JP2011169645A - ガス濃度算出装置及びガス濃度計測モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】受光素子の個体差による不具合を防止し、且つ光路長が安定しないことによる不具合を防止することが可能なガス濃度算出装置を提供する。
【解決手段】対象ガスが導入される導入空間11を形成するガスセル10と、ガスセル10の一端に配置された赤外光源20と、ガスセル10の一端に配置され、赤外光源20から放射された光を反射または透過させる変調鏡70と、変調鏡70を透過した光を反射させる反射鏡60と、所定の比較ガスが封入されたものであって、変調鏡70を透過した光の光路上に配置された飽和ガス室40と、ガスセル10の他端に配置され、変調鏡70によって反射された光、及び変調鏡70を透過して飽和ガス室40を通過し、反射鏡60で反射した光を受光する受光部30と、変調鏡70により光が反射及び透過された場合のそれぞれにおける、受光部30の受光エネルギー値に基づき、対象ガスの濃度を算出する算出回路3を備える。
【選択図】図1
【解決手段】対象ガスが導入される導入空間11を形成するガスセル10と、ガスセル10の一端に配置された赤外光源20と、ガスセル10の一端に配置され、赤外光源20から放射された光を反射または透過させる変調鏡70と、変調鏡70を透過した光を反射させる反射鏡60と、所定の比較ガスが封入されたものであって、変調鏡70を透過した光の光路上に配置された飽和ガス室40と、ガスセル10の他端に配置され、変調鏡70によって反射された光、及び変調鏡70を透過して飽和ガス室40を通過し、反射鏡60で反射した光を受光する受光部30と、変調鏡70により光が反射及び透過された場合のそれぞれにおける、受光部30の受光エネルギー値に基づき、対象ガスの濃度を算出する算出回路3を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、ガス濃度算出装置及びガス濃度計測モジュールに関するものである。
従来、例えば、二酸化炭素などのガスの濃度を算出するガス濃度算出装置が空調システムの分野などで導入されている。このガス濃度算出装置での算出結果に基づいて換気のON/OFFなどを制御することにより、空調システムを効率よく作動させ、消費電力の低減を図ることが行われている。このようなガス濃度算出装置にはNDIR(Non−dispersive Infrared:非分散型赤外線吸収)法が用いられており、NDIR(非分散型赤外線吸収)法とは、赤外光が対象ガス中を通る際の減衰に基づいてガスの濃度を算出する手法である。
NDIR(非分散型赤外線吸収)法を用いたガス濃度算出装置として、例えば、特許文献1に記載されたものがある。このガス濃度算出装置は、単一光源からの光をガスセル内に照射し、ガスセル内を通った光を第1の検出器と第2の検出器によって検出している。第1の検出器は、被測定ガス領域と、測定ガス室内に封入された不活性ガス領域と、からなる光路を通過した光を検出している。第2の検出器は、被測定ガス領域と、比較ガス室内に封入された被測定ガスと同種のガス領域と、からなる光路を通過した光を検出している。また、照射光量の増減を第2の検出器で検出し、第1の検出器の出力を校正することが開示されている。
また、特許文献2には、シリンダ内のサンプルガス濃度を検出するガス濃度算出装置が記載されている。ここでは、シリンダ内を往復動するピストンのヘッドに反射鏡を設けると共に、シリンダのヘッドにはシリンダ内に向けて光源と検出器とを配置する。このような構成により、光源から発せられ且つピストン上の反射鏡で反射された光が検出器で受光される。ピストンの往復動に伴って、反射鏡を経由する光源から検出器までの光路長が変化するため、検出器に受光されるエネルギー値が変化する。そして、検出器から出力される出力値の変化に基づいて、サンプルガスの濃度が算出される。
上記特許文献1に記載されたガス濃度算出装置においては、第1の検出器及び第2の検出器という、それぞれ別々の二つの受光素子を用いてガスの濃度を算出している。このため、受光素子自体の個体差(感度、ノイズ特性の差、あるいはそれらの周囲温度に対する差や長期変化に対する差など)がガス濃度の測定精度に悪影響を与えてしまう。このような悪影響は、受光素子それぞれの個体差によるものであるため、両受光素子からの出力値の比等を用いることでキャンセルされるものではない。
上記特許文献2のガス濃度算出装置においては、単一の受光素子を用いるため、受光素子の個体差による不具合はないといえる。しかし、特許文献2の技術では、光源から検出器までの光路長を変化させるための手段である反射鏡がピストンのヘッドに設けられ且つ光路の方向と同一の方向で上下運動を行っている。このため、精度の高い計測を実現するためには、ピストンの運動、つまり反射鏡の運動を計測時に一時停止させる必要がある。反射鏡が停止せず光路の方向と同一の方向で動いている場合には、光路長が安定せず、精度の高い計測ができないからである。従って、ピストンの一時運動停止により、参照光の測定タイミングと信号光の測定タイミングとの間に大幅な時間ずれが生じてしまう。参照光の測定タイミングと信号光の測定タイミングとの間に大幅な時間ずれが生じては、それぞれの測定結果の比に基づき算出されたガス濃度にも大幅な時間ずれの分だけ誤差が生じるということになる。
そこで、本発明は上記に鑑みてなされたもので、受光素子の個体差による不具合を防止し、且つ光路長が安定しないことによる不具合を防止することが可能なガス濃度算出装置及びガス濃度計測モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のガス濃度算出装置は、ガス濃度計測モジュール及びガス濃度算出モジュールを備え、対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置であって、前記ガス濃度計測モジュールは、前記対象ガスが導入される導入空間を形成するガスセルと、前記ガスセルの一端に配置された光源と、前記ガスセルの前記一端または他端に配置され、前記光源から放射された光を反射または透過させる反射切替手段と、前記反射切替手段を透過した光を反射させる反射手段と、所定の比較ガスが封入されたものであって、前記反射切替手段を透過した光の光路上に配置された比較ガスセルと、前記ガスセルの前記他端に配置され、前記光源から放射されたものであって前記反射切替手段によって反射された光、及び前記光源から放射されたものであって前記反射切替手段を透過して前記比較ガスセルを通過し、前記反射手段によって反射した光を受光する受光手段と、を備え、前記ガス濃度算出モジュールは、前記反射切替手段により光が反射及び透過された場合のそれぞれにおける、前記受光手段の受光エネルギー値に基づき、前記対象ガスの前記濃度を算出する、ことを特徴とする。
また、本発明のガス濃度計測モジュールは、対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置におけるガス濃度計測モジュールであって、前記対象ガスが導入される導入空間を形成するガスセルと、前記ガスセルの一端に配置された光源と、前記ガスセルの前記一端または他端に配置され、前記光源から放射された光を反射または透過させる反射切替手段と、前記反射切替手段を透過した光を反射させる反射手段と、所定の比較ガスが封入されたものであって、前記反射切替手段を透過した光の光路上に配置された比較ガスセルと、前記ガスセルの前記他端に配置され、前記光源から放射されたものであって前記反射切替手段によって反射された光、及び前記光源から放射されたものであって前記反射切替手段を透過して前記比較ガスセルを通過し、前記反射手段によって反射した光を受光する受光手段と、を備えることを特徴とする。
