JP2009014465A - Infrared gas analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、赤外線光源から試料セル内に照射された赤外光の吸収量を、赤外光を受ける検出器で検出することにより、試料セル内の試料ガスのガス濃度を分析する赤外ガス分析計に関する。 The present invention relates to an infrared gas for analyzing the gas concentration of a sample gas in a sample cell by detecting the amount of absorption of infrared light irradiated into the sample cell from an infrared light source by a detector that receives the infrared light. Related to analyzers.
サンプルガス中の所定成分のガス濃度を定量分析する装置として、非分散型赤外ガス分析計(NDIR)が知られている。非分散型赤外ガス分析計には、シングルビーム型の分析計と、ダブルビーム型の分析計とがあり、前者では円筒状の試料セル内にサンプルガスを流通させるとともに、試料セルの一端部に赤外線光源を、他端部にガスセル検出器を、それぞれ配置する。赤外線光源から射出された赤外光が試料セルを通過する際に受ける赤外吸収量を、赤外光の光軸に沿って重ねられた2室を備えるガスセル検出器で検出することにより、サンプルガスのガス濃度を分析することができる。検出器の2室には検出対象ガスが充填され、2室間を連絡する流通路におけるガスの行き来をサーマルフローセンサにより検出することで、2室における赤外吸収量の差分を介して赤外光が試料セルを通過する際に受ける赤外吸収量を把握できる。 A non-dispersive infrared gas analyzer (NDIR) is known as an apparatus for quantitatively analyzing the gas concentration of a predetermined component in a sample gas. Non-dispersive infrared gas analyzers include a single beam analyzer and a double beam analyzer. In the former, the sample gas is circulated in a cylindrical sample cell and one end of the sample cell is provided. And an infrared light source and a gas cell detector at the other end. By detecting the amount of infrared absorption received when the infrared light emitted from the infrared light source passes through the sample cell with a gas cell detector having two chambers stacked along the optical axis of the infrared light, The gas concentration of the gas can be analyzed. The two chambers of the detector are filled with the detection target gas, and the flow of gas in the flow path communicating between the two chambers is detected by a thermal flow sensor, so that infrared is detected via the difference in the amount of infrared absorption in the two chambers. It is possible to grasp the amount of infrared absorption received when light passes through the sample cell.
また、後者のダブルビーム型の非分散型赤外ガス分析計では、円筒状の試料セルと同一構造の基準セルをさらに設けるとともに、基準セルには赤外吸収を示さない窒素等の不活性ガスを充填する。また、赤外線光源からの赤外光を分配し、試料セルおよび基準セルのそれぞれ一端側から照射する。さらに、検出器を試料室と基準室とで構成し、試料セルの他端側に試料室を、基準セルの他端側に基準室を配置し、両室間を連結する流通路のガスの行き来をサーマルフローセンサにより検出することで、2室における赤外吸収量の差分を介して赤外光が試料セルを通過する際に受ける赤外吸収量を基準セルとの比較結果として把握できる。
従来の赤外ガス分析計では、赤外線光源および検出器の光軸を一致させる設計がされており、光学系の組み立ての際には、相互の部品の光軸を厳密に合わせる必要がある。光軸の微小なずれにより、射出される赤外光の強度、伝播効率、検出器に入射する赤外光の強度などが影響を受け、定量分析の精度が低下する。このため、通常は強固で安定した光学ベンチをベースにして、これを基準として光学部品を取り付ける方式が一般的である。光学ベンチは機械的な位置関係が振動、外乱により変動を起こさないように設計される。しかし、光学ベンチを用いた光学系の組み立ては作業負担となり、また、装置全体の大型化や重量増を招く。 In the conventional infrared gas analyzer, the optical axes of the infrared light source and the detector are designed to coincide with each other, and when assembling the optical system, it is necessary to strictly match the optical axes of the components. Due to the slight deviation of the optical axis, the intensity of the emitted infrared light, the propagation efficiency, the intensity of the infrared light incident on the detector, and the like are affected, and the accuracy of quantitative analysis decreases. For this reason, a method is generally used in which an optical component is attached on the basis of a strong and stable optical bench as a base. The optical bench is designed so that the mechanical positional relationship does not fluctuate due to vibration and disturbance. However, assembling an optical system using an optical bench is a work burden, and increases the size and weight of the entire apparatus.
