JP5968083B2 - 元素分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば鉄鋼や非鉄金属、セラミックスなどの測定試料中に含まれる酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、水素（Ｈ）、等の元素を分析する元素分析装置に関するものである。

従来の元素分析装置としては、特許文献１に示すように、インパルス電流を流してジュール発熱させた黒鉛るつぼに試料を入れて当該試料を加熱融解し、試料中の酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、水素（Ｈ）を黒鉛るつぼにより還元分解して、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ_２）、水素（Ｈ_２）等のガスを発生させるものがある。そして、この元素分析装置は、試料中の酸素（Ｏ）を一酸化炭素（ＣＯ）として（低濃度の酸素（Ｏ）を高精度に分析する場合には、後段の酸化器により一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ_２）に酸化して二酸化炭素（ＣＯ_２）として）、窒素（Ｎ）を窒素（Ｎ_２）として、水素（Ｈ）を後段の酸化器にて水素（Ｈ_２）をＨ_２Ｏに酸化してＨ_２Ｏとして検出する。

この元素分析装置においては、図４に示すように、酸素（Ｏ）や水素（Ｈ）の分析精度は、黒鉛るつぼの温度が高くなるに連れて低下し、一方で、窒素（Ｎ）の分析精度は、黒鉛るつぼの温度が高くなるに連れて向上する。つまり、酸素（Ｏ）や水素（Ｈ）の分析精度と窒素（Ｎ）の分析精度とは、黒鉛るつぼの加熱温度に対して逆の挙動を示す。

ここで、従来の元素分析装置では、図５に示すように、試料に含まれている元素をガス成分として抽出する際のるつぼの加熱温度は一定とされている。そうすると、黒鉛るつぼの加熱温度を、酸素（Ｏ）や水素（Ｈ）をガス成分として抽出するのに最適な温度に設定すると、窒素（Ｎ）が窒素（Ｎ_２）として十分に抽出されずに分析精度が悪くなってしまう。一方で、黒鉛るつぼの加熱温度を、窒素（Ｎ）をガス成分として抽出するのに最適な温度に設定すると、試料に含まれている酸素（Ｏ）の他、黒鉛るつぼ自体に含まれている酸素（Ｏ）が抽出されてしまい分析精度が悪くなってしまう。このように、単一の試料を用いて同時分析すると、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）及び水素（Ｈ）の全てを高精度に分析することが極めて困難である。

ここで、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）及び水素（Ｈ）の各元素を高精度に分析する場合には、同じ試料を複数用意し、試料毎に、黒鉛るつぼの加熱温度を、各元素をガス成分として抽出するのに最適な温度に加熱して、各元素をそれぞれ分析する必要がある。

ところが、このような手法では、酸素（Ｏ）や水素（Ｈ）を高精度に分析するための分析及び窒素（Ｎ）を高精度に分析するための分析の少なくとも２つの元素分析が必要となり、全ての元素を高精度に分析するために要する分析時間が長時間に亘ってしまうという問題がある。また、各元素を高精度に分析するためには、例えば黒鉛るつぼ、Ｈｅガス等のキャリアガス、又は試薬といった消耗品を元素分析毎に用意する必要があり、コスト増大を招いてしまう問題もある。

特開２０００−１９３６５７号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、試料に含まれている各元素を単一の試料を用いて同時に且つ高精度に分析することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る元素分析装置は、るつぼに入れた試料を加熱炉内で加熱し、当該試料に含まれている元素をるつぼにより還元分解してガス成分として抽出し、前記元素を定量分析する還元分解型の元素分析装置であって、前記試料に含まれている第１元素をガス成分として抽出する第１元素抽出最適温度で加熱炉を加熱する第１抽出モードと、前記試料に含まれている前記第１元素とは異なる第２元素をガス成分として抽出するものであり、前記第１元素抽出最適温度よりも高温である第２元素抽出最適温度で加熱炉を加熱する第２抽出モードとを組み合わせて実行することを特徴とする。

