JPH1062339A - 赤外線ガス分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】検出感度を向上させて低濃度のガス分析を行う
ことができ、しかも零点ドリフトの影響を除去できる赤
外線ガス分析計を提供する。 【解決手段】赤外線光源１と、赤外線を分岐する光束分
岐手段11と、赤外線光束の進行方向が交互に反転する赤
外線光束3A,3B および赤外線光束4A,4B を形成する光束
透過遮光手段２と、被分析ガスを導入・排出し赤外線光
束3A,3B が試料ガス中を通過する測定セル３と、赤外線
光束4A,4B が試料ガス中を通過する測定セル４と、測定
セル３、４の一方の赤外線光束透過窓34,44 に配置され
る受光室53、54と両受光室53,54 を連通するガス通路52
内のガス流を検出する検出素子51とを備えてなる第１検
出器５と、測定セル３、４の他方の赤外線光束透過窓3
3,43 に配置される受光室63、64とこの両受光室63,64
を連通するガス通路62内のガス流を検出する検出素子61
とを備えてなる第２検出器６と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線に対し種々
のガスが有する固有な波長の赤外線吸収特性を利用し
て、吸収されたエネルギー量を測定して試料ガス成分を
定量分析する赤外線分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８に従来技術の赤外線ガス分析計の概
略構成図を示す。図８において、赤外線ガス分析計は、
赤外線光源71,72 と, この光源より発せられる赤外線光
束をチョップする回転チョッパ73と, 回転チョッパを駆
動するモータ74と, 両赤外線光束の光量を調整する光調
整トリマ75と, からなり, 測定光線7Aおよび基準光線7B
を形成する赤外線光学系と、測定光線7Aの路に配置さ
れ, 赤外線吸収を行う被分析ガスを含む試料ガスを導入
排出する導入管87,88 を備える測定セル81と、基準光線
7Bの路に配置され, 赤外線吸収を実質的に受けない基準
セル82と、測定セル81の試料ガス中を通過した測定光線
7Aが入射する第１受光室91と, 基準光測定セル82を通過
した基準光線7Bが入射する第２受光室92と, 両受光室9
1,92 を連通するガス通路93（以下、連通口93と称す)
と, この連通口93に直交して配置される感熱抵抗素子9
4、95と, からなる検出器９と、を備えて構成される。

【０００３】かかる構成において、赤外線光源71,72 よ
り発せられた赤外線光束は回転チョッパ73により特定周
期の断続光となる。一方の赤外線光束は測定光線7Aとし
て測定セル81に導かれ、また、他方の赤外線光束は基準
光線7Bとして基準セル82に導かれる。測定セル81および
基準セル82に導かれる基準光線7Bと測定光線7Aとの間の
光量のアンバランスは、光調整トリマ75により調整され
る。

【０００４】測定セル81には、光透過窓83,84 が設けら
れ、導入管87,88 を介して被分析成分ガスを含む測定ガ
スが矢印方向に導かれている。測定光線7Aは、この測定
セル81において、測定セル81中の被分析成分ガス濃度に
応じた赤外線吸収を受ける。また、基準セル82には、同
様に光透過窓85,86 が設けられ、赤外線に対して吸収作
用をもたないガス、例えば窒素ガスなどが封入されてい
る。このため基準光線7Bは赤外線吸収の影響を受けるこ
となく、基準セル82を透過する。測定セル81を透過した
測定光線7Aおよび基準セル82を透過した基準光線7Bは、
ガス封入式検出器９に導かれる。この検出器９は、第１
受光室91と第２受光室92とを備え、各受光室91,92 は、
各々光透過窓97,98 を備え、被分析成分ガスと同じ種類
のガスが充填されている。第１受光室91には光透過窓97
を介して測定光線7Aが入射し、また、第２受光室92には
光透過窓98を介して基準光線7Bが入射する。

【０００５】図８に図示される検出器９において、第１
受光室91と第２受光室92を連通する連通口93では、測定
セル81中で被分析成分ガス濃度に応じた赤外線吸収を受
けた測定光線7Aと基準光線7Bとの間の光量差に基づき、
両受光室内に圧力変動が生じ、試料ガス中の被分析ガス
の含有量に比例した流れが生ずる。この流れを対をなす
感熱抵抗素子94、95で検出する。即ち、測定光線7Aと基
準光線7Bの光量差は、試料ガス中の被分析ガスの濃度に
対応する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この様な従来技術によ
る赤外線ガス分析計においては、この基準光線の光量に
対する測定光線の光量の減少分を出力として取り出すた
め、低濃度ガス分析を行うとき、検出感度が不足とな
り、検出精度の向上が期待できない。また、試料ガス中
のミスト（汚染物質）が試料測定セルの内面を汚染し、
測定セル内の測定光線の反射条件が変化するなどにより
光学系のバランスがくずれ、零点ドリフトを生ずる恐れ
がある。

