JP4643875B2 - ガスセンサ機構 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、主請求項の上位概念に基づくガスセンサ機構に関する。
【０００２】
（背景技術）
多くのガスは、特に赤外線の波長領域で放射を吸収することが知られており、こうした吸収は、たとえばＣＯ_２については４．２４μｍという具合に、該当するガスについて特徴的な波長で起こる。したがって赤外線ガスセンサを使えば、ガス成分の存在ないしガス成分の濃度を確立することが可能である。
【０００３】
公知の赤外線ガスセンサは、たとえば広帯域の放射源と、吸収区間ないし測定室と、波長選択素子、たとえば干渉フィルタと、ファブリー・ペロ・フィルタまたは格子と、放射検出器、たとえば焦電検出器、ＰｂＳｅ検出器、または熱親和性検出器を有している。放射検出器によって測定される放射強度が、所定の波長で吸収をするガスの濃度を表す目安になる。広帯域の放射源、および波長選択素子の代わりに、たとえばＬＥＤやレーザなどの選択性の放射源と、波長選択性でない放射受信機とを組み合わせて利用することも公知である。
【０００４】
光音響ガスセンサも公知である。光音響ガスセンサの機能原理は、ガス分子の加熱によって測定室内で起こる圧力変化を、たとえばマイクロフォンなどの音響検出器によって検出することを基礎としている。加熱は、検出されるべき測定ガス分子によって、放射源の放射エネルギーが吸収されることで引き起こされる。従来技術に対応する光音響センサの実施形態は、たとえばドイツ特許１９５２５７０３に記載されている。
【０００５】
このような種類の赤外線ガスセンサや光音響ガスセンサの長期安定性は、主に、放射源の消耗と、光学系全体の汚れとによって左右される。現在のところ汚れは、汚れた粒子を排除する適切なガス透過性フィルタによって防止されている。
【０００６】
放射源の消耗を監視するため、１つないし複数のガスセンサが零点ドリフトおよび感度ドリフトに関して定期的に点検される。そのために、測定されるべきガス成分を含まないガスないし混合ガスをガスセンサに噴霧して、零点の位置を決定する。零点点検の後、測定されるべきガス成分の濃度がわかっている混合ガスをガスセンサに噴霧し、このとき得られた測定値を設定値と比較する。このような較正作業は、通例、訓練を受けた人員によって行われなくてはならず、したがって非常にコストが高くなる。
【０００７】
赤外線ガスセンサの放射源の消耗を監視する別の方法は、測定ガスのどのガス成分もさほど吸収をしない波長で、光学フィルタを備える第２の放射検出器を、放射強度の検出のために利用することである（ＵＳ５３４１２１４参照）。得られた２つの信号の比率を求めることで、すなわち測定信号と参照信号の比率を求めることで、放射源の消耗が補正される。検出器はガスセンサの主なコスト要因であることや、２倍の信号処理が必要となることから、このようなガスセンサは比較的高価である。そのうえ、温度変化があると検出器の異なるドリフトが生じてしまう可能性がある。
【０００８】
さらに、２つの放射源を備える赤外線ガスセンサもあり、この場合、一方の放射源の光路はガス測定室を通過せず、それによって光学系の汚れや他方の放射源の消耗を調べようとするものである。しかしこれは原理的に、測定されるべきガス成分を含まない参照ガスを使わなければ不可能である。
【０００９】
同様に、ガス室内にある２つの光源が、放射検出器から異なる間隔をおいて配置される機構が公知である。両方の放射源は異なる周波数で変調され、検出器信号が復調される。異なる周波数の出力信号が入り乱れて配分されるので、両方の放射源のあいだの間隔から有効光路が得られる。しかしこれらの放射源は均等に消耗するのではないため（図１０参照）、放射源の消耗によってセンサのドリフトが強まるという結果になりかねない。
【００１０】
（発明の開示）
本発明の課題は、独立請求項の上位概念に基づくガスセンサ機構をさらに改良して、構成部品に大きな追加のコストをかけたり較正用ガスを必要とすることなく、放射源の消耗を高い信頼性で監視できるようにすることである。
【００１１】
この課題は本発明によれば、上位概念の構成要件と関連する、独立請求項の特徴部に記載の構成要件によって解決される。
【００１２】
追加の放射源、すなわち時間的な間隔をおいてスイッチ投入される参照放射源によって、参照放射源を作動させたときの検出器の出力信号と、測定放射源を作動させたときの検出器の出力信号とを比較することで、測定放射源の消耗を発見することができる。このとき参照放射源は通常の測定の役目をするのではなく、測定放射源の消耗を調べるために大きな監視間隔をあけて作動させられる。参照放射源は測定放射源よりはるかに稀にしか作動させられず、すなわち大きな時間間隔をあけて作動させられ、そのためセンサの耐用期間中にさして消耗しないので、参照放射源の消耗は無視することができる。本発明の実施形態により、較正用ガスを用いることなく、測定放射源の消耗の低コストかつ確実な発見が可能である。
【００１３】
