JP4165341B2 - 赤外線ガス分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、化学工場や製鉄所のガス濃度に関するプロセスモニター、ボイラーや燃焼炉の燃焼ガス分析、大気汚染の監視、自動車排ガス測定などに使用するのに適した赤外線ガス分析計に関し、特にガス分子固有の赤外線吸収効果を利用してガス又は蒸気中にある特定成分の濃度を測定する赤外線ガス分析計に関する。

赤外線ガス分析計としては、基準ガスと試料ガスを試料セルに切り換えて流通させる方式のものが知られている。
図４はそのような方式の従来の赤外線ガス分析計を示した概略構成図である。
試料セル１はガス導入口１ａとガス排出口１ｂを有し、三方弁７を介して試料ガス又は基準ガスがガス導入口１ａから試料セル１内に供給され、ガス排出口１ｂから排出される。試料セル１の一端には赤外光を発する光源５が配設され、試料セル１の他端には試料セル１を透過した赤外光を検出するための検出器２が配設されている。

光源５と試料セル１端部の間には赤外光を断続するためのセクタ３が設けられている。セクタ３は遮光部と切欠部とからなり、回転軸を中心に回転して、切欠部が試料セル１の光軸上にあるときに赤外光を試料セル１内に照射し、遮光部が試料セル１光軸上にあるときに試料セル１内への赤外光の照射を遮断するように構成されている。コントローラ６はモータ４を介してセクタ３の回転位置制御を行い、また、ドライバ８を介して三方弁７の駆動制御を行う。

検出器２はその内部に試料ガス中の測定対象ガスが封入されており、測定対象ガス固有の吸収波長の赤外光強度を内部の圧力変化により検出する。そして、検出器２での検出出力は、信号処理回路９で所定の信号処理を受け、試料ガス中の測定ガス濃度が計測される。

このような赤外線ガス分析計では、三方弁７を介して試料セル１に供給される基準ガスと試料ガスを得るための前処理装置が三方弁７の試料ガス用ポートと標準ガス用ポートにそれぞれ接続される。それらの前処理装置には、図６に示されるように、それぞれダスト除去のためのフィルタ１２ａ，１２ｂ、ガスを吸引するポンプ１４ａ，１４ｂ、ガス流量を調整するニードル弁１６ａ，１６ｂのほか、ガスを除湿するためにペルチェ素子を利用した電子クーラ１８ａ，１８ｂが設けられている。

基準ガスとしては、基準ガスに含まれる測定対象成分の濃度が測定に影響しない程度である必要があり、大気や、大気を精製器に通して測定対象成分を取り除いたガスが用いられる（特許文献１参照。）。
特開平９−４９７９７号公報

電子クーラ１８ａ、１８ｂを設けてあっても吸入される一方のガスが露点未満の温度をもつ乾燥ガスである場合には、基準ガスと試料ガスに水蒸気濃度の差を生じる。そこで、本発明者らは電子クーラ１８ａ、１８ｂの有無にかかわらず、基準ガスと試料ガスの水蒸気濃度を等しくすることを目的として、三方弁７と試料セル１の間に水蒸気の保持及び放出が可能な半透膜水蒸気交換物質１１による調湿手段１０を取り付けた赤外線ガス分析計を提案している。半透膜水蒸気交換物質１１は、接するガス中の水蒸気濃度によってガス中の水蒸気を物質内に取り込んだり、逆に水蒸気をガス中に放出したりする所謂調湿機能を有する。これにより、半透膜水蒸気交換物質１１を通過した試料ガス、基準ガス中の水蒸気濃度は等しくなるので、水蒸気濃度の差によって生じる測定誤差を小さくすることができる。

図５に示されるように切換弁と試料セルとの間に調湿手段を設けた赤外線ガス分析計では、測定時に試料ガスと基準ガス（空気）を、調湿手段を介して交互に試料セルに供給する。したがって、例えば電子クーラ１８ａ、１８ｂを設けて試料ガス、基準ガスともに約２℃飽和の水分を含むようにすれば、調湿手段には約２℃飽和の水分が保持される。
一方、ゼロ点やスパン点の校正を行なう際に使用する校正ガスは水分を含まず、調湿手段は徐々に乾燥するので、計測器の指示値が安定するまでにはある程度の時間を要する。

