JPS6148734A - 気体の濃度および分圧測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば鉄鋼業において使用される各種熱処理
炉その他、各業種において使用されている各種プロセス
において雰囲気気体の濃度および分圧を管理するだめの
測定装置に関するものである。

（従来の技術） 鉄鋼業において使用される加熱炉、焼鈍炉を始め、気体
の成分濃度および分圧が管理された雰囲気中で行われる
プロセスは数多く存在し、そこでは気体の濃度および分
圧を測定することが不可欠である。そのため現在は、測
定用プローブを被ａｌｌ定雰囲気中に直接挿入し測定を
行う方法や、被測定カスを適当な装置を用いて吸引しプ
ロセスの外部で測定する方法などが行われている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながらこれらの方法は、例えばプロセスの雰囲気
が高温、高圧状態にある場合や腐食性の強い気体成分か
ら構成されている場合等々苛酷な条件下では、測定用プ
ローブの耐熱、耐圧、１耐腐食性能に限界があることや
、カスを外部に取出すことに起因して、ガス成分が失わ
れてしまうことがある等々種々の問題があり、■確な４
（１１定を竹うことができない場合があった。

本発明は、上記のような問題点を解決し、光の吸収強度
を利用し、測定用の光をプロセス中の管理雰囲気中を直
接通過させることにより、背景雑音の彩管を′、θ時除
去しつつ、そのガス成分の濃度あよひ分圧を正確に測定
するための装置を提供せんとするものである。

（問題へを解決するだめの手段１作用）本発明は、前記
のように光の吸収強度を利用して気体の濃度および分圧
を４１１１定するもので、Ｗｌ１１光用光源および参照
充用光源として半導体レーザを設け、被ｆｌｌｌ＋定気
体に向けて放射されるレーザ光の光１ｈ１１−ヒに、全
吸収而と透過孔を有する回転セクタと、全反射面、全吸
収而および透過孔を有する回転セクタを、互に同期回転
するように設け、かつ１咳回転セクタの中間にハーフミ
ラ−を設け、さらに１ｊｉ記光ｄ４１＋　、、ｌ−の被
測定気体の後方に反射面を設けるとともに、ｎＱ記ハー
フミラ−の反射面に対向して検出器を設けたことを特徴
とする。

先ず本発明装置の測定原理について説明する。

第１表に示すように気体分子は分子振動に対応して特定
の波長の光を強く吸収する。石こで、この特定の吸収波
長をもつ光を用いて、気体の吸収強度を測定し、これか
ら測定対象ガスの濃度を１ＴｌｌＩ定する方法は、例え
ば特公昭５１−２０！３０４号公報に開示されているよ
うにすでに行われている。

第１表 本発明装］゛ζ１は上記の特定の吸収波り七をもつ光（
以下４１１１定光という。）の他に、吸収波長に近いか
、光吸収を受けない波長の光（以下参照光という。）を
用い、しかも両党か同一光路を通過するようにし、かつ
測定光および参照光について光源の光強度（以下始強度
という、）および被Ａ１１１定気体中を通過し、該気体
による光吸収を受けた後の光強度（以下終強度という。

）を測定し、これらの（＋Ｇからカス濃度の平均値を測
定しようとするもので、しかも光源として半導体レーザ
を使用することを最大の特徴とする。すなわち、半導体
レーザは発振部の温度と供給電流により発振波長が定ま
り、温度あるいは電流を掃引することかできる波長可変
レーザであるので、波長掃引によって参照光と測定光を
１つの素子から得ることを特徴とするものである。

一般に、光吸収はＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則に従
いＩ（Ｌ）＝Ｉｏｅｘｐ（−ａｓｎ＊Ｌ）と表わされる
。但し工（０）は始強度、ｎは被ｒｌｌｌｉ定気体の体
積モル濃度、Ｌは光路長、αは吸収係数、Ｉ　（Ｌ）は
終強度である。なお、吸収係数αは被ΔＩｌｌ廻気体、
使用波長により一義的に決まる物理定数である。

そこで本発明においては測定光、参照光および背光雑音
をＪｌｉ＋定するため、光コ；を側の回転セクタ（以下
Ｎｏ、ｌセクタという。）には透過孔と全吸収σ１１を
設け、他力の（被Δ１１１定カス側の）回転セクタ（却
下Ｎ０２２セクタという。）には全反射面、全吸収面お
よび透過孔を設け、第２表にンバす組合せを構成させ、
組合せ■では始強度を、（２，）では検出器のＵｔｔ雑
音を、・■では終強度を、・４）では背光雑音としての
放出光を１ＴＩＩ＋定する。

