JP2006317451A - ガス試料の存在、濃度の計測方法、及びガスセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期安定性及び信頼性向上を同時に改善し、耐用年数の延長を可能にしたガスセンサ装置及び関連する計測方法を提供する。
【解決手段】ガスセンサ装置１００は、放射１１６を放出する第１放射源１０２、放射１１６を放出する第２放射源１０２、計測される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、濃度に依存して出力信号を発生する検出器デバイス１０８を具備する。第１放射源は基準放射源として作動し、第２放射源は計測放射源として作動する。ガスセンサ装置の所定の耐用年数の後、第１及び第２の放射源の機能を交替させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサ装置を使用してガス試料の存在、濃度を計測する方法と、対応するガスセンサ構造とに関する。ガスセンサ構造は、放射を放出する少なくとも第１の放射源と、放射を放出する少なくとも第２の放射源とを具備する。ガス計測室は、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することができ、放射を検出すると共に試料の存在、濃度に依存して主に電子出力信号を生成する少なくとも１個の検出デバイスを有する。

例えばメタンガス又は二酸化炭素等の多様な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。この吸収は該当ガスの特性である波長に現れ、例えば二酸化炭素の場合は4.24μmの波長である。このため、このような赤外線ガスセンサを使用して、ガス成分の存在、ガス成分の濃度を決定することができる。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、ベール・ランベルト（Beer-Lambert）法に従って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称され、二酸化炭素赤外線分析の場合、非分散赤外線（ＮＤＩＲ）法と称される。

二酸化炭素の検出は、建築及び自動車工学の用途でますます重要になってきている。これは一方で、暖房及び空調の場合はエネルギー効率を向上させるために、必要時すなわち二酸化端子の濃度が増大する際に、対応する換気制御システムにより新鮮な空気を供給させるために、室内の空気の二酸化炭素含有量を監視するためである。他方で、特に自動車分野における最新の空調システムは、冷媒として二酸化炭素を使用している。このため、二酸化炭素ガスセンサは、故障時に漏れる二酸化炭素を監視することができる。最終的に、二酸化炭素の濃度は室内の空気の品質を示す基本的なものであるので、空調システムで使用する制御変数として非常に重要である。

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適合しなければならず、多年にわたる長期の安定性、すなわち１０年を超える耐用年数が要求される。全耐用年数の間、仕様通りの値が観測されなければならないが、ビーム経路を構成する部品、特に放射源及びスイッチング電気回路が経年劣化するという問題がある。

この問題に対処するために、赤外線放射源を有する少なくとも２本のビーム経路及び２個の検出器を設けることが公知である。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使用する放射源の輝度を監視する。第２検出器の補助により、検出される放射源の輝度の変化を補正計算の要素とすることができる。しかし、この公知の解決策は比較的複雑であるという欠点がある。

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放射源は必要な計測頻度で計測するのに対し、第２放射源は比較計測及び実際の計測放射源の参照を実行するために比較的低頻度で使用される。計測間隔と比較してｘ間隔ごとに比較計測するのに基準（参照）放射源が使用される場合、ファクタｘだけ低い経時劣化を、より厳しく経時劣化する計測放射源上に位置付けることを仮定してもよい。さらに、公知の解決策は、初期劣化を低減するために延長耐用年数でいわゆるバーンイン段階を与える。
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、計測放射源及び関係するスイッチング電子回路は各モジュールの作動により、基準放射源及びスイッチング電子回路よりもファクタｘだけ速く経時劣化するという問題がある。これは、ガスセンサ装置全体の寿命が計測放射源及び関係するスイッチング電子回路の耐用年数に制限されることを意味する。

このため、本発明は、長期安定性及び信頼性向上を同時に改善し、耐用年数の延長を可能にしたガスセンサ装置及び関連する計測方法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、計測放射源及び基準放射源を具備する装置において、経時劣化を低減したことにより耐用年数を増加させるという思想に基づく。基準放射源が計測放射源よりファクタｘだけ少ない頻度で作動すると、計測放射源は逆に、実際の基準放射源よりも安定したレンジで基準放射源より速いファクタｘで到達する。従って、本発明に従って、最適化された時間の後に第１及び第２の放射源の機能を期待耐用年数内に交替させると、より長く仕様通りの値を観測することが可能である。モジュールは対称的に構成され、いわゆる組込みソフトウエアにより制御されるのが通常であるので、特に簡単な方法で本発明を実行できる。長期安定性に加えて、本発明による解決策はまた、全耐用年数の間の放射源及びスイッチング電子回路の作動が２分割されるので、耐用年数が明らかに増加するという利点を有する。

所定の最適耐用年数の後、第１及び第２の放射源を交替させるために、最初に第１及び第２の放射源の感度の比が決定され、次に計測放射源として第２放射源を使用して計測が実行される。このようにして、一方の放射源から他方の放射源への移行を特に容易に達成する。

