JP2023080041A - 濃度測定装置および濃度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】濃度測定装置および濃度測定方法に関する。
【解決手段】赤外線を用いて測定対象の濃度を測定する濃度測定装置であって、測定対象に対する赤外線の影響を検出する赤外線検出部からの検出信号を取得する信号取得部と、温度測定部が測定した温度情報を取得する温度情報取得部と、温度情報に基づいて、検出信号の温度依存性を補正した補正信号を出力する補正部と、測定対象の濃度を算出するための予め定められた基準温度における検量線データを用いて、補正信号に応じた測定対象の濃度を算出する算出部とを備え、補正部は、３つ以上の温度区間毎に異なる予め定められた補正パラメータのうち、温度情報に対応する温度区間における補正パラメータを用いて、検出信号を線形補正した補正信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、濃度測定装置および濃度測定方法に関する。

特許文献１には、「光源の劣化の影響を高精度に補正するガスセンサを提供すること」が記載されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
特許文献１ 特開２０１７－０１５５１６号公報
特許文献２ 特表２００７－５０２４０７号公報

本発明の第１の態様においては、赤外線を用いて測定対象の濃度を測定する濃度測定装置であって、測定対象に対する赤外線の影響を検出する赤外線検出部からの検出信号を取得する信号取得部と、温度測定部が測定した温度情報を取得する温度情報取得部と、温度情報に基づいて、検出信号の温度依存性を補正した補正信号を出力する補正部と、測定対象の濃度を算出するための予め定められた基準温度における検量線データを用いて、補正信号に応じた測定対象の濃度を算出する算出部とを備え、補正部は、３つ以上の温度区間毎に異なる予め定められた補正パラメータのうち、温度情報に対応する温度区間における補正パラメータを用いて、検出信号を線形補正した補正信号を出力する濃度測定装置を提供する。

本発明の第２の態様においては、赤外線が通過した測定対象の濃度を測定する濃度測定方法であって、測定対象に対する赤外線の影響を検出する赤外線検出部からの検出信号を取得する段階と、温度測定部が測定した温度情報を取得する段階と、検出信号の温度依存性を補正した補正信号を出力する段階であって、測定対象の濃度を算出するための予め定められた基準温度における検量線データを用いて、補正信号に応じた測定対象の濃度を算出する段階とを備え、補正信号を出力する段階は、３つ以上の温度区間毎に異なる予め定められた補正パラメータのうち、温度情報に対応する温度区間における補正パラメータを用いて、検出信号を線形補正する段階を有する濃度測定方法を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

濃度測定装置１００の構成の一例を示す。 検出信号Ｓｄの温度特性の一例を示す。 補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）の温度特性の一例を示す。 補正信号Ｓｃを濃度に変換した信号の誤差の温度依存性を示すグラフの一例である。 検量線データを用いた測定対象１１０の濃度の算出方法の一例を示す。 ゼロ補正により測定誤差を補正する方法を示す。 スパン補正により測定誤差を補正する方法を示す。 ２次多項式で３つの補正温度点を補正する場合における検出信号の温度特性の比較例を示す。 ２次多項式で３つの補正温度点を補正する場合における補正信号の誤差の比較例を示す。 ３次以上の多項式で４つ以上の補正温度点を補正する場合における検出信号の温度特性の比較例を示す。 ３次以上の多項式で４つ以上の補正温度点を補正する場合における補正信号の誤差の比較例を示す。 濃度測定装置１００の動作フローチャートの一例を示す。 ４つの補正温度点で３つの温度区間を線形補正する場合における、補正信号Ｓｃを濃度変換した信号の誤差の温度依存性を示すグラフの一例である。 ５つの補正温度点で４つの温度区間を線形補正する場合における、補正信号Ｓｃを濃度変換した信号の誤差の温度依存性を示すグラフの一例である。 ７つの補正温度点で６つの温度区間を線形補正する場合における補正信号Ｓｃを濃度変換した信号の誤差の一例を示す。 ６次多項式で７つの補正温度点を補正した場合の比較例を示す。 ７つの補正温度点で６つの温度区間を線形補正した場合の実施例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、濃度測定装置１００の構成の一例を示す。濃度測定装置１００は、発光部１０と、赤外線影響検出部２０と、温度測定部３０と、信号処理部４０とを備える。本例の濃度測定装置１００は、光路部１２および反射部１４を備える。濃度測定装置１００は、赤外線を用いて測定対象１１０の濃度を測定する。

発光部１０は、測定対象１１０の濃度を測定するための赤外線を発光する。発光部１０は、測定対象１１０に赤外線を通過させて測定対象１１０の濃度を算出するために、一定の光量を有する赤外線を発光してよい。発光部１０は、濃度測定装置１００の外部に設けられてもよい。