このような本発明のガス濃度算出装置及びガス濃度計測モジュールによれば、受光手段が、反射切替手段によって反射された光及び反射切替手段を透過して比較ガスセルを通過した光の両方を受光するため、反射切替手段によって反射と透過とが切り替えられた場合のそれぞれにおける光を異なる受光手段で別々に受光する場合の、受光手段の個体差による不具合が防止される。また、反射切替手段を対象ガスが導入されたガスセルの一端または他端に配置する構成としたので、つまりガスセル外に反射切替手段を配置したため、反射切替手段によって反射と透過とが切り替えられた場合のそれぞれの光がガスセル内の対象ガス中を通る光路長に変化が無い。このため、対象ガス中を通る光の光路長が安定しないことによる不具合を防止することができる。
また、本発明において、前記反射切替手段は、前記光源から放射された光に対する反射率を電気的に調整して光の反射と透過とを切り替える反射率調整手段であることが好ましい。
この場合には、受光手段が受光する光における受光エネルギー値の差異を発生させるための手段は反射率調整手段であり、この反射率調整手段の動作は反射率の電気的な制御による。従って、受光エネルギー値の差異を発生させるために振動等を伴わず、当該振動による位置ずれや付加的なノイズなどが無いので、ガス濃度計測モジュールの光検出精度の低下を防止できる。
また、反射率調整手段が反射率を電気的に制御することにより、反射率切り替えを高速で行うことができる。従って、受光手段が受光する光測定タイミングにおける時間ずれが無いものと同然か、有っても非常に短く、擬似同時測定が可能となる。
なお、このような効果をもたらす反射率調整手段としては、空間光変調器(SLM)や液晶光学素子が好適である。
また、本発明において、前記反射切替手段は、前記光源から放射された光に対して回転により反射と透過とを切り替える回転機構であることが好ましい。
この場合には、受光手段が受光する光における受光エネルギー値の差異を発生させるための手段は回転機構であり、この回転機構が回転を行っていても、ガスセル外に回転機構が配置されているため、反射と透過とが切り替えられた場合のそれぞれの光がガスセル内の対象ガス中を通る光路長に変化が無い。従って、例えば上記特許文献2の場合とは異なり、光路長が安定するので、回転機構を一時停止する必要がない。その結果、回転機構の一時運動停止により光測定タイミングに大幅な時間ずれが生じてしまう等の不具合を防止できる。
また、本発明において、前記回転機構を、反射板と穴からなる回転鏡で構成しても良い。
この場合には、反射板と穴からなる回転鏡で簡潔な構成が可能となる。
また、本発明において、前記反射手段は、角度の異なる複数の反射面を備え、前記反射切替手段を透過した光を、前記複数の反射面で順次反射させ且つ前記反射面での反射毎に前記比較ガスセルを通過させることが好ましい。
この場合には、反射手段の反射面で反射した光が複数回比較ガスセル中を通過するため、比較ガスセル内を通過する光路を長くすることができる。このため、光源から放射された光の特性を、比較ガスセル内で十分に変化させることができる。また、光が複数回比較ガスセルを通過する構成としたので、比較ガスセルを大型化することなく小型の比較ガスセルによって、比較ガスセルを通過する光の光路長を長くすることができる。
また、本発明において、前記所定の比較ガスは、前記対象ガスと同種の飽和ガスであることが好ましい。対象ガスに合わせてバンドパスフィルタおよび比較ガスを変更することで、複数種類のガスの計測も可能である。
この場合には、対象ガスと同種の飽和ガスを光が通過するときの特性の変化を利用して、受光手段による受光エネルギー値の差異を発生させることができる。
また、本発明においては、前記光源と前記受光手段との間の光路上に配置され、所定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタをさらに備えることが好ましい。
バンドパスフィルタにより、受光される光の波長帯を同一波長帯とすることができ、異なる波長帯の光が受光されることによる光検出精度の低下を防止できる。
また、本発明においては、前記光源は、赤外線を放射するものであることが好ましい。
赤外線が対象ガスを通るときにエネルギーが減衰する現象を用いて、対象ガスの濃度を算出することができる。
また、本発明においては、前記対象ガスは二酸化炭素であることが好ましい。
光が二酸化炭素を通るときにエネルギーが減衰する現象を用いて、対象ガスの濃度を算出することができる。
前記対象ガスの異なる前記受光手段を複数備える前記ガス濃度計測モジュールと、複数の前記受光手段に対応する複数の前記ガス濃度算出モジュールを備える、
ことが好ましい。
ことが好ましい。
この場合には、バンドパスフィルタ、比較ガスおよび受光部を増やすことで同時に複数ガスの計測も可能である。この場合、バンドパスフィルタは受光部前面に配置するのが好ましい。また、対象ガスの異なるガス濃度計測モジュールを複数備えることで、複数のガスの濃度を同時に精度良く算出することができる。
本発明によれば、受光素子の個体差による不具合を防止し、且つ光路長が安定しないことによる不具合を防止することが可能なガス濃度算出装置及びガス濃度計測モジュールを提供することができる。
以下、添付図面を参照して本発明にかかるガス濃度算出装置及びガス濃度計測モジュールの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
[第1の実施形態]
第1の実施形態は、変調鏡70を、ガスセル10の一端(赤外光源20が配置される側)に配置した場合である。
第1の実施形態は、変調鏡70を、ガスセル10の一端(赤外光源20が配置される側)に配置した場合である。
(ガス濃度算出装置1の全体構成)
まず、第1の実施形態に係るガス濃度算出装置1の全体構成について説明する。図1は、ガス濃度算出装置1を示す概略断面図である。ガス濃度算出装置1は、赤外光源20(特許請求の範囲の「光源」に相当)からの光を受光し、そのエネルギー値を測定するガス濃度計測モジュール2と、ガス濃度計測モジュール2による測定結果に基づいてガス濃度を算出する算出回路3(特許請求の範囲の「ガス濃度算出モジュール」に相当)と、を含んで構成され、対象ガスの濃度を算出するものである。算出回路3によって算出されたガス濃度は、図示しない制御装置などに出力され、例えば空調システムなどの制御に利用される。なお、本実施形態では、ガス濃度計測モジュール2に導入されるサンプルガス50中の二酸化炭素を濃度算出の対象ガスとした場合の例について説明する。
まず、第1の実施形態に係るガス濃度算出装置1の全体構成について説明する。図1は、ガス濃度算出装置1を示す概略断面図である。ガス濃度算出装置1は、赤外光源20(特許請求の範囲の「光源」に相当)からの光を受光し、そのエネルギー値を測定するガス濃度計測モジュール2と、ガス濃度計測モジュール2による測定結果に基づいてガス濃度を算出する算出回路3(特許請求の範囲の「ガス濃度算出モジュール」に相当)と、を含んで構成され、対象ガスの濃度を算出するものである。算出回路3によって算出されたガス濃度は、図示しない制御装置などに出力され、例えば空調システムなどの制御に利用される。なお、本実施形態では、ガス濃度計測モジュール2に導入されるサンプルガス50中の二酸化炭素を濃度算出の対象ガスとした場合の例について説明する。
