JP2009534659A - 炭化水素中の水蒸気の測定 - Google Patents

炭化水素中の水蒸気の測定 Download PDF

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Abstract

１つ以上の炭化水素ガスの背景内における低濃度の水蒸気は、差分吸光分光計を使用して検出され定量化されてもよい。ガスの脱水された試料は、ガス中の水蒸気によらない吸収特性の排除がその吸収スペクトルによって可能になる背景試料として使用される。吸収スペクトルは、波長可変レーザダイオードを光源として使用して記録されてもよく、それらのレーザは、差分吸収スペクトル分析に使用される水蒸気吸収特性よりも狭い波長帯域を有してもよい。
【選択図】 図１

Description

関連出願
[0001]本特許出願は、米国特許法第１１９条に基づき、２００６年４月１９日出願の米国仮特許出願第６０／７９３，４０４号、名称「MEASUREMENT OF MOISTURE IN OLEFIN GASES」の優先権を主張し、その全開示を参照により本明細書に組み込む。
[0002]本明細書に開示の主題は、炭化水素ガス混合物中の水蒸気濃度の測定に関する。
背景
[0003]炭化水素ガス混合物中の水蒸気を特徴付けるための現在利用可能な技術は、様々な欠点を抱えている。例えば、当該分野における現行の保守及び校正の要件によって、それらの技術を使用することが面倒で高価なものになることがある。それに加えて、これらの技術は、校正が困難であったり時間とともにドリフトしたりする。また、一般に、応答時間及び回復時間を迅速にできないことがあり、曖昧で誤った測定値に結び付くことがある。
[0004]従来の１つの技術は、ガス混合物を冷却ミラーの上に流すことにより、ガス混合物中の水蒸気の露点を測定するものである。ミラーの温度がガス混合物の露点以下のとき、サンプリングしたガス混合物中の水分はミラー上で凝縮する。水蒸気濃度を評価するため、ミラーの温度は、比較的高温から低温までの適当な範囲全体にわたって走査され、凝縮がミラー表面上で始まったときに温度が測定される。露点は、ガス混合物の相対湿度の関数であり、次に、相対湿度は、ガス混合物中の水蒸気の分圧又は濃度に変換される。ミラー上での凝縮の検出は、視覚的に、又は光学的手段によって達成されてもよい。例えば、光源はミラーから検出器内に反射されてもよく、凝縮はミラーから反射した光の変化によって検出されてもよい。観察は視覚によっても行われてもよい。しかし、凝縮が始まる正確なポイントは、一貫した反復可能なやり方で検出できないことが分かっている。また、ミラー温度は露点を動的に通り過ぎるので、測定の誤差が多くなる傾向がある。より高分子量の炭化水素、アルコール、及びグリコールなどの、ガス混合物の他の蒸気圧がより低い成分もまた、ミラーが冷えるにしたがってその上で凝縮することがある。自動オンラインシステムは、ミラー表面上で凝縮するガス混合物成分同士を区別できないことがあり、手動システムは一般に、非常に熟練した操作者を必要とする。
[0005]別の従来の技術は、五酸化リン（Ｐ２Ｏ５）の薄膜でコーティングされた、２つの狭い間隔で並べられた平行な巻線を使用する。巻線に加えられる電位は、コーティングによって吸着された水分子を水素と酸素に電気分解する。電気分解反応によって消費される電流は、センサに入る水蒸気の質量に比例する。入って来る試料の流量及び圧力は、センサ内への標準試料の質量流量を維持するように精密に制御されなければならない。しかし、巻線上での油、液体、又はグリコールの凝縮によって、読取値のドリフトが引き起こされ、それが恒久的に誤った読取値の原因となって、センサを使用不能にする。ガス混合物中の水が大量であると、表面を湿潤させて、センサを飽和させるとともに、正確な測定が再び可能になる前に数十分から数百時間の「乾燥（dry-down）」を必要とする。そのようなプロセスの狂いは、そのようなセンサが使用される現実の石油化学プロセスにおいて非常に一般的である。効率的なサンプルの調整及び液体の除去が必須であるが、そのようなセンサが使用される現実の石油化学プロセスではほとんど不可能である。
[0006]さらに別の従来の技術は圧電吸着（piezoelectricadsorption）を利用する。そのような機器は、吸湿性のコーティングを施した水晶発振器の周波数の変化を比較する。吸湿性コーティング上の水蒸気を吸着することによって結晶の質量が変化すると、水晶の共振周波数が変化する。センサは、乾燥剤乾燥器（desiccant dryers）、通気チューブ（permeation tubes）、及び試料ライン切換えを備えた統合校正システムを必要とする比較測定法である。水晶発振器を非常に高い水分量に曝すことは、結晶内への水分の拡散に結び付いて、その振動特性及び水分検出感度を恒久的に変化させる場合がある。それに加えて、上述の電気分解に基づくシステムと同様に、水の塊が、センサヘッドが「乾燥する」間の長時間システムを機能しなくさせることがある。これらの機器はまた、グリコール、メタノール、及び他の極性分子による干渉、並びに硫化水素による損傷を受ける。しかし、必要な校正システムは同程度精密ではなく、システムのコスト及び機械的複雑性を増す。乾燥剤乾燥器、通気構成要素、及びセンサヘッドを頻繁に交換する労力は、運転コストを大幅に増加させる。
[0007]酸化アルミニウム及び酸化シリコンのセンサも使用されてきた。これらのセンサは、不活性の基板材料と、一方が湿度に対する感度をもつ２つの誘電体層とを含む。ガス混合物中の水分子は、センサの露出面上の孔隙を通過し、その下にある層の物理的性質を変化させる。酸化アルミニウムセンサでは、２つの金属層がコンデンサの電極を形成する。水分子がセンサ表面に吸着すると、センサの誘電率が変化する。センサキャパシタンスは水濃度に関連付けられる。酸化シリコンセンサは、感度をもつ層に水が吸収されるとその屈折率が変化する光学素子である。光が基板を介して反射されると、出力側で波長シフトを検出することができ、それは水分濃度に精密に関連付けることができる。
[0008]酸化アルミニウム及び酸化シリコンセンサでは、特に非常に高い水分量に曝している間、及びその後、水分子が孔隙に入ってそこを出るのに時間がかかり、それが湿潤（wet-up）及び乾燥の遅延に結び付く。汚染物質及び腐食剤は、孔隙を損傷し、詰まらせて、校正の損失を引き起こすとともに、センサを恒久的に使用不能にする。圧電センサ及び電気分解センサと同様に、これらのセンサも、グリコール、メタノール、及び他の有機化合物による干渉を受けやすい。センサの表面が損傷又は閉塞によって不活性になると、校正はドリフトすることがあるので、校正はセンサ寿命の初期において最も信頼性が高い。
概要
[0009]第１の態様では、炭化水素ガス混合物の第１の試料はその水蒸気濃度を低減するために脱水され、第１の吸収スペクトルが選択波長で第１の試料について記録される。第２の吸収スペクトルが選択波長で炭化水素ガス混合物の第２の試料について記録され、差分吸収スペクトルが第１の吸収スペクトル及び第２の吸収スペクトルから生成される。差分スペクトルは、炭化水素ガス混合物中の水蒸気濃度を決定するために分析される。
[0010]様々な任意の態様では、第１及び第２の吸収スペクトルは、高調波分光法（harmonic spectroscopy method）、直接吸収分光法（direct absorption spectroscopy method）、単一線吸収ピーク分光法（single line absorption peakspectroscopy method）、又は複数線吸収ピーク分光法（multiple line absorption peak spectroscopy method）を使用して記録されてもよい。第１の吸収スペクトルは、任意に、選択波長の光を第１の試料に照射し、第１の試料を通過する第１の透過光強度を測定し、測定した強度をデータ分析デバイスに渡すことによって記録されてもよく、第２の吸収スペクトルは、選択波長の光で第２の試料に照射し、第２の試料を通過する第２の透過光強度を測定し、測定した強度をデータ分析デバイスに渡すことによって記録されてもよい。第１の吸収スペクトル及び第２の吸収スペクトルは、単一の試料セルにおいて順次に記録されてもよい。或いは、第１の吸収スペクトル及び第２の吸収スペクトルは、ほぼ同一の光路長をもつ第１及び第２の試料セルにおいて並行に記録されてもよい。
