JPH05203573A

JPH05203573A - 赤外線ガス分析計

Info

Publication number: JPH05203573A
Application number: JP3725892A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Yanagihara; 茂柳原
Original assignee: Tsukasa Sokken KK
Current assignee: Tsukasa Sokken KK
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1993-08-10

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は単成分または複数成分の測定におい
て対象成分以外の影響を減少し、または赤外線検出器や
それに関係する増幅器等の個数を可能な限り少なくし
て、しかも高速応答の測定ができる方式を構成すること
を目的としている。【構成】本発明による赤外線ガス分析計では、光源か
ら試料セルに至る光路においてバンドパスフィルタを作
用させて、特定な比較的狭い波長領域の赤外線だけを試
料セルに通過させて、しかもバンドパスフィルタを回転
体に配置させて、光束のチョッパ作用を同時に行う装置
を構成している。更に赤外線検出器に高感度でしかも応
答特性の早いものを用い、チョッパの速度を上げること
をも同時に可能とした。そして複数成分に対しても同一
検出器で測定できるような構成となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は大気中や燃焼排ガス中
のガス成分濃度を測定する環境技術や呼吸気の測定等医
療工学及び生物工学の分野で使用可能な赤外線ガス分析
計に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の赤外線ガス分析計は一般に非分
散赤外ガス分析計ＮＤＩＲと呼ばれるもので、光源、試
料セル、赤外線検出器とバンドパスフィルタ及びチョッ
パの組合せで光学的な測定系が構成されている。

【０００３】従来の赤外線ガス分析計ではチョッパに種
々な形状、例えば１回転に１周期の光の断続をするもの
や複数周期の光の断続をするもの、更に光路の光束の時
間的変化をその形状によって適切に選定するものなどが
あるが、回転するチョッパは光の断続だけに利用されて
きた。また、バンドパスフィルタを用いる場合は赤外線
検出器の直前、すなわち、試料セルを通過した赤外線の
うちの特定な波長領域の赤外線を検出するように構成さ
れていた。

【０００４】図４に従来の赤外線ガス分析計の代表的な
構成を例示する。図４に示す赤外線分析計１００は赤外
線源１０１、反射鏡１０２、赤外線レンズ１０３、サン
プルセル１０４、チョッパホイ―ル１０５、赤外線セン
サ１０６及びＣＤモ―タ１０７を備え、赤外線源１０１
からの赤外線をサンプルセル１０４内のサンプルガスに
照射し、透過光をチョッパホイ―ル１０５でチョッピン
グして赤外線センサ１０６で検出するように構成されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のＮＤＩＲの構成
では光源の赤外線の波長領域の広い範囲に亘って試料ガ
スの各成分が赤外線を吸収する。このために試料ガスは
熱的に励起され、特に吸収能の大きいガス成分を含む場
合には吸収と放射を同時に生じて、吸光度で測定を行う
方式のガス分析計では、干渉と類似な他の成分の影響や
測定成分自体の濃度影響が非線型に現れる問題があっ
た。また、複数の成分の測定には複数の赤外線検出器を
必要として、増幅器やデ―タ処理装置も複雑になる問題
があった。

【０００６】従来の赤外線ガス分析計の問題点を解決す
るために、本発明は単成分または複数成分の測定におい
て対象成分以外の影響を減少し、または赤外線検出器や
それに関係する増幅器等の個数を可能な限り少なくし
て、しかも高速応答の測定ができる方式を構成すること
を目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の赤外線ガス分析計は、赤外光源と赤外線
検出器との間に試料セルを置いて、試料による赤外領域
の吸光度によってガス成分と濃度を測定する赤外ガス分
析計において、光源と試料セルの間に多層膜バンドパス
フィルタが位置し、このフィルタを参照光用フィルタを
含めて複数個回転体上に配置して、光源からの赤外光を
フィルタを含めた回転体によって、特定な波長域の赤外
光を断続的に試料セルに通過させて、試料により一部吸
光された赤外線を検出器により受光して、参照光と測定
バンドの光との差異を基準としてガス成分と濃度を測定
する事を特徴としている。

