JPH0619083Y2 - ガス分析装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、一定周期でチョッピングされた測定用光を検
出する量子型検出器を備えている、例えば非分散型赤外
線検出式のガス分析装置の改良に関する。

〔従来の技術〕

第１０図は、この種のガス分析装置における検出部の一
例を示し、１は測定用光としての赤外線を照射する光
源、２は試料ガスが導入される試料セル、３は前記測定
用光を一定周期で機械的にチョッピングするチョッパー
（羽根体３Ａとそれを回転させるモーター３Ｂとから成
る）であり、また、４Ｒは試料ガス中の測定対象成分の
吸収波長領域をカットする比較用光学フィルター、４Ｓ
は試料ガス中の測定対象成分の吸収波長領域を通過させ
る測定用光学フィルター、５Ｒは比較用検出器、５Ｓは
測定用検出器であり、それら両検出器５Ｒ，５Ｓとして
は、共に、測定用光の変化に対して非常に高速に応答す
るＰｂＳｅ，ＰｂＳ，フォトダイオードなどの量子型検
出器が用いられている。従って、前記比較用検出器５Ｒ
からは、試料ガス中の測定対象成分による吸収を受けな
い一定の光に対応した比較用検出信号Ｒが出力され、一
方、前記測定用検出器５Ｓからは、試料ガス中の測定対
象成分による吸収を受けてその濃度変化に応じた光に対
応する測定用信号が出力され、それら両検出器５Ｒ，５
Ｓからの検出信号Ｒ，Ｓの差（Ｒ−Ｓ）をとることによ
り、試料ガス中の測定対象成分の濃度を測定することが
できる。

ところが、ただ単に両検出器５Ｒ，５Ｓからの検出信号
Ｒ，Ｓの差（Ｒ−Ｓ）をとるだけでは、試料ガス中の測
定対象成分による光吸収は非常に小さいものであるた
め、前記チョッパー３における羽根体３Ａのガタツキや
その開口部形状のアンバランス、あるいは、モーター３
Ｂの回転ムラなどに起因するノイズ（チョッパーノイ
ズ：第１１図に模式的に示している）による測定誤差
が、相対的に極めて大きなものとなる。

そこで、従来から、前記両検出器５Ｒ，５Ｓからの検出
信号Ｒ，Ｓに対する信号処理部として、第１２図のブロ
ック回路図に示すような構成のものが用いられていた。

即ち、この第１２図において、６Ｒ，６Ｓは夫々前記両
検出器５Ｒ，５Ｓに対するプリアンプであり、７はそれ
ら両プリアンプ６Ｒ，６Ｓからの出力信号の差をとる引
算回路であり、そして、前記引算回路７の後段には、そ
の引算回路７の出力信号から前記チョッパー３によるチ
ョッピング周波数の信号のみを分離すると共に交流増幅
して取り出す（通過させる）ためのバンドパスアンプ８
と、そのバンドパスアンプ８からの出力信号を前記チョ
ッパー３によるチョッピング動作に同期して直流に変換
する同期整流回路９と、その同期整流回路９からの出力
信号を平滑化すると共に高周波ノイズを除去するローパ
スフィルター１０とを設けることにより、前述したよう
なチョッパーノイズを可及的に除去して測定誤差の低減
を図るようにしていた。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記したような従来構成の信号処理手段
によって確実なチョッパーノイズ除去効果によるＳ／Ｎ
比の向上を図るためには、バンドパスアンプ８の透過帯
域周波数を十分に狭くするか、ローパスフィルター１０
の時定数を十分に大きくする必要があり、そのために、
応答速度が極めて遅くなってしまうという欠点があっ
た。

