JP4641410B2

JP4641410B2 - 光路長設定支援装置及び濃度測定システム

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Publication number: JP4641410B2
Application number: JP2004341782A
Authority: JP
Inventors: 芳郎宮崎
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2011-03-02
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Description

本発明は、光路長設定支援装置及び濃度測定システムに関し、より詳細には、二酸化炭素、一酸化炭素、水分、ハイドロカーボン等の試料ガスの濃度測定に用いる光路長が伸縮自在に設定可能な測定セルの光路長の設定を支援する光路長設定支援装置、及び、該光路長設定支援装置を備える濃度測定システムに関するものである。

気体は赤外線波長領域において特有の吸収波長帯をもっているものが多いことから、測定すべき気体の赤外線吸収光度の比を検出し、その濃度を精度良く測定する気体濃度測定装置が提案されている（特許文献１参照）。

図７は従来の気体濃度測定装置の概略構成を示す図である。例えば、二酸化炭素の赤外線吸収波長は４．３μｍと１５μｍであり、この比は安定していることから、それらの赤外光を検出できるように、図７に示す気体濃度測定装置は、４．３μｍ、１５μｍのフィルタ１０７，１０８と光検出器１０９，１１０とを組み合わせて設けている。そして、セル１０２は、その一方側の透明な窓１０３が光源１０１、また、その他方側の窓１０４がフィルタ１０７，１０８にそれぞれ対向するように配置されており、その内部に測定すべき気体を取り入れる取入口１０５とその気体の取出口１０６とを有する。

まず、セル１０２中に所定の気体を充填させた状態で光源１０１を点灯させて光検出器１０９，１１０からの信号を測定し、その比を基準となる吸収強度の比として設定する。次に測定すべき気体をセル１０２中に充填させ、光検出器１０９，１１０からの信号を測定し、その比が予め設定している基準となる比と一致したときに、気体濃度測定装置は測定気体の赤外線吸収強度により気体の濃度を測定することで、他の気体の影響を受けずに精度良く濃度を測定することを可能としてきた。

しかしながら、上述した気体濃度測定装置は、２種類の高価な光学フィルタを必要とすることから、高額なものになってしまい、コストダウンを図ることができないという問題があった。また、個々のフィルタの特性は経時的に変化するが、その特性が同様に変化する可能性は低いことから、その変化にずれが生じた場合に測定精度が低下するという問題があった。

また、測定精度を向上させるためには、測定セルの長さ（光路長）を試料ガスの濃度範囲に応じて、濃度が低いときには長く、また、濃度が高いときには短く設定することが知られている。しかしながら、測定セルの長さを変更しようとすると、測定セルの部品は、試料ガスの濃度範囲の種々な仕様に対応し得るように、光路長の異なるものを多数用意しなければならないという問題があった。

この問題を解決するために、試料ガスの濃度範囲に適した光路長の測定セルを、簡単かつ低コストで製作する測定セルが提案されてきた。この測定セルは、第１の円筒体の左側に光源部、第２の円筒体の右側に検出部を配設し、第１の円筒体の右側部分の内周部に第２の円筒体の左側部分の外周部を嵌合し、軸線方向に相対的に移動可能とすることで、試料ガスの濃度範囲に適した光路長を組み立て調整だけで実現してきた（特許文献２参照）。
特開昭４８−４２７９２号公報特開平１０−６２３３５号公報

しかしながら、測定セルによって試料ガスの濃度範囲に適した光路長とすることは可能となっていたが、試料ガスの濃度が未知である場合などでは、その濃度に適した光路長に測定セルを設定することが困難であり、試料ガスの濃度範囲に適した光路長に設定されていないと、測定した濃度の精度が低下しまうという問題があった。そのため、２種類の高価な光学フィルタを必要とする上述した気体濃度測定装置を用いなければならず、濃度測定装置を有する濃度測定システムのコストダウンを図ることができなかった。

よって本発明は、上述した問題点に鑑み、伸縮自在の測定セルに充填された試料ガスの濃度範囲に適した光路長の設定を支援する光路長設定支援装置及び濃度測定システムを提供することを課題としている。

