JP2010249726A - Gas analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、分光吸光分析法により気体中の微量成分を計測するガス分析装置に関する。 The present invention relates to a gas analyzer that measures trace components in a gas by spectrophotometric analysis.
以下、レーザー光を用いる分光吸光分析装置を例示して説明する。
レーザー分光吸光分析装置は、例えば特許文献1に従来技術として記述されているように、光源となる波長可変半導体レーザー装置、これより発せられるレーザー光を試料ガス中に通すためのガスセル、及びガスセルを通過したレーザー光の光強度を測定する光検出器等で構成され、感度・精度の高いことから半導体材料ガス中の微量水分の測定等の用途がある。レーザー光の波長は、半導体レーザー装置の駆動電流または動作温度により制御することができるので、光源に分光器等の光学系を必要としない利点もある。
Hereinafter, a spectrophotometric analyzer using laser light will be described as an example.
For example, as described in
図5に、試料ガス中の微量水分測定用のレーザー分光吸光分析装置の従来の構成の一例を示す。この装置の構成は、同図に示す如く、ガスセル1と光学系室2に大別され、光学系室2にはレーザー光源3と光検出器4が収められている。ガスセル1は、ガス入口13、ガス出口14以外は密閉された円筒状金属容器で、対向する2枚の球面鏡11、12がその両端内面に保持されている。
FIG. 5 shows an example of a conventional configuration of a laser spectrophotometric analyzer for measuring trace moisture in a sample gas. As shown in the figure, the configuration of this apparatus is roughly divided into a
ガスセル1と光学系室2との間は、光透過性の材料(石英、サファイア等)から成る光透過窓15、16で区画されており、レーザー光源3から発せられたレーザー光は、図中に一点鎖線で光路Aを示すように、一方の光透過窓15を通してガスセル1内に導入され、2枚の球面鏡11、12の間で多重反射しながら試料ガス中を通過した後、他方の光透過窓16を経て光検出器4に到達する。
The
上記構成において、レーザー光源3として所要の波長範囲で波長走査可能な波長可変レーザー装置を用い、その出力光を試料ガスを充たしたガスセル1に通した後、フォトダイオード等から成る光検出器4で受光することにより、例えば図6に示すスペクトルが得られる。
図6は微量水分の測定例であって、水分特有の波長(1.3686μm)における吸収ピークが見られる。なお、同図において、縦軸は受光光度、横軸は波長を示し、波長目盛はピークの中心波長との差を波数(cm−1)で表されている。
In the above configuration, a wavelength tunable laser device capable of wavelength scanning in a required wavelength range is used as the laser light source 3, and the output light is passed through the
FIG. 6 shows a measurement example of trace moisture, and an absorption peak at a wavelength peculiar to moisture (1.3686 μm) is observed. In the figure, the vertical axis represents the received light intensity, the horizontal axis represents the wavelength, and the wavelength scale represents the difference from the peak center wavelength in wave numbers (cm-1).
一般にガス分析装置においては、装置の経時変化をチェックし精度を維持するために、濃度既知の標準ガスを用いて定期的に校正を行う。分析装置の出力は濃度に比例するとは限らないので、濃度の異なる2種以上の標準ガスを用いて直線性のチェックも行うのが普通である。しかし、例えばppmレベルの微量水分を測定する場合は、濃度の安定した標準ガスを幾種類も準備することが困難である。 In general, in a gas analyzer, calibration is periodically performed using a standard gas with a known concentration in order to check the time-dependent change of the apparatus and maintain accuracy. Since the output of the analyzer is not always proportional to the concentration, it is common to check linearity using two or more standard gases having different concentrations. However, for example, when measuring a trace amount of moisture at the ppm level, it is difficult to prepare several kinds of standard gases with stable concentrations.
