JP2000356592A - ニューマチック型赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非分散型赤外線ガス分析装置に使用するニュ
ーマチック型赤外線検出器であって、チョッパリングが
不要で、簡単な構造のものを提供する。 【解決手段】 測定対象ガスを封入する受光室、該受光
室に赤外線を入射するための赤外線透過窓、該受光室の
内圧を測定するための圧力検出器からなるものにおい
て、該圧力検出器が静止圧を測定する圧力検出素子であ
るもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非分散赤外線分析
装置に利用するニューマチック型赤外線検出器に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ここでいうニューマチック型赤外線検出
器とは、気体が赤外線を吸収して温度上昇し、その結果
圧力が上昇する性質を利用する検出器であり、非分散型
赤外線ガス分析装置に用いられている。非分散赤外線分
析装置は、大気ガスの分析等において広く用いられてい
るもので、測定セル中に試料ガスを導入し、そのセルに
赤外線を入射し、そこで吸収された赤外線量を測定して
試料ガス中の測定ガス濃度を決定するものである。

【０００３】測定セル中で吸収された赤外線量を測定す
る方法を、従来の非分散赤外線分析装置５１の原理図で
ある図５に従って説明する。試料ガスを導入する測定セ
ル５２の前に赤外線の光源５３を置き、その間に回転セ
クター５４を置く。測定セルの後方に赤外線検出装置５
５が設けられている。試料ガスセル５２と平行に参照セ
ル５６が置かれている。光源からの赤外線は回転セクタ
ー（チョッパー）によって、定期的に明暗を繰り返す。
透過窓５７を通過して測定セル５２に入射した赤外線
は、そこで目的ガス（測定しようとするガス）によって
特定波長領域がそのガスの濃度に応じた量だけ吸収され
る。その吸収された残りの赤外線が検出装置５５の上部
ガス室に導入される。その上部ガス室には、目的ガスの
み（赤外線不活性ガスは含まれていてもよい）が封入さ
れている。そこで、その目的ガスが、赤外線の特定波長
領域の残存成分によって、昇温されその結果圧が上が
る。

【０００４】これと同時に、不活性ガスのみが封入され
た参照セルに入射された赤外線は、上記した特定波長領
域では吸収がないため、その部分についてはそのままの
量が後方の検出装置５５の下部ガス室に入射される。こ
の下部ガス室にも上部ガス室と目的ガスについては同様
のものが封入されている。よって、ここで特定波長領域
が吸収され昇温され、その結果圧が上がる。この昇圧程
度は、前記した上部ガス室の昇圧程度と比較すると、上
部では、測定セル中で吸収された分だけ特定波長領域の
赤外線量が少なくなっているため、下部ガス室の方が大
きい。この大きさは、測定セル中で吸収された分と一定
の関係があるため、それから逆に試料中の目的ガスの濃
度が分かる。

【０００５】この時、上部ガス室と下部ガス室の内圧の
差を求める方法は、中間に設けられた金属製のダイヤフ
ラム（可動薄膜電極）が圧によって膨らむ程度として求
める。ダイヤフラムの膨らむ程度は、それに近接させた
固定電極との距離の変化から求め、その距離の変化は可
動薄膜電極と固定電極との間の静電容量の変化として求
める。

【０００６】ところが、静電容量の絶対値を精度よくし
かも高感度で求めることは困難である。感度よく測定す
るよう調整された、可動電極を構成要素とするこの種の
装置の静電容量は極めて不安定で、振動ノイズに弱く、
精密な測定には本来的に適さない。また、静電容量の変
化量のみが必要な場合には、必ずしも静的に測定する必
要はない。そこで、従来の非分散型赤外線ガス分析装置
では動的な測定法を用いているのである。

【０００７】動的な測定法とは次の通りである。図５に
おいて、上部ガス室と下部ガス室に入る両赤外線は、回
転セクターによって１〜２０ｃｐｓの周期で断続されて
いるため、この可動薄膜電極と固定電極で構成されるコ
ンデンサーの電気容量も１〜２０ｃｐｓの周期で変化す
る。検出は交流振幅を増幅し検波した後直流に変換して
測定する。この際適当な周波数フィルターを用いること
で、定常的振動ノイズなどの影響を軽減することができ
る。この動的測定法によれば、赤外線光源を周期的に遮
断しなければならないが、簡便に静電容量の変化を高感
度かつ高精度に測定できる。この赤外線検出器はコンデ
ンサーマイクロフォン型検出器と呼ばれており、現在の
非分散型赤外線ガス分析装置の赤外線検出器は、発明者
の知る限りすべてこの方式によっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コンデ
ンサーマイクロフォンを信号取出し手段とするニューマ
チック型赤外線検出器には、以下のような問題点があ
る。 （１） コンデンサーマイクロフォンを圧力電流変換手
段として用いる場合は、圧力変化が正確にサイン波形を
描くように赤外線入射光量を変調できる光チョッパー
（回転セクター等）を用いる必要がある。 （２） コンデンサーマイクロフォンの感度は電極間距
離に反比例するので、赤外線入射光量に対してリニアな
出力が得られない。 （３） 高感度のコンデンサーマイクロフォンを製作す
るには、電極間距離を数十ミクロン以内と極めて短くす
る必要があり組立てには高度の熟練を要する。 （４） コンデンサーマイクロフォンは、高感度化のた
めに大口径の可動電極を必要とし、検出器を小型化する
ことができない。 （５） コンデンサーマイクロフォンは、原理的に高感
度化すれば測定レンジが狭くなり、測定レンジを広くす
れば感度が低くなるため応用範囲が限られる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような現状に鑑み、
本発明者は鋭意研究の結果本発明ニューマチック型赤外
線検出器を完成させたものであり、その特徴とするとこ
ろは、測定対象ガスを封入する受光室、該ガス室に赤外
線を入射するための赤外線透過窓、該ガス室の内圧を測
定するための圧力検出器からなるものにおいて、該圧力
検出器が静止圧を測定する圧力検出素子である点にあ
る。

