JP3378613B2

JP3378613B2 - 赤外線ガス分析計

Info

Publication number: JP3378613B2
Application number: JP16521993A
Authority: JP
Inventors: 勝彦冨田
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1993-06-10
Filing date: 1993-06-10
Publication date: 2003-02-17
Anticipated expiration: 2018-02-17
Also published as: JPH06347402A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、赤外線ガス分析計に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、従来の赤外線ガス分析計の構
成を示すもので、この図において、７１，７２は互いの
並列的に配置された測定セル、比較セルで、詳細には図
示してないが、セル７１，７２のそれぞれの両端部は赤
外光透過性材料よりなるセル窓で封止されている。そし
て、測定セル７１には矢印で示すようにサンプルガスが
供給され、比較セル７２には赤外光を吸収しないゼロガ
スなど比較ガスが充填されている。７３はセル７１，７
２の一端側に配置された光源で、セル７１，７２に赤外
光を照射するものである。

【０００３】７４，７５はセル７１，７２の他端側にそ
れぞれ配置され、セル７１，７２を通過してきた赤外光
を受光する例えばパイロセンサよりなる検出器で、測定
セル７１に対応する検出器７４は、その前面に測定対象
成分ガス（例えばＣＯ₂）のみの特性吸収帯域の赤外光
を通過させるバンドパスフィルタ７４ａを備えており、
比較セル７２に対応する検出器７５は、その前面に前記
測定対象成分ガスに対して吸収帯域のないところの波長
の赤外光を通過させるバンドパスフィルタ７５ａを備え
ている。７６はセル７１，７２と検出器７４，７５との
間に配置されるチョッパで、図外のモータによって駆動
される。

【０００４】このように構成された赤外線ガス分析計に
おいては、光源７３をオンにして赤外光をセル７１，７
２に照射すると共に、チョッパ７６を回転させている状
態で、測定セル７１にサンプルガスを供給すると、検出
器７４，７５から検出信号が出力され、これらの信号を
図外の演算処理部で処理することにより、測定対象成分
ガスの濃度を得ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の赤外線ガス分析計においては、測定を行う前から光
源７３を、測定対象成分ガスの測定に適した温度になる
ように常時発光発熱させると共に、チョッパ７６を回転
させており、測定前の準備時間や安定化までにかなりの
時間や電力を必要としている。つまり、従来の赤外線ガ
ス分析計は、エネルギー消費型ともいうべきものであ
る。また、前記のように光源７３を発光させたり、モー
タを回転させたりすることによって生ずる熱が検出器７
４，７５に伝えられ、これによって検出器出力が温度ド
リフトの影響を受けるというような不都合もある。さら
に、光源７３、セル７１，７２、検出器７４，７５の他
にチョッパ７６を設けているので、赤外線ガス分析計全
体の構成が大型化するという不都合もあった。

【０００６】本発明は、上述の事柄に留意してなされた
もので、その目的は、光源の発熱量が少なく、コンパク
トかつ取扱いが簡単な赤外線ガス分析計を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願の第一発明は、サンプルガスが供給されるセル
の一端側にセルに対して赤外光を照射する光源を設ける
と共に、セルの他端にセルを通過してきた赤外光を受光
する検出器を設け、サンプルガス中の測定対象成分ガス
の濃度を測定する赤外線ガス分析計において、前記光源
とセルとの間およびセルと検出器との間にシャッタ本体
が直線的に開閉動作するシャッタを常時閉じた状態でそ
れぞれ設け、前記光源に電源が供給され、これによっ
て、光源の温度が前記測定対象成分ガスの測定に適した
高温状態になったとき、前記光源側のシャッタを開放
し、この光源側のシャッタの開放中に前記検出器側のシ
ャッタを１回または複数回開閉し、その後、光源側のシ
ャッタを閉状態にすると共に、光源に対する電源をオフ
するような測定サイクルを実行するマイクロプロセッサ
回路を有することに特徴がある。

【０００８】また、本願の第二発明は、サンプルガスが
供給されるセルの一端側にセルに対して赤外光を照射す
る光源を設けると共に、セルの他端にセルを通過してき
た赤外光を受光する検出器を設け、サンプルガス中の測
定対象成分ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計にお
いて、前記光源とセルとの間およびセルと検出器との間
にそれぞれシャッタ本体が直線的に開閉動作するシャッ
タを常時閉じた状態で設け、前記光源の温度が前記測定
対象成分ガスの測定に適した高温状態になっていると
き、前記光源側のシャッタを開放し、この光源側のシャ
ッタの開放中に前記検出器側のシャッタを１回または複
数回開閉し、その後、光源側のシャッタを閉状態にする
ような測定サイクルを実行するマイクロプロセッサ回路
を有することに特徴がある。

