JP2007107965A

JP2007107965A - 赤外線ガス分析計

Info

Publication number: JP2007107965A
Application number: JP2005297936A
Authority: JP
Inventors: Akira Morita; 晃森田; Kozo Akao; 幸造赤尾
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】定常的なノイズやスパイクノイズを除去して安定した測定値が得られる赤外線ガス分析計を提供する。
【解決手段】赤外線検出器３３の出力信号をサンプリングするＡＤ変換手段４４と、ノイズ検知手段４２により検出したノイズ成分に基づき、チョッパ３６によるチョッピング動作とＡＤ変換手段４４によるサンプリング動作とを同期させて行うためのタイミング信号を生成するタイミング信号生成手段４３と、ＡＤ変換手段４４の出力信号からチョッピング周波数成分を抽出するＤＦＴ演算手段５１と、その出力の振幅から被分析対象ガスの濃度を算出する濃度換算手段５２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定ガスに含まれる特定成分の濃度を測定するための赤外線ガス分析計に関し、詳しくは、濃度測定信号に含まれるノイズを除去可能とした赤外線ガス分析計に関するものである。

図９は、後述する特許文献１に記載された従来技術としての赤外線ガス分析計を示している。
図９において、１は、測定ガスＳの入口２及び出口３を有するサンプルセルであり、その両端部は赤外透過性のセル窓４，５によって封止されている。６は、セル１の一方のセル窓４側に設けられてセル１内に赤外光を照射するための赤外線光源であり、６Ａはフィラメントである。

７は、赤外線光源６とセル１との間に介装された光チョッパであり、図示されていないモータによって軸７Ａを中心に回転駆動され、赤外線光源６から発せられる赤外光を一定周期で断続（チョッピング）するように構成されている。また、８は光チョッパ７の回転周期を検出するフォトカプラであり、その出力信号（整流用同期信号）ａは移相回路９により適宜移相されて同期整流回路２０に入力されている。

１０は、セル１の他方のセル窓５側に設けられた検出部であり、複数（図では４個）の赤外線検出器１１〜１４を互いに光学的に並列配置して構成されている。この検出部１０は、例えばＣＯ測定用、ＣＯ_２測定用、ＨＣ測定用、比較用として、円周を４等分し、かつ同心円上に設けられた４つの赤外線検出器（以下、単に検出器という）１１，１２，１３，１４（図９では、便宜的に一直線上に表している）と、これらの検出器１１〜１４の受光側にそれぞれ対応して設けられた光学フィルタ１５〜１８とからなっている。

上記赤外線検出器１１〜１４（測定用検出器１１〜１３及び比較用検出器１４からなる）は、例えば半導体検出器によって構成され、測定用検出器１１〜１３に対応する光学フィルタ１５〜１７は、特定の測定対象成分のみの吸収帯域の赤外線を通過させるバンドパスフィルタからなっている。すなわち、ＣＯ測定用検出器１１に対応する光学フィルタ１５はＣＯの吸収帯域の赤外線のみを、ＣＯ_２測定用検出器１２に対応する光学フィルタ１６はＣＯ_２の吸収帯域の赤外線のみを、ＨＣ測定用検出器１３に対応する光学フィルタ１７はＨＣの吸収帯域の赤外線のみを、それぞれ通過させるバンドパスフィルタにて構成されている。
更に、比較用検出器１４に対応する光学フィルタ１８は、測定ガスＳ中のＣＯ，ＣＯ_２，ＨＣのいずれに対しても吸収帯域のない帯域の波長の赤外線を通過させるバンドパスフィルタからなる。
１９は、前記各検出器１１〜１４の出力に基づいて濃度演算を行う演算制御部であり、同期整流回路２０及び平滑回路２１からなっている。

上述のように構成された従来の赤外線ガス分析計においては、赤外線光源６によりセル１を照射すると共に、光チョッパ７が所定の周期で回転している状態で測定ガスＳをセル１に供給すると、検出器１１〜１４から、測定対象成分であるＣＯ，ＣＯ_２，ＨＣの各濃度に対応した交流信号及び比較信号としての交流信号が出力され、これらの信号が同期整流回路２０に入力される。

