JP2005098778A - 赤外線ガス分析計 - Google Patents

Abstract

【課題】 電源電圧、或いは封入ガスの濃度変化などに起因する赤外光源の出射パワーの遥動、光セクタの周期揺らぎに起因する出力遥動に基づく変動影響を低減させる。
【解決手段】 赤外線ガス分析計は被分析ガスを含む試料ガス中を通過した測定光線が入射する第１受光室と比較光線路に配置され赤外線吸収を実質的に受けない比較光線が入射する第２受光室と、第１、２受光室を連通するガス通路とガス通路内に配置されたフローセンサと、第１、２受光室内に被分析ガスと同種類のガスを充填すると共に測定光線及び比較光線を周期的に断続して第１及び第２受光室内に入射させその際に生じる第１、２受光室内の圧力変動に基づくガス通路内のガスの流れを前記フローセンサで検出するガス吸収信号検出手段と第１、２受光室に入射された比較光線の出射パワーを計測する赤外センサを設け赤外センサの信号に基づいてガスセル信号の変動分を補償する補償手段と備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線ガス分析計に関し、詳しくは非分散型赤外線ガス分析計の赤外光線の揺らぎに起因するガスセル信号の変動分を補償する補償手段を備えた赤外線ガス分析計に関するものである。

従来技術における赤外線ガス分析計は、図３及び図４に示すように、赤外線を発生させるための電源１１と、赤外線を出射させる赤外線光源１２と、この赤外線光源１２から発せられた赤外線光束を周期的に同時に、若しくは交互に断続させるモータ１３で回転駆動される光セクタ１４と、光セクタ１４で断続されている赤外線光束を分配する分配セル１５と、分配セル１５の一方側に接続され測定光線を案内して測定光線路１６ａを形成する測定側セル１６と、分配セル１５の他方側に接続され比較光線を案内して比較光線路１７ａを形成する比較側セル１７と、測定側セル１６及び比較側セル１７の出力側に配置され、両者の光線を受け入れる第１及び第２受光室を持つガスセル検出器１８と、第１及び第２受光室間での変動を検出するフローセンサ２８からの信号を検出するガス吸収信号検出部２０と、から大略構成されている。

測定側セル１６は、両端に光透過窓２２ａ、２２ｂが設けられ、導管２３ａ、２３ｂを介して被分析ガスを含む試料ガスが矢印方向に導かれている。測定光線はこの測定側セル１６において被分析ガスの濃度に応じて赤外線吸収を受ける。
比較側セル１７は、測定側セル１６と同じく、その両端に光透過窓２４ａ、２４ｂが設けられ、赤外線に対して吸収作用を持たないガス、例えば、窒素ガスが封入されている。
ガスセル検出器１８は、第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂを設け、それぞれに光透過窓２６ａ、２６ｂを有しており、しかもガス通路２７によって連通されている。第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂには試料ガス中の分析ガスと同種類のガスが充填されている。この充填ガスは被分析ガス自身であっても、又、被分析ガスと窒素ガスとの混合ガスであってもよい。ガス通路２７は、第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂに比べて狭い通路で形成され、その通路中央部にガスの流れの中に、温度に敏感で電気的良導体よりなるフローセンサ２８が配置されている。

このような構成からなる赤外線ガス分析計において、先ず、赤外線光源１２からの赤外光線の赤外光パワーＩｏが、測定側と比較側の２光束（それぞれＩｏ／２）に分配セル１５で分岐するダブルビーム光学系の構成となっている。

測定側の測定光線である赤外光Ｉｏ／２は、測定ガスが充満した測定側セル１６内で測定ガス分子による赤外吸収を受けた後、ガスセル検出器１８の第１受光室２５ａに入射する。測定側セル１６における吸収率をαとし、他部における損失が無いと仮定して、ガスセル検出器１８の第１受光室２５ａに到達する赤外光量Ｉｍｅａｓは、次に示す式で得ることができる。
Ｉｍｅａｓ＝Ｉｏ／２・（１−α）・・・・・・（１）