【０００９】

【作用】前記第一発明の赤外線ガス分析計においては、
電源オンにすると、光源が赤外光を発すると共に、その
表面温度が上昇する。このとき、光源側のシャッタおよ
び検出器側のシャッタのいずれもが閉じている。前記電
源オンから暫くたつと光源温度が測定対象成分ガスの測
定に適した温度付近にまで上昇し、このとき初めて光源
側のシャッタが開放される。このとき、検出器側のシャ
ッタは閉じた状態にある。従って、セルを透過した赤外
光が検出器に入射することはない。

【００１０】そして、前記光源側のシャッタの開放中
に、検出器側のシャッタを例えば２回開閉する。この検
出器側のシャッタの開閉操作により、光源を出てセルを
通過した赤外光がサンプル信号用素子と比較信号用素子
とを備えたデュアルタイプの検出器に断続的に入射し、
この検出器から信号が２つ出力され、この２つの出力信
号の平均によりサンプルガスにおける測定対象成分ガス
の濃度が得ることができる。

【００１１】前記測定が終了すると、光源側のシャッタ
を閉状態にすると共に、光源に対する電源をオフする。
また、これと共に、検出器側のシャッタもオフし、次の
測定に備えるのである。

【００１２】前記第一発明においては電源がパルス的発
光をするのに対し、第二発明では、光源を連続的に発光
させるようにしている点が異なるだけで、測定が終了す
れば光源側シャッタおよび検出器側シャッタを共に閉じ
るのである。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照しなが
ら説明する。

【００１４】図１および図２は、本発明の一実施例を示
し、まず、図１において、１は例えばステンレス鋼など
耐腐蝕性材料よりなる筒状のセルで、その両端が赤外光
透過性材料よりなるセル窓２，３で封止されていると共
に、サンプルガスの導入口４、導出口５が開設されてい
る。サンプルガスは適宜の吸引ポンプ（図示してない）
によって導入口４からセル１内に導入され、導出口５か
らセル１外に導出される。なお、６，７はセル１の両端
に形成されるフランジ部である。

【００１５】８はセル１の一端側に設けられ、赤外光を
発する光源で、比較的小型であり、また、例えば図５に
示すような発光温度変化特性を有するものが用いられ
る。９はこの光源８とセル１との間に介装されるシャッ
タで、このシャッタ９の構成は後述する。１０はシャッ
タホルダ、１１は光源ホルダである。

【００１６】１２はセル１の他端側に設けられる検出器
で、例えばデュアルタイプのパイロセンサよりなり、そ
の２つの受光面には測定用干渉フィルタ１２Ａ、比較用
干渉フィルタ１２Ｂ（図示してない）を備えており、後
述するシャッタ１３を介してセル窓３に対向し、かつ、
シャッタ１３の移動方向（図中の両矢印方向）と直交す
る方向（紙面に垂直な方向）に並ぶようにして配置され
ている。１４はシャッタホルダ、１５は検出器ホルダで
ある。

【００１７】前記シャッタ９，１３としては、常時閉じ
ており、信号が入力されたとき、その可動部が直線的に
移動するものが好ましく、より詳しくは、光源側シャッ
タ９は、信号が入力されたとき、所定時間だけ開状態を
保持し、その後閉じるように構成されたものが好まし
く、また、検出器側シャッタ１３は、信号が入力された
とき、１回または複数回開閉を繰り返し、その後閉じる
ように構成されたものが好ましい。これらの要求を満た
すシャッタとして、本願出願人が平成４年６月２５日付
けにて特許出願している「電磁波断続装置」（特願平４
−１９３１２７号）がある。

【００１８】図８および図９は、前記特許出願に係る電
磁波断続装置のうち、最も基本的なダブルソレノイドタ
イプの電磁波断続装置３０の構成を概略的に示すもの
で、この図において、３１，３２は自己保持ソレノイド
で、それぞれ固定鉄心３３，３４、互いに同方向に巻か
れたコイル３５，３６、可動鉄心３７，３８および永久
磁石３９，４０とからなる。これらの自己保持ソレノイ
ド３１，３２は互いに一直線状に配置されている。

【００１９】そして、この実施例においては、永久磁石
３９，４０における磁極の極性が互いに逆になるよう
に、例えば自己保持ソレノイド３１においては、Ｎ極が
可動鉄心３７に近く、また、自己保持ソレノイド３２に
おいては、Ｓ極が可動鉄心３８に近くなるように配置さ
れている。４１は自己保持ソレノイド３１，３２を所定
の位置関係に載置保持するベースフレームである。