上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項１記載の光路長設定支援装置は、図１の基本構成図に示すように、一方側に赤外線を発する光源１３を配置し、かつ、他方側に前記赤外線を吸収する試料ガスの吸収帯に応じた波長を透過するフィルタ１４と該フィルタ１４を透過した赤外線の強度を検出する赤外線センサ１５とを順次配置し、前記光源１３から前記フィルタ１４又は前記赤外線センサ１５までの光路長Ｌが伸縮自在に設定可能な測定セル１０を用いて前記試料ガスの濃度を測定するに当たり、前記測定セルに充填された試料ガスの濃度範囲に適した光路長の設定を支援する光路長設定支援装置であって、予め定められた前記測定セル１０における複数の異なる光路長Ｌで前記赤外線センサ１５が検出した前記赤外線の強度を示すセンサ出力に基づいて、前記測定セル１０に充填された試料ガスの濃度範囲に適した前記光路長Ｌを特定する特定情報を記憶する特定情報記憶手段２２と、前記複数の異なる光路長Ｌに対応して前記赤外線センサ１５が出力したセンサ出力を当該光路長Ｌに関連付けて取り込むセンサ出力取込手段２１ａと、前記センサ出力取込手段２１ａが取り込んだセンサ出力と前記特定情報記憶手段２２が記憶している特定情報とに基づいて前記試料ガスの濃度範囲に適した光路長Ｌを特定する光路長特定手段２１ｂと、前記光路長特定手段２１ｂが特定した光路長Ｌに前記測定セル１０の変更を指示する光路長変更指示手段２１ｃと、を備えることを特徴とする。

上記請求項１に記載した本発明の光路長設定支援装置によれば、予め定められた測定セル１０における複数の異なる光路長Ｌに対応して赤外線センサ１５が出力するセンサ出力に基づいて、測定セルに充填された試料ガスの濃度範囲に適した光路長Ｌを特定する例えば、算出式、テーブル等の特定情報が特定情報記憶手段に記憶される。そして、複数の異なる光路長Ｌに対応して赤外線センサ１５が検出した赤外線の強度を示すセンサ出力は、センサ出力取込手段２１ａによって対応する光路長Ｌに関連付けられて取り込まれる。そして、そのセンサ出力と特定情報記憶手段２２が記憶している特定情報とに基づいて試料ガスの濃度範囲に適した光路長Ｌが光路長特定手段２１ｂによって特定され、この光路長Ｌに測定セル１０の変更が光路長変更指示手段２１ｃが指示される。

上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、図１の基本構成図に示すように、請求項１に記載の光路長設定支援装置において、前記複数の異なる光路長Ｌの中の少なくとも１つを、前記測定セル１０を通過する前記赤外線が前記試料ガスに吸収されない光路長Ｌとなるように設定したことを特徴とする。

上記請求項２に記載した本発明の光路長設定支援装置によれば、測定セル１０における複数の異なる光路長Ｌの中の少なくとも１つは、測定セル１０を通過する赤外線が試料ガスに吸収されないように、光源１３からフィルタ１４又は赤外センサ１５までの光路長Ｌが例えば零、限りなく零に近い値などと設定される。また、零と限りなく零に近い値というように光路長Ｌを複数設定することもできる。

上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項３記載の濃度測定システムは、図１の基本構成図に示すように、赤外線を発する光源１３と、試料ガスが前記赤外線を吸収する波長を透過するフィルタ１４と、該フィルタ１４を透過した赤外線の強度を検出してその強度を示すセンサ信号を出力する赤外線センサ１５と、一方側の端部に前記光源１３を配置し、かつ、他方側の端部に前記フィルタ１４と該フィルタ１４を透過した赤外線の強度を検出する前記赤外線センサ１５とを順次配置し、前記光源１３から前記フィルタ１４又は前記赤外線センサ１５までの光路長Ｌが変更可能な測定セル１０と、前記赤外線センサ１５が出力したセンサ出力に基づいて前記試料ガスの濃度を測定する濃度測定装置２０と、を備える濃度測定システムにおいて、請求項１又は２に記載の光路長設定支援装置２をさらに備え、前記濃度測定装置２０は、前記光路長設定支援装置２の光路長変更指示手段２１ｃが変更を指示した光路長Ｌに変更された前記測定セル１０に前記試料ガスが充填されると、当該測定セル１０を通過して前記フィルタ１４を透過した前記光源１３からの赤外線の強度を検出した前記赤外線センサ１５のセンサ出力に基づいて前記試料ガスの濃度を測定するようにしたことを特徴とする。

上記請求項３に記載した本発明の濃度測定システムによれば、光路長設定支援装置２の指示によって測定セル１０の光路長Ｌが設定されると、試料ガスが充填された測定セル１０に光源１３からの赤外線が入射され、測定セル１０を通過してフィルタ１４を透過した赤外線が赤外線センサ１５によって検出される。そして、この検出に応じた赤外線センサ１５のセンサ出力に基づいた試料ガスの濃度が濃度測定装置２０によって測定される。

