JPH0634536A - 赤外線ガス分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】赤外線ガス分析計の光量バランス調整を、分析
計のケースを開閉することなく、分析計の内部温度分布
を測定状態と同じ平衡状態で調整することにより、短時
間に安定な光量バランス調整を行う赤外線ガス分析計を
提供する。 【構成】赤外線ガス分析計の光量調整機構に、光量調整
機構を駆動する駆動機構と、分析計の検出器出力に基づ
き駆動機構を制御する駆動機構制御回路を備え、光量バ
ランス調整時にこの駆動機構を操作して、安定な光量バ
ランス調整を行う。また、駆動機構及び駆動機構制御回
路をサーボモーターとサーボアンプで構成し、分析計出
力を負帰還させて光量バランス調整時に自動平衡を行
う。さらに、データ伝送インタフェースを備えたもの
は、外部のパソコンなどを介して、伝送されたデータに
基づき駆動機構を制御し光量バランス調整を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料ガス中に含まれて
いる各種成分ガスのうち，測定対象ガスの成分を定量分
析する吸光式赤外線ガス分析計に関する。

【０００２】

【従来の技術】吸光式赤外線ガス分析計は、測定ガスの
固有吸収帯の波長を有する赤外線を利用し、測定ガスに
よる赤外線の吸収量からガス濃度を検知するものであ
る。従来より実施されているダブルビーム方式の吸光式
赤外線ガス分析計の構成、並びにその動作原理を図４に
より説明する。図において、１は赤外線光源、２は赤外
線光源１から出射した光束を一定周期で断続させる回転
式チョッパ、３は赤外線光源１からの出射光を二組の光
束に分岐する分配セル、４は試料ガスが導入される測定
セル、５は試料ガス中の測定対象ガスの赤外線吸収波長
に対して吸収特性を有しないガスで満たされた基準セ
ル、６は測定セル４と基準セル５を透過した赤外光束の
測定対象ガスの赤外線吸収波長帯における強度の差を検
出する検出器、８は測定セル４と基準セル５との間の光
量バランスをとる光量調整機構、である。検出器６は、
測定セル４と基準セル５の出射側に配置された一対の検
出槽６ａ，６ｂと、両槽間を接続する細いガス通路と、
このガス通路の中間部にマスフローセンサ７と、より構
成されている。マスフローセンサ７の出力は分析計増幅
器１３により増幅されて分析計出力として出力される。

【０００３】赤外線光源１は通常６００℃以上に加熱さ
れた表面から赤外線を放出するものである。放出された
赤外線はモーター９により、一定周期で回転するチョッ
パ２で断続光となった後、分配セル３で二組の光束に分
岐される。この分岐された光束は各々測定セル４および
基準セル５に入射する。測定セル中では、試料ガス中に
含まれる測定ガス成分により、各々固有の波長の赤外線
が、含有されているガス濃度に応じて吸収され、検出器
６に到達する。一方、基準セル５には測定対象ガスの赤
外線吸収波長に吸収帯を持たないガスが満たされている
ため、入射光は吸収されることなく、そのまま検出器６
に到達する。

【０００４】検出器６の検出槽６ａ，６ｂには、通常測
定しようとする成分ガスと同一のガスが封入されてい
る。検出器に到達した赤外線は、検出槽に封入されたガ
ス固有の波長の赤外線を吸収し、その吸収エネルギーに
より膨張し、圧力上昇を生ずる。今、測定セル４内に測
定しようとするガスがあると、吸収波長の赤外線がガス
濃度に応じて吸収され、測定セル側の検出槽６ａに到達
する赤外線光量は基準セル側のそれよりも少なくなる。
即ち、測定セル側の検出槽における赤外線吸収量は基準
セル側のそれよりも少なくなる。従って、検出槽内の圧
力は測定セル側が基準セル側よりも低くなり、この圧力
差によりガス通路に微小なガスの流れを生ずる。この流
れが一種の熱線風速計であるマスフローセンサ７によっ
て検出され、電気信号に変換される。

【０００５】なお、検出器に照射される赤外線はチョッ
パ２により断続されるため、遮光されている間は、検出
槽内での赤外線吸収がなく、従って、両槽間の圧力は平
衡状態に戻り、ガスの通路には、照射時とは逆方向にガ
スが流れる。このため、検出される信号はチョッパの回
転周期に同期した交流信号となり、この信号は分析計増
幅器１３の交流増幅器１３ａで交流増幅された後、同期
整流器１３ｂで整流され、平滑化され、直流増幅器１３
ｃで増幅されて所定の出力信号を発信する。検出器とし
ては、前記の方式の他に、両検出槽の圧力差をダイヤフ
ラム膜の変位として検出するコンデンサマイクロホン方
式のものもある。また、熱起電力や焦電効果を利用した
ソリッド形の検出器も使用される。

