JPS63263447A - 気体濃度検出装置 - 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、測定媒体として光を用いる気体濃度検出装置
に関し、特に、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
セスにおいて行なわれる雰囲気気体の濃度を検出する装
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なわれ
るプロセスは数多く存在し、そこでは気体の濃度および
ｌ又は分圧を測定することが不可欠である。

光の吸収強度を利用し、測定用の光のプロセス中の管理
雰囲気中を直接通過させることにより、そのガス成分の
濃度および分圧を正確にするための方法および装置が、
特願昭５９−１６９９９４号、同５９−１６９９９５号
および同５９−１６９９９６号に提供されている。この
方法および装置では、光学系の汚れ、光−軸のずれ等に
より被測定気体に照射される光の強度が変化すると、測
定誤差が大きくなる。そこで、被測定気体に照射される
光の強度をも検出し、該強度をモニタしつつ被測定ガス
の濃度および分圧の測定を正確に行なう方法および装置
を特願昭６０−２９６８５４号で提供した。この出願の
発明では、チョッパを用いて、光源からの光をチョッピ
ングして、チョッピング光をビームスプリッタで分岐し
て分岐光の波長λ１の光（参照光）の強度（１１）を検
出する一方、チョッピング光を被測定気体に通し、通過
した光を更にもう１つのビームスプリッタで２系統の光
に分岐して、１系統においては被測定気体により実質上
吸収を受けない参照光（λ１）の強度）Ｉ２）を検出し
、もう１つの系統においては被測定気体により吸収を受
ける波長λ２の光（？ＩＩｌ定光）の強度（Ｉ３）を検
出し、１１で光源の特性変化をモニタし、演算装置で、
検出強度Ｉ２およびＩ３に基づいて被測定気体の濃度ｎ
および分圧ｐを演算する。チョッピングは、光透過開口
を開けた円板を回転させることにより行なわれる。

周波数ｆのチョッピングにより、１１〜工３を検出する
センサの検出レベルが周波数ｆで脈動するので、センサ
の検出信号の、ｆ周波数のものが抽出される。

〔本発明が解決しようとする問題点〕

光源の経時変化や光路各要素の汚れ等により被測定気体
に照射される光の強度が変化しても、被測定気体通過前
の光強度（工１）と通過後の光強度（Ｉ２）を共に検出
し、ｊｌで光源の光強度をモニタするが、ビームスプリ
ッタを２組光路に介挿するので、光学系における光の減
衰が大きく、したがって安定した信頼性を得るために、
比較的に高輝度の光源、すなわち大型、高電力消費の光
源を用いる必要がある。

本発明は光学系に介挿するビームスプリッタの個数を低
減し得る気体濃度検出装置を提供することを目的とする
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成する本発明は、チョッパを、所定回転角
でのみ前記光源の光を被測定気体に反射する反射面を有
するロータとこのロータを回転駆動する電気モータでな
るものとする。

〔作用〕

これによれば、ロータの回転が所定回転角にあるときの
み光が被測定気体に照射されるので、被測定気体にチョ
ッピング光が与えられる。参照光強度（Ｉ１）は、例え
ば、ロータの回転が該所定回転角でないときの前記反射
面の反射光を検出することにより、チョッピング光とし
て検出する。

あるいは、ロータを、光源からの光を被測定気体に反射
する反射面を有するテーパを有し回転軸に平行な方向の
光の透過は遮断する反射部材と１回転軸に平行な方向の
光を透過する開口を１回転軸を中心とする同一円周上に
有するものとして、該開口を透過した光を検出すること
によりチョッピング光として検出する。

このように、ビームスプリッタを介さずに、チョッピン
グ光を被測定気体に照射しかつチョッピング光を参照光
として得ることができる。ビームスプリッタが省略にな
る分、光路における光減衰量が低減するので、その分低
容量の発光源を用いることができる。

本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の
実施例の説明より明らかになろう。

〔実施例１〕 第１図に本発明の一実施例の構成を示す、この実施例は
、前述の特願昭６０−２９６８５４号に提供した気体濃
度および分圧測定装置の測定原理と同様な測定原理で気
体濃度および分圧を測定するものである。第１図におい
て、光源１から放射された光は、楕円面鏡２により集光
され、さらに軸はずし放物面鏡３により平行光束にされ
七、ロータ５の反射面に照射される。ロータ５は、円筒
状筒体を斜め切りし、切断面にミラーを接合した形状の
ものである。筒体の中心軸に電気モータ６の回転軸の中
心を合せてロータ５が電気モータ６に結合されている。

