JP2007024891A - 被計測物の存在、濃度を計測する方法、及びガスセンサ組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で始動までの時間が短いガスセンサ組立体及びそのガスセンサ組立体を用いて計測する方法の提供。
【解決手段】ガスセンサ組立体（１００）は、放射（１１６）を放出する放射源（１０２）、少なくとも１種類の被計測物を含む試験ガス（１１０）で充填され得るガス計測室（１０４）、及び放射を検出し、被計測物の存在及び濃度の一方又は両方に依存した検出器信号（１０９）を生成する少なくとも１個の検出器デバイス（１０８）を具備する。安全性要求事項の増加に対応し、複雑さ及び全体寸法が許容できないほど大きくなることなく、公知のシステムの欠点を回避するために、放射源はパルスの形態で放射を放出し、各放射パルス中に、平均計測値を発生するために多数の個別の値を記録し、最初の放射パルス中に、多数の個別の値のうち最初のものを予め決定された閾値と比較し、閾値を超えると、警報信号が発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサ組立体を使用して被計測物の存在、濃度を計測する方法、及び対応するガスセンサ組立体に関する。

ガスセンサ組立体は特に、放射源、少なくとも１種の被計測物に含まれる計測ガスで充填されるガス計測室、及び放射を検出して被計測物の存在、濃度に依存する出力信号を発生する少なくとも１個の放射検出器を具備する。

例えばメタン又は二酸化炭素等の広い範囲の被計測物を検出するこの種のガスセンサ組立体は公知である。例えば、特許文献１に示されるような従来のガスセンサは、赤外線波長レンジで放射を吸収する多原子ガスの性質に基づいている。この種のガスは、二酸化炭素のみならず、一酸化炭素、ＮＯ_x、メタン、プロパン、加熱に使用される他の天然ガス等の全ての炭化水素等の異なる２種類の原子を含む。

有極性分子の双極子モーメントと協働することにより、赤外線は、回転及び振動発振を励起して分子を励起することができる。このため、赤外線の熱エネルギーはガスに伝導され、同様にガス容積を通過する赤外線ビームの強度が減少する。励起状態により、問題のガスの各波長特性、例えば二酸化炭素の場合は4.24μｍで吸収が生ずる。

従って、この種の赤外線ガスセンサを用いて、計測ガス中にこのガス成分の存在、ガス成分の濃度を定めることが可能である。この種のガスセンサは、放射源、吸収路すなわち被検出ガスが含まれる計測室、及び放射検出器を具備する。放射検出器により計測される放射強度は、公知のランバートビア（Lambert-Beer）法に従って次式により表わされる吸収性ガスの濃度を示す。

ここで、Ｉは計測された強度、Ｉ₀は照射された強度、ｋは定数、ｃは単位体積当たりの分子におかる対応ガスの濃度、及びｌは計測路の長さを表わす。

ＮＤＩＲ（非分散型赤外線）センサとして知られたものの場合、放射源として広帯域放射源が従来から使用されており、関連する波長は干渉フィルタ又は格子を介して調整される。或いは、発光ダイオード又はレーザ等の選択的放射源を、非波長選択的放射検出器と共に使用することができる。

今日、特に二酸化炭素の検出が多数の用途分野で非常に重要になってきている。例えば、自動車の運転の関連及び室内の場の双方で、室内空気の品質を監視することができ、自己浄化オーブンの浄化サイクル、温室内で植物への二酸化炭素の供給を管理することができる。例えば麻酔等の医療分野において、患者の呼吸気を監視することができ、最終的には、例えば空調システム等の二酸化炭素が漏れるおそれがあるいかなる場所において、警報システム内に二酸化炭素センサを使用することができる。

自動車工学においては、加熱及び空気調整中のエネルギー効率を向上するために、二酸化炭素検出が使用され、必要なときのみ、すなわち二酸化炭素濃度の上昇がある場合に、対応する換気フラップ制御を介して新鮮な空気の供給を開始するように、室内空気の二酸化炭素含有量を監視する二酸化炭素検出を使用することができる。さらに、最新の自動車空調システムは冷媒として二酸化炭素を使用しているので、自動車工学では故障の場合に漏れる二酸化炭素に関連して、二酸化炭素ガスセンサの監視を機能できる。特に自動車工学では、この種のセンサは、堅牢性、信頼性及び小型化に対して特に厳しい要求事項を満足しなければならない。