そこで本発明は、試料セルに試料ガスと基準ガスを導入する共通の流路に調湿手段を備えた場合に校正に要する時間を短縮することを目的とするものである。

本発明は、基準ガスと試料ガスを交互に試料セルに供給する流路と、前記試料セルに赤外光を照射する光源と、前記光源からの赤外光を断続する断続手段と、前記試料セルを透過した赤外光を検出する検出器と、基準ガスと試料ガスを透過したそれぞれの赤外光の前記検出器における検出値に基づいて試料ガス中の測定ガス濃度を求める信号処理手段とを備えた赤外線ガス分析装置であって、試料セルヘガスが導入される試料セル入口流路に設けられてガス中の水蒸気濃度を調節する調湿手段と、前記試料セル入口流路の前記調湿手段の上流側から前記調湿手段を経由せずに試料セルにつながるように設けられたバイパス流路と、前記試料セル入口流路の前記調湿手段の上流側に設けられ、前記調湿手段を通る流路と前記バイパス流路とを切り換えて、ゼロ点又はスパン点の校正時に前記バイパス流路を通じて試料セルへガスを導入する切換弁とを備えたことを特徴とするものである。
ここで、調湿手段とは、半透膜水蒸気交換物質のように、接するガス中の水蒸気濃度によってガス中の水蒸気を物質内に取り込んだり、逆に水蒸気をガス中に放出したりする所謂調湿機能を有するものである。

また、上記の赤外線ガス分析装置に、前記調湿手段に乾燥ガスを流したときの調湿手段通過ガス中に含まれる水分量の時間変化によって調湿手段の劣化を判断する劣化判定手段を備えてもよい。

その場合、劣化判定手段は、前記調湿手段通過ガス中に含まれる水分量がゼロ点付近の設定値に至るまでの時間を計測し、その計測した時間に基づいて前記調湿手段の劣化を判断するものとすることができる。

また、劣化判定手段を、前記調湿手段通過ガス中の一定時間経過後の水分量を測定して、その水分量から前記調湿手段の劣化を判断するものとしてもよい。

ゼロ点やスパン点の校正を行なう際に、調湿手段をバイパスして試料セルに校正ガスを供給するようにすれば、調湿手段の乾燥を待つ必要がないので、校正に要する時間を短縮することができる。
また、調湿手段の使用時間を短縮することになるので、調湿手段を長寿命化することができる。

調湿手段が正常である場合、調湿手段は高い水分保持能力を有している。そのため、例えば乾燥したＮ₂ガスを調湿手段に通して試料セルに送り測定すると、調湿手段が保持している水分を乾燥したＮ₂ガスに供給するので、水分干渉によって測定値がゼロ点に戻るのにある程度の時間がかかる。しかし、調湿手段が劣化している場合には、その水分保持能力が低下しているため、乾燥したＮ₂ガスを流すと、測定値が短時間でゼロ点に戻る。したがって、この測定値がゼロ点近傍に戻るまでの時間を計測することで、調湿手段の劣化状況を判断することができる。
このように、ガス中に含まれる水分量の時間変化によって調湿手段の劣化を判断する劣化判定手段を備えれば、調湿手段の劣化を確認することができ、測定への調湿手段の劣化による影響を未然に防ぐことができる。

劣化判定手段を、ガス中に含まれる水分量がゼロ点付近の設定値に至るまでの時間を計測し、その計測した時間に基づいて前記調湿手段の劣化を判断するものとすれば、計測した時間の長さから、調湿手段の水分保持能力がどの程度あるかを見ることができ、劣化状況の目安とすることができる。

劣化判定手段を、一定時間経過後のガス中の水分干渉量を測定してその水分干渉量から前記調湿手段の劣化を判断するものとすれば、水分干渉量の基準値を設定し、その値以上かどうかの判定を行なうことで、劣化判定時に調湿手段が使用するのに適しているかどうかを容易に判定させることができる。

以下に調湿手段をバイパスする流路及び切換弁と、調湿手段の劣化判定手段とを適用した赤外線ガス分析装置の一実施例を説明する。
図１は一実施例を示す概略構成図である。

一実施例の赤外線ガス分析装置は、試料ガスを供給する試料ガスライン２０と、基準ガスを供給する基準ガスライン３０との２系統の流路を備えている。試料ガスライン２０上には、試料ガスと校正ガス（ゼロガス、スパンガス）の導入を切り換える電磁弁ＳＶ１と、試料ガスライン２０中を流れるガスを試料セル１に供給するか、又は排気するかを切り換える電磁弁ＳＶ３とを有している。ゼロガスとしては例えばＮ₂ガスを使用する。基準ガスライン３０上には、基準ガス（空気）とＮ₂ガスの導入を切り換える電磁弁ＳＶ２と、基準ガスライン３０中を流れるガスを試料セル１に供給するか、又は排気するかを切り換える電磁弁ＳＶ４を有している。

