JPS63263448A - 気体濃度検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、測定媒体として光を用いる気体濃度検出装置
に関し、特に、例えば鉄鋼業において使用される各種熱
処理炉その他、各業種において使用されている各種プロ
セスにおいて行なわれる雰囲気気体の濃度を検出する！
Ａ置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なわれ
るプロセスは数多く存在し、そこでは気体の濃度および
ｌ又は分圧を測定することが不可欠である。

光の吸収強度を利用し、測定用の光のプロセス中の管理
雰囲気中を直接通過させることにより、そのガス成分の
濃度および分圧を正確にするための方法および装置が、
特願昭５９−１６９９９４号、同５９−１６９９９５号
および同５９−１６９９９６号に提供されている。この
方法および装置では、光学系の汚れ、光軸のずれ等によ
り被測定気体に照射される光の強度が変化すると、測定
誤差が大きくなる。そこで、被測定気体に照射される光
の強度をも検出し、該強度をモニタしつつ被測定ガスの
濃度および分圧の測定を正確に行なう方法および装置を
特願昭６０−２９６８５４号で提供した。特願昭６０−
２９６８５４号に提示された発明では、チョッパを用い
て、光源からの光をチョッピングして、チョッピング光
をビームスプリッタで分岐して分岐光の波長λ１の光（
参照光）の強度（工１）を検出する一方、チョッピング
光を被測定気体に通し１通過した光を更にもう１つのビ
ームスプリッタで２系統の光に分岐して、ｌ系統におい
ては被測定気体により実質上吸収を受けない参照光（λ
１）の強度（Ｉ２）を検出し、もう１つの系統において
は被測定気体により吸収を受ける波長λ２の光（測定光
）の強度（Ｉ３）を検出し、１１で光源の特性変化をモ
ニタし、演算装置で、検出強度Ｉ２およびＩ３に基づい
て被測定気体の濃度ｎおよび分圧ｐを演算する６チＪツ
ビングは、光透過開口を開けた円板を回転させることに
より行なわれる０周波数ｆのチョッピングにより、■１
〜Ｉ３を検出するセンサの検出レベルが周波数ｆで脈動
するので、センサの検出信号のうち、１周波数のものを
抽出する。

数種の気体の濃度を検出する態様では、各気体を収容す
る容器に光をシリアルに通して、全容器を通過した光を
チョッピングする。チョッパの回転円板の光通過口には
、各気体で吸収を受ける波長の光のみを透過するフィル
タを装置し１回転円板の回転により、全容器を通過した
光の行路を各フィルタを時系列で順次に横切らせて、各
フィルタを通過した光の強度を検出し、一方、容器に進
入する前の光強度を同じく同種のフィルタを通して検出
し、容器進入前の光強度と容器通過後の光強度から、容
器内の気体の濃度を演算する。各容器進入直前にビーム
スプリッタを介挿して、光の一部を分岐して、フィルタ
を通して光強度を検出する。この光強度が容器進入前の
光強度である。

容器がシリアルに存在するので、ビームスプリッタが容
器と容器の間に１個存在することになる。

〔本発明が解決しようとする問題点〕

例えば５種の気体の各濃度を検出する場合、容器が５個
でビームスプリッタが５個で、測定光が複数個の容器お
よびビームスプリッタをシリアルに通過するので、ビー
ムスプリッタや容器の気体および窓における吸収や散乱
による減衰が大きく。

光の進行方向で下流の容器の気体濃度検出が不可能又は
低信頼性となる。

被測定気体の１種毎に、光源、チョッパおよび気体容器
を備える１組の気体濃度検出装置を用いると、このよう
な問題はなくなるが、光源およびチョッパを被測定気体
の種類数分備えることになり、４！！構要素が膨大とな
る。

