JP5483163B2 - レーザガス分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、赤外レーザ光を利用してガス濃度を測定するレーザガス分析装置（TDLS：Tunable Diode Laser Spectroscopy）に関し、特に、インライン設置に好適なレーザガス分析装置（以下、ガス分析装置という）に関する。

一般に、流路中を流れるガス中に光を照射し、ガス中を透過した光を検出することで、ガスの成分を測定するガス分析装置が用いられており、この種のガス分析装置として、例えば特許文献１に記載のインラインガス分析装置が知られている。

このようなガス分析装置は、ガスが流れる配管の管壁に二つの光透過性窓を対向またはほぼ対向するように形成し、これらの窓にそれぞれ一部を光透過部として残して配管内部に面する光反射面を形成し、一方の窓の光透過部の外方に光源およびカセグレン鏡を備えた光源部を、前記光源を出た光がカセグレン鏡を経て一方の窓の光透過部に対して斜め入射するように設けている。

さらに、他方の窓の光透過部の外方に複数の波長の光を検出するための検出器部を設け、光源部を出た光が一方の窓の光透過部から配管内に入り、その後、二つの窓の光反射面間において複数回反射した後、他方の窓の光透過部を経て検出器部に入射するようにしている。このようなガス分析装置を用いることで、ガス濃度等を分析することができる。

図２（ａ）はこのようなインライン方のガス分析装置を用いたガス分析システムを示す図、図２（ｂ）は分析装置の概略構成図である。
これらの図において、光学ユニット２０に配置されたレーザ光源からの光は光ファイバ２３および光ファイバコネクタ２４を介して計測セル２５に入射する。

計測セル２５には配管の内径と同径の内径を有するガス通過孔２８が形成されたセンサ部２９がフランジ３０を介して挟み込まれている。２６はセンサ部のガス通過孔２８を挟んで対向して平行に配置された一対の光学ミラーである。

一対の光学ミラー２６は厚さが数ｍｍ程度の長方形状の基板状に形成され、基板の一方の面に金やプラチナの薄膜が反射面として形成され、その上に保護層として、ＭｇＦ２やＳｉＯ２の薄膜が形成されている。

上記の構成において、光ファイバ２３から光ファイバコネクタ２４を介してセンサ部２９に入射したレーザ光は平行に配置された一対の光学ミラー２６で反射を繰り返し、受光部２７に達する。

受光部で電気信号に変換された光信号は制御／解析部２１で信号処理が行われ解析用ＰＣ２２に測定成分の濃度などが表示される。このような分析対象となるガスとしては、半導体製造時に用いられるインラインガスや自動車等の内燃機関から排出される排ガス、工場から排出される排ガス等が挙げられる。

特開２００４−０５３４０５号公報 特開２００７−０４０８８７号公報

ところで、前記特許文献１に記載のガス分析装置のように、ガス中に含まれる測定対象成分の濃度を測定して分析を行なう場合に、光透過性窓、検出器や光源等を流路中に配置する。このとき、平行に配置された光学ミラー２６の間の空間は測定サンプルガスが満たされており、レーザ光はこの空間内を数回反射して２７で示された受光部２７に入通過する。

しかしながら、上記のガス分析装置においては次のような課題があった。
(１)測定ガス中に汚れが混在する場合、測定ガス中の汚れが光学ミラーや光透過性窓に付着するため反射率や透過率が低下し、感度低下を引き起こす。

(２)感度低下を防ぐためには定期的に光学ミラーや光透過性窓の洗浄を行う必要があり、メンテナンス面で負担が多くなる。

(３)多重反射セル内へのレーザ光を投・受光させるために光ファイバを使用しているが、このために限られた波長のレーザ光しか使用できない。特に、長波長領域のレーザを使用する場合、現存する光ファイバでも不可能ではないが、非常に高価になるという点でデメリットとなる。また、光出力も直接Laser Ｄiode(以下、ＬＤという)を取り付けた場合よりも低出力となるため、光路長を多く稼ぐために多重反射が必須となる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、測定ガス中に汚れが混在している状態でも長期にわたって安定した測定が可能なガス分析装置を提供することにある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１に記載のレーザガス分析装置の発明においては、
内周が鏡面加工された外管と、所定の箇所に複数の貫通孔が形成され前記外管の内周との間に等間隔の空間を保って配置された内管と、前記外管に形成されたパージガス導入口及びパージガス排出口と、前記外管に直接取付けられ前記内管内に所定の角度でレーザ光を出射するレーザ出射手段と、前記内管内に出射されたレーザ光が前記鏡面加工された面で反射した光を受光する前記外管に直接取付けられた受光手段と、を備え、
前記複数の貫通孔の一つ（第１貫通孔）は所定の角度で出射されたレーザ光を入射する位置に形成され、他の貫通孔の一つ（第２貫通孔）は前記鏡面加工された面で所定の角度で反射し前記第１貫通孔から出射したレーザ光を入射する位置に形成され、他の貫通孔の一つ（第３貫通孔）は前記鏡面加工された面で所定の角度で反射し前記第２貫通孔から出射したレーザ光を入射する位置に形成されており、前記受光手段は前記複数の貫通孔を介して前記鏡面加工面で反射したレーザ光を受光するように構成したことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載のガス分析装置の発明において、
前記レーザ出射手段はレーザダイオードであることを特徴とする。

