JP4419835B2 - 赤外線ガス分析計およびその出力補償方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象ガスにおける赤外光の吸収特性を利用して、試料ガス中の測定対象成分濃度を検出する赤外線ガス分析計およびその出力補償方法に関するものである。
さらに詳しくは、赤外線ガス分析計に加わる外部振動の影響を除去して、高精度の測定動作を行うことのできる赤外線ガス分析計およびその出力補償方法に関するものである。

図８は、従来の赤外線ガス分析計の一例を示す構成図である。図に示されるように、赤外線光源１から発せられた赤外光は、分配セル２により２つに分割され、それぞれ基準セル３および試料セル４に入射する。基準セル３には不活性ガスなど、測定対象成分を含まないガスが封入されている。また、試料セル４には試料ガスが流通する。このため、分配セル２で２つに分けられた赤外光は、試料セル４側でのみ測定対象成分による吸収を受け、検出器５に到達する。

検出器５は基準セル３からの光を受ける基準側室５０１と試料セル４からの光を受ける試料側室５０２の２室からなり、その２室を連絡するガス流通路には、ガスの行き来を検出するためのサーマルフローセンサ５１が取り付けられている。また、検出器５内には、測定対象と同じ成分を含むガス（検出ガス）が封入されており、基準セル３および試料セル４からの赤外光が入射すると、検出ガス中の測定対象成分が赤外光を吸収することで、基準側室５０１内および試料側室５０２内で、それぞれ検出ガスが熱膨張する。

基準セル３内の基準ガスは測定対象成分を含まないので、基準セル３を通過する赤外光に対しては測定対象成分による吸収はなく、試料セル４内の試料ガスに測定対象成分が含まれると、赤外光の一部はそこで吸収されるために、検出器５では試料側室５０２に入射する赤外光が減少し、基準側室５０１内の検出ガスの熱膨張が試料側室５０２内の検出ガスの熱膨張より大きくなる。赤外光は回転セクタ６で断続されて、遮断および照射を繰り返しており、遮断されたときは基準側室５０１および試料側室５０２ともに赤外光が入射しないので、検出ガスは膨張しない。

このため、基準側室５０１および試料側室５０２においては、試料ガス中の測定対象成分濃度に応じて、両室の間に周期的に差圧が生じ、両室間に設けられたガス流通路を検出ガスが行き来することとなる。その検出ガスの挙動はサーマルフローセンサ５１により検出され、信号処理回路７により交流電圧増幅されて、測定対象成分濃度に対応した信号として出力される。８は回転セクタ６を駆動する同期モータ、９は基準セル３および試料セル４に入射する赤外光のバランスを調整するトリマである。

このように、試料ガス中の測定対象成分濃度が変化すると、検出器５（試料側室５０２）に入射する赤外光の光量が変化するので、信号処理回路７を介して測定対象成分濃度に対応した出力信号を得ることができる。

ここで、赤外線ガス分析計に振動が加わると、この振動がノイズとして出力信号に現れ、測定精度が低下してしまう。
図９は、振動の影響を説明するための概念図である。図において、前記図８と同様のものは同一符号を付して示す。矢印Ｕｓｉｇを赤外光の吸収によりガス流通路内に発生する検出ガスの移動方向とすると、サーマルフローセンサ５１を構成する第１のヒータ線５１１および第２のヒータ線５１２は、所定の間隔をおいて、この移動（流通）方向Ｕｓｉｇに沿って配列され、検出ガスの移動に応じた温度（抵抗値）変化を発生する。

すなわち、ガス流通路内の検出ガスが移動すると、上流側のヒータ線は検出ガスにより冷却され、下流側のヒータ線は上流側のヒータ線の熱で加熱されるので、２つのヒータ線の間には温度差が生じる。
この２つのヒータ線５１１、５１２における温度変化（抵抗値変化）は、図１０の如きブリッジ回路を使用して検出される。

