JPS61108947A

JPS61108947A - 光学的ガス分析計

Info

Publication number: JPS61108947A
Application number: JP59230824A
Authority: JP
Inventors: Harutaka Taniguchi; 谷口　春隆; Takafumi Fumoto; 麓　孝文
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1984-11-01
Filing date: 1984-11-01
Publication date: 1986-05-27

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〕本発明は測定ガスの濃度を光線特に赤外線の吸収量によ
り測定する光学的特に赤外線ガス分析計、特に煙道中の
ガス濃度測定などダスト、ミスト及び水分を含む測定ガ
スについて直接連続測定する光学的特に赤外線ガス分析
計に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

一般に赤外線ガス分析計は、基本光学針として、シング
ルビーム方式とダブルビーム方式に分類される。両方式
ともに主要部分は光源部、測定セル部および検出部であ
る。

以下に本発明の理解を容易にするために、第８図を用い
てシングルビーム方式赤外線ガス分析計の動作原理を簡
単に説明する。第８図において、光源部ｌ内の赤外線光
源２より放射された光束代はセクター３により断続され
た後測定セル４内に入射する。測定セル４は両側面に赤
外線透過窓１０゜１１を配置し、測定ガスの導入口１５
と排出口１６を持っており、通常測定ガスが導入口１５
から連続的に供給される。赤外線光束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後ガス封入検
出器５に達する。この検出器５は、赤外線光束ＩＭの光
路方向に直列に配置されている、測定成分ガスを封入し
た第１検出室６と、第２検出室７と、通路８とから構成
され、検出器に入射した光束Ｉ。

は第１検出室６で一部吸収された後、第２検出室７でさ
らに吸収される。この第１及び第２検出室６．７内の測
定成分ガスによる光束Ｉ、の吸収により生じた圧力上昇
の差が、通路８に設置された差圧検出素子９により検出
され、電気信号に変換される。今、燃焼ガスのようにダ
スト、ミストおよび水分を含む測定ガスを測定セル４に
導入した場合について考える。第１．第２検出室の光路
長をそれぞれｔ１＋　１２　、体積をｖｌ、■２、検出
器封入ガス濃度をＣｏＳ測定セル入射光量をＩＭ（λ）
、測定セル長をｔ。

測定ガスに含まれる測定成分ガス濃度、ダスト濃度をそ
れぞれｃＭｅ　ＣＤ１ミスト及び水分の露結による赤外
線光束の減衰係数をＫＯとすると、検出器出力はおよそ
次式で表わされる。

ｏｃ　ＫＯＩＭ（λＪ　（１−（αＭＣＭ＋βＭ　ＣＤ
　）　Ｌ　）・・・・・・・・・（１）（１）式より明
らかなように、測定成分ガス濃度とダスト濃度あるいは
ミスト、水分の結露による赤外線強度の減衰量に応じた
電気信号が得られ、このままでは他の手段でダスト濃度
および赤外線強度の現衰量を測定しない限り正確な測定
成分ガスの濃度を測定することができない。ここでＩＭ
（λ、）は赤外線光束の測定成分ガスの吸収帯の中心波
長における光強度、αＭ、βＭは中心波長λ、における
測定成分ガス、ダストの吸光係数である。

したがって、赤外線ガス分析計を煙道排ガスのように多
量のダスト、ミストおよび水分を含む測定ガスに適用す
る場合には、測定セル４に測定ガスを導入する前処理と
して、ダスト、′ミストおよび水分を除く処理を含むガ
スサンプリング系を必要とする。第２図は典型的なガス
サンプリング系の系統図を示したものである。図におい
て、測定ガス採集器２１の中には測定ガス中に含まれる
ダストを除去する８ｇ１段目の粗フィルタが収容されて
おり、さらにドレインボット２２による露結水の除去、
フィルタ２３によるミスト除去などの工程をへて清浄化
し、さらにガス乾燥器２６により測定ガス中の水分を除
去し、最終段階として赤外線ガス分析計２９に導入され
る直前において第２段目のミクロフィルタ２７より完全
に測定ガス中のダストを除去する。このようなダスト、
ミストおよび水分除去をすれば（１）式より明らかなよ
うに赤外線ガス分析計の出力信号へのダスト、ミストお
よび水分の影響は無くなり、正確に測定成分ガス濃度を
測定できる。

