JP2734507B2 - 赤外線ガス分析計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 この発明は赤外線ガス分析計に関する。さらに詳しく
は各種工業プロセスのガス濃度の監視や制御、公害監視
のための排ガス濃度測定などに使用される分析計であっ
て、ガス分子の赤外線吸収効果を利用してガス分子の赤
外線吸収の強さにより試料ガス中の特定成分の濃度を連
続して測定する非分散型赤外線ガス分析計に関する。 （ロ）従来の技術 従来から各種工業プロセスのガス濃度の監視や制御、
公害監視のための排ガス濃度測定などに使用される赤外
線ガス分析計としては、特開昭第60−198435号公報、同
第60−250234号公報等に示されるように、光源と検出器
との間に、赤外線を吸収しない不活性ガスが充填された
比較セルと試料ガスが導入される試料セルとが介設さ
れ、比較セルの透過光および試料セルの透過光をそれぞ
れ分断してこれらを単一の検出器に交互に導入してそれ
ぞれ独立に測定する光学系を備えたものが用いられてい
る。上記のごとき赤外線ガス分析計は選択性、安定性が
良いためさまざまなガスの連続測定に使用されている。 （ハ）発明が解決しようとする問題点 しかしながら、一部のガスにおいては吸収帯が重なる
ために干渉影響がでる場合がある。この干渉影響を補償
する方法の一つとして、比較セルを試料セルと同じよう
にガスを流す構成にし、該比較セルに、試料ガスから測
定対象成分のみを吸収剤等を使用して除いた測定対象成
分除去ガス（すなわち干渉成分ガス）を切換導入して測
定する方法があるが、この方法では標準ガスで較正する
と組成の差によりゼロ点が変化し、また連続して測定で
きないという問題点がある。またもう一つの方法として
干渉成分の種類に応じて複数の検出器を使用し、このう
ち１台目で試料ガス濃度を測定し、２台目以降の検出器
でそれぞれの干渉成分を測定し、試料ガス濃度からこれ
らの干渉分を２台目以降の検出器で差し引く方法である
が、この場合には検出器を最低限２台使用する必要があ
り、コスト高でかつ装置構成が複雑になるという問題が
ある。 この発明はかかる状況に鑑みなされたものであり、単
一の光学系で干渉成分の影響を除いた試料ガス濃度を連
続して測定でき、さらに標準ガスでの較正時にも誤差を
生じない赤外線ガス分析計を提供しようとするものであ
る。 （ニ）問題点を解決するための手段 かくしてこの発明によれば、試料ガス供給部に直接管
路接続された試料ガスセルと、同じく試料ガス供給部に
被検ガス除去部を介して管路接続された干渉ガスセル
と、赤外非吸収性ガスが充填された独立の比較セルとを
並設し、この試料ガスセルおよび干渉ガスセルへ各々試
料ガスおよび被検ガス成分が除去された試料ガスを並行
して供給しうるよう構成されたガス流路系と、 上記各試料ガスセル、干渉ガスセル、比較セルに所定
の測定用波長光を照射しうる光源部と、照射時の透過光
を単一の受光器でかつ各セル毎に独立して測定しうる検
出部とから構成された光学系と、 前記検出器から出力される、比較セルからの比較信
号、試料セルからの測定信号、干渉セルからの干渉信号
をそれぞれ記憶する記憶部と、前記各信号がどのセルか
ら得られたものかを弁別する、小開口と光検出器とから
なるセル弁別手段と、この比較信号と測定信号の差に基
づいて試料ガス濃度（S₁）を演算し、比較信号と干渉信
号との差に基づいて干渉成分濃度（I₁）を演算し、該I₁
に感度補正ファクタを乗じて補正（I₁′）し、この補正
値I₁′と上記S₁との差に基づいて、濃度変換することに
より、干渉成分ガスの影響を補償した試料ガス中の測定
対象成分ガスのみのガス濃度を演算する比較演算部とを
有してなる赤外線ガス分析計が提供される。 この発明は、所定の測定用波長光を照射しうる光源部
と１つの検出器との間に比較セル、試料ガスセル、干渉
ガスセルを独立して有し、試料ガス中に含まれる被検成
分と吸収帯が重なる干渉成分の影響を排除した被検成分
のみの濃度を、単一の光学系によって連続測定可能に構
成された分析計であることを特徴とする。 この発明において、上記比較セルには赤外線を吸収し