また、試料セルあるいは基準セルの円筒の内径は、その吸収長や、赤外線光源の発光体や光源に装着される反射鏡の口径、またはガスセル検出器の各室の受光径などと相互に関連している。したがって、試料セルあるいは基準セルの円筒の内径は、光の伝播ロスが最小化し、かつサンプルガスの吸収を効率的に捉えられるように最適設計される。このため一度内径が決められると、その変更は容易でなく、光源、検出器など関連する一連の部品の寸法変更が必要となり現実性がない。このため、分析目的に応じた変更の手段としては、試料セル長を変えることが行われている。検出対象ガスの赤外吸収度がそれぞれに異なるため、ガス種に応じて吸収の強いガスに対しては試料セル長を短く、吸収の弱いガスに対しては試料セル長を長くするなどの部品選択をするのが一般的である。しかし、多種類のアプリケーションに対応した多種類の試料セルを在庫し、適宜選択することは、作業の煩雑化やコストアップの要因となる。 The inner diameter of the cylinder of the sample cell or reference cell correlates with the absorption length, the diameter of the reflector of the infrared light source or the reflector mounted on the light source, or the light receiving diameter of each chamber of the gas cell detector. ing. Therefore, the inner diameter of the cylinder of the sample cell or the reference cell is optimally designed so that the propagation loss of light is minimized and the absorption of the sample gas can be efficiently captured. For this reason, once the inner diameter is determined, the change is not easy, and it is not practical because the dimensions of a series of related parts such as a light source and a detector need to be changed. For this reason, changing the sample cell length is performed as a means for changing according to the purpose of analysis. Since the infrared absorption of the detection target gas is different, the sample cell length is shortened for gas that is strongly absorbed depending on the gas type, and the sample cell length is lengthened for gas that is weakly absorbed It is common to make a choice. However, stocking various types of sample cells corresponding to various types of applications and selecting them appropriately is a factor in complicating work and increasing costs.
さらに、近年の傾向として赤外ガス分析計の応用分野が拡大し、小型化、ローコスト化した取り扱いの容易な分析計が求められている。これに伴い、使用される部品も小型化し、とくにMEMS(Micro Electro Mechanical System)部品が使用される例が増えている。例えば、半導体ウエハから形成される小型、平面形状の光源や、検出器が開発されている。従来の赤外ガス分析計では、これらの光学部品の使用を想定していないため、サイズの相違や、取り付け方法など、構造上の整合性を取ることが困難となっている。 Furthermore, as a trend in recent years, the application field of infrared gas analyzers has expanded, and there has been a demand for easy-to-handle analyzers that are reduced in size and cost. Along with this, the parts used are also downsized, and in particular, there are increasing examples in which MEMS (Micro Electro Mechanical System) parts are used. For example, small and planar light sources and detectors formed from semiconductor wafers have been developed. Since conventional infrared gas analyzers do not assume the use of these optical components, it is difficult to achieve structural consistency such as a difference in size and an attachment method.
本発明の目的は、取り扱いが容易で、多様なアプリケーションに対応可能な赤外ガス分析計を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an infrared gas analyzer that is easy to handle and can be used for various applications.
本発明の赤外ガス分析計は、赤外線光源から試料セル内に照射された赤外光の吸収量を、前記赤外光を受ける検出器で検出することにより、前記試料セル内の試料ガスのガス濃度を分析する赤外ガス分析計において、前記検出器が前記赤外線光源の光軸上から外れた位置に配置されていることを特徴とする。
この赤外ガス分析計によれば、検出器が赤外線光源の光軸上から外れた位置に配置されているので、取り扱いが容易で、多様なアプリケーションに対応できる。
The infrared gas analyzer of the present invention detects the amount of absorption of the infrared light irradiated into the sample cell from the infrared light source by a detector that receives the infrared light, so that the sample gas in the sample cell is detected. In the infrared gas analyzer for analyzing the gas concentration, the detector is arranged at a position off the optical axis of the infrared light source.
