JPH08178846A - 非分散型赤外ガス分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 環境および作動の変化によって生じるドリフ
ト問題を解決する、製作するのに経済的であり信頼性の
高いコンパクトな非分散型赤外ガス分析計を提供する。 【解決手段】 選ばれたガスの濃度を表示するための非
分散型赤外ガス分析計（１０）はガス試料室（１４）に
放射を供給する放射源（１２）を使用する。ガス試料室
（１４）は放射源（１２）からガス感知検出器（２２）
と基準検出器（２４）との双方へ放射を伝送する光学チ
ャネルとして機能する。ガス試料室（１４）の内面は光
反射面であり、検出器（２２，２４）に一様の分散放射
出力を与えるため該光反射面に入射する放射の光散乱を
非常に増進するように不断に変化している不規則形状を
有する。さらに、放射源（１２）はガス試料室（１４）
から検出器（２２，２４）への均質放射出力の伝送をさ
らに助けるため焦点ぼかしされた放射を提供するように
選ばれている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガス分析計の分野に
係り、特に、ＮＤＩＲ（ｎｏｎｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ
ｉｎｆｒａｒｅｄ：非分散型赤外）ガス分析計およびそ
れにおいて使用されるガス試料室に関するものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】高特異性、高感度、お
よび高信頼性を有すべきガス分析計の性能の故にＮＤＩ
Ｒ技術をそのような分析計のために使用することは先行
技術において知られている。これらガス分析計は光源と
検出器との間に位置された、測定されるべきガスを収容
する光学導波管または室を使用している。光源から射出
された光はガス室およびその内部に収容されたガスを通
って進み、ガス濃度レベルを表示するための検出器素子
に達する。従来のＮＤＩＲガス測定装置の大きな欠点は
それらの費用と複雑さであった。

【０００３】ＮＤＩＲ装置に伴うこれら欠点を克服する
１つの試みは拡散型ガス室を使用することであった。１
９８７年１１月２４日に発行されたバラ外の米国特許第
４，７０９，１５０号は、ガス試料室のために多孔質材
料管を使用するそのような装置を開示している。そのよ
うな室は測定されるべきガスが多孔質壁を通って流入す
ることを可能にする。１９９２年１１月１７日に発行さ
れたウォングの米国特許第５，１６３，３３２号に開示
されているような他の例は、フィルタ付き開口と高度に
正反射性の内面を備えたガス室を使用している。このよ
うな拡散型ガス室の使用は高価な光学素子、機械的チョ
ッパおよびガス室に試料ガスを充填し次いで該室から試
料ガスを取出すためのガス供給および排出手段に対する
必要性を排除する。

【０００４】しかし、拡散型ガス室を備えたこれらガス
分析計は依然として概して高い費用および複雑さ、なら
びに光源強度の変化および周囲温度のごとき環境条件の
変化によって生じるドリフト問題のような信頼性の難点
に悩まされている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】したがって、本発明の目
的は環境および作動の変化によって生じるドリフト問題
を解決する改善されたＮＤＩＲガス分析計を提供するこ
とである。

【０００６】本発明の他の目的は、大きさにおいてコン
パクトであり、作動において信頼性があり、かつ製作す
るのに経済的であるＮＤＩＲガス分析計を提供すること
である。

【０００７】本発明の一局面によれば、改善されたＮＤ
ＩＲガス分析計は、環境および作動パラメータの変化を
精密に反映すべく付加的検出器を備えた基準チャネルを
使用する。

【０００８】本発明の他の局面によれば、改善されたＮ
ＤＩＲガス分析計はガスチャネルおよび基準チャネルの
双方のために共通の信号および光学ガス試料室を使用
し、この室内で放射はガス検出器および基準検出器の双
方に対して一様の態様で散乱させられ以て環境および作
動パラメータの変化に対する精密な補償を可能にする。

【０００９】本発明のさらに他の局面によれば、改善さ
れたＮＤＩＲガス分析計、および特にその中で使用され
るガス試料室は分析されるべきガスのための特別に複雑
な濾過装置を必要としない。

【００１０】本発明のさらなる他の局面によれば、不断
に変化している形状を有する光反射面を備えている改善
された試料室が、光反射面に入射する放射の光散乱を非
常に増進すべく設けられている。

