JPH0519651B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ)目的 （産業上の利用分野） 本発明は各種工業プロセスのガス濃度の監視や
制御、公害監視のための排ガス濃度測定などに使
用される分析計であつて、ガス分子の赤外線吸収
効果を利用してガス分子の赤外線吸収の強さによ
り試料ガス中の特定成分の濃度を測定する非分散
形赤外線ガス分析計に関する。

（従来の技術） 第６図には単光源を用いた従来の赤外線ガス分
析計を示す。１は光源で、その光源１に対し試料
セル２と比較セル３が同量の光が入射されるよう
に互いに平行に配置されている。試料セル２には
測定成分を含んだ試料ガス、赤外線吸収をもたな
いN₂のような不活性なガス（ゼロガス）及び一
定濃度の測定成分を含んだガス（スパンガス）が
切り替えてが流され、比較セル３には赤外線を吸
収しない窒素や空気などの不活性ガスが充填され
ている。４は光チヨツパで光源１から試料セル２
と比較セル３に入射される光を同時断続する。
５，６は各セル２，３を透過して検出器７に入射
する光の量を調整する光量調整器である。

検出器７は金属薄膜８により２個の室９，１０
に仕切られ、両室９，１０には測定成分ガスが充
填されて密閉されたコンデンサマイクロホン方式
の検出器であつて、金属薄膜８とそれに対向して
設けられた電極１１とでコンデンサを形成してい
る。１２はその検出器７の信号検出回路である。
１３は光チヨツパ４を回転させるモータである。

この従来の赤外線ガス分析計では、光量調整器
５，６により検出器７の両室９，１０に入射する
光量が等しくならないように調整される。まず、
ゼロガスを試料セル２に流したとき、検出器７へ
入射される光量は比較セル３側の方が多くなるよ
うに光量調整器５，６が調整されているとする。

検出器７では室１０の方が室９より多くの光量
が入射されるので金属薄膜８は左方向へふくら
む。検出器７の両室９，１０へ入射する光は光チ
ヨツパ４により同時断続されているので、金属薄
膜８も一定周波数で振動し、その検出信号は第７
図の記号１５で示されるように得られ、この信号
の振幅がゼロ点となる。

次に試料セル２にスパンガスを流して同様の測
定をすれば、試料セル２で赤外線の吸収が起つて
試料セル２を透過する光量が減少するので、検出
信号は第７図の記号１６で示されるようにその振
幅が大きくなる。この検出信号１６の振幅がスパ
ン点となる。

そして、試料セル２に測定ガスを流して同様の
測定を行なうと、第７図の記号１７で示されるよ
うに成分ガスの濃度に応じた振幅の検出信号が得
られるので、これをゼロ点とスパン点の間で比例
配分して試料ガス濃度を求めることができる。

この従来の赤外線ガス分析計では上述の如く試
料セル２と比較セル３の透過光をそれぞれ検出器
７の別々の室９と１０に入射させ、両透過光量の
差により試料セル２中の成分ガスの濃度を測定す
るものであり、かつ試料セル２と比較セル３の透
過光量が等しくなつては検出器７の金属薄膜８が
停止して検出ができなくなるため、光量調整器
５，６により試料セル２と比較セル３の透過光量
が異なるように調整していた。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のこの赤外線ガス分析計を長時間連続して
使用する場合、単光源を使用したとしても周囲の
温度変化や光源の光量変化、検出器の感度変化な
どにより、ゼロ点およびスパン点が変化する。こ
のため従来の赤外線ガス分析計では分析部（光学
系）を一定温度に温度調節することが必要であ
り、その結果コストの高いものとなつている。ま
た、温度調節が完全なものでない場合には誤差の
原因となつていた。

従来ではこれらの誤差を小さくするため、一定
周期でゼロガス及びスパンガスを定期的に（高感
度分析計ではより頻度が高く）流してゼロ点とス
パン点を校正する必要があつた。

また、ゼロ点測定時に試料セル側の透過光量と
比較セル側の透過光量をある一定の差にするため
に光学系の光量バランスを調整する必要があり、
この調整のための光量調整器の機構が必要であ
り、これを調整するための工数も必要であつた。

