JPH0219719Y2

JPH0219719Y2 -

Info

Publication number: JPH0219719Y2
Application number: JP3370882U
Authority: JP
Priority date: 1982-03-09
Filing date: 1982-03-09
Publication date: 1990-05-30
Also published as: JPS58136762U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は、高温ガスの光学的厚みを一定にする
手段と、高温ガス中の測定対象成分から輻射され
る赤外線を検出する赤外検出器と、これら両者間
の光路中に配置した光チヨツパーとを備え、高温
ガス中の測定対象成分による赤外線輻射量と高温
ガスの温度とに基づいて測定対象成分の濃度を測
定するように構成した赤外線輻射式ガス分析計に
関し、その目的は、高温ガスの光学的厚みを変更
することなく、測定レンジを切換え、低濃度域か
ら高濃度域まで測定できるようにした赤外線輻射
式ガス分析計を提供することにある。

赤外活性の気体分子を高温に加熱すると気体分
子から赤外線が輻射される。この赤外線輻射は、
赤外活性ガスによる赤外線吸収と同じように、ガ
ス種ごとに異なる特有の波長域で起こり、その輻
射率は、温度と分子数に比例する量、即ち分圧
（濃度）×光学的厚み（セル長）によつて定まり、
一定温度、一定セル長においては、濃度の関数と
なることが知られている。

従つて、ガス温度及びセル長を適当な一定値に
定めて、赤外線輻射量を測定することにより、濃
度を測定することが可能である。

赤外線輻射式ガス分析計は、この原理に基づく
ものであり、特別の赤外光源やその安定化電源を
必要としない等、赤外線吸収式ガス分析計によつ
ては得られない種々の利点を有している。

しかし、従来の赤外線輻射式ガス分析計におい
ては、測定レンジ（測定可能な濃度域）を切換え
る場合、測定レンジを切換可能に構成した赤外線
吸収式ガス分析計と同じように、各測定レンジご
とに異なる長さのサンプルセル（低濃度域用セル
と高濃度域用セル）を設置することが必要とされ
た。

即ち、輻射率が濃度の関数となるための分子数
（分圧×セル長に比例する）には上限があり、分
圧×セル長がある値以上になると、輻射率は、濃
度とは無関係に、温度のみの関数となる。また、
波長によつて吸収係数が異なるのと同じように、
輻射率は波長により異なり、温度が一定であれ
ば、濃度が低い程、同一バンドで赤外線の輻射さ
れる波長域が狭く、濃度が一定であれば、温度が
高い程、輻射の波長域が広いといつた関係があ
る。

従つて、セル長を低濃度域のガスに合わせて長
く設定すれば、高濃度ガスの場合には、測定波長
での輻射率が温度のみの関数となつて、濃度測定
を行なえず、逆に、高濃度域のガスに合わせてセ
ル長を短かく設定すれば、低濃度ガスの場合、測
定波長での輻射率が極小となつて濃度測定が不可
能になり、そ故、各測定レンジごとに異なる長さ
のサンプルセルを必要としたのである。

しかしながら、各測定レンジごとに異なる長さ
のサンプルセルを容易することは、それだけセル
の数が増えてその管理が面倒であるばかりでな
く、コストも嵩むといつた問題点がある。

又、これに対して、サンプルセルを加熱する温
度を厳密に管理し、セル温度の上昇及び下降を厳
格に管理することが考えられるが、所定の温度に
至るまでにかなりの時間を要し、所謂応答性や安
定性に問題点がある。

本考案は、上述の事柄に留意してなされたもの
で、光学的厚みを変化させることなく、つまり、
長さの異なるサンプルセルと交換することなく、
しかも、厳密な温度調節を行わなずとも、測定レ
ンジの切換えを行なえるようにしたものであり、
冒頭に述べた赤外線輻射式ガス分析計において、
測定対象成分の輻射波長域内で、中心透過波長を
互いに異にする複数枚のバンドパスフイルターを
設け、測定対象成分の濃度域に応じて、前記バン
ドパスフイルターを前記光路中に択一的に介装す
べく構成した点に特徴がある。

