JPS60250234A - 赤外線ガス分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）目的 （産業上の利用分野） 本発明は各種工業プロセスのガス濃度の監視や制御、公
害監視のための排ガス濃度測定などに使用される分析計
であって、ガス分子の赤外線吸収効果を利用してガス分
子の赤外線吸収の強さにより試料ガス中の特定成分の濃
度を測定する非分散形赤外線ガス分析計に関する。

（従来の技術） 第６図には単光源を用いた従来の赤外線ガス分析計を示
す。１は光源で、その光源１に対し試料セル２と比較セ
ル３が同量の光が入射されるように互いに平行に配置さ
れている。試料セル２には測定成分を含んだ試料ガス、
赤外線吸収をもたないＮ２のような不活性なガス（ゼロ
ガス）及び一定濃度の測定成分を含んだガス（スパンガ
ス）が切り替えてか流され、比較セル３には赤外線を吸
収しない窒素や空気などの不活性ガスが充填されている
。４は光チョッパで光源１から試料セル２と比較セル３
に入射される光を同時断続する。５゜６は各セル２，３
を透過して検出器７に入射する光の量を調整する光量調
整器である。

検出器７は金属薄膜８により２個の室９，１０に仕切ら
れ、両室９，１０には測定成分ガスが充填されて密閉さ
れたコンデンサマイクロホン方式の検出器であって、金
属薄膜８とそれに対向して設けられた電極１１とでコン
デンサを形成している。１２はその検出器７の信号検出
回路である。

１３は光チョッパ４を回転させるモータである。

この従来の赤外線ガス分析計では、光量調整器５．６に
より検出器７の両室９．ｌＯに入射する光量が等しくな
らないように調整される。まず、ゼロガスを試料セル２
に流したとき、検出器７へ入射される光量は比較セル３
側の方が多くなるように光量調整器５，６が調整されて
いるとする。

検出器７では室１０の方が室９より多くの光量が入射さ
れるので金属薄膜８は左方向へふくらむ。

検出器７の両室９，１０へ入射する光は光チョッパ４に
より同時断続されているので、金属薄膜８も一定周波数
で振動し、その検出信号は第７図の記号１５で示される
ように得られ、この信号の振幅がゼロ点となる。

次に試料セル２にスパンガスを流して同様の測定をすれ
ば、試料セル２で赤外線の吸収が起って試料セル２を透
過する光量が減少するので、検出信号は第７図の記号１
６で示されるようにその振幅が大きくなる。この検出信
号１６の振幅がスパン点となる。

そして、試料セル２に測定ガスを流して同様の測定を行
なうと、第７図の記号１７で示されるように成分ガスの
濃度に応じた振幅の検出信号が得３− られるので、これをゼロ点とスパン点の間で比例配分し
て試料ガス濃度をめることができる。

この従来の赤外線ガス分析計では上述の如く試料セル２
と比較セル３の透過光をそれぞれ検出器７の別々の室９
と１０に入射させ、再透過光量の差により試料セル２中
の成分ガスの濃度を測定するものであり、かつ試料セル
２と比較セル３の透過光量が等しくなっては検出器７の
金属薄膜８が停止して検出ができなくなるため、光量調
整器５゜６により試料セル２と比較セル３の透過光量が
異なるように調整していた。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のこの赤外線ガス分析計を長時間連続して使用する
場合、単光源を使用したとしても周囲の温度変化や光源
の光量変化、検出器の感度変化などにより、ゼロ点およ
びスパン点が変化する。このため従来の赤外線ガス分析
計では分析部（光学系）を一定温度に温度調節すること
が必要であり、その結果コストの高いものとなっている
。また、温度調節が完全なものでない場合には誤差の原
因４− となっていた。

従来ではこれらの誤差を小さくするため、一定周期でゼ
ロガス及びスパンガスを定期的に（高感度分析計ではよ
り頻度が高く）流してゼロ点とスパン点を校正する必要
があった。

また、ゼロ点測定時に試料セル側の透過光量と比較セル
側の透過光量をある一定の差にするために光学系の光量
バランスを調整する必要があり、この調整のための光量
調整器の機構が必要であり、これを調整するための工数
も必要であった。

