JPS644613B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 分析すべき混合ガスを入れるサンプルセル
と、このサンプルセルを通る赤外線エネルギーを
案内する案内手段と、赤外線エネルギーを予定の
周波数で周期的に遮光する遮光手段と、予め選択
された少なくとも１つの波長で赤外線エネルギー
に応動して上記サンプルセルを通過している赤外
線エネルギーに比例する振幅を有しかつ予定の周
波数に対応する周波数を有する交流信号を発生す
る検出器手段とを具え、上記予め選択された波長
は予め選択されたガスの固有吸収波長に対応し、
さらに上記検出器手段の交流信号出力を処理して
分析されている混合ガス中の上記予め選択された
ガスの濃度に比例する大きさを有する直流信号を
発生する信号処理手段を具え、この信号処理手段
は、出力増幅器と、この出力増幅器の入力端に接
続された合計接続点を含んでなる電圧バイアス回
路と上記サンプルセル内に非吸収ガスが存在する
とき手動で調整して上記合計接続点の電圧を０に
するため上記出力増幅器の入力に直列接続されて
いる可変抵抗からなる第１の可変制御手段と、目
盛較正のために上記出力増幅器へのフイードバツ
クループに接続された可変抵抗からなる第２の可
変制御手段とを含むことを特徴とする非分散型赤
外線ガス分析器。

２ 上記信号処理装置は上記検出器手段によつて
発生された交流信号を整流する全波整流器手段を
含み、上記出力増幅器は上記全波整流器手段に接
続され、上記第１の可変制御手段は上記全波整流
手段及び上記出力増幅手段間に接続された可変抵
抗列を有してなる請求の範囲第１項に記載のガス
分析器。

３ 上記合計接続点を上記出力増幅器の入力端に
接続する接続手段と、上記合計接続点から上記第
１の可変制御手段へ接続される第１の合計抵抗
と、上記第１の合計抵抗及び上記第１の可変制御
手段間の接続点の電位とは逆極性の基準電位源
と、上記合計接続点から上記基準電位源へ接続さ
れた第２の合計抵抗手段とを含んでなる請求の範
囲第１項に記載のガス分析器。

４ 上記信号処理手段は、第１及び第２の合計抵
抗手段及び上記第１及び第２の合計抵抗手段の接
続点を上記出力増幅器の入力端に接続する接続手
段とを有し、上記第１及び第２の合計抵抗手段
は、上記第１の可変制御手段と上記第１の合計抵
抗手段及び上記第１の可変制御手段間の接続点の
電位とは逆極性の基準電位源との間に所定の順序
で直列接続されてなる請求の範囲第１項に記載の
ガス分析器。

５ 上記サンプルセルは、筒状の管及び赤外線エ
ネルギーを透過させる両端部に一対の窓を有して
なる取りはずし自在部を含み、上記ガス分析器内
に上記管を弾性的かつ取りはずし自在に支持する
支持手段を具えてなる請求の範囲第１項に記載の
ガス分析器。

６ 上記支持手段は、上記筒状の管に沿つて同軸
的に離間した領域に上記管を係合する一対の弾性
的クリツプを有してなる請求の範囲第５項に記載
のガス分析器。

７ 上記支持手段は、上記エネルギー案内手段及
び上記検出器手段に対して上記サンプルセルの軸
位置を決める位置決め手段を含んでなる請求の範
囲第５項に記載のガス分析器。

明細書 本発明は非分散型の赤外線ガス分析器に関す
る。時に本発明は多くの用途に対して所望の精度
を維持できるにもかかわらず格段的に低価格で済
むガス分析器及びガス分析方法に関する。

非分散型赤外線ガス分析器は通常赤外線源を用
いて赤外線エネルギーを発生してサンプルセルに
入つている未知の混合ガスを通過させるようにな
されている。サンプルセルを通過するエネルギー
は検出され、電気信号がそのエネルギーに対応し
て発生される。これらの信号は処理されてサンプ
ルセル内のガス成分の濃度を表わす出力を発生す
る。

