JP2010048645A

JP2010048645A - 濃度測定装置

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Publication number: JP2010048645A
Application number: JP2008212515A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Miyazaki; 芳郎宮崎; Junya Tanigawa; 純也谷川
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-21
Also published as: JP5562538B2

Abstract

【課題】雰囲気中の測定対象の気体の濃度を精度良く測定することができる濃度測定装置を提供する。
【解決手段】光源７と、光源７からの光を導く気体サンプル室２と、気体サンプル室２から導かれた光源７からの光を受光する赤外線センサ１４及び光源７と赤外線センサ１４との間に予め定めた波長の光のみを透過させる透過部材１５が設けられた受光部４１と、赤外線センサ１４が受光した光源７からの光の強さに基づいて、気体サンプル室２内の二酸化炭素の濃度を算出するμｃｏｍ５と、を備えた濃度測定装置１において、赤外線センサの冷接点に分圧回路２３を接続して所定のバイアス電圧を印加する。
【選択図】図４

Description

本発明は、二酸化炭素などの所定の気体の濃度を測定する濃度測定装置に関する。

例えば、二酸化炭素などの所定の気体の濃度を測定する濃度測定装置は、光源と、前記光源からの光を導く気体サンプル室と、前記気体サンプル室から導かれた前記光源からの光を受光するセンサ及び前記光源と前記センサとの間に予め定めた波長の光のみを透過させる透過部材が設けられた受光部と、前記センサが受光した前記光源からの光の強さに基づいて前記気体サンプル室内の予め定められた気体の濃度を算出する濃度算出部と、を備えている。

光源は、例えば、赤外線を放射する。受光器は、赤外線センサと、前記赤外線センサと光源との間に配置されて所定の波長の赤外線のみを透過するフィルタとを備えている。フィルタを透過する赤外線の波長は、測定対象の気体の濃度により定められる。

そして、濃度測定装置は、気体サンプル室内に雰囲気をポンプなどによって供給し、フィルタを介して赤外線センサが受光した光源からの赤外線の強さを測定することで、前記雰囲気中の前述した測定対象の気体の濃度を測定する（例えば特許文献１を参照）。
特開２００７−２１２３１５号

しかしながら、前述した特許文献１などに示された従来の濃度測定装置は、赤外線センサのグランド側の電位は０電位に接地されるために、発光部に用いられる発光源の熱揺らぎによってセンサ出力にうねりが生じてしまい、そのうねりがノイズとなって精度良く濃度を測定することが困難であった。

そこで、本発明は、雰囲気中の測定対象の気体の濃度を精度良く測定することができる濃度測定装置を提供すること課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、光源と、前記光源からの光を導く気体サンプル室と、前記気体サンプル室から導かれた前記光源からの光を受光するセンサ及び前記光源と前記センサとの間に予め定めた波長の光のみを透過させる透過部材が設けられた受光部と、前記センサが受光した前記光源からの光の強さに基づいて前記気体サンプル室内の予め定められた気体の濃度を算出する濃度算出部と、を備えた濃度測定装置において、前記センサに所定のバイアス電圧を印加するバイアス印加手段を備えたことを特徴とする濃度測定装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記バイアス印加手段が、予め定めた一定の電圧を供給する定電圧源を備え、前記定電圧源から供給された一定電圧を印加することを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記バイアス印加手段が、前記定電圧源から供給される一定電圧を分圧する抵抗を備え、前記抵抗によって分圧された電圧を印加することを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の発明において、前記受光部には前記センサが複数設けられているとともに、これら複数のセンサにそれぞれ対応する前記透過部材の透過する波長が互いに異なることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、複数の前記センサのうち一方のセンサが受光した前記光源からの光の強さと、他方のセンサが受光した前記光源からの光の強さと、を減算する減算手段を備え、前記バイアス印加手段が、前記減算手段の結果または前記光源消灯時の前記複数のセンサの出力に基づいて、前記一方のセンサと前記他方のセンサとのバイアス電圧が等しくなるように調整することを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記濃度算出部が、前記減算手段の減算結果に基づいて前記気体の濃度を算出することを特徴とするものである。

