JP3261842B2 - 非分散形赤外線ガス分析計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料ガス中に含まれて
いる多成分ガスの注目する複数成分の濃度を、実時間で
連続的に測定する非分散形の赤外線ガス分析計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】赤外線ガス分析計は、複数成分によって
なる試料ガス中の注目するガス成分について、当該ガス
成分による赤外線の吸収量を選択的に検出して当該ガス
成分の濃度を実時間で連続的に測定する装置である。赤
外線ガス分析計は、一般に選択性が良く測定感度が高い
ことから、さまざまな分野におけるガス分析の目的に広
く使用されている。

【０００３】次に、従来例の非分散形の赤外線ガス分析
計の構成、並びにその動作原理を図２により説明する。
図２において、１は試料ガスを流す測定セル、２は赤外
線光源部、３は赤外線光源部２から出射した赤外線光束
を断続して測定セル１に導く回転セクタ、４は回転セク
タ３を駆動するモータ、５は測定セル１の赤外線光束出
射側に配備した検出ブロックである。この検出ブロック
５は、透過波長帯域が試料ガス中の注目の測定対象ガス
成分の吸収波長帯域に相当する例えば多層薄膜干渉フィ
ルタなどの光バンドパスフィルタ7Bと、この波長帯域で
平坦な分光感度特性を有する例えば焦電型センサ、半導
体センサなどの赤外線センサ7Aとが、対をなして組み合
わされた検出ユニット７を、測定対象成分ガスに対応す
る数（図示例では＃１〜＃３で表す３個）集めてセンサ
取付ブロック６に配置収納したものである。

【０００４】このように構成された赤外線ガス分析計に
おいては、赤外線光源部２から出射された赤外線は、回
転セクタ３の開閉周期で断続する光学的に変調された赤
外線光束８となって測定セル１に入射し、測定セル１内
を透過する過程で、試料ガスを構成するそれぞれのガス
成分に固有の波長帯域の赤外線が、当該ガス成分の濃度
に応じて吸収されて検出ブロック５に到達する。そし
て、検出ブロック５においては、検出ブロック５に配置
収納された各検出ユニット７毎に、その検出ユニット７
に設けられた光バンドパスフィルタ7Bの透過波長帯域の
赤外線が赤外線センサ7Aによって電気信号に変換され、
その光バンドパスフィルタ7Bの透過波長帯域を吸収波長
帯域とするガス成分の濃度を表す信号として出力され
る。

【０００５】上記の試料ガスによる赤外線の吸収は、試
料ガスを構成するガス成分中に、電場に感応する電気的
双極子モーメントを持つ分子によってなるガス成分が含
まれているとき、このガス成分の分子の振動と振動にと
もなう回転運動とが、赤外線の振動電場によって励起さ
れるときに生じるものであり、吸収される赤外線の波長
帯域と吸収の強さは、当該ガス成分を構成する分子の構
造によって定まる当該ガス成分に固有のものである。な
お、赤外線の波長λと振動数νとは、光の速度Ｃを仲立
ちとして互いに逆数の関係λ＝Ｃ／νにあり、一方の値
が与えられば他方の値が求められるので以後の説明では
両者を同等に用いることとする。

【０００６】図４に、大気圧程度の特定成分の異なる濃
度（C1ないしC4）のガス試料によって観測される赤外線
吸収スペクトルを模式的に示す。ガス試料による赤外線
吸収スペクトルにおいては、赤外線吸収を示すガス成分
構成分子の分子振動の振動数に相当の波長λb を中心
に、振動の励起にともなって惹起される分子の回転状態
の変化に対応する赤外線の吸収が、隣接した連続スペク
トルとして図４に例示のように観測される。

