JP2001281140A

JP2001281140A - 赤外線ガス分析計

Info

Publication number: JP2001281140A
Application number: JP2000090556A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Kanamaru; 訓明金丸; Hiroshi Kitamura; 洋北村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-10-10
Anticipated expiration: 2020-03-29
Also published as: JP3610870B2

Abstract

(57)【要約】【課題】測定セル部とディテクター（検出器）部間
の不活性ガスによるパージを必要としない赤外線ガス分
析計を得る。【解決手段】ディテクター（検出器）側の後端部に、
ガスの通り道となる切り欠き２とフランジ５を有する測
定セル１を、前室１３と後室１４とに画成されたディテ
クターを構成するブロック１０の前室１３の前方（セル
側）に延在する接合部１７の孔に挿入し、フランジ７を
ボルト１９でブロック（ディテクター）１０の端面に締
結し、測定セル１とディテクター１０とを一体化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外活性な被測定
成分ガスの赤外線スペクトル吸収に伴うガス圧変動を利
用して被測定成分ガス濃度を計測する赤外線ガス分析
計、特に、赤外線ガス分析計を構成するセル部と検出部
の構成に関する。

【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
移が起こり、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、Ｎ
ＤＩＲ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】検出器としてフローセンサを用いたシング
ルビーム式ＮＤＩＲの構成を図３に示す。図に示すよう
にこの種のＮＤＩＲは、一般に、赤外光を発生するため
の光源部２、試料が導入されるセル部３、セル部３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（検出器）部４の３ユニットか
ら構成されている。光源部２は赤外光の発生を担い、赤
外光を発生させるための発生源であるヒーター（光源）
２１と、赤外光を断続してセル部３およびディテクター
部４に入射させるためのチョッパー２２とから構成され
ている。

【０００４】チョッパー２２は、例えば、光源２１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
き部が形成された２枚羽根の回転円板２３とこの回転円
板２３を回転駆動するモータ２４とで構成されており、
回転円板２３をモータ２４で回転させることで、回転円
板２３の未切り欠き部（遮光部）が光源２１の前に位置
している際には光源２１からの赤外光を遮光し、切り欠
き部が光源２１の前に位置している際には光源２１から
の赤外光が通過し、セル部３に照射される。

【０００５】セル部３は、試料が導入される部位であっ
て、パイプ３１の前後を赤外光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３２で封止
し、パイプ３１側面などに一端からもう一端へガスが流
せるようガスの導入出孔３３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】ディテクター部は、アルミなどの金属製ブ
ロックに形成された開口が赤外光透過性窓板で塞がれた
前室となる前部ブロックと後室となる後部ブロックを備
え、両ブロックを接合一体化して構成されている。これ
は、ＮＤＩＲの原理上、検出部は、被測定成分ガス（試
料）が導入されたセルを透過してきた測定すべき赤外光
を入射させ、内封された受感ガスを昇圧させるための前
後２室の形成と、前後室を連通する連通路内に検出素子
であるフローセンサ等のセンサを配置するために必要な
構成で、その構成を図４に模式的に示す。

【０００７】少なくとも前部ブロックB1の正面と、前部
ブロックB1と後部ブロックB2の接合面が赤外光を透過す
るCaF₂等の窓板４３で仕切られ、両ブロックB1、B2の接
合面の窓板４３′が隔壁となって前室４１と後室４２と
の２室が形成され、これら2室は、ガス移動が可能なキ
ャピラリーやトンネル等の連通路４４で接続されてい
る。連通路４４には、前後室４１、４２の圧力差で生じ
る両室に充填された充填ガスの流れ検出する熱線式フロ
ーセンサ５０が配置されており、この熱線式フローセン
サ６０の連通路４４内への配置を可能にするために、い
ずれか一方のブロックに形成される連通路を構成するト
ンネルは、熱線式フローセンサ５０の配置作業が可能な
サイズの開口とされたセンサ室５１とされている。

【０００８】さらに、これら２室４１、４２には、ＮＤ
ＩＲの被測定対象となる、例えば、ＣＯ_２等の化学種の
み、あるいは、この化学種をＡｒ、Ｈｅ、Ｎ_２等の不活
性ガスで希釈されたガスが充填されている。なお、前後
部ブロックB1、B2で形成された前後室４１、４２には受
感ガスを内封することから、前後ブロックB1、B2の接
合、各ブロックと窓板４３の接合には、エポキシ等の気
密性に優れた接着剤が用いられる。

