JP5794167B2 - Gas analyzer - Google Patents
Gas analyzer Download PDFInfo
- Publication number
- JP5794167B2 JP5794167B2 JP2012027500A JP2012027500A JP5794167B2 JP 5794167 B2 JP5794167 B2 JP 5794167B2 JP 2012027500 A JP2012027500 A JP 2012027500A JP 2012027500 A JP2012027500 A JP 2012027500A JP 5794167 B2 JP5794167 B2 JP 5794167B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical window
- intensity
- unit
- water vapor
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
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 cell in a semiconductor manufacturing apparatus. The present invention relates to a gas analyzer that measures the amount of water vapor in a flow path or the like.
気体中の水蒸気量を測定する方法の一つとして、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 using 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ν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。これにより、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を測定することが可能である。 According to such a gas analyzer, the laser light of a predetermined wavelength ν emitted from the wavelength tunable semiconductor laser is propagated by the shielding action of water molecules present in the sample gas in the process of passing through the pipe. Using the fact that the amount of light incident on the light detection sensor is reduced in response to the concentration of water molecules in the sample gas, it is incident on the light detection sensor for 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. Thereby, the behavior of the sample gas actually occurring can be known in real time. Further, since the measurement sensitivity increases in proportion to the optical path length L, by selecting the optical path length L, it is possible to measure the amount of water vapor from the trace moisture amount region to the high humidity region.
ここで、吸収分光法における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 in absorption spectroscopy 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は水分子の数密度、Lはサンプルガスを通過する光路の長さ、S(T)は所定の吸収線強度におけるガス温度Tの関数、K(ν)は周波数νにおける吸収特性関数である。 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 is the number density of the water molecules, and L passes through the sample gas. S (T) is a function of the gas temperature T at a predetermined absorption line intensity, and K (ν) is an absorption characteristic function at the frequency ν.
そして、図5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6は、図5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。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing an example of a gas analyzer using wavelength tunable semiconductor laser absorption spectroscopy, and FIG. 6 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
ここでは、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内を流れる測定対象ガス中の水蒸気量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、測定対象ガスはサンプル流路70内をZ方向に流れている。
Here, the
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ν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、レーザ光が測定対象ガスに対して照射されるようになっている。
The
The laser diode is disposed so that laser light is incident in the X direction from the incident optical window 71 into the
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である。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、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、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I0(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)とを算出するができる。図7は、フォトダイオードで取得された吸収スペクトルの一例を示すグラフである。
The
圧力センサ31は、サンプル流路70内に設置されており、測定対象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、測定対象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62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、測定対象ガス中の水蒸気量を算出する水蒸気量演算部61a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、水蒸気量演算部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を得ることで、測定対象ガス中の水蒸気量を演算する。
The laser beam intensity I (ν), pressure value P total , and gas temperature value T are converted into digital values by the A /
