JP6506124B2

JP6506124B2 - ガス濃度測定装置

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Publication number: JP6506124B2
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Inventors: 圭一郎桑田; 聖一徳尾
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Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2019-04-24
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Description

本発明は、ガス濃度測定装置に関し、より詳細には、第１の濃度と第２の濃度との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

上述した非分散赤外吸収型ガス濃度測定装置では、ランバートベールの法則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と参照用赤外線検出部の出力特性が得られる。

なお、式中、εは吸光度係数、ｌ（エル）は光路長、Ｇは測定用赤外線検出部と参照用赤外線検出部のゲイン比、Ｖｒｅｆは参照用赤外線検出部からの出力、Ｖｏｕｔは測定用赤外線検出部からの出力である。
しかし、光源から測定用赤外線検出部及び測定用赤外線検出部までの光路長や測定用赤外線検出部と参照用赤外線検出部のゲイン比には個体ごとにばらつきが生じる。そのため従来技術では、２濃度の検査を前提とした場合、実際の特性とは乖離のある１次関数を濃度算出式としていたため、高精度なガス濃度演算を実現できず、演算の精度を上げるためには、濃度検査の点数を多くし濃度算出式の次数を上げるしか方法がなかった。

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、第１の濃度と第２の濃度との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。
本発明の第１の様態は、光源と、前記光源からの光を受光する測定用赤外線検出部と、前記測定用赤外線検出部の近傍に配置された参照用赤外線検出部と、前記測定用赤外線検出部及び前記参照用赤外線検出部からの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の濃度と、前記第１の濃度とは異なる第２の濃度と、前記第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の濃度の測定対象ガス中で前記光源を点灯させた時に前記参照用赤外線検出部が出力する第１の参照出力と、前記第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、前記第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参照用赤外線検出部が出力する第２の参照出力と、に基づいて得られる係数を含む算出式と、測定時の前記参照用赤外線検出部の出力に対する前記測定用赤外線検出部の出力の比に、前記第１の測定出力及び前記第１の参照出力に基づく値を掛けた値と、に基づいて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。

本発明の第２の様態は、光源と、前記光源からの光を受光する測定用赤外線検出部と、前記測定用赤外線検出部からの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の濃度と、前記第１の濃度とは異なる第２の濃度と、前記第１の濃度の測定対象ガス中で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２の濃度の測定対象ガス中で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、に基づいて得られる係数を含む算出式と、測定時の測定用赤外線検出部からの出力に、前記第１の測定出力に基づく値を掛けた値と、に基づいて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。

本発明のガス濃度測定装置によれば、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を実現できる。

本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態１を説明するための構成図である。図１に示した演算部の回路構成図である。本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態２を説明するための構成図である。図３に示した演算部の回路構成図である。実施例１と比較例１を対比した結果を示す図である。実施例２と比較例２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各実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態１を説明するための構成図である。図中符号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、１００はガス濃度測定装置、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１のガス濃度測定装置１００は、光源２０と、光源２０からの光を受光する測定用赤外線検出部３１と、測定用赤外線検出部３１の近傍に配置された参照用赤外線検出部３２と、測定用赤外線検出部３１及び参照用赤外線検出部３２からの出力が入力される演算部４０と、を備えている。

演算部４０は、第１の濃度ｃ１と、第１の濃度ｃ１とは異なる第２の濃度ｃ２と、第１の濃度ｃ１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Ｖｏｕｔ（ｃ１）と、第１の濃度ｃ１の測定対象ガス中で光源２０を点灯させた時に参照用赤外線検出部３２が出力する第１の参照出力Ｖｒｅｆ（ｃ１）と、第２の濃度ｃ２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Ｖｏｕｔ（ｃ２）と、第２の濃度ｃ２の測定対象ガス中で光源２０を点灯させた時に参照用赤外線検出部３２が出力する第２の参照出力Ｖｒｅｆ（ｃ２）と、に基づいて得られる係数εを含む算出式と、測定時の参照用赤外線検出部３２の出力Ｖｒｅｆに対する測定用赤外線検出部３１の出力Ｖｏｕｔの比Ｖｏｕｔ／Ｖｒｅｆに、第１の測定出力Ｖｏｕｔ（ｃ１）及び第１の参照出力Ｖｒｅｆ（ｃ１）に基づく値を掛けた値と、に基づいて測定対象ガスの濃度ｃを演算する。

