(57)【要約】      （修正有）【課題】光源の劣化などにより発生する光源の光量ドリフトを定量的に把握し、測定成分の濃度信号ドリフトを補償し、高精度な計測を可能とした赤外線ガス分析計を提供する。【解決手段】試料ガスが流通する測定セルを有し、この測定セルを通過した赤外光における強度の変化を利用して、試料ガス中の測定成分ガスの濃度を検出する赤外線ガス分析計において、光源駆動電圧制御回路で制御され赤外光を発生する光源と、前記測定セルを通過した赤外光の強度を検出する測定用ガスセル検出部と、前記光源からの赤外光が導かれ、この導かれた赤外光のうち前記測定成分ガス以外のガスによる赤外線吸収量を検出するモニタガスセル検出部とを備え、前記モニタガスセル検出部は、前記測定成分ガス以外のガスによる吸収量を検知した信号と、予め設定された値との偏差を求め、この求めた偏差量に基づいた制御量を前記光源駆動電圧制御回路にフィードバックする。【選択図】図１
2008298452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ガスが流通する測定セルを有し、この測定セルを通過した赤外光における強度の変化を利用して、試料ガス中の測定成分ガスの濃度を検出する赤外線ガス分析計において、
光源駆動電圧制御回路で制御され赤外光を発生する光源と、
前記測定セルを通過した赤外光の強度を検出する測定用ガスセル検出部と、
前記光源からの赤外光が導かれ、この導かれた赤外光のうち前記測定成分ガス以外のガスによる赤外線吸収量を検出するモニタガスセル検出部とを備え、
前記モニタガスセル検出部は、前記測定成分ガス以外のガスによる吸収量を検知した信号と、予め設定された値との偏差を求め、この求めた偏差量に基づいた制御量を前記光源駆動電圧制御回路にフィードバックすることを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項２】
前記モニタガスセル検出部は、前記測定成分ガス以外のガスが封入された前後２室で形成され、そのうち少なくとも１室が前記測定セルへ赤外光を導入する光軸上の位置に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線ガス分析計。
【請求項３】
前記モニタガスセル検出部は、前記測定成分ガス以外のガスが封入された前後２室で形成され、その前後２室が、前記測定セルへ赤外光を導入する光軸から外れた位置であって、前記赤外光の余剰光が連通する位置に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線ガス分析計。
【請求項４】
前記モニタガスセル検出部に封入されている前記測定成分ガス以外のガスは、前記測定成分ガスの吸収スペクトルと近接、または重なる吸収スペクトルを有するガスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の赤外線ガス分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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特定ガス種の濃度を計測する赤外線ガス分析計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術における赤外線ガス分析計は、測定対象ガスの赤外線吸収によって生じる基準セルと試料セルの赤外線の光量差を、ガスセル吸収方式の検出器（ガスセル検出器）の内部に発生する圧力差で発生する流量をフローセンサで検出して、測定対象ガスの濃度を測定するというものである。
【０００３】
そのダブルビーム型の赤外線ガス分析計の構成は、図５に示すように、赤外線を出射させる赤外線光源１１と、この赤外線光源１１から発せられる赤外線光束を周期的に同時に、若しくは交互に断続させるモータ１２で回転駆動される回転セクタ１３と、回転セクタ１３で断続されている赤外線光束を分配する分配セル１４と、分配セル１４の一方側に接続され測定光源として案内して測定光線路を形成する試料セル１５と、分配セルの他方側に接続され比較光源として案内して比較光線路を形成する基準セル１６と、試料セル１５及び基準セル１６の出力側に配置され、両者の光線を受け入れる基準側室１８及び試料側室１９を持つガスセル検出器１７と、基準側室１８及び試料側室１９の連通した流通路２３に備えたガスの流通を検出するガス検出手段を形成するサーマルフローセンサ２１と、このサーマルフローセンサ２１で検出した信号を増幅して濃度信号を生成する交流電圧増幅器２２と、から大略構成されている。
【０００４】
このように構成されているダブルビーム型の赤外線ガス分析計においては、先ず、赤外線光源から発せられた赤外光が分配セル１４により２つに分割され、それぞれ基準セル１６、試料セル１５に入射する。基準セル１６には不活性ガスなどが測定対象成分を含まないガスが充填されている。
【０００５】
また、試料セル１５には測定試料ガスが流通する。分配セル１４で２つに分けられた赤外光は試料セル１５でのみ試料ガスの測定対象成分による吸収を受けガスセル検出器１７に到達する。
【０００６】
ガスセル検出器１７は基準セル１６からの光と試料セル１５からの光を受ける２室（基準側室１８、試料側室１９）からなっており、その２室が流通路２３でつながる構造をしており、その流通路２３にガスの行き来を検出するためのサーマルフローセンサ２１が取り付けられている。
【０００７】
ガスセル検出器１７内には測定対象と同じ成分を含むガスが充填されており、基準セル１６、試料セル１５からの赤外光が照射されると測定対象成分ガスが赤外光を吸収することで、その中でガスが熱膨張する。
【０００８】
