DE102005033267A1 - Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Mängel einer Verunreinigung in einem Glas - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Mängel einer Verunreinigung in einem Glas Download PDF

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Abstract

Eine Verunreinigung wird von einem Gas entfernt, das sich ergebende Gas wird in eine Zelle (15) eingelassen, und die Intensität des Lichts, das durch die Zelle (15) hindurchgegangen ist, wird als Bezugsgröße gemessen. Gas, welches eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration bekannt ist, wird in die Zelle (15) eingelassen, und die Intensität des Lichts, das durch die Zelle (15) hindurchgegangen ist, wird bei jener Temperatur und jenem Druck gemessen, die bei der Messung der Bezugs-Lichtintensität verwendet wurden. Dann wird die dekadische Extinktion der Verunreinigung auf Grundlage des Verhältnisses der beiden Lichtintensitätsdaten erhalten, die durch die beiden, voranstehend geschilderten Messungen erhalten wurden. Die so erhaltene dekadische Extinktion der Verunreinigung wird in einem Speicher (20a) als Funktion einer Verunreinigungskonzentration gespeichert. Gas, das eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration nicht bekannt ist, wird in die Zelle (15) eingelassen, und die Intensität des Lichts, das durch die Zelle (15) hindurchgegangen ist, wird gemessen bei jener Temperatur und jenem Druck, die bei den voranstehend geschilderten Messungen verwendet wurden. Die dekadische Extinktion der Verunreinigung wird auf Grundlage der zuletzt gemessenen Lichtintensität und der Bezugs-Lichtintensität erhalten. Die so erhaltene dekadische Extinktion wird auf die Funktion angewendet, um hierdurch die Verunreinigungskonzentration zu erhalten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung der Menge einer Verunreinigung in einem Gas.
  • Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung der Menge einer Verunreinigung in einem Gas unter Verwendung eines Infrarot-Spektrometers überlappt sich, wenn die Konzentration einer in Spuren vorhandenen Verunreinigung in einem Gas gemessen wird, der Infrarot-Absorptionspeak des Gashauptbestandteils mit dem Infrarot-Absorptionspeak des spurenförmigen Gasbestandteils, was dazu führt, dass die Messung der spurenförmig im Gas enthaltenen Verunreinigung sehr schwierig wird.
  • Nachstehend wird beispielhaft die Messung einer in Spuren vorhandenen Feuchtigkeit erläutert, die als gasförmige Verunreinigung in Ammoniaksgas vorhanden ist.
  • Es wurde herkömmlich ein Verfahren zur Messung einer derartigen spurenförmigen Feuchtigkeit bei einer Wellenzahl vorgeschlagen, bei welcher keine Überlappung der Infrarotabsorption von Ammoniak und der Infrarotabsorption der Feuchtigkeit auftritt (Japanische Veröffentlichung eines offengelegten Patents Nr. 2001-228085).
  • Selbst bei diesem Messverfahren bei einer Wellenzahl, bei welcher keine Überlappung der Infrarotabsorption von Ammoniak und der Infrarotabsorption der Feuchtigkeit auftritt, überlappt sich dann, wenn die Konzentration der gasförmigen Verunreinigung sehr gering ist, das Infrarotabsorptionsspektrum der gasförmigen Verunreinigung mit dem Infrarotabsorptionsspektrum von Ammoniak. Dies erschwert die Messung der Konzentration der gasförmigen Verunreinigung.
  • Angesichts der voranstehend geschilderten Situation besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Einrichtung zur Bestimmung der Menge einer Verunreinigung in einem Gas, mit welchen exakt die Konzentration der gasförmigen Verunreinigung gemessen werden kann, obwohl die Konzentration der gasförmigen Verunreinigung sehr gering ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer in einem Gas enthaltenen Verunreinigung folgende Schritte: Entfernen der Verunreinigung aus dem Gas, Einlassen des Gases in eine erste Zelle, und Messen der Intensität des Lichts, das durch die erste Zelle hindurchgelassen wird; Einlassen von Gas, das eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration bekannt ist, in die erste Zelle oder eine zweite Zelle, die eine optische Weglänge gleich jener der ersten Zelle aufweist, und Messen der Intensität des Lichts, das durch die erste Zelle oder die zweite Zelle durchgelassen wird, wobei die Temperatur und der Druck auf jenen Werten gehalten werden, wie sie bei der voranstehend geschilderten Messung verwendet wurden; Ermitteln der dekadischen Extinktion der Verunreinigung auf Grundlage des Verhältnis der beiden Lichtintensitätsdaten, die bei den beiden, voranstehend geschilderten Messungen erhalten wurden, und Speichern dieser dekadischen Extinktion der Verunreinigung als Funktion einer Verunreinigungskonzentration; Einlassen von Gas, das eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration unbekannt ist, in die erste Zelle, die zweite Zelle, oder eine dritte Zelle, die eine optische Weglänge gleich jener der ersten Zelle aufweist, und Messen der Intensität des Lichts, das durch die erste Zelle, die zweite Zelle oder die dritte Zelle durchgelassen wird, wobei die Temperatur und der Druck auf jenen Werten gehalten werden, wie sie bei den voranstehend geschilderten Messungen verwendet wurden; und Ermitteln der dekadischen Extinktion der Verunreinigung auf Grundlage der soeben erhaltenen Lichtintensität und der Intensität des Lichts, das durch die erste Zelle hindurchgelassen wurde, und Anwenden der so erhaltenen, dekadischen Extinktion bei der Funktion, um so die Verunreinigungskonzentration zu erhalten.
