KR820001025B1 - 적외선 가스분석장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

적외선 가스분석장치

제1도는 본 발명에 관한 적외선 가스분석장치의 구성 설명도.

제2도 및 제3도는 간섭보상셀의 구성 설명도.

제4도 및 제5도는 광 검출기의 구성 설명도.

제6도는 신호변환·온도변환회로의 구성 설명도.

제7도는 회전스펙트럼을 수반한 진동스펙트럼의 일례를 표시한 도면.

제8도는 흡수특성도.

본 발명은, 가스 속에 함유된 성분을 적외선 흡수를 이용해서 분석하는 적외선 가스분석장치에 관한 것으로, 더욱 상세히는, 간섭 성분을 함유한 시료가스를 채취해서 분석을 하는 적외선 가스분석장치에 관한 것이다.

시료가스 속에 측정성분의 흡수파장대역과 겹치게 되는 흡수파장대역을 가진 간섭성분이 존재하는 일이 많다.

이와 같은 경우에는 커다란 측정오차가 생기므로, 어떠한 보상을 행할 필요가 있다.

종래 장치로 행하여지고 있는 방법에는, 간섭성분의 농도를 별도 측정하여 연산에 의해서 측정성분의 농도를 구하는 것 등이 있다.

그러나, 이들의 방법을 사용한 장치는 전체구성이 복잡하게 된다는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안해서 이루어진 것이다.

본 발명의 목적은, 간섭성분의 존재에 따른 영향을 배제한 적외선 가스분석장치를 간단한 구성으로 실현함에 있다.

본 발명의 첫째 특징은, 측정광용 광학계를, 측정셀과 측정성분의 흡수파장 대역 내의 일정파장 대역의 적외선을 주로 투과하는 제1필터와 이 제1필터의 투과파장 대역 내에 흡수파장 대역의 일부를 가짐과 동시에 측정성분과 스펙트럼에 있어서 상이하게 한 가스가 봉입된 온도보상셀로 구성하고, 한편 기준광용 광학계와, 간섭보상셀과 제1필터의 투과파장의 주요부를 포함하게 한 파장대역의 적외선을 투과하는 제2필터와, 일정농도의 측정성분을 함유한 가스가 봉입된 간섭셀로 구성한 점에 있다.

본 발명의 둘째 특징은, 간섭보상셀의 일단에 간섭셀을 기밀구조로 하여 내삽하고, 간섭셀을 이동하므로서 간섭보상셀의 길이를 용이하게 가변할 수 있게 한 점에 있다.

본 발명의 셋째 특징은, 광센서 및 다층막 간섭필터를 금속블록을 가공해서 설치하고, 그 금속블록의 온도를 일정하게 해서, 광센서 및 다층막 필터의 외부 주위 온도에 의한 영향을 방지한 광검출기를 구비한 점이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 설명을 한다.

제1도는 본 발명에 관한 적외선 가스분석장치의 일 실시 예를 표시한 구성도이다.

도면에 있어서, (1)은 적외선원, (2)는 시료가스로 내부가 충만된 측정셀이다.

측정셀(2)에는, 적외선을 투과하는 창(21), (22)과, 시료가스를 도입·도출하기 위한 도입구(23), 도출구(24)가 형성되어 있다.

(3)은 적외선 투과창(31), (32)을 가지고, 내부에 가스가 봉입된 온도보상셀이다.

이 봉입가스로서는, 흡수파장 대역의 일부가 후술하는 필터(74)의 투과파장 대역 내에 함유되는 것과 같은 가스로, 더우기 측정 성분과 스펙트럼에 있어서 상이하게 한 가스가 사용된다.

기체분자는 자유로이 회전할 수 있으므로, 진동 상태의 변화에는 반드시 회전상태의 변화가 부수해서 일어나고, 진동스펙트럼은 회전스펙트럼을 수반한 것이 나타난다.

이 때문에, 예를 들면 제7도에 표시한 바와 같이, 스펙트럼에는 ＋가지나 －가지로 불리우는 스펙트럼선군이 나타난다.

온도보상셀(3)에의 봉입가스의 스펙트럼은, 측정성분의 스펙트럼에 기본적으로 비슷하더라도, 상기 스펙트럼선군에 있어서만 상위한 것이어도 된다.(예를 들면 측정성분이 NO의 경우에 봉입가스로서 C₂H₄를 선택하는 것은 가능)

(4)는 일정농도의 측정성분을 함유한 가스가 봉입된 간섭셀, (5)는 시료가스가 충만된 간섭보상셀이다. 간섭셀(4)에는, 적외선을 투과하는 창(41), (42)이 설치되어 있다.

