JP2010145320A - ガス測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな外光が受光部に入射したときでも、出力電圧が飽和することを防止することができるガス測定装置を提供する。
【解決手段】ガス測定装置１０を発光部１１、該発光部に対向して配される受光部１２、発光部と受光部の間に配される測定部１３、及び制御部１４から構成する。受光部を、発光部の投光レンズ１６に指向される主受光レンズ２０ａ及び主フォトダイオード２１ａを有する主受光部２２と、測定部に指向される副受光レンズ２０ｂと副フォトダイオード２１ｂを有する副受光部２３とから構成する。制御部に設けた差動増幅回路２６は、主フォトダイオードから出力された主検出信号が入力される反転入力端子３１と、副フォトダイオードから出力された副検出信号が入力される非反転入力端子３２を有する。測定部周辺に外光が入力されたとき、主検出信号に含まれる外光成分の電流量を副検出信号の電流量で相殺し、出力電圧から外光成分を除いている。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定ガスを含んだガス体にレーザ光等の位相が揃った光束を透過させて、ガス体における光吸収量から被測定ガスの濃度を測定するガス測定装置に関し、特に、測定部周辺に上記の光束と異なった、位相が揃っていない外光が入射したとき、当該外光によるノイズを除去してガス体に含まれた被測定ガスの濃度を測定するガス測定装置に関する。

従来、レーザ光等の位相が揃った光束を用いて、ガス体に含まれた被測定ガスの濃度を測定するガス測定装置が知られている。該ガス測定装置は、被測定ガスが吸収する特定のスペクトル帯域と略同一の周波数帯域を有する光束を被測定ガスに透過させて、該光束の光量の吸収量から、ガス体に含まれる被測定ガスの濃度を測定している。

上記のガス測定装置は、ガス体が入ったサンプルセルが暗室に配置され、受光部に入射された光束をフォトダイオード等の受光素子で光―電流変換し、さらに変換して得た電流量を電流―電圧変換し、当該電圧を増幅回路で所定の倍率に増幅させて出力電圧を形成している。
被測定ガスを透過した光束以外の外光がバックグラウンドノイズとして僅かに受光部に入射されるので、当該バックグラウンドノイズを除去する必要がある。そのため、被測定ガスの測定にあたり、受光素子のバイアスを調整し、上記の光束を遮光した時の出力電圧が０となるようにゼロ点調整が行われている。
また、バックグラウンドノイズを除去する方法として、所定の周波数で出力されるレーザ光は交流的といえ、様々な周波数を有する光が混在する外光は直流的といえるので、検出された光量から、外光の光量に相当する成分を差し引く方法等が知られている。

しかし、上記の方法はいずれも暗室内に差し込んだ微弱な外光を補償するものであって、直接受光部に外光が入射してしまうような、大きな外光に対しては、上記の増幅回路で形成される出力電圧が飽和してしまうので、ガス体に含まれる被測定ガスを測定することができなくなる。

ここで、特開２０００−２３０９００号公報に開示されている車両用アルコール検出装置は、反射型の当該車両用アルコール検出装置に関して、反射光が入力される際のダイナミックレンジを調整するために、増幅器の後段にゲート回路を形成している。
当該ゲート回路では、入力された前記反射光の光量を一旦電流量に変換した後に電圧変換して形成した検出信号を、パルス幅変調（ＰＷＭ）をしている。これにより、増幅される出力電圧が飽和してしまうことを防いでいる。
特開２０００−２３０９００号公報

しかしながら、パルス状に変換した検出信号の振幅にしたがって、パルスの幅を広く又は狭くするパルス幅変調は、検出信号の振幅が大きくなるとパルス幅が広くなり、検出信号の振幅が小さくなるとパルス幅が狭くなる。そのため例えば直射日光等、大きな外光入力があった場合、先に形成された一のパルスが後に形成された他のパルスと重なるおそれがあり、実際に測定している被測定ガスと、測定結果とが一致しないおそれがある。