公知のガスセンサ組立体の放射源はあまり連続的に作動することはなく、特定周波数でパルス的に作動する。定周波数及び特定パルスデューティレシオが通常選択される。このパルスデューティレシオは、所定期間に対するオン時間（パルス幅）の割合を示す。検出器領域で信号を処理する間、狭帯域フィルタを使用することにより擾乱を低減することができる。狭帯域のフィルタ周波数は、放射源がパルス化されるパルス周波数に対応する。
独国特許出願公開第１０２００４０２８０７７．０号明細書

特許文献１に説明されているように、放射源がパルス化されたガスセンサ組立体は、システムの始動時、及び安定（settling）時間すなわち使用可能な試験結果が利用できる前の時間が比較的長いという比較的長い期間、放射源がいかなる光も放出しない作動モードの双方で問題がある。このため、例えばパルスで作動する赤外線ベースのガスセンサにおいて、システムは、最初の１０〜１５の計測値は使用できないような長時間、熱的に安定しなければならない。現在の設計において、始動後、最初の信頼できる計測値が利用できるまで約５〜１０秒かかる。しかし、特にシステムが比較的頻繁にオン及びオフにされる場合、約５〜１０秒かかることは安全性の用途に関して問題である。

従って、本発明は、ガスセンサ組立体を用いた計測方法、及び安全性要求事項の増加に対応し、複雑さ及び全体寸法が許容できないほど大きくなることなく、公知のシステムの欠点を回避できるガスセンサ組立体を提供することを目的とする。

上記目的は、独立請求項に記載された特徴により達成される。複数の従属請求項は本発明の有利な発展形を列挙する。

本発明は、パルスモードでは、特定のオン時間中に、放射源がオンのままであり、この時間中に、検出器の信号が押し上げられる。パルス時間中に、一般的には数百から千という多数の個別計測により積分される。この積分は、平均の計測値となり、ノイズの効果を無くすことができるよう実行される。パルス後、以下の計測サイクルが始まるまで、特定期間中に、放射源はオフに切り換えられる。この種の特定数の計測パルスは、システム全体が熱的平衡状態になる前に必要であり、個別の値から得られる平均計測値は信頼性の高い計測値であることが立証される。現在の設計において、この時間は約５〜１０秒である。

安全性の増大を確保するために、最初の個別計測は、平均計測信号の期待値を推定する（estimate）ために、センサシステムの始動後の第１パルスが早いと直ぐに使用される。推定値が特定の閾値を超えると、早期警報として警報信号が直ぐに発される。従って、安全センサとしての二酸化炭素センサの使用により、ガス濃度が危険である場合、始動直後に警報を発することが可能になる。この例として、ロックシステムを使用した自動車のドア開けがある。本発明によれば、客室の濃度が危険かどうか、ドアを開ける際又は開ける前に決定することができる。二酸化炭素の場合、通常の大気の値（約350〜1500ppm）は、従来の警報閾値（10000〜20000ppm）から十分に離れており、本発明による方法で誤警報を実質的に外すことができる。

本発明の有利な一実施形態によれば、平均計測値の推定値は最初の個別の値から形成され、閾値は許容される最大平均計測値である。これにより、センサシステムの始動直後に達成される危険なガス濃度の信頼性の高い検出と、有効に減少した誤警報の可能性を可能にする。

有利な一実施形態によれば、閾値との比較工程において、平均計測値の推定値は、最初のパルス中に形成され、閾値として許容される最大平均計測値と比較される。曲線が放射パルス中によく定められた方法で処理されると、検出器信号の全体のコースは、保存された参照コースと参照して、最初の個別値から最初のパルス中に予測することができ、ガス濃度が増加する可能性について報告することができる。このため、警報信号が発せられ、安全性増大が特に迅速に達成される。

始動後、ガスセンサシステム全体が熱的に安定しなければならず、最初のパルス後に計測された平均センサ信号が、特定の物理法則に供され、それ故予測される特性時間曲線を有することが知られている。

従って、ガスセンサシステムが安定状態にあるこれら放射パルスの平均計測値は、最初のパルスの平均計測値から結論付けることができる。このため、実際のガス濃度を可能な限り正確に予測できるためには、本発明の有利な一実施形態に従って、安定状態の期待最終値の推定値を最初の個別計測から得て、対応する閾値と比較することができる。

