説明

赤外線ガス分析計

【課題】干渉成分を簡単な構成により精度良く補正できるようにする。
【解決手段】サンプルガスが供給されるセル2の一端側に赤外光源3を設け、セル2の他端側に赤外線検出部4を設けた赤外線ガス分析計100において、赤外線検出部4が、測定成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出する測定成分検出器41と、干渉成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出する干渉成分検出器42とを有し、干渉成分検出器42及び測定成分検出器41が、セル2の他端側からこの順に光学的に直列配置されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、干渉成分の補正演算機能を有する赤外線ガス分析計に関するものである。
【背景技術】
【0002】
この種の赤外線ガス分析計としては、特許文献1に示すように、サンプルガス(測定対象ガス)が導入及び導出される測定セルと、この測定セルの一端側に設けられた赤外光源と、前記測定セルの他端側に設けられた主検出器と、この主検出器の後側に光学的に直列配置された補償検出器とを有し、主検出器の出力と補償検出器の出力との差に基づいて干渉成分の補正を行うようにした赤外線ガス分析計がある。
【0003】
また、主検出器及び補償検出器はいずれもコンデンサマイクロホン型ニューマチック検出器である。そして、この赤外線ガス分析計を用いてサンプルガス中の測定成分である例えば二酸化硫黄(SO)成分の濃度を測定するには、主検出器内にSO又はこれと同じ赤外線吸収特性を示すガスを封入し、補償検出器内にSOの干渉成分である例えばメタン(CH)又はこれと同じ赤外線吸収特性を示すガスを封入している。
【0004】
ここで主検出器及び補償検出器の配置態様に着目すると、主検出器及び補償検出器をこの順に測定セルの他端側から直列に配置するようにしている。これは、測定セルをできるだけ測定セルに近づけることにより測定セルを通過した赤外光の光量低下を防ぎ、主検出器による測定成分の測定精度を向上させるためである。
【0005】
しかしながら、特にサンプルガス中のCH成分の濃度が大きい場合には、補償検出器でのノイズや光源の光量変動等に起因する測定誤差が大きくなり、この補償検出器で得られた干渉成分の濃度を用いて補正しても、高精度のSO濃度を得ることが難しいという問題がある。また、主検出器の出力と補償検出器の出力との差を求める際に、補償検出器の出力に重み付け係数を乗算した後に主検出器の出力から差し引いているとはいえ、重み付け係数は時々刻々と変化させることができず、重み付け係数が大きくなると時々刻々と変化する干渉成分の測定誤差を補償することが難しく、やはりSO濃度を高精度に補正することが難しい。
【0006】
このとき主検出器の前段、つまり測定セルと主検出器の間にCHが封入されたガスフィルタを設けることが考えられる。これにより、干渉成分が吸収特性を有する波長域の光量を低下させて補償検出器における測定誤差を低減することができ、SO濃度を精度よく算出することができる。
【0007】
しかしながら、ガスフィルタを設けても補償検出器における測定誤差を低減できるのみであり、主検出器の出力における干渉成分であるCHの影響を完全にキャンセルすることができるわけではない。また、これにより、赤外線ガス分析計の部品点数が増えてしまい、組み立て工数も増大する上、コスト増大にも繋がってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2000−2657号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
そこで本発明は、測定成分を検出する主検出器の測定精度を可及的に向上させるためにその主検出器を測定セルの直後に設けるという従来の発想を排して鋭意検討の結果なされたものであり、赤外線ガス分析計における干渉成分を簡単な構成により精度良く補正できるようにすることをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
すなわち本発明に係る赤外線ガス分析計は、サンプルガスが供給されるセルと、前記セルの一端側に設けられて、該セルに赤外光を照射する赤外光源と、前記セルの他端側に設けられて、該セルを通過した赤外光を検出する赤外線検出部とを具備し、前記赤外線検出部が、前記サンプルガス中の測定成分又はそれと同等の赤外線吸収特性を示す測定用封入ガスが封入されており、前記測定成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出する測定成分検出器と、前記測定成分に干渉する干渉成分又はそれと同等の赤外線吸収特性を有し、前記測定用封入ガスとは異なるガス種からなる干渉用封入ガスが封入されており、前記干渉成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出する干渉成分検出器とを有し、前記干渉成分検出器及び前記測定成分検出器が、前記セルの他端側からこの順に光学的に直列配置されていることを特徴とする。
