JPH11304705A - 赤外線吸収方式のガス濃度計測方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 赤外線吸収方式のガス濃度計測方法におい
て、セル内に照射された赤外線の吸収やノイズ輻射が変
化しても精度よくガス濃度を計測する。 【解決手段】 セル１Ａ，１Ｂの温度条件を変化させ、
各温度条件において、導入する基準ガスの切り替え、セ
ル１Ａ，１Ｂ内への赤外線の照射と停止の切り替え、光
透過窓１３を備えたセル１Ａと光透過窓１３を備えない
セル１Ｂの切り替えを行って、そのときの検出器３２の
検出出力からセル１Ａ，１Ｂ内に照射された赤外線の吸
収とノイズ輻射を定量し、サンプルガスをセル１Ａに導
入したときの温度条件と一致する赤外線の吸収とノイズ
輻射に基づいて、サンプルガスについての検出出力を補
正し、温度変化の影響を受けずにサンプルガス中の測定
対象ガス濃度が得られるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線吸収方式の
ガス濃度計測技術における計測の高精度化に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガス濃度の計測は、化学工場や製鉄所の
ガス濃度に関するプロセスコントロール、ボイラー、燃
焼炉や煙道のガス分析、大気汚染の監視、自動車の排気
の調査や研究等において行われる。赤外線吸収方式のガ
ス濃度計測技術はガス分子固有の赤外線吸収効果を利用
してガスおよび蒸気中の特定成分の濃度を連続的に測定
するもので、図５に示すように両端開口の筒体８１を光
透過窓８２，８３で閉鎖してセル８４となし、この中に
被評価ガス（サンプルガス）を導入し、一方の光透過窓
８２の外側に配置した光源８５の赤外線を光透過窓８２
から入射し、サンプルガス中を透過して他方の光透過窓
８３から出射した透過赤外線を検出器８６で受けるよう
になっている。

【０００３】検出された透過赤外線強度からサンプルガ
ス中の測定対象ガスの濃度を求めるのは、物質中におけ
る光の吸収特性を示すＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則
に依っている。Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則は、図
６に示すように濃度Ｃ_X の物質を含んだ試料中を初期光
量Ｉ₀ の光が長さＬ通過した後の透過光量Ｉは、Ｋを試
料中の物質に固有の吸収係数として式（１）に従うとい
うもので、一般に、サンプルガスの透過率とともに、濃
度が既知の標準ガスの光の透過率を併せて計測し、サン
プルガスの透過率と標準ガスの透過率との比較によりサ
ンプルガス中の測定対象ガスの濃度を求めている。 Ｉ＝Ｉ₀ ｅｘｐ（−ＫＣ_X Ｌ）……（１）

【０００４】実際のガス濃度計測では、必ずしも上記式
（１）が厳密に成り立たないため、式（１）の適用にあ
たっては補正が行われる。第２６２１００４号特許に
は、測定対象ガス濃度が大のときの計測透過率の収束値
がオフセットを有することに着目し、透過率−濃度曲線
として、測定対象ガスの濃度が大のときに０ではない値
に収束する関数形を用い、濃度が既知でかつ上記標準ガ
スとは異なる別の標準ガスについて透過率を計測してこ
のオフセット値を決定し、ガス濃度の計測精度の高精度
化を図った濃度測定方法が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記第２６
２１００４号特許の濃度測定方法は、計測透過率の収束
値が、計測しようとするサンプルガスをセル内に導入し
たときと、標準ガスを導入したときとで同じであること
を前提としている。しかし、サンプルガスおよび２つの
標準ガスを入れ替えることによりセルにおける温度条件
が変わり、セル内に照射された赤外線の吸収やノイズ輻
射が変動してしまうから、計測透過率の収束値は一定で
はない。このため、必ずしも十分にガス濃度の計測精度
の高精度化を図ることができるとは限らない。

【０００６】本発明は上記実情に鑑みなされたもので、
セル内に照射された赤外線の吸収やノイズ輻射が変動し
ても、計測精度のよい赤外線吸収方式のガス濃度計測方
法および装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、セル内に、被評価ガスを導入し、光源からセル内に
赤外線を照射してセル内のガス中を透過せしめ、光透過
窓から出射した透過赤外線の強度を検出器で検出する。
セル内に測定対象ガス濃度が既知の基準ガスを導入し、
同様に検出器の検出出力を得る。ここでセル内温度とセ
ル内壁面温度と光透過窓温度とよりなる温度条件を変更
し、各温度条件において、上記セル内への赤外線の照射
と停止の切り替え、測定対象ガスを一定濃度含む第１の
基準ガスと測定対象ガスを含まない第２の基準ガスとの
基準ガスの切り替え、および光透過窓の有りと無しの切
り替えを行って検出器の検出出力を得て、セル内に照射
された赤外線の、測定対象ガスにおける吸収と光透過窓
における吸収と、測定対象ガスからおよび光透過窓から
のノイズ輻射の温度特性を定量し、被評価ガス計測時の
温度条件に応じて測定対象ガスの計測濃度を補正する。