しかしながら、上述したようなガス分析装置101では、サンプル流路70内を高湿度領域の水蒸気量を含む測定対象ガスが流れている場合に、水分の凝縮による結露が入射用光学窓71や出射用光学窓72等に生じることがある。このように結露が生じたとき、水分が凝縮することによってレーザ光を散乱させるため、フォトダイオードで取得されるレーザ光の強度I(ν)に大きな変化が起きてしまい、測定対象ガス中の水蒸気量を正確に測定できなくなる。図8は、結露が生じたときに取得された吸収スペクトルの一例を示すグラフである。
そこで、結露を避けるためには、測定対象ガスの流れるサンプル流路70を一定温度以上に加温しておくことが考えられるが、必要以上の加温は測定対象ガスの性質や状態そのものを変化させてしまうという問題点がある。
However, in the
Therefore, in order to avoid condensation, it is conceivable to heat the
そこで、本出願人は、入射用光学窓71や出射用光学窓72等に結露が生じたことを判定することで、測定対象ガス中の水蒸気量を正確に測定する方法について検討した。まず、フォトダイオードで取得された非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)に大きな変化が起きたときには、水蒸気量の変化でないため入射用光学窓71や出射用光学窓72等に結露が生じた可能性がある。よって、ある時間t1に予め記憶させた非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)と、現時間t2に取得された非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)とを比較することにより、非吸収波長のレーザ光の強度の変動量ΔI0(ν)を算出することで、結露が生じたと判定することが考えられる。しかし、レーザ光の強度の変動量ΔI0(ν)の原因は、結露以外にも存在する。例えば、入射用光学窓71や出射用光学窓72の汚れ、レーザダイオードの劣化、光軸のズレ等が考えられる。すなわち、変動量ΔI0(ν)だけでは結露の有無を正確に判定することはできない。
Therefore, the present applicant has studied a method for accurately measuring the amount of water vapor in the measurement target gas by determining that condensation has occurred in the incident optical window 71, the outgoing
レーザ光の強度の変動量ΔI0(ν)の原因が、結露であることを正確に判定するためには、その他の原因との切り分けが必要である。そこで、結露が起こりうる状態であるか否かを判定することにした。測定対象ガス中の水蒸気量から下記式(2)に従い、水蒸気の分圧値Ppartialが求められる。水蒸気の分圧値Ppartialが、現時間t2の温度Tにおける飽和水蒸気圧に対してどれだけ近いかわかれば、入射用光学窓71や出射用光学窓72に結露が起こりうる状態であるかを判定することができる。
Ppartial=c×k×T ・・・(2)
なお、kはボルツマン定数である。
In order to accurately determine that the cause of the fluctuation amount ΔI 0 (ν) of the intensity of the laser light is dew condensation, it is necessary to distinguish it from other causes. Therefore, it was decided to determine whether or not condensation is possible. From the amount of water vapor in the measurement target gas, the partial pressure value P partial of water vapor is determined according to the following equation (2). If the partial pressure value P partial of water vapor is close to the saturated water vapor pressure at the temperature T at the current time t 2 , is it possible for condensation to occur in the incident optical window 71 and the outgoing
P partial = c × k × T (2)
Here, k is a Boltzmann constant.
したがって、測定光の強度I(ν)に大きな変化がおき、かつ、分圧値Ppartialが飽和水蒸気圧に近いときには、結露が生じたと判定することを見出した。 Therefore, it has been found that when the intensity I (ν) of the measuring light changes greatly and the partial pressure value P partial is close to the saturated water vapor pressure, it is determined that condensation has occurred.
また、分圧値Ppartialと飽和水蒸気圧との比較に変えて、飽和水蒸気圧曲線で知られているSONNTAG(1990)の式から導き出されている下記式(3)、(4)に従い、水蒸気の分圧値Ppartialから露点温度Tdに換算して、露点温度Tdとガス温度値Tとの比較を行っても本質的には同様である。
y=ln(Ppartial/611.213) ・・・(3)
なお、y≧0であるとき(露点温度Tdが0℃以上であるとき)
Td=13.715×y+8.4262×10−1×y2+1.9048×10−2×y3+7.8158×10−3×y4
・・・(4)
なお、上述した例では、露点温度Tdが0から100℃までの場合を想定しているが、それ以外の露点温度Tdである場合でも、飽和水蒸気圧曲線により好ましいとされる近似式を用いて適用してもよい。
Further, instead of comparing the partial pressure value Ppartial with the saturated water vapor pressure, the water vapor is expressed according to the following equations (3) and (4) derived from the SONNTAG (1990) equation known from the saturated water vapor pressure curve. in terms of partial pressure value P partials dew point temperature T d of essentially the same can be performed compared with the dew point temperature T d and the gas temperature value T.
y = ln (P partial /611.213) ··· (3)
When y ≧ 0 (when dew point temperature Td is 0 ° C. or higher)
T d = 13.715 × y + 8.4262 × 10−1 × y2 + 1.9048 × 10−2 × y3 + 7.8158 × 10−3 × y4
... (4)
In the above-described example, it is assumed that the dew point temperature T d is from 0 to 100 ° C. However, even when the dew point temperature T d is other than that, an approximate expression preferable for the saturated water vapor pressure curve is used. May be used.