さて、赤外線ガス分析計に振動が加わった場合、ヒータ線５１１、５１２の配列方向と同じ方向の振動成分を矢印Ｕｖｉｂとすると、慣性により検出ガスが移動（振動）し、この矢印方向の検出ガスの移動（振動）がサーマルフローセンサ５１により検出されて、ノイズとして出力信号Ｖｏｕｔに重畳されてしまう。

図１１は、赤外線ガス分析計に加わる振動の影響を示す波形図である。図において、（ａ）は時刻ｔｏにおいて赤外線ガス分析計に外部振動を加えた場合の、測定状態におけるサーマルフローセンサ５１の出力信号波形であり、（ｂ）は赤外線光源１を消灯した状態での、サーマルフローセンサ５１の出力信号波形である。

図から明らかなように、振動による出力信号波形の乱れは、ほぼ同じ形状を有しており、この乱れが同一の原因（振動）により発生し、本来の赤外線の吸収に起因する信号波形とは独立のものであることが分かる。

特開２００２−１３１２３０号公報

上記のように、赤外線ガス分析計に加わる振動がヒータ線５１１、５１２の配列方向と同じ方向の振動成分（Ｕｖｉｂ）を有するものであると、この振動成分（Ｕｖｉｂ）が赤外光の吸収によりガス流通路内に発生する検出ガスの移動（Ｕｓｉｇ）とともに、サーマルフローセンサ５１により検出されてしまい、このノイズ成分を信号成分と分離することができない。
また、このような振動の影響を効果的に除去する分析計の構成や出力補償方法は、提案されていない。

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、赤外線ガス分析計に加わる外部振動の影響を除去して、高精度の測定動作を行うことのできる赤外線ガス分析計およびその出力補償方法を実現することを目的としたものである。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、試料ガスが流通する試料セルを有し、この試料セルを通過した赤外光における吸収量の変化を利用して、試料ガス中の測定対象成分濃度を検出する赤外線ガス分析計において、検出ガスを直角方向に流通させる流通路部分を有するガス流通路と、このガス流通路内の流通方向の異なる位置に向きを揃えて配置された第１および第２のサーマルフローセンサとを具備したことを特徴とする。

請求項２では、請求項１の赤外線ガス分析計において、前記第１および第２のサーマルフローセンサの出力を、振動によるノイズ成分を相殺する極性に加算する補償部を具備したことを特徴とする。

請求項３では、請求項１または２の赤外線ガス分析計において、前記第１および第２のサーマルフローセンサにより、それぞれブリッジ回路を構成したことを特徴とする。

請求項４では、請求項２の赤外線ガス分析計において、前記補償部は、ブリッジ回路により構成され、前記第１および第２のサーマルフローセンサをこのブリッジ回路における任意の辺に挿入したことを特徴とする。

請求項５では、請求項１乃至４のいずれかの赤外線ガス分析計において、前記第１および第２のサーマルフローセンサは、それぞれ検出ガスの検出すべき流通方向に対して平行な方向に配列された１組以上のヒータ線よりなることを特徴とする。

請求項６では、試料ガスが流通する試料セルを有し、この試料セルを通過した赤外光における吸収量の変化を利用して、試料ガス中の測定対象成分濃度を検出する赤外線ガス分析計の出力補償方法において、前記試料セルを通過した赤外光と試料セルを通過しない赤外光との差を検出する検出器のガス流通路に、検出ガスを直角方向に流通させる流通路部分を設けるとともに、一方のガス流通路内に配置された第１のサーマルフローセンサの出力を、他方のガス流通路内に第１のサーマルフローセンサと同じ向きに配置された第２のサーマルフローセンサの出力により補償することを特徴とする。

請求項７では、請求項６の赤外線ガス分析計の出力補償方法において、前記出力の補償は、前記第１のサーマルフローセンサの出力と前記第２のサーマルフローセンサの出力とを、振動によるノイズ成分を相殺する極性に加算することを特徴とする。