【0011】
このようなものであれば、干渉成分検出器及び測定成分検出器をセルの他端側からこの順に光学的に直列配置していることから、干渉成分検出器により高精度に干渉成分を検出することができる。また、干渉成分検出器が測定成分検出器に入射する赤外光における干渉成分のガスフィルタとしての機能を発揮することから、測定成分検出器で検出される測定成分に含まれる干渉成分を低減することができる。このような配置の検出器から得られた検出信号を用いて測定成分を補正演算することから、測定成分の濃度を高精度に補正することができる。
【0012】
干渉成分検出器(干渉成分検出器で検出する干渉成分を第1干渉成分という。)に影響を与える第2干渉成分を含んでいる場合に、その第2干渉成分の干渉影響を低減するためには、前記セル及び前記干渉成分検出器の間に、前記第1干渉成分以外の第2干渉成分を除去するガスフィルタを設けていることが望ましい。ここで、従来の構成(前段に測定成分検出器及び後段に干渉成分検出器の構成)の場合において単純に測定成分検出器の前に第2干渉成分のガスフィルタを配置すると、干渉成分検出器における第1干渉成分の測定精度が低下してしまうという問題がある。上記のとおり、ガスフィルタ、干渉成分検出器及び測定成分検出器の順番で配置することによって、第2干渉成分の干渉影響を低減するとともに、第1干渉成分の測定精度の低下を防止して測定成分の濃度を高精度に補正することができる。
【0013】
従来はサンプルガスに含まれるNO成分が低濃度であるため、そのNO成分がSO成分に与える干渉影響は無視していたが、近年の赤外線ガス分析計の認証試験の厳格化に伴い、NO成分が測定成分に与える干渉影響を考慮する必要が生じつつある。このとき、従来の配置態様、つまりセル、主検出器及び補償検出器にさらにNOガスフィルタを設けると、干渉成分検出器でのCH成分の測定感度が低下してしまい、CH成分の干渉影響の補正を精度良く行うことができないという問題が生じる。そこで、CH成分の測定感度を低下させることなく、NO成分の干渉影響を低減するためには、NOガスフィルタ、干渉成分としてCH成分を検出する干渉成分検出器及び測定成分としてSO成分を検出する測定成分検出器が、前記セルの他端側からこの順に光学的に直列配置されていることが望ましい。
【発明の効果】
【0014】
このように構成した本発明によれば、赤外線ガス分析計における干渉成分を簡単な構成により精度良く補正できるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本実施形態の赤外線ガス分析計の構成を概略的に示す全体概略図。
【図2】SO、CH及びNOの赤外吸収スペクトルを示す図。
【図3】赤外線検出部の各仕様における実験結果を示す図。
【図4】変形実施形態の赤外線ガス分析計の構成を概略的に示す全体概略図。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下に本発明に係る赤外線ガス分析計の一実施形態について図面を参照して説明する。
【0017】
本実施形態に係る赤外線ガス分析計100は、サンプルガス中に含まれる二酸化硫黄(SO)成分の濃度を測定するものであり、図1に示すように、サンプルガスが供給されるセル2と、このセル2の一端側に設けられて、該セル2に赤外光を照射する赤外光源3と、前記セル2の他端側に設けられて、該セル2を通過した赤外光を検出する赤外線検出部4と、この赤外線検出部4からの出力を取得して前記サンプルガスに含まれる測定成分濃度を算出する演算装置5とを備えている。
【0018】
セル2は、概略筒形状をなし、その両端部が赤外線透過性材料からなるセル窓部材2a、2bによって封止され、サンプルガスをセル2内部に導入するための導入ポートP1及びサンプルガスをセル2外部に導出するための導出ポートP2が側壁に設けられている。
【0019】
赤外光源3は、セル2の一端側においてセル窓部材2aに対向して設けられて、セル2内に赤外光を照射するものである。赤外光源3とセル2との間には、光チョッパ(不図示)が介装されており、例えばモータにより回転駆動されて、赤外光源3によって発生される赤外光を一定周期で断続(チョッピング)するように構成している。
【0020】
赤外線検出部4は、セル2の他端側におけるセル窓部材2bに対向して設けられており、測定成分の濃度を測定するための主検出器たる測定成分検出器41と干渉成分の濃度を測定するための補償検出器たる干渉成分検出器42とを有する。なお、この測定成分検出器41により得られた検出信号及び干渉成分検出器42により得られた検出信号は、演算装置5に出力される。
