JPH0949797A - 赤外線ガス分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置の大型・複雑化を伴うことなくより簡単
な構成で高精度な濃度測定をなしうる赤外線分析計を提
供する。 【解決手段】 コントローラ６によりドライバ８を介し
て三方弁７が切り換えられ、試料ガスと基準ガスとが所
定周期で交互に試料セル１内に供給される。一方、コン
トローラ６は、三方弁７を切り換えると、モータ４を介
してセクタ３（断続手段）を回転させ、光源５からの赤
外光を試料セル１内に照射する。これにより、検出器２
は、試料ガスまたは基準ガスを透過した赤外光を交互に
検出し、信号処理回路９は、基準ガスの検出出力と試料
ガスの検出出力の出力比を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学工場や製鉄所
のガス濃度に関するプロセスコントロール、ボイラーや
燃焼炉の煙道ガス分析、大気汚染の監視、自動車の排ガ
ス測定などに使用され、ガス分子固有の赤外線吸収効果
を利用してガス及び蒸気中にある特定成分の濃度を連続
的に測定する赤外線ガス分析計に関する。

【０００２】

【従来技術】図１０は、従来の流体変調方式の赤外線ガ
ス分析計の一例であり、光源１５から赤外光が常時照射
された試料セル１１に、コントローラ１６によりドライ
バ１８を介して制御された三方弁１７によって試料ガス
と基準ガスとが所定周期で交互に供給されている。そし
て、測定対象ガスの吸収波長に感度を選択的に有するニ
ューマティック型の検出器１２で、試料ガスと基準ガス
をそれぞれ透過した赤外光の強度差が検出され、信号処
理回路１９において試料ガス中測定対象成分の濃度が連
続的に計測される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
赤外線ガス分析計では、試料ガスと基準ガスとの流量変
化が微妙に検出精度に影響を与えるため、特に基準ガス
と試料ガスの交換時等に起こる流量変化によって、スパ
ン感度変化に多大な悪影響が生じるという問題があっ
た。

【０００４】また、かかる赤外線ガス分析計では、試料
ガスと基準ガスとをそれぞれ透過した赤外光の強度差に
より測定対象成分の濃度が計測されるため、光源１５の
印加電圧や周囲温度或いは光源１５自体の劣化等による
光量変化、試料セル１１の透過窓やセル内の汚れ、さら
に検出器１２の感度変化等により、検出精度が低下する
といった問題もあった。

【０００５】かかる検出精度への悪影響を改善するため
に、極めて精度の高い流量制御や光源の温調制御を施す
ことが考えられるが、装置が大型・複雑化しコストアッ
プが問題となると共に、かかる対策のみでは、光源、検
出器自体の劣化、セル内の汚れによるスパンドリフトは
依然改善することはできない。

【０００６】そこで、本発明は、これらの問題点を解消
するために創案されたものであって、装置の大型・複雑
化を伴うことなくより簡単な構成で高精度な濃度測定を
なしうる赤外線分析計の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる赤外線ガ
ス分析計は、基準ガスと試料ガスとを選択的に試料セル
に供給する切換弁と、この試料セルに赤外光を照射する
光源と、この光源からの赤外光を断続する断続手段と、
前記試料セルを透過した赤外光を検出する検出器と、前
記切換弁の切り換え制御を行い、基準ガスまたは試料ガ
スを試料セルに供給した後、前記光源からの赤外光がこ
の試料セルに照射されるよう前記断続手段を制御するコ
ントローラと、基準ガスと試料ガスを透過したそれぞれ
の赤外光の前記検出器における検出値の比を求める信号
処理手段と、を備えたことを特徴とする。

【０００８】また、このコントローラは、前記切換弁を
切り換えた後、基準ガスまたは試料ガスが前記試料セル
内で完全に置換される時間を待って前記光源からの赤外
光がこの試料セルに照射されるよう前記断続手段を制御
することを特徴とする。

【０００９】かかる赤外光の断続手段は、赤外光の切欠
部と遮蔽部を備えたセクタと、これを回転または平行移
動させる駆動手段、例えばモータなどによっても構成で
きる。さらに、光源自体に供給する電力を断続すること
により赤外光を断続する手段をも用いても良い。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１〜
図５に基づいて説明する。

