JP3906377B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明はガスセンサ、特に、テストすべきガスのサンプルを含む室を通して伝達した光の吸収をモニタすることによって特定のガスの存在を検出する検出器に関するものである。

赤外光源及び対応する赤外光検出器、特に、例えば二酸化炭素及び炭化水素ガス検出器は既知である。光源から放出された赤外光は、テストすべきガスを含む室を通し、ガスによって赤外光の幾つかを吸収せしめた後に検出器に加える。特定のガスによる吸収は、赤外光の波長の関数であり、好ましく選択された光のバンドパスフィルタを検出器に設けることによって特定ガスの存在を定めることが可能となる。

本発明の光吸収ガスセンサの特に重要なことは、光源と検出器間の光路長にある。多くの既知の装置では、吸収の程度を増大するため長い光路を用いており、特に、赤外光源と検出器間に光路を定めるため両者間に長い管または自由空間を用いて両者を互いに離間せしめている。このような装置ではガスを検出室を通して送る必要がある。

また、特許文献１も既知である。

英国特許２３１６１７２号

然しながら、簡単に用い得る極めてコンパクトな検出器、例えばポータブルガス検出ユニットが望まれている。この要求には吸収路長を利用できる。英国特許２３１６１７２号に示されているコンパクトなセンサでは、共通のハウジング内の光源と検出器間の光路を増加せしめ、楕円形の室の対応する焦点に光源と検出器を配置することによって信号対ノイズ比を最大ならしめている。光源と検出器間で光を少なくとも３回反復せしめている。この検出器では、高精度に磨かれた湾曲面を用いることと、光源と検出素子の正確な位置決めが要求されている。

本発明の目的は、集光面と光源または検出素子の正しい位置決めの必要性を避けることができ、容易に製造でき、かつ組み立て得る極めてコンパクトなガスセンサを得るにある。

本発明のガスセンサは、光を放出する光源と、上記光源から放出される光を感知する検出器と、上記光源と検出器間に延びる光路と、円周光路と半径方向光路とを区劃する室と、少なくとも１つの反射器とより成り、上記反射器が上記円周光路と半径方向光路とを分離するため上記円周光路に対し斜めになるように配置されている。

また、本発明のガスセンサの形成方法では、光を放出する光源と、上記光源から放出される光に感じる検出器とを設け、円周光路と半径方向光路とを区劃する光反射面を有する室内に上記光源と上記検出器間に延びる光路を区劃し、少なくとも１つの反射器を、上記円周光路と半径方向光路とを分離するため上記円周光路に対し斜めになるように位置決めする。

本発明の明細書中における“トップ”，“ボトム”，“キャップ”，“ベース”，“上”，“下”等は図に示すセンサの位置をもとにしているが、センサの使用状態を制限するものではない。

以下図面によって本発明の実施例を説明する。

図に示すようにガスセンサ１は光学スペクトル内で光を放射するための光源２を有する。ここで“光学”とは、吸収によるガス検出機能のために有効な電磁スペクトルの総べてをカバーすることを意味し、赤外光、可視光及び紫外線領域を含む。この光源は、好ましくは吸収特性を測定する広範囲の周波数を作る白熱光源とするが、制限された周波数または周波数帯を作るダイオードのような固体素子でも良い。

ガスセンサ１は更に光源２からの光を検出するための検出器３を有する。この検出器３は、光源からの光の強度変化を検出し、その機能として電圧または電流を出力するのに適する型のものとする。赤外スペクトルで操作される好ましい実施例の検出器３は焦電気検出器である。

光源２と検出器３は、図２に示すように光路４の両端に夫々位置せしめる。この光路４は円周室５と、中心室６とによって区劃され、光路４は円周光路４ａと半径方向光路４ｂとを有する。

図３に示すように、円周室５は、室ベース７と、センサハウジングの外筒壁８の内面と、センサハウジングの内筒壁９の外面と、及び半径方向端壁１０とによって区劃する。室ベース７により平面状反射面を形成するのが好ましいが、非平面でも良い。好ましい実施例においては円周室５の壁は外筒壁８及び内筒壁９とにより形成するが、一般的な円周壁を形成するため例えば多数の小面を用いた滑らかな凸面または凹面で形成しても良い。この円周壁は軸方向に延びる凹面または凸面としても良い。半径方向端壁１０は平面とするのが好ましいが、非平面でも良い。

中心室６はハウジングベース１１の内面と、センサハウジングの内筒壁９の内面とによって形成する。ハウジングベース１１により中心室６内に平らな反射面を形成するのが好ましいが、非平面でも良い。好ましい実施例においては中心室６の湾曲面を内筒壁９で形成するが、例えば内面を形成するため多数の小面を用いて滑らかな凹面を形成しても良い。内面は軸方向に延びる凹面または凸面でも良い。

