WO2022024481A1 - 光音響センサ、光音響センサの校正方法、及び空調システム - Google Patents

光音響センサ、光音響センサの校正方法、及び空調システム Download PDF

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WO
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gas
light source
acoustic wave
photoacoustic sensor
frequency
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PCT/JP2021/016363
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直弘 高武
誠 伊藤
雄二 森
邦人 川村
洋 宮本
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日立グローバルライフソリューションズ株式会社
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/036—Analysing fluids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
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    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the present invention relates to a photoacoustic sensor for detecting a gas component, a method for calibrating a photoacoustic sensor, and an air conditioning system.
  • the photoacoustic effect is an acoustic wave in which when light of a specific wavelength is intermittently (pulse-shaped) applied to a molecule of a specific component constituting a gas, the molecule that has absorbed the light undergoes thermal expansion and contraction. This is a phenomenon in which (sound waves) are generated.
  • Photoacoustic sensors are small in size and capable of detecting low-concentration gases with high sensitivity, and are therefore being applied to air conditioning systems in buildings. The photoacoustic sensor can be applied not only to the air conditioning system but also to other fields, but an application example of the air conditioning system will be described below.
  • the photo-acoustic sensor encloses the measurement gas in a housing that forms a closed space called a cell, irradiates the light in a pulse shape to generate an acoustic wave, and the peak frequency (intensity is maximized) of this acoustic wave.
  • the gas component is specified from the frequency).
  • at least one connection hole is formed in the cell in order to circulate the air outside the cell (indoor air) in the cell.
  • the peak frequency of the acoustic wave generated by the photoacoustic effect tends to depend on the temperature of the measured gas, if the air temperature in the room changes, the estimation of the type of gas component may be erroneous. Therefore, it is required to compensate for the temperature dependence.
  • Patent Document 1 a gas having a known type and concentration of a gas component is used to correct an unknown gas concentration calculation. It is shown to do.
  • Patent Document 1 the concentration calculation of an unknown gas is corrected by using a gas having a known type and concentration, but if a known gas cannot be prepared, the gas type is estimated or the gas is used. It has a problem that the concentration of a component cannot be measured, and a problem that the accuracy of estimating the type of gas and calculating the concentration of a gas component is lowered when a known gas leaks due to aged deterioration. Therefore, a photoacoustic sensor as in Patent Document 1 requires maintenance of a known gas, and it is not a good idea to adopt it in an air conditioning system, for example.
  • An object of the present invention is a novel photoacoustic sensor capable of accurately estimating the type of gas component at least without depending on temperature without using a known gas or the like, a method for calibrating a photoacoustic sensor, and a method for calibrating the photoacoustic sensor. It is to provide an air conditioning system.
  • the present invention comprises a sensor cell that forms an internal space and stores the measured gas, a light source that irradiates the gas in the sensor cell with light, a light source driving means that causes the light source to emit light intermittently, and an acoustic sound of a specific gas in the sensor cell.
  • a microphone that detects waves, a signal processing means that processes acoustic waves detected by the microphone, at least a light source driving function that gives a driving signal to the light source driving means, and a specific gas based on a signal from the signal processing means.
  • control means that executes a gas estimation function that estimates the type
  • the gas estimation function of the control means obtains the average molecular weight of a specific gas using the frequency of the acoustic wave and the temperature information of the gas, and specifies it from the obtained average molecular weight. It is characterized by estimating the type of gas.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for estimating a gas component according to a first embodiment executed in the air conditioning system shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for estimating a gas component according to a second embodiment executed in the air conditioning system shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for estimating a gas component according to a third embodiment executed in the air conditioning system shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for estimating a gas component according to a fourth embodiment executed in the air conditioning system shown in FIG. 7. It is a system diagram of the air-conditioning system which becomes the 5th Embodiment of this invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for estimating a gas component according to a fifth embodiment executed in the air conditioning system shown in FIG. 9. It is a system diagram of the air-conditioning system which becomes the 6th Embodiment of this invention. It is a system diagram of the air-conditioning system which becomes the 7th Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 shows an air conditioning system to which the present invention is applied
  • FIG. 2 shows a flowchart illustrating a method for estimating a gas component according to a first embodiment implemented in the air conditioning system shown in FIG. ing.
  • the air conditioner (air conditioning means) 10 has a function of receiving sensor information from the sensor group 11 and executing an air conditioning operation based on the received signal.
  • the sensor group 11 includes environment sensors such as a temperature sensor (temperature detecting means) for detecting the temperature of the living space, a CO 2 sensor for detecting the CO 2 concentration in the living space, and a dust sensor for detecting dust floating in the living space. It is composed of a heart rate sensor that detects the resident's heart rate and a human sensor such as a thermopile that detects the resident's body temperature.
  • the air conditioner 10 is wirelessly or wiredly connected to a central management device (central management means) 12 composed of a server or the like, and operation information, sensor information, etc. are transmitted from the air conditioner 10 to the central management device 12. is doing. Further, the central management device 12 transmits the operation signal and the control signal of the air conditioner 10 to the air conditioner 10.
  • a central management device central management means
  • the photoacoustic sensor 13 which is a feature of the present embodiment, is connected to the air conditioner 10 wirelessly or by wire.
  • the photoacoustic sensor 13 can be installed at any place such as an office, a commercial facility, or a factory. Further, although not shown in the drawing, it can be provided in the air conditioner 10 itself.
  • the photoacoustic sensor 13 is at least a sensor cell 14 that forms an internal space and stores a gas (here, air) to be measured, a light source A15 to a light source N17 that irradiate the gas (air) in the sensor cell 14 with light, and a sensor cell. It is provided with a microphone 18 for detecting an acoustic wave of air in the 14 and two connection holes 19 for connecting the internal space and the external space in the sensor cell 14. The two connection holes 19 are provided for circulating air in the sensor cell 14 as described above.
  • the light from the light source A15 to the light source N17 is emitted from the light incident portion formed in the sensor cell 14 toward the internal space.
  • Various light sources can be used as the light source A15 to the light source N17, and for example, a light source such as a semiconductor laser, a gas laser, or an LED can be used. In consideration of manufacturing cost and the like, LEDs are used in this embodiment.
  • These light sources A15 to N17 are configured to emit light intermittently (in a pulse shape) to give light energy to the air stored in the sensor cell 14. As a result, the specific gas component to be measured in the sensor cell 14 repeats thermal expansion and contraction to generate an acoustic wave.
  • the wavelength of the light emitted from the light source A15 to the light source N17 is determined by the specific gas component to be measured, and in the present embodiment, the N light source A15 to the light source N17 are used so as to detect N gas components. It is prepared. Since an LED is used in this embodiment, an optical filter that transmits a predetermined wavelength is used to obtain a desired wavelength.
  • the light sources A15 to N17 emit light intermittently to give light energy to the air stored in the sensor cell 14, they are pulsed by the drive circuit (light source drive means) A20 to the drive circuit (light source drive means) N22.
  • the light emission is controlled.
  • the drive circuit A20 to the drive circuit N22 are controlled to change (sweep) the frequency within a predetermined range in order to obtain (search) the peak frequency at which the intensity of the acoustic wave detected by the microphone 18 is maximized. Will be done.
  • the drive circuit A20 to the drive circuit N22 are driven at a frequency determined by the control circuit unit (control means) 23.
  • the control circuit unit 23 is composed of a microcomputer, an input / output circuit, and the like, and executes a predetermined function by control software stored in a ROM built in the microcomputer.
  • the function of changing the frequency of the drive circuit A20 to the drive circuit N22 described above (light source drive function), the function of obtaining the type and concentration of the gas component from the acoustic wave (gas estimation function), and the like are executed.
  • the method of obtaining the type and concentration of the gas component from the acoustic wave will be described later.
  • drive circuit A20 and the light source A15 will be described below, the same operation is performed for the other drive circuits B21 to the drive circuit N22 and the light source B16 to the light source N17.
  • the acoustic wave generated by the intermittent light emission of the light source A15 detected by the microphone 18 is converted into an electric signal by the detection circuit unit 24, and noise is further removed by the signal processing unit (signal processing means) 25. It is amplified and transmitted to the control circuit unit 23.
  • the control circuit unit 23 obtains the drive frequency of the drive circuit A20 that causes this peak frequency from the peak frequency at which the intensity of the acoustic wave is maximized.
  • the drive frequency of the drive circuit A20 is obtained in order to obtain a more accurate frequency. Since this drive frequency is generated by the control circuit unit 23 itself, this drive frequency may be obtained.
  • the peak frequency at which the intensity of the acoustic wave is maximized and the intensity are temporarily stored in the memory (storage means) 26.
  • the memory 26 is a rewritable memory, and a memory such as a battery-backed RAM, a flash ROM, or a microcomputer RAM can be used.