ない赤外非吸収性のガスが充填されたものが用いられ
る。また上記試料ガスセルは試料ガス濃度の測定用セル
であり、試料ガスが直接導入されるよう構成される。さ
らに干渉ガスセルは上記試料ガス中の被検成分の赤外吸
収帯に重なる赤外吸収帯を有するガス成分（干渉成分）
の濃度を測定しうるセルであり、上記試料ガスから被検
成分のみを除去したガスが導入されるよう構成される。 上記試料ガスセルおよび干渉ガスセルへの各対応する
試料ガスを導入する構成としては、例えば試料ガス供給
部に管路接続される該ガス供給流路を分岐構成して、一
方は試料ガスセルに接続し、他方は干渉ガスセルに接続
しうるよう配設し、干渉ガスセルへの流路上に被検成分
を吸収しうる吸収剤を充填したガストラップを設ける等
の構成が挙げられる。 この発明に用いられる検出器としては、通常当該分野
で公知のものが使用される。例えばコンデンサマイクロ
ホン、マイクロフローセンサを使用した一方向形の圧力
検出方式もしくは前後室形検出方式、半導体検出器等が
挙げられる。 上記検出器に各セルからの透過光を各セル毎に独立し
て導入しうる方法としては、当該分野で公知の方法が用
いられ、例えば光源部と各セルまたは各セルと検出器と
の間に光チョッパ手段を設けること等が挙げられる。詳
しくは後述する実施例の記載が参照される。 この発明において、干渉成分濃度の測定は試料ガスを
測定したのと同条件で被検成分除去ガスについて測定す
ることにより得られるが、しかし試料ガスセルと干渉ガ
スセルとの感度差があればこれを補正しておく必要があ
る。この場合試料ガスセルおよび干渉ガスセルに上記除
去ガスをそれぞれ導入して同一条件で測定し、これらの
各セルからの透過光に基づいて得られる濃度値から濃度
比を求めてこれを補正係数として用いればよい。なお、
この場合上記除去ガスを前記両セルに導入する１つの流
路構成例としては、前述した流路構成において試料ガス
供給部から試料ガスセルに接続されている流路に弁を設
け、さらに該弁と試料セルとの間で分岐し、該分岐流路
の先端を干渉ガスセルに接続されている他方の流路のガ
ストラップ付設位置と干渉ガスセルとの間に接続し、該
分岐流路に弁を設定する流路構成が挙げられる。詳しく
は後述する実施例の記載が参照される。 この発明の分析計に具備される比較演算部は、前記各
セルからのそれぞれの透過光に基づいて検出される各信
号を記憶する記憶部と、上記各信号がどのセルから得ら
れたものかを弁別するセル弁別手段と、該セル弁別手段
からの信号により上記各信号を前記記憶部の所定領域へ
記憶させる記憶選択手段と、前記記憶部の内容を読み出
し試料ガスセルからの測定信号または干渉ガスセルから
の干渉信号をそれぞれ比較セルからの比較信号と対比し
て、被検成分濃度または干渉成分濃度に換算する演算部
とから構成される。 （ホ）作用 この発明によれば、赤外非吸収性ガスが充填された比
較セル、試料ガスが導入される試料ガスセルおよび該試
料ガスから被検成分を除いた被検成分除去ガスが導入さ
れる干渉ガスセルからのそれぞれの透過光が、単一の検
出器に適宜順序だてて導入され、それぞれ独立した比較
信号、測定信号、干渉信号が得られる。これらの信号の
うち比較信号と測定信号との減算値並びに比較信号と干
渉信号との減算値が算出され、さらにこれらの減算値間
の差に基づいて、被検成分のみの濃度が算出される。 以下実施例によりこの発明を詳細に説明するが、これ
によりこの発明は限定されるものではない。 （ヘ）実施例 第１図はこの発明の赤外線ガス分析計の一例の構成説
明図である。図において該分析計（１）は、光源（２）
と、該光源からの光路上に並設された比較セル（３）、
試料ガスセル（４）および干渉ガスセル（５）と、これ
らのセル群と上記光源との間に設定され光路を一定の時
間間隔で断続する光チョッパ（６）と、上記セル群から
の透過光を集光する集光器（７）と、検出器（８）と、
該検出器からの出力信号に基づいてガス濃度を演算する
比較演算部（９）とから主として構成されている。 上記光チョッパ（６）は第２図に示すごとく、光源
（２）からの光を比較セル（３）、試料ガスセル
（４）、干渉ガスセル（５）それぞれにこの順序で入射
