本發(fā)明涉及一種對存在于測量空間中的對象氣體進行分析的氣體分析裝置。

背景技術：

以往公知一種如下的裝置，其基于對經過測量空間的測量光的吸光量，對存在于該測量空間的對象氣體進行分析。

例如專利文獻1公開了一種如下的裝置，其將測量光導入氣體氣氛中，從經過氣體氣氛中并由受光部接收的測量光抽出被對象氣體吸收的波長的激光強度和不被對象氣體吸收的波長的激光強度，該測量光通過對具有被對象氣體吸收的波長的激光和具有不被吸收的波長的激光進行合波而形成。在專利文獻1中，基于被對象氣體吸收的波長的激光強度與不被對象氣體吸收的波長的激光強度之差，分析對象氣體。

專利文獻1：日本專利公開公報特開平11-142327號

如上所述，為了利用對象氣體的吸光高精度地分析對象氣體，需要成為對象氣體的吸光量的基準的光(基準光)。因此，專利文獻1的裝置分別具有產生被對象氣體吸收的光(測量光)的光源和產生基準光的光源。

在獨立設置測量光用的光源和基準光用的光源的以往裝置的情況下，想要由一個裝置測量多種氣體種類時，每種氣體需要兩個光源。即，在以往的裝置中，需要具有想要測量的氣體種類的個數的兩倍數量的光源。此外，在以往的裝置中，如果基于基準光的強度與測量光的強度之差來進行對象氣體的分析，則不能高精度地進行分析。這是因為在獨立設置的光源之間產生每次測量時變動的特性偏差。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于，在利用對象氣體的吸光來分析對象氣體的裝置中，高精度地分析對象氣體。

以下對作為用于解決課題的手段的多種方式進行說明。可以根據需要對上述方式進行任意組合。

本發(fā)明一種觀點的氣體分析裝置對存在于測量空間的氣體進行分析。氣體分析裝置包括多個光源、導入部、受光部和分析部。

多個光源分別同時輸出存在于測量空間的多種對象氣體中的任意的對象氣體能夠吸光的固有波長范圍的測量光。導入部將從多個光源同時輸出的多種測量光導入測量空間。受光部測量合計強度，通過對從導入部導入且經過測量空間的多種測量光的強度進行合計而得到該合計強度。

分析部基于多種測量光經過存在多種對象氣體中的任意的對象氣體的測量空間時作為由受光部測量的合計強度的測量對象強度與多種測量光經過不存在多種對象氣體中的任意的對象氣體的測量空間時作為由受光部測量的合計強度的基準強度之差，進行對象氣體的分析。

由此，氣體分析裝置不需要為了測量基準強度而對每種對象氣體單獨設置光源，能夠高精度地分析多種對象氣體。

導入部可以包括合波部。合波部對從多個光源同時輸出的多種測量光進行合波而產生合波測量光，并且將合波測量光導入測量空間。此時，受光部將合波測量光的強度測量為合計強度。

由此，可以有效地將從多個光源同時輸出的多種測量光導入測量空間。

導入部還可以包括分波部。分波部對合波測量光進行分波并從多個光輸出口輸出。由此，可以將合波測量光向測量空間以外的空間輸出。

導入部可以將從多個光輸出口輸出的多種合波測量光分別導入多個測量空間。由此，不需要為了對多個測量空間中的對象氣體進行分析而對每個測量空間設置光源。

氣體分析裝置還可以包括氣體種類通知部，該氣體種類通知部通知多種對象氣體中的任意的對象氣體是否存在于測量空間。由此，即使在不能根據測量對象強度判斷存在于測量空間的對象氣體的種類時，也可以知道何種對象氣體存在于測量空間。

多個光源分別能夠在固有波長范圍的范圍內使測量光的波長以規(guī)定的周期增加或減小。由此，可以產生波長隨時間變化的合波測量光。

可以使為了產生多種測量光而分別輸入多個光源的多種驅動電流中的任意的驅動電流的周期性增減模式與其他驅動電流的周期性增減模式不同。由此，可以使分析對象氣體時的動態(tài)范圍變大。

分析部可以基于測量對象強度隨時間的變化與基準強度隨時間的變化之差，進行對象氣體的分析。由此，即使被對象氣體吸光而對測量對象強度的影響小時，也能夠更高精度地分析對象氣體。

本發(fā)明另一觀點的氣體分析裝置對存在于測量空間的對象氣體進行分析。該氣體分析裝置包括光源、導入部、受光部和分析部。

光源輸出對象氣體能夠吸光的固有波長范圍的測量光。導入部將從光源輸出的測量光導入測量空間。受光部測量從導入部導入且經過測量空間的測量光的強度。

分析部基于測量光經過對象氣體以第一濃度的濃度存在的測量空間時作為由受光部測量的強度的基準強度與測量光經過對象氣體以比第一濃度低的濃度存在的測量空間時作為由受光部測量的強度的測量對象強度之差，進行對象氣體以比第一濃度低的濃度存在的測量空間中的對象氣體的分析。