第２表 すなわち回転セクタの組合せにより得られる光強度■、
〜■４は次のようになる。

組合せ・慢の場合　Ｉ、　＝Ｉλ、（ａ）　＋　Ｉｚ１
’１＝　ｚＡ２　（ｏ）　＋　１１ ／／　　　を示　　／／　　　　　Ｉ　　３　　＝　　
Ｋ　　Ｉ人＋　　（ａ）ｅｘｐ（−α入＋　　・　ｎ・
Ｌ）　＋ＩＢ　　＋　Ｉｚ Ｉ　　３　　＝　　Ｋ　　Ｉ入２　　（ｏ）ｅｘｐ（−
αλ２−　ｎ轡　Ｌ）＋ＩＢ＋ＩＺ ／／　　　　　４）　　　　　／／　　　　　　　　Ｉ
４　　　＝ＩＢ　　　　＋Ｉｘなおこのときタンシュ記
号のないものは参照光に関する光強度、グ・ノシュ記号
のあるものは測定光にＩ′Ａする光強度を表わすもので
ある。

但し、入１は参照光の波長、入２はＡｊｌ＋定光の波長
、αλ１は波長入、に対する吸収係数、α入２は波長へ
２に対する吸収係数、Ｉ入１　（０）は参照先の始強度
、Ｉ屓（０）は測定光の始強度、ｎは被ａｌ定気体の体
積モル濃度、Ｌは光路長、Ｉｚ　　は検出′Ａ：（の１
ｆ５雑音、ＩＢ　　は背光雑音としての放出光、には被
ｄ１１１定気体による光駁収以外の光損失を表わす係数
である。（なおこの係数は、光路に存在する窓ガラスの
汚れによる損失、光路において測定光の一部か欠けるこ
とによる損失等を表わす。）これらにより、参照光およ
び測定光の透過率Ｒ，，Ｒ２は 透過率比Ｒは となり、経時変化する未知の係ｉＫを消去することかで
きる。また参照先は被４１１１定気体により吸収されな
いので、αλλ〉〉α入１とすることかでき。

従って透過率比Ｒは Ｒ−ｅｘｐ（αλ２畢ｎ　＠Ｌ　）　　　　　　　　　
・・−Ｃ２）となる。さらにこの　（２）式の両辺の対
数をとり、被測定気体の体積モル濃度ｎについて整理す
るととなる。そこでこの体積モル！農度ｎと気体の状態
方程Δ゛− Ｐ＝ｎ・Ｒ−Ｔ　　　　　　　　　　　　・・・（４）
（但しＰは被ｆｌｌｌ＋定気体の分圧、Ｔは披４１１定
気体の温度、Ｒは気体Ｚ５゛数）を組合せることにより
被Ａ１（１定気体の分圧を測定することかできる。

／（発明装、７はこのような理論に基いて被−１１１定
気の濃度および分圧を？Ｓ＋１１定する装置に関するも
ので、以下図面により本発明について説明する。第１図
は未発明の構成を示す説明図で、１はレーザ素子、５Ａ
および５Ｂはモータ６より同期回転する回転セクタで、
レーザ；に子１側のＮ０１１回転セクタ５Ａには透過孔
１５および全吸収面１６を、また被４１１１定気体１２
側のＮｏ、２回転セクタ５Ｂには透過孔１５．全吸収面
１６および全反射面１７を前記第２表に示す組合せにな
るように配置°ろ゛しである（第３図参照）。７は両回
転セクタ５Ａ、５Ｂ間に設けたハーフミラ−１８は該ハ
ーフミラ−７に対向させた軸はずし放物ｌＩ６鏡、９は
検出器であり、これらは本体１０内に収容している。１
１は本体１０に設けた窓で、筺体からの／１ｌｌｌ定光
および参照光か通過する。窓材としては使用波長に対す
る透過率か既知であり、かつ各波長に対する透過率が等
しいものを仙用することかヘリましい。また１３は被３
］）１定置体１２の後方に設けたレトロリフレクタ−等
の反射面である。

本発明装置により気体の濃度および分圧をＪｌｌｌ定す
るには、波長掃引によってレーザ索子ｌかも得た波長入
１　、入２のレーザ光を回転セクタ５Ａに放身１する。

そこで先ず始強度１　（ｏ）を求めるには。

回転セクタ５Ａの透過孔１５と回転セクタ５日の全反射
面１６の組合せ（第２表ＬＤ）を光ｊ１１１Ｉ上に位置
させる。このときにはレーザ素子１からの光は透過孔１
５を透過し、さらにハーフミラ−７を透過して回転セク
タ５Ｂの全反射面１６で反射し、ハーフミラ−７に戻り
反射して軸はずし放物面鏡８に至り集光され検出器９に
到達する。従ってこのとき波長掃引することにより参照
光、測定光の始強度■１　。