光路部１２は、測定対象１１０に赤外線を通過させるための光路である。光路部１２は、測定対象１１０を含み、予め定められた光路長で測定対象１１０に赤外線を通過させる。光路部１２は、閉鎖された空間に測定対象１１０を保持するための容器であってもよいし、測定対象１１０を流すための流路であってもよい。光路部１２には、反射部１４で反射した赤外線が通過してもよい。

測定対象１１０は、発光部１０が発光した赤外線を透過して濃度を測定するための物質である。測定対象１１０は、気体であってもよいし、液体であってもよい。例えば、測定対象１１０は、二酸化炭素ガスであるが、これに限定されない。測定対象１１０は、赤外線が通過する光路部１２に設けられる。

赤外線影響検出部２０は、発光部１０が発光した赤外線による測定対象１１０に対する影響を検出して、検出信号Ｓｄを出力する。赤外線影響検出部２０は、赤外線を検出するための赤外線センサを有してよい。赤外線影響検出部２０は、赤外線を検出するための量子井戸型センサを有してよい。測定対象１１０が気体である場合、赤外線影響検出部２０は、測定対象１１０が赤外線を吸収し、運動エネルギーが変化することによって生じる測定対象１１０の圧力変化（音波）を検出するためのマイクロフォンを有してよい。つまり、赤外線影響検出部２０は、測定対象１１０の光音響効果による音響波を検出するためのマイクロフォンを有してよい。

本例の赤外線影響検出部２０は、第１検出部２１および第２検出部２２を有する。本例の第１検出部２１および第２検出部２２は、発光部１０が発光した赤外線を検出するための赤外線センサをそれぞれ有する。第１検出部２１および第２検出部２２は、それぞれ量子井戸型センサであってよい。第１検出部２１および第２検出部２２はこれに限定されず、第１検出部２１および／または第２検出部２２は、マイクロフォンを有してよい。第１検出部２１および第２検出部２２の検出機構は同一であってもよく、異なってもよい。以下では、第１検出部２１および第２検出部２２が赤外線センサである場合について説明する。

第１検出部２１は、測定対象１１０を通過した赤外線を検出した第１出力信号Ｓｏ１を出力する。即ち、第１検出部２１に入射する赤外線の光量は、測定対象１１０の濃度等に応じて変化する。例えば、第１検出部２１に入射する赤外線の光量は、ランベルト・ベールの法則に従って変化する。本例の第１検出部２１は、反射部１４で反射した赤外線を検出する。即ち、第１検出部２１は、測定対象１１０に通過してから反射部１４で反射して、再び測定対象１１０を通過した赤外線を検出している。但し、第１検出部２１は、発光部１０が発光した赤外線を反射部１４に反射させずに検出してもよい。

第２検出部２２は、測定対象１１０を通過していない赤外線を検出した第２出力信号Ｓｏ２を出力する。即ち、第２検出部２２は、測定対象１１０の濃度に影響されずに、一定光量の赤外線を検出する。第２検出部２２は、発光部１０が発光した赤外線を反射部１４に反射させずに検出してもよい。第１検出部２１の抵抗値を第２出力信号Ｓｏ２としてもよい。第２検出部２２の抵抗値を第２出力信号Ｓｏ２としてもよい。発光部１０の順方向電圧を第２出力信号Ｓｏ２としてもよい。第２出力信号Ｓｏ２は測定対象１１０の濃度に影響されない。

検出信号Ｓｄは、第１出力信号Ｓｏ１および第２出力信号Ｓｏ２に基づく信号である。検出信号Ｓｄは、第１出力信号Ｓｏ１および第２出力信号Ｓｏ２のそれぞれを含んでよい。検出信号Ｓｄは、第１出力信号Ｓｏ１と第２出力信号Ｓｏ２との信号比を含んでもよい。赤外線影響検出部２０が出力した第１出力信号Ｓｏ１および第２出力信号Ｓｏ２を比較することにより、測定対象１１０の濃度変化を検出することができる。

赤外線影響検出部２０の赤外線センサは、焦電センサであってもよいし、量子井戸型センサであってもよい。第１検出部２１または第２検出部２２の少なくとも１つは、量子井戸型センサであってよい。赤外線影響検出部２０は、量子井戸型センサを用いることにより、焦電センサと比較してより高速な応答を実現できる。また、量子井戸型センサは、信号絶対値を測定できるので、簡潔な信号処理を実現できる。

なお、発光部１０は、共通の発光素子から赤外線を発光した後に光路を分岐させることによって、第１検出部２１および第２検出部２２に異なる光路の赤外線をそれぞれ検出させてよい。また、発光部１０は、異なる発光素子から複数の赤外線を発光することにより、第１検出部２１と第２検出部２２とに異なる光路の赤外線をそれぞれ検出させてよい。

温度測定部３０は、任意の温度センサを用いて温度を測定する。本例の温度測定部３０は、濃度測定装置１００の任意の位置の温度を測定する。例えば、温度測定部３０は、発光部１０、赤外線影響検出部２０または信号処理部４０の温度を測定する。温度測定部３０は、測定対象１１０の温度を測定してもよい。