本発明は、周囲温度の変化、光源の光量変化、検出器の
感度変化などを検出信号の処理により自動的、かつ連続
的に補正することができ、恒温槽や光量調整器を不要に
して、安定性がよく、低コストの赤外線ガス分析計を提
供することを目的とするものである。

（ロ）構成 （問題点を解決するための手段） 本発明の赤外線ガス分析計では、１個の光源を用い、こ
の光源からの光が試料セルと比較セルをそれぞれ透過し
た透過光を１個の検出器に交互に導入し、再透過光の検
出信号を別々に取り出す。

検出器としてはコンデンサマイクロホンもしくはマイク
ロフローセンサを使用した一方向形圧力検出方式もしく
は前後室形検出方式のもの、又は半導体検出器が用いら
れ、その検出器への透過光の導入は試料セルと比較セル
の入射側又は透過側に設けられた光チヨツパ手段により
制御される。

本発明の信号処理系を第１図に示す。

３０はゼロガス、スパンガス又は試料ガス導入時の比較
セル又は試料セルに関する測定信号Ｒｏ　。

Ｍｏ、Ｒｓ、Ｍｓ、Ｒ，Ｍ、及びスパンガス濃度Ｃｓを
それぞれの番地に記憶するメモリ、３１は測定信号が比
較セル側のものか試料セル側のものかを弁別するセル弁
別機構、３２はそのセル弁別機構３１からの信号と導入
ガスがゼロガス、スパンガス又は試料ガスのいず匙であ
るかを表わす信号とにより、前記測定信号を前記メモリ
３０の所定の番地へ記憶させるメモリ選択手段、３３は
前記メモリ３０の内容を読み出し、次の式％式％（１） により試料ガスの濃度を算出する演算手段である。

ここで、Ｍは試料セル側での試料ガス導入時の測定信号
、ＭＯは試料セル側でのゼロガス導入時の測定信号、Ｍ
ｓは試料セル側でのスパンガス導入時の測定信号、Ｒは
比較セル側での試料ガス導入時の測定信号、Ｒ，ｏは比
較セル側でのゼロガス導入時の測定信号、Ｒｓは比較セ
ル側でのスパンガス導入時の測定信号である。

メモリ選択手段３２及び演算手段３３はマイクロプロセ
ッサユニット（以下ＭＰＵという）４２に含まれている
。

３４はスパンガス濃度設定手段であり、ＭＰＵ４２を介
してスパンガス濃度Ｃｓをメモリ３０の所定の番地の記
憶させる。

（実施例） 第２図は本発明の一実施例を表わす。

光源１から放出された赤外線は光チョッパ２０により一
定の時間間隔で断続されて、試料セル２と比較セル３に
交互に導入される。

７− ２１は試料セル２又は比較セル３を透過した光を単一の
検出器２２に入射させる集光器である。検出器２２は光
の入射に対して前後に配置された２個の室２２−１．２
２−２を有し、各室２２−１　。

２２−２には測定成分ガスが充填されて密閉されており
、入射光はまず前室２２−１に入り、その透過光が後室
２２−２に入る。両室２２−１゜２２−２における光吸
収の差に応じた圧力差は両室間に設けられた圧力差検出
素子２３により検出される。圧力差検出素子２３として
は、コンデンサマイクロホンが使用される。

光チョッパ２０は光源１からの光を試料セル２と比較セ
ル３に交互に入射させるように光束を断続する。そのよ
うな光チョッパ２０は例えば第３図に示されるようなも
のであり、試料セル２用の開口２４と比較セル３用の開
口２５が互いに離れた位置に設けられている。２６．２
７はこの光チョッパ２０が光束を断続するタイミングを
検出する光検出器で、そのための開口２８．２９ととも
に第１図におけるセル弁別機構３１を構成し、その８− 開口２８．２９からの光を受光してパルス信号を発生す
る。

この光チョッパ２０が試料セル２と比較セル３に交互に
光を入射させる回転速度は検出器２２の応答時間より遅
くなるように設定されている。その結果、検出器２２の
検出信号は、第４図に示されるように比較セル３側の測
定信号３２と試料セル２側の測定信号３３とが相互に干
渉しない孤立波となる。

次に第４図のように得られる本実施例の検出信号の処理
系統を第１図と第２図に戻って説明する。

検出器２２で検出された比較セル３側の測定信号３２及
び試料セル２側の測定信号３３は増幅器４０で増幅され
、フィルタリングされ、整流された後、Ａ、　／　Ｄコ
ンバータ４１でディジタル値に変換されてＭＰ’Ｕ４．
２に読み取られる。