【００２０】４２は前記自己保持ソレノイド３１，３２
の間に設けられる遮蔽部で、可動鉄心３７，３８と連結
されることにより保持されている。そして、この遮蔽部
４２は、光など電磁波を遮蔽する材料、例えばプラスチ
ック、鉄、アルミニウム、ステンレス鋼、鉛（Ｘ線など
に有効）よりなり、遮蔽部分４３の一部に開口４４を備
えている。つまり、可動鉄心３７，３８および遮蔽部４
２によって一つの可動体４５が形成されている。なお、
４６は例えば２つの受光素子４６ａ，４６ｂよりなるデ
ュアルタイプのパイロセンサである。

【００２１】上述のように構成された電磁波断続装置３
０において、図９に示すように、自己保持ソレノイド３
１，３２のコイル３５，３６を互いに並列に接続して、
これらのある直流のパルス信号（ワンショット信号）を
コイル１５，１６に与えると、各自己保持ソレノイド３
１，３２には互いに同じ方向の磁界が生ずる。

【００２２】今、可動鉄心３７，３８が同図において実
線で示した位置にあり、検出器４６に対して光が到達し
ている受光状態にあるとき、実線で示すように直流電源
４７を接続すると、自己保持ソレノイド３１において
は、可動鉄心３７を永久磁石３９側に吸引するような力
が作用し、自己保持ソレノイド３２においては、可動鉄
心３８を永久磁石４０側から反発するような力が作用し
て、可動体４５が実線で示す矢印方向に移動し、これに
よって、遮蔽部４２が同方向に移動するので、受光状態
の検出器４６が遮光状態になる。そして、自己保持ソレ
ノイド３１においては、可動鉄心３７が永久磁石３９に
吸着されて、その状態を保持する。

【００２３】一方、可動鉄心３７，３８が仮想線で示し
た位置にあり、検出器４６が遮光状態にあるとき、仮想
線で示すように直流電源４７を接続した場合、自己保持
ソレノイド３１，３２においては、前記とは逆の力が作
用するので、可動体４５が仮想線で示す矢印方向に移動
し、これによって、遮蔽部４２が同方向に移動するの
で、遮光状態の検出器４６が受光状態になる。そして、
自己保持ソレノイド３２においては、可動鉄心３８が永
久磁石４０に吸着されて、その状態を保持する。

【００２４】上述のように、コイル３５，３６に同じ極
性の制御信号を入力することにより、可動鉄心３７，３
８および遮蔽部４２からなる可動体４５を移動させるこ
とができるので、検出器４６を受光状態から遮光状態ま
たはその逆の状態に切換えることができる。そして、コ
イル３５，３６に対して極性の異なるパルス的な制御信
号を交互に与えるようにすれば、シャッタやチョッパな
どとして使用することができるのである。

【００２５】そこで、本発明の上記実施例に係る赤外線
ガス分析計においては、上述のような動作原理の下で動
作する電磁波断続装置３０をさらに発展的に応用して、
図１および図２に示すように構成している。すなわち、
光源８とセル１との間には、適宜の間隔をおいて設置さ
れる自己保持ソレノイド１６，１７と、シャッタ本体１
８（これは、図８および図９における可動体４５に相当
する）とからなる光源側シャッタ９が設けられている。
そして、シャッタ本体１８のほぼ中央には、図２（Ａ）
に示すように、１つの開口１８Ａが形成されている。こ
の開口１８Ａは、光源８の大きさおよびその位置に合わ
せてある。

【００２６】また、セル１と検出器１２との間には、適
宜の間隔をおいて設置される自己保持ソレノイド１９，
２０と、シャッタ本体２１（これは、図８および図９に
おける可動体４５に相当する）とからなる光源側シャッ
タ１３が設けられている。そして、シャッタ本体２１の
ほぼ中央には、図２（Ｂ）に示すように、２つの開口２
１Ａ，２１Ｂが形成されており、これらの開口２１Ａ，
２１Ｂの大きさおよび相互の距離は、検出器１２のフィ
ルタ１２Ａ，１２Ｂのそれらに合わせてある。なお、図
１における２つの両矢印は、前記シャッタ本体１８，２
１の移動する方向を示している。

