(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル中の水素、窒素、酸素の濃度を検出するための単一流路アナライザであって、
サンプルを溶融させるための炉と、
前記炉に接続されて溶融副産物のアナライト流を提供するキャリアガス供給源と、
複数の検出器とアナライザ構成要素群を介して溶融副産物を直列に移送するための、流路を規定する導管と、
該サンプル中の酸素をＣＯの形態で検出するための、前記流路と連結された赤外線検出器と、
該サンプル中の酸素をＣＯ２の形態で検出するための、前記流路と連結された赤外線検出器と、
水素化合物中の水素をＨ２ＯにＣＯをＣＯ２に転換するための、前記流路と連結された触媒と、
前記触媒と接続された入力部を有する、前記アナライト流中で水素をＨ２Ｏとして、触媒から検出するための赤外線検出器と、
高感度ＣＯ２赤外線検出器を有する検出器であって、前記サンプル中の低濃度レベルの酸素をＣＯ２の形態で検出するために流路と連結された検出器と、
前記アナライト流からＨ２Ｏを除去すべく作動する、前記第４の検出器に連結されたスクラバと、
前記スクラバと連結されて、サンプル中の窒素を検出するための熱伝導度セルと、を含むアナライザ。
【請求項２】
請求項１に記載のアナライザであって、前記触媒は約６５０℃で稼動される酸化銅であるアナライザ。
【請求項３】
請求項２に記載のアナライザであって、更に流量コントローラを前記導管に連結してなるアナライザ。
【請求項４】
請求項３に記載のアナライザであって、更に補充キャリアガス供給部を前記スクラバと前記熱伝導度セルとの間に連結してなるアナライザ。
【請求項５】
サンプル中の水素、窒素、酸素の濃度を検出するための単一流路アナライザであって、当該アナライザはサンプルを溶融させるための炉と、直列に連結された複数の要素を経由して溶融副産物を含むアナライト流を流すためのキャリアガス供給源とを含み、前記アナライザは、
前記サンプルから一酸化炭素を検出するための第１の赤外線検出器と、
前記サンプルから二酸化炭素を検出するための第２の赤外線検出器と、
水素化合物をＨ２ＯとＣＯからＣＯ２へと転換するための、加熱されたＣｕＯ触媒と、
前記触媒のすぐ下流に直列接続され、水素化合物をＨ２Ｏとして検出するための第３の赤外線検出器と、
酸素をＣＯ２の形態で検出するための、第４の赤外線検出器と、
前記アナライト流からＨ２Ｏを除去すべく作動するスクラバと、
前記サンプル中の窒素を検出するための熱伝導度セルと、を含むアナライザ。
【請求項６】
サンプル中の、各種水素化合物の形態で存在する水素の濃度を決定する方法であって、
試料を、溶融炉中で、室温環境温度から約１５００℃超の温度まで溶融炉の温度を上昇させて加熱し、
前記炉から溶融副産物を掃出してアナライト流とし、そして
温度の関数として特定の水素化合物の濃度を同定するために、前記アナライト流中の水素化合物を検出し、
前記検出の段階は、加熱したＣｕＯ触媒を用いてアナライト流中の水素化合物をＨ２Ｏに転換するステップと、前記触媒のすぐ下流にＨ２Ｏ赤外線検出器を提供して、検出されたＨ２Ｏの関数として水素を検出するステップを含む方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記化合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、及び金属水素化物を含むものである方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、前記温度は、室温環境温度から約２０００℃まで上昇される方法。
【請求項９】
水素アナライザであって、
水素を含有するサンプルを溶融させるための炉と、
前記炉から溶融副産物を掃出してアナライト流とするためのキャリアガス供給源と、
前記アナライト流中において、溶融炉に連結され、水素化合物をＨ２Ｏに転換するための加熱されたＣｕＯ触媒と、
前記触媒を通過したアナライト流のすぐ下流の、前記触媒に接続されたＨ２Ｏ赤外線検出器であってサンプル中の水素を検出する赤外線検出器と、
を含む水素アナライザ。
【請求項１０】