請求項８では、請求項６または７の赤外線ガス分析計の出力補償方法において、前記第１および第２のサーマルフローセンサの出力を、それぞれブリッジ回路により検出することを特徴とする。

請求項９では、請求項６または７の赤外線ガス分析計の出力補償方法において、前記第１および第２のサーマルフローセンサを、ブリッジ回路における任意の辺に挿入したことを特徴とする。

このように、試料セルを通過した赤外光と試料セルを通過しない赤外光との差を検出する検出器のガス流通路に、検出ガスを直角方向に流通させる流通路部分を設けるとともに、一方のガス流通路内に測定対象成分濃度に応じた検出ガスの流れ（信号成分）を検出する第１のサーマルフローセンサを配置し、他方のガス流通路内に第１のサーマルフローセンサと同じ向きに第２のサーマルフローセンサを配置するように構成すると、第２のサーマルフローセンサでは、赤外線ガス分析計に加えられる振動の影響（ノイズ成分）は検出するが、測定対象成分濃度に応じた検出ガスの流れ（信号成分）に対しては感度を持たなくなり、第１のサーマルフローセンサの出力を第２のサーマルフローセンサの出力により補償することにより、赤外線ガス分析計に加わる外部振動の影響を除去して、高精度の測定動作を行うことのできる赤外線ガス分析計およびその出力補償方法を実現することができる。

以下、図面を用いて、本発明の赤外線ガス分析計およびその出力補償方法を説明する。

図１は、本発明の赤外線ガス分析計およびその出力補償方法の一実施例を示す構成図である。図において、前記図８〜図１１と同様のものは同一符号を付して示す。５０３、５０４は検出ガスを直角方向に流通させるガス流通路である。一方のガス流通路５０３には、測定対象成分濃度に応じた検出ガスの流れ（信号成分：矢印Ｕｓｉｇ）を検出するようにサーマルフローセンサ５１が配置され、他方のガス流通路５０４にはヒータ線５３１、５３２よりなるサーマルフローセンサ５３が配置されている。なお、サーマルフローセンサ５３におけるヒータ線５３１、５３２は、サーマルフローセンサ５１におけるヒータ線５１１、５１２と向きを揃えて配列されている。

ここで、検出対象成分の濃度に応じた検出ガスの流れ（信号成分）は、直角方向に折り曲げられたガス流通路５０３、５０４の中を、矢印Ｕｓｉｇのように流れ、振動による検出ガスの流れ（ノイズ成分）は、ガス流通路５０３、５０４内に矢印Ｕｖｉｂのように作用する。

図に示されるように、直角に折り曲げられたガス流通路５０３、５０４の中に、向きを揃えて２つのサーマルフローセンサ５１、５３を配置すると、サーマルフローセンサ５１では、信号成分Ｕｓｉｇとともにノイズ成分Ｕｖｉｂを検出するが、サーマルフローセンサ５３では、ノイズ成分Ｕｖｉｂは検出するが、信号成分Ｕｓｉｇに対しては感度を持たなくなる。

したがって、サーマルフローセンサ５１の出力とサーマルフローセンサ５３の出力とを、振動によるノイズ成分を相殺する極性に加算すれば、赤外線ガス分析計に加わる外部振動の影響を除去して、高精度の測定動作を行うことが可能となる。

図２は、サーマルフローセンサ５１、５３の出力を検出する検出部の具体的な構成例を示す回路図である。図において、１１、１２はサーマルフローセンサ５１、５３におけるヒータ線５１１、５１２、５３１、５３２の抵抗値変化（温度変化）を検出するブリッジ回路、１３はブリッジ回路１１の出力Ｖｏ１とブリッジ回路１２の出力とＶｏ２とを、振動によるノイズ成分を相殺する極性に加算する補償部である。
なお、ここでは、ブリッジ回路１１の出力Ｖｏ１とブリッジ回路１２の出力Ｖｏ２との極性を考慮して、これらの差分を求めている。

