JP2006313164A - ガスセンサ装置及びガス計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特に簡単な方法で長期間にわたってガスセンサ装置の安定した長期作動を保証するガスセンサ装置を提供。
【解決手段】ガスセンサ装置１００は、放射１１６を放出する少なくとも１個の放射源１０２、計測される少なくとも一つの試料を含むガス試料１１０で充填されるガス計測室１０４、及び放射を検出すると共に試料の存在又は濃度に依存して出力信号を発生する少なくとも１個の検出器デバイス１０８を具備する。特に簡単な方法で長期間にわたってガスセンサ装置の安定した長期作動を保証するために、制御デバイス１２０は、少なくとも１個の放射源１０２により拾われる電気出力を計測するよう作動できる電力検出ユニット１２８を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射を放出する少なくとも１個の放射源、計測される少なくとも一つの試料を含むガス試料で充填されるガス計測室、及び放射を検出すると共に試料の存在又は濃度に依存して出力信号を発生する少なくとも１個の検出器デバイスを具備するガスセンサ装置に関する。

例えばメタンガス又は二酸化炭素等の幅広い範囲の試料を検出するこの種のガスセンサ装置は公知である。例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されたガスセンサは、特に赤外線波長の範囲内での放射を吸収する多くの多原子ガスの特性に基づく。この方法において、この吸収は、例えばＣＯ₂に対しては4.24μm等、該当ガスの特性である波長に現れる。このため、この種の赤外線ガスセンサを使用して、ガス成分又はこのガス成分の濃度の存在を明らかにできる。公知のガスセンサは、放射源、吸収経路すなわち計測室、及び放射検出器を有する。放射検出器により計測される放射強度は吸収性ガスの濃度を計測する。

広帯域の放射源は通常、ランプであり、重要な波長は干渉フィルタ又はグリッドを介して選択される。また、この種の放射発生は非分散法として公知であり、赤外線ＣＯ₂分析の場合、非分散赤外線（ＮＤＩＲ）法と称される。

二酸化炭素の検出は自動車分野でますます重要になってきている。一方で、自動車内部の空気のＣＯ₂の量は、暖房及び空調のエネルギー効率を向上させるため、及び必要時、すなわちＣＯ₂の濃度が増大する際に、対応するファンのフラップの制御により新鮮な空気を供給させるために監視される。他方で、最新の空調システムは冷媒としてＣＯ₂を使用している。このため、ＣＯ₂ガスセンサは、欠陥が生じた場合に漏れるＣＯ₂を監視することができる。

しかし、特に自動車の分野において、この種のセンサは堅牢性、信頼性及び小型化の観点からの最高の要求事項に合致しなければならず、多年にわたる長期の安定性が要求される。この場合、赤外線放射源の放出は特に、耐用年数の間、安定し続けなければならないか、又は少なくとも監視されなければならない。しかし、最短１０年の耐用年数が要求され、従来、一計測当たり２秒の計測頻度であるので、公知の放射源は強度が経年劣化し、この種のＮＤＩＲガスセンサに課さられる仕様を守ることができない。

今日まで、この問題に対処する二つの基本的方法が公知であった。その第一は、赤外線放射源及び２個の検出器を有する少なくとも２本のビーム経路を設け、一方の検出器は所望のガスを計測し、他方の検出器は別の波長を有するランプの輝度を計測することが公知である。検出されるランプの輝度の変化は、第２検出器を使用して補正計算に含まれてもよい。

例えば特許文献３に記載された公知の解決策は、２個の赤外線源及び１個のみの検出器を有する少なくとも２本のビーム経路を使用する。第１ランプは必要な計測頻度で計測するのに対し、第２ランプは比較計測を実行するための比較的低頻度で使用される。この解決策は、間欠的なスイッチオンによる第２ランプの経時劣化を無視することを仮定する。
欧州特許出願公開第６１６２０７号明細書 国際公開第００／５５６０３号明細書 独国特許第１９９２５１９６号明細書

