ガス濃度測定装置
【課題】マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみでガス濃度を測定することにより、安価に精度良くガス濃度を測定することができるガス濃度測定装置を提供する。
【解決手段】第１Ｓ／Ｈ回路５０２が、赤外線が入射されているときにＣＯ２受光器１２ｂから出力されるセンサ出力をホールドし、第２Ｓ／Ｈ回路５０３が、赤外線が入射されていないときにＣＯ２受光器１２ｂから出力されるセンサ出力をホールドし、第１差動増幅器５０４が第１Ｓ／Ｈ回路５０２のホールド値及び第２Ｓ／Ｈ回路５０３のホールド値の差を出力してガス濃度に応じた値を出力する。
【解決手段】第１Ｓ／Ｈ回路５０２が、赤外線が入射されているときにＣＯ２受光器１２ｂから出力されるセンサ出力をホールドし、第２Ｓ／Ｈ回路５０３が、赤外線が入射されていないときにＣＯ２受光器１２ｂから出力されるセンサ出力をホールドし、第１差動増幅器５０４が第１Ｓ／Ｈ回路５０２のホールド値及び第２Ｓ／Ｈ回路５０３のホールド値の差を出力してガス濃度に応じた値を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度測定装置に係り、特に、ガスを充填するセルと、セルにパルス状の赤外線を入射する光源と、セルを通った赤外線のうちガスの吸収波長帯のみを透過する第１フィルタと、第１フィルタを透過した赤外線の強度を検出する第１赤外線センサとを有するガス濃度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスは赤外線波長領域において特有の吸収波長帯をもっているものが多いことから、ガスを充填するセルと、セルにパルス状の赤外線を入射する光源と、セルを通った赤外線のうちガスの吸収波長帯のみを透過する第１フィルタと、第１フィルタを透過した赤外線の強度を検出する第１赤外線センサとを設けて、ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置が提案されている（たとえば特許文献１）。
【０００３】
上述したガス濃度測定装置は、セルにパルス状の赤外線を入射して、赤外線が入射されているときに第１赤外線センサから出力されるセンサ出力、及び、赤外線が入射されていないときに第１赤外線センサから出力されるセンサ出力、の差からガスの濃度を検出することにより、第１赤外線センサのオフセットの影響やノイズなどを除去して精度よく測定することができる。
【０００４】
従来では、マイクロコンピュータが、第１赤外線センサのセンサ出力を入力して演算処理することにより、ガスの濃度測定を行っていた。
【特許文献１】特開平１０−３３９６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来のガス濃度測定装置では、マイクロコンピュータを用いて第１赤外線センサのセンサ出力を演算処理してガスの濃度測定を行っているため、アナログ／デジタル変換器などの精度の良いチップが必要となり、コスト的に問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみでガス濃度を測定することにより、安価に精度良くガス濃度を測定することができるガス濃度測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、ガスが充填されたセルと、前記セルにパルス状の赤外線を入射する光源と、前記セルを通った前記赤外線のうち前記ガスの吸収波長帯のみを透過する第１フィルタと、前記第１フィルタを透過した赤外線の強度を検出する第１赤外線センサとを設けて、前記ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置において、前記赤外線が前記セルに入射されているときの前記第１赤外線センサの出力をホールドする第１サンプルホールド回路と、前記赤外線が前記セルに入射されていないときの前記第１赤外線センサの出力をホールドする第２サンプルホールド回路と、前記第１サンプルホールド回路のホールド値及び前記第２サンプルホールド回路のホールド値の差を出力する第１差動増幅器と、が設けられたことを特徴とするガス濃度測定装置に存する。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、第１サンプルホールド回路が、赤外線が入射されているときに第１赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドし、第２サンプルホールド回路が、赤外線が入射されていないときに第１赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドし、第１差動増幅器が第１サンプルホールド回路のホールド値及び第２サンプルホールド回路のホールド値の差を出力してガス濃度に応じた値を出力する。従って、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、第１赤外線センサのオフセットやノイズを除いたガス濃度に応じた出力を第１差動増幅器から出力させることができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、前記セルを通った前記赤外線のうち大気中では吸収されない非吸収波長帯のみを透過する第２フィルタと、前記第２フィルタを透過した赤外線の強度を検出する第２赤外線センサと、前記赤外線が入射されているときに前記第２赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドする第３サンプルホールド回路と、前記赤外線が入射されていないときに前記第２赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドする第４サンプルホールド回路と、前記第３サンプルホールド回路のホールド値及び前記第４サンプルホールド回路のホールド値の差を出力する第２差動増幅器と、前記第１差動増幅器からの第１差動出力を対数変換する第１ログアンプと、前記第２差動増幅器からの第２差動出力を対数変換する第２ログアンプと、前記第１ログアンプの対数出力及び前記第２ログアンプの対数出力の差を出力する第３差動増幅器と、が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置に存する。