專利名稱：吸光式分析儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測定各種流體中的特定成分的濃度的吸光式分析儀，特別對于測定試樣中同時存在的多種成分的、高精度且小型的流體濃度測定裝置是有用的吸光式分析儀。
背景技術：
近年來，在各種制造過程中，對控制對象物質及各種干擾物質的濃度的控制已成為不可缺少的一環，人們需求能夠對應各種用途的高精度的測定儀器。在現有技術中，人們大多使用具有通用性，能以同一結構測定多種成分，并且能夠同時測定多種成分的非分散紅外線分析儀(以下稱作“NDIR”)或非分散紫外線分析儀(以下稱作“NDUV”)等吸光式分析儀。這樣的吸光式分析儀，由于基本上不與試樣接觸，所以也可以作為各種過程的在線監測器使用。
具體地說，作為多種成分、穩定的吸光度分析儀，如在圖8(A)及(B)中所例示，通過將在光源1和檢測器3的中問設置的光學元件7a、還有7b相對于光路以規定的傾斜度配置，并將光線分束、導入多個檢測器3a、3b及3c，從而能夠檢測試樣容器部2中吸光度的變化，這樣的方法已得到實用化(可參照例如專利文獻1)。
也就是說，一旦注入由光源用電源(未圖示)發出的電力，來自光源部1的紅外線就通過試樣容器部2射入檢測器3a、3b、3c。在光源部1與檢測器3a、3b、3c之間，設有有選擇地使對應于通常測定對象成分的波長域的紅外線透過的濾光器7a及7b，檢測僅由被導入到試樣容器部2中的試樣流體中的測定成分所引起的紅外線吸收的變化。這里，用流體切換部4按一定周期切換、調制試樣流體S和基準(比較)流體R，單單將在試樣容器部內的紅外線吸收量的變化部分作為交流信號取出的檢測器輸出，由前置放大器等(未圖示)放大后，被輸入到信號處理部(未圖示)，經過整流等信號處理后，再經過濃度計算而由顯示部(未圖示)將濃度顯示出來。
另外，已知有取代上述流體調制方式，將由電動機驅動的斬波器設置在該光學系統中間，使上述紅外線成為斷續光并將其導入檢測器的機械式光斷續方式以及取代斬波器，在光源用電源與光源之間設置光源電壓調制裝置，使外加在光源上的電力開通、切斷以進行調制的方式等光調制方式NDIR。而且，具有這樣結構的測定方法，不僅是上述的NDIR，對于NDUV也有大致相同的方案并已實用化(參照例如專利文獻2)。
專利文獻1日本專利第2903457號公報專利文獻2日本特開平8-43302號公報但是，通常在多種成分共存的試樣中，各成分的濃度往往有很大差異，已有技術所述的吸光式分析儀會產生如下的問題。
其一是，通常，在光吸收量(即測定成分的濃度)和檢測器輸出之間存在測定誤差，該測定誤差是因表示與式1那樣的被稱為蘭伯特-比爾(Lambert-Beer)定律的吸光特性接近的關系而產生的。其中，I0、I分別表示各個試樣容器部的入射光量、透射光量，ε、c、d分別表示吸光系數、對象物質的濃度、試樣容器(cell)的光路長度。
I0/I＝A×log(εcd) …式1也就是說，利用一個試樣容器的光學系統，由于光的吸收量根據成分而有很大的差異，所以在測定低濃度成分的情況下，一方面可以利用線性良好的輸出領域，另一方面，在測定高濃度成分的情況下，輸出的線性變差，在兩者中會產生讀取誤差的不同和溫度特性的不同等。所以通常大多使用具有不同試樣容器(日文セル)長度的多個光學系統，因而導致分析儀的大型化。
