JP6571476B2

JP6571476B2 - ガス濃度測定装置

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Publication number: JP6571476B2
Application number: JP2015193898A
Authority: JP
Inventors: 圭一郎桑田; 聖一徳尾
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: JP2017015678A

Description

本発明は、ガス濃度測定装置に関し、より詳細には、２濃度検査にて高精度なガス濃度測定が可能な算出式を用いたガス濃度測定装置に関する。

従来から大気中の測定対象ガスの濃度測定を行うガス濃度測定装置として、ガスの種類によって吸収される赤外線の波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する非分散赤外吸収型（Ｎｏｎ−ＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＩｎｆｒａｒｅｄ）ガス濃度測定装置が知られている。この原理を用いたガス濃度測定装置としては、例えば、測定対象ガスが吸収特性を持つ波長に限定した赤外線を透過するフィルタ（透過部材）と赤外線センサを組み合わせ、赤外線の吸収量を測定することによってガスの濃度を測定するようにしたものが挙げられる。

また、この原理の応用を用いたガス濃度測定装置として、例えば、特許文献１に記載のものは、測定対象ガスによる赤外線の吸収が生じない波長域の赤外線を選択的に透過する参照用フィルタと、測定対象ガスによる赤外線の吸収が生じる波長域の赤外線を選択的に透過する測定用フィルタをそれぞれ配置した赤外線検出素子を複数配置し、それぞれの赤外線検出素子からの出力信号に基づいて測定対象ガスの検出や濃度測定をしており、検出精度や出力の安定性を向上させた炭酸ガス濃度測定装置及び炭酸ガス検出方法である。
以下、これらも含めて、ガス濃度測定装置及びガス濃度測定方法ともいう。その動作原理は、波長による吸収度合いの差異を、炭酸ガス検出に応用したものである。光源であるセラミックヒータから放射された赤外線において、波長４．３μｍ付近の赤外線は、気体容器内の炭酸ガスにより吸収されて、その放射強度が低下する。一方、波長３．９μｍの赤外線は、炭酸ガスによる吸収はなく、その放射強度が低下することはない。

そして、ガス測定装置の気体容器内を通過した異なる波長を含む赤外線から、波長４．３μｍと波長３．９μｍとの２波を、２波それぞれに対応した通過帯域を有する２種類の光学フィルタで濾波選別する。これら波長の異なる赤外線それぞれの放射強度に基づいて、気体容器内の炭酸ガスの濃度が算出される。セラミックヒータの放射強度分布は、炭酸ガスの赤外線吸収スペクトルを含む、２μｍ〜５０μｍの波長領域でブロードであり、炭酸ガスの赤外線吸収スペクトル付近の波長領域で十分な放射強度を有する。したがって、光源にセラミックヒータを用いたガス測定装置の検出精度及び出力の安定性は向上する。

特開平９−３３４３１号公報

非分散赤外吸収型ガス濃度測定装置では、理想的にはランバートベールの法則（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ＿ｌａｗ）に基づいて得られる下記式（１）に則った測定用赤外線検出部の出力が得られる。

（式中、ｃはガスの濃度、εは吸光度係数、ｌ（エル）は実態的な光路長、Ｖ_ｏｕｔ（０）は測定対象ガスによる吸収が無い場合の測定用赤外線検出部の仮想出力、Ｖ_ｏｕｔは測定対象ガスによる吸収が有る場合の測定用赤外線検出部の出力である。）
しかし、測定用赤外線検出部の出力に含まれる回路的、光学的オフセットなど影響によって、実際の出力特性は式（１）のようなＬｏｇの関数から乖離する。ここでいう回路的オフセットとは、例えば測定用赤外線検出部に含まれる増幅回路によって生じる。また、光学的オフセットとは、例えば測定対象ガスによって吸収されない波長の光の測定用赤外線検出部への入射等によって生じる。