しかし近年赤外線ガス分析計を単なるガス成分モニタに
用いるのみでなく、燃焼制御のように赤外線ガス分析計
の信号をシステムの制御信号として用いることが色々な
分野で進められている。このような場合には、赤外線ガ
ス分析計の信号の精度が要求されるのみでなく、高速応
答性が大きな要求特性となる。赤外線ガス分析計本体は
制御に適用するのに十分な早い応答性を持っているが、
前記のとおりダスト、ミストおよび水分を含む測定ガス
に対してはガスサンプリング系を絶対に必要とするので
、測定系全体としての応答速度は数１０秒から分のオー
ダとなり、制御のような早い応答性が要求される用途に
対しては適用が困難であるという欠点をもっている。

〔本発明の目的〕

本発明の目的は、従来のダスト、ミストおよび水分除去
などのサンプリング処理系を含む赤外線ガス分析計の持
っている欠点を除き、直接ダスト、　□ミストおよび水
分を含む測定ガスを分析計に導入して、高精度の測定を
可能とし、しかも高速応答性を可能にした光学的特に赤
外線ガス分析計を提供することである。

〔発明の要点〕

本発明は、上記目的を達成するために、光源部と、測定
セル部と、検出部とを備え、前記測定セル部を筒状フィ
ルタによって構成してこのフィルタ内にフィルタ面を通
して測定ガスが入ることができるようにすると共に、前
記フィルタ内に前記光源部の光線を透過させて前記検出
部にて検出し、前記フィルタ内に侵入した測定ガスによ
る光線吸収量から測定ガス濃度を測定する光学的ガス分
析計であって、前記フィルタを金属繊維質あるいは金属
焼結体によって形成したことを特徴とする。

このような本発明によれば、測定セルにおけるミストお
よび水分の露結を防止して測定セル内ガスの拡散、対流
による置換速度を早くして高速応答を可能にしたダスト
、ミストおよび水分除去などの前処理を必要としない赤
外線ガス分析計が提供される。

〔発明の実施例〕

第１図に本発明の第１実施例の要部の具体例の一つを示
す。この測定セルは基本的には赤外線透過窓部３０，３
１、円筒状ガスフィルタ３３、内面が円筒状をなす外筺
体３４から成る。図において、ガスフィルタ材として耐
蝕性金属繊維質、たとえば線径数μｍで高い空隙率を有
するステンレス繊維質から成る円筒状フィルタ３３は、
外部筐体３４に、取りはずし可能に、しかもフィルタ部
を通してのみ測定ガスが入るように固定されている。赤
外線透過窓部３０，３１は赤外線透過性の窓材、例えば
単結晶弗化カルシウムとその固定具から成り、ガスシー
ル可能な構造で外部筐体３４に固定されている。

外部筐体３４は、例えば金属９合金あるいはセラミック
から成り、対向して配置された測定ガスの導入口１５と
排出口１６を持ち、さらに円筒状フィルタ３３の長さ方
向に同フィルタとの間に拡散空間３２を持つ構造となっ
ている。第１図（ｂ）は特に測定セル断面方向の測定ガ
スの流れを示したもので、測定ガス流は本実施例の場合
には主に導入口１５において２つに分割され、各々円筒
状ガスフィルタ３３の円周方向にそって流れ、排出口１
６で再び一体となって排出される。この構造は測定セル
長が短い場合に特に有効である。なお、たとえば、窓部
３０の右方に赤外線光源部が配置され、窓部３１の左方
に検出部が配置される。

この構成による測定セルを用いたガス分析計の応答速度
を測定した場合、焼結セラミック、石英繊維などから成
るフィルタを用いた場合に比べて、応答速度が２０１程
向上することが確認され、その有効性が実証されている
。これは細孔の分布状態の相違からのみでは説明されず
、焼結セラミック、石英繊維フィルタに比べ、本発明に
おいて使用されている金属繊維フィルタは熱伝導性が良
いためにフィルタ断面方向の温度分布が均一化された結
果によるものと推定される。

第２図に本発明の第２の実施例の要部の測定セルを示す
。この測定セルは、第１の実施例と同様に、基本的には
赤外線透過窓３０，３１．円筒状ガスフィルタ３３、加
熱ヒータ３７、円筒状外筐体３４から成る。第２図にお
いて、ガスフィルタ材として耐蝕性金属繊維質、例えば
、線径数・μｍで高い空隙率−を有するステンレス繊維
質から成る円筒状ガスフィルタ３３は、外筐体３４に取
り外し可能に、しかもフィルタ部を通じてのみ測定ガス
が入るように固定されている。赤外線透過窓部３０，３
１は赤外線透過性の窓材、例えば単橢晶弗化カルシウム
とその固定具から成り、ガスシール可能な構造で外部筐
体３４に固定されている。外部筐体３４は、例えば金属
１合金あるいはセラミックから成り、対向して配置され
た測定ガスの導入口１５と排出口１６を持ち、さらに円
筒状フィルタ３３の長さ方向に同フィルタとの間に拡散
空間部３２を持つ構造となっている。フィルタ部はヒー
タ３７１例えばコイル状ヒータにより表面部から加熱さ
れる構造となっており、電力は外部より端子３８．３９
より供給される。フィルタ部の温度が大幅に変動すると
測定精度に影響が生ずるので、測温体４０がフィルタ３
３の表面あるいは内部に設置してあり、その出力を端子
４１゜４２で取り出すことによって、外部の温度調節器
でフィルタ部温度を一定に保持したり、赤外線ガス分析
計の出力に対する温度補正をしたりすることが出来る。