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、第３サンプルホールド回路が、赤外線が入射されているときに第２赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドし、第４サンプルホールド回路が、赤外線が入射されていないときに第２赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドし、第２差動増幅器が第３サンプルホールド回路のホールド値及び第４サンプルホールド回路のホールド値の差を出力し、第１ログアンプが第２差動増幅器からの第２差動出力を対数変換し、第２ログアンプが第２差動増幅器からの第２差動出力を対数変換し、第３差動増幅器が第１ログアンプの対数出力及び第２ログアンプの対数出力の差を出力するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、環境的な影響やノイズを除いたガス濃度に応じた出力を第３差動増幅器から出力させることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、前記セル外の雰囲気温度を検出する温度センサと、前記温度センサの出力をデジタル値に変換するアナログ／デジタル変換器と、前記アナログ／デジタル変換器の出力に応じた補正係数のデジタル値を出力するメモリと、前記メモリから出力される前記補正係数をアナログ値に変換するデジタル／アナログ変換器と、前記第３差動増幅器からの第３差動出力及び前記デジタル／アナログ変換器から出力される前記補正係数の差を出力する第４差動増幅器と、が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のガス濃度測定装置に存する。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、アナログ／デジタル変換器が温度センサの出力をデジタル値に変換し、メモリがアナログ／デジタル変換器の出力に応じた補正係数のデジタル値を出力し、デジタル／アナログ変換器がメモリから出力される補正係数をアナログ値に変換し、第４差動増幅器が第３差動増幅器からの第３差動出力及びデジタル／アナログ変換器から出力される補正係数の差を出力するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、温度の影響を除いたガス濃度に応じた出力を第４差動増幅器から出力させることができる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、前記第４差動増幅器からの第４差動出力及び警報設定値を比較するコンパレータと、前記コンパレータにより前記第４差動出力が前記警報設定値を超えたとの比較結果が得られたときに警報を発生する警報発生手段と、が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のガス濃度測定装置に存する。
【００１４】
請求項４記載の発明によれば、コンパレータが第４差動増幅器からの第４差動出力及び警報設定値を比較し、警報発生手段がコンパレータにより第４差動出力が警報設定値を超えたとの比較結果が得られたときに警報を発生するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみでガス警報を発生することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、第１赤外線センサのオフセットやノイズを除いたガス濃度に応じた出力を第１差動増幅器から出力させることができるので、安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、環境的な影響やノイズを除いたガス濃度に応じた出力を第３差動増幅器から出力させることができるので、より一層、安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００１７】
請求項３記載の発明によれば、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、温度の影響を除いたガス濃度に応じた出力を第４差動増幅器から出力させることができるので、より一層、安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００１８】
請求項４記載の発明によれば、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみでガス警報を発生することができるので、より一層、安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態に係るガス濃度測定装置を、図１乃至７を参照して説明する。
【００２０】
ガス濃度測定装置１は、図２に示すように、濃度の測定対象となるガスを含んだ雰囲気が充填される気体サンプル室２と、制御回路部３と、濃度算出回路５と、を備えている。
【００２１】
気体サンプル室２は、図１に示すように、本体部としてのセル６と、光源７と、受光ユニット８とを備えている。セル６は、筒状に形成されている。図示例では、セル６は、四角筒状に形成されている。セル６には、セル６内に雰囲気を導くガス吸入口９ａと、セル６内の雰囲気を外部に導くガス出口９ｂとが設けられている。即ち、気体サンプル室２は、ガス吸入口９ａ、ガス出口９ｂを備えている。ガス吸入口９ａ、ガス出口９ｂは、セル６の外壁６ａを貫通していて、セル６内の気体を雰囲気と等しくするものである。
【００２２】
光源７は、セル６内でかつ当該セル６の一端部に設けられている。光源７は、電圧が印加されることで、光としての赤外線をセル６の他端部に向かって放射する。光源７として、例えば黒体炉、電球等が用いられる。
【００２３】
受光ユニット８は、図３及び図４に示すように、ユニット本体１１と、複数の受光器１２ａ、１２ｂと、集光部材１３と、を備えている。ユニット本体１１即ち受光ユニット８は、セル６内でかつ当該セル６の他端部に設けられている。ユニット本体１１は、箱状に形成されている。
【００２４】
図示例では、受光ユニット８には、基準受光器１２ａ、二酸化炭素（ＣＯ２）受光器１２ｂの２つが設けられている。受光器１２ａ、１２ｂは、それぞれ、赤外線センサ１４と、フィルタ１５とを備えている。赤外線センサ１４は、ユニット本体１１に取り付けられている。受光器１２ａ、１２ｂの赤外線センサ１４は、同一平面上に配置されている。赤外線センサ１４は、光源７が発しかつフィルタ１５を透過した赤外線を受光し、この赤外線の熱を電気エネルギーに変換する。赤外線センサ１４は、赤外線の熱を電気エネルギーに変換して、センサ出力として濃度算出回路に出力する。赤外線センサ１４として、例えば、焦電型、サーモパイル型のものが用いられる。
【００２５】
フィルタ１５は、ユニット本体１１に取り付けられて、赤外線センサ１４と光源７との間に配置されている。受光器１２ａ、１２ｂのフィルタ１５は、同一平面上に配置されている。フィルタ１５は、それぞれ、光源７からの赤外線のうち予め定められた波長の赤外線のみを透過して、当該透過した波長の赤外線を赤外線センサ１４まで導く。受光器１２ａ、１２ｂのフィルタ１５は、互いに透過する赤外線の波長が異なる。
【００２６】
受光器１２ｂのフィルタ１５は、その透過する赤外線の波長は、ガス濃度測定装置１のガスに応じて定められる。つまり、受光器１２ｂのフィルタ１５を透過する赤外線の波長は、測定対象ガスに対する透過率が小さくなる吸収波長帯にされる。詳しくは、ＣＯ２受光器１２ｂは、図７にその透過率が示されたガスとしてのＣＯ２の濃度を測定するために用いられ、そのフィルタ１５がＣＯ２の吸収波長帯である４．３μｍの赤外線のみを透過する。
【００２７】
また、図示例では、基準受光器１２ａは、基準として用いられ、そのフィルタ１５が大気中で全く吸収されない非吸収波長帯（４．０μｍ又は１．５μｍ）の赤外線のみを透過する。以上のことから明らかなように、基準受光器１２ａのフィルタ１５が請求項中の第２フィルタに相当し、赤外線センサ１４が第２赤外線センサに相当する。また、ＣＯ２受光器１２ｂのフィルタ１５が第１フィルタに相当し、赤外線センサ１４が第１赤外線センサに相当する。
