JP5971389B2 - レーザガス分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザガス分析装置に関し、詳しくは、低濃度ガスのノイズ除去が可能な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５（ａ）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、測定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、測定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５（ａ）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５（ａ）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、測定用レーザ光を測定ガス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、測定ガス温度、測定ガス圧力、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５（ａ）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。

測定ガス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に設けられている受光素子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、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測定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アンプ３２のゲイン調整を行う。

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

ところで、図５（ａ）に示すような構成のレーザガス分析装置では、前述のように、測定信号に含まれるノイズを除去してデータを平滑化するために、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、積算器３４とメモリ３５との間で数百〜数千回の積算とメモリ３５への格納が繰り返して行われるが、これら数百〜数千回のスキャンと積算と格納が行われる一連の解析処理期間中は、アンプ３２のゲインを調整してＡ／Ｄ変換器３３の入力レベルを一定に維持する必要がある。

しかしながら、データ平滑化を行った場合でも光学ノイズ等に代表されるノイズ成分が残留しており、低濃度ガス分析を必要とするアプリケーションに対してはそのノイズが大きな影響を及ぼしていたため、低濃度ガス測定には限界があるという問題があった。

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る低濃度ガス分析を必要とするアプケーションに対して、出力変動の比較的小さなＰ−Ｐ出力に対するノイズ成分の平滑化が可能なレーザガス分析装置を提供することを目的としている。
本発明は、レーザガス分析計の測定波長を安定化させることを目的とする。

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、
測定ガスにレーザ光をその発振波長をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、
前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子と、
この受光素子の出力信号が入力されるゲイン可変のアンプと、
このアンプの出力信号が入力されるＡ／Ｄ変換器と、
このＡ／Ｄ変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニット、とで構成されたレーザガス分析装置において、
前記半導体レーザの後段にＮ₂Ｏ基準セルを配置し、該Ｎ₂Ｏ基準セルを通ったレーザを前記受光素子で検出するように構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
測定ガスにレーザ光をその発振波長をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、
前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子と、
この受光素子の出力信号が入力されるアンプと、
このアンプの出力信号が入力されるＡ／Ｄ変換器と、
このＡ／Ｄ変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニット、とで構成されたレーザガス分析装置において、
前記半導体レーザの後段に基準セルを配置し、この基準セルを通ったレーザを前記受光素子で検出するように構成し、
前記基準セルは、前記測定ガスとは異なるガスであって、吸収スペクトルが前記測定ガスのスペクトルと重畳せず、かつ前記測定ガスの吸収ピーク近隣に存在するガスが封入されたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載のレーザガス分析装置において、
前記測定ガスがＣＯガスであり、前記基準セルに封入されたガスがＮ₂Ｏガスであることを特徴とする。

半導体レーザの後段にＮ₂Ｏ基準セルを配置したので、レーザガス分析計によるＣＯガス測定を必要とするアプケーションに対して、ＣＯ測定に影響を与えず、かつその測定波長を安定化させることができる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 本発明によるゲインアンプの動作と効果を示す図である。 レーザの後段にＮ₂Ｏ基準セルを配置した本発明の一実施例を示すブロック図である。 レーザの後段にＣＯ基準セルを配置した場合とＮ₂Ｏ基準セルを配置した場合の効果を示す説明図である。 従来例を示すブロック図である。

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５（ａ）の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５（ａ）の相違点は、ゲイン可変のアンプ３２のゲインを調整する手段として、ＣＰＵ３６に代えて、Ａ／Ｄ変換器３３の出力データのＰ−Ｐ値を検出するＰ−Ｐ検出器４１と、ゲイン設定部４４及びゲイン変換部４５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１１は、従来と同様に測定用レーザ光を測定ガス２０の雰囲気中に照射出力する。このとき、測定ガス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半導体レーザ１１の波長をスキャンさせる。

測定ガス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に設けられている受光素子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Ａ／Ｄ変換器３３の入力レベルと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の出力データは、半導体レーザ１１の波長のスキャンに同期して積算器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測定ガスの濃度解析などの演算処理を行う。

また、Ａ／Ｄ変換器３３の出力データは分岐されて、ゲイン調整ユニット４０を構成するＰ−Ｐ検出器４１に入力される。このＰ−Ｐ検出器４１は、半導体レーザ１１の１スキャンごとにＡ／Ｄ変換器３３の出力データのＰ−Ｐ値をリアルタイムで検出し、検出結果をゲイン設定部４４に入力する。具体的には、Ｐ−Ｐ検出器４１は、Ａ／Ｄ変換器３３のサンプリングタイミングでリアルタイムにデータの比較を行う。

