JP2710115B2 - 光学式ガス濃度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、大気等に含まれる特定ガスの濃度を、ガス
の屈折率に基づいて測定する光学式ガス濃度測定装置、
より詳しくは基準ガスと被測定ガスの屈折率の差により
生じる干渉縞を基準位置に調整する校正技術に関する。

（従来技術） 光学式ガス濃度測定装置は、基準ガスが流入する第１
のセルと、被測定ガスが流入する第２のセルを併設し、
これらのセルに同一光源からの光を通過させることによ
りガスの密度の差に起因して干渉縞を生じさせ、特定の
干渉縞の移動量を光電検出器により出力レベル変化とし
て検出するように構成されている。

（発明が解決しようとする課題） このような装置にあっては、基準濃度のガスに対する
特定干渉縞の発生位置が測定精度に大きく影響を与える
ため、通常光源と検出器を結ぶ光路に光路差調整溶の光
学部材、例えば光学楔を挿入して、検査治具を用いて干
渉縞が基準位置となるように螺子等の調整部材により光
学楔を移動させることが行なわれている。

しかしながら、人手にたよるために校正結果に個人差
を生じて信頼性の低下を招くばかりでなく、校正周期が
長くなり測定結果の信頼性を低下させるという問題があ
った。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであっ
て、人手を介することなく自動的に校正を行なうことが
できる新規な光学式ガス濃度測定装置を提供することに
ある。

（課題を解決するための手段） このような問題を解消するために本発明においては、
被測定ガスが流入する第１の光学セルと、屈折率が既知
のガスが流入する第２の光学セルに同一光源からの光束
を入射させ、前記二種類のガスの屈折率の差を干渉縞の
移動量として光電検出手段により電気信号に変換するガ
ス濃度測定装置において、前記光学セルの光路に挿入さ
れた光路に挿入された光路差補正手段と、該光路差補正
手段を駆動する駆動機構と、前記光路差補正手段が初期
位置に到達したことを検出する手段と、前記光路差補正
手段が初期位置から一方向への移動に伴って変化する光
電検出器からの信号の２つの極値から適正な測定レンジ
を決定するスパン演算手段、該スパン演算手段からのデ
ータによりスパンを設定するスパン設定手段、校正時に
前記光学セルに導入されるガスに対応して前記スパン演
算手段から出力されるべき測定値を設定する基準値設定
手段、前記光路差補正部材が他方向に移動したとき、前
記基準値設定手段とスパン設定手段からの出力を比較し
て一致した時点で前記光路差補正部材の移動を停止させ
る比較手段と、校正開始時に前記２つの光学セルに同一
のガスを注入する手段を備えるようにした。

（作用） 測定レンジの上限、及び下限を検出器出力の２つの極
値に基づいて割出し、この決定されたレンジでもって指
定された基準値に光路差補正部材をセットさせることに
より、発光素子や検出器の経年変化、及び光学部材の汚
染などに起因する出力レベルの変動を補正するととも
に、特別な校正治具や人手を要することなく、光学系の
汚染や劣化による出力レベルの経時的な変動を自動的に
補正することができる。

（実施例） そこで、以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づ
いて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すものであって、図中
符号１、２は、それぞれ被測定ガス、及び基準ガスがそ
れぞれ流入する光学セルで、光軸が平行となるように配
置され、プリズム等の平行光束発生部材３を介して光源
４からの光が入射している。

出射側には、後述する光路差補正部材５を介して収束
部材６が対向配置され、ここで生じる干渉縞の位置を光
電検出器７のレベル変化として検出するように構成され
ている。

５は、前述した光路差補正部材で、第２図に示したよ
うにレバー20により回動する軸21に光路間隔１を隔てて
断面矩形のガラス片22、23を一定の角度θを開け、少な
くとも一方を軸周りに相対的に移動可能とするように螺
子24により固定して、伝動機構を介してパルスモータ８
により軸21を回動させるように構成されている。９は、
位置検出用スイッチで、光路差補正部材５が測定レンジ
外に設定された初期位置まで待避したとき、位置検出板
10により作動する位置に配置されている。