すなわち、本発明のガス分析装置は、光学窓が形成されたサンプル流路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の測定光を光学窓を介して照射する光源部と、前記測定対象ガス中を通過した測定光の強度を光学窓を介して受光する受光部と、吸収波長の測定光の強度と非吸収波長の測定光の強度とに基づいて、前記測定対象ガス中の水蒸気量を算出する水蒸気量演算部とを備えるガス分析装置であって、第一時間に記憶された非吸収波長の測定光の強度と、当該第一時間より後になる第二時間に取得された非吸収波長の測定光の強度とを比較することで、非吸収波長の測定光の強度の変動量を算出する算出部と、前記測定対象ガス中の水蒸気量に基づいて、前記測定対象ガスにおける水蒸気の分圧値を算出して、当該分圧値と飽和水蒸気圧とを比較することにより、結露が生じる可能性を示す比較結果を作成する比較部と、前記比較結果及び前記変動量に基づいて、前記光学窓に結露が生じたか否かを判定する結露判定部と、前記光学窓を加熱するためのヒータ部と、前記ヒータ部の温度を制御するヒータ温調制御部とを備え、前記結露判定部は、前記光学窓に結露が生じたと判定したときには、前記ヒータ温調制御部に一時的に加熱制御命令を送信するようにしている。 That is, in the gas analyzer of the present invention, the measurement light in the sample channel in which the optical window is formed is passed through the optical window with measurement light having an absorption wavelength that is absorbed by water and a non-absorption wavelength that is not absorbed by water. Based on the light source unit that irradiates, the light receiving unit that receives the intensity of the measurement light that has passed through the measurement target gas through the optical window, the intensity of the measurement light of the absorption wavelength and the intensity of the measurement light of the non-absorption wavelength A gas analyzer including a water vapor amount calculation unit for calculating a water vapor amount in the measurement target gas, the intensity of the measurement light having a non-absorption wavelength stored in the first time, and after the first time Based on the amount of water vapor in the measurement target gas, by calculating the amount of fluctuation in the intensity of the non-absorption wavelength measurement light by comparing the intensity of the measurement light of the non-absorption wavelength acquired in the second time The partial pressure value of water vapor in the measurement target gas And comparing the partial pressure value with the saturated water vapor pressure to create a comparison result indicating the possibility of condensation, and the condensation on the optical window based on the comparison result and the fluctuation amount. A dew condensation determination unit that determines whether or not the optical window has occurred, a heater unit for heating the optical window, and a heater temperature control unit that controls the temperature of the heater unit , wherein the dew determination unit when it is determined that condensation on the window occurs, and the so that to send temporarily heating control command to the heater temperature control unit.
以上のように、本発明のガス分析装置によれば、非吸収波長の測定光の強度の変動量を測定するとともに、分圧値と飽和水蒸気圧とを比較することから結露が起こりうる状態かどうかも判定し、それらふたつの結果から、光学窓に結露が生じたか否かを正確に判別できる。 As described above, according to the gas analyzer of the present invention, the amount of fluctuation in the intensity of the measurement light of the non-absorption wavelength is measured, and whether the condensation can occur because the partial pressure value and the saturated water vapor pressure are compared. Whether or not condensation has occurred in the optical window can be accurately determined from these two results.
(他の課題を解決するための手段及び効果)
また、上記の発明は、前記サンプル流路に形成された光学窓として、入射用光学窓と、当該入射用光学窓に対向する出射用光学窓とが形成されており、前記光源部は、前記入射用光学窓からサンプル流路内に測定光を入射させるともに、前記受光部は、前記出射用光学窓からサンプル流路外に出射された測定光を受光するようにしてもよい。
(Means and effects for solving other problems)
In the above invention, as the optical window formed in the sample flow path, an incident optical window and an outgoing optical window facing the incident optical window are formed, and the light source unit includes The measurement light may enter the sample channel from the incident optical window, and the light receiving unit may receive the measurement light emitted from the output optical window to the outside of the sample channel.
そして、上記の発明は、前記サンプル流路に形成された光学窓として、入出射用光学窓が形成されるとともに、前記サンプル流路内で当該入出射用光学窓に対向する反射鏡が形成されており、前記光源部は、前記入出射用光学窓からサンプル流路内に測定光を入射させるともに、前記受光部は、前記反射鏡で反射された後、前記入出射用光学窓からサンプル流路外に出射された測定光を受光し、前記結露判定部は、前記光学窓又は前記反射鏡に結露が生じたか否かを判定するようにしてもよい。 In the above invention, an optical window for input / output is formed as an optical window formed in the sample flow path, and a reflecting mirror facing the optical window for input / output is formed in the sample flow path. The light source unit causes measurement light to enter the sample channel from the incident / exit optical window, and the light receiving unit is reflected by the reflecting mirror and then flows from the incident / exit optical window. The measurement light emitted outside the road is received, and the dew condensation determination unit may determine whether or not dew condensation has occurred in the optical window or the reflecting mirror.