円周室５と中心室６間の光学的連絡は内筒壁９内のギャップ１２を介してなされる。円周室５から中心室６に対する光の反射を促進するため偏向素子１３により外筒壁８から内筒壁９に延びる反射面１４を形成する。この反射面１４は平面とするのが好ましいが、非平面でも良い。この反射面１４はギャップ位置で外筒壁８と内筒壁９の接線方向に対し斜めとするのが好ましいが、半径方向としても良い。

偏向素子１３は、半径方向端壁１０を形成する楔状部材によって構成するのが好ましい。この楔状部材はねじ１５により角度調節自在に固定する。偏向素子を用いる代りにシートメタルで形成した反射器をピンまたはスポット熔接で所定個所に固定しても良い。

センサハウジングのトップ１６には、円周室５と中心室６の光路４に対するセンサハウジングの外側からのテストガスの拡散を制御するためのガス透過可能なデスク１７を設ける。このデスク１７は、好ましくは焼結防炎材料の円板素子によって構成し、センサを危険な燃焼ガス雰囲気で操作するとき、ガスは拡散せしめるが燃焼は阻止し、センサが点火源となることのないようにするのが好ましい。

デスク１７は内筒壁９の外形より大きく、外筒壁８の内径より小さい外径とし、中心室６を越えてその一部が円周室５に入り込むようにするのが好ましい。センサハウジングのトップ１６の残りの部分１８には、円周室５の光学伝達特性を改良するため円周室５の一部をカバーする反射内面１９を設ける。

好ましくは２個の焦電気検出素子３ａ，３ｂより成る検出器３をセンサハウジングのベース１１上に設ける。検出素子３ａ，３ｂは、好ましくは外筒壁８と内筒壁９によって区劃される、中心軸に平行する、センサハウジングの垂直軸Ｖに沿って互いに離間して配置せしめる。この軸方向に互いに離間せしめた各検出素子３ａ，３ｂに対する光路の特性は互いに同一ならしめる。各検出素子３ａ，３ｂには、選択した周波数または周波数範囲で光の伝達を行うためのフィルタ（図示せず）を有せしめる。この２個の素子構成は、後述するように１つの参照または補償検出器として機能し、測定精度を向上することができる。

光源２及び検出器３に対するリード線２０をハウジングベース１１と、このベース１１を保持するエンキャプセル層２１を通して延ばす。このエンキャプセル層２１はガス透過デスク１７とは異なり気密とし、ハウジングをシールせしめる。

センサ１のハウジングの外径は、標準寸法のものとし、複数のリード線２０を位置決めできるようにする。また、その外径は約２cm，高さは約２cmとするのが好ましい。デスク１７と、エンキャプセル層２１は夫々安全基準に合致するよう厚さ３mm以上とし、注入モールド、プラスチック材料または金属部材とするのが望ましい。

好ましい実施例においては、光源２により広いスペクトル周波数に亘り赤外線を放射せしめる。外筒壁８と内筒壁９と半径方向端壁１０とによって形成された反射面により円周室５の周りに赤外線をガイドせしめる。円周室５内の光源２の位置により反射面は非集光的とするがこれは絶対的なものではない。光路４ａを介して円周室５の他端に達した光は、偏光素子１３の反射面１４で反射し、検出素子３ａ，３ｂに向って半径方向内方光路４ｂに沿って進む。

反射面１４の好ましい平面形状は、検出素子３ａ，３ｂに向かう光が基本的に素子面に垂直でガスセンサ１のための温度特性を最良とし、２つの素子に対する光量が互いに等しくなるようにする。このような構成により、２つの検出素子の出力間の条件がより適合されるようになる。

円周光路４ａは、センサハウジング内のスペースを高い効率で利用し、外筒壁８と内筒壁９を製造が容易で分解が容易な筒状素子で形成できるようにする。半径方向光路４ｂを有する光路４により検出器を大きな中心室６内に容易に位置決めできるようになる。

第１の検出素子３ａは、選択されたガス、例えば一酸化炭素のスペクトル吸収に関連する帯域幅でのみ光を通す第１光学フィルタ（図示せず）に協同せしめる。第２の検出素子３ｂは、より広い周波数帯域、好ましくは第１の光学フィルタとは異なる選択された帯域幅の光学フィルタと協同して、他の共通のガスから好ましくない減衰を受けずに参照信号を作るようにする。この参照信号は、光路４内の選択されたガスの存在よりはむしろ温度，湿度，光源強度の低下及び他のファクタによって第１のセンサで発生する測定値の減衰を補償するために用いる。