由此，能夠準確地執(zhí)行存在有低濃度的對象氣體的測量空間中的對象氣體的分析。

在利用對象氣體的吸光來分析對象氣體的裝置中，能夠高精度地分析對象氣體。

附圖說明

圖1是表示氣體分析裝置的結構的圖。

圖2是表示控制部的結構的圖。

圖3是表示第一實施方式的向光源輸出的驅動電流的一例的圖。

圖4是表示第一實施方式的氣體分析裝置的動作的流程圖。

圖5是表示存在各氣體時的測量光和合計強度的圖形的一例的圖。

圖6是示意性表示分析用數據的計算方法的圖。

圖7是表示根據分析用數據計算“峰底(peaktobottom)”值的方法的一例的圖。

圖8是表示第二實施方式的氣體分析裝置的結構的圖。

圖9是表示第二實施方式的變形例的氣體分析裝置的結構的圖。

圖10a是表示第三實施方式的向光源輸出的驅動電流的一例的圖。

圖10b是表示第三實施方式的向光源輸出的驅動電流的另一例的圖。

圖11是表示使多種測量光的周期性變化的模式不同時得到的分析用數據的圖形的氣體種類依存性的一例的圖。

圖12是表示第四實施方式的氣體分析裝置的整體結構的圖。

圖13是表示第四實施方式的控制部的結構的圖。

圖14是表示第四實施方式的氣體分析裝置的動作的流程圖。

圖15是表示對象氣體濃度隨時間的變化的一例的圖。

圖16是示意性表示分析用數據的制作方法的圖。

圖17a是表示從第二基準強度減去測量對象強度而得到的分析用數據的一例的圖。

圖17b是表示從第二基準強度減去測量對象強度而得到的分析用數據的另一例的圖。

附圖標記說明

100、200、200’、300、400氣體分析裝置

1-1、1-2、1-3、1-n、401光源

11-1、11-2、11-n、4011溫度調節(jié)器

3合波部

5導入部

50、50’分波部

51光纖

51’-1、51’-2、51’-k、51”-1、51”-2光輸出口

53、403、53’-1、53’-2、53’-k準直儀

7、405受光部

71、407聚光構件

73受光元件

9、409控制部

91、4091光源控制部

92、4092存儲部

93、4093數據取得部

94、4094分析部

95、4095溫度控制部

96氣體種類通知部

ch、ch’處理室

ch1進程控制部

a、b、c氣體

c1第一濃度

ib極小值

ip極大值

id、id’測量對象強度

ida、idb、idc測量對象強度

im合計強度

im’強度

is基準強度

is1’第一基準強度

is2’第二基準強度

lm合波測量光

lm1、lm2、lm3、lm’測量光

s、s’測量空間

s’-1、s’-2、s’-k測量空間

fm、fr1、fr2、fr3頻率

ic1、ic2、ic3中心電流

id1、id2、id3驅動電流

ir1、ir2、ir3斜波電流

irw1、irw2、irw3振幅

imod調制電流

具體實施方式

(1)第一實施方式

(1-1)氣體分析裝置的整體結構

利用圖1，對第一實施方式的氣體分析裝置100的整體結構進行說明。圖1是表示氣體分析裝置的結構的圖。氣體分析裝置100是用于對存在于測量空間s中的對象氣體進行分析的裝置。在本實施方式中，測量空間s是執(zhí)行固體材料的各種表面處理進程的處理室ch(圖1)的內部空間。

氣體分析裝置100包括多個光源1-1、1-2、……1-n。多個光源1-1、1-2、……1-n是分別輸出測量光lm1、lm2、……lmn的光源，上述測量光lm1、lm2、……lmn具有被各對象氣體吸光的固有波長范圍。光源例如是激光二極管(ld)。

在進行測量空間s中的對象氣體的分析時，從多個光源1-1、1-2、……1-n同時輸出多種測量光lm1、lm2、……lmn。

另外，氣體分析裝置100所具有的光源的數量并不限定與對象氣體的數量相同。例如，能夠利用一個光源產生多種對象氣體能夠吸光的測量光時，光源的數量可以少于對象氣體的數量。

此外，例如進行比氣體分析裝置100所具有的光源1-1、1-2、……1-n少的種類的對象氣體的分析時等，可以選擇多個光源1-1、1-2、……1-n中的幾個光源并使它們同時動作。

多個光源1-1、1-2、……1-n分別安裝有溫度調節(jié)器11-1、11-2、……11-n。溫度調節(jié)器11-1、11-2、……11-n例如可以由珀爾帖元件和溫度計(例如熱敏電阻)構成。

溫度調節(jié)器11-1、11-2、……11-n分別對多個光源1-1、1-2、……1-n的溫度進行調節(jié)，以使多個光源1-1、1-2、……1-n的溫度分別恒定。由此，多個光源1-1、1-2、……1-3分別不會受到周圍或氣氛的溫度的影響，可以根據輸入的電流的大小來控制測量光lm1、lm2、……lmn的波長。

氣體分析裝置100包括合波部3。合波部3對從多個光源1-1、1-2、……1-n同時輸出的多種測量光lm1、lm2、……lmn進行合波而生成合波測量光lm。合波部3例如是光纖耦合器。在這種情況下，合波部3使從多個光纖傳遞的測量光lm1、lm2、……lmn在該多個光纖熔接的部位合波，生成合波測量光lm。合波部3也可以由光開關等構成。

氣體分析裝置100包括導入部5。導入部5將合波測量光lm(即，從多個光源1-1、1-2、……1-n同時輸出的多種測量光lm1、lm2、……lmn)導入測量空間s。導入部5具有光纖51。光纖51的一端與合波部3的合波測量光lm的出口連接。另一方面，光纖51的另一端配置在準直儀53(后述)的附近，該準直儀53設置在處理室ch的側壁的開口部。

導入部5具有準直儀53。準直儀53把沿光纖51傳送來的合波測量光lm作為平行光導入測量空間s。

氣體分析裝置100包括受光部7。受光部7測量合計強度im，通過對從導入部5導入并經過測量空間s的多種測量光lm1、lm2、……lmn的強度進行合計而得到該合計強度im。具體地說，受光部7將經過測量空間s的合波測量光lm的強度測量為合計強度im。

受光部7具有聚光構件71。配置有聚光構件71的開口部設置成與安裝有準直儀53的開口部相對。聚光構件71是透鏡，將從導入部5導入并經過測量空間s的合波測量光lm向受光元件73(后述)的受光面聚光。

受光部7具有受光元件73。受光元件73是光電二極管，基于由受光面接收的合波測量光lm的強度，產生電信號。此外，受光元件73也可以是光電倍增管。

另外，導入測量空間s中的多種測量光lm1、lm2、……lmn(合波測量光lm)可以在測量空間s中被設置于測量空間s中的(多個)反射板(未圖示)和/或處理室ch的內壁(多次)反射后，由受光部7接收。

通過在測量空間s中對多種測量光lm1、lm2、……lmn進行(多次)反射，從而可以使多種測量光lm1、lm2、……lmn在測量空間s中的光路長度例如變長到處理室ch的直徑以上。