  • Bei dem voranstehend geschilderten Verfahren wird die Intensität des Lichts, das eine Absorption in einem Probengas erfahren hat, wobei die gasförmige Verunreinigung entfernt wurde, als eine Bezugsgröße gemessen, und wird weiterhin, unter Bedingungen mit der selben Temperatur, dem selben Druck und der selben optischen Weglänge, die Intensität des Lichts gemessen, das eine Absorption in einem Probengas erfahren hat, welches eine gasförmige Verunreinigung enthält, deren Konzentration bekannt ist. Dann wird das Verhältnis (bzw. die Differenz beim Logarithmus) zwischen diesen zwei Lichtintensitätsdaten berechnet, um die dekadische Extinktion der Verunreinigung zu erhalten, und wird die so erhaltene, dekadische Extinktion der Verunreinigung als Funktion einer Verunreinigungskonzentration gespeichert. Dann wird unter Bedingungen mit der selben Temperatur, dem selben Druck und der selben optischen Weglänge die Intensität von Licht gemessen, das eine Absorption in einem Probengas erfahren hat, welches eine gasförmige Verunreinigung enthält, deren Konzentration unbekannt ist. Dann wird die dekadische Extinktion der Verunreinigung erhalten. Wenn die so erhaltene dekadische Extinktion der Verunreinigung auf die Funktion angewendet wird, kann die Verunreinigungskonzentration erhalten werden.
  • Daher kann exakt die Konzentration der Verunreinigung allein gemessen werden, wobei der Einfluss des Probengases ausgeschaltet ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Einrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer in einem Gas enthaltenen Verunreinigung zur Verfügung, wobei vorgesehen sind: eine Zelle, in welche Gas eingelassen wird; eine Lichtquelle zum Bestrahlen der Zelle mit Licht; ein Detektor zur Messung der Intensität des Lichts, das durch die Zelle hindurchgegangen ist; eine Wärmeisoliervorrichtung, um die Zelle auf einer festen Temperatur zu halten; eine Druckeinstellvorrichtung zur Einstellung des Drucks des Gases in der Zelle auf einen vorbestimmten Wert; ein erstes Gaseinlasssystem zum Einlassen eines Probengases in die Zelle, dessen Verunreinigungskonzentration gemessen werden soll; ein zweites Gaseinlasssystem zum Einlassen, in die Zelle, von Gas, das eine Verunreinigung aufweist, deren Konzentration bekannt ist; eine Verunreinigungsentfernungsvorrichtung, die in dem ersten Gaseinlasssystem angeordnet ist, um von einem Probengas eine Verunreinigung zu entfernen; eine erste Lichtintensitätsmessvorrichtung zum Einlassen, in die Zelle, eines Gases, dessen Verunreinigung durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung entfernt wurde, und zur Messung der Intensität des Lichts, das durch die Zelle hindurchgegangen ist; eine zweite Lichtintensitätsmessvorrichtung zum Einlassen, in die Zelle, von Gas, welches eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration bekann ist, und zur Messung der Intensität des Lichts, das durch die Zelle hindurch gegangen ist; eine Speichervorrichtung zum Dividieren der Lichtintensität, die bei der Messung erhalten wurde, die mit der zweiten Lichtintensitätsmessvorrichtung durchgeführt wurde, durch die Lichtintensität, die durch die Messung erhalten wurde, die mit der ersten Lichtintensitätsmessvorrichtung durchgeführt wurde, um hierdurch die dekadische Extinktion der Verunreinigung zu erhalten, und zum Speichern der so erhaltenen dekadischen Extinktion der Verunreinigung als Funktion einer Verunreinigungskonzentration; eine dritte Lichtintensitätsmessvorrichtung zum Einlassen, in die Zelle, von Gas, das eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration unbekannt ist, und zur Messung der Intensität des Lichts, das durch die Zelle hindurchgegangen ist; und eine Konzentrationsmessvorrichtung zum Dividieren der Lichtintensität, die bei der Messung erhalten wurde, die mit der dritten Lichtintensitätsmessvorrichtung durchgeführt wurde, durch die Lichtintensität, die bei der Messung erhalten wurde, die mit der ersten Lichtintensitätsmessvorrichtung durchgeführt wurde, um hierdurch die dekadische Extinktion der Verunreinigung zu erhalten, und zum Anwenden der so erhaltenen dekadischen Extinktion der Verunreinigung auf die Funktion, die in der Speichervorrichtung gespeichert ist, um hierdurch die Verunreinigungskonzentration zu erhalten.
  • Diese Einrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer in einem Gas enthaltenen Verunreinigung entspricht daher dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer in einem Gas enthaltenen Verunreinigung. Mit dieser Einrichtung kann exakt die Konzentration der Verunreinigung allein gemessen werden, wobei der Einfluss des Probengases ausgeschaltet ist.
  • Vorzugsweise sind die Lichtquelle und der Detektor getrennt in jeweiligen, luftdichten Behältern aufgenommen. Bei dieser Anordnung können die luftdichten Behälter einfach evakuiert und mit Gas gefüllt werden, welches nicht Licht an der Wellenlänge des Absorptionsspektrums der Verunreinigung absorbiert. Dies verhindert, dass die Lichtquelle und der Detektor verunreinigt werden. Daher wird das zu messende Verunreinigungsspektrum nicht durch Verunreinigungen beeinflusst, wodurch das Auftreten eines Messfehlers verhindert wird.
  • Es ist vorzuziehen, dass der Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten luftdichten Behälter und der Zelle den luftdichten Zustand in dem ersten luftdichten Behälter aufrechterhalten kann, wenn die Zelle entfernt ist, und dass der Verbindungsabschnitt zwischen dem zweiten luftdichten Behälter und der Zelle den luftdichten Zustand in dem zweiten luftdichten Behälter aufrechterhalten kann, wenn die Zelle entfernt ist. Bei einer derartigen Anordnung kann die Zelle einfach so durch eine andere Zelle ersetzt werden, dass der luftdichte Zustand jedes der luftdichten Behälter beibehalten bleibt.
  • Vorzugsweise ist eine Stromversorgungseinheit zum Liefern elektrischen Stroms an die Lichtquelle oder den Detektor außerhalb des ersten und zweiten luftdichten Behälters angeordnet. Hierdurch wird die Auswirkung der Abstrahlung von der Stromversorgungseinheit verringert, die eine Wärmeerzeugungsquelle darstellt.