【０００７】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
のであり、その目的は前記した課題を解決して、検出感
度を向上させて低濃度のガス分析を行うことができ、し
かも零点ドリフトの影響を除去できる赤外線ガス分析計
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては、赤外線光源と、この赤外線光源
から出射する赤外線を分岐する光束分岐手段と、この赤
外線光束の進行方向が交互に反転する第１赤外線光束お
よび第２赤外線光束を形成する光束透過遮光手段と、被
分析ガスを導入・排出し、第１赤外線光束が赤外線吸収
を行う被分析ガスを含む試料ガス中を通過する第１測定
セルと、被分析ガスを導入・排出し、第２赤外線光束が
赤外線吸収を行う被分析ガスを含む試料ガス中を通過す
る第２測定セルと、この第１測定セルおよび第２測定セ
ルの一方の赤外線光束透過窓に配置される第１受光室お
よび第２受光室と，この両受光室を連通する第１ガス通
路（第１連通口）と，この第１連通口内に配置され通路
内のガス流を検出する第１検出素子と，を備えてなる第
１検出器と、第１測定セルおよび第２測定セルの他方の
赤外線光束透過窓に配置される第３受光室および第４受
光室と，この両受光室を連通する第２連通口と，この第
２連通口内に配置され通路内のガス流を検出する第２検
出素子と，を備えてなる第２検出器と、を備え、少なく
とも、第１検出器または第２検出器に被分析ガスと同種
類のガスを充填するものとする。

【０００９】上記構成により、第１測定セルおよび第２
測定セル内を透過する第１赤外線光束および第２赤外線
光束の進行方向を互いに反対方向にすることにより、第
１検出器および第２検出器の各受光室が受光・吸収する
赤外線光束は、一方の受光室は測定セルを透過しこの測
定セル内での被分析ガス成分による赤外線吸収の影響を
受けた赤外線光束であり、他方の受光室は測定セル透過
前の赤外線光束であり測定セル内での被分析ガス成分に
よる赤外線吸収の影響を受けてない赤外線光束である。
従って、第１検出器および第２検出器の連通口では，測
定セル内での被分析ガス成分の内，検出器に充填された
ガス成分による赤外線吸収された赤外線エネルギー相当
分のガス流が発生し、当該検出素子で検出することがで
きる。

【００１０】この第１検出器および第２検出器で検出す
る信号は、測定セル内を進行する赤外線光束の進行方向
を交互に反転することにより、交流信号として検出する
ことができ、この検出信号の増幅などの後処理が容易に
できる。この結果、低濃度ガス成分を高感度に検出し、
また、零点ドリフトの小さい赤外線ガス分析計を構成す
ることができる。

【００１１】また、第１測定セルと第２測定セルは、多
重反射式長光路測定セルにより構成することができる。
上記構成により、第１測定セルおよび第２測定セル内で
赤外線光束を多重反射することにより、第１赤外線光束
および第２赤外線光束の光路長を長くすることができ
る。この結果、低濃度の被分析成分ガスによる赤外線吸
収が長い光路長で効率良く吸収することができ、小形の
測定セルで低濃度分析ガスを高感度に検出することがで
きる。特に、赤外線光束の多重反射を奇数回にすること
により、第１検出器および第２検出器が配置される位置
を第１測定セルおよび第２測定セルに対して同一方向に
配置することができ、光学系の構成を容易にすることが
できる。

【００１２】また、第１検出器および第２検出器は、測
定対象成分の異なる被分析ガスを充填することができ
る。また、第１検出器および第２検出器は、測定対象成
分の内、赤外線吸収スペクトルが近接し互いに干渉する
被分析ガスを充填することができる。上記構成により、
試料ガスの多成分定量分析を行うことができる。特に、
互いに赤外線吸収スペクトルが近接する干渉ガス成分を
第１検出器および第２検出器に充填することにより、両
干渉ガス成分を同時に定量分析することができる。

【００１３】また、光束透過遮光手段は、液晶を用いて
第１赤外線光束および第２赤外線光束の断続および切り
替えを制御することができる。上記構成により、赤外線
光束の進行方向が交互に反転し第１測定セル内を透過す
る第１赤外線光束、および、赤外線光束の進行方向が交
互に反転し第２測定セル内を透過する第２赤外線光束を
形成することができる。

【００１４】また、第１検出器または第２検出器と，あ
るいは第１検出器および第２検出器と，光束透過遮光手
段と，の間に干渉補償用の検出器を配置することができ
る。上記構成により、試料ガス中に互いに赤外線吸収ス
ペクトルが近接する干渉ガス成分の存在が予測されると
き、予め干渉補償用検出器を配置し、この干渉補償用検
出器で干渉ガス成分による干渉信号を演算により除去す
ることにより、対象とする被分析ガスの定量分析を安定
に行うことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明による赤外線ガス分
析計の請求項対応図、図２は一実施例による要部構成
図、図３、図４は実施例の赤外線光束の流れを説明する
説明図、図５は動作原理を説明する説明図、図６はドリ
フト補正原理を説明する説明図、図７は出力信号を説明
する説明図である。

