ガス分析装置
【課題】試料ガス中における測定対象成分の分子数密度をその分子数密度に関して広いダイナミックレンジで測定することができるようにする。
【解決手段】波長可変レーザ装置６への駆動電流を変調周波数ｆａで変調させる変調部１６を備えている。試料セル２内を通過させたレーザ光を検出する受光部８からの信号を処理する信号処理部として、周波数２×ｆａの信号を抽出する第１信号処理部１８と周波数がｆａ未満の信号を抽出する第２信号処理部２０を備えている。演算部２２はこれらの信号処理部１８，２０からの信号に基づき、測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法を適用することができる低い分子数密度であるときは第１信号処理部１８からの信号に基づいて高調波同期検出法を用いた演算を行ない、測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法を適用することができない高い分子数密度であるときは直接吸収スペクトル法を用いた演算を行なう。
【解決手段】波長可変レーザ装置６への駆動電流を変調周波数ｆａで変調させる変調部１６を備えている。試料セル２内を通過させたレーザ光を検出する受光部８からの信号を処理する信号処理部として、周波数２×ｆａの信号を抽出する第１信号処理部１８と周波数がｆａ未満の信号を抽出する第２信号処理部２０を備えている。演算部２２はこれらの信号処理部１８，２０からの信号に基づき、測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法を適用することができる低い分子数密度であるときは第１信号処理部１８からの信号に基づいて高調波同期検出法を用いた演算を行ない、測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法を適用することができない高い分子数密度であるときは直接吸収スペクトル法を用いた演算を行なう。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レ−ザ光に対する吸収を利用して試料ガス中の測定対象成分の分子数密度を測定するガス分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、気体中の特定ガスの分子数密度を測定する方法として、レ−ザ光に対する吸収を利用したレ−ザ吸収分光法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。この方法は、試料ガスが導入された試料セルに所定周波数のレ−ザ光を照射して透過したレ−ザ光を解析し、試料ガス中の測定対象成分の吸収の程度からその測定対象成分分子数密度を導出するものである。この装置は、試料ガスにセンサである受光部が接触しない非接触型であるため、試料の場を乱すことなく測定することができるという利点や、応答時間がきわめて短いという利点がある。試料ガス中の測定対象成分に対する測定周波数を選択するためにレ−ザ光の光源としては、波長可変レ−ザ装置が使用される。
【０００３】
ここで、レ−ザ光を用いた赤外吸収分光法の一般的な理論について説明する。なお、ここでは窒素ガス中の微量の水蒸気分子数密度を測定する場合を例に挙げる。
【０００４】
検出されるレ−ザ光受光強度と水蒸気分子数密度の関係は次のランバート−ベール（Lambert−Beer）の法則から式(１)で示される。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である。また、ｃは水分子の分子数密度、lは測定対象成分を通過する光路の長さ、Ｓは所定の周波数νでの吸収線強度、Ｋ(ν)は吸収特性関数である。
【０００５】
試料ガスが大気圧である場合、吸収特性関数Ｋ(ν)はロ−レンツプロファイルにより式（２）で表わされる。γLは吸収スペクトルの半値幅であり、試料ガスの種類、温度及び圧力により決まる。ν0は吸収スペクトルの中心周波数である。
【０００６】
上記式(１)及び式(２)から次の式(３)が成り立つ。
【０００７】
発振周波数幅が吸収スペクトルの線幅よりも極めて狭い波長可変レ−ザ装置、例えばＤＦＢ（Distributed Feedback）型半導体レーザを用いれば、分光器を別途用いることなく、それぞれの周波数νにおける測定をすることが可能である。
【０００８】
中心周波数ν0での吸収強度Ｉ（ν0）は、式（３）においてν＝ν0として(４)式で表わすことができる。
【０００９】
一方、きわめて低い全圧領域（測定対象成分の全圧が１[Ｔｏｒｒ]よりも低圧の高真空領域）の下での水分子による赤外吸収においては、吸収スペクトル幅は上述したロ−レンツプロファイルの拡がりに比べて数分の１から数十分の１程度に狭くなる。この全圧領域において、吸収特性幅は主にドップラ効果により決まる。この場合の吸収特性関数Ｋ（ν）は下記（５）式（ガウス関数）で表わされる。（５）式において、γEDはドップラ幅と呼ばれるものであり、吸収スペクトルの中心周波数、分子量及び温度に依存するものである。
【００１０】
この場合は、(１)式と(５)式から下記(６)式が成り立ち、（６）式においてν＝ν0とすることにより、中心周波数ν0での吸収強度Ｉ（ν0）は下記(７)式で表わすことができる。
【００１１】
レ−ザ光を用いた一般的な赤外吸収分光法では、上記の(４)式又は(７)式から吸収線中心における吸光強度Ｉ0(ν0）やＩ(ν0）を測定し、試料ガス中における測定対象成分量を算出する。
【００１２】
また、レ−ザ光を用いたガス分析方法としては、吸収スペクトル波形の２次高調波成分等を検出する高調波検出（Harmonic Detection）による吸光分光法（以下、高調波同期検出法という）という検出方法がある（例えば、特許文献２、非特許文献１参照）。高調波同期検出法は赤外吸収分光法の中でも特に高感度の検出手法として知られており、測定対象成分の光吸収量が微小な場合に有効な検出方法である。
【００１３】
高調波同期検出法について非特許文献１に基づいて説明する。高調波検出を行なう必要がある場合のように、測定対象成分の光吸収量が微小な場合、Lambert−Beerの法則である(１)式は次の(８)式で近似することができる。
【００１４】
高調波検出を行なうためには、測定対象成分へ照射する光の周波数を変調させる必要がある。周波数変調のための正弦波信号の変調振幅をａ、周波数をωとすると、時間ｔにおける光の周波数は次の(９)式で規定される。
【００１５】
２次高調波検出（Second Harmonic Detection）では、受光部からの検出信号のうち２倍の周波数２ωに対応した信号成分を同期検波により抽出する。周波数νにおける２次高調波検出信号強度Signal(ν)は光吸収量が微小な場合、次の（１０）式のような関係となる。したがって，（８）式から，次の(１１)式の関係が得られる。（１１）式においてconstは比例定数であり、検出器及び同期検出回路の感度によって変化する。この比例定数constの決定方法は、上述の(１)式に基づく測定で分子数密度が算出されたガスなど、あらかじめ既知の分子数密度のガスを測定することで決定する。
Signal(ν)∝（Ｉ0(ν)−Ｉ（ν）） （１０）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平５−０９９８４５号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４７６７号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】ウエブスター（C.R.Webster），「インフラレッド・レーザ・アブソープション：セオリー・アンド・アプリケーションズ・イン・レーザ・リモート・ケミカル・アナリシス（Infrared Laser Absorption : Theory and Applications in Laser Remote Chemical Analysis）」，ウィレイ（Wiley），New York（ニュー・ヨーク），1988
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
高調波同期検出法は高感度である反面、上記（８）式の近似が成り立つ条件でしか正確な測定ができない。したがって、測定対象成分が低い分子数密度のときは正確な検出結果が得られるものの、測定対象成分が高い分子数密度になると正確な結果を得られなくなる。
【００１９】
レーザ吸収分光法でも，Ｉ0(ν0)とＩ(ν0)とを直接測定し（４）式や（７）式から測定対象成分の分子数密度を得る方法（以下、直接吸収スペクトル法）は、例えば大気環境中の水分分子数密度のような比較的高い分子数密度の水分を含む試料の測定に使用されるのに対し、高調波同期検出法は半導体製造ラインで使用される特殊ガス中の極微量の水分分子数密度測定というような分野で使用されている。また、両測定法は検出回路の構成も異なることから、それぞれが別々の測定装置として構成されており、両測定方法に兼用できる測定装置は存在しない。
【００２０】
したがって、直接吸収スペクトル法を用いた装置で測定しているときに測定対象成分の分子数密度が急に低下した場合や、逆に高調波同期検出法の測定装置での測定中に測定対象成分の分子数密度が急に高くなったような場合には、いずれも正確な測定結果を得ることができない。
【００２１】
そこで本発明は、試料ガス中における測定対象成分の分子数密度を、広いダイナミックレンジで測定することができるようにするとともに、分子数密度が急に変化した場合でも測定方式の切替えのために測定を中断することなく、連続して測定することのできるガス分析装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明にかかるガス分析装置は、試料ガスを流通させる試料セルと、前記試料セルに対して試料ガス中の測定対象成分が吸収をもつ特定の光周波数のレーザ光を照射するレーザ照射部と、前記レーザ光を照射するための駆動電流を前記レーザ照射部に印加する光源駆動部と、前記光源駆動部から前記レーザ照射部に印加する前記駆動電流を第１の周波数ｆａの変調周波数で変調する変調部と、前記試料セル内部を通過した前記レーザ光を受光する受光部と、前記受光部の光検出信号を前記変調周波数の整数倍の周波数で同期検波して高調波同期検出法により高調波信号強度Signal(ν)を検出する第１信号処理部と、前記受光部の光検出信号を前記第１信号処理部を経ずに取り込み、周波数フィルタによって前記第１の周波数ｆａ以上の周波数成分を遮断し、前記特定の光周波数での光強度信号Ｉ(ν)を検出する第２信号処理部と、前記第１信号処理部で検出された高調波信号強度Signal(ν)及び前記第２信号処理部で検出された光強度信号Ｉ(ν)を取り込み、試料ガス中の前記測定対象成分の分子数密度ｃを算出する演算部とを備えている。
【００２３】
そして、前記演算部は、前記レーザ光が前記特定の光周波数において前記測定対象成分による吸収を受けなかったときの参照光強度信号をＩ0(ν)として、前記高調波信号強度Signal(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)とから試料ガス中における測定対象成分分子数密度ｃを算出する第１演算手段と、前記光強度信号Ｉ(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)とから直接吸収スペクトル測定法により試料ガス中における測定対象成分分子数密度ｃを算出する第２演算手段を備えている。
【００２４】
本発明では、演算部は第１信号処理部で抽出された信号と第２信号処理部で抽出された信号を常に取り込み、測定対象成分の分子数密度、具体的には測定対象成分の吸収線の特定の光周波数、好ましくは中心周波数、における信号強度に応じて、高調波同期検出法（第１演算手段）により求められた測定対象成分の分子数密度又は直接吸収スペクトル法（第２演算手段）により求められた測定対象成分の分子数密度のいずれか一方を選択する。既述のように、高調波同期検出法は高感度である反面、分子数密度が高い場合に直線性の不一致が生じる。一方、直接吸収スペクトル法は、感度は高調波同期検出法に比べて低いものの高い分子数密度であっても測定可能である。本発明に係るガス分析装置は、上記２つの測定方法を同じレ−ザ制御系を用い、一回の受光信号から高調波同期検出法に用いるための信号と直接吸収スペクトル法に用いるための信号を並列的に抽出し、それらの信号に基づいて測定対象成分の分子数密度に対して適当な測定手段による測定対象成分の分子数密度を採用する。これにより、両検出法の欠点を補い、広い分子数密度範囲で測定できるとともに連続的な測定が可能になる。
【００２５】
演算部は、両演算手段で得られた測定結果を同時に出力してもよく、切替え手段を備えて試料中の測定対象成分の分子数密度に応じて精度の高い方を自動的に選択して出力するようにしてもよい。そのような切替え手段は、光強度信号Ｉ(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)とから試料中の測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法による測定に適した低い分子数密度であるか又はそれより高い分子数密度で直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるかを判定し、高調波同期検出法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得たときは第１演算手段による算出分子数密度ｃを出力し、直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得たときは第２演算手段による算出分子数密度ｃを出力するように出力を切り替えるものである。