させるよう光束分断用の、比較セル用開口（63）、試料
ガスセル用開口（64）、干渉ガスセル用開口（65）が互
いに離れた位置に設定されている。またこれらの各開口
（63），（64），（65）それぞれに対応して小開口（6
6），（67），（68）が設けられている。これらの小開
口（66），（67），（68）は、第１図における各光検出
器（31），（32），（33）にそれぞれ対向して設定され
ている。従ってこれらの各小開口を透過する光は各対向
する光検出器に断続して受光されて、パルス信号が発生
されることになり、すなわちこれらの小開口と光検出器
とで、光チョッパが光束を断続するタイミングを検出す
ることによりセルを弁別する、いわゆるセル弁別機構を
構成している。光チョッパ（６）はモータ（61）により
回転されるが、この場合の回転速度は検出器（８）の応
答時間よりも遅くなるように設定される。その結果検出
器（８）からの検出信号は、第３図に示されるように、
比較セル（３）、試料ガスセル（４）、干渉ガスセル
（５）それぞれの信号が相互に干渉しないように孤立波
となる。 上記検出器（８）は、光の入射に対して前後に配置さ
れた２つの室（81）および（82）を有しており、各室
（81）（82）には測定成分ガスが充填されて密閉されて
おり、入射光はまず前室（81）に入り、その透過光が後
室（82）に入る。両室（81）（82）における光吸収の差
に応じた圧力差は両室間に設けられた圧力差検出素子
（83）により検出される。圧力差検出素子（83）にはコ
ンデンサマイクロホンが使用されている。 前記比較演算部（９）は、上記圧力差検出素子（83）
からの検出信号を増幅する増幅器（91）、該増幅器から
の増幅信号をデジタル変換するA/Dコンバータ（92）、
このデジタル信号を処理する信号処理部を有するマイク
ロプロセッサユニット（MPU,93）、該MPUでの処理信号
を比較信号（Ｒ）、測定信号（Ｓ）、干渉信号（Ｉ）別
に記憶する領域および他のファクタを記憶する領域を有
するメモリ（94）、前記セル弁別機構の光検出器（3
1），（32），（33）に基づくセル弁別信号を上記MPU
（93）に読み取り可能に伝送するインターフェース（I/
F）（95）とから構成されている。上記MPU（93）での信
号処理は、増幅器（91）からのディジタル信号を読み取
り、積算し、上述の孤立波の面積を表す値にし、この値
をセル弁別信号に基づいて所定のメモリ領域にストアす
ること、このストアされた値をロードし所定のファクタ
を乗算して濃度に換算することからなる。 前記並設される試料ガスセル（４）および干渉ガスセ
ル（５）には、試料ガス供給部からのガス流路が、第４
図に示すごとく配設されている。すなわち、試料ガス供
給部（イ）から試料ガスセル（４）へ接続される試料ガ
ス供給流路（ａ）と、該流路（ａ）の上流で分岐（ロ）
して測定成分ガス除去室（ハ）を介して干渉ガスセル
（５）に接続される干渉ガス流路（ｂ）と、該流路
（ｂ）の除去室（ハ）と干渉ガスセル（５）との間と、
上記試料ガス供給流路（ａ）の分岐部（ロ）と試料ガス
セル（４）との間に管路接続されて両流路（ａ）（ｂ）
を連通する連通路（ｃ）と、前記試料ガス供給流路
（ａ）の分岐部（ロ）と連通路（ｃ）接続部との間に設
定される第１ストップ弁（ニ）と、上記連通路（ｃ）に
設定される第２ストップ弁（ホ）とから構成される。上
記測定成分ガス除去室（ハ）には試料ガス中の測定対象
成分のみ吸収する吸収剤が充填されている。 以上のごとく構成されたこの発明の赤外線ガス分析計
（１）についての作動を説明する。 光チョッパが所定の回転速度で矢印方向に回転される
と、光源から放出された赤外線光束は、該光チョッパの
開口部とそれ以外の部分とにより一定の時間間隔で断続
されて、比較セル、試料ガスセル、干渉ガスセルの順に
導入される。そしてこれらのセルを透過した透過光は上
記入射の順に集光器により集光されて検出器に順次入射
される。 検出器の圧力差検出素子により順次検出された各検出
信号は、比較演算部で比較信号（Ｒ）、測定信号
（Ｓ）、干渉信号（Ｉ）としてメモリにストアされ、こ
のストアされた各信号値を適宜ロードして濃度変換され