本実施形態１に係るガス濃度測定装置では、第１の濃度と、第１の濃度とは異なる第２の濃度と、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の濃度の測定対象ガス中で光源を点灯させた時に参照用赤外線検出部が出力する第１の参照出力と、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、第２の濃度の測定対象ガス中で光源を点灯させた時に参照用赤外線検出部が出力する第２の参照出力と、に基づいて得られる係数を含む算出式と、測定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の出力の比に、第１の測定出力及び第１の参照出力に基づく値を掛けた値と、に基づいて測定対象ガスの濃度を演算することにより、２つの異なる既知濃度における測定用赤外線検出部の出力および参照用赤外線検出部の出力を予め取得することのみで、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。

また、係数εは、第１の濃度ｃ１と、第１の濃度ｃ１とは異なる第２の濃度ｃ２と、第１の測定出力Ｖｏｕｔ（ｃ１）に対する第１の参照出力Ｖｒｅｆ（ｃ１）の比Ｖｒｅｆ（ｃ１）／Ｖｏｕｔ（ｃ１）＝Ｒｃ１と、第２の測定出力Ｖｏｕｔ（ｃ２）に対する第２の参照出力Ｖｒｅｆ（ｃ２）の比Ｖｒｅｆ（ｃ２）／Ｖｏｕｔ（ｃ２）＝Ｒｃ２と、に基づいて得られるようにしてもよい。

また、演算部４０は、係数εを含む算出式と、測定時の参照用赤外線検出部３２の出力Ｖｒｅｆに対する測定用赤外線検出部３１の出力Ｖｏｕｔの比Ｖｏｕｔ／Ｖｒｅｆに、第１の参照出力Ｖｒｅｆ（ｃ１）に対する第１の測定出力Ｖｏｕｔ（ｃ１）の比Ｖｏｕｔ（ｃ１）／Ｖｒｅｆ（ｃ１）＝Ｒｃ１を掛けた値と、に基づいて測定対象ガスの濃度ｃを演算してもよい。
また、演算部４０は、下記式（２）に基づいて測定対象ガスの濃度ｃを演算する。つまり、本実施形態１のガス濃度測定装置における具体的な算出式の一例としては、下記式（２）が挙げられる。

なお、式中、ｃ１は第１の濃度、ｃ２は第２の濃度、Ｒｃ１は第１の濃度ｃ１における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３２の出力比、Ｒｃ２は第２の濃度ｃ２における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３２の出力比、Ｖｏｕｔは測定時の測定用赤外線検出部３１の出力、Ｖｒｅｆは測定時の参照用赤外線検出部３２の出力である。

上記式（２）から、算出式は、第１のガス濃度ｃ１、第２のガス濃度ｃ２、それぞれのガス濃度における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比Ｒｃ１，Ｒｃ２を定数としており、測定時の測定用赤外線検出部の出力Ｖｏｕｔおよび測定時の参照用赤外線検出部の出力Ｖｒｅｆを代入することで濃度演算が可能であることが理解される。上記式（２）は、光路長ｌ（エル）や測定用赤外線検出部と参照用赤外線検出部のゲイン比Ｇを含んでいないため、それらを予め定量的または定性的に導出する必要がない、個体ごとのばらつきが補償された算出式であるため、高精度なガス濃度測定が可能になることが理解される。

＜式（２）の導出＞
以下、上記式（２）の導出過程について説明する。
測定用赤外線検出部３１と参照用赤外線検出部３２の出力は、演算部４０での演算処理前にそれぞれ信号増幅される。この時のゲイン比をＧとする。
まず、ランバートベールの法則から、ガス濃度は下記式（３）で算出される。