同期整流回路２０には、移相回路９によって適宜移相された整流用同期信号ａが入力されているので、この同期信号ａにより各ガスの濃度に対応した交流信号が同期整流され、整流後の信号は平滑回路２１によって平滑処理される。
そして、ＣＯ，ＣＯ_２，ＨＣ，ＣＯの各濃度は、測定用検出器１１〜１３の出力から比較用検出器１４の出力をそれぞれ減算することにより、ガス濃度信号として出力されるものである。

上記構成の赤外線ガス分析計においては、測定用検出器１１〜１３の出力を、フォトカプラ８により得た整流用同期信号ａに基づいて同期整流しているため、ゼロ入力時のノイズを低減できる反面、前記同期信号ａを生成し移相するためにフォトカプラ８や移相回路９が必要であり、装置の構成、特に機械的構成が複雑になる。

上記の点に鑑み、特許文献１には、整流用同期信号を生成するために特別な装置を必要とせず、構成を簡略化することができる赤外線ガス分析計が開示されている。
図１０は、この改良された赤外線ガス分析計の概略的な構成図であり、図９におけるフォトカプラ８や移相回路９を除去すると共に、光チョッパ７を光学フィルタ１５〜１７とセル窓５との間に配置して構成されている。
このガス分析計では、比較用検出器１４の出力をモニタして光チョッパ７による断続周期を検出し、この周期に基づいて測定用検出器１１〜１３の出力を同期整流している。

特開２００３−５７１７７号公報（［０００２］〜［０００７］，［００１３］〜［００１７］、図１，図４等）

図１０の従来技術によれば、図９に比べてフォトカプラ８や移相回路９が不要になり、構成を簡略化できるという利点がある。
しかしながら、比較用検出器１４の出力を用いて測定用検出器１１〜１３の出力をサンプリングする周期と、測定用検出器１１〜１３の出力に含まれる商用電源ノイズ等の定常ノイズの周期との比がほぼ一定であると、その周期の差による低周波数のビート現象が発生し、測定信号（ガス濃度信号）が変化して安定しないという問題があった。
また、従来技術では一般にスパイクノイズに対して敏感であり、スパイクノイズの影響が測定信号に直接影響するという問題もあった。

そこで本発明の解決課題は、定常ノイズやスパイクノイズを除去して安定した測定信号が得られるようにした赤外線ガス分析計を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、測定セルに導入された測定ガスに赤外線を照射し、測定ガス中の被分析対象ガスの濃度に応じた赤外線吸収量を検出器により検出して被分析対象ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計であって、赤外線を所定周期でオンオフさせて測定セルに入射させるためのチョッパと、このチョッパを駆動するための駆動手段と、を備えた赤外線ガス分析計において、
前記チョッパによるチョッピング動作に同期して前記検出器の出力信号をサンプリングするＡＤ変換手段と、前記チョッパによるチョッピング動作及び前記ＡＤ変換手段によるサンプリング動作を行うためのタイミング信号を生成するタイミング生成手段と、前記ＡＤ変換手段の出力信号からチョッピング周波数成分を抽出する離散フーリエ変換演算手段と、この離散フーリエ変換演算手段の出力信号の振幅から被分析対象ガスの濃度を算出する濃度換算手段と、を備えたものである。

請求項２に記載した発明は、測定セルに導入された測定ガスに赤外線を照射し、測定ガス中の被分析対象ガスの濃度に応じた赤外線吸収量を検出器により検出して被分析対象ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計であって、赤外線を所定周期でオンオフさせて測定セルに入射させるためのチョッパと、このチョッパを駆動するための駆動手段と、を備えた赤外線ガス分析計において、
前記チョッパによるチョッピング動作を行うためのタイミング信号を生成するタイミング生成手段と、前記検出器の出力信号をサンプリングして全波整流する全波整流手段と、この全波整流手段の出力信号を平滑する平滑手段と、この平滑手段の出力信号の大きさから被分析対象ガスの濃度を算出する濃度換算手段と、を備えたものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２において、
前記検出器の出力信号からノイズ成分を抽出するノイズ検知手段を備え、
前記タイミング生成手段は、前記ノイズ検知手段により検知したノイズ成分の周期に基づいて前記タイミング信号を生成するものである。

