(57)【要約】【課題】モータなどの可動機構を省くことにより、小型、低価格、メンテナンスフリーを実現する赤外線ガス分析計を提供すること。【解決手段】電気的に直接変調され点滅駆動される赤外光源と、測定ガスが充填され前記赤外光源の出力光が入射される第１のガス室と赤外光を吸収しない参照ガスが充填され前記赤外光源の出力光が入射される第２のガス室を有する相関セルと、被測定ガスが導入される測定セルと、前記測定ガスの赤外線吸収帯域より少し広い透過帯域を有するバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタを透過する赤外線を検出する赤外光検出器を備え、前記測定セルの一端には前記赤外光源と相関セルが設けられ、前記測定セルの他端には前記赤外光検出器が設けられ、前記バンドパスフィルタは前記測定セルのいずれかの端部に設けられたことを特徴とするもの。【選択図】    図１
2009257808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に直接変調され点滅駆動される赤外光源と、測定ガスが充填され前記赤外光源の出力光が入射される第１のガス室と赤外光を吸収しない参照ガスが充填され前記赤外光源の出力光が入射される第２のガス室を有する相関セルと、被測定ガスが導入される測定セルと、前記測定ガスの赤外線吸収帯域より少し広い透過帯域を有するバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタを透過する赤外線を検出する赤外光検出器を備え、
前記測定セルの一端には前記赤外光源と相関セルが設けられ、前記測定セルの他端には前記赤外光検出器が設けられ、前記バンドパスフィルタは前記測定セルのいずれかの端部に設けられたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項２】
前記赤外光源が１つ設けられてその出力光は前記相関セルの第１のガス室と第２のガス室に共通に入射され、前記赤外光検出器は２つ設けられてこれらガス室を通過した赤外光を個別に検出することを特徴とする請求項１記載の赤外線ガス分析計。
【請求項３】
前記赤外光源が２つ設けられてそれぞれの出力光は前記相関セルの第１のガス室と第２のガス室に個別に入射され、前記赤外光検出器は１つ設けられてこれらガス室を通過した赤外光を共通に検出することを特徴とする請求項１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、赤外線ガス分析計に関し、詳しくは、赤外線を用いた大気中などのガス成分の濃度測定を行うガス分析計において、可動機構を省いたものである。
【背景技術】
【０００２】
図６は、従来のガス濃度測定装置の一例を示す構成図であり、ガス相関法を用いた例を示している。
赤外光源１の出力光は、チョッパ２→ガス相関セル３→バンドパスフィルタ４→測定セル５を経て赤外検出器６に入射される。
【０００３】
図７は、図６のチョッパ２とガス相関セル３の具体例を示す斜視図である。チョッパ２は円板状に形成されていて、円周方向に沿って光透過部２ａと遮光部２ｂが交互に設けられている。ガス相関セル３は円筒状に形成されていて、内部は、測定ガス室３ａと参照ガス室３ｂに仕切られている。測定ガス室３ａには被測定ガスであるたとえばＣＯ２ガスが高濃度で充填され、参照ガス室３ｂには赤外光を吸収しないガスとしてたとえばＮ２ガスが充填されている。
【０００４】
再び図６において、チョッパ２およびガス相関セル３は、モータ６で回転駆動される。測定セル５には、試料ガスの入口５ａと出口５ｂが設けられている。入口５ａには、試料ガスとして、たとえばＣＯ２を含む大気ガスが導入され、出口５ｂから連続的に排気される。
【０００５】
バンドパスフィルタ４は、チョッパ２およびガス相関セル３を通過した赤外光源１の出力光のうち測定ガスの赤外線吸収帯より少し広い赤外光領域の光だけを通過させて、測定セル５に入射させる。測定セル５に入射された赤外光は、その一部が測定セル５中に導入された測定ガスによって吸収されて、赤外光検出器６に入射される。赤外光検出器６は、ＰｂＳｅ素子などの赤外光に感度を有する素子で構成されており、入射された赤外光の光強度が検出される。なお、この赤外光検出器６は、安定して赤外光の光強度を検出できるように図示しない恒温槽によって温度制御される。
