特許 6314605 ガス分析装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6314605

(24)【登録日】2018年4月6日

(45)【発行日】2018年4月25日

(54)【発明の名称】ガス分析装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/39 20060101AFI20180416BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/39

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-72027(P2014-72027)

(22)【出願日】2014年3月31日

(65)【公開番号】特開2015-194383(P2015-194383A)

(43)【公開日】2015年11月5日

【審査請求日】2016年12月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100114030

【弁理士】

【氏名又は名称】鹿島 義雄

(72)【発明者】

【氏名】大寺 文章

【審査官】 塚本 丈二

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０４７３０１１２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１２８１３８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−０１４６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２６４９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０２７５１６５８（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／３５０４

Ｇ０１Ｎ ２１／３９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象ガスに測定光を照射するレーザ素子を有する光源部と、
前記測定対象ガス中を通過した測定光の強度を受光する受光部と、
前記レーザ素子へ印加する駆動電流値を所定周期で変化させることにより、所定波長範囲の測定光をレーザ素子から所定周期で発振させるレーザ電流制御部と、
前記レーザ素子の温度を設定温度Ｔに調整するレーザ温度調節部と、
前記受光部で受光された第ｎ周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ（ν）における特定ガスの吸収ピークに基づいて、前記測定対象ガス中の特定ガス量情報を算出する演算部とを備えるガス分析装置であって、
１周期中に取得された所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ（ν）における前記特定ガスとは異なる参照ガスの吸収ピークを検出し、当該周期の開始時間ｔ_ｓから参照ガスの光吸収の最大値が得られる時間ｔ_ｐまでの所要時間Δｔを算出する最大変化位置算出部と、
第ｎ周期で算出された所要時間Δｔ_ｎと、第（ｎ−１）周期で算出された所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}とに基づいて、前記設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を変更する変更信号を前記レーザ温度調節部に出力するレーザ温度補正部とを備えることを特徴とするガス分析装置。

【請求項2】

前記レーザ温度補正部は、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}より短い場合には、前記設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を下げ、一方、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}より長い場合には、前記設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を上げる変更信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。

【請求項3】

前記特定ガスは水分子でなく、かつ、前記参照ガスは水分子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガス分析装置。

【請求項4】

前記光源部は、測定対象ガスセル内の測定対象ガスに測定光を照射するとともに、リファレンスガスセル内の参照ガスに測定光を照射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガス分析装置。

【請求項5】

測定対象ガスセル内の測定対象ガスに照射する分割測定光と、リファレンスガスセル内の参照ガスに照射する参照光とに分割する測定光分割部と、
前記リファレンスガスセル中を通過した参照光の強度を受光する参照受光部とを備えることを特徴とする請求項４に記載のガス分析装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ吸収分光法を利用して気体中の特定ガス量情報を計測するガス分析装置に関し、特に、半導体製造装置における真空領域中や煙道中や燃焼プロセス中や自動車測定対象ガス中や燃料電池における流路中等の水蒸気量（特定ガス量情報）を計測するガス分析装置に関する。

【背景技術】

【0002】

気体中の水蒸気量を計測する方法の一つとして、水分子が特定波長領域（例えば、１．３μｍ帯）の光のみを吸収することを利用した吸収分光法が挙げられる。この吸収分光法は、測定対象ガスに対し非接触で測定可能であるため、測定対象ガスの場を乱さずに測定対象ガス中の水蒸気量を計測することができる。

【0003】

このような吸収分光法の中でも、特に光源に波長可変半導体レーザ（レーザ素子）を利用した「波長可変半導体レーザ吸収分光法」は、シンプルな装置構成で実現することができる。例えば、「波長可変半導体レーザ吸収分光法」を利用したガス分析装置では、測定対象ガスが所定方向に流れている配管（測定対象ガスセル）に対して、配管に形成された入射用光学窓と出射用光学窓とを介して、配管を横切って光路（光路長Ｌ）が形成されるようにそれぞれ対向して設けられる波長可変半導体レーザと光検出センサ（受光部）とを追加することが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

このようなガス分析装置によれば、波長可変半導体レーザから発振された所定波長のレーザ光（測定光）は、配管内を通過する過程で測定対象ガス中に存在する水分子の遮光作用によってレーザ光の進行が阻害されて、測定対象ガス中における水分子の濃度に対応して光検出センサに入射する光量が減少することを利用して、波長可変半導体レーザから発振されたレーザ光の光量に対する光検出センサに入射するレーザ光の光量を計測することによって水分子の濃度が算出される。図７は、ガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフである。縦軸は受光強度Ｉであり、横軸は周波数νである。なお、Ｉ_０（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受光強度Ｉであり、非吸収波長の受光強度Ｉに基づいて近似式を作成することで導出されることになる。