しかし、これら公知の解決策は、一方では比較的複雑であり、他方ではランプ放射にアクセスするために常に検出信号を要し、この検出信号は、検出器の長期ドリフト及び計測全長に沿って発生するパラメータ変動の結果生ずるエラーで妨げられる問題がある。さらに、基準ランプの間欠作動の場合、このランプの経時劣化もまた、１０年の耐用年数では最早全く無視できない。

このため、本発明は、特に簡単な方法で長期間にわたってガスセンサ装置の安定した長期作動を保証する上述のタイプのガスセンサ装置を提供することを目的とする。

この目的は、独立請求項の特徴を有するガスセンサ装置及び計測方法により達成される。有利な発展形は従属請求項に記載されている。

本発明は、非分散赤外線放射源の耐用年数の間、白熱ランプの内部抵抗は著しく変化するという思想に基づく。総合試験の間に示されるように、従来の作動タイプにおいて、すなわち定電圧又は定電流でランプを作動する際に、経時劣化を引き起こすランプの輝度の変化は、放射に変換される異なる電気出力により引き起こされる。定電圧では、この出力はＰ＝Ｕ²/Ｒ_Lとして計算され、定電流ではＰ＝Ｉ²・Ｒ_Lとして計算される。この計算において、Ｐは放射源で変換される電気出力を表わし、Ｕはランプの電圧降下を表わし、Ｉはランプを流れる電流を表わし、Ｒ_Lはランプの内部抵抗を表わす。

本発明によれば、ガスセンサユニットは、放射源により拾われた（taken up）電気信号を計測するために、電力検出ユニットを有する放射源を始動（triggering）する制御デバイスを具備する。例えば、本発明によれば、計測中にアナログ・デジタル（ＡＤ）コンバータを介して計測信号として検出器の統合電圧を決定する、ＮＤＩＲセンサに公知の方法で設けられたマイクロ制御器は、計測中にランプにより変換されたランプ回路の電気エネルギーを決定することができる。このため、拾われた電気出力、ランプの内部抵抗、及び計測ランプの統合作業は、計測中に有利に決定できる。計測値は、製造校正サイトで最初に校正された時点で優勢になるランプの輝度への正規化用の補正ファクタとしての評価に使用してもよい。

このアプローチは、上記目的を達成するために、時間中に変化する放射強度の物理的原因、すなわちランプの内部抵抗の変化に直接適用するという利点を有する。ランプ回路での非常に敏感な直接的な電気計測の可能性は、検出器信号に基づいて不良計測の原理で分配することを可能にする。第２計測チャンネルを参照する必要、又は特に第２放射源、別の検出器を設ける必要は最早無い。

有利な実施形態は、次の計測用のランプ輝度に適合するためか、又は現在優勢になっているランプの輝度に検出器の感度を適合させるために、拾われた電気出力に関する情報を使用してもよい。或いは、放射放出及び放射検出用の条件が変化しない場合であっても、出力される結果を計算で補正することができる。特に放射源又は検出器の始動における適合が不要な最後の変形は、特に簡単な実施可能性を表わす。いずれにせよ、本発明に従った解決策は、ガスセンサ装置が１０年を超えて使用される場合であっても計測精度の要求事項に適合することを保証できる。

本発明の有利な発展形によれば、電力の計測は、放射源が直列抵抗及び並列シャント抵抗を介して作動して実行でき、制御デバイスは直列抵抗及びシャント抵抗でそれぞれ降下する電圧を決定する。これらの抵抗は、特に長期の安定した一定値を有し、計測は、例えば他の外部又は内部ＡＤコンバータを使用して実行できる。公知の制御デバイスについては、温度及び圧力の計測用に設けられるＡＤコンバータもまた、これらの電圧値を決定するために使用することができる。

本発明の有利な原理は、本発明による原理がＣＯ₂を計測するために非分散赤外線ランプを始動するのに使用される際、特に効果的である。しかし、もちろん、本発明による原理もまた、放射源の長期特性の変化が電気内部抵抗の変化或いは定電圧又は定電流で供給される電気出力の変化に関連する場合、別の放射源の使用及び他のガスの分析に適用できる。

いずれにせよ、本発明による解決策の利点は、放射源で直接検出できる電気特性変数が放射源の耐用年数の間に変化する放射特性に使用でき、放射源の経時劣化を示すものとして検出器信号で分配することが可能であるという事実にある。