[0011]第２の相互に関連する態様では、装置は、選択波長のビームを放射する光源と、試料セルと、炭化水素ガス混合物の第１の試料中の水蒸気を低減する脱水器と、炭化水素ガス混合物の第１の試料又は第２の試料を試料セルに交互に供給する１つ以上のバルブと、試料セルを通過する光を定量化するように位置付けられた光検出器とを含んでもよい。試料セルが第１の試料を収容しているとき、光検出器からの第１の吸収スペクトルを記録し、試料セルが第２の試料を収容しているとき、第２の吸収スペクトルを記録し、第１及び第２の吸収スペクトルから差分吸収スペクトルを計算し、差分吸収スペクトルに基づいて第２の試料中の水蒸気濃度を計算するマイクロプロセッサも含まれる。
[0012]第３の相互に関連する態様では、装置は、選択波長のビームを放射する光源と、炭化水素ガス混合物の第１の試料中の水蒸気を低減する脱水器と、第１の試料を収容する第１の試料セルと、炭化水素ガス混合物の第２の試料を収容する第２の試料セルとを含んでもよい。第２の試料セルは、第１の試料セルとほぼ同一の路長を有する。第１の試料セルと第２の試料セルとの間でビームを分割する光学部品も含まれる。第１の光検出器は、第１の試料セルを通過する光を定量化するように位置付けられ、第２の光検出器は、第２の試料セルを通過する光を定量化するように位置付けられる。マイクロプロセッサは、第１の光検出器からの第１の吸収スペクトルを記録し、第２の光検出器からの第２の吸収スペクトルを記録し、第１及び第２の吸収スペクトルから差分吸収スペクトルを計算し、差分吸収スペクトルに基づいて第２の試料中の水蒸気濃度を計算する。
[0013]様々な任意の態様では、炭化水素ガス混合物は１つ以上のオレフィンを含有してもよい。光源はレーザダイオードであってもよい。レーザ光源はまた、変調されてもよく、第１及び第２の吸収スペクトルは、高調波吸収スペクトル、直接吸収スペクトル、又は複数線吸収スペクトルであってもよい。光源は、任意に、垂直共振器型面発光レーザ、水平共振器型面発光レーザ、量子カスケードレーザ、分布帰還型レーザ、色中心レーザ、非線形光変換プロセスによって生成された狭いスペクトルのレーザ光、又は狭い波長範囲を有するように１つ以上の光学部品を用いて調整された広帯域光源であってもよい。選択波長は、炭化水素ガス混合物の濃度にほぼ等しい炭化水素ガス混合濃度を含む乾燥空気による吸収と比較して、少なくとも約０．００００００１倍程度の強さで、１００ｐｐｍの濃度をもつ空気によって吸収される波長であってもよい。或いは、選択波長は、炭化水素ガス混合物の濃度にほぼ等しい炭化水素ガス混合濃度を含む乾燥空気による吸収と比較して、少なくとも約０．００１倍程度の強さで、１００ｐｐｍの濃度をもつ空気によって吸収される波長であってもよい。選択波長は、約４００ｎｍ〜２００００ｎｍのスペクトル範囲内にあってもよい。選択波長は、任意に、１３５９．５ｎｍ、１８５６．７ｎｍ、２６０５．６ｎｍ、１３６１．７ｎｍ、１８５９．８ｎｍ、２６２０．５ｎｍ、１３６８．６ｎｍ、１８７７．１ｎｍ、２６２６．７ｎｍ、１３７１．０ｎｍ、１８９０．３ｎｍ、２６３０．６ｎｍ、１３９２．２ｎｍ、１８９９．７ｎｍ、２６６５．１ｎｍ、１８３６．３ｎｍ、１９０３．０ｎｍ、２６７６．１ｎｍ、１８４０．０ｎｍ、１９０５．４ｎｍ、２７１１．２ｎｍ、１８４２．１ｎｍ、２５７３．６ｎｍ、２７２４．２ｎｍ、１８４７．１ｎｍ、２５８３．９ｎｍ、２７３５．０ｎｍ、１８５４．０ｎｍ、２５９６．０ｎｍ、及び２７４０．３ｎｍから選択されてもよい。動作圧は１Ｐａ超過であるように選択されてもよい。光検出器は、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムヒ素リン（ＩｎＡｓＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、シリコン、ゲルマニウム、水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）、及び硫化鉛（ＰｂＳ）の検出器から選択されてもよい。光源、光検出器、及び試料セルの１つ以上を封入する熱制御されたチャンバ、並びに露点測定素子（dew point measurement device）、圧電吸着素子（piezoelectric adsorption device）、五酸化リン電気分解素子（phosphorus pentoxide electrolysis device）、又は酸化アルミニウム若しくは酸化シリコンセンサなどの付加的な水蒸気濃度分析器も含まれてもよい。炭化水素ガス混合物の温度及び／又は圧力は、炭化水素ガス混合物中の水蒸気濃度の計算を容易にするために測定されてもよい。
[0014]本開示は、詳細な説明を読むことで、また添付図面を参照することによってさらに理解されてもよい。
詳細な説明
[0015]アルケンは、一般式ＣｎＨ２ｎを有する単一の炭素−炭素二重結合を備えた不飽和鎖式炭化水素である。石油化学業界では、用語「オレフィン」は、多くの場合、エチレン、プロピレン、及びイソブタン（これらに限定されない）を含む化合物を記述するのに一般的に使用される。これらの化合物は、他の用途の中でも特に、石油化学業界の供給原料の役割を果たす。多くの石油化学プロセスは、リアクタに供給される供給ガス中の水などの汚染物質の存在に対して非常に敏感である。そのため、これらのオレフィンの供給ガス流中の水蒸気を測定することは、当該業界にとって特に重要である。
[0016]ガス混合物中の低レベルの微量ガスは、吸収分光法を使用して測定されてもよい。適切な波長のビームは、試料セル内に収容されているガスの試料を通過する。光がガスを通過すると、その強度の一部は、その特定波長で吸収する微量ガス分子によって吸収される。吸収される光の量は、ガスの濃度（分圧）に応じて変わり、したがって、濃度の基準として使用することができる。背景ガスが、微量ガス測定に使用されているスペクトル領域において、吸収特性をまったく有さないか、又はわずかしか有さないとき、この処置は適切である。
[0017]しかし、分光法は、純粋な背景ガス中の微量ガスの混合物に限定されない。差分吸収スペクトルは、背景ガスの吸収スペクトルを記録し、それを混合物（微量ガスと背景ガスを加えたもの）のスペクトルから差し引くことによって生成されてもよい。この測定は、背景ガスが、レーザ光を完全に吸収するほど強くない妨害吸収特性を有する場合に、混合物の微量ガスの吸収スペクトルを生じる。しかし、この技術は飽和吸収条件下では有効でない。
[0018]近赤外線放射は、一般に、紫外線放射によって誘起されるような電子遷移による吸収を引き起こすのに十分な光子エネルギーをもたない。したがって、ＩＲ吸収は、分子の可能な振動状態及び回転状態における小さなエネルギー差をもつ化合物に制限される。分子がＩＲ放射を吸収するには、分子内の振動又は回転が、分子の双極子モーメントの純変化を引き起こさなければならない。放射の交流電界は、分子の双極子モーメントの変動と相互作用する。入射光放射のエネルギーは、次式のとおりである。
Figure 2009534659
式中、Ｅは光子エネルギー、ｈはプランク定数、νは光の周波数である。Ｅが分子の振動モードを励起するのに必要なエネルギーと一致する場合、放射は吸収されて、この分子振動の振幅の変化を引き起こす。分子を構成している原子間の相対運動を含む、２つの主要なタイプの分子運動は、原子間結合の伸長及び振動を伴う。
[0019]伸長による転移（stretchingtransitions）は、適度なエネルギーを必要とし、したがってＩＲ吸光分光法に非常に有用である。伸長による転移の際、原子間距離は結合軸に沿って変化し、結果として起こる気相分子によるＩＲの吸光度は、検出を可能にする十分な間隔が空いた線スペクトルを生じる。液体又は固体では、これらの線は、分子衝突及び他の相互作用によって連続スペクトルに広がるので、ＩＲ吸収分光法によって測定することができない。
[0020]分子内の原子の相対位置は固定ではなく、むしろ分子内の他の原子に対する多数の異なる振動の影響を受けやすい。特定の分子運動は、光子エネルギーを活性化する対応する量子を必要とする。したがって、入射光子のエネルギーは、分子に吸収される正確に適当な波長のものでなければならない。したがって、所与の波長λで吸収し振動する分子を含むガスに、波長λのビームを照射する場合、入射光子の一部は、ガスを通過するときに吸収される。この吸光度Ａｉ，λは、試料上に入射するビーム出力Ｐ０と、試料を通過するビーム出力Ｐとから、次式のように算出される。
Figure 2009534659
[0021]ビール−ランバートの法則に従って、入射波長λでの特定の気相化合物ｉによる吸光度Ａｉ，λは、セル内のその濃度Ｃｉに正比例する。
Figure 2009534659
式中、εｉ，λは入射波長における化合物の吸光係数、Ｌは吸収／試料セルの路長である。試料セル内の複数の化合物が入射波長λの光を吸収する場合、セル内のガス混合物の合計吸光度ＡＴ，λは次式のとおりである。
Figure 2009534659
