JP2014186000A - 量子型赤外線ガス濃度計 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象ガスの流量変化や温度変化等の外乱変化に対して高速・高精度・高安定な測定を行なうことができるようにした小型量子型赤外線ガス濃度計を提供する。
【解決手段】量子型赤外線センサ１２の出力電流によって充電される充電部１５を、増幅器１４の入力端および出力端間に並列接続し、赤外線光源１３を停止した状態で、コンデンサＣ１５を第１の極性で所定時間充電した後、赤外線光源１３を駆動しコンデンサＣ１５を第１の極性とは逆の第２の極性で、同様に前記所定時間だけ充電する。第１の極性および第２の極性で充電した後の、増幅器１４の出力は、外乱等の影響が除去された測定対象ガスの特性を反映した値となるため、この増幅器１４の出力をＡ／Ｄ変換器１６で数値化した値を用いて測定対象ガスの濃度を演算することにより、濃度を高精度に測定することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、量子型赤外線ガス濃度計に関し、より詳細には、小型でかつ簡便な量子型赤外線センサを有し、測定ガスの流量変化や温度変化等の外乱変化に対して高速・高精度・高安定な測定を行なうことのできる量子型赤外線ガス濃度計に関する。

従来から大気中のガス濃度の測定を行う赤外線ガス濃度計として、ガスの種類によって吸収される赤外線（ＩＲ；Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒａｙ）の波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定するＮＤＩＲ（非分散赤外線吸収型；Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ＩｎｆｒａＲｅｄ））ガス濃度計が使用されている。

このＮＤＩＲガス濃度計は、検出するガスの波長に限定した赤外線を透過するフィルタと赤外線センサとを組み合わせ、赤外線の吸収量を測定することによってガスの濃度を測定するようにしたものである。
このＮＤＩＲガス濃度計は、小型かつ高精度で、種々の環境でも安定して測定できるものが求められている。この種のものとして、大気中等のガス濃度を、波長選択型赤外線検出素子を用いて測定する赤外線ガス分析計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１には、光源からの赤外線を波長選択的に透過させる波長選択フィルタと、この波長選択フィルタを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを一体に構成した赤外線ガスセンサが開示されている。つまり、赤外線センサとしてボロメータを用いたＮＤＩＲ方式のガス分析計が開示されている。しかしながら、赤外線センサは、赤外線検出部を、封止室に中空で浮かせた構造であり、しかも、真空封止や不活性ガス封止する必要がある。

一般に、赤外線センサは、熱型赤外線センサと量子型赤外線センサとに分けられる。
熱型赤外線センサは、赤外線のエネルギを熱として利用したセンサであり、赤外線の熱エネルギによりセンサ自体の温度が上昇し、その温度上昇による効果（抵抗変化、容量変化、起電力、自発分極）を電気信号に変換する素子である。この熱型赤外線センサには、焦電型（ＰＺＴ、ＬｉＴａＯ₃）、熱起電力型（サーモパイル、熱電対）、導電型（ボロメータ、サーミスタ）があり、感度に波長依存性がなく、冷却は不要である。しかし、応答速度が遅く検出能力もあまり高くない。

一方、量子型赤外線センサは、半導体に赤外線が照射されるとその光量子によって発生する電子や正孔を利用するセンサであり、光導電型（ＨｇＣｄＴｅ等）や光起電力型（ＩｎＡｓ等）がある。この量子型赤外線センサは感度の波長依存性があり、高感度で応答速度が速いという特長があるが、冷却する必要がありペルチェ素子やスターリングクーラー等の冷却機構とともに用いられるのが一般的であった。したがって、上述したＮＤＩＲ方式のガスセンサには応用しにくくなっていた。

また、ＮＤＩＲガス濃度計は、赤外線光源の光量や周囲温度の変動等により赤外線センサの出力信号のオフセットがドリフトすることが知られている。
この補正を行うために、光源をＯＮ／ＯＦＦし、赤外線の受光時と遮光時との差分を取る信号処理等とともに、感度変化を補正するようにした炭酸ガス濃度を測定できる炭酸ガス濃度測定装置が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。

図１０は、上述した特許文献２に記載された従来の炭酸ガス濃度測定装置の構成を示すブロック図である。
この炭酸ガス濃度測定装置は、呼吸ガスに赤外線を照射し、透過量に応じた信号を検出して炭酸ガス濃度を測定するものである。この炭酸ガス濃度測定装置は、赤外線の透過量を検出するサーモパイル１００２と、光源１００１をオン／オフさせるスイッチＳＷ１００１と、を備える。さらに、炭酸ガス濃度測定装置は、サーモパイル１００２の検出信号から、現在の吸気時の最大値を検出して記憶させ、最大値検出時点に続く検出信号と記憶されている最大値との差を算定して時系列的に変化する濃度信号を求めるドリフト補正手段と、光源を瞬時オフにしてオフ時のサーモパイル１００２の最小値を検出し、記憶されている吸気時の最大値との差を算定して炭酸ガス濃度「０」でその時点の最大受光量における基準値として記憶させ、この基準値と濃度信号との比を算定して感度補正した濃度成分求める感度補正手段と、を備え、この濃度成分に基づき炭酸ガス濃度を算定する制御部１００６と、最大値及び基準値を記憶するＲＡＭ１００８と、を備える。

光源駆動部１００３は、スイッチＳＷ１００１により制御部１００６から出力される制御信号によりオフ／オンされるものである。Ａ／Ｄ変換器１００５は、増幅器１００４の出力をデジタル信号に変換するものである。制御部１００６は、ＲＯＭ１００９に記憶された炭酸ガス濃度の測定を行う制御プログラムに基づき装置の制御を行うものである。操作部１００７は、光源１００１のオフ／オンの周期やサーモパイル１００２の検出信号の上限値等のパラメータの設定、所要データの設定等を行うものである。

さらに、ＲＡＭ１００８は、設定されたパラメータ、サーモパイル１００２の検出信号から検出される最大値、算定された基準値、測定された炭酸ガス濃度のデータ等を一時的に記憶保持するものである。ＲＯＭ１００９は、サーモパイル１００２の検出信号に対してドリフト補正及び感度補正を行って炭酸ガス濃度の測定を自動的に行う制御プログラムが予め記憶されているものである。表示部１０１０は、測定された炭酸ガス濃度を濃度変化に応じたバーグラフ表示を行い、又はブザーにより濃度変化に応じた変調音を報知するものである。

また、上述した特許文献１における、ＮＤＩＲガス濃度計において、赤外線センサの出力信号のオフセットがドリフトするという課題を改善した濃度計として、図１１に示す濃度計が提案されている（特許文献４参照）。
この濃度計は、測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル内の一端に赤外線光源２０１５を配置するとともに、前記サンプルセル内の他端に量子型赤外線センサ２０１２を配置し、測定対象ガスの吸収帯の透過光量の信号と前記測定対象ガスの吸収のない波長帯の透過光量の信号とに基づいてガスの濃度の定量を行うようにした量子型赤外線ガス濃度計である。この量子型赤外線ガス濃度計は、前記量子型赤外線センサ２０１２からのセンサ信号を増幅する増幅器２１２１ａ、２１２１ｂを介して入力され、前記センサ信号から前記赤外線光源２０１５のオフレベル値を保持する信号処理部２１２０と、該信号処理部２１２０により保持された前記オフレベル値と前記増幅器２１２１ａ、２１２１ｂを介して入力する信号とを減算する減算手段２１２３ａ、２１２３ｂと、前記赤外線光源２０１５の電源制御信号と該電源制御信号から前記赤外線光源２０１５が赤外線を出力している区間を設定する区間設定器２１２６と、前記減算手段２１２３ａ、２１２３ｂからの信号を前記区間設定器２１２６の信号に基づいて積算する積算器２１２４ａ、２１２４ｂと、前記測定対象ガスの吸収帯の透過光量の信号と前記測定対象ガスの吸収のない波長帯域の透過光量の信号に基づいて、それぞれの前記積算器２１２４ａ、２１２４ｂの出力信号の比を演算する演算器２１２５とを備えている。

