JP2004271295A - レーザ分光分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセルの吸気口側に固定絞りを備え、排気口側に真空レギュレータ、及び補助タンクを備えた構成にして、ガスセル内の微量成分のサンプル測定を高精度で行い、又、多種のサンプルを切替えて順次測定する場合において、サンプル切替えを短時間で行うことができるレーザ分光分析装置を提供する。
【解決手段】レーザ分光分析装置は、被測定対象のサンプルをガスセル内に吸引し、このガスセル内に吸引されたサンプルにレーザ光を照射して分光測定を行うレーザ分光分析装置であって、ガスセルの吸気部分に固定絞りを備え、排気部分に圧力を制御するための圧力制御手段を備え、固定絞りを有する吸気部分に外部より開閉が設定可能なバルブを備えたことである。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ分光分析装置に関するものであり、特に、ガス状のサンプルの連続測定を行う装置、複数サンプルを測定する場合や、標準サンプルと測定対象となるサンプルを切換えて測定する装置におけるガスセルの部分を改良したレーザ分光分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術におけるレーザ分光分析装置は、図２及び図３に示すように、光学系を気密に構成されたパージボックス２０内に収容されており、波長可変型の半導体レーザ１で構成され、この半導体レーザ１からのレーザ光が発振され、そのレーザ光は集光レンズ系２でコリメートされた後、一部がビームスプリッタ３を透過してサンプルセル４に導入され、サンプルセル４を透過した後、第１の光検出器５でその光量が測定されて信号が出力される。
又、残りのレーザ光はビームスプリッタ３で反射され、第２の光検出器６でその光量が測定されて信号が出力される。
第ｌ及び第２の光検出器５、６から出力される信号は、それぞれＩ／Ｖ変換器とプレ増幅器を備えた変換装置７で電流信号から電圧信号に変換されて増幅された後、ロックインアンプ８で信号処理されてコンピュータ装置９に送られ、必要に応じてデータ処理される。サンプルセル４の内部には被測定ガスが一定の流量で導入され、真空ポンブ（図示せず）で排気されるように構成されている。
又、半導体レーザ１のレーザ素子温度を制御するための温度コントローラ１０と、半導体レーザ１の駆動電流を制御する電流ドライバ１１を備え、これらはコンピュータ装置９で制御される構成になっている。
また、ロックインアンプ８には発振器１２が設けられており、この発振器１２から周波数変調法に基いて変調信号（交流成分）が電流ドライバ１１に導入され、半導体レーザ１への注入電流（直流成分）にこの変調信号（交流成分）を重畳させることによって、半導体レーザ１から発振されるレーザ光に直接周波数変調がかけられるようになっている。
【０００３】
図３は置換用ガスライン３０の詳細を示す。置換用ガスライン３０は、サンプルセル４内にガスを導入するための導入ライン（導入手段）３１と、サンプルセル４内からガスを排気するための排気ライン３２とからなっている。排気ライン３２には、圧力計３３および流量調撃バルブ３４が設けられており、図示しない真空ポンプに接続されている。導入ライン３１には、サンプルセル４に近い方から順に三方分岐弁３５、精製器３６、開閉弁３７、流量コントローラー３８が設けられており、被測定ガスの供給源（図示せず）へ接続されている。また開閉弁３７と流量コントローラー３８の問から分岐しバイパスライン３９が三方分岐弁３５に接続されている。三方分岐弁３５および開閉弁３７としては、空気圧駆動弁が好ましく用いられる。
【０００４】
