JP3941661B2

JP3941661B2 - 赤外線ガス分析計

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Publication number: JP3941661B2
Application number: JP2002307458A
Authority: JP
Inventors: 訓明金丸
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: JP2004144520A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種工業プロセスのガス濃度の監視・制御や公害監視のための排ガス濃度測定に使用される分析計であって、赤外活性な被測定成分ガスの赤外線スペクトル吸収に伴うガス圧変動によるガスの流れを利用して特定ガス種（成分）の濃度を計測する赤外線ガス分析計（非分散形赤外線ガス分析計）、特に、被測定ガス中に含まれる複数成分ガスを、干渉成分の影響を受けることなく同時に測定（分析）できるようにした赤外線ガス分析計に関する。
【０００２】
【従来技術】
２つ以上の異なる原子から成る異核分子の多くは、波長1〜20μｍの赤外光を照射すると、その化学種に特有の振動および回転の運動エネルギー準位の遷移がおこり、特定の赤外線スペクトルを吸収し、内部エネルギーや体積あるいは圧力の増加など、熱力学的な変化を引き起こす。非分散型赤外線ガス分析計（以下、NDIRという）は、この様なガス成分の特性を利用して、その濃度を計測する機器である。なお、熱力学的な変化を検出するセンサとしては、コンデンサマイクロフォンセンサやフローセンサが用いられている。
【０００３】
センサとしてフローセンサを搭載したシングルビーム式NDIRの構成を図３に示す。
図に示すようにこの種のNDIRは、一般に、赤外光を発生するための光源部10、被測定ガス（試料ガス）が導入されるセル部20、セル部20を通過した赤外光の強度を計測することで最終的に試料濃度を計測する赤外線検出器を有する検出部30の３ユニットから構成されている。
光源部10は赤外光の発生を担い、赤外光を発生させるための発生源であるヒーター（光源）11と、赤外光を断続してセル部20および検出部30に入射させるためのチョッパ12とから構成されている。
【０００４】
チョッパ12は、例えば、周知のように、光源11からの光の通過を許容するように、一般に、一部を切り欠いた切り欠き部（または開口）が形成された２枚羽根の回転円板13と、この回転円板13を回転駆動するモータ14とで構成されており、回転円板13をモータ14で回転させることで、回転円板の未切り欠き部（遮光部）が光源11の前に位置している際には光源11からの赤外光を遮光し、切り欠き部（透過部）が光源11の前に位置している際には光源11からの赤外光が通過し、セル部20に照射される。
【０００５】
セル部20は、試料ガスが導入される部位であって、パイプの前後を赤外線が広いスペクトル域で透過可能な赤外光透過性ガラスやCaF₂等の窓板22で封止され、パイプ側面などに一端からもう一端へガスが流せるようガスの導入出孔23を備えた測定セル21であり、その内面は赤外光を効率よく反射するために、鏡面仕上げや金などのコーティングが施されている。
検出部30を構成する赤外線検出器Ｄは、NDIRの原理上、被測定ガス（試料ガス）が導入されたセル部20を透過してきた測定すべき赤外光を入射させ、内封された受感ガスを昇圧させるための前後２室と、前後室を連通する連通路（トンネル）内に両室の圧力差を検出する薄膜型熱線式フローセンサ等のセンサを主構成要素とするニューマチック型検出器で、その構成を図４に模式的に示す。
【０００６】
ニューマチック型検出器Ｄは、アルミなどの金属製筐体31の開口両端がCaF₂などの赤外線透過材で作られた赤外光を透過する窓板32、33で封止され、且つ、窓板32、33間の開口内がCaF₂などの赤外光透過材で作られた赤外光を透過する窓板34で仕切られて、窓板34が隔壁となって金属製筐体31の開口内が分割されて前室35と後室36とされている。
また、筐体31には、前室35と後室36間のガス移動を可能にするトンネル（連通路）37が形成されており、トンネル37内には前後２室の圧力差を検出するセンサ38が配置されている。
さらに、前室35と後室36には、受感ガスと称する、NDIRの被測定対象となる反応性ガス、例えば、CO₂、SO₂、CO、NO_X、NH₃等の化学種のみ、あるいは、これらの化学種をAr、He、N₂等の不活性ガスで希釈されたガスが充填（内封）されている。
【０００７】