さらに、上記の発明は、前記光学窓を加熱するためのヒータ部と、前記ヒータ部の温度を制御するヒータ温調制御部と、前記結露判定部は、前記光学窓に結露が生じたと判定したときには、前記ヒータ温調制御部に加熱制御命令を送信するようにしているので、光学窓や反射鏡に結露が生じたと判定したときには、ヒータ部による加温制御を行うことで、定常的な状態から一時的に温度を上げ、結露状態からの早期復帰を可能にし、利便性を高めることができる。 Furthermore, in the above invention, the heater unit for heating the optical window, the heater temperature control unit that controls the temperature of the heater unit, and the dew condensation determination unit determine that dew condensation has occurred in the optical window. In some cases, a heating control command is transmitted to the heater temperature control unit, so that when it is determined that condensation has occurred in the optical window or the reflecting mirror, the heater unit performs heating control to achieve a steady state. Therefore, the temperature can be temporarily raised to enable early recovery from the dew condensation state, and convenience can be improved.
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、ヒータ部81と、光源部10を制御するレーザ制御部50と、ヒータ部81の温度を制御するヒータ温調制御部80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
ヒータ部81は、入射用光学窓71と出射用光学窓72とを加熱することができるようになっており、ヒータ温調制御部80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、通常結露防止のために入射用光学窓71や出射用光学窓72や周辺配管を加熱させることは一般的であり、本発明ではその加熱状態からさらに一時的に加熱させることになる。よって、ヒータ温調制御部80は、制御部60の結露判定部61dと連動して動作するようになっている。具体的には、ヒータ温調制御部80は、後述する結露判定部61dで結露したと判定されると、加熱制御命令を受信する。加熱制御命令については、測定される吸収スペクトル結果から、蒸発乾燥して結露が終わったとみなされるまで続けるようにすれば、必要以上に計測器やサンプルガスに熱的な負荷をかけることはなくなる。
The
制御部60は、CPU61とメモリ62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、測定対象ガス中の水蒸気量を算出する水蒸気量演算部61aと、非吸収波長部分のレーザ光の強度の変動量ΔI0(ν)を算出する算出部61bと、結露が生じる可能性を示す比較結果を作成する比較部61cと、入射用光学窓71と出射用光学窓72とに結露が生じたか否かを判定する結露判定部61dとを有する。さらに、メモリ62には、非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)等を記憶するためのレーザ光強度記憶領域を有する。
The
水蒸気量演算部61aは、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、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を得ることで、測定対象ガス中の水蒸気量を演算する制御を行う。このとき、水蒸気量演算部61aは、非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)をレーザ光強度記憶領域に記憶させる。
Steam
算出部61bは、第一時間t1に記憶された非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)と、現時間(第二時間)t2に取得された非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)とを比較することで、非吸収波長部分のレーザ光の強度の変動量ΔI0(ν)を算出する制御を行う。
例えば、現時間t2に取得されたスペクトル波形から算出された非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)を得る。そして、メモリ62に記憶されている第一時間t1に取得された非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)を得る。これにより、第一時間t1に記憶された非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)と、現時間t2に取得された非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)とを比較することで、非吸収波長部分のレーザ光の強度の変動量ΔI0(ν)を算出する。なお、非吸収波長のレーザ光の強度としては、例えば、非吸収波長帯中の任意の波長一点で随時強度を測定してもよく、非吸収波長帯の全ての積算値や平均値を取っても構わない。
The calculation unit 61b calculates the intensity I 0 (ν) of the laser beam having the non-absorption wavelength stored at the first time t 1 and the intensity of the laser beam having the non-absorption wavelength acquired at the current time (second time) t 2. Control for calculating the fluctuation amount ΔI 0 (ν) of the intensity of the laser light in the non-absorption wavelength portion is performed by comparing with I 0 (ν).