以上説明したように請求項１に記載した本発明の光路長設定支援装置によれば、測定セルにおける複数の異なる光路長に対応した赤外線センサのセンサ出力に基づいて、測定セルに充填された試料ガスの濃度範囲に適した光路長を特定するための特定情報を予め記憶しておき、試料ガスが充填された測定セルの複数の異なる光路長に対応して赤外線センサが実際に測定したセンサ出力を取り込み、それらのセンサ出力と特定情報とに基づいて試料ガスの濃度範囲に適した光路長を特定して測定セルの設定を指示するようにしたことから、測定者等はその指示に基づいて測定セルの光路長を設定することで、試料ガスの濃度が未知であってもその濃度範囲に適した光路長とすることができる。従って、試料ガスの濃度範囲に適した光路長の測定セルでその濃度を測定することができるため、測定精度の向上に貢献することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、測定セルにおける複数の異なる光路長の中の１つを、赤外線が試料ガスに吸収されないように光路長を設定するようにしたことから、赤外線センサが検出する赤外線は試料ガスの濃度に関係なく、光源の劣化及び環境による赤外線の変動等に関係した基準のセンサ出力となるため、光源の劣化、環境による変動等を考慮して光路長を特定することができ、経年変化による測定精度の低下を軽減することができる。従って、試料ガスの濃度範囲により一層適した光路長の測定セルでその濃度を測定することができるため、測定精度の向上に貢献することができる。

以上説明したように請求項３に記載した本発明の濃度測定システムによれば、光路長設定支援装置の指示によって測定セルの光路長が設定されると、その測定セルを通過した赤外線の検出に応じた赤外線センサのセンサ出力に基づいて試料ガスの濃度を測定するようにしたことから、試料ガスの濃度範囲に適した光路長に設定された測定セルで試料ガスの濃度を測定することができるため、試料ガスの濃度を精度良く検出することができる。また、複数の異なる光路長の中の１つの光路長が基準となるように設定することで、試料ガスが赤外線を吸収する吸収帯域に対応したフィルタのみを用いれば良くなるため、濃度測定システムのコストダウンを図ることができる。

以下、本発明に係る光路長設定支援装置を組み込んだ濃度測定装置を備える濃度測定システムの一実施の形態を、図２〜図６の図面を参照して説明する。

図２は本発明に係る光路長設定支援装置及び濃度測定システムの概略構成を示す構成図である。図２に示すように、濃度測定システム１は、二酸化炭素ガス（試料ガス）が充填される測定セル１０と、この測定セル１０に入射させる赤外線を発する光源１３と、測定セル１０内を通過して測定セル１０から出射した赤外線のうち試料ガスが赤外線を吸収する波長を透過するフィルタ１４と、このフィルタ１４を通過した赤外線の強度を検出する赤外線センサ１５と、赤外線センサ１５が出力したセンサ信号に基づいて二酸化炭素ガスの濃度を測定する濃度測定装置２０と、を有する。なお、本最良の形態では、測定セル１０に濃度が未知の二酸化炭素ガスを充填させ、その濃度を濃度測定装置２０で測定する場合について説明する。

測定セル１０は、第１の円筒体１１と第２の円筒体１２とを備え、第２の円筒体１２の内周部１２ａに第１の円筒体１１の外周部１１ａが嵌合し、測定セル１０の軸方向に相対的に移動可能な構成になっている。そして、第１の円筒体１１の前記一端側の端面１１ｂと第２円筒体１２の内周部１２ａとに囲まれた空間が、試料ガスが充填される測定室Ｅとなっており、この測定室Ｅは、第１の円筒体１１を前記軸方向に移動させることによって容積を変更することが可能な構成となっている。

第１の円筒体１１の一端側（図２中左側）には、赤外線を発する光源１３、第２の円筒体１２の他端側（図２中右側）にはフィルタ１４及び赤外線センサ１５を順次配置している。そして、第１の円筒体１１を前記軸方向に移動させることで、光源１３からフィルタ１４までの距離である光路長Ｌを変更することが可能な構成となっている。

なお、本最良の形態では、図２に示すように、フィルタ１４の位置に対応するポイントＰ０から第２の円筒体１２の一端側（図２中左側）の移動限界位置に対応するポイントＰ２（Ｐ２＞Ｐ０）までの範囲の移動が可能な構成となっている。そして、図３は測定セル１０のモード１を説明するための図である。図３に示すように、第１の円筒体１１をポイントＰ２からフィルタ１４に向けて所定距離［例えば（Ｐ２−Ｐ０）／２］だけ移動させた位置がポイントＰ１（Ｐ２＞Ｐ１＞Ｐ０）となっている。

