JPS63263449A - 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１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装
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
／又は分圧を測定することが不可欠である。

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
に行なわれている。

一般に、光吸収はＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則に従
いＩ　１＝　Ｉ　ｏ　　ｅｘｐ　（−α」ＰＬ）と表わ
され、これより。

ｎ　＝−（Ｑｎ（１１／Ｉｏ　）］／（α・Ｌ）　”（
１）となる、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、１１は線強度（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。したがって、被測定
気体の吸収波長の光の始強度工０と線強度ＩＩを検出し
、これらを（１）式に導入して体積モル濃度ｎを得るこ
とができる。

また、気体の状態方程式 ％式％ （ｐは気体の分圧、Ｔは気体の温度、Ｒは気体定数）よ
り、 ｐ　＝−ＲＴ（Ｑｎ（Ｉｔ　／Ｉｏ　））バａ・Ｌ）　
・・・（２）となり、気体の分圧Ｐを算出することがで
きる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

被測定気体の濃度が低い場合、工１の濃度対応の変化率
を大きくするためには気体中の光透過距離りを長くすれ
ばよいが、この距離りを長くするには限度があり、特に
、気体濃度検出装置を小型にしようとするときに、Ｌを
大きくできず、低濃度の検出精度が低下する。

本発明は与えられたＬ（固定）において、比較的に低濃
度領域で濃度の変化に対する■１の変化量を大きくする
こと、すなわち低濃度領域での検出精度を向上すること
、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ために本発明においては。

拡散光、すなわち広い領域に分散する光、を被測定気体
に通して、該領域の各点で該気体による減衰を受けさせ
減衰光を収束して光検出手段で収束光の強度１１を検出
する構成とする。

仮想的に説明すると１本発明では、広い断面Ｓ＝ΣΔＳ
に拡散光を放射して、ΔＳそれぞれでΔＩｒの減衰を受
けさせて、それらを集積してＩｒ＝ΣΔＩｒの総減衰を
受けた光強度■１を検出する構成とする。

〔作用〕

ｓ＝ｑΔＳ、■ｏ＝ｑΔＩｏ、とすると、各ΔＳ断面に
おいては、Δ■ｏの光をΔＳ断面で距離りに渡って気体
中を通過させるため、全体の和をとると、ΔＩｏの光を
ΔＳの断面について（ＩＬの距離通過させるのと同義と
なる。したがって、距離りが従来と同じであっても、気
体による光の減衰量が増大し、低濃度気体においても濃
度変化に対する１１の変化量が大きく、その公演度検出
精度が向上する。

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１〕 第１図に示す本発明の第１実施例においては。

気体容器１に楕円面鏡２が収納され、この楕円面＠２に
発光素子３が広範囲に放射状に拡散する光を放射する。

この光は楕円面鏡２の各点で反射されて、容器ｌの透光
窓４を出たある点に収束する。

この収束点に光検出器６が配置され、光検出器６と容器
１の間に、被測定気体の吸収波長の光を選択的に透過す
るフィルタ５が配置されている。

被測定気体は、パイプ９から入口８を経て容器ｌ内に入
り、容器ｌ内を満して出口１０からパイプ１１に至り、
パイプ１１で供給源に戻される。容器ｌ内の気体の温度
を温度センサ７が検出する。

発光素子３は、これを発光付勢するランプドライバ１２
に接続されており、温度センサ７には温度信号処理回路
１４が接続されており、光検出器６には光信号処理回路
１３が接続されている。温度信号処理回路１４は検出温
度を示すアナログ信号をマイクロプロセッサ（以下ＣＰ
Ｕと称する）１５のＡ／Ｄ変換入力端ＡＤ２に与え、光
信号処理回路１３は、光強度を示すアナログ信号をＣＰ
Ｕ１５のＡ／Ｄ変換入力端ＡＤＩに与える。