According to this infrared gas analyzer, since the detector is disposed at a position off the optical axis of the infrared light source, it is easy to handle and can be used for various applications.
前記赤外光を前記試料セル内で反射させることにより、前記赤外光の前記試料セル内における実効光路長を前記赤外線光源から前記検出器までの直線距離よりも長くする反射手段を備えてもよい。 Reflecting means for reflecting the infrared light in the sample cell to make the effective optical path length of the infrared light in the sample cell longer than a linear distance from the infrared light source to the detector. Good.
前記反射手段により得られる前記実効光路長を調整する調整手段を備えてもよい。 An adjusting means for adjusting the effective optical path length obtained by the reflecting means may be provided.
前記試料セルの内壁面を前記反射手段として使用してもよい。 The inner wall surface of the sample cell may be used as the reflecting means.
前記検出器として、検出対象ガスが互いに異なる複数の検出器が設けられていてもよい。 A plurality of detectors having different detection target gases may be provided as the detector.
前記試料セルには、前記赤外線光源または前記検出器を取り付ける取り付け部が設けられていてもよい。 The sample cell may be provided with a mounting portion for mounting the infrared light source or the detector.
前記試料セルは、その内部が開放可能とされていてもよい。 The inside of the sample cell may be openable.
前記赤外線光源または前記検出器はMEMS部品として構成されていてもよい。 The infrared light source or the detector may be configured as a MEMS component.
本発明の赤外ガス分析計によれば、検出器が赤外線光源の光軸上から外れた位置に配置されているので、取り扱いが容易で、多様なアプリケーションに対応できる。 According to the infrared gas analyzer of the present invention, since the detector is arranged at a position off the optical axis of the infrared light source, it is easy to handle and can be used for various applications.
以下、図1〜図3を参照して、本発明による赤外ガス分析計の実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of an infrared gas analyzer according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図1(a)は、本発明による赤外ガス分析計の一実施形態の構成を示す斜視図、図1(b)は、図1(a)におけるIb−Ib線断面図である。本実施形態の赤外ガス分析計は、シングルビーム型の非分散型赤外ガス分析計を構成する。 FIG. 1A is a perspective view showing a configuration of an embodiment of an infrared gas analyzer according to the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line Ib-Ib in FIG. The infrared gas analyzer of the present embodiment constitutes a single beam type non-dispersive infrared gas analyzer.
図1(a)および図1(b)に示すように、本実施形態の赤外ガス分析計は、サンプルガスの流通路を構成する試料セル1と、試料セル1の内部に赤外光を照射する赤外線光源2と、赤外線光源2から照射され、試料セル1内を反射しつつ伝播した赤外光を受けるガスセル検出器3,3´と、を備える。図1(a)および図1(b)に示すように、ガスセル検出器3,3´は、赤外線光源2の光軸から外れた位置に取り付けられる。
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the infrared gas analyzer of the present embodiment emits infrared light into the
図1(a)および図1(b)に示すように、試料セル1は、互いに着脱可能な基材1Aおよびカバー材1Bを組み合わせて構成され、両者を分離することで試料セル1の内部を開放することができ、試料セル1の内部のメンテナンスや清掃が可能とされている。
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the
平板状の基材1Aには、赤外線光源2を取り付けるための取付部11、検出器3,3´を取り付けるための取付部12および取付部13が、それぞれ形成されている。取付部11,12,13には、気密性および赤外透過性を得るためのフッ化カルシウム板等を配置してもよい。あるいは、赤外線光源2または検出器3、3´の側で気密性および赤外透過性を確保する構成が採られる場合には、取付部11,12,13に対応する開口を、基材1Aに形成してもよい。
