JP2001221743A - 赤外線ガス分析計 - Google Patents

赤外線ガス分析計

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JP2001221743A
JP2001221743A JP2000030820A JP2000030820A JP2001221743A JP 2001221743 A JP2001221743 A JP 2001221743A JP 2000030820 A JP2000030820 A JP 2000030820A JP 2000030820 A JP2000030820 A JP 2000030820A JP 2001221743 A JP2001221743 A JP 2001221743A
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infrared
light source
detector
gas
condensing
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Naoteru Kishi
直輝 岸
Makoto Noro
誠 野呂
Hitoshi Hara
仁 原
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノイズが少なく小型で、必要な光路長を確保
することにより測定精度が確保された赤外線ガス分析計
を提供すること。 【解決手段】 被測定ガスに赤外線を照射する光源と、
この光源と同一平面上に配置され、赤外線を検出する赤
外線検出器と、光源と赤外線検出器に対向配置され、光
源からの赤外線を集光して赤外線検出器に投影する集光
投影手段と、光源と集光投影手段との間に設置され、光
源からの赤外線を波長選択的に透過して集光投影手段に
入射する波長選択フィルタとを具備し、赤外線検出器の
出力に基づいて被測定ガスの濃度を測定することを特徴
とする赤外線ガス分析計。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、大気中などのガス
濃度を、赤外線を用いて測定する赤外線ガス分析計に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】ガス分析においては、ガスの種類によっ
て吸収される赤外線の波長が異なることを利用し、この
吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する、
非分散赤外線(Non−Dispersive Inf
raRed)ガス分析計(以下、NDIRガス分析計と
記す)が使用されている。
【0003】NDIRガス分析計は、寸法を特定したセ
ル内に被測定ガスを導入し、被測定ガスに赤外光を入射
し、ある特定した赤外波長帯の強度の減衰量から被測定
ガス成分の濃度を測定するもので、例えば二酸化炭素を
測定する場合には、4.25μm近傍の赤外線の透過量
を測定すれば良い。
【0004】また、被測定ガスの濃度cと入射光束I0
と透過光束Iの関係は、Lambert−Beerの法
則により、光束が被測定ガスを通る光路長Lに依存し、
以下の式で示される。 式(1) I(λ)=I0(λ)exp(−α(λ)×c×L) ≒I0(λ)×(1−α(λ)×c×L)
【0005】ここで、αは被測定ガスの種類に依存する
吸収係数であり、例えば二酸化炭素のαは約15/cm
である。また、取り扱うガスの濃度は数百ppmである
ので、α(λ)×c×L≪1により、一次近似してい
る。
【0006】この場合、濃度がdc変化した時の透過光
束の変化量dIは、以下の式で示される。 式(2) dI(λ)/dc=−α(λ)×L×I0(λ)
【0007】この種のガス分析計は、プロセス制御など
の用途としては高精度化していく反面、ビル空調用、一
般家庭、農業用などの二酸化炭素濃度計の用途として
は、小型化された安価なものが要求されている。この場
合、上記の式(2)により、小型化に伴いLが小さくな
るため、透過光束の変化量は小さくなり、濃度分解能が
低下する。
【0008】図3は、従来のNDIRガス分析計の構成
図である。図3において、NDIRガス分析計は、セル
11と、光源12と、波長選択フィルタ13と、赤外線
検出器14と、から構成されている。
【0009】セル1は、その長さが約5cmで、反射率
の高いアルミなどの金属で形成され、その内部には被測
定ガスが供給される。そして、光源12から放射されて
被測定ガスに照射された赤外光は、外部にもれることな
く、波長選択フィルタ13に入射される。
【0010】そして、被測定ガスの吸収特性に対応した
波長帯域近傍の赤外光が波長選択フィルタ13を透過
し、赤外線検出器14により検出され、信号処理回路
(図示しない)は、赤外線検出器14からの信号に基づ
いて被測定ガスの濃度を算出する。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなN
DIRガス分析計には次のような問題点があった。
【0012】赤外光を有効利用するために、赤外光が外
部に漏れないように反射率の高い金属のセル1を使用し
ているが、このことにより、セル1の内壁に複数回反射
した入射角の大きい赤外光も波長選択フィルタ13に入
射してしまう。
【0013】従って、波長選択フィルタ13が、入射角
が0度で所望の波長(測定対象ガスの吸収特性に対応す
る波長)の赤外光を透過するように設計されている場合
は、入射角が大きく斜めに入射した赤外光は、0度で入
射した場合よりも厚いフィルターを透過することと同様
になり、所望の波長よりも長い波長の赤外光が透過し、
所望の波長の光束は反射されてしまう。
