JP3606866B2 - マルチチャネル気体サンプル室 - Google Patents

Description

記述
技術分野
本発明は、気体分析器の分野にあり、そして特にはNDIR（nondispersive infrared、非分散型赤外線）分析器として知られる型式の気体分析器において使用のためのサンプル室に関係する。
背景技術
NDIR技術は、気体測定のための最善の方法の一つであると長い間考えられてきた。NDIR気体分析器は、極めて特定的であるに加えて、非常に感度がよく、安定であり、信頼性がありそして保守が容易でもある。NDIR気体測定技術の主たる欠点は、その実施に使用する機器が複数でそして高価につくことであった。
NDIR気体分析器は代表的に、赤外線光源、同期検出が使用されうるように光源を変調するためのモータ駆動機械的チョッパ、サンプル室を通して気体を押し進め又引き込むためのポンプ、バンドパスフィルター、感度の良い赤外線検出器と光源から検出器へと赤外線エネルギーを収斂せしめるための高価な赤外線光学素子及び窓を含んでいる。従って、NDIR気体測定技術が最善のものであるとの事実にもかかわらず、使用機器の複雑さと高いコスト故に広範に使用されるに至っていない。
本発明は、NDIR気体測定技術の実施を著しく簡易化し、そしてこの簡易化の結果としてコストの低減化を併せて実現し、それによりこれまでコスト或いは複雑さの故に非実用的と考えられてきたNDIR技術の多くの使途を開拓する。
例えば、本発明のサンプル室は、火災検知に使用のための非常に迅速にして高感度の二酸化炭素検出器（本出願人に1991年10月１日付けで付与された米国特許第5,053,754号）の心臓部となりうるものでありそしてまた室内空気中の二酸化炭素濃度を検知しそして二酸化炭素濃度が過剰となると新鮮な空気を取り込むことにより室内空気汚染を防止するのに非常に有用な換気制御装置の心臓部でもありうる。
簡易化された気体サンプル室に対する本発明は、高価な光学素子、機械的なチョッパ、及びサンプル室内に気体を押し進め又引き込むためのポンプの必要性を排除することによりNDIR気体測定技術システムの複雑さを低減するための新規なアプローチを提供する。加えて、本発明のサンプル室は検出感度を増大する長い有効光路長を提供する。
1987年11月24日付けでBurough等に付与された米国特許第4,709,150号において、プラスチック或いは焼結金属のような多孔質材料から構成されるチューブから成る気体サンプル室が記載されている。Burough等は孔寸法は0.3〜100ミクロンの範囲とすべきことを教示する。反射性光案内要素として多孔質チューブの壁を使用することについての教示或いは示唆はない。恐らくこの理由のために、サンプルセルの内面への気体の液滴への凝縮の問題には、対処がなされていない。
Burough等は、鏡面反射表面からの多数回反射を教示或いは示唆しない。これは彼らのシステムの性能に著しく悪影響を与える。サンプル室の光収集能を活用していないので、Burough等のシステムは非常に乏しい光収集能しか有さず、低い信号対雑音比につながる。更に、Burough等のシステムは長い光路長への対策を有さず、従って彼らのシステムの感度は本発明に比較して劣っている。
Burough等のサンプル室への気体の拡散に関して、本発明に比較して、Burough等のサンプル室において使用される多孔質材料は数百ミクロン厚さであるとされている。対照的に、本発明においては、サンプル室への拡散は25〜50ミクロン厚さのオーダの半透膜を通して起こる。従って、気体が、すなわち気体濃度変化がBurough等のサンプル室へ至るには本発明に比較してはるかに長い時間がかかる。これは、Burough等のサンプル室の応答時間を長くし、それによりそれを火災検知センサ用として選択することを不利ならしめる。他方、本発明のサンプル室は二酸化炭素濃度の変化に非常に迅速に応答しそして研究室での試験は本発明のサンプル室が火災検知器において非常に望ましい極めて急速な応答時間を有することを実証した。