【００２６】
切替え手段の第１の形態は、（８）式中にある近似が成立するかどうかの判断ができる手段であり、そのような判断ができる手段であればいかなる手段でもよい。具体的には、ｌｎ（Ｉ0(ν)／Ｉ(ν)）又は（Ｉ0(ν)−Ｉ(ν)）／Ｉ0(ν)の何れかの値を常に測定しておき、それらの値が予め設定した閾値以下のときには高調波同期検出法による測定に適した低い分子数密度であるとの判定結果を得、前記差がその設定割合よりも大きいときに直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得るものである。
【００２７】
切替え手段の第２の形態は、参照光強度信号Ｉ0(ν)と光強度信号Ｉ(ν)との差Ｉ0(ν)−Ｉ(ν)を用いる手段である。具体的には、その差Ｉ0(ν)−Ｉ(ν)が予め設定した閾値よりも小さいときに高調波同期検出法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得、前記差がその設定値よりも大きいときに直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得るものである。判定のための設定値をいくらにするかは測定装置に応じて決める。
【００２８】
光源駆動部の第１の形態として、レーザ照射部から照射されるレーザ光の光周波数が測定対象成分の吸収域にある特定の光周波数となるようにレーザ照射部に印加する駆動電流を設定してレーザ光の光周波数を固定するものを挙げることができる。この場合はレーザ光が特定の光周波数において測定対象成分による吸収を受けなかったときの参照光強度信号Ｉ0(ν)を別途測定しておく必要があるので、演算部は参照光強度信号Ｉ0(ν)を保持する参照光強度信号Ｉ0(ν)保持部を備えている。そして、第１演算手段と第２演算手段は参照光強度信号Ｉ0(ν)として参照光強度信号Ｉ0(ν)保持部に保持されている参照光強度信号Ｉ0(ν)値を使用する。
【００２９】
レーザ光の光周波数が測定対象成分の吸収域にある特定の光周波数として最も好ましいのは測定対象成分の吸収線の中心周波数（ν0)である。その場合には吸収が最も大きくなるので、Ｓ／Ｎ（信号対ノイズ）比の最もよい測定を行うことができる。レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数（ν0)に設定するためには、光源駆動部はレーザ照射部を駆動するための駆動電流を厳密に制御する必要があるので、性能のよい光源駆動部が必要となる。レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数（ν0)に厳密に設定するのが難しい場合であっても、Ｓ／Ｎ比の低下を許容できる範囲であれば本発明の所期の目的を達成することができる。そのため、光源駆動部の第１の形態を備えた本発明では、レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数（ν0)に設定する場合だけでなく、吸収域内で中心周波数（ν0)から外れた光周波数に設定する場合も含んでいる。
【００３０】
光源駆動部の第２の形態は、レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の特定の光周波数に固定しないものである。この場合、レーザ照射部が測定対象成分による吸収を受けない光周波数のレーザ光まで発振するようにレーザ照射部に印加するレーザ駆動電流を変化させるレーザ波長走査用電流生成部を備える。そして、第２信号処理部は、レーザ波長走査用電流生成部によってレーザ照射部が測定対象成分による吸収を受けない光周波数のレーザ光を発振したときのその吸収を受けない光周波数における透過光強度も測定し、その結果から近似的に測定対象成分による光吸収がない場合に相当する特定の光周波数での参照光強度信号Ｉ0(ν)を算出する部分を備える。この場合は、レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数（ν0)に厳密に設定する必要がないので、光源駆動部の性能に対する要請が緩和される。さらに、第２信号処理部において参照光強度信号Ｉ0(ν)も求めることができるので、参照光強度信号Ｉ0(ν)を予め測定する必要もなくなる。
【００３１】
レーザ波長走査用電流生成部の好ましい一例は、第１の周波数ｆａよりも低い第２の周波数ｆｂ周期の鋸波を発生させるものである。
【００３２】
レーザ照射部から照射されるレーザ光の光周波数を固定する第１の形態の光源駆動部を備えた場合においても、参照光強度信号Ｉ0(ν)も同時に検出することができるようにするための形態として、試料セルとレーザ照射部との間にビームスプリッタを配置し、そのビームスプリッタによりレーザ照射部から出射されたレーザ光を、試料セル内に入射するレーザ光と試料セルに入射しないレーザ光に分岐させる。そして、ビームスプリッタにより分岐されて試料セルに入射しない側のレーザ光を受光する参照用受光部をさらに備える。その場合、第２信号処理部は、参照用受光部による検出信号を周波数フィルタによって第１の周波数ｆａ成分以上を遮断し、その処理後に現れた特定の光周波数での光強度を検出して、それを測定対象成分による光吸収がない場合に相当する特定の光周波数での参照光強度信号Ｉ0(ν)とする部分を備えている。
【発明の効果】
【００３３】
高調波同期検出法は高感度である反面、分子数密度が高い場合に直線性の不一致が生じる。一方、直接吸収スペクトル法は、感度は相対的に低いものの、高い分子数密度であっても測定可能である。本発明に係るガス分析装置はこれらの２つの測定手段を同じレーザ制御系を用いて一回の受光信号から並列的に測定するので、両検出法の欠点を補い、測定分子数密度範囲を拡大し、かつ測定の連続性を保つことを可能にしている。
【００３４】
なお，本発明において測定対象である特定ガスの種類は特に問わないが、分子数密度変化が大きいものに有効であることから、例えば測定対象ガス中の水分の分子数密度測定などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施例を示す概略構成図である。
【図２Ａ】第１実施例における信号処理系統の構成の一例を示すブロック図である。
【図２Ｂ】第１実施例における演算部を示すブロック図である。
【図２Ｃ】図２Ａ中の信号を示す波形図である。
【図３】第１実施例における信号処理動作及び演算処理動作を示すフローチャートである。
【図４Ａ】第２実施例を示すブロック図である。
【図４Ｂ】第２実施例における演算部を示すブロック図である。
【図４Ｃ】〜
【図４Ｆ】図４Ａ中の信号を示す波形図である。
【図５】第２実施例における第１信号処理部により抽出される光検出信号の一例を示すグラフである。
【図６】第２実施例における第２信号処理部により抽出される光検出信号の一例を示すグラフである。
【図７】第２実施例における信号処理動作及び演算処理動作を示すフローチャートである。
【図８Ａ】第３実施例を示すブロック図である。
【図８Ｂ】第３実施例における演算部を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
[実施例１]
本発明の第１実施例を図１及び図２Ａ、２Ｂを用いて説明する。この実施例のガス分析装置は、測定対象成分中の水分の分子数密度を測定する水分測定装置である。
【００３７】
この実施例のガス分析装置は、図１に示されるように、試料ガスを上から下向きに流通させるガス流路上に略水平方向に配置された試料セル２を備えている。試料セル２の左右の開口端に互いに対向する２枚の反射鏡１０ａ，１０ｂが設けられている。一方の反射鏡１０ａの一部には光のみが通過可能なように例えば石英ガラスからなる透明窓１０ｃが設けられ、その透明窓１０ｃを挟んで試料セル２の外側に、略密閉構造で略大気圧雰囲気である光学チャンバ４が設置されている。光学チャンバ４内にはレーザ照射部としての波長可変レーザ装置６が収納され、さらに受光部８も収納されている。光学チャンバ４内では妨害成分である水分が除湿剤やパ−ジガスなどにより除去され、その分子数密度が無視できる程度に小さくされ、その状態が維持できるように密閉され、外気が侵入しないように光学チャンバ４内が外気と同じ大気圧状態になっている。「略密閉構造で略大気圧雰囲気」とは、光学チャンバ６内の水分除去状態が維持できる状態を指している。
【００３８】
なお、図１の例では、試料セル２へのレーザ光の入射用と出射用とで透明窓１０ｃが兼用されているが、入射用と出射用とで別々に透明窓を設ける構成としてもよい。
【００３９】
波長可変レーザ装置６は例えばＤＦＢ型レ−ザであり、近赤外領域から中赤外領域にわたる光周波数のレーザ光を発生させることができる。波長可変レーザ装置６としてはＤＦＢ型レーザ以外のものも使用することができる。波長可変レーザ装置６は光源駆動部１２からの駆動電流により駆動される。光源駆動部１２は、波長可変レーザ装置６から測定対象成分の吸収線の中心周波数ν0と同じ周波数のレーザ光を発生させるように波長可変レーザ装置６に駆動電流を与えるものである。光源駆動部１２は制御部１４により制御される。光源駆動部１２から波長可変レーザ装置６に与えられる駆動電流は変調部１６によって変調周波数ｆａで変調される。変調部１６については後述する。
【００４０】
波長可変レーザ装置６からのレーザ光は試料セル２内に照射され、反射鏡１０ａ，１０ｂで複数回反射を繰り返した後、反射鏡１０ａの透明窓１０ｃから再び光学チャンバ４に戻り、受光部８に入射するように構成されている。レーザ光は、ガス流路を通過する際に測定対象成分中の各種成分による吸収を受ける。受光部８は受光素子としてフォトダイオードを備え、フォトダイオードに入射した各周波数の光量を電気信号として出力する。受光部８から出力された信号は第１信号処理部１８と第２信号処理部２０で所定の処理が施され、演算部２２に取り込まれる。
【００４１】
第１信号処理部１８では、受光部８からの検出信号が変調部１６から与えられる周波数２ｆａのクロック信号を参照信号として同期検波され、周波数２ｆａの信号が抽出される。もちろん、周波数２ｆａとはｆａの２倍の周波数を意味する。第１信号処理部１８で抽出された信号の強度がSignal(ν0)である。他方、第２信号処理部２０では周波数がｆａ未満の信号が抽出される。第２信号処理部２０で抽出された信号の強度がＩ(ν0)である。第１信号処理部１８で抽出される信号強度Signal(ν0)は高調波同期検出法による測定を行なうための信号であり、第２信号処理部２０で抽出される信号Ｉ(ν0)は直接吸収スペクトル法による測定を行なうための信号である。
【００４２】
演算部２２は、第１信号処理部１８により抽出された信号に基づいて高調波同期検出法を用いた測定対象成分の分子数密度の演算を行なう第１演算手段２３−１と、第２信号処理部２０により抽出された信号に基づいて直接吸収スペクトル法を用いた測定対象成分の分子数密度の演算を行なう第２演算手段２３−２と、測定対象成分による光の吸収がない場合の信号強度（参照光強度信号）Ｉ0（ν0）を保持するメモリからなる参照光強度信号Ｉ0（ν0）保持部２３−３と、測定対象成分の分子数密度に応じていずれの演算手段２３−１又は２３−２の出力を採用するかを決定する切替え手段２５を備えて測定対象成分の分子数密度の演算を行なう。
【００４３】
同実施例の信号処理系統の一例の詳細を図２Ａ、２Ｂ、２Ｃを用いてさらに説明する。この例では、図１における光源駆動部１２は、発振するレーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数ν0に合わせるためのオフセット直流電圧発生部２４、加算器２６及び電圧／電流変換器２８で構成される。オフセット直流電圧発生部２４は測定対象成分の吸収線の中心周波数のレーザ光が波長可変レーザ装置６から発せられるような電圧信号２４Ｓを発生するものであり、加算器２６を介して電圧／電流変換器２８に接続されている。加算器２６はオフセット直流電圧発生部２４からの電圧信号２４Ｓに変調部１６からの周波数ｆａの変調波を加算するものであり、加算器２６を経て周波数ｆａで変調された電圧信号２４Ｓが電圧／電流変換器２８で駆動電流に変換されて波長可変レーザ装置６に供給される。
【００４４】
変調部１６は、周波数２ｆａのクロック信号を生成する２ｆａクロック生成部３０、変調振幅制御用直流電圧を発生させる直流電圧発生部３２、周波数２ｆａのクロック信号を周波数ｆａのクロックに変換する分周器３４、乗算器３６及び周波数ｆａ付近の信号を抽出するための周波数ｆａ±数百Ｈｚの透過域をもつバンドパスフィルタ（ＢＰＦ１）３８で構成されている。変調振幅制御用直流電圧は任意の電圧でよいが、あまり大きすぎると後述の第２信号処理部２０で検出する信号強度Ｉ(ν0)の中に他の光周波数の成分の影響が強く現れてしまい、正確な測定が出来なくなる。変調部１６では、２ｆａクロック生成部３０で生成された周波数２ｆａのクロック信号が分周器３４で周波数ｆａのクロック信号に変換され、そのクロック信号は乗算器３６にて変調振幅制御用直流電圧と掛け合わされた後、バンドパスフィルタ３８で正弦波に変換される。バンドパスフィルタ３８は移相器３９を介して加算器２６に接続されており、バンドパスフィルタ３８からの信号電圧は移相器３９で位相調整された後でオフセット直流電圧発生部２４からの電圧に加算される。
