JP5148921B2 - ガス濃度測定装置及び光源駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、ガス濃度測定装置及び光源駆動回路に係り、特に、ガスを充填するセルと、前記セルに赤外線を入射する光源と、前記光源にパルス状の電圧を供給して前記光源を駆動する光源駆動回路と、前記セルを通った前記赤外線の強度を検出する赤外線センサとを有するガス濃度測定装置に関するものである。

ガス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、ガスを充填するセルと、セルにパルス状の赤外線を入射する光源と、セルを通った赤外線のうちガスの吸収波長帯のみを透過するフィルタと、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設けたガス濃度測定装置が提案されている（たとえば特許文献１）。

ところで、セルにパルス状の赤外線を照射するために、図９（Ａ）に示すように、光源にパルス状の電圧を供給すると、電圧供給（点灯）時に暖められた光源のフィラメントが供給停止（消灯）時に大幅に冷却されてしまう。このため、次回の電圧供給（点灯）時に再び高い温度に暖められることになり、図９（Ｂ）に示すように、電圧供給（点灯）時になる毎にフィラメントに突入電流が流れ、フィラメントが早期に切れてしまう問題点があった。

そこで、時間をかけてゆっくり最大電流まで上昇するようなパルス状の電圧を光源に供給することにより、突入電流を防いだ光源駆動回路が特許文献１で提案されている。この光源駆動回路について図１０を参照して説明する。

同図に示すように、光源駆動回路Ｋは、光源７を駆動するための駆動パルスのデューティ比を変更するための変更回路１０４からの信号に基づいて、２つのＦＥＴ、ＦＥＴをＯＮ−ＯＦＦ制御することにより光源７の駆動制御を行うようにしている。そして、前記２つのＦＥＴ、ＦＥＴがＯＮした場合に、電圧電流供給回路１０５により光源７を駆動するようにしている。つまり、光源駆動回路Ｋを変更回路１０４と電圧電流供給回路１０５とから構成している。

前記電圧電流供給回路１０５は、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３の他、安定的な特性が得られるように配置されたオペアンプ１０６、電圧を一定に保持するための定電圧ダイオード１０７、電流制御を行うためのコンデンサ１０８を有している。前記コンデンサ１０８により、時間をかけてゆっくり最大電圧まで上昇するようなパルス状の電圧を光源に供給して、突入電流の発生を防ぎ、光源７の寿命を長くしている。
特開平１０−３３９６９８号公報

しかしながら、上述した光源駆動回路Ｋは、２つのＦＥＴ、ＦＥＴを互いに直列に接続している。このため、２つのＦＥＴ、ＦＥＴがオフの期間にＦＥＴとＦＥＴとの間の接続点の電位が不安定になり、変更回路１０４からの駆動パルスがＬレベルでオフ期間にも係わらず２つのＦＥＴ、ＦＥＴがオンしてしまう恐れがあり、電圧供給のコントロールが不安定であった。

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、時間をかけてゆっくり最大まで上昇するようなパルス状の電圧を安定して光源に供給することができるガス濃度測定装置及び当該ガス濃度測定装置に用いられる光源駆動回路を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、ガスを充填するセルと、前記セルに赤外線を入射する光源と、前記光源にパルス状の電圧を供給して前記光源を駆動する光源駆動回路と、前記セルを通った前記赤外線の強度を検出する赤外線センサとを有するガス濃度測定装置において、前記光源駆動回路が、前記電圧を供給する電源−グランド間に前記光源と直列に接続された第１半導体スイッチと、出力端子が前記第１半導体スイッチのベース又はゲートに接続されると共にマイナス入力端子がグランドに接続された演算増幅器と、前記演算増幅器のプラス入力端子−前記グランド間に設けられた第２半導体スイッチと、前記演算増幅器のプラス入力端子−前記第２半導体スイッチ間に前記電源からの電圧の積分値を供給する積分回路と、を有し、前記第１半導体スイッチの前記電源側が、前記電源に直接接続され、前記光源の前記グランド側、及び前記演算増幅器のマイナス入力端子が、抵抗のみを介して前記グランドに直接接続されていることを特徴とするガス濃度測定装置に存する。

