JPH01321333A - 試料ガス分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は試料ガス分析装置に関し、特に１次減圧室から
オリフィスを介して四重極質量検出器を設けた２次減圧
室に導入される試料ガスのガス流量を略一定にするよう
にしたものに関する。

〔従来技術〕

一般に、例えばガス中に含まれる化学物質を分析する試
料ガス分析装置としては、サンプルした試料ガスが導入
される１次減圧室とこの１次減圧室にオリフィス等を介
して連通され四重極質量検出器を備えた２次減圧室とを
設け、１次減圧室に導入された試料ガスはそのガス流量
をオリフィスで規制されて２次減圧室に導入され、四重
極質量検出器で試料ガス中の特定ガス成分の質量を選択
的に検出するようにした装置が知られている。

上記ガス分析装置は、自動車用エンジンの吸気ガス、燃
焼ガス或いは排気ガス等を分析するのに適したものであ
り、例えば、第６図に示すように構成されている。

このガス分析装置において、１次減圧室５０と２次減圧
室５１とは隣接して設けられ、２次減圧室５１はオリフ
ィス５２を介して１次減圧室５０に連通され、１次減圧
室５０は真空ポンプ５３により設定値に減圧されると共
に、２次減圧室５１はターボ分子ポンプ５４と真空ポン
プ５５により設定値に減圧されている。尚、２次減圧室
５１の真空度は１次減圧室５０の真空度より所定値だけ
高く設定されている。

そして、例えばエンジン５６が排気工程のときに制御弁
５７が開弁されて、燃焼室５８の排気ガス（試料ガス）
が試料ガス導入管５９を経て１次減圧室５０に導入され
、差動排気によりその試料ガスの一部がオリフィス５２
を通って２次減圧室５１に導入される。

そして、２次減圧室５１の四重極質量検出器６０で試料
ガスをイオン化させて分析し特定ガス成分のイオン質量
を検出するようになっている。

尚、実開昭５８−２６６６０号公報には、試料ガス導入
管内に設けた酸化触媒を加熱炉で約３００℃以上に加熱
し、試料ガスを導入管を経て１次減圧室に尊大するとき
に、試料ガス中のｃｏ及び各種ＨＣを酸化触媒で完全に
酸化させた後、２次減圧室内の四重極質量検出器で分析
し、この分析結果に基いて混合気の空燃比を算出するよ
うにした超高速試料ガス分析装置が記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の試料ガス分析装置（第６図参照）において、例え
ばエンジン５６の排気ガス（試料ガス）を導入管５９を
経て１次減圧室５０に導入して分析する際に、真空ポン
プ５３による１次減圧室５０の真空度及び１対の真空ポ
ンプ５４・５５による２次減圧室５１の真空度を略一定
に設定するけれども、エンジン５６内の排気ガス圧が時
々刻々変化するので排気ガス圧が上昇すると、１次減圧
室５０の真空度は試料ガスの導入により低くなり、画室
５０・５１の真空度の差が大きくなるので、１次減圧室
５０からオリフィス５２を介して２次減圧室５１に導入
される試料ガスの流速が速くなり、オリフィスを通過す
るガス流量（導入量）が増加する。

その結果、２次減圧室５１の真空度が大きく変化すると
共に２次減圧室５１内の試料ガスのガス濃度も変化する
ので、ガスの種類によっては真空度によってイオン化度
合が変化し、四重極質量検出器６０でガス成分のイオン
質量を正確に検出することができないという問題がある
。

そこで、２次減圧室５１の真空度を測定し、所定真空度
との差から補正のための係数を求め、四重極質量検出器
６０で求めた実測値に係数を掛は算して補正することも
知られているが、この補正のための複雑な演算制御が必
要となりガス分析の高速化を妨げること、例えば酸素の
ように真空度とイオン化度合とが非線型の相関関係を有
しているガス成分では単に係数で補正するだけでは誤差
が生じること、など問題がある。

本発明の目的は、試料ガスの分析精度を向上させると共
に高速でガス分析し得るような試料ガス分析装置を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る試料ガス分析装置は、試料ガス導入管が導
入された１次減圧室と、上記１次減圧室にオリフィスを
介して連通された２次減圧室と、上記２次減圧室に設け
られた四重極質量検出器とを備えた試料ガス分析装置に
おいて、上記１次減圧室からオリフィスを介して２次減
圧室に導入される試料ガスの流量が略一定となるように
１次減圧室の圧力又はオリフィスの開口面積を制御する
ガス流量制御手段を設けたものである。

