JP5482741B2 - レーザガス分析装置 - Google Patents
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Description
本発明は、レーザガス分析装置に関し、詳しくは、設置環境によって異なる、信号の伝送遅延の除去を図ることにより測定精度を向上させたレーザガス分析装置に関する。
ＴＤＬＡＳ（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；可変波長半導体レーザ吸収分光）法を用いたレーザガス分析計は、測定対象に可変波長半導体レーザからの光を照射するだけで、高温や腐食性ガスなどの測定対象成分の濃度でも、他の成分の干渉を受けることなく成分選択性が高く、非接触で、高速にリアルタイムで測定できるという利点がある。
図３はＴＤＬＡＳ法を用いた従来のレーザガス分析装置の一例を示すブロック図であって、プロセスガス雰囲気中に向けて測定用レーザ光を照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、プロセスガス雰囲気の測定空間を透過した測定用レーザ光を検出する受光素子およびこの受光素子の出力信号を処理する演算処理部を含む検出ユニットとで構成されている。
図３に示すレーザガス分析装置は、赤外から近赤外領域に存在する測定対象成分分子の振動・回転エネルギー遷移による分子固有の光吸収スペクトルを、極めて発振波長スペクトル線幅の狭い半導体レーザを用いて測定する。Ｏ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２など大半の分子の分子特有の吸収スペクトルは赤外〜近赤外領域であり、特定波長における光吸収量（吸光度）を測定することで対象成分の濃度を算出できる。
図３において、光源ユニット１０に設けられている半導体レーザ１１は、測定用レーザ光をプロセスガス２０の雰囲気中に照射出力する。この半導体レーザ１１が出力するレーザ光は、発振波長スペクトル線幅が極めて狭く、レーザ温度や駆動電流を変えることで発振波長を変更できるので、吸収スペクトルの各吸収ピークの１本のみを測定できる。
したがって、干渉ガスの影響を受けない吸収ピークを選定することができ、波長選択性が高く、他の干渉成分の影響を受けることがないため、測定の前段階における干渉ガスを除去することなくプロセスガスを直接測定できる。
半導体レーザ１１の発振波長を測定成分の１本の吸収線の近傍でスキャンすることにより、干渉成分と重ならない正確なスペクトルの測定が行えるが、そのスペクトル形状は、プロセスガス温度、プロセスガス圧力、共存ガス成分などによるスペクトルのブロードニング（Ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ）現象により変化する。このため、これらの環境変動を伴う実プロセス測定では、その補正が必要になる。
そこで、図３の装置では、半導体レーザ１１の発振波長をスキャンして吸収スペクトルを測定することによりスペクトル面積を求め、そのスペクトル面積から成分濃度に変換するスペクトル面積法を用いている。
他のレーザガス分析装置では、吸収スペクトルのピーク高さから測定成分を求めるピーク高さ法や波長スキャン信号を変調してその周波数の２倍周波数変調波形のＰ−Ｐ（ピーク・ツー・ピーク）値から測定成分の濃度を求める２ｆ法が使われているが、これらは、温度、圧力、共存ガス成分の変動などにより大きな影響を受けやすい。
これに対し、スペクトル面積法は原理的に共存ガス成分の違いによる変化の影響を受けることはなく（スペクトルの面積は共存ガス成分によらずほとんど一定）、圧力変動に対してもスペクトル面積法は原理的に線形変化を示す。
ピーク高さ法や２ｆ法では、上記３変動要因（温度、圧力、共存ガス成分）が全て非線形に影響し、これら変動要因が共存する場合は補正が困難であるが、スペクトル面積法によれば、ガス圧力変動に対する線形補正とガス温度変動に対する非線形補正を行うことができ、正確な補正を実現できる。
プロセスガス２０の雰囲気中を通過した測定用レーザ光は検出ユニット３０に設けられデテクタ回路４０を構成する受光素子３１で受光され、電気信号に変換される。
受光素子３１の出力信号はゲイン可変のアンプ３２を介して適切な振幅レベルに調整されてＡ／Ｄ変換器３３に入力され、デジタル信号に変換される。
Ａ／Ｄ変換器３３の出力データについて、半導体レーザ１１の波長のスキャンに同期して、ＤＡＱ（ＤＡＴＡ ＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮ…データ収集）回路（以下、ＤＡＱ回路）４１を構成する積算器３４とメモリ３５との間で所定回数（たとえば数百〜数千回）の積算とメモリ３５への格納が繰り返されて測定信号に含まれるノイズが除去されてデータが平滑化された後、ＣＰＵ３６に入力される。