請求項９に記載のアナライザであって、前記ＣｕＯ触媒は約６５０℃に加熱されて、水素化合物をガス状Ｈ２Ｏに転換するものである、アナライザ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のアナライザであって、前記炉の温度を室温環境温度から少なくとも約１５００℃まで上昇させるための炉制御部を含み、水素化合物、窒素化合物及び酸素化合物を同時に種別分析するアナライザ。
【請求項１２】
サンプル中の、各種水素化合物の形態で存在する水素の濃度を決定する方法であって、
試料を、溶融炉中で、室温環境温度から約１５００℃超の温度まで溶融炉の温度を上昇させて加熱し、
前記炉から溶融副産物を掃出してアナライト流とし、
加熱したＣｕＯ触媒を用いて前記アナライト流中の水素化合物をＨ２Ｏに転換すると共に、前記触媒のすぐ下流にＨ２Ｏ赤外線検出器を提供して水素をＨ２Ｏの関数として検出することにより、前記アナライト流中の水素化合物を温度の関数として検出して、特定の水素化合物の濃度を同定し、
前記Ｈ２Ｏ赤外線検出器によって測定された水素レベルに対するＣＯ２の効果を計算し、そして
測定された水素レベルを前記計算のステップに基づいて補償する、水素濃度の決定方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、前記補償の段階は、補正係数の参照用テーブルを用いてマイクロプロセッサによって遂行される方法。
【請求項１４】
サンプル中の、各種水素化合物の形態で存在する水素の濃度を決定するためのアナライザであって、
サンプルを溶融させるための炉と、
前記炉から溶融副産物を掃出してアナライト流とするためのキャリアガス供給源と、
前記アナライト流中の水素化合物をＨ２Ｏに転換するＣｕＯ触媒と、
前記触媒のすぐ下流に配置されるＨ２Ｏ赤外線検出器であって、検出されたＨ２Ｏの関数として水素を検出する赤外線検出器と、
前記Ｈ２Ｏ赤外線検出器によって測定された水素レベルに対するＣＯ２の効果を計算し、測定された水素レベルを前記計算のステップに基づいて補償するためのマイクロプロセッサと、を含む水素アナライザ。
【請求項１５】
請求項１４に記載のアナライザであって、更に
前記サンプル中の酸素を一酸化炭素として検出するための検出器と、
前記サンプル中の酸素を二酸化炭素として検出するための少なくとも一個の赤外線検出器と、
前記アナライト流からＨ２Ｏを除去すべく作動するスクラバと、
前記サンプル中の窒素を検出するための熱伝導度セルと、を含むアナライザ。
【請求項１６】
サンプル中の水素、窒素、酸素の濃度を決定するための単一流路アナライザであって、
サンプルを溶融させるための炉と、
前記炉に接続されて溶融副産物のアナライト流を提供するキャリアガス供給源と、
複数の検出器とアナライザ構成要素群を介して溶融副産物を直列に移送するための、流路を規定する導管と、
該サンプル中の酸素をＣＯの形態で検出するための、前記流路と連結された第１の赤外線検出器と、
該サンプル中の酸素をＣＯ２の形態で検出するための、前記流路と連結された第２の赤外線検出器と、
水素化合物中の水素をＨ２ＯにＣＯをＣＯ２に転換するための、前記流路と連結された触媒と、
前記触媒と接続された入力部を有する、前記アナライト流中で水素をＨ２Ｏとして、触媒から検出するための第３の赤外線検出器と、
高感度ＣＯ２赤外線検出器を有する第４の検出器であって、前記サンプル中の低濃度レベルの酸素をＣＯ２の形態で検出するために流路と連結された第４の検出器と、
前記アナライト流からＨ２Ｏを除去すべく作動する、前記第４の検出器に連結されたスクラバと、
前記スクラバと連結されて、サンプル中の窒素を検出するための熱伝導度セルと、
前記検出器の各々と前記熱伝導度セルとに接続され、サンプル中の水素、窒素、酸素濃度を同時に計算するためのマイクロプロセッサと、
を含むアナライザ。
【請求項１７】
請求項１６に記載のアナライザであって、前記マイクロプロセッサに接続されたディスプレイを更に含み、前記計算の結果を表示する、アナライザ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のアナライザであって、計算された濃度を印刷するためのプリンタを更に含む、アナライザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は分析機器、特に水素、酸素及び窒素を同時に分析決定するための不活性ガス溶融アナライザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
