JP2004061207A

JP2004061207A - 赤外線ガス分析計

Info

Publication number: JP2004061207A
Application number: JP2002217676A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Araya; 荒谷　克彦
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】多成分を検出する際に干渉成分による妨害を除去するとともに、後段に配置された検出器でのガス測定感度の低下も抑える。
【解決手段】セル４を透過した赤外光の光路３上に３つのニューマチック型検出器Ｄ１，Ｄ２及びＤ３が直列に配置されており、検出器ＤｌにはＮＯが、検出器Ｄ２にはＣＯが、検出器Ｄ３にはＳＯ_２がそれぞれ充填されている。各検出器Ｄ１，Ｄ２及びＤ３の後段にはそれぞれフィルタＦｌ、Ｆ２、Ｆ３が設置されている。フィルタＦｌはＮＯの赤外線吸収波長５．４μｍ帯のみを反射しその前後の波長を透過する光学フィルタを使用すると、その後段にあるＣＯを封入した検出器Ｄ２での赤外線吸収波長４．７μｍ、ＳＯ_２を封入した検出器Ｄ３での赤外線吸収波長７．３μｍを透過するため、検出器Ｄ２，Ｄ３で検出が必要な赤外線吸収波長はほとんど損失されないで検出器Ｄ２，Ｄ３に入射する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学工場や製鉄所のガス濃度に関するプロセスモニター、ボイラーや燃焼炉の燃焼ガス分析、大気汚染の監視、自動車排ガス測定などに使用され、ガス分子固有の赤外線吸収効果を利用してガス又は蒸気中にある特定成分の濃度を測定する赤外線ガス分析計に関し、特に光路に沿って直列に配置した前後の受光室間での赤外光吸収量の差を検出するニューマチック型検出器を備えた赤外線ガス分析計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ニューマチック型検出器は、試料ガス中の被検出成分による赤外線吸収を利用するので、試料ガス中に被検出成分と同一の赤外線吸収領域又は一部が重なった赤外線吸収領域をもつ成分（干渉成分という）が共存する場合には、この干渉成分濃度が被検出成分測定値の誤差となる。そこで、ニューマチック型検出器を備えた赤外線ガス分析計において、干渉成分の影響を除去するために幾つかに方法が提案され、実施もされている。そのような方法としては、次のようなものがある。
【０００３】
▲１▼　光路に沿って２つの受光室が直列に配置された２層直列式透過形のニューマチック型検出器において、検出器の後、すなわち光透過後の位置、に反射体を設け、その反射体の挿入量を調整することにより干渉除去効果を調整する（持開昭５２−９０９８５号公報参照）。
【０００４】
▲２▼　同じく２層直列式透過形のニューマチック型検出器において、１層目と２層目の受光室の間に光を遮光する可動絞りを設け、その絞り量を調整することにより干渉補償調整を行う。
【０００５】
▲３▼　光路に沿って３つの受光室が直列に配置され、２層目と３層目の受光室が通路でつながっている３層直列式透過形のニューマチック型検出器において、２層目と３層目の受光室の間に光を遮光する可動絞りを設け、その絞り量を調整することにより干渉補償調整を行う（特開昭６２−４９２４３号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
赤外線ガス分析計で２成分以上の多成分測定を行う試みがなされているが、その場合検出器として光路に沿って前段から後段に直列に配置されてそれぞれ異なる成分を検出するように設定された２以上の検出器が配置されることになる。そして、それらの検出器の全て又は最後段の検出器以外の検出器としてニューマチック型検出器が使用される。
【０００７】
