JPS6148736A

JPS6148736A - 気体の濃度および分圧測定装置

Info

Publication number: JPS6148736A
Application number: JP59169996A
Authority: JP
Inventors: Toru Inouchi; 徹井内; Taizo Hoshino; 泰三星野; Masakazu Sakurai; 桜井　正和
Original assignee: YAMADA KOGAKU KOGYO KK; Nippon Steel Corp
Current assignee: YAMADA KOGAKU KOGYO KK; Nippon Steel Corp
Priority date: 1984-08-16
Filing date: 1984-08-16
Publication date: 1986-03-10
Anticipated expiration: 2009-05-18
Also published as: JPH0638058B2

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】（＃業主の利用分野）本発明は、例えば鉄鋼業において使用される各Ｊ・０８
処理炉その他、各業種において使用されている各種プロ
セスにおいて雰囲気気体の濃度および分圧を管理するた
めのｉｌｄｌ装定に関するものである。

（従来の技術）鉄鋼業において使用される加熱炉、焼鈍炉を始め、気体
の成分濃度および分圧が管理された雰囲気中で行われる
プロセスは数多く存在し、そこでは気体のｅ度および分
圧を測定することか不可欠である。そのため現在は、測
定用プローブを被測定雰囲気中に直接挿入し測定を行う
方法や、被測定ガスを適当な装置を用いて吸引しプロセ
スの外部で４１１１定する方法などが行われている。

（発明か解決しようとする問題点）しかしながらこれらの方法は、例えばプロセスの雰囲気
か高温、高圧状態にある場合や腐食性の強い気体成分か
ら構成されている場合等々苛酷な条件下では、測定用プ
ローブの耐熱、耐圧、削腐食性能に限界があることや、
ガスを外部に取出すことに起因して、カス成分が失われ
てしまうことがある等々種々の問題があり、正確なＪｌ
１１定を行うことができない場合があった。

本発明ｌ±、上記のような問題点を解決し、光の吸収強
度を利用し、測定用の光をプロセス中の管理雰囲気中を
直）妾通過させること１こより、背ｊ、；雑富の影響を
常時除去しつつ１そのカス成分の濃度および分圧を正確
にＡＩ’ｌ定するための装置買を提供せんとするもので
ある。

（問題点を解決するための手段７作用）本発明は　光の
吸収強度を利用して気体の濃度および分圧を測定するも
ので、光源から被４１１１定気体に向けて放射される光
の光軸−ヒに、互に回期して回転する２枚の回転セクタ
と、反射光のみを反射するハーフミラ−を設け、さらに
被４１１１定気体の後方に反射（ｍを設け、かつ前記ハ
ーフミラ−に対向して検出器を設けるとともに、前記回
転セクタのうち光源側のものには２種の干渉フィルタと
全吸収面とを設け、他方の回転セクタすなわち被測定気
体側のものには全吸収面、全反射面および透過孔を設け
たことを特徴とする。

モこで先ず本発明装置の測定原理について説明する。第
１表に示すように気体分子は分子振動に対応して特定の
波長の光を強く吸収する。そこで、この特定の吸収波長
をもつ光を用いて、気体の吸収強１鼓を測足し、これか
ら４１１１定対象カスの濃度を測定する方法は１例えば
特公昭５１−２０９０４号公報に開示されているように
すでに行われている。

本発明装置”１″２は上記の特定の吸収波長をもつ光（
以下ル（１１定光という。）の他に、吸収波長に近いが
光吸収を受けない波長の光（以下参照光という。）を用
い、しかも両者が同一光路を通過するようにし、かつこ
のａｌ１１定光および参照光について光源の光強度（以
下始強度という）８よび被測定気体中を通過し、該気体
による光吸収を受けた後の光強度（以下終強度という。

）を測定し、これらの値からガス濃度の平均値を測定し
ようとするものである。

第１表一般１こ、光吸収はＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則に
従いＩ　　（Ｌ）　　＝　　１゜ｅｘｐ（−ａｍ　　ｎ
　　＊　　Ｌ）と表わされる。但しＩ　（ｏ）は始強度
、■は被４１１１定気体の体積モル濃度、Ｌは光路長、
αは吸収係数、■（し）は終強度である。なお、吸収係
数αは！　Ａｌ１１定気体、使用波長により一義的に決
まる物理￥数である。そこで＋ｉｉｆ記２枚の回転セク
タに取付けた干渉フィルタ、全反射面、全吸収面および
透過孔の第２表に示す組合せにより得られる光強度■１
〜■６を下記のように組合せ１の場合　Ｉ、　＝Ｉλ１　（０）　＋　Ｉｚ／
／　　２　　／／　　　ｌ２＝Ｉ、／／　　３　　／／　　　工３二Ｉ入２　（ｏ）　＋ｒ
ｚｙｔ　　４　　／／　　　Ｉ４　＝Ｋｚλ、　（ｏ）
ｅｘｐ（−α、＋ｇ　　＋　ｎ・Ｌ）＋ＩＢ＋Ｉ。