以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図は本考案に係る赤外線輻射式ガス分析計
を示す。図において、１は、サンプルガスの入口
２と出口３を有する一定長さのサンプルセルで、
その周囲には、サンプルセル１に導入されたサン
プルガスを一定の高温（例えば、100℃以上）に
加熱するヒーター４が巻付けられており、これら
１，４によつて、高温ガスの光学的厚みを一定に
する手段Ａの一例を構成している。ヒーター４の
外周は、放熱ロスや外気温による影響の抑制、取
扱い上の安全性等を考慮して断熱材５で被覆され
ているが、これは本考案に必須の構成ではない。
６ａはサンプルセル１の一端面の赤外透過窓、７
はこの赤外透過窓６ａに対向して配置した赤外検
出器である。赤外検出器７としては、焦電検出
器、熱電対検出器等の固体検出器が用いられてい
る。サンプルセル１と赤外検出器７との間の光路
中には、モータＭにより一定周期で回転駆動され
る光チヨツパー８、サンプルセル１自体の内周面
から輻射される赤外線が赤外検出器７に入射する
ことを抑制するためのスリツト９付き遮光板１０
が前方からこの順に介装されている。また、前記
光チヨツパー８と赤外検出器７との間には、測定
対象成分の輻射波長域内で、中心透過波長を互い
に異にする複数枚（この実施例では、２枚である
が３枚以上でもよい。）のバンドパスフイルター
１１ａ，１１ｂが設けられており、測定対象成分
の濃度域に応じて前記バンドパスフイルター１１
ａ，１１ｂを前記光路中に択一的に介装すべく構
成されている。この実施例では、バンドパスフイ
ルター１１ａ，１１ｂを位置固定状態に設けられ
たガイド枠体１２に嵌め込んで、該枠体１２によ
り前記光路と直交する方向に往復移動自在に支持
し、手動操作によつてバンドパスフイルター１１
ａ，１１ｂを前記枠体１２に沿つて移動させるこ
とにより、前記光路中に択一的に介装するように
構成してあるが、ソレノイドを用いて上記の移動
を行なわせたり、あるいは、バンドパスフイルタ
ー１１ａ，１１ｂを光路と平行な軸芯周りで回転
自在な枠体に取り付け、この枠体を手動操作又は
モーターによつて回転させる等、バンドパスフイ
ルター１１ａ，１１ｂを光路中に択一的に介装す
るための具体的な機構としては、種々のものを採
用でき、本考案は図示の機構に限定されるべきも
のではない。

第１図中、１３は赤外検出器７から出力される
電気信号の増巾器、１４は増巾された信号を演算
処理して測定対象成分の濃度を算出する信号処理
器、１５は指示器であり、低濃度域用の目盛りと
高濃度域用の目盛りとを有している。

尚、サンプルセル１の他端面は、サンプルセル
自体から輻射される赤外線が赤外検出器７に入射
することを抑制するために、前記赤外透過窓６ａ
と同じく赤外線の透過する材料よりなる赤外透過
窓６ｂに形成されているが、これは本考案に必須
の構成ではない。例えば、サンプルセル１他端面
を鏡面に形成すれば、感度の向上、Ｓ／Ｎ比の改
善小型化等により有効である。

上記の構成によれば、サンプルセル１内の導入
されたサンプルガスがヒーター４によつて高温に
加熱されるので、サンプルガス中の測定対象成分
からその成分に特有の波長域の赤外線が輻射され
る。低濃度域のガスを対象とする場合には、一方
のバンドパスフイルター１１ａを光路中に介装し
ておき、高濃度域のガスを対象とする場合には他
方のバンドパスフイルター１１ｂを光路中に介装
しておく。これにより、測定対象成分から輻射さ
れる波長域の赤外線のうち、特定の狭い波長域の
赤外線のみがバンドパスフイルター１１ａ又は１
１ｂを透過し、赤外検出器７に入射する。そし
て、赤外検出器７に入射した赤外線輻射量に基づ
いて、測定対象成分の濃度が測定される。