ランプドライバ１２には、ＣＰＵ１５が、発光素子３の
点灯を指示する信号（高レベルＨ）および消灯を指示す
る信号（低レベルＬ）を与える。

ＣＰＵ１５には更に、光強度初期値１０読取りを指示す
る初期値読込指示スイッチ１７．気体濃度ｎ（および分
圧ｐ）検出を指示する測定指示スイッチ１８．クロック
パルスを発生しそれをカウントして予め設定されたカレ
ンダにしたがって時刻（年月日時分秒）を示すデータを
発生する時計装置２０．キャラクタディスプレイ１６．
プリンタ１９、および、上位コンピュータに検出データ
を与える（ラッチして常時出力する）ホストインターフ
ェイス２１が接続されている。

この実施例では、光検出器６が１組のみであるので、容
器１に被測定気体を入れた状態でＩｏを検出することが
できない。そこで、オペレータは、装置設置時、測定開
始時あるいは必要と認めるときには、ＩＯ測定用の標準
気体（例えば、測定中に容器１に供給する気体の成分の
内、被測定気体成分を含まないもの、被測定気体成分を
含まない空気、あるいはその他の気体）を容器ｌに導入
し。

スイッチ１７を一瞬閉とする必要がある。スイッチ１７
が閉になると、Ｃ：ＰＵ１５が光検出器６の検出値（Ｉ
ｏ）の読取とメモリへの書込みを行なう、オペレータは
、測定するときには容器１に被測定気体を満してスイッ
チ１８を閉とする。スイッチ１８が閉になるとＣＰＵ１
５が光検出器６の検出値（１１）および温度（Ｔ）を読
込み、上記（１）式で気体濃度ｎを、また上記（２）式
で気体の分圧ｐを演算する。ＣＰＵ１５は、読込んだ光
強度ＩＯｙ１１１Ｔｇ演算した濃度ｎおよび分圧ｐを示
すデータをキャラクタディスプレイ１６．プリンタ１９
およびホストインターフェイス２１に与える。

第２図に、ＣＰＵ１５の制御動作を示す。これを参照し
て説明すると、装置電源がオンになってＣＰＵ１５に所
定の電圧が印加される（ステップ１：以下カッコ内では
ステップという語を省略する）とＣＰＵ１５は、出力ポ
ートを待機状態の信号に設定し、内油レジスタ、カウン
タ、タイマ。

フラグ等をクリアする（２）、そしてランプドライバ１
２に点灯を指示するＨを与える（３）、これにより発光
素子３が点灯する０次にＣＰＵ１５は、スイッチ１７お
よび１８が接続された入力ポートの信号レベルをチェッ
クする（４．５）、すなわちスイッチ１７．１８の開閉
状態を判定する。

スイッチ１７が閉であると、サブルーチン６のｒｌ、Ｔ
読取ノを実行する。

サブルーチン６では、まずレジスタＩ　（光強度読取値
積算レジスタ）およびレジスタＴ（温度読取値積算レジ
スタ）をクリアし、レジスタＭ（積算残回数）に、平均
値演算のための、読込み回数ｍを書＜（６１）、そして
発光素子３を点灯番ごして（６２ａ）、素子３の発光強
度が安定するまでの時間ｔｏの経過を待って（６２ｂ）
、入力ポートＡＤＩに加わっているアナログ信号レベル
（Ｉｏ）をＡ／Ｄ変換してデジタルデータに変換しく６
３）、このデータ（Ｉｏ）をレジスタＩの内容に加算し
、和を示すデータをレジスタＩに更新メモリする（６４
）、次に入力ポートＡＤ２に加わっているアナログ信号
レベル（Ｔ）をＡ／Ｄ変換してデジタルデータに変換し
く６５）、このデータ（Ｔ）をレジスタＴの内容に加算
し、和を示すデータをレジスタＴに更新メモリする（６
６）、そして１回の読込みと加算を終了したのでレジス
タＭの内容を１小さい数°を示すものに更新しく６７）
、レジスタＭの内容が０以下（ｍ回の読込みと読込値の
積算が終了）になったか否かをチェックする。０以下に
なっていないとステップ６３に戻り、もう１回の読込み
と積算を行なう。

