(57)【要約】【課題】簡易かつ安価な構成の追加により、腐食性ガスである測定対象ガスによる赤外線の吸収量を高精度で検出する赤外線ガス分析計用検出器、および、この赤外線ガス分析計用検出器を搭載して高精度なガス分析を行う赤外線ガス分析計を提供する。【解決手段】第１ガス室４２、第２ガス室４３、赤外線透過窓４４，４５，４６，第１通路４７、第２通路４８およびセンサ部収容空間４９のうちで、腐食性ガスと同種の収容ガスと接する面にＤＬＣ保護薄膜６０がコーティングされた赤外線ガス分析計用検出器１００とした。【選択図】図１
2017116380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ部と、
収容ガスが封入される第１，第２ガス室、前記センサ部を収容するセンサ部収容空間、一端が前記第１ガス室と連通すると共に他端が前記センサ部収容空間と連通する第１通路、一端が前記第２ガス室と連通すると共に他端が前記センサ部収容空間と連通する第２通路、をそれぞれ有する本体ブロックと、
前記第１，第２ガス室、前記センサ部収容空間、前記第１通路および前記第２通路のうちで少なくとも収容ガスと接する面にコーティングされるＤＬＣ保護薄膜とを備えることを特徴とする赤外線ガス分析計用検出器。
【請求項２】
前記本体ブロックは、二個の金属製の分割ブロックおよび赤外線を透過する三枚の赤外線透過窓により前記第１，第２ガス室が区画されるものであり、
前記三枚の赤外線透過窓のうち前記第１，第２ガス室を仕切る一枚の赤外線透過窓では表裏面に前記ＤＬＣ保護薄膜がコーティングされ、また、残る二枚の赤外線透過窓では室内に面する一方の面に前記ＤＬＣ保護薄膜がコーティングされることを特徴とする赤外線ガス分析計用検出器。
【請求項３】
赤外線を発する光源部と、測定対象ガスを含むサンプルガスを流通させるとともに前記光源部からの赤外線を測定対象ガスにより吸収させるサンプルセルと、前記サンプルセルを透過した赤外線に基づいて測定対象ガスによる赤外線の吸収量に比例する検出信号を出力する請求項１または請求項２に記載の前記赤外線ガス分析計用検出器と、を備え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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象ガスによる赤外線（ＩＲ）の吸収量を検出する赤外線ガス分析計用検出器およびこの赤外線ガス分析計用検出器を搭載する赤外線ガス分析計に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線がガスを透過する際、そのガスに固有な特定波長の赤外線がガスに吸収される。赤外線ガス分析計は、この事象を利用して分析を行うものであり、サンプルガスに赤外線を透過させてサンプルガス中に含まれる測定対象ガスに光を吸収させ、この吸収後の赤外線を用いてそのサンプルガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を計測する。このような赤外線ガス分析計の先行技術例として、シングルビーム方式の赤外線ガス分析計が知られている。
【０００３】
このシングルビーム方式の赤外線ガス分析計について説明する。図３に示すように、赤外線ガス分析計１は、光源部１０、光チョッパ２０、サンプルセル３０、赤外線ガス分析計用検出器４０を備える。
【０００４】
光源部１０は、さらに光源室１１、赤外線光源１２、赤外線透過窓１３を備える。光源室１１は、赤外線光源１２を収納する。この光源室１１内の赤外線光源１２は、不図示の電源および駆動回路と接続されており、駆動電圧を印加することで発熱し、その発熱温度に応じて赤外線を放射する。赤外線透過窓１３は、この赤外線を透過する。このような光源部１０は、サンプルセル３０の一端側に配置され、サンプルセル３０の内部に向けて赤外線を照射する。この赤外線は光チョッパ２０を通過する。
【０００５】
光チョッパ２０は、回転円板２１、モータ２２を備える。回転円板２１は、光源部１０とサンプルセル３０との間に位置している。この回転円板２１には、赤外線を通過させる開口又は切り欠き部が形成されている。モータ２２が回転円板２１を回転駆動すると、光源部１０から出射された赤外線を所定周期でオンオフして断続的な赤外線としてサンプルセル３０に入射させる。
【０００６】
サンプルセル３０は、セル本体３１、サンプルガス出入口３２，３３、赤外線透過窓３４，３５を備える。セル本体３１は、例えばステンレス鋼など耐腐食性を有する金属材料製で円筒形状を有しており、その両端には赤外線透過材料で形成された赤外線透過窓３４，３５が固着されている。サンプルガスは、サンプルガス出入口３２，３３の一方から導入され、セル本体３１内を通流した後に、サンプルガス出入口３２，３３の他方から導出される。