【００１１】図１は本発明にかかる赤外線分析計の概略
図で、試料セル１は、ガス導入口１ａとガス排出口１ｂ
を有し、三方弁７を介して試料ガスまたは基準ガスがガ
ス導入口１ａから試料セル１内に供給されガス排出口１
ｂから排出されている。試料セル１の一端には赤外光を
発する光源５が、また、試料セル１の他端には、試料セ
ル１を透過した赤外光を検出するための検出器２が配設
されている。

【００１２】光源５と試料セル１端部の間には赤外光を
断続するためのセクタ３が設けられている。このセクタ
３は、図２に示されるように、遮光部３ａと切欠部３ｂ
とからなり、セクタ回転軸３ｃを中心としてセクタ３が
回転するよう構成され、切欠部３ｂが試料セル１上にあ
る場合に赤外光を試料セル１内に照射し、遮光部３ａが
試料セル１上にある場合に試料セル１内への赤外光の照
射を遮断する。コントローラ６は、モータ４を介してセ
クタ３の回転位置制御を行い、また、ドライバ８を介し
て三方弁７の駆動制御を行う。

【００１３】検出器２は、その内部に試料ガス中の測定
対象ガスが封入されており、測定対象ガス固有の周波数
の赤外光強度を内部の圧力変化により検出する。そし
て、検出器２での検出出力は、信号処理回路９で所定の
信号処理を受け、試料ガス中の測定ガス濃度が計測され
る。

【００１４】図３は、信号処理回路９の一実施例で、比
較器９ｂは予め決められた所定電圧Ｖｒと基準ガスを透
過した赤外光の検出出力である比較信号との差に比例し
た信号を出力し、増幅器９ａはかかる比較器９ｂの出力
によりゲインが調整されるよう構成されている。このた
め、増幅器９ａのゲインは、基準ガスの増幅された後の
出力が一定値Ｖｒに保持されるように調整されることと
なり、この試料ガスの検出出力である測定信号がここで
のゲイン倍されることによって、基準ガスとの出力比が
求められることとなる。

【００１５】そして、増幅器９ａの出力は、試料ガスま
たは基準ガスの供給状態に応じてコントローラ６によっ
て引算器９ｃの測定入力または比較入力に適宜切り換え
られ、引算器９ｃは両者の差をとり出力する。ここで、
検出器２の比較信号をＲ，測定信号をＭとすると、増幅
器９ａの増幅率は、比較信号Ｒを一定値Ｖｒにするよう
Ｖｒ／Ｒとなるため、引算器９ｃの出力Ｖは、 Ｖ＝（Ｖｒ／Ｒ）・（Ｒ−Ｍ） ＝Ｖｒ−Ｍ／Ｒ となり、測定信号Ｍと比較信号Ｒとの比に応じた出力を
得ることができる。

【００１６】以上の構成により、試料ガスと基準ガスと
がそれぞれ試料セル１に供給されてから、セクタ等の断
続手段を用いて赤外光を照射するよう構成したため、従
来の流体変調方式の赤外線分析計に比べてガス交換時の
流量変化による検出精度への影響を削減できる。

【００１７】また、試料ガス、基準ガスを透過した赤外
光を別々に検出し、両者の検出出力比を求めるよう構成
したため、光源の印加電圧や周囲温度或いは光源自体の
劣化等による光量変化、試料セルの透過窓やセル内の汚
れ、さらに検出器の感度変化により、検出精度が低下す
るといった問題も解消できる。

【００１８】次に、コントローラ６の動作を図４のフロ
ーチャートに基づいて説明する。まず、モータ４を介し
てセクタ３を回転させ赤外光を遮断した状態で（Ｓ
１）、一つ前に供給したガスとは異なるガスを供給する
ようにドライバ８を介して三方弁７を切り換える（Ｓ
２，Ｓ３，Ｓ４）。そして、供給されたガスが前回供給
されたガスを十分排出して試料セル１に充填されるまで
の時間を待って（Ｓ５）、再びモータ４を介してセクタ
３を回転させ赤外光を試料セル１内に照射する（Ｓ
６）。そして、検出器２において赤外光が検出されるた
めの時間を待って、再度モータ４を介してセクタ３を回
転させ赤外光を遮断し、上記Ｓ１〜Ｓ７の動作を繰り返
す。