従属請求項に記載の方策によって、有利な発展と改良が可能である。
【００１４】
好適には、各放射源と検出器の間の有効光路は等しい長さである。この条件のもとでは、参照源と測定源についてのセンサ較正曲線は等しい。
【００１５】
２つ以上の放射源を備えるガスセンサの別の利点は故障に対する安全性が高いことであり、すなわち、測定源が故障したときには、追加源でセンサを引き続き作動させる。この場合に有利な実施形態は、測定源と、参照源と、追加測定源ないし追加参照源という３つの放射源を備えるガスセンサである。それによって、このセンサの耐用寿命を何倍にも伸ばすことができる。それに加えて参照放射源の最低限の消耗を、１つまたは複数の別の放射源によって補正することができる。
【００１６】
参照測定の回数、およびこれに伴う参照放射源の消耗は、追加のローコスト放射検出器（たとえばＳｉフォトダイオード）を単に組み込むことによって、所要の最低限度まで抑えることができる。このとき追加の放射検出器によって、１つのスペクトル領域（たとえば８５０ｎｍ）における測定放射源の消耗が監視され、参照放射源は、ローコスト検出器で測定したときの測定源の放射強度が一定の値だけ変化した場合にのみ使用される。
【００１７】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明の実施例が図面に示されており、以下において詳しく説明する。
図１に示すガスセンサ機構は赤外線ガスセンサ機構として構成されており、評価・制御装置１４とたとえばプラグ機構によって接続された、通常は１つのユニットとして構成される赤外線ガスセンサ１を有している。
【００１８】
図１に示す赤外線ガスセンサ１の概略構造図では、符号７で測定放射源、符号８で参照放射源がそれぞれ示されている。放射源７，８は好適には各々のパラメータの点で同一であり、広帯域の放射スペクトルで放射を行う。ガスセンサの作動時には、測定ガス濃度を測定するために測定放射源７が使用され、そのために測定放射源を連続的に、またはパルス動作で作動させることができる。それに対して参照放射源８は、測定放射源７の消耗を調べるために大きな時間間隔でしかスイッチ投入されない。放射源７，８は、検出されるべきガスまたは複数のガス成分が混ざった混合ガスが測定室１１を通して、赤外線放射を送る。ガスセンサは流動式のセンサ機構として、すなわち流動測定セルとして、または拡散に依拠するセンサとして構成されていてよい。前者の場合、ガスは測定室１１を通って流れるのに対し、後者の場合にはガスがダイヤフラムを介して、他の部位は閉じられている測定室１１に拡散していく。
【００１９】
放射源７，８と間隔をおいて、測定室１１を通過した後に放射が検出器１３に当たるように、放射検出器１３が配置されている。干渉フィルタ１２がガス測定室１１と検出器１３の間に介在しており、好適には、測定されるべきガスの吸収波長に相当する放射だけを透過させる。干渉フィルタ１２は放射検出器ハウジングに直接内蔵されていてもよい。異なるガスについての吸収波長は、たとえばＣＯ_２については４．２４μｍ、ＣＨ_４については３．４６μｍ、ＣＯについては４．６４μｍ、ＮＯについては５．３μｍ、フレオンについては１０．９μｍである。当然ながら、干渉フィルタの代わりに別の光学帯域通過フィルタや波長選択素子を用いることもできる。
【００２０】
放射検出器１３と放射源７および８は、放射検出器１３からの出力信号を処理し、放射源７，８を発動させ、測定放射源７の消耗に関するデータを検出して考慮し、測定ガスの濃度に関する情報を供給する評価・制御装置１４と接続されている。放射源７，８は、それぞれ放射検出器までの光路９，１０の異なる光路長を有している。
【００２１】
図２には別の実施例が図示されており、ここでは放射源７，８は好適には互いに密着して、かつ放射検出器１３に対して左右対称に配置されて、各々の放射がほぼ等しい強度で放射検出器１３に当たるとともに、測定室１３を通る各々の光路９および１０の有効長が等しくなるようになっている。この場合、両方の放射源は同一のハウジングの中に格納されていてもよい（たとえば１つのガラス球の中の２つまたはそれ以上の渦巻フィラメント）。
【００２２】
一方では、赤外線ガスセンサ１は、放射検出器１３が干渉フィルタ１２とともに放射源７，８に直接対向するように配置され、放射源７，８によって直接放射されるように構成されていてよい。他方では、放射源７，８から送出された光が光路９，１０に沿って、測定室１１の内部でも外部でも１つまたは複数の反射表面によって導かれ、放射検出器１３に転送されてもよい。
【００２３】
測定放射源７ないし参照放射源８から送出される光は、測定室１１と光学フィルタ１２を通過して、最終的に放射検出器１３に当たる。検出されるべきガスが測定室１１の中に存在していれば、測定室を通って放射された光の一部が、測定ガスの吸収領域に相当する波長領域で測定ガス分子によって吸収される。それによって引き起こされる、放射検出器１３に記録される光強度の低下は、次のランバート・ベールの法則に従う。

