JP5370319B2 - Infrared absorption gas analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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を利用して特定ガス種の濃度を計測する赤外線吸収式ガス分析計に関する。 The present invention relates to an infrared absorption type gas analyzer that measures the concentration of a specific gas species by using a gas pressure fluctuation accompanying infrared spectrum absorption of an infrared active component gas.
ガス成分の定量分析に用いるフローセンサは、抵抗の温度係数の大きい感温抵抗金属箔をガスフロー中に前後して配置し、それらの感温抵抗金属箔をブリッジ接続しそれら金属箔の抵抗変化からフロー中のガス成分の定量分析を行う。従来の非分散赤外分析計に用いられているフローセンサはセンサチップの裏表両面に、抵抗の温度係数の大きい櫛型抵抗体をガスフロー中に配置し、流れから熱を授受することにより生じる裏表両面の櫛型抵抗体の抵抗値のずれをブリッジ回路により検出することによりその流れを検知し、フロー中のガス成分の定量分析を行う。櫛型抵抗体には特許文献1に示すように抵抗の温度係数の大きな金属であるニッケル(Ni)などが使用される。
The flow sensor used for the quantitative analysis of gas components is a temperature-sensitive metal foil with a large temperature coefficient of resistance placed before and after the gas flow, and these temperature-sensitive metal foils are bridge-connected to change the resistance of these metal foils. Quantitative analysis of gas components in the flow. A flow sensor used in a conventional non-dispersive infrared analyzer is generated by arranging a comb resistor having a large temperature coefficient of resistance on both sides of a sensor chip in a gas flow and transferring heat from the flow. The flow is detected by detecting the deviation of the resistance values of the comb resistors on the front and back surfaces by a bridge circuit, and quantitative analysis of gas components in the flow is performed. As shown in
そして、フローセンサは、アルミ等の金属製の室内に設置され、室内は前室と後室に分かれているが、いずれの室内にも被測定成分ガスが充填されている。例えば、二酸化硫黄(SO2)の検出を行う場合は、SO2を充填するが、この場合は、SO2を100%充填するよりも、アルゴン(Ar)等の不活性ガスで希釈した方が検出感度が向上するため、充填ガスはSO2とAr等の混合ガスである。 The flow sensor is installed in a room made of metal such as aluminum, and the room is divided into a front room and a rear room, and both chambers are filled with the component gas to be measured. For example, when detecting sulfur dioxide (SO 2 ), it is filled with SO 2. In this case, it is preferable to dilute with an inert gas such as argon (Ar) rather than 100% SO 2. In order to improve detection sensitivity, the filling gas is a mixed gas of SO 2 and Ar.
赤外線吸収式ガス分析計をSO2の検出目的に使用する場合、検出器の室内にはSO2が封入されるが、この場合に、フローセンサの素子として温度による抵抗変化の大きいNiを用いたとき、SO2とNiが反応し、Niが腐食して、フローセンサ素子が数年で断線する問題が生じる。この場合、Niを金メッキ加工してNiの表面を金属で覆い耐食性を高めることも考えられるが、コストアップになる。そこで、本発明は、フローセンサにNi素子を用いた赤外線吸収式ガス分析計において、コストアップをしない簡易な構成によって、フローセンサのNi素子の腐食を防止し、フローセンサの耐用期間を伸ばすことを目的とする。 When an infrared absorption gas analyzer is used for the purpose of detecting SO 2 , SO 2 is enclosed in the detector chamber. In this case, Ni having a large resistance change due to temperature is used as an element of the flow sensor. When SO 2 reacts with Ni, Ni corrodes and the flow sensor element is disconnected in several years. In this case, it is conceivable to increase the corrosion resistance by gold-plating Ni and covering the surface of Ni with metal, but this increases the cost. Therefore, the present invention provides an infrared absorption gas analyzer using an Ni element for the flow sensor, and prevents corrosion of the Ni element of the flow sensor and extends the useful life of the flow sensor with a simple configuration that does not increase the cost. With the goal.
