JPH0638058B2 - 気体の濃度および分圧測定装置 - Google Patents
気体の濃度および分圧測定装置Info
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- JPH0638058B2 JPH0638058B2 JP16999684A JP16999684A JPH0638058B2 JP H0638058 B2 JPH0638058 B2 JP H0638058B2 JP 16999684 A JP16999684 A JP 16999684A JP 16999684 A JP16999684 A JP 16999684A JP H0638058 B2 JPH0638058 B2 JP H0638058B2
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば鉄鋼業において使用される各種熱処理
炉その他、各業種において使用されている各種プロセス
において雰囲気気体の濃度および分圧を管理するための
測定装置に関するものである。
炉その他、各業種において使用されている各種プロセス
において雰囲気気体の濃度および分圧を管理するための
測定装置に関するものである。
（従来の技術） 鉄鋼業において使用される加熱炉，焼鈍炉を始め、気体
の成分濃度および分圧が管理された雰囲気中で行われる
プロセスは数多く存在し、そこでは気体の濃度および分
圧を測定することが不可欠である。そのため現在は、測
定用プローブを被測定雰囲気中に直接挿入し測定を行う
方法や、被測定ガスを適当な装置を用いて吸引しプロセ
スの外部で測定する方法などが行われている。
の成分濃度および分圧が管理された雰囲気中で行われる
プロセスは数多く存在し、そこでは気体の濃度および分
圧を測定することが不可欠である。そのため現在は、測
定用プローブを被測定雰囲気中に直接挿入し測定を行う
方法や、被測定ガスを適当な装置を用いて吸引しプロセ
スの外部で測定する方法などが行われている。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながらこれらの方法は、例えばプロセスの雰囲気
が高温，高圧状態にある場合や腐食性の強い気体成分か
ら構成されている場合等々苛酷な条件下では、測定用プ
ローブの耐熱，耐圧，耐腐食性能に限界があることや、
ガスを外部に取出すことに起因して、ガス成分が失われ
てしまうことがある等々種々の問題があり、正確な測定
を行うことができない場合があった。
が高温，高圧状態にある場合や腐食性の強い気体成分か
ら構成されている場合等々苛酷な条件下では、測定用プ
ローブの耐熱，耐圧，耐腐食性能に限界があることや、
ガスを外部に取出すことに起因して、ガス成分が失われ
てしまうことがある等々種々の問題があり、正確な測定
を行うことができない場合があった。
本発明は、上記のような問題点を解決し、光の吸収強度
を利用し、測定用の光をプロセス中の管理雰囲気中を直
接通過させることにより、背景雑音の影響を常時除去し
つつ、そのガス成分の濃度および分圧を正確に測定する
ための装置を提供せんとするものである。
を利用し、測定用の光をプロセス中の管理雰囲気中を直
接通過させることにより、背景雑音の影響を常時除去し
つつ、そのガス成分の濃度および分圧を正確に測定する
ための装置を提供せんとするものである。
（問題点を解決するための手段，作用） 本発明は、光の吸収強度を利用して気体の濃度および分
圧を測定するもので、光源から被測定気体に向けて放射
される光の光軸上に、互に同期して回転する２枚の回転
セクタと、反射光のみを反射するハーフミラーを設け、
さらに被測定気体の後方に反射面を設け、かつ前記ハー
フミラーに対向して検出器を設けるとともに、前記回転
セクタのうち光源側のものには２種の干渉フィルタと全
吸収面とを設け、他方の回転セクタすなわち被測定気体
側のものには全吸収面，全反射面および透過孔を設けた
ことを特徴とする。
圧を測定するもので、光源から被測定気体に向けて放射
される光の光軸上に、互に同期して回転する２枚の回転
セクタと、反射光のみを反射するハーフミラーを設け、
さらに被測定気体の後方に反射面を設け、かつ前記ハー
フミラーに対向して検出器を設けるとともに、前記回転
セクタのうち光源側のものには２種の干渉フィルタと全
吸収面とを設け、他方の回転セクタすなわち被測定気体
側のものには全吸収面，全反射面および透過孔を設けた
ことを特徴とする。
そこで先ず本発明装置の測定原理について説明する。第
１表に示すように気体分子は分子振動に対応して特定の
波長の光を強く吸収する。そこで、この特定の吸収波長
をもつ光を用いて、気体の吸収強度を測定し、これから
測定対象ガスの濃度を測定する方法は、例えば特公昭51
-20904号公報に開示されているようにすでに行われてい
る。本発明装置は上記の特定の吸収波長をもつ光（以下
