JP2014002146A - 反射型拡散板を備えた非分散型赤外線ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】機械的な変化に対する感度を低減することを可能にした分散型赤外線ガスセンサを提供する。
【解決手段】赤外線源110と、赤外線検出器120と、赤外線源および赤外線検出器の周りに延在する導波管150とを含み、導波管は反射性拡散板190を含んでいる。
【選択図】図2
【解決手段】赤外線源110と、赤外線検出器120と、赤外線源および赤外線検出器の周りに延在する導波管150とを含み、導波管は反射性拡散板190を含んでいる。
【選択図】図2
Description
本開示は、概して、非分散型赤外線ガスセンサに関し、より詳細には、散乱を促進して機械的な感度全体を低減するための反射型拡散板を備えた非分散型赤外線ガスセンサに関する。
非分散型赤外線(「NDIR」)ガスセンサなどのガスセンサは、赤外吸収に基づいてガスの濃度を測定可能である。具体的には、NDIRガスセンサは、特定の波長において各ガスに固有の独特な吸収特性に基づいてガスの濃度を測定する。すなわち、それぞれ異なるガスは、明確に定義された吸収特性を有している。NDIRガスセンサは、赤外線源と赤外線検出器とを含んでよい。赤外線源は変調可能であり、測定信号はガス濃度に相関され得る。線源と検出器との間には、ガスサンプル室として導波管を使用してよい。導波管の内面は、典型的に、その中での赤外光の散乱を最小に抑えるように平滑かつ反射性になっている。したがって、導波管の表面は、検出器で受信する信号を最大化するように近鏡面反射を起こすことが可能である。
近鏡面反射を起こすこの平滑な表面が散乱を最小に抑え、かつ、信号を最大化することが可能であるとはいえ、このような表面を使用しているガスセンサは、機械的な変化にも敏感となる可能性がある。例えば、温度変化は構成要素に、したがって、信号の信頼性にも影響を及ぼすことがある。その結果、内部の電子回路を安定させるように、精密な構成要素および/または周期的な燃焼を使用することが、ガスセンサ全体の安定性を高めるための試みとして知られている。しかし、これらの技術は、一般的に費用および/または時間がかかり得る。
したがって、NDIRガスセンサなどの改善されたガスセンサが所望されている。このような改善されたNDIRガスセンサは、高価な構成要素または改良品の使用を必要としない、より均質な信号のための全体的な機械的安定性をもたらすことが可能である。
本出願およびそれによる特許は、非分散型赤外線ガスセンサを提供する。この非分散型赤外線ガスセンサは、赤外線源と、赤外線検出器と、赤外線源および赤外線検出器の周りに延在する導波管と、を含んでよい。この導波管は、反射型拡散板を含んでよい。
本出願およびそれによる特許は、チャンバ内のガスの濃度を測定する方法をさらに提供する。この方法は、チャンバ内に赤外線信号のパルスを発するステップと、赤外線信号を反射型拡散板から散乱させるステップと、散乱した赤外線信号を赤外線検出器において受信するステップと、散乱した赤外線信号の強度を決定するステップと、を含んでよい。
本出願およびそれによる特許は、非分散型赤外線ガスセンサをさらに提供する。この非分散型赤外線ガスセンサは、赤外線源と、赤外線検出器と、赤外線源および赤外線検出器の周りに延在する導波管と、を含んでよい。この導波管は、表面加工済み表面および反射性のコーティングを備えた反射型拡散板を含んでよい。
本出願およびそれによる特許のこれら他の特徴および改善点は、以下の詳細な説明を複数の図面および添付の特許請求の範囲とともに検討すると、当業者には明らかになろう。
ここで図面を参照する。なお、同様の参照番号が複数の図を通じて同様の要素を示している。図1は典型的なNDIRガスセンサを示している。一般に、NDIRガスセンサ10は、赤外線源15と赤外線検出器20とを含んでよい。2つ以上の赤外線検出器20も使用可能である。赤外線源15および赤外線検出器20は、印刷回路板25上に配置してもよい。赤外線源15および赤外線検出器20は、マイクロプロセッサ30を介して通信可能である。様々なタイプの増幅器、フィルタ、および、他の構成要素も使用可能である。
NDIRセンサ10は導波管35によって囲まれ得る。導波管35は、赤外線源15から赤外線検出器20に延在し、かつ、赤外線源15を部分的に囲むチャンバ40を画定可能である。導波管35は、1つまたは複数の内部反射性表面45を含んでよい。この反射性表面45は、典型的に、内部の光の散乱を最小に抑えるように、平滑としてよく、かつ、近鏡面反射を起こすことが可能である。導波管35は熱可塑性プラスチック、金属、ゴム、複合材料などで作成可能である。導波管35が、例えば熱可塑性プラスチックで作成されていると、導波管35のための射出成形金型は、この反射性表面45に関して高度に研磨されていてよい。したがって、反射性表面45はめっきまたはコーティング50を施すことが可能である。このめっきまたはコーティング50は、近鏡面反射性表面55を生み出すように、金属表面とすることが可能である。具体的には、このような近鏡面反射性表面55は、散乱を制限することによって赤外線検出器20において受信する信号を最大化することが可能である。
上記のように、赤外線源15はチャンバ40内で赤外線ビームのパルスを発することが可能である。このビームは、導波管35の反射性表面45から反射可能であり、赤外線検出器20によって受信可能である。チャンバ40内のガスは既知の波長の放射を吸収し、かつ、この吸収がガスの濃度の測定値となる。異なったガスは、それぞれの明確に定義した吸収特性を有している。したがって、赤外線検出器20は、ガス濃度に比例した信号をマイクロプロセッサ30に送信する。次に、これらの信号は平均化されてよい。他の構成要素および他の構成も使用可能である。
