(57)【要約】【課題】被測定ガスの圧力が急激に且つ大きく変化する状況下でも、コストを掛けずに特定ガス成分濃度を精度良く算出する。【解決手段】ＬＤ波長走査用電圧発生部３７によりレーザ光の波長を走査しつつ光検出部８で得られた検出信号に基づくデータを取得するに先立ち、圧力計１２で計測した被測定ガスの圧力値を測定時圧力推定部２８２に取り込む。波長走査に伴うデータの取得の直後にも同様に、圧力計１２による被測定ガスの圧力値を測定時圧力推定部２８２に取り込む。測定時圧力推定部２８２は定められた補正式を用いて、吸収ピークが現れる波長走査の中心波長ν0の信号取得時点での被測定ガスの圧力を推定し、推定圧力値を圧力補正データ記憶部２８３に与えて圧力に対応したプロファイル関数値φ(ν0)を取得する。濃度演算部２８１はこのプロファイル関数値を用いることで、圧力依存性が補正された正確なガス濃度を算出する。【選択図】図２
2011043461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスが導入されるサンプルセルと、該サンプルセルの外側に配置されたレーザ照射部及び受光部と、を具備し、レーザ照射部から出射したレーザ光をサンプルセル内の被測定ガスに通過させた後に受光部により検出し、その検出信号に基づいて被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を算出するガス分析装置において、
a)前記サンプルセル中の被測定ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
b)前記受光部による検出信号を取得する時点よりも時間的に前の時点とその検出信号を取得した時点よりも時間的に後の時点とを少なくともそれぞれ一点ずつ含む複数の時点において前記圧力検出手段により圧力値を取得するとともに、取得した複数の圧力値に基づいて前記検出信号を取得した時点における圧力値を推定する圧力推定手段と、
c)前記圧力推定手段により推定された圧力値を用い、検出信号に基づいて特定ガスの濃度を算出する際の光吸収の圧力依存性を補正する補正演算手段と、
を備えることを特徴とするガス分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガス分析装置であって、
前記レーザ照射部から出射されるレーザ光を、周波数ｆで変調させる周波数変調手段と、前記受光部による検出信号を周波数ｆの整数倍の周波数でもって同期検出する同期検出手段と、その同期検出結果に基づいて特定ガスの濃度を算出するガス濃度算出手段と、をさらに備え、前記ガス濃度算出手段で特定ガス濃度を算出する際に前記補正演算手段により光吸収の圧力依存性を補正することを特徴とするガス分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光に対する吸収を利用して被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するガス分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、気体中の特定ガスの濃度を測定する方法として、波長可変レーザ光に対する吸収を利用したレー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、被測定ガスが導入されたサンプルセルに所定波長のレーザ光を照射し、透過したレーザ光を解析し、被測定ガス中の特定の成分ガスの吸収の程度から該ガスの濃度を導出するものである。この装置は、被測定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、サンプルの場を乱すことなく測定が可能である、応答時間がきわめて短い、といった利点を有している。
【０００３】
いま、サンプルセルへの入射光をＩ0、透過光をＩ、特定ガスの分子数密度をｃ、被測定ガスを通過する光路長をＬ、吸収計数をεとすると、ランベルト・ベール（Lambert-Beer）の法則より、次の(1)式が成り立つ。
【数１】
2011043461.tif 000003
【０００４】
