JP5919895B2

JP5919895B2 - 赤外線ガス分析計用検出器

Info

Publication number: JP5919895B2
Application number: JP2012049357A
Authority: JP
Inventors: 満大石
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: JP2013185867A

Description

本発明は、赤外線がガス中を透過する際、種々のガスに固有な特定波長の光が吸収されることを利用し、ガス中に含まれる所望のガス成分の濃度を計測する赤外線ガス分析計用の検出器に係り、特に二つのガス室間における充填ガスの赤外線吸収量の差に基づく圧力差によってガス通路に生じるガスの流れに応じて電気信号を出力するフローセンサを有する赤外線ガス分析計用検出器に関する。

図４に示すように、赤外線ガス分析計５０は、赤外線光源５１、光チョッパ５２、試料セル５３、赤外線検出器５４等から構成されている。赤外線光源５１から発せられた赤外光は、モータ５７によって回転駆動される光チョッパ５２によって所定の周波数の断続光となり、その両端が赤外線透過材料からなる窓で封止された円筒状の試料セル５３へ入射する。そして、赤外光（測定光）は試料セル５３内を反射し、赤外線検出器５４に入射する。

ガス導入口５３ａ及びガス導出口５３ｂを有する試料セル５３内にはサンプルガスが導入されている。赤外線ガス分析計５０は、サンプルガス中に含まれる測定対象ガスの濃度に応じて試料セル５３内での赤外線吸収量が変化するので、その変化を赤外線検出器５４により検出し濃度信号(Ｖ)として出力する。この赤外線検出器５４は、測定ガス対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填された２つのガス室Ａ，Ｂを有し、各ガス室における封入（充填）ガスの赤外線吸収量の差に基づく圧力差によってガス室間を連通するガス流路５５に生じるガスの流れを、熱線式検出素子や焦電型検出素子などを備えたフローセンサ５６にて検出するように構成されている。

このような赤外線ガス分析計用の検出器としては、例えば、特開２０００−９７８５５号公報（特許文献１）や実開昭５５−１３０２６３号公報（特許文献２）に記載のものが知られている。

図５に、シングルビーム型の赤外線ガス分析計に組み込まれる検出器６０の一例を示す。検出器６０は、二つのガス室Ａ１，Ｂ１を有する本体ブロック６０１と、この本体ブロック６０１に対して着脱可能に装着されるセンサ部ブロック６０２とから構成される。センサ部ブロック６０２は、筒状で、開口Ｔに連通する中央孔６０３と上フランジ６０４を有するブロック枠と、中央孔６０３にハーメチックシール６０５によって固定保持されたリード線６０６と、このリード線６０６に接続された状態で開口Ｔ内に保持されたフローセンサ６０７とを備えている。一方、本体ブロック６０１の上面の中央に凹所６０８が設けられ、センサ部ブロック６０２は本体ブロック６０１の凹所６０８に着脱可能に装着されている。
６０９ａ、６０９ｂ、６０９ｃは、赤外線透過性材料よりなる透過窓である。

検出器６０のガス室Ａ１，Ｂ１に、同じ測定対象のガスが充填されている状態において、赤外線ＩＲが検出器６０に入射すると、赤外線ＩＲはガス室Ｂ１に先に入射する。このガス室Ｂ１に充填されているガスが赤外線ＩＲの一部を吸収して温度上昇し、膨張する。この膨張したガスは、本体ブロック６０１に設けたガス通路６１１からセンサ部ブロック６０２の開口Ｔおよびガス通路６１２を通って本体ブロック６０１に設けたガス通路６１３を経てガス室Ａ１に流入する。このとき、温度上昇したガスの温度差によって焦電型のフローセンサ６０７の焦電検出部に温度差が生じ、この焦電検出部から温度差に起因する信号を出力するようにしている（特許文献１参照）。