【０００７】
赤外線ガス分析計用検出器４０は、図３，図４で示すように、アルミブロックである分割ブロック４１ａ，４１ｂを組み合わせた本体ブロック４１、第１ガス室４２、第２ガス室４３、赤外線透過窓４４，４５，４６、第１通路４７、第２通路４８を備える。また、詳しくは図４で示すように、さらにセンサ部収容空間４９、センサ部５０、ハーメチック端子５１、接続端子（リードピン）５２を備えている。この赤外線ガス分析計用検出器４０は、サンプルセル３０の他端側（光源部１０の反対側）に配置される。
【０００８】
そして、図３，図４に示すように、赤外線ガス分析計用検出器４０の第１ガス室４２と第２ガス室４３は、赤外線の光路に沿ってサンプルセル３０側から並んで配置されている。また、赤外線透過性材料よりなる赤外線透過窓４４，４５，４６が設けられている。第１ガス室４２と第２ガス室４３との間は、赤外線透過窓４５で仕切られている。また、第１ガス室４２の前側（光源部側）に赤外線透過窓４４が、また、第２ガス室４３の後側にも赤外線透過窓４６が設けられている。このような第１ガス室４２と第２ガス室４３は、それぞれ単一の空間を形成している。そして、第１ガス室４２と第２ガス室４３のそれぞれには、測定対象ガスと同じ吸収特性を示す収容ガスが封入されている。
【０００９】
第１ガス室４２と第２ガス室４３には収容ガスが封入されるため長期間安定して気密を保つ必要があり、エポキシ系接着剤などの気密性に優れた接着剤を用いてセンサ部５０を隙間なく固定した状態とする。
【００１０】
第１通路４７は、一端が第１ガス室４２に連通すると共に他端がセンサ部収容空間４９に連通するように、本体ブロック４１に形成された通路である。
また、第２通路４８は、一端が第２ガス室４３に連通すると共に他端がセンサ部収容空間４９に連通するように、本体ブロック４１に形成された通路である。
【００１１】
センサ部収容空間４９内にはセンサ部５０が配置されている。
センサ部５０は、その内部にセンサ部内通路（図４の破線部）５０ａが形成されている。センサ部内通路５０ａは、その一端が第１通路４７と連通し、他端がセンサ部収容空間４９と連通する。
【００１２】
ハーメチック端子５１は、接続端子（リードピン）５２を備える。導電性材料で形成された接続端子（リードピン）５２は、ハーメチック端子５１に端部を封止された状態で突出している。接続端子（リードピン）５２は、センサ部５０から出力される検出信号を外部へ取り出すために設けられている。
【００１３】
そして、図４に示すように、第１通路４７、センサ部５０のセンサ部内通路５０ａ、センサ部収容空間４９、第２通路４８からなるガス通路が接続され、第１ガス室４２と第２ガス室４３とが連通する。そして、センサ部５０内に含まれるマスフローセンサが、第１ガス室４２から第２ガス室４３へ流れる収容ガスの流量を検出する。
【００１４】
続いて先行技術例の赤外線ガス分析計１によるガス分析について説明する。例えば、測定対象ガスとしてＣＯガスの濃度を測定する場合は、赤外線ガス分析計用検出器４０の第１ガス室４２，第２ガス室４３に比較的高濃度のＣＯガスを収容ガスとして封入する。図３で示すように、サンプルセル３０では、サンプルガス出入口３２，３３の一方からサンプルガスが導入され、サンプルセル３０内を流通している状態とする。
【００１５】
赤外線光源１２から放射される赤外線は、モータ２２によって回転駆動される回転円板２１により所定周期でオンオフされて断続光の赤外線となる。この赤外線は、その両端が赤外線透過窓３４，３５で封止されているサンプルセル３０内に入射し、測定対象ガスであるＣＯガスを含むサンプルガスを通過する。この赤外線は、サンプルセル３０内で反射を繰り返す。この際に、サンプルガス中に含まれるＣＯガスの濃度に応じた吸収量で赤外線が吸収される。
【００１６】
このようにして吸収が行われた後の赤外線が、赤外線透過窓３５を通過し、赤外線ガス分析計用検出器４０に入射する。この赤外線ガス分析計用検出器４０において、前段のサンプルセル３０内を透過してきた赤外線が第１ガス室４２，第２ガス室４３へ入射される。
【００１７】
第１ガス室４２，第２ガス室４３には測定対象ガスと同じ吸収特性を示す収容ガス（ＣＯガス）が封入されている。光源から発せられた赤外線は、最初に第１ガス室４２内の収容ガス（ＣＯガス）でその一部を吸収された後、第２ガス室４３内の収容ガス（ＣＯガス）で残りが吸収される。この赤外線は、熱源であり、第１ガス室４２，第２ガス室４３のそれぞれの収容ガス（ＣＯガス）は赤外線吸収量に比例して体積が膨張し、第１ガス室４２，第２ガス室４３で圧力上昇が生じる。
