JPS6071938A - 赤外線分析計 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は赤外線領域に吸収帯を有する測定物質の濃度を
赤外線吸収量により測定する赤外線分析計、特に煙道中
のガス濃度を連続測定する赤外線ガス分析計に関する。

〔従来技術とその問題点〕

一般に赤外線分析計はダブルビーム方式とシングルビー
ム方式に分類される。第１図に典型的ダブルビーム赤外
線ガス分析計の構成を第２図に典型的シングルビーム赤
外線ガス分析計の構成を示す。以下に本発明の理解を容
易ならしめるため第１図、第２図を用いて赤外線ガス分
析計の動作原理について説明する。

第１図に於て光源室１に設置された光源２は赤外線を発
生し、この赤外線は分配室３により光量の等しい測定光
線ＩＭ及び基準光線ＩＶに分配される。測定光線ＩＭは
測定セル４に照射され、基準光線ＩＶは基準セル５に照
射される。測定セル　２− ４には導管６を介して測定ガスが導入され、基準セル５
には赤外線吸収特性を有しないガス例えば窒素ガスが封
入される。測定光線ＩＭは測定ガスの吸収をうけ測定ガ
ス濃度に対応してその光強度が減衰し、基準光線ＩＶは
吸収をうけないのでその光強度は変化しない。測定セル
４及び基準セル５を透過したそれぞれの測定光線ＩＭ及
び基準光線ＩＶはそれぞれガス封入式検出器８に案内さ
れる。この検出器８は第１検出室９及び第２検出室１０
を有し測定ガスと同一種類のガスを充填する。

前記第１検出室９には測定光線ＩＭが照射され、第２検
出室１０には基準光線ＩＶが照射される。

第１検出室９内のガス及び第２検出室１０内のガスはそ
れぞれその測定光線ＩＭ及び基準光線ＩＶを吸収し、従
って第１検出室９内のガス及び第２検出室１０内のガス
は測定光線ＩＭ及び基準光線ＩＶの強度に応じて異なっ
た温度に加熱される。

これらの検出室９．ｌＯは導管１１により連通され、こ
の導管１０の中央部には熱線素子１２．１３が互いに熱
結合を生じるように近接配置されてい　３− る。各熱線素子１２．１３は図示しない２つの外部抵抗
と共にブリッジ回路を構成し、電源により周囲温度より
も高い温度に加熱されている。このように各検出室９，
１０に封入されたガスが測定光線ＩＭ及び基準光線ＩＶ
によりそれぞれ加熱されることにより各検出室９．１０
内のガスが膨張し、導管１１には測定ガスの濃度に応じ
た流速をもつガスの流れを生ずる。このガス流速は熱線
素子１２．１３により電気信号に変換される。なお測定
セル４及び基準セル５と検出器８との間にはモーターＭ
により回転駆動されるセクター１４が設けられ、検出器
８に照射される測定光線ＩＭ及び基準光線ＩＶを周期的
に断続する。１５はトリマーで測定セル４及び基準セル
５、に照射される測定光線ＩＭ及び基準光線ＩＶの光量
が常に等しくなるように調整する。符号１６，１７，１
８，１９゜２０．２１，２２，２３．２４はそれぞれ光
透過窓である。

測定セル長をＬ、検出室光路長をＬｌ、ガスの吸収係数
をα、検出器封入ガス濃度を００、測定ガス　４− 濃度をＣ１測定セル入射光量をＩＭ、基準セル入射光量
をＩａ、第１．第２検出室９．１０のそれぞれの体積を
Ｖとすると第１検出室９で吸収される光エネルギーΔ工
１は、 Ａ　Ｉ　、＝　Ｉ　Ｍｅ−”Ｌ（１−ｅ−ａｃ＠Ｌ’　
）　−・−・−”・・−−−−−−ｉｌｌ又第２検出室
１０で吸収される光エネルギーΔ工。

は、 ΔＩ、ｇ＝ＩＲ（１−ｅ−”山）・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・（２１となる。こ
こで、第１．第２検出室９．１０の圧ΔＩ　ΔＩ 力上昇ΔＰ１＋ΔＰ！はそれぞれ］叶、−ｖＬに比例す
るので、 Ｊ　Ｐ、−Ｉ　Ｐ、ｏｃ　Ｉ　Ｒ−Ｉ　Ｍ　（ｅ−ａｃ
Ｌ）　、、、、、、・、、、、、、、、、、、　（３１
となりトリマー１５で光量を調整してＩＭ＝ＩＲＷＩ。

