JPH0412822B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、赤外線領域に吸収帯を有する分析対
象成分ガスの被測定ガス中の濃度を赤外線吸収量
により測定する単光束式の赤外線ガス分析計、特
に簡単な構成で被測定ガスに存在する干渉ガス成
分にもとづく測定誤差を除去することのできる分
析計の構成に関する。

〔従来技術とその問題点〕

一般に上述したような赤外線吸収式ガス分析計
には単光束式と複光束式とがあり、通常単光束式
のものは第３図に示したように構成されている。
すなわち第３図は煙道排ガス中の一酸化炭素（以
後一酸化炭素を単にCOと記すことがある）を分
析対象成分ガスとする赤外線ガス分析計の要部縦
断構成図で、図において、１は容器２内に収容し
た光源３から出射される赤外線を光透過窓４を介
して測定光I_nとして測定セル部５に入射させるよ
うにした赤外光源部で、６は測定セル部５に入射
される測定光I_nをモータＭによつて断続するよう
にしたセクターである。測定セル部５は、測定光
I_nが管軸に平行に入射される直管状管体７と、管
体７の両端を気密に閉塞する光透過窓８，９と、
管体７内にCOを含む被測定ガスとしての煙道排
ガス１２を導入するガス導入口１０と、管体７内
に導入された煙道排ガス１２を排出するガス排出
口１１とで構成されている。測定セル部５はこの
ように構成されているので光透過窓８を通つて入
射した測定光I_nは光透過窓９を通して出射する。
１０１はこのようにして光透過窓９から出射した
第１透過光である。１３は両開口端が光透過窓１
４，１００で閉塞された円筒状本体部で、この本
体部１３は内部が光透過窓１５によつて光透過窓
１４側の第１検出室１６と光透過窓１００側の第
２検出室１７とに仕切られている。第１検出室１
６と第２検出室１７とは本体部１３の側方に設け
た連通孔１８によつて連通状態となつていて、こ
のように連通状態になつた第１および第２検出室
１６，１７には所定濃度のCOガスを含む検知ガ
スが封入されている。１９は、連通孔１８に設け
られ、第１検出室１６と第２検出室１７との間を
流動する検知ガスの流速を該検知ガスの流動方向
を含めて検出する熱線素子で、２０は上述した本
体部１３と光透過窓１４，１５および１００と連
通孔１８と熱線素子１９とからなる検出器であ
る。検出器２０は、光透過窓９から出射した第１
透過光１０１が光透過窓１４を通つて本体部１３
の円筒軸に平行に該本体部１３内に入射するよう
に配置されている。検出器２０はこのように配置
されているので、光透過窓１４から本体部１３内
に入射した第１透過光１０１は光透過窓１５，１
００を順次透過して検出器２０外に出射する。１
０２，１０３はこのように光透過窓１５を透過し
た第２透過光、光透過窓１００を透過した第３透
過光である。

第３図においては各部が上述のように構成され
ているので、赤外光源部１から測定セル部５に投
射された測定光I_nは、セクター６によつて断続光
状態となつて管体７、第１検出室１６、第２検出
室１７を順次通過して第１ないし第３透過光１０
１〜１０３となり、これら各部を通過する間に、
COガス固有の波長λにおいて、光エネルギーが
煙道排ガス１２中のCOガス、検出器２０に封入
されたCOガスによつて順次吸収される。今、測
定セル部５に赤外光源部１から入射される測定光
I_nの入射光量をI₀、管体７の長さをｌ、管体７内
に導入された煙道排ガス１２中のCOの濃度をＣ、
COガスの波長λにおける吸光係数をαとし、さ
らに検出器２０に封入された検知ガス中のCOガ
スの濃度をC₀、第１および第２検出室１６，１
７の各長さをl₁，l₂とすると、第１および第２検
出室１６，１７の各々において吸収される光エネ
ルギーΔI₁，ΔI₂は(1)式および(2)式で表される。
ここに、ΔI₁は第１透過光１０１の光量と第２透
過光１０２の光量との差に等しく、ΔI₂は第２透
過光１０２の光量と第３透過光１０３の光量との
差に等しい。