【０００８】被評価ガス計測時における、セル内に照射
された赤外線の吸収およびノイズ輻射が知られるから、
被評価ガスが温度変化して温度条件が変動しても精度よ
く測定対象ガスの濃度が計測できる。

【０００９】請求項２記載の発明では、出射側の光透過
窓を備えたガスが導入される第１のセルと、出射側の光
透過窓を備えないガスが導入される第２のセルと、セル
内に赤外線を照射する光源と、セル内のガス中を透過す
る透過赤外線の強度を検出する検出器と、光源からの赤
外線の照射と停止とを切り替える赤外線切り替え手段
と、第１のセルに被評価用ガスおよび測定対象ガス濃度
が既知の基準ガスを選択的に導入する第１の導入手段
と、第２のセルに基準ガスを導入する第２の導入手段と
を有する。一方の導入手段を、一方のセルへ測定対象ガ
スを一定濃度含む第１の基準ガスと、測定対象ガスを含
まない第２の基準ガスとのいずれかに選択自在に導入す
る構成とし、他方の導入手段を、他方のセルへ上記第
１、第２の基準ガスのうち一方のみを導入する構成とす
る。かつ、セルへ導入されるガスの温度を調整するガス
温度調整手段と、セル壁面の温度を調整するセル壁面温
度調整手段と、上記光透過窓の温度を調整する光透過窓
温度調整手段と、セル内の温度を検出するガス温度セン
サと、セル壁面の温度を検出するセル壁面温度センサ
と、第１のセルの光透過窓の温度を検出する光透過窓温
度センサとを具備する。

【００１０】ガス温度調整手段とセル壁面温度調整手段
と透過窓温度調整手段とにより、上記温度条件が自在に
変更できる。赤外線切り替え手段により、セル内への赤
外線の照射と停止とを切り替えられる。一方の導入手段
により第１の基準ガスと第２の基準ガスとを切り替えら
れる。第１のセルにおいて光透過窓有りの計測ができ、
第２のセルにおいて光透過窓無しの計測ができる。基準
ガス導入時における各温度条件はガス温度センサとセル
壁面温度センサと光透過窓温度センサとにより知られ
る。しかして、セル内に照射された赤外線の吸収および
ノイズ輻射の温度特性を定量するための検出出力を容易
に求めることができる。そして第１のセルに被評価ガス
が導入された状態の温度条件も上記ガス温度センサとセ
ル壁面温度センサと光透過窓温度センサとにより知られ
るから、この温度条件に応じて被評価ガス中の測定対象
ガスの計測濃度を適正に補正することができる。

【００１１】請求項３記載の発明では、被評価ガスが導
入されるセルと、セル内に赤外線を照射する光源と、セ
ル内のガス中を透過し光透過窓から出射した透過赤外線
の強度を検出する検出器と、検出器により検出された透
過赤外線の強度に基づいて測定対象ガスの濃度を演算す
る演算手段とを具備する。さらにセル内の温度を検出す
るガス温度センサと、セル壁面の温度を検出するセル壁
面温度センサと、光透過窓の温度を検出する光透過窓温
度センサと、セル内温度とセル内壁面温度と光透過窓温
度とよりなる温度条件に対する、セル内に照射された赤
外線の、測定対象ガスにおけるおよび光透過窓における
吸収の特性と、測定対象ガスからおよび光透過窓からの
ノイズ輻射特性とを記憶する記憶手段とを具備する。か
つ上記演算手段を、上記記憶手段から各温度センサによ
り検出された温度に対応する吸収および輻射を読みだ
し、読みだされた吸収および輻射に基づいて上記検出器
により検出された透過赤外線の強度を補正する構成とす
る。

【００１２】セルに被評価ガスが導入された状態の温度
条件は上記ガス温度センサとセル壁面温度センサと光透
過窓温度センサとにより知られる。この温度条件におけ
る、測定対象ガスにおける吸収と光透過窓における吸収
と、測定対象ガスからおよび光透過窓からのノイズ輻射
とは、記憶手段から知られる。しかして記憶手段から読
みだされた吸収およびノイズ輻射に基づいて被評価ガス
中の測定対象ガスの計測濃度を適正に補正することがで
きる。また記憶手段が上記吸収特性とノイズ輻射特性と
を記憶しているので、一度、記憶するデータを求めてお
けば、簡単な構成で、高精度な計測ができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１は、本発明
の赤外線吸収方式のガス濃度計測方法を好適に実施でき
るガス濃度計測装置の構成図を示すものである。ガス濃
度計測装置は２組のセル１Ａ，１Ｂを有し、これらにガ
スを導入するためセル１Ａには第１の導入手段たる第１
のガス導入系２１Ａが設けてあり、セル１Ｂには第２の
導入手段たる第２のガス導入系２１Ｂが設けてある。