レジスタＭのデータが０以下を示すものとなると、温度
平均値Ｔｍを演算（これはレジスタＴの内容をｍで割る
ことに相当”）Ｌ、（７０）　、検出光強度平均値１ｍ
を演算（レジスタＩの内容をｍで割る）しく７１）、レ
ジスタＴにＴｍを更新メモリする（７１）。以上がサブ
ルーチン６の内容である。

サブルーチン６を終了すると、レジスタ１．に１ｍを書
く　（７）。そしてＴｍおよびＩ。をディスプレイ１６
および１９に転送しく８ａ）、発光素子３を消灯して（
８ｂ）ステップ４，５の、スイッチ１７．１８の開閉チ
ェックに戻る０以上の制御動作により、キャラクタディ
スプレイ１６には温度Ｔの欄にＴｍが表示され、初期値
１．の欄にＩＯが表示される。プリンタ１９は、時計装
置２０が示す時刻と、Ｔｍおよび１．をプリントする。

スイッチ１７は押下されている開閉で、押下刃がなくな
ると開に戻るものであるが、スイッチ１８は、開状態で
押下されると閉となり、閉状態で押下されると開になる
スイッチであり、閉になってからは、次に押下があるま
では開に戻らない。

スイッチ１８が開の間、ＣＰＵ１５はステップ９でタイ
ムフラグをクリアしている。スイッチ１８が閉になると
、ＣＰＵはタイムフラグの有無をチェックしく１０）そ
れが無いと（開から閉に切換わった直後であるので、）
サブルーチン６と全く同じ内容のサブルーチン１１を実
行して、ＴｍおよびＩｍを得る。次に、レジスタ■１に
Ｔｍを書込み（１２）　、レジスタｒｏおよびレジスタ
１１の内容を上記（１）式に導入する形の演算プログラ
ムの実行により、気体濃度ｎを演算する（１３）、そし
て、ｎを上記（２）式に導入する形の演算プログラムの
実行により、気体分圧ｐを演算する（１４）、そしてＴ
ｍ（レジスタＴの内容）、１１　（レジスタＩｉ）の内
容、ｎおよびｐを、ディスプレイ１６およびプリンタ１
９に転送しく１５）、かつインターフェイス２１　（の
出力ラッチ）にｎおよびｐをラッチしく１６）　、現時
刻Ｔｉｍｅ（時計装置２０の出力データ）を読んで（１
７）、次に測定を開始する時刻Ｔ　ｎｕ　＝　Ｔ　ｉｍ
ｅ　＋　Ｔ　ｎｅ　（測定の繰返し周期）を次時刻レジ
スタＴｎｔに書込み（１８゜１９）、タイムフラグをセ
ットして（１９）ステップ４に戻る。ステップ４に戻る
と、スイッチ１８が閉であるので、ステップ４−５−１
０と進むが、タイムフラグがあるので、今度はステップ
２０に進み、現時刻Ｔｉ■ｅを読み、現時刻Ｔ　ｉｍｅ
が、次時刻レジスタＴｎｔの次時刻Ｔｎｔと同じかそれ
を過ぎているか（次の測定開始時刻になっているか否か
）をチェックする（２１）、Ｔｎｔと同じかそれを過ぎ
ていると、前述のステップ１１〜１９の測定。

演算、転送を行なうが、現時刻Ｔｉｍｅが次時刻Ｔｎｔ
より前であると、ステップｌ　０−２０−２１−８ｂ−
４−５−１〜０とめぐり１時が経過するのを待つ、スイ
ッチ１８が閉から開に戻ると、ステップ５−９と進んで
タイムフラグをクリアしく９）ステップ４−５−９−４
とめぐり、測定を行なわない。