【０００９】また、連通路４４に配置されるセンサとし
ては、前後室の圧力差を検出できるものであればどのよ
うなものでもよいが、センサが、前後室の圧力差で連通
路内のガスの流れを検出するフローセンサである場合に
は、一般に、小型で高精度な薄膜技術で製作された薄膜
型熱線式フローセンサが、使用されている。

【００１０】熱線式フローセンサは、風速を抵抗変化と
して計測する熱線式風速計の原理に基づくもので、薄膜
型熱線式フローセンサは、ベースとなる中央部に開口を
有するガラス基板の両側に、開口を横切ってＮｉなどの
抵抗温度係数の大きな金属からなる抵抗素子としての櫛
形電極（熱線）を薄膜技術で対向形成したもので、この
熱線に２つの固定抵抗を組み合わせてブリッジ回路を形
成し流量計測を行うものである。

【００１１】熱線を含むブリッジ回路に一定電圧を印加
した状態で、熱線の配置された連通路内にガスの流れが
生じると、風上側の抵抗素子としての熱線は熱を奪われ
て抵抗値が減少し、他方、風下側の抵抗素子としての熱
線の抵抗は風上側の抵抗素子から奪った熱が与えられ温
度が上昇して抵抗値の増加が起こる。この抵抗のアンバ
ランスによりブリッジ回路に電位差が生じるので、この
電位を測ることで、連通路内を流れるガスの流速を計測
することができる。

【００１２】このような構成で、光源部２から発した赤
外光は、セル部３を通過してディテクター部４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４に
入射する。ディテクター部４の前室４１の正面から入射
した赤外光は、前室４１および後室４２で吸収される
が、その多くは前室４１で吸収される。吸収された光エ
ネルギーは分子の並進運動に変換されることになり、前
後室４１、４２間に圧力差が発生し、これによって両室
を連通する連通路４４内に充填（封入）ガスの流れが生
る。

【００１３】このガス流の流速は、ディテクター部４へ
の入射光強度に依存するので、前後室４１、４２の連通
路４４内に配置された薄膜型熱線式フローセンサ５０の
熱線の抵抗変化として計測することで、ディテクター部
４への入射前後の赤外光強度、すなわち、セル中の被測
定成分ガス濃度を計測することができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ＮＤＩＲにおいて、光
源部、セル部、ディテクター（検出器）部の各ユニット
は別々に構成されている。ＮＤＩＲの測定対象がＣＯ_２
など大気中に存在する化学種の場合、各ユニットに空隙
があると、空隙に存在する大気中の同一化学種による干
渉や赤外吸収スペクトルが重なる化学種による干渉をも
受ける。

【００１５】従来のＮＤＩＲでは、それを構成する光源
部、セル部、ディテクター（検出器）部の３ユニット全
体を筐体に収め、筐体内部をＮ_２等の赤外不活性ガスで
パージすることで、大気中の化学種による干渉を受けな
いようにしている。このように、３ユニット全体を筐体
内に収容してその内部を不活性ガスでパージするもので
は、ＮＤＩＲを搭載すべき機器内に大きな容積を必要と
し、また、容積の大きな筐体全体を気密構造にするため
の工夫等が必要であり、分析計のコスト高を招くという
問題があった。

【００１６】また、測定セル部とディテクター部の間隙
のみをパージすることも提案されている。これは図５に
その構成を示すように、パージガスの導入出管６１、６
２を有するパージブロック６０を別途用意し、このパー
ジブロック６０をディテクター４側の測定セル３１の後
端に装着し、パージブロック６０とディテクター４も間
にＯリング６３を介在させて、測定セル３１とディテク
ター４とを接続し、測定セル３１の後窓とディテクター
４の前室の窓板間を不活性ガスでパージするようにした
ものである。しかしながら、この構成では、パージブロ
ック６０、ならびに、それの測定セルへの装着作業等が
必要となり、また、加工部や部品点数等の増加、ならび
に、加工上の困難さから、コスト高が免れないという問
題がある。

【００１７】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、セル部ユニットと検出器部ユニ
ット間を不活性ガスでパージすることなく大気中の化学
種による干渉を防止でき、構造が簡単で、部品点数、加
工や組み立て工数の少ない、安価な赤外線ガス分析計を
提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の赤外線ガス分析計にあっては、測定セルの
後端と検出部とを直結すると共に、検出部に測定セルに
連通するガスの導入出孔を形成し、検出器を測定セルの
一部としたことを特徴としている。なお、測定セルの後
端と検出部の一体化のために、検出部に前室と一体の測
定セルの後端と嵌合する接合部が設けられていると共
に、前記接合部に嵌合された測定セルと連通するガス導
入出孔が設けられていること、また、測定セルにフラン
ジが設けられており、このフランジを介して測定セルと
検出部が連結一体化されることが好ましい。