したがって、入射波長における単一の化合物の吸光度Ａｉ，λは、ＡＴ，λから次式のように抽出されてもよい。
Figure 2009534659
式中、ＡＴ−１，λは、化合物ｉが除去されたガス混合物の吸光度である。
[0022]本明細書に開示される主題に関連して使用される分析器は、他のガス又はガスの混合物中の任意の数の微量ガスを測定するのに使用されてもよい。システムは、レーザなどの入射光源と、光源の波長範囲内の感度をもつ１つ以上の検出器と、光源からのビームが検出器に達する前にそこを通過する路長Ｌをガスが提供するようにそれぞれ配置された１つ以上の吸収セルとを含む。マイクロプロセッサなどの制御エレクトロニクスと、ユーザアクセス可能な入力／出力チャネルとがさらに含まれてもよい。以下は、そのようなデバイス及びそれらの動作の様々な実施例の概要である。
[0023]本明細書に開示される分析器の２つの具体的な実現例を図１及び図２に示す。図１は、光源１０４からのビーム１０２が、ビームスプリッタ１０６及びミラー１０８によって第１のビーム１１０及び第２のビーム１１２に分割され、それらのビームがそれぞれ第１の試料セル１１４及び第２の試料セル１１６に保持されたガスを通過する、デュアルビーム構成の分析器１００を示す。第１の試料セル１１４は、背景試料又は基準試料として扱われるガスの第１の試料を収容している。背景試料又は基準試料は、対象のガスの第１の試料を処理して、より詳細に後述するように水蒸気濃度を低減することによって準備される。第２の試料セル１１６は、脱水、減湿などがされていないガスの第２の試料を収容している。図２は、第１の試料及び第２の試料が交互に順次に試料セル２０２に入り、そこで光源２０６からのビーム２０４を照射する、単一ビーム単一セル構成の代替の検出器２００を示す。
[0024]より具体的には、図１に示される分析器１００を参照すると、第１のビーム１１０は、脱水器１２０を通過させることによって脱水されている第１の試料を収容している第１の試料セル１１４を通るように向けられている。第２のビーム１１２は、第１の試料セル１１４と同一の光路長の第２の試料セル１１６を通るように向けられている。第２の試料セル１１６は、脱水されていない第２の試料を収容している。そのため、第２の試料は、測定されているガス中に存在する濃度の水蒸気に加えて、第１の試料（例えば、背景試料又は基準試料）中に見られる成分を含有している。動作の際、検出器に流入するガスは、第１の試料セル１１４と第２の試料セル１１６の２つの間で分割される。これは、ガス流を２つのチャネルに分ける分流器１２２又は他の同等の装置によって達成されてもよい。第２の試料セル１１６に流れるガスは、ガス混合物から水蒸気濃度を低減して、背景試料又は基準試料である第１の試料を生成する脱水器１２０を通過する。脱水器１２０は、分子ふるい、化学スクラバー（chemical scrubber）、ゲッター、水分子に対して選択的なフィルタ若しくはトラップ、ガス分離膜、凝縮器などが挙げられるがそれらに限定されない、ガス中の水蒸気濃度を低減する任意のデバイス又はプロセスであってもよい。脱水器１２０は、有利には、試料ガス混合物の他の成分の濃度にはほぼ影響しないように選択される。第２の試料セル１１６に流れるガスは脱水器１２０を通過しない。
[0025]分割されたビーム１１０及び１１２は、それぞれ、第１の試料セル１１４及び第２の試料セル１１６に入る。分析器１００の構成に応じて、入射光は、図１に示されるような第１の窓１２４を通過してもよい。各試料セル内のガスはビーム強度を多少吸収してもよく、第１のビーム１１０及び第２のビーム１１２は、それぞれ、次に、第１の光検出器１２６及び第２の光検出器１３０に当たる。構成に応じて、ビームは、第２の窓１３２を通過して、第１及び第２の試料セルを出てもよい。図１に示される実施例は、ビームが第１の窓１２４を介してそれぞれの試料セルに入り、各試料セル内に収容されているガスを通過し、第２の窓１３２を介してそれぞれの試料セルを出る、単光路構成としての第１及び第２の試料セルを示している。後述するように、他の構成が本開示の範囲内である。
[0026]第１の光検出器１２６は、そこに当たる、したがって第１の試料セル１１４を通過する第１のビームの強度を、波長の関数として定量化する。同様に、第２の光検出器１３０は、そこに当たる、したがって第２の試料セル１１６を通過する第２のビームの強度を、波長の関数として定量化する。このように、第１の光検出器１２６は、第１の試料の、この実施例では脱水された背景ガス又は基準ガスの透過強度を定量化し、第２の光検出器１３０は、脱水されていない第２の試料の透過強度を定量化する。第１の光検出器１２６及び第２の光検出器１３０からのデータは、例えばマイクロプロセッサなどの、光検出器からのデータを記録及び／又は処理して差分スペクトルを生成するデータ分析デバイス１３４に渡され、その差分スペクトルから第２の試料中の水蒸気濃度が算出されてもよい。水蒸気濃度は、水分子のモル分率並びに測定されているガスの温度及び圧力に応じて変わる。そのため、第１の試料セル１１４及び第２の試料セル１１６内の温度及び圧力は監視及び／又は制御されてもよい。
[0027]検出器のドリフト及び他の見込まれる測定のアーチファクトを明らかにするため、いくつかの変形例は、ガスを含まない各試料セルの吸収スペクトルを周期的に記録して、光検出器の暗電流「ゼロ」を決定するか、或いは、第１の試料セル１１４に脱水されていないガスが供給され、第２の試料セルに脱水された背景ガス試料が供給されるように、フローを周期的に逆にしてもよい。
[0028]図２は、単一ビーム構成の分析器２００を示す。その水蒸気濃度を低減するため脱水されている第１の試料と、第２の脱水されていない試料とには、試料セル２０２内で光源２０６からのビーム２０４が交互に照射される。スペクトルは、脱水された背景試料又は基準試料である第１の試料と、脱水されていない第２の試料とについて個別に記録される。フローシステムについては、このプロセスは継続的に順次に行われてもよい。図２の分析器２００は、例えば、任意にソレノイド弁であってもよい一対の二方弁２１４によって、試料セル２０２へのガス入口２１２と直列に位置してもよい脱水器２１０を含む。上述したように、脱水器２１０は、分子ふるい、化学スクラバー、ゲッター、水分子に対して選択的なフィルタ若しくはトラップ、ガス分離膜、凝縮器などが挙げられるがそれらに限定されない、ガス中の水蒸気濃度を低減する任意のデバイス又はプロセスであってもよい。脱水器２１０は、有利には、試料ガス混合物の他の成分の濃度にはほぼ影響しないように選択される。第２の試料は、脱水器２１０に通されず、したがって測定されているガス中に存在する水蒸気濃度を保持する。
[0029]図２に示される分析器２００の動作の際、ガスは、二方弁２１４の適切な動作によって直接又は脱水器２１０を通してのどちらかで、試料セル入口２１２まで移送される。光検出器２１６は、そこに当たる、したがって試料セル２０２を通過するビーム２０４の強度を、波長の関数として定量化する。したがって、脱水器を通過してその水蒸気濃度を低減する第１の試料が試料セル２０２内にあるとき、光検出器２１６は、第１の試料の、この実施例では脱水された背景ガス又は基準ガスの透過強度を定量化する。光検出器２１６は、ガス流が脱水器２１０を通過せずに直接試料セルに流れるとき、元の水蒸気濃度を含んでいる第２の試料の透過強度を定量化する。
[0030]試料ビームは、任意に、入力窓２２０を介して試料セルに入り、出口窓２２２を介してセルを出てもよい。図１に関して上述したような代替の試料セル構成も本発明の範囲内である。ガスは、排気出口２２４を通して試料セル２０２を出る。光検出器２１６からの強度データは、例えばマイクロプロセッサなどのデータ分析デバイス２２６に渡される。データ分析デバイス２２６は、第１の試料及び第２の試料に関して光検出器から受け取ったデータを記録及び／又は処理して、差分スペクトルを生成し、その差分スペクトルから第２の試料中の水蒸気濃度が算出されてもよい。水蒸気濃度は、水分子のモル分率並びに測定されているガスの温度及び圧力に応じて変わる。そのため、試料セル２０２の温度及び圧力は監視及び／又は制御されてもよい。
[0031]上述したように、ガスの第１の試料及び第２の脱水された試料は、レーザ光源の光が照射される。試料セルの路長は、対象の特定の吸収線の強度、又は対象の吸収線と存在する他のガス種の干渉する吸収線との間の差の大きさに応じて変えられてもよい。不十分な長さのセルは十分な感度をもたらさないことがあり、一方で、過度な長さのものは入射光全体を吸収し、結果として測定可能な信号がまったく検出器に達しないことがある（飽和と呼ばれる状況）。試料セルの路長の使用可能な範囲は、式３、試料セル内の吸収ガスの予期される濃度、並びにそれらのガスの吸収係数を使用して決定されてもよい。
