JP4821636B2

JP4821636B2 - 原子吸光分光光度計

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Publication number: JP4821636B2
Application number: JP2007025273A
Authority: JP
Inventors: 和久佐藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2007-01-17
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2027-02-05
Also published as: JP2008196851A

Description

本発明は、原子吸光分光光度計に関し、特にはフレーム式原子吸光分光光度計の燃料ガス制御流路の漏れ検出に関する。

原子吸光分光光度計では、中空陰極ランプを出射した光が、分析試料溶液が霧化され原子化された空間を通過し、分光器に導入され分析目的元素が吸収する波長域の光だけが取り出され、光電検知器に入射する。入射した光は、ここで電気信号に変換され、前記空間での吸収の強さに比例する吸光度に変換され、分析目的元素の濃度が計算され表示される。

原子化の方法には、化学炎を用いるフレーム法と化学炎を用いないフレームレス法とがある。フレーム式原子吸光分光光度計では、試料溶液はネブライザから空気等の助燃ガスと共に噴出することにより霧化され、アセチレンガス等の燃料ガスとチャンバ内で混合される。この混合ガスは、チャンバ上部に設けられたバーナーヘッドのスロットより噴出し、フレームを形成する。このフレーム中で霧化された試料溶液は原子化される。

燃料ガスとしては、フレーム温度を高くするために、アセチレンガスが用いられる。アセチレンガスは、ガスボンベから調圧器に供給されて減圧され、原子吸光分光光度計に供給される。アセチレンガスは、高圧下では不安定で点火により爆発的に水素と炭素に分解するため、１２７ｋＰａを超える圧力で使用してはならない。そこで、燃料ガスの燃料ガス制御流路は、燃料ガスの圧力が、所定の圧力範囲内か否かを判断し、所定の圧力範囲内にない場合はエラー表示を行い、燃料ガスの圧力が所定の圧力範囲内にあるが、検出した初期ガス圧力値が、一定時間内に所定値以上低下した場合は、ガス漏れが発生したと判断し、エラー表示を行う原子吸光分光光度計が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−２２１３９７号公報

燃料ガスの燃料ガス制御流路は、制御弁や流量調整器や配管部材等を有する流路で構成される。これらの部品から流路外へのガス漏れは、流路内を入口圧と同じ圧力状態で密閉し、一定時間以内に圧力が所定値より低下し流路に配設される圧力スイッチが“ＯＮ”から“ＯＦＦ”になることにより検出される。コントロールユニットは、このＯＮ／ＯＦＦ信号を受信し、エラーを表示しフレームの点火を禁止する。この方法では燃料ガス制御流路の入口側に配設される制御弁の制御弁内での漏れが生起していても検出されない。燃料ガスの燃料ガス制御流路の流路入口に配設される制御弁の制御弁内での漏れがあると、装置を使用していない時も流路内に燃料ガスが充満し、このガスにより流路を構成する配管の内部やジョイント部等の劣化を促進させ、さらには、流路外へのガス漏れを生起する可能性があり、引火性ガスの場合には漏れたガスが爆発する危険性がある。

本発明に係る原子吸光分光光度計は、制御弁を流路の入口に配設して燃料ガスを制御しつつ導く燃料ガス制御流路と、試料溶液を霧化させるとともに燃料ガスと混合噴出させてフレームを形成する霧化原子化部を備えた原子吸光分光光度計において、前記燃料ガス制御流路の入口に配設される制御弁の漏れを検出する手段を備える。燃料ガス制御流路の入口に配設される制御弁の漏れを検出する手段は、前記入口に配設される制御弁を閉じた状態で、燃料ガス制御流路の出口に配設される制御弁を“開”にして燃料ガス制御流路内の圧力が一定になった後、前記出口に配設される制御弁を閉じる手段と、前記出口に配設される制御弁を閉じてから一定時間後の燃料ガス制御流路内の圧力が所定圧力を超えているか否か確認する手段で構成される。燃料ガス制御流路内の圧力が所定圧力を超えているか否か確認する手段は、燃料ガス制御流路内に配設される圧力スイッチによるものであることを特徴とする。

