JP2004117322A

JP2004117322A - 赤外線ガス分析計

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Publication number: JP2004117322A
Application number: JP2002285064A
Authority: JP
Inventors: Hiroji Kamisaka; 上坂　博二; Toshiyuki Nomura; 野村　俊行; Kennosuke Kojima; 小島　建之助
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP4063626B2

Abstract

【課題】コンパクト構成でありながらも複数の測定対象成分を同時に精度よく測定することのできる赤外線ガス分析計を提供すること。
【解決手段】複数の測定対象成分を含んだサンプルガスＳが供給されるセル１と、このセル１に赤外光ＩＲを照射する赤外光源２と、前記セル１を透過した赤外光ＩＲのうち前記各測定対象成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長の赤外光を透過させる複数のバンドパスフィルタ１４ａ〜１４ｇと、これらのバンドパスフィルタ１４ａ〜１４ｇを透過した赤外光の強度をそれぞれ測定する複数の検出器１３ａ〜１３ｇを備え、前記複数の測定対象成分を同時に分析できるように構成された赤外線ガス分析計において、前記セル１として複数の相異なるセル長が形成された単一のセルを用いる一方、前記複数のバンドパスフィルタ１４ａ〜１４ｇおよび検出器１３ａ〜１３ｇを、それぞれが検出する測定対象成分の吸光度に応じて所定のセル長に対応するように配置した。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、赤外線ガス分析計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平２−１２４４４８号公報
従来より、特に冷蔵庫やクーラなどの冷却機に用いられる冷媒には、一般的にフロンガスが用いられている。フロンガスは旧冷媒のＣＦＣ系、ＨＣＦＣ系に加えて、新冷媒のＨＦＣ系があるが、オゾン層破壊や地球温暖化の問題があり、フロンガスの回収およびリサイクルが義務付けられている。また、リサイクルできないフロンガスについてはこれを確実に破壊することが求められている。
【０００３】
一方、新冷媒としては、代表的なフロン４１０Ａ、フロン４０７Ｃ、フロン４０４Ａ、フロン５０７Ａがあり、これらは、複数の単成分フロンガス〔フロン３２（Ｒ３２）、フロン１２５（Ｒ１２５）、フロン１３４ａ（Ｒ１３４ａ）、フロン１４３ａ（Ｒ１４３ａ）〕のうちの数種を所定の割合で混合した所謂混合冷媒である。
【０００４】そして、フロンガス濃度を測定する手段として、例えば、前記特許文献１に記載されているように、ＮＤＩＲ法に則ったガス分析計（赤外線ガス分析計）があり、この赤外線ガス分析計によれば前記混合冷媒に含まれる各冷媒成分の比率を分析するのにも用いることができることが分かっている。
【０００５】ところで、赤外線ガス分析計においては、その測定原理上、測定対象となるガス成分の吸光度に応じたセル長（光路長）を設定する必要がある。これは測定可能な感度を得るためおよび検量線の曲がりを所定の範囲内に抑えるためである。
そして、赤外線ガス分析計においては、サンプルガスに含まれている複数の測定対象成分を同時に分析するのにも広く用いられているが、このような場合、各測定対象成分の吸光度の大きさに差があり、このため、従来においては、例えば図５に示すように、同様構成の分析部ユニット５１，５２を複数（図示例では２つ）有する赤外線ガス分析計を用いて分析を行っていた。
【０００６】すなわち、図５において、５１，５２は分析部ユニットで、一方の分析部ユニット５１は、セル５１ａと、このセル５１ａの一方の窓５１ａ_１側に設けられる赤外光源５１ｂおよび光チョッパ５１ｃと、セル５１ａの他方の窓５１ａ_２側に設けられる検出部５１ｄとからなり、他方の分析部ユニット５２は、セル５２ａと、このセル５２ａの一方の窓５２ａ_１側に設けられる赤外光源５２ｂおよび光チョッパ５２ｃと、セル５２ａの他方の窓５２ａ_２側に設けられる検出部５２ｄとからなる。そして、一方の分析部ユニット５１のセル５１ａと他方の分析部ユニット５２のセル５２ａはサンプルガスＳが直列に供給されるように接続されている。また、分析部ユニット５１，５２のそれぞれの検出部５１ｄ，５２ｄには、それぞれ吸光度が似通った（近い）測定対象成分をそれぞれ検出するための検出器が設けられている。
