(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準ガスと試料ガスとを選択的に試料セルに供給する切換弁と、この試料セルに赤外光を照射する光源と、この光源からの赤外光を断続する断続手段と、
基準ガスまたは試料ガスが前記試料セル内に完全に充填された状態で前記断続手段の開口を開始するとともに、基準ガスまたは試料ガスが前記試料セル内に完全に充填された状態で前記断続手段の閉口を終了するように制御するコントローラと、
前記断続手段が開口を開始してから閉口を終了するまでの期間に渡り、前記試料セルを透過した赤外光強度を内部の圧力変化により検出する検出器と、
基準ガスと試料ガスを透過したそれぞれの赤外光の前記検出器における検出値の比を求める信号処理手段と、
を備え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、化学工場や製鉄所のガス濃度に関するプロセスコントロール、ボイラーや燃焼炉の煙道ガス分析、大気汚染の監視、自動車の排ガス測定などに使用され、ガス分子固有の赤外線吸収効果を利用してガス及び蒸気中にある特定成分の濃度を連続的に測定する赤外線ガス分析計に関する。
【０００２】
【従来技術】
図１０は、従来の流体変調方式の赤外線ガス分析計の一例であり、光源１５から赤外光が常時照射された試料セル１１に、コントローラ１６によりドライバ１８を介して制御された三方弁１７によって試料ガスと基準ガスとが所定周期で交互に供給されている。そして、測定対象ガスの吸収波長に感度を選択的に有するニューマティック型の検出器１２で、試料ガスと基準ガスをそれぞれ透過した赤外光の強度差が検出され、信号処理回路１９において試料ガス中測定対象成分の濃度が連続的に計測される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる赤外線ガス分析計では、試料ガスと基準ガスとの流量変化が微妙に検出精度に影響を与えるため、特に基準ガスと試料ガスの交換時等に起こる流量変化によって、スパン感度変化に多大な悪影響が生じるという問題があった。
【０００４】
また、かかる赤外線ガス分析計では、試料ガスと基準ガスとをそれぞれ透過した赤外光の強度差により測定対象成分の濃度が計測されるため、光源１５の印加電圧や周囲温度或いは光源１５自体の劣化等による光量変化、試料セル１１の透過窓やセル内の汚れ、さらに検出器１２の感度変化等により、検出精度が低下するといった問題もあった。
【０００５】
かかる検出精度への悪影響を改善するために、極めて精度の高い流量制御や光源の温調制御を施すことが考えられるが、装置が大型・複雑化しコストアップが問題となると共に、かかる対策のみでは、光源、検出器自体の劣化、セル内の汚れによるスパンドリフトは依然改善することはできない。
【０００６】
そこで、本発明は、これらの問題点を解消するために創案されたものであって、装置の大型・複雑化を伴うことなくより簡単な構成で高精度な濃度測定をなしうる赤外線分析計の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる赤外線ガス分析計は、基準ガスと試料ガスとを選択的に試料セルに供給する切換弁と、この試料セルに赤外光を照射する光源と、この光源からの赤外光を断続する断続手段と、基準ガスまたは試料ガスが前記試料セル内に完全に充填された状態で前記断続手段の開口を開始するとともに、基準ガスまたは試料ガスが前記試料セル内に完全に充填された状態で前記断続手段の閉口を終了するように制御するコントローラと、前記断続手段が開口を開始してから閉口を終了するまでの期間に渡り、前記試料セルを透過した赤外光強度を内部の圧力変化により検出する検出器と、基準ガスと試料ガスを透過したそれぞれの赤外光の前記検出器における検出値の比を求める信号処理手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、このコントローラは、前記切換弁を切り換えた後、基準ガスまたは試料ガスが前記試料セル内で完全に置換される時間を待って前記光源からの赤外光がこの試料セルに照射されるよう前記断続手段を制御することを特徴とする。
【０００９】
かかる赤外光の断続手段は、赤外光の切欠部と遮蔽部を備えたセクタと、これを回転または平行移動させる駆動手段、例えばモータなどによっても構成できる。さらに、光源自体に供給する電力を断続することにより赤外光を断続する手段をも用いても良い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１〜図５に基づいて説明する。
【００１１】
