JP2005043255A

JP2005043255A - 赤外線ガス分析計用光源

Info

Publication number: JP2005043255A
Application number: JP2003278524A
Authority: JP
Inventors: Kennosuke Kojima; 建之助小島; Hiroji Kamisaka; 博二上坂
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】効率のよいチョッピング光を得ることのでき、赤外線ガス分析計に組み込んだ場合、所望の測定を高感度、高精度で行わせることのできる赤外線ガス分析計用光源を提供すること。
【解決手段】サンプルガスＳが供給されるセル２に対して赤外光ＩＲをパルス的に照射するための赤外線ガス分析計用光源７において、前記光源が、その発光時の立ち上がり応答および消光時の立ち下がり応答がともに速く、かつその点滅の振幅が大きい赤外光を発するようにした。
【選択図】図２

Description

この発明は、赤外線ガス分析計に組み込まれる光源、特に、サンプルガスが供給されるセルに対して赤外光をパルス的に照射するための赤外線ガス分析計用光源に関する。

特開平８−２８５７７３号公報

赤外線ガス分析計は、例えば大気中や自動車排ガス中に含まれるＣＯやＣＯ₂など特定のガス濃度の測定を始め、各種の分野において広く用いられている。このような赤外線ガス分析計の一つに、サンプルガスが供給されるセルに対して、赤外光源に断続的に電力を供給することにより、赤外光をパルス的に照射するようにした、所謂点滅式赤外線ガス分析計がある。このような点滅式赤外線ガス分析計は、機械的なチョッパーを用いることなく、また、セルに対してサンプルガスとリファレンスガスとを交互に供給して流体変調を行うことなく、検出器から所望の交流信号を得ることができるので、例えば、特開平８−２８５７７３号公報に示されるように、赤外線ガス分析計を小型に形成できるといった利点がある。

ところで、上記点滅式赤外線ガス分析計においては、従来、その光源の点灯制御は、図５に示すように、赤外光源としてのフィラメント４１の一端に、例えば５Ｖ電源４２を接続するとともに、フィラメント４１の他端に、電流制限用抵抗４３とスイッチング素子としてのトランジスタ４４とを直列に接続し、トランジスタ４４のベースに対する制御信号４５として、図６（Ａ）に示すような矩形状のパルス電源４５を与えることにより、フィラメント４１に断続的に電力を供給し、所望の赤外光ＩＲをパルス的に発生させるようにしていた。

しかしながら、上記のように、矩形状のパルス電源４５を用いた場合、図６（Ｂ）において符号４６で示すような赤外放射エネルギーを有する赤外光ＩＲしか発生しない。すなわち、この赤外光ＩＲは、図６（Ｂ）に示すように、赤外光源４１の発光時の立ち上がり応答および消光時の立ち下がり応答のいずれもが遅く、また、赤外光源４１の出力における振幅Ａも前記波形４６で示すように小さく、したがって、前記赤外線ガス分析計における測定感度として必ずしも十分ではなく、これに伴って高精度な測定を行えないことがあった。

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、効率のよいチョッピング光を得ることのでき、赤外線ガス分析計に組み込んだ場合、所望の測定を高感度、高精度で行わせることのできる赤外線ガス分析計用光源（以下、赤外光源という）を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明は、サンプルガスが供給されるセルに対して赤外光をパルス的に照射するための赤外線ガス分析計用光源において、前記光源が、その発光時の立ち上がり応答および消光時の立ち下がり応答がともに速く、かつその点滅の振幅が大きい赤外光を発するようにしてなることを特徴としている（請求項１）。

より具体的には、この発明は、サンプルガスが供給されるセルに対して赤外光をパルス的に照射するための赤外線ガス分析計用光源において、前記光源を点滅させるためのパルス電源として、その電圧が、発光低位時においては０Ｖよりも高く、次いで、発光立ち上がり部が最も高くなり、その後、発光高位時においては前記発光低位時の電圧よりも高く、さらに、消光時においては前記発光低位時における電圧よりも低くなるように変化するものを用いることを特徴としている（請求項２）。