このように、前後２室に受感ガスを内封する必要があることから、検出器部30を構成する赤外線検出器の組立て、すなわち、金属製筐体31への窓板32、33、34の接着、ならびに、センサ38の接着には、気密性に優れたエポキシ樹脂系の接着剤が用いられている。
また、トンネル37に配置されるセンサ38としては、前後室の圧力差を検出できるものであればどのようなものでもあってもよいが、センサが前後室の圧力差でトンネル内の内封ガスの流れを検出するフローセンサである場合には、一般に、小型で高精度な薄膜技術で製作された薄膜型熱線式フローセンサが使用されている。
【０００８】
このような構成で、光源部10から発した赤外光は、セル部20を通過して検出部30に入射する。この時、セル内部に被測定成分ガスが存在すると、セル内のガス濃度に応じて、入射した赤外光の一部が測定セル21内のガスに吸収され、残りの赤外光は検出部30に入射する。検出部30としての赤外線検出器Ｄの前室35の正面窓板32から入射した赤外光は、前室35および後室36で吸収されるが、その多くは前室35で吸収される。吸収された光エネルギーは分子の並進運動に変換されることになり、前後室35と後室36間に圧力差が発生し、これによって両室を連通するトンネル37内に内封ガスの流れが生る。
このガス流の流速は、検出部30への入射光強度に依存するので、前後室35と36を連通するトンネル37内に配置された薄膜型熱線式フローセンサ38の熱線抵抗素子の抵抗値変化として計測することで、検出部30への入射前後の赤外光強度、すなわち、セル中の被測定成分ガス濃度を計測することができる。
【０００９】
ニューマチック型検出器が、測定成分に相当する受感ガス成分にしか応答しなければ、図中点線で示すように、異なる受感ガスを封入した複数個の検出器を測定セルの透過赤外光の光路に沿って前段から後段に直列に配置することで、被測定ガス中の複数成分ガスを同時に分析することは可能である。
しかしながら、ニューマチック型検出器は、被測定ガス中の受感ガス成分による赤外線吸収を利用するので、被測定ガス中の被検出成分と同一、または、一部が重なった赤外線吸収スペクトル（赤外線吸収領域）をもつ測定対象外のガス（干渉ガス）が共存すると、干渉成分の影響が現れて測定誤差が生じる。
干渉成分の影響の除去（排除）は、受感ガスの線形、非線型吸収領域を利用して除去、抑制することが可能である。具体的には、前室と後室の開口比、光路長比（前後室の長さ比）、容積比、内封ガス濃度を変えることで行なうことができる。
【００１０】
一般的には、測定成分の吸収スペクトルは線形領域にあるため、その殆どが前室で吸収されるが、干渉成分の吸収スペクトルは非線形領域のスペクトルなので前室で吸収されきれずに後室まで到達するので、検出器の後室長を延長（長く）することにより後室での干渉スペクトル吸収量を稼ぎ、これを前室での干渉成分ガスの吸収量と釣り合わせることで、干渉成分の影響の除去（排除）するのが、一般的な手法である。
しかしながら、機器の寸法上の制限や室の容積を必要以上に増すとNDIRとしての出力が低下するので、後室の長さには限度が存在する。
したがって、ニューマチック型検出器を備えたNDIRにおいて、一定の後室長で干渉成分の影響が取りきれない場合に、後室長を長くすることなく干渉成分の影響を除去するために幾つかの方法が提案され、実施もされている。
【００１１】
そのような方法としては、次のようなものがある。
（１）測定セル透過赤外光の光路に沿って２つの受光室（前室と後室）が直列に配置された２室直列式透過型のニューマチック型赤外線検出において、検出器の後室の後ろに反射体を設け、その反射体の挿入量を調整することにより干渉除去効果を調整する（例えば、特許文献１参照）。
（２）同じく２室直列式透過型のニューマチック型赤外線検出器において、前室と後室の間に光を遮光する可動絞り（トリマ）を設け、その絞り量で後室に入射する赤外光（測定光）の量を調整することにより干渉補償調整を行なう（例えば、特許文献２参照）。
（３）前後２室の後段に直列に第３室が配置され、後室と第３室が通路でつながっている３室直列式透過形のニューマチック型赤外線検出器において、後室と第３室の間に可動絞りを設け、その絞り量で第３室に入る測定光の量を調整することにより干渉補償調整を行なう（例えば、特許文献３参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開昭５２−０９０９８５号公報（第３頁上右欄第４行〜同頁下右欄第１３行、第４図）
【特許文献２】
特許公報第２５７２０５８号（第４欄第４行〜第６欄第５行、第１図）
【特許文献３】
特開昭６２−０４９２４３号公報（第２頁上右欄第１６行〜同頁下右欄第１２行、第１図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
