JP2000511641A - ガス検知及び測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガス検知及び測定システムは、光源（１０）、光センサー（１８）、第１の流体ポート（２８）と第２の流体ポート（３０）とを有するテストセル本体（１２）及び光源（１０）からテストセル（１２）を経て光センサー（１８）への第１と第２の光パス（３４，３６）を含む。第１と第２の光パス（３４，３６）は、長さが異なる。流体がテストセル本体（１２）を流れるにつれ、第１と第２の光パス（３４，３６）にそって光線の強度が測定され、前記流体内のターゲットガスの濃度が計算できる。

Description

【発明の詳細な説明】 名称 ガス検知及び測定システム 発明の分野 この発明は、ガス検知及び測定に関し、さらに詳しくは、流体中の選 択されたガスの濃度を測定する装置に関するものである。 発明の背景 分光化学分析には、分光測定の測定技術によりサンプルにおける元素 又は分子成分の存在又は濃度を計測するいくつかの技術が含まれている。一つの 特定の技術、即ち、分光測光分析は、特定の波長又は周波数の電磁輻射の吸収又 は減衰に基づく化学分析の一つの方法である。このような分析を行う分光測光器 は、光バルブのような輻射源；光を分散させて、限られた波長範囲のみ又は周波 数範囲だけがサンプルを照射するようになるプリズム又は回析格子を含む単色光 分光器；及びサンプルによって透過された光の量を測定するフォトセルのような 検知器から概ね構成されている。 ２００から４００ｎｍの近紫外線スペクトル範囲が化学分析に一般に 使用されている。紫外線分光測光器には、輻射源としての少なくとも一つのラン プ、センサー及び適切な光学部品が含まれるのが通常である。単純な無機イオン 類とそれらの錯体類ならびに有機分子類は、このスペクトル範囲で検知し、計測 できる。 殆どの定量分析ワークにおいては、既知の吸収性マテリアルが強力に 吸収する波長における既知の吸収性マテリアルの既知の量の吸収度を測定するこ とにより較正曲線又はスタンダード曲線が作られる。前記サンプルの吸光度を分 光測光器の測定回路から直接に読み取る。 殆どのガスは、ある波長において少なくとも一つのはっきりした吸収 ピークを有している。例えば、オゾン(O₃)は、スペクトルの紫外線範囲における 253.7nmにおいて、一つの吸収ピークを有する。サンプル中における選択された ガスの濃度は、以下のようなベール−ランバート(Beer-Lambert)の方程式として 知られている方程式を解くことで得られる： Ｉ_S＝Ｉ_r ^*ｅ^{- εLC} ここで： Ｉ_S は、サンプルからの光の強度； Ｉ_r は、基準体からの光の強度； ε は、使用された波長におけるオゾンの吸収係数定数； Ｌ は、吸収チャンバーの長さ（光のパス長さ）；及び Ｃ は、重量／容積におけるガスの濃度。 Ｌとεは、定量であるから、強度Ｉ_sとＩ_rを測定することにより、ガ ス濃度が計測される。前記ベール−ランバート方程式により、ガス濃度が絶対量 定される。その関係において”基準”光強度と”サンプル”光強度との測定が要 求される。 プロセスガス測定に現在使用されているガス分析器の殆どのものには 、少量のガス分流（サイドストリーム）からガスが供給されており；そして分析 されるのは、前記分流からのガスである。しかしながら、ガスを分流させること は、不経済なことになる。例えば、オゾンゼネレーターについて言えば、該ゼネ レーターからのオゾンアウトプットの一部が前記分析器へ分流された後ガス洗浄 器又はガス中和／分解デバイスへ送られる。このような分流は、これを避けるこ とが望ましく、そして、前記ゼネレーターからのアウトプットの大部分又は全量 を直にサンプリングすることが望ましい。これによって、前記ゼネレーターのア ウトプットが有効に使え、ガス洗浄器が不要になる。