なお、式中、εは吸光度係数、ｌ（エル）は実態的な光路長、Ｇは測定用赤外線検出部３１と参照用赤外線検出部３２のゲイン比、Ｖｒｅｆは参照用赤外線検出部３２の出力、Ｖｏｕｔは測定用赤外線検出部３１の出力である。
任意の既知の第１の濃度ｃ１の測定対象ガス中で、光源２０を点灯させた時に得られる測定用赤外線検出部３１からの出力と参照用赤外線検出部３２からの出力との出力比をＲｃ１とすると、第１の濃度ｃ１は下記式（４）で表される。

上記式（３）、（４）から、下記式（５）が得られる。

任意の既知の第２の濃度ｃ２の測定対象ガス中で、光源２０を点灯させた時に得られる測定用赤外線検出部３１からの出力と参照用赤外線検出部３２からの出力との出力比をＲｃ２とし、上記式（５）に代入すると、下記式（６）が得られる。

上記式（５）に上記式（６）を代入すると式（２）を得ることが出来る。

以上より、第１の濃度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赤外線検出部の出力および参照用赤外線検出部の出力と、第２の濃度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赤外線検出部の出力および参照用赤外線検出部の出力と、に基づいて得られる算出式を用いることにより、２つの異なる既知濃度における測定用赤外線検出部の出力および参照用赤外線検出部の出力を予め取得することのみで、ゲイン比Ｇや吸光度係数ε、光路長ｌ（エル）を含まない算出式が導出可能であり、従来よりも高精度なガス濃度測定が可能になることが理解される。

また、第１の実施形態に係るガス濃度測定装置において、式（２）の各パラメータにオフセットを加味してもよい。これにより、測定するガス濃度の精度をさらに向上させることが可能となる。
図２は、図１に示した演算部の回路構成図である。
演算部４０は、係数算出部４１と比演算部４２と乗算部４３と濃度演算部４４とを備えている。

係数算出部４１は、係数εを含む算出式を算出する。また、比演算部４２は、測定時の参照用赤外線検出部３２の出力Ｖｒｅｆに対する測定用赤外線検出部３１の出力Ｖｏｕｔの比Ｖｏｕｔ／Ｖｒｅｆを演算する。
また、乗算部４３は、比演算部４２で演算された比Ｖｏｕｔ／Ｖｒｅｆに、第１の参照出力Ｖｒｅｆ（ｃ１）に対する第１の測定出力Ｖｏｕｔ（ｃ１）の比Ｖｏｕｔ（ｃ１）／Ｖｒｅｆ（ｃ１）＝Ｒｃ１を掛ける。
また、濃度演算部４４は、係数算出部４１で算出された算出式と、乗算部４３の値と、に基づいて測定対象ガスの濃度ｃを演算する。

［実施形態２］
図３は、本発明に係るガス濃度測定装置の実施形態２を説明するための構成図である。なお、図１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。つまり、図１における参照用赤外線検出部３２を除いた構成となっている。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２のガス濃度測定装置は、光源２０と、光源２０からの光を受光する測定用赤外線検出部３１と、測定用赤外線検出部３１からの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ｃ１と、第１の濃度ｃ１とは異なる第２の濃度ｃ２と、第１の濃度ｃ１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Ｖｏｕｔ（ｃ１）と、第２の濃度ｃ２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Ｖｏｕｔ（ｃ２）と、に基づいて得られる係数εを含む算出式と、測定時の測定用赤外線検出部３１からの出力Ｖｏｕｔに、第１の測定出力Ｖｏｕｔ（ｃ１）に基づく値を掛けた値と、に基づいて測定対象ガスの濃度ｃを演算する。

