專(zhuān)利名稱(chēng)：紅外線吸收式氣體分析計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外線吸收式氣體分析計(jì)，其利用紅外活性的被測(cè)定成分氣體的伴隨著紅外線光譜吸收的氣壓變動(dòng)測(cè)量特定種類(lèi)氣體的濃度。
現(xiàn)有技術(shù)氣體成分的定量分析所使用的流量傳感器將電阻的溫度系數(shù)大的感溫電阻金屬箔前后配置在氣流中，橋接這些感溫電阻金屬箔，根據(jù)這些金屬箔的電阻變化進(jìn)行氣流中的氣體成分的定量分析。以往的非分散紅外分析計(jì)所使用的流量傳感器是在傳感器芯片的表里兩表面且在氣流中配置電阻的溫度系數(shù)大的梳型電阻體，通過(guò)利用橋接電路檢測(cè)從氣流授受熱所產(chǎn)生的表里兩面的梳型電阻體的電阻值的偏離，來(lái)檢測(cè)該氣流，進(jìn)行氣流中的氣體成分的定量分析。如專(zhuān)利文獻(xiàn)1所示，梳型電阻體中使用的是鎳(Ni)等電阻的溫度系數(shù)大的金屬。并且，流量傳感器被設(shè)置在鋁等金屬制造的室內(nèi)，室內(nèi)分為前室和后室，但無(wú)論哪個(gè)室的室內(nèi)都填充有被測(cè)定成分氣體。例如，進(jìn)行二氧化硫(SO2)的檢測(cè)時(shí)，填充SO2，但這時(shí)，與100%填充SA相比，以氬氣(Ar)等惰性氣體稀釋的方法更能夠提高檢測(cè)靈敏度，因此，填充氣體是Sh和Ar等的混合氣體?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)2003-097988號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問(wèn)題將紅外線吸收式氣體分析計(jì)用于的檢測(cè)目的時(shí)，SO2被封入在檢測(cè)器的室內(nèi)， 但這種情況下，使用基于溫度的電阻變化大的Ni作為流量傳感器的元件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生如下這樣的問(wèn)題，即S02*Ni反應(yīng)，Ni腐蝕，流量傳感器元件在數(shù)年后發(fā)生斷線。這時(shí)，考慮對(duì)Ni 進(jìn)行鍍金加工，用金屬覆蓋Ni的表面以提高耐腐蝕性，但這會(huì)提高成本。因此，本發(fā)明的目的在于，對(duì)于在流量傳感器中使用M元件的紅外線吸收式氣體分析計(jì)，通過(guò)不增加成本的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)來(lái)防止流量傳感器的M元件的腐蝕，以延長(zhǎng)流量傳感器的耐用期間。解決問(wèn)題的手段為了解決上述課題，本發(fā)明的特征在于，其具有發(fā)出紅外光的光源、導(dǎo)入樣本氣體的測(cè)定氣室、檢測(cè)通過(guò)了測(cè)定氣室的紅外光的強(qiáng)度的檢測(cè)部，檢測(cè)部具有流量傳感器，并封入有SO2，在流量傳感器的梳型電阻體的材料為M的紅外線吸收式氣體分析計(jì)中，使梳子電阻體的溫度為Ni和SA反應(yīng)不生成硫化鎳(NiS2)的溫度。 流量傳感器的梳型電阻體的Ni被封入檢測(cè)部的SA硫化而生成NK2時(shí)，會(huì)產(chǎn)生梳型電阻體的斷線，但Ni被SA硫化生成NK2是特定溫度以上的情形。即，在該特定溫度以下時(shí)，表面的Ni作為硫酸鎳(NiSO4)而存在，因此反應(yīng)不會(huì)發(fā)展到深部，達(dá)到特定溫度以上而生成NK2時(shí)，反應(yīng)會(huì)發(fā)展到深部，因此如果將梳型電阻體的溫度保持在特定溫度以下，則可以防止NK2的硫化腐蝕。又，可以設(shè)定施加于梳型電阻體的電壓，使得梳型電阻體的溫度變?yōu)椴簧蒒K2 的溫度。施加于梳型電阻體的電壓增高時(shí)，梳型電阻體的溫度上升，因此通過(guò)將施加于梳型電阻體的電壓設(shè)為不生成NK2的低電壓，可以防止NK2的硫化腐蝕。