本発明は複数種の気体の各濃度を、少い機構要素で、格
別に大きな光減衰を生ずることなくすなわち高い信頼性
で、検出することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成する本発明の検出装置は、光源から放射
される光の行路上にあって、該行路に対して直角を除く
角度で交鎖する反射面を有し該行路の中心線を回転中心
とするロータおよび該ロータを回転駆動する駆動手段で
、光を該回転中心を中心に円周方向に走査的に放射する
ものとし：複数個の気体容器を、走査放射光を受ける位
置に配列し、各気体容器を通過した光の強度を検出する
ものとする。

〔作用〕

これによれば、ロータの回転が所定回転角にあるときの
み光が１個の気体容器の被測定気体に照射されるので、
各容器の被測定気体にチョッピング光が与えられる。被
測定気体に入射する前の光強度すなわち参照光強度（１
１）は１例えば、ロータの回転が該所定回転角でないと
きの前記反射面の反射光を検出することにより、チョッ
ピング光として検出する。　′ このように、ビームスプリッタを介さずに、チョッピン
グ光を被測定気体に照射しかつチョッピング光を参照光
として得ることができる。ビームスプリッタが省略にな
る分、光路における光減衰量が低減するので、その全低
容量の発光源を用いることができる。複数個の気体容器
につき１個の光源と１個のチョッパ（ロータ＋モータ）
で済むので、機構要素が大幅に低減する。

本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の
実施例の説明より明らかになろう。

〔実施例〕

第１図に本発明の一実施例を示す。この実施例は、前述
の特願昭６０−２９６８５４号に堤供した気体濃度およ
び分圧測定装置の測定原理と同様な測定原理で気体濃度
および分圧を測定するものである。

なお、この第１図においては、ロータ５の真上に位置す
る光源（１＋２＋３：第２図）の図示は省略している。

第２図に、該光源を含めた第１図のｎ　−１１！！Ａ断
面を示す。

第１図および第２−を参照すると１発光素子ｌから放射
された光は、楕円面鏡２により集光され、さらに軸はず
し放物面鏡３により平行光束にされて、ロータ５の反射
面の中心に照射される。ロータ５は、円筒状筒体４を斜
め切りし、切断面にミラーを接合した形状のものである
。筒体の中心軸に電気モータ６の回転軸の中心を合せて
ロータ５が電気モータ６に結合されている。放物面鏡３
からの平行光束は、それに対して４５°よりやや狭い角
度をなすロータ５の反射面で、ロータ５を中心とする半
径方向に反射され、ロータ５の回転により、ロータ５の
反射面の中心を頂点とする、水平面よりわずかに傘状に
なった円錐面を描くように回転する。この反射光を受光
するように、この実施例では、５個の気体容器１０Ａ〜
ＩＯＥが、ロータ５を中心にして配列されている。

１つの気体容器（例えばｌ０Ａ）には、ロータ５の反射
面が容器（ＩＯＡ）の光透過窓（１１）に対向するとき
に、ロータ５の反射面で反射された光が照射される。容
器ＬＯＡ〜ＩＯＥには、パイプ（３８）を通して被測定
気体が供給され、該気体はパイプ（３９）を通って、気
体供給源に戻される。

以下、容器１０Δに関連する気体濃度検出系の構成と動
作を説明する。なお、他の容器１０Ｂ〜１０Ｅに関連す
る気体濃度検出系の構成動作も。

これと同じである。

容器１０の垂直壁の内面には、光の多重反射を行なう反
射面１３４＊１３５が形成されており、光透過窓１１か
ら容器１０に進入した光は、これらの反射面で反射して
光透過窓１２から出て、ビー１１スプリツタ１４で一部
が反射されて、被測定気体で吸収される波長λ２の光の
みを透過するフィルタ１９および集束レンズ１８を通し
て、光検出器２０で検出される。光透過窓１２から出た
光の一部は、ビームスプリッタ１４を透過して、被測定
気体で実質上吸収されない波長λ１のみを透過するフィ
ルタ１６および集束レンズ１５を通して光検出器１７で
検出される。

