JPS5926278Y2 - 赤外線ガス分析計用検出器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は被測定物の赤外線吸収量を検出して濃度測定を
行う赤外線ガス分析計用検出器に関するものである。

とりわけ本考案は熱式流量計型検出素子を用いた赤外線
ガス分析計を高感度にし且つ安価な構造にする技術に関
するものである。

一般に物質は光に対してその物質固有の吸収スペクトル
を持っている。

気体について見ると赤外線領域に吸収スペクトルを有す
るものがあり、各気体の赤外線吸収量と濃度との関係は
ランベルトベールの法則に従うことが知られている。

この様な気体の性質を利用して赤外線ガス分析計が考え
出され既に多くの分野で用いられている。

この赤外線ガス分析計の原理構成図が第１図に示されて
いる。

この装置において、光源１から放出された赤外線は回転
チョッパ２により断続されて断続光となり、分配セル３
で二つの光束に等分に分けられた後赤外線を吸収しない
ガス（例えば窒素等）が封じられた基準セル５及びサン
プルガスが導かれる試料セル４に入る。

この時、試料セル４の中では試料ガス中の成分により被
測定ガスの濃度及びセルの長さに対応する分だけ赤外線
が吸収されるからこれを透過する赤外線光量は吸収され
た分だけ少なくなる一方、基準セル５の中にあっては赤
外線の吸収は起らない。

上記二つのセル４及び５を通った赤外線は被測定ガス又
はこれと同様の吸収スペクトルを有するガスが封じられ
た膨張室６ａ及び６ｂに入射するが、上で述べた様に試
料セル４を通った赤外線は一部吸収されてしまっている
ため、それぞ：れの膨張室６ａ及び６ｂ内に封じられた
封入ガスの赤外線吸収量に差を生じる。

膨張室封入ガスによって吸収された赤外線はガスの熱運
動エネルギとなってガスを膨張させる。

しかし上記の如く両膨張室６ａ及び６ｂ間において封入
ガスの赤外線吸収量に差があるため、この差に基づく圧
力差が膨張室６ａ、６ｂ間で生じ、二つの膨張室を結ぶ
ガス通路内に気流が生じる。

したがってこのガス通路内に熱式流量計型検出素子７を
設置すれば二つの膨張室間の圧力差即ち被測定ガス濃度
に対応する電気的な信号Ｓが得られる。

先にも述べた様に、赤外線吸収の強さと濃度の関係はラ
ンベルトベールの法則で次の様に与えられる。

Ｉ：Ｉｏｅ−ｋＣｌ ここで゛ Ｉｏ：入射赤外光の強さ Ｉ：透過赤外光の強さ Ｃ：被測定ガスの濃度 １：試料セルの長さ に：吸収係数 また、二つの膨張室間の圧力差ΔＰに伴う検出素子の抵
抗変化をΔＲとすると被測定ガス濃度Ｃは次の式で表わ
される。

ΔＲＣｘ−ΔｐｏｃＩｏ−Ｉ＝Ｉｏ（１−ｅ−”’＝ｋ
ｃｌ赤外線ガス分析計は以上の様な原理に基づくもので
ある。

いま、従来からの赤外線ガス分析計の検出器（主として
二つの膨張室とこれらを結ぶガス通路と当該ガス通路内
に置かれた検出素子とから成る）部分について検討を加
えると、従来の検出器の典型的な例は第２図及び第３図
に示す様なものであった。

この検出器は主として二つのブロックから成り、一方の
ブロックには二つの膨張室１２及び１３が形成され、他
方のブロックは各膨張室まで延びこれらを連通させるガ
ス通路１５が形成されると共にハーメチックシールｂに
よってリード線Ｃを固定し且つこのリード線に接続され
た検出素子ａを上記ガス通路内に保持して成る。