【０００７】上記構成の赤外線ガス分析計によれば、セル５１ａ，５１ｂのそれぞれのセル長を、検出部５１，５２でそれぞれ検出される測定対象成分の吸光度に最適となるように設定することにより、複数の測定対象成分を最適の状態で分析することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構成の赤外線ガス分析計においては、同様構成の分析部ユニット５１，５２を複数（測定対象成分の組み合わせによっては３以上）設ける必要があるところから、装置全体の構成が大がかりとなるとともに、分析部ユニットが個別に形成されるところから、ドリフト補正などの補正も個々に行う必要があり、これらの補正ための作業や構成がそれだけ複雑になるといった欠点がある。
【０００９】この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、コンパクト構成でありながらも複数の測定対象成分を同時に精度よく測定することのできる赤外線ガス分析計を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、この発明では、複数の測定対象成分を含んだサンプルガスが供給されるセルと、このセルに赤外光を照射する赤外光源と、前記セルを透過した赤外光のうち前記各測定対象成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長の赤外光を透過させる複数のバンドパスフィルタと、これらのバンドパスフィルタを透過した赤外光の強度をそれぞれ測定する複数の検出器を備え、前記複数の測定対象成分を同時に分析できるように構成された赤外線ガス分析計において、前記セルとして複数の相異なるセル長が形成された単一のセルを用いる一方、前記複数のバンドパスフィルタおよび検出器を、それぞれが検出する測定対象成分の吸光度に応じて所定のセル長に対応するように配置したことを特徴としている（請求項１）。
【００１１】上記構成の赤外線ガス分析計においては、サンプルガスが供給されるセルとして、複数の相異なるセル長が形成された単一のセルを用いる一方、前記複数のバンドパスフィルタおよび検出器を、それぞれが検出する測定対象成分の吸光度に応じて所定のセル長に対応するように配置しているので、分析部が一つで済み、装置全体をコンパクトに構成することができるとともに、ドリフト補正などを容易に行うことができ、ランニングコストなども低減することができる。
【００１２】そして、前記一つのセル内に複数の相異なるセル長を形成するのに、セル内に赤外光透過性素材よりなるスペーサを設けてもよい（請求項２）。この場合、赤外線透過性素材よりなりその一部に赤外光通過孔が形成されたスペーサと、赤外光遮断性素材よりなり前記スペーサにおける赤外光通過孔に対応する箇所をも含むように赤外光通過孔が形成されたスペーサとを互いに重ね合わせるようにするのがよい。この構成によれば、スペーサの厚みがセル長となるので、セル長の設定（変更）を精度よく行うことができる。
【００１３】また、前記一つのセル内に複数の相異なるセル長を形成するのに、セルの相対向するセル窓を互いに一方的に傾斜するように設けてもよい（請求項３）。この場合、セル長としては段階的ではなく連続的に変化するものが得られる。
【００１４】さらに、複数の検出器を、それぞれが検出する測定対象成分の吸光度に応じてアレイ状に配列することもできる（請求項４）。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１〜図３は、この発明の一つの実施の形態を示している。そして、図１は、この発明の赤外線ガス分析計の構成の一例を概略的に示すもので、この実施の形態においては、混合冷媒を、冷媒成分ごとに測定することができるように構成したものを示している。図１において、１はサンプルガスＳが供給されるセルである。ここでは、サンプルガスＳは、混合冷媒である。なお、セル１の詳細な構造については後述する。