試料セル１５内の測定試料に測定対象成分が多く含まれると、赤外光はそこで多くが吸収されるため、ガスセル検出器１７では基準側室１９に減少した赤外光が照射され、この光量に対応したガスの膨張が発生する。
【０００９】
赤外光は回転セクタ１３で遮断、照射を繰り返しており、遮断されたときは基準側室１８、試料側室１９とも赤外光が照射されないのでガスは膨張せず、赤外光が照射されるとガスセル検出器１７の試料側室１９には試料セル１５内の測定対象成分濃度に応じた赤外光が、基準側室１８には基準セル１６を透過した赤外光が照射される。
【００１０】
基準側室１８はほぼ一定の赤外光が照射され、試料側室１９には試料中の測定対象成分濃度に応じた赤外光が照射されるため、試料中の測定対象成分の濃度に応じて両室の間に差圧が生じ、両室間の間に設けられた流通路２３をガスが行き来することとなる。そのガスの挙動をサーマルフローセンサ２１で検出し、交流電圧増幅器２２で増幅し、濃度信号として出力する。
【００１１】
一方、熱線式フローセンサを搭載したシングルビーム式ＮＤＩＲの構成は、図６に示すように、一般に、赤外光を発生するための光源部３１、試料ガスが導入されるセル部３２、セル部３２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ガスセル検出部３３の３ユニットから構成されている。
【００１２】
光源部３１は赤外光の発生を担う赤外線光源３０、赤外光を断続してセル部３２及び検出部３３に入射させるためのチョッパー３４とから構成されている。
【００１３】
チョッパー３４は、例えば、光源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３５とこの回転円板３５を回転駆動するモータ３６とで構成されており、回転円板３５をモータ３６で回転させることで、回転円板３５の未切り欠き部（遮光部）が光源の前に位置している際には光源からの赤外光を遮光し、切り欠き部が光源の前に位置している際には光源からの赤外光が通過し、セル部３２に照射される。
【００１４】
セル部３２は、試料ガスが導入される部位であって、測定セル３７の前後を赤外線が広いスペクトル域で透過可能な赤外線透過性ガラスで形成された窓板３８で封止し、試料セル側面などに一端からもう一端へガスが流せるよう試料ガスの試料ガス入口４１、試料ガス出口４２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。
【００１５】
ガスセル検出部３３は、前室４３、後室４４の２室に分割され、少なくとも前室４３の正面並びに前室４３と後室４４との間の隔壁が赤外光を透過する窓板４５で仕切られ、それら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４６で接続された構造となっている。
連通路４６には、前後室４３、４４の圧力差で生じる両室に充填された充填ガスの流れを抵抗変化として計測するための熱線抵抗素子を備えた薄膜型熱線式フローセンサ（サーマルフローセンサ）４７が配置されている。
更に、これら２室には、ＮＤＩＲの被測定対象となる、例えば、ＣＯ２等の化学種のみ、或いは、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。
【００１６】
このような構成からなるシングルビーム式ＮＤＩＲにおいては、先ず、光源部３１から発した赤外光は、測定セル３７を通過してガスセル検出部３３に入射する。この時、測定セル３７内に被測定成分が存在すると、測定セル３７内のガス濃度に応じて、入射した赤外光の一部が測定セル３７内のガスに吸収され、残りの赤外光はガスセル検出部３３に入射する。
ガスセル検出部３３の前室４３の正面から入射した赤外光は、前室４３及び後室４４で吸収されるが、その多くは前室４３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、膨張することにより、前後室４３、４４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４６内に充填（封入）ガスの流れが生じる。このガス流の流速は、ガスセル検出部３３への入射光強度に依存するので、前後室４３、４４の連通路４６内に配置された薄膜型熱線フローセンサ４７の熱線抵抗素子の抵抗変化として計測することで、ガスセル検出部３３への入射前後の赤外強度、即ち、測定セル３７中の被測定成分ガス濃度を計測することができるのである。
【特許文献１】特開２００１―２５５２６９号公報（第３頁乃至４頁  第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、従来技術で説明した図５に示したダブルビーム型或いは図６に示したシングルビーム型の赤外線分析計における測定原理は赤外光源から出射される赤外光線の光量を基準にしている。
即ち、赤外線分析計の測定原理は、試料ガス中の測定成分の濃度と、赤外吸収量が関連を持つことに基づく。具体的には、赤外吸収量をランバートベールの法則に従い、入射光の強さを基準にしたとき、そのうちで吸収された光量の割合が、試料ガス中の測定対象成分濃度に関連付けられている。
【００１８】
ｌ（λ）＝ｌ０（λ）×ｅ−α（λ）・Ｌ・Ｃ・・・・・（１）
ここで、
ｌ（λ）：試料ガスを透過後の赤外線強度。波長λの関数。
ｌ０（λ）：試料ガスに入射する赤外線強度。波長λの関数。
α（λ）：測定成分の吸収係数。波長λの関数。
Ｌ：試料ガスの吸収長さ
Ｃ：測定成分の濃度
【００１９】
測定する光学系の形態は異なるものの図５及び図６のいずれも、光源から発せられた放射光量ｌ０を基準にし、この赤外光量が、試料ガスに吸収された後の赤外強度ｌを計測するように構成されている。
従って、光源から発せられる基準光量ｌ０が、光源の寿命やその他の要因により変動したとき、測定している成分濃度の信号も、（１）式からわかるように変動量に比例して変動してしまう。