進(jìn)一步地，作為使梳型電阻體的溫度為不生成NK2的溫度的結(jié)構(gòu)，連接梳型電阻體、電壓源、以及固定電阻而形成橋接電路，可以選擇電壓源的電壓值以及固定電阻的電阻值，以使得梳型電阻體的溫度為不生成附&的溫度。施加于梳型電阻體的電壓增高時(shí)，梳型電阻體的溫度上升，因此應(yīng)該設(shè)定施加于梳型電阻體的電壓使得梳型電阻體的溫度為不生成NK2的溫度，但電壓的設(shè)定有下列方法。紅外線吸收式氣體分析計(jì)的信號(hào)處理部組合了兩個(gè)梳型電阻體和兩個(gè)固定電阻形成橋接電路，但如果使供給該橋接電路的電壓源的電壓變化，則施加于梳型電阻體的電壓也隨之變化，因此可以將電壓源的電壓值設(shè)定為特定值。 或者，電壓源的電壓值就這樣不變，通過(guò)使固定電阻的電阻值變化，使得施加于固定電阻的電壓值發(fā)生變化，從而施加于梳型電阻的電壓值也變化，因此可以將固定電阻的電阻值設(shè)定為特定值。并且，通過(guò)用熱力學(xué)計(jì)算程序計(jì)算含有Ni、SO2, Ar的系的合計(jì)的吉布斯能量為最小的條件，求出Ni被SO2硫化生成NK2大概是在100度以上時(shí)，因此，梳型電阻體可以設(shè)定為不生成NK2的大約100度以下的溫度。發(fā)明的效果采用本發(fā)明，不從M變更流量傳感器元件的材料，通過(guò)將該元件的溫度設(shè)為大約 100度以下，可以防止流量傳感器元件的腐蝕導(dǎo)致的斷裂，可以延長(zhǎng)流量傳感器的耐用期間。又，為了調(diào)節(jié)流量傳感器元件的溫度，調(diào)節(jié)施加于流量傳感器元件的電壓時(shí)，可以簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)溫度，這時(shí)如果調(diào)節(jié)橋接電路的電源電壓值或者固定電阻，則可以用至今為止采用的部件來(lái)進(jìn)行流量傳感器元件的溫度調(diào)節(jié)。


圖1是適用本發(fā)明的紅外線吸收式氣體分析計(jì)的概略構(gòu)成圖。圖2是適用本發(fā)明的紅外線吸收式氣體分析計(jì)的檢測(cè)部的概略構(gòu)成圖。圖3是適用本發(fā)明的流量傳感器的正面概要圖。圖4是適用本發(fā)明的流量傳感器的側(cè)面概要圖。圖5是適用本發(fā)明的流量傳感器的橋接電路的概要圖。圖6是腐蝕部的組成測(cè)定結(jié)果。符號(hào)說(shuō)明1光源部2氣室部3檢測(cè)部4加熱器5斷續(xù)器6轉(zhuǎn)動(dòng)圓板
7電動(dòng)機(jī)
8 !f
9窗板
10氣體的導(dǎo)入導(dǎo)出孔
11前部塊
12后部塊
13窗板
14窗板
15前室
16后室
17連通路
18、19通道
20傳感器
21、27、28氣體流通孔
22隔離件
23、24電阻金屬箔
25、26熱絕緣板
29、30梳型電阻體
31、32、33、34 金屬絲
37、38橫洞
40電壓源
41,42固定電阻。
具體實(shí)施例方式搭載有流量傳感器作為檢測(cè)器的單光束式紅外線吸收式氣體分析計(jì)的結(jié)構(gòu)在圖1 中示出。如圖所示，這種紅外線吸收式氣體分析計(jì)一般包括以下三個(gè)單元，即用于產(chǎn)生紅外光的光源部1、導(dǎo)入被測(cè)定氣體(樣本氣體)的氣室部2、以及通過(guò)測(cè)量通過(guò)了氣室部2的紅外光的強(qiáng)度來(lái)最終測(cè)量樣本濃度的檢測(cè)部3。光源部1承擔(dān)紅外光的產(chǎn)生，具有作為用于使紅外光產(chǎn)生的產(chǎn)生源的加熱器4、用于使紅外光斷續(xù)從而使紅外光入射到氣室部2以及探測(cè)部3中的斷續(xù)器5。