分析装置10C在发动机200中的应用例2的示意图。
如图13所示，二维气体分析装置10C能够适用于车辆用发动机的燃烧状态(对象气体的温度以及浓度)的检测。如图13所示，例如，通过在发动机200的工作缸210内设置图11的测量单元30，能够检测工作缸210的内部的燃烧状态。另外，也可以在作为从工作缸210排出的排气气体的流路的排气管220设置图11的测量单元30。由此，能够检测排气气体的温度以及浓度。另外，对于工作缸210内或排气管220，通过在其法线方向上排列配置多个图11的测量单元30而设置，还能够三维地测定气体的状态。
根据如上构成的应用例2，能够在发动机200的工作缸210内或排气系统中进行各种气体的温度以及浓度的检测，对探明燃烧的瞬态或未燃烧燃料的排出行为是有用的。
(应用例3)
图14是示出图11的二维气体分析装置10C在喷气发动机300中的应用例3的示意图。
如图14所示，二维气体分析装置10C能够适用于喷气发动机或工业用燃气轮机的燃烧状态(对象气体的温度以及浓度)的检测。在喷气发动机300(或燃气轮机)中，摄入的气流被以涡轮303的旋转力为原动力的压缩机所压缩，在燃烧器301中与燃料混合并燃烧。通过燃烧产生的燃烧气体使涡轮303旋转，并且从喷射口向外部排气。例如，如图13所示，测量单元30可以设置在喷气发动机300的喷射口305附近。由此，能够对喷气发动机300的燃烧器301内部的燃烧状态进行检测。这样的技术对探明由于流场以及燃料不均匀性引起的振动现象是有用的。另外，可以在喷射口305附近沿燃烧气体的排气方向排列配置多个图11的测量单元30。由此能够三维地检测燃烧状态。
根据如上构成的应用例3，通过将CT技术与激光组合的气体分析装置的结构应用于二维或三维地测量温度分布以及浓度分布的方法，能够在实现装置的简化和定量化、高灵敏度化的同时，扩展应用于锅炉、发动机和燃气轮机等燃烧设备。
(应用例4)
图15是示出图11的二维气体分析装置10C在半导体工艺处理中的应用例4的示意图，图16是示出该应用例4的流程图。
在图15以及图16中，半导体工艺处理例如包含晶片制造工程(S1)、前工程(S2)以及后工程(S3)。在晶片制造工程(S1)中，制造半导体晶片，在前工程(S2)中，在腔室内，将晶片载置在载置台上，使用成膜装置在晶片上形成规定的半导体膜。并且，在后工程(S3)中，切割晶片并组装各个半导体芯片。
在以上的半导体工艺处理中，特别是在前工程(S2)中，当腔室内有水分时无法形成纯度高的半导体，因此为了确保该情况，需要水分检测测定。通过一边使用实施方式1～4的气体分析装置10～10C测量水分一边去除水分，能够实现实质上无水分的腔室内环境。
(应用例5)
图17是示出图11的二维气体分析装置10C在脱硝装置400中的应用例5的示意图。
在图17中，脱硝装置400是例如对NOx等气体进行脱硝的装置，其构成为在排气管410设置有气体分析装置10，基于其NH3的测量值控制NH3的注入管420中注入阀430中的NH3注入量。
在现有技术中的化学发光法或双离子电极法等所代表的间接NOx方式的NH3测量计中，为了防止NH3吸附，存在由于利用加热导管的样品线设置、复杂的测定系统所致的维护负担大，响应性也慢的问题。
对此，在图17中的NH3测定中，由于直接设置在作为生产线的排气管410上并进行测定，与现有技术相比能够大幅提高响应性以及维护性。并且，将响应性好的NH3浓度的测量信号活用于NH3注入量控制，还能够实现NH3注入的优化。
(应用例6)
图18是示出图11的二维气体分析装置10C在废气脱硝系统500中的应用例6的流程图。
在图18中，废气脱硝系统500包括：锅炉501、节能器502、脱硝装置503、空气加热器504、集尘装置505以及排气烟囱506。脱硝装置503以提高集尘设备的集尘率以及防止腐蚀为目的而设置。在图17中，NH3的注入点基本上是脱硝装置503，但当不存在脱硝装置503时，如图18所示，其设置在空气加热器504与集尘装置505之间。此处，二维气体分析装置10C例如设置在511、512、513。