【００１６】図１において、本発明に基づく赤外線ガス
分析計は、赤外線光源１と、この赤外線光源１から出射
する赤外線を分岐する光束分岐手段11と、この赤外線光
束の進行方向が交互に反転する第１赤外線光束(3A,3B)
および第２赤外線光束(4A,4B) を形成する光束透過遮光
手段２（2A〜2D) と、からなる赤外線光学系と、被分析
ガスを導入・排出し、第１赤外線光束(3A,3B) が赤外線
吸収を行う被分析ガスを含む試料ガス中を通過する第１
測定セル３と、被分析ガスを導入・排出し、第２赤外線
光束(4A,4B) が赤外線吸収を行う被分析ガスを含む試料
ガス中を通過する第２測定セル４と、この第１測定セル
３および第２測定セル４の一方の赤外線光束透過窓(34,
44)に配置される第１受光室53および第２受光室54と，
この両受光室(53,54) を連通する第１ガス通路52（以下
ガス通路を連通口52と称す）と，この連通口52内に配置
され通路内のガス流を検出する第１検出素子51と，を備
えてなる第１検出器５と、第１測定セル３および第２測
定セル４の他方の赤外線光束透過窓(33,43) に配置され
る第３受光室63および第４受光室64と，この両受光室(6
3,64) を連通する連通口62と，この連通口62内に配置さ
れ通路内のガス流を検出する第２検出素子61と，を備え
てなる第２検出器６と、を備え、少なくとも、第１検出
器５または第２検出器６に測定対象である被分析ガスと
同種類のガスを充填して構成される。

【００１７】かかる構成により、第１測定セル３内を透
過する第１赤外線光束(3A,3B) および第２測定セル４内
を透過する第２赤外線光束(4A,4B) の進行方向を互いに
反対方向、例えば、実線で図示される(3A,4B) あるいは
点線で図示される(3B,4A) にする。説明の簡明化のた
め、まず、第１赤外線光束および第２赤外線光束の進行
方向が実線で図示される赤外線光束(3A,4B) のときを説
明する。このときの第１検出器５および第２検出器６の
各受光室53,54,63,64 が受光・吸収する赤外線光束3A,4
B は、一方の受光室53(64)は測定セル３(4) を透過しこ
の測定セル３(4) 内での被分析ガス成分による赤外線吸
収の影響を受けた赤外線光束3A(4B)であり、他方の受光
室63(54)は測定セル３(4) 透過前の赤外線光束3A',(4
B') であり測定セル３(4) 内での被分析ガス成分による
赤外線吸収の影響を受けてない赤外線光束3A',(4B') で
ある。従って、第１検出器５および第２検出器６の連通
口52,62 では，測定セル３(4) 内での被分析ガス成分の
内，第１検出器５，第２検出器６に充填されたガス成分
による赤外線吸収される赤外線エネルギー相当分のガス
流が発生し、当該検出素子５，６で検出することができ
る。

【００１８】次に、第１赤外線光束および第２赤外線光
束の進行方向が点線で図示される赤外線光束(3B,4A) の
ときを説明する。このときの第１検出器５および第２検
出器６の各受光室53,54,63,64 が受光・吸収する赤外線
光束3B,4A は、一方の受光室63(54)は測定セル３(4) を
透過しこの測定セル３(4) 内での被分析ガス成分による
赤外線吸収の影響を受けた赤外線光束3B(4A)であり、他
方の受光室53(64)は測定セル３(4) 透過前の赤外線光束
3B',(4A') であり測定セル３(4) 内での被分析ガス成分
による赤外線吸収の影響を受けてない赤外線光束3B',(4
A') である。従って、第１検出器５および第２検出器６
の連通口52,62 では，測定セル３(4) 内での被分析ガス
成分の内，第１検出器５，第２検出器６に充填されたガ
ス成分による赤外線吸収される赤外線エネルギー相当分
のガス流が上述の実線で図示する赤外線光束3A,4B のと
きとは逆方向に発生し、当該検出素子５，６で検出する
ことができる。

【００１９】この結果、第１検出器５および第２検出器
６で検出する信号は、測定セル３、４内を進行する赤外
線光束(3A,4B),(3B,4A) の進行方向を交互に反転するこ
とにより、交流信号として検出することができ、この検
出信号の増幅などの後処理が容易にできる。この結果、
低濃度ガス成分を高感度に検出し、また、零点ドリフト
の小さい赤外線ガス分析計を構成することができる。