【００１１】簡単に記述すると、本発明のガス分析計
は、選ばれたガスの濃度を表示するための非分散型赤外
ガス分析計であって、放射源と、ガスを収容するように
されておりかつ前記放射源からの放射を受取るように配
置されているガス試料室とを包含し、このガス試料室は
２つの端部と、中空の中心区域と、内面および外面を有
する外壁とを有する全体的に細長い管形状のものであ
り、前記外壁の前記内面は前記放射源からの放射のため
の光反射面として作用しかつ前記ガス試料室を通る前記
放射源からの放射の均質分散分布を生じさせるように前
記外壁の外面の平均的平面から様々な高さの複数の別個
隆起部分を有しており、さらに前記選ばれたガスの濃度
を表す信号を発生するための、少なくとも１つのガス感
知検出器と基準検出器とを有する検出手段を包含し、前
記検出器はおのおの分析されるべき前記選ばれたガスが
存在しないとき同じ放射を受取るようになっている非分
析型ガス分析計から成っている。

【００１２】本発明の他の目的、利点および詳細は、本
発明の提案された実施例に関し以下に諸図面を参照して
記述する詳細な説明において明白にされる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１に示されているように、本発
明のガス分析計１０は放射源１２、ガス試料室１４およ
び検出手段１６を有する。検出手段１６はそれに到達す
る放射の強度を表す電気信号を発生する。この電気信号
はそれを測定されるべきガスの濃度を表す信号に変換す
る電気回路１８へ送られる。このタイプの電気回路は当
該技術においてよく知られており、そのような回路は減
算アルゴリズムまたは除算アルゴリズムを使用してい
る。

【００１４】本発明によれば、放射源１２は典型的に可
視光線および赤外放射を発生する小さい白熱ランプであ
り、ガス試料室１４の一端部に配置されている。好まし
い放射源は放物面反射鏡内に配置された高温タングステ
ンフィラメントランプである。もし放物面反射鏡が、一
点から焦点合わせされる代わりに概ねドーナツ形の高強
度放射リングを生じさせるように“焦点ぼかし”されて
いるならば特に有効であることが見出された。すなわ
ち、放射源からの放射はガス試料室内壁との接触を最も
よく保証しかつガス試料室壁から１回以上反射すること
なしにガス試料室を横断することのないように指向され
ることが好ましい。この特徴はより短い長さのガス試料
室の使用を可能にし、検出器へ送られる均一放射出力の
生成を助けるとともに、以下にさらに詳細に論じられる
ガス試料室１４の設計を可能にする。

【００１５】本発明によれば、検出手段１６は図２、図
３および図４に示されているようにプリント配線板のよ
うな基板２６の表面に取付けられた少なくとも１つのガ
ス感知検出器２２と基準検出器２４とを有する。これら
検出器を備えたこのプリント配線板は放射源からの放射
の光路内の任意の所望位置に配置されるが、ガス感知検
出器２２および基準検出器２４は分析されるべき選ばれ
たガスの不存在時には同じ放射に遭遇することが重要で
ある。好ましい設計の一つは放射源１２を収容するガス
試料室端部と反対の位置に検出器２２、２４を互いに隣
接して配置させる。検出器２２、２４はキャパシタンス
または抵抗特性を変更することによって熱／光エネルギ
ーを電気信号に変換し、かつ可能なかぎり同一であるべ
きである。エルテック・インスツルメンツ（Ｅｌｔｅｃ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）社によって製造されている
モデル４０５のごときパイロ電気型検出器を使用するこ
とが有利であることが見出された。検出されるべきガス
の存在を示すための各ガス感知検出器２２と連携して、
存在および／または濃度が測定されるべきガスによって
強力に吸収される波長の放射を検出器が主に受けるよう
に放射源と検出器間の光路内において検出器の前に配置
された狭通過帯域フィルタ２８（図４参照）が在る。基
準検出器２４と連携して、ガス感知検出器２２と共に使
用されるフィルタの中心通過帯域と類似したそれを好ま
しくは有する異なった狭通過帯域フィルタ３０が在る。
このフィルタは検出器２２によって検出されるガスの存
在により影響されるべきではなく、放射源強度の変化な
らびに周囲温度のごとき環境条件の変化によって生じる
影響を消去できるように検出器２４と共に使用される。
このことは、全く有効であるために、フィルタ３０を有
する基準検出器２４はフィルタ２８を有するガス感知検
出器２２が遭遇するのと同じバックグラウンド信号に遭
遇または追従しなければならないことを意味する。検出
器２２、２４は電気回路１８へ信号を供給する。