／／　　５　　／／　　　ｌ５＝ＩＢ　　＋Ｉｚ／／　
　　　６　　　　ｎ　　　　　　Ｉ　　６　　＝　　Ｋ
　　ＩＡ２　　（ｏ）ｅｘｐ（−αＡ２　ｈ　　ｎ・　
Ｌ）＋ＩＢ　　＋Ｉス求めることかできる。

但し、入、は参照光の波長、入２は測定光の波長、０人
１は波長入１　に対する吸収係数、αＡ２はｉｌＵ長入
２に対する吸収係数、Ｉ入ｔ　（ａ）は参照先の始強度
、Ｉλ２（０）はＡ１１１定光の始強度、ｎは被測定気
体の体積モル濃度、Ｌは光路長、Ｉｔ　　は検出２：÷
の暗雑音、より　　は背景雑音としての放出光、Ｋは対
象カスによる光吸収以外の光損失を表わす係数である。

（なおこの係数は、光路に存在する窓ガラスの！９れに
よる損失、光路においてｆｌｌｌ＋定光の一部か欠ける
ことによる損失等を表わす。）これらにより、参照光お
よび測定光の透過率Ｒ，，Ｒ２はとなる。従って透過率Ｒ，，Ｒ２の比Ｒはとなり、経時
変化する未知の係数Ｋを消去することかできる。また参
照先は被測定気体により吸収されないので、αλ２〉〉
αλ１とすることかでき、従って透過率比ＲはＲ＃　ｅｘｐ（ａλ２　・ｎ　・Ｌ　）　　　　　　　
　−（２）となる。さらにこの　（２）式の両辺の対数
をとり、被測定対象気体の体積モル濃度ｎについて整理
するととなる。そこでこの体積モル濃度ｎと気体の状７８方程
式％式％（４）（但しＰは被測定気体の分圧、Ｔは被測定気体のＩム１
（度、Ｒは気体常数）を組合せることにより被４［Ｉ］定気気体分圧を永める
ことができる。

本発明装置σはこのような理論に基づくもので、以下図
面により本発明について説明する。第１　＋２は本発明
の構成を示す説明図で、ｌは光ＪＲ１２はその放射光を
集光させるだめの楕円面鏡、３は平行光束を作るだめの
軸はずし放物面鏡である。４Ａおよび４Ｂは２枚の回転
セクタで、第２図に示すようにモーター５に同軸に取付
けである。而してこの回転セクタ４Ａには第３図に示す
ように波長入】の光のみを透過する干渉フィルタＦ１　
と、波長入２の光のみを透過する干渉フィルタＦ２およ
び全吸収面Ａを、また回転でフタ４Ｂには全吸収面Ａ、
全反射ｒ（ｆｉ　Ｌおよび透過孔Ｈを、両回転セクタシ
こよる組合せが第２表に示すとおりになるようにｌ！に
！設しである。また６は回転セクタ４Ｂの全反射面Ｌ８
よひ後記する反射面７からの反射光を袖はずし放物面鏡
８に導くハーフミラ−１７は波計１定気体１０の後方に
設けた反射面、９は検出２＝、ｃは本発明装置を収容す
る筐体、Ｗは測定光および参照光か通過するように筺体
Ｃに設けた窓で各波長に対する透過率が既知であり、か
つ各波長に対する透過率か等しいものを使用することが
望ましい６本発明装置により気体の濃度および分圧を４
１１ｊ足するには、光源ｌから白色光を楕円面鏡２に投
射して集光させ、さらに軸はずし放物面鏡３により平行
光束を作り、モーター５により回転している回転セクタ
４Ａに投射する。この回転セクタ４Ａには波長入ｌの光
のみを透過する干渉フィルタＦ１と、波長入２の光のみ
を透過する干渉フィルタＦ２８よひ光の反射率が０χの
全吸収面Ａを第３図に示すような位置に配設し、また他
方の回転セクタ４Ｂには全吸収面Ａ、光の反射率ＩＱＱ
＄の全反射面し、透過率１０ｏｚの透過孔Ｈを同じく第
３図に示すような位１ηに配設してあり、かつ両者は第
２表に示すような関係に組合されているので、干渉フィ
ルタＦ１あるいは干渉フィルタＦ２を透過した光は単色
光となり、それぞれ参照光とＪｌ＋定光になる。