NDIRで２成分以上の多成分測定を行なうには、検出器として測定セル透過赤外線の光路に沿って前段から後段に直列に配置されてそれぞれ異なる成分ガスを検出するように設定された２以上の検出器が配置されることになる。
そして、それらの検出器の全て、または、最後段の検出器以外の検出器としてニューマチック型検出器が使用される。
【００１４】
そのような多成分検出を目的としてNDIRで干渉成分の影響を除去するためには、上記のように反射体、または、絞りを光路に挿入する必要があり、その場合、後段の検出器へ入射する測定光（赤外光）がその反射体、または、絞りによって一部遮られて測定光が低減される結果、後段に配置された検出器でのガス測定感度が著しく低下する問題が生じ、また、反射体ないし絞りを介在させないと前段検出器の干渉成分の影響を十分に除去しきれないという問題がある。
なお、従来の手法による干渉成分の影響を除去しつつ、ガス測定感度低下の問題も解決しようとすれば、検出器ごとに別の光源と測定セルが必要となり、コストが高くなるだけでなく、分析部全体の大きさが大きくなる別の問題が生じる。
【００１５】
本発明は、上記の課題を解決するために創案されたものであって、被測定ガス中に含まれる複数成分ガスを、干渉成分の影響を除去すると共に、後段に配置された検出器でのガス測定感度を低下させることなく、被測定ガス中の複数成分ガスを同時に測定できる赤外線分析方法、および、赤外線分析計を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の赤外線ガス分析方法では、異なる成分ガスを検出する少なくとも２個のニューマチック型検出器を、干渉成分の影響を受ける検出器を前段に測定セル透過赤外光の光路に沿って直列に配置し、前段検出器と後段検出器との間の光路に、閉時に前段検出器透過赤外光を反射すると共に前段検出器透過赤外光の後段検出器への入射を遮光し、開時に前段検出器透過赤外光を後段検出器へ透過（入射）させるシャッターを介在させ、該シャッターを周期的に開閉し、シャッターの閉の周期では前段検出器の出力信号を、開の周期では後段検出器の出力信号を取り込み、各検出器の出力信号を処理することで被測定ガスに含まれる少なくとも２成分ガスを同時に分析するようにしたことを特徴としている。
【００１７】
また、本発明の赤外線ガス分析計では、干渉成分の影響を受ける検出器を前段に測定セルの透過赤外光の光路に沿って直列に配置された少なくとも２個のニューマチック型検出器と、前記前後段の検出器の間に介在し、閉時に前段検出器透過赤外光を反射すると共に前段検出器透過赤外光の後段検出器への入射を遮光し、開時に前段検出器透過赤外光を後段検出器へ透過（入射）させるシャッターと、前記シャッターを周期的に開閉する手段とを備え、前記シャッターが閉の周期で前段検出器の出力信号を取り込み、開の周期で後段検出器の出力信号を取り込むようにしたことを特徴としている。
【００１８】
なお、赤外線ガス分析計は、測定セルへの入射赤外光を開閉（断続）するチョッパを備え、前記シャッターが閉の周期と開の周期では、前記チョッパが赤外光を測定セルに入射させる開の関係に、前記チョッパと前記シャッターの赤外光開閉（断続）周期が関連付けられていること、換言すると、前記チョッパと前記シャッターの赤外光断続（開閉）周期が、前段検出器と後段検出器の出力信号取り込み周期以外は測定セルへの入射赤外光を遮断（遮光）する関係に、関連付け（同期、連動）されているのが好ましい。
【００１９】
また、前記チョッパとシャッターは赤外光透過部と遮光部を有する回転板であり、前記回転チョッパ板には基準点より１／６、４／６周期部分に遮光部が、前記回転シャッター板には基準点より２／６、５／６の周期部分に前段検出器側が反射体となる遮光部が形成され、両者が同期回転するものであることが好ましい。
【００２０】
さらに、前記チョッパとシャッターは赤外光透過部と遮断部を有する回転板であり、前記回転チョッパ板には基準点より１／８、３／８、５／８、７／８周期部分に遮光部が、前記回転シャッター板には少なくとも基準点より２／８、６／８周期部分に前段検出器側が反射体となる遮光部が形成され、照射が同期回転するものであることが好ましい。
【００２１】
また、前記チョッパおよび／またはシャッターの位置検知手段が設けられており、この位置検知手段の出力信号で前段検出器と後段検出器の出力信号の取り込みが制御されるものであることが好ましい。
また、前記回転チョッパ板と回転シャッター板が単一駆動源で回転駆動される回転軸に位相調整されて固定されていることが好ましい。
【００２２】
このような構成の赤外線ガス分析計によれば、前段検出器と後段検出器の間の光路に位置するシャッターが、前段検出器透過赤外光（測定光）の後段検出器への入射を周期的に遮断（開閉、断続する）する。