図１は本発明にかかる赤外線分析計の概略図で、試料セル１は、ガス導入口１ａとガス排出口１ｂを有し、三方弁７を介して試料ガスまたは基準ガスがガス導入口１ａから試料セル１内に供給されガス排出口１ｂから排出されている。試料セル１の一端には赤外光を発する光源５が、また、試料セル１の他端には、試料セル１を透過した赤外光を検出するための検出器２が配設されている。
【００１２】
光源５と試料セル１端部の間には赤外光を断続するためのセクタ３が設けられている。このセクタ３は、図２に示されるように、遮光部３ａと切欠部３ｂとからなり、セクタ回転軸３ｃを中心としてセクタ３が回転するよう構成され、切欠部３ｂが試料セル１上にある場合に赤外光を試料セル１内に照射し、遮光部３ａが試料セル１上にある場合に試料セル１内への赤外光の照射を遮断する。コントローラ６は、モータ４を介してセクタ３の回転位置制御を行い、また、ドライバ８を介して三方弁７の駆動制御を行う。
【００１３】
検出器２は、その内部に試料ガス中の測定対象ガスが封入されており、測定対象ガス固有の周波数の赤外光強度を内部の圧力変化により検出する。そして、検出器２での検出出力は、信号処理回路９で所定の信号処理を受け、試料ガス中の測定ガス濃度が計測される。
【００１４】
図３は、信号処理回路９の一実施例で、比較器９ｂは予め決められた所定電圧Ｖｒと基準ガスを透過した赤外光の検出出力である比較信号との差に比例した信号を出力し、増幅器９ａはかかる比較器９ｂの出力によりゲインが調整されるよう構成されている。このため、増幅器９ａのゲインは、基準ガスの増幅された後の出力が一定値Ｖｒに保持されるように調整されることとなり、この試料ガスの検出出力である測定信号がここでのゲイン倍されることによって、基準ガスとの出力比が求められることとなる。
【００１５】
そして、増幅器９ａの出力は、試料ガスまたは基準ガスの供給状態に応じてコントローラ６によって引算器９ｃの測定入力または比較入力に適宜切り換えられ、引算器９ｃは両者の差をとり出力する。ここで、検出器２の比較信号をＲ，測定信号をＭとすると、増幅器９ａの増幅率は、比較信号Ｒを一定値ＶｒにするようＶｒ／Ｒとなるため、引算器９ｃの出力Ｖは、
0004057659.tif 000002
となり、測定信号Ｍと比較信号Ｒとの比に応じた出力を得ることができる。
【００１６】
以上の構成により、試料ガスと基準ガスとがそれぞれ試料セル１に供給されてから、セクタ等の断続手段を用いて赤外光を照射するよう構成したため、従来の流体変調方式の赤外線分析計に比べてガス交換時の流量変化による検出精度への影響を削減できる。
【００１７】
また、試料ガス、基準ガスを透過した赤外光を別々に検出し、両者の検出出力比を求めるよう構成したため、光源の印加電圧や周囲温度或いは光源自体の劣化等による光量変化、試料セルの透過窓やセル内の汚れ、さらに検出器の感度変化により、検出精度が低下するといった問題も解消できる。
【００１８】
次に、コントローラ６の動作を図４のフローチャートに基づいて説明する。まず、モータ４を介してセクタ３を回転させ赤外光を遮断した状態で（Ｓ１）、一つ前に供給したガスとは異なるガスを供給するようにドライバ８を介して三方弁７を切り換える（Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）。そして、供給されたガスが前回供給されたガスを十分排出して試料セル１に充填されるまでの時間を待って（Ｓ５）、再びモータ４を介してセクタ３を回転させ赤外光を試料セル１内に照射する（Ｓ６）。そして、検出器２において赤外光が検出されるための時間を待って、再度モータ４を介してセクタ３を回転させ赤外光を遮断し、上記Ｓ１〜Ｓ７の動作を繰り返す。
【００１９】
図５は、以上のようにコントローラ６が動作したときのセクタ３の開閉動作と、試料セル１内の試料ガスの充填状態を示すタイミングチャートである。この図では、試料セル１の内径を８ｍｍ、長さを５０ｍｍ、内容積２．５１ｃｍ3 、ガス流量１リットル／ｍｉｎとし、０．５秒毎に三方弁７を切り換えた場合の例が示されている。かかる場合、ガスが完全に入れ換わる時間は０．１５秒となり、試料セル内の試料ガスの状態は図５の上図に示されるようになる。ここで、試料ガスが存在しない状態は、逆に基準ガスが充填されていることを示している。
【００２０】
コントローラ６によりセクタ３が駆動されるタイミングは、図５下図に示されているように、三方弁７を切り換えてからセクタ３を駆動し赤外光を試料セル１に照射するまでの時間を、ガスが完全に充填されるまでの時間の約倍の０．３秒程度とすれば、ガスが完全に入れ替わった状態で赤外光が入射されるため、より精度の高い測定が可能となると共に、ガスの流量が０．５リットル／ｍｉｎ程度に下がった場合であっても、測定精度に影響を与えることはない。
【００２１】
このように、試料セル１内のガスが完全に置換される時間を予め求めておき、三方弁７を切り換えてからその時間を待って或いはさらに余裕を持たせてセクタ３を駆動し赤外光を試料セル１に照射するようにすれば、ガスが置換される際の影響を完全に除去することが可能となる。