しかしながら、既知の紫外 線分析器は、大きなフローヴォリュウムに適合できない極めて小さなテストセル に機能上限定されてしまっている。 既知の光吸収分析器についてのさらなる問題は、特定のガスの濃度を 測定するためには、前記分析器は、前記ガスの流れと比較する”ガスが存在しな い（ゼロ・ガス・プレゼント）”基準又はゼロ基準を必要とする。ゼロ基準を付 与する一つの試みとして、ビームスプリッターを使用して、第２のセンサーによ る測定のために、吸収セルと関連のセンサーから光線をわきへ向けることが行わ れている。しかしながら、前記ガスの流れに曝される光学機構部分は、使用の間 徐々に汚損されて機能程度が変化する一方、分岐光線と関連する光学機構部分は 、汚損されず、二つの測定の間にドリフトが生じ、時間経過に伴い徐々に不正確 になってしまう。 発明の概要 この発明は、ガス検知及び測定システムを提供するもので、このシス テムは、殆どのケースにおいて、ガスゼネレーターで発生された流体全量を前記 システムに流し、その間前記流体を分析して、前記流体内の選択されたガス濃度 を計測することができる。このガス検知及び測定システムには、光源、光センサ ー、第１の流体ポートと第２の流体ポートとを有するテストセル本体及び光源か らテストセルを経て光センサーへの第１と第２の光パスが含まれる。第１と第２ の光パスは、長さが異なる。流体がテストセル本体を流れるにつれ、第１と第２ の光パスにそって光線の強度が測定され、前記流体内のターゲットガスの濃度が 計算できる。このシステムは、汚損された光学要素に関連するドリフト問題をな くし、必要な”ゼロ化（ゼロイング）”又は較正を行う頻度を少なくする。 例示的実施例においては、前記第１の光パスは、間隔をおいて離れた 第１の一対の光学要素により定められ、前記第２の光パスは、間隔をおいて離れ た第２の一対の光学要素により定められる。この発明の他の実施例においては、 第１と第２の光パスは、第２の光学要素に対して移動可能な第１の光学要素によ って定められる。 図面の記述 この発明の他の特色と利点とは、この明細書と添付の図面を参照して さらに明瞭に理解できるものであり、図面において： 図１は、この発明によるガス検知と測定システムの略図であり； 図２は、図１に示した前記システムのためのテストセルの断面図であ り； 図３は、図２に示した前記テストセルの一部切断斜視図であり； 図４は、前記テストセルの別の実施例の略図であり；そして 図５は、前記テストセルのさらに別の略図である。 発明の詳細な記述 図１は、この発明によるガス検知と測定システムの図である。該シス テムは、ガスの分光化学分析に必要な選択されたスペクトル範囲で光を発光する ことができる光源１０を含み、当業者に知られているものである。模範的実施例 における光源１０は、オゾンを含む流体を分析するのに有用な紫外光線を発光す る。 前記システムは、さらにテストセル１２を含み、これは、光源１０か らの光線を受け、光線をそこから出す。以下総称して流体というガスまたは液体 のいずれもガス源又はガスゼネレーターのような第１ロケーション１４からテス トセル１２を通ってリアクター又はガス貯蔵又は分解デバイスのような第２ロケ ーション１６へ向かうようになっている。テストセル１２は、光線がテストセル １２を通過するための長さＬ₁を有する第１の光線パスと長さＬ₂を有する第２の 光線パスを付与する少なくとも一つの吸収チャンバー又はキュベットを含み、又 は、構成する。Ｌ₁とＬ₂との特定の値は、光源１０の出力、用いられる波長、セ ンサーの感受性及び前記システムの電子機構の解像能力により定まる。 一つ又はそれ以上のセンサー２０を含むセンサーアレイ１８がテスト セルを通過した後にテストセル１２から出てくる光線にさらされるようになって いる。前記センサーがシェアーされた基板上にあれば、センサードリフトが最小 になる。前記センサーアレイ１８が第１パス光強度Ｉ_S1を示す出力と第２パス光 強度Ｉ_S2を示す出力を、必要な計算を行う計算デバイス２４を含むシステム電子 機構２２へ付与する。