【００４５】
この実施例では、移相器３９を変調部１６の直後に配置したが、例えば第１信号処理部１８の前などで位相調整を行なうなど、同期検波することが可能であれば移相器３９をどこに配置してもよい。
【００４６】
受光部８は、フォトダイオード（ＰＤ）４０と電流／電圧変換器４２で構成されている。フォトダイオード４０は試料セル２内で複数回反射して再び光学チャンバ４内へ戻されたレーザ光を受光し、入射強度を電気信号として出力する。電流／電圧変換器４２はフォトダイオード４０からの信号電流を電圧に変換し、第１信号処理部１８及び第２信号処理部２０へ出力する。
【００４７】
第１信号処理部１８は乗算器からなる同期検波部４４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４６及びＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ１）４８で構成されている。図２Ｃに信号波形が示されているように、受光部８からの検出信号４２Ｓは周波数ｆａの信号のほかに周波数２ｆａその他の高調波成分も含んでいる。同期検波部４４では変調部１６の２ｆａクロック生成部３０からの周波数２ｆａのクロック信号が乗算されて、周波数２ｆａ成分の波形の半分が反転し、周波数２ｆａ以外の周波数成分が除去されて信号４４Ｓとなる。この信号４４Ｓがローパスフィルタ４６を通ることにより、周波数２ｆａの高調波成分のピーク信号強度Signal(ν0)４６が抽出される。Ａ／Ｄコンバータ４８で信号強度Signal(ν0)がデジタル信号に変換された後、演算部２２に取り込まれる。
【００４８】
第２信号処理部２０はローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０及びＡ／Ｄコンバータ５２で構成されている。ローパスフィルタ５０には受光部８からの信号４２Ｓが取り込まれ、吸収ピークの変動成分のみが信号５０Ｓとして通過する。その信号５０Ｓが信号強度Ｉ（ν0）である。ローパスフィルタ５０としては、例えば応答速度が１秒であれば０．１秒程度の時定数をもつものが適当である。その信号強度Ｉ（ν0）はＡ／Ｄコンバータ５２でデジタル信号に変換された後、演算部２２に取り込まれる。
【００４９】
既述のように、演算部２２は、第１信号処理部１８からの信号強度Signal(ν0)に基づき既述の（１１）式を用いて高調波同期検出法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出する第１演算手段２３−１と、第２信号処理部２０からの信号強度Ｉ（ν0）に基づき既述の（７）式を用いて直接吸収スペクトル法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出する第２演算手段２３−１を備えている。測定対象成分による光の吸収がない場合の参照光強度信号Ｉ0（ν0）は、この実施例では予め測定して演算部２２の参照光強度信号Ｉ0（ν0）保持部２３−３に保持しておく。
【００５０】
このガス分析装置の信号処理と演算処理の一例について、以下に図３のフローチャートを用いて説明する。試料セル２内を通過した光を受光した受光部８からの信号が第１信号処理部１８及び第２信号処理部２０に入力されて所定の処理が施される（ステップＳ１）。第１信号処理部１８では高調波同期検出法のための周波数２×ｆａの信号強度Signal(ν0)が抽出され、第２信号処理部２０では直接吸収スペクトル法のための周波数ｆａ未満の信号強度Ｉ(ν0)が抽出される。これらの信号処理部１８，２０で抽出された信号強度は演算部２２に取り込まれる（ステップＳ２）。
【００５１】
演算部２２では、切替え手段２５が参照光強度信号Ｉ0（ν0）保持部２３−３から参照光強度信号Ｉ0（ν0）を取り込み、第１信号処理部１８から取り込んだ信号強度Signal(ν0)と第２信号処理部２０から取り込んだＩ(ν0)を用いて、ｌn(Ｉ0(ν0)／Ｉ(ν0))又は(Ｉ0(ν0)−Ｉ(ν0))／Ｉ0(ν0)を計算する（ステップＳ３）。切替え手段２５は、その計算結果から第１演算手段２３−１により（１０）式を用いて高調波同期検出法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出した結果を出力するか、第２演算手段２３−２により（７）式を用いて直接吸収スペクトル法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出した結果を出力するかを決定する（ステップＳ４）。
【００５２】
切替え手段２５による判定の一例として、ｌn(Ｉ0(ν0)／Ｉ(ν0))又は(Ｉ0(ν0)−Ｉ(ν0))／Ｉ0(ν0)が予め設定した閾値未満のときは、測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法で測定できる低い分子数密度であるとして、第１演算手段２３−１により（１１）式を用いて高調波同期検出法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出した結果を出力する（ステップＳ５）。逆に、ｌn(Ｉ0(ν0)／Ｉ(ν0))又は(Ｉ0(ν0)−Ｉ(ν0))／Ｉ0(ν0)が予め設定した閾値以上のときは高調波同期検出法を適用することができる分子数密度よりも高い分子数密度であるとして、第２演算手段２３−２により直接吸収スペクトル法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出した結果を出力する（ステップＳ６）。
【００５３】
なお、高調波同期検出法を用いるか直接吸収スペクトル法を用いるかについての判定方法は、上記の判定方法のほかに、（Ｉ0（ν0）−Ｉ（ν0））を予め設定した閾値と比較し，閾値未満である場合は高調波同期検出法を用い、閾値以上である場合は直接吸収スペクトル法を用いるというような判定方法であってもよい。
【００５４】
この実施例では第１演算手段２３−１と第２演算手段２３−２はともに演算を実行しており、切替え手段２５により選択された方の演算結果を出力するようにしているが、切替え手段２５により選択された方の演算手段のみが分子数密度を算出する演算処理を実行して出力をし、選択されなかった演算手段は演算処理を実行しないようにしてもよい。その場合には演算部２２の負荷が少なくてすむ利点がある。
【００５５】
[実施例２]
次に、第２実施例について図４Ａ〜４Ｆを用いて説明する。この実施例のガス分析装置の装置全体の構成は図１と同様であるが、この実施例ではレーザ光の光周波数が走査されることから、信号処理系統は一部異なる。以下に第１実施例との相違部分を中心に説明する。
【００５６】
この実施例は、周波数ｆａよりも低い周波数ｆｂで、例えば鋸波などで波長可変レーザ装置６の駆動電流を変化させることによりレ−ザ光の発振周波数を走査するものである。レーザ光の発振周波数を走査するため、実施例１のように測定対象成分の吸収線の中心周波数にレ−ザ光の発振周波数を高精度に合わせる必要がなく、また何度も連続して走査することが可能であるため信号の平均値を取ることでＳ／Ｎ比を向上することも可能になる。また、レーザ光の光周波数を走査するため、レーザ光の光周波数が測定対象成分の吸収を受けない周波数であるときの受光部８の信号強度を測定できるので、それらの信号強度に基づいてレーザ光の周波数が測定対象成分の吸収線の中心周波数であるときの信号強度を測定対象成分がない状態での参照光強度信号Ｉ0（ν0）の予測値として算出することができ、実施例１のように参照光強度信号Ｉ0（ν0）を予め測定しておく必要がない。
【００５７】
この実施例では、光源駆動部１２には、オフセット直流電圧発生部２４の他にレーザ波長走査用電流を生成するための周波数ｆｂ周期の鋸波の走査用電圧を発生するレーザ波長走査用電圧生成部２５がさらに設けられ、加算器２７でオフセット直流電圧発生部２４からの電圧信号に鋸波の走査用電圧が加えられるように構成されている。オフセット直流電圧発生部２４から発生する信号２４Ｓ、レーザ波長走査用電圧生成部２５から発生する信号２５Ｓ及びそれらの信号が加算されて形成される信号２７Ｓは図４ｃに示された波形の信号である。
【００５８】
第２信号処理部２０ａには、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０とＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ２）５２に加えて、周波数ｆｂ付近の信号を抽出するための透過域をもつバンドパスフィルタ（ＢＰＦ３）５４とＡ／Ｄコンバータ５６（ＡＤＣ３）が追加されている。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０とＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ２）５２は第１実施例と同じく、直流成分信号である吸収ピークの信号強度Ｉ（ν0）を抽出するものである。バンドパスフィルタ（ＢＰＦ３）５４は周波数ｆｂ周期で現れる吸収スペクトルを測定するのに適したものであり、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ３）５４で抽出された信号がＡ／Ｄコンバータ５６によってデジタル信号に変換されて演算部２２ａに取り込まれる。
【００５９】
第１信号処理部１８ａでは、ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）４６ａは第１実施例のローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４６とは異なり、周波数ｆｂ付近の信号を抽出する必要があることから、数ｋＨｚ程度のカットオフ周波数をもつものとなる。
【００６０】
演算部２２ａにおける第１演算手段２３−１ａは第１信号処理部１８ａからの走査された信号に基づいて信号強度Signal(ν0)を抽出し、さらにその抽出した信号強度Signal(ν0)と第２演算手段２３−２ａが抽出したＩ0（ν0）に基づき既述の（１１）式を用いて高調波同期検出法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出する。第２演算手段２３−２ａは第２信号処理部２０ａからの走査された２つの信号から信号強度Ｉ（ν0）とＩ0（ν0）を抽出し、抽出した信号強度Ｉ（ν0）とＩ0（ν0）に基づき既述の（７）式を用いて直接吸収スペクトル法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出する。第１演算手段２３−１ａと第２演算手段２３−２ａは常に演算を行なっており、切替え手段２５は第２演算手段２３−１ａからの信号強度Ｉ（ν0）とＩ0（ν0）に基づいて演算手段２３−１ａ又は２３−２ａのいずれの演算結果の算出分子数密度ｃを出力するかを決定する。
【００６１】
この実施例の動作について説明する。
加算器２６では加算器２７からの周波数ｆｂの鋸波信号２７Ｓに変調周波数ｆａの信号３９Ｓが加算されて、図４Ｄに示されるような駆動信号２６Ｓとなって電圧／電流変換器２８に印加される。この駆動信号によりレーザ発振が制御されることにより、発生するレーザ光は周波数ｆｂの鋸波で波長が発振周波数ν0を中心として走査され、周波数ｆａで変調されたものとなる。走査周波数ｆｂは変調周波数ｆａよりもかなり低く、数Ｈｚ〜数百Ｈｚが好ましい。変調周波数ｆａは一般的に数ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度である。このように、周波数ｆａで変調させた正弦波を加えたレ−ザ光が試料ガスに照射される。ここで、周波数ｆａの正弦波の振幅の大きさは周波数ｆｂの鋸波の振幅よりも充分に小さい方が望ましい。これは実施例１と同様に、あまり大きすぎると第２信号処理部２０aで検出する信号強度Ｉ(ν0)中に他の光周波数の成分影響が強く現れてしまい、正確な測定が出来な
【００６２】
試料セルで測定対象成分に吸収されたレ−ザ光は受光部８のフォトダイオード４０で検出され、第１信号処理部１８ａと第２信号処理部２０ａにおいて信号処理される。
【００６３】
第２信号処理部２０ａでローパスフィルタ５０及びバンドパスフィルタ５４で抽出された信号は、それぞれ図４Ｄに信号５０Ｓ，５４Ｓとして示された信号になる。信号５０Ｓは信号強度Ｉ(ν0)に相当し、これは第１実施例の場合と同じである。信号５４Ｓは周波数ｆｂで繰り返し現れる信号である。これらの信号はそれぞれのＡ／Ｄコンバ−タ５２，５６でデジタル変換され、演算部２２ａに取り込まれて加算された後は図４Ｄに信号（５０Ｓ＋５４Ｓ）として示された信号になる。
【００６４】
第１信号処理部１８ａでは、受光部８からの検出信号４２Ｓに同期検波部４４で変調部１６の２ｆａクロック生成部３０からの周波数２ｆａのクロック信号が乗算されて、周波数２ｆａ成分の波形の半分が反転し、周波数２ｆａ以外の周波数成分が除去されて信号４４Ｓとなる。この信号４４Ｓがローパスフィルタ４６ａを通ることにより、周波数２ｆａの高調波成分のピーク信号強度Signal(ν0)を含む信号４６ａＳが抽出される。それらの信号４２ｓ，４４ｓ，４６ａｓは図４Ｅに示されるような波形をもつ。第１実施例と同様に周波数２ｆａで同期検波されるが、本実施例ではレーザ光の波数νが走査されているので、ローパスフィルタ４６ａを通過した信号は、周波数ｆｂ周期の波形となって現れる。その信号４６ａＳはＡ／Ｄコンバータ４８でデジタル信号に変換された後、演算部２２ａに取り込まれる。
