JPS6312938A - ガス分析装置及びガス分析方法 - 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】 本発明は、ガス分析方法及びガス分析装置に関するもの
である。本発明の一例は赤外線を用いる煙道ガスの分析
に関するものであるが、紫外線スプクトラムを含む他の
放射光を用いる別の型式のガス分析装置にも適用するこ
とができる。

煙道ガスの分析装置において従来から提案されている装
置は、分析されるべきガス中に放射光を通過させてその
放射光の強度を測定し、煙道ガスの既知の成分の濃度を
計算するためのデータを得るように構成されている。

最近提案された装置は、ガス流の通路の両側に強度測定
装置を配置する両側型測定装置に関するものであり、放
射光伝送素子上に付着したダスト等に起因する時間的に
変化する測定装置内の物理的欠陥による悪彩りを減少又
は除去された測定ができるようにされている。より最近
提案されているものでは、回転狭帯域フィルタによって
２波長で作動する単一放射ビームを用いた測定に基づく
比率計算によって比較結果が得られている。また、放射
ビームをプローブ長に亘って進行させると共に先端部の
ミラーによって反射してプローブの端部まで戻して順次
分析を行なう片側型装置を提案されている。

しかしながら、これら従来の全ての装置においては、装
置の較正或いは出力スケールのスパン及び零点の再チェ
ックを精度よく行ない信頼性を高める必要性が生じてい
る。この目的を達成するため、この点に関し従来提案さ
れた装置は標準ガス又は既知のガスを装置内に充填する
手段を設けることが中心となっている。いかなる場合に
もこのような手段を設けることは有効でないと共に面倒
であり、更に従来装置を用いる場合標準ガス又は既知の
ガスだけの存在下でデータ測定を行なう必要があり、こ
の必要性は測定中に煙道ガスを測定装置内に効率よく導
入すべき条件に対して矛盾を生じてしまう。

従来提案された装置の別の欠点は、ガス分析中にレンズ
のような放射光伝送素子上に生ずるくもりのようなもの
を除去又は減少させるための技術に関するものである。

従来提案された技術では比較的乾燥した空気流を用いこ
の空気流を関連する光学素子に通過させている。しかし
ながら、これらの技術では、煙道ガスをサンプリング用
プローブ内に効率よく導く必要のある装置に容易４こ適
用することができない。従って、これらの問題点を改善
することが強く要請されている。

本発明の目的は、上述した欠点を改善したガス分析装置
及びガス分析方法を提供するものである。一本発明の目
的は、放射光が分析されるべきガス中を通過するように
配置されている放射源と、この放射源から発した放射光
を受光するように配置されている放射光センサとを具え
、基準位置又はデータ位置に配置され放射源からの放射
光を横切ると共に放射光を前記センサまで伝送するデー
タ手段によって特徴付けられるガス分析装置を提供する
ものである。

このデータ手段はミラーのような放射光反射手段を具え
、放射光を前記センサに直接反射させることができる。

このデータ手段は放射光が分析されるべきガス中を通過
する前及び通過後に放射光の光路を横切るように配置さ
れることができる。

このデータ手段は、放射光を通過させることができ１又
はそれ以上のガスを収容した放射光透過セルを有するこ
とができる。更に、このデータ手段は開口部を有し影響
を及ぼすことなく放射光をセンサまで通過させることが
できる。

本発明の別の実施態様によれば、放射光を分析させるべ
きガス中で伝送する放射源と、この放射光を受光する放
射センサと、放射光に応じてセンサにより発生した信号
を分析する信号処理装置とを具えるガス分析方法におい
て、前記放射源からの放射光を横切るようにデータ手段
を配置し、このデータ手段を用いて放射光を基準値又は
データ値としてセンサまて伝送することを特徴とするガ
ス分析方法を提供する。