前記測定と計算とに基づくユーザー特定出力がプロッター 、プリンター又はビデオディスプレイのような出力デバイス２６に表示される。 第１と第２パス光強度の測定値を得た後、以下のように書き改めたベ アー−ランバート方程式を適用してガス濃度を測定できる： ここで： Ｉ_r1 は、第１のパスにそい基準ガスを通る光線の強度； Ｉ_r2 は、第２のパスにそい基準ガスを通る光線の強度； Ｉ_s1 は、第１のパスにそって数値が求められたガスサンプルからの 光線の強度； Ｉ_s2 は、第２のパスにそって数値が求められたガスサンプルからの 光線の強度； Ｌ₁ は、第１のパスの長さ； Ｌ₂ は、第２のパスの長さ； ｌ_n は、自然対数関数； ε は、使用の波長におけるオゾン吸収係数定数；及び Ｃ は、重量／容積におけるガスの濃度。 図２から図５は、長さを異にする第１と第２のパスを作るように形成 されたテストセル１２の例示的実施例を図示する。図２と図３とを一緒に参照す ると、例示のテストセル１２は、第１ポート２８と第２ポート３０を構成するテ ストセル本体２７を含む。該ポートは、当業者に知られた態様で流体カップリン グと適合するように形成されることができ、これによって、第１ポート２８は、 ガスゼネレーター１４と流体連通し、第２ポートは、ガス貯蔵部１６と流体連通 している。前記ポートの間の領域は、キュベット又は吸収セル３２であり、第１ ポート２８から第２ポート３０へ、又は、第２ポートから第１ポートへ流体が前 記吸収セルを通過する流体の流れパスを構成する。 第１と第２の光パス３４，３６それぞれが設けられていて、光線が光 源１０からテストセル１２、吸収セル３２を通る流体を通過して、吸収セルとテ ストセルとから抜け出る。この実施例においては、第１の光学要素３８が第２の 光学要素４０に対し整合して相対している。同様に、第３の光学要素４２が第４ の光学要素４０に対し整合して相対している。第１の光パス３４は、第１の光学 要素３８と第２の光学要素４０との間の間隙により構成される。第２の光パスは 、第３の光学要素４２と第４の光学要素４４との間の間隙により構成される。注 目すべき点は、前記間隙の幅が異なり、上記書き改めたベアー−ランバート方程 式で使用される第１と第２のパス長さを構成することである。特定のパス長さの 選択は、光源１０による光線の強度の関数、流体のスペクトル吸収特性及び測定 されるガスの濃度によるものである。代表的には、前記間隙の幅又はパス長さは 、吸収セル３２の直径よりも大きいものではない。さらに、二つの光パスが示さ れているが、図示されていない本発明の他の実施例は、間隙がない第３の光パス を含み、これは、補足のゼロ−基準データを与える。 図示の実施例においては、光学要素３８，４０，４２，４４は、光学 特性をもつロッドであり、これらは、金属又はプラスチックのテストセル本体２ ７の開孔を介して、流体の流れパスに対し約９０°の角度をもって吸収セル３２ に押し込まれている。しかしながら、他の実施例においては、前記光学要素は、 前記流体の流れパスに対し垂直ではなく、前記流体の流れパスに対し平行にさせ ることすらできる。前記流体の流れパスに対し０°から９０°の範囲にある前記 光学要素の配置方向は、特定の光学要素のジオメトリー、サイズ及び前記吸収セ ル３２内の所望の流れ特性により決定される。 流体が乱流状態で吸収セル３２を通過するようにさせる構成であると 、前記光学要素を実質的に均一に汚すようになることになることが分かった。前 記光学要素を前記流体の流れパスに延長させることにより、乱流が引き起こされ る。前記流体の流れが乱流であっても、前記流体は、所定の流体流れパスにそっ て動くことを理解すべきである。この発明の選ばれた実施例では、乱流が要求さ れるけれども、この発明は、吸収セル３２内の流れが乱れのない流れ又は層流で も機能する。 