JP2013545094A

JP2013545094A - 光吸収ガスセンサ内のｌｅｄから光パルスを生成するための装置と方法

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Publication number: JP2013545094A
Application number: JP2013535514A
Authority: JP
Inventors: マクレガー，カルム・ジョン; ギブソン，デスモンド・ロバート
Original assignee: Gas Sensing Solutions Ltd
Current assignee: Gas Sensing Solutions Ltd
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-12-19
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: CN103299174A; CA2853963A1; EP2635894A1; EP2635894B1; GB201018417D0; US20130271751A1; CN103299174B; JP5934713B2; CA2853963C; US9410886B2; WO2012059744A1

Abstract

検体ガスを検出するための光吸収ガスセンサは、ガス試料収容室と、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）と、フォトダイオードまたは他の光センサと、を含む。複数の光パルスは電流パルスを少なくとも１つのＬＥＤに通すことにより生成される。少なくとも１つのＬＥＤを通る電流は各パルス期間中に複数回測定され、補償出力信号を生成する際に考慮される。ＬＥＤ電流とフォトダイオード出力信号との伝達比は各パルス期間中に複数回計算される。ＡＤＣはＬＥＤとフォトダイオード電流を交互に測定する。ＬＥＤパルスはインダクタ放電フライバックにより生成され、電流が各パルスに先立ってインダクタに供給される期間は、フォトダイオード出力電流がＡＤＣの入力範囲内の最適領域にあるように選択される。少なくとも１つのＬＥＤの少なくとも温度は、補償出力信号を生成する際に測定され考慮される。したがって、ＬＥＤパルスの特に注意深い制御を提供するのではなく、パルスが測定され、温度の変化に寛容なより簡単でより低電力の回路が可能となる。

Description

本発明は、光源としてＬＥＤ（例えば赤外線ＬＥＤ）を採用する光吸収ガスセンサの分野に関する。

光吸収ガスセンサは光源と光センサの両方を含む。光源からの光はガス試料を通って導かれ、光センサにより検出される。ガス試料中の検体ガスの濃度は検体ガスによる光の吸収から判断することができる。通常、光源が目的検体の吸収線に対応する波長領域内で主に光を発射することになるか、または光センサが主に目的検体の吸収線に対応する波長領域内で光に感知することになるかのいずれかであり、これは、採用される光感知トランスデューサ（例えばフォトダイオード）の固有の性質によるか、または目的検体の吸収波長を含む波長領域内の光だけを選択する波長フィルタの有無によるかのいずれかによる。本明細書と添付特許請求範囲内では、光は、波長に関わらず電磁放射を指し、例えばスペクトルの赤外線領域内の電磁放射を含む。この領域は、多くの検体ガスが強い吸収線を有する、領域であるからである。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は安価であり比較的エネルギー効率の良い素子であるので、これらは光吸収ガスセンサ（特には、小さくかつ低コストであることを目的とする素子）の光源として一般的に採用される。多くの応用に対しては、スペクトルの赤外線領域内にピーク発光波長を有するＬＥＤが好適である。

通常、光吸収ガスセンサ内のＬＥＤに供給される電流はパルス化される（ｐｕｌｓｅｄ）。実際、ＬＥＤの利点の１つはＬＥＤを容易にパルス動作させる（ｐｕｌｓｅｄ）ことができるということである。パルス光源が採用されるのにはいくつかの理由がある。第１に、光源をパルス動作化することで、同様にパルス動作化されるので同期復調などの公知の信号処理技術により雑音およびいかなる背景信号からも容易に分離することができる検出器に、信号を供給する。第２に、パルス光源は、同じピーク電力消費で連続的に光を発射する源より少ないエネルギーを消費する。第３に、測定方法を容易にするためにパルスを整形することが知られている。さらに、ＬＥＤは最大動作電流を有し、これを超えてＬＥＤが連続的に動作されればその発生熱によりＬＥＤは損傷されるであろう。パルス動作化は、パルス動作でない場合より高い最大動作電流したがってより高い光のピーク出力を可能にする。

厄介な問題は、（いくつかある要因の中で特に）ＬＥＤからの出力が温度に敏感であるということである。測定ガス濃度は光の減衰から判断されるので、ＬＥＤ出力への小さな影響が測定ガス濃度に多大な影響を与え得る。ダイオード接合の温度は、周囲温度だけでなくパルスパターンによっても変化し、そして個々のＬＥＤパルス内で変化する。これは、温度に伴うこの変動を何らかのやり方で制御または補正する必要があるので、技術的問題を提示する。多くの光センサもまた、いくつかある要因の中で特に温度に敏感である。

高い信号対雑音比を得るためには、光のパルスは比較的短いが比較的高輝度であることが一般的に好ましい。過剰熱による損傷の可能性のため、最大電流したがって最大ピーク放射光強度とパルス持続時間とのトレードオフがある。しかし高い信号対雑音比ときれいなパルス形状を有する短い光パルスを供給するようにＬＥＤを駆動するための公知の回路は、複雑な制御電子回路を必要とし、相当な電力を消費する。