不活性ガス溶融機器においては、通常、サンプルを電極炉で溶融し、キャリアガスを用いて溶融副産物を種々の検出器（赤外線検出器や熱伝導度セル）内に通し、水素、酸素、窒素等の元素の濃度を決定する。熱伝導度セル（ＴＣセル）の場合、ヘリウムと水素は特定の熱特性を有する元素グループに属し、一方、窒素、アルゴン、二酸化炭素及び水は著しく異なる熱特性を有する。よって、元素の検出に熱伝導度セルを用いる機器では、通常、一グループから選択されるキャリアガス（例えばヘリウム）を用いて、他のグループに属する標本ガス（例えば窒素又は酸素）を検出する。また、熱伝導度セルによって水素を検出しようとする場合には、熱伝導度セルが試料ガスとキャリアガスを区別できるよう、より重いガス（窒素やアルゴン等）を用いる。その結果、水素を測定するための機器のデザインは、窒素及び酸素を検出するための機器のデザインとは別のものとなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
別々の流路を利用し且つ互いに異なる二種のサンプルを流して、二つの機器を事実上一個のキャビネットに統合する試みはこれまでにも為されているが、単一サンプルで水素、酸素、及び窒素を測定でき、且つ低濃度のサンプルであっても高精度を提供できる単一流路機器に対する需要が存在する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記需要に応えるために、複数の赤外線センサ、一個の触媒コンバータ、一個のスクラバ及び一個の熱伝導度セルを用いるものであって、これらは全て電極炉から直列に連結された流路を形成している。このように形成された単一流路アナライザ（云いかえると、単一サンプルアナライザ）は、迅速な分析を可能にすると共に、水素サンプルを含む全てのアナライトの種別分析(spaciate)を可能にし、タイプの異なるサンプルを分析する場合でもキャリアガスのパージを必要とせず、単一のキャリアガスで済み、従来のシステムの分子篩クロマトグラフカラムやＳｈｕｔｚｅコンバータを不要とする。従って、結果として得られるアナライザは、従来のシステムよりも少ない配管（即ち、ガス導管とバルブの使用）で改善された結果をより迅速に提供し、且つそれを単一機器で行う。
【０００５】
本発明のこれら及び他の特徴、目的及び利点は、添付の図面を参照しつつ本発明の以下の記載を読むことにより明らかになるであろう。
【０００６】
【発明の実施の形態】
最初に図１によって、従来の窒素／酸素アナライザ（例えばミシガン州セントジョセフのＬｅｃｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能なＴＣ４３６）を説明する。図１のアナライザ１０は、インパルス炉を含み、これはアナライザの残りの要素と共に単一キャビネットに組込み可能なものとなっている。炉としては例えばＥＦ４００型の炉を用いることができ、ＥＦ４００型炉もまたミシガン州セントジョセフのＬｅｃｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能である。炉１２はサンプル１６を受容するための黒鉛るつぼ１４を含み、該サンプル１６は、ピンサンプル、削りくず、あるいは他の任意の形態のサンプル（通常１グラム）でよく、分析されるべき窒素や酸素を含有する。炉はヘリウム等のキャリアガス供給源を含み、るつぼは炉によって加熱されてサンプルを溶融し、溶融の結果生じるガス状副産物がキャリアガスのヘリウムによって運ばれアナライザを流れる。
【０００７】
