JP2009014465A - 赤外ガス分析計 - Google Patents

Abstract

【課題】取り扱いが容易で、多様なアプリケーションに対応可能な赤外ガス分析計を提供する。
【解決手段】サンプルガスの流通路を構成する試料セル１と、試料セル１の内部に赤外光を照射する赤外線光源２と、赤外線光源２から照射され、試料セル１内を反射しつつ伝播した赤外光を受けるガスセル検出器３，３と、を備える。ガスセル検出器３，３は、赤外線光源２の光軸から外れた位置に取り付けられる。試料セル１は、互いに着脱可能な基材１Ａおよびカバー材１Ｂを組み合わせて構成され、両者を分離することで試料セル１の内部を開放することができ、試料セル１の内部のメンテナンスや清掃が可能とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線光源から試料セル内に照射された赤外光の吸収量を、赤外光を受ける検出器で検出することにより、試料セル内の試料ガスのガス濃度を分析する赤外ガス分析計に関する。

サンプルガス中の所定成分のガス濃度を定量分析する装置として、非分散型赤外ガス分析計（ＮＤＩＲ）が知られている。非分散型赤外ガス分析計には、シングルビーム型の分析計と、ダブルビーム型の分析計とがあり、前者では円筒状の試料セル内にサンプルガスを流通させるとともに、試料セルの一端部に赤外線光源を、他端部にガスセル検出器を、それぞれ配置する。赤外線光源から射出された赤外光が試料セルを通過する際に受ける赤外吸収量を、赤外光の光軸に沿って重ねられた２室を備えるガスセル検出器で検出することにより、サンプルガスのガス濃度を分析することができる。検出器の２室には検出対象ガスが充填され、２室間を連絡する流通路におけるガスの行き来をサーマルフローセンサにより検出することで、２室における赤外吸収量の差分を介して赤外光が試料セルを通過する際に受ける赤外吸収量を把握できる。

また、後者のダブルビーム型の非分散型赤外ガス分析計では、円筒状の試料セルと同一構造の基準セルをさらに設けるとともに、基準セルには赤外吸収を示さない窒素等の不活性ガスを充填する。また、赤外線光源からの赤外光を分配し、試料セルおよび基準セルのそれぞれ一端側から照射する。さらに、検出器を試料室と基準室とで構成し、試料セルの他端側に試料室を、基準セルの他端側に基準室を配置し、両室間を連結する流通路のガスの行き来をサーマルフローセンサにより検出することで、２室における赤外吸収量の差分を介して赤外光が試料セルを通過する際に受ける赤外吸収量を基準セルとの比較結果として把握できる。
特開２００１−２５５２６９号公報

従来の赤外ガス分析計では、赤外線光源および検出器の光軸を一致させる設計がされており、光学系の組み立ての際には、相互の部品の光軸を厳密に合わせる必要がある。光軸の微小なずれにより、射出される赤外光の強度、伝播効率、検出器に入射する赤外光の強度などが影響を受け、定量分析の精度が低下する。このため、通常は強固で安定した光学ベンチをベースにして、これを基準として光学部品を取り付ける方式が一般的である。光学ベンチは機械的な位置関係が振動、外乱により変動を起こさないように設計される。しかし、光学ベンチを用いた光学系の組み立ては作業負担となり、また、装置全体の大型化や重量増を招く。

また、試料セルあるいは基準セルの円筒の内径は、その吸収長や、赤外線光源の発光体や光源に装着される反射鏡の口径、またはガスセル検出器の各室の受光径などと相互に関連している。したがって、試料セルあるいは基準セルの円筒の内径は、光の伝播ロスが最小化し、かつサンプルガスの吸収を効率的に捉えられるように最適設計される。このため一度内径が決められると、その変更は容易でなく、光源、検出器など関連する一連の部品の寸法変更が必要となり現実性がない。このため、分析目的に応じた変更の手段としては、試料セル長を変えることが行われている。検出対象ガスの赤外吸収度がそれぞれに異なるため、ガス種に応じて吸収の強いガスに対しては試料セル長を短く、吸収の弱いガスに対しては試料セル長を長くするなどの部品選択をするのが一般的である。しかし、多種類のアプリケーションに対応した多種類の試料セルを在庫し、適宜選択することは、作業の煩雑化やコストアップの要因となる。