さらに、計測手順の精度をさらに向上させるためにガス計測室内に少なくとも１個の温度センサを設けてもよい。

しかし、別の有利な実施形態によれば、ガスセンサ装置もまた、計測放射源と、基準値を決定するためにのみ放射する付加的な基準放射源とを具備する。特許文献３による参照は、温度、圧力又はガス濃度等の周囲条件が参照の間、一定である場合、擾乱の無い方法で機能するのみであることが示されている。しかし、センサが空調システムの空気出口近傍、開いた窓又はよく制御されていない熱源で使用されている場合、参照手順がまれにしか実行されないか、又は多くのエラーを伴うという問題が生ずる。本発明によれば、両ランプでの実際に変換された電気出力を計測することにより、高い精度を達成することができる。

以下、添付図面に示された利点のある実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。本発明による主題の同様又は対応する詳細は同じ参照符号が付されている。

本発明によるガスセンサ装置の構造及び作動を、図面を参照して以下に詳細に説明する。図１に示されるように、本発明によるガスセンサ装置１００は、本実施形態の場合、広帯域赤外線放射源である放射源１０２を具備する。原理上、図示のガスセンサ装置１００はいわゆるＮＤＩＲ（非分散赤外線）センサである。最も簡単な場合、白熱ランプで形成された赤外線放射源１０２に加え、基本部品は、ガス計測室１０４、波長フィルタ１０６及び赤外線検出器１０８を具備する。

ガス試料１１０は、計測のために入口１１２及び出口１１４で図１に記号で示されたガス計測室１０４へポンプで送り込まれ、すなわち拡散される。ガス濃度は、赤外線の範囲の特定波長の吸収を介して電光的に決定することができる。二酸化炭素が検出されると、特定波長は4.25μmである。この過程において、放出された赤外線放射１１６は、ガス計測室１０４を通って検出器１０８に案内される。検出器１０８は、吸収が検出されるガス分子の波長範囲のみの通過を可能にする光フィルタ１０６を有する。他のガス分子は通常、この波長の光を吸収しないので、検出器に到達する放射量に影響を与えない。赤外線信号は通常、所望の信号から熱的ノイズ信号を濾波することができるように、放射源によりチョップされすなわち変調される。制御デバイス１２０は、一方で放射源１０２を始動し、他方で検出器１０８から出力信号を受信すると共にさらにそれら信号を処理する。

本発明は、白熱ランプ１０２の内部抵抗は耐用年数が延びると変化するという認識に基づく。これは、従来の作動のタイプ（すなわち、定電圧又は定電流）における劣化が引き起こされたランプの輝度の変化は、放射に変換された異なる電気出力により生ずることを意味する。このため、本発明によれば、ランプ１０２でそれぞれ変換された電気出力は、電力検出器ユニット１２８により制御デバイス１２０で計測される。このようにして、計測中にランプ１０２により変換された電気エネルギーを決定することができる。

電力検出ユニット１２８は、ランプ１０２で拾われ全計測時間にわたって検出される電気出力、計測中のランプ１０２の統合作業を決定することができる。この値は、製造校正サイトで最初に実行された校正時点で優勢になった、ランプの輝度に対する標準化の補正ファクタとして制御デバイス１２０で本発明に従って使用される。

この補正ファクタに基づいて、制御デバイス１２０は、ランプ１０２の始動に影響を与え、続く計測用のランプの輝度に適合することができる。或いは又は付加的に、制御デバイス１２０は検出器１０８の感度に適合できる。最後に、制御デバイス１２０により評価される間、出力信号はランプ１０２で実際に変換された電気エネルギーの関数として適合でき、電力検出ユニット１２８により決定される。この目的のために、制御デバイス１２０は、相応にプログラムされたマイクロコントローラを具備する。