【0005】

ここで、図７に示す吸収スペクトルを用いた演算処理の一例について説明する。Lambert-Beerの法則より下記式（１）が成り立つ。

【0006】

【数1】

【0007】

なお、Ｉ_０（ν）は周波数νにおいて水分子の吸収を受けなかった場合の光強度、Ｉ（ν）は周波数νにおける透過光強度、ｃ（ｍｏｌ／ｃｍ^３）は水分子の数密度、Ｌ（ｃｍ）は測定対象ガスを通過する光路の長さ、Ｓ（Ｔ）（ｃｍ^−１／（ｍｏｌ／ｃｍ^−２））は所定の吸収線強度におけるガス温度Ｔの関数である。

【0008】

ここで、図８は、縦軸をｌｎ（Ｉ_０（ν）／Ｉ（ν））とし、横軸を周波数νとしたグラフである。よって、式（１）の左辺の値は、図８に示すグラフの面積を求めることで得られる。図８のグラフの面積を求める方法として、長方形近似を一例に挙げると、式（１）の左辺は下記式（２）のように変形することができる。

【0009】

【数2】

【0010】

なお、ν_ｍａｘは吸収帯（吸収ピーク）の周波数上限、ν_ｍｉｎは吸収帯の周波数下限、ｎは１波形あたりの測定点数である。

【0011】

一方、式（１）の右辺におけるＳ（Ｔ）に関しては下記式（３）が成り立つ。

【0012】

【数3】

【0013】

なお、Ｓ_０は標準状態での線強度、Ｑ（Ｔ）は分配関数、Ｂ（Ｔ）はボルツマン因子、ＳＥ（Ｔ）は誘導放射の補正式である。
さらに、式（３）の右辺におけるＱ（Ｔ）、Ｂ（Ｔ）、ＳＥ（Ｔ）は、それぞれ下記式（４）、（５）、（６）のように表すことができる。

【0014】

【数4】

【0015】

なお、Ｓ_０、定数ａ〜ｄ、Ｅ_ｌは、ＨＩＴＲＡＮデータベース等から得られることができる。よって、ガス温度値Ｔと光強度変化Ｉ（ν）、Ｉ_０（ν）とを得ることができれば、水分子の数密度ｃが算出できることになる。

【0016】

そして、水分子の数密度ｃと水分の分圧値Ｐ_Ｈ２Ｏとの関係は、下記式（７）のように表すことができる。

【0017】

【数5】

【0018】

なお、ｋはボルツマン定数である。これにより、水分の分圧値Ｐ_Ｈ２Ｏ（水蒸気量情報）を算出することができる。

【0019】

ここで、図９は、波長可変半導体レーザ吸収分光法を利用したガス分析装置の一例を示す概略構成図であり、図１０は、図９のガス分析装置を機能ごとに示したブロック図である。なお、地面に水平な一方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
ガス分析装置３０１は、光源部１０と、受光部２０と、圧力値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を測定する圧力センサ３１と、ガス温度値Ｔ_ｇを測定するガス温度センサ３２と、光源部１０を制御するレーザ制御部３５０と、マイコンやＰＣで構成される制御部３６０とを備える。

【0020】

このようなガス分析装置３０１は、燃焼プロセスへの給排気の各ラインに連結されたサンプル流路（測定対象ガスセル）７０内を流れる測定対象ガス中の水分の分圧値Ｐ_Ｈ２Ｏを計測するために用いられる。サンプル流路７０はＺ方向に伸びており、サンプル流路７０の側壁には、入射用光学窓７１と、入射用光学窓７１にＸ方向に距離Ｌを空けて対向配置される出射用光学窓７２とが形成されている。そして、測定対象ガスはサンプル流路７０内をＺ方向に流れている。

【0021】

光源部１０は、半導体レーザ（例えば光通信用分布帰還系形（ＤＦＢ：distributed feedback）半導体レーザダイオード等）と、半導体レーザの温度を所定時間間隔で検出していくＮＴＣサーミスタ（温度センサ）と、半導体レーザの温度の調整を行うためのペルチェモジュールとを備える。このモジュールとして、例えば、バタフライモジュール（図１１参照）やＴＯ−ＣＡＮタイプモジュール（図１２参照）等が用いられる。そして、半導体レーザは、入射用光学窓７１からサンプル流路７０内にＸ方向へレーザ光を入射させるように配置されており、レーザ光が測定対象ガスに対して照射されるようになっている。

