JPH09318533A - ガス分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 コンデンサマイクロホン型検出器の感度変化
による指示影響を低減できるガス分析計を提供する。 【解決手段】 光源８，９、リファレンスセル２、サン
プルセル３およびコンデンサマイクロホン型検出器１を
有し、チョッパー７を前記光源およびコンデンサマイク
ロホン型検出器間に設けコンデンサマイクロホン型検出
器１に印加されるバイアス電圧（ＨＶ）をチョッパー７
の断続基本周波数とは異なる周波数で変化させるように
構成するとともに、前記コンデンサマイクロホン型検出
器による出力信号から前記基本周波数の交流成分の第１
整流信号と前記異なる周波数の交流成分の第２整流信号
とを各別に取り出して、その第１整流信号を第２整流信
号で除する補正手段を有する信号処理回路６を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、コンデンサマイ
クロホン型検出器を使用したガス分析計に関するもの
で、コンデンサマイクロホン型検出器の感度変化（感度
ドリフト）による指示影響を低減できるガス分析計に関
する。

【０００２】

【従来の技術】コンデンサマイクロホン型検出器を使用
したガス分析計の従来例として、光源５０からの照射光
を一定周期（基本周波数）で断続するためのチョッパー
５５を設けて構成された、いわゆるダブルセルタイプで
光断続方式によるものを図８に示す。図８において、光
源５０から出た赤外線は、サンプルセル５１とリファレ
ンスセル５２をそれぞれ通る。両セル５１，５２に入射
する赤外線は光量バランサー５３により略等しい量に調
整されている。そして、リファレンスセル５２には、Ｎ
₂ などの不活性ガスが封入されているので、リファレン
スセル５２を通過する赤外線は吸収されずに常に一定光
量の光エネルギーがコンデンサマイクロホン型検出器５
４に到達する一方、サンプルセル５１を通過する赤外線
は測定対象成分の濃度に対応した吸収が起こり、したが
って、サンプルガス５１を通過した光エネルギーとリフ
ァレンスガス５２を通過した光エネルギーのエネルギー
差が生じるとともに、リファレンスセル５２およびサン
プルセル５１を通過する赤外線は、チョッパー５５で断
続されているため、コンデンサ膜５６が振動する。そし
て、この振動による静電容量の変化量に基づいてサンプ
ルガス中の測定対象成分の濃度信号を得ることができ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この濃度信号は、コン
デンサマイクロホン型検出器５６からプリアンプ５７に
入力した後、バンドパスアンプ５８、整流回路５９およ
び平滑回路６０を介して出力されていたけれども、コン
デンサマイクロホン型検出器５４においては、周囲温度
変化や気圧変化、コンデンサマイクロホン６０（図９参
照）を構成するコンデンサ膜５６の張り具合の経時変化
等によって感度変化（感度ドリフト）が生じて指示影響
を受けるおそれがあった。このため、適宜、感度校正が
必要であった。なお、図９は、プリアンプ５７の回路構
成の一例を示し、６１は、コンデンサマイクロホン型検
出器５４の定電圧電源部で、例えば、図１０に示すよう
に、１５０ボルトのバイアス電圧（ＨＶ）を常時検出器
５４に印加する。

【０００４】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、コンデンサマイクロホン型検出
器の感度変化による指示影響を低減できるガス分析計を
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明は、セルに対してリファレンスガスとサン
プルガスとが一定周期（基本周波数）で供給され、前記
リファレンスガスを通過した光源からの光および前記サ
ンプルガスを通過した光源からの光に対するコンデンサ
マイクロホン型検出器を設け、かつ、前記コンデンサマ
イクロホン型検出器による出力信号から前記リファレン
スガスを通過した光エネルギーと前記サンプルガスを通
過した光エネルギーとのエネルギー差に相当する交流成
分を取り出し、その交流成分の変化量に基づいて前記サ
ンプルガス中の測定対象成分の濃度を測定するように構
成してあるガス分析計において、前記コンデンサマイク
ロホン型検出器に印加されるバイアス電圧を前記基本周
波数とは異なる周波数で変化させるように構成するとと
もに、前記コンデンサマイクロホン型検出器による出力
信号から前記基本周波数の交流成分の第１整流信号と前
記異なる周波数の交流成分の第２整流信号とを各別に取
り出して、その第１整流信号を第２整流信号で除する補
正手段、または、それと等価な補正手段を有する信号処
理回路を設けてある。