そのような多成分検出を目的とした赤外線ガス分析計で干渉成分による妨害を除去するために、従来のように反射体又は絞りを光路に挿入する方法をとった場合には、後段の検出器へ入射する光がその反射体又は絞りによって一部遮られる結果、後段に配置された検出器でのガス測定感度が著しく低下する問題が生じる。
【０００８】
もし、従来の方法により干渉成分による妨害を除去しつつ、ガス測定感度低下の問題も解決しようとすれば、検出器ごとに別の光源とセルが必要となり、コストが高くなるだけでなく、分析部全体の大きさが大きくなる別の問題が生じる。
【０００９】
本発明は、多成分検出を目的とした赤外線ガス分析計において、干渉成分による妨害を除去するとともに、後段に配置された検出器でのガス測定感度の低下も抑えることを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の赤外線ガス分析計は、光源からの赤外光の光路上に置かれ、試料ガスを流通させるセルと、前記セルを透過した前記赤外光の光路上に配置された赤外線検出機構とを備え、前記赤外線検出機構は前記光路に沿って前段から後段に直列に配置されてそれぞれ異なる成分を検出するように設定された２以上の検出器を含み、前記検出器には被検出成分ガス又は被検出成分ガスの赤外線吸収波長と少なくとも一部が重なる赤外線吸収波長をもつガスが封入された前後２つの受光室を光路に沿って有し、両受光室での赤外光吸収量の差を検出するニューマチック型検出器を含み、そのニューマチック型検出器では、その検出器に封入されているガスの赤外線吸収帯の全部又は一部を反射し、かつそれより後段の検出器での検出に必要な赤外線吸収波長を透過する光学フィルタが、前側受光室よりも後段の位置に設置されていることを特徴とするものである。
【００１１】
「後段の検出器での検出に必要な赤外線吸収波長」とは、後段の検出器としてニューマチック型検出器を含む場合にはそのニューマチック型検出器に封入されているガスの赤外線吸収波長を含み、後段の検出器として焦電センサなどの赤外センサを配置して赤外線を利用したガス測定や光源の光量変化を補償する場合には、そのようなセンサで検出される赤外線波長を含む。
【００１２】
ニューマチック型検出器で光学フィルタを備えて封入されているガスの赤外線吸収帯の全部又は一部を反射させることにより、干渉成分による効果を補償することができる。
【００１３】
また、その光学フィルタはそれより後段の検出器での検出に必要な赤外線吸収波長を透過するものであるので、後段の検出器における測定感度の低下を抑えることができる。
このようにして、本発明の赤外線ガス分析計は一対の光源とセルによって多成分測定ができる。
【００１４】
ニューマチック型検出器として、光路に沿った前段の第１受光室と後段の第２受光室がそれぞれ単一の空間からなる受光室となっているものを含むことができる。その場合、そのニューマチック型検出器では前記光学フィルタは第２受光室の後段、又は第１受光室と第２受光室の間に設置することができる。
【００１５】
また、ニューマチック型検出器として、光路に沿った前段の第１受光室が単一の空間からなり、後段の第２受光室がガスが流通できるように接続されて前記光路に沿って配置された前後２つの受光室となっているものを含むことができる。その場合、そのニューマチック型検出器では前記光学フィルタは第２受光室を構成する前後２つの受光室の間に設置することができる。
前記光学フィルタは可動的に構成し、この光学フィルタの挿入量を変えることにより干渉成分による効果の補償を調整できるようになっているのが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に一実施例の赤外線ガス分析計を示す。光源２からの赤外光の光路３上に試料ガスを流通させるセル４が配置されている。光源２からの赤外光を断続してセル４に導くために、光源２とセル４の間にはモータ６により回転されて光を断続するセクタ８が配置されている。セル４を透過した赤外光の光路３上には赤外線検出機構として３つの２層直列式透過形ニューマチック型検出器Ｄ１，Ｄ２及びＤ３が光路に沿って直列に配置されている。