氣體分析裝置100包括控制部9?？刂撇?是計算機系統(tǒng)，其包括cpu、存儲裝置(ram、rom之類的存儲數據的裝置等)和各種接口(a/d轉換器、d/a轉換器和通信電路等)?？刂撇?控制氣體分析裝置100的各結構要素?？刂撇?進行用于對存在于測量空間s中的對象氣體進行分析的各種信息處理。

將在后面詳細說明控制部9的結構和由控制部9進行的信息處理。

如圖1所示，控制部9例如可以與由流量控制裝置構成的進程控制部ch1連接，該流量控制裝置控制導入測量空間s的對象氣體和/或產生對象氣體的物質的導入量。

在這種情況下，控制部9例如通過接收輸入流量控制裝置的信號，可以知道哪種對象氣體存在于測量空間s。

通過具有上述結構，氣體分析裝置100可以基于經過處理室ch內部的測量空間s并由受光部7接收的合波測量光lm的合計強度im，對測量空間s中的對象氣體進行分析。

(1-2)控制部的結構

接著，利用圖2對控制部9的結構進行說明。圖2是表示控制部的結構的圖。另外，可以利用在構成控制部9的計算機系統(tǒng)中動作并存儲于存儲裝置的程序，來實現如下所示的控制部9的各結構的功能的一部分。也可以由定制ic實現控制部9的各結構的功能的一部分。

控制部9具有光源控制部91。如圖3所示，光源控制部91將對中心電流ic1、ic2、……icn、斜波(rampwave)電流ir1、ir2、……irn和作為正弦波的調制電流imod進行加法運算所得的電流作為驅動電流id1、id2、……idn，并且分別向光源1-1、1-2、……1-n輸出，該中心電流ic1、ic2、……icn決定從各光源輸出的測量光的波長范圍的中心波長，該斜波電流ir1、ir2、···irn的振幅為irw1、irw2、……irwn且頻率為fr1、fr2、……frn，該調制電流imod具有比頻率fr1、fr2、……frn高的頻率fm。圖3是表示第一實施方式的向光源輸出的驅動電流的一例的圖。

由此，從各光源1-1、1-2、……1-n產生的各測量光lm1、lm2、……lmn的波長分別在由中心電流ic1、ic2、……icn的值和斜波電流的振幅irw1、irw2、……irwn決定的波長范圍內，以周期1/fr1、1/fr2、……1/frn周期性增加。

控制部9具有存儲部92，存儲部92是計算機系統(tǒng)的存儲裝置的存儲區(qū)域的一部分。存儲部92存儲各種數據、各種設定值、程序和基準數據(后述)等。

存儲部92存儲有校準線。校準線是預先取得的數據，表示對象氣體的濃度和分析用數據(后述)(在本實施方式中為分析用數據的“峰底”值)的關系。在本實施方式中，由于對象氣體是多種氣體，所以對每種對象氣體分別取得校準線并存儲于存儲部92。此外，存儲部92存儲有基準強度(后述)。

控制部9具有數據取得部93。數據取得部93例如利用a/d轉換，將受光元件73接收經過測量空間s的多種測量光lm1、lm2、……lmn(合波測量光lm)而輸出的電壓信號或電流信號，轉換為在分析部94(后述)中能夠識別的數值數據。

控制部9具有分析部94。分析部94將由數據取得部93取得的表示合波測量光lm的強度的數據用作合計強度im，對存在于測量空間s中的對象氣體進行分析。

因此，分析部94根據由數據取得部93得到的數值數據，生成合計強度im。具體地說，分析部94將如下數據作為合計強度im，該數據使對合波測量光lm的強度用時間進行的二次微分值和取得該二次微分值的時間相關聯(lián)。

具體地說，分析部94首先對由數據取得部93取得的數值數據和正弦波信號數據進行乘法運算，該正弦波信號數據與上述調制電流imod同步，且具有調制電流imod的頻率fm兩倍的頻率。此后，以規(guī)定的周期從進行乘法運算而得到的數據抽出不隨時間變化的直流成分。最后，使抽出的直流成分和取得該直流成分的時間相關聯(lián)而計算為合計強度im。將這種合計強度im的取得方法稱為“相敏檢波”。

通過由分析部94利用上述“相敏檢波”來計算合計強度im，分析部94可以利用測量對象強度id和基準強度is的隨時間的變化，由波長調制光譜法(wms法)執(zhí)行對象氣體的分析。其結果，即使對象氣體的吸光對測量對象強度id的影響小時，也能夠高精度地分析對象氣體。

分析部94基于作為合計強度im的測量對象強度id與作為合計強度im的基準強度is之差，進行對象氣體的分析，在多種測量光lm1、lm2、……lmn(合波測量光lm)經過存在有多種對象氣體中的任意的對象氣體的測量空間s時，由受光部7測量上述的作為合計強度im的測量對象強度id，在多種測量光lm1、lm2、……lmn(合波測量光lm)經過不存在多種對象氣體中的任意的對象氣體的測量空間s時，由受光部7測量上述的作為合計強度im的基準強度is。另外，將在后面對分析部94中的對象氣體的分析方法進行詳細說明。

分析部94將上述對象氣體的分析結果(例如對象氣體的濃度的計算結果)向進程控制部ch1輸出。由此，進程控制部ch1基于輸入的對象氣體的分析結果，對導入處理室ch內的對象氣體的導入量進行調整，從而可以調整測量空間s內的氣氛。

控制部9具有溫度控制部95。溫度控制部95調整向各溫度調節(jié)器11-1、11-2、……11-n輸出的電流或電壓，使多個光源1-1、1-2、……1-n各自的溫度恒定。具體地說，溫度控制部95例如利用反饋控制，調整向各溫度調節(jié)器11-1、11-2、……11-n的珀爾帖元件輸出的電流，使由溫度調節(jié)器11-1、11-2、……11-n的熱敏電阻測量的溫度成為規(guī)定的溫度。

在本實施方式中，控制部9與進程控制部ch1連接。因此，控制部9具有氣體種類通知部96。氣體種類通知部96利用從進程控制部ch1輸入的信號，判斷何種對象氣體存在于測量空間s并通知給分析部94。(1-3)氣體分析裝置的動作