ＭＰＵ４２は第１図では鎖線で囲まれた部分を含むが、
特に本実施例ではＭＰＵ４２には読み取った測定信号３
２．３３を積算し、それぞれの波形３２．３３の面積を
表わす値にしてから信号処理を行なう。

光チョッパ２０に対向して設けられたセル弁別機構の光
検出器２６．２７から与えられるセル弁別信号は、検出
器２２から与えられた測定信号が比較セル３側の信号で
あるか試料セル２側の信号であるかを区別する信号であ
り、この信号はインターフェイス（Ｉ／Ｆ）４３を介し
てＭＰＵ４２に読み取られる。

試料セル２にはゼロガス、スパンガス及び試料ガスがガ
ス切換部４４により切り替えられて導入され、そのガス
切換部４４からは試料セル２に導入されているガスがい
ずれであるかを表わすガス種類信号が送出され、これも
インターフェイス４３を介してＭＰＵ４２により読み取
られる。

ＭＰＵ４２では、第１図に示されるメモリ選択手段３２
がセル弁別信号とガス種類信号とにより、測定信号の面
積値をメモリ３０の所定のメモリ領域に記憶させる。

さらにＭＰＵ４２はスパンガス濃度設定手段３４からス
パンガス濃度Ｃ８の値を読み取り、その値Ｃｓをメモリ
３０の所定の領域に記憶させる。

そして、ＭＰＵ４２内の演算手段３３は、メモリ３０の
各記憶値を呼び出し、第（１）式により、試料セル２を
流れているガスの濃度Ｃを算出し、出力する。

次に本実施例の動作を第５図のフローチャー１〜により
説明する。

まず、スパンガス濃度Ｃｓを読み込む（ステップＳｌ）
。そして、測定信号３２又は３３を入力し、積算して面
積値Ｋをめる（ステップＳ２゜Ｓ３）。

次にガス種類信号を入力し、それにより試料セル２に導
入されているガスが、ゼロガス、スパンガス、試料ガス
のいずれであるかを判定する（ステップＳ４．Ｓ５）。

ゼロガスである場合には、ステップＳ６へと進んでセル
弁別信号を入力し、それにより比較セル３と試料セル２
のいずれの側の測定信号であるかを判定しくステップＳ
７）、比較セル側である場合にはメモリ３０の該当番地
の記憶値ＲＯを測定　１１− 値Ｋにより更新しくステップＳ８）、その時点のメモリ
３０の値により第（１）式の演算を行ない、表示を行な
った後、ステップＳ２へ戻る（ステップＳ］、Ｏ，Ｓｌ
ｌ→Ｓ２）。

ステップＳ７において測定信号が試料セル側と判定され
た場合には、ステップＳ９へ進んでゼロ点の記憶値ＭＯ
を更新した後、ステップＳ１０゜Ｓ　］、　１を経てス
テップＳ２へ戻る。

また、ステップＳ５で導入ガスがスパンガスであると判
定された場合には、ステップＳ５→　Ｓ１２→Ｓ１３→
Ｓ１４　（又は５１０）と進んでスパン点の記憶値Ｒｓ
、Ｍｓを更新した後、ステップｓ］ｏ、Ｓｌｌを経てス
テップＳ２へ戻る。

そして、試料セル２に試料ガスが導入されたときには、
ステップＳ５→Ｓ１６→Ｓ１７→５１８（又は５１９）
と進んで記憶値Ｒ，Ｍを更新した後、ステップＳＩＯ，
Ｓｌｌへ進んで試料ガス濃度Ｃを算出し、表示した後ス
テップＳ２へ戻る。

以」二の実施例は本発明の一例であり、本発明の範囲内
で種々の変更が可能である。例えば光チョッ１２− パ２０は測定セル２と比較セル３とに交互に、望ましく
は測定信号と比較信号とが相互に干渉しない程度の低速
で光源１の光を導入できるものであればよく、開口の位
置や形状は種々変形することができる。例えば、光検出
器２６．２７用の開口２８．２９は位置を変えてもよく
、あるいはセル用の開口２４．２５により代用させても
よい。また、光チョッパ２０が一定周期で回転するなら
、一方のセル用開口を除いて一個の開口とすることもで
きる。