在如上构成的应用例6中，能够以高精度测量NH3并进行废气脱硝。特别是，与现有技术相比，通过使用二维气体分析装置10C，能够得到高成分选择性、高速响应性以及维护性的改善。
(应用例7)
例如在火力发电所中，通过使用实施方式的气体分析装置10～10C能够构成如下。
(1)在锅炉中，通过使用气体分析装置10～10C来进行气体的分析控制，能够减少Nox、CO以及过剩O2，由此，能够与现有技术相比大幅提高燃烧效率。
(2)在从锅炉排出的气体处理装置中，与现有技术相比能够提高脱硝效率，减少氨泄漏，延长脱硝用催化剂的寿命。
(应用例的总结)
如上所述，根据使用实施方式的气体分析装置10～10C的应用例，与现有技术相比，能够得到高成分选择性、高速响应性以及维护性的改善。此处，不仅是NH3测定，还在最佳燃烧控制下的CO，O2的测定，电解设备或半导体工艺中的微量水分的测定等各种产业工艺用途中普及，不仅是单纯的监控，还与工艺控制结合，能够对环境保护，削减运行成本做出很大贡献。
(追加的实施例)
实施例1
图19是实施方式1中的气体分析装置10的实施例1的实验结果，是对象气体为H2O且腔室压力为10Torr(1.3kPa)时的光检测器19的输出电压的波形图。此处，实施例1的适用性试验中的规格条件如下所示。
Figure BDA0003881246510000211
Figure BDA0003881246510000221
根据图19的实施例1的试验结果，信噪比(S/N)为129dB，作为大气压换算浓度可能为1ppb。从图19可以明确的是，能够以在各平坦部分别具有下落部Ld1的方式产生激光。
实施例2
图20是实施方式2中的气体分析装置10A的实施例2的实验结果，是对象气体为H2O且腔室压力为10Torr(1.3kPa)时的光检测器19的输出电压的波形图。此处，实施例2的应用性试验中的规格条件如下所示。
Figure BDA0003881246510000222
根据图20的实施例2的试验结果，从图20可以明确的是，能够以在不同的平坦部分别具有下落部Ld1、Ld2的方式产生激光。
实施例3
图21是实施方式2中的气体分析装置10A的实施例2的实验结果，是示出能够提高作为AC信号的放大率的、光检测器19的输出电压的波形图。
在现有例中，在使用具有锯齿波的激光强度的激光进行测量时，当使作为AC信号的放大率上升时，在AC信号的上部以及下部产生饱和状态且激光的产生变得不稳定，为了稳定运行有该放大率存在上限的问题。对此，在实施方式2的试验结果中，通过以在各平坦部具有下落部的方式产生激光，能够大幅提高作为AC信号的放大率，特别是，在平坦部可以大幅提高电压信号的放大程度。由此，作为气体分析能力，能够进行约100倍的高灵敏度化。
工业上的可利用性
如上详述的那样，根据本发明，激光控制部件控制所述激光光源，使得所述激光的强度以在规定的时间期间内至少具有实质上平坦的振幅的矩形形状或梯形形状变化，并且所述激光的波长在所述时间期间内变化。由此，与现有技术相比能够提高气体分析的检测精度。
另外，根据使用本发明的气体分析装置的应用例，与现有技术相比能够得到高成分选择性、高速应答性以及维护性的改善。特别是，在半导体工艺中，通过使用本发明的气体分析装置，与现有技术相比能够高精度地检测在半导体晶片上形成规定的膜的腔室内中的水分，有助于除去水分，在产业上起到极高的效果。
并且，使用本发明的气体分析装置考虑在下述产业上的利用。
(1)在机动车产业中，能够进行废气管理、燃烧控制。特别是，作为废气测量装置，能够活用于机动车制造商的新发动机开发工具中。
(2)在各种产业设备中，能够进行工程过程管理以及控制。