  • the photoacoustic sensor 13 has a communication unit (communication means) 27 connected to the air conditioner 10 wirelessly or by wire, and the temperature information of the outside air (gas) detected by the temperature sensor of the sensor group 11. Is taken into the photoacoustic sensor 13 via the air conditioner 10. The captured temperature information is temporarily stored in the memory 26.
  • the air conditioners 10 are equipped with a temperature sensor for their own control, and the temperature sensor of the air conditioner 10 can be used to detect temperature information. Further, the temperature information is acquired from the air conditioner 10 or the sensor group 11 at the start of measurement of the photoacoustic sensor 13 or at predetermined intervals.
  • the gas component and its concentration obtained by the control circuit unit 23 are sent from the communication unit 27 to the air conditioner 10 and further to the central management device 12.
  • the central control device 12 corresponds to the sent gas component and its concentration, and is an air conditioner 10, and an air quality adjusting device (air quality adjusting means) such as an odor adsorbing device, a dust collector, an ozone deodorizing device, and an aroma adding device. ) 28 is controlled.
  • the air conditioner 10 can also be provided with the function of the air quality adjusting device 28.
  • the average molecular weight of the specific gas component to be measured is obtained from the drive frequency of the drive circuit A20 stored in the memory 26 and the temperature information of the air, and the specific gas component is obtained from the obtained average molecular weight. Performs an operation that estimates the type of. Specifically, the average molecular weight is obtained by executing the following operations on a microcomputer.
  • the resonance frequency (fr) of the acoustic wave of the sensor cell 14 can be expressed by the following equation (1).
  • the speed of sound generally depends on the specific heat ratio, average molecular weight, and temperature.
  • ⁇ is the specific heat ratio of the gas
  • R is the gas constant
  • T is the gas temperature
  • M is the average molecular weight of the gas
  • the sensor cell 14 is composed of a combination of a detection cell (light source side) and a resonance cell (microphone side) connected to the detection cell (microphone side) via a duct
  • "d” is the duct diameter
  • "L” is the duct length
  • “V1” is the detected cell volume
  • V2" is the resonance cell volume.
  • the equation (2) shows the case where the detection cell and the resonance cell are combined as the sensor cell 14, but there are cases where the sensor cell 14 is only the detection cell or there are two resonance cells.
  • the coefficient portion of Eq. (2) may be modified accordingly, and the point is that the sound velocity (c) can be obtained from the resonance frequency (fr).
  • the average molecular weight (M) is obtained from the drive frequency (fr) of the light source corresponding to the resonance frequency and the temperature information (T) of the air stored in the memory 26. That is, the above-mentioned equation (1) is transformed into a "predetermined arithmetic expression" for which the average molecular weight (M) is obtained, and the drive frequency ( fr ) and the air temperature information (T) are used from this predetermined arithmetic expression. Therefore, the average molecular weight (M) compensated for the temperature dependence can be obtained.
  • the type of gas component is estimated from the obtained average molecular weight (M).
  • M average molecular weight
  • gas components A to N and corresponding average molecular weights A to N are tabulated, and the corresponding gas component is searched from the obtained average molecular weight (M). Therefore, the type of gas component can be estimated from the average molecular weight (M).
  • control flow shown in FIG. 3 is activated by a temporal interrupt, and is executed, for example, by an interrupt generated by a compare match timer.
  • steps S11 and subsequent steps are control steps executed by the microcomputer of the control circuit unit 23.
  • Step S10 the temperature information is detected by the temperature sensor of the air conditioner 10 or the sensor group 11.
  • the temperature information from this temperature sensor represents the average air temperature of the air circulating in the room.
  • the purpose of obtaining the average air temperature is to prevent a temporary change in temperature from being detected so that an error does not occur in the calculation of the average molecular weight (M).
  • M average molecular weight
  • step S11 the temperature information obtained in step S10 is taken in via the communication unit 27 of the photoacoustic sensor 13, and the received temperature information is stored in a predetermined area of the memory 26. The stored temperature information is retained at least until the gas component described later is obtained. When the temperature information is stored, the process proceeds to step S12.
  • step S12 it is determined whether or not the operations of the drive circuit A20 to the drive circuit N22 for driving the light source A15 to the light source N17 are completed. That is, the operations of the drive circuit A20 to the drive circuit N22 are executed in order, and the acoustic wave is detected correspondingly. Therefore, when the operation of the drive circuit A20 to the drive circuit N22 is completed, the acoustic wave is detected. It is completed, which means that the estimation of the gas component is completed.
  • step S13 the process proceeds to step S13, and the gas component estimation process is continued.
  • the estimation process described below is a process when the drive circuit A20 is driven. Since the estimation process of the gas component when the drive circuit B21 to the drive circuit N22 other than this is driven is substantially the same as the estimation process of the drive circuit A, the description thereof will be omitted.
  • step S13 the drive frequency of the drive circuit A20 is changed (sweep) at a constant speed, and the acoustic wave is measured by the microphone 18.
  • the peak frequency at which the output intensity of the acoustic wave is maximized is searched for. This peak frequency is the frequency at which the gas component to be measured reacts most.
  • the drive frequency of the drive circuit A20 and the peak frequency of the acoustic wave substantially correspond to each other, the drive frequency of the drive circuit A20 at this time is determined as the peak frequency.
  • the process proceeds to step S14.
  • Step S14 the peak frequency searched in step S13 is stored in a predetermined area of the memory 26.
  • the stored peak frequency is maintained at least until the gas component described later is obtained.
  • the process proceeds to step S15.
  • step S15 the average molecular weight (M) is calculated using the temperature information stored in the memory 26 and the peak frequency. Specifically, the above-mentioned equation (1) is transformed into a "predetermined arithmetic expression" for which the average molecular weight (M) is obtained, and the peak frequency and temperature information are used in this predetermined arithmetic expression to make the temperature dependent. Can be obtained for the compensated average molecular weight (M). When the average molecular weight (M) is obtained, the process proceeds to step S16.
  • step S16 the type of gas component is estimated from the average molecular weight (M) obtained in step S15.
  • M average molecular weight
  • the gas components A to N and the corresponding average molecular weights A to N are tabulated, and the corresponding gas components are table-looked up from the obtained average molecular weight (M).
  • the type of gas component can be estimated from the average molecular weight (M).
  • machine learning can also be used to estimate the type of gas component.
  • the estimation of the gas component by the operation of the drive circuit B21 to the drive circuit N22 other than this can be performed by executing the above-mentioned steps S13 to S16.
  • the present embodiment is different from the first embodiment in that the concentration of the gas component is obtained from the intensity of the peak frequency.
  • the description of the same control step as that shown in FIG. 3 will be omitted.
  • the air conditioning system of the present embodiment is basically the same as the system shown in FIG.
  • steps S11 and subsequent steps are control steps executed by the microcomputer of the control circuit unit 23.
  • step S10 ⁇ Step S10 ⁇ ⁇ ⁇ Step S13 ⁇ Since the control steps of steps S10 to S13 are the same as the control steps shown in FIG. 3, the description thereof will be omitted. Then, when the process up to step S13 is executed, the process proceeds to step S14A.
  • Step S14A the peak frequency searched in step S13 and the intensity of the acoustic wave at this time are stored in a predetermined area of the memory 26. The stored peak frequency and intensity are retained at least until the gas component described below is sought. When the peak frequency is stored, the process proceeds to step S15.
  • Step S15 ⁇ Step S16 ⁇ Since the control steps of steps S15 to S16 are the same as the control steps shown in FIG. 3, the description thereof will be omitted. Then, when steps S15 to S16 are executed, the process proceeds to step S17.
  • step S17 the concentration of the gas component is estimated from the intensity of the acoustic wave obtained in step S14A.
  • the intensity of the acoustic wave and the corresponding concentration are tabulated, and the concentration of the corresponding gas component is table-looked up from the obtained intensity to obtain the concentration of the gas component from the intensity of the acoustic wave. Can be estimated.
  • FIG. 5 shows the relationship between the intensity of the acoustic wave and the concentration of the gas component, and it can be understood that the concentration of the gas component can be obtained based on the intensity of the acoustic wave. Therefore, the relationships shown in FIG. 5 may be tabulated. Alternatively, the intensity of the acoustic wave itself may be regarded as the concentration of the gas component.
  • the process exits to the "end" and the processing of this control flow is terminated.
  • the estimation of the type of gas component and the estimation of the concentration by the operation of the drive circuits B21 to N22 other than this can be performed by executing the above-mentioned steps S13 to S17.
  • the present embodiment is different from the first embodiment and the second embodiment in that the gas component is estimated after the air temperature in the room is constant by the air conditioner 10.
  • the description of the same control steps as those of the first embodiment and the second embodiment will be omitted.
  • the air conditioning system of the present embodiment is basically the same as the system shown in FIG.
  • steps S11 and subsequent steps are control steps executed by the microcomputer of the control circuit unit 23.
  • step S20 desired set temperature information is transmitted from the central control device 12 to the air conditioner 10.
  • the operation is started based on the set temperature information, and the operation is continued so that the indoor air approaches the set temperature.
