JP2002228585A - 非分散型赤外線ガス分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出感度の高い非分散型赤外線ガス分析計を
提供する。 【解決手段】 光源で発生した赤外光はチョッパにより
試料セルおよび比較セルに交互に導入される。試料セル
あるいは比較セルを透過した赤外光は集光器により赤外
検出器に導入される。赤外検出器で得られる、比較セル
の透過光信号（主要信号）と試料セルの透過光信号（主
要信号から吸収信号が差し引かれた信号）を信号検出回
路で積分し、積分値を差し引くことにより吸収信号を得
ることで、試料セル中のＣＯ濃度を算出する。２種類の
信号の積分を開始する時間を主要信号がゼロになる時間
から一定時間間隔ずらしていき、吸収信号強度が最大と
なる時間を求めた後、その時間を基準として２種類の信
号を積分し、差し引く操作を行うことにより、得られる
吸収信号の感度を常に最大化でき、検出感度を高めるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、ガス分子の赤外線吸収
効果を利用して、ガス分子の赤外線吸収の強さにより試
料ガス中の特定成分を検出し、大気ガス分析やガス成分
定量測定などに使用される、非分散型赤外線ガス分析計
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の非分散型赤外線ガス分析計の概略
構成断面図を図４に示す。光源１に対して試料セル３と
比較セル４が同量の光が入射されるように互いに平行に
配置されている。試料セル３には検出すべき特定成分ガ
ス（以下、検出ガスという）を含んだ試料ガス、赤外線
を吸収しない窒素ガスなどの不活性なガス（ゼロガス）
および一定濃度の検出ガスを含んだガス（スパンガス）
が切り換えて流される。比較セル４には赤外線を吸収し
ない窒素や空気などの不活性ガスが充填されている。光
源１から放出された赤外光は、モータ８によりチョッパ
７を回転させることにより、一定時間間隔で断続され
て、試料セル３と比較セル４に交互に導入される。

【０００３】試料セル３あるいは比較セル４を透過した
赤外光は集光器１０により赤外検出器５に導入される。
赤外検出器５は光の入射に対して前後に配置された前室
１２ａと後室１２ｂを有し、各室１２ａ、１２ｂには検
出ガスが封入されている。赤外検出器５に導入された赤
外光はまず前室１２ａに入り、その透過光が後室１２ｂ
に入る。両室１２ａ、１２ｂに封入されている検出ガス
は特定の波長の赤外光を吸収し、吸収された赤外光のエ
ネルギーは熱エネルギーに変換される。この熱エネルギ
ーにより、封入されている検出ガスの温度が上昇し、前
室１２ａおよび後室１２ｂ内の圧力が変化する。前室１
２ａおよび後室１２ｂにおける赤外光吸収量の差に応じ
て前室１２ａと後室１２ｂとの間に圧力差が生じる。こ
の圧力差を前室１２ａと後室１２ｂの間に設けたコンデ
ンサ膜１４と対極１５で構成されるコンデンサマイクロ
ホンからなる圧力検出素子により検出し、信号検出回路
１７により圧力差を測定する。赤外検出器５に導入され
る赤外光の強度により、前室１２ａと後室１２ｂの間に
生じる圧力差が異なるので、圧力差を測定することによ
り、試料セル３内の検出ガスの濃度を求めることが可能
となる。

【０００４】赤外検出器５には、チョッパ７によりチョ
ッピングされた赤外光が断続的に導入されるため、信号
検出回路１７からは正負交互に入れ替わる信号として出
力される。図２に信号検出回路１７から出力される信号
と時間との関係を示す。赤外検出器５の前には試料セル
３および比較セル４が設置されており、試料セル３およ
び比較セル４内にゼロガスが導入されている場合、光源
１からの赤外光は試料セル３および比較セル４で吸収さ
れることはなく、図２において実線で示すような信号が
得られる（以下、この信号を主要信号と呼ぶ）。試料セ
ル３および比較セル４内に検出ガスを含む試料ガスが導
入されている場合、光源１からの赤外光が試料セル３お
よび比較セル４中の検出ガス濃度に応じて光が吸収さ
れ、出力信号は小さくなる（図２の点線で示しているの
は出力信号のうちの主要信号からの減少分で、以下これ
を吸収信号と呼ぶ）。