放物面ｆｉ３からの平行光束は、ロータ５の反射面が被
測定気体が内部にある容器ｌＯの光透過窓１１に対向す
るときに、ロータ５の反射面で反射されて容器１０内に
照射される。

容器１０の垂直壁の内面には、光の多重反射を行なう反
射面１３ａ＊１３５が形成されており、光透過窓１１か
ら容器１０に進入した光は、これらの反射面で反射して
光透過窓１２から出て、ビームスプリッタ１４で一部が
反射されて、被測定気体で吸収される波長λ２の光のみ
を透過するフィルタ１９および集束レンズ１８を通して
、光検出器２０で検出される。光透過窓１２から出た光
の一部は、ビームスプリッタ１４を透過して、被測定気
体で実質上吸収されない波長λ１のみを透過するフィル
タ１６および集束レンズ１５を通して光検出器１７で検
出される。

ロータ５の反射面が容器１０の光透過窓１１に対して丁
度背中合せになる回転角度では、放物面ｆｉ３からの平
行光束は第１ミラー１３１に反射され、次に第２ミラー
１３２および第３ミラー１３３で反射され、更にビーム
スプリッタ１４で反射されて光検出器１７で検出される
。　　　−ここでこの実施例における被測定気体の濃度
および分圧の測定原理を説明する。

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。そこで、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測定する方法は、例えば、特公
昭５１−２０９０４号公報に開示されているようにすで
に行なおれている。

第１図に示す実施例では、被測定気体の吸収波長（Ｉ２
）をもつ光（以下測定光という、）の他に、吸取波長（
Ｉ２）に近いが、被測定気体により光吸収を実質上受け
ない波長（Ｉ１）の光（以下参照光という）を用い、し
かも両者が同一光路（１−３−５−１１−１２）を通過
するようにし、かつ参照光（Ｉ１）について光源の光強
度（以下始強度という“）および被測定気体中を通過し
、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、これらの値からガス濃度の光路に沿
う平均値を測定しようとするものである。

一般に、光吸収はＬａａｂｅｒｔ　−Ｂｅｅｒの法則に
従いＩ（Ｌ）＝Ｉｏ　　（ＩＸｐ　（−ａ−ｎ−Ｌ）と
表わされる。但し、１．は始強度（透過前の強度）、ｎ
は被測定気体の体積モル濃度、Ｌは被測定気体を通る光
路長、αは吸収係数、Ｉ　（Ｌ）は終強度（透過後の強
度）である、なお、吸収係数αは被測定気体、使用波長
等により一義的に決まる物理定数である。

光検出器２０が検出するＩ２の光強度Ｉ３．光検出器１
７が検出する被測定気体を通過したＩ１の光強度■２お
よび光検出器１７が検出する被測定気体を通過しないＩ
１の光強度１１は下記のように表わされる。

１１＝１入１（０） Ｉ２　＝Ｋ　Ｉ　入１（０）ｅｘｐ（−ａ　Ａｔｏｎｏ
Ｌ）Ｉａ　＝Ｋ　Ｉ　Ａ２　（０）ｅｘｐ（−ａＡ２・
ｎ−Ｌ）但し、Ｉ１は参照光の波長、Ｉ２は測定光の波
長、αＡ１は波長λ１に対する被測定気体の吸収係数。

αＡ２は波長λ２に対する被測定気体の吸収係数。

Ｉ　入ｔ　（０）は参照光の始強度、Ｉ　入２　（０）
は測定光の始強度、ｎは被測定気体の体積モル濃度、Ｌ
は光路長、には被測定気体による光吸収以外の光損失を
表わす係数で、光路上に存在する窓ガラスの透過率およ
びよごれによる損失、光軸ずれによる一損失等を表わす
。

光強度１１は光源強度を表わし、光源の劣化による輝度
低下を監視することで、光源寿命の推定、交換時期の見
極めを行なう、参照光λ１の透過率τ１は・ ｔｌ　＝Ｉ２／１１　＝Ｋ　ｅｘｐ（−α入ｔ　・ｎＩ
Ｌ）となる。αＡ１は被測定気体に吸収されないので、
参照光λ１は、 α入ｌ職０ としてよく。