【０００６】また、この発明は、別の観点から、光源、
リファレンスセル、サンプルセルおよびコンデンサマイ
クロホン型検出器を有し、かつ、前記光源から前記リフ
ァレンスセルおよびサンプルセルに入射する光あるいは
前記両セルを通過した光を一定周期（基本周波数）で断
続するためのチョッパーを前記光源およびコンデンサマ
イクロホン型検出器間に設け、前記コンデンサマイクロ
ホン型検出器による出力信号からリファレンスガスを通
過した光エネルギーとサンプルガスを通過した光エネル
ギーとのエネルギー差に相当する交流成分を取り出し、
その交流成分の変化量に基づいて前記サンプルガス中の
測定対象成分の濃度を測定するように構成してあるガス
分析計において、前記コンデンサマイクロホン型検出器
に印加されるバイアス電圧を前記基本周波数とは異なる
周波数で変化させるように構成するとともに、前記コン
デンサマイクロホン型検出器による出力信号から前記基
本周波数の交流成分の第１整流信号と前記異なる周波数
の交流成分の第２整流信号とを各別に取り出して、その
第１整流信号を第２整流信号で除する補正手段、また
は、それと等価な補正手段を有する信号処理回路を設け
てあることを特徴とするガス分析計を提供する。

【０００７】この発明では、コンデンサマイクロホン型
検出器に印加されるバイアス電圧を前記基本周波数とは
異なる周波数で変化させるように構成し、処理回路にお
いては、コンデンサマイクロホン型検出器による出力信
号から前記基本周波数の交流成分の第１整流信号と前記
異なる周波数の交流成分の第２整流信号とを各別に取り
出して、その第１整流信号を第２整流信号を除算処理し
た後、サンプルガスに含まれる測定対象成分の濃度値を
得るよう構成されている。よって、前記両交流成分に同
等に（同じ割合で）含まれているコンデンサマイクロホ
ン型検出器の周囲温度変化や気圧変化、コンデンサマイ
クロホンを構成するコンデンサ膜の張り具合の経時変化
等が相殺されることになるため、除算後のサンプルガス
中の測定対象成分の濃度信号からは、それら影響を確実
かつ効果的に除外できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を、図
面に基づいて説明する。図１は、この発明の第１の実施
形態によるガス分析計の全体を示し、図２は、信号処理
回路のブロック回路図を、図３は、前記信号処理回路に
おける各部の信号図を、それぞれ示す。

【０００９】この実施形態では、チョッパー装置７を駆
動させた場合に、リファレンスガスＲを通過した光エネ
ルギーとサンプルガスＳを通過した光エネルギーとのエ
ネルギー差の検出が１０Ｈｚの基本周波数（光断続周波
数）で行われる一方、コンデンサマイクロホン型検出器
１の電源部４に印加される高電圧（例えば、１５０ボル
ト）のバイアス電圧の電圧変調が例えば５Ｈｚの周波数
で行われるよう構成されたダブルセルタイプの光断続方
式によるガス分析計を採用している。

【００１０】図１において、１は、サンプルガスＳに含
まれる測定対象成分ガスの濃度を検出するためのコンデ
ンサマイクロホン型検出器で、Ｎ₂ 等のリファレンスガ
スＲが封入されたリファレンスセル２およびサンプルガ
スＳが連続供給されるサンプルセル３の後段に設けられ
ている。４は、前記検出器１に高いバイアス電圧、例え
ば、１５０ボルトのバイアス電圧（以下、ＨＶという）
を印加するための電源部で、コントローラー５からの例
えば５Ｈｚの周波数を有する電圧変調信号（ＨＶチョッ
ピング信号）に基づいて、前記ＨＶが前記基本周波数
（光断続周波数）とは異なる周波数（５Ｈｚ）で変調す
るように構成されている。