ガス濃度計測モジュール2は、ガスセル10と、赤外光源20を含む反射切替ユニット100と、受光部30(特許請求の範囲の「受光手段」に相当)とを含んで構成される。
ガスセル10は、内部にサンプルガス50が導入される導入空間11を形成するものである。ガスセル10は、ガスセル10の一端側に、導入空間11内にサンプルガス50を導入するためのガス導入部12が設けられ、ガスセル10の他端側に、導入空間11内のサンプルガス50を外部へ排出するためのガス排出部13が設けられている。ガス導入部12やガス排出部13として、ガスセルの内壁(例えば上部や底部)に多数設られた穴を用いてもよい。
反射切替ユニット100は、ガスセル10の一端に配置され、赤外光源20と、変調鏡70(特許請求の範囲の「反射切替手段,反射率調整手段」に相当)と、飽和ガス41(特許請求の範囲の「比較ガス」に相当)が封入された飽和ガス室40(特許請求の範囲の「比較ガスセル」に相当)と、反射鏡60(特許請求の範囲の「反射手段」に相当)と、バンドパスフィルタ90と、を含んで構成される。
赤外光源20は、赤外線を放射するものである。本実施形態では、赤外光源20として、4.2μm〜4.3μmの波長域を含んだ光を放射するものを用いる。赤外光源20からの赤外線はサンプルガス50中の二酸化炭素分子51により吸収され減衰する。
変調鏡70は、赤外光源20から放射された光に対する反射率を電気的に調整するものである。ここで、変調鏡70は、反射率を電気的に調整することにより、赤外光源20から放射された光を全反射または全透過させる。変調鏡70で反射された光は、受光部30へ向けて放射される。なお、本実施形態では、変調鏡70として、例えば液晶光学素子や空間光変調器(SLM)を採用している。これ以外に、誘電体や金属メッシュ等で反射率の制御を行う他の手法を用いても良い。
反射鏡60は、変調鏡70を透過した光を受光部30ヘ向けて反射させるものである。ここで、変調鏡70と反射鏡60との間には飽和ガス室40が配置されている。このため、変調鏡70を透過した光は飽和ガス室40内の飽和ガス41を通過して反射鏡60で反射する。反射鏡60で反射した光は、再び飽和ガス41を通過し、変調鏡70を透過して受光部30に入射する。
飽和ガス室40内に封入される飽和ガス41は、サンプルガス50と同種の飽和ガスを用いる。
バンドパスフィルタ90は、赤外光源20と受光部30との間の光路上に配置され、所定波長の光のみを通過させるものである。本実施形態では、バンドパスフィルタ90は、反射切替ユニット100内に配置され、4.2μm〜4.3μmの波長域の光のみを透過するものを用いる。また、バンドパスフィルタ90を反射切替ユニット100内に設けない場合には、例えば、受光部30とガスセル10との間に設けることもできる。
なお、反射切替ユニット100の筐体101内は、例えば、赤外光源20が放射する赤外線に対して不活性な不活性ガスや、サンプルガス50が充填されているものとする。
受光部30は、ガスセル10の他端に配置され、赤外光源20から放射されたものであって変調鏡70によって反射された光、及び赤外光源20から放射されたものであって変調鏡70を透過して飽和ガス室40を通過した光の両方を受光する受光素子である。つまり、一つの受光部30が、飽和ガス室40を通過した光と、飽和ガス室40を通過していない光の両方を受光する。従って、複数種類の光を受光するために複数の受光手段をそれぞれ用いる場合に比べて、受光手段の個体差による弊害が皆無である。
(受光エネルギー値に差異を発生させるための仕組み)
受光部30で受光される光の受光エネルギー値の差異について説明する。ここでは、変調鏡70における光の反射または透過の制御を行うことにより、受光部30によって受光される光の受光エネルギー値に差異を発生させるものである。
受光部30で受光される光の受光エネルギー値の差異について説明する。ここでは、変調鏡70における光の反射または透過の制御を行うことにより、受光部30によって受光される光の受光エネルギー値に差異を発生させるものである。
具体的には、変調鏡70が光を反射させる状態に制御されている場合、図1中に矢印で示す光路Aのように、赤外光源20から放射された光は変調鏡70で反射し、反射した光はガスセル10内のサンプルガス50中を通って受光部30へ入射する。
一方、変調鏡70が光を透過させる状態に制御されている場合、図1中に矢印で示す光路Bのように、赤外光源20から放射された光は変調鏡70を透過し、飽和ガス室40を通過して反射鏡60で反射する。反射鏡60で反射した光は、再び飽和ガス室40を通過して変調鏡70を透過し、さらにガスセル10内のサンプルガス50中を通って受光部30へ入射する。
このように、変調鏡70を透過状態に制御した場合には、変調鏡70を反射状態に制御した場合と比較して、光が飽和ガス室40中を通過する分だけ光路長が長くなる。また、飽和ガス室40に封入された飽和ガス41中を赤外光線が通ることにより、飽和ガスによって光のエネルギーが吸収される。従って、受光部30が、飽和ガス室40を通過した光を受光する場合(変調鏡70を光が透過した場合)には、飽和ガス室40を通過しない光を受光する場合(変調鏡70で光が反射した場合)と比較して、エネルギー値が低い光を受光する。
以上のように、本実施形態において、受光エネルギー値の変更は変調鏡70により電気的に行われる。このため、コンパクトで、しかも可動部を無くすことができ、振動による位置ずれや付加的なノイズなどの弊害が無く、精度が向上する。更に、変調速度が機械式に比べ大幅に高速化できる。
(二酸化炭素の濃度算出処理)
次に、受光部30が受光した光の受光エネルギー値より、算出回路3が二酸化炭素の濃度を算出する処理について説明する。受光部30は、変調鏡70で反射されてサンプルガス50のみを通過した光の受光エネルギー値と、変調鏡70を透過して飽和ガス室40とサンプルガス50とを通過した光の受光エネルギー値とを算出回路3に出力する。算出回路3は、飽和ガス室40とサンプルガス50とを通過した光の受光エネルギー値に基づいて放射光量の増減を算出し、サンプルガス50のみを通過した光の受光エネルギー値を校正することにより、サンプルガス50中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。なお、2つの受光エネルギー値に基づいてガス濃度を算出する手順については、例えば特許文献1に開示されているように、従来から知られたガス相関法を用いて算出することができるものであり、詳細な説明を省略する。
次に、受光部30が受光した光の受光エネルギー値より、算出回路3が二酸化炭素の濃度を算出する処理について説明する。受光部30は、変調鏡70で反射されてサンプルガス50のみを通過した光の受光エネルギー値と、変調鏡70を透過して飽和ガス室40とサンプルガス50とを通過した光の受光エネルギー値とを算出回路3に出力する。算出回路3は、飽和ガス室40とサンプルガス50とを通過した光の受光エネルギー値に基づいて放射光量の増減を算出し、サンプルガス50のみを通過した光の受光エネルギー値を校正することにより、サンプルガス50中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。なお、2つの受光エネルギー値に基づいてガス濃度を算出する手順については、例えば特許文献1に開示されているように、従来から知られたガス相関法を用いて算出することができるものであり、詳細な説明を省略する。