さらに、近年の傾向として赤外ガス分析計の応用分野が拡大し、小型化、ローコスト化した取り扱いの容易な分析計が求められている。これに伴い、使用される部品も小型化し、とくにＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）部品が使用される例が増えている。例えば、半導体ウエハから形成される小型、平面形状の光源や、検出器が開発されている。従来の赤外ガス分析計では、これらの光学部品の使用を想定していないため、サイズの相違や、取り付け方法など、構造上の整合性を取ることが困難となっている。

本発明の目的は、取り扱いが容易で、多様なアプリケーションに対応可能な赤外ガス分析計を提供することにある。

本発明の赤外ガス分析計は、赤外線光源から試料セル内に照射された赤外光の吸収量を、前記赤外光を受ける検出器で検出することにより、前記試料セル内の試料ガスのガス濃度を分析する赤外ガス分析計において、前記検出器が前記赤外線光源の光軸上から外れた位置に配置されていることを特徴とする。
この赤外ガス分析計によれば、検出器が赤外線光源の光軸上から外れた位置に配置されているので、取り扱いが容易で、多様なアプリケーションに対応できる。

前記赤外光を前記試料セル内で反射させることにより、前記赤外光の前記試料セル内における実効光路長を前記赤外線光源から前記検出器までの直線距離よりも長くする反射手段を備えてもよい。

前記反射手段により得られる前記実効光路長を調整する調整手段を備えてもよい。

前記試料セルの内壁面を前記反射手段として使用してもよい。

前記検出器として、検出対象ガスが互いに異なる複数の検出器が設けられていてもよい。

前記試料セルには、前記赤外線光源または前記検出器を取り付ける取り付け部が設けられていてもよい。

前記試料セルは、その内部が開放可能とされていてもよい。

前記赤外線光源または前記検出器はＭＥＭＳ部品として構成されていてもよい。

本発明の赤外ガス分析計によれば、検出器が赤外線光源の光軸上から外れた位置に配置されているので、取り扱いが容易で、多様なアプリケーションに対応できる。

以下、図１〜図３を参照して、本発明による赤外ガス分析計の実施形態について説明する。

図１（ａ）は、本発明による赤外ガス分析計の一実施形態の構成を示す斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＩｂ−Ｉｂ線断面図である。本実施形態の赤外ガス分析計は、シングルビーム型の非分散型赤外ガス分析計を構成する。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施形態の赤外ガス分析計は、サンプルガスの流通路を構成する試料セル１と、試料セル１の内部に赤外光を照射する赤外線光源２と、赤外線光源２から照射され、試料セル１内を反射しつつ伝播した赤外光を受けるガスセル検出器３，３´と、を備える。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、ガスセル検出器３，３´は、赤外線光源２の光軸から外れた位置に取り付けられる。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、試料セル１は、互いに着脱可能な基材１Ａおよびカバー材１Ｂを組み合わせて構成され、両者を分離することで試料セル１の内部を開放することができ、試料セル１の内部のメンテナンスや清掃が可能とされている。

平板状の基材１Ａには、赤外線光源２を取り付けるための取付部１１、検出器３，３´を取り付けるための取付部１２および取付部１３が、それぞれ形成されている。取付部１１，１２，１３には、気密性および赤外透過性を得るためのフッ化カルシウム板等を配置してもよい。あるいは、赤外線光源２または検出器３、３´の側で気密性および赤外透過性を確保する構成が採られる場合には、取付部１１，１２，１３に対応する開口を、基材１Ａに形成してもよい。

カバー材１Ｂには、サンプルガスの流入路４およびサンプルガスの排出路５が設けられ、基材１Ａおよびカバー材１Ｂを気密的に結合した状態で、サンプルガスを流入路４および排出路５を介して試料セル１内で流通させる。

図１（ｂ）に示すように、赤外線光源２には、赤外光を放出する発光体を収容する室２１および干渉ガスを収容する室２２が形成され、両者は赤外透過性の板材２３で分離されている。室２２の干渉ガスを制御することで、室２１から試料セル１内部へ出射される波長成分のうちの測定に妨害となる波長成分をあらかじめ除去できる。

図１（ｂ）に示すように、検出器３には、試料セル１側に配置される室３１と、試料セル１からより離れた位置に置かれた室３２とが形成されている。室３１および室３２には、検出対象ガスと同一成分ガスが充填され、両者は赤外透過性の板材２３で分離されている。また、室３１および室３２は流通路３４により互いに接続され、流通路３４には、流通路３４におけるガスの行き来を検出するサーマルフローセンサ３５が取り付けられている。

