JP2014010092A - Gas analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ吸収分光法を利用して気体中の水蒸気量情報を測定するガス分析装置に関し、特に、半導体製造装置における真空領域中や煙道中や燃焼プロセス中や自動車測定対象ガス中や燃料電池における流路中等の水蒸気量を測定するガス分析装置に関する。 The present invention relates to a gas analyzer that measures the amount of water vapor in a gas using laser absorption spectroscopy, and more particularly, in a vacuum region, in a flue, in a combustion process, in a vehicle measurement target gas, or in a fuel in a semiconductor manufacturing apparatus. The present invention relates to a gas analyzer that measures the amount of water vapor in a flow path of a battery.
気体中の水蒸気量を測定する方法の1つとして、水分子が特定波長領域(例えば、1.3μm帯)の光のみを吸収することを利用した吸収分光法が挙げられる。この吸収分光法は、測定対象のサンプルガスに非接触で測定可能であるためサンプルガスの場を乱さずに、サンプルガス中の水蒸気量を計測することができる。 One method for measuring the amount of water vapor in a gas is absorption spectroscopy that utilizes the fact that water molecules absorb only light in a specific wavelength region (eg, 1.3 μm band). Since this absorption spectroscopy can be measured without contact with the sample gas to be measured, the amount of water vapor in the sample gas can be measured without disturbing the field of the sample gas.
このような吸収分光法の中でも、特に光源に波長可変半導体レーザを利用した「波長可変半導体レーザ吸収分光法」は、シンプルな装置構成で実現することができる。例えば、「波長可変半導体レーザ吸収分光法」を利用したガス分析装置では、サンプルガスが所定方向に流れている配管(サンプル流路)に対して、配管に形成された入射用光学窓と出射用光学窓とを介して、配管を横切って光路(光路長L)が形成されるようにそれぞれ対向して設けられる波長可変半導体レーザと光検出センサ(受光部)とを追加することが一般的である(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
Among such absorption spectroscopy methods, in particular, “wavelength tunable semiconductor laser absorption spectroscopy” using a wavelength tunable semiconductor laser as a light source can be realized with a simple apparatus configuration. For example, in a gas analyzer using “wavelength tunable semiconductor laser absorption spectroscopy”, an incident optical window formed in a pipe and an output for a pipe in which a sample gas flows in a predetermined direction (sample flow path) It is common to add a wavelength tunable semiconductor laser and a photodetection sensor (light receiving unit) provided to face each other so that an optical path (optical path length L) is formed across the pipe through an optical window. Yes (for example, see
このようなガス分析装置によれば、波長可変半導体レーザから照射された所定波長のレーザ光は、配管内を通過する過程でサンプルガス中に存在する水分子の遮光作用によってレーザ光の進行が阻害されて、サンプルガス中における水分子の濃度に対応して光検出センサに入射する光量が減少することを利用して、波長可変半導体レーザから放射されたレーザ光の光量に対する光検出センサに入射するレーザ光の光量を測定することによって水分子の濃度が算出される。図4は、ガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は受光強度Iであり、横軸は周波数νである。なお、I0(ν)は周波数νにおいて水分子の吸収を受けなかった場合の受光強度Iであり、非吸収波長の受光強度Iに基づいて近似式を作成することで導出される。 According to such a gas analyzer, the laser light of a predetermined wavelength irradiated from the wavelength tunable semiconductor laser is obstructed by the light shielding action of water molecules present in the sample gas while passing through the pipe. Then, using the fact that the amount of light incident on the photodetection sensor decreases corresponding to the concentration of water molecules in the sample gas, the light enters the photodetection sensor with respect to the amount of laser light emitted from the wavelength tunable semiconductor laser. The concentration of water molecules is calculated by measuring the amount of laser light. FIG. 4 is a graph showing an example of an absorption spectrum obtained by the gas analyzer. The vertical axis is the received light intensity I, and the horizontal axis is the frequency ν. Note that I 0 (ν) is the received light intensity I when water molecules are not absorbed at the frequency ν, and is derived by creating an approximate expression based on the received light intensity I of the non-absorbing wavelength.