【０００６】図５、および図６は従来技術の光量調整機
構８の一例である。４は測定セル、５は基準セル、であ
り、図５（ａ）は図４の矢視ｃ−ｃ断面図を、図５
（ｂ）はその側面図を示す。図５（ａ）の８ｃが遮光板
であり、図示例では両セルにまたがっているが、片方の
セルの遮光でもよい。調整ネジ８ａを手動で回転させ、
これにより遮光板を移動調整させ、光量バランス取りが
行われる。遮光板８ｃはバネ８ｅにより支点８ｄを中心
として反時計方向に回転する力が加えられ、調整ネジ８
ａのネジ先端部に遮光板８ｃの上部が当接し、調整ネジ
８ａを回すことにより遮光板８ｃの位置調整が行える。
図６では、８ｃが遮光板であり、ネジ８ａを緩めて遮光
板の位置を左右に調整した後、ネジを締めて固定するも
のである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のダブルビーム方
式の赤外線ガス分析計では、基準となる基準セルと試料
ガスを流す測定セルを持ち、両セルを透過する赤外線の
うち、測定対象ガスの赤外線吸収波長の成分の光量差を
検知することによりガス濃度を測定している。このた
め、測定セルと基準セルの両セルに入射する赤外線の光
量バランスが取れていることが必要である。即ち、ガス
分析計の校正・点検時は、特に、零点調整時は、測定セ
ル中に測定しようとする成分ガスが無い状態（即ち、ゼ
ロガスを流した状態、あるいは、充満した状態）で、測
定セルと基準セルの光量バランスが取れていることが必
要である。このため、通常はトリマと呼ばれる遮光板
で、測定セル側と基準セル側のそれぞれ（あるいは、一
方）の赤外線の一部を遮光し、その遮光量を調整するこ
とで光量バランスの調整を行っている。

【０００８】光量バランスは一度調整が行われた後で
も、測定セルの汚れや光源の発光面の発光分布の経時的
変化、あるいは機械的な振動・衝撃などにより変化を生
ずる。このため、必要に応じて光量バランスの再調整を
行うが、従来の方法では、光学部に取りつけられた調整
機構を操作するために、ケースを開けて調整を行ってい
る。この場合、ケースの開閉により光学部に温度変化を
生じ、調整後ケースを閉じた場合に光学的バランスがず
れるという問題点がある。また、ケースを開けて調整を
行っている場合、光学部の隙間から迷光が侵入し、調整
誤差を生じる欠点もある。さらに、調整後ケースを閉じ
たとき、分析計の内部温度が測定状態の温度分布に復帰
するまでの時間がかかり、保守に時間を要するという問
題もある。これらの問題は特に低濃度測定用の分析計で
その影響が顕著である。

【０００９】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
のであり、その目的は前記した課題を解決して、ケース
開閉による温度変化の影響を受けることなく、調整精度
の向上と保守時間の短縮を図った赤外線ガス分析計を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては、試料ガスが導入される測定セル
と、測定対象ガスの赤外線吸収波長に対して吸収特性を
有しないガスで満たされた基準セルと、赤外線光源の出
射光が二組の光束に分岐され、各々前記測定セルと前記
基準セルに入射し、前記測定セルと前記基準セルを透過
した赤外光束の前記測定対象ガスの吸収波長の強度の差
を検出する検出器と、前記測定セルと前記基準セルとの
間の光量バランスをとる光量調整機構と、を具備した吸
光式の赤外線ガス分析計に対して、前記光量調整機構を
駆動する駆動機構と、前記検出器の出力に基づいて前記
駆動機構を制御する駆動機構制御回路とを設けた。

【００１１】また、情報処理装置と、データ伝送回線
と、データ伝送インターフェス部と、情報処理部とを備
え、駆動機構制御回路は、前記情報処理装置からのデー
タに基づいて駆動機構を制御する。またさらに、光量調
整機構を駆動する駆動機構にサーボモーターを備える。
また、前記サーボモーターの代わりに駆動機構にパルス
モーターを備える。