必要であれば、交替工程は、完全なシステムの経時劣化をできるだけ均一にするために１回又は数回繰り返してもよい。

有利な発展形によれば、温度を監視する温度センサをガス計測室内に設けてもよい。このようにして、温度の影響の補正計算をさらに使用して計測の精度を向上させてもよい。

ガス計測室の壁が、例えばスパッタリング、蒸着又は電気めっきにより付着した金層等により金属化工程で達成できるように、放射源が放出する放射を反射するよう構成される場合、本発明によるガスセンサ装置の効率をさらに向上させることができる。

本発明の有利な原理は、本発明による原理が二酸化炭素を計測するために非分散赤外線放射を始動（triggering）するために使用されると特に効果的である。しかし、本発明の原理はまた、計測放射源及び基準放射源が同等の特性を有し且つ対称的な配列である限り、他の放射源及び他のガス試料にも適用可能であるので、第１及び第２の放射源の交替は本発明の原理によれば可能である。

以下、添付図面に示された有利な実施形態を参照して、本発明をより詳細に説明する。本発明による対象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、共に広帯域赤外線放射源である第１放射源１０２及び第２放射源１０３を具備する、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第１及び第２の放射源１０２，１０３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である。

ガス試料１１０は、計測のために入口１１２を通って図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。ガス試料１１０のガス濃度は、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。例えば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、放出された放射１１６，１１７は、ガス計測室１０４を通って検出器１０８に導かれる。検出器１０８の光フィルタ１０６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。他のガス分子はこの波長範囲の光を吸収しないので、検出器１０８に到達する放射１１６，１１７の量に影響を与えない。放出された放射は、所望の信号から熱的ノイズを濾波することができるように、第１及び第２の放射源１０２，１０３でパルス化すなわち変調されるのが通常である。制御デバイス１２０は、一方で第１及び第２の放射源１０２，１０３を制御し、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。

本発明によれば、第１及び第２の放射源１０２，１０３は、放出された放射１１６，１１７のビーム経路が検出器１０８と同じ有効光路長を有するように配置されるか、又はガス計測室１０４の対称軸に対して対称的に配置される。第１基準段階の間、第２放射源１０３は時間間隔において基準放射源としてオンに切り換えられ、計測放射源として機能する第１放射源１０２の経時劣化状態をチェックする。制御デバイス１２０は、オンに切り換えられた第１放射源１０２と比較して第２放射源１０３がオンに切り換えられると、検出器１０８の出力信号に対する偏差から計測放射源の経時劣化を決定し、必要な場合、信号を補正する。

本発明によれば、制御デバイス１２０は、ガスセンサ装置１００の所定の耐用年数の後、第１放射源１０２及び第２放射源１０３の機能が第２基準段階、すなわち所定の耐用年数経過時に交替するよう構成される。このとき、第１放射源１０２は基準放射源として作動し、第２放射源１０３は次の作動の間、計測放射源として使用される。このようにして、計測値が可能な限り安定するようになり、ガスセンサ装置１００の明らかに長期の寿命が達成される。

本発明による第１及び第２の放射源１０２，１０３の始動の時系列を、図２及び図３を参照して詳細に説明する。

図２は、第１基準段階中の第１放射源１０２及び第２放射源１０３のパルス化作動をそれぞれ曲線２０１及び曲線２０２として示す。本発明に従った図２において、第１放射源１０２は、計測放射源として作動、すなわち放射を放出するためのほぼ連続したパルス化した方法で始動する。第１放射源１０２と対照的に、第２放射源１０３は基準放射源として基準段階の一部の間、間欠的に作動する。各基準段階は基準放射源として第２放射源１０３の始動で開始するので、第２放射源１０３は曲線２０２に示されるように放射パルスを放出する。例えば８パルスを放出後、第１放射源１０２は、最初に補正手順用に比較値を確定し、次に計測手順を続ける（曲線２０１）ために、再度始動する。この基準段階は、より長い時間間隔で繰返し再現される。

しかし、第１及び第２の放射源１０２，１０３用のいかなる他のパルス系列を提供することも勿論可能である。

第２のパルス系列による第１及び第２の放射源１０２，１０３の作動の結果、計測放射源として作動する第１放射源１０２及び関係するスイッチング電気回路は、第２放射源１０３より速い計測放射源と比較して低い頻度で基準放射源をオンに切り換えるファクタｘだけ経時劣化する。しかし、これは、第１放射源１０２が、基準放射源として作動する第２放射源１０３よりも比較的安定したレンジに到達することを意味する。

本発明によれば、期待された耐用年数内の所定の最適時間の後、第１及び第２の放射源１０２，１０３の機能を交替させると、より長い期間、仕様通りの値がこのように観測できる。図３は、この第２基準段階の対応する時系列の図を示す。図３において、第１放射源１０２は基準放射源として使用され、第２放射源１０３は計測放射源として作動する（曲線２０２）。

第１及び第２の放射源１０２，１０３は対称的に構成され、制御デバイス１２０は一実施形態に従ったいわゆる組込みソフトウエアを具備するので、このように交替する始動手順を達成することは容易である。

作動交替の間、基準段階は好適には、図２に示されるように実行される。感度の比が決定され、次に基準放射源が計測に再使用される。

この結果、第１及び第２の基準放射源１０２，１０３並びにスイッチング電子回路の作動は全耐用年数の間、２分割されるので、耐用年数を明らかに延長することができる。このため、本発明は経時劣化のパターン及び装置全体の寿命を最適化する。