以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、バイアス印加手段によりセンサに所定のバイアス電圧を印加することができるので、光源をパルス点灯させたときの当該センサの下端値となるロー側の出力値を確実に検出することができるために、光源側の熱揺らぎによるセンサ出力波形の変動によって生じていたノイズを無くして精度良く安定した測定を行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、バイアス印加手段が、定電圧源を備えているので、その定電圧源から供給された一定電圧をバイアス電圧としてセンサに供給することができ、光源側の熱揺らぎによるセンサ出力波形の変動によって生じているノイズを無くして精度良く安定した測定を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、バイアス印加手段が定電圧源の一定電圧を抵抗で分圧してバイアス電圧としてセンサに供給しているので、光源側の熱揺らぎによるセンサ出力波形の変動によって生じているノイズを無くして精度良く安定した測定を行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、受光部に複数のセンサが設けられているとともに、複数のセンサにそれぞれ対応する透過部材の波長が互いに異なっているので、複数種類の気体の濃度を測定することができる。

請求項５に記載の発明によれば、減算手段で、複数のセンサのうち一方のセンサが受光した光源からの光の強さと、他方のセンサが受光した光源からの光の強さとを減算して、その減算結果または光源消灯時の複数のセンサの出力に基づいてバイアス印加手段が一方のセンサと他方のセンサとのバイアス電圧が同一になるように調整しているので、センサ間の個体差や温度差なども吸収して高精度に複数のセンサのバイアス電圧を等しくすることができる。

請求項６に記載の発明によれば、減算手段の減算結果に基づいて気体の濃度を算出しているので、気体の濃度測定の分解能を高くすることができるためにより高精度に濃度を測定することができる。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態に係る濃度測定装置を、図１乃至図７を参照して説明する。

濃度測定装置１は、図１に示すように、濃度の測定対象の気体を含んだ雰囲気が充填される気体サンプル室２と、発光部４０と、受光部４１と、制御回路部３と、受光回路部４と、濃度算出部としてのマイクロコンピュータ（以下、μｃｏｍと記載する）５と、を備えている。

気体サンプル室２は、図１に示すように、測定セル６を備えている。測定セル６は、円筒状に形成されて、後述する光源７からの赤外線を受光ユニット８に導くように形成されている。

発光部４０は、測定セル６の一端に備えられて例えば略箱状に形成され、内部に光源７が設けられている。光源７は、電圧が印加されることで、光としての赤外線を測定セル６の一端部から他端部に向かって放射する。光源として、例えば黒体炉、電球等が用いられる。また、光源７には、リフレクタ３０が取り付けられている。リフレクタ３０は、光源７から出射された光を反射させ、受光ユニット８へ平行光として向かわせる。

受光部４１は、測定セル６の他端に備えられて例えば略箱状に形成され、内部に受光ユニット８が設けられている。受光ユニット８は、図２及び図３に示すように、ユニット本体１１と、複数の受光器１２と、集光部材１３と、を備えている。ユニット本体１１は、箱状に形成されている。また、発光部４０と受光部４１には外部の雰囲気を供給または排出するための図示しない供給部を備え、この供給部はポンプと配管などが接続され、気体サンプル室２内に雰囲気を強制的に供給し、気体サンプル室２内の気体を強制的に排出する。

受光器１２は、図示例では、２つ設けられている。受光器１２は、それぞれ、センサとしての赤外線センサ１４と、透過部材１５とを備えている。赤外線センサ１４は、ユニット本体１１に取り付けられている。複数の受光器１２の赤外線センサ１４は、同一平面上に配置されている。赤外線センサ１４は、光源７が発しかつ透過部材１５を透過した赤外線を受光し、この赤外線の熱を電気エネルギーに変換する。赤外線センサ１４は、赤外線の熱を電気エネルギーに変換して、センサ出力としてμｃｏｍ５に向かって出力する。赤外線センサ１４として、例えばサーモパイル型のものが用いられる。

透過部材１５は、ユニット本体１１に取り付けられて、赤外線センサ１４と光源７との間に配置されている。複数の受光器１２の透過部材１５は、同一平面上に配置されている。透過部材１５は、それぞれ、光源７からの赤外線のうち予め定められた波長の赤外線のみを透過して、当該透過した波長の赤外線を赤外線センサ１４まで導く。複数の受光器１２の透過部材１５は、互いに透過する赤外線の波長が異なる。