したがって、本発明は、ＬＥＤにより生成される比較的短い光パルスを採用し、これにより消費電力を最小限にする一方でＬＥＤ温度の変動にもかかわらず正確なセンサ出力を得る代替の光吸収ガスセンサを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によると、検体ガスを検出するための光吸収ガスセンサを動作させる方法であって、光吸収ガスセンサは、ガス試料収容室と、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）と、自らにより受信される光の量に敏感な出力信号（例えば電流）を有する光センサ（例えばフォトダイオード）と、を含み、本方法は、複数の電流パルスを少なくとも１つのＬＥＤに通すことにより複数の光パルスを生成する工程と、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流を各前記パルスの期間中に複数回測定する工程と、光センサ出力信号と少なくとも１つのＬＥＤを通る電流の複数の測定結果の両方を考慮してガス試料収容室内の検体ガスの濃度を示す補償信号を生成する工程と、を含む、方法を提供する。

少なくとも１つのＬＥＤを通る電流は、同電流を直接測定することにより、または、例えば同電流に関係する電位差を測定することにより、例えば同電流を抵抗器に流し抵抗器両端の電位差を測定することにより、測定することができるということを当業者は理解するだろう。

ＬＥＤを通る電流はＬＥＤによる光の出力に密接に関連付けられるので、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流を各パルス期間中に複数回測定することにより光パルスの形状の特徴（時間に伴う強度の変動）を判断することができる。したがって、光パルスの形状を制御することだけに焦点を合わせるのではなく、本発明はパルス期間中に光パルスの形状（または関係特性）を測定することと、補償信号を決定する際にその測定結果を考慮に入れることとに関する。これは、各パルスの形状を精密に制御するための複雑な電子機器の要件と、したがって複雑なパルス整形回路に伴うコストと消費電力と、を回避する。

光の出力は通常、ＬＥＤを通る電流の関数である。通常、これは閾値までは線型関数でありその後非線型であるか、または、有用な電流範囲の大部分またはほぼすべてにわたって非線型である。

電流に対し広範に線型関係を有することができる最大光出力を増加するために、複数のＬＥＤを採用し得る。これらは例えば直列または並列に接続され得る。この場合、通常、それぞれを通る電流が測定され得る。複数のＬＥＤの各ＬＥＤを通る電流が独立に測定され、次に各電流測定結果が考慮（例えば、加算）され得る、または直列および／または並列に接続された複数のＬＥＤを通る電流（例えば、直列および／または並列に接続される複数のＬＥＤを含む回路へのまたはそれからの電流）が測定され得る。しかし、本方法は、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流を測定する工程と、非線型関数またはルックアップテーブルを使用して、少なくとも１つのＬＥＤを介した光出力に関連付けられた値を計算する工程と、を含み得る。この後者の手法は、少なくとも１つのＬＥＤが光出力の線型関数では無い電流にパルス動作化され得る場合に、特に有用である。

好ましくは、光センサ出力信号（例えばフォトダイオードを通る電流）もまた、各前記パルスの期間中に複数回測定される。光センサ出力信号の複数の測定結果もまた、補償信号を生成する際に考慮され得る。

したがって、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流を各パルス期間中に複数回効果的にサンプリングすることにより、各パルスの形状に関する情報（光強度対時間のプロフィール）を得ることができる。これは、例えば、パルス期間中に少なくとも１つのＬＥＤにより発射された全光の、単一の時刻に電流を測定することによりまたは例えばピーク電流を測定することにより得られるであろう見積もりより良い見積もりを可能にし得る。したがって、本方法は、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流のパルス期間中の複数回の測定結果からパルス期間中の全光出力を推定する工程を含み得る。

少なくとも１つのＬＥＤを通る電流と光センサ出力信号は、複数のパルス期間中に交互に（または同時に）測定され得る。

少なくとも１つのＬＥＤを通る電流はアナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）を使用して測定され得る。ＡＤＣは、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流が通される抵抗器の両端の電位差を測定し得る。光センサ出力信号はＡＤＣにより測定され得る。単一のＡＤＣは少なくとも１つのＬＥＤを通る電流と光センサ出力信号を例えば交互に測定するように使用され得る。

好ましくは、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流と適用可能な場合には光センサ出力信号は各パルス期間中に少なくとも１０回以上、好ましくは少なくとも２０回測定される。

本方法はまた、少なくとも１つのＬＥＤの温度（そして任意選択で、光センサがフォトダイオードであれば、例えば光センサが温度に敏感であれば、光センサの温度も）を測定する工程を含むことが好ましい。測定温度は補償信号を生成する際に考慮され得る。単位電流当たり生成される光の量は温度に応じて変化することになり、これにより、生成される光の量をより正確に判断できるようにする。少なくとも１つのＬＥＤの温度の複数の測定は各パルス期間中になされ得る。前記複数の温度測定結果は補償信号を生成する際に考慮され得る。

補償信号は、光センサにより受信された光を示す（例えば、それに比例した）値であってもよい。補償信号は、ガス試料収容室内の検体ガスの濃度を示す（例えば、それの対数に比例する）値であってもよい。

本方法は、少なくとも１つのＬＥＤを通る測定電流と光センサ出力信号との比をパルス期間中に少なくとも一回、通常は複数回計算する工程を含み得る。例えば、少なくとも１つのＬＥＤを通る直近または平均（例えば中央の（ｍｅａｎ））測定電流と直近または平均（例えば中央の）光センサ出力信号（例えばフォトダイオードからの電流）との比はパルス期間中に複数回計算され得る。前記比を使用して補償信号を計算してもよい。

本方法は、パルス期間中に少なくとも１つのＬＥＤからの（前記電流測定から得られる）推定全光出力とパルス期間中にフォトダイオードにより受信される推定全光（光センサ出力電流の測定からの）との伝達比、または伝達比に関係するパラメータを計算する工程を含み得る。前記伝達比またはそれに関係するパラメータは補償信号を計算するために使用されてもよい。