另外，在如圖8(A)所示的結構例中，在增加測定成分的情況下，雖有如圖8(B)那樣的構成，但是需要添加光學元件7b，因為光學系統的大型化和部件的添加引起的光學損耗帶來了檢測靈敏度降低的問題。
另外，在上述那樣的光學系統中為了減少試樣流量，雖然有時將試樣容器的開口口徑減小，但在這種情況下有時也會產生同樣的問題。具體地說，如圖9所示，可以舉出插入了集光部件5或添加的試樣容器2b的光學系統，但是存在由于部件的添加引起的光學損耗所帶來的檢測靈敏度降低的問題。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種能夠解決上述問題，對多個測定對象具有良好的通用性和高測定精度的吸光式分析儀。
本發明者們為了解決上述問題，經過反復銳意研究后發現，通過以下所示的吸光式分析儀能夠達到上述目的，從而完成了本發明。
本發明為吸光式分析儀，作為構成要素包括光源部、試樣容器部及多個檢測器，其特征在于，在該光源部和檢測器的中間設置集光部件，在該光學部件的內壁面具有從上述光源部導出光的一部分的部位、即光導出口，從該光導出口導出的光入射到其他的檢測器。本發明者發現，在從光源部至檢測器的光路上，在變更光路開口直徑時，通過設置集光部件并從光學部件的內壁面取出光的一部分，謀求部件共用，同時通過限制能夠從導出口取出的光的入射角，就能取出光量非常穩定的光，因此可提供一種對多個測定對象具有通用性高且高測定精度的吸光式分析儀。另外，因為集光部件在光路上不設置光學元件，故后級光學系統的構成就非常靈活，這一點非常優異。另外，試樣容器部及光學元件不限定于單數，也包含后面所述的構成2個以上的情況。
在上述吸光式分析儀中，最好是集光部件處于光源部與試樣容器部的中間。上述技術效果在由光導出口導出的光量衰減少的條件下進行則更加有效，最好在有多種角度成分的光存在且光量多的光路、即接近于光源部、在由試樣容器等構成的形成光路的壁面所產生的反射光未衰減的部位設置集光部件。
另外，最好將用于其他的檢測器的光學元件設置在光導出口，同時接近由集光部件形成的光路進行配置。通過這樣的配置，不但能減輕由設置在光學系統的部分光路上的光導出口引起的光學損耗，同時還能夠有效地利用光學元件的反射光的波長特性。
圖1是表示本發明的吸光式分析儀的第1結構例的說明圖。
圖2是表示本發明的集光部件的結構例的詳細說明圖。
圖3是表示本發明的吸光式分析儀的第2結構例的說明圖。
圖4是表示本發明的吸光式分析儀的第3結構例的說明圖。
圖5是表示本發明的吸光式分析儀的第4結構例的說明圖。
圖6是表示本發明的吸光式分析儀的第5結構例的說明圖。
圖7是例示本發明的集光部件的其他的結構例的詳細說明圖。
圖8是表示已有技術的吸光式分析儀一結構例的說明圖。
圖9是表示已有技術的吸光式分析儀的另一結構例的說明圖。
具體實施例方式
以下對本發明的實施形態進行說明。
圖1表示本發明的吸光式分析儀的基本光學系統的第1結構例。在圖1中，形成具有由下述部分構成的光學系統，所述部分即由接受來自光源用電源(未圖示)的電力的光源部1、集光部件5、試樣容器部2a、光學元件7a以及檢測器3a構成的光路；以及從集光部件5的內壁面的一部分通過光導出路6、由試樣容器部2b、光學元件7b以及檢測器3b構成的光路。在這里，流體按順序從試樣容器部2a被導入試樣容器部2b，但通過用流體切換部4將試樣流體S和基準流體R按一定周期進行切換，能夠單單將各試樣容器部2a、試樣容器部2b內的紅外線吸收量的變化部分利用各檢測器3a、3b取為交流信號(流體調制)。各檢測器的輸出如上所述，在經過前置放大器等(未圖示)放大后，被輸入到信號處理部(未圖示)進行整流等信號處理后，進行濃度計算后將濃度顯示于示部(未圖示)。