【００１６】本発明によれば、図５に示されるようにガ
ス試料室１４は両端が開いていて中心区域が中空である
概ね管状の形を有する。放射がガス試料室１４に沿って
進むにつれてより多様の適切な入射角を与えることによ
って検出手段１６に供給される放射信号の均質化を増大
するため、および検出器２２、２４を配置するためのよ
り大きい空間を提供するために、円錐形の管状ガス試料
室１４を有するのが望ましいことが見出された。ガス試
料室１４は外面３４と光反射内面３６とを備えた外壁３
２を有する。典型的に、外壁３２は以下に論じられるよ
うに肌理加工（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）内壁面が設けられて
いることを除いて概ね一定の壁厚を有する。そのような
ガス試料室は管形状を形成するようにアクリロニトリル
・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）のごとき射出成形さ
れた高分子材料の２つの半体を接合することによって経
済的に生産され得る。これら半体を互いに接合する場合
それらをとりわけ密閉する必要または密閉された装置と
全体的に関係づけられる必要はない。典型的に、ガス試
料室１４へのガスの進入およびそれからの退出を可能に
するために１つまたはそれ以上の開口３８がガス試料室
外壁３２に設けられている。特別の複雑な濾過装置が開
口３８内において用いられる必要は無い。

【００１７】上に言及したように、ガス試料室１４の内
面３６は放射源１２から検出手段１６へのガス分析計１
０のための光反射面として役立つ。この光反射面は共通
光源からガス分析計のためのガス感知検出器２２と基準
検出器２４との両方への共通反射面としての機能を提供
する。このことはガス感知チャネルが機能的に放射源１
２と、光反射内面３６と、フィルタ２８を備えたガス感
知検出器２２とを有し、基準チャネルが機能的に放射源
１２と、光反射内面３６と、フィルタ３０を備えた基準
検出器２４とを有することを意味する。ガス感知チャネ
ルおよび基準チャネルのための別々の光反射面（導波
管）は不要であり、実際に、一様の分散放射を検出器に
提供するために同じガス試料室を使用することが望まし
い。

【００１８】本発明における光反射内面３６のさらなる
要件は、該光反射内面がそれに入射する放射の光散乱を
非常に増進すべく不断に変化している不規則な外形を有
することである。そのような面は、ガス試料室の外壁の
内面から様々な高さの複数の接合した隆起部分４０（図
６参照）を有する間断なく曲線状にされた（肌理加工）
面であることが好ましい。この面はガス試料室を横断す
る放射源１２からの放射がガス試料室１４の外面３４に
対する法線から測定した、正反射面が提供するであろう
反射角と同じまたはほとんど同じ反射角を有しないこと
をもたらす（図７および図８参照）。したがって、この
面は非歪曲像再生を生じさせるようにされておらず、実
際に、分散完全歪曲像／放射出力を検出器に与える。こ
の特徴はガス感知検出器２２および基準検出器２４が同
じバックグラウンド放射に“遭遇する”ことを保証する
ために基準チャネル／検出器を使用するとき非常に重要
である。

【００１９】実際上、２から５ミクロンの範囲内の放射
に対し、複数の隆起部分４０は、内壁の基面から隆起部
分の面の頂まで０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）から
０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）の高さと、０．５１
ｍｍ（０．０２インチ）から３．３０ｍｍ（０．１３イ
ンチ）の平均隆起部分寸法（垂直方向において外壁の面
に向かって見たときのそれ）とを有することを一般的に
必要とする。この特徴、すなわち高さおよび寸法は放射
の様々な波長に対して変化し、したがって測定されるべ
き特定のガスに対して予め選択される。そのような肌理
加工光学面は管状ガス試料室を製造するのに使用される
型内でエッチング技術によって容易に施され得る。この
肌理加工面は当該技術において知られているようにアル
ミニウムのような金属で金属化され、この金属は次いで
酸化を防止するためにポリエチレンのごとき薄い高分子
コーティングによって被覆され得る。

【００２０】本発明を説明するものとして本発明の好適
実施例が記述されたが、本発明は前掲特許請求の範囲に
入る開示実施例の全ての修正例および均等物を包含する
ことに留意さるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガス分析計の主構成要素を示す側
面図。