特開昭59−173734号において、宮崎は、光がサンプル室及び標準室に沿って平行に進行する赤外線分析計を記載している。これらセルはらせんチューブの形態を有する。
宮崎のシステムは、そこに開示されるように、従来型式のNDIR気体測定システムの分野に入る。それは入射光がサンプル室及び標準室両方の内部で多数回の反射受けるという事実に対して云えないにせよ、従来型式のIDIRシステムとはなんら差異がなく、その結果なんらの利点も存在しない。宮崎の設計はまだなお、機械的チョッパ、サンプル室及び標準室両方を通して気体を差し向けるための手段並びに２つの検出器を必要としている。従って、これら因子が考慮されるとき、宮崎の発明は、本発明に対して簡易性及び効率の点で近いものではない。
特開昭63−298031号において、藤村はフィルターの使用を開示している。フィルターは、彼の発明においては、そのシステムにおいて使用される光源と検出器とがサンプル室内部にあり、従ってサンプルによる汚染を受けるから、必要とされる。
1985年２月12日付けで宮武等に付与された米国特許第4,499,379号並びに1985年２月26日付けでエビ等に付与された米国特許第4,501,968号において、濃度を測定すべき気体成分が特性波長の赤外線を放出するような温度においてサンプル気体を収納するための加熱されたサンプル気体容器を有する気体分析器が記載されている。この気体分析器は、放射光原理で動作しそして非分散型赤外線吸収分析器ではない。サンプルセル壁におけるヒータはサンプル気体を少なくとも100℃の温度に加熱して、特定の気体に赤外線を放出せしめる。これは、その気体のサンプルからの放射を増加し、同時に気体からの放射に対するバックグランド放射を減じるとされている。サンプルセルの内面は鏡面と云われているが、その理由は呈示されていない。気体自体が等方性である放射源であるから、室の壁が光を何らかの有用な態様で案内する役目をなすとは思われない。
1976年６月29に付けでVennosに付与された米国特許第3,966,439号において、ポンプを含みそして大気中、工場内、発電プラント、鉱山等において見いだされる粒子のサンプルを蓄積するのに使用される流体サンプリング装置が記載される。
Vennosは、濃度決定のため気体サンプルを通して赤外線を通すことと関連せずそしてVennosのフィルターシステムは非類似技術分野からのものである。
同様に、1990年８月14日付けでAnderson等に付与された米国特許第4,947,578号において、昆虫誘引剤のための制御された放出システムが記載されている。この特許において、誘引剤蒸気は膜を通して拡散せしめられる。孔寸法が所望の放出速度により決定されるから、Anderson等による膜の使用は本発明と類似ではない。
発明の開示
本発明の気体サンプル室の第１の目的は、光源からの光を気体サンプル室を通して検出器まで効率的に導くための光パイプとして機能することである。
本発明の気体サンプル室の第２の目的は、0.1ミクロンを超える煙及び粉塵の粒子をサンプル室外に選択的に維持し、以ってそれらが特定の気体の濃度測定において誤差をもたらさないようにし、同時にその気体の分子が自由にサンプル室に流入しまたサンプル室から流出することを可能とすることである。
本発明の好ましい具体例に従えば、サンプル室の内部に面する壁は光源により細長いサンプル室の一端から導入された光を検出器まで導くための光パイプとして機能する鏡面反射表面を含んでいる。
また本発明に従えば、室の壁に開口が含まれそしてこの開口は0.1ミクロンを超える粒子がサンプル室内部に侵入することを防止する半透膜の層により被覆される。
本発明の気体サンプル室の第３の目的は、マルチチャネル気体サンプル室として機能することである。