ΔI₁＝∫λI₀・exp（−αCl）・｛１−exp（
−αC₀l₁）｝・dλ……(1) ΔI₂＝∫λI₀・exp（−αcl−αC₀l₁）・｛
１−exp（−αC₀l₂）｝・dλ……(2) 第１および第２検出室１６，１７で光エネルギ
ーが吸収されるとこれら検出室に封入されたガス
の圧力が上昇する。故に検出室１６，１７におけ
る圧力上昇をそれぞれΔP₁，ΔP₂、検出室１６，
１７の各体積をV₁，V₂、検出器２０における本
体部１３の軸に垂直な断面積をＳとすると、Ａを
比例定数として(3)式および(4)式が成立する。

ΔP₁＝Ａ・（ΔI₁／V₁），ΔP₂＝Ａ・（ΔI₂／V₂） ……(3) V₁＝Ｓ・l₁，V₂＝Ｓ・l₂ ……(4) 検出室１６，１７で上述したような圧力上昇
ΔP₁，ΔP₂が発生すると、連通孔１８では両圧力
上昇値の差に比例した流速ｖで検出器２０内に封
入されたガスが流動し、この結果流速ｖが熱線素
子１９によつて検出される。流速ｖは比例定数を
Ｂとして(5)式で表されるので(1)〜(5)式から(6)式が
得られる。

ｖ＝Ｂ・（ΔP₁−ΔP₂） ……(5) ｖ＝（Ａ・Ｂ・I₀／Ｓ）・∫λK・exp（−αCl）・dλ Ｋ＝〔｛１−exp（−αC₀l₁）｝／l₁〕−〔｛exp
（−αC₀l₁）｝・｛１−exp（−αC₀l₂）｝／l₂〕……(
6) (6)式においてα，C₀，l₁，l₂は既知であるので
Ｋは定数であり、またＡ，Ｂ，I₀，Ｓも定数であ
る。したがつて(6)式の第１式は、比例定数をＤと
して、(7)式のように変形される。

ｖ＝Ｄ・∫λexp（−αCl）・dλ Ｄ＝Ａ・Ｂ・I₀・Ｋ／Ｓ ……(7) (7)式から流速ｖを検出することによつて煙道排
ガス１２中のCO濃度をＣを測定できることが明
らかである。

さて第３図に示したガス分析計においては、上
述したように、熱線素子１９が検出する流速ｖに
もとづいて濃度Ｃが測定されるが、この場合測定
セル部５における煙道排ガス１２中に、COの赤
外線吸収特性に部分的に重なる赤外線吸収特性を
有する成分ガス（このような成分ガスは通常干渉
ガスと呼ばれている）が存在すると、測定セル部
５では測定光I_nの特定波長における光エネルギー
がCOガスのほか干渉ガスによつても吸収される
ので、濃度Ｃの測定結果に誤差を生じる。第４図
は、前述したCOのような分析対象成分ガスの赤
外線吸収特性線２１と干渉ガスの赤外線吸収特性
線２２との関係を説明する説明図で、図示したよ
うに、波長λ₁とλ₂との間で赤外線吸収波長帯域が
重なつているような特性線２１，２２のそれぞれ
を有するガスが測定セル部５に共存する場合、測
定セル部５を通過する測定光I_nは、波長λ₁とλ₂と
の間の波長帯域では、特性線２１を有するガスと
特性線２２を有するガスとの両方によつてエネル
ギーが吸収されるので、第３図の構成のガス分析
計では測定誤差を生じる。

第５図は、第３図の構成のガス分析計におい
て、上述のような干渉ガスが測定結果に及ぼす影
響を示す説明図で、図において２３，２４はそれ
ぞれ測定セル部５において干渉ガスが存在しない
場合、干渉ガスが存在する場合のガス分析計出力
の特性線を表している。干渉ガスが存在すると該
ガスのために測定セル部５で余分に光エネルギー
が吸収されるので、通常特性線２４は、図示した
ように、特性線２３よりも高い分析計出力を示す
が、検出器２０の構造によつては特性線２４は特
性線２３よりも低い分析計出力値になることもあ
る。第６図は第３図のガス分析計を用いて行つた
実験結果の一例で、第６図において横軸Ｍは煙道
排ガス１２中に存在する干渉ガスとしての水蒸気
の濃度を示し、縦軸Ｎは水蒸気が存在するために
生じたガス分析計の出力変動、すなわち誤差を示
している。煙道排ガス１２には通常ほぼ１０〔容
積％〕の水蒸気が含まれているので、このような
被測定ガス中のCOを分析計する第３図の分析計
では、CO濃度に換算して25〔ppm〕の測定誤差が
生じることが第６図から明らかである。したがつ
て第３図のガス分析計においては、煙道排ガス１
２中に水蒸気のような干渉ガスが存在すると高精
度の測定を行うことができないという問題があ
る。