したがって、上記の課題を解決しようとする本願発明は、大きな外光が受光部に入射したときでも、出力電圧が飽和することを防止することができるガス測定装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載のガス測定装置は、被測定ガスが有する特定の周波数帯域と同一の周波数帯域及び所定の振幅を有し位相が揃えられた光束を、光源から投光レンズを通じて出射する発光部と、前記発光部の投光レンズ側に指向する受光レンズ、及び該受光レンズで受光した光量を電流量に変換して検出信号を出力する光半導体素子を有する受光部と、該受光部と前記発光部との間に、前記被測定ガスが含まれたガス体が入った包装容器が配される測定部と、前記受光部から出力された検出信号が入力される入力手段、該入力手段から入力された当該検出信号を電流―電圧変換する変換手段、該変換手段で変換された電圧を増幅する増幅手段、該増幅手段で増幅された電圧からなる出力信号が出力される出力手段、及び前記光源の周波数帯域と前記光半導体素子の周波数帯域を同期させる同期手段を備えた制御部とからなり、前記発光部から投光され、前記ガス体を透過した前記光束の光量を電流量に変換した検出信号を、前記受光部から出力して前記制御部に入力し、前記制御部から出力された出力信号の振幅と、前記発光部から投光された元の光束を電圧変換した振幅とを対比して、被測定ガスの透過前後の光吸収量を算出し、該光吸収量から前記ガス体に含まれる前記被測定ガスの濃度を測定するガス測定装置であって、
前記受光部を、主受光部と副受光部とから構成し、前記主受光部は、前記投光レンズの光軸と光軸が一致すると共に、前記光束及び前記測定部周辺の外光が入射される主受光レンズと、前記光束及び前記外光を光―電流変換して光束成分及び外光成分とからなる主検出信号を出力する主光半導体素子とからなり、前記副受光部は、前記投光レンズ側に向けられ、前記測定部上に光軸が指向すると共に、前記測定部周辺の外光が入射される副受光レンズと、前記外光を光―電流変換して前記外光成分からなる副検出信号を出力する副光半導体素子を有する副受光部とからなり、前記制御部の前記同期手段で、前記主検出信号と前記副検出信号とを同期させて、前記制御部の前記変換手段で、前記主検出信号を電流―電圧変換して主入力電圧を形成すると共に、前記副検出信号を電流―電圧変換して副入力電圧を形成し、前記制御部の前記増幅手段で、前記主入力電圧から前記副入力電圧を差し引いて、前記光束成分に基づく出力電圧を形成し、該出力電圧を所定の倍率で増幅し、前記制御部の前記出力手段で、前記出力信号を出力することを特徴とするガス測定装置。

請求項１に記載のガス測定装置によれば、入射した光束の光量に相当する交流電圧及び入射した外光の光量に相当する直流電圧からなる主入力電圧から、入射した外光の光量に相当する直流電圧である副入力電圧を差し引いて、入射した光束の光量に相当する交流電圧からなる出力電圧を形成し、該出力電圧を増幅している。
そのため、被測定ガスを測定した光束の光量と外光の光量が重畳的に入力され、光―電流変換された主検出信号の値から、外光の光量に相当する電流量を除去することができる。
したがって、受光部に入射された光から、バックグラウンドノイズを除去した出力電圧を得ることができる。さらに、当該バックグラウンドノイズが大きい場合であっても、増幅回路の出力電圧が飽和することを防止することができる。よって、出力電圧を安定させることができるので、精度の高い測定をすることができる。
また、主検出信号と副検出信号は同期されるので、主検出信号の周期と、外光の光量の変化に追従して変化する副検出信号の周期が一致する。そのため、より高い周波数の光束を用いることができる。さらに、被測定ガスの濃度測定値の検出時間を短縮することができ、応答速度を早くすることができる。

本願発明に係るガス測定装置の実施例を、添付した図面にしたがって説明する。ガス測定装置の構成の概略を図１に示し、受光部に設けられた増幅回路を図２に示す。

ガス測定装置１０は、発光部１１と、受光部１２と、測定部１３と、制御部１４とからなり、発光部１１に対向して受光部１２が配され、発光部１１と受光部１２の間に測定部１３が配されている。