溶融の間、炉の出力流路を構成する導管１８は、約６５０℃の温度で稼動される熱い酸化銅触媒２０を通して溶融副産物を導き、該触媒２０は溶融副産物であるＣＯ（一酸化炭素）とＨ2（水素）をそれぞれＣＯ2（二酸化炭素）とＨ2Ｏ（水）に転換する。触媒の出力導管２２はＣＯ2赤外線検出器２４に連結されており、該ＣＯ2赤外線検出器２４は酸素をＣＯ2の形態で検出する。赤外線検出器は、米国特許第６，３２６，６２０号（２００１年１２月４日発行、発明の名称：「ＳＷＩＴＣＨＥＤ  ＭＯＤＥ  ＮＤＩＲ  ＳＹＳＴＥＭ」）に開示されているタイプのものとすることができる。検出器２４は出力信号をマイクロプロセッサ（図示せず）に提供し、マイクロプロセッサは、サンプル中の酸素の量を周知の方法で計算する。赤外線検出器２４からの出力導管２５はスクラバ２６に連結されており、該スクラバ２６は溶融副産物の流れから二酸化炭素と水を除去し、キャリアガスと窒素のみを残す。このキャリアガスと窒素は導管２７を通り、更に熱伝導度セル２８を通って、２９で大気中に放出される。熱伝導度セルは、米国特許第６，３５７，２７９号（２００２年３月１９日発行、発明の名称：「ＣＯＮＴＲＯＬ  ＣＩＲＣＵＩＴ  ＦＯＲ  ＴＨＥＲＭＡＬ  ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ  ＣＥＬＬ」）に開示されているタイプのものとすることができ、窒素の量を検出し、出力信号を当該機器のマイクロプロセッサに提供する。適切な機器一式（例えばミシガン州セントジョセフのＬｅｃｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能なＴＣ５００機器で使用されているもの等）を赤外線検出器及び熱伝導度セル出力部に接続可能で、これによりオペレータは、サンプル中の酸素及び窒素の濃度を読みとることができる。
【０００８】
一方、サンプル中の水素を検出するためには、図２に示すような別のアナライザ（例えばミシガン州セントジョセフのＬｅｃｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能なＲＨ４０４型機器）が用いられてきた。図２のアナライザ３０では、水素を検出するために用いられる熱伝導度セルは、上の「従来の技術」の項においても触れたように、ヘリウムと水素を容易には区別できず、それ故に、水素とは異なる熱特性を有するキャリアガスの使用が必要であるという観点から、キャリアガスとしてアルゴンを用いている。図２のアナライザ３０はまた、図１と同じタイプの炉１２を含み、炉１２はサンプル１６を黒鉛るつぼ１４の中で溶融し、溶融副産物を出力導管１８を通してＳｈｕｔｚｅコンバータ２１に供給する。Ｓｈｕｔｚｅコンバータ２１は室温で作動し五酸化ヨウ素（Ｉ2Ｏ5）によって溶融物中の一酸化炭素を二酸化炭素に転換する。溶融物中のこれら副産物は、次いで導管２２によってスクラバ２６に導かれ、該スクラバ２６は流路から二酸化炭素を除去する。スクラバ２６からのアウトプット３１は分子篩３２に導かれ、分子篩３２は、水素ガスが該シーブを最初に通過し後続の窒素ピークから分離される時間空間関係で溶融物中の窒素／水素成分を分離する。導管２７は空間的に分離されたガスを熱伝導度セル２８に導き、ここで水素が検出される。キャリアガスのアルゴンは分析に影響を及ぼさない、何故ならば熱伝導度セルは、このガスに対してノーマライズされているからである。
【０００９】
図１及び図２の両アナライザは、その各々に対応した所望のガスに対し正確な分析を提供するが、両者はそれぞれ独立した別々のアナライザであって、所望の三元素の分析のためには異なるキャリアガスを必要とする。
【００１０】
二つのアナライザを単一のキャビネット中に統合化する努力がなされて来ているが、窒素／酸素の分析に加え、これとは別に水素の分析をも行うためには、単一キャビネットではあってもやはり、別々のキャリアガスの利用と共に二系統のサンプル分析を必要とする。図３（ａ）、（ｂ）は、このようなケースに係るアナライザ４０を示し、図３（ａ）では、キャリアガスとしてヘリウムを用い、図３（ｂ）に示す代替流路では、キャリアガスとしてアルゴンを用いている。アナライザ４０は先の実施形態におけると同様、炉１２を含み、黒鉛るつぼ１４の中で標本１６を溶融する。溶融の副産物は、図３（ａ）の導管１８によって赤外線一酸化炭素検出器４１に供給され、ここでサンプル中の酸素量が検出される。導管４２は、溶融副産物を触媒４３に供給し、触媒４３は、６５０℃でＣＯをＣＯ2に転換する。触媒４３からの出力導管４４は、Ｓｈｕｔｚｅコンバータ４５に通じている。Ｓｈｕｔｚｅコンバータ４５は、キャリアガスであるヘリウムや、既に転換された二酸化炭素、その他の元素に影響を及ぼさない。コンバータ４５のアウトプット４６は、二酸化炭素や水（Ｈ2Ｏ）を除去するスクラバ２６に入る。
