JPS62175648A - 気体の温度濃度測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、発振波長可変の赤外半導体レーザを光源にし
た赤外分光法を用いた気体の温度濃度同時測定方法に関
するものである。

（従来の技術） 金属や半導体の精練反応或いは燃焼装置内の燃焼反応等
における各種気体の温度や濃度を測定することは、反応
過程の解明或いは最適反応させるための制御にとって非
常に重要である。

従来、これらの反応中の気体の温度濃度を測定するため
の第１の方法は、被測定気体を吸引可能、収集可能な装
置（以下「サンプリング装置」と云う）で吸引、収集し
、このうちの前記サンプリング装置で吸引された被測定
気体は熱電対により温度が測定され、また、収集された
被測定気体はガスクロマトグラフ等の定量分析装置によ
り被測定気体に含まれる成分の同定と濃度測定が行なわ
れるというものである。

また、第２の方法としては前記サンプリング装置を使用
しない方法もある。すなわち、被測定気体の温度測定の
場合、一般に精練、燃焼反応は高温であり熱放射光を伴
なうため、被測定気体の熱放射光から温度を知る放射測
温と呼ばれている方法である。また、被測定気体の濃度
測定の場合、被測定気体が特定波長の赤外光を吸収し、
しかも吸収率が被測定気体の濃度とある一定の関係があ
ることを利用して、赤外分光法による濃度を測定する方
法である。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前記した従来の方法では以下に述べるよ
うな問題がある。

先ず第１の方法は、反応中の被測定気体の温度について
は吸引時に同時に測定可能であるが、濃度については被
測定気体を収集した後、ガスクロマトグラフ等の定量分
析装置で測定するまでに温度、圧力等の条件が変化する
ことは避けられず、例えば高炉中の一酸化珪素（Ｓｉｎ
）、シリコン精製炉中のモノシラン（Ｓ　ｉ　Ｈ）など
、ある温度、圧力等の条件以外では、発生しないかある
いは発生しても濃度が異なるような被測定気体の場合に
は正確な濃度測定は困難である。

次に第２の方法は、反応中の被測定気体の温度濃度の同
時測定は原理的には可能であるが、放射測温の場合、被
測定気体の放射率は非常に小さく正確に知ることは極め
て困難であるため、正確な温度測定は困難である。また
赤外分光法による濃度測定の場合、一般に赤外分光測定
器の光源は黒体炉等の熱源をフィルタを使用して所望の
波長の赤外光を抽出しているため、赤外光のパワーが小
さく、精練反応、燃焼反応のように高温で熱放射を伴な
う反応中の被測定気体では測定のＳ／Ｎ比が低くなり、
正確な濃度測定は困難である。

本発明は上記したような従来方法にあった問題を解決し
、被測定気体の温度濃度を吸引、収集することなく同時
に測定できる方法を提供せんとするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、駆動電流を掃引することで発振波長の掃引が
可能な赤外半導体レーザを用いた分光測定法により気体
の温度濃度を測定する方法であって、被測定気体の分子
を形成する原子間結合によって定まる特徴的な吸収線を
含む特定範囲の赤外レーザ光を前記被測定気体に入射せ
しめ、該赤外レーザ光の透過率を測定して実測吸収線の
透過率曲線を求め、前記被測定気体の温度、濃度と吸収
線の透過率曲線との関係を用いてこの透過率曲線が前記
実測吸収線の透過率曲線に合致する様に温度、濃度を最
適化することで前記被測定気体の温度、濃度を同時に測
定することを要旨とする気体の温度濃度測定方法である
。

（作　　　用） 本発明は、被測定気体中に、半導体レーザから発生させ
た特定範囲の波長の赤外光を入射させ、その透過率から
前記被測定気体の温度濃度を同時に測定する方法である
ため、温度、圧力等が限定させた条件でしか発生しない
か或いは発生しても濃度が異なるような被測定気体の場
合でも正確な測定が可能になる。

また、本発明は光源に大きなパワーのある半導体レーザ
を用いるために、強い熱放射光を伴なう高温の被測定気
体についても正確な測定が可能になる。

（実　施　例） 以下本発明を添付図面に示す実施例に基づいて説明する
。

第１図は本発明方法を実施するための気体の温度濃度同
時測定装置の一実施例の構成を示すブロック図である。

すなわち、半導体レーザｌは例えば特開昭５８−１２４
９３２号公報に開示されているところの駆動電流を掃引
することで発振波長の掃引可能な赤外発光素子である。

また、温度制御器３は、前記半導体レーザ１を目的の波
長で発振させるために素子の温度を安定させるものであ
る。電流制御器２は、半導体レーザ１を発振させるため
第２図（イ）に示す如く電流を連続的に掃引する。この
電流制御器２はデータ処理部１１によって制御される。