本発明は、周囲温度の変化、光源の光量変化、
検出器の感度変化などを検出信号の処理により自
動的、かつ連続的に補正することができ、恒温槽
や光量調整器を不要にして、安定性がよく、低コ
ストの赤外線ガス分析計を提供することを目的と
するものである。

(ロ) 構成 （問題点を解決するための手段） 本発明の赤外線ガス分析計では、１個の光源を
用い、この光源からの光が試料セルと比較セルを
それぞれ透過した透過光を１個の検出器に交互に
導入し、両透過光の検出信号を別々に取り出す。
検出器としてはコンデンサマイクロホンもしくは
マイクロフローセンサを使用した一方向形圧力検
出方式もしくは前後室形検出方式のもの、又は半
導体検出器が用いられ、その検出器への透過光の
導入は試料セルと比較セルの入射側又は透過側に
設けられた光チヨツパ手段により制御される。

本発明の信号処理系を第１図に示す。

３０はゼロガス、スパンガス又は試料ガス導入
時の比較セル又は試料セルに関する測定信号Ro，
Mo，Rs，Ms，Ｒ，Ｍ、及びスパンガス濃度Cs
をそれぞれの番地に記憶するメモリ、３１は測定
信号が比較セル側のものか試料セル側のものかを
弁別するセル弁別機構、３２はそのセル弁別機構
３１からの信号と導入ガスがゼロガス、スパンガ
ス又は試料ガスのいずれであるかを表わす信号と
により、前記測定信号を前記メモリ３０の所定の
番地へ記憶させるメモリ選択手段、３３は前記メ
モリ３０の内容を読み出し、次の式 Ｃ＝Cs（MoR−MRo）Rs ／（MoRs−MsRo）Ｒ (1) により試料ガスの濃度を算出する演算手段であ
る。ここで、Ｍは試料セル側での試料ガス導入時
の測定信号、Moは試料セル側でのゼロガス導入
時の測定信号、Msは試料セル側でのスパンガス
導入時の測定信号、Ｒは比較セル側での試料ガス
導入時の測定信号、Roは比較セル側でのゼロガ
ス導入時の測定信号、Rsは比較セル側でのスパ
ンガス導入時の測定信号である。

メモリ選択手段３２及び演算手段３３はマイク
ロプロセツサユニツト（以下MPUという）４２
に含まれている。

３４はスパンガス濃度設定手段であり、MPU
４２を介してスパンガス濃度Csをメモリ３０の
所定の番地の記憶させる。

（実施例） 第２図は本発明の一実施例を表わす。

光源１から放出された赤外線は光チヨツパ２０
により一定の時間間隔で断続されて、試料セル２
と比較セル３に交互に導入される。

２１は試料セル２又は比較セル３を透過した光
を単一の検出器２２に入射させる集光器である。
検出器２２は光の入射に対して前後に配置された
２個の室２２−１，２２−２を有し、各室２２−
１，２２−２には測定成分ガスが充填されて密閉
されており、入射光はまず前室２２−１に入り、
その透過光が後室２２−２に入る。両室２２１，
２２−２における光吸収の差に応じた圧力差は両
室間に設けられた圧力差検出素子２３により検出
される。圧力差検出素子２３としては、コンデン
サマイクロホンが使用される。

光チヨツパ２０は光源１からの光を試料セル２
と比較セル３に交互に入射させるように光束を断
続する。そのような光チヨツパ２０は例えば第３
図に示されるようなものであり、試料セル２用の
開口２４と比較セル３用の開口２５が互いに離れ
た位置に設けられている。２６，２７はこの光チ
ヨツパ２０が光束を断続するタイミングを検出す
る光検出器で、そのための開口２８，２９ととも
に第１図におけるセル弁別機構３１を構成し、そ
の開口２８，２９からの光を受光してパルス信号
を発生する。