ａは、光学フィルタ１２の透過領域における、測定されるべきガスの吸収率である。
Ｃは、測定室１１における、測定されるべきガスの濃度である。
Ｌは、光路９ないし１０の有効長である。
Ｉ_０は、測定ガス分子による減少がないときの、放射検出器１３に当たる放射の強度である。
Ｉ_Ｃは、測定室１１の中に検出されるべきガスが存在するときの、放射検出器１３に当たる放射の強度である。
【００２４】
本来の測定をする前にセンサを較正し、このときにはパラメータ、たとえばガスの種類と濃度、温度等は既知であり、すなわち、放射検出器１３の出力信号と測定室１１の中の測定ガス濃度とを結びつける少なくとも１つのセンサ特性曲線が作成される。
【００２５】
測定で生成される放射検出器１３の出力信号は、センサ較正中に求めたセンサ特性曲線を用いて測定ガスの濃度を算出する評価・制御装置１４に供給される。測定中のガスセンサ温度を検出して、測定ガス濃度の算出時にこれを考慮することもできる。
【００２６】
放射検出器１３に対する放射源７，８のこうした配置に基づいて、測定室１１の中の測定ガス濃度に関わりなく、次の条件が成立する：

このとき、
Ｕ_Ｍは、測定放射源７を作動させたときの放射検出器１３の出力信号であり、
Ｕ_Ｒは、参照放射源８を作動させたときの放射検出器１３の出力信号であり、
Ｆは、比率係数であり、このとき好適には放射源７および８ができるだけ等しく選択され、それによって、センサが新しい場合には値Ｆ＝１という結果につなげることが可能である。
【００２７】
測定が経過するにつれて測定放射源７の作動時間は参照放射源８の作動時間よりはるかに長くなるので、時間とともに両方の放射源の消耗状態が異なるために比率係数Ｆの値は変化する。
【００２８】
放射源７，８を任意に配置した場合（図１参照）における消耗の修正は、次のようにして数学的に構想される。
【００２９】
時点ｔ＝０で製造されたときの初期較正の際に、両方の放射源７，８についての較正関数が記憶される。

このとき、
Ｃは、測定室の中の測定されるべきガスの濃度であり、
Ｃ^＊は、修正プロセス中における測定室の中の測定されるべきガスの濃度であり、
Ｌ_Ｍは、測定放射源から検出器までの放射の有効光路であり、
Ｌ_Ｒは、参照放射源から検出器までの放射の有効光路である。
【００３０】
Ｕ_Quelle（時間、濃度）：
Ｕ_Ｍ（０，０），Ｕ_Ｒ（０，０）は、測定室の中に検出されるべきガスが存在しない場合に、時点ｔ＝０で測定源ないし参照源を作動させたときの検出器の出力信号であり、
Ｕ_Ｍ（０，Ｃ），Ｕ_Ｒ（０，Ｃ）は、測定室の中に検出されるべきガスが存在している場合に、時点ｔ＝０で測定源ないし参照源を作動させたときの検出器の出力信号である。
【００３１】
２つの放射源についての各信号の比率係数Ｆは濃度依存的である：

【００３２】
作動している時間ｔの後、測定源の較正関数は次のように変化する：

【００３３】
次に修正プロセスを実行する。この時点で、測定されるべきガスの濃度はＣ^＊に等しい。そこで次式が得られる。

【００３４】
Ｕ_Ｒ（ｔ，０）＝Ｕ_Ｒ（０，０）なので（参照源８はほとんど消耗しない）、方程式（６）は式（２）と等価であり、参照源８の記憶されている較正関数を、測定ｔ，Ｃ^＊の時点における測定されるべきガスの濃度を算定するのに利用することができる。

【００３５】
このＣ^＊と式（１）を用いて、消耗していない測定源の信号値を算出する。続いて、消耗していない測定源の算出された信号と（測定源については較正関数が決定されている）、測定源の実際の信号との比率を、修正係数Ｋとして算出する。

【００３６】
（４），（５），および（８）から、測定源の修正された較正関数について次式が得られる。

【００３７】
そして較正関数（９）を、次回の修正プロセスまで利用することができる。修正は、たとえば一次または二次の較正関数の場合と同じようにして可能である。
【００３８】
放射源７，８を左右対称に配置した場合（図２参照）の消耗の修正は、次のようになる：
検出器に対して左右対称に配置された２つの放射源を使用する場合、時点ｔ＝０では、濃度に対する次のような信号依存性が成立する：

【００３９】
時点ｔ＝０のとき、両方の放射源の間の比率係数Ｆ（０，Ｃ）は次のように求められる。

【００４０】
２つの放射源についての各信号の比率は、２つの光路Ｌが等しい長さなので、濃度に依存しない。
【００４１】
したがって次式が成り立つ：

【００４２】
先ほど採用した較正関数（式１’）によって、次式が成立する。

【００４３】
作動している時間ｔの後、測定源の較正関数は変化する。測定されるべきガスの濃度が任意のとき、時間ｔにおいて次式が成り立つ：

【００４４】
これより、濃度に依存しない比率係数Ｆ（ｔ）が得られる。

【００４５】
Ｕ_Ｒ（ｔ，０）＝Ｕ_Ｒ（０，０）なので（参照源８はほとんど消耗しない）、次式が成り立つ。

【００４６】
測定放射源の放射強度の時間的変化は、比率係数Ｆ（ｔ）を求めることで補正される。すると式（６’）および式（９’）とともに、較正関数について次式が成り立つ：