なお、このような欠点は、上記構成のガス分析装置に限
らず、第１３図に示すような構成のガス分析装置、つま
り、試料ガス中の測定対象成分による吸収を受けた測定
用光を検出するための検出器５およびそれに対するプリ
アンプ６のみを備え（測定用光の分離用光学フィルター
や比較用の検出器およびそれに対するプリアンプは備え
ていない）、前記検出器５から出力される測定用信号Ｓ
を前記プリアンプ６，バンドパスアンプ８，同期整流回
路９，ローパスフィルター１０で処理した後で、引算回
路１１によりその処理信号の電圧と一定電圧源Ｖの電圧
との差をとって、濃度信号を得る形式のガス分析装置に
おいても、同様に存在するものであることは明らかであ
ろう。

本考案は、かかる従来実情に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、従来のように応答速度を犠牲にするこ
と無く、チョッパーノイズを確実に除去してＳ／Ｎ比を
大幅に改善することができる信号処理手段を備えたガス
分析装置を提供せんとすることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本考案によるガス分析装置
は、後述する各種具体的実施例からより一層明らかとな
るように、 一定周期でチョッピングされた測定用光を検出する量子
型検出器を備えているガス分析装置において、前記検出
器からの出力信号の安定領域に対応するタイミング信号
を生成する手段と、前記タイミング信号生成手段から出
力されるタイミング信号に応じて、前記検出器からの出
力信号の安定部分のみを通過させるスイッチング手段と
を設けてある、 という点に特徴がある。

〔作用〕

かかる特徴ある手段を採用したことにより発揮される作
用は下記の通りである。

即ち、上記本考案に係るガス分析装置は、第１図に模式
的に示しているように、先に説明したところの、前記チ
ョッパー３における羽根体３Ａのガタツキやその開口部
形状のアンバランス、あるいは、モーター３Ｂの回転ム
ラなどに起因するチョッパーノイズが、検出器からの出
力信号における立ち上がりおよび立ち下がりの急激な変
化部分付近（前記羽根体３Ａの開口部と非開口部の境界
部分に対応する部分：以下これを不安定部分と称する）
のみにおいて現れるものであり、このような不安定部分
以外の安定部分においては全く無関係である、というこ
とに着目してなされたものであり、更に換言すれば、従
来は検出器からの出力信号における所要の測定信号とチ
ョッパーノイズとの周波数領域の違いを利用してチョッ
パーノイズの除去を行っていたのに対して、本考案にお
いては、検出器からの出力信号における所要の測定信号
とチョッパーノイズとの時間領域の違いを利用して、ス
イッチングという極く簡素な手段を用いることにより、
所要の測定信号に対応する安定領域のみを抽出して信号
処理を行うようにしたから、全体として応答速度が極め
て速いものにできながら、チョッパーノイズを確実に除
去し得て、Ｓ／Ｎ比を大幅に向上させ得ると共に、従来
のようにバンドパスフィルターの如き調整が困難なデリ
ケートな回路を用いる必要も無くなり、また、チョッパ
ーにもそれほど高い製作精度や回転精度が要求されない
ので、安価なものを用いることができるようになった。

〔実施例〕

以下、本考案に係るガス分析装置の各種具体的な実施例
を図面（第２図ないし第９図）に基いて説明する。

第２図は第１実施例に係るガス分析装置の全体概略構成
を示し、その検出部は前記第１０図に示したものと同様
の構成を有しているので、その構成要素である光源１，
試料セル２，チョッパー３（羽根体３Ａおよびモーター
３Ｂ），比較用光学フィルター４Ｒ，測定用光学フィル
ター４Ｓ，比較用検出器５Ｒ，測定用検出器５Ｓ（共に
量子型）についての説明はここでは省略し、前記両検出
器５Ｒ，５Ｓより以降の信号処理部の構成について、第
３図の各部信号のタイミングチャート（ゼロガス測定時
とスパンガス測定時を示している）を参照しながら、詳
細に説明する。

