(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、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、連通路内に形成されたセンサ室に配置された前後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室に画成し、
また前記ブロックに、一部に開口を有し、該開口が蓋部材で閉鎖されてなるセンサ室と、該センサ室と前記２室のそれぞれとを連通する直線状の連通路を形成し、該連通路は前記センサ室の開口を介してブロック外部と直線的に連通するように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によるガスの流れを利用して、被測定成分ガス濃度（特定ガス種の濃度）を計測する赤外線ガス分析計、特に、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分析機器である。
【０００３】
ガス圧変動によるガスの流れを検出する熱線式フローセンサを検出器として搭載したシングルビーム式NDIRの構成を図５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20、被測定ガス（試料ガス）が導入されるセル部30、セル部30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）部40の３ユニットから構成されている。
光源部20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30およびディテクター部40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30に照射される。
【０００５】
セル部30は、試料ガスが導入される部位であって、パイプ31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出入孔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40は、通常、アルミなどの金属製の受感室と称される前室と後室を形成する前後２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（試料ガス）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６に模式的に示す。
【０００７】
前後室ブロックB1、B2には同一径の貫通孔が形成されおり、図示では、前室ブロックB1の貫通孔の両端と、後室ブロック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、前後室ブロックB1、B2を図示のように接合して一体化した際に前室ブロックB1の貫通孔を封止する後室ブロック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、前室ブロックB1と後室ブロックB2には、両ブロックを接合一体化した際に接続されてガスの移動を可能にする連通路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、前室ブロックB1に形成されたＬ字を90°左回転させたチャンネル51は、前室ブロック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の接着による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等の高濃度のガス（受感ガス）、あるいは、Ar、He、N2等の不活性ガスで希釈された受感ガスが充填（内封）されている。
また、連通路（トンネル）44に配置されるセンサ60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44内の内封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】
このような構成で、光源部20から発した赤外光は、セル部30を通過してディテクター部40に入射する。この時、セル内部に被測定成分ガスが存在すると、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40に入射する。ディテクター部40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内に内封ガスの流れが生る。
【００１１】
このガス流の流速は、ディテクター部40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の熱線抵抗素子の抵抗値の変化として計測することで、ディテクター部40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。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前室ブロックと後室ブロックにＬ字型チャンネルを形成し、両ブロックを接合して前室と後室を連通する連通路とした検出器では、次の問題がある。
すなわち、NDIRのディテクターにおいて、感度の向上ために受感室である前後室内の反射効率を上げる目的で、受感室内面を鏡面に仕上げる必要がある。
鏡面仕上げにはバブ研磨を用いるの一般的であるが、受感室内部に露出したトンネル内にバブ研磨の研磨剤や布片（以下研磨残渣という）が入り込んでトンネル（連通路）内面に付着する。
【００１３】
トンネル内に付着した研磨残渣は、細い綿棒等で掻き出して除去清掃するが、センサ室となる前室のトンネル51はまだしも特に、径の小さいＬ字型に形成された後室ブロックＢ２のトンネル52は、図７（ａ）に模式的に示すようにＬ字型トンネルの直角な角部に付着した研磨残渣を完全に除去することが困難で、除去不能となる。
NDIRでは、その特性上不純物の存在は性能に影響を及ぼすため、極めて大きな問題となりうる。
【００１４】
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、前後２室をを連通する連通路内の鏡面仕上げの際のバブ研磨の研磨剤や布片などの研磨残渣を容易に除去できる検出部を備えた赤外線ガス分析計を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の赤外線ガス分析計では、検出部の２室からセンサ室に通じる連通路を直線状の連通路とし、また該連通路は前記センサ室の開口を介してブロック外部と直線的に連通するように形成したことを特徴とする。
【００１６】
なお、検出部は、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有し、且つ前後２室に画成された単一のブロックであり、直線路がブロック外に開口する開口は蓋部材で閉塞される。また、連通路内に配置されるセンサは、前後２室の圧力差に基づく連通路内のガス流の流速を測定する熱線式フローセンサであることが好ましい。
【００１７】
このような構成の赤外線ガス分析計によれば、センサ室に通じる連通路が直線路であって、従来のＬ字型連通路のように直角な角部がないので、さらに、連通路が開口に向けて一直線上となるように構成されているので、図７（ｂ）に模式的に示すように該直線路の内面に付着した研磨残渣を、細い綿棒等で掻き出して完全に除去清掃することができる。
【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５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）部の３ユニットから構成されており、また、ディテクター部は、図６で説明したように、熱線抵抗素子を備えた薄膜型熱線式フローセンサが配置される連通路で連結された前後２室で構成されている。
【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断面図で、単一のブロックの穿孔加工で前後２室と該２室の連通路とを形成し検出部としたものである。