前記入口に配設される制御弁は、弁体が上下動する空間と、前記空間にガスが流入する第１のポート及び前記空間からガスが流出する第２のポートとを備え、前記弁体の上下動によりいずれか一方のポートを封止して“閉”とする制御弁であって、第１のポートが封止されるように配置された。さらには、前記出口に配設される制御弁は、弁体が上下動する空間と、前記空間にガスが流入する第１のポート及び前記空間からガスが流出する第２のポートとを備え、前記弁体の上下動によりいずれか一方のポートを封止して“閉”とする制御弁であって、第２のポートが封止されるように配置される。

制御流路を大気圧に開放した状態で、入口及び出口の制御弁を閉じて制御流路を密閉し、制御弁が閉じた状態で上流側からのガスの流入の有無による圧力上昇を以って制御流路の入口に配設される制御弁の漏れが検知される。また、制御流路を制御流路の入口圧に維持した状態で、入口及び出口の制御弁を閉じて制御流路を密閉し、密閉された制御流路からのガス漏れによる圧力降下を以って制御流路の漏れが検知される。

本発明によれば、燃料ガス制御流路の入口に配設される制御弁の制御弁内での漏れを検出することで、制御弁の交換等の適切な処置を行い、流路を構成する配管の内部やジョイント部等のガスによる劣化を防止でき、劣化の進行により生ずる流路外へのガス漏れの無い原子吸光分光光度計を提供することができる。

以下、本発明の実施例について、図を参照しつつ説明する。図１は、本発明の原子吸光分光光度計のガス制御部と霧化原子化部の概要を示す図である。図１において、ガス制御部１は、燃料ガス制御流路として機能する燃料ガス制御ユニット１０と、助燃ガス制御ユニット２０と、これらを制御するコントロールユニット３０で構成される。ガス制御部１で制御された燃料ガスと助燃ガスは霧化原子化部２に導入される。霧化原子化部２は、試料を霧化するネブライザ４１と、霧化された試料と燃料ガスを混合するチャンバ４２と、その上部に配設されるバーナーヘッド４３で構成される。燃料ガスの燃料ガス制御流路の一部分はマニホールド化され、配管部材の少ない一体構造であり、制御弁は電気信号で作動する電磁弁で構成される。

燃料ガス制御ユニット１０の入口に配設される入口電磁弁１１の入口には、アセチレンガスボンベより減圧弁を介してアセチレンガス（Ｃ_２Ｈ_２）が供給され、その出口は圧力スイッチ１２と、電磁弁１３と、電磁弁１４と、流量調整器１５のそれぞれの入口に接続されている。圧力スイッチ１２は、流路の圧力が所定圧力より高いと“ＯＮ”となり、所定圧力以下で“ＯＦＦ”となる特性を有し、このＯＮ／ＯＦＦ信号はコントロールユニット３０に入力する。

圧力スイッチ１２としては、リークチェック範囲１９における最高圧力（ボンベ圧、絶対圧で約0.19MPa）から最低圧力（大気圧、約0.10MPa）の圧力範囲で動作するものであって、この範囲内の圧力を閾値（例えば、0.17MPa）としてＯＮ／ＯＦＦが切り替わるものが用いられる。また、閾値が異なるものを１つずつ配設すれば、リークチェックの動作における圧力上昇時及び圧力下降時に初期段階で検知することが可能となる。部品点数が増えるという観点からは好ましくない場合があるので、図３に示すような大きなヒステリシス特性を有する圧力スイッチを適用することが可能である。

図３は、ヒステリシス特性を有する圧力スイッチについて、横軸に圧力、縦軸にスイッチの動作を示している。ヒステリシス特性を有する圧力スイッチは、“ＯＦＦ”から“ＯＮ”に切り替わる場合と、“ＯＮ”から“ＯＦＦ”に切り替わる場合の２つの閾値を有し、（１）“ＯＦＦ”の状態から圧力が上昇する場合には、圧力が低い段階で“ＯＮ”に切り替わり、（２）“ＯＮ”の状態から圧力が下降する場合には、圧力が高い段階で“ＯＦＦ”に切り替わる特性を持つ。圧力スイッチとしては、ＯＮ／ＯＦＦの切替わり時にチャッタリングの無いものであることが好ましい。