一例において、温度測定部３０は、第２検出部２２を用いて、赤外線影響検出部２０の温度を測定する。温度測定部３０は、第２出力信号Ｓｏ２に基づいて、第２検出部２２の温度を測定してよい。具体的には、温度測定部３０は、第２検出部２２の赤外線信号値に基づいて、第２検出部２２の温度を測定してよい。具体的には、温度測定部３０は、第２検出部２２の抵抗値に基づいて、第２検出部２２の温度を測定してよい。第２出力信号Ｓｏ２の温度依存性を予め測定しておくことで、第２出力信号Ｓｏ２を温度計として利用することができる。なお、第２出力信号Ｓｏ２の温度依存性は、後述する記憶部４５に記憶されてよい。

ここで、濃度算出に影響する温度特性は、発光部１０または赤外線影響検出部２０で発生する場合がある。また、測定対象１１０の吸光特性も温度に依存して変化することで、濃度算出に影響する場合がある。そのため、濃度測定装置１００は、これらの温度に基づいて補正することで、より高精度に測定対象１１０の濃度を算出しやすくなる。

信号処理部４０は、信号取得部４１と、温度情報取得部４２と、補正部４３と、算出部４４と、記憶部４５とを有する。信号処理部４０は、マイクロコンピュータで構成されてよい。

信号取得部４１は、赤外線影響検出部２０からの検出信号Ｓｄを取得する。信号取得部４１は、検出信号Ｓｄを補正部４３に入力する。信号取得部４１は、濃度測定装置１００の外部に設けられた赤外線影響検出部２０から検出信号Ｓｄを取得してもよい。信号取得部４１は、検出信号Ｓｄとして、第１出力信号Ｓｏ１および第２出力信号Ｓｏ２のそれぞれを取得してもよいし、第１出力信号Ｓｏ１と第２出力信号Ｓｏ２との信号比を取得してもよい。信号取得部４１は、第１出力信号Ｓｏ１および第２出力信号Ｓｏ２のそれぞれを取得して、第１出力信号Ｓｏ１と第２出力信号Ｓｏ２との信号比を生成してもよい。

温度情報取得部４２は、温度測定部３０が測定した温度情報Ｉｔを取得する。温度情報Ｉｔは、測定対象１１０の温度を含んでもよい。温度情報Ｉｔは、発光部１０、赤外線影響検出部２０または信号処理部４０の温度を含んでもよい。温度情報取得部４２は、濃度測定装置１００の外部に設けられた温度測定部３０から温度情報Ｉｔを取得してもよい。

補正部４３は、検出信号Ｓｄの温度依存性を補正した補正信号Ｓｃを出力する。補正部４３は、検出信号Ｓｄおよび温度情報Ｉｔに基づいて、補正信号Ｓｃを生成する。本例の補正部４３は、予め定められた補正パラメータを用いて、３つ以上の温度区間毎に検出信号Ｓｄを線形補正する。補正部４３は、温度区間毎に異なる補正パラメータを用いて検出信号Ｓｄの温度依存性を線形補正してよい。補正パラメータについては後述する。

算出部４４は、測定対象１１０の濃度を算出するための予め定められた基準温度における検量線データを用いて、補正信号Ｓｃに応じた測定対象１１０の濃度を算出する。例えば、算出部４４は、任意の測定温度Ｔｍでの検出信号Ｓｄを補正して検量線データに適用することで、基準温度（２５℃）における共通の検量線データを用いて、測定対象１１０の濃度を算出する。そのため、検量線データを測定温度Ｔｍに応じて変更する必要がない。検量線データについては後述する。算出部４４は、算出した測定対象１１０の濃度を濃度測定装置１００の外部に出力してもよい。

記憶部４５は、測定対象１１０の濃度の算出に必要な情報を記憶する。本例の記憶部４５は、補正部４３において検出信号Ｓｄの補正に用いられる補正パラメータなどの情報を記憶する。記憶部４５は、算出部４４で測定対象１１０の濃度を算出するための検量線データを記憶してもよい。

本例の記憶部４５は、３つ以上の温度区間毎に異なる補正パラメータを記憶する。記憶部４５は、温度区間と補正パラメータをテーブル形式で記憶してよい。記憶部４５は、温度区間Ｔ１～Ｔｎ毎に線形補正に用いられる関数パラメータを記憶してよい。

濃度測定装置１００は、１つの筐体５０に収容されている。即ち、濃度測定装置１００は、筐体５０により１パッケージ化されている。本例の濃度測定装置１００は、信号処理部４０に加えて、発光部１０、光路部１２、反射部１４、赤外線影響検出部２０および温度測定部３０も含めて１パッケージ化しているものの、いずれかの構成を筐体５０の外部に設けてもよい。即ち、濃度測定装置１００は、筐体５０の外部で測定された検出信号Ｓｄおよび温度情報Ｉｔを取得して、測定対象１１０の濃度を算出してもよい。

