JP2016050793A

JP2016050793A - ガス分析装置

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Publication number: JP2016050793A
Application number: JP2014174819A
Authority: JP
Inventors: 文章大寺; Fumiaki Odera
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-04-11
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: JP6421500B2

Abstract

【課題】エンジン始動直後等の急激に温度変化する条件下でも酸素分子の数密度を正確に計測できるガス分析装置を提供する。【解決手段】光源部１０と、受光部２０と、レーザ制御部５０と、センサ３１、３２と、制御部６０とを備えるガス分析装置１であって、制御部６０は、受光部２０で受光した測定光の強度変化Ｉ（ν）における特定ガスの吸収ピークと、ガスセル７０内の実測温度とに基づき測定対象ガス中の特定ガス量情報を算出する演算部６１ｂと、特定ガスの吸収ピークの拡がり量を算出する拡がり量算出部６１ｃと、吸収ピークの拡がり量に基づいてガスセル７０内の計算温度を算出し、実測温度と計算温度とを比較して温度センサ３２の応答遅れ発生区間を判定する判定部６１ｄを有し、演算部６１ｂは、応答遅れ発生区間では計算温度から特定ガス量情報を算出し、応答遅れ発生区間以外では実測温度から特定ガス量情報を算出する構成とする。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ吸収分光法を利用して気体中の特定ガス量情報（密度・分圧・濃度）を計測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内燃機関（エンジン）の測定対象ガス（吸排気）中や燃料電池における流路中や地球温暖化ガス等の特定ガス量情報を計測するガス分析装置に関する。

従来、エンジン等の内燃機関からの排ガス中に含まれる炭化水素（ＨｙｄｒｏＣａｒｂｏｎ）濃度（以下、「成分濃度」という）を測定するために、ＦＩＤ（ＦｌａｍｅＩｏｎｉｚａｔｉｏｎＤｅｔｅｃｔｏｒ）法やＮＤＩＲ（Ｎｏｎ‐ＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＩｎｆｒａｒｅｄＲｅｄ）法と呼ばれる測定方法を用いた排ガス分析装置が知られている。

また、気体中の酸素濃度を計測する方法の一つとして、酸素分子が特定波長領域（例えば７６１ｎｍ）の光のみを吸収することを利用した吸収分光法が知られている。この吸収分光法は、測定対象ガスに対し非接触での測定が可能であるため、測定対象ガスの場を乱さずに測定対象ガス中の酸素濃度を計測することができ、かつ、極めて短い応答時間で計測することができる。

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（レーザ素子）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、測定対象ガスが所定方向に流れている配管（測定対象ガスセル）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１参照）。

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発振された所定波長のレーザ光（測定光）は、配管内を通過する過程で測定対象ガス中に存在する酸素分子の遮光作用によってレーザ光の進行が阻害され、測定対象ガス中における酸素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発振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計測することによって酸素分子の濃度が算出される。図５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、Ｉ_０（ν）は周波数νにおいて酸素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ことになる。

ここで、図５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。

なお、Ｉ_０（ν）は周波数νにおいて酸素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／ｃｍ^３）は酸素分子の数密度、ｌ（ｃｍ）は測定対象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温度Ｔの関数、Ｋ（ν）は吸収プロファイル関数である。
また、図６は、縦軸をｌｎ（Ｉ_０（ν_０）／Ｉ（ν_０））とし、横軸を周波数νとしたグラフである。

このとき、測定対象ガスの全圧ｐが大気圧である場合には、吸収プロファイル関数Ｋ（ν）は下記式（２）のローレンツプロファイルで表される。

なお、ν_０は吸収ピークの中心周波数、ν_Ｌは吸収ピークのローレンツ幅（半値全幅）である。
さらに、吸収ピークのローレンツ幅ν_Ｌは下記式（３）のように近似的に表される。

なお、ν_Ｌ０はｐ_０及びＴ_０のときのローレンツ幅である。つまり、吸収ピークの形状は、測定対象ガスの圧力ｐ、ｐ_０と温度Ｔ、Ｔ_０とに依存する。
そして、式（１）に式（３）を代入すると、下記式（４）のようになる。

