KR20210129150A - 농도 측정 장치 - Google Patents
농도 측정 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20210129150A KR20210129150A KR1020217030125A KR20217030125A KR20210129150A KR 20210129150 A KR20210129150 A KR 20210129150A KR 1020217030125 A KR1020217030125 A KR 1020217030125A KR 20217030125 A KR20217030125 A KR 20217030125A KR 20210129150 A KR20210129150 A KR 20210129150A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- optical fiber
- light
- photodetector
- optical
- light source
- Prior art date
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 93
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 88
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 90
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 13
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 claims description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 53
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000036544 posture Effects 0.000 description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004308 accommodation Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000001739 density measurement Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000012788 optical film Substances 0.000 description 1
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
- G01N21/03—Cuvette constructions
- G01N21/05—Flow-through cuvettes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/33—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using ultraviolet light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/59—Transmissivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
- G01N21/03—Cuvette constructions
- G01N21/031—Multipass arrangements
- G01N2021/0314—Double pass, autocollimated path
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
- G01N2021/8578—Gaseous flow
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
- G01N21/274—Calibration, base line adjustment, drift correction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/08—Optical fibres; light guides
- G01N2201/086—Modular construction, e.g. disconnectable fibre parts
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
- G01N2201/121—Correction signals
- G01N2201/1211—Correction signals for temperature
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
- G01N2201/121—Correction signals
- G01N2201/1218—Correction signals for pressure variations
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
농도 측정 장치(100)는 광원(22) 및 광검출기(24)를 갖는 전기 유닛(20)과, 측정 셀(1)을 갖는 유체 유닛(10)과, 전기 유닛(20)과 유체 유닛(10)을 접속하는 광파이버(11, 12)를 구비하고, 광원(22)으로부터 측정 셀로 입사하고 측정 셀로부터 출사한 광을 광검출기(24)로 검출함으로써 측정 셀 내의 유체의 농도를 측정하도록 구성되어 있고, 전기 유닛(20)에 있어서 광파이버(11, 12)가 접속되는 광접속부(32, 34)와, 광원(22) 또는 광검출기(24)가 일체적으로 설치되어 있다.
Description
본 발명은 농도 측정 장치에 관한 것이며, 특히 측정 셀 내의 유체를 투과한 광의 강도에 의거해서 유체의 농도를 측정하는 농도 측정 장치에 관한 것이다.
종래, 유기 금속(MO) 등의 액체 재료나 고체 재료로 형성된 원료 가스를 반도체 제조 장치로 공급하는 가스 공급 라인에 장착하여, 가스 공급 라인을 흐르는 가스의 농도를 측정하도록 구성된 농도 측정 장치(소위, 인라인식 농도 측정 장치)가 알려져 있다.
이 종류의 농도 측정 장치에서는 측정 가스가 흐르는 측정 셀에, 광입사창을 통해서 광원으로부터 소정 파장의 광을 입사시키고, 측정 셀 내를 통과한 투과광을 수광 소자에서 수광함으로써 흡광도를 측정하고 있다. 또한, 측정한 흡광도로부터, 램버트·비어의 법칙을 따라서 측정 가스의 농도를 구할 수 있다(예를 들면, 특허문헌 1∼3).
또한, 본 명세서에 있어서, 유체의 농도를 검출하기 위해서 사용되는 각종 투과광 검출 구조를 널리 측정 셀이라고 부르고 있다. 측정 셀에는 유체 공급 라인으로부터 분기되어서 별개로 배치된 측정 셀뿐만아니라, 특허문헌 1∼3에 나타내는 바와 같은 유체 공급 라인의 도중에 설치된 인라인식의 투과광 검출 구조도 포함된다.
인라인식의 농도 측정 장치는 유체 공급 라인에 장착되는 측정 셀과, 측정 셀과 떨어진 장소에 배치되는 전기 유닛으로 구성되어 있다. 측정 셀이 고온(예를 들면, 150℃)까지 가열되는 경우, 고온 내성이 낮은 광학 소자나 회로 소자는 측정 셀로부터 떨어진 전기 유닛에 설치되는 것이 바람직하다.
특허문헌 3에 기재된 반사형의 농도 측정 장치에서는 측정 셀로부터 떨어진 전기 유닛에 측정 셀로의 입사광을 발생시키는 광원과, 측정 셀을 투과한 광을 수광하는 광검출기가 설치되어 있다. 이 장치에 있어서, 광원과 측정 셀 사이 및 광검출기와 측정 셀 사이는 광파이버를 이용하여 광학적으로 접속되어 있다.
또한, 본원 출원인에 의한 비교예의 농도 측정 장치에서는 측정 셀로부터 연장되는 광파이버 케이블의 단부에 FC 커넥터 등의 광커넥터가 설치되어 있고, 이 광커넥터는 전기 유닛의 하우징에 부착된 어댑터의 측방(하우징 외측)에 접속되어 있었다. 또한, 협체 내의 광원이나 광검출기로부터 연장되는 광파이버 케이블에도 FC 커넥터 등의 광커넥터가 설치되어 있고, 이 광커넥터는 어댑터의 타방측(하우징내측)에 접속되어 있었다. FC 커넥터용의 어댑터에서는 광파이버 및 이 단부를 덮는 페롤의 끝면끼리가 관통 구멍 내에 배합된 스플릿 슬리브 내에서 맞대어서 위치 정밀도 좋게 광접속된다. 페롤 및 스플릿 슬리브는 전형적으로는 산화지르코늄(ZrO2)제이다.
도 7(a)∼(c)는 비교예에 의한 FC 커넥터를 사용한 측정 셀과 광검출기의 접속 형태를 나타낸다. 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 광검출기(90)로부터 연장되는 광파이버 케이블(91)은 전기 유닛의 하우징(92)에 부착된 어댑터(93)에 FC 커넥터(94)에 의해 고정되어 있다. 이 때, 어댑터(93)의 관통 구멍의 내부(보다 상세하게는, 도시하지 않은 스플릿 슬리브의 내측)에서는 광파이버(97a) 및 페롤(97b)의 끝면이 노출되어 있다.
또한, 측정 셀(도시하지 않음)로부터 연장되는 광파이버 케이블(95)의 단부에도 FC 커넥터(96)가 부착되어 있고, 이 FC 커넥터(96)는 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 어댑터(93)의 반대측, 즉 전기 유닛의 하우징(92)의 외측에서 어댑터(93)에 부착된다. 이 때, 어댑터(93)의 관통 구멍의 내부에는 광파이버(98a) 및 페롤(98b)이 삽입된다. 그리고, 이들 끝면은 광검출기(90)에 접속된 광파이버 케이블(91)의 광파이버(97a) 및 페롤(97b)의 끝면과 맞대어진다.