(第1の実施形態の作用・効果)
続いて、第1の実施形態にかかるガス濃度算出装置1の作用及び効果について説明する。第1の実施形態のガス濃度算出装置1によれば、受光部30が、変調鏡70によって反射された光、及び変調鏡70を透過して飽和ガス室40を通過した光の両方を受光するため、変調鏡70によって反射と透過とが切り替えられた場合のそれぞれにおける光を異なる受光部30で別々に受光する場合の、受光部30の個体差による不具合が防止される。また、サンプルガス50が導入されたガスセル10の一端に変調鏡70を配置する構成としたので、つまりガスセル10外に変調鏡70を配置したため、変調鏡70によって反射と透過とが切り替えられた場合のそれぞれの光がサンプルガス50を通る光路長に変化が無い。このため、サンプルガス50中を通る光の光路長が安定しないことによる不具合を防止することができる。
続いて、第1の実施形態にかかるガス濃度算出装置1の作用及び効果について説明する。第1の実施形態のガス濃度算出装置1によれば、受光部30が、変調鏡70によって反射された光、及び変調鏡70を透過して飽和ガス室40を通過した光の両方を受光するため、変調鏡70によって反射と透過とが切り替えられた場合のそれぞれにおける光を異なる受光部30で別々に受光する場合の、受光部30の個体差による不具合が防止される。また、サンプルガス50が導入されたガスセル10の一端に変調鏡70を配置する構成としたので、つまりガスセル10外に変調鏡70を配置したため、変調鏡70によって反射と透過とが切り替えられた場合のそれぞれの光がサンプルガス50を通る光路長に変化が無い。このため、サンプルガス50中を通る光の光路長が安定しないことによる不具合を防止することができる。
また、第1の実施形態において、受光部30が受光する光における光路長の差異や受光エネルギー値の差異を発生させるための手段は変調鏡70であり、この変調鏡70の動作は反射率の電気的な制御による。従って、光路長の差異や受光エネルギー値の差異を発生させるために振動等を伴わず、当該振動による位置ずれや付加的なノイズなどが無いので、ガス濃度計測モジュール2の光検出精度の低下を防止できる。
また、変調鏡70が反射率を電気的に制御することにより、反射率切り替えを高速で行うことができる。従って、受光部30が受光する光測定タイミングにおける時間ずれが無いものと同然か、有っても非常に短く、擬似同時測定が可能となる。
なお、このような効果をもたらす変調鏡70としては、空間光変調器(SLM)や液晶光学素子が好適である。
また、サンプルガス50と同種の飽和ガス41中を赤外光源20から放射された光が通過するときの特性の変化を利用して、受光部30による受光エネルギー値の差異を発生させることができる。
また、バンドパスフィルタ90により、受光される光の波長帯を同一波長帯とすることができ、異なる波長帯の光が受光されることによる光検出精度の低下を防止できる。
また、赤外光源20が赤外線を放射することにより、赤外線がサンプルガス50を通るときに二酸化炭素によってエネルギーが減衰する現象を用いて、サンプルガス50の二酸化炭素の濃度を算出することができる。
また、赤外光源20から放射された赤外光がサンプルガス50中の二酸化炭素を通るときにエネルギーが減衰する現象を用いて、サンプルガス50中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。なお、使用する光の波長をバンドパスフィルタで選択し、比較ガスを測定するガスとすることで、測定できるガスの種類は二酸化炭素に限らず任意にとれることは明白である。
[第2の実施形態]
第2の実施形態は、変調鏡70を、ガスセル10の他端側(受光部30が配置される側)に配置した場合である。なお、第1の実施形態と同様の構成物については、同一番号を付して詳細な説明を省略する。
第2の実施形態は、変調鏡70を、ガスセル10の他端側(受光部30が配置される側)に配置した場合である。なお、第1の実施形態と同様の構成物については、同一番号を付して詳細な説明を省略する。
(ガス濃度算出装置1Aの全体構成)
まず、第2の実施形態に係るガス濃度算出装置1Aの全体構成について説明する。図2は、ガス濃度算出装置1Aを示す概略断面図である。ガス濃度算出装置1Aは、赤外光源20(特許請求の範囲の「光源」に相当)からの光を受光し、そのエネルギー値を測定するガス濃度計測モジュール2Aと、ガス濃度計測モジュール2Aによる測定結果に基づいてガス濃度を算出する算出回路3(特許請求の範囲の「ガス濃度算出モジュール」に相当)と、を含んで構成され、対象ガスの濃度を算出するものである。算出回路3によって算出されたガス濃度は、図示しない制御装置などに出力され、例えば空調システムなどの制御に利用される。なお、本実施形態では、ガス濃度計測モジュール2Aに導入されるサンプルガス50中の二酸化炭素を濃度算出の対象ガスとした場合の例について説明する。
まず、第2の実施形態に係るガス濃度算出装置1Aの全体構成について説明する。図2は、ガス濃度算出装置1Aを示す概略断面図である。ガス濃度算出装置1Aは、赤外光源20(特許請求の範囲の「光源」に相当)からの光を受光し、そのエネルギー値を測定するガス濃度計測モジュール2Aと、ガス濃度計測モジュール2Aによる測定結果に基づいてガス濃度を算出する算出回路3(特許請求の範囲の「ガス濃度算出モジュール」に相当)と、を含んで構成され、対象ガスの濃度を算出するものである。算出回路3によって算出されたガス濃度は、図示しない制御装置などに出力され、例えば空調システムなどの制御に利用される。なお、本実施形態では、ガス濃度計測モジュール2Aに導入されるサンプルガス50中の二酸化炭素を濃度算出の対象ガスとした場合の例について説明する。
ガス濃度計測モジュール2Aは、ガスセル10と、反射切替ユニット100Aと、赤外光源20とを含んで構成される。
赤外光源20は、ガスセル10の一端に配置され、赤外線を放射するものである。本実施形態では、赤外光源20として、4.2μm〜4.3μmの波長域を含んだ光を放射するものを用いる。赤外光源20からの赤外線はサンプルガス50中の二酸化炭素分子51により吸収され減衰する。
反射切替ユニット100Aは、ガスセル10の他端に配置され、受光部30(特許請求の範囲の「受光手段」に相当)と、変調鏡70(特許請求の範囲の「反射切替手段,反射率調整手段」に相当)と、飽和ガス41(特許請求の範囲の「比較ガス」に相当)が封入された飽和ガス室40(特許請求の範囲の「比較ガスセル」に相当)と、反射鏡60(特許請求の範囲の「反射手段」に相当)と、バンドパスフィルタ90と、を含んで構成される。
変調鏡70は、赤外光源20から放射されてサンプルガス50を通った光に対する反射率を電気的に調整するものである。ここで、変調鏡70は、反射率を電気的に調整することにより、赤外光源20から放射されてサンプルガス50を通った光を全反射または全透過させる。変調鏡70で反射された光は、受光部30へ向けて放射される。なお、本実施形態では、変調鏡70として、例えば液晶光学素子や空間光変調器(SLM)を採用している。これ以外に、誘電体や金属メッシュ等で反射率の制御を行う他の手法を用いても良い。