測定光という。）の他に、吸収波長に近いが、光吸収を
受けない波長の光（以下参照光という。）を用い、しか
も両者が同一光路を通過するようにし、かつこの測定光
および参照光について光源の光強度（以下始強度とい
う）および被測定気体中を通過し、該気体による光吸収
を受けた後の光強度（以下終強度という。）を測定し、
これらの値からガス濃度の平均値を測定しようとするも
のである。
１表に示すように気体分子は分子振動に対応して特定の
波長の光を強く吸収する。そこで、この特定の吸収波長
をもつ光を用いて、気体の吸収強度を測定し、これから
測定対象ガスの濃度を測定する方法は、例えば特公昭51
-20904号公報に開示されているようにすでに行われてい
る。本発明装置は上記の特定の吸収波長をもつ光（以下
測定光という。）の他に、吸収波長に近いが、光吸収を
受けない波長の光（以下参照光という。）を用い、しか
も両者が同一光路を通過するようにし、かつこの測定光
および参照光について光源の光強度（以下始強度とい
う）および被測定気体中を通過し、該気体による光吸収
を受けた後の光強度（以下終強度という。）を測定し、
これらの値からガス濃度の平均値を測定しようとするも
のである。
一般に、光吸収はLambert-Beerの法則に従い Ｉ(L) ＝Ｉ0 exp（−α・ｎ・Ｌ） と表わされる。但しＩ(0)は始強度、ｎは被測定気体の
体積モル濃度、Ｌは光路長、αは吸収係数、Ｉ(L) は終
強度である。なお、吸収係数αは被測定気体，使用波長
により一義的に決まる物理定数である。そこで前記２枚
の回転セクタに取付けた干渉フィルタ，全反射面，全吸
収面および透過孔の第２表に示す組合せにより得られる
光強度Ｉ１〜Ｉ６を下記のように 組合せ１の場合 Ｉ１＝Ｉλ 1(o)＋ＩＺ 〃 ２ 〃 Ｉ２＝ＩＺ 〃 ３ 〃 Ｉ３＝Ｉλ 2(o)＋ＩＺ 〃 ４ 〃 Ｉ４＝ＫＩλ 1(o)exp(-αλ 1・ｎ・ Ｌ）＋ＩＢ＋ＩＺ 〃 ５ 〃 Ｉ５＝ＩＢ＋ＩＺ 〃 ６ 〃 Ｉ６＝ＫＩλ 2(o)exp(-αλ 2・ｎ・ Ｌ）＋ＩＢ＋ＩＺ 求めることができる。
体積モル濃度、Ｌは光路長、αは吸収係数、Ｉ(L) は終
強度である。なお、吸収係数αは被測定気体，使用波長
により一義的に決まる物理定数である。そこで前記２枚
の回転セクタに取付けた干渉フィルタ，全反射面，全吸
収面および透過孔の第２表に示す組合せにより得られる
光強度Ｉ１〜Ｉ６を下記のように 組合せ１の場合 Ｉ１＝Ｉλ 1(o)＋ＩＺ 〃 ２ 〃 Ｉ２＝ＩＺ 〃 ３ 〃 Ｉ３＝Ｉλ 2(o)＋ＩＺ 〃 ４ 〃 Ｉ４＝ＫＩλ 1(o)exp(-αλ 1・ｎ・ Ｌ）＋ＩＢ＋ＩＺ 〃 ５ 〃 Ｉ５＝ＩＢ＋ＩＺ 〃 ６ 〃 Ｉ６＝ＫＩλ 2(o)exp(-αλ 2・ｎ・ Ｌ）＋ＩＢ＋ＩＺ 求めることができる。
但し、λ１は参照光の波長、λ２は測定光の波長、αλ
１は波長λ１に対する吸収係数、αλ２は波長λ２に対
する吸収係数、Ｉλ 1(o)は参照光の始強度、Ｉλ 2(o)は
測定光の始強度、ｎは被測定気体の体積モル濃度、Ｌは
光路長、ＩＺは検出器の暗雑音、ＩＢは背景雑音として
の放出光、Ｋは対象ガスによる光吸収以外の光損失を表
わす係数である。（なおこの係数は、光路に存在する窓
ガラスの汚れによる損失、光路において測定光の一部が
欠けることによる損失等を表わす。） これらにより、参照光および測定光の透過率Ｒ１，Ｒ２
は となる。従って透過率Ｒ１，Ｒ２の比Ｒは となり、終時変化する未知の係数Ｋを消去することがで
きる。また参照光は被測定気体により吸収されないの
で、αλ 2＞＞αλ 1とすることができ、従って透過率比
Ｒは Ｒ≒exp(αλ 2・ｎ・Ｌ） …(2) となる。さらにこの (2)式の両辺の対数をとり、被測定
対象気体の体積モル濃度ｎについて整理すると となる。そこでこの体積モル濃度ｎと気体の状態方程式 Ｐ＝ｎ・Ｒ・Ｔ …(4) （但しＰは被測定気体の分圧、Ｔは被測定気体の温度、
Ｒは気体常数） を組合せることにより被測定気体の分圧を求めることが
できる。
１は波長λ１に対する吸収係数、αλ２は波長λ２に対
する吸収係数、Ｉλ 1(o)は参照光の始強度、Ｉλ 2(o)は
測定光の始強度、ｎは被測定気体の体積モル濃度、Ｌは
光路長、ＩＺは検出器の暗雑音、ＩＢは背景雑音として
の放出光、Ｋは対象ガスによる光吸収以外の光損失を表
わす係数である。（なおこの係数は、光路に存在する窓
ガラスの汚れによる損失、光路において測定光の一部が
欠けることによる損失等を表わす。） これらにより、参照光および測定光の透過率Ｒ１，Ｒ２
は となる。従って透過率Ｒ１，Ｒ２の比Ｒは となり、終時変化する未知の係数Ｋを消去することがで
きる。また参照光は被測定気体により吸収されないの
で、αλ 2＞＞αλ 1とすることができ、従って透過率比
Ｒは Ｒ≒exp(αλ 2・ｎ・Ｌ） …(2) となる。さらにこの (2)式の両辺の対数をとり、被測定