透過部材１５は、その透過する赤外線の波長は、濃度測定装置１が濃度の測定対象とする気体に応じて定められる。透過部材１５の透過する赤外線の波長は、濃度の測定対象の気体に対する透過率が小さな赤外線の波長にされる。なお、受光器１２は、二酸化炭素を測定対象の気体としている。図示例では、一方の受光器１２は、基準として用いられ、その透過部材１５が大気中で全く減衰しない波長が４．０μｍ付近の赤外線のみを透過する。他方の受光器１２は、二酸化炭素の濃度を測定するために用いられ、その透過部材１５が前述した二酸化炭素中で減衰しやすい波長が４．３μｍ付近の赤外線のみを透過する。

集光部材１３は、例えば３００度などの所定の角度の範囲の赤外線を集光して、透過部材１５つまり赤外線センサ１４に集中させる。すると、光源７から直接入射する赤外線以外にも、測定セル６の外壁の内面で反射す赤外線も赤外線センサ１４に集めることができるので、赤外線の受光効率を良くすることができる。なお、集光部材１３として、フレーネルレンズ等を用いることができる。

制御回路部３は、図１に示すように、発振器１６、クロック分周回路１７、定電圧回路１８などを備えており、μｃｏｍ５の命令とおりに、所定の周波数で光源７を点滅させる。

受光回路部４は、図４に示すように、複数のアンプ１９と、切り換え器２０と、Ａ／Ｄ変換器２１と、分圧回路２３と、を備えている。アンプ１９は、それぞれ、赤外線センサ１４と１対１に対応して設けられている。アンプ１９は、対応する赤外線センサ１４からの信号を増幅して、切り換え器２０を介してＡ／Ｄ変換器２１に向かって出力する。Ａ／Ｄ変換器２１は、赤外線センサ１４からの信号をデジタル信号に変換して、μｃｏｍ５に向かって出力する。

バイアス印加手段としての分圧回路２３は、図４に示すようにサーモパイルの冷接点側に所定の一定電圧を印加する。分圧回路２３は、予め定められた一定電圧を出力する定電圧源２４に抵抗２５、抵抗２６が直列に接続された回路であり、この抵抗２５と抵抗２６との中間点を赤外線センサ１４（サーモパイル）の冷接点に接続している。これによって、定電圧源２４を抵抗２５と抵抗２６との抵抗値の比で分圧した電圧が、バイアス電圧として冷接点に印加される。この分圧回路２３は、１つで複数の赤外線センサ１４に共通に接続してもよいし、それぞれの赤外線センサ１４に個別に設けてもよい。

また、図４の分圧回路を設けずに図５に示すようにＤＣ電源（定電圧源）から直接赤外線センサ１４の冷接点に接続してもよい。この場合も２つの赤外線センサ１４に共通に接続しもよいし、それぞれ個別にＤＣ電源を設けてもよい。

μｃｏｍ５は、制御回路部３及び受光回路部４と接続して、これらの動作を制御することで、濃度測定装置１全体の動作をつかさどる。μｃｏｍ５は、予め定められたプログラムに従って動作するコンピュータである。このμｃｏｍ５は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵのためのプログラム等を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種のデータを格納するとともにＣＰＵの処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ等を有して構成している。

また、μｃｏｍ５には、濃度測定装置１自体がオフ状態の間も記憶内容の保持が可能な電気的消去／書き換え可能な読み出し専用のメモリが接続している。そして、このメモリには、濃度の算出に必要な吸光係数、測定距離、濃度変換係数等の各種情報を記憶するとともに、算出した濃度を外部から読出可能に時系列的に記憶する。

前述した構成の濃度測定装置１は、光源７を点滅（パルス点灯）させて、この光源７からの赤外線を各赤外線センサ１４で受光する。そして、濃度測定装置１のμｃｏｍ５は、赤外線センサ１４に受光した赤外線の強さなどに基づいて、予め定められた気体（二酸化炭素）の雰囲気中の濃度を測定する。具体的には、濃度測定装置１のμｃｏｍ５は、基準として用いられる赤外線センサ１４で受光した赤外線の強さと、二酸化炭素を測定するための赤外線センサ１４で受光した赤外線の強さとを比較して、測定対象の二酸化炭素の濃度を測定する。