ＣＰＵ１５が以上の制御動作を行なうので、初期値■ｏ
を設定しようとするときには、容器１に標準気体を供給
してからスイッチ１７を一瞬閉とすればよい。これによ
り、その時の光強度１．が測定されてディスプレイ１６
に表示されプリンタ１９で時刻と共にプリントアウトさ
れ、レジスタ１、にメモリされる。容器１に測定気体を
供給し、Ｔｈｅ周期で設定を繰返すときにはスイッチ１
８を閉にすればよい、これにより、Ｔｎｅ周期で１１と
Ｔが読込まれてｎおよびＰが演算されて、ディスプレイ
１６に更新表示され、プリンタ１９で時刻と共にプリン
トアウトされ、インターフェイス２１の出力ラッチに更
新ラッチされる。１回のみの測定を行なうときには、ス
イッチ１８を閑にしすぐに開に戻せばよい。

測定用の光（の中の、測定気体で吸収を受ける波長成分
）は、発光素子３を出てから窓４より容器ｌ外に出るま
で、測定気体による吸収を受け、容器１を出てからフィ
ルタ５を通過することにより該波長成分みのとなって光
検出器６でその強度が検出される。仮に従来のように、
スリット状の平行光として気体中を通過させると、該ス
リット状の平行光の光路のみで減衰を受けるだけである
ので、被測定気体により受ける減衰は比較的に少い。し
かしこの第１実施例では、該スリット状の平行光の光路
外の広範囲に広がった光が測定気体による減衰を受け、
それらが点数束して光検出器６に入るので、光検出器６
が検出する光は、被測定気体による減衰を大幅に受けた
ものとなっており、低濃度気体の濃度検出精度が向上し
ている。

〔実施例２〕 第３図に本発明の第２実施例の主要部（第１実施例と異
っている部分）を示す。この実施例においては、発光素
子３の拡散光が第１放物面鏡２′で平行光として反射さ
れ、第２放物面鏡２２’　で光検出器６に収束反射され
る。発光素子３．第１放物面鏡２′、第２放物面鏡２２
′、フィルタ５および光検出器６のすべてが容器１内に
収納されているので、発光素子３から光検出器６に至る
光は。

全光路において測定気体による減衰を受ける。拡散状態
で気体中を通過する光路が長いので、この第２実施例で
は、第１実施例の場合よりも更に、測定気体による光減
衰が大きく低濃度気体の濃度検出精度が向−ヒする。こ
の第２実施例の上記構成以外の構成および測定動作は前
記第１実施例のものと同じであるので、ここでの詳細な
説明は省略する。

〔実施例３〕 第４図に本発明の第３実施例を示す。この実施例では、
楕円面鏡２および発光素子３を容器１の外に置いて、楕
円面ｔｒｔ２の反射光を、窓２３を通して容器１内に入
射し、窓４を通って容器１から出た光をフィルタ５を通
して光検出器６で検出するようにしている。楕円面！１
２と容器１の間には、１、を検出するために、被測定気
体で吸収される波長成分のみを選択通過する第２フイル
タ２５と、フィルタ２５を通った光を検出する第２光検
出器２４が配置されている。この実施例では、スイッチ
１７は一回測定指示用のスイッチであり、スイッチ１８
が、所定時間Ｔｎｅ周期の繰返し測定を指示するもので
ある。その他の構成は、第１実施例と実質上同様である
。

この第３実施例では、１．検出用の光検出器２４を備え
、これにより常時１．を検出し得るので、ＣＰＵ１５の
制御動作は、第１実施例のそれとは少し異っている。

第５図に、第４図に示すＣＰＵ１５の制御動作を示す。

電源が投入（１）され、初期化（２）を実行し、発光素
子３を点灯して（３）、スイッチ１７又はスイッチ１８
が閉となるまでは、ＣＰＵ１５は、発光素子３を点灯し
たまま、タイムフラグをクリアして（７）、スイッチ１
７又は１８が閉になるのを待っている（４−５−７−４
）。