【００１４】第１のセル１Ａは両端開口の筒体１１の両
端を入射側の光透過窓１２および出射側の光透過窓１３
で閉鎖する図５のごとき一般的な構造のもので、セル１
Ａの一端側には、導入系２１Ａを構成するガス導入管２
１１Ａが接続されセル１Ａ内にガスを導入するようにな
っており、他端側には排気管２２が接続されている。ガ
ス導入管２１１Ａの上流部は三方弁である電磁弁２１２
を介して三方に分岐し、選択的に、測定対象ガスの濃度
が未知の被評価ガスであるサンプルガスと、測定対象ガ
スの濃度が既知（濃度Ｃ）の第１基準ガスと、測定対象
ガスを含まない第２基準ガス（ここでは大気）とがセル
１Ａ内に導入されるようになっている。

【００１５】第１基準ガスを導入するための管２１３の
途中には温度調整手段たる加熱器４１が設けられて、第
１基準ガスの温度を変更できるようになっている。また
第２基準ガスを導入するための管２１４の途中には温度
調整手段たる加熱器４２が設けられて、第２基準ガスの
温度を変更できるようになっている。

【００１６】一方、第２のセル１Ｂは、第１のセル１Ａ
から出射側の光透過窓１３を省略したもので、第２のガ
ス導入系２１Ｂを構成するガス導入管２１１Ｂからセル
１Ｂ内に大気すなわち上記第２基準ガスが導入されるよ
うになっている。ガス導入管２１１Ｂの途中にも温度調
整手段たる加熱器４２が設けられて、第２基準ガスの温
度を変更できるようになっている。

【００１７】またセル１Ａ，１Ｂには、それぞれセル内
壁面温度調整手段たる電気ヒータ４３が巻装してあり、
筒体１１を加熱してセル内壁面温度を変更するようにな
っている。セル１Ａ，１Ｂの入射側の光透過窓１２に
は、それぞれ電気ヒータ４４が設けてあり、後述する光
透過窓温度センサ５３による検出温度が一定となるよう
に光透過窓１２を加熱するようになっている。セル１Ａ
の出射側の光透過窓１３には電気ヒータ４５が設けてあ
り、光透過窓１３温度を変更するようになっている。

【００１８】またこれらセル１Ａ，１Ｂには、それぞれ
セル内のガス温度を検出するガス温度センサ５１、セル
内壁面温度を検出する内壁面温度センサ５２、入射側の
光透過窓１２の温度を検出する光透過窓温度センサ５
３、セル内のガス圧力を検出する圧力センサ５５が設け
てある。また第１のセル１Ａには、出射側の光透過窓１
３にも、光透過窓温度を検出する光透過窓温度センサ５
４が設けてある。

【００１９】次にセル１Ａ，１Ｂ内に赤外線を照射する
光源３１およびセル１Ａ，１Ｂ内のガスを透過した赤外
線の強度を検出する検出器３２について説明する。

【００２０】光源３１は、レール３３２上に載置され、
レール３３２とともに赤外線切り替え手段３３を構成す
るモータ３３１による駆動でレール３３２上を直線動自
在としてあり、第１のセル１Ａの入射側の光透過窓１２
と対向する位置と第２のセル１Ｂの入射側の光透過窓１
２と対向する位置とに切り替えられるようになってお
り、光源３１の移動により光源３１からセル１Ａ，１Ｂ
内への赤外線の照射と停止とを切り替えるようになって
いる。また検出器３２もレール３４２上に載置され、モ
ータ３４１駆動により直線動自在としてあり、第１のセ
ル１Ａの出射側の光透過窓１３と対向する位置と第２の
セル１Ｂの筒体１１の開口端１１ａと対向する位置とに
切り替えられるようになっている。

【００２１】このように光源３１および検出器３２を両
セル１Ａ，１Ｂ間で兼用とすることで、光源３１の出力
や検出器３２の感度を両セル１Ａ，１Ｂ間で一致させる
ことができ、計測精度を高めることができる。

【００２２】制御装置（ＥＣＵ）６は、マイクロコンピ
ュータやインターフェス回路等から構成されたもので、
検出器３２、センサ５１〜５５の検出信号が入力し、こ
れらの検出データを一時、記憶装置に記憶し、検出デー
タに基づいて各種の演算を実行するとともに、電磁弁２
１２、加熱器４１，４２、ヒータ４３，４４、モータ３
３１，３４１、光源３１を通電制御するようになってい
る。

