JPH03140843A - ガス状混合物の濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明はガス状混合物の濃度測定装置に関し、特に、
大気中に放出されるガス状混合物内の有毒な成分の存在
を検査することに適用されるガス状混合物の濃度測定装
置に関する。

「従来の技術」 ガス状混合物、例えば、材料の再加工から生じるガス状
混合物は、大気中に放出される。このため、当該ガス状
混合物内にたとえ非常に低い濃度でも有毒な成分が含ま
れていないことを確実にする必要がある。極めて感度の
高い濃度測定装置は、ある濃度のしきい値、このしきい
値は、安全性の理由から非常に低いレベルに設定されて
いるが、を越えたどんなものをも検出することを可能に
しなければならない。

第１図は従来のガス状混合物の濃度測定装置の構成例を
示す概略図であり、この図において、ガス状混合物は、
図中矢印で示す方向へメインタクト１０内を流れる。ガ
ス状混合物の一部は、吸」−げポンプ１２の作用を受け
て、測定セル１４を有するバイパス空気回路内へ吸い」
二げられる。ガス状混合物の流量および圧力は、測定セ
ル１４の入口に設けられた流量計２２および圧力計２４
によって測定される。

所定のレーザ１６から放出された光ビームは、完全に測
定セル１４を通過する。光ビームの波長は、好ましくは
、検査すべき成分を励起するような方法で選択される。

この光ビームは、光変調器あるいはチョッパ２６、これ
らは同期検出を許すが、によって変調される。

側面の遮蔽ウィンド１８を通過１て測定セル１４の外側
へ放出された蛍光は、励起ビームから拡散された光を除
去するためのフィルタ２０によってフィルタされる。

３ １ｍ［３０によって電源が供給されるフォトマルチプラ
イヤ２８は、蛍光を収集し、検出された光強度に比例し
た電気信号を出力する。

公知の濃度であり、かつ、検査すべき成分を含んだガス
状混合物が満たされた第２の測定セル３４は、測定セル
１４から到達した励起光ビームの通路上に設けられてい
る。システム３５は、圧力計２４に従属しており、第２
の測定セル３４内の圧力を測定セル１４内の圧力に等し
くすることを可能にする。

励起ビームは、第２の測定セル３４内に吸収され、検査
すべき成分と同一の成分の一部における蛍光放出を引き
起こす。側面の遮蔽ウィンド３３を経て第２の測定セル
３４の外側に放出された蛍光は、励起ビームの拡散から
寄生的な光を除去するためのフィルタ３６によってフィ
ルタされた後、電源３０によって電源が供給されるフォ
トマルチプライヤ３８によって収集される。フォトマル
チプライヤ３８は、検出された光強度に比例した電気信
号を出力する。

２つのフォトマルチプライヤ２８および３８から出力さ
れた電気信号は、処理手段３２の２つの入力に供給され
る。公知の濃度を有する成分の蛍光強度の測定は、検査
すべき成分によって放出された光強度に基づいて検査す
べき成分の濃度を推論することを可能にする。第２の測
定セル３４に基づいて実行された測定は、測定装置の較
正を構成する。

［発明が解決しようとする課題」 ところで、上述した従来のガス状混合物の濃度測定装置
においては、以下に示す多数の欠点がある。

まず、その感度は、工業媒体内の１０１２分子／ｃｍ’
以下の濃度を測定することを可能としない。

そして、この感度は、大いに有毒な複数の成分を検査す
ることを必要とする場合に適していないし、なおかつ、
これら複数の成分は、極めて低い放出基準を受けている
。

不適切な感度は、長い反応時間を導く。検出された信号
がもし非常に弱ければ、濃度の測定は、連続した測定を
平均して得られる。これらの測定の回数は、信号の弱さ
に応じて増加し、信号が雑音にうもれたときに増加する
。測定中に、成分の濃度は、意味ありげに変わりつる。

そして、そのことは、測定結果を曲げてしまう。

較正を効果的に実行するために、２つのフォトマルチプ
ライヤ２８および３８は、同一の特性を有していなけれ
ばならない。そのことは、制御の複雑化および較正の困
難さを導く。