【図２】本発明によるガス分析計の検出手段を示す前面
図。

【図３】図２の側面図。

【図４】図２の４−４線に沿って切られた断面図。

【図５】本発明によるガス分析計のガス試料室の横断面
図。

【図６】図５のガス試料室の内壁面の円で囲まれた部分
の拡大図。

【図７】本発明によるガス試料室内の放射の典型的な放
射光線飛跡を示す概略図。

【図８】図７の円で囲まれた部分の拡大図。

【符号の説明】

１０ ガス分析計 １２ 放射源 １４ ガス試料室 １６ 検出手段 １８ 電気回路 ２２ ガス感知検出器 ２４ 基準検出器 ２６ 基板 ２８ 狭通過区域フィルタ ３０ 狭通過区域フィルタ ３２ 外壁 ３４ 外面 ３６ 内面 ３８ 開口 ４０ 隆起部分

フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム エル．マッカーデル アメリカ合衆国テキサス州プラノ，タウン ブラフ 3845

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 選ばれたガスの濃度を表示するための非
   分散型赤外ガス分析計であって、放射源と、ガスを収容
   するようにされておりかつ前記放射源からの放射を受取
   るように配置されているガス試料室とを包含し、このガ
   ス試料室は２つの端部と、中空の中心区域と、内面およ
   び外面を有する外壁とを有する全体的に細長い管形状の
   ものであり、前記外壁の前記内面は前記放射源からの放
   射のための光反射面として作用しかつ前記ガス試料室を
   通る前記放射源からの放射の均質分散分布を生じさせる
   ように前記外壁の外面の平均的平面から様々な高さの複
   数の別個隆起部分を有しており、さらに前記選ばれたガ
   スの濃度を表す信号を発生するための、少なくとも１つ
   のガス感知検出器と基準検出器とを有する検出手段を包
   含し、前記検出器はおのおの分析されるべき前記選ばれ
   たガスが存在しないとき同じ放射を受取るようになって
   いる非分散型赤外ガス分析計。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のガス分析計において、
   前記複数の別個隆起部分は分析されるべき選ばれたガス
   に依存して予め選択された様々な高さに設定されている
   ガス分析計。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のガス分析計において、
   前記検出手段は１つのガス感知検出器と、このガス感知
   検出器が前記選ばれたガスによって強力に吸収される波
   長の放射を主に受取るように前記放射源と前記ガス感知
   検出器との間において該ガス感知検出器の前に配置され
   た第１の狭通過帯域フィルタと、この第１の狭通過帯域
   フィルタの中心通過帯域とは異なるそれを有する、基準
   検出器のためのかつ前記選ばれたガスによって影響され
   ない第２の狭通過帯域フィルタとを含んでいるガス分析
   計。
4. 【請求項４】 請求項３に記載のガス分析計において、
   前記第２の狭通過帯域フィルタは前記第１の狭通過帯域
   フィルタの中心通過帯域と類似したそれを有するガス分
   析計。
5. 【請求項５】 請求項１に記載のガス分析計において、
   前記放射源は前記ガス試料室の外壁の内面の前記光反射
   面との接触を最もよく保証するため焦点ぼかしされた放
   射を発生するガス分析計。
6. 【請求項６】 請求項５に記載のガス分析計において、
   前記放射源は放物面反射器内に配置された高温タングス
   テンフィラメントランプであるガス分析計。
7. 【請求項７】 請求項１に記載のガス分析計であって、
   さらに、前記検出器からの信号を前記選ばれたガスの濃
   度を表す信号に変換するための電気回路を有するガス分
   析計。
8. 【請求項８】 請求項７に記載のガス分析計において、
   前記電気回路は前記ガス感知検出器および前記基準検出
   器の双方から入力を受取るガス分析計。
9. 【請求項９】 請求項１に記載のガス分析計において、
   前記ガス試料室はその内部へのガスの進入およびそれか
   らのガスの退出を可能にする少なくとも１つの開口を有
   するガス分析計。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載のガス分析計におい
    て、前記ガス試料室の前記光反射面は前記放射源から前
    記ガス感知検出器および前記基準検出器への共通反射面
    として役立つガス分析計。
11. 【請求項１１】 請求項１に記載のガス分析計におい
    て、前記ガス試料室は全体として細長い円錐管形状のも
    のであるガス分析計。