本發明的特征在于，在從光源部1至檢測器3a、3b的光路上改變光路開口直徑時，通過從集光部件5的內壁面取出一部分光，謀求與光分路用的光學元件共用，同時限制能夠從導出口取出的光的入射角。也就是說，不是像上述圖9那樣設置2個部件，而是利用1個集光部件5就能確保必要的功能。另外，由于集光部件在光路上不設置光學元件就能對光路進行分路，所以能夠在后級以非常大的靈活性構成光學系統。還有，雖然為了形成有傾斜角的光學元件部而需要口徑大的光學元件，但采用本發明時，具有對于兩種成分也能由小直徑的光學元件構成的優點。
又如圖2(A)所例示，入射到光導出路6的光，雖然是從角度α范圍的方向入射，但由于幾乎沒有尤其從試樣容器部2a方向入射的光(逆向返回光)，不受包括從試樣容器部2a方向來的光量變化的影響，所以能夠取出光量非常穩定的光。即使是如圖2(B)那樣的通常考慮的光路與光導出路6為垂直相交的情況下，入射到光導出路6的光從角度β即約180°的方向入射，有時會受到包括逆向返回光的光量變化的影響。本發明有排除這樣影響的效果，對檢測器3b進行的測定的穩定性起很大的作用。
光導出路如圖2(A)所示，也可以形成包含6a(實線)及6b(虛線)的多個光路。另外，所謂光路是指從光源部投入到各檢測器的所有的導光路。
這里，集光部件5只要是具有上述的功能，即內壁面相對于光路有小于180°的角度、有不同的開口直徑的結構，內壁面不必一定是直的，雖然對形狀沒有特別的要求，但形成錐狀的光路比較理想。關于材料和加工方法，雖然沒有特別的限制，但通常從加工容易的角度考慮，大多使用金屬制或樹脂制等構件，通過對內壁表面進行研磨加工或表面電鍍處理、或向內壁插入套管，來提高光的反射率。
另外，雖然對寬開口部的直徑d1、窄開口部的直徑d2、光導出路6的直徑d3以及光路長度L等沒有特別限定，但需根據光源部1的光密度及試樣容器部2的內徑設定。
圖2(A)的實測例具體情況示于表1。其中例示了在有d1為φ16mm、d2為φ7.5mm、d3為φ2mm的集光部件5中使光路長度L改變的情況下的檢測器3b的輸出(相對于CO24.92％的輸出)。
表1
如表1所示，檢測器3b的輸出幾乎無變化。當角度α在所規定值以上時，可推斷能夠得到非常穩定的輸出。
在上面所述中，檢測器3b由于能夠直接接受來自光源部1的光，因此最好是使用于需要以最高靈敏度檢測的成分的測定。例如在用于燃燒廢氣測定裝置的NDIR中，通過設置一氧化氮(NO)檢測器作為檢測器3a、設置二氧化碳檢測器作為檢測器3b，可以高靈敏度地測定數十～數百pmm的低濃度且紅外線吸光度小的一氧化氮，同時也能夠高精度地測定百分之幾～百分之十幾的高濃度且紅外線吸光度大的CO2，能夠在最佳條件下同時對兩者進行測定。
另外，關于調制方法及在光源部1和檢測器3的中間設置的試樣容器2和光學元件7或集光部件5等要素的排列等光學系統的結構，當然不限定于圖1所示。
作為試樣容器2a及2b，多采用在有試料導入口及排除口的不銹鋼或鋁等金屬制或樹脂制的圓筒管兩側固定光學結晶的結構。