ＣＰＵ３６は、ノイズが除去された測定信号に基づきプロセスガスの濃度解析などの演算処理を行うとともに、受光素子３１の出力信号の振幅レベルがＡ／Ｄ変換器３３の入力レベルとして適切でない場合にゲイン可変アンプ３２のゲイン調整を行う。
タイミング生成回路４２はレーザコントローラ４３に半導体レーザを掃引するためのレーザ掃引スタートパルスを出力するとともに積算器３４に対してＡ／Ｄ変換器３３からの出力を取り入れるタイミングパルスを出力する。
非特許文献１には、可変波長半導体レーザ分光を応用したレーザガス分析計の測定原理とその特徴および具体的な測定事例について記載されている。
田村 一人、外３名、「レーザガス分析計ＴＤＬＳ２００とその産業プロセスへの応用」、横河技報、横河電機株式会社、２０１０年、Ｖｏｌ．５３ Ｎｏ．２（２０１０） ｐ．５１−５４
図４（ａ，ｂ）は上述の従来のレーザガス分析装置のタイミングシーケンスを示す図である。縦軸は信号の強さを横軸は時間を示している。
図（ａ）において、（ィ）で示す実線はレーザ（半導体レーザ）出力の強度変化を示し、（ロ）で示す破線はＤＡＱ回路へ入力する測定信号を示している。また、（ハ）は図３に示すタイミング生成回路４２でのパルス信号の発生タイミングを示し、（二）で示すパルス信号はそのパルス信号が同期ケーブル４４やレーザコントローラ４３を経て半導体レーザユニット１１に配置されたレーザを掃引スタートさせるまでにＴ１の遅れが生じるということを示している。なお、（ロ）で示す破線に示す（ホ）の凹みはプロセスガスにより吸収された波長部分を示している。
図（ａ）において、（ィ）で示す実線はレーザ（半導体レーザ）出力の強度変化を示し、（ロ）で示す破線はＤＡＱ回路へ入力する測定信号を示している。また、（ハ）は図３に示すタイミング生成回路４２でのパルス信号の発生タイミングを示し、（二）で示すパルス信号はそのパルス信号が同期ケーブル４４やレーザコントローラ４３を経て半導体レーザユニット１１に配置されたレーザを掃引スタートさせるまでにＴ１の遅れが生じるということを示している。なお、（ロ）で示す破線に示す（ホ）の凹みはプロセスガスにより吸収された波長部分を示している。
そして、光源ユニット１１から出射したレーザはプロセスガスを透過してディテクタ回路４０を構成する受光素子３１、ゲイン可変アンプ３２、Ａ／Ｄ変換器３３を経てＤＡＱ回路４１に入力するが、タイミング生成回路４２で生成されたパルス信号がレーザコントローラに入力して半導体レーザユニットを構成するレーザを掃引し、掃引されたレーザプロセスガスを透過して電気信号に変換されてＤＡＱ回路４１に入力されるまでにＴ２の遅れを生じ、前述のＴ１と合わせてＴＤの遅れが生じていることになる。
図４（ｂ）はタイミング生成回路４２で発生したパルス信号に対して遅れを生じることなくレーザが発振したと想定した場合の波形（ヘ）と、それからＴＤの時間遅れを生じてＤＡＱ回路４１に入力する信号（ト）の関係を示している。
なお，Ｔ１やＴ２の遅れは同期ケーブルの長さやプロセスの設置状態によりプロセス毎に異なる値となるもので予め遅延を考慮したタイミングを生成するのは困難である。
このような遅れは後段に配置されたＣＰＵ３６でプロセスガスの状態を解析する場合に精度低下を引き起こす要因となっている。
なお，Ｔ１やＴ２の遅れは同期ケーブルの長さやプロセスの設置状態によりプロセス毎に異なる値となるもので予め遅延を考慮したタイミングを生成するのは困難である。
このような遅れは後段に配置されたＣＰＵ３６でプロセスガスの状態を解析する場合に精度低下を引き起こす要因となっている。
本発明は、このような課題を解決するものであり、レーザガス分析計により予め考慮することが困難なユーザー環境による遅延を含めた、システム全体の遅延を測定し、キャンセルさせる回路を実現することを目的としている。
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
プロセスガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザ及びレーザコントローラを含む光源ユニットと、
前記プロセスガスを透過したレーザ光を検出するディテクタ回路と、
このディテクタ回路からの出力信号が入力されるＤＡＱ（データ収集）回路と、
このＤＡＱ回路からの出力データを取り込んで前記プロセスガスの濃度を演算するＣＰＵ（演算処理部）と、
前記レーザコントローラにレーザ掃引スタートパルスを送出するとともに前記ＤＡＱ回路に前記ＣＰＵへデータ取り込みのタイミング信号を送出するタイミング生成回路とで構成されたレーザガス分析装置において、