よって、中心周波数ν_０の透過光強度Ｉ（ν_０）は、下記式（５）で表されることになる。

一方、測定対象ガスの全圧ｐが極めて低い圧力領域（１Ｔｏｒｒよりも高真空領域）である場合には、酸素分子による光吸収においては、吸収ピークの幅は式（２）で示されるローレンツプロファイルの拡がりに比べて数分の１から数十分の１程度に狭くなる。この極めて低い圧力領域において、吸収ピークの幅は主にドップラ効果により決まる。つまり、吸収プロファイル関数Ｋ（ν）は、下記式（６）のガウス関数で表される。

また、ドップラ幅（半値全幅）ν_ＥＤは下記式（７）のように表される。

なお、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｍは酸素ガスの分子量である。つまり、ドップラ幅ν_ＥＤは、ローレンツ幅ν_Ｌとは異なり、温度Ｔのみに依存し、測定対象ガスの圧力ｐ、ｐ_０には依存しない。
そして、式（１）に式（６）を代入すると、下記式（８）のようになる。

よって、中心周波数ν_０の透過光強度Ｉ（ν_０）は、下記式（９）で表されることになる。

なお、測定対象ガスの全圧ｐが大気圧から１Ｔｏｒｒまでの中間圧力領域では、吸収プロファイル関数Ｋ（ν）は、式（２）と式（６）との畳み込み関数（コンボリューション関数）で表される。
したがって、全圧ｐがわかった状態で温度Ｔと光強度変化Ｉ（ν）、Ｉ_０（ν）とを得ることができれば、式（５）や式（９）を用いて酸素分子の数密度ｃが算出できることになる。

次に、図７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８は、図７のガス分析装置を機能ごとに示したブロック図である。なお、地面に水平な一方向をＸ方向、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３０１は、光源部１０と、受光部２０と、圧力ｐを測定する圧力センサ３１と、実測温度Ｔ_ｓ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３６０とを備える。

このようなガス分析装置３０１は、エンジンの給排気の各ラインに連結されたサンプル流路（ガスセル）７０内を流れる測定対象ガス中の酸素分子（特定ガス）の数密度（特定ガス量情報）ｃを計測するために用いられる。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を空けて対向配置される出射用光学窓７２とが形成されている。そして、測定対象ガスはサンプル流路７０内を矢印方向（Ｚ方向）に流れている。

光源部１０は、半導体レーザ（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等）と、半導体レーザの温度を所定時間間隔で検出していくＮＴＣサーミスタと、半導体レーザの温度の調整を行うためのペルチェモジュールとを備える。そして、半導体レーザは、入射用光学窓７１からサンプル流路７０内にＸ方向へレーザ光を入射させるように配置されており、レーザ光が測定対象ガスに対して照射されるようになっている。

また、このような光源部１０は、酸素分子の数密度ｃの連続モニタリングに使用されるときには、半導体レーザの温度がペルチェモジュールで設定温度（一定）となるようにＰＩ制御され、半導体レーザへ印加する駆動電流値を所定周期で変化させており、具体的には鋸歯形状となる駆動電流値が印加されることにより、所定波長範囲のレーザ光を所定周期で半導体レーザから発振している。図９は、駆動電流値とレーザ光の発振波長との関係を示す概念図であり、図９（ａ）は、半導体レーザへ印加する駆動電流値の波形図であり、図９（ｂ）は、その駆動電流値が印加された半導体レーザから発振されたレーザ光の発振波長の波形図である。図９（ａ）に示すような駆動電流値の波形や設定温度は、連続モニタリングの開始に際してユーザによって入力されるか予め記憶されており、レーザ制御部５０から制御信号として光源部１０に出力されるようになっている。

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方向へ出射されたレーザ光を受光するように配置されており、測定対象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、各周期ｎにおいて吸収ピーク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により取得することで、制御部３６０がＩ_０（ν）とＩ（ν）とを算出するようになっている。

圧力センサ３１は、サンプル流路７０内に設置されており、測定対象ガスの全圧である圧力ｐを所定時間間隔で測定する。このような圧力センサ３１として、例えば、ダイアフラム式の圧力センサ等が用いられる。
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、測定対象ガスの温度である実測温度Ｔ_ｓを所定時間間隔で測定する。このようなガス温度センサ３２として、例えば、熱電対や白金測温抵抗体やサーミスタ等が用いられる。