斷續(xù)器5例如具有形成有2枚葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)圓板6和對(duì)該轉(zhuǎn)動(dòng)圓板6進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)7，所述轉(zhuǎn)動(dòng)圓板6形成有切除了一部分的缺口部，以容許來(lái)自光源4的光通過(guò)，通過(guò)利用電動(dòng)機(jī)7使轉(zhuǎn)動(dòng)圓板6轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)圓板6的非缺口部(遮光部)位于光源4之前時(shí)， 對(duì)來(lái)自光源4的紅外光進(jìn)行遮光，在缺口部位于光源4之前時(shí)，來(lái)自光源4的紅外光通過(guò)， 照射到氣室部2中。氣室部2是被導(dǎo)入樣本氣體的部位，利用紅外線能在較廣的光譜區(qū)域透過(guò)的紅外線透過(guò)性玻璃或氟化鈣(CaF2)等的窗板9在管8的前后密封，在管8側(cè)面等具有氣體的導(dǎo)出導(dǎo)入孔10，該氣體的導(dǎo)出導(dǎo)入孔10使氣體從一端向另一端流動(dòng)，又，為了高效地反射紅外光，氣室部2的內(nèi)表面被實(shí)施了鏡面加工或金等的涂覆。
如圖2所示，檢測(cè)部3通常由鋁等金屬制造的成為前室的前部塊11和成為后室的后部塊12構(gòu)成。為了方面說(shuō)明，稱(chēng)為前部塊11和后部塊12，但兩個(gè)塊在之后會(huì)結(jié)合一體化?；诩t外線吸收式氣體分析計(jì)的原理，采用前部塊11和后部塊12是為了形成使透過(guò)被導(dǎo)入被測(cè)定成分氣體(樣本氣體)的氣室部的、要測(cè)定的紅外光入射的前室和使被封閉在內(nèi)的受感氣體升壓的后室，并且還為了在連通前后室的連通路內(nèi)配置檢測(cè)前后室的壓力差的流量傳感器等的傳感器。前后部塊11、12形成有相同直徑的貫通孔，前部塊11的貫通孔的兩端和后部塊12 的與前部塊11接合的接合面的相反側(cè)的貫通孔的一端被透過(guò)紅外光的窗板13密封，對(duì)前部塊11的貫通孔密封的、與后部塊12面對(duì)面的窗板14為隔板，分成前室15和后室16兩個(gè)室。又，在前部塊11和后部塊12形成有通道18、19，通道18、19在已將兩塊接合一體化時(shí)相連接，從而形成連通路17，形成于前部塊11的通道18從前室15與通道19連接，在與前室15連接的細(xì)孔部設(shè)有可以配置傳感器20的空間。進(jìn)一步地，在這兩個(gè)室15、16中填充(內(nèi)封)有成為紅外線氣體分析計(jì)的被測(cè)定對(duì)象的氣體，例如，僅僅是二氧化碳(CO2)等的化學(xué)種類(lèi)的氣體、或者是用Ar、氦氣(He)等惰性氣體稀釋該化學(xué)種類(lèi)氣體所得到的氣體。又，作為配置于連通路17中的傳感器20，只要是能夠檢測(cè)前后室的壓力差，任何種類(lèi)的傳感器都可以，但是在傳感器為通過(guò)前后室的壓力差檢測(cè)連通路17內(nèi)的內(nèi)封氣體的流動(dòng)的流量傳感器時(shí)，一般使用小型且高精度的采用薄膜技術(shù)制作的薄膜型紅外線式流量傳感器。紅外線氣體分析計(jì)所使用的流量傳感器如圖3以及圖4所示那樣構(gòu)成。流量傳感器將電阻的溫度系數(shù)大的感溫電阻金屬箔前后配置在氣流中，橋接這些感溫電阻金屬箔， 根據(jù)這些金屬箔的電阻變化進(jìn)行氣流中的氣體成分的定量分析。流量傳感器的結(jié)構(gòu)是在中央保持氣體流通孔21的隔離件22的表里兩表面配置電阻金屬箔23、24，用熱絕緣板25 J6夾著這些電阻金屬箔23、24，從而對(duì)它們進(jìn)行固定。在熱絕緣板25、26也設(shè)有同樣的氣體流通孔27、28。在電阻金屬箔23J4上形成有串聯(lián)連接的梳型電阻體四、30，該梳型電阻體四、30的部分在氣體流通孔21、27、觀露出。在電阻金屬箔23、24的兩端的襯墊上連接有金屬絲31、32、33、34，為了將它們引導(dǎo)至外部，在熱絕緣板25、26上設(shè)置有橫洞35、36、37、38。