ここで、図4に示す吸収スペクトルを用いた演算処理の一例について説明する。Lambert-Beerの法則より下記式(1)が成り立つ。 Here, an example of calculation processing using the absorption spectrum shown in FIG. 4 will be described. From Lambert-Beer's law, the following formula (1) holds.
なお、I0(ν)は周波数νにおいて水分子の吸収を受けなかった場合の光強度、I(ν)は周波数νにおける透過光強度、c(mol/cm3)は水分子の数密度、L(cm)はサンプルガスを通過する光路の長さ、S(T)(cm−1/(mol/cm−2))は所定の吸収線強度におけるガス温度Tの関数である。 Here, I 0 (ν) is the light intensity when the water molecule is not absorbed at the frequency ν, I (ν) is the transmitted light intensity at the frequency ν, c (mol / cm 3 ) is the number density of the water molecules, L (cm) is the length of the optical path passing through the sample gas, and S (T) (cm −1 / (mol / cm −2 )) is a function of the gas temperature T at a predetermined absorption line intensity.
ここで、図5は、縦軸をln(I0(ν0)/I(ν0))とし、横軸を周波数νとしたグラフである。よって、式(1)の左辺の値は、図5に示すグラフの面積を求めることで得られる。図5に示すグラフの面積を求める方法として、長方形近似を一例に挙げると、式(1)の左辺は、下記式(2)のように変形することができる。 Here, FIG. 5 is a graph in which the vertical axis is ln (I 0 (ν 0 ) / I (ν 0 )) and the horizontal axis is the frequency ν. Therefore, the value on the left side of Equation (1) can be obtained by determining the area of the graph shown in FIG. As an example of the method for obtaining the area of the graph shown in FIG. 5, rectangular approximation is taken as an example, and the left side of Equation (1) can be transformed as shown in Equation (2) below.
なお、νmaxは吸収帯の周波数上限、νminは吸収帯の周波数下限、nは1波形あたりの測定点数である。 Note that ν max is the upper frequency limit of the absorption band, ν min is the lower frequency limit of the absorption band, and n is the number of measurement points per waveform.
一方、式(1)の右辺におけるS(T)に関しては下記式(3)が成り立つ。 On the other hand, the following equation (3) holds for S (T) on the right side of equation (1).
なお、S0は標準状態での線強度、Q(T)は分配関数、B(T)はボルツマン因子、SE(T)は誘導放射の補正式である。
さらに、式(3)の右辺におけるQ(T)、B(T)、SE(T)は、それぞれ下記式(4)、(5)、(6)のように表すことができる。
S 0 is the line intensity in the standard state, Q (T) is a partition function, B (T) is a Boltzmann factor, and SE (T) is a correction formula for stimulated emission.
Furthermore, Q (T), B (T), and SE (T) on the right side of Expression (3) can be expressed as the following Expressions (4), (5), and (6), respectively.
なお、S0、定数a〜d、Elは、HITRANデータベース等から得られることができる。よって、ガス温度値Tと光強度変化I(ν)、I0(ν)とを得ることができれば、水分子の数密cが算出できることになる。 Note that S 0 , constants a to d, and E 1 can be obtained from the HITRAN database or the like. Therefore, if the gas temperature value T and the light intensity changes I (ν), I 0 (ν) can be obtained, the density c of water molecules can be calculated.
そして、水分子の数密cと水分の分圧値PH2Oとの関係は、下記式(7)のように表すことができる。 The relationship between the number c of water molecules and the partial pressure value P H2O of water can be expressed as the following formula (7).
なお、kはボルツマン定数である。これにより、水分の分圧値PH2O(水蒸気量情報)を算出することができる。 Here, k is a Boltzmann constant. Thereby, the partial pressure value P H2O (water vapor amount information) of water can be calculated.