シャッターが光路にある閉周期では、シャッターが前段検出器の透過干渉スペクトル光を前段検出器の後室側に反射するので、前段検出器の干渉成分の影響が除去でき、前段検出器に封入された受感ガスで定まる被測定ガス中の成分ガスが、干渉成分の影響なく検出できる。なお、この周期では、前段検出器透過光の後段検出器への入射は遮断されている。
【００２３】
次に、シャッターが光路にない開周期では、セル透過赤外光は、シャッターで遮られることなく前段検出器を経て後段検出器にも入射する。
したがって、この周期で、後段検出器の出力信号を取り込むことで、後段検出器に封入された受感ガスで定まる被測定ガス中の成分ガスをガス測定感度の低下なく検出できる。
この場合に、後段検出器が干渉成分の影響を受ける１つの検出器であれば、それの背後（２室直列式透過型ニューマチック検出器であれば後室の後ろ）に反射体等を配置することにより、後段検出器の干渉成分の影響を除去して被測定ガス中の成分ガスをガス測定感度の低下なく検出でき、その結果、被測定ガス中の２成分ガスを同時に、干渉成分の影響やガス測定感度の低下なく検出（測定）できる。
【００２４】
後段検出器が、例えば、前室と後室の開口比、光路長比（前後室の長さ比）、容積比、内封ガス濃度などが設定されて干渉成分の影響のない検出器である場合には、そのまま出力信号を取り出せばよく、また、後段検出器が、干渉成分の影響のない検出器Ｂと、干渉成分の影響を受ける検出器Ｃである場合には、例えば、測定セル透過赤外光の光路に沿って前段検出器Ａ、その後ろに後段検出器である検出器Ｂと背後に反射板等を配し干渉成分の影響を除去する構成の検出器Ｃとを順次直列に配置し、シャッターが光路にあり後段検出器Ｂ、Ｃへの測定セル透過赤外光が遮断されている閉の周期では検出器Ａの出力信号を、シャッターが光路になく後段検出器Ｂ、Ｃへの測定セル透過赤外光が遮断されていない開の周期では検出器Ｂ、Ｃの出力信号を取り出すようにすれば、被測定ガス中の３成分ガスを同時に、干渉成分の影響やガス測定感度の低下なく検出できる。
【００２５】
また、前段の検出器を干渉成分の影響が補償された検出器Ａ１と補償されていない干渉成分の影響を受ける検出器Ａ２とし、検出器Ａ１を検出器Ａ２の前段に配し、検出器Ａ２の後ろに検出器Ｂ、Ｃを直列に配置し、シャッターが光路にあり後段検出器Ｂ、Ｃへの測定セル透過赤外光が遮断されている閉の周期では検出器Ａ１、Ａ２の出力信号を、シャッターが光路になく後段検出器Ｂ、Ｃへの測定セル透過赤外光が遮断されていない開の周期では検出器Ｂ、Ｃの出力信号を取り出すようにすれば、被測定ガス中の４成分ガスを同時に、干渉成分の影響やガス測定感度の低下なく検出できる。
【００２６】
さらに、前段検出器への入射赤外光を断続するチョッパを備えている赤外線ガス分析計であっては、チョッパと前後段検出器の間の光路に介在するシャッターが、シャッターが前段検出器透過赤外光の後段の検出器への入射を遮断している閉の周期と遮断していない開の周期では、前記チョッパが赤外光を前段検出器に入射させる開の周期関係に、具体的には、（１）チョッパが測定セル入射赤外光を遮断して検出器への赤外光の完全遮光周期（チョッパ閉周期）、チョッパが測定セル入射赤外光を遮断しない周期（チョッパ開周期）で（２）シャッターが光路にあり後段検出器への赤外光を遮光する周期（シャッター閉周期）と（３）シャッターが光路になく後段検出器に赤外光が入射する周期（シャッター開周期）関係に前記チョッパと前記シャッターの赤外光開閉（断続）周期を関連付けておくことで、被測定ガス中の少なくとも２成分ガスを同時に、干渉成分の影響やガス測定感度の低下なく検出できる。
【００２７】
また、チョッパとシャッターは赤外光透過部と遮光部を有する回転板とし、単一駆動源で回転駆動される回転軸に位相調整して固定すれば、両者の位相同期機構を必要とせず、また、駆動源も１つでよく構成が簡単となる。
また、前段検出器と後段検出器の出力信号の取り込み回転チョッパ板および／または回転シャッター板の位置を位置検知手段で検知し、検知信号で前段検出器と後段検出器の出力信号の取り込みを制御すれば、検出器の出力信号取り込み制御が容易となり、被測定ガス中の少なくとも２成分ガスの同時測定を、干渉成分ガスによる影響やガス測定感度の低下なくより確実に検出できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の態様を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る赤外線検出器の構成を模式的に示す断面図で、光源と測定セルとの間に介在されるチョッパと、検出器間に介在されるチョッパの構成もあわせて描かれている。なお、図３と同一構成要素には、同一参照符号を付し、その説明を省略する。
