JPS6396541A - ガス濃度測定装置 - 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〉 この発明は、被測定ガスを含んだガスの赤外線吸収量を
、赤外線検出器を用いて検出することによって、上記ガ
スに含まれる被測定ガスの濃度を測定するガス濃度測定
装置に関する。

〈従来の技術〉 従来のガス濃度測定装置として、被測定ガスの吸収波長
に対応する赤外線を放射する赤外線放射源と、被測定ガ
スを一定濃度含むガスを満たすとともに、上記赤外線が
透過可能な測定用セルと、測定用セルを透過した赤外線
を受け、赤外線強度を検出する赤外線検出器と、赤外線
検出器の検出信号を増幅する増幅器と、増幅器の出力信
号レベルを表示する表示器とを有しているものが採用さ
れている。

上記のガス濃度測定装置であれば、被測定ガスを一定濃
度含むガスを満たした測定用セル内に、被測定ガスの吸
収波長に対応する赤外線を透過させ、上記波長に対応す
る赤外線に感応する赤外線検出器で、透過した赤外線強
度を検出し、該検出信号を増幅した上、表示器において
表示することができる。そして、透過した赤外線強度と
、被測定ガスを含まないガス中を透過した赤外線強度と
を比較して、被測定ガスにより吸収された赤外線二を求
めることができる。吸収された赤外線量は、ガスの中に
含まれる被測定ガスの濃度に比例するので、これによっ
て被測定ガスの濃度を測定することができる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところが、上記被測定ガスの濃度が低いと、赤外線の吸
収量が微弱となる。

この場合、従来では、赤外線検出器の出力側に設けた増
幅器の増幅度を上げることによって、対処していた。

しかし、増幅度上昇にともなって増幅器から発生する雑
音レベルも上昇するため、増幅度を上げても、増幅器か
ら出力される出力信号のＳ／Ｎは向上しない。したがっ
て、被測定ガスの濃度が低ければ低いほど、雑音に伴う
測定誤差が増加する。

このように、従来のガス濃度測定装置では、測定可能な
ガス濃度の下限に限界があった。

第４図のグラフは、従来のガス濃度測定装置において、
赤外線の吸収に基づく増幅器の出力信号の低下Ｂｙを、
被測定ガスの濃度Ｃに対して模式的にプロットしたもの
である。直線■は、直線Ｍに対して、増幅器の増幅度を
ｎ倍にして検出感度を向上させた場合を表わす。

増幅器から発生する雑音レベルをＶｎとすると、この雑
音に伴うガス濃度の測定誤差（絶対誤差）は、直線Ｍ上
の当該雑音Ｖｎに対応する線分をＣ軸上に投影した幅Δ
Ｃに等しい。ガス濃度Ｃに対する上記誤差ΔＣの比率（
相対誤差）はΔｃ　／　ｃとなる。ガス濃度Ｃが高濃度
領域にあるとき、例えば図示したように０１であるとき
と、ガス濃度Ｃが低濃度領域にあるとき、例えば図示し
たように０２であるときとを比較すると、後者のほうが
相対誤差は大きくなっている。これは、ｃ２＜０１であ
るので、不等式Δｃ／ｃ２＞Δｃ　／　ｃ　１が成り立
つからである。

そこで、低濃度領域にある場合に、低下ｍＶを増大させ
るため、直線■のように、増幅器の増幅度をｎ倍にする
。このとき、増幅器の雑音レベルも同様にｎ倍され、ｎ
Ｖｎとなる。この雑音ｎＶｎに伴うガス濃度の測定誤差
を、直線■から上記と同様にして求めると、ΔＣとなる
。この値ΔＣは、上記した値と変らない。これは、直線
■の傾きがｎ倍に増大しているにもかかわらず、雑音も
ｎ倍に増大しているためである。つまり、増幅器の増幅
度を変えても、ガス濃度の測定誤差は変化しないことに
なる。したがって、ガス濃度が低くなればなるほど、相
対誤差は大きくなってくる。

そこで、低濃度の場合でも、少ない相対誤差でガス濃度
を検出するために、高感度の赤外線検出器や、低雑音の
増幅器を使用することが考えられるが、高価になるとい
う問題があった。

〈発明の目的〉 この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、
ガスの濃度が低い場合でも、少ない誤差でガス濃度測定
を行なうことのできるガス濃度測定装置を提供すること
を目的としている。

く問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するためのこの発明のガス濃度測定装
置は、測定用セル内の圧力を調節する圧力調節手段を付
加構成しているものである。

く作用〉 以上の構成のガス濃度測定装置であれば、表示器の表示
値が低い場合、すなわちガス濃度が低い場合、圧力調節
手段によって測定用セル内のガス圧力を上昇させること
によって、赤外線吸収量を増大させて、赤外線検出器の
出力信号のレベルを増大させることができる。

