JPH09236539A

JPH09236539A - 赤外線ガス分析計

Info

Publication number: JPH09236539A
Application number: JP35681796A
Authority: JP
Inventors: Tomio Kato; 臣男加藤
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1996-12-25
Publication date: 1997-09-09

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的なチョッパを不要化するとともに、高
感度、高精度な赤外線ガス分析計を提供する。【解決手段】（ａ）被測定ガス２にパルス点灯または
消灯された赤外線あるいは正弦波などの任意の周波数あ
るいは、周期で連続的に増減する電圧変化を光源に印加
し点灯された赤外線を照射する光源３、１３と、（ｂ）
被測定ガス２による赤外線吸収量を検出する手段４、１
４と、を有することを特徴とする赤外線ガス分析計であ
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、機械的に可動する
セクタ（たとえばチョッパ、シャッタ）が不要であっ
て、電圧変化を光源に印加することによって光量変化を
伴う発光ができる発熱体を有する信頼性が高い赤外線ガ
ス分析計に関する。

【０００２】

【従来の技術】赤外線ガス分析計の赤外線検出手段とし
て、従来から焦電センサを含む感熱センサ、コンデンサ
マイクロフォン、圧力センサや流量計が使用されてい
る。そして、焦電センサやコンデンサマイクロフォン等
のセンサを用いた分析計では、センサの微分的な検出特
性からも、照射される赤外線をセクタ（たとえばチョッ
パ、シャッタ）で断続的にチョッピングすることによ
り、測定精度を高めるようにしている。

【０００３】たとえば図９に示すように、測定セル１０
１内に矢印で示すように被測定ガスを導入し、光源ブロ
ック１０２内に設けたコイルランプ１０３から測定セル
内１０１に赤外線を照射し、その赤外線をモータ１０４
で回転される機械的なセクタ１０５でチョッピングする
とともに、被測定ガスにある量吸収された後の赤外線を
センサ１０６で検出する方法である。

【０００４】このような赤外線をチョッピングする方法
では、その大部分がモータなどを使用した機械的可動部
分を有しており、該部分の故障がこの種分析計のトラブ
ルの大半を占めている。

【０００５】このため、本出願人は先に、液晶や電極な
どの赤外吸収があって感度の低下はあるが、光源から検
出部分までの光学系が安定する、液晶を使用した電気的
なチョッピング方法を提案した（特願昭６１−１２２０
４号）。

【０００６】また、容器内部に赤外線不活性ガスが封入
されている、コイル状のタングステンフィラメントを発
熱体とした光源ブロックを用い、この発熱体にパルス変
調した電気量を供給し、測定セルにパルス点灯された赤
外線を照射するようにして、機械的なチョッパを不要と
した方法も提案されている（特公平１−１３０５１号公
報）。なお、発熱体の電源として、単に断続して発熱体
にパルス変調した電気量を供給する提案もなされている
（特開平８−１４５８８２号公報、特開平８−２３３８
０５号公報、特開平８−２３３８０７号公報、特開平８
−２３３８０８号公報、特開平８−２３３８０９号公
報、特開平８−２３３８１０号公報）。

【０００７】しかし、上記のような方法では、発熱体に
コイル状のタングステン線フィラメントを使用している
ために、パルス変調された電気量を供給しパルス的に発
熱すると、フィラメントが熱膨張、収縮を繰り返し、使
用中にフィラメントに弛みが生じてその発熱位置がずれ
たり、寿命も短くなるという問題がある。また、通常、
光源の大きさはあまり規定されないが、受光素子は、圧
力や流速を利用するもの以外はその大きさが限られてい
るので、上記の如く発熱位置がずれることにより光学的
な精度が低下することになる。あるいは受光素子が限定
されることになる。

【０００８】このように、上記従来の２種の方法にあっ
ては、どちらも機械的なチョッパ（シャッタ）が不要に
なるという点では同じであるが、どちらも感度や精度の
点で充分なものではない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の課題
は、第１に機械的なセクタを不要にするとともに、発熱
体をパルス的に発熱させても高い発熱位置精度を保つこ
とができる測定精度および信頼性の高い赤外線ガス分析
計を提供することである。

【００１０】第２は、機械的なセクタを不要化すること
はもちろんであるが、正弦波などの任意の周波数あるい
は周期で連続して増減する電圧変化を光源に印加するこ
とやさらに、任意の一定電圧を加えることによって発熱
体の熱変化を緩やかにして、高い発熱位置精度を保つこ
とができる測定精度および信頼性の高い赤外線ガス分析
計を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の赤外線ガス分析計は、（ａ）容器内部に配
置されたばねにより張設された発熱体を有し、被測定ガ
スに、前記発熱体による赤外線を照射する光源と、
（ｂ）前記被測定ガスによる赤外線吸収量を検出する手
段と、を有することを特徴とするものからなる。