【０００８】

【作用】本発明による赤外線ガス分析計では、光源から
試料セルに至る光路においてバンドパスフィルタを作用
させて、特定な比較的狭い波長領域の赤外線だけを試料
セルに通過させて、しかもバンドパスフィルタを回転体
に配置させて、光束のチョッパ作用を同時に行う。更に
赤外線検出器に高感度でしかも応答特性の早いものを用
い、チョッパの速度を上げることをも同時に可能とし
た。これによって高速応答を可能にする。そして複数成
分に対しても同一検出器で測定できる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１，図２，図３を
参照して説明する。図１は本発明の一実施例を示す赤外
線ガス分析装置の構造図である。光源１１から発せられ
た波長２〜１０μｍの連続スペクトルを持つ赤外線は反
射鏡面１２と集光レンズ１３によって光束１４としてバ
ンドパスフィルタ１５，１６にほぼ直角に照射される。
バンドパスフィルタ１５，１６は軸受２３で支承されて
いる回転軸２２を中心に回転する円板２５に設けられた
複数個の窓に装着されて、特定の波長バンドの赤外線だ
けを選択的に通過させる。回転軸２２は軸取付部２６に
取付けられている。円板２５には精密に製作された遮光
マスク１９が取付けられていて、光束１４はバンドパス
フィルタ１５，１６と遮光マスク１９により特定な波長
バンドの赤外線を時間的に特定な波形変化で通過できる
ようになっている。光束１４とほぼ同軸に試料セル３１
が配置されて、内部に試料室３２を形成し、試料室３２
の前後に赤外線透過窓３５，３６が置かれてバンドパス
フィルタ１５と遮光マスク１９を通過した赤外線が、試
料室３２内の試料ガス３０によって吸収され、減衰して
赤外線検出器４３に達するように構成されている。赤外
線検出器４３はケ―ス４２と検出器窓４５を備えてお
り、入射赤外線のエネルギ―とその波長領域によって、
電極端子４６，４７の間の電流または電圧として出力を
得ることができる。

【００１０】試料セル３１にはガスの流入、流出のため
の通路３７，３８が設けられ、測定対象の試料ガス３０
は通路３７から試料室３２を経由して通路３８から流出
できる。回転する円板２５の窓に設けられたバンドパス
フィルタ１５，１６としてある特定な成分用と参照光用
とを図２（ａ）のように交互に配置して測定した場合に
は、図３（ａ）のような出力信号が検出器から得られ
る。また、図２（ｂ）の場合の例は参照光用のバンドパ
スフィルタ１５と、数種類の成分用バンドパスフィルタ
１６，１７，１８が順次装着されている。更に図２
（ｃ）の例は１つの回転円板２５に対して２組の光学系
を利用するもので、試料室３２，３２′と赤外線検出器
４３，４３′を２組としている。図３（ｂ），（ｃ）は
図２（ｂ），（ｃ）に対応した検出器の信号出力であ
る。

【００１１】図２の回転円板２５に設けられた複数のタ
イミング信号用光透過孔５１とタイミング用光透過孔５
２は、検出器の信号出力のデ―タ処理に利用するもの
で、図示していないフォトカプラやフォトインタラプ
タ、或いはＬＥＤとフォトＩＣを適当な位置に配置して
タイミング信号を得るものである。図３（ａ），（ｂ）
にはこのタイミング信号も示してある。

【００１２】赤外線検出器３２，３２′の信号出力は、
普通には適当に増幅され、高速なＡ／Ｄ変換器によって
デ―タ処理し易い信号とし、計算器により処理すること
ができる。例えば図３（ｂ）図示のものの場合には、参
照用信号Ｒと成分Ｓ₁ に相当する信号Ｓ₁ 、成分Ｓ₂ に
相当する信号Ｓ₂ があって、１回転に１度の信号パルス
Ｚによってリセットされて、最初に入るｙ信号パルスを
基準としてその時点のｘ信号の１０〜５０μｓの値をベ
―スとし、次の例えば１００μｓごとのｘ信号をＡ／Ｄ
変換して１０〜２０信号程度を集積する。