【００１６】２はセル１の一方の側に設けられ、赤外光ＩＲをセル１に向けて発する赤外光源、３はセル１と赤外光源２との間に介装される光チョッパで、モータ（図示していない）によって所定の方向に一定周期で回転する。そして、４は検出器部で、その詳細な構成については後述する。
【００１７】
次に、セル１の構成について、図２および図３を参照しながら詳しく説明する。このセル１は、図１に模式的に示すように、二つのセル長Ｌ_ａ，Ｌ_ｂを有するように構成されている。すなわち、図２はセル１の断面形状を示し、図３はこのセル１に組み込まれるスペーサの形状を示している。まず、図２において、５はセルブロックで、その外観形状は例えば直方体であり、ステンレス鋼など耐薬品性に優れた素材よりなり、内部に空間が形成されている。６ａ，６ｂはこのセルブロック５の一対の相対向する側面（図２中の矢印Ａ方向における側面）にそれぞれ形成されるサンプルガスＳの導入部、導出部で、互いに一直線となるように配置されている。７，８は前記Ａ方向と直交するＢ方向において互いに対向する面に形成されるセル窓で、一方のセル窓７が赤外光源２側に対応し、他方のセル窓８が検出器部４に対応するようにそれぞれ設けられる。これらのセル窓７，８は、Ｓｉなどの赤外線透過性の良好な素材よりなる。９は例えばステンレス鋼よりなる窓押さえ部材、１０は例えばエチレンプロピレンゴムなどよりなるシール部材である。なお、図２において、紙面に垂直な方向、つまり、Ａ方向およびＢ方向に垂直な方向をＣ方向（図３参照）というものとする。
【００１８】
前記セル窓７，８を装着した状態におけるセルブロック５の空間は、直方体で形状であり、対向するセル窓７，８間の長さ（セル長）は単一であるが、この実施の形態においては、以下のようにして、内部に二つ相異なるセル長Ｌ_ａ，Ｌ_ｂを有するセル空間５ａ，５ｂが形成される。すなわち、１１，１２は第１スペーサ、第２スペーサで、これらのスペーサ１１，１２は、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、その平面視形状（外形）は互いに等しく、長方形の平板よりなる。これらのスペーサ１１，１２は、互いに重ね合わせた状態で、前記セルブロック５内の空間を完全に隙間無く納まるように形成されている。
【００１９】より詳しくは、第１スペーサ１１は、例えばＳｉなどの赤外線透過性の良好な素材よりなる適宜厚さ（例えば０．５ｍｍ）の平板であって、図３（Ａ）に示すように、そのＡ方向の中間より右半分は、そのままの状態で赤外光透過部分１１ａとなっているが、前記中間より左半分には、平面視等脚台形状の貫通孔（赤外光通過孔）１１ｂが例えばエッチングなどの手法によって形成されている。
【００２０】また、第２スペーサ１２は、例えばステンレス鋼などの遮光性素材よりなる適宜厚さ（例えば０．４ｍｍ）の平板であって、同図（Ｂ）に示すように、そのＡ方向のほぼ全長にわたって貫通孔（赤外光通過孔）１２ｂが形成されている。この赤外光通過孔１２ｂは、第１スペーサ１１における等脚台形状の赤外光通過孔１１ｂと同じ大きさ（同形状）の孔１２ｂ_１，１２ｂ_２（孔１２ｂ_２は、孔１２ｂ_１と線対称）を線対称的に形成したものである。そして、この赤外光通過孔１２ｂの右側および左側には、矩形状の溝１２ｃ，１２ｄが形成されている。前記赤外光通過孔１２ｂおよび溝１２ｃ，１２ｄは、エッチングなどの手法によって形成される。なお、１２ａは第２スペーサ１２における光遮断部である。
【００２１】上述した形状の２つのスペーサ１１，１２を、図２に示すように、第１スペーサ１１が窓７（赤外光源２）側に、第２スペーサ１２が窓８（検出器部４）側になるようにして重ねてセルブロック５内に配置すると、セルブロック５のガス導入部６ａに近い側においては、第１スペーサ１１には赤外光通過孔はなく、第２スペーサ１２の赤外光通過孔１２ｂ_２のみが存在し、したがって、この赤外光通過孔１２ｂ_２によってセル空間５ａが形成され、そのセル長Ｌ_ａは第２スペーサ１２の厚み、すなわち、この実施の形態では０．４ｍｍとなる。一方、セルブロック５のガス導出部６ｂに近い側においては、第１スペーサ１１および第２スペーサ１２にそれぞれ赤外光通過孔１１ｂ，１２ｂ_１が存在するので、したがって、これらの赤外光通過孔１１ｂ，１２ｂ_１によってセル空間５ｂが形成され、そのセル長Ｌ_ｂは、両スペーサ１１，１２の厚みの合計、すなわち、この実施の形態では０．９ｍｍとなる。