【００１２】また、前記パルスモーターの代わりに駆動
機構に二相モーターを備える。

【００１３】

【作用】光量バランス調整は、光量調整時に、まず、測
定セル内の測定ガスをゼロガスに置き換える。ゼロガス
との置換の進み具合に応じて分析計出力は減少し、零方
向にくる。測定セル内のガスが十分ゼロガスと置換され
た時点で、分析計出力は０％近傍の一定値に落ち着く。
この時点で、駆動機構制御回路を活性化して、検出器の
出力に基づいて、これを零とするように前記駆動機構制
御回路を制御し、光量調整機構を調整する。

【００１４】情報処理装置とデータ伝送回線とデータ伝
送インターフェイス部と情報処理部とを備えたものは、
情報処理装置を利用して、伝送されてきた検出器出力デ
ータに基づき必要なデータを演算し、データ伝送回線を
介して駆動機構制御回路に与えることにより光量バラン
スが自動的に調整される。駆動機構にサーボモーター
を、駆動機構制御回路にサーボアンプを備えたものは、
駆動機構制御回路が検出器出力に基づく信号をフィード
バックしたサーボアンプであるため、駆動機構制御回路
を活性化した時点で、自動平衡回路が働き、検出器出力
は零に、即ち、光量バランスが調整される。

【００１５】また、駆動機構と駆動機構制御回路がパル
スモーターとその駆動回路で構成されたものは、検出器
出力値に基づいて、必要なパルス数を駆動機構制御回路
に与えることにより光量バランスが調整される。また、
駆動機構と駆動機構制御回路が二相モーターとその駆動
回路で構成されたものも、上述のパルスモーターとその
駆動回路の場合と同様に、駆動機構制御回路に与えるら
れる信号が二相モーターの正・逆回転方向とその駆動時
間を与えることにより光量バランスが調整される。

【００１６】本発明の技術手段により、ケースの開閉を
不要とし、外部からの迷光の侵入・影響を除去し、か
つ、光量バランス調整は分析計を介したアナログサー
ボ、あるいは、ディジタルサーボにより、駆動機構制御
回路を比較的短時間活性化することにより光量調整を行
い、駆動機構制御回路を活性化することによる分析計内
部温度分布への影響が最小限に抑えられる。さらに、光
学系と駆動機構制御回路を隔離配置することにより、内
部温度分布への影響がより効果的に抑えられる。このた
め、赤外線ガス分析計の内部温度分布は測定状態の平衡
状態で調整でき、安定な光量バランス調整が可能とな
る。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の実施例で光量バランス調整を
サーボ機構を利用してアナログ的に自動平衡させる構成
図を、図２は本発明の他実施例で光量バランス調整をデ
ィジタル的にリモート制御する構成図を、図３は本分析
計の光量バランス調整を行うため、切替えのタイミング
図を示すものであり、図４、５、６に対応する同一部材
には同じ符号が付してある。

【００１８】図１は光量バランス調整をアナログ的に自
動平衡させる構成図を示し、図５（ａ）の光量バランス
調整機構を基本として構成している。同図において、４
は試料ガスが導入される測定セル、５は基準セル、であ
り、８ｃが遮光板である。なお、同図では遮光板が両セ
ルにまたがっているが片方のセルの部分遮光でもよい。
１０は光量バランス調整を行う駆動機構であり、モータ
１１を正逆転させ、図５（ａ）の調整ネジ８ａに相当す
る減速機構１０ａを回転させ、この減速機構１０ａの出
力軸の先端部に遮光板８ｃの上部が当接し、減速機構１
０ａを回すことにより遮光板を移動調整させ、光量バラ
ンスが取り行われる。

【００１９】モーター１１にサーボモーター１１ａを用
い、駆動機構制御回路１２にサーボモーター１１ａを制
御するサーボアンプ１２ａを用いることができる。かか
る駆動機構制御回路はスイッチ１４にて活性化される。
１３は赤外線ガス分析計の増幅器である。赤外線ガス分
析計の検出器６のマスフローセンサ７で検出された交流
信号が分析計増幅器１３に入力信号として印加され、交
流増幅器１３ａで交流増幅された後、同期整流器１３ｂ
で同期整流され、平滑化され、直流増幅器１３ｃで直流
増幅されて分析計出力信号１３ｅを発信する。ここで、
１３ｄは分析計増幅器の電気的な零調整器であり、分析
計増幅器１３の電子部品の特性のバラツキや経時特性を
含めて調整されるものであり、前記検出された交流信号
が零の時、分析計出力を零に調整するものである。