また、図４は測定セルのモード０を説明するための図である。図４に示すように、第１の円筒体１１をポイントＰ１からフィルタ１４に向けてその端面１１ｂが第２の円筒体１２の端面１２ｂに接するように移動させた位置がポイントＰ０’となっている。このポイントＰ０’は、ポイントＰ０に限りなく近いことから、そのときの光路長Ｌは零と見なすことができる。つまり、光源１３からフィルタ１４に到達する赤外線は、試料ガスによる吸収の影響を受けなくなるため、その時のセンサ出力を基準センサ出力として用いることができる。

濃度測定システム１において、第１の円筒体１１の端面１１ｂがポイントＰ２に位置する場合をモード２、ポイントＰ１に位置する場合をモード１、ポイントＰ０’に位置する場合をモード０とそれぞれ定義している。なお、本最良の形態では、３段階のモードを設定した場合について説明するが、本発明はこれに限定するものではなく、３段階以上のモードを設定する、モードを設定せずにポイントＰ０、Ｐ０’からの任意の距離とするなど種々異なる実施の形態とすることができる。

また、第２の円筒体１２の周壁には、測定室Ｅに試料ガスを流入される流入口１２ｓと測定室Ｅに充填した試料ガスを流出させる２個（複数）の流出口１２ｅ１，１２ｅ２とを設けている。なお、流入口１２ｓ及び流出口１２ｅ１，１２ｅ２は、図示していないが、弁などを有し、流入及び流出を制御可能なように構成している。

流入口１２ｓはモード０のときに第１の円筒体１１によって塞がれる、つまり、試料ガスの流入が阻止される位置に設けられている。また、流出口１２ｅ１は、モード０のときに第１の円筒体１１によって塞がれ、モード１及び２のときに試料ガスの流出が可能なように設けられている。そして、流出口１２ｅ２は、モード０、１のときに第１の円筒体１１によって塞がれ、モード２のときに試料ガスの流出が可能なように設けられている。

また、図５は図２中の部分Ａを拡大した拡大図であり、第１の円筒体１１及び第２の円筒体１２の各々には、上述したポイントＰ０’〜Ｐ２に位置決めするための溝１１ｃ、１２ｃを各ポイントＰ０’〜Ｐ２に対応させて設けている。そして、第２の円筒体１２の溝１２ｃの各々には、ベアリング１２ｆが外周部１２ａから第２の円筒体１２の内部に突出させる方向に付勢するバネ１２ｇを設けている。

第２の円筒体１２が移動されるとベアリング１２ｆは、第２の円筒体１２の溝１２ｃに収まり、第１の円筒体１１の複数の溝１１ｃまで移動されるまでは、その溝１２ｃに押し込められた状態となる。そして、位置決め位置まで移動されると、ベアリング１２ｆはバネ１２ｇの付勢力によって第１の円筒体１１の溝１１ｃに入り込み、位置決めされる。

光源１３は、印加される電圧により赤外線（熱エネルギー）の波長が変わるものとし、例えば黒体炉、電球等を用いる。そして、光源１３に印可する電圧により発生する熱が変化すると、遠赤外線（熱エネルギー）の波長のピークが変化することから、光源１３の温度は印加される電圧によって制御される。

フィルタ１４は、本最良の形態における試料ガスである二酸化炭素ガスの吸収波長が４．３μｍであることから、その４．３μｍの波長を透過する光学フィルタを用いている。

赤外線センサ１５は、焦電型赤外線センサ等を用い、後述する濃度測定装置２０に接続している。この赤外線センサ１５は、フィルタ１４を透過した赤外線の熱を電気エネルギーに変換するもので、熱の変化時に電気エネルギーに変換してセンサ出力として濃度測定装置２０に出力する。

次に、濃度測定装置２０は、予め定められたプログラムに従って動作するマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）２１を有する。このＭＰＵ２１は周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）２１ａ、ＣＰＵ２１ａのためのプログラム等を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ２１ｂ、各種のデータを格納するとともにＣＰＵ２１ａの処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ２１ｃ等を有して構成している。

また、ＭＰＵ２１には、装置本体がオフ状態の間も記憶内容の保持が可能な電気的消去／書き換え可能な読み出し専用のメモリ２２を接続している。そして、このメモリ２２には、濃度の算出に必要な後述する各種情報を記憶するとともに、算出した濃度を外部から読出可能に時系列的に記憶する。

濃度測定装置２０はさらに、制御回路２３と表示部２４とインタフェース部２５とを有し、それらはＭＰＵ２１にそれぞれ接続している。この制御回路２３は、ＭＰＵ２１からの指示に応じて光源１３に印加する電圧を制御する。そして、例えば１Ｈｚなどの所定周期光源１３をＯＮ／ＯＦＦさせることで、光源１３を点滅させるようにしている。