【００２８】
なお、図７は、ＣＯ２に対する赤外線の透過率を示しており、図７中の横軸は赤外線の波長（μｍ）を示し、図７中の縦軸は赤外線の透過率（％）を示している。図７によれば、波長が４．３μｍの赤外線の二酸化炭素中の透過率が、略零であることが示されており、波長が４．３μｍの赤外線は、二酸化炭素中を殆ど透過しない（殆ど吸収されてしまう）ことが示されている。
【００２９】
集光部材１３は、例えば３００度などの所定の角度の範囲の赤外線を集光して、フィルタ１５つまり赤外線センサ１４に集中させる。すると、光源７から直接入射する赤外線以外にも、セル６の外壁６ａの内面で反射する赤外線も赤外線センサ１４に集めることができるので、赤外線の受光効率を良くすることができる。なお、集光部材１３として、フレーネルレンズ等を用いることができる。
【００３０】
制御回路部３は、図２に示すように、発振器１６、クロック分周回路１７、定電圧回路１８、カウンタ１９などを備えており、所定の周波数で光源７を点滅させる。このように光源７を点滅させることにより、セル６にはパルス状の赤外線が入射される。上記発振器１６は、パルス信号を出力する。クロック分周回路１７は、発振器１６からのパルス信号を分周して所望の周波数のパルス信号を出力する。定電圧回路１８は、光源７に所望の定電圧を出力する。カウンタ１９は、図６に示すように、発振器１６からのパルス信号をカウントして光源７に対する電源供給開始からの第１所定時間Ｔｉ１後にホールドタイミング信号Ｓ１を出力し、第２所定時間Ｔｉ２後にホールドタイミング信号Ｓ２を出力する。
【００３１】
上記第１所定時間Ｔｉ１は、光源７に電源が供給されてパルス状の赤外線がセル６に入射されているときにホールドタイミング信号Ｓ１がＨレベルとなるように設定されている。第１所定時間Ｔｉ１は、赤外線の入射に応じて赤外線センサ１４のセンサ出力が立ち上がりピーク近くになったときにホールドタイミング信号Ｓ１がＨレベルとなるように設定されている。
【００３２】
また、上記第２所定時間Ｔｉ２は、光源７への電源が遮断されてパルス状の赤外線がセル６に入射されていないときにホールドタイミング信号Ｓ２がＨレベルとなるように設定されている。第２所定時間Ｔｉ２は、赤外線の遮断に応じて赤外線センサ１４のセンサ出力が下がり最も低くなったときにホールドタイミング信号Ｓ２がＨレベルとなるように設定されている。
【００３３】
次に、濃度算出回路５の構成について以下説明する。濃度算出回路５は、第１増幅器５０１と、第１サンプルホールド（以下Ｓ／Ｈ）回路５０２と、第２Ｓ／Ｈ回路５０３と、第１差動増幅器５０４とを備えている。第１増幅器５０１は、ＣＯ２受光器１２ｂ内の赤外線センサ１４からのセンサ出力を増幅する。第１Ｓ／Ｈ回路５０２は、タイミング信号Ｓ１がＨレベルになったとき、即ち赤外線がセル６に入射されているときにＣＯ２受光器１２ｂから出力されるセンサ出力をホールドする回路である。第２Ｓ／Ｈ回路５０３は、タイミング信号Ｓ２がＨレベルになったとき、即ち赤外線がセル６に入射されていないときにＣＯ２受光器１２ｂから出力されるセンサ出力をホールドする回路である。第１差動増幅器５０４は、第１Ｓ／Ｈ回路５０２のホールド値と第２Ｓ／Ｈ回路５０３のホールド値の差を出力する回路である。
【００３４】
また、濃度算出回路５は、第２増幅器５０５と、第３Ｓ／Ｈ回路５０６と、第４Ｓ／Ｈ回路５０７と、第２差動増幅器５０８と、第１ログアンプ５０９と、第２ログアンプ５１０と、第３差動増幅器５１１とを備えている。第２増幅器５０５は、基準受光器１２ａからのセンサ出力を増幅する。第３Ｓ／Ｈ回路５０６は、タイミング信号Ｓ１がＨレベルになったとき、即ち赤外線がセル６に入射されているときに基準受光器１２ａから出力されるセンサ出力をホールドする回路である。第４Ｓ／Ｈ回路５０７は、タイミング信号Ｓ２がＨレベルになったとき、即ち赤外線がセル６に入射されていないときに基準受光器１２ａから出力されるセンサ出力をホールドする回路である。
【００３５】
第２差動増幅器５０８は、第３Ｓ／Ｈ回路５０６のホールド値と第４Ｓ／Ｈ回路５０７のホールド値の差を出力する回路である。第１ログアンプ５０９は、第１差動増幅器５０４からの第１差動出力Ｖ１を対数出力ＬｏｇＶ１に対数変換する。第２ログアンプ５１０は、第２差動増幅器５０８からの第２差動出力Ｖ２を対数出力ＬｏｇＶ２に対数変換する。第３差動増幅器５１１は、第１ログアンプ５０９の対数出力ＬｏｇＶ１と第２ログアンプ５１０の対数出力ＬｏｇＶ２との差を出力する。
【００３６】
また、濃度算出回路５は、温度センサ５１２と、第３増幅器５１３と、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）５１４と、メモリとしてのＲＯＭ５１５と、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）５１６と、第５Ｓ／Ｈ回路５１７、第６Ｓ／Ｈ回路５１８、第４差動増幅器５１９と、コンパレータ５２０とを備えている。
【００３７】
温度センサ５１２は、セル６外の雰囲気温度を検出するセンサである。第３増幅器５１３は、温度センサ５１２の出力を増幅してＡＤＣ５１４に供給する。ＡＤＣ５１４は、温度センサ５１２の出力をデジタル値に変換する。ＲＯＭ５１５は、ＡＤＣ５１４から出力される温度センサ５１２により検出された温度のデジタル値に応じた補正係数のデジタル値を出力するメモリである。ＤＡＣ５１６は、ＲＯＭ５１５から出力される補正係数をアナログ値に変換する。第５Ｓ／Ｈ回路５１７は、ホールドタイミング信号Ｓ２がＨレベルになったときにＤＡＣ５１６から出力される補正係数をホールドする回路である。
【００３８】
第６Ｓ／Ｈ回路５１８は、ホールドタイミング信号Ｓ２がＨレベルになったときに第３差動増幅器５１１の出力をホールドする回路である。第４差動増幅器５１９は、第６Ｓ／Ｈ回路５１８のホールド値と第５Ｓ／Ｈ回路５１７のホールド値との差を出力して、ＣＯ２濃度に応じた値として出力端子Ｔ１から出力させる。コンパレータ５２０は、第４差動増幅器５１９からの第４差動出力及び警報設定値を比較して、第４差動出力が警報設定値を超えたときＨレベルの出力を警報端子Ｔ２に出力する。
【００３９】
上述した構成のガス濃度測定装置の動作について以下説明する。まず、発振器１６が発振してパルス信号を出力すると、クロック分周回路１７がパルス信号を分周して所望の周波数のパルス信号を定電圧回路１８に出力する。定電圧回路１８は、クロック分周回路１７からのパルス信号の入力に応じて光源７に定電圧を供給し、パルス信号の遮断に応じて光源７への定電圧の供給を遮断する。これにより、光源７には、図６（Ａ）に示すようにパルス状の定電圧を供給され、光源７が点滅する。
【００４０】
光源７に定電圧が供給されると、光源７からの赤外線がセル６に入射され、セル６を通過した後、受光器１２ａ、１２ｂに入射される。この赤外線の入射に応じて基準受光器１２ａは、大気中で全く吸収されない非吸収波長帯の赤外線の強度をセンサ出力として出力する。ＣＯ２受光器１２ｂは各々、ＣＯ２の吸収波長帯の赤外線の強度をセンサ出力として出力する。そして、赤外線の入射に応じて受光器１２ａ、１２ｂのセンサ出力は各々、図６（Ｃ）に示すように、立ち上がり、赤外線の遮断に応じて立ち下がる。