[0032]場合によっては、オレフィンガス混合物中の水蒸気濃度は、非常に少ないか、又はガス中に存在する他の成分から容易に区別できないことがある。そのような場合、測定の感度を増加させるため、セルの長さが増加されてもよい。式３が規定するように、Ａｉ，λは、レーザビームがオレフィンガス混合物を横断する路長Ｌに正比例する。したがって、２倍の長さのセルは、例えば２倍の量の光を吸収する。したがって、本明細書に記載の分析器のいくつかの実現例では、数メートル又はさらには数千メートル単位の路長を有する試料セルが採用される。
[0033]非常に長い試料セルを使用せずにより長い光路長を得るため、本開示の範囲内の試料セル構成はまた、ビームが試料セル内に収容されている試料を２回以上通過するようにビームを反射する、１つ以上のミラーを使用することを含んでもよい。そのような多重通過構成では、ビームは、同じ窓を介して、又は異なる窓を介してセルを出入りしてもよい。いくつかの実現例では、窓のない試料セル構成が利用されてもよく、その場合、例えば、レーザ源及び／又は光検出器は試料セル内に収容される。
[0034]そのような多重通過試料セル構成の１つの実施例を、二路式（two-pass）吸収セル及びレーザ／検出器ヘッド３００を示す図３に示す。レーザ３０２及び光検出器３０４は、温度が熱電冷却器（ＴＥＣ）３１２によって制御されるベースプレート３１０に取り付けられた、光学ヘッド３０６内に位置付けられる。入射レーザ光３１４は、光学ヘッド３０６を出て、窓３１６を介して試料セル３２０に入るように向けられる。光は、平面ミラー３２２によってセルの遠端で反射されるので、試料セル３２０の長さを２回移動する。戻り光は、窓３１６を介して返され、光検出器３０４に当たる。図１及び図２に示される分析器は、図３に示されるような多重通過検出器ヘッドを組み込むように修正されてもよい。
[0035]より長い路長を得る別のやり方は、「ヘリオット（Herriott）」セル又は軸外し共振性空洞（off-axisresonating cavity）を使用することによるものである。そのようなシステムでは、長い光路は、図４の概略図４００に示されるように、隣接したビーム間で干渉することなくビームを繰り返し反射させることにより、物理的に小型である。ヘリオットセルは、レーザビームが再入可能条件を満たし、ビーム放出口を介してセルキャビティから出る前にビームの特定回数の反射を可能にする距離で間隔を空けた、２つの球面ミラーを備える。ヘリオットセルを用いて、隣接したビーム間で干渉することなくビームを繰り返し反射させることによって、物理的に小型の長い光路を得ることができる。所望の感度に応じて、２つのミラーの間隔を変化させることにより、又は異なる焦点距離をもつ異なるミラーを使用することにより、ヘリオットセルの反射回数を調節することができる。
[0036]そのような長い有効路長はまた、２つの非常に反射性の高いミラーを含む軸外し共振性空洞を使用することによって得られてもよい。これらのセルは、集積キャビティ出力分光計（integrated cavity output spectrometers）（ＩＣＯＳ）と呼ばれるキャビティリングダウン分光計の変形である。これらの長いセルは、また、直接吸収又は「２ｆ」検出のどちらかを使用してこれらの非常に敏感な測定を行うのに使用されてもよい。１つのそのようなミラー４０２の正面図は、ビームが光検出器（図示なし）に向かう途中でセルに入り４０６、次にセルを出る４１０ことを可能にする、入力／出力アパーチャ４０４を示す。このセルにおいてそのようなセル４１２の反対側にあるミラーは、アパーチャを有さない。ヘリオットセルの代替構成は、ビームが一方のミラーのアパーチャを介して入り、他方のミラーのアパーチャを介してセルを出るように、向かい合ったミラーのそれぞれにアパーチャを含む。図４に示される端部ミラー４０２はまた、ビームが２つのそのようなミラー間で前後に中継されるときにビーム自体と干渉しないように、ミラー４０２上のレーザビーム接点４１４がどのように配置されるかを示す。
[0037]ヘリオットセルは、広範な数のセル長さに対して設計されてもよいが、ミラーの反射率に依存する上限を有するという傾向がある。動作波長におけるミラーの反射率があまり高くない場合、入射ビームは、ミラー間で前後に横断するにしたがって急速に強度を失う。例えば、ミラー反射率が９８％の場合、７０回の通過後に光検出器に達する光の強度は０．９８７０であり、すなわちビームがセルに入るときのわずか２４．３％である。この光が、セル内のガス分子による吸収によってさらに減衰される場合、実際に光検出器に達する量は非常に少ないことがある。
[0038]ヘリオットセルに関する付加的情報、及び吸収分光法におけるそれらの使用に関する一般的な基礎情報は、それぞれの全体を参照により組み込む次の参照文献に見出すことができる。D. Herriott, H. Kogelnik and R. Kompfner, "Off Axis Paths in SphericalMirror Interferometers," Applied Optics, Vol. 3, No. 4, 1964、Donald R. Herriott andHarry J. Schulte, "Folded Optical Delay Lines," Applied Optics, Vol.4, No. 8, 1965、Alphan Sennaroglu and James G Fugimoto, "Design Criteria forHerriott-type Multi-pass Cavities for Ultrashort Pulse Lasers," OpticsExpress, vol. 11, No. 9, 2003、及びJean Francois Doussin, Ritz Dominique and Carlier Patrick,"Multiple-pass Cell for Very-long-path Infrared Spectrometry,"Applied Optics, Vol. 38, No. 19, 1999。
[0039]開示される吸収測定に使用される光源は、赤外線（例えば、約８００〜１０，０００ｎｍの波長範囲内）を放射してもよい。分析器は、そのスペクトル帯域幅が対象の吸収線の帯域幅よりもはるかに狭いレーザを利用してもよい。そのような構成により、吸収線の全幅を、又はさらには線のピーク吸収特性を走査する必要がない単一線吸収分光法が可能になる。レーザの波長は、測定されるガスの水分子と他の成分との相対吸光度に分解可能な差がある波長であるように選択されてもよい。１つの実現例では、ビーム路長の反対側の端部に位置付けられた光検出器が、波長の関数として試料を透過する光強度を定量化している間、レーザ周波数が選択吸収波長全体にわたって前後に走査（調整）されてもよい。
[0040]例えば波長可変レーザダイオード（ＴＤＬ）などのレーザダイオードが、開示の分析器のレーザ源として採用されてもよい。使用されてもよい波長可変レーザの例は、分布帰還型レーザ（ＤＦＢ）、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、及び水平共振器型面発光レーザ（ＨＣＳＥＬ）である。これらのレーザは、ダイレクトエミッタ又はファイバ結合型であることができる。所望の波長範囲内の入射光ビームを生成することができる他のレーザを利用できるのと同様に、量子カスケードレーザも利用されてもよい。
[0041]ＤＦＢレーザは、利得帯域内の中心波長をロックする半導体レーザの活性層上にエッチングされた分布ブラッグ回折格子を使用する。そのため、単一の縦モードのみが有効エネルギーからポンピングされる。この光学構造は、キャリア密度（接合部に加えられる電流に事実上比例する）及び温度による屈折率の変動に敏感である。レーザ電流及びレーザ温度が正確に制御されると、ピーク波長を有効範囲に沿って正確に調整させることができる。電流を使用する制御は高速であるが、中央周波数に対する感度は弱く、一般的に０．０１ｎｍ／ｍＡ程度である。この感度は、調整範囲が大きい場合には弱いが、温度を変化させることによって波長を調整させながら平坦な出力電力を得るには十分な強さである。標準的なＤＦＢモジュールの熱安定化時間は比較的遅く、数秒程度であり、そのことによって、このタイプの制御された供給源は、温度が固定で電流が制御された用途により適切になっている。