【０００６】
【特許文献１】特許第３４２４３６４号公報
【特許文献２】特開２００１−２２１７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、このような従来の赤外線ガス分析計は、赤外線を変調（チョッピング）するために、チョッパ２とガス相関セル３をモータ６で回転駆動させなければならず、小型、低価格、メンテナンスを不要（フリー）にすることが難しいという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記のような問題点を解決するものであり、モータなどの可動機構を省くことにより、小型、低価格、メンテナンスフリーを実現する赤外線ガス分析計を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、電気的に直接変調され点滅駆動される赤外光源と、測定ガスが充填され前記赤外光源の出力光が入射される第１のガス室と赤外光を吸収しない参照ガスが充填され前記赤外光源の出力光が入射される第２のガス室を有する相関セルと、被測定ガスが導入される測定セルと、前記測定ガスの赤外線吸収帯域より少し広い透過帯域を有するバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタを透過する赤外線を検出する赤外光検出器を備え、
前記測定セルの一端には前記赤外光源と相関セルが設けられ、前記測定セルの他端には前記赤外光検出器が設けられ、前記バンドパスフィルタは前記測定セルのいずれかの端部に設けられたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２では、請求項１の赤外線ガス分析計において、前記赤外光源が１つ設けられてその出力光は前記相関セルの第１のガス室と第２のガス室に共通に入射され、前記赤外光検出器は２つ設けられてこれらガス室を通過した赤外光を個別に検出することを特徴とする。
【００１１】
請求項３では、請求項１の赤外線ガス分析計において、前記赤外光源が２つ設けられてそれぞれの出力光は前記相関セルの第１のガス室と第２のガス室に個別に入射され、前記赤外光検出器は１つ設けられてこれらガス室を通過した赤外光を共通に検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
モータなどの可動機構を省いたことにより、メンテナンスフリー、小型化、低価格化を実現できる。
【００１３】
また、干渉成分の影響を受けにくいガス相関法を用い、電気的に直接変調ができて経時変化の小さい赤外光源と相関セルとを組み合わせることにより、干渉ガスの影響をほとんどなくすことができる。
【００１４】
さらに、電気的に直接変調ができて経時変化がない駆動電圧で赤外線を発光できる直接変調赤外光源を用いるため光量の経時変化がないこと、赤外光源が２つと赤外検出器が１つの場合には各出力信号を演算してセンサ出力を求めることから素子の経時変化や周囲温度変動を差動で除くことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を用いて、本発明の赤外線ガス分析計を説明する。図１は、本発明の赤外線ガス分析計の一実施例を示す構成図である。
【００１６】
図１において、光源部１１には発光特性の等しい２個の赤外光源１１ａと１１ｂが設けられている。これら赤外光源１１ａと１１ｂは、電気的に直接変調ができて経時変化がない駆動電圧で赤外線を発光できる直接変調赤外光源であり、交互に点滅駆動される。一方の赤外光源１１ａの出力光は相関セル１２の測定ガスとして被測定ガスであるたとえばＣＯ２ガスが高濃度で充填された測定ガス室１２ａに入射され、他方の赤外光源１１ｂの出力光は相関セル１２の赤外光を吸収しない参照ガスとしてたとえばＮ２ガスが充填された参照ガス室１２ｂに入射される。これら光源部１１と相関セル１２は、被測定ガスが導入される円筒状に形成された測定セル１３の一端に設けられている。