ここで、測定対象１１０による赤外線の吸収について、ランベルト・ベールの法則を用いて説明する。本例では、測定対象１１０としてガスを用いて説明するが、これに限定されない。ガスによる赤外線の吸光量Ａｂｓは、次式で示される。
Ａｂｓ＝Ｉ_０－Ｉ_０×ｅ^{－ｋ×ｌ×ｃ}
Ｉ_０はガスの影響のない理想的な吸光量を示す。ｋはガス依存の吸収係数であり、ｌは光路長であり、ｃはガス濃度である。吸光度ＡＲは、次式で示される。
ＡＲ＝１－ｅ^{－ｋ×ｌ×ｃ}
ゼロ補正およびスパン補正の補正パラメータに温特係数を持たせると、各補正パラメータは次式で示される。なお、ゼロ補正およびスパン補正については後述する。
補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）＝Ｚｅｒｏ×ｆｚ（Ｔ）
補正パラメータＳｐａｎ（Ｔ）＝Ｓｐａｎ×ｆｓ（Ｔ）

この場合、吸光信号Ｓｉｇｎａｌ＿Ａｂｓは、次式で示される。
Ｓｉｇｎａｌ＿Ａｂｓ＝Ｓｐａｎ（Ｔ）×（１－Ｚｅｒｏ（Ｔ）×Ｓｏ１／Ｓｏ２）

到達光量は次式で示される。
Ｉ_０－Ａｂｓ＝Ｉ_０－（Ｉ_０－Ｉ_０×ｅ^{－ｋ×ｌ×ｃ}）
そして、到達光量信号Ｓｉｇｎａｌは、次式で示される。
Ｓｉｇｎａｌ＝１－（１－（Ｓｏ１／Ｓｏ２）×Ｚｅｒｏ（Ｔ））×Ｓｐａｎ（Ｔ）

このように、濃度測定装置１００は、測定対象１１０の濃度に応じた信号を取得することで、測定対象１１０の濃度を算出することができる。

図２Ａは、検出信号Ｓｄの温度特性の一例を示す。縦軸は検出信号Ｓｄの信号強度を示し、横軸は温度を示す。本例では、１０℃から４０℃まで５℃おきに６つの温度区間Ｔ１～Ｔ６に分けて線形補正している。本例の補正温度点は、１０℃、１５℃、２０℃、２５℃、３０℃、３５℃および４０℃である。補正温度点は、線形補正の基準となる点であり、検出信号Ｓｄと補正パラメータとの誤差が最小となる。一例として、補正信号Ｓｃは、検出信号Ｓｄを補正パラメータによって除算することで取得される、温度特性を略平坦にした信号であってよい。ここで温度特性が略平坦とは、温度の変化によって信号がほとんど変動しないことである。

図２Ｂは、補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）の温度特性の一例を示す。縦軸は信号強度を示し、横軸は温度を示す。補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）は、補正信号Ｓｃが略平坦となるように求められる関数であってよい。すなわち、検出信号Ｓｄの逆数となる関数であってよい。本例では、１０℃から４０℃まで５℃おきに６つの温度区間Ｔ１～Ｔ６に分けて線形補正している。本例の補正温度点は、１０℃、１５℃、２０℃、２５℃、３０℃、３５℃および４０℃である。補正温度点は、線形補正の基準となる点であり、補正信号Ｓｃの温度特性が略平坦となるように処理される点である。すなわち、補正温度点において、検出信号Ｓｄと補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）とを乗算した値は１となってよい。補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）は、検出信号Ｓｄの温度特性の逆数となるような関数を線形補間して得られたものであってよい。ここで、線形補間とは、関数の補正点間をフィッティングすることでパラメータを得ることである。線形補正とは、補正パラメータを用いて補正信号の温度特性を略平坦とすることある。したがって、線形補正と線形補間とは異なる概念であってよい。

以上のように、補正信号Ｓｃは、検出信号Ｓｄに対して、補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）を乗算し、または、除算することで、略平坦とされた信号であってよい。図２Ａの例では、検出信号Ｓｄに対して、補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）を除算することで、補正信号Ｓｃを略平坦とし、図２Ｂの例では、検出信号Ｓｄに対して、補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）を乗算することで、補正信号Ｓｃを略平坦としている。すなわち、線形補正とは、検出信号Ｓｄを温度の線形関数である補正パラメータを用いて補正することであってよい。

補正信号Ｓｃは、吸光信号Ｓｉｇｎａｌ＿Ａｂｓであってもよいし、到達光量信号Ｓｉｇnａｌであってもよい。補正信号Ｓｃは、測定対象１１０の濃度に応じて変化する信号であればよい。本例の補正信号Ｓｃは、吸光信号Ｓｉｇｎａｌ＿Ａｂｓである。

本例の濃度測定装置１００は、温度区間毎に補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）を設定している。本例の補正パラメータは、ゼロ補正のために用いられるが、スパン補正等の他の補正パラメータを用いて温度特性を補正してもよい。