(3)能够进行各种设备中的过程监控以及控制。例如，能够活用于合成化学设备、钢铁设备等生产工艺中的品质管理或控制用，能够监控原料或产品等气体中包含的特定成分。
附图标记说明
1、2、3 激光
4 合波光
10、10C、10B 气体分析装置
10C 二维气体分析装置
11、12、13 激光器
14、14A、14B 激光器控制装置
14b 测量控制装置
15 合波器
17 准直器
19 光检测器
21 AC放大器
23、35 解析装置
30 二维气体分析装置的测量单元
31 光纤分路器
33 框架
41、42 电极
43 p型包层
44 活性层
45 n型包层
46 n型基板
51 反射面
60 控制器
61 波形发生器
62 电流电源
100 燃烧器
110 燃烧室
200 车辆用发动机
210 工作缸
220 排气管
300 喷气发动机
301 燃烧器
303 涡轮
305 喷射口
400 脱硝装置
410 排气管
420 注入管
430 注入阀
500 废气脱硝系统
501 锅炉
502 节能器
503 脱硝装置
504 空气加热器
505 集尘装置
506 排气烟囱
511 气体分析装置
512 气体分析装置
513 气体分析装置

Claims (20)

1.一种气体分析装置，包括：
激光光源，对测量对象气体照射激光；
激光器控制部件，以使所述激光的波长各自在规定的波段内变化的方式控制所述激光光源；
光检测部件，对透射过所述测量对象气体的激光进行光电转换并输出电信号；以及
解析部件，基于所述电信号来分析所述测量对象气体的吸收波长，
其中，
所述激光器控制部件控制所述激光光源，使得所述激光的强度在规定的时间期间内以至少具有实质上恒定的平坦部的形状变化，且所述激光的波长在所述时间期间内变化。
2.根据权利要求1所述的气体分析装置，其中，
所述形状是矩形形状或梯形形状。
3.根据权利要求1或2所述的气体分析装置，其中，
所述激光器控制部件包括：
信号发生器，产生矩形波或梯形波的电压信号；以及
电流电源，将所述电压信号转换为矩形波或梯形波的驱动电流并使该驱动电流流入所述激光光源。
4.一种气体分析装置，包括：
多个激光光源，分别输出多个激光；
激光器控制部件，以使所述多个激光的波长各自在规定的波段内变化的方式分别控制所述多个激光光源；
合波部件，对所述多个激光进行合波并对测量对象气体照射合波后的合波光；
光检测部件，对透射过所述测量对象气体的激光进行光电转换并输出电信号；以及
解析部件，基于所述电信号来分析所述测量对象气体的吸收波长，
其中，
所述激光器控制部件控制所述多个激光光源，使得所述多个激光相互不重叠且依次反复地输出，各个所述激光的强度在规定的时间期间内以至少具有实质上恒定的平坦部的形状变化，且各个所述激光的波长在所述时间期间内变化。
5.根据权利要求4所述的气体分析装置，其中，
所述形状是矩形形状或梯形形状。
6.根据权利要求4或5所述的气体分析装置，其中，
所述激光器控制部件包括：
信号发生器，产生矩形波或梯形波的电压信号；以及
电流电源，将所述电压信号转换为矩形波或梯形波的驱动电流并使该驱动电流流入所述多个激光光源。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的气体分析装置，其中，
所述多个激光的各个光强度实质上相同，具有规定的阈值以下的差。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的气体分析装置，其中，
所述多个激光光源包含第一激光光源以及第二激光光源，
所述第一激光光源输出第一激光，
所述第二激光光源输出第二激光，
所述激光器控制部件以交替且反复地输出所述第一激光以及第二激光的方式，来控制所述第一激光光源以及第二激光光源。
9.根据权利要求8所述的气体分析装置，其中，
所述气体分析装置还包括将所述合波光分支为多个光路并向测量对象气体照射的分波部件，