試料ガスライン２０からのガスと基準ガスラインからのガスが試料セル１へ導入される試料セル入口流路２２には、調湿手段としての調湿器１０と、調湿器１０の上流側に設けられた切換弁としての電磁弁ＳＶ５と、電磁弁ＳＶ５からのガスが調湿器１０を通らずに試料セル１に供給されるバイパス流路２４とが設けられている。電磁弁ＳＶ５は、試料セル１に供給するガスを調湿器１０に通してから試料セル１に供給するか、又は調湿器１０をバイパスして直接試料セル１に送るかを選択的に切り換える電磁弁である。

調湿器１０は、内部に、例えば基材の高分子としてのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やポリスチレン等の高分子樹脂膜にスルホン基のような親水性官能基を修飾した水蒸気交換物質など、水蒸気の保持及び放出ができる物質を用いた半透膜水蒸気交換物質を備えたものであり、基準ガスと試料ガスとの水蒸気濃度差を小さくする。

試料セル１を通過する試料ガスを検出するために、試料セル１の導入口から導入され試料セル１内を充填したガスに赤外光を照射する光源５と、試料セル１内のガスを透過した赤外光を検出する検出器２と、光源５からの赤外光を断続するセクタ３と、セクタ３を動作させるモータ（図示略）と、モータを制御するコントローラ（図示略）と、検出器２からの信号を処理する信号処理回路９とを備えている。

コントローラは、モータを介してセクタ３の回転位置制御を行い、また、ドライバ（図示略）を介して電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３、ＳＶ４、ＳＶ５の駆動制御を行う。
電磁弁ＳＶ３、ＳＶ４は、コントローラによって２〜１０秒程度の一定周期で切り換えられ、基準ガスライン２０のガスと試料ガスライン３０のガスが試料セル１に交互に導入される。

検出器２は、その内部に測定対象ガスが封入されており、測定対象ガス固有の吸収波長の赤外光強度を内部の圧力変化により検出する。そして、検出器２での検出出力は、信号処理回路９で所定の信号処理を受け、試料ガスでの検出器出力と基準ガスでの検出器出力の差から濃度演算を行なう。
この赤外線ガス分析装置は、調湿器１０に乾燥ガスを導いたときの水分干渉値の時間変化から調湿器１０の劣化を判定する手段２６を備えている。

次に本実施例の動作について説明する。
校正時には、試料ガスライン２０には電磁弁ＳＶ１を切り換えることでゼロガス（Ｎ₂ボンベガス）又はスパンガス（ボンベガス）が導入され、基準ガスライン３０にはＳＶ２を切り換えることでＮ₂ボンベガスが導入される。これらの校正ガスは水分を含んでいないため、調湿器１０に通すと調湿器１０が保持している水分を徐々に放出するため、検出値が安定するのに時間がかかってしまう。そこで、校正時には、電磁弁ＳＶ５を切り換えて調湿器１０をバイパスすることで、校正にかかる時間を短縮することができる。

図２に示されるように、電磁弁ＳＶ３及びＳＶ４を同じタイミングで定期的に切り換えて、試料セル１には試料ガスライン２０からのガスと基準ガスライン３０からのガスを交互に供給する。
通常の測定時には、試料ガスライン２０からは試料ガスを導入し、基準ガスライン３０からは基準ガス（空気）を導入し、それらのガスは水蒸気濃度を等しくするために調湿器１０を介して試料セル１に導入する。

校正時には、電磁弁ＳＶ１を切り換えて試料ガスライン２０にＮ₂ガス（ゼロガス）又はスパンガスを導入し、電磁弁ＳＶ２を切り換えて基準ガスライン３０にＮ₂ガスを導入し、これらのガスが調湿器１０をバイパスして試料セル１に導入されるように電磁弁ＳＶ５を切り換える。

ゼロ・スパン校正の後などに、調湿器１０の劣化の判定を行なう。この場合、計測器としては、例えばＳＯ₂計のような水分干渉の大きなものであれば好都合である。試料ガスライン２０、基準ガスライン３０にはともにＮ₂ガスを流し、試料ガスライン２０からのＮ₂ガスを試料セル１に導入するときは、調湿器１０を介し、基準ガスライン３０からのＮ₂ガスを試料セル１に導入するときは、調湿器１０をバイパスするように電磁弁ＳＶ５を切り換える。

赤外線ガス分析装置は、検出器２によって試料ガスを透過した赤外光強度と基準ガスと透過した赤外光強度を検出し、それらの差を基に特定のガス濃度を得るものである。したがって、基準ガスライン３０と試料ガスライン２０に同じＮ₂ガスを流し、試料ガスライン２０からのガスは調湿器１０を介し、基準ガスライン３０からのガスは調湿器１０を介さないようにすることで、調湿器１０から脱離してきた水分による水分干渉量を測定することができる。この場合、基準ガスライン３０からのＮ₂ガスを調湿器１０を介し、試料ガスライン２０からのＮ₂ガスを調湿器を介さずに試料セル１に導入するようにしてもよい。