対象気体の体積モル濃度ｎについて整理すると となる。そこでこの体積モル濃度ｎと気体の状態方程式 Ｐ＝ｎ・Ｒ・Ｔ …(4) （但しＰは被測定気体の分圧、Ｔは被測定気体の温度、
Ｒは気体常数） を組合せることにより被測定気体の分圧を求めることが
できる。
本発明装置はこのような理論に基づくもので、以下図面
により本発明について説明する。第１図は本発明の構成
を示す説明図で、１は光源、２はその放射光を集光させ
るための楕円面鏡、３は平行光束を作るための軸はずし
放物面鏡である。4Aおよび4Bは２枚の回転セクタで、第
２図に示すようにモーター５に同軸に取付けてある。而
してこの回転セクタ4Aには第３図に示すように波長λ１
の光のみを透過する干渉フィルタＦ１と、波長λ２の光
のみを透過する干渉フィルタＦ２および前吸収面Ａを、
また回転セクタ4Bには全吸収面Ａ、全反射面Ｌおよび透
過孔Ｈを、両回転セクタによる組合せが第２表に示すと
おりになるように配設してある。また６は回転セクタ4B
の全反射面Ｌおよび後記する反射面７からの反射光を軸
はずし放物面鏡８に導くハーフミラー、７は被測定気体
10の後方に設けた反射面、９は検出器、Ｃは本発明装置
を収容する筺体、Ｗは測定光および参照光が通過するよ
うに筺体Ｃに設けた窓で各波長に対する透過率が既知で
あり、かつ各波長に対する透過率が等しいものを使用す
ることが望ましい。
により本発明について説明する。第１図は本発明の構成
を示す説明図で、１は光源、２はその放射光を集光させ
るための楕円面鏡、３は平行光束を作るための軸はずし
放物面鏡である。4Aおよび4Bは２枚の回転セクタで、第
２図に示すようにモーター５に同軸に取付けてある。而
してこの回転セクタ4Aには第３図に示すように波長λ１
の光のみを透過する干渉フィルタＦ１と、波長λ２の光
のみを透過する干渉フィルタＦ２および前吸収面Ａを、
また回転セクタ4Bには全吸収面Ａ、全反射面Ｌおよび透
過孔Ｈを、両回転セクタによる組合せが第２表に示すと
おりになるように配設してある。また６は回転セクタ4B
の全反射面Ｌおよび後記する反射面７からの反射光を軸
はずし放物面鏡８に導くハーフミラー、７は被測定気体
10の後方に設けた反射面、９は検出器、Ｃは本発明装置
を収容する筺体、Ｗは測定光および参照光が通過するよ
うに筺体Ｃに設けた窓で各波長に対する透過率が既知で
あり、かつ各波長に対する透過率が等しいものを使用す
ることが望ましい。
本発明装置により気体の濃度および分圧を測定するに
は、光源１から白色光を楕円面鏡２に投射して集光さ
せ、さらに軸はずしを放物面鏡３により平行光束を作
り、モーター５により回転している回転セクタ4Aに投射
する。この回転セクタ4Aには波長λ１の光のみを透過す
る干渉フィルタＦ１と、波長λ２の光のみを透過する干
渉フィルタＦ２および光の反射率が０％の全吸収面Ａを
第３図に示すような位置に配設し、また他方の回転セク
タ4Bには全吸収面Ａ、光の反射率100%の全反射面Ｌ、透
過率100%の透過孔Ｈを同じく第３図に示すような位置に
配設してあり、かつ両者は第２表に示すような関係に組
合されているので、干渉フィルタＦ１あるいは干渉フィ
ルタＦ２を透過した光は単色光となり、それぞれ参照光
と測定光になる。
は、光源１から白色光を楕円面鏡２に投射して集光さ
せ、さらに軸はずしを放物面鏡３により平行光束を作
り、モーター５により回転している回転セクタ4Aに投射
する。この回転セクタ4Aには波長λ１の光のみを透過す
る干渉フィルタＦ１と、波長λ２の光のみを透過する干
渉フィルタＦ２および光の反射率が０％の全吸収面Ａを
第３図に示すような位置に配設し、また他方の回転セク
タ4Bには全吸収面Ａ、光の反射率100%の全反射面Ｌ、透
過率100%の透過孔Ｈを同じく第３図に示すような位置に
配設してあり、かつ両者は第２表に示すような関係に組
合されているので、干渉フィルタＦ１あるいは干渉フィ
ルタＦ２を透過した光は単色光となり、それぞれ参照光
と測定光になる。
そこで先ず始強度Ｉ(o) を求めるには回転セクタ4Aの干
渉フィルタ１と回転セクタ4Bの全反射面Ｌの組合せ（第
２表）を光軸上に位置させる。この場合干渉フィルタ
Ｆ１を透過した光はハーフミラー６を透過し、全反射面
Ｒで反射し、さらにハーフミラー６で反射し、軸はずし
放射面鏡８により検出器９に集光される。従って前記光
強度Ｉ１が求められる。次に回転セクタ4Aおよび回転セ
クタ4Bが共に全吸収面Ａの組合せ、すなわち第２表の
組合せになった場合には、光源１からの光は回転セクタ
4Aの全吸収面Ａにより完全に吸収され、また背景雑音と
しての放出光は、回転セクタ4Bの全吸収面Ａにより完全
に吸収されるので、検出器９により検出される光強度Ｉ
２は暗雑音Ｉのみとなる。次に回転セクタ4Aが干渉フィ
ルタＦ２、回転セクタ4Bが全反射面Ｌとなったとき、す
なわち第２表の組合せとなったときには、干渉フィル
