JP2008502883A - Ｉｒセンサ、とりわけ、ｃｏ２センサ - Google Patents
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Abstract
下流に検出装置（７）が配置されたフィルタ装置（６）と、検出装置（７）に接続された評価装置（８）を備え、フィルタ装置（６）は、帯域フィルタとして構成され、それぞれ、通過帯域を有する第１のフィルタ（９）と第２のフィルタ（１０）を具備しており、第１のフィルタ（９）は、所定のＩＲ帯域を通過させ、第２のフィルタ（１０）は一部を通過させず、検出装置は、それぞれ、フィルタ（９、１０）と関連した２つの検出器（１４、１５）を具備しているＩＲセンサ（１）、とりわけＣＯ2センサが説明される。その目的は、こうしたＩＲセンサの利用を単純化することにある。そのため、一方のフィルタ（１０）の通過帯域が、もう一方のフィルタ（９）の通過帯域内に設定されており、評価装置（８）によって、検出器（１４、１５）の信号（Ｓ１、Ｓ２）の差が生じ、それが検出器（１４）の信号（Ｓ１）に対して正規化される。
Description
本発明は、下流に検出装置が配置されたフィルタ装置と、検出装置に接続された評価装置を備え、フィルタ装置は、帯域フィルタとして構成され、それぞれ通過帯域を有する第１のフィルタと第２のフィルタを具備しており、第１のフィルタは、所定のＩＲ帯域の通過を許すが、第２のフィルタは許さず、検出装置は、それぞれ、フィルタと関連した２つの検出器を具備している、ＩＲセンサ、とりわけＣＯ2センサに関する。
本発明については、ＩＲ吸収ガスに関するＩＲセンサに関連して後述するが、後述するように、他の目的に利用することも可能である。
ガス・センサとして構成されるこうしたセンサは、先行技術文献（例えば、特許文献１参照）によって既知である。それには、フィルタ装置を介して全部で４つの検出器に作用する、ＩＲ放射源が設けられている。フィルタ装置は、通過特性の異なる２つのフィルタを備えている。第１のフィルタは、ＣＯ2によって吸収されるＩＲ放射線の通過帯域を有している。そのフィルタは、従って、「ＣＯ2フィルタ」とも呼ばれる。下流に配置された検出器は、ＣＯ2検出器として設計されている。もう１つのフィルタは、基準量を決定するのに役立つ、異なる通過帯域を有している。その基準フィルタの下流に配置された検出器は、基準検出器と呼ばれる。ＩＲ源と２つのフィルタの間には、固有密度フィルタと呼ばれる第３のフィルタが配置され、第１のフィルタの半分及び第２のフィルタの半分と重なっている。従って、２つのＣＯ2検出器の一方と、基準検出器の一方は、固有密度フィルタと、ＣＯ2フィルタまたは基準フィルタの両方を通過したＩＲ放射線だけを受光する。評価装置において、２つのＣＯ2検出器の出力信号の差、及び、２つの基準検出器の出力信号の差が生じる。２つの差は、次に、互いに割られる。こうしたＣＯ2センサは、例えば、麻酔中の患者をよりしっかりとモニタできるようにするため、患者の呼吸中のＣＯ2を測定するのに必要とされる。
先行技術文献（特許文献２参照）に、ガス・センサ、とりわけ、ＣＯ2センサのもう１つの利用分野の記載がある。この文献におけるＣＯ2センサは、その計測量を用いて室内状態を制御できるようにするため、室内のＣＯ2含量（二酸化炭素含量）を測定するために利用される。
室内におけるＣＯ2濃度は、８００ｐｐｍ〜１２００ｐｐｍが望ましい。というのは、濃度がさらに高くなると、疲労症状を生じる可能性があるからである。市街地における普通の濃度は、通常、約４００ｐｐｍである。ＣＯ2センサを用いると、所望のＣＯ2の濃度を実現するのに、供給しなければならない新鮮な空気量を求めることが可能になる。同じ考慮事項は、例えば、ＣＯ（一酸化炭素）等のような、規定の含有量を超えてはならない他のガスにも当てはまる。