[0042]ＶＣＳＥＬは、ウェハから個々のチップを切断することによって形成される表面から放射する従来の端面発光型半導体レーザとは対照的に、そのレーザビームがウェハチップ表面に垂直に放射される半導体レーザダイオードのタイプである。レーザ共振器は、間でレーザ光を生成する１つ以上の量子井戸から成る活性領域を備えたウェハ表面に平行な、２つの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ミラーを含む。平面のＤＢＲミラーは、高い屈折率と低い屈折率が交互になった層から成る。各層は、材料中のレーザ波長の４分の１の厚さを有して、９９％を超える強度反射率を生じる。利得領域の短い軸方向長さの平衡を保つため、高反射率のミラーがＶＣＳＥＬに必要である。いくつかのＶＣＳＥＬでは、上側及び下側のミラーはｐ型及びｎ型材料としてドープされて、ダイオード接合を形成する。より複雑な構造では、ｐ型及びｎ型領域は、ミラー間に埋め込まれてもよく、活性領域に対する電気接点を生成するより複雑な半導体プロセスを必要とするが、ＤＢＲ構造内での電力損失は排除される。６５０ｎｍ〜１３００ｎｍの波長用のＶＣＳＥＬは、一般的にガリウムヒ素（ＧａＡｓ）ウェハに基づき、ＤＢＲはＧａＡｓ及びアルミニウムガリウムヒ素から形成される。１３００ｎｍ〜２０００ｎｍのより長波長の素子は、少なくともインジウムリンで作られた活性領域を備えて作られている。
[0043]水平共振器型面発光レーザ（ＨＣＳＥＬ）は、端面発光型レーザの電力及び高い信頼性と、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の低コスト及びパッケージングの容易性とを組み合わせる。ＨＣＳＥＬは、エミッタ端部に４５°の角度を付けた切子面と、キャビティの後端に９０°の切子面とをエッチングすることによって基板上に加工される、細長いキャビティを備えた半導体レーザである。後面の反射領域は、後面の切子面の隣にエッチングされた分布ブラッグ反射器を組み込むことができる。反射率制御のため、誘電体コーティングが使用されてもよい。
[0044]量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）は、通常は中赤外スペクトル領域で放射する、いくつかの量子井戸内での遷移に依存する半導体レーザである。ＱＣＬは、異なる電子帯域間のレーザ遷移ではなく、半導体構造の量子井戸内遷移のレーザ遷移によって動作する。多数の量子井戸を直列で使用することによって、より高い光学利得が得られる。遷移エネルギーは、固定の材料特性によってではなく、むしろ設計パラメータによって（特に量子井戸の層の厚さ値によって）規定される。そのため、ＱＣＬは、数ミクロンから１０ミクロンを大きく上回る範囲にわたる動作波長に対して設計することができる。高性能は、単一の電子が数十の中赤外光子を生成することができる、レーザ遷移のカスケードを使用して得られてもよい。連続動作する室温デバイスは、通常、数ミリワットの適度な出力電力レベルに制限されている。
[0045]非線形光変換プロセスによって生成される狭いスペクトルのレーザ光、又は狭い波長範囲を有するように１つ以上の光学部品によって調整される広帯域光源が挙げられるが、それらに限定されない、他の光源も使用されてもよい。
[0046]本明細書に記載されるレーザ吸光分光計を用いて、レーザ温度を一定に保ったまま注入電流を変化させることによって、可変レーザ波長が変えられてもよい。温度は、サーミスタを用いてその温度が測定され、帰還回路によって制御される熱電冷却器（ペルティエ冷却器）と密接させて、レーザを置くことによって制御されてもよい。
[0047]いくつかの実現例では、吸光分光計システムはＴＤＬ光源と組み合わせて高調波分光技術を使用してもよい。開示の主題に使用されるような高調波分光法は、ＴＤＬレーザ（ＤＦＢ又はＶＣＳＥＬ）の波長を高周波数（ｋＨｚ〜ＭＨｚ）で変調し、変調周波数の倍数の信号を検出することを伴う。検出が変調周波数の２倍で行われる場合、第二高調波又は「２ｆ」分光法という用語が使用される。この技術の利点としては、１／ｆ雑音が最小限に抑えられることと、ＴＤＬスペクトル上に存在する傾斜した基線（レーザ注入電流が増加するにしたがってレーザ出力が増加し、レーザ注入電流を変化させることはレーザがどのように調整されるかであるという事実による）が除去されることが挙げられる。
[0048]図５は、高調波分光法に使用されるレーザ走査５００の一例を示す。低速のランプと高速の正弦波変調との組み合わせ５０２は、レーザダイオードを駆動するために使用される。光検出器はこの変調された強度信号を受け取る。Ｎ番目の高調波成分は受信信号を復調することによって分解される。第二高調波（２ｆ）の信号を使用する検出が使用されてもよい。２ｆの線形は、対称的であり、偶関数の性質によって線中央でピークに達する。それに加えて、第二高調波（２ｆ）は、偶数の高調波の最も強い信号を供給する。図６は、一般的なレーザ強度信号（ＤＣ）及び２ｆの線形対周波数の図６００を示す。検出をより高い周波数にずらすことによって、２ｆ分光法は、１／ｆ雑音を著しく低減することができ、したがって直接吸収法に比べて大幅に感度が増強される。
[0049]別の実現例では、直接吸収分光法が使用されてもよい。この実現例では、レーザ周波数は選択された吸収遷移全体にわたって調整され、吸収線外の領域を下位の多項式に適合させることによって、ゼロ吸収基線が得られてもよい。統合吸光度は、レーザ路長内の吸収種の強度並びに遷移の線強度に正比例する。種の絶対濃度は何も校正を行わずに得られてもよい。
[0050]開示の吸光分光計に使用される光検出器は、レーザ及び測定される吸収線の特定波長に応じて変わる。１つの光検出器は、１２００〜２６００ｎｍの波長領域内の光に対して感度をもつインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）フォトダイオードである。より長い波長については、約３．６μｍまでの波長に対して感度を持つインジウムヒ素フォトダイオードが使用されてもよい。或いは、約５．５μｍ程度の長い波長についてはアンチモン化インジウム検出器が現在利用可能である。インジウム素子は両方とも、光起電力モードで作動し、動作のためのバイアス電流を必要としない。低周波数雑音をもたないこれらの光検出器は、ＤＣ又は低周波数用途には有利である。そのような検出器はまた、高速パルスレーザ検出に有利であり、微量ガス吸光分光学に特に有用になっている。他の光検出器としては、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムヒ素リン（ＩｎＡｓＰ）、シリコン、ゲルマニウム、水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）、及び硫化鉛（ＰｂＳ）の検出器を挙げることができる。
[0051]ガス分析器は、レーザ電流を制御し、レーザ電流駆動を信号記録と同期させて、非常に低レベルの信号の検出を容易にするマイクロプロセッサによって制御されてもよい。検出器信号処理及びユーザに対する入力／出力並びにデータ記録は、マイクロプロセッサとの直接インタフェースによって提供されてもよい。
[0052]図７は、分光計７０４と連通しているマイクロプロセッサ７０２を備えた、制御及びデータ処理のループシステムを含むセンサシステム７００の図である。命令で、方形パルスの形態の信号がマイクロプロセッサ７０２によって生成される。このパルスは、周期的に生成される。一実現例では、２６３ミリ秒の広いパルスが０．２５秒ごとに生成される。他のパルス幅及び生成頻度が利用されてもよい。各パルスは、一例が図８に概略的に示されるＤＣ信号を生成するランプ波発生器７０６に向けられる。ランプ信号に加えて、例えば７．５ＫＨｚの変調正弦波が、小信号の検出に後で使用するため、変調器７１０によって電流ランプに与えられてもよい。この結合された信号は、レーザ電流ドライバ７１２に、且つレーザ７１４自体に向けられる。
[0053]この実現例では、レーザ温度は温度コントローラボード７１６によって一定に保たれ、電流はレーザ波長を調整させるために変動される。温度制御ループは、温度入力としてレーザ７１４に接近して位置するサーミスタ（図示なし）を使用し、熱電冷却器７２０は可能な限りレーザ７１４に（熱的に）近接して取り付けられる。ＴＥＣ及びサーミスタは、レーザダイオードに直接隣接して、或いはレーザダイオード筐体の外部に位置付けられてもよい。駆動電流の変動が、例えば約±０．３ｃｍ−１の範囲内の調整範囲を与えるように、温度コントローラ７１６が正確なレーザ波長を設定するのに使用されてもよい。