特開２００１−２２８０２２号公報 特開平８−２３３８１０号公報 特開２００８−２９２３２１号公報 特開２０１１−２０３００４号公報

上述した特許文献１に見られるようなボロメータ等を利用したＮＤＩＲガス濃度計は、測定する気体の温度や流量や周囲の温度環境が変化した場合に、光源、センサ、センサ視野内の温度変動等により、出力が大きく変動する問題があり、このような状況下で使用する場合には実用的な測定が行えないという問題があった。
また、上述した特許文献２には、赤外線センサの出力電圧のドリフト補正を行うことが開示されているが、サーモパイルを使用するものであるため、呼気ガス検出部の窓の曇り或いは汚れにより、透過光量が低下してサーモパイルの出力感度が変化するので測定した炭酸ガス濃度も変化して安定した測定ができないという問題があった。

また、測定する気体の温度や流量や周囲の温度環境が変化した場合に、オフセットドリフトがありＡ／Ｄ変換器の入力範囲を広くとる必要があるため、分解能の低下があった。また、光源の劣化や、サンプルセルの汚れ等による出力信号の経時変化を正確に補正することができないといった問題があった。
また、特許文献３には、赤外線光源の入射されているときと入射されていないときの量子型赤外線センサの出力をサンプルホールドし、差動増幅してガス濃度を測定することが開示されているが、ガス濃度が低い場合、赤外線吸収量が少ないためセンサ出力変化が微弱になり、実用的な測定を行うためには複数回の測定を多重測定する等の処理が必要になり、測定時間がかかるという問題があった。

さらに、特許文献４は、上述の特許文献１から３の課題を解決するものである。この特許文献４では、量子型赤外線センサ２０１２を配置して、前記量子型赤外線センサ２０１２からのセンサ信号を増幅する増幅器２１２１ａ、２１２１ｂと、前記センサ信号から前記赤外線光源２０１５のオフレベル値を保持する信号処理部２１２０と、該信号処理部２１２０により保持された前記オフレベル値と前記増幅器２１２１ａ、２１２１ｂを介して入力する信号とを減算する減算手段２１２３ａ、２１２３ｂと、前記減算手段２１２３ａ、２１２３ｂからの信号を前記区間設定器２１２６の信号に基づいて積算する積算器２１２４ａ、２１２４ｂと、からなる信号処理回路が、信号切換器や区間設定器で制御され、前記信号処理回路の信号を演算しているが、信号処理回路が複数のブロックからなり回路規模が大きいという問題点があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小型でかつ簡便な量子型赤外線センサを有し、測定ガスの流量変化や温度変化等の外乱変化に対して高速・高精度・高安定な測定を行なうことができるようにした小型量子型赤外線ガス濃度計を提供することにある。

本発明の一態様は、測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル（例えば図１に示す、サンプルセル１１）内の一端に赤外線光源（例えば図１に示す、赤外線光源１３）を配置するとともに、前記サンプルセル内の他端に量子型赤外線センサ（例えば図１に示す、量子型赤外線センサ１２）を配置し、当該量子型赤外線センサの出力信号に基づいて前記測定対象ガスの濃度の測定を行う量子型赤外線ガス濃度計であって、前記量子型赤外線センサに一端が接続される出力制御スイッチ（例えば図１に示す、出力制御スイッチＳＷ２）と、前記出力制御スイッチの他端に接続され、前記量子型赤外線センサの出力電流によって充電される充電部（例えば図１に示す、充電部１５）と、前記充電部の充電量を電圧で出力する増幅器（例えば図１に示す、増幅器１４）と、前記増幅器の出力を数値化する数値化処理部（例えば図１に示す、Ａ／Ｄ変換器１６）と、前記数値化処理部の出力に基づいて前記測定対象ガスの濃度演算を行う演算器（例えば図１に示す、演算器１８）と、制御器（例えば図１に示す、制御器１９）と、前記赤外線光源を駆動制御する光源駆動部（例えば図１に示す、光源駆動部２０）と、を備え、前記充電部は、第１のスイッチ群（例えば図１に示す、切換えスイッチＳＷ１−２、ＳＷ１−３）、第２のスイッチ群（例えば図１に示す、切換えスイッチＳＷ１−１、ＳＷ１−４）およびコンデンサ（例えば図１に示す、コンデンサＣ１５）を有し、前記制御器は、前記出力制御スイッチ、前記第１のスイッチ群および前記第２のスイッチ群を制御して、前記コンデンサを第１の極性で充電する第１の状態と前記コンデンサを前記第１の極性とは逆の第２の極性で充電する第２の状態とに切換え、前記光源駆動部が前記赤外線光源を停止しているときには前記第１の状態で充電し、前記赤外線光源を駆動しているときには前記第２の状態で充電することを特徴とする量子型赤外線ガス濃度計、である。

前記サンプルセルの温度を検出する温度センサ（例えば図１に示す、温度センサ１７）を備え、前記演算器は、前記温度センサの出力も用いて前記測定対象ガスの濃度演算を行うようになっていてよい。
前記数値化処理部は、前記コンデンサに前記第１の状態で第１の時間充電を行い、続いて前記第２の状態で第２の時間充電を行った後の前記増幅器の出力を、数値化するようになっていてよい。
前記第１の時間と前記第２の時間とは同一時間であってよい。
前記コンデンサの充電容量は、１００〔ｐＦ〕以下であってよい。
前記赤外線光源と前記量子型赤外線センサとの光路間に前記測定対象ガスによる赤外線吸収が生じる波長帯域の赤外線を透過する光学フィルタ（例えば図５に示す、光学フィルタＦ）を配置してもよい。

前記赤外線光源から発せられる赤外線を受光し、かつ、前記測定対象ガスによる赤外線吸収が実質的に生じない波長帯域の赤外線のみを入射する参照信号検出部（例えば図６に示す、量子型赤外線センサ１２ｂ）と、前記参照信号検出部に一端が接続される参照信号用出力制御スイッチ（例えば図６に示す、出力制御スイッチＳＷ２ｂ）と、当該参照信号用出力制御スイッチの他端に接続され、前記参照信号検出部の出力電流によって充電される、前記充電部と同一性能を有する参照信号用充電部（例えば図６に示す充電部１５ｂ）と、前記参照信号用充電部の充電量を電圧で出力し、前記増幅器と同一性能を有する参照信号用増幅器（例えば図６に示す増幅部１４ｂ）と、をさらに備え、前記数値化処理部は、前記増幅器の出力と前記参照信号用増幅器の出力とをそれぞれ数値化するようになっていてよい。

前記数値化処理部は、Ａ／Ｄ変換器（例えば図１に示す、Ａ／Ｄ変換器１６）を含んでいてよい。
前記数値化処理部は、前記増幅器の出力と基準値とを比較する比較器（例えば図７に示す、比較器３１）と、当該比較器の出力をカウントするカウンタ（例えば図７に示す、カウンタ３２）と、前記充電部に接続され前記コンデンサから電荷を放電する定電流バイアス回路（例えば図７に示す定電流バイアス回路３３）と、を含んでいてよい。