レーザ制御部５０は、半導体レーザへ印加する駆動電流値を制御するレーザ電流制御部５１と、半導体レーザの温度を設定温度に制御するレーザ温度調節部５２とにより構成される。
制御部３６０は、ＣＰＵ３６１とメモリ３６２と表示部６３と入力装置６４とを備える。また、ＣＰＵ３６１が処理する機能をブロック化して説明すると、レーザ光の強度Ｉ（ν）等を取得する取得部３６１ａと、測定対象ガス中の酸素分子の数密度ｃ_ｎを算出する演算部３６１ｂとを有する。

そして、取得部３６１ａは、レーザ光の強度Ｉ（ν）、圧力ｐ、実測温度Ｔ_ｓをそれぞれＡ／Ｄ変換部１、２、３によってデジタル値に所定時間間隔で変換するとともに、各周期ｎにおいてこのデジタル値からＩ_０（ν）とＩ（ν）とを算出する制御を行う。また、演算部３６１ａは、各周期ｎにおいて式（５）や式（９）を用いて数密度ｃ_ｎを得ていく。

特開２０１０−２３７０７５号公報

ところで、上述したようなガス分析装置３０１は、応答性の速さに特徴を有しているが、エンジン始動直後等の温度Ｔが急激に変化する条件下等での高速応答を求められる用途（ｍｓｅｃオーダ以下）においては、ガス温度センサ３２の応答速度の遅延が問題になることがあった。一般的に高速応答が求められる場合のガス温度センサ３２としては、熱容量が比較的小さくできる極細（例えば直径１２μｍ）の熱電対式が用いられる。ここで、図１０は、測定対象ガスの温度Ｔを所定時間（６ｓｅｃ）において７０℃から３５℃に切り替えた際の外径０．５ｍｍの熱電対で検出された実測温度Ｔ_ｓを示すグラフである。このように現在入手できる線径の熱電対でも応答性の遅れの影響が出ている。
また、線径が細い熱電対は機械的に脆く、実際の計測で使用できる場面が限定されるという問題点もあった。

本出願人は、エンジン始動直後等の温度Ｔが急激に変化する条件下でも、酸素分子の数密度ｃを正確に計測する方法について検討した。ガス分析装置では、酸素分子の数密度ｃを算出する際に、レーザ光の強度変化Ｉ（ν）における酸素の吸収ピークを検出している。この吸収ピークの半値全幅ν_Ｌ、ν_ＥＤは、測定対象ガスの全圧ｐの圧力領域によって、上述したように式（３）や式（７）やそのコンボリューション関数で表され、測定対象ガスの圧力ｐ、ｐ_０や温度Ｔ、Ｔ_０の関数となっている。例えば、図１１は、圧力ｐが一定の場合における酸素の吸収ピークの半値全幅の温度依存性を示すグラフである。つまり、半値全幅ν_Ｌ、ν_ＥＤがわかれば、測定対象ガスの温度Ｔに換算することができる。

そして、この吸収ピークの半値全幅ν_Ｌ、ν_ＥＤは、光吸収によって変化する値であることから、応答性が優れており、温度Ｔの過渡変化に対して正確に追従する。図１２は、測定対象ガスの温度Ｔを所定時間（６ｓｅｃ）に７０℃から３５℃に切り替えた際に算出された半値全幅を示すグラフであり、図１３は、その半値全幅から算出された計算温度Ｔ_ｍを示すグラフである。半値全幅ν_Ｌ、ν_ＥＤの温度変化による応答性はｍｓｅｃオーダで完了しており、熱電対よりも明らかに迅速に変化している。

一方、熱電対で検出された実測温度Ｔ_ｓは、ある程度の時定数を持ちながらも、絶対精度という点において半値全幅ν_Ｌ、ν_ＥＤから得られる計算温度Ｔ_ｍと比べて優れている。つまり、温度変化に対して半値全幅ν_Ｌ、ν_ＥＤの変化が大きくないため、半値全幅ν_Ｌ、ν_ＥＤからは精度の高い計測ができない。
そこで、本出願人は、吸収スペクトル中の吸収ピークの半値全幅（拡がり量）ν_Ｌ、ν_ＥＤを記録しながら、温度Ｔの過渡領域において熱電対の応答性が問題になる場面では、その吸収ピークの半値全幅ν_Ｌ、ν_ＥＤから温度Ｔを算出して用いることを見出した。