On the flat substrate 1A, an
カバー材1Bには、サンプルガスの流入路4およびサンプルガスの排出路5が設けられ、基材1Aおよびカバー材1Bを気密的に結合した状態で、サンプルガスを流入路4および排出路5を介して試料セル1内で流通させる。
The
図1(b)に示すように、赤外線光源2には、赤外光を放出する発光体を収容する室21および干渉ガスを収容する室22が形成され、両者は赤外透過性の板材23で分離されている。室22の干渉ガスを制御することで、室21から試料セル1内部へ出射される波長成分のうちの測定に妨害となる波長成分をあらかじめ除去できる。
As shown in FIG. 1B, the
図1(b)に示すように、検出器3には、試料セル1側に配置される室31と、試料セル1からより離れた位置に置かれた室32とが形成されている。室31および室32には、検出対象ガスと同一成分ガスが充填され、両者は赤外透過性の板材23で分離されている。また、室31および室32は流通路34により互いに接続され、流通路34には、流通路34におけるガスの行き来を検出するサーマルフローセンサ35が取り付けられている。
As shown in FIG. 1B, the
検出器3において、室32に入射する赤外光は、室31で赤外吸収を受けた後の光であるため、室32よりも室31における熱膨張の度合いがより高くなる。その熱膨張の度合いの差異は、検出器3に入射する赤外光における当該検出対象ガスに対応する赤外吸収スペクトルのエネルギーに比例するため、試料セル1内での当該赤外吸収スペクトルにおける吸収量と相関がある。サーマルフローセンサ35は、熱膨張の度合いの差異、すなわち、室31および室32における赤外吸収量の差分をガス濃度信号に変換し、これによりサンプルガスにおける当該検出対象ガスの濃度が分析できる。なお、このような検出器3の機能は周知であるため、詳細説明は省略する。
In the
次に、本実施形態の赤外ガス分析計の動作について説明する。 Next, the operation of the infrared gas analyzer of this embodiment will be described.
図1(b)に示すように、本実施形態の赤外ガス分析計では、赤外線光源2の光軸上に検出器3が配置されておらず、赤外線光源2から照射された赤外光6は、試料セル1の内壁面で反射を繰り返しながら、検出器3に到達する。多重反射しつつ試料セル1内を伝播する過程で、赤外光は試料セル1内に導入されたサンプルガスによる赤外吸収を受ける。
As shown in FIG. 1B, in the infrared gas analyzer of the present embodiment, the
サンプルガスにより赤外吸収を受けた赤外光は、試料セル1に取り付けられた検出器3に入射し、当該検出器3の検出対象ガスに起因する赤外吸収量が検出される。これにより、サンプルガス中の当該検出対象ガスのガス濃度が分析できる。本実施形態の赤外ガス分析計では、2つの検出器3,3´に異なるガスを充填することにより、互いに異なる2成分の検出対象ガスについてガス濃度を分析することができる。
The infrared light that has received infrared absorption by the sample gas is incident on the
このように、本実施形態の赤外ガス分析計では、試料セル1の内壁面を反射手段とする赤外光の多重反射により、試料セル1内を伝播する赤外光の実効光路長を赤外線光源2から検出器3までの直線距離よりも長くすることができる。このため、装置の小型化を図りつつ十分な赤外吸収量を確保できる。したがって、装置の小型化を図りつつ、高い検出感度を得ることができる。
As described above, in the infrared gas analyzer of the present embodiment, the effective optical path length of the infrared light propagating in the
また、本実施形態の赤外ガス分析計では、平板状の基材1Aに赤外線光源2あるいは検出器3を取り付ける構成を採っているため、赤外線光源2あるいは検出器3としてMEMS(Micro Electro Mechanical System)部品が使用される場合に、これら小型かつ平面状の部品の取り付けに好適な構造を得ることができる。さらに、試料セル1の小型化が可能となるため、装置全体のサイズをMEMS部品に適したものとすることができる。
In addition, since the infrared gas analyzer of the present embodiment employs a configuration in which the infrared
また、本実施形態の赤外ガス分析計では、赤外線光源2の光軸上に検出器3が配置されておらず、しかも、赤外線光源2から照射された赤外光が直接、検出器3に入射せず、試料セル1内で拡散後、検出器3に入射する。このため、赤外線光源2や検出器3の機械的な位置関係が、ほとんど検出感度に影響しない。したがって、従来のように、強固な光学ベンチを基準とする光学部品の取り付け作業を不要としつつ、振動や外乱に対する検出値の変動も抑制できる。さらに、赤外線光源2の光軸上に検出器3を配置するという制約がないため、複数の検出器を直接、試料セル1に取り付けるだけで、相互に影響なく独立して複数種類のガスについてガス濃度を分析することが可能となる。従来のシングルビーム型ガス分析計のように、検出対象となるガスの種類ごとの検出器を多段に重ねる必要がないため、前段の検出器による赤外吸収の影響を後段の検出器が受けるという不都合が発生しない。
Further, in the infrared gas analyzer of the present embodiment, the