この種のガス分析器は、異なるガスは赤外線ス
ペクトルのうち特定の波長でかなり大きな吸収特
性を示すという原理を利用したものである。この
型のガス分析器は米国特許第4013260号（1977年
３月22日発行）に開示説明されている。他の型の
非分散型赤外線ガス分析器が米国特許第3953734
号（1976年４月27日発行）に開示説明されてい
る。

上述の米国特許の赤外線ガス分析器及び同様の
型の赤外線ガス分析器においては、未知の混合ガ
スを収納しているサンプルセルを通過する赤外線
エネルギーのビームは光ビームの通路に１つ又は
複数のフイルタを介挿することによつて変更され
る。通常各フイルタは対象とする特定のガスの固
有吸収波長の赤外線だけを通過する。また他のフ
イルタはサンプルセル内にあるガスの固有吸収波
長に極く近接した（しかしオーバーラツプはして
いない）波長の基準フイルタとして用いられる。

上述の型のガス分析器はいわゆるドリフトに対
して高い精度をもつている。このドリフトはサン
プルセルの窓が汚れたとき生じるもので、この汚
れは窓を通過する赤外線を減衰させ、また誤つて
ガスサンプル中に検出すべきガスがあると判別さ
れるおそれがある。さらに検出器の構造から生ず
る検出器出力のシフトや、赤外線源に生ずる温度
変化があると、これが同じような変化すなわちド
リフトを生じさせる。

この種の装置は通常信号処理回路の動作をフイ
ルタホイールの回転と同調させるために多くの種
類の同期信号を発生させることが必要となる。

回転フイルタホイールを使用しない簡易型のガ
ス分析器は検出器と組合わされた１つ又は複数の
固定フイルタを用いて例えば回転チヨツパによつ
て赤外線ビームを周期的に遮光することによつて
検出器に交流信号を発生させるようになされてい
る。しかし回転フイルタホイール型ガス分析器に
ついて上述したドリフトの問題はいわゆるチヨツ
パ型ガス分析器にも存在する。このような現象を
処理することは、基準信号と比較するといつた構
成又はその他の形式のドリフト補償を含むため
に、この種のガス分析器のコストを増大させる結
果になつていた。又この種のガス分析器は処理電
子回路をチヨツパホイールの運動と同期させるた
めに同期信号を発生させる構成をしばしば使用し
ていた。

本発明の目的は改良型のガス分析器を提案する
ことにある。

本発明の他の目的はコストを格段的に低減し得
ると共に操作が単純なガス分析器を提案すること
にある。

本発明の他の目的は低いコストかつ簡易な構成
であり、また目盛の安定性を損うことなくドリフ
トを十分満足できる程度に補償する非分散型の赤
外線ガス分析器を提案することにある。