特開２０００−９７８５５号公報（段落〔００２０〕〜〔００２３〕、図２参照）実開昭５５−１３０２６３号公報

上述したような従来の赤外線ガス分析計用の検出器６０においては、フローセンサ６０７を筒状のセンサ部ブロック６０２の開口Ｔ内の側壁部分に接着した後、フローセンサ６０７の電極部にリード線６０６を半田付けし、さらにリード線６０６をセンサ部ブロック６０２の中央孔６０３から引き出すと共にハーメッチックシール６０５により保持固定するようにしてセンサ部を組み立てている。しかし、センサ部ブロック６０２の開口Ｔ（空洞）内は狭く、フローセンサ６０７の電極部にリード線６０６を接続するための半田付け作業が行い難く作業性が悪いばかりか、半田フラックスが飛散してフローセンサ６０７の表面に付着し、センサ素子の特性を経時的に変化させ、ドリフト現象など赤外線ガス分析計の特性に悪影響を与えてしまう等の問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、組み立て作業性に優れ生産効率の向上を図ることが可能で、しかも、安定したセンサ特性を得ることが出来る信頼性の高い赤外線ガス分析計用検出器を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填される第１，第２のガス室を有すると共に大径穴部と小径穴部からなる段付の凹所が形成された本体ブロックと、前記第１，第２のガス室における充填ガスの赤外線吸収量の差に基づく圧力差によって前記第１のガス室と前記第２のガス室を連通するガス通路に生じるガスの流れを検出するフローセンサ、ハーメチックシールにより端子取出孔に固定保持され、前記フローセンサと外部機器とを電気的に接続する接続端子、前記フローセンサが装着されるセンサ取付面からなる円柱体形状のセンサ部ブロックと、を備え、
前記接続端子は、その一端が前記センサ取付面から突出し、当該接続端子の一端と前記フローセンサの電極部とがボンディングワイヤーによって接続されており、
さらに、前記センサ取付面を内方に向けて前記本体ブロックの凹所へ前記センサ部ブロックを嵌挿した状態において、前記センサ取付面の外周縁部が前記本体ブロックの凹所の段付部分と当接することによって形成されるセンサ収納空間に前記フローセンサが配置されるように構成されている。

そして特に、請求項１の発明においては、前記ガス通路は、一端が前記第１のガス室内に開口すると共に他端が前記小径穴部に開口し、前記第１のガス室と前記小径穴部とを連通する前記本体ブロックに形成された第１の通路と、一端が前記第２のガス室内に開口すると共に他端が前記大径穴部の側壁に向けて開口し、前記第２のガス室と前記大径穴部とを連通する前記本体ブロックに形成された第２の通路と、一端が前記センサ取付面の中心に設けられたガス通過孔に連通すると共に他端が側壁に向けて開口するように前記センサ部ブロックの中心から外周方向に延びるように形成された第３の通路とからなり、前記センサ部ブロックを前記本体ブロックの凹所に嵌挿した状態で前記第１〜第３の通路からなる前記ガス通路が連通するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、円柱体形状を呈するセンサ部ブロックのセンサ取付面にフローセンサが装着され、フローセンサと外部機器とを電気的に接続する接続端子の一端がセンサ取付面から突出するように固定保持され、この接続端子の一端とフローセンサの電極部とがボンディングワイヤーにより接続されるので、人手による半田付け作業は不要であり、フローセンサの表面が汚損されてしまうことがなく、信頼性の高い赤外線ガス分析計用検出器を実現することが出来る。

また、センサ取付面を内方に向けて本体ブロックの凹所へセンサ部ブロックを嵌挿し、センサ取付面の外周縁部と本体ブロックの凹所の段付部分と当接させるだけで、所定のセンサ収納空間にフローセンサが配置されるので、センサ部ブロックの本体ブロックへの組み付けも簡単に完了させることができ、組み立て作業の効率向上を図ることができる。

さらに、従来技術と異なり、センサ収納空間内でフローセンサの半田付け作業を必要がないので、センサ収納空間の容積をフローセンサが納まる最小の容積とすることができ、ガス室の容積に対するガス通路全体の容積の割合を低くし、より検出感度を高めることもできる。

本発明による赤外線ガス分析計用検出器の実施形態を示す縦断面図である。赤外線ガス分析計用検出器の主要部であるセンサ部ブロックを示す図で、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は側面図である。センサ部ブロックにフローセンサを実装した状態を示す図で、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は側面図である。シングルビーム型の赤外線ガス分析計の概要構成を示す図である。従来の赤外線ガス分析計用検出器の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して具体的に説明する。
図１は、本発明による赤外線ガス分析計用検出器の実施形態を示す図で、シングルビーム型の赤外線ガス分析計へ適用する場合の一例である。

図１において、１００は、センサ部ブロック１０と本体ブロック３０とからなる赤外線ガス分析計用検出器（以下、「検出器」ともいう）である。この検出器１００は、図４に示したような赤外線ガス分析計の試料セルの後段に直列に配置される第１のガス室３１、第２のガス室３２を備えている。本体ブロック３０内に設けられたこれらの第１のガス室３１と第２のガス室３２との間は、赤外線透過材料からなる透過窓３３ｂで仕切られている。また、３３ａ, ３３cは、それぞれ、第１のガス室３１, 第２のガス室３２に設けられた透過窓である。そして、第１のガス室３１,第２のガス室３２の内部には、測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填されている。