【００４７】
比率係数Ｆ（ｔ）は次回の参照作業まで利用することができる。
【００４８】
２つの放射源の配置が左右対称でないときは、たとえば使用開始前に試験ガスで較正を行う。センサが作動しているときに、一定の時点で参照放射源のスイッチを投入する。
【００４９】
時点ｔ_１における測定源の消耗を修正するための上に説明したようなアルゴリズムは、図式的に言えば次のように進行する：
１．まず最初に、測定源を作動させて検出器信号Ｕ_Ｍ（ｔ_１）を決定する。
２．次いで、参照源を作動させて検出器信号Ｕ_Ｒ（ｔ_２）を測定する。
３．参照源は滅多に作動することがなく、したがって安定性を保っているので、参照源について記憶されている較正関数を用いて、測定されるべきガスの目下の周囲濃度Ｃ（ｔ_２）を算定するために値Ｕ_Ｒ（ｔ_２）を利用する。
４．値Ｃ（ｔ_２）を出発点として、測定源についての逆較正関数を用いて、消耗していない測定源の検出器信号に相当しているはずの検出器信号Ｕ_Ｍ（０）を算出する。
５．次いで、Ｕ_Ｍ（ｔ_１）とＵ_Ｍ（０）のそれぞれの値を比較することで修正係数Ｋを求める。たとえば次のようになる：Ｋ（ｔ_１）＝Ｕ_Ｍ（０）／Ｕ_Ｍ（ｔ_１）
６．引き続いて測定源による測定を繰り返して行い、検出器信号Ｕ_Ｍ（ｔ_３）と、修正プロセスの開始時における値Ｕ_Ｍ（ｔ_１）とを比較する。許容される以上に大きな差異が存在していれば（その基準は事前に決めておく）、測定を繰り返さなくてはならない。時間間隔（ｔ_２−ｔ_１）および（ｔ_３−ｔ_１）は、拡散に起因して生じるガスセンサの反応時間よりもはるかに短いのが好ましい。それにより、修正プロセスのあいだ、測定されるべきガスの濃度がほぼ一定であることが保証される。
７．そして、上に説明したようにして算出した修正係数Ｋ（ｔ_１）を、消耗に起因して生じる測定源の較正関数のずれを補正するのに利用する。たとえば本例では、これから測定する検出器信号の値と、修正係数Ｋとを乗算するのがよい：Ｕ_Ｍ ^ｋｏｒｒ＝Ｕ_Ｍ ^{ｇｅｍｅｓｓｅｎ}ｘＫ（ｔ_１）。次いで値Ｕ_Ｍ ^ｋｏｒｒと、測定源について記憶されている較正関数とを用いて、測定されるべきガスの濃度の正しい値Ｃを算出する。
８．修正係数Ｋ（ｔ_１）の値は、次回の修正プロセスが実行されるまで利用される。
９．続いて、記憶されている較正関数で濃度計算を実行する。これは、求められる精度ないし求められる測定範囲に応じて、たとえば一次関数、二次関数、もしくは指数関数で行うことができる。
【００５０】
左右対称な構造の場合の比率係数Ｆを求めるには、同じく一定の時間でセンサの作動中に参照放射源をスイッチ投入する。２つの有効光路が等しい長さであるかどうかを制御するため、たとえば使用開始前に測定されるべきガスの既知のガス濃度をセンサに供給して、測定放射源ないし参照放射源の濃度依存性をチェックする。依存性が同じであれば、たとえば参照源で濃度較正を１回だけ実施する。
【００５１】
時点ｔ_１における測定源の消耗を修正するためのアルゴリズムは、図式的に言えば次のように進行する：
１．まず最初に、測定源を作動させて検出器信号Ｕ_Ｍ（ｔ_１）を測定する。
２．次いで、参照源を作動させて検出器信号Ｕ_Ｒ（ｔ_２）を測定する。
３．比率係数Ｆの算定は、Ｕ_Ｍ（ｔ_１）とＵ_R（ｔ_２）のそれぞれの値を比較することで行う。たとえば次のようになる：Ｆ（ｔ_１）＝Ｕ_Ｒ（ｔ_２）／Ｕ_Ｍ（ｔ_１）
４．引き続いて測定源による測定を繰り返して行い、検出器信号Ｕ_Ｍ（ｔ_３）と、修正プロセスの開始時における値Ｕ_Ｍ（ｔ_１）とを比較する。許容される以上に大きな差異が存在していれば（その基準は事前に決めておく）、測定を繰り返さなくてはならない。時間間隔（ｔ_２−ｔ_１）および（ｔ_３−ｔ_１）は、拡散に起因して生じるガスセンサの反応時間よりもはるかに短いのが好ましい。それにより、修正プロセスのあいだ、測定されるべきガスの濃度がほぼ一定であることが保証される。
５．そして、上に説明したようにして算出した比率係数Ｆ（ｔ_１）を、消耗に起因して生じる測定源の較正関数のずれを補正するのに利用する。たとえば本例では、これから測定する検出器信号の値と、Ｆ係数とを乗算するのがよい：Ｕ_Ｍ ^{ｋ ｏｒｒ}＝Ｕ_Ｍ ^{ｇｅｍｅｓｓｅｎ}ｘＦ（ｔ_１）。次いで値Ｕ_Ｍ ^ｋｏｒｒと、参照源について記憶されている較正関数とを用いて、測定されるべきガスの濃度の正しい値Ｃを算出する。
６．値Ｆ（ｔ_１）は、次回の修正プロセスが実行されるまで利用される。
７．続いて、参照源について記憶されている較正関数で濃度計算を実行する。これは、求められる精度ないし求められる測定範囲に応じて、たとえば一次関数、二次関数、もしくは指数関数で行うことができる。
【００５２】
測定放射源の消耗の修正は、次のような方策によって行うことができる。
【００５３】