近年、吸収分光法の中でも、光源に波長可変半導体レーザダイオードを用い、特定のガスの濃度を測定するＴＤＬＡＳ（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）法が確立されている。ＴＤＬＡＳ法では、光源の単色性が高いため、特定ガスのみの光吸収を選択的に受けるようにすることで、結果的に、他のガス成分の影響を受けにくいという利点がある。また、レーザダイオードは高速点灯、高速変調駆動が容易に行えるため、応答性にも優れる。レーザ光の波長をνとすると、上記(1)式は次の(2)式に書き換えられる。
【数２】
2011043461.tif 000004
ここで、Ｉ0（ν）は波長νにおける入射光強度、Ｉ（ν）は波長νにおける透過光強度、Ｓは吸収線強度、φ（ν）は吸収線のプロファイル関数であり、φ（ν）は次の(3)式のように定義される。
【数３】
2011043461.tif 000005
【０００５】
ＴＤＬＡＳ法では、通常、吸収スペクトルの中心波長ν0における光強度を計測するため、(2)式は次の(4)式のようになる。
【数４】
2011043461.tif 000006
一般に、吸収線強度Ｓの値は吸収線のデータベースとして提供されているHITRANから容易に得ることができる。したがって、(4)式において、プロファイル関数φ（ν）さえ正確に決定することができれば、特定ガスの濃度を知ることができる。プロファイル関数φ（ν）は被測定ガスの圧力に応じて３種類の関数のいずれかとなることが知られている。
【０００６】
［１］被測定ガスが大気圧である場合
この場合、プロファイル関数φ（ν）は次の(5)式のようなローレンツ（Lorentz）関数で表される。
【数５】
2011043461.tif 000007
特に中心波長ν0においては次の(6)式となる。
【数６】
2011043461.tif 000008
ここで、γLは大気圧における吸収スペクトルの半値半幅であり、被測定ガスの種類と温度に依存する。
【０００７】
［２］被測定ガスの全圧が１[Torr]よりも高真空領域である場合
この場合、プロファイル関数φ（ν）は次の(7)式のようなガウス関数となる。
【数７】
2011043461.tif 000009
特に中心波長ν0においては次の(8)式となる。
【数８】
2011043461.tif 000010
ここで、γEDはドップラ幅と呼ばれ、次の(9)式で表される。
【数９】
2011043461.tif 000011
ｋBはボルツマン定数、Ｔはガス温度、Ｍは特定ガスの分子量である。(9)式より、ドップラ幅γEDは、吸収周波数の中心周波数、分子量、及び温度、に依存しており、１[Torr]よりも高真空領域では、プロファイル関数φ（ν）は被測定ガスの圧力による影響を受けないことが分かる。
【０００８】
［３］大気圧と１[Torr]との間の中間圧力の場合
この場合、プロファイル関数φ（ν）はフォークト（Voigt）関数と呼ばれる上記ローレンツ関数とガウス関数との畳み込み関数で表される。
【０００９】
上記は直接吸収によるスペクトル検出を用いた濃度測定方法（以下「直接吸収分光法」という）であるが、濃度が非常に低い場合に有効な方法として、レーザ変調波の整数倍の周波数で検出する分光法（以下「波長変調分光法」という）が知られている（例えば非特許文献１参照）。波長変調分光を行う場合、被測定ガスへ照射する光の周波数を変調させる。いま、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(10)式で規定される。
【数１０】
2011043461.tif 000012
【００１０】
(10)式によって周波数変調されたレーザ光をその２倍の周波数である２ωで検出すると、抽出される信号は被測定ガスの圧力に応じて、ガス濃度が非常に低い場合に限り、次の３種類の関係式のいずれかとなる。
大気圧での水分測定において、中心周波数ν0での第２高調波検出信号signal（ν0）は次の(11)式によって規定される。
【数１１】
2011043461.tif 000013
【００１１】
同様に１{Torr}よりも高真空領域での水分測定において、中心周波数ν0での第２高調波検出信号signal（ν0）は次の(12)式によって規定される。