【0021】
測定成分検出器41は、例えばコンデンサマイクロホン型のニューマチック検出器である。この検出器41は、耐腐食性金属からなる本体ブロックの両端部が赤外線透過性材料からなる窓部材41a、41bによって封止されると共に、その内部にコンデンサマイク41cが配置されている。そして測定成分検出器41内には、サンプルガス中の測定成分又はそれと同等の赤外線吸収特性を示す測定用封入ガスが封入されており、測定成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出するものである。この測定成分検出器41は、測定成分及び干渉成分の両方に感度を持つ。
【0022】
本実施形態では測定成分がSOであることから、測定成分検出器41内には、例えば濃度5%のSOガス(5%SO in Ar)のガスを封入している。これにより、測定成分検出器41は、SOの赤外吸収スペクトルに合わせた波長域(例えば7.1μm〜7.6μm)の赤外線強度を検出する(図2参照)。
【0023】
干渉成分検出器42は、前記測定成分検出器41と同様、例えばコンデンサマイクロホン型のニューマチック検出器である。この検出器42は、耐腐食性金属からなる本体ブロックの両端部が赤外線透過性材料からなる窓部材42a、42bによって封止されると共に、その内部にコンデンサマイク42cが配置されている。そして干渉成分検出器42内には、測定成分に干渉する干渉成分又はそれと同等の赤外線吸収特性を有し、前記測定用封入ガスとは異なるガス種からなる干渉用封入ガスが封入されており、干渉成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出するものである。この干渉成分検出器42は、干渉成分のみに感度を持つ。
【0024】
本実施形態では、SO成分に対するCH成分の干渉影響を補正すべく、干渉成分検出器42内には、例えば濃度5%のCHガス(5%CH in Ar)を封入している。これにより、干渉成分検出器42は、CHの赤外吸収スペクトルに合わせた波長域(例えば7.1μm〜8.0μm)の赤外線強度を検出する(図2参照)。
【0025】
そして、干渉成分検出器42及び測定成分検出器41が、セル2の他端側からこの順に光学的に直列配置されている。つまり、測定セル2を通過した赤外光は、まず干渉成分検出器42に入射する。そして、干渉成分検出器42(具体的には窓部材42b)を通過した赤外光が測定成分検出器41に入射する。
【0026】
このとき、測定成分検出器41を干渉成分検出器42の後段に設けているが、干渉成分検出器42内の干渉用封入ガスが低濃度(本実施形態では5%)であり、測定成分検出器41に入射する光量(SOが吸収特性を有する波長域の光量)が低下することを防止している。言い換えれば、干渉成分検出器42内の干渉用封入ガスの濃度は、測定成分検出器41の測定感度から定まるものであり、測定成分検出器41において所定の測定精度が得られる程度の赤外線光量が確保できるように干渉用封入ガス濃度が定められる。
【0027】
また、干渉成分検出器42及び測定セル2の間には、サンプルガス中の第2干渉成分である一酸化二窒素(NO)成分を除去するためのガスフィルタ6が設けられている。このガスフィルタ6は、例えば7.6μm〜8.0μmの波長域の光を吸収するものである。従来はサンプルガスに含まれるNO成分がSO成分に与える干渉影響は無視していたが、近年の赤外線ガス分析計の認証試験の厳格化に伴い、NO成分が測定成分に与える干渉影響を考慮する必要がある。ここで干渉成分検出器42及び測定セル2の間にNOガスフィルタ6が設けられているので、測定成分に与えるNO成分の干渉影響を低減することができる。
【0028】
このとき、従来の配置態様、つまり測定セル2、測定成分検出器41及び干渉成分検出器42にさらにNOガスフィルタを設けると、干渉成分検出器42でのCH成分の測定感度が低下してしまい、CH成分の干渉影響の補正を精度良く行うことができないという問題が生じる。しかしながら、本実施形態では、干渉成分検出器42及び測定成分検出器41をこの順番で配置していることから、干渉成分検出器42の前段にNOガスフィルタ6を設けたとしても、干渉成分検出器42でのCH成分の測定感度の低下を防ぐことができる。
【0029】