表示部２４は、ＬＣＤ等が用いられ、ＭＰＵ２１から指示された各種情報を表示する。そして、本最良の形態では、ＭＰＵ２１から出力される測定セル１０の最適なモード（光路長）への変更を指示する変更指示情報を表示することで、表示部２４が測定者等にモードの変更を指示する構成となっている。

インタフェース部２５は、測定セル１０の赤外線センサ１５との接続が可能な構成となっており、赤外線センサ１５が出力したセンサ出力を増幅するアンプ等を有する。そして、インタフェース部２５にて増幅されたセンサ出力はＭＰＵ２１に入力される。また、ＭＰＵ１１は、赤外線センサ１５からのセンサ出力を前記所定周期に同期して取り込み、そのセンサ出力をフーリエ変換し、各周波数の電圧に変換する。したがって、１Ｈｚ時のみの電圧を参照することにより、ノイズ等の影響を最小に抑えるようにしている。

次に、上述した構成において、測定セル１０の測定室Ｅに充填された試料ガスを通過した赤外線には、Ｂｅｅｒ−Ｌａｍｂｅｒｔの法則（以下、ランバート・ベールの法則という）を適用することができる。そして、光路長Ｌ、濃度Ｃ、その吸光係数αの測定セル１に波長λの入射光Ｉ₀λが入射し、出射光Ｉλで出射する場合、ランバート・ベールの法則により以下の式が成り立つ。
ｌｎ（Ｉ₀λ／Ｉλ）＝αＣＬ …（１）
そして、この式（１）を展開すると、以下の式が成り立つ。
Ｉλ＝Ｉ₀λｅ^-α^CL …（２）
このように式（２）より、Ｉλはガス濃度、光路長（長さ）に対応して、指数関数的に減少していくことが分かる。

そして、Ｉλ／Ｉ₀λの比と赤外線センサ１５のセンサ出力ＰＶとの間には、以下の算出式が成り立つ。
Ｉλ／Ｉ₀λ＝Ａ＊ＰＶ …（３）
この式（３）を式（１）に代入して濃度Ｃを求めると次の式となる。
Ｃ＝ｌｎ（Ａ＊ＰＶ）／αＬ …（４）
式（４）中のＡ、α、Ｌは既知の値であることから、これらを一式にまとめ、実験より濃度Ｃに対応したセンサ出力ＰＶを測定し、その回帰式より係数βを求めることで、次の式となる。
Ｃ＝β＊ＰＶ …（５）

よって、式（５）を示す濃度算出情報をＲＯＭ２１ｂに予め記憶しておき、ＣＰＵ２１ａは赤外線センサ１５からＲＡＭ２１ｃ等に取り込んだセンサ出力を濃度算出情報に代入することによって濃度を算出するようにしている。

メモリ２２には、予め定められた測定セル１０における上述したポイントＰ０’〜Ｐ２（複数の異なる光路長）で赤外線センサ１５が検出した赤外線の強度を示すセンサ出力に基づいて、測定セル１０に充填された試料ガスの濃度に適したポイントＰ０’〜Ｐ２（光路長）を特定する特定情報を記憶していることから、メモリ２２が請求項中の特定情報記憶手段として機能している。

例えば、本最良の形態では、ポイントＰ０’とポイントＰ２で赤外線センサ１５が検出した赤外線の強度を示すセンサ出力ＰＶ２、ＰＶ０の比（ＰＶ２／ＰＶ０）に基づいて濃度を算出する算出式と、この濃度に対応するポイントＰ０’〜Ｐ２とを対応させたテーブルとを特定情報として記憶する場合について説明する。

ポイントＰ０’の場合、式（２）の光路長Ｌに”０”を代入することにより、入射光Ｉ０λと出射光Ｉλの比は”１”となり、光源１３の赤外線がガス濃度と関係なくセンサ出力となり、光源１３の劣化及び環境による赤外線の変動等にのみ関係することから、二酸化炭素濃度を測る際の基準として利用することができる。

そして、その基準のセンサ出力をＫとし、式（５）を変形してβ＊ＰＶ／Ｋに基づいて、環境等の変動を補正して濃度を算出する算出式は、実験により次の式として導き出される。なお、β＊ＰＶ／Ｋを引数Ｘとする。
Ｆ（Ｘ）＝Ｃ₀＋Ａ＊ｅ^(X-X0)/t …（６）
但し、Ｃ₀、Ａ、Ｘ０、ｔは定数。

式（６）に光源１３の変化、及び周囲環境による変動をδで表すと、β＊ＰＶ＊δ／Ｋ＊δで表され、分母、分子に同様に影響することから、δは相殺されて光源１３の変化及び周囲環境の変動の影響を受けないことになる。なお、基準のセンサ出力を用いることで、従来の構成に必要であった試料ガスの影響を受けない基準の赤外線のセンサ出力を得るための参照用のフィルタを構成から排除することができる。