さらに、光源から測定用赤外線検出部までの光路長や、測定対象ガスによる吸収が無い場合の測定用赤外線検出部の仮想出力は個体ごとにばらつきが生じる。
そのため、２濃度検査を前提に測定対象ガスの濃度値を演算する場合、従来は、例えば、測定用赤外線検出部の出力を変数とし測定対象ガスの濃度を出力する２次関数を定義し、２次関数に含まれる３つの係数のうち１つの係数を固定値とし、２濃度の検査から残りの２つの係数を求めることで、濃度演算用の関数を決定していた。しかしこの演算方法では、回路的、光学的オフセットの影響や多数の光路の影響、光路長や測定対象ガスによる吸収が無い場合の測定用赤外線検出部の仮想出力ばらつきの影響を完全に補償できないため、演算精度は低いものであった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、２濃度検査にて、高精度なガス濃度測定が可能なガス濃度測定装置を提供することにある。

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の発明により上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
本発明の様態は、光源と、光源からの光を受光し、光に応じた信号である測定出力を出力する測定用赤外線検出部と、測定出力が入力される演算部と、を備えたガス濃度測定装置であって、演算部は、第１の濃度の測定対象ガス中で光源を点灯させた時に測定用赤外線検出部が出力する第１の測定出力と、第１の濃度と異なる第２の濃度の測定対象ガス中で光源を点灯させた時に測定用赤外線検出部が出力する第２の測定出力と、基準濃度算出式から求まる濃度が第１の濃度であるときの変数の値である第１の解と、基準濃度算出式から求まる濃度が第２の濃度であるときの変数の値である第２の解と、から得られる係数と、基準濃度算出式を第１の解と第１の濃度で補正した式と、第１の濃度と、を含む濃度算出式に、測定時の測定出力を第１の測定出力で規格化して代入することで測定対象ガスの濃度を演算するガス濃度測定装置である。

本発明によれば、高精度なガス濃度測定が可能な演算を用いたガス濃度測定装置を実現することが可能になる。

本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態を説明するための図である。本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態において、参照用赤外線検出部を追加した構成を説明するための図である。上述した実施例と比較例を対比した結果を示す図である。

以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

［実施形態］
図１は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態を説明するための図である。図中符号１はガス濃度測定装置、１０はガスセル、１１はガス導入口、１２はガス導出口、２０は光源、３１は測定用赤外線検出部、４０は演算部、Ｌは最短距離の光路長を示している。なおここでは参考のため、ガスセル１０を明示しているが、本発明においてガスセルは必須の構成ではなく、ガスセルの無い形態でも試験容器内等にガス濃度測定装置を配置することで下記と同様の２濃度検査を行うことが可能である。

本実施形態のガス濃度測定装置１は、光源２０と、光源２０からの光を受光し、光に応じた信号である測定出力を出力する測定用赤外線検出部３１と、測定出力が入力される演算部４０と、を備えたガス濃度測定装置である。
演算部４０は、第１の濃度の測定対象ガス中で光源２０を点灯させた時に測定用赤外線検出部３１が出力する第１の測定出力と、第１の濃度と異なる第２の濃度の測定対象ガス中で光源２０を点灯させた時に測定用赤外線検出部３１が出力する第２の測定出力と、基準濃度算出式から求まる濃度が第１の濃度であるときの変数の値である第１の解と、基準濃度算出式から求まる濃度が第２の濃度であるときの変数の値である第２の解と、から得られる係数と、基準濃度算出式を第１の解と第１の濃度で補正した式と、第１の濃度と、を含む濃度算出式に、測定時の測定出力を第１の測定出力で規格化して代入することで測定対象ガスの濃度を演算する。これにより、２濃度検査にて、高精度なガス濃度測定が可能なガス濃度測定装置を提供することが可能となる。

また、本実施形態のガス濃度測定装置１において、係数が、第２の測定出力と第１の測定出力の比と、第２の解と第１の解の比と、から得られるものであってもよい。これによりさらに高精度な濃度演算が可能になるという効果を奏する。
また、本実施形態のガス濃度測定装置１において、基準濃度算出式がｎ次多項式であり、濃度算出式は、基準濃度算出式の１次〜ｎ次の係数を、第１の解で補正し、０次の係数を第１の濃度で補正した式に、係数をかけ、さらに第１の濃度を足し合わせた式でああってもよい。これによりさらに高精度な濃度演算が可能になるという効果を奏する。
また、本実施形態のガス濃度測定装置１における基準濃度算出式がｎ次多項式（式（２））である場合、具体的なガス濃度の演算方法の一例としては、下記式（３）が挙げられる。