15は外部スイッチ16やキーボード18からの指令を受け
る校正装置で、これの実施例を第３図に基づいて以下に
詳説する。

符号30は、パルス発生回路で、校正指令回路41から校
正指令信号が入力した時点で光路差補正部材５を初期位
置Ｓ（第５図）の方向に、また位置検出用スイッチ９
からの信号が入力した時点で第１の方向に、さらに第
２の極値を越えた時点で反転させ、さらに比較回路39か
らの信号が入力した時点でパルス出力を停止して光路差
補正部材５の移動を停止させるように構成されている。

32は、第１極値検出回路で、光路差補正部材５が初期
位置から折返して検出器７の出力が最初の極値、この実
施例では極小値を示したときに信号を出力して、パルス
発生回路30からのパルスを出力してパルスモータ８を作
動させ、同時にこのときの検出器７の出力、つまり極小
値を第１極値記憶回路33に格納させるものである。34
は、第２極値検出回路で、光路差補正部材５の移動によ
り第２の極値、この実施例では極大値が出力したとき、
これを検出して信号を出力して、パルス発生回路30の作
動を停止させるとともに、このときの検出器７の出力、
つまり極大値を第２極値記憶回路34に格納させるもので
ある。37は、スパン演算回路で、第１、第２極値記憶回
路33、34からのデータを読み出し極値間での出力が比較
的高い直線性を有する領域、例えば極大値の8.5％と91.
5％のレベルを算出して一方をスパンの下限値、他方を
上限値として上限値及び下限値間のレベル差をガス濃度
に対応するように演算し、この演算結果をスパン設定回
路38にガス濃度として設定するものである。

39は、比較回路で、スパン設定回路38からの出力が後
述する基準値設定回路40からの値に一致したとき、もし
くはスパン演算回路37で算出された上下限値の内基準値
設定回路40で指定された方に一致したときパルス発生回
路30の作動を停止させて光路差補正部材５の移動を停止
させるものである。

40は、前述の基準値設定回路で、基準ガスの濃度や、
ガス発熱量の測定に有っては基準ガスの発熱量を絶対
値、もしくは相対値で入力するとともに、基準ガスを使
用しない場合にはスパン演算回路37で算出された上下限
値の一方を指定するように構成されている。なお、図中
符号41は、校正指令ボタンもしくは内蔵タイマーにより
校正信号を出力する校正指令回路を示す。

次に、このように構成した装置の動作を第４図に示し
たフローチャートに基づいて説明する。

一方のセル２を基準ガス源14に、また他方のセル１に
第１の電磁弁12を介して被測定ガス取入れ口19と、第２
の電磁弁13を介して基準ガス源14に接続する。

このような接続を終えた段階で、第１の電磁弁12を開
放し、また第２の電磁弁13を閉止して測定動作に入る
と、被測定ガス取入れ口19から流入したガスは、基準ガ
スとの濃度差、つまり屈折率の差に比例して干渉縞移動
を起こさせ、光電検出器７により電気信号に変換されて
測定回路により基準ガスとの濃度差として測定される。

一方、校正が必要となった段階で、外部スイッチ16の
操作、もしくは校正指令回路41のタイマー信号により校
正指令信号が出力すると、第１の電磁弁12が閉止し、ま
た第２の電磁弁13が開放されて測定セル１に基準ガス源
14から基準ガスが流入する。同時にパルス発生回路30
は、パルス信号を出力してパルスモータ８を作動させて
光路差補正部材５を一方の方向、この実施例では出力レ
ベルが減少する方向（第５図イ 経 路）に移動さ
せ、極小点を通過させてさらに同方向に移動させる。こ
のようにして初期位置Ｓに到達すると、位置検出用スイ
ッチ９から初期位置到達信号が出力する。パルス発生回
路30は、この信号を受けてパルスモータ８を逆転させ、
光路差補正部材５を今通過した極小値の方向に移動させ
る。検出器７から第１の極値、この実施例では極小値が
出力すると、第１極小値検出回路32は信号を出力して、
検出器７の出力レベル、つまり極小値を第１の極小値記
憶回路33に格納させる。