とすると、 ΔＰ、−Δｐｔｏｃ　Ｉｏ−Ｉ。ｅ−ａｃＬ〜ａ　ＣＬ
　Ｉ６−曲−・（４）となる。従って導管１１を流れる
微小流の流速Ｖは、 ｙ　ｏｃ　（ΔＰ２−Δｐ、）　ｏｃｃ　・・・・・・
・　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・（５）となり熱線素子１２．１３によりガス濃度Ｃ
に比例した電気信号Ｅをとりだすことができる。

　５− 次に第２図を用いシングルビーム赤外線分析計の構成及
び動作原理について説明する。第２図において第１図と
同一の機能を有する部分には同一の符号を付して説明を
省略する。光源２より放射された測定光線ＩＭは測定セ
ル４内で測定ガスによりその一部が吸収されたのち検出
器２５に到達する。この検出器２５は測定光線ＩＭの光
路方向に直列に配置され、測定ガスを封入した第１検出
室（前室）２６．第２検出室（後室）２７及び通路２８
から構成され、測定光線ＩＭは第１検出室２６で一部吸
収されたのち第２検出室２７でさらに吸収される直列２
槽構造式検出器である。この第１及び第２検出室２６．
２７内のガスの測定光線ＩＭの吸収により生じた圧力上
昇の差が通路２８１こ設置された熱電素子１２．１３に
より検出され電気信号に変換される。符号１６，１９，
２１゜２９．３０は光透過窓である。

第１．第２検出室２６．２７の光路長をそれぞれり、　
、　Ｌ、、体積をＶｌ、　Ｖ、、検出器封入ガス濃度を
ら、測定セル入射光量をＩ。、測定セル長をＬ、測　６
− 定セル透過率をＴ、測定ガス濃度をＣとすると第１検出
室２６で吸収される光エネルギーΔ■１はランベルト−
ベアの法則より、 ΔＩ、＝■ｏＴｅ−ａｃＬ（１−ｅ−ａｃｏＬり・・・
・・・・・・・・・・・・（６）又、第２検出室２７で
吸収される光エネルギーΔ■２は、 ΔＩ、＝−ＩＯＴｅ−“ＣＬ−ａＣ＋＋Ｌｔ　（１６−
“””　’）　・−・・・＋７１となり、第１．２検出
室２６．２７内の圧力上昇ΔＰＩ＋ΔＰ、はｋを定数と
して、 と表わされる。従って通路２８に流れる微小流速Ｖは、 〜ＩｏＴ（１−αＣＬ）　、、、（９１となり熱線素子
１２．１３により測定ガス濃度に対応した電気信号が得
られる。このような構成のシングルビーム赤外線ガス分
析計では０点（測定ガス濃度０）のとき検出器２５の出
力が最大で測定ガス濃度が増大するとその濃度に応じて
検出器出力は下がってくる。従って測定ガス濃度に比例
した出力を得るために電気的に検出器出力から０点出力
に担当する電圧値を減じた後出力を反転させる信号処理
方式を一般に使用している。

第１図及び第２図に示す構成の従来技術によるガス分析
計は測定光線ＩＭの強度が変化すると０点、スパン点が
変化する特性を有し、従って測定ガス中に含まれるダス
ト並びに測定セル４のセル壁３１又は光透過窓１９．２
１上へのダストの付着により大きな測定誤差が生じると
いう欠点を有していた。従来実用化されている分析計は
これらの欠点を補うため煙道などの測定点から測定セル
に測定ガスを導く際、第３図に示すようなガスサンプリ
ング系を用いていた。すなわち煙道５０などの測定点で
採取された測定ガスはまずドレインセパレーター５１を
通ることによりガス中のほとんどの水分がドレインとし
て除去される。次に測定ガスは円筒状プラスチック材料
からなるミストフィルタ５２を通りここでガス中の酸ミ
スト並びに水分が取り除かれる。さらに測定ガスはガス
採取用ポンプ５３を通った後電子クーラー、サーモピュ
アドライヤー等の除湿器５４で残存水分が除去され通常
露点０℃以下とされたのちガラス繊維等で作られたダス
トフィルタ５５に入る。ダストフィルタ５５で１μｍ以
上のダストが取り除かれた測定ガスが測定セル４に入り
前述の原理によりガス濃度が測定される。このような第
３図に示したガスサンプリング系を用いることにより測
定ガス中のダストによる測定誤差の少いガス分析システ
ムを構成することが出来る。しかしながら第３図のガス
サンプリング系を用いるとフィルタの定期的交換、定期
的計器較正等のメンテナンスが必要となる欠点、並びに
測定点から測定セル４まで測定ガスを導くのに時間を要
し分析計の応答速度が遅くなり、燃焼制御等の高速応答
を必要とする分野には適用できないという欠点を有して
いた。

