JP2010139299A

JP2010139299A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2010139299A
Application number: JP2008314103A
Authority: JP
Inventors: Murahito Imanari; 祐人今成; Takashi Kunimi; 敬国見
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-06-24

Abstract

【課題】赤外線光源の光量を補償するガスセンサを提供することを課題とする。
【解決手段】ガス検出用の赤外線検出器９Ａおよび光学フィルタ１０Ａとは別に、赤外線光源８の光量を調整するための赤外線検出器９Ｂおよび光学フィルタ１０Ｂを設ける。光量を調整するための光学フィルタ１０Ｂは、ガスの成分に吸収量が左右されにくい波長帯域の赤外線を選択的に透過可能なものとする。係る光学フィルタ１０Ｂを通過した赤外線を受光する赤外線検出器９Ｂの出力が既定の出力になるように、赤外線光源８に印加する電圧を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

ガスを検出するガスセンサには、様々な原理のものが存在する。例えば、二酸化炭素のガスを検出するガスセンサには、ＮＤＩＲ（Non Dispersive Infrared Gas Analyzer）方式、固体電解質方式、光音響方式などがある。このうち、ＮＤＩＲ方式は、赤外線を照射された分子が吸収するエネルギースペクトルが、分子の化学構造によって異なることを利用した検出方式であり、他の方式に比べて感度が優れる（例えば、特許文献１〜４を参照）。

赤外線等を放射する光源の光量や、これを受光する受光素子は、使用状況や経年劣化等によりその特性が変化する。このような特性の変化を補償するため、校正データを記憶するもの（例えば、特許文献５を参照）、光源の光量を傾斜的に制御するもの（例えば、特許文献６や７を参照）、或いは、ガスセンサを複数用意して出力を比較するもの（例えば、特許文献８を参照）がある。
特開平７−７２０７８号公報特開平１０−３３２５８５号公報特開２００６−１０４２３号公報特開２００６−２７５６４１号公報特開２００２−２２８５２０号公報特開２００８−１４５１０６号公報特開２００５−２３３９２７号公報特開平８−２９２１６６号公報

赤外線を放射する光源の光量は、使用に伴う劣化により徐々に弱まる。また、光源に電力を供給する電源機器の動作が不安定だと、光源が放射する赤外線の光量も変化しやすい。光源に入力する電圧を一定に制御する場合は、電源機器の動作に起因する光量の変動をある程度抑制することが期待できるものの、使用に伴う劣化を補償することはできない。また、校正用のガスを使う場合は赤外線を受光する赤外線センサや光学フィルタの特性を補償し得るが、劣化前の光源の光量は特定できないため、赤外線光源の光量を補償することはできない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、赤外線光源の光量を補償するガスセンサを提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、ガス検出用の赤外線検出器および光学フィルタとは別に、赤外線光源の光量を調整するための赤外線検出器および光学フィルタを設ける。光量を調整するための光学フィルタは、ガスの成分に吸収量が左右されにくい波長帯域の赤外線を選択的に透過可能なものとする。係る光学フィルタを通過した赤外線を受光する赤外線検出器の出力が既定の出力になるように、赤外線光源に印加する電圧を制御する。

詳細には、検出対象のガスの有無を検出するガスセンサであって、放射する赤外線の光量が入力電圧に応じて変化する赤外線光源と、前記赤外線光源から放射される赤外線を受
光可能なように配置される第一の赤外線検出器および第二の赤外線検出器と、前記赤外線光源から前記第一の赤外線検出器へ放射される赤外線が通過する第一の光学フィルタであって、検出対象のガスが吸収する赤外線の波長と同じ波長の赤外線を透過可能にする第一の光学フィルタと、前記赤外線光源から前記第二の赤外線検出器へ放射される赤外線が通過する第二の光学フィルタであって、該赤外線光源と該第二の赤外線検出器との間に存在するガスの成分に関わらず、該赤外線光源から該第二の赤外線検出器へ到達可能な所定の波長の赤外線と同じ波長の赤外線を透過可能にする第二の光学フィルタと、前記赤外線光源への入力電圧を前記第二の赤外線検出器からの出力に応じて制御する電圧制御手段と、を備え、前記第二の赤外線検出器からの出力が、予め設定された既定の出力になるように、前記赤外線光源への入力電圧が制御され、前記電圧制御手段が前記赤外線光源への入力電圧を制御している際に該赤外線光源から放射され、前記第一の光学フィルタを通過する赤外線を前記第一の赤外線検出器が検出する。