電流制御器２によって掃引された駆動電流は半導体レー
ザ１を発振させ、第２図（ロ）に示す如く発振波長が連
続的に掃引される。半導体レーザｌからのレーザ光は送
光用光学系４を経て被測定気体６に入射され、被測定気
体６を透過したレーザ光は受光用光学系７を経て分光器
８に入射される。分光器８は、第２図（ロ）に示した波
長λ１からλ２までのレーザ光のみを選択的に透過させ
る。この時、従来の赤外分光測定器では光源として黒体
炉等の熱源にフィルタを使用していたが、本発明では光
源として半導体レーザを用いているため非常に狭い波長
範囲で大きなパワーの赤外光を発生することができ、波
長λ、からλ２までに含まれるレーザ光以外の熱放射光
に対しＳ／Ｎ比の良い測定が可能である。

分光器８を通ったレーザ光は光電変換器９に入射され電
気信号に変換される。そして、光電変換器９の出力信号
は増幅器１０で増幅された後データ処理部１１に入力さ
れる。以上の光路を測定用光路、測定用光路を経たレー
ザ光を測定光、出力された信号を測定信号と呼ぶ。

一方、送光用光学系４からのレーザ光の一部はハーフミ
ラ−５で反射されて参照用光学系１２を経て分光器８に
入射され、測定光と同様に波長λ、からλ２までのレー
ザー光のみを選択透過させ、光電変換器１４に入射され
て電気信号に変換される。光電変換器１４の出力信号は
増幅器１５で増幅された後データ処理部１１に入力され
る。

以上の光路を参照用光路、参照用光路を経たレーザ光参
照光、出力された信号を参照信号と呼ぶ。

以下、図面に従って本発明に係る気体の温度濃度同時測
定方法を述べる。先ず半導体レーザ１を目的の波長λ、
からλ２まで発振させるように温度制御器３および電流
制御器２で制御する＝このとき目的の波長で半導体レー
ザ１が発振していることを確認するためには、被測定気
体６の代わりに、被測定気体６とほぼ同じ波長領域で吸
収し、その吸収波長が既知の気体（以下「リファレンス
ガス」と云う）を測定用光路に挿入することで可能であ
る。

次にハーフミラ−５で分けられた測定光、参照光はデー
タ処理部１１にそれぞれ測定信号、参照信号として入力
される。データ処理部１１では、これら測定信号と参照
信号とから測定光の透過率が演算される。またデータ処
理部１１は電流制御器２から掃引電流値を入力される。

そして、第２図（イ）（ロ）に示す半導体レーザ１の掃
引電流と発振波長との関係から、掃引電流値からデータ
処理部１１では半導体レーザ１の発振波長が演算される
。演算された透過率と発振波長との関係を第３図に示す
。

第３図に示す如く、被測定気体を透過した測定光は特定
の波長λ。の近傍で吸収され、透過率は小さくなる。こ
の曲線を透過率曲線と呼ぶ。この時の透過率曲線Ｔは、 Ｔ＝ｅｘｐ　（−αＬ）・・・■ ただし、αＬは吸収強度。

で与えられる。吸収強度αＬは、例えば金属、半導体精
練炉内や燃焼装置内の如く圧力の比較的高い系内ではロ
ーレンツ曲線で近似され、・・・■ ただし、ρ、Ｔ、Ｐ、Ｓ、△ｉｚ％はそれぞれ被測定気
体の濃度、温度、圧力、線強度、半値幅であり、Ｌは被
測定気体中の測定用光路の光路長、Ｎｏ　、Ｔｏ　、Ｐ
　ｏ　、はそれぞれ標準状態における単位体積中の分子
数、温度、圧力であり、Ｔは波数、Ｔｏは吸収の中心波
数である。

また波数とは波長の逆数である。

で与えられる。前記第０式における線強度Ｓはあらかじ
め既知の温度、濃度、圧力で被測定気体を測定し求める
。半値幅Ｔ〃は、 ・・・■ ただし、γは既知の圧力係数、Ｍは被測定気体の分子数
である。

で与えられる。前記０００式より、被測定気体の圧力Ｐ
を測定すれば、温度と濃度以外はすべて既知の値で透過
率曲線は表ねさる。

しかして、データ処理部１１で温度と濃度とをパラメー
タとした最小自乗近似を行ない、実測した透過率曲線と
、最小自乗近似で求めた透過率曲線との誤差が最小にな
る温度と濃度を求めるのである。以上が赤外分光法を用
いた本発明に係る気体の温度、濃度同時測定方法である
。

第４図は、高炉内における一酸化珪素（以下［５ｉＯＪ
と云う）の温度、濃度を測定する装置にこの発明を適用
したものである。鉄鋼の製造工程では、高炉から出銑さ
れる溶銑中に含まれる珪素（以下ｒＳ　ｉＪと云う）が
次の製鋼工程での端線条件に大きな影響を与えるととも
に、製銑−製鋼工程の製造コストにも影響を与える。こ
の溶銑中のＳｔは、スラグに含まれる二酸化珪素（以下
「５ｉＯｚＪと云う）が高炉内でＳｉＯと言う中間生成
物を介して溶銑中に移行すると考えられており、溶銑へ
のＳｉの移行を解明し、溶銑中のＳｉ成分の制御をする
ためには、高炉内でＳｉＯの温度、濃度を測定すること
が非常に重要である。