よって、本最良の形態では、式（６）に相当する算出プログラムを特定情報として記憶しておき、赤外線センサ１５から取り込んだセンサ出力ＰＶ２、ＰＶ０（Ｋに相当）からβ＊ＰＶ２／ＰＶ０を引数として前記算出プログラムを実行する（呼び出す）ようにしている。そして、この算出プログラムは、算出結果である濃度をＲＡＭ２１ｃの予め定められた領域に記憶する。

図６は濃度算出装置（光路長設定支援装置）のＣＰＵが実行する本発明に係る処理概要の一例を示すフローチャートであり、図６に示すフローチャートを参照して二酸化炭素ガス（試料ガス）の濃度の算出例を説明する。

ステップＳ１において、測定セル１０のモード２への変更を指示するための変更指示情報が生成されて表示部２４に出力されることで、表示部２４にモード２への変更を指示する指示画面が表示され、その後ステップＳ２に進む。

ステップＳ２（センサ出力取込手段）において、表示部２４におけるモード２への指示画面の表示に応じて、予め定められた所定電圧による電圧制御が制御回路１３に指示されることで、光源２は赤外線を発し、測定セル１０の測定室Ｅを通過した赤外線を検出した赤外線センサ１５が出力したセンサ出力ＰＶ２が取り込まれ、モード２（光路長）に関連付けられてＲＡＭ２１ｃに記憶され、その後ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、測定セル１０のモード０への変更を指示するための変更指示情報が生成されて表示部２４に出力されることで、表示部２４にモード０への変更を指示する指示画面が表示され、その後ステップＳ４に進む。

ステップＳ４（センサ出力取込手段）において、表示部２４におけるモード０への指示画面の表示に応じて、予め定められた所定電圧による電圧制御が制御回路１３に指示されることで、光源２が発した赤外線を検出した赤外線センサ１５が出力したセンサ出力ＰＶ０が取り込まれ、モード０（光路長）に関連付けられてＲＡＭ２１ｃに記憶され、その後ステップＳ５に進む。

ステップＳ５（光路長特定手段）において、ＲＡＭ２１ｃのセンサ出力ＰＶ２、ＰＶ０に基づいて上述した引数であるβ＊ＰＶ２／ＰＶ０を算出し、この値を引数としてメモり２２の算出プログラムが実行され、ＲＡＭ２１ｃに算出された濃度と特定情報のテーブルとに基づいて最適モードが特定され、その特定されたモードがＲＡＭ２１ｃに記憶され、その後ステップＳ６に進む。

ステップＳ６（光路長変更指示手段）において、ＲＡＭ２１ｃのモードに測定セル１０のモード変更を指示するための変更指示情報が生成されて表示部２４に出力されることで、表示部２４にモード変更を指示する指示画面が表示され、その後ステップＳ７に進む。なお、光路長の変更指示の方法については、音声で指示する、表示と音声で指示するなど種々異なる形態とすることができる。また、測定セル１０の光路長の変更が駆動装置等によって自動的に行う場合は、その駆動装置等に変更を指示することになる。

ステップＳ７において、図示しない入力部、接続部等から入力データに基づいて、測定セル１１のモード変更が完了したか否かが判定される。モード変更が完了していないと判定された場合は（Ｓ７でＮ）、この判定処理を繰り返すことで、モード変更の完了を待つ。一方、モード変更が完了したと判定された場合は（Ｓ７でＹ）、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８において、予め定められた所定電圧による電圧制御が制御回路１３に指示されることで、光源２は赤外線を発し、測定セル１０の測定室Ｅを通過した赤外線を検出した赤外線センサ１５が出力したセンサ出力ＰＶが取り込まれてＲＡＭ２１ｃに記憶され、その後ステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、ＲＯＭ２１ｂに記憶している前記濃度算出情報にＲＡＭ２１ｃのセンサ出力ＰＶが代入されて試料ガスの濃度が算出されてＲＡＭ２１ｃに記憶され、ステップＳ１０において、ＲＡＭ２１ｃの濃度を表示部２４に出力するための濃度情報が生成されて表示部２４に出力されることで、表示部２４に試料ガスの濃度が表示され、その後処理を終了する。

以上の説明からも明らかなように、濃度測定装置１０のＣＰＵ１１ａが、特許請求の範囲に記載のセンサ出力取込手段、光路長特定手段、及び光路長変更指示手段として機能している。