【００１９】このような構成の赤外ガス分析計によれ
ば、検出部に設けたガス導入出孔がセルに連通するよう
に、測定セルと検出部が一体化されているので、測定セ
ルと検出部に間隙が介在せず、不活性ガスによるパージ
が不要であり、且つ、パージガスの供給系、パージガス
の使用によるランニングコストも不要である。

【００２０】また、検出部に前室と一体のガス導入出孔
を有する測定セルの後端と嵌合する接合部を設けておけ
ば、セルの後端部を接合部に嵌合することで、セルと検
出部を一体化でき、構造、ならびに、組立作業が簡単で
ある。さらに、測定セルにフランジを設け、このフラン
ジを介して測定セルと検出部とを連結一体化するよにす
れば、測定セルと検出部との相対位置が規定できるの
で、組み立て後のセル長を所定長にできる他、接続部に
嵌合される測定セル後端の側面に開口を設けて、この開
口を検出部の接合部に設けたガス導入出孔に連通させる
場合には、ガス導入出孔と開口との位置合わせが容易、
確実に行える。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の態様を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の主要部の組み立
て前の構成部品を展開して示した模式図で、（ａ）は測
定セルの側面図、（ｂ）は測定セルの断面図、（ｃ）は
ディテクター（検出器）部の断面図である。図におい
て、１はパイプよりなる測定セルで、このセル１には、
その後端（ディテクター側）にガスの通り道となる切り
欠き２と漏れを防止するＯリング３を装着するための円
周溝４が設けられていると共に、後述のディテクターに
形成されたガス導入出パイプ（ガス導入出孔）との位置
合わせと、セル１とディテクターを所定に位置関係に規
制して両者を固定するために、ボルト穴を有するフラン
ジ５が取り付けられている。

【００２２】他方、ディテクター１０は、孔が穿孔され
たアルミ製等のブロックであって、孔の段差部に、段差
を貼りしろとして赤外線透過性のCaF₂等の素材からなる
隔壁としての窓板１１、１２が接着されて、ブロック内
が前室１３と後室１４とに画成されている。また、ブロ
ック（ディテクター）１０には、前室１３と後室１４を
連通する連通路１５が形成されており、この連通路１５
内に両室１３、１４の圧力差で生じる両室に充填された
ガスの流れを検出する薄膜型熱線式フローセンサ１６が
配置されている。さらに、ブロック１０は、前室１３の
前方（セル側）に延在し、この延在部はセル１の後端が
嵌入する径の孔が彫り込まれた接合部１７とされてお
り、接合部１７の一箇所には、セル１に形成された切り
欠き２と連通するガスを通すためのガス導入出パイプ
（ガス導入出孔）１８が設けられている。

【００２３】組み立てるには、先ず、セル１の円周溝４
にＯリング６を装着して、セル１の後端をブロック（デ
ィテクター）１０の接合部１７に、フランジ５がブロッ
ク面に当接するまで挿入し、フランジ５をボルト１９で
ブロック１０の端面に締結してセル１とディテクター１
０とを一体化する。図２は、このようにして組み立てた
セル部ユニットとディテクター部ユニットを一体化した
構成を模式的に示す断面図である。

【００２４】このように組み立てられてセル１とディテ
クター１０が一体化したＮＤＩＲは、ディテクター１０
側は窓板１１が、接合部１７についてはＯリング３が被
測定ガスの流入を防止するので、セル１内の被測定ガス
はセル後端の切り欠き２を経てディテクター１側の接合
部１７に設けられたガス導入出パイプ１８を通じて流
出、または、ガス導入出パイプ１８より供給された被測
定ガスは、セル後端の切り欠き２を経てセル１内に流入
されてセルの他方側に設けられたガス導入出パイプから
流出する。

【００２５】したがって、セル１とディテクター（ブロ
ック）１０が一体化して被測定ガスの流路を形成するの
で、両者間の不活性ガスによるパージは不要である。ま
た、フランジ５は、セル１とディテクター（ブロック）
１０の２ユニットを単に接合するのみでなく、セル１の
後端部のディテクター１０の接合部への挿入量を機械的
に規制し、光源からのセル長を一定にする必要があるＮ
ＤＩＲの光路長を既定値にするように機能する。また、
フランジ５とディテクター（ブロック）１０の端面に形
成されるボルト穴でもって、接合部１７に形成されたガ
ス導入出パイプ１８とセル１に形成された切り欠き２と
の位置合わせを確実にする。