検出器２２は光の入射に対し前後２室に分離されたコン
デンサマイクロホン方式のものを使用したが、測定成分
ガスが充填されたガス室が単一のコンデンサマイクロホ
ン方式のものでもよい。また、マイクロフローセンサ方
式の検出器を使用してもよい。

実施例ではガス切換部４４からガス種類信号を送出して
いるが、ＭＰＵ４２によりガス切換部４４の切換を制御
することもできる。その場合には、ガス切換信号がＭＰ
Ｕ４２の内部で生成され、そのガス切換信号がガス切換
部４４へ送られるとトモに、ＭＰＵ４２でガス種類信号
に代わるものとしてメモリ選択手段３２へ送られるので
、ガス切換部４４からのガス種類信号は不要になる。

また、実施例では測定信号の積算値を用いて演算処理を
行なっているが、それに代えてピーク値を使用すること
もできる。但し、その場合Ｓ／Ｎが低下する欠点がある
。

ＭＰＵ４２で算出された濃度Ｃは適当な表示器により表
示される他、フルスケール換算されてメータにより出力
することもできる。

（イ）発明の効果 本発明の効果を列挙すれば以下の如くである。

（１）従来の赤外線ガス分析計では温度変化による測定
値の変動が大きいため、完全な温度調節機構が必要であ
ったが、本発明では温度が変化しても比較セルからの測
定信号を導入して演算により絶えず補正がなされるため
、温度調節機構が不要になり、ケースの構造が簡単にな
って、小型、低コスト化が実現できる。

（２）光源の劣化や検出器の感度低下などによるドリフ
トも自動的に補正されることになるので、従来のものに
比べて安定性がよく、ゼロ・スパン補正された測定値が
得られる。

（３）温度調節機構が不要であるので暖機が短かく、す
ぐに測定を開始することができる。

（４）光量調整のファクターがこのデータ処理のプロセ
スに含まれているので、測定セルと比較セルの光量調整
を行なう必要がなく、したがって従来のような光量調整
機構が不要となり、また、そのための複雑な調整工程も
不要になる。

１５−

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の信号処理系を示す構成図、第２図は一
実施例を信号処理系をブロックで示す概略図、第３図は
同実施例で使用される光チョッパを示す平面図、第４図
は検出器で検出された信号を示す波形図、第５図は一実
施例の動作を示すフローチャート、第６図は従来の赤外
線ガス分析計を示す概略図、第７図は同分析計の検出信
号を示す波形図である。 ２・・・・・・試料セル、３・・・・・・比較セル、　
２０・・・・・・光チョッパ、　２２・・・・・・検出
器、　２６，２７・・・・・・セル弁別機構を構成する
光検出器、３０・・・・・・メモリ、　３２・・・・・
・メモリ選択手段、　３３・・・・・・演算手段、３４
・・・・・・スパンガス濃度設定手段。 代理人　弁理士　野口繁雄 １６一

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）比較セルの透過光と試料セルの透過光を単一の検
   出器に交互に導入してそれぞれ独立に測定する光学系を
   備えた赤外線ガス分析計であって、ゼロガス、スパンガ
   ス又は試料ガス導入時の比較セル又は試料セルに関する
   測定信号、及び設定されたスパンガス濃度をそれぞれの
   番地に記憶するメモリ、 測定信号が比較セル側のものか試料セル側のものかを弁
   別するセル弁別機構、 そのセル弁別機構からの信号と導入ガスがゼロガス、ス
   パンガス又は試料ガスのいずれであるかを表わす信号と
   により、前記測定信号を前記メモリの所定の番地へ記憶
   させるメモリ選択手段、並びに、前記メモリの内容を読
   み出し、次の式％式％） （ただし、Ｍ；試料セル側での試料ガス導入時の測定信
   号、Ｍｏ；試料セル側でのゼロガス導入時の測定信号、
   Ｍｓ；試料セル側でのスパンガス導入時の測定信号、Ｒ
   ；比較セル側での試料ガス導入時の測定信号、Ｒｏ；比
   較セル側でのゼロガス導入時の測定信号、Ｒ８；比較セ
   ル側でのスパンガス導入時の測定信号） により試料ガスの濃度を算出する演算手段、を備えたこ
   とを特徴とする赤外線ガス分析計。