本発明の別の実施態様よれば、放射光が分析されるべき
ガス中を伝播するように配置されている放射源とこの放
射源からの放射光に応答する放射センサと、放射源から
の放射光に応答しセンサにより発生した信号を分析する
信号処理装置とを具え、前記放射源が分析されるべきガ
ス流中に挿入され得るプローブ手段に放射光を伝送する
ように配置されているガス分析装置において、前記プロ
ーブ手段が分析されるべきガスを透過させることができ
る多孔質材料を有することを特徴とするガス分析装置を
提供するものである。この多孔質材料は焼結金属基質を
有することが好ましい。

本発明の更に別の態様は、放射光が分析されるべきガス
中を伝播するように配置されている放射源と、この放射
光を受光する放射センサと、放射源からの放射光に応答
しセンサで発生した信号を分析する信号処理装置と、使
用中に放射伝送手段の温度を上昇させるための加熱手段
が設けられている放射伝送手段とを具えるガス分析装置
を提供するものである。この加熱手段は電気抵抗ヒータ
を有することができる。この放射伝送手段は放射光を屈
折させるレンズで構成することができる。

この加熱手段は熱伝導性リングに装着されレンズまで熱
を伝導する熱１云導管を有することができる。

更に、本発明は本明細書に開示した新規な構成要件又は
新規な構成要件の組合せ或いは分析工程を有するガス分
析装置を提供するものである。

以下に述べる実施例において、ガス分析１は電磁スペク
トラムの赤外線領域で作動すると共にガス流中の３種類
に亘る赤外線吸収成分の濃度を連続して測定することが
できる。この測定技術は、濃度の関係が次式に基づき放
射光の吸収量の関数となることを利用している。

濃度＝ｆ（１／１．） ここで、！、及びＩは吸収前後における放射強度である
。この分析装置は、１種類のガス成分だけによって吸収
が生ずるようにそれぞれ選択されている異なる波長光に
おける吸収量を比較することによってガス流中の各成分
のガス濃度を測定する。

ガス道管、処理容器、処理パイプ中のガス流に特別な光
学ヘッドを挿入する。この光学ヘッドすなちプローブは
多孔質管によって保護されており、この多孔質管はガス
だけを内部の放射光の光路中まで浸透させ粒子状の物質
は浸入させないようにされている。この多孔質管は、種
々の用途に応じて適切な範囲の孔径のものとすることが
できる。

この多孔質管は、対象となるガスに対する非腐食性材料
で構成する。

実施例において、放射源から発した赤外線放射ビームは
、分析されるべき各ガス成分について測定波長及び基準
波長を選択する回転式、光学フィルタホイールを通過す
る。次に、これらの波長光は、分析されるべき各ガス成
分毎のガスセルを有する一連のデータ素子と、放射ビー
ムを赤外線検出器に反射するミラ一手段と、放射ビーム
を影響を及ぼすことなくプローブに通過させる開口部と
を有するデータ手段、すなわち基準値放射光伝送手段を
通過する。放射ビームは集束レンズを通過しプローブ管
の長手方向にその先端の反射ミラーまで進行し、この反
射ミラーによって反射されて再度集束レンズを通過し入
射側の光路からずれて位置し赤外線検出器が配置されて
いる点に戻る。

検出器すなわちセンサで受光された放射光は以下の事項
に依存する： （ａ）各ガス成分毎に選択された波長光（測定用又は基
準用）、 （ｂ）データ手段の設定条件、 （Ｃ）プローブ中のガス成分、 以下図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第１図に示すように、煙道ガス分析装置１０は分析され
るべきガス１２が通過する煙道の側壁１１に装着されて
おり、赤外線光源１３を有し、この赤外線光源１３から
の放射光を凹面鏡１４まて通過させ、この凹面鏡１４か
らモータ１８によって駆動されるフィルタホイール１６
を経てデータホイール２０まで伝播させる。このデータ
ホイール２０は、このデータホイールの位置をマーカ（
図示せず）によって検出する光学式スイッチ２４からの
信号の制御のもとで指示駆動モータ２２によって駆動さ
れることができる。