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測定光を照射するレーザ素子を有する光源部と、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、前記レーザ素子へ印加する駆動電流値を所定周期で変化させることにより、所定波長範囲の測定光をレーザ素子から所定周期で発振させるレーザ電流制御部と、前記ガスセル内の実測温度を所定時間間隔で検出する温度センサと、前記受光部で受光された第ｎ周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ（ν）における特定ガスの吸収ピークと、前記ガスセル内の実測温度とに基づいて、前記測定対象ガス中の特定ガス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、前記特定ガスの吸収ピークの拡がり量を算出する拡がり量算出部と、前記特定ガスの吸収ピークの拡がり量に基づいて、前記ガスセル内の計算温度を算出し、前記実測温度と前記計算温度とを比較することにより、前記温度センサの応答遅れ発生区間を判定する判定部とを備え、前記演算部は、前記応答遅れ発生区間では前記計算温度を用いて前記特定ガス量情報を算出し、一方、前記応答遅れ発生区間以外では前記実測温度を用いて前記特定ガス量情報を算出するようにしている。

ここで、「所定周期」とは、測定者等によって決められる任意の時間であり、所定波長範囲の測定光をレーザ素子から発振させるために、例えば数十Ｈｚ〜数十ｋＨｚとなり、１ｋＨｚ等が挙げられる。また、「所定時間間隔」とは、測定者等によって決められる任意の時間（所定データ取得間隔）であって所定周期以下となる。
また、「特定ガス」とは、測定者等によって決められる任意の成分であって、例えば酸素や水蒸気や二酸化炭素や一酸化炭素等である。
さらに、「吸収ピークの拡がり量」とは、吸収ピークの拡がり量を示すものであれば特に限定されず、例えば、半値全幅（ローレンツ幅やドップラ幅）や半値半幅等が挙げられる。

以上のように、本発明のガス分析装置によれば、「熱電対の正確性」と「温度に依存する光吸収の高速応答性」との両者の利点を活かし、エンジン始動直後等の温度が急激に変化する条件下でも、特定ガス量情報を正確に計測することができる。

（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、前記判定部は、前記実測温度と前記計算温度との温度差が閾値以上であるときには、前記応答遅れ発生区間であると判定し、一方、閾値未満であるときには、前記応答遅れ発生区間でないと判定するようにしてもよい。

さらに、上記の発明では、前記ガスセル内の圧力を所定時間間隔で検出する圧力センサを備えるようにしてもよい。
本発明のガス分析装置によれば、計測場の全圧が変化するような計測であっても、圧力項を入力することで、半値幅は温度のみの関数で表されることになる。なお、全圧情報については、ダイアフラム式のような高速な応答が可能な圧力計が一般的に用いられるため、問題にならない。

本発明のガス分析装置の一例を示す概略構成図。図１のガス分析装置を機能ごとに示すブロック図。本発明の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。数密度ｃの計測方法を説明するフローチャート。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。縦軸をｌｎ（Ｉ_０（ν_０）／Ｉ（ν_０））とし、横軸を周波数νとしたグラフ。波長可変半導体レーザ吸収分光法によるガス分析装置を示す概略構成図。図７のガス分析装置を機能ごとに示すブロック図。駆動電流値とレーザ光の発振波長との関係を示す概念図。所定時間での測定対象ガス温度の切替時に熱電対で検出された実測温度を示すグラフ。圧力一定時の酸素吸収ピークの半値全幅の温度依存性を示すグラフ。所定時間での測定対象ガスの温度の切替時に算出された半値全幅を示すグラフ。図１２の半値全幅から算出された計算温度を示すグラフ。温度補正前後の酸素濃度演算値の一例を示すグラフ。

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。

図１は、本発明の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のガス分析装置を機能ごとに示したブロック図である。また、図３は、本発明の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。なお、上述した従来のガス分析装置３０１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ｐを測定する圧力センサ３１と、実測温度Ｔ_ｓ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。

なお、ガス分析装置１は、エンジンへの給排気の各ラインに連結されたサンプル流路（ガスセル）７０内を流れる測定対象ガス中の酸素分子（特定ガス）の数密度（特定ガス量情報）ｃを計測するために用いられるものとする。

