JP2010048654A - 濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気体サンプル室内の圧力を一定に保つことができる濃度測定装置を提供する。
【解決手段】濃度測定装置１の二酸化炭素モジュール２内の圧力を絶対圧センサ４３で測定し、その測定結果と予め設定した基準圧力設定値とを減算して、基準圧力設定値よりも二酸化炭素モジュール２内の圧力が低い場合は、ポンプ４５のモータの回転数を高めて二酸化炭素モジュール２内に供給する雰囲気の流速を上げ、基準圧力設定値よりも二酸化炭素モジュール２内の圧力が高い場合は、ポンプ４５のモータの回転数を低くして二酸化炭素モジュール２内に供給する雰囲気の流速を下げている。
【選択図】図１

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、光源からの光を導く気体サンプル室と、気体サンプル室から導かれた光源からの光を受光するセンサが設けられた受光部と、気体サンプル室内に雰囲気を供給する供給部と、気体サンプル室内の雰囲気を排出する排出部と、センサが受光した光源からの光の強さに基づいて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部から供給し、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）。

また、気体の濃度は、圧力によって変動するために、気体サンプル室内の圧力を測定してその圧力に基づいて濃度を補正する補正方法が特許文献２に記載されている。
特開２００７−２１２３１５号公報 特開２００３−１４６３２号公報

前述した特許文献２に示された補正方法は、ボイル＝シャルルの法則を適用して行っているために、低濃度（数百ｐｐｍ以下）では、正確に圧力補正を行うことができないという問題があった。

特許文献２では圧力変動があることを前提にして補正を行なっているが、雰囲気の圧力の変動を無くして気体サンプル室内の圧力を一定に保つことができれば補正式による補正などを行なう必要はない。

そこで、本発明は、気体サンプル室内の圧力を一定に保つ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が設けられた受光部と、前記気体サンプル室内に雰囲気を供給する供給部と、前記気体サンプル室内の雰囲気を排出する排出部と、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、前記気体サンプル室内の圧力を測定する圧力測定手段と、前記圧力測定手段で測定された前記気体サンプル室内の圧力と予め設定された所定の圧力とを比較する圧力比較手段と、前記圧力比較手段の比較結果に基づいて前記供給部への前記雰囲気の供給量を変更する供給量変更手段と、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、前記圧力比較手段で比較した結果前記気体サンプル室内の圧力が、前記予め設定された所定の圧力よりも低い場合は、前記供給量変更手段が前記供給部への雰囲気の供給量を多く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、前記圧力比較手段で比較した結果前記気体サンプル室内の圧力が、前記予め設定された所定の圧力よりも高い場合は、前記供給量変更手段が前記供給部への雰囲気の供給量を少なく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、前記排出部にオリフィスを設けた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、圧力測定手段で測定された前記気体サンプル室内の圧力と予め設定された所定の圧力とを圧力比較手段で比較し、その比較結果に基づいて供給量変更手段が供給部の雰囲気の供給量を変更しているので、気体サンプル室内の圧力を所定の圧力に保つことができ、圧力の補正等が不要となる。したがって、圧力に依存することなく精度の良い濃度を測定することができる。

請求項２に記載の発明によれば、圧力比較手段で比較した結果気体サンプル室内の圧力が、予め設定された所定の圧力よりも低い場合は、供給量変更手段が供給部の雰囲気の供給量が多くなるようにしているので、気体サンプル室の圧力を一定に保つように、雰囲気の流速を上げるようにすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、圧力比較手段で比較した結果気体サンプル室内の圧力が、予め設定された所定の圧力よりも高い場合は、供給量変更手段が供給部の雰囲気の供給量が少なくなるようにしているので、気体サンプル室の圧力を一定に保つように、雰囲気の流速を下げるようにすることができる。

請求項４に記載の発明によれば、排出部にオリフィス構造を設けているので、気体サンプル室内の圧力変動が大きくなることを抑制し圧力変動に対してコントロールしやすくすることができる。

以下、本発明の一実施形態に係る濃度測定装置を、図１乃至図６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としての二酸化炭素モジュール２と、コントロールユニット４２と、圧力測定手段としての絶対圧センサ４３と、圧力比較手段としての減算器４４と、供給量変更手段としてのポンプ４５と、湿度センサ４６と、を備えている。

二酸化炭素モジュール２は図１や図２に示すように、測定セル６と、発光部４０と、受光部４１と、供給部としてのＩＮＬＥＴ４７と、排出部としてのＯＵＴＬＥＴ４８と、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３及び図４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。

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、センサ出力として後述するコントロールユニット４２の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。

ＩＮＬＥＴ４７は、大気などの外部の雰囲気を二酸化炭素モジュール２内へ供給するための配管であり、筒状に形成され発光部４０もしくは受光部４１に接続されている。

ＯＵＴＬＥＴ４８は、二酸化炭素モジュール２内の雰囲気を外部へ排出するための配管であり、筒状に形成され受光部４１もしくは発光部４０に接続されている。また、ＯＵＴＬＥＴ４８は、図５に示したように内部にオリフィス５０が設けられている。オリフィス５０は円盤上に形成された板に複数の小穴５１が設けられており雰囲気の流れる方向に対して垂直に設けられている。

コントロールユニット４２は、図２に示したように、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。

制御回路部３は、図２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（パルス点灯）させる。

受光回路部４は、図６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、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。