【００２３】ＥＣＵ６の作動とともに、ガス濃度計測装
置の機能を説明する。先ず、サンプルガス計測時の、セ
ル１Ａ内に照射された赤外線の吸収およびセル１Ａ各部
におけるノイズ輻射について説明する。検出器３２にお
いて検出される赤外線は、光源３１からの出力Ｉ₀ （入
射側の光透過窓１２透過後）の他、ノイズ輻射としてセ
ル壁面からの輻射Ｉ₁ 、出射側の光透過窓１３からの輻
射Ｉ₂ 、セル内のサンプルガスからの輻射Ｉ₃ を含み、
このうち光源３１からの出力Ｉ₀ がセル１Ａ内のサンプ
ルガスおよび光透過窓１３における吸収を伴い、セル壁
面からの輻射Ｉ₁ 、サンプルガスの輻射Ｉ₃ が光透過窓
１３における吸収を伴う（図５参照）。またこれらの吸
収およびノイズ輻射は温度依存性を有する。しかして、
検出器３２における検出出力Ｉは次式（２）により表さ
れる。

【００２４】 Ｉ（Ｔ₀ ）＝ 〔Ｉ₀ ｅｘｐ（−Ｋ（Ｔ₀ ）Ｃ_X Ｌ₁ ）＋Ｉ₁ （Ｔ₁ ）＋Ｉ₃ （Ｔ₀ ）〕 ×ｅｘｐ（−Ｊ（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ）＋Ｉ₂ （Ｔ₂ ）……（２） ここで、Ｔ₀ ：セル内のガス温度、Ｔ₁ ：セル温度、Ｔ
₂ ：光透過窓温度、Ｋ（Ｔ₀ ）：Ｔ₀ におけるサンプル
ガスの吸収係数、Ｊ（Ｔ₂ ）：Ｔ₂ における光透過窓の
吸収係数、Ｃ_X ：測定対象ガスの濃度、Ｌ₁ ：セル長、
Ｌ₂ ：光透過窓の厚さとする。

【００２５】このように検出器３２の検出出力はノイズ
輻射を含んでおり、これらはセル内ガス温度、セル壁面
温度、光透過窓温度の温度条件により変動する。そこ
で、セル１Ａ，１Ｂに基準ガスを導入して基準ガスの計
測を行い、光源３１からの出力Ｉ₀ 、セル内のガスにお
ける赤外線の吸収係数Ｋ（Ｔ₀ ），出射側の光透過窓１
３における赤外線の吸収係数Ｊ（Ｔ₂ ）、ノイズ輻射Ｉ
₁ （Ｔ₁ ），Ｉ₂ （Ｔ₂），Ｉ₃ （Ｔ₀ ）を定量化す
る。図２はノイズ輻射の計測手順を示すもので、図中左
側は第１のセル１Ａを用いた計測を示しており、検出器
３２は第１のセル１Ａ側に切り替わっている。また図
中、右側は第２のセル１Ｂを用いた計測を示しており、
検出器３２は第２のセル１Ｂ側に切り替わっている。

【００２６】まず電磁弁２１２を切り替える（Ｓ１）。
最初に第１の基準ガス側に切り替えられて第１のセル１
Ａに第１の基準ガスが導入される（Ｓ２）。そして第１
のセル１Ａ側の圧力センサ５５の検出圧力に基づいて導
入流量が調整されてセル内圧力が補正される。また第１
のセル１Ａ側の加熱器４１、ヒータ４３，４５に通電す
る。ここで温度センサ５１，５２，５４により検出され
た温度条件が、サンプルガス温度が変化し得る温度範囲
および、このサンプルガス温度変化に応じて変化するセ
ル１Ａ内壁面温度および光透過窓１３温度の温度範囲を
カバーするように、ヒータ４３，４５への通電量を変化
させる（Ｓ３）。

【００２７】そして各温度条件において、Ｓ４〜Ｓ６を
実行する。まず光源３１を切り替える（Ｓ４）。最初に
第１のセル１Ａ側に切り替えられて（ＯＮ）、検出器３
２の検出出力ｉ₁ を得る（Ｓ５）。この検出出力ｉ₁ を
上記記憶装置に記憶する。さらに光源３１を第１のセル
１Ａ側から外して（ＯＦＦ）、検出器３２の検出出力ｉ
₂ を得（Ｓ６）、上記記憶装置に記憶する。

【００２８】次いで電磁弁２１２が第２の基準ガス側に
切り替えられ、第１のセル１Ａに第２の基準ガスが導入
される（Ｓ７）。そしてＳ３と同様に温度センサ５１，
５２，５４により検出された温度条件が、サンプルガス
温度が変化し得る温度範囲および、このサンプルガス温
度変化に応じて変化するセル１Ａ内壁面温度および光透
過窓１３温度の温度範囲をカバーするように、ヒータ４
３，４５への通電量を変化させる（Ｓ８）。

【００２９】そして各温度条件において、Ｓ９〜Ｓ１１
を実行する。まず光源３１を切り替える（Ｓ９）。最初
に第１のセル１Ａ側に切り替えられて（ＯＮ）、検出器
３２の検出出力ｉ₃ を得る（Ｓ１０）。この検出出力ｉ
₃ を上記記憶装置に記憶する。さらに光源３１を第１の
セル１Ａ側から外して（ＯＦＦ）、検出器３２の検出出
力ｉ₄ を得（Ｓ１１）、上記記憶装置に記憶する。