  • the process proceeds to step S21 while the air conditioner 10 continues to operate.
  • step S21 when it is determined by the temperature sensor of the air conditioner 10 that the room temperature has reached the set temperature while the air conditioner 10 continues to operate, the air conditioner 10 is set to itself.
  • the temperature information is transmitted to the photoacoustic sensor 13 as air temperature information.
  • the process proceeds to step S11.
  • the estimation of the type of gas component by the operation of the drive circuits B21 to N22 other than this can be performed by executing the above-mentioned steps S13 to S16.
  • the concentration of the gas component can be estimated from the intensity of the peak frequency.
  • FIGS. 7 and 8 a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
  • This embodiment is different from the first to third embodiments in that the photoacoustic sensor 13 is equipped with the temperature measurement function unit 29. It should be noted that the description of the same components as the components of the first embodiment to the third embodiment and the same control steps as the control steps shown in the first embodiment to the third embodiment will be omitted.
  • the photoacoustic sensor 13 includes a temperature measuring function unit 29, and the temperature measuring function unit 29 transmits temperature information to the control circuit unit 23.
  • the temperature measuring function unit 29 can use a temperature measuring element such as a temperature sensor (resistance temperature detector or thermistor) or a thermopile provided on the circuit board of the photoacoustic sensor 13.
  • a drive circuit 20 to 22 detection circuit unit 24, a signal processing circuit 25, a control circuit unit 23, and the like are mounted on the circuit board.
  • the air conditioning system of the present embodiment is basically the same as the system shown in FIG. 1 except that the temperature information is detected by the photoacoustic sensor 13.
  • steps S22 and subsequent steps are control steps executed by the microcomputer of the control circuit unit 23.
  • Step S22 the temperature is detected by the temperature measuring function unit 29 using the temperature measuring element provided on the circuit board of the photoacoustic sensor 13, and the detected temperature information is stored in a predetermined area of the memory 26. The stored temperature information is retained at least until the gas component described later is obtained. When the temperature information is stored, the process proceeds to step S12.
  • the estimation of the type of gas component by the operation of the drive circuits B21 to N22 other than this can be performed by executing the above-mentioned steps S12 to S16.
  • the type of gas component can be estimated only by the photoacoustic sensor 13.
  • the concentration of the gas component can be estimated from the intensity of the peak frequency.
  • the present embodiment is different from the first to fourth embodiments in that the light source Q30 for measuring the known gas is mounted.
  • the description of the same components as the components of the first to fourth embodiments and the same control steps as the control steps shown in the first to fourth embodiments will be omitted.
  • the photoacoustic sensor 13 includes a drive circuit Q30 and a light source Q31 for detecting a known gas component.
  • the air conditioning system of the present embodiment is basically the same as the system shown in FIG. 1 except that the temperature information is obtained by calculation.
  • control flow shown in FIG. 10 is also activated by a temporal interrupt, and is executed by, for example, an interrupt generated by a compare match timer.
  • steps S23 and subsequent steps are control steps executed by the microcomputer of the control circuit unit 23.
  • step S23 the drive frequency of the drive circuit Q30 is changed (sweep) at a constant speed, and the acoustic wave is measured by the microphone 18. While continuing to drive the drive circuit Q30, the process proceeds to step S24.
  • Step S24 the peak frequency at which the output intensity of the acoustic wave is maximized is searched for while repeating the sweep of the drive frequency of the drive circuit Q30.
  • This peak frequency is the frequency at which the gas component of the known gas reacts most.
  • the temperature is calculated using Eq. (1).
  • the above-mentioned equation (1) is transformed into a "predetermined arithmetic expression" for which the temperature (T) is obtained, and the temperature is used from this predetermined arithmetic expression using the drive frequency (fr) of the light source and the average molecular weight (M). (T) can be obtained.
  • this temperature information is stored in a predetermined area of the memory 26. The stored temperature information is retained at least until the gas component described later is obtained.
  • the process proceeds to step S12.
  • the estimation of the type of gas component by the operation of the drive circuits B21 to N22 other than this can be performed by executing the above-mentioned steps S12 to S16.
  • the concentration of the gas component can be estimated from the intensity of the peak frequency.
  • the sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • a pair of light sources having the same wavelength are provided, and the average current value of the drive circuit connected to each light source is monitored by the current measurement circuit to determine the deterioration of the light source and issue an alarm.
  • the deterioration of the light source is the deterioration of the light source including the drive circuit.
  • FIG. 11 shows a light source N ′ 17 ′, a drive circuit N22 ′ driving the light source N ′ 17 ′, and a current measurement circuit N ′ 33 ′.
  • the microcomputer of the control circuit unit 23 compares the average current values measured by the current measurement circuit A32 and the current measurement circuit A'32', and the difference is stored in the memory 26. Stored.
  • the microcomputer determines that the light source including the drive circuit is deteriorated. , Output an alarm.
  • the alarm is transmitted to the air conditioner 10 and the central management device 12 via the communication unit 27, and can notify the deterioration of the photoacoustic sensor 13. Further, an alarm can be output by the blinking lamp 34 provided in the photoacoustic sensor 13.
  • the difference between the average current values measured by the pair of current measurement circuits deviates from a predetermined predetermined difference threshold value (difference between the average current values in the normal case).
  • a predetermined predetermined difference threshold value difference between the average current values in the normal case.
  • various methods can be considered to detect that the light source including the drive circuit is deteriorated. For example, if there is a difference of 20% or more between the average current values of the pair of drive circuits, an alarm can be issued assuming that the light source including the drive circuits is deteriorated. Further, regarding the intensity of the acoustic wave due to the deteriorated light source, the intensity can be corrected corresponding to the difference in the average current value.
  • the concentration of the gas component is estimated from the intensity of the peak frequency as in the second embodiment, the deterioration of the light source can be detected and the intensity of the acoustic wave can be corrected.
  • the estimation accuracy of the concentration of the component can be improved.
  • a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • a pair of microphones 18 and 18'are provided in the sensor cell, and the outputs of the microphones 18 and 18'are monitored to determine the deterioration of the microphone and issue an alarm. It is different from the embodiment of 6. The description of the same components as those of the first to sixth embodiments will be omitted.
  • the sensor cell 14 is provided with a pair of the same microphones 18 and 18', and the outputs of the microphones 18 and 18'are input to the control circuit unit 23 via the detection circuit unit 24 and the signal processing unit 25. ing.
  • the microcomputer of the control circuit unit 23 has a function of comparing the input outputs of the microphones 18 and 18'and determining the deterioration state of the microphones 18 and 18'.
  • the photoacoustic sensor 13 when the photoacoustic sensor 13 is activated, the intensity of the ambient sound measured by the microphones 18 and 18'is compared by the microcomputer of the control circuit unit 23, and the difference is stored in the memory 26.
  • the microcomputer determines that the microphones 18 and 18'are deteriorated and gives an alarm. Is output.
  • the alarm is transmitted to the air conditioner 10 and the central management device 12 via the communication unit 27, and can notify the deterioration of the photoacoustic sensor 13. Further, an alarm can be output by the blinking lamp 34 provided in the photoacoustic sensor 13.
  • the difference in the intensity of each acoustic wave measured by the pair of microphones deviates from a predetermined predetermined difference threshold value (for example, the difference in intensity in the normal case) in the microcomputer.
  • a predetermined predetermined difference threshold value for example, the difference in intensity in the normal case
  • various methods can be considered to detect that the microphone is deteriorated. For example, if there is a difference of 20% or more between the intensities that are the outputs of a pair of microphones, it is possible to issue an alarm that the microphones are deteriorated. Further, with respect to the intensity of the acoustic wave generated by the deteriorated microphone, the detected intensity can be corrected corresponding to the difference in intensity.
  • the concentration of the gas component is estimated from the intensity of the peak frequency as in the second embodiment, the deterioration of the microphone can be detected and the intensity of the acoustic wave can be corrected. It is possible to improve the estimation accuracy of the concentration of the component.
  • the present invention is not limited to some of the above-described embodiments, and includes various modifications.
  • the above-mentioned examples have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.