又、チョッパーなしで赤外光量が変調可能な半導体材料による赤外光源は、動作温度を上げると不安定要因が顕著となり、動作温度の制約があることが知られている。
このような新しいタイプの光源では安定化技術が課題であり、使用に際しては変動現象への対策が必須である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために、本願発明の赤外線ガス分析計は、次に示す構成にしたことである。
【００２１】
（１）試料ガスが流通する測定セルを有し、この測定セルを通過した赤外光における強度の変化を利用して、試料ガス中の測定成分ガスの濃度を検出する赤外線ガス分析計において、
光源駆動電圧制御回路で制御され赤外光を発生する光源と、
前記測定セルを通過した赤外光の強度を検出する測定用ガスセル検出部と、
前記光源からの赤外光が導かれ、この導かれた赤外光のうち前記測定成分ガス以外のガスによる赤外線吸収量を検出するモニタガスセル検出部とを備え、
前記モニタガスセル検出部は、前記測定成分ガス以外のガスによる吸収量を検知した信号と、予め設定された値との偏差を求め、この求めた偏差量に基づいた制御量を前記光源駆動電圧制御回路にフィードバックすることを特徴とする赤外線ガス分析計。
【００２２】
（２）前記モニタガスセル検出部は、前記測定成分ガス以外のガスが封入された前後２室で形成され、そのうち少なくとも１室が前記測定セルへ赤外光を導入する光軸上の位置に配置されたことを特徴とする（１）に記載の赤外線ガス分析計。
【００２３】
（３）前記モニタガスセル検出部は、前記測定成分ガス以外のガスが封入された前後２室で形成され、その前後２室が、前記測定セルへ赤外光を導入する光軸から外れた位置であって、前記赤外光の余剰光が連通する位置に配置されたことを特徴とする（１）に記載の赤外線ガス分析計。
【００２４】
（４）前記モニタガスセル検出部に封入されている前記測定成分ガス以外のガスは、前記測定成分ガスの吸収スペクトルと近接、または重なる吸収スペクトルを有するガスであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の赤外線ガス分析計。
【発明の効果】
【００２５】
本発明においては、光源から発せられる赤外光量の変動を予め検出しうる装置をつけることで、光源の劣化などにより発生する光源の光量ドリフトを定量的に把握し、信頼性の表示を行い寿命に関する自己診断が可能となる。
光量ドリフト量を使い、光源の駆動電圧へフィードバックすることで、分析計に投入される光量が変動しない光源システムを得ることができる。このことにより、高精度な計測を可能となる。
測定成分ガスの吸収スペクトルと近接、又は重なる吸収スペクトルを有するガスを用いることにより、光源の発する赤外光のうち測定成分ガスの吸収する波長域の光量に影響を与えることなく計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本願発明に係る赤外線ガス分析計の実施例について図面を参照して説明する。尚、従来技術で説明したものと同じものには同一符号を付与して説明する。
【００２７】
本願発明の測定原理は、光源から出射した赤外光の光路上に、モニタガスセル検出部を配置する。このモニタガスセル検出部の構造は基本的には通常使用されるガスセル検出部と同じであるが、ガスセル内には予め、測定成分とは異なる吸収波長（波長λｍ）をもつ封入ガスを入れておく。このモニタガスセル検出部からの信号を用いて、赤外線光源を生成する光源駆動電圧制御回路にフィードバック制御をして赤外線光源を補償する。
尚、図２に示すように、モニタガスセル（モニタガスセル検出部）に封入されているガスの吸収波長λｍに対して、測定ガスセルの吸収波長λｓとは異なるガスである。
【実施例１】
【００２８】
本願発明の第１実施例の赤外線ガス分析計は、熱線式フローセンサを搭載したシングルビーム式ＮＤＩＲであり、その構成は、図１に示すように、赤外光を発生するための光源部３１、光源部３１に直近した位置で赤外線の光路上に赤外光の強度を計測するモニタガスセル検出部５１、試料ガスが導入される測定セル３７を備えたセル部３２、測定セル３７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ガスセル検出部３３の４ユニットと、ガスセル検出部３３で検知された赤外線吸収量から得られた第１の信号を入力して測定対象成分ガスの濃度を演算出力する補正演算出力部５２と、モニタガスセル検出器５１で検知された赤外線吸収量から得られた第２の信号を入力して振幅を計測する振幅計測回路７９と、振幅設定値を予め設定して保存しておく振幅設定器８０と、振幅計測回路７９で演算された振幅と振幅設定器８０に設定されている振幅設定値と比較する比較部８１と、赤外線光源を生成する光源用電源８２と、比較部８１で比較して求めた偏差量に応じて演算した制御量に基づいて赤外線光源を制御する光源駆動電圧制御回路８３と、から大略構成されている。
【００２９】
光源部３１は赤外光の発生を担う赤外線光源３０、赤外光を所定周期で断続してモニタガスセル検出部５１、測定セル３７及びガスセル検出部３３に入射させるためのチョッパー３４とから構成されている。
【００３０】
チョッパー３４は、例えば、赤外線光源３０からの赤外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３５と、この回転円板３５を回転駆動するモータ３６とで構成されており、回転円板３５をモータ３６で回転させることで、回転円板３５の未切り欠き部（遮光部）が光源の前に位置している際には光源からの赤外光を遮光（チョッピング）し、切り欠き部が光源の前に位置している際には赤外線光源３０からの赤外光が通過し、セル部３２に照射される。
【００３１】