本実施形態２のガス濃度測定装置は、第１の濃度と、第１の濃度とは異なる第２の濃度と、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、に基づいて得られる係数を含む算出式と、測定時の測定用赤外線検出部からの出力に、第１の測定出力に基づく値を掛けた値と、に基づいて測定対象ガスの濃度を演算することにより、２つの異なる既知濃度における測定用赤外線検出部の出力を予め取得することのみで、参照用赤外線検出部を用いることなく、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。また、参照用赤外線検出部を用いる必要がないので、より小型で低コストのガス濃度測定装置が実現できるという効果も奏する。

また、係数εは、第１の濃度ｃ１と、第１の濃度ｃ１とは異なる第２の濃度ｃ２と、第１の測定出力Ｖｏｕｔ（ｃ１）に対する第２の測定出力Ｖｏｕｔ（ｃ２）の比Ｖｏｕｔ（ｃ２）／Ｖｏｕｔ（ｃ１）と、に基づいて得られるようにしてもよい。
また、演算部４０は、係数εを含む算出式と、測定時の測定用赤外線検出部３１の出力Ｖｏｕｔに対する第１の測定出力Ｖｏｕｔ（ｃ１）の比Ｖｏｕｔ（ｃ１）／Ｖｏｕｔと、に基づいて測定対象ガスの濃度ｃを演算するようにしてもよい。
また、演算部４０は、下記式（７）に基づいて測定対象ガスの濃度ｃを演算する。つまり、本実施形態２のガス濃度測定装置における具体的な算出式の一例としては、下記式（７）が挙げられる。

なお、式中、ｃ１は第１の濃度、ｃ２は第２の濃度、Ｖｏｕｔ（ｃ１）は第１の濃度ｃ１における測定用赤外線検出部３１の出力、Ｖｏｕｔ（ｃ２）は第２の濃度ｃ２における測定用赤外線検出部３１の出力、Ｖｏｕｔは測定時の測定用赤外線検出部３１の出力である。
上記式（７）から、算出式は、第１のガス濃度ｃ１、第２のガス濃度ｃ２、それぞれのガス濃度における測定用赤外線検出部の出力Ｖｏｕｔ（ｃ１）を定数としており、測定時の測定用赤外線検出部の出力Ｖｏｕｔを代入することで濃度演算が可能であることが理解される。上記式（７）は、光路長ｌ（エル）を含んでいないため、それを予め定量的または定性的に導出する必要がないため、個体ごとのばらつきが補償された算出式であるため、高精度なガス濃度測定が可能になることが理解される。

＜式（７）の導出＞
以下、上記式（７）の導出過程について説明する。
測定用赤外線検出部３１出力は、演算部４０での演算処理前にそれぞれ信号増幅される。この時のゲインをＧとする。
まず、ランバートベールの法則から、参照用赤外線検出部を用いない場合のガス濃度は下記式（８）で導出される。

なお、式中、εは吸光度係数、ｌ（エル）は実態的な光路長、Ｖｏｕｔ（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、Ｖｏｕｔ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。
任意の既知の第１の濃度ｃ１の測定対象ガス中で、光源２０を点灯させた時に得られる測定用赤外線検出部からの出力をＶｏｕｔ（ｃ１）とすると、第１の濃度ｃ１は下記式（９）で表される。

上記式（８）、（９）を行い変形すると、下記式（１０）が得られる。

任意の既知の第２の濃度ｃ２の測定対象ガス中で、光源２０を点灯させた時に得られる測定用赤外線検出部からの出力をＶｏｕｔ（ｃ２）とし、上記式（１０）に代入して変形すると、下記式（１１）が得られる。

上記式（１０）に上記式（１１）を代入すると式（７）を得ることが出来る。

以上より、第１の濃度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赤外線検出部の出力と、第２の濃度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赤外線検出部の出力と、に基づいて得られる算出式を用いることにより、２つの異なる既知濃度における測定用赤外線検出部の出力を予め取得することのみで、Ｖｏｕｔ（０）や吸光度係数ε、光路長ｌ（エル）を含まない算出式が導出可能であり、従来よりも高精度なガス濃度測定が可能になることが理解される。
ただし、Ｖｏｕｔ（０）が校正時と測定時で同じと仮定している。
また、本実施形態２に係るガス濃度測定装置において、式（７）の各パラメータにオフセットを加味してもよい。これにより、測定するガス濃度の精度をさらに向上させることが可能となる。