このとき、赤外線センサ１４の出力波形は図６に示すような波形となる。二酸化炭素の濃度は光源７をパルス点灯させたことによって生じる２つの赤外線センサ１４の出力波形のＨｉ（山）の値とｌｏ（谷）の値との差をそれぞれ算出してその値を比較して測定する。本実施形態の場合、図４や図５に示した回路によるバイアス電圧によって赤外線センサ１４の出力が嵩上げされる。つまり０電位（接地電位）よりも高い電位を印加することでパルス波形のｌｏ部分の値が確実に測定できるために、図６のように波形のうねりによるノイズの影響を排除することができる。

本実施形態によれば、濃度測定装置１の受光部４１に設けられている赤外線センサ１４の冷接点に分圧回路２３によって所定のバイアス電圧を印加しているので、赤外線センサ１４の出力波形のｌｏ部分を確実に測定することができ、光源７の熱揺らぎによる出力波形のうねりによって生じていたノイズの影響を無くすことができる。したがって、精度良く気体の濃度を測定することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態を図７を参照して説明する。なお、前述した第１の実施形態と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、受光回路部４が第１の実施形態と異なる。本実施形態の受光回路部４は、複数のアンプ１９と、切り換え器２０と、Ａ／Ｄ変換器２１と、減算回路２７と、複数のＤ／Ａ変換器２８とを備えている。複数のアンプ１９と、切り換え器２０と、Ａ／Ｄ変換器２１と、は第１の実施形態と同様である。減算手段としての減算回路２７は、アンプ１９の出力同士の減算を行う回路である。具体的には４．０μｍ付近の赤外線を受光した赤外線センサ１４のアンプ１９を介した出力から４．３μｍ付近の赤外線を受光した赤外線センサ１４のアンプ１９を介した出力を減算してその減算値を増幅する。Ｄ／Ａ変換器２８は、それぞれ、赤外線センサ１４と１対１に対応して設けられ、μｃｏｍ５によって算出されたバイアス電圧値をアナログ電圧に変換して赤外線センサ１４にバイアス電圧として印加する。

本実施形態では、当初はμｃｏｍ５に予め設定されている所定の０電位（接地電位）よりも高いバイアス電圧値をＤ／Ａ変換器２８を介して２つの赤外線センサ１４にそれぞれ印加し、減算回路２７で算出した４．０μｍ付近の赤外線を受光した赤外線センサ１４の（アンプ１９を介した）値と４．３μｍ付近の赤外線を受光した赤外線センサ１４の（アンプ１９を介した）値との差を検出して、μｃｏｍ５において、２つの赤外線センサ１４のバイアス電圧が同一となるように（つまり、差分が０になるように）調整してＤ／Ａ変換器２８へ調整後のバイアス電圧値を出力する。すなわち、本実施形態ではμｃｏｍ５がバイアス印加手段となって、減算回路の結果に基づいて、２つのセンサのバイアス電圧が等しくなるように調整している。これによって、２つ赤外線センサ１４のバイアス電圧をより高精度に一致させることができるため気体（二酸化炭素）の濃度算出の精度を高めることができる。

そして、本実施形態では、減算回路２７で算出した４．０μｍ付近の赤外線を受光した赤外線センサ１４の（アンプ１９を介した）値と４．３μｍ付近の赤外線を受光した赤外線センサ１４の（アンプ１９を介した）値との差を増幅した値に基づいてμｃｏｍ５で濃度を算出している。これによって、図６の波形のＨｉとｌｏとの差に基づいて算出するよりも濃度算出の分解能を上げることができる。

また、本実施形態では、上述した減算回路２７を用いたバイアス電圧の調整の他に、２つの赤外線センサ１４のアンプ１９を介した出力値のうち、図６の波形のｌｏの値に基づいて調整する方法がある。詳細に説明すると、このｌｏの期間は、光源７がパルス点灯している際の消灯時の期間であるために、このときに測定される値は赤外線センサ１４が受光した光の強さではなくバイアス電圧そのものとなる。したがって、ｌｏ期間の２つの赤外線センサ１４の出力（バイアス電圧）を測定して、それらが等しくなるようにμｃｏｍ５で調整すればよい。すなわち、光源７消灯時の複数の赤外線センサ１４の出力に基づいて、一方の赤外線センサ１４と他方の赤外線センサ１４とのバイアス電圧が等しくなるように調整している。