【数１２】
2011043461.tif 000014
大気圧と１{Torr}との間の中間圧力では、上記直接吸収分光法と同様に、(11)式の関係式と(12)式の関係式との畳み込みとして表される。これらの関係式は非特許文献２で提案されている。波長変調分光法の場合のプロファイル関数φ'（ν0）は上記直接吸収分光法のプロファイル関数φ（ν）と異なるが、被測定ガスの圧力に応じてプロファイル関数φ'（ν0）が変わることは同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平５−９９８４５号公報
【非特許文献】
【００１３】
【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・アプリケイションズ・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
【非特許文献２】ウィルソン（G.V.H.Wilson）、「モジュレイション・ブロードニング・オブ・エヌエムアール・アンド・イーエスアール・ライン・シェイプス（Modulation Broadening of NMR and ESR Line Shapes）」、ジャーナル・アプライド・フィジックス(J. Appl. Phys.)、Vol. 34、 No. 11、p. 3276 (1963)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来、ＴＤＬＡＳ法による特定ガス濃度測定は、例えば大気中の特定ガス（例えば一酸化炭素、二酸化窒素など）の連続モニタリング、半導体処理ガス中の水分の連続モニタリングなどに利用されているが、こうした用途では被測定ガスの圧力がおおよそ一定であるという条件の下での計測が一般的である。これに対し、真空室内の特定残留ガスのモニタリングを行う場合などにおいては、被測定ガスの圧力が大気圧付近から急激に且つ大きく減じるような状況の下で特定ガスの濃度測定を行う必要がある。この場合、被測定ガスの急激な圧力変動に伴ってプロファイル関数φ（ν）又はφ'（ν）を変更する必要があるが、圧力計による圧力値測定のタイミングと吸収光の信号強度の測定タイミングとに時間的なずれが生じると、適切なプロファイル関数が用いられずに特定ガス濃度の算出精度が低下する。
【００１５】
上述した、圧力計による圧力値測定のタイミングと吸収光の信号強度の測定タイミングとに時間的なずれが生じる大きな理由の一つは、データ処理のハードウエア／ソフトウエア上の制約である。即ち、波長走査に伴い短い時間間隔で吸収光の測定を行うのと並行して圧力値のモニタも高速に行うとすると、データの並列処理を行うか或いはデータ処理系を大幅に高速化する必要が生じる。そのため、装置コストがかなり高くなることが避けられない。また、一般的に利用されている圧力計は比較的応答が遅く、この応答の遅れを考慮して圧力値測定タイミングを吸収光の測定タイミングに合わせる必要があるためにデータ処理は一段と複雑になる。応答が高速である圧力計も入手可能であるものの、こうした圧力計は高価であってコストが高くなる。
【００１６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、データ処理系などのコストの増加を抑えつつ、被測定ガスの圧力が急激且つ大きく変化する状況の下でも特定ガス濃度を高い精度で測定することができるレーザ吸光方式のガス分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために成された本発明は、被測定ガスが導入されるサンプルセルと、該サンプルセルの外側に配置されたレーザ照射部及び受光部と、を具備し、レーザ照射部から出射したレーザ光をサンプルセル内の被測定ガスに通過させた後に受光部により検出し、その検出信号に基づいて被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を算出するガス分析装置において、
a)前記サンプルセル中の被測定ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