以下利用圖4，對第一實施方式的氣體分析裝置100的動作(分析進程)進行說明。圖4是表示第一實施方式的氣體分析裝置的動作的流程圖。在如下的說明中，以對存在于測量空間s的三種對象氣體(氣體a、氣體b和氣體c)進行分析的情況為例進行說明。此外，設光源的數量為三個(光源1-1、1-2、1-3)。

首先，光源控制部91向光源1-1、1-2、1-3輸出驅動電流id1、id2、id3，產生測量光lm1、lm2、lm3(步驟s1)。

此后，分析部94判斷是否已經取得了基準強度is(步驟s2)。具體地說，分析部94判斷基準強度is是否存儲于存儲部92。

判斷為基準強度is存儲于存儲部92并已經取得了基準強度is時(步驟s2中為“是”時)，分析進程前進至步驟s4，分析部94開始進行氣體分析。

另一方面，判斷為基準強度is未存儲于存儲部92而需要取得基準強度is時(在步驟s2中為“否”時)，分析部94執(zhí)行用于取得基準強度is的處理(步驟s3)。具體地說，分析部94把在上述的“相敏檢波”中未由氣體種類通知部96通知氣體a、b、c中的任意的氣體的導入時(測量空間s中不存在任意的氣體)經過測量空間s的合波測量光lm的合計強度im取得為基準強度is。

此后，分析部94將如此取得的基準強度is存儲于存儲部92。

另外，上述基準強度is并不限于在分析進程的執(zhí)行中取得的情況。由于基準強度is只要在開始氣體分析之前取得即可，所以例如可以在執(zhí)行氣體分析裝置100的零點校正時取得基準強度is。

在取得基準強度is后，分析部94執(zhí)行氣體分析。分析部94首先將測量光lm1、lm2、lm3中的任意的測量光經過存在有作為對象氣體的氣體a～c中的任意的氣體的測量空間s而被吸光的合波測量光lm的合計強度im，取得為測量對象強度id(步驟s4)。此后，分析部94將取得的測量對象強度id存儲于存儲部92。

在取得測量對象強度id時，分析部94取得當前從氣體種類通知部96導入測量空間s的氣體種類的信息，使從氣體種類通知部96取得的氣體種類的信息與取得的測量對象強度id相關聯(lián)。

例如圖5所示，在氣體a存在于測量空間s時，測量光lm1被氣體a吸光，得到測量對象強度ida。在氣體b存在于測量空間s時，測量光lm2被氣體b吸光，得到測量對象強度idb。在氣體c存在于測量空間s時，測量光lm3被氣體c吸光，得到測量對象強度idc。

圖5是表示存在有各氣體時的測量光和合計強度的圖形的一例的圖。

如圖5所示，由受光部7測量出的測量對象強度id包含有因對象氣體吸光以外的影響而產生的強度成分，例如受到光源1-1、1-2、···1-n的特性(非線形性)、受光部7的特性(非線形性)之類的氣體分析裝置100固有的特性影響的強度成分。由此，氣體分析裝置100成為如下狀態(tài)：不能準確識別測量光lm1、lm2、lm3被對象氣體吸光而產生的強度峰值。

因此，在執(zhí)行氣體分析之前，分析部94從測量對象強度id除去因對象氣體吸光以外的影響而產生的強度成分，制作用于氣體分析的分析用數據。具體地說，分析部94將在上述步驟s4中取得的測量對象強度id與存儲于存儲部92的基準強度is之差計算為分析用數據(步驟s5)。

如圖6所示，通過將測量對象強度id與基準強度is之差作為分析用數據，得到從測量對象強度id除去基準強度is的分析用數據。圖6是示意性表示分析用數據的計算方法的圖。

在制作分析用數據后，分析部94利用分析用數據，執(zhí)行對象氣體(氣體a～c)的分析(步驟s6)。具體地說，分析部94以如下方式計算測量空間s中的氣體a～c的濃度。

首先，分析部94計算分析用數據的“峰底”值。例如圖7所示，將分析用數據中為最大的極大值ip與為最小的極小值ib的差分ip-ib計算為“峰底(peaktobottom)”值。圖7是表示根據分析用數據計算“峰底”值的方法的一例的圖。

接著，分析部94從存儲部92讀取將要進行分析的氣體的校準線，在該校準線中，計算出“峰底”值為差分ip-ib的氣體的濃度。具體地說，例如校準線表示為y＝ax+b(y：“峰底”值，x：氣體濃度，a、b：恒定值)時，將ip-ib代入該式的y中，通過對x解方程式，能夠將氣體濃度計算為(ip-ib-b)/a。

另外，能夠根據與氣體種類相關的信息，判斷從存儲部92讀取何種氣體的校準線，該氣體種類與計算分析用數據的測量對象強度id相關聯(lián)。

如上所述，在氣體分析裝置100中，基準強度is和測量對象強度id都是基于從多個光源1-1、1-2、1-3同時產生的多種測量光lm1、lm2、lm3的強度(合計強度im)而得到的。由此，在氣體分析裝置100中，為了測量基準強度is，即使不對每種對象氣體單獨設置光源，也能夠高精度地分析多種對象氣體。

此外，在氣體分析裝置100中，控制部9與進程控制部ch1連接，并且具有氣體種類通知部96。由此，即使從根據測量對象強度id計算出的分析用數據中不能判斷存在于測量空間s的對象氣體的種類時(例如在測量對象強度(分析用數據)沒有氣體種類依存性時)，也能夠知道何種對象氣體存在于測量空間s。

(2)第二實施方式

在上述第一實施方式中，導入部5將合波測量光lm僅導入一個測量空間s。但是，導入部5只要具有將合波測量光lm導入測量空間s的功能即可，并不限定合波測量光lm的導出口的數量。

在第二實施方式的氣體分析裝置200中，如圖8所示，導入部5包括作為光纖耦合器的分波部50，上述分波部50對合波測量光lm進行分波并從多個光輸出口51’-1、51’-2、……51’-k輸出。圖8是表示第二實施方式的氣體分析裝置的結構的圖。