この従来の濃度測定装置は、ガス状混合物を多分構成す
る他の複数の成分から放出される寄生的な蛍光を区別す
ることを可能としない。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、上述
した欠点を除去することができるガス状混合物の濃度測
定装置を提供することを目的としている。

「課題を解決するための手段」 請求項１記載の発明は、吸上げポンプを有し、その入口
と出口とがメインダクトに接続された空気サンプリング
回路と、公知の流量および圧力でガス状混合物を循環さ
せることに適した測定セルと、吸上げポンプとををし、
一端が前記空気サンプリング回路に接続され、他端が前
記メインタクトに接続され、前記ガス状混合物が前記、
空気サンプリング回路によって吸い上げられて前記メイ
ンダクトへ放出される空気測定回路と、公知でランダム
に可変できる濃度で検査すべき成分を含んだガス状較正
混合物を供給するガス状較正混合物供給手段を有し、前
記メインダクトから前記空気サンプリング回路を分離で
きるバイパスによって前記空気サンプリング回路に接続
され、前記ガス状較正混合物が前記空気測定回路へ流れ
る空気較正回路と、前記測定セル内部で前記成分の蛍光
を誘発させる蛍光誘発手段と、前記蛍光の光強度を測定
して前記蛍光の光強度に応じた電気信号を出力する光強
度測定手段と、前記ガス状較正混合物が前記空気測定回
路内を流れる時に行われる較正測定に基づいて前記メイ
ンダクト内を流れる前記混合物に含まれている前記成分
の濃度を測定するために、前記光強度測手段の出力にそ
の入力が接続され、前記電気信号を処理する処理手段と
を具備することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明にお
いて、前記空気サンプリング回路は、熱分解器を具備す
ることを特徴としている。

さらに、請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明に
おいて、前記ガス状較正混合物供給手段は、極低温交換
器を具備することを特徴としている。

加えて、請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明に
おいて、既に前記空気測定セルを縦に通過した光ビーム
が前記測定セルに戻ることを防ぐ光トラップを具備する
ことを特徴としている。

「作用」 請求項１記載の発明によれば、上述した較正測定は、検
査すべき成分と同一であるが、ガス状較正混合物内に公
知の濃度で含まれた成分によって放出される蛍光に基づ
いて行われる。

また、較正測定および検査すべき成分の濃度測定は、異
なった時間であるが、同じ測定システムを用いて行われ
る。

さらに、較正と測定とは、同じ道具を用いて行われる。

このことは、測定の妥当性を立証し、測定の精度を向」
二させることを可能にする。

加えて、正常な操作から「較正」モードへ推移するため
に、メインダクトから放出されるガス状混合物の到達を
妨げることと、空気測定回路の中へ公知の構成の較正混
合物を送ることとが必要である。

また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発
明において、もし望むならば、ガス状混合物内に存在し
、検査すべき成分を含んでいる各成分を分離することは
可能である。熱分解器がなければ、混合物に存在する検
査すべき成分の量は、測定によってカバーされないであ
ろう。

「実施例」 以下、図面を参照してこの発明の一実施例について説明
する。第２図はこの発明の一実施例によるガス状混合物
の濃度測定装置の構成を示す概略図であり、この図にお
いて、検査すべき成分を含んでいるガス状混合物は、図
中矢印で概略的に示すように、メインダクト１０内を流
れている。空気サンプリング回路は、メインダクト１０
に平行に接続されている。吸上げポンプ４０は、大気圧
でｉｌｌ／ｍｍの体積流量で空気サンプリング回路内へ
ガス状混合物の一部を流入させている。

空気サンプリング回路の入口に吹けられたバルブ４２は
、空気サンプリング回路の分離あるいは空気サンプリン
グ回路に流れ込むガス状混合物の圧力の調整を行う。圧
力および流量は、圧力計４６および流量計４４の助けを
かりて制御される。

また、空気サンプリング回路は、例えば、石英の熱分解
器４８を有している。もし望むならば、ガス状混合物の
化合物であり、検査すべき成分を含んでいる化合物を分
離することは可能である。