【００２０】サーボアンプ１２ａに前記赤外線分析計出
力１３ｅが負帰還される。プロセス計測制御の技術分野
で統一された信号（ＤＣ４〜２０ｍＡ、あるいは、ＤＣ
１〜５Ｖ）のように、赤外線ガス分析計の出力値０％が
電気的信号の零に対応しない場合は、この０％相当分の
電気信号をサーボアンプ１２ａに加え，分析計の出力値
０％のときの偏差信号を零とする。出力値０％が電気的
信号の零に対応する場合は、この信号は不要である。こ
の偏差信号はサーボアンプ１２ａで増幅され、光量バラ
ンス調整時には、スイッチ１４が投入され、サーボ系が
活性化され、サーボモーター１１ａを制御し、光量バラ
ンス調整が行われる。サーボ系の活性化は、サーボアン
プの出力回路、あるいは、同アンプの電源回路の入切が
スイッチ１４で実施される。

【００２１】図２は本発明の他実施例で光量バランス調
整をディジタル的にリモート制御する構成図を示す。図
１との主な相違は二つあり、その一つは、サーボモータ
ー１１ａに代えてパルスモーター１１ｂが、駆動機構制
御回路はパルスモーター駆動回路１２ｂが用いられ、ス
イッチ１４を投入して、パルスモーター駆動回路１２ｂ
を動作させ、駆動機構制御回路を活性化する。他の一つ
は、情報処理部１５に、少なくとも、赤外線分析計の出
力をＡ／Ｄ変換する機能、このＡ／Ｄ変換出力をインタ
ーフェース部１６およびデータ伝送回線１７を介して情
報処理装置１８とデータ交換する機能、および、情報処
理装置１８からの指令により、測定セル４に導入される
ガスを測定ガスとゼロガスに切換える機能、スイッチ１
４を操作して駆動機構制御回路１２を活性化する機能、
および、パルスモーター駆動のために必要な回転方向と
パルス数発生機能を有し、光量バランス調整をディジタ
ル的にリモート制御するものである。測定状態への復帰
は情報処理装置１８からの指令により、スイッチ１４を
操作して駆動機構制御回路１２を非活性化にする機能、
測定セル４に導入されているガスをゼロガスから測定ガ
スに切換える機能でリモート制御される。なお、図２の
ディジタルサーボでは、情報処理部１５の機能は上記に
限定されることなく、赤外線ガス分析計としての各種の
保守情報とか、データ伝送上のＲＡＳ機能（信頼性、可
用性、保守性の確保）を持たせることができる。

【００２２】また、簡易な光量バランス調整として、パ
ルスモーター１１ｂの代わりに二相モーターを用い、正
・逆転時間のデータをデータ伝送して、順次正しい光量
バランス調整に収斂させることも可能である。またさら
に、図２の構成でモーター１１をサーボモーターで構成
した場合、光量バランス調整は図１で説明したように、
アナログ的にマイナーループで制御される。この場合、
データ伝送機能により、測定ガスとゼロガスの切換、ス
イッチ１４を操作して駆動機構制御回路１２を活性化・
非活性化する機能などがリモート制御される。

【００２３】情報処理装置１８とのデータ交換は専用の
駆動信号やＲＳ２３２Ｃなどの一般的な伝送信号を用い
ることができる。駆動機構１０はモーターに限らず電磁
式のカム機構などでもよい。図３は本分析計の光量バラ
ンス調整を行うための切替えタイミング図を示すもので
ある。図３で、横軸は時間軸で、縦軸方向に、測定セル
中のガスの種類、分析計出力、および、動作モードを示
す。まず、動作モードが測定の状態では、測定セル中の
ガスは測定ガスが導入され、分析計出力は測定対象のガ
ス濃度に応じた信号を出力する。次に、動作モードを光
量バランス調整に切換えると、測定セル中のガスは測定
ガスを排出し、順次ゼロガスと置換される。分析計出力
は、測定セル中のガスが順次ゼロガスと置換され、測定
対象のガス濃度が少なくなるので、減少する。光量バラ
ンスが取れていれば、分析計出力は０％を示し、光量バ
ランスがずれていれば、あるオフセットをもって分析計
出力は落ち着く。従って、測定セル中のガスが十分ゼロ
ガスと置換され、分析計出力が一定値に落ち着いた状態
で、残存するオフセットを前記構成を用いて低減するよ
う光量バランス調整が行われる。図ではトリマ調整と表
現した期間がこれに該当する。分析計出力はここでは調
整が行われた結果、ゼロとなる。次に、調整終了で、再
び測定モードに戻すのは、駆動機構制御回路を非活性化
にし、測定セル中のガスを切換える。順次ゼロガスが排
出され、測定対象のガスに置換され、分析計出力は元の
測定対象のガス濃度に応じた出力信号に戻って行く。