次のスキャンではゲイン設定部４４はＰ−Ｐ検出器４１の出力信号を入力し例えば±１０％の間で、入力した値に対しプラス側又はマイナス側に出力が変動するようにゲイン変換部４５に指令を発する。ゲイン変換部では指令に従ってゲイン可変のアンプ３２に対して指令された値を乗じるように指令を発する。

図２（ａ）は始めにＡ／Ｄ変換された出力を示し、図２（ｂ）は次回からの受光素子の出力に対してゲインアンプ３２で±１０％の値を順次段階的に乗じたＡ／Ｄ変換からの出力を示している。

即ち、ゲイン可変アンプ３２は始めにスキャンしたＰ−Ｐ検出器４１の出力信号が例えば１００であったとすると、次の出力に対して１．０１を乗じた値をＡ／Ｄ変換器３３に出力する。そして次の出力に対してはゲイン変換器４５から可変アンプ３２に対して１．０２を乗じた値を出力するように指令し、１．０３〜１．１（＋１０％）になるまで順次可変アンプ３２の出力を０．１刻みで変化させる。

そして、１．１になったら乗じる値を順次１．０９〜１．０８〜１とし、さらにマイナス方向に０．９９〜０．９８〜０．９（−１０％）とし、ここから０．９１〜１．１になるまで乗じる値を０．１刻みで変化させる。このように測定成分の吸収ピークを除く一定範囲の１スキャン中のＰ−Ｐを検出し、ゲイン設定部ではゲインアンプ３２の変化量（ゲインに対して乗じる値）を極力小さく（例えば１０％）して数種類（例えば２０種類）のゲイン変更を可能とする。

上述の構成によれば、ゲイン設定部４４でＰ−Ｐ検出器４１の出力信号に対し±１０％の間で、入力した値に対しプラス側又はマイナス側に出力が変動するようにゲイン変換部４５に指令を発し、その指令に従ってゲイン可変アンプ３２に対して指令された値を乗じた値を出力する。

その結果、多少の光学ノイズ等が存在した場合において、１スキャンごとにＰ−Ｐ検出器でそのノイズのＰ−Ｐを検出し、ゲイン設定部４３、ゲイン変換部４４で所定の範囲にゲインを変更することにより、今まで除去できなかったノイズ成分の平滑化が可能となる。つまり、この平滑化によりノイズ成分を除去することが可能となる。

図２（ｃ）は従来手法によるスペクトル（イ）と本発明によるスペクトル（ロ）を示すものである。ノイズが軽減されていることが確認できる。
なお、Ｐ−Ｐ検出器であらかじめノイズのＰ−Ｐの閾値を設定しておき、その閾値を超えた場合は、ダイナミックオートゲイン調整を実行するシステムにすることにより、ノイズ低減による低濃度測定を実現し、プロセス環境の変化にも対応したシステムを構築することも考えられるが、本発明はノイズが極めて少ないプロセスに適用するものであり、Ｐ−Ｐの閾値を設定するまでには至らないプロセスに用いて好適である。

ところで、このようなレーザガス分析装置において、特にＣＯのスペクトルを測定する場合は半導体レーザ１１の後段に基準セルとしてＣＯセルを用いている。
図５（ｂ）は半導体レーザ１１の後段に基準セルとしてＣＯセル１２を配置した状態を示すブロック図である。この基準セル１２には、測定波長を安定させるため、参照用ガス（ＣＯガス）を封入し、測定対象のガス濃度が低下した場合も測定波長が変動することなく測定できる構成となっている。

しかしながら、基準セル１２内にＣＯガスを封入した場合、以下の問題が生じる。
ａ）プロセスからの輻射熱などの影響で、基準セル内のＣＯガスの吸収スペクトル形状が変化するため、基準セル内の温度変動が測定値に影響を与える。特に、プロセス濃度が低い場合はその影響が大きい。
ｂ）基準セル内の温度変動を補正するには常時温度を測定するなどの対応が必要となり、かつ温度勾配を考慮するとその補正は複雑かつ困難である。
ｃ）基準ガスセルが破損した場合、分析計内部にＣＯガスが漏洩するので危険である。

図３は本発明の一実施例を示すもので、レーザガス分析計によるＣＯガス測定を必要とするアプケーションに対して、ＣＯ測定に影響を与えず、かつその測定波長を安定化させるための構成を示すものである。
図３において、半導体レーザ１１の後段に基準セルとしてＮ₂Ｏ基準セル１３を配置した以外は図５（ｂ）に示す従来のレーザガス分析計と同様である。