【００１７】
測定セル１３には、試料ガスの入口１３ａと出口１３ｂが設けられている。入口１３ａには、試料ガスとして、たとえばＣＯ２を含む大気ガスが導入され、出口１３ｂから連続的に排気される。なお、塵埃をフィルタで除去したりパーマピュアドライヤで赤外光を吸収する水分を除去するサンプリング装置など通した試料ガスを導入することもある。測定セル１３の他端には、バンドパスフィルタ１４と赤外光検出器１５が設けられている。バンドパスフィルタ１４は、測定ガスの赤外線吸収帯域よりも少し広い帯域の赤外線を通過させる特性を有する。赤外光検出器１５としては、サーモパイル、焦電素子、量子素子などが用いられる。
【００１８】
図１の動作について説明する。
相関セル１２の測定ガスが充填された測定ガス室１２ａを透過した赤外光源１１ａの赤外光ＩＲａは、試料ガス中の測定ガスの特性吸収の帯域をほとんど吸収しているので、測定セル１３内における測定ガスの濃度による光量変化はほとんどない。これに対して、参照ガスが充填された参照ガス室１２ｂを透過した赤外光源１１ｂの赤外光ＩＲｂは、測定セル１３内における試料ガス中の測定ガスの濃度に応じて光量が変化する。
【００１９】
図１の動作を、図２のガス相関法の測定原理図を用いて説明する。
（Ａ）は、赤外光源１１ｂから出力され参照ガスとしてＮ２ガスが充填された参照ガス室１２ｂを透過する測定光としての赤外光ＩＲｂの透過特性を示している。バンドパスフィルタ１４を透過した測定光は、バンドパスフィルタ１４の赤外線透過帯域のみが赤外光検出器１５に入射される。
【００２０】
（Ｂ）は、参照ガスとしてＮ２ガスが充填された参照ガス室１２ｂを透過しさらに測定セル１３を透過した測定光の透過特性を示している。測定セル１３の内部に測定ガスとしてたとえばＣＯ２が存在する場合、測定ガスＣＯ２の濃度に応じて赤外光が吸収される。バンドパスフィルタ１４では、測定ガスの赤外線吸収帯域より少し広い帯域を透過することにより、測定ガスＣＯ２の吸収分が差し引かれた赤外光ＩＲｂが赤外光検出器１５に入射される。
【００２１】
（Ｃ）は、赤外光源１１ａから出力され測定ガスとして高濃度のＣＯ２が充填された測定ガス室１２ａを透過する参照光としての赤外光ＩＲａの透過特性を示している。バンドパスフィルタ１４を透過した参照光は、バンドパスフィルタ１４における測定ガスＣＯ２の赤外線透過帯域より少し広い帯域を透過することにより、測定ガスＣＯ２の吸収分が差し引かれた赤外光ＩＲａが赤外光検出器１５に入射される。
【００２２】
（Ｄ）は、測定ガスとして高濃度のＣＯ２が充填された測定ガス室１２ａを透過しさらに測定セル１３を透過した参照光の透過特性を示している。（Ｄ）の透過特性から明らかなように、測定セル１３の内部に測定ガスとしてたとえばＣＯ２が存在していてその濃度が変化してもほとんど光量が変化しない赤外光ＩＲｂが赤外光検出器１５に入射される。
【００２３】
赤外光源１１ａおよび１１ｂから出力され相関セル１２および測定セル１３を透過した赤外光ＩＲａおよびＩＲｂの光量を赤外光検出器１５で検出し、得られた信号に基づきガス相関法として従来から行われている所定の演算を行い、測定ガスたとえばＣＯ２の濃度を求める。
【００２４】
図３は、ガス相関法における干渉ガス補償の原理説明図である。
赤外線ガス分析計は、一般的に測定ガス以外のガスによって吸収されることにより干渉の影響が生じる。たとえば、測定ガスをＣＯ２、測定ガス以外のガスをＣＯとした場合、図２と同様に考えることができる。
（Ａ）は、赤外光源１１ｂから出力され参照ガスとしてＮ２ガスが充填された参照ガス室１２ｂを透過する測定光としての赤外光ＩＲｂの透過特性を示している。バンドパスフィルタ１４を透過した測定光は、バンドパスフィルタ１４の赤外線透過帯域のみが赤外光検出器１５に入射されるが、測定セル１３内に測定ガス以外のガスＣＯが存在するとＣＯによる吸収が生じるため、波形がわずかに削られてしまう。
【００２５】
