JP2010060484A - 気体セル、気体サンプル室、及び、濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内周面での赤外線の乱反射を防いで、濃度測定の精度の悪化を防止できる気体セル、気体サンプル室、及び、濃度測定装置を提供する。
【解決手段】筒状に形成されており、一端部６ｂに配置された光源７から放射される赤外線を、内部を通じて他端部６ｃに配置された赤外線センサに導く気体セル６であって、内周面６ｄに黒体処理が施されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素などの所定の気体の濃度を測定する濃度測定装置に用いられる気体セル、気体サンプル室及びこの気体サンプル室を備える濃度測定装置に関するものである。

例えば、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素などの所定の気体の濃度を測定する濃度測定装置には、従来、種々の気体サンプル室が用いられてきた。このような気体サンプル室は、内部が密閉された筒状の気体セルとしての中空チューブと、中空チューブの一端部に設けられた光源と、中空チューブの他端部に設けられた受光器とを備えている。

中空チューブは、例えば、銅や鉄などの金属製の円柱体を円筒形状に切削加工した後、その内周面を平滑にするために機械研磨（バフ研磨など）が施されて形成されている。中空チューブには、その内部に、濃度が測定される所定の気体を含む雰囲気などが導入される気体導入孔、及び、該雰囲気などを排出する気体導出孔が設けられている。

光源は、白熱ランプであり、赤外線（即ち、赤外光）を放射する。受光器は、赤外線センサと、前記赤外線センサと光源との間に配置されて所定の波長の赤外線のみを透過する透過部材としての光学バンドパスフィルタ（以下、「フィルタ」という）と、を備えている。この赤外線センサは、赤外線の強さに応じた電圧を出力する。フィルタを透過する赤外線の波長は、濃度が測定される対象となる気体に応じて定められる。例えば、測定対象の気体の濃度が０ｐｐｍから数千ｐｐｍの比較的低濃度の範囲内であれば、フィルタを透過する赤外線の波長として、測定対象の気体によって最も減衰しやすい赤外線波長を選択するなどして、このフィルタは、測定対象の気体に応じて適切に選択される。

このような気体サンプル室即ち濃度測定装置は、気体導入孔を通じて中空チューブ内に雰囲気を供給し、フィルタを介して赤外線センサが受光した光源からの赤外線の強さを測定することで、この雰囲気に含まれる前述した測定対象の気体の濃度を測定していた。

しかしながら、上述したフィルタは、該フィルタ面に対して垂直又は垂直に近い角度で入射した赤外線を、その波長に応じて選別（通過又は遮断）するものであるところ、上述した気体サンプル室で用いられる中空チューブは、その内周面が機械研磨によって平滑にされているので、光学的にみると表面が粗く形成されており、赤外線を様々な方向に乱反射（拡散反射）してしまい、そのため、この乱反射された赤外線のうち中空チューブの軸方向に対して直角に近い角度に反射されたものが、上述したフィルタ面に対してななめ方向（フィルタ面と平行に近い方向、即ち、垂直でない方向）から入射してしまって、フィルタによる赤外線波長毎の選別が正常に機能せず、本来フィルタによって遮断される波長の赤外線がフィルタを通過して、濃度測定の精度が悪化してしまうという問題があった。

本発明は、上記課題に係る問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、内周面での赤外線の乱反射を防いで、濃度測定の精度の悪化を防止できる気体セル、気体サンプル室、及び、濃度測定装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、筒状に形成されており、一端部に配置された光源から放射される赤外線を、内部を通じて他端部に配置された赤外線センサに導く気体セルであって、内周面に黒体処理が施されていることを特徴とする気体セルである。

請求項２に記載された発明は、筒状に形成された気体セルと、前記気体セルの一端部に配置され且つ赤外線を放射する光源と、前記気体セルの他端部に配置され且つ前記光源からの前記赤外線を検出する赤外線センサと、を備え、前記光源からの前記赤外線を前記気体セルの内部を通じて前記赤外線センサに導く気体サンプル室において、前記気体セルとして、請求項１に記載の気体セルを備えていることを特徴とする気体サンプル室である。