또, 간섭보상셀(5)에는, 적외선을 투과하는 창(51), (52)과, 시료가스를 도입·도출하기 위한 도입구(53), 도출구(54)가 형성되어 있다.

또한, 간섭보상셀(5)은, 후술하는 장치의 교정조작에 있어서, 그 셀의 길이ℓ의 조정이 용이하게 될 수 있는 구성으로 하는 것이 바람직한 것이며, 예를 들어 제2도 또는 제3도의 구성으로 이루도록 하여도 된다.

제2도의 간섭보상셀(5)은, 그 일단에는 적외선을 투과하는 창(52)을 설치하고, 타단은, 간섭셀(4)을 내삽하는 외통부(55)를 구성하고 있다.

그리고, 이 외통부(55)에 간섭셀(4)을 삽입해서, 그 삽입길이를 조정하여, 간섭보상셀(5)의 셀의 길이ℓ의 조정을 하고, 누름나사(56)로 셀의 길이ℓ을 고정할 수 있게 되어 있다.

(43)은 간섭셀(4)의 창(42) 부근의 외주면에 흠을 형성하여 매설한 0링이고, 간섭보상셀(5)에 충만하는 가스의 누설을 방지하기 위한 것이다.

또, 제3도의 간섭보상셀(5)은 간섭보상셀(5)의 통부분의 일부를 벨로우즈(57)로 구성하고, 주머니 슬리이브(58)를 누름나사(56)로 고정하도록 하여, 간섭보상셀(5)의 셀의 길이ℓ를 고정하게 되어 있다.

제2도 및 제3도의 간섭보상셀의 구성은, 본 발명의 목적을 보다 용이하게 실현하기 위한 한가지 수단이다.

다시, 제1도에 따라 설명을 한다.

(6)은 조리개이고, 이 조리개(6), 간섭셀(4) 및 간섭보상셀(5)은 동축적으로 배치되고, 한편 측정셀(2) 및 온도보상셀(3)은 동축적으로 배치되어 있다.

(7)은 광검출기, (8)은 신호교환·온도조절 회로이다.

광검출기(7)는, 오목반사경(10)의 초점 근처에 배설되어 있다. 그리고 측정셀(2) 및 간섭셀(4) 등을 투과해서 들어오는 단속적인 빛이 광검출기(7)에 도입되게 되어 있다.

상기 단속적인 빛은, 적외선원(1)에 의한 빛을 오목반사경(9)으로 평행광선으로 해서, 모우터(12)로 회전하는 섹터(11)에 의해서 얻도록 되어 있다.

다음에, 광검출기(7) 및 신호변환·온도조절회로(8)에 대하여, 제4도, 제5도 및 제6도를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

제4도는, 광검출기(7)의 구성 설명도로, 광검출기(7)의 일단면도이다.

제5도는, 광검출기(7)의 평면도이다.

제4도 및 제5도에 있어서, (71)은 금속블록이고, 이 금속블록(71)에는, 측정광이나 기준광을 인도하는 원추형상의 측정광용 광 도입구멍(711), 기준광용 광 도입구멍(712)이 형성되어 있다.

또한, 이 금속블록(71)의 광 도입구멍(711), (712)의 교차부에는, 광센서 부착구멍(713)이 형성되어, 외주면에는 링형상의 홈(714)이 형성되어 있다.

(72)는 금속블록(71)의 부착구멍(713) 내에 삽입고정된 기판으로, 기판(72) 위에 티미스타·볼로미터 등의 광 감응소자(73)가 고착되어 있다.

(731)은 그 광 감응소자(73)와 신호변환·온도조절회로(8)를 접속하는 접속선이다.

(74)는 측정광용 광 도입구멍(711)을 막는 것과 같이 해서 금속블록(71)에 부착된 다층막 간섭필터, (75)는 기준광용 광 도입구멍(712)을 막는 것과 같이 해서 금속블록(71)에 부착된 다층막 간섭필터이다.

각 간섭필터는, 각 도입광선에 직면해서 부착되어 있다. 그리고, 광 도입구멍(711), (712) 및 부착구멍(713)의 공간부는, 완전한 밀봉 상태를 얻도록 되어 있으며, 그 공간부에 질소가스 N₂가 봉입되어 있다.