D1、D2、D3は、例えば、図４に示すように、前室35と後室36を有し、前後２室の圧力差がセンサで検出されるニューマチック型検出器で、測定セル透過赤外光が各検出器を透過するように、検出器D1、D2、D3は、測定セル透過赤外光の光路に沿って直列の配置されている。
【００２９】
各検出器D1、D2、および、D3で３成分（例えば、NO、CO、SO₂）を測定できるように、検出器D1にはNOが、検出器D2にはCOが、検出器D3にはSO₂が受感ガスとして封入されていて、各検出器D1、D2、および、D3がそれぞれ封入ガスの赤外線吸収波長を有する赤外線センサとなっている。
測定セルに流通する試料ガスに含まれるそれぞれのガス成分の濃度に応じて、検出器D1、D2、および、D3の封入受感ガスに吸収されるエネルギーが変化し、フローセンサを通じて取り出された信号から試料ガス中の各成分ガスの濃度を換算する。
【００３０】
検出器の配置は、実施例では、干渉成分の影響を受け、反射板、ないし、絞りによる干渉除去の必要な（反射板が介在しないと十分な干渉抑制機能がない）検出器D1を最前段の領域Ａに配置し、その後段の領域Ｂに、反射板による干渉成分除去を要しない干渉補償のなされた検出器D2と反射板による干渉成分除去を必要とする検出器D3とが順次直列に配置され、検出器D3の背後（後室の背後）に反射板50が設けられている。
【００３１】
光源１１と測定セル２１の間には回転チョッパ板１５が、検出器群の領域Ａと領域Ｂの間（検出器Ｄ１とＤ２の間）には回転シャッター板４０が介在され、ともに６０°の角度をなす遮光部（図で黒塗り部）が対向させた形状をなし、回転シャッター板４０は、回転チョッパ板１５に対して１／６の位相差をもって回転するように、回転チョッパ板１５を回転駆動するモータ１４の回転軸１６に固定されている。
なお、回転シャッター板４０の遮光部（黒塗り部）の光源１１側は、検出器Ｄ１の透過赤外光を該検出器Ｄ１側に反射する反射体、例えば、無塗装の金属反射面とされている。
【００３２】
このような構成のNDIRにおいて、回転チョッパ板15の遮光部（黒塗り部）が光路に介在しない周期（チョッパ開の周期）で、回転シャッター板40の遮光部（黒塗り部）が光路に介在する周期（シャッター閉の周期）では、光源11から発した赤外光は、測定セル部21を通過して領域Ａに位置する前段の検出器Ｄ１に入射し（なお、この周期では検出器D1の透過光が回転シャッター板40で遮光されて領域Ｂに位置する後段の検出器D2、D3には入射しない）、また、回転チョッパ板15の遮光部（黒塗り部）が光路に介在しない周期（チョッパ開の周期）で、回転シャッター板40の遮光部（黒塗り部）が光路に介在しない周期（シャッター開の周期）では、光源11から発した赤外光は、測定セル部21を通過して領域Ａに位置する前段の検出器D1、ならびに、領域Ｂに位置する後段の検出器D2、D3の双方にも入射する。
【００３３】
この（１）チョッパが開、シャッターが閉の周期で領域Ａの前段検出器Ｄ１に測定セル透過赤外光が入射し後段検出器への赤外光が遮光される状態と、（２）チョッパとシャッターの両者が開で領域Ａ・Ｂに位置する前後段検出器Ｄ１〜Ｄ３双方に測定セル透過赤外光が入射する状態と、（３）チョッパが閉、シャッターが開の周期で領域Ａ・Ｂ位置する前後段検出器Ｄ１〜Ｄ３に赤外光が入射しない状態が、回転チョッパ板１５とシャッター板４０の回転により周期的に変化し（切り替わり）、上記（１）のチョッパ開・シャッター閉の周期で領域Ａに位置する前段の検出器Ｄ１の信号を取り込み、上記（２）のチョッパとシャッターが共に閉の周期で領域Ｂに位置する後段検出器Ｄ２、Ｄ３の信号を取り込む。
【００３４】
したがって、領域Ａに位置する前段の検出器Ｄ１の信号を取り込むチョッパ開／シャッター閉の周期では、前段の検出器Ｄ１の背後にシャッターの反射体を兼ねる遮光部が位置して透過赤外光がそれの後室側に反射されて、前段の検出器Ｄ１の干渉成分の影響が除去される。
また、領域Ｂに位置する後段の検出器Ｄ２、Ｄ３の出力信号のみを取り込むチョッパ／シャッター共に開の周期では、測定セル透過赤外光が減衰なく検出器Ｄ２、Ｄ３に入射するのでガス測定感度の低下がなく、かつ、最後段の検出器Ｄ３の背後に配置した反射板５０により透過赤外光が、それの後室側に反射されて該検出器Ｄ３の干渉成分の影響が除去される。
なお、検出器Ｄ２は、前室と後室の開口比、光路長比（前後室の長さ比）、容積比、内封ガス濃度を変えることで干渉成分ガスの影響が除去（補償）された検出器であるので、それの出力信号を取り出すことで、ガス測定感度を低下させないで成分ガスの濃度が測定できる。