【０００７】上記の試料ガスによる赤外線の吸収の強さ
と該ガス濃度との間には、下記式(1) で表されるランベ
ルト・ベールの法則が成立することが知られている。

【０００８】

【数１】 Ｉ＝Ｉ₀ ｅｘｐ（−ｋｃＬ） ----------- (1) ここに、 Ｉ₀ ；赤外線の入射光量 Ｉ ；赤外線の透過光量 ｃ ；被測定ガス成分の濃度 ｋ ；吸光係数 Ｌ ；赤外線の透過厚さ 式(1) における吸光係数ｋの値は、赤外線の吸収されや
すさの程度を表す数値であるから、図４に例示の赤外線
吸収スペクトルは、この吸光係数ｋの値を表すものと見
做される。この吸光係数ｋの値は、図に見られるように
分子振動の振動数に対応する波長λb の吸収中心付近の
赤外線に対して大きな値となり、この吸収中心波長λb
から離れた領域では小さい値となる波長依存性を示すこ
ととなるが、前記のように赤外線の吸収が、ガス成分構
成分子の分子振動と振動の励起にともなって惹起される
分子の回転状態の変化に対応して生じるものであること
から、ガス成分を構成する分子の構造によって定まる当
該ガス成分に固有のものである。

【０００９】前記の赤外線ガス分析計では、光バンドパ
スフイルタ7Bを用いて測定対象の成分分子の赤外線吸収
波長域に相当する波長の広がりをもつ光を赤外線センサ
7Aに導いているので、透過光量の変化分ΔＩとしてセン
サが出力する信号値Ｓと測定対象成分の濃度ｃとは、厳
密には下記の式(2) で表される関係となる。

【００１０】

【数２】

【００１１】Ｓ ；赤外線ガス分析計の信号 Ｓ₀ ；信号スパン k(λ,c) ；吸光係数、波長および濃度の函数 λ ；赤外線の波長 λ₁ ，λ₂ ；積分範囲 ｃ ；被測定ガス成分の濃度 しかしながら、式(2) の積分で求まる透過光量の変化分
に相当する吸光係数の値を、光バンドパスフイルタ透過
波長域における測定対象の分子の平均の吸光係数の値と
見做し、これを等価吸光係数とすると、この積分範囲λ
₁ からλ₂ に渡る波長域の入射光と透過光についても、
式(1) の関係が実用的な水準で成立しているので、以下
の説明では式(1) の関係を前提として進める。

【００１２】上記のように、赤外線ガス分析計における
入射光と透過光の間には、式(1) の関係が成立成立して
いるので、赤外線センサ7Aにおいては、上記の式(1) で
表される赤外線の透過光量Ｉと入射光量Ｉ₀ の差分ΔＩ
が濃度分析信号Ｓとして検出される。即ち、赤外線ガス
分析計の濃度分析信号Ｓは下記式(3) で表される。

【００１３】

【数３】 Ｓ∽ΔＩ＝Ｉ₀ −Ｉ＝Ｉ₀ ｛１−ｅｘｐ（−ｋｃＬ）｝------ (3) 一方、式(1) の両辺をＩ₀ で除して両辺の対数を採り、
対数の展開式を適用し、赤外線の入射光量Ｉ₀ と透過光
量Ｉの差分ΔＩの値が小さい場合ΔＩ／Ｉ₀ の２乗以上
の項は通常十分小さい値となるのでこれを省略する近似
を行うと式(4)が導かれる。

【００１４】

【数４】 log Ｉ／Ｉ₀ ＝log （１−ΔＩ／Ｉ₀ ）≒−ΔＩ／Ｉ₀ ＝log exp ｛−ｋｃＬ｝＝−ｋｃＬ すなわち、 ΔＩ／Ｉ₀ ＝Ｓ／Ｉ₀ ＝ｋｃＬ ----------- (4) この式(4) は、赤外線の入射と透過の光量変化ΔＩがあ
まり大きくなくΔＩ／Ｉ₀ の２乗以上の項の省略近似が
可能な場合、赤外線ガス分析計の感度がセル長Ｌに比例
することを示している。

【００１５】ところで、低濃度ガス成分と高濃度ガス成
分とを同時に測定する赤外線ガス分析計では、通常、低
濃度ガス成分の測定においても十分な信号量が得られる
よう長いセル長の試料セルが選択される。長いセル長の
試料セルによって高濃度ガス成分の測定を行うと、赤外
線の入射光量Ｉ₀ と透過光量との差ΔＩは大きくなって
式(4) を導く近似は成立しなくなり、赤外線センサ7Aが
検出した電気信号Ｓと被測定成分ガスの濃度ｃとは、式
(3) で表される非直線な関係となる。