ブリッジ回路１１においては、前記図１０で説明したように、測定対象ガス濃度に応じた検出ガスの移動（矢印Ｕｓｉｇ）と振動による検出ガスの移動（矢印Ｕｖｉｂ）とが検出され、その出力信号Ｖｏ１は振動ノイズ成分を含んだものとなっている。
これに対して、ブリッジ回路１２においては、振動による検出ガスの移動（矢印Ｕｖｉｂ）のみが検出され、振動ノイズ成分に応じた出力信号Ｖｏ２が得られている。

したがって、補償部１３によりこれらの出力信号Ｖｏ１、Ｖｏ２の差分（Ｖｏ１−Ｖｏ２）を求めると、出力信号Ｖｏ１、Ｖｏ２に含まれる振動ノイズ成分を相殺して、ノイズの少ない検出信号を得ることができる。

図３は、本発明の赤外線ガス分析計およびその出力補償方法の他の実施例を示す構成図である。図において、前記図１と同様のものは同一符号を付して示す。図に示す例は、補償部１３においてブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路から直接、振動ノイズ成分を除去した出力信号Ｖｏ３を得るようにしたものである。

図４は、補償部１３の具体的な構成例を示す回路図である。図に示されるように、サーマルフローセンサ５１、５３のヒータ線５１１、５１２、５３１、５３２は、ブリッジ回路の異なる辺に挿入されており、ブリッジ回路の出力からは、２つのサーマルフローセンサ５１、５３の出力の差分に相当する出力信号Ｖｏ３が得られる。

すなわち、サーマルフローセンサ５３のヒータ線５３１、５３２は、サーマルフローセンサ５１のヒータ線５１１、５１２に重畳されるノイズ成分を打ち消す方向に、ブリッジ回路の異なる辺に挿入されている。
このため、前記図２における２つのブリッジ回路１１、１２を省略して、構成を簡素化することができる。

図５は、補償部１３におけるブリッジ回路の変形例を示す回路図である。図に示す例は、サーマルフローセンサ５１、５３におけるヒータ線５１１、５１２、５３１、５３２を、ブリッジ回路の共通の辺に挿入したものである。
すなわち、サーマルフローセンサ５３のヒータ線５３１、５３２を、サーマルフローセンサ５１のヒータ線５１１、５１２に重畳されるノイズ成分を打ち消す方向に、ブリッジ回路の共通の辺に挿入することにより、図４と同じノイズ除去効果を実現している。

図６は、本発明の赤外線ガス分析計およびその出力補償方法の他の実施例を示す構成図である。図において、前記図１〜図５と同様のものは同一符号を付して示す。図に示す例は、サーマルフローセンサ５１、５３をそれぞれ４本のヒータ線５１１、５１２、５１３、５１４、５３１、５３２、５３３、５３４により構成したものである。

サーマルフローセンサ５１、５３は、ガス流の上流側および下流側に配置されるヒータ線部分を、それぞれ２本のヒータ線により構成し、これらのヒータ線を検出ガスの検出すべき流通方向に対して平行な方向に配列している。

図７は、補償部（ブリッジ回路）１３の具体的な構成例を示す回路図である。図に示されるように、サーマルフローセンサ５１、５３のヒータ線５１１、５１２、５１３、５１４、５３１、５３２、５３３、５３４は、それぞれ自身のセンサ出力を増加する方向でブリッジ回路の各辺に挿入されている。
このため、前記図４と同じノイズ除去効果を実現するとともに、前記図４に比べて２倍の大きさの出力信号Ｖｏ５を得ることができる。
なお、サーマルフローセンサ５１、５３を構成するヒータ線の数は、４本に限られるものではない。

なお、上記の説明においては、サーマルフローセンサ５１、５３の出力をブリッジ回路を使用して検出する場合を例示したが、ブリッジ回路において、サーマルフローセンサ５１、５３の各ヒータ線を挿入する位置は、図示の形態に限られるものではない。