導入ライン３１は、サンプルセル４内に、精製されていない被測定ガスと精製された被測定ガス（精製被測定ガス）とを切り換え可能に導入できるように構成されている。すなわち、精製被測定ガスをサンプルセル４内に導入するには、開閉弁３７を開き、三方分岐弁３５のバイパスライン３９側を閉じる。この状態で被測定ガスは流量コントローラ３８で流量制御されつつ、開閉弁３７を介して、精製器３６へ導入されここで被測定成分が除去される。そして被測定成分が除去された精製被測定ガスは、三方分岐弁３５を経てサンプルセル４内に導入される。一方、サンプルセル４内に精製されない被測定ガスを導入するには、開閉弁３７を閉じ、三方分岐弁３５のバイパスライン３９側を開く。この状態で被測定ガスは流量コントローラー３８で流量制御されつつ、バイパスライン３９を通り、三方分岐弁３５を経てサンプルセル４内に導入される。また排気ライン３２では、圧力計３３でサンプルセル４内のガス圧が測定されるとともに、流量調整バルブ３４で排気量が調整され、サンプルセル４内を一定圧力のガスが一定流量で流れるようになっている。
【０００５】
このように、多成分を含むガス状サンプルに含まれる微量成分の測定を行う場合、サンプルの圧力を減圧した状態で測定を行うことで、吸光スペクトルの線幅が狭く、スペクトルの分離性がよくなるため、測定対象以外の成分の吸光スペクトルの影響が低減でき、精度のよい測定が可能となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２７８１８０号公報 （第３頁 第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術で説明したレーザ分光分析装置において、サンプル切替え時においてもガスセル内の圧力、サンプルの流量が一定となるため、ガスセル内のサンプルを確実に置換するには、サンプル切替え後、十分時間をおいて次の測定に入る必要があり、又、測定時にも常にサンプルが流通するため、微量成分を精度よく測定するには、サンプルの流れに起因するゆらぎがノイズとなるという問題がある。
【０００８】
従って、レーザ分光においてガス状サンプルの微量成分の測定を高精度で行うことができ、又、多種のサンプルを切替えて順次測定する場合において、サンプル切替えを短時間で行うことができるレーザ分光分析装置を実現することに解決しなければならない課題を有する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ分光分析装置は、次に示す構成にすることである。
【００１０】
（１）レーザ分光分析装置は、被測定対象のサンプルをガスセル内に吸引し、該ガスセル内に吸引されたサンプルにレーザ光を照射して分光測定を行うレーザ分光分析装置であって、前記ガスセルの吸気部分に固定絞りを備え、排気部分に圧力を制御するための圧力制御手段を備え、前記固定絞りを有する吸気部分に外部より開閉が設定可能なバルブを備えたことである。
（２）又、前記ガスセルの排気部分に前記ガスセル内部の圧力を緩衝させる補助タンク手段を備えたことを特徴とする（１）に記載のレーザ分光分析装置。
（３）前記ガスセルの吸気部分に固定絞りと別系統の吸気口を備え、この別系統の吸気口に外部より開閉が設定可能なバルブを備えたことを特徴とする（１）に記載のレーザ゛分光分析装置。
（４）前記ガスセルの排気部分に圧力制御手段と別系統の排気口を有すると共に、この別系統の排気口に外部より開閉が設定可能なバルブを備えたことを特徴とする（１）に記載のレーザ分光分析装置。
（５）前記バルブは、予め定めたパターンに従い開閉するバルブ開閉制御手段によることを特徴とする（１）に記載のレーザ分光分析装置。
（６）（２）に記載のレーザ分光分析装置において、前記補助タンク手段と前記ガスセルの間に、外部より開閉が設定可能なバルブを備えたことを特徴とするレーザ分光分析装置
（７）（５）に記載のレーザ分光分析装置において、前記バルブ開閉制御手段には、前記バルブを開閉するパターンを記億するバルブ制御パターン記憶手段を備えたことを特徴とするレーザ分光分析装置。
（８）（５）に記載のレーザ分光分析装置において、前記バルブ開閉生後手段は、前記ガスセルの吸気部分又は排気部分に当該ガスセル内の圧力を測定する圧力測定手段を備え、その圧力信号に基いて前記バルブの開閉を制御することを特徴とするレーザ分光分析装置。
【００１１】