図４は、図３に示した演算部の回路構成図である。
なお、図２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。つまり、図２における乗算部４３を除いた構成となっている。
演算部４０は、係数算出部４１と比演算部４２と濃度演算部４４とを備えている。
係数算出部４１は、係数εを含む算出式を算出する。また、比演算部４２は、測定時の測定用赤外線検出部３１の出力Ｖｏｕｔに対する第１の測定出力Ｖｏｕｔ（ｃ１）の比Ｖｏｕｔ（ｃ１）／Ｖｏｕｔを演算する。

また、濃度演算部４４は、係数算出部４１で算出された算出式と、比演算部４２で演算された比Ｖｏｕｔ（ｃ１）／Ｖｏｕｔと、に基づいて測定対象ガスの濃度ｃを演算する。
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。

（赤外線検出部）
測定用赤外線検出部３１、参照用赤外線検出部３２は、光源２０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３１は参照用赤外線検出部３２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前記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３１及び参照用赤外線検出部３２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３１、参照用赤外線検出部３２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３１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３２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２０は、測定用赤外線検出部３１、参照用赤外線検出部３２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４０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４０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導入可能であり、内部に光源２０、測定用赤外線検出部３１、参照用赤外線検出部３２、演算部４０を配置可能なガスセル１０をさらに備えても良い。ガスセル１０をさらに備えることで、測定用赤外線検出部３１及び参照用赤外線検出部３２の出力する信号のＳＮＲ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を実施例に基づき説明する。

タングステン光源、ＣＯ２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）、ＣＯ２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３２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４０として記憶部と処理部を備えたＩＣをプリント基板上に配置した炭酸ガス濃度測定装置を準備した。

次いで、この炭酸ガス濃度測定装置を試験容器内に設置し、濃度９６７ｐｐｍの炭酸ガスを充填した時の、それぞれアンプにより増幅された測定用赤外線検出部３１と参照用赤外線検出部３２からの出力と、濃度２９５３ｐｐｍの炭酸ガスを試験容器内に充填した時の、それぞれアンプにより増幅された測定用赤外線検出部３１と参照用赤外線検出部３２からの出力から、上述した実施形態１のガス濃度測定装置における前記式（７）に測定用赤外線検出部３１の出力オフセットを加味した下記式（１２）に対応する演算式を導出した。

なお、式中ａ１は測定用赤外線検出部３１のオフセット、Ｒ１（ｃ１）は第１のガス濃度における測定用赤外線検出部３１の出力値からオフセット分を差し引いた値に対する参照用赤外線検出部３２の出力値の比、Ｒ１（ｃ２）は第２のガス濃度における測定用赤外線検出部３１の出力値からオフセット分を差し引いた値に対する参照用赤外線検出部３２の出力値の比である。
測定用赤外線検出部３１の出力以外のパラメータにもオフセットが生じる場合があるため、下記式（１３）のように必要に応じてそれぞれのパラメータにオフセットを加味する。

なお、式中ａ２は参照用赤外線検出部のオフセット、Ｒ２（ｃ１）は第１のガス濃度における測定用赤外線検出部３１の出力値からオフセット分を差し引いた値に対する参照用赤外線検出部３２の出力値からオフセット分を差し引いた値の比、Ｒ２（ｃ２）は第２のガス濃度における測定用赤外線検出部３１の出力値からオフセット分を差し引いた値に対する参照用赤外線検出部３２の出力値からオフセット分を差し引いた値の比である。
ａ１やａ２などのオフセットは、代表的なサンプルにて求めた測定用赤外線検出器３１や参照用赤外線検出器３２の感度スペクトルと、光源２０の発光スペクトルから求められる光学的オフセットと、増幅回路のオフセットを足し合わせた代表値である。