ロータ５の反射面が容器１０の光透過窓１１に対して丁
度背中合せになる回転角度では、放物面鏡３からの平行
光束は第１ミラー１３１に反射され１次に第２ミラー１
３２および第３ミラー１３３で反射され、更にビームス
プリッタ１４で反射されて光検出器１７で検出される。

ここでこの実施例における被測定気体の濃度および分圧
の測定原理を説明する。

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。

気体の吸収強度を測定し、これから測定対象ガスの濃度
を測定する方法は、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なわれている。第
１図に示す実施例では、被測定気体の吸収波長（Ｉ２）
をもつ光（以下測定光という。）の他に、吸収波長（Ｉ
２）に近いが、被測定気体により光吸収を実質上受けな
い波長（Ｉ１）の光（以下参照光という）を用い、しか
も両者が同一光路（１−３−５−１１−１２）を通過す
るようにし、かつ参照光（Ｉ１）について光源の光強度
（以下始強度という）お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（以下線強度とい
う）を測定し、これらの値からガス濃度の光路に沿う平
均値を測定しようとするものである。

一般に、光吸収はＬａ■ｂｅｒｔ　−Ｂｅｅｒの法則に
従いＩ（Ｌ）＝Ｉｏ　ｅｘｐ　（−ａＴｎＩＬ）と表わ
される。但し、ＩＯは始強度（透過前の強度）、ｎは被
測定気体の体積モル濃度、Ｌは被測定気体を通る光路長
、αは吸収係数、Ｉ　（Ｌ）は終強度（透過後の強度）
である。なお、吸収係数αは被測定気体、使用波長等に
より一義的に決まる物理定数である。

光検出器２０が検出するＩ２の光強度Ｉ３ｍ光検出器１
７が検出する被測定気体を通過したＩ１の光強度Ｉ２お
よび光検出器１７が検出する被１ｉ１１定気体を通過し
ないＩ１の光強度１１は下記のように表わされる。

１１”ＩＡＩ（０） Ｉ２　＝ＫＩａｔ（０）ｅｘｐ（−ａＡ１・ｎ−Ｌ）Ｉ
ａ　”Ｋ　Ｉ　入２　（０）ｅｘｐ（ａ　入２　・ｎ−
Ｌ）但し、λｌは参照先の波長、Ｉ２は測定光の波長。

αＡ＋は波長λ１に対する被測定気体の吸収係数、αい
２は波長λ２に対する被測定気体の吸収係数、ＩＡＩ（
０）は参照先の始強度、Ｉ　入２　（０）は測定光の始
強度、ｎは被測定気体の体積モル濃度、［、は光路長、
には被測定気体による光吸収以外の光損失を表わす係数
で、光路上に存在する窓ガラスのよごれによる損失、光
軸ずれによる損失等を表わす。

光強度１１は光源強度を表わし、光源の劣化による輝度
低下を蛤視することで、光源寿命の推定。

交換時期の見極めを行なう。参照光λ１の透過率τ１は
、 τ（＝Ｉ２／１１　＝Ｋ　ｅｘｐ（（！入ｔ・ｎ−ｒ−
）となる。αＡ１は被測定気体に吸収されないので。

参照光λ１は、 α入１′：０ としてよく、 τ１＝に となる６τ１は光路上での不要な光損失を表わすので、
τ１を監視することにより、窓ガラスのよごれの監視、
交換時期判定、光軸ずれの有無判定を行なう、また、測
定光の透過率τ２は。

τ２　＝Ｉ３　／１１　：に（Ｉａ２　（の／Ｉ工入　
（０））　ｅｘｐ（−ａ　入２　・ｎ−Ｌ）となる、さ
らに透過率τ１．τ２の比では、ｔ＝ｔ２　／ｌｔ　＝
（Ｉａ２　（の／ＩＡＩ　（の）　ｅｘｐ（−ＣＬ　入
２　・ｎ−Ｌ）となり、経時変化する係数Ｋを消去でき
る。

