JP7522734B2 - パルス光源を備えたガスセンサ - Google Patents

Description

本発明の技術分野は、黒体又は灰色体の光源を用いたガスの分析及び光源から放射される光波の吸収の測定である。本発明は、光源に関し、特に光源の駆動方法に関する。

光学的方法は、ガスの分析にしばしば用いられる。センサは、ガスを構成する種が互いに異なるスペクトル吸収特性を有するという事実に基づいて、ガスの組成を決定することを可能にする。したがって、ガス種の吸収スペクトルバンドが既知である場合、後者の濃度は、Ｂｅｅｒ－Ｌａｍｂｅｒｔの法則を用いて、ガスを通過する光の吸収を推定することによって決定することができる。この原理により、ガス中に存在するガス種の濃度を推定することができる。

最も一般的な方法では、分析されるガスは光源と光検出器の間にあり、光検出器は測定光検出器と呼ばれ、測定光検出器は分析されるガスによって透過される光波を測定することを目的とし、光波は測定光検出器によって部分的に吸収される。光源は、通常、赤外線を放射する光源であり、そのときに使用される方法は、通常、ＮＤＩＲ検出と呼ばれ、ＮＤＩＲは、非分散型赤外線の頭字語である。このような原理は、頻繁に実施されており、例えば、米国特許第５０２６９９２号明細書及び国際公開第２００７／０６４３７０号に記載されている。

ガスが存在するときの光波とガスが存在しないときの光波とを比較することにより、ガスの吸収を特徴付けることができる。例えば、「吸収型ＮＤＩＲ（absorption-based NDIR）」と呼ばれる技術の場合、ガス中のガス種の量を決定することが問題となる。

一般に、光源はパルス光源である。測定光検出器は、各パルスで、ガスによって透過される光波の強度に依存する信号を送出する。したがって、光検出器によって生成される信号は、パルスから形成され、その振幅は、光源によって放射される光波のガスによる吸収に依存する。吸収が大きいほど、振幅は小さくなる。パルスの振幅を測定することにより、吸収を推定することができ、後者は、吸収に起因するガス種の量と相関関係がある。したがって、振幅を測定することで、測定したいガス種の量を評価することができる。光検出器によって送出される信号は、光源のパルスの外側に位置する最小値と、光源のパルスから生じる最大値とを含む。振幅は、最大値と最小値との比較によって、又は光検出器によって送出される信号のスペクトル分析によって測定することができる。

光源のパルスは、通常、約１Ｈｚの周波数で生成される。センサを長期間、例えば数ヶ月連続して使用すると、光源が劣化し、その結果、放射される光波のパルスの振幅が減少する。このため、ある種のデバイスは、ガスに吸収されないと考えられるスペクトルバンドにおける各パルスの振幅を測定するために、参照光検出器を備える。参照光検出器はまた、光源と参照光検出器との間にガスが存在しないようなものであってもよい。参照光検出器を使用すると、吸収がない場合に光検出器に到達する光波を推定することができ、光源のパルスの振幅の漸進的な減少を考慮することができる。これは、例えば、国際公開第２０１８／１４９７９９号又は国際公開第２０１８／１６２８４８号に記載されている。

本発明者は、光源の劣化を遅らせるため、及び／又は光検出器によって生成された信号の可能なスペクトル分析を容易にするために、現在のデバイスを改善することを提案する。

本発明の第１の主題は、ガス中に存在するガス種の量を測定する方法であって、前記ガス種は、吸収スペクトルバンドで光を吸収することが可能であり、以下のステップを含む方法である。
ａ）前記ガスを光源と測定光検出器との間に配置し、前記光源は、前記ガスを通して前記測定光検出器に伝搬する光波を発することが可能であり、
ｂ）前記光源が光パルスを放出するように、前記ガスを照射するように前記光源を作動させ、
ｃ）前記測定光検出器を用いて、前記ガスが照明の過程で透過する光波の測定強度と呼ばれる強度を、前記吸収スペクトルバンドを含む測定スペクトルバンドで測定し、

ステップｂ）において、前記光源にパルス活性化信号を供給することを特徴とし、前記活性化信号は電気パルスを含み、各電気パルスは、初期時間と最終時間との間に延び、各電気パルスは、以下を含む。
－前記初期時間から初期継続期間延び、その過程で前記活性化信号が初期レベルにある、初期期間。
－前記初期期間の後の公称期間であって、活性化信号が前記初期レベルよりも厳密に低い公称レベルに維持され、前記初期継続期間よりも長い公称継続期間を有する、公称期間。

前記初期継続期間は、２ｍｓ～２０ｍｓ、好ましくは５ｍｓ～１５ｍｓであってよい。前記公称継続期間は、２０ｍｓ～１５０ｍｓ、好ましくは５０ｍｓ～１００ｍｓであってよい。

前記公称期間は、前記初期期間に連続し、前記初期期間の終了は、前記公称期間の開始に対応する。

一実施形態によれば、前記初期期間において、前記活性化信号は、前記初期継続期間の間、前記初期レベルに維持される。

一実施形態によれば、前記公称期間は、前記最終時間まで延びる。

一実施形態によれば、前記公称期間の後に最終期間が続き、最終継続期間から前記最終期間までの間に、前記活性化信号が前記公称レベルを下回って減少する。前記最終継続期間は、前記初期継続期間よりも長くてもよい。前記最終継続期間は、前記公称継続期間よりも短くてもよい。本実施形態によれば、前記公称期間の終了は、前記最終期間の開始に相当する。