モニタガスセル検出部５１は、ガスセル検出部３３と同等の構成をしており、２つの前室５４及び後室５５に分割され一方の前室５４が赤外線光源３０からの赤外光を透過させるように配置され、この前室５４には赤外光源側に赤外窓４８ａを、他方側に同じ赤外窓４８ｂを形成している。そして、これら２つの前室５４及び後室５５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５６で接続された構造となっている。
連通路５６には、２つの前室５４及び後室５５の圧力差で生じる室に充填された充填ガスの流れを抵抗変化として計測するための熱線抵抗素子を備えた薄膜型熱線式フローセンサ（サーマルフローセンサ）５７が配置されている。
この２つの前室５４及び後室５５には測定成分以外のガスが封入されており実施例においては吸収波長（λｍ）のガス（図２参照）が充填されている。
このモニタガスセル検出部５１に封入されている測定成分以外のガスは、測定成分ガスの吸収スペクトルと近接、又は重なる吸収スペクトルを有するガスである。このようなガスを用いることにより、光源の発する赤外光のうち測定成分ガスの吸収する波長域の光量に影響を与えることなく計測することが可能となる。
【００３２】
セル部３２は、試料ガスが導入される部位であって、測定セル３７の前後を赤外線が広いスペクトル域で透過可能な赤外線透過性ガラスで形成された窓板４５で封止し、測定セル３７側面に一端からもう一端へガスが流せるよう試料ガス入口４１、試料ガス出口４２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。
【００３３】
ガスセル検出部３３は、前室４３、後室４４の２室に分割され、少なくとも前室４３の正面並びに前室４３と後室４４との間の隔壁が赤外光を透過する窓板３８で仕切られ、それら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４６で接続された構造となっている。
連通路４６には、前後室４３、４４の圧力差で生じる両室に充填された充填ガスの流れを抵抗変化として計測するための熱線抵抗素子を備えた薄膜型熱線式フローセンサ４７が配置されている。
更に、これら２室には、ＮＤＩＲの被測定対象となる、例えば、ＣＯ２等の化学種のみ、或いは、この化学種をＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２等の不活性ガスで希釈された吸収波長（λｓ）のガスが充填されている。
【００３４】
このような構成からなるシングルビーム式ＮＤＩＲにおいては、先ず、光源部３１から発した赤外光は、先ずモニタガスセル検出部５１の赤外窓４８ａを通じて、中に封じ込まれた測定成分以外の吸収波長（λｍ）の封入ガスによる吸収を受ける。
【００３５】
モニタガスセル検出部５１の前室５４の正面から入射して吸収された赤外光は、吸収された光エネルギーの分子の並進運動に変換されることにより膨張し、両者の前室５４及び後室５５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５６内に充填（封入）ガスの流れが生じる。このガス流の流速は、モニタガスセル検出部５１への入射光強度に依存するので、両室５４、５５の連通路５６内に配置された薄膜型熱線フローセンサ５７の熱線抵抗素子の抵抗変化として計測することで、光源部３１から出射される光強度自体を計測することができる。
【００３６】
そして、モニタガスセル検出部５１を透過した赤外光は測定セル３７に入る。この時、測定セル３７内に被測定成分（吸収波長（λｓ）のガス）が存在すると、測定セル３７内のガス濃度に応じて、入射した赤外光の一部が測定セル３７内のガスに吸収され、残りの赤外光はガスセル検出部３３に入射する。
【００３７】
ガスセル検出部３３の前室４３の正面から入射した赤外光は、前室４３及び後室４４で吸収されるが、その多くは前室４３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より、前後室４３、４４間に圧力差が発生し、これによって両室４３、４４を連通する連通路４６内に充填（封入）ガスの流れが生じる。
【００３８】
このガス流の流速は、ガスセル検出部３３への入射光強度に依存するので、前後室４３、４４の連通路４６内に配置された薄膜型熱線フローセンサ４７の熱線抵抗素子の抵抗変化として計測することで、ガスセル検出部３３への入射前後の赤外強度、即ち、測定セル３７中の被測定成分ガス濃度を計測することができるのである。
【００３９】
さて、このようにして、図２に示すようなスペクトルを持つ赤外光は、先ず、モニタガスセル検出部５１の赤外窓４８ａを通じて、中に封じ込まれた封入ガスによる吸収を受け（波長λｍ）、反対側の赤外窓４８ｂを通じて透過し、測定セル３７に入る。
測定セル３７内に測定成分ガスが含まれている場合、ここで測定成分の赤外吸収が起きる（波長λｓ）。これらを透過した後の赤外光が、ガスセル検出部３３に入射する。ガスセル検出部３３には、測定成分と同じガスが封入されており、測定セル３７中に測定成分が存在しているとき、波長λｓを中心とする赤外光量が減少する。この変化をガスセル検出部３３で検出し、測定成分の濃度信号として出力する。具体的には、セクタにより断続されるタイミングに対応し発生する交流波形の振幅が変化することとなる。このようなプロセスを経て、モニタガスセル検出部５１のサーマルフローセンサ信号（第２の信号）と、ガスセル検出部３３のフローセンサの信号（第１の信号）が得られる。
【００４０】
これらの２つの信号は何れも、赤外光源の発光量Ｉｏを基準としているため、赤外光源の劣化などのドリフトにより赤外光量の減少が発生すると、ガスセル検出部３３が検出する成分濃度信号（第１の信号）が減少する。同時に、モニタガスセル検出部５１が検出する第２の信号の振幅も減少する。