所述光检测部件包含对应于所述多个光路中的各个光路设置并对透射过所述测量对象气体的激光进行光电转换而输出电信号的多个光检测部，
在所述气体分析装置中，基于从各个所述光检测部输出的多个电信号来分析测量对象气体，
所述激光器控制部件控制所述第一激光光源以及第二激光光源，以使所述第一激光的振幅与所述第二激光的振幅互不相同且所述第一激光的强度与所述第二激光的强度向相反方向变化，
所述解析部件基于所述第一激光与所述第二激光的振幅之差，消除来自各个所述光检测部的各个电信号的波形中的本来的除吸收以外的因素所引起的变动的影响。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的气体分析装置，其中，
所述激光器控制部件以使所述平坦部的变动在规定的阈值以下的方式，来控制各个所述激光光源。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的气体分析装置，其中，
所述气体分析装置还包括设置在所述光检测部件与所述解析部件之间且对所述电信号进行放大的放大部件。
12.根据权利要求4至11中任一项所述的气体分析装置，其中，
所述激光器控制部件控制所述多个激光，以使在所述时间期间内所述多个激光的振幅实质上互相相同且在所述时间期间内所述多个激光在实质上互相相同的波段内变化。
13.根据权利要求4至11中任一项所述的气体分析装置，其中，
所述激光器控制部件控制所述多个激光，以使在所述时间期间内所述多个激光的振幅互不相同且在所述时间期间内所述多个激光在实质上互不相同的波段内变化。
14.一种气体分析方法，包含如下步骤：
激光光源对测量对象气体照射激光；
以使所述激光的波长各自在规定的波段内变化的方式控制所述激光光源；
对透射过所述测量对象气体的激光进行光电转换并输出电信号；以及
基于所述电信号来分析所述测量对象气体的吸收波长，
其中，
在控制所述激光光源的步骤中包含：控制所述激光光源，使得所述激光的强度在规定的时间期间内以至少具有实质上恒定的平坦部的形状变化，且所述激光的波长在所述时间期间内变化。
15.根据权利要求14所述的气体分析方法，其中，
所述形状是矩形形状或梯形形状。
16.根据权利要求14或15所述的气体分析方法，其中，
所述气体分析方法还包含如下步骤：
信号发生器产生矩形波或梯形波的电压信号；以及
电流电源将所述电压信号转换为矩形波或梯形波的驱动电流并使该驱动电流流入所述激光光源。
17.一种气体分析方法，包含如下步骤：
多个激光光源分别输出多个激光；
以使所述多个激光的波长各自在规定的波段内变化的方式分别控制所述多个激光光源；
对所述多个激光进行合波并对测量对象气体照射合波后的合波光；
对透射过所述测量对象气体的激光进行光电转换并输出电信号；以及
基于所述电信号来分析所述测量对象气体的吸收波长，
其中，
在控制所述激光光源的步骤中包含：控制所述多个激光光源，使得所述多个激光相互不重叠且依次反复地输出，各个所述激光的强度在规定的时间期间内以至少具有实质上恒定的平坦部的形状变化，且各个所述激光的波长在所述时间期间内变化。
18.根据权利要求17所述的气体分析方法，其中，
所述形状是矩形形状或梯形形状。
19.根据权利要求17或18所述的气体分析方法，其中，
所述气体分析方法还包含如下步骤：
信号发生器产生矩形波或梯形波的电压信号；以及
电流电源将所述电压信号转换为矩形波或梯形波的驱动电流并使该驱动电流流入所述多个激光光源。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的气体分析方法，其中，
所述多个激光的各个光强度实质上相同，具有规定的阈值以下的差。
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