JPH01316641A - 赤外線ガス濃度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は焦電型赤外線センサを備える赤外線ガス濃度計
に関し、特に赤外線センサの温度特性を改良した赤外線
ガス濃度計に関する。

〔従来の技術〕

この種の赤外線ガス濃度計は、例えば昭和５２年に発行
された富士時報第５０巻、第７号、第３６８頁の［赤外
線ガス分析計”ＵＬＴＲＡＭＡＴ−Ｓ″」に示されてい
る。そして、この種の赤外線ガス分析計の赤外線センサ
には、従来、気体の熱膨張を利用したマイクロフロー型
センサ又は、電気抵抗の温度特性を利用したサーミスタ
型センサを用いている。

このような赤外線センサを用いた赤外線ガス分析計にお
いて、雰囲気温度が変化した場合に、マイクロフロー型
センサを用いたものは試料側検出槽及び基準側検出槽に
同様の圧力変化が生じるため、ガスの検出出力に影響を
与えない。一方、サーミスタ型の場合は、温度変化によ
り出力が変化するので基板近くに配置された傍熱型ヒー
タで、基板温度を所定温度に保持して、赤外線センサに
要求される温度特性を補償している。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述したものの他に赤外線センサとして焦電型赤外線セ
ンサがある。これは焦電材料に赤外線を照射すると、焦
電効果により電荷が発生し、この電荷によら焦電材料に
発生する電圧を測定して赤外線を検知するものである。

この焦電型赤外線センサはその焦電材料自身の温度が変
化すると、赤外線が照射されなくても焦電効果により電
圧が発生するので、赤外線検知器として使用する際には
焦電材料の温度及びその雰囲気温度を出来る限り一定に
保持しておくことが望ましい。

赤外線センサに焦電型赤外線センサを使用すると、この
焦電型赤外線センサはマイクロフロー型センサ、サーミ
スタ型センサに比較して感度が高いため、より高分解能
のガス濃度計を実現し得るが、温度特性を補償する必要
がある。焦電型赤外線センサは、焦電体の温度の時間的
変化により出力が生じる、所謂、微分型の検出器である
ため、傍熱型ヒータを焦電体の近傍に配置する場合には
、。

急激な温度変化を与えるとセンサが誤出力する虞れがあ
るので、傍熱型ヒータの熱容量を太き（する等の手段に
より温度の急変を防ぐ必要がある。

しかし、傍熱型ヒータの熱容量を大きくするために、比
熱の大きい材料をヒータに巻きつける方法を採用すると
、傍熱型ヒータが大型化してセンサケースに収納できな
くなる。

また、赤外線チョッパ部を固体化し、それに内蔵させた
超小型の焦電型赤外線センサを使用する場合（特開昭５
８−８２１３６号参照）には、坊熱型ヒータの配設が困
難である。またヒータによりセンサケースの外部から赤
外線センサを加熱する場合には、熱が赤外線検知部に到
達するのに時間遅れがあるので、センサケース内の温度
を検出してヒータの加熱電力を制御しても適正に制御で
きないという問題がある。

この発明は前述した事情に鑑みてなされたものであり、
この発明の目的は、加熱手段を設け、それを制御するこ
とにより、赤外線センサを所要温度に安定に保持し、周
囲温度の変化に拘わらず安定した出力を得ることのでき
る赤外線ガス濃度計を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る赤外線ガス濃度計は、焦電型の赤外線検
知部を収納してなる赤外線センサを備える赤外線ガス濃
度計であって、前記赤外線センサを所要温度に加熱する
加熱部と、該加熱部による加熱温度を検出する加熱部制
御用温度センサと、前記赤外線検知部近傍の温度を検出
する温度センサと、該温度センサの出力と所定値との差
を求め、咳差と前記加熱部制御用温度センサの出力との
差に応じて前記加熱部の加熱電力を制御する制御手段と
を備え、前記赤外線検知部近傍の温度を前記所定値に制
御すべくなしてあることを特徴とする。

〔作用〕

加熱部はケース内に赤外線検知部を収納している赤外線
センサを加熱する。加熱部制御温度センサは加熱部によ
る加熱温度を検出する。内部温度センサは前記ケース内
の赤外線検知部近傍の温度を検出する。温度制御手段は
、内部温度センサの出力と所定値との差を得、これと加
熱部制御用温度センサの出力との差に応じて、加熱部の
加熱電力を制御する。

よって、赤外線センサが所定温度となるように温度補償
される。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面によって詳述する。