タＦ２を透過した波長λ２の単色光がハーフミラー６を
透過し、回転セクタ4Bの全反射面Ｌに至りその全量が反
射し、さらにハーフミラー６により反射し、軸はずし方
物面鏡８により集光され検出器９に受光される。従って
Ｉ３が求められる。次に回転セクタ4Aが干渉フィルタＦ
１，回転セクタ4Bが透過孔Ｈの組合せすなわち第２表
の組合せになると、干渉フィルタＦ１を透過した波長λ
１の単色光はハーフミラー６、透過孔Ｈを経て被測定気
体10中を通過し、さらにレトロリフレクターなどの反射
面７で析返され、再び被測定気体10を通過し、透過孔Ｈ
を経、さらにハーフミラー６により反射し、軸はずし放
物面鏡８により集光され検出器９に受光され、その結果
Ｉ４が求められる。次に回転セクタ4Aが全吸収面Ａ、回
転セクタ4Bが透過孔Ｈの組合せすなわち第２表の組合
せになると、検出器９にはＩ５すなわち背景雑音として
の放出光および検出器９の暗雑音が検出される。最後に
回転セクタ4Aが干渉フィルタＦ２、回転セクタ4Bが透過
孔Ｈの組合せすなわち第２表の組合せになると干渉フ
ィルタＦ２を透過した波長λ２の単色光がハーフミラー
６、透過孔Ｈ、被測定気体10を通過し反射面７により折
り返し、再び被測定気体10を通過し、透過孔Ｈ、ハーフ
ミラー６、軸はずし放物面鏡８を経て検出器９に受光さ
れ、その結果光強度Ｉ６が検出される。
渉フィルタ１と回転セクタ4Bの全反射面Ｌの組合せ（第
２表）を光軸上に位置させる。この場合干渉フィルタ
Ｆ１を透過した光はハーフミラー６を透過し、全反射面
Ｒで反射し、さらにハーフミラー６で反射し、軸はずし
放射面鏡８により検出器９に集光される。従って前記光
強度Ｉ１が求められる。次に回転セクタ4Aおよび回転セ
クタ4Bが共に全吸収面Ａの組合せ、すなわち第２表の
組合せになった場合には、光源１からの光は回転セクタ
4Aの全吸収面Ａにより完全に吸収され、また背景雑音と
しての放出光は、回転セクタ4Bの全吸収面Ａにより完全
に吸収されるので、検出器９により検出される光強度Ｉ
２は暗雑音Ｉのみとなる。次に回転セクタ4Aが干渉フィ
ルタＦ２、回転セクタ4Bが全反射面Ｌとなったとき、す
なわち第２表の組合せとなったときには、干渉フィル
タＦ２を透過した波長λ２の単色光がハーフミラー６を
透過し、回転セクタ4Bの全反射面Ｌに至りその全量が反
射し、さらにハーフミラー６により反射し、軸はずし方
物面鏡８により集光され検出器９に受光される。従って
Ｉ３が求められる。次に回転セクタ4Aが干渉フィルタＦ
１，回転セクタ4Bが透過孔Ｈの組合せすなわち第２表
の組合せになると、干渉フィルタＦ１を透過した波長λ
１の単色光はハーフミラー６、透過孔Ｈを経て被測定気
体10中を通過し、さらにレトロリフレクターなどの反射
面７で析返され、再び被測定気体10を通過し、透過孔Ｈ
を経、さらにハーフミラー６により反射し、軸はずし放
物面鏡８により集光され検出器９に受光され、その結果
Ｉ４が求められる。次に回転セクタ4Aが全吸収面Ａ、回
転セクタ4Bが透過孔Ｈの組合せすなわち第２表の組合
せになると、検出器９にはＩ５すなわち背景雑音として
の放出光および検出器９の暗雑音が検出される。最後に
回転セクタ4Aが干渉フィルタＦ２、回転セクタ4Bが透過
孔Ｈの組合せすなわち第２表の組合せになると干渉フ
ィルタＦ２を透過した波長λ２の単色光がハーフミラー
６、透過孔Ｈ、被測定気体10を通過し反射面７により折
り返し、再び被測定気体10を通過し、透過孔Ｈ、ハーフ
ミラー６、軸はずし放物面鏡８を経て検出器９に受光さ
れ、その結果光強度Ｉ６が検出される。
このようにして光強度Ｉ１〜Ｉ６を測定することができ
るので、これらから前記のように参照光および測定光の
透過率Ｒ１，Ｒ２を求めることができ、さらに (1)式、
(2)式および (3)式により体積モル濃度ｎを、また (4)
式から被測定ガスの分圧を求めることができる。
るので、これらから前記のように参照光および測定光の
透過率Ｒ１，Ｒ２を求めることができ、さらに (1)式、
(2)式および (3)式により体積モル濃度ｎを、また (4)
式から被測定ガスの分圧を求めることができる。
第４図は検出器９により求められた光強度Ｉ１〜Ｉ６か
ら体積モル濃度ｎおよび分圧Ｐを求めるための演算回路
の一例を示すもので、検出器９によって光から変換され
た電流信号は、回転セクタの回転に伴って発生し、デコ
ーダー14を経て供給される同期回路12からの信号に従っ
て、プリアンプ11あるいは該プリアンプ11および AGCア
ンプ13を経てサンプリングホールド回路15〜20のいずれ
かに入力され、光強度Ｉ１〜Ｉ６として出力される。さ
らにこの光強度Ｉ１およびＩ２は演算回路23により（Ｉ
１〜Ｉ２）の演算が行われ、また光強度Ｉ２およびＩ３
は演算回路24により（Ｉ３−Ｉ２）の演算が行われ、さ
らに演算回路28により の演算が行われ、その結果は AGC制御回路22に入力さ
