(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定セルと、測定セルの一端側に配置された光源部と、測定セルを通過した赤外光の強度を検出する測定セルの他端側に配置された検出部とを各々独立するユニットとして備え、検出部がガスの封入された前後２室と、これら２室を連通する連通路と、連通路内に配置されて前記２室の圧力差を検出するセンサとで構成された赤外線ガス分析計であって、前記測定セルの後端と検出部とを直結すると共に、検出部に測定セルに連通するガスの導入出孔を形成し、検出器を測定セルの一部としたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項２】
請求項１に記載の赤外線ガス分析計であって、前記検出部に前室と一体の前記測定セルの後端と嵌合する接合部が設けられていると共に、前記接合部に嵌合された測定セルと連通するガスの導入出孔が設けられていることを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の赤外線ガス分析計であって、前記測定セルにフランジが設けられており、このフランジを介して測定セルと検出部が連結一体化されることを特徴とする赤外線ガス分析計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外活性な被測定成分ガスの赤外線スペクトル吸収に伴うガス圧変動を利用して被測定成分ガス濃度を計測する赤外線ガス分析計、特に、赤外線ガス分析計を構成するセル部と検出部の構成に関する。
【０００２】
【従来技術】
２つ以上の異なる原子から成る異核分子の多くは、波長１〜２０μｍ  の赤外光を照射すると、その化学種に特有の振動および回転の運動エネルギー準位の遷移が起こり、特定の赤外線スペクトルを吸収し、内部エネルギーや体積あるいは圧力の増加など、熱力学的な変化を引き起こす。非分散型赤外線ガス分析計（以下、ＮＤＩＲという）は、この様なガス成分の特性を利用して、その濃度を計測する機器である。
【０００３】
検出器としてフローセンサを用いたシングルビーム式ＮＤＩＲの構成を図３に示す。図に示すようにこの種のＮＤＩＲは、一般に、赤外光を発生するための光源部２、試料が導入されるセル部３、セル部３を通過した赤外光の強度を計測することで最終的に試料濃度を計測するディテクター（検出器）部４の３ユニットから構成されている。
光源部２は赤外光の発生を担い、赤外光を発生させるための発生源であるヒーター（光源）２１と、赤外光を断続してセル部３およびディテクター部４に入射させるためのチョッパー２２とから構成されている。
【０００４】
チョッパー２２は、例えば、光源２１からの光の通過を許容するように、一部を切り欠いた切り欠き部が形成された２枚羽根の回転円板２３とこの回転円板２３を回転駆動するモータ２４とで構成されており、回転円板２３をモータ２４で回転させることで、回転円板２３の未切り欠き部（遮光部）が光源２１の前に位置している際には光源２１からの赤外光を遮光し、切り欠き部が光源２１の前に位置している際には光源２１からの赤外光が通過し、セル部３に照射される。
【０００５】
セル部３は、試料が導入される部位であって、パイプ３１の前後を赤外光が広いスペクトル域で透過可能な赤外線透過性ガラスやＣａＦ２等の窓板３２で封止し、パイプ３１側面などに一端からもう一端へガスが流せるようガスの導入出孔３３を備え、また、その内面は赤外光を効率よく反射するために、鏡面仕上げや金などのコーティングが施されている。
【０００６】
ディテクター部は、アルミなどの金属製ブロックに形成された開口が赤外光透過性窓板で塞がれた前室となる前部ブロックと後室となる後部ブロックを備え、両ブロックを接合一体化して構成されている。これは、ＮＤＩＲの原理上、検出部は、被測定成分ガス（試料）が導入されたセルを透過してきた測定すべき赤外光を入射させ、内封された受感ガスを昇圧させるための前後２室の形成と、前後室を連通する連通路内に検出素子であるフローセンサ等のセンサを配置するために必要な構成で、その構成を図４に模式的に示す。
【０００７】
少なくとも前部ブロックＢ１の正面と、前部ブロックＢ１と後部ブロックＢ２の接合面が赤外光を透過するＣａＦ２等の窓板４３で仕切られ、両ブロックＢ１、Ｂ２の接合面の窓板４３′が隔壁となって前室４１と後室４２との２室が形成され、これら２室は、ガス移動が可能なキャピラリーやトンネル等の連通路４４で接続されている。
連通路４４には、前後室４１、４２の圧力差で生じる両室に充填された充填ガスの流れ検出する熱線式フローセンサ５０が配置されており、この熱線式フローセンサ６０の連通路４４内への配置を可能にするために、いずれか一方のブロックに形成される連通路を構成するトンネルは、熱線式フローセンサ５０の配置作業が可能なサイズの開口とされたセンサ室５１とされている。
