Genauer
gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Infrarotgasanalysator,
der hochpräzise Messungen
mit einer einfachen Konfiguration im Falle der Verwendung von Lichtquellen
mit ausgezeichneter Wärmeansprechempfindlichkeit
durchführen kann
und EIN/AUS-Vorgänge mit
hoher Geschwindigkeit als Infrarotlichtquellen durchführen kann,
und ein Verfahren zur Infrarotgasanalyse unter Verwendung desselben.
7 zeigt ein Blockdiagramm,
das ein Beispiel für
einen herkömmlichen
Infrarotgasanalysator zeigt. Wie in der Figur gezeigt ist, werden
von einer Infrarotlichtquelle 1 emittierte Infrarotlichtstrahlen
in zwei Infrarotlichtkomponenten von einer Verteilzelle 2 zum
Eintreten in eine Referenzzelle 3 bzw. eine Probenzelle 4 aufgespalten.
Ein Gas, das keine Meßzielkomponente
enthält,
wie zum Beispiel ein inertes Gas und so weiter, ist in der Referenzzelle 3 eingeschlossen.
Ein Probengas ist in der Probenzelle 4 verteilt. Als eine
Folge unterliegt nur eine der zwei Infrarotlichtkomponenten der
Infrarotlichtstrahlen nach Aufspaltung durch die Verteilzelle 2 auf
der Seite der Probenzelle 4 einer Absorption durch die
Meßzielkomponente,
die nachfolgend einen Detektor 5 erreicht.
Der
Detektor 5 weist zwei Kammern auf, die aus einer Kammer 51 auf
der Referenzseite zum Empfangen der Infrarotlichtkomponente von
der Referenzzelle 3 und einer Kammer 52 auf der
Probenseite zum Empfangen der anderen Infrarotlichtkomponente von
der Probenzelle 4 besteht, und ein Durchflußsensor 53 zur
Gasströmungsbestimmung ist
in einem Gasverteilweg vorgesehen, der die beiden Kammern miteinander
verbindet. Weiterhin ist ein Gas, das dieselbe Komponente wie die
Meßzielkomponente
enthält,
in dem Detektor 5 eingeschlossen und wenn die jeweiligen
Infrarotlichtkomponenten von der Referenzzelle 3 und der
Probenzelle 4 auf den Detektor 5 fallen, absorbiert
die Meßzielkomponente
des Gases, sofern eingeschlossen, die Infrarotlichtkomponente, woraufhin
die jeweiligen Gase innerhalb der Kammer 51 auf der Referenzseite
und der Kammer 52 auf der Probenseite einer Wärmeausdehnung
unterliegen.
Da
ein Referenzgas in der Referenzzelle 3 nicht die Meßzielkomponente
enthält,
tritt keine Absorption der durch die Referenzzelle 3 gehenden
Infrarotlichkomponente durch die Meßzielkomponente auf, und wenn
die Meßzielkomponente
in dem Probengas in der Probenzelle 4 enthalten ist, werden Teile
der Infrarotlichkomponente absorbiert, was zu einer Abnahme der
Menge der Infrarotlichtkomponente führt, die auf die Kammer 52 auf
der Probenseite des Detektors 5 einfällt, so daß Wärmeausdehnung des Gases in
der Kammer 51 auf der Referenzseite größer als Wärmeausdehnung des Gases in
der Kammer 52 auf der Probenseite wird. Die Infrarotlichtstrahlen
werden von einem rotierenden Sektor 6 unterbrochen, wobei
der rotierende Sektor 6 Sperren und Bestrahlung wiederholt,
und wenn die Infrarotlichtstrahlen ausgeschaltet sind, fällt die
Infrarotlichtkomponente weder auf die Kammer 51, auf der
Referenzseite noch auf die Kammer 52 auf der Probenseite,
so daß sich
die Gase nicht ausdehnen.
Demzufolge
tritt eine Druckdifferenz gemäß der Konzentration
der Meßzielkomponente
des Probengases periodisch zwischen der Kammer 51 auf der
Referenzseite und der Kammer 52 auf der Probenseite auf,
wodurch bewirkt wird, daß die
Gase über
den Gasverteilweg, der zwischen beiden Kammern vorgesehen ist, kommen
und gehen. Das Verhalten der Gase wird von dem Durchflußsensor 53 detektiert
und nachfolgend von einer Signalverarbeitungsschaltung 7 auf
eine AC-Spannung verstärkt, wodurch
ein Signal ausgegeben wird, das der Konzentration einer Meßzielkomponente
entspricht. Bezugszahl 8 kennzeichnet einen Synchronmotor
zum Antreiben des rotierenden Sektors 6 und 9 eine
Abgleicheinrichtung zum Einstellen eines Gleichgewichts zwischen
den auf die Referenzzelle 3 und die Probenzelle 4 einfallenden
Infrarotlichtkomponenten.
Wenn
die Konzentration der Meßzielkomponente
des Probengases eine Änderung
durchmacht, tritt somit eine Änderung
der Menge der Infrarotlichtkomponente auf, die auf den Detektor 5 (die
Kammer 52 auf der Probenseite) einfällt, so daß es möglich ist, ein Ausgabesignal,
das der Konzentration der Meßzielkomponente
entspricht, über
die Signalverarbeitungsschaltung 7 zu erhalten.
Bei
dem in 7 gezeigten herkömmlichen Infrarotgasanalysator
wird für
die Infrarotlichtquelle 1 ein keramisches Heizelement und
so weiter mit einer Konfiguration zur Überwindung von zahlreichen
Problemen, wie zum Beispiel geringe Wärmeansprechempfindlichkeit
bei der Lichtquelle, Schwankung, Drift und so weiter der Lichtquelle
verwendet.