第１図は本発明に係る赤外線ガス濃度計の内部構造図、
第２図はその外観を示す斜視図である。

底部開口が底板（ステム）　ｌａで閉塞されている焦電
型赤外線センサ１のセンサケースｌｂの上面には、赤外
線透過板で閉塞している窓部ＩＣが設けられており、セ
ンサケース１ｂ内にはＬ字状の赤外線チョッパ２及びこ
の赤外線チョッパ２を介して前記窓部１ｃと対向してい
る赤外線検知部３が内蔵されている。赤外線検知部３は
底板１ａ上に固定された後ケース３ａに収納されており
、赤外線検知部３と赤外線チョッパ２との間のケース３
ａの開口部には検出すべきガスの吸収波長のみを透過さ
せる光学フィルタ４を配設して閉塞している。また底板
ｌｄ上には赤外線検知部３の近傍温度を検出する第２温
度センサである内部温度センサ１３を設けている。

これらの赤外線センサ１、赤外線検知部３及び内部温度
センサ１３は、プリント配線基板１ｅに取付けた端子具
１ｄ、　ｌｄ・・・と接続されている。この端子具ｌｄ
、　ｌｄ・・・を設けた部分には端子カバー９を被せて
いる。センサケース１ｂの窓部ＩＣ側には、窓部ＩＣと
対向しており、窓部１ｃから適長離隔して検出ガスを導
入するためのガスセル部６を保持する保持部３４を設け
ており、このガスセル部６の窓部ＩＣと対向しない反対
側にはニクロム線の発熱体からなる赤外線光源５を収納
する収納部３３を配設している。

またセンサケースｌｂに窓部１ｃを設けている側には、
センサケースｌｂから適長離反させて、加熱ヒータから
なる加熱部１１を赤外線光源５の収納部、３３及びガス
セル部６の保持部３４を挿通して配設している。

そしてこの加熱部１１寄りにはセンサケース１ｂから離
反させて例えばダイオードからなる加熱制御用温度セン
サ１２を配設している。赤外線光源５、加熱部１１及び
加熱制御用温度センサＪ２の夫々のリード線は外部に導
出されている。なお、前記加熱部１１及び加熱制御用温
度センサ１２は赤外線ガス濃度計内のデッドスペースを
利用して配設しである。

この赤外線ガス濃度計は、以下の如くによりガス濃度を
測定できる。即ち赤外線光源５が発生した赤外線がガス
セル部６及び窓部ＩＣを通過して赤外線センサ１内に入
射する。この入射した赤外線は赤外線チョッパ２により
断続され、光学フィルタ４のガス吸収波長の赤外線のみ
を通過させ、赤外線検知部３がそのエネルギーを検出し
、検出したエネルギーに相応する信号を出力する。しか
るに、ガスセル部６内に検出すべきガスが存在すると、
赤外線はそのガスによって吸収され、赤外線検知部３に
到達する赤外線エネルギーが減少するため、この減少量
を測定することによりガス濃度が測定できる。

第３図は赤外線ガス濃度計の温度制御手段たる温度調整
回路のブロック図である。内部温度センサ１３の出力及
びその目標値を設定する温度設定部２０の出力が差動増
幅回路２１に与えられている。差動増幅回路２１の出力
は積分回路２２に与えられており、その出力は差動増幅
回路２３の一端及び比較回路２４及び２５に与えられて
いる。前記差動増幅回路２３の他端には加熱部制御用温
度センサ１２の出力が与えられており、その出力は積分
回路２６に与えられている。積分回路２６の出力は加熱
部通電制御回路２７に与えられている。前記比較回路２
４及び２５には、加熱部最低温度に相応する積分上限値
及び加熱部最高温度に相応する積分下限値を夫々与えて
おり、各比較回路２４．２５の出力を前記積分回路２２
に与えている。

第４図は温度調整回路の具体的な回路図であり、基準電
圧ｖＩは抵抗Ｒ１を介してダイオードからなる内部温度
センサ１３に供給され、また可変抵抗器からなる温度設
定部２０、ブリーダ抵抗からなる積分上限値設定部３１
及び積分下限値設定部３２に供給され、さらに抵抗Ｒ２
を介して加熱部制御用温度センサ１２の一端に与えられ
る。また、これの温度センサ１３、可変抵抗器２０、ブ
リーダ抵抗３１．３２及び温度センサ１２の他端は接地
されている。内部温度センサ１３の出力は符号を反転す
るために二つの差動増幅器を直列接続した差動増幅回路
２１の負入力端子に与えられ、その正入力端子には温度
設定部２０の出力が与えられる。差動増幅回路２１の出
力信号は積分回路２２に与えられ積分される。積分出力
は差動増幅回路２３の正入力端子に与えられると共に、
二つの比較回路２４．２５の負入力端子に与えられる。