また、従来、筒状の試料セルのような大型の部品の寸法が予め最適設計されており、アプリケーションに応じた多種類の試料セルを確保することが困難であったのに対し、本実施形態の赤外ガス分析計では設計変更が容易で、しかも、試料セルの小型化によりローコスト化を図ることも容易であり、多種類の試料セルを用意しておくことも可能となる。このため、種々のアプリケーションに柔軟に対応できる。 Conventionally, the dimensions of large parts such as a cylindrical sample cell have been optimally designed in advance, and it has been difficult to secure multiple types of sample cells according to the application. In this infrared gas analyzer, the design can be easily changed, and it is easy to reduce the cost by reducing the size of the sample cell, and it is possible to prepare many types of sample cells. For this reason, it can respond to various applications flexibly.
次に、図2は、本発明による赤外ガス分析計の別実施形態の構成を示す断面図である。図1(a)および図1(b)と同一構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。 Next, FIG. 2 is a sectional view showing the configuration of another embodiment of the infrared gas analyzer according to the present invention. The same components as those in FIGS. 1A and 1B are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図2に示すように、本実施形態の赤外ガス分析計では、互いに着脱可能な基材1Aおよびカバー材1Cにより構成された試料セル10の内部に、反射板7が設けられている。赤外線光源2から照射された赤外光は、反射手段としての反射板7の表面および反射手段としての試料セル1の内壁面で反射を繰り返しながら、検出器3,3´に到達する。
As shown in FIG. 2, in the infrared gas analyzer of the present embodiment, a reflector 7 is provided inside a
図2に示すように、反射板7は、調整手段としてのアクチュエータ8により、試料セル1の気密性を保持しつつ試料セル1の内部で上下方向に移動可能とされている。図2の例では、反射板7の移動により試料セル1の内壁面との間隔を変えることで、赤外光の光伝播路を変化させ、その実効光路長を調整することができる。このため、赤外線光源2の赤外光量や検出器3,3´の感度、あるいはサンプルガスの吸収係数に見合った最適な実効光路長を得ることができる。
As shown in FIG. 2, the reflecting plate 7 is movable in the vertical direction inside the
このように、本実施形態の赤外ガス分析計によれば、実効光路長を調整できるため、常に適切な実効光路長を獲得でき、単独の試料セル1で幅広いアプリケーションに対応することが可能となる。
Thus, according to the infrared gas analyzer of the present embodiment, the effective optical path length can be adjusted, so that an appropriate effective optical path length can always be obtained, and a
図3は、本発明による赤外ガス分析計における光学部品の具体的な配置方法の例を示す平面図である。 FIG. 3 is a plan view showing an example of a specific arrangement method of optical components in the infrared gas analyzer according to the present invention.
図3では、例えば、試料セル100を構成する平板上の基材には、光源ユニットの取付部と、検出器のための4つの取付部とが設けられ、それぞれの取付部には、光源ユニット20、CO2検出用の検出器3A、CO検出用の検出器3B、NO検出用の検出器3C、およびSO2検出用の検出器3Dが、それぞれ取り付けられている。各検出器の検出対象ガスは適宜選択することができ、使用しない取付部には、気密性を維持するための遮蔽蓋を取り付けることもできる。
In FIG. 3, for example, a base material on a flat plate constituting the
また、図3の例では、光源ユニット20に2つの赤外線光源20aを使用することで、赤外光量を増加させている。
In the example of FIG. 3, the infrared light amount is increased by using two
このように、検出器の取付部の個数を増やすことで、任意の種類の多成分のガス濃度を同時に分析することが可能となる。また、赤外線光源の個数を増やすことで必要に応じて赤外線光量を増大させ、検出感度を向上させることができる。 As described above, by increasing the number of mounting portions of the detector, it is possible to simultaneously analyze the gas concentration of any kind of multicomponent. Further, by increasing the number of infrared light sources, the amount of infrared light can be increased as necessary, and the detection sensitivity can be improved.