〔発明の目的〕

本発明は、上述したような従来の単光束式赤外
線ガス分析計における問題を解消して、被測定ガ
ス中の干渉ガスにもとづく測定誤差の発生を容易
に防止することができる赤外線吸収式ガス分析計
を提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

測定セルを透過した赤外線の光路に気体封入式
第１検出室と気体封入式第２検出室とを光学的に
順次直列に配置し、前記両検出室における赤外線
の吸収の強さに基づいて分析が行われる赤外線ガ
ス分析計において、前記測定セルに入射する赤外
線を平行光束にすると共に、前記測定セルと前記
第１検出室との間に、赤外線平行光束を散乱させ
る光散乱体を設けたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例の要部縦断構成図
で、本図の第３図と異なる主な点は、光源３とセ
クター６との間に赤外レンズ２５が設けられてい
る点と、測定セル部５と光透過窓１４との間にテ
フロン製板状体２６が設けられている点とであ
る。赤外レンズ２５は、光源３から出射された赤
外線を、測定セル部５を構成する管体７の管軸に
平行な光束を有する測定光I_nとして管体７内に入
射させるように構成され、板状体２６は光透過窓
１４に当接させられている。２７は光源３とレン
ズ２５とからなる赤外光源部である。第１図にお
いては光源部２７と測定セル部５とが上述のよう
に構成されているので、測定セル部５を透過して
第１透過光１０１となつた測定光I_nは平行光束の
まま板状体２６の上面２６ａに入射し、この場合
板状体２６は上面２６ａに入射した第１透過光１
０１を散乱させるように半透明に形成されている
ので、板状体２６を透過した後光透過窓１４を介
して第１検出室１６に入射する第１透過光１０１
は平行光束ではなくなる。すなわち第１図におい
ては、第１検出室１６に入射する第１透過光１０
１は板状体の上面２６ａを通過した後は散乱状態
になるから、一部はそのまま第２検出室１７に入
射するが残部は第１検出室１６の内壁で適宜反射
させられた後第２検出室１７に入射し、したがつ
て第２検出室１７に入射する第２透過光１０２も
散乱光となるので該透過光１０２の一部はそのま
ま窓１００を透過するが透過光１０２の残部は検
出室１７の内壁で適宜反射させられた後窓１００
を透過する。

第１図においては検出器２０内で透過光１０
１，１０２が上述したような散乱状態になつてい
るので、検出室１６，１７を通過する各透過光の
平均光路長が検出室１６，１７の各長さl₁，l₂よ
りも長くなつていることが明らかで、この結果検
出室１６，１７のそれぞれにおける透過光１０
１，１０２に対する吸収エネルギーが第３図の場
合とは異なつた値になり、このため第１図のガス
分析計を用いると、干渉ガスにもとづく測定誤差
が第３図のガス分析計を用いた場合に比べて異な
つた態様で現れる。第２図は第１図のガス分析計
を用いて行つた実験結果の一例で、この図は、測
定セル部５に導入される煙道排ガス１２中のCO
濃度を測定する分析計において、該ガス１２に干
渉ガスとしてほぼ１０〔容積％〕の水蒸気が含ま
れている場合の、板状体２６の厚さＱと分析計の
測定誤差Ｎとの関係を示している。第２図から明
らかなように、この場合、厚さＱが厚くなるにつ
れて誤差Ｎが正側から負側に変化しており、この
結果誤差Ｎが零になるような厚さQ₀が存在する
ことがわかる。すなわち第１図に示した構成を有
する煙道排ガス中のCO濃度を測定する分析計で
は、板状体２６の厚さをQ₀にすることによつて、
煙道排ガス中の水蒸気にもとづく干渉誤差を除去
できることが明らかであつて、厚さＱと誤差Ｎと
の間に第２図に示したような関係が現れるのは、
前述したように、板状体２６のために、検出室１
６，１７を通過する各透過光の平均光路長が検出
室１６，１７の各長さl₁，l₂よりも長くなつたた
めと考えられる。