【００３０】次に検出器３２を第２のセル１Ｂ側に切り
替え、図の右側の計測手順を実行する。第２の基準ガス
が第２のセル１Ｂ内に導入される（Ｓ１１）。そして温
度センサ５２により検出された温度条件が、サンプルガ
ス温度変化に応じて変化するセル１Ａ内壁面温度の温度
範囲をカバーするように、ヒータ４３への通電量を変化
させる（Ｓ１３）。

【００３１】そして各温度条件において、光源３１を切
り替える（Ｓ１４）。最初に第２のセル１Ｂ側に切り替
えられて（ＯＮ）、検出器３２の検出出力ｉ₅ を得る
（Ｓ１５）。この検出出力ｉ₅ を上記記憶装置に記憶す
る。さらに光源３１を第２のセル１Ｂ側から外して（Ｏ
ＦＦ）、検出器３２の検出出力ｉ₆ を得（Ｓ１６）、上
記記憶装置に記憶する。

【００３２】これら検出出力ｉ₁ 〜ｉ₆ の計測条件をま
とめると表１のようになる。ＥＣＵ６は、Ｓ１７〜Ｓ２
１において、各温度条件ごとに、検出出力ｉ₁ 〜ｉ₆ か
ら、サンプルガス計測時の検出出力Ｉ（Ｔ₀ ）から精度
よくサンプルガス中の測定対象ガスの濃度Ｃ_X を得るた
めの補正用のデータを算出する。以下に算出手順を説明
する。

【００３３】

【表１】

【００３４】さて検出器３２の出力ｉ₁ 〜ｉ₆ は、次式
（３），（４），（５），（６），（７），（８）のよ
うに表せる。第１のセル１Ａにおける計測では（光透過
窓あり） 第１基準ガスについて光源ＯＮ：ｉ₁ ＝ 〔Ｉ₀ ｅｘｐ（−Ｋ（Ｔ₀ ）ＣＬ₁ ）＋Ｉ₁ （Ｔ₁ ）＋Ｉ₃ （Ｔ₀ ）〕 ×ｅｘｐ（−Ｊ（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ）＋Ｉ₂ （Ｔ₂ ）……（３） 第１基準ガスについて光源ＯＦＦ：ｉ₂ ＝ 〔Ｉ₁ （Ｔ₁ ）＋Ｉ₃ （Ｔ₀ ）〕×ｅｘｐ（−Ｊ（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ） ＋Ｉ₂ （Ｔ₂ ）……（４） 第２基準ガスについて光源ＯＮ：ｉ₃ ＝ 〔Ｉ₀ ＋Ｉ₁ （Ｔ₁ ）〕×ｅｘｐ（−Ｊ（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ） ＋Ｉ₂ （Ｔ₂ ）……（５） 第２基準ガスについて光源ＯＦＦ：ｉ₄ ＝ Ｉ₁ （Ｔ₁ ）×ｅｘｐ（−Ｊ（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ）＋Ｉ₂ （Ｔ₂ ）……（６） 第２のセルでは（光透過窓なし） 第２基準ガスについて光源ＯＮ：ｉ₅ ＝ Ｉ₀ ＋Ｉ₁ （Ｔ₁ ）……（７） 第２基準ガスについて光源ＯＦＦ：ｉ₆ ＝ Ｉ₁ （Ｔ₁ ）……（８）

【００３５】Ｓ１７では、これら出力ｉ₁ 〜ｉ₆ に基づ
いてＩ₀ ，ｅｘｐ（−Ｋ（Ｔ₀ ）ＣＬ₁ ），ｅｘｐ（−
Ｊ（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ）の３つのパラメータを、以下のように
算出する。

【００３６】 Ｉ₀ ＝ｉ₅ −ｉ₆ ……（９） ｅｘｐ（−Ｋ（Ｔ₀ ）ＣＬ₁ ） ＝（ｉ₁ −ｉ₂ ）／（ｉ₃ −ｉ₄ ）……（１０） ｅｘｐ（−Ｊ（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ）＝（ｉ₃ −ｉ₄ ）／Ｉ₀ ……（１１）

【００３７】Ｓ１８では、このようにして算出した
Ｉ₀ ，ｅｘｐ（−Ｋ（Ｔ₀ ）ＣＬ₁ ），ｅｘｐ（−Ｊ
（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ）から、サンプルガス温度変化時の出力変
化Ｉ（Ｔ₀'）−Ｉ（Ｔ₀ ）がどれくらいのガス濃度変化
に対応するかを式（１２）により算出する。 Ｉ₀ 〔ｅｘｐ（−Ｋ（Ｔ₀'）ＣＬ₁ ）−ｅｘｐ（−Ｋ（Ｔ₀ ）ＣＬ₁ 〕 ×ｅｘｐ（−Ｊ（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ） ＝Ｉ₀ 〔ｅｘｐ（−Ｋ（Ｔ₀ ）Ｃ' Ｌ₁ ）−ｅｘｐ（−Ｋ（Ｔ₀ ）ＣＬ₁ 〕 ×ｅｘｐ（−Ｊ（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ）……（１２） ここで、Ｃ' はガス温度がＴ₀ からＴ₀'に変化したとき
の出力変化と同じ出力変化が、ガス温度が一定の条件下
でガス濃度がＣから変化して生じたときに到達するガス
濃度を表す。