このように、ガスセルに対して、その吸気部分に固定絞りを有し、排気部分に真空レギュレータを有し、固定絞りが真空ポンブの排気能力により、ガスセル内の圧カが所要の圧力を維持できるように調整、固定されており、常に、ガスセル内が所要の圧力に維持、制御することができるようになる。
又、排気部分に補助タンクを有するので、ガスセル内の圧力が所要の圧力を維持でき、また、真空レギュレータ、真空ポンプが動作することにより発生する圧力の変動を低減できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るレーザ分光分析装置の実施形態について、図面を参照して、以下、説明する。
【００１３】
本発明に係るレーザ分光分析装置は、図１に示すように、サンプルを二方向に分離して並列な流通経路に形成する第１及び第２流通経路１０８、１０９を備え、第１流通経路１０８はサンプル導入口から、バルブＡ、固定絞り１１７、ガスセル１１４、バルブＢ、チェックバルブ１１８、補助タンク１１６、真空レギュレータ１１９、バルブＣ、真空ポンプ１２０で形成され、第２流通経路１０９は、サンプル導入口から分岐した経路にバルブＤ、ガスセル１１４、バルブＥ、真空ポンプ１２０の順に配設されている。
このような第１及び第２流通経路１０８、１０９に対して、ガスセル１１４を通過するサンプルを解析するための様々な装置を設けた構造になっている。
その構成は、第１及び第２流通経路１０８、１０９に配置されているバルブＡ〜Ｅを制御するためのパターンを複数備えたバルブ制御パターン記憶装置１１１と、バルブＡ〜Ｅの夫々を制御するためのバルブ制御信号を出力するバルブ制御装置１１２と、レーザ光を発生させガスセル１１４に供給するレーザ分光部１１３と、サンプルを通過させサンプルにレーザ光を照射して分析するガスセル１１４と、ガスセル１１４の圧力を検出する圧力センサ１１５と、サンプルをバルブＡを経由してガスセル１１４に供給する入力側に備えた固定絞り１１７と、ガスセル１１４からのサンプルをバルブＢを経由させて通過させるチェックバルブ１１８と、チェックバルブ１１８を経由したサンプルを入力してガスセルの圧力変動を緩衝させる補助タンク１１６と、補助タンク１１６からのサンプルをレギュレートする真空レギュレータ１１９と、真空レギュレータ１１９からのサンプルをバルブＣを経由させる真空ポンプ１２０と、から大略構成されている。
【００１４】
このような構成からなるレーザ分光分析装置において、バルブＡ〜Ｅはバルブ制御装置１１２からの制御信号で開閉が設定できる。
【００１５】
サンプルは真空ポンプ１２０により吸引され、第１流通経路１０８のバルブＡ及び固定絞り１１７を経由し、または、バルブＤを経由しガスセル１１４に導かれる。更に、バルブＢ、チェックバルブ１１８、補助タンク１１６、真空レギュレータ１１９、バルブＣを経由し、又は、第２流通経路１０９のバルブＥを経由し真空ポンプ１２０まで吸引され排気される。ガスセル１１４には圧力センサ１１５が取り付けられており、内部の圧力を測定され、その測定信号はバルブ制御装置１１２に入力されている。
【００１６】
レーザ分光部１１３より出射したレーザ光は、ガスセル１１４内のサンプルで光の吸収を受けた後、レーザ分光部１１３に戻り検出される。レーザ分光部１１３ではレーザ光の波長を掃引しながら、検出されるレーザ光の強度を測定することで、サンプルの吸光スペクトルが測定される。
【００１７】
固定絞り１１７は、真空ポンプ１２０の排気能力により、ガスセル１１４内の圧力が所要の圧力（負圧）を維持できるように調整され、固定される。
【００１８】
通常、サンプルを連続測定する場合は、第１流通経路１０８のバルブＡ〜Ｃを開とし、第２流通経路１０９のバルブＤ、Ｅを閉とする。サンプルは、第１流通経路１０８のバルブＡ、固定絞り１１７を経由し、ガスセル１１４に導入されレーザ分光部１１３によりスペクトル測定された後、バルブＢ、チェックバルブ１１８、補助タンク１１６、真空レギュレータ１１９、バルブＣ、真空ポンプ１２０を経由し排気される。ガスセル１１４の圧力は、真空レギュレータ１１９により制御される。真空ポンプ１２０、真空レギュレータ１１９の動作によるガスセル１１４内の圧力の変動は補助タンク１１６を用いることで低減できる。