【００１２】ここでは図２に示す一実施態様の光源にお
ける赤外線発光装置である容器の内部に配置されたばね
により張設された発熱体の熱変化が大きいパルス発光
（あるいは消灯）で本発明の長所を説明する。このよう
な赤外線ガス分析計においては、赤外線をパルス発光
（あるいは消灯）する光源内に設けられた発熱体がばね
によって張設されているので、パルス変調した電気量を
発熱体に供給して発熱体をパルス的に発熱（冷却）させ
る際に発生する発熱体の伸縮動作がばねによって吸収さ
れ、発熱体の弛緩が防止されるとともに発熱体の直線性
が良好に維持される。その結果、発熱体の発熱位置精度
を維持した状態で、安定して赤外線のパルス発光（ある
いは消灯）を行うことができる。したがって、電気的に
パルス発光（あるいは消灯）させることによる機械的な
チョッパの不要化を達成しつつ、該パルス発光（あるい
は消灯）に伴う精度や感度低下の不都合の発生を防止
し、高精度、高感度測定を可能とする。

【００１３】上記のようにパルス発光された赤外線が、
被測定ガスに照射され、被測定ガスに吸収された後の赤
外線の強度が検出手段によって検出され、被測定ガスの
赤外線吸収量が連続的に定量分析される。

【００１４】パルス点灯（あるいは消灯）に替えて正弦
波や三角波のように増減する電圧変化を光源に印加する
ことによる点灯にすれば発熱体の伸縮が緩やかになり、
さらに、正弦波、三角波やパルスなどの印加する電圧変
化に一定の電圧を印加すれば、消灯から点灯のような急
激な熱変化が無く、一定の発熱から緩やかな熱量変化と
なり発熱体の耐久性が向上するが、光源にどのような電
圧を印加するのかは用途により経済性も加味して決定さ
れる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の望ましい実施の
形態を、図面を参照して説明する。前述のように、コイ
ル状フィラメントを有する発熱体を有する光源について
も正弦波や三角波のように増減する電圧変化を光源に印
加することや、この電圧変化に一定の電圧を印加するこ
とによって発熱体の伸縮が緩やかになり、位置精度が高
く、信頼性も向上する。また、赤外線を発生するレーザ
ー、発光ダイオードやハロゲンガスを封入した容器の内
部にタングステンフィラメントを有する発熱体のパルス
発光（あるいは消灯）については、高い発熱位置精度が
あることは説明するまでもないほどに周知のことであ
る。そして、実施形態の説明概要図も図１となんら変わ
ることがない。

【００１６】なお、赤外線を発生するレーザーや発光ダ
イオードの発光波長は多少の波長の幅があるが使用する
原材料によって定まっていて、被測定ガスの吸収波長と
一致するものは現段階では数少なく、ハロゲンガスを封
入した容器の内部にタングステンフィラメントを有する
発熱体（いわゆるハロゲン球やストロボ球）の発光波長
も容器の材質にもよるが現在の市販品では長波長側が数
μｍまでなので検討対象はＨＣ、ＣＯ₂である。一般的
にガス分析計で測定される被測定ガスのすべてに現時点
では対応できない。そのようなことから、これらを使用
した赤外線ガス分析計についての発明の実施形態の説明
は省くこととした。

【００１７】ここでは代表して前記被測定ガスに赤外線
を照射する光源が容器の内部に配置されたばねにより張
設された発熱体を１個有する赤外線ガス分析計の発明の
実施形態を説明する。なお、測定対象特定のためのフィ
ルタや精度向上のための比較セルなどの一般の赤外線ガ
ス分析計が具備する他の構成については省略する。図１
は、本発明の一実施態様に係る赤外線ガス分析計を示し
ている。図において、１は被測定ガス２が導入される測
定セルを示しており、被測定ガス２は、ガス入口１ａか
ら導入され、ガス出口１ｂから排出される。この測定セ
ル１の入射窓１ｃから赤外線が入射され、透過窓１ｄか
ら出射される被測定ガスを透過した後の赤外線が検出さ
れる。

【００１８】測定セル１の構成については特に限定しな
いが、測定セルには一般的に石英ガラスやフッ化カルシ
ウムなどを用いて構成したものが多い。入射窓１ｃや透
過窓１ｄには極力赤外線透過率の高いものを用いるのが
好ましい。また、全体として、被測定ガスや雰囲気ガス
による浸食がないような材質を選ぶことが好ましい。