なお本発明者等は、テフロン製板状体２６のか
わりに金網を用いても測定誤差Ｎが該金網のメツ
シユ数に応じて第２図の場合と同様に変化するこ
とを実験的に見出しており、この場合金網のメツ
シユ数が大きくなるにつれて誤差Ｎが正から負に
変化する。故にこの場合も金網のメツシユ数を適
宜選定することによつて誤差Ｎを零にできるわけ
で、この実験結果は、板状体２６について説明し
た上述の推論、すなわち板状体２６によつて検出
室１６，１７における透過光の光路長がl₁，l₂と
は異なつた長さになつたために誤差Ｎが変化した
とする推論の正しいことを示している。したがつ
て本発明においては、板状体２６や金網にかえ
て、適当な光散乱体を、測定セル部５と光透過窓
１４を含む第１検出室１６との間に設けて誤差Ｎ
を零にするようにしてもよいことになる。

なお、第１図において、２８は、光透過窓１
４，１５と第１検出室１６とからなり、第１透過
光１０１が入射され、かつ入射された第１透過光
１０１を透過させて第２透過光１０２として出射
し、かつ分析対象成分ガスCOが封入され、かつ
第１透過光１０１の光量と第２透過光１０２の光
量との差、すなわち第１透過光１０１から吸収さ
れたエネルギーに対応した圧力上昇ΔP₁を第１信
号として連通孔１８に出力する第１検出部であ
り、また２９は、光透過窓１５，１００と第２検
出室１７とからなり、第２透過光１０２が入射さ
れ、かつ入射された第２透過光１０２を透過させ
て第３透過光１０３として出射し、かつ分析対象
成分ガスCOが封入され、かつ第２透過光１０２
の光量と第３透過光１０３の光量との差、すなわ
ち第２透過光１０２から吸収されたエネルギーに
対応した圧力上昇ΔP₂を第２信号として連通孔１
８に出力する第２検出部である。また３０は連通
管１８と熱線素子１９とからなり圧力上昇ΔP₁と
ΔP₂との差に応じた信号を出力する差分検出部で
あるが、本発明は上述したような第１検出部２
８、第２検出部２９、差分検出部３０の各構成に
は限定されないものである。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明においては、測定セル
を透過した赤外線の光路に気体封入式第１検出室
と気体封入式第２検出室とを光学的に順次直列に
配置し、前記両検出室における赤外線の吸収の強
さに基づいて分析が行われる赤外線ガス分析計に
おいて、前記測定セルに入射する赤外線を平行光
束にすると共に、前記測定セルと前記第１検出室
との間に、赤外線平行光束を散乱させる光散乱体
を設けたので、第１検出室、第２検出室のそれぞ
れを通過する第１および第２透過光の各光路長が
これら検出室の各長さとは異なつた長さになる結
果、干渉ガスにもとづく測定誤差が生じることの
ない赤外線ガス分析計が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部縦断構成部、
第２図は第１図に示したガス分析計を用いた実験
の結果の説明図、第３図は従来の赤外線ガス分析
計における要部の縦断構成図、第４図および第５
図は第３図に示したガス分析計の動作を説明する
ためのそれぞれ異なつた説明図、第６図は第３図
に示したガス分析計を用いた実験の結果の説明図
である。 １，２７……赤外光源部、５……測定セル部、
１２……煙道排ガス、２６……テフロン製板状
体、２８……第１検出部、２９……第２検出部、
３０……差分検出部、１０１……第１透過光、１
０２……第２透過光、１０３……第３透過光、I_n
……測定光。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定セルを透過した赤外線の光路に気体封入
   式第１検出室と気体封入式第２検出室とを光学的
   に順次直列に配置し、前記両検出室における赤外
   線の吸収の強さに基づいて分析が行われる赤外線
   ガス分析計において、 前記測定セルに入射する赤外線を平行光束にす
   ると共に、 前記測定セルと前記第１検出室との間に、赤外
   線平行光束を散乱させる光散乱体を設けた、こと
   を特徴とする赤外線ガス分析計。