【００１９】図５は、以上のようにコントローラ６が動
作したときのセクタ３の開閉動作と、試料セル１内の試
料ガスの充填状態を示すタイミングチャートである。こ
の図では、試料セル１の内径を８ｍｍ、長さを５０ｍ
ｍ、内容積２．５１ｃｍ3 、ガス流量１リットル／ｍｉ
ｎとし、０．５秒毎に三方弁７を切り換えた場合の例が
示されている。かかる場合、ガスが完全に入れ換わる時
間は０．１５秒となり、試料セル内の試料ガスの状態は
図５の上図に示されるようになる。ここで、試料ガスが
存在しない状態は、逆に基準ガスが充填されていること
を示している。

【００２０】コントローラ６によりセクタ３が駆動され
るタイミングは、図５下図に示されているように、三方
弁７を切り換えてからセクタ３を駆動し赤外光を試料セ
ル１に照射するまでの時間を、ガスが完全に充填される
までの時間の約倍の０．３秒程度とすれば、ガスが完全
に入れ替わった状態で赤外光が入射されるため、より精
度の高い測定が可能となると共に、ガスの流量が０．５
リットル／ｍｉｎ程度に下がった場合であっても、測定
精度に影響を与えることはない。

【００２１】このように、試料セル１内のガスが完全に
置換される時間を予め求めておき、三方弁７を切り換え
てからその時間を待って或いはさらに余裕を持たせてセ
クタ３を駆動し赤外光を試料セル１に照射するようにす
れば、ガスが置換される際の影響を完全に除去すること
が可能となる。

【００２２】なお、以上の実施例では、セクタ３を回転
駆動することによって、赤外光を断続的に試料セル１に
照射するよう構成したが、以下のような変形態様によっ
て赤外光を断続して照射するようにしても良い。

【００２３】基準ガスと試料ガスとを選択的に試料セル
に供給する三方弁と、この試料セルに赤外光を照射する
光源と、この光源への電力供給を断続することによって
赤外光の照射を断続する断続手段と、前記試料セルを透
過した赤外光を検出する検出器と、前記三方弁を切り換
え制御を行い、基準ガスまたは試料ガスを試料セルに供
給した後、前記光源からの赤外光がこの試料セルに照射
されるよう前記断続手段を制御するコントローラと、前
記検出器における基準ガスと試料ガスとの出力比を測定
ガス濃度として求める信号処理手段と、を備えたことを
特徴とする赤外線ガス分析計。

【００２４】また、上述した実施例では、１種類の試料
ガスを分析する場合を示したが、本発明によれば、数種
類の試料ガスを分析することも可能である。図６は、２
種類の試料ガスを分析する場合の本発明の一実施例を示
しており、同図において、図１と同じものについては同
一の符号が付されている。図１と異なるのは、２種類の
サンプルガス１，２を試料セル１に適宜供給するため、
基準ガスを供給するための三方弁７ｃに加えて、サンプ
ルガス用の２つの三方弁７ａ，７ｂが設けられていると
共に、それらを駆動するためのドライバ８ａ，８ｂが別
に設けられていることである。

【００２５】かかる構成の赤外線ガス分析計における作
用をコントローラ６の動作を示した図７のフローチャー
トに基づいて説明する。

【００２６】まず、モータ４を介してセクタ３を回転さ
せ赤外光を遮断した状態で（Ｓ１１）、前回供給したガ
スが最後の試料ガスか否か、すなわち、本実施例ではサ
ンプルガス２であるか否かを判断し（Ｓ１２）、サンプ
ルガス２とは異なる場合、次の試料ガス、すなわち、本
実施例では、前回供給したガスが基準ガスである場合に
はサンプルガス１を、サンプルガス１である場合にはサ
ンプルガス２が供給されるよう、三方弁７ａ又は７ｂを
切り換え、いずれかの試料ガスを試料セル１に供給する
（Ｓ１４）。また、一つ前に供給したガスがサンプルガ
ス２の場合は、三方弁７ｃを切り換え、基準ガスを試料
セル１に供給する（Ｓ１３）。