このように、測定対象成分の輻射波長域内で、
中心透過波長を互いに異にした複数枚のバンドパ
スフイルター１１ａ，１１ｂを択一的に光路中に
介装するため、高温ガスの光学的厚みを一定に保
つたままで、つまり、サンプルセル１のセル長を
低濃度域のガスに合わせて長く設定しておいて
も、サンプルセル１をセル長の異なるものと交換
することなく、低濃度域から高濃度域までの測定
が可能である。

即ち、温度と濃度と輻射される赤外線の波長と
の間には、温度が一定であれば、濃度が低い程、
輻射スペクトル幅が狭く、濃度が一定であれば、
温度が高い程、輻射スペクトル幅が広くなる（ド
プラー効果によつて拡大する。）という関係があ
る。上記の実施例では、ヒーター４により加熱さ
れるサンプルガスの温度、サンプルセル１の長さ
は夫々一定である。従つて、例えば、低濃度域で
の測定が可能なようにセル長の長いサンプルセル
１を使用しても、高濃度域での測定に際して、光
路中のバンドパスフイルター１１ａ，１１ｂを交
換し、中心透過波長を長波長側にずらすことによ
つて、輻射量が飽和することがなくなり、高濃度
域の測定が可能である。

サンプルガス中のCO₂濃度を測定する場合を例
にとつて説明すると次の通りである。

CO₂の輻射率と波数と分子数に比例した量Ｐ×
ｌ（Ｐ：分圧、ｌ：セル長）との間には、第２図
に示すような関係があり、温度が一定であれば、
分子数（本考案では、サンプルセル１を交換せ
ず、セル長ｌが一定であるから、この分子数は濃
度に相当する。）が多い程、輻射される赤外線の
波長域が広い。

今、バンドパスフイルター１１ａとして、中心
透過波数が2200cm^-1のものを用いたとすると、分
子数がPl＝0.001atm・cm、Pl＝0.01atm・cm、Pl
＝0.1atm・cm、Pl−1atm・cmである場合には、
輻射率が分子数（濃度）の関数となるが、Pl＝
10atm・cm以上の分子数では、輻射量が飽和し
（即ち、輻射率が温度のみの関数となる。）、濃度
測定が不可能である。

そこで、バンドパスフイルター１１ｂとして、
中心透過波数が2100cm^-1のものを用い、このバン
ドパスフイルター１１ｂを前記バンドパスフイル
ター１１ａと入れ換えると、Pl＝0.001atm・cm
では測定波長（2100cm^-1）での赤外線輻射がゼロ
（輻射率が0.00001以下）であり、測定不可能にな
るが、Pl＝10atm・cmでも輻射量が飽和せず、輻
射率が濃度の関数となるため、濃度の測定が可能
である。