(76)은 홈(714)에 부착된 금속블록(71)을 가열하는 히이터이다.

(761)은 신호변환·온도조절회로(8)의 출력을 히이터(76)에 공급하는 접속선이다.

(77)은 금속블록(71)의 전체를 피복하는 부재로, 예를 들면 베이크 라이트 수지이다.

피복부재(77)에 의해서, 금속블록(71)은 외부주위 온도와의 차폐가 효과적으로 이루어지도록 되어 있다.

(771)은 측정광용 광 도입구멍(711)의 창, (772)는 기준광용 광 도입구멍(712)의 창이다.

제6도에는 신호변환·온도조절회로(8)의 회로구성이 표시되어 있다.

제6도에 있어서, r_d는 더미스티·볼로미터를 저항소자로 간주하여 붙인 기호이다.

저항소자 r_d는, 온도에 대하여 안정된 저항소자 r₁,r₂,r₃및 직류전원 E₀로 브리지회로를 구성하고, 섹터(11)에 의한 측정광 및 기준광의 단속적인 빛을 받도록 되어 있다.

그리고, 브리지회로의 불평형 전압과 설정전압 E_S와의 차를, 고입력저항, 저잡음의 증폭기 A₁로 증폭하고, 또한, 트랜지스터 Q₁로 전력증폭을 해서, 그 전력으로 히이터(76)(저항소자 r_h)를 여기함과 동시에, 콘덴서 C₁을 거쳐서, 교류성분만을 증폭기 A₂에 인도하고, 출력단자 OUT에서 측정신호를 얻도록 되어 있다.

상기와 같은 구성인 적외선 가스분석장치의 동작에 대하여 이하 설명한다.

신호변환·온도조절회로(8)에의 입력이 되는 광검출기(7)의 출력신호에는, 2개의 정보가 있다.

그 하나는, 적외선원(1)에서 발생하는 적외선을, 섹터(11)에 의해서 단속적인 빛으로 해서, 측정셀(2) 및 간섭셀 (4) 등을 교호로 투과하여 광검출기(7)에 도입되어, 시료가스의 측정성분에 대응한 양을 표시하는 측정 신호로서, 다른 하나는 히이터(76)로 금속블록(71)을 가열해서 된 더미스타·블로미터(73)의 온도에 대응한 신호이다.

전자는, 교류적 변화(주기가 짧다)를 하고, 후자는, 직류적 변화(히이터의 시정수가 크므로 응답이 늦다)를 하고 있다.

따라서, 저항소자 rd, r₁,r₂,r₃ 및 전원 E₀로 된 브리지회로의 출력신호는, 직류성분이 중첩한 형을 취한다.

그리고, 그 중첩신호와 설정전압 E_S와의 차를 증폭기 A₁및 트랜지스터 Q₁로 증폭하여, 히이터(76)의 여기신호로 하고, 더미스타·볼로미터(73)가 설정전압 E_S에 대응하는 온도에 일치하도록 조절된다.

이 제어계에 있어서, 교류성분은, 히이터(76) 등의 시정수가 크다는 이유도 있어 영향은 없다.

한편, 중첩신호의 교류성분은, 콘덴서 C₁을 거쳐서 증폭기 A₂로 다시 증폭되어, 측정신호로서 출력된다.

이 측정신호의 크기는 그 투과광로의 물성에 따라서 정해지고, 본 발명의 기본적인 구성에 관한 것이므로 다시 상세히 설명한다.

제1도의 구성을 한 장치에, 제8도에 표시한 바와 같은 흡수특성(제8도에 있어서는, 스텍텔선군을 생략하였음)을 가진 측정성분과 간접성분을 함유한 가스를 대상으로 한 경우에 대하여 이하 설명한다.

여기서는, 필터(74)로서 파장 대역이 제8a도인 특성의 것을 선택하고, 필터(75)로서 파장 대역이 제8b도인 특성의 것을 선택한 장치에 대하여 설명한다.

먼저, 섹터(11)가 제1도와 같이 간섭셀(4)측에 있는 경우에 대하여 설명한다.

이 경우, 적외선원(1)에서 나온 적외선은, 오목반사경(9)→ 온도보상셀(3)→측정빌(2)→오목반사경(10)→필터(74)→더미스타ㆍ블로미터(73)의 경로로 통한다.