Das
heißt,
daß, während der
rotierende Sektor zum EIN/AUS-Schalten der Infrarotlichtstrahlen verwendet
wird, die von einer gemeinsamen Lichtquelle emittierten Infrarotlichtstrahlen
in die zwei Infrarotlichtkomponenten aufgespalten werden, bevor sie
auf die Probenzelle bzw. die Referenzelle fallen, um Effekte durch
Lichtquellenvariation zu beseitigen.
8 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Beispiel
für eine
Infrarotlichtquelle mit ausgezeichneter Wärmeansprechempfindlichkeit
zeigt. 8A zeigt eine
Draufsicht und 8B zeigt
eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 8A. Wie in den Figuren gezeigt ist, ist
eine Infrarotlichtquelle 1 derart aufgebaut, daß ein Glühfaden 12 in
einer mikrobrückenartigen
Gestalt über
einer in einem Siliziumsubstrat 10 ausgebildeten Aussparung 11 gehalten
wird.
Die
ebene Gestalt des Glühfadens 12 wird durch
Ausbilden einer mit Bor auf der Oberseite eines Siliziumdioxidfilms 13,
der auf einem Siliziumsubstrat 10 ausgebildet wird, hochdotierten
polykristallinen Siliziumschicht 14 und durch nachfolgende
Anbringen von linearer Strukturierung auf die polykristalline Siliziumschicht 14 ausgebildet.
Danach
wird ein Abschnitt des Siliziumsubstrats 10 unter dem Glühfaden 12 durch
anisotropes Differenzkonzentrationsätzen unter Verwendung des Siliziumdioxidfilms 13,
der auf sowohl der Ober- als auch Unterseite des Siliziumsubstrats 10 als
Masken ausgebildet ist, entfernt, wodurch die Aussparung 11 gebildet
wird, woraufhin eine Mikrobrückenstruktur zum
Halten des Glühfadens 12 in
linearer Gestalt über
der Aussparung 11 implementiert wird.
Nachfolgend
werden Abschnitte eines auf der polykristallinen Siliziumschicht 14 ausgebildeten Siliziumdioxidfilms 15 entfernt,
um Elektroden 16a, 16b zu bilden, und Strom über die
Elektroden 16a, 16b zum Glühfaden 12 gespeist,
wodurch verursacht wird, daß der
Glühfaden 12 Wärme erzeugt
und Infrarotstrahlen emittiert, die einer Wärmeerzeugungstemperatur entsprechen.
Die
beschriebene Infrarotlichtquelle 1 weist ausgezeichnete
Wärmeansprechempfindlichkeit
und hohes Emissionsvermögen
hinsichtlich der Infrarotstrahlen auf, während EIN/AUS derselben mit
hoher Geschwindigkeit möglich
ist, wodurch sie mit einer einfachen Steuerschaltung angesteuert
wird. Da ein Halbleiterprozeß bei
der Herstellung derselben verwendet wird, ist es ferner möglich, Hochleistungsinfrarotquellen
mit gleichförmigen
Eigenschaften auf Basis einer Massenfertigung mit niedrigen Kosten herzustellen.
Zum
vorgenannten Stand der Technik wir auf JP – A Nr. 131230 / 2002, JP – B Nr.
3174069 und JP – A
Nr. 221737 / 2001 verwiesen.
Wenn
jedoch die oben beschriebene Infrarotlichtquelle für einen
Analysator mit der in 7 gezeigten
herkömmlichen
Konfiguration verwendet wird, gibt es angesichts der Art der Infrarotlichtquelle zu
viele unnötige
Bestandteile, so daß es
nicht möglich
ist, den Vorteil der Lichtquelle vollständig zu erlangen.
Ferner
ist niemals eine Konfiguration eines Analysators, der zur Verwendung
der beschriebenen Infrarotlichtquelle geeignet ist, und ein Meßverfahren unter
Verwendung desselben vorgeschlagen worden.
Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Nachteile des herkömmlichen
Infrarotgasanalysators, wie sie oben beschrieben sind, zu beseitigen
und einen Infrarotgasanalysator mit einer einfachen Konfiguration,
der Messungen mit hoher Präzision
bei Verwendung der Infrarotlichtquelle mit ausgezeichneter Wärmeansprechempfindlichkeit EIN/AUS-Vorgänge mit
hoher Geschwindigkeit durchführen
kann, und ein Verfahren zur Infrarotgasanalyse unter Verwendung
desselben zu implementieren.
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
einen Infrarotgasanalysator mit einer Probenzelle, in die ein Probengas
gegeben wird, zur Konzentrationsbestimmung einer Meßzielkomponente des
Probengases durch Ausnutzung der Änderung der Absorptionsmenge
von Infrarotstrahlen, die durch die Probenzellen gehen, wobei genannter
Infrarotgasanalysator umfaßt:
eine erste Infrarotlichtquelle zum Bestrahlen der Probenzelle mit
Infrarotstrahlen, eine zweite Infrarotlichtquelle mit demselben
Ansprechverhalten wie dasjenige der ersten Infrarotlichtquelle,
einen Detektor zum Detektieren einer Differenz zwischen den ersten
Infrarotstrahlen, die von der ersten Infrarotlichtquelle emittiert
und durch die Probenzellen gegangen sind, und zweiten Infrarotstrahlen,
die von der zweiten Infrarotlichtquelle emittiert sind, eine Lichtquellenansteuereinrichtung
zum synchronen Ansteuern der ersten und zweiten Infrarotlichtquellen,
und eine Meßsteuerung
zum Versehen der Lichtquellenansteuereinrichtung mit Befehlen für jeweilige
Ansteuerwerte der ersten und zweiten Infrarotlichtquellen während des
Empfangs eines Ausgabesignals vom Detektor, wodurch eine Meßausgabe
erzeugt wird, die der Konzentration der Meßzielkomponente des Probengases
entspricht.