空気サンプリング回路の配管および様々な構成要素は、
検査すべき有毒な成分と化学的な親和力を有しない材料
から作られている。このため、空気サンプリング回路内
に上述した成分が堆積しない。吸上げポンプ４０および
分離バルブ４２はもちろん配管は、例えば、テフロン（
商品名）から作られている。熱分解器４８は、例えば、
石英から作られている。流量計４４は、例えば、ガラス
およびテフロン（商品名）から作られている。

空気測定回路は、一端が空気サンプリング回路に接続さ
れ、他端が空気サンプリング回路の出口の下流のメイン
ダクトＩＯに接続されている。この空気測定回路は、流
量計５０と、バルブ５２と、圧力計５４と、測定セル５
６と、吸上げポンプ５９とから構成されている。望まし
くは、測定セル５６内の圧力は、１００Ｐａ以下にする
。その圧力は、蛍光の励起が最も可能な条件の下で生じ
るように調整されなければならない。

吸上げポンプ５９のパワーは、１００　ｃ　ｃ　／　ｍ
ｍの体積流量でほぼＱ、１ｍｂａｒの測定セル５６内の
圧力を得ることに適していることが望ましい。

空気サンプリング回路内において循環しているガス状混
合物の一部は、吸上げポンプ５９の作用を受けて、空気
測定回路内に吸い上げされる。

１ ２ 流量計５０および圧力計５４は、測定セル５６内の流量
および圧力を制御するために用いられる。

測定セル５６内の圧力は、バルブ５２の助けをかりて調
整される。

測定セル５６は、光ビームが測定セル５６を通過した時
に測定セル５６内への寄生の反射を妨げるために、例え
ば、測定セル５６の縦軸に対してブリュスター角だけ傾
斜した２つのウィンド５８および６０を有している。測
定セル５６の側面には、測定セル５６内の検査すべき成
分から放射される蛍光を観測するための側面の婢蔽ウィ
ンドが設けられている。

上述の場合と同様に、空気測定回路を構成している材料
は、検査すべき成分と化学的な親和力を有しない。流量
計５０および圧力計５４は、空気サンプリング回路の流
量計４４および圧力計４６と同一である。バルブ５２は
、例えば、テフロン（商品名）から作られている。ウィ
ンド５８および６０並びに遮蔽ウィンド６２は、例えば
、石英から作られている。

例えば、色素レーザであるレーザ１６は、狭いスペクト
ル幅を有し、検査すべき成分を選択的に励起することが
できる光ビームを放出する。チョッパ２６は、光ビーム
を変調する。このチョッパは、蛍光の同期検出を可能に
する。

レンズ６４は、測定セル５６に向かって光ビームをガイ
ドする光ファイバ６６に光ビームをフォーカスする。光
フアイバ６６内の伝播の後、光ビームは、測定セル５６
内へレンズ６８によってフォーカスされ、ウィンド５８
を通過し、検査すべき成分を励起する。

光ビームの全体的な吸収はない。つまり、光ビームの吸
収は、はとんどの場合、たいしたことはない、というの
は、検査すべき成分は、それは、光ビームを吸収する唯
一の成分であるが、非常にわずかな濃度でしか存在しな
いからである。従って、光ビームは、測定セル５６を通
過した後、第２のウィンド６０を通過する。

光トラップ７０は、寄生の光反射を引き起こすような測
定セル５６内へ戻る光ビームを防ぐために、測定セル５
６を通過した光ビームを完全に吸収する。

光ビームによる励起の後、測定セル５６内で循環してい
るガス状混合物に含まれている検査すべき成分は、蛍光
を生成する。その蛍光の一部は、遮蔽ウィンド６２を経
て外部へ放出される。

遮蔽ウィンド６２の近傍に設けられたレンズ７２は、蛍
光を平行ビームにし、その平行ビームは、励起された光
ビームによって拡散された光のほとんど除去することを
可能にする干渉フィルタ７４を通過する。