上記の課題を解決するために、本発明は、赤外光を発する光源と、試料ガスを導入する測定セルと、測定セルを通過した赤外光の強度を検出する検出部とを備え、検出部はフローセンサを備えSO2が封入されたものであり、フローセンサの櫛型抵抗体の材料はNiである赤外線吸収式ガス分析計において、櫛型抵抗体の温度をNiとSO2が反応して硫化ニッケル(NiS2)が生成しない温度にすることを特長とする。 In order to solve the above problems, the present invention includes a light source that emits infrared light, a measurement cell that introduces a sample gas, and a detection unit that detects the intensity of infrared light that has passed through the measurement cell. The part is equipped with a flow sensor and SO 2 is enclosed, and the material of the comb resistor of the flow sensor is Ni. In an infrared absorption gas analyzer, the temperature of the comb resistor reacts between Ni and SO 2. Thus, the temperature is such that nickel sulfide (NiS 2 ) is not generated.
フローセンサの櫛型抵抗体のNiが検出部に封入されたSO2によって硫化されNiS2が生成すると、櫛型抵抗体の断線が生じるが、NiがSO2によって硫化されてNiS2が生成するのは特定温度以上の場合である。すなわち、当該特定温度以下の場合は表面のNiは硫酸ニッケル(NiSO4)として存在するため深部まで反応が進まず、特定温度以上になってNiS2が生成すると深部まで反応が進むことから、櫛型抵抗体の温度を特定温度以下に保てば、NiS2による硫化腐食を防ぐことができる。 When Ni comb resistor of the flow sensor is sulfurized by SO 2 enclosed in detector NiS 2 generates, although disconnection of the comb resistor occurs, Ni is NiS 2 to produce sulfurized by SO 2 This is the case above a specific temperature. That is, when the temperature is lower than the specific temperature, Ni on the surface exists as nickel sulfate (NiSO 4 ), so the reaction does not proceed to the deep part, and when NiS 2 is generated at the specific temperature or higher, the reaction proceeds to the deep part. If the temperature of the mold resistor is kept below a specific temperature, sulfidation corrosion due to NiS 2 can be prevented.
また、櫛型抵抗体の温度がNiS2が生成しない温度になるように、櫛型抵抗体に印加する電圧を設定することができる。櫛型抵抗体の温度は、櫛型抵抗体に印加する電圧が高くなると、櫛型抵抗体の温度が上昇することから、櫛型抵抗体に印加する電圧をNiS2が生成しない低い電圧にすることで、NiS2による硫化腐食を防ぐことができる。 Further, the voltage applied to the comb resistor can be set so that the temperature of the comb resistor becomes a temperature at which NiS 2 is not generated. Since the temperature of the comb resistor increases as the voltage applied to the comb resistor increases, the temperature of the comb resistor increases so that the voltage applied to the comb resistor is a low voltage that NiS 2 does not generate. Thus, sulfide corrosion due to NiS 2 can be prevented.
さらには、櫛型抵抗体の温度がNiS2が生成しない温度になるようにするための構成として、櫛型抵抗体と、電圧源と、固定抵抗とを接続してブリッジ回路を形成し、NiS2が生成しない温度になるように電圧源の電圧値及び固定抵抗の抵抗値に選択することができる。櫛型抵抗体の温度は、櫛型抵抗体に印加する電圧が高くなると、櫛型抵抗体の温度が上昇することから、櫛型抵抗体の温度がNiS2が生成しない温度になるように櫛型抵抗体に印加する電圧を設定すべきであるが、電圧の設定には次の方法がある。赤外線吸収式ガス分析計の信号処理部は、2つの櫛型抵抗体と2つの固定抵抗を組み合わせてブリッジ回路を形成するが、当該ブリッジ回路に供給する電圧源の電圧を変化させれば、これに伴い櫛型抵抗体に印加される電圧も変化するため、電圧源の電圧値を特定値に設定することができる。あるいは、電圧源の電圧値はそのままでも、固定抵抗の抵抗値を変化させることで、固定抵抗に加わる電圧値が変化し、櫛型抵抗に加わる電圧値が変化するため固定抵抗の抵抗値を特定値に設定することも可能である。 Further, as a configuration for setting the temperature of the comb resistor to a temperature at which NiS 2 is not generated, a comb circuit, a voltage source, and a fixed resistor are connected to form a bridge circuit. The voltage value of the voltage source and the resistance value of the fixed resistor can be selected so that the temperature does not generate 2 . Since the temperature of the comb resistor increases as the voltage applied to the comb resistor increases, the temperature of the comb resistor increases so that the temperature of the comb resistor does not generate NiS 2. The voltage to be applied to the mold resistor should be set, and there are the following methods for setting the voltage. The signal processing unit of the infrared absorption gas analyzer forms a bridge circuit by combining two comb resistors and two fixed resistors. If the voltage of the voltage source supplied to the bridge circuit is changed, Accordingly, the voltage applied to the comb resistor also changes, so that the voltage value of the voltage source can be set to a specific value. Alternatively, even if the voltage value of the voltage source remains the same, changing the resistance value of the fixed resistor changes the voltage value applied to the fixed resistor, and the voltage value applied to the comb resistor changes. It can also be set to a value.