【００２７】図３は、前記赤外線ガス分析計における回
路構成の一例を概略的に示す図である。

【００２８】次に、上記構成の赤外線ガス分析計の動作
について、図４および図５をも参照しながら説明する。

【００２９】まず、測定開始前においては、光源側シャ
ッタ９および検出器側シャッタ１３は共に閉じた状態に
なっている。すなわち、光源側シャッタ９においては、
シャッタ本体１８の開口１８Ａは光源８から発せられる
赤外光の光路とは重ならない位置、つまり、赤外光路が
遮蔽された状態にあり、検出器側シャッタ１３において
は、シャッタ本体２１の開口が検出器１２のフィルタ１
２Ａ，１２Ｂとは異なった位置にあり、検出器１２に対
する光が遮断された状態になっている。

【００３０】今、前記状態において、ボタンを操作
して電源をオン〔図４（ｃ）参照〕にすると、光源８が
発光するが、光源側シャッタ９が閉じているので、赤外
光がセル１に照射されることはない。。このとき、ポン
プが動作してサンプルガスがセル１内に供給される。光
源８の表面温度は、電源がオンになる前はほぼ０℃であ
るが、電源がオンされることにより発光すると共に発熱
し、図４中の曲線Ｉのように温度上昇する。

【００３１】前記電源オンから暫くたつと光源温度
が測定対象成分ガスの測定に適した温度（例えば３５０
℃）付近にまで上昇し、このとき初めて光源側シャッタ
９が開放される〔図４（ｂ）参照〕。このとき、検出器
側シャッタ１３は閉じた状態にある。従って、セル１を
透過した赤外光が検出器１２に入射することはない。

【００３２】そして、前記光源側シャッタ９の開放
中に、検出器側シャッタ１３を例えば１０秒の間隔をお
いて２回開閉する〔図４（ｂ）参照〕。この検出器側シ
ャッタ１３の開時間は、測定対象成分ガスの測定に十分
な時間、例えば１秒間である。この検出器側シャッタ１
３の開閉操作により、光源８を出てセル１を通過した赤
外光がサンプル信号用素子と比較信号用素子とを備えた
デュアルタイプの検出器１２に断続的に入射し、この検
出器１２から２つの信号Ｓ₁，Ｓ₂が出力され、この２
つの出力信号Ｓ₁，Ｓ₂の平均に基づいてサンプルガス
における測定対象成分ガスの濃度が得ることができる。

【００３３】前記測定が終了すると、光源側シャッ
タ９を閉状態にする〔図４（ｂ）参照〕と共に、光源８
に対する電源をオフする〔図４（ｃ）参照〕。また、こ
れと共に、検出器側シャッタ１３もオフし〔図４（ａ）
参照〕、次の測定に備えるのである。

【００３４】前記光源側シャッタ９は、測定対象成分ガ
スの測定に必要な時間、例えば約１０秒余り開いた後閉
じる〔図４（ｂ）参照〕。そして、検出器側シャッタ１
３は、この光源側シャッタ９が開いている間に複数回開
閉される。図４に示す例においては、光源側シャッタ９
が開になると同時に開となり、１秒後に閉じ、その後、
この閉じ状態から９秒後に再び１秒だけ開くようにして
いるが、これに限られるものではなく、１回だけでもよ
い。また、複数回でもよい。

【００３５】そして、前記光源８の温度は、光源８に対
する電源供給が停止された後も若干上昇を続け、そのピ
ーク（例えば４１０℃）を過ぎると、図４中の曲線IIに
示すように低下する。次の測定に対処するには、光源８
の表面温度が室温近くまで下がっていることが望ましい
が、５０℃近くになっておればよい。

【００３６】前記ステップ〜ステップで一つの測定
サイクルとなるが、このような測定サイクルの制御は、
図３に示したマイクロプロセッサ回路５１において行わ
れる。つまり、光源８がそのオンとなってから、その表
面温度が測定に適した温度になるまでの時間は、図５に
示すような発光温度変化特性グラフを用いることによ
り、予め設定できる。従って、前記ステップ〜ステッ
プの動作プログラムをマイクロプロセッサ回路５１に
インプットしておくことにより、所望の動作を行わせる
ことができる。

【００３７】本発明は、上述の実施例に限られるもので
はなく種々に変更して実施することができる。上記実施
例においては、光源８をパルス発光させるようにしたも
のであったが、これに代え、光源８を連続発光させて、
測定に適した温度にしておき、測定時にのみ光源側シャ
ッタ９および検出器側シャッタ１３を上述の実施例と同
様に開閉するようにしてもよい。

【００３８】すなわち、図６はこのようにしたときの回
路構成の一例を概略的に示す図である。また、図７は適
宜の間隔をおいて２回測定する場合における各部の動き
および光源温度の変化を示す図である。