請求項２に記載の発明は、ガス濃度を測定するために前記ガスを充填したセルに赤外線を入射する光源にパルス状の電圧を供給して前記光源を駆動する光源駆動回路において、前記電圧を供給する電源−グランド間に前記光源と直列に接続された第１半導体スイッチと、出力端子が前記第１半導体スイッチのベース又はゲートに接続されると共にマイナス入力端子がグランドに接続された演算増幅器と、前記演算増幅器のプラス入力端子−前記グランド間に設けられた第２半導体スイッチと、前記演算増幅器のプラス入力端子−前記第２半導体スイッチ間に前記電源からの電圧の積分値を供給する積分回路と、を有し、前記第１半導体スイッチの前記電源側が、前記電源に直接接続され、前記光源の前記グランド側、及び前記演算増幅器のマイナス入力端子が、抵抗のみを介して前記グランドに直接接続されていることを特徴とする光源駆動回路に存する。

請求項１及び２記載の発明によれば、第２半導体スイッチをオンすると演算増幅器のプラス入力端子がグランドレベルになる。これにより、演算増幅器の出力が０となり、第１半導体スイッチがオフとなるため、光源に流れる電流が０となる。第２半導体スイッチをオフすると演算増幅器のプラス入力端子には積分回路により電圧の積分値、即ち時間をかけてゆっくり最大まで上昇するような電圧が供給される。これにより、演算増幅器の出力も時間をかけてゆっくり最大まで上昇するため、光源に時間をかけてゆっくり最大まで上昇するようなパルス状の電圧を供給して突入電流の発生を防ぐことができる。また、第１及び第２半導体スイッチを直列接続しない構成にすることにより、第１及び第２半導体スイッチのオンオフを安定させることができる。

以上説明したように請求項１及び２記載の発明によれば、第２半導体スイッチをオンすると演算増幅器のプラス入力端子がグランドレベルになる。これにより、演算増幅器の出力が０となり、第１半導体スイッチがオフとなるため、光源に流れる電流が０となる。第２半導体スイッチをオフすると演算増幅器のプラス入力端子には積分回路により電圧の積分値、即ち時間をかけてゆっくり最大まで上昇するような電圧が供給される。これにより、演算増幅器の出力も時間をかけてゆっくり最大まで上昇するため、光源に時間をかけてゆっくり最大まで上昇するようなパルス状の電圧を供給して突入電流の発生を防ぐことができる。また、第１及び第２半導体スイッチを直列接続しない構成にすることにより、第１及び第２半導体スイッチのオンオフを安定させることができるので、時間をかけてゆっくり最大まで上昇するようなパルス状の電圧を安定して光源に供給することができる。

以下、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置及び光源駆動回路を、図１乃至図８を参照して説明する。

ガス濃度測定装置１は、図２に示すように、濃度の測定対象の気体を含んだ雰囲気が充填される気体サンプル室２と、制御回路部３と、受光回路部４と、濃度算出部としてのマイクロコンピュータ（以下、μｃｏｍと記載する）５と、を備えている。

気体サンプル室２は、図１に示すように、本体部としてのセル６と、光源７と、受光ユニット８とを備えている。セル６は、筒状に形成されている。図示例では、セル６は、四角筒状に形成されている。セル６には、セル６内に雰囲気を導くガス吸入口９ａと、セル６内の雰囲気を外部に導くガス出口９ｂとが設けられている。即ち、気体サンプル室２は、ガス吸入口９ａ、ガス出口９ｂを備えている。ガス吸入口９ａ、ガス出口９ｂは、セル６の外壁６ａを貫通していて、セル６内の気体を雰囲気と等しくするものである。

光源７は、セル６内でかつ当該セル６の一端部に設けられている。光源７は、電圧が印加されることで、光としての赤外線をセル６の他端部に向かって放射する。光源７として、例えば黒体炉、電球等が用いられる。

受光ユニット８は、図３及び図４に示すように、ユニット本体１１と、複数の受光器１２と、集光部材１３と、を備えている。ユニット本体１１即ち受光ユニット８は、セル６内でかつ当該セル６の他端部に設けられている。ユニット本体１１は、箱状に形成されている。

受光器１２は、図示例では、四つ設けられている。受光器１２は、それぞれ、センサとしての赤外線センサ１４と、フィルタ１５とを備えている。赤外線センサ１４は、ユニット本体１１に取り付けられている。複数の受光器１２の赤外線センサ１４は、同一平面上に配置されている。赤外線センサ１４は、光源７が発光しかつフィルタ１５を透過した赤外線を受光し、この赤外線の熱を電気エネルギーに変換する。赤外線センサ１４は、赤外線の熱を電気エネルギーに変換して、センサ出力としてμｃｏｍ５に出力する。赤外線センサ１４として、例えば、焦電型、サーモパイル型のものが用いられる。