本発明に従えば、異なった狭い帯域のバンドパス干渉フィルターを窓として装備する幾つかの検出器がサンプル室の検出器側の端に設置される。本発明の気体サンプル室が高度に反射性の壁内部で多数回の反射を経由して光を導くための光パイプとして機能するという事実により、サンプル室全体が検出器に向けて少しづつ減少する強度における光で照射される。従って、検出端においては、幾つかの取付けられた検出器の各々は実質上共通の光源から同じ光強度を受け取る。更に、共通光源−検出器対はおおよそ同じ光路長を有している。従って、もし幾つかの取付けられた検出器が気体サンプル室内に存在する特定の気体により吸収される光を通す異なった狭い帯域のバンドパスフィルターを備えるなら、本発明はマルチチャネル気体サンプル室として機能する。
本発明の気体サンプル室の第４の目的は、各チャネルが異なった光路長を有しうるようなマルチチャネル気体サンプル室として機能することである。
本発明に従えば、気体サンプル室が先に開示した本発明の第３の目的で説明したようなマルチチャネル気体サンプル室となるような態様で、幾つかの検出器が光源から様々の距離において設置される。更に、共通光源−検出器対の各々に対する気体サンプル室の有効光路長は異なりそして特定の検出器が設置される光源からの距離のみに依存する。従って、検出器が光源から異なった距離に設置されるなら、本発明の気体サンプル室はマルチチャネル可変光路長気体サンプル室として機能する。
本発明の追加目的は、気体サンプル室の内部に面する壁上への気体或いは蒸気の凝縮を防止することのできる気体サンプル室を提供することである。
本発明の好ましい具体例に従えば、サンプル室の温度がサンプル室の内部に面する壁上に凝縮する傾向があるかもしれない或る気体或いは蒸気の露点を超えるよう気体サンプル室を加熱するための手段が設けられる。
構成及び操作方法両方に関して、その追加的な目的及び効果と併せて、本発明の特徴であると考えられる新規な特徴は、本発明の好ましい具体例を例示する添付図面と関連して考慮される次の記載から一層よく理解されよう。しかし、図面は例示及び説明目的のみのためのものであって、本発明の範囲を定義することを意図するものでないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に従う気体分析器の主要部を示す側面図である。
第２図は、気体サンプル室を通しての代表的な放射光の光路を示す説明図である。
第３図は、本発明の好ましい具体例に従う気体サンプル室の部分断面図である。
第４図は、第１の好ましい具体例における本発明の気体サンプル室の側面から見た部分断面図である。
第５図は、第２の好ましい具体例における本発明の気体サンプル室の側面から見た部分断面図である。
発明を実施するための最良の形態
第１図に示されるように、気体分析器は放射光源を収納する光源室12を含んでいる。光源は小さな白熱ランプとなしえそして放射光はランプにより発光せしめられる可視光及び／或いは赤外光でありうる。光源室12は、特定の気体成分の濃度を決定するべく被分析気体サンプルを収蔵する気体サンプル室10に連結される。光源室12からの光は気体サンプル室内に収蔵される気体サンプルを通過し、その後光は検出器室14内に位置付けられる一つ以上の検出器に受光される。検出器はそれらに入った光の強度を表す電気信号を発生する。装置の感度を向上するために、検出器の前の光路に狭い帯域のバンドパスフィルターを置き、検出器が濃度を測定すべき気体により強く吸収される波長の光を主に受け取るようにすることがよく知られている。検出器により発生せしめられる電気信号はそれらを関心のある気体の濃度を表す信号に変換する電子回路15に伝達される。
第２図は光源16により放射された代表的な光18がとる光路を示す説明図であり、ここでは光は気体サンプル室を通過するに際して多数回反射され、最終的に検出器20に受け取られる。
第３図は気体サンプル室の部分断面図である。気体サンプル室の胴体は内部に面する鏡面反射面22を有する細長い中空チューブ21である。好ましい具体例において、この表面22はチューブ21の壁の単一体部分であるが、別の具体例においてはこの表面は被覆コーティング或いは鏡面反射性材料の層となすこともできる。