【０００８】
さらに、これら２室４１、４２には、ＮＤＩＲの被測定対象となる、例えば、ＣＯ２等の化学種のみ、あるいは、この化学種をＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２等の不活性ガスで希釈されたガスが充填されている。
なお、前後部ブロックＢ１、Ｂ２で形成された前後室４１、４２には受感ガスを内封することから、前後ブロックＢ１、Ｂ２の接合、各ブロックと窓板４３の接合には、エポキシ等の気密性に優れた接着剤が用いられる。
【０００９】
また、連通路４４に配置されるセンサとしては、前後室の圧力差を検出できるものであればどのようなものでもよいが、センサが、前後室の圧力差で連通路内のガスの流れを検出するフローセンサである場合には、一般に、小型で高精度な薄膜技術で製作された薄膜型熱線式フローセンサが、使用されている。
【００１０】
熱線式フローセンサは、風速を抵抗変化として計測する熱線式風速計の原理に基づくもので、薄膜型熱線式フローセンサは、ベースとなる中央部に開口を有するガラス基板の両側に、開口を横切ってＮｉなどの抵抗温度係数の大きな金属からなる抵抗素子としての櫛形電極（熱線）を薄膜技術で対向形成したもので、この熱線に２つの固定抵抗を組み合わせてブリッジ回路を形成し流量計測を行うものである。
【００１１】
熱線を含むブリッジ回路に一定電圧を印加した状態で、熱線の配置された連通路内にガスの流れが生じると、風上側の抵抗素子としての熱線は熱を奪われて抵抗値が減少し、他方、風下側の抵抗素子としての熱線の抵抗は風上側の抵抗素子から奪った熱が与えられ温度が上昇して抵抗値の増加が起こる。この抵抗のアンバランスによりブリッジ回路に電位差が生じるので、この電位を測ることで、連通路内を流れるガスの流速を計測することができる。
【００１２】
このような構成で、光源部２から発した赤外光は、セル部３を通過してディテクター部４に入射する。この時、セル内部に被測定成分が存在すると、セル内のガス濃度に応じて、入射した赤外光の一部がセル内のガスに吸収され、残りの赤外光はディテクター部４に入射する。ディテクター部４の前室４１の正面から入射した赤外光は、前室４１および後室４２で吸収されるが、その多くは前室４１で吸収される。吸収された光エネルギーは分子の並進運動に変換されることになり、前後室４１、４２間に圧力差が発生し、これによって両室を連通する連通路４４内に充填（封入）ガスの流れが生る。
【００１３】
このガス流の流速は、ディテクター部４への入射光強度に依存するので、前後室４１、４２の連通路４４内に配置された薄膜型熱線式フローセンサ５０の熱線の抵抗変化として計測することで、ディテクター部４への入射前後の赤外光強度、すなわち、セル中の被測定成分ガス濃度を計測することができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ＮＤＩＲにおいて、光源部、セル部、ディテクター（検出器）部の各ユニットは別々に構成されている。
ＮＤＩＲの測定対象がＣＯ２など大気中に存在する化学種の場合、各ユニットに空隙があると、空隙に存在する大気中の同一化学種による干渉や赤外吸収スペクトルが重なる化学種による干渉をも受ける。
【００１５】
従来のＮＤＩＲでは、それを構成する光源部、セル部、ディテクター（検出器）部の３ユニット全体を筐体に収め、筐体内部をＮ２等の赤外不活性ガスでパージすることで、大気中の化学種による干渉を受けないようにしている。
このように、３ユニット全体を筐体内に収容してその内部を不活性ガスでパージするものでは、ＮＤＩＲを搭載すべき機器内に大きな容積を必要とし、また、容積の大きな筐体全体を気密構造にするための工夫等が必要であり、分析計のコスト高を招くという問題があった。
【００１６】
また、測定セル部とディテクター部の間隙のみをパージすることも提案されている。これは図５にその構成を示すように、パージガスの導入出管６１、６２を有するパージブロック６０を別途用意し、このパージブロック６０をディテクター４側の測定セル３１の後端に装着し、パージブロック６０とディテクター４も間にＯリング６３を介在させて、測定セル３１とディテクター４とを接続し、測定セル３１の後窓とディテクター４の前室の窓板間を不活性ガスでパージするようにしたものである。
しかしながら、この構成では、パージブロック６０、ならびに、それの測定セルへの装着作業等が必要となり、また、加工部や部品点数等の増加、ならびに、加工上の困難さから、コスト高が免れないという問題がある。
【００１７】