電磁弁１４の出口は流量調整器１７の入口に接続され、流量調整器１７の出口はフレーム点灯時に使用されるパイロットフレーム用の配管に接続されている。電磁弁１３の出口は流量調整器１６の入口に接続され、流量調整器１６の出口は流量調整器１５の出口と合流して出口電磁弁１８の入口に接続される。

助燃ガス制御ユニット２０の入口に電磁弁２１と電磁弁２２が配設される。電磁弁２１の入口には、亜酸化窒素ガスボンベより減圧弁を介して亜酸化窒素ガス（Ｎ_２Ｏ）が供給され、電磁弁２２の入口にはエアコンプレッサより空気（ＡＩＲ）が供給される。電磁弁２１と電磁弁２２の出口は合流し圧力調整器２３の入口に接続される。圧力調整器２３の出口は、２つの流路に分岐され、一方が霧化原子化部２のネブライザ４１に、他方が流量調整器２４の入口に接続される。

燃料ガス制御ユニット１０の出口電磁弁１８の出口と、助燃ガス制御ユニット２０の流量調整器２４の出口とが合流し、霧化原子化部２のチャンバ４２に接続される。

流量調整器２４の出口は出口電磁弁１８の出口と合流してチャンバ４２に接続されている。助燃ガスとして亜酸化窒素ガスを使用する時は電磁弁２１が、空気を使用する時は電磁弁２２が“開”になるようにコントロールユニット３０から制御信号が送られる。

試料の分析は、コントロールユニット３０の制御信号によりガス制御部１の電磁弁を以下のように制御して行う。電磁弁２１または電磁弁２２を“開”とし助燃ガスを霧化原子化部２に供給する。入口電磁弁１１と、電磁弁１４と、出口電磁弁１８を開とし燃料ガスを霧化原子化部２に供給し、バーナーヘッド４３のスロット上にフレームを形成する。電磁弁１３を開にしフレームの温度を上げ、ネブライザ４１で霧化された試料溶液をフレーム中で原子化する。中空陰極ランプを出射した光は、前記原子化した空間を通過し、分光器に導入され分析目的元素が吸収する波長域の光だけが取り出され、光電検知器に入射する。ここで電気信号に変換され、前記空間での吸収の強さに比例する吸光度に変換され、分析目的元素の濃度が計算され表示される。

[入口電磁弁のリークチェック]
入口電磁弁１１の漏れのチェックは、コントロールユニット３０の制御信号により出口電磁弁１８を以下のように制御して行う。図２に沿って説明する。図２において、横軸は上流（ボンベ側）から入口電磁弁１１、出口電磁弁１８を経て、下流（原子化部２側）に沿って位置を表し、縦軸は圧力を表している。入口電磁弁１１及び出口電磁弁１８について、“開”を“○”、“閉”を“●”で記した。なお、リークチェック範囲１９は、入口電磁弁１１と出口電磁弁１８、電磁弁１４で囲まれるが、ここでは説明の簡便のため、電磁弁１４を常に“閉”とする。

装置が待機状態でガス制御部１の全ての電磁弁が“閉”である時の圧力は、図２(ａ）に示す如くの状態になっている。入口側電磁弁１１の直前までは、上流に設置されるボンベからの圧力がかかっているが、入口電磁弁１１が“閉”であるので、ガスの流れは止められる。さらに、出口電磁弁１８も“閉”であるので、リークチェック範囲１９は大気圧に開放されていない。したがって、この状態では、リークチェック範囲１９内の圧力は、大気圧に近い圧力である。

先ず、出口電磁弁１８を“開”にする。この動作により、図２（ｂ）に示すように、入口電磁弁１１より下流側でリークチェック範囲１９の流路内の圧力が大気圧と等しくなる。

次に、出口電磁弁１８を“閉”にする。この動作により、リークチェック範囲１９の流路が密閉される。リークチェック範囲１９の流路内の圧力が大気圧と等しいときに出口電磁弁１８を“閉”としたので、図２（ｃ）に示すように、リークチェック範囲１９の流路内の圧力は大気圧と等しいままである。