詳細にいえば、赤外線は、測定用セル内の光路上に存在
する被検出ガスの分子数に応じて吸収される。この吸収
量は、被測定ガスの濃度に比例するだけでなく、被測定
ガスを含むガスの圧力にも関係する。濃度が同じでも、
圧力が高いほど、含まれる被測定ガスの分子数が多くな
り、上記光路上に存在する被測定ガスの分子数も増大す
るからである。第２図は測定用セル内のガス圧力Ｐをパ
ラメータにしたときの、被測定ガスの濃度に対する赤外
線吸収量を表したグラフであり、曲線側は曲線（２）に
対して、ガス圧力Ｐが、より高い場合を示す。ガス圧力
Ｐが高いほど、被測定ガスの濃度変化に対する赤外線吸
収量の変化、すなわち直線の傾斜が大きくなっている。

したがって、検出感度もそれだけ高くなるので、増幅器
の増幅度を増加させることなく、大きな検出信号レベル
を得ることかでき、増幅器の出力値を大きな値に保つこ
とができる。

このように、増幅器の出力値を大きな値に保つことによ
って、増幅器の出力信号のＳ／Ｎを向上させ、測定誤差
を少なくすることができる。以下さらに詳細に説明する
。

第３図は、この発明のガス濃度測定装置において、赤外
線の吸収に基づく、増幅器からの出力信号の低下ｍＶを
縦軸に、被測定ガスの濃度Ｃを横軸にして模式的にプロ
ットしたグラフである。直線（１０は、直線（１）に対
して、測定用セル内のガス圧力を上昇させた場合を表わ
す。当該圧力上昇度は、同一ガス濃度下において、増幅
器の出力信号レベルをｎ倍に増大させる上昇度に等しい
。

増幅器から発生する雑音レベルをＶｎとすると、この雑
音に起因するガス濃度の測定誤差は、直線（１１上の当
該雑音Ｖｎに対応する線分をＣ軸上に投影した幅ΔＣに
等しい。ガス濃度Ｃに対する上記誤差ΔＣの比率（相対
誤差）はΔｃ　／　ｃとなる。

ガス濃度Ｃが高濃度領域にあるとき、例えば図示したよ
うに０１であるときと、ガス濃度Ｃが低濃度領域にある
とき、例えば図示したように０２であるときとを比較す
ると、後者のほうが相対誤差は大きくなっている。これ
は、Ｃ２＜Ｃ１であるので不等式ΔＣ／Ｃ２〉Δｃ　／
　ｃ　Ｌが成り立つからである。

そこで、ガス濃度が低濃度領域にある場合に、直線［１
１）のとおり、測定用セル内のガス圧を上昇させる。こ
のとき、増幅器の増幅度は一定であるため、雑音レベル
は上記値Ｖｎに保たれる。一方、この雑音Ｖｒ＋に起因
するガス濃度の測定誤差は、直線（Ｉ［）の傾きがｎ倍
に増大しているので、０分の１に減少することとなる。

すなわち、Δｃ　／　ｎ　ｃとなる。つまり、測定用セ
ルの圧力を上昇させるほど、相対誤差は小さくなってく
る。したがって、増幅器の出力信号のＳ／Ｎを低下させ
ることがない。

〈実施例〉 以下、実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第１図は、この発明のガス濃度測定装置の構成を示す概
略図であり、被測定ガスの吸収波長に対応する赤外線を
放射する赤外線放射源（１］と、放射された赤外線を互
いに平行な２本の平行光線として反射させる反射鏡（ａ
とを有している。

上記反射した赤外線の一方を透過させるために、両端が
赤外線透過材（４）で覆われるとともに、被測定ガスを
一定濃度含むガスで満された測定用セル（８）が、反射
鏡（′２３と対抗する位置に配設されている。

測定用セル（８）の透過側には、透過赤外線を受ける赤
外線検出器（１３）が配設されている。赤外線検出器（
１３）は、放射赤外線の波長を含む吸収波長領域に感度
を有する。赤外線検出器（１３）の出力は、赤外線検出
信号を増幅する増幅器（１４）を介して、増幅器（１４
）の出力信号レベルを表示する表示器（■５）に接続さ
れている。

反射鏡（′２Ｊと対抗する位置には、上記反射した赤外
線の他方を透過させるために、両端が参照用セル（３）
と同様の赤外線透過材（４］で覆われるとともに、吸収
波長域が被検出ガスの吸収波長域と重ならない窒素等の
気体が封入されている参照用セル（３）が配設されてい
る。参照用セル（３］の透過側には、透過赤外線を受け
る参照用赤外線検出器（５）が配設されている。赤外線
検出器（５）は、上記と同様、放射赤外線の波長を含む
吸収波長領域に感度を有する。

参照用赤外線検出器（５）の出力は、出力測定回路（６
）を介して、放射線強度制御回路（刀に接続されている
。放射線強度制御回路［′７）の出力は、赤外線放射源
（１）に接続されている。