さらに光路差補正部材５が移動を続けて、検出器７か
ら第２の極値、この実施例では極大値が出力すると、第
２極値検出回路34がこれを検出してこの極大値を第２の
極値記憶回路36に格納させる。

パルス発生回路30は、光路差補正部材５が第２の極値
を所定ステップ通過した段階で停止する。スパン演算回
路37は、第１、及び第２極値記憶回路33、36に格納され
ているデータ、つまりガス濃度に対応するように演算さ
れた光電検出器７からの信号の極小値L1、極大値L2、及
び光路差補正部材移動量ｎを読み出し、極大値と極小値
との差の8.5％の値、及び91.5％の値を求め、これら値
に極小値をプラスした値を演算し、これら２つ値をそれ
ぞれ下限値L1′、及び上限値L2′とするとともに、この
上下限値間での１ステップ当りの値を演算し、これらの
値に基づいてスパン設定回路38によりスパンの調整を行
なわせる。これにより、光学部材の劣化や汚染などに起
因する検出器出力の変動に関わりなく、スパンが設定さ
れることになる。

スパン調整が終了した段階で、パルス発生回路30は、
逆位相のパルスを出力してパルスモータ８を逆転させ、
光路差補正部材５を極大値を通過させて初期位置Ｓに向
けて移動させる。

比較回路39は、この光路差調整部材５の移動の過程で
スパン設定回路38からの出力と基準値設定回路からの信
号を比較し、両者が一致した時点で信号を出力してパル
ス発生回路30の動作を停止させる。

これにより、光学補正部材５は、発光素子４、検出器
７さらにはセル１、２などの劣化や汚染に起因する出力
変化を補正した状態のもとで、基準値設定回路40により
指定された値にセットされたことになる。

第６図（イ）及至（ハ）は、本発明を適用した装置の
セル周りの一実施例を示すものであって、図中符号は5
0、51は、それぞれ測定セル52と基準セル53の光軸方向
に配設された入射用プリズムと、出射用プリズムで、測
定セル52及び基準セル53を軸方向に配設され、光源54か
ら光電検出器に至る測定光路を形成している。この光路
中、この実施例では、セルの出射光側と出射用プリズム
51との間には、第２図に示した杆20により回動可能な軸
21を光軸に直角に設け、これの下部にセル52、53に対向
するようにガラス板22、23を取り付けてなる光路調整部
材５が配設されている。

60は、作動杆で、パルスモータ61と輪列62を介して接
続されて、パルスモータ61の回転に比例して軸方向に移
動するように基板63に取り付けられ、先端には杆20がバ
ネ64により常時当接しており、また後端には初期位置検
出用の検出板68を長溝を介して螺子69、69により位置調
節可能に取り付け、これに対向させて位置検出用スイッ
チ70を配置して構成されている。

ところで、この実施例においてはガスの濃度を光学的
に測定する場合に例を取って説明したが、ガスの屈折率
が発熱量と相関することを積極的に利用した光学式ガス
発熱量測定装置、つまり、第７図に示したようにガス取
入れ口を燃料ガス供給管路Ｇに、また基準ガス取入れ口
に発熱量が既知のガスを封入したボンベ70を接続し、基
準ガスと被測定燃料ガスの屈折率の差を検出し、これを
発熱量換算回路71により最終的に熱量に換算して表示す
る光学式ガス発熱量測定装置に適用しても同様の作用を
奏することは明らかである。

なお、この実施例においては極値の発生点を初期位置
とし、ここからのパルスモータの駆動ステップ数により
測定レンジの上下限を割出しているが、初期位置設定部
材、この実施例ではスイッチから信号が出力された位置
を初期位置にとり、ここからのステップ数でもって上下
限を割出すようにしても同様の作用を奏することは明ら
かである。

また、この実施例においては、検出器７の出力レベル
を検出して所定の位置に光路差補正部材を移動させるよ
うにしているが、基準位置からのパルスモータへの駆動
パルス数を計数したり、位置検出手段を用い、光路差補
正部材を設定すべき検出器レベルの値を示す計数値、も
しくは位置検出手段のデータに対応させるよう、つまり
計数値や位置データを仲介にしても同様の作用を奏する
ことは明らかである。

