JPS609715Y2 - ガス分析装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は、分析せんとする試料ガスの濃度分析を行な
うと共に、該試料ガスの分析に先立ってその除湿を行な
う半透膜式気相除湿器等の除湿能力をも同時に測定でき
るガス分析装置に関するものである。

ガス分析装置によっては、ガス中の水分含有量が分析濃
度指示値に誤差となって現われるものがある。

例えば赤外線吸収式分析計は、双極子モーメントを有す
る分子が各分子特有の波長の赤外線を吸収して、その振
動エネルギーレベル間の遷移を生ずることを利用したも
ので、一定の長さの試料セル内に試料ガスを導き、試料
セルを透過する赤外線につき、試料ガス中の濃度測定せ
んとしている分子に吸収される波長における該赤外線の
減衰率を測定することにより濃度測定を可能とするもの
である。

ところが試料ガス中に水分が含有されていると、水分は
比較的広範囲の波長にわたって赤外線を吸収する特性を
もつから、試料ガス中の濃度測定せんとする分子に吸収
される赤外線波長と水分により吸収される赤外線波長と
が重なり易く、その場合には、当該波長の赤外線の減衰
率を測定しても、水分により吸収された分だけ誤差を含
んだ濃度測定値が得られる。

特に、ＳＯｘ 。ＮＯｘなどのガス成分の低濃度測定の
場合、試料ガス中に含まれる水分による上述の如き測定
誤差をもたらす干渉作用が強いので、試料ガスは分析に
先立ち充分に除湿することが必要である。

この目的のため、近来、除湿能力の高い（露点温度で−
１０〜−３０℃）半透膜式気相除湿器が使用される気運
にある。

第１図は、かかる半透膜気相除湿器の断面図であり、第
１Ａ図は第１図において線Ｘ−Ｘ’に沿って切断した断
面図である。

これらの図を参照する。

半透膜気相除湿器は、外管１と、この外管１の内部に仕
切板２，２を介して支持された多数の内管３，３．３に
よって構成され、各内管３は、イー・アイ・デュポン社
の商品名ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）と称する化合物に
よって構成されており、その内側から外側へ管壁を通し
て水蒸気を選択透過させる機能を有している。

今、水蒸気を含んだサンプルガスを入口４よりそれぞれ
の内管３内に導入し出口５より排出させながら、他方の
入口６より出ロアに向かってパージ用乾燥ガスを内管３
の外側に通すと、サンプルガス中の水蒸気が内管３の管
壁を通過して外ヘパージされる。

半透膜気相除湿器は、上述のような構成・機能を有する
ものであり、かかる除湿器を用いたガス分析装置におい
て、除湿器に故障を生じてうまく機能しなくなった場合
、測定誤差が大きくなるので、除湿器の機能が正常であ
ることを常に確認することは重要な事柄であると云える
。

この点に関し、従来は除湿器として電子式ガス冷却器が
主に用いられていたので、このガス出口側に温度計を挿
入し、除湿ガスの温度を測定することにより除湿性能を
確認していた。

しかし、この方式では、本来必要な除湿ガスに含まれる
水分量（露点または濃度）が測定できず、正確さに欠け
るうらみがある。

同時に電子式ガス冷却器は、除湿能力が低く（露点温度
で＋１〜＋３℃程度）、冬期間におけるドレンの凍結や
測定ガスがドレンへ溶解して損失になるなどの問題があ
り、また機械的な駆動部があるため、それが故障発生要
因ともなっていた。

そこで、これらの欠点を補うため、除湿能力が高く、駆
動部分のない前述の如き半透膜式気相除湿器が採用され
る気運になって来たが、このような除湿器によって遠戚
される低露点を連続して測定できる水分計は少なく、あ
っても高価であり、また実用性に乏しく、結局、分析さ
れるべき試料ガスの測定結果である濃度指示が異常と思
われる時点で、その都度、露点計を用いて除湿器におけ
る異常の有無を確認せざるを得なく、このような状態は
分析装置のメンテナンス上、問題であった。

この考案は、上述の如き、従来技術における問題点を解
決するためになされたものであり、従ってこの考案の目
的は、半透膜式気相除湿器等を使用したガス分析装置に
おいて、除湿器の除湿能力が正常であることを常に確認
できるようなガス分析装置を提供することにある。