【００１６】上記式(3) は、吸光係数ｋと試料セルの長
さＬおよび被測定ガス成分の濃度ｃの積であるｋｃＬの
値に対して、電気信号Ｓが一定値Ｉ₀ を漸近線とする曲
線上を変動することを示している。このため、吸光係数
ｋの値に対比して長いセル長の試料セルで高濃度の試料
ガス成分を測定すると、測定ガス濃度のフルスケール近
辺では、濃度変化に対する信号出力は飽和し、その変化
分は小さくなって信号分解能が低下してしまう。このよ
うな場合に、入出力間の非直線的関係を電気的に補正す
る直線化回路を応用するとしても、上記のような濃度変
化に対する信号出力の変化分が小さい領域では、直線化
回路は機能を発揮できない。

【００１７】そこで、高濃度ガス成分測定用の検出ユニ
ット(7A',7B') を光源の近くに設け、高濃度ガス成分に
対するセル長Ｌを短くして前記kcL の値を小さくして高
濃度領域における信号出力の変化分の減少を避ける図３
に例示のような方法が採られることがあるが、この方法
は構造が複雑となる欠点を有する。また、別法として、
光バンドパスフィルタの透過波長域を、被測定ガスの吸
収帯域において吸光係数ｋが小さい領域の狭い範囲に設
定し、前記kcL の値を小さくする方策が採られることが
あり、図４の赤外線の吸収スペクトル特性の例を示す図
中に、吸光係数ｋが小さい領域の狭い範囲として選択設
定された光バンドパスフィルタの透過波長域の一例を領
域(a) として図示する。

【００１８】上記のように選択された領域(a) は、強い
吸収を示す領域に隣接し、吸光係数ｋの値が波長と共に
大きく変化する領域である。したがって、光バンドパス
フィルタの透過波長域の中心波長やバンド幅の僅かな差
によって、赤外線センサ7Aが検出する電気信号Ｓと被測
定成分ガスの濃度ｃとの関係は大きく変動することとな
る。

【００１９】一方、透過波長域が薄膜の厚さによって定
まる多層薄膜干渉フィルタ方式の光バンドパスフィルタ
では、上記の変動が目立たない程度に薄膜の厚さを高い
精度で制御して繰返し製作することは極めて困難であ
る。それゆえ、光バンドパスフィルタの透過波長域を、
被測定ガスの吸収帯域の吸光係数ｋが小さい狭い領域に
限定する方式によって特性のばらつきの小さい赤外線ガ
ス分析を繰返して製作することは困難である。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低濃
度ガス成分の測定を安定に実行しうる長いセル長の試料
セルによって高濃度ガス成分の濃度測定を行うとき、出
力信号が飽和せず濃度と出力信号間の直線性が小さい変
化幅の範囲で保たれる繰り返して実施可能な方策を編み
だして、単一の試料セルを備えた一台の装置で同一試料
ガス中の低濃度ガス成分と高濃度ガス成分とが、同時に
連続して測定可能な非分散形の赤外線ガス分析計を提供
しようとするものである。

【００２１】

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、複数成分の同時分析を行う
赤外線ガス分析計において、複数個の波長選択性のない
赤外線センサと光バンドパスフィルタの対と、赤外線透
過窓を有し、気密に構成された赤外線光源部と、この赤
外線光源部に所定の分圧で封入された被測定ガス成分の
内の特定成分のガスと、前記複数成分に共通の単一の測
定セルと、を備えたことを特徴とする。 また、請求項２
の発明では、複数成分の同時分析を行う赤外線ガス分析
計であって、複数個の波長選択性のない赤外線センサと
光バンドパスフィルタの対と、赤外線透過窓を有し、気
密に構成された赤外線光源部と、この赤外線光源部に所
定の分圧で封入されたガスと、前記複数成分に共通の単
一の測定セルとを備えたものにおいて、前記赤外線光源
部に封入されたガスが、被測定ガス成分の内の特定成分
のガスと同一の分子構造部分を有し、被測定ガスによる
一つの赤外線吸収と同等の赤外線吸収を示す被測定ガス
とは異なる成分のガスであって、このガスが所定の分圧
で封入されていることを特徴とする。 また、請求項３の
発明では、請求項１または請求項２に記載のものにおい
て、光バンドパスフィルタの透過波長帯域が被測定ガス
の一つの吸収帯域の全域に相当し、波長選択性のない赤
外線センサの分光感度が前記光バンドパスフィルタの透
過波長帯域において平坦な特性を有するものであること
を特徴とする。