【００３８】Ｓ１９では、サンプルガス輻射Ｉ
₃ （Ｔ₀ ）を次式（１３）により算出する。 Ｉ₃ （Ｔ₀ ）＝ Ｉ₀ ×（ｉ₁ −ｉ₄ ）／（ｉ₃ −ｉ₄ ）……（１３）

【００３９】Ｓ２０では、光透過窓吸収ｅｘｐ（−Ｊ
（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ）を上記式（１０）により算出し、光透過
窓輻射Ｉ₂ を、式（６）にＩ₁ （Ｔ₁ ）、ｅｘｐ（−Ｊ
（Ｔ₂）Ｌ₂ ）の算出結果を代入して算出する。

【００４０】Ｓ２１では、セル壁面輻射Ｉ₁ をｉ₆ （Ｔ
₀ ）（式（８））から得る。

【００４１】基準ガスについての温度条件とこれらの算
出結果は、対をなしてＥＣＵ６の記憶装置に記憶され
る。

【００４２】かかる補正用の計測手順の後、電磁弁２１
２をサンプルガス側に切り替えてサンプルガスを第１の
セル１Ａ内に導入し、光源３１および検出器３２を第１
のセル１Ａ側に切り替えてサンプルガスについて検出器
３２から検出出力Ｉ（Ｔ₀ ）を読み込むとともに、各温
度センサ５１〜５３，５５からの検出出力を読み込む。

【００４３】セル内へ照射された赤外線出力Ｉ₀ 、サン
プルガス計測時の温度条件における吸収係数Ｋ
（Ｔ₀ ）、光透過窓１３における吸収ｅｘｐ（−Ｊ（Ｔ
₂ ）Ｌ₂ ）、ノイズ輻射Ｉ₁ （Ｔ₁ ），Ｉ₂ （Ｔ₂ ），
Ｉ₃ （Ｔ₀ ）を読みだし、これら読み出し値およびサン
プルガスの検出出力Ｉ（Ｔ₀ ）を、式（２）を変形した
式（１４）に代入し、サンプルガス中の測定対象ガスの
濃度Ｃ_X を算出する。 Ｃ_X ＝（１／Ｋ（Ｔ₀ ）Ｌ₁ ）×ｌn 〔Ｉ₀ ／｛（Ｉ（Ｔ₀ ） −Ｉ₂ （Ｔ₂ ））ｅｘｐ（−Ｊ（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ）−Ｉ₁ （Ｔ₁ ） −Ｉ₃ （Ｔ₃ ）｝〕……（１５）

【００４４】そしてこれより後のサンプルガスの計測に
おいても、既に各温度条件における吸収およびノイズ輻
射が記憶装置に記憶されているので、これを読み出し、
サンプルガス中の測定対象ガスの濃度Ｃ_X を高精度で計
測することができる。

【００４５】なお圧力センサ５５によるサンプルガスの
検出圧力が変動するようであれば、式（１４）ではな
く、圧力補正項を有する式（１５）により算出してもよ
い。 Ｃ_X ＝（１／Ｋ（Ｔ₀ ）Ｌ₁ ｐ）×ｌn 〔Ｉ₀ ／｛（Ｉ（Ｔ₀ ） −Ｉ₂ （Ｔ₂ ））ｅｘｐ（−Ｊ（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ）−Ｉ₁ （Ｔ₁ ） −ｐＩ₃ （Ｔ₃ ）｝〕……（１４） ここでｐは、基準圧力に対する相対圧である。

【００４６】なおサンプルガスの温度範囲によっては、
加熱器４１，４２やヒータ４３、４４だけではなく、冷
却器を併せて備えているのがよい。

【００４７】またＥＣＵ６が、セルへの導入ガスや光源
等の切り替え、圧力補正、補正用のパラメータの算出を
行っているが、ＥＣＵ６に温度センサの検出温度表示部
や光源等の切り替えスイッチ、ヒータ通電量調整スイッ
チを設け、使用者が温度表示を見ながらスイッチの手動
操作によりデータを収集する構成でもよい。そして別体
のコンピュータ等を用いて補正用のパラメータの算出を
行う構成でもよい。

【００４８】また光源３１および検出器３２は各セル１
Ａ，１Ｂごとに備える構成でもよい。この場合、両セル
１Ａ，１Ｂにおいて同時に計測ができるので、計測時間
が短くて済む。