따라서, 이 때의 더미스타·볼로미터(73)에의 도달광량 Lm은,

Lm = Lom-(Lxm+Lim+Ltm) (1)

단,

Lom : A 대역에 있어서 흡수파장 대역을 갖지 않는 가스가 측정셀(2) 및 온도보상셀(3)의 내부에 들어가 있다고 가정하였을 경우에, 이들 셀(2), (3) 및 필터(74)를 투과하여 더미스타·볼로미터(73)에 도달하는 광량.

Lxm : 측정셀(2)의 내부에 실제로 존재하는 측정성분에 의해서 감소시킨 광량 Lom의 감소량.

Lim : 측정셀(2)의 내부에 실제로 존재하는 간접성분에 의해서 감소된 광량 Lom의 감소량.

Ltm : 온도보상셀(3)의 내부에 실제로 봉입된 가스에 의해서 감소된 광량 Lom의 감소량.

으로 표시된다.

섹터(11)가 제1도의 위치에서 180도 회전하면, 적외선원(1)에서 나온 적외선은, 오목 반사경(9)→조리개(6)→간섭셀(4)→간섭 보상셀(5)→오목 반사경(10)→필터(75)→더미스타·볼로미터(73)의 경로를 통한다.

따라서, 이 때의 더미스타·볼로미터(73)에의 도달광량 Lr은,

Lr = Lor-(Lxr+Lir+Ltr) (2)

단, Lor : B대역에 있어서 흡수파장 대역을 갖지 않는 가스가 간섭셀(4) 및 간섭보상셀(5)의 내부에 들어가 있다고 가정하였을 경우에, 이들 셀(4), (5) 및 필터 (75)를 통과해서 더미스타·볼로미터(73)에 도달하는 광량.

Lxr : 간섭보상셀(5)의 내부에 실제로 존재하는 측정성분에 의해서 감소된 광량 Lor의 감소량.

Lir : 간섭보상셀(5)의 내부에 실제로 존재하는 간섭성분에 의해서 감소된 광량 Lor의 감소량.

Lty : 간섭셀(4)의 내부에 실제로 봉입된 가스에 의해서 감소된 광량 Lor의 감소량.

으로 표시된다.

상기 (1), (2) 식에서, 더미스타·볼로미터(73)에의 도달광량의 차ΔL를 구하면,

△L = Lm-Lr

= Lo-Lx-Li-Lt (3)

단,

Lo = Lom-Lor

Lx = Lxm-Lxr

Lr = Lim-Lir

Lt = Ltm-Ltr

가 된다.

Lx는 시료가스 속의 측정 성분 농도를 표시한 양이고, ΔL는 광검출기(7)의 출력진폭(교류성분)에 대응하는 양이다.

즉, 신호변환·온도조절회로(8)의 콘덴서 C₁을 거쳐서 증폭기 A₂로 증폭되어서 출력되는 신호이다.

다음에 본 발명장치의 교정에 대하여 설명한다.

먼저, 간섭셀(4)의 부가에 수반하는 온도오차를 피하기 위해서 설치한 온도보상셀(3)에 대해서는, Ltr가 온도에 따라서 변동하므로, 이 Ltr의 변동량에 Ltm의 변동량이 같게 되도록, 온도보상셀(3)의 길이나 봉입가스농도를 조정한다.

간섭셀(4) 및 온도보상셀(3)의 내부의 가스는 불변이므로, 이 조정에 의해서, Lt는 온도변동에 불구하고 일정치 Ca를 취하게 된다.

다음에 시료가스 속의 간섭성분의 출력으로의 영향을 제거하기 위한 교정의 순서를 설명한다.

먼저 시료가스로서의 질소 등의 적외선 흡수가 없는 가스를 흘려, 이 때의 광검출기(7)로의 입사광량의 진폭이 0 혹은 일정치 Cb가 되도록 조리개(6)를 조정한다. (이 조정은 큰 것이 아니므로, Lt가 온도에 따라서 변동하는 것과 같은 문제는 생기지 않는다)

이 조정에 의해, Lo-Lt=0 혹은, Lo-Lt=Cb가 실현하게 되는 것이다.

다음에 시료가스로서 간섭성분을 함유하고 측정성분을 함유하지 않는 가스를 흘려, 이 때의 광검출기(7)로의 입사광량의 진폭도 0 혹은 일정치 Cb가 되도록, 간섭보상셀(5)의 길이ℓ을 조정한다.

이 조정에 의해, Li=0이 실현하게 되는 것이다.

이와 같이 하여 교정된 후는, ΔL은 다음 식으로 표시하게 된다.