For example, the intensity I 0 (ν) of the laser beam having a non-absorption wavelength calculated from the spectrum waveform acquired at the current time t 2 is obtained. Then, to obtain the intensity of the laser light non-absorbing wavelength obtained in the first hour t 1 stored in the memory 62 I 0 (ν). Thus, the laser beam intensity I 0 of the non-absorption wavelength, which is stored in the first hour t 1 (ν), the intensity I 0 of the laser light non-absorbing wavelength acquired the current time t 2 (ν) By comparing, the fluctuation amount ΔI 0 (ν) of the intensity of the laser light in the non-absorption wavelength portion is calculated. As the intensity of the laser beam of the non-absorption wavelength, for example, the intensity may be measured at any point in the non-absorption wavelength band, and all integrated values and average values of the non-absorption wavelength band are taken. It doesn't matter.
比較部61cは、水蒸気量演算部61aで現時間t2に取得された測定対象ガス中の水蒸気量から式(2)に従い、測定対象ガスにおける水蒸気の分圧値Ppartialを算出して、式(3)、(4)に従い露点温度Tdを算出するとともに、水蒸気量演算部61aで現時間t2に取得されたガス温度値Tを取得して、露点温度Tdとガス温度値Tとを比較することにより、結露が生じる可能性を示す比較結果を作成する制御を行う。
例えば、露点温度TdがT×0.95以上である(露点温度Tdがガス温度値Tに対して近い)か否かを判定する。そして、露点温度TdがT×0.95以上であれば、結露が生じる可能性が高いことを示す比較結果を作成する。一方、露点温度TdがT×0.95未満であれば、結露が生じる可能性が低いことを示す比較結果を作成する。
Comparing
For example, the dew point temperature T d is T × 0.95 or higher (dew point temperature T d is close to gas temperature value T) determines whether the. And if dew point temperature Td is more than Tx0.95, the comparison result which shows that possibility that condensation will arise will be produced. On the other hand, if the dew point temperature Td is less than T × 0.95, a comparison result indicating that the possibility of condensation is low is created.
結露判定部61dは、比較結果及び変動量ΔI0(ν)に基づいて、入射用光学窓71と出射用光学窓72とに結露が生じたか否かを判定する制御を行う。
ここで、入射用光学窓71と出射用光学窓72とに結露が生じたか否かを判定する判定方法について説明する。図3は、判定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、水蒸気量演算部61aは、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取得する。
The
Here, a determination method for determining whether or not condensation has occurred in the incident optical window 71 and the outgoing
First, in the process of step S101, the water vapor
次に、ステップS102の処理において、水蒸気量演算部61aは、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を得ることで、測定対象ガス中の水蒸気量を演算する。このとき、水蒸気量演算部61aは、第一時間t1に取得された非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)をレーザ光強度記憶領域に記憶させる。
また、比較部61cは、水蒸気量演算部61aで算出された測定対象ガス中の水蒸気量から式(2)に従い、測定対象ガスにおける水蒸気の分圧値Ppartialを算出する。
Next, in the process of step S102, the water vapor
Further, the
次に、ステップS103の処理において、水蒸気量演算部61aは、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取得する。
次に、ステップS104の処理において、水蒸気量演算部61aは、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を得ることで、測定対象ガス中の水蒸気量を演算する。このとき、水蒸気量演算部61aは、第二時間t2に取得された非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)をレーザ光強度記憶領域に記憶させる。
また、比較部61cは、水蒸気量演算部61aで算出された測定対象ガス中の水蒸気量から式(2)に従い、測定対象ガスにおける水蒸気の分圧値Ppartialを算出する。
Next, in the process of step S103, the water vapor
Next, in the process of step S104, the water vapor
Further, the