  • Vorzugsweise ist weiterhin ein Computer dazu vorgesehen, die Funktion der ersten Lichtintensitätsmessvorrichtung, der zweiten Lichtintensitätsmessvorrichtung, der Speichervorrichtung, der dritten Lichtintensitätsmessvorrichtung und der Konzentrationsmessvorrichtung durchzuführen, und ist der Computer außerhalb des ersten und zweiten luftdichten Behälters angeordnet. Eine derartige Anordnung verringert ebenfalls die Auswirkungen der Abstrahlung von dem Computer, wie im Falle der Stromversorgungseinheit.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
  • 1 eine Ansicht eines Messsystems zur Messung der Lichtintensität eines Probengases (Bezugsgröße), von welchem eine Verunreinigung entfernt wurde;
  • 2 eine Ansicht eines Messsystems zur Messung, zum Zwecke der Erzeugung einer Kalibrierkurve, eines Standardprobengases, das eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration bekannt ist;
  • 3 ein Diagramm, welches im Vergleich (i) das Absorptionsspektrum rektifizierten Ammoniakgases zeigt, gemessen mit dem Messsystem von 1, nachdem das Partialdruckverhältnis der Verunreinigung oder von Dampf so eingestellt wurde, dass die Dampfkonzentration 100 ppb beträgt, in Bezug auf das Ammoniakgas, und (ii) das Absorptionsspektrum von Ammoniakgas, welches eine Verunreinigung oder Feuchtigkeit enthält, gemessen mit dem Messsystem von 2;
  • 4 ein Diagramm, welches die dekadische Extinktion zeigt, die auf Grundlage des Verhältnisses der beiden Absorptionsspektren in 3 erhalten wurde;
  • 5 eine Ansicht eines Messsystems zur Messung einer Probe, die eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration nicht bekannt ist;
  • 6 eine Ansicht eines Messsystems, in welchem eine Infrarotquelle G, ein Interferometer S, ein Infrarotdetektor D und dergleichen innerhalb ausreichend luftdichter Behälter angeordnet sind; und
  • 7 eine Ansicht des Messsystems von 6, wobei die Gaszelle 15 entfernt und nicht mehr mit der Verbindung C2 verbunden ist.
  • 1 ist eine Ansicht eines Messsystems zur Messung der Lichtintensität eines Probengases (Bezugsgröße), von welchem eine Verunreinigung entfernt ist.
  • In 1 ist eine Probengasflasche 11, die ein Probengas enthält, an einen Gaseinlass IN einer Gaszelle 15 über eine Mengendurchflusssteuerung 12 zur Einstellung der Flussmenge von Gas angeschlossen, über eine Verunreinigungsrektifiziervorrichtung 13 zum Entfernen einer Verunreinigung, und ein Ventil 14, das geöffnet werden kann. Dieser Kanal wird als ein erstes Gaseinlasssystem bezeichnet.
  • Andererseits sind ein Einstellventil 16 und eine Vakuumerzeugungsvorrichtung 17 (die auch eine Druckausstoßvorrichtung sein kann) zur Erzeugung eines Unterdrucks an einen Gasauslass OUT der Gaszelle 15 angeschlossen. Die Vakuumerzeugungsvorrichtung 17 ist an eine Hochdruckgasflasche 25 angeschlossen, welche Luft oder Stickstoff enthält. Mit dieser Konstruktion ist eine Drucksteuerung oder Druckregelung von 0,1 Pa in Bezug auf Atmosphärendruck (100 kPa) möglich.
  • Bei der ersten Ausführungsform dient die Gaszelle 15 als die erste, die zweite und die dritte Zelle mit der selben optischen Weglänge, wie dies voranstehend beschrieben wurde.
  • Wie in 1 gezeigt, weist die Gaszelle 15 eine gehäuseartige Zellenkammer 15a auf, die ein festes Volumen hat, und Lichtdurchlassfenster 15b, 15c, jeweils eines an einer Endoberfläche der Zellenkammer 15a. Die Zellenkammer 15a weist den Gaseinlass IN und den Gasauslass OUT auf, und ist weiterhin mit einem Anschluss versehen, an welchen ein Druckwandler 18 angeschlossen ist, zur Messung des Drucks in der Zellenkammer 15a.
  • Die Mengendurchflusssteuerung 12, das Einstellventil 16, und der Druckwandler 18 sind an eine Drucksteuereinheit 19 angeschlossen. Die Drucksteuereinheit 19 ist dazu ausgebildet, auf Grundlage des Drucks, der von dem Druckwandler 18 gemessen wird, die Flussmenge eines Probengases und das Ausmaß der Öffnung des Einstellventils 16 einzustellen, damit der Druck in der Gaszelle 15 auf einem vorbestimmten Druck gehalten wird.
  • Die Lichtdurchlassfenster 15b, 15c bestehen beispielsweise aus Saphir, da derartige Fenster Infrarotstrahlung durchlassen.
  • Um die Gaszelle 15 so gut wie möglich auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten, ist die Gaszelle 15 von einem Isoliermaterial wie beispielsweise Styrolschaum oder dergleichen (nicht gezeigt) umgeben. Die gesamte Gaszelle 15 ist in einem wärmeisolierten Behälter (nicht gezeigt) aufgenommen, zusammen mit einer Infrarotquelle G, einem Spektroskop oder Interferometer S, und einem Infrarotdetektor D, wie dies nachstehend erläutert wird. Das Innere des wärmeisolierten Behälters wird auf einer vorbestimmten Temperatur durch eine Heizvorrichtung, ein Peltierelement oder dergleichen gehalten.
  • Das Bezugszeichen G bezeichnet die Infrarotquelle G. Es kann jede Art und Weise der Infrarotstrahlungserzeugung eingesetzt werden. So kann beispielsweise eine Keramikheizvorrichtung (Oberflächentemperatur 450°C) oder dergleichen eingesetzt werden. Weiterhin ist das Spektroskop oder Interferometer S zur Auswahl der Wellenlänge der Infrarotstrahlung vorgesehen. Weiterhin kann ein Strahlzerhacker (nicht gezeigt) dazu vorgesehen sein, in regelmäßigen Zyklen Licht zu sperren und durchzulassen, das von der Infrarotquelle G erzeugt wird.