Weiterhin
wird diese Aufgabe gelöst
durch ein Verfahren zur Infrarotgasanalyse zur Konzentrationsbestimmung
einer Meßzielkomponente
eines Probengases durch Ausnutzung der Änderung der Absorptionsmenge
von Infrarotstrahlen, die durch eine Probenzelle gegangen sind,
in die das Probengas gegeben wurde, wobei genanntes Verfahren die Schritte
umfaßt:
Bestrahlen der Probenzelle mit ersten Infrarotstrahlen, die von
einer ersten Infrarotlichtquelle emittiert werden, Bestrahlen einer
Kammer auf der Abgleichseite mit zweiten Infrarotstrahlen, die von
einer zweiten Infrarotlichtquelle emittiert werden, die dasselbe
Ansprechverhalten wie dasjenige der ersten Infrarotlichtquelle aufweist,
synchrones Ansteuern der ersten und zweiten Infrarotlichtquellen während des
Detektierens einer Differenz zwischen der ersten Infrarotstrahlen,
die durch die Probenzelle gegangen sind, und den zweiten Infrarotstrahlen,
und Erzeugen einer Meßausgabe,
die der Konzentration der Meßzielkomponente
des Probengases entspricht.
Bei
dem Infrarotgasanalysator kann vorgesehen sein, daß die Lichtquellenansteuereinrichtung die
ersten und zweiten Infrarotlichtquellen in einem vorab festgelegten
Zyklus synchron EIN/AUS schaltet.
Gemäß einer
besonderen Ausführungsform der
Erfindung umfaßt
der Detektor eine Kammer auf der Probenseite mit einem Gas, das
die darin eingeschlossene Meßzielkomponente
enthält,
zum Einfallenlassen der ersten Infrarotstrahlen, eine Kammer auf
der Abgleichseite zum Einfallenlassen der zweiten Infrarotstrahlen
und einen Durchflußsensor,
der in einem Gasverteilweg vorgesehen ist, der die Kammer auf der
Probenseite mit der Kammer auf der Abgleichseite verbindet.
Zweckmäßigerweise
umfaßt
der Detektor eine Vielzahl von Detektoren, deren Meßziele Gaskomponenten
sind, die sich voneinander unterscheiden.
Weiterhin
kann vorgesehen sein, daß die Vielzahl
der Detektoren jeweils mit der zweiten Infrarotlichtquelle versehen
ist.
Günstigerweise
sind die ersten und zweiten Infrarotlichtquellen durch erste bzw.
zweite optische Sensoren zum Detektieren von Abweichungen der jeweiligen
Lichtquellen ergänzt.
Gemäß einer
weiteren besonderen Ausführungsform
der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Meßsteuerung jeweilige Antriebswerte
der zweiten Infrarotlichtquelle zum Zeitpunkt eines Nullpunkteinstellvorgangs
so einstellt, daß jeweilige
Ausgaben der Detektoren zu Null werden und die Meßausgaben,
die jeweilige Konzentrationen der Meßzielkomponenten entsprechen,
auf der Basis von Größen der jeweiligen
Ausgaben der Detektoren zum Zeitpunkt eines Meßvorgangs erhält.
Alternativ
kann vorgesehen sein, daß die Meßsteuerung
jeweilige Ansteuerwerte der zweiten Infrarotlichtquelle zum Zeitpunkt
eines Nullpunkteinstellvorgangs so einstellt, daß jeweilige Ausgaben der Detektoren
zu Null werden, und die jeweiligen Ansteuerwerte der zweiten Infrarotlichtquelle
zum Zeitpunkt eines Meßvorgangs
ebenfalls so einstellt, daß die
jeweiligen Ausgaben der Detektoren zu Null werden, wodurch die Meßausgaben,
die jeweiligen Konzen trationen der Meßzielkomponenten entsprechen,
auf der Basis von jeweiligen Ansteuerwertdifferenzen zu dem Zeitpunkt
erhalten werden.
Günstigerweise
weist die Lichtquellenansteuereinrichtung eine Synchronsteuerung
zum Erzeugen eines Synchronisationssignals, erste und zweite Lichtquellenansteuerungen
zum EIN/AUS-Schalten von zu den ersten und zweiten Infrarotlichtquellen
zu liefernden Ansteuersignalen als Antwort auf das Synchronisationssignal
und erste und zweite Ansteuersignaldetektoren zum Detektieren von
Größen der
zu den ersten und zweiten Infrarotlichtquellen zu liefernden jeweiligen
Ansteuersignale auf.
Vorteilhafterweise
weist die Lichtquellenansteuereinrichtung eine Synchronsteuerung
zum Erzeugen eines Synchronisationssignals, erste und zweite Lichtquellenansteuerungen
zum EIN/AUS-Schalten von jeweiligen zu den ersten und zweiten Infrarotlichtquellen
zu liefernden Ansteuersignalen als Antwort auf das Synchronisationssignal und
erste und zweite Ansteuersignaldetektoren zum Detektieren von Größen der
zu den ersten und zweiten Infrarotlichtquellen zu liefernden jeweiligen
Ansteuersignale auf, wobei die Meßausgaben, die den jeweiligen
Konzentrationen der Meßzielkomponenten
entsprechen, auf der Basis einer Differenz der Ausgabe des zweiten
Ansteuersignaldetektors zum Zeitpunkt des Meßvorgangs erhalten werden.
Bei
dem Verfahren kann vorgesehen sein, daß es ferner den Schritt des
synchronen EIN/AUS-Schaltens
der ersten und zweiten Infrarotlichtquellen in einem vorab festgelegten
Zyklus umfaßt.