ここで、図6は、波長可変半導体レーザ吸収分光法を利用したガス分析装置の一例を示す概略構成図であり、図7は、図6に示すガス分析装置のブロック図である。なお、地面に水平な一方向をX方向とし、地面に水平でX方向と垂直な方向をY方向とし、X方向とY方向とに垂直な方向をZ方向とする。
ガス分析装置101は、光源部10と、受光部20と、圧力値Ptotalを測定する圧力センサ31と、ガス温度値Tを測定するガス温度センサ32と、光源部10を制御するレーザ制御部50と、マイコンやPCで構成される制御部160とを備える。
Here, FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an example of a gas analyzer using wavelength tunable semiconductor laser absorption spectroscopy, and FIG. 7 is a block diagram of the gas analyzer shown in FIG. One direction horizontal to the ground is defined as an X direction, a direction horizontal to the ground and perpendicular to the X direction is defined as a Y direction, and a direction perpendicular to the X direction and the Y direction is defined as a Z direction.
The
ここで、このようなガス分析装置101は、燃料電池システムへの給排気の各ラインに連結されたサンプル流路70内を流れるサンプルガス中の水分の分圧値PH2Oを測定するために用いられている。サンプル流路70はZ方向に伸びており、サンプル流路70の側壁には、入射用光学窓71と、入射用光学窓71にX方向に距離Lを空けて対向する出射用光学窓72とが形成されている。そして、サンプルガスはサンプル流路70内をZ方向に流れている。
Here, such a
光源部10は、例えば光通信用分布帰還系形(DFB:distributed feedback)半導体レーザダイオードである。レーザダイオードは、近赤外領域の所定波長範囲内からレーザの発振波長を調整することが可能となっており、レーザ制御部50からの制御信号によって制御されるようになっている。なお、上記光源部として、波長可変型の半導体レーザであれば赤外光その他の波長領域のいずれの構造のレーザでもよく、比較的高価ではあるが、量子カスケードレーザ等が用いられてもよい。
そして、レーザダイオードは、入射用光学窓71からサンプル流路70内にX方向でレーザ光を入射させるように配置されており、レーザ光がサンプルガスに対して照射されるようになっている。
The
The laser diode is arranged so that laser light is incident in the X direction from the incident
受光部20は、光強度を電気信号に変換できるものであればよく、例えばフォトダイオードが用いられる。そして、フォトダイオードは、出射用光学窓72からサンプル流路70外にX方向で出射されたレーザ光を受光するように配置されており、サンプルガスを通過したレーザ光の強度I(ν)を受光する。これにより、水分子の吸収スペクトルの中心波長部分のレーザ光の強度I(ν)と、中心波長部分の両側となる非吸収波長部分のレーザ光の強度I(ν)とを含むスペクトル波形をフォトダイオードで取得することで、制御部160がI0(ν)とI(ν)とを算出する。
The
圧力センサ31は、サンプル流路70内に設置されており、サンプルガスの全圧である圧力値Ptotalを所定時間間隔で測定する。また、ガス温度センサ32も、サンプル流路70内に設置されており、サンプルガスの温度であるガス温度値Tを所定時間間隔で測定する。なお、圧力センサ31とガス温度センサ32とに関しては、圧力値Ptotalやガス温度値Tが既知である場合や、測定に影響を及ぼすような変化が想定されない場合にはなくてもよい。
The
レーザ制御部50は、レーザ電流を制御するレーザ電流制御部51と、レーザ温度を制御するレーザ温調部52とにより構成される。
制御部160は、CPU161とメモリ162と表示部163と入力装置64とを備える。また、CPU161が処理する機能をブロック化して説明すると、サンプルガス中の分圧値PH2Oを算出する演算部61aと、演算結果を出力する出力制御部161bとを有する。さらに、メモリ162には、演算結果を記憶するための演算結果記憶領域を有する。
The
The
そして、レーザ光の強度I(ν)、圧力値Ptotal、ガス温度値TをそれぞれA/D変換部1、2、3によってデジタル値に変換し、演算部61aは、このデジタル値からI0(ν)とI(ν)とを算出して式(1)に当てはめて数密度cを得て、得られた数密度cを式(7)に当てはめて分圧値PH2Oを得てメモリ162に記憶させていく。
出力制御部161bは、表示部163に分圧値PH2Oを表示する。図8は、ガス分析装置101に表示された画像の一例を示す図である。画面の左部領域には、演算結果として、縦軸を分圧測定値PH2Oとし、横軸を時間tとしたグラフが表示されている。また、画面の右上部領域には、ある時間tの演算結果としてH2O分圧値「150Pa」が表示されている。
なお、演算部61aは、分圧値PH2Oと圧力値Ptotalとを用いて、サンプルガス中の水蒸気量(濃度)を演算して表示させてもよい。
Then, the laser beam intensity I (ν), pressure value P total , and gas temperature value T are converted into digital values by the A /
The
Note that the