作為電阻金屬箔23、24，使用的是Ni等電阻的溫度系數(shù)大的金屬。熱絕緣板25、 26以及隔離件22使用的是玻璃或陶瓷等?；谶@樣的結(jié)構(gòu)，從光源部1發(fā)出的紅外光通過(guò)氣室部2入射到檢測(cè)部3中。此時(shí)，氣室內(nèi)部存在有被測(cè)定成分氣體時(shí)，根據(jù)氣室內(nèi)的氣體濃度，入射的紅外光的一部分被氣室內(nèi)的氣體吸收，殘留的紅外光入射到檢測(cè)部3中。從檢測(cè)部3的前室15的正面入射的紅外光在前室15以及后室16被吸收，但大部分是在前室15被吸收的。被吸收的光能量被轉(zhuǎn)換為分子的平移運(yùn)動(dòng)，在前后室15、16之間產(chǎn)生壓力差，由此在連通兩室的連通路17內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)封氣體的流動(dòng)。該氣流的流速取決于入射至檢測(cè)部3的入射光強(qiáng)度，因此通過(guò)測(cè)量配置在前后室15、16的連通路17內(nèi)的薄膜紅外線式流量傳感器20的紅外線電阻元件的電阻值的變化，可以測(cè)量入射至檢測(cè)部3前后的紅外光強(qiáng)度，即氣室中的被測(cè)定成分氣體濃度。
在這里，在進(jìn)行S02的檢測(cè)時(shí)，在前室15、后室16填充有S02，但在此時(shí)使用Ni作為流量傳感器的電阻金屬箔23、24的材料時(shí)，Ni被硫化而腐蝕，生成NK2，硫化的程度進(jìn)一步發(fā)展，則可能會(huì)產(chǎn)生電阻金屬箔23J4斷線的問(wèn)題。因此，通過(guò)電子束微量分析裝置 (EPMA)測(cè)定在通電中斷線了的元件的腐蝕部分的每Imol的成分構(gòu)成，如圖6所示，正常部側(cè)面的硫黃( 和氧(0)的比大約是1 4，因此推定NiSO4附著在Ni的表面，由于腐蝕部分的S的比例比正常部側(cè)面的比例高，因此推定腐蝕部分是Ni&。因此，Ni被S02硫化而生成NK2時(shí)，Ni被腐蝕到深部而造成斷線，但即使Ni與Sh反應(yīng)，如果作為NiS04僅停留在表面的話，就不會(huì)產(chǎn)生斷線的問(wèn)題。因此，為了調(diào)查生成的條件，對(duì)含有Ni、S02、Ar的系的合計(jì)的吉布斯能量為最小的條件進(jìn)行計(jì)算后可知，在100°C以下，生成NiSO4，在100°C以上生成Ni&。因此，通過(guò)將梳型電阻體四、30的溫度設(shè)定在100°C以下，可以防止NK2的生成。對(duì)采用圖5所示的連接有梳型電阻體四、30的橋接電路，并將梳型電阻體四、30 的溫度設(shè)定在100°c以下的構(gòu)成進(jìn)行說(shuō)明。為了將梳型電阻體四、30的溫度調(diào)節(jié)到100°C以下，需要抑制梳型電阻體四、30的散熱量。在這里，關(guān)于散熱量K (J)，如果設(shè)電力為P (W)、時(shí)間為t (秒)，則K = P · t，關(guān)于電力P (W)，如果設(shè)電流為I (A)、電壓為E (V)、電阻為R( Ω ) 的話，則P = I ·Ε = E2/R，因此為了調(diào)節(jié)梳型電阻體四、30的散熱量，需要調(diào)節(jié)施加于梳型電阻體四、30的電壓。因此，需要調(diào)節(jié)電壓源40的施加電壓、或者將橋接電路的固定電阻 41、42的電阻值調(diào)節(jié)為特定值。如果降低電壓源40的電壓值，則梳型電阻體四、30、固定電阻41、42各自的電阻的施加電壓變小，因此梳子形電阻體的散熱量減少。又，即使不調(diào)節(jié)電壓源40的電壓值，如果增大固定電阻41、42的值，則固定電阻的電壓下降變大，因此梳子形電阻體的電壓下降減少，從而使得梳子形電阻體的散熱量減少。