【００１８】
したがって、第１ガス室４２，第２ガス室４３における収容ガスの赤外線吸収量の差に基づく圧力差により、第１ガス室４２から第２ガス室４３へという矢印Ｇ方向（図４参照）の微小なガスの流れが生じる。本体ブロック４１に設けた第１通路４７からセンサ部５０のセンサ部内通路５０ａおよびセンサ部収容空間４９を経由して本体ブロック４１に設けた第２通路４８へと流れる。
【００１９】
このような濃度に比例するように第１ガス室４２，第２ガス室４３の間を流れる微小なガスの流れを、センサ部５０にて圧力または流量の変化に応じた抵抗変化として検出して検出信号Ｖを出力する。検出信号Ｖは、不図示の演算処理回路で電気信号（ガス濃度信号）に変換して外部へ出力するように構成されている。そして、例えば、「ランベルト・ベーアの式」により測定対象ガス（ＣＯガス）のガス濃度を求めることができる。
【００２０】
なお、同様の構造を有する赤外線ガス分析計用検出器の従来技術が、例えば、特許文献１や特許文献２などにも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２０１３−１８５８６７号公報（図１，図４）
【特許文献２】特開２０００−９７８５５号公報（図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
赤外線ガス分析計用検出器４０に封入される収容ガスは、検出器を構成している材料、例えば、接着剤、センサ素子材料、本体ブロックの構成材料、配線材、赤外線透過窓材料などとの反応性が低く、長期にわたりガス組成が変化しないことが安定性の面から望まれる。先に説明した従来技術の収容ガスは、比較的反応性が低いＣＯガスであり、安定している。
【００２３】
しかしながら、測定対象ガスとしてＳＯ２ガスの濃度を測定したい場合には、赤外線ガス分析計用検出器４０にも高濃度のＳＯ２ガスを封入する必要ある。ＳＯ２ガスは腐食性であり、接着剤との反応や、センサ材料を腐食させるなどの問題により収容ガスのガス組成が変化する場合がある。収容ガスのガス組成変化が生じると、ドリフト現象や、センサ素子の劣化が起こり検出器寿命は著しく短くなる。赤外線ガス分析計用検出器および赤外線ガス分析計は、腐食ガスの検出が困難な場合があるという課題が知見された。
【００２４】
そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易かつ安価な構成の追加により、腐食性ガスである測定対象ガスによる赤外線の吸収量を高精度で検出する赤外線ガス分析計用検出器、および、この赤外線ガス分析計用検出器を搭載して高精度なガス分析を行う赤外線ガス分析計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
そこで、本発明の請求項１に記載の発明では、
センサ部と、
収容ガスが封入される第１，第２ガス室、前記センサ部を収容するセンサ部収容空間、一端が前記第１ガス室と連通すると共に他端が前記センサ部収容空間と連通する第１通路、一端が前記第２ガス室と連通すると共に他端が前記センサ部収容空間と連通する第２通路、をそれぞれ有する本体ブロックと、
前記第１，第２ガス室、前記センサ部収容空間、前記第１通路および前記第２通路のうちで少なくとも収容ガスと接する面にコーティングされるＤＬＣ保護薄膜とを備えることを特徴とする赤外線ガス分析計用検出器とした。
【００２６】
また、本発明の請求項２に記載の発明では、
前記本体ブロックは、二個の金属製の分割ブロックおよび赤外線を透過する三枚の赤外線透過窓により前記第１，第２ガス室が区画されるものであり、
前記三枚の赤外線透過窓のうち前記第１，第２ガス室を仕切る一枚の赤外線透過窓では表裏面に前記ＤＬＣ保護薄膜がコーティングされ、また、残る二枚の赤外線透過窓では室内に面する一方の面に前記ＤＬＣ保護薄膜がコーティングされることを特徴とする赤外線ガス分析計用検出器とした。
【００２７】
また、本発明の請求項３に記載の発明では、
赤外線を発する光源部と、測定対象ガスを含むサンプルガスを流通させるとともに前記光源部からの赤外線を測定対象ガスにより吸収させるサンプルセルと、前記サンプルセルを透過した赤外線に基づいて測定対象ガスによる赤外線の吸収量に比例する検出信号を出力する請求項１または請求項２に記載の前記赤外線ガス分析計用検出器と、を備えることを特徴とする赤外線ガス分析計とした。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、簡易かつ安価な構成の追加により、腐食性ガスである測定対象ガスによる赤外線の吸収量を高精度で検出する赤外線ガス分析計用検出器、および、この赤外線ガス分析計用検出器を搭載して高精度なガス分析を行う赤外線ガス分析計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明を実施するための形態の赤外線ガス分析計用検出器の構成図である。