【0022】

また、このようなバタフライモジュールやＴＯ−ＣＡＮタイプモジュール等は、分圧値Ｐ_Ｈ２Ｏの連続モニタリングに使用されるときには、半導体レーザの温度がペルチェモジュールで設定温度（一定）ＴとなるようにＰＩ制御され、半導体レーザへ印加する駆動電流値を所定周期で変化させており、具体的には鋸歯形状となる駆動電流値が印加されることにより、所定波長範囲のレーザ光を所定周期で半導体レーザから発振している。図１３は、駆動電流値とレーザ光の発振波長との関係を示す概念図であり、図１３（ａ）は、半導体レーザへ印加する駆動電流値の波形図であり、図１３（ｂ）は、その駆動電流値が印加された半導体レーザから発振されたレーザ光の発振波長の波形図である。図１３（ａ）に示すような駆動電流値の波形や設定温度Ｔは、連続モニタリングの開始に際してユーザによって入力されるか予め記憶されており、レーザ制御部３５０から制御信号として光源部１０に出力されるようになっている。

【0023】

受光部２０は、光強度を電気信号に変換できるものであればよく、例えばフォトダイオードが用いられる。そして、フォトダイオードは、出射用光学窓７２からサンプル流路７０外にＸ方向へ出射されたレーザ光を受光するように配置されており、測定対象ガスを通過したレーザ光の強度Ｉ（ν）を受光する。これにより、各周期において吸収ピークの中心波長部分のレーザ光の強度Ｉ（ν）と、中心波長部分の両側となる非吸収波長部分のレーザ光の強度Ｉ（ν）とを含むスペクトル波形をフォトダイオードにより取得することで、制御部３６０がＩ_０（ν）とＩ（ν）とを算出するようになっている。

【0024】

圧力センサ３１は、サンプル流路７０内に設置されており、測定対象ガスの全圧である圧力値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を所定時間間隔で測定する。また、ガス温度センサ３２も、サンプル流路７０内に設置されており、測定対象ガスの温度であるガス温度値Ｔ_ｇを所定時間間隔で測定する。

【0025】

レーザ制御部３５０は、半導体レーザへ印加する駆動電流値を制御するレーザ電流制御部５１と、半導体レーザの温度を設定温度Ｔに制御するレーザ温度調節部３５２とにより構成される。
制御部３６０は、ＣＰＵ３６１とメモリ３６２と表示部６３と入力装置６４とを備える。また、ＣＰＵ３６１が処理する機能をブロック化して説明すると、レーザ光の強度Ｉ（ν）に基づいて測定対象ガス中の分圧値Ｐ_Ｈ２Ｏを算出する演算部３６１ａを有している。

【0026】

そして、レーザ光の強度Ｉ（ν）、圧力値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}、ガス温度値Ｔ_ｇをそれぞれＡ／Ｄ変換部１、２、３によってデジタル値に所定サンプリング間隔で変換し、演算部３６１ａは、各周期においてこのデジタル値からＩ_０（ν）とＩ（ν）とを算出して式（１）に当てはめて数密度ｃを得て、得られた数密度ｃを式（７）に当てはめて分圧値Ｐ_Ｈ２Ｏを得ていく。
なお、演算部３６１ａは、分圧値Ｐ_Ｈ２Ｏと圧力値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}とを用いて、測定対象ガス中の水蒸気量（濃度）を演算するようにしてもよい。

【0027】

ところで、光源部１０において、半導体レーザの温度を（一定の）設定温度Ｔに制御するために、バタフライモジュールでは、半導体レーザに近接した位置にペルチェモジュールが内蔵されており、ＴＯ−ＣＡＮタイプモジュールでは、外部にペルチェモジュールが取り付けられている。ペルチェモジュールは、ペルチェ効果を利用して温度調整を行うことが可能な周知の熱電素子であって、レーザ温度調節部３５２によって制御される。
ここで、図１４は、ＴＯ−ＣＡＮタイプモジュールの設定温度Ｔをレーザ温度調節部３５２によって０．１℃ずつ変化させたときの吸収スペクトルにおける吸収ピークの中心波長の位置変化、つまり光吸収の最大値の位置変化を示すグラフである。図１４（ａ）は、直接吸収波長法で取得したときの吸収スペクトルであり、図１４（ｂ）は、高調波同期検出法で取得したときの吸収スペクトルである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0028】