【００６５】
図５は第１信号処理部１８ａにより抽出される信号の波形の一例であり、図６は第２信号処理部２０ａにより抽出される信号の波形の一例である。図５及び図６において、横軸はレーザ光の光周波数νと測定対象成分の吸収線の中心周波数ν0との差（ν−ν0）を波数として表したもの、縦軸は検出信号強度である。レーザ波長を走査するための信号２６ｓとの関係を示すと、図４Ｆに示されるように、これらの信号は鋸波の周波数ｆｂの周期で繰り返し得られる。このように、図５及び図６に示されるような波形の信号を周波数ｆｂの周期で繰り返し得ることができるので、平均化処理によりＳ／Ｎ比を高めることができる。
【００６６】
演算部２２ａにおける第１演算手段２３−１ａは、図５に示されているように、信号処理部１により抽出される信号の波形における下側のピークから上側のピークまでの高さとして信号強度Signal(ν0)を抽出する。
【００６７】
一方、演算部２２ａにおける第２演算手段２３−２ａは、図６において測定対象成分の吸収線の中心周波数における信号強度としてＩ(ν0)を抽出し、この波形の周囲の信号強度に基づいて近似線を作成することにより参照光強度信号Ｉ0(ν0)を抽出する。したがって、レーザ光の周波数を走査して行う１回の測定によりＩ0(ν0)、Ｉ(ν0)及びSignal(ν0)のすべてを得ることができる。Ｉ0(ν0)、Ｉ(ν0)及びSignal(ν0)に基づく測定対象成分の分子数密度ｃの演算処理については第１実施例と同様である。
【００６８】
切替え手段２５は第２演算手段２３−２ａから信号Ｉ0(ν0)とＩ(ν0)を取り込み、第１実施例と同様の判定によりいずれの演算手段２３−１ａ又は２３−２ａでの分子数密度演算結果を出力するを決定する。この場合、第１演算手段２３−１ａによる信号強度Signal(ν0)から分子数密度ｃの演算と、第２演算手段２３−２ａによる信号Ｉ0(ν0)とＩ(ν0)から分子数密度ｃの演算は常に実行されており、切替え手段２５から選択されると分子数密度演算結果を出力する。
【００６９】
この実施例の場合でも、第２信号処理部２０ａを１つのローパスフィルタ５０と１つのＡ／Ｄコンバータ５２とで構成してもよい。ただし、その場合は、ローパスフィルタ５０はレーザ波長走査用の周波数ｆｂをもつ信号を通過させる必要があることから、数ｋＨｚ程度のカットオフ周波数をもつローパスフィルタとする必要がある。
【００７０】
この実施例のガス分析装置の信号処理と演算処理の一例について、以下に図７のフローチャートを用いて説明する。試料セル２内を通過した光を受光した受光部８からの信号が第１信号処理部１８ａ及び第２信号処理部２０ｂに入力されて所定の処理が施され、図５、図６に示される波形を示すデータが演算部２２ａに入力される（ステップＳ１１）。第１演算手段２３−１ａでは信号強度Signal(ν0)が抽出され、第２演算手段２３−２ａでは信号Ｉ(ν0)とＩ0（ν0）が抽出される（ステップＳ１２）。
【００７１】
演算部２２ａでは、切替え手段２５が第２演算手段２３−２ａからの信号Ｉ(ν0)とＩ0（ν0）を用いて、ｌn(Ｉ0(ν0)／Ｉ(ν0))又は(Ｉ0(ν0)−Ｉ(ν0))／Ｉ0(ν0)を計算し、その計算結果に基づいて第１実施例と同様にいずれの演算手段２３−１ａ又は２３−２ａでの分子数密度演算結果を出力するかを決定する（ステップＳ１３）。切替え手段２５が第１演算手段２３−１ａを指定したときは第１演算手段２３−１ａが（１１）式を用いて高調波同期検出法により計算した測定対象成分の分子数密度ｃを出力し（ステップＳ１４）、切替え手段２５が第２演算手段２３−２ａを指定したときは第２演算手段２３−２ａが（１）式を用いて直接吸収スペクトル法により計算した測定対象成分の分子数密度ｃを出力する（ステップＳ１５）。
【００７２】
[実施例３]
次に、ガス分析装置の第３実施例を図８Ａ、８Ｂを用いて説明する。この実施例では、波長可変レーザ装置６から発せられるレ−ザ光の一部をビームスプリッタ７で試料セル２へ照射されるレーザ光から分岐させ、試料セル２を通過させることなく受光部８ｂ側へ導くように構成する。受光部８ｂは、試料セル２内を通過させたレーザ光を検出するためのフォトダイオード４０ａとフォトダイオード４０ａの電流信号を電圧信号に変換する電流／電圧変換器４２ａに加え、試料セル２内を通過させないレーザ光を検出するためのフォトダイオード４０ｂと電流／電圧変換器４２ｂを備え、試料セル２内を通過させたレーザ光と通過させないレーザ光とを同時に別個の検出器で検出する。フォトダイオード４０ｂでは試料セル２内を通過させないレーザ光を検出するため、この検出信号を測定対象成分による吸収がない場合の検出信号、すなわち参照光強度信号として使用する。
【００７３】
第２信号処理部２０ｂは、フォトダイオード４０ａからの信号を処理するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ１）５０及びＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ２）５２に加え、フォトダイオード４０ｂからの信号を処理するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ２）６０及びＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ３）６２を備えている。電流／電圧変換器４２ａはローパスフィルタ（ＬＰＦ１）５０に増幅器５８ａを介して接続され、電流／電圧変換器４２ｂはローパスフィルタ（ＬＰＦ２）６０に増幅器５８ｂを介して接続されている。増幅器５８ａと５８ｂは、反射鏡１０ａ，１０ｂでレ−ザ光が反射する際の減衰などの影響をなくしてフォトダイオード４０ａと４０ｂからの信号を等価な信号として比較できるように調整するためのものである。
【００７４】
その他の構成については図２Ａ、２Ｂに示した第１実施例の構成と同様であるが、参照光強度信号Ｉ0(ν0)がフォトダイオード４０ｂからの信号として得られるので、演算部２２ｂには参照光強度信号Ｉ0(ν0)を保持しておくＩ0(ν0)保持部を設ける必要はない。この構成により、第１信号処理部１８でSignal(ν0)を、第２信号処理部２０ｂでＩ(ν0)及びＩ0(ν0)を抽出し、演算部２２ｂにおいて第１実施例と同様に高調波同期検出法による測定対象成分の分子数密度ｃの算出及び直接吸収スペクトル法による測定対象成分の分子数密度ｃの算出を行い、切替え手段２５により切り替えて出力する。
【００７５】
上記の実施例は本発明に係るガス分析装置を測定対象成分中の水分の分子数密度の測定に適用したものであるが、本発明は水分以外の任意のガス分子数密度の測定に適用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
２ 試料セル
４ 光学チャンバ
６ 波長可変レーザ装置
８，８ｂ 受光部
１０ａ，１０ｂ 反射鏡
１２ 光源駆動部
１４ 制御部
１６ 変調部
１８ 第１信号処理部
２０，２０ａ，２０ｂ 第２信号処理部
２２，２２ａ，２２ｂ 演算部
２３−１，２３−１ａ 第１演算手段
２３−２，２３−２ａ 第２演算手段
２４ オフセット直流電圧発生部
２５ 切替え手段
２６ 加算器
２８ 電圧電流変換器
３０ クロック生成部
３２ 直流電圧発生器
３４ 分周器
３６ 乗算器
３８，４６ バンドパスフィルタ
３９ 移相器
４０，４０ａ，４０ｂ フォトダイオード
４２，４２ａ，４２ｂ 電流／電圧変換器
４４ 同期検波部
４８，５２ Ａ／Ｄコンバータ
５０ ローパスフィルタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レ−ザ光に対する吸収を利用して試料ガス中の測定対象成分の分子数密度を測定するガス分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、気体中の特定ガスの分子数密度を測定する方法として、レ−ザ光に対する吸収を利用したレ−ザ吸収分光法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。この方法は、試料ガスが導入された試料セルに所定周波数のレ−ザ光を照射して透過したレ−ザ光を解析し、試料ガス中の測定対象成分の吸収の程度からその測定対象成分分子数密度を導出するものである。この装置は、試料ガスにセンサである受光部が接触しない非接触型であるため、試料の場を乱すことなく測定することができるという利点や、応答時間がきわめて短いという利点がある。試料ガス中の測定対象成分に対する測定周波数を選択するためにレ−ザ光の光源としては、波長可変レ−ザ装置が使用される。
【０００３】
ここで、レ−ザ光を用いた赤外吸収分光法の一般的な理論について説明する。なお、ここでは窒素ガス中の微量の水蒸気分子数密度を測定する場合を例に挙げる。
【０００４】
検出されるレ−ザ光受光強度と水蒸気分子数密度の関係は次のランバート−ベール（Lambert−Beer）の法則から式(１)で示される。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である。また、ｃは水分子の分子数密度、lは測定対象成分を通過する光路の長さ、Ｓは所定の周波数νでの吸収線強度、Ｋ(ν)は吸収特性関数である。
【０００５】
試料ガスが大気圧である場合、吸収特性関数Ｋ(ν)はロ−レンツプロファイルにより式（２）で表わされる。γLは吸収スペクトルの半値幅であり、試料ガスの種類、温度及び圧力により決まる。ν0は吸収スペクトルの中心周波数である。
【０００６】
上記式(１)及び式(２)から次の式(３)が成り立つ。
【０００７】
発振周波数幅が吸収スペクトルの線幅よりも極めて狭い波長可変レ−ザ装置、例えばＤＦＢ（Distributed Feedback）型半導体レーザを用いれば、分光器を別途用いることなく、それぞれの周波数νにおける測定をすることが可能である。
【０００８】
中心周波数ν0での吸収強度Ｉ（ν0）は、式（３）においてν＝ν0として(４)式で表わすことができる。
【０００９】
一方、きわめて低い全圧領域（測定対象成分の全圧が１[Ｔｏｒｒ]よりも低圧の高真空領域）の下での水分子による赤外吸収においては、吸収スペクトル幅は上述したロ−レンツプロファイルの拡がりに比べて数分の１から数十分の１程度に狭くなる。この全圧領域において、吸収特性幅は主にドップラ効果により決まる。この場合の吸収特性関数Ｋ（ν）は下記（５）式（ガウス関数）で表わされる。（５）式において、γEDはドップラ幅と呼ばれるものであり、吸収スペクトルの中心周波数、分子量及び温度に依存するものである。
【００１０】
この場合は、(１)式と(５)式から下記(６)式が成り立ち、（６）式においてν＝ν0とすることにより、中心周波数ν0での吸収強度Ｉ（ν0）は下記(７)式で表わすことができる。
【００１１】
レ−ザ光を用いた一般的な赤外吸収分光法では、上記の(４)式又は(７)式から吸収線中心における吸光強度Ｉ0(ν0）やＩ(ν0）を測定し、試料ガス中における測定対象成分量を算出する。
【００１２】
また、レ−ザ光を用いたガス分析方法としては、吸収スペクトル波形の２次高調波成分等を検出する高調波検出（Harmonic Detection）による吸光分光法（以下、高調波同期検出法という）という検出方法がある（例えば、特許文献２、非特許文献１参照）。高調波同期検出法は赤外吸収分光法の中でも特に高感度の検出手法として知られており、測定対象成分の光吸収量が微小な場合に有効な検出方法である。
【００１３】
高調波同期検出法について非特許文献１に基づいて説明する。高調波検出を行なう必要がある場合のように、測定対象成分の光吸収量が微小な場合、Lambert−Beerの法則である(１)式は次の(８)式で近似することができる。
【００１４】
高調波検出を行なうためには、測定対象成分へ照射する光の周波数を変調させる必要がある。周波数変調のための正弦波信号の変調振幅をａ、周波数をωとすると、時間ｔにおける光の周波数は次の(９)式で規定される。
【００１５】
２次高調波検出（Second Harmonic Detection）では、受光部からの検出信号のうち２倍の周波数２ωに対応した信号成分を同期検波により抽出する。周波数νにおける２次高調波検出信号強度Signal(ν)は光吸収量が微小な場合、次の（１０）式のような関係となる。したがって，（８）式から，次の(１１)式の関係が得られる。（１１）式においてconstは比例定数であり、検出器及び同期検出回路の感度によって変化する。この比例定数constの決定方法は、上述の(１)式に基づく測定で分子数密度が算出されたガスなど、あらかじめ既知の分子数密度のガスを測定することで決定する。
