JP2001004444A - スイッチング式ｎｄｉｒシステム - Google Patents

スイッチング式ｎｄｉｒシステム

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JP2001004444A
JP2001004444A JP2000133188A JP2000133188A JP2001004444A JP 2001004444 A JP2001004444 A JP 2001004444A JP 2000133188 A JP2000133188 A JP 2000133188A JP 2000133188 A JP2000133188 A JP 2000133188A JP 2001004444 A JP2001004444 A JP 2001004444A
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エム． ウィリス ピーター
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    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 増幅器の１／ｆ雑音を効果的に除去した低雑
音回路を提供する。 【解決手段】 非分散形赤外線検出システム１０に設け
られた赤外線検出器１２と、赤外線検出器からの直流信
号を第１の所定の周波数を有する成分にチョップする変
調器２１と、変調器の出力に結合され、変調器からの信
号を増幅する増幅器２４と、増幅器の出力に結合される
と共に変調器と同期され、直流レベル出力信号を提供す
る復調器２６と、復調器の出力に結合され、第２の所定
の周波数を超える信号成分を除去するフィルタと、を含
む検出システムであり、入力信号を約１ｋＨｚの周波数
で変調し、次にその信号を復調・ろ波してアナログの直
流出力レベルを提供する。１／ｆ雑音のレベルが問題と
なる周波数よりも高い変調周波数の選択により、増幅器
２４の１／ｆ雑音を効果的に除去できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、測定装置および回
路に関し、特に、検出回路の１／ｆ雑音レベルを減少さ
せる回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】熱線検出器を使用するほとんどの非分散
形赤外線検出用途（ＮＤＩＲ）においては、赤外線放射
源は、検出器の交流的特性のため、あるいは迷走放射ま
たは温度変動の影響を減少させるために変調される。ま
た、赤外線源は、赤外線の通過と遮断を交互に行うため
に回転速度が一定のモータに接続されたチョッパ・ホイ
ールなどの何らかの機械的手段によって変調することも
できる。パイロ電気検出器に使用されるそのような手法
は、信号の変調および復調を実現するために、正確に同
期された多少高価な精密モータ、制御装置、およびチョ
ッパ・ホイールの使用を必要とする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】そのような検出システ
ムの問題を克服するために、分析対象を通過する赤外線
を検出するサーモパイルを備えた直流システムを使用す
ることが望ましいが、そのような検出器を使用するに
は、検出する分析対象の性質とその濃度を表す信号レベ
ルを提供する直流増幅器が必要である。そのような目的
に直流増幅器を使用することができるが、直流増幅器
は、本質的に、周波数が高くなるにつれて指数関数的に
減少する１／ｆ雑音と呼ばれる内部雑音を発生する。し
たがって、非常に低い周波数では１／ｆ雑音がきわめて
大きく、直流式赤外線放射器を備えたＮＤＩＲシステム
に使用される場合、そのような雑音は、得られた検出信
号に影響を及ぼす。しかしながら、１／ｆ雑音は、１ｋ
Ｈｚのような高い周波数では著しく減少し、そのような
周波数以上では無視することができる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明のシステムは、入
力信号を約１ｋＨｚの周波数で変調し、次にその信号を
復調・ろ波してアナログの直流出力レベルを提供するよ
うにし、１／ｆ雑音のレベルが問題となる周波数よりも
高い変調周波数の選択により増幅器の１／ｆ雑音を効果
的に除去した低雑音回路を提供する。好ましい実施形態
における応用例は、検出器を使用したＮＤＩＲシステム
において、直流式赤外線放射器をサーモパイル検出器と
共に用いて変動するアナログ信号である直流の低レベル
信号を提供するものである。したがって、そのようなシ
ステムは、パルス式赤外線放射器よりも信頼性が高くか