前記最終期間の間、前記活性化信号は、例えば、連続関数、線形関数又は正弦関数などにより、前記最終時間まで徐々に減少してもよい。

前記最終継続期間は、１０ｍｓ～１００ｍｓ、好ましくは、２０ｍｓ～５０ｍｓであってよい。

本発明の第２の主題は、ガス中のガス種の量を決定するセンサであって、以下を含むセンサである。
－ガスに伝搬する光波を発するように構成され、前記光波は、ガス種の吸収スペクトルバンドに存在する、光源。
－前記ガスを透過した光波を検出可能であって、様々な測定時間において、測定スペクトルバンドにおける測定強度と呼ばれる強度を測定する、測定光検出器。
－活性化信号を前記光源に送信するように構成されるパルス発生器であって、前記活性化信号はパルスから形成され、各パルスは、以下を含む。
・前記初期時間から初期継続期間まで延び、その過程で前記活性化信号が初期レベルにある、初期期間。
・前記初期期間の後の公称期間であって、活性化信号が前記初期レベルよりも厳密に低い公称レベルに維持され、前記初期継続期間よりも長い公称継続期間を有する、公称期間。

一実施形態によれば、前記センサは、以下を含む。
－前記光源から放射される参照光波の参照強度と呼ばれる強度を、参照スペクトルバンドにおいて、前記様々な測定時間において測定するように構成されている、参照光検出器。

一実施形態によれば、前記センサは、以下を含む。
－前記初期継続期間は、２ｍｓ～２０ｍｓ、好ましくは、５ｍｓ～１５ｍｓである。
－及び／又は、前記公称継続期間は、２０ｍｓ～１５０ｍｓ、好ましくは５０ｍｓ～１００ｍｓである。

一実施形態によれば、前記パルス発生器は、各パルスが、前記最終時間までの前記最終継続期間の間に、前記活性化信号が前記公称レベルを下回って減少する最終期間を含むように構成される。前記最終継続期間は、１０ｍｓ～１００ｍｓ、好ましくは２０ｍｓ～５０ｍｓであってよい。

他の利点及び特徴は、本発明の特定の実施形態の以下の説明からより明確に明らかになるであろう。これらの実施形態は、非限定的な実施例として提供され、以下の図に示されている。

図１Ａは、本発明を実施することを可能にする装置の一例を示す。

図１Ｂは、黒体光源の発光スペクトルの概略図を示す。

図２Ａは、従来技術による活性化信号を形成する電気パルスを示す。

図２Ｂは、図２Ａのブレースによって示される時間範囲内で、従来技術による電気パルスが供給される光源によって放射される光パルスの形状を示す。

図２Ｃは、従来技術による活性化信号が供給された光源に露光された光検出器によって検出された光パルスの形状を示す。

図２Ｄは、本発明の一実施形態による、活性化信号が供給された光源に露光された光検出器によって検出された光パルスの形状を示す図である。

図３Ａは、第１の実施形態による、活性化信号を形成する電気パルスの概略図である。

図３Ｂは、図３Ａに示すような電気パルスを受けた光源によって生成される光パルスを示す。

図３Ｃは、図３Ｂの一部を拡大したものである。

図４は、第２の実施形態による、活性化信号を形成する電気パルスの概略図である。

図５Ａは、従来技術及び第２の実施形態のそれぞれに係る活性化信号により活性化された光源が発する光波を示す記録図である。

図５Ｂは、従来技術及び第２の実施形態のそれぞれに係る活性化信号により活性化された光源から発せられる光波を示す記録図である。

図６Ａは、ガスセンサの光検出器によって生成される信号を示す。

図６Ｂは、図６Ａの周波数分析である。

図１Ａは、ガス分析装置１の一例である。この装置は、内部空間を定義する筐体５を備え、その内部空間は、
－光源１１は、入射光波と呼ばれる光波１２を放射することができ、内部空間に存在するガスＧを照明する。入射光波１２は、照明スペクトルバンドΔ_１２にある。
－測定光検出器と呼ばれる光検出器２０は、ガスＧが透過した光波１４を入射光波１２の照射の影響下で検出する。光波１４は、測定光波という用語で表される。そして、測定光検出器２０により測定スペクトルバンドΔ_２０で検出される。
－参照光検出器２０_ｒｅｆは、参照スペクトルバンドΔ_ｒｅｆにおいて参照光波と呼ばれる光波１２_ｒｅｆを検出するように構成されている。参照スペクトルバンドΔ_ｒｅｆは、光波１２のガスＧによる吸収が無視できると考えられるスペクトルバンドである。参照スペクトルバンドΔ_ｒｅｆは、測定スペクトルバンドΔ_２０と異なる。参照光検出器は任意である。

ガスＧは、ガス種Ｇ_ｘ、量ｃ_ｘ（ｋ）を含み、例えば、その濃度は、測定時間ｋで決定することが望ましい。このガス種は、吸収スペクトルバンドΔ_ｘにおいて光の測定可能な部分を吸収する。