本発明の他の目的は、以下の図面と共に説明す
るところから当業者にとつて明らかになるであろ
う。

第１図は本発明によつて構成されたガス分析器
の斜視図、 第２図は第１図のガス分析器の一部を示す略線
的接続図である。

非常に一般的に言つて本発明に依る非分散型赤
外線ガス分析器は分析すべき混合ガスを入れるた
めのサンプルセル１１をもつている。手段１３は
赤外線エネルギーがサンプルセルを通るように案
内し、赤外線エネルギーを周期的に予定の周波数
で遮光する。検出信号は少なくとも１つの予め選
択された波長の赤外線エネルギーに対応して発生
され、この信号は当該波長でサンプルセルを通過
する赤外線エネルギーに比例する振幅をもち、か
つ予定の周波数に対応する周波数をもつ交流信号
となる。予め選択された波長はサンプル混合ガス
中の検出することが望まれているガスの固有吸収
波長に対応している。検出器の交流信号出力は検
出すべきガスの濃度に比例する大きさの直流信号
を発生するように処理される。信号は全波整流さ
れて増幅器１５に供給される。増幅器の出力信号
の振幅はガス濃度として読みとられる。第１の可
変抵抗１７は増幅器の出力端に直列に接続され、
第２の可変抵抗１９は増幅器の出力端及び入力端
間に直列に接続されて信号をその出力端から入力
端へフイードバツクする。増幅器の入力端は合計
接続点２１に接続され、この合計接続点が基準電
位源２３に接続され、この基準電位源は第１の可
変抵抗１７によつて合計接続点に与えられる極性
と逆極性になつている。第１の可変抵抗１７を調
整すると合計接続点における信号を調整すること
になり、増幅器５の出力信号がサンプルチヤンバ
内に検出すべきガスがない状態で０になるように
調整されたとき分析器が目盛ドリフトについての
補償をされるようになされている。目盛較正の変
更は可変抵抗１７を接続したために原理的に不必
要となる。

更に図面を参照すると、自動車エンジンの排気
ガス中に２つのガスの存在を検出するための本発
明に依つて構成された装置が図示されている。２
つのガスは例えば炭化水素及び一酸化炭素である
が、しかし本発明はかかる特定のガスと結合して
用いられることに制限されるものではなく、また
自動車エンジンの排気ガスと結合して用いられる
ことに制限されるものでもない。本発明による分
析器には上述の型の低コストのユニツトが許容さ
れるような他の用途があることは当業者にとつて
明らかである。

ユニツトは全体として長方形状をもち補強クロ
スウエブ２９が結合されている周縁に補強壁２７
を有する。ユニツトの一端には赤外線源１３が取
付用ブラケツト３３によつて基板に固着されたハ
ウジング３１内に取付けられている。赤外線源１
３は放物線状、円錐形状又は他の適宜な形状の反
射面３７を有する反射板３５を含んでなり、この
反射面によつて赤外線エネルギーをビーム状に反
射するようになされている。適宜な形式の赤外線
源３９はホルダ４１によつて取付けられている。
必要に応じて電気的接続が接続手段（図示せず）
によつて赤外線源に対してなされている。ハウジ
ング３１には開口４５に臨む窓４３が設けられて
いる。この窓は対象とする波長における赤外線を
十分に透過する材料で作られている。

サンプルセル１１は基板に付着されたほぼＵ字
状の一対の取付けクリツプ４７及び４９上に取付
けられ、赤外線源１３から放出された赤外線エネ
ルギーを受けるように配設されている。各クリツ
プ４７及び４９は弾性をもつ一対の直立片５１を
含んでなり、この直立片５１は内方に延長する突
起５３を有する。以下に述べるように弾性直立片
はサンプルセルを装置から容易に取りはずして交
換又は掃除ができるようにする。サンプルセルの
両端部はそれぞれ端部スリーブ５５及び５７をも
ち、このスリーブはそれぞれ赤外線を透過する窓
５９及び６１を保持している。この窓として好適
な材料としては例えばテフロン（デユポン社の商
標）がある。各端部スリーブは対応する窓５９又
は６１の外面と係合するように内方に突出する環
状肩６３を有する。ノズル６５及び６７がそれぞ
れ各端部スリーブ５５及び５７内に取付けられて
排気ガスを分析すべき自動車エンジンからサンプ
ルセルの内部及び外部へ通過させ得るようになさ
れている。サンプルセルはそれぞれノズル５５及
び５７と並ぶように配設された開口６９及び７１
を有し、これにより必要な連通ができるようにな
されている。

各スリーブ５５及び５７には半環状カラー７３
が設けられ、このカラーは各スリーブの下側の
180゜部分に巻き付きかつ軸方向にスリーブの長さ
の半分だけ延長している。カラーは動作位置にあ
るサンプルセル１１と共に突起５３の下側端に係
合してサンプルセルを所定位置に維持するように
なされている。しかしサンプルセルは使用してい
る間に分析すべき排気ガスによつて汚染すること
になるので容易に掃除し更には交換されることが
望ましい。突起５３がカラー７３を越すように直
立板５１を単に引離すことにより、サンプルセル
を容易に着脱することができる。