또한, 도 7(c)에 나타내는 바와 같이 FC 커넥터(96)의 커플링 너트를 조임으로써, 어댑터(93) 내에서 광파이버(97a, 98a)의 끝면끼리가 압박 접속됨과 아울러, 광파이버 케이블(95)은 어댑터(93)에 견고하게 고정된다.
그러나, 상기와 같은 광커넥터용의 어댑터를 이용하여 광파이버의 끝면끼리에서의 접속을 행하면, 끝면에 있어서의 접속 손실이나 반사 감쇠의 발생이 회피되지 않는다고 하는 문제가 있다. 광파이버와 페롤의 끝면을 구면 형상으로 연마하고, 끝면끼리를 압접하는 PC(Physical Contact) 접속 등에 의해 반사 감쇠량을 저감하는 기술도 개발되어 있지만, 농도 측정 장치에 있어서는 광파이버끼리의 접속에 의해 생기는 광신호의 로스가 측정 정밀도에 무시할 수 없는 영향을 줄 수 있다.
또한, 농도 측정 장치는 신뢰성 시험의 실시 등을 위해 전기 유닛을 분리하여 이동시키는 경우가 있고, FC 커넥터의 삽입제거도 행해지는 상황에 있다. 그리고, FC 커넥터의 삽입제거를 행하는 경우, 광파이버의 끝면 사이에 먼지 등이 침입하는 경우가 있어, 다시 어댑터를 이용하여 광접속을 행했을 때에 광파이버의 끝면에서의 반사 성분이 많아지는 경우가 있다. 또한, 광파이버의 끝면끼리의 압접을 반복함으로써 반사 성분은 증가할 수 있다. 따라서, 어댑터를 이용한 광파이버끼리의 접속에서는 농도 측정 장치의 측정 오차가 증가할 수 있다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 편리성을 확보하면서, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 농도 측정 장치를 제공하는 것을 그 주된 목적으로 한다.
본 발명의 실시형태에 의한 농도 측정 장치는 광원 및 광검출기를 갖는 전기 유닛과, 측정 셀을 갖는 유체 유닛과, 상기 전기 유닛과 상기 유체 유닛을 접속하는 광파이버를 구비하고, 상기 광원으로부터 상기 측정 셀로 입사하고 상기 측정 셀로부터 출사한 광을 상기 광검출기로 검출함으로써 상기 측정 셀 내의 유체의 농도를 측정하도록 구성되어 있고, 상기 전기 유닛에 있어서 상기 광파이버가 접속되는 광접속부와, 상기 광원 또는 상기 광검출기가 일체적으로 설치되어 있다. 이 구성에 있어서, 광접속부와 광원 또는 광검출기 사이에는 광파이버를 설치할 필요가 없고, 측정 셀로부터 연장되는 광파이버와 광접속부와, 광원 또는 광검출기로부터 연장되는 광파이버의 끝면끼리의 접속을 회피할 수 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 전기 유닛은 상기 광원 및 상기 광검출기를 수용하는 하우징을 갖고, 상기 광접속부는 상기 하우징의 외측면에 배치되고, 상기 광원 또는 상기 광검출기는 상기 하우징의 내측면에 상기 광접속부와 인접해서 배치되어 있다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 광원과 상기 측정 셀을 접속하는 제 1 광파이버와, 상기 광검출기와 상기 측정 셀을 접속하는 제 2 광파이버를 포함하고, 상기 전기 유닛에 있어서, 상기 광원과 일체적으로 형성된 제 1 광접속부에 상기 제 1 광파이버가 접속되고, 상기 광검출기와 일체적으로 형성된 제 2 광접속부에 상기 제 2 광파이버가 접속된다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 제 1 광파이버 및 상기 제 2 광파이버는 모두 FC 커넥터가 설치된 광파이버이고, 상기 제 1 광접속부의 외주 나사에 상기 제 1 광파이버의 FC 커넥터가 착탈가능하게 나사 조임 고정되고, 상기 제 2 광접속부의 외주 나사에 상기 제 2 광파이버의 FC 커넥터가 착탈가능하게 나사 조임 고정된다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 광원은 복수의 발광 다이오드와, 상기 복수의 발광 다이오드로부터의 광이 조사되는 하프 미러와, 상기 하프 미러로부터의 광을 받는 제 1 집광 수단을 갖고, 상기 제 1 광접속부에 접속된 상기 제 1 광파이버의 끝면은 상기 제 1 집광 수단에 대면하고, 상기 광검출기는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드의 앞에 배치된 제 2 집광 수단을 갖고, 상기 제 2 광접속부에 접속된 상기 제 2 광파이버의 끝면은 상기 제 2 집광 수단에 대면한다.
소정 실시형태에 있어서, 상기 유체는 가스이며, 상기 측정 셀을 흐르는 가스의 압력을 측정하는 압력 센서와, 상기 측정 셀을 흐르는 가스의 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 광검출기, 상기 압력 센서 및 상기 온도 센서에 접속된 처리부를 더 갖고, 상기 처리부는 측정 가스에 관련지어진 흡광계수 αa를 이용하여, 하기 식에 의거해서 혼합 가스 중의 측정 가스의 체적 농도 Cv를 구하도록 구성되어 있고, 하기 식에 있어서 I0은 상기 측정 셀로 입사하는 입사광의 강도, I는 상기 측정 셀을 통과한 광의 강도, R은 기체 정수, T는 상기 측정 셀 내의 가스 온도, L은 상기 측정 셀의 광로 길이, Pt는 상기 측정 셀 내의 가스 압력이다.
Cv=(RT/αaLPt)·ln(I0/I)
본 발명의 실시형태에 의하면, 측정 오차의 원인이 되는 광파이버의 끝면끼리가 접촉하는 접속을 없게 하고, 향상된 정밀도로 농도 측정을 행할 수 있는 광학식의 농도 측정 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 농도 측정 장치의 전체 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 의한 농도 측정 장치가 구비하는 전기 유닛의 내부를 나타내는 평면도이다.
도 3의 (a)는 도 2의 좌측 방향으로부터 보았을 때의 측면도, (b)는 도 2의 우측 방향으로부터 보았을 때의 측면도, (c)는 도 2의 하방으로부터 보았을 때의 측면도이다.
도 4의 (a)는 전기 유닛이 구비하는 광접속부가 있는 광원을 나타내는 종단면도이며, (b)는 전기 유닛이 구비하는 광접속부가 있는 광검출기를 나타내는 종단면도이다.
도 5는 전기 유닛이 구비하는 하우징을 나타내는 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 의한 전기 유닛이 구비하는 광검출기에 측정 셀로부터의 광파이버를 접속하는 모양을 나타내는 도면이고, (a)는 접속 전의 상태, (b)는 접속 후의 상태를 나타낸다.