前記タイミング生成回路から出力されたタイミング信号を入力しカウンタをスタートさせるカウンタを有する遅延測定回路と、
前記ディテクタ回路で検出される測定信号のスタート点となるエッジを検出するエッジ検出回路と、を備え、
前記遅延回路は、前記タイミング生成回路から掃引パルスが出力されてから前記ディテクタ回路に達するまでの時間遅れを測定し、その遅れ時間を前記タイミング生成回路に送出し、
前記タイミング生成回路は、前記ＤＡＱ回路からの出力を前記遅れ時間に基づいて前記ＣＰＵへ送出することにより、データ取り込みタイミングの時間遅れをキャンセルするようにしたことを特徴とする。
プロセスガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザ及びレーザコントローラを含む光源ユニットと、
前記プロセスガスを透過したレーザ光を検出するディテクタ回路と、
このディテクタ回路からの出力信号が入力されるＤＡＱ（データ収集）回路と、
このＤＡＱ回路からの出力データを取り込んで前記プロセスガスの濃度を演算するＣＰＵ（演算処理部）と、
前記レーザコントローラにレーザ掃引スタートパルスを送出するとともに前記ＤＡＱ回路に前記ＣＰＵへデータ取り込みのタイミング信号を送出するタイミング生成回路とで構成されたレーザガス分析装置において、
前記タイミング生成回路から出力されたタイミング信号を入力しカウンタをスタートさせるカウンタを有する遅延測定回路と、
前記ディテクタ回路で検出される測定信号のスタート点となるエッジを検出するエッジ検出回路と、を備え、
前記遅延回路は、前記タイミング生成回路から掃引パルスが出力されてから前記ディテクタ回路に達するまでの時間遅れを測定し、その遅れ時間を前記タイミング生成回路に送出し、
前記タイミング生成回路は、前記ＤＡＱ回路からの出力を前記遅れ時間に基づいて前記ＣＰＵへ送出することにより、データ取り込みタイミングの時間遅れをキャンセルするようにしたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１に記載のレーザガス分析装置において、
前記ディテクタ回路は受光素子、ゲイン可変アンプ、及びＡ／Ｄ変換器を含んで構成され、前記ＤＡＱ回路は積算器及びメモリを含んで構成されていることを特徴とする。
前記ディテクタ回路は受光素子、ゲイン可変アンプ、及びＡ／Ｄ変換器を含んで構成され、前記ＤＡＱ回路は積算器及びメモリを含んで構成されていることを特徴とする。
請求項１、２においては、ユーザー環境による遅延を含めた、システム全体の遅延を測定し、その遅延した時間に基づいてデータを取り込むので時間遅れをキャンセルしたレーザガス分析装置を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図２に示す従来例と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図２の相違点は、タイミング生成回路と遅延測定回路及びディテクタ回路からの出力を入力するエッジ検出回路を設けていることである。
図１において、光源ユニット１０に設けられている半導体レーザユニット１１は、従来と同様に測定用レーザ光をプロセスガス２０の雰囲気中に照射出力する。このとき、プロセスガス２０の測定対象成分の吸収スペクトルの面積を求めるために、吸収波長を含む狭い帯域でレーザの波長をスキャンさせる。
プロセスガス２０の雰囲気中を通過した測定用レーザ光は検出ユニット４７に設けられている従来と同様の構成のディテクタ回路４０に入力されデジタル信号に変換される。
この信号はＤＡＱ回路に入力されて従来と同様に測定信号に含まれるノイズが除去されて平滑化された後、ＣＰＵ３６に入力される。ＣＰＵ３６は、ノイズが除去された測定信号に基づきプロセスガスの濃度解析などの演算処理を行う。
この信号はＤＡＱ回路に入力されて従来と同様に測定信号に含まれるノイズが除去されて平滑化された後、ＣＰＵ３６に入力される。ＣＰＵ３６は、ノイズが除去された測定信号に基づきプロセスガスの濃度解析などの演算処理を行う。
ここまでは従来と同様であるが、本発明ではタイミング生成回路４２のタイミング信号を入力する遅延測定回路４５とエッジ検出回路４６が設けられている。遅延測定回路４５はカウンタを含んで構成されており、レーザ掃引スタートパルスが入力された時点でカウントをスタートさせる。
一方タイミング生成回路４２はレーザコントローラ４３に半導体レーザを掃引するためのレーザ掃引スタートパルスを出力する。このパルス信号は同期ケーブル４４、レーザコントローラ４３を介して半導体ユニット１１を構成するレーザを掃引し、出射したレーザ光はプロセスガス２０中を透過してディテクタ回路４０に入力する。