【００１９】測定セル１の入射窓１ｃに対向する位置
に、赤外線発光用の光源３が、透過窓１ｄに対向する位
置に、被測定ガスにある量吸収された後の赤外線の量
（強度）を検出する検出器４が、それぞれ配置されてい
る。

【００２０】光源３は、本実施態様ではブロック状に構
成されており、該光源３は、図２に示すような赤外線発
光装置５を有している。赤外線発光装置５は、内部に赤
外線不活性ガスが封入された、略完全密閉構造の容器５
ａを有しており、該容器５ａは、ガラス筒５ｂとその両
端の電極部５ｃから構成されている。容器５ａ内には、
直線状に延びるフィラメントからなる発熱体５ｄが配置
されており、発熱体５ｄは、ばね５ｅによって張設され
ている。本実施態様では、発熱体５ｄの一端がリード５
ｆに固着され、他端がばね５ｅで引っ張られている。封
入される赤外線不活性ガスとしては特に限定されず、た
とえば窒素、ヘリウム、アルゴンガス等を使用できる。
また、ばね５ｅの構造としても特に限定されず、発熱体
５ｄがパルス点灯を繰り返したときに生じる発熱体５ｄ
の伸縮動作を吸収できるものであればよい。たとえば、
通常のコイルスプリング状のもの、あるいは、単なる波
板状のもの、さらには、ベローズ状のもの等を用いるこ
とができる。

【００２１】上記赤外線発光装置５に、定電圧電源６か
らの出力を印加電圧波形変調器７により変調したパルス
電圧が供給される。このパルス電圧の供給により、赤外
線発光装置５がパルス点灯され、パルス点灯された赤外
線が、入射窓１ｃを通して測定セル１内に導入されてい
る被測定ガスに照射される。パルス電圧の周波数は赤外
線発光装置の発、放熱時間の他、用途により、不定期の
場合もあり特に限定されない。

【００２２】したがって、まず、機械的なチョッパを用
いることなく赤外線をパルス発光させることができるの
で、機械的なトラブルの発生源をなくすことができる。

【００２３】また、赤外線をパルス発光させる際には、
発熱体５ｄは、点灯時の発熱、消灯時の発熱停止（自然
冷却）により、伸縮動作を繰り返すことになるが、発熱
体５ｄがばね５ｅによって張設されているため、上記伸
縮量が自然にばね５ｅに吸収され、発熱体５ｄの所定位
置での直線性が保たれる。つまり、測定セル１に対する
赤外線の照射（入射）位置が、実質的に常時一定に保た
れる。

【００２４】その結果、前述の図７に示したコイル状フ
ィラメントを発熱体としたランプ１０３を用いる場合に
比べ、赤外線の発光、照射位置が、所望の位置に高精度
に維持され、赤外線照射光学系が安定する。赤外線照射
光学系の安定化により、究極的には、検出の精度、感度
が高められる。

【００２５】この検出の精度、感度は、上記赤外線照射
光学系の安定化に加え、赤外線（吸収量）検出手段を高
精度化、高感度化することによって、さらに高められ
る。言い換えれば、本発明による赤外線照射光学系の安
定化により、高精度、高感度な赤外線検出器の使用の意
味が生じ、それによって、赤外線ガス分析計全体として
一層の高精度化、高感度化が図れる。

【００２６】赤外線検出器４には、その入射窓４ａか
ら、測定セル１からの赤外線が入射され、検出された赤
外線の強度が増幅器８によって増幅される。そして、上
記のような要求に沿う赤外線検出器には、半導体や感熱
素子とヒータで構成されるフローセンサや熱電対（サー
モパイル）、サーミスタや無機、有機の強誘電体で形成
する焦電素子等の感熱素子あるいは、コンデンサマイク
ロフォン型、半導体型や無機、有機の強誘電体で形成す
る圧電素子型などの圧力センサあるいはこれらの圧力セ
ンサを利用した赤外線センサなどがあるが、要求される
仕様によって使い分ければよい。