このようなものであれば、第１元素を抽出するのに最適な第１元素抽出最適温度で加熱炉を加熱する第１抽出モード及び第２元素を抽出するのに最適な第２元素抽出最適温度で加熱炉を加熱する第２抽出モードを組み合わせることによって、各モードで第１元素及び第２元素を最適な条件で抽出することができるので、単一の試料を用いて各元素を高精度に同時分析することができる。また、各元素を高精度に分析するために複数の試料を準備して、それぞれ各元素に最適な加熱温度で加熱するという複数の分析を行う必要が無いため、各元素を高精度に分析するための分析時間を短縮することができる。さらに、各元素を高精度に分析するために用いる例えば黒鉛るつぼ、Ｈｅガス等のキャリアガス、又は試薬といった消耗品の消費量を低減することができ、ランニングコストを削減することができる。

第１元素抽出最適温度よりも高温な第２元素抽出最適温度である第２抽出モードを先に行うと、黒鉛るつぼ自体に含まれる第１元素が第１抽出モードにおいて抽出されてしまう、或いは、第１元素の抽出が不十分となる恐れがある。このため、前記第１抽出モードを行った後に前記第２抽出モードを行うものであることが望ましい。例えば、第１元素が酸素（Ｏ）であり、第２元素が窒素（Ｎ）の場合には、先に窒素抽出最適温度で加熱すると、後の酸素抽出最適温度で加熱した場合に、黒鉛るつぼ自体に含まれる酸素まで抽出されて、酸素の測定誤差となってしまうといった問題を解決することができる。

前記第１抽出モードが、前記試料に含まれている酸素をガス成分として抽出する酸素抽出最適温度で加熱炉を加熱するものであり、前記第２抽出モードが、前記試料に含まれている窒素をガス成分として抽出する窒素抽出最適温度で加熱炉を加熱するものであれば、本発明の効果が一層優れたものとなる。

このように構成した本発明によれば、試料に含まれる複数の元素を単一の試料を用いて同時に且つ高精度に分析することができる。

本実施形態の元素分析装置の構成を示す模式図。 同実施形態の加熱炉の抽出モードを示す図。 変形実施形態の加熱炉の加熱モードを示す図。 黒鉛るつぼの加熱温度と酸素、窒素、水素の測定精度との関係を示す図。 従来の加熱炉の加熱モードを示す図。

以下に本発明に係る元素分析装置１００について図面を参照して説明する。

本実施形態の元素分析装置１００は、るつぼＲ内に収容された金属試料又はセラミック試料（以下、単に試料ともいう。）を加熱溶融し、その際に発生するガス成分を分析することによって、当該試料内部に含まれている元素を測定するものである。

具体的にこのものは、図１に示すように、加熱炉１内に発生した試料ガスをキャリアガス（例えばＨｅガス等）とともに流通させる単一ガス流路２を形成する流通管を有し、当該流通管上に、ＣＯ検出部３、酸化部４、ＣＯ_２検出部５、Ｈ_２Ｏ検出部６、ＣＯ_２除去部７、Ｈ_２Ｏ除去部８及びＮ_２検出部９が、この順に直列に設けられている。

ＣＯ検出部３は、試料ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）を検出してその濃度を測定（検出）するものであり、非分散型赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）により構成されている。

酸化部４は、ＣＯ検出部３の下流側に設けられ、試料ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ_２）に酸化するとともに、水素（Ｈ）を水（Ｈ_２Ｏ）に酸化して水蒸気を生成するものである。本実施形態の酸化部４は、例えば酸化銅（ＣｕＯ）を用いて構成されており、具体的には、石英管内に酸化銅（ＣｕＯ）を充填することにより構成され、その酸化銅（ＣｕＯ）は、約６００度程度に加熱されている。この酸化銅（ＣｕＯ）の加熱方法は、発熱抵抗体により加熱する方法等が考えられる。

ＣＯ_２検出部５は、試料ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）を検出してその濃度を測定するものであり、非分散型赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）により構成されている。このＣＯ_２検出部５は、その測定精度から試料内部に含まれる酸素（Ｏ）が低濃度（例えば２００ｐｐｍ未満）の場合に有効である。

Ｈ_２Ｏ検出部６は、試料ガスに含まれる水（水蒸気）を検出してその濃度を測定するものであり、非分散型赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）により構成されている。

なお、酸化部４、ＣＯ_２検出部５及びＨ_２Ｏ検出部６を接続するガス流路を形成する流通管は、１００℃以上に加熱されている。具体的には、流通管の外周面には、発熱抵抗体等からなる加熱機構が設けられている。これにより、酸化部４により生成された水蒸気が、Ｈ_２Ｏ検出部６に到達するまでに結露して減少して生じるＨ_２Ｏ検出部６の測定誤差を防止することができる。さらに、結露した水によって流通管が錆びてしまうことを防止することもできる。