【図２】ＤＬＣ保護薄膜の有無により異なる赤外線透過窓の透過率を説明するための波長−透過率特性図である。
【図３】赤外線ガス分析計の構成図である。
【図４】赤外線ガス分析計用検出器の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
続いて、本発明を実施するための形態の赤外線ガス分析計用検出器および赤外線ガス分析計について説明する。本発明では赤外線ガス分析計用検出器１００（図１参照）の構造が新規なものとなっている。
【００３１】
以下、本発明の赤外線ガス分析計は、図３の赤外線ガス分析計１の赤外線ガス分析計用検出器４０（図４参照）に代えて本発明の赤外線ガス分析計用検出器１００（図１参照）を搭載したものであり、それ以外の光源部１０、光チョッパ２０、サンプルセル３０については同じ構成であるものとして重複する説明を省略する。
【００３２】
また、赤外線ガス分析計用検出器１００についても、ＤＬＣ保護薄膜を追加した以外は、本体ブロック４１、第１ガス室４２、第２ガス室４３、赤外線透過窓４４，４５，４６、第１通路４７、第２通路４８、センサ部収容空間４９、センサ部５０、ハーメチック端子５１、接続端子（リードピン）５２については構成や機能は同じものであるため、重複する説明を省略する。以下、ＤＬＣ保護薄膜について重点的に説明する。
【００３３】
赤外線ガス分析計用検出器１００には、図１に示すように、第１ガス室４２、第２ガス室４３、赤外線透過窓４４，４５，４６、第１通路４７、第２通路４８およびセンサ部収容空間４９のうちで、少なくとも収容ガスと接する面に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）によるＤＬＣ保護薄膜６０がコーティングされている。
【００３４】
ＤＬＣ保護薄膜６０は、例えばＣＶＤ、ＥＶ蒸着、または、スパッタリングのような方法でコーティングすることが可能であり、複雑な形状においても最適膜厚にて形成することができる。コーティングされる膜は厚さ数ミクロンから数千ミクロンまで製作可能である。本発明のように、第１ガス室４２、第２ガス室４３、赤外線透過窓４４，４５，４６、第１通路４７、第２通路４８およびセンサ部収容空間４９の表面に形成することができる。
【００３５】
例えば、組み立て前の部品状態の分割ブロック４１ａ，４１ｂや赤外線透過窓４４，４５，４６に対し、ＣＶＤ、ＥＶ蒸着、または、スパッタリングのような方法でそれぞれの部品の全面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の薄膜をコーティングしてから組み立てて、第１ガス室４２、第２ガス室４３、赤外線透過窓４４，４５，４６、第１通路４７、第２通路４８およびセンサ部収容空間４９の表面にＤＬＣ保護薄膜６０を形成しても良い。
【００３６】
続いて、このＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）を採用した理由を説明する。ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）は、腐食性成分（例えばＳＯ２ガスやＮＯガス）との反応性がほとんどなく耐蝕性のコーティング膜として一般的に使われている。
【００３７】
またＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の他の性質として、赤外線の広い波長領域で赤外線の透過特性が良好であり、赤外線を応用した光学素子のコーティング膜としても応用可能な点が挙げられる。
【００３８】
赤外線透過窓について検討する。ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）薄膜を、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）を材料とする赤外線透過窓にコーティングした場合の赤外線透過特性を図２に示す。透過率は赤外線の波長である２〜６ミクロンの範囲で約９０％以上確保されており、大きな感度損失には至らないことが伺える。
【００３９】