【００４９】（第２実施形態）測定対象ガスが、ＣＯ₂
のように大気中に存在しているガスの場合、第２の基準
ガスには第１実施形態のごとく大気は使用できない。し
たがって第２の基準ガスは、Ｎ₂ 等にする必要がある。
本実施形態はかかる場合に好適な構成を提供するもので
ある。図３に本発明の第２実施形態を示す。基本的な構
成は第１実施形態（図１）と同じであり、図１と同じ番
号を付した部分については実質的に同じ作動をするの
で、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

【００５０】第１、第２のセル１Ａ，１Ｂ、光源３１、
検出器３２、その駆動用モータ３３１，３４１およびレ
ール３３２，３４２がケース７内に格納される。そして
Ｎ₂等の第２の基準ガスをケース７内に導入する第２の
導入手段たる導入系２１Ｃと、排気管と２３とが設けて
あり、第２のセル１Ｂ内に第２の基準ガスが流通するよ
うになっている。導入系２１Ｃの導入管２１５の途中に
は加熱器４２が設けられる。

【００５１】なお、このようにケース７を有する構成で
は、第１のセル１Ａにサンプルガス、第１、第２の基準
ガスが選択的に導入され、第２のセル１Ｂには第２の基
準ガスのみが導入される構成ではなく、例えば第１のセ
ル１Ａにサンプルガス、第１の基準ガスが選択的に導入
され、第２のセル１Ｂには第１、第２の基準ガスが選択
的に導入される構成でもよい。この場合も、セル内への
赤外線の照射と停止の切り替え、基準ガスの切り替え、
光透過窓の有りと無しの切り替えを行って検出出力を
得、式（３）〜（８）とは異なる式に基づく計算になる
が、検出出力から、光源３１からの出力Ｉ₀ 、セル内の
ガスにおける赤外線の吸収係数Ｋ（Ｔ₀ ），出射側の光
透過窓１３における赤外線の吸収係数Ｊ（Ｔ₂ ）、ノイ
ズ輻射Ｉ₁（Ｔ₁ ），Ｉ₂ （Ｔ₂ ），Ｉ₃ （Ｔ₀ ）を定
量化することができる。

【００５２】（第３実施形態）図４に本発明の第３の実
施形態を示す。図中、図１と同じ番号を付した部分につ
いては実質的に同じ作動をするので、第１実施形態との
相違点を中心に説明する。本実施形態になるガス濃度計
測装置は、第１実施形態の構成における第２のセルが省
略されている。ガス導入系２１Ｄはサンプルガスのみ導
入するようになっており、導入管２１６にはサンプルガ
スの導入と停止を切り替える電磁弁２１７が設けられて
いる。また光源３１および検出器３２は固定で、それぞ
れ光透過窓１２，１３に対向して設けられる。

【００５３】演算手段たるＥＣＵ６Ａは、電磁弁２１７
の開閉、光源３１およびヒータ４３，４４，４５への通
電を行うとともに、検出器３２の検出出力、各種センサ
５１〜５５の検出信号が入力するようになっている。Ｅ
ＣＵ６Ａは、マイクロコンピュータや上記センサ５１〜
５５等とのインターフェース回路とともに記憶手段たる
ＲＯＭ６１を備えており、ＲＯＭ６１には補正用のデー
タが格納されている。

【００５４】補正用のデータは、上記各実施形態のよう
な２セルの構成の装置において、上記のごとく広い温度
範囲について基準ガスの計測を行い、光源３１の出力Ｉ
₀ 、セル内に照射された赤外線の吸収ｅｘｐ（−Ｋ（Ｔ
₀ ）ＣＬ₁ ），ｅｘｐ（−Ｊ（Ｔ₂ ）Ｌ₂ ）およびノイ
ズ輻射Ｉ₁ （Ｔ₁ ），Ｉ₂ （Ｔ₂ ），Ｉ₃ （Ｔ₀ ）の温
度特性をもとめておいたものと、基準ガスの計測時の温
度条件とで対をなしたものである。なお補正用のデータ
収集用の装置はセルや光源等の仕様を、本実施形態のセ
ル等と揃えておく。

【００５５】本実施形態のガス濃度計測装置では、ＥＣ
Ｕ６Ａは、検出器３２の検出出力、各種センサ５１〜５
５の検出信号が入力すると、ＲＯＭ６１からサンプルガ
スの計測時における温度条件と対応する補正データを読
み出し、上記各実施形態と同様に測定対象ガスの濃度を
算出する。

【００５６】このように本実施形態では、１セルタイプ
の簡単な構成で、精度よくサンプルガス中の測定対象ガ
ス濃度を計測することができる。

【００５７】なお、第１、第２実施形態において、光源
はレール上に載置するのではなく、回転自在なモータ駆
動のテーブル上に載置し、光源からの赤外線の照射方向
を変えることで、各セルへの赤外線の照射と停止とを切
り替える構成としてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の赤外線吸収方式のガス濃度計測方法お
よび装置の第１実施形態の構成図である。