発光部１１は、位相が揃えられた互いに干渉しないインコヒーレントな光が出射される光源１５と、光源１５からの光を光束に形成する投光レンズ１６と、光源１５の光に、被測定ガスの吸収スペクトル帯域と略同一の特定周波数帯域を有する特定の周波数を印加する周波数変調手段１７とからなる。

受光部１２は、主受光レンズ２０ａ及び主フォトダイオード２１ａを有する主受光部２２と、副受光レンズ２０ｂと副フォトダイオード２１ｂを有する副受光部２３とから構成されている。主受光レンズ２０ａと、副受光レンズ２０ｂは同一の形状を有し、主受光レンズ２０ａと副受光レンズ２０ｂの入射側面は略同一平面上に配されている。
主フォトダイオード２１ａと副フォトダイオード２１ｂに替えて、電荷転送素子（ＣＣＤ）や相補性金属酸化半導体（ＣＭＯＳ）、或いは位置受光素子（ＰＳＤ）等の光半導体素子を用いてもよい。いずれの光半導体素子も受光した光の光量を電流量に変換して出力することができるからである。

主受光部２２は、発光部１１に対向して配されている。発光部１１の投光レンズ１６に、主受光レンズ２０ａは指向し、該主受光レンズ２０ａの光軸は、投光レンズ１６の光軸を延伸した同一直線上で一致する。そのため、投光レンズ１６から出射された光束を、垂直に主受光レンズ２０ａに入射させることができる。
主受光レンズ２０ａに入射された光束は、主フォトダイオード２１ａで光―電流変換されて主検出信号に形成される。当該主検出信号は、主検出信号線２４を介して制御部１４に出力される。

一方、副受光部２３は、発光部１１に対向して配されているが、副受光レンズ２０ｂの光軸は、測定部１３を指向している。そのため、副受光レンズ２０ｂには、発光部１１からの漏れ光束や、測定部を照射した外光等のバックグラウンドノイズとなる光が入射される。
副受光レンズ２０ｂに入射された光は、副フォトダイオード２１ｂで光―電流変換されて副検出信号に形成される。当該副検出信号は、副検出信号線２５を介して制御部に出力される。

測定部１３は、透過性を有する容器や袋等からなる包装容器Ａに被測定ガスを含んだガス体が充填されて配設されている。
ここで、好ましくは、測定部１３をカバーで覆うことにより、受光部１２に外光が直接入射しない程度に、外光を遮蔽する。

制御部１４は、入力手段と、変換手段と、増幅手段と、出力手段と、同期手段と、処理手段とから構成されている。
入力手段は、主検出信号線２４の終端が接続される反転入力端子３１と、副検出信号線２５の終端が接続される非反転入力端子３２とからなる。
変換手段（図示略）では、主受光部２２から電流量で出力された主検出信号を電流―電圧変換して主入力電圧Ｅ_１が形成されている。また、副受光部２３から電流量で出力された副検出信号を電流―電圧変換して副入力電圧Ｅ_２が形成されている。
増幅手段は、後述するように、主入力電圧Ｅ_１と副入力電圧Ｅ_２とから出力電圧Ｖ_０を形成し、該出力電圧を出力手段に出力している。
出力手段は、増幅手段で形成された出力電圧Ｖ_０が入力され、該出力電圧Ｖ_０を処理手段に出力する出力端子３５を有している。

同期手段は、クロック周波数同期機能２８と周期同期機能２９と備えた同期回路２７からなる。
クロック周波数同期機能２８は、発光部１１の変調手段１７で変調した光束のクロック周波数と、主フォトダイオード２１ａで受光した光束のクロック周波数とを同期する。クロック周波数を同期させることによって、主検出信号を取り出し易くするためである。
周期同期機能２９は、主フォトダイオード２１ａから出力される主検出信号の周期と、副フォトダイオード２１ｂから出力される副検出信号の周期と位相を同期する。周期を同期させることによって、後述するように外光成分をより正確に除去するためである。
処理手段（図示略）は、出力端子３５から出力された出力電圧Ｖ０の振幅と、発光部１１の光源１５から出射された光束を電圧変換して形成した原出力電圧の振幅を比較して、振幅の減衰から被測定ガスの光吸収量を算出し、包装容器Ａ内のガス体に含まれる被測定ガスの濃度を算出している。