上記各実施形態では、シングルビーム型の赤外ガス分析計を示したが、本発明は、ダブルビーム型の赤外ガス分析計にも適用できる。ダブルビーム型の赤外ガス分析計では、上記各実施形態に示した試料セルと同一構造の基準セルを設け、両セルに赤外光を分配するとともに、試料セルに取り付けられた試料室および基準セルに取り付けられた基準室の間に設けた流通路のガスの行き来をサーマルフローセンサにより検出すればよい。この場合、試料室および基準室は、「赤外光を受ける検出器」の一部として機能する。 In each of the above embodiments, a single beam type infrared gas analyzer is shown, but the present invention can also be applied to a double beam type infrared gas analyzer. In the double beam type infrared gas analyzer, a reference cell having the same structure as the sample cell shown in each of the above embodiments is provided, and infrared light is distributed to both cells, and a sample chamber attached to the sample cell and a reference cell What is necessary is just to detect the flow of the gas of the flow path provided between the reference | standard chambers attached to the cell with the thermal flow sensor. In this case, the sample chamber and the reference chamber function as a part of the “detector that receives infrared light”.
また、試料セルの形態や形状は、上記実施形態のものに限定されることはない。赤外線光源および検出器の構成は任意に選択できる。反射手段として鏡面反射面を用いてもよいし、拡散反射面を用いてもよい。反射手段の形状は限定されず、平面状あるいは任意形状の曲面状の反射面を採用できる。調整手段の構成は任意に選択でき、例えば試料セルないしその内面の形状を変化させることで赤外光の実効光路長を調整することもできる。 The form and shape of the sample cell are not limited to those of the above embodiment. The configurations of the infrared light source and the detector can be arbitrarily selected. A specular reflection surface may be used as the reflection means, or a diffuse reflection surface may be used. The shape of the reflecting means is not limited, and a flat or arbitrary curved reflecting surface can be adopted. The configuration of the adjusting means can be arbitrarily selected. For example, the effective optical path length of infrared light can be adjusted by changing the shape of the sample cell or its inner surface.
以上説明したように、本発明の赤外ガス分析計によれば、検出器が赤外線光源の光軸上から外れた位置に配置されているので、取り扱いが容易で、多様なアプリケーションに対応できる。 As described above, according to the infrared gas analyzer of the present invention, since the detector is disposed at a position off the optical axis of the infrared light source, it can be handled easily and can be used for various applications.
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、赤外線光源から試料セル内に照射された赤外光の吸収量を、赤外光を受ける検出器で検出することにより、試料セル内の試料ガスのガス濃度を分析する赤外ガス分析計に対し、広く適用することができる。 The scope of application of the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention relates to an infrared gas for analyzing the gas concentration of a sample gas in a sample cell by detecting the amount of absorption of infrared light irradiated into the sample cell from an infrared light source by a detector that receives the infrared light. It can be widely applied to analyzers.
1 試料セル(反射手段)
2 赤外線光源
3,3´ 検出器
7 反射板(反射手段)
8 アクチュエータ(調整手段)
1 Sample cell (reflection means)
2 Infrared
8 Actuator (Adjustment means)
Claims (8)
前記検出器が前記赤外線光源の光軸上から外れた位置に配置されていることを特徴とする赤外ガス分析計。 An infrared gas analyzer that analyzes the gas concentration of the sample gas in the sample cell by detecting the amount of absorption of infrared light irradiated into the sample cell from an infrared light source with a detector that receives the infrared light In
An infrared gas analyzer, wherein the detector is disposed at a position off the optical axis of the infrared light source.
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