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、レーザ光の強度Ｉ（ν）等を取得する取得部６１ａと、測定対象ガス中の酸素分子の数密度ｃ_ｎを算出する演算部６１ｂと、酸素ガスの吸収ピークの半値全幅（拡がり量）ν_ｎを算出してメモリ６２に記憶させる拡がり量算出部６１ｃと、ガス温度センサ３２の応答遅れ発生区間ｎを判定する判定部６１ｄとを有する。さらに、メモリ６２には、数密度ｃ_ｎを記憶するための数密度記憶領域６２ａと、半値全幅ν_ｎを記憶するとともに閾値Ａを記憶するための拡がり量記憶領域６２ｂとを有する。

取得部６１ａは、レーザ光の強度Ｉ（ν）、圧力ｐ、実測温度Ｔ_ｓをそれぞれＡ／Ｄ変換部１、２、３によってデジタル値に所定時間間隔で変換するとともに、各周期ｎにおいてこのデジタル値からＩ_０（ν）とＩ（ν）とを算出する制御を行う。なお、所定時間間隔で得られた圧力ｐ、実測温度Ｔ_ｓから各周期ｎにおける圧力ｐ_ｎ、実測温度Ｔ_ｓｎも算出する。

拡がり量算出部６１ｃは、第ｎ周期のレーザ光の強度Ｉ（ν）における酸素ガスの吸収ピークを検出し、この酸素ガスの吸収ピークの半値全幅ν_ｎを算出して拡がり量記憶領域６２ｂに記憶させる制御を行う。
例えば、まず、第ｎ周期のＩ（ν）の曲線の傾斜量を順次調べ、その傾斜量が所定値以下になったときに吸収ピークの開始点ν_ｍｉｎであると判断し、傾斜量が零から正に転じたときに吸収ピークのピークトップ（最大値）ν_０であると判断し、傾斜量が所定値以下になったときに吸収ピークの終点ν_ｍａｘであると判定する。そして、第ｎ周期の吸収ピークの半値全幅ν_ｎを算出して拡がり量記憶領域６２ｂに記憶させる。次に、第（ｎ＋１）周期のＩ（ν）の曲線の傾斜量を順次調べて、その傾斜量が所定値以下になったときに吸収ピークの開始点ν_ｍｉｎであると判断し、傾斜量が零から正に転じたときに吸収ピークのピークトップ（最大値）ν_０であると判断し、傾斜量が所定値以下になったときに吸収ピークの終点ν_ｍａｘであると判定する。そして、第（ｎ＋１）周期の吸収ピークの半値全幅ν_{（ｎ＋１）}を算出して拡がり量記憶領域６２ｂに記憶させる。このようにして、第ｎ周期の半値全幅ν_ｎを拡がり量記憶領域６２ｂに順次記憶させていく。

判定部６１ｄは、第ｎ周期の半値全幅ν_ｎに基づいて計算温度Ｔ_ｍｎを算出し、計算温度Ｔ_ｍｎと実測温度Ｔ_ｓｎとを比較することにより、ガス温度センサ３２の応答遅れ発生区間ｎを判定する制御を行う。
例えば、計算温度Ｔ_ｍｎと実測温度Ｔ_ｓｎとの温度差ΔＴ_ｎが閾値Ａ以上である場合には、第ｎ周期は応答遅れ発生区間であると判定し、一方、温度差ΔＴ_ｎが閾値Ａ未満である場合には、第ｎ周期は応答遅れ発生区間でないと判定する（図１０参照）。

演算部６１ｂは、判定部６１ｄで判定された結果と圧力ｐ_ｎに基づき、計算温度Ｔ_ｍｎ又は実測温度Ｔ_ｓｎを式（５）又は式（９）に当てはめて数密度ｃ_ｎを得て、数密度記憶領域６２ａに記憶させる制御を行う。
例えば、応答遅れ発生区間である周期ｎには、計算温度Ｔ_ｍｎを式（５）に当てはめて数密度ｃ_ｎを得て、応答遅れ発生区間でない周期（ｎ＋５）には、実測温度Ｔ_{ｓ（ｎ＋５）}を式（５）に当てはめて数密度ｃ_{（ｎ＋５）}を得る。ここで、図１４は、温度補正前後の酸素濃度演算値の一例を示すグラフである。なお、実線は本発明のガス分析装置１で計測された（温度補正後の）酸素濃度演算値であり、点線は従来のガス分析装置３０１で計測された（温度補正前の）酸素濃度演算値である。