［比較例１］
濃度９６７ｐｐｍの炭酸ガスを試験容器内に充填した時の、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２９５３ｐｐｍの炭酸ガスを試験容器内に充填した時の、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から、炭酸ガス濃度と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比の相関を表す１次関数を導出した。

タングステン光源、ＣＯ２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）、演算部４０として記憶部と処理部を備えたＩＣを配置した炭酸ガス濃度測定装置を準備した。
次いで、この炭酸ガス濃度測定装置を試験容器内に設置し、濃度９６７ｐｐｍの炭酸ガスを試験容器内に充填した時の、アンプにより増幅された測定用赤外線検出部３１からの出力と、濃度２９５３ｐｐｍの炭酸ガスを試験容器内に充填した時の、アンプにより増幅された測定用赤外線検出部３１からの出力から、上述した実施形態２のガス濃度測定装置における上記式（７）に測定用赤外線検出部の出力オフセットを加味した下記式（１４）に対応する演算式を導出した。

ａ１やａ２などのオフセットは、代表的なサンプルにて求めた測定用赤外線検出器３１や参照用赤外線検出器３２の感度スペクトルと、光源２０の発光スペクトルから求められる光学的オフセットと、増幅回路のオフセットを足し合わせた代表値である。

［比較例２］
濃度９６７ｐｐｍの炭酸ガスを試験容器内に充填した時の、アンプにより増幅された測定用赤外線検出部の出力と、濃度２９５３ｐｐｍの炭酸ガスを試験容器内に充填した時の、アンプにより増幅された測定用赤外線検出部の出力から、炭酸ガス濃度と測定用赤外線検出部の出力の相関を表す１次関数を導出した。
図５は、上述した実施例１と比較例１を対比した結果を示す図である。
図５の結果より、実施例１の演算式によると、濃度３９６ｐｐｍでは−１２ｐｐｍ、濃度９６７ｐｐｍでは０ｐｐｍ、濃度１９１９ｐｐｍでは３８ｐｐｍ、濃度２９５３ｐｐｍでは０ｐｐｍ、濃度４９１４ｐｐｍの高濃度領域でも２５ｐｐｍの誤差にとどまった。

一方、比較例１の演算式によると、濃度３９６ｐｐｍでは−１５４ｐｐｍ、濃度９６７ｐｐｍでは０ｐｐｍ、濃度１９１９ｐｐｍでは７７ｐｐｍ、濃度２９５３ｐｐｍでは０ｐｐｍ、濃度４９１４ｐｐｍに至っては−３７５ｐｐｍの誤差が生じた。
以上の結果より、実施形態１のガス濃度演算装置によれば、従来の濃度算出式よりも広範囲で高精度な濃度演算が可能であることが理解される。

図６は、上述した実施例２と比較例２を対比した結果を示す図である。
図６の結果より、実施例２の演算式によると、濃度３９６ｐｐｍでは−８ｐｐｍ、濃度９６７ｐｐｍでは０ｐｐｍ、濃度１９１９ｐｐｍでは４１ｐｐｍ、濃度２９５３ｐｐｍでは０ｐｐｍ、濃度４９１４ｐｐｍの高濃度領域でも１９ｐｐｍの誤差にとどまった。
一方、比較例２の演算式によると、濃度３９６ｐｐｍでは−１３０ｐｐｍ、濃度９６７ｐｐｍでは０ｐｐｍ、濃度１９１９ｐｐｍでは１１５ｐｐｍ、濃度２９５３ｐｐｍでは０ｐｐｍ、濃度４９１４ｐｐｍに至っては−４９６ｐｐｍの誤差が生じた。

以上の結果より、実施形態２のガス濃度演算装置によれば、参照用赤外線検出部を用いない場合でも、従来の濃度算出式よりも広範囲で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
４１係数算出部
４２比演算部
４３乗算部
４４濃度演算部