本発明の一態様によれば、測定ガスの流量変化や温度変化等の外乱変化に対して高速・高精度・高安定な測定を行なうことができる小型量子型赤外線ガス濃度計を実現することができる。

第１実施形態における量子型赤外線ガス濃度計の一例を示す構成図である。 動作状態を説明するためのコンデンサ帰還型電流電圧変換回路の一例を示す回路図である。 図１に示す量子型赤外線ガス濃度計の動作を説明するための各ブロック出力を表すタイミングチャートである。 図１に示す量子型赤外線ガス濃度計の信号処理系の動作を説明するためのフローチャートである。 量子型赤外線センサに光学フィルタを設けた一例を示す図である。 第２実施形態における量子型赤外線ガス濃度計の一例を示す構成図である。 第３実施形態における量子型赤外線ガス濃度計の一例を示す構成図である。 図７に示す量子型赤外線ガス濃度計の動作を説明するための各ブロック出力を表すタイミングチャートである。 図７に示す量子型赤外線ガス濃度計の信号処理系の動作を説明するためのフローチャートである。 従来のガス濃度測定装置の構成例を示すブロック図である。 従来のガス濃度測定装置の構成例を示す回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る量子型赤外線ガス濃度計１の一例を示す構成図である。
この量子型赤外線ガス濃度計１はＮＤＩＲガス濃度計であって、量子型赤外線センサ１２を備えている。
本発明における量子型赤外線ガス濃度計すなわちＮＤＩＲガス濃度計１は、以下のような演算により測定の対象となるガスのガス濃度の定量を行なうことができる。
ランバートベール（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ）則によれば、ガス濃度ｃは、ガス吸収帯の入射光度Ｉｇ0、ガス吸収帯の透過光度Ｉｇ、吸光度係数ε、ガス路長Ｌとすると、次式（１）で表すことができる。

赤外線の光量に比例した電流を出力する量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流は出力制御スイッチＳＷ２を介して充電部１５に充電され、充電量が増幅器１４によって電圧で出力される。
したがって、本発明に係る量子型赤外線ガス濃度計１は、測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル１１内の一端に赤外線光源１３を配置するとともに、サンプルセル１１内の他端に量子型赤外線センサ１２を配置して、測定対象ガスによる赤外線吸収量に基づいてガスの濃度の定量を行うようにしている。

つまり、測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル１１内の一端に赤外線光源１３を配置するとともに、前記サンプルセル１１内の他端に量子型赤外線センサ１２を配置して、前記測定対象ガスの透過光量の信号に基づいてガスの濃度の定量を行うようにした量子型赤外線ガス濃度計１において、前記量子型赤外線センサ１２からのセンサ出力電流を切り換える出力制御スイッチＳＷ２と、前記センサ出力電流が充放電されるコンデンサＣ１５と、前記コンデンサＣ１５の接続極性及び電荷をリセットする切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４と、前記コンデンサＣ１５の電圧を出力する増幅器１４と、前記増幅器１４の電圧をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器１６と、温度センサ１７と、前記Ａ／Ｄ変換器１６の出力を前記温度センサ１７から出力される温度に基づき補正したり外部出力形式に応じた信号に変換する等、各種演算を行う演算器１８と、前記測定対象ガスの測定タイミングや信号の取込タイミング等を制御する制御器１９と、前記制御器１９のタイミングに応じて前記赤外線光源１３を駆動する光源駆動部２０と、を備えている。

前記切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４と前記コンデンサＣ１５とを含んで充電部１５が構成され、この充電部１５と増幅器１４と出力制御スイッチＳＷ２とを含んで、電流検出部２１が構成されている。
切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４は、前記切換えスイッチＳＷ１−１の一端とＳＷ１−３の一端とが接続され、切換えスイッチＳＷ１−２の一端とＳＷ１−４の一端とが接続される。切換えスイッチＳＷ１−１の他端およびＳＷ１−２の他端と、増幅器１４の反転入力端とが出力制御スイッチＳＷ２の一端に共通に接続される。切換えスイッチＳＷ１−３およびＳＷ１−４の他端が、増幅器１４の出力端に接続される。

そして、増幅器１４の非反転入力端はＧＮＤに接続されている。さらに、前記切換えスイッチＳＷ１−１およびＳＷ１−３の接続点と切換えスイッチＳＷ１−２およびＳＷ１−４の接続点との間に、コンデンサＣ１５が接続される。
なお、前記量子型赤外線センサ１２、増幅器１４、Ａ／Ｄ変換器１６の基準電圧は、ＧＮＤまたは増幅器１４やＡ／Ｄ変換器１６の信号飽和やダイナミックレンジを考慮した電圧である。
また、前記赤外線光度を検出する量子型赤外線センサ１２の出力は、外乱変化に対して高速に切り換える赤外線光源１３のオン／オフ時の光度の差分とすることにより、外乱によるドリフトがキャンセルされ、検出に有効な赤外線量のみを出力するようになっている。

つまり、本発明に係る量子型赤外線ガス濃度計１は、前記量子型赤外線センサ１２からのセンサ出力電流を切り換える出力制御スイッチＳＷ２と、前記センサ出力電流が充放電されるコンデンサＣ１５と、前記コンデンサＣ１５の接続極性及び電荷をリセットする切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４と、前記コンデンサＣ１５の電圧を出力する増幅器１４とにより、赤外線光源１３のオン／オフ時の光度の差分を前記増幅器１４から電圧出力することができる。さらに、前記増幅器１４の電圧をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器１６と、温度センサ１７と、前記Ａ／Ｄ変換器１６の出力を前記温度センサ１７から出力される温度による補正や外部出力形式に応じた信号へ演算する演算器１８と、前記測定対象ガスの測定タイミングや信号の取込タイミング等を制御する制御器１９と、前記制御器１９のタイミングに応じて前記赤外線光源１３を駆動する光源駆動部２０と、を備えているので、外乱によるドリフトがキャンセルされ、検出に有効な赤外線量のみからガス濃度を定量化することができる。その結果、簡易で小型の構成で測定ガスの流量変化や温度変化等の外乱変化に対して高速・高精度・高安定な測定を行なうことができる小型量子型赤外線ガス濃度計を実現することが可能である。

ここで、前記増幅器１４及び前記コンデンサＣ１５は、前記量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流を積算して電圧変換する構成をとっている。この構成は、微弱電流を高い電圧に簡便に変換する手段として、オペアンプ等の増幅器１４とコンデンサＣ１５とからなる電流電圧変換回路を用いて電圧に変換している。すなわち、図２に示すように、増幅器１４の一方の入力端と出力端とがコンデンサＣ１５を介して接続されてなる、コンデンサ型の電流電圧変換回路３０を構成している。
この場合、電流電圧変換回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔは、入力電流をＩｉｎ、コンデンサＣ１５の容量をＣｆとすると、次式（２）で表すことができる。

例えば、センサ出力電流Ｉｉｎが１〔ｎＡ〕と微弱な場合、サンプリング時間が１〔ｍｓ〕で、帰還コンデンサとしてのコンデンサＣ１５の容量Ｃｆが１〔ｐＦ〕とすれば、出力電圧Ｖｏｕｔは１〔Ｖ〕になる。そのため、後段のＡ／Ｄ変換器１６でＡ／Ｄ変換するための電圧レベルとしては十分であることから、センサ出力電流Ｉｉｎをそのままサンプルホールドし、そのまま電流電圧変換回路３０へ入力すれば良い。