入口電磁弁１１が正常に“閉”の状態となっていれば、入口電磁弁１１の上流側からのガスがリークチェック範囲１９に流入することはなく、リークチェック範囲１９内の圧力が上昇することはない。しかし、入口電磁弁１１による封止に漏れがあれば図２（ｄ）に示すようにリークチェック範囲１９内の圧力が上昇する。リークチェック範囲１９内の圧力が上昇し、一定時間以内に圧力スイッチ１２が“ＯＦＦ”から“ＯＮ”になる閾値を超え、圧力スイッチ１２が“ＯＮ”になれば、入口電磁弁１１に漏れがあると判断される。この場合、コントロールユニット３０はエラー表示をし、操作者に入口電磁弁１１の異常を通知する。圧力スイッチが“ＯＦＦ”の状態を維持していれば、入口電磁弁１１に漏れはないと判断される。

この漏れチェックを自動で定期的（例えば、原子吸光分光光度計の起動時）に行うことにより、入口電磁弁１１の漏れが早い段階で検知される。漏れ（異常）が検知されれば、入口電磁弁１１の清掃や交換等をすることで、燃料ガスの流路を構成する配管の内部やジョイント部等のガスによる劣化を防止でき、劣化の促進により生ずる流路外へのガス漏れを防止することができる。リークチェックが自動に行なわれるので、操作者の作業の軽減を図ることができる。

[制御流路のリークチェック]
制御流路におけるリークチェック範囲１９の流路から外部へのリークチェックは、コントロールユニット３０の制御信号により入口電磁弁１１を以下のように制御して行う。上述の入口電磁弁１１の漏れチェックの場合と同様、ガス制御部１の全ての電磁弁が“閉”とした待機状態（図２（ａ））から開始される例で、説明する。

先ず、入口電磁弁１１を“開”にする。この動作により、図２（ｅ）に示すように、リークチェック範囲１９（入口電磁弁１１より下流側から出口電磁弁１８）の流路内の圧力が入口電磁弁１１の入口圧（≒ボンベ圧Ｐ_１）と等しくなる。

次に、入口電磁弁１１を“閉”にする。この動作により、リークチェック範囲１９の流路が密閉される。リークチェック範囲１９の流路内の圧力が入口圧と等しくなったときに入口電磁弁１１を“閉”としたので、図２（ｆ）に示すように、リークチェック範囲１９内の圧力は入口電磁弁１１の入口圧と等しいままである。

リークチェック範囲１９が異常なく、気密となっていれば、リークチェック範囲１９のガスが流出することはなく、図２（ｇ）に示すようにリークチェック範囲１９内の圧力が下降することはない。リークチェック範囲１９内の圧力が下降し、一定時間以内に圧力スイッチ１２が“ＯＮ”から“ＯＦＦ”になる閾値を下回り、圧力スイッチ１２が“ＯＦＦ”になれば、リークチェック範囲１９のいずれかに漏れがあると判断される。この場合、コントロールユニット３０はエラー表示をし、操作者にリークチェック範囲１１の異常を通知する。リークチェック範囲１９から漏れたガスが、室内に充満している可能性があるので、霧化原子化部２におけるフレームの点灯を禁止する。圧力スイッチが“ＯＦＦ”の状態を維持していれば、リークチェック範囲１９における漏れはないと判断される。

入口電磁弁１１、リークチェック範囲１９の２つのリークチェックは、同時期に行なうことが好ましいが、リークチェック範囲１９のリークチェックを数回行なう毎に一度入口電磁弁１１のリークチェックを行なうようにしても良い。同時期に行なう場合、図２（ａ）に示す待機状態から開始する必要はなく、どちらを先に行なっても良く、２つのリークチェックを連続して行なっても良い。

圧力スイッチ１２は、入口電磁弁１１のリークチェックでは大気圧からの圧力上昇を、リークチェック範囲１９のリークチェックでは入口圧からの圧力降下を検知するので、例えば、“ＯＦＦ”から“ＯＮ”への閾値として0.12MPa、“ＯＮ”から“ＯＦＦ”への閾値として0.17MPaと設定した圧力スイッチを適用することにより、上述の初期段階での検知が可能になる。