【００２７】たとえば感熱素子として焦電素子を使用す
る場合、図３、図４に示すような素子に構成できる。こ
の赤外線検出器４は、たとえば、シリコン、マグネシア
などからなる基板９４上に一対のＡｌからなる電極９１
ｂ、９２ｂを形成し、これら電極９１ｂ、９２ｂ上に強
誘電体薄膜９３を形成し、強誘電体薄膜９３上に、前記
電極９１ｂ、９２ｂの直上に位置し、かつ同形、同面積
のＮｉＣｒからなる電極９１ａ、９２ａを形成してな
る。ここで、電極９１ａ、９１ｂと電極９２ａ、９２ｂ
との面積は互いに等しく設定されている。この場合に、
電極９１ａ、強誘電体薄膜９３および電極９１ｂによっ
て第１の焦電素子９１が構成され、電極９２ａ、強誘電
体薄膜９３および電極９２ｂによって第２の焦電素子９
２が構成されている。そして、たとえば、第２の焦電素
子９２に対してのみ赤外線が照射されないように赤外線
遮蔽膜（図示略）が設けられている。また、ＮｉＣｒは
赤外線吸収係数がおよそ０．７であり、Ａ１は赤外線反
射率がおよそ０．９である。赤外線が照射される電極に
はさらに赤外線吸収係数の高い材料でコーティングを施
してもよい。なお、９１ｂと９２ｂを含む面で下側の電
極を作ることとある。

【００２８】このような赤外線検出器４では、強誘電体
薄膜の一方の面に同面積の２種の電極を備え、他方の面
に一方の面の電極と同位置、同形、同面積の電極を形成
し、焦電素子を形成してなるのであるから、一方の焦電
素子に赤外線を導いて、これを信号用とし、他方の焦電
素子を補正用（ダミー）として使用することにより、焦
電素子に共通する温度変動、圧力変動、振動などに起因
する同相ノイズを２個の焦電素子で相殺低減することが
できる。したがって、強誘電体薄膜を採用することに伴
う応答速度の高速化と、同相ノイズの相殺低減に伴うＳ
／Ｎ比（シグナル／ノイズ比）の改善を同時に達成する
ことができる。

【００２９】したがって、上記のような強誘電体薄膜を
使用した焦電素子を有する赤外線検出器４を用いること
により、極めて高精度化、高感度化を達成でき、しかも
強誘電体薄膜を採用することに伴う応答速度の高速化を
達成できる。

【００３０】また、上記以外に、たとえば、赤外線を照
射した際に生じるガスの圧力変化を検出する圧力センサ
を用いた赤外線検出器とすることもできる（図示略）。

【００３１】上記のように構成された赤外線ガス分析計
を用いて赤外線強度の測定を行った。図１に示した装置
および図２に示した赤外線発光装置５を用い、図３、４
に示したと同様の焦電センサを有する赤外線検出器４を
用いた場合の測定例を図５に示す。赤外線発光装置５に
供給されるパルス電圧（ランプ電圧）に対応して、極め
て高感度、高精度な赤外線検出器４の出力が得られてい
ることが分かる。

【００３２】なお、測定セル１に対する赤外線の通り道
は、図１に示したものに限定されず、必要に応じて適宜
変更できる。たとえば図６に示すように、高感度化ある
いは小型化のために、測定セル１１の両側にプリズム１
２ａ、１２ｂを配置し、光源１３からの赤外線を測定セ
ル１１内を行き来させた後検出器１４に至らしめるよう
にしてもよい。

【００３３】図示はしないがフィラメントを軸にして全
周ほぼ同量の光量分布になるので複数の被測定ガスを導
入した測定セルを放射状に配して多成分分析や、単成分
の多検体の分析などが可能になる。また、フィラメント
を軸とした光源を作り、周りに被測定ガスを導入し、全
周に任意の数の感熱素子を配してそれぞれに成分に対応
するフィルタなどを付加すれば同一ガスの同時多成分分
析が可能になる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の赤外線分
析計によれば、発熱体をばねにより張設してパルス点灯
させた場合においても、そのパルス的発熱による伸びを
円滑かつ自動的に吸収させて発熱位置を一定にすること
ができるので、機械的なチョッパ（シャッタ）の可動部
をなくしつつ、精度、感度の高い、故障の少ない赤外線
ガス分析計を提供できる。

【００３５】また、高感度な検出器を使用した場合、一
層分析計の精度を高めることができるとともに、点灯の
電圧を低くすることができるので、発熱体の寿命が延び
る。また、高速な検出器を使用し、パルス発光側もライ
ンフィラメント、コイル状フィラメントを有する発熱体
を有する光源に正弦波や三角波のように増減する電圧変
化を印加して発光周波数を高めて使用したり、高速な発
光が可能なハロゲンガスを封入した容器の内部にタング
ステンフィラメントを有する発熱体（いわゆるハロゲン
球やストロボ球）、赤外線レーザーや赤外線発光ダイオ
ードを使用して高速化するようにした場合には、測定に
要する時間を短縮することができ、高分子の分子量をＣ
Ｏ₂やＣＨの赤外線吸収量で測定する装置などでは、処
理時間の短縮を図ることができるなどの経済的効果があ
る。