（式中、ａ_ｎはｎ次の係数、Ｖ_ｓｔｄは基準濃度算出式の変数である。）

（式中、ｃはガスの濃度、ｃ_１は第１の濃度、ｃ_２は第２の濃度、Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_１）は第１の濃度における測定出力、Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_２）は第２の濃度における測定出力、Ｖ_ｓｔｄ（ｃ_１）は基準濃度算出式の出力が第１の濃度であるときの変数、Ｖ_ｓｔｄ（ｃ_２）は基準濃度算出式の出力が第２の濃度であるときの変数、Ｖ_ｏｕｔは測定時の測定出力である。）
式（３）は、第１の濃度および第２の濃度の、それぞれの濃度における測定出力Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_１）、Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_２）と、それぞれの濃度における基準濃度算出式の変数Ｖ_ｓｔｄ（ｃ_１）、Ｖ_ｓｔｄ（ｃ_２）と、基準濃度算出式のｎ次の係数ａ_ｎを定数としており、測定時の測定出力Ｖ_ｏｕｔを代入することのみで、濃度演算が可能であることが理解される。

ここで式（３）をみると、基準濃度算出式の式（２）を本実施形態のガス濃度測定装置の濃度特性に即した演算式のように補正した形式となっており、これにより光源から測定用赤外線検出部までの光路長や、測定対象ガスによる吸収が無い場合の測定用赤外線検出部の仮想出力の個体ばらつきの影響が低減され、より高精度にガス濃度を演算することが可能となることがわかる。
また、本実施形態のガス濃度測定装置１における基準濃度算出式が対数関数（式（４））である場合、ガス濃度の具体的な演算方法の一例としては、式（５）が挙げられる。

（式中、ｄ_１〜４は基準濃度算出式の係数である。）

上記式（５）は、第１の濃度および第２の濃度の、それぞれの濃度における測定出力Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_１）、Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_２）と、それぞれの濃度における基準濃度算出式の変数Ｖ_ｓｔｄ（ｃ_１）、Ｖ_ｓｔｄ（ｃ_２）と、基準濃度算出式の係数ｄ_１〜４を定数としており、測定時の測定出力Ｖ_ｏｕｔを代入することのみで、濃度演算が可能であることが理解される。
ここで式（５）をみると、基準濃度算出式の式（４）を本実施形態のガス濃度測定装置の濃度特性に即した演算式のように補正した形式となっており、これにより光源から測定用赤外線検出部までの光路長や、測定対象ガスによる吸収が無い場合の測定用赤外線検出部の仮想出力の個体ばらつきの影響が低減され、より高精度にガス濃度を演算することが可能となることがわかる。

また、式（５）と式（３）より、実施形態のガス濃度測定装置において、第１の濃度の測定対象ガス中で光源を点灯させた時に測定用赤外線検出部が出力する第１の測定出力と、第１の濃度と異なる第２の濃度の測定対象ガス中で光源を点灯させた時に測定用赤外線検出部が出力する第２の測定出力と、濃度算出式から求まる濃度が第１の濃度であるときの変数の値である第１の解と、基準濃度算出式から求まる濃度が第２の濃度であるときの変数の値である第２の解と、から得られる係数と、基準濃度算出式を第１の解と前記第１の濃度で補正した式と、第１の濃度と、を含む濃度算出式に、測定時の測定出力を第１の測定出力で規格化して代入することで、高精度な濃度演算が可能になることが理解される。
また、式（５）と式（３）より、本実施形態のガス濃度測定装置において、係数が、第２の測定出力と第１の測定出力の比と、第２の解と第１の解の比と、から得ることで、高精度な濃度演算が可能になることが理解される。

＜式（３）の導出＞
以下、式（３）の導出過程について説明する。
ランバートベールの法則（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ＿ｌａｗ）より、本実施形態のガス濃度測定装置では、式（６）に基づいて測定対象ガスの濃度を演算できるはずである。