【００４１】
従って、図１に示すように、振幅設定器８０に第２の信号の振幅設定値を設けておき、実際の光源から得られる第２の信号がこの振幅設定値から偏差が生じた場合には、この偏差をゼロとするように光源駆動電圧制御回路８３へフィードバック制御することで、常に第２の信号は同じレベルを維持するように制御される。即ち、測定セル３７に投入される光量が一定値に保たれることとなる。従って、光源単体の発光特性が劣化や経年変化により変動しても、分析計の分析値には影響を与えないこととなり、ドリフトのない高精度の計測が可能となる。
但し、光源の光量ドリフトが、モニタガスセル検出部５１の吸収波長λｍと、測定セル３７内での試料ガスの吸収波長λｓで、同じ比率で発生するという仮定が必要である。しかし、光源の発光温度が大幅に変化しない限り、黒体輻射の発光スペクトルの形状は大きく変化しないので、この仮定は成り立つと考えられる。
【００４２】
尚、測定成分の吸収波長λｓと、モニタガスセル検出部５１の封入ガスの吸収波長λｍは、異なる波長帯にある。このため、モニタガスセル検出部５１を装着することで窓材の透過率や表面反射の影響以外には、測定成分の計測に影響を与えることはない。
【実施例２】
【００４３】
次に、第２実施例の赤外線ガス分析計について、図面を参照して説明する。
【００４４】
本願発明の第２実施例の赤外線ガス分析計は、熱線式フローセンサを搭載したシングルビーム式ＮＤＩＲであり、モニタガスセル検出部を構成するガスセルの各室が直列に光軸上に並んだ構造のガスセルを用いたものである。
その構成は、図３に示すように、赤外光を発生するための光源部３１、光源部３１に直近した位置で赤外線の光路上に赤外光の強度を計測するモニタガスセル検出部６１、試料ガスが導入される測定セル３７を備えたセル部３２、測定セル３７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ガスセル検出部３３の４ユニットと、ガスセル検出部３３で検知された赤外線吸収量から得られた第１の信号を入力して測定対象成分ガスの濃度を演算出力する補正演算出力部５２と、モニタガスセル検出器５１で検知された赤外線吸収量から得られた第２の信号を入力して振幅を計測する振幅計測回路７９と、振幅設定値を予め設定して保存しておく振幅設定器８０と、振幅計測回路７９で演算された振幅と振幅設定器８０に設定されている振幅設定値と比較する比較部８１と、赤外線光源を生成する光源用電源８２と、比較部８１で比較して求めた偏差量に応じて演算した制御量に基づいて赤外線光源を制御する光源駆動電圧制御回路８３と、から大略構成されている。
【００４５】
光源部３１は赤外光の発生を担う赤外線光源３０、赤外光を断続してモニタガスセル検出部６１、測定セル３７及びガスセル検出部３３に入射させるためのチョッパー３４とから構成されている。
【００４６】
チョッパー３４は、例えば、光源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３５とこの回転円板３５を回転駆動するモータ３６とで構成されており、回転円板３５をモータ３６で回転させることで、回転円板３５の未切り欠き部（遮光部）が光源の前に位置している際には光源からの赤外光を遮光し、切り欠き部が光源の前に位置している際には光源からの赤外光が通過し、セル部３２に照射される。
【００４７】
モニタガスセル検出部６１は、ガスセル検出部３３と同等の構成をしており、２つの前室６４及び後室６５に分割され、前室６４に赤外線光源３０からの赤外光を透過させ、その赤外光を後室６５に通過させるように配置され、この前室６４には赤外線光源３０側に赤外窓５８ａを、他方側に同じ赤外窓５８ｂを、同じく前室と後室との間は赤外窓５８ｃが形成されている。そして、これら２つの前室６４及び後室６５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６６で接続された構造となっている。
連通路６６には、２つの前室６４及び後室６５の圧力差で生じる室に充填された充填ガスの流れを抵抗変化として計測するための熱線抵抗素子を備えた薄膜型熱線式フローセンサ（サーマルフローセンサ）６７が配置されている。
この２つの前室６４及び後室６５には測定成分とは異なるガスが封入されており実施例においては吸収波長（λｍ）のガスが充填されている。
このモニタガスセル検出部５１に封入されている測定成分以外のガスは、測定成分ガスの吸収スペクトルと近接、又は重なる吸収スペクトルを有するガスである。このようなガスを用いることにより、光源の発する赤外光のうち測定成分ガスの吸収する波長域の光量に影響を与えることなく計測することが可能となる。
【００４８】
セル部３２は、試料ガスが導入される部位であって、測定セル３７の前後を赤外線が広いスペクトル域で透過可能な赤外線透過性ガラスで形成された窓板４５で封止し、測定セル３７側面に一端からもう一端へガスが流せるよう試料ガス入口４１、試料ガス出口４２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。
【００４９】
ガスセル検出部３３は、前室４３、後室４４の２室に分割され、少なくとも前室４３の正面並びに前室４３と後室４４との間の隔壁が赤外光を透過する窓板３８で仕切られ、それら２室４３、４４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４６で接続された構造となっている。
連通路４６には、前室４３及び後室４４の圧力差で生じる両室に充填された充填ガスの流れを抵抗変化として計測するための熱線抵抗素子を備えた薄膜型熱線式フローセンサ４７が配置されている。
