JP2012068164A - 赤外線ガス分析計 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉成分を簡単な構成により精度良く補正できるようにする。
【解決手段】サンプルガスが供給されるセル２の一端側に赤外光源３を設け、セル２の他端側に赤外線検出部４を設けた赤外線ガス分析計１００において、赤外線検出部４が、測定成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出する測定成分検出器４１と、干渉成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出する干渉成分検出器４２とを有し、干渉成分検出器４２及び測定成分検出器４１が、セル２の他端側からこの順に光学的に直列配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、干渉成分の補正演算機能を有する赤外線ガス分析計に関するものである。

この種の赤外線ガス分析計としては、特許文献１に示すように、サンプルガス（測定対象ガス）が導入及び導出される測定セルと、この測定セルの一端側に設けられた赤外光源と、前記測定セルの他端側に設けられた主検出器と、この主検出器の後側に光学的に直列配置された補償検出器とを有し、主検出器の出力と補償検出器の出力との差に基づいて干渉成分の補正を行うようにした赤外線ガス分析計がある。

また、主検出器及び補償検出器はいずれもコンデンサマイクロホン型ニューマチック検出器である。そして、この赤外線ガス分析計を用いてサンプルガス中の測定成分である例えば二酸化硫黄（ＳＯ_２）成分の濃度を測定するには、主検出器内にＳＯ_２又はこれと同じ赤外線吸収特性を示すガスを封入し、補償検出器内にＳＯ_２の干渉成分である例えばメタン（ＣＨ_４）又はこれと同じ赤外線吸収特性を示すガスを封入している。

ここで主検出器及び補償検出器の配置態様に着目すると、主検出器及び補償検出器をこの順に測定セルの他端側から直列に配置するようにしている。これは、測定セルをできるだけ測定セルに近づけることにより測定セルを通過した赤外光の光量低下を防ぎ、主検出器による測定成分の測定精度を向上させるためである。

しかしながら、特にサンプルガス中のＣＨ_４成分の濃度が大きい場合には、補償検出器でのノイズや光源の光量変動等に起因する測定誤差が大きくなり、この補償検出器で得られた干渉成分の濃度を用いて補正しても、高精度のＳＯ_２濃度を得ることが難しいという問題がある。また、主検出器の出力と補償検出器の出力との差を求める際に、補償検出器の出力に重み付け係数を乗算した後に主検出器の出力から差し引いているとはいえ、重み付け係数は時々刻々と変化させることができず、重み付け係数が大きくなると時々刻々と変化する干渉成分の測定誤差を補償することが難しく、やはりＳＯ_２濃度を高精度に補正することが難しい。

このとき主検出器の前段、つまり測定セルと主検出器の間にＣＨ_４が封入されたガスフィルタを設けることが考えられる。これにより、干渉成分が吸収特性を有する波長域の光量を低下させて補償検出器における測定誤差を低減することができ、ＳＯ_２濃度を精度よく算出することができる。

しかしながら、ガスフィルタを設けても補償検出器における測定誤差を低減できるのみであり、主検出器の出力における干渉成分であるＣＨ_４の影響を完全にキャンセルすることができるわけではない。また、これにより、赤外線ガス分析計の部品点数が増えてしまい、組み立て工数も増大する上、コスト増大にも繋がってしまう。

特開２０００−２６５７号公報

そこで本発明は、測定成分を検出する主検出器の測定精度を可及的に向上させるためにその主検出器を測定セルの直後に設けるという従来の発想を排して鋭意検討の結果なされたものであり、赤外線ガス分析計における干渉成分を簡単な構成により精度良く補正できるようにすることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る赤外線ガス分析計は、サンプルガスが供給されるセルと、前記セルの一端側に設けられて、該セルに赤外光を照射する赤外光源と、前記セルの他端側に設けられて、該セルを通過した赤外光を検出する赤外線検出部とを具備し、前記赤外線検出部が、前記サンプルガス中の測定成分又はそれと同等の赤外線吸収特性を示す測定用封入ガスが封入されており、前記測定成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出する測定成分検出器と、前記測定成分に干渉する干渉成分又はそれと同等の赤外線吸収特性を有し、前記測定用封入ガスとは異なるガス種からなる干渉用封入ガスが封入されており、前記干渉成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出する干渉成分検出器とを有し、前記干渉成分検出器及び前記測定成分検出器が、前記セルの他端側からこの順に光学的に直列配置されていることを特徴とする。