次に、上述した構成の濃度測定装置（光路長設定支援装置）２０を用いた濃度測定システム１の本実施の形態の動作（作用）の一例を、以下に説明する。

濃度が未知の二酸化炭素ガスの濃度を測定するに当たり、まず、濃度測定装置２０が測定セル１０のモード２への変更を指示すると、測定者等はモード２に対応したポイントＰ２まで第１の円筒体１１を移動させることで、測定セル１０の光路長Ｌを設定し、測定セル１０の測定室Ｅに二酸化炭素ガスを充填する。そして、濃度測定装置２０は、光源１３に所定電圧を印加し、光源１３が発した赤外線が測定セル１０の測定室Ｅを通過し、フィルタ１４を透過した赤外線が赤外線センサ１５によって検出される。そして、この赤外線センサ１５のセンサ出力ＰＶ２は、測定セル１０の光路長Ｌに関連付けられて濃度測定装置２０に取り込まれる。

濃度測定装置２０が測定セル１０のモード０への変更を指示すると、測定者等は測定セル１０の測定室Ｅから二酸化炭素ガスを外部に流出させ、モード０に対応したポイント０’まで第１の円筒体１１を移動させることで、測定セル１０の光路長Ｌを設定する。そして、そして、濃度測定装置２０は、光源１３に所定電圧を印加することで、光源１３が発した赤外線はフィルタ１４を透過して赤外線センサ１５によって検出される。そして、この赤外線センサ１５のセンサ出力ＰＶ０は、測定セル１０の光路長Ｌに関連付けられて濃度測定装置２０に取り込まれる。

濃度測定装置２０は、センサ出力ＰＶ２，ＰＶ０とメモリ２２の特定情報とに基づいて測定セル１０の最適モードを特定すると、この最適モードへの変更を表示部２４によって測定者等に指示する。例えば、最適モードがモード１の場合、測定者等はモード１に対応したポイントＰ１まで第１の円筒体１１を移動させることで、測定セル１０の光路長Ｌを設定し、測定セル１０の測定室Ｅに二酸化炭素ガスを充填する。

そして、測定準備の完了に応じて濃度測定装置２０は、光源１３に所定電圧を印加することで、光源１３が発した赤外線はフィルタ１４を透過して赤外線センサ１５によって検出され、この赤外線センサ１５のセンサ出力ＰＶは、濃度測定装置２０に取り込まれる。そして、濃度測定装置２０は、取り込んだセンサ出力ＰＶとＲＯＭ２１ｂの濃度算出情報とに基づいて濃度を算出し、この濃度をＲＡＭ２１ｃに記憶すると共に表示部２４に表示する。

以上説明したように、濃度測定装置（光路長設定支援装置）２０によれば、測定セル１０における複数の異なる光路長Ｌに対応した赤外線センサ１５のセンサ出力に基づいて、測定セル１０に充填された二酸化炭素ガス（試料ガス）の濃度範囲に適した光路長Ｌを特定するための特定情報を予め記憶しておき、試料ガスが充填された測定セル１０の複数の異なる光路長Ｌに対応して赤外線センサ１５が実際に測定した際のセンサ出力を取り込み、それらのセンサ出力と特定情報とに基づいて試料ガスの濃度範囲に適した光路長Ｌを特定して測定セル１０の設定を指示するようにしたことから、測定者等はその指示に基づいて測定セル１０の光路長Ｌを設定することで、試料ガスの濃度が未知であってもその濃度範囲に適した光路長とすることができる。従って、試料ガスの濃度範囲に適した光路長Ｌの測定セル１０でその濃度を測定することができるため、測定精度の向上に貢献することができる。

また、測定セル１０における複数の異なる光路長Ｌの中の１つを、赤外線が二酸化炭素ガス（試料ガス）に吸収されないように光路長Ｌを設定するようにしたことから、赤外線センサ１５が検出する赤外線は試料ガスの濃度に関係なく、光源の劣化及び環境による赤外線の変動等に関係した基準のセンサ出力となるため、光源１３の劣化、環境による変動等を考慮して光路長Ｌを特定することができ、経年変化による測定精度の低下を軽減することができる。従って、試料ガスの濃度範囲により一層適した光路長Ｌの測定セル１０でその濃度を測定することができるため、測定精度の向上に貢献することができる。

本発明の濃度測定システム１によれば、濃度測定装置（光路長設定支援装置）２０の指示によって測定セル１０の光路長Ｌが設定されると、その測定セル１０を通過した赤外線の検出に応じた赤外線センサ１５のセンサ出力に基づいて試料ガスの濃度を測定するようにしたことから、試料ガスの濃度範囲に適した光路長Ｌに設定された測定セル１０で試料ガスの濃度を測定することができるため、試料ガスの濃度を精度良く検出することができる。また、複数の異なる光路長Ｌの中の１つの光路長Ｌが基準となるように設定することで、試料ガスが赤外線を吸収する吸収帯域に対応したフィルタ１４のみを用いれば良くなるため、濃度測定システム１のコストダウンを図ることができる。