τ１＝に となる。τ１は光路上での不要な光損失を表わすので、
τ１を監視することにより、窓ガラスのよごれの監視、
交換時期判定、光軸ずれの有無判定を行なう、また、測
定光の透過率τ２は、ｔ２　＝Ｉ３　／１１　＝に（Ｉ
Ａ２　（０）／Ｉ工入　（の）　ｅｘｐ（（Ｘ　入２　
・ｎ−Ｌ）となる、さらに透過率で１．τ２の比τは、
ｔ＝ｔ２　／１１＝ＣＩ入２　（０）／Ｉ工入　（０）
）　ａｘｐ（（ＩＡ２　・ｎ−Ｌ’）となり、経時変化
する係数Ｋを消去できる。

本装置においては、同一光源から参照光λ１および測定
光λ２を得ているから、それぞれの光源強度工人１（０
）、ＩＡ２（０）の間には、一定の関係があり、工人１
（０）の値からＩＡ２（０）の値を推定することができ
る。従って光源強度工人１（０）を測定するだけで参照
光と測定光の光強度の比ＣＣ＝Ｉ入２　（０）／ＩＡ１
　（０） を知ることができる。この比Ｃを用いると、ｔ＝ｃ・ｅ
ｘｐ（−１ｍ入２　・ｎ−Ｌ）＝−（１）となる０式（
１）の両辺の対数をとり、被測定気の体の体積モル濃度
ｎについて整理すると、ｎ＝−（Ｑ　ｎ　ｔ／Ｃ）／（
ａ　Ａ２　・Ｌ）−（２）となる、Ｃ１α入２およびＬ
は定数である。そこで式（２）と、気体の状態方程式 ｐ　＝　ｎ　ＲＴ （但し、ｐは被測定気体の分圧、Ｔは被測定気体の温度
、Ｒは気体定数）を組合せると、ｐ　＝−（ＲＴ／（ａ
　入２　　・Ｌ））　Ｑ　ｎ　ｔ　／Ｃ−（３）となり
、式（３）より、被測定気体の分圧を求めることができ
る。

以上を要約すると。

τ鵞＝Ｉ２／１１ｅ。

τ２　”　Ｉ　３　／　Ｉ　１　ｅ τ＝τ２１τ１ から、　　　　　　τ＝Ｉａ／Ｉ２・・・（４）が求ま
り、この（４）式と上記（２）式で気体濃度ｎが求まり
、ｎを上記（３）式に代入して気体の分圧ｐが求まる。

上記演算において、濃度ｎの算出およびｐの算出には、
■１は不要であるが、これは、光源１゜放物面鏡３．ミ
ラー１３１〜１３ａおよびビームスプリッタ１４の特性
、特に光源１の特性の変化を監視するために重要である
。１１は光源の劣化や被測定気体を通らない光学系の汚
れをモニタするのに用いることができ、■２は光源１の
劣化や被測定気体を通る光学系の汚れをモニタするのに
用いることができる。

再度第１図を参照する。光検出器１７の検出信号はピー
クホールド回路２２および２３に与えられ、光検出器２
０の検出信号はピークホールド回路２４に与えられる。

ピークホールド回路２２〜２４は、ピークホールド用の
入力ダイオードおよび積分コンデンサ、該コンデンサの
充電電圧を増幅する高入力インピーダンスの増幅器（Ｆ
ＥＴ）。

該コンデンサを放電させる放電用のスイッチング素子お
よび入力電圧を入力用ダイオードを介して該コンデンサ
に印加する入力用のスイッチング素子を有するものであ
り、読込指示信号が到来するとその立上り点で放電用の
スイッチング素子がオンしてコンデンサを放電しくリセ
ット）、その後読込指示信号が消えるまで入力用のスイ
ッチング素子がオンして、入力電圧を入力ダイオードを
介してコンデンサに蓄積する（ピーク値読込）。読込指
示信号が無いときには、コンデンサの電圧はそれ以前の
電圧のままホールドされている。