スイッチ１７が閉になると、サブルーチン６の「読取、
演算＆出力」を実行してステップ４に戻る。

このサブルーチン６においては、　　Ｉｏ　　（光検出
器２４の出力）、１１　（光検出器６の出力）およびＴ
（温度センサ７の出力）をこの順に読込んで。

それぞれレジスタ■。、レジスタＴ１およびレジスタＴ
に積算メモリする（６４〜７０）。これをｍ回行なうと
、光源３を消灯し、Ｉ（１＋ＩｌおよびＴの平均値を算
出しく７２〜７５）、これらの平均値に基づいて気体濃
度ｎおよびＰを算出しく７６．７７）、Ｉｏ、１１およ
びＴの平均値、ならびにｎおよびｐを、ディスプレイ１
６．プリンタ１９およびインターフェイス２１に更新出
力する（７８）。

なお、容器１内外を真空又は被測定気体とは別種の気体
にして発光素子３を点灯したとき（検出器６および２４
共に１．を検出する態様）、光検出器６と２４の光検出
強度は異り、光検出器２４の検出強度の方が低い、これ
らの光検出強度比（ｋ＝光検出器６の検出値／光検出器
２４の検出値）は一定であり、装置設計前後に予め試作
測定されて、ＩＯ演算プログラム（ステップ７３）の中
に、ｋが導入され、光検出器２４の検出強度を、光検出
器６の１．検出強度への変換定数にとして組込まれてお
り、ステップ７３において、このｋが、光検出器２４の
検出値を積算するレジスタＩｏの積算値に乗算される（
６によるＩＯ検出値相当に補正される）。

スイッチ１８が閉のときには、まず開から閉になった直
後にサブルーチン９（サブルーチン６と全く同じ内容）
を実行し、その後は、ステップ１０〜１２−４−５−８
−１３−１４と進んで、Ｔｎｅ間隔でサブルーチン９を
実行する。すなわち、測定をＴｈｅ間隔で繰り返して実
行する。

この第３実施例では、常時ＩＯを検出するので、光強度
検出の初期値管理をオペレータが行なう必要がない、前
述の第１および第２実施例では、１つの検出器６で初期
値Ｉｏと通過検出値■１を検出しなければならないので
、初期値工０は一度検出するとその後レジスタ■。に保
管する形で保持している。したがって、光源やその他光
学系の劣化や汚れにより、光検出特性が変化したときに
は、レジスタ１．の初期値ＩＯが変化前のものであるの
で、検出演算値がエラーとなる。したがってオペレータ
は、比較的に短い期間で、好ましくは光発光素子３およ
びその他の光学系をクリーニングして、容器１に標準気
体を供給してスイッチ１７を一時的に閉とし、これに応
答したＣＰＵ１５の初期値読込みが終了すると、容器ｌ
に測定気体を切換供給するという初期値管理を行なう必
要があるが、第３実施例では、比較的に長い周期で発光
素子３およびその他の光学系をクリーニングするだけで
よいという利点がある。

〔実施例４〕 ＩＯを常時検出するもう１つの実施例、第４実施例、の
主要部（第３実施例と異る部分）を第６図に示す、この
実施例では、被測定気体を収容する容器ｌの他に、標準
気体を収容する容器２７が備っており、容器１と２７の
間に、発光素子３が配置されている１発光素子３の拡散
光は、窓４を通して容器１に入り、楕円面鏡２で反射さ
れて光検出器６に収束する。

一方１発光素子３の拡散光はまた窓２３を通して容器２
７に入り、楕円面鏡２２で反射されて光検出器２４に収
束する。光検出器６と楕円面鏡２の間と、光検出器２４
と楕円面鏡２２の間には、それぞれ、被測定気体の吸収
波長の光を選択透過するフィルタ５および２５が配設さ
れている。この第４実施例のその他の構成および測定動
作は、前述の第３実施例のものと同様であるので、ここ
での詳細な説明は省略する。