比較側の比較光線である赤外光Ｉｏ／２は、ガス吸収が起きない窒素などの赤外不活性ガスが封入された比較側セル１７を通過し、ガスセル検出器１８の第２受光室２５ｂに入射し、その時の赤外光量Ｉｒｅｆは、次に示す式で得ることができる。
Ｉｒｅｆ＝Ｉｏ／２・・・・・・（２）

測定側セル１６と比較側セル１７の両赤外光束を同時に断続する光セクタ１４を用いることにより、ガスセル検出器１８の第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂに到達した赤外光量に応じ同時にガス膨張が起きる。
その両室間をつなぐガス通路２７の両端の差圧ΔＰに注目すると、差圧ΔＰは測定側セル１６及び比較側セル１７で吸収した赤外光量の差ΔＩに対応した量となり、上記式（１）及び式（２）から、次の式を得ることができる。
ΔＰ∝ΔＩ＝Ｉｒｅｆ−Ｉｍｅａｓ＝Ｉｏ／２・α・・・・・・（３）

第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂ間のガス通路２７の差圧ΔＰは、測定側セル１６のガス吸収量に対応することがわかる。ガス通路２７に流量センサ（フローセンサ）２８を配置すれば、測定側セル１６内の赤外吸収量に対応した流量信号を得ることができる。

特公昭５２−３９３１４号公報（第２頁〜３頁 第３図）

しかしながら、従来技術で説明した赤外線光源の出射パワーは、周囲温度の変動や、分析計の姿勢による光源周辺の対流による変動の影響を受けやすく、また、赤外線光源の電源変動によっても変動を引き起こす。
又、時間軸で考えると光セクタ１４による断続時間の開閉時間で発生する揺らぎの存在で、時間平均した出射パワーが変動するという問題がある。
この点につき、以下のデータは、赤外線光源１２からの出射パワーが変動していることを示すデータである。これは、赤外線ガス分析計を稼動させ、各部の表面温度の揺らぎをＫ熱電対で計測したものである。

＜１＞光源 ；７５．４℃±０．１℃
＜２＞光セクタ ；５６．６℃±０．１℃
＜３＞分配セル ；４８．８℃±０．１℃
＜４＞比較側セル ；３６．１℃±０．１℃
＜５＞測定側セル ；３７．１℃±０．１℃
＜６＞ガスセル検出器の比較側外壁；３５．３℃±０．１℃
＜７＞ガスセル検出器の測定側外壁；３５．３℃±０．１℃
＜８＞測定側セルの赤外吸収板 ；３６．３℃〜３６．６℃の間を揺動

このデータからみて測定側セル１６の赤外吸収板の温度を除いて、概ね±０．１℃以下（計測精度以下）で安定しているが、赤外吸収板のみ０．３℃の幅で揺らぐ現象が観察された。赤外吸収板は、ガスセル検出器に到達する赤外光量を吸収して、温度に変換し、その変動量を観測する目的で設置したものである。従って、赤外吸収板の温度変動は赤外線光源からの出射パワー変動を示す。
この赤外線光源からの出射パワー変動は、上記の式（３）により、光量差ΔＩが赤外線光源の出射パワーに直接関係し、赤外線光源の出射パワーＩｏの揺らぎが赤外線ガス分析計の出力に大きく影響していることがわかる。

従って、光源揺らぎや光セクタの断続時間の揺らぎによる出力変動を、赤外線光源からの出射パワーの変動を検出して補償し得る方式を提供することに解決しなければならない課題を有する。

上記課題を解決するために、本発明の赤外線ガス分析計は、次に示す構成にすることである。

（１）赤外線ガス分析計は、測定光線路に配置され、赤外線吸収を行う被分析ガスを含む試料ガス中を通過した測定光線が入射する第１受光室と、比較光線路に配置され、赤外線吸収を実質的に受けない比較光線が入射する第２受光室と、前記第１及び第２受光室を連通するガス通路と、前記ガス通路内に配置されたフローセンサと、前記第１及び第２受光室内に前記被分析ガスと同種類のガスを充填すると共に、前記測定光線及び比較光線を周期的に断続して前記第１及び第２受光室内にそれぞれ入射させ、その際に生じる前記第１及び第２受光室内の圧力変動に基づく前記ガス通路内のガスの流れを前記フローセンサで検出するガス吸収信号検出手段と、前記第２受光室に入射された比較光線の出射パワーを計測する赤外センサを設け、該赤外センサの信号に基づいて前記ガス吸収信号検出手段のガスセル信号の変動分を補償する補償手段と、を備えたことである。
（２）前記測定光線路と比較光線路とが単一の赤外線光源からの赤外線を分配セルで分配されて形成されたダブルビーム光学系で構成されていることを特徴とする（１）に記載の赤外線ガス分析計。

