【技術資料】プラグ&プレイでガス分析を簡素化

INGOLD Leading Process Analytics プラグ&プレイでガス分析が容易に 波長可変半導体レーザ (TDL) 環境、人、資産の保護や安全性の確保を行う ためには、性能の高い分析機器が必要です。 産業プロセスにおけるガス測定の場合、この 点が非常に重要となります。そのため、さま ざまな測定業務に最適な技術を、慎重に選択 する必要があります。近年、技術革新の著し い波長可変半導体レーザは、高い信頼性のも と単一ガス成分を効率よく測定できるため、 魅力的な技術として注目されています。 サンプリング式酸素分析装置は、製造プロセ スの安全性を確保し、不活性化条件を維持す る上で、重要な役割を担っています。しかし、 このタイプの酸素分析装置は、過酷な条件下 での使用に耐える必要があり、システム性能 を一定レベルに維持するためメンテナンスに 多大なコストと時間を投入しなければなりま せん。 一般的に、サンプリングやコンディショニン グが必要とされるサンプリング式酸素分析装 置の生涯メンテナンスコストは、購入費用、 設置、エンジニアリング費などを含む初期費 用の 2倍にも達すると言われています。これ は、メンテナンス予算を圧迫するだけでなく、 測定セルに水分や塵埃が侵入するような最悪 の事態が発生すると、システムが突然故障し てプロセス全体の歩留まりを悪化させてしま います。これらの課題は、高精度かつ信頼性 の高い in-situ測定が可能で、しかも実質的 にメンテナンス不要な波長可変半導体レーザ (TDL)を使用することで克服できます。 White Paper

干渉のない分析を実現するレーザテクノロジー 一般的なクロススタックタイプの TDLでは、 化学産業においては、応答が速く精度の高い酸 スタック両側の受光部と発光部に個別のパージ 素分析装置が常に求められています。仮に、そ ラインを引く必要があります。粉塵が堆積して のような酸素分析装置のコストが他のシステム 信号強度が急速に減衰するのを防ぐ目的で、 よりも大幅に低ければ、その価値はさらに魅力 パージガス（通常は窒素）で上述の窓のプロセ 的なものとなるでしょう。 ス側をフラッシングします。窒素の層が出来る とレーザの測定距離が短くなり、測定誤差を生 狭帯域レーザー分光法では、光の吸収は、通信 じさせるため、パージ速度は慎重に選択する必 産業で一般的に使用されている、VCSELまたは 要があります。 DFBレーザを用いて離散スペクトルの形で測定 • 受光部と発光部フランジの位置合わせ：レーザ されます。これらのレーザーダイオードは、あ 光線は、プレゼンテーションで使用するレー る特定の波長の光を出すように調整することが ザーポインターのように視準化（平行化）され でき、吸収スペクトルを得ることで、特定のガ ていませんが、レーザ光線を検出器に確実に照 スの検出を行うことができます。ガス成分の濃 射させるために、両ユニットは 1～ 2 °以内で 度を算出するために、選択された吸収スペクト 位置合わせをする必要があります。したがって、 ルを対象として狭いバンド幅での「スキャン」 フランジは、基本的な位置をかなりの精度で正 を実行しスペクトルの表面積を決定します。こ 確に維持しながら配管両側に溶接しなければな れは、供給電流やレーザ温度を制御することに りません。さらに、受光部および発光部上部の より可能となります。 位置調整ネジによって微調整を行います。高温 レーザー吸収分光法を用いることで、サンプ プロセスの場合、配管またはコンジットの両側 リングやコンディショニングを行わずに、酸 で異なる熱膨張が起こることがあるため、上述 素などの気体を直接 in-situ測定できます。温度 の位置合わせを繰返し実施することも珍しくは 1,500 ℃ または気圧 10 barまで測定可能で、 ありません。 バックグラウンドガスの影響を受けることもあ りません。プロセス中に粉塵が存在すると吸収 温度 量が減り信号強度の低下が予測されますが、市 場に流通しているほとんどの TDLは、信号が °C23 90 %減衰した場合でも測定が可能です。 TDLの課題 TDL技術は20年以上にわたって利用されており、 °C 00 性能改善とコスト低減を目的として、継続的に 3 改良が実施されてきました。しかしながら、ユー 圧力 ) ザーはこの技術を使い始めるとすぐに、TDLア bar (a si( a) p ナライザーに本来の性能を発揮させるためには 5 .572 適切な対応と注意が必要であることを認識する a) ) でしょう。TDLの課題を以下に列挙します。 bar ( si( a 1 p • 温度と圧力入力のための測定ポイントの選択： 14. 5 温度と圧力により吸収スペクトルの形状が変わ るため（図 1）、正しい濃度を算出するために、 測定対象ガスの温度と圧力を測定する必要があ 光路長 ります。この測定は通常、外付けのセンサを配 管に取り付けて行います。センサによる測定値 が実際の値を反映していないと、無視できない m 誤差が発生します。経験的に、50 mbarの誤差 2 は 1%の濃度誤差を生じさせることがわかっ ています。 • 正しいパージ速度の選択：TDLは非接触方式で、 1m レーザダイオードと検出器部分には窓 (ウィン 図 1: 吸収スペクトルに対する温度、圧力および光路 ドウ )がありプロセスから隔離されています。 長の影響 2 METTLER TOLEDO White Paper Gas Analysis Made Easy