即ち、前記第２図（第３図も併せて参照）において、６
Ｒ，６Ｓは夫々前記両検出器５Ｒ，５Ｓに対するプリア
ンプであり、７はそれら両プリアンプ６Ｒ，６Ｓからの
出力信号，の差信号を出力する引算回路であり、
そして、前記引算回路７の後段には、後で詳述するタイ
ミング信号生成手段１２から出力されるタイミング信号
（前記両プリアンプ６Ｒ，６Ｓからの出力信号，
ひいてはそれらの差信号の安定領域に対応する信号）
に応じて、前記引算回路７からの出力信号の安定部分
のみを信号として通過させるスイッチング手段１３
と、そのスイッチング手段１３からの出力信号を交流
増幅するアンプ１４と、そのアンプ１４からの出力信号
を前記チョッパー３によるチョッピング動作に同期して
直流信号に変換する同期整流回路９と、その同期整流
回路９からの出力信号を平滑化すると共に高周波ノイ
ズを除去して濃度信号を得るローパスフィルター１０
とを設けてある。

ところで、前記スイッチング手段１３を、前記タイミン
グ信号に応じてただ単にＯＮ／ＯＦＦ動作する単純な
スイッチで構成するのでは無く、タイミング信号に応
じて取り込んだ入力信号を次回のタイミング信号が与
えられるまで保持して出力するサンプルホールド回路で
構成すれば、第４図に示すタイミングチャートから明ら
かなように、前記同期整流回路９からの出力信号自体
が直流信号として得られることになるため、前記ローパ
スフィルター１０を不要にできるか、あるいは、その時
定数を非常に小さく設定できる（応答より一層速くでき
る）、という利点がある。

さて、前記タイミング信号を生成するためのタイミン
グ信号生成手段１２は、後で更に詳細に説明するが、前
記第２図において点線で示しているように、前記チョッ
パー３の羽根体３Ａの形状に工夫を加えると共に、その
羽根体３Ａにフォトインターラプター１５などの信号発
生器を付設するとか、あるいは、前記両プリアンプ６
Ｒ，６Ｓからの出力信号，の何れか一方の信号を利
用（処理）する回路構成を採用するなどの手段を用いて
構成される。

即ち、第５図は、前記チョッパー３を利用してタイミン
グ信号生成手段１２を構成する場合の一例を示し、チョ
ッパー３の羽根体３Ａに、検出器６Ｒ，６Ｓに対する本
来の開口部１６Ａ（１６Ｂ）以外に、その開口部１６Ａ
（１６Ｂ）の両端縁を除く中間部分に対応するタイミン
グ検出用スリット１７Ａ（１７Ｂ）を形成し、羽根体３
Ａの回転に伴ってそのスリット１７Ａ（１７Ｂ）部分が
通過したときに前記タイミング信号を発生するよう
に、フォトインターラプター１５を設けたものである。

また、第６図および第７図は、夫々、前記両プリアンプ
６Ｒ，６Ｓからの出力信号，の何れか一方の信号を
処理してタイミング信号を得る場合を示している。

このうち、第６図（イ），（ロ）は、所謂ＰＰＬ（フェ
ーズロックループ）回路を利用して構成されたタイミン
グ信号生成手段１２のブロック回路構成図、および、そ
の各部信号のタイミングチャートを示し、前記両プリア
ンプ６Ｒ，６Ｓからの出力信号，の何れか一方の入
力信号ａに対する波形成形器１９と、その波形成形器１
９からの出力信号ｂを受けて、その４倍の周波数信号ｃ
と２倍の周波数信号ｄと等倍の周波数信号ｅを生成する
ＰＰＬ回路（位相比較器２０，ローパスフィルター２
１，電圧制御型発振器２２，第１分周器２３，第２分周
器２４から成る）と、前記ＰＰＬ回路における４倍の周
波数信号ｃと２倍の周波数信号ｄとが不一致のときにＨ
ｉｇｈとなる信号（つまり、前記タイミング信号）を
出力するエクスクルーシブＯＲ回路２５とで構成されて
いる。