次に、ステップS105の処理において、算出部61bは、第一時間t1に記憶させた非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)と、第二時間t2に取得された非吸収波長のレーザ光の強度I0(ν)とを比較することで、非吸収波長部分のレーザ光の強度の変動量ΔI0(ν)を算出する。そして、結露判定部61dは、変動量ΔI0(ν)が例えば10%以上であるか否かを判定する。
レーザ光の強度の変動量ΔI0(ν)が10%未満であった場合には、ステップS106の処理において、結露判定部61dは、入射用光学窓71や出射用光学窓72等に結露が生じた可能性がないと判定して、ステップS103の処理に戻る。また、後述するステップS110の処理でヒータ温調制御部80に加熱制御命令を送信しているときには、蒸発乾燥して結露が終わったとみなして、ヒータ温度制御部80に加熱停止制御命令を送信する。これにより、入射用光学窓71と出射用光学窓72とを一時的に加熱することで、必要以上に計測器やサンプルガスに熱的な負荷をかけることをなくすことができる。
Next, in the process of step S105, the calculation unit 61b uses the intensity I 0 (ν) of the laser light with the non-absorption wavelength stored at the first time t 1 and the non-absorption wavelength acquired at the second time t 2. The amount of fluctuation ΔI 0 (ν) of the intensity of the laser beam in the non-absorbing wavelength portion is calculated by comparing the intensity I 0 (ν) of the laser beam. Then, the dew
When the fluctuation amount ΔI 0 (ν) of the intensity of the laser beam is less than 10%, in the process of step S106, the dew
一方、レーザ光の強度の変動量ΔI0(ν)が10%以上であった場合には、入射用光学窓71や出射用光学窓72等に結露が生じた可能性があると判定して、ステップS107の処理において、比較部61cは、ステップS104の処理で算出された水蒸気の分圧値Ppartialを取得して、式(3)、(4)に従い露点温度Tdを算出する。
次に、ステップS108の処理において、比較部61cは、ステップS104の処理で算出されたガス温度値Tを取得して、露点温度TdがT×0.95以上であるか否かを判定する。露点温度TdがT×0.95未満であった場合には、ステップS109の処理において、比較部61cは、結露が生じた可能性が低いことを示す比較結果を作成する。これにより、結露判定部61dは、レーザ光の強度の変動量ΔI0(ν)の原因は結露以外であると判定する。
On the other hand, when the fluctuation amount ΔI 0 (ν) of the intensity of the laser beam is 10% or more, it is determined that there is a possibility that condensation has occurred in the incident optical window 71, the outgoing
Next, in the process of step S108, the
一方、露点温度TdがT×0.95以上であった場合には、ステップS110の処理において、比較部61cは、結露が生じる可能性が高いことを示す比較結果を作成する。そして、結露判定部61dは、入射用光学窓71と出射用光学窓72とに結露が生じたと判定して、ヒータ温調制御部80に加熱制御命令を送信して、ステップS103の処理に戻る。これにより、入射用光学窓71と出射用光学窓72とを加熱することで、入射用光学窓71と出射用光学窓72とに付着した水分子が蒸発乾燥していく。
On the other hand, when the dew point temperature Td is equal to or higher than T × 0.95, in the process of step S110, the
以上のように、ガス分析装置1によれば、非吸収波長のレーザ光の強度の変動量ΔI0(ν)を測定するとともに、分圧値Ppartialと飽和水蒸気圧とを比較することから結露が起こりうる状態かどうかも判定し、それらふたつの結果から、入射用光学窓71と出射用光学窓72とに結露が生じたか否かを正確に判別できる。
As described above, according to the
<他の実施形態>
上述したガス分析装置1において、サンプル流路70の側壁には、入射用光学窓71と出射用光学窓72とが形成されている構成としたが、サンプル流路270の側壁には、入出射用光学窓271が形成されるとともに、サンプル流路270内で入出射用光学窓271に対向する反射鏡272が形成されているような構成としてもよい。
図4は、本発明の他の実施形態であるガス分析装置201の一例を示す概略構成図である。サンプル流路270はZ方向に伸びており、サンプル流路270の側壁には、入出射用光学窓271が形成されるとともに、サンプル流路270内で入射用光学窓271にX方向に距離Lを空けて対向する反射鏡272が形成されている。そして、測定対象ガスはサンプル流路270内をZ方向に流れている。
<Other embodiments>
In the
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing an example of a
光源部10は、入出射用光学窓271からサンプル流路270内に略X方向でレーザ光を入射させるように配置されており、レーザ光が測定対象ガスに対して照射されるようになっている。
受光部20は、フォトダイオードであり、入出射用光学窓271からサンプル流路270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、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。
The
The
これにより、X方向に進行するレーザ光は、入出射用光学窓271を透過することにより、測定対象ガスに照射され、反射鏡272によって進行方向を変え、−X方向に進行して、入出射用光学窓271を透過することにより、フォトダイオードに入射するようになっている。
その結果、結露判定部61dは、比較結果及び変動量ΔI0(ν)に基づいて、入出射用光学窓271と反射鏡272とに結露が生じたか否かを判定する制御を行う。