光源１１は、入射光波１２を、近紫外光と中赤外光との間、例えば２００ｎｍと１０μｍとの間、最も多くは１μｍと１０μｍとの間に延びる可能性がある照明スペクトルバンドΔ_１２において放射することができる。分析ガス種Ｇ_ｘの吸収スペクトルバンドΔ_ｘは、照明スペクトルバンドΔ_１２に含まれる。光源１１はパルス光源であり、入射光波１２は、一般に１００ｍｓと１ｓとの間で構成される継続期間（duration）のパルスである。光源１１は、特に、フィラメントが４００℃から８００℃の間の温度に浮遊及び加熱されるフィラメント光源であり得る。発光スペクトルバンドΔ_１２における発光スペクトルは、黒体の発光スペクトルに対応する。

測定光検出器２０は、好ましくは、光学フィルタ１８と関連し、ガス種の吸収スペクトルバンドΔ_ｘの全て又は一部を包含する測定スペクトルバンドΔ_２０を定義する。

この例では、測定光検出器２０はサーモパイルであり、検出された光波の強度に応じた信号を送出することができる。あるいは、測定光検出器は、フォトダイオード又は別のタイプの光検出器であってもよい。

参照光検出器２０_ｒｅｆは、測定光検出器２０の横に配置され、後者と同じタイプである。参照光学フィルタ１８_ｒｅｆと呼ばれる光学フィルタに関連付けられる。参照光学フィルタ１８_ｒｅｆは、参照スペクトルバンドΔ_ｒｅｆを定義し、これは、問題の気体種によって吸収されない波長の範囲に対応する。参照帯域幅Δ_ｒｅｆは、例えば波長３．９１μｍを中心としたものである。

測定時間ｋにおける測定光検出器２０によって検出される光波１４の強度Ｉ_２０（ｋ）は、測定強度と呼ばれ、Ｂｅｅｒ－Ｌａｍｂｅｒｔの法則に従って、測定時の量ｃ_ｘ（ｋ）に依存する。

ここで、
－μ（ｃ_ｘ（ｋ））は、時間ｋにおける量ｃ_ｘ（ｋ）に依存する吸収係数である。
－ｌは筐体５内で光波が通過するガスの厚さである。
－Ｉ_０（ｋ）は、時間ｋにおける入射光波の強度であり、測定スペクトルバンドΔ_２０における光波の強度に対応し、筐体５内に吸収性ガスが存在しない状態で測定光検出器２０に到達する。

Ｉ_２０（ｋ）とＩ_０（ｋ）とを比（Ｉ_２０（ｋ）／Ｉ_０（ｋ））の形で比較することにより、時間ｋにおいて問題のガス種によって生成される吸収ａｂｓ（ｋ）を定義することができる。

装置は、メモリ３２に接続された処理ユニット３０、例えばマイクロプロセッサを含む。各測定時間ｋにおける分析物の量ｃ_ｘ（ｋ）を決定するために、処理ユニットは、測定光検出器２０及び参照光検出器２０_ｒｅｆによってそれぞれ検出された信号を受け取る。

したがって、光源１１からの各パルスの間に、μ（ｃ_ｘ（ｋ））を決定することが可能であり、これにより、ｃ_ｘ（ｋ）とμ（ｃ_ｘ（ｋ））の関係が既知である場合に、ｃ_ｘ（ｋ）を推定することができる。

式（１）は、入射光波１２の強度Ｉ_０（ｋ）が測定時間ｋにおいて既知であることを前提としている。この強度は、参照光検出器によって検出された光の強度から決定される。

上述のように、光源はパルス化される。測定時間ｋは光パルスに対応する時間である。
したがって、種々の測定時間は、種々の光パルスにそれぞれ対応する。

図１Ｂは、黒体光源、すなわちプランクの法則に従う光源の発光スペクトルの概略図である。

ここで、
－Ｌ（λ，Ｔｅｍｐ）は、波長λと黒体の表面温度Ｔｅｍｐに依存する輝度である。
－ｈはプランク定数である。
－Ｂはボルツマン定数である。
－ｃは空気中の光の速度である。

光源１１の照明スペクトルＳは、光源が温度Ｔｅｍｐのときの輝度Ｌ（λ、Ｔｅｍｐ）のλの関数としての変化に対応する。一般に、温度は４００℃～８００℃である。

光源１１は電気パルス発生器１０によって制御され、電気パルス発生器１０は、光源を作動させるために活性化信号（activation signal）を送出する。活性化信号Ｖは、光源１１に供給される電気信号である。これは、電気パルスｉｍｐ_Ｖから形成され、各電気パルスは、光源による光パルスｉｍｐ_Ｉの放射を生成する。活性化信号のレベルは、光源によって供給される各光パルスの振幅を設定する。レベルとは、活性化信号の電流又は電圧レベルを意味する。本文中の残りの部分では、活性化信号は、光源の端子間の電圧を設定するものとみなされる。あるいは、光源が供給される活性化信号の電流の問題であってもよい。