Insbesondere
kann dabei vorgesehen sein, daß die
ersten und zweiten Infrarotstrahlen von einem Detektor lichtelektrisch
detektiert werden, der aus einer Kammer auf der Probenseite mit
einem Gas, das darin eingeschlossen die Meßzielkomponente enthält, zum
Einfallenlassen der ersten Infrarotstrahlen, einer Kammer auf der
Abgleichseite zum Einfallenlassen der zwei ten Infrarotstrahlen und
einem Durchflußsensor
besteht, der in einem Gasverteilweg vorgesehen ist, der die Kammer
auf der Probenseite mit der Kammer auf der Abgleichseite verbindet.
Vorteilhafterweise
umfaßt
der Detektor eine Vielzahl von Detektoren, deren Meßziele Gaskomponenten
sind, die sich voneinander unterscheiden.
Zweckmäßigerweise
ist die Vielzahl der Detektoren jeweils mit der zweiten Infrarotlichtquelle versehen
ist.
Weiterhin
kann dabei vorgesehen sein, daß ersten
und zweiten Infrarotlichtquellen durch jeweilige erste und zweite
optische Sensoren zum Detektiren einer Abweichung der jeweiligen
Lichtquellen ergänzt
sind.
Zweckmäßigerweise
umfaßt
das Verfahren ferner den Schritt des Einstellens von jeweiligen
Ansteuerwerten der zweiten Infrarotlichtquelle zum Zeitpunkt eines
Nullpunkteinstellvorgangs in der Weise, daß die Differenz zwischen den
ersten Infrarotstrahlen, die durch die Probenzelle gegangen sind,
und den zweiten Infrarotstrahlen zu Null wird und Erhaltens der
Meßausgaben,
die den jeweiligen Konzentrationen der Meßzielkomponenten entsprechen,
auf der Basis der Differenz zwischen den ersten Infrarotstrahlen,
die durch die Probenzelle gegangen sind, und den zweiten Infrarotstrahlen
zum Zeitpunkt eines Meßvorgangs.
Alternativ
kann vorgesehen sein, daß das Verfahren
ferner den Schritt des Einstellens von jeweiligen Ansteuerwerten
der zweiten Infrarotlichtquelle zum Zeitpunkt eines Nullpunkteinstellvorgangs
in der Weise, daß eine
Differenz zwischen den ersten Infrarotstrahlen, die durch die Probenzelle
gegangen sind, und den zweiten Infrarotstrahlen zu Null wird, und
Einstellen der jeweiligen Ansteuerwerte der zweiten Infrarotlichtquelle
zum Zeitpunkt eines Meßvorgangs
ebenfalls derart, daß die
Differenz zwischen den ersten Infrarotstrahlen, die durch die Probenzelle
gegangen sind, und den zweiten Infrarotstrahlen zu Null wird, umfaßt, wodurch Meßausgaben,
die jeweiligen Konzentrationen der Meßzielkomponenten entsprechen,
auf der Basis von jeweiligen Ansteuerwertdifferenzen erhalten werden.
Insbesondere
kann dabei vorgesehen sein, daß das
Verfahren ferner den Schritt des Detektierens von Größen der
zu den ersten und zweiten Infrarotlichtquellen zu liefernden jeweiligen
Ansteuersignale und Zurückführens der
jeweiligen detektierten Ansteuersignale zu ersten und zweiten Lichtquellenansteuerungen
umfaßt.
Schließlich kann
alternativ vorgesehen sein, daß das
Verfahren ferner den Schritt des Detektierens von Größen der
zu den ersten und zweiten Infrarotlichtquellen zu liefernden jeweiligen
Ansteuersignale und Zurückführens der
detektierten jeweiligen Ansteuersignale zu ersten und zweiten Lichtquellenansteuerungen
während
des Erhaltens der Meßausgaben,
die den jeweiligen Konzentrationen der Meßzielkomponenten entsprechen,
auf der Basis von Abweichungswerten der jeweiligen Ansteuersignale
bei den zweiten Infrarotlichtquellen zum Zeitpunkt des Meßvorgangs
umfaßt.
Somit
sind mit Einführung
einer Konfiguration, bei der die erste Infrarotlichtquelle zum Bestrahlen
der Probenzelle mit den ersten Infrarotstrahlen und die zweite Infrarotlichtquelle,
die dasselbe Ansprechverhalten wie die erste Infrarotlichtquelle
aufweist, vorgesehen sind, die ersten und zweiten Infrarotlichtquellen
synchron angesteuert werden, während
die Differenz zwischen den ersten Infrarotlichtstrahlen, die durch
die Probenzelle gegangen sind, und den zweiten Infrarotlichtstrahlen
detektiert wird, wodurch die Meßausgabe
erzeugt wird, die der Konzentration der Meßzielkomponente des Probengases entspricht,
die Referenzzelle und der rotierende Sektor nicht länger erforderlich,
so daß es
möglich
wird, den Infrarotgasanalysator mit der einfachen Konfiguration,
der Messungen mit hoher Präzision
bei Verwendung der Infrarotlichtquelle mit ausgezeichneter Wärmeansprechempfindlichkeit
und EIN/AUS-Vorgänge mit
hoher Geschwindigkeit durchführen
kann, und das Verfahren zur Infrarotgasanalyse unter Verwendung
desselben zu implementieren.
Wenn
ferner der Ansteuerwert der zweiten Infrarotlichtquelle so gesteuert
wird, daß die
Ausgabe des Detektors zum Zeitpunkt des Meßvorgangs immer Null wird,
um dadurch die Meßausgabe
auf der Basis der Ansteuerwertdifferenz zu erhalten, wird dies ermöglichen,
daß der
Detektor immer in einem Bereich verwendet wird, in dem ein Ausgabesignal desselben
einen geringen Wert aufweist, wodurch der dynamische Bereich des
Meßbereiches
desselben vergößert wird.