主に液体を分析対象とする紫外可視領域の分光吸光分析においては、標準試料の代わりに吸光度値が正確に値付けされた光学フィルタが校正に用いられるが、ガスを対象とする赤外線領域の分光吸光分析においてはこの種の光学フィルタは一般に入手困難である。 In the spectrophotometric analysis in the UV-visible region, mainly for liquid analysis, an optical filter with an accurate absorbance value is used for calibration instead of a standard sample, but in the infrared region for gas. This type of optical filter is generally difficult to obtain in absorbance analysis.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、標準ガスを用いることなく装置の経時変化等を簡単な操作でチェックすることが可能な分光吸光分析法によるガス分析装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is intended to provide a gas analyzer using a spectrophotometric method capable of checking a change with time of the apparatus with a simple operation without using a standard gas. Objective.
本発明は、上記課題を解決するために、ガスセルを備えた分光吸光分析装置において、同一の吸光度を有する複数の光学フィルタの1枚または複数枚を測定光の光路中に枚数を変えて逐次に挿入し、またその挿入位置から離脱させるフィルタ挿脱機構を備える。
この構成により、標準ガスの代わりに吸光度が2倍、3倍等に異なる複数の光学フィルタを光路中に逐次に挿入して、簡便に装置の性能チェックを行うことができる。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a spectrophotometric apparatus equipped with a gas cell, wherein one or a plurality of optical filters having the same absorbance are sequentially changed in the optical path of measurement light. A filter insertion / removal mechanism is provided for insertion and removal from the insertion position.
With this configuration, it is possible to easily check the performance of the apparatus by sequentially inserting a plurality of optical filters having different absorbances of 2 times, 3 times, etc. in the optical path instead of the standard gas.
本発明は上記のように構成されているので、標準ガスを用いることなく装置の経時変化等を容易にチェックできるので、測定の信頼度を維持することが可能となる。 Since the present invention is configured as described above, it is possible to easily check the change over time of the apparatus without using a standard gas, so that the reliability of measurement can be maintained.
本発明の最良の形態は、同一の吸光度を有する複数の光学フィルタの1枚または複数枚を測定光の光路中に枚数を変えて逐次に挿脱するフィルタ挿脱機構を備えて成るレーザー分光吸光分析装置である。 The best mode of the present invention is a laser spectroscopic absorption comprising a filter insertion / removal mechanism that sequentially inserts / removes one or a plurality of optical filters having the same absorbance in the optical path of measurement light. It is an analysis device.
図1に本発明の一実施例を示す。同図において、図5と同一物については同符号を付すことで再度の説明を省く。本実施例が図5に示す従来例と相違する点は、フィルタ挿脱機構5を備え、その一部である回転円板51が光路Aを横断していることである。図2はフィルタ挿脱機構5の構成をさらに詳しく示すもので、同図(a)は正面図、(b)は平面図である。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those in FIG. The present embodiment is different from the conventional example shown in FIG. 5 in that a filter insertion /
図2に示す如く、モータ55によって軸B(この例ではモータ55の回転軸)の回りに回転する回転円板51に90°間隔で開設された4つの窓のうち、単一フィルタ窓52には1枚の石英板6が貼設され、これと対角に位置する複数フィルタ窓53には複数枚(この例では2枚)の石英板6が重ねて貼設され、残る2つの窓(ブランク窓54)は素通しである。石英板6は光学フィルタとして機能するもので、サイズは例えば直径10mm、厚さ1mm程度であり、全て同一光学特性を有するが、その吸光度値は既知である必要はない。
As shown in FIG. 2, a
このフィルタ挿脱機構5は、図1に示す如く回転円板51が光路Aを直角に横断し、測定光が窓の1つを通過する位置に配置される。この構成により、モータ55が90°回転するごとに、ブランク窓54、単一フィルタ窓52、ブランク窓54、複数フィルタ窓53の順に光路A中に挿入される。
As shown in FIG. 1, the filter insertion /
図1の装置で通常の測定を行うときは、ブランク窓54の1つが光路Aを横切る位置でフィルタ挿脱機構5を止めておく。この状態では、図5に示す従来構成と変わらず、測定光は光学フィルタの影響を受けずに光検出器4に到達する。
When performing normal measurement with the apparatus of FIG. 1, the filter insertion /
性能チェックを行うときは、まず、レーザー光の波長を測定対象である水分による吸収のない波長に固定する。即ち、図6の実測例で、水分の吸収ピークから外れた波長領域R1またはR2内でできるだけ水分の吸収ピーク波長に近い波長を選定する。波長はレーザー光の駆動電流、または動作温度を変えることで設定可能である。
次に、フィルタ挿脱機構5を作動させて、ブランク窓54、単一フィルタ窓52、ブランク窓54、複数フィルタ窓53の順に光路A中に挿入し、光検出器4による受光光度を測定する。
When performing a performance check, first, the wavelength of the laser beam is fixed to a wavelength that is not absorbed by the moisture to be measured. That is, in the actual measurement example of FIG. 6, a wavelength as close as possible to the water absorption peak wavelength is selected within the wavelength region R1 or R2 deviated from the water absorption peak. The wavelength can be set by changing the driving current of the laser beam or the operating temperature.