そして、Ni、SO2、Arを含む系の合計のギブスエネルギーが最小となる条件を熱力学計算プログラムで計算することにより、NiがSO2によって硫化されてNiS2が生成するのはおおよそ100度以上であることが求まることから、櫛型抵抗体はNiS2が生成しないおおよそ100度以下の温度にするとよい。 Then, by calculating a condition that minimizes the total Gibbs energy of the system including Ni, SO 2 , and Ar with a thermodynamic calculation program, Ni is sulfided by SO 2 and NiS 2 is generated at approximately 100 degrees. Since it is calculated | required above, it is good to set the comb-type resistor to a temperature of approximately 100 degrees or less at which NiS 2 is not generated.
本発明によれば、フローセンサ素子の材料をNiから変更することなく、当該素子の温度をおおよそ100度以下にすることで、フローセンサ素子の腐食による破断を防ぎ、フローセンサの耐用期間を伸ばすことができる。また、フローセンサ素子の温度を調節するためには、フローセンサ素子に加わる電圧を調節すると簡易に温度を調節する事ができ、その際はブリッジ回路の電源電圧値又は固定抵抗値を調節すると従来から用いてきた部品でフローセンサ素子の温度調節をすることができる。 According to the present invention, without changing the material of the flow sensor element from Ni, the temperature of the element is set to approximately 100 degrees or less, thereby preventing breakage due to corrosion of the flow sensor element and extending the lifetime of the flow sensor. be able to. In order to adjust the temperature of the flow sensor element, it is possible to easily adjust the temperature by adjusting the voltage applied to the flow sensor element. In this case, the power supply voltage value or the fixed resistance value of the bridge circuit is conventionally adjusted. The temperature of the flow sensor element can be adjusted with the components that have been used.
検出器としてフローセンサを搭載したシングルビーム式赤外線吸収式ガス分析計の構成を図1に示す。図に示すようにこの種の赤外線吸収式ガス分析計は、一般に、赤外光を発生するための光源部1、被測定ガス(試料ガス)が導入されるセル部2、セル部2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ディテクター部3の3ユニットから構成されている。光源部1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4と、赤外光を断続してセル部2およびディテクター部3に入射させるためのチョッパー5とから構成されている。
The configuration of a single beam infrared absorption gas analyzer equipped with a flow sensor as a detector is shown in FIG. As shown in the figure, this type of infrared absorption gas analyzer generally passes through a
チョッパー5は、例えば、光源4からの光の通過を許容するように、一部を切り欠いた切り欠き部が形成された2枚羽根の回転円板6とこの回転円板6を回転駆動するモータ7とで構成されており、回転円板6をモータ7で回転させることで、回転円板6の非切り欠き部(遮光部)が光源4の前に位置している際には光源4からの赤外光を遮光し、切り欠き部が光源4の前に位置している際には光源4からの赤外光が通過し、セル部2に照射される。
The
セル部2は、試料ガスが導入される部位であって、パイプ8の前後を赤外線が広いスペクトル域で透過可能な赤外線透過性ガラスやフッ化カルシウム(CaF2)
等の窓板9で封止し、パイプ8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出入孔10を備え、また、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。
The
And a gas inlet /
ディテクター部3は、図2に示すように、通常、アルミなどの金属製の前室となる前部ブロック11と後室となる後部ブロック12で構成されている。説明の便宜上、前部ブロック11と後部ブロック12と呼ぶが、両ブロックは後に接合一体化される。前部ブロック11と後部ブロック12は、赤外線吸収式ガス分析計の原理上、検出部は被測定成分ガス(試料ガス)が導入されたセルを透過してきた測定すべき赤外光を入射させるため、また、内封された受感ガスを昇圧させるための前後2室を形成するため、そして、前後室を連通する連通路内に前後室の圧力差を検出するフローセンサ等のセンサを配置するために用いられる。