演算装置5は、測定成分検出器41の出力と干渉成分検出器42の出力との差に基づいて干渉成分の補正を行うものである。具体的に演算装置5は、測定成分検出器41からの信号を増幅して出力する測定用前置増幅器51と、干渉成分検出器42からの信号を増幅して出力する干渉用前置増幅器52と、干渉用前置増幅器52からの出力に所定の重み付け係数kを乗算して増幅する増幅器53と、測定用前置増幅器51からの出力信号から増幅器53の出力信号を減算する減算器54とを備えている。ここで、重み付け係数kは、干渉成分(CH成分)による赤外線吸収を測定したときの干渉成分検出器42の出力信号に対する測定成分検出器41の出力信号の大きさの比を合わす係数である。この係数kは1に近いように、つまり測定成分検出器41の出力信号と干渉成分検出器42の出力信号とが同程度となるように調整される。具体的には、干渉用前置増幅器52に内蔵された抵抗値を調整することによって係数kを1に近づけることが考えられる。その他、測定用封入ガス又は干渉用封入ガスの濃度を調整することによって係数kを1に近づけることが考えられる。
【0030】
つまり、上記赤外線ガス分析計100においては、SO成分及びCH成分を検出する測定成分検出器41と、CH成分を検出する干渉成分検出器42とを用いて、「測定成分検出器41の出力」−「干渉成分検出器42の出力×k」という電気的な演算により、測定成分検出器41の出力に加わったCH成分干渉の影響を除去している。
【0031】
次に、赤外線検出部4の構成及びNOガスフィルタ6の有無による実験結果を図3に示す。この図3は、各検出部の仕様と、当該仕様毎のメタン干渉を補正した後の測定値及び重み付け係数kを示す。
【0032】
なお、図3において、検出部仕様1及び仕様2は従来の配置を示すものであり、仕様3及び仕様4は本発明に関する配置である。具体的に、検出部仕様1は、前段(前室)に測定成分検出器(Main、封入したSOの濃度は5%)、後段(後室)に干渉成分検出器(Comp、封入したCHの濃度は99%)を配置し、ガスフィルタを配置しない場合である。検出部仕様2は、前段(前室)に測定成分検出器(Main、封入したSOの濃度は5%)、後段(後室)に干渉成分検出器(Comp、封入したCHの濃度は99%)を配置し、NO100%濃度のガスフィルタを配置した場合である。検出部仕様3は、前段(前室)に干渉成分検出器(Comp、封入したCHの濃度は5%)、後段(後室)に測定成分検出器(Main、封入したSOの濃度は5%)を配置し、ガスフィルタを配置しない場合である。検出部仕様4は、前段(前室)に干渉成分検出器(Comp、封入したCHの濃度は5%)、後段(後室)に測定成分検出器(Main、封入したSOの濃度は5%)を配置し、NO100%濃度のガスフィルタを配置した場合である。
【0033】
まず、検出部仕様1について見ると、CH成分の干渉については補正により解消されている。しかしながら、サンプルガス中のSO濃度100ppmに対してSO測定値が43.767ppm、NO濃度200ppmに対してNO影響値が−10.233ppmとなっている。なお重み付け係数kは約3.33である。そうすると、SO濃度の出力値としては、補正後の測定値×約2倍の値となるが、このとき、NO濃度が約−20ppmとなり、NO干渉が大きく出てしまう。
【0034】
次に、検出部仕様2について見ると、ガスフィルタを設けることで、NO影響値が−3.8ppmと小さくなっておりNO干渉が低減されていることが分かる。しかしながら、各検出器、特に後段の干渉成分検出器の出力信号が大きく減少している。その結果、CHの干渉補正を正確に行うことができない。なお、この場合の最終的に指示値に影響を与える重み付け係数kは21である。
【0035】
次に、検出部仕様3について見ると、CH成分の干渉については補正により解消されている。また、サンプルガス中のSO濃度100ppmに対してSO測定値が53.25ppm、NO濃度200ppmに対してNO影響値が−1.824ppmとなっている。なお重み付け係数kは1.12である。そうすると、SO濃度の出力値としては、補正後の測定値×約2倍の値となるが、NO濃度は約−3.6ppmとなり、上記の仕様1及び2に比べて、NO干渉も低減されていることが分かる。
【0036】
最後に、検出部仕様4について見ると、SO濃度100ppmに対してSO測定値が36.275ppmであり若干値が小さくなっているものの、CH成分の干渉については補正により解消されており、またガスフィルタによりNO成分の干渉も極めて小さくなっていることが分かる。
【0037】
<本実施形態の効果>
このように構成した本実施形態に係る赤外線ガス分析計100によれば、干渉成分検出器42及び測定成分検出器41をセル2の他端側からこの順に光学的に直列配置していることから、まず干渉成分検出器42により高精度にCH成分を検出することができる。また、干渉成分検出器42が測定成分検出器41に入射する赤外光におけるCH成分のガスフィルタとしての機能を発揮することから、測定成分検出器41で検出されるSO成分に含まれるCH成分を低減することができる。このような配置の検出器41、42から得られた検出信号を用いてSO成分を補正演算することから、SO成分の濃度を高精度に補正することができる。このようなCHの干渉補正は、不完全燃焼条件下で生じた例えば排ガス等のサンプルガス中に含まれるSO成分の濃度測定において特に有効である。