【特許文献1】特開２０１０−２３７０７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0029】

ところで、上述したようなガス分析装置３０１は、気体中の水蒸気量を計測するものであり、図７に示すような吸収スペクトルを取得していくことになるが、その計測に際しては、一日中炎天下で計測することもあれば、氷点下で計測することもあり、さらに機械的稼働部が基本的に存在せず消耗品も少ないことから連続計測に用いられている。このような環境下では一日の間の気温変動や年間の気候変動によって、或る周期期間中にＩ_０（ν）を正確に算出できなかったり、図８に示すようなグラフの面積を正確に求められないことがあった。

【課題を解決するための手段】

【0030】

本出願人は、或る周期期間中にＩ_０（ν）を正確に算出できないことや、図８に示すようなグラフの面積を正確に求められなくなる原因について検討した。その結果、ＴＯ−ＣＡＮタイプモジュールでは、本来温度調節すべき半導体レーザとその温度を検出するＮＴＣサーミスタとの位置が離れているため、周囲温度の影響を強く受けていることがわかった。また、バタフライモジュールでは、半導体レーザとＮＴＣサーミスタとは近接しているものの、少なからず周囲温度の影響を受けている。よって、ＴＯ−ＣＡＮタイプモジュールやバタフライモジュールでは、第（ｎ−１）周期から第ｎ周期までの間に周囲の温度が急激に下がった場合には、レーザ温度調節部３５２によって設定温度Ｔを一定に制御していても、実際の半導体レーザの温度は周囲温度の影響により下がっていた。このように半導体レーザの実際の温度が低下すると、第ｎ周期での発振波長は図１４に示すように短波長側にシフトする。このとき、吸収ピークは第ｎ周期の所定波長範囲の吸収スペクトルにおいて最終側へ向かっていき、最悪の場合、特定ガスの吸収ピークの周波数上限ν_ｍａｘから周波数下限ν_ｍｉｎまでの範囲をカバーできないことがあった。
つまり、ＴＯ−ＣＡＮタイプモジュールやバタフライモジュールは、光通信用半導体レーザでの用途が想定されており、その光通信用途ではガス検出用途ほどの温度調整精度が求められていないことがわかった。

【0031】

そこで、本出願人は、吸収スペクトル中の吸収ピークの位置を記録しながら、その吸収ピークの位置に基づいて、半導体レーザの温度を調整することを見出した。例えば、半導体レーザの駆動電流値を連続的に同じ周期で変化させた場合に、第ｎ周期中において任意のガス分子（参照ガス）の光吸収の最大値が得られる所要時間Δｔ_ｎが、過去の周期における所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}よりも短いときには、レーザ温度調整部によって半導体レーザの設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を下げ、反対に長いときには設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を上げることにした。

【0032】

すなわち、本発明のガス分析装置は、測定対象ガスに測定光を照射するレーザ素子を有する光源部と、前記測定対象ガス中を通過した測定光の強度を受光する受光部と、前記レーザ素子へ印加する駆動電流値を所定周期で変化させることにより、所定波長範囲の測定光をレーザ素子から所定周期で発振させるレーザ電流制御部と、前記レーザ素子の温度を設定温度Ｔに調整するレーザ温度調節部と、前記受光部で受光された第ｎ周期の所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ（ν）における特定ガスの吸収ピークに基づいて、前記測定対象ガス中の特定ガス量情報を算出する演算部とを備えるガス分析装置であって、１周期中に取得された所定波長範囲の測定光の強度変化Ｉ（ν）における前記特定ガスとは異なる参照ガスの吸収ピークを検出し、当該周期の開始時間ｔ_ｓから参照ガスの光吸収の最大値が得られる時間ｔ_ｐまでの所要時間Δｔを算出する最大変化位置算出部と、第ｎ周期で算出された所要時間Δｔ_ｎと、第（ｎ−１）周期で算出された所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}とに基づいて、前記設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を変更する変更信号を前記レーザ温度調節部に出力するレーザ温度補正部とを備えるようにしている。

【発明の効果】

【0033】

以上のように、本発明のガス分析装置によれば、光源部に備えられた温度センサの温度と、レーザ素子の実際の温度との差異を随時補正することで、一日の温度差が激しい環境下や、一年の温度差が激しい気候環境における設置場所においてもレーザ素子の実際の温度は一定となるため、長時間の安定した計測が可能となる。また、ガス分析装置内外に存在する発熱体によってレーザ素子の周囲温度が激しく変化する場合にも、常に適切な吸収ピークの位置で吸収スペクトルを捉えることができる。