本装置においては、同一光源から参照光λ１および測定
光λ２を得ているから、それぞれの光源強度工人１（０
）、ＩＡ２（０）の間には、一定の関係があり、ＩＡＩ
（Ｏ）の値から工人２（０）の値を推定することができ
る。従って光源強度工人１（０）を測定するだけで予め
測定した参照光と測定光の光強度の比ＣＣ＝Ｉ入２（０
）／Ｉ工入（０） で光源強度Ｉ入２（０）を算出しうる。この比Ｃを用い
ると、ｔ　＝Ｃ・ｅｘｐ（−ａ　入２　・ｎ−Ｌ）−・
−（１）となる。式（１）の両辺の対数をとり、被測定
気の体の体積モル濃度ｎについて整理すると。

ｎ　＝−Ｃｍ　ｎ　（ｔ　／Ｃ））／　Ｃａ　Ａ２　・
Ｌ）・・・（２）となる、Ｃ９α入２およびＬは定数で
ある。そこで式（２）と、気体の状態方程式 ｐ＝ｎＲＴ （但し、ｐは被測定気体の分圧、Ｔは被測定気体の温度
、Ｒは気体定数）を組合せると、ｐ　＝−（ＲＴ／（ａ
　入２　　・Ｌ））Ｏｎ（ｔ　／Ｃ）−（３）となり、
式（３）より、被測定気体の分圧を求めることができる
。

以上を要約すると、 τ１　＝Ｉ　２　／　Ｉ　１　ｓ τ２　＝Ｉ　３　／　Ｉ　１　ｔ τ＝τ２／τ１ から、　　　　　　τ＝Ｉ３／Ｉ２・・・（４）が求ま
り、この（４）式と上記（２）式で気体濃度ｎが求まり
、ｎを上記（３）式に代入して気体の分圧ｐが求まる。

　　゛ 上記演算において、濃度ｎの算出およびｐの算出には、
Ｉ１は不要であるが、これは、光源ｌ。

放物面鏡３．ミラー１３１〜１３３およびビームスプリ
ッタ１４の特性、特に光源ｌの特性の変化を監視するた
めに重要である。１１は光源の劣化や被測定気体を通ら
ない光学系の汚れをモニタするのに用いることができ、
Ｉ２は光源ｌの劣化や被測定気体を通る光学系の汚れを
モニタするのに用いることができる。

第２図を参照する。光検出器１７の検出信号はピークホ
ールド回路２２および２３に与えられ、光検出器２０の
検出信号はピークホールド回路２４に与えられる。ピー
クホールド回路２２〜２４は、ピークホールド用の入力
ダイオードおよび積分コンデンサ、該コンデンサの充電
電圧を増幅する高入力インピーダンスの増幅器（ＦＥＴ
）。

該コンデンサを放電させる放電用のスイッチング素子お
よび入力電圧を入力用ダイオードを介して該コンデンサ
に印加する入力用のスイッチング素子を有するものであ
り、読込指示信号が到来するとその立上り点で放電用の
スイッチング素子がオンしてコンデンサを放電しくリセ
ット）、その後読込指示信号が消えるまで入力用のスイ
ッチング素子がオンして、入力電圧を入力ダイオードを
介してコンデンサに蓄積する（ピーク値読込）。読込指
示信号が無いときには、コンデンサの電圧はそれ以前の
電圧のままホールドされている。