【００４１】
上記セル６を通過した赤外線のうちＣＯ２の吸収波長帯である４．３μｍの波長は、セル６内のＣＯ２によってその濃度に応じた分、吸収される。よって、ＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力の立ち上がりピークは、ＣＯ２濃度に応じた値となる。また、基準受光器１２ａのセンサ出力の立ち上がりピークは、雰囲気に影響されない値となる。
【００４２】
上述したように赤外線の入射に応じて受光器１２ａ、１２ｂのセンサ出力が立ち上がりピーク近くになると、カウンタ１９からＨレベルのホールドタイミング信号Ｓ１が出力される。これにより第１Ｓ／Ｈ回路５０２が、ＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力のピーク近くをホールドし、第３Ｓ／Ｈ回路５０６が、基準受光器１２ａのセンサ出力の立ち上がりピーク近くをホールドする。
【００４３】
その後、赤外線が遮断され受光器１２ａ、１２ｂのセンサ出力が下がり最も低くなると、カウンタ１９からＨレベルのホールドタイミング信号Ｓ２が出力される。これにより、第２Ｓ／Ｈ回路５０３が、ＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力の最も低い値である０出力をホールドし、第４Ｓ／Ｈ回路５０７が、基準受光器１２ａのセンサ出力の最も低い値である０出力をホールドする。
【００４４】
そして、第１差動増幅器５０４からは、ＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力のピーク近くと０出力との差分が出力され、第２差動増幅器５０８からは、基準受光器１２ａのセンサ出力のピーク近くと０出力との差分が出力される。このように差分を出力することにより、第１差動増幅器５０４からの第１差動出力Ｖ１は、ＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力のオフセットやノイズの影響を除去した出力となる。また、第２差動増幅器５０８からの第２差動出力は、基準受光器１２ａのセンサ出力のオフセットやノイズの影響を除去した第２差動出力Ｖ２となる。
【００４５】
上記第１差動出力Ｖ１は第１ログアンプ５０９により対数出力ＬｏｇＶ１に変換された後に、第３差動増幅器５１１に出力される。また、上記第２差動出力Ｖ２は第２ログアンプ５１０により対数出力ＬｏｇＶ２に変換された後に、第３差動増幅器５１１に出力される。
【００４６】
第３差動増幅器５１１は、第１ログアンプ５０９の対数出力ＬｏｇＶ１と第２ログアンプ５１０の対数出力ＬｏｇＶ２との差を出力する。このように対数出力ＬｏｇＶ１、ＬｏｇＶ２の差を求めることにより、下記の式（１）に示すように第１差動出力Ｖ１を第２差動出力Ｖ２で除した値を求めることができ、環境的な影響及びノイズを除去した出力を第３差動増幅器５１１から出力させることができる。
ＬｏｇＶ１−ＬｏｇＶ２＝Ｌｏｇ（Ｖ１／Ｖ２） …（１）
【００４７】
上記第３差動増幅器５１１の出力は、第６Ｓ／Ｈ回路５１８によりホールドタイミング信号Ｓ２がＨレベルとなるタイミングでホールドされる。また、ホールドタイミング信号Ｓ２がＨレベルとなるタイミングで、第５Ｓ／Ｈ回路５１７によって温度センサ５１２によって検出した雰囲気温度に応じた補正係数のアナログ値がホールドされている。
【００４８】
そして、第４差動増幅器５１９は、第６Ｓ／Ｈ回路５１８によってホールドされたＣＯ２濃度に応じた第３差動増幅器５１１の出力と第５Ｓ／Ｈ回路５１７によってホールドされた補正係数との差を出力して、ＣＯ２濃度に応じた値として出力端子Ｔ１から出力させる。受光器１２ａ、１２ｂのセンサ出力は、セル６内の雰囲気が赤外線により温められ変動することがある。そこで、上述したようにＣＯ２濃度に応じた第３差動増幅器５１１の出力と補正係数との差をとることにより、上記温度の影響による変動分を除去した出力を第４差動増幅器５１９から出力させることができる。
【００４９】
また、コンパレータ５２０が、第４差動増幅器５１９からの第４差動出力及び警報設定値を比較して、第４差動出力が警報設定値を超えたときＨレベルの出力を警報端子Ｔ２に出力する。警報端子Ｔ２からＨレベルが出力されると、図示しない警報発生手段が警報を発生する。
【００５０】
上述したガス濃度測定装置によれば、第１Ｓ／Ｈ回路５０２がパルス状の赤外線がセル６に入射されているときのＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力をホールドし、第２Ｓ／Ｈ回路５０３がパルス状の赤外線がセル６に入射されていないときのＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力をホールドし、第１差動増幅器５０４が第１Ｓ／Ｈ回路５０２のホールド値及び第２Ｓ／Ｈ回路５０３のホールド値の差を出力してガス濃度に応じた値を出力するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、ＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力のオフセットやノイズを除いたガス濃度に応じた出力を第１差動増幅器５０４から出力させることができ、安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００５１】
また、上述したガス濃度測定装置によれば、第３Ｓ／Ｈ回路５０６がパルス状の赤外線がセル６に入射されているときの基準受光器１２ａのセンサ出力をホールドし、第４Ｓ／Ｈ回路５０７がパルス状の赤外線がセル６に入射されていないときの基準受光器１２ａセンサ出力をホールドし、第２差動増幅器５０８が第３Ｓ／Ｈ回路５０６のホールド値及び第４Ｓ／Ｈ回路５０７のホールド値の差を出力し、第１ログアンプ５０９が第１差動増幅器５０４からの第１差動出力を対数変換し、第２ログアンプ５１０が第２差動増幅器５０８からの第２差動出力を対数変換し、第３差動増幅器５１１が第１ログアンプ５０９の対数出力及び第２ログアンプ５１０の対数出力の差を出力するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、環境的な影響やノイズを除いたガス濃度に応じた出力を第３差動増幅器５１１から出力させることができ、より一層安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００５２】
また、上述したガス濃度測定装置によれば、ＡＤＣ５１４が温度センサ５１２の出力をデジタル値に変換し、ＲＯＭ５１５がＡＤＣ５１４の出力に応じた補正係数のデジタル値を出力し、ＤＡＣ５１６がＲＯＭ５１５から出力される補正係数をアナログ値に変換し、第４差動増幅器５１９が第３差動増幅器５１１からの第３差動出力及びＤＡＣ５１６から出力される補正係数の差を出力するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、温度の影響を除いたガス濃度に応じた出力を第４差動増幅器５１９から出力させることができ、より一層安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００５３】