上記ガスセンサは、任意に選択された成分のガスの有無を検出するものであり、検出対象とするガスの種類は第一の光学フィルタの種類に応じて決定される。すなわち、検出対象のガスがエネルギーを吸収する波長の赤外線を透過可能とし、その他の波長の赤外線を透過しないフィルタを第一の光学フィルタとして用いることで、特定のガスの検出を可能とする。第一の光学フィルタを透過する赤外線の有無を第一の赤外線検出器が検出することで、検出対象のガスの有無が検出される。なお、赤外線は、赤外線光源から放射されたものである。

ここで、上記赤外線光源は、電圧を制御可能な電圧制御手段からの電力で赤外線を放射する。電圧制御手段から入力される電力の電圧が増減すると、放射する赤外線の光量がこれに比例して増減する。電圧制御手段は、赤外線光源への入力電圧を第二の赤外線検出器からの出力に応じて制御する。ここで、第二の赤外線検出器は、第一の赤外線検出器と同等の構成であるが、その使用目的が異なる。すなわち、赤外線光源と第二の赤外線検出器との間には、ほとんどのガス成分によっても吸収されない所定の波長の赤外線と同じ波長の赤外線を選択的に透過可能にする。よって、第二の赤外線検出器によって受光される赤外線は、赤外線光源と第二の検出器との間に存在するガスにほとんど除去されない波長帯域の赤外線となり、この結果、第二の赤外線検出器が受光する赤外線の光量は、赤外線光源から放射される光量に比例したものとなる。なお、所定の波長とは、第二の光学フィルタが透過可能な赤外線の波長であり、例えば、大気を構成するガスによって吸収されない赤外線の波長である。

上記ガスセンサでは、上述した第二の赤外線検出器からの出力に応じて赤外線光源への入力電圧が制御されるため、赤外線光源が劣化しても赤外線光源の光量を補償することが可能になる。

なお、前記既定の出力とは、前記検出対象のガスの有無によって生ずる前記第一の赤外線検出器からの出力変動が、該検出対象のガスの有無を識別可能な程度の変動幅となる出力であってもよい。上記ガスセンサがこのように構成されていれば、検出対象とするガスが上記赤外線光源と第一の赤外線検出器との間に流入した場合に、第一の赤外線検出器の出力が十分に変動する。従って、検出対象とするガスの有無を確実に検出することが可能になる。

また、上記ガスセンサは、前記第二の赤外線検出器からの出力が、前記赤外線光源が劣化する前に設定された既定の出力になるように、前記赤外線光源への入力電圧が制御されるものであってもよい。上記ガスセンサがこのように構成されていれば、赤外線光源が使用により劣化しても、使用開始前の初期の光量になるように印加電圧が調整される。従って、赤外線光源が劣化しても赤外線光源の初期の光量を補償することが可能になる。

また、上記ガスセンサは、劣化前の前記赤外線光源が赤外線を放射するときの、前記第二の赤外線検出器からの出力を前記既定の出力として記憶する記憶手段を更に備え、前記第二の赤外線検出器からの出力が、前記記憶手段に記憶されている前記既定の出力になるように、前記赤外線光源への入力電圧が制御されるようにしてもよい。上記ガスセンサがこのように構成されていれば、ガスセンサの使用開始と使用停止を繰り返しても電圧制御手段の制御目標値が保持され続ける。従って、ガスセンサの使用開始と使用停止を繰り返しにより赤外線光源が徐々に劣化しても、赤外線光源の光量を補償することが可能になる。

