JP2001074651A

JP2001074651A - 赤外線ガス分析計

Info

Publication number: JP2001074651A
Application number: JP24636499A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Kanamaru; 訓明金丸
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2001-03-23

Abstract

(57)【要約】【課題】構成が簡単で、小形軽量で安価な赤外線ガス
分析計を得る。【解決手段】パイプ２とその両端開口をと閉塞する蓋
３、４よりなる筒状容器１の内周壁に段差５、６を形成
し、これら段差を貼りしとして赤外線窓板７、８、９を
貼付することで筒状容器１内を軸方向に４室に分割し、
これらの部屋をそれぞれ光源室１０、セル室１１、ディ
テクター前室１２、ディテクター後室１３とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定成分ガスの
赤外線の赤外スペクトル吸収に伴うガス圧変動を利用し
て特定ガス種の濃度を計測する赤外線ガス分析計に関す
る。

【０００２】

【従来技術】２つ以上の異なる原子から成る異核分子の
多くは、波長1〜20μmの赤外光を照射すると、その化学
種に特有の振動および回転の運動エネルギー準位の遷移
がおこり、特定の赤外線スペクトルを吸収し、内部エネ
ルギーや体積あるいは圧力の増加など、熱力学的な変化
を引き起こす。非分散型赤外線ガス分析計（以下ＮＤＩ
Ｒという）は、この様なガス成分の特性を利用して、そ
の濃度を計測する機器である。

【０００３】シングルビーム式ＮＤＩＤの構成を図３に
示す。図に示すようにＮＤＩＲは、一般に、赤外光を発
生するための光源部４０、試料が導入されるセル部５
０、セル部５０を通過した赤外光の強度を計測すること
で最終的に試料濃度を計測するディテクター部６０の３
ユニット構成されている。光源部４０は赤外光の発生を
担い、赤外光を発生をさせるための発生源であるヒータ
ー（光源）４１と、赤外光を断続してセル部５０および
ディテクター部６０に入射させるためのチョッパー４２
とから構成されている。

【０００４】また、チョッパー４２は、図４に示すよう
に、光源４１からの光の通過を許容するように一部を切
り欠いた切り欠き部４３が形成された２枚羽根の回転円
板４５とこの回転円板４５を回転駆動するモータ４６と
で構成されており、回転円板４５をモータ４６で回転さ
せることで、回転円板４５の未切り欠き部（遮光部）４
４が光源４１の前に位置している際には光源４１からの
赤外光を遮光し、切り欠き部４３が光源４１の前に位置
している際には光源４１からの赤外光が通過し、セル部
５０に照射される。

【０００５】セル部５０は、試料が導入される部位であ
って、パイプ５１の前後を赤外線が広いスペクトル域で
透過可能な赤外線透過性ガラスやCaF2等の窓板５２で封
止し、パイプ５１側面などに一端からもう一端へガスが
流せるようガスの導出入孔５３を備え、また、その内面
は赤外光を効率よく反射するために、鏡面仕上げや金な
どのコーティングが施されている。

【０００６】ディテクター部６０は、前室６１、後室６
２に分割され、少なくとも前室６１の正面ならびに前室
６１と後室６２との間の隔壁が赤外光を透過する窓板６
３で仕切られ、これら２室は完全に隔離あるいは微少流
量のガス移動が可能なキャピラリー６４で接続された構
造を有する。また、前後室６１、６２の圧力差を計測す
るために、これら両室の隔壁、あるいは導入管６４を介
しメンブレンコンデンサなどの圧力検知素子６５に接続
されている。さらに、これら２室６１、６２には、ＮＤ
ＩＲの被測定対象となる、例えば、ＣＯ２等の化学種の
み、あるいは、この化学種をＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２等の不活
性ガスで希釈されたガスが充填されている。

【０００７】光源部４０から発した赤外光は、セル部５
０を通過してディテクター部６０に入射する。この時、
セル内部に被測定成分が存在すると、セル内のガス濃度
に応じて入射した赤外光の一部がセル内のガスに吸収さ
れ、残りの赤外光はディテクター部６０に入射する。デ
ィテクター部６０の前室６１の正面から入射した赤外光
は、前室６１および後室６２で吸収され、このエネルギ
ー吸収によって生じる前後室の圧力差によって、ディテ
クター部６０への入射前後の赤外光強度、すなわち、被
測定成分濃度を計測することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ＮＤＩＲは光源部、セ
ル部、ディテクター部の３ユニットで構成されており、
各ユニットを構成する部品、例えば、圧力検知素子であ
るメンブレンコンデンサ、光源部で発生されセル部に入
射する赤外光を断続させるチョッパー等が比較的大きな
寸法を有し、特に、チョッパーは図４に示すように、切
り欠き部４３と未切り欠き部（遮光部）４４の形成され
た回転円板４５を回転させて光源より測定セルに照射さ
れる赤外光を断続させので、回転円板４５の回転軸より
下方の平面部分（図３の一点鎖線より下部）は、回転円
板４５を回転させるために必要な空間であって、本来不
要な無駄な空間部分であり、この無駄な空間ために本来
必要な空間の２倍の空間（容積）が必要となる。