図2は本明細書で説明可能なNDIRガスセンサ100を示す。上記で説明したものと同様に、NDIRガスセンサ100は、赤外線源110と赤外線検出器120とを含んでよい。2つ以上の赤外線検出器120も、このガスセンサにおいては使用可能である。赤外線源110および赤外線検出器120は従来の設計のものとすることが可能である。赤外線源110および赤外線検出器120は、印刷回路板130または他のタイプの機械的支持体、および/または、電子的接続体に関して配置可能である。赤外線源110および赤外線検出器120はマイクロプロセッサ140を介して通信可能である。マイクロプロセッサ140はいずれのタイプのプログラマブル論理デバイスであってもよい。様々なタイプのフィルタ、増幅器なども、同ガスセンサにおいては使用可能である。他の構成要素および他の構成も、同ガスセンサにおいては使用可能である。
NDIRガスセンサ100は導波管150も含んでよい。導波管150は、赤外線源110から赤外線検出器120に延在するチャンバ160を内部に画定可能である。導波管150は、熱可塑性プラスチック、金属、ゴム、複合材料などで作成可能である。導波管150はいずれのサイズ、形状、または、構成とすることも可能である。
導波管150は、1つまたは複数の内部反射性表面170を内部に有してよい。本例では、検出器反射性表面180が赤外線検出器120の上方に配置可能である。反射性表面170は、上記に説明した鏡面反射性表面55の代わりに反射性拡散板190の形状としてもよい。このような平滑な表面に対するものとして、反射性拡散板190は非鏡面または表面加工済み表面200を含んでもよい。強調して図3に示すように、表面加工済み表面200は無作為パターン210を含んでよい。さらに、この表面加工済み表面200は、強調して図4に示すように、均一または精密なパターン220も含んでよい。いずれのタイプの表面加工済み表面200も、同ガスセンサでは使用可能である。ホログラフィックパターンも同ガスセンサでは使用可能である。さらに、無作為パターン、精密パターン、ホログラフィックパターンなどの組み合わせも、同ガスセンサではともに使用可能である。
導波管150が射出成形による熱可塑性構成要素などであれば、射出成形金型は、この金型の一部として表面加工済み表面200を設けることが可能である。したがって、金型は、表面加工済み表面200を備えた表面加工済み構成要素230を生成する。この表面の特性は、金型の性質によって大きく制御可能である。表面加工済み構成要素230は、反射性拡散板190を生成するための反射性コート材240でコーティングまたはめっきを施してよい。反射性コーティング240は金属性などのものとすることが可能である。多くの他の製造技術が同ガスセンサでは使用可能である。例えば、既存の構成要素をサンドペーパーなどを使用して表面加工してからコーティングしてもよい。
一般に、反射性拡散板190の表面加工済み表面200は、赤外線のエネルギーの大部分が通過することになる信号経路内の反射性表面170上に組み込まれている。そのため、図2において、検出器反射性表面180は赤外線検出器120に隣接して示されている。代替として、図5は、赤外線源110の上方に配置した線源反射性表面250を示す。多数の反射性表面170も本ガスセンサでは使用可能である。さらに、印刷回路板130も反射性表面170として機能することが可能である。図6において、印刷回路板130は印刷回路板反射性表面260を有してよい。印刷回路板反射性表面260は、例えば、無電解ニッケル置換金(「ENIG」)表面270で電気めっきを施すことが可能である。このようなENIG表面270は、反射性拡散板190として機能するよう十分に表面加工を施すことが可能である。他のタイプの表面270も使用可能である。他の構成要素および他の構成も同ガスセンサでは使用可能である。
使用において、反射性拡散板190を備えたNDIRガスセンサ100は、赤外線源110が生成した赤外線信号パルスに散乱を誘起する。反射したエネルギーが拡散されるため、反射性拡散板190の表面加工済み表面200から反射した信号は、さらに平均化され、かつ、さらに均質な信号強度分布を有することが可能である。したがって、NDIRガスセンサ100が全体としてさらに高い安定性を有することが可能なように、反射性拡散板190は、導波管150、赤外線源110、および、赤外線検出器120における機械的感度を全体的に低減する。反射性拡散板190の表面加工済み表面200の性質は、種々のガスおよび意図した用途に対して最適化することが可能である。
具体的には、本明細書に説明しているNDIRガスセンサ100は、信号に散乱を誘起するためのランバート面として、反射性拡散板190の表面加工済み表面200を使用する。そのため、この散乱は信号を光学的に平均化する。反射性拡散板190から反射した信号は、さらに平均化され、かつ、さらに均質な信号強度分布を有する。なぜなら、反射したエネルギーが内部で拡散されるからである。そのため、さらに均質な信号強度分布は、結果的に機械的な変化に対する感度を低減し、したがって、全体的な安定性を高める。上記に説明した散乱の低減を意図した鏡面性表面55を備えたセンサに対して、本明細書のNDIRガスセンサ100は、安定性を高めるためにこのような散乱を意図的に誘起している。このような安定性の増大は、さらに厳しい精度についての仕様を低コストで実現することを可能にする。他の構成要素および他の構成も同ガスセンサには使用可能である。