（式中、ｃはガスの濃度、εは吸光度係数、ｌ（エル）は実態的な光路長、Ｖ_ｏｕｔ（０）は測定対象ガスによる吸収が無い場合の仮想の測定出力、Ｖ_ｏｕｔは測定時の測定出力である。）
しかし、式（６）は個体ごとにばらつく実態的な光路長ｌや測定対象ガスによる吸収が無い場合の仮想の測定出力Ｖ_ｏｕｔ（０）を含んでいる。そこで、任意の既知の第１の濃度および第２の濃度における測定出力から、これらのばらつき要因を含まない数式を導出する。
任意の既知の第１の濃度の測定対象ガス中で前記光源を点灯させた時に測定用赤外線検出部が出力する第１の測定出力Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_１）とすると、第１の濃度ｃ_１は式（７）で表される。

上記式（６）、（７）から、下記式（８）が得られる。

任意の既知の第２の濃度ｃ_２の測定対象ガス中で、光源を点灯させた時に得られる測定用出力をＶ_ｏｕｔ（ｃ２）とし、上記式（８）に代入して変形すると、式（９）が得られる。

式（８）に式（９）を代入すると式（１０）を得ることが出来る。

しかしながら、測定用赤外線検出部の出力に含まれる回路的、光学的オフセットの影響などによって、実際の特性は上記式（１０）のようなＬｏｇの関数からは乖離がある。回路的オフセットは、例えば測定用赤外線検出部に含まれる増幅回路で生じる。また、光学的オフセットは、例えば測定対象ガスによって吸収されない波長の光の測定用赤外線検出部への入射等によって生じる。
そこで、式（２）のような基準濃度算出式を定義し、そこから濃度算出式を導出する。ここでの基準濃度算出式とは、本実施形態のガス濃度測定装置と近いガス濃度特性を示す、別個体のガス濃度測定装置におけるガス濃度特性の近似式、つまりは濃度算出式である。

（式中、ａ_ｎはｎ次の係数、Ｖ_ｓｔｄは基準濃度算出式の変数である。）
式（１０）を式（１１）のように変形する。

（式中、Ｖ_ｓｔｄ（ｃ_１）は基準濃度算出式から求まる値が第１の濃度であるときの基準濃度算出式の変数である。）
また、式（１０）のＬｏｇの関数を多項式に置き換えると、式（１２）が得られる。

（式中、ｂ_ｎはｎ次の係数である。）
式（１２）のＶ_ｏｕｔをＶ_ｓｔｄに、Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_１）をＶ_ｓｔｄ（ｃ_１）に、Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_２）をＶ_ｓｔｄ（ｃ_２）に置き換えると式（１３）が得られる。

（式中、Ｖ_ｓｔｄ（ｃ_２）は基準濃度算出式から求まる値が第２の濃度であるときの基準濃度算出式の変数である。）
式（１１）と式（１３）が等しいと仮定して、ｂ_ｎなどの係数を求めると、式（１４−０）〜式（１４−ｎ）が得られる。

式（１４−０）〜式（１４−ｎ）を式（１２）に代入すると、式（３）を得ることができる。

＜式（５）の導出＞
以下、式（３）の導出過程について説明する。
先述の通り、式（１０）は実際の特性からは乖離があるため、式（４）のような基準濃度算出式を定義し、そこから濃度算出式を導出する。ここでの基準濃度算出式とは、本実施形態のガス濃度測定装置と近いガス濃度特性を示す、別個体のガス濃度測定装置におけるガス濃度特性の近似式、つまりは濃度算出式である。

（式中、ｄ_１〜４は定数、Ｖ_ｓｔｄは基準濃度算出式の変数である。）
式（４）を式（５）のように変形する。

（式中、Ｖ_ｓｔｄ（ｃ_１）は基準濃度算出式から求まる値が第１の濃度であるときの基準濃度算出式の変数である。）
また、式（１０）のＬｏｇの関数にオフセットなどを加味すると、式（１６）が得られる。

（式中、ｅ_１〜４は定数である。）
式（１６）のＶ_ｏｕｔをＶ_ｓｔｄに、Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_１）をＶ_ｓｔｄ（ｃ_１）に、Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_２）をＶ_ｓｔｄ（ｃ_２）に置き換えると式（１７）が得られる。