前記光学要素について、さらに配慮する点は、複数の対になっている 要素の間に混じり合い（クロストーク）を生じさせないようにすることである。 したがって、第１の光学要素３８から第４の光学要素４４へ、又は、第３の光学 要素４２から第２の光学要素４０へ光線が通ることを防ぐために、前記複数の対 の要素は、間隔をおいて配置されるもので、この間隔は、光学要素の直径、前記 パスの長さ、前記流体媒体及び前記光源によって決定される。前記混じり合いを 防ぐ別の手立ては、シールド４５をもつ一つ又は複数の光学要素を設けることで ある。 前記光学要素は、溶融シリカのような既知の光学レンズから作られる ことができる。さらに、ここに図示の光学要素は、断面が円形のものであるが、 方形、楕円及びその他のもののようなジオメトリーのものでもよい。前記テスト セル本体２７を作るのに適している金属及びプラスチックスには、ステンレスス チール、アルミニウム、ピーク（Ｐｅｅｋ）、ベスペル（Ｖｅｓｐｅｌ）、テフ ロン及びポリエチレンが含まれる。特定のマテリアルの選択は、特定の用途によ り決まる。 前記第１の光学要素３８と第３の光学要素４２は、光源１０からの光 線を直接受けるように配置されるか、又は、光ファイバーのような光線案内部材 （図示せず）を介して間接的に受けるように配置される。前記第２の光学要素４ ０と第４の光学要素４４は、前記センサーアレイ１８のセンサー（又は複数のセ ンサー）２０と直接対面整合している。この点はまた別に、光線案内部材（図示 せず）を用いて、前記第２の光学要素４０と第４の光学要素４４それぞれから光 線を前記センサーアレイ１８のセンサー（又は複数のセンサー）２０に導いくこ とができる。前記テストセル３２には、前記光学要素それぞれに関連する凹部４ ６があることが示されており、該凹部と光学要素とは、光線案内部材に合うよう になっている。さらに、凹部４６には、Ｏリングのようなシール材が配置されて 、前記テストセル本体２７からのガスの逸散を防ぐ。 図２と図３とについて記載した前記テストセルは、ガスゼネレーター １４からの流体の全量が吸収セル３２を通るようにする寸法に構成されることが できる。実施の一例においては、前記流体は、酸素とオゾンとの気相混合体であ り、最大流量レートが毎分１５リッターである。吸収セル３２は、直径が約０． ２５０インチであり、前記光学要素３８，４０，４２，４４の直径は、０．１２ ５インチ、前記第１の光パス３４の長さは、０．０４０インチ、前記第２の光パ ス３６の長さは、０．０１０インチである。前記光学要素は、シールドされてお らず、前記複数の対の光学要素は、０．２５０インチの間隔で離れている。 別の実施例においては、可変ジオメトリーの特徴を有するテストセル により一つ以上の光パスの長さが与えられ、ここにおいては、第１の測定がＬ₁ で行われ、第２の測定がＬ₂で行われる。このようなデバイスの実施例を図４と 図５とに示すもので、これら実施例においては、光学要素は、相対移動可能にな っている。可変のジオメトリーである実施例それぞれについて注目すべき点は、 第１と第２のパス長さ測定を行う一対の光学要素の構成には、センサー一つのみ で十分な点である。さらに、同じ対の光学要素を用いて第１と第２のパス長さ測 定を行うから、状況次第によっては、複数の対の光学要素をディファレンシャル に汚損することに関連する潜在的問題がなくなる。 図４を参照すると、テストセル４８が図示されていて、これは、一つ の吸収セル５０と第１の光学要素５２とを含み、後者は、対向する第２の光学要 素５４に対し移動可能で、該光学要素の間の距離又はパス長さを長くしたり、短 くしたりするようになっている。この実施例においては、吸収セル５０は、ベロ ーズ又は弾性マテリアルのような可変ジオメトリーの壁部分５６を含み、この壁 部分で吸収セルの長さが変えられるようになっている。前記壁部分５６のために 選ぶマテリアルは、必要な動きと特定の用途によって定められる。紫外光線でオ ゾンの高濃度を測定するのに適合したテストセルの実施例においては、Ｌ₁とＬ₂ とは、約１ｍｍ相違している。