これら二つのブロックは上記膨張室１２．１３やガス通
路１５内が外部と気密を保つ様に接合されている。

この検出器において、第２Ａ図から明らかになる様に、
赤外光は赤外線透過窓１４を通って膨張室１２、１３内
の封入ガスを膨張させる。

他方ガス通路１５内までは赤外光が届かないので、この
ガス通路内にある封入ガスは何ら赤外線による膨張作用
を受けない。

従ってガス通路１５は検出器１１の中でいわゆるテ゛ツ
ドスペースを形成していることになる。

試料セル中の被測定ガスの濃度に対応して圧力変化を起
す、膨張室内の気体の体積に対するガス通路内に存在す
る気体の体積の割合の大小は検出器の感度の大小を左右
する。

従来の検出器は第２図或は第３図に示しであるようにガ
ス通路１５が比較的長く従って上記のいはゆるデッドス
ペースが比較的大きい。

これは検出器１１への検出素子ａの装着及び品質管理を
容易にすべく検出器をブロック化して組合わせる様にし
たため、両方のブロックにわたって延びるガス通路が必
要になったからである。

しかし、この様な構造にしたことにより検出器の大型化
を招き、更に接着剤によって二つのブロックを接合する
に際しての接着面積が比較的大きいためこの接着剤の経
時劣化によって検出器の性能上悪影響を及ぼす危険性が
あった。

本考案は、検出器の膨張室に対するテ゛ツドスペースの
体積割合を小さくして検出感度を大きくすると共に構造
を小型化し、更に気体の流れを測定する検出素子を、簡
単且つ確実にガス通路内に整合し得るような構造をもつ
赤外線ガス分析計用検出器を提供することを目的とする
。

本考案は、また、気体の流れを測定する検出素子と外部
分析装置とを電気的に連結するためのリード線のシール
を確保しつつ、リード線と検出素子との電気的連結を外
部に露出した状態で行なうことによって、連結作業を容
易にするとともにその信頼性を飛躍的に向上させた赤外
線ガス分析計用検出器を提供することを目的とする。

本考案は、上記目的を達成すべく完成されたもので、基
準赤外線及び試料セルを通過した赤外線が照射されるよ
うにされた第１及び第２の膨張室、それらを連結するガ
ス通路、そして、ガス通路の中間に形成された凹所を有
する検出器ブロックと；検出器ブロックの凹所に組込ま
れた感知装置と；から構成されてなる赤外線ガス分析計
用検出器において、 上記感知装置が、上記検出器ブロックの凹所の少なくと
も一部分に密接して嵌装されるベース部分と；上記ベー
ス部から突出して形成された突出部分であって、上記感
知装置が上記検出器ブロックの凹所に組込まれた時、上
記ガス通路と整合する位置に横断方向に貫通して形成せ
しめられた通気孔を有する突出部分と；上記突出部分の
通気孔の位置に装着された検出素子と；そして、上記検
出素子に電気的に連結されたリード線であって、上記ベ
ース部分をシール状態で貫通し検出器の外部装置に連結
可能とされたリード線；を含んでなることを特徴とする
赤外線ガス分析計用検出器を提供するものである。

本考案は添付の図面を参照して以下更に詳細に説明され
る。

第４図及び第５図は本考案の赤外線ガス分析計に使われ
る検出器２０の一実施例を示す断面図である。

また第６図はこの検出器に組込まれる感知装置２１を拡
大し且つ一部破断して示す斜視図である。

第４図から明らかになる様に、検知機２０のブロックは
第１及び第２の膨張室２２及び２３を有し赤外線透過窓
２４を通って入射した赤外光を受入れる様になっている
。

これら二つの膨張室２２゜２３のうち一方は試料セルを
通った。

赤外線を受入れ、また他方は基準セルを通った赤外線を
受は入れるものであることは前に述べた説明から明らか
であろう。

この検出器２０の二つの膨張室の中間にはこれら膨張室
からほぼ等しい距離の所に凹所、すなわち凹み穴１９が
形成されさらにこの凹み穴と上記第１及び第２の膨張室
２２．２３とを連通ずるガス通路２５１ 、２５０が形
成されている。

凹み穴１９と第１の膨張室２２を結ぶガス通路２５１及
び凹み穴１９と第２の膨張室２３を結ぶガス通路２５０
はいずれもほぼ等しい径と長さを有している。

凹み穴１９の内部にはガス通路２５内のガスの流れに応
じて電気信号を発する検出素子ａとこの検出素子からの
電気信号を取出すためこれに接続されたリード線Ｃとを
含む感知装置２１が組入まれる。