도 7은 비교예의 전기 유닛이 구비하는 광검출기에 측정 셀로부터의 광파이버를 접속하는 모양을 나타내는 도면이고, (a) 접속 전의 상태, (b)는 접속 직전의 상태, (c)는 접속 후의 상태를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 의한 농도 측정 장치가 구비하는 전기 유닛의 내부를 나타내는 평면도이다.
도 3의 (a)는 도 2의 좌측 방향으로부터 보았을 때의 측면도, (b)는 도 2의 우측 방향으로부터 보았을 때의 측면도, (c)는 도 2의 하방으로부터 보았을 때의 측면도이다.
도 4의 (a)는 전기 유닛이 구비하는 광접속부가 있는 광원을 나타내는 종단면도이며, (b)는 전기 유닛이 구비하는 광접속부가 있는 광검출기를 나타내는 종단면도이다.
도 5는 전기 유닛이 구비하는 하우징을 나타내는 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 의한 전기 유닛이 구비하는 광검출기에 측정 셀로부터의 광파이버를 접속하는 모양을 나타내는 도면이고, (a)는 접속 전의 상태, (b)는 접속 후의 상태를 나타낸다.
도 7은 비교예의 전기 유닛이 구비하는 광검출기에 측정 셀로부터의 광파이버를 접속하는 모양을 나타내는 도면이고, (a) 접속 전의 상태, (b)는 접속 직전의 상태, (c)는 접속 후의 상태를 나타낸다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하에는 측정 대상이 가스인 농도 측정 장치를 설명하지만, 다른 실시형태에 있어서 측정 대상은 액체 등의 가스 이외의 유체여도 좋다.
도 1은 본 발명의 실시형태에서 사용되는 농도 측정 장치(100)의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 농도 측정 장치(100)는 가스 공급 라인에 장착되는 측정 셀(1)을 갖는 유체 유닛(10)과, 유체 유닛(10)과 이간해서 배치되는 전기 유닛(20)을 구비하고 있다. 유체 유닛(10)과 전기 유닛(20)은 광파이버를 심선으로서 포함하는 입사용의 광파이버 케이블(11)(제 1 광파이버), 광파이버를 심선으로서 포함하는 출사용의 광파이버 케이블(12)(제 2 광파이버), 및 센서 케이블(도시하지 않음)에 의해 광학적 및 전기적으로 접속되어 있다.
유체 유닛(10)은 측정 가스의 종류에 의해, 예를 들면 100℃∼150℃ 정도까지 가열될 가능성이 있다. 단, 유체 유닛(10)은 상온(실온)이나 상온 이하의 가스를 사용하는 경우에는 고온이 되지 않는 상태에서 사용하는 경우도 있다. 또한, 유체 유닛(10)과 이간하는 전기 유닛(20)은 통상은 실온으로 유지되어 있다. 전기 유닛(20)에는 농도 측정 장치(100)에 동작 제어 신호를 송신하거나, 농도 측정 장치(100)로부터 측정 농도 신호를 수신하거나 하기 위한 외부 제어 장치가 접속되어 있어도 좋다.
유체 유닛(10)에는 측정 가스의 유입구, 유출구 및 이것들이 접속된 길이 방향으로 연장되는 유로를 갖는 측정 셀(1)이 설치되어 있다. 측정 셀(1)의 일방의 단부에는 유로에 접하는 투광성의 창부(2)(여기서는, 투광성 플레이트)가 설치되고, 측정 셀(1)의 타방의 단부에는 반사 부재(4)가 설치되어 있다. 도시하는 형태와 달리, 창부(2)의 근방에 유입구가 배치되고, 반사 부재(4)의 근방에 유출구가 배치되어 있어도 좋고, 길이 방향으로 연장되는 유로는 가스(G) 전체의 흐름 방향에 대하여 직교하는 방향으로 연장되어 있지 않아도 좋다. 또한, 본 명세서에 있어서, 광이란 가시광선뿐만아니라, 적어도 적외선, 자외선을 포함하고, 임의의 파장의 전자파를 포함할 수 있다. 또한, 투광성이란 측정 셀에 입사되는 상기 광에 대한 내부 투과율이 농도 측정을 행할 수 있을 정도로 충분히 높은 것을 의미한다.
측정 셀(1)의 창부(2)의 근방에는 2개의 광파이버 케이블(11, 12)이 접속된 콜리메이터(3)가 부착되어 있다. 콜리메이터(3)는 콜리메이트 렌즈를 갖고 있고, 광원으로부터의 광을 측정 셀(1)에 평행광으로서 입사시킴과 아울러, 반사 부재(4)로부터의 반사광을 수광하도록 구성되어 있다. 반사 부재(4)의 반사면은 입사광의 진행 방향 또는 유로의 중심축에 대하여 수직이 되도록 형성되어 있다. 측정 셀(1)의 유로는 측정 광의 광로로서도 이용된다.
창부(2)로서는 자외광 등의 농도 측정에 사용하는 검출광에 대하여 내성 및 고투과율을 갖고, 기계적·화학적으로 안정한 사파이어 플레이트가 적합하게 사용되지만, 다른 안정한 소재, 예를 들면 석영 유리를 사용할 수도 있다. 측정 셀(1)의 본체(유로 형성부)는, 예를 들면 SUS316L제이다. 또한, 반사 부재(4)는, 예를 들면 사파이어 플레이트의 이면에 반사층으로서의 알루미늄층이나 유전체 다층막이 설치된 것이어도 좋다. 반사층으로서 유전체 다층막을 사용하면, 특정 파장 영역의 광(예를 들면, 근자외선)을 선택적으로 반사시킬 수 있다. 유전체 다층막은 굴절률이 다른 복수의 광학 피막의 적층체(고굴절률 박막과 저굴절률 박막의 적층체)에 의해 구성되는 것이며, 각 층의 두께나 굴절률을 적절히 선택함으로써, 특정 파장의 광을 반사하거나 투과시키거나 할 수 있다. 또한, 유전체 다층막은 임의의 비율로 광을 반사시킬 수 있기 때문에, 일부(예를 들면, 10%)는 투과하도록 하고, 반사 부재(4)의 하부에 설치한 광검출기를 이용하여 반사 부재(4)를 투과한 광을 참조 광으로서 이용하고 있어도 좋다.
유체 유닛(10)은 측정 셀(1) 내를 흐르는 측정 가스의 압력을 검출하기 위한 압력 센서(5)와, 측정 가스의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(6)를 더 구비하고 있다. 압력 센서(5) 및 온도 센서(6)의 출력은 도시하지 않은 센서 케이블을 통해서 전기 유닛(20)으로 보내진다. 압력 센서(5) 및 온도 센서(6)의 출력은 후술하는 바와 같이, 가스 농도를 측정하기 위해서 사용할 수 있다.