センサ部ブロック１０は、上方に突条部１１を有する円柱体形状を呈しており、その底面側はフローセンサ２０が装着されるセンサ取付面１２となっている。１３は、フローセンサ２０と不図示の外部機器とを電気的に接続するための接続端子（リードピン）である。図２に示すように、接続端子１３は、センサ部ブロック１０に穿設した端子取出孔１４を貫通するようにハーメッチックシール（ガラス接合部）１５によって保持固定されており、その一端がセンサ取付面１２から突出すると共に他端が上面から突出するように設けられている。また、接続端子１３は、ＳＵＳ等の材料からなり、端子表面は腐食性ガスなどの影響を低減するために金メッキが施されている。

センサ部ブロック１０の中心にはガス通過孔１６が設けられている。１７は、後述するガス通路の一部を構成する第３の通路で、一端がガス通過孔１６に連通すると共に他端が側壁面（周壁面）に向けて開口しており、ブロックの中心から外周方向に延在するようにセンサ取付面１２と平行に設けられている。

図３は、センサ部ブロック１０にフローセンサ２０を実装した状態を示す図である。フローセンサ２０は、上部電極、焦電体薄膜、下部電極、及びヒータなどから構成される焦電検出部２１を備えた公知の焦電型のフローセンサであり、センサ部ブロック１０のガス通過孔１６の中心と焦電検出部２１の貫通孔２２の中心とを一致させるようにしてセンサ取付面１２上に固着されている。

図３（Ｂ）に示すように、矩形状のフローセンサ２０の四隅には、上部電極引出し用の電極部２３ａ、下部電極引出し用の電極部２３ｂ、及びヒータ電極引出し用の電極部２３ｃ，２３ｄの計４つの電極部が形成されている。そして、センサ部ブロック１０のセンサ取付面１２からはフローセンサ２０の四辺と近接するように４本の接続端子１３の一端が突出しており、各電極部２３ａ〜２３ｄと接続端子１３との間はボンディングワイヤー２４によって接続されている。

一方、図１に示したように、本体ブロック３０の上部には、大径穴部３５と小径穴部３６からなる段付の凹所３４が形成されており、この凹所３４の大径穴部３５に円柱体形状のセンサ部ブロック１０の胴体部分が嵌合するようになっている。３７は、センサ部ブロック１０の突条部１１と嵌合する座ぐり穴部である。そして、センサ取付面１２を内方に向けてセンサ部ブロック１０を本体ブロック３０の凹所３４へ嵌挿した状態において、センサ取付面１２の外周縁部が本体ブロック３０の凹所３４の段付部分と当接することによって形成されるセンサ収納空間４０にフローセンサ２０が配置される。なお、第１のガス室３１と第２のガス室３２には充填ガスが封入されるため長期間安定して気密を保つ必要があり、エポキシ系接着剤などの気密性に優れた接着剤を用いてセンサ部ブロック１０を本体ブロック３０に接着している。

３８は、一端が第１のガス室３１内に開口すると共に他端が小径穴部３６に開口し、第１のガス室３１と小径穴部３６とを連通する本体ブロック３０に形成された第１の通路である。また、３９は、一端が第２のガス室３２内に開口すると共に他端が大径穴部３５の側壁に向けて開口し、第２のガス室３２と大径穴部３５とを連通する本体ブロック３０に形成された第２の通路である。

上述したように、センサ部ブロック１０の内部には、一端がセンサ取付面１２の中心に設けられたガス通過孔１６に連通すると共に他端が本体側壁（周壁）に向けて開口するようにブロック中心から外周方向に向けて延びる第３の通路１７が形成されている。従い、センサ部ブロック１０の第３の通路１７の開口と本体ブロック３０の第２の通路３９の開口とを一致させるようにしてセンサ部ブロック１０を本体ブロック３０の凹所３４に嵌挿することによって、第１の通路３８、第２の通路３９、及び第３の通路１７からなるガス通路が接続され、第１のガス室３１とセンサ収納空間４０と第２のガス室３２とが連通する。