図２Ａは、従来技術による活性化信号Ｖにおける時間の関数としての変動Ｖ（ｔ）を示す。活性化信号は、一定の継続期間Δｔにわたって延びる電気パルスｉｍｐ_Ｖを含む。活性化信号Ｖは、規則的な矩形パルスからなる不連続な時間依存関数の形をとる。各矩形パルスは、電気パルスの継続期間の間、活性化信号を実質的に一定の公称レベル（nominal level）Ｖ_Ｎまで上げることによって得られることに留意されたい。実質的に一定とは、統計的変動の範囲内、例えば±５％又は±１０％の範囲内で同じ値を維持することを意味する。

本発明者らは、上述のような光源１１に、図２Ａに示すような規則的な矩形パルスから形成された活性化信号Ｖを供給した。彼らは光源によって発生された光にフォトダイオードを露光した。図２Ｂは、フォトダイオードによって送信される信号Ｖ_ｏｕｔ（ｔ）における時間の関数としての変動を、その最大値に関して正規化して示す。図２Ｂは、図２Ａのブレースによって示される時間間隔の間にフォトダイオードによって送信される信号を示す。なお、本発明者らは、この種の光検出器は、光源に対して応答時間が短いため、フォトダイオードを用いてこの試みを行った。したがって、信号Ｖ_ｏｕｔは、光源によって生成された光波１２の強度Ｉを表すと考えることができる。

光源１１の活性化信号Ｖの電気パルスの継続期間Δｔは２６０ｍｓであった。公称レベルＶ_Ｎは１１００ｍＶであった。最大値で正規化した活性化信号における時間の関数としての変動Ｖを、黒の点線で模式的に示した。

光源から放射される光波の強度Ｉは、予想されたように、光パルスｉｍｐ_Ｉの形をとることが分かる。しかしながら、光パルスｉｍｐ_Ｉは、電気パルスｉｍｐ_Ｖに対して待ち時間を有することも分かる。これにより、活性化信号の電気パルスと光源１１の光パルスとの間に時間差が生じる。時間差は次のように現れる。
－各電気パルスｉｍｐ_Ｖの開始時に、光パルスｉｍｐ_Ｉの立ち上がり時間ｔ_ｒとして、電気パルスｉｍｐ_Ｖに対する光パルスの立ち上がりの間の遅延を誘発する。立ち上がり時間は、この例では４０ｍｓより長い。
－ｉｍｐ_Ｉの立ち下がり時間ｔ_ｄとして、電気パルスに対する光パルスの立ち下がり中の遅延を誘発する。立ち下がり時間は、この例では約４０ｍｓである。

立ち上がり時間及び立ち下がり時間の存在により、各光パルスｉｍｐ_Ｉは、図２Ｃに概略的に示すような形状を有する。各光パルスの最大レベルＩ_ｍａｘは、立ち上がり時間ｔ_ｒの存在により、電気パルスの開始に対して遅れている。さらに、立ち下がり時間ｔ_ｄが存在するため、各光パルスの減少は、τが立ち下がり時間ｔ_ｄに依存する時定数であるｅ^－ｔ／τ型の方程式に関する時間依存型を有する。

図２Ｃに見られるように、各光パルスは、測定光検出器２０の問題であるか参照光検出器２０_ｒｅｆの問題であるかにかかわらず、光検出器によって測定された信号に関して、正弦波の形状にならない。したがって、測定光検出器２０（又は参照光検出器２０_ｒｅｆ）で測定された信号を周波数解析する際には、光検出器と処理ユニット３０との間にフィルタ、例えばアナログフィルタを配置する必要がある。このフィルタは、図２Ｄに示すように、測定された信号を正弦波にするように整形することができる。

本発明の目的は、アナログフィルタを必要としないように、光源によって放射される各光パルスの形状を調整するために、活性化信号の各電気パルスの形状を修正することである。

第１の実施形態によれば、各光パルスの立ち上がり時間ｔ_ｒを短くして、各光パルスの継続期間を短くすることができる。第２の実施形態によれば、測定光検出器２０及び任意の参照光検出器２０_ｒｅｆによって生成される信号の処理を容易にするために、立ち下がり中の光波の形状を適応させることが求められる。

上述したように、各測定時間ｋは、各光パルスの最大強度Ｉ_ｍａｘに対応するように選択されることが好ましい。立ち上がり時間ｔ_ｒが長いほど、測定時間は、活性化信号Ｖの電気パルスの開始に対してオフセットされなければならない。オフセットは、測定時間を光パルスが最も高い時間に対応させることを可能にする。

光パルスの立ち上がり時間ｔ_ｒを短縮するために、本発明者らは、光源１１の制御に用いられる活性化信号Ｖの各電気パルスの振幅を変調することを提案する。これが本発明の第１の実施形態であり、図３Ａ～３Ｃを参照して説明する。

図３Ａは、光パルスの立ち上がり時間ｔ_ｒを減少させる形状の電気パルスの例を示す。電気パルスは、初期時間ｔ_ｉと最終時間ｔ_ｆの間に延びる。初期時間ｔ_ｉと第１時間ｔ_１との間では、活性化信号Ｖは、初期継続期間（initial duration）Δｔ_ｉが続く初期期間（initial period）Ｔ_ｉの間、初期レベルＶ_ｉにある。好ましくは、初期期間Ｔ_ｉ中、活性化信号は、初期レベルＶ_ｉ、又は実質的にこのレベルに維持される。この用語は、統計的変動、好ましくは±５％又は±１０％未満の変動を実質的に意味することを想起されたい。