【００１１】前記コントローラー５は、両セル２，３お
よび検出器１間に設けたチョッパー装置７、検出器１の
後段に設けた信号処理回路６および検出器１の電源部４
に対して、それぞれ、チョッパー駆動信号（５Ｈｚの信
号）（２枚羽根１２ａ，１２ｂを用いた図４参照）、そ
れに対応する前記基本周波数（光断続周波数：１０Ｈ
ｚ）および電圧変調信号（ＨＶチョッピング信号：５Ｈ
ｚの信号）などの所定の制御信号を発する。

【００１２】一方、光源８，９へ作動用電圧を供給する
ための光源用定電圧電源１０を設けて光源８，９からは
両セル２，３に一定強度の光（例えば、赤外線）を照射
させ、両セル２，３を通過した光、つまり、リファレン
スガスＲを通過した光エネルギーとサンプルガスＳを通
過した光エネルギーとのエネルギー差の検出が、チョッ
パー装置７を設けたことにより、１０Ｈｚの基本周波数
（光断続周波数）で行われる。

【００１３】前記チョッパー装置７は、駆動用モーター
１１とそれにより回転駆動される羽根体１２とから構成
されている。この実施形態では、基本周波数（光断続周
波数：１０Ｈｚ）の半分の周波数（５Ｈｚ）でＨＶの電
圧変調を行うために、羽根体１２を、その一回転の間
に、両セル２，３を通過して検出器１に入射する光につ
いて、それぞれ、その全てを検出器１に入射させる状態
と、その全てを遮断する状態とに１回ずつ切換わるよう
対称２枚羽根型の２枚羽根１２ａ，１２ｂ（図４参照）
で構成してあり、上述したようにモーター１１を５Ｈｚ
で回転できるよう前記チョッパー駆動信号がコントロー
ラー５で制御されている。このように羽根１２ａ，１２
ｂは、それぞれ５Ｈｚで回転するので、基本周波数であ
る光断続周波数は、上述したように、１０Ｈｚ（＝２×
５Ｈｚ）になる。

【００１４】なお、羽根体１２として、図５に示すよう
に、一回転の間に、両セル２，３を通過して検出器１に
入射する光について、一方の光を検出器１に入射させる
状態と、他方の光を遮断する状態とに１回ずつ切換わる
１枚羽根１２ｃで形成されているものを採用してもよ
い。そして、羽根体の形状はこれらに限らず、ＨＶの電
圧変調の目標周波数とモーターの回転数に応じて適宜構
成できる。

【００１５】また、Ｈは、信号処理回路６からの出力信
号に対応する値（測定結果としての測定対象成分ガスの
濃度）を表示する表示器である。

【００１６】更に、コンデンサマイクロホン型検出器１
から信号処理回路６へ入力される出力交流信号ｖについ
て説明すると、この交流信号ｖ〔図３（イ）参照〕は、
チョッパー装置７による基本周波数（光断続周波数：１
０Ｈｚ）の交流成分ｖ１〔図３（ロ）参照〕と、それと
は異なる電圧変調信号（ＨＶチョッピング信号：５Ｈ
ｚ）に基づく周波数５Ｈｚの交流成分ｖ２〔図３（ハ）
参照〕とが重畳されている。しかも、両交流成分ｖ１，
ｖ２には、共に、検出器１の周囲温度変化や気圧変化、
コンデンサマイクロホンを構成するコンデンサ膜の張り
具合の経時変化等が同等に（同じ割合で）関与してい
る。

【００１７】而して、図２に示す前記信号処理回路６
は、検出器１からの検出信号を増幅して異なる周波数を
有する交流成分ｖ１，ｖ２同士を重畳された交流信号ｖ
（＝ｖ１＋ｖ２）を取り出すためのプリアンプ１３と、
このプリアンプ１３の出力交流信号ｖから基本周波数
（光断続周波数：１０Ｈｚ）の交流成分ｖ１を分離して
取り出すための第１バンドパスアンプ１４と、出力交流
信号ｖから電圧変調信号（ＨＶチョッピング信号：５Ｈ
ｚ）に基づく周波数５Ｈｚの交流成分ｖ２を分離して取
り出すための第２バンドパスアンプ１５と、バンドパス
アンプ１４から出力される交流成分ｖ１を同期整流して
第１整流信号｜ｖ１｜を得るための第１整流回路１６
と、バンドパスアンプ１５から出力される交流成分ｖ２
を同期整流して第２整流信号｜ｖ２｜を得るための第２
整流回路１７と、第１平滑回路１８を介して入力する第
１整流信号｜ｖ１｜に基づく第１信号ａを、第２平滑回
路１９を介して入力する第２整流信号｜ｖ２｜に基づく
第２信号ｂで除算処理するための除算回路２０とで構成
され、その除算回路２０からの出力信号ｖ３がサンプル
ガスに含まれる測定対象成分の濃度値として表示器Ｈに
表示される。なお、第１，２バンドパスアンプ１４，１
５、第１，２整流回路１６，１７および除算回路２０か
ら補正手段が構成されている。