【０００９】このように、各ユニットの部品が大きな寸
法を有することと、各ユニットを総合的に見た場合の適
切な材料や加工法等の観点から、３つの各ユニットが別
々に構成され、その結果、装置の大型化や価格の上昇が
免れなかった。また、大気中に存在する被測定物質の各
ユニット間への進入による測定誤差を防ぐため、各ユニ
ットを容器（筐体）内に収容して各ユニット間を赤外線
不活性ガスでパージするなど、機構的な煩わしさも存在
し、多量生産が難しいという問題があった。これらの制
約から、ＮＤＩＲは比較的大型で高価な機器となり、多
数の観測点に配置して広域の観測などを行うには難点が
あった。

【００１０】本発明は、上記の課題を解決するために創
案されたものであって、光源部、測定セル、検出器の３
ユニットを単一の筒状容器内に収容して一体化構造とす
ることで、小形・軽量で安価な赤外線ガス分析計を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明の赤外線ガス分析計は、光源部、測定セル、
検出部の３ユニットを赤外線透過材で画成されてセル部
とされた単一の筒状容器内に収容したことを特徴として
いる。

【００１２】このような構成によれば、赤外線透過材で
画成されてセル部とされた単一の筒状容器内に光源部、
測定セル、検出部の３ユニットが収容された一体化構造
の赤外線ガス分析計とされるので、従来のこの種分析計
のように各ユニトを構成する容器とは別に３ユニトを収
容する筐体、ならびに、筐体内の各ユニット間の赤外線
不活性ガスでのパージが不要となり機構が簡単で、小形
軽量で安価な赤外線ガス分析計が得られる。この場合、
筒状容器のセル部を形成する内周壁に段差を形成し、こ
の段差部を赤外線透過材よりなる窓板で閉塞して測定セ
ル部するのが好ましく、このようにすれば、測定セル部
の形成が容易となる。

【００１３】また、検出部を前後２室と該２室の差圧を
検出する圧力センサとし、圧力センサをピエゾ抵抗型半
導体圧力センサとすれば、それの製作に人手による熟練
技術を必要とするメンブレンコンデンサに比し、圧力セ
ンサの多量生産が可能で、安価でロット間の検出性能が
均一、高感度、高信頼な赤外線ガス分析計が得られると
共に、より小形軽量で安価な赤外線ガス分析計が得られ
る。この場合、前後２室は、筒状容器の内周壁に段差を
形成し、この段差部を赤外線透過材よりなる窓板で閉塞
しすることで両室を画成するようにすれば、両室の形成
が容易となる。

【００１４】さらに、筒状容器の内周壁に形成され測定
セル部を画成する段差を、検出部（ディテクター部）の
前後２室を画成する段差よりも容器の軸芯方向に突出さ
せておけば、光源室、測定セル室、検出器室の前後２室
の作成、ならびに、筒状容器内への光源部、測定セル、
検出部の３ユニットの組み込み、組み立てが容易とな
る。また、光源部のチョッパーを、赤外光の通過貫通孔
を有する赤外光不透過材よりなる回転体とし、それを貫
通孔の軸芯に直交するそれの中心軸の周りに回転するこ
とで光源より測定セルに照射される赤外光を断続するチ
ョッパーとすれば、光を断続する回転体部の回転に無駄
な回転空間を必要としないので、小型・軽量な赤外線ガ
ス分析計が得られる。この場合、チョッパーを構成する
回転体を、貫通孔を有する球体とすれば、無駄な回転空
間がなくなってより少ない空間で光の断続が可能となる
ので、より小型・軽量な赤外線ガス分析計が得られる
他、回転体の回転を円滑に行える利点がある。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の態様を図面
に添って説明する。図１は、本発明に係るＮＤＩＲの一
実施例を模式的に示す断面図である。図において、１は
筒状容器（筒状筐体）で本体としての円筒体（パイプ）
２とそれの両端開口を閉塞する蓋３、４とよりなり、蓋
３には後述するように赤外線を発生する光源（ランプ）
が設けられている。パイプ２はステンレスやアルミ合金
等の金属、あるいは、プラスチック等の素材よりなり、
パイプ２の内面は赤外線の反射効率を上げるため、必要
に応じて鏡面加工や金などの貴金属メッキが施されてい
る。