또한, 유체 유닛(10)의 구성으로서는 각종 형태의 것을 채용할 수 있다. 상기에는 반사 부재를 이용하여 셀 내에서 측정을 1왕복시키는 반사형의 유체 유닛을 설명했지만, 이것에 한정하지 않고, 특허문헌 2 등에 기재되는 바와 같은 투과형의 유체 유닛을 사용할 수도 있다. 투과형의 유체 유닛에서는 측정 셀의 일방측에 배치한 입사창으로부터 측정광을 입사시키고, 반사 부재 대신에 배치한 출사창으로부터 셀 내를 통과한 투과광을 출사시킨다. 입사광과 투과광은 측정 셀의 양단에 접속된 각각의 광파이버 케이블을 이용하여 전송된다.
또한, 본 실시형태의 농도 측정 장치(100)에 있어서, 전기 유닛(20)은 측정 셀(1) 내에 입사되는 광을 발생시키는 광원(22)과, 측정 셀(1)로부터 출사한 광을 수광하는 광검출기(24)와, 광검출기(24)가 출력하는 검출 신호(수광한 광의 강도에 따른 검출 신호)에 의거해서 측정 가스의 농도를 연산하는 처리부(28)를 구비하고 있다. 광원(22), 광검출기(24) 및 처리부(28)는 상자형의 하우징(26) 내에 수용되어 있다.
광원(22)은 서로 다른 파장의 자외광을 발하는 2개의 발광 소자(여기서는 LED)(23a, 23b)를 이용하여 구성되어 있다. 발광 소자(23a, 23b)에는 발진 회로를 이용하여 다른 주파수의 구동 전류가 흐르고, 주파수 해석(예를 들면, 고속 푸리에 변환이나 웨이블릿 변환)을 행함으로써, 광검출기(24)가 검출한 검출 신호로부터 각 파장 성분에 대응한 광의 강도를 측정할 수 있다. 발광 소자(23a, 23b)로서는 LED 이외에도 LD(레이저 다이오드)를 사용할 수도 있다. 또한, 복수의 다른 파장의 합파광을 광원으로 사용하는 대신에, 단일 파장의 광원을 이용할 수도 있고, 이 경우 합파기나 주파수 해석 회로는 생략할 수 있다. 또한, 자외광(예를 들면, 파장 200㎚∼400㎚)은, 예를 들면 트리메틸갈륨 등의 유기 금속 가스의 농도 측정을 위해 적합하게 사용된다.
발광 소자(23a, 23b)는 하프 미러(23c)에 대하여 모두 45°의 각도로 광을 조사하는 바와 같이 배치되어 있다. 또한, 하프 미러(23c)를 사이에 두고 일방의 발광 소자(23b)와 대면하도록 참조 광검출기(25)가 설치되어 있다. 광원(22)으로부터의 광의 일부는 참조 광검출기(25)에 입사되고, 광학 소자의 열화 등을 조사하기 위해서 사용된다. 나머지의 광은 볼 렌즈(23d)에 의해 집광되고 나서, 입사광용의 광파이버 케이블(11)에 입사된다. 광검출기(24) 및 참조 광검출기(25)를 구성하는 수광 소자로서는, 예를 들면 포토다이오드나 포토트랜지스터를 사용된다.
처리부(28)는, 예를 들면 회로 기판 상에 설치된 프로세서나 메모리 등에 의해 구성되고, 입력 신호에 의거해서 소정의 연산을 실행하는 컴퓨터 프로그램을 포함하고, 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 실현될 수 있다. 또한, 도시하는 형태에서는 처리부(28)는 전기 유닛(20)에 내장되어 있지만, 그 구성요소의 일부(CPU 등) 또는 전부가 전기 유닛(20)의 외측의 장치에 설치되어 있어도 좋다고 하는 것은 말할 필요도 없다.
본 실시형태의 전기 유닛(20)에서는 광원(22)과 광검출기(24) 중 어느 것이나 전기 유닛(20)의 하우징(26)의 내측면에 근접해서 배치되어 있다. 또한, 광원(22)과 일체적으로 설치된 광접속부(여기서는, FC 커넥터용의 접속부)가 하우징(26)에 설치된 개구부를 통해서 외측에 배치되고, 마찬가지로 광검출기(24)와 일체적으로 설치된 광접속부(FC 커넥터용의 접속부)도, 하우징(26)에 설치된 개구부를 통해서 외측에 배치되어 있다.
또한, 상기 「일체적」이란 광접속부와 광원(22)(또는 광검출기(24))이 인접해서 고정된 상태인 것을 의미하고, 착탈 불가능하게 상호 접속된 것에 한정되지 않고, 나사 고정 등에 의해 착탈가능하게 상호 접속된 것이어도 좋다. 또한, 광접속부와 광원(22)(또는 광검출기(24))의 계면에 있어서 하우징(26) 등의 박판 부재가 끼워져 있어도 좋다.
그리고, 유체 유닛(10)의 측정 셀(1)로부터 연장되는 입사용의 광파이버 케이블(11)의 단부에 설치된 광커넥터(여기서는, FC 커넥터(13))가 광원(22)과 일체적으로 설치된 광접속부에 접속되고, 마찬가지로 측정 셀(1)로부터 연장되는 출사용의 광파이버 케이블(12)의 단부에 설치된 광커넥터(FC 커넥터(14))가 광검출기(24)와 일체적으로 설치된 광접속부에 접속되어 있다. 이하, 전기 유닛(20)의 상세에 대해서 설명한다.
도 2는 전기 유닛(20)의 내부를 나타내는 평면도이다. 또한, 도 3(a)은 전기 유닛(20)의 내부를 좌측 방향으로부터 보았을 때의 측면도이고, 도 3(b)은 우측 방향으로부터 보았을 때의 측면도이고, 도 3(c)은 하방으로부터 보았을 때의 측면도이다. 또한, 도 2에는 도 1에 나타낸 전기 유닛(20)을 90° 좌회전시킨 상태가 나타내어져 있으며, 도면에 있어서의 상측에 도 1에 나타낸 측정 셀(1)로부터 연장되는 광파이버 케이블(11, 12)(보다 구체적으로는, FC 커넥터(13, 14))과의 광접속부가 배치되어 있다.
도 2 및 도 3(a)∼(c)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전기 유닛(20)에 있어서, FC 커넥터(13)와의 접속을 행하는 광접속부(32)(제 1 광접속부)와 광원(22)은 일체적으로 설치되고, 광접속부(32)는 하우징(26)의 외측면에 배치되고, 광원(22)은 하우징(26)의 내측면에 광접속부(32)와 인접해서 배치되어 있다. 본 실시형태에서는 광접속부(32)와 광원(22)은 강고하게 상호 접속되어 있으며, 광접속부(32)는 하우징(26)에 설치된 개구부(42)(도 5 참조)를 통해서 하우징(26)의 외측에 배치되어 있다. 또한, 광접속부(32)에는 외주 나사(32S)가 설치되어 있고, FC 커넥터(13)의 커플링 너트를 나사 조임함으로써 광파이버 케이블(11)이 광접속부(32)에 강고하게 고정된다.