△L = Lx 혹은 Cb+Lx (4)

따라서, 시료가스속에 간섭성분이 함유되고 그 농도가 변동하여도, 측정성분 농도에 비례된 Lx를 광검출기(7)의 출력진폭으로부터 정확하게 알 수가 있다.

또, 온도보상셀(3)을 설치하여 간섭셀(4)의 온도변화의 영향을 제거하였으므로, 항온조내에 간섭셀(3) 등을 넣는 구성을 취할 필요가 없다.

또한, 집광부분의 광검출기(7)에 필터(74), (75)를 부착하므로서 필터(74), (75)의 소형화를 도모함과 동시에, 광검출기(7)와 필터(74), (75)의 온도조절을 동시에 더우기 용이하게 행할 수 있게 한 상기 실시예에 있어서는, 항온조가 전혀 불필요하게 된다는 특징이 있다.

또한, 상기의 설명에 있어서는, 셀 등의 배열순서를 한 개 종류에 대해서만 표시하였으나, 다른 배열순서로 하여도 마찬가지 효과가 얻어지는 것은 물론이다.

또, 측정광축 필터의 파장대역 A를 전부 포함하는 것과 같은 파장대역 B의 필터를 기준광측에 배치한 것을 표시하였으나, 주요부분에서 중합하는 것과 같은 것이며 효과는 마찬가지이다.

조리개 등을 측정셀측에 설치하는 것도 파장대역 A, B의 크기 등의 선택에 따라서는 가능하게 된다.

또한, 상기 실시예에 있어서, 광센서로서, 더미스타·볼로미터를 사용하고, 이것을 가열하여 사용하는 구성을 취했으나, 다른 소자, 예를 들면, 광전도셀(TIS, PbS, CdS 등)을 사용하였을 경우에는, 그것을 냉각하는 구성을 취하도록 하면 된다.

냉각수단으로서, 펠티에 효과 소자에 의한 저온안정화 장치가 있다.

이상, 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 간섭성분의 영향을 자동적으로 제거할 수 있는 적외선 가스분석 장치를 간단한 구성으로 실현할 수 있다.

Claims (1)

1. 시료가스가 충만된 측정셀과, 측정성분의 흡수파장 대역내의 일정파장 대역의 적외선을 주로 투과하는 제1필터와, 이 제1필터의 투과파장 대역 내에 흡수파장 대역의 일부를 가짐과 동시에 측정성분과 스펙트럼에 있어서 다르게 한 가스가 봉입된 온도보상셀과, 일정농도의 측정성분을 함유한 가스가 봉입된 간섭셀과, 시료가스가 충만된 간섭보상셀과 상기 제1필터의 투과파장 대역의 주요부를 포함하도록 한 파장 대역의 적외선을 투과하는 제2필터와, 적외선을 발생하기 위한 적외선원과, 수광량에 감응하는 광센서를 구비하고, 상기 적외선원에서 나온 빛의 일부가 상기 측정셀, 온도보상셀 및 상기 제1필터를 통과 후에 상기 과센서에 도달하도록 측정광용 광학계를 형성함과 동시에, 상기 적외선원에서 나온 빛의 다른 일부가 상기 간섭셀, 간섭보상셀 및 상기 제2필터를 통과 후에 상기 광센서에 도달하도록 기준광용 광학계를 형성하고 상기 간섭셀은, 일단이 적외선 투과창을 이루고, 타단에 간섭셀을 기밀구조로 내삽해서, 이 간섭셀을 삽입방향에 이동하게 하여, 상기 간섭보상셀의 길이를 바꾸도록 하고, 상기 광센서 및 간섭필터를 금속블록으로 가공하여 이 금속블록에 원추형의 제1 및 제2광 도입구멍이 교차하도록 형성하고, 이 교차부에 광센서를 배설하여, 상기 제1필터를 제1광 도입구멍에, 또 상기 제2필터를 제2광 도입구멍에, 각각 광 도입구멍을 막도록 해서 금속블록에 부착함과 동시에, 이 금속블록을 일정 온도로 유지하는 온도조절 수단을 갖춘 광 검출기와, 상기 제1광 도입구멍에 측정광을, 제2광 도입구멍에 기준광을 교호로 도입해서 얻는 광센서의 신호의 교류성분을 측정신호로 함과 동시에, 교류성분과 직류성분의 증첩신호를 온도조절 수단의 입력으로 하는 것을 특징으로 한 적외선 가스 분석장치.

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