红外线气体分析仪及红外线气体分析方法技术

一种红外线气体分析仪以及红外线气体分析方法，其在使用具有极佳热响应性的红外线光源时能够施行高精确性量测，且能够以高速进行开／关控制。该红外线气体分析仪具有一样品单元，包含：第一红外线光源，以第一红外线来照射该样品气体；第二红外线光源，具有与该第一红外线光源相同的响应特性；检测器，检测发射自第一红外线光源且已通过该样品单元的第一红外线与发射自第二红外线光源的第二红外线间的差值；光源驱动控制器，同步地分别驱动该第一及该第二红外线光源；及量测控制器，在接收来自该检测器的输出讯号时，提供第一及第二红外线光源的个别驱动量指令给光源驱动控制器，藉此产生对应于该样品气体的该量测对象成分的该浓度的量测输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种红外线气体分析仪及利用该红外线气体分析仪的红外线气体分析方法，该红外线气体分析仪用以藉由量测对象气体的红外光射线吸收特性来检测样品气体的量测对象成分的浓度。本专利技术特别是涉及一种在利用具有极佳热响应性的光源的情况中能够以简单结构执行高精确性量测、且能够以与红外线光源相同的高速执行ON/OFF操作的红外线气体分析仪以及利用该红外线气体分析仪的红外线气体分析方法。
技术介绍
图7为显示已知红外线气体分析仪的范例的方块图。如该图中所示由红外线光源1发射出的红外光射线被分配单元2分成两红外光成分，藉此分别进入参考单元3及样品单元4；未包含量测对象成分的气体(如惰性气体等)密封于参考单元3内，而样品气体则经分配而进入样品单元4。因此，在经分配单元分配后，红外光射线的两红外光成分仅其中之一(即在样品单元4之侧)被量测对象成分吸收，接着抵达检测器5。检测器5具有两腔室以及一用以检测气体流量的流量传感器53。该两腔室包含一用以自参考单元3接收红外光成分的参考侧腔室51、以及一用以自样品单元4接收另一红外光成分的样品侧腔室52；该流量传感器53设置于互相连接两腔室的气体散布路径中；再者，包含与量测对象成分相同的成分的气体密封于检测器内，且当分别来自参考单元3及样品单元4红外光成分落在检测器上时，受密封气体的量测对象成分即吸收红外光成分，之后，分别于参考侧腔室51与样品侧腔室52内的气体便会历经热膨胀。因为在参考单元3内部的参考气体不包含量测对象成分，故不会发生通过参考单元3的红外光成分被量测对象成分吸收的情形；且若样品单元4内部包含量测对象成分，则部份红外光成分会被吸收，因此导致落在检测器5的样品侧腔室52内的红外光成分的量值减少，因此在参考侧腔室内部的气体比在样品侧腔室内部的气体具有较大的热膨胀。红外光射线受到旋转遮光板6遮断，旋转遮光板6反复地遮断及照射，且当红外光射线经中断时，红外光成分若非落入参考侧腔室51即落入样品侧腔室52，因此气体不会膨胀。因此，压力差便根据样品气体的量测对象成分的浓度而周期性地在参考侧腔室51与样品侧腔室52间产生，藉此使得气体到达并通过设置于两腔室间的气体散布路径。流量传感器53检测气体行为，以期随后讯号处理电路7可在AC电压下将气体行为放大，因而输出对应于量测对象成分的浓度的讯号。参考数字8表示用来驱动旋转遮光板6的同步马达，而参考数字9则表示用以调整分别落在参考单元3与样品单元4的红外光成分间的平衡的修整器。如此，若样品气体的量测对象成分的浓度改变，则落在检测器5(样品侧腔室52)上的红外光成分的量值亦发生改变，因此可通过讯号处理电路7而获得对应于量测对象成分的浓度的输出讯号。如图7所示的红外线气体分析仪，其红外线光源1采用具有可克服各种不同问题(例如在光源处的不良热响应性、光源的波动、漂移等)的结构的陶瓷加热器等。亦即在使用旋转遮光板来开/关红外光射线时，发射自一共同光源的红外光射线于分别落在样品单元及参考单元前被分成两红外光成分，以便消除光源变化的效应。图8为显示具有极佳热响应性的红外线光源的范例的方块图。图8A为平面图，而图8B为沿图8的A-A线切开的截面图。如图所示红外线光源1建构成使微桥形状(micro-bridge-like shape)的灯丝12受支撑于在硅基板10上所形成的凹部11的上方。灯丝12的平面形状藉由形成多晶硅层14、随后再藉由对该多晶硅层14施行线性图案化来构成，其中该多晶硅层14是在形成于硅基板10上的二氧化硅膜13的顶部高度掺杂硼。接着，以分别形成于硅基板10的顶面及底面上的二氧化硅膜13为屏蔽，进行非等向性浓度差蚀刻，来移除在灯丝12下方的一部份硅基板10，藉此形成凹部11；之后，在凹部上方设置微桥结构，以支撑具线性形状的灯丝12。随后，移除部份形成于多晶硅层14上的二氧化硅膜15，以形成电极16a及16b，并经由电极16a及16b而将电流供应至灯丝12，藉此令灯丝产热，以放出对应于产热温度的红外线。此处所述的红外线光源1具有极佳的热响应性及高红外线放射率(emissivity)，而同时可以高速进行开/关操作，因此可利用简单驱动电路来驱动；再者，当利用一半导体制程来来制造该红外线光源1时，可以大量生产为基础而在低成本下制造出具有均匀性质的高性能红外线光源。JP-A No.131230/2002JP-B No.3174069JP-A No.221737/2001