請求項４に記載した発明は、請求項３において、
前記ノイズ検知手段は、ノイズ成分の周波数を通過周波数とするフィルタと、このフィルタの出力信号を設定値と比較するコンパレータと、を備え、
前記タイミング生成手段は、前記コンパレータの出力信号に同期させて前記タイミング信号を生成するものである。

請求項５に記載した発明は、請求項４において、
前記コンパレータの出力信号の周期を測定するタイマと、このタイマによる測定周期を所定値と比較する比較手段と、を備え、
前記タイミング生成手段は、前記比較手段の出力に基づいて前記タイミング信号を生成するものである。

請求項６に記載した発明は、請求項１または２において、
商用電源電圧を変圧するトランスと、このトランスの出力電圧を設定値と比較するコンパレータと、を備え、
前記タイミング生成手段は、前記コンパレータの出力信号に同期させて前記タイミング信号を生成するものである。

請求項７に記載した発明は、請求項１〜６の何れか１項において、
前記検出器はマスフローセンサを備え、このマスフローセンサの出力信号の基本周波数成分に基づいて被分析対象ガスの濃度を測定するものである。

本発明によれば、商用電源ノイズ等の定常的なノイズや、あるいは商用電源電圧に同期してチョッピング動作やＡＤ変換器のサンプリング動作を行うことにより、低周波のビート現象をなくして安定した測定信号を得ることができる。
また、ガス濃度の演算に離散フーリエ変換を用いることで、チョッピング周波数以外のスパイクノイズの影響を除去し、高精度な濃度測定が可能になる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る赤外線ガス分析計の構成図であり、請求項１，３，７に係る発明に相当するものである。
図１において、分析計本体３０は、赤外線光源３１と、被分析対象ガスを含む測定ガスが導入される測定セル３２と、マスフローセンサ３４を備えた赤外線検出器３３と、モータ３５により回転駆動されるチョッパ３６とを備えており、いわゆるシングルビーム方式の赤外線ガス分析計である。

周知のように、分析計本体３０では、測定セル３２に測定ガスを流入させると共に、被分析対象ガスが封入された検出器３３内の２室のセルで赤外線を吸収させ、その赤外線吸収量の差から発生する圧力差つまり流量をマスフローセンサ３４によって検出し、この流量に基づいて被分析対象ガスの濃度を測定している。なお、この種のガス分析計の動作は、「マスフローセンサおよびこのマスフローセンサを用いた赤外線ガス分析計」に係る特開平８−５４３３号公報の段落［００３７］，［００３８］、図８等に記載されている。
上記マスフローセンサ３４による検出信号波形（時間応答）は、例えば図２に示すような波形である。

ここで、図２の波形を周波数に分解すると、図３のごとく、基本周波数成分以外に高次の周波数成分を含んだ形になっている。
マスフローセンサを用いる場合、通常は図２に示した波形の面積を積分により求めて被分析対象のガス濃度を測定しているが、本実施形態では、面積に比例する基本周波数成分を離散フーリエ変換（ＤＦＴ）により求め、この基本周波数成分からガス濃度を測定することとした。

これにより、マスフローセンサ３４の出力信号にスパイクノイズが含まれる場合でも、その時刻が出力信号のサンプリング時刻に一致していなければ測定信号に影響を与えることはない。また、仮にサンプリング時刻にスパイクノイズが含まれたとしても、基本周波数成分とは異なるので、同様に測定信号には影響を与えない。
更に、サンプリングしたデータから単純に面積積分する方法に比べ、ＤＦＴにより正弦波の振幅として測定する方が、誤差が小さくなって有効である。なお、マスフローセンサ３４の出力信号には前述の如く高調波成分が含まれるが、赤外線ガス分析を行うレベルでは基本波と高調波との比が等しいので、基本波を代表値として測定可能である。