データホイール２０からの放射光はレンズ２６を透過し
てミラー３０を有するミラーブロック２８まで伝播し、
このミラー３０によって反射されレンズ２６及びデータ
ホイール２０を経て赤外線検出器３２により受光される
。レンズ２６は先端にミラー３０を有するプローブ管３
６の入り口側端部に装着されている。

このプローブ管３６は焼結性多孔質基材で構成され、銅
製のインサート４０を（ｄηえるインナ管３８を有して
いる。レンズ２６は断熱マウン目４を有する銅リング４
２に装着され、この断熱マウント４４はリング４２を光
学装置用のハウジングに連結すると共にインナ管及び多
孔質焼結管３６のフランジに隣接する。

銅リング４２は環状の加熱素子によって電気的に加熱さ
れ、その温度が制御される。

赤外線検出器、すなわちセンサ２０は方形波を発生し、
この方形波をその各ピーク部及び谷部の位置における波
形の高さを測定する図示しないアナログ／デジタル変換
器に供給する。これによりパルスの平均高さを計算する
ことができると共にノイズを平均化することができ、こ
の平均化によってノイズが有効に除去されると共に一連
の読取動作が不要になり、従ってデータ処理を行うマイ
クロプロセッサの容量を一層小さくすることができる。

第２図に示すように、フィルタホイール１６は３組のフ
ィルタディスクを具えている。各フィルタ組は測定用フ
ィルタ（Ｍ）及び基準用フィルタ（Ｒ）で構成する。こ
れらフィルタは狭帯域波長光を透過する。各フィルタ組
ん１１．　１ｕｌｌ　：　Ｍ２．　　Ｒ１２及び！Ｊ　
３　。

Ｒ３は分析゛されるべき３種のガス成分に対応して選択
される。これらフィルタ組はそれぞれ異なる波長光を透
過し、装置の変化に対する比率補正を上述したようにし
て行うことができる。測定フィルタによる測定頻度をそ
れぞれ適切に選択して適切な吸収を発生させ、一方基準
フィルタの場合には吸収をほとんど発生させないものと
する。フィルタホイール３は１０００ｒ、　ｐ、ｍに達
する速度で回転する。スロットのようなマーカ（図示せ
ず）をフィルタホイール１６の本体４６に形成してフィ
ルタホイールの回転をモニタすると共にセンサ２０の出
力に対して調和させることができる。

第３図に示されるように、データホイール２０は４個の
データ素子を支持する支持部材５０を有し、これらデー
タ素子はミラー５２と分析されるべきガス１，２及び３
用のセル５４．５６．５８とする。更に孔すなわち開口
６０も支持部材５０に形成する。各ガスセル５４．５６
．５８は、適切な濃度の基準ガスを含むと共に支持部材
５０の開口部に装着されている放射透過性の透明なセル
を有しており、これによって放射光はセル及び開口部を
通過してレンズ２６まで伝播することができる。セル５
４．５６及び５８中のガスＧｌ、　Ｇ２及びＧ３は本装
置によって分析されるべきガスに応じて選択される。本
例においては、各。

セルは、分析されるべき実際のガス成分のうちのそれぞ
れの高濃度ガス成分を含んでいる。

フィルタホイール１６をデータホイール２０と組み合わ
せることにより、分析さるべき３種類のガス成分の各々
について３種類の放射光強度測定（データホイール６の
ガス測定位置５４．５６．５８における測定、開口部位
置６０における測定、及びミラー位置５２における測定
）を行うことができる。これらの測定は、以下の説明に
おいてガスセルについて添字Ｇを、開口部について添字
Ｈを及びミラーについては添字Ｍを付して表示するもの
とする。