〔その他の実施例〕

第１実施例（第１図）の変形例として、第１図に２点ａ
、Ｗｔで示すように容器１を拡げて、フィルタ５および
光検出器６を容器１内に収納してもよい、窓４は省略と
なる。また第３実施例の変形例として、第４図に２点鎖
線で示すように容器１を拡げて、フィルタ５および光検
出器６を容器１内に収納してもよい。

なお、上記第１〜第４実施例のいずれにおいても、光収
束手段として楕円面鏡を用いているが。

光レンズを用いることもできる。しかし、レンズによる
特定波長の光の吸収および減衰などがあることと、光入
射面と光放射面の２表面があり、これらのいずれも光透
過率（特に汚れに関するもの）に影響を及ぼすので、楕
円面鏡を用いる方が好ましい。

〔発明の効果〕

いずれにしても本発明の気体濃度検出装置は、拡散光を
広い領域に分布させて該領域内各部で被測定気体による
、該気体の吸収波長成分の減衰をもたらすので、光検出
手段が検出する収束光は、被測定気体による減衰を大き
く受けたものとなる。

したがって光行路長りを長くしなくても、気体の低濃度
領域において、気体濃度の変化に対する光検出手段の検
出強度の変化が大きく、検出精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例の構成を示すブロック図
である。 第２図は、第１図に示すＣＰＵ１５の制御動作を示すフ
ローチャートである。 第３図は１本発明の第２実施例の主要部を示すブロック
図である。 第４図は、本発明の第３実施例の構成を示すブロック図
である。 第５図は、第４図に示すＣＰＵ１５の制御動作を示すフ
ローチャートである。 第６図は、本発明の第４実施例の主要部を示すブロック
図である。 ｌ：容器（気体容器）２：楕円面鏡（光収束手段）２′
：放物面鏡　　　　　　　　３：発光素子（光源）４：
窓　　　　　　　　　　　　５：フィルタ（光フィルタ
）６：光検出器（光検出手段）　　７：温度センサ８：
気体入口　　　　　　　　９：パイプ１０：気体出口　
　　　　　　　１１：パイプ１２：ランプドライバ　　
　　　１３＝光信号処理回路１４：温度信号処理回路　
　　　１５：マイクロプロセッサ１６：キャラクタディ
スプレイ　１７．１８：スイッチ１９：プリンタ　　　
　　　　　２０：時計装置２１：ホストインターフェイ
ス　２２：楕円面ｌａ（光収束手段）２２′：放物面鏡
　　　　　　　２３；窓２４：光検出器　　　　　　　
　２５：フィルタ２６：光信号処理回路　　　　　２７
；容器第１図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）拡散光を放射する光源； 該拡散光を高密度光に収束する光収束手段；収束した光
   を受光する光検出手段； 前記光検出手段に至るまでの光収束が低い光路に被測定
   気体を介在させる気体容器；および、前記光源から光検
   出手段までの光路に介挿された光フィルタ； を備える気体濃度検出装置。
2. （２）光収束手段および光源が気体容器内に収納された
   前記特許請求の範囲第（１）項記載の気体濃度検出装置
   。
3. （３）光検出手段が気体容器内に収納された前記特許請
   求の範囲第（１）項記載の気体濃度検出装置。
4. （４）光収束手段は、光源よりの拡散光を反射収束する
   楕円面鏡である前記特許請求の範囲第（１）項、第（２
   ）項又は第（３）項記載の気体濃度検出装置。
5. （５）光収束手段は、光源よりの拡散光を実質上平行な
   光に反射する第１楕円面鏡および該実質上平行な光を反
   射収束する第２楕円面鏡でなる、前記特許請求の範囲第
   （１）項、第（２）項又は第（３）項記載の気体濃度検
   出装置。