赤外線光源の光量を補償するガスセンサを提供することが可能となる。

以下、本発明の第一実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係るガスセンサ１の構成図である。ガスセンサ１は、図１に示すように、センサ本体２、ＣＰＵ３、メモリ４、Ｄ／Ａ（Digital to Analog）変換器５、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器６Ａ，６Ｂ、電圧制御回路７、及びメモリ４を備えている。センサ本体２は、筐体１１の内部に赤外線光源８、赤外線検出器９Ａ，９Ｂ、及び光学フィルタ１０Ａ，１０Ｂを備えている。

赤外線検出器９Ａ，９Ｂは、赤外線光源８から放射される赤外線を検出し、電気信号として出力する検出器であり、これらは並列に並ぶように設置されている。赤外線検出器９Ａ，９Ｂは、Ａ／Ｄ変換器６Ａ，６Ｂとそれぞれ繋がれており、赤外線光源８からの赤外線を電気信号にして出力する。検出器としては、赤外線を受光した際の素子の温度上昇によって赤外線を検出する熱型のものや、赤外線の光子が入射した際に励起される電子に基づいて赤外線を検出する量子型のものを適用できる。

光学フィルタ１０Ａは、赤外線検出器９Ａの受光面を覆うように設置されており、赤外線光源８から放射される赤外線のうち、検出対象とするガスが吸収する特定の波長の赤外線を選択的に透過可能にする光学フィルタである。従って、光学フィルタ１０Ａが透過可能な赤外線の波長は、検出対象とするガスの成分に応じて適宜選定される。例えば、二酸化炭素のガスを検出対象とする場合、二酸化炭素のガスは約４．３μｍの波長の赤外線を吸収する性質を有するため、この波長の赤外線を選択的に透過する光学フィルタを選定する。

光学フィルタ１０Ｂは、赤外線検出器９Ｂの受光面を覆うように設置されており、透過可能な赤外線の波長が、大気を構成するガスによって吸収されない所定の波長の赤外線と同じ波長になるように設定されている。このような赤外線の波長としては、ほとんどのガスに吸収されないものとして知られている３．５μｍ付近の波長が好適である。

筐体１１は、内部が空洞であり、外部からの赤外線の侵入を防ぐ。筐体１１は、赤外線光源８と赤外線検出器９Ａ，９Ｂとの間に通過させるガスを流すための通気口を有している。これにより、筐体１１の内外でガスが流通する。

赤外線光源８は、放射する赤外線の波長域が広いフィラメント式の光源である。ガスの検出を行う際は、電圧制御回路７から供給される電力で発熱し、赤外線を放射する。放射された赤外線は、図示しないリフレクタや導光管によって赤外線検出器９Ａ，９Ｂの方向へ案内される。検出対象のガスが筐体１１の中に存在する場合は赤外線検出器９Ａで検出される赤外線のエネルギーが弱くなり、存在しない場合は赤外線検出器９Ａで検出される
赤外線のエネルギーが強くなる。

ＣＰＵ３は、メモリ４に記録されたコンピュータプログラムを実行することにより、各種デバイスを数値制御する電子回路である。ＣＰＵ３は、ガスセンサ１の電源がオンにされると、メモリ４に記録されたプログラムを読み込み、電圧制御回路７を制御するためのアプリケーションプログラムを実行する。メモリ４は、記憶保持動作が不要な不揮発性のフラッシュメモリである。

Ｄ／Ａ変換器５は、ＣＰＵ３から出力されるデジタル信号をアナログ信号に変換し、これを電圧制御回路７へ送る。ＣＰＵ３から出力されるデジタル信号は、赤外線光源８から放射される赤外線の光量を増減させるための制御信号であり、ＣＰＵ３で行われる後述の演算処理により生成される信号である。

Ａ／Ｄ変換器６は、赤外線検出器９Ａ，９Ｂから出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、これをＣＰＵ３へ送る。赤外線検出器９Ａ，Ｂから出力されるアナログ信号は、赤外線光源８から放射される赤外線を受光した赤外線検出器９Ａ，９Ｂが、受光した赤外線の光量に応じて出力する信号であり、受光した光量の大小を信号強度で示すアナログ信号である。