（Ｂ）は、参照ガスとしてＮ２ガスが充填された参照ガス室１２ｂを透過しさらに測定セル１３を透過した測定光の透過特性を示している。測定セル１３の内部に測定ガスとしてたとえばＣＯ２が存在する場合、測定ガスＣＯ２の濃度に応じて赤外光が吸収される。バンドパスフィルタ１４では、測定ガスの赤外線吸収帯域より少し広い帯域を透過することにより、測定ガスＣＯ２および測定ガス以外のガスＣＯの吸収分が差し引かれた赤外光ＩＲｂが赤外光検出器１５に入射される。
【００２６】
（Ｃ）は、赤外光源１１ａから出力され測定ガスとして高濃度のＣＯ２が充填された測定ガス室１２ａを透過する参照光としての赤外光ＩＲａの透過特性を示している。バンドパスフィルタ１４を透過した参照光は、バンドパスフィルタ１４における測定ガスＣＯ２の赤外線透過帯域より少し広い帯域を透過することにより、測定ガスＣＯ２の吸収分が差し引かれた赤外光ＩＲａが赤外光検出器１５に入射されるが、測定セル１３内に測定ガス以外のガスＣＯが存在するとＣＯによる吸収が生じるため、波形がわずかに削られてしまう。
【００２７】
（Ｄ）は、測定ガスとして高濃度のＣＯ２が充填された測定ガス室１２ａを透過しさらに測定セル１３を透過した参照光の透過特性を示している。（Ｄ）の透過特性から明らかなように、測定セル１３の内部に測定ガスとしてたとえばＣＯ２が存在していてその濃度が変化してもほとんど光量が変化しない赤外光ＩＲｂが赤外光検出器１５に入射されるが、測定セル１３内に測定ガス以外のガスＣＯが存在するとＣＯによる吸収が生じるため、波形がわずかに削られてしまう。
【００２８】
このように、測定ガスとして高濃度のＣＯ２が充填された測定ガス室１２ａを透過する参照光と参照ガスとしてＮ２ガスが充填された参照ガス室１２ｂを透過する測定光における干渉の影響が同程度になるため、図２（Ｂ）と（Ｄ）で検出された赤外光の演算値と、図３（Ｂ）と（Ｄ）で検出された赤外光の演算値とがほぼ同じなり、干渉の影響をほとんど受けないことがわかる。
【００２９】
また、たとえば水のように広い帯域で吸収特性があり、ベースラインに影響を及ぼすガスにおいても、その干渉の影響を少なくすることができる。
【００３０】
図４は、ＣＯ２濃度と赤外光検出器１５の出力信号と演算の関係を示す説明図であり、たとえば、測定セル１３内のＣＯ２濃度が変化する場合の赤外光検出器１５の信号変化をモデル化して示している。図１のように２つの赤外光源１１ａと１１ｂと１つの赤外光検出器１５を設けたことにより、測定ガスとして高濃度のＣＯ２が充填された測定ガス室１２ａを透過した参照光の出力信号Ａと、参照ガスとしてＮ２ガスが充填された参照ガス室１２ｂを透過した測定光の出力信号Ｂが交互に得られる場合、出力信号ＡはＣＯ２の濃度が変化しても変動なく、出力信号ＢはＣＯ２の濃度が高くなると共に出力信号が小さく変化している。
【００３１】
また、赤外光源１１を１つ、赤外光検出器１５を２つ設けた場合は、測定ガスとして高濃度のＣＯ２が充填された測定ガス室１２ａを透過した参照光の出力信号Ａと、参照ガスとしてＮ２ガスが充填された参照ガス室１２ｂを透過した測定光の出力信号Ｂを同時に得ることができる。出力信号Ａと出力信号Ｂを演算してセンサ出力Ｓｏｕｔを求め、あらかじめ求めておいた検量線、つまりＣＯ２濃度Ｃｃとセンサ出力Ｓｏｕｔの関係から、測定セル１３内のＣＯ２濃度Ｃｃを求める。
【００３２】
また、赤外光源１１を３つ設けた場合は２種類の成分を検出し、赤外光源１１を２つ設けた場合は１種類の成分を検出する。つまり、赤外光源１１をｎ個設けた場合は（ｎ−１）種類の成分を検出することができる。
【００３３】
なお、図１の実施例では、光源部１１と相関セル１２を一体化して被測定ガスが導入される円筒状に形成された測定セル１３の一端に設け、測定セル１３の他端にバンドパスフィルタ１４と赤外光検出器１５を一体化して設ける例を示したが、この組み合わせに限るものではなく、赤外光源１１と赤外光検出器１５との間に相関セル１２と測定セル１３とバンドパスフィルタ１４が配置される組み合わせであればよく、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように組み合わせることもできる。なお、図５において図１と共通する部分には同一符号を付して示す。
【００３４】
（Ａ）は、赤外光源１１と相関セル１２をそれぞれ個別に形成して測定セル１３の一端に設け、測定セル１３の他端にバンドパスフィルタ１４と赤外光検出器１５を一体化して設けた構成例である。