れ、さらにその出力は AGCアンプにフィードバックされ
る。一方光強度Ｉ５は演算回路25により基準電圧発生器
21からの信号と比較され、さらに演算回路26により光強
度Ｉ４との間で（Ｉ４−Ｉ５）の演算が行われる。また
演算回路27により光強度Ｉ６との間で（Ｉ６−Ｉ５）の
演算が行われる。さらにこれらの出力は演算回路29によ
り、 の演算が行われる。さらに Logアンプ30により透過率比
Ｒ、体積モル濃度ｎを演算出力する。得られた体積モル
濃度ｎと別途求めた温度Ｔ（Ｋ）を乗算アンプ32により
乗算し、演算回路33を経て分圧Ｐを演算出力する。また
上記の演算、すなわち光強度Ｉ１〜Ｉ６より体積モル濃
度ｎおよび分圧Ｐを求める演算を、マイクロコンピュー
タを用い、ディジタル的に行わせることもできる。
ら体積モル濃度ｎおよび分圧Ｐを求めるための演算回路
の一例を示すもので、検出器９によって光から変換され
た電流信号は、回転セクタの回転に伴って発生し、デコ
ーダー14を経て供給される同期回路12からの信号に従っ
て、プリアンプ11あるいは該プリアンプ11および AGCア
ンプ13を経てサンプリングホールド回路15〜20のいずれ
かに入力され、光強度Ｉ１〜Ｉ６として出力される。さ
らにこの光強度Ｉ１およびＩ２は演算回路23により（Ｉ
１〜Ｉ２）の演算が行われ、また光強度Ｉ２およびＩ３
は演算回路24により（Ｉ３−Ｉ２）の演算が行われ、さ
らに演算回路28により の演算が行われ、その結果は AGC制御回路22に入力さ
れ、さらにその出力は AGCアンプにフィードバックされ
る。一方光強度Ｉ５は演算回路25により基準電圧発生器
21からの信号と比較され、さらに演算回路26により光強
度Ｉ４との間で（Ｉ４−Ｉ５）の演算が行われる。また
演算回路27により光強度Ｉ６との間で（Ｉ６−Ｉ５）の
演算が行われる。さらにこれらの出力は演算回路29によ
り、 の演算が行われる。さらに Logアンプ30により透過率比
Ｒ、体積モル濃度ｎを演算出力する。得られた体積モル
濃度ｎと別途求めた温度Ｔ（Ｋ）を乗算アンプ32により
乗算し、演算回路33を経て分圧Ｐを演算出力する。また
上記の演算、すなわち光強度Ｉ１〜Ｉ６より体積モル濃
度ｎおよび分圧Ｐを求める演算を、マイクロコンピュー
タを用い、ディジタル的に行わせることもできる。
第５図は本発明を鋼板の焼鈍炉中の鋼板の近傍の雰囲気
ガスの濃度および分圧測定に適用した場合を示すもの
で、35は本発明装置の筺体Ｃと焼鈍炉34に設けた窓36と
を接続するベローズ、37はレトロリフレクター等の反射
面と焼鈍炉34に設けた窓39との間に設けたフランジ継
手、38は炉内に位置させた鋼板である。このように構成
すると、鋼板36の近傍の雰囲気ガスの濃度および分圧を
測定することができる。
ガスの濃度および分圧測定に適用した場合を示すもの
で、35は本発明装置の筺体Ｃと焼鈍炉34に設けた窓36と
を接続するベローズ、37はレトロリフレクター等の反射
面と焼鈍炉34に設けた窓39との間に設けたフランジ継
手、38は炉内に位置させた鋼板である。このように構成
すると、鋼板36の近傍の雰囲気ガスの濃度および分圧を
測定することができる。
なお、上記の説明は測定対象として１種類のガスの場合
について行ったが、他種ガスについて吸収される他の波
長λ３，λ４…を加え２種類以上の測定光を用いること
により上記の場合と同様にして、同時に２種類以上のガ
スの濃度および分圧を測定することができる。
について行ったが、他種ガスについて吸収される他の波
長λ３，λ４…を加え２種類以上の測定光を用いること
により上記の場合と同様にして、同時に２種類以上のガ
スの濃度および分圧を測定することができる。
（実施例） 次に本発明装置により水蒸気の濃度を測定した場合を示
す。本測定において基体となる式は、前述の透過率を求
める式と(1) 式である。これらの式において、吸収係数
αλ 1およびαλ 2は、被測定気体の種類だけでなく、第
３図における干渉フィルタＦ１およびＦ２のような装置
に組み込まれる干渉フィルタの透過特性にも存在してい
る。該吸収係数αλ 1、αλ 2の値は、被測定気体の吸収
特性と干渉フィルタの透過特性をもとに計算で求めるこ
ともできるが、濃度既知の水蒸気について参照光の透過
率Ｒ１、測定光の透過率Ｒ２および透過率比Ｒを実測す
る校正実験により求めることもできる。
す。本測定において基体となる式は、前述の透過率を求
める式と(1) 式である。これらの式において、吸収係数
αλ 1およびαλ 2は、被測定気体の種類だけでなく、第
３図における干渉フィルタＦ１およびＦ２のような装置
に組み込まれる干渉フィルタの透過特性にも存在してい
る。該吸収係数αλ 1、αλ 2の値は、被測定気体の吸収
特性と干渉フィルタの透過特性をもとに計算で求めるこ
ともできるが、濃度既知の水蒸気について参照光の透過
率Ｒ１、測定光の透過率Ｒ２および透過率比Ｒを実測す
る校正実験により求めることもできる。