【００１７】
検出器Ｄ１，Ｄ２及びＤ３は、それぞれ赤外光の光路に沿った前段の第１受光室１０−１と後段の第２受光室１０−２を備え、両受光室１０−１，１０−２での赤外光吸収量の差を、両受光室１０−１，１０−２間に設けられた圧力センサ（コンデンサマイクやフローセンサなど）１２により検出するようになっている。
【００１８】
検出器Ｄ１，Ｄ２及びＤ３で３成分（ＮＯ、ＣＯ、ＳＯ_２）を測定できるように、検出器ＤｌにはＮＯが、検出器Ｄ２にはＣＯが、検出器Ｄ３にはＳＯ_２がそれぞれ適当な濃度で充填されていて、各検出器Ｄ１，Ｄ２及びＤ３はそれぞれの封入ガスの赤外線吸収波長に感度を有する赤外線センサとなっている。
【００１９】
セル４に流通する試料ガスに含まれるそれぞれのガス成分の濃度に応じて、検出器Ｄ１，Ｄ２及びＤ３に封入されているガスに吸収されるエネルギーが変化し、圧力センサ１２を通して取り出された信号から試料ガス中の濃度に換算する。
【００２０】
この実施例の検出器Ｄ１，Ｄ２及びＤ３は２層直列式で、この構造は干渉補償機能を有する。この干渉補償機能を調整するために、各検出器Ｄ１，Ｄ２及びＤ３の後段にはそれぞれ光学フィルタＦｌ、Ｆ２、Ｆ３が移動できるように設置されている。
【００２１】
ＮＯを封入した検出器Ｄｌの場合、その後段に配置されている光学フィルタＦｌはＮＯの赤外線吸収波長５．４μｍ帯、例えば５．０〜５．７μｍのみを反射しその前後の波長を透過する光学フィルタを使用する。すなわち、光学フィルタＦｌは、光学フィルタＦｌの後段にあるＣＯを封入した検出器Ｄ２での赤外線吸収波長４．７μｍ、ＳＯ_２を封入した検出器Ｄ３での赤外線吸収波長７．３μｍを透過するため、検出器Ｄ２，Ｄ３で検出が必要な赤外線吸収波長は、ほとんど損失されないで検出器Ｄ２，Ｄ３に入射することができる。
【００２２】
ＮＯ測定の場合、干渉成分として水蒸気が一例としてあげられる。光学フィルタＦｌの挿入がない場合に水蒸気干渉が＋側に現れ、完全に挿入した場合に水蒸気干渉が−側へ現れるように検出器Ｄｌの第１受光室１０−１、第２受光室１０−２の寸法、容積などを決めておく。この様な条件にすると光学フィルタＦｌの挿入量を調整することによって水蒸気干渉をキャンセルすることができる。
【００２３】
同様に、ＣＯを封入した検出器Ｄ２の場合、その後段に配置されている光学フィルタＦ２は、例えば５．０μｍ以下を透過しない光学フィルタを使用し、ＣＯの赤外線吸収波長４．７μｍ帯を反射してＳＯ_２の赤外線吸収波長７．３μｍを透過する光学フィルタを使用する。すなわち、光学フィルタＦ２は、光学フィルタＦ２の後段にあるＳＯ_２を封入した検出器Ｄ３での赤外線吸収波長７．３μｍを透過するため、検出器Ｄ３で検出が必要な赤外線吸収波長は、ほとんど損失されないで検出器Ｄ３に入射することができる。
【００２４】
検出器Ｄ２でのＣＯ測定において、光学フィルタＦ２の挿入がない場合に干渉成分による干渉が＋側に現れ、完全に挿入した場合に干渉成分による干渉が−側へ現れるように検出器Ｄ２の第１受光室１０−１、第２受光室１０−２の寸法、容積などを決めておく。この様な条件にすると光学フィルタＦ２の挿入量を調整することによってＣＯに対する干渉をキャンセルすることができる。
【００２５】
最後段に配置された検出器Ｄ３の場合、その後段にＳＯ_２の赤外線吸収波長を反射する光学フィルタＦ３を配置してもよいが、光学フィルタＦ３の後段にはもはや検出器が配置されていないため、光学フィルタＦ３に替えて全赤外線波長を反射するアルミニウム板などを配置してもよい。
【００２６】
光学フィルタＦ１，Ｆ２は特に限定されるものではなく、例えば多層膜を備えた干渉フィルタのほか、干渉を補償しようとする検出器に封入されたガスの赤外線吸収波長を反射し、その光学フィルタの後投にある検出器に必要な波長を透過するものであればよい。