（３）赤外線ガス分析計は、測定光線路に配置され、赤外線吸収を行う被分析ガスを含む試料ガス中を通過した測定光線が入射する第１受光室と、比較光線路に配置され、赤外線吸収を実質的に受けない比較光線が入射する第２受光室と、前記第１及び第２受光室を連通するガス通路と、前記ガス通路内に配置されたフローセンサと、前記第１及び第２受光室内に前記被分析ガスと同種類のガスを充填すると共に、前記測定光線及び比較光線を周期的に断続して前記第１及び第２受光室内にそれぞれ入射させ、その際に生じる前記第１及び第２受光室内の圧力変動に基づく前記ガス通路内のガスの流れを前記フローセンサで検出するガス吸収信号検出手段と、前記第２受光室に入射された比較光線の出射パワーを吸収して上昇する温度を検出する温度センサを設け、該温度センサの信号に基づいて前記ガス吸収信号検出手段のガスセル信号の変動分を補償する補償手段と、を備えたことである。
（４）前記測定光線路と比較光線路とが単一の赤外線光源からの赤外線を分配セルで分配されて形成されたダブルビーム光学系で構成されていることを特徴とする（３）に記載の赤外線ガス分析計。

本発明の赤外線ガス分析計は、赤外線光源の出射パワーの変動及び光セクタの周期揺らぎに起因する出力揺動をガスセル検出器に入射される赤外線による温度、或いは赤外線の出射パワーに基づいて、ガスセル検出器で測定する流量信号を補償するようにしたことで、電源電圧、或いは封入ガスの濃度変化などに起因する赤外線光源の出射パワーの遥動、光セクタの周期揺らぎに起因する出力遥動による変動影響を低減させた赤外線ガス分析計を提供できる。

以下、本発明に係る赤外線ガス分析計の最良の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、従来技術で説明したものと同じものには同一符号を付与して説明する。

本願発明の赤外線ガス分析計は、図1及び図２に示すように、赤外線を発生させるための電源１１と、赤外線を出射させる赤外線光源１２と、この赤外線光源１２から発せられた赤外線光束を周期的に同時に、若しくは交互に断続させるモータ１３で回転駆動される光セクタ１４と、光セクタ１４で断続されている赤外線光束を分配する分配セル１５と、分配セル１５の一方側に接続され測定光源として案内して測定光線路１６ａを形成する測定側セル１６と、分配セル１５の他方側に接続され比較光源として案内して比較光線路１７ａを形成する比較側セル１７と、測定側セル１６及び比較側セル１７の出力側に配置され、両者の光線を受け入れる第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂを持つガスセル検出器１８と、ガスセル検出器１８に設けた入射した比較光線の入射パワーを計測する赤外センサ２９を備え、この赤外センサ２９からの信号に基づいて補償信号を生成する補償信号生成部１９と、第１及び第２受光室間での圧力変動を検出するフローセンサ２８からの信号を検出するガス吸収信号検出部２０と、ガス吸収信号検出部２０によるガス吸収信号を補償信号生成部１９からの補償信号にもとづいて補償するガス吸収信号補償部２１とからなる。