比較回路２４．２５は符号を反転するために二つの比較
器を６１えており、その正入力端子には積分上限（又は
下限）値設定部３１（又は３２）の設定出力が与えられ
る。比較回路２４．２５の比較結果出力は積分回路２２
の負入力端子にフィードバンクされる。

差動増幅回路２３の負入力端子には加熱部制御用温度セ
ンサ１２の検出出力が与えられる。差動増幅回路２３の
出力は積分回路２６で積分され、積分結果は加熱部通電
制御回路２７に与えられる。加熱通電制御回路２７は例
えば新日本無線製の電圧レギュラータＮＪＭ７２３を用
いてなり、５番端子に人力された電圧と４番端子に入力
された電圧とが等しくなるように２番及び３番端子の電
圧を制御するものである。ニジＪ御された電圧は加熱部
１１に与えられその加熱温度を制御する。

次にこの温度調整回路による加熱部ＩＩの温度制御動作
を説明する。

差動増幅回路２１は内部温度センサ１３の出力と、温度
設定部２０の出力との差を求めて、その差の出力を積分
回路２２に与える。積分回路２２は差動増幅回路２１か
らの出力を時間的に積分して、その出力を差動増幅回路
２３に与える。差動増幅回路２３は加熱制御用温度セン
サ】２の出力と、積分回路２２の出力との差を求めて、
その差の出力を積分回路２６に与える。積分回路２６は
、差動増幅回路２３の出力を時間的に積分して、その出
力を加熱部通電制御回路２７に与える。加熱部通電制御
回路２７は積分回路２６の出力に応じて加熱部１１の加
熱電力を制御する。

一方、比較回路２４は積分回路２２の出力と積分上限値
とを大小比較し、比較回路２５は積分回路２２の出力と
積分下限値とを大小比較して、夫々の比較回路２４　、
２５は正、負の出力を積分回路２２に与える。

比較回路２４．２５は電源投入時及びノイズが発生した
際に赤外線ガス濃度計を保護すべく設けである。

いま、内部温度センサ１３及び加熱制御用温度センサ１
２にダイオードを用いた場合の動作を説明する。このダ
イオードは温度上昇により順方向電圧が低下する特性を
有する。そのため差動増幅回路２１は、内部温度センサ
１３の出力が温度設定部２０の出力より大きいとき、即
ち内部温度センサ１３の温度の方が温度設定部２０の設
定より低いときは、積分回路２２の出力を低下させるよ
うな出力を積分回路２２に与える。差動増幅回路２３は
、加熱部制御用温度センサ１２の出力が積分回路２２の
出力より太きいとき、即ち加熱部制御用温度センサ１２
の温度が低いときは積分回路２６の出力を増加させるよ
うな出力を積分回路２６に与え、積分回路２６はその出
力を加熱部通電制御回路２７に与える。

尚、前述した内部温度センサ１３及び加熱制御用温度セ
ンサ１２にダイオードを用いたが、このダイオードに代
えてサーミスタを用いても、温度によりその両端電圧が
低下してダイオードと同様に動作させることができる。

電源投入時に内部温度センサ１３の出力は、温度設定部
２０より大きい（内部温度センサの検出温度が温度設定
値より低い）ため積分回路２２の出力はＯＶから減少す
る。そのため、比較回路２４．２５は積分下限値よりも
積分回路２２の出力が小さいときは、積分回路２２の出
力を増加させる働きをして積分下限値まで積分回路２２
の出力を増加させる。差動増幅回路２３は、加熱部制御
用温度センサ１２の出力が積分回路２２の出力よりも大
きいので、積分回路２６の出力を増加させて加熱部１１
に加熱電力を供給すべく加熱部通電制御回路２７を制御
する。

加熱部１１に通電して赤外線センサ１の周囲温度が上昇
し、内部温度センサ１３の出力が温度設定部２０の出力
より低下すると積分回路２２の出力が増加して、それに
より加熱部制御用センサ１２の出力の方が積分回路２２
の出力より低下して、積分回路２６の出力が減少して、
加熱電力を減少させ、加熱部制御用温度センサ１２の出
力を増加させて積分回路２２の出力に一致させる。そし
て加熱電力を減少させたことにより赤外線センサ１の周
囲温度が低下し、内部温度センサ１３の出力が温度設定
部２ｏの設定電圧に相応する出力に近づき赤外線センサ
ｌの周囲温度が安定する。