図２に示すように、制御部１４の増幅回路２６は、上記の入力手段、増幅手段、出力手段を備えている。
具体的には、主検出信号が主検出信号線２４から入力される反転入力端子３１と、副検出信号が副検出信号線２５から入力される非反転入力端子３２とからなる入力手段と、出力端子３５とからなる出力手段と、ＯＰアンプ３０からなる増幅手段とから構成されている。さらに、帰還抵抗３３及び接地抵抗３４を有し、差動増幅回路を構成している。
ここで、ＯＰアンプ３０は、初段に電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が配されていることが好ましい。当該ＯＰアンプ３０の入力抵抗を高くして、雑音特性を良くするためである。
また、接地抵抗３４は、可変抵抗器であることが好ましい。外光の光量のズレを補償するためである。すなわち、主受光レンズ２０ａと副受光レンズ２０ｂは、図１に示すように、入射側面が略同一面上に配されるが、主受光レンズ２０ａと副受光レンズ２０ｂの位置が異なることから、それぞれの受光レンズ２０ａ，２０ｂに入射される外光の光量が異なるからである。

上記の構成を有するガス測定装置１０は、以下に示す方法によって、バックグラウンドノイズとなる外光等の成分を除去することができる。
まず、被測定ガスが含まれたガス体が入った包装容器Ａを測定部１３に配する。このとき、包装容器Ａの被検出部分が、発光部１１の投光レンズ１６の光軸と主受光部２２の受光レンズ２０ａの光軸を延伸した直線を遮るように配する。

発光部１１の投光レンズ１６から出射される光束は、互いに干渉しないインコヒーレントな光を発する光源１５で、所定の振幅が印加され、位相が揃えられている。そして、変調手段１７で特定の周波数が与えられる（以下、「交流光束」という）。したがって、例えば半導体レーザからなるレーザ光であることが好ましい。
交流光束Ｌ_ＡＣは、被測定ガスを透過して、主受光部２２の主受光レンズ２０ａに入射される。
主受光レンズ２０ａに入射された交流光束Ｌ_ＡＣは、主フォトダイオード２１ａで光―電流変換され、当該交流光束Ｌ_ＡＣの光量が電流量に変換された主検出信号が形成される。

ここで、測定部１３上の光には、バックグラウンドノイズが含まれていることが多い。
バックグラウンドノイズとは、投光レンズ１６から漏れ出た位相の揃っていない光や、暗室の隙間から入った外光等の光のことをいう。本実施例においては、主として外光をバックグラウンドノイズとして取り扱っている。
外光Ｌ_ＤＣとは、時間的に不規則で独立した光源から発せられ、位相が揃っていない光のことをいう。外光Ｌ_ＤＣは、フォトダイオード２１ａ，２１ｂで光―電流変換すると直流検出信号が形成される。
したがって、主検出信号は、交流光束Ｌ_ＡＣの電流成分（以下「光束成分」という）と、外光Ｌ_ＤＣの電流成分（以下「外光成分」という）とから構成されている。

一方、制御部１３に光軸を指向させている副受光レンズ２０ｂには、主受光レンズ２０ａと異なり、交流光束Ｌ_ＡＣが入射しないので、外光Ｌ_ＤＣのみが入射される。
したがって、副フォトダイオード２１ｂで光―電流変換されて形成された副検出信号は、外光成分のみを有する。

ここで、暗室が開かれる等して、測定部１３に大きな外光Ｌ_ＤＣが入力された場合、増幅回路２６の出力電圧が飽和するおそれがある。出力電圧が飽和した場合、被測定ガスの正確な濃度を求めることができない。また、ガス測定装置１０が故障するおそれがある。図３において、飽和電圧Ｖ_Ｓを点線で示している。
しかし、外光は以下のように増幅回路２６で処理されることにより、出力電圧の飽和が回避される。増幅回路２６の構成の概略を示した図２と、増幅回路２６の入力電圧と出力電圧を示した図３にしたがって説明する。
なお、制御部の変換手段（図示略）で、主検出信号を電流―電圧変換して主入力電圧を形成し、副検出信号を電流―電圧変換して副入力電圧を形成している。