更に、これらの測定の各々はフィルタディスク４６上の
フィルタディスク組Ｍ１．　　Ｒ１；　Ｍ２．　　Ｒ２
；　及びＭ３゜Ｒ３によって行うように２種のサイクル
　（測定及び基Ｑ＝）で行うことができる。フィルタデ
ィスク）Ｊｌ及びＲ１の透過周期及びデータセル５４中
のガス１の吸収特性は、ガス流中で本装置によって分析
されるべき第１ガス成分の特性に応じて選択され、同様
にフィルタディスクＭ２．　Ｒ２及びデータセル５６中
のガス２の吸収特性についても分析されるべき第２ガス
成分の特性に応じて選択される。このように６個の強度
測定は分析されるべき３種類のガス成分の各々について
行うことができ、これらの測定を次のように表示する。

Ｍｌ、　Ｍ　＝フィルタホイールのＭ１位置及びデータ
ホイールのミラー位置： Ｍｌ、　Ｈ＝フィルタホイールのＭ１位置及びデータホ
イール２０の開口部位置； ＋Ｊｌ、　Ｇ　＝フィルタホイールのＭ１位置及びデー
タホイールのガス１位置； Ｒ１，Ｍ　＝フィルタホイールのＲ１位置及びデータホ
イールのミラー位置： Ｍｌ、　Ｈ＝フィルタホイールのＭ１位位置びデータホ
イールの開口部位置； Ｍｌ、　Ｇ　＝フィルタホイールのＲ１位置及びデータ
ホイールのガス１位置； 同様に、フィルタディスク！、１２．　Ｒ２の位置とデ
ータイホール６のガス２位置、開口部位置及びミラー位
置において別の６種類の強度測定を行うことができ、同
様にガス成分Ｇ３についても６種類の強度測定を行うこ
とができる。

データホイールのミラー位置における強度測定は放射光
が本装置の各種光学素子及び分析されるべきガス中を通
過する別の強度測定に対する基準値として用いることが
できる有効な標準値又はデータ値となるものと理解され
るであろう。よって、このミラー位置における強度測定
は、分析されるべきガスによって全く吸収を受けない赤
外線光源１２からの放射光の強度を測定するものである
。これをガス１に関する第５図に示す。第５図において
、Ｍはミラー位置における強度値を示す。この強度値は
、基準サイクル及び測定サイクルの両方のものと同一で
ある。データホイール２０の開口部位置において、放射
光はデータホイールによって影響を受けず、従ってこの
開口部位置における強度測定はプローブ管３６中のガス
による放射吸収を直接測定することになる。この測定値
を強度Ｈにより第４図に示す。これらの測定値は基準サ
イクルによる測定の方が測定サイクルによる測定よりも
大きくなる。データホイール２０のガス１位置（或いは
ガス２位置又はガス３位置）において、放射光はセル５
４．５６又は５８中に含まれるガスを直接通過する。こ
れらのガスは分析されるべき煙道ガス成分の高濃度ガス
成分であり、濃度スケール上でほぼ飽和値となるデータ
点６２（第６図参照）を発生させる。濃度スケール上の
この点における測定値はプローブ管３６中のガスの存在
によってほとんど影響をうけないので、この測定は有効
な最大スケール値チェックとなる。第４図において、こ
の測定値を値Ｇで示す。測定サイクル（八〇　において
値Ｈよりもはるかに小さな値となる。基準サイクル（Ｒ
）において、この値は値Ｈと同一になる。

けだし、基準サイクルではほとんど吸収が生じないよう
に選択されているためである。

使用に際し、本装置を煙突１１、ダクト又は容器中に挿
入し、多孔質管３６を分析されるべきガス流中にさらす
。分析されるべきガスは多孔質管３６の孔を経て管の内
部に侵入し、管中を通過する放射光によって照射される
。赤外線検出器３２に接続さている信号処理装置は測定
強度値を処理してガス流中のガス成分１．２及び３に対
応するガス濃度を直接デジタルで読み出す。