本発明は、上記の課題を解決するために創案されたものであって、セル部ユニットと検出器部ユニット間を不活性ガスでパージすることなく大気中の化学種による干渉を防止でき、構造が簡単で、部品点数、加工や組み立て工数の少ない、安価な赤外線ガス分析計を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の赤外線ガス分析計にあっては、光源部と測定セルと検出部とを各々独立するユニットとして備えるものにおいて、測定セルの後端と検出部とを直結すると共に、検出部に測定セルに連通するガスの導入出孔を形成し、検出器を測定セルの一部としたことを特徴としている。なお、測定セルの後端と検出部の一体化のために、検出部に前室と一体の測定セルの後端と嵌合する接合部が設けられていると共に、前記接合部に嵌合された測定セルと連通するガス導入出孔が設けられていること、また、測定セルにフランジが設けられており、このフランジを介して測定セルと検出部が連結一体化されることが好ましい。
【００１９】
このような構成の赤外ガス分析計によれば、検出部に設けたガス導入出孔がセルに連通するように、測定セルと検出部が一体化されているので、測定セルと検出部に間隙が介在せず、不活性ガスによるパージが不要であり、且つ、パージガスの供給系、パージガスの使用によるランニングコストも不要である。
【００２０】
また、検出部に前室と一体のガス導入出孔を有する測定セルの後端と嵌合する接合部を設けておけば、セルの後端部を接合部に嵌合することで、セルと検出部を一体化でき、構造、ならびに、組立作業が簡単である。さらに、測定セルにフランジを設け、このフランジを介して測定セルと検出部とを連結一体化するようにすれば、測定セルと検出部との相対位置が規定できるので、組み立て後のセル長を所定長にできる他、接続部に嵌合される測定セル後端の側面に開口を設けて、この開口を検出部の接合部に設けたガス導入出孔に連通させる場合には、ガス導入出孔と開口との位置合わせが容易、確実に行える。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の態様を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の主要部の組み立て前の構成部品を展開して示した模式図で、（ａ）は測定セルの側面図、（ｂ）は測定セルの断面図、（ｃ）はディテクター（検出器）部の断面図である。
図において、１はパイプよりなる測定セルで、このセル１には、その後端（ディテクター側）にガスの通り道となる切り欠き２と漏れを防止するＯリング３を装着するための円周溝４が設けられていると共に、後述のディテクターに形成されたガス導入出パイプ（ガス導入出孔）との位置合わせと、セル１とディテクターを所定に位置関係に規制して両者を固定するために、ボルト穴を有するフランジ５が取り付けられている。
【００２２】
他方、ディテクター１０は、孔が穿孔されたアルミ製等のブロックであって、孔の段差部に、段差を貼りしろとして赤外線透過性のＣａＦ２等の素材からなる隔壁としての窓板１１、１２が接着されて、ブロック内が前室１３と後室１４とに画成されている。
また、ブロック（ディテクター）１０には、前室１３と後室１４を連通する連通路１５が形成されており、この連通路１５内に両室１３、１４の圧力差で生じる両室に充填されたガスの流れを検出する薄膜型熱線式フローセンサ１６が配置されている。
さらに、ブロック１０は、前室１３の前方（セル側）に延在し、この延在部はセル１の後端が嵌入する径の孔が彫り込まれた接合部１７とされており、接合部１７の一箇所には、セル１に形成された切り欠き２と連通するガスを通すためのガス導入出パイプ（ガス導入出孔）１８が設けられている。
【００２３】
組み立てるには、先ず、セル１の円周溝４にＯリング６を装着して、セル１の後端をブロック（ディテクター）１０の接合部１７に、フランジ５がブロック面に当接するまで挿入し、フランジ５をボルト１９でブロック１０の端面に締結してセル１とディテクター１０とを一体化する。図２は、このようにして組み立てたセル部ユニットとディテクター部ユニットを一体化した構成を模式的に示す断面図である。
【００２４】
このように組み立てられてセル１とディテクター１０が一体化したＮＤＩＲは、ディテクター１０側は窓板１１が、接合部１７についてはＯリング３が被測定ガスの流入を防止するので、セル１内の被測定ガスはセル後端の切り欠き２を経てディテクター１側の接合部１７に設けられたガス導入出パイプ１８を通じて流出、または、ガス導入出パイプ１８より供給された被測定ガスは、セル後端の切り欠き２を経てセル１内に流入されてセルの他方側に設けられたガス導入出パイプから流出する。
【００２５】
したがって、セル１とディテクター（ブロック）１０が一体化して被測定ガスの流路を形成するので、両者間の不活性ガスによるパージは不要である。
また、フランジ５は、セル１とディテクター（ブロック）１０の２ユニットを単に接合するのみでなく、セル１の後端部のディテクター１０の接合部への挿入量を機械的に規制し、光源からのセル長を一定にする必要があるＮＤＩＲの光路長を既定値にするように機能する。