  • Licht, das von der Infrarotquelle G abgestrahlt wird, und in die Gaszelle 15 durch das Lichtdurchlassfenster 15c hineingelangt, wird von der Gaszelle 15 durch das Lichtdurchlassfenster 15b ausgesandt, und dann von dem Infrarotdetektor D nachgewiesen. Der Infrarotdetktor D ist als DtGs-Detektor (ein Deuteriumtriglycinsulfatdetektor), als InAs-Detektor, als CCD-Element oder dergleichen ausgebildet.
  • Ein Messsignal des Infrarotdetektors D wird von einer Messeinheit 20 für die dekadische Extinktion bzw. die Konzentration untersucht. Das Untersuchungsverfahren wird nachstehend erläutert.
  • Die Drucksteuereinheit 19 und die Messeinheit 20 für die dekadische Extinktion bzw. die Konzentration werden durch einen Personalcomputer zur Verfügung gestellt. Jede der Verarbeitungsfunktionen der Drucksteuereinheit 19 und der Messeinheit 20 für die dekadische Extinktion bzw. die Konzentration wird von dem Computer durchgeführt, der ein Programm ausführt, das auf einem vorbestimmten Medium gespeichert ist, beispielsweise einer CD-ROM, einer Festplatte oder dergleichen. Ein Speicher 20a, der an die Messeinheit 20 für die dekadische Extinktion bzw. die Konzentration angeschlossen ist, wird durch eine Datei, die beschreibbar ist, bereitgestellt, die in einem Aufzeichnungsmedium wie beispielsweise einer Festplatte oder dergleichen vorgesehen ist.
  • Bei dem voranstehend geschilderten Messsystem wird eine Verunreinigung (beispielsweise Feuchtigkeit) in einem Probengas (beispielsweise Ammoniakgas), aufbewahrt in der Probengasflasche 11, durch ein Absorptionsmittel für die Verunreinigung (beispielsweise Feuchtigkeit absorbierende Chemikalien wie Silikagel oder dergleichen) in der Verunreinigungsrektifiziervorrichtung 13, und dann wird das Probengas der Gaszelle 15 zugeführt.
  • Der Druck in der Gaszelle 15 wird durch den Druckwandler 18 gemessen. Die Drucksteuereinheit 19 steuert die Mengendurchflusssteuerung 12 und das Einstellventil 16 so, dass der gemessene Druckwert gleich einem Sollwert wird. Durch diese Rückkopplungsregelung wird das Innere der Gaszelle 15 schließlich auf dem gewünschten, festen Druck gehalten, der mit Ps bezeichnet ist.
  • In diesem Zustand wird Licht von der Infrarotquelle G abgestrahlt, um eine spektrale Abtastung des Spektroskops oder Interferometers S durchzuführen, und wird die Intensität des durch die Gaszelle 15 durchgelassenen Lichts von dem Infrarotdetektor D erfasst. Auf diese Weise kann das Lichtintensitätsspektrum des Probengases mit davon entfernter Verunreinigung gemessen werden, wobei das Probengas in die Gaszelle 15 eingefüllt ist. Wenn beispielsweise das Probengas Ammoniakgas ist, und die Verunreinigung Feuchtigkeit, kann das Lichtintensitätsspektrum des Ammoniakgases erhalten werden, von welchem die Feuchtigkeit entfernt wurde.
  • Das erhaltene Lichtintensitätsspektrum des Probengases mit davon entfernter Verunreinigung dient dazu, die Lichtmengenänderung der Infrarotquelle G, die Empfindlichkeitsänderung des Detektors, und dergleichen zu korrigieren.
  • 2 ist eine Ansicht eines Messsystems zur Messung, zum Zwecke der Erzeugung einer Kalibrierkurve, eines Standardprobengases, das eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration bekannt ist.
  • Das Messsystem in 2 ist in der Hinsicht ebenso ausgebaut wie das System in 1, als ein System zum Liefern eines Probengases von einer Probengasflasche 11 vorgesehen ist, ein System zum Ablassen des Gases von der Gaszelle 15, und ein optisches Messsystem zur Messung eines Spektrums.
  • Das Messsystem in 2 unterscheidet sich von jenem in 1 in der Hinsicht, dass vorgesehen sind: (i) ein System mit einer Verunreinigungsgasflasche 21, die ein Verunreinigungsgas enthält, dessen Konzentration bekannt ist, (ii) eine Mengendurchflusssteuerung 22, und (iii) ein Ventil 23, so dass das Verunreinigungsgas in die Gaszelle 15 eingelassen werden kann. Dieser Kanal wird als ein zweites Gaseinlasssystem bezeichnet.
  • Bei dem Messsystem mit der voranstehend geschilderten Ausbildung wird das Probengas (beispielweise Ammoniakgas), das in der Probengasflasche 11 aufbewahrt ist, in die Gaszelle 15 über eine Verunreinigungsrektifiziervorrichtung 13 eingelassen, während die Flussmenge des Probengases durch eine Mengendurchflusssteuerung 12 gesteuert wird. Die Temperatur der Gaszelle 15 ist gleich jener Temperatur, auf welcher die Messung mit dem Messsystem in 1 durchgeführt wurde. Zu diesem Zeitpunkt wird das Verunreinigungsgas (beispielsweise Dampf), dessen Konzentration bekannt ist, von der Verunreinigungsgasflasche 21 in die Gaszelle 15 eingelassen, während seine Flussmenge durch die Mengendurchflusssteuerung 22 gesteuert wird.
  • Durch Einstellung des Verhältnisses der Flussmengen der beiden Mengendurchflusssteuerungen 12, 22 kann das Partialdruckverhältnis r zwischen dem Verunreinigungsgas und dem Probengas je nach Wahl eingestellt werden. Der einzustellende Partialdruck des Verunreinigungsgases ist mit Pi bezeichnet, während der Probengasdruck mit Ps bezeichnet ist. Pi ist gleich rPs.