【００２２】
なお、以上の実施例では、セクタ３を回転駆動することによって、赤外光を断続的に試料セル１に照射するよう構成したが、以下のような変形態様によって赤外光を断続して照射するようにしても良い。
【００２３】
基準ガスと試料ガスとを選択的に試料セルに供給する三方弁と、この試料セルに赤外光を照射する光源と、この光源への電力供給を断続することによって赤外光の照射を断続する断続手段と、前記試料セルを透過した赤外光を検出する検出器と、前記三方弁を切り換え制御を行い、基準ガスまたは試料ガスを試料セルに供給した後、前記光源からの赤外光がこの試料セルに照射されるよう前記断続手段を制御するコントローラと、前記検出器における基準ガスと試料ガスとの出力比を測定ガス濃度として求める信号処理手段と、を備えたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
【００２４】
また、上述した実施例では、１種類の試料ガスを分析する場合を示したが、本発明によれば、数種類の試料ガスを分析することも可能である。図６は、２種類の試料ガスを分析する場合の本発明の一実施例を示しており、同図において、図１と同じものについては同一の符号が付されている。図１と異なるのは、２種類のサンプルガス１，２を試料セル１に適宜供給するため、基準ガスを供給するための三方弁７ｃに加えて、サンプルガス用の２つの三方弁７ａ，７ｂが設けられていると共に、それらを駆動するためのドライバ８ａ，８ｂが別に設けられていることである。
【００２５】
かかる構成の赤外線ガス分析計における作用をコントローラ６の動作を示した図７のフローチャートに基づいて説明する。
【００２６】
まず、モータ４を介してセクタ３を回転させ赤外光を遮断した状態で（Ｓ１１）、前回供給したガスが最後の試料ガスか否か、すなわち、本実施例ではサンプルガス２であるか否かを判断し（Ｓ１２）、サンプルガス２とは異なる場合、次の試料ガス、すなわち、本実施例では、前回供給したガスが基準ガスである場合にはサンプルガス１を、サンプルガス１である場合にはサンプルガス２が供給されるよう、三方弁７ａ又は７ｂを切り換え、いずれかの試料ガスを試料セル１に供給する（Ｓ１４）。また、一つ前に供給したガスがサンプルガス２の場合は、三方弁７ｃを切り換え、基準ガスを試料セル１に供給する（Ｓ１３）。
【００２７】
三方弁７ａ，７ｂ，又は７ｃのいずれかの切り換え動作がなされると、今回供給されたガスが前回供給されたガスを十分排出して試料セル１に充填されるまでの時間を待って（Ｓ１５）、再びモータ４を介してセクタ３を回転させ赤外光を試料セル１内に照射する（Ｓ１６）。そして、検出器２において赤外光が検出されるための時間を待って（Ｓ１７）、再度モータ４を介してセクタ３を回転させ赤外光を遮断し、上記Ｓ１１〜Ｓ１７の動作を繰り返す。
【００２８】
なお、このとき、コントローラ６は、図３に示された信号処理回路９において、基準ガスの検出時には比較側に、また、試料ガスの検出時には測定側に増幅器９ａから出力される信号を適宜供給するようスイッチを切り換える。
【００２９】
図８は、図７のフローチャートで示されるようにコントローラ６が動作したときのセクタ３の開閉動作と、試料セル１内の試料ガスの充填状態を示すタイミングチャートである。同図に示されるように、試料セル１には、基準ガス、サンプルガス１、サンプルガス２が順次供給され、それぞれのガスが試料セル１内に完全に充填された時点でセクタ３が開口され、それぞれ開口時に検出器２において検出された信号を図３に示される信号処理回路９で処理することにより、図１に示した実施例の場合と同様に、
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なる測定信号Ｍ1 ，Ｍ2 と比較信号Ｒとの比に応じた出力を得ることができる。ここで、Ｍ1 ，Ｍ2 はそれぞれサンプルガス１及び２の測定信号を、Ｒは基準ガスの測定信号を示している。
【００３０】
次に、上述した２種以上の試料ガスを供給する場合として、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ2 ）を測定する場合の例について示す。図９は、図６に示した赤外線ガス分析計に供給するサンプルガス１，２を生成するための前段処理部を示しており、まずポンプ１３ａを用いて吸い込んだ排ガスからドレンセパレータ１１で水分を除去し、電子クーラ１２で冷却したガスを２つに分岐し、一方は、そのままサンプルガス１とし、他方はＮＯ2 ガスをＮＯガスに変換するための触媒１４を通してサンプルガス２とする。
【００３１】