【００１３】この集積値をＲとし次のｙ信号からも同様
にこれをタイミング信号としてｘ信号を処理して集積値
をＳ₁ とする。更に次のｙ信号からのｘ信号を同様に処
理してＳ₂ を得る。Ｓ／Ｒを求め得るような計算処理を
して、それぞれの成分の測定値を求める。そして、例え
ば一般的に０（ゼロ）ガスと呼ばれる測定成分を含まな
い試料ガスの場合のｘ₀ と、既知の濃度の測定成分を含
む校正用ガスと呼ばれる試料ガスの場合のｘ_c との関係
から、測定濃度を求めることができる。すなわち、ｘ₀
の場合のＳ₁₀／Ｒと，ｘ_c の場合のＳ_1c／Ｒを基準に、
測定濃度の場合のＳ₁ ／Ｒの値が求められる。濃度αと
そのガス成分による赤外線の吸収を示す（Ｓ₁₀／Ｒ−Ｓ
₁ ／Ｒ）の関係は必ずしも線形とはいえないので、普通
には数種類濃度の既知なガスによって校正関係を定めて
おく。この関係を利用して（Ｓ₁／Ｒ）から濃度αを求
めることができる。

【００１４】このような赤外線検出器の信号出力の方法
は、デジタル方式だけでなくアナログ的な計算処理も可
能である。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、赤外線領域に吸収能を
有する各種の成分を含む試料に対して、１組或いは少数
組の光学系によって、多成分の測定ガス濃度を非常に早
い応答速度で正確に測定することができる。しかも測定
ガスに対してバンドパスフィルタを通過した特定な狭い
波長域の赤外線だけを照射してその一部を吸収させる構
造であって、吸収能の大きい成分などの他のガスの干渉
を抑制することができる。

【００１６】この方式の赤外線ガス分析計によれば、例
えば呼気中のＣＯ₂ 濃度など単成分測定において、１０
ｍｓ以内での応答が可能である。また自動車排ガス等で
３成分を同時に測定する場合でも、１検出器によって２
０ｍｓ以内の応答速度で、他成分の干渉がなく測定する
ことができる。

【００１７】このように、早い応答速度で、少数の光学
系や検出装置によって多数の成分や試料について測定で
きるだけでなく、試料ガスに対する赤外線照射はバンド
幅を小さくして全エネルギ―を小さくできるので、吸収
／放射の相互干渉などを生じないで測定することが可能
である。

【００１８】一方、実施例では試料ガスをセル内に導入
して測定する場合を示したが、試料セルとして直接的に
ガス通路に赤外線用の窓等を設けて測定することも可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】赤外線ガス分析計の構成説明図である。

【図２】回転円板の正面説明図である。

【図３】赤外線検出器の出力波形を示すグラフである。

【図４】従来の赤外線分析計を示す構成説明図である。

【符号の説明】

１１光源１２反射鏡面１３集光レンズ１４光束１５バンドパスフィルタ１６バンドパスフィルタ１７バンドパスフィルタ１８バンドパスフィルタ１９遮光マスク２２回転軸２３軸受２５円板２６軸取付部３０試料ガス３１試料セル３２，３２′ 試料室３５，３６赤外線透過窓３７通路３８通路４２ケ―ス４３，４３′ 赤外線検出器４５検出器窓４６電極端子４７電極端子５１タイミング信号用光透過孔５２タイミング信号用光透過孔１００赤外線分析計１０１赤外線源１０２反射鏡１０３赤外線レンズ１０４サンプルセル１０５チョッパホイ―ル１０６赤外線センサ１０７ＣＤモ―タ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】赤外光源と赤外線検出器との間に試料セ
ルを置いて、試料による赤外領域の吸光度によってガス
成分と濃度を測定する赤外ガス分析計において、光源と
試料セルの間に多層膜バンドパスフィルタが位置し、こ
のフィルタを参照光用フィルタを含めて複数個回転体上
に配置して、光源からの赤外光をフィルタを含めた回転
体によって、特定な波長域の赤外光を断続的に試料セル
に通過させて、試料により一部吸光された赤外線を検出
器により受光して、参照光と測定バンドの光との差異を
基準としてガス成分と濃度を測定する赤外線ガス分析
計。
【請求項２】請求項１記載のガス分析計において、回
転体に配置する多層膜バンドパスフィルタを参照光用と
単一成分用の２種類、または複数成分用の３種類以上と
して、単一成分または複数成分を同一装置によって各々
のガス成分と濃度を測定する赤外線ガス分析計。
【請求項３】請求項１及び２記載のガス分析計におい
て、同一の回転体と多層膜バンドパスフィルタの組合に
対して、複数個の赤外線光路を設け、複数個の試料セル
と複数個の赤外線検出器によって、多種類の試料または
多種類の測定レンジについて、単一成分または複数成分
を同時に同一装置によって測定する赤外線ガス分析計。