JP2011242222A - ガス濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】得られた測定値が正しい数値を示していない又はその可能性が高い場合に、その判断を容易に行うことができるガス濃度測定装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るガス濃度測定装置はＴＤＬＡＳ測定法を利用したものであり、従来の装置構成に加えて、装置各部の情報を収集し、収集した情報に基づいて測定値の正確さを判定する判定部１２を演算部８内に備えている。判定部１２では、例えば信号処理部７において作成された吸光スペクトルに目的成分のピーク波形にノイズが多く含まれているか否かを、予め与えられた所定の判定基準に基づいて判定する。この判定結果は演算部８で算出された測定値のデータと共に制御部９に送られ、制御部９は測定値と共に判定部１２による判定結果を表示部１１に表示させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ光に対する吸収を利用して被測定ガス中の特定成分の濃度を測定するガス濃度測定装置に関する。

ガス濃度測定法の１つとして、従来より、波長可変半導体レーザ吸収分光（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy、以下「ＴＤＬＡＳ」と略す）測定法が広く知られている（例えば非特許文献１など参照）。

ＴＤＬＡＳ測定法では、測定対象ガスが導入されたサンプルセルに所定の波長範囲内で波長を変化させつつレーザ光を照射し、透過したレーザ光を解析して、被測定ガス中の目的成分による吸収の程度から該目的成分の濃度（分圧）を算出する。この装置は、測定対象ガスに対して光源や受光部が接触しないため、場を乱すことなく測定が可能であること（非接触測定）、応答時間が極めて短いこと（高時間分解能）、といった利点を有している。

レイド（J. Reid）、ラブリエ（D. Labrie）、「セカンド-ハーモニック・デテクション・ウィズ・チューナブル・ダイオード・レーザーズ−コンパリソン・オブ・イクスペリメント・アンド・セオリー（Second-Harmonic Detection with Tunable Diode Lasers−Comparison of Experiment and Theory）」、アプライド・フィジックス(Appl. Phys.)、B 26, pp.203-210(1981)

ＴＤＬＡＳ測定法を利用したガス濃度測定装置では、装置を使用する際の被測定ガスの圧力（全圧）範囲や温度範囲など、正確な測定値を得るための測定条件が予め決められている。装置の使用環境がこの測定条件の範囲から逸脱すると、測定精度が低下したり、間違った測定値が算出されたりするおそれがある。

一方、正しい使用環境で測定していても、正確な測定値が得られない場合もある。例えば、目的成分のガスの吸収波長と近い吸収波長を有するガスが被測定ガスに含まれていた場合、この目的成分と異なるガスの影響が目的成分の測定値に現れてしまう。また、目的成分のガスの濃度があまりに高くても、検出器が検出できる限界を超えてレーザ光が減衰されてしまう。これらの状況では、得られた測定値が実際値を正確に反映していない可能性が高い。

このように、ガス濃度測定装置では使用環境や被測定ガスの状態など様々な条件・状況により、正確な測定値が得られないことがある。従来は、装置が表示する測定値が正しいか否かについて、熟練者が測定時の温度、圧力、吸光度スペクトルの形状等の情報を基に経験から判断していた。しかしながら、このような判断は初心者には難しい。

本発明が解決しようとする課題は、得られた測定値が正しい数値を示していない又はその可能性が高い場合に、その判断を容易に行うことができるガス濃度測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るガス濃度測定装置は、
波長を変化させつつレーザ光を被測定ガスに照射し、該被測定ガスを通過したレーザ光の強度の測定信号から作成した吸光スペクトルに基づいて、被測定ガス中の目的成分のガス濃度の測定値を算出するガス濃度測定装置であって、
前記測定信号を取得した際の被測定ガスの全圧、温度、該測定信号から作成された前記吸光スペクトルの形状、ピーク位置、の少なくとも１つに基づいて、算出された測定値が測定不能な状態にあるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段による判定結果を表示する表示手段と、
を有することを特徴とする。

なお、前記表示手段は、判定結果だけでなく、その判定が得られた理由をメッセージ等により表示しても良い。さらに、ガス濃度測定装置ではその使用目的から時系列グラフにより目的成分の濃度変化を表示することが多い。そのため、グラフ化の際に理由別に線色や線種、背景色等を変更することにより、使用者は正しく測定できていない期間をその理由と共に視覚的に判断することができる。もちろん、この際にもメッセージ等を併せて表示するようにしても良い。

本発明に係るガス濃度測定装置は、測定値を算出した際の装置の使用環境や被測定ガスの状態などの情報を取得し、これを基に測定値が正しいか否かの判定を行い、その結果を測定値と共に表示するというものである。この装置によれば、測定値と共に、この測定値に対する判定結果が表示されるため、例え初心者であっても測定値が正しいか否かを容易に判断することができる。また、この際、判定結果が得られた理由を併せて表示することにより、どのような異常が生じたかについても簡単に理解することができる。