ＣＯ_２除去部７は、酸化部６を通過した試料ガスから二酸化炭素（ＣＯ_２）を吸着して除去するものであり、試料ガスに含まれる窒素（Ｎ_２）に対して反応及び吸着等しないものであり、例えば、アスカライト又はゼオライト系モレキュラーシーブ等を用いることができる。

Ｈ_２Ｏ除去部８は、酸化部６を通過した試料ガスから水（水蒸気）を吸着して除去するものであり、試料ガスに含まれる窒素（Ｎ_２）に対して反応及び吸着等しないものであり、例えば、過塩素酸マグネシウム又は塩化カルシウム等を用いることができる。

Ｎ_２検出部９は、試料ガスに含まれる窒素（Ｎ_２）を検出してその濃度を測定するものであり、熱伝導度型分析計（ＴＣＤ）により構成されている。

なお、各検出部により得られた測定信号（各ガス成分の濃度を示す測定値）は、演算部１０に出力される。測定信号を取得した演算部１０は、各測定信号に基づいて、試料内部に含まれる酸素（Ｏ）、水素（Ｈ）及び窒素（Ｎ）の濃度を演算する。そして、演算部１０は、演算結果である酸素（Ｏ）、水素（Ｈ）及び窒素（Ｎ）の濃度を図示しない出力部（モニタ）に出力する。なお、演算部１０の具体的な構成は、例えばＣＰＵ、内部メモリ、入出力インタフェース、ＡＤ変換器等からなる汎用又は専用のコンピュータであり、前記内部メモリの所定領域に格納してあるプログラムに基づいてＣＰＵやその周辺機器等が作動することにより、酸素（Ｏ）、水素（Ｈ）及び窒素（Ｎ）の濃度を演算する。なお、演算部１０は、コンピュータによることなくバッファや増幅器、比較器等を用いたディスクリートアナログ回路を用いて構成しても構わない。

しかして本実施形態の元素分析装置１００は、図２に示すように、試料に含まれている第１元素である酸素（Ｏ）をガス成分として抽出する酸素抽出最適温度Ｔ_１で加熱炉１を加熱する第１抽出モードと、試料に含まれている第２元素である窒素（Ｎ）をガス成分として抽出する酸素抽出最適温度Ｔ_１よりも高温である第２元素抽出最適温度Ｔ_２で加熱炉１を加熱する第２抽出モードとを組み合わせて実行する。なお、図２には、第1抽出モード及び第２抽出モードを実行した場合に得られる酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）及び水素（Ｈ）の濃度測定値の経時変化も示している。

具体的には、加熱炉１に設けられた加熱機構（不図示）を制御する制御装置１１が、前記加熱機構を制御することより、第１抽出モード及び第２抽出モードを組み合わせて連続的に実行させる。つまり、制御装置１１は、第１抽出モードを行った後に第２抽出モードを実行させる。なお、本実施形態の加熱機構は、黒鉛るつぼＲを上下から挟持する上部電極及び下部電極と、これら電極にインパルス電流を印加させる電源とを有するものである。そして、制御装置１１は、加熱機構の電源を制御することにより、前記第１抽出モード及び第２抽出モードを実行させる。

第１抽出モードは、試料に含まれている酸素（Ｏ）を抽出するのに最適な加熱温度Ｔ_１（例えば２０００℃）及び加熱時間Ｓ_１（例えば２０秒）で黒鉛るつぼＲを加熱するモードである。この第１抽出モードにおいては、試料に含まれている酸素（Ｏ）が一酸化炭素（ＣＯ）として抽出され、試料に含まれている水素（Ｈ）が水（Ｈ_２Ｏ）として抽出されるとともに、試料に含まれている窒素（Ｎ）が窒素（Ｎ_２）として抽出される。

第２抽出モードは、試料に含まれている窒素（Ｎ）を抽出するのに最適な加熱温度Ｔ_２（例えば２５００℃）及び加熱時間Ｓ_２（例えば２０秒）で黒鉛るつぼＲを加熱するモードである。この第２抽出モードにおいては、前記第１抽出モードにおいて試料から抽出できなかった窒素（Ｎ）が窒素（Ｎ_２）として抽出される（図２の斜線部分）。なお、図２の斜線部分は、従来の元素分析装置により酸素最適温度Ｔ_１で一定加熱した場合には抽出されない部分である。一方で、従来の元素分析装置により窒素最適温度Ｔ_２で一定加熱した場合には黒鉛るつぼ自体に含まれている酸素が抽出されてしまい測定誤差となる。