この光チヨツパ２０が試料セル２と比較セル３
に交互に光を入射させる回転速度は検出器２２の
応答時間より遅くなるように設定されている。そ
の結果、検出器２２の検出信号は、第４図に示さ
れるように比較セル３側の測定信号３２と試料セ
ル２側の測定信号３３とが相互に干渉しない孤立
波となる。

次に第４図のように得られる本実施例の検出信
号の処理系統を第１図と第２図に戻つて説明す
る。

検出器２２で検出された比較セル３側の測定信
号３２及び試料セル２側の測定信号３３は増幅器
４０で増幅され、フイルタリングされ、整流され
た後、Ａ／Ｄコンバータ４１でデイジタル値に変
換されてMPU４２に読み取られる。

MPU４２は第１図では鎖線で囲まれた部分を
含むが、特に本実施例ではMPU４２には読み取
つた測定信号３２，３３を積算し、それぞれの波
形３２，３３の面積を表わす値にしてから信号処
理を行なう。

光チヨツパ２０に対向して設けられたセル弁別
機構の光検出器２６，２７から与えられるセル弁
別信号は、検出器２２から与えられた測定信号が
比較セル３側の信号であるか試料セル２側の信号
であるかを区別する信号であり、この信号はイン
ターフエイス（Ｉ／Ｆ）４３を介してMPU４２
に読み取られる。

試料セル２にはゼロガス、スパンガス及び試料
ガスがガス切換部４４により切り替えられて導入
され、そのガス切換部４４からは試料セル２に導
入されているガスがいずれであるかを表わすガス
種類信号が送出され、これもインターフエイス４
３を介してMPU４２により読み取られる。

MPU４２では、第１図に示されるメモリ選択
手段３２がセル弁別信号とガス種類信号とによ
り、測定信号の面積値をメモリ３０の所定のメモ
リ領域に記憶させる。

さらにMPU４２はスパンガス濃度設定手段３
４からスパンガス濃度Csの値を読み取り、その
値Csをメモリ３０の所定の領域に記憶させる。

そして、MPU４２内の演算手段３３は、メモ
リ３０の各記憶値を呼び出し、第(1)式により、試
料セル２を流れているガスの濃度Ｃを算出し、出
力する。

次に本実施例の動作を第５図のフローチヤート
により説明する。

まず、スパンガス濃度Csを読み込む（ステツ
プS1）。そして、測定信号３２又は３３を入力
し、積算して面積値Ｋを求める（ステツプS2、
S3）。

次にガス種類信号を入力し、それにより試料セ
ル２に導入されているガスが、ゼロガズ、スパン
ガス、試料ガスのいずれであるかを判定する（ス
テツプS4、S5）。

ゼロガスである場合には、ステツプS6へと進
んでセル弁別信号を入力し、それにより比較セル
３と試料セル２のいずれの側の測定信号であるか
を判定し（ステツプS7）、比較セル側である場合
にはメモリ３０の該当番地の記憶値Roを測定値
Ｋにより更新し（ステツプS8）、その時点のメモ
リ３０の値により第(1)式の演算を行ない、表示を
行なつた後、ステツプS₂へ戻る（ステツプS10、
S11→S2）。

ステツプS7において測定信号が試料セル側と
判定された場合には、ステツプS9へ進んでゼロ
点の記憶値Moを更新した後、ステツプS10、S11
を経てステツプS2へ戻る。

また、ステツプS5で導入ガスがスパンガスで
あると判定された場合には、ステツプS5→S12→
S13→S14（又はS10）と進んでスパン点の記憶値
Rs、Msを更新した後、ステツプS10、S11を経て
ステツプS2へ戻る。

そして、試料セル２に試料ガスが導入されたと
きには、ステツプS5→S16→S17→S18（又はS19）
と進んで記憶値Ｒ、Ｍを更新した後、ステツプ
S10、S11へ進んで試料ガス濃度Ｃを算出し、表
示した後ステツプS2へ戻る。