【００１１】
アナライザ中には分子篩カラム４８が存在するが、導管４９における弁機構(valving)を適宜利用することにより、分子篩カラム４８をバイパスすることができ、熱伝導度セル２８のこの作動モードにおいては、窒素が検出される。副産物はその後、２９で大気中に排出される。図３（ａ）においては、サンプルが溶融されると、このサンプル中の酸素の大部分が一酸化炭素に転換され、この一酸化炭素が検出器４１によって検出されて酸素レベル測定を提供すると考えられる。熱伝導度セル２８は窒素信号を提供し、水素は検出されない。
【００１２】
図３（ｂ）においては、同じ炉１２によって黒鉛るつぼ１４’中で別のサンプル１６’を溶融し、上と同様、溶融の副産物は導管１８を通ってＣＯ赤外線検出器４１に供給され、該検出器４１は、溶融の間に一酸化炭素に転換された酸素を検出する。この構成では、触媒４３は、弁を適宜利用するバイパス導管４２’によってバイパスされ、この場合のキャリアガスであるアルゴンは、溶融の副産物を、一酸化炭素を二酸化炭素に転換するＳｈｕｔｚｅコンバータ４５を通して、二酸化炭素を除去するスクラバ２６に押し流す。この構成では、分子篩カラム４８は溶融副産物流路中にあり、バイパス導管４９は、弁を適宜利用することによってふさがれているので、分子篩によって水素ガスと窒素ガスが分離され、熱伝導度セル２８にマイクロプロセッサ（図示せず）に加えられる時間的分解信号を供給し、マイクロプロセッサは水素の濃度に対応する信号を出力する。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す二種の異なるモードでアナライザ４０を作動するために必要なことは、図３（ａ）の流路による分析におけるヘリウム及び溶融副産物を４時間〜一夜に亘りパージし、その後で、第二のサンプル１６’を異なるキャリア、即ちアルゴンと共に流してサンプル中の水素の量を決定することである。図３（ｂ）の流路による分析の後、図３（ａ）の構成に係る窒素／酸素サンプルのランを再び行うためには、システムを４時間〜一夜に亘ってパージすることが再び必要となる。また、このシステムでは、水素がＨ2ガス以外の任意の形態で放出される場合には、これらのガスは、Ｈ2ガスとは異なる熱伝導率を有するので、水素の測定結果にはバイアスがかかるであろう。
【００１３】
図４（ａ）、（ｂ）にアナライザ５０として示すように、二つのアナライザを事実上結合して、一モードで窒素と酸素を他のモードで水素と酸素を分析できる、物理的に一個のキャビネットを構築すべく、別の試みが為されてきた。図４（ａ）、（ｂ）のアナライザ５０でも上と同様、炉１２によって黒鉛るつぼ１４中で第一のサンプル１６を、第二の黒鉛るつぼ１４’中で第二のサンプル１６’（図４（ａ））を溶融する。炉１２からの溶融副産物は、導管１８によって、Ｓｈｕｔｚｅコンバータと高温触媒コンバータの並列流路（弁で一方を選択可能である）に供給される。図４（ａ）に示す実施形態では、ヘリウムが、キャリアガスとして用いられ、Ｓｈｕｔｚｅコンバータ４５は、バルブ（図示せず）を適宜利用することによって流路１８から閉ざされ、溶融副産物は触媒４３を通って流れ、該触媒は６５０℃で水素を水（Ｈ2Ｏ）にＣＯをＣＯ2に転換する。赤外線ＣＯ2検出器４１’は、導管２５によって触媒コンバータ４３の出力側に連結され、酸素を二酸化炭素の形態で検出する。スクラバ２６は、溶融のガス状副産物から二酸化炭素と水を除去し、熱伝導度セル２８は、サンプル中の窒素を検出する。熱伝導度セルは、２９で溶融副産物を大気中に排出する。従って、図４（ａ）では、酸素は赤外線セル４１’によって二酸化炭素の形態で検出され、窒素はヘリウムをキャリアガスとして用いて、熱伝導度セル２８によって検出される。
【００１４】
図４（ａ）、（ｂ）に示す機器５０の配管や流路を水素に対して用いる場合には、キャリアガスとして窒素を用いる。図４（ｂ）に示すように、触媒４３はバルブを適宜利用することによりバイパスされ、溶融副産物はＳｈｕｔｚｅコンバータ４５を通り、該コンバータは一酸化炭素を二酸化炭素に転換する。ＣＯ2赤外線検出器４１’は、酸素をＣＯ2の形態で検出する。その後、ガス状の流れはスクラバ２６を通過し、該スクラバは二酸化炭素を除去し、窒素（キャリアガス）と水素が残って熱伝導度セル２８に流れ、該熱伝導度セル２８は、二元素の熱伝導度が異なることにより、検出水素ピークとキャリアガスとの差異を検出でき、水素濃度信号をマイクロプロセッサに提供する。