電圧制御回路７は、Ｄ／Ａ変換器５から出力されるアナログ信号の信号強度に応じて、赤外線光源８へ入力する電圧を調整する。従って、Ｄ／Ａ変換器５から出力されるアナログ信号の信号強度が変化すると、赤外線光源８から放射される赤外線の光量も増減することになる。

以上がガスセンサ１の構成である。次に、ガスセンサ１で実行される処理について説明する。図２は、ガスセンサ１で実行される処理のフロー図である。図２に示すように、ガスセンサ１は、図示しない電源スイッチがオンにされると、メモリ４に格納されているコンピュータプログラムをＣＰＵ３が実行し、次のような処理を実現する。

ガスセンサ１の電源スイッチがオンにされ、コンピュータプログラムの実行を開始したＣＰＵ３では、初期設定の要否を判定する処理が実行される（Ｓ１０１）。初期設定とは、劣化前の赤外線光源８に定格電圧を印加した際、この赤外線光源８から放射される赤外線の光量をメモリ４に記憶することであり、具体的な処理は後述する。

初期設定の要否判定は、ガスセンサ１に設けられた図示しないリセットスイッチのオンオフにより判定する。ＣＰＵ３は、ユーザがリセットスイッチを押していれば初期設定が必要と判定し、後述の処理（Ｓ１０２〜Ｓ１０３）を実行する。一方、ＣＰＵ３は、ユーザがリセットスイッチを押していなければ初期設定が不要と判定し、後述の処理（Ｓ１０４〜Ｓ１０５）を実行する。このリセットスイッチは、赤外線光源８が交換されたことをＣＰＵ３が検知するためのスイッチであり、赤外線光源８を新しいものに交換したユーザによって押される。

ＣＰＵ３は、上述の判定処理（Ｓ１０１）で初期設定を実行することを決定すると、赤外線光源８に定格電圧が印加されるように電圧制御回路７を制御する（Ｓ１０２）。このときに用いられる制御パラメータは、メモリ４内に予め記憶されている初期設定用のデータを参照することで決定される。赤外線光源８は劣化前の新しいものであるため、定格電圧を印加されることにより定格の光量の赤外線を放射する。次に、ＣＰＵ３は、赤外線光源８が定格の光量の赤外線を放射している時の赤外線検出器９Ｂの出力を、赤外線光源８の光量を制御する際に用いる制御パラメータλ_０としてメモリ４に格納する。

ＣＰＵ３は、上述の判定処理（Ｓ１０１）で初期設定を実行しないことを決定し、或いは上記初期設定の処理（Ｓ１０２〜Ｓ１０３）を完了したら、次のような処理を実行して赤外線光源８の光量を一定に保つ。すなわち、ＣＰＵ３は、メモリ４に格納されている制御パラメータλ_０を参照する（Ｓ１０４）。ガスセンサ１の電源スイッチがオンにされた後に上記初期設定の処理（Ｓ１０２〜Ｓ１０３）が実行されていれば、この処理によってメモリ４に格納された制御パラメータが参照される。一方、ガスセンサ１の電源スイッチがオンにされた後に上記初期設定の処理（Ｓ１０２〜Ｓ１０３）が実行されていなければ、以前に格納された制御パラメータが参照される。

次に、ＣＰＵ３は、赤外線検出器９Ｂの出力が、メモリ４の参照処理（Ｓ１０４）によって取得した制御パラメータλ_０と一致するように、電圧制御回路７が印加する電圧のフィードバック制御を行う。これにより、赤外線光源８の劣化による光量の低下が印加電圧のフィードバック制御に反映されるため、結果的に赤外線光源８の光量が一定に保たれる。

図３は、一定の電圧が印加された赤外線光源８が放射する赤外線の光量を時間の推移と共に示したグラフである。赤外線光源８は、使用に伴い徐々に劣化する。このため、一定の電圧を与える場合、赤外線光源８が放射する赤外線の光量は徐々に低下する。