  • Eine Drucksteuereinheit 19 steuert die Mengendurchflusssteuerungen 12, 22 und ein Einstellventil 16 so, dass der Gesamtdruck des Probengases und des Verunreinigungsgases gleich (Pi + Ps) ist.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass im Allgemeinen Pi erheblich kleiner als Ps ist, um 3 oder 4 Stellen. Daher wird in der Praxis so vorgegangen, dass Pi im Wesentlichen unberücksichtigt bleibt, so dass die Drucksteuereinheit 19 eine solche Steuerung durchführt, dass der Gesamtdruck des Probengases und des Verunreinigungsgases nicht gleich (Pi + Ps) ist, sondern gleich Ps.
  • Wie voranstehend erläutert, sind in der Gaszelle 15 das Probengas auf dem Partialdruck Ps und das Verunreinigungsgas auf dem Partialdruck Pi vorhanden.
  • In diesem Zustand wird Licht von einer Infrarotquelle G abgestrahlt, um eine spektrale Abtastung eines Spektroskops oder Interferometers S durchzuführen, und wird die Intensität des durch die Gaszelle 15 hindurchgegangenen Lichts von einem Infrarotdetektor D erfasst. Daher kann das Absorptionsspektrum des Probengases gemessen werden, welches die Verunreinigung enthält, deren Konzentration bekannt ist, während das Probengas in die Gaszelle 15 eingefüllt ist.
  • Wenn beispielsweise das Probengas Ammoniakgas ist, und die Verunreinigung Feuchtigkeit ist, kann das Absorptionsspektrum des Ammoniakgases erhalten werden, welches die Feuchtigkeit enthält, deren Konzentration bekannt ist.
  • 3 ist ein Diagramm, welches im Vergleich (i) das Absorptionsspektrum rektifizierten Ammoniakgases zeigt, gemessen von dem Messsystem in 1, nachdem das Partialdruckverhältnis der Verunreinigung oder des Dampfes so eingestellt wurde, dass die Dampfkonzentration 100 ppb in Bezug auf das Ammoniakgas beträgt, und (ii) das Absorptionsspektrum von Ammoniakgas, welches eine Verunreinigung oder Feuchtigkeit enthält, gemessen von dem Messsystem in 2. In 3 ist auf der Abszisse die Wellenzahl (cm-1) aufgetragen, während die Ordinate in freiwählbarem Maßstab die Lichtintensität angibt. Die Wellenzahl auf der Abszisse liegt im Bereich von 3870 (cm-1) bis 3780 (cm-1), was einer Wellenlänge im Bereich von 2583 nm bis 2645 nm entspricht.
  • 3 zeigt einen Unterschied, obwohl dieser sehr gering ist, zwischen dem Absorptionsspektrum des rektifizierten Ammoniakgases und dem Absorptionsspektrum des Feuchtigkeit enthaltenden Ammoniakgases.
  • 4 ist ein Diagramm, welches die dekadische Extinktion zeigt, die durch Umwandlung des Verhältnisses der beiden Absorptionsspektren in 3 erhalten wird. In 4 ist auf der Ordinate die dekadische Extinktion aufgetragen.
  • Hierbei ist die dekadische Extinktion ein Logarithmus log (R0/R1) des Verhältnisses (R0/R1) zwischen einer erfassten Lichtintensität R0, die bei der Messung erhalten wird, die mit einem Probengas durchgeführt wird, das keine Verunreinigung aufweist, und in der Gaszelle 15 vorhanden ist, und einer erfassten Lichtintensität R1, die bei der Messung erhalten wird, die mit einem Probengas, das eine Verunreinigung enthält, durchgeführt wird, das in der Gaszelle 15 vorhanden ist.
  • Das Diagramm in 4 zeigt die Spektren der dekadischen Extinktion von Feuchtigkeit mit einer Konzentration von 100 ppb in der Gaszelle 15.
  • Die Messeinheit 20 für die dekadische Extinktion bzw. Konzentration speichert im Speicher 20a die Spektren von 4 als Daten in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
  • Dann wird eine große Anzahl derartiger Daten erhalten, während die Verunreinigungskonzentration geändert wird. Für jede Wellenlänge erhält man eine Kurve, welche die Beziehung zwischen der Verunreinigungskonzentration und der dekadischen Extinktion angibt. Diese Kurve wird als Kalibrierkurve bezeichnet.
  • Es wird angenommen, dass sich die Steigung der Kalibrierkurve nicht wesentlich ändert, obwohl die Wellenlänge geändert wird. Daher kann die Kalibrierkurve für zumindest eine repräsentative Wellenlänge verwendet werden. Die repräsentative Wellenlänge ist jene Wellenlänge, bei welcher das Verunreinigungsspektrum einen typischen Peak zeigt. So taucht beispielsweise in 4 der höchste Peak bei 3854 (cm-1) auf. Daher kann die Kalibrierkurve bei dieser Wellenlänge verwendet werden.
  • 5 ist eine Ansicht eines Messsystems zur Messung einer Probe, die eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration unbekannt ist. Das Messsystem in 5 ist im Wesentlichen ebenso wie in 1 aufgebaut, mit Ausnahme der Tatsache, dass keine Verunreinigungsrektifiziervorrichtung zum Entfernen der Verunreinigung von dem Probengas vorhanden ist. Daher wird ein eine Verunreinigung enthaltendes Probengas in die Gaszelle 15 über dem Gaseinlass IN eingelassen. Hierbei ist die Konzentration der Verunreinigung nicht bekannt. Es werden solche Vorkehrungen getroffen, dass die Temperatur der Gaszelle 15 zum Zeitpunkt der Messung die gleiche ist wie jene bei der Messung, die mit jedem der Messsysteme in den 1 und 2 durchgeführt wurde. Weiterhin werden derartige Vorkehrungen getroffen, dass der Druck in der Gaszelle 15 gleich dem Druck Ps ist, der voranstehend erwähnt wurde. Das Intensitätsspektrum, das mit dem Messsystem von 5 gemessen wird, ist das Intensitätsspektrum einer Gasmischung aus dem Probengas und dem Verunreinigungsgas.