【0034】

そして、特定ガス分子の吸収波長帯の近くに常に存在する参照ガス分子の吸収ピークが存在する場合には、それを温度補正用として使用することで、たとえ特定ガス分子が検出できない状況でも温度補正を行うことができる。とりわけＨ_２Ｏは自然界に常に存在し、広い波長帯に渡って吸収ピークが存在するため、この吸収ピークは多くの場合に有用である。

【0035】

（他の課題を解決するための手段及び効果）
また、上記の発明では、前記レーザ温度補正部は、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}より短い場合には、前記設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を下げ、一方、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}より長い場合には、前記設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を上げる変更信号を出力するようにしてもよい。

【0036】

また、上記の発明では、前記特定ガスは水分子でなく、かつ、前記参照ガスは水分子であるようにしてもよい。
本発明のガス分析装置によれば、水分子は自然界に常に存在し、かつ、大抵の波長帯に吸収ピークが現れるため、この吸収ピークは多くの場合に有用である。

【0037】

そして、上記の発明では、前記光源部は、測定対象ガスセル内の測定対象ガスに測定光を照射するとともに、リファレンスガスセル内の参照ガスに測定光を照射するようにしてもよい。
本発明のガス分析装置によれば、光路上に特定ガス分子が必ずしも存在するとは限らない場合にも、光路上に温度補正用の参照ガス分子が封入されたリファレンスセルを挿入することで常に温度補正が可能になる。このようなリファレンスセルを用意すれば、特定ガス分子が検出できなくても、常に正しい温度設定で計測し続けることができる。

【0038】

さらに、上記の発明では、測定対象ガスセル内の測定対象ガスに照射する分割測定光と、リファレンスガスセル内の参照ガスに照射する参照光とに分割する測定光分割部と、前記リファレンスガスセル中を通過した参照光の強度を受光する参照受光部とを備えるようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1】第一実施形態のガス分析装置の一例を示す概略構成図。

【図2】図１のガス分析装置を機能ごとに示すブロック図。

【図3】本発明のガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフ。

【図4】分圧値Ｐ_ＣＯ２の計測方法を説明するフローチャート。

【図5】第二実施形態のガス分析装置の一例を示す概略構成図。

【図6】第三実施形態のガス分析装置の一例を示す概略構成図。

【図7】ガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフ。

【図8】縦軸をｌｎ（Ｉ_０（ν_０）／Ｉ（ν_０））とし、横軸を周波数νとしたグラフ。

【図9】波長可変半導体レーザ吸収分光法によるガス分析装置を示す概略構成図。

【図10】図９のガス分析装置を機能ごとに示すブロック図。

【図11】バタフライモジュールの一例を示す概略構成図。

【図12】ＴＯ−ＣＡＮタイプモジュールの一例を示す概略構成図。

【図13】駆動電流値とレーザ光の発振波長との関係を示す概念図。

【図14】光吸収の最大値の位置変化を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0040】

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

【0041】

＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態のガス分析装置の一例を示す概略構成図であり、図２は、図１に示すガス分析装置を機能ごとに示したブロック図である。また、図３は、本発明のガス分析装置で得られた吸収スペクトルの一例を示すグラフである。なお、上述した従来のガス分析装置３０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
ガス分析装置１は、光源部１０と、受光部２０と、圧力値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を測定する圧力センサ３１と、ガス温度値Ｔを測定するガス温度センサ３２と、光源部１０を制御するレーザ制御部５０と、マイコンやＰＣで構成される制御部６０とを備える。
なお、ガス分析装置１は、燃焼プロセスへの給排気の各ラインに連結されたサンプル流路（測定対象ガスセル）７０内を流れる測定対象ガス中のＣＯ_２（特定ガス）の分圧値Ｐ_ＣＯ２を計測するために用いられるものとする。