As shown in FIG. 2, the
前後部ブロック11、12には同一径の貫通孔が形成されおり、前部ブロック11の貫通孔の両端と、後部ブロック12の前部ブロック11との接合面の反対側の貫通孔の一端が赤外光を透過する窓板13で封止されており、前部ブロック11の貫通孔を封止する後部ブロック12に面する窓板14が隔壁となって前室15と後室16の2室とされる。
The front and
また、前部ブロック11と後部ブロック12には、両ブロックを接合一体化した際に接続されて連通路17を形成するトンネル18、19が形成されており、前部ブロック11に形成されたトンネル18は前室15からトンネル19に繋がっており、前室15に繋がる細穴部にセンサ20を配置できるスペースが設けられている。
Further, the
さらに、これら2室15、16には、赤外線ガス分析計の被測定対象となる、例えば、二酸化炭素(CO2)等の化学種のみ、あるいは、この化学種をAr、ヘリウム(He)
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。また、連通路17に配置されるセンサ20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よいが、センサが、前後室の圧力差で連通路17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。
Further, in these two
A gas diluted with an inert gas such as is filled (enclosed). The
赤外線ガス分析計に用いるフローセンサは、図3および図4に示すように、構成されている。フローセンサは、抵抗の温度係数の大きい感温抵抗金属箔をガスフロー中に前後して配置し、それらの感温抵抗金属箔をブリッジ接続しそれら金属箔の抵抗変化からフロー中のガス成分の定量分析を行う。 The flow sensor used for the infrared gas analyzer is configured as shown in FIGS. In the flow sensor, temperature-sensitive metal foils with a large temperature coefficient of resistance are arranged before and after the gas flow, and the temperature-sensitive metal foils are bridge-connected to change the resistance of the metal foils to change the gas components in the flow. Perform quantitative analysis.
フローセンサ構成は、中央にガス流通孔21を持つスペーサ22の表裏両面に、抵抗金属箔23、24を配置し、熱絶縁板25、26で挟むことにより、これら抵抗金属箔23、24を固定する。熱絶縁板25、26にも、同様なガス流通孔27、28が設けられている。抵抗金属箔23、24には、直列に連なっている櫛型抵抗体29、30が形成されており、この櫛型抵抗体29、30の部分がガス流通孔21、27、28において露出している。抵抗金属箔23、24の両端のパッドにはワイヤ31、32、33、34が接続されるが、これらを外部に導くために横穴35、36、37、38が熱絶縁板25、26に設けられる。
In the flow sensor configuration, resistance metal foils 23 and 24 are arranged on both front and back surfaces of a
抵抗金属箔23、24としては、抵抗の温度係数の大きな金属であるNiなどが使用される。熱絶縁板25、26およびスペーサ22にはガラスやセラミックなどが使用される。
As the resistance metal foils 23 and 24, Ni which is a metal having a large temperature coefficient of resistance is used. Glass or ceramic is used for the
このような構成で、光源部1から発した赤外光は、セル部2を通過してディテクター部3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セル内のガスに吸収され、残りの赤外光はディテクター部3に入射する。ディテクター部3の前室15の正面から入射した赤外光は、前室15および後室16で吸収されるが、その多くは前室15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15、16間に圧力差が発生し、これによって両室を連通する連通路17内に内封ガスの流れが生る。このガス流の流速は、ディテクター部3への入射光強度に依存するので、前後室15、16の連通路17内に配置された薄膜型熱線式フローセンサ20の熱線抵抗素子の抵抗値の変化として計測することで、ディテクター部3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。
With such a configuration, the infrared light emitted from the