サンプルセルアツセンブリの赤外線源に近い端
部は短かい距離だけ離間され、これによりチヨツ
パホイール７５を挿入配設することができるよう
になされている。チヨツパホイール７５は駆動モ
ータ７９のスピンドル７７に回転自在に取付けら
れ、この駆動モータ７９はモータ取付用ブラケツ
ト８１によつて基板２５上に取付けられている。
チヨツパホイール７５は不透明な円板デイスクを
有し、このデイスクが赤外線源から放出する赤外
線エネルギーを周期的に遮光するような構成とな
されている。しかしデイスクはホイールの180゜の
回転範囲に延長する全体として円孤の孔明き領域
８７を有する。このようにすればビームは各回転
時間の50％の間ブロツクされる。かくしてチヨツ
パは外界から直接受ける赤外線をキヤンセルする
効果を生ずる。勿論他の形式のチヨツパホイール
例えば２つの90゜の切り込み領域をもつホイール
を用いても同様のデユーテイサイクルを得ること
ができる。

サンプルセルの赤外線源と反対側端はフイル
タ・検出器ブロツク８９にじかに接触されてい
る。ブロツク８９は必要に応じて都合の良い手段
によつて基板に固着されている。ブロツク８９は
全体として筒状形状を有し、サンプルセル１１と
同軸的に配設されている。ブロツク８９はサンプ
ルセルを通過した赤外線と一致するように側面を
突き合せるように配設された一対の窓又は開口９
１及び９３を有する。フイルタ９５及び９７はそ
れぞれこれらの各開口内に配設されて対象ガス例
えば炭化水素及び一酸化炭素の固有吸収波長の赤
外線エネルギーを通すようになされている。

フイルタの直後には必要に応じて選定された構
成の２つの検出器９９及び１０１が取付けられて
いる。検出器は対応するフイルタ９５又は９７を
通過する赤外線エネルギーの大きさに比例した出
力を送出する。従つて各検出器の出力は交流信号
でなり、その振幅はサンプルセルを通過するエネ
ルギーに比例する。

次に第２図において、本発明の装置に用いられ
る信号処理回路の詳細構成が示されている。検出
器９９の出力はチヨツパホイール７５の回転周波
数を有する矩形波信号でなり、０近傍から負（又
は正）電圧までの間を変化する。この信号は前置
増幅器１０３に供給され、所定通り増幅された後
さらに他の増幅段１０５及びフイルタ１０７へ通
過される。

この増幅及びフイルタリングに続いて信号は全
波リニア整流器１０９へ送られ、ここで信号は整
流された後４極フイルタ１１０によつてフイルタ
される。その結果検出器の出力に比例した振幅を
有する直流出力が得られる。この直流信号は増幅
器１２によつて増幅されて増幅されて増幅器１５
の負入力端１１１へ供給される。出力増幅器１５
の入力回路は一端をそれぞれ合計接続点２１に接
続された一対の合計抵抗１１３及び１１５を含ん
でなる。合計抵抗１１３の合計接続点とは反対側
端は増幅器１１２の出力端に直列に接続された可
変抵抗１７に接続されている。他の合計抵抗１１
５は接地されているツエナーダイオード１１７に
接続されている。第２の合計抵抗１１５及びツエ
ナーダイオード１１７間の接続点は抵抗１１９を
通じて負電圧電源２３に接続されている。各抵抗
値は可変抵抗１７の抵抗値の変化が合計接続点に
流れる電流従つて増幅器１５の電圧出力を調整で
きるように適切に選定される。