１１が検出される。次に回転セクタ５Ａおよび５Ｂがそ
れぞれ全吸収面１６となる組合せ（第２表（ワ）で光軸
上に位置するようにすると、検出器９に入射する光か遮
断されるので検出器９自身の１＠雑音（Ｉ２＝Ｉりのみ
が検出される。ざらに回転セクタ５Ａおよび５Ｂがとも
に透過孔１５の組合せ（第２表（ｊ））で光軸上に位置
すると、レーザ素ｔ！１からの光は回転セクタ５Ａの透
過孔１５．ハーフミラ−７、回転セクタ５Ｂの透過孔１
５を透過し、さらに窓１１を透過し、被測定気体１２を
通過し、反射面１３により反射し再び被測定気体１２を
通過し、本体１０内に１アリハーフミラ−７により反射
し１１ｄ＋はずし放物面鏡８により集光されて検出器９
に到達する。

従ってこのとき波長掃引すれば参照光および１１１１定
光の終強度工３およびＩ′３が検出されることになる。

さらに回転セクタ５Ａの全吸収面１７および回転セクタ
５Ｂの透過孔１５の組合せ（第２表■）が光軸上に位ｊ
δすると検出器９には光源以外の背光雑音工４が検出さ
れることになる。

このようにして始強度、暗雑音、終強度、背光雑音の光
強度Ｉ＊　　、Ｉｔ　　、Ｉ２　　、Ｉ３　　、Ｉ３お
よび工４の測定値が得られるので、これらの値から前記
のように参照光および測定光の透過率Ｒ１。

Ｒ２を求めすることができ、さらに　（１）式、　（２
）式および　（３）式により体積モル濃度ｎを、また　
（４）式から被測定気体の分圧を求めることができる。

第４図は検出器９により求められた光強度■１〜工４か
ら体積モル濃度ｎおよび分圧Ｐを求めるための演算回路
の一例を示すもので、検出器９によって光から変換され
た′上流イ、］弓は１回イ・バセクタの回転に伴って発
生し、デコーダ−２１を経て供給される同期回路２０か
らの信号に従って、プリアンプ１８あるいは該プリアン
プ１８およびＡＧＯアンプ１８を経てサンプルホールド
回路２２〜２７のいずれかに入力され、光強度１１〜工
４として出力される。

さらにこの光強度Ｉ、およびＩ２は演算回路３ｏにより
（Ｉｔ　　　Ｉ２　）の演算が行われ、また演算回路３
１により（Ｉ’１＝Ｉ２）の演算が行われ、ざら演算が
行われ、　ＡＧＣ制御回路２９を経てＡＧＧアンプ１９
にフィードバックされる。一方光強度工４は演算回路３
２により基準電圧発生器２８からの信号と比較され、さ
らに演算回路３３により光強度■３との間で（１３Ｉ４
　）の演算か行われる。また演算回路３４により　（Ｉ
３　　　Ｉ４）の演算が行われ、さらにこれらの結果は
演算回路３６により３−Ｉ４ （７，、）の演算か行われ、Ｌｏｇアンプ３７゜演算回
路３８により透過率比Ｒ１体ＪＭモル濃度ｎが演算出力
される。また畳られた体積モル濃度ｎと別途求めた温度
Ｔ　（Ｋ）を乗算アンプ３９により乗算し、演算回路４
０を経て分圧Ｐが演算出力される。

また−ヒ記の演算、すなわち光強度１１〜■４より体積
モル濃度ｎおよび分圧Ｐを求めるＧｎ算を、マイクロコ
ンピュータを用い、ティジタル的に行わせることもでき
る。

またレーザ素子がＩｙｌ子では必要な波長域をカバーで
きないときには、第５図に示すようにレーザ素子を２個
用いることができる。第５図においてＩＡおよびＩＢは
互に波長の異なるレーザ素子、　２Ａ、２Ｂおよび３Ａ
　、３Ｂは放物面鏡、　４Ａおよび４Ｂはハーフミラ−
である。すなわちレーザ素子ＩＡから放射された光束は
放ｖｙＪ晶鏡２Ａ　、３Ａを経て平行光束となりハーフ
ミラ−４Ａで反射し、さらにハーフミラ−４日で反射し
回転セクタ５Ａに至り、一方レーザ素子ＩＢからの光束
は放物面鏡２Ｂ′８よび３Ｂにより反射し−９”ｊ丁光
末となり、さらにハーフミラ−４Ｂを透過して回転セク
タ５Ａに到達する。その後の動作は第１図の場合と同様
である。なお１４は温調器である。