なお、本実施形態では、上述した減算回路２７を用いる方法と、光源７消灯時の赤外線センサ１４の出力を用いる方法と、のどちらも可能となるように受光回路部４が構成されているので、上述した減算回路２７を用いる方法または光源７消灯時の赤外線センサ１４の出力を用いる方法のいずれかを適宜選択して行えばよい。また、バイアス電圧の調整方法は、一方の赤外線センサ１４の電圧を他方の赤外線センサ１４の電圧に合わせる方法でも良いし、一方の赤外線センサ１４の電圧と他方の赤外線センサ１４の電圧との中間の電圧に合わせる方法でもよい。

本実施形態によれば、減算回路２７で４．０μｍ付近の赤外線を受光した赤外線センサ１４の値と４．３μｍ付近の赤外線を受光した赤外線センサ１４の値との差を算出し、その値に基づいて２つの赤外線センサ１４のバイアス電圧が等しくなるように（差分が０になるように）μｃｏｍ５で調整しているので、赤外線センサ１４間の個体差や温度差なども吸収して高精度に２つの赤外線センサのバイアス電圧を等しくすることができる。したがって、気体の濃度測定がより高精度に行うことができる。

また、光源７を消灯した期間の２つの赤外線センサ１４の出力からバイアス電圧を測定し、それらが等しくなるように（差分が０になるように）μｃｏｍ５で調整しているので、赤外線センサ１４間の個体差や温度差なども吸収して高精度に２つの赤外線センサのバイアス電圧を等しくすることができる。したがって、気体の濃度測定がより高精度に行うことができる。

また、減算回路２７で算出した４．０μｍ付近の赤外線を受光した赤外線センサ１４の値と４．３μｍ付近の赤外線を受光した赤外線センサ１４の値との差から気体の濃度を測定しているので、分解能を高くすることができ、より高精度な濃度測定を行うことができる。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態にかかる濃度測定装置の構成を示す説明図である。図１に示された気体サンプル室の受光ユニットの正面を模式的に示す説明図である。図２中のＶＩ−ＶＩ線の断面を模式的に示す説明図である。図１に示された濃度測定装置の受光回路の構成を示す説明図である。図４に示された受光回路のうち赤外線センサのバイアス印加回路の他の構成を示す説明図である。図４に示された受光回路の赤外線センサの出力波形図である。本発明の第２の実施形態にかかる濃度測定装置の受光回路の構成を示す説明図である。

符号の説明

１濃度測定装置
２気体サンプル室
４受光回路部
５マイクロコンピュータ（濃度算出部、バイアス印加手段）
６測定セル
７光源
１４赤外線センサ（センサ）
１５透過部材
２３分圧回路（バイアス印加手段）
２４定電圧源
２７減算回路（減算手段）
４０発光部
４１受光部

Claims

光源と、前記光源からの光を導く気体サンプル室と、前記気体サンプル室から導かれた前記光源からの光を受光するセンサ及び前記光源と前記センサとの間に予め定めた波長の光のみを透過させる透過部材が設けられた受光部と、前記センサが受光した前記光源からの光の強さに基づいて前記気体サンプル室内の予め定められた気体の濃度を算出する濃度算出部と、を備えた濃度測定装置において、
前記センサに所定のバイアス電圧を印加するバイアス印加手段を備えたことを特徴とする濃度測定装置。
前記バイアス印加手段が、予め定めた一定の電圧を供給する定電圧源を備え、前記定電圧源から供給された一定電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
前記バイアス印加手段が、前記定電圧源から供給される一定電圧を分圧する抵抗を備え、前記抵抗によって分圧された電圧を印加することを特徴とする請求項２に記載の濃度測定装置。
前記受光部には前記センサが複数設けられているとともに、これら複数のセンサにそれぞれ対応する前記透過部材の透過する波長が互いに異なることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の濃度測定装置。
複数の前記センサのうち一方のセンサが受光した前記光源からの光の強さと、他方のセンサが受光した前記光源からの光の強さと、を減算する減算手段を備え、前記バイアス印加手段が、前記減算手段の結果または前記光源消灯時の前記複数のセンサの出力に基づいて、前記一方のセンサと前記他方のセンサとのバイアス電圧が等しくなるように調整することを特徴とする請求項４に記載の濃度測定装置。
前記濃度算出部が、前記減算手段の減算結果に基づいて前記気体の濃度を算出することを特徴とする請求項５に記載の濃度測定装置。