また光量変化の影響をうけない分析計としてガスフィル
タ相関方式（ＧＦＣ方式）赤外線分析計。

赤外二波長方式分析計が提案されているが、ＧＦＣ９一 方式はガスフィルタを高速で同転する必要があるため長
期信頼性に問題があり、赤外２波長方式分析計は光源に
赤外チューナプルレーザーを使用するため高価となる欠
点がある。

〔本発明の目的〕

本発明の目的は前述のような従来装置の欠点を除去し燃
焼管理、制御等の分野にも適用できる高速応答、かつメ
ンテナンスを必要としない安価な赤外線ガス分析計、す
なわち光量が変化しても測定誤差を生じない赤外線ガス
分析計を提供することにある。

〔発明の要点〕

本発明は赤外光源部、測定セル部、赤外検出部より構成
される赤外線分析計において、赤外検出部を赤外光線が
透過するように構成したガス封入式検出器とサーモバイ
ル、焦電型検出器、光伝導セル等からなる赤外線検出器
とを赤外光線の光路方向に直列に配置し、ガス封入式検
出器出力を赤外線検出器出力により補償することを特徴
とする。

〔発明の実施例〕

−１０− 本発明の一実施例の説明の理解を容易にするため測定セ
ルの汚れに基づく光量変化による検出器出力変化につい
て説明する。ダブルビーム赤外線ガス分析計の場合、検
出器出力Ｅと測定光線強度ＩＭ（！：の間には前述の（
３）式よりＥ−ｖｏｃ（ΔＰ２−ΔＰ、　）ＯＣＩＲ−
ＩＭ（ｅ−“０Ｌ）〜Ｉａ−ＩＭ（１−αＣＬ）＝Ｉｏ
−ＩＭ（１−αＣＬ　）・−・・（ＩＩの関係がある。

ここで測定セルの汚れを測定セル透過率Ｔで表わすと ＩＭ＝ＴＩｏ　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・ａυとなる。従って測定光線強度
ＩＭと検出器の０点。

スパン点出力の関係は第４図のような関係となる。

又シングルビームガス分析計では検出器出力Ｅは前述の
（９）式より測定光線強度ＩＭ＝ＩｏＴとしてＥｏｃｖ
ｏｃＩ　Ｍ　（１−αＣＬ）・・・す・・・・・・・・
・・・・・曲・・・・・・０３となり、ＩＭとＥの関係
は第５図に示した特性となる。第４図、第５図から測定
セル透過光量ＩＭを測定しこの信号により検出器出力を
補償すれば光量が変化しても測定誤差を生じない分析計
を提供することが出来ることがわかる。そこで本発明は
光量変化に伴う測定誤差をサーモバイル、焦電型検出器
、サーミスターボロメータ−１光伝導セル、光起電力型
検出器あるいはゴーレイセル等の赤外線検出器を用いて
補償しようとするものである。