サンプリング時間の間、センサ出力電流Ｉｉｎを積分するためノイズ低減効果もあり、Ｓ／Ｎ向上と言った利点もある。
第１実施形態の量子型赤外線ガス濃度計１では、量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流は１〔ｎＡ〕から１０〔ｎＡ〕程度となる。また、赤外線光源１３の応答は、タングステン光源の場合で応答時間は１００〔ｍｓ〕から５００〔ｍｓ〕程度となるため、電流取込時間は１０〔ｍｓ〕から１００〔ｍｓ〕程度に設定することが好ましい。

また、中赤外線受光の量子型赤外線センサは、抵抗が数１００〔ｋΩ〕程度なので、ノイズレベルは数〔ｍＶ〕レベルとなる。精度の高いＡＤ変換を実現するためには、ＡＤ変換時の前記出力電圧Ｖｏｕｔは、１００〔ｍＶ〕以上あることが好ましい。そのため、この場合の帰還コンデンサ（コンデンサＣ１５）の容量Ｃｆは、次式（３）で示すとおり１００〔ｐＦ〕以下である必要がある。
Ｃｆ≦（１０〔ｎＡ〕／１００〔ｍＶ〕）×１００〔ｍｓ〕＝１００〔ｐＦ〕
……（３）
なお、赤外線光源１３がＬＥＤの場合は、赤外線光源１３の応答時間が早いため、帰還コンデンサ（コンデンサＣ１５）の容量Ｃｆの回路動作に応じた時間設定で規定されるが、前記タングステン光源の応答より動作が速いため、帰還コンデンサの容量Ｃｆをさらに小さい値に設定する。

次に、図１に示した量子型赤外線ガス濃度計１の動作について、図３のタイミングチャート及び図４のフローチャートを用いて説明する。図３は、図１に示す量子型赤外線ガス濃度計１の動作を説明するためのタイミングチャートの一例である。図４は、図１に示す量子型赤外線ガス濃度計１においてセンサ出力信号の信号処理を行う信号処理系の、動作を説明するためのフローチャートの一例である。

図３において、（ａ）〜（ｄ）は、切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４の動作を表す。（ｅ）は、出力制御スイッチＳＷ２の動作を表す。（ｆ）は、赤外線光源１３の駆動状況、（ｇ）は、増幅器１４の出力電圧Ｖｏｕｔ、（ｈ）は、Ａ／Ｄ変換器１６による電流値の数値化タイミング、（ｉ）は、処理の状態を表す。
量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流の取込みを行う前の段階では、切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４をＯＮ、出力制御スイッチＳＷ２をＯＦＦとし、この状態で待機する（図４のステップＳ１）。

切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４をＯＮとすることによって、コンデンサＣ１５の両端がショートされリセット状態となる。さらに、出力制御スイッチＳＷ２をＯＦＦとすることによって量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流の電流検出部２１への供給が遮断される。これによって、量子型赤外線ガス濃度計１の増幅器１４の出力Ｖｏｕｔは、図３に示すように、基準電位になっている。

この状態から、赤外線光源１３がＯＦＦ時の量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流であるＯＦＦ電流の取込開始タイミングとなると、ステップＳ２からステップＳ３に移行する。前記ＯＦＦ電流の取込開始タイミングであるか否かの判断は、例えば、スタート後の経過時間や、Ａ／Ｄ変換器１６や演算器１８の動作準備状態に基づいて行う。

ステップＳ３では、ＯＦＦ電流の取込みが開始される。電流取込時（図３の時点ｔ１−ｔ２間）は、第２のスイッチ群（ＳＷ１−１、ＳＷ１−４）をＯＦＦとし、第１のスイッチ群（ＳＷ１−２、ＳＷ１−３）と出力制御スイッチＳＷ２とをＯＮとする（図３の時点ｔ１）。これによって、量子型赤外線センサ１２の充電部１５のコンデンサＣ１５に充電される。
この時、図３（ｇ）に示す増幅器１４の基準電圧に対する出力電圧をＶｏｕｔ、コンデンサＣ１５のコンデンサ容量をＣｆ、量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流をＩｉｎ＿ｏｆｆとすると、出力電圧Ｖｏｕｔは、次式（４）で示される。

なお、電流取込時間は、測定する量子型赤外線センサ１２の動作タイミングと、コンデンサＣ１５の容量と、制御器１９と、が動作可能な範囲で設定すれば良い。また、量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流にノイズが多いため、積算時間を長くして平均化したい場合にも、測定時間を必要な長さに設定すれば良い。
続いて、ステップＳ４に移行し、ＯＦＦ電流の取込みが終了したかどうかを判定する。この赤外線光源１３がＯＦＦ時の量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流であるＯＦＦ電流の取込終了は、電流測定を開始してから所定の電流取込時間が経過したかで判断される。

そして、ＯＦＦ電流の取込みが終了するまで、各スイッチの状態はそのままで量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流の取込みを継続する。量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流の取込みが終了したならば、ステップＳ４からステップＳ５に移行し、出力制御スイッチＳＷ２をＯＦＦにする（図３の時点ｔ２）。
また、赤外線光源１３がＯＮ時の量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流であるＯＮ電流の取込開始タイミングであると判断される前に、コンデンサＣ１５の極性切り換えを行うとともに（ステップＳ６、図３の時点ｔ３）、赤外線光源１３をＯＮに切り換える（ステップＳ７）。
コンデンサＣ１５の極性切り換えは、第２のスイッチ群（ＳＷ１−１、ＳＷ１−４）をＯＮ、第１のスイッチ群（ＳＷ１−２、ＳＷ１−３）をＯＦＦすることによって行う。なお、出力制御スイッチＳＷ２はＯＦＦのままとする。

なお、ここでは、図３に示すように、まず、第１のスイッチ群および第２のスイッチ群の切り換えを行った後、赤外線光源１３をＯＮに切り換えているが、赤外線光源１３をＯＮにした後にコンデンサＣ１５の極性切り換えを行ってもよい。要は、時点ｔ４でのＯＮ電流の取込開始までに赤外線光源１３のＯＮとコンデンサＣ１５の極性切り換えとが終了していれば良く、赤外線光源１３のＯＮとコンデンサＣ１５の極性切り換えとを同時に行ってもよい。
コンデンサＣ１５の極性の切り換えにより、増幅器１４の出力は、次式（５）で示される。

そして、図４のステップＳ８で、ＯＮ電流の取込開始タイミングとなると、ステップＳ８からステップＳ９に移行し、出力制御スイッチＳＷ２をＯＮとする。このとき、第１のスイッチ群はＯＦＦ、第２のスイッチ群はＯＮのままである。なお、ＯＮ電流の取込開始タイミングであるか否かの判断は、赤外線光源１３をＯＮしてからの経過時間や赤外線光源１３の駆動電圧や電流などに基づいて行う。
これによって、赤外線光源１３がＯＮ時の量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流がコンデンサＣ１５に充電される。
このとき、図３に示す増幅器１４の基準電圧に対する出力電圧をＶｏｕｔ、コンデンサＣ１５の容量をＣｆ、赤外線光源１３がＯＮ時の量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流をＩｉｎ＿ｏｎとすると、出力電圧Ｖｏｕｔは、次式（６）で示される。