【図２】本発明の赤外線吸収方式のガス濃度計測方法を
説明する図である。

【図３】本発明の赤外線吸収方式のガス濃度計測方法お
よび装置の第２実施形態の構成図である。

【図４】本発明の赤外線吸収方式のガス濃度計測方法お
よび装置の第３実施形態の構成図である。

【図５】赤外線吸収方式のガス濃度計測における、セル
の構造を説明する図である。

【図６】赤外線吸収方式のガス濃度計測の原理を示す図
である。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ セル １３ 光透過窓 ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ ガス導入系（導入手段） ３１ 光源 ３２ 検出器 ３３ 赤外線切り替え手段 ４１，４２ 加熱器（ガス温度調整手段） ４３ ヒータ（セル壁面温度調整手段） ４５ ヒータ（光透過窓温度調整手段） ５１ ガス温度センサ ５２ セル内壁面温度センサ ５４ 光透過窓温度センサ ６Ａ 制御装置（演算手段） ６１ ＲＯＭ（記憶手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河津 成之 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セル内に、被評価ガスと、測定対象ガス
   濃度が既知の基準ガスとを選択的に導入し、光源からセ
   ル内に赤外線を照射してセル内のガス中を透過せしめ、
   セルの光透過窓から出射した透過赤外線の強度を検出器
   で検出して被評価ガス中の測定対象ガスの濃度を計測す
   る赤外線吸収方式のガス濃度計測方法において、セル内
   温度とセル内壁面温度と光透過窓温度とよりなる温度条
   件を変更し、各温度条件において、上記セル内への赤外
   線の照射と停止の切り替え、測定対象ガスを一定濃度含
   む第１の基準ガスと測定対象ガスを含まない第２の基準
   ガスとの基準ガスの切り替え、および光透過窓の有りと
   無しの切り替えを行って検出器の検出出力を得て、セル
   内に照射された赤外線の、測定対象ガスにおける吸収と
   光透過窓における吸収と、測定対象ガスからおよび光透
   過窓からのノイズ輻射の温度特性を定量し、被評価ガス
   計測時の温度条件に応じて測定対象ガスの計測濃度を補
   正することを特徴とする赤外線吸収方式のガス濃度計測
   方法。
2. 【請求項２】 出射側の光透過窓を備えたガスが導入さ
   れる第１のセルと、出射側の光透過窓を備えないガスが
   導入される第２のセルと、セル内に赤外線を照射する光
   源と、セル内のガス中を透過する透過赤外線の強度を検
   出する検出器と、光源からの赤外線の照射と停止とを切
   り替える赤外線切り替え手段と、第１のセルに被評価用
   ガスおよび測定対象ガス濃度が既知の基準ガスを選択的
   に導入する第１の導入手段と、第２のセルに基準ガスを
   導入する第２の導入手段とを有し、一方の導入手段を、
   一方のセルへ測定対象ガスを一定濃度含む第１の基準ガ
   スと、測定対象ガスを含まない第２の基準ガスとのいず
   れかに選択自在に導入する構成とし、他方の導入手段
   を、他方のセルへ上記第１、第２の基準ガスのうち一方
   のみを導入する構成とし、かつ、セルへ導入されるガス
   の温度を調整するガス温度調整手段と、セル内壁面の温
   度を調整するセル内壁面温度調整手段と、上記光透過窓
   の温度を調整する光透過窓温度調整手段と、セル内の温
   度を検出するガス温度センサと、セル内壁面の温度を検
   出するセル内壁面温度センサと、第１のセルの光透過窓
   の温度を検出する光透過窓温度センサとを具備すること
   を特徴とする赤外線吸収方式のガス濃度計測装置。
3. 【請求項３】 被評価ガスが導入されるセルと、セル内
   に赤外線を照射する光源と、セル内のガス中を透過し光
   透過窓から出射した透過赤外線の強度を検出する検出器
   と、検出器により検出された透過赤外線の強度に基づい
   て測定対象ガスの濃度を演算する演算手段と、セル内の
   温度を検出するガス温度センサと、セル内壁面の温度を
   検出するセル内壁面温度センサと、光透過窓の温度を検
   出する光透過窓温度センサと、セル内温度とセル内壁面
   温度と光透過窓温度とよりなる温度条件に対する、セル
   内に照射された赤外線の、測定対象ガスにおけるおよび
   光透過窓における吸収の特性と、測定対象ガスからおよ
   び光透過窓からのノイズ輻射の特性とを記憶する記憶手
   段とを具備し、かつ上記演算手段を、上記記憶手段から
   各温度センサにより検出された温度条件に対応する吸収
   および輻射を読みだし、読みだされた吸収および輻射に
   基づいて上記検出器により検出された透過赤外線の強度
   を補正する構成としたことを特徴とする赤外線吸収方式
   のガス濃度計測装置。