この感知装置２１は凹み穴とほぼ同じ形状のベース部分
、図示された実施例では、凹み穴１９とほぼ同じ径を有
する円柱体２６とこの円柱体と一体に形成され且つその
円柱体の軸方向に延び更に凹み穴１９の直径分にほぼ等
しい幅寸法を有する突起部分、すなわち舌部２７とによ
り構成されている。

円柱体２６の一部にはこの円柱体の軸方向に貫通してい
るノード線挿入孔２９が形成され又舌部２７にはこれを
貫通して通気孔２８が形成されている。

感知装置２１は凹み穴１９内に装填された後、通常、接
着剤でもって検出器本体との間で気密に接着固定され、
また円柱体２６に形成されたリード線挿入孔２９はリー
ド線を固定保持するハーメチックシールｂによって密閉
され外気から遮断される。

したがって膨張室２２及び２３内に充填された封入ガス
は舌部２７に形成された通気孔２８を通してのみ連通せ
しめられている。

この感知装置２１に用いられる検出素子ａの構造及びそ
の舌部２７への取付状態が第７図乃至９図に拡大して示
しである。

検出素子ａは熱線素子３０と、この熱線素子を一定の間
隔を置いて対向して配置し且つ固定するため例えばガラ
ス等の絶縁材料から出来た板材３１とから成る。

熱線素子３０は例えばニッケル等の金属で出来たフィル
ム材料から戊り細い格子状の空間を作るべく空隙部３３
が形成されている。

この空隙部はフィルム材料の相対向する側縁から交互に
フィルム材料の中間部分まで一定の長さだけ切込まれて
成るから、何本もの細線が蛇行状に張られた形で熱線素
子３０が構成される。

リード線Ｃは蛇行状に延びる熱線素子の両端末に接続さ
れる。

また熱線素子３０及び３０′は第８図に示されている様
に、２枚が一定の間隔を置いて相対向するよう、板材３
１により固定保持されている。

個々の熱線素子３０．３０’の空隙部３３にはガスが流
れる。

第９図に示しである様に舌部２７の通気孔２８に板材３
１の開口３２が正しく合致する様にして検出素子ａを当
該舌部に装着し、これに電流を通すと熱線素子３０．３
０’は加熱されこれを通過する空気の流れに応じて第８
図イ５ロ、八に示す温度分布を示す。

すなわち、無風状態にあっては二つの熱線素子は第８図
イに示す様な温度分布を示す。

ところが熱線素子３０．３０’の空隙部３３をガスが流
れるとこの温度分布は変化を起す。

というのは、ガスはその流速（即ち流量）に応じて、ま
ずガスの流れの前側に置かれた熱線素子（仮りに第１の
熱線素子とする）から熱をうばう。

従って、第１の熱線素子はそのガスの流速に応じて冷却
され、その温度は無風状態の時に比較し減少する。

一方ガスはそのうばった熱により加温され、この加温さ
れたガスは流れの下流側に置かれた熱線素子（第２の熱
線素子）を温める。

それ故、第２の熱線素子の温度は無風状態の時に比べて
増加する。

これによってガスが第８図左側から流れる時は熱線素子
３０．３０’の温度分布は口に示す様になり、また逆に
右側から流れる時はハに示す様な温度分布になる。

一方例えばＮｉ金属は温度変化によってその電気的抵抗
が一定の割合で変化するため、この抵抗変化を利用して
温度変化を電気信号として出力できる。

こうして、検出器２０の膨張室２２．２３内に充填され
た封入ガスの膨張の度合が異なりガス通路２５０．２５
１内でこの封入ガスの流れが生じた時のガス流量が測定
される。

この測定値は赤外線ガス分析計の試料セル内に送り込ま
れた被測定ガス濃度に対して一定の関係を有するから、
上記被測定ガスの濃度が検出される。

既に述べた様に、本考案の検出器２０においては膨張室
内の容積に対するガス通路内容積（デッドスペース）を
比を従来の検出器に比較して約３０パーセント小さくす
ることができた。