（式中、Ｖ_ｓｔｄ（ｃ_２）は基準濃度算出式から求まる値が第２の濃度であるときの基準濃度算出式の変数である。）
式（１５）と式（１７）が等しいと仮定して、ｅ_１〜４を求めると、式（１８−１）〜式（１８−４）が得られる。

式（１８−１）〜式（１８−４）を式（１７）に代入すると、式（５）を得ることができる。

また、本実施形態に係るガス濃度測定装置において、ガス濃度測定装置は、光源からの光を受光し、光に応じた信号である参照出力を出力する参照用赤外線検出部をさらに備え、演算部が前記測定出力を前記参照出力で補正するものであっても良い。

図２は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態において、参照用赤外線検出部を追加した構成を説明するための図である。図中符号３２は参照用赤外線検出部を示している。なお、図１に記載の構成要素と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。なおここでは参考のため、ガスセル１０を明示しているが、本発明においてガスセルは必須の構成ではなく、ガスセルの無い形態でも試験容器内等にガス濃度測定装置を配置することで下記と同様の２濃度検査を行うことが可能である。
測定出力を参照出力に基づいて補正することで、式（１）中のＶ_ｏｕｔ（０）（測定対象ガスによる吸収が無い場合の測定用赤外線検出部の出力）が経時的に変化したとしても、その変化分を補正できるため、従来よりも高精度なガス濃度測定が可能になるという効果を奏する。
補正の具体例としては、式（１９）などがある。

（式中、Ｖ_ｓｔｄ’は参照出力で補正された測定出力である。）
また、式（１９）右辺の分母と分子が逆になっても良い。
また、本実施形態に係わるガス濃度測定装置において、演算部が、光源を点灯させた時の測定出力と参照出力の少なくとも一方を、光源を消灯させた時の測定出力と参照出力の少なくとも一方に基づいて補正するものであってもよい。
補正の具体例としては、式（２０）、式（２１）のように、光源を点灯させた時の測定出力および参照出力と、光源を消灯させた時の測定出力および参照出力の差分をとるなどがある。

（式中、Ｄ_ＯＵＴは光源を点灯させた時の測定出力を光源を消灯させた時の測定出力で補正したもの、Ｄ_ｒｅｆは光源を点灯させた時の参照出力を光源を消灯させた時の参照出力で補正したもの、Ｖ_{ｏｕｔ＿ｏｎ}は光源を点灯させた時の測定出力、Ｖ_{ｏｕｔ＿ｏｆｆ}は光源を消灯させた時の測定出力、Ｖ_{ｒｅｆ＿ｏｎ}は光源を点灯させた時の参照出力、Ｖ_{ｒｅｆ＿ｏｆｆ}は光源を消灯させた時の参照出力である。
ここで、光源を点灯させた状態とは、光源が周囲環境から放射される赤外線量よりも多い赤外線を放射している状態をいう。
また、光源を消灯させた状態とは、完全に消灯している状態でなくてもよい。
光源への電力供給の有無に係わらず、光源が赤外線を放射している状態であっても、放射する赤外線量が光源点灯時に放射する赤外線量以下である場合、または周囲環境から放射される赤外線量と同等以下である場合には、光源は実質的に赤外線を放射しない状態であるため消灯状態と看做される。

光源を消灯させた時の測定出力や参照出力に基づいて、光源を店頭させた時の測定出力や参照出力を補正することで、測定出力や参照出力に含まれる回路的オフセットを補正できるため、従来よりも高精度なガス濃度測定が可能になるという効果を奏する。
ここで、回路的オフセットとは、例えば測定用赤外線検出や参照用赤外線検出部に内蔵される増幅回路の出力オフセットなどである。
以下、本実施形態のガス濃度測定装置における各構成要件について説明する。各構成要件の具体例や技術的特徴は、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で単独または組み合わせて適用可能である。