本発明の一実施例のダブルビーム赤外線ガス分析計を第
６図に示す。第６図において第１図に示すものと同一機
能を有するものには同一符号を付して説明を省略する。

図において透過型ガス封入式検出器３３は第１図のガス
封入式検出器８に対して光透過窓３２を設は測定光線を
透過させるように構成した第１検出器としてのガス封入
式検出器である。測定セル４を透過した測定光線ＩＭは
透過型ガス封入式検出器３３（以下これを透過型検出器
と称す）に照射され、さらに透過型検出器３３を透過し
た測定光線ＩＭは赤外レンズ３４を介して第２検出器と
しての赤外線検出器３５に案内される。透過型検出器３
３は測定ガスの吸収帯付近の波長をもつ赤外光線のみに
感度を有し測定ガスによる吸収及び測定セル汚れ等によ
る光量変化により出力が変化する。一方赤外線検出器３
５は広い波長帯域の赤外光に感度を有し、狭い吸収帯を
もつ測定ガスによる吸収によっては出力はほとんど変化
せず測定セル４の汚れ等に基く光量変化によってのみ出
力が変化する。従って測定セル４の汚れなどによる光量
変化を赤外線検出器３５で検出し透過型検出器３３の出
力を補償することにより測定セル４が汚れても測定ガス
濃度を正確にめることが出来る。次にその補償方法につ
いて説明する。赤外線検出器３５の出力は検出器入射光
量に比例するので第６図に示した構成の場合透過型検出
器３３の出力ｙと赤外線検出器３５出力Ｘの関係は第４
図を参照すると第７図のようになる。図でＡ、Ｂ点は測
定セル４の汚れがない時の０点、スパン点をそれぞれ示
し、Ｄ点は測定光線ＩＭを遮断した時の雨検出器３３．
３５の出力を示す点である。ここでガス濃度測定時に測
定セル４の汚れにより測定光線ＩＭの光量が変化すると
、透過型検出器３３の出力ｙと赤外線検出器３５の出力
Ｘは直線ＢＤに沿って変化する。従って直−１３− 線ＢＤを示す式よりＸとｙの関係はまり、（ｂ−ｄ） ｙ　＝−ｘ　十ｄ　・・・・・・・　・・・・・・・０
３となる。ここでｂ＝にｃ（ｃはガス濃度、には比例定
数）である。（１３）式よりｂをめると、ａ（ｙ−ｄ） ｂ；にｃ＝　ｄ　・・・・・・・・・ＩＩ となり、ａ＊ｂ＊には光学系構成で決まる定数であるか
ら透過型検出器３３の出力ｙと赤外線検出器３５の出力
Ｘからｂ従ってガス濃度Ｃをめることができ、測定セル
４が汚れても正確に測定ガス濃度をめることができる。

第８図は本発明を適用したシングルビーム赤外線ガス分
析計の一実施例である。第６図に示したダブルビーム赤
外線ガス分析計と同様に光透過窓３７をもち赤外線光線
を透過させるようｌこ構成した透過型直列２槽構造式検
出器（以下これを透過型２槽式検出器と称す）３６と赤
外線検出器３５を測定光線ＩＭの光路方向に直列に配置
しである。

前述のダブルビーム赤外線ガス分析計の場合と同一　１
４− 様の理由により透過型２槽式検出器３６は測定ガスによ
る吸収及び測定セル４の汚れ等による光量変化により出
力が変化するが、赤外線検出器３５は測定セル４の汚れ
、光源の変化等による光量変化のみを検出する。第５図
を参照するとシングルビームガス分析計の場合透過型２
槽式検出器３６の出力ｙと赤外線検出器３５の出力Ｘは
第９図の。

ような関係となる。測定セル４の汚れがない時の０点、
スパン点の雨検出器出力はそれぞれＡ点。

Ｂ点で表わされ、この時の赤外線検出器３５の出力、は
ａｙ、透過型２槽式検出器３６の出力は０点でｄｖ、ス
パン点でｂｙである。Ｄ点は測定光線を完全に遮断した
時の出力で両検出器共Ｏｖとなる。ここで測定ガス濃度
をＣとするとに１を比例定数として、 ｄ−ｂ＝に、ｃ　・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・α最の関係がある。測定セル４が汚れて各検出器
入射光量が減少した時の雨検出器３５．３６の０点。

スパン点の出力は直線ＡＤ又はＢＤに従ってそれぞれ変
化する。従ってシングルビーム赤外線ガス分析計の場合
、赤外線検出器３５の出力Ｘと透過型２槽式検出器３６
の出力ｙの間には、ｙ　＝　−ｘ　・・・・・・・・・
・・・・・（１６）の関係があり、赤外線検出器３５の
出力Ｘと透過型２槽式検出器３６の出力ｙとから、 ａｙ ｂ−一　・・・・・・・・・・・・・・・（１７］の関
係によりｂがまる。従ってガス濃度Ｃは、よりめること
が出来る。

第１０図は本発明の他の実施例を示し、透過型２槽式検
出器３６と赤外線検出器３５との間に測定ガスの吸収帯
の波長をもつ赤外光線を透過しない特性を有する光学フ
ィルタ３８を配置して測定ガスの吸収による赤外線検出
器３５出力変動（通常は極めて少いので無視しつる）を
さらに低減し測定精度の向上をはかったものである。第
１１図はフッ化カルシウム、サファイヤ等で作られた赤
外レンズ４０を用い赤外光源３９からの測定光線を平行
光束とし測定セル壁での反射を利用しないようにし、構
成、セル壁の汚れの影響をなくした実施例である。なお
本発明は実施例に限定されるものではなく、発明の精神
の範囲内で多くの改良をなし得るものであり、例えば透
過型検出器。