【００３６】さらに、機械的な可動部が実質的になく、
ほぼノーメンテナンスであるため、人的、時間的なコス
トダウン効果が大きい。また、チョッパがなくなったこ
とからこの占有体積がなくなるばかりか、分析計の構造
形態の自由度が高くなり、チョッパに関連して設計され
ていた電気関係も省くことができ、いわゆる電子部品の
みでの設計ができるので、この面の自由度が高い赤外線
ガス分析計を提供できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様に係る赤外線ガス分析計の
概略構成図である。

【図２】図１の光源における赤外線発光装置の概略側面
図である。

【図３】本発明の赤外線ガス分析計に用いる赤外線検出
器の一例を示す概略平面図である。

【図４】図３の赤外線検出器の概略拡大縦断面図であ
る。

【図５】図１の装置におけるランプ電圧と赤外線検出器
出力の特性図である。

【図６】プリズムを使用した別の例に係る赤外線ガス分
析計の部分概略構成図である。

【図７】従来の機械的チョッパを使用した赤外線ガス分
析計の概略構成図である。

【符号の説明】

１、１１測定セル１ａガス入口１ｂガス出口１ｃ入射窓１ｄ透過窓２被測定ガス３、１３光源４、１４赤外線検出器５赤外線発光装置５ａ容器５ｂガラス筒５ｃ電極部５ｄ発熱体５ｅばね５ｆリード６定電圧電源７印加電圧波形変調器８増幅器１２ａ、１２ｂプリズム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）容器内部に配置されたばねにより
張設された発熱体を有し、被測定ガスに、前記発熱体に
よる赤外線を照射する光源と、（ｂ）前記被測定ガスに
よる赤外線吸収量を検出する手段と、を有することを特
徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項２】請求項１の赤外線ガス分析計において、
光源は、赤外線パルスを照射するものであることを特徴
とする赤外線ガス分析計。
【請求項３】請求項１の赤外線ガス分析計において、
光源は、任意の周波数で連続して増減する電圧により点
灯されるものであることを特徴とする赤外線ガス分析
計。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の赤
外線ガス分析計において、光源は、レーザーもしくは発
光ダイオードであるか、ハロゲンガスを封入した容器の
内部にタングステンフィラメントを有する発熱体、また
はコイル状フィラメントを有する発熱体を有するもので
あることを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の赤
外線ガス分析計において、光源は、正弦波、三角波また
はパルスの電圧に、任意の一定電圧を加えた電圧により
点灯されるものであることを特徴とする赤外線ガス分析
計。
【請求項６】請求項１、２、３または５の赤外線ガス
分析計において、容器内部に赤外線不活性ガスが封入さ
れていることを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項７】請求項１ないし６のいずれかに記載の赤
外線ガス分析計において、赤外線吸収量を検出する手段
を２個以上備えることを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項８】（ａ）被測定ガスが導入される測定セル
と、（ｂ）容器の内部に配置されたばねにより張設され
た発熱体を有し、前記測定セルに前記発熱体による赤外
線パルスを照射する光源と、（ｃ）前記測定セル内の被
測定ガスによる赤外線吸収量を検出する手段と、を有す
ることを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項９】請求項８の赤外線ガス分析計において、
光源は、容器の内部に配置されたばねにより張設された
発熱体を有し、増減する電圧を前記発熱体に印加するこ
とにより前記測定セルに赤外線を照射するものであるこ
とを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項１０】請求項８または９の赤外線ガス分析計
において、前記発熱体に印加される増減する電圧は、正
弦波、三角波、パルスのいずれかであり、この電圧に、
任意の一定電圧を加えて光源に印加することを特徴とす
る赤外線ガス分析計。
【請求項１１】請求項８ないし１０のいずれかに記載
の赤外線ガス分析計において、ばねにより張設された発
熱体を配置した容器内部に赤外線不活性ガスが封入され
ていることを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項１２】請求項８ないし１１のいずれかに記載
の赤外線ガス分析計において、測定セルが２個以上であ
ることを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項１３】前記赤外線吸収量の検出手段が感熱素
子を有している、請求項８ないし１２のいずれかに記載
の赤外線ガス分析計。
【請求項１４】前記感熱素子が焦電素子である、請求
項１３の赤外線ガス分析計。
【請求項１５】前記焦電素子が強誘電体薄膜を使用し
た焦電素子である、請求項１４の赤外線ガス分析計。
【請求項１６】前記赤外線吸収量の検出手段が圧力セ
ンサを有している、請求項１ないし１５のいずれかに記
載の赤外線ガス分析計。