また、第７図（イ），（ロ）は、所謂ワンショットマル
チバイブレーターを利用して構成されたタイミング信号
生成手段１２のブロック回路構成図、および、その各部
信号のタイミングチャートを示し、前記両プリアンプ６
Ｒ，６Ｓからの出力信号，の何れか一方の入力信号
ａに対する波形成形器１９と、その波形成形器１９から
の出力信号ｂの立ち上がりおよび立ち下がりによって適
宜に設定された幅のパルス信号ｃ′を発生する第１ワン
ショットマルチバイブレーター２６と、そのパルス信号
ｃ′の立ち下がり（反転素子２７の出力信号の立ち上が
り）によって適宜に設定された幅のパルス信号−（つま
り、前記タイミング信号）を出力する第２ワンショッ
トマルチバイブレーター２８とで構成されている。

第８図は第２実施例に係るガス分析装置の全体概略構成
を示しており、その検出部および信号処理部の基本的構
成は前記第１３図に示したものと同様の構成を有し、そ
の信号処理部に対して、上記第１実施例のものと同様
に、タイミング信号生成手段１２，スイッチング手段１
３を設けたものである。その動作については、第９図に
示す各部信号のタイミングチャートから、また、前記第
１実施例における説明から類推して、明らかであろう。

〔考案の効果〕

以上詳述したところから明らかなように、本考案に係る
ガス分析装置によれば、検出器からの出力信号の安定領
域に対応するタイミング信号を生成する手段と、前記タ
イミング信号生成手段から出力されるタイミング信号に
応じて、前記検出器からの出力信号の安定部分のみを通
過させるスイッチング手段とを設けるという特異な手段
を採用することにより、従来は検出器からの出力信号に
おける所要の測定信号とチョッパーノイズとの周波数領
域の違いを利用してチョッパーノイズの除去を行ってい
たのに対して、本考案においては、検出器からの出力信
号における所要の測定信号とチョッパーノイズとの時間
領域の違いを利用して、スイッチングという極く簡素な
手段を用いることにより、所要の測定信号に対応する安
定領域のみを抽出して信号処理を行うようにしたから、
従来に比べて、回路構成の簡素化を図りながら、かつ、
応答速度を犠牲にすること無く、チョッパーノイズを確
実に除去し得て、Ｓ／Ｎ比を大幅に向上させ得る、とい
う優れた効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案の基本的概念および作用を説明するた
めの模式的信号図である。 また、第２図ないし第９図は、本考案に係るガス分析装
置の各種具体的実施例を示し、第２図は第１実施例の全
体概略構成図、第３図はその信号処理部における各部信
号のタイミングチャート、第４図はその変形例の場合に
おける要部信号のタイミングチャート、第５図（イ），
（ロ）は要部（チョッパー）の具体的構成例の概略正面
図および一部断面概略側面図、第６図（イ），（ロ）は
要部（タイミング信号生成手段）の一構成例のブロック
回路図およびその各部信号のタイミングチャート、第７
図（イ），（ロ）は要部（タイミング信号生成手段）の
別の構成例のブロック回路図およびその各部信号のタイ
ミングチャートであり、第８図は第２実施例の全体概略
構成図、第９図はその信号処理部における各部信号のタ
イミングチャートである。 そして、第１０図ないし第１３図は本考案の技術的背景
ならびに従来技術における問題点を説明するためのもの
であって、第１０図は一般的なガス分析装置の検出部の
一例を示す概略構成図、第１１図はその基本的問題点を
説明するための模式的信号図、第１２図は従来のガス分
析装置における信号処理部の一例を示すブロック回路構
成図、第１３図は従来のガス分析装置の別の一例を示す
全体概略構成図である。 ５（５Ｒ，５Ｓ）……量子型検出器、 １２……タイミング信号生成手段、 １３……スイッチング手段。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】一定周期でチョッピングされた測定用光を
   検出する量子型検出器を備えているガス分析装置におい
   て、 前記検出器からの出力信号の安定領域に対応するタイミ
   ング信号を生成する手段と、 前記タイミング信号生成手段から出力されるタイミング
   信号に応じて、前記検出器からの出力信号の安定部分の
   みを通過させるスイッチング手段と、 を設けてあることを特徴とするガス分析装置。