一つの可能性は、測定放射源７が作動しているときの検出器出力信号を、参照放射源８が作動しているときの値に合わせて標準化することにある。この場合、ガスセンサの特性曲線は、参照放射源８を作動させたときの検出器出力信号を対象とすることになる。センサの通常の作動中、検出器１３の出力信号を常に比率係数Ｆと乗算してから、濃度の適合化をするための特性曲線を測定値に適用する。したがって、時間に伴う比率係数Ｆの変化が自動的に考慮される。
【００５４】
別の実施例では放射検出器１３に可変増幅器が後置され、この可変増幅器の増幅度は、最新の比率係数Ｆないし修正係数Ｋの関数として評価・制御装置１４で再調整されて、測定放射源７で作動させたときと参照放射源８で作動させたときの増幅器の出力信号が等しくなるようになっている。この実施例では、従属制御される増幅度が、越えてはならない限界値としての最大値に達することによって、測定放射源７ないしガスセンサの耐用寿命の終わりを早期に発見することが可能である。
【００５５】
さらに別の実施例では測定放射源７が調節可能に構成され、すなわち、測定放射源７の放射強度が評価・制御ユニット１４によって再調整されて、比率係数の特定の値、たとえばＦ＝１、ないしは修正係数の特定の値が、ガスセンサの作動中に常に維持されるようになっている。時点ｔで測定された比率係数Ｆ（ｔ）ないし修正係数Ｋ（ｔ）と、各々の初期値Ｆ（０）ないしＫ（０）との差異が所定の限界値を越えない限り、消耗の補正は上に説明した方策によって行われる。
【００５６】
しかしこの差異が大きくなりすぎて所定の限界値を越えると、たとえば評価・制御装置１４によって信号が生成されて、測定放射源７の耐用寿命の終わりが表示され、通常であればこれに伴ってガスセンサ自体の耐用寿命の終わりが表示される。
【００５７】
ガスセンサ１の利点は故障に対する安全性が高くなることである。測定放射源７が全面的に故障した場合、障害が取り除かれるまでのあいだ、通常、測定放射源７の代わりに測定放射源８で赤外線センサ１を作動させることができる。別の実施例では２つを超える放射源が使用され、それによってセンサの耐用寿命が延びるとともに、上に述べたようなやり方で、たとえば参照放射源の消耗の追加的な補正を行うことができる。
【００５８】
図３は赤外線ガスセンサ２を示しており、ここでは赤外線センサ１（図１，図２）とは異なり、干渉フィルタ１２が放射源７，８とガス測定室１１との間に介在している。
【００５９】
図４は、複数のガス成分を同時に測定するための赤外線ガスセンサ３を示している。この赤外線ガスセンサ３は、一列になって放射源７，８に対向するように配置された複数の放射検出器１５，１６，１７を含んでいる。その間に測定室１１が介在する。放射源７，８は、放射検出器１５，１６，１７に対して左右対称に配置されているので、２つの放射源とそれぞれの放射検出器との間隔は等しくなっており、２つの放射源はそれぞれの放射検出器をほぼ等しく照射する。放射源は、たとえば放射源が配置されている揃え線が、放射検出器１５，１６，１７が配置されている揃え線に対して垂直に延びるように、互いに密着して配置することができる。この赤外線ガスセンサ３は、たとえば測定されるべき３種類のガスないしガス成分用として構成されており、干渉フィルタ１８，１９，２０が内蔵された放射検出器１５，１６，１７は、測定されるべきガスに合わせて異なる波長に調整されている。２種類のガスないしガス成分だけを測定することもでき、第３の検出器は参照用としての役目をし、そのために第３の検出器は、有利にはどのガスも放射吸収をしない（たとえばｅ，０μｍ）波長用として設計された干渉フィルタを有している。さらに、すべての検出器を１つの検出器ハウジングに組み込むことも同じく可能である（直方体検出器）。
【００６０】
図５は、評価・制御装置１４と接続された赤外線ガスセンサ４のさらに別の実施形態を示している。ここでの符号２１は、測定放射源７ないし参照放射源８から出てくる放射を測定室１１に反射するアルミニウム製のリフレクタを表している。この場合、放射源７および８は同一型式の小型グロー放電管として構成されている。放射源７，８の放射は、内側から研磨された特殊鋼管２２によって、波長選択的な放射検出器１３へと案内される。管２２はガス測定室１１を局限している。
【００６１】
さらに、放射検出器１３ないしガスセンサ４全体の温度を記録する温度センサ２３が設けられている。ここで説明した構成部材はすべて、機械的な安定性と電気的な接触を得るために、１枚の配線板２５の上に配置されている。
【００６２】
プラグ２４を介して接続された評価・制御装置１４は、放射検出器１３および温度センサ２３からの出力信号を処理し、放射源７，８を制御し、測定放射源７の消耗に関するデータを記録し、測定ガスの濃度に関する情報を供給する。
【００６３】