更に、これら２室４３、４４には、ＮＤＩＲの被測定対象となる、例えば、ＣＯ２等の化学種のみ、或いは、この化学種をＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２等の不活性ガスで希釈された吸収波長（λｓ）のガスが充填されている。
【００５０】
このような構成からなるシングルビーム式ＮＤＩＲにおいては、先ず、光源部３１から発した赤外光は、先ずモニタガスセル検出部６１の赤外窓５８ａを通じて、中に封じ込まれた測定成分以外の吸収波長（λｍ）の封入ガスによる吸収を受ける。
【００５１】
モニタガスセル検出部６１の前室６４の正面から入射して吸収された赤外光は、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より膨張し、両者の前室６４及び後室６５間に圧力差が発生し、これによって両室６４、６５を連通する連通路６６内に充填（封入）ガスの流れが生じる。このガス流の流速は、モニタガスセル検出部６１への入射光強度に依存するので、両室６４、６５の連通路６６内に配置された薄膜型熱線フローセンサ６７の熱線抵抗素子の抵抗変化として計測することで、測定成分以外の吸収波長（λｍ）のガス濃度を計測することができる。
【００５２】
そして、モニタガスセル検出部６１を透過した赤外光は測定セル３７に入る。この時、測定セル３７内に被測定成分（吸収波長（λｓ）のガス）が存在すると、測定セル３７内のガス濃度に応じて、入射した赤外光の一部が測定セル３７内のガスに吸収され、残りの赤外光はガスセル検出部３３に入射する。
【００５３】
ガスセル検出部３３の前室４３の正面から入射した赤外光は、前室４３及び後室４４で吸収されるが、その多くは前室４３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より、前後室４３、４４間に圧力差が発生し、これによって両室４３、４４を連通する連通路４６内に充填（封入）ガスの流れが生じる。
【００５４】
このガス流の流速は、ガスセル検出部３３への入射光強度に依存するので、前後室４３、４４の連通路４６内に配置された薄膜型熱線フローセンサ４７の熱線抵抗素子の抵抗変化として計測することで、ガスセル検出部３３への入射前後の赤外強度、即ち、測定セル３７中の被測定成分ガス濃度を計測することができるのである。
【００５５】
このように構成された第２実施例の赤外線分析計においても第１実施例で説明した赤外線分析計と同様に、図２に示すようなスペクトルを持つ赤外光は、先ず、モニタガスセル検出部６１の赤外窓５８ａを通じて、中に封じ込まれた封入ガスによる吸収を受け（波長λｍ）、反対側の赤外窓５８ｂを通じて透過し、測定セル３７に入る。
測定セル３７内に測定成分ガスが含まれている場合、ここで測定成分の赤外吸収が起きる（波長λｓ）。これらを透過した後の赤外光が、ガスセル検出器３３に入射する。ガスセル検出部３３には、測定成分と同じガスが封入されており、測定セル３７中に測定成分が存在しているとき、波長λｓを中心とする赤外光量が減少する。この変化をガスセル検出部３３で検出し、測定成分の濃度信号として出力する。具体的には、チョッパー３４により断続されるタイミングに対応し発生する交流波形の振幅が変化することとなる。このようなプロセスを経て、モニタガスセル検出部６１のサーマルフローセンサ信号（第２の信号）と、ガスセル検出部３３のフローセンサの信号（第１の信号）が得られる。
【００５６】
これらの２つの信号は何れも、赤外光源の発光量Ｉｏを基準としているため、赤外光源の劣化などのドリフトにより赤外光量の減少が発生すると、ガスセル検出部３３が検出する成分濃度信号（第１の信号）が減少する。同時に、モニタガスセル検出部６１が検出する第２の信号の振幅も減少する。
【００５７】
従って、図３に示すように、振幅設定器８０に第２の信号の振幅設定値を設けておき、実際の光源から得られる第２の信号がこの振幅設定値から偏差が生じた場合には、この偏差をゼロとするように光源駆動電圧制御回路８３へフィードバック制御することで、常に第２の信号は同じレベルを維持するように制御される。即ち、測定セル３７に投入される光量が一定値に保たれることとなる。従って、光源単体の発光特性が劣化や経年変化により変動しても、分析計の分析値には影響を与えないこととなり、ドリフトのない高精度の計測が可能となる。
但し、光源の光量ドリフトが、モニタガスセル検出部５１の吸収波長λｍと、測定セル３７内での試料ガスの吸収波長λｓで、同じ比率で発生するという仮定が必要である。しかし、光源の発光温度が大幅に変化しない限り、黒体輻射の発光スペクトルの形状は大きく変化しないので、この仮定は成り立つと考えられる。
【００５８】
尚、測定成分の吸収波長λｓと、モニタガスセル検出部６１の封入ガスの吸収波長λｍは、異なる波長帯にある。このため、モニタガスセル検出部６１を装着することで窓材の透過率や表面反射の影響以外には、測定成分の計測に影響を与えることはない。
【実施例３】
【００５９】
次に、第３実施例の赤外線ガス分析計について、図面を参照して説明する。
【００６０】
本願発明の第３実施例の赤外線ガス分析計は、熱線式フローセンサを搭載したシングルビーム式ＮＤＩＲであり、モニタガスセル検出部は測定成分以外のガスが封入された前後２室で形成され、その前後２室が赤外光が連通する光軸から外れた位置であって、赤外光の余剰光が照射する位置に配置されている。
【００６１】