마찬가지로, FC 커넥터(14)와의 접속을 행하는 광접속부(34)(제 2 광접속부)와 광검출기(24)는 일체적으로 설치되고, 광접속부(34)는 하우징(26)의 외측면에 배치되고, 광검출기(24)는 하우징(26)의 내측면에 광접속부(34)와 인접해서 배치되어 있다. 본 실시형태에서는 광접속부(34)와 광검출기(24)는 강고하게 상호 접속되어 있고, 광접속부(34)는 하우징(26)에 설치된 개구부(44)(도 5 참조)를 통해서 하우징(26)의 외측에 배치되어 있다. 또한, 광접속부(34)에는 외주 나사(34S)가 설치되어 있고, FC 커넥터(14)의 커플링 너트를 나사 조임함으로써 광파이버 케이블(12)이 광접속부(34)에 강고하게 고정된다.
도 3(a)∼(c)에 나타내는 바와 같이, 광원(22) 및 광검출기(24)는 본 실시형태에서는 대(26a) 위에 배치되고 있고, 하우징(26)의 전면판에만 근접하도록 배치되어 있다. 대(26a) 아래의 공간에는 도시하지 않은 회로 기판이 수용되어 있어도 좋고, 이 회로 기판에 도 1에 나타낸 처리부(28)를 설치할 수 있다.
이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전기 유닛(20)에 있어서 FC 커넥터(13)와 광원(22)은 직접적으로 접속되고, 광접속부(32)와 광원(22) 사이에는 광파이버가 설치되어 있지 않다. 또한, FC 커넥터(14)와 광검출기(24)는 직접적으로 접속되고, 광접속부(34)와 광검출기(24) 사이에는 광파이버가 설치되어 있지 않다. 이와 같이, 본 실시형태에서는 도 7에 나타낸 비교예와 같이, 어댑터를 이용하여 광파이버끼리의 끝면 접속을 행하는 것은 아니고, 광접속부(32) 및 광접속부(34)를 가진 광원(22) 및 광검출기(24)의 광학 소자에 대하여, 광파이버의 끝면을 대면시키도록 접속하고 있다.
도 4(a)는 광원(22)의 단면도를 나타낸다. 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 광원(22)에는 발광 소자(23a, 23b), 하프 미러(23c), 볼 렌즈(23d), 참조 광검출기를 구성하는 포토다이오드(25a)가 설치되어 있다. 볼 렌즈(23d)는 평볼록 렌즈 등 외의 집광 수단(제 1 집광 수단)이어도 상관없다. 발광 소자(23a, 23b), 포토다이오드(25a)의 배면으로부터 연장되는 배선은 처리부(28)(도 1 참조)에 접속되어 있다. 또한, 광접속부(32)에는 하프 미러(23c)를 향해서 연장되는 관통 구멍(32H)이 형성되어 있다. 관통 구멍(32H)에는 FC 커넥터(13)의 선단부가 삽입된다. 본 실시형태에서는 광원(22)은 WDM 방식의 합파기를 포함하는 것이며, 광로용의 구멍이 형성된 SUS316제 또는 SUS304제의 금속 블록에 각 소자를 부착함으로써 구성되어 있다.
이 구성에 있어서, 광파이버의 끝면은 볼 렌즈(23d)에 대면하는 것으로 되고, 하프 미러(23c)로부터의 광은 볼 렌즈(23d)에서 집광되고, FC 커넥터(13)의 선단부에서 노출하는 광파이버의 끝면에 입사한다. 또한, FC 커넥터(13)에 있어서, 광파이버의 선단은 통상의 커넥터와 마찬가지로, 산화지르코늄 등으로 형성되는 페롤에 의해 덮여져 있어서 좋다.
도 4(b)는 광검출기(24)의 단면도를 나타낸다. 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 광검출기(24)에는 포토다이오드(27)와, 포토다이오드(27) 앞에 배치된 양 볼록 렌즈(29)가 설치되어 있다. 양 볼록 렌즈(29)는 평평한 볼록 렌즈 등 외의 집광 수단(제 2 집광 수단)이어도 상관없다. 포토다이오드(27)의 배면으로부터 연장되는 배선은 처리부(28)(도 1 참조)에 접속되어 있다. 또한, 광접속부(34)에는 양 볼록 렌즈(29)를 향해서 연장되는 관통 구멍(34H)이 형성되어 있다. 관통 구멍(34H)에는 FC 커넥터(14)의 선단부가 삽입된다. 광검출기(24)도 광로용의 구멍이 형성된 SUS316제 또는 SUS304제 금속 블록에 각 소자를 부착함으로써 구성되어 있다.
이 구성에 있어서, 광파이버의 끝면은 양 볼록 렌즈(29)에 대면하는 것으로 되고, 광파이버 케이블(12)을 통해서 측정 셀(1)로부터 전송된 광은 FC 커넥터(14)의 선단부에서 노출되는 광파이버의 끝면으로부터 양 볼록 렌즈(29)를 향해서 출사된다. 또한, FC 커넥터(13)에 있어서, 광파이버의 선단은 통상의 FC 커넥터와 마찬가지로, 산화지르코늄 등으로 형성되는 페롤에 의해 덮여져 있어도 좋다.
상기 구성에 있어서, 광파이버의 끝면은 광원(22) 또는 광검출기(24)가 구비하는 광학 소자(본 실시형태에서는 볼 렌즈(23d) 및 양 볼록 렌즈(29))에 대면하고 있지만, 측정 정밀도를 향상시키기 위해서는 측정광의 광량이 최대가 되도록 광학계가 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 광검출기(24)의 출력을 확인하면서, 광원(22) 및 광검출기(24)의 자세를 X축, Y축, Z축의 3축에 대해서 미세조정하고, 광검출기(24)의 출력이 최대가 된 곳에서 자세를 고정하면 좋다.
도 5는 전기 유닛(20)의 하우징(26)의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 하우징(26)은 앞면 및 바닥면을 구비하는 단면 대략 L자형의 제 1 부재(261)와, 양 측면, 상면 및 후면을 구비하는 제 2 부재(262)에 의해 구성되어 있다. 제 1 부재(261)와 제 2 부재(262)는 조합시켜서, 내부에 수용 공간이 형성된 상자형 하우징을 형성한다. 제 1 부재(261)와 제 2 부재(262)는 각처에 설치된 나사 등에 의해 서로에 대하여 고정된다. 전기 유닛(20)의 제작에 있어서는 제 1 부재(261)의 바닥면에 설치된 대 위에, 광원(22)이나 광검출기(24) 등을 고정하고, 그 후 제 2 부재(262)를 커버와 같이 해서 씌우고 나서 제 1 부재(261)에 고정하면 좋다.