b)前記受光部による検出信号を取得する時点よりも時間的に前の時点とその検出信号を取得した時点よりも時間的に後の時点とを少なくともそれぞれ一点ずつ含む複数の時点において前記圧力検出手段により圧力値を取得するとともに、取得した複数の圧力値に基づいて前記検出信号を取得した時点における圧力値を推定する圧力推定手段と、
c)前記圧力推定手段により推定された圧力値を用い、検出信号に基づいて特定ガスの濃度を算出する際の光吸収の圧力依存性を補正する補正演算手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１８】
本発明に係るガス分析装置の一態様として、前記レーザ照射部から出射されるレーザ光を、周波数ｆで変調させる周波数変調手段と、前記受光部による検出信号を周波数ｆの整数倍の周波数でもって同期検出する同期検出手段と、その同期検出結果に基づいて特定ガスの濃度を算出するガス濃度算出手段と、をさらに備え、前記ガス濃度算出手段で特定ガス濃度を算出する際に前記補正演算手段により光吸収の圧力依存性を補正する構成とすることができる。即ち、この態様のガス分析装置は、波長変調分光法により特定ガスの濃度を求めるものである。もちろん、本発明に係るガス分析装置は、直接吸光検出法により特定ガスの濃度を求める場合にも適用可能であるが、波長変調分光法によればより微量のガス成分を高い精度でもって測定することができる。
【００１９】
本発明に係るガス分析装置において圧力推定手段は、予め定めておいた計算式やこれに相当するテーブルなどを用いて、特定ガス成分によるレーザ光の吸収に対応する検出信号を取得する時点よりも時間的に前の時点と時間的に後の時点とで得られた圧力値から、検出信号を取得した時点の圧力値を推定する。圧力検出手段が応答遅れがあるものの場合には、その応答遅れを見込んで上記計算式やそれに相当する情報を定めておけばよい。実際に圧力検出手段により取得される圧力値の点数が多ければ、それだけ上記の圧力値の推定精度は高くなる。
【００２０】
具体的には、特定ガス成分による吸収ピークの高さなどから該成分の濃度（量）を計算する際に吸収線のプロファイル関数が用いられるが、このプロファイル関数が圧力依存性を有する。そこで補正演算手段は、このプロファイル関数を推定圧力値に応じて変更することで補正を行うものとすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係るガス分析装置によれば、吸収光の信号強度を取得する時点における被測定ガスの圧力値を高い精度で知ることができるので、それによって、被測定ガスの圧力が急激に且つ大きく変化するような状況の下でも、特定ガス成分の濃度を精度良く算出することができる。また、圧力検出手段により検出される圧力値の読み込みなどのデータ処理と受光部で得られる検出信号の読み込みなどのデータ処理とを並行的に行う必要がないので、データ処理系の高速化や並列化などが不要であって、コスト増加を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係るガス分析装置の一実施例である水分測定装置の測定光学系の概略構成図。
【図２】第１実施例の水分測定装置の信号処理系及び制御系の概略ブロック図。
【図３】計算により求めた直接吸収分光法で得られる信号波形の一例を示す図。
【図４】被測定ガス圧力とプロファイル関数の吸収線中心での値φ（ν0）の大きさとの関係を示すグラフ。
【図５】圧力値の推定方法の一例を示す図。
【図６】第２実施例の水分測定装置の信号処理系及び制御系の概略ブロック図。
【図７】計算により求めた波長変調分光法で得られる信号波形の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［第１実施例］
本発明に係るガス分析装置の第１実施例である水分測定装置について、図１〜図５を参照して説明する。この実施例の装置は、直接吸収分光法により被測定ガス中の水分の濃度を測定するものであるが、特定波長でレーザ光を吸収するガスであれば、他のガス濃度の測定も可能である。図１は本実施例による水分測定装置の測定光学系の概略構成図、図２はこの水分測定装置における信号処理系及び制御系の概略ブロック図である。