具體地說，如圖8所示，作為光纖的多個光輸出口51’-1、51’-2、……51’-k從分波部50的一端延伸。該多個光輸出口51’-1、51’-2、……51’-k在分波部50內部進行熔接，并且與合波部3的合波測量光lm的出口連接。由此，從合波部3輸出的合波測量光lm在多個光輸出口51’-1、51’-2、……51’-k中傳送，并且分別從多個光輸出口51’-1、51’-2、……51’-k的與熔接側相反一側輸出。

如上所述，通過將合波測量光lm從多個光輸出口51’-1、51’-2、……51’-k輸出，例如圖8所示，從多個光輸出口51’-1、51’-2、……51’-k輸出的多種合波測量光lm能夠分別經由多個處理室ch’-1、ch’-2、……ch’-k的開口部所設置的準直儀53’-1、53’-2、……53’-k，分別同時導入多個測量空間s’-1、s’-2、……s’-k。

通過將合波測量光lm分別同時導入多個測量空間s’-1、s’-2、……s’-k，不需要為了對多個測量空間s’-1、s’-2、……s’-k中的對象氣體進行分析而對每個測量空間設置光源。

在作為第二實施方式的變形例的氣體分析裝置200’中，如圖9所示，導入部5具有分波部50’，該分波部50’將合波測量光lm從兩個光輸出口51”-1、51”-2輸出。圖9是表示作為第二實施方式的變形例的氣體分析裝置的結構的圖。

在這種情況下，一個光輸出口51”-1的出口配置在準直儀53的附近，從該一個光輸出口51”-1輸出的合波測量光lm被導入測量空間s。另一方面，另一個光輸出口51”-2的出口配置在外部空間。即，在光輸出口51”-2中傳送的合波測量光lm向外部空間輸出。

通過能夠將合波測量光lm向外部導出，在氣體分析裝置200’發(fā)生異常時，容易確定異常的發(fā)生原因。此外，通過測量所述的向外部導出的合波測量光lm的強度，可以將所述的向外部導出的合波測量光lm的強度用作在第一實施方式中說明的基準強度is。

(3)第三實施方式

在上述第一實施方式和第二實施方式中，輸入光源1-1、1-2、……1-n的驅動電流id1、id2、……idn隨時間增減的方向和驅動電流從最大值向最小值急劇變化的時機(驅動電流周期性增減的時機)在全部光源中相同。即，測量光lm1、lm2、……lmn的周期性變化的模式相同。但是，并不限于此，在第三實施方式的氣體分析裝置300中，使多種測量光lm1、lm2、……lmn中的幾種測量光的周期性增減模式與其他測量光的周期性增減模式不同。

例如圖10a所示，可以使輸入光源1-3的驅動電流id3以周期1/fr3周期性減小，另一方面，可以使其他光源1-1、1-2的驅動電流id1、id2以周期1/fr1、1/fr2周期性增加。由此，測量光lm1、lm2的強度分別以周期1/fr1、1/fr2周期性增加，另一方面，測量光lm3的強度以周期1/fr3周期性減小。圖10a是表示第三實施方式的向光源輸出的驅動電流的一例的圖。

通過如此使任意的測量光的強度周期性增加，另一方面，使其他測量光的強度周期性減小，可以降低多種測量光的合計光量，并且可以使分析對象氣體時的動態(tài)范圍變大。

另外，由于只要能夠降低合計光量即可，所以多種測量光的增減模式并不限于圖10a所示的模式。例如，可以使光源1-1的測量光lm1的強度周期性增加，另一方面，使其他光源1-2、1-3的測量光lm2、lm3的強度周期性減小。此外，可以使光源1-2的測量光lm2的強度周期性增加，另一方面，使其他光源1-1、1-3的測量光lm1、lm3的強度周期性減小。另外，可以使光源1-3的測量光lm3的強度周期性增加，另一方面，使其他光源1-1、1-2的測量光lm1、lm2的強度周期性減小。

此外，例如圖10b所示，可以使輸入光源1-3的驅動電流id3的時機與輸入其他光源1-1、1-2的驅動電流id1、id2的時機不同。圖10b是表示第三實施方式的向光源輸出的驅動電流的另一例的圖?；蛘?，可以使輸入光源1-1、1-2、1-3的驅動電流id1、id2、id3各自的時機相互不同。

通過使輸入光源1-1、1-2、……1-n的驅動電流id1、id2、……idn的幾個或全部的時機不同，并且使幾種測量光的周期性增減的相位與其他測量光的周期性增減的時機不同，可以使多種測量光的合計光量減小，并且可以使分析對象氣體時的動態(tài)范圍變大。

此外，使輸入光源1-1、1-2、……1-n的驅動電流中的任意的驅動電流的增減方向與其他驅動電流的增減方向不同，并且使任意的驅動電流的周期性增減的時機與其他驅動電流的周期性增減的時機不同，也可以使多種測量光的合計光量減小。

此外，通過使輸入光源1-1、1-2、……1-n的驅動電流id1、id2、……idn隨時間增減的方向和/或驅動電流id1、id2、……idn的周期性增減的時機不同，即使在測量光lm1、lm2、……lmn的周期性變化的模式相同時不能根據分析用數據的圖形判斷對象氣體種類的情況下，也能夠根據分析用數據的圖形判斷存在于測量空間s中的氣體種類。

例如圖11所示，可以使氣體a或b存在于測量空間s中時的分析用數據的峰值的出現時機(t1a、t2a)與氣體c存在于測量空間s中時的分析用數據的峰值的出現時機(t1c、t2c)相互不同。圖11是表示使多種測量光的周期性變化的模式不同時得到的分析用數據的圖形的氣體種類依存性的一例的圖。

(4)第四實施方式

(4-1)第四實施方式的氣體分析裝置的概要

在利用對測量光的吸光而進行測量空間內的氣體的分析的以往氣體分析裝置中，基于被對象氣體吸光而產生的分析用數據中的峰值，進行測量空間中的對象氣體的分析。以往，從經過包含作為分析對象的對象氣體的測量空間的測量光的強度，減去經過不包含對象氣體的測量空間的測量光的強度(基準強度)，由此生成用于氣體分析的分析用數據。