〔作用〕

本発明に係る試料ガス分析装置においては、試料ガス導
入管を経て１次減圧室に導入された試料ガスの一部がオ
リフィスを介して２次減圧室に導入されるときに、ガス
流量制御手段により１次減圧室の圧力又はオリフィスの
開口面積が制御されて、オリフィスを介して２次減圧室
に導入される試料ガスのガス流量が略一定となる。

従って、２次減圧室に導入される試料ガスのガス濃度及
び２次減圧室の真空度が略一定となり、この状態で四重
極質量検出器で試料ガスを分析することができるので、
試料ガス中に含まれる選択された特定のガス成分のイオ
ン質量を正確に検出することができる。

〔発明の効果〕

本発明に係る試料ガス分析装置によれば、以上説明した
ように、１次減圧室の圧力又はオリフィスの開口面積を
制御してオリフィスを介して２次減圧室に導入される試
料ガスのガス流量が略一定に制御され、２次減圧室に導
入される試料ガスのガス濃度及び２次減圧室の真空度が
略一定となるので、分析精度が大幅に向上する。

また、四重極質量検出器で検出した実測データを補正係
数などにより補正する必要がなく、分析速度の高速化を
図ることが出来る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面に基いて説明する。

本実施例はエンジンの排気ガス（これが、試料ガスに相
当する）を分析する試料ガス分析装置に本発明を適用し
た場合のものである。

試料ガス分析装置１について、第１図に基いて説明する
。

エンジン２の燃焼室３に試料ガス導入管（以下、導入管
という）４の上流端が接続されると共に、この導入管４
の下流端は１次減圧室５内に導入されている。更に、導
入管４の上流端部にはその上流端を開閉する制御弁６と
この制御弁６を上下に開閉駆動するソレノイド７とが設
けられている。

尚、符号８は吸気管、符号９は排気管である。

上記１次減圧室５には１次減圧室５内の負圧（真空度）
を測定するための圧力センサ１０が設けられ、１次減圧
室５を減圧させるための真空ポンプ１１が連通路１２を
介して設けられている。

この連通路１２の途中には真空ポンプ１１により減圧さ
れる１次減圧室５の真空度を調節するための可変バルブ
１３が介設されている。更に、１次減圧室５の隣りには
仕切板１４を隔てて２次減圧室１５が設けられ、この仕
切板１４には導入管４で導入された試料ガスを２次減圧
室１５に導入する為のオリフィス１６が形成され、上記
導入管４の下流端はこのオリフィス１６の近傍に開端し
ている。

上記２次減圧室１５には、オリフィス１６を介して試料
ガスを導入するためのガス導入用のバルブ１７と導入さ
れた試料ガス中のガス成分のイオン強度を測定する四重
極質量検出器１８と試料ガスを導出するためのバルブ１
９とが設けられている。

更に、２次減圧室１５を所定の真空度に減圧させるため
のターボ分子ポンプ２０及び真空ポンプ２１が連通路２
２・２３を介して夫々接続されている。

上記４電極質量検出器１８は、第２図に示すように試料
ガス中のガス成分に電子衝撃を与えてガス成分をイオン
化するイオンソース部２４と、イオン化されたガス成分
を収束させてイオンビームを形成するレンズ系２５と、
このレンズ系２５を経て入射したイオンを振動させて特
定電荷比のイオンのみを通過させる４本のロンドからな
る電極部２６と、この電極部２６を通過したイオンのイ
オン強度をイオン電流として検出する二次電子増倍管２
７とを備えている。そして上記電極部２６に印加される
電圧値を調節することによって特定電荷比のイオンつま
り各種ＨＣイオンや０２イオン等のイオン強度を選択的
に検出し、この検出信号を出力するものである。

上記ソレノイド７、圧力センサ１０、可変バルブ１３、
各真空ポンプ１１・２１を駆動するモータ２８・２９及
びターボ分子ポンプ２０を駆動するモータ３０は夫々コ
ントローラＣの駆動制御部Ｃ１に接続されている。上記
四重極質量検出器１８はコントローラＣの分析制御部Ｃ
２に接続されている。