第２表そこで先す始強度■（０）を求めるには回転セクタ４Ａ
の干渉フィルタ１と回転セクタ４Ｂの全反射而Ｌの組合
せ（第２表ψ）を光軸、ヒに位置させる。

この場合干渉フィルタＦ、を透過した光はハーフミラ−
６を透過し、全反射面Ｒで反射し、さらにハーフミラ−
６で反射し、ｌ噛はずし放射面鏡８により検出器９に集
光される。従って前記光強度Ｉ、が求められる。次に回
転セクタ４Ａおよび回転セクタ４Ｂか共に全吸収面Ａの
組合せ、すなわち第２表（？）の組合せになった場合に
は、光源ｌからの光は回転セクタ４Ａの全吸収面Ａによ
り完全に吸収され、また背景雑音としての放出光は、回
転セクタ４Ｂの全吸収面Ａにより完全に吸収されるので
、検出器９により検出される光強電工２は暗雑音工　の
みとなる。次に回転セクタ４Ａが干渉フィルタＦ２、回
転セクタ４日か全反射面りとなったとき、すなわち第２
表りの組合せとなったときには、干渉フィルタＦ２を透
過した波長入２の単色光かハーフミラ−６を透過し、回
転セクタ４Ｂの全反射面りに至りその全量か反射し、さ
らにハーフミラ−６により反射し、軸はずし男物面鏡８
により集光され検出器９に受光される。従って工３が求
められる。次に回Ｉにセクタ４Ａが干渉フィルタＦ１１
回転セクタ４Ｂが透過孔Ｈの組合せすなわち第２表・ル
の組合せになると、干渉フィルタＦ１を透過した波長入
ｌの単色光はハーフミラ−６、透過孔Ｈな経て被測定気
体１０中を通過し、さらにレトロリフレクタ−なとの反
射面７で折返され、町ひ被測定気体１０を通過し、透過
孔Ｈを経、さらにハーフミラ−６により反射し、軸はず
し放物面鏡８により集光され検出器９に受光され、その
結果工４か求められる。次に回転セクタ４Ａが全吸収面
Ａ、回転セクタ４Ｂが透過孔Ｈの組合せすなわち第２表
唖）の組合せになると、検出器９には工５すなわち背景
雑音としての放出光および検出器９の暗雑音が検出され
る。最後に回転セクタ４Ａか干渉フィルタＦ２　、回転
セクタ４Ｂが透過孔Ｈの組合せすなわち第２表（印の組
合せになると干渉フィルタＦ２を透過した波長入２の単
色光がハーフミラ−６、透過孔Ｈ１被Ｊｌ！Ｉ定装置ｌ
Ｏを通過し反射！ＢＪ７により折り返し、再び被測定気
体ＩＯを通過し、透過孔Ｈ、ハーフミラ−６、軸はずし
放物面鏡８を経て検出器９に受光され、その結果光強度
Ｉ６が検出される。

このようにして光強電工、〜Ｉ６を４］１１定すること
かできるので、これらからｃｉＯ記のように参照光およ
び測定光の透過率Ｒ１、Ｒ２を求めることができ、さら
に　（１）式、　（２）式および　（３）式により体積
モル濃度ｎを、また（４）式から被Ｊｌｌｌ定カスの分
圧を求めることかできる。

第４図は検出器９により求められた光強電工１〜■６か
ら体積モル濃度ｎおよび分圧Ｐを求めるためのをＩ算回
路の一例を示すもので、検出器９によって光から変換さ
れた電流信号は、回転セクタの回転に件って発生し、デ
コーダ−１４を経て供給される同期回路１２からの信号
に従って、プリアンプ１１あるいは該プリアンプ１１お
よびＡＧＣアンプ１３を経てサンプリングホールド回路
１５〜２ｏのいずれかに入力され、光強電工１〜Ｉ６と
して出力される。さらにこの光強電工１および工２は演
算回路２３によりＣＩＩ　　　Ｉ２）の演算か行われ、
また光強度１２８よひ工３は演算回路２４により（Ｉ３
−Ｉ２）の演算か行われ、さらに油質回路２８により制
御回路２２に入力され、さらにその出力はＡＧＯアンプ
にフィードバックされる。−力先強度Ｉ５は演算回路２
５により基部電圧発生器２１からの信号と比較され、さ
らに演算回路２６により光強度Ｉ４との間で（Ｉ４−Ｉ
ｓ　）の演算が行われる。また演算回路２７により光強
電工６との間で（Ｉｓ−Ｉｓ）の演算が行われる。さら
にこれらの出力は演算口さらにＬｏｇアンプ３０により
透過率比Ｒ２体積モル濃度ｎを演算出力する。得られた
体積モル濃度ｎと別途求めた温度Ｔ　（Ｋ）を乗算アン
プ３２により乗算し、演算回路３３を経て分圧Ｐを演算
出力する。また上記の演算、すなわち光強度１１〜工６
より体積モル濃度ｎおよび分圧Ｐを求める演りを、マイ
クロコンピュータを用い、ディジタル的に行わせること
もできる。