Claims

光源と、
前記光源からの光を受光する測定用赤外線検出部と、
前記測定用赤外線検出部の近傍に配置された参照用赤外線検出部と、
前記測定用赤外線検出部及び前記参照用赤外線検出部からの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の濃度と、
前記第１の濃度とは異なる第２の濃度と、
前記第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の濃度の測定対象ガス中で前記光源を点灯させた時に前記参照用赤外線検出部が出力する第１の参照出力と、
前記第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、
前記第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参照用赤外線検出部が出力する第２の参照出力と、
に基づいて得られる係数を含む算出式と、
測定時の前記参照用赤外線検出部の出力に対する前記測定用赤外線検出部の出力の比に、前記第１の測定出力及び前記第１の参照出力に基づく値を掛けた値と、に基づいて測定対象ガスの濃度を演算するガス濃度測定装置。
前記係数は、
第１の濃度と、
前記第１の濃度とは異なる第２の濃度と、
前記第１の測定出力に対する前記第１の参照出力の比と、
前記第２の測定出力に対する前記第２の参照出力の比と、に基づいて得られる請求項１に記載のガス濃度測定装置。
前記演算部は、
前記係数を含む算出式と、
測定時の前記参照用赤外線検出部の出力に対する前記測定用赤外線検出部の出力の比に、前記第１の参照出力に対する前記第１の測定出力の比を掛けた値と、に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する請求項１または請求項２に記載のガス濃度測定装置。
前記演算部は、下記式（１）に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。

（式中、ｃ１は第１の濃度、ｃ２は第２の濃度、Ｒｃ１は第１の濃度における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比、Ｒｃ２は第２の濃度における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比、Ｖｏｕｔは測定時の測定用赤外線検出部の出力、Ｖｒｅｆは測定時の参照用赤外線検出部の出力である。）
前記式（１）の各パラメータにオフセットを加味する請求項４に記載のガス濃度測定装置。
前記演算部は、
前記係数を含む算出式を算出する係数算出部と、
測定時の前記参照用赤外線検出部の出力に対する前記測定用赤外線検出部の出力の比を演算する比演算部と、
前記比演算部で演算された比に、前記第１の参照出力に対する前記第１の測定出力の比を掛ける乗算部と、
前記係数算出部で算出された算出式と、前記乗算部の値と、に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する濃度演算部と、
を備えている請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。
光源と、
前記光源からの光を受光する測定用赤外線検出部と、
前記測定用赤外線検出部からの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の濃度と、
前記第１の濃度とは異なる第２の濃度と、
前記第１の濃度の測定対象ガス中で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２の濃度の測定対象ガス中で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、
に基づいて得られる係数を含む算出式と、
測定時の測定用赤外線検出部からの出力に、前記第１の測定出力に基づく値を掛けた値と、に基づいて測定対象ガスの濃度を演算するガス濃度測定装置。
前記係数は、
第１の濃度と、
前記第１の濃度とは異なる第２の濃度と、
前記第１の測定出力に対する前記第２の測定出力の比と、に基づいて得られる請求項７に記載のガス濃度測定装置。
前記演算部は、
前記係数を含む算出式と、
測定時の前記測定用赤外線検出部の出力に対する前記第１の測定出力の比と、に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する請求項７または請求項８に記載のガス濃度測定装置。
前記演算部は、下記式（２）に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する請求項７から請求項９のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。

（式中、ｃ１は第１の濃度、ｃ２は第２の濃度、Ｖｏｕｔ（ｃ１）は第１の濃度における測定用赤外線検出部の出力、Ｖｏｕｔ（ｃ２）は第２の濃度における測定用赤外線検出部の出力、Ｖｏｕｔは測定時の測定用赤外線検出部の出力である。）
前記式（２）の各パラメータにオフセットを加味する請求項１０に記載のガス濃度測定装置。
前記演算部は、
前記係数を含む算出式を算出する係数算出部と、
測定時の前記測定用赤外線検出部の出力に対する前記第１の測定出力の比を演算する比演算部と、
前記係数算出部で算出された算出式と、前記比演算部で演算された比と、に基づいて測定対象ガスの濃度を演算する濃度演算部と、
を備えている請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載のガス濃度測定装置。