【００３５】

【００３６】
表１は、回転チョッパ板（前段チョッパー）と回転シャッター板（後段チョッパー）の回転とそれに伴う領域Ａ・Ｂの赤外光（測定光）の断続、ならびに、領域Ａ・Ｂの各検出器の信号（データ）の取り込みタイミングを示すもので、回転チョッパ板と回転シャッター板の回転周期（チョッパとシャッターの開閉周期）にあわせて（同期させて）各検出器の信号を取り込むことにより、干渉成分の影響を受ける検出器の干渉成分による影響を除去し、且つ、検出器の感度低下を招くことなく、試料ガス中の３成分ガスを同時に測定できる。
なお、領域Ａにおける検出器の出力信号の取り込みと、領域Ｂにおける検出器の出力信号の取り込みとは、回転チョッパ板、および／または、回転シャッター板の位置検出器を設け、位置検出器の検出信号でもって制御できる。
また、表１において、「チョッパＮｏ．」は光路軸上にある図１に示す回転チョッパ板、回転シャッター板に付した番号を、また、「経過周期」は図１に付した回転チョッパ板の基準点をゼロとした時の時間を表わしており、これは後述の表２においても同じである。
【００３７】
６０°の角度をなす遮光板（部）（図で黒塗り部）が対向させた形状の回転チョッパ板と回転シャッター板を、回転チョッパ板に対して回転シャッター板が１／６の位相差をもって回転軸に固定し回転させたものでは、表１に示すように領域Ａに位置する前段の検出器の信号（データ）取り込みに引き続いて領域Ｂに位置する後段の検出器信号（データ）取り込みがなされるので、表１で明らかなように回転チョッパ板の回転によるチョッパの開と閉の比が２：１となることから、領域Ａの検出器への測定セル透過赤外光の入射中に光学特性が変わり、検出器の出力信号波形に歪みが生じて測定に好ましくない場合があるので、領域Ａの検出器と領域Ｂの検出器信号（データ）取り込みとの間に両検出器に赤外光が入射しない周期を設けることが好ましい。
なお、一般に、NDIRでは、回転チョッパ板の回転でチョッパの開閉が交互になされ（開閉比１：１）、検出器の出力信号波形は正弦波形となる。
【００３８】
図２は、領域Ａの検出器と領域Ｂの検出器の出力信号取り込み周期の間に測定セルへの入射赤外光を遮光する周期を介在させるようにした回転チョッパ板と回転シャッター板の形状と両者の位相関係を示すもので、回転により、（１）測定セルへの入射赤外光の遮光、（２）領域Ａの検出器への測定セル透過赤外光の入射（前段検出器の出力信号取り込み）、（３）領域Ａ・Ｂの検出器双方への測定セル透過赤外光の入射（後段検出器の出力信号取り込み）の（１）→（２）→（１）→（３）の周期が周期的に繰り返される。
【００３９】
図において、回転チョッパ板15と回転シャッター板40は４５°に分割されており、遮光部（黒塗り部）と非遮光部（透過部）を組み合わせたもので、光源と測定セルの間に介在する回転チョッパ板15は、遮光部（黒塗り部）と透過部を交互に配置したものであり、また、領域Ａと領域Ｂの検出器の間に介在する回転チョッパ板40は４５°の角度をなす遮光部（黒塗り部）を対向配置させたもので、回転シャッター板40は、図示のように、回転チョッパ板15に対して回転シャッター板40が１／８の位相差をもって回転チョッパ板15の回転軸に固定される。
なお、回転シャッター板40の遮光部（黒塗り部）の光源11側は、図１における領域Ａの検出器D1の透過赤外光を該検出器D1側に反射する反射体とされている。
【００４０】
表２は、回転チョッパ板と回転シャッター板の回転とそれに伴う領域Ａ・Ｂの赤外光（測定光）の開閉（断続）、ならびに、領域Ａ・Ｂの各検出器の信号（データ）の取り込みタイミングを示すもので、領域Ａでは１／８周期で入射・遮光が交互に繰り返されるが、その半分はシャッターしない完全な透過状態となる。
【００４１】
そこで、領域Ａの検出器はシャッターが光路に介在する（４ｎ＋１）／８（ｎ＝０、１、２‥）の周期間でデータ取り込みを行ない、他方段領域Ｂの検出器に付いてはシャッターが光路に介在しない％（４ｎ＋３）／８（ｎ＝０、１、２‥）の周期間でデータ取り込みを行なうことで、図１と同様に、チョッパとシャッターの開閉周期にあわせて領域Ａと領域Ｂの検出器の信号を取り込むことで、干渉成分の影響を受ける検出器の干渉成分の影響を除去し、且つ、領域Ｂに位置する検出器のガス測定感度の低下を招くことなく、試料ガス中に含まれる３成分ガスを同時に測定できる。
なお、領域Ａにおける検出器の出力信号の取り込みと、領域Ｂにおける検出器の出力信号の取り込みとは、回転チョッパ、および／または、回転シャッターの位置検出器を設け、位置検出器の検出信号でもって制御できる。