技术实现思路
然而，若以上述的红外线光源作为如图7的已知结构的分析仪，考虑红外线光源的本质，会有过多的非必要成分组件，以致于无法充份地获得该光源的优点。再者，人们从未提出适用于上述红外线光源的分析仪的结构以及利用该析仪的量测方法。因此，本专利技术的目的在于克服如前所述的已知红外线气体分析仪的缺点，并提供一种具有简单结构的红外线气体分析仪以及利用该红外线气体分析仪的红外线气体分析方法，其中该红外线气体分析仪在使用具备极佳热响应性的红外光源时能够进行高精密度的量测，且能够以高速施行开/关操作。为实现上述目的，本专利技术的第一方面是提供具有样品单元的红外线气体分析仪，以藉由利用已通过样品单元的红外线吸收量的变化来检测样品气体的量测对象成分的浓度，其中样品气体散布于样品单元内，且其中该红外线气体分析仪包含一第一红外线光源，用来以红外线照射样品单元；一第二红外线光源，具有与该第一红外线光源相同的响应特性；一检测器，用以检测自第一红外线光源发射出且已通过样品单元的第一红外线与自第二红外线光源发射出的第二红外线间的差值；一光源驱动控制器，用以同步地分别驱动第一及第二红外线光源；以及一量测控制器，用以在接收来自检测器的输出讯号时，将第一及第二红外线光源的个别驱动量的指令提供给光源驱动控制器，藉此产生对应于样品气体的量测对象成分的浓度的量测输出。本专利技术的第二方面为提供检测样品气体的量测对象成分的浓度的红外线气体分析方法，其藉由利用已通过样品单元的红外线吸收量的变化来完成，其中样品气体散布于样品单元内，且其中该红外线气体分析方法包含以下步骤(1)以发射自第一红外线光源的第一红外线来照射样品单元；(2)以发射自第二红外线光源的第二红外线来照射平衡侧腔室，其中该第二红外线光源具有与该第一红外线光源相同的响应特性；(3)在检测自第一红外线光源发射出且已通过样品单元的第一红外线与自第二红外线光源发射出的第二红外线间的差值时，同步地驱动第一及第二红外线光源；以及(4)产生对应于样品气体的量测对象成分的浓度的量测输出。如此，藉由采用一种结构，其中设置有以第一红外线来照射样品单元的第一红外线光源、以及具有与该第一红外线光源相同的响应特性的第二红外线光源；在检测已通过样品单元的第一红外线与第二红外线间的差值时，同步地驱动第一及第二红外线光源，藉此产生对应于样品气体的量测对象成分的浓度的量测输出，即不再需要参考单元及旋转遮光板，因此可实施在利用具有极佳热响应性的红外线光源时能够进行高精确性量测、且能够以高速执行ON/OFF操作的红外线气体分析仪，以及利用该红外线气体分析仪的红外线气体分析方法。另外，若将第二红外线光源的驱动量加以控制，使检测器在量测操作时的输出恒为零，以藉此获得基于驱动量差值的量测输出，将可使得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外线气体分析仪，具有其中散布着样品气体的样品单元，以藉由通过该样品单元的红外线的吸收量上的变化，来检测该样品气体的量测对象成分的浓度，该红外线气体分析仪包含：一第一红外线光源，用来以红外线照射该样品单元；一第二红外线光 源，具有与该第一红外线光源相同的响应特性；一检测器，用以检测发射自该第一红外线光源且已通过该样品单元的第一红外线与发射自该第二红外线光源的第二红外线间的差值；一光源驱动控制器，用以同步地分别驱动该第一及该第二红外线光源；及　 　一量测控制器，用来提供该第一及该第二红外线光源的个别驱动量指令给该光源驱动控制器，并接收来自该检测器的输出讯号，藉以产生对应于该样品气体的该量测对象成分的该浓度的一量测输出。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：南光智昭，山岸秀章，松村茂，
申请(专利权)人：横河电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]