つ比較的安価な回路構成要素である直流式赤外線放射器
を使用して、分析計と関連して使用されるＮＤＩＲ検出
システムに優れた性能を提供することを可能にする。
【０００５】本発明の上記のおよびその他の特徴、目
的、利点は、添付図面を参照して以下の説明を読むこと
によって明らかになるであろう。
【０００６】 〔発明の詳細な説明〕最初に図１を参照すると、分析計
（図示せず）用の非分散形赤外線（ＮＤＩＲ）検出シス
テム１０が示される。このシステムは、温度制御された
セル１４内に取り付けられた直流式赤外線放射器１１を
含む。ヘリウムなどのキャリヤガスがセル１４を通して
流され、またその流れに分析対象が導入される。赤外線
セルの構造は、セル１４内へのサーモパイル検出器１２
の取付けと同様に慣用のものである。セル１４に供給さ
れる分析対象は、例えばＮＯ、ＣＯ2、Ｈ2Ｏなどを含
み、赤外線を吸収する流体および／または気体を含む。
【０００７】赤外線放射器１１から放射される赤外線１
３は、赤外線放射器１１と検出器１２との間に流れる分
析対象を通過する。検出器１２は、波形１５で表される
ように変動するアナログ直流出力を提供する。ヘリウム
がキャリアガスの場合、その出力は、例えば４０ミリボ
ルトであり、分析対象がセル１４を通過すると、波形部
分１６で示すように、例えば２０ミリボルトのレベルま
で低下する。この経時変化する低いレベルの直流アナロ
グ信号は、本発明の回路２０に供給され、この結果、端
子Ａに雑音のない増幅された出力信号が提供される。回
路２０は、発振器２２に結合された変調器２１を含む。
この変調器２１は、経時変化する信号１５を、典型的な
直流増幅器において１／ｆ雑音のレベルが問題となる周
波数よりも高い周波数で変調する。本発明の好ましい実
施形態においては、発振器２２の発振周波数は１ｋＨｚ
に設定されているが、これよりもわずかに低い周波数、
またはこれよりもかなり高い周波数も使用することもで
きる。
【０００８】変調器２１は、図２と関連して後で詳細に
説明するように、アナログ直流信号をチョッピングし、
検出器の正と負の端子の出力を演算増幅器である増幅器
２４の入力に選択的に印加して、交流極性の方形波出力
信号１８を提供する。増幅器２４からのこの出力信号
は、同様に発振器２２に結合された復調増幅器２６に印
加される。復調増幅器２６は増幅器２４から信号を受け
取って、方形波信号１８の半分を反転させ単極出力信号
１９を提供する。この単極出力信号１９は、ほぼ３Ｈｚ
以下の周波数成分を通過させるローパス・フィルタ２８
に印加される。フィルタ２８からの直流レベル出力はＡ
Ｄ変換器３０に結合され、このＡＤ変換器３０の端子Ｂ
から、分析対象の検出信号レベルを表す２進数が出力さ
れる。ＡＤ変換器３０からの信号は、従来と同様に、分
析計に接続されたマイクロプロセッサに印加され、試料
内で検出された分析対象の種類だけでなく分析対象のレ
ベルを表す読取り可能な出力をオペレータに提供する。
分析計の赤外線セルおよびそのような分析計に接続され
た燃焼炉は慣用のものでもよく、本発明の回路が使用さ
れる環境を提供するだけのものであって、本発明の一部
を構成するものではない。本発明のシステム全体を概略
的に説明したが、次に、、回路２０の詳細とその動作を
図２と関連づけて説明する。
【０００９】次に図２を参照すると、サーモパイル検出
器１２は、特定の極性の変化する直流信号を提供する。
図１の波形１５で示すように、分析対象がセルを通過す
ると、直流信号の電圧は、例えば２０ミリボルトから、
例えば１０ミリボルトに低下する。発振器２２に結合さ
れた変調器２１は、Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅのモデ
ルＡＤＧ４３３などのＦＥＴアナログ・スイッチを含
む。このアナログ・スイッチは発振器２２からの信号に
よって制御され、導体１１′と１３′上の検出器出力信
号の極性を切り替えて、導体１１′と１３′を導体１７
を介して接地したり、増幅器２４の正入力２３に接続し
たりする。したがって、変調器２１は、概略的に図示し
たように、増幅器２４の正入力に逆極性の信号を提供す
るために１ｋＨｚで駆動される２極双投式スイッチを構
成する。増幅器２４の出力３１は、２００ｋΩの抵抗器
３３を介して負の入力３２に結合されている。負の入力
３２は、１ｋΩの抵抗器３４を介してアースに結合さ
れ、抵抗器３３と抵抗器３４が増幅器２４の利得を約２
００に制御する。
【００１０】増幅器２４の出力３１から出力される極性
が交互に反転された方形波信号１８は、本質的に１ｋＨ
ｚの方形波であり、４０ミリボルトのレベルである図１
に示す波形１５に対応してプラスまたはマイナス４ボル