以上の説明から理解できるように、第２の実施例は第１
の実施例とは、ヒータ３７および測温体４０等が設けら
れている点で異なっている。

第３図は第３の実施例に基く測定セル断面を示したもの
で、基本構成は第２図の具体例と同じであるが、本実施
例では測定ガスの導入口１５と排出口１６が一体化され
た構造となっている。したがって、この実施例の場合に
は同図（Ｂ）に示したように、測定ガスは加熱された円
筒状ガスフィルタ３３の円周を一回転することになり、
測定ガス流に対して導入方向と排出方向を萌確に区分し
、より応答性の改良を施すために仕切板３５が挿入され
ている。

この実施例に示した測定セル構成を持つ赤外線ガス分析
計は、有害ガス、例えば−酸化炭素を測定成分ガスとす
るときのように、測定ガスを外気に放出しないで発生源
に戻す必要があるようなときに有効である。勿論、この
実施例においても、フィルタ３３は金属繊維質から構成
されている。

第４図はセル加熱用のヒータ３６を筒状外部筐体３４表
面に取付け、導入される測定ガスと共に間接的にフィル
タを加熱する構造である。この構成により一１定セルは
、これまでの実施例に示した構成に比べて、ヒータ３６
とフィルタ３３とが完全に分離されているため、フィル
タの交換とか清掃など保守性が良い。

第５図は本発明の第５の実施例の要部の測定セル部を示
す。しかして、この第５図において、セル部１２４は、
セル（筒形容器）１２６、このセル１２６の内部に収容
される筒形フィルタ部１２７およびホルダー１２８６ｓ
らなる。セル１２６は、一端にフランジ１３０が固着さ
れ、取付ボルトによりホルダー１２８と気密に結合され
、他端にフランジ１３３が固着され、取付ボルトにより
ガス採取管１２９のフランジ１２９人と気密に結合され
る。筒形フィルタ部１２７は、筒形フィルタ１３５、半
球状流線変更体１３６およびホルダー１２８に設けられ
た光束窓部１３７等からなる。筒形フィルタ１３５は、
金属繊維または金属焼結体からなり、先端に半球状流線
変更体１３６が挿入され、かつ後端に光束窓部１３７が
挿入されそれぞれの挿入部分の気密が保持されている。

また、流線変更体１３６の内面に反射鏡１３８が設置さ
れる。図示されていない光源部から放射された光束は、
同様に図示されていないチョッパにより断続されレンズ
により平行光束とされて、光束窓部１３７に設けられた
入射窓１４１を経て、筒形フィルタ１３５内に入射する
。この入射光束は、反射鏡１３８により反射され反射光
束として出射窓１４２から出射し、図示されていないレ
ンズを経て同様に図示されていない検出部に放射される
。この入射および出射窓１４１　、１４２は、光束窓部
１３７の気密を保持して、外気の侵入を防止する。

この際、測定ガスは拡散により、筒形フィルタ１３５を
経て入射および反射光束からなる光路１４４内に侵入す
る。ところで、測定ガスは、ガス濃度と光路１４４の長
さに比例して、この測定ガス固有の波長の光を吸収する
。この筒形フィルタ１３５−の内壁に達した測定ガスが
更に光路１４４に達するまでの距離は測定の遅れ時間を
生じる゛原因となる。

従って、筒形フィルタ１３５の内壁はこの入射および出
射光束からなる光路を過不足なく包む様に、左右方向に
拡がる変形した円錐台状に形成されている。ところで、
入射光束とのなす角度人は、本実施例では約３０度糧度
であるが、少なくとも５度以上１２０度以内に限定され
る。

″　また、セル１２６の内部と筒形フィルタ部１２７と
の間の空間部には、筒形フィルタ部１２７を挾んでフォ
ーク状に形成された分岐板１４５が設けられ、同図にお
いてこの空間部を分岐板１４５の下側に形成された給気
通路と分岐板１４５の上側に形成された排気通路とに分
割し、この給気および排気通路の間に開口路１４８を設
ける。この給気および排気通路はほぼ同一断面積を有す
る。