ところで、上述したようなガス分析装置101によれば、実際に起きているサンプルガスの挙動をリアルタイムに知ることができる。また、測定感度については、光路長Lに比例して増大するので、光路長Lを選択することで微量水分量領域から高湿度領域までの水蒸気量の情報を測定することが可能である。さらに、ガス分析装置101は、コンパクトかつ取り回しのよい構成であるため、持ち運んで様々な所で使用することもできる。そのため、一定期間の連続測定を行う一方で、移動させることにより多点(様々な位置)での測定を行うことも考えられる。
しかし、このように多点での測定を行う場合、演算結果をメモリ162等に保存して、測定日時で管理することになるが、メモリ162等に記憶された複数の演算結果の中から過去の所望の演算結果を探し出すことは困難であった。
By the way, according to the
However, when performing measurement at multiple points in this way, the calculation results are stored in the
本出願人は、演算結果を整理して保存する方法について検討した。まず、サンプルガス中の分圧値PH2Oを演算するために、図5に示すグラフの面積を求めることとなるが、サンプルガスの種類によってグラフの波形の幅(例えば半値半幅)は異なる。そこで、例えば、グラフにおけるln(I0(ν)/I(ν))が最大値となる周波数νをν0とし、下記式(8’)が成立する周波数ν1と周波数ν2とを求め、ν2−ν1の大きさ2×γL(ローレンツHWHM(half width half maximum))を算出した。図9は、ローレンツHWHMを説明するための図である。
(1/2)×(ln(I0(ν0)/I(ν0)))=(ln(I0(ν1)/I(ν1)))=(ln(I0(ν2)/I(ν2))) ・・・(8’)
ただし、ν1<ν0<ν2である。
The present applicant examined a method for organizing and storing the calculation results. First, in order to calculate the partial pressure value P H2O in the sample gas, the area of the graph shown in FIG. 5 is obtained. The width of the waveform of the graph (for example, the half width at half maximum) varies depending on the type of the sample gas. Therefore, for example, a frequency ν at which ln (I 0 (ν) / I (ν)) in the graph has a maximum value is ν 0, and a frequency ν 1 and a frequency ν 2 satisfying the following equation (8 ′) are obtained. , Ν 2 −ν 1 size 2 × γ L (Lorentz HWHM (half width half maximum)) was calculated. FIG. 9 is a diagram for explaining the Lorentz HWHM.
(1/2) × (ln (I 0 (ν 0 ) / I (ν 0 ))) = (ln (I 0 (ν 1 ) / I (ν 1 ))) = (ln (I 0 (ν 2 ) / I (ν 2 ))) (8 ′)
However, ν 1 <ν 0 <ν 2 .
また、ローレンツHWHMには、一般に下記式(9)が成り立つ。 Further, the following formula (9) is generally established for Lorentz HWHM.
なお、PH2O(Pa)は、水分の分圧値であり、Ptotal(Pa)は、全圧値である。また、γsampleは、サンプルガスの衝突広がり係数であり、γselfは、水分子自身の衝突広がり係数である。そして、γselfは、HITRANデータベース等から得られることができる。
例えばHITRANデータベースによれば、水分子のある吸収線における水分子自身の衝突広がり係数γselfはおよそ0.5(cm−1)程度で、空気との衝突広がり係数γsampleについてはおよそ0.1(cm−1)程度である。それに対し、ヘリウムガスと水分子との衝突広がり係数をγsampleで求めると空気に対して1/10程度の大きさであった。つまり、サンプルガス種の違いによって吸収スペクトルの波形そのものが大きく異なっており、この形の違いを半値半幅という値で表せば、この値をある閾値Xとの大小比較によって2種のサンプルガスを判別することができる。閾値Xを例えば0.05として、閾値X以上であればサンプルガスは空気であると判別し、一方、閾値X未満であればサンプルガスはヘリウムであると判別することができる。
したがって、γsampleを求めることにより、サンプルガスの種類を決定することができることがわかった。その結果、図4に示すグラフを利用することにより、面積を求めるとともに、波形の幅(例えばローレンツHWHM)を求めることで、サンプルガスの種類を演算結果に合わせて保存することを見出した。
Note that P H2O (Pa) is a partial pressure value of moisture, and P total (Pa) is a total pressure value. Γ sample is the collision spread coefficient of the sample gas, and γ self is the collision spread coefficient of the water molecule itself. Γ self can be obtained from the HITRAN database or the like.