細長い中空チューブ21は複数の開口を含み、そのうち開口24が代表例である。これら開口は周囲気体が気体サンプル室内に流入しまたそこから流出することを許容する役目をなす。しかし、粉塵や煙の粒子が室内に自由に侵入しうることは所望されず、従ってその目的のために、開口240は0.1ミクロンを超える寸法の粒子の侵入を防止する半透膜のシート28により覆われている。気体及び0.1ミクロン以下の粒子の高速度での拡散を達成するために、半透膜のシート28は非常に薄くなければならず、従ってシートは支持メッシュ26上に支持されている。好ましい具体例において、半透膜はシリコーンゴムから構成される。
気体サンプル室は常に気体で充満されているから、もし周囲温度が十分に低下すると、気体サンプル室内の水蒸気或いはその他の気体のいずれかが液体状態に凝縮し、そして鏡面反射表面22並びに検出器上に小さな液滴の形で付着する。これは、気体サンプル室の動作に必要な鏡面反射を妨害し、従って誤った結果を生むことになる。
これが起こるのを防止するために、好ましい具体例においては、ヒータ線30が気体サンプル室10上に所定の分布模様で配備される。サーミスタ32が気体サンプル室の壁の温度を測定する。サーミスタとヒータ線両方がヒータ制御回路34に接続される。ヒータ制御回路34は、気体サンプル室を設定温度に維持するべく周知の態様で動作するサーボ、すなわち自動制御手段である。
第４図は、本発明の第１の好ましい具体例に従うマルチチャネル気体サンプル室を示す。
第１及び２図と関連して記載したように、光源36からの光は、順次的な鏡面反射により気体サンプル室の胴体を構成する細長い中空チューブ38に沿って下流に進行する。光のごく一部しか各反射位置において吸収されず、必要とされるなら長い光路の使用を可能ならしめる。
第４図の第１の好ましい具体例においては、気体サンプル室は開口24を代表例とする多数の開口を含んでいる。これら開口は、0.1ミクロンを超える寸法の粒子の侵入を防止する半透膜のシート28により覆われている。第３図と関連して記載したように、シート28を通しての気体分子の高速度での拡散を許容するために、半透膜のシート28は非常に薄くなければならず、従ってシートは支持メッシュ26上に支持されている。
第４図の第１の好ましい具体例は、複数の検出器のすべてが光源と反対端に位置付けられて存在することにより特徴づけられる。検出器40、42、44により例示されるこれら検出器は、中空チューブ38の周囲に沿って間隔を置いた部位において中空チューブを貫いて伸延する検出器口46、48、50にそれぞれ配置されている。ここで使用されるものとして、各検出器は、特定の選択された波長を有する光のみを通すフィルターを含んでいる。例えば、フィルター41が検出器40に組み込まれる。フィルターの各々はそれ自身のスペクトル特性を有している。好ましい具体例において、フィルターの各々は、関連する検出器を被分析気体の特定の成分を検出するのに有効ならしめる或るスペクトル特性を有している。
第４図の好ましい具体例の一例において、チューブ38は方形断面を有し、各面が検出器口を含む。
第４図の好ましい具体例の別の例において、検出器口52がチューブ38の端を覆う壁54において形成される。
この第１の具体例の改善例として、第４図の検出器はチューブ38の端部を嵌装するキャップを形成するようにプラスチック材料中に封入されうる。
こうして、第４図に示される第１の好ましい具体例に従えば、検出器及びそれらのそれぞれの検出器口のすべてがチューブ38の一端或いはそこに隣り合って位置決めされる。
対照的に、第５図に示される第２の好ましい具体例において、さまざまの検出器56、58、60並びにそれらそれぞれの検出器口62、64、66は、チューブ38の長さに沿って間隔を置いた部位に位置決めされている。
この第２の好ましい具体例は、検出器が順次サンプル測定される時電子回路の必要ダイナミックレンジ（動的範囲）を減じるのに有用である。これは、強い吸収性の気体成分に対しては短い方の光路を使用しそして弱い吸収性の気体成分に対しては長い方の光路を使用することにより達成される。