[0054]各測定サイクルの始めに、レーザ入力がない状態で光検出器によって生成される信号を読み取り、それによってその測定サイクルに対してゼロを提供するため、電流はゼロに保たれる。このゼロは、検出器の暗電流及び電子雑音のわずかな変化によって少量変動してもよいので、各検出器サイクル中にそれを測定することは有利である。ゼロの決定に続いて、電流はレーザ閾値電流まで迅速に増加される。次に、この電流は、ピーク電流に達するまでサイクルの残りにわたって増加される。この信号から生成されたビームは、試料セル７２２を介して、フォトダイオードアレイ又は他の同等の検出器であってもよい検出器７２４上に向けられる。検出器からの出力電流は、前置増幅器７２６によって最初に増幅される。前置増幅器の出力は分割され、帯域フィルタ７３０及び低域フィルタ７３２に送られる。帯域フィルタ７３０は、狭帯域フィルタである。この狭帯域フィルタは、１５ＫＨｚで２ｆ信号を選び出し、それを、マイクロプロセッサによって供給される信号から１５ＫＨｚに基準が設定されているロックイン増幅器７３４に向ける。ロックイン増幅器７３４は、信号をさらに増幅し、それをＡ／Ｄボード７３６に向け、マイクロプロセッサ７０２内に返す。低域フィルタ７３２は２ｆ信号以外の検出器出力を供給する。この信号は、システムに対してゼロを有するマイクロプロセッサに７０２を提供し、診断ツールでもある。
[0055]上述したように、信号は、分析器の各サイクルについて、マイクロプロセッサ７０２によって生成され記録される。プロセッサは、ゼロと吸光度線のピークにおける吸光度の測定値との比として、ガスの吸光度を計算することによって、対象のガス試料の濃度を決定する。吸光度は、Ａ／Ｄボード７３６にその出力が供給される適切な手段７４２及び７４４によってそれぞれ測定される、セルのガス圧力及び温度に応じて決まる。吸光度は、マイクロプロセッサメモリ７４４に格納された圧力／温度校正マトリックスによって調節されてもよい。このマトリックスは分析器ごとの基準で生成される。或いは、試料セル（１つ以上）内の測定温度及び圧力に基づいて、１つ以上の補正計算が行われてもよい。
[0056]補正された吸光度値が決定されると、濃度は式３を使用して計算されてもよい。一実現例では、この濃度は、例えばｌｂｓ／ｍｍｓｃｆ単位に変換され、４回平均化され、１秒ごとに出力に送られてもよい。このシステムに含まれてもよい出力は、４〜２０ｍＡの電流ループ７４６、視覚表示装置７５０、並びにＲＳ−２３２又は同等のシリアルポート７５２及び７５４である。システムの電力は適切に選択された電源７５６によって供給される。
[0057]ここに記載の分光計は、適切に選択された波長のレーザを使用して、エチレン、プロピレン、及びイソブタンが挙げられるがそれらに限定されない炭化水素ガス混合物中の、百万分率未満（≦３００ｐｐｂ）レベルの水蒸気（Ｈ２Ｏ）を正確に繰り返し測定する。水分子がオレフィンガス分子よりも大幅に大きなレベルで光を吸収する場合、波長が利用されてもよい。より具体的には、空気中と減湿されたオレフィン混合物中の水蒸気の吸光度の関係は、次式を使用して定量化されてもよい。
Figure 2009534659
式中、ＦＯＭは「最小感度」、ＡＨ２Ｏ,λは所与の波長λにおける１００ｐｐｍの水蒸気による吸光度、ＡＧａｓＭｉｘｔｕｒｅ，λは波長λにおける乾燥炭化水素ガス混合物の吸光度である。ＡＨ２Ｏ,λ及びＡＧａｓＭｉｘｔｕｒｅ，λは両方とも、同じ圧力及び吸収路長で測定される。一実現例では、ＡＨ２Ｏ,λ及びＡＧａｓＭｉｘｔｕｒｅ，λは、１ｍの路長に対して１気圧で定量化されてもよい。レーザ波長λは、その波長のＦＯＭが０．００００００１超過である場合に有用である。換言すれば、選択波長における水の吸光度は、選択波長における乾燥炭化水素混合物の吸光度の少なくとも１００万分の１である。或いは、ＦＯＭが０．００１である波長が使用されてもよい。表１は、この条件が満たされる多数の特定波長を列挙する。
Figure 2009534659
[0058]一実現例では、波長は、本明細書に記載の主題とともに使用するため、以下のように有効にされてもよい。第１のステップとして、吸収セル路長が選択される。吸収セルが容易に利用可能な路長のいくつかの例としては、０．４ｍ、０．８ｍ、８ｍ、２８ｍが挙げられるが、それらに限定されない。選択波長のＦＯＭが１超過の場合、路長は、利用可能な最小路長よりも大きいように選択される（信号対雑音比＞１）。ＦＯＭが０．０１〜１の場合、路長は、利用可能な最小路長の３倍を超えるように選択される（信号対雑音比＞３）。ＦＯＭが０．０１未満の場合、路長は、最小路長よりも大きいように選択される（信号対雑音比＞１）。
[0059]次に使用圧力が決定される。乾燥炭化水素ガス混合物の吸光度が１超過の場合、換言すれば、選択された路長及び使用圧力においてガスを光がまったく透過しない場合、使用圧力を１気圧未満に低減することが必要なことがある。この場合、減湿されたガス混合物及び減湿していない混合物両方の吸収スペクトルが、新しい圧力で記録され分析される。新しい使用圧力で新しい表が生成され、適切な路長の決定が繰り返される。背景吸光度が１未満の場合、１気圧の使用圧力が使用されてもよい。
[0060]最後に、差分吸収方式を使用するか否かが決定される。ＦＯＭが０．０１未満の場合、差分吸収方式が使用され、利用可能なレーザ波長から最小の路長及び最大のＳＮＲをもつ遷移が選択される。或いは、最小のＦＯＭ及び最大のＳＮＲをもつ遷移が選択されてもよい。
[0061]図８に示されるレーザ電流対時間の図８００は、開示の分析器に使用されてもよいレーザパルスプロファイルの一例を示す。各パルス周期について、レーザ電流が発振閾値８０４を大きく下回るとき、最初の期間の間に動的ゼロ測定が行われる。次に、レーザ電流は、発振閾値８０４以上まで迅速に増加され、上述のような２ｆ変調計算を容易にするため、交流電圧８０６を用いて変調されたレーザ調整ランプが加えられる。パルス周期８１０の終わりに、プロセスは繰り返される。一実施例では、パルス周期は約２６３ミリ秒続く。他の繰返し周期が本開示の範囲内である。
[0062]図９は、ガス中の水蒸気濃度を分析する一例の方法のフローチャート９００を示す。一般に、その水蒸気濃度が決定されるガスの第１の試料は、水蒸気濃度を低減するために脱水される（９０２）。脱水プロセスは、有利には、水蒸気以外のガス成分をすべて含有するガスの基準試料又は背景試料を生成するため、第１の試料中の水蒸気をほぼすべて除去する。第１の試料は、選択波長における光源からのビームが照射される。この光源は、有利には、レーザ、例えば上述のレーザの１つであってもよい。波長は、例えば表１に関して上述したように、ガスの水分子及び他の成分が分解性の異なる吸収特性を有するように選択される。第１の試料を通過する透過光強度が測定され（９０６）、第１の吸収スペクトルが記録される。透過強度の測定は、光検出器、例えば上述のものの１つを用いて行われてもよい。第１の吸収スペクトルの記録は、例えばマイクロプロセッサなどのデータ分析デバイスを用いて行われてもよい。ガスの第２の試料は、同じ選択波長における光を照射される（９１０）。第２の試料を通過する透過光強度が測定され（９１２）、第２の吸収スペクトルが記録される。やはり、光検出器及びデータ分析デバイスが使用されてもよい。第１の吸収スペクトル及び第２の吸収スペクトルから差分吸収スペクトルが生成され（９１４）、この差分スペクトルを分析して、ガス中の水蒸気濃度が決定される。第１及び第２の試料の透過強度の測定は、単一の試料セルにおいて順次に行われてもよく、同一の光路長をもつ並列な試料セルにおいて行われてもよい。
[0063]図１０、図１１、及び図１２はそれぞれ、上記の表１に特定されている波長の１つである約２７３５ｎｍ近傍で水と重なり合う、エチレン、プロピレン、及びイソブタンのスペクトルを示す。この赤外スペクトル領域内における、水の吸収ピークとこれらのオレフィンの吸収ピークとの間の差は非常に小さい。図１０の吸収スペクトルグラフ１０００が示すように、エチレンの場合の差は約≦１０ｍＡＵである。図１１の吸収スペクトルグラフ１１００は、プロピレンの場合の差が約≦８ｍＡＵであることを示す。図１２の吸収スペクトルグラフ１２００は、イソブタンの場合の差が約≦６ｍＡＵであることを示す。しかし、ここに開示される差分分光技術を使用し、次に「２ｆ」信号のピーク探索を行うことによって、これらのオレフィンをそれぞれ約５００ｍＢａｒ分圧含有する個々のガス混合物中の水蒸気濃度が行われてもよい。測定はまた、背景ガスのより高い分圧でも有効であり得る。各測定について、試料セルは、約±１℃の範囲内の一定温度で維持される。分光計の温度制御は、分光計を、環境が−１５℃から＋６０℃まで変動し得る条件において、３０℃超過で保たれた温度で絶縁された内部を有する、熱制御された筐体内に置くことによって得られる。
[0064]余剰な測定を提供するため、ここに開示される分析器は、例えば、露点測定素子、圧電吸着素子、五酸化リン電気分解素子、又は酸化アルミニウム若しくは酸化シリコンセンサなど、従来の水蒸気分析器と対にされてもよい。