【００１５】
ここでもまた、図３（ａ）、（ｂ）のシステムの場合と同様に、キャリアをヘリウムから窒素に変える場合には、少なくとも４時間〜一晩に亘って配管をパージする必要があり、また異なる二サンプルで別個の二分析を行う必要がある。パージ時間が長いと、オペレータが結果を知るのが大幅に遅くなる。また図３（ａ）、（ｂ）及び図４（ａ）、（ｂ）に示すシステムでは、二種の別個のサンプルを分析する場合に一モードから他モードに変えるために、付加的バルブ利用及び制御回路の必要性が顕著となる。更に、また二つの異なるキャリアガス供給源が用いられなければならない。また、このシステムでは、水素がＨ2ガス以外の任意の形態（即ち、ＣＨ4やＨＣＮ）で放出される場合には、これらのガスは、Ｈ2ガスとは異なる熱伝導率を有するので、水素の測定結果にはバイアスがかかるであろう。
【００１６】
図５に示す本発明のシステムは、従来技術の難点を克服し、単一流路で水素、酸素、及び窒素を分析する能力を備えた真に単一の機器を用いるものであって、比較的高レベルの酸素の存在下で、水素及び窒素の比較的低レベルの濃度の検出が可能である。図５は、単一流路アナライザ６０を示し、該アナライザ６０は、黒鉛るつぼ６２の中でサンプル６５を約２０００℃で溶融するためにインパルス炉６１を用いている。
【００１７】
炉６１は、通常、ディスクフィルタ、ミクロンフィルタ、及び流量制御部を含む。サンプル６５の溶融物から得られる粒状物を含まない副産物流は、種々の分子形態での窒素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含み、出力導管６４に供給される。導管６４は、炉６１を流量コントローラ６６に連結し、該流量コントローラ６６は、用いられるヘリウムキャリアに対して１５ｐｓｉでシステムを通るガスの流れを毎分約４５０ｃｃに調節する。第一の赤外線検出器６８は酸素を検出し、導管６７で流量コントローラ６６と連結されている。サンプル中に存在する酸素の多くは一酸化炭素に転換されるので、検出器６８は、一般に、サンプル中の比較的高濃度の酸素において酸素を検出しその量を提供するであろう。酸素の幾分かは黒鉛るつぼと反応して二酸化炭素を生成し、赤外線検出器６８の出力は導管６９によって第二の赤外線検出器７０に連結され、該検出器７０は二酸化炭素を検出し、標本ガス中の二酸化炭素の量に比例した酸素の測定を提供する。比較的高濃度の酸素（即ち、約２００ｐｐｍ超）に関しては以下に説明するように、検出器６８と７０の出力が合計されてサンプルの全酸素量を提供する。サンプル流路は導管７２を含み、導管７２は従来の触媒７４に連結されている。触媒７４は約６５０℃で作動し、水素をガス状の形態のＨ2Ｏに転換し、総ての残留一酸化炭素を二酸化炭素に転換する。触媒７４における触媒剤としては、酸化銅、希土類、酸化タングステンが挙げられる。
【００１８】
次に、導管７６は、ガス状水蒸気及び残留溶融副産物をＨ2Ｏ赤外線検出セル８０に連結する。セル８０は、サンプル中に存在する水素から触媒７４によって直接転換されるＨ2Ｏを検出するように選択されたフィルタを有する。セル８０は、その温度を５０℃に保つ制御された環境でアナライザの中に取りつけられている。これにより、検出器、即ちセル８０の出力信号はサンプル中の水素の量を示す。検出器８０の出力は、導管８２によって第二の高感度ＣＯ2赤外線センサ８４に連結されており、センサ８４は、比較的低レベルの二酸化炭素（即ち、約２００ｐｐｍ未満）を検出する感度を有し、従って、サンプル中の酸素が検出できることになる。
【００１９】