また、表２に示されているように、領域Ａの検出器の信号取り込み以外の周期では領域Ｂへの入射の有無は、前段チョッパの開閉に支配されて領域Ｂには測定光（測定セル透過赤外光）は領域Ｂの検出器に入射しないので、図２のシャッターの１、３、５、７領域は、光学的には閉であってもよい。
【００４２】

【００４３】
なお、実施例では、前段の領域Ａに反射体による干渉成分の影響の除去を要する検出器が１個、後段の領域Ｂに干渉成分の影響を受けない干渉成分補償された検出器とその背後に反射体による干渉成分の影響の除去を要する検出器の２個の検出器で、干渉成分の影響を受ける検出器を領域Ｂの最後段に配置したが、領域Ａに配置する前段検出器、ならびに、領域Ｂに配置する後段検出器の個数は特定されるものではなく、例えば、領域Ａに配置する前段検出器を２個、領域Ｂに配置する後段検出器を実施例のように３個とすれば、測定ガス中の５成分ガスを同時に測定することが可能となる。
【００４４】
また、実施例では、前段の領域Ａに反射体による干渉成分の影響の除去を要する検出器が１個、後段の領域Ｂに干渉成分の影響を受けない干渉成分補償された検出器とその背後に反射体による干渉成分の影響の除去を要する検出器の２個を配置したが、領域Ａに配置する検出器、ならびに、領域Ｂに配置する検出器の個数は特定されるものではなく、例えば、領域Ａに配置する前段検出器を２個、領域Ｂに配置する後段検出器を実施例のように３個とすれば、測定ガス中の５成分ガスを同時に測定することが可能となる。この場合、領域Ａに干渉成分補償された検出器を前段にその背後に反射体による干渉成分の影響の除去を要する検出器を直列に配置し、領域ＡとＢ間にシャッターの閉の周期で領域Ａに配置した２個に検出器を取り出し、また、逆に反射体による干渉成分の影響の除去を要する検出器を干渉成分補償された検出器の前段に配置する場合には、両検出器の間にシャッターを配置し、該シャッターの閉で反射体による干渉成分の影響の除去を要する検出器の出力信号を、開で干渉成分補償された検出器の出力信号を取り出せばよい。
【００４５】
要するに、領域Ａや領域Ｂに直列に配置する検出器の個数に関係なく、干渉成分の影響を受ける検出器の背後に反射体を兼ねるシャッター（または絞り）を光路に配置し、シャッターが光路に介在しシャッター背後への赤外光を遮光する周期（シャッター閉周期）と、光路に介在しないでシャッター背後への赤外光を遮光しない周期（シャッター開の周期）とを設け、シャッター閉の周期ではその前段の検出器の出力信号を、シャッター開周期ではその後段の検出器の出力信号を取り出すようにすればよく、このように構成することで、干渉成分の影響を受ける検出器の干渉成分の影響を除去し、且つ、検出器のガス測定感度の低下を招くことなく、測定セル透過赤外光の光路に直列に配置した検出器の個数に対応した多成分ガスを測定できる。
【００４６】
また、実施例では、干渉成分の影響を受ける検出器の背後に配置される反射体を兼ねるシャッターを遮光部と透過部を有する回転体としたが、光路に直交方向に出入りするシャッター（板）であってもよい。この場合、該シャッター（板）を、例えば、表１、表２に示すタイミングで光路に出入りさせ、同表に示すタイミングで各検出器の出力信号を取り込むことで、干渉成分の影響を受ける検出器の干渉成分の影響を除去し、且つ、検出器の測定感度低下を招くことなく、試料ガス中の複数成分ガスを同時に測定できる。
なお、シャッターを回転体とすればシャッターの構成が簡単で、回転チョッパ板の回転軸に位相調整して回転シャッター板を固定することで両者を同期させることができ、同期機構が不要で、構成がより簡単にできる利点がある。
【００４７】
さらに、実施例では、光源と測定セルとの間に測定セル照射赤外光を断続するチョッパを配置したが、該チョッパは測定セルの背後（図１において測定セルと領域Ａの検出器D1との間）に配置させてもよく、また、測定セル入射赤外光を断続するチョッパは必ずしも必要とするものではない。
さらに、実施例はシングルビーム式NDIRであったが、本発明は、測定セルと参照セルを有するダブルビーム式NDIRにも適用できるものである。
【００４８】
また、実施例では、前後２室の圧力差を検出するセンサとして、ガス圧変動を内封受感ガスの流量として検出する薄膜型熱線式フローセンサを用いたが、前後２室の圧力差を圧力として検出するメンブレンコンデンサなどの他の圧力検知素子であってもよい。しかしながら、薄膜型熱線式フローセンサを用いれば、検出器を小型化できる。
さらにまた、実施例では、検出器として２室式ニューマチック型検出器を用いたが、３室構成のニューマチック検出器であってもよい。
【００４９】
【発明による効果】