【００２３】

【作用】上記構成により、被測定ガスが封入された赤外
線光源部からは、被測定ガスの吸収中心波長域の赤外線
が除かれた赤外線光束が射出され、赤外線透過窓を介し
て測定セルに入射し、測定セル内を透過し、検出部にて
受光される。そして測定セル内では、光源に封入した被
測定ガスによって吸収されつくされなっかった、吸光係
数ｋの値が小さい波長域の赤外線の被測定ガスによる吸
収が起こる。

【００２４】一方、検出ユニットで検出される赤外光の
波長域は、光バンドパスフィルターによって入射波長域
が制限されている上に、赤外線光源部で被測定ガスの吸
収中心波長域の赤外線が除かれているので、被測定ガス
の吸光係数ｋの値が小さい相対的に狭い波長域となって
いる。上記のように被測定ガスの吸光係数ｋの値が小さ
い波長領域のみが有効な検出波長域となるので、高濃度
の測定対象ガス成分が測定セルに導入されたときでも、
吸収の飽和は起こらず、赤外線センサからは相対的に大
きな信号変化が出力される。

【００２５】

【実施例】本発明による非分散形赤外線ガス分析計の一
実施例のブロック構成を図１に示し、この図によって本
発明を説明する。図１において、１は試料ガスを流す測
定セル、２は赤外線光源部である。この赤外線光源部２
は赤外線透過窓９を設けて密封構造に作られており、こ
の中に高濃度域までを測定範囲とする成分の被測定ガス
10が、吸収中心波長域の赤外線を完全に吸収するに十分
な所定の分圧で封入されている。このため、赤外線光源
部２からは、封入したガスの吸収中心波長直近の波長域
の赤外線成分が欠落した、図４のスペクトル図中にＣ3
で例示されているような波長分布の赤外線が射出され
る。

【００２６】ところで、ガスによる赤外線の吸収が、ガ
ス成分構成分子の分子振動と振動の励起にともなって惹
起される分子の回転状態の変化に対応して生じるもので
ガス成分を構成する分子の構造によって定まるものであ
ることから、異なる分子であっても分子の構成に同一の
構造部分があると、この構造部分に対応する波長域に同
等の吸収を示すこととなる。よって測定対象ガスが活性
で不安定なガスの場合、赤外線光源部２に封入するガス
を測定対象ガスと同じ構造部分をもつ他の安定なガスに
よって代替えすることが可能な場合がある。たとえば、
合成繊維出発原料の一つである塩化ニトロシル（分子式
ＮＯＣl ）は不安定で反応性が高いガスなので、高濃度
の塩化ニトロシルを分析範囲に含む赤外線ガス計の赤外
線光源部２に塩化ニトロシルガスを封入することは長期
の安定性確保の観点からは好ましくない。そこで、分子
構造に塩化ニトロシルと同じ窒素酸素間結合（Ｎ−Ｏ）
を含んでいるため塩化ニトロシルの赤外線吸収波長域と
重なる領域に吸収波長域をもつ化学的に安定な亜酸化窒
素（Ｎ₂ Ｏ）を赤外線光源部２に封入すると、塩化ニト
ロシルガスを封入したと同等に機能するが、赤外線光源
部２の腐食等の不具合を引き起こすことはない。