【００１６】また、パイプ２の内周面には、切削加工等
で径の異なる段差５、６、が形成されており、この段差
を貼りしろとして赤外線を広い領域にわたって透過する
ＣａＦ２やカケコルゲナイトガラスからなる窓板７、
８、９を貼付することでパイプ２内は軸方向に４室に分
割され、これらの部屋は、図の左から右へそれぞれ光源
室１０、セル室１１、ディテクター前室１２、ディテク
ター後室１３として機能する。なお、セル室１１を形成
する段差５は、ディテクター前室１２と後室１３を画成
する段差６よりもパイプ２の軸芯方向に突出している。
したがって、窓板８をパイプ２の図において右開放部よ
り挿入して段差５に貼付してセル室１１とディテクター
前室とを画成して後に、段差６にディテクター前後室を
画成する窓板９を貼付でき、パイプ２の図の右開放端に
４蓋材を貼付することで、光源室１０、セル室１１、デ
ィテクター前後室１２、１３を形成でき、各室の組み込
みが容易となる。

【００１７】光源室１０には、ハロゲンランプなどの放
射光のうち赤外成分の割合が多く長寿命を有するラン
プ、あるいは、発熱線を巻いたフィラメント等赤外光を
発光するための光源１４と、光源より発生した赤外光を
断続して試料セル室１１に照射するための光源の前面で
回転する光不透過物質よりな球状回転体１５とそれを回
転駆動する不図示のモータとで構成されたチョッパー１
６が収容されている。なお、光源室１０内に球状回転体
１５とそれを回転駆動するモータとを収容してもよく、
また、回転体１５をパイプ２にベアリング等で回転自在
に支承し、回転体１５に固定された回転軸をパイプ２外
に配置したモータに連結したものであってもよい。な
お、後者の場合には、回転軸とパイプとの気密処理が必
要である。

【００１８】回転体１５にはその中心を通る貫通孔１５
ａが形成されており、それが貫通孔１５ａの軸芯Ｏに直
交する中心を回転軸芯として回転し、図２（ａ）に示す
ように回転体１５の非貫通孔部が光源の前に位置してい
る時には光源からの矢印で示す光は回転体１５で遮光さ
れ反対方向に到達できないが、同図（ｂ）に示すように
回転体１５の貫通孔１５ａが光源の前に位置し光軸と一
致している時にはこの貫通孔１５ａを通過して光源から
の矢印で示す光は回転体１５の反対方向に到達すること
ができる。なお、チョッパー１６による光の遮断／通過
のタイミングは、回転体１５の回転速度だけでなく、開
口１５ａの直径によっても調整することができる。

【００１９】また、光源室１０は、被測物質を含む大気
の進入を防ぐため赤外線不活性ガスを充填して全体を密
閉する必要があるが、寿命を有するハロゲンランプの使
用を考慮してそれの交換のために、実施例では蓋３を袋
ナット状とし、パイプ２の開口端部にねじ込み方式によ
る着脱可能とすると共に、室内に被測定対象ガス吸着剤
２３を配し、大気中での交換を可能としている。なお、
光源室１０の気密のために実施例では、パイプ２の開口
端部の内壁にＯリングを設けたが、蓋３の内側に設けて
もよい。

【００２０】さらに、半永久的に使用可能な発熱線ヒー
タを光源として光源室内部を赤外線不活性ガスで充填後
封止し、光源室を常に赤外線不活性ガスでパージする場
合には、袋ナット状蓋をパイプに対し着脱自在にする必
要がない。この場合には、球状回転体、または、その一
部を磁性体で構成して光源室外部で磁石を回転させて磁
力でもって非被接触で回転駆動したり、または、回転体
にコイルを巻回し、光源室内または光源室外に磁極（磁
石）を配置して回転体をモータの回転子として非接触駆
動したり、さらに、回転体を導電体で形成してローター
とし、パイプ内またはパイプ外にステータを配置し、電
磁誘導方式で非接触で回転駆動するのが有利である。