（測定用赤外線検出部及び参照用赤外線検出部）
測定用赤外線検出部、参照用赤外線検出部は、光源が出力する赤外線に対する感度を有し、入射された赤外線に応じた信号を出力するものである。測定用赤外線検出部は参照用赤外線検出部よりも、測定対象ガスによる赤外線吸収帯域に対する感度の赤外線吸収帯域以外の帯域に対する感度に対する比が大きいものであれば特に制限されない。測定用赤外線検出部及び参照用赤外線検出部には、焦電センサ（Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｅｎｓｏｒ）、サーモパイル（Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ：熱電堆）、ボロメータ（Ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）等の熱型赤外線センサや、量子型赤外線センサ等が好適である。
測定用赤外線検出部、参照用赤外線検出部は、測定対象ガスに併せて所望の光学特性を有する光学フィルタをさらに備えていてもよい。例えば、測定対象ガスが炭酸ガスの場合、測定用赤外線検出部には炭酸ガスによる赤外線吸収が多く生じる波長帯（代表的には４．３μｍ付近）の赤外線を濾波できるバンドパスフィルタを搭載し、参照用赤外線検出部には炭酸ガスによる赤外線吸収が生じない波長帯（代表的には３．９μｍ付近）の赤外線を濾波できるバンドパスフィルタを搭載する形態が例示される。

（光源）
光源は、測定用赤外線検出部、参照用赤外線検出部が感度を有する赤外線帯域を出力できるものであれば特に制限されない。例えば、白熱電球やセラミックヒータ、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）ヒーターやＬＥＤなどを用いることができる。
（演算部）
演算部は、ガス濃度算出における演算が可能なものであれば特に制限されず、例えば、アナログＩＣ、ディジタルＩＣ及びＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等が好適である。演算部には、光源を制御するための機能が含まれていても構わない。

（ガスセル）
本実施形態のガス濃度測定装置は、内部に測定対象ガスを流入可能であり、内部に光源、測定用赤外線検出部、参照用赤外線検出部、演算部等を配置可能なガスセルをさらに備えても良い。ここで、流入可能とは光源から出力された赤外線が測定対象ガスの存在する空間を通って、測定用赤外線検出部に到達可能であることを示す。ガスセルをさらに備えることで、測定用赤外線検出部及び参照用赤外線検出部の出力する信号のＳＮ比を高めることができ、より高精度なガス濃度測定装置が実現する。赤外線検出部に入射される赤外線の効率化の観点から、ガスセル内部が赤外線を反射する材料で形成されていることが好ましい。具体的にはアルミニウムや銅などの金属材料が挙げられる。
次に、本実施形態のガス濃度測定装置の実施例について説明する。

タングステン光源、ＣＯ_２による赤外線吸収のある４．２μｍ〜４．４μｍの波長帯を選択的に濾波選別する光学フィルタを搭載した測定用赤外線検出部３１としての量子型赤外線センサ「ＩＲ１０１１」（旭化成エレクトロニクス株式会社製）、ＣＯ_２による赤外線吸収の無い３．７μｍ〜３．９μｍの波長帯を選択的に濾波選別する光学フィルタを搭載した参照用赤外線検出部としての量子型赤外線センサ「ＩＲ１０１１」（旭化成エレクトロニクス株式会社製）、演算部として記憶部と処理部を備えたＩＣを、リン青銅に金メッキを施したガスセル中に、配置した炭酸ガス濃度測定装置を準備した。

次いで、濃度０ｐｐｍの炭酸ガスをガスセル中に充填した時の、光源が点灯および消灯している時の、それぞれアンプにより増幅された測定用赤外線検出部と参照用赤外線検出部からの出力と、濃度９８６ｍの炭酸ガスをガスセル中に充填した時の、光源が点灯および消灯している時の、それぞれアンプにより増幅された測定用赤外線検出部と参照用赤外線検出部からの出力とを用いて、上述した実施形態の濃度演算を行った。
具体的な演算は下記の通りである。
以下、本実施例で述べる測定出力とは、光源を点灯している時の測定出力と光源を消灯している時の測定出力との差分であり、参照出力とは、光源を点灯している時の参照出力と光源を消灯している時の参照出力との差分である。