このマグニチュードを動かすには、スピーカーの ダイアフラムマテリアルから作られた壁部分５８を設けることによってなされる 。第１のポート５８を第２のポート６０からオフセットするか、又は、乱流ゼネ レーターを設けることにより吸収セル５０内に乱れた流体の流れを起こすことが できる。 ここで図５を参照すると、テストセル６２は、第１の光学要素６６と 第２の光学要素６８とを含む定まった長さの壁によって構成される吸収セル６４ を含んでおり、該吸収セルの一方又は両者は、第１の位置から第２の位置へ動い て第１と第２のパス長さを構成する。この実施例は、一対の光学要素についての ものであるが、可変ジオメトリー構成としては、第２の対の光学要素７０，７２ も含められるもので、これらは、第１の位置から第２の位置へ動くことが可能で ある。 図４と図５との実施例に関しては、当業者に知られている機械的デバ イス及び／又は電気−機械的デバイスを用いて前記壁を動かしたり、前記光学要 素を移動したりする。例えば、電気−機械的サーボによりテストセルの開孔にそ って前記ロッドを前後へスライドさせることができる。 この発明は、その例示的実施例に関して図示し、記載したが、構成と 細部における種々の他の変化、省略及び付加は、この発明のスピリットと範囲を 逸脱することなく行うことができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケラー，スコット アメリカ合衆国 01773 マサチューセッ ツ州 リンカーン サウス コモンズ ９ ディー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 以下を含むガス検知及び測定システム： 光源； 光センサー； 第１のポートと第２のポートを有するテストセル； 間隔をおいて離れている第１の一対の光学要素で定めれる、前記光源 から前記テストセルを経て前記光センサーへの第１の光パスで、前記第１の光パ スは、第１のパス長さを定めているもの； 間隔をおいて離れている第２の一対の光学要素で定めれる、前記光源 から前記テストセルを経て前記光センサーへの第２の光パスで、前記第２の光パ スは、第２のパス長さを定めており、前記第１のパス長さが前記第２のパス長さ と相違しているもの；及び 前記第１の光パスにそって測定される流体を介して光線の強度を計測 し、前記第２の光パスにそう前記流体の光線の強度を計測し、前記第１と第２の 光パスにそう前記光線の強度を基準流体の前記第１と第２の光パスにそう光線の 強度に対し比較し、測定される前記流体の成分の濃度を計測するシステムエレク トロニクス。 ２． 前記テストセルには、前記第１のポートから前記第２のポートへの流 体の流れパスを構成する吸収セルが含まれる請求項１のシステム。 ３． 前記第１の一対の間隔をおいて離れている光学要素の一部と前記第２ の一対の間隔をおいて離れている光学要素の一部とが前記吸収セル内にある請求 項２のシステム。 ４． 前記第１の一対の間隔をおいて離れている光学要素の一部と前記第２ の一対の間隔をおいて離れている光学要素の一部とが前記流体の流れパスに対し ０°から９０°の角度の範囲で前記吸収セルに配置されている請求項３のシステ ム。 ５． 前記第１の一対の間隔をおいて離れている光学要素と前記第２の一対 の間隔をおいて離れている光学要素とが前記流体の流れパスに対し約９０°の角 度で前記吸収セルに配置された対向する光学ロッドを含む請求項４のシステム。 ６． 前記第１の一対の間隔をおいて離れている光学要素と前記第２の一対 の間隔をおいて離れている光学要素とが混じり合いを防ぐために十分な距離をも って離されている請求項４のシステム。 ７． 前記第１の一対の間隔をおいて離れている光学要素と前記第２の一対 の間隔をおいて離れている光学要素とが混じり合いを防ぐためにシールドされて いる請求項４のシステム。 ８． 