ピークホールド回路２３および２４には、フォトセンサ
８の、開ロアｈ検出（Ｈ）信号が読込指示信号として印
加され、ピークホールド回路２２１巳は、フォトセンサ
９の、開ロアｈ検出（Ｈ）信号が読込指示信号として印
加される。モータ６の回転軸には、第１図に示すように
開ロアｈを有する回転板７が固着されており、この回転
板７の開ロアｈが、ロータ５の反射面が透光窓１１に対
向するときにフォトセンサ８の位置にあり、ロータ５の
反射面が透光窓１１に背向かいのときにフォトセンサ９
の位置にある。すなわち、ロータ５が透光窓１１に光を
反射するとき、フォトセンサ８がＨ（ｒＡロアｈ検出）
の信号を発生し、ピークホールド回路２３．２４をリセ
ットしかつホールド値更新を行なわせる。これにより、
ピークホールド回路２３には、被測定気体を通過した参
照光λ１の光強度■２を示す信号レベルがホールドされ
、ピークホールド回路２４には、被測定気体を通過した
測定光λ２の光強度Ｉ３の信号レベルがホールドされる
。ロータ５がミラー１３．に光を反射するときには、フ
ォトセンサ９がＨ（開ロアｈ検出）の信号を発生してピ
ークホールド回路２２をリセットしかつホールド値更新
を行なわせる。これにより、ピークホールド回路２２に
は、被測定気体を通過しない参照光λ１の光強度１１を
示す信号レベルがホールドされる。

このようにして、ピークホールド回路２２には、被測定
気体を通らない参照光λ１の強度１１が、ロータ５の一
回転周期で更新ホールドされ、ピークホールド回路２３
には、被測定気体を通った参照光λ１の強度Ｉ２がロー
タ５の一回転周期で更新ホールドされ、ピークホールド
回路２４には、被測定気体を通った測定光λ２の強度■
３がロータ５の一回転周期で更新ホールドされる。

これらのホールド値１１〜Ｉ３は、Ａ／Ｄコンバータ２
５でデジタルデータに変換されて、制御器２６に読込ま
れ、演算器２７に転送される。制御器２６は、フォトセ
ンサ８および９の開口検出パルスに同期して、所定のタ
イミングでＡ／Ｄコンバータ２５に各位Ｔｉ〜■３のＡ
／Ｄ変換を指示し、変換データを読込む。

演算器２７は、１１〜１３をそれぞれ１ｍ個のデータを
記憶する平均値基礎データレジスタに、最も古いデータ
を捨てて、最新のデータを加える形で書込み、これらの
レジスタの内容の平均値を演算して、１１の平均値とＩ
２の平均値を表示器２８に与えてそれらを表示させると
共に、平均値データに基づいて、τ＝Ｉ３／Ｉ２を演算
して、これを上記（２）式に導入して気体濃度ｎを算出
し。

次に、ｎと、温度センサ３７が検出している容器内の気
体温度Ｔを」＝記（３）式に導入して気体の分圧Ｐを算
出し、ｎとＰを示すデータを表示器２８に与えてそれら
を表示させる。このような演算と表示データの更新出力
は、ロータ５の１回転につき１回行なう。

以上に説明した光強度検出値の回路２２〜２４へのホー
ルドおよび濃度演算等のタイミングを第３図に示す。

なお、例えば１３３をビームスプリッタとして。

それを通した光を、被測定気体の吸収波長λ２のみを通
すフィルタを通して第３の光検出器で被測定気体を通さ
ない測定光λ２の強度 １４＝１入２（０） として検出し、演算器２７において、１１とＩ４をもと
にロータ５の１回転につき１回定数Ｃを算出し。

この定数Ｃを上記（２）式に導入するようにしてもよい
。また、演算器２７において、１１とＩ２の差又は比を
演算し、それが所定範囲を外れると、被測定気体を通さ
ない光学系と通す光学系の一方の特性が（汚れなどで）
変ったとしてそれを表示するようにしてもよい、Ｉｌお
よびＩ２の同時の同方向の変化は光源１の特性変化であ
るので、これを表示するようにしてもよい６以上に説明
した実施例では、容器１０Ｂ〜１０Ｅに関してそれぞれ
第２図に示す電気回路２２〜２８が備っており、電気回
路２２〜２８が５組ある。これは−組としてもよい。例
えば１回転板７を、全周に渡って微細スリットをも有す
るものとし、フォトセンサは開ロアｈを検出するもの（
基点検出用）と微細スリットを検出するもの（回転量検
出用）とし、開ロアｈを検出してから微細スリット検出
パルスのカウントを開始し、カウント値が、反射面がそ
れぞれ容器１０Δ〜ＩＯＥに光を与える区間を示すとき
に、容器対応のピークホールド回路（２３，２４）をピ
ーク更新させ、カウント値が第１ミラー（１３１）のそ
れぞれに光を与える区間を示すときに、ピークホールド
回路（２２）をピーク更新させて、それらの区間外で、
ピークホールド回路それぞれのホールド信号を順次にＡ
／Ｄ変換器に与えて制御器に読込む。