図１において、検出器３３の出力を用いたガス濃度の測定系及びモータ３５の駆動系は、以下のように構成されている。
図１において、マスフローセンサ３４の出力信号は増幅手段４１により増幅され、ＡＤ変換手段４４によりディジタル信号に変換された後、演算装置５０内のＤＦＴ演算手段５１に入力されて後述する数式１の演算が実行される。ここで、ＡＤ変換手段４４により入力アナログ信号をサンプリングしてディジタル信号に変換するタイミング（サンプリングタイミング）は、タイミング生成手段４３からのタイミング信号によって決定される。

ＤＦＴ演算手段５１は、サンプリングデータをｘ（ｎＴ）とすると、数式１によりＤＦＴ演算を行う。なお、数式１において、Ｔはサンプリング周期、ｎはサンプリングの番号を示す自然数、Ｎはサンプリングの総数、ωは基本周波数（チョッピング周波数）である。

仮に、一周期に１２回サンプリングする場合には、基本周波数はω＝２π／（１２Ｔ）となり、図１の濃度換算手段５２は、ＤＦＴ演算結果であるチョッピング周波数成分の複素数Ｘ（ｊω）の振幅（絶対値）を求めて被分析対象ガスの濃度を算出し、ガス濃度信号として出力する。

上述したように、ＡＤ変換手段４４によるサンプリングのタイミングはタイミング生成手段４３からのタイミング信号により決定し、また、チョッパ３６によるチョッピングのタイミングも上記タイミング信号を用いて決定する。このタイミング信号は、図１に示すように、増幅手段４１の後段に接続されたノイズ検知手段４２によりマスフローセンサ３４の出力信号に含まれるノイズ成分を検出し、このノイズ成分をタイミング生成手段４３に取り込んで生成するようになっている。

図４は、ノイズ検知手段４２の構成図であり、請求項４に係る発明に相当する。
前述したように、通常、マスフローセンサ３４では、検出器３３内の２室の赤外線吸収量を感熱抵抗により検出してその差を求めているが、ここでは、マスフローセンサ３４の一方の室の出力信号のみを増幅手段４１を介してノイズ検知手段４２に取り込み、図４の増幅回路４２１により増幅した後、通過周波数（中心周波数）が例えば商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）であるバンドパスフィルタ４２２に入力する。このバンドパスフィルタ４２２を通過した商用周波数のノイズ成分はコンパレータ４２３により設定値と比較され、所定の大きさを持つノイズ信号のみが検出される。

このようにして、マスフローセンサ３４の出力信号に含まれる商用周波数のノイズ信号を検出することができる。そして、このノイズ信号のタイミング（周期が２０ｍｓまたは約１６．６ｍｓ）に同期させて、図１のタイミング生成手段４３が、ＡＤ変換手段４４に与えるタイミング信号、及び、駆動手段４５を介してモータ３５に与えられるチョッピングのタイミング信号を生成する。

なお、タイミング生成手段４３により生成されるタイミング信号は、図４のバンドパスフィルタ４２２の出力が小さく、コンパレータ４２３からノイズ信号が出力されない場合に欠損するおそれがある。この問題を解決するための対策を図５のフローチャートに示す。
この図５は、請求項５に係る発明に相当するものである。

すなわち、図１のタイミング生成手段４３以降のハードウェアを、前記コンパレータ４２３の出力が変化したタイミングで割り込みが入るように構成し、図５のフローチャートを実行する。コンパレータ４２３による割り込みが入ったとき、前回の割り込みからの経過時間をタイマにより確認し、そのタイマ値が（推定ノイズ周期−α）以上である場合には（ステップＳ１ＹＥＳ）、サンプリング及びチョッピングのためのタイミング信号をタイミング生成手段４３から出力し（Ｓ２）、タイマ値をクリアしてから、タイマに（推定ノイズ周期＋α）を設定する（Ｓ３）。