作為檢測器3a及3b，在NDIR中，可例舉出內藏有電容式話筒和流量傳感器的氣體檢測器(pneumatic)、使用熱(pyro)元件或熱電元件等的固體檢測器，前者具有優異的檢測靈敏度和選擇性，后者是便于批量生產、具有小型化和通用性等優點的檢測器，可根據用途分開使用。在NDUV中，可例舉出光電子放大管、光電管和光電二極管之類的固體檢測器等，前者具有優異的檢測靈敏度和選擇性，后者是便于批量生產、具有小型化和通用性等優點的檢測器。
這里，光學元件7a及7b，是包括在基板形成多層膜的濾光器和透過特定波長帶的基材的廣義概念上的光學元件。作為前者，例如可以舉出有透射特定波長帶的帶通濾波器(BPF)、只使比特定波長長的波長帶通過的長通濾波器(long pass filter，簡稱“LPF”)和只使比特定波長短的波長帶通過的短通濾波器(short pass filter，簡稱“SPF”)。而作為后者，作為能透過紫外線～紅外線的基材，有能夠使至多約3.5μm透過的石英(SiO2)、使至多約4μm透過的藍寶石(AL2O3)、使至多約6μm透過的氟化鋰(LiF)、使至多約8μm透過的氟化鈣(CaF2)、使至多約12μm透過的氟化鋇(BaF2)及使至多約13μm透過的氯化鈉(NaCl)等。作為光束分離器(beam splitter)，可以使用利用了上述基材本身表面反射的結構或者在基材的表面形成有反射膜的結構等。
圖3例示有多個集光部件5a及5b的情況作為本發明的第2結構例。其特征在于，在上述第1結構例中，試樣容器2a和檢測器3a之間設置能夠再增加一個成分的集光部件5b。即如上所述，集光部件5a在光路上不設置光學元件，而利用使光路能夠形成分支的方法，在進行3種成分以上的測定中，通過在后級增加集光部件5b，使大部分由集光部件5a的大口徑側入射的光照射到設置在小口徑側的檢測器3a，而使該光的一部分照射到檢測器3c。通常，在光路上設置光學元件限定波長往往符合提高選擇性的目的，相反，由于其透射光或反射光的使用受到限制，有時會缺乏通用性，在這樣的情況下，作成不設置光學元件而將光路分支以確保通用性的結構是有效的。當然能夠實現本發明的技術效果，即對兩檢測器可使用小直徑的光學元件，同時還能夠提高檢測器3c的測定穩定性。
例如，在用于燃燒廢氣測定裝置的NDIR中，作為檢測器3a設置一氧化氮檢測器，作為檢測器3b設置CO2檢測器，作為檢測器3c設置二氧化硫(SO2)檢測器，能夠高靈敏度地測定數十～數百ppm的低濃度且紅外線吸光度小的一氧化氮，同時還能以高精度測定白分之幾～百分之十幾的高濃度且紅外線吸光度大的CO2及數十～數百ppm的低濃度且紅外線吸光度大的SO2，能夠對這三個成分在最合適的條件下進行分析。
上面例示了在上述吸光式分析儀中設置了2個集光部件5a、5b的例子，但是從集光部件的功能來說，如在圖3中所示的集光部件5a那樣，集光部件5a最好設置在光源部1和試樣容器部2a的中間。由光導出路6a所導出的光如圖3的箭頭(虛線)所示，大多是在光導出路6a與光源部1之間產生的反射光，該反射光的光量，有多種角度成分的光存在且光量多的光路、即距離光源部越近則越大，也越有效。由于經過試樣容器等各光學部件，由形成光路的壁面反射的反射光發生衰減，因此在這樣的光量衰減少的條件下進行可以說更理想。另外，這樣的技術效果，由于能夠將光導出路6a的光路直徑縮小，能夠使設置光導出路6a造成的光學損耗減少而處于優勢。