これによって赤外線ガス分析計の感度が従来のものより
も約１５パーセント向上し分析計の性能を上げるのに役
立った。

また検出器本体への感知装置２１の取付けに工夫をこら
し、この感知装置２１を、円柱体２６及び舌部２７から
成る本体部に検出素子ａを取付けた１個の小型ユニット
として構成したため、ガス分析計の心臓部とも言える感
知装置の組立てに際して検出素子の装着等が全て外部よ
り目視或は顕微鏡観察によって確認できるため製作精度
の向上を図ることができた。

更にこの感知装置２１が小型であるところから、当該感
知装置を検出器本体に接着固定するに際して接着面積を
従来のものよりも％以下と大幅に減少せしめることがで
き、接着剤の経時劣化が赤外線ガス分析計に与える悪影
響の危険性を少なくすることができる様になった。

これによってガス分析計の長期的な信頼性も一段と向上
したのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、赤外線ガス分析計の原理図である。 第２図は、赤外線ガス分析計の検出器部分の従来例を示
す正面図である。 第２Ａ図は、第２図の線Ａ−Ａにおける断面図である。 第３図は、第２図の従来例の一部を破断して示す斜視図
である。 第４図は、本考案による赤外線ガス分析計の検出器部分
を示すもので、第５図の線ＩＶ−ＩＶにおける断面図で
ある。 第５図は、第４図の線■−■における断面図である。 第６図は、本考案の赤外線ガス分析計用検出器に用いら
れる感知装置を一部破断して示す斜視図である。 第７図は、赤外線ガス分析計に用いられる検出素子を示
す正面図である。 第８図は、第７図の検出素子を側方から見た図であり、
図中イ９９ロ、ハ検出素子における温度分布を概略的に
示すグラフである。 第９図は、感知装置内における検出素子の取付状態を概
略的に示す側方断面図である。 符号の説明、１：光源、２：チョッパ、３：光分配器、
４：試料セル、５：基準セル、６ａ、６ｂ：膨張室、２
０：検知器、２１：感知装置、２２．２３ ：膨張室、
２４：赤外線透過窓、２５０．２５１ ：ガス通路、２
６：円柱体、２７：舌部、２８：通気孔、ａ：検出素子
。

Claims (4)

【実用新案登録請求の範囲】
1. （１）、基準赤外線が照射される第１の膨張室、被測定
   ガスを含む試料ガスが収容されている試料セルを透過し
   た赤外線が照射される第２の膨張室、上記第１および第
   ２の膨張室を連通させるガス通路、そして、上記ガス通
   路の中間に該ガス通路を横切って形成された所定形状の
   凹所を有する検出器ブロックと；上記検出器ブロックの
   凹所に組込まれた感知装置と；がら構成されてなる赤外
   線ガス分析計用検出器において、上記感知装置が、上記
   検出器ブロックの凹所の少なくとも一部分に密接して嵌
   装されるベース部分と；上記ベース部分から突出して形
   成された突出部分であって、上記感知装置が上記検出器
   ブロックの凹所に組込まれた時、上記ガス通路と整合す
   る位置に横断方向に貫通して形成せしめられた通気孔を
   有する突出部分と：上記突出部分の通気孔の位置に装着
   された検出素子と；そして、上記検出素子に電気的に連
   結されたリード線であって、上記ベース部分をシール状
   態で貫通し検出器の外部装置に連結可能とされたリード
   線；を含んでなることを特徴とする赤外線ガス分析計用
   検出器。
2. （２）実用新案登録請求の範囲第１項に記載の検出器に
   おいて、 上記リード線が、上記ベース部分のハーメチックシール
   部分を通って延在するようにされてなる検出器。
3. （３）実用新案登録請求の範囲第１項又は第２項に記載
   の検出器において、 上記感知装置のベース部分が、円柱形形状を有し且つ上
   記検出器ブロックの凹所が、それと補合する円柱形形状
   とされてなる検出器。
4. （４）実用新案登録請求の範囲第１項から第３項までの
   いずれか１項に記載の検出器において、上記検出器ブロ
   ックの凹所が上記ガス通路のほぼ中間に位置されてなる
   検出器。