濃度計算は次式に基づいて行う。

ガス成分１の濃度＝ｆｌ、　Ｈｍｌ、　Ｈ／ＲＬ、　ｆ
ｌ）　Ｘ　（Ｒ１゜Ｍ／ＭＬ　Ｍ）　＋　ｆ　１．２　
（Ｍ２．　Ｈ／Ｒ２，Ｈ）　ｘ　（Ｒ２゜Ｍ／Ｍ２．Ｍ
）　　十ｆｔ、３　（！、１３．Ｈ／Ｒ３，Ｈ）　　Ｘ
　　（Ｒ３゜Ｍ／Ｍ３．Ｍ）＋オフセット　（池のガス
に起因する） 上記式において、多数項はｆｌ、１を含む項である。

項Ｍ１．　Ｈ／Ｒ１，Ｉ＋は測定中においてガスによっ
て吸収された後のビーム強度に対応し、式ＲＬ　Ｍ／Ｍ
１．　）Ａはガス吸収のないミラー位置におけるビーム
強度に対応している。これらは、上述した濃度−ｆ（１
／１．）、（Ｉ及びＩ。はガス吸収の前後における放射
光強度）の基本式の比率計算の一方の部分となる。関数
［１゜１、　ｆｌ、２及びｒｌ、３等は較正中に測定さ
れマイクロプロセッサのメモリに記憶される。これらの
関数は表にされた数字又は数式として記憶することがで
きる。

第６図において、上式における主濃度項に相当する強度
測定値をガス濃度に対して表示する。本装置の測定範囲
を符号６４で示す。

データホイール２０のミラー位置の測定により本装置の
ドリフトに関する赤外線出力信号をモニタする。データ
セル５４．５６及び５８を用いることによりプローブ管
中に標準ガスを導入することなく計算するための基準デ
ータ点が得られる。しかしながら、本発明では標準ガス
をプローブ管に導入して分析を行うこともでき、多孔質
管３６の多孔質特性を有効に利用して内部に含まれてい
たガスを一瞬で吹き出すことにより窒素ガスのような基
準ガスの完全な充填を容易に行うことができる。本発明
は上述した実施例だけに限定せず本発明の範囲内におい
て種々の変形が可能であり、放射源及び放射センサを適
切に変更することにより紫外線や近赤外線のような放射
光を用いることもできる。

本分析装置はガスセルを用いなくても１吏用することが
できる。このガスセルを用いない測定は低濃度の煙道ガ
スを測定する場合に極めて重要であり、測定値間に相互
干渉が生ずる場合には困難なものとなる。しかしながら
、臨界的な分析状態でない場合にはミラー位置における
測定値を基準データとして用いるだけで適正な測定精度
を達成することができる。

別の実施例として、図示されていないが、レンズ２６の
周囲に電気的ハンド型の加熱手段によってレンズ２６の
くもりを防止することができ、これにより約１００℃の
温度に維持することができる。同様な加熱手段を装置内
の別の光学素子に施して同様の効果を達成することがで
きる。この加熱の目的は、光学素子の温度を上昇させる
ことであり、加熱することにより周囲ガスや大気ガスに
よる凝結の発生が減少する。或いは電気的抵抗ヒータを
用いることもできる。上述した実施例において、煙道か
らレンズに至る熱伝導管を用いて加熱することもでき、
レンズ２６を光学系ケースから断熱されている゛熱伝導
管４２内にレンズ２６を配置してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガス分析装置の長手方向断面図、 第２図は第１図のフィルタホイールの構成を示す線図的
正面図、 第３図は第１図のデータホイールすなわち基準値ホイー
ルの構成を示す線図的正面図、第４図はデータホイール
が開口部位置及びガス１位置にある場合の第１図の装置
によって得られた放射強度測定の方形波図、 第５図は同じくミラー位置における方形波図、第６図は
本発明の装置によって得たガス濃度に対する強度比測定
を示すグラフである。１０・・・煙道ガス分析装置　１
１・・・側壁