【００２４】
本実施例の水分測定装置は、被測定ガスが上から下向きに流通するガス流路２の途中に、略水平方向にサンプルセル１を備える。サンプルセル１の左右の開口端には、対向して反射鏡３、４を備える。一方の反射鏡３には光のみが通過可能な透明窓５が設けられ、その透明窓５を挟んでサンプルセル１の外側には、略密閉構造で略大気圧雰囲気である光学チャンバ６が設置されている。この光学チャンバ６内には、レーザ照射部としての波長可変レーザ装置７と、受光部としての光検出部８とが収納されている。
【００２５】
波長可変レーザ装置７としては、水分子が吸収スペクトルをもつ１．３[μm]で発振するＤＦＢ（Distributed Feedback）型レーザを使用することができる。これ以外でも、水分子の吸収スペクトルが存在する波長で発振するような波長可変レーザであれば使用することができる。もちろん、水ではなく別の特定ガスの濃度を測定する場合には、その特定ガスの吸収スペクトルが存在する波長で発振するような波長可変レーザを用いればよい。
【００２６】
光検出部８は、フォトダイオード等の光電変換素子と、その光電変換素子で得られる電流信号を電圧信号に変換するＩ／Ｖ変換アンプと、を含む。なお、光学チャンバ６内の水分（妨害水分）は除湿剤やパージガスなどにより除去されており、その濃度は無視できる程度に小さいものとする。
【００２７】
サンプルセル１には圧力計１２が取り付けられ、この圧力計１２により被測定ガスの圧力が計測できるようになっている。圧力計１２は主として略１[Torr]から略大気圧の測定範囲に対応したものが適している。ここでは、圧力計１２として、絶対圧０〜７６０[Torr]の範囲で０〜５[Ｖ]の電圧が出力されるダイヤフラム式の圧力トランスデューサを用いるものとする。
【００２８】
図１において、レーザ制御部１０による制御の下に波長可変レーザ装置７から出射したレーザ光Ｌ１は、透明窓５を通過してサンプルセル１内に入射し、反射鏡３、４の間で反射を繰り返す。図１に記載の光路では、レーザ光はガス流路２を横切って反射鏡３、４の間を２往復するが、さらに往復回数を増やす光学系としてもよい。ガス流路２を通過する際に、レーザ光は被測定ガス中の各種成分による吸収を受ける。そうして吸収を受けた後のレーザ光Ｌ２が透明窓５を通って光学チャンバ６内に戻り、光検出部８に到達する。光検出部８で取り出された電気信号は信号処理部１１に入力される。
【００２９】
図２に示すように、光検出部８で得られた電圧信号はアンプ２１で増幅された後に、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２５でノイズ成分が除去され、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２６に入力される。このＡＤＣ２６の出力は演算部２８、より詳しくは、ガス濃度を算出するための濃度演算部２８１に入力される。
【００３０】
ＬＤ波長走査用電圧発生部３７はデジタル／アナログ変換器を含み、制御部２９から出力される、水分子の吸収スペクトル付近の所定の波長領域に亘るスイープを繰り返し行うためのデジタルデータをスイープ電圧に変換して出力する。このスイープ電圧が電圧／電流変換器（Ｖ／Ｉ）３９により電流信号に変換され、波長可変レーザ装置７に駆動電流として供給される。これにより、波長可変レーザ装置７は時間経過に伴って、所定波長範囲で繰り返し波長が変化するレーザ光Ｌ１を出射する。
【００３１】
サンプルセル１内の被測定ガスの圧力は圧力計１２により電圧信号に変換され、その電圧信号はＡＤＣ２７によりデジタル値に変換されて演算部２８、より詳しくは測定時圧力推定部２８２に入力される。測定時圧力推定部２８２は後述するようにガス濃度を算出するための検出信号取得時点での被測定ガスの圧力を推定する。圧力補正データ記憶部２８３は推定された圧力値に応じた補正データとして、プロファイル関数値を濃度演算部２８１に送出する。
【００３２】
本実施例の水分測定装置における、被測定ガス中の水分量測定の原理と動作とを説明する。
【００３３】
ＴＤＬＡＳ法により水分量を測定する場合には、上記の(4)式に示すように、吸収スペクトルの中心波長ν0における入射光強度Ｉ（ν0）と透過光強度Ｉ0（ν0）とをそれぞれ実測する必要がある。