このような目的は、本考案によれば、被測定成分および
この被測定成分に対する干渉成分を含んだ試料ガスが導
入される試料セルと、基準ガスが封入された基準セルと
、前記両セルへ同じ強度の赤外線光線を照射する赤外線
光源と、赤外線を透過させ得るように構成され、前記試
料セルおよび基準セルを透過した赤外線光線がそれぞれ
照射される２つの検出槽より成る測定ガス用検出器と、
この検出器の各検出槽を透過した赤外線光線がそれぞれ
照射される２つの検出槽より成る干渉補償用検出器とを
備え、前記測定ガス用検出器の出力信号から前記干渉補
償用検出器の出力信号を引算することにより前記試料ガ
ス中の被測定成分濃度を測定するものにおいて、前記干
渉成分が水分である場合には、前記試料ガスが前記試料
セル中に導入される前にこの試料ガス中の水分を除去す
る除湿器を設け、かつ前記干渉補償用検出器の各検出槽
内には水分もしくはこの水分とほぼ同じ赤外線吸収波長
領域を有するガスを封入し、この干渉補償用検出器の出
力信号に基づいて前記除湿器の除湿性能を検知し得るよ
うにすることによって遠戚される。

次に図を参照してこの考案の一実施例を詳しく説明する
。

第２図は、この考案の一実施例を示す構成概念図である
。

同図において、分析されるべき試料ガスは、−次フィル
タ８を通り、ポンプ９により半透膜式気相除湿器１０へ
送られ、そこで試料ガス中の水分を−１０〜−３０’Ｃ
露点程度にまで除去され、次に二次フィルタ１１．流量
計１２を経由して赤外線ガス分析装置２４の試料セル１
５ｂへ導入される。

赤外線ガス分析装置２４は次の如く構成されている。

赤外線光源（単光源）１３から放射された赤外線は、図
示せざるをチョッパにより断続されて断続光となり、分
配セル１４において二光束に分けられ、試料セル１５ｂ
と基準セル１５ａに入る。

分配セル１４の中には、通常赤外線吸収のない純窒素（
Ｎ２）が封入されている。

試料セル１５ｂ中では、試料ガス中に含まれる被測定成
分により赤外線が吸収され、従って試料セル１５ｂを透
過する光量は、その吸収された分だけ入射光量より少な
くなる。

一方、基準セル１５ａ中には窒素または不活性ガスが封
入されているので赤外線の吸収は起きない。

２つの第１検出槽１６ａ、１６ｂによって測定ガス用検
出器１６が構成され、試料セル１５ｂから第１検出槽１
６ｂに入った赤外線は、基準セル１５ａから第１検出槽
１６ａに入った赤外線より若干弱くなっており、このた
め、図示せざるチョッパにより断続された赤外線が第１
検出槽１６ａ、１６ｂを照射するとき、基準側検出槽１
６ａから試料側検出槽１６ｂへ、検出槽に封入されてい
るガスが流れ、遮光されるときは平衡するようにガスが
戻る。

この微少なガスの流れをフローセンサ（熱式流量計形検
出器）１７が検出して交流信号に変える。

この交流信号は、試料ガス中の被測定成分の濃度と試料
ガス中に含まれる干渉成分としての水分による干渉の度
合（測定誤差）とを表わす信号（その理由は後述）であ
り、増幅器２０により増幅されて演算器２３へ入力され
る。

更に、２つの第２検出槽１８ａ、１８ｂから水分干渉補
償用検出器１８が構成され、第１検出槽１６ｂから第２
検出槽１８ｂへ赤外線が入射し、また基準セル側第１検
出槽１６ａから第２検出槽１８ａへも赤外線が入射する
と、先と同様にして、基準側第２検出槽１８ａから試料
側第２検出槽１８ｂへ、第２検出槽に封入されているガ
スが流れる。

このガスの流れをフローセンサ（熱式流量計形検出器）
１９が検出して交流信号に変える。

この交流信号は、除湿器１０を通過した後の試料ガス中
に含まれる水分の濃度を表わす信号（その理由は後述）
であり、増幅器２１で増幅された後、演算器２３へ入力
される。

演算器２１では、入力された二つの信号を演算すること
により、つまり被測定成分の濃度と水分による干渉度合
とを表わす信号から水分濃度を表わす信号を差し引くこ
とにより、被測定成分の濃度のみを表わす正確な測定値
を算出して出力する。