式（６）からわかるように、ＯＮ電流の取込時間をＯＦＦ電流の取込時間と同じにすることにより、ＯＮ電流の外乱要因であるＯＦＦ電流分がキャンセルされ、増幅器１４より出力される。
ＯＮ電流の取込終了は、電流測定を開始してから所定の電流取込時間が経過したかで判断される。図４のステップＳ１０で、ＯＮ電流の取込み終了と判断されると、ステップＳ１０からステップＳ１１に移行し、ＯＮ電流の取込み終了として出力制御スイッチＳＷ２をＯＦＦにする。このとき、第１のスイッチ群はＯＦＦ、第２のスイッチ群はＯＮのままとする。

また、ＯＮ電流の取込終了後は、出力制御スイッチＳＷ２の切り換えとともに、赤外線光源１３をＯＦＦする（ステップＳ１２、図３の時点ｔ５）。
そして、所定の待機時間が経過した時点ｔ６で、増幅器１４の出力電圧をＡ／Ｄ変換する（ステップＳ１３）。なお、時点ｔ５−ｔ６の待機時間は、ＯＮ電流の取込終了後出力制御スイッチＳＷ２がＯＦＦで増幅器出力が一定となり、かつ、Ａ／Ｄ変換器の取り込み可能な状態に基づいて設定される。

この増幅器１４の出力電圧に対するＡ／Ｄ変換終了後は、コンデンサＣ１５に充電された電流をリセットするため、所定の待機時間が経過した時点ｔ７で第１および第２のスイッチ群ＳＷ１−１〜ＳＷ１−４をＯＮにし、出力制御スイッチＳＷ２をＯＦＦとする（ステップＳ１４）。これにより、増幅器１４の出力を基準電圧に設定する。なお、Ａ／Ｄ変換処理終了から時点ｔ７で第１および第２のスイッチ群ＳＷ１−１〜ＳＷ１−４をＯＮにするまでの待機時間は、切換えにより発生するノイズ等回路動作上の影響が無ければ測定周期などを考慮して任意の時間に設定して良い。

その後さらに測定を行うかが判断され（ステップＳ１５）、測定を行う場合はステップＳ１に戻り、測定を行わない場合は終了する。
測定終了後、増幅器１４の出力に基づき、演算器１８において所定の演算処理が行われ、増幅器１４の出力は、ガス濃度に応じた数値に変換されて出力される。
このように、制御器１９により制御されたコンデンサＣ１５の充放電により、センサ出力電流のオフレベル値とオンレベル値の差分を増幅器１４が出力するため、外乱によるドリフトがキャンセルされ、検出に有効な赤外線量のみを出力することができる。そのため、簡易で小型な構成で、検出に有効な赤外線を有効に積算測定することができる。

また、増幅器１４とコンデンサＣ１５と切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４との単純な構成により、赤外線光源１３のＯＮ時とＯＦＦ時の差分出力をＡ／Ｄ変換に十分な電圧でＡ／Ｄ変換器１６に出力することによって、微弱な量子型赤外線センサ１２の出力を演算することができる。そのため、簡易で小型の構成で測定ガスの流量変化や温度変化等の外乱変化に対して高速・高精度・高安定な測定を行なうことができる小型量子型赤外線ガス濃度計１を実現することができる。

さらに、小型でかつ簡便で応答性の優れた量子型赤外線センサ１２を用いるため、赤外線光源１３として、高速応答性の優れた赤外線光源を用いれば、短時間のパルス動作で測定可能な小型ガス濃度計を実現することができる。
さらに、ガス濃度や赤外線光源１３や量子型赤外線センサ１２は温度による特性変動があるため、温度センサ１７を用いて、予め設定した、温度による特性変動を補正する演算式を用いて出力補正を行うことによって、広い温度範囲に対しても測定精度を維持することが可能となる。

なお、測定対象ガスの赤外線吸収を測定するために、赤外線光源１３又は量子型赤外線センサ１２に赤外線吸収帯域の赤外線波長を制限する機能があることは言うまでもなく、その方法はＬＥＤ光源や量子型赤外線センサの帯域調整や例えば図５に示すように、光学フィルタＦ等の光学部材との組み合わせでも良い。このように、光学フィルタ等、赤外線吸収帯域の赤外線波長を制限する機能を設けることによってより高精度に測定を行うことができる。

また、第１実施形態における量子型赤外線ガス濃度計１における基準電位は、図１ではＧＮＤで示している。ＧＮＤの電圧レベルは０〔Ｖ〕にする場合が多いが、これに限定されるものではなく、設定しやすい電圧レベルであれば任意の値でよい。同様に、構成する各ブロックの電源電圧も、基準電位と各ブロックの動作を制限しないレベルであれば任意の値でよい。
また、センサや外乱等によるノイズの影響を低減させる手段として、増幅器や信号保持手段や減算手段等に、本発明に影響がない程度のフィルタ機能を兼用することがあることは言うまでもない。
また、濃度演算の際には、Ａ／Ｄ変換器１６でＡ／Ｄ変換後に、演算器１８でデジタル処理での演算を行っているが、演算機能を持ったアナログ信号処理の手段を用いても良い。

また、図１では、温度センサ１７を別ブロックで記載しているが、温度センサ１７を設けずに、例えば量子型赤外線センサ１２や赤外線光源１３等の温度動作特性を用いて、温度を推定し推定した温度に基づいて補正を行うように構成してもよい。
また、演算補正として温度センサ１７による信号を用いて濃度補正しているが、濃度に影響のある気圧や湿度や干渉ガスによる影響を合わせて補正するために、これら濃度に影響を与える各種パラメータの値を考慮して、各種センサや外部信号等を演算器１８で補正しても良い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図６は、本発明の第２実施形態に係る量子型赤外線ガス濃度計１の一例を示す構成図である。
第２実施形態における量子型赤外線ガス濃度計１は、第１実施形態と同様に、ＮＤＩＲガス濃度計であるが、２つの量子型赤外線センサ１２ａ、１２ｂを備えている。さらに、第１実施形態で説明した電流検出部２１と同様の機能構成を有する、２系統の電流検出部２１ａ、２１ｂを備えている。
つまり、測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル１１内の一端に赤外線光源１３を配置するとともに、前記サンプルセル１１内の他端に量子型赤外線センサ１２ａと１２ｂとを配置し、赤外線光源１３による赤外線を、量子型赤外線センサ１２ａと１２ｂとの２系統で受光するように構成される。

さらに、量子型赤外線センサ１２ａ、１２ｂのそれぞれに対応して、電流検出部２１ａ、２１ｂが設けられている。そして、量子型赤外線センサ１２ａのセンサ出力電流は、出力制御スイッチＳＷ２ａを介して充電部１５ａに供給されるとともに、増幅器１４ａの反転入力端に入力される。増幅器１４ａの非反転入力端はＧＮＤに接続される。参照信号検出部としての量子型赤外線センサ１２ｂのセンサ出力電流は、出力制御スイッチＳＷ２ｂを介して、電流検出部２１ｂに入力され、量子型赤外線センサ１２ｂのセンサ出力電流は、参照信号用出力制御スイッチとしての出力制御スイッチＳＷ２ｂを介して、参照信号用充電部としての充電部１５ｂに入力される。