図６は、機械的に安定していて再現性のある赤外線ガスセンサ５の構造を得るための、さらに別の実施形態を模式的に示している。このような再現性のある構造を保証するために、金属ブロック２８が使用される。穴は、前置された、または検出器ハウジングに直接組み込まれた光学帯域通過フィルタとともに、放射検出器１３を位置決めする役目を果たす。放射検出器１３に対向するように、検出器１３のところで合流する２本の光路が８°の角度で穿設されている。２つの光路の角度は任意の大きさであってよいが、好ましくは、所与の光路でセンサの寸法ができるだけ小さく保たれるように選択する。測定室１１を構成するこれらの光路に、２つの放射源７および８が、検出器から等しい距離をおくように取り付けられている。光路に対して垂直な３つの穴２６は、拡散して入ってくる検査されるべきガスの流入部としての役目をする。これらの穴は、埃その他の粒子を防ぐためにガス透過性フィルタ２７によって被覆されている。金属ブロック２８全体は、放射源７および８や検出器１３を電気接触させるために配線板２５の上に取り付けられている。検出器の後に組み付けられた温度センサ２３は、温度を記録する役目をする。評価・制御装置への電気接続は、配線板２５に組み込まれているプラグ２４で行われる。
【００６４】
図７は、測定セル３１と、測定放射源７と、参照放射源８と、光学帯域通過フィルタ１２と、音響検出器ないしマイクロフォン３０と、ガス透過性ダイヤフラム２９と、評価・制御装置１４とを備える光音響ガスセンサ６の模式的な構造を断面図で示している。放射源７，８は、有利には互いに密着して配置され、それによって帯域通過フィルタ１２をできるだけ等しく照射するようになっている。それぞれの放射源に独自の帯域通過フィルタが付属している別の実施形態も考えられる。各放射源による測定セル３１の照射具合は、図７ではそれぞれ異なっている。
【００６５】
図８では放射源７，８が、図７とは異なり、測定セル３１の少なくとも１本の対称軸に対して測定セル３１に関して左右対称に配置され、かつ／または実質的に等しい立体角で放射を行う。
【００６６】
放射源７，８はパルス式の動作をするが、それ以外の代替動作も可能である。帯域通過フィルタ１２のところでのフィルタリングの後、放射源７，８から送出された光は測定セル３１に入る。光学帯域通過フィルタ１２の透過領域は、好ましくは測定されるべきガス分子によって吸収される放射だけが透過されるように調整されている。測定されるべきガスがガスセンサ６の周囲にあると、このガスはガス透過性ダイヤフラム２９を通って測定セル３１に侵入し、そこで光を吸収して発熱する。この発熱によってガスは膨張して圧力変調を生成し、この圧力変調がマイクロフォン３０によって電気信号に変換される。測定放射源７は、ガスセンサ６を作動させるために使用される。参照放射源８は、所定の時間間隔で定期的に稀にしか使用されず、それによって測定放射源７の消耗を調べて、測定ガス濃度を算出するときにこれを考慮する。場合によっては参照放射源８を、マイクロフォン３０の機能の監視にも、また測定放射源７が故障したときにセンサを作動させるためにも利用することができる。
【００６７】
マイクロフォンからの出力信号の評価、および消耗の補正は、前述した各実施例と同様にして行われる。
【００６８】
参照測定の回数、およびこれに伴う参照源８の消耗は、図９に示すように、測定放射源に付属する追加の「ローコストな」つまり安価な放射検出器３２（たとえばＳｉフォトダイオード）を単に組み込むことによって、必要最低限に抑えることができる。この場合、追加の放射検出器３２によって測定放射源７の消耗をたとえば８５０ｎｍの波長で監視し、参照放射源８は、検出器３２で測定される測定源７の放射強度が特定の値だけ変化した場合にのみ使用される。
【００６９】
図１０は、サブミニアチュアランプの典型的な消耗の様子を、ＶＣＨ社の型式番号Ｔ１ ５Ｖ ６０ｍＡを例にとって示す図である。このテストのため、２０秒ごとに約２００ｍｓのあいだランプをオンにした。図から明らかにわかるように、信号変化の方向や大きさについて、放射源の消耗に関する一般的な説明をすることはできない。図示しているドリフトは図５に示す左右対称に構成されたガスセンサを対象としたものであり、光路長は２５ｍｍとし、干渉フィルタを内蔵するＰｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社の型式番号ＬＨｉ８０７ ＴＣ Ｇ２の焦電放射検出器を用いている。
【００７０】
図１１は、図１０のうちもっともドリフトしやすい２つの放射源と、それに伴って行われるドリフト補正の結果を示している。図から明らかなように、ここでは約４００００パルスの予備消耗の後、測定放射源の消耗をおよそ±４０ｐｐｍＣＯ_２の誤差範囲で補正することができる。
【００７１】
参照源は、パルス比率（参照源／測定源）が１：４０００の場合、センサの作動時間全体（たとえば１０年）で合計わずか１日分しか作動しないので（Ａ’−Ａ）、参照源のドリフトはきわめて小さく抑えることができる。
【００７２】
図１２には、干渉フィルタを内蔵するＰｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社の型式番号ＬＨｉ８０７ ＴＣ Ｇ２の放射検出器と、型式番号ＶＣＨ Ｔ１ ５Ｖ １１５ＭＡの放射源とを用いた、図５に示す左右対称に構成されたガスセンサについて、ガス測定室の中の測定ガス濃度に対する修正係数Ｆの依存性がＣＯ_２について示されている。図から明らかなように、このセンサの修正係数Ｆの依存性による表示誤差は最大でＣＯ_２１５ｐｐｍである。