【００２０】

【実施例】図２は一実施例による要部構成図を示し、図
２の(A) は正面図を示し、括弧付きの部材番号は背面に
ある同じ機能部材を示す。図２の(B) は右側面図を示
し、図２の(C) は左側面図を示す。図２において、赤外
線ガス分析計は、赤外線光源１と、この赤外線光源１か
ら出射する赤外線を第１赤外線光束(3A',3B') および第
２赤外線光束(4A',4B') に分岐する図示例では集光ミラ
ー1A〜1Dからなる光速分岐手段11と、これらの赤外線光
束(3A',3B'),(4A',4B') の進路に配置され、当該赤外線
光束を透過および遮光する光束透過遮光手段(2A,2B),(2
C,2D) と、これらの光束透過遮光手段(2A,2B),(2C,2D)
からの透過光束(3A,3B),(4A,4B)を一方の受光窓(63a,53
a),(64a,54a) から受光し、他方の出射窓(63b,53b),(64
b,54b) から出射する第３、第１、第４、第２受光室
と、被分析ガスを導入・排出する導入排出口31、32を備
え、第３受光室63からの赤外線光束3Aが赤外線吸収を行
う被分析ガスを含む試料ガス中を通過し第１受光室53に
入射し、また、第１受光室53からの赤外線光束3Bが赤外
線吸収を行う被分析ガスを含む試料ガス中を通過し第３
受光室63に入射する第１測定セル３と、この第１測定セ
ル３の背面に配置され、被分析ガスを導入・排出する導
入排出口41、42を備え、第４受光室64からの赤外線光束
4Aが赤外線吸収を行う被分析ガスを含む試料ガス中を通
過し第２受光室54に入射し、また、第２受光室54からの
赤外線光束4Bが赤外線吸収を行う被分析ガスを含む試料
ガス中を通過し第４受光室64に入射する第２測定セル４
と、上記第１受光室53と第２受光室54と、この両受光室
53,54 を連通する第１連通口52と、この第１連通口52に
配置され通路内のガス流を検出する第１検出素子51と、
を備えてなる第１検出器５と、上記第３受光室63と第４
受光室64と、この両受光室63,64 を連通する第２連通口
62と、この第２連通口62に配置され通路内のガス流を検
出する第２検出素子61と、を備えてなる第２検出器６
と、を備え、少なくとも、第１検出器５または第２検出
器６に被分析ガスと同種類のガスを充填して構成され
る。

【００２１】第１測定セル３および第２測定セル４は、
反射鏡36,37,38および反射鏡46,47,48を備えて多重反射
式長光路測定セルを構成し、第１測定セル３および第２
測定セル４内で赤外線光束(3A,3B),(4A,4B) を多重反射
することにより、第１赤外線光束(3A,3B) および第２赤
外線光束(4A,4B) の光路長を長くすることができる。こ
の結果、低濃度の被分析成分ガスによる赤外線吸収が長
い光路長で効率良く吸収することができ、比較的短い測
定セル長で低濃度分析ガスを高感度に検出することがで
きる。特に、赤外線光束(3A,3B),(4A,4B) の多重反射を
奇数回（図示例では３回）にすることにより、第１検出
器５および第２検出器６が配置される位置を第１測定セ
ルおよび第２測定セルに対して同一方向（図示例では測
定セルの下部）に配置することができ、光学系の構成を
容易にすることができる。

【００２２】かかる構成の赤外線ガス分析計において、
赤外線光源１から出射した赤外線光束は、集光ミラー1A
〜1Dにより予め定められた立体角の範囲の光束に対して
指向性が得られるように集光し、光束透過遮光手段2A〜
2Dを介して第１検出器５および第２検出器６の受光室6
3,53,64,54 を透過し、第１多重反射測定セル３および
第２多重反射測定セル４に導かれ、第１多重反射測定セ
ル３に配置された３枚のミラー(36,37,38)および第２多
重反射測定セル４に配置された３枚のミラー(46,47,48)
により反射され、第２検出器６を透過した赤外線光束3
A,4A は第１検出器５へ、第１検出器５を透過した赤外
線光束3B,4B は第２検出器６へ導かれる。第１検出器５
と第２検出器６には異なる種類のガスが封入され、被分
析成分ガスの２成分を同時に測定することができる。

【００２３】図３、図４に基づき一実施例の赤外線光束
の流れを説明する。図３において、図３の(A) は正面図
であり第１測定セル３とこの関連部材、図３の(B) は右
側面図、図３の(C) は左側面図、図３の(D) は正面図の
背面に配置される第２測定セル４とこの関連部材、図３
の(E) は底面図であり光束透過遮光手段2A〜2Dの配置
と、白抜きで透過光状態を、斜線で遮光状態を示す。