【００３４】
図３は、計算（シミュレーション）により求めた直接吸収分光法で得られる信号波形の一例であり、横軸は周波数（波長）偏差ν−ν0、縦軸は信号強度である。周波数偏差ゼロ、つまり中心周波数ν0付近において水分子による吸収で信号強度が大きく低下するピークが観測される。Ｉ（ν0）は光検出部８で得られる吸収ピークのピークトップの信号強度であり、Ｉ0（ν0）は水分子による吸収がないと仮定されるときの信号強度である。後者は、図３中に示すように、非吸収領域の信号強度から近似曲線を描くことで求めることができる。即ち、Ｉ（ν0）、Ｉ0（ν0）ともに、周波数ν0を中心とする所定の周波数範囲で走査を行うときに光検出部８で得られる検出信号から求まる。このようにしてＩ0（ν0）及びＩ（ν0）が求まれば、(4)式におけるＳの値はHITRANのデータベースから容易に得られ、Ｌは光路長で既知であるから、あとはプロファイル関数φ（ν0）が分かれば水分子の体積濃度ｃが計算できる。
【００３５】
図４は、被測定ガスの圧力とプロファイル関数の吸収線中心での値φ（ν0）の大きさとの関係を、７６０[Torr]におけるφ（ν0）の値を１として示したグラフである。ここでは、ガスの種類及び温度は一定であるとしている。この図４を見れば、被測定ガス圧力が大気圧〜１[Torr]の範囲でφ（ν0）が大きく変化していることが分かる。また、１[Torr]よりも高真空領域では(8)式及び(9）式のとおり、圧力に依存しない関数であるので一定となることが分かる。一般的に真空装置では、非常に短い時間で略大気圧と約１[Torr]との間で圧力が変化するので、圧力の測定タイミングと吸光の測定タイミングとの僅かなずれも、濃度の演算結果に大きな影響を与えることが理解できる。
【００３６】
本実施例の水分測定装置では、図４に示したような被測定ガス圧力と吸収中心波長ν0におけるプロファイル関数値との関係を予め計算してデータベース化し、これを圧力補正データ記憶部２８３に格納しておく。これにより、圧力補正データ記憶部２８３に圧力値が入力されると、直ちにその圧力値に対応したプロファイル関数値φ（ν0）が出力される。なお、濃度測定対象であるガス成分の種類が相違すれば、プロファイル関数値が相違するから、圧力補正データ記憶部２８３に格納されるデータも相違する。
【００３７】
図５は測定のタイミングを示す概略図である。本実施例の水分測定装置では、上述したような波長走査に伴う吸光測定に先立って、まず被測定ガスの圧力測定を行う。即ち、時刻Ｔ1において、圧力計１２による電圧信号がＡＤＣ２７によりデジタル化された圧力値Ｘ1を、測定時圧力推定部２８２に取り込む。続いて、所定の波長範囲に亘るレーザ光の波長走査に対応してアンプ２１で増幅された検出信号をＡＤＣ２６を通して濃度演算部２８１に取り込む。このときの波長走査に伴って得られる検出信号の形状は図３に示すようになり、この信号が所定のサンプリング時間間隔でデジタル化されて濃度演算部２８１に取り込まれる。濃度演算部２８１は取り込んだデータに基づいて、Ｉ（ν0）及びＩ0（ν0）を取得する。このＩ（ν0）及びＩ0（ν0）の取得タイミングは波長走査に際し波長がν0になる時点Ｔ2である。波長走査の開始、終了、走査速度は制御部２９により制御されるから、制御部２９は時刻Ｔ2を容易に求めることができる。
【００３８】
波長走査に伴う吸光測定が終了したあとに、時刻Ｔ3において、圧力計１２による電圧信号がＡＤＣ２７によりデジタル化された圧力値Ｘ2を、再び測定時圧力推定部２８２に取り込む。波長走査の間、圧力値の計測は行われないので、時刻Ｔ2における圧力値は不明である。そこで、測定時圧力推定部２８３は、時刻Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3、及び実測の圧力値Ｘ1、Ｘ2からＴ2における被測定ガスの圧力値Ｘadjを推定する。例えば、圧力計１２での検出の応答遅れが無視できるとすれば、最も簡単な推定方法は、次の(13)式による直線補間によるものである。
【数１３】
2011043461.tif 000015
ここで、ｔ1＝Ｔ2−Ｔ1、ｔ2＝Ｔ3−Ｔ2、である。