上述のように、本発明は、ＣＯ2の測定に関連して後述されるが、他のガスへの利用にも適している。
空気中のＣＯ2を測定する方法の１つは、非分散型赤外分光法（ＮＤＩＲ）が用いられる、気相ベース・センサに基づくものである。こうしたＣＯ2含量測定方法は、ＣＯ2が赤外線を吸収するということに基づいて行われる、すなわち、特定の厳密に決められた波長範囲内におけるＩＲ放射線の含有量は、ＣＯ2濃度の測定に利用可能な量である。
こうしたセンサの欠点は、比較的大きい電力を必要とするという点にある。特許文献１によって既知の装置は、長期使用に関して、いかなる場合でも、バッテリ駆動式の使用に向かないものにする放射線源を必要とする。さらに、こうしたＩＲ源は、一般に、所定の昇温期間を必要とするので、ある程度前もって準備しなければ、所望の際に、必ず測定を実施できるとは限らない。
本発明の目的は、ＩＲセンサの利用を単純化することにある。
この目的は、１つのフィルタの通過帯域がもう１つのフィルタの通過帯域内に設定されており、評価装置によって、検出器の信号に差が生じ、それが１つの検出器の信号に対して正規化される、冒頭で述べた種類のガス・センサによって解決される。
その構成によれば、評価することが可能なＩＲ放射線が大幅に増すことになる。従って、各検出器毎に１つの範囲だけが検出されるように、ＩＲ放射線が２つの独立した範囲に分割されることはない。代わりに、１つの検出器によって、あらかじめ設定されたスペクトル範囲を有するＩＲ放射線が検出されるが、このスペクトル範囲には、例えば、測定されるガス、この場合、ＣＯ2の吸収スペクトルも含まれている。他の検出器によって、その部分範囲からのＩＲスペクトルが検出されるが、これには、測定されるガスの吸収スペクトルは含まれていない。センサの感度は、従って、かなり高くなる、すなわち、センサに対するＩＲ放射線の供給量については、比較的わずかな要求しかなされない。検出器の出力信号間に差が生じるので、干渉信号、例えば、背景ノイズ等が除去される。検出器の出力信号に対してその差を正規化することによって、ＩＲ放射線の強度の変動を補償することが可能になる。３つ以上のセンサと、対応するより多数のフィルタを併用することも可能になり、この結果、個々の通過範囲がそれに応じて重なることになる。こうしたセンサの場合、例えば、温度、室内における動き、室内にいる人数等に関連した他の情報を得ることも可能である。検出することが可能な放射線が大幅に増すので、電力消費を抑えることが可能であり、その結果、必要な電力をバッテリで供給することも可能になる。そのため、さらに、特定場所での取り付け及び利用に関連した自由度が増すことになる。このセンサは、その信号を無線送信することが可能である。
第１のフィルタの通過帯域は、第２のフィルタの通過帯域より広いのが望ましい。従って、第１のフィルタには、第２のフィルタによって通過が許されるスペクトル範囲が含まれるだけではなく、ＩＲ放射線が吸収されるスペクトル範囲も含まれている。
２つのフィルタは、共通の遮断波長を有しているのが望ましい。それによって、評価が単純化される。さらに、追加計算ステップを必要とせずに、検出器の出力信号間の差を容易に生じさせることが可能になる。遮断波長は、通過帯域を規制する、すなわち、限定する波長である。それらは、「開始波長」及び「終了波長」とも呼ばれる。