For example, according to the HITRAN database, the collision spread coefficient γ self of a water molecule in an absorption line with water molecules is about 0.5 (cm −1), and the collision spread coefficient γ sample with air is about 0.1. It is about (cm-1). On the other hand, when the collision spread coefficient between helium gas and water molecules was determined by γ sample , it was about 1/10 that of air. In other words, the waveform of the absorption spectrum itself varies greatly depending on the sample gas type, and if the difference in shape is expressed as a half-width, the two sample gases can be distinguished by comparing the value with a certain threshold value X. can do. If the threshold value X is 0.05, for example, it can be determined that the sample gas is air if the threshold value X is equal to or greater than the threshold value X.
Therefore, it was found that the type of sample gas can be determined by obtaining γ sample . As a result, it has been found that by using the graph shown in FIG. 4, the area is obtained and the waveform width (for example, Lorentz HWHM) is obtained, whereby the type of the sample gas is stored in accordance with the calculation result.
すなわち、本発明のガス分析装置は、ガスセル内の測定対象ガスに、水に吸収される吸収波長及び水に吸収されない非吸収波長を含む測定光を照射する光源部と、前記測定対象ガス中を通過した測定光の強度を受光する受光部と、波長に対する測定光の強度変化I(ν)に基づいて、前記測定対象ガス中の水蒸気量情報を算出する演算部とを備えるガス分析装置であって、波長に対する測定光の強度変化I(ν)に基づいて、前記測定対象ガスの種類を判別するガス種類判別部と、前記測定対象ガス中の水蒸気量情報である演算結果を出力するとともに、前記測定対象ガスの種類である判定結果を出力する出力制御部とを備えるようにしている。 That is, the gas analyzer of the present invention includes a light source unit that irradiates a measurement target gas in a gas cell with measurement light including an absorption wavelength absorbed by water and a non-absorption wavelength not absorbed by water, and the measurement target gas. A gas analyzer that includes a light receiving unit that receives the intensity of measurement light that has passed and a calculation unit that calculates water vapor amount information in the measurement target gas based on an intensity change I (ν) of the measurement light with respect to wavelength. Then, based on the intensity change I (ν) of the measurement light with respect to the wavelength, a gas type discrimination unit that discriminates the type of the measurement target gas, and a calculation result that is water vapor amount information in the measurement target gas, An output control unit that outputs a determination result that is a type of the measurement target gas.
以上のように、本発明のガス分析装置によれば、測定対象ガス中の水蒸気量情報である演算結果を出力するとともに、測定対象ガスの種類である判定結果を出力するため、ガス分析装置を移動させたり、測定から日数が経過したりしていても、測定者は測定対象ガスの種類の情報も得ることができるので、所望の演算結果を探し出しやすくなる。 As described above, according to the gas analyzer of the present invention, in order to output the calculation result that is the amount of water vapor in the measurement target gas and the determination result that is the type of the measurement target gas, Even if it is moved or the number of days has passed since the measurement, the measurer can also obtain information on the type of gas to be measured, so that it becomes easy to find a desired calculation result.
(他の課題を解決するための手段及び効果)
また、上記の発明では、前記出力制御部は、前記演算結果を記憶部に保存させるとともに、前記判定結果を記憶部に保存させるようにしてもよい。
さらに、上記の発明では、前記ガス種類判別部は、前記測定対象ガスの種類として、空気或いは酸素と、水素或いはヘリウムとをそれぞれ判別するようにしてもよい。
本発明のガス分析装置によれば、空気と水素とを判別したり、空気とヘリウムとを判別したり、酸素と水素とを判別したり、酸素とヘリウムとを判別したりすることができる。
(Means and effects for solving other problems)
In the above invention, the output control unit may store the calculation result in the storage unit and the determination result in the storage unit.