従来のガス濃度測定装置の一例を示す概略構成図。 被測定ガスによる吸収を受けたレーザ光の検出信号を基に作成される吸光スペクトルの一例を示す図。 従来のガス濃度測定装置において、表示部に表示されるガス濃度の時系列グラフの一例を示す図。 本発明に係るガス濃度測定装置の一実施例を示す概略構成図。 本実施例のガス濃度測定装置において、表示部に表示されるガス濃度の時系列グラフの一例を示す図。 本実施例のガス濃度測定装置の変形例を示す概略構成図。 本実施例のガス濃度測定装置において、表示部に表示されるガス濃度の時系列グラフの変形例を示す図。

ＴＤＬＡＳ測定法を用いたガス濃度測定装置の従来例を図１に示す。
この図１のガス濃度測定装置において、レーザダイオード（ＬＤ）１は、制御部９の制御の下にレーザ駆動部２から供給される駆動電流に応じて、周波数ｆで波長を変化（変調）させたレーザ光を透明窓４を介してガス流路３内に照射する。

ガス流路３には被測定ガスが導入されており、照射されたレーザ光は、ガス流路３内を通過し、反射鏡５により反射されて透明窓４を介してガス流路３の外に戻るまで、被測定ガス中の成分による吸収を受ける。そうして吸収を受けた後のレーザ光がフォトダイオード（ＰＤ）６に到達し、フォトダイオード６は受光強度に応じた電流信号を出力する。フォトダイオード６から出力された電流信号は、信号処理部７において電圧信号に変換され、増幅された上で、周波数ｆの整数倍の成分（例えば２ｆ成分）が抽出される。この抽出信号を基に、図２に示すような吸光スペクトルが作成される。

信号処理部７で作成された吸光スペクトルのデータは演算部８に送られ、目的成分を表すピーク波形のベースラインからの高さ（以下、「ピーク高さ」と称す）が求められる。このピーク高さは被測定ガス中の目的成分のガス濃度に比例するため、予め作成され、演算部８の内部メモリに記憶されたピーク高さとガス濃度の関係を示す検量線を参照することにより、目的成分のガス濃度の測定値を得ることができる。

演算部８で算出されたガス濃度の測定値のデータは、いったん制御部９に送られた後、記憶部１０に格納されると共に、表示部１１の画面上に表示される。この際、測定値を時系列で並べてグラフ表示することにより、目的成分のガス濃度の時間的変化を見ることもできる。

図３は、目的成分を水分（H₂Oガス）としたときに表示部１１に表示される水分量の時間的変化を示すグラフの一例である。このグラフでは、水分量が滑らかに変化しており、すべての期間で正しい測定値が得られているように見える。しかしながら、ＴＤＬＡＳ測定法を用いたガス濃度測定装置では、測定状況や測定条件により、正しく測定することができない場合がある。このように正しく測定されていない期間が存在しても、図３のグラフでは、一見しただけではそれを判別することが難しい。

本発明に係るガス濃度測定装置の一実施例を、図４を用いて説明する。なお、この装置の基本構成は図１とほぼ同じであるため、図１と異なる構成及び機能についてのみ説明する。

本実施例のガス濃度測定装置は、図１の装置構成に加えて、装置各部から収集したデータに基づいて測定値の正確さを判定する判定部１２を演算部８内に備えている。判定部１２で判定された結果は、演算部８で算出された測定値のデータと共に制御部９に送られ、制御部９は測定値と共に判定部１２による判定結果を表示部１１に表示させる。

判定部１２による判定は以下のように行うことができる。上記したように、ＴＤＬＡＳ測定法を用いたガス濃度測定装置では、吸光スペクトルにおける目的成分のピーク波形を基に測定値を算出するが、このピーク波形がノイズを多く含んだものであると、測定値を正確に得ることができなくなる。例えば、目的成分のガス濃度があまりに低く、目的成分のピーク波形がノイズに埋もれてしまう場合や、目的成分の吸収波長近傍に目的成分のピークと異なる成分のピークが存在する場合などでは測定不能となる。そこで、本実施例のガス濃度測定装置では、判定部１２において測定値の算出に用いた吸光スペクトルのデータがこれらの状況を満たすか否かを判定し、満たす場合には、測定値が検出下限を下回っていることを示すフラグや得られた測定値に他のガス成分が影響していることを示すフラグを測定値のデータに挿入し、制御部９に送信する。

また、目的成分のガス濃度が高すぎても、検出器が検出できる限界を超えてレーザ光が減衰されてしまい、測定不能となる。従って、目的成分のピーク高さが検出上限を上回っている場合は、そのことを示すフラグを測定値のデータに挿入し、制御部９に送信する。この他にも、目的成分のピーク波形が他成分の影響を受けたり、ノイズをピークとして検出したりすると、ピーク位置が吸光スペクトルの横軸（波長）方向にずれてしまうことがある。このように、判定部１２では予め想定された様々な状況に基づいて、算出された測定値が測定不能であるか否かを判定し、それぞれの状況に対応するフラグを測定値のデータに挿入して、制御部９に送信する。