【0014】従って、所望の赤外光の光束が減少するの
で測定精度が下がってしまい、また、所望の波長よりも
長い波長の赤外光が透過してしまうので、被測定ガスの
濃度測定に対して悪影響を与えるノイズとなってしま
う。
【0015】この場合、所望の波長よりも長い波長で
も、測定に与える悪影響を無視できる特定の許容波長範
囲が存在し、波長選択フィルタ13には、その許容波長
範囲に対応した赤外光の許容入射角が存在する。
【0016】本発明は上述した問題点を解決するために
なされたものであり、許容入射角範囲内の赤外光のみを
集光して赤外線検出器に投影する集光投影手段を設ける
ことにより、ノイズが少なく小型で、必要な光路長を確
保することにより測定精度が確保された赤外線ガス分析
計を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1におい
ては、被測定ガスに赤外線を照射する光源と、この光源
と同一平面上に配置され、赤外線を検出する赤外線検出
器と、前記光源と前記赤外線検出器に対向配置され、前
記光源からの赤外線を集光して前記赤外線検出器に投影
する集光投影手段と、前記光源と前記集光投影手段との
間に設置され、前記光源からの赤外線を波長選択的に透
過して前記集光投影手段に入射する波長選択フィルタ
と、を具備し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記
被測定ガスの濃度を測定することを特徴とする赤外線ガ
ス分析計である。
【0018】本発明の請求項2においては、被測定ガス
に赤外線を照射する光源と、この光源と同一平面上に配
置され、赤外線を検出する赤外線検出器と、前記光源と
前記赤外線検出器に対向配置され、前記光源からの赤外
線を集光して前記赤外線検出器に投影する集光投影手段
と、前記赤外線検出器と前記集光投影手段との間に設置
され、前記集光投影手段から投影された赤外線を波長選
択的に透過して前記赤外線検出器に入射する波長選択フ
ィルタと、を具備し、前記赤外線検出器の出力に基づい
て前記被測定ガスの濃度を測定することを特徴とする赤
外線ガス分析計である。
【0019】本発明の請求項3においては、前記波長選
択フィルタと前記赤外線検出器とが同一基板に一体形成
されてなることを特徴とする請求項2記載の赤外線ガス
分析計である。
【0020】本発明の請求項4においては、前記波長選
択フィルタは第一基板に形成され、前記赤外線検出器は
第二基板に形成され、前記第一基板と前記第二基板を接
合することにより、前記波長選択フィルタと前記赤外線
検出素子とが一体に形成されてなることを特徴とする請
求項2記載の赤外線ガス分析計である。
【0021】本発明の請求項5においては、前記集光投
影手段は、前記光源から放射される所望の入射角度範囲
内の赤外線を集光し前記赤外線検出器に投影するように
設計配置されてなることを特徴とする請求項1から請求
項4記載の赤外線ガス分析計である。
【0022】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を用いて説明する。尚、以下の図面において、図2と
重複する部分は同一番号を付してその説明は適宜に省略
する。図1は本発明の実施例の構成図である。
【0023】図1において、赤外線ガス分析計は、セル
1と、光源2と、波長選択型赤外線検出素子3と、凹面
鏡4とで構成されている。
【0024】セル1には被測定ガスが供給され、そのセ
ル壁10には光源2と波長選択型赤外線検出素子3が設
けられており、セル1のセル壁10に対向する面には凹
面鏡4が設けられている。また、セル1の内側は、迷光
が波長選択型赤外線検出素子3に入射することを防止す
るため、赤外光を反射しない部材として、例えば黒色系
の部材が表面に設けられている。
【0025】尚、外部環境が、波長選択型赤外線検出素
子3に迷光が入射する環境でなければセル1を設ける必
要はなく、セル1の内部を被測定ガスで置換する時間を
省略することができ、測定時間を短縮して高率的な測定
を行うことができる。
【0026】波長選択型赤外線検出素子3は、波長選択
フィルタ5と赤外線検出器6が一体に形成されたもの
で、例えば、両者が同一基板(図示しない)上に一体形
成されるか、波長選択フィルタ5を第一基板(図示しな
い)に形成し、赤外線検出器6を第二基板(図示しな
い)に形成し、この第一基板と第二基板を接合すること
により構成される。
【0027】凹面鏡4は、集光投影手段で、光源2から
放射される赤外線から、波長選択フィルタ5の許容入射
角範囲内の赤外線を集光し、赤外線検出器6に投影する
ように、その楕円形状が設計される。また、凹面鏡4
は、凹面鏡4の楕円の焦点が光源2と波長選択型赤外線
検出素子3との中間の位置Mに一致するように配置され
る。
【0028】光源2から放射された許容入射角範囲内の
赤外光は、凹面鏡4により集光されて波長選択型赤外線
検出素子3に投影され、被測定ガスの吸収特性に対応す
る波長帯域近傍の赤外光が波長選択フィルタ5を透過し
て赤外線検出器6によって検出される。
【0029】尚、上記では、波長選択フィルタ5と赤外
線検出器6が一体に形成された波長選択型赤外線検出素
子3を使用した場合について説明したが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、波長選択型赤外線検出素子
3を赤外線検出器6に置き換え、波長選択フィルタ5を
光源2と凹面鏡4の間、または赤外線検出器6と凹面鏡
4の間に配置しても良い。
【0030】図2は、波長選択フィルタの設置位置の説
明図である。図2において、波長選択フィルタ5を、光
源2と凹面鏡4の間に設置する場合は、光源に近接する