フィルタ１５は、ユニット本体１１に取り付けられて、赤外線センサ１４と光源７との間に配置されている。複数の受光器１２のフィルタ１５は、同一平面上に配置されている。フィルタ１５は、それぞれ、光源７からの赤外線のうち予め定められた波長の赤外線のみを透過して、当該透過した波長の赤外線を赤外線センサ１４まで導ける。複数の受光器１２のフィルタ１５は、互いに透過する赤外線の波長が異なる。フィルタ１５は、図７にその透過率が示された二酸化炭素の濃度を測定するために用いられる際には、例えば、波長が４．２７μｍの赤外線のみを透過する。

フィルタ１５は、その透過する赤外線の波長は、ガス濃度測定装置１が濃度の測定対象とする気体に応じて定められる。つまり、フィルタ１５を透過する赤外線の波長は、濃度の測定対象の気体に対する透過率が小さな赤外線の波長にされる。なお、受光器１２は、二酸化炭素以外にも水蒸気、一酸化炭素を測定対象の気体とする。図示例では、一つの受光器１２は、基準として用いられ、そのフィルタ１５が大気中で全く減衰しない波長（４．０μｍ又は１．５μｍ）の赤外線を透過する。他の一つの受光器１２は、二酸化炭素の濃度を測定するために用いられ、そのフィルタ１５が前述した二酸化炭素中で減衰しやすい波長（４．２７μｍ）の赤外線のみを透過する。更に他の受光器１２は、水蒸気の濃度を測定するために用いられ、そのフィルタ１５が前述した水蒸気中で減衰しやすい波長（１．９μｍ）の赤外線のみを透過する。更に別の受光器１２は、一酸化炭素の濃度を測定するために用いられ、そのフィルタ１５が前述した一酸化炭素中で減衰しやすい波長（４．６４μｍ）の赤外線のみを透過する。

なお、図８は、二酸化炭素に対する赤外線の透過率を示しており、図８中の横軸は赤外線の波長（μｍ）を示し、図８中の縦軸は赤外線の透過率（％）を示している。図８によれば、波長が４．２７μｍの赤外線の二酸化炭素中の透過率が、略零であることが示されており、波長が４．２７μｍの赤外線は、二酸化炭素中を殆ど透過しない（殆ど吸収されてしまう）ことが示されている。

集光部材１３は、例えば３００度などの所定の角度の範囲の赤外線を集光して、フィルタ１５つまり赤外線センサ１４に集中させる。すると、光源７から直接入射する赤外線以外にも、測定セル６の外壁６ａの内面で反射する赤外線も赤外線センサ１４に集めることができるので、赤外線の受光効率を良くすることができる。なお、集光部材１３として、フレーネルレンズ等を用いることができる。

受光回路部４は、図５に示すように、複数のアンプ１９と、切り換え器２０と、Ａ／Ｄ変換器２１とを備えている、アンプ１９は、それぞれ、受光器１２と１対１に対応して設けられている。アンプ１９は、対応する受光器１２の赤外線センサ１４からの信号を増幅して、切り換え器２０を介してＡ／Ｄ変換器２１に向かって出力する。Ａ／Ｄ変換器２１は、赤外線センサ１４からの信号をデジタル信号に変換して、μｃｏｍ５に向かって出力する。

μｃｏｍ５は、制御回路部３及び受光回路部４と接続して、これらの動作を制御することで、ガス濃度測定装置１全体の動作をつかさどる。μｃｏｍ５は、予め定められたプログラムに従って動作するコンピュータである。このμｃｏｍ５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）、ＣＰＵ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ＲＯＭ、各種のデータを格納するとともにＣＰＵ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ＲＡＭ等を有して構成している。

また、μｃｏｍ５には、ガス濃度測定装置１自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が接続している。そして、このメモリには、濃度の算出に必要な後述する吸光係数、測定距離、濃度変換係数等の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。

制御回路部３は、図２に示すように、発振器１６、クロック分周回路１７、光源駆動回路１８などを備えており、μｃｏｍ５の命令とおりに、所定の周波数で光源７を点滅させる。このように光源７を点滅させることにより、セル６にはパルス状の赤外線が入射される。上記発振器１６は、パルス信号を出力する。クロック分周回路１７は、発振器１６からのパルス信号を分周して所望の周波数のパルス信号を出力する。光源駆動回路１８は、クロック分周回路１７からのパルス信号に応じて所望の電流を光源７に供給する。