【００１９】
微量成分を測定する場合には、ガスセル１１４内のサンプルの流動がノイズとなる場合がある。その場合には、ガスセル１１４内圧力が所要の圧力となった状態で、第１流通経路１０８のバルブＡ、又は、バルブＡ、Ｂを閉とし、測定する。
【００２０】
微量成分をバッチ的に測定する場合、又、数種類の測定サンプルを切り替えながら測定する場合、標準サンプルと測定サンプルを交互に測定する場合など、サンプルを切り替えながら測定する場合には、その切り替え時において、バルブ制御装置１１２により以下のようにバルブＡ〜Ｅを操作することで、サンプルの切換を短時問に確実に行うことが出来る。
【００２１】
（１）第１流通経路１０８のバルブＡ〜Ｃを閉にする。
（２）第２流通経路１０９のバルブＥを開にし、ガスセル１１４内の既存サンプルを十分に排気し真空度を上げる。
（３）サンプル導入口に次のサンプルを接続する。
（４）バルブＡ、Ｄを開にし、ガスセル内に次のサンプルを導入する。
（５）ガスセル１１４内にサンプルを十分導入した後、第２流通経路１０９のバルブＤを閉にする。サンプルの置換が十分でない場合は、（１）〜（５）を繰り返し行う。
（６）ガスセル１１４内の圧力を藍視し、所要圧力近傍になったらバルブＥを閉、バルブＢ、Ｃを開にする。
（７）微量成分の測定などを行う場合には、ガスセル内の圧力が所要の圧力で一定になったことを確認し、パルブＡを閉にする。
【００２２】
このようにして、本実施例によれば、吸気部分に固定絞り１１７を有し、排気部分に真空レギュレータ１１９を有し、固定絞り１１７が真空ポンブ１２０の排気能力により、ガスセル１１４内の圧カが所要の圧力（負圧）を維持できるように調整、固定されており、常に、ガスセル１１４内が所要の圧力に維持、制御されており、又、排気部分に補助タンク１１６を有するので、ガスセル１１４内の圧力が所要の圧力（負圧）を維持でき、また、真空レギュレータ１１９、真空ポンプ１２０が動作することにより発生する圧力の変動を低減することが出来る。
【００２３】
又、吸気部分に固定絞り１１７と直列に外部より開閉の設定可能なバルブＡを有し、また、排気部分に第２流通経路１０９の真空レギュレータ１１９と別系統で、第２流通経路１０９の真空ポンプ１２０に接続され、外部より開閉の設定可能なバルブＥを有する排気口を有するため、サンプル切り替え時に吸気部分のバルブＡを閉とし、真空レギュレータ１１９と別系統の排気口のバルブＥを開とすることで、真空レギュレータ１１９の設定圧とは無関係にガスセル１１４内の真空度が十分上がるまで、既測定サンプルを排気することが出来る。このことにより、測定対象成分の濃度が大きく異なるサンプルを測定する場合には、特に、高濃度→低濃度の切り替え時に高濃度サンプルが僅かでも残留していると測定精度に大きく影響するが、高真空になるまでサンプルを排気することで、測定精度を上げることが可能となる。
また、測定時に吸気部分のバルブＡ、Ｄを閉とすることで、ガスセル１１４内のサンプルの流動を止めることが出来、その流れに起因するゆらぎの影響を低減することが出来る。
また、吸気部分に第１流通経路１０８である固定絞り１１７と別系統の第２流通経路１０９の吸気口を有し、その吸気部分に外部より開閉の設定可能なバルブＤを有するため、測定時にはバルブＤを閉とし、サンプル切り替え時には開とすることが出来、サンプルの切り替え時に、次に測定するサンプルを固定絞り１１７の開度とは無関係に大流量で導入することが可能である。
【００２４】
又、ガスセル１１４と補助タンク１１６の間に外部より開閉の設定可能なバルブＢを有するため、サンプル切り替え時に閉とすることで、サンプル切り替え動作と補助タンク１１６を切り離すことが出来るため、サンプル切り替え時にも補助タンクの圧力を所要圧カに維持することが出来、また、ガスセル１１４に圧力センサ１１５が取り付けられており、ガスセル１１４の圧力をモニターしているので、ガスセル１１４の圧力を測定圧力に制御開始する際にガスセル１１４の圧力が所要圧力近傍になるのを確認してバルブＢを開に設定できるので補助タンク内の圧力上昇が抑えられ、サンプルを吸引する量を最少限とすることが出来る。