推定の２通りの可能性、すなわち、最初のパルスの期待平均計測値の偏差及び最初のパルス用に定められた閾値との比較、又は熱的安定状態の期待最終値の推定値の計算は、代替として又は組み合わせて応用できる。例えば、最初の計測パルス中に期待された平均計測値の推定値は、放射パルス中に保存された曲線の補助で最初の個別計測値から最初に計算することができ、次に、期待最終値を計算するために、ガスセンサシステムの保存された安定挙動と比較することにより、平均計測値のこの推定値を使用することができる。次に、この推定値は最終値の閾値と比較され、閾値を超えると、警報信号を発することができる。これにより、危険な状態において特に迅速に警報を始動することが可能になり、誤警報は可能な限り防止される。

安定状態、すなわち時間の関数としてパルス数の平均計測値の曲線が、例えばＰＩＤ（比例・積分・微分）制御特性に従って達成され、この種の特性の対応する説明は、本発明に従ってガスセンサ組立体の制御手段に保存することができ、推定最終値を計算するために使用することができる。

温度に関して計測値を補正し、熱的平衡状態が起きたことを示すために、ガスセンサ組立体はまた、ガス計測室の壁の温度又は放射源に近接した位置の温度を監視する温度プローブを具備してもよい。

本発明によるガスセンサ組立体の有利な特性は、特に、例えば自動車工業において漏れが生じた場所での二酸化炭素の監視、及び客室内の空気の品質検査の双方のために、二酸化炭素の検出に使用できる。しかし、ガスセンサ組立体はもちろん、いかなる他の有極性ガス用にも使用することができる。

以下、添付図面に図示される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。本発明に従った主題の同様な又は対応する詳細には、同一の参照番号が付される。

本発明に従ったガスセンサ組立体の構造及び作動モードは、図面を参照して以下に詳細に説明される。

図１に示されるように、本発明に従ったガスセンサ組立体１００は、放射源１０２、本例の場合は広帯域赤外線放射源を具備する。図示のガスセンサ組立体１００は、原理上はＮＤＩＲ（非分散型赤外線）センサとして公知のものである。赤外線放射源１０２以外の基本的な部品は、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。

検出されるガス成分が検査される試験ガス１００は、入口１１２及び出口１１４で記号化されるように、ガス計測室１０４内に送り込まれるか、又はガス計測室１０４内に拡散される。所望のガスの存在、濃度は、赤外線レンジの特定波長の吸収により、上述したように電気光学的に決定できる。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、検出されたガス分子が吸収する波長レンジのみを通過させる光学フィルタ１０６を具備する。他のガス分子は、通常この特定波長の光を吸収しないので、検出器１０８に到達する放射量に影響を与えない。

検出器１０８はいかなる適当な赤外線検出器の形態であってもよく、本発明に従った方法は各々のタイプの検出器に適合することができる。

検出器１０８は、例えば焦電（pyro）要素、赤外線熱電対、又はフォトダイオードであってもよい。適当な各検出器は、それぞれの要求事項に従って選択すべきである。フォトダイオードは比較的安価な部品であるという利点があるのに対し、熱電対検出器としての熱中性子柱は選択されたスペクトルレンジにおける特に高く一様な放射吸収の利点がある。最後に、焦電センサは、感度が高く小型に製造可能であるという利点を有する。

放射源１０２からの赤外線信号は、熱ノイズ信号が所望の信号から濾波されることを可能にするようパルス化される。制御手段１２０は、放射源１０２を稼働させると共に検出器１０８からの出力信号を処理し、特に、正規の出力信号と早期警報を可能にする警報信号とを供給する。

ガス計測室１０４の温度を検出するために、温度プローブ１１８を設けてもよい。

図２は、図１の放射源１０２から放出される光信号の時間特性を概略的に示す。基準となる低レベルの線はオフ状態を示し、高レベルの線は放射源のオン状態を示す。曲線２０１は、一定パルスシーケンスでの作動用の時間条件を示す。

ｔ＝０において、システムが始動して、放射源１０２は曲線２０１に従った光パルスを放出し始める。しかし、始動の後、ガスセンサシステムは最初に熱的に安定されなければならないので、多数の計測値（例えば１０〜１５）を使用することができない。このため、ｔ＝ｔ_mの時間になるまで実際の計測は開始しない。しかし、図２示されるパルスシーケンスと同じく早い早期警報を可能にするために、少なくとも危険な程の高濃度ガスがある場合には、危険なガス濃度かどうかを推定することができるように、本発明に従って極く最初の計測値が第２放射パルスと同じ位早く評価される。