本実施例においては、水蒸気の濃度測定に先立って吸収
係数αλ 1およびαλ 2の値を求める校正実験を行った。
参照光としてλ１＝1.200 μｍ、測定光としてλ２＝1.
385 μｍの光を使用し、光路距離Ｌ＝34cm、気体温度Ｔ
＝150 ℃の条件で測定を行なった。この場合の各水蒸気
濃度と本発明装置により測定される参照光、測定光の透
過率Ｒ１およびＲ２、透過率比Ｒの関係をプロットした
ものを第６図に示す。
係数αλ 1およびαλ 2の値を求める校正実験を行った。
参照光としてλ１＝1.200 μｍ、測定光としてλ２＝1.
385 μｍの光を使用し、光路距離Ｌ＝34cm、気体温度Ｔ
＝150 ℃の条件で測定を行なった。この場合の各水蒸気
濃度と本発明装置により測定される参照光、測定光の透
過率Ｒ１およびＲ２、透過率比Ｒの関係をプロットした
ものを第６図に示す。
なお、第６図において、横軸は前記(4) 式に示すように
水蒸気濃度に比例する水蒸気圧、左側の縦軸は透過率Ｒ
１およびＲ２、また、右側の縦軸は透過率比Ｒである。
この図から明らかなように、測定光の透過率Ｒ２は水蒸
気圧が上昇するにつれて減少するが、参照光の透過率Ｒ
１はほぼ一定である。このことから、水蒸気濃度測定に
おいては、参照光としてλ１＝1.200 μｍ、測定光とし
てλ２＝1.385 μｍを用いれば、αλ 1＞＞αλ 2の関係
が成立することがわかるので、透過率比Ｒと水蒸気濃度
の関係は、前記の式(2) で表わされる。本測定において
は、水蒸気濃度のかわりに水蒸気圧を用いているので、
前述の式(2) と式(4) を組み合わせて、水蒸気圧Ｐと透
過率比Ｒの関係は、 と表わされる。なお、気体常数は、透過率比Ｒとの混同
を避けるために、Ｒ０と表記した。また第７図は、横軸
を水蒸気圧、縦軸を透過率比の対数として、第６図でプ
ロットした水蒸気圧と求めた透過率比Ｒの関係をセミロ
グプロットしたものである。これから明らかなように、
水蒸気分圧と透過率比Ｒの対数は比例関係にあり、前述
の式(5) が成立していることがわかる。第７図と式(5)
を比較することにより、式(5) 中の吸収係数αλ 2は一
義的に求まる。吸収係数αλ 2が求まれば、Ｒ０は物理
定数、温度Ｔおよび光路距離Ｌは被測定系の状態により
決まる定数であるので、式(5) は透過率比Ｒをもとに水
蒸気圧Ｐを求める式となる。
水蒸気濃度に比例する水蒸気圧、左側の縦軸は透過率Ｒ
１およびＲ２、また、右側の縦軸は透過率比Ｒである。
この図から明らかなように、測定光の透過率Ｒ２は水蒸
気圧が上昇するにつれて減少するが、参照光の透過率Ｒ
１はほぼ一定である。このことから、水蒸気濃度測定に
おいては、参照光としてλ１＝1.200 μｍ、測定光とし
てλ２＝1.385 μｍを用いれば、αλ 1＞＞αλ 2の関係
が成立することがわかるので、透過率比Ｒと水蒸気濃度
の関係は、前記の式(2) で表わされる。本測定において
は、水蒸気濃度のかわりに水蒸気圧を用いているので、
前述の式(2) と式(4) を組み合わせて、水蒸気圧Ｐと透
過率比Ｒの関係は、 と表わされる。なお、気体常数は、透過率比Ｒとの混同
を避けるために、Ｒ０と表記した。また第７図は、横軸
を水蒸気圧、縦軸を透過率比の対数として、第６図でプ
ロットした水蒸気圧と求めた透過率比Ｒの関係をセミロ
グプロットしたものである。これから明らかなように、
水蒸気分圧と透過率比Ｒの対数は比例関係にあり、前述
の式(5) が成立していることがわかる。第７図と式(5)
を比較することにより、式(5) 中の吸収係数αλ 2は一
義的に求まる。吸収係数αλ 2が求まれば、Ｒ０は物理
定数、温度Ｔおよび光路距離Ｌは被測定系の状態により
決まる定数であるので、式(5) は透過率比Ｒをもとに水
蒸気圧Ｐを求める式となる。
すなわち、水蒸気圧未知の被測定気体について、本発明
装置を用いて透過率比Ｒを測定すれば、この値を式(5)
に代入することにより、該気体中の水蒸気圧を知ること
ができる。このように、吸収係数αλ 2が計算または実
験により定まれば、式(5) は透過率比Ｒと被測定気体の
分圧の関係を記述するので、これから被測定気体の堆積
モル濃度や分圧を求めることができる。
装置を用いて透過率比Ｒを測定すれば、この値を式(5)
に代入することにより、該気体中の水蒸気圧を知ること
ができる。このように、吸収係数αλ 2が計算または実
験により定まれば、式(5) は透過率比Ｒと被測定気体の
分圧の関係を記述するので、これから被測定気体の堆積
モル濃度や分圧を求めることができる。
（発明の効果） 以上説明したように本発明装置によれば、被測定気体が
持つ温度，圧力などの条件によらず、測定光および参照
光を被測定気体中を通過させるのみで、常時背景雑音の
影響を除去しつつ多種類の気体濃度および分圧を同時に
正確に測定することができ、しかも機構的にも簡易であ
る、また多方面に適用し得る等その実用上の効果は極め