第６図は本発明を鋼板の焼鈍炉中の鋼板の近傍の雰囲気
ガスの濃度および分圧測定に適用した場合を示すもので
、４１は焼鈍炉、４２は鋼板、４３は本発明装置の本体
１０と焼鈍炉４１の窓４５とを連結するベローズ、４４
は反射面１３と焼ユ電炉４１の窓４６との間に設けた継
手である。このように構成すると、鋼板４２の近傍の気
体１２の濃度および分圧を側だすることかできる。

なお、上記の説明はａｌｌ定対象として１種類のガスの
場合について行ったか、他種ガスについて吸収される他
の波長入３　、入４・・・を加え、２種類以上の測定光
を用いることにより上記の場合と同様にして、同時に２
種類以上のカスの濃度および分圧を測定することができ
る。

（実施例） 次に本発明装置により大気中の水分量を６１１１足した
場合を示す。測定時の気温２５℃、相対湿度３２％で、
光路長は２ｍである。また半心体は素子温度一定の条件
で発振させ、供給電流を掃引することにより、発振波長
を６．９種類ｍ〜［１，９８壓ｍの量変化させた。第７
図に上記範囲の各波長に対する透過率のＡ１１ｌ定結果
を示した。この場合測定光波長として入、　　＝６．９
６用ｍ、参照光波長として入２＝ｆ３．９５ｇｍを使用
し、前記（２）式を用いて透過率比Ｒを求めるとＲ＝　
１．１１となった。また前記（３）式を用いて体積モル
濃度を求めると、ｎ　＝　０．２１ｍｏｌ／ｌ　となっ
た。さらに＋ｉｉｊ記（４）式を用いて水分量の分圧を
求めると、７．８ｍｍＨｇとなった。このｆ＋＋Ｑは前
記の相対温度から求めた（ｉｔｊとよく一致した。

（発明の効果） 以上説明したように本発明装置によれば、被ｆｌｌｌ＋
定気体か持つ温度、圧力などの条件によらず、１１！１
定光および参照光を被測定気体中を通過させるのみで、
常時背光雑音の影響を除去しつつ多種類の気体濃度およ
び分圧を同時に正確に測定することかでき、しかも機構
的にも簡易である、また多方向に適用し得る等その実用
上の効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の構成を示す説明図、第２図は本発
明における回転セクタの構成を示す説明（４、第３図は
回転セクタに配設した全吸収面、−会反射面、透過孔の
組合せを示す説明図、第４図は本発明装置に使用する演
ｐ回路の一例を示す図、第５に！′Ｉは本発明装置にお
いてレーザ素子を２個用いた場合の説明図、第６図は本
発明を鋼板の焼を電炉に適用した場合を示す説明図、第
７図は本発明による大気中の水分量の測定結果を示す図
である。 １・・レーザ素子、２，３・・・放物面鏡、４・・・ハ
ーフミラ−１５・・・回中云セクタ、６・・・モーター
、７・・・ハーフミラ−１８・・・軸はずし放′１勿σ
１１鏡、９・・・検出器、１０・・・本体、１１・・・
窓、１２・・・被測定気体、１３・・・反射面、１８・
・・プリアンプ、１８・・・ＡＧｃアンプ、２ｏ・・・
回期回路、２１・・・デコーダー、２２〜２７・・・サ
ンプルホールド回路、２８・・・基博電圧発生′Ａ：（
，２９・・・ＡＧＣ制σ口回路、３０〜３Ｇ・・・ｉＭ
ｆ算回路、Ｅ？−Ｌｏｇア〉′プ、３　ａ−１：Ｈ９回
路、　３９・・・乗ｑ回路１４０・ｌ１ｉｉ　’ｊ’Ｊ
　［！Ｉ回路、４１　・・・焼鈍炉、４３・・・ベロー
ズ、４４・・・継手、４５．４６・・・窓。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測光用光源および参照光用光源として半導体レーザを設
   け、被測定気体に向けて放射されるレーザ光の光軸上に
   、全吸収面と透過孔を有する回転セクタと、全反射面、
   全吸収面および透過孔を有する回転セクタを、互に同期
   回転するように設け、かつ該回転セクタの中間にハーフ
   ミラーを設け、さらに前記光軸上の被測定気体の後方に
   反射面を設けるとともに、前記ハーフミラーの反射面に
   対向して検出器を設けたことを特徴とする気体の濃度お
   よび分圧測定装置。