本方法は、少なくとも１つのＬＥＤを通る測定電流の複数の測定結果と光センサ出力信号（例えばフォトダイオードからの電流）の周波数領域解析を行う工程を含み得る。例えば、本方法は、既知の周波数を有するパルスを生成する工程と、少なくとも１つのＬＥＤを通る測定電流のエネルギーおよび／または１つまたは複数の周波数帯、例えば、基本周波数（パルスの周波数）を含む周波数帯と、基本周波数の高調波（例えば第１の高調波を発端とするいくつかの連続高調波、例えば第１の高調波、第２の高調波、第３の高調波）とを含む１つまたは複数の周波数帯における光センサ出力信号に関係するパラメータを計算する工程と、を含み得る。

少なくとも１つのＬＥＤを通る電流パルスは、インダクタへの電流源をスイッチオフし、（その結果の）電流をインダクタから少なくとも１つのＬＥＤ（および通常は、抵抗器などの１つまたは複数の他の部品と、通常はまた少なくとも１つのＬＥＤを通る逆電流の流れを防ぐためのスイッチまたは別のダイオード）に導くことにより生成され得る。

ＬＥＤ電流パルスの１つまたは複数の特性、例えばパルス期間中の最大電流またはパルス期間中に少なくとも１つのＬＥＤを通る全電荷は過去のＬＥＤ電流パルス期間中に行われた少なくとも１つのＬＥＤを通る電流の１つまたは複数測定結果に基づいて選択されることもある。１つまたは複数の測定結果は例えば、過去のパルス期間中に少なくとも１つのＬＥＤを通るピーク電流、または少なくとも１つのＬＥＤを通る電流と過去のパルス期間中の１つまたは複数の測定結果からの光センサ出力信号との比であってもよい。

１つまたは複数の特性は、少なくとも１つのＬＥＤに作動可能に接続された（例えば直列に接続された）インダクタへの電流の供給がスイッチ素子（トランジスタまたはＭＯＳＦＥＴ等）により制限（通常は停止）される前に、スイッチ素子によりインダクタに電流が供給される期間を決定することにより選択され得る。電流がインダクタに供給される期間は、インダクタ内に蓄積されたエネルギーの全量と次にインダクタにより少なくとも１つのＬＥＤに供給される電流の大きさとを決定する。

ＬＥＤ電流パルスの１つまたは複数の特性は、例えば光センサ出力信号を測定するＡＤＣのダイナミックレンジに光センサ出力信号が相対的である場合を制御するために光センサ出力信号の１つまたは複数の測定結果に応じて選択されることもある。１つまたは複数の特性は、電流をインダクタから少なくとも１つのＬＥＤを通って駆動するために電流源が制限（通常は停止）される前に、電流がインダクタに通される期間を決定することにより選択され得る。

ＬＥＤ電流パルスの１つまたは複数の特性は、測定された特性（例えば少なくとも１つのＬＥＤまたは光センサの温度）を補償するために選択され得る。ＬＥＤ電流パルスの１つまたは複数の特性は、光センサ出力信号の大きさを調節するために、例えば、光センサ出力信号またはそれから導出される増幅信号をＡＤＣのダイナミックレンジの好ましい領域内に維持するために、例えば量子化効果を最小限にするために、または光センサ出力信号またはそれから導出される増幅信号がＡＤＣのダイナミックレンジを超えることを防ぐために、選択され得る。

少なくとも１つのＬＥＤを通る電流が複数回測定される（そして適用可能な場合には光センサ出力信号は複数回測定される）期間中の前記パルスに加えて、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流が複数回測定されない（および／または適用可能な場合には光センサ出力信号が複数回測定される）期間中のパルスもまた存在し得る。

本発明の第２の態様によると、ガス試料収容室と、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）と、光センサにより受信される光の量に敏感な出力信号（例えば電流）を有する光検出器（フォトダイオード等）と、複数の電流パルスを少なくとも１つのＬＥＤに通すことにより光吸収ガスセンサの測定モードにおいて複数の光パルスを生成するように構成されたＬＥＤ制御回路と、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流を各前記パルスの期間中に複数回測定するように構成された測定装置と、光検知器出力信号と少なくとも１つのＬＥＤを通る電流の複数の測定結果の両方を考慮して、ガス試料収容室内の検体ガスの濃度を示す補償信号を出力するように構成された補償モジュールと、を含む光吸収ガスセンサが提供される。

少なくとも１つのＬＥＤを通る電流を測定するセンサは電流センサであってもよい。しかし、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流を測定するセンサは、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流に依存する電位差、例えば少なくとも１つのＬＥＤからの電流が通される抵抗器（通常は、少なくとも１つのＬＥＤに直列に接続された抵抗器）の両端の電位差を測定するように構成された電位差センサであってもよい。

好ましくは、ガスセンサは、光センサ出力信号を各パルス期間中に複数回測定する測定装置（例えばフォトダイオードを通る電流を測定する電流センサ）を含む。同測定装置は少なくとも１つのＬＥＤを通る電流と光センサ出力信号の両方を測定し得る。特定のまたは各前記測定装置はＡＤＣであってもよい。スイッチは、少なくとも１つのＬＥＤの出力と光センサの出力（通常は増幅器等の１つまたは複数の他の部品を介した）とにセンサを交互に接続するように設けられてもよい。