また、コンパレータ４２３からの割り込みがない場合には、タイマによる設定時間が経過したときに、タイマ割り込みルーチンとして、サンプリング及びチョッピングのためのタイミング信号をタイミング生成手段４３から出力し（Ｓ２）、タイマ値をクリアしてから、タイマに（推定ノイズ周期＋α）を設定する（Ｓ３）。
ここで、推定ノイズ周期とは、例えば、５０Ｈｚのノイズに対しては２０ｍｓを指し、αはノイズ信号に欠損が生じてサンプリングできない状態になっても許容される時間を表すと共に、電源投入時にノイズとサンプリングタイミングとが同期していない場合に両者が同期するまでの時間にも関係している。
上記のような処理を行うことにより、ノイズ信号の大小に関わらずタイミング信号を生成することができる。

図６は、赤外線ガス分析計を５０Ｈｚの商用周波数地域で使用する場合において、増幅手段４１の出力信号の１周期（１２０ｍｓ）の間に１２回サンプリングする際のタイミング信号を示している。
この場合、５０Ｈｚの商用周波数の周期つまり商用電源ノイズの周期（２０ｍｓ）は、サンプリング周期つまりタイミング信号の周期（１０ｍｓ）の整数倍であって一定であり、両者が同期していない場合は、周期の差による低周波数のビート現象が発生してノイズ信号の位相が次第に変化し、それによって測定値も変動してしまう。
しかし、ＡＤ変換手段４４によるサンプリングのタイミング信号、及び、駆動手段４５よモータ３５を介したチョッピングのタイミング信号を、ノイズ検知手段４２から出力されるノイズ信号に同期させることにより、前記ビート現象の発生を抑制して安定した測定信号を得ることができ、高精度な濃度測定を行うことができる。

次に、図７は本発明の第２実施形態に係る赤外線ガス分析計の構成図であり、請求項６，７に係る発明に相当するものである。
この実施形態では、図１におけるノイズ検知手段４２に代えて、商用電源電圧を所定値に変圧するトランス４６と、その出力電圧を所定の設定値と比較して商用電源周波数に同期した信号を出力するコンパレータ４７とを設け、タイミング生成手段４３が、前記コンパレータ４７から出力される信号に同期させて、ＡＤ変換手段４４及び駆動手段４５に与えるタイミング信号を生成する。
この実施形態によれば、商用電源周波数に基づいてサンプリング等のタイミング信号を生成できるため、前述したようなタイミング信号の欠損は生じなくなる。

図８は、本発明の第３実施形態に係る赤外線ガス分析計の構成図であり、請求項２，３，７に係る発明に相当する。
この実施形態では、図１におけるＤＦＴ演算手段５１の代わりに平滑手段５４を備えた演算装置５３を用い、増幅手段４１の出力をサンプリングし、全波整流手段４８に入力してその出力を前記平滑手段５４により平滑するようにした。すなわち、増幅手段４１の出力を全波整流手段４８及び平滑手段５４により整流平滑し、その出力信号の大きさを濃度換算手段５２が被分析対象ガスの濃度に換算してガス濃度信号を出力するものである。

この実施形態では、ノイズ検知手段４２から出力されるノイズ信号に同期させてチョッピングのタイミング信号を生成し、このタイミング信号を駆動手段４５に入力するように構成されており、ノイズ信号に同期してチョッピングを行うことにより、第１実施形態と同様に低周波数のビート現象が抑制することができる。
なお、タイミング信号の欠損をなくすためのアルゴリズムとしては、前述した図５のフローチャートを適用することができる。
また、本実施形態においても、図７と同様にトランス４６及びコンパレータ４７を用い、商用電源に基づいてチョッピングのタイミング信号を生成しても良い。

なお、上記各実施形態ではシングルビーム方式の赤外線ガス分析計を示したが、本発明はダブルビーム方式の赤外線ガス分析計にも適用可能である。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。マスフローセンサの出力信号波形（時間応答）の一例を示す図である。図２の周波数特性図である。図１におけるノイズ検知手段の構成図である。本発明の第１実施形態におけるタイミング信号の生成処理を示すフローチャートである。本発明の第１実施形態におけるタイミング信号の説明図である。本発明の第２実施形態を示す構成図である。本発明の第３実施形態を示す構成図である。従来技術の概略的な構成図である。従来技術の概略的な構成図である。