請求項３に記載された発明は、赤外線を放射する光源と前記光源からの前記赤外線を検出する赤外線センサとを備えた気体サンプル室と、前記赤外線センサが検出した前記赤外線の強さに基づいて、前記気体サンプル室内の予め定められた気体の濃度を算出する濃度算出部と、を備えた濃度測定装置において、前記気体サンプル室として、請求項２に記載の気体サンプル室を備えていることを特徴とする濃度測定装置である。

請求項１、２、３に記載された発明によれば、内部に赤外線を通す気体セルが、その内周面に黒体処理を施されているので、その内周面において赤外線を吸収して乱反射を防ぐことができ、そのため、赤外線がフィルタ（透過部材）に対してななめ方向から入射することを防いで、濃度測定の精度の悪化を防止できる。

以下、本発明の一実施形態に係る濃度測定装置を、図１乃至図６を参照して説明する。

濃度測定装置１は、図２に示すように、濃度の測定対象の気体を含んだ雰囲気が充填される気体サンプル室２と、制御回路部３と、受光回路部４と、濃度算出部としてのマイクロコンピュータ（以下、μｃｏｍと記載する）５と、を備えている。

気体サンプル室２は、図１に示すように、気体セルとしての測定セル６と、光源７と、受光ユニット８と、放熱部材としての放熱器９と、調温部材としての吸熱器１０と、を備えている。

測定セル６は、その内部を通じて一端部６ｂから他端部６ｃに赤外線を導く導管である。測定セル６には、例えば、アルミニウムやジュラルミン等の金属やガラス管などからなり、円筒状に形成されている。また、測定セル６の外壁６ａの内周面６ｄは、赤外線が乱反射しないように黒体処理が施されている。測定セル６の内周面６ｄに施される黒体処理とは、例えば、一般的な黒体塗装用カーボンブラック塗料などを塗布して、内周面における反射を無くす（即ち、放射率を１に近くする）処理のことである。本実施形態では、黒体処理の塗料として、顔料としてカーボンブラック、バインダとしてセラミック系アルミナを含んだ黒体塗装用の塗料などを用いているが、放射率が概ね０．９以上となるものであれば、他の黒体塗装用の塗料を用いても良く、また、黒体塗装用の塗料を塗布する以外の方法でも良い。

測定セル６の一端部６ｂ及び他端部６ｃのそれぞれには、図示しない気体導入孔及び図示しない気体導出孔が設けられており、上記気体導入孔には、図示しない気体供給部が接続されている。この気体供給部は、測定対象の気体を含んだ雰囲気を気体導入孔から強制的に測定セル６内に送り込む。そして、測定セル６内に送り込まれた上記雰囲気は気体導出孔から排出される。

光源７は、測定セル６内でかつ当該測定セル６の一端部６ｂに設けられている。光源７は、電圧が印加されることで、光としての赤外線を測定セル６の他端部に向かって放射する。光源７として、例えば黒体炉、白熱ランプ等が用いられる。また、光源７には、リフレクタ３０が取り付けられている。すなわち、濃度測定装置１は、リフレクタ３０を備えている。リフレクタ３０は、光源７から出射された光を反射して、受光ユニット８に向かう平行光にする。光源７は、例えば、点灯０．６秒、消灯２．４秒などの所定間隔で点灯・消灯を繰り返すパルス点灯を行う。

受光ユニット８は、図３及び図４に示すように、ユニット本体１１と、複数の受光器１２と、集光部材１３と、を備えている。ユニット本体１１即ち受光ユニット８は、測定セル６内でかつ当該測定セル６の他端部６ｃに設けられている。ユニット本体１１は、測定セル６の外壁６ａの内周面６ｄに沿う円筒状に形成されている。受光器１２は、図示例では、四つ設けられている。受光器１２は、それぞれ、赤外線センサとしての熱電堆式赤外線センサ１４と、透過部材１５とを備えている。