以上、リークチェックの動作について説明したが、入口電磁弁１１については、電磁弁の構造に着目し、その接続口を上流側流路／下流側流路へ接続する方向に留意することが更に有用である。

図４に一般的な電磁弁の構造の概略を示し、電磁弁を接続する方向について説明する。電磁弁５０は、流路が穿設されたボディ５１と、弁機構部５２とからなり、さらに弁機構部５２は、一端が開放し他端が閉塞した筒状の固定鉄芯５３を有し、その周囲に配置されたコイル５４と、筒内に配置された弁体５５ａを有する可動鉄芯５５とスプリング５６とからなる。可動鉄芯５５がスプリング５６により付勢されて弁体５５ａが弁座５７に当接し“閉”となり、コイル５４に通電することで発生する電磁力によって可動鉄芯５５が固定鉄芯５３の閉塞部に当接する方向に移動して“開”となる。なお、ボディ５１の左右の矢印はガスの流れの方向を示すものであり、下側の矢印は電磁弁の向き５０を便宜的に示すものである。図４（ａ）では、接続口５８Ｂ／接続口５８Ａがそれぞれ上流側／下流側となり、図４（ｂ）では、逆に接続口５８Ａ／接続口５８Ｂがそれぞれ上流側／下流側となる。

図４（ｂ）に示す方向での接続では、ガスの下流側に対して弁を閉じることになり、電磁弁内部での弁体５５ａと弁座５７との当接状態の良否に関わらず、上流から電磁弁５０内にガスが流入する。一方、図４（ａ）に示した方向での接続では、ガスの上流側に対して弁を閉じることになり、弁体５５ａと弁座５７との当接状態が良好な場合には電磁弁５０内にガスが流入することはない。つまり、電磁弁５０には、その入口／出口が接続される方向によって、図４（ｂ）のように電磁弁内部からガスが流れ出ないようにする“閉”と、図４（ａ）のように電磁弁内部へガスが流れ込まないようにする“閉”の２通りの“閉”が存在するのである。

図４（ａ）に示すように、ガスの上流側に対して弁を閉じるように電磁弁を配置した場合、弁体５５ａと弁座５７との当接が良好である限り電磁弁が“閉”の状態では電磁弁内にはガスが流入しない。よって、電磁弁内の部品の劣化の進行を抑制することができる。さらに、“閉”の状態で弁体５５ａと弁座５７との当接が不良とならない限り、弁機構部を気密に維持する部品の劣化に起因する予期せぬガス漏れは生じ得ない。弁体５５ａと弁座５７の当接不良及び弁機構の気密不良が同時に起こらなければ、入口電磁弁１１から外部への漏れは発生せず、その確率は極めて低いものとなる。

この構造上の特性に基づいて、燃料ガス制御ユニット１０（特に図１におけるリークチェック範囲１９）に配置される電磁弁の方向を図５に示す。入口電磁弁１１、出口電磁弁１８、電磁弁１３，１４について、電磁弁の方向を矢印で示しており、矢印の方向の流路に対して弁を閉じることを意味する。すなわち、入口電磁弁１１のみが上流側（ボンベが接続される側）に対して弁を閉じる向き、言い換えれば、電磁弁内部へガスが流れ込まない“閉”とする向きに配置される。出口電磁弁１８、電磁弁１３，１４は下流側（ネブライザ４１やチャンバ４２、バーナヘッド４３といった装置側）に対して弁を閉じる向き、言い換えれば、電磁弁内部からガスが流れ出ないようにする“閉”に配置される。電磁弁１３については、接続口は両側ともリークチェック範囲１９内に配置されており、その下流側にも電磁弁１４，出口電磁弁１８が存在するので、向きは問わない。

入口電磁弁１１が電磁弁内部へガスが流れ込まない“閉”にするような方向での配置では、上流側からの急激な圧力変動が生じたときに、スプリングの押力による弁体の弁座への押圧が上流側の圧力に押し負けて弁体が上昇し、弁の状態が“開”となってしまう可能性がある。このとき、ガスが入口電磁弁１１を通過するが、下流側の出口電磁弁１８や電磁弁１４は電磁弁内部からガスが流れ出ないようにする“閉”の配置であるので、ガスは燃料制御ユニット１０から流出することはない。