測定側セル１６は、両端に光透過窓２２ａ、２２ｂが設けられ、導管２３ａ、２３ｂを介して被分析ガスを含む試料ガスが矢印方向に導かれている。測定光線はこの測定側セル１６において被分析ガスの濃度に応じて赤外線吸収を受ける。
比較側セル１７は、測定側セル１６と同じく両端に光透過窓２４ａ、２４ｂが設けられ、赤外線に対して吸収作用を持たないガス、例えば、窒素ガスが封入されている。
ガスセル検出器１８は、特に図２に示すように、第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂを設け、それぞれに光透過窓２６ａ、２６ｂを有しており、しかもガス通路２７によって連通されている。第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂには試料ガス中の分析ガスと同種類のガスが充填されている。この充填ガスは被分析ガス自身であっても、又、被分析ガスと窒素ガスなど赤外吸収を起こさないガスとの混合ガスであってもよい。ガス通路２７は、第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂに比べて狭い通路で形成され、その通路中央部にガスの流れ方向に直交するように温度に敏感で電気的良導体よりなるフローセンサ２８が配置されている。フローセンサ２８は、第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂの圧力変動により動くガスの流れを検出する感熱抵抗素子等で形成されており、流量センサ或いは差圧検出センサとして機能する。
又、第２受光室２５ｂの一部、実施例においてガス通路２７から最も離れた内壁位置に赤外線光源からの比較光線の出射パワーを計測する赤外センサ２９を備えた構成になっている。

このような構成からなる赤外線ガス分析計において、先ず、赤外線光源１２から発せられた赤外線光束が光セクタ１４によって周期的に同時に、若しくは交互に断続される。その断続された赤外線光束は、分配セル１５によって分配され、一方の赤外線光束は測定光線として測定側セル１６に案内され、又、他方の分配セル１５で分配された赤外線光束は比較光線として比較側セル１７に案内される。
測定側セル１６には、光透過窓２２ａ、２２ｂが設けられ、導管２３ａ、２３ｂを介して被分析ガスを含む試料ガスが矢印方向に導かれている。測定光線は、この測定側セル１６においてその被分析ガスの濃度に応じて赤外線吸収を受ける。又、比較側セル１７には同様に光透過窓２４ａ、２４ｂが設けられ、赤外線に対して吸収作用を持たないガス、例えば、窒素ガスが封入されている。
測定側セル１６を通過した測定光線及び比較側セル１７を通過した比較光線は、それぞれ第１受光室２５ａ及び第２受光室２５ｂに案内される。
第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂにはそれぞれ光透過窓２６ａ、２６ｂを有しており、しかもガス通路２７によって連通されている。この第１及び第２受光室２６ａ、２６ｂには試料ガス中の被分析ガスと同種類のガスが充填されている。
第１受光室２５ａには光透過窓２６ａを介して測定光線が入射し、又、第２受光室２５ｂには光透過窓２６ｂを介して比較光線が入射する。
その結果、測定側セル１６に導かれる試料ガス中の被分析ガスの含有量に基づき、両方の第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂ内には光セクタ１４の周期と同期した周期的な圧力変動が発生する。この圧力変動による流れは、ガスの流れの方向に直交する方向に配置されているフローセンサ２８によって検出される。

さて、ここで、フローセンサ２８によって、ガス通路２７内のガスの流れを検出して測定側セル１６に導かれている被分析ガスの含有量を算出するわけであるが、この測定側セル１６内での赤外線吸収と、ガス通路２７内での圧力変動によるガスの流れの関係は、上記従来技術で説明した式（１）、（２）、（３）を参照して説明したものと同じく、第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂ間のガス通路２７の差圧ΔＰが測定側セル１６のガス吸収量に対応することから、ガス通路２７にフローセンサ２８を配置すれば、測定側セル１６内の赤外吸収量に対応した流量信号を得ることができる。

この第１及び第２受光室２５ａ、２５ｂに入射される赤外光線は、その入射パワーによって、揺らぎが生じるため、実施例において第２受光室２５ｂに入射された比較光線の入射パワーを測定する赤外センサ２９に基づいて補償信号生成部１９で補償信号を生成する。この補償信号は、ガス吸収信号補償部２１に入力され、ガス通路２７内に設けたフローセンサ２８に基づくガス吸収信号を赤外光線の揺らぎに起因する変動分を補償して、補償された信号を出力することで、赤外光線の出射パワーの変動、即ち、電源電圧或いは封入ガスの濃度変化などに起因する出力揺動や、光セクタの周期揺らぎ（ジッタ）に起因する出力揺動に基づく変動影響を低減できるのである。