本例の補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）は、次式で示される。
Ｚｅｒｏ（Ｔ）＝ＺｅｒｏＮ×（１＋ａ_{ｚｅｒｏＮ}Ｔ）
係数ＺｅｒｏＮおよび係数ａ_{ｚｅｒｏＮ}は、温度区間毎に異なる値であってよい。本例の係数ａ_{ｚｅｒｏＮ}は、温度区間Ｔ１～Ｔ６において、ａ_{ｚｅｒｏ１}～ａ_{ｚｅｒｏ６}とそれぞれ設定されている。即ち、補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）は、温度区間毎に異なる値であってよい。

変形例として、スパン補正の補正パラメータＳｐａｎ（Ｔ）を用いて温度特性を補正する場合、補正パラメータＳｐａｎ（Ｔ）は、次式で示される。
Ｓｐａｎ（Ｔ）＝ＳｐａｎＮ×（１＋ａ_{ｓｐａｎＮ}Ｔ）
係数ＳｐａｎＮおよび係数ａ_{ｓｐａｎＮ}は、温度区間毎に異なる値であってよい。即ち、補正パラメータＳｐａｎ（Ｔ）は、温度区間毎に異なる値であってよい。

本例の濃度測定装置１００は、温度区間毎に異なる補正パラメータを用いて、３つ以上の温度区間毎に線形補正している。すなわち、補正パラメータは温度区間毎に異なっていてよい。これにより、濃度測定装置１００は、３つ以上の温度区間に対しても、温特カーブを精度良く近似することができる。そして、３つ以上の温度区間毎に線形補正することで、多項式を用いる場合と比較して、近似による過学習が発生しにくくなる。また、線形補正では、多項式を用いる場合と比較して乗算を減して、演算コストを低減することができる。

図２Ｃは、補正信号Ｓｃを濃度に変換した信号の誤差の温度依存性を示すグラフの一例である。縦軸の誤差は、測定対象１１０の濃度に対する補正信号Ｓｃを濃度に変換した信号の誤差を示す。各温度の複数のプロットは、異なる温度特性サンプルのシミュレーション結果を示す。本例の濃度測定装置１００は、３つ以上の温度区間毎に検出信号Ｓｄを線形補正することにより、後述する補正温度点以外の温度における波状誤差を低減している。本例では、１０℃から４０℃までの範囲において、誤差が±０．４以内に抑えられている。このように、濃度測定装置１００は、演算コストを抑制しつつ、より高精度に検出信号Ｓｄを補正することができる。

図２Ｄは、検量線データを用いた測定対象１１０の濃度の算出方法の一例を示す。本例の検量線データは、予め定められた基準温度（例えば、２５℃）におけるデータである。濃度測定装置１００は、測定温度Ｔｍでの補正信号Ｓｃ（Ｔｍ）を生成することで、共通の検量線データを用いて、測定対象１１０の濃度を算出することができる。すなわち、基準温度と測定温度Ｔｍが異なる場合であっても、測定信号Ｓｄを補正して補正信号Ｓｃを取得することで、基準温度における検量線データを用いて、測定対象１１０の濃度を算出することができる。検量線データは、予め定められた基準温度における１つの検量線データが取得されていればよい。

図３Ａは、ゼロ補正により測定誤差を補正する方法を示す。実線は、測定信号の濃度依存性を示す基準信号線である。破線は、測定信号の濃度依存性を示す実測信号線である。例えば、０ｐｐｍの濃度において、実測信号強度を基準信号強度に合わせるように、実測信号線を移動して補正する。さらに、その温度特性の補正を含んで実施してもよい。本例では、信号強度比Ｓ＝Ｓｏ１／Ｓｏ２の実測信号線を補正しているが、補正する信号の種類はこれに限定されない。

なお、本例では、測定対象１１０の濃度が０ｐｐｍの信号強度を用いて、実測信号線を基準信号線に合わせているが、０ｐｐｍ以外の濃度を基準として補正してもよい。例えば、測定対象１１０が二酸化炭素ガスの場合、４００ｐｐｍの信号強度を用いて補正してもよい。

図３Ｂは、スパン補正により測定誤差を補正する方法を示す。スパン補正では、破線で示された実測信号線の勾配を調整して、測定濃度範囲において基準信号線との差が予め定められた範囲に含まれるように補正する。さらに、その温度特性の補正を含んで実施してもよい。本例では、予め定められたガス濃度（例えば、０ｐｐｍ）から測定濃度範囲での実測信号線の強度変化が、予め定められた基準出力範囲となるように補正する。基準出力範囲は、基準信号線の出力範囲であってよく、予め定められた基準温度における検量線データに基づいて定められてよく、検量線データの変動範囲に含まれていてよい。

濃度測定装置１００は、ゼロ補正とスパン補正のいずれか一方の方法を用いて温度特性を補正してもよいし、両方を用いて温度特性を補正してもよい。濃度測定装置１００は、使用する方法の補正パラメータを３つ以上の温度区間毎に設定してよい。