【０００５】実際の測定では、比較セル４内には赤外線
を吸収しない窒素ガス等の不活性ガスが充填されてお
り、光源１からの赤外光を試料セル３および比較セル４
に交互に通過させて信号を得ることにより、主要信号の
みあるいは主要信号から吸収信号が差し引かれた信号が
得られ、この２種類の信号を差し引くことにより、吸収
信号を取り出し、試料セル３中の検出ガス濃度を測定す
ることができる。

【０００６】ところで、検出器の構造により、主要信号
がゼロになる時間と吸収信号がゼロになる時間は一般に
異なる。赤外吸収の大きな吸収信号を測定する場合、吸
収の小さな主要信号と比較して後室１２ｂにおける圧力
変化が相対的に大きくなるが、後室１２ｂは前室１２ａ
と比べて体積が大きく、応答時間が遅くなる。このため
主要信号と吸収信号の位相はずれてしまう。このことは
吸収信号が主要信号に比べて非常に小さく、また吸収信
号だけを実験的に取り出すことは難しいが、シミュレー
ションによって図２に示すように確認することができ
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】光源からの赤外光を試
料セルおよび比較セルに交互に通過させて信号を得るこ
とにより、主要信号のみおよび主要信号から吸収信号が
差し引かれた信号を得、この２種類の信号を差し引くこ
とにより、吸収信号を取り出しているが、従来は主要信
号がゼロになる時間（図２中、一点鎖線で示す時間）を
基準とし、２種類の信号の積分を開始し、次に２種類の
信号の積分値を差し引くことにより吸収信号を取り出し
ていた。しかしながら、この主要信号がゼロになる時間
を基準に信号を積分すると、目的となる吸収信号成分は
主要信号成分と位相が異なるため、この積分時間内に正
から負あるいは負から正に変化し、正負に信号が相殺さ
れ、結果として小さな検出感度しか得られなかった。

【０００８】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたものであり、検出器からの信号処理を最適化するこ
とにより、検出感度を最大化させ、安定した測定が行え
る非分散型赤外線ガス分析計を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明の非分散型赤外検出器は、検出ガスを封入し
た前室および後室と、前室および後室における光吸収の
差に応じた両室間の圧力差を検出する圧力検出素子とを
備えた赤外検出器と、この赤外検出器に比較セルの透過
光と試料セルの透過光を交互に導入する光学系とを備え
た非分散型赤外線ガス分析計において、赤外検出器にお
いて得られる試料セルの透過光信号強度から比較セルの
透過光信号強度を差し引き検出ガス濃度を算出する信号
処理過程を最適化し、検出感度を最大化させる機能を備
えたものである。

【００１０】赤外検出器において、比較セルの透過光信
号である主要信号と、試料セルの透過光信号である主要
信号から吸収信号が差し引かれた信号を得、この２種類
の信号を差し引くことにより、吸収信号を取り出して検
出ガス濃度を算出する際に、２種類の信号の積分を開始
する時間を主要信号がゼロになる時間から一定時間間隔
ずらしていき、吸収信号強度が最大となる時間を求めた
後、その時間を基準として２種類の信号を積分し、差し
引く操作を行う。これにより、得られる吸収信号の感度
は常に最大化でき、安定した分析を行うことを可能とす
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら詳細に説明する。本発明の赤外線ガス分析
計の構成は図４に示すものと同様であり、一酸化炭素
（ＣＯ）ガス分析計に使用した場合である。光源１で発
生した赤外光はチョッパ７により試料セル３および比較
セル４に交互に導入される。ここでは、光源１としてコ
イル状の金属ヒータを用いているが、これに限定される
ものではなく、平板状のセラミックヒータ等を用いても
よい。試料セル３あるいは比較セル４を透過した赤外光
は集光器１０により赤外検出器５に導入される。比較セ
ル４には窒素ガスが封入されており、赤外検出器５の前
室１２ａおよび１２ｂにはＣＯガスが封入されている。
赤外検出器５に導入された赤外光はまず前室１２ａに入
り、その透過光が後室１２ｂに入る。前室１２ａおよび
後室１２ｂにおける赤外光吸収量の差に応じて前室１２
ａと後室１２ｂとの間に生じる圧力差を、コンデンサ膜
１４と対極１５で構成されるコンデンサマイクロホンか
らなる圧力検出素子により検出し、試料セル３の透過光
信号と比較セル４の透過光信号を得る。これらの信号を
信号検出回路１７で積分し、積分値を差し引くことによ
り吸収信号を得ることで、試料セル３中のＣＯ濃度を算
出する。