実施例においては、燃料ガスとしてアセチレンガスを使用しているが、アセチレンガスの代わりに水素ガスを使用しても本発明は適用可能である。また、電磁弁１４と流量調整器１７、或いは電磁弁１３と流量調整器１６または電磁弁２１を削除しても本発明は適用可能である。このように装置は種々の構成とすることができる。

上記実施例は本発明の単に一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正することも可能である。これら変更や修正したものも本発明に包含されることは明らかである。

本発明の原子吸光分光光度計のガス制御部と霧化原子化部の概要を示す図である。リークチェック時の電磁弁の動作とリークチェック範囲の圧力を示す図である。圧力スイッチのヒステリシス特性を示す図である。電磁弁の構造の概略を示す図である。本発明の原子吸光分光光度計のガス制御部の概要と配置される電磁弁の方向を示す図である。

符号の説明

１・・・・・ガス制御部
２・・・・・霧化原子化部
１０・・・・・燃料ガス制御ユニット
１１・・・・・入口電磁弁
１２・・・・・圧力スイッチ
１３・・・・・電磁弁
１４・・・・・電磁弁
１５・・・・・流量調整器
１６・・・・・流量調整器
１７・・・・・流量調整器
１８・・・・・出口電磁弁
１９・・・・・リークチェック範囲
２０・・・・・助燃ガス制御ユニット
２１・・・・・電磁弁
２２・・・・・電磁弁
２３・・・・・圧力調整器
２４・・・・・流量調整器
３０・・・・・コントロールユニット
４１・・・・・ネブライザ
４２・・・・・チャンバ
４３・・・・・バーナーヘッド
５０・・・・・電磁弁本体
５１・・・・・ボディ
５２・・・・・弁機構部
５３・・・・・固定鉄芯
５４・・・・・コイル
５５・・・・・可動鉄芯
５５ａ・・・・弁体
５６・・・・・スプリング
５７・・・・・弁座
５８Ａ，Ｂ・・接続口

Claims

流路の入口に第１の制御弁を、流路の出口に第２の制御弁を配設して燃料ガスを制御しつつ導く燃料ガス制御流路と、試料溶液を霧化させるとともに燃料ガスと混合噴出させてフレームを形成する霧化原子化部を備えた原子吸光分光光度計において、
前記燃料ガス制御流路のガス漏れを検出する手段を備え、
前記第１の制御弁は、弁体が上下動する空間と、前記空間にガスが流入する第１のポート及び前記空間からガスが流出する第２のポートとを備え、前記弁体の上下動によりいずれか一方のポートを封止して閉とする制御弁であって、第１のポートが封止されるように配置され、
前記第２の制御弁は、弁体が上下動する空間と、前記空間にガスが流入する第１のポート及び前記空間からガスが流出する第２のポートとを備え、前記弁体の上下動によりいずれか一方のポートを封止して閉とする制御弁であって、第２のポートが封止されるように配置されたことを特徴とする原子吸光分光光度計。
請求項１記載の原子吸光分光光度計において、前記燃料ガス制御流路のガス漏れを検出する手段は、前記第１の制御弁を閉じた状態で、前記第２の制御弁を開にして燃料ガス制御流路内の圧力が一定になった後、前記第２の制御弁を閉じる手段と、前記第２の制御弁を閉じてから一定時間後の燃料ガス制御流路内の圧力が所定圧力を確認する手段で構成されることを特徴とする原子吸光分光光度計。
請求項１記載の原子吸光分光光度計において、前記燃料ガス制御流路のガス漏れを検出する手段は、前記第２の制御弁を閉じた状態で、燃料ガス制御流路の第１の制御弁を開にして燃料ガス制御流路内の圧力が一定になった後、前記第１の制御弁を閉じる手段と、前記第１の制御弁を閉じてから一定時間後の燃料ガス制御流路内の圧力が所定圧力を確認する手段で構成されることを特徴とする原子吸光分光光度計。
請求項１乃至３記載のいずれかの原子吸光分光光度計において、前記燃料ガス制御流路内の圧力を確認する手段は、燃料ガス制御流路内に配設される圧力スイッチによるものであることを特徴とする原子吸光分光光度計。