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
der nachstehenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele
anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind.
Dabei zeigt:
1 ein Blockdiagramm, das
eine Ausführungsform
eines Infrarotgasanalysators und eines Verfahrens zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung desselben gemäß der Erfindung
zeigt;
2 ein Blockdiagramm, das
eine weitere Ausführungsform
eines Infrarotgasanalysators und eines Verfahrens zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung desselben gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
3 ein Blockdiagramm, das
eine weitere Ausführungsform
eines Infrarotgasanalysators und eines Verfahrens zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung desselben gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
4 ein Blockdiagramm, das
eine weitere Ausführungsform
eines Infrarotgasanalysators und eines Verfahrens zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung desselben gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
5 ein Blockdiagramm, das
eine weitere Ausführungsform
eines Infrarotgasanalysators und eines Verfahrens zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung desselben gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
6 ein Blockdiagramm, das
eine weitere Ausführungsform
eines Infrarotgasanalysators und eines Verfahrens zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung desselben gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
7 ein Blockdiagramm, das
ein Beispiel für
einen herkömmlichen
Infrarotgasanalysator zeigt; und
8 ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine Infrarotlichtquelle
mit ausgezeichneter Wärmeansprechempfindlichkeit
zeigt.
Unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
werden nachfolgend Infrarotgasanalysatoren und Verfahren zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung derselben gemäß besonderen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Ausführungsform 1
1 zeigt ein Blockdiagramm,
das eine Ausführungsform
eines Infrarotgasanalysators und eines Verfahrens zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung desselben gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt. In der Figur sind Teile, die denjenigen in 7 entsprechen, durch gleiche
Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Bezugszeichen 101, 102 bezeichnen
erste bzw. zweite Infrarotlichtquellen mit ausgezeichneter Wärmeansprechempfindlichkeit, wie
zum Beispiel eine, die vorangehend unter Bezugnahme auf 8 beschrieben wurde, und die erste Infrarotlichtquelle 101 bestrahlt
eine Probenzelle 4 mit ersten Infrarotstrahlen über eine
Interferenzzelle 21. Darüber hinaus bestrahlt die zweite
Infrarotlichtquelle 102 eine Kammer 54 auf der
Abgleichseite eines Detektors 5 mit zweiten Infrarotstrahlen.
In diesem Fall weist der De tektor 5 die Kammer 54 auf
der Abgleichseite zum Empfangen der zweiten Infrarotstrahlen anstelle
der herkömmlichen
Kammer 51 auf der Referenzseite auf und ist ein Durchflußsensor 53 in
einem Gasverteilweg vorgesehen, der eine Kammer 52 auf
der Probenseite zum Empfangen der ersten Infrarotstrahlen über die
Probenzelle 4 mit der Kammer 54 auf der Abgleichseite
verbindet. Demzufolge detektiert der Detektor 5 eine Differenz
zwischen den ersten Infrarotstrahlen, die durch die Probenzelle 4 gehen,
und den zweiten Infrarotstrahlen, die von der zweiten Infrarotlichtquelle 102 direkt
auf den Detektor 5 einfallen. Ferner wird für jede der
ersten und zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 eine
Infrarotlichtquelle mit identischem Ansprechverhalten verwendet.
Die
Bezugszeichen 103, 104 kennzeichnen erste bzw.
zweite optische Sensoren zum Detektieren von jeweiligen Mengen von
Infrarotstrahlen, die von den ersten bzw. zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 emittiert
werden, das Bezugszeichen 110 kennzeichnet eine Lichtquellenansteuereinrichtung
zum Erzeugen von Lichtquellenansteuersignalen und dadurch synchronen
Ansteuern der ersten und zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 und 120 kennzeichnet eine
Meßsteuerung
zum Versorgen der Lichtquellenantriebssteuereinrichtung 110 mit
Befehlen für
jeweilige Ansteuerwerte der ersten und zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 als
die Lichtquellensteuersignale und Erzeugen einer Meßausgabe,
die der Konzentration einer Meßzielkomponente
eines Probengases entspricht, nach Empfangen eines Ausgabesignals vom
Detektor 5 (dem Durchflußsensor 53).
Die
Lichtquellenansteuereinrichtung 110 steuert die ersten
und zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 gemäß dem Lichtquellenansteuersignal
an, das zum Beispiel aus Rechteckwellen besteht, die sich in einem
vorab festgelegten Zyklus ausbreiten, wodurch die ersten und zweiten
Infrarotlichtquellen 101, 102 synchron EIN/AUS-geschaltet
werden. Wenn die ersten und zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 eingeschaltet
sind, entwickelt sich demzufolge ein Differenzdruck, der einer Differenz
zwischen den ersten Infrarotstrahlen und den zweiten Infrarotstrahlen
entspricht, zwischen den jeweiligen Kammern des Detektors 5,
während,
wenn die ersten und zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 ausgeschaltet
sind, sich kein Differenzdruck entwickelt. Demzufolge erzeugt der
Durchflußsensor 53 eine
Ausgabe, die der Konzentration der Meßzielkomponente des Probengases
entspricht.
Die
Meßsteuerung 120 führt synchrone Gleichrichtung
der Ausgabe des Durchflußsensors 53 durch
Verwendung des Ansteuersignals (synchronen Signals) für die ersten
und zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 durch,
wodurch eine Meßausgabe ausgegeben
wird, die der Konzentration der Meßzielkomponente des Probengases
entspricht.
Nachfolgend
wird die Steuerung der jeweiligen Ansteuerwerte der ersten und zweiten
Infrarotlichtquellen 101, 102 durch die Meßsteuerung 120 nacheinander
beschrieben.