このディテクタ回路４０の出力はＤＡＱ回路４１に出力されるが、エッジ検出回路４６にも入力され、エッジ検出回路からの出力は遅延測定回路４５でスタートしたカウンタを停止させる。その結果、遅延測定回路４５はタイミング生成回路から掃引パルスが出力されてからディテクタ回路４０に達するまでの時間遅れを測定することができる。遅延測定回路４５はその遅れ時間をタイミング生成回路４２に送出し、タイミング生成回路はＤＡＱ回路からの出力をその遅れに基づいてＣＰＵ３６に送出する。
図２は上述のレーザガス分析装置のタイミングシーケンスを示す図である。縦軸は信号の強さを横軸は時間を示している。
図２において、（ィ）はレーザ掃引スタートパルス（タイミング生成回路出力）を示し（ロ）の破線はＤＡＱ回路へ入力する信号を示している。また、（ハ）はＴＤの時間遅れでＤＡＱ回路５に送信される信号取り込みパルス開始を示している。なお、破線に示す（ホ）の凹みはプロセスガスにより吸収された波長部分を示している。
図２において、（ィ）はレーザ掃引スタートパルス（タイミング生成回路出力）を示し（ロ）の破線はＤＡＱ回路へ入力する信号を示している。また、（ハ）はＴＤの時間遅れでＤＡＱ回路５に送信される信号取り込みパルス開始を示している。なお、破線に示す（ホ）の凹みはプロセスガスにより吸収された波長部分を示している。
上述の構成によれば、ユーザー環境による遅延を含めた、システム全体の遅延を測定し、その値に基づいてＣＰＵへの信号取り込みができるので、正確な分析が可能なレーザガス分析装置を実現することができる。
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば、エッジ検出回路４６、遅延測定回路４５において複数のカウンタをもたせ、タイミング生成回路４２で出力されたレーザー掃引スタートパルスをレーザーコントローラ４３が受け、そのまま同期ケーブルを介し、エッジ検出回路４６と遅延測定回路４５のカウンタを止めるようにしても良い。そうすることで、Ｔ１が求まり、ＴＤとの差分でＴ２も求まる。精度が良く高速なクロックをカウンタに用いれば、同期ケーブル長や光路長を求めることも可能である。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
１０ 光源ユニット
１１ 半導体レーザユニット
３１ 受光素子
３２ ゲイン可変アンプ
３３ Ａ／Ｄ変換器
３４ 積算器
３５ メモリ
３６ ＣＰＵ
４０ ディテクタ回路
４１ ＤＡＱ回路
４２ タイミング生成回路
４３ レーザコントローラ
４４ 同期ケーブル
４５ 遅延測定回路
４６ エッジ検出回路
４７ 検出ユニット
１１ 半導体レーザユニット
３１ 受光素子
３２ ゲイン可変アンプ
３３ Ａ／Ｄ変換器
３４ 積算器
３５ メモリ
３６ ＣＰＵ
４０ ディテクタ回路
４１ ＤＡＱ回路
４２ タイミング生成回路
４３ レーザコントローラ
４４ 同期ケーブル
４５ 遅延測定回路
４６ エッジ検出回路
４７ 検出ユニット
Claims (2)
- プロセスガスにレーザ光をスキャンしながら照射する半導体レーザ及びレーザコントローラを含む光源ユニットと、
前記プロセスガスを透過したレーザ光を検出するディテクタ回路と、
このディテクタ回路からの出力信号が入力されるＤＡＱ（データ収集）回路と、
このＤＡＱ回路からの出力データを取り込んで前記プロセスガスの濃度を演算するＣＰＵ（演算処理部）と、
前記レーザコントローラにレーザ掃引スタートパルスを送出するとともに前記ＤＡＱ回路に前記ＣＰＵへデータ取り込みのタイミング信号を送出するタイミング生成回路とで構成されたレーザガス分析装置において、
前記タイミング生成回路から出力されたタイミング信号を入力しカウンタをスタートさせるカウンタを有する遅延測定回路と、
前記ディテクタ回路で検出される測定信号のスタート点となるエッジを検出するエッジ検出回路と、を備え、
前記遅延回路は、前記タイミング生成回路から掃引パルスが出力されてから前記ディテクタ回路に達するまでの時間遅れを測定し、その遅れ時間を前記タイミング生成回路に送出し、
前記タイミング生成回路は、前記ＤＡＱ回路からの出力を前記遅れ時間に基づいて前記ＣＰＵへ送出することにより、データ取り込みタイミングの時間遅れをキャンセルするようにしたことを特徴とするレーザガス分析装置。 - 前記ディテクタ回路は受光素子、ゲイン可変アンプ、及びＡ／Ｄ変換器を含んで構成され、前記ＤＡＱ回路は積算器及びメモリを含んで構成されていることを特徴とする請求項請求項１に記載のレーザガス分析装置。
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