透過型２槽式検出器において封入ガス圧力変化を電気信
号に変換する手段として前述の熱線素子の代りにコンデ
ンサマイクロフォンを用いたものも含まれる。又測定物
質は気体に限定されず、液体。

固体物質でもよく、一般に赤外線を測定物質に照射し測
定物質の赤外吸収に基く透過光量又は反射光量の変化か
ら測定物質濃度を測定する赤外線分析計にも適用できる
。

〔発明の効果〕

以上に説明した本発明によれば、光源部、測定セル部、
赤外検出部からなる赤外線ガス分析計において、赤外検
出部を透過型ガス封入式検出器と赤外線検出器とから構
成し、赤外線検出器で光量変化を検出し光量変化による
ガス封入式検出器用１７− カの変動を補償することにしたので、測定ガス中のダス
ト濃度の変化、測定セルの汚れ、光源劣化等による測定
誤差を生じず、しかも赤外レーザー等の高価な光学部品
を必要とせず、可動部にガスフィルタのような構造物を
用いないので安価で信頼性の高い高精度赤外線分析計を
提供することができる。従って本発明の赤外線ガス分赤
計では従来のようにダストフィルタ、ドレインセパレー
ターなどを含む複雑なガスサンプリングシステムを必要
とせず、高速応答、メンテナンスフリーのガス分析シス
テムが可能となり、本発明による分析システムは燃焼制
御、管理にも適用することが可能となる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の典型的ダブルビーム赤外線ガス分析計の
概略構成図、第２図は従来のシングルビーム赤外線ガス
分析針の概略構成図、第３図は従来用いられている測定
ガスサンプリングシステムを示すブロック図、第４図お
よび第５図は従来の赤外線ガス分析計の検出器出力の光
量依存性をそ−１８− れぞれ示す特性図、第６図および第８図はそれぞれ本゛
発明の一実施例を示すダブルビーム赤外線ガス分析計お
よびシングルビーム赤外線ガス分析計の概略構成図、第
７図および第９図は第６図および第８図の各分析計にお
ける検出器出力の関係を示す特性図、第１０図および第
１ｉ図は本発明の他の実施例を示すガス分析計の概略構
成図である。 １：光源室、２，３９：赤外光源、４：測定セル、５：
基準セル、８：ガス封入式検車器、９：第１検出室、１
０：第２検出室、１２，１３：熱線素子、２５：直列２
槽式検出器、２６：第１検出室（前室）、２７：第２検
出室（後室）、３３：透過型ガス封入式検出器、３５：
赤外線検案器、３６：透過型直列２槽式検出器、３８：
光学フィルタ、４０：赤外レンズ。 −１９− 才１０ 才す閃 ７４凶 才Ｓ図 −ｆ７区 ｖｑ（５） が イトタトオ衾麟冶ζムカ（Ｖ） ′ｌ−３閃 才１０び く＝）−〜−３４ ｆＩＩ　図 、３ｑ ４θ ｒ司 ４ １Ｍ ０ ２ ７ １３　３Ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）赤外光源部、測定セル部、赤外検出部からなり測定
   物質による赤外線の吸収量から測定物質濃度を測定する
   赤外線分析計において、赤外検出部を測定物質による吸
   収量を測定する第１検出器と赤外光量を測定する第２検
   出器から構成し、前記第１検出器出力を第２検出器出力
   により補償することを特徴とする赤外線分析計。 ２）特許請求範囲第１項記載の赤外線分析計において、
   測定物質がガスであり、第１検出器は測定ガスと同一の
   ガスを封入しかつ赤外光線を透過するように構成したガ
   ス封入式検出器であり、第２検出器は赤外線検出器であ
   ることを特徴とする赤外線分析計。 ３）特許請求範囲第１項または第２項記載の赤外線分析
   計において、第１検出器と第２検出器との間の赤外光路
   中に測定物質が吸収する波長を持つ赤外光線を透過しな
   い特性を有する光学フィルタ１　− を有することを特徴きする赤外線分析計。