圖4是本發明的第3結構例，表示在同一光學系統具有集光部件與光學元件部的組合的情況。取代第2結構例中的集光部件，使用光學元件部8，確保由集光部件5產生的、不在光路上設置光學元件而使光路分支的優勢，同時通過很好地組合光學元件部8，在檢測靈敏度方面和選擇性方面取得優勢。也就是說，即使是經由集光部件5，光量的衰減也少，借助于光學元件部8，利用所有的反射光，同時還能夠有效地利用特定的光學元件(特別是濾光器)的反射光的波長特性。
例如，在用于燃燒廢氣測定裝置的NDIR中，通過設置一氧化氮檢測器作為檢測器3a，設置CO2檢測器作為檢測器3b，設置一氧化碳(CO)檢測器作為檢測器3c，從而能夠高靈敏度地測定數十～數百ppm的低濃度且紅外線吸光度小的一氧化氮，同時還能夠高精度地測定百分之幾～百分之十幾的高濃度且紅外線吸光度大的CO2及數百～數千ppm的較高濃度且紅外線吸光度小的CO，能夠對這些三種成分以最合適的條件下進行分析。也就是說，可以利用集光部件5確保一氧化氮和CO2的測定精度，利用光學元件部8即一氧化氮的BPF的特性確保CO的測定精度。
圖5是本發明的第4結構例，例示在同一光學系統具有一個集光部件5和兩個光學元件部8a及8b的組合的情況。是匯集了上述各結構例的一個光學系統，通過巧妙地將由集光部件5得到的優勢和光學元件部8a及8b的優勢加以組合，在檢測靈敏度及選擇性方面取得優勢。
例如，在用于燃燒廢氣測定裝置的NDIR中，通過設置一氧化氮檢測器作為檢測器3a，設置CO2檢測器作為檢測器3b，設置一氧化碳(CO)檢測器作為檢測器3c，設置SO2檢測器作為檢測器3d，從而能夠高靈敏度地測定數十～數百ppm的低濃度且紅外線吸光度小的一氧化氮，同時還能夠高精度地測定百分之幾～百分之十幾的高濃度且紅外線吸光度大的CO2、數百～數千ppm的較高濃度且紅外線吸光度小的CO、以及數十～數百ppm的低濃度且紅外線吸光度大的SO2，能夠對這4種成分以最合適的條件下進行分析。也就是說，能夠利用集光部件5確保一氧化氮和CO2的測定精度，利用光學元件部8a及8b確保CO及SO2的測定精度。
另外，作為本發明的第5結構例，圖6例示在同一光學系統有兩個集光部件5a及5b和1個光學元件部8的組合的情況。是匯集了上述各結構例的另一光學系統的例子，通過巧妙地將利用集光部件5a及5b得到的優勢和光學元件部8的優勢加以組合，在檢測靈敏度及選擇性方面取得優勢。特別是如圖6所示需要改變開口直徑的試樣容器部有多個(2a及2c)時具有優勢。
例如，在用于燃燒廢氣測定裝置的NDIR中，通過設置一氧化氮檢測器作為檢測器3a，設置CO2檢測器作為檢測器3b，設置一氧化碳(CO)檢測器作為檢測器3c，設置SO2檢測器作為檢測器3d，從而能夠高靈敏度地測定數十～數百ppm的低濃度且紅外線吸光度小的一氧化氮，同時還能夠高精度地測定百分之幾～百分之十幾的高濃度且紅外線吸光度大的CO2、數百～數千ppm的較高濃度且紅外線吸光度小的CO、以及數十～數百ppm的低濃度且紅外線吸光度大的SO2，能夠對這4種成分以最合適的條件下進行分析。也就是說，在光學元件部8使用作為光學元件的5μm的LPF的情況下，通過利用有5μm以下的波長帶的反射光測定CO(通常利用中心波長4.7μm的光)及CO2(通常利用中心波長4.3μm的光)，利用有5μm以上的波長帶的透射光測定一氧化氮(通常利用中心波長5.3μm的光)及SO2(通常利用中心波長7.3μm的光)，來提高選擇性，同時通過設定與各成分相稱的試樣容器直徑及試樣容器長，可確保測定精度。