ピークホールド回路２３および２４には、フォトセンサ
８の、開ロアｈ検出（Ｈ）信号が読込指示信号として印
加され、ピークホールド回路２２には、フォトセンサ９
の、開ロアｈ検出（Ｈ）信号が読込指示信号として印加
される。モータ６の回転軸には、第２図に示すように開
ロアｈを有する回転板７が固着されており、この回転板
７の開ロアｈが、ロータ５の反射面が透光窓１１に対向
するときにフォトセンサ８の位置にあり、ロータ５の反
射面が透光窓１１に背向かいのときにフォトセンサ９の
位置にある。すなわち、ロータ５が透光窓１１に光を反
射するとき、フォトセンサ８がＨ（開ロアｈ検出）の信
号を発生し、ピークホールド回路２３．２４をリセット
しかつホールド値更新を行なわせる。これにより、ピー
クホールド回路２３には、被測定気体を通過した参照光
λ１の光強度■２を示す信号レベルがホールドされ、ピ
ークホールド回路２４には、被測定気体を通過した測定
光λ２の光強度■３の信号レベルがホールドされる。ロ
ータ５がミラー１３１に光を反射するときには、フォト
センサ９がＨ（開ロアｈ検出）の信号を発生してピーク
ホールド回路２２をリセットしかつホールド値更新を行
なわせる。これにより、ピークホールド回路２２には。

被測定気体を通過しない参照光λ１の光強度１１を示す
信号レベルがホールドされる。

このようにして、ピークホールド回路２２には。

被測定気体を通らない参照光λ１の強度■１が。

ロータ５の一回転周期で更新ホールドされ、ピークホー
ルド回路２３には、被測定気体を通った操窯光λ１の強
度■２がロータ５の一回転周期で更新ホールドされ、ピ
ークホールド回路２４には。

被測定気体を通った測定光λ２の強度工３がロータ５の
一回転周期で更新ホールドされる。

これらのホールド値１１〜■３は、Ａ／Ｄコンバータ２
５でデジタルデータに変換されて、制御器２６に読込ま
れ、演算器２７に転送される。制御器２６は、フォトセ
ンサ８および９の開口検出パルスに同期して、所定のタ
イミングでＡ／Ｄコンバータ２５に各位１１〜Ｉ３のＡ
／Ｄ変換を指示し、変換データを読込む。

演算器２７は、１１〜工３をそれぞれ、ｍ個のデータを
記憶する平均値基礎データレジスタに、最も古いデータ
を捨てて、最新のデータを加える形で書込み、これらの
レジスタの内容の平均値を演算して、１１の平均値と１
２の平均値を表示器２８に与えてそれらを表示させると
共に、平均値データに基づいて、τ＝ｉ３　／Ｉ２を演
算して、これを上記（２）式に導入して気体濃度ｎを算
出し、次に、ｎと、温度センサ３７が検出している容器
内の気体温度Ｔを上記（３）式に導入して気体の分圧ｐ
を算出し、ｎとｐを示すデータを表示器２８に与えてそ
れらを表示させる。このような演算と表示データの更新
出力は、ロータ５の、１回転につき１回行なう。

以上に説明した光強度検出値の回路２２〜２４へのホー
ルドおよび濃度演算等のタイミングを第３図に示す。

なお、第４図に示すように、１１を読取るタイミングと
同じタイミングで光検出ｌ１２０の検出値Ｉａ　　（＝
Ｉ導入　（０））を読取って、演算器２７において、Ｉ
１とＩ４で定数Ｃを算出し、この定数Ｃを上記（２）式
に導入するようにしてもよい。

また、演算器２７において、Ｉ１とＩ２の差又は比を演
算し、それが所定範囲を外れると、被測定気体を通さな
い光学系と通す光学系の一方の特性が（汚れなどで）変
ったとしてそれを表示するようにしてもよい。

１１およびＩ２の同時の同方向の変化は光源１の特性変
化であるので、これを表示するようにしてもよい。

〔実施例２〕 第５ｒＪＲに本発明のもう１つの実施例を示す、この実
施例においては、ロータ５は、略傘歯車状の外形であり
、歯に相当するテーパ状の突出部材５ａのテーパ面が反
射面となっている。

突出部材５ａ間は、放物面鏡３からの平行光束を上から
下に通過させるように関口５ｂとなっている。開口５ｂ
が該平行光束を通過させるときにその一部を検出するよ
うにフォトセンサ８が配置されている。