また、上述したガス濃度測定装置によれば、コンパレータ５２０が第４差動増幅器５１９からの第４差動出力及び警報設定値を比較し、警報発生手段がコンパレータ５２０により第４差動出力が警報設定値を超えたとの比較結果が得られたときに警報を発生するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみでガス警報を発生することができ、より一層安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００５４】
なお、上述した実施形態によれば、第４差動増幅器５１９の出力をＣＯ２濃度に応じた値として出力端子Ｔ１から出力させていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、温度センサ５１２が設けられていなければ、第３差動増幅器５１１の出力をＣＯ２濃度に応じた値として出力端子Ｔ１から出力させてもよいし、温度センサ５１２も基準受光器１２ａも設けられていなければ、第１差動増幅器５０４の出力をＣＯ２濃度に応じた値として出力端子Ｔ１から出力させてもよい。
【００５５】
また、上述した実施形態によれば、ＣＯ２濃度を測定していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、Ｈ２Ｏの吸収波長帯である１．９μｍの赤外線のみを透過するＨ２Ｏフィルタと、このＨ２Ｏフィルタを透過した赤外線を受光する赤外線センサとから構成されるＨ２Ｏ受光器を設けて、Ｈ２Ｏ濃度を測定できるようにしてもよい。また、ＣＯの吸収波長帯である４．６４μｍの赤外線のみを透過するＣＯフィルタと、このＣＯフィルタを透過した赤外線を受光する赤外線センサとから構成されるＣＯ受光器を設けて、ＣＯ濃度を測定できるようにしてもよい。同様に、ＮＯｘ、ＳＯｘ、Ｈ２Ｓ、Ｏ３、ＣＨ４、ＮＯなどのガス濃度を測定できるようにしてもよい。
【００５６】
また、上述した実施形態によれば、ＣＯ２の一種類のみのガス濃度を測定していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＮＯｘ、ＳＯｘ、Ｈ２Ｓ、Ｏ３、ＣＨ４、ＮＯなどの他のガスの吸収波長帯のみを透過するフィルタを設けた受光器を受光ユニット８内にさらに設けると共に、上記他のガスに対応する受光器のセンサ出力からガス濃度に応じた出力を算出する上述した実施形態と同様の濃度算出回路を設けて、複数のガスのガス濃度を測定するようにしてもよい。
【００５７】
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態にかかるガス濃度測定装置の気体サンプル室の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示されたガス濃度測定装置の構成を示す説明図である。
【図３】図１に示された気体サンプル室の受光ユニットの正面を模式的に示す説明図である。
【図４】図３中のＶＩ−ＶＩ線の断面を模式的に示す説明図である。
【図５】図２に示された濃度算出回路の構成を示す電気回路図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、光源への供給電圧、ホールドタイミング信号Ｓ１、Ｓ２、センサ出力のタイムチャートである。
【図７】二酸化炭素に対する赤外線の透過率を示したグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
６ セル
７ 光源
１５ フィルタ（第１フィルタ、第２フィルタ）
１４ 赤外線センサ（第１赤外線センサ、第２赤外線センサ）
５０２ 第１サンプルホールド回路
５０３ 第２サンプルホールド回路
５０４ 第１差動増幅器
５０６ 第３サンプルホールド回路
５０７ 第４サンプルホールド回路
５０８ 第２差動増幅器
５０９ 第１ログアンプ
５１０ 第２ログアンプ
５１１ 第３差動増幅器
５１２ 温度センサ
５１４ アナログ／デジタル変換器
５１５ ＲＯＭ（メモリ）
５１６ デジタル／アナログ変換器
５１９ 第４差動増幅器
５２０ コンパレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度測定装置に係り、特に、ガスを充填するセルと、セルにパルス状の赤外線を入射する光源と、セルを通った赤外線のうちガスの吸収波長帯のみを透過する第１フィルタと、第１フィルタを透過した赤外線の強度を検出する第１赤外線センサとを有するガス濃度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスは赤外線波長領域において特有の吸収波長帯をもっているものが多いことから、ガスを充填するセルと、セルにパルス状の赤外線を入射する光源と、セルを通った赤外線のうちガスの吸収波長帯のみを透過する第１フィルタと、第１フィルタを透過した赤外線の強度を検出する第１赤外線センサとを設けて、ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置が提案されている（たとえば特許文献１）。
【０００３】
上述したガス濃度測定装置は、セルにパルス状の赤外線を入射して、赤外線が入射されているときに第１赤外線センサから出力されるセンサ出力、及び、赤外線が入射されていないときに第１赤外線センサから出力されるセンサ出力、の差からガスの濃度を検出することにより、第１赤外線センサのオフセットの影響やノイズなどを除去して精度よく測定することができる。
【０００４】
従来では、マイクロコンピュータが、第１赤外線センサのセンサ出力を入力して演算処理することにより、ガスの濃度測定を行っていた。
【特許文献１】特開平１０−３３９６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来のガス濃度測定装置では、マイクロコンピュータを用いて第１赤外線センサのセンサ出力を演算処理してガスの濃度測定を行っているため、アナログ／デジタル変換器などの精度の良いチップが必要となり、コスト的に問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみでガス濃度を測定することにより、安価に精度良くガス濃度を測定することができるガス濃度測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、ガスが充填されたセルと、前記セルにパルス状の赤外線を入射する光源と、前記セルを通った前記赤外線のうち前記ガスの吸収波長帯のみを透過する第１フィルタと、前記第１フィルタを透過した赤外線の強度を検出する第１赤外線センサとを設けて、前記ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置において、前記赤外線が前記セルに入射されているときの前記第１赤外線センサの出力をホールドする第１サンプルホールド回路と、前記赤外線が前記セルに入射されていないときの前記第１赤外線センサの出力をホールドする第２サンプルホールド回路と、前記第１サンプルホールド回路のホールド値及び前記第２サンプルホールド回路のホールド値の差を出力する第１差動増幅器と、が設けられたことを特徴とするガス濃度測定装置に存する。