図４は、検出対象のガスがある場合と無い場合の赤外線検出器９Ａの出力を、印加電圧の制御を行う場合と行わない場合とで並べたグラフである。本実施形態のように赤外線光源８の光量を一定に制御してガス検出用赤外線の光量を補償する場合、検出対象のガスがある場合と無い場合とで、赤外線検出器９Ａの出力が大きく変わる（図４の※１）。一方、赤外線光源の光量を一定に制御しない場合、光源が劣化して光量が減ると、検出対象のガスがある場合と無い場合とで、赤外線検出器９Ａの出力があまり変わらない（図４の※２）。赤外線検出器９Ａの出力変化が小さいと、検出対象のガスが筐体１１に流入してもこれを検出しにくくなるが、本実施形態のように光量を一定に制御していれば検出しにくくなることが無い。

なお、上記実施形態では、一種類のガスを検出する構成としていたが、複数種類のガスを検出する構成としてもよい。この場合、赤外線検出器９Ａや光学フィルタ１０Ａが検出対象とするガスの種類に応じて複数組用意される。そして、各光学フィルタ１０Ａの透過可能な赤外線の波長は、検出対象とするガスの種類に応じて適宜選択される。

実施形態に係るガスセンサの構成図。実施形態に係るガスセンサで実行される処理のフロー図。赤外線光源の光量の時間推移を示すグラフ。赤外線検出器の出力を示したグラフ。

符号の説明

１ガスセンサ
２センサ本体
３ＣＰＵ
４メモリ
５Ｄ／Ａ変換器
６Ａ，６ＢＡ／Ｄ変換器
７電圧制御回路
８赤外線光源
９Ａ，９Ｂ赤外線検出器
１０Ａ，１０Ｂ光学フィルタ
１１筐体

Claims

検出対象のガスの有無を検出するガスセンサであって、
放射する赤外線の光量が入力電圧に応じて変化する赤外線光源と、
前記赤外線光源から放射される赤外線を受光可能なように配置される第一の赤外線検出器および第二の赤外線検出器と、
前記赤外線光源から前記第一の赤外線検出器へ放射される赤外線が通過する第一の光学フィルタであって、検出対象のガスが吸収する赤外線の波長と同じ波長の赤外線を透過可能にする第一の光学フィルタと、
前記赤外線光源から前記第二の赤外線検出器へ放射される赤外線が通過する第二の光学フィルタであって、該赤外線光源と該第二の赤外線検出器との間に存在するガスの成分に関わらず、該赤外線光源から該第二の赤外線検出器へ到達可能な所定の波長の赤外線と同じ波長の赤外線を透過可能にする第二の光学フィルタと、
前記赤外線光源への入力電圧を前記第二の赤外線検出器からの出力に応じて制御する電圧制御手段と、を備え、
前記第二の赤外線検出器からの出力が、予め設定された既定の出力になるように、前記赤外線光源への入力電圧が制御され、
前記電圧制御手段が前記赤外線光源への入力電圧を制御している際に該赤外線光源から放射され、前記第一の光学フィルタを通過する赤外線を前記第一の赤外線検出器が検出する、
ガスセンサ。
前記既定の出力とは、前記検出対象のガスの有無によって生ずる前記第一の赤外線検出器からの出力変動が、該検出対象のガスの有無を識別可能な程度の変動幅となる出力である、
請求項１に記載のガスセンサ。
前記第二の赤外線検出器からの出力が、前記赤外線光源が劣化する前に設定された既定の出力になるように、前記赤外線光源への入力電圧が制御される、
請求項１または２に記載のガスセンサ。
劣化前の前記赤外線光源が赤外線を放射するときの、前記第二の赤外線検出器からの出力を前記既定の出力として記憶する記憶手段を更に備え、
前記第二の赤外線検出器からの出力が、前記記憶手段に記憶されている前記既定の出力になるように、前記赤外線光源への入力電圧が制御される、
請求項１から３の何れか一項に記載のガスセンサ。