以上のように本発明によれば、測定セルの透過赤外光の透過光路に沿って直列に複数個の検出器を配置し、干渉ガスの影響を受ける検出器の背後の光路に反射体を兼ねるシャッターを配置し、シャッターが閉の周期にシャッター前段の検出器の出力信号を、シャッターが開の周期にシャッター後段の検出器の出力信号を取り込むようにしたので、干渉成分ガスの影響を受ける検出器の干渉効果を除去し、且つ、検出器の感度低下を招くことなく、試料ガス中に含まれる複数成分ガスを同時に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の赤外線ガス分析計の一実施例の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】チョッパとシャッターの他の実施例の構成を模式的に示す図である。
【図３】従来の赤外線ガス分析計の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】ＮＤＩＲの検出部のニューマチック型検出器の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１１：光源（ヒーター）
１２：チョッパ
１４：モータ
１６：回転軸
１５：回転チョッパ板
２１：測定セル
２２：窓板
２３：ガス導入出孔
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３：検出器（ニューマチック型検出器）
３５：前室
３６：後室
４０：回転シャッター板
５０：反射板

Claims

異なる成分ガスを検出する少なくとも２個のニューマチック型検出器を、干渉成分の影響を受ける検出器を前段に測定セル透過赤外光の光路に沿って直列に配置し、前段検出器と後段検出器との間の光路に、閉時に前段検出器透過赤外光を反射すると共に前段検出器透過赤外光の後段検出器への入射を遮光し、開時に前段検出器透過赤外光を後段検出器へ透過（入射）させるシャッターを介在させ、該シャッターを周期的に開閉し、シャッターの閉の周期では前段検出器の出力信号を、開の周期では後段検出器の出力信号を取り込み、各検出器の出力信号を処理することで被測定ガスに含まれる少なくとも２成分ガスを同時に分析するようにしたことを特徴とする赤外線ガス分析方法。
干渉成分の影響を受ける検出器を前段に測定セルの透過赤外光の光路に沿って直列に配置された少なくとも２個のニューマチック型検出器と、前記前後段の検出器の間に介在し、閉時に前段検出器透過赤外光を反射すると共に前段検出器透過赤外光の後段検出器への入射を遮光し、開時に前段検出器透過赤外光を後段検出器へ透過（入射）させるシャッターと、前記シャッターを周期的に開閉する手段とを備え、前記シャッターが閉の周期で前段検出器の出力信号を取り込み、開の周期で後段検出器の出力信号を取り込むようにした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であって、前段検出器への入射赤外光を開閉（断続）するチョッパを備え、前記シャッターが閉の周期と開の周期では、前記チョッパが赤外光を前段検出器に入射させる開の関係に、前記チョッパと前記シャッターの赤外光開閉（断続）周期が関連付けられていることを特徴とする赤外線ガス分析計。
請求項３に記載の赤外線ガス分析計であって、前記チョッパとシャッターは赤外光透過部と遮光部を有する回転板であり、前記回転チョッパ板には基準点より１／６、４／６の周期部分に遮光部が、前記回転シャッター板には基準点より２／６、５／６の周期部分に前段検出器側が反射体となる遮光部が形成され、両者が同期回転するものであることを特徴とする赤外線ガス分析計。
請求項３に記載の赤外線ガス分析計であって、前記チョッパとシャッターは赤外光透過部と遮断部を有する回転板であり、前記回転チョッパ板には基準点より１／８、３／８、５／８、７／８の周期部分に遮光部が、前記回転シャッター板には少なくとも基準点より２／８、６／８の周期部分に前段検出器側が反射体となる遮光部が形成され、両者が同期回転するものであ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であって、前記シャッターの位置検知手段が設けられており、この位置検知手段の出力信号で前段検出器と後段検出器の出力信号の取り込みが制御されるものであることを特徴とする赤外線ガス分析計。
請求項３から請求項５のいずれかに記載の赤外線ガス分析計であって、前記チョッパおよび／またはシャッターの位置検知手段が設けられており、この位置検知手段の出力信号で前段検出器と後段検出器の出力信号の取り込みが制御されるものであることを特徴とする赤外線ガス分析計。
請求項４、または、請求項５に記載の赤外線ガス分析計であって、前記回転チョッパ板と回転シャッター板が単一駆動源で回転駆動される回転軸に位相調整されて固定されていることを特徴とする赤外線ガス分析計。