Signal(ν)∝（Ｉ0(ν)−Ｉ（ν）） （１０）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平５−０９９８４５号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４７６７号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】ウエブスター（C.R.Webster），「インフラレッド・レーザ・アブソープション：セオリー・アンド・アプリケーションズ・イン・レーザ・リモート・ケミカル・アナリシス（Infrared Laser Absorption : Theory and Applications in Laser Remote Chemical Analysis）」，ウィレイ（Wiley），New York（ニュー・ヨーク），1988
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
高調波同期検出法は高感度である反面、上記（８）式の近似が成り立つ条件でしか正確な測定ができない。したがって、測定対象成分が低い分子数密度のときは正確な検出結果が得られるものの、測定対象成分が高い分子数密度になると正確な結果を得られなくなる。
【００１９】
レーザ吸収分光法でも，Ｉ0(ν0)とＩ(ν0)とを直接測定し（４）式や（７）式から測定対象成分の分子数密度を得る方法（以下、直接吸収スペクトル法）は、例えば大気環境中の水分分子数密度のような比較的高い分子数密度の水分を含む試料の測定に使用されるのに対し、高調波同期検出法は半導体製造ラインで使用される特殊ガス中の極微量の水分分子数密度測定というような分野で使用されている。また、両測定法は検出回路の構成も異なることから、それぞれが別々の測定装置として構成されており、両測定方法に兼用できる測定装置は存在しない。
【００２０】
したがって、直接吸収スペクトル法を用いた装置で測定しているときに測定対象成分の分子数密度が急に低下した場合や、逆に高調波同期検出法の測定装置での測定中に測定対象成分の分子数密度が急に高くなったような場合には、いずれも正確な測定結果を得ることができない。
【００２１】
そこで本発明は、試料ガス中における測定対象成分の分子数密度を、広いダイナミックレンジで測定することができるようにするとともに、分子数密度が急に変化した場合でも測定方式の切替えのために測定を中断することなく、連続して測定することのできるガス分析装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明にかかるガス分析装置は、試料ガスを流通させる試料セルと、前記試料セルに対して試料ガス中の測定対象成分が吸収をもつ特定の光周波数のレーザ光を照射するレーザ照射部と、前記レーザ光を照射するための駆動電流を前記レーザ照射部に印加する光源駆動部と、前記光源駆動部から前記レーザ照射部に印加する前記駆動電流を第１の周波数ｆａの変調周波数で変調する変調部と、前記試料セル内部を通過した前記レーザ光を受光する受光部と、前記受光部の光検出信号を前記変調周波数の整数倍の周波数で同期検波して高調波同期検出法により高調波信号強度Signal(ν)を検出する第１信号処理部と、前記受光部の光検出信号を前記第１信号処理部を経ずに取り込み、周波数フィルタによって前記第１の周波数ｆａ以上の周波数成分を遮断し、前記特定の光周波数での光強度信号Ｉ(ν)を検出する第２信号処理部と、前記第１信号処理部で検出された高調波信号強度Signal(ν)及び前記第２信号処理部で検出された光強度信号Ｉ(ν)を取り込み、試料ガス中の前記測定対象成分の分子数密度ｃを算出する演算部とを備えている。
【００２３】
そして、前記演算部は、前記レーザ光が前記特定の光周波数において前記測定対象成分による吸収を受けなかったときの参照光強度信号をＩ0(ν)として、前記高調波信号強度Signal(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)とから試料ガス中における測定対象成分分子数密度ｃを算出する第１演算手段と、前記光強度信号Ｉ(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)とから直接吸収スペクトル測定法により試料ガス中における測定対象成分分子数密度ｃを算出する第２演算手段を備えている。
【００２４】
本発明では、演算部は第１信号処理部で抽出された信号と第２信号処理部で抽出された信号を常に取り込み、測定対象成分の分子数密度、具体的には測定対象成分の吸収線の特定の光周波数、好ましくは中心周波数、における信号強度に応じて、高調波同期検出法（第１演算手段）により求められた測定対象成分の分子数密度又は直接吸収スペクトル法（第２演算手段）により求められた測定対象成分の分子数密度のいずれか一方を選択する。既述のように、高調波同期検出法は高感度である反面、分子数密度が高い場合に直線性の不一致が生じる。一方、直接吸収スペクトル法は、感度は高調波同期検出法に比べて低いものの高い分子数密度であっても測定可能である。本発明に係るガス分析装置は、上記２つの測定方法を同じレ−ザ制御系を用い、一回の受光信号から高調波同期検出法に用いるための信号と直接吸収スペクトル法に用いるための信号を並列的に抽出し、それらの信号に基づいて測定対象成分の分子数密度に対して適当な測定手段による測定対象成分の分子数密度を採用する。これにより、両検出法の欠点を補い、広い分子数密度範囲で測定できるとともに連続的な測定が可能になる。
【００２５】
演算部は、両演算手段で得られた測定結果を同時に出力してもよく、切替え手段を備えて試料中の測定対象成分の分子数密度に応じて精度の高い方を自動的に選択して出力するようにしてもよい。そのような切替え手段は、光強度信号Ｉ(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)とから試料中の測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法による測定に適した低い分子数密度であるか又はそれより高い分子数密度で直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるかを判定し、高調波同期検出法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得たときは第１演算手段による算出分子数密度ｃを出力し、直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得たときは第２演算手段による算出分子数密度ｃを出力するように出力を切り替えるものである。
【００２６】
切替え手段の第１の形態は、（８）式中にある近似が成立するかどうかの判断ができる手段であり、そのような判断ができる手段であればいかなる手段でもよい。具体的には、ｌｎ（Ｉ0(ν)／Ｉ(ν)）又は（Ｉ0(ν)−Ｉ(ν)）／Ｉ0(ν)の何れかの値を常に測定しておき、それらの値が予め設定した閾値以下のときには高調波同期検出法による測定に適した低い分子数密度であるとの判定結果を得、前記差がその設定割合よりも大きいときに直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得るものである。
【００２７】
切替え手段の第２の形態は、参照光強度信号Ｉ0(ν)と光強度信号Ｉ(ν)との差Ｉ0(ν)−Ｉ(ν)を用いる手段である。具体的には、その差Ｉ0(ν)−Ｉ(ν)が予め設定した閾値よりも小さいときに高調波同期検出法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得、前記差がその設定値よりも大きいときに直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得るものである。判定のための設定値をいくらにするかは測定装置に応じて決める。
【００２８】
光源駆動部の第１の形態として、レーザ照射部から照射されるレーザ光の光周波数が測定対象成分の吸収域にある特定の光周波数となるようにレーザ照射部に印加する駆動電流を設定してレーザ光の光周波数を固定するものを挙げることができる。この場合はレーザ光が特定の光周波数において測定対象成分による吸収を受けなかったときの参照光強度信号Ｉ0(ν)を別途測定しておく必要があるので、演算部は参照光強度信号Ｉ0(ν)を保持する参照光強度信号Ｉ0(ν)保持部を備えている。そして、第１演算手段と第２演算手段は参照光強度信号Ｉ0(ν)として参照光強度信号Ｉ0(ν)保持部に保持されている参照光強度信号Ｉ0(ν)値を使用する。
【００２９】
レーザ光の光周波数が測定対象成分の吸収域にある特定の光周波数として最も好ましいのは測定対象成分の吸収線の中心周波数（ν0)である。その場合には吸収が最も大きくなるので、Ｓ／Ｎ（信号対ノイズ）比の最もよい測定を行うことができる。レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数（ν0)に設定するためには、光源駆動部はレーザ照射部を駆動するための駆動電流を厳密に制御する必要があるので、性能のよい光源駆動部が必要となる。レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数（ν0)に厳密に設定するのが難しい場合であっても、Ｓ／Ｎ比の低下を許容できる範囲であれば本発明の所期の目的を達成することができる。そのため、光源駆動部の第１の形態を備えた本発明では、レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数（ν0)に設定する場合だけでなく、吸収域内で中心周波数（ν0)から外れた光周波数に設定する場合も含んでいる。
【００３０】
光源駆動部の第２の形態は、レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の特定の光周波数に固定しないものである。この場合、レーザ照射部が測定対象成分による吸収を受けない光周波数のレーザ光まで発振するようにレーザ照射部に印加するレーザ駆動電流を変化させるレーザ波長走査用電流生成部を備える。そして、第２信号処理部は、レーザ波長走査用電流生成部によってレーザ照射部が測定対象成分による吸収を受けない光周波数のレーザ光を発振したときのその吸収を受けない光周波数における透過光強度も測定し、その結果から近似的に測定対象成分による光吸収がない場合に相当する特定の光周波数での参照光強度信号Ｉ0(ν)を算出する部分を備える。この場合は、レーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数（ν0)に厳密に設定する必要がないので、光源駆動部の性能に対する要請が緩和される。さらに、第２信号処理部において参照光強度信号Ｉ0(ν)も求めることができるので、参照光強度信号Ｉ0(ν)を予め測定する必要もなくなる。
【００３１】
レーザ波長走査用電流生成部の好ましい一例は、第１の周波数ｆａよりも低い第２の周波数ｆｂ周期の鋸波を発生させるものである。
【００３２】
レーザ照射部から照射されるレーザ光の光周波数を固定する第１の形態の光源駆動部を備えた場合においても、参照光強度信号Ｉ0(ν)も同時に検出することができるようにするための形態として、試料セルとレーザ照射部との間にビームスプリッタを配置し、そのビームスプリッタによりレーザ照射部から出射されたレーザ光を、試料セル内に入射するレーザ光と試料セルに入射しないレーザ光に分岐させる。そして、ビームスプリッタにより分岐されて試料セルに入射しない側のレーザ光を受光する参照用受光部をさらに備える。その場合、第２信号処理部は、参照用受光部による検出信号を周波数フィルタによって第１の周波数ｆａ成分以上を遮断し、その処理後に現れた特定の光周波数での光強度を検出して、それを測定対象成分による光吸収がない場合に相当する特定の光周波数での参照光強度信号Ｉ0(ν)とする部分を備えている。
【発明の効果】
【００３３】
高調波同期検出法は高感度である反面、分子数密度が高い場合に直線性の不一致が生じる。一方、直接吸収スペクトル法は、感度は相対的に低いものの、高い分子数密度であっても測定可能である。本発明に係るガス分析装置はこれらの２つの測定手段を同じレーザ制御系を用いて一回の受光信号から並列的に測定するので、両検出法の欠点を補い、測定分子数密度範囲を拡大し、かつ測定の連続性を保つことを可能にしている。
【００３４】
なお，本発明において測定対象である特定ガスの種類は特に問わないが、分子数密度変化が大きいものに有効であることから、例えば測定対象ガス中の水分の分子数密度測定などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施例を示す概略構成図である。
【図２Ａ】第１実施例における信号処理系統の構成の一例を示すブロック図である。
【図２Ｂ】第１実施例における演算部を示すブロック図である。
【図２Ｃ】図２Ａ中の信号を示す波形図である。
【図３】第１実施例における信号処理動作及び演算処理動作を示すフローチャートである。
【図４Ａ】第２実施例を示すブロック図である。
【図４Ｂ】第２実施例における演算部を示すブロック図である。
【図４Ｃ】〜
【図４Ｆ】図４Ａ中の信号を示す波形図である。
【図５】第２実施例における第１信号処理部により抽出される光検出信号の一例を示すグラフである。
【図６】第２実施例における第２信号処理部により抽出される光検出信号の一例を示すグラフである。
【図７】第２実施例における信号処理動作及び演算処理動作を示すフローチャートである。
【図８Ａ】第３実施例を示すブロック図である。
【図８Ｂ】第３実施例における演算部を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