【0038】
<その他の変形実施形態>
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【0039】
例えば、測定成分検出器内に封入される測定用封入ガスは濃度5%の他、測定成分検出器の所望の測定感度に応じて適宜設定可能である。同様に干渉成分検出器内に封入される干渉用封入ガスも濃度5%の他、干渉成分検出器の所望の測定感度に応じて適宜設定可能である。
【0040】
また、前記実施形態ではSO成分の濃度におけるCH成分の干渉影響を補正するものであったが、干渉成分をプロパン(C)としてSOの濃度における水分干渉を補正するものとしても良い。また、測定成分をCO、干渉成分をCOとしてCOの濃度におけるCOの干渉影響を補正するようにしても良い。その他、測定成分をNO、干渉成分をNOとしてNOの濃度におけるNO干渉を補正するようにしても良い。測定成分をC、干渉成分をNHとして、Cの濃度におけるNH干渉を補正するようにしても良い。測定成分をPH3、干渉成分をNH3として、PH3の濃度におけるNH干渉を補正するようにしても良い。
【0041】
さらに、前記実施形態はシンブルビームタイプの赤外線ガス分析計であったが、図4に示すように測定セル2及び比較セル7を有するダブルビームタイプの赤外線ガス分析計であっても良い。
【0042】
その上、干渉成分検出器、別の干渉成分検出器及び測定成分検出器をこの順で直列配置することも考えられる。
【0043】
加えて、前記実施形態の赤外線ガス分析計を、サンプルガス(測定対象ガス)中に共存する複数成分の濃度を同時測定する多成分濃度測定装置に適用しても良い。従来の多成分濃度測定装置では、各成分毎に対応する吸収波長のみを通過させるバンドパスフィルタを介して、各成分を測定するための測定計が成分ごとに配置されている。例えばSO濃度を多成分濃度測定装置を用いて測定するために、SO計及びSOの干渉成分であるCH濃度を測定するCH計が搭載されている。そしてSO計の測定結果をCH計の測定結果を用いて補正することで、SO濃度を算出するように構成している。しかしながら、多成分濃度測定装置のSO計として前記実施形態の赤外線ガス分析計を用いることで、従来搭載していたCH計が不要となり、多成分濃度測定装置を小型化できる、又はその他の成分測定計を搭載して測定できる成分数を増やすことができるといった効果を奏する。
【0044】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【0045】
100・・・赤外線ガス分析計
2 ・・・セル
3 ・・・赤外光源
4 ・・・赤外線検出部
41 ・・・測定成分検出器
42 ・・・干渉成分検出器
5 ・・・演算装置
6 ・・・ガスフィルタ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
サンプルガスが供給されるセルと、
前記セルの一端側に設けられて、該セルに赤外光を照射する赤外光源と、
前記セルの他端側に設けられて、該セルを通過した赤外光を検出する赤外線検出部とを具備し、
前記赤外線検出部が、
前記サンプルガス中の測定成分又はそれと同等の赤外線吸収特性を示す測定用封入ガスが封入されており、前記測定成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出する測定成分検出器と、
前記測定成分に干渉する干渉成分又はそれと同等の赤外線吸収特性を有し、前記測定用封入ガスとは異なるガス種からなる干渉用封入ガスが封入されており、干渉成分の赤外吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外線強度を検出する干渉成分検出器とを有し、
前記干渉成分検出器及び前記測定成分検出器が、前記セルの他端側からこの順に光学的に直列配置されていることを特徴とする赤外線ガス分析計。
【請求項2】
前記セル及び前記干渉成分検出器の間に、前記干渉成分以外の第2干渉成分を除去するガスフィルタが設けられている請求項1記載の赤外線ガス分析計。
【請求項3】
前記測定成分が二酸化硫黄であり、
前記干渉成分がメタンであり、
前記第2干渉成分が一酸化二窒素である請求項2記載の赤外線ガス分析計。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate


【公開番号】特開2012−68164(P2012−68164A)
【公開日】平成24年4月5日(2012.4.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−214325(P2010−214325)
【出願日】平成22年9月24日(2010.9.24)
【出願人】(000155023)株式会社堀場製作所 (638)
【Fターム(参考)】