ここでは、両方のフィルタの開始波長が同じであることが望ましい。「開始波長」は、フィルタが、それを起点として放射線を通過させる波長である。「同じ」開始波長は、数学的意味において同一である必要はない。例えば、５％といった、通常の許容誤差は完全に許容される。こうした許容誤差は測定結果に影響を及ぼすが、その影響は容認できる。
両フィルタとも、直列をなすフィルタ素子によって形成され、フィルタ素子の１つが、両フィルタにとって同じであり、遮断波長を決めるのが望ましい。従って、２つのフィルタ素子が、放射方向に、すなわち、ＩＲ放射線源と検出器の間に交互に配置される。「開始波長」が、両フィルタにとって同じフィルタ素子によって決まり、通過帯域の限界を設ける「終了波長」が、２つの他のフィルタ素子によって決まるように、フィルタ装置を構成することも可能である。それは、２つのフィルタの通過帯域を比較的高い正確度で設定できるようにする単純な手段である。
第１のフィルタの通過帯域は、第２のフィルタの通過帯域より０．３〜０．７μｍ広いのが有利である。第１のフィルタは、基本的に、ＩＲスペクトルの比較的狭い波長範囲またはスペクトル範囲、すなわち、ＩＲ放射線がＣＯ2によって吸収される範囲だけを対象とするのが望ましい。示された範囲は、これに関して十分である。他のガスによる吸収が測定結果に悪影響を及ぼし、その結果を誤ったものにする恐れが少ない状態に保たれる。
ここで、第１のフィルタの通過帯域は、３．６〜４．５μｍの範囲で、第２のフィルタの通過帯域は、３．６〜４．０μｍの範囲が望ましい。
一般に、共通のスペクトル範囲が、第１のフィルタによって通過させられるスペクトル範囲のほぼ半分のサイズであると言える。もちろん、検出されるガスまたは他の量に従って、それらのスペクトル範囲をシフトさせることが可能である。しかし、それらの波長範囲は、ＣＯ2にとって有利である。
とりわけ望ましい構成の場合、センサは、環境からの自然ＩＲ放射線を利用する。従って、独立した電源を必要とし、それ相応の所定の電力要件を有する放射線源は不要になる。ＩＲ放射線は、たとえ日光が入射しなくても、一般に、どこにでも存在する。原則的には、すべてのものがある量の熱放射線を有する。従って、ＩＲ放射線源がなくても実施することができるので、「測定範囲」が、拡大されることにもなる、すなわち、問題となるガスの含量に関して、室内の比較的広い領域をモニタすることが可能になる。このため、「個人室内状態」または室内空気質のモニタと確証が容易になる。最初に、室内の空気をセンサまで導く必要がなくなり、室内の空気は、ＩＲ放射線源と上流にフィルタを備えた検出器との間に通すことになる。云ってみれば、モニタすべき空気の量を「実測」可能な室内のポイントにセンサを配置すれば十分である。その場合、ガス・センサは、云わば、単純な方法で平均ガス濃度を検出することができる。従って、センサによって、とりわけ、個人の室内状態に関して、大幅に改善された測定結果を構成する平均値が求められることになる。もちろん、センサを利用して、ランプまたは他の照明手段で機能するセンサ・テクノロジを改良することも可能である。自然または周囲ＩＲ放射線を利用する場合、照明手段のエネルギを削減することが可能になる。その結果、保守間隔が長くなり、耐用年数が延びることになる。
評価装置は、第１の検出器の信号に対して差を正規化するのが望ましい。換言すれば、正規化には、ＣＯ2含量を含む信号が利用される。その手法によれば、動的性能が幾分向上する。
フィルタには、ＣａＦ2、ゲルマニウム、または、シリコンを含むのが望ましい。シリコンには、透過率を改善するため、反射防止コーティングを施すのが望ましい。