また、フランジ５とディテクター（ブロック）１０の端面に形成されるボルト穴でもって、接合部１７に形成されたガス導入出パイプ１８とセル１に形成された切り欠き２との位置合わせを確実にする。
【００２６】
なお、光源部ユニットとセル部ユニット間の大気中の化学種による干渉の防止は、両ユニット間に図５に示したと同様のパージ機構を設けるか、光源部ユニットとセル部ユニットの前端部を筐体に収容し、その内部を不活性ガスでパージすることで達成できる。
この場合、光源部ユニットとセル部ユニット間のみをパージするので、セル部ユニットとディテクター部ユニット間をもパージする場合と比べてパージガスの消費量が少なくてすみ、ランニングコストの低減が図れる。
また、筐体を使用するにしても、光源部ユニットとセル部ユニットの前端部を収容するものでよいので、筐体の容積も小さく、気密構造が簡単となる。
【００２７】
なお、実施例はシングルビーム式ＮＤＩＲであったが、本発明は、ダブルビーム式ＮＤＩＲにも適用できるものである。
また、実施例では、前後２室の圧力差を検出するセンサとして、ガス圧変動を封入ガスの流量として検出するフローセンサ用いたが、前後２室の圧力差を圧力として検出するメンブレンコンデンサなどの圧力検知素子であってもよい。
さらに、実施例では、測定セルにフランジを設けたが、測定セルとディテクターとを接着剤で接合する場合には、フランジは必ずしも必要ではない。
しかしながら、接着接合する場合であっても、フランジを設けておけば、測定セルと検出部とを嵌合した際の両者の相対位置を規定できる。
【００２８】
また、実施例では、ディテクターの接合部に測定セルの後端を嵌入するようにしたが、逆に測定セル後端にディテクターの接合部を嵌入するようにしてもよい。
さらに、実施例では、測定セルに、ディテクターの接合部に形成されたス導入出孔と連通する切り欠きを設けたが、ディテクターの接合部に測定セルの後端を嵌合させた際に、測定セルの挿入端がディテクターの接合部のガス導入孔を塞がない構成とすれば、ガス導入孔に連通する切り欠き、ないし、開口は不要である。
また、実施例では、測定セルの後端と嵌合する接合部をディテクターの前室と一体に形成したが、接合部を別体とし、それを前室の前面に取付て一体化するようしてもよい。
【００２９】
【発明による効果】
本発明によれば、検出器（ディテクター）部に設けたガス導入出孔がセルに連通するように、測定セルと検出部を一体化したので、測定セル部と検出部の間に間隙が介在せず、不活性ガスによるパージが不要な赤外線ガス分析計が得られる。
また、検出部に前室と一体のガス導入出孔を有する測定セルの後端が嵌合する接合部を設けておけば、セルの後端部とディテクターのを接合部とを嵌合することで、測定セルと検出部を一体化でき、その構成、組立作業が簡単となる。
【００３０】
さらに、測定セルにフランジを設け、このフランジを介して測定セルと検出部とを嵌合一体化するよにすれば、測定セルと検出部との相対位置関係が規定できて組み立て後のセル長を所定長にできる他、測定セルの後端の側面に開口を設け、この開口を検出部に設けたガス導入出孔に連通させる場合には、ガス導入出孔と開口との位置合わせが確実に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の主要部の実施例の構成を示す構成要素の組み立て前の展開図である。
【図２】組み立て後の主要部の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】シングルビーム式ＮＤＩＲの構成を模式的に示す断面図である。
【図４】図３のディテクター部の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】パージ機構を備えた従来の測定セル部ユニットとディテクター部ユニットの構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１：測定セル                                ２：切り欠き
３：Ｏリング                                ４：円周溝
５：フランジ
１０：ディテクター（ブロック）
１１、１２：窓板                                  １３：前室
１４：後室                                  １５：連通路
１６：薄膜型熱線式フローセンサ              １７：接合部
１８：ガス導入出パイプ（ガス導入出孔）      １９：ボルト
【図１】
0003610870.tif 000002
【図２】
0003610870.tif 000003
【図３】
0003610870.tif 000004
【図４】
0003610870.tif 000005
【図５】
0003610870.tif 000006