このようなものであれば、干渉成分検出器及び測定成分検出器をセルの他端側からこの順に光学的に直列配置していることから、干渉成分検出器により高精度に干渉成分を検出することができる。また、干渉成分検出器が測定成分検出器に入射する赤外光における干渉成分のガスフィルタとしての機能を発揮することから、測定成分検出器で検出される測定成分に含まれる干渉成分を低減することができる。このような配置の検出器から得られた検出信号を用いて測定成分を補正演算することから、測定成分の濃度を高精度に補正することができる。

干渉成分検出器（干渉成分検出器で検出する干渉成分を第１干渉成分という。）に影響を与える第２干渉成分を含んでいる場合に、その第２干渉成分の干渉影響を低減するためには、前記セル及び前記干渉成分検出器の間に、前記第１干渉成分以外の第２干渉成分を除去するガスフィルタを設けていることが望ましい。ここで、従来の構成（前段に測定成分検出器及び後段に干渉成分検出器の構成）の場合において単純に測定成分検出器の前に第２干渉成分のガスフィルタを配置すると、干渉成分検出器における第１干渉成分の測定精度が低下してしまうという問題がある。上記のとおり、ガスフィルタ、干渉成分検出器及び測定成分検出器の順番で配置することによって、第２干渉成分の干渉影響を低減するとともに、第１干渉成分の測定精度の低下を防止して測定成分の濃度を高精度に補正することができる。

従来はサンプルガスに含まれるＮ_２Ｏ成分が低濃度であるため、そのＮ_２Ｏ成分がＳＯ_２成分に与える干渉影響は無視していたが、近年の赤外線ガス分析計の認証試験の厳格化に伴い、Ｎ_２Ｏ成分が測定成分に与える干渉影響を考慮する必要が生じつつある。このとき、従来の配置態様、つまりセル、主検出器及び補償検出器にさらにＮ_２Ｏガスフィルタを設けると、干渉成分検出器でのＣＨ_４成分の測定感度が低下してしまい、ＣＨ_４成分の干渉影響の補正を精度良く行うことができないという問題が生じる。そこで、ＣＨ_４成分の測定感度を低下させることなく、Ｎ_２Ｏ成分の干渉影響を低減するためには、Ｎ_２Ｏガスフィルタ、干渉成分としてＣＨ_４成分を検出する干渉成分検出器及び測定成分としてＳＯ_２成分を検出する測定成分検出器が、前記セルの他端側からこの順に光学的に直列配置されていることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、赤外線ガス分析計における干渉成分を簡単な構成により精度良く補正できるようにすることができる。

本実施形態の赤外線ガス分析計の構成を概略的に示す全体概略図。 ＳＯ_２、ＣＨ_４及びＮ_２Ｏの赤外吸収スペクトルを示す図。 赤外線検出部の各仕様における実験結果を示す図。 変形実施形態の赤外線ガス分析計の構成を概略的に示す全体概略図。

以下に本発明に係る赤外線ガス分析計の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る赤外線ガス分析計１００は、サンプルガス中に含まれる二酸化硫黄（ＳＯ_２）成分の濃度を測定するものであり、図１に示すように、サンプルガスが供給されるセル２と、このセル２の一端側に設けられて、該セル２に赤外光を照射する赤外光源３と、前記セル２の他端側に設けられて、該セル２を通過した赤外光を検出する赤外線検出部４と、この赤外線検出部４からの出力を取得して前記サンプルガスに含まれる測定成分濃度を算出する演算装置５とを備えている。