光吸収ガスセンサは１つまたは複数の温度センサを含むことがまた好ましく、補償モジュールは１つまたは複数の感知温度を考慮する。温度センサは少なくとも１つのＬＥＤの温度を測定し得る。別の温度センサは光センサの温度を測定し得る。温度は、ＬＥＤ（および／または光センサがフォトダイオードである場合はフォトダイオード）の両端の順電圧（Ｖ_Ｆ）等の温度に関係するパラメータを測定することにより測定され得る。

ＬＥＤ制御回路は、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流の測定結果の１つまたは複数および／または過去のＬＥＤ電流パルス期間中に行われた光センサ出力信号の測定結果の１つまたは複数に応じて、ＬＥＤ制御回路により制御されるＬＥＤパルスの１つまたは複数の特性を決定するように構成され得る。通常、ＬＥＤパルスの１つまたは複数の特性は電流がインダクタに供給される期間を制御することにより決定される。

ＬＥＤ制御回路は少なくとも１つのＬＥＤに直列に接続されたインダクタ（そして通常は抵抗器等の１つまたは複数の他の部品）を含み得る。ＬＥＤ制御回路は、インダクタに電流を供給し、次にインダクタへの電流の供給を制限（例えば停止）し、これにより電流を少なくとも１つのＬＥＤを通って流させるように動作可能であってよい。ＬＥＤ制御回路は、少なくとも１つのＬＥＤを通る電流の測定結果の１つまたは複数および／または過去のＬＥＤ電流パルス期間中に行われた光センサの測定結果の１つまたは複数に応じて、インダクタに供給される電流および／または電流がインダクタに供給される期間を選択するように構成され得る。

光吸収ガスセンサは、少なくとも１つのＬＥＤを通る測定電流の複数の測定結果と光センサ出力信号（例えばフォトダイオードからの電流）の解析を行うことができる周波数領域解析モジュールを含み得る。例えば、光吸収ガスセンサは、既知の周波数を有するパルスを生成するように動作可能であってよく、少なくとも１つのＬＥＤを通る測定電流のエネルギーおよび／または１つまたは複数の周波数帯、例えば、基本周波数（パルスの周波数）を含む周波数帯と、基本周波数の高調波（例えば第１の高調波を発端とするいくつかの連続高調波、例えば第１の高調波、第２の高調波、第３の高調波）とを含む１つまたは複数の周波数帯における光センサ出力信号に関係するパラメータを計算するように動作可能な周波数領域解析モジュールを含み得る。周波数領域解析モジュールは電子モジュールであってよい。周波数領域解析モジュールはプロセッサにより実行されるコンピュータプログラムコードを含み得る。

光吸収ガスセンサは好ましくは、例えば、少なくとも１つのＬＥＤの出力光スペクトルの１つまたは複数の選択、光センサが敏感なスペクトル範囲の選択、および／または（例えば、少なくとも１つのＬＥＤまたは光センサを覆う）光路内の帯域通過フィルタ等のフィルタの有無の選択により、特定の検体ガスの濃度を選択的に測定するようにされる。光学的ガスセンサは、検体ガスが強く吸収する特に１つまたは複数の波長において光を生成および検出するＬＥＤおよびフォトダイオードを選択することにより、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、水蒸気（湿度を測定するための）等の検体を検出するようにされ得る。

少なくとも１つの発光ダイオード（そして光センサがフォトダイオードである場合はフォトダイオード）はそれぞれ、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上に成長される狭バンドギャップＩＩＩ−Ｖ材料であるインジウムアルミニウムアンチモン材料（Ｉ_ｎ１−ｘ）（Ａｌ_ｘＳｂ）で形成され得る。その不純物添加は、目的検体（例えばガス状二酸化炭素）が強く吸収する波長に対応する狭い波長領域の光を発光ダイオードに発射させるためにバンドギャップを調節するように選択される。好適な発光ダイオードとフォトダイオードの形成は、欧州特許第０８６４１８０号明細書、欧州特許第０９９２０９４号明細書、そしてＨａｉｇｈ，Ｍ．Ｋ．ｅｔａｌ．，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９０，２３１１１６（２００７）に開示されており、これらの文献各々の内容を参照により本明細書に援用する。

上記本発明の第１または第２の態様に関して提示される任意選択的な機能は、本発明の第１または第２の態様のいずれかの任意選択的な機能である。

本発明はまた、第３の態様では、光吸収ガスセンサであって、ガス試料収容室と、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）と、光センサにより受信される光の量に敏感な出力信号を有する光検出器と、光吸収ガスセンサを本発明の第１の態様の方法に従って動作させるように構成された制御回路と、を含む光吸収ガスセンサに拡張する。制御回路は、プログラムコードを格納するコンピュータ読み取り可能媒体（例えばＲＯＭまたはＰＲＯＭ等のメモリ）と、プログラムコードを実行するように動作可能なプロセッサ（例えばマイクロコントローラ）と、を含み得る。

次に本発明の例示的実施形態について以下の図を参照して説明する。

光吸収ガスセンサの概略図である。光吸収ガスセンサを動作させるための回路図である。光パルスを生成するためのインダクタ駆動機構の背後の原理の概略図である。時間に関するＡ点の電圧、インダクタ電流、ＬＥＤ電流の変動のグラフである。