増幅器１５は抵抗１２２を通じて接地されてい
る正入力端１２１を有し、その負入力端１１１は
上述のように合計接続点に接続されている。増幅
器１５の出力は安定化抵抗１２３を通じてメー
タ、又はガス濃度を表示するために用いられる他
の表示装置（図示せず）に接続される。可変抵抗
１９は増幅器の出力側から増幅器の負入力端側の
合計接続点２１へのフイードバツク信号に負荷抵
抗１２５を通じて接続される。コンデンサ１２４
及びダイオード１２６は安定のために増幅器１５
の両端に接続される。

目盛較正のための試験回路が用意されている。
この回路は負荷抵抗１３３及び抵抗１１９を通じ
て負電位源２３に接続された可変抵抗１３１を含
んでいる。この抵抗の他端は抵抗１３５を通じて
接地されている。抵抗１３７の可変出力は抵抗１
３７を通じて合計接続点２１に接続されている。
常閉試験スイツチ１３９が抵抗１３１の可変出力
を接地する。

装置を製造した後に先ず例えば窒素のような非
吸収ガスを使つて出力が零に調整される。次に工
場で既知の目盛較正ガスをサンプルセル内に導入
する。かくして別途メータで装置の出力電圧を観
察しながら可変フイードバツク抵抗１９を調整し
て装置が目盛較正ガスの既知の濃度を表示するよ
うに適切に目盛較正できる。この目盛較正ステツ
プが実行された後に後述の理由により更に同様の
目盛較正を装置のオペレータが行う必要がある。

装置を自動車の排気ガスの分析に用いる場合、
装置のオペレータはサンプルセル内に非吸収ガス
を入れて初期零の設定を行う。その際サンプルセ
ルに空気を入れて装置をオン動作させ、可変抵抗
すなわち零設定抵抗１７はフイードバツク抵抗１
９を通る電流が０になるように調整される。これ
に応じて増幅器の出力は０になり、またメータの
読みは０になる。その後自動車のエンジンは排気
ガスがサンプルセルを通過するように結合され
る。

一度排気ガスがサンプルセルに流れはじめる
と、検出対象ガスの濃度に対応して検出器出力が
減少する。この検出器の出力は可変抵抗１７に供
給される電圧を減少させ、これに応じてフイード
バツク抵抗１９を通じて流れる電流が増大するこ
とになる。増幅器１５の出力はサンプルセル内の
対象ガスの濃度を直接表示する。

実際装置の動作においては、増幅器１１２の出
力はシステム全体のゲインが変化したとき、特に
光通路の要素が変化したときその影響を受ける。
検出器固有の応答性は外囲温度に応じてかなり変
化する。更に赤外線源の強さはその温度関数であ
る。サンプルセルの内壁の光反射率及び窓及びフ
イルタの光透過率はシステムのゲインに影響を与
える。また多数の要素の配列に僅かな変化があつ
てもこれがシステムのトータルゲインに影響を与
える。上述のフアクタによるシステムゲインの変
化は一般にはドリフトとして取扱われる。

ドリフトを補償するために従来の多くの装置は
対象ガスの信号と比較する基準信号を用いてい
る。比をとれば通常はドリフトの影響の多くを除
去できると考えられる。しかしかかる比較をする
ためには余分にチヤンネルや処理回路を必要と
し、このため装置をかなり複雑かつ高価にする。

本発明装置においては装置を使用する前に可変
抵抗１７の調整をしてフイードバツク抵抗１９を
通じて流れる電流が０になるように増幅器１５の
ゲインを調整する。目盛較正抵抗は工場において
既知濃度の試験用ガスによつて予めセツトされ
る。零合せをした後試験すべき混合ガスをサンプ
ルセルに導入すると、対象ガスが混合ガス中に存
在する場合には検出器の信号が減衰する。これに
対応して増幅器１１５の出力が増大することにな
る。増幅器のゲインが抵抗１７を調整することに
よつて調整されると、光の減衰及び他のフアクタ
によるシステムゲインの損失が補償される。従つ
てシステムはいかなるいわゆる目盛ドリフトにつ
いても補償される。同時に目盛較正は正確のまま
残ることになる。