上記駆動制御部Ｃ１は、マイクロコンピュータ及び駆動
回路などで構成され、排気行程の所定のタイミングでソ
レノイド７を励磁させて制御弁６を下方へ駆動させると
共に、所定時間後にソレノイド７を消磁させて制御弁６
を上方へ復帰させる。

また、駆動制御部Ｃ１は、分析開始信号に基いて各モー
タ２８・２９・３０を駆動させるのと同時に、圧力セン
サ１０からの圧力信号と予め設定された設定減圧値とに
基いて１次減圧室５の圧力が設定値と路間等となるよう
に可変バルブ１３の開口度を制御する。

上記分析制御部Ｃ２は、四重極質量検出器１８の電極部
２６や二次電子増倍管２７などに駆動電流を供給すると
共に、この四重極質量検出器１Ｂから出力される検出信
号（イオン強度信号）に基いて所望のガス成分のイオン
質量を測定するものである。

次に、試料ガス分析装置１で排気ガス中の選択された特
定のガス成分のイオン質量を検出するときの作用につい
て説明する。

分析開始に伴って分析開始信号が駆動制御部Ｃ１に入力
されると、駆動制御部Ｃ１は、各モータ２８・２９・３
０を駆動させて各真空ポンプ１１・２０・２１を作動さ
せ１次減圧室５内の圧力及び２次減圧室１５内の圧力を
夫々減圧する。そして、圧カセンサエ０からの圧力信号
に基いて１次減圧室５内の圧力が設定値と路間等となる
ように可変バルブ１３の開口度を制御する。このとき、
２次減圧室１５の真空度は１次減圧室５の真空度より所
定値だけ高くなるように設定されている。

上記１次減圧室５及び２次減圧室１５の真空度が夫々設
定値に達した後エンジン２が排気行程のときに、駆動制
御部Ｃ１はソレノイド７を所定時間駆動して制御弁６を
所定時間だけ下方へ駆動して開弁する。これにより、燃
焼室３内の排気ガスが導入管４を経て１次減圧室５に導
入される。このとき、駆動制御部Ｃ１は圧力センサ１０
の圧力信号に基いて、試料ガスの導入に伴い１次減圧室
５の真空値が設定値より低いときには可変バルブ１３の
開口度を大きくし、また真空値が設定値より高いときに
は可変バルブ１３の開口度を絞ることにより、１次減圧
室５の真空度は試料ガスが４人されている間略設定値通
りに一定に保持される。

従って、分析中には１次減圧室５の真空度と２次減圧室
１５の真空度との差が略一定になるので、１次減圧室５
からオリフィス１Ｇを介して２次減圧室１５に導入され
る試料ガスのガス流量が略−定となる。尚、１次減圧室
５に残留した試料ガスは真空ポンプ１１で排出される。

その結果、２次減圧室１５内の試料ガスのガス濃度及び
真空度が略一定となるので、四重掻質量検出器１８で分
析するときにイオン化度合が略一定となり、特定のガス
成分のイオン質量を高精度に検出することができる。

尚、吸気行程や燃焼行程で制御弁６を駆動させて、吸気
ガスや燃焼ガスを試料ガスとして分析することも可能で
あり、この場合夫々に適した１次減圧室５の真空度及び
１次減圧室１５の真空度が選択設定ささる。

次に、前記実施例を部分的に変更し、第３図に示すよう
に１次減圧室５への真空度を略一定に保持して１次減圧
室５Ａからオリフィス１６を介して２次減圧室１５に導
入される試料ガスのガス流量を一定とするような試料ガ
ス分析装置１Ａについけ説明する。但し、前記実施例と
異なる点について説明し、それ以外は前記実施例と同様
なので同様の符号を付してその説明を省略する。

前記１次減圧室５に代えて外部減圧室３１が設けられ、
この外部減圧室３１内にはオリフィス１６に連通ずる１
次減圧室５Ａが設けられ、導入管４の下流端が１次減圧
室５Ａに接続されている。

上記１次減圧室５Ａは沸化ビニール樹脂などからなる伸
縮可能な材料の所定の厚さの仕切壁３２で袋状に形成さ
れ、この１次減圧室５Ａは連通管３３を介して電磁切換
三方弁３４の一方のボートに接続されると共に、外部減
圧室３１は連通管３５を介して切換三方弁３４の他方の
ポートに接続され、この切換三方弁３４には真空ポンプ
１１が接続されている。