図１を参照すると、光吸収ガスセンサ１は、ガス試料が拡散により１つまたは複数の開口６を通過することができるガス試料室４を画定する本体２を有する。発光ダイオード８は光源として機能し、ＬＥＤ制御およびパルス測定回路１０により駆動される。フォトダイオード１２は光センサとして機能し、フォトダイオード接合上にかかる光に依存する出力電流を有する。フォトダイオードからの電流は、補償機能を実施しこれにより出力１６を介し補償信号を供給するマイクロコントローラを含む制御および補償回路１４により増幅され処理される。制御および補償回路はまたＬＥＤパルスの形状に関する情報を受信し、ＬＥＤ制御回路を制御する。

ガス試料室は、当業者に知られた複数の構成のうちの任意のものを有してもよく、ＬＥＤからの光がＬＥＤとフォトダイオード間で１回または複数回反射されるように通常は反射内面を含む。ＬＥＤとフォトダイオードは互いに隣接してまたは遠く離れて置かれてもよい。光学的配置は、目的検体の波長特性内の光の減衰がフォトダイオードからの電流に影響を与えるように選択される。したがって、ＬＥＤは規定範囲の出力波長を有してよく、フォトダイオードは規定範囲の出力波長に敏感であってよく、および／または波長帯域通過フィルタが設けられてもよい。

ＬＥＤ制御およびパルス測定回路は温度感知回路１８を含む。温度感知回路はフォトダイオードの両端の順電圧Ｖ_ｆをそれぞれ測定することによりフォトダイオードの温度を判断する。順電圧を測定することにより温度を判断するのに好適な回路は、国際公開第２００９／０１９４６７号パンフレット（ＧａｓＳｅｎｓｉｎｇＳｏｌｕｔｉｏｎｓＬｉｍｉｔｅｄ）に開示されており、一例を図２に示す。

図２に、ＬＥＤ制御およびパルス測定回路とＬＥＤ温度測定回路の両方と、ＲＯＭ等コンピュータ読み取り可能媒体上に格納されたプログラムコードを実行し補償モジュールとして機能するマイクロコントローラ２０とを含む、ガスセンサを制御するための回路を例示する。システム電源Ｖ＋は通常は２．７〜５Ｖである。マイクロコントローラ２０は、ガスセンサの全体動作を制御し、シリアルデータインタフェース１６を介し外部装置と通信することができる。ＬＥＤ８は駆動回路２２を介し制御されるインダクタフライバックコンバータにより駆動され、駆動回路２２は、トランジスタ２４の形式のスイッチ素子のオンおよびオフ時間を高精度に設定することができるマイクロコントローラにより制御される。

トランジスタ２４は駆動回路の制御下でインダクタ２６に電流を供給するように切り替え可能である。インダクタは、ＬＥＤと、（非常に大きい逆電圧電流リークを有する赤外線ＬＥＤにとっておそらく重要であるＬＥＤを通る逆電流の流れを防ぐように機能する）第２のダイオード２８と、ＬＥＤを通る電流を抵抗器３０両端の電位差により測定できるように設けられた抵抗器３０と、を含む回路ブランチに並列に接続される。

上記回路はまた、フォトダイオード１２と、直列の第１と第２のフォトダイオード信号増幅器３２および３４を有するフォトダイオード出力信号増幅器チェーンと、を含む。ＡＤＣ３６は入力として第２の増幅器からの出力を受信する。

ＡＤＣはさらに２つの入力を有する。１つの入力は、抵抗器３０両端の電位差を測定するように構成された増幅器３８からの出力信号である。ＡＤＣへ他の入力は、ＬＥＤの温度を測定する際に使用されるＬＥＤ順電圧を増幅する差動増幅器４０からの出力である。

増幅器３２、３４および３８により入力として受信される基準電圧Ｖ_Ｒは、これらの増幅器を好適な動作点にバイアスするように選択される。基準電圧の値は、任意の測定期間中に安定していなければならないが、決定的に重要な意味を持つものではない。それは例えばＡＤＣの温度領域の中央にあってよい。フォトダイオード増幅器チェーンの動作を容易にするために、ディジタル・アナログ変換器４２がまた、マイクロコントローラの制御下で第２の増幅段からの出力が最適レベルにバイアスされるように抵抗器４４を介してフォトダイオード増幅器チェーンの第２の増幅器に選択可能オフセットを導入するために設けられる。

フォトダイオード増幅器チェーンは、その電源をスイッチングすることにより、またはシャットダウン能力を有する増幅器チップを使用することにより、のいずれかにより非常に素早くターンオンまたはオフされるようにＤＣ結合される。フォトダイオード増幅器チェーンの第１の増幅器３２は低雑音装置でなければならず、フォトダイオード増幅器チェーンの電圧利得はフォトダイオードからの出力電流が小さいので非常に高くなければならない。