本発明については、図面に関連した、望ましい典型的な実施形態に準拠して後述することにする。
図１には、測定領域２におけるＣＯ2含量（二酸化炭素含量）を測定するためのガス・センサ１の概略図が示されている。測定領域は、例えば、個人室内の状態を調節すべき、部屋または部屋の一部である。太陽の記号３は、自然ＩＲ源を表わしている。太陽の記号３は、ここでは、ただ単に説明の役目を果たすだけのものである。原理上、ほぼいかなる物体も熱を放射し、従って、ＩＲ光線を発生するので、ガス・センサ１は、日光がなくても機能する。
測定領域２には、多数のＣＯ2分子が存在し、ＣＯ2分子は、ここでは、小さい円によって表示されている。ガス分子４は、矢印５で示すように、特定のスペクトル範囲内のＩＲ放射線を吸収する。ＣＯ2の濃度が高まるほど、ガス・センサ１で検出可能な、特定スペクトル範囲内のエネルギが小さくなる。
図４には、ガス・センサ１の構造を説明するためのブロック回路図が概略形式で示されている。ガス・センサ１は、フィルタ装置６、検出装置７、評価装置８を備えている。この図には、ハウジング、固定手段等といった、さらなる詳細については示されていない。
フィルタ装置は、第１のフィルタ９と第２のフィルタ１０を備えている。２つのフィルタの通過特性は異なっており、図２に示されている。第１のフィルタの通過帯域はＦ１である。第２のフィルタの通過帯域はＦ２である。２つの通過帯域Ｆ１、Ｆ２は、同じ下限Ｌから始まるが、上限が異なり、通過帯域Ｆ１の上限はＵ１で、通過帯域Ｆ２の上限はＵ２である。第１の通過帯域Ｆ１の上限Ｕ１と上限Ｕ２との間の距離は、約０．３〜約０．７μｍ、例えば、０．５μｍといった程度である。
第１のフィルタ９の通過帯域Ｆ１が第２のフィルタ１０の通過帯域Ｆ２より広い範囲内に、ＩＲ放射線がＣＯ2によって吸収されるスペクトル範囲λ（ＣＯ2）が存在する。そのスペクトル範囲は、約４．２〜４．３μｍに位置する。従って、第１の通過帯域Ｆ１の上限Ｕ１を約４．５μｍに設定し、第２の通過帯域Ｆ２の上限Ｕ２を約４．０μｍに設定し、両方の通過帯域Ｆ１、Ｆ２に共通の下限Ｌを３．６μｍに設定する。
これは、通過帯域Ｆ１の上限Ｕ１を決める第１のフィルタ素子１１を備える第１のフィルタ９によって、比較的簡単に実施することが可能である。第２のフィルタ１０は、第２の通過帯域Ｆ２の上限Ｕ２を決める第２のフィルタ素子１２を備えている。２つのフィルタ９、１０に共通して、２つの通過帯域Ｆ１、Ｆ２の下限Ｌを決める第３のフィルタ素子１３が設けられている。第３のフィルタ素子１３は、第１のフィルタ９の通過帯域Ｆ１の上限Ｕ１を超える通過上限を有している。第１及び第２のフィルタ素子の通過下限は、第３のフィルタ素子１３の下限Ｌ未満である。
従って、第１のフィルタ９の範囲内において、フィルタ装置６は、図３に参照文字Ａで表示のエネルギを有するＩＲ放射線を通過させる。そのエネルギが、ＣＯ2によって吸収される量Ｃだけ減少する。第２のフィルタ１０の範囲内において、フィルタ装置６は、図３に参照文字Ｂで表示のエネルギを通過させる。そのエネルギは、ＣＯ2によって影響されないので、ほぼ一定である。
その結果、検出装置７によって異なるエネルギが検出される。検出装置７は、第１のフィルタ９を通過するＩＲ放射線を検出する第１の検出器１４と、第２のフィルタ１０を通過するＩＲ放射線を検出する第２の検出器１５を備えている。２つの検出器１４、１５は、「サーモパイル」としても知られる、熱電素子の形態をとることが可能である。発生するＩＲ放射線に応じて、各検出器は、入射するＩＲ放射線が多くなればなるほど増大する、電圧または電流、すなわち、電気量を発生する。従って、第１の検出器１４は、信号Ｓ１を発生し、第２の検出器１５は、信号Ｓ２を発生する。