【００２４】図３において、光源１から出射した赤外線
光束(3A',3B'),(4A',4B') は，集光ミラー(1A,1B),(1C,
1D) と、検出器５、６の間に設けられる４つの光束透過
遮光手段(2A,2B),(2C,2D) 、例えば液晶スイッチ、を制
御することにより、図３または図４に図示するＡ状態ま
たはＢ状態を交互に繰り返す様にチョッピングされる。
即ち、図３のＡ状態では、第１測定セル３を透過する赤
外線光束(3A)は、赤外線光源１を出射する赤外線光束3
B' が液晶スイッチ2Bで遮光され、赤外線光束3A' が液
晶スイッチ2Aを透過し、受光室63を透過し、赤外線光束
3Aとして第１測定セル３内を多重反射して受光室53に入
射する。また、第２測定セル４を透過する赤外線光束(4
B)は、赤外線光源１を出射する赤外線光束4A' が液晶ス
イッチ2Cで遮光され、赤外線光束4B' が液晶スイッチ2D
を透過し、受光室54を透過し、赤外線光束4Bとして第２
測定セル４内を多重反射して受光室64に入射する。

【００２５】同様に、図４のＢ状態では、第１測定セル
３を透過する赤外線光束(3B)は、赤外線光源１を出射す
る赤外線光束3A' が液晶スイッチ2Aで遮光され、赤外線
光束3B' が液晶スイッチ2Bを透過し、受光室53を透過
し、赤外線光束3Bとして第１測定セル３内を多重反射し
て受光室63に入射する。また、第２測定セル４を透過す
る赤外線光束(4A)は、赤外線光源１を出射する赤外線光
束4B' が液晶スイッチ2Dで遮光され、赤外線光束4A' が
液晶スイッチ2Cを透過し、受光室64を透過し、赤外線光
束4Aとして第２測定セル４内を多重反射して受光室54に
入射する。

【００２６】検出器５の受光室(53,54) に入射する光
は、第１測定セル３を透過する測定セル透過光（測定光
束）3Aと第２測定セル４透過前の測定セル未透過光（基
準光束）4Bとの組(3A,4B) と、第２測定セル４を透過す
る測定セル透過光（測定光束）4Aと第１測定セル３透過
前の測定セル未透過光（基準光束）3Bとの組(4A,3B)
と、が交互に入射する。

【００２７】測定セルを透過する赤外線光束は測定セル
内での被分析ガス成分に応じた赤外線スペクトル吸収が
ガス濃度に応じて吸収されるので、予め光束分岐手段で
分岐する赤外線光束(3A',4B'),(4A',3B') の強度を等し
く調整することにより、検出器５および検出器６から出
力される信号は図５および図７に図示される様に、第１
測定セル３および第２測定セル４にゼロガス（窒素ガス
などの赤外線吸収特性を有しないガス）を流通させた状
態では、測定光束と基準光束とが等しくなるため検出器
信号はゼロとなる。これに対し、測定対象ガスを上記第
１測定セル３および第２測定セル４に流通すると、測定
セル内の測定対象成分により測定光束はその一部が吸収
され基準光束と測定光束の間に光量差が生ずる。即ち、
受光室(53,54) で吸収される赤外線エネルギの差は、測
定セル内の測定対象ガスの濃度に対応し、両受光室(53,
54) の圧力差を発生し、連通口52にガス流を発生し、こ
のガス流を第１検出素子51で検出することができる。

【００２８】同様に、検出器６の受光室(63,64) に入射
する光は、第１測定セル３を透過する測定セル透過光
（測定光束）3Bと第２測定セル４透過前の測定セル未透
過光（基準光束）4Aとの組(3B,4A) と、第２測定セル４
を透過する測定セル透過光（測定光束）4Bと第１測定セ
ル３透過前の測定セル未透過光（基準光束）3Aとの組
（4B,3A)と、が交互に入射する。そして、この受光室(6
3,64) で吸収される赤外線エネルギの差は、両受光室(6
3,64) の圧力差を発生し、連通口62にガス流を発生し、
このガス流を第２検出素子61で検出することができる。

【００２９】図５は上述の被分析ガス成分の定量分析の
原理を図表にまとめたものでり、図７は第１検出器５お
よび第２検出器６から出力される出力信号を示す。第１
測定セル３および第２測定セル４に窒素ガスなどの赤外
線吸収特性を有しないゼロガスを流通させた状態では、
測定光束と基準光束が等しくなるため第１検出器５およ
び第２検出器６の検出信号はゼロとなる。これに対し、
図３、図４の図示例では、点線で図示される様に第１測
定セル３および第２測定セル４を直列に測定対象ガスを
流通すると、測定セル内の測定対象成分により測定光束
はその一部が吸収され、基準光束と測定光束の間に光量
差が生ずる。この光量差は測定対象ガスの濃度に対応す
る。この出力信号は、光束透過遮光手段(2A,2B),(2C,2
D) でＡ状態、Ｂ状態を交互に繰り返すチョッピング周
波数で変調された出力となる。