熱電堆式赤外線センサ（以下、「赤外線センサ」ともいう）１４は、サーモパイル式赤外線センサとも呼ばれ、複数の熱電対を直列に接続して出力電圧を高めた、周知の熱−電圧エネルギー変換素子である。赤外線センサ１４の温接点は、光源からの赤外線を受光するように、透過部材１５と向かい合うように配設されており、また、冷接点は、図示しない赤外線センサ１４のケースと熱的に接続されている。赤外線センサ１４は、ユニット本体１１に取り付けられている。即ち、赤外線センサ１４の冷接点は、測定セル６の他端部６ｃと熱的に接続されている。複数の受光器１２の赤外線センサ１４は、同一平面上に配置されている。赤外線センサ１４は、光源７が発しかつ透過部材１５を透過した赤外線を受光し、この赤外線の熱を電気エネルギーに変換する。赤外線センサ１４は、赤外線の熱を電気エネルギーに変換して、センサ出力としてμｃｏｍ５に出力する。本実施形態においては、光源７から放射される赤外線の一部が、測定セル６の内周面６ｄにおいて吸収されてしまうので、赤外線センサ１４に到達する赤外線の絶対量が少なくなる。そのため、高感度の赤外線センサを用いることが望ましい。

透過部材１５は、周知の光学バンドパスフィルタであり、ユニット本体１１に取り付けられて、赤外線センサ１４と光源７との間に配置されている。複数の受光器１２の透過部材１５は、同一平面上に配置されている。透過部材１５は、それぞれ、光源７からの赤外線のうち予め定められた波長の赤外線のみを透過して、当該透過した波長の赤外線を赤外線センサ１４まで導く。複数の受光器１２の透過部材１５は、互いに透過する赤外線の波長が異なる。

透過部材１５が透過する赤外線の波長は、濃度測定装置１によって濃度を測定される対象となる気体に応じて定められる。図示例では、測定対象の気体の測定の濃度範囲が０ｐｐｍから数千ｐｐｍの範囲内の低濃度の検出を可能としたものであり、透過部材１５の透過する赤外線の波長は、濃度測定対象の気体に対する透過率が小さな赤外線の波長にされる。なお、受光器１２は、二酸化炭素以外にも水蒸気、一酸化炭素を測定対象の気体とする。図示例では、例えば、一つの受光器１２は、基準として用いられ、その透過部材１５が大気中で全く減衰しない波長が１．５μｍ又は４．０μｍの赤外線のみを透過する。図示例では、例えば、他の一つの受光器１２は、二酸化炭素の濃度を測定するために用いられ、その透過部材１５が前述した二酸化炭素中で減衰しやすい波長が４．２７μｍの赤外線のみを透過する。図示例では、例えば、更に他の受光器１２は、水蒸気の濃度を測定するために用いられ、その透過部材１５が前述した水蒸気中で減衰しやすい波長が１．９μｍの赤外線のみを透過する。図示例では、例えば、更に別の受光器１２は、一酸化炭素の濃度を測定するために用いられ、その透過部材１５が前述した一酸化炭素中で減衰しやすい波長が４．６４μｍの赤外線のみを透過する。透過部材１５は、入射する赤外線の角度がその面に対して垂直に近いと、予め定められた波長のみを精度良く透過し、入射する赤外線の角度がその面に対して水平に近いと、予め定められた波長以外の波長も透過してしまう。

なお、図６は、二酸化炭素に対する赤外線の透過率を示しており、図６中の横軸は赤外線の波長（μｍ）を示し、図６中の縦軸は赤外線の透過率（％）を示している。図６によれば、波長が４．２７μｍの赤外線の二酸化炭素中の透過率が、約零であることが示されており、波長が４．２７μｍの赤外線は、二酸化炭素中を殆ど透過しない（殆ど吸収されてしまう）ことが示されている。

集光部材１３は、例えば３００度などの所定の角度の範囲の赤外線を集光して、透過部材１５つまり赤外線センサ１４に集中させる。すると、光源７から直接入射する赤外線以外にも、測定セル６の内周面６ｄで反射する赤外線も赤外線センサ１４に集めることができるので、赤外線の受光効率を良くすることができる。なお、集光部材１３として、フレーネルレンズ等を用いることができる。