Furthermore, in the above invention, the gas type discrimination unit may discriminate between air or oxygen and hydrogen or helium as types of the measurement target gas.
According to the gas analyzer of the present invention, air and hydrogen can be discriminated, air and helium can be discriminated, oxygen and hydrogen can be discriminated, and oxygen and helium can be discriminated.
そして、上記の発明において、前記ガス種類判別部は、波長に対する測定光の強度変化I(ν)に基づいて、水分子の吸収を受けなかった場合の波長に対する測定光の強度変化I0(ν)を算出し、周波数νとln(I0(ν)/I(ν))との関係を示すグラフを作成して、当該グラフにおけるln(I0(ν)/I(ν))が最大値となる周波数νをν0とし、下記式(8)が成立する周波数ν1又は周波数ν2を求め、ν2−ν1、ν2−ν0又はν0−ν1の大きさから前記測定対象ガスの種類を判別するようにしてもよい。
(1/e)×(ln(I0(ν0)/I(ν0)))=(ln(I0(ν1)/I(ν1)))=(ln(I0(ν2)/I(ν2))) ・・・(8)
ただし、ν1<ν0<ν2であり、e>1である。
In the invention described above, the gas type discriminating unit, based on the intensity change I (ν) of the measurement light with respect to the wavelength, measures the intensity change I 0 (ν of the measurement light with respect to the wavelength when water molecules are not absorbed. ) And a graph showing the relationship between the frequency ν and ln (I 0 (ν) / I (ν)) is created, and ln (I 0 (ν) / I (ν)) in the graph is maximum the frequency [nu becomes a value set to [nu 0, obtains a frequency [nu 1 or frequency [nu 2 following formula (8) is satisfied, ν 2 -ν 1, wherein the [nu 2 -v 0 or [nu 0 of -v 1 size You may make it discriminate | determine the kind of measuring object gas.
(1 / e) × (ln (I 0 (ν 0 ) / I (ν 0 ))) = (ln (I 0 (ν 1 ) / I (ν 1 ))) = (ln (I 0 (ν 2 ) / I (ν 2 ))) (8)
However, ν 1 <ν 0 <ν 2 and e> 1.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and it goes without saying that various aspects are included without departing from the spirit of the present invention.
図1は、本発明の一実施形態であるガス分析装置の一例を示す概略構成図であり、図2は、図1に示すガス分析装置のブロック図である。なお、地面に水平な一方向をX方向とし、地面に水平でX方向と垂直な方向をY方向とし、X方向とY方向とに垂直な方向をZ方向とする。また、上述した従来のガス分析装置101と同様のものについては、同じ符号を付している。
ガス分析装置1は、光源部10と、受光部20と、圧力値Ptotalを測定する圧力センサ31と、ガス温度値Tを測定するガス温度センサ32と、光源部10を制御するレーザ制御部50と、マイコンやPCで構成される制御部60とを備える。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a gas analyzer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram of the gas analyzer shown in FIG. One direction horizontal to the ground is defined as an X direction, a direction horizontal to the ground and perpendicular to the X direction is defined as a Y direction, and a direction perpendicular to the X direction and the Y direction is defined as a Z direction. The same reference numerals are assigned to the same components as those of the
The