トの振幅を有し、波形１５の部分１６で示されるよう
に、分析対象が赤外線セル１４を通過したときは、その
振幅がプラスまたはマイナス２ボルトになる。なお、セ
ル１４の温度環境が制御され、その結果、温度の安定性
と変動は信号検出に関連する因子ではなくなっており、
分析計のマイクロプロセッサは、赤外線セル１４を通過
する定常状態のキャリヤガスと、分析対象の存在により
生じる信号の変化とを区別する。
【００１１】増幅器２４の出力３１は、復調器２６に結
合されている。復調器２６は、発振器２２に結合され、
増幅器２４の出力端子３１を演算増幅器４４の正入力端
子に選択的に結合する単極の双投式スイッチを含む第２
のアナログ・スイッチ４０を有する。演算増幅器４４の
負入力端子４２は１０ＫΩの抵抗器４５を介して増幅器
２４の出力端子３１に結合されている。これにより、端
子３１の方形波信号１８は、増幅器４４の反転入力端子
４２に連続的に印加され、アナログ・スイッチ４０に接
続された発振器２２は、方形波１８の正の半分を、増幅
器４４の正入力端子、即ち非反転入力４３に印加する。
増幅器４４は、抵抗器４５と帰還抵抗である１０ＫΩの
抵抗器４６とによって決定される単位利得（unitary ga
in）を有する。したがって、方形波１８の正である前半
部分を含む時間ｔ0〜ｔ1の間、増幅器はフォロワ(folow
er)としてはたらく。方形波サイクルの後半の間（ｔ1〜
ｔ 2）、スイッチ４０は、図の位置からアース側に切り
替えられ、その結果、方形波１８のｔ1〜ｔ2の負の半分
だけが、増幅器４４の反転入力４２に印加される。増幅
器４４は波形の極性を反転させ、増幅器４４の出力端子
４７に波形１９として示した正極性の波形を出力する。
【００１２】波形１９は、直流レベルが変動する複合方
形波を含んでおり、この複合方形波は、スイッチング周
波数である約１ｋＨｚの成分とその高調波成分から成
る、時刻ｔ1において発生する遷移雑音を含んでいる。
このスイッチング雑音は、図２に示すようにローパス・
フィルタを構成するように結合された１００ｋΩの抵抗
器２７と２．２μＦのコンデンサ２９とを含むローパス
・フィルタ２８によって除去される。抵抗器２７とコン
デンサ２９の接合部は、図１に示したように、ＡＤ変換
器３０の入力に結合される出力端子Ａである。上記接合
部と反対側のコンデンサ２９の端子は接地されている。
したがって、図２の端子Ａにおける信号出力は、安定状
態のキャリヤガスのレベルである４ボルトか、検出した
分析対象とその量を反映する（例えば直流２ボルト）４
ボルトより低いレベルの直流信号である。直流増幅器が
大きな１／ｆ雑音を発生する周波数よりもかなり高い変
調および復調周波数を用いているため、上記の直流信号
は、増幅器２４の内部で発生する１／ｆ雑音を本質的に
含まない。
【００１３】従来と同様のＡＤ変換器３０は、２．６ｋ
Ｈｚで選択された８極ローパス・フィルタを有する２４
ビットＡＤ変換器であり、その結果、フィルタ２８と組
合せて用いることにより、スイッチング遷移雑音がな
く、１／ｆ成分のない出力信号が提供される。得られた
回路は、直流式赤外線放射器、サーモパイルなどの直流
式検出器、および直流増幅器の使用を可能にし、優れた
信号対雑音特性を有し、比較的小型で動作信頼性が高
い、比較的低コストでさらに安定したＮＤＩＲ検出シス
テムを提供する。
【００１４】当業者であれば、特許請求の範囲に記載し
た本発明の精神または範囲から逸脱することなく、本明
細書において記載した本発明の好ましい実施形態に対し
て様々な変更を加える得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるシステムをブロック図で表した電
気回路図である。
【図２】図１に示した回路の主要構成要素を示す電気回
路図であり、その一部はブロック図で示されている。
【符号の説明】
１１ 赤外線放射器 １２ サーモパイル検出器 ２１ 変調器 ２２ 発振器 ２４ 増幅器 ２６ 復調増幅器 ２８ フィルタ

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＮＤＩＲシステムにおける直流式赤外線
    放射器と関連して使用される検出システムであって、 ＮＤＩＲシステムに設けられた赤外線検出器と、 前記赤外線検出器からの直流信号を第１の所定の周波数
    を有する成分にチョップする変調器と、 前記変調器の出力に結合され、前記変調器からの信号を
    増幅する増幅器と、 前記増幅器の出力に結合されると共に前記変調器と同期
    され、直流レベル出力信号を提供する復調器と、 前記復調器の出力に結合され、第２の所定の周波数を超