【００１２】図３は、２Ｈｚで比較セル４と試料セル３
に交互に赤外光を断続的に導入したときに赤外検出器５
で得られる信号を示している。比較セル４の透過光（主
要信号）がゼロになった時点を時間ゼロとしている。最
初の０．５秒で比較セル４の透過光を測定し、次の０．
５秒で試料セル３の透過光を測定し、一回の測定が１秒
で終了する。図１に、信号の積分開始時間を０．０５秒
毎ずらしたときに、信号を最初の０．５秒間積分した積
分値から、次の０．５秒間積分した積分値を差し引いた
値、すなわち検出感度の変化を示す。明らかに時間ゼ
ロ、すなわち主要信号がゼロになる時間を基準時間とし
た時が検出感度を最大化するのではなく、基準時間をず
らすことにより検出感度を向上させることができること
がわかる。検出感度が最大となる、主要信号がゼロにな
る時間の０．１秒後を基準時間とし、この時間から赤外
検出器５で得られる信号を最初の０．５秒間積分した積
分値から、次の０．５秒間積分した積分値を差し引き、
この差し引いた値よりＣＯ濃度を算出する。シミュレー
ションにより確認した結果、最大感度を与える基準時間
は吸収信号がゼロとなる時間（図２中、２点鎖線で示す
時間）であった。

【００１３】基準時間の決定は、比較セルの透過光およ
び試料セルの透過光を一回測定する毎に決定してもよ
く、一定時間間隔毎に決定してもよく、あるいは装置の
電源を入れて測定を開始したときに一度だけ行ってもよ
い。また、上記実施例では信号の積分開始時間を０．０
５秒毎ずらして、基準時間を決定したが、時間間隔をよ
り短くして基準時間を決定することにより、検出感度を
さらに向上させることができる。

【００１４】ＣＯガス分析計では、検出ガス（ＣＯ）の
赤外線吸収ピーク波長と隣接した波長帯で赤外線吸収が
ある二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスの干渉を考慮する必要が
ある。この干渉は、赤外検出器５の前室１２ａ、後室１
２ｂを前後に配置することにより、ＣＯの赤外線吸収波
長帯におけるＣＯとＣＯ_２の積分吸収係数が大きく違う
ことを利用して除去することができるが、本発明による
ＣＯに対する検出感度向上により、この干渉除去能力も
向上する。

【００１５】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の
範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で種々の変更を
行うことができる。例えば、赤外検出器５の圧力検出素
子としてコンデンサ膜１４と対極１５から構成されるコ
ンデンサマイクロホンを用いているが、本発明はこれに
限定されるものではなく、例えばフローセンサなど、前
室１２ａと後室１２ｂの圧力差を検出できるものであれ
ばどのような原理のものでもよい。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、比較セルの透過光信号
である主要信号から、比較セルの透過光信号である主要
信号から吸収信号が差し引かれた信号を差し引くことに
より、吸収信号を取り出して検出ガス濃度を算出する際
に、２種類の信号の積分を開始する時間を主要信号がゼ
ロになる時間から一定時間間隔ずらしていき、吸収信号
強度が最大となる時間を求めた後、その時間を基準とし
て２種類の信号を積分し、差し引く操作を行うようにし
たので、得られる吸収信号の感度は常に最大化でき、検
出感度を高めることができ、安定した分析を行うことを
可能となる。さらに、干渉除去能力を向上させることも
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非分散型赤外線ガス分析計において得
られる、積分開始時間を変えたときの検出感度の変化を
示す図である。

【図２】検出器から出力される信号と時間との関係を示
す図である。

【図３】２Ｈｚで比較セルと試料セルに交互に赤外光を
断続的に導入したときに赤外検出器で得られる信号を示
す図である。

【図４】非分散型赤外線ガス分析計の概略構成断面図で
ある。

【符号の説明】

１---光源 ３---試料セル ４---比較セル ５---赤外検出器 ７---チョッパ １２ａ---前室 １２ｂ---後室 １４---コンデンサ膜 １５---対極 １７---信号検出回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出ガスを封入した前室および後室と、
   前室および後室における光吸収の差に応じた両室間の圧
   力差を検出する圧力検出素子とを備えた赤外検出器と、
   前記赤外検出器に比較セルの透過光と試料セルの透過光
   を交互に導入する光学系とを備えた非分散型赤外線ガス
   分析計において、前記赤外検出器において得られる試料
   セルの透過光信号強度から比較セルの透過光信号強度を
   差し引き検出ガス濃度を算出する信号処理を最適化し、
   検出感度を最大化させる機能を備えたことを特徴とする
   非分散型赤外線ガス分析計。