以上の実施例は本発明の一例であり、本発明の
範囲内で種々の変更が可能である。例えば光チヨ
ツパ２０は測定セル２と比較セル３とに交互に、
望ましくは測定信号と比較信号とが相互に干渉し
ない程度の低速で光源１の光を導入できるもので
あればよく、開口の位置や形状は種々変形するこ
とができる。例えば、光検出器２６，２７用の開
口２８，２９は位置を変えてもよく、あるいはセ
ル用の開口２４，２５により代用させてもよい。
また、光チヨツパ２０が一定周期で回転するな
ら、一方のセル用開口を除いて一個の開口とする
こともできる。

検出器２２は光の入射に対し前後２室に分離さ
れたコンデンサマイクロホン方式のものを使用し
たが、測定成分ガスが充填されたガス室が単一の
コンデンサマイクロホン方式のものでもよい。ま
た、マイクロフローセンサ方式の検出器を使用し
てもよい。

実施例ではガス切換部４４からガス種類信号を
送出しているが、MPU４２によりガス切換部４
４の切換を制御することもできる。その場合に
は、ガス切換信号がMPU４２の内部で生成され、
そのガス切換信号がガス切換部４４へ送られると
ともに、MPU４２でガス種類信号に代わるもの
としてメモリ選択手段３２へ送られるので、ガス
切換部４４からのガス種類信号は不要になる。

また、実施例では測定信号の積算値を用いて演
算処理を行なつているが、それに代えてピーク値
を使用することもできる。但し、その場合Ｓ／Ｎ
が低下する欠点がある。

MPU４２で算出された濃度Ｃは適当な表示器
により表示される他、フルスケール換算されてメ
ータにより出力することもできる。

(イ) 発明の効果 本発明の効果を列挙すれば以下の如くである。

(1) 従来の赤外線ガス分析計では温度変化による
測定値の変動が大きいため、完全な温度調節機
構が必要であつたが、本発明では温度が変化し
ても比較セルからの測定信号を導入して演算に
より絶えず補正がなされるため、温度調節機構
が不要になり、ケースの構造が簡単になつて、
小型、低コスト化が実現できる。

(2) 光源の劣化や検出器の感度低下などによるド
リフトも自動的に補正されることになるので、
従来のものに比べて安定性がよく、ゼロ・スパ
ン補正された測定値が得られる。

(3) 温度調節機構が不要であるので暖機が短か
く、すぐに測定を開始することができる。

(4) 光量調整のフアクターがこのデータ処理のプ
ロセスに含まれているので、測定セルと比較セ
ルの光量調整を行なう必要がなく、したがつて
従来のような光量調整機構が不要となり、ま
た、そのための複雑な調整工程も不要になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の信号処理系を示す構成図、第
２図は一実施例を信号処理系をブロツクで示す概
略図、第３図は同実施例で使用される光チヨツパ
を示す平面図、第４図は検出器で検出された信号
を示す波形図、第５図は一実施例の動作を示すフ
ローチヤート、第６図は従来の赤外線ガス分析計
を示す概略図、第７図は同分析計の検出信号を示
す波形図である。 ２……試料セル、３……比較セル、２０……光
チヨツパ、２２……検出器、２６，２７……セル
弁別機構を構成する光検出器、３０……メモリ、
３２……メモリ選択手段、３３……演算手段、３
４……スパンガス濃度設定手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 比較セルの透過光と試料セルの透過光を単一
   の検出器に交互に導入してそれぞれ独立に測定す
   る光学系を備えた赤外線ガス分析計であつて、ゼ
   ロガス、スパンガス又は試料ガス導入時の比較セ
   ル又は試料セルに関する測定信号、及び設定され
   たスパンガス濃度をそれぞれの番地に記憶するメ
   モリ、測定信号が比較セル側のものか試料セル側
   のものかを弁別するセル弁別機構、そのセル弁別
   機構からの信号と導入ガスがゼロガス、スパンガ
   ス又は試料ガスのいずれであるかを表わす信号と
   により、前記測定信号を前記メモリの所定の番地
   へ記憶させるメモリ選択手段、並びに前記メモリ
   の内容を読み出し、所定の式により試料ガスの濃
   度を算出する演算手段、を備えたことを特徴とす
   る赤外線ガス分析計。