次に、上記光源駆動回路１８の構成について図６を参照して説明する。同図に示すように、光源駆動回路１８は、第１半導体スイッチとしてのＮＰＮ型のスイッチングトランジスタＴＲと、演算増幅器としてのオペアンプ１８１と、第２半導体スイッチとしてのＮ型の電界効果トランジスタ（以下ＦＥＴ）Ｑと、積分回路１８２とを備えている。

上記光源７は、抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ２に並列に接続されている。抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ１は、互いに並列に接続されている。抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ１とは、互いに直列に接続されている。光源７は、抵抗Ｒ３を介してグランドに接続されている。

スイッチングトランジスタＴＲは、コレクタが電源Ｖｃｃに接続され、エミッタが光源７に接続されている。よって、スイッチングトランジスタＴＲは、電源Ｖｃｃ−グランド間に光源７と直列に接続されている。

オペアンプ１８１は、出力端子が抵抗Ｒ４を介してスイッチングトランジスタＴＲのベースに接続され、マイナス入力端子が抵抗Ｒ２、Ｒ３を介してグランドに接続されている。ＦＥＴＱは、ドレインがオペアンプ１８１のプラス入力端に接続され、ソースがグランドに接続されている。よって、ＦＥＴＱは、オペアンプ１８１のプラス入力端子−グランド間に設けられている。ＦＥＴＱのゲートには、インバータ１８３を介してクロック分周回路１７からのパルス信号が供給されている。

積分回路１８２は、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ２とから構成されている。積分回路１８２には、電源Ｖｃｃを抵抗Ｒ６と可変抵抗ＶＲとで分圧した分圧値が入力されている。積分回路１８２は、電源Ｖｃｃの分圧値を積分して、その積分値をオペアンプ１８１のプラス入力端子−ＦＥＴＱのドレイン間に供給する。

上述した構成のガス濃度測定装置１の動作について図７のタイムチャートを参照して以下説明する。まず、発振器１６が発振してパルス信号を出力すると、クロック分周回路１７がパルス信号を分周して所望の周波数のパルス信号を光源駆動回路１８に出力する（図７（Ａ））。インバータ１８３は、クロック分周回路１７からＬレベルのパルス信号が供給されると、Ｈレベルの信号を出力する（図７(Ｂ)）。ＦＥＴＱは、インバータ１８３からのＨレベルの信号の供給に応じてオンする。ＦＥＴＱがオンすると、オペアンプ１８１のプラス入力端子がグランドレベルになり（図７（Ｃ））、オペアンプ１８１の出力が０となる。

オペアンプ１８１の出力が０のとき、スイッチングトランジスタＴＲに流れる電流が０となり、光源７に加える電流が０となる（図７（Ｄ））。これに対して、インバータ１８３は、クロック分周回路１７からＨレベルのパルス信号が供給されると、Ｌレベルの信号を出力する（図７(Ｂ)）。ＦＥＴＱは、インバータ１８３からのＬレベルの信号の供給に応じてオフする。ＦＥＴＱがオフすると、オペアンプ１８１のプラス入力端子には積分回路１８２により電源Ｖｃｃの積分値、即ち時間をかけてゆっくり最大まで上昇するような電圧が供給される（図７（Ｃ））。これにより、オペアンプ１８１の出力も時間をかけてゆっくり最大まで上昇するため、スイッチングトランジスタＴＲ及び光源７に時間をかけてゆっくり最大まで上昇する電圧が供給される。この結果、図７（Ｄ）に示すように、光源７が消灯から点灯されるときに生じる突入電流を防ぎつつ光源７を点滅させることができる。

また、スイッチングトランジスタＴＲ及びＦＥＴＱを直列接続しない構成にして、スイッチングトランジスタＴＲのエミッタをグランドに接続し、ＦＥＴＱのソースもグランドに接続しているため、ＦＥＴＱ、スイッチングトランジスタＴＲのオンオフをＦＥＴＱのゲートに供給する電圧により安定してオンオフさせることができる。上記光源駆動回路１８によれば、時間をかけてゆっくり最大まで上昇するようなパルス状の電圧を安定して光源７に流すことができる。

そして、この光源７に電圧が供給されて電流が流れると、光源７からの赤外線がセル６に入射され、セル６を通過した後、受光器１２に入射される。この赤外線の入射に応じて基準となる受光器１２からは基準のセンサ出力が出力される。また、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素の濃度を測定するための受光器１２からは各々、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素の濃度に応じたセンサ出力が出力される。μｃｏｍ５は、受光回路部４を介して各受光器１２からのセンサ出力を取り込み、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素の濃度を測定する。