【００７３】
図１３は、干渉フィルタを内蔵するＰｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社の型式番号ＬＨｉ８０７ ＴＣ Ｇ５の放射検出器と、型式番号ＶＣＨ Ｔ１ ５Ｖ １１５ｍＡの放射源とを用いた、図５に示す左右対称に構成されたガスセンサの測定結果をＣＨ_４について示している。ここでは測定源を１時間ごとに標準化している。
【００７４】
赤外線ガスセンサの長期不安定性のさらに別の原因は、放射源を作動させるために利用される電圧が時間的に変化する可能性があることである。この電圧の実際の値と、較正の際に設定された値とが違っていると、放射源の放射強度の変化につながり、したがってセンサ信号の時間的な変化につながる。
【００７５】
放射源の放射強度は励起電圧に依存しており、励起電圧は、使用するコンポーネントの種類によっては時間とともにドリフトする可能性があるので、こうしたドリフトに対する補正も必要になる場合がある。本発明によれば、必要なドリフト補正を具体化するために多くの方法を適用することができる。
【００７６】
こうした補正を可能にするため、センサ作動中に、適用している測定記録に応じて放射源に印加される電圧を、放射源のスイッチ投入の前、途中、および後で測定し、較正のときに求めた電圧の初期値と比較する。そうすれば、こうして求めた放射源電圧の変化を、それによって引き起こされるセンサ信号の変化を補正ないし補償するために明確に利用することができる。そのために次のような技術的解決法を採用することができる：
１．センサの製造時に、放射源電圧の変化に対する検出器出力信号の較正を、センサで使用される各々の放射源について求めて記憶しておく（Ｕ較正）。後でセンサの作動時に、このデータを利用して、時間とともに発生する放射源電圧のドリフトを補正する。放射源電圧が初期値からわずかにしか変化していない場合、別の可能性もあり得るが、印加される放射源電圧値に対する検出器信号の依存性はたとえば線形である。必要なＵ較正は、センサの温度較正および濃度較正とともに実施する。そのために、ゼロ空気（測定されるべきガスがゼロである）の中で印加される放射源電圧の複数の（有利には２つの）値で、および場合により測定されるべきガスの少なくとも１つの既知の濃度で、それぞれ検出器信号を求め、そこから得られる関数を記憶しておく。たとえば放射源電圧の初期値での測定と、若干異なる電圧値での２回目の測定とを行う。こうしたＵ較正をどのように実施するかは、技術的に次のようなさまざまな形で解決することができる：ａ）相応に適合化されたセンサ回路で、直接的にさまざまな放射源電圧を生成することができ、これはセンサ独自のマイクロコントローラによって制御される；ｂ）他方、工場でのＵ較正のときに、所要の可変の電圧値を較正台でセンサに外部から印加し、次いで較正データ（Ｕ較正）を記憶することができる。
２．センサ製造時に特定の型式の放射源を使用するときは、同一ロットまたは同一型式の種々の放射源についてシリアル検査をすることで、放射源電圧に対する検出器出力信号の統計的な平均依存性を求めることができる。そしてこの関数によってセンサ作動中に、当該型式ないし当該ロットのランプを備えるすべてのセンサについて、放射源電圧のドリフトを補償する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、参照放射源ないし測定放射源と検出器との間の光路長が任意である、本発明に基づくガスセンサ機構の第１実施例の構造を示す模式図である。
【図２】 図２は、左右対称の構造をもつ、本発明に基づくガスセンサ機構の別の実施例の構造を示す模式図である。
【図３】 図３は、本発明のさらに別の実施例に基づくガスセンサ機構を示す模式図である。
【図４】 図４は、複数のガス成分を検出するための本発明による赤外線ガスセンサを示す模式図である。
【図５】 図５は、本発明に基づく赤外線センサ機構の設計例である。
【図６】 図６は、本発明に基づくガスセンサ機構の別の実施例である。
【図７】 図７は、光音響ガスセンサ機構として構成された本発明の実施例を示す模式的な構造図であり、この場合、各放射源による測定室の照明はそれぞれ異なっていてよい。
【図８】 図８は、光音響ガスセンサ機構として構成された本発明の実施例を示す模式的な構造図であり、この場合、測定室の均等な照明が行われる。
【図９】 図９は、追加の検出器を備える本発明のさらに別の実施例である。
【図１０】 図１０は、さまざまな光における消耗曲線の一例である。
【図１１】 図１１は、測定源の消耗曲線とその補正である。
【図１２】 図１２は、測定ガス濃度に対する比率係数の依存性を示す図である。
【図１３】 図１３は、図５に示すセンサの測定結果を時間軸に沿って示す図である。