【００２２】上述のように、セルブロック５の内部には、セル長Ｌ_ａ，Ｌ_ｂの異なる２つのセル空間５ａ，５ｂがサンプルガスＳの供給方向上流側から下流側にかけて段階的に形成されることになる。つまり、セルブロック５内には、図１および図２に示すように、ガス導入部６ａに近い上流側にセル長Ｌ_ａの短い空間（短セル部）５ａが形成され、ガス導出部６ｂに近い下流側にセル長Ｌ_ｂの長い空間（長セル部）５ｂが形成されることになる。
【００２３】そして、上述のように構成されたセル１のセル窓８に対向するように設けられた検出器部４の構成について、図１を参照しながら説明すると、この検出器部４は、二つの互いに光学的に並列配置された検出器ユニット４Ａ，４Ｂよりなり、短セル部５ａ、長セル部５ｂにそれぞれ対応するように設けられ、セル１に供給されるサンプルガスＳとしての混合冷媒が例えば７種類の冷媒成分からなる場合、当該７種類の冷媒成分を各別に検出することができるように構成されている。
【００２４】今、例えば前記７種類の冷媒成分の吸光度が、大きいものが３種類、小さいものが４種類であるとする。この場合、短セル部５ａに対応する検出器ユニット４Ａには、吸光度が比較的大きくしかも互いに似通った３つの冷媒成分を検出するために、３つの焦電検出器１３ａ，１３ｂ，１３ｃと３つのバンドパスフィルタ１４ａ，１４ｂ，１４ｃとが対をなすように、円周を３等分するように同心円上に配置されており、長セル部５ｂに対応する検出器ユニット４Ｂには、吸光度が比較的小さくしかも互いに似通った４つの冷媒成分を検出するために、４つの焦電検出器１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇと４つのバンドパスフィルタ１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇとが対をなすように、円周を４等分するように同心円上に配置されている。図１では、前記焦電検出器１３ａ〜１３ｃおよびバンドパスフィルタ１４ａ〜１４ｃ、および、焦電検出器１３ｄ〜１３ｇおよびバンドパスフィルタ１４ｄ〜１４ｇを、便宜上、一直線上に配置した状態で示している。
【００２５】なお、７つのバンドパスフィルタ１４ａ〜１４ｇは、７種類の冷媒成分の赤外吸収スペクトルに合わせて、透過する中心波長が所定の範囲になるように設定されていることはいうまでもない。
【００２６】そして、前記検出器部４の出力は、各冷媒成分の濃度演算（成分比率演算）を行う演算制御装置（例えばパソコン）に入力されるように構成されている。
【００２７】上記構成の赤外線ガス分析計においては、セル１として部分的にセル長を変化されたものを用いているので、単一の分析部ユニットを構成すればよく、装置全体をコンパクトに構成することができるとともに、ドリフト補正などを容易に行うことができ、ランニングコストなども低減することができる。そして、サンプルガスＳ中に複数の測定対象成分が含まれていても、当該複数の測定対象成分を各別に検出するための検出器１３ａ〜１３ｇと複数のバンドパスフィルタ１４ａ〜１４ｇとをそれぞれ対をなすように、しかも、それぞれが検出する測定対象成分の吸光度に応じて所定のセル長に対応するように配置している。すなわち、それぞれが検出する測定対象成分の吸光度が大きいものが短セル部５ａに対応し、前記吸光度が小さいものが長セル部５ｂに対応するように配置しているので、複数の測定対象成分を各別に測定するに際して、測定に必要な感度を得ることができるとともに、検量線の曲がりが所定の範囲内に抑制され、複数の測定対象成分をそれぞれに適した好ましい状態で各別に測定することができる。
【００２８】そして、上記実施の形態においては、サンプルガスＳをセル１内に導入する場合、当該サンプルガスＳを狭い側（短セル５ａ側）から導入し、次いで、広い側（長セル５ｂ側）に流れる）ようにしているので、セル１内においてサンプルガスＳが確実に拡散し、赤外光源２からの赤外光ＩＲの照射を確実に受けることができる。また、セル１内からスムーズに排出される。
【００２９】上述の実施の形態においては、セルブロック５内に、赤外線透過性素材よりなりその一部に赤外光通過孔１１ｂが形成されたスペーサ１１と、赤外光遮断性素材よりなりスペーサ１１における赤外光通過孔１１ｂに対応する箇所をも含むように赤外光通過孔１２ｂが形成されたスペーサ１２とを互いに重ね合わせることにより、セルブロック５内に２つの相異なるセル長Ｌ_ａ，Ｌ_ｂを有する空間を形成していたが、スペーサの積層数を増やすことにより、３以上の相異なるセル長を有する空間を形成することもできる。このように構成したセル１においては、スペーサの厚みがセル長となるので、セル長の設定（変更）を精度よく行うことができる。