放熱器９は、熱源から生じた熱を周囲の雰囲気に放出する周知の放熱部材である。放熱器９は、例えば、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料からなり、直方体状の本体９ａと、その外面から立設した複数のフィン９ｂを備えている。なお、図示例では、放熱器９は、複数のフィン９ｂを備えるものであったが、これに限らず、例えば、複数のピン状の突起など、その表面積を大きくして放熱を効率よくできるものであれば、その形状は任意である。放熱器９は、測定セル６の一端部６ｂに、測定セル６との間の熱抵抗が小さくなるように密着して配設されている。これにより、放熱器９は、光源７によって加熱された測定セル６の熱を雰囲気中に放出して、光源７及び測定セル６の温度を素早く下げることができる。

吸熱器１０は、放熱器９と同様に、例えば、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料からなり、直方体状の本体１０ａと、その外面から立設した複数のフィン１０ｂを備えている。なお、図示例では、吸熱器１０は、複数のフィン１０ｂを備えるものであったが、これに限らず、例えば、複数のピン状の突起など、その表面積を大きくして放熱を効率よくできるものであれば、その形状は任意である。吸熱器１０は、測定セル６の他端部６ｃに、測定セル６との間の熱抵抗が小さくなるようにして密着して配設されている。つまり、吸熱器１０は、赤外線センサ１４の冷接点と熱的に接続されており、これによって、周囲の雰囲気の熱を吸熱して冷接点に伝えることができ、冷接点の温度を、周囲の雰囲気の温度の変化に素早く追従させることができる。なお、放熱器９及び吸熱器１０は設置することが好ましいが、必ずしも設ける必要はなく、その設置は任意である。

制御回路部３は、図２に示すように、発振器１６、クロック分周回路１７、定電圧回路１８などを備えており、μｃｏｍ５の命令通りに、所定の周波数で光源７を点滅させる。

受光回路部４は、図５に示すように、複数のアンプ１９と、切り換え器２０と、Ａ／Ｄ変換器２１とを備えている。アンプ１９は、それぞれ、受光器１２と１対１に対応して設けられている。アンプ１９は、対応する受光器１２の赤外線センサ１４からの信号を増幅して、切り換え器２０を介してＡ／Ｄ変換器２１に向かって出力する。Ａ／Ｄ変換器２１は、赤外線センサ１４からの信号をデジタル信号に変換して、μｃｏｍ５に向かって出力する。

μｃｏｍ５は、制御回路部３及び受光回路部４と接続して、これらの動作を制御することで、濃度測定装置１全体の動作をつかさどる。μｃｏｍ５は、予め定められたプログラムに従って動作するコンピュータである。このμｃｏｍ５は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵのためのプログラム等を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種のデータを格納するとともにＣＰＵの処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ等を有して構成している。

また、μｃｏｍ５には、濃度測定装置１自体がオフ状態の間も記憶内容の保持が可能な電気的消去／書き換え可能な読み出し専用のメモリが接続されている。そして、このメモリには、濃度の算出に必要な後述する吸光係数、測定距離、濃度変換係数等の各種情報を記憶するとともに、算出した濃度を外部から読出可能に時系列的に記憶する。

前述した構成の濃度測定装置１は、測定セル６内に雰囲気を供給して、この測定セル６即ち気体サンプル室２内の気体を雰囲気と等しくする。そして、濃度測定装置１は、光源７を点滅（パルス点灯）させて、この光源７からの赤外線を各受光器１２の赤外線センサ１４で受光する。そして、濃度測定装置１のμｃｏｍ５は、赤外線センサ１４に受光した赤外線の強さ（即ち、光源７の点灯時における赤外線センサ１４の出力電圧と、消灯時における赤外線センサ１４の出力電圧と、の電位差）などに基づいて、気体サンプル室２内の予め定められた気体（例えば、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素など）の濃度を測定する。具体的には、濃度測定装置１のμｃｏｍ５は、基準として用いられる受光器１２の赤外線センサ１４で受光した赤外線の強さと、二酸化炭素、水蒸気及び一酸化炭素を測定するための受光器１２の赤外線センサ１４で受光した赤外線の強さとを比較して、測定対象の二酸化炭素、水蒸気及び一酸化炭素の濃度を測定する。このように、濃度測定装置１の気体サンプル室２は、光源７からの赤外線を受光器１２に導くように形成されており、さらに、測定セル６の内周面が黒体処理されているので、光源７からの赤外線を、乱反射させることなく、測定セル６の軸方向とほぼ平行な赤外線のみを、受光器１２に導くことができる。