セル２は、概略筒形状をなし、その両端部が赤外線透過性材料からなるセル窓部材２ａ、２ｂによって封止され、サンプルガスをセル２内部に導入するための導入ポートＰ１及びサンプルガスをセル２外部に導出するための導出ポートＰ２が側壁に設けられている。

赤外光源３は、セル２の一端側においてセル窓部材２ａに対向して設けられて、セル２内に赤外光を照射するものである。赤外光源３とセル２との間には、光チョッパ（不図示）が介装されており、例えばモータにより回転駆動されて、赤外光源３によって発生される赤外光を一定周期で断続（チョッピング）するように構成している。

赤外線検出部４は、セル２の他端側におけるセル窓部材２ｂに対向して設けられており、測定成分の濃度を測定するための主検出器たる測定成分検出器４１と干渉成分の濃度を測定するための補償検出器たる干渉成分検出器４２とを有する。なお、この測定成分検出器４１により得られた検出信号及び干渉成分検出器４２により得られた検出信号は、演算装置５に出力される。

測定成分検出器４１は、例えばコンデンサマイクロホン型のニューマチック検出器である。この検出器４１は、耐腐食性金属からなる本体ブロックの両端部が赤外線透過性材料からなる窓部材４１ａ、４１ｂによって封止されると共に、その内部にコンデンサマイク４１ｃが配置されている。そして測定成分検出器４１内には、サンプルガス中の測定成分又はそれと同等の赤外線吸収特性を示す測定用封入ガスが封入されており、測定成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出するものである。この測定成分検出器４１は、測定成分及び干渉成分の両方に感度を持つ。

本実施形態では測定成分がＳＯ_２であることから、測定成分検出器４１内には、例えば濃度５％のＳＯ_２ガス（５％ＳＯ_２ ｉｎ Ａｒ）のガスを封入している。これにより、測定成分検出器４１は、ＳＯ_２の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域（例えば７．１μｍ〜７．６μｍ）の赤外線強度を検出する（図２参照）。

干渉成分検出器４２は、前記測定成分検出器４１と同様、例えばコンデンサマイクロホン型のニューマチック検出器である。この検出器４２は、耐腐食性金属からなる本体ブロックの両端部が赤外線透過性材料からなる窓部材４２ａ、４２ｂによって封止されると共に、その内部にコンデンサマイク４２ｃが配置されている。そして干渉成分検出器４２内には、測定成分に干渉する干渉成分又はそれと同等の赤外線吸収特性を有し、前記測定用封入ガスとは異なるガス種からなる干渉用封入ガスが封入されており、干渉成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出するものである。この干渉成分検出器４２は、干渉成分のみに感度を持つ。

本実施形態では、ＳＯ_２成分に対するＣＨ_４成分の干渉影響を補正すべく、干渉成分検出器４２内には、例えば濃度５％のＣＨ_４ガス（５％ＣＨ_４ ｉｎ Ａｒ）を封入している。これにより、干渉成分検出器４２は、ＣＨ_４の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域（例えば７．１μｍ〜８．０μｍ）の赤外線強度を検出する（図２参照）。

そして、干渉成分検出器４２及び測定成分検出器４１が、セル２の他端側からこの順に光学的に直列配置されている。つまり、測定セル２を通過した赤外光は、まず干渉成分検出器４２に入射する。そして、干渉成分検出器４２（具体的には窓部材４２ｂ）を通過した赤外光が測定成分検出器４１に入射する。

このとき、測定成分検出器４１を干渉成分検出器４２の後段に設けているが、干渉成分検出器４２内の干渉用封入ガスが低濃度（本実施形態では５％）であり、測定成分検出器４１に入射する光量（ＳＯ_２が吸収特性を有する波長域の光量）が低下することを防止している。言い換えれば、干渉成分検出器４２内の干渉用封入ガスの濃度は、測定成分検出器４１の測定感度から定まるものであり、測定成分検出器４１において所定の測定精度が得られる程度の赤外線光量が確保できるように干渉用封入ガス濃度が定められる。