る。すなわちＲとＳとの差に基づいて試料成分濃度
（S₁）が算出され、ＲとＩとの差に基づいて干渉成分濃
度（I₁）が算出され、これらの差（S₁−I₁）に基づいて
干渉成分の影響が除去された真の測定対象成分濃度が算
出される。 実際の分析にあたっては、前述の流路構成においてま
ず、第１ストップ弁を閉じて試料ガス供給流路（ａ）を
閉鎖し、一方第２ストップ弁を開いて連通路（ｃ）を開
放することにより、試料ガス供給部から除去室を経て測
定対象成分が除去されたガス（以下除去ガス）を試料ガ
スセルおよび干渉ガスセルに導入してそれぞれ測定し、
比較演算部で得られる試料ガスセルからの信号（C₁）と
干渉ガスセルからの信号（C₂）とによって、感度補正用
ファクタ;C₁/C₂を算出し、これをメモリしておく。次に
第１ストップ弁を開放し、第２ストップ弁を閉じて試料
ガスを試料ガスセルに、除去ガスを干渉ガスセルに導入
して同様に測定し、比較演算部で得られるそれぞれの信
号値、すなわち比較信号（Ｒ）、測定信号（Ｓ）、干渉
信号（Ｉ）をメモリした後、ＲとＳとの差に基づいて試
料ガス濃度（S₁）を演算し、ＲとＩとの差に基づいて干
渉成分濃度（I₁）を演算し、該I₁に上記感度補正ファク
タを乗じて補正（I₁′）し、この補正値と上記S₁との差
に基づいて、濃度変換することにより試料ガス中の測定
対象成分のみのガス濃度が求められることとなる。 （ト）発明の効果 この発明によれば、複数の干渉成分が存在していても
干渉が除去できる。感度補正用ファクタにより、従来よ
りも安定性が良くなる。単一の検出器を使用しているの
で、複数の検出器を用いた場合のような特性差がなく、
誤差が非常に小さく抑えられる。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の赤外線ガス分析計の一例の構成説明
図、第２図は第１図で用いた光チョッパの平面図、第３
図は検出器による検出信号を示す波形、第４図はこの発
明の分析計のガス流路系を説明する説明図である （２）……光源、（３）……比較セル、 （４）……試料ガスセル、（５）……干渉ガスセル、 （６）……光チョッパ、（７）……集光器、 （８）……検出器、（９）……比較演算部、 （31），（32），（33）……光検出器、 （63）……比較セル用開口、 （64）……試料ガスセル用開口、 （65）……干渉ガスセル用開口、 （66），（67），（68）……小開口、 （83）……圧力差検出素子、 （91）……増幅器、（92）……A/Dコンバータ、 （93）……MPU、（94）……メモリ、 （95）……インタフェース。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．試料ガス供給部に直接管路接続された試料ガスセル
   と、同じく試料ガス供給部に被検ガス除去部を介して管
   路接続された干渉ガスセルと、赤外非吸収性ガスが充填
   された独立の比較セルとを並設し、この試料ガスセルお
   よび干渉ガスセルへ各々試料ガスおよび被検ガス成分が
   除去された試料ガスを並行して供給しうるよう構成され
   たガス流路系と、 上記各試料ガスセル、干渉ガスセル、比較セルに所定の
   測定用波長光を照射しうる光源部と、照射時の透過光を
   単一の受光器でかつ各セル毎に独立して測定しうる検出
   部とから構成された光学系と、 前記検出器から出力される、比較セルからの比較信号、
   試料セルからの測定信号、干渉セルからの干渉信号をそ
   れぞれ記憶する記憶部と、前記各信号がどのセルから得
   られたものかを弁別する、小開口と光検出器とからなる
   セル弁別手段と、この比較信号と測定信号の差に基づい
   て試料ガス濃度（S₁）を演算し、比較信号と干渉信号と
   の差に基づいて干渉成分濃度（I₁）を演算し、該I₁に感
   度補正ファクタを乗じて補正（I₁′）し、この補正値
   I₁′と上記S₁との差に基づいて、濃度変換することによ
   り、干渉成分ガスの影響を補償した試料ガス中の測定対
   象成分ガスのみのガス濃度を演算する比較演算部とを有
   してなる赤外線ガス分析計。