電流検出部２１ａ、２１ｂがそれぞれ上記第１実施形態における電流検出部２１と同様に動作することによって、センサ出力電流のオフレベル値とオンレベル値の差分を増幅器１４ａ、１４ｂそれぞれが出力するため、外乱によるドリフトがキャンセルされ、検出に有効な赤外線量のみを出力するようになっている。
すなわち、充電部１５ａは、センサ出力電流が充放電されるコンデンサＣ１５ａと、前記コンデンサＣ１５ａの接続極性及び電荷をリセットする第１および第２のスイッチ群ＳＷ１ａ−１〜ＳＷ１ａ−４と、前記コンデンサＣ１５ａの電圧を出力する増幅器１４ａとを備える。充電部１５ｂは、センサ出力電流が充放電されるコンデンサＣ１５ｂと、前記コンデンサＣ１５ｂの接続極性及び電荷をリセットする第１および第２のスイッチ群ＳＷ１ｂ−１〜ＳＷ１ｂ−４と、前記コンデンサＣ１５ｂの電圧を出力する参照信号用増幅器としての増幅器１４ｂとを備える。

さらに、２系統の増幅器１４ａ、１４ｂの出力電圧をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器１６と、温度センサ１７と、前記Ａ／Ｄ変換器１６の出力を前記温度センサ１７から出力される温度に基づいて補正したり、外部出力形式に応じた信号に変換する等の演算処理を行う演算器１８と、前記測定対象ガスの測定タイミングや信号の取込タイミング等を制御する制御器１９と、前記制御器１９のタイミングに応じて前記赤外線光源１３を駆動する光源駆動部２０とを備えている。

ここで、測定ガスが赤外線吸収する帯域と、測定ガスが赤外線吸収しない帯域とについて、量子型赤外線センサを用いて光度を測定することにより、測定中の光源やセンサの変動や、経時変化に対して測定安定性を向上させることができる。
赤外線吸収する帯域と、測定ガスが赤外線吸収しない帯域とが近接し、光源や量子型赤外線センサでの波長選択性が得られない場合、光学フィルタを赤外線光源と量子型赤外線センサ間に設ける事により、測定ガスの選択性や感度や安定性をさらに向上することができる。

また、複数の赤外線光源や量子型赤外線センサや光学フィルタを用い、複数の赤外線帯域を選択的に検出することにより、測定ガスの選択性や感度や安定性向上や複数ガスの濃度検出が可能となる。
例えば、ガス吸収帯と吸収のない波長帯を検出する場合、ガス吸収帯の入射光度Ｉｇ0は、吸収のない波長帯の透過光度Ｉｂに比例するので、比例係数をαとすると、次式（７）で示される。

したがって、ガスの吸収帯の透過光量とガスの吸収のない波長帯の透過光量とを用いて、ガスの濃度の定量が次式（８）によって求められる。

この演算は、吸収のない波長帯の透過光度Ｉｂとガス吸収帯の透過光度Ｉｇとの比のｌｏｇ値であるＬｏｇ（Ｉｂ／Ｉｇ）と、オフセットｌｏｇαと、吸光度係数εと、ガス路長Ｌとからガス濃度ｃを得るものである。吸収のない波長帯の透過光度Ｉｂとガス吸収帯の透過光度Ｉｇとの比を取ることにより、光源やセンサ等に含まれる変動要因をキャンセルすることができる。
この第２実施形態では、ガス濃度ｃは、次式（９）に示すように、ガスの吸収帯を測定する増幅器１４ａの出力電圧（Ｖ１）と、ガスの吸収のない波長帯を測定する増幅器１４ｂの出力電圧（Ｖ２）とから演算する。

このようにして、ガスの吸収帯の透過光量とガスの吸収のない波長帯の透過光量とを用いてガスの濃度の定量分析を行うことができる。現実には、ランバートベール則からずれる部分があるため、必要に応じて補正演算を行っても良い。
また、ガス濃度の温度依存性等比を取ることではキャンセルできない要因は、温度センサ１７を用いて温度を検出し、予め設定した補正演算を行っても良い。
このように、測定された参照光と吸収特性とを用いて演算することによって、光源の温度特性や劣化やサンプルセルの汚れ等による出力信号の変化を補正することが可能となり、より精度や安定性の高い小型ガス濃度計を実現できる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を説明する。
図７は、本発明の第３実施形態に係る量子型赤外線ガス濃度計１の一例を示す構成図である。
この第３実施形態における量子型赤外線ガス濃度計１は、第１実施形態および第２実施形態と同様に、ＮＤＩＲガス濃度計であって、１つの量子型赤外線センサ１２を備えている。
第３実施形態における量子型赤外線ガス濃度計１は、測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル１１内の一端に赤外線光源１３を配置するとともに、前記サンプルセル１１内の他端に量子型赤外線センサ１２を配置して、前記測定対象ガスの透過光量の信号に基づいてガスの濃度の定量を行う。

量子型赤外線ガス濃度計１は、さらに、前記第１実施形態における電流検出部２１と同一機能構成を有する電流検出部２１を備える。この電流検出部２１は、前記量子型赤外線センサ１２からのセンサ出力電流を切り換える出力制御スイッチＳＷ２と、前記センサ出力電流が充放電されるコンデンサＣ１５と、前記コンデンサＣ１５の接続極性及び電荷をリセットする切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４と、前記コンデンサＣ１５の電圧を出力する増幅器１４と、を含む。

量子型赤外線ガス濃度計１は、さらに、前記増幅器１４の出力（Ｖｏｕｔ）と基準電圧とを比較してその比較結果を出力する比較器３１と、測定時間が終了した後に比較器３１の出力を受けて時間を計測（所定周期でカウント）し電流を数値化するカウンタ３２と、前記コンデンサＣ１５の充電された電流を一定電流で放電するための定電流バイアス回路３３と、一端が定電流バイアス回路３３に接続され他端が切換えスイッチＳＷ１−１、ＳＷ１−２、増幅器１４の反転入力端とに共通に接続される放電スイッチＳＷ３と、温度センサ１７と、前記カウンタ３２の数値出力を前記温度センサ１７から出力される温度に基づき補正したり、外部出力形式に応じた信号に変換する等の演算処理を行う演算器１８と、前記測定対象ガスの測定タイミングや信号の取込タイミング等を制御する制御器１９と、前記制御器１９のタイミングに応じて前記赤外線光源１３を駆動する光源駆動部２０と、を備えている。

次に、図７に示した量子型赤外線ガス濃度計１の動作について、図８のタイミングチャート及び図９のフローチャートを用いて説明する。図８は、図７に示す量子型赤外線ガス濃度計１の動作を説明するためのタイミングチャートの一例である。図９は、図７に示す量子型赤外線ガス濃度計１においてセンサ出力信号の信号処理を行う信号処理系の、動作を説明するためのフローチャートの一例である。

図８において、（ａ）〜（ｄ）は、切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４の動作を表す。（ｅ）は、出力制御スイッチＳＷ２の動作を表す。（ｆ）は、放電スイッチＳＷ３の動作を表す。（ｇ）は、赤外線光源１３の駆動状況、（ｈ）は、増幅器１４の出力電圧Ｖｏｕｔ、（ｉ）は、比較器３１の出力、（ｊ）は、カウンタ３２の動作、（ｋ）は、処理の状態を表す。

量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流の取込みを行う前の段階では、切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４をＯＮ、出力制御スイッチＳＷ２をＯＦＦとし、この状態で待機する（図９ステップＳ２１）。
切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４をＯＮとすることによって、コンデンサＣ１５の両端がショートされリセット状態となる。また、出力制御スイッチＳＷ２をＯＦＦとすることによって量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流の電流検出部２１への供給が遮断される。さらに、放電スイッチＳＷ３をＯＦＦとして無バイアスとすることによって、量子型赤外線ガス濃度計１の増幅器１４の出力Ｖｏｕｔは、図８に示すように、基準電位になっている。