参照信号と選択されたガス信号の比は従ってこれら他のファクタによって影響されることはない。

ガス透過デスク１７によってセンサハウジング外のガス濃度変化は特に円周室５内の光路４に急速に伝えられ、検出素子３ａ，３ｂによってリアルタイムでガス条件が検出される。ガス透過デスク１７は、円周室５内へのガスの自然拡散を十分に許容し、従ってガスを円周室を通して送り込む必要がないデザインとする。

上記実施例は種々変形可能である。

例えば、好ましい実施例では光源２を円周室５の閉塞端に接近して設け、検出器３を中心室６内に配置するが、これらの位置は互いに逆としても良い。即ち、好ましい実施例では検出器３を中心室６内に設けるが、反射面１４の代わりに円周室の端部に設け、信号処理その他のために中心室を用いるようにしても良い。

本発明の他の実施例においては、光源と検知部の双方をハウジングの中心部分に設け、光源からの光を外方に向け、次いで円周光路の一端で反射せしめるよう内筒壁に第２のギャップを形成し、同様にして第１のギャップ１２を介して光が円周光路４ａの他端で検出器３に対し内側に反射されるようにする。

この実施例においては偏向素子１３は、２つの対向する斜めの反射面を有する形状及び位置とする。

円周室５は円形とする必要はなく、例えば、長方形の４面に沿って延びる４角または長方形のパッケージとしても良い。同様にして、円周室を形成する６角形等の多面パッケージとしても良い。また、円周室は円形の室が巻かれた後にこの上に他の室が巻かれるスパイラル形状としても良い。

ガス透過可能なデスク１７は石英スクリーンのようなもので構成しても良い。このデスク１７は円板状ではなく、ハウジングのトップ１６に形成した不連続孔の列としても良く、環状としても良い。

基準検出器を必要としない場合には検出器３は２個の素子より成る型のものでなくても良い。１つ以上の選択ガスを同時に検出するためには夫々適当なフィルタを有する複数の検出素子を用いる。

本発明の一実施例を示すセンサの斜視図である。 図１に示すセンサの平面図でそのトップカバーを除去して示す。 図２のＡ−Ａ線断面図である。

Claims (15)

1. 光を放出する光源と、
   上記光源から放出される光を感知する検出器と、
   上記光源と検出器間に延びる光路と、
   円周光路と半径方向光路とを区劃する室と、
   少なくとも１つの反射器と
   より成り、
   上記反射器が上記円周光路と半径方向光路とを分離するため上記円周光路に対し斜めになるように配置されている
   ガスセンサ。
2. 上記室が筒状の外周壁と内周壁によって区劃される請求項１記載のガスセンサ。
3. 上記室の第１端を区劃するため上記外周壁と内周壁間で半径方向に延びる第１端壁を更に有する請求項２記載のガスセンサ。
4. 光を上記内周壁内のギャップを介して中心室及び半径方向光路に反射するため上記外周壁または内周壁の接線に対し斜めに上記外周壁と内周壁間で半径方向に延びる上記少なくとも１つの反射器を形成する第２端壁を更に有する請求項３記載のガスセンサ。
5. 上記中心室が上記内周壁の内面によって区劃される請求項４記載のガスセンサ。
6. 上記光源が上記第１端壁に隣接して配置される請求項３記載のガスセンサ。
7. 上記検出器が上記第１端壁に隣接して配置される請求項３記載のガスセンサ。
8. 上記検出器が上記中心室内に配置される請求項４または５記載のガスセンサ。
9. 上記光源が上記中心室内に配置される請求項４または５記載のガスセンサ。
10. ガス透過部材に組み合う内側反射面を有する、筒状ハウジングのための塞ぎ部材を形成する室カバーを更に有する請求項２記載のガスセンサ。
11. 上記ガス透過部材が防炎材料である請求項１０記載のガスセンサ。
12. 上記ガス透過部材が上記円周室の環状部分をカバーする請求項１０または１１記載のガスセンサ。
13. 上記ガス透過部材が上記内周壁より大きく上記外周壁より小さい外径の円板である請求項１２記載のガスセンサ。
14. 上記検出器が上記中心室内に配置されており、上記周壁の中心軸に平行な軸に沿って互いに離間した２個の検出素子より成る請求項４記載のガスセンサ。
15. 光を放出する光源と、上記光源から放出される光に感じる検出器とを設け、
    円周光路と半径方向光路とを区劃する光反射面を有する室内に上記光源と上記検出器間に延びる光路を区劃し、
    少なくとも１つの反射器を、上記円周光路と半径方向光路とを分離するため上記円周光路に対し斜めになるように位置決めするガスセンサの形成方法。

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