図２及び図３に示されるように、ランプ１０２により実際に拾われる電気出力は、当業者に広く知られているように、例えばマルチプライヤにより検出される。この場合、電気力学的計測システム用の記号は、この場合電力計である出力検出ユニット１２８用に図２及び図３の双方に使用されるが、ホール発生器又は熱電力計等の他の乗算法を使用するか、電圧降下及びシリコンダイオード経路のオン状態電流間の対数接続を使用して電力出力を計測することも可能である。図２に示される回路において、ランプ１０２と同様に電力検出ユニット１２８を通って同じ電流が流れる。これとは対照的に、電力検出ユニット１２８の電圧は、ランプ１０２における電圧よりも電力検出ユニット１２８の電流路での電圧降下分だけ大きい。ランプ１０２から分かるように、図２の回路は「電流補正」である。同様に、図３に示される装置は「電圧補正」である。

しかし、ランプ１０２で変換された電力はまた、電流及び電圧の個別の計測により決定することができる。図４は、直列抵抗Ｒ_vを介してランプ１０２が作動しシャント抵抗Ｒ_sがランプ１０２と並列に接続された回路装置を示す。これらの抵抗は一定であると共に長期にわたって安定しており、これらの抵抗で降下するＵ_v及びＵ_s電圧は、例えばＡＤコンバータを使用して電圧計測用の従来の方法により計測できる。この解決策は、使用されていないＡＤコンバータが制御に使用されるマイクロ制御器で使用できることが多く、Ｕ_v及びＵ_sの計測用に使用できる。これらＡＤコンバータにより決定されるデジタル信号は、制御デバイス１２０でさらに直接処理できる。

図５は、１個のみの直列抵抗Ｒ_vが使用されランプ１０２の内部抵抗Ｒ_Lが電力計測用に直接使用される回路を示す。この場合、電圧は、直列抵抗Ｒ_vで及びランプ１０２の抵抗Ｒ_Lで増加し、マルチプライヤ１３２に供給される。マルチプライヤ１３２の出力信号は、ランプ１０２により拾われる電気出力に関する情報を含む。

図６に示されるように、ガスセンサ装置１００はまた少なくとも１個の温度センサ１２４を具備してもよい。温度センサ１２４は、ガス計測室１０４内の温度を検出すると共に制御デバイス１２０に情報を出力する。このようにして、例えば検出器信号上で別の補正計算を実行できることにより、計測の精度が再度増加できる。

図７に示されるように、制御デバイス１２０は、電力検出ユニット１２８及び作動温度監視ユニット１２５に基づいて対応して放射源１０２を始動する時間制御デバイス１２６を具備する。このように作動する際、それ自体公知のパルス化された最も変化する放射原理が例えば独国特許出願１０２００４０３０８５５．１号明細書及び独国特許出願１０２００４０２８０７７．０号明細書で提案されているように使用可能である。

本発明による電力検出ユニット１２８の使用により、参照の際、対称性及び一定の周囲条件の観点でのコスト及び要求事項等の全問題と共に、例えば特許文献３に示される第２基準計測チャンネルを省略することが可能である。しかし、各々個別の放射源１０２，１０３を有する２個のチャンネルが使用される場合であっても、本発明による電力検出は、依然としてシステムの精度を改善する。図８は、一方で制御デバイス１２０が２個の放射源１０２，１０３を始動するのに対し、他方で放射源の入力電力が電力検出ユニット１２８により監視されるこの種の装置を示す。

計測は、追加の電力検出ユニットの無い参照は、参照時間の間、温度、圧力又はガス濃度等の周囲条件が変化する場合、問題である。これは、ガスセンサ装置が空調システムの出口、開いた窓又は制御されていない熱源の近傍に位置する場合、特に致命的である。この場合、参照計測は大きすぎるエラーを示すという問題が起きる。このようなエラーは、計測条件の関数として放射源１０２，１０３のそれぞれ示す電力を考慮に入れる図８に示された実施形態を使用して明確に低減できる。

本発明によるガスセンサ装置のブロック回路図である。 可能な第１実施形態によるランプ回路を簡略化した電気回路図である。 別の有利な実施形態によるランプ回路の電気回路図である。 別の有利な実施形態による電力検出の電気回路図である。 別の有利な実施形態によるランプ回路での電力検出の電気回路図である。 温度検出が一体化されたガスセンサ装置のブロック回路図である。 図６の制御デバイスのブロック回路図である。 計測チャンネル及び基準チャンネルを有するガスセンサ装置のブロック回路図である。