제 1 부재(261)의 앞면에는 광원(22)의 광접속부(32)를 외측으로 내기 위한 개구부(42)와, 광검출기(24)의 광접속부(34)를 외측으로 내기 위한 개구부(44)가 형성되어 있다. 이들에 의해, 광접속부(32) 및 광접속부(34)를 용이하게 하우징(26) 외에 배치할 수 있고, FC 커넥터(13, 14)를 간단하게 접속할 수 있다.
이상으로, 설명한 본 실시형태의 농도 측정 장치(100)에서는 광파이버 케이블(11 및 12)의 끝면을 광원(22) 및 광검출기(24)의 광학 소자에 대해 대면시키도록 접속되어 있으므로, 광파이버 끝면끼리의 접속을 없애서 미광의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 광파이버 케이블(11 및 12)은 FC 커넥터(13 및 14)를 사용해서 광원(22) 및 광검출기(24)에 착탈가능하게 나사 조임 고정되어 있으므로, 필요할 때에는 이것을 분리하여, 전기 유닛(20)을 분리할 수 있다. 이 때문에, 전기 유닛(20)의 신뢰성 시험도 용이하게 실시할 수 있다. 또한, 재접속했을 때에도, 광파이버의 끝면끼리가 접촉해서 손상 등의 파손처를 초래하는 일은 없고, 또한 끝면 사이에 먼지가 침입하는 바와 같은 일은 생기지 않으므로, 이것에 기인하는 측정 오차의 발생을 방지할 수 있다.
도 6(a) 및 (b)는 광검출기(24)의 광접속부(34)에, 광파이버 케이블(12)을 접속하는 형태를 나타내는 도면이다. 또한, 광원(22)의 광접속부(32)에 광파이버 케이블(11)을 접속하는 형태도 마찬가지이다.
도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 광검출기(24)의 광접속부(34)는 하우징(26)의 외측에 배치되어 있으며, 광접속부(34)에 설치된 관통 구멍(34H)은 포토다이오드(27) 앞의 양 볼록 렌즈(29)에 통하고 있다. 그리고, FC 커넥터(14)가 설치된 광파이버 케이블(12)의 선단부가 광접속부(34)의 관통 구멍(34H)에 삽입된다. FC 커넥터(14)의 선단에서는 광파이버(15) 및 이것을 덮는 페롤(16)이 막대 형상으로 연장되어 있다. 또한, 커플링 너트(17)는 내측에 나사를 갖고 있으며, 광파이버 케이블(12)을 축 중심으로 해서 회전가능하다.
이어서, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 광파이버(15) 및 페롤(16)이 광접속부(34)의 관통 구멍을 통과하고, 양 볼록 렌즈(29)에 대면하는 위치까지 삽입되고, 또한 커플링 너트(17)를 외주 나사(34S)에 대하여 체결함으로써 광파이버 케이블(12)이 광검출기(24)에 강고하게 고정된다.
이하, 농도 측정 장치(100)에 있어서의 농도 측정 방법에 대해서 설명한다. 측정 셀(1)에 있어서, 측정 셀(1) 내를 왕복하는 광의 광로 길이(L)는 창부(2)와 반사 부재(4)의 거리의 2배에 의해 규정할 수 있다. 농도 측정 장치(100)에 있어서, 측정 셀(1)에 입사되고, 그 후 반사 부재(4)에 의해 반사된 파장(λ)의 광은 가스의 농도에 의존해서 흡수된다. 그리고, 처리부(28)는 광검출기(24)로부터의 검출 신호를 주파수 해석함으로써, 상기 파장(λ)에서의 흡광도(Aλ)를 측정할 수 있고, 또한 이하의 식(1)에 나타내는 램버트·비어의 법칙에 의거해서 흡광도 Aλ로부터 몰농도 CM을 산출할 수 있다.
Aλ=-log10(I/I0)=α'LCM … (1)
상기 식(1)에 있어서, I0은 측정 셀로 입사하는 입사광의 강도, I는 측정 셀 내의 가스 중을 통과한 광의 강도, α'는 몰흡광계수(㎡/mol), L은 측정 셀의 광로 길이(m), CM은 몰농도(mol/㎥)이다. 몰흡광계수 α'는 물질에 의해 결정되는 계수이다. I/I0은 일반적으로 투과율이라고 불리고 있으며, 투과율 I/I0이 100%일 때에 흡광도 Aλ는 0이 되고, 투과율 I/I0이 0%일 때에 흡광도 Aλ는 무한대가 된다. 또한, 상기 식에 있어서의 입사광 강도 I0에 대해서는 측정 셀(1) 내에 흡광성의 가스가 존재하지 않을 때(예를 들면, 자외광을 흡수하지 않는 가스가 충만하고 있을 때나, 진공으로 배기되어 있을 때)에 광검출기(24)에 의해 검출된 광의 강도를 입사광 강도 I0이라고 간주해도 좋다.
또한, 농도 측정 장치(100)는 측정 셀(1)을 흐르는 가스의 압력 및 온도도 고려해서 가스의 농도를 구하도록 구성되어 있어도 좋다. 이하, 구체예를 설명한다. 상기 램버트·비어의 식(1)이 성립하지만, 상기 몰농도 CM은 단위체적당의 가스의 물질량이므로, CM=n/V로 나타낼 수 있다. 여기서, n은 가스의 물질량(mol), 즉 몰수이고, V는 체적(㎥)이다. 그리고, 측정 대상이 가스이므로, 이상 기체의 상태방정식 PV=nRT로부터 몰농도 CM=n/V=P/RT가 도출되고, 이것을 램버트·비어의 식에 대입하고, 또한 -ln(I/I0)=ln(I0/I)을 적용하면, 하기 식(2)이 얻어진다.
ln(I0/I)=αL(P/RT) … (2)
식(2)에 있어서, R은 기체 정수=0.0623(Torr·㎥/K/mol)이고, P는 압력(Torr)이며, T는 온도(K)이다. 또한, 식(2)의 몰흡광계수는 투과율의 자연 대수에 대한 α이며, 식(1)의 α'에 대하여, α'=0.434α의 관계를 충족시키는 것이다.
여기서, 압력 센서가 검출할 수 있는 압력은 측정 가스와 캐리어 가스를 포함하는 혼합 가스의 전압 Pt(Torr)이다. 한편, 흡수에 관계되는 가스는 측정 가스뿐이며, 상기 식(2)에 있어서의 압력 P는 측정 가스의 분압 Pa에 대응한다. 그래서, 측정 가스의 분압 Pa를 가스 전체 중에 있어서의 측정 가스 농도 Cv(체적%)와 전압 Pt에 의해 나타낸 식인 Pa=Pt·Cv를 이용하여 식(2)을 나타내면, 압력 및 온도를 고려한 측정 가스의 농도(체적%)와 흡광도의 관계는 측정 가스의 흡광계수 αa를 이용하여, 하기 식(3)에 의해 나타낼 수 있다.
ln(I0/I)=αaL(Pt·Cv/RT) … (3)
또한, 식(3)을 변형하면, 하기 식(4)이 얻어진다.