即ち、半導体レーザ１１から出力されたレーザ光は、基準セル（Ｎ₂Ｏ）１３を透過後、プロセスガスを通過し、受光素子３１で受光し、電気信号へ変換される。その後ゲインアンプ３２を介してＡ／Ｄコンバータ３３でデジタル化された測定信号をノイズ除去のために積算器３４で既定数積算し、メモリ３５へ格納を繰り返し、ＣＰＵ３６へ送信し、濃度解析等を行う。

図３に示すように従来技術と異なる点は、基準セル１３に封入するガスとしてＮ₂Ｏガスを使用する点である。Ｎ₂Ｏガスの吸収スペクトルを参照用として、測定波長を安定させる。このことにより、測定対象ガス濃度が低下した場合も測定波長が変動することなく測定可能となる。

このように、測定ガスとは異なるガスを参照用として使用するため、以下の項目に対して効果が得られる。
ａ）プロセスの急激な環境の変化（輻射熱など）が発生しても測定対象のＣＯガス濃度には影響を与えない。
ｂ）プロセスガス濃度が低い場合も安定して測定が可能となる。
ｃ）基準セル内の温度変動などを補正する必要がない。
ｄ）万が一、基準セルが破損した場合でも即死するような危険なガスではない。

図４（ａ）は図５（ｂ）に示すＣＯ基準セル１２を用いた場合の測定スペクトル（ａ）と図３に示すＮ₂Ｏ基準セル１３を用いた場合の測定スペクトル（ｂ）を示すもので、ＣＯ基準セル１２を用いた場合は基準ガスセルのスぺクトルと測定ガスのスぺクトルが重畳した合成されたスペクトルとして出力される。

これに対し、Ｎ₂Ｏ基準セル１３を用いた場合は基準ガスセルのスぺクトルと測定ガスのスぺクトルが重畳せず、かつ測定成分の吸収ピーク近隣に存在するガスを用いて波長安定化を実現することができる。

また、Ｎ₂Ｏガスの吸収スペクトルを参照用として、測定波長を安定させることができるので、測定対象ガス濃度が低下した場合も測定波長が変動することなく測定可能となり、レーザガス分析計によるＣＯガス測定を必要とするアプケーションに対して、ＣＯ測定に影響を与えず、かつその測定波長を安定化させることができる。

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。本実施例においてはＰ−Ｐに対して±１０％の範囲でゲインを変化させたがこれに限るものではなくゲイン可変アンプの変化量を極力小さくして数種類のゲイン変更が可能であればよい。
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
１２ ＣＯ基準セル
１３ Ｎ₂Ｏ基準セル
２０ 測定ガス
３０ 検出ユニット
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
４１ Ｐ−Ｐ検出器
４４ ゲイン設定部
４５ ゲイン変換部

Claims (3)

1. 測定ガスにレーザ光をその発振波長をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、
   前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子と、
   この受光素子の出力信号が入力されるゲイン可変のアンプと、
   このアンプの出力信号が入力されるＡ／Ｄ変換器と、
   このＡ／Ｄ変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニット、とで構成されたレーザガス分析装置において、
   前記半導体レーザの後段にＮ₂Ｏ基準セルを配置し、該Ｎ₂Ｏ基準セルを通ったレーザを前記受光素子で検出するように構成したことを特徴とするレーザガス分析装置。
2. 測定ガスにレーザ光をその発振波長をスキャンしながら照射する半導体レーザを含む光源ユニットと、
   前記測定ガスを透過したレーザ光を検出する受光素子と、
   この受光素子の出力信号が入力されるアンプと、
   このアンプの出力信号が入力されるＡ／Ｄ変換器と、
   このＡ／Ｄ変換器の出力データに基づき前記測定ガスの濃度を演算する演算処理部を含む検出ユニット、とで構成されたレーザガス分析装置において、
   前記半導体レーザの後段に基準セルを配置し、この基準セルを通ったレーザを前記受光素子で検出するように構成し、
   前記基準セルは、前記測定ガスとは異なるガスであって、吸収スペクトルが前記測定ガスのスペクトルと重畳せず、かつ前記測定ガスの吸収ピーク近隣に存在するガスが封入されたことを特徴とするレーザガス分析装置。
3. 前記測定ガスがＣＯガスであり、前記基準セルに封入されたガスがＮ₂Ｏガスであることを特徴とする請求項２に記載のレーザガス分析装置。