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Abstract

少なくともガス成分の種類の推定が、温度に依存することなく正確に行うことができる新規な光音響センサ、光音響センサの校正方法、及び空調システムを提供する。　内部空間を形成し測定されるガスを貯留するセンサセル１４と、センサセル１４内のガスに光を照射する光源１５と、光源１５を断続的に発光させる光源駆動手段２０と、センサセル１４内の特定ガスの音響波を検出するマイクロフォン１８と、マイクロフォン１８で検出された音響波を信号処理する信号処理手段２５と、少なくとも、光源駆動手段２０に駆動信号を与える光源駆動機能、及び信号処理手段２５からの信号に基づいて特定ガスの種類を推定するガス推定機能を実行する制御手段２３を備え、制御手段２３のガス推定機能は、音響波の周波数とガスの温度情報に基づいて特定ガスの平均分子量を求め、求められた平均分子量から特定ガスの種類を推定する。

Description

光音響センサ、光音響センサの校正方法、及び空調システム
　本発明は、気体(ガス)の成分を検出する光音響センサ、光音響センサの校正方法、及び空調システムに関するものである。
　一般的に事務所や商業施設、或いは工場等においては、住環境である室内空気の温度や湿度の制御が行われている。しかしながら、最近では温度や湿度の制御だけではなく、有害なガスや嫌な匂いの除去、更には芳香等の付加といった、空気品質を制御する要求が高まっている。
　この空気品質を制御するには、ガス濃度や匂い濃度の適切な制御が必要であり、目的に応じたガス成分や匂い成分を検知するガスセンサが必要である。ガス成分や匂い成分を検出するセンサとして、光音響効果を用いた光音響センサが提案されている。
　光音響効果は、ガスを構成する特定成分の分子に対して、特定の波長の光を断続的(パルス状)に照射すると、光を吸収した分子が熱膨張、及び収縮を行うことで音響波(音波)が発生する現象である。光音響センサは、小型で低濃度ガスを高感度に検出が可能なため、建築物の空調システムでの適用が進められている。尚、光音響センサは空調システムだけでなく、他の分野でも適用できるが、以下では空調システムの適用例を説明する。
　光音響センサは、セルと呼ばれる閉鎖された空間を形成する筐体に測定ガスを封入し、光をパルス状に照射して音響波を発生させ、この音響波のピーク周波数(強度が最大となる周波数)からガス成分を特定するようにしている。尚、空調システムに用いる光音響センサでは、セルの外側の空気(室内空気)をセル内に循環させるために、少なくとも１個以上の接続孔をセルに形成している。
　しかしながら、光音響効果で発生する音響波のピーク周波数は、測定ガスの温度に依存する傾向にあるため、室内の空気温度が変化すると、ガス成分の種類の推定に誤りが生じる恐れがあり、このため温度依存性を補償することが求められている。
　このような要請に応える技術として、例えば、特表２００１-５０７７９８号公報(特許文献１)においては、ガス成分の種類と濃度が既知のガスを用いることで、未知のガスの濃度演算の補正を行うことが示されている。
特表２００１-５０７７９８号公報
　ところで、特許文献１では、種類と濃度が既知のガスを用いることで、未知のガスの濃度計算の補正を行うようにしているが、既知のガスを準備できないと、ガスの種類の推定やガス成分の濃度が測定できないといった課題や、経年劣化で既知のガスが漏洩した場合に、ガスの種類の推定やガス成分の濃度の演算の精度が低下するといった課題を有している。このため、特許文献1のような光音響センサでは、既知のガスのメンテナンスが必要であり、例えば、空調システムに採用するのは得策ではない。
　本発明の目的は、既知のガス等を使用することなく、少なくともガス成分の種類の推定を温度に依存することなく正確に行うことができる新規な光音響センサ、光音響センサの校正方法、及び空調システムを提供することにある。
　本発明は、内部空間を形成し測定されるガスを貯留するセンサセルと、センサセル内のガスに光を照射する光源と、光源を断続的に発光させる光源駆動手段と、センサセル内の特定ガスの音響波を検出するマイクロフォンと、マイクロフォンで検出された音響波を信号処理する信号処理手段と、少なくとも、光源駆動手段に駆動信号を与える光源駆動機能と、信号処理手段からの信号に基づいて特定ガスの種類を推定するガス推定機能を実行する制御手段を備え、制御手段のガス推定機能は、音響波の周波数とガスの温度情報を用いて特定ガスの平均分子量を求め、求められた平均分子量から特定ガスの種類を推定する、ことを特徴としている。
　本発明の構成によれば、既知のガス等を使用することなく、ガス成分の種類の推定を温度に依存しないで正確に行うことができる。尚、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態の説明により明らかにされる。
本発明が適用される空調システムのシステム図である。 平均分子量とガス成分を関係付けたテーブルの構成を説明する説明図である。 図１に示す空調システムで実行される第１の実施形態になるガス成分の推定方法を説明するフローチャート図である。 図１に示す空調システムで実行される第２の実施形態になるガス成分の推定方法を説明するフローチャート図である。 音響波の強度とガス成分の濃度を関係付けたテーブルの構成を説明する説明図である。 図１に示す空調システムで実行される第３の実施形態になるガス成分の推定方法を説明するフローチャート図である。 本発明の第４の実施形態になる空調システムのシステム図である。 図７に示す空調システムで実行される第４の実施形態になるガス成分の推定方法を説明するフローチャート図である。 本発明の第５の実施形態になる空調システムのシステム図である。 図９に示す空調システムで実行される第５の実施形態になるガス成分の推定方法を説明するフローチャート図である。 本発明の第６の実施形態になる空調システムのシステム図である。 本発明の第７の実施形態になる空調システムのシステム図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略、及び簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。
　先ず、図１、及び図２を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。ここで、図１は、本発明が適用される空調システムを示し、図２は、図１に示す空調システムで実行される第１の実施形態になるガス成分の推定方法を説明するフローチャートを示している。
　図１に示す空調システムにおいて、空調機(空調手段)１０は、センサ群１１からのセンサ情報を受信し、この受信信号に基づいて空調動作を実行する機能を備えている。センサ群１１は、居住空間の温度を検出する温度センサ(温度検出手段)、居住空間のＣＯ２濃度を検出するＣＯ２センサ、及び居住空間を漂う粉塵を検出する粉塵センサ等の環境センサや、居住者の心拍数を検出する心拍センサ、居住者の体温を検出するサーモパイル等の人感センサから構成されている。
　また、空調機１０は、サーバ等から構成される中央管理装置(中央管理手段)１２と無線、或いは有線で接続されており、空調機１０から稼動情報、センサ情報等を中央管理装置１２に送信している。更に、中央管理装置１２は、空調機１０の操作信号や制御信号を空調機１０に送信している。
　そして、空調機１０には、本実施形態の特徴である光音響センサ１３が無線、或いは有線で接続されている。光音響センサ１３は、事務所や商業施設、或いは工場等の任意の場所に設置することができる。更には、図面に示していないが、空調機１０自体に設けることも可能である。
　光音響センサ１３は少なくとも、内部空間を形成し測定されるガス(ここでは空気)を貯留するセンサセル１４と、このセンサセル１４内のガス(空気)に光を照射する光源Ａ１５～光源Ｎ１７と、センサセル１４内の空気の音響波を検出するマイクロフォン１８と、センサセル１４内の内部空間と外部空間を接続する少なくとの２つの接続孔１９とを備えている。２つの接続孔１９は、上述したようにセンサセル１４内に空気を循環させるために設けられている。
　光源Ａ１５～光源Ｎ１７の光は、センサセル１４に形成した光入射部から内部空間に向けて照射される。光源Ａ１５～光源Ｎ１７は種々の光源を利用でき、例えば、半導体レーザ、ガスレーザ、ＬＥＤ等の光源を利用できる。製造コスト等を考慮して本実施形態ではＬＥＤを使用している。これらの光源Ａ１５～光源Ｎ１７は、断続的(パルス状)に発光して、センサセル１４内に貯留された空気に光エネルギを与える構成とされている。これによって、センサセル１４内の測定すべき特定ガス成分が熱膨張、収縮を繰り返して音響波を発生する。
　光源Ａ１５～光源Ｎ１７から照射される光の波長は、測定すべき特定ガス成分によって決められており、本実施形態ではＮ個のガス成分を検出するように、Ｎ個の光源Ａ１５～光源Ｎ１７が備えられている。本実施形態ではＬＥＤを用いているので、所定の波長を透過させる光フィルタを使用して、所望の波長を得るようにしている。