反射鏡60は、変調鏡70を透過した光を受光部30ヘ向けて反射させるものである。ここで、変調鏡70と反射鏡60との間には飽和ガス室40が配置されている。このため、変調鏡70を透過した光は飽和ガス室40内の飽和ガス41を通過して反射鏡60で反射する。反射鏡60で反射した光は、再び飽和ガス41を通過し、変調鏡70を透過して受光部30に入射する。
受光部30は、赤外光源20から放射されてサンプルガス50を通過したものであって変調鏡70によって反射された光、及び赤外光源20から放射されてサンプルガス50を通過したものであって反射鏡60で反射され且つ飽和ガス室40を通過した光の両方を受光する受光素子である。つまり、一つの受光部30が、飽和ガス室40を通過した光と、飽和ガス室40を通過していない光の両方を受光する。従って、複数種類の光を受光するために複数の受光手段をそれぞれ用いる場合に比べて、受光手段の個体差による弊害が皆無である。
なお、反射切替ユニット100Aの筐体101A内は、例えば、赤外光源20が放射する赤外線に対して不活性な不活性ガスや、サンプルガス50が充填されているものとする。
(受光エネルギー値に差異を発生させるための仕組み)
受光部30で受光される光の受光エネルギー値の差異について説明する。ここでは、変調鏡70における光の反射または透過の制御を行うことにより、受光部30によって受光される光の受光エネルギー値に差異を発生させるものである。
受光部30で受光される光の受光エネルギー値の差異について説明する。ここでは、変調鏡70における光の反射または透過の制御を行うことにより、受光部30によって受光される光の受光エネルギー値に差異を発生させるものである。
具体的には、変調鏡70が光を反射させる状態に制御されている場合、図2中に矢印で示す光路A1のように、赤外光源20から放射された光はガスセル10中のサンプルガス50を通って変調鏡70で反射し、反射した光は受光部30へ入射する。
一方、変調鏡70が光を透過させる状態に制御されている場合、図2中に矢印で示す光路B1のように、赤外光源20から放射された光はガスセル10中のサンプルガス50を通って変調鏡70を透過し、飽和ガス室40を通過して反射鏡60で反射する。反射鏡60で反射した光は、再び飽和ガス室40を通過して変調鏡70を透過し、受光部30へ入射する。
このように、変調鏡70を透過状態に制御した場合には、変調鏡70を反射状態に制御した場合と比較して、光が飽和ガス室40中を通過する分だけ光路長が長くなる。また、飽和ガス室40に封入された飽和ガス41中を赤外光線が通ることにより、飽和ガスによって光のエネルギーが吸収される。従って、受光部30が、飽和ガス室40を通過した光を受光する場合(変調鏡70を光が透過した場合)には、飽和ガス室40を通過しない光を受光する場合(変調鏡70で光が反射した場合)と比較して、受光エネルギー値が低くなる。
以上のように、本実施形態において、受光エネルギー値の変更は変調鏡70により電気的に行われる。このため、コンパクトで、しかも可動部を無くすことができ、振動による位置ずれや付加的なノイズなどの弊害が無く、精度が向上する。更に、変調速度が機械式に比べ大幅に高速化できる。
(二酸化炭素の濃度算出処理)
受光部30が受光した光のエネルギー値より、算出回路3が二酸化炭素の濃度を算出する処理については、第1の実施形態の場合と同様に、従来から知られたガス相関法を用いて算出することができるものであり、詳細な説明を省略する。
受光部30が受光した光のエネルギー値より、算出回路3が二酸化炭素の濃度を算出する処理については、第1の実施形態の場合と同様に、従来から知られたガス相関法を用いて算出することができるものであり、詳細な説明を省略する。
(本実施形態の作用・効果)
続いて、第2の実施形態にかかるガス濃度算出装置1Aの作用及び効果について説明する。第2の実施形態のガス濃度算出装置1Aによれば、受光部30が、変調鏡70によって反射された光、及び変調鏡70を透過して飽和ガス室40を通過した光の両方を受光するため、変調鏡70によって反射と透過とが切り替えられた場合のそれぞれにおける光を異なる受光部30で別々に受光する場合の、受光部30の個体差による不具合が防止される。また、サンプルガス50が導入されたガスセル10の他端に変調鏡70を配置する構成としたので、つまりガスセル10外に変調鏡70を配置したため、変調鏡70によって光の反射と透過とを切り替えても、サンプルガス50を通る光の光路長に変化が無い。このため、サンプルガス50中を通る光の光路長が安定しないことによる不具合を防止することができる。
続いて、第2の実施形態にかかるガス濃度算出装置1Aの作用及び効果について説明する。第2の実施形態のガス濃度算出装置1Aによれば、受光部30が、変調鏡70によって反射された光、及び変調鏡70を透過して飽和ガス室40を通過した光の両方を受光するため、変調鏡70によって反射と透過とが切り替えられた場合のそれぞれにおける光を異なる受光部30で別々に受光する場合の、受光部30の個体差による不具合が防止される。また、サンプルガス50が導入されたガスセル10の他端に変調鏡70を配置する構成としたので、つまりガスセル10外に変調鏡70を配置したため、変調鏡70によって光の反射と透過とを切り替えても、サンプルガス50を通る光の光路長に変化が無い。このため、サンプルガス50中を通る光の光路長が安定しないことによる不具合を防止することができる。
また、第2の実施形態において、受光部30が受光する光における光路長の差異や受光エネルギー値の差異を発生させるための手段は変調鏡70であり、この変調鏡70の動作は反射率の電気的な制御による。従って、光路長の差異や受光エネルギー値の差異を発生させるために振動等を伴わず、当該振動による位置ずれや付加的なノイズなどが無いので、ガス濃度計測モジュール2Aの光検出精度の低下を防止できる。
また、変調鏡70が反射率を電気的に制御することにより、反射率切り替えを高速で行うことができる。従って、受光部30が受光する光測定タイミングにおける時間ずれが無いものと同然か、有っても非常に短く、擬似同時測定が可能となる。
なお、このような効果をもたらす変調鏡70としては、空間光変調器(SLM)や液晶光学素子が好適である。
また、サンプルガス50と同種の飽和ガス41中を赤外光源20から放射された光が通過するときの特性の変化を利用して、受光部30による受光エネルギー値の差異を発生させることができる。
[第3の実施形態]
第3の実施形態は、回転鏡80を用いて、赤外光源20から放射された光を反射または透過させるものである。なお、第1の実施形態と同様の構成物については、同一番号を付して詳細な説明を省略する。
第3の実施形態は、回転鏡80を用いて、赤外光源20から放射された光を反射または透過させるものである。なお、第1の実施形態と同様の構成物については、同一番号を付して詳細な説明を省略する。
(ガス濃度算出装置1Bの全体構成)
まず、第3の実施形態に係るガス濃度算出装置1Bの全体構成について説明する。図3は、ガス濃度算出装置1Bを示す概略断面図である。ガス濃度算出装置1Bは、赤外光源20(特許請求の範囲の「光源」に相当)からの光を受光し、そのエネルギー値を測定するガス濃度計測モジュール2Bと、ガス濃度計測モジュール2Bによる測定結果に基づいてガス濃度を算出する算出回路3(特許請求の範囲の「ガス濃度算出モジュール」に相当)と、を含んで構成され、対象ガスの濃度を算出するものである。算出回路3によって算出されたガス濃度は、図示しない制御装置などに出力され、例えば空調システムなどの制御に利用される。なお、本実施形態では、ガス濃度計測モジュール2Bに導入されるサンプルガス50中の二酸化炭素を濃度算出の対象ガスとした場合の例について説明する。