レンズ７６は、フィルタされた光ビームを光ファイバ内
ヘフォーカスする。光ファイバは、望ましくはマルチチ
ャンネルの分光計によって構成された蛍光の光強度を測
定する光強度測定手段８０に向かってフィルタされた光
ビームをガイドする。

マルチチャンネルの分光計は、波長の関数として光ビー
ムを広げる分散的な素子を有している。広げられた光ビ
ームは、各フォトダイオードが狭い波長範囲に対応する
フォトダイオードアレイによって検出される。

これにより、マルチチャンネルの分光計は、各波長範囲
に対応する光強度に比例した電気信号を同時に出力する
。

検査すべき成分の蛍光の波長は知られているため、他の
波長の寄生の光、励起された光ビームの拡散から部分的
に残された光およびガス状混合物内に存在する他の成分
によって励糾された寄生の蛍光を（注目している信号を
単に取り出すことにより電気的に）フィルタすること昧
結果的に可能である。

検査すべき成分の蛍光の光強度に対応した電気信号は、
マイクロオンピユータ等の処理手段８２の入力に供給さ
れる。処理手段８？！は、測定された光強度およびメモ
リに記憶された較正曲線に基づいて検査すべき成分の濃
度を測定する。

後述するように、較正は、上述した空気測定回路を経て
実行される。この較正は、この濃度測定装置へのガス状
混合物の投入の最初に実行され、その後時々縁り返され
る。また、この濃度測定装置５ ６ 置は、検査すべき成分の濃度が予め設定されたしきい値
を越えた時、処理手段８２によって自動的に初期化され
る。この場合および時間を得るために、完全な較正を繰
り返すことなく、単に一つの特別な操作ポイントを制御
することは可能である。

こうして、測定の信頼度は、「測定」モードから「較正
」モードへの移行は、あとでわかるように、簡単で高速
であるので、事実上即座に制御される。

較正は、公知の濃度および測定された実際の圧力を有す
るガス状較正混合物に含まれ、かつ、検査すべき成分と
同一の成分によって放出された蛍光の光強度を測定する
ことからなっている。様々な測定は、これらの異なった
パラメータを変更することにより実行され、較正曲線（
′！、マイクロコンピュータ内のメモリに記憶される。

２つの曲線の間の中間値は、推定される。

較正測定を実行するために、空気サンプリング回路は、
メインダクト１０から分離され、バイパスによって空気
較正回路に接続される。空気較正回路は、例えば、テフ
ロン（商品名）からなる３つのバルブ４２．８６および
８８を具備し、この空気較正回路に接続された処理手段
β２によって手動あるいは自動で制御される。分離バル
ブ４２は、メインダクト１０がら空気サンプリング回路
の取り入れ口を分離することを可能にする。

空気較正回路は、公知の濃度であり、かつその濃度がラ
ンダムに変更できる上述した成分を含んだガス状較正混
合物を供給する手段を有している。

第２図に具体的に示すように、上述した手段は、極低温
交換器９０から構成されている。

バルブ４２が空気サンプリング回路をメインダクト１０
から分離した時、バルブ８６は開かれ、ガス状混合物、
例えば、貯蔵器に圧縮されて入れられた大気、アルゴン
あるいは窒素から選ばれたものが放出される。放出され
たガスは、密封されたコンテナ内に含まれている低温流
体９６に浸されたダクト９４内を循環する。密封された
コンテナ内において、低温流体９６の温度は、低温流体
９６に浸され、処理手段８２によって制御される電源１
００に接続されたサーミスタ９８の温度によって測定さ
れる。低温流体９６の温度は、−１００〜＋１０°Ｃの
量変化する。

コンテナ内において、ダクト９４は、検査すべき成分と
同一の成分の結晶１０２を含んだ螺旋状の部分を有して
いる。結晶の蒸気張力は公知であり、従って、低温流体
９６の温度を簡単に変更することによってダクト９６内
を流れているガス状混合物内のガス状成分の濃度をラン
ダムにかつ既知の方法で変更することは可能である。

ダクト９４は、空気サンプリング回路に接続されており
、バルブ４２が閉じられ、バルブ８６および８８が開か
れた時、公知の成分および濃度を有するガス状較正混合
物は、空気サンプリング回路および空気測定回路内に流
される。