【００２７】三方弁７ａ，７ｂ，又は７ｃのいずれかの
切り換え動作がなされると、今回供給されたガスが前回
供給されたガスを十分排出して試料セル１に充填される
までの時間を待って（Ｓ１５）、再びモータ４を介して
セクタ３を回転させ赤外光を試料セル１内に照射する
（Ｓ１６）。そして、検出器２において赤外光が検出さ
れるための時間を待って（Ｓ１７）、再度モータ４を介
してセクタ３を回転させ赤外光を遮断し、上記Ｓ１１〜
Ｓ１７の動作を繰り返す。

【００２８】なお、このとき、コントローラ６は、図３
に示された信号処理回路９において、基準ガスの検出時
には比較側に、また、試料ガスの検出時には測定側に増
幅器９ａから出力される信号を適宜供給するようスイッ
チを切り換える。

【００２９】図８は、図７のフローチャートで示される
ようにコントローラ６が動作したときのセクタ３の開閉
動作と、試料セル１内の試料ガスの充填状態を示すタイ
ミングチャートである。同図に示されるように、試料セ
ル１には、基準ガス、サンプルガス１、サンプルガス２
が順次供給され、それぞれのガスが試料セル１内に完全
に充填された時点でセクタ３が開口され、それぞれ開口
時に検出器２において検出された信号を図３に示される
信号処理回路９で処理することにより、図１に示した実
施例の場合と同様に、 Ｖ1 ＝（Ｖｒ／Ｒ）・（Ｒ−Ｍ1 ） ＝Ｖｒ−Ｍ1 ／Ｒ Ｖ2 ＝（Ｖｒ／Ｒ）・（Ｒ−Ｍ2 ） ＝Ｖｒ−Ｍ2 ／Ｒ なる測定信号Ｍ1 ，Ｍ2 と比較信号Ｒとの比に応じた出
力を得ることができる。ここで、Ｍ1 ，Ｍ2 はそれぞれ
サンプルガス１及び２の測定信号を、Ｒは基準ガスの測
定信号を示している。

【００３０】次に、上述した２種以上の試料ガスを供給
する場合として、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（Ｎ
Ｏ2 ）を測定する場合の例について示す。図９は、図６
に示した赤外線ガス分析計に供給するサンプルガス１，
２を生成するための前段処理部を示しており、まずポン
プ１３ａを用いて吸い込んだ排ガスからドレンセパレー
タ１１で水分を除去し、電子クーラ１２で冷却したガス
を２つに分岐し、一方は、そのままサンプルガス１と
し、他方はＮＯ2 ガスをＮＯガスに変換するための触媒
１４を通してサンプルガス２とする。

【００３１】サンプルガス２は、排ガスに含まれるガス
中のＮＯ2 成分がすべてＮＯ成分に変換されたものであ
るため、サンプルガス１は採取した排ガス中に存在する
ＮＯ成分をそのまま含むガスとなり、サンプルガス２
は、採取した排ガス中に存在するＮＯ成分とＮＯ2 成分
から変換されたＮＯ成分の両者を含むガスとなる。ま
た、窒素酸化物が含まれない純粋なエアをポンプ１３ｂ
によって吸い込み、電子クーラ１２で冷却したガスをそ
のまま基準ガスとする。

【００３２】そして、図６に示す赤外線ガス分析計の検
出器２をＮＯガスが所定の濃度で充填されたコンデンサ
マイクロホン式検出器とすれば、サンプルガス１中のＮ
Ｏガス濃度とサンプルガス２中のＮＯガス濃度を別々に
求めることが出来るため、サンプルガス２中のＮＯガス
濃度から排ガス中のＮＯ成分とＮＯ2 成分を加えた窒素
酸化物濃度を知ることが出来、また、サンプルガス２中
のＮＯガス濃度からサンプルガス１中のＮＯガス濃度を
引くことにより排ガス中のＮＯ2 ガス濃度を知ることが
出来る。