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。

絶対圧センサ４３は、例えば半導体式の圧力センサなどで構成されて、二酸化炭素モジュール２内の絶対圧（完全真空を基準とした圧力）を測定するセンサである。

減算器４４は、予め設定された所定の圧力としての基準圧力設定値と絶対圧センサ４３が測定した二酸化炭素モジュール２内の絶対圧とを減算し、その結果をポンプ４５へ出力する。基準圧力設定値は例えば１気圧（１０１３ｈＰａ）以上の絶対圧を設定するのが望ましい。

ポンプ４５は、内蔵するモータによって外部の大気などの雰囲気を吸引して湿度センサ４６に出力する。また、ポンプ４５は、減算器４４の結果に基づいて、モータの回転数を変更させて湿度センサ４６に出力する雰囲気の流速を変更する。

湿度センサ４６は、例えば高分子膜式のセンサで構成され、二酸化炭素モジュール２のＩＮＬＥＴ４７に設けられ、二酸化炭素モジュール２内に供給される雰囲気の湿度を測定する。

本実施形態の濃度測定装置は、減算器４４で減算した結果が正の値となった場合は、基準圧力設定値よりも絶対圧センサ４３で測定した二酸化炭素モジュール２内の絶対圧が低いと判断し、ポンプ４５はモータの回転数を高めて吸引する雰囲気の量を多くして二酸化炭素モジュール２内に供給する雰囲気の流速を上げる。つまり、流速を上げることで二酸化炭素モジュール２内の絶対圧を上昇させる。すなわち、二酸化炭素モジュール２内の圧力が、基準圧力設定値よりも低い場合は、ポンプ４５がＩＮＬＥＴ４７への雰囲気の供給量を多くしている。

また、減算器４４で減算した結果が負の値となった場合は、基準圧力設定値よりも絶対圧センサ４３で測定した二酸化炭素モジュール２内の絶対圧が高いと判断し、ポンプ４５はモータの回転数を低くして吸引する雰囲気の量を少なくして二酸化炭素モジュール２内に供給する雰囲気の流速を下げる。つまり、流速を下げることで二酸化炭素モジュール２内の絶対圧を下降させる。すなわち、二酸化炭素モジュール２内の圧力が、基準圧力設定値よりも高い場合は、ポンプ４５がＩＮＬＥＴ４７への雰囲気の供給量を少なくしている。そして、減算器４４で減算した結果が０の場合は二酸化炭素モジュール２内の絶対圧が基準圧力設定値となっているのでポンプ４５のモータの回転数は変更しない。

なお、本実施形態では、減算器４４を設けて絶対圧センサ４３の出力を基準圧力設定値と減算していたが、絶対圧センサ４３の出力をコントロールユニット４２のμｃｏｍ５へ入力し、μｃｏｍ５内のメモリなどに基準圧力設定値を記憶させておいて、それらを比較して比較結果をコントロールユニット４２からポンプ４５へ出力する構成としてもよい。

本実施形態によれば、濃度測定装置１の二酸化炭素モジュール２内の圧力を絶対圧センサ４３で測定し、その測定結果と予め設定した基準圧力設定値とを減算して、基準圧力設定値よりも二酸化炭素モジュール２内の絶対圧が低い場合は、ポンプ４５のモータの回転数を高めて二酸化炭素モジュール２内に供給する雰囲気の流速を上げ、基準圧力設定値よりも二酸化炭素モジュール２内の絶対圧が高い場合は、ポンプ４５のモータの回転数を低くして二酸化炭素モジュール２内に供給する雰囲気の流速を下げているので、二酸化炭素モジュール２内の圧力を所定の圧力に保つことができ、圧力の補正等が不要となる。したがって、圧力に依存することなく精度の良い濃度を測定することができる。

また、ＯＵＴＬＥＴ４８に、オリフィス５０を設けたので、気体サンプル室内の圧力変動が大きくなることを抑制し圧力変動に対してコントロールし易くすることができる。

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に示された二酸化炭素モジュールとコントロールユニットの構成を示す説明図である。 図２に示された二酸化炭素モジュールの受光ユニットの正面を模式的に示す説明図である。 図３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ＯＵＴＬＥＴの内部を示した断面斜視図である。 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。

符号の説明

１ 濃度測定装置
２ 二酸化炭素モジュール（気体サンプル室）
７ 光源
１４ 赤外線センサ（センサ）
４０ 発光部
４１ 受光部
４３ 絶対圧センサ（圧力測定手段）
４４ 減算器（圧力比較手段）
４５ ポンプ（供給量変更手段）
４７ ＩＮＬＥＴ（供給部）
４８ ＯＵＲＬＥＴ（排出部）
５０ オリフィス

Claims (4)

1. 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が設けられた受光部と、前記気体サンプル室内に雰囲気を供給する供給部と、前記気体サンプル室内の雰囲気を排出する排出部と、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、
   前記気体サンプル室内の圧力を測定する圧力測定手段と、
   前記圧力測定手段で測定された前記気体サンプル室内の圧力と予め設定された所定の圧力とを比較する圧力比較手段と、
   前記圧力比較手段の比較結果に基づいて前記供給部への前記雰囲気の供給量を変更する供給量変更手段と、
   を備えたことを特徴とする濃度測定装置。
2. 前記圧力比較手段で比較した結果前記気体サンプル室内の圧力が、前記予め設定された所定の圧力よりも低い場合は、前記供給量変更手段が前記供給部への雰囲気の供給量を多くすることを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
3. 前記圧力比較手段で比較した結果前記気体サンプル室内の圧力が、前記予め設定された所定の圧力よりも高い場合は、前記供給量変更手段が前記供給部への雰囲気の供給量を少なくすることを特徴とする請求項１または２に記載の濃度測定装置。
4. 前記排出部にオリフィスを設けた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。

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