コントローラＣＡの駆動制御部Ｃ３は、切換三方弁３４
を切換制御することにより、１次減圧室５Ａ或いは外部
減圧室３１を減圧させる。

次に、試料ガス分析装置ＩＡで１次減圧室５Ａからオリ
フィス１６を介して２次減圧室１５へ導入される試料ガ
スの流量を一定にする作用について説明する。

分析開始に伴って分析開始信号が駆動制御部Ｃ３に入力
されると、駆動制御部Ｃ３は各モータ２８・２９・３０
を駆動して各真空ポンプ１１・２０・２１を作動させて
２次減圧室１５を減圧するとともに、切換三方弁３４を
切換えて外部減圧室３１を減圧させる。

外部減圧室３１の圧力が所定の真空度に達したときに、
駆動制御部Ｃ３は切換三方弁３４を切換えて１次減圧室
５Ａを減圧する。そして、１次減圧室５Ａの真空度が外
部減圧室３１の真空度と路間等になったときに真空ポン
プ１１の駆動を停止する。このとき、１次減圧室５Ａと
外部減圧室３１とは等しい真空度なので、仕切壁３２は
弾性変形せずに一定の形状を保持している。

エンジン２が排気行程のときに、駆動制御部Ｃ３はソレ
ノイド７を所定時間駆動して制御弁６を所定時間だけ下
方へ駆動して開弁する。これにより燃焼室３内の排気ガ
スが導入管４を経て１次減圧室５Ａに導入される。この
ガス導入と同期して真空ポンプ１１を作動させて、試料
ガスの導入に伴なう比較的大きな圧力上昇を吸収する。

このとき、試料ガスの導入に際して１次減圧室５Ａの真
空度が外部減圧室３１の真空度に対して変動しても、仕
切壁３２は伸縮自在であるので、その真空度の差に応じ
て仕切壁３２が弾性的に変形して１次減圧室５Ａが拡大
又は縮小される。その結果、１次減圧室５Ａの真空度は
減圧室３１の真空度と同等となるので、１次減圧室５Ａ
の真空度は略一定に保持される。その後、試料ガスのガ
ス圧が変化したときでも、そのガス圧の変化に応じて仕
切壁３２が自由に弾性変形して１・火源圧室５Ａの容積
が拡大成いは縮小されて、１次減圧室５Ａの真空度が略
一定に保たれる。

従って、一定圧力の１次減圧室５Ａからオリフィス１６
を介して一定圧力の２次減圧室１５に導入される試料ガ
スの流量が略一定となる。その結果、２次減圧室１５内
の試料ガスのガス濃度及び真空度が略一定となるので、
四重極質量検出器１８で分析するときにイオン化度合が
一定となり、高精度で特定のガス成分の質量を検出する
ことができる。

尚、仕切壁３２を伸縮可能な材料の膜状体で袋状に形成
することも可能であり、この場合外部減圧室３１の真空
度を１次減圧室５Ａの真空度よりも高く設定して仕切壁
３２に張力が作用している状態で使用すれば、１次減圧
室５Ａ内の圧力の変動に対する仕切壁３２による圧力調
整作用糸得られる。

前記実施例を部分的に変更し、第４図に示すようにオリ
フィス１６の開口度を調節して１次減圧室５からオリフ
ィス１６を介して２次減圧室１５に導入される試料ガス
のガス流量を一定とするような試料ガス分析装置ＩＢに
ついて説明する。

但し、前記実施例と異なる点について説明し、それ以外
は前記実施例と同様なので同様の符号を付してその説明
を省略する。

第４図・第５図に示すように、１次減圧室５の仕切板１
４に形成されたオリフィス１６を略中心位置とする円板
３６が仕切板１４に固着され、この円板３６にはオリフ
ィス１６の開口度（開口面積）を調節する調節板３７を
ガイドするための長孔３６ａが形成され、この調節板３
７の下端部には調節板３７を上下駆動してオリフィス１
６の開口度を調節するためのりニアソレノイド３８が連
結されている。尚、円板３６と調節板３７及びリニアソ
レノイド３８でオリフィス開度調整機構３９が構成され
ている。