Bei
einem Infrarotgasanalysator entspricht es der allgemeinen Praxis,
Kalibriervorgänge,
wie zum Beispiel Nullpunkteinstellung, Meßbereicheinstellung und so
weiter vor einem Meßvorgang
durchzuführen.
Zum Zeitpunkt des Nullpunkteinstellvorgangs zur Verteilung eines
Referenzgases (Nullgases), das die Meßzielkomponente nicht enthält, in der Probenzelle 4 wird
der Ansteuerwert der ersten Infrarotlichtquelle 101 auf
einen für
die Messung geeigneten Wert eingestellt, währen der Ansteuerwert der zweiten
Infrarotlichtquelle 102 so eingestellt wird, daß das Ausgabesignal
vom Detektor 5 (dem Durchflußsensor 53) Null wird.
Unterdessen wird zum Zeitpunkt des Meßbereicheinstellvorgangs zur
Verteilung eines Referenzgases (Meßbereichgases) mit einer bekannten
Konzentration der Komponente in der Probenzelle 4 eine
Verstärkung
und so weiter einer Meßschaltung
so eingestellt, daß die
Meßausgabe einen
vorab festgelegten Konzentrationswert anzeigt.
Als
nächstes
empfängt
die Meßsteuerung 120 zum
Zeitpunkt des Meßvorgangs
zur Verteilung des Probengases in der Probenzelle 4 das
Ausgabesignal vom Detektor 5 (dem Durchflußsensor 53),
woraufhin eine Meßausgabe
erzeugt wird, die der Konzentration der Meßzielkomponente des Probengases entspricht.
Ferner
empfängt
die Meßsteuerung 120 jeweilige
Ausgaben der ersten und zweiten optischen Sensoren 103, 104 und
erzeugt ein Alarmsignal, falls eine Abweichung der jeweiligen Mengen
der Infrarotstrahlen, die aus der ersten bzw. zweiten Infrarotlichtquelle 101, 102 austreten,
auftritt.
Somit
können
die Infrarotstrahlen mit der Einführung der ersten und zweiten
Infrarotlichtquellen 101, 102 mit ausgezeichneter
Wärmeansprechempfindlichkeit
mittels des Ansteuersignals mit rechteckiger Wellenform direkt EIN/AUS-geschaltet
werden, so daß der
herkömmliche
rotierende Sektor nicht länger
erforderlich ist. Da die Infrarotlichtquellen, die stabil sind und
identisches Ansprechverhalten aufweisen, verwendet werden können, ist
es ferner möglich,
die Infrarotstrahlen direkt auf eine (die Kammer 54 auf
der Abgleichseite) von Photodetektionskammern des Detektors 5 einfallen
zu lassen, so daß eine
Messung mit hoher Präzision
mit der Verwendung einer einfachen Konfiguration, bei der die herkömmliche
Referenzzelle entfallen kann, implementiert werden kann.
Ausführungsform 2
2 zeigt ein Blockdiagramm,
das eine weitere Ausführungsform
eines Infrarotgasanalysators und ein Verfahren zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung desselben gemäß der Erfindung
zeigt. In der Figur sind Teile, die denjenigen in 1 entsprechen, durch gleiche Bezugszeichen
gekennzeichnet. Mit der in der Figur gezeigten vorliegenden Ausführungsform
wird ein Ansteuerwert einer zweiten Infrarotlichtquelle 102 zum
Zeitpunkt eines Nullpunkteinstellvorgangs so eingestellt, daß die Differenz
zwischen ersten Infrarotstrahlen, die auf eine Kammer 52 auf
der Probenseite eines Detektors 5 über eine Probenzelle 4 einfallen,
und zweiten Infrarotstrahlen, die direkt auf eine Kammer 54 auf
der Abgleichseite von der zweiten Infrarotlichtquelle 102 einfallen,
Null wird und eine Ausgabe des Detektors 5 (eines Durchflußsensors 53)
Null wird, während
der Ansteuerwert der zweiten Infrarotlichtquelle 102 zum Zeitpunkt
eines Meßvorgangs
ebenfalls so eingestellt wird, daß die Ausgabe des Detektors 5 (Durchflußsensors 53)
Null wird, wodurch eine Meßausgabe, die
der Konzentra tion einer Meßzielkomponente
eines Probengases entspricht, auf der Basis einer Ansteuerwertdifferenz
erhalten wird.
Genauer
gesagt weist eine Meßsteuerung 120 einen
Nullpunkteinstellsignalspeicher 121 zum Speichern eines
Steuerwertes der zweiten Infrarotlichtquelle 102 zum Zeitpunkt
des Nullpunkteinstellvorgangs auf und detektiert sie eine Änderung
der zweiten Infrarotstrahlen, die der Meßzielkomponente entspricht,
auf der Basis der Ansteuerwertdifferenz der zweiten Infrarotlichtquelle 102 zum
Zeitpunkt des Meßvorgangs.
Wenn
somit der Ansteuerwert der zweiten Infrarotlichtquelle 102 so
gesteuert wird, daß die
Ausgabe des Detektors 5 (Durchflußsensors 53) zum Zeitpunkt
des Meßvorgangs
immer Null wird, um dadurch die Meßausgabe auf der Basis der
Ansteuerwertdifferenz zu erhalten, wird dies ermöglichen, daß der Detektor 5 (Durchflußsensor 53)
immer in einem Bereich verwendet wird, in dem ein Ausgabesignal einen
niedrigen Wert beibehält,
wodurch der dynamische Bereich eines Meßbereiches desselben vergrößert wird.
Ausführungsform 3
3 zeigt ein Blockdiagramm,
das eine weitere Ausführungsform
eines Infrarotgasanalysators und eines Verfahrens zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung desselben gemäß der Erfindung zeigt.