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、第１サンプルホールド回路が、赤外線が入射されているときに第１赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドし、第２サンプルホールド回路が、赤外線が入射されていないときに第１赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドし、第１差動増幅器が第１サンプルホールド回路のホールド値及び第２サンプルホールド回路のホールド値の差を出力してガス濃度に応じた値を出力する。従って、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、第１赤外線センサのオフセットやノイズを除いたガス濃度に応じた出力を第１差動増幅器から出力させることができる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、前記セルを通った前記赤外線のうち大気中では吸収されない非吸収波長帯のみを透過する第２フィルタと、前記第２フィルタを透過した赤外線の強度を検出する第２赤外線センサと、前記赤外線が入射されているときに前記第２赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドする第３サンプルホールド回路と、前記赤外線が入射されていないときに前記第２赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドする第４サンプルホールド回路と、前記第３サンプルホールド回路のホールド値及び前記第４サンプルホールド回路のホールド値の差を出力する第２差動増幅器と、前記第１差動増幅器からの第１差動出力を対数変換する第１ログアンプと、前記第２差動増幅器からの第２差動出力を対数変換する第２ログアンプと、前記第１ログアンプの対数出力及び前記第２ログアンプの対数出力の差を出力する第３差動増幅器と、が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置に存する。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、第３サンプルホールド回路が、赤外線が入射されているときに第２赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドし、第４サンプルホールド回路が、赤外線が入射されていないときに第２赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドし、第２差動増幅器が第３サンプルホールド回路のホールド値及び第４サンプルホールド回路のホールド値の差を出力し、第１ログアンプが第２差動増幅器からの第２差動出力を対数変換し、第２ログアンプが第２差動増幅器からの第２差動出力を対数変換し、第３差動増幅器が第１ログアンプの対数出力及び第２ログアンプの対数出力の差を出力するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、環境的な影響やノイズを除いたガス濃度に応じた出力を第３差動増幅器から出力させることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、前記セル外の雰囲気温度を検出する温度センサと、前記温度センサの出力をデジタル値に変換するアナログ／デジタル変換器と、前記アナログ／デジタル変換器の出力に応じた補正係数のデジタル値を出力するメモリと、前記メモリから出力される前記補正係数をアナログ値に変換するデジタル／アナログ変換器と、前記第３差動増幅器からの第３差動出力及び前記デジタル／アナログ変換器から出力される前記補正係数の差を出力する第４差動増幅器と、が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のガス濃度測定装置に存する。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、アナログ／デジタル変換器が温度センサの出力をデジタル値に変換し、メモリがアナログ／デジタル変換器の出力に応じた補正係数のデジタル値を出力し、デジタル／アナログ変換器がメモリから出力される補正係数をアナログ値に変換し、第４差動増幅器が第３差動増幅器からの第３差動出力及びデジタル／アナログ変換器から出力される補正係数の差を出力するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、温度の影響を除いたガス濃度に応じた出力を第４差動増幅器から出力させることができる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、前記第４差動増幅器からの第４差動出力及び警報設定値を比較するコンパレータと、前記コンパレータにより前記第４差動出力が前記警報設定値を超えたとの比較結果が得られたときに警報を発生する警報発生手段と、が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のガス濃度測定装置に存する。
【００１４】
請求項４記載の発明によれば、コンパレータが第４差動増幅器からの第４差動出力及び警報設定値を比較し、警報発生手段がコンパレータにより第４差動出力が警報設定値を超えたとの比較結果が得られたときに警報を発生するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみでガス警報を発生することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、第１赤外線センサのオフセットやノイズを除いたガス濃度に応じた出力を第１差動増幅器から出力させることができるので、安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、環境的な影響やノイズを除いたガス濃度に応じた出力を第３差動増幅器から出力させることができるので、より一層、安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００１７】
請求項３記載の発明によれば、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、温度の影響を除いたガス濃度に応じた出力を第４差動増幅器から出力させることができるので、より一層、安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００１８】
請求項４記載の発明によれば、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみでガス警報を発生することができるので、より一層、安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態に係るガス濃度測定装置を、図１乃至７を参照して説明する。
【００２０】