また、濃度測定装置１００は、ゼロ補正および／またはスパン補正に加えて、さらに温度特性の補正を実施してよい。例えば、検出信号Ｓｄが第１出力信号Ｓｏ１と第２出力信号Ｓｏ２との信号比である場合、検出信号Ｓｄにゼロ補正および／またはスパン補正を実施する前に、第１出力信号Ｓｏ１および／または第２出力信号Ｓｏ２に対して温度特性の補正を実施してもよい。第１出力信号Ｓｏ１および／または第２出力信号Ｓｏ２の温度特性の補正は、３つ以上の温度区間毎に設定された補正パラメータを用いて実施されてよく、上述の検出信号Ｓｄの補正と同様の補正であってよい。さらなる温度特性の補正を加えることで、温度特性をより改善することができる。

図４Ａは、２次多項式で３つの補正温度点を補正する場合における検出信号の温度特性の比較例を示す。本例では、１０℃、２５℃および４０℃の補正温度点を用いて２次多項式で補正している。各温度区間で用いられる補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）は次式で示される。
補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）＝Ｚｅｒｏ×ｆｚ（Ｔ）
＝Ｚｅｒｏ×（１＋ａ_{ｚｅｒｏ１}Ｔ＋ａ_{ｚｅｒｏ２}Ｔ^２）
Ｚｅｒｏ、ａ_{ｚｅｒｏ１}およびａ_{ｚｅｒｏ２}は、任意の補正係数であってよい。

図４Ｂは、２次多項式で３つの補正温度点を補正する場合における補正信号の誤差の比較例を示す。縦軸の誤差は、測定対象１１０の濃度に対する補正信号の誤差を示す。補正条件および補正温度点は、図４Ａの例と同一である。２次多項式で補正すると、本例のように補正温度点以外の温度における波状誤差が発生する場合がある。本例では、１０℃から４０℃までの範囲において、誤差が±０．５以内である。

図５Ａは、３次以上の多項式で４つ以上の補正温度点を補正する場合における検出信号の温度特性の比較例を示す。本例では、１０℃、２０℃、２５℃、３０℃および４０℃の５つの補正温度点を用いて４次多項式で補正している。各温度区間で用いられる補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）は次式で示される。
補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）＝Ｚｅｒｏ×ｆｚ（Ｔ）
＝Ｚｅｒｏ×（１＋ａ_{ｚｅｒｏ１}Ｔ＋ａ_{ｚｅｒｏ２}Ｔ^２＋ａ_{ｚｅｒｏ３}Ｔ^３・・・）

図５Ｂは、３次以上の多項式で４つ以上の補正温度点を補正する場合における補正信号の誤差の比較例を示す。補正条件および補正温度点は、図５Ａの例と同一である。補正温度点を増やし、３次以上の多項式で補正した場合でも、本例のように補正温度点以外の温度における波状誤差が発生する場合がある。また、３次以上の多項式を用いると、２次多項式を用いる場合よりも補正温度点以外の温度における波状誤差が発生しやすくなる。本例では、１０℃から４０℃までの範囲において、誤差が±０．５以上であり、２次多項式を用いる場合よりも誤差が増大している。

図６は、濃度測定装置１００の動作フローチャートの一例を示す。ステップＳ１００において、補正温度区間に応じた補正パラメータを記憶する。ステップＳ１０２において、赤外線を発光する。赤外線は、測定対象１１０を通過して第１検出部２１で検出されてよく、測定対象１１０を通過せずに第２検出部２２で検出されてよい。ステップＳ１０４において、検出信号Ｓｄおよび温度情報Ｉｔを取得する。ステップＳ１０６において、温度情報Ｉｔに応じた補正パラメータを読み出す。ステップＳ１０８において、読み出した補正パラメータに基づいて、検出信号Ｓｄを補正した補正信号Ｓｃを生成する。ステップＳ１１０において、予め定められた基準温度における検量線データを用いて、補正信号Ｓｃに応じた測定対象１１０の濃度を算出する。濃度測定装置１００は、算出した測定対象１１０の濃度を外部に出力してよい。

本例の濃度測定装置１００は、ステップＳ１０８において、予め定められた補正パラメータを用いて、３つ以上の温度区間毎に検出信号Ｓｄを線形補正する。即ち、ステップＳ１１０において、検量線データを用いた測定対象１１０の濃度の算出よりも前に線形補正している。そのため、濃度測定装置１００では、検量線データの温度依存性を補正する必要がない。即ち、本例の濃度測定装置１００は、予め定められた基準温度における１つの検量線データを用意すればよく、温度毎に異なる検量線データを用意する必要がない。