て大きい。
持つ温度，圧力などの条件によらず、測定光および参照
光を被測定気体中を通過させるのみで、常時背景雑音の
影響を除去しつつ多種類の気体濃度および分圧を同時に
正確に測定することができ、しかも機構的にも簡易であ
る、また多方面に適用し得る等その実用上の効果は極め
て大きい。
第１図は、本発明装置の構成を示す説明図、第２図は本
発明における回転セクタの構成を示す説明図、第３図は
回転セクタに配設した干渉フィルタ全吸収面，全反射
面，透過孔の組合せを示す説明図、第４図は本発明装置
に使用する演算回路の一例を示す図、第５図は本発明を
鋼板の焼鈍炉に適用した場合を示す説明図、第６図およ
び第７図は本発明装置による測定結果を示す図である。 １……光源、２……楕円面鏡、３……軸はずし放物面
鏡、4A，4B……回転セクタ、５……モーター、６……ハ
ーフミラー、７……反射面、８……軸はずし放物面鏡、
９……検出器、10……被測定気体、Ｃ……筺体、Ｗ……
窓、Ｆ１，Ｆ２……干渉フィルタ、Ａ……全吸収面、Ｌ
……全反射面、Ｈ……透過孔、11……プリアンプ、12…
…同期回路、13…… AGCアンプ、14……デコーダー、15
〜20……サンプリングホールド回路、21……基準電圧発
生器、22…… AGC制御回路、23〜29……演算回路、30…
… Logアンプ、31……演算回路、32……乗算回路、33…
…演算回路、34……焼鈍炉、35……ベローズ、36，39…
…窓、37……フランジ継手、38……鋼板。
発明における回転セクタの構成を示す説明図、第３図は
回転セクタに配設した干渉フィルタ全吸収面，全反射
面，透過孔の組合せを示す説明図、第４図は本発明装置
に使用する演算回路の一例を示す図、第５図は本発明を
鋼板の焼鈍炉に適用した場合を示す説明図、第６図およ
び第７図は本発明装置による測定結果を示す図である。 １……光源、２……楕円面鏡、３……軸はずし放物面
鏡、4A，4B……回転セクタ、５……モーター、６……ハ
ーフミラー、７……反射面、８……軸はずし放物面鏡、
９……検出器、10……被測定気体、Ｃ……筺体、Ｗ……
窓、Ｆ１，Ｆ２……干渉フィルタ、Ａ……全吸収面、Ｌ
……全反射面、Ｈ……透過孔、11……プリアンプ、12…
…同期回路、13…… AGCアンプ、14……デコーダー、15
〜20……サンプリングホールド回路、21……基準電圧発
生器、22…… AGC制御回路、23〜29……演算回路、30…
… Logアンプ、31……演算回路、32……乗算回路、33…
…演算回路、34……焼鈍炉、35……ベローズ、36，39…
…窓、37……フランジ継手、38……鋼板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 星野 泰三 神奈川県川崎市中原区井田1618番地 新日 本製鐵株式会社第一技術研究所内 (72)発明者 桜井 正和 埼玉県川越市大字今福2773 山田光学工業 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭48−43684（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−74479（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−33516（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−150305（ＪＰ，Ａ) 特公 昭53−14938（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (1)
- 【請求項１】光源から被測定気体に向けて放射される光
の光軸上に、互いに回転軸を介して直結され同期して回
転する２枚の回転セクタを設け、前記回転セクタのうち
光源に近い側に位置する回転セクタに２種類の干渉フィ
ルタと全吸収面とを設けるとともに、光源に遠い側に位
置する回転セクタに全吸収面、全反射面、透過孔を設
け、被測定気体の後方に光源から放射された光を同一光
軸上に反射させる反射面を設け、前記の２枚の回転セク
タの中間に前記の反射面からの反射光および前記の光源
に遠い側に位置する回転セクタ上の全反射面からの反射
光および被測定気体から発せられる背景光を反射させる
ハーフミラーを設け、さらに集光ミラーを介して前記の
ハーフミラーに対向して検出器を設け、光源から近い順
に前記の光源に近い側に位置する回転セクタ、前記のハ
ーフミラー、前記の光源に遠い側に位置する回転セク
タ、前記の被測定気体、前記の被測定気体の後方に置か
れた反射面が配置されるという配置形態を有することを