これにより、較正曲線は、濃度を測定する装置として用
いられる同じ測定装置の助けをかりて異なった濃度で得
られる。このことは、どんなセツティングの困難性およ
び不正確さをも除去する。

「測定」モードへ戻ることは、バルブ８６および８８を
閉め、バルブ４２を開けることによってなされる。

この発明による濃度測定装置は、高い感度を有し、極め
て低い濃度を測定することを可能にする。

あるしきい値を越えたことを自動的に確認する測定は、
信頼でき、アラームデバイスをトリガすることを可能に
する。また、熱分解器は、一つノ化合物に正常に含まれ
ており、かつ、検査すべき成分の濃度を測定することも
可能にする。上述した測定は、通常実行されない。

尚、この発明は、上述した具体例に限定されないことお
よびそのすべての変形例をカバーしていないことは明ら
かである。

［発明の効果ｊ 以上説明したように、この発明によれば、濃度測定と較
正とを異なる時間に同一の測定セルを用いて実行するこ
とができるという効果がある。

また、較正は、規則的な間隔て実行することができる。

しかし、加えて、「測定」モードから「較正」モードへ
の急速で簡単な推移の結果として、ある濃度でしきい値
が越えることがありうる。

９ ０ このため、測定装置の操作は制御され、信頼できる測定
は、任意にアラームを発することを許す。

この発明による濃度測定装置の感度は、非常に低い濃度
で放出される成分を検査することを可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のガス状混合物の濃度測定装置の構成例を
示す概略図、第２図はこの発明の一実施例によるガス状
混合物の濃度測定装置の構成を示す概略図である。 度測定手段、８２・・・・処理手段、９０・・・・・・
コンテナ、９２・・・・・貯蔵器、９４・・・・・ダク
ト、９６・低温Ｘｔ体、９８　・・サーミスタ、１００
・　・電源、１０２・・結晶。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）吸上げポンプ（４０）を有し、その入口と出口と
   がメインダクト（１０）に接続された空気サンプリング
   回路と、 公知の流量および圧力でガス状混合物を循環させること
   に適した測定セル（５６）と、吸上げポンプ（５９）と
   を有し、一端が前記空気サンプリング回路に接続され、
   他端が前記メインダクト（１０）に接続され、前記ガス
   状混合物が前記空気サンプリング回路によって吸い上げ
   られて前記メインダクト（１０）へ放出される空気測定
   回路と、公知でランダムに可変できる濃度で検査すべき
   成分を含んだガス状較正混合物を供給するガス状較正混
   合物供給手段（９０）を有し、前記メインダクト（１０
   ）から前記空気サンプリング回路を分離できるバイパス
   によって前記空気サンプリング回路に接続され、前記ガ
   ス状較正混合物が前記空気測定回路へ流れる空気較正回
   路と、 前記測定セル（５６）内部で前記成分の蛍光を誘発させ
   る蛍光誘発手段と、 前記蛍光の光強度を測定して前記蛍光の光強度に応じた
   電気信号を出力する光強度測定手段（８０）と、 前記ガス状較正混合物が前記空気測定回路内を流れる時
   に行われる較正測定に基づいて前記メインダクト（１０
   ）内を流れる前記混合物に含まれている前記成分の濃度
   を測定するために、前記光強度測手段（８０）の出力に
   その入力が接続され、前記電気信号を処理する処理手段
   （８２）と を具備することを特徴とするガス状混合物の濃度測定装
   置。
2. （２）前記空気サンプリング回路は、熱分解器（４８）
   を具備することを特徴とする請求項１記載のガス状混合
   物の濃度測定装置。
3. （３）前記ガス状較正混合物供給手段（９０）は、極低
   温交換器を具備することを特徴とする請求項１記載のガ
   ス状混合物の濃度測定装置。
4. （４）既に前記空気測定セル（５６）を縦に通過した光
   ビームが前記測定セル（５６）に戻ることを防ぐ光トラ
   ップ（７０）を具備することを特徴とする請求項１記載
   のガス状混合物の濃度測定装置。