[0065]本明細書に記載される技術及び分光計を使用して、図１３に示される、５００ｍＢａｒ分圧のエチレン中の水蒸気の曲線、図１４に示される、２５０ｍＢａｒ分圧のプロピレン中の水蒸気の曲線、並びに図１５に示される、３００ｍＢａｒ分圧のイソブタン中の水蒸気の曲線を生成した。図示される実施例それぞれについて、図２に示されるものと類似の単一試料セル構成を使用した。約２７３５ｎｍの波長で動作する波長可変レーザによって入射光を供給した。レーザパルス繰返し周期は約２６３ミリ秒であり、分光計の温度は、約±０．１℃の精度で３０℃超過の温度で保たれている、熱制御されたキャビネット内に置くことによって制御した。
[0066]これらの実施例の結果は、オレフィンを含有するガス混合物中における≦５００ｐｐｂのＨ２Ｏの再現可能な定量化を実証している。エチレンについては、合計路長の長さが約２８メートルである吸収セルを使用して、図１３に示される吸収スペクトルを生成した。プロピレン及びイソブタンについては、図１４及び図１５それぞれに示される結果を生成するための路長は約８メートルであった。
[0067]いくつかの変形例を詳細に上述してきたが、他の修正が可能である。例えば、添付図面に示され、本明細書に記載されている論理の流れは、所望の結果を得るため、図示される特定の順序又は順次的順序を必要とするものではない。
他の実施形態が請求項の範囲内であってもよい。
吸光分光計の第１の実施例を示す概略図である。 吸光分光計の第２の実施例を示す概略図である。 吸光分光計の第３の実施例を示す概略図である。 ヘリオットセルと関連する概念を説明する概略図である。 波長変調分光法の原理を説明する図である。 水の吸収線を包含する波長範囲にわたる走査によって生成される、吸収スペクトルの一例を示す図である。 測定システムのブロック図である。 レーザ電流駆動信号の一例を示す図である。 ガス中の水蒸気濃度を分析する方法を説明するプロセスフローチャートである。 乾燥エチレン及び３．７８ｐｐｍの水蒸気を含むエチレンの吸収スペクトルを示す図である。 乾燥プロピレン及び８．９４ｐｐｍの水蒸気を含むプロピレンの吸収スペクトルを示す図である。 乾燥イソブタン及び８．９４ｐｐｍの水蒸気をイソブタンの吸収スペクトルを示す図である。 エチレン中の水蒸気の差分スペクトル及び２ｆ信号の吸収スペクトル測定を示す図である。 プロピレン中の水蒸気の差分スペクトル及び２ｆ信号の吸収スペクトル測定を示す図である。 イソブタン中の水蒸気の差分スペクトル及び２ｆ信号の吸収スペクトル測定を示す図である。

Claims (44)

  1. 炭化水素ガス混合物の第１の試料の水蒸気濃度を低減するため、前記第１の試料を脱水するステップと、
    選択波長における前記第１の試料の第１の吸収スペクトルを記録するステップと、
    前記炭化水素ガス混合物の第２の試料の第２の吸収スペクトルを記録するステップと、
    前記第１の吸収スペクトル及び前記第２の吸収スペクトルから差分吸収スペクトルを生成するステップと、
    前記炭化水素ガス混合物中の水蒸気濃度を決定するため、前記差分スペクトルを分析するステップと、
    を含む、方法。
  2. 前記炭化水素ガス混合物が１つ以上のオレフィンを含有する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１の吸収スペクトル及び前記第２の吸収スペクトルが、高調波分光法、直接吸収分光法、単一線吸収ピーク分光法、及び複数線吸収ピーク分光法の少なくとも１つを使用して記録される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記第１の吸収スペクトルを記録する前記ステップが、
    水蒸気吸収線とほぼ一致する前記選択波長における狭いスペクトルの光を前記第１の試料に照射するステップと、
    前記第１の試料を通過する第１の透過光強度を測定するステップと、
    前記測定された強度をデータ分析デバイスに渡すステップと、
    を含み、
    前記第２の吸収スペクトルを記録する前記ステップが、
    水蒸気吸収線とほぼ一致する前記選択波長における狭いスペクトルの光を前記第２の試料に照射するステップと、
    前記第２の試料を通過する第２の透過光強度を測定するステップと、
    前記測定された強度を前記データ分析デバイスに渡すステップと、
    を含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記選択波長は、水蒸気が前記炭化水素ガス混合物の他の成分と分解性が異なる吸収特性を有する波長である、請求項１に記載の方法。
  6. 前記選択波長は、水蒸気が前記炭化水素ガス混合物の他の成分の吸収特性とほぼ一致する吸収特性を有する波長である、請求項１に記載の方法。
  7. 前記選択波長が、前記炭化水素ガス混合物の炭化水素濃度にほぼ等しい炭化水素濃度を含む乾燥空気による吸収と比較して、少なくとも約０．００００００１倍程度の強さで、１００ｐｐｍの水蒸気濃度をもつ空気によって吸収される、請求項１に記載の方法。
  8. 前記選択波長が、前記炭化水素ガス混合物の炭化水素濃度にほぼ等しい炭化水素濃度を含む乾燥空気による吸収と比較して、少なくとも約０．００１倍程度の強さで、１００ｐｐｍの水蒸気濃度をもつ空気によって吸収される、請求項１に記載の方法。
  9. 前記選択波長が、１３５９．５ｎｍ、１８５６．７ｎｍ、２６０５．６ｎｍ、１３６１．７ｎｍ、１８５９．８ｎｍ、２６２０．５ｎｍ、１３６８．６ｎｍ、１８７７．１ｎｍ、２６２６．７ｎｍ、１３７１．０ｎｍ、１８９０．３ｎｍ、２６３０．６ｎｍ、１３９２．２ｎｍ、１８９９．７ｎｍ、２６６５．１ｎｍ、１８３６．３ｎｍ、１９０３．０ｎｍ、２６７６．１ｎｍ、１８４０．０ｎｍ、１９０５．４ｎｍ、２７１１．２ｎｍ、１８４２．１ｎｍ、２５７３．６ｎｍ、２７２４．２ｎｍ、１８４７．１ｎｍ、２５８３．９ｎｍ、２７３５．０ｎｍ、１８５４．０ｎｍ、２５９６．０ｎｍ、及び２７４０．３ｎｍから選択される、請求項１に記載の方法。
  10. 約４００ｎｍから３０００ｎｍの波長範囲でレーザダイオードから前記選択波長のレーザビームを供給するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  11. 約４００ｎｍから２０，０００ｎｍの波長範囲で量子カスケードレーザから前記選択波長のレーザビームを供給するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  12. 約４００ｎｍから２０，０００ｎｍの波長範囲で、非線形光学プロセスから生成された前記選択波長における狭いスペクトルのビームを供給するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  13. 色中心レーザ、固体レーザ、気体レーザ、又は液体レーザから選択されたレーザによって供給される前記選択波長のレーザビームを供給するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  14. 前記第１の吸収スペクトル及び前記第２の吸収スペクトルが、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムヒ素リン（ＩｎＡｓＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、シリコン、ゲルマニウム、水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）、及び硫化鉛（ＰｂＳ）の検出器から選択された光検出器を使用して記録される、請求項１に記載の方法。
  15. 前記炭化水素ガス混合物の圧力が少なくとも１Ｐａである、請求項１に記載の方法。
  16. 前記第１の吸収スペクトル及び前記第２の吸収スペクトルが単一の試料セルにおいて順次に記録される、請求項１に記載の方法。
  17. 前記第１の吸収スペクトル及び前記第２の吸収スペクトルが、ほぼ同一の光路長をもつ第１の試料セル及び第２の試料セルにおいて並行に記録される、請求項１に記載の方法。
  18. 前記第１の試料及び前記第２の試料を一定温度で維持するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  19. 前記炭化水素ガス混合物の温度を測定するステップと、その測定値を水分計算のための入力として使用するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  20. 前記第１の試料及び前記第２の試料を一定圧力で維持するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  21. 前記炭化水素ガス混合物の圧力を測定するステップと、その測定値を水分計算のための入力として使用するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  22. 露点センサ、圧電吸着センサ、五酸化リン電気分解センサ、及び酸化アルミニウム又は酸化シリコンセンサの１つを使用して、前記炭化水素ガス混合物中の前記水蒸気濃度も測定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  23. 選択波長のビームを放射する光源と、