この状態から、赤外線光源１３のＯＦＦ電流の取込開始タイミングとなると、図９のステップＳ２２からステップＳ２３に移行する。このステップＳ２３では、ＯＦＦ電流の取込みが開始される。電流取込時（図８の時点ｔ１１−ｔ１２間）は、第２のスイッチ群（ＳＷ１−１、ＳＷ１−４）と放電スイッチＳＷ３とをＯＦＦとし、第１のスイッチ群（ＳＷ１−２、ＳＷ１−３）と出力制御スイッチＳＷ２とをＯＮとする（図８の時点ｔ１１）。これによって、量子型赤外線センサ１２の充電部１５の帰還コンデンサとしてのコンデンサＣ１５に充電される。
この時、図８（ｈ）に示す増幅器１４の基準電圧に対する出力電圧をＶｏｕｔ、コンデンサＣ１５のコンデンサ容量をＣｆ、量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流をＩｉｎ＿ｏｆｆとすると、出力電圧Ｖｏｕｔは、次式（１０）で示される。

なお、電流取込時間は、測定する量子型赤外線センサ１２の動作タイミングと、コンデンサＣ１５の容量と、制御器１９とが動作可能な範囲で設定すれば良い。また、量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流にノイズが多いため、積算時間を長くして平均化したい場合にも、測定時間を必要な長さに設定すれば良い。
続いて、図９のステップＳ２４に移行し、ＯＦＦ電流の取込みを終了するか否かを判定する。このＯＦＦ電流の取込みを終了するか否かは、電流測定を開始してから所定の電流取込時間が経過したかで判断される。

そして、ＯＦＦ電流の取込みが終了するまで、各スイッチの状態はそのままで量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流の取込みを継続する。量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流の取込みが終了したならば、ステップＳ２４からステップＳ２５に移行し、出力制御スイッチＳＷ２をＯＦＦにする（図７の時点ｔ１２）。
また、赤外線光源１３がＯＮ時の量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流であるＯＮ電流の取込開始タイミングと判断される前に、コンデンサＣ１５の極性切り換えを行うとともに（図９のステップＳ２６、図７の時点ｔ１３）、赤外線光源１３をＯＮに切り換える（ステップＳ２７）。

コンデンサＣ１５の極性切り換えは、第２のスイッチ群（ＳＷ１−１、ＳＷ１−４）をＯＮ、第１のスイッチ群（ＳＷ１−２、ＳＷ１−３）をＯＦＦすることによって行う。なお、ここでは、図８に示すように、まず、第１のスイッチ群および第２のスイッチ群の切り換えを行って、コンデンサＣ１５の極性切り換えを行った後、赤外線光源１３をＯＮに切り換えているが、赤外線光源１３をＯＮにした後に、コンデンサＣ１５の極性切り換えを行ってもよい。要は、時点ｔ１４でのＯＮ電流取込開始までに赤外線光源１３のＯＮとコンデンサＣ１５の極性切り換えとが終了していれば良く、赤外線光源１３のＯＮとコンデンサＣ１５の極性切り換えとを同時に行ってもよい。
コンデンサＣ１５の極性の切り換えにより、増幅器１４の出力は、次式（１１）で示される。

そして、図９のステップＳ２８で、ＯＮ電流の取込開始タイミングと判断されると、ステップＳ２８からステップＳ２９に移行し、出力制御スイッチＳＷ２をＯＮとする。このとき、第１のスイッチ群はＯＦＦ、第２のスイッチ群はＯＮ、放電スイッチＳＷ３はＯＦＦのままである。なお、ＯＮ電流の取込開始タイミングであるか否かの判断は、赤外線光源１３をＯＮしてからの経過時間や赤外線光源１３の駆動電圧や電流などに基づいて行う。
これによって、赤外線光源１３がＯＮ時における、量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流がコンデンサＣ１５に充電される。
この時、図７に示す増幅器１４の基準電圧に対する出力電圧をＶｏｕｔ、コンデンサＣ１５の容量をＣｆ、赤外線光源１３がＯＮである時の量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流をＩｉｎ＿ｏｎとすると、出力電圧Ｖｏｕｔは、次式（１２）で示される。

式（１２）からわかるように、ＯＮ電流の取込時間をＯＦＦ電流の取込時間と同じにすることにより、ＯＮ電流の外乱要因であるＯＦＦ電流分がキャンセルされ、増幅器１４より出力される。
ＯＮ電流の取込終了は、電流測定を開始してから所定の電流取込時間が経過したかで判断される。図９のステップＳ３０で、ＯＮ電流の取込終了と判断されると、ステップＳ３０からステップＳ３１に移行し、ＯＮ電流の取込終了として、出力制御スイッチＳＷ２をＯＦＦにする。このとき、第１のスイッチ群はＯＦＦ、第２のスイッチ群はＯＮ、放電スイッチＳＷ３はＯＦＦのままとする。
また、ＯＮ電流の取込終了後は、出力制御スイッチＳＷ２の切り換えとともに、赤外線光源１３をＯＦＦする（図９のステップＳ３２、図７の時点ｔ１５）。

そして、コンデンサＣ１５の充電電流を数値化するため、所定の待機時間が経過した時点ｔ１６で、放電スイッチＳＷ３をＯＮにし、定電流バイアス回路３３による定電流放電と、カウンタ３２によるカウントを開始する。
このとき、図８（ｈ）に示すように、増幅器１４の出力電圧Ｖｏｕｔと基準電圧との間には差があり、基準電圧の方が、出力電圧Ｖｏｕｔよりも大きいため、比較器３１の出力はＨレベルとなる。

定電流バイアス回路３３による放電電流は定電流なので、放電スイッチＳＷ３がＯＮになることにより、コンデンサＣ１５に充電された電流は定電流バイアス回路３３による放電電流により放電される。この時、図８（ｈ）に示す増幅器１４の出力電圧Ｖｏｕｔのレベルは、ＯＮ電流取込終了時の増幅器１４の最終電圧をＶｏｕｔ＿ｓｅｎｓ、コンデンサＣ１５の容量をＣｆ、定電流バイアス回路３３による放電電流をＩｉｎ＿ｃｏｎｓｔとすると、次式（１３）で示される。

そして、定電流バイアス回路３３による定電流放電電流により放電され増幅器１４の出力電圧が基準電圧になると、比較器３１の出力はＬレベルになる。図８の時点ｔ１７で、比較器３１の出力がＬレベルになると、図９のステップＳ３４からステップＳ３５に移行し、数値化を終了する。すなわち、カウンタを停止し、放電スイッチＳＷ３をＯＦＦにする。また、第１および第２のスイッチ群ＳＷ１−１〜ＳＷ１−４をＯＮにし、コンデンサＣ１５をリセットした状態で待機状態に移行する。

ここで、前記（１３）式に示すように、定電流バイアス回路３３による放電電流は定電流なので、増幅器１４の出力電圧Ｖｏｕｔが基準電位になるまでの時間は、増幅器１４の出力Ｖｏｕｔと定電流バイアス回路３３による放電電流Ｉｉｎ＿ｃｏｎｓｔとに比例することになる。
したがって、カウンタ３２のカウンタ値も定電流バイアス回路３３による放電電流Ｉｉｎ＿ｃｏｎｓｔに比例することになるため、カウンタ３２はカウンタ値を出力することで、量子型赤外線センサ１２の赤外線光源１３がＯＮ時とＯＦＦ時との差分電流値を数値化することになる。