図１は本発明の赤外線ガス分析計およびその出力補償方法の一実施例を示す構成図。 図２はサーマルフローセンサ５１、５３の出力を検出する検出部の具体的な構成例を示す回路図。 図３は本発明の赤外線ガス分析計およびその出力補償方法の他の実施例を示す構成図。 図４は補償部１３の具体的な構成例を示す回路図。 図５は補償部１３におけるブリッジ回路の変形例を示す回路図。 図６は本発明の赤外線ガス分析計およびその出力補償方法の他の実施例を示す構成図。 図７は補償部（ブリッジ回路）１３の具体的な構成例を示す回路図。 図８は従来の赤外線ガス分析計の一例を示す構成図。 図９は振動の影響を説明するための概念図。 図１０はヒータ線５１１、５１２における温度変化（抵抗値変化）を検出するブリッジ回路。 図１１は赤外線ガス分析計に加わる振動の影響を示す波形図。

符号の説明

１ 赤外線光源
２ 分配セル
３ 基準セル
４ 試料セル
５ 検出器
５０１ 基準側室
５０２ 試料側室
５０３、５０４ ガス流通路
５１、５３ サーマルフローセンサ
５１１、５１２、５１３、５１４、５３１、５３２、５３３、５３４ ヒータ線
６ 回転セクタ
７ 信号処理回路
８ 同期モータ
９ トリマ
１１、１２ ブリッジ回路
１３ 補償部

Claims (9)

1. 試料ガスが流通する試料セルを有し、この試料セルを通過した赤外光における吸収量の変化を利用して、試料ガス中の測定対象成分濃度を検出する赤外線ガス分析計において、検出ガスを直角方向に流通させる流通路部分を有するガス流通路と、このガス流通路内の流通方向の異なる位置に向きを揃えて配置された第１および第２のサーマルフローセンサとを具備してなる赤外線ガス分析計。
2. 前記第１および第２のサーマルフローセンサの出力を、振動によるノイズ成分を相殺する極性に加算する補償部を具備したことを特徴とする請求項１に記載の赤外線ガス分析計。
3. 前記第１および第２のサーマルフローセンサにより、それぞれブリッジ回路を構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線ガス分析計。
4. 前記補償部は、ブリッジ回路により構成され、前記第１および第２のサーマルフローセンサをこのブリッジ回路における任意の辺に挿入したことを特徴とする請求項２に記載の赤外線ガス分析計。
5. 前記第１および第２のサーマルフローセンサは、それぞれ検出ガスの検出すべき流通方向に対して平行な方向に配列された１組以上のヒータ線よりなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線ガス分析計。
6. 試料ガスが流通する試料セルを有し、この試料セルを通過した赤外光における吸収量の変化を利用して、試料ガス中の測定対象成分濃度を検出する赤外線ガス分析計の出力補償方法において、前記試料セルを通過した赤外光と試料セルを通過しない赤外光との差を検出する検出器のガス流通路に、検出ガスを直角方向に流通させる流通路部分を設けるとともに、一方のガス流通路内に配置された第１のサーマルフローセンサの出力を、他方のガス流通路内に第１のサーマルフローセンサと同じ向きに配置された第２のサーマルフローセンサの出力により補償することを特徴とする赤外線ガス分析計の出力補償方法。
7. 前記出力の補償は、前記第１のサーマルフローセンサの出力と前記第２のサーマルフローセンサの出力とを、振動によるノイズ成分を相殺する極性に加算することを特徴とする請求項６に記載の赤外線ガス分析計の出力補償方法。
8. 前記第１および第２のサーマルフローセンサの出力を、それぞれブリッジ回路により検出することを特徴とする請求項６または７に記載の赤外線ガス分析計の出力補償方法。
9. 前記第１および第２のサーマルフローセンサを、ブリッジ回路における任意の辺に挿入したことを特徴とする請求項６または７に記載の赤外線ガス分析計の出力補償方法。