本発明では、図１で示すように、赤外線透過窓４４，４６は片面に、赤外線透過窓４５では両面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）薄膜を形成している。これにより、感度損失を最小限に抑えている。
【００４０】
しかしながら、図示しないが、赤外線透過窓４４，４５，４６の全てで表裏両面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）薄膜を形成しても良い。この場合、赤外線透過窓を作り分ける必要がなくなり製造工程が簡素化できる。
【００４１】
また、図示しないが、センサ部５０のセンサ部内通路５０ａや表面に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）をコーティングしてＤＬＣ保護薄膜６０を形成しても良い。
また、図示しないが、赤外線ガス分析計用検出器１００に加えて、サンプルセル３０のうち、サンプルガスが通過する内部空間を形成しているセル本体３１、赤外線透過窓３４，３５の内側表面にもＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）をコーティングしてＤＬＣ保護薄膜６０を形成しても良い。
【００４２】
このように赤外線ガス分析計用検出器１００の第１ガス室４２、第２ガス室４３、赤外線透過窓４４，４５，４６、第１通路４７、第２通路４８およびセンサ部収容空間４９の表面にＤＬＣ保護薄膜６０を形成することにより、赤外線の検出特性を保ちつつ、収容ガスの安定性を大幅に向上させる効果がある。例えば、ＳＯ２などの腐食性ガスを収容ガスとして赤外線ガス分析計用検出器１００に封入した場合でも、ＤＬＣ保護薄膜６０が腐食の発生を抑えてガス組成変化が少なくなり、長期にわたって安定な組成を保つことが可能となる。
【００４３】
以上、説明した本発明の赤外線ガス分析計用検出器１００では以下のような利点を有する。
（１）検出性能を維持しつつ耐蝕性を向上させた。
従来の装置と比較すると、赤外線ガス分析計用検出器ではＤＬＣ保護薄膜を追加するのみで、検出器を特に設計変更することなく耐蝕性を向上させ、また、同様の検出条件、ガス封入条件においても大きな感度損失を起こすことなく検出性能を維持できるという利点がある。
【００４４】
（２）長期間にわたり安定したガス分析を実現する。
本発明によると、腐食性の測定対象ガスや収容ガスが接触する表面をＤＬＣ保護薄膜でコーティングしている。これにより、例えば、接着剤、センサ素子材料、本体ブロックの構成材料、配線材、赤外線透過窓材料などが腐食性の測定対象ガスや収容ガスにより反応しなくなり、つまり測定対象ガスや収容ガスの減少を防いでガス組成が変化するような事態を防止し、長期にわたり安定したガス濃度測定が可能となる。
【００４５】
（３）本発明のＤＬＣ保護薄膜の形成が容易である。
ＤＬＣ保護薄膜６０は、ＣＶＤ、ＥＶ蒸着、または、スパッタリングのような方法でコーティングすることが可能であり、本体ブロック４１を見ると、第１ガス室４２，第２ガス室４３はもちろんのこと、奥まった箇所にある第１通路４７、第２通路４８およびセンサ部収容空間４９の表面に最適膜厚にて保護層を形成することができる。また、コーティング膜は数ミクロンから数千ミクロンの厚みまで幅広く製作可能なため、センサや、流路などの複雑な部位にも最適な膜厚でコーティングすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
このような本発明は、ガス分子固有の赤外線吸収効果を利用してサンプルガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計に利用することができ、特に化学工場や製鉄所のガス濃度に関するプロセスモニター、ボイラーや燃焼炉の燃焼ガス分析、大気汚染の監視、自動車排気ガスの測定などに使用される。
【符号の説明】
【００４７】
１：赤外線ガス分析計
１０：光源部
１１：光源室
１２： 赤外線光源
１３：赤外線透過窓
２０：光チョッパ
２１：回転円板
２２： モータ
３０：サンプルセル
３１：セル本体
３２，３３：サンプルガス出入口
３４，３５：赤外線透過窓
１００：赤外線ガス分析計用検出器
４１：本体ブロック
４２：第１ガス室
４３：第２ガス室
４４，４５，４６：赤外線透過窓
４７：第１通路
４８：第２通路
４９：センサ部収容空間
５０：センサ部
５１：ハーメチック端子
５２：接続端子（リードピン）
６０：ＤＬＣ保護薄膜
【図１】
2017116380.tif 000003
【図２】
2017116380.tif 000004
【図３】
2017116380.tif 000005
【図４】
2017116380.tif 000006