【００３９】
上記のように推定圧力値Ｘadjが計算できたならば、その推定圧力値Ｘadjを圧力補正データ記憶部２８３に入力し、出力としてプロファイル関数値φ（ν0）を取得する。濃度演算部２８１は、こうして得られた推定圧力値Ｘadjに基づくプロファイル関数値φ（ν0）と実測により得られたＩ（ν0）及びＩ0（ν0）とを用い、さらに上記のように求まるＳ、Ｌを用い、(4)式により水分子の体積濃度ｃを算出する。これにより、検出信号において吸収ピークのピークトップが出現するタイミングでの被測定ガスの圧力を反映した、正確な水分子体積濃度を算出することができる。
【００４０】
なお、上記説明では、２点（時刻Ｔ1、Ｔ3）の実測圧力値のみに基づいてＸadjを推定していたが、３以上の複数点の実測圧力値を用い、高次の補間曲線へのフィッティングを行うようにすることで、圧力値の推定精度を向上させることができる。
【００４１】
また、圧力計１２の検出の応答遅れ時間が無視できない程度に大きい場合には、この応答遅れ時間Δｔを予め考慮した補正式を定めればよい。具体的には、図５の例では、時刻Ｔ1及びＴ3で取得される圧力値データは、それぞれＴ1及びＴ3からΔＴだけ遡った時点の被測定ガスの圧力であるとして(13)式を書き換えればよい。この場合のΔＴは圧力計の特性により決まるから、予備的な測定で求めることができる。
【００４２】
［第２実施例］
次に、本発明の第２実施例による水分測定装置について、図６及び図７を参照して説明する。この実施例の装置は、波長変調分光法により被測定ガス中の水分の濃度を測定するものである。図６は本実施例の水分測定装置における信号処理系及び制御系の概略ブロック図、図７は計算（シミュレーション）により求めた波長変調分光法で得られる信号波形の一例である。図６において第１実施例と同一の構成要素については同じ符号を付してある。
【００４３】
この水分測定装置では、光検出部８で得られた電圧信号はアンプ２１で増幅されたあとに、同期検出器２２とＬＰＦ２５とに入力される。同期検出器２２には、後述する２ｆクロック生成部３１で生成された周波数２ｆのクロック信号が参照信号として入力されており、同期検出器２２は、アンプ２１を通して入力された検出信号から参照信号の位相及び周波数に同期した信号を抽出する。この同期検出信号はＬＰＦ２３により高周波成分が除去され、ＡＤＣ２４によりデジタル信号に変換される。このＡＤＣ２４の出力が演算部２８の濃度演算部２８４に入力される。
【００４４】
２ｆクロック生成部３１、分周器３２、変調振幅制御用電圧発生部３３、乗算器３４、及びバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３５は、任意の変調振幅の設定が可能な周波数ｆの正弦波発生器３０を構成する。制御部２９’の制御の下に、２ｆクロック生成部３１は周波数２ｆのクロック信号を生成し、分周器３２はこのクロック信号を１／２に分周することで周波数がｆでデューティ比が５０％であるクロック信号を生成する。変調振幅制御用電圧発生部３３は制御部２９’から与えられるデジタルデータをアナログ値に変換するデジタル／アナログ変換器を含み、変調振幅に応じた直流電圧を出力する。この直流電圧と周波数ｆのクロック信号とが乗算器３４で乗算される。乗算後のクロック信号は周波数がｆで、直流電圧により決まる振幅を有する。ＢＰＦ３５は中心周波数がｆである所定の通過帯域を有し、中心周波数が周波数ｆである矩形波状のクロック信号を中心周波数がｆである正弦波信号に変換する。この正弦波信号が周波数変調のための変調信号である。なお、このような構成ではなく、デジタル／アナログ変換器による変換により、直接、周波数がｆである正弦波を生成するようにしてもよい。
【００４５】
ＬＤ波長走査用電圧発生部３７はデジタル／アナログ変換器を含み、制御部２９’から出力される、水分子の吸収スペクトル付近の所定の波長領域に亘るスイープを行うためのデジタルデータをスイープ電圧に変換して出力する。上述したＢＰＦ３５からの正弦波信号は移相器３６において検出信号と同期するように位相がシフトされた後に、加算器３８により上記スイープ電圧に加算される。このスイープ電圧に正弦波信号が重畳された電圧が電圧／電流変換器３９により電流信号に変換され、波長可変レーザ装置７に駆動電流として供給される。これにより、波長可変レーザ装置７は時間経過に伴って波長が変化し、且つ所定の変調振幅で周波数変調が施されたレーザ光Ｌ１を出射する。