符号の説明

３０：分析計本体
３１：赤外線光源
３２：測定セル
３３：赤外線検出器
３４：マスフローセンサ
３５：モータ
３６：チョッパ
４１：増幅手段
４２：ノイズ検知手段
４２１：増幅回路
４２２：バンドパスフィルタ
４２３：コンパレータ
４３：タイミング生成手段
４４：ＡＤ変換手段
４５：駆動手段
４６：トランス
４７：コンパレータ
４８：全波整流手段
５０，５３：演算装置
５１：ＤＦＴ演算手段
５２：濃度換算手段
５４：平滑手段

Claims

測定セルに導入された測定ガスに赤外線を照射し、測定ガス中の被分析対象ガスの濃度に応じた赤外線吸収量を検出器により検出して被分析対象ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計であって、赤外線を所定周期でオンオフさせて測定セルに入射させるためのチョッパと、このチョッパを駆動するための駆動手段と、を備えた赤外線ガス分析計において、
前記チョッパによるチョッピング動作に同期して前記検出器の出力信号をサンプリングするＡＤ変換手段と、
前記チョッパによるチョッピング動作及び前記ＡＤ変換手段によるサンプリング動作を行うためのタイミング信号を生成するタイミング生成手段と、
前記ＡＤ変換手段の出力信号からチョッピング周波数成分を抽出する離散フーリエ変換演算手段と、
この離散フーリエ変換演算手段の出力信号の振幅から被分析対象ガスの濃度を算出する濃度換算手段と、
を備えたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
測定セルに導入された測定ガスに赤外線を照射し、測定ガス中の被分析対象ガスの濃度に応じた赤外線吸収量を検出器により検出して被分析対象ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計であって、赤外線を所定周期でオンオフさせて測定セルに入射させるためのチョッパと、このチョッパを駆動するための駆動手段と、を備えた赤外線ガス分析計において、
前記チョッパによるチョッピング動作を行うためのタイミング信号を生成するタイミング生成手段と、
前記検出器の出力信号をサンプリングして全波整流する全波整流手段と、
この全波整流手段の出力信号を平滑する平滑手段と、
この平滑手段の出力信号の大きさから被分析対象ガスの濃度を算出する濃度換算手段と、
を備えたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
請求項１または２に記載した赤外線ガス分析計において、
前記検出器の出力信号からノイズ成分を抽出するノイズ検知手段を備え、
前記タイミング生成手段は、
前記ノイズ検知手段により検知したノイズ成分の周期に基づいて前記タイミング信号を生成することを特徴とする赤外線ガス分析計。
請求項３に記載した赤外線ガス分析計において、
前記ノイズ検知手段は、ノイズ成分の周波数を通過周波数とするフィルタと、このフィルタの出力信号を設定値と比較するコンパレータと、を備え、
前記タイミング生成手段は、
前記コンパレータの出力信号に同期させて前記タイミング信号を生成することを特徴とする赤外線ガス分析計。
請求項４に記載した赤外線ガス分析計において、
前記コンパレータの出力信号の周期を測定するタイマと、
このタイマによる測定周期を所定値と比較する比較手段と、を備え、
前記タイミング生成手段は、
前記比較手段の出力に基づいて前記タイミング信号を生成することを特徴とする赤外線ガス分析計。
請求項１または２に記載した赤外線ガス分析計において、
商用電源電圧を変圧するトランスと、
このトランスの出力電圧を設定値と比較するコンパレータと、を備え、
前記タイミング生成手段は、
前記コンパレータの出力信号に同期させて前記タイミング信号を生成することを特徴とする赤外線ガス分析計。
請求項１〜６の何れか１項に記載した赤外線ガス分析計において、
前記検出器はマスフローセンサを備え、このマスフローセンサの出力信号の基本周波数成分に基づいて被分析対象ガスの濃度を測定することを特徴とする赤外線ガス分析計。