サーモパイル・センサは、例えば、ドイツ、ウィースバーデン、Ｄ−６５１９９のＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ有限責任会社から入手可能である。
サーモパイル・センサの場合、通常、温度測定が実施されるので（出力信号が温度によって変動するので）、センサ周囲の温度測定値は、既に織り込み済みである。室内の放射線温度は、やはり、センサによって得ることができると考えられるので、それら２つの測定値に基づいて、動作温度を同時に直接求めることが可能であり、この動作温度は、その後、室温または全く異なるものの制御に利用することが可能になる。
ＩＲに関連して、室内における動きをセンサで直接測定することも可能であり、その結果は、後で、例えば、室内に誰かがいることを示す動きが生じた場合にのみ起動される、換気システムの制御に利用することができる。さまざまな動きの測定に基づいて、室内にいる人数の推定も可能になり、こうした推定値を制御目的に利用し、室内にいる人数に基づいて、室温または換気を制御／加減することも可能である。
２つの信号Ｓ１、Ｓ２が、評価装置８に供給されるが、両信号とも、妨害成分を含んでいる。妨害成分は、両検出器１４、１５ともほぼ同じであると仮定する。従って、これにより、次のようになる。
Ｓ１＝ａ（ＩCO2＋Ｉn）
Ｓ２＝ａ（Ｉref＋Ｉn）
ここで、ＩCO2は、例えば、電流または電圧といった、ＩＲ放射線に関する情報を含む電気量であり、一方、Ｉrefは、ＩＲ放射線によって影響されない基準量である。Ｉnについては、添字ｎはノイズを表わしている。Ｓ１とＳ２の間に差が生じると（そのための、差生成装置１６の概略が示されている）、下記の量が求められる。
Ｓ１−Ｓ２＝ａ（ＩCO2−Ｉref）
この式では、ノイズ成分が無くなっている。
Ｓ１＝ａ（ＩCO2＋Ｉn）
Ｓ２＝ａ（Ｉref＋Ｉn）
ここで、ＩCO2は、例えば、電流または電圧といった、ＩＲ放射線に関する情報を含む電気量であり、一方、Ｉrefは、ＩＲ放射線によって影響されない基準量である。Ｉnについては、添字ｎはノイズを表わしている。Ｓ１とＳ２の間に差が生じると（そのための、差生成装置１６の概略が示されている）、下記の量が求められる。
Ｓ１−Ｓ２＝ａ（ＩCO2−Ｉref）
この式では、ノイズ成分が無くなっている。
その差Ｓ１−Ｓ２は、第１の検出器１４の出力信号Ｓ１に対して正規化されて、信号Ｓ３が得られる。
Ｓ３＝（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１＝ａ（ＩCO2−Ｉref）／ａ（ＩCO2＋Ｉn）
Ｓ３＝（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１＝ａ（ＩCO2−Ｉref）／ａ（ＩCO2＋Ｉn）
出力信号Ｓ３は、次には、妨害値Ｉnによる影響を受けるが、その妨害はごくわずかである。しかしながら、測定領域２のＣＯ2含量に関連して得られる情報は、極めて信頼性の高いものである。
図５には、再度、２つのフィルタ９、１０の異なる通過帯域Ｆ１、Ｆ２が示されており、そこから、２つの通過帯域間の相違をはっきりと認めることが可能である。
図６には、２つの通過帯域Ｆ１、Ｆ２から得られる差が示され、それには、ＣＯ2に関する吸収スペクトル１７が表示されている。
ガス・センサは、約３００〜約１５００ｐｐｍの範囲内のＣＯ2濃度を確実に測定することが可能である。