図７Ａは、４つの補正温度点で３つの温度区間を線形補正する場合における、補正信号Ｓｃを濃度変換した信号の誤差の温度依存性を示すグラフの一例である。本例では、１０℃、２０℃、３０℃、４０℃の４つの補正温度点で、１０℃、２０℃、３０℃、４０℃の各温度の間の３つの温度区間Ｔ１～Ｔ３において、線形補正している。濃度測定装置１００が線形補正する場合、補正温度点が多く、温度区間の数が３つとなった場合であっても、多項式を用いた場合のような補正温度点以外の温度における波状誤差の増大がない。

図７Ｂは、５つの補正温度点で４つの温度区間を線形補正する場合における、補正信号Ｓｃを濃度変換した信号の誤差の温度依存性を示すグラフの一例である。本例では、１０℃、２０℃、２５℃、３０℃、４０℃の５つの補正温度点で、１０℃、２０℃、２５℃、３０℃、４０℃の各温度の間の４つの温度区間Ｔ１～Ｔ４において、線形補正している。このように、濃度測定装置１００が線形補正する３つ以上の温度区間の幅は均等でなくてもよい。濃度測定装置１００が線形補正する場合、補正温度点が多く、温度区間の数が３つ以上（本例では４つ）となった場合であっても、多項式を用いた場合のような補正温度点以外の温度における波状誤差の増大がない。逆に、本例の濃度測定装置１００は、比較例において補正温度点以外の温度における波状誤差が発生していた区間に新たな補正温度点を加えることで、補正温度点以外の温度における波状誤差を低減させることができる。

図７Ｃは、７つの補正温度点で６つの温度区間を線形補正する場合における補正信号Ｓｃを濃度変換した信号の誤差の一例を示す。本例では、１０℃から４０℃まで５℃おきに６つの温度区間Ｔ１～Ｔ６に分けて線形補正している。図７Ａおよび図７Ｂの実施例と同様に、濃度測定装置１００が線形補正する場合、温度区間の数が３つ以上（本例では６つ）となった場合であっても、多項式を用いた場合のような補正温度点以外の温度における波状誤差の増大がない。比較例では、補正温度点が増加するにつれて、より高次の多項式を用いて補正することが考えられるものの、本例では、補正温度点が多く温度区間の数が多い場合であっても、線形補正によって補正温度点以外の温度における波状誤差を抑制することができる。例えば、本例では、図４Ｂおよび図５Ｂで示した比較例に対して誤差を３割程度低減することができる。

図８は、６次多項式で７つの補正温度点を補正した場合の比較例を示す。本例の補正温度範囲は、１０℃～４０℃である。本例では、２５℃で得られる信号値を基準として、２５℃からの変化を計算したシミュレーション結果を示している。６次多項式で補正しているので、補正温度範囲外では信号値が急激に変化しており、過学習によって劣化している。過学習は補正温度内の温特補正の信頼性も低下させている場合がある。

図９は、６つの温度区間を７つの補正温度点で線形補正した場合の実施例を示す。本例では、２５℃で得られる信号値を基準として、２５℃からの変化を計算したシミュレーション結果を示している。線形補正した場合、図８の６次多項式を用いた場合と比較して、挙動が大きく異なり、本例の方が補正温度範囲外で明らかに安定している。

このように、濃度測定装置１００は、３つ以上の温度区間毎に検出信号Ｓｄを線形補正することにより、温度区間が増えた場合にも温度特性を改善しやすくなる。また、濃度測定装置１００は、温度区間毎に検出信号Ｓｄを線形補正するので、多項式を用いる場合と比較して乗算を減らして、演算コストを低減することができる。

濃度測定装置１００は、温度情報Ｉｔに基づいて、検出信号Ｓｄの強度および強度変化が、濃度測定範囲において予め定められた基準出力範囲となるように、３つ以上の温度区間毎に線形補正をすることにより、温度依存性を補正した補正信号Ｓｃを算出し、予め定められた基準温度における検量線データを用いて、測定対象１１０の濃度を出力する。すなわち、濃度測定装置１００は、温度情報Ｉｔに基づいて、３つ以上の温度区間ごとに、温度の線形式で表わされたゼロ補正パラメータＺｅｒｏ（Ｔ）および／またはスパン補正パラメータＳｐａｎ（Ｔ）を利用して、検出信号Ｓｄの強度および強度変化の温度特性を線形補正する。そして、補正信号Ｓｃから、予め定められた基準温度における検量線データを用いて、測定対象１１０の濃度を算出する。かかる構成により、温度区間が増えた場合にも温度特性を改善しやすくなり、多項式を用いる場合と比較して乗算を減らして、演算コストを低減することができる。