主入力電圧Ｅ_１は、入力信号が逆位相で増幅出力される反転入力端子３１からＯＰアンプ３０に入力される。対して、副入力電圧Ｅ_２は、入力信号が同位相で増幅出力される非反転入力端子３２からＯＰアンプ３０に入力される。
主検出信号と副検出信号は周期同期機能２７で同一周期で入力されることから、主入力電圧Ｅ_１と副入力電圧Ｅ_２は同時にＯＰアンプ３０に入力される。
したがって、当該ＯＰアンプ３０の特性から、主入力電圧Ｅ_１と副入力電圧Ｅ_２は相殺される。
図３においては、所定の周波数と振幅を有している主入力電圧Ｅ_１を一点鎖線で示している。当該主入力電圧Ｅ_１と略同一周期で出力端子３５から出力される出力電圧Ｖ_０を実線で示している。

また、外光Ｌ_ＤＣから主に構成されている副入力電圧Ｅ_２は、副フォトダイオード２１ｂの感度にもよるが、通常時においては、接地抵抗３４をゼロ点調整することにより、無視することのできる値となっている。そのため、出力電圧Ｖ_０に影響を及ぼさない。
そこで、時間Ｔのときに、外光Ｌ_ＤＣが測定部に照射されたものとする。このとき、副フォトダイオード２１ｂに入射される光量が増大するので、電流量が増大し、副入力電圧Ｅ_２が励起される。
図３においては、当該副入力電圧Ｅ２を二点鎖線で示している。
また、主フォトダイオード２１ａにも当該外光Ｌ_ＤＣは入射されることから、図３に示すように、同様に外光Ｌ_ＤＣの光量に相当する電流量が増大し、主入力電圧Ｅ_１が大きくなる。

また、帰還抵抗３３の抵抗値をＲ_１とし、接地抵抗３４の抵抗値をＲ_２とする。さらに、交流光束Ｌ_ＡＣの光量を光―電流変換した電流量をｉ_ＡＣとし、主受光レンズ２０ａに入射された外光Ｌ_ＤＣの光量を、主フォトダイオード２１ａで光―電流変換した電流量をｉ_１とし、副受光レンズ２０ｂに入射された外光Ｌ_ＤＣの光量を、副フォトダイオード２１ｂで光―電流変換した電流量をｉ_２とする。
差動増幅回路２６を構成するＯＰアンプ３０の特性から、以下の数式が表される。

ここで、差動増幅回路を作動させるために、帰還抵抗３３の抵抗値Ｒ_１と接地抵抗３４の抵抗値Ｒ_２を等価にする。したがって、出力電圧Ｖ_０は、以下のように表される。

したがって、主フォトダイオード２１ａで光―電流変換して形成した外光成分の電流量ｉ_１から、副フォトダイオード２１ｂで光―電流変換して形成した外光成分の電流量ｉ_２を差し引く演算処理を行うことによって、図３に示すように、出力電圧Ｖ_０から外光によるバックグラウンドノイズを除くことができる。
図３から明らかなように、外光Ｌ_ＤＣの入射の前後で、出力電圧Ｖ_０の波形は変化しない。そのため、外光Ｌ_ＤＣが測定部１３に入射されるか否かにかかわらず、安定した出力電圧Ｖ_０を得ることができる。

本実施例によれば、出力電圧Ｖ_０が増幅回路２６で飽和することを防止することができる。また、主入力電圧Ｅ_１及び副入力電圧Ｅ_２に対して、対応して出力される出力電圧Ｖ_０の応答を高速化することができることから、実際に測定している被測定ガスと測定結果とを一致させることができる。