このような赤外線ガス分析計用検出器１００において、前段の試料セル内を透過してきた赤外線（ＩＲ）が第１のガス室３１，第２のガス室３２へ入射し、両ガス室間における充填ガスの赤外線ガス吸収量の差に基づく圧力差によって例えば矢印Ｇで示す方向のガスの流れが生じたとすると、ガスの流れは、本体ブロック３０に設けた第１の通路３８からセンサ収納空間４０およびセンサブロック１０に設けた第３の通路１７を経由して本体ブロック３０に設けた第２の通路３９へ至る。

このとき、センサ収納空間４０内に配置されたフローセンサ２０の焦電検出部２１にはガスの流量に応じて温度差が生じ、フローセンサ２０からは温度差に起因する信号が検出信号として出力される。このフローセンサ２０の検出信号は、一端が検出器１００の上方に突出する接続端子１３を介して不図示の外部機器へと送出される。

以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、円柱体形状のセンサ部ブロック１０の一方の面（底面）をセンサ取付面１２とし、フローセンサ２０の各電極部２３ａ〜２３ｄと接続端子１３との間のリード線の接続に自動ワイヤボンディングが可能な平面取り付け構造を採用しているので、人手による配線作業をなくしセンサ実装の効率化を図ると共に信頼性の向上を図ることができる。また、ハーメッチックシール処理を含むセンサ部の実装作業が容易になることに加え、センサ部ブロック１０を本体ブロック３０へ組み込む際の工程が非常に簡略化できる。

さらに、従来の赤外線ガス分析計用検出器では、フローセンサの電極部とリード線との半田付けを終えた後、フローセンサが配置されるセンサ部ブロックの開口Ｔ内にシリコン材などを充填し、開口Ｔのスペースを小さくすることにより感度の向上を図るようにしていたが、本実施形態によれば、センサ収納空間４０（小径穴部３６）の容積をフローセンサ２０の収納に必要な容積に最小化することができるので、シリコン材の充填作業などを行うことなく検出感度の向上を図ることも出来る。

１０：センサ部ブロック、１１：突条部、１２：センサ取付面、１３：接続端子（リードピン）、１４：端子取出孔、１６：ガス通過孔、１７：第３の通路、
２０：フローセンサ、２１：焦電検出部、２３ａ〜２３ｄ：電極部、
２４：ボンディングワイヤー、３０：本体ブロック、３１：第１のガス室、
３２：第２のガス室、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ：透過窓、３４：凹所、
３５：大径穴部、３６：小径穴部、３７：座ぐり穴部、３８：第１の通路、
３９：第２の通路、４０：センサ収納空間、
１００：赤外線ガス分析計用検出器。

Claims

測定対象ガスと同じ吸収特性を示すガスが充填される第１，第２のガス室を有すると共に大径穴部と小径穴部からなる段付の凹所が形成された本体ブロックと、前記第１，第２のガス室における充填ガスの赤外線吸収量の差に基づく圧力差によって前記第１のガス室と前記第２のガス室を連通するガス通路に生じるガスの流れを検出するフローセンサ、ハーメチックシールにより端子取出孔に固定保持され、前記フローセンサと外部機器とを電気的に接続する接続端子、前記フローセンサが装着されるセンサ取付面からなる円柱体形状のセンサ部ブロックとを備え、
前記接続端子は、その一端が前記センサ取付面から突出し、当該接続端子の一端と前記フローセンサの電極部とがボンディングワイヤーによって接続されており、
前記センサ取付面を内方に向けて前記本体ブロックの凹所へ前記センサ部ブロックを嵌挿した状態において、前記センサ取付面の外周縁部が前記本体ブロックの凹所の段付部分と当接することによって形成されるセンサ収納空間に前記フローセンサが配置されるように構成されている赤外線ガス分析計用検出器であって、
前記ガス通路は、一端が前記第１のガス室内に開口すると共に他端が前記小径穴部に開口し、前記第１のガス室と前記小径穴部とを連通する前記本体ブロックに形成された第１の通路と、一端が前記第２のガス室内に開口すると共に他端が前記大径穴部の側壁に向けて開口し、前記第２のガス室と前記大径穴部とを連通する前記本体ブロックに形成された第２の通路と、一端が前記センサ取付面の中心に設けられたガス通過孔に連通すると共に他端が側壁に向けて開口するように前記センサ部ブロックの中心から外周方向に延びるように形成された第３の通路とからなり、前記センサ部ブロックを前記本体ブロックの凹所に嵌挿した状態で前記第１〜第３の通路からなる前記ガス通路が連通するように構成されていることを特徴とする赤外線ガス分析計用検出器。