より詳細な説明を可能にするよう図３を検討する。この図において、検出器１０８により供給される検出器信号１０９は、図２の最初の電圧パルス中に、時間の関数としての計測曲線３００としてプロットされる。

可能な限り多くのノイズを除去できるようにするために、数百回から千回の個別計測が実行され、個別の値３０４は例えば0.8秒の間で積分される。

図３の面積により記号化された積分３０２は、最初のパルスの平均計測値として使用される。本発明によれば、推定を使用してありそうな最終値を予測するために、ガスセンサユニットがオンに切り換えられた後、最初のパルスと同じくらい早期に最初の個別値３０４が使用される。推定値が予め決定された閾値を超えると、警報信号を発してもよい。

本発明の可能な一実施形態によれば、この推定は２段階で実行される。最初に、曲線３００が予測され、保存された曲線を使用して積分３０２の推定値が個別値３０４から決定される。

一シーケンス段階において、安定状態、すなわちｔ＞ｔ_mの時間での積分値の推定は、推定平均値を表わす推定積分値及び安定中のガスセンサ組立体の熱的挙動の知見から決定することができる。安定特性は例えばＰＩＤ制御特性に類似してもよいので、予測最終値の推定は最初の個別計測から正しく決定することができる。推定最終値が予め定めた閾値を超える場合、ガス濃度レベルが過度に高く、警報が即座に開始されることが推定されなければならない。推定値が臨界閾値より小さい場合、計測は恒常的に進む。すなわち、安定状態に到達するまで、最初のパルス及び続く全てのパルスの積分が形成され、ｔ＞ｔ_mの時間の後、正規の計測信号が発せられる。

本発明の有利な発展形によれば、最初の個別値３０４が警報の開始とならない場合、積分段階中に、それぞれの推定をさらに改善するために、引き続く計測値が使用される。このため、推定値は、最初のパルスの積分段階の最後において最初のパルスの実際の平均計測値に対応する。従って、最終値の推定値も引き続くパルスにわたって一定して改善することができる。

二酸化炭素検出の場合、約350〜1500ppmである通常の大気の値は、誤警報の可能性を残すが、10000〜20000ppmに設定された従来の警報閾値から十分に離れている。従って、危険な制限値は周囲状況から十分に離れているので、重大な推定エラーにもかかわらず、危険な濃度の比較的信頼性の高い早期警報を発生してもよい。早期警報は、予め定められた警報閾値を超えると直ぐに生ずる。このような場合、実際の計測値は警報メッセージに追随する。このため、本発明に従った早期警報デバイスは、危険なガス濃度警報を処理する時間を、ガスセンサシステムの始動直後に実質的に短縮することができる。

図３により、実際の時間特性において、概略的に示した個別値はもちろん、パルス積分段階によりきつく詰められ、本例示は純粋に基本的説明の目的のために選択されていることに留意されたい。

図４は、本発明に従って図１の制御手段１２０内に設けられた基本的機能ユニットを概略的に示す。制御手段は、検出器デバイスにより供給された検出器信号１０９を検出する計測値検出ユニット１２２を具備する。検出信号は、メモリデバイス１３２に保存され、パルス中に、検出器信号１０９の曲線に関連する情報に補助された最初のパルス中に、平均の推定値すなわち積分された計測値が計算される計算ユニット１２４に供給される。比較器１３４は、推定値をメモリデバイスに保存された閾値と比較し、保存された閾値を超えると出力ユニット１２６に警報信号１３６を発生させる。制御手段１２０はまた、推定積分値３０２に基づいて、安定状態での積分値の最終値を予測し、対応する推定最終値を保存された最終値の閾値と比較するよう作動することができる。

早期警報が必要でない場合、検出器デバイスはさらに検出器信号１０９を供給し、計算ユニットにより供給される推定値が最終的に実際の平均計測値に対応するまで、積分段階中の新たな推定値に基づき、計算ユニット１２４が最初のパルス中に、平均計測値の改善された一定推定値を供給する。この手順は熱的安定工程中に、更なるパルス全てについて実行されるので、定められたパルス数の後、最終値として発することができる計測信号が供給される。

従って、本発明によれば、ガスセンサシステムの始動直後に危険なガス濃度がある場合、安全性に関連した用途であっても、ガスセンサ組立体内で早期警報を実行することができる。