その構成は、図４に示すように、赤外光を発生するための光源部３１、光源部３１に直近した位置で赤外光の余剰光が照射する位置に配置されているモニタガスセル検出部７１、試料ガスが導入される測定セル３７を備えたセル部３２、測定セル３７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ガスセル検出部３３の４ユニットと、ガスセル検出部３３で検知された赤外線吸収量から得られた第１の信号を入力して測定対象成分ガスの濃度を演算出力する補正演算出力部５２と、モニタガスセル検出器５１で検知された赤外線吸収量から得られた第２の信号を入力して振幅を計測する振幅計測回路７９と、振幅設定値を予め設定して保存しておく振幅設定器８０と、振幅計測回路７９で演算された振幅と振幅設定器８０に設定されている振幅設定値と比較する比較部８１と、赤外線光源を生成する光源用電源８２と、比較部８１で比較して求めた偏差量に応じて演算した制御量に基づいて赤外線光源を制御する光源駆動電圧制御回路８３と、から大略構成されている。
【００６２】
光源部３１は赤外光の発生を担う赤外線光源３０、赤外光を断続して測定セル３７及びガスセル検出部３３に入射させるためのチョッパー３４とから構成されている。
【００６３】
チョッパー３４は、例えば、光源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３５と、この回転円板３５を回転駆動するモータ３６とで構成されており、回転円板３５をモータ３６で回転させることで、回転円板３５の未切り欠き部（遮光部）が光源の前に位置している際には光源からの赤外光を遮光（チョッピング）し、切り欠き部が光源の前に位置している際には光源からの赤外光が通過し、セル部３２に照射される。
【００６４】
モニタガスセル検出部７１は、ガスセル検出部３３と同等の構成をしており、２つの前室７４及び後室７５に分割され一方の前室７４が赤外光源からの余剰光の赤外光を透過させるように配置され、この前室７４には赤外光源側に赤外窓７８を形成している。そして、これら２つの前室７４及び後室７５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７６で接続された構造となっている。
連通路７６には、２つの前室７４及び後室７５の圧力差で生じる室に充填された充填ガスの流れを抵抗変化として計測するための熱線抵抗素子を備えた薄膜型熱線式フローセンサ７７が配置されている。
この２つの前室７４及び後室７５には測定成分以外のガスが封入されており実施例においては吸収波長（λｍ）のガスが充填されている。
このモニタガスセル検出部５１に封入されている測定成分以外のガスは、測定成分ガスの吸収スペクトルと近接、又は重なる吸収スペクトルを有するガスである。このようなガスを用いることにより、光源の発する赤外光のうち測定成分ガスの吸収する波長域の光量に影響を与えることなく計測することが可能となる。
【００６５】
なお、モニタガスセル検出部７１と赤外線光源３０の間には、チョッパー３４と同様のチョッパー３５´が設けられ、モニタガスセル検出部７１に対する赤外光の通過と遮断を行う。
【００６６】
セル部３２は、試料ガスが導入される部位であって、測定セル３７の前後を赤外線が広いスペクトル域で透過可能な赤外線透過性ガラスで形成された窓板４５で封止し、測定セル３７側面に一端からもう一端へガスが流せるよう試料ガス入口４１、試料ガス出口４２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。
【００６７】
ガスセル検出部３３は、前室４３、後室４４の２室に分割され、少なくとも前室４３の正面並びに前室と後室との間の隔壁が赤外光を透過する窓板３８で仕切られ、それら２室４３、４４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４６で接続された構造となっている。
連通路４６には、前後室４３、４４の圧力差で生じる両室に充填された充填ガスの流れを抵抗変化として計測するための熱線抵抗素子を備えた薄膜型熱線式フローセンサ４７が配置されている。
更に、これら２室４３、４４には、ＮＤＩＲの被測定対象となる、例えば、ＣＯ２等の化学種のみ、或いは、この化学種をＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２等の不活性ガスで希釈された吸収波長（λｓ）のガスが充填されている。
【００６８】
このような構成からなるシングルビーム式ＮＤＩＲにおいては、先ず、光源部３１から発した余剰光の赤外光は、先ず、モニタガスセル検出部７１の赤外窓７８を通じて、中に封じ込まれた測定成分以外の吸収波長（λｍ）の封入ガスによる吸収を受ける。
【００６９】
モニタガスセル検出部７１の前室７４の正面から入射して吸収された赤外光は、吸収された光エネルギーの分子の並進運動に変換されることにより膨張し、両者の前室７４及び後室７５間に圧力差が発生し、これによって両室７４、７５を連通する連通路７６内に充填（封入）ガスの流れが生じる。このガス流の流速は、モニタガスセル検出部７１への入射光強度に依存するので、両室７４、７５の連通路７６内に配置された薄膜型熱線フローセンサ７７の熱線抵抗素子の抵抗変化として計測することで、測定成分以外の吸収波長（λｍ）のガス濃度を計測することができる。
【００７０】
同時に、光源部３１からの赤外光は測定セル３７に入る。この時、測定セル３７内に被測定成分（吸収波長（λｓ）のガス）が存在すると、測定セル３７内のガス濃度に応じて、入射した赤外光の一部が測定セル３７内のガスに吸収され、残りの赤外光はガスセル検出部３３に入射する。
【００７１】
ガスセル検出部３３の前室４３の正面から入射した赤外光は、前室４３及び後室４４で吸収されるが、その多くは前室４３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より、前後室４３、４４間に圧力差が発生し、これによって両室４３、４４を連通する連通路４６内に充填（封入）ガスの流れが生じる。
【００７２】
このガス流の流速は、ガスセル検出部３３への入射光強度に依存するので、前後室４３、４４の連通路４６内に配置された薄膜型熱線フローセンサ４７の熱線抵抗素子の抵抗変化として計測することで、ガスセル検出部３３への入射前後の赤外強度、即ち、測定セル３３中の被測定成分ガス濃度を計測することができるのである。