初期期間Ｔ_ｉの終了時に、活性化信号は公称レベルＶ_Ｎに到達し、そこで、公称継続期間（nominal duration）Δｔ_Ｎが続く公称期間（nominal period）Ｔ_Ｎの間維持される。公称レベルは、光源の従来の供給レベルに対応する。公称期間Ｔ_Ｎは、第１時間ｔ_１と第２時間ｔ_２の間に延びる。図３Ａに示す実施形態では、第２時間ｔ_２は、最終時間ｔ_ｆと同じである。公称レベルＶ_Ｎは、初期レベルＶ_ｉよりも低い。初期レベルＶ_ｉは、少なくとも１０％、さらには少なくとも１５％又は２０％、公称レベルＶ_Ｎよりも高いことが好ましい。好ましくは、公称継続期間Δｔ_Ｎは、初期継続期間Δｔｉよりも長い。例えば、公称継続期間Δｔ_Ｎは、初期継続期間Δｔｉより少なくとも１．５倍長い。公称期間Ｔ_Ｎの終わりに、活性化信号は０又は最小値に減少する。この例では、公称継続期間Δｔ_Ｎの終了は、最終時間ｔ_ｆと一致するが、これは必須ではない。したがって、１つの変形例によれば、活性化信号は、第２時間ｔ_２の後、最終時間ｔ_ｆまで減少する。この減少は、第２時間ｔ_２から最終時間ｔ_ｆまでの最終期間（final period）Ｔ_ｆに相当する。

一般に、初期継続期間Δｔｉは、公称継続期間Δｔ_Ｎよりも短い。

初期継続期間Δｔｉは、好ましくは２ｍｓ～２０ｍｓ、好ましくは５ｍｓ～１５ｍｓである。公称継続期間Δｔ_Ｎは、好ましくは２０ｍｓ～１５０ｍｓ、好ましくは５０ｍｓ～１００ｍｓである。

図３Ａに示す例では、各電気パルスの継続期間Δｔは、初期継続期間Δｔ_ｉと公称継続期間Δｔ_Ｎとの和に対応する。

図３Ｂでは、フィラメント光源１１に露光されたフォトダイオードによって測定された信号Ｖ_ｏｕｔの時間の関数としての変動が示されている。光源１１は、図３Ａに概略的に示すような電気パルスから形成されるパルス活性化電流Ｖによって活性化される。図示されている例では、初期レベルＶ_ｉ及び公称レベルＶ_Ｎは、それぞれ２０００ｍＶ及び１１００ｍＶに等しい。初期時間はｔ_ｉ＝０ｍｓである。各電気パルスの合計継続期間Δｔは２６０ｍｓに等しい。様々な初期継続期間Δｔ_ｉがテストされている。０ｍｓ（先行技術に対応する）、３ｍｓ、５ｍｓ、７ｍｓ、１０ｍｓ、及び１２ｍｓである。各初期継続期間Δｔ_ｉは図３Ｂに示されている。各光パルスの合計期間が２６０ｍｓに等しくなるように、公称期間Ｔ_Νの公称継続期間Δｔ_Ｎを調整した。

フォトダイオードの応答時間が無視できるため、図３Ｂに示すパルスは、活性化信号の各電気パルスに応答して光源から放射される光パルスを表している。

１０００ｍＶの値は、従来の構成で放射された光波の最大強度Ｉ_ｍａｘに対応する。図３Ｃは、図３Ｂの詳細であり、初期時間ｔ_ｉからの最初の１００ミリ秒を示している。なお、初期継続期間Δｔ_ｉが短い場合（０ｍｓ、３ｍｓ、５ｍｓ）、光パルスは初期時間ｔ_ｉに対して一定の遅延を受ける。遅延は、８０ｍｓ（Δｔ_ｉ＝０ｍｓ）、又は６０ｍｓに近い（Δｔ_ｉ＝３ｍｓ、Δｔ_ｉ＝５ｍｓ）。遅延は、立ち上がり時間ｔ_ｒ、すなわち光波が最大レベルＩ_ｍａｘに達する初期時間ｔ_ｉに対する遅延に相当する。初期継続期間Δｔ_ｉが１０ｍｓ又は１２ｍｓの場合、光パルスの立ち上がり時間ｔ_ｒが短い。しかしながら、最初の４０ミリ秒の間に、光パルスは、通常、光源の公称強度を上回る「オーバーシュート（overshoot）」と呼ばれる強度ピークを形成する。この強度ピークは、光源の早期の劣化を引き起こす可能性があるため、望ましくない。選択された初期レベル及び選択された公称レベル（Ｖ_ｉ＝１１００ｍＶ－Ｖ_Ｎ＝２０００ｍＶ）を考慮すると、７ｍｓの初期継続期間Δｔ_ｉが最適であり、立ち上がり時間ｔ_ｒは２０ｍｓよりも短く、立ち上がり時間中の光強度の変化は単調であり、最大レベルＩ_ｍａｘまで徐々に増加する。公称レベルＶ_Ｎの値は、初期レベルＶ_ｉの値に応じて選択されるものであり、Ｖ_ＮとＶ_ｉとの差が大きいほど、初期継続期間Δｔ_ｉが小さくなる。