まず、第3の実施形態に係るガス濃度算出装置1Bの全体構成について説明する。図3は、ガス濃度算出装置1Bを示す概略断面図である。ガス濃度算出装置1Bは、赤外光源20(特許請求の範囲の「光源」に相当)からの光を受光し、そのエネルギー値を測定するガス濃度計測モジュール2Bと、ガス濃度計測モジュール2Bによる測定結果に基づいてガス濃度を算出する算出回路3(特許請求の範囲の「ガス濃度算出モジュール」に相当)と、を含んで構成され、対象ガスの濃度を算出するものである。算出回路3によって算出されたガス濃度は、図示しない制御装置などに出力され、例えば空調システムなどの制御に利用される。なお、本実施形態では、ガス濃度計測モジュール2Bに導入されるサンプルガス50中の二酸化炭素を濃度算出の対象ガスとした場合の例について説明する。
ガス濃度計測モジュール2Bは、ガスセル10と、赤外光源20を含む反射切替ユニット100Bと、受光部30(特許請求の範囲の「受光手段」に相当)とを含んで構成される。
ガスセル10は、内部にサンプルガス50が導入される導入空間11を形成するものである。ガスセル10は、ガスセル10の一端側に、導入空間11内にサンプルガス50を導入するためのガス導入部12が設けれ、ガスセル10の他端側に、導入空間11内のサンプルガス50を外部へ排出するためのガス排出部13が設けられている。
反射切替ユニット100Bは、ガスセル10の一端に配置され、赤外光源20と、回転鏡80(特許請求の範囲の「反射切替手段,回転機構」に相当)と、飽和ガス41(特許請求の範囲の「比較ガス」に相当)が封入された飽和ガス室40(特許請求の範囲の「比較ガスセル」に相当)と、反射鏡60(特許請求の範囲の「反射手段」に相当)と、バンドパスフィルタ90と、を含んで構成される。
赤外光源20は、赤外線を放射するものである。本実施形態では、赤外光源20として、4.2μm〜4.3μmの波長域を含んだ光を放射するものを用いる。赤外光源20からの赤外線はサンプルガス50中の二酸化炭素分子51により吸収され減衰する。
回転鏡80は、赤外光源20から放射された光を回転により反射または通過させるものである。回転鏡80は、反射板81と穴82からなり、回転駆動機構83により回転方向や回転速度等が制御される。穴82は枠82aにより囲まれてなる空間である。
反射鏡60は、回転鏡80の穴82を通過した光を受光部30ヘ向けて反射させるものである。ここで、回転鏡80の反射板81と反射鏡60との間には飽和ガス室40が配置されている。このため、回転鏡80の穴82を通過した光は飽和ガス室40内の飽和ガス41を通過して反射鏡60で反射する。反射鏡60で反射した光は、再び飽和ガス41を通過し、回転鏡80の穴82を通過して受光部30に入射する。なお、図3では、赤外光源20から放射された光が、回転鏡80の穴82を通過して反射鏡60で反射される状態を示している。
飽和ガス室40内に封入される飽和ガス41は、サンプルガス50と同種の飽和ガスを用いる。
バンドパスフィルタ90は、赤外光源20と受光部30との間の光路上に配置され、所定波長の光のみを通過させるものである。本実施形態では、バンドパスフィルタ90は、反射切替ユニット100B内に配置され、4.2μm〜4.3μmの波長域の光のみを透過するものを用いる。また、バンドパスフィルタ90を反射切替ユニット100B内に設けない場合には、例えば、受光部30とガスセル10との間に設けることもできる。
なお、反射切替ユニット100Bの筐体101B内は、例えば、赤外光源20が放射する赤外線に対して不活性な不活性ガスや、サンプルガス50が充填されているものとする。
受光部30は、ガスセル10の他端に配置され、赤外光源20から放射されたものであって回転鏡80の反射板81によって反射された光、及び赤外光源20から放射されたものであって回転鏡80の穴82を通過して飽和ガス室40を通過した光の両方を受光する受光素子である。つまり、一つの受光部30が、飽和ガス室40を通過した光と、飽和ガス室40を通過していない光の両方を受光する。従って、複数種類の光を受光するために複数の受光手段をそれぞれ用いる場合に比べて、受光手段の個体差による弊害が皆無である。
(受光エネルギー値に差異を発生させるための仕組み)
受光部30で受光される光の受光エネルギー値の差異について説明する。ここでは、回転鏡80を回転させて、光を反射板81で反射させること、または穴82を通過させることの制御を行うことにより、受光部30によって受光される光の受光エネルギー値に差異を発生させるものである。
受光部30で受光される光の受光エネルギー値の差異について説明する。ここでは、回転鏡80を回転させて、光を反射板81で反射させること、または穴82を通過させることの制御を行うことにより、受光部30によって受光される光の受光エネルギー値に差異を発生させるものである。
具体的には、反射板81の回転により、回転鏡80が反射板81によって光を反射させる状態に制御されている場合、図3中に矢印で示す光路A2のように、赤外光源20から放射された光は回転鏡80の反射板81で反射し、反射した光はガスセル10内のサンプルガス50中を通って受光部30へ入射する。
一方、回転鏡80が穴82によって光を通過させる状態に制御されている場合、図3中に矢印で示す光路B2のように、赤外光源20から放射された光は回転鏡80の穴82を通過し、飽和ガス室40を通過して反射鏡60で反射する。反射鏡60で反射した光は、再び飽和ガス室40を通過して回転鏡80の穴82を通過し、さらにガスセル10内のサンプルガス50中を通って受光部30へ入射する。
このように、回転鏡80が穴82によって光を通過させる状態に制御されている場合には、反射板81によって光を反射させる状態に制御されている場合と比較して、光が飽和ガス室40中を通過する分だけ光路長が長くなる。また、飽和ガス室40に封入された飽和ガス41中を赤外光線が通ることにより、飽和ガスによって光のエネルギーが吸収される。従って、受光部30が、飽和ガス室40を通過した光を受光する場合(穴82を光が通過した場合)には、飽和ガス室40を通過しない光を受光する場合(反射板81で光が反射した場合)と比較して、受光エネルギー値が低くなる。
以上のように、本実施形態において、受光エネルギー値の変更は回転鏡80の回転により行われる。回転鏡80は、サンプルガス50が導入されるガスセル10の一端に配置される構成であるため、回転鏡80が回転を行っていても、反射板81で反射した光と穴82を通過した光が、対象ガス中を通る光路長に変化が無い。従って、光路長が安定するので、回転鏡80を一時停止しなくても、精度の高い計測を実現できる。その結果、回転鏡80の一時運動停止により光測定タイミングに大幅な時間ずれが生じてしまうことを防止できる。
(二酸化炭素の濃度算出処理)