　光源Ａ１５～光源Ｎ１７は、断続的に発光してセンサセル１４内に貯留された空気に光エネルギを与えることから、駆動回路(光源駆動手段)Ａ２０～駆動回路(光源駆動手段)Ｎ２２によってパルス的に発光を制御されている。また、駆動回路Ａ２０～駆動回路Ｎ２２は、マイクロフォン１８によって検出される音響波の強度が最大になるピーク周波数を求める(探索する)ために、周波数を所定の範囲で変更(スイープ)するように制御される。
　このため、駆動回路Ａ２０～駆動回路Ｎ２２は、制御回路部(制御手段)２３によって決められた周波数で駆動される。制御回路部２３は、マイクロコンピュータ、入出力回路等から構成されており、マイクロコンピュータに内蔵されたＲＯＭに記憶された制御ソフトウェアによって所定の機能を実行するものである。
　例えば、少なくとも、上述した駆動回路Ａ２０～駆動回路Ｎ２２の周波数を変更する機能(光源駆動機能)、及び音響波からガス成分の種類や濃度を求める機能(ガス推定機能)等を実行する。音響波からガス成分の種類や濃度を求める方法については後述する。
　尚、以下では駆動回路Ａ２０と光源Ａ１５について説明するが、これ以外の駆動回路Ｂ２１～駆動回路Ｎ２２と光源Ｂ１６～光源Ｎ１７についても同様の動作を行うものである。
　マイクロフォン１８で検出される、光源Ａ１５の断続的な発光によって発生した音響波は、検出回路部２４で電気信号に変換され、更に信号処理部(信号処理手段)２５でノイズを除去されると共に、増幅されて制御回路部２３に送信される。制御回路部２３では、音響波の強度が最大になるピーク周波数から、このピーク周波数を生じさせる駆動回路Ａ２０の駆動周波数を求める。
　つまり、光源Ａ１５の発光周波数と音響波の周波数はほぼ一致するので、より正確な周波数を求めるために駆動回路Ａ２０の駆動周波数を求めている。この駆動周波数は制御回路部２３が自ら発生しているので、この駆動周波数を求めれば良い。この音響波の強度が最大となるピーク周波数、及び強度は、メモリ(記憶手段)２６に一時的に記憶される。メモリ２６は、書き換え可能なメモリであり、電池バックアップされたＲＡＭ、フラッシュＲＯＭ、マイクロコンピュータのＲＡＭ等のメモリを使用することができる。
　更に、光音響センサ１３は、空調機１０と無線、或いは有線で接続された通信部(通信手段)２７を有しており、センサ群１１の温度センサで検出された外気(ガス)の温度情報が、空調機１０を介して光音響センサ１３に取り込まれている。取り込まれた温度情報はメモリ２６に一時的に格納される。
　尚、空調機１０には、自身の制御のために温度センサを備えているものが多く、この空調機１０の温度センサを使用して温度情報を検出することもできる。また、温度情報は、光音響セセンサ１３の測定開始時、または所定周期毎に空調機１０、或いはセンサ群１１から取得されている。
　一方、制御回路部２３で求められたガス成分とその濃度は、通信部２７から空調機１０に送られ、更には中央管理装置１２に送られる。中央管理装置１２は送られてきたガス成分とその濃度に対応して、空調機１０、及び匂い吸着装置、集塵装置、オゾン脱臭装置、芳香付加装置等の空気品質調整装置(空気品質調整手段)２８を制御する。尚、空調機１０に、空気品質調整装置２８の機能を持たせることもできる。
　そして、制御回路部２３においては、メモリ２６に記憶された駆動回路Ａ２０の駆動周波数、及び空気の温度情報から、測定すべき特定ガス成分の平均分子量を求め、求められた平均分子量から特定ガス成分の種類を推定する演算を実行する。具体的には、マイクロコンピュータで、以下に示す演算を実行して平均分子量を求めている。
　センサセル１４の音響波の共鳴周波数(ｆｒ)は以下の(１)式で表すことができる。気体中においては、音速は一般的に比熱比、平均分子量、温度に依存する。ここで、「ｃ」を音速、「κ」をガスの比熱比、「Ｒ」をガス定数、「Ｔ」をガス温度、「Ｍ」をガスの平均分子量とすると、共鳴周波数(ｆｒ)と比例関係にある音速(ｃ)は
ｆｒ∝ｃ＝（κＲＴ/Ｍ）１/２　……（１）
と表される。
　例えばセンサセル１４が、検出セル(光源側)、及びこれにダクトを介して接続された共鳴セル(マイクロフォン側)の組み合わせから構成されている場合、「ｆｒ∝ｃ」は、
ｆｒ＝ｃｄ/４π・（（π（Ｖ１＋Ｖ２）/ＬＶ１Ｖ２））１/２　……（２）
で表される。ここで、「ｄ」は ダクト径、「Ｌ」はダクト長、「Ｖ１」は 検出セル体積、「Ｖ２」は共鳴セル体積である。
　尚、右辺の音速(ｃ)以外は、係数として取り扱うことができ、これはセンサセル１４の構成に基づいて予め求めておくことができる。
　したがって、共鳴周波数(ｆｒ)から(２)式を用いて音速(ｃ)を算出することができる。更に、平均分子量(Ｍ)を求めるために(１)式を「所定の演算式」（Ｍ＝κＲＴ/ｃ２）に変形し、これに音速(ｃ)と温度(Ｔ)を代入して平均分子量(Ｍ)を求めることができる。
　尚、(２)式はセンサセル１４として、検出セルと共鳴セルを組み合わせた場合を示したものであるが、センサセル１４が検出セルだけの場合や、共鳴セルが２個の場合等もある。この場合は(２)式の係数部分をこれに合わせて修正すればよく、要は共鳴周波数(ｆｒ)から音速(ｃ)が求まれば良いものである。
　このように、本実施形態ではメモリ２６に記憶されている、共鳴周波数に対応する光源の駆動周波数(ｆｒ)と空気の温度情報(Ｔ)とから平均分子量(Ｍ)を求めるようにしている。つまり、上述した(１)式を、平均分子量(Ｍ)が求められる「所定の演算式」に変形し、この所定の演算式から駆動周波数(ｆｒ)と空気の温度情報(Ｔ)を用いて、温度依存性が補償された平均分子量(Ｍ)を求めることができる。
　そして、求められた平均分子量(Ｍ)からガス成分の種類が推定される。推定方法は、例えば、図２に示すように、ガス成分Ａ～Ｎとこれに対応する平均分子量Ａ～Ｎをテーブル化しておき、求められた平均分子量(Ｍ)から対応するガス成分を検索することで、平均分子量(Ｍ)からガス成分の種類を推定することができる。
　以上のような構成によって、ガス成分の種類の推定を温度に依存しないで正確に行うことができる。尚、本実施形態ではガス成分の濃度は推定していない。ガス成分の濃度を推定する方法は、以下の実施例２で説明する。
　次に、制御回路部２３のマイクロコンピュータで実行される具体的な制御フローを図３に基づき説明する。図３に示す制御フローは、時間的な割込みによって起動されるものであり、例えば、コンペアマッチタイマによる割り込み発生で実行される。ここで、ステップＳ１１以降が、制御回路部２３のマイクロコンピュータで実行される制御ステップである。
　≪ステップＳ１０≫
ステップＳ１０においては、空調機１０、またはセンサ群１１の温度センサによって温度情報を検出する。この温度センサによる温度情報は室内を循環している空気の平均空気温度を表している。平均空気温度を求めるのは、一時的な温度の変化を検出しないようにして、平均分子量(Ｍ)の演算に誤差が生じないようにするためである。温度情報が得られるとステップＳ１１に移行する。
　≪ステップＳ１１≫
ステップＳ１１においては、ステップＳ１０で得られた温度情報が、光音響センサ１３の通信部２７を経由して取り込まれ、この受信した温度情報はメモリ２６の所定領域に保存される。記憶された温度情報は、少なくとも後述するガス成分が求められるまで保持されている。温度情報が記憶されるとステップＳ１２に移行する。
　≪ステップＳ１２≫
ステップＳ１２においては、光源Ａ１５～光源Ｎ１７を駆動する駆動回路Ａ２０～駆動回路Ｎ２２の動作が完了したかどうかが判断される。つまり、駆動回路Ａ２０～駆動回路Ｎ２２の動作は順番に実行され、これに対応して音響波の検出が行われるので、駆動回路Ａ２０～駆動回路Ｎ２２の動作が完了したことは音響波の検出が完了し、ガス成分の推定が完了したことを意味している。
　したがって、すべての駆動回路Ａ２０～駆動回路Ｎ２２の動作が完了したと判断されると「エンド」に抜けてこの制御フローの処理を終了する。
　一方、すべての駆動回路Ａ２０～駆動回路Ｎ２２の動作が完了していないと判断されると、ステップＳ１３に移行して、ガス成分の推定処理を継続する。尚、以下に説明する推定処理は、駆動回路Ａ２０を駆動した時の処理である。これ以外の駆動回路Ｂ２１～駆動回路Ｎ２２を駆動した時のガス成分の推定処理は、駆動回路Ａと実質的に同じ推定処理であるので、説明を省略する。
　≪ステップＳ１３≫
ステップＳ１３においては、一定の速度で駆動回路Ａ２０の駆動周波数を変化させて(スイープさせて)、マイクロフォン１８によって音響波を測定する。この動作を繰り返しながら、音響波の出力強度が最大となるピーク周波数を探索する。このピーク周波数が、測定するガス成分が最も反応する周波数となる。
　尚、駆動回路Ａ２０の駆動周波数と音響波のピーク周波数は、実質的に対応しているので、この時の駆動回路Ａ２０の駆動周波数をピーク周波数として決定する。ピーク周波数が求まるとステップＳ１４に移行する。