【００１８】このように、除算回路２０によって第１信
号ａを第２信号ｂで除算処理したので、第１信号ａおよ
び第２信号ｂに同等に（同じ割合で）含まれている前述
した検出器１の周囲温度変化や気圧変化、コンデンサマ
イクロホンを構成するコンデンサ膜の張り具合の経時変
化等が相殺されることになるため、その除算回路２０か
らの濃度信号出力からは、その影響が確実かつ効果的に
除外される。したがって、コンデンサマイクロホン型検
出器１の周囲温度変化や気圧変化、コンデンサマイクロ
ホンを構成するコンデンサ膜の張り具合の経時変化等が
生じても、それらによる感度ドリフト影響は、出力信号
ｖ３中に含まれることはなく、よって、指示計には常に
サンプルガスの濃度に精度良く対応した値が指示される
ことになる。

【００１９】なお、上記実施形態では、基本周波数とし
て光断続周波数を採用したものを示したが、基本周波数
としてガスチョッピング周波数を採用したこの発明の第
２の実施形態を図６に示す。

【００２０】すなわち、図６は、光源８，９およびガス
流通セル２１，２２を設けるとともに、切換え弁２３を
設け、この切換え弁２３の制御により、両セル２１，２
２内へサンプルガスＳとリファレンスガスＲとを一定周
期で交互に切換え導入できるように構成された、いわゆ
るダブルセルタイプの流体変調方式によるガス分析計を
示す。なお、この実施形態でも、上記第１の実施形態で
用いたのと同じ信号処理回路６（図２参照）を用いてお
り、上記第１の実施形態で用いた符号と同一符号のもの
は、同一または相当物である。

【００２１】この実施形態では、基本周波数としてガス
チョッピング周波数を採用している。つまり、コントロ
ーラー５は、切換え弁２３、信号処理回路６および検出
器１の電源部４に対して、それぞれ、弁切換信号（１Ｈ
ｚの信号）、それに対応する前記基本周波数（ガスチョ
ッピング周波数：１Ｈｚ）および電圧変調信号（ＨＶチ
ョッピング信号：２Ｈｚの信号）などの所定の制御信号
を発する。

【００２２】そして、信号処理回路６の第１バンドパス
アンプ１４では１Ｈｚの交流成分を取り出し、第２バン
ドパスアンプ１５では２Ｈｚの交流成分を取り出すこと
ができ、除算回路２０によって第１信号ａを第２信号ｂ
で除算処理したので、検出器１の感度変化影響を受けな
いガス濃度信号を得ることができる。

【００２３】図７は、光源９および１個のガス流通セル
２４を設けるとともに、切換え弁３０を設け、この切換
え弁３０の制御により、セル２４内へサンプルガスＳと
リファレンスガスＲとを一定周期で交互に切換え導入で
きるように構成された、いわゆるシングルセルタイプの
流体変調方式によるガス分析計を示す。なお、この実施
形態でも、上記第１，２の実施形態で用いたのと同じ信
号処理回路６を用いており、上記第１，２の実施形態で
用いた符号と同一符号のものは、同一または相当物であ
る。この場合でも、上記第２の実施形態と同様に、基本
周波数としてガスチョッピング周波数を採用すること
で、コントローラー５は、切換え弁３０、信号処理回路
６および検出器１の電源部４に対して、それぞれ、弁切
換信号（１Ｈｚの信号）、それに対応する前記基本周波
数（ガスチョッピング周波数：１Ｈｚ）および電圧変調
信号（ＨＶチョッピング信号：２Ｈｚの信号）などの所
定の制御信号を発する。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明において
は、コンデンサマイクロホン型検出器に印加されるバイ
アス電圧を一定周期で変化させて基本周波数とは異なる
周波数の交流成分を得、基本周波数の交流成分の第１整
流信号と前記異なる周波数の交流成分の第２整流信号と
を各別に取り出して、その第１整流信号を第２整流信号
で除することでコンデンサマイクロホン型検出器の感度
変化影響を受けないガス濃度信号を得ることができると
ともに、従来行っていたような感度校正を不要にできる
利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態を示す全体構成説明
図である。