上記特徴的構成よりなる赤外光源においては、その発光時の立ち上がり応答および消光時の立ち下がり応答がともに速くなるとともに、点滅の振幅が従来に比べて大きくなる。したがって、このような大きな赤外放射エネルギーを有する赤外光源を用いた赤外線ガス分析計においては、チョッピング効率が向上し、測定感度として十分大きなものが得られ、所望の測定を高精度に行うことができる。

図１〜３は、この発明の一つの実施例を示すものである。まず、図１は、この発明の赤外光源を組み込んだ赤外線ガス分析計１の構成を概略的に示すもので、この図において、２は筒状のサンプルセルで、その両端部には赤外透過性のセル窓３，４が設けられるとともに、サンプルガスＳの導入口５および導出口６が形成されている。そして、サンプルセル２の一方のセル窓３側には、サンプルセル２内のサンプルガスＳに対して赤外光ＩＲを照射するための赤外光源７が設けられており、７ａはそのフィラメントである。そして、８はこの赤外光源７を制御する光源制御部である。なお、この光源制御部８から出力されるパルス電源については後述する。

また、サンプルセル２の他方のセル窓４側には、サンプルセル２内を通過してきた赤外光ＩＲが入射する検出部９が設けられている。この検出部９は、例えば、二つのパイロセンサ１０Ｓ，１０Ｒが互いに並列的に設けられるとともに、それぞれのパイロセンサ１０Ｓ，１０Ｒの赤外光入射側には、測定対象成分（ガス）の特性吸収帯域の赤外光のみを通過させるバンドパスフィルタからなる測定用フィルタ１１Ｓ、前記測定対象成分の特性吸収帯域に吸収特性を持たない赤外光を通過させるバンドパスフィルタからなる比較用フィルタ１１Ｒが設けられ、一方のパイロセンサ９Ｓを測定用検出器とし、他方のパイロセンサ９Ｒを比較用検出器としてなるものである。

上記構成の赤外線ガス分析計１においては、光源制御部８から以下に述べるようなパルス電源を赤外光源７のフィラメント７ａに与えることにより、フィラメント７ａに断続的に電力が供給され、所望の赤外光ＩＲがパルス的に発生する。このパルス的に発生した赤外光ＩＲがセル内に供給されているサンプルガスＳを照射する。そして、このサンプルガスＳを照射した赤外光ＩＲは検出部９の測定用検出器１０Ｓ、比較用検出器１０Ｒに入射し、これら両検出器１０Ｓ，１０Ｒの例えば差に基づいて、サンプルガスＳに含まれる測定対象成分の濃度を得ることができる。

そして、この発明の赤外光源７においては、図２において符号１３で示すようなパルス電源をフィラメント７ａに供給することにより、発光時の立ち上がり応答および消光時の立ち下がり応答がともに速くなるとともに、その赤外線出力波形における点滅の振幅が従来に比べて大きいなるように発光する。以下、これについて、図２および図３をも参照しながら詳細に説明する。

すなわち、この実施例においては、光源制御部８から、図２の上段に実線で示すような形状を有するパルス状の電源１３が出力される。すなわち、このパルス電源１３は、図２（Ａ）に示すように、発光低位部ａ、発光立ち上がり部ｂ、発光高位部ｃおよび消光立ち下がり部ｄからなるパルス状となっている。より詳しくは、フィラメント７ａの抵抗値が例えば４．４Ωとする。このとき、発光低位部ａは、０Ｖよりも高い電圧、例えば、１Ｖ、７０ｍｓ（ミリセカンド）に保持される。従来においては、この部分ａは０Ｖであったが、この実施例においては、０Ｖよりも高い電圧に保持されている。これは、以下の理由による。

すなわち、下記式で示されるステファン・ボルツマンの法則に示されるように、赤外発光体の点滅温度幅（図３における符号ｔ₁，ｔ₂）が同じであれば、発光低位時ａの絶対温度Ｔが高い方が赤外放射エネルギーの差は、温度Ｔの４乗に比例して増えるからである。つまり、この図３では、時間区間ｔ₁，ｔ₂が互いに等しい場合、ｈ₂＞ｈ₁となっている。
Ｗ＝σＴ⁴
Ｗ：単位面積当たりの全放射エネルギー（Ｗ／ｃｍ²）
σ：ステファン・ボルツマン定数（５．６７×１０¹²Ｗ／ｃｍ²・Ｋ^-4）
Ｔ：発光体の絶対温度（Ｋ）