【0042】

制御部６０は、ＣＰＵ６１とメモリ６２と表示部６３と入力装置６４とを備える。また、ＣＰＵ６１が処理する機能をブロック化して説明すると、レーザ光の強度Ｉ（ν）に基づいて測定対象ガス中の分圧値Ｐ_ＣＯ２を算出する演算部６１ａと、レーザ光の強度Ｉ（ν）に基づいて第ｎ周期の開始時間ｔ_ｓからＣＯ_２（特定ガス及び参照ガス）の光吸収の最大値が得られる時間ｔ_ｐまでの所要時間Δｔ_ｎを算出してメモリ６２に記憶させる最大変化位置算出部６１ｂと、設定温度Ｔ_ｎを変更するレーザ温度補正部６１ｃとを有する。さらに、メモリ６２には、分圧値Ｐ_ＣＯ２を記憶するための分圧値記憶領域６２ａと、所要時間Δｔ_ｎを記憶するための最大変化位置記憶領域６２ｂとを有する。

【0043】

演算部６１ａは、レーザ光の強度Ｉ（ν）、圧力値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}、ガス温度値Ｔ_ｇをそれぞれＡ／Ｄ変換部１、２、３によってデジタル値に所定サンプリング間隔で変換し、各周期においてこのデジタル値からＩ_０（ν）とＩ（ν）とを算出して式（１）に当てはめて数密度ｃを得て、得られた数密度ｃを式（７）に当てはめて分圧値Ｐ_ＣＯ２を得て分圧値記憶領域６２ａに記憶させる制御を行う。

【0044】

最大変化位置算出部６１ｂは、第ｎ周期の開始時間ｔ_ｓｎからＣＯ_２の光吸収の最大値が得られる時間ｔ_ｐｎまでの所要時間Δｔ_ｎを算出して最大変化位置記憶領域６２ｂに記憶させる制御を行う。
例えば、まず、第ｎ周期のＩ（ν）の曲線の傾斜量を順次調べて、その傾斜量が所定値以下になったときに吸収ピークの開始点であると判断し、傾斜量が零から正に転じたときに吸収ピークのピークトップ（最大値）であると判断し、傾斜量が所定値以下になったときに吸収ピークの終点であると判定する。そして、第ｎ周期の開始時間ｔ_ｓｎからＣＯ_２のピークトップ（最大値）が得られる時間ｔ_ｐｎまでの所要時間Δｔ_ｎ（＝ｔ_ｐｎ−ｔ_ｓｎ）を算出して最大変化位置記憶領域６２ｂに記憶させる。
次に、第（ｎ＋１）周期のＩ（ν）の曲線の傾斜量を順次調べて、その傾斜量が所定値以下になったときに吸収ピークの開始点であると判断し、傾斜量が零から正に転じたときに吸収ピークのピークトップ（最大値）であると判断し、傾斜量が所定値以下になったときに吸収ピークの終点であると判定する。そして、第（ｎ＋１）周期の開始時間ｔ_{ｓ（ｎ＋１）}からＣＯ_２のピークトップ（最大値）が得られる時間ｔ_{ｐ（ｎ＋１）}までの所要時間Δｔ_{（ｎ＋１）}（＝ｔ_{ｐ（ｎ＋１）}−ｔ_{ｓ（ｎ＋１）}）を算出して最大変化位置記憶領域６２ｂに記憶させる。
このようにして、第ｎ周期の所要時間Δｔ_ｎを最大変化位置記憶領域６２ｂに順次記憶させていく。

【0045】

なお、第ｎ周期のＩ（ν）においてＣＯ_２の吸収ピークが存在しないことがあるため、最大変化位置算出部６１ｂは、ＣＯ_２以外の吸収ピーク等をＣＯ_２の吸収ピークと判定しないように、第ｎ周期のＩ（ν）においてＣＯ_２の吸収ピークが存在するか否かを判定し、吸収ピークが存在すると判定したときに、所要時間Δｔ_ｎを算出するようにすることが好ましい。
例えば、第ｎ周期のＩ（ν）においてＣＯ_２の吸収ピークが存在するか否かを判定する判定方法としては、上述した吸収ピークの検出方法で得られた吸収ピークにおいて、その吸収量が閾値（ノイズの２倍）以上であるか否かを判定し、閾値以上であれば、ＣＯ_２の吸収ピークが存在すると判定し、一方、閾値未満であれば、ＣＯ_２の吸収ピークが存在しないと判定する。
また、所要時間Δｔ_ｎは、実時間そのものであることには限定されず、実時間に替わる情報であってもよく、例えば一定サンプリング周期で動作しているＡ／Ｄ変換部のサンプリング数差としてもよい。

【0046】

レーザ温度補正部６１ｃは、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}より短い場合には、設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を下げる変更信号をレーザ温度調節部５２に出力し、一方、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}より長い場合には、設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を上げる変更信号をレーザ温度調節部５２に出力する制御を行う。なお、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}と同じ場合には、レーザ温度調節部５２に対して変更信号を出力しない。