サンプルガス２は、排ガスに含まれるガス中のＮＯ2 成分がすべてＮＯ成分に変換されたものであるため、サンプルガス１は採取した排ガス中に存在するＮＯ成分をそのまま含むガスとなり、サンプルガス２は、採取した排ガス中に存在するＮＯ成分とＮＯ2 成分から変換されたＮＯ成分の両者を含むガスとなる。また、窒素酸化物が含まれない純粋なエアをポンプ１３ｂによって吸い込み、電子クーラ１２で冷却したガスをそのまま基準ガスとする。
【００３２】
そして、図６に示す赤外線ガス分析計の検出器２をＮＯガスが所定の濃度で充填されたコンデンサマイクロホン式検出器とすれば、サンプルガス１中のＮＯガス濃度とサンプルガス２中のＮＯガス濃度を別々に求めることが出来るため、サンプルガス２中のＮＯガス濃度から排ガス中のＮＯ成分とＮＯ2 成分を加えた窒素酸化物濃度を知ることが出来、また、サンプルガス２中のＮＯガス濃度からサンプルガス１中のＮＯガス濃度を引くことにより排ガス中のＮＯ2 ガス濃度を知ることが出来る。
【００３３】
このように、図６に示した赤外線ガス分析計において、図９の構成を付加するだけで、ＮＯガスとＮＯ2 ガスとの２成分のガス濃度を同時に測定することが出来る。
【００３４】
また、図９の触媒１４として、ＮＯガスとＮＨ3 ガスとを以下の式で示されるような還元反応させる触媒を用いれば、排ガス中のＮＨ3 成分の測定も可能となる。
【００３５】
ＮＯ＋ＮＨ3 ＋１／４Ｏ2 −−＞  Ｎ2 ＋３／２Ｈ2 Ｏ
すなわち、図９でサンプルガス１は、排ガス中のＮＯ成分をそのまま含むガスとなり、また、サンプルガス２は、還元反応が生じた分、すなわち、排ガス中に含まれるＮＨ3 成分だけＮＯ成分が減少したガスとなる。従って、サンプルガス１とサンプルガス２でそれぞれ検出されたＮＯガス濃度の差を求めれば、ＮＨ3 ガス濃度を求めることが出来る。
【００３６】
なお、上述したように、図６に示した本発明の実施例では、２種類の試料ガスを計測する構成を示したが、２種類以上のガスであっても同様にそれぞれのガス分析を行うことが出来る。
【００３７】
また、図８に示されるように、上記実施例では、基準ガス、サンプルガス１、サンプルガス２の順で試料セル１にそれぞれのガスを供給するようにしたが、基準ガス、サンプルガス１、基準ガス、サンプルガス２、・・・というように、計測を終了したサンプルガスの後に必ず基準ガスを供給するようにすれば、計測時間は伸びるがより精度の高いガス分析が可能となる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、試料ガスと基準ガスとがそれぞれ試料セル１に供給されてから、セクタ等の断続手段を用いて赤外光を照射するよう構成したため、従来の流体変調方式の赤外線分析計に比べて流量変化による検出精度への影響を削減できる。また、試料ガス、基準ガスを透過した赤外光を別々に検出し、両者の検出出力比を求めるよう構成したため、光源の印加電圧や周囲温度或いは光源自体の劣化等による光量変化、試料セルの透過窓やセル内の汚れ、さらに検出器の感度変化により、検出精度が低下するといった問題も解消できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる赤外線ガス分析計の一例を示す図である。
【図２】  本発明にかかるセクタを示す図である。
【図３】  本発明にかかる信号処理手段のブロック図である。
【図４】本発明にかかるコントローラの動作を示すフローチャートである。
【図５】セクタの開閉と、試料セル内の試料ガスの供給状態を示すタイミングチャーである。
【図６】  本発明にかかる赤外線ガス分析計の他の例を示す図である。
【図７】本発明にかかるコントローラの動作を示すフローチャートである。
【図８】セクタの開閉と、試料セル内の試料ガスの供給状態を示すタイミングチャーである。
【図９】２種のサンプルガスを生成する構成の一例を示す図である。
【図１０】従来の赤外線ガス分析計を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・試料セル
１ａ・・・ガス導入口
１ｂ・・・ガス排出口
２・・・・検出器
３・・・・セクタ
６・・・・コントローラ
【図１】
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【図２】
0004057659.tif 000005
【図３】
0004057659.tif 000006
【図４】
0004057659.tif 000007
【図５】
0004057659.tif 000008
【図６】
0004057659.tif 000009
【図７】
0004057659.tif 000010
【図８】
0004057659.tif 000011
【図９】
0004057659.tif 000012
【図１０】
0004057659.tif 000013