なお、上述した実施形態によれば、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素の複数種のガス濃度を測定していたが、本発明はこれに限ったものではない。測定するガスは一種類であってもよい。また、濃度を測定するガスも二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素に限ったものではなく、例えば、ＮＯ_ｘ、ＳＯ_ｘ、Ｈ_２Ｓ、Ｏ_３、ＣＨ_４、ＮＯの濃度を測定するものであってもよい。

また、上述した実施形態によれば、第１半導体スイッチとしてスイッチングトランジスタＴＲを用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。第１半導体スイッチとしては、コレクタ（ドレイン）―ベース（ゲート）間の電圧差に応じてコレクタ（ドレイン）−エミッタ（ソース）間に流れる電流量を制御できるスイッチであればよく、例えばＦＥＴを用いても良い。

また、上述した実施形態によれば、第２半導体スイッチとして、ＦＥＴＱを用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。第２半導体スイッチとしては、コレクタ（ドレイン）―ベース（ゲート）間の電圧差に応じてオンオフするスイッチであればよく、例えばトランジスタであってもよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態にかかるガス濃度測定装置の気体サンプル室の構成を模式的に示す斜視図である。 図１に示されたガス濃度測定装置の構成を示す説明図である。 図１に示された気体サンプル室の受光ユニットの正面を模式的に示す説明図である。 図３中のＶＩ−ＶＩ線の断面を模式的に示す説明図である。 図２に示されたガス濃度測定装置の受光回路部の構成を示す説明図である。 図２に示されたガス濃度測定装置の光源駆動回路の構成を示す電気回路図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、クロック分周回路の出力、インバータの出力、オペアンプのプラス入力端子の出力、光源への供給電流のタイムチャートを示す。 二酸化炭素に対する赤外線の透過率を示したグラフである。 従来の問題点を説明するためのタイムチャートである。 従来の光源駆動回路の一例を示す電気回路図である。

符号の説明

６ セル
７ 光源
１４ 赤外線センサ
１８ 光源駆動回路
１８１ オペアンプ（演算増幅器）
１８２ 積分回路
ＴＲ スイッチングトランジスタ（第１半導体スイッチ）
Ｑ 電界効果トランジスタ（第２半導体スイッチ）
Ｖｃｃ 電源

Claims (2)

1. ガスを充填するセルと、前記セルに赤外線を入射する光源と、前記光源にパルス状の電圧を供給して前記光源を駆動する光源駆動回路と、前記セルを通った前記赤外線の強度を検出する赤外線センサとを有するガス濃度測定装置において、
   前記光源駆動回路が、
   前記電圧を供給する電源−グランド間に前記光源と直列に接続された第１半導体スイッチと、
   出力端子が前記第１半導体スイッチのベース又はゲートに接続されると共にマイナス入力端子がグランドに接続された演算増幅器と、
   前記演算増幅器のプラス入力端子−前記グランド間に設けられた第２半導体スイッチと、
   前記演算増幅器のプラス入力端子−前記第２半導体スイッチ間に前記電源からの電圧の積分値を供給する積分回路と、を有し、
   前記第１半導体スイッチの前記電源側が、前記電源に直接接続され、
   前記光源の前記グランド側、及び前記演算増幅器のマイナス入力端子が、抵抗のみを介して前記グランドに直接接続されている
   ことを特徴とするガス濃度測定装置。
2. ガス濃度を測定するために前記ガスを充填したセルに赤外線を入射する光源にパルス状の電圧を供給して前記光源を駆動する光源駆動回路において、
   前記電圧を供給する電源−グランド間に前記光源と直列に接続された第１半導体スイッチと、
   出力端子が前記第１半導体スイッチのベース又はゲートに接続されると共にマイナス入力端子がグランドに接続された演算増幅器と、
   前記演算増幅器のプラス入力端子−前記グランド間に設けられた第２半導体スイッチと、
   前記演算増幅器のプラス入力端子−前記第２半導体スイッチ間に前記電源からの電圧の積分値を供給する積分回路と、を有し、
   前記第１半導体スイッチの前記電源側が、前記電源に直接接続され、
   前記光源の前記グランド側、及び前記演算増幅器のマイナス入力端子が、抵抗のみを介して前記グランドに直接接続されている
   ことを特徴とする光源駆動回路。

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