[実施例１]
本発明の第１実施例を図１及び図２Ａ、２Ｂを用いて説明する。この実施例のガス分析装置は、測定対象成分中の水分の分子数密度を測定する水分測定装置である。
【００３７】
この実施例のガス分析装置は、図１に示されるように、試料ガスを上から下向きに流通させるガス流路上に略水平方向に配置された試料セル２を備えている。試料セル２の左右の開口端に互いに対向する２枚の反射鏡１０ａ，１０ｂが設けられている。一方の反射鏡１０ａの一部には光のみが通過可能なように例えば石英ガラスからなる透明窓１０ｃが設けられ、その透明窓１０ｃを挟んで試料セル２の外側に、略密閉構造で略大気圧雰囲気である光学チャンバ４が設置されている。光学チャンバ４内にはレーザ照射部としての波長可変レーザ装置６が収納され、さらに受光部８も収納されている。光学チャンバ４内では妨害成分である水分が除湿剤やパ−ジガスなどにより除去され、その分子数密度が無視できる程度に小さくされ、その状態が維持できるように密閉され、外気が侵入しないように光学チャンバ４内が外気と同じ大気圧状態になっている。「略密閉構造で略大気圧雰囲気」とは、光学チャンバ６内の水分除去状態が維持できる状態を指している。
【００３８】
なお、図１の例では、試料セル２へのレーザ光の入射用と出射用とで透明窓１０ｃが兼用されているが、入射用と出射用とで別々に透明窓を設ける構成としてもよい。
【００３９】
波長可変レーザ装置６は例えばＤＦＢ型レ−ザであり、近赤外領域から中赤外領域にわたる光周波数のレーザ光を発生させることができる。波長可変レーザ装置６としてはＤＦＢ型レーザ以外のものも使用することができる。波長可変レーザ装置６は光源駆動部１２からの駆動電流により駆動される。光源駆動部１２は、波長可変レーザ装置６から測定対象成分の吸収線の中心周波数ν0と同じ周波数のレーザ光を発生させるように波長可変レーザ装置６に駆動電流を与えるものである。光源駆動部１２は制御部１４により制御される。光源駆動部１２から波長可変レーザ装置６に与えられる駆動電流は変調部１６によって変調周波数ｆａで変調される。変調部１６については後述する。
【００４０】
波長可変レーザ装置６からのレーザ光は試料セル２内に照射され、反射鏡１０ａ，１０ｂで複数回反射を繰り返した後、反射鏡１０ａの透明窓１０ｃから再び光学チャンバ４に戻り、受光部８に入射するように構成されている。レーザ光は、ガス流路を通過する際に測定対象成分中の各種成分による吸収を受ける。受光部８は受光素子としてフォトダイオードを備え、フォトダイオードに入射した各周波数の光量を電気信号として出力する。受光部８から出力された信号は第１信号処理部１８と第２信号処理部２０で所定の処理が施され、演算部２２に取り込まれる。
【００４１】
第１信号処理部１８では、受光部８からの検出信号が変調部１６から与えられる周波数２ｆａのクロック信号を参照信号として同期検波され、周波数２ｆａの信号が抽出される。もちろん、周波数２ｆａとはｆａの２倍の周波数を意味する。第１信号処理部１８で抽出された信号の強度がSignal(ν0)である。他方、第２信号処理部２０では周波数がｆａ未満の信号が抽出される。第２信号処理部２０で抽出された信号の強度がＩ(ν0)である。第１信号処理部１８で抽出される信号強度Signal(ν0)は高調波同期検出法による測定を行なうための信号であり、第２信号処理部２０で抽出される信号Ｉ(ν0)は直接吸収スペクトル法による測定を行なうための信号である。
【００４２】
演算部２２は、第１信号処理部１８により抽出された信号に基づいて高調波同期検出法を用いた測定対象成分の分子数密度の演算を行なう第１演算手段２３−１と、第２信号処理部２０により抽出された信号に基づいて直接吸収スペクトル法を用いた測定対象成分の分子数密度の演算を行なう第２演算手段２３−２と、測定対象成分による光の吸収がない場合の信号強度（参照光強度信号）Ｉ0（ν0）を保持するメモリからなる参照光強度信号Ｉ0（ν0）保持部２３−３と、測定対象成分の分子数密度に応じていずれの演算手段２３−１又は２３−２の出力を採用するかを決定する切替え手段２５を備えて測定対象成分の分子数密度の演算を行なう。
【００４３】
同実施例の信号処理系統の一例の詳細を図２Ａ、２Ｂ、２Ｃを用いてさらに説明する。この例では、図１における光源駆動部１２は、発振するレーザ光の光周波数を測定対象成分の吸収線の中心周波数ν0に合わせるためのオフセット直流電圧発生部２４、加算器２６及び電圧／電流変換器２８で構成される。オフセット直流電圧発生部２４は測定対象成分の吸収線の中心周波数のレーザ光が波長可変レーザ装置６から発せられるような電圧信号２４Ｓを発生するものであり、加算器２６を介して電圧／電流変換器２８に接続されている。加算器２６はオフセット直流電圧発生部２４からの電圧信号２４Ｓに変調部１６からの周波数ｆａの変調波を加算するものであり、加算器２６を経て周波数ｆａで変調された電圧信号２４Ｓが電圧／電流変換器２８で駆動電流に変換されて波長可変レーザ装置６に供給される。
【００４４】
変調部１６は、周波数２ｆａのクロック信号を生成する２ｆａクロック生成部３０、変調振幅制御用直流電圧を発生させる直流電圧発生部３２、周波数２ｆａのクロック信号を周波数ｆａのクロックに変換する分周器３４、乗算器３６及び周波数ｆａ付近の信号を抽出するための周波数ｆａ±数百Ｈｚの透過域をもつバンドパスフィルタ（ＢＰＦ１）３８で構成されている。変調振幅制御用直流電圧は任意の電圧でよいが、あまり大きすぎると後述の第２信号処理部２０で検出する信号強度Ｉ(ν0)の中に他の光周波数の成分の影響が強く現れてしまい、正確な測定が出来なくなる。変調部１６では、２ｆａクロック生成部３０で生成された周波数２ｆａのクロック信号が分周器３４で周波数ｆａのクロック信号に変換され、そのクロック信号は乗算器３６にて変調振幅制御用直流電圧と掛け合わされた後、バンドパスフィルタ３８で正弦波に変換される。バンドパスフィルタ３８は移相器３９を介して加算器２６に接続されており、バンドパスフィルタ３８からの信号電圧は移相器３９で位相調整された後でオフセット直流電圧発生部２４からの電圧に加算される。
【００４５】
この実施例では、移相器３９を変調部１６の直後に配置したが、例えば第１信号処理部１８の前などで位相調整を行なうなど、同期検波することが可能であれば移相器３９をどこに配置してもよい。
【００４６】
受光部８は、フォトダイオード（ＰＤ）４０と電流／電圧変換器４２で構成されている。フォトダイオード４０は試料セル２内で複数回反射して再び光学チャンバ４内へ戻されたレーザ光を受光し、入射強度を電気信号として出力する。電流／電圧変換器４２はフォトダイオード４０からの信号電流を電圧に変換し、第１信号処理部１８及び第２信号処理部２０へ出力する。
【００４７】
第１信号処理部１８は乗算器からなる同期検波部４４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４６及びＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ１）４８で構成されている。図２Ｃに信号波形が示されているように、受光部８からの検出信号４２Ｓは周波数ｆａの信号のほかに周波数２ｆａその他の高調波成分も含んでいる。同期検波部４４では変調部１６の２ｆａクロック生成部３０からの周波数２ｆａのクロック信号が乗算されて、周波数２ｆａ成分の波形の半分が反転し、周波数２ｆａ以外の周波数成分が除去されて信号４４Ｓとなる。この信号４４Ｓがローパスフィルタ４６を通ることにより、周波数２ｆａの高調波成分のピーク信号強度Signal(ν0)４６が抽出される。Ａ／Ｄコンバータ４８で信号強度Signal(ν0)がデジタル信号に変換された後、演算部２２に取り込まれる。
【００４８】
第２信号処理部２０はローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０及びＡ／Ｄコンバータ５２で構成されている。ローパスフィルタ５０には受光部８からの信号４２Ｓが取り込まれ、吸収ピークの変動成分のみが信号５０Ｓとして通過する。その信号５０Ｓが信号強度Ｉ（ν0）である。ローパスフィルタ５０としては、例えば応答速度が１秒であれば０．１秒程度の時定数をもつものが適当である。その信号強度Ｉ（ν0）はＡ／Ｄコンバータ５２でデジタル信号に変換された後、演算部２２に取り込まれる。
【００４９】
既述のように、演算部２２は、第１信号処理部１８からの信号強度Signal(ν0)に基づき既述の（１１）式を用いて高調波同期検出法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出する第１演算手段２３−１と、第２信号処理部２０からの信号強度Ｉ（ν0）に基づき既述の（７）式を用いて直接吸収スペクトル法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出する第２演算手段２３−１を備えている。測定対象成分による光の吸収がない場合の参照光強度信号Ｉ0（ν0）は、この実施例では予め測定して演算部２２の参照光強度信号Ｉ0（ν0）保持部２３−３に保持しておく。
【００５０】
このガス分析装置の信号処理と演算処理の一例について、以下に図３のフローチャートを用いて説明する。試料セル２内を通過した光を受光した受光部８からの信号が第１信号処理部１８及び第２信号処理部２０に入力されて所定の処理が施される（ステップＳ１）。第１信号処理部１８では高調波同期検出法のための周波数２×ｆａの信号強度Signal(ν0)が抽出され、第２信号処理部２０では直接吸収スペクトル法のための周波数ｆａ未満の信号強度Ｉ(ν0)が抽出される。これらの信号処理部１８，２０で抽出された信号強度は演算部２２に取り込まれる（ステップＳ２）。
【００５１】
演算部２２では、切替え手段２５が参照光強度信号Ｉ0（ν0）保持部２３−３から参照光強度信号Ｉ0（ν0）を取り込み、第１信号処理部１８から取り込んだ信号強度Signal(ν0)と第２信号処理部２０から取り込んだＩ(ν0)を用いて、ｌn(Ｉ0(ν0)／Ｉ(ν0))又は(Ｉ0(ν0)−Ｉ(ν0))／Ｉ0(ν0)を計算する（ステップＳ３）。切替え手段２５は、その計算結果から第１演算手段２３−１により（１０）式を用いて高調波同期検出法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出した結果を出力するか、第２演算手段２３−２により（７）式を用いて直接吸収スペクトル法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出した結果を出力するかを決定する（ステップＳ４）。
【００５２】
切替え手段２５による判定の一例として、ｌn(Ｉ0(ν0)／Ｉ(ν0))又は(Ｉ0(ν0)−Ｉ(ν0))／Ｉ0(ν0)が予め設定した閾値未満のときは、測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法で測定できる低い分子数密度であるとして、第１演算手段２３−１により（１１）式を用いて高調波同期検出法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出した結果を出力する（ステップＳ５）。逆に、ｌn(Ｉ0(ν0)／Ｉ(ν0))又は(Ｉ0(ν0)−Ｉ(ν0))／Ｉ0(ν0)が予め設定した閾値以上のときは高調波同期検出法を適用することができる分子数密度よりも高い分子数密度であるとして、第２演算手段２３−２により直接吸収スペクトル法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出した結果を出力する（ステップＳ６）。
【００５３】
なお、高調波同期検出法を用いるか直接吸収スペクトル法を用いるかについての判定方法は、上記の判定方法のほかに、（Ｉ0（ν0）−Ｉ（ν0））を予め設定した閾値と比較し，閾値未満である場合は高調波同期検出法を用い、閾値以上である場合は直接吸収スペクトル法を用いるというような判定方法であってもよい。
【００５４】
この実施例では第１演算手段２３−１と第２演算手段２３−２はともに演算を実行しており、切替え手段２５により選択された方の演算結果を出力するようにしているが、切替え手段２５により選択された方の演算手段のみが分子数密度を算出する演算処理を実行して出力をし、選択されなかった演算手段は演算処理を実行しないようにしてもよい。その場合には演算部２２の負荷が少なくてすむ利点がある。
【００５５】
[実施例２]
次に、第２実施例について図４Ａ〜４Ｆを用いて説明する。この実施例のガス分析装置の装置全体の構成は図１と同様であるが、この実施例ではレーザ光の光周波数が走査されることから、信号処理系統は一部異なる。以下に第１実施例との相違部分を中心に説明する。
【００５６】
この実施例は、周波数ｆａよりも低い周波数ｆｂで、例えば鋸波などで波長可変レーザ装置６の駆動電流を変化させることによりレ−ザ光の発振周波数を走査するものである。レーザ光の発振周波数を走査するため、実施例１のように測定対象成分の吸収線の中心周波数にレ−ザ光の発振周波数を高精度に合わせる必要がなく、また何度も連続して走査することが可能であるため信号の平均値を取ることでＳ／Ｎ比を向上することも可能になる。また、レーザ光の光周波数を走査するため、レーザ光の光周波数が測定対象成分の吸収を受けない周波数であるときの受光部８の信号強度を測定できるので、それらの信号強度に基づいてレーザ光の周波数が測定対象成分の吸収線の中心周波数であるときの信号強度を測定対象成分がない状態での参照光強度信号Ｉ0（ν0）の予測値として算出することができ、実施例１のように参照光強度信号Ｉ0（ν0）を予め測定しておく必要がない。