在如此計算出的分析用數據中，測量空間中的對象氣體的濃度低時，包含在該分析用數據中的峰值變小、或不能明確識別出分析用數據中由吸光產生的峰值。其結果，在以往的氣體分析裝置中，不能準確地進行使用分析用數據的低濃度對象氣體的分析。

在第四實施方式的氣體分析裝置400中，通過使用分析用數據，特別是能夠高精度地進行低濃度的對象氣體的分析，從經過包含高濃度的對象氣體的測量空間的測量光的強度減去經過包含低濃度的對象氣體的測量空間的測量光的強度而生成該分析用數據。

(4-2)第四實施方式的氣體分析裝置的整體結構

以下，對第四實施方式的氣體分析裝置400進行具體說明。首先，利用圖12，對第四實施方式的氣體分析裝置400的整體結構進行說明。圖12是表示第四實施方式的氣體分析裝置的整體結構的圖。

氣體分析裝置400用于對存在于作為處理室ch’的內部空間的測量空間s’中的對象氣體進行分析。

氣體分析裝置400包括光源401。光源401例如是輸出測量光lm’的激光二極管(ld)，該測量光lm’具有被對象氣體吸光的固有波長范圍。另外，氣體分析裝置400所具有的光源的數量并不限于一個，如在第一實施方式中說明的那樣，氣體分析裝置400可以具有多個光源。

從光源401產生的測量光lm’射入處理室ch’的開口部所安裝的準直儀403(導入部的一例)。射入準直儀403的測量光lm’成為平行光并導入測量空間s’。

光源401安裝有溫度調節(jié)器4011。溫度調節(jié)器4011例如可以由珀爾帖元件和溫度計(例如熱敏電阻)構成。

溫度調節(jié)器4011將光源401的溫度調節(jié)成恒定值。由此，光源401不會受到周圍或氣氛的溫度的影響，從而可以根據輸入的電流的大小來控制測量光lm’的波長。

氣體分析裝置100包括受光部405。受光部405測量從準直儀403導入測量空間s’并經過測量空間s’的測量光lm’的強度im’。

受光部405是光電二極管或光電倍增管，配置在透鏡之類的聚光構件407的附近，安裝有聚光構件407的開口部設置成與安裝有準直儀403的開口部相對。

由此，受光部405可以接收由聚光構件407聚光的經過測量空間s’的測量光lm’。受光部405產生基于由受光面接收的測量光lm’的強度而生成的電信號，并且將該電信號向控制部409(后述)輸出。

另外，導入測量空間s’中的測量光lm’可以在測量空間s’中被設置在測量空間s’中的(多個)反射板(未圖示)和/或處理室ch’的內壁(多次)反射后，由受光部405接收。

氣體分析裝置400包括控制部409?？刂撇?09是計算機系統(tǒng)，其包括cpu、存儲裝置(ram、rom之類的存儲數據的裝置等)和各種接口(a/d轉換器、d/a轉換器和通信電路等)?？刂撇?控制氣體分析裝置400的各結構要素。控制部409進行用于對分析測量空間s’中的對象氣體進行分析的各種信息處理。

將在后面詳細說明控制部409的結構和由控制部409進行的信息處理。

通過具有上述結構，氣體分析裝置400可以基于經過處理室ch’內部的測量空間s’并由受光部405接收的測量光lm’的強度，對測量空間s’中的對象氣體進行分析。

(4-3)控制部的結構

接著，利用圖13對控制部409的結構進行說明。圖13是表示第四實施方式的控制部的結構的圖。另外，可以利用在構成控制部409的計算機系統(tǒng)中動作并存儲于存儲裝置的程序，實現如下所示的控制部409的各結構的功能的一部分。此外，可以由定制ic來實現控制部409的各結構的功能的一部分。

控制部409具有光源控制部4091。如圖13所示，光源控制部4091例如將對中心電流ic1、斜波電流ir1和作為正弦波的調制電流imod進行加法運算所得的電流作為驅動電流id1，并且向光源401輸出，該中心電流ic1決定從光源401輸出的測量光的波長范圍的中心波長，該斜波電流ir1的振幅為irw1且頻率為fr1，該調制電流imod具有比頻率fr1高的頻率fm。

由此，從光源401產生的測量光lm’的波長在由中心電流ic1的值和斜波電流的振幅irw1決定的波長范圍內以周期1/fr1周期性增加。

控制部409具有存儲部4092，存儲部4092是計算機系統(tǒng)的存儲裝置的存儲區(qū)域的一部分。存儲部4092存儲各種數據、各種設定值、程序、第一基準強度(后述)和第二基準強度等。

存儲部4092存儲有校準線。校準線是預先取得的數據，表示對象氣體的濃度和分析用數據(在本實施方式中為分析用數據的“峰底”值)的關系。

控制部409具有數據取得部4093。數據取得部4093例如利用a/d轉換，將受光部405接收經過測量空間s’的測量光lm’而輸出的電壓信號或電流信號，轉換為在分析部4094(后述)中能夠識別的數值數據。

控制部409具有分析部4094。分析部4094將由數據取得部4093取得的表示測量光lm’強度的數據用作強度im’，對存在于測量空間s’中的對象氣體進行分析。

因此，分析部4094根據由數據取得部4093得到的數值數據，生成強度im’。具體地說，分析部4094將如下數據作為強度im’，該數據使對測量光lm’強度用時間進行的二次微分值和取得該二次微分值的時間相關聯(lián)。

具體地說，分析部4094首先對由數據取得部4093取得的數值數據和正弦波信號數據進行乘法運算，該正弦波信號數據與上述調制電流imod同步、且具有調制電流imod的頻率fm兩倍的頻率。此后，以規(guī)定的周期從進行乘法運算而得到的數據抽出不隨時間變化的直流成分。最后，使抽出的直流成分和取得該直流成分的時間相關聯(lián)并計算為強度im’(相敏檢波)。

分析部4094利用上述的“相敏檢波”來計算強度im’，由此分析部4094可以利用測量對象強度id’和基準強度(第一基準強度is1’和第二基準強度is2’)的隨時間的變化，并且利用波長調制光譜法(wms法)執(zhí)行對象氣體的分析。其結果，即使被對象氣體吸光而產生的對測量對象強度id’的影響小時，也能夠高精度地分析對象氣體。

