(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測定セルに赤外光を照射する光源部と、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備え、該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、前記検出部は単一のブロックとし、該ブロックに前記測定セルの後端と直結して測定セルの一部とするための凹部と測定セルに連通するガスの導入出孔とを形成し、また前記凹部内には、内周壁に段差を有する貫通孔、または、内周壁に段差を有する有底孔を形成し、前記段差部に赤外光透過材よりなる窓材を取り付けて貫通孔内を前後２室に画成すると共に、前記ブロックに、一部に開口を有し、該開口が蓋部材で閉塞された前記２室を連通する連通路を形成した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４は、アルミなどの金属製の前室となる前部ブロックと後室となる後部ブロックで構成されている。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前後室の圧力差を検出す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】
前後部ブロックＢ１、Ｂ２には同一径の貫通孔が形成されおり、図示では、前部ブロックＢ１の貫通孔の両端と、後部ブロックＢ２の前部ブロックＢ１との接合面の反対側の貫通孔の一端が赤外光を透過する窓板４３で封止されており、前後部ブロックＢ１、Ｂ２を図示のように接合して一体化した際に前部ブロックＢ１の貫通孔を封止する後部ブロックＢ２に面する窓板４３′が隔壁となって前室４１と後室４２の２室とされる。
【０００８】
また、前部ブロックＢ１と後部ブロックＢ２には、両ブロックを接合一体化した際に接続されて連通路４４を形成するＬ字型のチャンネル（トンネル）５１、５２が形成されており、前部ブロックＢ１に形成されたＬ字を９０°左回転させたたチャンネル５１は、前部ブロックＢ１の端面（図では左側面）の水平部チャンネル開口から挿入して前室４１に通じる図で垂直の細孔部へのセンサ６０の配置作業が可能なサイズの開口とされており、該チャンネル５１は、センサ室を形成している。
【０００９】
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。
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て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６０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】
このように、貫通孔が形成されて窓板で封止された前後部の２ブロックを接合一体化して前後２室を形成し、前後２室を熱線式フローセンサ等のセンサが配置された連通路で連通してなる構成のディテクターを有するＮＤＩＲでは、次のような問題がある。
【００１５】
すなわち、前後部の各ブロックにそれぞれ貫通孔と、両ブロックを接合一体化した際に接続されて連通路４４を形成するＬ字型のチャンネル（トンネル）を形成することから、ディテクター部の構成部品点数、加工工数が増加し、また、両ブロックを接着して一体化させることから気密性いう面からは好ましくなく、両ブロックの互いの貫通孔、Ｌ字型チャンネルが合致するように位置合わせして接着する必要があることから、組み立てに時間を要すると共に、両ブロックの接合に際しては、接着剤のはみ出しによる歩留まりの低下も無視できず、結果的に、分析計のコスト高を招くという問題がある。
【００１６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、部品点数、加工や組み立て工数が少なく、気密性に優れたディテクター部を有する赤外線ガス分析計を提供することを目的とする。
【００１７】
【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、測定セルと、測定セルの一端側に配置され測定セルに赤外光を照射する光源部と、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備え、該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、前記検出部は単一のブロックとし、該ブロックに前記測定セルの後端と直結して測定セルの一部とするための凹部と測定セルに連通するガスの導入出孔とを形成し、また前記凹部内には、内周壁に段差を有する貫通孔、または、内周壁に段差を有する有底孔を形成し、前記段差部に赤外光透過材よりなる窓材を取り付けて貫通孔内を前後２室に画成すると共に、前記ブロックに、一部に開口を有し、該開口が蓋部材で閉塞された前記２室を連通する連通路を形成したことを特徴としている。
【００１８】
このような構成の赤外線ガス分析計によれば、ディテクター部が単一ブロックであるので、従来のこの種ディテクター部のように２ブロックを接合一体化したものに比し気密性が確保できる。また、単一ブロックの穿孔加工で前後２室と両室の連通路が形成できること、連通路の開口からフローセンサを連通路内に組み込めること、また、該ブロックの凹部を測定セルの後端部として使用しているので、検出部の測定セル側の窓材を測定セルの後端側の窓材と兼用させることができることから、部品点数が少なく加工性に優れていると共に、加工や組み立て工数が低減できるので、安価な赤外線ガス分析計が得られる。
【００１９】