例えば窒素又は空気のような非吸収ガスがサン
プルセルに導入された場合に可変抵抗１７（R₀）
への電圧入力がV₀になるようになされていると
すれば、この電圧（V₀）は、非吸収ガスをもつ
ガスセルを通る伝達赤外線をT₁及び抵抗R₀より
前段のシステムゲインをＫとすれば積の値T₁K
に比例する。目盛較正用の既知濃度の吸収ガスが
セル内に導入されたとき、抵抗１７の入力端の直
流電圧（V_G）は特定濃度の吸収ガスをもつガス
セルを通過する伝達赤外線（T₂）と、上述のフ
アクタT₁及びＫとに比例し、 V_G＝T₁K（１−Ａ） となる。ここでＡは特定濃度のガスの吸収量であ
る。この式においてT₁KをV₀とおくと、 V_G＝V₀（１−Ａ） となる。かくしてガス信号V_GはV₀に比例し、吸
収量Ａの直線関数となる。しかしV₀は上述のフ
アクタＫに基づくドリフトの影響を受ける。

装置の出力電圧は次式で表わされる。

V_put＝−（Ｖ／R₀＋V_R／R_R）R_S ここでＶは抵抗１７の入力電圧、R₀は抵抗１
７及び１１３の合計値、V_Rはツエナーダイオー
ド１１７における基準電圧、R_Rは基準抵抗１１
５の値、R_Sは直列の目盛較正１９及び１２５の
値である。計器の零調整の際に非吸収ガスがサン
プルセルに導入され、これによりＡが０と等しく
なる。ＶがV₀に等しくかつ出力電圧が０に等し
いとき上述の式から V₀／R₀＝−V_R／R_R になる。V₀がＫの変化に基づいて比較的不安定
になるので、R₀の値を比V₀／R₀が一定で−V_R／R_Rに等 しくなるように調整したとき、未知の吸収ガスを
サンプルセルに導入する準備が終る。未知の吸収
ガスのV_G′はV₀（１−Ａ）と等しいので、装置の
出力は V_put＝−（V₀（１−Ａ）／R₀＋V_R／R_R）R_S となる。この式を解くと、 V_put＝−｛−V_R／R_R（１−Ａ−１）｝R_S ＝−（V_RＡ／R_R）R_S この式は更に約分すると、 V_put＝−V_RAR_S／R_R これによりシステムの出力はシステムが一旦零
調整されるとドリフトには影響されないことがわ
かる。これに対して唯一の可変要素はフアクタＡ
すなわち未知ガスによつて与えられる減衰量であ
る。フアクタR_Sすなわち目盛調整要素は抵抗１
７を調整しても影響をうけずにそのままであり、
これにより目盛調整は確実に正確なままになる。
例えば第１のチヤンネルが一酸化炭素だとする
と、炭化水素用の第２のチヤンネルが用意され
る。これは図において同様の機能をもつている要
素に同様の数字を附して示されている。

目盛較正をチエツクするために、常閉試験押ス
イツチ１３６が用意されている。押ボタンを押下
げるとスイツチ１３６が開かれ、合計接続点２１
に固定電流が流れる。かくすると抵抗を通じて固
定電流を流して固定出力電圧を送出する。この電
圧は他の指示器（図示せず）の出力メータでチエ
ツクされ、目盛抵抗１９が必要に応じて計器を再
度目盛較正するために調整される。

以上のように本発明は十分に低いコストで構成
が簡易な改良されたガス分析器を提供することが
わかるであろう。サンプルセルを簡便に掃除した
り交換したりすることができ、交換ユニツトを格
段的に低価格にし得る。更にドリフトの補償を目
盛較正に影響を与えることなく制御パネルにおけ
る手動操作によつて容易になし得る。

この明細書でした図示説明に加えて種々の変形
をすることは上述の説明及び図面から当業者にと
つて明らかであろう。かかる変形は請求の範囲の
範囲に入れることを意図されているものである。