また、干渉成分検出器４２及び測定セル２の間には、サンプルガス中の第２干渉成分である一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）成分を除去するためのガスフィルタ６が設けられている。このガスフィルタ６は、例えば７．６μｍ〜８．０μｍの波長域の光を吸収するものである。従来はサンプルガスに含まれるＮ_２Ｏ成分がＳＯ_２成分に与える干渉影響は無視していたが、近年の赤外線ガス分析計の認証試験の厳格化に伴い、Ｎ_２Ｏ成分が測定成分に与える干渉影響を考慮する必要がある。ここで干渉成分検出器４２及び測定セル２の間にＮ_２Ｏガスフィルタ６が設けられているので、測定成分に与えるＮ_２Ｏ成分の干渉影響を低減することができる。

このとき、従来の配置態様、つまり測定セル２、測定成分検出器４１及び干渉成分検出器４２にさらにＮ_２Ｏガスフィルタを設けると、干渉成分検出器４２でのＣＨ_４成分の測定感度が低下してしまい、ＣＨ_４成分の干渉影響の補正を精度良く行うことができないという問題が生じる。しかしながら、本実施形態では、干渉成分検出器４２及び測定成分検出器４１をこの順番で配置していることから、干渉成分検出器４２の前段にＮ_２Ｏガスフィルタ６を設けたとしても、干渉成分検出器４２でのＣＨ_４成分の測定感度の低下を防ぐことができる。

演算装置５は、測定成分検出器４１の出力と干渉成分検出器４２の出力との差に基づいて干渉成分の補正を行うものである。具体的に演算装置５は、測定成分検出器４１からの信号を増幅して出力する測定用前置増幅器５１と、干渉成分検出器４２からの信号を増幅して出力する干渉用前置増幅器５２と、干渉用前置増幅器５２からの出力に所定の重み付け係数ｋを乗算して増幅する増幅器５３と、測定用前置増幅器５１からの出力信号から増幅器５３の出力信号を減算する減算器５４とを備えている。ここで、重み付け係数ｋは、干渉成分（ＣＨ_４成分）による赤外線吸収を測定したときの干渉成分検出器４２の出力信号に対する測定成分検出器４１の出力信号の大きさの比を合わす係数である。この係数ｋは１に近いように、つまり測定成分検出器４１の出力信号と干渉成分検出器４２の出力信号とが同程度となるように調整される。具体的には、干渉用前置増幅器５２に内蔵された抵抗値を調整することによって係数ｋを１に近づけることが考えられる。その他、測定用封入ガス又は干渉用封入ガスの濃度を調整することによって係数ｋを１に近づけることが考えられる。

つまり、上記赤外線ガス分析計１００においては、ＳＯ_２成分及びＣＨ_４成分を検出する測定成分検出器４１と、ＣＨ_４成分を検出する干渉成分検出器４２とを用いて、「測定成分検出器４１の出力」−「干渉成分検出器４２の出力×ｋ」という電気的な演算により、測定成分検出器４１の出力に加わったＣＨ_４成分干渉の影響を除去している。

次に、赤外線検出部４の構成及びＮ_２Ｏガスフィルタ６の有無による実験結果を図３に示す。この図３は、各検出部の仕様と、当該仕様毎のメタン干渉を補正した後の測定値及び重み付け係数ｋを示す。