図４は、制御デバイス１２０を概略的に示す。制御デバイス１２０は、第１及び第２の放射源１０２，１０３のパルス化作動を制御する時間制御デバイス１２６を具備する。信号処理ユニット１２８は、検出器１０８の出力信号を受信し、その信号を処理する。ノイズを無くするために、例えば、計測作動の間、パルス周波数と整合するより効率的な周波数フィルタを設けてもよい。また、信号処理ユニット１２８は、警報及び指示デバイスに計測結果を表わす信号を供給してもよい。また、図１に示されるように、任意の温度センサ１２４に接続された温度監視ユニットを設けることも可能である。さらに、ガス計測室１０４の壁１１８は、好ましくはスパッタリング、蒸着又は電気めっきにより付着した金層で金属コーティングしてもよい。

本発明によれば、制御デバイス１２０は、基準放射源及び計測放射源としてどの放射減１０２，１０３が作動するかを決定し、交替手順の調整を受け持つ。

上述の実施形態は常に２個の放射源及び１個の検出器ユニットからなっていたが、本発明の原理は任意の数の放射源及び検出器にも勿論適用できる。

本発明によるガスセンサ装置のブロック回路図である。 本発明の一実施形態による、第１基準段階の間に第１放射源及び第２放射源から放出される放射パルスの時間依存グラフである。 第２基準段階の間に第１放射源及び第２放射源から放出される放射パルスの時間依存グラフである。 図１の制御システムの概略図である。

符号の説明

１００ ガスセンサ装置
１０２ 第１放射源
１０３ 第２放射源
１０４ ガス計測室
１０８ 検出器
１１０ ガス試料
１１６，１１７ 放射
１１８ 壁
１２０ 制御デバイス
１２４ 温度センサ

Claims (11)

1. 放射（１１６）を放出する少なくとも１個の第１放射源（１０２）と、放射（１１７）を放出する少なくとも１個の第２放射源（１０３）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個の検出器（１０８）とを具備するガスセンサ装置（１００）を使用してガス試料の存在、濃度を計測する方法において、
   少なくとも１回の計測を実行するために前記放射を放出する計測放射源として前記第１放射源を作動させる工程と、
   基準計測値を決定するために前記放射を放出する基準放射源として前記第２放射源と所定の時間間隔内で短時間作動させる工程とを具備し、
   前記ガスセンサ装置の所定の耐用年数の後、前記第１及び第２の放射源を交替させ、前記第１放射源を基準放射源として作動させると共に前記第２放射源を計測放射源として作動させることを特徴とする計測方法。
2. 前記第１及び第２の放射源は赤外線放射を放出することを特徴とする請求項１記載の計測方法。
3. 前記ガス試料として二酸化炭素が計測され、該二酸化炭素の濃度が決定されることを特徴とする請求項１又は２記載の計測方法。
4. 前記所定の耐用年数の後、前記第１及び第２の放射源を交替させるために、最初に前記第１及び第２の放射源の感度の比が決定され、前記第２放射源を使用して計測が実行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項記載の計測方法。
5. 別の所定耐用年数の最後に、前記交替工程が少なくとも１回実行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項記載の計測方法。
6. 放射（１１６）を放出する少なくとも１個の第１放射源（１０２）と、放射（１１７）を放出する少なくとも１個の第２放射源（１０３）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個の検出器（１０８）と、前記第１及び第２の放射源を始動すると共に前記検出器からの前記出力信号を評価する制御デバイス（１２０）とを具備するガスセンサ装置（１００）において、
   前記制御デバイスは、前記第１放射源が計測を実行するために前記放射を放出するように計測放射源として前記第１放射源を始動させるため、及び前記第２放射源が基準計測値を決定するために前記放射を放出するように基準放射源として前記第２放射源を始動させるために、作動可能であり、
   前記制御デバイスは、前記ガスセンサ装置の所定の耐用年数の後、前記第１及び第２の放射源を交替させ、基準放射源として前記第１放射源と作動させるため、及び計測放射源として前記第２放射源と作動させるために、作動可能であることを特徴とするガスセンサ装置。
7. 検出される前記放射は赤外線放射であり、
   前記第１及び第２の放射源は赤外線放射源で形成されることを特徴とする請求項６記載のガスセンサ装置。
8. 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６又は７記載のガスセンサ装置。
9. 前記ガス計測室の壁（１１８）は、前記放射源が放出する前記放射を反射するよう構成されていることを特徴とする請求項６ないし８のうちいずれか１項記載のガスセンサ装置。
10. 前記ガス計測室の壁（１１８）は、スパッタリング、蒸着又は電気めっきにより付着した金層で金属コーティングされていることを特徴とする請求項９記載のガスセンサ装置。
11. 前記ガス試料として二酸化炭素を検出するよう設定され、該二酸化炭素の濃度を決定することを特徴とする請求項６ないし１０のうちいずれか１項記載のガスセンサ装置。

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