そして、発光時の立ち上がりを速くするために、発光立ち上がり部ｂは、発光高位部ｃよりも高くなるように、例えば１０Ｖ、３０ｍｓに設定される。また、発光高位部ｃは、例えば４Ｖ、７０ｍｓに設定される。さらに、消光時の立ち下がりを速くするために、消光立ち下がり部ｄは、発光低位部ａより低く、例えば、０Ｖ、３０ｍｓに設定される。

上記ａ〜ｄの４つの部位をこの順で繰り返すパルス電源１３をフィラメント７ａに対して印加することにより、フィラメント７ａからは、図２の中段において実線で示すような出力波形（赤外放射エネルギー）１４を有する赤外光ＩＲが発せられる。このような出力波形１４で示される赤外光ＩＲは、同図の下段において仮想線で示すパルス電源４５を印加したときの従来の赤外光ＩＲ（同図の中段において仮想線４６で示す）に比べて、発光時の立ち上がり応答および消光時の立ち下がり応答がともに速く、しかも、その振幅Ｂが仮想線４６で示す従来の赤外光ＩＲの振幅Ａに比べてかなり大きいことが分かる。したがって、このような大きな赤外放射エネルギーを有する赤外光源７を用いた赤外線ガス分析計１においては、チョッピング効率が向上し、測定感度として十分大きなものが得られ、所望の測定を高精度に行うことができる。

なお、上述の実施例においては、パルス電源１３は、前記各部ａ〜ｄが直流的に変化するものであったが、この発明はこれに限られるものではなく、例えば、パルス電源１３として、前記各部ａ〜ｄが図４に示すように、高周波（例えば周波数１００ｋＨｚ）的に変化するものであってもよく、このようなパルス電源１３においては、その通電のデューティを変えるだけで、光源７に供給される電力を容易に調整することができるとともに、光源７における消費電力を少なくすることができる。

そして、上記いずれのパルス電源１３においても、各部ａ〜ｄの電圧の大きさや持続時間の長さを必要に応じて適宜の値に設定することができることは言うまでもない。

この発明の赤外光源を組み込んだ赤外線ガス分析計の一例を概略的に示す図である。この発明の動作説明図で、上段に赤外光源を駆動するパルス電源の波形の一例を模式的に示し、中段に赤外光源が発する赤外光の出力波形を実線で模式的に示すとともに、中段に従来の赤外光源が発する赤外光の出力波形を仮想線で模式的に示し、下段に従来のパルス電源の波形を模式的に示している。赤外発光体の点滅温度幅と赤外放射エネルギーとの関係を説明するための図である。赤外光源を駆動するパルス電源の波形の他のを例模式的に示す図である。赤外光源を駆動する回路の一例を示す図である。従来技術を説明するための図で、（Ａ）は従来のパルス電源の波形例を示す図、（Ｂ）は赤外光の強度を模式的に示す図である。

符号の説明

１赤外線ガス分析計
２セル
７赤外光源
１３パルス電源
Ｓサンプルガス
ＩＲ赤外光
ａ発光低位部
ｂ発光立ち上がり部
ｃ発光高位部
ｄ消光立ち下がり部

Claims

サンプルガスが供給されるセルに対して赤外光をパルス的に照射するための赤外線ガス分析計用光源において、前記光源が、その発光発光時の立ち上がり応答および消光時の立ち下がり応答がともに速く、かつその点滅の振幅が大きい赤外光を発するようにしてなることを特徴とする赤外線ガス分析計用光源。
サンプルガスが供給されるセルに対して赤外光をパルス的に照射するための赤外線ガス分析計用光源において、前記光源を点滅させるためのパルス電源として、その電圧が、発光低位時においては０Ｖよりも高く、次いで、発光立ち上がり部が最も高くなり、その後、発光高位時においては前記発光低位時の電圧よりも高く、さらに、消光時においては前記発光低位時における電圧よりも低くなるように変化するものを用いることを特徴とする赤外線ガス分析計用光源。