ロータ５が回転し突出部材５ａが平行光束通路にあると
きには、平行光束が突出部材５ａの反射テーパ面で反射
されて透光ｇｔｔに入射する。このときフォトセンサ８
の検出信号はＬである。Ｊ口５ｂが平行光束通路にある
ときには、平行光束がフォトセンサ８および第１ミラー
１３１に当り、フォトセンサ８の検出信号がＨになると
共に、平行光束が第２ミラー１３２およびビームスプリ
ッタ１４で反射されて光検出器１７″′！！検出される
。

フォトセンサ８の検出信号（Ｈ）はサンプルホールド回
路２２に読込指示信号として、該検出信号をインバータ
ＩＮＶで反転した信号がピークホールド回路２３および
２４に読込指示信号として与えられ１回路２２は、開口
５ｂが窓１１に対向するときに光検出器１７の検出信号
（Ｉ１）を更新ホールドし１回路２３および２４は、突
出部材５ａが窓１１に対向するときに光検出器１７およ
び２０の検出信号（Ｉ２およびＩｓ）を更新ホールドす
る。その他の信号処理および演算等は、前述の実施例１
と同様である。

〔発明の効果〕

第１図および第５図に示すように、ロータ５の反射面が
、平行光束を窓１１と第１ミラー１３１（ここに１１検
出用の光検出器を配置してもよい）に振り分けるので、
ビームスプリッタは１個で済む、すなわち従来はチョッ
パの回転板と窓１１との間に介挿されたもう１個のビー
ムスプリッタを省略し得る。該ビームスプリッタは被測
定気体に入射する光の強度を減するので、この省略は窓
１１に入射する光の強度を高くすることになり、これは
、光源の発光強度を下げ得ること、すなわち低パワーの
光源を用い得ること、を意味する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図、第
２図は第１図に示すロータ５の平面図、第３図は第１図
に示す回路要素の信号ホールドタイミングおよび演算タ
イミングを示すタイムチャートである。第４図は第１図
に示した本発明の実施例の変形部を示すブロック図であ
る。 第５図は本発明のもう１つの実施例の構成を示すブロッ
ク図、第６図は第５図に示すロータ５の平面図、第７図
は第５図に示す回路要素の信号ホールドタイミングおよ
び演算タイミングを示すタイムチャートである。 １：光源　　　　　　　２：楕円面鏡 ３：放物面鏡　　　　　４：円筒 ５：ロータ　　　　　　５Ａ：反射面の傾斜方向５ａ：
突出部材　　　　　５ｂ：開口 ６：モータ　　　　　　　７：回転板 ７ｈ：開口　　　　　　　８，９：フオトセンサ１０：
容器　　　　　　　１１：透光窓１２：透光窓　　　　
　１３１〜１３３：ミラー１３４．１３５　：反射面　
　１４：ビームスプリッタ１５．１８：収束レンズ　　
１６，１９：フィルタ１７．２０：光検出器（光強度検
出手段）２２〜２４：ピークホールド回路 ２５　：　Ａ／Ｄコンバータ　　２６　：　Ａ／Ｄ変換
制御器２７：演算器　　　　２５〜２７：（信号処理手
段）２８：表示器　　　　　３７：温度センサＩＮＶ　
：インバータ 第４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源、該光源から被測定気体に向けての光をチョ
   ッピングするチョッパ、チョッピングした光の内の、被
   測定気体を通さない光と被測定気体を通った光の強度を
   検出する光強度検出手段、および、光強度検出手段の検
   出値から被測定気体の濃度を求める信号処理手段、を備
   える気体濃度検出装置において、 チョッパを、所定回転角でのみ前記光源からの光を被測
   定気体に反射する反射面を有するロータとこのロータを
   回転駆動する電気モータでなるものとしたことを特徴と
   する、気体濃度検出装置。
2. （２）ロータの反射面は、前記所定角度で光を被測定気
   体に反射し、他の所定角度で光を他の方向に反射する単
   面である前記特許請求の範囲第（１）項記載の気体濃度
   検出装置。
3. （３）ロータは、光源からの光を被測定気体に反射する
   反射面を有するテーパを有し回転軸に平行な方向の光の
   透過は遮断する反射部材と、回転軸に平行な方向の光を
   透過する開口を、回転軸を中心とする同一円周上に有す
   る、前記特許請求の範囲第（１）項記載の気体濃度検出
   装置。