【００３０】図４はこの発明の他の実施の形態を示すもので、この実施の形態においては、セル１におけるセル窓７，８を互いに平行ではなく、例えばセル窓８を傾けて配置し、セル窓７，８が一方的に傾斜するようにして、セル窓７，８間の距離、すなわち、セル長が連続的に変化するように構成してもよい。また、検出器部４としては、同図に示すように、それぞれバンドパスフィルタ付きの７つの検出器１５ａ〜１５ｇをアレイ状に形成したものを用いてもよい。この場合、バンドパスフィルタ付きの検出器１５ａ〜１５ｇは、それぞれが検出する測定対象成分の吸光度に応じて所定のセル長に対応するように配置され、それぞれが検出する測定対象成分の吸光度が大きいものがセル長の短い部分に対応し、前記吸光度が小さいものがセル長の大きい部分に対応するように配置されることはいうまでもない。
【００３１】そして、図１〜図３に示した実施の形態において、検出器部４を図４における検出器部と同様に構成してもよく、また、図４に示した実施の形態において、検出器部４を図１および図２に示した検出器部と同様に構成してもよい。
【００３２】さらに、上記実施の形態においては、赤外線ガス分析計として、光チョッパ３を赤外光源２とセル１との間に設けていたが、これに代えて、光チョッパ３をセル１と検出器部４との間に設けてもよい。そしてさらに、次のように構成してもよい。すなわち、赤外光源２を例えば薄膜光源とし、これに断続的に電力を供給して赤外光源２から赤外光ＩＲを断続的に発するようにしてもよい。このように構成した赤外線ガス分析計においては、機械的作動部分がなくなるとともに、構成がよりコンパクト化される。
【００３３】なお、この発明の赤外線ガス分析計は、上記混合冷媒の成分比率分析のみならず、各種のガス分析に広く用いることができるのは言うまでもない。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の赤外線ガス分析計によれば、コンパクトな構成でありながらも複数の測定対象成分を同時に精度よく測定することができ、各種のガス分析に広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の赤外線ガス分析計の構成の一例を概略的に示すものである。
【図２】前記赤外線ガス分析計のセルの断面形状を示す図である。
【図３】前記セルに組み込まれるスペーサの形状を示す図である。
【図４】セルおよび検出器部の構成の他の例を示す概略断面図である。
【図５】従来技術を説明するための図である。
【符号の説明】１…セル、２…赤外光源、５ａ…短セル部、５ｂ…長セル部、７，８…セル窓、１１…スペーサ、１１ｂ…赤外光通過孔、１２…スペーサ、１２ｂ…赤外光通過孔、１３ａ〜１３ｇ…検出器、１４ａ〜１４ｇ…バンドパスフィルタ、ＩＲ…赤外光、Ｌ_ａ，Ｌ_ｂ…セル長、Ｓ…サンプルガス。

Claims

複数の測定対象成分を含んだサンプルガスが供給されるセルと、このセルに赤外光を照射する赤外光源と、前記セルを透過した赤外光のうち前記各測定対象成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長の赤外光を透過させる複数のバンドパスフィルタと、これらのバンドパスフィルタを透過した赤外光の強度をそれぞれ測定する複数の検出器を備え、前記複数の測定対象成分を同時に分析できるように構成された赤外線ガス分析計において、前記セルとして複数の相異なるセル長が形成された単一のセルを用いる一方、前記複数のバンドパスフィルタおよび検出器を、それぞれが検出する測定対象成分の吸光度に応じて所定のセル長に対応するように配置したことを特徴とする赤外線ガス分析計。
一つのセル内に複数の相異なるセル長を形成するのに、前記セル内に赤外光透過性素材よりなるスペーサを設けてなる請求項１に記載の赤外線ガス分析計。
一つのセル内に複数の相異なるセル長を形成するのに、前記セルの相対向するセル窓を互いに一方的に傾斜するように設けてなる請求項１に記載の赤外線ガス分析計。
複数の検出器を、それぞれが検出する測定対象成分の吸光度に応じてアレイ状に配列してなる請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線ガス分析計。