Ｖ_ｉ、Δｔ_ｉ、又はＶ_Ｎの様々な値をテストして、光検出器において最適と考えられるパルス形状を得ることは、当業者の能力の範囲内である。Ｖ_ｉの値が高すぎると、消費電力が著しく増加する可能性があることが考慮される。このような初期継続期間Δｔ_ｉを考慮すると、最大レベルＩ_ｍａｘは、従来よりも迅速に到達する。これにより、各測定時間ｋを各パルスの初期時間に近づけることができるので、各光パルスの持続時間を短縮することができる。具体的には、測定時間は、光パルスが最大強度Ｉ_ｍａｘに達した時間である。光パルスの立ち上がり時間ｔ_ｒを減少させることによって、最大強度Ｉ_ｍａｘがより迅速に到達する。パルスの最終時間ｔ_ｆは、最大強度Ｉ_ｍａｘの数ｍｓ後又は数十ｍｓ後になるように選択することができる。この結果、光パルスの合計継続期間が短縮される。光パルスの継続期間を短くすることにより、光源１１の劣化を遅らせる。図３Ｂに示す例では、発明者らは、光パルスの継続期間が１５０ｍｓに短縮され得ると推定する。

第１の実施形態と同時に実施されてもよいし、第２の実施形態とは独立して実施されてもよい別の実施形態によれば、主な目的は、立ち下がり中の光パルスの形状を最適化することである。この第２の実施形態によれば、立ち上がり時間ｔ_ｒの短縮を図ることもできる。この実施形態によれば、図４に示すように、公称期間Τ_Ｎの終わり、すなわち第２時間ｔ_２の後、電気パルスｉｍｐ_Ｖは、最終時間ｔ_ｆまで徐々に減少する。第２時間ｔ_２と最終時間ｔ_ｆで区切られる期間が最終期間Ｔ_ｆである。図４に示す例では、電気パルスは、第１の実施形態で説明したような初期継続期間Δｔ_ｉを含む。公称期間Ｔ_Ｎは、第２時間ｔ_２で終了する。活性化信号が徐々に減少する最終期間Ｔ_ｆは、公称期間Ｔ_Ｎの後にある。

好ましくは、最終期間Ｔ_ｆの最終継続期間（final duration）Δｔ_ｆは、公称期間Ｔ_Ｎの公称継続期間Δｔ_Ｎよりも短く、例えば、公称期間Ｔ_Ｎの公称継続期間Δｔ_Ｎの少なくとも１．５倍短いか、又は少なくとも２倍短い。好ましくは、最終継続期間Δｔ_ｆの期間は、初期継続期間Δｔ_ｉの期間よりも長い。最終期間Ｔ_ｆの最終継続期間Δｔ_ｆは、１０ｍｓ～１００ｍｓ、好ましくは２０ｍｓ～５０ｍｓとすることができる。最終期間Ｔ_ｆの間、活性化信号は公称レベルＶ_Ｎよりも低く、初期レベルＶ_ｉよりもさらに低い。

図４に示す例では、各電気パルスの継続期間Δｔは、初期継続期間Δｔ_ｉ、公称継続期間Δｔ_Ｎ、及び最終継続期間Δｔ_ｆの和に対応する。

好ましくは、最終期間Ｔ_ｆの過程で、活性化信号の立ち下がりは、単調減少関数、例えば、そして有利には、正弦関数に従う。

この実施形態によれば、光パルスｉｍｐ_Ｉは、図２Ｄに示されるように、実質的に正弦波的に減少する。

図４に示される電気パルスｉｍｐ_Ｖは、図３Ａ～３Ｃを参照して説明されるように、初期期間Ｔ_ｉを含む。

１つの変形例によると、パルスは初期期間Ｔ_ｉを含まない。その場合、初期時間ｔ_ｉは、公称期間Τ_Ｎの第１時間ｔ_１と同じとなる。

いずれの実施形態であっても、活性化信号Ｖの各電気パルスは、以下のパラメータを有することができる。
－初期期間Ｔ_ｉの初期継続期間Δｔ_ｉ
－初期期間Ｔ_ｉ中の活性化信号のレベルＶ_ｉ
－公称期間Ｔ_Ｎ中の公称継続期間Δｔ_Ｎ
－公称期間Ｔ_Ｎ中の活性化信号のレベルＶ_Ｎ
－最終期間Ｔ_ｆの最終継続期間Δｔ_ｆ
－最終期間Ｔ_ｆの間に活性化信号が従う関数

これらのパラメータは、求められる技術的効果、すなわち光パルスの立ち上がり時間ｔ_ｒの減少及び／又は光波の立ち下がりの最適化に応じて、ケースバイケースで決定され得る。パラメータは、例えば、光源を作動させ、光検出器によって検出された信号の変動を観察することによって決定することができる。後者は、センサによって使用される測定光検出器２０であってもよく、又は、活性化信号が形成される電気パルスの形状のパラメータを調整するために使用される特定の光検出器、例えばフォトダイオードであってもよい。光源の消費電力が考慮されてもよい。