制御部60は、CPU61とメモリ62と表示部63と入力装置64とを備える。また、CPU61が処理する機能をブロック化して説明すると、サンプルガス中の分圧値PH2Oを算出する演算部61aと、演算結果(分圧値PH2O)と判定結果(サンプルガスの種類)とを出力する出力制御部61bと、サンプルガスの種類を判別するガス種類判別部61cとを有する。つまり、本発明に係るガス分析装置1は、従来のガス分析装置101と異なり、ガス種類判別部61cを備える。
さらに、メモリ62には、演算結果と判定結果とを記憶するための演算結果記憶領域を有する。つまり、本発明に係るガス分析装置1では、従来のガス分析装置101と異なり、演算結果記憶領域には、演算結果とともに判定結果とが記憶される。
The
Furthermore, the
演算部61aは、圧力値Ptotal、ガス温度値TをそれぞれA/D変換部1、2、3によってデジタル値に変換し、このデジタル値から波長に対する測定光の強度変化I(ν)に基づいて、水分子の吸収を受けなかった場合の波長に対する測定光の強度変化I0(ν)を算出し、周波数νとln(I0(ν)/I(ν))との関係を示すグラフを作成して、I0(ν)とI(ν)とを算出して式(1)に当てはめて数密度cを得て、数密度cを式(7)に当てはめて分圧値PH2Oを得てメモリ62に記憶させていく制御を行う。
The
ガス種類判別部61cは、縦軸をln(I0(ν0)/I(ν0))とし、横軸を周波数νとしたグラフに基づいて、サンプルガスの種類を判別する制御を行う(図9参照)。
例えば、グラフにおけるln(I0(ν)/I(ν))が最大値となる周波数νをν0とし、式(8’)が成立する周波数ν1と周波数ν2とを求め、ν2−ν1の大きさ2γLを求める。
(1/2)×(ln(I0(ν0)/I(ν0)))=(ln(I0(ν1)/I(ν1)))=(ln(I0(ν2)/I(ν2))) ・・・(8’)
そして、γLの大きさからサンプルガスが空気であるか、或いは、水素であるかを判別する。例えば、閾値Xをメモリ62に予め記憶させておき、γLの大きさが閾値X以上であればサンプルガスは空気であると判別し、一方、閾値X未満であればサンプルガスは水素であると判別する。
The gas
For example, let ν 0 be the frequency ν at which ln (I 0 (ν) / I (ν)) in the graph has the maximum value, find the frequency ν 1 and the frequency ν 2 that satisfy the equation (8 ′), and ν 2 The magnitude 2γ L of −ν 1 is obtained.
(1/2) × (ln (I 0 (ν 0 ) / I (ν 0 ))) = (ln (I 0 (ν 1 ) / I (ν 1 ))) = (ln (I 0 (ν 2 ) / I (ν 2 ))) (8 ′)
And it is discriminate | determined from the magnitude | size of (gamma) L whether sample gas is air or it is hydrogen. For example, the threshold value X is stored in the
出力制御部61bは、サンプルガス中の分圧値PH2Oである演算結果を出力するとともに、サンプルガスの種類である判定結果を出力する制御を行う。図3は、ガス分析装置1に表示された画像の一例を示す図である。画面の左部領域には、演算結果として、縦軸を分圧測定値PH2Oとし、横軸を時間tとしたグラフが表示されている。また、画面の右上部領域には、ある時間tの演算結果としてH2O分圧値「150Pa」が表示され、画面の右下部領域には、判定結果としてサンプルガス「H2ガス」が表示されている。
The
さらに、出力制御部61bは、入力装置64からの入力信号に基づいて、1つの測定データとして演算結果とともに判定結果をメモリ62の演算結果記憶領域に保存させたり、メモリ62の演算結果記憶領域に記憶された複数の測定データ(演算結果と判定結果)の中から過去の所望の測定データ(演算結果と判定結果)を選択して出力したりする制御を行う。よって、メモリ62の演算結果記憶領域に記憶された複数の測定データの中から、燃料電池システムへの給排気の各ラインに連結されたサンプル流路70内を流れるサンプルガス中の分圧値PH2Oを測定した所望の測定データを探し出す際には、判定結果である「H2ガス」を把握することができるため「H2ガス」以外の測定データを除外することができるので、容易に探し出すことができる。
Furthermore, the
以上のように、ガス分析装置1によれば、サンプルガス中の分圧測定値PH2Oである演算結果を出力するとともに、サンプルガスの種類である判定結果を出力するため、ガス分析装置1を移動させたり、測定から日数が経過したりしていても、測定者はサンプルガスの種類の情報も得ることができるので、所望の演算結果を探し出しやすくなる。
As described above, according to the
<他の実施形態>
(1)上述したガス分析装置1において、式(8’)が成立する周波数ν1と周波数ν2とを求め、ν2−ν1の大きさ2γLを求める構成としたが、式(8)が成立する周波数ν1又は周波数ν2を求め、ν2−ν0又はν0−ν1の大きさを求めるような構成としてもよい。
(1/e)×(ln(I0(ν0)/I(ν0)))=(ln(I0(ν1)/I(ν1)))=(ln(I0(ν2)/I(ν2))) ・・・(8)
ただし、ν1<ν0<ν2であり、e>1である。
<Other embodiments>
(1) In the
(1 / e) × (ln (I 0 (ν 0 ) / I (ν 0 ))) = (ln (I 0 (ν 1 ) / I (ν 1 ))) = (ln (I 0 (ν 2 ) / I (ν 2 ))) (8)
However, ν 1 <ν 0 <ν 2 and e> 1.