検出器３において、室３２に入射する赤外光は、室３１で赤外吸収を受けた後の光であるため、室３２よりも室３１における熱膨張の度合いがより高くなる。その熱膨張の度合いの差異は、検出器３に入射する赤外光における当該検出対象ガスに対応する赤外吸収スペクトルのエネルギーに比例するため、試料セル１内での当該赤外吸収スペクトルにおける吸収量と相関がある。サーマルフローセンサ３５は、熱膨張の度合いの差異、すなわち、室３１および室３２における赤外吸収量の差分をガス濃度信号に変換し、これによりサンプルガスにおける当該検出対象ガスの濃度が分析できる。なお、このような検出器３の機能は周知であるため、詳細説明は省略する。

次に、本実施形態の赤外ガス分析計の動作について説明する。

図１（ｂ）に示すように、本実施形態の赤外ガス分析計では、赤外線光源２の光軸上に検出器３が配置されておらず、赤外線光源２から照射された赤外光６は、試料セル１の内壁面で反射を繰り返しながら、検出器３に到達する。多重反射しつつ試料セル１内を伝播する過程で、赤外光は試料セル１内に導入されたサンプルガスによる赤外吸収を受ける。

サンプルガスにより赤外吸収を受けた赤外光は、試料セル１に取り付けられた検出器３に入射し、当該検出器３の検出対象ガスに起因する赤外吸収量が検出される。これにより、サンプルガス中の当該検出対象ガスのガス濃度が分析できる。本実施形態の赤外ガス分析計では、２つの検出器３，３´に異なるガスを充填することにより、互いに異なる２成分の検出対象ガスについてガス濃度を分析することができる。

このように、本実施形態の赤外ガス分析計では、試料セル１の内壁面を反射手段とする赤外光の多重反射により、試料セル１内を伝播する赤外光の実効光路長を赤外線光源２から検出器３までの直線距離よりも長くすることができる。このため、装置の小型化を図りつつ十分な赤外吸収量を確保できる。したがって、装置の小型化を図りつつ、高い検出感度を得ることができる。

また、本実施形態の赤外ガス分析計では、平板状の基材１Ａに赤外線光源２あるいは検出器３を取り付ける構成を採っているため、赤外線光源２あるいは検出器３としてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）部品が使用される場合に、これら小型かつ平面状の部品の取り付けに好適な構造を得ることができる。さらに、試料セル１の小型化が可能となるため、装置全体のサイズをＭＥＭＳ部品に適したものとすることができる。

また、本実施形態の赤外ガス分析計では、赤外線光源２の光軸上に検出器３が配置されておらず、しかも、赤外線光源２から照射された赤外光が直接、検出器３に入射せず、試料セル１内で拡散後、検出器３に入射する。このため、赤外線光源２や検出器３の機械的な位置関係が、ほとんど検出感度に影響しない。したがって、従来のように、強固な光学ベンチを基準とする光学部品の取り付け作業を不要としつつ、振動や外乱に対する検出値の変動も抑制できる。さらに、赤外線光源２の光軸上に検出器３を配置するという制約がないため、複数の検出器を直接、試料セル１に取り付けるだけで、相互に影響なく独立して複数種類のガスについてガス濃度を分析することが可能となる。従来のシングルビーム型ガス分析計のように、検出対象となるガスの種類ごとの検出器を多段に重ねる必要がないため、前段の検出器による赤外吸収の影響を後段の検出器が受けるという不都合が発生しない。

また、従来、筒状の試料セルのような大型の部品の寸法が予め最適設計されており、アプリケーションに応じた多種類の試料セルを確保することが困難であったのに対し、本実施形態の赤外ガス分析計では設計変更が容易で、しかも、試料セルの小型化によりローコスト化を図ることも容易であり、多種類の試料セルを用意しておくことも可能となる。このため、種々のアプリケーションに柔軟に対応できる。

次に、図２は、本発明による赤外ガス分析計の別実施形態の構成を示す断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）と同一構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。

図２に示すように、本実施形態の赤外ガス分析計では、互いに着脱可能な基材１Ａおよびカバー材１Ｃにより構成された試料セル１０の内部に、反射板７が設けられている。赤外線光源２から照射された赤外光は、反射手段としての反射板７の表面および反射手段としての試料セル１の内壁面で反射を繰り返しながら、検出器３，３´に到達する。

図２に示すように、反射板７は、調整手段としてのアクチュエータ８により、試料セル１の気密性を保持しつつ試料セル１の内部で上下方向に移動可能とされている。図２の例では、反射板７の移動により試料セル１の内壁面との間隔を変えることで、赤外光の光伝播路を変化させ、その実効光路長を調整することができる。このため、赤外線光源２の赤外光量や検出器３，３´の感度、あるいはサンプルガスの吸収係数に見合った最適な実効光路長を得ることができる。