本実施例に係るガス測定装置の概略構成を示すブロック図である。 本実施例に係るガス測定装置の増幅回路の概略構成を示す回路構成図である。 本実施例に係るガス測定装置の増幅回路の入力電圧と出力電圧を示す説明図である。

符号の説明

１０…ガス測定装置、１１…発光部、１２…受光部、１３…測定部、１４…制御部、
１５…光源、１６…投光レンズ、１７…周波数変調手段、
２０ａ…主受光レンズ、２０ｂ…副受光レンズ、２１ａ…主フォトダイオード、２１ｂ…副フォトダイオード、２２…主受光部、２３…副受光部、２４…主検出信号線、２５…副検出信号線、
２６…増幅回路、２７…同期回路、２８…クロック周波数同期機能、２９…周期同期機能、
３０…ＯＰアンプ、３１…反転入力端子、３２…非反転入力端子、３３…帰還抵抗、３４…接地抵抗、３５…出力端子、
Ａ…サンプルセル、Ｌ_ＡＣ…交流光束、Ｌ_ＤＣ…外光、
Ｅ_１…主入力電圧、Ｅ_２…副入力電圧、Ｖ_０…出力電圧、
Ｒ_１…帰還抵抗３３の抵抗値、Ｒ_２…接地抵抗３４の抵抗値、
ｉ_ＡＣ…交流光束Ｌ_ＡＣの電流量、
ｉ_１…主受光レンズ２０ａに入射された外光Ｌ_ＤＣの電流量、
ｉ_２…副受光レンズ２０ｂに入射された外光Ｌ_ＤＣの電流量。

Claims (1)

1. 被測定ガスが有する特定の周波数帯域と同一の周波数帯域及び所定の振幅を有し位相が揃えられた光束を、光源から投光レンズを通じて出射する発光部と、
   前記発光部の投光レンズ側に指向する受光レンズ、及び該受光レンズで受光した光量を電流量に変換して検出信号を出力する光半導体素子を有する受光部と、
   該受光部と前記発光部との間に、前記被測定ガスが含まれたガス体が入った包装容器が配される測定部と、
   前記受光部から出力された検出信号が入力される入力手段、
   該入力手段から入力された当該検出信号を電流―電圧変換する変換手段、
   該変換手段で変換された電圧を増幅する増幅手段、
   該増幅手段で増幅された電圧からなる出力信号が出力される出力手段、
   及び前記光源の周波数帯域と前記光半導体素子の周波数帯域を同期させる同期手段を備えた制御部とからなり、
   前記発光部から投光され、前記ガス体を透過した前記光束の光量を電流量に変換した検出信号を、前記受光部から出力して前記制御部に入力し、前記制御部から出力された出力信号の振幅と、前記発光部から投光された元の光束を電圧変換した振幅とを対比して、被測定ガスの透過前後の光吸収量を算出し、該光吸収量から前記ガス体に含まれる前記被測定ガスの濃度を測定するガス測定装置であって、
   前記受光部を、主受光部と副受光部とから構成し、
   前記主受光部は、前記投光レンズの光軸と光軸が一致すると共に、前記光束及び前記測定部周辺の外光が入射される主受光レンズと、前記光束及び前記外光を光―電流変換して光束成分及び外光成分とからなる主検出信号を出力する主光半導体素子とからなり、
   前記副受光部は、前記投光レンズ側に向けられ、前記測定部上に光軸が指向すると共に、前記測定部周辺の外光が入射される副受光レンズと、前記外光を光―電流変換して前記外光成分からなる副検出信号を出力する副光半導体素子を有する副受光部とからなり、
   前記制御部の前記同期手段で、前記主検出信号と前記副検出信号とを同期させて、
   前記制御部の前記変換手段で、前記主検出信号を電流―電圧変換して主入力電圧を形成すると共に、前記副検出信号を電流―電圧変換して副入力電圧を形成し、
   前記制御部の前記増幅手段で、前記主入力電圧から前記副入力電圧を差し引いて、前記光束成分に基づく出力電圧を形成し、該出力電圧を所定の倍率で増幅し、
   前記制御部の前記出力手段で、前記出力信号を出力することを特徴とするガス測定装置。

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