ここで、実施例においては、赤外光線の揺らぎを入射パワーを測定する赤外センサ２９で検出するようにしたがこれに限定されることなく、赤外センサ２９のかわりに、第２受光室２５ｂに赤外光線を吸収することに基づく温度上昇を検出する温度センサを設置するようにしてもよい。
そして、この温度センサからの信号を補償信号としてフローセンサ２８で検出した赤外吸収信号を補償することで、赤外光線の揺らぎに起因する出力揺動に基づく変動影響を低減できるのである。

赤外光線の出射パワーの変動及び光セクタの周期揺らぎに起因する出力揺動をガスセル検出器に入射される赤外線による温度、或いは赤外線の出射パワーに基づいて、ガスセル検出器で測定するガス吸収信号（流量信号）を補償するようにしたことで、電源電圧、或いは封入ガスの濃度変化などに起因する赤外光源の出射パワーの遥動や、光セクタの周期揺らぎに起因する出力遥動に基づく変動影響を低減させることが可能な赤外線ガス分析計を提供できる。

本願発明に係る赤外線ガス分析計の構成を略示的に示した説明図である。 同、ガスセル検出器の構造を示したものである。 従来技術における赤外線ガス分析計の構成を略示的に示した説明図である。 同、従来技術におけるガスセル検出器の構造を示したものである。

符号の説明

１１ 電源
１２ 赤外線光源
１３ モータ
１４ 光セクタ
１５ 分配セル
１６ 測定側セル
１７ 比較側セル
１８ ガスセル検出器
１９ 補償信号生成部
２０ ガス吸収信号検出部
２１ ガス吸収信号補償部
２２ａ 光透過窓
２２ｂ 光透過窓
２３ａ 導管
２３ｂ 導管
２４ａ 光透過窓
２４ｂ 光透過窓
２５ａ 第１受光室
２５ｂ 第２受光室
２６ａ 光透過窓
２６ｂ 光透過窓
２７ ガス通路
２８ フローセンサ
２９ 赤外センサ

Claims (4)

1. 測定光線路に配置され、赤外線吸収を行う被分析ガスを含む試料ガス中を通過した測定光線が入射する第１受光室と、
   比較光線路に配置され、赤外線吸収を実質的に受けない比較光線が入射する第２受光室と、
   前記第１及び第２受光室を連通するガス通路と、
   前記ガス通路内に配置されたフローセンサと、
   前記第１及び第２受光室内に前記被分析ガスと同種類のガスを充填すると共に、前記測定光線及び比較光線を周期的に断続して前記第１及び第２受光室内にそれぞれ入射させ、その際に生じる前記第１及び第２受光室内の圧力変動に基づく前記ガス通路内のガスの流れを前記フローセンサで検出するガス吸収信号検出手段と、
   前記第２受光室に入射された比較光線の出射パワーを計測する赤外センサを設け、該赤外センサの信号に基づいて前記ガス吸収信号検出手段のガスセル信号の変動分を補償する補償手段と、を備えたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
2. 前記測定光線路と比較光線路とが単一の赤外線光源からの赤外線を分配セルで分配されて形成されたダブルビーム光学系で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線ガス分析計。
3. 測定光線路に配置され、赤外線吸収を行う被分析ガスを含む試料ガス中を通過した測定光線が入射する第１受光室と、
   比較光線路に配置され、赤外線吸収を実質的に受けない比較光線が入射する第２受光室と、
   前記第１及び第２受光室を連通するガス通路と、
   前記ガス通路内に配置されたフローセンサと、
   前記第１及び第２受光室内に前記被分析ガスと同種類のガスを充填すると共に、前記測定光線及び比較光線を周期的に断続して前記第１及び第２受光室内にそれぞれ入射させ、その際に生じる前記第１及び第２受光室内の圧力変動に基づく前記ガス通路内のガスの流れを前記フローセンサで検出するガス吸収信号検出手段と、
   前記第２受光室に入射された比較光線の出射パワーを吸収して上昇する温度を検出する温度センサを設け、該温度センサの信号に基づいて前記ガス吸収信号検出手段のガスセル信号の変動分を補償する補償手段と、を備えたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
4. 前記測定光線路と比較光線路とが単一の赤外線光源からの赤外線を分配セルで分配されて形成されたダブルビーム光学系で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の赤外線ガス分析計。
   

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