赤外線ガス分析装置

赤外線ガス分析装置は、放出された赤外線光源が特定の空気サンプルを通過する際の吸収を測定することで、微量ガスを測定します。地球の大気中に存在する微量ガスは、赤外線範囲の特定の波長で励起されます。この技術の背後にある概念は、空気によって光がどの程度吸収されるかをテストすることと理解できます。空気中のさまざまな分子は、さまざまな周波数の光を吸収します。特定のガスを多く含む空気は、特定の周波数をより多く吸収するため、センサーは対応する分子の高濃度を報告できます。

赤外線ガス分析装置には通常 2 つのチャンバーがあり、1 つは参照チャンバー、もう 1 つは測定チャンバーです。赤外線はチャンバーの一方の端にある何らかの光源から放射され、特定の量のさまざまな対象ガスを含む一連のチャンバーを通過します。

1975 年の設計 (上の写真) は、非分散型赤外線センサーです。これは、サンプル ガスの複数の成分を一度に検出できる、初めて改良された分析装置です。以前の分析装置は、特定のガスが赤外線の吸収帯も低いという事実によって制限されていました。

1975 年の発明には、測定するガスの数と同じ数の検出器があります。各検出器には 2 つのチャンバーがあり、どちらも光学的に調整された赤外線源と検出器を備え、どちらも分析する空気サンプル内のガスの 1 つで満たされています。光路には透明な端を持つ 2 つのセルがあります。1 つには基準ガスが含まれ、もう 1 つには分析するガスが含まれます。赤外線源とセルの間には、エネルギー ビームを遮断するモジュレーターがあります。

各検出器からの出力は、各検出器の主信号と反対の信号を測定している他の検出器からの出力と組み合わされます。他の検出器からの信号の量は、干渉に対応する合計信号の割合を相殺する量です。この干渉は、測定対象のガスの主バンドと同じ主低吸収バンドを持つガスから発生します。

たとえば、分析装置が一酸化炭素と二酸化炭素を測定する場合、チャンバーにはこれらのガスが一定量入っている必要があります。赤外線が放出され、サンプルガス、問題のガスの既知の混合物を含む参照ガス、そして問題のガスの純粋な形態を含む「検出器」チャンバーを通過します。「検出器」チャンバーが赤外線の一部を吸収すると、加熱されて膨張します。これにより密閉容器内の圧力が上昇し、圧力トランスデューサーまたは同様のデバイスで検出できます。次に、サンプルガスからの検出器チャンバーからの出力電圧の組み合わせを、参照チャンバーからの出力電圧と比較できます。

以前の赤外線ガス分析装置と同様に、現代の分析装置も非分散型赤外線技術を使用して、そのガスの特性である赤外線波長の吸収を検出することで、特定のガスを検出します。赤外線エネルギーは加熱されたフィラメントから放射されます。エネルギーを光学的にフィルタリングすることで、放射スペクトルは測定対象のガスの吸収帯に限定されます。検出器は、赤外線エネルギーが測定対象のガスを通過した後のエネルギーを測定します。これは、吸収がない基準条件でのエネルギーと比較されます。

多くの分析装置は、長期間の無人ガス監視を目的とした壁掛け式装置です。現在では、さまざまなガスを測定し、より幅広い地質科学用途に適した持ち運びに便利な分析装置があります。高速応答の高精度分析装置は、高速応答の音波風速計と併用して、渦相関法を使用してガス排出量や生態系フラックスを測定するために広く使用されています。

一部の分析装置では、基準条件と既知のスパン濃度で分析装置を校正することで、測定の信頼性が向上します。空気が測定に干渉する場合は、エネルギー源を収容するチャンバーに、測定対象のガスが検出可能な濃度ではないガスを充填します。測定対象のガスに応じて、新鮮な空気、化学的に除去された空気、または窒素を使用できます。

• 非分散型赤外線センサー
• 渦共分散

• 米国特許 5,055,688
• 米国特許 3,898,462
• Auble, DL; Meyers , TP (1992)。「H ₂ O および CO ₂用のオープンパス、高速応答赤外線吸収ガス分析装置」。境界層気象学 59(3):243–256。doi :10.1007/BF00119815