一方、増幅器２１により増幅された信号を更に増幅器２
２で増幅して水分濃度を拡大表示すれば、半透膜式気相
除湿器１０の除湿能力を知ることができる。

フローセンサ（熱式流量計形検出器）について補足説明
する。

第２Ａ図は、第２図における要部拡大図である。

同図を参照する。赤外線を透過させる窓で密封された検
出槽１６ａｔ １６ｂには、分析しようとするガスと
同種のガスが封入され、試料側検出槽１６ｂと基準側検
出槽１６ａは微小ガス流路で連絡され、流路の途中にフ
ローセンサ１７が取り付けられている。

赤外線が入射すると、検出槽内のガスは被測定成分吸収
帯の波長のみを吸収し、その吸収エネルギー量により膨
張する。

今、基準側検出槽１６ａに入射する赤外線が試料側検出
槽１６ｂに入射するそれより強いと、検出槽封入ガスに
よる吸収エネルギー量も、試料側より基準側が大きくな
り、検出槽１６ａと１６ｂの間で圧力差が生じる。

この圧力差で微小ガス流路に矢印の方向にガスが流れる
。

この流れを、ミクロンオーダの金属格子を並べた一種の
熱線風速計であるフローセンサ１７によって検出し、抵
抗変化に変換するわけである。

なお、測定ガス用検出器１６の各検出槽１６ａ、１６ｂ
内には測定ガスまたはこの測定ガスとほぼ同じ赤外線吸
収領域を有する代用ガスが封入され、一方水分干渉補償
用検出器１８の各検出槽１８ａ、１８ｂ内には水分また
は水分とほぼ同じ赤外線吸収領域を有する代用ガスが封
入される。

次に、フローセンサ１７から、試料ガス中の被測定成分
の濃度と試料ガス中に含まれる水分による干渉の度合と
を表わす信号が、またフローセンサ１９から試料ガス中
に含まれる水分の濃度を表わす信号が得られる理由を詳
しく説明する。

第３図は、横軸に波長入をとり、縦軸に光強度Ｉをとり
、試料ガス中の被測定成分による赤外線の吸収帯イと、
干渉成分である水分による吸収帯口とを示しており、今
、両吸収帯が図示の如く重なっているものとする。

第４図は、第３図における各部の入射光、透過光の赤外
吸収スペクトル図である。

詳しく述べると、第４図 、 ａ／は、セル１５ｂ、１
５ａ、への入射光の赤外吸収スペクトル図であり、第４
図す、ｂ′は、第１検出槽１６ｂ、１６ａへの入射光（
セル１５の透過光）のそれであり、第４図Ｃ９Ｃ′は、
第２検出槽１８ｂ、１８ａへの入射光（第１検出槽１６
の透過光）のそれであり、第４図ｄ、ｄ’は、第２検出
槽１８ｂ、１８ａの透過光のそれである。

但し、第１検出槽１６ａ、１６ｂには、波長入５からλ
６までの範囲の吸収帯をもつガスがそれぞれ封入されて
おり、第２検出槽１８ａ、１８ｂには、それより若干広
い波長入、からλ８までの範囲の吸収帯をもつガスがそ
れぞれ封入されているものとする。

さて、第４図 、 ｃ／において、試料側第１検出槽１
６ｂでの吸収量はＥ１ｏ１基準側第１検出槽１６ａでの
吸収量はＫ２０であるので、フローセンサ１７からの出
力信号Ｓ１は次の式で示される。

ＳＬ−（Ｋ２０−ＥＩＯ）＝Ｅ２＋Ｅ３ 但しＫ２は、試料ガス中の被測定成分による吸収量を示
し、Ｋ３は試料ガス中の干渉成分（水分）による吸収量
を示す。

同様に、第４図ｄ、ｄ’から、第２検出槽１８ａｉ８ｂ
におけるフローセンサ１９からの出力信号Ｓ２は次の式
で与えられる。

Ｓ２へ（Ｅ２１＋Ｅ２゜）−（Ｅ１１＋Ｅ１２）＝Ｅ４
＋Ｅ５但し、Ｋ２．Ｋ５は試料ガス中の干渉成分（水分
）による吸収量である。

吸収エネルギー量Ｅ２は、被測定成分の濃度Ｃ１に、ま
たＫ３．Ｋ４．Ｋ５は干渉成分（水分）濃度Ｃ２にほぼ
比例すると考えられるので、 ５１＝ＫＩＣ１＋に２Ｃ２ Ｓ２＝に３Ｃ２ 但し、Ｋ１．に２．に３はそれぞれ比例定数となり、演
算器２３においてＳｌとＳ２の電気的差演算を行なうこ
とにより、被測定成分濃度Ｃ１に比例した信号が得られ
、理論上、測定誤差（干渉誤差）をゼ申こすることがで
きる。