第４図に従って、本発明方法によるＳｉＯの温度濃度測
定方法について述べる。同図において第１図と同一部分
はあるいは相当部分は同一番号で示し、説明を省略する
。２０は高炉の送風羽口、２１は羽口レンガ、２２は羽
口から送風されることによって形成されるレースウェイ
、２３は挿入ランス、３１は送風支官である。なお、図
中送風装置、挿入ランス２３の冷却機構は省略している
。

半導体レーザ１からのレーザー光は、ＳｉＯの温度、濃
度測定のため波長８μｍ付近で発振させるように温度制
御器３、電流制御器２を制御させる。

測定光は、挿入ランス２３を経てレースウェイ２２内の
ＳｉＯにより吸収され、受光用光学系７を経て分光器８
に入射する。分光器８では、波長８μｍ±０．００５μ
ｍの光のみを選択透過させ、高温のレースウェイから熱
放射光を除去する。そして、分光器８を透過した光は、
光電変換器９で電気信号に変換され、増幅器１０で増幅
された後データ処理部１１に入力される。参照信号につ
いても、第１図と同様にしてデータ処理部１１に入力さ
れる。データ処理部では、ＳｉＯの透過率曲線を演算し
、前記最小自乗近似により、ＳｉＯの温度、濃度が求め
られる。なお、第５図は、挿入ランス２３の構成を示し
たものである。すなわち、焦点距離の等しい放物面鏡２
４．２５．２６を距離ｆｆ１ｔだけ離して配置し、それ
ぞれを冷却水２７で冷却する。送光用光学系４から入射
した測定光は、放物面鏡２４．２５．２６で多重反射し
、受光用光学系７に入射する。第５図で、２Ｉで示した
部分はレースウェイ２２の外部にある部分の長さであり
、ｌｚで示した部分はレースウェイ２２の内部にある部
分の長さである。ここで、多重反射の回数をＮ回とする
と、レースウェイ２２内部の光路長に対するレースウェ
イ外部の光路長の比Ｒは、 で与えられる。しかして、高炉に適用する挿入ランス２
３のａ、　、ｌ、をそれぞれ１２００鶴、１０００　＊
ｖｒとし、多重反射回数を１００回とすると光炉長比Ｒ
は、 で与えられる。また、パージ配管２８により、レースウ
ェイ２２の外部にある部分は赤外吸収に影響を及ぼさな
いＮ　ｚ　、Ａ　ｒ等の不活性気体を用い、ＳｉＯをパ
ージする。従ってレースウェイ２２の内部にあるＳｉＯ
の温度濃度を測定するために、レースウェイ２２の外部
の光路の影響をほとんど受けない。なお、２９．３０は
赤外光を透過する材質で作られた窓である。

（発明の効果） 以上説明した如く、本発明の半導体レーザを光源にした
赤外分光法による気体の温度濃度同時測定方法によれば
、金属、半導体の精練反応或いは燃焼装置内の燃焼反応
等における気体の温度、濃度を吸引、収集することなく
反応中の状態のまま同時に測定することが可能になる。

また、本発明方法は従来の赤外分光測定器と異なって半
導体レーザが光源であるため非常に狭い波長範囲で大き
なパワーの赤外光を発生することが可能となり、強い熱
放射光を伴なう被測定気体についてもＳ／Ｎ比が良く正
確な測定が可能である等、益するところ大なる発明であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための測定装置の一実施
例の構成を示すブロック図、第２図（イ）は半導体レー
ザを発振させるために掃引する電流値の次回との関係図
、（ロ）は（イ）の電流を掃引した時の半導体レーザの
発振波長と時間との関係図、第３図は透過率と発振波長
との関係図、第４図は高炉内におけるＳｉＯの温度、濃
度を測定する装置に本発明を適用したときの説明図、第
５図は挿入ランスの構造を示した図面である。 １は半導体レーザ、２は電流制御器、３は温度制御器、
４は送光用光学系、６は被測定気体、７は受光用光学系
、８．１３は分光器、９．１４は光電変換器、１１はデ
ータ処理部。 特許出願人　　住友金属工業株式会社 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）駆動電流を掃引することで発振波長の掃引が可能
   な赤外半導体レーザを用いた分光測定法により気体の温
   度濃度を測定する方法であって、被測定気体の分子を形
   成する原子間結合によって定まる特徴的な吸収線を含む
   特定範囲の赤外レーザ光を前記被測定気体に入射せしめ
   、該赤外レーザ光の透過率を測定して実測吸収線の透過
   率曲線を求め、前記被測定気体の温度、濃度と吸収線の
   透過率曲線との関係を用いてこの透過率曲線が前記実測
   吸収線の透過率曲線に合致する様に温度、濃度を最適化
   することで前記被測定気体の温度、濃度を同時に測定す
   ることを特徴とする気体の温度濃度測定方法。