Cv=(RT/αaLPt)·ln(I0/I) … (4)
따라서, 식(4)에 의하면, 각 측정값(가스 온도 T, 전압 Pt, 및 투과광 강도 I)에 의거해서 측정 광파장에 있어서의 측정 가스 농도(체적%)를 연산에 의해 구하는 것이 가능하다. 이와 같이 하면, 가스 온도나 가스 압력도 고려해서 혼합 가스중에 있어서의 흡광 가스의 농도를 구할 수 있다.
또한, 측정 가스의 흡광계수 αa는 이미 알려진 농도(예를 들면, 100% 농도)의 측정 가스를 흘렸을 때의 측정값(T, Pt, I)으로부터, 식(3) 또는 (4)를 따라서 미리 구해둘 수 있다. 이렇게 해서 구해진 흡광계수 αa는 메모리에 격납되어 있고, 식(4)에 의거해서 미지 농도의 측정 가스의 농도 연산을 행할 때에는 흡광계수 αa를 메모리로부터 판독하여 사용할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 의한 농도 측정 장치를 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정 해석되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 각종 변경이 가능하다. 예를 들면, 측정에 사용되는 광으로서는 가스의 종류에 따라, 자외 영역 이외의 파장 영역의 광(예를 들면, 가시광이나 근적외선)을 이용하는 것도 가능하다.
또한, 상기에는 광원(22) 및 광검출기(24)의 양쪽에 일체적인 광접속부가 설치된 형태를 설명했지만, 어느 한쪽만이어도 좋다. 또한, 반사식의 농도 측정 장치에 있어서, 입사광과 출사광을 일체의 공용의 광파이버 케이블에서 접속하는 경우에도, 광검출기를 부착된 분파 모듈에 일체적인 광접속부를 설치하고, 이것을 전기 유닛의 외측에 배치하면 좋다. 이 경우에도, 분파 모듈 및 광검출기와 광접속부 사이의 광파이버를 생략할 수 있고, 광파이버의 끝면끼리의 접속에 의한 미광의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 측정 셀로부터의 광파이버는 FC 커넥터 이외의 다른 광 커넥터를 대응하는 광접속부에 접속하는 것이어도 좋다.
(산업상 이용가능성)
본 발명의 실시형태에 의한 농도 측정 장치는 반도체 제조 장치 등에 대하여 사용되고, 각종 유체의 농도를 측정하기 위해서 적합하게 이용된다.
1: 측정 셀 2: 창부
3: 콜리메이터 4: 반사 부재
5: 압력 센서 6: 온도 센서
10: 유체 유닛 11: 광파이버 케이블(입사용)
12: 광파이버 케이블(출사용) 13, 14: FC 커넥터
15: 광파이버 20: 전기 유닛
22: 광원 24: 광검출기
25: 참조 광검출기 26: 하우징
28: 처리부 32, 34: 광접속부
100: 농도 측정 장치
3: 콜리메이터 4: 반사 부재
5: 압력 센서 6: 온도 센서
10: 유체 유닛 11: 광파이버 케이블(입사용)
12: 광파이버 케이블(출사용) 13, 14: FC 커넥터
15: 광파이버 20: 전기 유닛
22: 광원 24: 광검출기
25: 참조 광검출기 26: 하우징
28: 처리부 32, 34: 광접속부
100: 농도 측정 장치
Claims (6)
- 광원 및 광검출기를 갖는 전기 유닛과, 측정 셀을 갖는 유체 유닛과, 상기 전기 유닛과 상기 유체 유닛을 접속하는 광파이버를 구비하고, 상기 광원으로부터 상기 측정 셀로 입사하고 상기 측정 셀로부터 출사한 광을 상기 광검출기로 검출 함으로써 상기 측정 셀 내의 유체의 농도를 측정하도록 구성된 농도 측정 장치로서,
상기 전기 유닛에 있어서, 상기 광파이버가 접속되는 광접속부와, 상기 광원 또는 상기 광검출기가 일체적으로 설치되어 있는 농도 측정 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 전기 유닛은 상기 광원 및 상기 광검출기를 수용하는 하우징을 갖고, 상기 광접속부는 상기 하우징의 외측면에 배치되고, 상기 광원 또는 상기 광검출기는 상기 하우징의 내측면에 상기 광접속부와 인접해서 배치되어 있는 농도 측정 장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 광원과 상기 측정 셀을 접속하는 제 1 광파이버와, 상기 광검출기와 상기 측정 셀을 접속하는 제 2 광파이버를 포함하고,
상기 전기 유닛에 있어서, 상기 광원과 일체적으로 형성된 제 1 광접속부에 상기 제 1 광파이버가 접속되고, 상기 광검출기와 일체적으로 형성된 제 2 광접속부에 상기 제 2 광파이버가 접속되는 농도 측정 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 광파이버 및 상기 제 2 광파이버는 모두 FC 커넥터가 설치된 광파이버이고, 상기 제 1 광접속부의 외주 나사에 상기 제 1 광파이버의 FC 커넥터가 착탈가능하게 나사 조임 고정되고, 상기 제 2 광접속부의 외주 나사에 상기 제 2 광파이버의 FC 커넥터가 착탈가능하게 나사 조임 고정되는 농도 측정 장치. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 광원은 복수의 발광 다이오드와, 상기 복수의 발광 다이오드로부터의 광이 조사되는 하프 미러와, 상기 하프 미러로부터의 광을 받는 제 1 집광 수단을 갖고, 상기 제 1 광접속부에 접속된 상기 제 1 광파이버의 끝면은 상기 제 1 집광 수단에 대면하고,
상기 광검출기는 포토다이오드와, 상기 포토다이오드의 앞에 배치된 제 2 집광 수단을 갖고, 상기 제 2 광접속부에 접속된 상기 제 2 광파이버의 끝면은 상기 제 2 집광 수단에 대면하는 농도 측정 장치. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유체는 가스이고, 상기 측정 셀을 흐르는 가스의 압력을 측정하는 압력센서와, 상기 측정 셀을 흐르는 가스의 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 광검출기, 상기 압력 센서 및 상기 온도 센서에 접속된 처리부를 더 갖고,
상기 처리부는 측정 가스에 관련지어진 흡광계수 αa를 이용하여, 하기 식에 의거해서 혼합 가스 중의 측정 가스의 체적 농도 Cv를 구하도록 구성되어 있고, 하기 식에 있어서, I0은 상기 측정 셀로 입사하는 입사광의 강도, I는 상기 측정 셀을 통과한 광의 강도, R은 기체 정수, T는 상기 측정 셀 내의 가스 온도, L은 상기 측정 셀의 광로 길이, Pt는 상기 측정 셀 내의 가스 압력인 농도 측정 장치.