【００１０】本発明の受光室や赤外線透過窓等はすべて
従来の検出器と同様でよく、本発明のために特別なもの
を準備する必要はない。

【００１１】静止圧を測定するとは、静的な圧力変化を
測定することをいい、赤外線を持続的（断続的でなく）
に入射させた状態でその圧力を測定することをいう。一
方、従来のコンデンサーマイクロフォン型検出器は、入
射する赤外線を一定周期でチョッピングして、強制的に
動的な圧力変動を生ぜしめて赤外線入射光量を測定する
ものであり、静的な圧力変化を測定することはできな
い。

【００１２】圧力検出素子とは、圧力の変化に応じて何
らかの状態変化が生じる素子であり、その変化が電気信
号に変化できるものであればよい。例えば、歪ゲージ、
圧電素子、水晶発振子等である。中でも、シリコン薄膜
をダイヤフラムとし、その上に歪センサーを形成した半
導体歪ゲージは高感度のものが市販されている。これ
は、圧力の変動によって、その抵抗値が変動するもの
で、測定も非常に簡単である。勿論、静的な平衡圧を測
定することが可能であり、偏位が静止している間も所定
の抵抗値を示すため安定な測定に供することができる。
更に、半導体ピエゾ剪断ゲージや、圧力を受けて固有振
動数が変化するタイプの振動子型センサーも使用でき
る。

【００１３】これらの圧力検出素子は、前記した受光室
内、又は受光室にセンサー部が露出するよう設けるだけ
でよい。

【００１４】受光室は、測定対象ガスを封入する空間で
あり、ここで赤外線（所定波長領域が存在すれば）を受
光し吸収する。よって、当然気密に構成されている。

【００１５】本発明は、上記した通り、受光室、少なく
とも１つの透過窓、及び静的な圧力変化を測定できる圧
力検出素子を有しているものであればよく、これにどの
ような工夫や他の構成要素を追加しても含まれることは
言うまでもない。

【００１６】他の工夫とは、透過窓を２つにして連通型
にする、外気圧や温度の変動を補償するため検出素子室
を設ける、更に、副ガス室を設けこれを圧力検知素子室
と連通させ干渉成分を補償するタイプにすること等であ
る。

【００１７】本発明の受光室には測定対象ガスのみ、又
はそれを赤外線を吸収しない不活性ガス（窒素ガス、ア
ルゴン等）で希釈したものが封入される。原則として、
不活性ガス以外は１成分である。その１成分の濃度を測
定するのである。２成分以上を封入するとどちらの濃度
か判別できないためである。しかし、単一成分の濃度を
定量する目的以外では、複数の成分を封入することも可
能である。例えば、プロセス中で所定のガス（複数）が
入ってはならない箇所がある場合、その前にこの検出装
置を置き、その受光室にその所定のガス（複数）を封入
しておくのである。そして、所定のガスが流入すれば、
どちらかは分からないが、少なくとも次工程に入っては
ならないガスが来たことは分かる。よって、プロセスを
停止する、バイパスする等に回避手段がとれるのであ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態に基づ
き、本発明をより詳細に説明する。図１は、本発明ニュ
ーマチック型赤外線検出器１を示す断面図である。この
例では、アルミニュウム製の本体２に、赤外線を透過す
る窓３が設けられ、圧力検出素子である半導体圧力ゲー
ジ（ＡＤＰ３１０１型・松下電工株式会社製）４が固定
されている。本体２によって受光室５が形成されてい
る。

【００１９】図２は、本体の両側に透過窓３を設け連通
型の検出器とし、更に外気の気圧変動や温度変化による
受光室５内部の圧力変動を補償するための密閉空間６が
設けられている。これは、圧力検出素子の背圧となるよ
う設けられており、素子自体が表面側は受光室５に面
し、裏側はその密閉空間６に面するようになる。これに
より外気の気圧変動や温度変化による影響は、受光室５
にも該密閉空間６にも及ぶため、背圧分は相殺され、補
償されるのである。