次に、受光部30が受光した光のエネルギー値より、算出回路3が二酸化炭素の濃度を算出する処理について説明する。受光部30は、回転鏡80の反射板81で反射されてサンプルガス50のみを通過した光の受光エネルギー値と、回転鏡80の穴82を透過して飽和ガス室40とサンプルガス50とを通過した光の受光エネルギー値と、を算出回路3に出力する。算出回路3は、飽和ガス室40とサンプルガス50とを通過した光の受光エネルギー値に基づいて放射光量の増減を算出し、サンプルガス50のみを通過した光の受光エネルギー値を校正することにより、サンプルガス50中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。なお、2つの受光エネルギー値に基づいてガス濃度を算出する手順については、例えば特許文献1に開示されているように、従来から知られたガス相関法を用いて算出することができるものであり、詳細な説明を省略する。
次に、受光部30が受光した光のエネルギー値より、算出回路3が二酸化炭素の濃度を算出する処理について説明する。受光部30は、回転鏡80の反射板81で反射されてサンプルガス50のみを通過した光の受光エネルギー値と、回転鏡80の穴82を透過して飽和ガス室40とサンプルガス50とを通過した光の受光エネルギー値と、を算出回路3に出力する。算出回路3は、飽和ガス室40とサンプルガス50とを通過した光の受光エネルギー値に基づいて放射光量の増減を算出し、サンプルガス50のみを通過した光の受光エネルギー値を校正することにより、サンプルガス50中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。なお、2つの受光エネルギー値に基づいてガス濃度を算出する手順については、例えば特許文献1に開示されているように、従来から知られたガス相関法を用いて算出することができるものであり、詳細な説明を省略する。
(第3の実施形態の作用・効果)
続いて、第3の実施形態にかかるガス濃度算出装置1Bの作用及び効果について説明する。第3の実施形態のガス濃度算出装置1Bによれば、受光部30が、回転鏡80の反射板81によって反射された光、及び回転鏡80の穴82を通過して飽和ガス室40を通過した光の両方を受光するため、回転鏡80によって反射と通過とが切り替えられた場合のそれぞれにおける光を異なる受光部30で別々に受光する場合の、受光部30の個体差による不具合が防止される。また、サンプルガス50が導入されたガスセル10の一端に回転鏡80を配置する構成としたので、つまりガスセル10外に回転鏡80を配置したため、回転鏡80によって光の反射と通過とを切り替えても、サンプルガス50を通る光の光路長に変化が無い。このため、サンプルガス50中を通る光の光路長が安定しないことによる不具合を防止することができる。
続いて、第3の実施形態にかかるガス濃度算出装置1Bの作用及び効果について説明する。第3の実施形態のガス濃度算出装置1Bによれば、受光部30が、回転鏡80の反射板81によって反射された光、及び回転鏡80の穴82を通過して飽和ガス室40を通過した光の両方を受光するため、回転鏡80によって反射と通過とが切り替えられた場合のそれぞれにおける光を異なる受光部30で別々に受光する場合の、受光部30の個体差による不具合が防止される。また、サンプルガス50が導入されたガスセル10の一端に回転鏡80を配置する構成としたので、つまりガスセル10外に回転鏡80を配置したため、回転鏡80によって光の反射と通過とを切り替えても、サンプルガス50を通る光の光路長に変化が無い。このため、サンプルガス50中を通る光の光路長が安定しないことによる不具合を防止することができる。
また、例えば上記特許文献2の場合とは異なり、光路長が安定するので、回転鏡80を一時停止する必要がない。その結果、回転鏡80の一時運動停止により光測定タイミングに大幅な時間ずれが生じてしまう等の不具合を防止できる。
また、回転鏡80を、反射板81と穴82とによって構成することで、簡素な構成が可能となる。この場合には、回転部分が薄い円盤で構成することができるため、反射板81を回転させるための駆動電力が少なくてよく、回転鏡80を小型化することができる。
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。
例えば、図1〜3に示したように反射鏡60を変調鏡70や回転鏡80の後段に配置する構成に代えて、図4に示すように、円錐状の飽和ガス室40Aを用い、飽和ガス室40Aの周面に反射鏡60Aを形成することもできる。この場合には、21から放射されて変調鏡70または回転鏡80を透過した光が、反射鏡60Aの内側で順次反射し、反射毎に光が飽和ガス室40Aを通過する。これにより、飽和ガス室40A内を通過する光路長を長くすることができ、赤外光源20から放射された光のエネルギーを、飽和ガス室40の飽和ガス41によって十分に吸収させることができる。また、光が複数回比較ガスセルを通過する構成としたので、比較ガスセルを大型化することなく小型の比較ガスセルによって、比較ガスセルを通過する光の光路長を長くすることができる。
なお、図4では、円錐状の反射鏡60Aを用いて複数回光を反射させるものとしたが、形状はこれに限定されることなく、例えば、複数の反射面で構成された三角錘状や四角錘状であってもよい。なお、特許請求の範囲における「角度の異なる複数の反射面」とは、反射鏡60Aを円錐状に形成した場合のように、反射面を曲面で形成した場合を含むものである。
また、飽和ガス室40とバンドパスフィルタ90とを着脱可能な構成とすることもできる。この場合には、それぞれ異なった飽和ガス41を封入した複数の飽和ガス室40や、それぞれ異なる波長の光を通過させる複数のバンドパスフィルタ90を用意することにより、ガスセル10内に導入するサンプルガス50や測定対象とするガスの種類に応じて、最適な飽和ガス室40やバンドパスフィルタ90を選択して使用することができ、さまざまな種類のガスの濃度を測定することが可能となる。
また、1つの変調鏡70または回転鏡80に対して、ガスセル10及び受光部30を複数個備え、それぞれ異なる種類のガスをガスセル10内に導入することもできる。この場合には、複数種類のガス濃度を同時に測定することができる。
次に、複数種類のガスが混在したサンプルガスのガス濃度を検出するガス濃度算出装置の変形例を示す。上述のように種類の異なるガスの濃度を算出するためには異なる波長の光と測定したいガスを飽和ガスとした比較ガス室を用いて、それぞれガス濃度を測定する必要がある。これを実現するため、本変形例におけるガス濃度計測モジュールでは、反射切替ユニットと受光手段の組を複数用い、受光手段毎にガス濃度算出モジュールを設けたものである。図5は、4種類のガスが混在したサンプルガスの各ガスのガス濃度を測定するガス濃度算出装置1Cを示す概略断面図である。反射切替ユニット200A〜200Dが受光部30A〜30Dに比べてかさばるため、ガスセル10Aの両端において、図5中の一番上の段には左に反射切替ユニット200A、右に受光部30Aを配置し、その次の段には左に受光部30B、右に反射切替ユニット200Bを配置し、その次の段には左に反射切替ユニット200C、右に受光部30Cを配置し、その次の段には左に受光部30D、右に反射切替ユニット200Dを配置する。これにより、各反射切替ユニットと各受光部の組が共通のガスセル10Aを用いる場合であってもガス濃度算出装置1C全体が小さくなる。