　≪ステップＳ１４≫
ステップＳ１４においては、ステップＳ１３で探索したピーク周波数は、メモリ２６の所定領域に保存される。記憶されたピーク周波数は、少なくとも後述するガス成分が求められるまで保持されている。ピーク周波数が記憶されるとステップＳ１５に移行する。
　≪ステップＳ１５≫
ステップＳ１５においては、メモリ２６に記憶された温度情報とピーク周波数を用いて平均分子量(Ｍ)を演算する。具体的には、上述した(1)式を、平均分子量(Ｍ)が求められる「所定の演算式」に変形し、この所定の演算式にピーク周波数と温度情報を用いることで、温度依存性が補償された平均分子量(Ｍ)を求めることができる。平均分子量(Ｍ)が求められるとステップＳ１６に移行する。
　≪ステップＳ１６≫
ステップＳ１６においては、ステップＳ１５で求められた平均分子量(Ｍ)からガス成分の種類を推定する。この推定は、上述したように、ガス成分Ａ～Ｎとこれに対応する平均分子量Ａ～Ｎをテーブル化しておき、求められた平均分子量(Ｍ)から対応するガス成分をテーブルルックアップすることで、平均分子量(Ｍ)からガス成分の種類を推定することができる。尚、テーブルルックアップによる手法とは別に、機械学習を用いてガス成分の種類を推定することもできる。
　そして、ガス成分の推定が完了したと判断されると「エンド」に抜けてこの制御フローの処理を終了する。一方、これ以外の駆動回路Ｂ２１～駆動回路Ｎ２２の動作によるガス成分の推定は、上述したステップＳ１３～Ｓ１６を実行することによって行うことができる。
　以上述べたような校正方法を実行することで、ガス成分の種類の推定を温度に依存することなく正確に行うことができるようになる。
　次に、本発明の第２の実施形態を図４に基づき説明する。本実施形態では、ピーク周波数の強度からガス成分の濃度を求めている点で、第１の実施形態と異なっている。尚、図３に示す制御ステップと同じ制御ステップの説明は省略する。ここで、本実施形態の空調システムは図１に示すシステムと基本的に同じである。
　図４に示す制御フローも、時間的な割込みによって起動されるものであり、例えば、コンペアマッチタイマによる割り込み発生で実行される。ここで、ステップＳ１１以降が、制御回路部２３のマイクロコンピュータで実行される制御ステップである。
　≪ステップＳ１０≫　～　≪ステップＳ１３≫
ステップＳ１０～ステップＳ１３の制御ステップは、図３に示す制御ステップと同じであるので説明は省略する。そして、ステップＳ１３まで実行するとステップＳ１４Ａに移行する。
　≪ステップＳ１４Ａ≫
ステップＳ１４Ａにおいては、ステップＳ１３で探索したピーク周波数と、この時の音響波の強度が、メモリ２６の所定領域に保存される。記憶されたピーク周波数、及び強度は、少なくとも後述するガス成分が求められるまで保持されている。ピーク周波数が記憶されるとステップＳ１５に移行する。
　≪ステップＳ１５≫　～　≪ステップＳ１６≫
ステップＳ１５～ステップＳ１６の制御ステップは、図３に示す制御ステップと同じであるので説明は省略する。そして、ステップＳ１５～ステップＳ１６を実行するとステップＳ１７に移行する。
　≪ステップＳ１７≫
ステップＳ１７においては、ステップＳ１４Ａで求められた音響波の強度からガス成分の濃度を推定する。この濃度の推定は、音響波の強度とこれに対応する濃度をテーブル化しておき、求められた強度から対応するガス成分の濃度をテーブルルックアップすることで、音響波の強度からガス成分の濃度を推定することができる。
　例えば、図５は音響波の強度とガス成分の濃度の関係を示しており、音響波の強度に基づいて、ガス成分の濃度が求められることが理解できる。したがって、この図５に示す関係をテーブル化しておけばよい。また、別の方法として、音響波の強度自体をガス成分の濃度と見做すようにしても良い。
　そして、ガス成分の種類の推定、及び濃度の推定が完了したと判断されると「エンド」に抜けてこの制御フローの処理を終了する。一方、これ以外の駆動回路Ｂ２１～駆動回路Ｎ２２の動作によるガス成分の種類の推定、及び濃度の推定は、上述したステップＳ１３～Ｓ１７を実行することによって行うことができる。
　以上述べたような校正方法を実行することで、ガス成分の種類の推定を温度に依存することなく正確に行うことができ、更にはピーク周波数の強度からガス成分の濃度も推定できるようになる。
　次に、本発明の第３の実施形態を図６に基づき説明する。本実施形態では、空調機１０で室内の空気温度を一定した後にガス成分の推定を行う点で、第１の実施形態及び第２の実施形態と異なっている。尚、第１の実施形態及び第２の実施形態の制御ステップと同じ制御ステップの説明は省略する。ここで、本実施形態の空調システムは図１に示すシステムと基本的に同じである。
　図６に示す制御フローも、時間的な割込みによって起動されるものであり、例えば、コンペアマッチタイマによる割り込み発生で実行される。ここで、ステップＳ１１以降が、制御回路部２３のマイクロコンピュータで実行される制御ステップである。
　≪ステップＳ２０≫
ステップＳ２０においては、中央管理装置１２から所望の設定温度情報を空調機１０に送信する。空調機１０においては、この設定温度情報に基づいて動作を開始し、室内空気を設定温度に近づくように動作を継続する。空調機１０が動作を継続している間にステップＳ２１に移行する。
　≪ステップＳ２１≫
ステップＳ２１においては、空調機１０が動作を継続している間に、空調機１０の温度センサによって室温が設定温度に達したと判断されると、空調機１０は、自身に設定されている設定温度情報を、空気の温度情報として光音響センサ１３に送信する。設定温度情報の送信が完了するとステップＳ１１に移行する。
　≪ステップＳ１≫　～　≪ステップＳ１６≫
ステップＳ１１～ステップＳ１６の制御ステップは、図３に示す制御ステップと同じであるので説明は省略する。
　そして、ガス成分の種類の推定が完了したと判断されると「エンド」に抜けてこの制御フローの処理を終了する。一方、これ以外の駆動回路Ｂ２１～駆動回路Ｎ２２の動作によるガス成分の種類の推定は、上述したステップＳ１３～Ｓ１６を実行することによって行うことができる。
　以上述べたような校正方法を実行することで、ガス成分の種類の推定を温度に依存することなく正確に行うことができるようになる。また、空調機が室内の空気温度を設定温度に制御する機能を用いることで、センサ群の構成を簡略化することが可能となる。尚、第２の実施形態のように、ピーク周波数の強度からガス成分の濃度を推定する構成とすることもできる。
　次に、本発明の第４の実施形態を図７、及び図８に基づき説明する。本実施形態では、光音響センサ１３に温度測定機能部２９を搭載している点で、第１の実施形態～第３の実施形態と異なっている。尚、第１の実施形態～第３の実施形態の構成要素と同じ構成要素、及び第１の実施形態～第３の実施形態に示す制御ステップと同じ制御ステップの説明は省略する。
　図７において、光音響センサ１３は温度測定機能部２９を備えており、この温度測定機能部２９は制御回路部２３に温度情報を送信している。温度測定機能部２９は光音響センサ１３の回路基板に設けた温度センサ(測温抵抗体やサーミスタ)、サーモパイル等の測温素子を用いることができる。回路基板には、駆動回路２０～２２検出回路部２４、信号処理回路２５、制御回路部２３等が実装されている。
　次に、制御回路部２３のマイクロコンピュータで実行される具体的な制御フローを図８に基づき説明する。尚、本実施形態の空調システムは、温度情報が光音響センサ１３で検出される点を除いて、図１に示すシステムと基本的に同じである。
　図８に示す制御フローも、時間的な割込みによって起動されるものであり、例えば、コンペアマッチタイマによる割り込み発生で実行される。ここで、ステップＳ２２以降が、制御回路部２３のマイクロコンピュータで実行される制御ステップである。
　≪ステップＳ２２≫
ステップＳ２２においては、光音響センサ１３の回路基板に設けた測温素子を用いた温度測定機能部２９で温度を検出し、検出された温度情報をメモリ２６の所定領域に保存する。記憶された温度情報は、少なくとも後述するガス成分が求められるまで保持されている。温度情報が記憶されるとステップＳ１２に移行する。
　≪ステップＳ１２≫　～　≪ステップＳ１６≫
ステップＳ１２～ステップＳ１６の制御ステップは、図３に示す制御ステップと同じであるので説明は省略する。
　そして、ガス成分の種類の推定が完了したと判断されると「エンド」に抜けてこの制御フローの処理を終了する。一方、これ以外の駆動回路Ｂ２１～駆動回路Ｎ２２の動作によるガス成分の種類の推定は、上述したステップＳ１２～Ｓ１６を実行することによって行うことができる。
　以上述べたような校正方法を実行することで、ガス成分の種類の推定を温度に依存することなく正確に行うことができるようになる。また、空調機１０の側から温度情報が得られない状態においても、光音響センサ１３だけでガス成分の種類の推定を行うことができる。尚、第２の実施形態のように、ピーク周波数の強度からガス成分の濃度を推定する構成とすることもできる。