図３は光パルスを生成するためのインダクタ駆動機構の背後の原理の概略図であり、図４は時間に関するＡ点の電圧、インダクタ電流、ＬＥＤ電流の変動のグラフである。電源は電圧源Ｖを供給する。Ｓ１は、電源とインダクタＬ１間に広がる回路を開閉するように切り替え可能なスイッチ（トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等）である。Ｓ２は、別のスイッチ（例示的実施形態ではダイオードであるが、Ｓ２もまたトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等であってよい）である。ＬＥＤ１は、発光ダイオード（または、いくつかの実施形態では、直列または並列に接続された複数のＬＥＤ）である。各パルスの前に、両方のスイッチが開かれる。Ｓ１は閉じられ、電圧Ｖ１はインダクタに印加される。したがってインダクタを通る電流は一定の速度（ｄＩ／ｄｔ＝Ｖ／Ｌ）で増加する。次に、Ｓ１が開かれＳ２が閉じられる。次にインダクタは点Ａを負に駆動し、電流はインダクタ内に蓄積されたエネルギーが消費されるまでインダクタ、Ｓ２、ＬＥＤを通って流れる。次に必要に応じＳ２を開くことができる。一定のインダクタと供給電圧では、インダクタ内に蓄積されたエネルギーとしたがってパルスの持続時間はスイッチＳ１が開かれた期間により決定される。

動作中、図２の回路では、マイクロコントローラは複数の光パルスを含む測定サイクルを実行するために駆動回路を制御する。パルス毎に、トランジスタ（スイッチＳ１として機能する）はスイッチオンされ、電流がインダクタ中に流れ始める。電流は時間につれて線型に増加する。制御装置により決定された一定期間後、トランジスタはスイッチオフされる。その結果、トランジスタのコレクタの電圧はインダクタにより負に駆動され、次にインダクタは、インダクタ内の磁場が放出されるのでインダクタを通る電流流れを維持するように作用する。派生電流がＬＥＤと抵抗器３０を通って流れ、ＬＥＤに光を生成させ、ＬＥＤを通る電流に比例した電位差を抵抗器に生じさせる。これはインダクタの両端の電位差がＬＥＤのターンオン閾値を下回るまで続く。（代替の実施態様では、Ｌ１とＤ１の接合部の電位により切り替えられるＭＯＳＦＥＴがスイッチ素子として採用される）。

各測定サイクル内のパルス数とパルスの持続時間は通常、ＡＤＣの性能、増幅器チェーン、他の考慮点に従って選択される。例えば、２０μｓ持続時間の５０個のパルスがＬＥＤに印加され得る。インダクタのインダクタンスは、好適なパルス長とピーク電流を得るように選択される。例えば、インダクタは２００μＨのインダクタンスを有し、ピーク電流は約３００ｍＡであってもよい。しかし、これらの値は特定のまたは各ＬＥＤの特性に大いに依存するだろう。

この回路は個々のパルスの形状を注意深く制御せず、ＬＥＤ中の電流の正確な値は、供給電圧（しばしば、測定サイクル内の各パルス後に多少低下する）と、インダクタのインダクタンスと、トランジスタがパルス毎にスイッチオンされる期間と、を含む多くの要素に従って変化することになる。本発明は、ＬＥＤにおける電流パルスを測定し、補償出力信号を計算する際にこの測定結果を使用することにより、これを補償する。測定結果はまた、その後のパルス期間中に、電流がインダクタに供給される期間を制御するために使用される。

ＡＤＣは、ＬＥＤ出力電流増幅器３８を介してＬＥＤ電流を、次に第１と第２フォトダイオード増幅器３２、３４を介してフォトダイオード電流を、交互に測定する。例えば、１秒当たり約１，０００，０００回のサンプリングを行う１２ビットＡＤＣが採用され得る。

ＣＰＵは、第１には当業者に公知の同期復調手順を使用することにより雑音とバックグラウンドから信号を分離するために、そうでなければその結果の信号をフィルタ処理し調整するために、ＡＤＣにより測定されたデータを受信しそれを処理する。次にマイクロコントローラは、ＬＥＤ光出力とフォトダイオードにより測定された光との伝達比を計算する。例えば、マイクロコントローラは、それぞれのＬＥＤ電流から測定された時の光出力の測度を判断する関数を計算しおよび／またはそのルックアップテーブルを読み、これらの値をパルス全体にわたって積分して全光出力を推定することによりパルス期間中のＬＥＤからの全光出力を判断してもよい。フォトダイオードにより測定される光はまた、パルス期間中のフォトダイオード電流を積分することにより計算されることができる。これらの値は両方とも必要に応じスケーリングされ補正されることができ、多くのパルスにわたって積分され得る。次に、２つの値の比は検体ガスの濃度を示す出力信号として使用することができる。

いくつかの実施形態では、ＬＥＤ電流とフォトダイオード電流の複数（通常は少なくとも３２）の読み取り値が各パルス期間中に採取されてもよい。多くのパルス（通常は少なくとも８または少なくとも１６）のそれぞれの様々な測定結果のすべては、フーリエ変換、高速フーリエ変換、離散型フーリエ変換またはＧｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズム等の周波数領域解析アルゴリズムを使用することにより同時に処理され得る。例示的実施形態では、パルスは連続的かつ公知の速度で生成される。パルスの繰り返し率とインダクタの大きさは、所望のパルスデューティサイクル（通常は３０〜５０％）を得るために選択される。パルスの形状は四角と三角形の間のどこかにあるので、パルス列内のほとんどのエネルギーはパルス周波数の基本、第１、第２、および第３の高調波内に含まれる。ＡＤＣを使用することにより得られるＬＥＤ電流とフォトダイオード電流の標本値はフーリエ変換を使用して変換することができる。その結果の信号から、基本および高調波内のエネルギーを計算することができる。通常、標本の総数はその後の計算を単純化するために２の累乗であり、例えば、５１２、１０２４、または２０４８個の標本があってもよい。全標本期間内には正確な数のパルスが存在しなければならず、このことは実際上、パルスの数が２の累乗、通常は８、１６、または３２となることを意味する。フーリエ変換から、基本および高調波の振幅としたがってこれらの周波数帯のエネルギーとを標準的方法により容易に計算することができる。これらの周波数帯内のＬＥＤ電流の全エネルギーとこれらの周波数帯内のフォトダイオード電流のエネルギーとの比は、伝達比の測定結果を与える。この技術は、１つの数学的演算で信号のフィルタ処理と平均化の両方を可能にする。通常、フーリエ変換は、高速フーリエ変換またはＧｏｅｒｔｚｅｌアルゴリズム等、ディジタル信号処理に熟練したものにとって既知のコンピュータ的に効率的な方法により計算される。