【００２７】次に、３は赤外線光源部２から出射した赤
外線光束を断続させる回転セクタ、４は回転セクタ３を
駆動するモータ、５は測定セル１の出射側に配備した検
出ブロックであり、検出ブロック５は、センサ取付ブロ
ック６に試料ガス中に含まれる各測定成分ガスに対応す
る複数（図示例では＃１〜＃３で表す３個）の赤外線セ
ンサ7Aと、例えば、多層膜干渉フィルタによってなる光
バンドパスフィルタ7Bとを対にして構成される検出ユニ
ット７が並列配置されている。そして、高濃度ガス成分
測定用の検出ユニット７に備える光バンドパスフィルタ
7Bの透過帯域の境界波長を、フィルタの製作にあたって
透過帯域の境界波長に多少の誤差を生じても、測定対象
成分の吸光係数が波長によって大きく変化する領域がこ
の境界波長と重なることがないよう、被測定ガスの吸収
帯域のすぐ外側の波長、例えば図４のスペクトル図中で
λ1 からλ2 の範囲となるように設計する。一方、低濃
度ガス成分測定用の検出ユニット７に装着する光バンド
パスフィルタ7Bについては、測定対象ガスの吸収中心に
重なる範囲に設定するものとする。

【００２８】なお、検出ユニット７のもう一つの構成要
素である赤外線センサ7Aとしては、前記光バンドパスフ
ィルタ7Bの透過波長帯域において分光感度が平坦な特性
を有する、例えば、焦電型センサあるいは半導体センサ
などが適宜選択される。このような構成としたとき、濃
度が高濃度にわたる被測定ガスの成分に関しては、前述
の様に、赤外線光源部２に被測定ガス10が吸収中心波長
域の赤外線を吸収するに十分な所定の分圧で封入されて
いるので、吸収中心波長域の赤外線は赤外線光源部２の
内部で吸収されてしまい、この波長域の赤外線は測定セ
ル１には実質的に入射しないことなり、測定セル１では
吸収中心波長域に隣接する吸光係数の値が小さい波長域
の赤外線の吸収のみが起こる。

【００２９】図５は測定セル１における吸収の様子を模
式的に示す図であり、以下この図によって高濃度ガス成
分分析用の検出ユニット７の赤外線センサ7Aに入射する
赤外光の波長分布について説明する。図５において、λ
1 ，λ2 は光バンドパスフィルタ7Bの透過帯域の境界波
長を表しているおり、赤外線センサ7Aには、λ1 ，λ2
より外側の波長の赤外線は入射しない。又、λc とλd
は、高濃度ガス成分の吸収中心波長域を示しており、赤
外線光源部２に封入された該ガス成分は、この波長域の
赤外線を吸収し尽くしてしまうので、赤外線センサ7Aに
はこの波長域の赤外線も入射しない。結局、高濃度ガス
成分分析用の検出ユニット７の赤外線センサ7Aに実質的
に入射する赤外線は、図５中ハッチングで示されている
λc からλd の波長域が欠落したλ1 からλc およびλ
2 からλd の、波長範囲の赤外線となる。

【００３０】なお、一般に光バンドパスフィルタの透過
域とガス成分による赤外線吸収の吸収中心波長域のいず
れも、図５に模式的に示されているよう急峻明確な境界
を有するものではない。しかしながら、測定セル１に入
射する光と測定セル１を透過して赤外線センサ7Aで検出
される光の相対強度の関係のみに注目すれば上記の模式
化によって現象の本質が曲げて解釈されることはない。

【００３１】上記のように、高濃度ガス成分分析用の検
出ユニット７の赤外線センサ7Aは、測定対象ガス成分の
吸光係数ｋの値が小さいλ1 からλc およびλ2 からλ
d の波長範囲の赤外線を検出するので、長いセル長の測
定セルを用いても、高濃度になるガス成分による吸収が
飽和することなく、測定対象ガス成分濃度ｃに対する出
力信号Ｓの関係は、式(4) の近似が可能となって直線関
係となる。

【００３２】図６は、検出ユニット７の出力信号Ｓに対
する測定対象ガス成分濃度ｃと測定セル１のセル長Ｌと
の積ｃＬの関係を説明する図である。図６において、ｋ
＝1.0 の曲線は、高濃度ガス成分分析用の検出ユニット
７の光バンドパスフィルタの透過域が、高濃度ガス成分
による赤外線吸収の吸収中心波長域に設定された図２に
例示の従来技術による構成の低濃度と高濃度成分同時分
析用の赤外線ガス計の高濃度ガス成分についての分析特
性を例示したものである。この曲線に見られるように、
ｋの値が大きい場合、濃度セル長積が２%mを超えると出
力信号は飽和して濃度が増加したときの出力信号変化は
小さくなってしまう。