第３図は別の実施例を示す。この実施例は、煙
道排ガスや自動車排気ガスなど、測定するガスが
高温である場合に好適な構造の赤外線輻射式ガス
分析計に本考案を適用したものである。図中、１
６は煙道などの高温ガス流路、１７はその周壁で
あり、周壁１７には赤外透過窓１８が設けられて
いる。高温ガス流路１６の内部には、金属など赤
外線の透過しない材料よりなる仕切板１９が、赤
外透過窓１８と一定間隔Ｌを隔てて対向した状態
に配置され、両者１８，１９間に高温ガスの分岐
流路１６′が形成されている。これらは、高温ガ
スの光学的厚みを一定にする手段Ａとして設けら
れたものである。即ち、高温ガス中の測定対象成
分が濃度が高すぎたり、あるいは、高温ガス流路
１６の内径が大きすぎると、輻射率が濃度の関数
とならないため、仕切板１９と赤外透過窓１８間
に高温ガスの分岐流路１６′を形成し、両者１８，
１９間の間隙が測定される高温ガスの光学的厚み
（先の実施例におけるセル長）となるように構成
したのである。２０は仕切板１９の固定具であ
り、その外端部は赤外透過窓１８に対して固定さ
れている。２１は、遮光板１０、モーターＭによ
り駆動される光チヨツパー８、赤外検出器７、測
定対象成分の輻射波長域内で、中心透過波長を互
いに異にする複数枚のバンドパスフイルター１１
ａ，１１ｂ、ならびに、それらを赤外検出器７へ
の光路中に択一的に介装するためのモーター
M′等が収納された断熱箱である。仕切板１９の
赤外透過窓１８と対向する面は鏡面にすることが
望ましい。高温ガスの温度に変動がある場合は、
ガス温度の測定手段を設けて、温度補償するよう
に構成することは言うまでもない。

尚、第１図、第３図の実施例では、いずれも、
指示器１５に低濃度域用と高濃度域用の目盛りを
設けて、光路に対するバンドパスフイルター１１
ａ，１１ｂの入れ換えに対応して、これらの目盛
りを使い分けるように構成されているが、測定レ
ンジの切換えに対応した指示が得られるようにし
た指示器であれば足り、デジタル表示式のもので
もよい。さらに、バンドパスフイルターを設ける
ことにより、多成分測定が可能となる。

以上のように、本考案によれば、測定対象成分
の輻射波長域内で、中心透過波長を互いに異にす
る複数枚のバンドパスフイルターを、測定対象成
分の濃度域に応じて、光路中に択一的に介装する
ので、サンプルガスの光学的厚みを一定に保つた
ままで、測定レンジの切換えが可能であり、低濃
度域から高濃度域までの測定を行なえるのであ
る。

【図面の簡単な説明】

図面は本考案の実施例を示し、第１図は赤外線
輻射式ガス分析計の構成図、第２図はCO₂の輻射
率と波数と分圧×セル長との関係を示すグラフ、
第３図は別の実施例を示す赤外線輻射式ガス分析
計の構成図である。Ａ……高温ガスの光学的厚みを一定にする手
段、１……サンプルセル、４……ヒーター、７…
…赤外検出器、８……光チヨツパー、１１ａ，１
１ｂ……バンドパスフイルター。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】高温ガスの光学的厚みを一定にする手段と、
高温ガス中の測定対象成分から輻射される赤外
線を検出する赤外検出器と、これら両者間に配
置した光チヨツパーとを備え、測定対象成分による赤外線輻射量と高温ガス
の温度とに基づいて測定対象成分の濃度を測定
するようにした赤外線輻射式ガス分析計であつ
て、測定対象成分の輻射波長域内で、中心透過
波長を互いに異にする複数枚のバンドパスフイ
ルターを設け、測定対象成分の濃度域に応じて
前記バンドパスフイルターを前記光路中に択一
的に介装すべく構成してあることを特徴とする
赤外線輻射式ガス分析計。高温ガスの光学的厚みを一定にする手段が、
セル長が一定のサンプルセルとその周囲に設け
たヒーターとによつて構成されていることを特
徴とする実用新案登録請求の範囲第項に記載
の赤外線輻射式ガス分析計。高温ガスの光学的厚みを一定にする手段が、
高温ガス流路の周壁に設けた赤外透過窓と、こ
の赤外透過窓との間に高温ガスの分岐流路が形
成されるように、前記高温ガス流路の内部に、
前記赤外透過窓と一定間隙を隔てて対向配置し
た赤外線の透過しない材料よりなる仕切板とに
よつて構成されていることを特徴とする実用新
案登録請求の範囲第項に記載の赤外線輻射式
ガス分析計。