分析部4094利用分析用數據來進行測量空間s’中的對象氣體的分析。在本實施方式中，分析部4094在測量空間s’中的對象氣體的濃度成為第一濃度的前后，使分析用數據的生成方法不同。將在后面對分析部4094中的分析用數據的生成方法和對象氣體的分析方法進行詳細說明。

控制部409具有溫度控制部4095。溫度控制部4095調整向溫度調節(jié)器4011輸出的電流或電壓，以使光源401的溫度恒定。具體地說，例如溫度控制部4095利用反饋控制，調整向溫度調節(jié)器4011的珀爾帖元件輸出的電流，以使由溫度調節(jié)器4011的熱敏電阻測量的溫度成為規(guī)定的溫度。

(4-4)第四實施方式的氣體分析裝置的動作

以下利用圖14，對第四實施方式的氣體分析裝置400的動作(分析進程)進行說明。圖14是表示第四實施方式的氣體分析裝置的動作的流程圖。

在如下的說明中，以測量空間s’內的對象氣體的濃度伴隨時間的推移而如圖15所示那樣變化時的對象氣體的分析進程為例進行說明。圖15是表示對象氣體濃度隨時間的變化的一例的圖。

在圖15所示的例子中，例如通過在時刻t1向處理室ch’內導入對象氣體，由此測量空間s’內的對象氣體的濃度在時刻t1以后上升。此后，例如停止向處理室ch’內導入對象氣體，則測量空間s’中的對象氣體的濃度在時刻t3以第一濃度c1成為最大后逐漸減小。

如果氣體分析裝置400開始對象氣體的分析進程，則首先光源控制部4091向光源401輸出驅動電流id1，產生測量光lm’(步驟s401)。

此后，分析部4094判斷是否已經取得成為生成分析用數據時的基準的基準強度(步驟s402)。在氣體分析進程剛開始之后的步驟s402中，分析部4094將經過不存在對象氣體的測量空間s’且由受光部405接收的測量光lm’的強度im’設為用于生成分析用數據的第一基準強度is1’。

例如在判斷為第一基準強度is1’已經存儲于存儲部4092且已經取得第一基準強度is1’時(在步驟s402中為“是”時)，分析進程前進至步驟s404，開始氣體分析。

另一方面，在判斷為第一基準強度is1’未存儲于存儲部4092而需要取得第一基準強度is1’時(在步驟s402中為“否”時)，分析部4094執(zhí)行用于取得第一基準強度is1’的處理(步驟s403)。

具體地說，分析部4094在經過圖15所示的時刻t1之前(即，對象氣體導入處理室ch’內之前)，利用上述的“相敏檢波”，將經過測量空間s’的測量光lm’的強度im’取得為第一基準強度is1’。此后，分析部4094將如此取得的第一基準強度is1’存儲于存儲部4092。

另外，例如可以在執(zhí)行對象氣體的分析進程之前的氣體分析裝置400的零點校正執(zhí)行時，取得上述第一基準強度is1’并存儲于存儲部4092。

在取得第一基準強度is1’后，分析部4094執(zhí)行氣體分析。分析部4094首先將因經過存在對象氣體的測量空間s’而被吸光的測量光lm’的強度im’取得為測量對象強度id’(步驟s404)。此后，分析部4094將取得的測量對象強度id’存儲于存儲部4092。

在取得測量對象強度id’后，分析部4094將在上述步驟s404中取得的測量對象強度id’與存儲于存儲部92的第一基準強度is1’之差計算為分析用數據(步驟s405)。

例如，在圖15所示的時刻t2得到測量對象強度id’(圖16)時，通過從該測量對象強度id’減去第一基準強度is1’(圖16)，得到圖16所示的不包含受到氣體分析裝置400固有的特性的影響的強度成分的分析用數據。圖16是示意性表示分析用數據的制作方法的圖。

在制作分析用數據后，分析部4094利用制作的分析用數據，執(zhí)行對象氣體的分析(步驟s406)。在步驟s406中，使用分析用數據的“峰底”值，計算測量空間s’中存在的對象氣體的濃度。

具體地說，例如對象氣體的校準線表示為y＝vx+w(y：“峰底”值，x：氣體濃度，v、w：恒定值)時，分析部4094可以通過將分析用數據的“峰底”值代入表示校準線的式子的y中，并對x解方程式，計算對象氣體的濃度。

如上所述，由于測量空間s’內的對象氣體的氣體濃度較大，所以在測量對象強度id’的圖形中也能夠識別測量光lm’被對象氣體吸光而產生的峰值時，即使在從測量對象強度id’減去第一基準強度is1’而得到的分析用數據中，也能夠識別測量光lm’被對象氣體吸光而產生的峰值。在這種情況下，可以利用分析用數據的“峰底”值和校準線，準確地計算對象氣體的濃度。

另一方面，經過存在圖15所示的時刻t5的濃度那樣的低濃度的對象氣體的測量空間s’內的測量光lm’的強度im’(測量對象強度id’)表示出實質上與上述第一基準強度is1’大體相同的強度。這是因為存在于測量空間s’的對象氣體的濃度低時，對象氣體對測量光lm’的吸光變小。

從如上所述的測量對象強度id’減去第一基準強度is1’而生成的分析用數據未發(fā)現被對象氣體吸光而產生的峰值。即，使用從測量對象強度id’減去第一基準強度is1’而生成的分析用數據時，不能高精度地執(zhí)行低濃度的對象氣體的分析。

因此，在本實施方式中，為了準確地對低濃度的對象氣體進行分析，將經過存在對測量光lm’充分吸光的高濃度的對象氣體的測量空間s’的測量光lm’的強度im’作為基準強度(稱為第二基準強度is2’)，從該第二基準強度is2’減去測量對象強度id’，作為用于對低濃度的對象氣體進行分析的分析用數據。