【００４６】
このような波長走査に際し、同期検出器２２の出力、つまり２ｆ同期検出信号は図７に示したような形状となる。周波数偏差ゼロ、つまり中心周波数ν0における信号強度が水分子による吸収の強さを示しているが、実際の同期検出信号は正方向ピークと負方向ピークとが加算されたものとなり、それらを演算上で分離することは困難である。そのため、信号波形のピーク・トゥ・ピークの信号強度SIGが、前述の(11)式、(12)式の左辺中のsignal（ν0）と比例関係となる。この比例関係を定義する比例定数Ｂは、同期検波で使用する周波数２ｆの信号（２ｆクロック生成部３１の出力信号）が完全な正弦波であれば、理論的に１である。また、この２ｆ信号が正弦波でなく矩形波であっても予め実験的に求めておくことができる。濃度演算部２８１は波長走査に伴ってＡＤＣ２４を通して同期検出データを受け取ると、信号波形のピーク・トゥ・ピークの信号強度SIGを求め、比例定数Ｂを用いてSignal（ν0）を計算する。
【００４７】
なお、本実施例では明示していないが、別途、Ｉ0（ν0）を取得する必要がある。このためには、第１実施例と同じ検出部の構成を同期検出器２２、ＬＰＦ２３、ＡＤＣ２４と並列に加えてもよいし、Ｉ0の変動が実際の測定に影響しない程度に安定している場合であれば、予めＩ0（ν0）を固定値とみなして濃度演算を行うこともできる。
【００４８】
波長変調分光法の場合、第１実施例の直接吸収分光法とは中心波長ν0におけるプロファイル関数の値φ'（ν0）は相違するものの、やはり被測定ガスの圧力が大気圧〜１[Torr]の範囲でφ'（ν0）は大きく変化する。そこで、圧力とφ'（ν0）との関係を予め計算してデータベース化し、これを圧力補正データ記憶部２８５に格納しておく。これにより、圧力補正データ記憶部２８５に圧力値が入力されると、直ちにその圧力値に対応したプロファイル関数値φ'（ν0）が出力される。
【００４９】
そして、第１実施例と同様に、波長走査に伴う吸光測定の前後に少なくともそれぞれ１点ずつ実測圧力値を求め、測定時圧力推定部２８２は波長走査で中心波長ν0に対する信号が得られる時点の圧力値Ｘadjを推定し、その推定圧力値Ｘadjを圧力補正データ記憶部２８５に入力し、出力としてプロファイル関数値φ'（ν0）を取得する。濃度演算部２８４は、こうして得られた推定圧力値Ｘadjに基づくプロファイル関数値φ'（ν0）と実測に基づいて得られたSingnal（ν0）とを用い、さらに上記のように求まるＳ、Ｌを用い、(11)式により水分子の体積濃度ｃを算出する。これにより、同期検出信号においてピークトップが出現するタイミングでの被測定ガスの圧力を反映した、正確な水分子体積濃度を算出することができる。
【００５０】
なお、上記実施例はいずれも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形や修正、追加などを行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
【符号の説明】
【００５１】
１…サンプルセル
２…ガス流路
３、４…反射鏡
５…透明窓
６…光学チャンバ
７…波長可変レーザ装置
８…光検出部
１０…レーザ制御部
１１…信号処理部
１２…圧力計
２１…アンプ
２２…同期検出器
２３、２５…ＬＰＦ
２４、２６、２７…ＡＤＣ
２８…演算部
２８１、２８４…濃度演算部
２８２…測定時圧力推定部
２８３、２８５…圧力補正データ記憶部
２９、２９’…制御部
３０…正弦波発生器
３１…２ｆクロック生成部
３２…分周器
３３…変調振幅制御用電圧発生部
３４…乗算器
３５…ＢＰＦ
３６…移相器
３７…ＬＤ波長走査用電圧発生部
３８…加算器
３９…電圧／電流変換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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