ガスセル10Aの外部に配置された反射切替ユニット200A〜200Dには、測定に用いる波長の光を放射する光源20A〜20Dがそれぞれ配置されている。なお、放射する光の波長範囲が広く、各ガスの吸収に利用できる波長域を含むものであれば、一つの光源を用いることができる。各反射切替ユニット200A〜200Dは、上述した第1の実施形態の反射切替ユニット100と同様の構成を有しており、各反射切替ユニット200A〜200D内の比較ガス室には測定対象とするガスに対応する飽和ガスが封入されている。各反射切替ユニット200A〜200Dの光源20A〜20Dから放射された光は、各反射切替ユニット200A〜200Dに備えられた反射鏡または変調鏡で反射され、それぞれ受光部30A〜30Dに入射する。
また、各受光部30A〜30Dにはそれぞれバンドパスフィルタ90A〜90Dが配置される。各バンドパスフィルタ90A〜90Dは、各受光部30A〜30Dで測定対象となるガスが吸収する波長の光を透過し、それ以外の波長の光を遮断する光学素子であって、各受光部30A〜30D毎に異なるものとなっている。各受光部30A〜30Dが受光した光のエネルギー値に基づいて、算出回路3A〜3Dが測定対象とするガスの濃度を算出する。
上述の変形例では、反射切替ユニット200A〜200Dと受光部30A〜30Dを互い違いに配置したが、図6に示すガス濃度算出装置1Dのように、第2の実施形態と同様に、光源20A〜20Dと、光源20A〜20Dから放射された光をそれぞれ受光する受光部を備える反射切替ユニット300A〜300Dと、をガスセル10Aの両端に互い違いに配置してもよい。
また、図7に他の変形例におけるガス濃度算出装置1Eを示す。図8は、ガス濃度算出装置1Eの反射切替ユニット300Aを図7における矢印L方向から見た図である。本変形例におけるガス濃度算出装置1Eは、図7に示すように、ガスセル10Aの一方側に反射切替ユニット300A〜300Dを配置し、他方側に光源20A〜20Dを揃えて配したものである。反射切替ユニット300A〜300Dは、図2を用いて説明した第2の実施形態における反射切替ユニット100Aと同じ構成となっている。この反射切替ユニット300A〜300Dは、各光源20A〜20Dから放射された光を反射鏡及び変調鏡によって、反射ユニット300A〜300Dの並び方向と直交する方向に反射させて受光部で受光する。即ち、光源20A〜20Dから放射された光を反射鏡及び変調鏡によって図7の紙面奥側に向けて反射させ、受光部30で受光する。なお、図7,図8に示すガス濃度算出装置1Eの場合、複数のガスの測定に用いる波長の光を放射する光源であれば、各ガス毎の光源20A〜20Dを用意しなくても一つで済ますこともできる。
また、ガス濃度算出装置1,1A〜1Eで算出されたガスの濃度は、空調の制御以外にも、ガスの濃度を算出する様々な機器に適用することができる。
1,1A〜1E…ガス濃度算出装置、2,2A,2B…ガス濃度計測モジュール、3,3A〜3D…算出回路、10…ガスセル、11…導入空間、20…赤外光源、20A〜20D…光源、30…受光部、40…飽和ガス室、41…飽和ガス、50…サンプルガス、60,60A…反射鏡、70…変調鏡、80…回転鏡、81…反射板、82…穴、90…バンドパスフィルタ、100,100A,100B,200A〜200D,300A〜300D…反射切替ユニット。
Claims (13)
- ガス濃度計測モジュール及びガス濃度算出モジュールを備え、対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置であって、
前記ガス濃度計測モジュールは、
前記対象ガスが導入される導入空間を形成するガスセルと、
前記ガスセルの一端に配置された光源と、
前記ガスセルの前記一端または他端に配置され、前記光源から放射された光を反射または透過させる反射切替手段と、
前記反射切替手段を透過した光を反射させる反射手段と、
所定の比較ガスが封入されたものであって、前記反射切替手段を透過した光の光路上に配置された比較ガスセルと、
前記ガスセルの前記他端に配置され、前記光源から放射されたものであって前記反射切替手段によって反射された光、及び前記光源から放射されたものであって前記反射切替手段を透過して前記比較ガスセルを通過し、前記反射手段によって反射した光を受光する受光手段と、
を備え、
前記ガス濃度算出モジュールは、前記反射切替手段により光が反射及び透過された場合のそれぞれにおける、前記受光手段の受光エネルギー値に基づき、前記対象ガスの前記濃度を算出する、
ことを特徴とするガス濃度算出装置。 - 前記反射切替手段は、前記光源から放射された光に対する反射率を電気的に調整して光の反射と透過とを切り替える反射率調整手段であることを特徴とする請求項1に記載のガス濃度算出装置。
- 前記反射率調整手段は空間光変調器であることを特徴とする請求項2に記載のガス濃度算出装置。
- 前記反射率調整手段は液晶光学素子であることを特徴とする請求項2に記載のガス濃度算出装置。
- 前記反射切替手段は、前記光源から放射された光に対して回転により反射と透過とを切り替える回転機構であることを特徴とする請求項1に記載のガス濃度算出装置。
- 前記回転機構は、反射板と穴からなる回転鏡であることを特徴とする請求項5に記載のガス濃度算出装置。
- 前記反射手段は、角度の異なる複数の反射面を備え、前記反射切替手段を透過した光を、前記複数の反射面で順次反射させ且つ前記反射面での反射毎に前記比較ガスセルを通過させることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
- 前記所定の比較ガスは、前記対象ガスと同種の飽和ガスであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
- 前記光源と前記受光手段との間の光路上に配置され、所定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
- 前記光源は、赤外線を放射するものであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
- 前記対象ガスは二酸化炭素であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
- 前記対象ガスの異なる前記受光手段を複数備える前記ガス濃度計測モジュールと、複数の前記受光手段に対応する複数の前記ガス濃度算出モジュールを備える、
ことを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。 - 対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置におけるガス濃度計測モジュールであって、
前記対象ガスが導入される導入空間を形成するガスセルと、
前記ガスセルの一端に配置された光源と、
前記ガスセルの前記一端または他端に配置され、前記光源から放射された光を反射または透過させる反射切替手段と、
前記反射切替手段を透過した光を反射させる反射手段と、
所定の比較ガスが封入されたものであって、前記反射切替手段を透過した光の光路上に配置された比較ガスセルと、
前記ガスセルの前記他端に配置され、前記光源から放射されたものであって前記反射切替手段によって反射された光、及び前記光源から放射されたものであって前記反射切替手段を透過して前記比較ガスセルを通過し、前記反射手段によって反射した光を受光する受光手段と、
を備えることを特徴とするガス濃度計測モジュール。
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