In der Figur sind Teile, die denjenigen in 1 entsprechen, durch gleiche Bezugszeichen
gekennzeichnet. Die vorliegende Ausführungsform der Figur zeigt
ein spezielles Konfigurationsbeispiel für eine Lichtquellenansteuereinrichtung 110 in 2 zum Ansteuern von ersten
bzw. zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102. Das
Bezugszeichen 113 kennzeichnet eine Synchronsteuerung zur
Erzeugung eines Synchronisationssignals mit rechteckiger Wellenform, 111, 112 kennzeichnen
ersten bzw. zweite Lichtquellenansteuerungen zur Erzeugung von Lichtquellenansteuersignalen,
die zu den ersten bzw. zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 als
Antwort auf das Synchronisationssignal und Lichtquellensteuersignalen, die
von einer Meßsteuerung 120 aufgeprägt werden, zu
liefern sind, und 105, 106 kennzeich nen erste
bzw. zweite Ansteuersignaldetektoren zum Detektieren der Größen der
jeweiligen zu den ersten und zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 zu
liefernden Lichtquellenansteuersignale und Rückführung derselben zu den ersten
bzw. zweiten Lichtquellenansteuerungen 111, 112.
Das
heißt,
daß die
Größen (Spannungen) der
jeweiligen zu den ersten und zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 zu
liefernden Lichtquellenansteuersignale von den ersten bzw. zweiten
Ansteuersignaldetektoren 105, 106 detektiert werden,
um dann zu den ersten bzw. zweiten Lichtquellenansteuerungen 111, 112 zurückgeführt zu werden,
so daß die
ersten und zweiten Lichtquellenansteuerungen 111, 112 die ersten
und zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 gemäß den jeweiligen
Lichtquellenansteuersignalen mit jeweiligen Größen ansteuern können, die
den Lichtquellensteuersignalen entsprechen, die von der Meßsteuerung 120 aufgeprägt werden.
Allgemein
muß ein
großer
Strom zugeführt werden,
um eine Infrarotlichtquelle anzusteuern, und wenn die ersten und
zweiten Lichtquellenansteuerungen 111, 112 eine
geringe Genauigkeit oder Widerstandswerte eines Kabels und so weiter
aufweisen und einer Wirkung einer Temperaturänderung unterliegen, ist es
unmöglich,
die Infrarotlichtquellen mit hoher Präzision aufgrund einer Wirkung
einer Änderung
des Widerstandswertes und so weiter einer Ansteuerschaltung anzusteuern.
Mit Einführung
der in der Figur gezeigten Konfiguration können jedoch die erste und zweite
Infrarotlichtquelle 101, 102 mit hoher Präzision angesteuert
werden, ohne daß sie den
oben beschriebenen Wirkungen unterliegen.
Ferner
stellt die Meßsteuerung 120 einen Ansteuerwert
einer zweiten Infrarotlichtquelle 102 zum Zeitpunkt eines
Nullpunkteinstellvorgangs so ein, daß die Differenz zwischen ersten
Infrarotstrahlen, die auf eine Kammer 52 auf der Probenseite
eines Detektors 5 über
eine Probenzelle 4 einfallen, und zweiten Infrarotstrahlen,
die von der zweiten Infrarotlichtquelle 102 direkt auf
eine Kammer 54 auf der Abgleichseite einfallen, Null wird,
und wird eine Ausgabe des Detektors 5 (eines Durchflußsensors 53)
zu Null während
des Empfangs eines Ausgabesi gnats vom Detektor 5 (Durchflußsensor 53)
zum Zeitpunkt eines Meßvorgangs,
wodurch eine Meßausgabe
erzeugt wird, die der Konzentration einer Meßzielkomponente eines Probengases
entspricht.
Ausführungsform 4
4 zeigt ein Blockdiagramm,
das eine weitere Ausführungsform
eines Infrarotgasanalysators und eines Verfahrens zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung desselben gemäß der Erfindung zeigt.
In
der Figur sind Teile, die denjenigen in den 2 und 3 entsprechen,
durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Die in der Figur gezeigte
vorliegende Ausführungsform
weist dieselbe Konfiguration wie diejenige in 3 auf, wo derselbe unter Bezugnahme auf 2 beschriebene Meßvorgang durchgeführt wird.
Genauer
gesagt weist eine Meßsteuerung 120 einen
Nullpunkteinstellsignalspeicher 121 zum Speichern eines
Ansteuerwerts einer zweiten Infrarotlichtquelle 102 zum
Zeitpunkt des Nullpunkteinstellvorgangs auf und wird ein Ansteuerwert
(ein Lichtquellensteuersignal) der zweiten Infrarotlichtquelle 102 zum
Zeitpunkt des Nullpunkteinstellvorgangs so eingestellt, daß die Differenz
zwischen ersten Infrarotstrahlen, die auf eine Kammer 52 auf
der Probenseite eines Detektors 5 über eine Probenzelle 4 einfallen,
und zweiten Infrarotstrahlen, die von der zweiten Infrarotlichtquelle 102 direkt
auf eine Kammer 54 auf der Abgleichseite einfallen, zu
Null wird und eine Ausgabe des Detektors 5 (Durchflußsensors 53)
zu Null wird, während
der Ansteuerwert der zweiten Infrarotlichtquelle 102 zum
Zeitpunkt eines Meßvorgangs
ebenfalls so eingestellt wird, daß die Ausgabe des Detektors 5 (Durchflußsensor 53)
zu Null wird, wodurch eine Meßausgabe,
die der Konzentration einer Meßzielkomponente
eines Probengases entspricht, auf der Basis einer Ansteuerwertdifferenz
erhalten wird.