【００２１】セル室１１はパイプ２の内周壁に形成した
段差５に２枚の窓板７、８を貼付することで隔絶した部
屋であり、セル室１１のパイプ側面などに一端からもう
一端へ試料ガスが流せるよう試料ガスの導入管１７と排
出管１８を備えており、適当な供給系によりセル室１１
内部に試料となるガスが連続的に導入される。試料の中
に赤外活性な成分（特定の赤外スペクトルを吸収する成
分）がなければ、光源室１０の光源１４から発した赤外
光はそのまま後段のディデクター室に入射するが、赤外
活性成分（被測定対象成分）が存在すれば、その濃度に
応じた赤外線スペクトルが吸収され、その強度は低下し
てディデクター室に入射する。

【００２２】ディテクター室は窓板９で画成された前室
１２と後室１３の組み合わせで機能し、これら２室は、
段差６に貼付された窓板９で隔絶することで構成されて
いる。両室１２、１３にはガス導入管１９を介しメンブ
レンコンデンサなどの圧力検知素子（圧力センサ）２０
に接続されていおり、圧力検知素子２０で両室の差圧が
測定される。

【００２３】圧力検知素子２０としては、従来のこの種
分析計に使用されているメンブレンコンデンサを使用し
てもよいが、ピエゾ抵抗型半導体圧力センサを用いれ
ば、ディテクタ部の構造の単純化、電機系の簡素化、容
積の減少が可能となり、分析計の小形・軽量化が図れ
る。なお、前後室１２、１３には、ＮＤＩＲの被測定対
象となる、例えば、ＣＯ２等の化学種のみ、あるいは、
この化学種をＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２等の不活性ガスで希釈さ
れたガスが充填されており、また、測定時の圧力平行を
とるために微小な流れを可能とするバイパス２１が設け
られており、このバイパス２１は、マイクロキャピラリ
ー等を配する事で構成されている。また、後室１３の端
は蓋４で封止されている。なお、図１中、２２は、チョ
ッパー１６の球状回転体１５が回転する際にパイプ２内
で干渉しないように設けられた空間から余分な赤外光が
漏れるのを防ぐためにパイプ１の内壁に設けられたスリ
ットである。

【００２４】このような構成のＮＤＩＲの作用は、次の
とおりである。光源室１０の光源１４からでた赤外光
は、チョッパー１６の球状回転体１５の回転によって断
続光とされ、セル室１１を通ってディテクター室に入射
する。セル室１１には試料ガスが導入されているので、
試料ガスに含まれる被測定対象化学種の濃度によって赤
外光の一部が吸収され、その結果ディテクター室に到達
する赤外光強度はガス濃度によって変化する。ディテク
ター室の前後室１２、１３に封入されている感応ガスの
被測定対象化学種は、一般に高濃度であるので入射した
赤外光の殆どは前室１２で吸収され、後室１３と圧力差
が生じる。この圧力差をピエゾ抵抗型半導体圧力センサ
（圧力検知素子）２０で検知することで、生じた圧力
差、すなわち、被測定対象化学種の濃度を知ることがで
きる。

【００２５】なお、実施例では貫通孔を有する回転体を
球状体としたが、楕円状体、立方体等の他の形状であっ
てもよいが、実施例のように球体とすれば回転体の回転
空間を最小限に止め、且つ、回転体を円滑に回転駆動す
る上で有利である。また、チョッパーとしては、液晶シ
ャッターを使用して光源より発せられた赤外光を断続す
るようにしてもよい。さらに、実施例では、光源部、セ
ル部、ディテクター部の３ニットを収容する筒状容器を
円筒体としたが、角状体等の他の筒状体であってもよ
い。

【００２６】

【発明による効果】本発明の赤外線ガス分析計によれ
ば、赤外線透過材で画成されてセル部とされた単一の筒
状容器内に光源部、測定セル、検出部の３ユニットが収
容され一体化構造の赤外線ガス分析計とされるので、各
ユニット間の赤外線不活性ガスでのパージが不要となり
機構が簡単で、小形軽量で安価な赤外線ガス分析計が得
られ、また、多量生産が可能となる。この場合、筒状容
器のセル部を形成する内周壁に段差を形成し、この段差
部を赤外線透過材よりなる窓板で閉塞して測定セル部す
るのが好ましく、このようにすれば、測定セル部の形成
が容易となる。