導管８６は、赤外線検出器８４からの溶融副産物の流れをスクラバ８８に連結し、スクラバ８８は、キャリアガスヘリウム及び残留ＣＯ2の流れからＨ2Ｏを除去する。導管８９は、キャリア補充流９１と連結する導管９０に「Ｔ」字状に連結され、導管８６及び８９中のガスの圧力及び流量をスクラバ８８（スクラバ８８は、圧力を相当減少させる傾向がある）下流部で大体一定に保つ。キャリアガス補充導管、その作動、及び流路については、米国特許出願番号第０９／７１４，４８０号（出願日：２０００年１１月１５日、発明の名称「ＡＮＡＬＹＺＩＮＧＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  ＨＩＧＨ  ＡＣＣＵＲＡＣＹ  ＮＩＴＲＯＧＥＮ  ＤＥＴＥＲＭＩＮＡＴＩＯＮ」）に詳細に記載されている。導管８９は、熱伝導度セル９２に連結され、熱伝導度セル９２は、サンプル中の窒素の量を表す出力信号を提供する。セル９２は、米国特許第６，３５７，２７９号（発行日：２００２年３月１９日、発明の名称「ＣＯＮＴＲＯＬ  ＣＩＲＣＵＩＴ  ＦＯＲ  ＴＨＥＲＭＡＬ  ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ  ＣＥＬＬ」）に開示されているタイプのものとすることができ、セルのアウトプットは９３で大気中に放出される。
【００２０】
図５に示すシステムでは、炉６１からの溶融副産物の通路として単一の直列流路が提供され、酸素及び水素を水として測定するために複数の赤外線検出器を用いる。また、熱伝導度セルが流路末端に提供され、キャリアガスであるヘリウムの熱特性とは非常に異なる熱特性を有する窒素を検出する。好ましい実施形態の赤外線検出器及び熱伝導度セルにおいては、上掲の各特許出願に開示されている触媒、スクラバ、赤外線検出器、及び熱伝導度セルをもちいるが、これらは周知の従来の設計のものでよい。従って、図５のシステムでは、単一アナライザによって、単一サンプル中の水素、窒素、及び酸素が決定できる。サンプル中の水素レベルが高いと、通常、検出器を飽和させたり二酸化炭素のピークと水素ピークの干渉が起こる場合があるが、そのような比較的高レベルの水素であっても該アナライザはこれを検出する能力を有する。
【００２１】
二酸化炭素の干渉を防ぐために、図８に示すマイクロプロセッサのためのプログラムには、参照用テーブルが設けられており、該参照用テーブルは、Ｈ2Ｏ赤外線検出器８０での二酸化炭素干渉に対して補償する。一度、既知の異なる二酸化炭素レベル値が検出されると、既知の水素濃度とともに、検出器８０からの信号を補償するのに必要な補正量は、経験的に決めることができ、Ｈ2Ｏ検出器８０によって検出される二酸化炭素干渉に適合するようにメモリーの中にプログラムされ得る。次いで、このように決められた補正係数を用いて、アナライザの出力ディスプレイに正確な水素濃度が提供される。
【００２２】
また、Ｈ2Ｏ分析の場合によくあることであるが、システムの導管上に水蒸気が凝結し、低温環境においてあるいはシステムが堆積物により詰まる(faul)ことにより、テイリング（尾引き；tailing)が生じ得る。図５の回路に示す単一流路では、かかるシステムの詰まりは観測されなかった。この実施形態では、水素は流路システムをＨ2ガスとして移動するが、Ｈ2ガスはコールド・スポットや詰まりを起こす堆積物に対して親和性を有しない。Ｈ2ガスは、その後、検出器８０に入る直前にＨ2Ｏに転換される。これが本発明のシステムがＨ2Ｏ分析に伴う典型的な問題を示さない理由である。更に、図５に示すシステム流路は、これまで用いられてきた熱伝導度セル等、従来の検出器を飽和させるであろうと以前は考えられていた、非常に高レベルの水素を有するサンプルの分析をも可能にする。
【００２３】
図６は、水素化チタニウム（ＴｉＨ2）の純サンプル（三サンプル）に対するテストの結果を示す。図６の三曲線に見られるように、三サンプルの質量は、それぞれ、０．０１６３グラム（曲線１）、０．０２３８グラム（曲線２）、及び０．０５７６グラム（曲線３）である。各サンプル中の多量の水素（約４０，０００ｐｐｍ）を測定した結果、水素レベルは均一に測定できることが判明した。また、図５に示すシステムが、比較的多量の酸素の存在下で比較的少量の水素及び窒素への感度を有することから、本システムは係る混合物を含有するサンプルに対し非常に高い感度を提供するものである。
【００２４】
図７は、同一材料の複数のサンプルについて行ったテストで得た、水素、酸素、及び窒素のグラフであり、３４０ｐｐｍ超の酸素の存在下で、水素は０．６３ｐｐｍ未満のレベルで測定可能であり、窒素もまた同一の環境下で約０．５５ｐｐｍで測定され得ることを示している。
【００２５】