【００３９】図７に示した例においては、光源側シャッ
タ９の開放中に検出器側シャッタ１３を１回１秒間開放
にする動作を適宜の間隔をおいて２回繰り返している。
図中、ａは光源開放時間を、ｂは測定時間をそれぞれ示
している。

【００４０】そして、セル部の構成は、２つのセルを設
けた２セルタイプにしてもよい。検出器１２としては、
パイロセンサ以外のサーミスタ型、熱電堆などの熱型セ
ンサや、各種の半導体センサ、さらには、コンデンサマ
イクロフォン型センサなどのニューマティック型センサ
を用いてもよい。

【００４１】そして、複数のセンサおよび干渉フィルタ
を設けることにより、複数の測定対象成分ガスを同時に
検出することもできる。また、干渉フィルタは、一般に
は検出器の直前に設けられるが、光源８とセル１との間
やセル１とシャッタ１１との間に設けてもよい。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の赤外線ガ
ス分析計においては、従来の赤外線ガス分析計と異な
り、光源を常時点灯したり、チョッパを回転させるので
はなく、１回の電源オン操作により例えば室内のＣＯ₂
の濃度を測定することができる。そして、シャッタを必
要に応じて複数回往復移動させたりすることにより、チ
ョッピングを行うことができるので、間欠測定や連続測
定を行うことができる。また、光源の点灯時間は従来に
比べて短く、シャッタの動作時間も極めて短いので、発
熱量が少ない。従って、検出器に対する温度影響が大き
く低減され、それだけ精度の高い測定が行なえると共
に、消費エネルギーも大幅に抑えることができる。

【００４３】そして、本発明の赤外線ガス分析計は、コ
ンパクトかつ取扱いが簡単であり、誰にでも簡単に操作
でき、家庭内や事務所などにおける例えばＣＯ₂濃度の
測定を簡便に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る赤外線ガス分析計の一
例を示す図である。

【図２】（Ａ）は光源側シャッタのシャッタ本体の一例
を示す図であり、（Ｂ）は検出器側シャッタのシャッタ
本体の一例を示す図である。

【図３】前記赤外線ガス分析計における制御関係の一例
を示すブロック図である。

【図４】前記赤外線ガス分析計の動作説明図である。

【図５】本発明において用いる光源の発光温度変化特性
を示す図である。

【図６】本発明の他の実施例に係る赤外線ガス分析計に
おける制御関係の一例を示すブロック図である。

【図７】本発明の他の実施例に係る赤外線ガス分析計の
動作説明図である。

【図８】前記赤外線ガス分析計となった電磁波断続装置
の構成を示す斜視図である。

【図９】前記電磁波断続装置の要部を概略的に示す断面
図である。

【図１０】従来の赤外線ガス分析計の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…セル、８…光源、９…光源側シャッタ、１２…検出
器、１３…検出器側シャッタ、１８，２１…シャッタ本
体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/61 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】サンプルガスが供給されるセルの一端側
にセルに対して赤外光を照射する光源を設けると共に、
セルの他端にセルを通過してきた赤外光を受光する検出
器を設け、サンプルガス中の測定対象成分ガスの濃度を
測定する赤外線ガス分析計において、前記光源とセルと
の間およびセルと検出器との間にシャッタ本体が直線的
に開閉動作するシャッタを常時閉じた状態でそれぞれ設
け、前記光源に電源が供給され、これによって、光源の
温度が前記測定対象成分ガスの測定に適した高温状態に
なったとき、前記光源側のシャッタを開放し、この光源
側のシャッタの開放中に前記検出器側のシャッタを１回
または複数回開閉し、その後、光源側のシャッタを閉状
態にすると共に、光源に対する電源をオフするような測
定サイクルを実行するマイクロプロセッサ回路を有する
ことを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項２】サンプルガスが供給されるセルの一端側
にセルに対して赤外光を照射する光源を設けると共に、
セルの他端にセルを通過してきた赤外光を受光する検出
器を設け、サンプルガス中の測定対象成分ガスの濃度を
測定する赤外線ガス分析計において、前記光源とセルと
の間およびセルと検出器との間にそれぞれシャッタ本体
が直線的に開閉動作するシャッタを常時閉じた状態で設
け、前記光源の温度が前記測定対象成分ガスの測定に適
した高温状態になっているとき、前記光源側のシャッタ
を開放し、この光源側のシャッタの開放中に前記検出器
側のシャッタを１回または複数回開閉し、その後、光源
側のシャッタを閉状態にするような測定サイクルを実行
するマイクロプロセッサ回路を有することを特徴とする
赤外線ガス分析計。