図５Ａ及び５Ｂは、オシロスコープのスクリーンショットである。これらの各図には、フィラメント光源の活性化信号Ｖを形成する電気パルスｉｍｐ_Ｖが示されている。光源によって生成された光波に露光された光検出器によって生成された信号Ｖ_ｏｕｔの時間の関数としての変動も示されている。光検出器は、測定光検出器２０又は参照光検出器２０_ｒｅｆを表す。

図５Ａは、従来技術による構成を示し、活性化信号Ｖは、矩形の電気パルスｉｍｐ_Ｖを形成する。図５Ｂは、本発明による構成を示し、活性化信号Ｖは、図４を参照して説明したようなものである。初期期間Ｔ_ｉの間の初期レベルＶ_ｉ、公称期間Ｔ_Ｎの間の公称レベルＶ_Ｎ、及び最終期間Ｔ_ｆの間における、正弦関数による活性化信号の立ち下がりが、全て見られる。図５Ｂでは、活性化信号のパルスのパラメータ化により、光検出器によって放射された信号が得られ、その形状は正弦波に近い。上述したように、このような形状は、測定光検出器２０によって生成された信号のスペクトル分析を行う場合に望ましい。

図６Ａは、図１Ａに示されるようなガスセンサの測定光検出器（サーモパイル）２０によって生成される信号を示す。測定光検出器２０は、光源１１が発生する光波に露光された。光源１１は、図４に示すように、活性化信号によって活性化された。この例では、パルスのパラメータは次のとおりであった。
－初期期間Ｔ_ｉの初期継続期間Δｔ_ｉ＝８ｍｓ
－初期期間Ｔ_ｉ中の活性化信号のレベルＶ_ｉ＝１．３Ｖ
－公称期間Ｔ_Ｎの公称継続期間Δｔ_Ｎ＝１．９Ｖ
－公称期間Ｔ_Ｎ中の活性化信号のレベルＶ_Ｎ＝４５ｍｓ
－最終期間Ｔ_ｆの最終継続期間Δｔ_ｆ＝３５ｍｓ
－最終期間Ｔ_ｆの過程で従う関数：正弦関数

測定光検出器２０によって生成された信号は、光源によって生成された３つの光パルスに対応する３つのパルスを含む。

光検出器で生成された信号は、様々な周波数に対応するスペクトルパワーを得るために、高速フーリエ変換を適用した後、周波数解析を受ける。図６Ｂは、周波数（ｘ軸）の関数としてのスペクトルパワー（ｙ軸）を示す。ピークは７Ｈｚに近い周波数で観測される。

この実施形態では、公称期間Ｔ_Ｎの公称継続期間Δｔ_Ｎを短縮することができるため、光源の劣化を制限することができる。本発明者らは、本実施形態により、公称期間の公称継続期間を２６０ｍｓから４５ｍｓに短縮できると推定している。

本発明を実施するセンサ（第２の実施形態）と、図２Ａに示すように一定の間隔で光源に電力を供給する従来のセンサとを用いて、１週間にわたって試験を行った。各センサについて、光パルスの繰返し率（repetition rate）は１パルス／秒であった。各センサについて、光源の劣化を測定した。この劣化は各パルスの最大強度の減少を評価することにより決定した。従来技術のデバイスでは、本発明を実施した場合の０．１％に対して、３．３％の光源の劣化の減少が観察された。

したがって、本発明による活性化信号Ｖのパラメータ化は、以下を行うことができる。
－図３Ａから３Ｃを参照して説明したように、各光パルスの継続期間を短縮することができるように、迅速な光波の立ち上がり時間を支持し、これにより、光源の劣化を遅らせることができる。
－及び／又は、図４、図５Ａ及び図５Ｂを参照して説明したように、測定光検出器及び任意の参照光検出器によって生成された信号が、信号整形フィルタ（signal-shaping filter）を使用することなくスペクトル分析を受けることができるように、光波の正弦波形状を支持する。これはまた、光パルスの立ち上がり時間の減少を想定することができ、これもまた、光源の劣化の遅延に寄与することに留意されたい。

本発明は、大気汚染の監視、食品加工、工業プロセスの監視、燃焼ガスの監視などの用途のために、ガスセンサが装備されている光源を制御するために使用される可能性がある。

Claims (16)