【００５７】
この実施例では、光源駆動部１２には、オフセット直流電圧発生部２４の他にレーザ波長走査用電流を生成するための周波数ｆｂ周期の鋸波の走査用電圧を発生するレーザ波長走査用電圧生成部２５がさらに設けられ、加算器２７でオフセット直流電圧発生部２４からの電圧信号に鋸波の走査用電圧が加えられるように構成されている。オフセット直流電圧発生部２４から発生する信号２４Ｓ、レーザ波長走査用電圧生成部２５から発生する信号２５Ｓ及びそれらの信号が加算されて形成される信号２７Ｓは図４ｃに示された波形の信号である。
【００５８】
第２信号処理部２０ａには、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０とＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ２）５２に加えて、周波数ｆｂ付近の信号を抽出するための透過域をもつバンドパスフィルタ（ＢＰＦ３）５４とＡ／Ｄコンバータ５６（ＡＤＣ３）が追加されている。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０とＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ２）５２は第１実施例と同じく、直流成分信号である吸収ピークの信号強度Ｉ（ν0）を抽出するものである。バンドパスフィルタ（ＢＰＦ３）５４は周波数ｆｂ周期で現れる吸収スペクトルを測定するのに適したものであり、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ３）５４で抽出された信号がＡ／Ｄコンバータ５６によってデジタル信号に変換されて演算部２２ａに取り込まれる。
【００５９】
第１信号処理部１８ａでは、ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）４６ａは第１実施例のローパスフィルタ（ＬＰＦ１）４６とは異なり、周波数ｆｂ付近の信号を抽出する必要があることから、数ｋＨｚ程度のカットオフ周波数をもつものとなる。
【００６０】
演算部２２ａにおける第１演算手段２３−１ａは第１信号処理部１８ａからの走査された信号に基づいて信号強度Signal(ν0)を抽出し、さらにその抽出した信号強度Signal(ν0)と第２演算手段２３−２ａが抽出したＩ0（ν0）に基づき既述の（１１）式を用いて高調波同期検出法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出する。第２演算手段２３−２ａは第２信号処理部２０ａからの走査された２つの信号から信号強度Ｉ（ν0）とＩ0（ν0）を抽出し、抽出した信号強度Ｉ（ν0）とＩ0（ν0）に基づき既述の（７）式を用いて直接吸収スペクトル法により測定対象成分の分子数密度ｃを算出する。第１演算手段２３−１ａと第２演算手段２３−２ａは常に演算を行なっており、切替え手段２５は第２演算手段２３−１ａからの信号強度Ｉ（ν0）とＩ0（ν0）に基づいて演算手段２３−１ａ又は２３−２ａのいずれの演算結果の算出分子数密度ｃを出力するかを決定する。
【００６１】
この実施例の動作について説明する。
加算器２６では加算器２７からの周波数ｆｂの鋸波信号２７Ｓに変調周波数ｆａの信号３９Ｓが加算されて、図４Ｄに示されるような駆動信号２６Ｓとなって電圧／電流変換器２８に印加される。この駆動信号によりレーザ発振が制御されることにより、発生するレーザ光は周波数ｆｂの鋸波で波長が発振周波数ν0を中心として走査され、周波数ｆａで変調されたものとなる。走査周波数ｆｂは変調周波数ｆａよりもかなり低く、数Ｈｚ〜数百Ｈｚが好ましい。変調周波数ｆａは一般的に数ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度である。このように、周波数ｆａで変調させた正弦波を加えたレ−ザ光が試料ガスに照射される。ここで、周波数ｆａの正弦波の振幅の大きさは周波数ｆｂの鋸波の振幅よりも充分に小さい方が望ましい。これは実施例１と同様に、あまり大きすぎると第２信号処理部２０aで検出する信号強度Ｉ(ν0)中に他の光周波数の成分影響が強く現れてしまい、正確な測定が出来な
【００６２】
試料セルで測定対象成分に吸収されたレ−ザ光は受光部８のフォトダイオード４０で検出され、第１信号処理部１８ａと第２信号処理部２０ａにおいて信号処理される。
【００６３】
第２信号処理部２０ａでローパスフィルタ５０及びバンドパスフィルタ５４で抽出された信号は、それぞれ図４Ｄに信号５０Ｓ，５４Ｓとして示された信号になる。信号５０Ｓは信号強度Ｉ(ν0)に相当し、これは第１実施例の場合と同じである。信号５４Ｓは周波数ｆｂで繰り返し現れる信号である。これらの信号はそれぞれのＡ／Ｄコンバ−タ５２，５６でデジタル変換され、演算部２２ａに取り込まれて加算された後は図４Ｄに信号（５０Ｓ＋５４Ｓ）として示された信号になる。
【００６４】
第１信号処理部１８ａでは、受光部８からの検出信号４２Ｓに同期検波部４４で変調部１６の２ｆａクロック生成部３０からの周波数２ｆａのクロック信号が乗算されて、周波数２ｆａ成分の波形の半分が反転し、周波数２ｆａ以外の周波数成分が除去されて信号４４Ｓとなる。この信号４４Ｓがローパスフィルタ４６ａを通ることにより、周波数２ｆａの高調波成分のピーク信号強度Signal(ν0)を含む信号４６ａＳが抽出される。それらの信号４２ｓ，４４ｓ，４６ａｓは図４Ｅに示されるような波形をもつ。第１実施例と同様に周波数２ｆａで同期検波されるが、本実施例ではレーザ光の波数νが走査されているので、ローパスフィルタ４６ａを通過した信号は、周波数ｆｂ周期の波形となって現れる。その信号４６ａＳはＡ／Ｄコンバータ４８でデジタル信号に変換された後、演算部２２ａに取り込まれる。
【００６５】
図５は第１信号処理部１８ａにより抽出される信号の波形の一例であり、図６は第２信号処理部２０ａにより抽出される信号の波形の一例である。図５及び図６において、横軸はレーザ光の光周波数νと測定対象成分の吸収線の中心周波数ν0との差（ν−ν0）を波数として表したもの、縦軸は検出信号強度である。レーザ波長を走査するための信号２６ｓとの関係を示すと、図４Ｆに示されるように、これらの信号は鋸波の周波数ｆｂの周期で繰り返し得られる。このように、図５及び図６に示されるような波形の信号を周波数ｆｂの周期で繰り返し得ることができるので、平均化処理によりＳ／Ｎ比を高めることができる。
【００６６】
演算部２２ａにおける第１演算手段２３−１ａは、図５に示されているように、信号処理部１により抽出される信号の波形における下側のピークから上側のピークまでの高さとして信号強度Signal(ν0)を抽出する。
【００６７】
一方、演算部２２ａにおける第２演算手段２３−２ａは、図６において測定対象成分の吸収線の中心周波数における信号強度としてＩ(ν0)を抽出し、この波形の周囲の信号強度に基づいて近似線を作成することにより参照光強度信号Ｉ0(ν0)を抽出する。したがって、レーザ光の周波数を走査して行う１回の測定によりＩ0(ν0)、Ｉ(ν0)及びSignal(ν0)のすべてを得ることができる。Ｉ0(ν0)、Ｉ(ν0)及びSignal(ν0)に基づく測定対象成分の分子数密度ｃの演算処理については第１実施例と同様である。
【００６８】
切替え手段２５は第２演算手段２３−２ａから信号Ｉ0(ν0)とＩ(ν0)を取り込み、第１実施例と同様の判定によりいずれの演算手段２３−１ａ又は２３−２ａでの分子数密度演算結果を出力するを決定する。この場合、第１演算手段２３−１ａによる信号強度Signal(ν0)から分子数密度ｃの演算と、第２演算手段２３−２ａによる信号Ｉ0(ν0)とＩ(ν0)から分子数密度ｃの演算は常に実行されており、切替え手段２５から選択されると分子数密度演算結果を出力する。
【００６９】
この実施例の場合でも、第２信号処理部２０ａを１つのローパスフィルタ５０と１つのＡ／Ｄコンバータ５２とで構成してもよい。ただし、その場合は、ローパスフィルタ５０はレーザ波長走査用の周波数ｆｂをもつ信号を通過させる必要があることから、数ｋＨｚ程度のカットオフ周波数をもつローパスフィルタとする必要がある。
【００７０】
この実施例のガス分析装置の信号処理と演算処理の一例について、以下に図７のフローチャートを用いて説明する。試料セル２内を通過した光を受光した受光部８からの信号が第１信号処理部１８ａ及び第２信号処理部２０ｂに入力されて所定の処理が施され、図５、図６に示される波形を示すデータが演算部２２ａに入力される（ステップＳ１１）。第１演算手段２３−１ａでは信号強度Signal(ν0)が抽出され、第２演算手段２３−２ａでは信号Ｉ(ν0)とＩ0（ν0）が抽出される（ステップＳ１２）。
【００７１】
演算部２２ａでは、切替え手段２５が第２演算手段２３−２ａからの信号Ｉ(ν0)とＩ0（ν0）を用いて、ｌn(Ｉ0(ν0)／Ｉ(ν0))又は(Ｉ0(ν0)−Ｉ(ν0))／Ｉ0(ν0)を計算し、その計算結果に基づいて第１実施例と同様にいずれの演算手段２３−１ａ又は２３−２ａでの分子数密度演算結果を出力するかを決定する（ステップＳ１３）。切替え手段２５が第１演算手段２３−１ａを指定したときは第１演算手段２３−１ａが（１１）式を用いて高調波同期検出法により計算した測定対象成分の分子数密度ｃを出力し（ステップＳ１４）、切替え手段２５が第２演算手段２３−２ａを指定したときは第２演算手段２３−２ａが（１）式を用いて直接吸収スペクトル法により計算した測定対象成分の分子数密度ｃを出力する（ステップＳ１５）。
【００７２】
[実施例３]
次に、ガス分析装置の第３実施例を図８Ａ、８Ｂを用いて説明する。この実施例では、波長可変レーザ装置６から発せられるレ−ザ光の一部をビームスプリッタ７で試料セル２へ照射されるレーザ光から分岐させ、試料セル２を通過させることなく受光部８ｂ側へ導くように構成する。受光部８ｂは、試料セル２内を通過させたレーザ光を検出するためのフォトダイオード４０ａとフォトダイオード４０ａの電流信号を電圧信号に変換する電流／電圧変換器４２ａに加え、試料セル２内を通過させないレーザ光を検出するためのフォトダイオード４０ｂと電流／電圧変換器４２ｂを備え、試料セル２内を通過させたレーザ光と通過させないレーザ光とを同時に別個の検出器で検出する。フォトダイオード４０ｂでは試料セル２内を通過させないレーザ光を検出するため、この検出信号を測定対象成分による吸収がない場合の検出信号、すなわち参照光強度信号として使用する。
【００７３】
第２信号処理部２０ｂは、フォトダイオード４０ａからの信号を処理するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ１）５０及びＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ２）５２に加え、フォトダイオード４０ｂからの信号を処理するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ２）６０及びＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ３）６２を備えている。電流／電圧変換器４２ａはローパスフィルタ（ＬＰＦ１）５０に増幅器５８ａを介して接続され、電流／電圧変換器４２ｂはローパスフィルタ（ＬＰＦ２）６０に増幅器５８ｂを介して接続されている。増幅器５８ａと５８ｂは、反射鏡１０ａ，１０ｂでレ−ザ光が反射する際の減衰などの影響をなくしてフォトダイオード４０ａと４０ｂからの信号を等価な信号として比較できるように調整するためのものである。
【００７４】
その他の構成については図２Ａ、２Ｂに示した第１実施例の構成と同様であるが、参照光強度信号Ｉ0(ν0)がフォトダイオード４０ｂからの信号として得られるので、演算部２２ｂには参照光強度信号Ｉ0(ν0)を保持しておくＩ0(ν0)保持部を設ける必要はない。この構成により、第１信号処理部１８でSignal(ν0)を、第２信号処理部２０ｂでＩ(ν0)及びＩ0(ν0)を抽出し、演算部２２ｂにおいて第１実施例と同様に高調波同期検出法による測定対象成分の分子数密度ｃの算出及び直接吸収スペクトル法による測定対象成分の分子数密度ｃの算出を行い、切替え手段２５により切り替えて出力する。
【００７５】
上記の実施例は本発明に係るガス分析装置を測定対象成分中の水分の分子数密度の測定に適用したものであるが、本発明は水分以外の任意のガス分子数密度の測定に適用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
２ 試料セル
４ 光学チャンバ
６ 波長可変レーザ装置
８，８ｂ 受光部
１０ａ，１０ｂ 反射鏡
１２ 光源駆動部
１４ 制御部
１６ 変調部
１８ 第１信号処理部
２０，２０ａ，２０ｂ 第２信号処理部
２２，２２ａ，２２ｂ 演算部
２３−１，２３−１ａ 第１演算手段
２３−２，２３−２ａ 第２演算手段
２４ オフセット直流電圧発生部
２５ 切替え手段
２６ 加算器
２８ 電圧電流変換器
３０ クロック生成部
３２ 直流電圧発生器
３４ 分周器
３６ 乗算器
３８，４６ バンドパスフィルタ
３９ 移相器
４０，４０ａ，４０ｂ フォトダイオード
４２，４２ａ，４２ｂ 電流／電圧変換器