  • Bei dem Verfahren zur Bestimmung der Menge der Verunreinigung im Gas gemäß der vorliegenden Erfindung führt die Messeinheit 20 für die dekadische Extinktion bzw. die Konzentration die folgende Datenverarbeitung durch.
  • Zuerst wird das Intensitätsspektrum, das von dem Messsystem in 5 gemessen wurde, durch das Intensitätsspektrum dividiert, das von dem Messsystem in 1 gemessen wurde. Dann kann das Absorptionsspektrum oder das Spektrum der dekadischen Extinktion des Verunreinigungsgases erhalten werden.
  • Dann wird das Spektrum der dekadischen Extinktion des Verunreinigungsgases auf die bereits vorbereitete Kalibrierkurve angewendet, um hierdurch die Konzentration des Verunreinigungsgases zu erhalten.
  • Wie voranstehend erwähnt, kann die Konzentration des Verunreinigungsgases festgestellt werden, dessen Konzentration unbekannt war.
  • Nachstehend werden Abänderungen des Messsystems erläutert. Bei jedem der Messsysteme, die in den 1, 2 und 5 gezeigt sind, sind die Infrarotquelle G, das Spektroskop oder das Interferometer S, und der Infrarotdetektor D in der Raumluft angeordnet. Allerdings gibt es Fälle, bei denen ein Bestandteil wie beispielsweise Feuchtigkeit gemessen werden soll, Kohlenstoffdioxidgas, Stickstoffgas oder dergleichen, welcher Infrarotstrahlung absorbiert. Derartige Bestandteile sind jedoch auch in der Luft vorhanden. Daher ist es für eine exakte Messung erforderlich, einen derartigen Bestandteil, der in der Luft enthalten ist, von der Infrarotquelle G, dem Spektroskop oder dem Interferometer S, und dem Infrarotdetektor D fernzuhalten.
  • Hierbei kann man so vorgehen, dass die Infrarotquelle G, das Spektroskop oder Interferometer S, der Infrarotdetektor D und dergleichen im Innern eines ausreichend luftdichten Behälters angeordnet sind, und dieser Behälter evakuiert wird, oder mit einem äußerst reinem Gas gefüllt wird, welches keine Infrarotstrahlung absorbiert.
  • 6 ist eine Ansicht eines Messsystems, bei welchem die Infrarotquelle G, das Interferometer S, der Infrarotdetektor D und dergleichen innerhalb eines ausreichend luftdichten Behälters angeordnet sind.
  • In 6 sind die Gasflusskanäle wie beispielsweise das Gaseinlasssystem und dergleichen weggelassen. Die Infrarotquelle G und das Interferometer S sind innerhalb eines ausreichend luftdichten Behälters 31 angeordnet, wobei ein Schlitz 32 und eine Fokussierlinse oder ein Spiegel 34 in dem optischen Weg vorhanden sind. Ein Vakuumanschluss 37 ist an einer Außenwand des Bodens des luftdichten Behälters 31 angeordnet. Ein Stromversorgungskabel von einer Stromversorgungseinheit 44 und dergleichen sind an dem Vakuumverbinder 37 angeschlossen. Eine Vakuumpumpeneinlassöffnung ist an eine Verbindung C4 angeschlossen.
  • Laserlicht von einer Laservorrichtung L wird in den luftdichten Behälter 31 durch ein Lichtdurchlassfenster 35 eingelassen. Bei dem Interferometer S wird dieses Laserlicht zur Auswahl von Licht mit einer bestimmten Wellenlänge eingesetzt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung mit dem Interferometer S, welches die Laservorrichtung L verwendet, bei der in 1 gezeigten Anordnung eingesetzt werden kann.
  • Eine Verbindung C1 zum Anschluss an die Gaszelle 15 ist an einer Querwand des luftdichten Behälters 31 angebracht. Ein Lichtdurchlassfenster 41 ist auf der Verbindung C1 angebracht. Der Verbindungsabschnitt zwischen der Verbindung C1 und dem Lichtdurchlassfenster 41 wird im luftdichten Zustand gehalten. Daher tritt kein Gas von der Verbindung C1 aus, so dass der luftdichte Zustand im Inneren des luftdichten Behälters 31 aufrechterhalten bleibt. Ein O-Ring 40 ist dazu vorgesehen, die Verbindung C1 mit der Gaszelle 15 zu verbinden.
  • Weiterhin ist ein ausreichend luftdichter Behälter 33 vorgesehen, der den Infrarotdetektor D aufnimmt. Eine Fokussierlinse oder ein Spiegel 36 ist in dem ausreichend luftdichten Behälter 33 zusammen mit dem Infrarotdetektor D vorgesehen. Ein Vakuumverbinder 38 ist an der Außenwand des Bodens des luftdichten Behälters 33 angeordnet. Ein Stromversorgungskabel von der Stromversorgungseinheit 44 und dergleichen sind mit dem Vakuumverbinder 38 verbunden. Eine Vakuumpumpeneinlassöffnung ist an eine Verbindung C3 angeschlossen.
  • Eine Verbindung C2 zur Verbindung mit der Gaszelle 15 ist ebenfalls an einer Querwand des luftdichten Behälters 33 angeordnet. Ein Lichtdurchlassfenster 43 ist auf der Verbindung C2 angebracht. Die Verbindung C2 weist einen O-Ring 40 auf, über welchen der luftdichte Behälter 33 mit der Gaszelle 15 verbunden ist. Die Verbindung C2 kann in Richtung der optischen Achse bewegt werden, um das Anbringen und Abnehmen des Behälters 33 an bzw. von der Gaszelle 15 zu erleichtern. Ein O-Ring 42 ist dazu vorgesehen, einen Austritt von Gas zu verhindern, wenn die Verbindung C2 in Richtung der optischen Achse bewegt wird.