また、Ｓ２から水分濃度（換言すれば、半透膜式気相除
湿器の除湿能力）を求めることができる。

以上説明した通りであるから、この考案によれば、ガス
分析装置によって、誤差を含まない分析結果を得ながら
、除湿器の除湿能力をも常時連続監視できるので、高精
度で信頼性が高く、しかも安定した連続ガス分析が可能
であるという利点がある。

また、この考案によれば、半透膜式気相除湿器以外の除
湿器、例えば電子式ガス冷却器、冷媒式ガス冷却器、水
冷式ガス冷却器などの除湿性能測定にも使用できること
は勿論である。

さらに、この考案においては、干渉補償用検出器として
もともと存在する検出器１８を利用して、除湿器の除湿
能力を検知するようにしたので、低価格で実用化可能で
あり、増幅器２２を１個付加するだけで所期の目的を容
易に達成するとかできる。

しかも、除湿器の露点を連続測定することにより、除湿
器の故障が早期発見でき、従って故障要因の解析に有効
な情報が採取でき、メンテナンス上極めて有用である。

さらにまた、赤外線方式のため、ガス露点が一り５℃〜
＋３５℃程度まで測定可能であり、特に低露点が測定可
能であるという利点を有し、半透膜式気相除湿器のよう
な除湿能力の高い除湿器の露点測定に適する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、半透膜気相除湿器の断面図、第１Ａ図は第１
図において線Ｘ−Ｘ’に沿った断面図、第２図はこの考
案の一実施例を示す構成概念図、第２Ａ図は第２図にお
ける要部の拡大図、第３図は、被測定成分と干渉成分の
赤外吸収スペクトル図、第４図は、第３図における各部
の入射光、透過光の赤外吸収スペクトル図である。 図において、１は外管、２は仕切板、３は内管、４は入
口、５は出口、６は入口、７は出口、８は一次フィルタ
、９はポンプ、１０は半透膜式気相除湿器、１１は二次
フィルタ、１２は流量計、１３は赤外線光源、１４は分
配セル、１５ａは基準セル、１５ｂは試料セル、１６は
測定ガス用検出器、１６ａは基準セル側第１検出槽、１
６ｂは試料セル側第１検出槽、１７はフローセンサ、１
８は水分干渉補償用検出器、１８ａは基準セル側第２検
出槽、１８ｂは試料セル側第２検出槽、１９はフローセ
ンサ、２０乃至２２はそれぞれ増幅器、２３は演算器、
２４は赤外線ガス分析装置、を示す。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 被測定成分およびこの被測定成分に対する干渉成分を含
   んだ試料ガスが導入される試料セルと、基準ガスが封入
   された基準セルと、前記両セルへ同じ強度の赤外線光線
   を照射する赤外線光源と、赤外線を透過させ得るように
   構成され、前記試料セルおよび基準セルを透過した赤外
   線光線がそれぞれ照射される２つの検出槽より成る測定
   ガス用検出器と、この検出器の各検出槽を透過した赤外
   線光線がそれぞれ照射される２つの検出槽より成る干渉
   補償用検出器とを備え、前記測定ガス用検出器の出力信
   号から前記干渉補償用検出器の出力信号を引算すること
   により前記試料ガス中の被測定成分濃度を測定するもの
   において、前記干渉成分が水分である場合には、前記試
   料ガスが前記試料セル中に導入される前にこの試料ガス
   中の水分を除去する除湿器を設け、かつ前記干渉補償用
   検出器の各検出槽内には水分もしくはこの水分とほぼ同
   じ赤外線吸収波長領域を有するガスを封入し、この干渉
   補償検出器の出力信号に基づいて前記除湿器の除湿性能
   を検知し得るようにしたことを特徴とするガス分析装置
   。