以上より、本発明によれば、内部に赤外線を通す測定セル６が、内周面に黒体処理を施されているので、その内周面において赤外線を吸収して乱反射を防ぐことができ、そのため、赤外線が透過部材１５に対してななめ方向から入射することを防いで、濃度測定の精度の悪化を防止できる。

前述した実施形態では、測定対象の気体の濃度が低濃度である場合の透過部材１５の透過する赤外線の波長を示しているが、本発明では、測定対象の気体が低濃度から高濃度（０ｐｐｍから数％）の範囲内にある場合には、測定セル６の長さを変更したり、透過部材１５が測定対象の気体中での赤外線の吸収量が少ない波長の赤外線のみを透過するようにしたり、しても良い。

さらに、実施形態では、濃度測定装置１が二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素の濃度を測定している。しかしながら、本発明では、濃度測定装置１がＮＯｘ、ＳＯｘ、Ｈ_２Ｓ、Ｏ_３、ＣＨ_４、ＮＯなどの二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素以外の種々の気体の濃度を測定しても良い。また、本発明では、測定セル６は、円筒状以外の種々の筒状に形成されても良い。

また、実施形態では、赤外線センサとして熱電堆式赤外線センサを備えるものであったが、これに限定するものではなく、例えば、赤外線センサとして、光導電効果などを利用した周知の量子型赤外線センサなど、他の種類の赤外線センサを用いても良い。このような量子型赤外線センサにおいても、調熱部材によって、それ自身を周囲の温度に素早く合わせることで測定の誤差などを解消することができる。この種の量子型赤外線センサには、室温での測定に適したものとして、光導電素子の材料にＰｂＳｅを用いたもの、低温での測定に適したものとして、光導電素子の材料にＰｂＳを用いたものなどがある。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態にかかる濃度測定装置の気体サンプル室の構成を模式的に示す斜視図である。 図１に示された濃度測定装置の構成を示す説明図である。 図１に示された気体サンプル室の受光ユニットの正面を模式的に示す説明図である。 図３中のＶＩ−ＶＩ線の断面を模式的に示す説明図である。 図２に示された濃度測定装置の受光回路の構成を示す説明図である。 二酸化炭素の吸収スペクトラムを示したグラフである。

符号の説明

１ 濃度測定装置
２ 気体サンプル室
５ マイクロコンピュータ（濃度算出部）
６ 測定セル（気体セル）
７ 光源
９ 放熱器
１０ 吸熱器
１１ ユニット本体
１２ 受光器
１３ 集光部材
１４ 熱電堆式赤外線センサ
１５ 透過部材
３０ リフレクタ

Claims (3)

1. 筒状に形成されており、一端部に配置された光源から放射される赤外線を、内部を通じて他端部に配置された赤外線センサに導く気体セルであって、
   内周面に黒体処理が施されていることを特徴とする気体セル。
2. 筒状に形成された気体セルと、前記気体セルの一端部に配置され且つ赤外線を放射する光源と、前記気体セルの他端部に配置され且つ前記光源からの前記赤外線を検出する赤外線センサと、を備え、前記光源からの前記赤外線を前記気体セルの内部を通じて前記赤外線センサに導く気体サンプル室において、
   前記気体セルとして、請求項１に記載の気体セルを備えていることを特徴とする気体サンプル室。
3. 赤外線を放射する光源と前記光源からの前記赤外線を検出する赤外線センサとを備えた気体サンプル室と、前記赤外線センサが検出した前記赤外線の強さに基づいて、前記気体サンプル室内の予め定められた気体の濃度を算出する濃度算出部と、を備えた濃度測定装置において、
   前記気体サンプル室として、請求項２に記載の気体サンプル室を備えていることを特徴とする濃度測定装置。

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