【００２６】なお、光源部ユニットとセル部ユニット間
の大気中の化学種による干渉の防止は、両ユニット間に
図５に示したと同様のパージ機構を設けるか、光源部ユ
ニットとセル部ユニットの前端部を筐体に収容し、その
内部を不活性ガスでパージすることで達成できる。この
場合、光源部ユニットとセル部ユニット間のみをパージ
するので、セル部ユニットとディテクター部ユニット間
をもパージする場合と比べてパージガスの消費量が少な
くてすみ、ランニングコストの低減が図れる。また、筐
体を使用するにしても、光源部ユニットとセル部ユニッ
トの前端部を収容するものでよいので、筐体の容積も小
さく、気密構造が簡単となる。

【００２７】なお、実施例はシングルビーム式ＮＤＩＲ
であったが、本発明は、ダブルビーム式ＮＤＩＲにも適
用できるものである。また、実施例では、前後２室の圧
力差を検出するセンサとして、ガス圧変動を封入ガスの
流量として検出するフローセンサ用いたが、前後２室の
圧力差を圧力として検出するメンブレンコンデンサなど
の圧力検知素子であってもよい。さらに、実施例では、
測定セルにフランジを設けたが、測定セルとディテクタ
ーとを接着剤で接合する場合には、フランジは必ずしも
必要ではない。しかしながら、接着接合する場合であっ
ても、フランジを設けておけば、測定セルと検出部とを
嵌合した際の両者の相対位置を規定できる。

【００２８】また、実施例では、ディテクターの接合部
に測定セルの後端を嵌入するようにしたが、逆に測定セ
ル後端にディテクターの接合部を嵌入するようにしても
よい。さらに、実施例では、測定セルに、ディテクター
の接合部に形成されたス導入出孔と連通する切り欠きを
設けたが、ディテクターの接合部に測定セルの後端を嵌
合させた際に、測定セルの挿入端がディテクターの接合
部のガス導入孔を塞がない構成とすれば、ガス導入孔に
連通する切り欠き、ないし、開口は不要である。また、
実施例では、測定セルの後端と嵌合する接合部をディテ
クターの前室と一体に形成したが、接合部を別体とし、
それを前室の前面に取付て一体化するようしてもよい。

【００２９】

【発明による効果】本発明によれば、検出器（ディテク
ター）部に設けたガス導入出孔がセルに連通するよう
に、測定セルと検出部を一体化したので、測定セル部と
検出部の間に間隙が介在せず、不活性ガスによるパージ
が不要な赤外線ガス分析計が得られる。また、検出部に
前室と一体のガス導入出孔を有する測定セルの後端が嵌
合する接合部を設けておけば、セルの後端部とディテク
ターのを接合部とを嵌合することで、測定セルと検出部
を一体化でき、その構成、組立作業が簡単となる。

【００３０】さらに、測定セルにフランジを設け、この
フランジを介して測定セルと検出部とを嵌合一体化する
よにすれば、測定セルと検出部との相対位置関係が規定
できて組み立て後のセル長を所定長にできる他、測定セ
ルの後端の側面に開口を設け、この開口を検出部に設け
たガス導入出孔に連通させる場合には、ガス導入出孔と
開口との位置合わせが確実に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の主要部の実施例の構成を示す構成要素
の組み立て前の展開図である。

【図２】組み立て後の主要部の構成を模式的に示す断面
図である。

【図３】シングルビーム式ＮＤＩＲの構成を模式的に示
す断面図である。

【図４】図３のディテクター部の構成を模式的に示す断
面図である。

【図５】パージ機構を備えた従来の測定セル部ユニット
とディテクター部ユニットの構成を模式的に示す断面図
である。

【符号の説明】

１：測定セル２：切
り欠き３：Ｏリング４：円
周溝５：フランジ１０：ディテクター（ブロック）１１、１２：窓板
１３：前室１４：後室１５：
連通路１６：薄膜型熱線式フローセンサ１７：
接合部１８：ガス導入出パイプ（ガス導入出孔）１９：
ボルト

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
れた光源部と、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、検
出部がガスの封入された前後２室と、これら２室を連通
する連通路と、連通路内に配置されて前記２室の圧力差
を検出するセンサとで構成された赤外線ガス分析計であ
って、前記測定セルの後端と検出部とを直結すると共
に、検出部に測定セルに連通するガスの導入出孔を形成
し、検出器を測定セルの一部とした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、前記検出部に前室と一体の前記測定セルの後端と
嵌合する接合部が設けられていると共に、前記接合部に
嵌合された測定セルと連通するガスの導入出孔が設けら
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、前記測定セルにフランジが設
けられており、このフランジを介して測定セルと検出部
が連結一体化されることを特徴とする赤外線ガス分析
計。