請求項３においては、請求項１に記載のガス分析装置の発明において、
前記受光手段はフォトダイオードであることを特徴とする。

本発明の請求項１，２の発明によれば、内周が鏡面加工された外管と、所定の箇所に複数の貫通孔が形成され前記外管の内周との間に等間隔の空間を保って配置された内管と、前記外管に形成されたパージガス導入口及びパージガス排出口と、前記内管内にレーザ光を出射するレーザ出射手段と、前記内管内に出射されたレーザ光が前記鏡面加工された面で反射した光を受光する受光手段を備え、空間に流すパージガスの圧力を前記内管内を流れるガスの圧力と同じか若しくは僅かに高い圧力としているので、内管内を流れる測定ガスに汚れが混在していても、外管の鏡面加工された内周に達することがない。従って鏡面加工された面に汚れが付着して反射率が低下し感度低下を起こすことがなく、長期にわたってメンテナンスが不要となる。

本発明の請求項３，４の発明によれば、外管にレーザダイオードとフォトダイオードを直接取付けたので光ファイバを使用する必要がなくなる。そのため、使用可能なレーザ波長範囲の制限を受けることがなくなる。また、光出力の低下も防ぐことができるため、従来のように光路長を無理に長くする必要がなくなる

本発明のガス分析装置の実施形態の一例を示す構成図である。 従来のガス分析装置を示す構成図である。

図１（ａ）は本発明のガス分析装置の実施形態の一例を示す正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の要部拡大断面図である。
図１（ａ，ｂ）において、Ａで示す部分はレーザガス分析装置の設置区間であり、測定ガスが流れる管路１の途中に分析装置の両端に固定されたフランジ２により挟まれて取付けられている。３は電気信号を送信するための端子箱である。

４は内周に鏡面加工Ｃが施された外管であり、この外管の外周にはレーザ出射手段であるレーザダイオード（以下、ＬＤという）及び受光手段（以下、ＰＤという）が固定されている。

また、外管４の外周にはパージガス導入口６及びパージガス排出口７が設けられており、外管４内には等間隔の空間Ｂを保って所定の位置に複数の貫通孔８が形成された内管５が配置されている。
上述の構成において、レーザ光出射手段であるＬＤから出射したレーザ光は内管５に形
成された貫通孔８ａを通って測定ガスが流れる内管５内に入り、対向する側の内管５に形成された貫通孔８ｂを通って外管４の内面に施された鏡面Ｃで反射する。

反射した光は次に貫通孔８ｃを通って反射し、同様に８ｄ→８ｅ→で反射して最後に貫通孔８ｆを通って受光手段であるＰＤに入射する。
測定ガスが流れている間は外管４と内管５の間に形成された空間Ｂにパージガス導入口６から内管５内を流れるガスの圧力と同じか若しくは僅かに高い圧力のパージガスが供給されパージガス排出口７から排出されている。

なお、ＬＤから外管４の鏡面加工部分への出射角度や反射回数及びＬＤとＰＤの設置位置は図示の例に限ることなくガス分析が可能な範囲で任意に変更可能であり、パージガスの導入排出口の位置、パージガスの圧力は測定に際して任意に決定するものとする。

上述の構成によれば、内管５内を流れるガスの圧力と同じか若しくは僅かに高い圧力のパージガスが供給されているので、内管内を流れる測定ガスに汚れが混在していても、外管の鏡面加工された内周に達することがない。

従って鏡面加工された面に汚れが付着して反射率が低下し感度低下を起こすことがなく、長期にわたってメンテナンスが不要となる。また外管にレーザダイオードとフォトダイオードを直接取付けたので光ファイバを使用する必要がなくなる。そのため、使用可能なレーザ波長範囲の制限を受けることがなく、光出力の低下も防ぐことができるため、従来のように光路長を無理に長くする必要がない。

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、鏡面加工は公知の技術を用いるものとし、レーザ光の出射角度やＬＤの設置位置及び内管の貫通孔の数は測定に際して決定するものとする。
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。

１ 管路
２，３０ フランジ
３ 端子箱
４ 外管
５ 内管
６ パージガス導入口
７ パージガス排出口
８ 貫通孔
２０ 光学ユニット
２１ 制御／解析部
２２ 解析用ＰＣ
２３ 光ファイバ
２４ 光ファイバコネクタ
２５ 計測セル
２６ 光学ミラー
２７ 受光部
２８ ガス通貨孔
２９ センサ部

Claims (3)

1. 内周が鏡面加工された外管と、所定の箇所に複数の貫通孔が形成され前記外管の内周との間に等間隔の空間を保って配置された内管と、前記外管に形成されたパージガス導入口及びパージガス排出口と、前記外管に直接取付けられ前記内管内に所定の角度でレーザ光を出射するレーザ出射手段と、前記内管内に出射されたレーザ光が前記鏡面加工された面で反射した光を受光する前記外管に直接取付けられた受光手段と、を備え、
   前記複数の貫通孔の一つ（第１貫通孔）は所定の角度で出射されたレーザ光を入射する位置に形成され、他の貫通孔の一つ（第２貫通孔）は前記鏡面加工された面で所定の角度で反射し前記第１貫通孔から出射したレーザ光を入射する位置に形成され、他の貫通孔の一つ（第３貫通孔）は前記鏡面加工された面で所定の角度で反射し前記第２貫通孔から出射したレーザ光を入射する位置に形成されており、前記受光手段は前記複数の貫通孔を介して前記鏡面加工面で反射したレーザ光を受光するように構成し、前記空間に流すパージガスの圧力は前記内管内を流れるガスの圧力と同じか若しくは高い圧力としたことを特徴とするレーザガス分析装置。
2. 前記レーザ出射手段はレーザダイオードであることを特徴とする請求項１に記載のレーザガス分析装置。
3. 前記受光手段はフォトダイオードであることを特徴とする請求項１に記載のレーザガス分析装置。