【００３０】図１あるいは図２において、第１検出素子
51および第２検出素子61が、例えば、熱線形検出素子(R
1,R2) で構成されたときの検出ブリッジ回路を図７の
(A) に図示し、図７の(B) に、ゼロガスを流通させた状
態（ゼロの直線で図示）と、被分析成分のスパン濃度の
ガスを流通させた状態（スパン出力信号幅Esを有する）
と、点線で図示される検出出力信号Ｅと、が図示されて
いる。

【００３１】次に、図６によりドリフト補正原理を説明
する。ここでは説明を簡略化するため、第２検出器６の
Ａ状態およびＢ状態について説明する。図６において、
第１測定セル３および第２測定セル４内に測定対象ガス
が存在しないとき、第１測定セル３を透過する測定セル
透過光（測定光束）3Bと，第２測定セル４透過前の測定
セル未透過光（基準光束）4Aと，は等しく、検出器６の
出力信号は零である。

【００３２】次に、ドリフト補正原理を説明するため、
今、何らかの原因でゼロガス状態で、測定セル透過光
（測定光束）3Bと測定セル未透過光（基準光束）4Aとの
光量が初めから等しくないものとする。検出器６内の被
分析ガス成分と同じガスが封入されている受光室63,64
にこれらの光束3B,4A が照射されると、光量の吸収量に
応じて異なった温度上昇を生じ、受光室63の圧力と受光
室64の圧力とは異なり圧力差が発生する。さらに、この
受光室63、64を結ぶ連通口62の中心に置かれた熱線形検
出素子(R1,R2) は極めて僅かな間隔で対向し、これに電
流を供給し加熱されている。今、測定セル透過光（測定
光束）3Bの光量が測定セル未透過光（基準光束）4Aの光
量よりも多いものとすると、第１測定セル３及び第２測
定セル４内に被分析ガスが存在しないにもかかわらず、
受光室63から受光室64へ封入ガスの流れが生じ、熱線形
検出素子(R1,R2) に抵抗変化が生じる。

【００３３】まず熱線形検出素子R1は封入ガスにより熱
吸収される。この熱吸収により熱線形検出素子R1は冷却
され、電気抵抗が低下する。一方熱線形検出素子R2は、
熱線形検出素子R1の熱を吸収し、温度上昇した封入ガス
の流れにより加熱され、それにより電気抵抗が上昇す
る。図７の(A) に図示される様に定電圧源Ｖにより電流
ｉを供給すると、検出回路に発生する検出出力電圧E0
は、

【００３４】

【数１】E0＝R1・ｉ−R2・ｉ …(1) ただし、R1：熱線形検出素子R1の初期抵抗R0の温度低下
による抵抗値 R2；熱線形検出素子R2の初期抵抗R0の温度上昇による抵
抗値 である。ここで、

【００３５】

【数２】R1＝R0−△R0、R2＝R0＋△R0 …(2) ただし、△R0：素子R1、R2の温度上昇または下降による
抵抗変化分とする。 従って、 (1)式は (3)式となる。

【００３６】

【数３】 E0＝ (R0−△R0) ｉ− (R0＋△R0) ｉ＝−２△R0・ｉ …(3) この−２△R0・ｉが零点ドリフト分の出力として発生す
る。次に、図６の(A) において、第１測定セル３および
第２測定セル４に被分析ガスを流通し、赤外線光束(3B,
4A) のＡ状態を説明する。このときは、第１測定セル３
内での被分析ガス成分による赤外線吸収により受光室63
での光量吸収による温度上昇が減り、受光室64から受光
室63への封入ガスの流れが生じる 。このガスの流れ方
向を矢印Qaとする。この封入ガスの流れQaにより、熱線
形検出素子R2はその封入ガスにより熱吸収されて温度低
下し、電気抵抗が低下する。これに対して熱線形検出素
子R1は、熱線形検出素子R2の熱を吸収して温度上昇した
封入ガスの流れにより、加熱され電気抵抗が上昇する。
これら熱線形検出素子R1、R2の抵抗変化を△R1とする。
また第６図に図示する様に、初めから赤外線光束3B＞光
束4Aであることによる光学系アンバランスによって生じ
る封入ガスの流れ方向を矢印Xaとする。この封入ガスの
流れ方向XaとQaとは反対で一般に流れ方向Qaは流れ方向
Xaより大である。

【００３７】従って図６の(A) において、抵抗R1、R2は

【００３８】

【数４】R1＝ (R0−△R0) ＋△R1 …(4)