在上述結構例中，用于檢測光導出路導出的光的光學元件，配設在設置于集光部件的光導出口上，同時配置在由集光部件形成的光路附近比較合適。具體如圖7所示，通過在集光部件5的內壁面配置光學元件7，在減輕光學損耗的同時，能夠有效利用光學元件的反射光的波長特性。
也就是說，對于前者，成為歷來光學損耗、即對于檢測器3a的檢測靈敏度減小的主要原因的、如圖7所示光Aa那樣的光，由接近光路而配置的光學元件7b反射并被照射到檢測器3a，得到對于檢測器3a增大光量的效果。如此增大的效果，因光導出路6的開口直徑和集光部件5的光路直徑等種種條件的不同而不同，在與光源部1接近設置集光部件5的情況下，影響特別大，作為實際檢測值，與設置有直徑與光路直徑相同的導入路的情況相比，能夠得到靈敏度提高數個百分點的效果。
另外，對于后者，作為在光導出口配設的光學元件7b，例如，在使用如上所述的用于測定CO2的濾光器的情況下，只將除去中心波長為4.3μm的光以外的光作為反射光而導入到試樣容器部2a，具有上述效果的同時，有利于提高檢測器3a等的選擇性。這樣的效果，雖然隨著光導出路6的開口直徑和集光部件5的光路直徑等種種條件而不同，但在與光源部1接近設置集光部件5的情況下，能夠得到很大的效果。
在圖7中，雖然例示了在集光部件5的光路上設置光學窗的結構，但并不限定本圖，在本發明中，可根據需要而在光學系統的各部件上設置光學窗。
如上所述的本發明的技術，可適用于各種NDIR或NDUV等吸光式分析儀，可廣泛用于含有多種檢測成分的試樣，能夠提供通用性好、測定精度高的光式分析儀。
如上所述，通過設置集光部件，取出來自光學部件的內壁面的光線一部分，從而可以取出光量非常穩定的光。因此能夠提供對多個測定對象通用性高、測定精度度高的多成分吸光式分析儀。
特別是，通過在光源部和試樣容器部的中間設置集光部件，能夠在減小由光導出口導出的光量衰減的條件下進行分析，能夠更有效地發揮上述的技術效果。
另外，通過在光導出口設置其他光學元件，在減輕光學損耗的同時，可以有效地發揮光學元件的反射光的波長特性。
符號說明1.光源2.試樣容器部3.檢測器4.流體切換部5.集光部件6.光導出路7.光學元件(濾光器)8.光學元件部9.光學窗
權利要求
1.一種吸光式分析儀，其構成要素包括光源部、試樣容器部及多個檢測器，其特征在于，在所述光源部和1個檢測器的中間設置集光部件，在該集光部件的內壁面具有從所述光源部導出一部分光的導出部位、即光導出口，從該光導出口導出的光入射到其他檢測器。
2.如權利要求1所述的吸光式分析儀，其特征在于，集光部件位于光源部與試樣容器部中間。
3.如權利要求1或2所述的吸光式分析儀，其特征在于，將用于其他檢測器的光學元件設置于光導出口，且靠近由集光部件形成的光路進行配置。
全文摘要
本發明的多種成分的吸光式分析儀，具有通用性好、高測定精度。其構成要素包括光源部、試樣容器部及多個檢測器，特征在于，在上述光源部和1個檢測器的中間設置集光部件，在上述光學部件的內壁面具有從上述光源部導出一部分光的導出部位、即光導出口，從該光導出口導出的光入射到其他檢測器。這里，最好是集光部件位于光源部和試樣容器部的中間。而且最好將用于其他檢測器的光學元件設置于光導出口，并靠近由集光部件形成的光路進行配置。
文檔編號G01N21/37GK1605854SQ200410079790
公開日2005年4月13日 申請日期2004年9月13日 優先權日2003年10月10日
發明者生田卓司, 秋山重之, 遠藤正彥, 巖田憲和, 井之上哲志, 藤原雅彥 申請人:株式會社堀場制作所