以上では、赤外線影響検出部２０が赤外線センサを有する場合について説明したが、赤外線影響検出部２０は、マイクロフォンを有してよい。赤外線影響検出部２０がマイクロフォンを有する場合、検出信号Ｓｄは測定対象１１０の光音響効果による音響波信号であってよい。検出信号Ｓｄがこれらの信号である場合であっても、上述の温度特性の補正方法は有効である。すなわち、３つ以上の温度区間毎に設定された補正パラメータを用いて、これらの信号の温度特性を補正することができ、温度区間が増えた場合にも温度特性を改善しやすくなり、多項式を用いる場合と比較して乗算を減らして、演算コストを低減することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０・・・発光部、１２・・・光路部、１４・・・反射部、２０・・・赤外線影響検出部、２１・・・第１検出部、２２・・・第２検出部、３０・・・温度測定部、４０・・・信号処理部、４１・・・信号取得部、４２・・・温度情報取得部、４３・・・補正部、４４・・・算出部、４５・・・記憶部、５０・・・筐体、１００・・・濃度測定装置、１１０・・・測定対象

Claims (16)

1. 赤外線を用いて測定対象の濃度を測定する濃度測定装置であって、
   前記測定対象に対する前記赤外線の影響を検出する赤外線影響検出部からの検出信号を取得する信号取得部と、
   温度測定部が測定した温度情報を取得する温度情報取得部と、
   前記温度情報に基づいて、前記検出信号の温度依存性を補正した補正信号を出力する補正部と、
   前記測定対象の濃度を算出するための予め定められた基準温度における検量線データを用いて、前記補正信号に応じた前記測定対象の濃度を算出する算出部と
   を備え、
   前記補正部は、３つ以上の温度区間毎に異なる予め定められた補正パラメータのうち、前記温度情報に対応する温度区間における前記補正パラメータを用いて、前記検出信号を線形補正した前記補正信号を出力する
   濃度測定装置。
2. 前記補正部は、前記温度区間毎に異なる前記補正パラメータを用いて前記検出信号の温度依存性を線形補正する
   請求項１に記載の濃度測定装置。
3. 前記補正部は、測定濃度範囲において、前記検出信号の強度および強度変化が予め定められた基準出力範囲となるように、前記検出信号を線形補正する
   請求項１に記載の濃度測定装置。
4. 前記基準出力範囲は、前記検量線データに基づいて定められる
   請求項３に記載の濃度測定装置。
5. 前記測定対象を通過した赤外線を検出した第１出力信号を出力する第１検出部と、
   前記測定対象を通過していない赤外線を検出した第２出力信号を出力する第２検出部と
   を有する前記赤外線影響検出部を備え、
   前記検出信号は、前記第１出力信号および前記第２出力信号に基づく信号である
   請求項１に記載の濃度測定装置。
6. 前記補正部は、前記３つ以上の温度区間毎に、前記第１出力信号および／または前記第２出力信号を線形補正する
   請求項５に記載の濃度測定装置。
7. 前記第２検出部を用いて、前記赤外線影響検出部の温度を測定する前記温度測定部を備える
   請求項５に記載の濃度測定装置。
8. 前記温度測定部は、前記第２出力信号に基づいて、前記第２検出部の温度を測定する
   請求項７に記載の濃度測定装置。
9. 前記温度測定部は、前記第２検出部の抵抗値に基づいて、前記第２検出部の温度を測定する
   請求項７に記載の濃度測定装置。
10. 前記赤外線影響検出部は、前記赤外線を検出するための量子井戸型センサを有する
    請求項１から９のいずれか一項に記載の濃度測定装置。
11. 前記赤外線影響検出部は、前記赤外線の影響を検出するためのマイクロフォンを有する
    請求項１から９のいずれか一項に記載の濃度測定装置。
12. 前記３つ以上の温度区間毎に異なる前記補正パラメータを記憶した記憶部を備える
    請求項１から９のいずれか一項に記載の濃度測定装置。
13. 前記記憶部は、前記３つ以上の温度区間と前記補正パラメータとをテーブル形式で記憶する
    請求項１２に記載の濃度測定装置。
14. 前記信号取得部、前記温度情報取得部、前記補正部および前記算出部を有する信号処理部を備え、
    前記信号処理部は、マイクロコンピュータで構成される
    請求項１から９のいずれか一項に記載の濃度測定装置。
15. 前記赤外線を発光するための発光部と、
    前記測定対象に前記赤外線を通過させるための光路部と
    を備え、
    前記濃度測定装置は、１つの筐体に収容されている
    請求項１から９のいずれか一項に記載の濃度測定装置。
16. 赤外線が通過した測定対象の濃度を測定する濃度測定方法であって、
    前記測定対象に対する前記赤外線の影響を検出する赤外線影響検出部からの検出信号を取得する段階と、
    温度測定部が測定した温度情報を取得する段階と、
    前記検出信号の温度依存性を補正した補正信号を出力する段階であって、
    前記測定対象の濃度を算出するための予め定められた基準温度における検量線データを用いて、前記補正信号に応じた前記測定対象の濃度を算出する段階と
    を備え、
    前記補正信号を出力する段階は、３つ以上の温度区間毎に異なる予め定められた補正パラメータのうち、前記温度情報に対応する温度区間における前記補正パラメータを用いて、前記検出信号を線形補正する段階を有する
    濃度測定方法。

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