【００３９】

【数５】R2＝ (R0＋△R0) −△R1 …(5) である。このとき検出回路に発生する出力をE1とすれ
ば、

【００４０】

【数６】 E1＝R1・ｉ−R2・ｉ＝−２△R0・ｉ＋２△R1・ｉ …(6) であらわされる。次に、図６の(B) において、第１測定
セル３および第２測定セル４に被分析ガスを流通し、赤
外線光束(3A,4B) のＢ状態を説明する。このときは、第
２測定セル４内での被分析ガス成分による赤外線吸収に
より、受光室64に照射される赤外線光束4Bの光量が受光
室63に照射される赤外線光束3Aの光量より少くなり、受
光室64の光量吸収量が受光室63より少く、それゆえ受光
室63が受光室64よりも高い温度上昇を生じ、圧力が高く
なる。従って受光室63から受光室64へ封入ガスの流れを
生ずる。この流れ方向は図６の(A) の流れQaとは反対で
あり、矢印Qbの方向である。熱線形検出素子R1は抵抗△
R1の低下、熱線形検出素子R2は△R1の上昇となる。さら
に図６の(A) に図示する様に、初めから赤外線光束3B＞
赤外線光束4Aであることによる封入ガスの流れ方向を図
６の(A) と同様に矢印Xaとすれば、この封入ガスの流れ
方向QbとXaは同一方向である。

【００４１】従って、図６の(B) において、抵R1、R2は

【００４２】

【数７】R1＝ (R0−△R0) −△R1 …(7)

【００４３】

【数８】R2＝ (R0＋△R0) ＋△R1 …(8) である。このとき検出回路に発生する出力をE2とすれば

【００４４】

【数９】 E2＝R1・ｉ−R2・ｉ＝−２△R0・ｉ−２△R1・ｉ …(9) 従って、測定信号Ｅは

【００４５】

【数１０】 Ｅ＝E1−E2＝（−２△R0・ｉ＋２△R1・ｉ）−（−２△R0・ｉ−２△R1・ｉ） ＝２（２△R1）ｉ ＝２Em …(10) である。(10)式において、Em＝２△R1・ｉはこの検出器
６の出力E1もしくはE2の信号成分を表す。従って、測定
信号Ｅは本実施例の様に測定光束と基準光束を切り換
え、検出器内に交互に入射するように構成することによ
り、出力信号Ｅが各Ａ，Ｂ状態における出力E1もしくは
E2の２倍になり、それゆえ、検出感度が２倍向上する。

【００４６】また、(10)式は (3)式で示す零点ドリフト
による出力（E0＝−２△RO・ｉ）が相殺されて、測定信
号Ｅに含まれていない。即ち、零点ドリフトは本構成に
より、取り除くことができる。この事柄は、検出器５に
ついても同様に検出感度が２倍に向上し、零点ドリフト
を相殺することが成り立つ。本発明においては、光束分
岐手段11は、図２に光源１から出射する赤外線光束(3
A',3B'),(4A',4B') を集光ミラー(1A,1B),(1C,1D) で反
射・集光している状態を図示したが、例えば、光ファイ
バを利用して予め定められた位置に赤外線光束3A,3B,4
A,4B を導光してもよい。

【００４７】また、第１検出器３および第２検出器４は
測定対象成分の異なる被分析ガスを充填することができ
る。この構成により、試料ガスの多成分定量分析を行う
ことができる。特に、互いに赤外線吸収スペクトルが近
接する干渉ガス成分を第１検出器および第２検出器に充
填することにより、両干渉ガス成分を同時に定量分析す
ることができる。

【００４８】また、第１検出器または第２検出器と，あ
るいは第１検出器および第２検出器と，光束透過遮光手
段と，の間に干渉補償用の検出器を配置することができ
る。この構成により、試料ガス中に互いに赤外線吸収ス
ペクトルが近接する干渉ガス成分の存在が予測されると
き、予め干渉補償用検出器を配置し、この干渉補償用検
出器で干渉ガス成分による干渉信号を演算により除去す
ることにより、対象とする被分析ガスの定量分析を安定
に行うことができる。

【００４９】また、光束透過遮光手段は、液晶を用いて
第１赤外線光束および第２赤外線光束の断続および切り
替えを制御する以外に、透過・遮光の窓枠を備える回転
遮光板を機械的に回転して、赤外線光束の進行方向が交
互に反転し第１測定セル内を透過する第１赤外線光束、
および、赤外線光束の進行方向が交互に反転し第２測定
セル内を透過する第２赤外線光束を形成することができ
る。