なお、図３において、検出部仕様１及び仕様２は従来の配置を示すものであり、仕様３及び仕様４は本発明に関する配置である。具体的に、検出部仕様１は、前段（前室）に測定成分検出器（Ｍａｉｎ、封入したＳＯ_２の濃度は５％）、後段（後室）に干渉成分検出器（Ｃｏｍｐ、封入したＣＨ_４の濃度は９９％）を配置し、ガスフィルタを配置しない場合である。検出部仕様２は、前段（前室）に測定成分検出器（Ｍａｉｎ、封入したＳＯ_２の濃度は５％）、後段（後室）に干渉成分検出器（Ｃｏｍｐ、封入したＣＨ_４の濃度は９９％）を配置し、Ｎ_２Ｏ１００％濃度のガスフィルタを配置した場合である。検出部仕様３は、前段（前室）に干渉成分検出器（Ｃｏｍｐ、封入したＣＨ_４の濃度は５％）、後段（後室）に測定成分検出器（Ｍａｉｎ、封入したＳＯ_２の濃度は５％）を配置し、ガスフィルタを配置しない場合である。検出部仕様４は、前段（前室）に干渉成分検出器（Ｃｏｍｐ、封入したＣＨ_４の濃度は５％）、後段（後室）に測定成分検出器（Ｍａｉｎ、封入したＳＯ_２の濃度は５％）を配置し、Ｎ_２Ｏ１００％濃度のガスフィルタを配置した場合である。

まず、検出部仕様１について見ると、ＣＨ_４成分の干渉については補正により解消されている。しかしながら、サンプルガス中のＳＯ_２濃度１００ｐｐｍに対してＳＯ_２測定値が４３．７６７ｐｐｍ、Ｎ_２Ｏ濃度２００ｐｐｍに対してＮ_２Ｏ影響値が−１０．２３３ｐｐｍとなっている。なお重み付け係数ｋは約３．３３である。そうすると、ＳＯ_２濃度の出力値としては、補正後の測定値×約２倍の値となるが、このとき、Ｎ_２Ｏ濃度が約−２０ｐｐｍとなり、Ｎ_２Ｏ干渉が大きく出てしまう。

次に、検出部仕様２について見ると、ガスフィルタを設けることで、Ｎ_２Ｏ影響値が−３．８ｐｐｍと小さくなっておりＮ_２Ｏ干渉が低減されていることが分かる。しかしながら、各検出器、特に後段の干渉成分検出器の出力信号が大きく減少している。その結果、ＣＨ_４の干渉補正を正確に行うことができない。なお、この場合の最終的に指示値に影響を与える重み付け係数ｋは２１である。

次に、検出部仕様３について見ると、ＣＨ_４成分の干渉については補正により解消されている。また、サンプルガス中のＳＯ_２濃度１００ｐｐｍに対してＳＯ_２測定値が５３．２５ｐｐｍ、Ｎ_２Ｏ濃度２００ｐｐｍに対してＮ_２Ｏ影響値が−１．８２４ｐｐｍとなっている。なお重み付け係数ｋは１．１２である。そうすると、ＳＯ_２濃度の出力値としては、補正後の測定値×約２倍の値となるが、Ｎ_２Ｏ濃度は約−３．６ｐｐｍとなり、上記の仕様１及び２に比べて、Ｎ_２Ｏ干渉も低減されていることが分かる。

最後に、検出部仕様４について見ると、ＳＯ_２濃度１００ｐｐｍに対してＳＯ_２測定値が３６．２７５ｐｐｍであり若干値が小さくなっているものの、ＣＨ_４成分の干渉については補正により解消されており、またガスフィルタによりＮ_２Ｏ成分の干渉も極めて小さくなっていることが分かる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る赤外線ガス分析計１００によれば、干渉成分検出器４２及び測定成分検出器４１をセル２の他端側からこの順に光学的に直列配置していることから、まず干渉成分検出器４２により高精度にＣＨ_４成分を検出することができる。また、干渉成分検出器４２が測定成分検出器４１に入射する赤外光におけるＣＨ_４成分のガスフィルタとしての機能を発揮することから、測定成分検出器４１で検出されるＳＯ_２成分に含まれるＣＨ_４成分を低減することができる。このような配置の検出器４１、４２から得られた検出信号を用いてＳＯ_２成分を補正演算することから、ＳＯ_２成分の濃度を高精度に補正することができる。このようなＣＨ_４の干渉補正は、不完全燃焼条件下で生じた例えば排ガス等のサンプルガス中に含まれるＳＯ_２成分の濃度測定において特に有効である。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、測定成分検出器内に封入される測定用封入ガスは濃度５％の他、測定成分検出器の所望の測定感度に応じて適宜設定可能である。同様に干渉成分検出器内に封入される干渉用封入ガスも濃度５％の他、干渉成分検出器の所望の測定感度に応じて適宜設定可能である。

また、前記実施形態ではＳＯ_２成分の濃度におけるＣＨ_４成分の干渉影響を補正するものであったが、干渉成分をプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）としてＳＯ_２の濃度における水分干渉を補正するものとしても良い。また、測定成分をＣＯ、干渉成分をＣＯ_２としてＣＯの濃度におけるＣＯ_２の干渉影響を補正するようにしても良い。その他、測定成分をＮＯ、干渉成分をＮ_２ＯとしてＮＯの濃度におけるＮ_２Ｏ干渉を補正するようにしても良い。測定成分をＣ_２Ｈ_４、干渉成分をＮＨ_３として、Ｃ_２Ｈ_４の濃度におけるＮＨ_３干渉を補正するようにしても良い。測定成分をＰＨ３、干渉成分をＮＨ３として、ＰＨ３の濃度におけるＮＨ_３干渉を補正するようにしても良い。

さらに、前記実施形態はシンブルビームタイプの赤外線ガス分析計であったが、図４に示すように測定セル２及び比較セル７を有するダブルビームタイプの赤外線ガス分析計であっても良い。

その上、干渉成分検出器、別の干渉成分検出器及び測定成分検出器をこの順で直列配置することも考えられる。

加えて、前記実施形態の赤外線ガス分析計を、サンプルガス（測定対象ガス）中に共存する複数成分の濃度を同時測定する多成分濃度測定装置に適用しても良い。従来の多成分濃度測定装置では、各成分毎に対応する吸収波長のみを通過させるバンドパスフィルタを介して、各成分を測定するための測定計が成分ごとに配置されている。例えばＳＯ_２濃度を多成分濃度測定装置を用いて測定するために、ＳＯ_２計及びＳＯ_２の干渉成分であるＣＨ_４濃度を測定するＣＨ_４計が搭載されている。そしてＳＯ_２計の測定結果をＣＨ_４計の測定結果を用いて補正することで、ＳＯ_２濃度を算出するように構成している。しかしながら、多成分濃度測定装置のＳＯ_２計として前記実施形態の赤外線ガス分析計を用いることで、従来搭載していたＣＨ_４計が不要となり、多成分濃度測定装置を小型化できる、又はその他の成分測定計を搭載して測定できる成分数を増やすことができるといった効果を奏する。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・赤外線ガス分析計
２ ・・・セル
３ ・・・赤外光源
４ ・・・赤外線検出部
４１ ・・・測定成分検出器
４２ ・・・干渉成分検出器
５ ・・・演算装置
６ ・・・ガスフィルタ

Claims (3)

1. サンプルガスが供給されるセルと、
   前記セルの一端側に設けられて、該セルに赤外光を照射する赤外光源と、
   前記セルの他端側に設けられて、該セルを通過した赤外光を検出する赤外線検出部とを具備し、
   前記赤外線検出部が、
   前記サンプルガス中の測定成分又はそれと同等の赤外線吸収特性を示す測定用封入ガスが封入されており、前記測定成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出する測定成分検出器と、
   前記測定成分に干渉する干渉成分又はそれと同等の赤外線吸収特性を有し、前記測定用封入ガスとは異なるガス種からなる干渉用封入ガスが封入されており、干渉成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出する干渉成分検出器とを有し、
   前記干渉成分検出器及び前記測定成分検出器が、前記セルの他端側からこの順に光学的に直列配置されていることを特徴とする赤外線ガス分析計。
2. 前記セル及び前記干渉成分検出器の間に、前記干渉成分以外の第２干渉成分を除去するガスフィルタが設けられている請求項１記載の赤外線ガス分析計。
3. 前記測定成分が二酸化硫黄であり、
   前記干渉成分がメタンであり、
   前記第２干渉成分が一酸化二窒素である請求項２記載の赤外線ガス分析計。