また、バルブ制御パターン記憶装置１１１を有し、そこにバルブＡ〜Ｅの開閉パターンを記憶しているため、上述のバルブ開閉を自動で行える。
【００２５】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明に係るレーザ分光分析装置は、サンプルを分析するガスセルに対してサンプルを供給する経路を２系統で形成すると共に、吸気部分に固定絞りを有し、排気部分に真空レギュレータを有し、固定絞りが真空ポンブの排気能力により、ガスセル内の圧カが所要の圧力（負圧）を維持できるように調整、固定されており、常に、ガスセル内が所要の圧力に維持、制御できるという効果がある。
又、排気部分に補助タンクを有するので、ガスセル内の圧力が所要の圧力（負圧）を維持でき、また、真空レギュレータ、真空ポンプが動作することにより発生する圧力の変動を低減することができるという効果がある。
又、ガスセルの吸気部分、排気部分をそれぞれ２系統とし、それぞれに外部より開閉が設定可能なバルブを有するので、外部よりバルブの開閉を制御することで、サンプルの切り替えを短時間で確実に行なえるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ分光分析装置の構成を示すブロック図である。
【図２】従来技術におけるレーザ分光分析装置の構成を示すブロック図である。
【図３】従来技術におけるレーザ分光分析装置のブロック図である。
【符号の説明】
１０８ 第１流通経路
１０９ 第２流通経路
１１１ バルブ制御パターン記憶装置
１１２ バルブ制御装置
１１３ レーザ分光部
１１４ ガスセル
１１５ 圧力センサ
１１６ 補助タンク
１１７ 固定絞り
１１８ チェックバルブ
１１９ 真空レギュレータ
１２０ 真空ポンプ

Claims (8)

1. 被測定対象のサンプルをガスセル内に吸引し、該ガスセル内に吸引されたサンプルにレーザ光を照射して分光測定を行うレーザ分光分析装置であって、
   前記ガスセルの吸気部分に固定絞りを備え、排気部分に圧力を制御するための圧力制御手段を備え、前記固定絞りを有する吸気部分に外部より開閉が設定可能なバルブを備えたことを特徴とするレーザ分光分析装置。
2. 前記ガスセルの排気部分に前記ガスセル内部の圧力を緩衝させる補助タンク手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ分光分析装置。
3. 前記ガスセルの吸気部分に固定絞りと別系統の吸気口を備え、この別系統の吸気口に外部より開閉が設定可能なバルブを備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ゛分光分析装置。
4. 前記ガスセルの排気部分に圧力制御手段と別系統の排気口を有すると共に、この別系統の排気口に外部より開閉が設定可能なバルブを備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ分光分析装置。
5. 前記バルブは、予め定めたパターンに従い開閉するバルブ開閉制御手段によることを特徴とする請求項１に記載のレーザ分光分析装置。
6. 請求項２に記載のレーザ分光分析装置において、
   前記補助タンク手段と前記ガスセルの間に、外部より開閉が設定可能なバルブを備えたことを特徴とするレーザ分光分析装置
7. 請求項５に記載のレーザ分光分析装置において、
   前記バルブ開閉制御手段には、前記バルブを開閉するパターンを記億するバルブ制御パターン記憶手段を備えたことを特徴とするレーザ分光分析装置。
8. 請求項５に記載のレーザ分光分析装置において、
   前記バルブ開閉制御手段は、前記ガスセルの吸気部分又は排気部分に当該ガスセル内の圧力を測定する圧力測定手段を備え、その圧力信号に基いて前記バルブの開閉を制御することを特徴とするレーザ分光分析装置。

Images