エンジン２の燃焼室３には圧力センサ４０が設けられ、
圧力センサ４０及びリニアソレノイド３８はコントロー
ラＣＢの駆動制御部ｃ４に夫々接続されている。

駆動制御部Ｃ４は、圧力センサ４ｏからの圧力信号に基
いて燃焼室３内の圧力が設定値よりも上昇したときには
オリフィス開度調整機構３９のりニアソレノイド３８を
駆動してオリフィス１６の開口度を圧力上昇の程度に応
じて絞り、また設定値よりも低下したときにはりニアソ
レノイド３８を駆動してオリフィス１６の開口度を圧力
低下の程度に応じて大きくする。尚、オリフィス１６を
通過する試料ガスのガス流量を略一定とするために、圧
力信号とオリフィス１６の開口度との相関関係を示す開
度特性は予め駆動制御部ｃ４の記憶部に記憶されている
。

次に、試料ガス分析装２１Ｂで１次減圧室５からオリフ
ィス１６を介して２次減圧室１５へ導入される試料ガス
の流量を一定にする作用について説明する。

分析開始に伴って分析開始信号が駆動制御部Ｃ４に入力
されると駆動制御部Ｃ４は、各モータ２８・２９・３０
を駆動して各真空ポンプ１１・２０・２１を作動させて
１次減圧室５及び２次減圧室１５を夫々設定真空度に減
圧する。１次減圧室５及び２次減圧室１５の真空度が夫
々設定値に達した後、エンジン２の排気行程のときに、
駆動制御部Ｃ４はソレノイド７を所定時間駆動して制御
弁６を下方へ駆動して開弁する。これにより、燃焼室３
内の排気ガスが導入管４を経て１次減圧室５に導入され
る。このとき、駆動制御部Ｃ４は、圧力センサ４０の圧
力信号と予め決定されている開度特性とに基いてオリフ
ィス開度調整機構３９のりニアソレノイド３８を駆動し
てオリフィス１６の開口度を調節する。

従って、試料ガスのガス圧が高いときにはオリフィス開
度調整機構３９によりオリフィス１６の開口度が絞られ
、またそのガス圧が低いときにはオリフィス１６の開口
度が大きくされるので、オリフィス１６を通過する試料
ガスのガス流量が略一定となる。その結果、２火源圧室
工５内の試料ガスのガス濃度及び真空度が略一定となる
ので、四重極質量検出器１８で分析するときにイオン化
度合が一定となり、高精度で特定のガス成分の質量を検
出することができる。

以上説明したように、試料ガスの導入の際に１次減圧室
５・５Ａの真空度を略一定にするようにし、またオリフ
ィス開度調整機構３９によりオリフィス１６の開口度を
制御するようにしたので、オリフィス１６を通過する試
料ガスの流量が略−定となり、２次減圧室１５の真空度
が安定し、四重極質量検出器１８で分析するときに特定
のガス成分のイオン化度合が安定し、四重極質量検出器
１８による分析精度が大幅に向上する。

また、四重極質量検出器１８で検出した実測データを補
正係数などにより補正する必要がなく、分析速度の高速
化が図れる。

尚、本発明に係る試料ガス分析装置１・ＩＡ・ＩＢは研
究に用いる各種のガスや生活環境における環境ガスなど
を試料ガスとして分析し得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図は試料ガス
分析装置の概略構成図、第２図は四重極質量検出器の概
略構成図、第３図・第４図は夫々側実施例に係る試料ガ
ス分析装置の第１図相当図、第５図はオリフィス開度調
整機構の概略構成図、第６図は従来技術に係る試料ガス
分析装置の概略構成図である。 １・ＩＡ・ＩＢ・・試料ガス分析装置、　４・・試料ガ
ス導入管、　５・５Ａ・・１次減圧室、１０・４０・・
圧力センサ、　１１・２１・・真空ポンプ、　　１５・
・２次減圧室、　　１６・・オリフィス、　　１８・・
四重極質量検出器、　３９・・オリフィス開度調節機構
、　Ｃ１・Ｃ３・Ｃ４・・駆動制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料ガス導入管が導入された１次減圧室と、上記
   １次減圧室にオリフィスを介して連通された２次減圧室
   と、上記２次減圧室に設けられた四重極質量検出器とを
   備えた試料ガス分析装置において、 上記１次減圧室からオリフィスを介して２次減圧室に導
   入される試料ガスの流量が略一定となるように１次減圧
   室の圧力又はオリフィスの開口面積を制御するガス流量
   制御手段を設けたことを特徴とする試料ガス分析装置。