図８は、図５に示す各検出器及び炉に連結された電気的構成要素を含む典型的なアナライザ構成を示す。図８では、マイクロプロセッサ１００は、熱伝導度セル９２、Ｈ2Ｏ赤外線検出器８０、ＣＯ赤外線検出器６８、高濃度ＣＯ2赤外線検出器７０、及び高感度低ＣＯ2レベル検出器８４からの信号を受けるための従来の入力／出力インターフェースを含む。分析を開始する作動命令は、キーボード１０２を介してオペレータによって提供され、このキーボード１０２もまたマイクロプロセッサに連結されている。マイクロプロセッサは、炉６１を稼動させる炉制御回路１０４への信号出力を有する。ＬＣＤスクリーン等のディスプレイ１０６が、マイクロプロセッサ１００の出力に連結されている。図６や図７等に示すような印刷された結果を提供するため、プリンタ１０８がマイクロプロセッサ１００の出力に連結されている。
【００２６】
炉制御部１０４は、サンプル中の異なる化合物（水素化合物も含まれる）が異なる時点で放出されるように、サンプルの温度を徐々に上昇でき、それによりサンプル中に存在する全水素量を同定するのみならず、水素化合物が放出される温度と相関させることにより、サンプル中の水素を含む若干の化合物自身の濃度を同定する。一例を挙げると、炉６１は、１０〜１５分の期間で温度を徐々に室温から約２０００℃まで上げることができる。約２００℃で、水素化合物Ｈ2Ｏがサンプルからガス状蒸気として放出されるであろう。約３００℃〜５００℃で、ガス状形態（Ｈ2）の水素がサンプルから放出されるであろう。最後に、約１０００℃より高温で、ＴｉＨ2等の金属水素化物が放出されるであろう。これらの温度は、経時的に到達され、これらの化合物及び他の化合物の各々は、それらの化合物が検出器８０によって検出されることによって同定される。炉制御部は、増大した電流で炉を作動させ温度を上昇させる。炉は最高約６０００ワットで稼動される。
【００２７】
単一機器を提供する図５のシステムは、単一キャリアガス及び単一サンプルを使用する単一流路を備えており、サンプル中の水素、酸素、及び窒素の全量に関する情報を提供し、所望であれば、炉温度の制御を介して、水素化合物を含む総てのアナライトを同時に種別分析し、Ｎ、Ｏ、Ｈ分析の完了までの時間を非常に減少させ、酸素等の他のアナライトが低レベルで存在しても高レベルで存在しても、低レベルの水素及び酸素に非常に高い感度を提供する。バルク分析の場合は、Ｎ、Ｏ、Ｈのための分析時間は、２分未満に減少する。ここに記載の実施形態では、Ｈｅがキャリアガスとして用いたが、Ａｒも使用できる。
【００２８】
ここに記載の本発明の好ましい実施形態に対し、種々の変更が、添付の特許請求の範囲によって画定される精神、範囲を逸脱することなく為され得ることは、当業者にとっては明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に係る窒素／酸素アナライザのフロー図である。
【図２】従来技術に係る水素アナライザのフロー図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、従来技術に係る窒素／酸素及び水素アナライザのためのフロー図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、従来技術に係る窒素／酸素及び水素アナライザのためのフロー図である。
【図５】本発明に係る窒素／酸素／水素アナライザのフロー図である。
【図６】三種の異なる質量を有する水素化チタニウムサンプル中の、水素の分析を示すグラフである。
【図７】比較的低濃度の窒素と酸素及び高濃度の酸素を含むサンプルの分析に対する、水素、酸素、及び窒素サンプルの分析結果を示すグラフである。
【図８】図５のアナライザの電気回路のブロック図である。
【符号の説明】
６０  単一流路アナライザ
６１インパルス炉６１
６２  黒鉛るつぼ
６４  出力導管
６５  サンプル
６６  流量コントローラ
６７  導管
６８  第一の赤外線検出器
６９  導管
７０  第二の赤外線検出器
７２  導管
７４  触媒
７６  導管
８０  Ｈ2Ｏ赤外線検出セル
８２  導管
８４  ＣＯ2赤外線センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図８】
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