Mit
der beschriebenen Konfiguration wird die Größe eines zur zweiten Infrarotlichtquelle 102 zu
liefernden Lichtquellenansteuersignals von einem zweiten Ansteuersignaldetektor 106 detektiert,
um danach zu einer zweiten Lichtquellenansteuerung 112 zurückgeführt zu werden,
jedoch im Falle des Auftretens eines Problems, wie zum Beispiel
Instabilität
bei der Durchführung
der Einstellung des Ansteuerwertes, der Fall vorliegen kann, in
dem ein Rückführvorgang
durch den zweiten Ansteuersignaldetektor 106 weggelassen
ist.
Ausführungsform 5
5 zeigt ein Blockdiagramm,
das eine weitere Ausführungsform
eines Infrarotgasanalysators und eines Verfahrens zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung desselben gemäß der Erfindung zeigt.
In der Figur sind Teile, die denjenigen in 4 entsprechen, durch gleiche Bezugszeichen
gekennzeichnet. Die in der Figur gezeigte vorliegende Ausführungsform
weist dieselbe Konfiguration wie diejenige in 4 auf, wo eine Variation des Ansteuerwertes
einer zweiten Infrarotlichtquelle 102 von einer Ausgabe
eines zweiten Ansteuersignaldetektors 106 erhalten wird.
Das
heißt,
wenn der Ansteuerwert der zweiten Infrarotlichtquelle 102 anhand
der Ausgabe des zweiten Ansteuersignaldetektors 106 erhalten
wird, wird dies ermöglichen,
daß ein
Ist-Ansteuerwert
der zweiten Infrarotlichtquelle 102 genau auffindbar ist, so
daß eine
Messung mit höherer
Präzision
durchgeführt
werden kann.
Ausführungsform 6
6 zeigt ein Blockdiagramm,
das eine weitere Ausführungsform
eines Infrarotgasanalysators und eines Verfahrens zur Infrarotgasanalyse
unter Verwendung desselben gemäß der Erfindung zeigt.
In der Figur sind Teile, die denjenigen in 1 entsprechen, durch gleiche Bezugszeichen
gekennzeichnet. Die in der Figur gezeigte vorliegende Ausführungsform
weist dieselbe Konfiguration wie diejenige in 1 auf, wo zwei Detektoren 5, 25,
wobei Gase, die sich in Absorptionseigenschaften voneinander unterscheiden,
jeweils darin eingeschlossen sind, in Reihe angeordnet sind, wodurch
jeweilige Konzentrationen von zwei Komponenten eines Probengases
gleichzeitig gemessen werden können.
Da
genauer gesagt erste Infrarotstrahlen, die durch eine Kammer 52 auf
der Probenseite auf eines Detektors 5 gehen, keiner Absorption
außerhalb
eines Wellenlängenbereiches,
der einer darin eingeschlossenen Meßzielgaskomponente entspricht,
unterliegen, ist es somit mit der Verwendung eines Komponentengases
mit Absorptionseigenschaften in einem Wellenlängenbereich, das sich von dem
oben beschriebenen Wellenlängenbereich
unterscheidet, möglich,
gleichzeitig jeweilige Konzentrationen von zwei oder einer Vielzahl
von Komponenten zu messen.
Ein
Detektor 25 weist dieselbe Konfiguration wie der Detektor 5 auf
und besteht aus einer Kammer 252 auf der Probenseite, einer
Kammer 254 auf der Abgleichseite und einem Durchflußsensor 253.
Die
ersten Infrarotstrahlen, die von einer ersten Infrarotlichtquelle 101 emittiert
werden, gehen durch die Kammer 52 auf der Probenseite des
Detektors 5 nach Durchgang durch eine Probenzelle 4 und fallen
auf die Kammer 252 auf der Probenseite des Detektors 525 ein.
Ferner wird die Kammer 254 auf der Abgleichseite mit zweiten
Infrarotstrahlen von einer zweiten Infrarotlichtquelle 202 bestrahlt.
Eine
austretende Lichtmenge der zweiten Infrarotlichtquelle 202 wird
von einem zweiten optischen Sensor 204 detektiert.
Ferner
sind in der Figur ein AC-Verstärker zum
Empfangen einer Ausgabe des Durchflußsensors und so weiter nicht
gezeigt.
Der
Meßvorgang
auf der Seite des Detektors 25 ist derselbe wird der vorangehend
beschriebene Meßvorgang
des Detektors 5, und eine zweite Infrarotlichtquelle 202 wird
ebenfalls synchron mit den ersten und zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 EIN/AUS-geschaltet.
Eine
Meßsteuerung 120 steuert
unabhängig jeweilige
Ansteuerwerte der zweiten Infrarotlichtquellen 102, 202 zur
Durchführung
desselben Meßvorgangs,
wie er unter Bezugnahme auf 1 beschrieben
ist, zur jeweiligen Messung von Zielkomponenten (die Detektoren 5, 25).
In
der vorangehenden Beschreibung wurde unter Bezugnahme auf den Infrarotgasanalysator
mit der in 1 gezeigten
Konfiguration und das Verfahren zur Infrarotgasanalyse unter Verwendung
desselben der Fall gezeigt, in dem die Vielzahl der Komponenten
gleichzeitig gemessen wird, jedoch sind die Konfiguration des Infrarotgasanalysators
und das Verfahren zur Infrarotgasanalyse gemäß der Erfindung nicht darauf
beschränkt
und können
mit den in den jeweiligen 2 bis 5 gezeigten Konfigurationen ähnliche
Messungen bewirkt werden.
Weiterhin
sind in der vorangehenden Beschreibung beispielhaft die Fälle des
Ansteuerns der ersten bzw. zweiten Infrarotlichtquellen 101, 102 und 202 durch
das Ansteuersignal mit rechteckiger Wellenform beschrieben worden,
jedoch ist das Ansteuersignal darauf nicht beschränkt und
kann das Ansteuersignal trapezförmig
sein.
Die
in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebigen Kombinationen für
die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen
wesentlich sein.