    試料セルと、
    炭化水素ガス混合物の第１の試料中の水蒸気を低減する脱水器と、
    前記炭化水素ガス混合物の前記第１の試料又は第２の試料を前記試料セルに交互に供給する１つ以上のバルブと、
    前記試料セルを通過する光を定量化するように位置付けられた光検出器と、
    前記試料セルが前記第１の試料を収容しているとき、前記光検出器からの第１の吸収スペクトルを記録し、前記試料セルが前記第２の試料を収容しているとき、第２の吸収スペクトルを検出し、前記第１の吸収スペクトル及び前記第２の吸収スペクトルから差分吸収スペクトルを計算し、前記差分吸収スペクトルに基づいて第２の試料中の水蒸気濃度を計算するマイクロプロセッサとを備える、装置。
  24. 前記光源がレーザダイオードである、請求項２３に記載の装置。
  25. 前記レーザダイオードが変調され、前記第１の吸収スペクトル及び前記第２の吸収スペクトルが高調波吸収スペクトルである、請求項２４に記載の装置。
  26. 前記レーザダイオードが変調され、前記第１の吸収スペクトル及び前記第２の吸収スペクトルが直接吸収スペクトルである、請求項２４に記載の装置。
  27. 前記光源が、垂直共振器型面発光レーザ、水平共振器型面発光レーザ、量子カスケードレーザ、分布帰還型レーザ、色中心レーザ、非線形光変換プロセスによって生成された狭いスペクトルのレーザ光、及び狭い波長範囲を有するように１つ以上の光学部品を用いて調整された広帯域光源から選択される、請求項２３に記載の装置。
  28. 前記選択波長が、前記炭化水素ガス混合物の炭化水素濃度にほぼ等しい炭化水素濃度を含む乾燥空気による吸収と比較して、少なくとも約０．００００００１倍程度の強さで、１００ｐｐｍの水蒸気濃度をもつ空気によって吸収される、請求項２３に記載の装置。
  29. 前記選択波長が、前記炭化水素ガス混合物の炭化水素濃度にほぼ等しい炭化水素濃度を含む乾燥空気による吸収と比較して、少なくとも約０．００１倍程度の強さで、１００ｐｐｍの水蒸気濃度をもつ空気によって吸収される、請求項２３に記載の装置。
  30. 前記光検出器が、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムヒ素リン（ＩｎＡｓＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、シリコン、ゲルマニウム、水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）、及び硫化鉛（ＰｂＳ）の検出器から選択される、請求項２３に記載の装置。
  31. 前記選択波長が、１３５９．５ｎｍ、１８５６．７ｎｍ、２６０５．６ｎｍ、１３６１．７ｎｍ、１８５９．８ｎｍ、２６２０．５ｎｍ、１３６８．６ｎｍ、１８７７．１ｎｍ、２６２６．７ｎｍ、１３７１．０ｎｍ、１８９０．３ｎｍ、２６３０．６ｎｍ、１３９２．２ｎｍ、１８９９．７ｎｍ、２６６５．１ｎｍ、１８３６．３ｎｍ、１９０３．０ｎｍ、２６７６．１ｎｍ、１８４０．０ｎｍ、１９０５．４ｎｍ、２７１１．２ｎｍ １８４２．１ｎｍ、２５７３．６ｎｍ、２７２４．２ｎｍ、１８４７．１ｎｍ、２５８３．９ｎｍ、２７３５．０ｎｍ、１８５４．０ｎｍ、２５９６．０ｎｍ、及び２７４０．３ｎｍから選択される、請求項２３に記載の装置。
  32. 前記光源、前記光検出器、及び前記試料セルの１つ以上を封入する熱制御されたチャンバをさらに備える、請求項２３に記載の装置。
  33. 露点測定素子、圧電吸着素子、五酸化リン電気分解素子、及び酸化アルミニウム又は酸化シリコンセンサから選択された付加的な水蒸気濃度分析器をさらに備える、請求項２３に記載の装置。
  34. 選択波長のビームを放射する光源と、
    炭化水素ガス混合物の第１の試料中の水蒸気を低減する脱水器と、
    前記第１の試料を収容する第１の試料セルと、
    前記炭化水素ガス混合物の第２の試料を収容するとともに、前記第１の試料セルとほぼ同一の経路長を有する第２の試料セルと、
    前記第１の試料セルと前記第２の試料セルとの間で前記ビームを分割する光学部品と、
    前記第１の試料セルを通過する光を定量化するように位置付けられた第１の光検出器と、
    前記第２の試料セルを通過する光を定量化するように位置付けられた第２の光検出器と、
    前記第１の光検出器からの第１の吸収スペクトルを記録し、第２の光検出器からの第２の吸収スペクトルを記録し、前記第１の吸収スペクトル及び前記第２の吸収スペクトルから差分吸収スペクトルを計算し、前記差分吸収スペクトルに基づいて前記第２の試料中の水蒸気濃度を計算するマイクロプロセッサと、
    を備える、装置。
  35. 前記光源がレーザダイオードである、請求項３４に記載の装置。
  36. 前記レーザダイオードが変調され、前記第１の吸収スペクトル及び前記第２の吸収スペクトルが高調波吸収スペクトルである、請求項３５に記載の装置。
  37. 前記レーザダイオードが変調され、前記第１の吸収スペクトル及び前記第２の吸収スペクトルが直接吸収スペクトルである、請求項３５に記載の装置。
  38. 前記光源が、垂直共振器型面発光レーザ、水平共振器型面発光レーザ、量子カスケードレーザ、分布帰還型レーザ、色中心レーザ、非線形光変換プロセスによって生成された狭いスペクトルのレーザ光、及び狭い波長範囲を有するように１つ以上の光学部品を用いて調整された広帯域光源から選択される、請求項３４に記載の装置。
  39. 前記選択波長が、前記炭化水素ガス混合物の炭化水素濃度にほぼ等しい炭化水素濃度を含む乾燥空気による吸収と比較して、少なくとも約０．００１倍程度の強さで、１００ｐｐｍの水蒸気濃度をもつ空気によって吸収される、請求項３４に記載の装置。
  40. 前記光検出器が、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムヒ素リン（ＩｎＡｓＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、シリコン、ゲルマニウム、水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）、及び硫化鉛（ＰｂＳ）の検出器から選択される、請求項３４に記載の装置。
  41. 前記選択波長が、１３５９．５ｎｍ、１８５６．７ｎｍ、２６０５．６ｎｍ、１３６１．７ｎｍ、１８５９．８ｎｍ、２６２０．５ｎｍ、１３６８．６ｎｍ、１８７７．１ｎｍ、２６２６．７ｎｍ、１３７１．０ｎｍ、１８９０．３ｎｍ、２６３０．６ｎｍ、１３９２．２ｎｍ、１８９９．７ｎｍ、２６６５．１ｎｍ、１８３６．３ｎｍ、１９０３．０ｎｍ、２６７６．１ｎｍ、１８４０．０ｎｍ、１９０５．４ｎｍ、２７１１．２ｎｍ、１８４２．１ｎｍ、２５７３．６ｎｍ、２７２４．２ｎｍ、１８４７．１ｎｍ、２５８３．９ｎｍ、２７３５．０ｎｍ、１８５４．０ｎｍ、２５９６．０ｎｍ、及び２７４０．３ｎｍから選択される、請求項３４に記載の装置。
  42. 前記レーザ源、前記第１の光検出器、前記第２の光検出器、前記第１の試料セル、及び前記第２の試料セルの１つ以上を封入する熱制御されたチャンバをさらに備える、請求項３４に記載の装置。
  43. 露点測定素子、圧電吸着素子、五酸化リン電気分解素子、及び酸化アルミニウム又は酸化シリコンセンサから選択された付加的な水蒸気濃度分析器をさらに備える、請求項３４に記載の装置。
  44. 炭化水素ガス混合物の水分子及び他の成分が異なる吸収度を有する波長においてビームを発生させる手段と、
    前記炭化水素ガス混合物の第１の試料中の水蒸気を低減する手段と、
    前記ガスの前記第１の試料に前記ビームを照射し、第１の吸光度スペクトルを記録する手段と、
    前記炭化水素ガス混合物の第２の試料に前記ビームを照射し、第２の吸光度スペクトルを記録する手段と、
    前記第１の吸光度スペクトル及び前記第２の吸光度スペクトルから差分吸光度スペクトルを生成し、分析して、前記炭化水素ガス混合物中の水蒸気濃度を決定する処理手段とを備える、装置。
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