在本實施方式中，將在對象氣體的濃度以第一濃度c1成為最大時的時刻t3(圖15)取得的強度im’作為第二基準強度is2’。

具體地說，執(zhí)行上述步驟s404～s406的分析進程中，分析部4094判斷在步驟s406中計算出的對象氣體的濃度是否成為第一濃度c1(步驟s407)。

在判斷為步驟s406中計算出的對象氣體的濃度未成為第一濃度c1時(在步驟s407中為“否”時)，分析進程返回步驟s404，繼續(xù)進行將第一基準強度is1’作為基準強度的對象氣體的分析。

另一方面，判斷為對象氣體的濃度成為第一濃度c1時(在步驟s407中為“是”時)，分析部4094將計算出的濃度成為第一濃度c1時(在圖15所示的例子中為時刻t3)取得的測量光lm’的強度im’作為第二基準強度is2’，并存儲于存儲部4092(步驟s408)。如此取得的第二基準強度is2’包含被對象氣體吸光而產生的明確的峰值。

在取得第二基準強度is2’后(在圖15所示的例子中為時刻t3以后)，與上述步驟s404同樣，分析部4094取得測量對象強度id’(步驟s409)，并從存儲于存儲部4092的第二基準強度is2’減去測量對象強度id’，生成分析用數據(步驟s410)。

在圖15的時刻t3以后，例如在對象氣體的濃度與時刻t2時成為同等程度的時刻t4，如果從第二基準強度is2’減去測量對象強度id’(圖17a)，則生成圖17a所示的分析用數據。即，得到包含被對象氣體吸光而產生的峰值的分析用數據。

圖17a是表示從第二基準強度減去測量對象強度而得到的分析用數據的一例的圖。

另一方面，在對象氣體的濃度低(圖15的時刻t5)而得到由吸光產生的峰值小的測量對象強度id’(圖17b)時，如果從第二基準強度is2’減去測量對象強度id’，則生成圖17b所示的分析用數據。即，生成包含被對象氣體吸光而產生的峰值的分析用數據。圖17b是表示從第二基準強度減去測量對象強度而得到的分析用數據的另一例的圖。

如此生成分析用數據后，分析部4094利用分析用數據的“峰底”值和上述校準線，執(zhí)行對象氣體的分析(濃度的計算)(步驟s411)。

另外，在步驟s411中利用上述分析用數據和校準線計算出的對象氣體的濃度被計算為第一濃度c1與取得用于生成分析用數據的測量對象強度id’時的對象氣體的濃度之差。這是因為在步驟s411中使用的分析用數據將對象氣體的濃度為第一濃度c1時的測量光lm’的強度im’亦即第二基準強度is2’生成為基準。

例如可以看出，與圖17a所示的分析用數據(在圖15的時刻t4生成的分析用數據)的峰值相比，圖17b所示的分析用數據(在圖15的時刻t5生成的分析用數據)的峰值更大。

在對象氣體的分析后，控制部409判斷分析進程是否結束(步驟s412)。例如在控制部409接收到分析結束信號時或在控制部409的輸入裝置中具有分析結束指示時，判斷分析進程停止。

在判斷為分析進程結束時(在步驟s412中為“是”時)，分析進程結束。另一方面，判斷為分析進程未結束時(在步驟s412中為“否”時)，分析進程返回步驟s409，繼續(xù)進行對象氣體的分析。

在上述第四實施方式中，對比第一濃度c1低的濃度的對象氣體進行分析時，將由濃度為第一濃度c1時得到的被吸光而峰值明確的測量光lm’的強度im’作為基準強度(第二基準強度is2’)，生成分析用數據。由此，即使利用比第一濃度c1低的濃度的對象氣體不能得到充分的測量光lm’的吸光時，也能夠生成由吸光產生的峰值明確出現的分析用數據。此外，利用分析用數據，并使用擬合計算等，能夠進行降噪運算。

其結果，可以準確地執(zhí)行存在有低濃度的對象氣體的測量空間s’中的對象氣體的分析。

(5)其他實施方式

以上對本發(fā)明的一種實施方式進行了說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，能夠在不脫離發(fā)明宗旨的范圍內進行各種變更。特別是能夠根據需要對在本說明書中記載的多個實施方式和變形例進行任意組合。

(a)由受光部接收的合波測量光的處理的其他實施方式

在上述第一～第四實施方式中，分析部94、4094將由受光部7、405接收的合波測量光lm(測量光lm’)的強度的二次微分值作為基準強度is(第一基準強度is1’、第二基準強度is2’)和測量對象強度id、id’。但是并不限于此，可以將由受光部7、405接收的合波測量光lm(測量光lm’)的強度的數值數據直接作為基準強度和測量對象強度。在這種情況下，可以將激光二極管以外的其他發(fā)光設備(例如led等)用作光源。(b)第四實施方式的第一濃度的其他實施方式

在上述第四實施方式中，分析部4094將第一濃度c1作為對象氣體的最大濃度。但是，由于只要取得包含被對象氣體吸光而產生的明確的峰值的第二基準強度is2’即可，所以分析部4094也可以將不是對象氣體的最大濃度的比較高的濃度作為第一濃度。在這種情況下，將比第一濃度高的對象氣體的濃度計算為“負值的濃度”。

(c)第四實施方式的對象氣體的分析方法的其他實施方式

在上述第四實施方式中，在取得第二基準強度is2’后，分析部4094僅使用利用第二基準強度is2’而生成的分析用數據，執(zhí)行對象氣體的分析。但是，由于為了準確地分析對象氣體，只要使用由吸光產生的峰值明確的分析用數據即可，所以并不限于使用第二基準強度is2’來計算分析用數據。

例如，可以生成利用上述第一基準強度is1’計算出的分析用數據和利用第二基準強度is2’計算出的分析用數據雙方，從該兩個分析用數據中選擇出一個包含由吸光產生的更明確的峰值的分析用數據，利用該選擇出的一個分析用數據，執(zhí)行對象氣體的分析。

由此，能夠以更大范圍的濃度，準確地執(zhí)行對象氣體的分析。

工業(yè)實用性

本發(fā)明能夠廣泛地應用于對測量空間中存在的對象氣體進行分析的氣體分析裝置。