赤外線放射源（１）は、被検出ガスの赤外吸収波長を放
射波長域に有するニクロムヒータ、カートリッジヒータ
、レーザ等から構成される。赤外線透過材（４）は、シ
リコン、サファイア、フッ化マグネシウム等の赤外線透
過性の材料からなる。

上記測定用セル（３）は、被検出ガスを一定濃度含むガ
スを導入する注入口（９）と、上記ガスを排出する排出
口００を有する。注入口［９）から測定用セル（８）内
に至る途中には、ガスの流量を調節するポンプ（１１）
が設けられている。測定用セル（８）内から排出口Ｏａ
に至る途中には、測定用セル（８）内のガス圧力を調節
する圧力調節手段としての圧力調整器（１２）が設けら
れている。

圧力調整器（１２）は、測定用セル［８）内の圧力を設
定値に保持するものである。例えば、バネ式のリリーフ
弁でもよく、圧力スイッチと該圧力スイッチにより作動
する電磁開閉弁を組み合わせたものであってもよい。バ
ネ式のリリーフ弁であれば、圧力の調節は、バネ圧を変
化させることによって行われる。圧力スイッチと電磁開
閉弁を組み合わせたものであれば、圧力の調節は、圧力
スイッチの作動圧を変化させることによって行われる。

赤外線放射源（１）から放射された赤外線は、反射鏡（
２）によって互いに平行な２本の平行光線に分かれる。

そのうち、参照用セル（３）を透過した光は、被測定ガ
スによる吸収を受けずに参照用赤外線検出器（５）に入
射される。参照用赤外線検出器（Ｓの検出出力は、出力
測定回路［６〕と、放射線強度制御回路［７）とを介し
て、赤外線放射源（１］に帰還され、赤外線放射源（１
）の強度を一定に保つべく所定の制御が行われる。

このように強度が一定に保たれた赤外線放射源（１）の
赤外線は、測定用セル（８）内を透過するときに、被測
定ガス濃度に応じて吸収される。したがって、参照用セ
ル（３）を透過した場合に比べて、透過後の強度が減少
する。当該減少した強度は、測定用赤外線検出器（１３
）による検出信号レベルの低下、したがって、増幅器（
１４）の出力信号レベルの低下となって、表示６　（＋
５）に表われる。そこで、濃度の分かっている校正用被
検出ガスを用い、増幅器（１４）の出力信号レベル低下
量を校正しておくと、以後、表示器（１５）に表われた
レベル低下量を読むことによって、被測定ガスの濃度を
知ることができる。

表示器（１５）に表われたレベル低下量が少ない場合、
圧力調整器（１２）を調節して、測定用セル（８）内の
圧力を上昇させる。このとき、増幅器（１４）の増幅度
を増大させない。圧力を上昇させることによって、赤外
線吸収量を増大させて、赤外線検出器（１３）の検出信
号のレベルと、次続の増幅器（１４）の出力信号レベル
とを上昇させることができる。一方、増幅器（１４）の
増幅度は変らないため、増幅器（１４）から発生する雑
音レベルは一定である。したがって、低濃度領域測定時
においても、高濃度領域測定時に比べてＳ／Ｎを低下さ
せることなくガス濃度の測定を行なうことができる。

〈発明の効果〉 以上のようにこの発明は、被測定ガスのガス濃度が低濃
度領域にあっても、測定用セル内のガス圧を上昇させる
ことによって、高濃度領域の測定時に比べて精度を低下
させることなく測定を行なうことができるという特許の
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のガス濃度測定装置の構造を示す概略
図、 第２図はガス圧力Ｐをパラメータにしたときのガス濃度
に対する赤外線吸収量を表わすグラフ、第３図はこの発
明のガス濃度測定装置における、ガス濃度に対する増幅
器の出力レベル低下量を表わすグラフ、 第４図は従来のガス濃度測定装置における、ガス濃度に
対する増幅器の出力レベル低下量を表わすグラフ。 （１）・・・赤外線放射源、（８）・・・測定用セル、
（１２）・・・圧力調節手段、（１３）・・・赤外線検
出器、（１４）・・・増幅器、（１５）・・・表示器特
許出願人　　三洋電機株式会社 代　　理　　人　　　　　弁理士　　亀　　井　　弘　
　勝（ほか３名） ガス漂度 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、被測定ガスの吸収波長に対応する赤外線を放射する
   赤外線放射源と、被測定ガスを一定濃度含むガスを満た
   し、かつ上記赤外線を透過させる測定用セルと、透過し
   た赤外線強度を検出する赤外線検出器と、赤外線検出器
   の検出信号を増幅する増幅器と、増幅器の出力信号レベ
   ルを表示する表示器とを有するガス濃度測定装置におい
   て、測定用セル内の圧力を調節する圧力調節手段を具備
   することを特徴とするガス濃度測定装置。