例えば、２個以上の赤外線放射源、又は複数の検出器の使用等の精度をさらに改善した計測ももちろん、本発明に従った方法に関係して使用することができる。

本発明の有利な一実施形態に従ったガスセンサ組立体の概略図である。 時間の関数としての図１の放射源から放出された放射パルスを示すグラフである。 図２の最初の電流パルス中に、時間の関数としての検出器信号の変化を示すグラフである。 本発明に従った制御手段を示す概略図である。

符号の説明

１００ ガスセンサ組立体
１０２ 放射源
１０４ ガス計測室
１０８ 検出器デバイス
１１０ 試験ガス
１２０ 制御手段

Claims (15)

1. 放射を放出する少なくとも１個の放射源、少なくとも１種類の被計測物を含む試験ガスで充填され得るガス計測室、及び前記放射を検出し、前記被計測物の存在及び濃度の一方又は両方に依存した出力信号を生成する少なくとも１個の検出器デバイスを具備するガスセンサ組立体を用いて、前記被計測物の存在及び濃度の一方又は両方を計測する方法において、
   前記放射源がパルスの形態で放射を放出する工程と、
   各放射パルス中に、平均計測値を発生するために多数の個別の値を記録する工程と、
   最初の放射パルス中に、前記多数の個別の値のうち最初のものを予め決定された閾値と比較する工程と、
   該閾値を超えると、警報信号を発生する工程と
   を具備することを特徴とする計測方法。
2. 前記閾値との比較工程が、
   前記最初のパルスの平均計測値の推定値を形成する工程と、
   該推定値を最大許容平均計測値により形成された閾値と比較する工程と
   を具備することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記閾値との比較工程が、
   前記ガスセンサ組立体の熱的安定の後に達成する最終値の更なる推定値を形成する工程と、
   該更なる推定値を最大許容最終値により形成された閾値と比較する工程と
   を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記放射パルス中に合計の前記多数の個別の値を介して積分することにより、平均計測値を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の計測方法。
5. 前記熱的安定後に達成する前記最終値の前記推定値は、前記検出器デバイスの保存された熱的モデルに基づいて計算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項記載の方法。
6. 前記平均計測値の変更された推定値は、放射パルス内で連続する各個別の値に基づいて計算され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項記載の方法。
7. 前記熱的安定後に達成する前記最終値の変更された更なる推定値は、連続する各放射パルスの実際に計測された平均計測値に基づいて計算され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項記載の方法。
8. 前記最初の放射パルス中に、前記多数の個別の値のうち最初のものを予め決定された閾値と比較する工程と、該閾値を超えると、警報信号を発生する工程は、少なくとも１個の連続する放射パルスに対して繰り返され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項記載の方法。
9. 予め決定された数の放射パルスの後、該予め決定された数の放射パルス中に、警報信号が発せられない場合、出力信号が発せられることを特徴とする請求項１ないし８のうちいずれか１項記載の方法。
10. 前記少なくとも１個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ないし９のうちいずれか１項記載の方法。
11. 前記ガス計測室の壁における又は前記放射源に近接した温度をさらに計測し、
    該計測された温度は、前記計測値の補正及び熱的平衡状態の達成の決定のいずれか一方又は両方に使用されることを特徴とする請求項１ないし１０のうちいずれか１項記載の方法。
12. ガス性被計測物が検出されること、及び前記ガス性被計測物の濃度が決定されることのいずれか一方又は両方であることを特徴とする請求項１ないし１１のうちいずれか１項記載の方法。
13. 前記被計測物は有極性ガスであることを特徴とする請求項１２項記載の方法。
14. 放射を放出する少なくとも１個の放射源（１０２）、少なくとも１種類の被計測物を含む試験ガス（１１０）で充填され得るガス計測室（１０４）、前記放射を検出し、前記被計測物の存在及び濃度の一方又は両方に依存した検出器信号（１０９）を生成する少なくとも１個の検出器デバイス（１０８）、及び前記放射源を駆動するために前記検出器信号を処理する制御手段（１２０）を具備するガスセンサ組立体であって、
    前記制御手段（１２０）は、請求項１ないし１３のうちいずれか１項の方法を実行するよう作動可能であるように構成されていることを特徴とするガスセンサ組立体。
15. 前記検出器デバイス（１０８）は、焦電要素、熱電対検出器又はフォトダイオードを具備することを特徴とする請求項１４記載のガスセンサ組立体。

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