【００３５】
（Ｂ）は、赤外光源１１と相関セル１２とバンドパスフィルタ１４とを一体化して測定セル１３の一端に設け、測定セル１３の他端に設けられている赤外光検出器１５と赤外線の透過率の高い赤外窓材１６を一体化した構成例である。
【００３６】
（Ｃ）は、赤外光源１１と相関セル１２とバンドパスフィルタ１４をそれぞれ個別に形成して測定セル１３の一端に設け、測定セル１３の他端に設けられている赤外光検出器１５と赤外線の透過率の高い赤外窓材１６を一体化した構成例である。
【００３７】
また、赤外光源１１と相関セル１２の組み合わせを増やすことにより、複数のガス成分を測定することができる。
【００３８】
なお、これら図１および図５は、左から右へ赤外光源１１→相関セル１２→測定セル１３→バンドパスフィルタ１４→赤外光検出器１５または赤外光源１１→相関セル１２→バンドパスフィルタ１４→測定セル１３→赤外窓材１６→赤外光検出器１５の順に構成されているが、右から左へ赤外光源１１→相関セル１２→測定セル１３→バンドパスフィルタ１４→赤外光検出器１５または赤外光源１１→相関セル１２→バンドパスフィルタ１４→測定セル１３→赤外窓材１６→赤外光検出器１５の順に構成してもよい。
【００３９】
これらの実施例から明らかなように、相関セル１２を固定化しているため、モータなどの可動機構を省くことができ、メンテナンスフリーにすることができる。そして、モータなどの可動機構を省くことにより部品数を削減できるため、小型化および低価格化を実現できる。
【００４０】
また、電気的に直接変調ができて経時変化がない赤外光源１１と固定化された相関セル１２とを組み合わせた光学系と干渉成分の影響を受けにくいガス相関法を用いたことにより、干渉ガスの影響をほとんどなくすことができる。
【００４１】
また、電気的に直接変調ができて経時変化がない駆動電圧で赤外線を発光できる赤外光源１１を用いるため、光量の経時変化を無くすことができる。
【００４２】
また、測定セル１３を多重反射するような構造にする場合には、赤外光源１１と赤外光検出器１５を同一の基板上に配置することができるので、高精度で小型化にすることができる。
【００４３】
さらに、赤外光源１１を２つ、赤外光検出器１５を１つ設けて、測定ガスが充填された測定ガス室１２ａを透過した参照光の出力信号Ａと参照ガスが充填された参照ガス室１２ｂを透過した測定光の出力信号Ｂを演算してセンサ出力Ｓｏｕｔを求めることにより、素子の経時変化や周囲温度変動を差動で除くことができる。
【００４４】
なお、上記各実施例では、測定セルが円筒形に形成されている例について説明したが、測定セルは円筒形に限るものではなく、用途に応じて適宜の形状に形成してもよい。
【００４５】
以上説明したように、本発明によれば、モータなどの回転機構を省くことができ、小型で低価格でメンテナンスがフリーの赤外線ガス分析計を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明で用いるガス相関法の測定原理である。
【図３】本発明で用いるガス相関法における干渉ガス補償の原理説明図である。
【図４】本発明のＣＯ２濃度と赤外光検出器１５の出力信号と演算の関係を示す説明図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図６】従来のガス濃度測定装置の一例を示す構成図である。
【図７】図６のチョッパ２とガス相関セル３の具体例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１  光源部
１２  相関セル
１３  測定セル
１４  バンドパスフィルタ
１５  赤外光検出器
１６  赤外窓材
【図１】
2009257808.tif 000003
【図２】
2009257808.tif 000004
【図３】
2009257808.tif 000005
【図４】
2009257808.tif 000006
【図５】
2009257808.tif 000007
【図６】
2009257808.tif 000008
【図７】
2009257808.tif 000009