　次に、本発明の第５の実施形態を図９、及び図１０に基づき説明する。本実施形態では、既知ガスを測定する光源Ｑ３０を搭載している点で、第１の実施形態～第４の実施形態と異なっている。尚、第１の実施形態～第４の実施形態の構成要素と同じ構成要素、及び第１の実施形態～第４の実施形態に示す制御ステップと同じ制御ステップの説明は省略する。
　図９において、光音響センサ１３は既知のガス成分を検出するための駆動回路Ｑ３０と光源Ｑ３１を備えている。このように既知のガス成分を検出する光源Ｑ３１を備えることによって温度情報を検出する温度センサを省略することができる。つまり、既知のガスなので平均分子量(Ｍ)がわかっており、音響波のピーク周波数(＝駆動周波数)が検出できれば、(１)式における温度(Ｔ)を演算で求めることができる。
　次に、制御回路部２３のマイクロコンピュータで実行される具体的な制御フローを図１０に基づき説明する。尚、本実施形態の空調システムは、温度情報が演算で求められる点を除いて、図１に示すシステムと基本的に同じである。
　図１０に示す制御フローも、時間的な割込みによって起動されるものであり、例えば、コンペアマッチタイマによる割り込み発生で実行される。ここで、ステップＳ２３以降が、制御回路部２３のマイクロコンピュータで実行される制御ステップである。
　≪ステップＳ２３≫
ステップＳ２３においては、一定の速度で駆動回路Ｑ３０の駆動周波数を変化させて(スイープさせて)、マイクロフォン１８によって音響波を測定する。駆動回路Ｑ３０の駆動を継続しながら、ステップＳ２４に移行する。
　≪ステップＳ２４≫
ステップＳ２４においては、駆動回路Ｑ３０の駆動周波数のスイープを繰り返しながら、音響波の出力強度が最大となるピーク周波数を探索する。このピーク周波数が、既知ガスのガス成分が最も反応する周波数となる。ピーク周波数が検出されると、(１)式を利用して温度を演算する。
　この演算は、既知のガスの平均分子量(Ｍ)と、ピーク周波数から求められた音速(ｃ)とから温度(Ｔ)を演算するものである。上述したように音速(ｃ)は(２)式から求められるので、上述した(１)式を温度(Ｔ)が求められる「所定の演算式」(Ｔ＝ｃ２Ｍ/κＲ)に変形し、この所定の演算式に音速(ｃ)と平均分子量(Ｍ)を代入することで、温度(Ｔ)を求めることができる。
　つまり、上述した(１)式を、温度(Ｔ)が求められる「所定の演算式」に変形し、この所定の演算式から光源の駆動周波数(ｆｒ)と平均分子量(Ｍ)を用いて温度(Ｔ)を求めることができる。温度(Ｔ)が求められると、この温度情報はメモリ２６の所定領域に保存される。記憶された温度情報は、少なくとも後述するガス成分が求められるまで保持されている。温度情報が記憶されるとステップＳ１２に移行する。
　≪ステップＳ１２≫　～　≪ステップＳ１６≫
ステップＳ１２～ステップＳ１６の制御ステップは、図３に示す制御ステップと同じであるので説明は省略する。
　そして、ガス成分の種類の推定が完了したと判断されると「エンド」に抜けてこの制御フローの処理を終了する。一方、これ以外の駆動回路Ｂ２１～駆動回路Ｎ２２の動作によるガス成分の種類の推定は、上述したステップＳ１２～Ｓ１６を実行することによって行うことができる。
　以上述べたような校正方法を実行することで、ガス成分の種類の推定を温度に依存することなく正確に行うことができるようになる。また、温度センサを用いることなく光音響センサだけでガス成分の種類の推定が可能となる。尚、第２の実施形態のように、ピーク周波数の強度からガス成分の濃度を推定する構成とすることもできる。
　次に、本発明の第６の実施形態を図１１に基づき説明する。本実施形態では、一対の同じ波長の光源を設け、夫々の光源に接続した駆動回路の平均電流値を電流測定回路でモニタして光源の劣化を判定して警報を発する点で、第１の実施形態～第５の実施形態と異なっている。尚、第１の実施形態～第５の実施形態の構成要素と同じ構成要素の説明は省略する。ここで、光源の劣化とは駆動回路を含む光源の劣化である。
　図１１において、一対の同じ波長の光源Ａ１５、及び光源Ａ´１５´と、これを駆動する駆動回路Ａ２０、及び駆動回路Ａ´２０´が備えられている。そして、これらの間には電流測定回路Ａ３２、及び電流測定回路Ａ´３２´が介装されている。したがって、電流測定回路Ａ３２、及び電流測定回路Ａ´３２´は、光源Ａ１５、及び光源Ａ´１５´に流れる平均電流値を計測している。
　同様に、光源Ｂ１６、駆動回路Ｂ２１、光源Ｎ１７、駆動回路２２も、対となる光源と駆動回路が設けられ、更にこれらに対応して電流測定回路も設けられている。図１１には、光源Ｎ´１７´と、これを駆動する駆動回路Ｎ２２´、及び電流測定回路Ｎ´３３´が示されている。
　そして、光音響センサ１３を起動する時に、制御回路部２３のマイクロコンピュータによって、夫々の電流測定回路Ａ３２、電流測定回路Ａ´３２´が測定した平均電流値が比較され、その差分がメモリ２６に格納される。
　マイクロコンピュータは、メモリ２６に記憶された差分が、所定の予め定めた差分閾値(例えば、正常な場合の平均電流値の差分)より大きい場合、駆動回路を含む光源が劣化していると判断し、警報を出力する。警報は通信部２７を介して空調機１０や中央管理装置１２に送信されて、光音響センサ１３の劣化を報知することができる。更には、光音響センサ１３に設けた点滅ランプ３４によって、警報を出力することもできる。
　このように、マイクロコンピュータには、一対の電流測定回路で測定された夫々の平均電流値の差分が、所定の予め定めた差分閾値(正常な場合の平均電流値の差分)と乖離していた場合には、警報を発生する警報発生機能が備えられている。
　尚、駆動回路を含む光源が劣化していることを検出するには、上述した方法以外にも種々の方法が考えられる。例えば、一対の駆動回路の平均電流値の間に、２０％以上の差異がある場合は、駆動回路を含む光源が劣化しているとして警報を出すこともできる。更には、劣化している光源による音響波の強度については、平均電流値の差分に対応して強度を補正することもできる。
　以上述べたような校正方法を実行することで、ガス成分の種類の推定を温度に依存することなく正確に行うことができるようになる。また、光音響センサ１３の光源の劣化を報知することができる。更には、第２の実施形態のように、ピーク周波数の強度からガス成分の濃度を推定する構成とする場合において、光源の劣化を検出して音響波の強度を補正することができるので、ガス成分の濃度の推定精度を向上することができる。
　次に、本発明の第７の実施形態を図１２に基づき説明する。本実施形態では、センサセルに一対のマイクロフォン１８、１８´を設け、夫々のマイクロフォン１８、１８´の出力をモニタしてマイクロフォンの劣化を判定して警報を発する点で、第１の実施形態～第６の実施形態と異なっている。尚、第１の実施形態～第６の実施形態の構成要素と同じ構成要素の説明は省略する。
　図１２において、センサセル１４には一対の同じマイクロフォン１８、１８´が設けられ、夫々のマイクロフォン１８、１８´の出力は、検出回路部２４、信号処理部２５を介して制御回路部２３に入力されている。制御回路部２３のマイクロコンピュータは、入力されたマイクロフォン１８、１８´の出力を比較して、マイクロフォン１８、１８´の劣化状態を判断する機能を備えている。
　そして、光音響センサ１３を起動する時に、制御回路部２３のマイクロコンピュータによって、夫々のマイクロフォン１８、１８´が測定した周辺環境音の強度が比較され、その差分がメモリ２６に格納される。
　マイクロコンピュータは、メモリ２６に記憶された差分が、所定の予め定めた差分閾値(例えば、正常な場合の強度の差分)より大きい場合、マイクロフォン１８、１８´が劣化していると判断し、警報を出力する。警報は通信部２７を介して空調機１０や中央管理装置１２に送信されて、光音響センサ１３の劣化を報知することができる。更には、光音響センサ１３に設けた点滅ランプ３４によって、警報を出力することもできる。
　このように、マイクロコンピュータには、一対のマイクロフォンで測定された夫々の音響波の強度の差分が、所定の予め定めた差分閾値(例えば、正常な場合の強度の差分)と乖離していた場合には、警報を発生する警報発生機能が備えられている。
　尚、マイクロフォンが劣化していることを検出するには、上述した方法以外にも種々の方法が考えられる。例えば、一対のマイクロフォンの出力である強度の間に、２０％以上の差異がある場合は、マイクロフォンが劣化しているとして警報を出すこともできる。更には、劣化しているマイクロフォンによる音響波の強度については、強度の差分に対応して、検出された強度を補正することもできる。
　以上述べたような校正方法を実行することで、ガス成分の種類の推定を温度に依存することなく正確に行うことができるようになる。また、光音響センサ１３のマイクロフォンの劣化を報知することができる。更には、第２の実施形態のように、ピーク周波数の強度からガス成分の濃度を推定する構成とする場合において、マイクロフォンの劣化を検出して音響波の強度を補正することができるので、ガス成分の濃度の推定精度を向上することができる。