【００３３】一方、ｋ＝0.1 の曲線は、本発明の方法に
よって高濃度ガス成分分析用の検出ユニット７の検出波
長域を制約した結果、測定対象ガス成分についての吸光
係数の値が吸収中心波長域における値の１／10となった
場合における検出ユニット７の出力信号Ｓに対する測定
対象ガス成分のセル長濃度積ｃＬの関係を例示したもの
である。この場合、最大濃度セル長積５%mにおける出力
信号の値は、吸光係数の値が１のときの約40% に減少す
るので、この出力を最大濃度セル長積における出力信号
の値がｋ＝1.0 の場合と同じ値となるように増幅したと
きの分析特性が図中に規格化出力として示されている。

【００３４】前述に説明のように、ガス成分による赤外
線吸収は、強い吸収を示す吸収中心波長域に隣接して弱
い吸収を示す領域が分布しているので、赤外線光源部２
に封入する高濃度域までを測定範囲とする被測定ガス成
分10の分圧を変化調整することによって、赤外線光源部
２から射出される吸収中心波長域がカットされた残りの
赤外線の強度波長分布を変えることができる。

【００３５】また、高濃度ガス成分測定用の検出ユニッ
ト７に備える光バンドパスフィルタ7Bとして多層薄膜干
渉フィルタを適用する場合、その透過帯域の境界波長
は、薄膜層の構造設計によって基本的に定まり、更に、
制作時の条件変動を反映して分布を示すものである。そ
れゆえ、赤外線光源部２に封入するガス10の分圧の調整
と、検出ユニット７に備える光バンドパスフィルタ7Bの
選択によって、検出ユニット７の構成要素である赤外線
センサ7Aに入射する赤外線の強度の波長分布をある程度
変えることができる。

【００３６】上記の手段によって分析に利用する赤外線
強度の波長分布を変えると、この変化に応じて、式
（２）の原理によって定まる当該の波長域における測定
対象成分の等価吸光係数の値もある程度変えることがで
き、その結果、分析特性としての直線性も変動すること
となる。測定対象ガス成分の濃度ｃと、測定セルのセル
長Ｌとの積ｃＬの値の最高値が５％ｍとなる場合に、被
測定ガス成分の等価的吸光係数の値を上記の方法によっ
て調節したときの、濃度セル長積ｃＬにおいて赤外線セ
ンサ7Aで検出される式（３）によって表される濃度分析
信号Ｓの値を求め、濃度セル長積の最高値５％ｍにおけ
る濃度分析信号の値ＦＳと、濃度セル長積の値が零と最
高値５％ｍにおける値を両端基準として求めた濃度分析
信号Ｓの直線性とを、表１に示す。そして、濃度セル長
積の最高値における濃度分析信号の値ＦＳによって規格
化した濃度分析信号Ｓの値を図７に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】表１と図７に例示のように、本発明の方法
によって高濃度ガス成分分析用の検出ユニット７の検出
波長域を制約した赤外線分析計では、検出ユニット７の
出力信号Ｓの絶対値は多少減少するが、直線性は大きく
改善される。上記のように、高濃度成分の測定に不都合
な波長域の赤外線を取り除くカット機能を、当該波長域
で強い吸収を示す測定対象成分のガスそのものによって
付与すれば、カット波長域は当該ガスの分子構造そのも
のに依存するので、人工的に薄膜の厚さを制御して透過
波長域を定めている薄膜干渉式の光バンドパスフィルタ
などに比べて極めて正確にカット領域が定められること
となる。