Claims (15)

1. ガスセンサ機構であって、放射を放出する放射装置と、ガス測定室と、検出装置と、評価装置からなり、
   評価装置はガス成分および／またはその濃度を検出装置の出力信号に依存して決定し、
   放射装置は少なくとも一つの測定放射源と少なくとも一つの参照放射源を有しており、
   評価装置は、測定放射源が作動している間は参照放射源が通常非活性状態であり、測定放射源の消耗状態をチェックするために時間間隔をおいて参照放射源のスイッチが投入されるよう、参照放射源を制御するようになっており、その結果、測定放射源よりも参照放射源の消耗が少なく、
   評価装置は、参照放射源のスイッチが投入されておりかつ測定放射源のスイッチが投入されている場合に、検出装置からの、測定放射源に基づく出力信号と参照放射源に基づく出力信号との差異に基づき、測定放射源の消耗を判定することを特徴とするガスセンサ機構。
2. 検出装置（１３）が、ガス測定室を通過するときの強度の変化を記録する少なくとも１つの放射検出器を含んでおり、または、ガス測定室の中に入った放射の吸収による測定ガスの圧力変化を記録するマイクロフォンを含んでいることを特徴とする、請求項１記載のガスセンサ機構。
3. 測定放射源（７）と参照放射源（８）が、各々の光路（９，１０）が検出装置（１３）からの等しい有効光路長を有するように配置されており、またはガス測定室の対称軸に対して左右対称に位置していることを特徴とする、請求項１または２記載のガスセンサ機構。
4. ガス測定室が少なくとも１つの対称軸を有しており、検出装置はこれらの対称軸のうちの１つの上に位置しており、測定放射源（７）と参照放射源（８）はこの対称軸に対して左右対称に、検出装置から等しい距離をおいて配置されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のガスセンサ機構。
5. ガス測定室が少なくとも１つの対称軸と、これらの対称軸のうちの１つに対して左右対称に配置された、帯域通過フィルタである光入射窓とを有しており、測定放射源（７）と参照放射源（８）はこの対称軸に対して左右対称に、光入射窓から等しい距離をおいて配置されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のガスセンサ機構。
6. 評価回路（１４）が、参照放射源（８）がスイッチ投入されているときと測定放射源（７）がスイッチ投入されているときの検出装置の各出力信号の比率の変化に基づいて消耗を判定することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のガスセンサ機構。
7. 少なくとも１つの波長選択素子（１２）が設けられており、その波長領域は測定ガスに合わせて調整されるとともに、各放射源とガス測定室との間および／または検出装置の少なくとも１つの放射検出器に付属していることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載のガスセンサ機構。
8. 異なるガス成分および／またはその濃度を測定するために、異なる波長選択素子をもつ複数の放射検出器（１５から１７）が設けられていることを特徴とする、請求項７記載のガスセンサ機構。
9. 波長選択素子が、検出装置に組み込まれた、または検出装置に前置された干渉フィルタとして構成されていることを特徴とする、請求項７または８記載のガスセンサ機構。
10. 消耗を補正するために測定放射源（７）がその放射強度に関して制御可能であることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載のガスセンサ機構。
11. 測定放射源（７）の消耗を補正するために、増幅度を制御可能な増幅器がそれぞれの検出器に後置されていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載のガスセンサ機構。
12. 評価装置（１４）が、差異に依存する計算によって、濃度を決定するときに測定放射源（７）の消耗を考慮することを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載のガスセンサ機構。
13. 消耗によって発生する測定放射源の変化を、測定されるべきガスの吸収帯域とは異なるスペクトル領域で測定する放射検出器が測定放射源（７）に付属しており、その変化が所定の値を上回ったときに参照放射源が作動することを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載のガスセンサ機構。
14. 放射装置は３つの放射源からなり、３つの放射源は、一つの測定放射源と二つの参照放射源、または二つの測定放射源と一つの参照放射源からなることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項記載のガスセンサ機構。
15. 測定放射源及び参照放射源の動作電圧を監視するための監視ユニットと、差異がある場合に電圧を再調整および／または補正するための制御ユニット／調節ユニットとが設けられていることを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか１項記載のガスセンサ機構。

Images