この手法はまた、パルス毎測定の困難性は、電源が通常、各パルスに伴い少し下がる、ということであるので、有利である。これを防ぐための方法が存在するが、これらは部品と消費電力の面で高価である。各パルスが異なれば、伝達比は個々のパルス毎に計算されなければならず、これには、各パルスが開始し停止する時の時間を非常に正確に知る必要がある。これは、信号処理がそうでなければ望ましい帯域幅より大きなものを必要とし全体の雑音を増加することを意味し得る。したがって、周波数領域解析は、コストおよび時間効率的データ処理にとって有用な手法を提供する。

さらに、マイクロコントローラは、トランジスタが１つの電流パルスから次の電流パルスにスイッチオンされる期間を動的に変更する。伝達比は温度に応じて著しく変化するので、トランジスタがオンの期間を調整することにより、プロセッサは、正確な読み取り値を得るためにフォトダイオード信号の振幅を低温で余りに大きくならないようにまたは高温で余りに小さくならないように保つことができる。これにより、ＡＤＣ量子化雑音が高温でシステムに悪影響を与えないことが確実となり、ＡＤＣのダイナミックレンジが適切に採用されることが可能となる。

差動増幅器４０はＬＥＤの順電圧の測定結果を与える。これは、順電圧が温度の関数であるのでＬＥＤの温度を設定するために使用することができる。順電圧と温度との関係はルックアップテーブルに保管することができる。制御装置は例えば、ＬＥＤ内の温度を測定するために測定サイクル（パルスの生成への各サイクル）の始めにＬＥＤに低電流パルスまたはパルス群を印加させ得る。その時の差動増幅器からの出力がＡＤＣにより処理される。

その結果、各パルスの形状が注意深く制御されねばならない場合のＬＥＤパルスより短いＬＥＤパルスを採用することができる。さらに、インダクタの利用により、ピークＬＥＤ電流を供給電圧と無関係に決定できるようになる。したがって、短い高振幅パルスを採用することができる。これはひいては測定システム（フォトダイオード、ＡＤＣ、マイクロコントローラ）の信号対雑音比を全体として改善する。なぜなら、より短いパルスはより大きな帯域幅を必要とするものの、熱雑音（増幅器チェーン内の支配的雑音源である）は帯域幅の平方根で増加するがフォトダイオード出力信号は線型に増加するからである。例えばピークＬＥＤ電流を５０ｍＡから２００ｍＡに増加させ、各パルスの持続時間を４分の１にすれば、雑音は２倍増加するであろう。実際には、ＬＥＤは電流が増加するにつれ効率を低下させる直列抵抗を有するので、信号対雑音比の利得は予想されであろうものより低い。それにもかかわらず、正味の効果は信号対雑音比の改善である。

ＬＥＤ電流およびオフセットを動的に調節する能力はまた、ＡＤＣ雑音影響を低減する。本発明はまた、測定が非常に素早く行われ得るという利点を有する。例えば、温度測定を行い、５０個の光パルス期間中にＬＥＤとフォトダイオード電流を測定し、結果データを処理することを含み、全体測定を１０ミリ秒未満で行うことが可能となり得る。したがってこの手順は、各反復は全電力出力を増加するものの、繰り返され平均化され、そしてなお迅速な結果を提供し得る。

図２に示す回路はまた、ＬＥＤと直列の抵抗器を採用するＬＥＤを駆動するための単純な回路またはアクティブ電流源と比較してエネルギー効率が良いという利点を有する。さらに、このような回路のほとんどは３Ｖを超える電源を必要とする。好適なスイッチングレギュレータは当然ながら３Ｖ電源を高電圧に変換することができるが、これは効率を低下させるであろう。

センサはＬＥＤと光センサ間の適度な温度差に寛容であるので、ＬＥＤと光センサが離れて（例えば導波管の両端に）配置できるようにする。

別の代替的実施形態では、複数のＬＥＤが直列または並列に接続されて設けられ、複数のＬＥＤを通る電流を測定する。これにより、電流が光出力のほぼ線型関数である光出力の範囲、または光出力を適度な精度で推定可能にするのに少なくとも十分に光出力に敏感である光出力の範囲が増加する。

いくつかの実施形態では、抵抗器は、インダクタを通る電流を測定するために、インダクタ（Ｌ１）と直列に置かれ、その直列抵抗の両端の電位差が生成される。これにより、マイクロコントローラは、インダクタ内の電流が閾値を超えないことを保証するように生成されるパルスを調節することができる。