【0047】

ここで、ガス分析装置１の使用方法について説明する。図４は、分圧値Ｐ_ＣＯ２を計測する計測方法について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１の処理において、周期回数パラメータｎ＝１とする。
次に、ステップＳ１０２の処理において、レーザ温度調節部５２は、半導体レーザの温度を設定温度Ｔ_ｎとなるようにＰＩ制御する制御信号を光源部１０に出力するとともに、レーザ電流制御部５１は、半導体レーザへ印加する駆動電流値を連続的に変化させる制御信号を光源部１０に出力する。

【0048】

次に、ステップＳ１０３の処理において、演算部６１ａは、レーザ光の強度Ｉ（ν）、圧力値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}、ガス温度値Ｔ_ｇをそれぞれＡ／Ｄ変換部１、２、３によってデジタル値に変換して取得する。
次に、ステップＳ１０４の処理において、演算部６１ａは、第ｎ周期においてこのデジタル値からＩ_０（ν）とＩ（ν）とを算出して式（１）に当てはめて数密度ｃを得て、得られた数密度ｃを式（７）に当てはめて分圧値Ｐ_ＣＯ２を得て分圧値記憶領域６２ａに記憶させる。

【0049】

次に、ステップＳ１０５の処理において、最大変化位置算出部６１ｂは、第ｎ周期の開始時間ｔ_ｓｎからＣＯ_２の光吸収の最大値が得られる時間ｔ_ｐｎまでの時間Δｔ_ｎを算出して最大変化位置記憶領域６２ｂに記憶させる。
次に、ステップＳ１０６の処理において、レーザ温度補正部６１ｃは、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}と同じであるか否かを判定する。

【0050】

所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}と同じであると判定したときには、ステップＳ１０７の処理において、ｎ＝ｎ＋１とした後、ステップＳ１０２の処理に戻る。
一方、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}と同じでないと判定したときには、ステップＳ１０８の処理において、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}より短いか否かを判定する。所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}より短いと判定したときには、ステップＳ１０９の処理において、設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を下げる変更信号をレーザ温度調節部５２に出力した後、ステップＳ１０７の処理に進む。
一方、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}より長いと判定したときには、ステップＳ１１０の処理において、設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を上げる変更信号をレーザ温度調節部５２に出力した後、ステップＳ１０７の処理に進む。

【0051】

以上のように、本発明のガス分析装置１によれば、光源部１０に備えたＮＴＣサーミスタで検出された温度と半導体レーザの温度との差異を随時補正することで、一日の温度差が激しい環境下や、一年の温度差が激しい気候における設置場所においても半導体レーザの温度は一定になるため、長時間の安定した計測が可能となる。

【0052】

＜第二実施形態＞
図５は、本発明の第二実施形態のガス分析装置の一例を示す概略構成図である。なお、上述したガス分析装置１と同様のものについては、同じ符号を付している。
ガス分析装置１０１は、光源部１０と、受光部２０と、リファレンスガスセル８０と、圧力値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を測定する圧力センサ３１と、ガス温度値Ｔを測定するガス温度センサ３２と、光源部１０を制御するレーザ制御部５０と、マイコンやＰＣで構成される制御部１６０とを備える。
なお、ガス分析装置１０１は、燃焼プロセスへの給排気の各ラインに連結されたサンプル流路（測定対象ガスセル）７０内を流れる測定対象ガス中のＣＯ_２（特定ガス）の分圧値Ｐ_ＣＯ２を計測するために用いられるものとし、参照ガスとしてＨ_２Ｏを用いることとする。

【0053】

半導体レーザは、リファレンスガスセル８０を通過させた後、入射用光学窓７１からサンプル流路７０内にＸ方向へレーザ光を入射させるように配置されており、レーザ光が参照ガスを通過した後、測定対象ガスに対して照射されるようになっている。

【0054】

制御部１６０は、ＣＰＵ１６１とメモリ６２と表示部６３と入力装置６４とを備える。また、ＣＰＵ１６１が処理する機能をブロック化して説明すると、レーザ光の強度Ｉ（ν）に基づいて測定対象ガス中の分圧値Ｐ_ＣＯ２を算出する演算部６１ａと、レーザ光の強度Ｉ（ν）に基づいて第ｎ周期の開始時間ｔ_ｓからＨ_２Ｏの光吸収の最大値が得られる時間ｔ_ｐまでの所要時間Δｔ_ｎを算出してメモリ６２に記憶させる最大変化位置算出部６１ｂと、設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}に変更するレーザ温度補正部６１ｃとを有する。