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、放射光が分析されるべきガス中（１２）を伝播する
   ように配置されている放射源（１３）と、この放射源か
   らの放射光を受光するように配置されている放射センサ
   （３２）とを具えるガス分析装置において、前記放射源
   からの放射光を横切ると共に放射光を前記センサに基準
   値又はデータ値として伝達するように位置決めされてい
   るデータ手段（５０〜６０）を具えるガス分析装置。 ２、前記データ手段が、放射光を前記センサに向けて反
   射し又は透過するミラー（５２）のような反射体又は透
   過手段を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のガス分析装置。 ３、前記データ手段（５０〜６０）が、放射光が分析さ
   れるべきガス中を通過する前後において放射光を通過さ
   せるように位置決めされていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１又は第２項記載のガス分析装置。 ４、前記データ手段が、放射光が通過し得るガスを含む
   １又はそれ以上の放射光透過セルを有することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１
   に記載のガス分析装置。 ５、前記データ手段が開口部（６０）を有し、前記放射
   光がデータ手段によって影響を受けることなくセンサま
   で通過し得るように構成したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項から前項までのいずれか１に記載のガス分
   析装置。 ６、放射光が分析されるべきガス中を伝播するように配
   置されている放射源（１３）と、放射源からの放射光を
   受光するように配置されている放射センサ（３２）とを
   具え、放射光が分析されるべきガス流中に挿入し得るプ
   ローブ部材中を伝播するように放射源が配置されている
   ガス分析装置において、前記プローブ部材が、分析され
   るべきガスを浸透させ粒子状物質の浸入を阻止する多孔
   質材料を有することを特徴とするガス分析装置。 ７、放射光が分析されるべきガス（１２）中を伝播する
   ように配置されている放射源（１３）と、放射源からの
   放射光を受光する放射センサ（３２）と、放射源からの
   放射光に応答しセンサで発生した信号を分析する信号処
   理装置と、放射源からの放射光を受光すると共にこの放
   射光を放射センサに向けて伝達させる放射伝達手段とを
   具えるガス分析装置において、前記放射伝達手段に使用
   中に温度を上昇させるための加熱手段が装着されている
   ことを特徴とするガス分析装置。 ８、放射源（１３）を配置して放射光を分析されるべき
   ガス中（１２）を伝播させ、放射センサ（３２）を配置
   して放射源からの放射光を検出し、信号処理装置を用い
   放射光に応答してセンサで発生した信号を分析してガス
   分析を行なうように当たり、データ手段（５０〜６０）
   が放射源からの放射光を横切ると共に放射光を基準値又
   はデータ値として前記センサまで伝達するように配置す
   ることを特徴とするガス分析方法。 ９、前記データ手段を用い、少なくとも２個の異なる条
   件で放射センサによって検出された放射強度に関する一
   連の値を形成し、すなわち： ａ）放射光が分析されるべきガスを通過することなく或
   いは装置の本体を通過すること なく、前記データ手段のミラーのような光 学素子が放射光を前記センサに直接反射し 又は伝達して標準又はデータ値（Ｍ）を形 成し、 ｂ）放射光が分析されるべきガス中を通過し、このガス
   による吸収が発生し； ２個の頻度（Ｍ１、Ｒ１；Ｍ２、Ｒ２；Ｍ３、Ｒ３）；
   すなわち測定サイクル（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）と基準サイ
   クル（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）で前記測定を行ない、基準サ
   イクルにおける分析されるべきガスによる吸収が、測定
   サイクルにおける分析されるべきガスによる吸収よりも
   小さくなるように基準サイクルを選択して測定値（Ｈ）
   を形成することを特徴とする特許請求の範囲第８項記載
   のガス分析方法。 １０、前記データ手段（５０〜６０）を用い、放射光が
   ガスセル（５４、５６、５８）を通過するスケールデー
   タ点（Ｇ）において放射センサによって検出した放射強
   度に関する値を形成し、このガスセルが放射光について
   分析されるガス成分に比べて高い吸収特性を有するガス
   成分を含み、センサにより検出した放射光が前記ガス成
   分を通過することによってほとんど影響を受けないこと
   を特徴とする特許請求の範囲第８項記載のガス分析方法
   。