ここで、SO2の検出を行う場合、前室15、後室16には、SO2が充填されるが、この場合にフローセンサの抵抗金属箔23、24の材料としてNiを用いると、SO2によってNiが硫化され腐食してNiS2が生成し、硫化の度合いが進むと抵抗金属箔23、24が断線する問題が生じる場合がある。そのため、通電中に断線した素子の腐食部分の1molあたりの成分構成を電子線マイクロアナライザ装置(EPMA)により測定してみたところ、図6のように、正常部側面の硫黄(S)と酸素(O)の比は約1:4であることからNiの表面にNiSO4が付着していると推定され、腐食部分はSの割合が正常部側面の割合と比較して高いことからNiS2であることが推定される。よって、NiがSO2で硫化されてNiS2が生成されると深部までNiが腐食して断線するが、NiがSO2と反応してもNiSO4として表面のみに止まれば断線の問題は生じないといえる。
Here, when detecting SO 2 , the
そこで、NiS2とNiSO4が生成する条件を調べるために、Ni、SO2、Arを含む系の合計のギブスエネルギーが最小となる条件を計算したところ、100℃以下では、NiSO4が生成し、100℃以上でNiS2が生成することが分かった。そのため、櫛型抵抗体29、30の温度を100℃以下にすることにより、NiS2の生成を防ぐことができる。
Therefore, in order to examine the conditions under which NiS 2 and NiSO 4 generates, Ni, was calculated the conditions Gibbs energy of total system including SO 2, Ar is minimized, at the 100 ° C. or less, NiSO 4 generates It was found that NiS 2 was produced at 100 ° C. or higher. Therefore, the generation of NiS 2 can be prevented by setting the temperature of the
図5に示す櫛型抵抗体29、30が接続されたブリッジ回路を用いて櫛型抵抗体29、30の温度を100℃以下にする構成を説明する。櫛型抵抗体29、30の温度を100℃以下に調節するためには、櫛型抵抗体29、30における発熱量を抑える必要がある。ここで、発熱量K(J)は、電力P(W)、時間t(秒)とすると、K=P・tとなり、電力P(W)は、電流I(A)、電圧E(V)、抵抗R(Ω)とすると、P=I・E=E2/Rとなるため、櫛型抵抗体29、30の発熱量を調節するためには、櫛型抵抗体29、30に加わる電圧を調節する必要がある。そのためには、電圧源40の印加電圧を調節するか、ブリッジ回路の固定抵抗41,42の抵抗値を特定値に調節する必要がある。電圧源40の電圧値を低くすると、櫛型抵抗体29、30、固定抵抗41,42のそれぞれの抵抗における印加電圧が小さくなるので、櫛形抵抗体における発熱量が減少する。また、電圧源40の電圧値を調節しなくても、固定抵抗41、42の値を大きくすれば、固定抵抗における電圧降下が大きくなるので、櫛形抵抗体における電圧降下が減少し櫛形抵抗体における発熱量が減少する。よって、電圧源40又は固定抵抗41、42の値を調節することで、櫛型抵抗体29、30における発熱量を減らし、櫛型抵抗体29、30の温度を100℃以下に調節することができる。
A configuration in which the temperature of the
また、抵抗Rは、長さl(m)、断面積A(m2)、体積抵抗率ρ(Ω・m)とすると、R=ρ・l/Aとなり、金属の電気抵抗は温度により上昇することが知られており、特定温度における体積抵抗率も既知である(例えば、Niの100℃における体積抵抗率は10.3であることが知られている)。そのため、櫛型抵抗体29、30の長さや断面積を調節して抵抗を調節することによっても、櫛型抵抗体29、30における発熱量を調節することができる。
Further, when the resistance R is length l (m), cross-sectional area A (m 2 ), and volume resistivity ρ (Ω · m), R = ρ · l / A, and the electric resistance of the metal increases with temperature. The volume resistivity at a specific temperature is also known (for example, the volume resistivity of Ni at 100 ° C. is known to be 10.3). Therefore, the amount of heat generated in the
このように、櫛型抵抗体29、30における電圧を低減することにより、櫛型抵抗体29、30の温度を100℃以下に低減することができるが、電圧を低減すると、フローセンサの感度が低下するため、フローセンサの感度を考慮した場合、電圧を必要以上に下げることは性能上好ましくない。そのため、当該温度が100℃以下を満たす最大の電圧値に調節することが、NiS2が生成しない条件においてフローセンサの感度が最大になる条件となる。
Thus, by reducing the voltage at the
以上のようにして櫛型抵抗体29、30の温度を100度以下にすることで、Niの腐食による櫛型抵抗体29、30の破断を防ぎ、フローセンサの耐用期間を伸ばすことができる。
By making the temperature of the
1 光源部
2 セル部
3 ディテクター部
4 ヒーター
5 チョッパー
6 回転円板
7 モータ
8 パイプ
9 窓板
10 ガスの導出入孔
11 前部ブロック
12 後部ブロック
13 窓板
14 窓板
15 前室
16 後室
17 連通路
18、19 トンネル
20 センサ
21、27、28 ガス流通孔
22 スペーサ
23、24 抵抗金属箔
25、26 熱絶縁板
29、30 櫛型抵抗体
31、32、33、34 ワイヤ
35、36、37、38 横穴
40 電圧源
41、42 固定抵抗
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