【００２０】図３は、図２で示された密閉空間６と連通
した補償ガス室７を設け、吸収領域の近い干渉成分の影
響を補償するタイプである。この例では、干渉成分と外
気圧、外気温の影響の両方を補償するものである。

【００２１】図４は、本発明ニューマチック型赤外線検
出器を用いた非分散型赤外線ガス分析装置の１例を示
す。測定セル８には試料ガスの入出口があり、赤外線透
過窓９が前後に設けられている。測定セルの前には赤外
線の光源１０が設けられているが、光チョッパーは設け
られていない。検出器の受光室には、測定対象となる気
体又は該気体を不活性ガスで希釈した気体が封入されて
いる。

【００２２】この分析装置の測定セル８内に試料ガス
（測定物質がいくらか含有されている）を導入し、赤外
線を照射する。測定対象ガスが選択的に吸収する波長領
域の赤外線が、試料中の測定対象ガスの濃度に応じて吸
収される。そして、吸収された残余の赤外線が検出器の
受光室内の測定対象ガスの温度を上昇させ、結果内圧が
上昇する。この圧を圧力検出素子４で測定する。

【００２３】予め、既知濃度の標準希釈ガスを用いて圧
力検出素子４の出力信号と濃度に関する検量線を作成し
ておけば、未知濃度の試料ガスを測定セルに導入して出
力信号を読み取ることで、測定対象ガス成分の濃度を求
めることができる。

【００２４】次に実際に発明者が測定したデータについ
て説明する。 実施例１ 図４に示す非分散型赤外線ガス分析装置のニューマチッ
ク型赤外線検出器の受光室５に１００％炭酸ガスを封入
し、測定セル８に合成乾燥空気を封入し、光源１０を５
秒間点灯して圧力検出素子からの出力を測定（直接測定
ではない）した。結果は５ｍＶであった。次に同じ装置
の試料セルに２５％の炭酸ガスを含有する合成乾燥空気
を導入して同様に測定した。結果は４ｍＶであった。同
様に５０％と１００％のガスを測定した結果、それぞれ
２ｍＶ、１ｍＶであった。これにより、濃度と測定電圧
の関係が明らかになり、未知の試料中の炭酸ガスの濃度
が測定できる。

【００２５】

【発明の効果】1) 本発明のニューマチック型赤外線検
出器は、入射光量に比例した出力信号が得られるので、
一般に行なわれる分光吸収法とまったく同じ方法でガス
分析を行なうことを可能にする。 2) しかも、ニューマチック型赤外線検出器本来の特徴
である波長選択性を持っているので、分光器や光学フィ
ルターを必要としない。 3) 本発明のニューマチック型赤外線検出器は、構造が
シンプルであり、組立てに特別な熟練を必要としない。 4) 非常に小さい圧力検出素子で足りるため、形状や大
きさの制約が少なく、小型化が容易であり使用目的に応
じた最適形状に設計できる。 5) 本発明のニューマチック型赤外線検出器を用いれ
ば、入射光をチョッピングする必要がなく、分析装置全
体を小型化できるのみならず、大幅にコストダウンでき
る。 6) 従来のコンデンサーマイクロフォン型検出器と比較
して、圧力検出素子は振動の影響を受けにくいため、装
置を使用する上での制約が少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明赤外線検出装置の１例を示す断面図であ
る。

【図２】本発明赤外線検出装置の他の例を示す断面図で
ある。

【図３】本発明赤外線検出装置の他の例を示す断面図で
ある。

【図４】本発明赤外線検出装置を用いた非分散型赤外線
ガス分析装置の１例を示す断面図である。

【図５】従来の非分散型赤外線ガス分析装置の１例を示
す断面図である。

【符号の説明】

１ 本発明ニューマチック型赤外線検出器 ２ 本体 ３ 窓 ４ 半導体圧力ゲージ ５ 受光室 ６ 密閉空間 ７ 補償ガス室 ８ 測定セル ９ 赤外線透過窓 １０ 光源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象ガスを封入する受光室、該受光
   室に赤外線を入射するための赤外線透過窓、該受光室の
   内圧を測定するための圧力検出器からなるものにおい
   て、該圧力検出器が静止圧を測定する圧力検出素子であ
   ることを特徴とするニューマチック型赤外線検出器。
2. 【請求項２】 該圧力検出素子が、半導体歪ゲージであ
   る請求項１記載のニューマチック型赤外線検出器。
3. 【請求項３】 該圧力検出素子が、半導体ピエゾ剪断ゲ
   ージである請求項１記載のニューマチック型赤外線検出
   器。
4. 【請求項４】 該圧力検出素子が、圧力を受けて固有振
   動数が変化するタイプの振動子型センサーである請求項
   １記載のニューマチック型赤外線検出器。