【００５０】

【発明の効果】以上述べたように本発明の構成によれ
ば、低濃度ガス分析に特に必要とする検出感度の向上お
よび光学系アンバランスによる零点ドリフトの除去が、
光断続機構により、第１測定セルを透過した第１赤外線
光束と第２測定セル透過前の第２赤外線光束と、およ
び、第２測定セルを透過した第２赤外線光束と第１測定
セル透過前の第１赤外線光束と、が第１検出器および第
２検出器に対して交互に入射するように構成することに
より解決できる。また試料ガスを第１セルと第２セルの
両方に流通させるため、これらセルの汚染も平均化さ
れ、光学系のバランスがくずれることが少ない。更に、
測定対象の異なる検出器を互いに配置しているため、例
えば、COガスと CO2ガスのように固有の吸収帯が隣りあ
う場合は、互いに測定妨害成分となるが、本実施例の場
合には互いの検出器を透過した光束が測定光としてセル
内に入射するためガスフィルタの役割を果たし、互いの
干渉の影響を低減することができる。また、セルに多重
反射形のセルを用いているため小形の装置で光路長を長
くすることができ、従来の構成に比べて分析計の全体構
成を大幅に小形化した高感度、高安定性の赤外線ガス分
析計を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による赤外線ガス分析計の請求項対応図

【図２】一実施例による要部構成図

【図３】実施例の赤外線光束の流れＡ状態を説明する説
明図

【図４】実施例の赤外線光束の流れＢ状態を説明する説
明図

【図５】動作原理を説明する説明図

【図６】ドリフト補正原理を説明する説明図

【図７】出力信号を説明する説明図

【図８】従来技術による赤外線ガス分析計の概略構成図

【符号の説明】

１ 赤外線光源 11 光束分岐手段 ２、2A〜2D 光束透過遮光手段 ３ 第１測定セル ４ 第２測定セル 31,32,41,42 導入排出口 33,34,43,44 赤外線光束透過窓 36,37,38,46,47,48 ミラー 3A,3B,4A,4B,3A',3B',4A',4B' 赤外線光束 ５ 第１検出器 ６ 第２検出器 51、61 検出素子 52、62 連通口 53,54,63,64 受光室 53a,54a,63a,64a 受光窓 53b,54b,63b,64b 出射窓 Qa,Qb,Xa 連通口内ガス流れ方向 R1,R2 検出素子抵抗値 Ｅ，E1,E2 検出出力 7A 測定光線 7B 基準光線 71,72 赤外線光源 73 回転チョッパ 74 モータ 75 光調整トリマ 81 測定セル 82 基準セル 83,84,85,86,97,98 光透過窓 87,88 導入管 ９ 検出器 91,92 受光室 93 連通口 94、95 感熱抵抗素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤尾 幸造 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 関根 美幸 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】赤外線光源と、 この赤外線光源から出射する赤外線を分岐する光束分岐
   手段と、 この赤外線光束の進行方向が交互に反転する第１赤外線
   光束および第２赤外線光束を形成する光束透過遮光手段
   と、 被分析ガスを導入・排出し、第１赤外線光束が赤外線吸
   収を行う被分析ガスを含む試料ガス中を通過する第１測
   定セルと、 被分析ガスを導入・排出し、第２赤外線光束が赤外線吸
   収を行う被分析ガスを含む試料ガス中を通過する第２測
   定セルと、 この第１測定セルおよび第２測定セルの一方の赤外線光
   束透過窓に配置される第１受光室および第２受光室と，
   この両受光室を連通する第１ガス通路と，このガス通路
   内に配置され通路内のガス流を検出する第１検出素子
   と，を備えてなる第１検出器と、 第１測定セルおよび第２測定セルの他方の赤外線光束透
   過窓に配置される第３受光室および第４受光室と，この
   両受光室を連通する第２ガス通路と，このガス通路内に
   配置され通路内のガス流を検出する第２検出素子と，を
   備えてなる第２検出器と、を備え、 少なくとも、第１検出器または第２検出器に被分析ガス
   と同種類のガスを充填する、 ことを特徴とする赤外線ガス分析計。
2. 【請求項２】請求項１に記載の赤外線ガス分析計におい
   て、第１測定セルと第２測定セルは、多重反射式長光路
   測定セルにより構成する、ことを特徴とする赤外線ガス
   分析計。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の赤外線ガ
   ス分析計において、第１検出器および第２検出器は、測
   定対象成分の異なる被分析ガスを充填する、ことを特徴
   とする赤外線ガス分析計。
4. 【請求項４】請求項３に記載の赤外線ガス分析計におい
   て、第１検出器および第２検出器は、測定対象成分の
   内、赤外線吸収スペクトルが近接し互いに干渉する被分
   析ガスを充填する、ことを特徴とする赤外線ガス分析
   計。
5. 【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれかの項に
   記載の赤外線ガス分析計において、光束透過遮光手段
   は、液晶を用いて第１赤外線光束および第２赤外線光束
   の断続および切り替えを制御する、ことを特徴とする赤
   外線ガス分析計。
6. 【請求項６】請求項１ないし請求項５のいずれかの項に
   記載の赤外線ガス分析計において、第１検出器または第
   ２検出器と，あるいは第１検出器および第２検出器と，
   光束透過遮光手段と，の間に干渉補償用の検出器を配置
   する、ことを特徴とする赤外線ガス分析計。