このように、本実施形態の赤外ガス分析計によれば、実効光路長を調整できるため、常に適切な実効光路長を獲得でき、単独の試料セル１で幅広いアプリケーションに対応することが可能となる。

図３は、本発明による赤外ガス分析計における光学部品の具体的な配置方法の例を示す平面図である。

図３では、例えば、試料セル１００を構成する平板上の基材には、光源ユニットの取付部と、検出器のための４つの取付部とが設けられ、それぞれの取付部には、光源ユニット２０、ＣＯ_２検出用の検出器３Ａ、ＣＯ検出用の検出器３Ｂ、ＮＯ検出用の検出器３Ｃ、およびＳＯ_２検出用の検出器３Ｄが、それぞれ取り付けられている。各検出器の検出対象ガスは適宜選択することができ、使用しない取付部には、気密性を維持するための遮蔽蓋を取り付けることもできる。

また、図３の例では、光源ユニット２０に２つの赤外線光源２０ａを使用することで、赤外光量を増加させている。

このように、検出器の取付部の個数を増やすことで、任意の種類の多成分のガス濃度を同時に分析することが可能となる。また、赤外線光源の個数を増やすことで必要に応じて赤外線光量を増大させ、検出感度を向上させることができる。

上記各実施形態では、シングルビーム型の赤外ガス分析計を示したが、本発明は、ダブルビーム型の赤外ガス分析計にも適用できる。ダブルビーム型の赤外ガス分析計では、上記各実施形態に示した試料セルと同一構造の基準セルを設け、両セルに赤外光を分配するとともに、試料セルに取り付けられた試料室および基準セルに取り付けられた基準室の間に設けた流通路のガスの行き来をサーマルフローセンサにより検出すればよい。この場合、試料室および基準室は、「赤外光を受ける検出器」の一部として機能する。

また、試料セルの形態や形状は、上記実施形態のものに限定されることはない。赤外線光源および検出器の構成は任意に選択できる。反射手段として鏡面反射面を用いてもよいし、拡散反射面を用いてもよい。反射手段の形状は限定されず、平面状あるいは任意形状の曲面状の反射面を採用できる。調整手段の構成は任意に選択でき、例えば試料セルないしその内面の形状を変化させることで赤外光の実効光路長を調整することもできる。

以上説明したように、本発明の赤外ガス分析計によれば、検出器が赤外線光源の光軸上から外れた位置に配置されているので、取り扱いが容易で、多様なアプリケーションに対応できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、赤外線光源から試料セル内に照射された赤外光の吸収量を、赤外光を受ける検出器で検出することにより、試料セル内の試料ガスのガス濃度を分析する赤外ガス分析計に対し、広く適用することができる。

本発明による赤外ガス分析計の一実施形態の構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＩｂ−Ｉｂ線断面図。 本発明による赤外ガス分析計の別実施形態の構成を示す断面図。 本発明による赤外ガス分析計における光学部品の具体的な配置方法の例を示す平面図。

符号の説明

１ 試料セル（反射手段）
２ 赤外線光源
３，３´ 検出器
７ 反射板（反射手段）
８ アクチュエータ（調整手段）

Claims (8)

1. 赤外線光源から試料セル内に照射された赤外光の吸収量を、前記赤外光を受ける検出器で検出することにより、前記試料セル内の試料ガスのガス濃度を分析する赤外ガス分析計において、
   前記検出器が前記赤外線光源の光軸上から外れた位置に配置されていることを特徴とする赤外ガス分析計。
2. 前記赤外光を前記試料セル内で反射させることにより、前記赤外光の前記試料セル内における実効光路長を前記赤外線光源から前記検出器までの直線距離よりも長くする反射手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の赤外ガス分析計。
3. 前記反射手段により得られる前記実効光路長を調整する調整手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の赤外ガス分析計。
4. 前記試料セルの内壁面を前記反射手段として使用することを特徴とする請求項２または３に記載の赤外ガス分析計。
5. 前記検出器として、検出対象ガスが互いに異なる複数の検出器が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外ガス分析計。
6. 前記試料セルには、前記赤外線光源または前記検出器を取り付ける取り付け部が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の赤外ガス分析計。
7. 前記試料セルは、その内部が開放可能とされていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外ガス分析計。
8. 前記赤外線光源または前記検出器はＭＥＭＳ部品として構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の赤外ガス分析計。

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