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が形成される。
【００２１】
また、段差部を境にしてブロック１の側面（図の下面）から垂直に径φｆの孔に連通する１段目が前室トンネル３に２段目がセンサ室４に３段目がセンサ室４の蓋部材13の取付け部となる３段階に径の異なる通孔と、径φｂの孔と通孔の２段目のセンサ室４とを直線で結び前室トンネル３とで連通路を形成する斜めの直線状トンネル５が穿孔形成されている。
【００２２】
この直線状トンネル５の加工は、センサ室４は蓋部材13で閉じる前はセンサ室４が露出しているので、ブロック１を斜めに保持してセンサ室４か、径φｂの孔の側面からドリル加工を施すことで行え、径φｂや径φｆの孔、前室トンネル３とセンサ室４とさらにセンサ室４の蓋部材の取付け部となる通孔、ならびに、直線状トンネル５などは全て一般的な工作機械で加工することができる。
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５の31）の内径と同径の径φｆの孔に通じる孔６と、該孔６に連通する被測定ガス導入出孔（図５における33）となる挿入孔７が形成されている。
【００２３】
このように穿孔加工され窓板で仕切られて受感室である前後室内となる径φｆ、径φｂの孔内面は赤外光の反射効率を上げるために、バフ研磨や金などのコーティングを施して鏡面に仕上げられる。鏡面仕上げは、一般的にバブ研磨でなされるが、その際、研磨剤や布片などの研磨残渣がトンネル３、５やセンサ室４に入り込んでトンネル内面等に付着する。付着した研磨残渣は、細い綿棒等で掻き出して除去清掃するが、この際、後室に形成された斜めの貫通トンネル５はセンサ室４に通じ、且つ、直線状トンネルであるの、該トンネル５の内面に付着した研磨残渣は、図７（ｂ）に示すように一端から他端に押し出すことが可能となり、完全に除去することができる。
【００２４】
なお、前室トンネル３は直線でセンサ室４に通じているので、それらの内面に付着して研磨残渣は、径の大きいセンサ室４よりセンサ室４を含めて綿棒等で容易に除去清掃することができる。
【００２５】
バフ研磨等による鏡面仕上げ後、穿孔加工されたブロック１の段差部に、段差を貼りしろとして前後室の隔壁となるCaF2の窓板８を接着し、その後、孔６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前窓となるCaF2の窓板９と、径φｂの孔の皿ぐり部に後蓋10を接着する。これにより、貫通孔２内が前室11と後室12とに画成される。
【００２６】
ついで、センサ室４の底部に薄膜型熱線式フローセンサ14を接着剤で接着して配設し、通孔の１段目の段差を貼りしろとして蓋部材13を接着剤で接着して固定すると共に、ブロック１の図において左側面からセンサ室４に通じる孔の他端開口をハーメチックシール15して閉鎖する。これにより、前室11と後室12の連通路が形成されディテクター部となる。
【００２７】
なお、窓板８、９や後蓋10の接着と、薄膜型熱線式フローセンサ14の配置と蓋部材13によるセンサ室４の開口の閉鎖やハーメチックシール15によるセンサ室４の閉鎖は、何れを先に行ってもよく、また、薄膜型熱線式フローセンサ14に接続する不図示のリード線はハーメチックシール15を介してブロック１外に導出される。
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合される。
【００２８】
なお、図１の構成において、ブロック１に径φｆと径φｂ（φｆ＞φｂ）の孔を穿孔する際に径φｂの孔を貫通孔とせずにブロック端面（図において右側端）が底となる有底孔とすれば、図１における後蓋10は不要になり、部品点数と組立て工数の低減と気密性の向上を図ることができる。
この場合は、有底孔の底内面も赤外光を効率よく反射するために鏡面に仕上げられる。また、図１にいて、16は、挿入孔６に挿入固定されたセルのガス導出入孔（図５における33）となる細管である。
【００２９】
図１に示す実施例のように単一のブロックの穿孔加工で前後２室を有する検出器を構成すれば、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、また、部品点数が少なく加工性に優れ、加工や接着による組み立て工数が低減できる利点を有する。
【００３３】
図４は、後室12とセンサ室４との連通路を斜めの直線状トンネル５とした図１の実施例に示すディテクター部と、連通路を直線状トンネル５と同径のＬ字型のチャンネル（トンネル）とした図６に示す従来構成のディテクター部とをそれぞれ搭載したNDIRにおいて、該フローセンサの２つの熱線抵抗素子に２つの外部抵抗を組み合わせてブリッジ回路を構成し、該ブリッジ回路の印加電圧を７Ｖにして測定ガスとしてN2ガス測定セルに導入し、図５における光源21からの光をチョッパー22でチョッピング（８Hz）した状態でのブリッジ回路出力電圧のオシロスコープの波形を示す出力特性図で、連通路を斜めの直線状トンネルとしたディテクター部の方が、連結路をＬ字型のトンネルとしたものに比べて出力が２０％増加することが確認できた。
【００３４】
これは、トンネルを直線としたことで前後室の連通路全体の長さ短くなり、ガスの流路抵抗が減少したことによるものと考えられる。
【００３５】
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、ガス圧変動を内封受感ガスの流量として検出するフローセンサを用いたが、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。
しかしながら、薄膜型熱線式フローセンサを用いれば、検出器を小型化できる。
【００３６】
【発明による効果】
本発明によれば、バブ研磨等の前後２室の鏡面処理時に、前後２室を連通する連通路内に付着したバブ研磨の研磨剤や布片などの研磨残渣を容易、且つ、確実の除去できる検出部を備えた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一実施例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】  さらに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４】  本発明ののディテクター部と従来のディテクター部を搭載したNDIRの検出器の出力特性図である。
【図５】  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６】  図５におけるNDIRのセンサ部の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】  作用説明用の模式図である。
【符号の説明】
１：ブロック                          ２：貫通孔
３：前室トンネル（通孔）              ４：センサ室
５：直線状トンネル（間通路）          ６：孔
７：挿入孔                        ８、９：窓板
10：後蓋                              11：後室
12：後室                              13：蓋部材
14、60：薄膜型熱線式フローセンサ          15：ハーメチックシール
16：細管
B1：前室ブロック                      B2：後室ブロック
41：前室                              42：後室
43、43′：窓板                ４ａ、４ｂ、４ｃ：斜めの直線状トンネル
51：トンネル（センサ室）            51′：センサ室
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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