例えば、窒素、一酸化窒素、酸素、または、ＣＯといった他のガスを測定すべき場合には、通過帯域を然るべくシフトしなければならない。しかし、どの場合にも、可能性のある最大エネルギ収量を検出器１４、１５に伝えることができるように、通過帯域が確実に重なり合うようにすべきである。
センサの上流に、集光装置、すなわち、ＩＲ放射線を集めるかまたは集束させる、例えば、コリメータのような装置を配置することも可能である。また、それは、センサをも改善する。
こうしたセンサは、廃ガスのモニタに直接利用することも可能である。そのため、センサは、煙突または排気管に取り付けることが可能である。従って、とりわけ、加熱システムの場合、センサ（または複数のセンサ）の出力信号を用いて、燃焼を制御することが可能である。
１ ガス・センサ、６ フィルタ装置、７ 検出装置、８ 評価装置、９ 第１のフィルタ、１０ 第２のフィルタ、１１ 第１のフィルタ素子、１２ 第２のフィルタ素子、１３ 第３のフィルタ素子、１４ 第１の検出器、１５ 第２の検出器
Claims (10)
- 下流に検出装置が配置されたフィルタ装置と、前記検出装置に接続された評価装置を備え、前記フィルタ装置は、帯域フィルタとして構成され、それぞれ、通過帯域を有する第１のフィルタと第２のフィルタを具備しており、前記第１のフィルタは、所定のＩＲ帯域を通過させ、前記第２のフィルタは異なり、前記検出装置は、それぞれ、フィルタと関連した２つの検出器を具備している、ＩＲセンサ、とりわけＣＯ2センサであって、一方のフィルタ（１０）の通過帯域（Ｆ２）が、もう一方のフィルタ（９）の通過帯域（Ｆ１）内に設定され、前記評価装置（８）が、前記検出器（１４、１５）の信号（Ｓ１、Ｓ２）に差を生じさせ、それが検出器（１４）の信号（Ｓ１）に対して正規化されることを特徴とする、ＩＲセンサ。
- 前記第１のフィルタ（９）の通過帯域（Ｆ１）が、前記第２のフィルタ（１０）の通過帯域（Ｆ２）より広いことを特徴とする、請求項１に記載のＩＲセンサ。
- 前記２つのフィルタ（９、１０）が共通遮断波長（Ｌ）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のＩＲセンサ。
- 前記２つのフィルタ（９、１０）が同じ開始波長（Ｌ）を有することを特徴とする、請求項３に記載のＩＲセンサ。
- 前記２つのフィルタ（９、１０）が、直列をなすフィルタ素子（１１、１３；１２、１３）によって形成されることと、フィルタ素子の１つ（１３）が、両方のフィルタ（９、１０）にとって同じであり、遮断波長（Ｌ）を決めることを特徴とする、請求項３または４に記載のＩＲセンサ。
- 前記第１のフィルタ（９）の通過帯域（Ｆ１）が、前記第２のフィルタ（１０）の通過帯域（Ｆ２）より０．３〜０．７μｍ広いことを特徴とする、請求項１〜５の任意の１つに記載のＩＲセンサ。
- 前記第１のフィルタ（９）の通過帯域が、３．６〜４．５μｍの範囲内であり、前記第２のフィルタ（１０）の通過帯域（Ｆ２）が、３．６〜４．０μｍの範囲内であることを特徴とする、請求項６に記載のＩＲセンサ。
- 環境からの自然ＩＲ放射線（３）を利用することを特徴とする、請求項１〜７の任意の１つに記載のＩＲセンサ。
- 前記評価装置（８）によって、前記第１の検出器（１４）の信号（Ｓ１）に対して前記差が正規化されることを特徴とする、請求項１〜８の任意の１つに記載のＩＲセンサ。
- 前記フィルタ（９、１０）にＣａＦ2、ゲルマニウム、または、シリコンが含まれることを特徴とする、請求項１〜９の任意の１つに記載のＩＲセンサ。
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