In-situ測定に適したプローブ型設計の TDL イザー電子部品の間にコストのかかる長いケーブ クロススタックタイプのデザインを採用した ルを使用する必要もなくなりました。TDLプロー in-situ測定用 TDLはよく見かけますが、一方で ブの設置面積を最小限にできるため、設置場所を 設置時の障害を克服するための有効な選択肢と 選択する際にも大きな利点となります。 して、プローブ型 TDLがあります。プローブを 直接、プロセスへ挿入して測定を実施します。 高度な信号処理 プローブ型 TDLでは、レーザダイオードと検 プロセス測定および安全アプリケーション向け 出器部分は一体となっており配管の同じ側に の最先端の TDLでは、最新のダイオードレーザ 設置されることになります。発射された光線は 光源を利用し、幅広いプロセス条件に対応でき コーナーキューブで反射され、検出器へ戻りま る高度な信号処理アルゴリズムを活用して、安 す（図 2）。キューブのどの位置に当たっても、 定性と再現性に優れた濃度測定値を提供するこ 発射光線に対して平行にレーザ光線が反射され とができます。酸素測定用の SpectraID ™ テクノ るようになっています。光路は、工場で位置合わ ロジーによって、互いに隣りあう 3つの連続的 せされ出荷されています。 な吸収ピークの高さ、相対的な位置および面積 を分析し、次にこれらの結果を参照スペクトル このようなプローブ型デザインの TDLは、クロス と比較します。2つのスペクトルデータが一致す スタック TDLに対して大きな利点を提供します： れば、「DNA型が完璧に一致」するように、吸 •プローブ構造自体が光路となっているためフラ 収スペクトルが同定されたとみなすことができ ンジの位置合わせは不要で、センサを取り付 ます（次頁図 3）。 けるだけのプラグ＆プレイ設置が可能となり ます。 TDL技術の展望 •分光測定器部分はプローブからの取り外しが可 波長可変半導体レーザは 干渉を受けにくく、長 能で、測定ガスを外部から遮断する機能を果た 期間にわたる信号安定性、実質的にメンテナン します。プロセスを中断することなく、アナラ ス不要など他には無いメリットを持つことから、 イザーのメンテナンスが可能となります。 大きな関心を集めています。供給するメーカー •光路が折り返されるため、同じ挿入長でも光路 側から見ても、ユーザーの測定環境をさらに改 長は 2倍となり、センサの精度も 2倍になり 善するイノベーションが豊富に存在する技術と ます。その結果、挿入する配管径が小さくても 言えます。最近の改善点として幾つかの例を挙 良好な検出限界を実現でき、クロススタック げると、設置や立上げが非常に簡単になったこ TDLが設置できないような場所でも、ガス濃度 とや、信号の安定性などがあり、すでにそれら を測定するための能力が大幅に改善されます。 は製品に反映されています。近い将来の開発に スポットを当てると、μm領域のレーザダイオー さらに、技術の進歩によって TDLはさらにコンパ ドが実用化されることによってさらに多くの クトになり、FM および ATEX規制に準拠した防爆 ガス成分が測定できるようになり、TDLはガス 筐体によって防爆用パージエンクロージャは不要 分析分野で新しいスタンダードとなることで になりました。またプロセスガス接触部とアナラ しょう。 図 2：折り返し光路とコーナーキューブ（左） を装備したプローブ式 GPro 500 TDL 3 METTLER TOLEDO White Paper Gas Analysis Made Easy

1. 既知の圧力と温度における測定スペクトル 760 nm 761 nm 波長 2.同条件の完全なスペクトルデータベース 760 nm 761 nm 波長 3. 濃度決定のために、正確に一致するスペクトルデータを抽出 5.5 % O2 図 3：互いに隣り合う 3つの連続的な吸収ピークの高さ、相対的な位置、面積を分析 詳細情報はこちらをご覧下さい： c www.mt.com/o2-gas メトラー・トレド株式会社 www.mt.com/pro プロセス機器事業部 For more information TEL 03-5815-5515 FAX 03-5815-5525 Email: sales.admin.jp@mt.com © 02 / 2012 Gas Analysis Made Easy 吸収 吸収