ガス濃度測定装置１は、図２に示すように、濃度の測定対象となるガスを含んだ雰囲気が充填される気体サンプル室２と、制御回路部３と、濃度算出回路５と、を備えている。
【００２１】
気体サンプル室２は、図１に示すように、本体部としてのセル６と、光源７と、受光ユニット８とを備えている。セル６は、筒状に形成されている。図示例では、セル６は、四角筒状に形成されている。セル６には、セル６内に雰囲気を導くガス吸入口９ａと、セル６内の雰囲気を外部に導くガス出口９ｂとが設けられている。即ち、気体サンプル室２は、ガス吸入口９ａ、ガス出口９ｂを備えている。ガス吸入口９ａ、ガス出口９ｂは、セル６の外壁６ａを貫通していて、セル６内の気体を雰囲気と等しくするものである。
【００２２】
光源７は、セル６内でかつ当該セル６の一端部に設けられている。光源７は、電圧が印加されることで、光としての赤外線をセル６の他端部に向かって放射する。光源７として、例えば黒体炉、電球等が用いられる。
【００２３】
受光ユニット８は、図３及び図４に示すように、ユニット本体１１と、複数の受光器１２ａ、１２ｂと、集光部材１３と、を備えている。ユニット本体１１即ち受光ユニット８は、セル６内でかつ当該セル６の他端部に設けられている。ユニット本体１１は、箱状に形成されている。
【００２４】
図示例では、受光ユニット８には、基準受光器１２ａ、二酸化炭素（ＣＯ２）受光器１２ｂの２つが設けられている。受光器１２ａ、１２ｂは、それぞれ、赤外線センサ１４と、フィルタ１５とを備えている。赤外線センサ１４は、ユニット本体１１に取り付けられている。受光器１２ａ、１２ｂの赤外線センサ１４は、同一平面上に配置されている。赤外線センサ１４は、光源７が発しかつフィルタ１５を透過した赤外線を受光し、この赤外線の熱を電気エネルギーに変換する。赤外線センサ１４は、赤外線の熱を電気エネルギーに変換して、センサ出力として濃度算出回路に出力する。赤外線センサ１４として、例えば、焦電型、サーモパイル型のものが用いられる。
【００２５】
フィルタ１５は、ユニット本体１１に取り付けられて、赤外線センサ１４と光源７との間に配置されている。受光器１２ａ、１２ｂのフィルタ１５は、同一平面上に配置されている。フィルタ１５は、それぞれ、光源７からの赤外線のうち予め定められた波長の赤外線のみを透過して、当該透過した波長の赤外線を赤外線センサ１４まで導く。受光器１２ａ、１２ｂのフィルタ１５は、互いに透過する赤外線の波長が異なる。
【００２６】
受光器１２ｂのフィルタ１５は、その透過する赤外線の波長は、ガス濃度測定装置１のガスに応じて定められる。つまり、受光器１２ｂのフィルタ１５を透過する赤外線の波長は、測定対象ガスに対する透過率が小さくなる吸収波長帯にされる。詳しくは、ＣＯ２受光器１２ｂは、図７にその透過率が示されたガスとしてのＣＯ２の濃度を測定するために用いられ、そのフィルタ１５がＣＯ２の吸収波長帯である４．３μｍの赤外線のみを透過する。
【００２７】
また、図示例では、基準受光器１２ａは、基準として用いられ、そのフィルタ１５が大気中で全く吸収されない非吸収波長帯（４．０μｍ又は１．５μｍ）の赤外線のみを透過する。以上のことから明らかなように、基準受光器１２ａのフィルタ１５が請求項中の第２フィルタに相当し、赤外線センサ１４が第２赤外線センサに相当する。また、ＣＯ２受光器１２ｂのフィルタ１５が第１フィルタに相当し、赤外線センサ１４が第１赤外線センサに相当する。
【００２８】
なお、図７は、ＣＯ２に対する赤外線の透過率を示しており、図７中の横軸は赤外線の波長（μｍ）を示し、図７中の縦軸は赤外線の透過率（％）を示している。図７によれば、波長が４．３μｍの赤外線の二酸化炭素中の透過率が、略零であることが示されており、波長が４．３μｍの赤外線は、二酸化炭素中を殆ど透過しない（殆ど吸収されてしまう）ことが示されている。
【００２９】
集光部材１３は、例えば３００度などの所定の角度の範囲の赤外線を集光して、フィルタ１５つまり赤外線センサ１４に集中させる。すると、光源７から直接入射する赤外線以外にも、セル６の外壁６ａの内面で反射する赤外線も赤外線センサ１４に集めることができるので、赤外線の受光効率を良くすることができる。なお、集光部材１３として、フレーネルレンズ等を用いることができる。
【００３０】
制御回路部３は、図２に示すように、発振器１６、クロック分周回路１７、定電圧回路１８、カウンタ１９などを備えており、所定の周波数で光源７を点滅させる。このように光源７を点滅させることにより、セル６にはパルス状の赤外線が入射される。上記発振器１６は、パルス信号を出力する。クロック分周回路１７は、発振器１６からのパルス信号を分周して所望の周波数のパルス信号を出力する。定電圧回路１８は、光源７に所望の定電圧を出力する。カウンタ１９は、図６に示すように、発振器１６からのパルス信号をカウントして光源７に対する電源供給開始からの第１所定時間Ｔｉ１後にホールドタイミング信号Ｓ１を出力し、第２所定時間Ｔｉ２後にホールドタイミング信号Ｓ２を出力する。
【００３１】
上記第１所定時間Ｔｉ１は、光源７に電源が供給されてパルス状の赤外線がセル６に入射されているときにホールドタイミング信号Ｓ１がＨレベルとなるように設定されている。第１所定時間Ｔｉ１は、赤外線の入射に応じて赤外線センサ１４のセンサ出力が立ち上がりピーク近くになったときにホールドタイミング信号Ｓ１がＨレベルとなるように設定されている。
【００３２】
また、上記第２所定時間Ｔｉ２は、光源７への電源が遮断されてパルス状の赤外線がセル６に入射されていないときにホールドタイミング信号Ｓ２がＨレベルとなるように設定されている。第２所定時間Ｔｉ２は、赤外線の遮断に応じて赤外線センサ１４のセンサ出力が下がり最も低くなったときにホールドタイミング信号Ｓ２がＨレベルとなるように設定されている。
【００３３】
次に、濃度算出回路５の構成について以下説明する。濃度算出回路５は、第１増幅器５０１と、第１サンプルホールド（以下Ｓ／Ｈ）回路５０２と、第２Ｓ／Ｈ回路５０３と、第１差動増幅器５０４とを備えている。第１増幅器５０１は、ＣＯ２受光器１２ｂ内の赤外線センサ１４からのセンサ出力を増幅する。第１Ｓ／Ｈ回路５０２は、タイミング信号Ｓ１がＨレベルになったとき、即ち赤外線がセル６に入射されているときにＣＯ２受光器１２ｂから出力されるセンサ出力をホールドする回路である。第２Ｓ／Ｈ回路５０３は、タイミング信号Ｓ２がＨレベルになったとき、即ち赤外線がセル６に入射されていないときにＣＯ２受光器１２ｂから出力されるセンサ出力をホールドする回路である。第１差動増幅器５０４は、第１Ｓ／Ｈ回路５０２のホールド値と第２Ｓ／Ｈ回路５０３のホールド値の差を出力する回路である。
【００３４】
また、濃度算出回路５は、第２増幅器５０５と、第３Ｓ／Ｈ回路５０６と、第４Ｓ／Ｈ回路５０７と、第２差動増幅器５０８と、第１ログアンプ５０９と、第２ログアンプ５１０と、第３差動増幅器５１１とを備えている。第２増幅器５０５は、基準受光器１２ａからのセンサ出力を増幅する。第３Ｓ／Ｈ回路５０６は、タイミング信号Ｓ１がＨレベルになったとき、即ち赤外線がセル６に入射されているときに基準受光器１２ａから出力されるセンサ出力をホールドする回路である。第４Ｓ／Ｈ回路５０７は、タイミング信号Ｓ２がＨレベルになったとき、即ち赤外線がセル６に入射されていないときに基準受光器１２ａから出力されるセンサ出力をホールドする回路である。