  • Weiterhin kann eine Vakuumpumpe an einen Verbinder 47 der Verbindung C1 angeschlossen sein, um sowohl Luft, die in den Raum zwischen dem Fenster 41 der Verbindung C1 und dem Fenster 15c der Gaszelle 15 eingedrungen ist, als auch Luft zu entfernen, die in den Raum zwischen dem Fenster 15b der Gaszelle 15 und dem Fenster 43 der Verbindung C2 eingedrungen ist. Diese beiden Räume stehen miteinander über ein Durchgangsloch 48 in Verbindung, das in der Gaszelle 15 vorgesehen ist. Daher kann die Luft innerhalb der beiden Räume gleichzeitig abgesaugt werden, einfach durch Anschluss der Vakuumpumpe an den Verbinder 47 der Verbindung C1.
  • Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung so, dass andere Hauptbestandteile, beispielsweise die Laservorrichtung L, die Stromversorgungseinheit 44, der Personalcomputer und dergleichen, mit Ausnahme der Infrarotquelle G, des Interferometers S und des Infrarotdetektors D, außerhalb der luftdichten Behälter 31, 33 angeordnet sind. Die Wärmeströmung ist im Vakuum nämlich extrem verringert. Wenn die Laservorrichtung, die Stromversorgungseinheit, der Computer und dergleichen innerhalb der luftdichten Behälter 31, 33 angeordnet sind, wird daher keine Wärme von der Laservorrichtung, der Stromversorgungseinheit, dem Computer und dergleichen nach außen übertragen. Hierdurch wird die Temperatur innerhalb der luftdichten Behälter 31, 33 abnorm stark erhöht, was die Messsysteme negativ beeinflusst.
  • Wenn bei dem in 6 gezeigten Messsystem das Spektrum der dekadischen Extinktion oder der Absorption des Verunreinigungsgases gemäß dem Verfahren gemessen wird, das im Zusammenhang mit den 1 bis 5 erläutert wurde, wobei die luftdichten Behälter 31, 33 auf unterhalb von Atmosphärendruck im Innern evakuiert wurden (beispielsweise 10-4 bis 10-6 Torr), wird hierdurch der Einfluss jener in der Luft enthaltenen Bestandteile ausgeschaltet, welche Infrarotstrahlung absorbieren. Daher kann eine exaktere Messung der dekadischen Extinktion oder der Absorption durchgeführt werden.
  • 7 ist eine Ansicht des Messsystems von 6, wobei die Gaszelle 15 entfernt und nicht mehr mit der Verbindung C2 verbunden ist. Bei dieser Anordnung kann die Gaszelle 15 durch eine andere Gaszelle ersetzt werden. Wie voranstehend erläutert, halten die Verbindungen C1, C2 den luftdichten Zustand der luftdichten Behälter 31, 33 aufrecht. Selbst zum Zeitpunkt des Austausches einer Gaszelle wird daher das Vakuum der luftdichten Behälter 31, 33 nicht verschlechtert.
  • Daher kann nach Fertigstellung des Austausches sofort mit der Messung begonnen werden.
  • Voranstehend wurden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die voranstehend geschilderten Ausführungsformen beschränkt. So kann beispielsweise eine größere Wellenlänge (40μm) als voranstehend erwähnt verwendet werden. In diesem Fall kann ein Bestandteil gemessen werden, der herkömmlich nicht gemessen werden konnte, oder ein Bestandteil, bei dem bislang die Messung schwierig war (beispielsweise ein Wolframbestandteil oder ein Phosphorbestandteil). Allerdings ist es in diesem Fall erforderlich, dass jedes der Lichtdurchlassfenster 15b, 15c der Gaszelle, der Lichtdurchlassfenster 41, 43 der Verbindungen C1, C2, und der Lichtdurchlassabschnitt des Interferometers S aus einem Material bestehen, welches Licht bei einer derartigen größeren Wellenlänge durchlassen kann. Wenn beispielsweise der Lichtdurchlassabschnitt des Interferometers S aus CsI (Zäsiumjodid) besteht, und die Lichtdurchlassfenster aus KRS-5 (45,7% Thalliumbromid und 54,3% Thalliumjodid) bestehen, kann eine stabile Messung im Infrarotbereich durchgeführt werden (CsI ist ein Optikmaterial, das eine Lichtdurchlassrate von 80% oder mehr im Wellenlängenbereich von 0,5 bis 40 μm aufweist, und KRS-5 ist ein Optikmaterial, das eine Lichtdurchlassrate von 70% oder mehr im Wellenlängenbereich von 3 bis 40 μm aufweist).
  • Weiterhin kann das Fenster 41 der Verbindung C1 und das Fenster 43 der Verbindung C2 entfernt werden. Bei dieser Anordnung kann der luftdichte Zustand in jedem der luftdichten Behälter 31, 33 dadurch aufrechterhalten werden, dass die Gaszelle 15 an die Verbindungen C1, C2 angeschlossen wird. Die beiden luftdichten Behälter 31, 33 stehen miteinander über das Durchgangsloch 48 der Gaszelle 15 in Verbindung. Daher können die luftdichten Behälter 31, 33 insgesamt einfach dadurch evakuiert werden, dass eine Vakuumpumpe an einen der Behälter 31, 33 angeschlossen wird.