しかして、赤外線ガス濃度計の周囲温度が変化し、例え
ば低下すると、赤外線ガス濃度計の外面から放散する熱
量が増加して、赤外線センサ１の周囲温度が安定してい
た状態から脱して低下することになる。そうすると、内
部温度センサ１３の出力が増加し、積分回路２２の出力
が減少する。そして加熱部制御用温度センサ１２の出力
が積分回路２２の出力より大きくなると、積分回路２６
の出力が増加して加熱部１１の加熱電力を増加させる。

これにより赤外線センサ１を加熱して内部温度センサ１
３の出力を温度設定部２０の出力に近づける。そして積
分回路２２の出力は、赤外線ガス濃度計の内部温度が変
化する前の値と異なった値で安定することになる。

このようにして、内部温度センサ１３の出力と、温度設
定部２０の出力との差の出力を積分し、その積分値を利
用して加熱部１１の加熱温度を制御することにより、赤
外線センサ１の周囲温度を安定に保持することができる
。

なお、本発明による赤外線ガス濃度計の誤差特性を第５
図に示している。この第５図は縦軸を濃度出力誤差（％
）とし、横軸を赤外線ガス濃度計の周囲温度（”Ｃ）と
しており、ＣＯ□２０％ガスをガスセル部６に導入した
ときの濃度出力誤差を表している。赤外線ガス濃度計に
要求される周囲温度範囲０〜４０℃において、この発明
の濃度出力誤差特性は実線で示すように±０．５％以内
となっている。一方、同様に測定した従来の赤外線ガス
濃度計の濃度出力誤差特性は破線で示すように、周囲温
度が略１５℃以下又は略２５℃以上では濃度出力誤差の
許容誤差範囲（斜線域）を超える。これは、本発明の赤
外線ガス濃度計が、その周囲温度が変化しても赤外線検
知部３の温度変化が生じないためであり、本発明による
温度制御の効果が証明されている。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明は加熱部の加熱温度を加熱部
制御用温度センサで、赤外線センサのセンサケース内の
温度を内部温度センサで検出して、電源投入時の内部温
度センサの出力と所定値との差を得、これと加熱部制御
温度センザの出力との差を得て、これにより加熱部の加
熱電力を制御してセンサケース内の温度を一定に保つの
で、周囲温度が広範囲に変化してもガスの濃度出力誤差
が許容誤差範囲から逸脱することなく、しかも従来品に
比べて大型化しない等、優れた赤外線ガス濃度計を提供
できる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る赤外線ガス）・岩度計の内部構
造を示す側断面図、第２図はその外観を示す斜視図、第
３図は温度調整回路のブロック図、第４図は温度調整回
路の具体的な回路図、第５図は赤外線ガス濃度計の周囲
温度と、濃度出力の誤差との関係を示すグラフである。 １・・・赤外線センサ　２・・・赤外線チョッパ　３・
・・赤外線検知部　６・・・ガスセル部　１１・・・加
熱部１２・・・加熱部制御用温度センサ　１３・・・内
部温度センサ　２０・・・温度設定部　２１・・・差動
増幅回路　２２・・・積分回路　２３・・・差動増幅回
路　２４．２５・・・比較回路２６・・・積分回路　２
７・・・加熱部通電制御′ｎ回路特　許　出願人　三洋
電機株式会社 代理人　弁理士　河　野　　登　夫 第　　５　　　図 手続補正書（自発） 平成１年６月９０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、焦電型の赤外線検知部を収納してなる赤外線センサ
   を備える赤外線ガス濃度計であって、前記赤外線センサ
   を所要温度に加熱する加熱部と、該加熱部による加熱温
   度を検出する加熱部制御用温度センサと、前記赤外線検
   知部近傍の温度を検出する温度センサと、該温度センサ
   の出力と所定値との差を求め、該差と前記加熱部制御用
   温度センサの出力との差に応じて前記加熱部の加熱電力
   を制御する制御手段とを備え、前記赤外線検知部近傍の
   温度を前記所定値に制御すべくなしてあることを特徴と
   する赤外線ガス濃度計。 ２、焦電型の赤外線検知部をセンサケース内に収納して
   なる赤外線センサを備える赤外線ガス濃度計であって、 前記赤外線センサを所要温度に加熱する加熱部と、該加
   熱部による前記赤外線センサの加熱温度を検出する加熱
   部制御用温度センサと、前記センサケース内の温度を検
   出する温度センサと、該温度センサの出力と所定値との
   差を得て、該差と前記加熱部制御用温度センサの出力と
   の差に応じて前記加熱部の加熱電力を制御する制御手段
   とを備えることを特徴とする赤外線ガス濃度計。