特徴とする気体の濃度および分圧測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16999684A JPH0638058B2 (ja) | 1984-08-16 | 1984-08-16 | 気体の濃度および分圧測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16999684A JPH0638058B2 (ja) | 1984-08-16 | 1984-08-16 | 気体の濃度および分圧測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6148736A JPS6148736A (ja) | 1986-03-10 |
| JPH0638058B2 true JPH0638058B2 (ja) | 1994-05-18 |
Family
ID=15896655
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16999684A Expired - Lifetime JPH0638058B2 (ja) | 1984-08-16 | 1984-08-16 | 気体の濃度および分圧測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0638058B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB8609619D0 (en) * | 1986-04-19 | 1986-05-21 | Procal Analytics | Gas analysis |
| JPH0242327A (ja) * | 1988-08-03 | 1990-02-13 | Teru Hayashi | 光量検出装置 |
| GB9015800D0 (en) * | 1990-07-18 | 1990-09-05 | Secretary Trade Ind Brit | Optical long-path monitoring apparatus |
| EP0706042A4 (en) * | 1994-03-25 | 1998-11-04 | Nippon Oxygen Co Ltd | SPECTROCHEMICAL INFRARED GAS ANALYSIS AND DEVICE THEREFOR |
| JP2003042950A (ja) * | 2001-07-25 | 2003-02-13 | Oyo Kogaku Kenkyusho | ガス成分測定装置 |
| US7372039B2 (en) * | 2005-12-20 | 2008-05-13 | Ecolab Inc. | Near UV absorption spectrometer and method for using the same |
| CN101680837B (zh) * | 2007-07-19 | 2011-11-16 | 3M创新有限公司 | 光学性质传感器 |
| JP2017072463A (ja) * | 2015-10-07 | 2017-04-13 | 株式会社トプコン | 分光計測装置 |
| CN117030610B (zh) * | 2023-08-09 | 2024-05-31 | 深圳市诺安智能股份有限公司 | 一种气体传感器及其光路设计优化方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5142958B2 (ja) * | 1971-10-06 | 1976-11-18 | ||
| JPS5314938A (en) * | 1976-07-26 | 1978-02-10 | Kuriyama Satsushi Kougiyou Kk | Manufacturing method of window frames for square and round sliding doors |
| JPS5947251B2 (ja) * | 1976-12-14 | 1984-11-17 | 三洋電機株式会社 | ガス濃度測定装置 |
| JPS5633516A (en) * | 1979-08-25 | 1981-04-04 | Suga Shikenki Kk | Color measuring device with automatic compensation based on standard value |
| JPS56150300A (en) * | 1980-04-22 | 1981-11-20 | Kubota Ltd | Lock bolt |
-
1984
- 1984-08-16 JP JP16999684A patent/JPH0638058B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6148736A (ja) | 1986-03-10 |
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