【0055】

以上のように、本発明のガス分析装置１０１によれば、光源部１０に備えたＮＴＣサーミスタで検出された温度と半導体レーザの温度との差異を随時補正することで、一日の温度差が激しい環境下や、一年の温度差が激しい気候における設置場所においても半導体レーザの温度は一定となるため、長時間の安定した計測が可能となる。このようなリファレンスセル８０を用意すれば、ＣＯ_２が検出できなくても、常に正しい温度設定で計測し続けることができる。

【0056】

＜第三実施形態＞
図６は、本発明の第三実施形態のガス分析装置の一例を示す概略構成図である。なお、上述したガス分析装置１０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
ガス分析装置２０１は、光源部１０と、分割測定光と参照光とに分割する測定光分割部１５と、参照光受光部２１と、リファレンスガスセル８０と、圧力値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を測定する圧力センサ３１と、ガス温度値Ｔを測定するガス温度センサ３２と、光源部１０を制御するレーザ制御部５０と、マイコンやＰＣで構成される制御部２６０とを備える。

【0057】

測定光分割部１５は、例えばレーザ光を２方向へ分割するハーフミラーであり、半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を透過することで測定対象ガスに照射する分割測定光と、レーザ光の残りを反射することで測定対象ガスに照射しない参照光とに分割する。
そして、参照光がリファレンスガスセル８０に対して照射されるようになっている。

【0058】

参照光受光部２１は、光強度を電気信号に変換できるものであればよく、例えばフォトダイオードが用いられる。そして、フォトダイオードは、測定光分割部１５でＺ方向に反射され、リファレンスガスセル８０を通過したレーザ光（参照光）を受光するように配置されており、Ｈ_２Ｏを通過した強度Ｉ’（ν）のレーザ光（参照光）を受光する。

【0059】

制御部２６０は、ＣＰＵ２６１とメモリ６２と表示部６３と入力装置６４とを備える。また、ＣＰＵ２６１が処理する機能をブロック化して説明すると、レーザ光の強度Ｉ（ν）に基づいて測定対象ガス中の分圧値Ｐ_ＣＯ２を算出する演算部６１ａと、レーザ光の強度Ｉ’（ν）に基づいて第ｎ周期の開始時間ｔ_ｓからＨ_２Ｏの光吸収の最大値が得られる時間ｔ_ｐまでの所要時間Δｔ_ｎを算出してメモリ６２に記憶させる最大変化位置算出部６１ｂと、設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}に変更するレーザ温度補正部６１ｃとを有する。

【0060】

以上のように、本発明のガス分析装置２０１によれば、光源部１０に備えたＮＴＣサーミスタで検出された温度と半導体レーザの温度との差異を随時補正することで、一日の温度差が激しい環境下や、一年の温度差が激しい気候における設置場所においても半導体レーザの温度を一定に保つことができ、長時間の安定した計測が可能となる。このようなリファレンスセル８０を用意すれば、ＣＯ_２が検出できなくても、常に正しい温度設定で計測し続けることができる。

【0061】

＜他の実施形態＞
（１）上述したガス分析装置１においては、レーザ温度補正部６１ｃは、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}より短い場合には、設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を下げる変更信号をレーザ温度調節部５２に出力し、一方、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}より長い場合には、設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を上げる変更信号をレーザ温度調節部５２に出力する制御を行う構成としたが、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−５）}より短い場合には、設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を下げる変更信号をレーザ温度調節部に出力し、一方、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−５）}より長い場合には、設定温度Ｔ_{（ｎ＋１）}を上げる変更信号をレーザ温度調節部に出力する制御を行うような構成としてもよい。

【0062】

（２）上述したガス分析装置１においては、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}と同じ場合には、変更信号をレーザ温度調節部５２に出力しない構成としたが、所要時間Δｔ_ｎが所要時間Δｔ_{（ｎ−１）}±Ｂ（定数）となる場合には変更信号をレーザ温度調節部に出力しないような構成としてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明は、レーザ吸収分光法を利用して気体中の特定ガス量情報を計測するガス分析装置等に利用することができる。

【符号の説明】

【0064】

１ ガス分析装置
１０ 光源部
２０ 受光部
５１ レーザ電流制御部
５２ レーザ温度調節部
６１ａ 演算部
６１ｂ 最大変化位置算出部
６１ｃ レーザ温度補正部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】