【００２７】また、検出部を前後２室と該２室の差圧を
検出する圧力センサとし、圧力センサをピエゾ抵抗型半
導体圧力センサとすれば、圧力センサの多量生産が可能
で、安価でロット間の検出性能が均一、高感度、高信頼
な赤外線ガス分析計が得られると共に、より小形・軽量
で安価な赤外線ガス分析計が得られる。この場合、前後
２室は、筒状容器の内周壁に段差を形成し、この段差部
を赤外線透過材よりなる窓板で閉塞することで両室を画
成するようにすれば、両室の形成が容易となり、また、
筒状容器の内周壁に形成され測定セル部を画成する段差
を検出器の前後２室を画成する段差より中央部に突出さ
せておけば、測定セル部、検出器の前後２室の作成、な
らびに、筒状容器内への光源部、測定セル、検出部の３
ユニットの組み込み、組み立てが容易となる。

【００２８】また、光源部のチョッパーを、赤外光の通
過貫通孔を有する回転体とし、それを貫通孔の軸芯に直
交するそれの中心軸の周りに回転することで光源より測
定セルに照射される赤外光を断続するチョッパーとすれ
ば、光を断続する回転体部の回転に無駄な回転空間を必
要としないので、小型・軽量な赤外線ガス分析計が得ら
れる。この場合、回転体を球体とすれば、無駄な回転空
間がなくなってより少ない空間で光の断続が可能となる
ので、より小型・軽量な赤外線ガス分析計が得られる
他、回転体の回転を円滑に行える利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る赤外線ガス分析計の一実施例を模
式的に示す断面斜視図である。

【図２】図１に用いられているチョッパーの作用説明用
図である。

【図３】従来の赤外線ガス分析計の構成を示す模式図で
ある。

【図４】従来の赤外線ガス分析計のチョッパーの構成を
示す略図である。

【符号の説明】

１：筒状容器２：円筒体（パイ
プ）３、４：蓋５、６：段差７、８、９：窓板１０：光源
室１１：セル室、１２：ディテクタ
ー前室１３：ディテクター前室１４：光源１５：球状回転体１５ａ：貫通孔１６：チョッパー１７：ガス導入管１８：ガス排出管１９：ガス導入管２０：ピエゾ抵抗型半導体圧力センサ（圧力検知素子）２１：バイパス（マイクロキャピラリー）２２：スリット２３：ガス吸着剤

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定セルと、測定セルの一端側に配置さ
れ測定セルに赤外光を照射する光源と光源より測定セル
に照射される赤外光をチョッピングするチョッパーとよ
りなる光源部と、測定セルを通過した赤外光の強度を検
出する測定セルの他端側に配置された検出部とを備えて
なる赤外線ガス分析計であって、前記光源部、測定セ
ル、検出部の３者が赤外線透過材で画成されてセル部と
された単一の筒状容器内に収容されていることを特徴と
する赤外線ガス分析計。
【請求項２】請求項１に記載の赤外線ガス分析計であ
って、前記筒状容器のセル部を形成する内周壁に段差が
形成されており、この段差部を赤外線透過材よりなる窓
板で閉塞され測定セル部とされていることを特徴とする
赤外線ガス分析計。
【請求項３】請求項１、または、請求項２に記載の赤
外線ガス分析計であって、検出部が前後２室と該２室の
差圧を検出する圧力センサとで構成れており、該圧力セ
ンサがピエゾ抵抗型半導体圧力センサであることを特徴
とする赤外線ガス分析計。
【請求項４】請求項３に記載の赤外線ガス分析計であ
って、前記２室は前記筒状容器の内周壁に段差が形成さ
れており、この段差部に赤外線透過材よりなる窓板で閉
塞することで両室が画成されいることを特徴とする赤外
線ガス分析。
【請求項５】請求項４に記載の赤外線ガス分析計であ
って、前記筒状容器の内周壁に形成され測定セル部を画
成する段差が、検出部の前後２室を画成する段差より筒
状容器の軸芯方向に突出していることを特徴とする赤外
線ガス分析計。
【請求項６】請求項１、または、請求項２、または、
請求項３、または、請求項４、または、請求項５に記載
の赤外線ガス分析計であって、前記チョッパーが、赤外
光の通過貫通孔を有する回転体よりなり、この回転体が
貫通孔の軸芯に直交するそれの中心軸の周りに回転する
ことで前記光源より前記測定セルに照射される赤外光が
チョッピングされることを特徴とする赤外線ガス分析
計。
【請求項７】請求項５に記載の赤外線ガス分析計であ
って、前記回転体が貫通孔を有する球状体であることを
特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項８】筒状体の両端開口を蓋部材で閉塞してな
る筒状容器内を３枚の赤外線透過窓板で、軸方向に４室
に分割し、それぞれ順次、光源室、セル室、ディテクタ
ー前室、ディテクター後室としたことを特徴とする赤外
線ガス分析計。