前記第１の光線パスと前記第２の光線パスとが第２の光学要素に対し 移動可能な第１の光学要素によって定められている請求項１のシステム。 ９． 前記第１の光学要素と前記第２の光学要素とは、前記テストセルの長 さを変えることにより相対的に移動可能になる請求項８のシステム。 １０． 前記テストセルは、可変のジオメトリーの壁部分を含む請求項９のシ ステム。 １１． 前記可変のジオメトリーの壁部分は、弾性マテリアルを含む請求項１ ０のシステム。 １２． 前記可変のジオメトリーの壁部分は、ベローズを含む請求項１１のシ ステム。 １３． 前記第１の光学要素は、前記テストセル内にスライド自由に配置され ていて、第１の位置から第２の位置へ動くことができる請求項９のシステム。 １４． 以下のステップからなる流体の流体成分の量を計量する方法： ａ． 以下を含む検知及び測定システムに流体を導入し； 光源； 光センサー； 第１のポートと第２のポートを有するテストセル； 前記光源から前記テストセルを経て前記光センサーへの第 １の光パスで、前記第１の光パスは、第１のパス長さを定 めているもの；及び 前記光源から前記テストセルを経て前記光センサーへの第 ２の光パスで、前記第２の光パスは、第２のパス長さを定 めており、前記第１のパス長さが前記第２のパス長さと相 違しているもの、 ｂ． 前記第１の光パスにそう基準流体を介して光線の強度を計測し 、そして、前記第２の光パスにそう前記基準流体を介して光線の強度を計測し； ｃ． 前記第１の光パスにそう測定されるべき流体流体を介して光線 の強度を計測し、そして、前記第２の光パスにそう前記流体を介して光線の強度 を計測し；そして ｄ． 測定されるべき前記流体の成分の濃度を計測するために、ステ ップｃとステップｄの光線の強度を比較する。 １５． 前記システムエレクトロニクスは、前記テストセルを流れる、測定さ れるべき前記流体の成分の濃度を以下の方程式を用いて決定する計算デバイスを さらに備える請求項１のシステム： ここで： Ｉ_r1 は、第１のパスにそい基準ガスを通る光線の強度； Ｉ_r2 は、第２のパスにそい基準ガスを通る光線の強度； Ｉ_sl は、第１のパスにそって数値が求められたガスサンプルからの 光線の強度； Ｉ_s2 は、第２のパスにそって数値が求められたガスサンプルからの 光線の強度； Ｌ₁ は、第１のパスの長さ； Ｌ₂ は、第２のパスの長さ； ｌ_n は、自然対数関数； ε は、使用の波長においてコンスタントなオゾン吸収係数；及び Ｃ は、重量／容積における前記流体成分の濃度。 １６． 前記システムエレクトロニクスは、前記テストセルを流れる流体の成 分の濃度を以下の方程式を用いて決定する計算デバイスをさらに備える請求項６ のシステム： ここで： Ｉ_r1 は、第１のパスにそい基準ガスを通る光線の強度； Ｉ_r2 は、第２のパスにそい基準ガスを通る光線の強度； Ｉ_s1 は、第１のパスにそって数値が求められたガスサンプルからの 光線の強度； Ｉ_s2 は、第２のパスにそって数値が求められたガスサンプルからの 光線の強度； Ｌ₁ は、第１のパスの長さ； Ｌ₂ は、第２のパスの長さ； ｌ_n は、自然対数関数； ε は、使用の波長においてコンスタントなオゾン吸収係数；及び Ｃ は、重量／容積における前記流体成分の濃度。 １７． 前記テストセルを流れる流体の成分の前記濃度を以下の方程式を用い て決定する請求項１２の方法： ここで： Ｉ_r1 は、第１のパスにそい基準ガスを通る光線の強度； Ｉ_r2 は、第２のパスにそい基準ガスを通る光線の強度； Ｉ_s1 は、第１のパスにそって数値が求められたガスサンプルからの 光線の強度； Ｉ_s2 は、第２のパスにそって数値が求められたガスサンプルからの 光線の強度； Ｌ₁ は、第１のパスの長さ； Ｌ₂ は、第２のパスの長さ； ｌ_n は、自然対数関数； ε は、使用の波長においてコンスタントなオゾン吸収係数；及び Ｃ は、重量／容積における前記流体成分の濃度。