Next, the filter insertion /
図4はその結果を模式的に示す図である。同図に示すように、ブランク窓54の透過光の光度I0、単一フィルタ窓52の透過光の光度I1、複数フィルタ窓53の透過光の光度I2とすると、単一フィルタ窓52の当該波長における吸光度D1、複数フィルタ窓53の当該波長における吸光度D2は次式で算出される。
D1=Log(I0/I1)・・・・・・・・・・・・(1)
D2=Log(I0/I2)・・・・・・・・・・・・(2)
光学フィルタの吸光度は一定と見なせるから、上記性能チェックの結果、実測されたD1またはD2の値に経時的な変化が見られる場合は、装置の経時変化によるものと考えるべきである。
さらに、公知のランバート・ベールの法則により、石英板6を重ねた光学フィルタの吸光度はその厚さ、即ち枚数に比例するから、D1、D2の間には次の関係が成り立たなければならない。
D1=D2/N・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)
なお、Nは複数フィルタ窓53の石英板6の枚数(本実施例では、N=2)である。
(1)〜(3)式を総合すると次式が導かれる。
Log(I0/I1)=(1/N)×Log(I0/I2)・・・(4)
FIG. 4 is a diagram schematically showing the result. As shown in the figure, assuming that the light intensity I 0 of the transmitted light through the
D 1 = Log (I 0 / I 1 ) (1)
D 2 = Log (I 0 / I 2 ) (2)
Since the absorbance of the optical filter can be regarded as constant, the performance check result, if the temporal change is observed in the measured values of D 1 or D 2 are to be considered to be due to aging of the apparatus.
Further, according to the known Lambert-Beer law, the absorbance of the optical filter on which the quartz plates 6 are stacked is proportional to the thickness, that is, the number of sheets, so the following relationship must be established between D 1 and D 2. .
D 1 = D 2 / N ······················ (3)
N is the number of quartz plates 6 of the plurality of filter windows 53 (N = 2 in this embodiment).
When the equations (1) to (3) are combined, the following equation is derived.
Log (I 0 / I 1 ) = (1 / N) × Log (I 0 / I 2 ) (4)
本発明における性能チェックはこの(4)式に基づいて行う。即ち、(4)式が成立することを検証することで出力値の直線性をチェックし、また、(4)式の左辺(または右辺)の値が一定値を示すことで測定精度を確認する。その結果、異常と判断される場合は、例えばデータ処理の過程で補正係数の値を修正する等の数学的補正を行い、また場合によってはハードウェア的な調整を行うことにより装置を正常な状態に保ち、測定の信頼性を維持することができる。 The performance check in the present invention is performed based on the equation (4). That is, the linearity of the output value is checked by verifying that the expression (4) holds, and the measurement accuracy is confirmed by the value of the left side (or right side) of the expression (4) being a constant value. . As a result, when it is determined that the device is abnormal, for example, mathematical correction such as correction of the correction coefficient value is performed in the course of data processing, and in some cases, hardware adjustment is performed to make the device in a normal state. And the reliability of measurement can be maintained.