次に、ガス採取管１２９は、円筒状パイプ１４９の内部
に分岐板１４５を延長するように連結される仕切板１５
０が設けられ、この仕切板１５０の下側に形成された第
１通路および仕切板１５０の上側に形成された第２通路
に分割される。この仕切板１５０により、第１および第
２通路はほぼ同一断面積を有する。図示されていない測
定ガス流路にこのガス採取管１２９が挿入されることに
より、測定ガスは仕切板１５０の下側に形成された第１
通路を経て分岐板１４５の下側に形成された給気通路に
導入さｔｌ、開口部１４８を経て分岐板１４５の上側に
形成された排気通路に反転する。この給気通路力）ら排
気通路への流通過糧で、測定ガスは筒形フィルタ１３５
内に拡散し侵入する。さらに、測定ガスは排気通路から
仕切板１５０の上側に形成された第２通路を経て測定ガ
ス流路に排気される。この際、測定ガスは急激なガス速
度の変化により、ダストの沈降、たい積を生じないよう
に給気および排気通路は第１および第２通路と共に、は
ぼ同−断１積を有する。また、測定ガスは流線変更体１
３６により、ゆるやかにその流線を変更する。従って、
この流線変更体１３６は、その形状を半球状と限ること
なく、円錐状でもよく、たとえば、断面積を連続的に変
化し得る形状であれば、その機能を十分に満足するＯ第６図は本発明の第６の実施例の概略構成図を示す。図
において光学的ガス分析計は、主として光源部２２３、
セル部２２４および検出部２２５から構成される。この
うち、セル部２２４はセル２２６と、このセル２２６の
内部に収容される筒状フィルタ部２２７および延長通路
部２２８とからなる。セル２２６は有底円筒状に形成さ
れ、底部には光透過窓２２９が外気に対して気密に取付
けられる。また、セル２２６がフランジ２３０によりダ
スト壁２３１に装着される際に、延長通路部２２Ｂは開
口端２３２を、測定ガスの採取点Ｂの近辺に開口する。

次に、筒状フィルタ部２２７は、金属繊維または金属焼
結体により、本実施例では円筒状に成形された筒状フィ
ルタ２３３と、この筒状フィルタ２３３の・前端に装着
された光源部２２３および後端に装着されるセル２２６
の光透過窓装着部２４０とからなる。

このうち、光源部２２３は光源ケース２３４と、この光
源ケース２３４内に収容される光源２３５および光透過
窓２３６とからなり、光透過窓２２９と互いに対向する
。

ガス通路部２３７は、本実施例では同心的に配置された
セル２２６と筒状フィルタ２３３との間の間隙である。

また、延長通路部２２８は、このガス通路部２３７を前
方に延長して設けられ、延長通路部２２８およびガス通
路部２３７の有効断面積をほぼ等しくするように、それ
ぞれの内径寸法が選定され、延長通路部２２８またはガ
ス通路部２３７内の流速変化によるダストの堆積を少な
くする。測定ガスは、延長通路部２２８を経て光源ケー
ス２３４の頭部において流れが円滑に変更されて、ガス
通路部２３７に導かれ、筒状フィルタ２３３の内部に拡
散により侵入する。この際、光源２３５は凹面鏡を形成
する光源ケース２３４の内面により反射される平行な測
定光束として、光透過窓２３６を透過し筒状フィルタ２
３３の内部に放射する。この際、筒状フィルタ２３３の
内部で、測定ガスの濃度に比例して吸収される吸収波長
帯の光量は、光透過窓２２９を透過して検出器２２５に
おいて、連続的に電気的に測定される。

さらに、測定ガスの流通を喚起するために、本実施例で
は、減圧手段としてエジェクタ２４１およびポンプ２４
２が配置され、筒状フィルタ２３３の周辺部の圧力が測
定ガス採取点Ｂの近辺の圧力より低くなるよう−こ構成
されている。また、測定ガス。

採取点Ｂの圧力が大気圧より高い場合には、エジェクタ
２４１およびポンプ２４２を用いることなく、筒状フィ
ルタ２３３の周辺部を大気に開放するという減圧手段を
採用してもよい。

第７図は本発明の第７の実施例の概略構成図を示す。図
において光学的ガス濃度計は、第６図の実施例と同様に
、主として光源部３２人七嘔２２４および検出部２２５
から構成される。このうち、セル部２２４はセル２２６
と、このセル２２６の内部に収容された筒状フィルタ部
２２７および延長通路部２２８とからなる。セル２２６
は有底円筒状に形成され、底部には光透過窓２２９が外
気に対して気密に取付けられる。また、セル２２６がフ
ランジ２３０によりダクト壁２３１に装着される際に、
延長通路部２２８は開口端２３２を、測定ガスの採取点
Ｂの近辺に開口する。