【００７３】
さて、このようにして、図に示すようなスペクトルを持つ余剰光の赤外光は、モニタガスセル検出部７１の赤外窓７８を通じて、中に封じ込まれた封入ガス（波長λｍ）による吸収を受ける。
同時に光源部３１からの赤外光が測定セル３７に入射され、測定セル３７内に測定成分ガスが含まれている場合、ここで測定成分の赤外吸収が起きる（波長λｓ）。これらを透過した後の赤外光が、ガスセル検出器３３に入射する。ガスセル検出部３３には、測定成分と同じガスが封入されており、測定セル３７中に測定成分が存在しているとき、波長λｓを中心とする赤外光量が減少する。この変化をガスセル検出部３３で検出し、測定成分の濃度信号として出力する。具体的には、チョッパー３４により断続されるタイミングに対応し発生する交流波形の振幅が変化することとなる。このようなプロセスを経て、モニタガスセル検出部７１のサーマルフローセンサ信号（第２の信号）と、ガスセル検出部３３のフローセンサの信号（第１の信号）が得られる。
【００７４】
これらの２つの信号は何れも、赤外光源の発光量Ｉｏを基準としているため、
赤外光源の劣化などのドリフトにより赤外光量の減少が発生すると、ガスセル検出部３３が検出する成分濃度信号（第１の信号）が減少する。同時に、モニタガスセル検出部７１が検出する第２の信号の振幅も減少する。
【００７５】
従って、図４に示すように、振幅設定器に第２の信号の振幅設定値を設けておき、実際の光源から得られる第２の信号がこの振幅設定値から偏差が生じた場合には、この偏差をゼロとするように光源駆動電圧制御回路８３へフィードバック制御することで、常に第２の信号は同じレベルを維持するように制御される。即ち、測定セル３７に投入される光量が一定値に保たれることとなる。従って、光源単体の発光特性が劣化や経年変化により変動しても、分析計の分析値には影響を与えないこととなり、ドリフトのない高精度の計測が可能となる。
但し、光源の光量ドリフトが、モニタガスセル検出部５１の吸収波長λｍと、測定セル３７内での試料ガスの吸収波長λｓで、同じ比率で発生するという仮定が必要である。しかし、光源の発光温度が大幅に変化しない限り、黒体輻射の発光スペクトルの形状は大きく変化しないので、この仮定は成り立つと考えられる。
【００７６】
尚、測定成分の吸収波長λｓと、モニタガスセル検出部７１の封入ガスの吸収波長λｍは、異なる波長帯にある。このため、モニタガスセル検出部７１を装着することで窓材の透過率や表面反射の影響以外には、測定成分の計測に影響を与えることはない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
光源部からの赤外光を導き、該導いた赤外光のうち測定成分以外のガス吸収量を検知するモニタガスセル検出部を備えたことにより、光源の劣化などにより発生する光源の光量ドリフトを定量的に把握し、測定成分の濃度信号ドリフトを補償し、高精度な計測を可能とした赤外線ガス分析計を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本願発明の第１実施例の赤外線ガス分析計の概念を示す説明図である。
【図２】同、赤外光源の発光スペクトルの吸収ピークを示した説明図である。
【図３】同、本願発明の第２実施例の赤外線ガス分析計の概念を示した説明図である。
【図４】同、本願発明の第３実施例の赤外線ガス分析計の概念を示した説明図である。
【図５】従来技術におけるダブルビーム型の赤外線ガス分析計の概念を示した説明図である。
【図６】従来技術におけるシングルビーム型の赤外線ガス分析計の概念を示した説明図である。
【符号の説明】
【００７９】
１１      赤外線光源
１２      モータ
１３      回転セクタ
１４      分配セル
１５      試料セル
１６      基準セル
１７      ガスセル検出器
１８      基準側室
１９      試料側室
２１      サーマルフローセンサ
２２      交流電圧増幅器
２３      流通路
３０      赤外線光源
３１      光源部
３２      セル部
３３      ガスセル検出部
３４      チョッパー
３５      回転円板
３６      モータ
３７      測定セル
３８      窓板
４１      試料ガス入口
４２      試料ガス出口
４３      前室
４４      後室
４５      窓板
４６      連通路
４７      サーマルフローセンサ
４８ａ    赤外窓
４８ｂ    赤外窓
５１      モニタガスセル検出部
５２      補正演算出力部
５４      前室
５５      後室
５６      連通路
５７      サーマルフローセンサ
５８ａ    赤外窓
５８ｂ    赤外窓
６１      モニタガスセル検出部
６４      前室
６５      後室
６６      連通路
６７      サーマルフローセンサ
７１      モニタガスセル検出部
７４      前室
７５      後室
７６      連通路
７７      フローセンサ
７８      赤外窓
７９      振幅計測回路
８０      振幅設定器
８１      比較部
８２      光源用電源
８３      光源駆動電圧制御回路
【図１】
2008298452.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008298452.tif 000005
【図４】
2008298452.tif 000006
【図５】
2008298452.tif 000007
【図６】
2008298452.tif 000008