As a result, the laser light traveling in the X direction passes through the incident / exit
As a result, the dew
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 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 水蒸気量演算部
61b 算出部
61c 比較部
61d 結露判定部
70 サンプル流路
71 入射用光学窓
72 出射用光学窓
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記測定対象ガス中を通過した測定光の強度を光学窓を介して受光する受光部と、
吸収波長の測定光の強度と非吸収波長の測定光の強度とに基づいて、前記測定対象ガス中の水蒸気量を算出する水蒸気量演算部とを備えるガス分析装置であって、
第一時間に記憶された非吸収波長の測定光の強度と、当該第一時間より後になる第二時間に取得された非吸収波長の測定光の強度とを比較することで、非吸収波長の測定光の強度の変動量を算出する算出部と、
前記測定対象ガス中の水蒸気量に基づいて、前記測定対象ガスにおける水蒸気の分圧値を算出して、当該分圧値と飽和水蒸気圧とを比較することにより、結露が生じる可能性を示す比較結果を作成する比較部と、
前記比較結果及び前記変動量に基づいて、前記光学窓に結露が生じたか否かを判定する結露判定部と、
前記光学窓を加熱するためのヒータ部と、
前記ヒータ部の温度を制御するヒータ温調制御部とを備え、
前記結露判定部は、前記光学窓に結露が生じたと判定したときには、前記ヒータ温調制御部に一時的に加熱制御命令を送信することを特徴とするガス分析装置。 A light source unit that irradiates the measurement target gas in the sample channel in which the optical window is formed, through the optical window with measurement light having 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 through an optical window;
A gas analyzer comprising a water vapor amount calculation unit that calculates the amount of water vapor in the measurement target gas based on the intensity of measurement light having an absorption wavelength and the intensity of measurement light having a non-absorption wavelength,
By comparing the intensity of the measurement light of the non-absorption wavelength stored in the first time with the intensity of the measurement light of the non-absorption wavelength acquired in the second time after the first time, A calculation unit for calculating the fluctuation amount of the intensity of the measurement light;
Comparison indicating the possibility of condensation by calculating the partial pressure value of water vapor in the measurement target gas based on the amount of water vapor in the measurement target gas and comparing the partial pressure value with the saturated water vapor pressure A comparison unit that creates the results;
Based on the comparison result and the fluctuation amount, a dew condensation determination unit that determines whether or not dew condensation has occurred in the optical window ;
A heater unit for heating the optical window;
A heater temperature control unit for controlling the temperature of the heater unit ,
The condensation determination unit, when it is determined that dew condensation occurs in the optical window, the gas analyzer apparatus characterized that you send a temporary heating control command to the heater temperature control unit.
前記光源部は、前記入射用光学窓からサンプル流路内に測定光を入射させるともに、前記受光部は、前記出射用光学窓からサンプル流路外に出射された測定光を受光することを特徴とする請求項1に記載のガス分析装置。 As the optical window formed in the sample flow path, an incident optical window and an emission optical window facing the incident optical window are formed,
The light source unit causes measurement light to enter the sample channel from the incident optical window, and the light receiving unit receives measurement light emitted from the output optical window to the outside of the sample channel. The gas analyzer according to claim 1.