４４ 同期検波部
４８，５２ Ａ／Ｄコンバータ
５０ ローパスフィルタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ガスを流通させる試料セルと、
前記試料セルに対して試料ガス中の測定対象成分が吸収をもつ特定の光周波数のレーザ光を照射するレーザ照射部と、
前記レーザ光を照射するための駆動電流を前記レーザ照射部に印加する光源駆動部と、
前記光源駆動部から前記レーザ照射部に印加する前記駆動電流を第１の周波数ｆａの変調周波数で変調する変調部と、
前記試料セル内部を通過した前記レーザ光を受光する受光部と、
前記受光部の光検出信号を前記変調周波数の整数倍の周波数で同期検波して高調波同期検出法により高調波信号強度Signal(ν)を検出する第１信号処理部と、
前記受光部の光検出信号を前記第１信号処理部を経ずに取り込み、周波数フィルタによって前記第１の周波数ｆａ以上の周波数成分を遮断し、前記特定の光周波数での光強度信号Ｉ(ν)を検出する第２信号処理部と、
前記第１信号処理部で検出された高調波信号強度Signal(ν)及び前記第２信号処理部で検出された光強度信号Ｉ(ν)を取り込み、試料ガス中の前記測定対象成分の分子数密度ｃを算出する演算部と、を備え、
前記演算部は、
前記レーザ光が前記特定周波数において前記測定対象成分による吸収を受けなかったときの参照光強度信号をＩ0(ν)として、前記高調波信号強度Signal(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)とから試料ガス中における測定対象成分の分子数密度ｃを算出する第１演算手段と、
前記光強度信号Ｉ(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)とから直接吸収スペクトル測定法により試料ガス中における測定対象成分の分子数密度ｃを算出する第２演算手段と、
を備えているガス分析装置。
【請求項２】
前記演算部は切替え手段を備え、
該切替え手段は前記光強度信号Ｉ(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)とから試料中の前記測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法による測定に適した低い分子数密度であるか又はそれより高い分子数密度で直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるかを判定し、高調波同期検出法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得たときは第１演算手段による算出分子数密度ｃを出力し、直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得たときは第２演算手段による算出分子数密度ｃを出力するように出力を切り替えるものである請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項３】
前記切替え手段は、ｌｎ（Ｉ0(ν)／Ｉ(ν)）もしくは（Ｉ0(ν)−Ｉ(ν)）／Ｉ0(ν)が予め定めた値以下のときに高調波同期検出法による測定に適した低い分子数密度であるとの判定結果を得、前記値がその予め定めた値よりも大きいときに直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得るものである請求項２に記載のガス分析装置。
【請求項４】
前記切替え手段は、前記光強度信号Ｉ(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)の差が予め設定した値以下のときに高調波同期検出法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得、前記差がその設定値よりも大きいときに直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得るものである請求項２に記載のガス分析装置。
【請求項５】
前記光源駆動部は前記レーザ照射部から照射されるレーザ光の周波数が前記特定周波数となるように前記レーザ照射部に印加する駆動電流を設定しているものであり、
前記演算部は前記レーザ光が前記特定周波数において前記測定対象成分による吸収を受けなかったときの参照光強度信号Ｉ0(ν)を保持する参照光強度信号Ｉ0(ν)保持部を備えており、
前記第１演算手段と第２演算手段は参照光強度信号Ｉ0(ν)として前記参照光強度信号Ｉ0(ν)保持部に保持されている参照光強度信号Ｉ0(ν)値を使用する請求項１から４のいずれか一項に記載のガス分析装置。
【請求項６】
前記特定周波数が前記測定対象成分の吸収線の中心周波数（ν0)である請求項５に記載のガス分析装置。
【請求項７】
前記レーザ照射部が測定対象成分による吸収を受けない周波数のレーザ光まで発振するように前記レーザ照射部に印加するレーザ駆動電流を変化させるレーザ波長走査用電流生成部を備え、
前記第２信号処理部は、前記レーザ波長走査用電流生成部によって前記レーザ照射部が測定対象成分による吸収を受けない周波数のレーザ光を発振したときのその吸収を受けない周波数における透過光強度も測定し、その結果から近似的に測定対象成分による光吸収がない場合に相当する前記特定周波数での参照光強度信号Ｉ0(ν)を算出する部分を備えている請求項１から４のいずれか一項に記載のガス分析装置。
【請求項８】
前記レーザ波長走査用電流生成部は、前記第１の周波数ｆａよりも低い第２の周波数ｆｂ周期の鋸波を発生させるものである請求項７に記載のガス分析装置。
【請求項９】
前記試料セルと前記レーザ照射部との間に配置され、前記レーザ照射部から出射されたレーザ光を試料セル内に入射するレーザ光と試料セルに入射しないレーザ光に分岐させるビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより分岐されて前記試料セルに入射しない側のレーザ光を受光する参照用受光部とをさらに備え、
前記第２信号処理部は、前記参照用受光部による検出信号を周波数フィルタによって第１の周波数ｆａ成分以上を遮断し，その処理後に現れた前記特定周波数での光強度を検出して、それを測定対象成分による光吸収がない場合に相当する前記特定周波数での参照光強度信号Ｉ0(ν)とする部分を備えている請求項１から４のいずれか一項に記載のガス分析装置。
【請求項１】
試料ガスを流通させる試料セルと、
前記試料セルに対して試料ガス中の測定対象成分が吸収をもつ特定の光周波数のレーザ光を照射するレーザ照射部と、
前記レーザ光を照射するための駆動電流を前記レーザ照射部に印加する光源駆動部と、
前記光源駆動部から前記レーザ照射部に印加する前記駆動電流を第１の周波数ｆａの変調周波数で変調する変調部と、
前記試料セル内部を通過した前記レーザ光を受光する受光部と、
前記受光部の光検出信号を前記変調周波数の整数倍の周波数で同期検波して高調波同期検出法により高調波信号強度Signal(ν)を検出する第１信号処理部と、
前記受光部の光検出信号を前記第１信号処理部を経ずに取り込み、周波数フィルタによって前記第１の周波数ｆａ以上の周波数成分を遮断し、前記特定の光周波数での光強度信号Ｉ(ν)を検出する第２信号処理部と、
前記第１信号処理部で検出された高調波信号強度Signal(ν)及び前記第２信号処理部で検出された光強度信号Ｉ(ν)を取り込み、試料ガス中の前記測定対象成分の分子数密度ｃを算出する演算部と、を備え、
前記演算部は、
前記レーザ光が前記特定周波数において前記測定対象成分による吸収を受けなかったときの参照光強度信号をＩ0(ν)として、前記高調波信号強度Signal(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)とから試料ガス中における測定対象成分の分子数密度ｃを算出する第１演算手段と、
前記光強度信号Ｉ(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)とから直接吸収スペクトル測定法により試料ガス中における測定対象成分の分子数密度ｃを算出する第２演算手段と、
を備えているガス分析装置。
【請求項２】
前記演算部は切替え手段を備え、
該切替え手段は前記光強度信号Ｉ(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)とから試料中の前記測定対象成分の分子数密度が高調波同期検出法による測定に適した低い分子数密度であるか又はそれより高い分子数密度で直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるかを判定し、高調波同期検出法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得たときは第１演算手段による算出分子数密度ｃを出力し、直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得たときは第２演算手段による算出分子数密度ｃを出力するように出力を切り替えるものである請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項３】
前記切替え手段は、ｌｎ（Ｉ0(ν)／Ｉ(ν)）もしくは（Ｉ0(ν)−Ｉ(ν)）／Ｉ0(ν)が予め定めた値以下のときに高調波同期検出法による測定に適した低い分子数密度であるとの判定結果を得、前記値がその予め定めた値よりも大きいときに直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得るものである請求項２に記載のガス分析装置。
【請求項４】
前記切替え手段は、前記光強度信号Ｉ(ν)と参照光強度信号Ｉ0(ν)の差が予め設定した値以下のときに高調波同期検出法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得、前記差がその設定値よりも大きいときに直接吸収スペクトル測定法による測定に適した分子数密度であるとの判定結果を得るものである請求項２に記載のガス分析装置。
【請求項５】
前記光源駆動部は前記レーザ照射部から照射されるレーザ光の周波数が前記特定周波数となるように前記レーザ照射部に印加する駆動電流を設定しているものであり、
前記演算部は前記レーザ光が前記特定周波数において前記測定対象成分による吸収を受けなかったときの参照光強度信号Ｉ0(ν)を保持する参照光強度信号Ｉ0(ν)保持部を備えており、
前記第１演算手段と第２演算手段は参照光強度信号Ｉ0(ν)として前記参照光強度信号Ｉ0(ν)保持部に保持されている参照光強度信号Ｉ0(ν)値を使用する請求項１から４のいずれか一項に記載のガス分析装置。
【請求項６】
前記特定周波数が前記測定対象成分の吸収線の中心周波数（ν0)である請求項５に記載のガス分析装置。
【請求項７】
前記レーザ照射部が測定対象成分による吸収を受けない周波数のレーザ光まで発振するように前記レーザ照射部に印加するレーザ駆動電流を変化させるレーザ波長走査用電流生成部を備え、
前記第２信号処理部は、前記レーザ波長走査用電流生成部によって前記レーザ照射部が測定対象成分による吸収を受けない周波数のレーザ光を発振したときのその吸収を受けない周波数における透過光強度も測定し、その結果から近似的に測定対象成分による光吸収がない場合に相当する前記特定周波数での参照光強度信号Ｉ0(ν)を算出する部分を備えている請求項１から４のいずれか一項に記載のガス分析装置。
【請求項８】
前記レーザ波長走査用電流生成部は、前記第１の周波数ｆａよりも低い第２の周波数ｆｂ周期の鋸波を発生させるものである請求項７に記載のガス分析装置。
【請求項９】
前記試料セルと前記レーザ照射部との間に配置され、前記レーザ照射部から出射されたレーザ光を試料セル内に入射するレーザ光と試料セルに入射しないレーザ光に分岐させるビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより分岐されて前記試料セルに入射しない側のレーザ光を受光する参照用受光部とをさらに備え、
前記第２信号処理部は、前記参照用受光部による検出信号を周波数フィルタによって第１の周波数ｆａ成分以上を遮断し，その処理後に現れた前記特定周波数での光強度を検出して、それを測定対象成分による光吸収がない場合に相当する前記特定周波数での参照光強度信号Ｉ0(ν)とする部分を備えている請求項１から４のいずれか一項に記載のガス分析装置。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図４Ｆ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図４Ｆ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【公開番号】特開２０１１−２２０７５８（Ｐ２０１１−２２０７５８Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８８５４５（Ｐ２０１０−８８５４５）
【出願日】平成２２年４月７日（２０１０．４．７）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月７日（２０１０．４．７）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]