    える信号成分を除去するフィルタと、 を含む検出システム。
  2. 【請求項２】 前記第１の所定の周波数が約１ｋＨｚで
    ある請求項１に記載の検出システム。
  3. 【請求項３】 前記第２の所定の周波数が約３Ｈｚであ
    る請求項２に記載の検出システム。
  4. 【請求項４】 前記フィルタに結合され、前記フィルタ
    の出力における直流信号を表す２進信号出力を提供する
    ＡＤ変換器をさらに含む請求項３に記載の検出システ
    ム。
  5. 【請求項５】 約１ｋＨｚの周波数を有する発振器をさ
    らに含み、前記変調器と前記復調器が、前記発振器に結
    合された請求項４に記載の検出システム。
  6. 【請求項６】 前記変調器が、前記発振器に結合された
    固体素子アナログ・スイッチを含む請求項５に記載の検
    出システム。
  7. 【請求項７】 前記復調器が、演算増幅器と、前記発振
    器に結合され、前記増幅器からの信号の各サイクルの半
    分を反転させる固体素子アナログ・スイッチを含む請求
    項６に記載の検出システム。
  8. 【請求項８】 分析計に使用されるＮＤＩＲシステムで
    あって、 直流式赤外線放射器と、 前記赤外線放射器から離間された赤外線検出器と、 前記赤外線放射器と前記検出器の間に延びる試料通路
    と、 前記検出器に入力が結合され、前記検出器からの直流入
    力信号を、第１の所定の周波数の周波数成分に分割する
    変調器と、 前記変調器の出力に結合され、前記検出器からの信号を
    増幅する増幅器と、 前記増幅器の出力に結合されると共に前記変調器と同期
    され、直流レベル出力信号を提供する復調器と、 前記復調器の出力に結合され、第２の所定の周波数を超
    える信号成分を除去するフィルタと、 を含むＮＤＩＲシステム。
  9. 【請求項９】 前記変調器と前記復調器が約１ｋＨｚの
    周波数を有する発振器に結合された請求項８に記載のシ
    ステム。
  10. 【請求項１０】 前記フィルタが約３Ｈｚを超える周波
    数成分を除去する請求項９に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 前記変調器が、前記発振器に結合され
    た制御入力を有する固体素子スイッチを含む請求項１０
    に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】 前記復調器が、演算増幅器と、前記発
    振器に結合された制御入力を有し、前記増幅器からの信
    号の各サイクルの半分を反転させる固体素子スイッチと
    を含む請求項１１に記載のシステム。
  13. 【請求項１３】 前記フィルタに結合され、前記検出器
    からの直流信号を表す２進信号出力を提供するＡＤ変換
    器を含む請求項１２に記載のシステム。
  14. 【請求項１４】 直流式赤外線放射器と、 前記赤外線放射器から離間された赤外線検出器と、 前記赤外線放射器と前記検出器の間に延びる試料通路
    と、 入力信号を第１の所定の周波数を有する成分に分割する
    変調器と、 前記変調器の出力に結合された入力を有し、前記変調器
    からの信号を増幅する増幅器と、 前記増幅器の出力に結合された入力を有する復調器と、 前記復調器の出力に結合され、第２の所定の周波数を超
    える信号成分を除去するフィルタと、 を含むＮＤＩＲシステムおよび低雑音増幅器。
  15. 【請求項１５】 前記第１の所定の周波数が約１ｋＨｚ
    である請求項１４に記載の回路。
  16. 【請求項１６】 前記第２の所定の周波数が約３Ｈｚで
    ある請求項１５に記載の回路。
  17. 【請求項１７】 前記増幅器が直流増幅器である請求項
    １６に記載の回路。
  18. 【請求項１８】 約１ｋＨｚの周波数を有する発振器を
    含み、前記変調器と前記復調器が前記発振器に結合され
    た請求項１７に記載の回路。
  19. 【請求項１９】 前記フィルタに結合され、前記フィル
    タの出力における直流信号を表す２進信号出力を提供す
    るＡＤ変換器を含む請求項１８に記載の回路。
  20. 【請求項２０】前記増幅器が、約２００の利得を有する
    請求項１９に記載の回路。
JP2000133188A 1999-05-07 2000-05-02 スイッチング式ｎｄｉｒシステム Pending JP2001004444A (ja)

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