前記光源部は、前記入出射用光学窓からサンプル流路内に測定光を入射させるともに、前記受光部は、前記反射鏡で反射された後、前記入出射用光学窓からサンプル流路外に出射された測定光を受光し、
前記結露判定部は、前記光学窓又は前記反射鏡に結露が生じたか否かを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。 As the optical window formed in the sample flow path, an input / output optical window is formed, and a reflecting mirror facing the input / output optical window is formed in the sample flow path,
The light source unit causes measurement light to enter the sample channel from the incident / exit optical window, and the light receiving unit is reflected by the reflecting mirror, and then is reflected from the incident / exit optical window to the outside of the sample channel. Receives the emitted measurement light,
The gas analyzer according to claim 1, wherein the dew condensation determination unit determines whether dew condensation has occurred in the optical window or the reflecting mirror.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012027500A JP5794167B2 (en) | 2012-02-10 | 2012-02-10 | Gas analyzer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012027500A JP5794167B2 (en) | 2012-02-10 | 2012-02-10 | Gas analyzer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013164336A JP2013164336A (en) | 2013-08-22 |
JP5794167B2 true JP5794167B2 (en) | 2015-10-14 |
Family
ID=49175763
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012027500A Expired - Fee Related JP5794167B2 (en) | 2012-02-10 | 2012-02-10 | Gas analyzer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5794167B2 (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6462710B2 (en) * | 2014-10-17 | 2019-01-30 | 株式会社堀場製作所 | Gas analyzer |
JP6477380B2 (en) * | 2015-09-16 | 2019-03-06 | 株式会社島津製作所 | Gas analyzer |
CN106769923B (en) * | 2016-11-28 | 2019-05-14 | 浙江大学 | A kind of vapor condensing characteristic measuring device based on laser absorption and scattering |
WO2018164229A1 (en) | 2017-03-09 | 2018-09-13 | 日本電気株式会社 | Gas detection system, gas detection method and program |
WO2019008925A1 (en) * | 2017-07-07 | 2019-01-10 | Phcホールディングス株式会社 | Gas sensor and constant-temperature device |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5837501B2 (en) * | 1976-11-15 | 1983-08-16 | 松下電工株式会社 | gas detector |
JPS63304137A (en) * | 1987-06-04 | 1988-12-12 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Sample cell for infrared spectrochemical analysis |
JP4791684B2 (en) * | 2003-03-26 | 2011-10-12 | 株式会社堀場製作所 | Fuel cell evaluation apparatus and fuel cell evaluation method |
JP2007248369A (en) * | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Horiba Ltd | Gas analyzer and analysis method |
JP5360682B2 (en) * | 2009-03-31 | 2013-12-04 | 三菱自動車工業株式会社 | Exhaust gas measuring device |
-
2012
- 2012-02-10 JP JP2012027500A patent/JP5794167B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013164336A (en) | 2013-08-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Krzempek et al. | CW DFB RT diode laser-based sensor for trace-gas detection of ethane using a novel compact multipass gas absorption cell | |
EP3485254B1 (en) | Photothermal interferometry apparatus and method | |
US7499169B2 (en) | Fuel cell and product of combustion humidity sensor | |
Ren et al. | Single-QCL-based absorption sensor for simultaneous trace-gas detection of CH 4 and N 2 O | |
JP5794167B2 (en) | Gas analyzer | |
Waclawek et al. | Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy-based sensor system for sulfur dioxide detection using a CW DFB-QCL | |
JP2013050403A (en) | Gas analyzer | |
JP5347983B2 (en) | Gas analyzer | |
CN104849236A (en) | Gas concentration measuring equipment | |
KR102056794B1 (en) | Alignment System for TDLAS of Simultaneous Measurement of Multicomponent Gas using Micro Optical Passage | |
JP2014182106A (en) | Thermometer | |
JP6044136B2 (en) | Gas analyzer | |
Hieta et al. | Spectroscopic measurement of air temperature | |
US9007592B2 (en) | Gas analyzer | |
Pan et al. | Diode laser-based standoff absorption measurement of water film thickness in retro-reflection | |
WO2016157573A1 (en) | Gas analysis system and boiler | |
JP2008134076A (en) | Gas analyzer | |
Song et al. | A four-channel-based mid-infrared methane sensor system using novel optical/electrical dual-domain self-adaptive denoising algorithm | |
JP2011169636A (en) | Gas concentration calculation device and gas concentration measurement module | |
TW200818587A (en) | Fuel cell and product of combustion humidity sensor | |
KR101614851B1 (en) | Accuracy measuring device of temperature distribution, and method using it | |
JP6201551B2 (en) | Gas analyzer | |
O’Hagan et al. | Multi-mode absorption spectroscopy using a quantum cascade laser for simultaneous detection of NO and H 2 O | |
Okajima et al. | Measurement of methane gas concentration using an infrared LED | |
JP2015040820A (en) | Gas analyzing apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140507 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20141210 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20141224 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150206 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20150714 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20150727 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5794167 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |