JP2013213724A

JP2013213724A - 赤外線ガス分析計

Info

Publication number: JP2013213724A
Application number: JP2012083927A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Oishi; 満大石
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-10-17

Abstract

【課題】応答特性の改善を図るとともに光源部の製作に手間のかからない、高性能かつ安価な赤外線ガス分析計を提供することを目的とする。
【解決手段】
試料ガスが流通される円筒形状の測定セル１と、測定セル１の一端側に配置され測定セル１の内部に向けて赤外光を照射する光源部２と、測定セル１の他端側に配置され測定セル１を透過した赤外光を受光する検出器４とを備えた赤外線ガス分析計１００において、光源部２は光源素子２１を収納する光源室２２を有し、光源室２１には測定セル側へ向けて広がるテーパ穴２３ａとこのテーパ穴に連続する円柱穴２４ｂからなる反射面２３が形成されており、また、測定セル１の内径が光源部２の反射面端部の内径より小さい寸法に設定されていることを特徴とする。

【選択図】図１

Description

本発明は、化学工場や製鉄所のガス濃度に関するプロセスモニター、ボイラーや燃焼炉の燃焼ガス分析、大気汚染の監視、自動車排気ガスの測定などに使用され、ガス分子固有の赤外線吸収効果を利用して試料ガス中の特定成分の濃度を測定する赤外線ガス分析計に関する。

従来、この種の赤外線ガス分析計としては、赤外光（測定光）の光路に沿って直列に配置された前後のガス室間での赤外線吸収量の差を検出する検出器を備えたものが知られている。

図４に示すように、赤外線ガス分析計２００は、赤外線を発生する光源素子２０１を有する光源部２０２、光チョッパ２０３、測定セル２０４、および検出器２０５を備えている。検出器２０５は、測定ガス対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填された前後２つのガス室２０６、２０７と、両ガス室間を連通する通路２０８に設けられたセンサ２０９とを備えている。

光源部２０２から発せられた赤外光は、モータによって回転駆動される光チョッパ２０３により所定周期でオンオフする断続的な光となり、試料ガスが供給される測定セル２０４内に入射する。そして、測定セル２０４内に入射した赤外光は、測定対象ガスを含む試料ガスを透過し、検出器２０５に入射する。検出器２０５の２つのガス室２０６，２０７における赤外光の吸収量は、測定セル２０４内に存在する測定対象ガスの濃度に応じて変化するので、検出器２０５はその変化を通路２０８に配置したセンサ２０９にて圧力または流量の変化として捕らえ濃度信号を出力する。

特開２０００−２８３９１９号公報（段落〔０００３〕〜〔０００６〕、図８参照）

近年、赤外線ガス分析計はプロセスの連続監視等に用いられることが多く、高速応答への要望が益々高まっている。赤外線ガス分析計の応答特性を改善するための方法としては、（イ）試料ガス流量（サンプル流量）を増加させる、（ロ）測定セル長（光路長）を短くする、（ハ）サンプルスイッチング方式の場合において試料ガスと比較ガスとの入替えが短時間で済むように測定セルの内径を小さくする、等の幾つかの方法が採られてきた。

しかしながら、（イ）の方法では、試料ガス流量の増加に伴って前処理にかかる負担が増加し、メンテンナス周期が短くなるという問題がある。また、（ロ）の方法では、測定セル内での赤外光の吸収が大幅に減少し、検出感度の低下とともに大幅なＳ／Ｎ比の悪化を招いてしまう。（ハ）の方法については、改善前と同じ光路長を確保することができるものの、測定セルが細くなる分だけ光源から出射される赤外光を効率良く測定セル内へ導く必要があり、光源部の反射面を複雑な曲面形状に加工するなど反射構造の最適化が不可欠で、結果として光源部の加工コストが高くなるばかりか生産性が低下してしまう等の問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、応答特性の改善を図るとともに製作に手間のかからない、高性能かつ安価な赤外線ガス分析計を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、試料ガスが供給される円筒形状の測定セルと、前記測定セルの一端側に配置され当該測定セルの内部に向けて赤外光を照射する光源部と、前記測定セルの他端側に配置され当該測定セルを透過した赤外光を受光する検出器とを備え、前記検出器は、測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填されるとともに、前記測定セルに対して直列的に配置される二つのガス室を有し、これらガス室間における前記赤外光の吸収量の差によって生じる圧力差を電気信号に変換して出力するように構成されている赤外線ガス分析計において、
前記光源部は光源素子を収納する光源室を有し、前記光源室には前記測定セル側へ向けて広がるテーパ穴とこのテーパ穴に連続する円柱穴からなる反射面が形成されており、
また、前記測定セルの内径が前記光源部の反射面端部の内径より小さい寸法に設定されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の赤外線ガス分析計において、前記光源部のテーパ穴は４５度の傾斜角をもち、前記光源部の反射面端部の内径と前記測定セルの内径との比が、「１．５：１」に設定されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の赤外線ガス分析計用において、前記光源部と前記測定セルとの間には前記光源部から出射された赤外光を所定周期でオンオフする断続的な光として前記測定セルに入射させる光チョッパが配置されており、前記光チョッパは、赤外光の通過を許容する開口又は切り欠き部が形成された回転円板を有し、前記測定セルの端面と対向する光路領域部分のみを断続的に遮光するように当該回転円板の半径が設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、光源部の反射面端部の内径が測定セルの内径より大きい寸法に設定されており、同等の濃度範囲を測定対象とする従来の分析計と比較して測定セルの内径を細くした場合でも測定セル内に十分な赤外光が入射するので、測定セルの容積を減らして応答特性の改善を図ることができる。さらに、光源部の反射面は、測定セル側へ向けて広がるテーパ穴とこのテーパ穴に連続する円柱穴からなり、光源素子から出射された赤外光を効率良く測定セル内へ入射させるのに好適な形状をしており、かつ、一般的な工作機械を用いて光源ブロック本体に切削加工を施すことにより簡単に反射面を形成することができるので、応答性に優れた赤外線ガス分析計を安価に製造することができる。

本発明による赤外線ガス分析計の実施形態を示す縦断面図である。本発明による赤外線ガス分析計の主要部である光源部と測定セルの詳細を示す縦断面図である。光源部及び測定セルの両方を小型化した比較例としての赤外線ガス分析計を示す縦断面図である。従来の赤外線ガス分析計の構成を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して具体的に説明する。
図１は本発明による赤外線ガス分析計の実施形態を示す図であり、また、図２は図１に示した赤外線ガス分析計における光源部と測定セルの詳細を示す図である。

図１に示すように、赤外線ガス分析計１００は、測定対象ガスを含む試料ガスがその内部に導入される測定セル１、測定セル１の一端側に配置され測定セル１の内部に向けて赤外光を照射する光源部２、光源部２と測定セル１との間に配置され、光源部２から出射された赤外光を所定の周期でオンオフする断続的な光（測定光）として測定セル１に入射させる光チョッパ３、及び測定セル１の他端側に配置され測定セル１を透過した赤外光を受光し、その強度を圧力センサやマスフローセンサ等で検出して最終的に測定対象ガスの濃度を計測する検出器４とから構成されている。

測定セル１は、ステンレス鋼などの金属材料製で、内径１４ｍｍ、長さ２５０ｍｍの円筒形状を呈しており、その両端にはCaF2（フッ化カルシウム）などの赤外線透過材料で形成された光学窓１１が固着されている。試料ガスは、ガス入口管１２より導入され、ガス出口管１３から導出されるようにして測定セル１の内部に供給される。

光源部２は、図２に示すように、赤外光を発生するフィラメント（光源素子）２１を収納する光源室２２を有している。光源室２２には、フィラメント２１の取付部近傍側から測定セル１側へ向けて広がるテーパ穴２３ａとこのテーパ穴に連続する円柱穴２３ｂとで形成された反射面２３が設けられている。この光源室２２の反射面２３は、一般的な工作機械を用いて円柱状のブロック体に切削加工を施すことにより簡単に形成することができる。

光源室２２のテーパ穴２３ａは、効率よく赤外光を測定セル１側へ照射できるようにフィラメントの長手方向（測定セルの中心軸と一致する方向）に対し「４５度」の傾斜角を持っている。また、光源室２２の円柱穴２３ｂの終端である反射面端部の内径Ａと測定セルの内径Ｂとの比は略「１．５対１」に設定されており、反射面端部の内径Ａは２３ｍｍである。

また、測定セル１と対向する光源室２２の反射面端部には、赤外線透過材料で形成された光学窓２４が固着されている。そして、光源室２２内のフィラメント２１は不図示の電源および駆動回路と接続されており、駆動電圧を印加することで発熱し、その発熱温度に対応した赤外光を放射する。

光チョッパ３は、赤外光の通過を許容する開口又は切り欠き部が形成された回転円板３１と、軸を介して回転円板３１を駆動するモータ３２とを有している。ここで、回転円板３１の半径Ｒは、測定セル１の端面と対向する赤外光の光路領域部分のみを断続的に遮光するのに必要な最小寸法に設定されている。つまり、図２の右側方向から回転円板３１と測定セル１を見た場合に、回転円板３１に対して測定セル１が内接円を描くように回転円板３１の半径Ｒが設定されている。このように、光源室２２の反射面端部の内径Ａより測定セルの内径Ｂを小さく、即ち、測定セル１を細くすることと併せて、光チョッパ３の構成要素である回転円板３１の半径も小さくすることにより、測定セル１の中心軸と直交する幅方向の占有スペースを減らしている。

検出器４は、測定セル１の後段に直列に配置される第１のガス室４１と第２のガス室４２を備えている。これらの第１のガス室４１と第２のガス室４２との間は、赤外線透過材料からなる光学窓４５で仕切られている。また、第１のガス室４１の前側及び第２のガス室４１の後側にも光学窓４５が設けられている。そして、第１のガス室４１、第２のガス室４２の内部には、測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填されている。

この検出器４は、前段の測定セル１内を透過してきた赤外光が第１のガス室４１，第２のガス室４２へ入射し、両ガス室間における充填ガスの赤外線吸収量の差に基づく圧力差によって２つのガス室間を連通するガス流路４３にガスの流れが生じると、これをフローセンサ４４にて検出し、不図示の演算処理回路で電気信号（ガス濃度検出信号）に変換して外部へ出力するように構成されている。

上述のような本実施形態によれば、光源室２２の反射面２３をブロック体にテーパ穴２３ａと円柱穴２３ｂとを穿設することで形成することができるので光源部２３の製作が容易である。そして、４５度の傾斜角を持つテーパ穴２３ａと円柱穴２３ｂからなる反射面２３は、光源室２２内での乱反射に起因する赤外光の減衰を低減するのに好適な形状であり、光源部２から測定セル１側へ赤外光を効率良く導くことができる。これにより測定セル１を細くした場合でも有効光量の低下を抑えることが可能となり、測定セル１の内径を小さくして応答特性の改善を図ることができる。さらに、測定セル１の内径を小さくすることと併せて、光チョッパ３の回転円板３１も小径化しているので、赤外線ガス分析計１００を小型化することができ、特に複数の分析部を搭載して多成分分析を行う赤外線ガス分析計を構成する場合に好適である。

次に、本発明による効果を検証するために本実施形態と２つの比較例について応答時間と受光量に関する評価を行った結果を「表１」に示す。なお、測定セル長（光路長）は全て同一の寸法で２５０ｍｍとしている。

比較例１は、図４を参照して説明した従来技術による赤外線ガス分析計２００であり、光源部２０２の内径Ａと測定セル２０４の内径Ｂは同一の寸法で構成されている。
この比較例１の試料ガスに対する応答時間は「表１」に示すように「約２０秒」程度を要していた。

図３に示す比較例２は、応答特性の改善を目的として測定セル２１０の内径Ｂを比較例１の１／２以下の１０ｍｍと細くし、これと同時に光源部２１１の内径Ａを測定セル２１０と同一の１０ｍｍに設定した赤外線ガス分析計３００である。なお、検出器２０５は比較例１と同一のものである。この比較例２の試料ガスに対する応答時間は「約４秒」となり、比較例１の１／５程度まで大幅に改善された。しかしながら、この比較例２の検出器受光量を比較例１と比較した場合には「約１５%」程度まで大幅に減少し、S/Nの悪化が顕著に現れる結果なった。

比較例２に見られるこのような現象は、測定セル２１０に合わせる形で光源部２１１の内径も小さくしたことに起因して光源素子（フィラメント）２１２と光源部２１１の反射面が近接し、従来であれば光源部の反射面で反射され、測定セル内に向かっていた赤外光の殆どが、光源部２１１内で乱反射して戻り光となり、光源素子２１２及び光源部２１１を構成するアルミ材などによって熱として吸収されたがために受光量の大幅な減衰を招いたものと推測される。
検出部受光量は分析計のS/Nに大きく影響するため、受光量をある程度確保しつつ、応答特性を改善しなければならない。本願発明者が種々検討した結果、本実施形態のように、光源部２の光源室２２の反射面２３をテーパ穴２３ａと円柱穴２３ｂとから形成し、光源室２２の反射面端部の内径Ａは従来（比較例１）と同じにしたままで、測定セルの内径Ｂを約４０%程度低減することにより、受光量の従来比「約６０％」を確保しつつ、応答時間を「約６秒」程度まで短縮することが可能となった。

なお、本実施形態における比較例１と比較した場合の感度低下分については、例えば検出器４への封入（充填）ガス濃度の最適化やセンサ感度アップなどで補うことが可能なレベルであり、高速応答可能な赤外線ガス分析計を実用に供することができる。

１：測定セル、１１：光学窓、２：光源部、２１光源素子（フィラメント）、
２２：光源室、２３：反射面、２３ａ：テーパ穴、２３ｂ：円柱穴、
２４：光学窓、３：光チョッパ、３１：回転円板、３２：モータ、
４：検出器、４１：第１のガス室、４２：第２のガス室、４３：ガス流路、
４４：フローセンサ、４５：光学窓、１
００：赤外線ガス分析計。

Claims

試料ガスが供給される円筒形状の測定セルと、前記測定セルの一端側に配置され当該測定セルの内部に向けて赤外光を照射する光源部と、前記測定セルの他端側に配置され当該測定セルを透過した赤外光を受光する検出器とを備え、前記検出器は、測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填されるとともに、前記測定セルに対して直列的に配置される二つのガス室を有し、これらガス室間における前記赤外光の吸収量の差によって生じる圧力差を電気信号に変換して出力するように構成されている赤外線ガス分析計において、
前記光源部は光源素子を収納する光源室を有し、前記光源室には前記測定セル側へ向けて広がるテーパ穴とこのテーパ穴に連続する円柱穴からなる反射面が形成されており、
また、前記測定セルの内径が前記光源部の反射面端部の内径より小さい寸法に設定されていることを特徴とする赤外線ガス分析計。
請求項１に記載の赤外線ガス分析計において、前記光源部のテーパ穴は４５度の傾斜角をもち、前記光源部の反射面端部の内径と前記測定セルの内径との比が、「１．５：１」に設定されていることを特徴とする赤外線ガス分析計。
請求項２に記載の赤外線ガス分析計において、前記光源部と前記測定セルとの間には前記光源部から出射された赤外光を所定周期でオンオフする断続的な光として前記測定セルに入射させる光チョッパが配置されており、前記光チョッパは、赤外光の通過を許容する開口又は切り欠き部が形成された回転円板を有し、前記測定セルの端面と対向する光路領域部分のみを断続的に遮光するように当該回転円板の半径が設定されていることを特徴とする赤外線ガス分析計。