まず、測定時の測定出力に対する参照出力の比（Ｄ_ｏｕｔ’）、炭酸ガス濃度０ｐｐｍ時の測定出力に対する参照出力の比（Ｄ_ｏｕｔ（ｃ_１）’）、また、炭酸ガス濃度９８６ｐｐｍ時の測定出力に対する参照出力の比（Ｄ_ｏｕｔ（ｃ_２）’）、基準濃度算出式から求まる値が０である時の基準濃度算出式の変数の値（Ｖ_ｓｔｄ（ｃ_１））、基準濃度算出式から求まる値が９８６である時の基準濃度算出式の変数の値（Ｖ_ｓｔｄ（ｃ_２））を演算した。次いで、Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_１）＝Ｄ_ｏｕｔ（ｃ_１）’、Ｖ_ｏｕｔ（ｃ_２）＝Ｄ_ｏｕｔ（ｃ_２）’とし、式（３）に必要な値を代入し、炭酸ガス濃度を演算した。

基準濃度算出式とは、ここで用いているガス濃度測定装置と近いガス濃度特性を示す別個体のガス濃度測定装置（基準ガス濃度測定装置）の、炭酸ガス濃度と測定出力に対する参照出力の比の関係を、直接的あるいは近似的に表す数式である。ここでは、基準ガス濃度測定装置の０〜５０００ｐｐｍの５点での濃度試験結果から、式（２２）のような基準濃度算出式を導出した。

ここで、ｆ（Ｖ_ｓｔｄ）は基準濃度算出式、Ｖ_ｓｔｄは基準濃度算出式の変数である。

［比較例］
以下、本比較例で述べる測定出力とは、光源を点灯している時の測定出力と光源２０をしている時の測定出力との差分であり、参照出力とは、光源を点灯している時の参照出力と光源を消灯している時の参照出力との差分である。
まず、式（２３）のような、２次の係数が固定で、１次の係数（ｂ_１）と０次の係数（ｂ_０）が未定である濃度算出式を用意した。

ここで、ｇ（Ｄ_ｏｕｔ’）は比較例における濃度算出式、Ｄ_ｏｕｔ’は測定時の測定用赤外線検出部の出力に対する参照用赤外線検出部の出力、ｆ_１は濃度算出式の１次の係数、ｆ_０は濃度算出式の０次の係数である。
濃度算出式（式（２３））の２次の係数は、ここで用いているガス濃度測定装置と近いガス濃度特性を示す別個体のガス濃度測定装置の、炭酸ガス濃度と参照出力に対する測定出力の比との関係を表す、２次の近似式の２次の係数である。ここでは、実施例で用いた基準ガス濃度測定装置の０〜５０００ｐｐｍの５点での濃度試験結果から、炭酸ガス濃度と参照出力に対する測定出力の比との関係を表す２次近似式を求め（式（２２））、その２次関数の２次の係数を濃度算出式（式（２３））中の２次の係数とした。

次いで、式（２２）の１次および０次の係数を、炭酸ガス濃度０ｐｐｍ時の測定用赤外線検出部３１の出力に対する参照用赤外線検出部の出力と、炭酸ガス濃度９８７ｐｐｍ時の参照用赤外線検出部の出力に対する測定用赤外線検出部３１の出力の比から求め、式（２４）を得た。

次いで、式（１２）に測定時の参照出力に対する測定出力の比を代入し、炭酸ガス濃度を演算した。
図３は、上述した実施例と比較例を対比した結果を示す図である。
図３の結果より、実施例の演算によると最大で−１４ｐｐｍの誤差にとどまったが、比較例１の演算によると最大で＋２７３ｐｐｍの誤差が生じた。
以上の結果より、本実施形態のガス濃度演算装置によれば、従来の濃度算出式よりも高精度な濃度演算が可能であることが理解される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又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。