【００３３】このように、図６に示した赤外線ガス分析
計において、図９の構成を付加するだけで、ＮＯガスと
ＮＯ2 ガスとの２成分のガス濃度を同時に測定すること
が出来る。

【００３４】また、図９の触媒１４として、ＮＯガスと
ＮＨ3 ガスとを以下の式で示されるような還元反応させ
る触媒を用いれば、排ガス中のＮＨ3 成分の測定も可能
となる。

【００３５】 ＮＯ＋ＮＨ3 ＋１／４Ｏ2 −−＞ Ｎ2 ＋３／２Ｈ2 Ｏ すなわち、図９でサンプルガス１は、排ガス中のＮＯ成
分をそのまま含むガスとなり、また、サンプルガス２
は、還元反応が生じた分、すなわち、排ガス中に含まれ
るＮＨ3 成分だけＮＯ成分が減少したガスとなる。従っ
て、サンプルガス１とサンプルガス２でそれぞれ検出さ
れたＮＯガス濃度の差を求めれば、ＮＨ3ガス濃度を求
めることが出来る。

【００３６】なお、上述したように、図６に示した本発
明の実施例では、２種類の試料ガスを計測する構成を示
したが、２種類以上のガスであっても同様にそれぞれの
ガス分析を行うことが出来る。

【００３７】また、図８に示されるように、上記実施例
では、基準ガス、サンプルガス１、サンプルガス２の順
で試料セル１にそれぞれのガスを供給するようにした
が、基準ガス、サンプルガス１、基準ガス、サンプルガ
ス２、・・・というように、計測を終了したサンプルガ
スの後に必ず基準ガスを供給するようにすれば、計測時
間は伸びるがより精度の高いガス分析が可能となる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、試料ガスと基準ガスと
がそれぞれ試料セル１に供給されてから、セクタ等の断
続手段を用いて赤外光を照射するよう構成したため、従
来の流体変調方式の赤外線分析計に比べて流量変化によ
る検出精度への影響を削減できる。また、試料ガス、基
準ガスを透過した赤外光を別々に検出し、両者の検出出
力比を求めるよう構成したため、光源の印加電圧や周囲
温度或いは光源自体の劣化等による光量変化、試料セル
の透過窓やセル内の汚れ、さらに検出器の感度変化によ
り、検出精度が低下するといった問題も解消できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる赤外線ガス分析計の一例を示す
図である。

【図２】本発明にかかるセクタを示す図である。

【図３】本発明にかかる信号処理手段のブロック図であ
る。

【図４】本発明にかかるコントローラの動作を示すフロ
ーチャートである。

【図５】セクタの開閉と、試料セル内の試料ガスの供給
状態を示すタイミングチャーである。

【図６】本発明にかかる赤外線ガス分析計の他の例を示
す図である。

【図７】本発明にかかるコントローラの動作を示すフロ
ーチャートである。

【図８】セクタの開閉と、試料セル内の試料ガスの供給
状態を示すタイミングチャーである。

【図９】２種のサンプルガスを生成する構成の一例を示
す図である。

【図１０】従来の赤外線ガス分析計を示す図である。

【符号の説明】

１・・・・試料セル １ａ・・・ガス導入口 １ｂ・・・ガス排出口 ２・・・・検出器 ３・・・・セクタ ６・・・・コントローラ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基準ガスと試料ガスとを選択的に試料セ
   ルに供給する切換弁と、 この試料セルに赤外光を照射する光源と、 この光源からの赤外光を断続する断続手段と、 前記試料セルを透過した赤外光を検出する検出器と、 前記切換弁の切り換え制御を行い、基準ガスまたは試料
   ガスを試料セルに供給した後、前記光源からの赤外光が
   この試料セルに照射されるよう前記断続手段を制御する
   コントローラと、 基準ガスと試料ガスを透過したそれぞれの赤外光の前記
   検出器における検出値の比を求める信号処理手段と、 を備えたことを特徴とする赤外線ガス分析計。