制御部９は、判定部１２から受信したデータに挿入されたフラグを参照し、挿入されたフラグに対応するメッセージやマーク等を、測定値と共に表示部１１に表示させる。図５は、図３の時系列グラフを本実施例の測定装置で表示した一例を示している。この図では、吸光スペクトルの波形から判定された、検出上限を上回っている期間と検出下限を下回っている期間が、それぞれの期間の背景色が変更されて表示されている。これらの背景色は、データに挿入されていたフラグに対応して変更される。なお、図５の例ではそれぞれの期間において背景色を変えて表示したが、例えば線色、線種、線の太さ等を変えるようにしても良い。また、それぞれのフラグに対応するメッセージを共に表示するようにすることもできる。

なお、ＴＤＬＡＳ測定法を用いたガス濃度測定装置では、吸光スペクトルの波形のみならず、装置の使用環境（例えば測定時の被測定ガスの全圧や温度）にも測定精度が依存することが分かっている。従って、図６のように、測定装置に圧力センサ１３や温度センサ１４を設け、これらのセンサから得られる圧力や温度の測定値を判定部１２が収集し、例えば圧力が高すぎるなどを示すフラグをガス濃度の測定値のデータに挿入するようにしても良い。また、被測定ガスの全圧や温度を吸光スペクトルから算出し、該算出値に基づいて上記の判定を行うようにすることもできる。

図６は、図４に示した本実施例のガス濃度測定装置の変形例を示している。この変形例のガス濃度測定装置では、ガス流路３中を通過する被測定ガスの全圧及び温度も測定しており、これらの測定値を用いて、目的成分のガス濃度の測定値の算出や、算出したガス濃度の測定値の判定を行う。このように測定装置の使用環境も併せて判定することで、より正確な評価を測定値に与えることができる。

図７は、図５の時系列グラフと共に、グラフ上のカーソル１５の位置の時刻における吸光スペクトル１６と、測定値が算出されたときの状態を示すメッセージ１７と、装置の使用環境を示すパラメータ１８（この例ではガス温度及びガス圧力）と、を表示するようにしたものである。このように時系列グラフと一緒にこれらの情報を表示することにより、測定値が算出されたときの吸光スペクトルの波形や装置の使用環境、前後の状況がどのようなときに、測定値を正しく得ることができなくなるかの知識と経験が身に付きやすくなる。

なお、上記実施例はいずれも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形や修正、追加などを行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。例えば、上記実施例では表示部を測定装置内に備えていたが、装置の外部に設けられたモニタ等に測定結果及び判定結果を表示するようにしても良い。また、上記実施例では測定値が測定不能な状態にあるか否かのみを判定していたが、測定値の正確さを数値化して判定し、それを表示部に表示するようにしても良い。

133Pa(=1Torr)以下の高真空領域で使用する水分量測定装置では、真空度が大気圧に近づくにつれてノイズレベルが大きくなる。このノイズレベルは、水分量の多寡によらず同じように変化する。従って、図６のように被測定ガスの全圧を測定する装置構成にしておき、判定部１２は、予め作成し内部メモリに格納しておいた全圧とノイズレベルの関係を表す特性曲線に基づいてノイズレベルを求めるようにする。そして、ノイズレベルが大きくなるにつれて表示部１１での背景色や線色を緑→黄→赤のように変化するようにすれば、得られた測定値の精度の時間的変化を視覚的に判別することが可能となる。
また、吸収スペクトルにおけるノイズ波形のピーク高さと目的成分のピーク高さを基にノイズレベルを算出し、それを数値化して表示するようにしても良い。

１…レーザダイオード
２…レーザ駆動部
３…ガス流路
４…透明窓
５…反射鏡
６…フォトダイオード
７…信号処理部
８…演算部
９…制御部
１０…記憶部
１１…表示部
１２…判定部
１３…圧力センサ
１４…温度センサ
１５…カーソル
１６…カーソル位置の吸光スペクトル
１７…カーソル位置における測定値の状態を示すメッセージ
１８…カーソル位置における装置の使用環境を示すパラメータ

Claims (6)

1. 波長を変化させつつレーザ光を被測定ガスに照射し、該被測定ガスを通過したレーザ光の強度の測定信号から作成した吸光スペクトルに基づいて、被測定ガス中の目的成分のガス濃度の測定値を算出するガス濃度測定装置であって、
   前記測定信号を取得した際の被測定ガスの全圧、温度、該測定信号から作成された前記吸光スペクトルの形状、ピーク位置、の少なくとも１つに基づいて、算出された測定値が測定不能な状態にあるか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段による判定結果を表示する表示手段と、
   を有することを特徴とするガス濃度測定装置。
2. 前記判定手段が、被測定ガスの全圧の測定値に基づいて前記判定を行うことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置。
3. 前記判定手段が、被測定ガスの温度の測定値に基づいて前記判定を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のガス濃度測定装置。
4. 前記表示手段が、判定結果と共に、その判定結果が得られた理由を表示することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
5. 前記表示手段が、目的成分のガス濃度の測定値の時間的変化をグラフにより表示しており、さらにこのグラフが前記判定結果が得られた期間を前記理由別に表示していることを特徴とする請求項４に記載のガス濃度測定装置。
6. 前記グラフの線色、線種、背景色のいずれか一部又は全てを前記理由別に変更することを特徴とする請求項５に記載のガス濃度測定装置。

Images