本発明は、炭酸ガス等に代表される赤外線吸収を生じるガスのガス濃度測定装置として好適である。

１０ガスセル
１１ガス導入口
１２ガス導出口
２０光源
３１測定用赤外線検出部
３２参照用赤外線検出部
４０演算部

Claims

光源と、
前記光源からの光を受光し、光に応じた信号である測定出力を出力する測定用赤外線検出部と、
前記測定出力が入力される演算部と、
を備えたガス濃度測定装置であって、
前記演算部は、
第１の濃度の測定対象ガス中で前記光源を点灯させた時に前記測定用赤外線検出部が出力する第１の測定出力と、
前記第１の濃度と異なる第２の濃度の測定対象ガス中で前記光源を点灯させた時に前記測定用赤外線検出部が出力する第２の測定出力と、
ｎ次多項式である基準濃度算出式から求まる濃度が前記第１の濃度であるときの変数の値である第１の解と、
前記基準濃度算出式から求まる濃度が前記第２の濃度であるときの変数の値である第２の解と、から得られる係数と、
前記基準濃度算出式を前記第１の解と前記第１の濃度で補正した式と、
前記第１の濃度と、
を含む濃度算出式に、測定時の前記測定出力を前記第１の測定出力で規格化して代入することで測定対象ガスの濃度を演算し、
前記濃度算出式は下記式（１）であり、前記基準濃度算出式は、下記式（２）である、ガス濃度測定装置。

（式中、ｃはガスの濃度、ｃ１は前記第１の濃度、ｃ２は前記第２の濃度、Ｖ _out （ｃ１）は前記第１の測定出力、Ｖ _out （ｃ２）は前記第２の測定出力、Ｖ _std （ｃ１）は前記基準濃度算出式から求まる濃度が前記第１の濃度ｃ１であるときの変数Ｖ _std の値である前記第１の解、Ｖ _std （ｃ２）は前記基準濃度算出式から求まる濃度が前記第２の濃度ｃ２であるときの変数Ｖ _std の値である前記第２の解、ａ _n は前記基準濃度算出式のｎ次の係数、Ｖ _out は測定時の前記測定出力、Ｖ _std は前記基準濃度算出式の変数である。）
光源と、
前記光源からの光を受光し、光に応じた信号である測定出力を出力する測定用赤外線検出部と、
前記測定出力が入力される演算部と、
を備えたガス濃度測定装置であって、
前記演算部は、
第１の濃度の測定対象ガス中で前記光源を点灯させた時に前記測定用赤外線検出部が出力する第１の測定出力と、
前記第１の濃度と異なる第２の濃度の測定対象ガス中で前記光源を点灯させた時に前記測定用赤外線検出部が出力する第２の測定出力と、
対数関数である基準濃度算出式から求まる濃度が前記第１の濃度であるときの変数の値である第１の解と、
前記基準濃度算出式から求まる濃度が前記第２の濃度であるときの変数の値である第２の解と、から得られる係数と、
前記基準濃度算出式を前記第１の解と前記第１の濃度で補正した式と、
前記第１の濃度と、
を含む濃度算出式に、測定時の前記測定出力を前記第１の測定出力で規格化して代入することで測定対象ガスの濃度を演算し、
前記濃度算出式は下記式（３）であり、前記基準濃度算出式は、下記式（４）である、ガス濃度測定装置。

（式中、ｃはガスの濃度、ｃ１は前記第１の濃度、ｃ２は前記第２の濃度、Ｖ _out （ｃ１）は前記第１の測定出力、Ｖ _out （ｃ２）は前記第２の測定出力、Ｖ _std （ｃ１）は前記基準濃度算出式から求まる濃度が前記第１の濃度ｃ１であるときの変数Ｖ _std の値である前記第１の解、Ｖ _std （ｃ２）は前記基準濃度算出式から求まる濃度が前記第２の濃度ｃ２であるときの変数Ｖ _std の値である前記第２の解、ｄ ₁ 〜ｄ ₄ は前記基準濃度算出式の係数、Ｖ _out は測定時の前記測定出力、Ｖ _std は前記基準濃度算出式の変数である。）
前記ガス濃度測定装置は、
前記光源からの光を受光し、光に応じた信号である参照出力を出力する参照用赤外線検出部をさらに備え、
前記演算部が
前記測定出力を前記参照出力で補正する請求項１または２に記載のガス濃度測定装置。
前記演算部が、
前記光源を点灯させた時の前記測定出力と前記参照出力の少なくとも一方を、
前記光源を消灯させた時の前記測定出力と前記参照出力の少なくとも一方に基づいて補正する請求項３に記載のガス濃度測定装置。
前記演算部が、
前記光源を点灯させた時の前記測定出力を、
前記光源を消灯させた時の前記測定出力に基づいて補正する請求項１または２に記載のガス濃度測定装置。