　尚、本発明は上記したいくつかの実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。各実施例の構成について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
　１０…空調機、１１…センサ群、１２…中央管理装置、１３…光音響センサ、１４…センサセル、１５…光源Ａ、１６…光源Ｂ、１７…光源Ｎ、１８…マイクロフォン、１９…接続孔、２０…駆動回路Ａ、２１…駆動回路Ｂ、２２…駆動回路ＢＮ、２３…制御回路部、２４…検出回路部、２５…信号処理部、２６…メモリ、２７…通信部、２８…空気品質調整装置。

Claims (15)

  1. 　内部空間を形成し測定されるガスを貯留するセンサセルと、前記センサセル内のガスに光を照射する光源と、前記光源を断続的に発光させる光源駆動手段と、前記センサセル内の特定ガスの音響波を検出するマイクロフォンと、前記マイクロフォンで検出された音響波を信号処理する信号処理手段と、少なくとも、前記光源駆動手段に駆動信号を与える光源駆動機能、及び前記信号処理手段からの信号に基づいて前記特定ガスの種類を推定するガス推定機能を実行する制御手段を備え、
    　前記制御手段の前記ガス推定機能は、前記音響波の周波数と前記ガスの温度情報を用いて前記特定ガスの平均分子量を求め、求められた平均分子量から前記特定ガスの種類を推定する
    ことを特徴とする光音響センサ。
  2. 　請求項１に記載の光音響センサであって、
    　前記制御手段の前記ガス推定機能においては、
    ｆｒ∝ｃ＝（κＲＴ/Ｍ）１/２　（ここで、「ｆｒ」を前記音響波の周波数、「ｃ」を周波数ｆｒと比例関係にある音速、「κ」をガスの比熱比、「Ｒ」をガス定数、「Ｔ」をガス温度、「Ｍ」をガスの平均分子量とする）
    で定義された演算式から前記平均分子量が求められる演算式に変形した演算式で、前記音響波の周波数と前記温度情報を用いて前記平均分子量を求める
    ことを特徴とする光音響センサ。
  3. 　請求項２に記載の光音響センサであって、
    　前記制御手段の前記ガス推定機能においては、
    　前記平均分子量と前記特定ガスの種類の関係が記憶されたテーブルから、求められた前記平均分子量に対応する前記特定ガスの種類を推定する
    ことを特徴とする光音響センサ。
  4. 　請求項１に記載の光音響センサであって、
    　前記制御手段の前記光源駆動機能においては、
    　前記光源駆動手段の駆動周波数を変化させて前記光源を断続的に発光させ、
    　前記制御手段の前記ガス推定機能においては、
    　前記マイクロフォンによって検出された前記音響波の出力強度が最大となるピーク周波数を探索し、前記平均分子量を求めるための前記音響波の周波数として前記ピーク周波数を使用する
    ことを特徴とする光音響センサ。
  5. 　請求項４に記載の光音響センサであって、
    　前記制御手段の前記ガス推定機能においては、
    　前記音響波の前記ピーク周波数の強度から前記特定ガスのガス濃度を推定する
    ことを特徴とする光音響センサ。
  6. 　請求項１に記載の光音響センサであって、
    　前記ガスの前記温度情報は、外部に設けられた温度検出手段から通信手段を介して取得されているか、または、前記光源駆動手段、前記信号処理手段、及び前記制御手段が実装されている回路基板に設けられた測温素子から取得されている
    ことを特徴とする光音響センサ。
  7. 　請求項１に記載の光音響センサであって、
    　前記ガスの前記温度情報は、通信手段を介して外部から送られてくる設定温度情報に基づいている
    ことを特徴とする光音響センサ。
  8. 　請求項１に記載の光音響センサであって、
    　前記光源は既知の前記ガスのガス成分を検出するための既知ガス光源を備え、また、前記光源駆動手段は前記既知ガス光源を駆動する既知ガス光源駆動手段を備え、
    　前記ガスの前記温度情報は、前記制御手段の前記ガス推定機能によって前記音響波の周波数と既知の前記ガスの前記平均分子量を用いて求められた前記温度情報である
    ことを特徴とする光音響センサ。
  9. 　請求項８に記載の光音響センサであって、
    　前記制御手段の前記ガス推定機能においては、
    ｆｒ∝ｃ＝（κＲＴ/Ｍ）１/２　（ここで、「ｆｒ」を前記音響波の周波数、「ｃ」を周波数ｆｒと比例関係にある音速、「κ」をガスの比熱比、「Ｒ」をガス定数、「Ｔ」をガス温度、「Ｍ」をガスの平均分子量とする）
    で定義された演算式から前記温度情報が求められる演算式に変形した演算式で、前記音響波の周波数と前記平均分子量を用いて前記温度情報を求める
    ことを特徴とする光音響センサ。
  10. 　請求項１に記載の光音響センサであって、
    　前記光源、及び前記光源駆動手段は、一対の同じ前記光源、及び同じ前記光源駆動手段を有する共に、一対の前記光源、及び前記光源駆動手段の間には、一対の電流測定手段が備えられており、
    　前記制御手段には、一対の前記電流測定手段で測定された夫々の平均電流値の差分が、所定の予め定めた差分閾値と乖離していた場合には、警報を発生する警報発生機能が備えられている、
    　或いは、前記マイクロフォンは、一対の同じ前記マイクロフォンが備えられており、
    　前記制御手段には、一対の前記マイクロフォンで測定された夫々の前記音響波の強度の差分が、所定の予め定めた差分閾値と乖離していた場合には、警報を発生する警報発生機能が備えられている
    ことを特徴とする光音響センサ。
  11. 　内部空間を形成し測定されるガスを貯留するセンサセルと、前記センサセル内のガスに光を照射する光源と、前記光源を断続的に発光させる光源駆動手段と、前記センサセル内の特定ガスの音響波を検出するマイクロフォンと、前記マイクロフォンで検出された前記音響波を信号処理する信号処理手段と、少なくとも、前記光源駆動手段に駆動信号を与える光源駆動機能、及び前記信号処理手段からの信号に基づいて前記特定ガスの種類を推定するガス推定機能を実行する制御手段を備えた光音響センサの校正方法であって、
    　前記制御手段の前記ガス推定機能においては、
    　前記音響波の周波数と前記ガスの温度情報に基づいて前記特定ガスの平均分子量を求めるステップと、
    　求められた前記平均分子量から前記特定ガスの種類を推定するステップを実行する
    ことを特徴とする光音響センサの校正方法。
  12. 　請求項１１に記載の光音響センサの校正方法であって、
    　前記制御手段の前記ガス推定機能においては、
    ｆｒ∝ｃ＝（κＲＴ/Ｍ）１/２　（ここで、「ｆｒ」を前記音響波の周波数、「ｃ」を周波数ｆｒと比例関係にある音速、「κ」をガスの比熱比、「Ｒ」をガス定数、「Ｔ」をガス温度、「Ｍ」をガスの平均分子量とする）
    で定義された演算式から前記平均分子量が求められる演算式に変形した演算式で、前記音響波の周波数と前記温度情報を用いて前記平均分子量を求めるステップを実行する
    ことを特徴とする光音響センサの校正方法。
  13. 　請求項１１に記載の光音響センサの校正方法であって、
    　前記制御手段の前記光源駆動機能においては、
    　前記光源駆動手段の駆動周波数を変化させて前記光源を断続的に発光させるステップを実行し、
    　前記制御手段の前記ガス推定機能においては、
    　前記マイクロフォンによって検出された前記音響波の出力強度が最大となるピーク周波数を探索し、前記平均分子量を求める前記音響波の周波数として前記ピーク周波数を使用するステップを実行する
    ことを特徴とする光音響センサの校正方法。
  14. 　請求項１３に記載の光音響センサの校正方法であって、
    　前記制御手段の前記ガス推定機能においては、
    　前記音響波の前記ピーク周波数の強度から前記特定ガスのガス濃度を推定するステップを実行する
    ことを特徴とする光音響センサの校正方法。
  15. 　建築物の住環境である室内空気の空気品質を制御するための空調システムであって、前記空調システムは、中央管理手段と、前記中央管理手段によって制御される空調手段、及び空気品質調整手段とを備え、前記中央管理手段は、前記空気品質を制御するため前記室内空気のガス成分を検出する光音響センサと接続され、前記中央管理手段は、前記光音響センサの出力に基づいて前記空調手段、及び前記空気品質調整手段を制御すると共に、
    　前記光音響センサは、請求項１～請求項１０のいずれか１項に記載された前記光音響センサである
    ことを特徴とする空調システム。
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