【００２７】
また、光学フィルタＦ１，Ｆ２は、干渉を補償しようとする検出器に封入されたガスの赤外線吸収波長の一部を反射するものでも干渉補償機能を調整できうる範囲であればよい。このような光学フィルタは、Ｎ_２Ｏ（赤外線吸収波長４．５μｍ）とＣＯ（赤外線吸収波長４．７μｍ）の２成分測定などのように、測定する２つの成分の赤外線吸収波長が接近している場合に有効である。
【００２８】
図２は他の実施例において光路３に沿って配置される複数段の検出器の１つとして使用することのできる２層直列式透過形ニューマチック型検出器の他の例を示したものである。赤外光の光路３に沿って配置された前段の第１受光室１０−１と後段の第２受光室１０−２の間に設けられた圧力センサ１２により両受光室１０−１，１０−２での赤外光吸収量の差が検出される点では図１における検出器Ｄ１〜Ｄ３と同じであるが、この検出器では第１受光室１０−１と第２受光室１０−２の間に光路３上で隙間が設けられている。干渉補償を調整する光学フィルタＦはその隙間に挿入されるようになっている。
【００２９】
図３はさらに他の実施例において光路３に沿って配置される複数段の検出器の１つとして使用することのできる３層直列式透過形ニューマチック型検出器の例を示したものである。赤外光の光路３に沿って配置された前段の第１受光室１０−１と後段の第２受光室１０−２の間に設けられた圧力センサ１２により両受光室１０−１，１０−２での赤外光吸収量の差が検出される点では図１における検出器Ｄ１〜Ｄ３と同じであるが、この検出器では後段の第２受光室１０−２がガスが流通できるように接続されて光路３に沿って配置された前後２つの受光室１０−２ａと１０−２ｂとからなっており、その前後２つの受光室１０−２ａと１０−２ｂの間には光路３上で隙間が設けられている。干渉補償を調整する光学フィルタＦはその隙間に挿入されるようになっている。
【００３０】
本発明で検出される成分は、実施例のものに限らず、例えば、ＣＯ_２、ＮＨ_３、Ｎ_２０、ＳＦ_６、ＣＳ_２、ＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８その他の炭化水素など、同様の原理で、ガスを充填して検出する構造の検出器を用いるものにおいては同様に検出することができる。
【００３１】
また、適用される検出器は、欧州特許ＥＰ０３４０５１９に示されているように、検出器に充填するガスが複数の場合にも適用することができる。
【００３２】
光学フィルタの後段に配置される検出器としては、試料ガス中の特性成分のガス濃度を測定するための検出器だけではなく、測定対象成分の干渉成分を測定して干渉補正するための、所謂干渉測定検出器を含んでいてもよい。
【００３３】
光路に沿って最後段に配置される検出器は、ガス封入式の検出器以外に、光学フィルタで波長選択して焦電センサでガス測定を行う様な、他の原理の赤外線検出器でもよい。
【００３４】
光路に沿って最後段に配置される検出器は、試料ガス中の特性成分のガス濃度を測定するための検出器だけではなく、光源の光量を監視、または測定してガス測定の安定を補正するための赤外線検出器でもよい。
セルは、試料セルだけから構成されるものの他、Ｎ_２などの赤外不活性なガスを充填した比較セルと試料ガスを流通させる試料セルの２つのセルから構成されるもの、または、比較セルに基準ガスを流通させる所謂比較流通セルでもよい。
【００３５】
赤外線を変調させる機構には、実施例のセクタの回転による変調以外に、基準ガスと試料ガスを切り換えてセルに流して変調する所謂ガスモジュレーションや、セル内の圧力を変化させて変調する圧力変調方式でもよい。
【００３６】