【００３９】また、高濃度ガス成分測定用検出ユニット
に備える光バンドパスフィルタ7Bの透過帯域の境界波長
は、多少の製作誤差があっても、測定対象成分の吸光係
数が波長によって大きく変化する領域に重なることがな
いよう、測定対象成分が吸収を示す領域の外側に設計さ
れているので、測定セルにおける吸収中心波長域に隣接
する波長域の吸収は、光バンドパスフィルタ7Bの透過帯
域の範囲内に収まる。このため、高濃度ガス成分測定用
検出ユニット７の赤外線センサ7Aの出力信号は、光バン
ドパスフィルタ7Bの透過帯域に多少の製作誤差があって
も同一の濃度変化に対して同等の大きさとなり、光バン
ドパスフィルタ7Bの透過波長域を、被測定ガスの吸収帯
域において吸光係数ｋが小さい領域の狭い範囲に設定す
る従来技術による赤外線ガス分析計におけるような、光
バンドパスフィルタ7Bの透過波長域の中心波長やバンド
幅の僅かな差によって、赤外線センサ7Aが検出する電気
信号Ｓと被測定成分ガスの濃度ｃとの関係が大きく変動
することはない。

【００４０】また、同一試料ガス中の低濃度ガス成分と
高濃度ガス成分とを同時に連続して測定しようとする複
数成分分析用の赤外線ガス分析計においては、低濃度ガ
ス成分測定用の検出ユニット７に装着する光バンドパス
フィルタ7Bの透過帯域の境界波長は、測定対象のガス成
分の吸収中心に重なる範囲に設定し、試料セルの長さを
低濃度ガス成分の測定を安定に実行しうる長い値に設定
する。

【００４１】一方、高濃度ガス成分については、密封構
造に作られた赤外線光源部２に、高濃度域までを測定範
囲とする成分の被測定ガス10または測定対象成分の吸収
波長域と重なる吸収波長域をもつ代替えガスを、該ガス
の吸収中心波長域の赤外線を完全に吸収するに十分な分
圧で封入し、検出ユニット７に備える光バンドパスフィ
ルタ7Bの透過帯域の境界波長は、測定対象のガス成分の
吸収帯域のすぐ外側の波長に設定し、試料セルは低濃度
ガス成分測定に適するようにセルの長が設定されている
試料セルを共通に用いる構成とする。

【００４２】低・高濃度複数成分分析用の非分散形赤外
線ガス分析計を本発明にもとずいて上記のように構成す
ると、低濃度ガス成分については、吸光係数の値が大き
い測定対象ガスの吸収中心波長域の光が捉えられて感度
良く安定に測定される一方、高濃度ガス成分について
は、該ガスの吸収中心波長域の外側の吸光係数の値が小
さい波長域の光を捉えて測定が行われるので、低濃度ガ
ス成分測定に適するように設定された長いセル長の試料
セルを共通に用いても、出力が飽和することなく高濃度
域まで直線性を保って分析測定される。

【００４３】

【発明の効果】低濃度ガス成分と高濃度ガス成分とを同
時に分析する赤外線ガス分析計を上記のような構成とし
たとき、前述の様に、濃度が高濃度にわたる被測定ガス
の成分に関しては、測定セルでは吸収中心波長域に隣接
する吸光係数の値が小さい波長域の赤外線の吸収のみが
起こるので、低濃度ガス成分の分析に適した長いセル長
の測定セルを共通に用いても、高濃度になるガス成分に
よる吸収が飽和することはなくなる。その結果、赤外線
光源部２に被測定ガス10が封入されていない従来構成の
装置によって測定したとき両端基準直線性が約54％とな
って、高濃度域での分析が実際上不可能であった測定対
象が、本発明にもとづいて等価吸光計数の値が従来構成
の装置に於ける値の40％ないし50％程度になるように赤
外線光源部２に封入する被測定ガスの分圧と光バンドパ
スフィルタの透過帯域の選択によって、濃度分析信号の
最高値ＦＳの値が95％と僅かに減少する条件のもとに、
両端基準直線性は実用に耐えることができる35％に低減
されて測定することができるという実績が得られた。す
なわち、本発明にもとづいて単一の測定セルを設けて単
純な構成として低価格にした１台の多成分ガスの赤外線
ガス計によって、低濃度度ガス成分と高濃度ガス成分の
いずれもが、直線性を保って精度よく測定可能となると
いう効果が得られる。