ここで、ガス分析装置１の使用方法について説明する。図４は、数密度ｃを計測する計測方法について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１の処理において、周期回数パラメータｎ＝１とする。
次に、ステップＳ１０２の処理において、レーザ温度調節部５２は、半導体レーザの温度を設定温度となるようにＰＩ制御する制御信号を光源部１０に出力するとともに、レーザ電流制御部５１は、半導体レーザへ印加する駆動電流値を連続的に変化させる制御信号を光源部１０に出力する。

次に、ステップＳ１０３の処理において、取得部６１ａは、レーザ光の強度Ｉ（ν）、圧力ｐ、実測温度Ｔ_ｓ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するとともに、第ｎ周期においてこのデジタル値からＩ_０（ν）とＩ（ν）とを算出する。
次に、ステップＳ１０４の処理において、拡がり量算出部６１ｃは、第ｎ周期のレーザ光の強度Ｉ（ν）における酸素ガスの吸収ピークを検出し酸素ガスの吸収ピークの半値全幅ν_ｎを算出する。

次に、ステップＳ１０５の処理において、判定部６１ｄは、第ｎ周期の半値全幅ν_ｎに基づいて計算温度Ｔ_ｍｎを算出する。
次に、ステップＳ１０６の処理において、判定部６１ｄは、計算温度Ｔ_ｍｎと実測温度Ｔ_ｓｎとの温度差ΔＴ_ｎが閾値Ａ未満であるか否かを判定する。温度差ΔＴ_ｎが閾値Ａ未満であると判定したときには、ステップＳ１０７の処理において、演算部６１ｂは、実測温度Ｔ_ｓｎを式（５）又は式（９）に当てはめて数密度ｃ_ｎを得る。
一方、温度差ΔＴ_ｎが閾値Ａ以上であると判定したときには、ステップＳ１０８の処理において、演算部６１ｂは、計算温度Ｔ_ｍｎを式（５）又は式（９）に当てはめて数密度ｃ_ｎを得る。

ステップＳ１０７の処理又はステップＳ１０８の処理のいずれかの処理が終了すると、ステップＳ１０９の処理において、計測を終了するか否かを判定する。計測を終了しないと判定したときには、ステップＳ１１０の処理において、ｎ＝ｎ＋１とした後、ステップＳ１０２の処理に戻る。
一方、計測を終了すると判定したときには、本フローチャートを終了する。

以上のように、本発明のガス分析装置１によれば、「熱電対の正確性」と「温度に依存する光吸収の高速応答性」との両者の利点を活かし、エンジン始動直後等の温度Ｔが急激に変化する条件下でも、数密度ｃ_ｎを正確に測定することができる。

本発明は、レーザ吸収分光法を利用して気体中の特定ガス量情報を計測するガス分析装置等に利用することができる。

１ガス分析装置
１０光源部
２０受光部
３２温度センサ
５１レーザ電流制御部
５２レーザ温度調節部
６１ｂ演算部
６１ｃ拡がり量算出部
６１ｄ判定部
７０ガスセル

Claims

ガスセル内の測定対象ガスに測定光を照射するレーザ素子を有する光源部と、
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、
前記レーザ素子へ印加する駆動電流値を所定周期で変化させることにより、所定波長範囲の測定光をレーザ素子から所定周期で発振させるレーザ電流制御部と、
前記ガスセル内の実測温度を所定時間間隔で検出する温度センサと、
前記受光部で受光された第ｎ周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ（ν）における特定ガスの吸収ピークと、前記ガスセル内の実測温度とに基づいて、前記測定対象ガス中の特定ガス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、
前記特定ガスの吸収ピークの拡がり量を算出する拡がり量算出部と、
前記特定ガスの吸収ピークの拡がり量に基づいて、前記ガスセル内の計算温度を算出し、前記実測温度と前記計算温度とを比較することにより、前記温度センサの応答遅れ発生区間を判定する判定部とを備え、
前記演算部は、前記応答遅れ発生区間では前記計算温度を用いて前記特定ガス量情報を算出し、一方、前記応答遅れ発生区間以外では前記実測温度を用いて前記特定ガス量情報を算出することを特徴とするガス分析装置。
前記判定部は、前記実測温度と前記計算温度との温度差が閾値以上であるときには、前記応答遅れ発生区間であると判定し、一方、閾値未満であるときには、前記応答遅れ発生区間でないと判定することを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
前記ガスセル内の圧力を所定時間間隔で検出する圧力センサを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガス分析装置。