【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。なお、ＮＤＩＲ自体は、図３で説明したように、赤外光を発生するための光源部、試料が導入されるセル部、セル部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）部の３ユニットから構成されている。
【００２０】
図１は、本発明の主要部をなすディテクター部の構成を示すもので、（Ａ）は組み立て前の構成部品を展開して示した断面図、（Ｂ）は組み立後の断面図である。
アルミニュウム等の金属製の円柱体（ブロック）１の左側端面からは径φｆの孔が、右側端面からは径φｆより径が大きいφｂ（φｆ＜φｂ）の皿ぐりされた孔が中央部に向けて穿孔されて貫通孔２が形成され、ブロック１の貫通孔２の中央部の内周壁に、両端面から穿孔される孔の径が異なることにより必然的に段差ａが形成される。
【００２１】
また、段差ａ部を境にしてブロック１の側面から垂直に径φｆの孔に連通する３段階に径の異なる通孔３と、径φｂの孔を通孔３の２段目に連通するＬ字型のトンネル４とが穿孔形成されている。
なお、実施例では、ブロック１がセル部の一部を形成するように、セルを構成するパイプ（図３の３１）の内径と同径の径φｆの孔に通じる孔５と、該孔５に連通するガス導入出孔（図３における３３）となる挿入孔６が形成されている。
【００２２】
このように穿孔加工されたブロック１の段差ａ部に、段差ａを貼りしろとして前後室の隔壁となるＣａＦ２の窓板７を接着し、その後、孔５と径φｆの孔との境界部の段差部に該段差を貼りしろとしてセルの後窓となるＣａＦ２の窓板８と、径φｂの孔の皿ぐり部に後蓋９を接着する。これにより、貫通孔２内が前室１０と後室１１とに画成される。
【００２３】
ついで、通孔３に底部に薄膜型熱線式フローセンサ１２を配設し、通孔３の開口3′を蓋部材１４で密閉閉鎖する。これにより、前室１０と後室１１の連通路１５が形成されて、同図（ｂ）に示すディテクター部となる。なお、窓板７・８、後蓋９の接着と、薄膜型熱線式フローセンサ１２の配置と蓋部材１４による通孔３の開口３′開口の閉鎖は、何れを先に行ってもよい。また、組み立てられたディテクター部のブロック１の左端面がセルを構成する不図示のパイプ端と位置合わせされて接着される。即ち、窓板８は、測定セルと前室１０との境界を為し、前室の窓材と測定セルの後端窓材とが兼用された構成となっている。
【００２４】
図２は他の実施例を示すもので、ブロック１に径φｆと径φｂ（φｆ＞φｂ）の孔を穿孔して有底孔１６を形成し、段差部に窓板７、８を接着して前後室１０、１１としたものであり、この構成によれば、図１における後蓋９は、不要になる。
なお、図１、図２における貫通孔２、有底孔１６、孔５の内面は、赤外光を効率よく反射するために、バフ研磨による鏡面仕上げや金などのコーティングを施すのが好ましい。また、図１、図２において、１７は、挿入孔６に挿入固定されたセルのガス導出入孔（図３における３３）となる細管である。
【００２５】
このように、単一のブロックの穿孔加工と窓板等の接着で前後２室と、２室を連通する連通路が形成できるので、従来の２ブロックを接合一体化して前後２室とするものと比べて、部品点数、加工・組み立て工数が低減でき、分析計のコストダウンが図れる。
また、フローセンサを前後２室の連通路内に配置するために、従来はセンサ部を２ブロック構成とせざるを得なかったが、連通路に蓋部材で閉鎖される開口を形成したことから、この開口から連通路内にセンサを容易に配置することができ、その後、開口を蓋部材で閉鎖することで２室の連通路とされるので、１ブロックでディテクター部を構成とすることが可能となり、気密性が確保される。
【００２６】
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。
る。
【００２７】
【発明による効果】
本発明によれば、ディテクター部が単一ブロックであるので、従来のこの種ディテクター部のように２ブロックを接合一体化したものに比し気密性が確保できる。また、単一ブロックの穿孔加工で前後２室と両室の連通路を形成でき、また、ブロックの凹部を測定セルの後端部としても使用しているため、検出部の測定セル側の窓材を測定セルの後端側の窓材と兼用させることができるので、部品点数が少なく加工性に優れ、加工や組み立て工数が低減できる。その結果、安価な赤外線ガス分析計が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の主要部であるディテクター部の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】他の実施例に係るディテクター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】従来のディテクター部の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１：ブロック                            ２：貫通孔
３：通孔（３′…開口）                    ４：トンネル
５：孔                                  ６：挿入孔
７、８：窓板                                ９：後蓋
１０：前室                              １１：後室
１２：薄膜型熱線式フローセンサ          １３：蓋部材
１４：蓋部材                            １５：連通路
１６：有底孔                            １７：細管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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