NDIRガスセンサ100は、多数の赤外線検出器120も含んでよい。図7の例においては、第1の赤外線検出器280および第2の赤外線検出器290が使用可能である。いずれの数の赤外線検出器120も同ガスセンサでは使用可能である。赤外線検出器280、290は物理的に離れた異なった位置にあってよい。反射性拡散板190で反射した信号は、検出器280、290に結果的に同様のエネルギーでの提供が可能である。そのため、センサ100の機械的な変化に対する感度を低減することを可能にするように、反射性拡散板190は、双方の検出器280、290が同様の強度エネルギーを観測することを可能にするために信号を平均化する。
上記の説明が本出願およびそれによる特許の特定の実施形態にのみ関していることは明らかであろう。本出願には、以下の特許請求の範囲およびその均等物が規定する通りの本発明の全般的な精神および範囲から逸脱せずに、当業者によって多くの変更および改変を行うことが可能である。
10 NDIRガスセンサ
15 赤外線源
20 赤外線検出器
25 印刷回路板
30 マイクロプロセッサ
35 導波管
40 チャンバ
45 反射性表面
50 めっき、コーティング
55 近鏡面反射性表面
100 NDIRガスセンサ
110 赤外線源
120 赤外線検出器
130 印刷回路板
140 マイクロプロセッサ
150 導波管
160 チャンバ
170 反射性表面
180 検出器反射性表面
190 反射性拡散板
200 表面加工済み表面
210 無作為パターン
220 精密パターン
230 表面加工済み構成要素
240 反射性コーティング
250 線源反射性表面
260 印刷回路板反射性表面
270 ENIG表面
280 第1の赤外線検出器
290 第2の赤外線検出器
15 赤外線源
20 赤外線検出器
25 印刷回路板
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100 NDIRガスセンサ
110 赤外線源
120 赤外線検出器
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260 印刷回路板反射性表面
270 ENIG表面
280 第1の赤外線検出器
290 第2の赤外線検出器
Claims (15)
- 赤外線源と、
赤外線検出器と、
反射性拡散板を備えた、前記赤外線源および前記赤外線検出器の周りに延在する導波管と
を含む、非分散型赤外線ガスセンサ。 - 前記導波管はチャンバを画定する、請求項1に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- 前記反射性拡散板は表面加工された表面を含む、請求項1に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- 前記表面加工された表面は無作為パターンを含む、請求項3に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- 前記表面加工された表面は精密パターンを含む、請求項3に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- 前記反射性拡散板は反射性コーティングを含む、請求項3に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- 前記導波管は、反射性金属コーティングを備えた表面加工された熱可塑性構成要素を含む、請求項1に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- 前記反射性拡散板は検出器反射性表面を含む、請求項1に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- 前記反射性拡散板は線源反射性表面を含む、請求項1に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- 前記反射性拡散板は印刷回路板反射性表面を含む、請求項1に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- 前記印刷回路板反射性表面は無電解ニッケル置換金表面を含む、請求項10に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- 複数の赤外線検出器をさらに含む、請求項1に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- 互いに間隔を空けた複数の赤外線検出器をさらに含む、請求項1に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- 前記赤外線源および前記赤外線検出器と通信するマイクロプロセッサをさらに含む、請求項1に記載の非分散型赤外線ガスセンサ。
- チャンバ内に赤外線信号のパルスを発するステップと、
前記赤外線信号が反射性拡散板から散乱するステップと、
赤外線検出器において前記散乱赤外線信号を受信するステップと、
前記散乱赤外線信号の強度を決定するステップと、
を含む、チャンバ内のガスの濃度を測定する方法。
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