【００４４】また、光源へ高濃度領域を測定範囲とする
ガス成分を封入して高濃度成分の測定に不都合な波長域
の赤外線を取り除くカット機能を付与しているので、高
濃度ガス成分の検出ユニットの有感波長帯域を被測定ガ
スの一つの吸収帯域のほぼ全域に相当する範囲となるよ
うな広い透過波長域の光バンドパスフィルタを選択して
も、実効的な透過域は濃度変化に対して十分な変化が得
られる相対的に狭い範囲となるので、濃度対出力の特性
が安定し、分析計を製作する度毎に、非直線性の試験お
よび電気回路による毎個の調整を不要にすることができ
るという効果も得られる。

【００４５】さらに、赤外線光源の寿命を長くするため
に、光源部への不活性ガスの封入が行われることがある
が、本発明においては、この封入ガスが、例えば測定対
象がCO₂ ガスの場合、被測定ガスで代替することがで
き、この場合、光フィルターを別置する必要もなく、経
済的に赤外線ガス分析計を構成できるという効果も得ら
れる。

【００４６】なお、多成分分析用の赤外線ガス計にかぎ
らず、測定対象ガス成分の吸収中心波長域を透過帯域と
する光バンドパスフィルタを用いると、測定セルのセル
長をガスの出入口を設けるのが困難なほど短くしなけれ
ばならない吸光係数が大きいガス成分を高濃度に渡って
測定する目的の赤外線ガス分析計において本発明の方法
を適用すれば、試料ガスの導入置換に無理のない測定セ
ルのセル長を設定することができるという効果も得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の要部構成断面図

【図２】従来技術による赤外線ガス分析計の要部構成断
面図

【図３】他の従来技術による赤外線ガス分析計の要部構
成断面図

【図４】赤外線吸収スペクトルの性質と光バンドパスフ
ィルタの透過波長域を説明する説明図

【図５】本発明による赤外線ガス分析計の高濃度ガス成
分分析用検出ユニットで検出される赤外線の波長域を説
明する説明図

【図６】赤外線ガス分析計におけるセル長濃度積と出力
信号の関係に対する吸光係数の値の影響を説明する説明
図

【図７】吸光係数の値と規格化濃度分析信号Ｓの関係を
説明する説明図

【符号の説明】

１ 測定セル ２ 赤外線光源部 ３ 回転セクタ ５ 検出ブロック ６ センサ取付ブロック ７ 検出ユニット 7A 赤外線センサ 7B 光バンドパスフィルタ ８ 赤外線光束 ９ 赤外線透過窓 １０ 被測定ガス

フロントページの続き (72)発明者 赤尾 幸造 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 谷山 三男 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−54951（ＪＰ，Ａ) 特公 昭42−1120（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/61

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数成分の同時分析を行う赤外線ガス分
   析計において、 複数個の波長選択性のない赤外線センサと光バンドパス
   フィルタの対と、 赤外線透過窓を有し、気密に構成された赤外線光源部
   と、 この赤外線光源部に所定の分圧で封入された被測定ガス
   成分の内の特定成分のガスと、 前記複数成分に共通の単一の測定セルと、 を備えたことを特徴とする非分散形赤外線ガス分析計。
2. 【請求項２】 複数成分の同時分析を行う赤外線ガス分
   析計であって、 複数個の波長選択性のない赤外線センサと光バンドパス
   フィルタの対と、 赤外線透過窓を有し、気密に構成された赤外線光源部
   と、 この赤外線光源部に所定の分圧で封入されたガスと、 前記複数成分に共通の単一の測定セルとを備えたものに
   おいて、 前記赤外線光源部に封入されたガスが、被測定ガス成分
   の内の特定成分のガスと同一の分子構造部分を有し、被
   測定ガスによる一つの赤外線吸収と同等の赤外線吸収を
   示す被測定ガスとは異なる成分のガスであって、このガ
   スが所定の分圧で封入されていることを特徴とする非分
   散形赤外線ガス分析計。
3. 【請求項３】 光バンドパスフィルタの透過波長帯域が
   被測定ガスの一つの吸収帯域の全域に相当し、波長選択
   性のない赤外線センサの分光感度が前記光バンドパスフ
   ィルタの透過波長帯域において平坦な特性を有するもの
   であることを特徴とする請求項１または２に記載の非分
   散形赤外線ガス分析計。