このように構成した本実施形態に係る元素分析装置１００によれば、酸素（Ｏ）を抽出するのに最適な酸素抽出最適温度Ｔ_１で加熱炉１を加熱する第１抽出モード及び窒素（Ｎ）を抽出するのに最適な窒素抽出最適温度Ｔ_２で加熱炉１を加熱する第２抽出モードを組み合わせることによって、各モードで酸素（Ｏ）及び窒素（Ｎ）を最適な条件で抽出することができるので、単一の試料を用いて各元素（酸素及び窒素）を高精度に同時分析することができる。また、酸素及び窒素を高精度に分析するために複数の試料を準備して、それぞれ各元素に最適な加熱温度で加熱するという複数の分析を行う必要が無いため、各元素を高精度に分析するための分析時間を短縮することができる。さらに、各元素を高精度に分析するために用いる例えば黒鉛るつぼＲ、Ｈｅガス等のキャリアガス、又は試薬といった消耗品の消費量を低減することができ、ランニングコストを削減することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、前記実施形態では、元素に含まれる酸素及び水素の両方を定量分析するものであったが、酸素又は水素の一方のみを定量分析するものであっても良い。

また、試料の種類に応じて、第１抽出モード又は第２抽出モードの何れか一方のみを実行するように構成しても良い。例えば、試料の種類に応じて、第１抽出モード及び第２抽出モードを１つの分析工程で実行するパターンと、第１抽出モード又は第２抽出モードの一方のみを実行するパターンとを切り替え可能に構成しても良い。

さらに前記実施形態では、第１抽出モード及び第２抽出モードを各１回ずつ行うものであったが、それらを複数回交互に繰り返して行うものであっても良い。

その上、前記実施形態では、第１抽出モードの酸素抽出最適温度Ｔ_１から第２抽出モードの窒素抽出最適温度Ｔ_２にステップ状（階段状）に変化するものであったが、図３に示すように、第１抽出モード及び第２抽出モードの間に黒鉛るつぼの加熱温度を滑らかに連続的に変化させる移行モードを有するものであっても良い。

黒鉛るつぼの他に、セラミックるつぼを用いるものであっても良い。この場合、元素分析装置が高周波加熱炉を備えるものであり、試料中に存在する炭素や硫黄などを分析するものであっても良い。

また、測定試料中に含まれる測定対象元素をユーザが指定することで、抽出モードの組み合わせ、温度又は順序が自動的に制御部１１により制御されるものであっても良い。

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。

１００・・・元素分析装置
Ｒ・・・るつぼ
１・・・加熱炉
Ｔ_１・・・第１元素抽出最適温度（酸素抽出最適温度）
Ｔ_２・・・第２元素抽出最適温度（窒素抽出最適温度）

Claims (3)

1. 黒鉛るつぼに入れた試料を加熱炉内で加熱し、当該試料に含まれている元素を黒鉛るつぼにより還元分解してガス成分として抽出し、前記元素を定量分析する還元分解型の元素分析装置であって、
   前記試料に含まれている第１元素をガス成分として抽出する予め設定された第１元素抽出最適温度で黒鉛るつぼを加熱する第１抽出モードと、前記試料に含まれている前記第１元素とは異なる第２元素をガス成分として抽出するものであり、前記第１元素抽出最適温度よりも高温である予め設定された第２元素抽出最適温度で黒鉛るつぼを加熱する第２抽出モードとを組み合わせて実行することを特徴とする元素分析装置。
2. 前記第１抽出モードを行った後に前記第２抽出モードを行うものである請求項１記載の元素分析装置。
3. 前記第１抽出モードが、前記試料に含まれている酸素をガス成分として抽出する予め設定された酸素抽出最適温度で黒鉛るつぼを加熱するものであり、
   前記第２抽出モードが、前記試料に含まれている窒素をガス成分として抽出する予め設定された窒素抽出最適温度で黒鉛るつぼを加熱するものである請求項１又は２記載の元素分析装置。