  • Die Offenbarung der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-210693, eingereicht am 16. Juli 2004, wird durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Verunreinigung in einem Gas mit folgenden Schritten: (a) Entfernen der Verunreinigung von dem Gas, Einlassen des Gases in eine erste Zelle (15), und Messung der Intensität des Lichts, das durch die erste Zelle hindurchgegangen ist; (b) Einlassen eines Gases, das eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration bekannt ist, in die erste Zelle (15) oder eine zweite Zelle (15), die eine optische Weglänge gleich jener der ersten Zelle aufweist, und Messung der Intensität des Lichts, das durch die erste Zelle oder die zweite Zelle hindurchgegangen ist, bei jener Temperatur und jenem Druck wie jenen, die bei der voranstehenden Messung (a) eingesetzt wurden; (c) Dividieren der Lichtintensität, die bei der voranstehenden Messung (b) erhalten wurde, durch die Lichtintensität, die bei der voranstehenden Messung (a) erhalten wurde, um hierdurch die dekadische Extinktion der Verunreinigung zu erhalten, und Speichern dieser dekadischen Extinktion der Verunreinigung als Funktion einer Verunreinigungskonzentration; (d) Einlassen eines Gases, das eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration unbekannt ist, in die erste Zelle (15), die zweite Zelle (15), oder eine dritte Zelle (15), die eine optische Weglänge gleich jener der ersten Zelle aufweist, und Messung der Intensität des Lichts, das durch die erste Zelle hindurchgegangen ist, die zweite Zelle, oder die dritte Zelle, bei jener Temperatur und jenem Druck, die bei der voranstehenden Messung (a) eingesetzt wurden; und (e) Dividieren der Lichtintensität, die bei der voranstehenden Messung (d) erhalten wurde, durch die Lichtintensität, die bei der voranstehenden Messung (a) erhalten wurde, um hierdurch die dekadische Extinktion der Verunreinigung zu erhalten, und Einsetzen der so erhaltenen dekadischen Extinktion bei der Funktion, um hierdurch die Verunreinigungskonzentration zu erhalten.
  2. Einrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer in einem Gas vorhandenen Verunreinigung, wobei vorgesehen sind: eine Zelle (15), in welche Gas eingelassen wird; eine Lichtquelle (G), zum Abstrahlen von Licht auf die Zelle (15); ein Detektor (D) zur Messung der Intensität des Lichts, das durch die Zelle hindurchgegangen ist; eine Wärmeisoliervorrichtung zum Halten der Zelle (15) auf einer festen Temperatur; eine Druckeinstellvorrichtung (19) zur Einstellung des Drucks des Gases in der Zelle (15) auf einen vorbestimmten Wert; ein erstes Gaseinlasssystem (11-14) zum Einlassen eines Probengases, dessen Verunreinigungskonzentration gemessen werden soll, in die Zelle (15); ein zweites Gaseinlasssystem (21-23) zum Einlassen von Gas, das eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration bekannt ist, in die Zelle (15); eine Verunreinigungsentfernungsvorrichtung (13), die in dem ersten Gaseinlasssystem (11-14) angeordnet ist, um eine Verunreinigung von einem Probengas zu entfernen; eine erste Lichtintensitätsmessvorrichtung zum Einlassen von Gas in die Zelle, von welchem die Verunreinigung durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung entfernt wurde, und zur Messung der Intensität des Lichts, das durch die Zelle hindurchgegangen ist; eine zweite Lichtintensitätsmessvorrichtung zum Einlassen von Gas in die Zelle, welches eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration bekannt ist, und zur Messung der Intensität des Lichts, das durch die Zelle hindurchgegangen ist; eine Speichervorrichtung zum Dividieren der Lichtintensität, die bei der Messung erhalten wird, die mit der zweiten Lichtintensitätsmessvorrichtung durchgeführt wird, durch die Lichtintensität, die bei der Messung erhalten wird, die mit der ersten Lichtintensitätsmessvorrichtung durchgeführt wird, um hierdurch die dekadische Extinktion der Verunreinigung zu erhalten, und zum Speichern der so erhaltenen dekadischen Extinktion der Verunreinigung als Funktion einer Verunreinigungskonzentration; eine dritte Lichtintensitätsmessvorrichtung zum Einlassen in die Zelle von Gas, das eine Verunreinigung enthält, deren Konzentration unbekannt ist, und zur Messung der Intensität des Lichts, das durch die Zelle hindurchgegangen ist; und eine Konzentrationsmessvorrichtung (20) zum Dividieren der Lichtintensität, die bei der Messung erhalten wird, die mit der dritten Lichtintensitätsmessvorrichtung durchgeführt wird, durch die Lichtintensität, die bei der Messung erhalten wird, die mit der ersten Lichtintensitätsmessvorrichtung durchgeführt wird, um hierdurch die dekadische Extinktion der Verunreinigung zu erhalten, und zum Einsatz der so erhaltenen dekadischen Extinktion der Verunreinigung bei der Funktion, die in der Speichervorrichtung gespeichert ist, um hierdurch die Verunreinigungskonzentration zu erhalten.
  3. Einrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Verunreinigung in einem Gas nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen so durchgeführt werden, dass die Lichtquelle (G) in einem ersten luftdichten Behälter (31) aufgenommen ist, und der Detektor (D) in einem zweiten luftdichten Behälter (33) aufgenommen ist.
  4. Einrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Verunreinigung in einem Gas nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (C1) zwischen dem ersten luftdichten Behälter (31) und der Zelle (15) den luftdichten Zustand in dem ersten luftdichten Behälter aufrechterhalten kann, wenn die Zelle abgenommen ist, und der Verbindungsabschnitt (C2) zwischen dem zweiten luftdichten Behälter (33) und der Zelle (15) den luftdichten Zustand in dem zweiten luftdichten Behälter aufrechterhalten kann, wenn die Zelle abgenommen ist.
  5. Einrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Verunreinigung in einem Gas nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromversorgungseinheit (44) zum Liefern elektrischer Energie an die Lichtquelle (G) oder den Detektor (D) außerhalb des ersten und zweiten luftdichten Behälters (31, 33) angeordnet ist.
  6. Einrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Verunreinigung in einem Gas nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Computer vorgesehen ist, der die Funktion der ersten Lichtintensitätsmessvorrichtung, der zweiten Lichtintensitätsmessvorrichtung, der Speichervorrichtung, der dritten Lichtintensitätsmessvorrichtung und der Konzentrationsmessvorrichtung ausführt, wobei der Computer außerhalb des ersten und zweiten luftdichten Behälters (31, 33) angeordnet ist.
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