調湿器１０の調湿能力は、その水分保持能力によって判断できる。したがって、調湿器１０の劣化判定は、Ｎ₂ガス導入時のＳＯ₂計の水分干渉量で確認する。すなわち、調湿器１０にＮ₂ガスを導入してから、ＳＯ₂計の指示値がゼロ点付近まで降下するまでに要した時間が長いほど、その水分保持能力が高いことを示し、逆に短いと、水分保持能力が低い（調湿器が劣化している）ことを示している。

劣化判定手段２６は、劣化判定動作の開始からＳＯ₂計の指示値がゼロ点付近のある基準値まで降下するまでの時間を計測し、一定時間以上かどうかを判定して（設定値と比較して）、良否を判断する機能を備えている。劣化判定手段２６はまた、その時間により、どの程度劣化しているかを表示する機能を備えるようにしてもよい。また、計測した時間を観測者が見て、その時間によって調湿器の劣化の度合いを確認することも可能である。
また、劣化判定の判定を、劣化判定動作の開始から一定時間経過後のＳＯ₂計の指示値をある基準値を比較して、調湿器が劣化しているかを判定することもできる。

劣化判定動作の一例を図３のフローチャート図を参照して説明する。
劣化判定を選択すると、電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２を切り換えて、試料ガスライン２０、基準ガスライン３０ともにＮ₂ガスを流す。このとき、劣化判定手段２６は時間の計測を開始し、ＳＯ₂計の値がゼロ点付近の基準値まで降下するまで計測する。

計測した時間が一定時間以上である場合は、調湿器の水分保持能力が高い（正常）であると判断し、正常を表示する。計測した時間が一定時間未満であった場合は、調湿器の水分保持能力が低下している（異常）と判断して、交換を表示しユーザーに調湿器の調整（半透膜水蒸気交換物質の交換）を促す。
劣化判定手段２６は、信号処理回路の内部に組み込むことができる。

一実施例の赤外線分析計を示す流路図である。 同実施例の測定からゼロ・スパン校正、劣化判定における電磁弁とＳＯ₂計指示値を示すタイミングチャート図である。 同実施例の劣化判定動作を説明するためのフローチャート図である。 従来の赤外線ガス分析装置を示す流路図である。 提案中の赤外線ガス分析装置を示す流路図である。 前処理装置の例を示す流路図である。

符号の説明

１ 試料セル
２ 検出器
３ セクタ
５ 光源
９ 信号処理回路
１０ 調湿器
２０ 試料ガスライン
２４ バイパス流路
２６ 劣化判定手段
３０ 基準ガスライン
ＳＶ１,ＳＶ２,ＳＶ３,ＳＶ４,ＳＶ５ 電磁弁

Claims (4)

1. 基準ガスと試料ガスを交互に試料セルに供給する流路と、前記試料セルに赤外光を照射する光源と、前記光源からの赤外光を断続する断続手段と、前記試料セルを透過した赤外光を検出する検出器と、基準ガスと試料ガスを透過したそれぞれの赤外光の前記検出器における検出値に基づいて試料ガス中の測定ガス濃度を求める信号処理手段とを備えた赤外線ガス分析装置において、
   試料セルヘガスが導入される試料セル入口流路に設けられて、接するガス中の水蒸気をその濃度によって吸着・放出する半透膜水蒸気交換物質を内部に備え、基準ガスと試料ガスがともに前記半透膜水蒸気交換物質を通過することによって両ガス中の水蒸気濃度を調節する調湿手段と、
   前記試料セル入口流路の前記調湿手段の上流側から前記調湿手段を経由せずに試料セルにつながるように設けられたバイパス流路と、
   前記試料セル入口流路の前記調湿手段の上流側に設けられ、前記調湿手段を通る流路と前記バイパス流路とを切り換えて、ゼロ点又はスパン点の校正時に前記バイパス流路を通じて試料セルへガスを導入する切換弁とを備えたことを特徴とする赤外線ガス分析装置。
2. 前記調湿手段に乾燥ガスを流したときの調湿手段通過ガス中に含まれる水分量の時間変化によって前記調湿手段の劣化を判断する劣化判定手段を備えた請求項１に記載の赤外線ガス分析装置。
3. 前記劣化判定手段は、前記調湿手段通過ガス中に含まれる水分量がゼロ点付近の設定値に至るまでの時間を計測し、その計測した時間に基づいて前記調湿手段の劣化を判断するものである請求項２に記載の赤外線ガス分析装置。
4. 前記劣化判定手段は、前記調湿手段通過ガス中に含まれる一定時間経過後の水分量を測定して、その水分量から前記調湿手段の劣化を判断するものである請求項２に記載の赤外線ガス分析装置。
   

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