【００２４】本発明によれば、ケースの開閉をすること
なく光量バランス調整を行うことができるため、赤外線
ガス分析計の内部温度分布は測定状態の平衡状態で調整
することができ、安定な光量バランス調整ができる。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように本発明の構成によれ
ば、赤外線ガス分析計は、少なくとも、光学部に取付け
られた光量調整機構を駆動する駆動機構と、検出器の出
力に基づき、駆動機構を制御する駆動機構制御回路を内
蔵するため、ケースの開閉をすることなく光量バランス
調整を行うことができる。この結果、赤外線ガス分析計
の内部温度分布は測定状態の平衡状態で調整することが
でき、安定な光量バランス調整ができ、保守・調整が短
時間にできる特徴を有する。即ち、光量調整時に光学系
部分の温度変動を最小限に抑えて、測定時と同一の状態
で光学系の光量のバランス調整を行うことができる。ま
た、ケースの開閉を必要としないので、外部からの迷光
の侵入・影響もない。これらの問題は特に低濃度測定用
の分析計でその効果が顕著である。

【００２６】また、第２図の本発明の構成によれば、赤
外線ガス分析計の設置場所が遠隔地（例えば、山岳地に
設置された大気測定ステーションなど）にある場合、デ
ータ伝送系を介して赤外線ガス分析計の出力信号を始め
とし、運転状態、光量調整のための一連の操作・切替
え、および、光学系の光量のバランス調整をリモート制
御で行うことができる。このため、人が実際に設置場所
まで行く必要がなく、保守に必要な経費、時間が大幅に
軽減・短縮される効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部構成図

【図２】本発明の他の実施例の要部構成図

【図３】本発明の一実施例、他の実施例に係わる動作モ
ード切替えのタイミング図

【図４】従来例の全体構成図

【図５】図４の光量調整機構の一例を示す説明図

【図６】図４の光量調整機構の他の実施例を示す説明図

【符号の説明】

１ 赤外線光源 ２ 回転式チョッパ ３ 分配セル ４ 測定セル ５ 基準セル ６ 検出器 ６ａ，６ｂ 検出槽 ７ マスフローセンサ ８ 光量調整機構 ８ａ 調整ネジ ８ｂ 取付金具 ８ｃ 遮光板 ８ｄ 支点 ８ｅ バネ ９ モーター（回転式チョッパ駆動用） １０ 駆動機構 １０ａ 減速機構 １１ モーター（光量調整機構用） １１ａ サーボモーター １１ｂ パルスモーター、あるいは、２相モータ １２ 駆動機構制御回路 １２ａ サーボアンプ １２ｂ パルスモーター駆動回路、あるいは、２相モー
タ駆動回路 １３ 分析計増幅器 １３ａ 交流増幅器 １３ｂ 同期整流器 １３ｃ 直流増幅器 １３ｄ 電気的な零調整器 １３ｅ 分析計出力信号 １４ 駆動機構制御回路活性化スイッチ １５ 情報処理部 １６ データ伝送インタフェース部 １７ データ伝送回線 １８ 情報処理装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料ガスが導入される測定セルと、 測定対象ガスの赤外線吸収波長に対して吸収特性を有し
   ないガスで満たされた基準セルと、 赤外線光源の出射光が二組の光束に分岐され、各々前記
   測定セルと前記基準セルに入射し、前記測定セルと前記
   基準セルを透過した赤外光束の前記測定対象ガスの吸収
   波長の強度の差を検出する検出器と、 前記測定セルと前記基準セルとの間の光量バランスをと
   る光量調整機構と、を具備した吸光式の赤外線ガス分析
   計において、 前記光量調整機構を駆動する駆動機構と、 前記検出器の出力に基づいて前記駆動機構を制御する駆
   動機構制御回路と、 を備えたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
2. 【請求項２】請求項１に記載の赤外線ガス分析計におい
   て、情報処理装置と、データ伝送回線と、データ伝送イ
   ンターフェス部と、情報処理部とを備え、駆動機構制御
   回路は、前記情報処理装置からのデータに基づいて駆動
   機構を制御して光量のバランス調整を行うものである、
   ことを特徴とする赤外線ガス分析計。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の赤外線ガス分析
   計において、光量調整機構を駆動する駆動機構にサーボ
   モーターを備えたことを特徴とする赤外線ガス分析計。
4. 【請求項４】請求項３において、サーボモーターがパル
   スモーターであることを特徴とする赤外線ガス分析計。
5. 【請求項５】請求項４において、パルスモーターが二相
   モーターであることを特徴とする赤外線ガス分析計。