【図２】上記実施形態における信号処理回路のブロック
回路図である。

【図３】上記実施形態における信号処理回路の各部の信
号図である。

【図４】上記実施形態におけるチョッパー装置を示す図
である。

【図５】上記実施形態におけるチョッパー装置の他の例
を示す図である。

【図６】この発明の第２の実施形態を示す全体構成説明
図である。

【図７】この発明の第３の実施形態を示す全体構成説明
図である。

【図８】従来例を示す全体構成説明図である。

【図９】従来例で用いたプリアンプの回路図である。

【図１０】従来例で用いたバイアス電圧の特性図であ
る。

【符号の説明】

１…コンデンサマイクロホン型検出器、２…リファレン
スセル、３…サンプルセル、４…検出器の電源部、５…
コントローラー、６…信号処理回路、７…チョッパー装
置、８，９…光源、１１…モーター、１３…プリアン
プ、１４…第１バンドパスアンプ、１５…第２バンドパ
スアンプ、１６…第１整流回路、１７…第２整流回路、
２０…除算回路、ａ…第２信号、ｂ…第２信号。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セルに対してリファレンスガスとサンプ
   ルガスとが一定周期（基本周波数）で供給され、前記リ
   ファレンスガスを通過した光源からの光および前記サン
   プルガスを通過した光源からの光に対するコンデンサマ
   イクロホン型検出器を設け、かつ、前記コンデンサマイ
   クロホン型検出器による出力信号から前記リファレンス
   ガスを通過した光エネルギーと前記サンプルガスを通過
   した光エネルギーとのエネルギー差に相当する交流成分
   を取り出し、その交流成分の変化量に基づいて前記サン
   プルガス中の測定対象成分の濃度を測定するように構成
   してあるガス分析計において、前記コンデンサマイクロ
   ホン型検出器に印加されるバイアス電圧を前記基本周波
   数とは異なる周波数で変化させるように構成するととも
   に、前記コンデンサマイクロホン型検出器による出力信
   号から前記基本周波数の交流成分の第１整流信号と前記
   異なる周波数の交流成分の第２整流信号とを各別に取り
   出して、その第１整流信号を第２整流信号で除する補正
   手段、または、それと等価な補正手段を有する信号処理
   回路を設けてあることを特徴とするガス分析計。
2. 【請求項２】 光源、リファレンスセル、サンプルセル
   およびコンデンサマイクロホン型検出器を有し、かつ、
   前記光源から前記リファレンスセルおよびサンプルセル
   に入射する光あるいは前記両セルを通過した光を一定周
   期（基本周波数）で断続するためのチョッパーを前記光
   源およびコンデンサマイクロホン型検出器間に設け、前
   記コンデンサマイクロホン型検出器による出力信号から
   リファレンスガスを通過した光エネルギーとサンプルガ
   スを通過した光エネルギーとのエネルギー差に相当する
   交流成分を取り出し、その交流成分の変化量に基づいて
   前記サンプルガス中の測定対象成分の濃度を測定するよ
   うに構成してあるガス分析計において、前記コンデンサ
   マイクロホン型検出器に印加されるバイアス電圧を前記
   基本周波数とは異なる周波数で変化させるように構成す
   るとともに、前記コンデンサマイクロホン型検出器によ
   る出力信号から前記基本周波数の交流成分の第１整流信
   号と前記異なる周波数の交流成分の第２整流信号とを各
   別に取り出して、その第１整流信号を第２整流信号で除
   する補正手段、または、それと等価な補正手段を有する
   信号処理回路を設けてあることを特徴とするガス分析
   計。