符号の説明

１００ ガスセンサ装置
１０２ 放射源
１０３ 基準放射源
１０４ ガス計測室
１０８ 検出デバイス
１１０ ガス試料
１１６ 放射
１２４ 温度センサ
１２０ 制御デバイス
１２８ 電力検出ユニット
Ｒv 直列抵抗
Ｒs シャント抵抗

Claims (15)

1. 放射を放出する少なくとも１個の放射源（１０２）と、計測される少なくとも一つの試料を含むガス試料（１１０）で充填可能なガス計測室（１０４）と、前記放射を検出すると共に、前記試料の存在、濃度に依存して出力信号を発生する少なくとも１個の検出デバイス（１０８）と、前記放射源（１０２）を始動させる制御デバイス（１２０）とを具備するガスセンサ装置において、
   前記制御デバイス（１２０）は、前記少なくとも１個の放射源（１０２）により拾われる電気出力を計測するために作動可能な電力検出ユニット（１２８）を具備することを特徴とするガスセンサ装置。
2. 前記制御デバイス（１２０）は、計測された前記電気出力の関数として前記放射源（１０２）の始動に適合するために作動可能であることを特徴とする請求項１記載のガスセンサ装置。
3. 前記制御デバイス（１２０）は、計測された前記電気出力の関数として前記制御デバイス（１２０）による評価に適合するために作動可能であることを特徴とする請求項１又は２記載のガスセンサ装置。
4. 検出される前記放射（１１６）は赤外線放射であり、
   前記少なくとも１個の放射源（１０２）は赤外線放射源により形成されることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項記載のガスセンサ装置。
5. 前記放射源（１０２）は直列抵抗（Ｒ_v）及びシャント抵抗（Ｒ_s）を介して作動可能であり、
   前記電力検出ユニット（１２８）は、前記直列抵抗及び前記シャント抵抗で降下する電圧を決定するよう適合されることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項記載のガスセンサ装置。
6. 計測する前記放射源（１０２）及び基準放射源（１０３）が設けられ、
   該基準放射源は基準値を決定するためにのみ放射を放出することを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項記載のガスセンサ装置。
7. 前記ガス計測室内の温度を監視するために、少なくとも１個の温度センサ（１２４）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のうちいずれか１項記載のガスセンサ装置。
8. 二酸化炭素ガスを検出するために、又はガス濃度を決定するために、調整されていることを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項記載のガスセンサ装置。
9. 放射を放出する少なくとも１個の放射源と、計測される少なくとも一つの試料を含むガス試料で充填可能なガス計測室と、前記放射を検出すると共に、前記試料の存在、濃度に依存して出力信号を発生する少なくとも１個の検出デバイスとを具備するガスセンサ装置を使用して試料の存在、濃度を計測する方法において、
   放射を放出する前記放射源を始動する工程と、
   前記放射デバイスに作用する前記放射を検出すると共に評価する工程と、
   前記放射源により拾われる電気出力を計測しながら放射を放出する工程と
   を具備することを特徴とする試料の存在、濃度の計測方法。
10. 前記放射源に印加される電力は、計測された前記電気出力の関数として次の計測サイクルで適合されることを特徴とする請求項９記載の計測方法。
11. 前記検出器デバイスの感度は、計測された前記電気出力の関数として適合されることを特徴とする請求項９又は１０記載の計測方法。
12. 前記制御ユニットは、計測された前記電気出力の関数として前記検出器デバイスにより前記出力信号の計算補正を実行することを特徴とする請求項９記載の計測方法。
13. 前記電力計測工程は、前記放射源に直列に接続された抵抗での電圧降下を検出すると共に、前記放射源と並列に接続されたシャント抵抗での電圧降下を検出することを特徴とする請求項９ないし１２のうちいずれか１項記載の計測方法。
14. 前記放射放出工程は、赤外線放射源を使用して赤外線を放射することを特徴とする請求項９ないし１３のうちいずれか１項記載の計測方法。
15. 前記二酸化炭素であるガス試料が検出され、前記ガス試料の濃度が決定されることを特徴とする請求項９ないし１４のうちいずれか１項記載の計測方法。

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