位置P1から、集光領域E1と投影領域E2が交差する
位置P2までの範囲F1内に設置することにより、光源
2から放射された赤外光は、その特定波長帯域が波長選
択フィルタ5を透過してその凹面鏡4によって集光さ
れ、凹面鏡4は集光した赤外光を赤外線検出器6に投影
する。
【0031】尚、波長選択フィルタ5が位置P1に設置
された場合は、許容入射角よりも大きい入射角の赤外線
も波長選択フィルタ5に入射するが、凹面鏡4は許容入
射角に基づいて楕円形状を設計されているので、赤外線
検出器6には入射角の大きい赤外光が入射することはな
い。
【0032】また、波長選択フィルタ5を、赤外線検出
器6と凹面鏡4の間に設置する場合は、赤外線検出器に
近接する位置P3から、集光領域E1と投影領域E2が
交差する位置P4までの範囲内に設置することにより、
光源2から放射された赤外光は、凹面鏡4によって集光
され、凹面鏡4は、集光した赤外光を波長選択フィルタ
5を介して赤外線検出器6に投影する。
【0033】この場合、赤外線検出器6には凹面鏡4に
よって許容入射角範囲内の赤外光が集光されて投影され
るので、入射角の大きい赤外光が入射することはない。
【0034】上述のようなNDIDガス分析計において
は、光源2からの赤外光を凹面鏡4により集光投影する
ようにしているので、セルの長さは、式(1)及び式
(2)で示した光路長Lの半分にすることができ、測定
器を小型化することができる。
【0035】また、光源2から波長選択フィルタ5の許
容入射角の範囲で放射される赤外光を、凹面鏡4によっ
て集光して波長選択型赤外線検出素子3に投影するの
で、所望の波長は全て集光し、測定ノイズとなる波長は
波長選択型赤外線検出素子3に入射しない。従って、測
定の精度を高め、ノイズを減少させることができる。
【0036】また、光源2と波長選択型赤外線検出素子
3は同一平面上のセル壁10に設けられるので、組み立
て及び配線を容易とすることができる。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項1
から請求項5によれば、許容入射角範囲内の赤外光のみ
を集光して赤外線検出器に投影する集光投影手段を設け
たので、ノイズが少なく小型で、必要な光路長を確保す
ることにより測定精度が確保された赤外線ガス分析計を
提供することができる。
【0038】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の構成図である。
【図2】波長選択フィルタの設置位置の説明図である。
【図3】従来のNDIRガス分析計の構成図である。
【符号の説明】
1 セル 2 光源 3 波長選択型赤外線検出素子 4 凹面鏡 5 波長選択フィルタ 6 赤外線検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G059 AA01 BB01 CC04 DD12 EE01 HH01 JJ02 JJ14 KK01 LL03 LL04 NN01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被測定ガスに赤外線を照射する光源と、 この光源と同一平面上に配置され、赤外線を検出する赤
    外線検出器と、 前記光源と前記赤外線検出器に対向配置され、前記光源
    からの赤外線を集光して前記赤外線検出器に投影する集
    光投影手段と、 前記光源と前記集光投影手段との間に設置され、前記光
    源からの赤外線を波長選択的に透過して前記集光投影手
    段に入射する波長選択フィルタと、を具備し、 前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃
    度を測定することを特徴とする赤外線ガス分析計。
  2. 【請求項2】 被測定ガスに赤外線を照射する光源と、 この光源と同一平面上に配置され、赤外線を検出する赤
    外線検出器と、 前記光源と前記赤外線検出器に対向配置され、前記光源
    からの赤外線を集光して前記赤外線検出器に投影する集
    光投影手段と、 前記赤外線検出器と前記集光投影手段との間に設置さ
    れ、前記集光投影手段から投影された赤外線を波長選択
    的に透過して前記赤外線検出器に入射する波長選択フィ
    ルタと、を具備し、 前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃
    度を測定することを特徴とする赤外線ガス分析計。
  3. 【請求項3】 前記波長選択フィルタと前記赤外線検出
    器とが同一基板に一体形成されてなることを特徴とする
    請求項2記載の赤外線ガス分析計。
  4. 【請求項4】 前記波長選択フィルタは第一基板に形成
    され、前記赤外線検出器は第二基板に形成され、前記第
    一基板と前記第二基板を接合することにより、前記波長
    選択フィルタと前記赤外線検出素子とが一体に形成され
    てなることを特徴とする請求項2記載の赤外線ガス分析
    計。
  5. 【請求項5】 前記集光投影手段は、前記光源から放射
    される所望の入射角度範囲内の赤外線を集光し前記赤外
    線検出器に投影するように設計配置されてなることを特
    徴とする請求項1から請求項4記載の赤外線ガス分析
    計。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0572130A (ja) * 1991-09-18 1993-03-23 Shimadzu Corp 2成分ガスアナライザー
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