(2)上述したガス分析装置1において、演算結果と判定結果とを表示して保存する構成としたが、演算結果と判定結果とを外部装置に送信するような構成としてもよい。
(3)上述したガス分析装置1において、サンプルガスは空気であるか水素であるかを判別する構成としたが、サンプルガスは3種類以上のガスを判別するような構成としてもよい。
(2) In the
(3) In the
本発明は、レーザ吸収分光法を利用して気体中の水蒸気量情報を測定するガス分析装置等に利用することができる。 The present invention can be used in a gas analyzer or the like that measures information on the amount of water vapor in a gas using laser absorption spectroscopy.
1 ガス分析装置
10 光源部
20 受光部
61a 演算部
61b 出力制御部
61c ガス種類判別部
70 サンプル流路
71 入射用光学窓
72 出射用光学窓
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記測定対象ガス中を通過した測定光の強度を受光する受光部と、
波長に対する測定光の強度変化I(ν)に基づいて、前記測定対象ガス中の水蒸気量情報を算出する演算部とを備えるガス分析装置であって、
波長に対する測定光の強度変化I(ν)に基づいて、前記測定対象ガスの種類を判別するガス種類判別部と、
前記測定対象ガス中の水蒸気量情報である演算結果を出力するとともに、前記測定対象ガスの種類である判定結果を出力する出力制御部とを備えることを特徴とするガス分析装置。 A light source unit that irradiates measurement light in the gas cell with measurement light including an absorption wavelength absorbed by water and a non-absorption wavelength not absorbed by water;
A light receiving unit that receives the intensity of the measurement light that has passed through the measurement target gas;
A gas analyzer comprising: an arithmetic unit that calculates water vapor amount information in the measurement target gas based on an intensity change I (ν) of measurement light with respect to a wavelength;
A gas type discriminating unit for discriminating the type of the measurement target gas based on the intensity change I (ν) of the measurement light with respect to the wavelength;
A gas analyzer comprising: an output control unit that outputs a calculation result that is information on an amount of water vapor in the measurement target gas and outputs a determination result that is a type of the measurement target gas.
(1/e)×(ln(I0(ν0)/I(ν0)))=(ln(I0(ν1)/I(ν1)))=(ln(I0(ν2)/I(ν2))) ・・・(8)
ただし、ν1<ν0<ν2であり、e>1である。 The gas type discriminating unit calculates an intensity change I 0 (ν) of the measurement light with respect to the wavelength when the water molecule is not absorbed based on the intensity change I (ν) of the measurement light with respect to the wavelength, and a frequency ν. And ln (I 0 (ν) / I (ν)) are created, and the frequency ν at which ln (I 0 (ν) / I (ν)) in the graph is maximum is represented by ν The frequency ν 1 or the frequency ν 2 at which the following formula (8) is established is obtained, and the type of the measurement target gas is determined from the magnitude of ν 2 −ν 1 , ν 2 −ν 0, or ν 0 −ν 1. The gas analyzer according to any one of claims 1 to 3, wherein:
(1 / e) × (ln (I 0 (ν 0 ) / I (ν 0 ))) = (ln (I 0 (ν 1 ) / I (ν 1 ))) = (ln (I 0 (ν 2 ) / I (ν 2 ))) (8)
However, ν 1 <ν 0 <ν 2 and e> 1.
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