カウンタ３２による電流数値化終了後は、カウンタ３２によるカウント値を、演算器１８に出力し（ステップＳ３６）、カウンタ３２のカウント値をリセットする（ステップＳ３７）。
その後さらに測定を行うかが判断され、測定を行う場合はステップＳ２１に戻り、測定を行わない場合は、終了する（ステップＳ３８）。

カウンタ３２による電流数値化の分解能を向上させるためには、カウンタ３２のカウント周波数を上げることで実現可能となる。また、定電流バイアス回路３３の定電流値を小さくして、増幅器１４の出力レベルＶｏｕｔが基準電位となるまでの時間を長くすることでも、カウンタ値を大きくできるため、分解能を向上させることが可能である。
このように、微弱な量子型赤外線センサ１２の出力を、増幅器１４とコンデンサＣ１５と切換えスイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−４との単純な構成により、赤外線光源１３のＯＮ時とＯＦＦ時との差分電流を出力し、カウンタ３２により数値化することによって、量子型赤外線センサ１２の出力を演算することができる。

そのため、高分解能なＡ／Ｄ変換器は不要となり、簡易で小型の構成で測定ガスの流量変化や温度変化等の外乱変化に対して高速・高精度・高安定な測定を行なうことができる小型量子型赤外線ガス濃度計１を実現することができる。さらに、小型でかつ簡便で応答性の優れた量子型赤外線センサ１２を用いるため、高速応答性の優れた赤外線光源を用いれば、短時間のパルス動作で測定可能な小型ガス濃度計を実現できる。
また、比較器３１とカウンタ３２と定電流バイアス回路３３とにより、数値化処理を行うことによって、効率よく充電部をリセットすることができる。

なお、第３実施形態においては、図７では、基準電位はＧＮＤで示している。ＧＮＤの電圧レベルは０〔Ｖ〕にする場合が多いが、これに限定されるものではなく、設定しやすい電圧レベルであれば任意の値でよい。同様に、構成する各ブロックの電源電圧も、基準電位と各ブロックの動作を制限しないレベルであれば任意の値でよい。
また、比較器３１の出力は、増幅器１４の出力と基準電位のレベル差の区別ができればよく、ＨレベルとＬレベルの状態は上記に限定しない。

第３実施形態によれば、量子型赤外線センサ１２の微少出力電流を中間増幅段無しに初段増幅器１４のみで数値化に十分な電圧まで増幅できる。また、サンプルホールドが不要で、カウンタ３２のカウント刻みを細かくすることで容易で簡便に読み取り精度を上げることができ、微少電流出力のセンサ素子の出力電流を小型でかつ簡便な方式で高精度・高安定な測定を行なうことのできる小型ガス濃度計を実現することが可能である。
なお、量子型赤外線センサ１２のセンサ出力電流がコンデンサＣ１５からの電流放電であれば、前記定電流バイアス回路３３は定電流充電に置き換わることは言うまでもない。

１ 量子型赤外線ガス濃度計
１１ サンプルセル
１２、１２ａ、１２ｂ 量子型赤外線センサ
１３ 赤外線光源
１４、１４ａ、１４ｂ 増幅器
１５、１５ａ、１５ｂ 充電部
１６ Ａ／Ｄ変換器
１７ 温度センサ
１８ 演算器
１９ 制御器
２０ 光源駆動部
２１、２１ａ、２１ｂ 電流検出部
３０ 電流電圧変換回路
３１ 比較器
３２ カウンタ
３３ 定電流バイアス回路
Ｃ１５、Ｃ１５ａ、Ｃ１５ｂ コンデンサ
ＳＷ１−１〜ＳＷ−４ 切換えスイッチ
ＳＷ２、ＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂ 出力制御スイッチ
ＳＷ３ 放電スイッチ

Claims (9)

1. 測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル内の一端に赤外線光源を配置するとともに、前記サンプルセル内の他端に量子型赤外線センサを配置し、当該量子型赤外線センサの出力信号に基づいて前記測定対象ガスの濃度の測定を行う量子型赤外線ガス濃度計であって、
   前記量子型赤外線センサに一端が接続される出力制御スイッチと、
   前記出力制御スイッチの他端に接続され、前記量子型赤外線センサの出力電流によって充電される充電部と、
   前記充電部の充電量を電圧で出力する増幅器と、
   前記増幅器の出力を数値化する数値化処理部と、
   前記数値化処理部の出力に基づいて前記測定対象ガスの濃度演算を行う演算器と、
   制御器と、
   前記赤外線光源を駆動制御する光源駆動部と、を備え、
   前記充電部は、第１のスイッチ群、第２のスイッチ群およびコンデンサを有し、
   前記制御器は、前記出力制御スイッチ、前記第１のスイッチ群および前記第２のスイッチ群を制御して、前記コンデンサを第１の極性で充電する第１の状態と前記コンデンサを前記第１の極性とは逆の第２の極性で充電する第２の状態とに切換え、
   前記光源駆動部が前記赤外線光源を停止しているときには前記第１の状態で充電し、前記赤外線光源を駆動しているときには前記第２の状態で充電することを特徴とする量子型赤外線ガス濃度計。
2. 前記サンプルセルの温度を検出する温度センサを備え、
   前記演算器は、前記温度センサの出力も用いて前記測定対象ガスの濃度演算を行うことを特徴とする請求項１記載の量子型赤外線ガス濃度計。
3. 前記数値化処理部は、
   前記コンデンサに前記第１の状態で第１の時間充電を行い、続いて前記第２の状態で第２の時間充電を行った後の前記増幅器の出力を、数値化することを特徴とする請求項１または請求項２記載の量子型赤外線ガス濃度計。
4. 前記第１の時間と前記第２の時間とは同一時間であることを特徴とする請求項３記載の量子型赤外線ガス濃度計。
5. 前記コンデンサの充電容量は、１００〔ｐＦ〕以下であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の量子型赤外線ガス濃度計。
6. 前記赤外線光源と前記量子型赤外線センサとの光路間に前記測定対象ガスによる赤外線吸収が生じる波長帯域の赤外線を透過する光学フィルタを配置したことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の量子型赤外線ガス濃度計。
7. 前記赤外線光源から発せられる赤外線を受光し、かつ、前記測定対象ガスによる赤外線吸収が実質的に生じない波長帯域の赤外線のみを入射する参照信号検出部と、
   前記参照信号検出部に一端が接続される参照信号用出力制御スイッチと、
   当該参照信号用出力制御スイッチの他端に接続され、前記参照信号検出部の出力電流によって充電される、前記充電部と同一性能を有する参照信号用充電部と、
   前記参照信号用充電部の充電量を電圧で出力し、前記増幅器と同一性能を有する参照信号用増幅器と、をさらに備え、
   前記数値化処理部は、前記増幅器の出力と前記参照信号用増幅器の出力とをそれぞれ数値化することを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に記載の量子型赤外線ガス濃度計。
8. 前記数値化処理部は、Ａ／Ｄ変換器を含むことを特徴とする請求項１から請求項７の何れか１項に記載の量子型赤外線ガス濃度計。
9. 前記数値化処理部は、前記増幅器の出力と基準値とを比較する比較器と、当該比較器の出力をカウントするカウンタと、前記充電部に接続され前記コンデンサから電荷を放電する定電流バイアス回路と、を含むことを特徴とする請求項１から請求項８の何れか１項に記載の量子型赤外線ガス濃度計。

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