Cv=(RT/αaLPt)·ln(I0/I)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2019080464 | 2019-04-19 | ||
| JPJP-P-2019-080464 | 2019-04-19 | ||
| PCT/JP2020/014744 WO2020213385A1 (ja) | 2019-04-19 | 2020-03-31 | 濃度測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210129150A true KR20210129150A (ko) | 2021-10-27 |
| KR102593815B1 KR102593815B1 (ko) | 2023-10-25 |
Family
ID=72837181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020217030125A KR102593815B1 (ko) | 2019-04-19 | 2020-03-31 | 농도 측정 장치 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11692931B2 (ko) |
| JP (1) | JP7445313B2 (ko) |
| KR (1) | KR102593815B1 (ko) |
| CN (1) | CN113646620A (ko) |
| TW (1) | TWI791974B (ko) |
| WO (1) | WO2020213385A1 (ko) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022259680A1 (ja) | 2021-06-08 | 2022-12-15 | 株式会社堀場エステック | ガス分析装置及びレーザ光伝送機構 |
| JP7393753B2 (ja) | 2021-07-31 | 2023-12-07 | 株式会社フジキン | 濃度測定装置 |
| WO2024116593A1 (ja) * | 2022-11-30 | 2024-06-06 | 株式会社フジキン | 濃度測定装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07103895A (ja) * | 1993-09-30 | 1995-04-21 | Mazda Motor Corp | 排気成分濃度検出装置 |
| JP2014219294A (ja) | 2013-05-09 | 2014-11-20 | 株式会社フジキン | 脆性破壊性板材の固定構造及びこれを用いた脆性破壊性板材から成る光透過窓板の固定方法 |
| WO2017029792A1 (ja) | 2015-08-18 | 2017-02-23 | 国立大学法人徳島大学 | 濃度測定装置 |
| US20170105626A1 (en) * | 2014-06-30 | 2017-04-20 | Fujifilm Corporation | Optical fiber cable, method of manufacturing the same, and light source module including the same |
| JP2018017644A (ja) * | 2016-07-29 | 2018-02-01 | 国立大学法人徳島大学 | 濃度測定装置 |
| JP2018025499A (ja) * | 2016-08-12 | 2018-02-15 | 株式会社フジキン | 濃度測定装置 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5435309A (en) * | 1993-08-10 | 1995-07-25 | Thomas; Edward V. | Systematic wavelength selection for improved multivariate spectral analysis |
| SE9600322L (sv) * | 1996-01-30 | 1997-07-31 | Hoek Instr Ab | Sensor för pulsoximetri med fiberoptisk signalöverföring |
| DE10327486B4 (de) | 2003-06-17 | 2006-07-20 | Leica Microsystems Cms Gmbh | Vorrichtung zur Bestimmung gerichteter Transportprozesse |
| JP2005274262A (ja) * | 2004-03-24 | 2005-10-06 | Olympus Corp | 成分濃度測定方法及び成分濃度測定装置 |
| EP1820441A1 (de) | 2006-02-16 | 2007-08-22 | Roche Diagnostics GmbH | Mikronadelanordnung mit Sensor basierend auf der abgeschwächten Totalreflexion (ATR) |
| US9739962B2 (en) * | 2013-05-14 | 2017-08-22 | Vixar | Plastic optical fiber data communication links |
| JP6167985B2 (ja) * | 2014-05-09 | 2017-07-26 | 株式会社島津製作所 | 分光センサ |
| US9838142B2 (en) * | 2014-10-15 | 2017-12-05 | Christopher B. TYRRELL | Electrical conductor to optical input conversion system |
| FI127260B (en) | 2016-12-08 | 2018-02-15 | Valmet Automation Oy | Method and measuring device for measuring suspension |
-
2020
- 2020-03-31 KR KR1020217030125A patent/KR102593815B1/ko active IP Right Grant
- 2020-03-31 US US17/598,636 patent/US11692931B2/en active Active
- 2020-03-31 WO PCT/JP2020/014744 patent/WO2020213385A1/ja active Application Filing
- 2020-03-31 JP JP2021514858A patent/JP7445313B2/ja active Active
- 2020-03-31 CN CN202080023287.3A patent/CN113646620A/zh active Pending
- 2020-04-13 TW TW109112306A patent/TWI791974B/zh active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07103895A (ja) * | 1993-09-30 | 1995-04-21 | Mazda Motor Corp | 排気成分濃度検出装置 |
| JP2014219294A (ja) | 2013-05-09 | 2014-11-20 | 株式会社フジキン | 脆性破壊性板材の固定構造及びこれを用いた脆性破壊性板材から成る光透過窓板の固定方法 |
| US20170105626A1 (en) * | 2014-06-30 | 2017-04-20 | Fujifilm Corporation | Optical fiber cable, method of manufacturing the same, and light source module including the same |
| WO2017029792A1 (ja) | 2015-08-18 | 2017-02-23 | 国立大学法人徳島大学 | 濃度測定装置 |
| JP2018017644A (ja) * | 2016-07-29 | 2018-02-01 | 国立大学法人徳島大学 | 濃度測定装置 |
| WO2018021311A1 (ja) | 2016-07-29 | 2018-02-01 | 国立大学法人徳島大学 | 濃度測定装置 |
| JP2018025499A (ja) * | 2016-08-12 | 2018-02-15 | 株式会社フジキン | 濃度測定装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20220170849A1 (en) | 2022-06-02 |
| WO2020213385A1 (ja) | 2020-10-22 |
| TWI791974B (zh) | 2023-02-11 |
| JPWO2020213385A1 (ko) | 2020-10-22 |
| US11692931B2 (en) | 2023-07-04 |
| KR102593815B1 (ko) | 2023-10-25 |
| CN113646620A (zh) | 2021-11-12 |
| TW202100983A (zh) | 2021-01-01 |
| JP7445313B2 (ja) | 2024-03-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102246478B1 (ko) | 농도 측정 장치 | |
| KR102593815B1 (ko) | 농도 측정 장치 | |
| US11630058B2 (en) | Concentration measurement device | |
| KR102535963B1 (ko) | 농도 측정 장치 | |
| TWI751684B (zh) | 濃度測定裝置 | |
| TWI756651B (zh) | 濃度測量裝置 | |
| JP7244900B2 (ja) | 反射部材の表裏識別方法 | |
| US20230124208A1 (en) | Concentration measuring method, and concentration measuring device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) |