当業者は、本明細書に開示された本発明の範囲内で、さらなる変更と修正をなし得る。

Claims

検体ガスを検出するための光吸収ガスセンサを動作させる方法であって、前記センサは、
ガス試料収容室と、
少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
自らにより受信される光の量に敏感な出力信号を有する光センサと
を含み、前記方法は、
複数の電流パルスを前記少なくとも１つのＬＥＤに通すことにより複数の光パルスを生成する工程と、
前記少なくとも１つのＬＥＤを通る電流を各前記パルスの期間中に複数回測定する工程と、
前記光センサ出力信号と前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記電流の複数の測定結果の両方を考慮して前記ガス試料収容室内の検体ガスの濃度を示す補償信号を生成する工程と、を含む、方法。
前記光センサ出力信号はまた、各前記パルスの期間中に複数回測定される、請求項１に記載の方法。
前記センサ出力信号の前記複数の測定結果もまた前記補償信号を生成する際に考慮される、請求項２に記載の方法。
前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記電流と前記光センサ出力信号は前記複数のパルス期間中に交互に測定される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記電流はアナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）を使用して測定される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記電流と前記光センサ出力信号を測定するためにＡＤＣが使用される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
前記少なくとも１つのＬＥＤの温度が測定され、前記測定された温度は前記補償信号を生成する際に考慮される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記測定された電流と前記光センサ出力信号との比をパルス期間中に少なくとも一回計算する工程を含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記測定された電流の複数の測定結果と前記光センサ出力信号の周波数領域解析を行う工程を含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
既知の周波数を有するパルスを生成する工程と、
前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記測定された電流のエネルギーおよび／または１つまたは複数の周波数帯内の前記光センサ出力信号に関係するパラメータを計算する工程と、を含む、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記電流パルスは、インダクタへの電流源をスイッチオフし、電流を前記インダクタから前記少なくとも１つのＬＥＤに向けることにより生成される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
ＬＥＤ電流パルスの１つまたは複数の特性は過去のＬＥＤ電流パルス期間中に行われた前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記電流の測定結果の１つまたは複数に応じて選択される、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
前記１つまたは複数の特性は、前記少なくとも１つのＬＥＤに作動可能に接続されたインダクタへの電流の供給がスイッチ素子により制限される前に、前記スイッチ素子により前記インダクタに電流が供給される期間を決定することにより選択される、請求項１２１に記載の方法。
ＬＥＤ電流パルスの１つまたは複数の特性は前記光センサ出力信号の１つまたは複数の測定結果に応じて選択される、請求項１２または１３に記載の方法。
ＬＥＤ電流パルスの前記１つまたは複数の特性は前記少なくとも１つのＬＥＤまたは前記光センサの測定特性を補償するように選択される、請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記電流は前記電流を抵抗器に通し前記抵抗器両端の電位差を測定することにより測定される、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の方法。
ガス試料収容室と、
少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）と、光センサにより受信される光の量に敏感な出力信号を有する光検出器と、
複数の電流パルスを少なくとも１つのＬＥＤに通すことにより前記光吸収ガスセンサの測定モードにおいて複数の光パルスを生成するように構成されたＬＥＤ制御回路と、
前記少なくとも１つのＬＥＤを通る電流を各前記パルスの期間中に複数回測定するように構成された測定装置と、
前記光検知器出力信号と前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記電流の複数の測定結果の両方を考慮して、前記ガス試料収容室内の検体ガスの濃度を示す補償信号を出力するように構成された補償モジュールと、を含む光吸収ガスセンサ。
各パルス期間中に前記光センサ出力信号を複数回測定する測定装置を含む、請求項１７に記載の光吸収ガスセンサ。
前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記電流と前記光センサ出力信号の両方を測定するＡＤＣを含む請求項１７または１８に記載の光吸収ガスセンサ。
前記光吸収ガスセンサはまた、１つまたは複数の温度センサを含み、前記補償モジュールは１つまたは複数の感知温度を考慮する、請求項１７乃至１９のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
前記ＬＥＤ制御回路は、前記少なくとも１つのＬＥＤを通る電流の前記測定結果の１つまたは複数および／または過去のＬＥＤ電流パルス期間中に行われた前記光センサ出力信号の測定結果の１つまたは複数に応じて、前記少なくとも１つのＬＥＤ制御回路により制御される前記ＬＥＤパルスの１つまたは複数の特性を決定するように構成される、請求項１７乃至２０のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
前記ＬＥＤ制御回路は前記少なくとも１つのＬＥＤに作動可能に接続されたインダクタを含み、
前記ＬＥＤ制御回路は、前記インダクタへ電流を供給し、次に前記インダクタへの電流の供給を制限し、これにより電流を前記少なくとも１つのＬＥＤに流させるように動作可能である、請求項１９乃至２１のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
前記ＬＥＤ制御回路は、前記少なくとも１つのＬＥＤを通る電流の前記測定結果の１つまたは複数および／または過去のＬＥＤ電流パルス期間中に行われた前記光センサの測定結果の１つまたは複数に応じて、前記インダクタに供給される前記電流および／または前記電流が前記インダクタに供給される前記期間を選択するように構成される、請求項２２に記載の光吸収ガスセンサ。
前記少なくとも１つのＬＥＤを通る前記測定された電流の複数の測定結果と前記光センサ出力信号とを解析するように動作可能な周波数領域解析モジュールを含む、請求項１７乃至２３のいずれか一項に記載の光吸収ガスセンサ。
ガス試料収容室と、
少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）と、光センサにより受信される光の量に敏感な出力信号を有する光検出器と、
前記光吸収ガスセンサを請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の方法に従って動作させるように構成された制御回路と、を含む光吸収ガスセンサ。