光学フィルタは、全光路を覆うように設置してもよい。これは、検出器２層式の構造だけでは干渉補償が難しく、検出器透過後の反射を全て利用しないと干渉補償が達成しがたい場合に有効である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の赤外線ガス分析計は、多成分を検出するために、試料ガスを流通させるセルを透過した赤外光の光路上に前段から後段に直列に配置されてそれぞれ異なる成分を検出するように設定された２以上の検出器を含み、それらの検出器には被検出成分ガス又は被検出成分ガスの赤外線吸収波長と少なくとも一部が重なる赤外線吸収波長をもつガスが封入された前後２つの受光室を光路に沿って有し、両受光室での赤外光吸収量の差を検出するニューマチック型検出器を含み、そのニューマチック型検出器では、その検出器に封入されているガスの赤外線吸収帯の全部又は一部を反射し、かつそれより後段の検出器での検出に必要な赤外線吸収波長を透過する光学フィルタが、前側受光室よりも後段の位置に設置されているようにした。その結果、従来、多成分を測定するには、複数の光源、セルが必要であったが、本発明によって、一対の光源、セルで多成分の測定が可能となり、コンパクトで低コストな多成分ガス分析計が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例の赤外線ガス分析計を示す概略正面断面図である。
【図２】他の実施例において光路に沿って配置される複数段の検出器の１つとして使用することのできる２層直列式透過形ニューマチック型検出器の他の例を示す概略正面断面図である。
【図３】さらに他の実施例において光路に沿って配置される複数段の検出器の１つとして使用することのできる３層直列式透過形ニューマチック型検出器の例を示す概略正面断面図である。
【符号の説明】
２　　　光源
３　　　光路
４　　　セル
８　　　セクタ
１０−１，１０−２　　　受光室
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３　　　検出器
Ｆ，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３　　　光学フィルタ

Claims

光源からの赤外光の光路上に置かれ、試料ガスを流通させるセルと、前記セルを透過した前記赤外光の光路上に配置された赤外線検出機構とを備えた赤外線ガス分析計において、
前記赤外線検出機構は前記光路に沿って前段から後段に直列に配置されてそれぞれ異なる成分を検出するように設定された２以上の検出器を含み、
前記検出器には被検出成分ガス又は被検出成分ガスの赤外線吸収波長と少なくとも一部が重なる赤外線吸収波長をもつガスが封入された前後２つの受光室を光路に沿って有し、両受光室での赤外光吸収量の差を検出するニューマチック型検出器を含み、そのニューマチック型検出器では、その検出器に封入されているガスの赤外線吸収帯の全部又は一部を反射し、かつそれより後段の検出器での検出に必要な赤外線吸収波長を透過する光学フィルタが、前側受光室よりも後段の位置に設置されていることを特徴とする赤外線ガス分析計
前記ニューマチック型検出器として、前記光路に沿った前段の第１受光室と後段の第２受光室がそれぞれ単一の空間からなる受光室となっているものを含み、そのニューマチック型検出器では前記光学フィルタは第２受光室の後段、又は第１受光室と第２受光室の間に設置されている請求項１に記載の赤外線ガス分析計。
前記ニューマチック型検出器として、前記光路に沿った前段の第１受光室が単一の空間からなり、後段の第２受光室がガスが流通できるように接続されて前記光路に沿って配置された前後２つの受光室となっているものを含み、そのニューマチック型検出器では前記光学フィルタは第２受光室を構成する前後２つの受光室の間に設置されている請求項１に記載の赤外線ガス分析計。
前記光学フィルタを可動的に構成し、この光学フィルタの挿入量を変えることができるようにした請求項１から３のいずれかに記載の赤外線ガス分析計。