1. ガス中に存在するガス種（Ｇ_ｘ）の量（ｃ_ｘ）を測定する方法であって、前記ガス種は、吸収スペクトルバンド（Δ_ｘ）で光を吸収し、以下のステップを含む方法。
   ａ）前記ガスを光源（１１）と測定光検出器（２０）との間に配置し、前記光源（１１）は、前記ガスを通して前記測定光検出器（２０）に伝搬する光波（１２）を発するように構成され、
   ｂ）前記光源が光パルスを放出するように、前記ガスを照射するように前記光源（１１）を作動させ、前記光パルスは立ち上がり時間を有し、
   ｃ）前記測定光検出器（２０）を用いて、前記ガスが照明されている間に透過する光波（１４）の測定強度（Ｉ（ｋ））を、測定スペクトルバンド（Δ_２０）で測定し、前記測定スペクトルバンド（Δ _２０ ）は前記吸収スペクトルバンド（Δ_ｘ）を含み、
   ステップｂ）において、前記光源にパルス活性化信号（Ｖ）を供給し、前記活性化信号は電気パルスを含み、各電気パルスは、初期時間（ｔ_ｉ）と最終時間（ｔ_ｆ）との間に延び、各電気パルスは、前記光パルスの前記立ち上がり時間を短くするために、以下を含む。
   －前記初期時間（ｔ_ｉ）から初期継続期間（Δｔ_ｉ）延び、その過程で前記活性化信号（Ｖ）が初期レベル（Ｖ_ｉ）にある、初期期間（Ｔ_ｉ）。
   －前記初期期間（Ｔ_ｉ）の後の公称期間であって、前記活性化信号が前記初期レベル（Ｖ_ｉ）よりも厳密に低い公称レベル（Ｖ_Ｎ）に維持され、前記初期継続期間（Δｔ_ｉ）よりも長い公称継続期間（Δｔ_Ｎ）を有する、公称期間（Ｔ_Ｎ）。
2. 前記初期継続期間（Δｔ_ｉ）は、２ｍｓ～２０ｍｓである
   請求項１に記載の方法。
3. 前記公称継続期間（Δｔ_Ｎ）は、２０ｍｓ～１５０ｍｓである
   請求項１に記載の方法。
4. 前記初期期間（Ｔ_ｉ）において、前記活性化信号（Ｖ）は、前記初期継続期間（Δｔ_ｉ）の間、前記初期レベル（Ｖ_ｉ）に維持される
   請求項１に記載の方法。
5. 前記公称期間（Ｔ_Ｎ）は、前記最終時間（ｔ_ｆ）まで延びる
   請求項１に記載の方法。
6. 前記公称期間（Ｔ_Ｎ）の後に最終期間（Ｔ_ｆ）が続き、前記最終時間（ｔ _ｆ ）まで最終継続期間（Δｔ_ｆ）延びる前記最終期間（Ｔ _ｆ ）の間に、前記活性化信号が前記公称レベル（Ｖ_Ｎ）を下回って減少する
   請求項１に記載の方法。
7. 前記最終継続期間（Δｔ_ｆ）は、前記初期継続期間（Δｔ_ｉ）よりも長い
   請求項６に記載の方法。
8. 前記最終継続期間（Δｔ_ｆ）は、前記公称継続期間（Δｔ_Ｎ）よりも短い
   請求項６に記載の方法。
9. 前記最終期間（Ｔ_ｆ）の間、前記活性化信号は、前記最終時間（ｔ_ｆ）まで徐々に減少する
   請求項６に記載の方法。
10. 前記最終期間（Ｔ _ｆ ）の間、前記活性化信号は正弦関数に従って前記最終時間（ｔ _ｆ ）まで徐々に減少する、
    請求項９に記載の方法。
11. 前記最終継続期間（Δｔ_ｆ）は、１０ｍｓ～１００ｍｓである
    請求項６に記載の方法。
12. ガス（Ｇ）中のガス種（Ｇ_ｘ）の量（ｃ_ｘ）を決定するセンサ（１）であって、以下を含むセンサ。
    －ガス（Ｇ）に伝搬する光波（１２）を発するように構成され、前記光波は、ガス種（Ｇ_ｘ）の吸収スペクトルバンド（Δ_ｘ）に存在する、光源（１１）。
    －前記ガスを透過した光波（１４）を検出するように構成され、様々な測定時間（ｋ）において、測定スペクトルバンドにおける測定強度（Ｉ（ｋ））を測定する、測定光検出器（２０）。
    －活性化信号を前記光源に送信するように構成されるパルス発生器（１０）であって、前記活性化信号はパルスから形成され、各パルスは、以下を含む。
    ・初期時間から初期継続期間延び、その過程で前記活性化信号が初期レベル（Ｖ_ｉ）にある、初期期間（Ｔ_ｉ）。
    ・前記初期期間の後の公称期間であって、活性化信号が前記初期レベルよりも厳密に低い公称レベル（Ｖ_Ｎ）に維持され、前記初期継続期間よりも長い公称継続期間を有する、公称期間（Ｔ_Ｎ）。
13. さらに、以下を含む、請求項１２に記載のセンサ。
    －光源（１１）から放射される参照光波（１２_ｒｅｆ）の参照強度（Ｉ_ｒｅｆ（ｋ））を、参照スペクトルバンドにおいて、前記様々な測定時間（ｋ）において測定するように構成されている、参照光検出器（２０_ｒｅｆ）。
14. 請求項１２に記載のセンサであって、以下を含むセンサ。
    －前記初期継続期間（Δｔ_ｉ）は、２ｍｓ～２０ｍｓである。
    －及び／又は、前記公称継続期間（Δｔ_Ｎ）は、２０ｍｓ～１５０ｍｓである。
15. 前記パルス発生器は、各パルスが、最終時間（ｔ_ｆ）まで最終継続期間（Δｔ_ｆ）延びる最終期間（Ｔ _ｆ ）の間に、前記活性化信号が前記公称レベル（Ｖ_Ｎ）を下回って減少する、前記公称期間の後の前記最終期間（Ｔ_ｆ）を含むように構成される
    請求項１２～１４のいずれか１項に記載のセンサ。
16. 前記最終継続期間は、１０ｍｓ～１００ｍｓである
    請求項１５に記載のセンサ。

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