第１の好ましい具体例の場合と同じく、検出器の一つ68をチューブの端に位置付けることができる。
以上、光源から検出器まで気体を通して光を導く内部に面する鏡面反射表面を有する細長いチューブ状部材の形態の気体サンプル室が記載された。粉塵及び煙粒子は、気体サンプル室のチューブ状壁を貫通する開口を覆う半透膜のシートにより気体サンプル室への侵入を防止される。気体サンプル室の壁を室内での気体成分の凝縮を防止するべく加熱することができそして好ましい具体例においては予備設定温度がサーボすなわち自動制御手段により維持される。
第１の具体例においては複数の検出器は気体サンプル室の光源とは反対側の端に或いはそれに隣り合って位置付けられ、他方第２の好ましい具体例においては複数の検出器が気体サンプル室の長さに沿って隔置される。
産業上の利用可能性
本発明のサンプル室は２種の気体の濃度の比率が臨界的な値であるような用途において殊に有用である。例えば、酸素の減少を伴っての二酸化炭素の増加は燃焼を強く示唆する。この作用結果は火災検知システムにおいて有用でありうる。排気煙突において一酸化炭素対二酸化炭素の比率は燃焼の完全度のめやすである。この情報は燃焼プロセスを制御するためのフィードバックシステムにおいて使用することができる。

Claims (3)

1. 気体を通して光を導くためのマルチチャネル気体サンプル室であって、
   気密材料から構成されると共に、内部に面する鏡面反射表面を具備する細長い中空チューブであって、該細長い中空チューブの一端において導入された光を他端に向けて該内部に面する鏡面反射表面からの多数回の反射により高い効率で導き、前記細長い中空チューブの一部分が該細長い中空チューブの両端の中間に位置する複数の開口を形成し、該細長い中空チューブの一部分が該細長い中空チューブを貫通する複数の検出器口を構成する細長い中空チューブと、
   前記複数の開口を覆う半透膜のシートであって、特定寸法より小さな気体浮遊粒子が通過して前記細長い中空チューブ内のスペースに拡散することを許容しそして該特定寸法より大きな気体浮遊粒子が前記スペースに侵入するのを防止する半透膜のシートと、
   を備え、
   前記複数の検出器口が、前記細長い中空チューブの前記 他端近傍の側周部および前記細長い中空チューブの前記 他端を閉塞する壁に、一つの光源から各検出器口への光 路長が略同じであるように設置されることを特徴とするマルチチャネル気体サンプル室。
2. 気体を通して光を導くためのマルチチャネ ル気体サンプル室であって、
   気密材料から構成されると共に、内部に面する鏡面反射 表面を具備する細長い中空チューブであって、該細長い 中空チューブの一端において導入された光を他端に向け て該内部に面する鏡面反射表面からの多数回の反射によ り高い効率で導き、前記細長い中空チューブの一部分が 該細長い中空チューブの両端の中間に位置する複数の開 口を形成し、該細長い中空チューブの一部分が該細長い 中空チューブを貫通する複数の検出器口を構成する細長 い中空チューブと、
   前記複数の開口を覆う半透膜のシートであって、特定寸 法より小さな気体浮遊粒子が通過して前記細長い中空チ ューブ内のスペースに拡散することを許容しそして該特 定寸法より大きな気体浮遊粒子が前記スペースに侵入す るのを防止する半透膜のシートと、
   を備え、
   前記複数の検出器口が、前記細長い中空チューブの側周 部に、その長手方向に沿って一つの光源から各検出器口 への光路長が互いに異なるように設置されることを特徴 とするマルチチャネル気体サンプル室。
3. 前記鏡面反射表面を気体の該表面への凝縮 を防止するために気体の露点を超える温度に加熱するた めの手段を更に備える請求項１または２のマルチチャネル気体サンプル室。

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