次に、本発明のもう１つの実施例を説明する。

この実施例においては、容器１０Ａに関して、光検出器
２０．フィルタ１９およびレンズ１８を窓１２に対向さ
せ、ビームスプリッタ１４および第１〜第３ミラー１３
．〜１３ａを省略して、第１ミラー１３１の位置に、フ
ィルタ１６．レンズ１５および光検出器１７を配置する
。フィルタ１６は、フィルタ１９と同じ波長通過特性を
有するものとする。他の容器１０Ｂ−１０Ｅに関しても
同様とする。

これにおいて、光検出器２０で被測定気体で吸収される
波長の光強度■３が検出され、光検出器１７で被測定気
体で吸収される前の、被測定気体吸収波長の光強度■ｏ
が検出される。Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則より。

Ｉ３　＝Ｉｏｅｘｐ（−ｃｘ・ｎ−Ｌ）であり１両辺の
対数をとって、 ｎ＝　　（Ｑｎ（Ｉａ／Ｉｏ））／（α・Ｌ）より濃度
ｎを演算する１分圧Ｐは気体の状態方程式ｐ　＝　ｎ　
ＲＴより演算する。この実施例では、Ｉ３測定光路、す
なわち、ロータ５の反射面から光検出器２０の間には、
ビームスプリッタも反射鏡も介在しない。また■ｏ測定
光路、すなわちロータ５の反射面から光検出器１７（こ
れは１５゜１６と共に、第２図のミラー１３１の位置に
置かれている）の間には、ビームスプリッタも反射鏡も
介在しない。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明によれば、光源（１〜３）の光がロ
ータ５の反射面で、眩光の光軸を中心とする３６０＠方
向に走査放射されて複数の気体容器に入射するので、各
気体容器に入射する光強度はどの気体容器に関しても実
質上同じであって、各容器に入射するまでの減衰が実質
上ない。したがって、各容器部で高精度で濃度検出を行
なうことができる。光源およびチョッパ（５＋６）が１
組でよいので、機構要素は少い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の平面図である。 第２図は、第１１の■−■線断面図である。 第３図は、第２図に示す電気回路の動作タイミングを示
すタイムチャートである。 １：発光素子　　　　　２：楕円面鏡 ３：放物面鏡　　　　１〜３：（光源）４：円筒　　　
　　　　　５：ロータ ５Ａ：反射面の傾斜方向　６：モータ ７：回転板　　　　　　７ｈ：開口 ８．９：フォトセンサ　ｌ０Ａ−Ｉｏｎ：容器１１：透
光窓　　　　　　１２：透光窓１３１〜１３３：ミラー
　１３ｍ　、１３５：反射面１４：ビームスプリッタ　
１５．１８：収束レンズ１６．１９：フィルタ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光源； 該光源から放射される光の行路上にあって、該行路に対
   して直角を除く角度で交叉する反射面を有し該行路の中
   心線を回転中心とするロータ；該ロータを回転駆動する
   駆動手段； 前記反射面と前記中心線との交点を中心に放射状に、該
   交点を中心とする円周方向に配置され、前記行路を進行
   し該反射面で反射された光を受入れる窓を有する、複数
   個の気体容器；および、気体容器それぞれの内部の気体
   を通過した光の強度を検出する光検出手段； を備える気体濃度検出装置。