なお、上述した本最良の形態では、モード２，０のときに取り込んだ各センサ出力と特定情報とに基づいて試料ガスの濃度範囲に適したモード（光路長）を特定する場合について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、モード２，１，０やそれ以上のポイントで検出した各センサ出力と特定情報とから特定するなど種々異なる形態とすることができる。

また、上述した本最良の形態では、検出した信号をフーリエ変換した濃度換算データを使う場合について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、検出した信号の波形のピークツーピーク（最高値−最低値＝波形の幅）等に基づいた濃度換算データを使うなど種々異なる形態とすることができる。

さらに、上述した本最良の形態では、本発明の光路長設定支援装置を濃度測定装置２０に組み込んだ場合について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、光路長設定支援装置を単独の装置として実現するなど種々異なる形態とすることができる。

本発明の光路長設定支援装置及び濃度測定システムの基本構成を示す構成図である。本発明の光路長設定支援装置及び濃度測定システムの概略構成を示す構成図である。測定セルのモード１を説明するための図である。測定セルのモード０を説明するための図である。図２中の部分Ａを拡大した拡大図である。濃度算出装置（光路長設定支援装置）のＣＰＵが実行する本発明に係る処理外傷の一例を示すフローチャートである。従来の気体濃度測定装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１濃度測定システム
２光路長設定支援装置
１０測定セル
１３光源
１４フィルタ
１５赤外線センサ
２０濃度測定装置
２１ａセンサ出力取込手段（ＣＰＵ）
２１ｂ光路長特定手段（ＣＰＵ）
２１ｃ光路長変更指示手段（ＣＰＵ）
２２特定情報記憶手段（メモリ）

Claims

一方側に赤外線を発する光源を配置し、かつ、他方側に前記赤外線を吸収する試料ガスの吸収帯に応じた波長を透過するフィルタと該フィルタを透過した赤外線の強度を検出する赤外線センサとを順次配置し、前記光源から前記フィルタ又は前記赤外線センサまでの光路長が伸縮自在に設定可能な測定セルを用いて前記試料ガスの濃度を測定するに当たり、前記測定セルに充填された試料ガスの濃度範囲に適した光路長の設定を支援する光路長設定支援装置であって、
予め定められた前記測定セルにおける複数の異なる光路長で前記赤外線センサが検出した前記赤外線の強度を示すセンサ出力に基づいて、前記測定セルに充填された試料ガスの濃度範囲に適した前記光路長を特定する特定情報を記憶する特定情報記憶手段と、
前記複数の異なる光路長に対応して前記赤外線センサが出力したセンサ出力を当該光路長に関連付けて取り込むセンサ出力取込手段と、
前記センサ出力取込手段が取り込んだセンサ出力と前記特定情報記憶手段が記憶している特定情報とに基づいて前記試料ガスの濃度範囲に適した光路長を特定する光路長特定手段と、
前記光路長特定手段が特定した光路長に前記測定セルの変更を指示する光路長変更指示手段と、
を備えることを特徴とする光路長設定支援装置。
前記複数の異なる光路長の中の少なくとも１つを、前記測定セルを通過する前記赤外線が前記試料ガスに吸収されない光路長となるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の光路長設定支援装置。
赤外線を発する光源と、試料ガスが前記赤外線を吸収する波長を透過するフィルタと、該フィルタを透過した赤外線の強度を検出してその強度を示すセンサ信号を出力する赤外線センサと、一方側の端部に前記光源を配置し、かつ、他方側の端部に前記フィルタと該フィルタを透過した赤外線の強度を検出する前記赤外線センサとを順次配置し、前記光源から前記フィルタ又は前記赤外線センサまでの光路長が変更可能な測定セルと、前記赤外線センサが出力したセンサ出力に基づいて前記試料ガスの濃度を測定する濃度測定装置と、を備える濃度測定システムにおいて、
請求項１又は２に記載の光路長設定支援装置をさらに備え、
前記濃度測定装置は、前記光路長設定支援装置の光路長変更指示手段が変更を指示した光路長に変更された前記測定セルに前記試料ガスが充填されると、当該測定セルを通過して前記フィルタを透過した前記光源からの赤外線の強度を検出した前記赤外線センサのセンサ出力に基づいて前記試料ガスの濃度を測定するようにした
ことを特徴とする濃度測定システム。