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓源40 或者固定電阻41、42的值，可以減少梳型電阻體四、30的散熱量，將梳型電阻體四、30的溫度調(diào)節(jié)到100°C以下。又，關(guān)于電阻R，在設(shè)長(zhǎng)度為1 (m)、截面積為A(m2)、體積電阻率為P (Ω · m)時(shí)，R =P ·1/Α，已知金屬的電阻因?yàn)闇囟榷仙?，特定溫度下的體積電阻率也是已知的(例如， 已知Ni在100°C下的體積電阻率是10. 3)。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)梳型電阻體四、30的長(zhǎng)度或截面積來(lái)調(diào)節(jié)電阻，也可以調(diào)節(jié)梳型電阻體四、30的散熱量。這樣，通過(guò)減少梳型電阻體四、30的電壓可以將梳型電阻體四、30的溫度降低到 100°C以下，但降低電壓的話，流量傳感器的靈敏度下降，因此在考慮了流量傳感器的靈敏度的情況下，將電壓降低到需要以上在性能上并不理想。因此，調(diào)節(jié)到該溫度滿(mǎn)足100°c以下的最大的電壓值，是在不生成NK2的條件下流量傳感器的靈敏度變?yōu)樽畲蟮臈l件。如上所述那樣，通過(guò)將梳型電阻體四、30的溫度設(shè)定在100度以下，可以防止Ni 的腐蝕導(dǎo)致梳型電阻體四、30的斷裂，可以延長(zhǎng)流量傳感器的耐用期間。
權(quán)利要求
1.一種紅外線吸收式氣體分析計(jì)，其具有發(fā)出紅外光的光源、導(dǎo)入樣本氣體的測(cè)定氣室、檢測(cè)通過(guò)了測(cè)定氣室的紅外光的強(qiáng)度的檢測(cè)部，所述檢測(cè)部具有流量傳感器，并封入有二氧化硫，所述流量傳感器的梳型電阻體的材料為鎳，該紅外線吸收式氣體分析計(jì)的特征在于，使梳型電阻體的溫度為所述鎳和所述二氧化硫反應(yīng)而不生成硫化鎳的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外線吸收式氣體分析計(jì)，其特征在于，設(shè)定施加于所述梳型電阻體的電壓，以使得所述梳型電阻體的溫度為不生成所述硫化鎳的溫度。
3.如權(quán)利要求2所述的紅外線吸收式氣體分析計(jì)，其特征在于，連接所述梳型電阻體、 電壓源、以及固定電阻而形成橋接電路，選擇電壓源的電壓值以及所述固定電阻的電阻值， 以使得所述梳型電阻體的溫度為不生成所述硫化鎳的溫度。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的紅外線吸收式氣體分析計(jì)，其特征在于，不生成所述硫化鎳的溫度為攝氏100度以下。
全文摘要
將紅外線吸收式氣體分析計(jì)使用于SO2的檢測(cè)目的時(shí)，檢測(cè)器的室內(nèi)的SO2和流量傳感器的元件的Ni反應(yīng)，產(chǎn)生流量傳感器元件斷線的問(wèn)題。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種防止流量傳感器的Ni元件的腐蝕，延長(zhǎng)流量傳感器的耐用期間的紅外線吸收式氣體分析計(jì)。推定出在Ni元件的正常部側(cè)面僅表面附著有NiSO4，在腐蝕部NiS2生成到其深部。因此，Ni被SO2硫化而生成NiS2時(shí)，Ni被腐蝕到深部而造成斷線，但即使Ni與SO2反應(yīng)，如果作為NiSO4僅停留在表面而不發(fā)展到深部的話，就不會(huì)產(chǎn)生斷線的問(wèn)題。又，可知Ni在100℃以下作為NiSO4存在，在100℃以上則生成NiS2。因此，通過(guò)將流量傳感器的電阻金屬箔23、24的溫度設(shè)定在100℃以下，可以防止NiS2的生成。
文檔編號(hào)G01N21/35GK102401787SQ201110093410
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者田邊亮, 肥山道行 申請(qǐng)人:株式會(huì)社島津制作所