フィルタ挿脱機構5については図2に示すものに限らず、種々の変形の可能性がある。
図3は、フィルタ挿脱機構5のいくつかの変形例を示す図である。
同図(a)は、測定光を素通しさせるには強いて窓の中を通過させる必要がないことから、図2(a)における回転円板51からブランク窓54を省いて簡略化したものである。長方形の回転板56上に図2と同様の単一フィルタ窓52及び複数フィルタ窓53を設け、図2と同様に軸Bの回りに回転させる構造であって、機能的には図2の例と変わるところはない。
The filter insertion /
FIG. 3 is a diagram illustrating some modified examples of the filter insertion /
FIG. 6A is a simplified diagram in which the
図3(b)は、図2における回転運動を直線往復運動に変えた変形例で、単一フィルタ窓52、ブランク窓54及び複数フィルタ窓53を有するスライド板57をスライド駆動部59により左右方向に移動させて、窓の1つを光路A中に挿入/離脱させる構造である。
FIG. 3B is a modification in which the rotary motion in FIG. 2 is changed to a linear reciprocating motion. A
図3(c)は、単一フィルタ窓52のみを備えた複数(図では3枚)の揺動板58を軸Bの回りに一定角度範囲内で揺動運動させ、例えば、揺動運動の下端の位置で窓が光路A中に挿入され、上端の位置では揺動板58が光路Aを遮らないように構成する。この構成で、各揺動板58を個別に制御することで、所要枚数の光学フィルタを光路A中に挿入しまた離脱させることができる。揺動運動の駆動源としては、例えば揺動板58のそれぞれにソレノイド(図示しない)等を設置すればよい。
FIG. 3C shows a plurality of (three in the figure) oscillating
なお、図2、図3に示す複数フィルタ窓53は1つに限らず、貼設される石英板6の枚数がそれぞれ異なる複数の複数フィルタ窓53を設けてもよい。これにより、より精度の高い直線性チェックを行うことが可能となる。
2 and 3 are not limited to one, and a plurality of
以上、レーザー分光吸光分析装置を例として説明したが、本発明はこれに限らず、フーリエ変換赤外分光光度計など各種の分光吸光分析法によるガス分析装置にも適用可能である。また、上記実施例は多重反射セルを用いた例であるが、本発明はこれに限らず、直通形のセルを用いる場合にも適用できることは自明である。 As described above, the laser spectrophotometric analyzer has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to various gas spectrophotometric gas analyzers such as a Fourier transform infrared spectrophotometer. Moreover, although the said Example is an example using a multiple reflection cell, it is obvious that this invention is applicable not only when this but using a direct-through type cell.
本発明は、分光吸光分析法により気体中の微量成分を計測するガス分析装置に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a gas analyzer that measures trace components in a gas by spectrophotometric analysis.
1 ガスセル
2 光学系室
3 レーザー光源
4 光検出器
5 フィルタ挿脱機構
6 石英板
11 球面鏡
12 球面鏡
13 ガス入口
14 ガス出口
15 光透過窓
16 光透過窓
51 回転円板
52 単一フィルタ窓
53 複数フィルタ窓
54 ブランク窓
55 モータ
56 回転板
57 スライド板
58 揺動板
59 スライド駆動部
A 光路
B 軸
DESCRIPTION OF
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009100910A JP2010249726A (en) | 2009-04-17 | 2009-04-17 | Gas analyzer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publications (1)
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2009100910A Pending JP2010249726A (en) | 2009-04-17 | 2009-04-17 | Gas analyzer |
Country Status (1)
Country | Link |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017220675A (en) * | 2017-07-26 | 2017-12-14 | セイコーエプソン株式会社 | Method for manufacturing atom cell, atom cell, quantum interference device, atomic oscillator, and electronic equipment and mobile body |
KR20200144651A (en) * | 2019-06-19 | 2020-12-30 | 주식회사 템퍼스 | Gas sensing apparatus and its calibration method |
JP7219002B2 (en) | 2017-09-11 | 2023-02-07 | i-PRO株式会社 | Endoscope |
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2009
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