さらに、本発明においては極小側に初期位置を設定し
ているが、初期位置を極大側に設けて、極大側から極小
側に向けて移動させて測定レンジ限界のレベル測定を、
また極小値側から極大側に移動させながら初期位置への
セットを行なうようにしても同様の作用を奏することは
明らかである。

さらに、この実施例においては、２つの光学セルに基
準ガスを注入して構成するようにしているが、被測定ガ
スや空気を用いても同様の作用を奏することは明らかで
ある。

（効果） 以上説明したように本発明においては、測定ガスが流
入する第１の光学セルと、屈折率が既知のガスが流入す
る第２の光学セルに同一光源からの光束を入射させ、二
種類のガスの屈折率の差を干渉縞の移動量として光電検
出手段により電気信号に変換するガス濃度測定装置にお
いて、光学セルの光路に挿入された光路に挿入された光
路差補正手段と、光路補正手段を駆動する駆動機構と、
光路差補正手段が初期位置に到達したことを検出する手
段と、光路補正手段が初期位置から一方向への移動に伴
って変化する光電検出器からの信号の２つの極値から適
正な測定レンジを決定するスパン演算手段、スパン演算
手段からのデータによりスパンを設定するスパン設定手
段、校正時に光学セルに導入されるガスに対応してスパ
ン演算手段から出力されるべき測定値を設定する基準値
設定手段、光路差補正部材が他方向に移動したとき、基
準値設定手段とスパン設定手段からの出力を比較して一
致した時点で光路差補正部材の移動を停止させる比較手
段と、校正開始時に２つの光学セルに同一のガスを注入
する手段を備えたので、測定レンジの上限、及び下限を
検出器出力の２つの極値に基づいて割出し、この決定さ
れたレンジでもって指定された基準値に光路差補正部材
をセットさせることにより、発光素子や検出器の経年変
化、及び光学部材の汚染などに起因する出力レベルの変
動を補正するとともに、特別な校正治具や人手を要する
ことなく、光学系の汚染や劣化による出力レベルの経時
的な変動を自動的に補正することができ、タイマー等に
より時刻を設定しておくことにより装置の休止時を見計
って定期的に校正することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す装置の構成図、第２図
（イ）（ロ）は、それぞれ同上装置における光路差補正
部材の一実施例を示す側面図と正面図、第３図は同上装
置における校正回路の一実施例を示すブロック図、第
４、５図はそれぞれ同上装置の動作を示すフローチャー
トと説明図、第６図（イ）及至（ハ）はそれぞれ本発明
の他の実施例を示す装置の上面図、正面図、及び光路差
補正機構の近傍の裏面図、第７図は本発明の他の実施例
を示すブロック図である。 １、２……セル、３……光束分割部材 ４……光源、５……収束部材 ６……光路差補正部材、７……光電検出器 ８……カム、９……位置検出用スイッチ、10……位置検
出板 12、13……ガス切換用止弁 14……基準ガス源

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定ガスが流入する第１の光学セルと、
   屈折率が既知のガスが流入する第２の光学セルに同一光
   源からの光束を入射させ、前記二種類のガスの屈折率の
   差を干渉縞の移動量として光電検出手段により電気信号
   に変換するガス濃度測定装置において、前記光学セルの
   光路に挿入された光路に挿入された光路差補正手段と、
   該光路差補正手段を駆動する駆動機構と、前記光路差補
   正手段が初期位置に到達したことを検出する手段と、前
   記光路差補正手段が初期位置から一方向への移動に伴っ
   て変化する光電検出器からの信号の２つの極値から適正
   な測定レンジを決定するスパン演算手段、該スパン演算
   手段からのデータによりスパンを設定するスパン設定手
   段、校正時に前記光学セルに導入されるガスに対応して
   前記スパン演算手段から出力されるべき測定値を設定す
   る基準値設定手段、前記光路差補正部材が他方向に移動
   したとき、前記基準値設定手段とスパン設定手段からの
   出力を比較して一致した時点で前記光路差補正部材の移
   動を停止させる比較手段と、校正開始時に前記２つの光
   学セルに同一のガスを注入する手段を備えてなる光学式
   ガス濃度測定装置。