次に、筒状フィルタ部２２７は、金属繊維または金属焼
結体により、本実施例では円筒状に成形された筒状フィ
ルタ２３３と、この筒状フィルタ２３３の前端に挿入さ
れる流線変更体２３４と、後端に挿入されるセル２２６
の光透過窓装着部２４０とからなる。流線変更体２３４
の内面には、反射鏡３３５が光透過窓２２９と対向して
固定される。測定ガスは、延長通路部２２８を経て流線
変更体２３４により流線が円滑に変更されて、ガス通路
部２３７に導かれ、筒状フィルタ２３３の内部に拡散に
より侵入する。

この際、光源部３２３よりレンズ３３７、ハーフミラ−
３３８を経て、入射光束は光透過窓２２９を透過して筒
状フィルタ２３３の内部に入射され、さらに反射鏡３３
５により反射され反射光束として、光透過窓２２９を透
過して、再びハーフミラ−３３８を経て検出部２２５に
入射する。この入射光束および反射光束は筒状フィルタ
２３３の内部で、測定ガスの濃度に比例して吸収される
吸収波長帯の光量を検出器２２５にて連続的に電気的に
測定する。

以上、各種の本発明に基づいた実施例を示したが、本発
明の内容は実施例に限定されるものでなく、本発明の精
神の範囲で多くの他の改良をなし得るものであり、たと
えば、金属フィルタを繊維径の異る積ｒ＠構造にしたり
、焼結金属フィルタと金属繊維フィルタの積層にしたり
することも可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば光源部、測定セル部、検出部から成る赤
外線ガス分析計において、測定セルを基本的には金属繊
維質または金属焼結体より成る筒状ガスフィルタで構成
し、測定セルとしての筒状ガスフィルタ内にこのフィル
タ面を通って測定ガスを侵入させることにより、測定ガ
ス中に含まれるダストを効果的゛に除去し、測定セル内
部におけるミストおよび水分の露結を防止して、従来の
赤外線ガス分析計を利用するに際して必要とした、ダス
ト除去、ミスト、水分除去を含むサンプリング系を必要
としないで直接測定を可能にした赤外線ガス分析計を提
供するもので、高精度、高速応答性を要求する分野への
適用に際してトータルコストとして低価格の赤外線分析
計となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の壁部を示し、同図（５
）はその横断面図、同図（Ｂ）はその縦断面図である。第２図は本発明の第２の実施例の要部を示し、同図（８
）はその横断面図、同図（坊はその縦断面図である。第３図は本発明の第３の実施例の要部を示し、同図（５
）はその横断面図、同図（均はその縦断面図である。第４図は本発明の第４の実施例の要部を示し、同図（５
）はその横断面図、同図俣）はその縦断面図である。第Ｓ図は本発明の第５の実施例の袋部平面断面図である
。第６図は本発明のｌＸ６の実施例の概略構成図である。第７図は本発明の第７の実施例の概略構成図である。第８図は従来のシングルビーム方式赤外線ガス分析計の
構成図である。第９図は従来の赤外線ガス分析計に用いられるサンプリ
ング系の系統図である。３０．３１・・・赤外線透過窓部、３３・・・円筒状ガ
スフ・イルタ、１２６・・・セル、１２７・・・筒形フ
ィルタ部、１２９・・・ガ°ス採取管、１３５・・・筒
形フィルタ、１３６・・・半球°状流線変更体、１４１
・・・入射窓、１４２・・・出射窓、１４５・・・分岐
板、１５０・・・仕切板、２２３・・・光源部、２２５
・・・検出部、２２６・・・セル、２２７・・・筒状フ
ィルタ部、２２９，２３６・・・光透過窓、２３３・・
・筒状フィルタ。ブ才１　図 υ ？６閃

Claims

【特許請求の範囲】

１）光源部と、測定セル部と、検出部とを備え、前記測
定セル部を筒状フィルタ面を通して測定ガスが入ること
ができるようにすると共に、前記フィルタ内に前記光源
部の光線を透過させて前記検出部にて検出し、前記フィ
ルタ内に侵入した測定ガスによる光線吸収量から測定ガ
ス濃度を測定する光学的ガス分析計であって、前記フィ
ルタを金属繊維質あるいは金属焼結体によって形成した
ことを特徴とする光学的ガス分析計。