第５図は本発明を鋼板の焼鈍炉中の鋼板の近傍の雰囲気
ガスの濃度および分圧測定に適用した場合を示すもので
、３５は本発明装置の筺体Ｃと焼鈍炉３４に設けた窓３
６とを接続するベローズ、３７はレトロリフレフクー等
の反射面と焼鈍炉３４に設けた窓３８との間に設けたフ
ランジ継手、　３８は炉内に位置させたｇ！Ｉ仮である
。このように構成すると、鋼板３８の近所の雰囲気カス
の濃度および分圧を測定することができる。

なお、上記の説明は測定対象として１種類のガスの場合
について行ったか、他種カスについて吸収される他の波
長入３　、入４・・・を加え２種類以上の測定光を用い
ることにより上記の場合と同様にして、同時に２種類以
上のガスの濃度および分圧を測定することができる。

（実施例）次に；に発明装置により水ノへ気の濃度をＡｌ１１足し
た場合を示す。参照光としてんｌ＝　１．２００　用ｍ
　　、　Ａｌｌ＋定光として入２＝１．３８５ｗ口の光
を使用し、光距、重Ｌ　＝　３４ｃｍ、気体温度Ｔ＝１
５０℃条件で測定を行った場合の参照光、Ａｌ１１足光
の透過率Ｒ＋　８よびＲ２，透過率比Ｒをプロットした
ものを第６因に示す。なお横１１ｓｈは水７Ｎ気圧であ
る。この図から明らかなように、測定光の透過率は水７
ｈ気圧か上昇するにつれて減少するが、参照光の透過率
はほぼ一定である。また第７図は求めた透過率比Ｒをセ
ミログプロットしたものである。これから明らかなよう
に、分圧と透過率比Ｒの対数は比例関係にあり、これか
ら被測定気体の体積モル濃度や分圧を求めることができ
る。

（発明の効果）以上説明したように本発明装置によれば、被測定気体か
持つ温度、圧力などの条件によらず、Δ１］（足先およ
び参照光を被Ｗ１１定気体中を通過させるのみで、常時
°１−￥−景雑音の影響を除去しつつ多種灯１の気体濃
度および分圧を同時に正確に測定することができ、しか
も機構的にも簡易である、また多方面に適用し得る等そ
の実用上の効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の構成を示す説明図、第２図は本
発明における回転セクタの構成を示す説明図、第３図は
回転セクタにｌ！ｌ！設した千渉フィルタ全吸収１ｍ、
全反射面、透過孔の組合せを示す説明図、第４図は本発
明装置６に使用する演算回路の一例を示す図、第５図は
本発明を鋼板の焼鈍炉に適用した場合を示す説明図、第
６図および第７図は本発明装置′直による測定結果を示
す図である。１・・・光０；シ２・・・楕円面鏡、３・・・軸はずし
放物面鏡、４Ａ、４Ｂ・・・回転セクタ、５・・・モー
ター、６・・・ハーフミラ−１７・・・反射面、８・・
・軸はずし放物面鏡、９・・・検出器、１０・・・被測
定気体、Ｃ・・・筺体、Ｗ・・・窓、Ｆ、、Ｆ２・・・
干渉フィルタ、Ａ・・・全吸収１ｆＩｊ、Ｌ・・・全反
射面、Ｈ・・・透過孔、　１１・・・プリアンプ、１２
・・・同期回路、１３・・・ＡＧＣアンプ、１４・・・
デコーダー、１５〜２０・・・サンプリングホールド回
路、２１・・・）、（準電圧発生器、２２・・・ＡＧＯ
制御回路、２３〜２９・・・演算回路、３０・・・Ｌｏ
ｇアンプ、３１・・・演算回路、３２・・・乗算回路、
３３・・・演算回路、３４・・・焼鈍炉、３５・・・ベ
ロース、３６　、３９・・・窓、３７・・・２ランシ継
手、３８・・・鋼板。

Claims

【特許請求の範囲】

光源から被測定気体に向けて放射される光の光軸上に、
互に同期して回転する２枚の回転セクタと、反射光のみ
を反射するハーフミラーを設け、さらに被測定気体の後
方に反射面を設け、かつ前記ハーフミラーに対向して検
出器を設けるとともに、前記回転セクタの一方には２種
の干渉フィルタと全吸収面とを設け、他方の回転セクタ
には全吸収面、全反射面、透過孔を設けたことを特徴と
する気体の濃度および分圧測定装置。