【００３５】
第２差動増幅器５０８は、第３Ｓ／Ｈ回路５０６のホールド値と第４Ｓ／Ｈ回路５０７のホールド値の差を出力する回路である。第１ログアンプ５０９は、第１差動増幅器５０４からの第１差動出力Ｖ１を対数出力ＬｏｇＶ１に対数変換する。第２ログアンプ５１０は、第２差動増幅器５０８からの第２差動出力Ｖ２を対数出力ＬｏｇＶ２に対数変換する。第３差動増幅器５１１は、第１ログアンプ５０９の対数出力ＬｏｇＶ１と第２ログアンプ５１０の対数出力ＬｏｇＶ２との差を出力する。
【００３６】
また、濃度算出回路５は、温度センサ５１２と、第３増幅器５１３と、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）５１４と、メモリとしてのＲＯＭ５１５と、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）５１６と、第５Ｓ／Ｈ回路５１７、第６Ｓ／Ｈ回路５１８、第４差動増幅器５１９と、コンパレータ５２０とを備えている。
【００３７】
温度センサ５１２は、セル６外の雰囲気温度を検出するセンサである。第３増幅器５１３は、温度センサ５１２の出力を増幅してＡＤＣ５１４に供給する。ＡＤＣ５１４は、温度センサ５１２の出力をデジタル値に変換する。ＲＯＭ５１５は、ＡＤＣ５１４から出力される温度センサ５１２により検出された温度のデジタル値に応じた補正係数のデジタル値を出力するメモリである。ＤＡＣ５１６は、ＲＯＭ５１５から出力される補正係数をアナログ値に変換する。第５Ｓ／Ｈ回路５１７は、ホールドタイミング信号Ｓ２がＨレベルになったときにＤＡＣ５１６から出力される補正係数をホールドする回路である。
【００３８】
第６Ｓ／Ｈ回路５１８は、ホールドタイミング信号Ｓ２がＨレベルになったときに第３差動増幅器５１１の出力をホールドする回路である。第４差動増幅器５１９は、第６Ｓ／Ｈ回路５１８のホールド値と第５Ｓ／Ｈ回路５１７のホールド値との差を出力して、ＣＯ２濃度に応じた値として出力端子Ｔ１から出力させる。コンパレータ５２０は、第４差動増幅器５１９からの第４差動出力及び警報設定値を比較して、第４差動出力が警報設定値を超えたときＨレベルの出力を警報端子Ｔ２に出力する。
【００３９】
上述した構成のガス濃度測定装置の動作について以下説明する。まず、発振器１６が発振してパルス信号を出力すると、クロック分周回路１７がパルス信号を分周して所望の周波数のパルス信号を定電圧回路１８に出力する。定電圧回路１８は、クロック分周回路１７からのパルス信号の入力に応じて光源７に定電圧を供給し、パルス信号の遮断に応じて光源７への定電圧の供給を遮断する。これにより、光源７には、図６（Ａ）に示すようにパルス状の定電圧を供給され、光源７が点滅する。
【００４０】
光源７に定電圧が供給されると、光源７からの赤外線がセル６に入射され、セル６を通過した後、受光器１２ａ、１２ｂに入射される。この赤外線の入射に応じて基準受光器１２ａは、大気中で全く吸収されない非吸収波長帯の赤外線の強度をセンサ出力として出力する。ＣＯ２受光器１２ｂは各々、ＣＯ２の吸収波長帯の赤外線の強度をセンサ出力として出力する。そして、赤外線の入射に応じて受光器１２ａ、１２ｂのセンサ出力は各々、図６（Ｃ）に示すように、立ち上がり、赤外線の遮断に応じて立ち下がる。
【００４１】
上記セル６を通過した赤外線のうちＣＯ２の吸収波長帯である４．３μｍの波長は、セル６内のＣＯ２によってその濃度に応じた分、吸収される。よって、ＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力の立ち上がりピークは、ＣＯ２濃度に応じた値となる。また、基準受光器１２ａのセンサ出力の立ち上がりピークは、雰囲気に影響されない値となる。
【００４２】
上述したように赤外線の入射に応じて受光器１２ａ、１２ｂのセンサ出力が立ち上がりピーク近くになると、カウンタ１９からＨレベルのホールドタイミング信号Ｓ１が出力される。これにより第１Ｓ／Ｈ回路５０２が、ＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力のピーク近くをホールドし、第３Ｓ／Ｈ回路５０６が、基準受光器１２ａのセンサ出力の立ち上がりピーク近くをホールドする。
【００４３】
その後、赤外線が遮断され受光器１２ａ、１２ｂのセンサ出力が下がり最も低くなると、カウンタ１９からＨレベルのホールドタイミング信号Ｓ２が出力される。これにより、第２Ｓ／Ｈ回路５０３が、ＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力の最も低い値である０出力をホールドし、第４Ｓ／Ｈ回路５０７が、基準受光器１２ａのセンサ出力の最も低い値である０出力をホールドする。
【００４４】
そして、第１差動増幅器５０４からは、ＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力のピーク近くと０出力との差分が出力され、第２差動増幅器５０８からは、基準受光器１２ａのセンサ出力のピーク近くと０出力との差分が出力される。このように差分を出力することにより、第１差動増幅器５０４からの第１差動出力Ｖ１は、ＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力のオフセットやノイズの影響を除去した出力となる。また、第２差動増幅器５０８からの第２差動出力は、基準受光器１２ａのセンサ出力のオフセットやノイズの影響を除去した第２差動出力Ｖ２となる。
【００４５】
上記第１差動出力Ｖ１は第１ログアンプ５０９により対数出力ＬｏｇＶ１に変換された後に、第３差動増幅器５１１に出力される。また、上記第２差動出力Ｖ２は第２ログアンプ５１０により対数出力ＬｏｇＶ２に変換された後に、第３差動増幅器５１１に出力される。
【００４６】
第３差動増幅器５１１は、第１ログアンプ５０９の対数出力ＬｏｇＶ１と第２ログアンプ５１０の対数出力ＬｏｇＶ２との差を出力する。このように対数出力ＬｏｇＶ１、ＬｏｇＶ２の差を求めることにより、下記の式（１）に示すように第１差動出力Ｖ１を第２差動出力Ｖ２で除した値を求めることができ、環境的な影響及びノイズを除去した出力を第３差動増幅器５１１から出力させることができる。
ＬｏｇＶ１−ＬｏｇＶ２＝Ｌｏｇ（Ｖ１／Ｖ２） …（１）
【００４７】
上記第３差動増幅器５１１の出力は、第６Ｓ／Ｈ回路５１８によりホールドタイミング信号Ｓ２がＨレベルとなるタイミングでホールドされる。また、ホールドタイミング信号Ｓ２がＨレベルとなるタイミングで、第５Ｓ／Ｈ回路５１７によって温度センサ５１２によって検出した雰囲気温度に応じた補正係数のアナログ値がホールドされている。
【００４８】
そして、第４差動増幅器５１９は、第６Ｓ／Ｈ回路５１８によってホールドされたＣＯ２濃度に応じた第３差動増幅器５１１の出力と第５Ｓ／Ｈ回路５１７によってホールドされた補正係数との差を出力して、ＣＯ２濃度に応じた値として出力端子Ｔ１から出力させる。受光器１２ａ、１２ｂのセンサ出力は、セル６内の雰囲気が赤外線により温められ変動することがある。そこで、上述したようにＣＯ２濃度に応じた第３差動増幅器５１１の出力と補正係数との差をとることにより、上記温度の影響による変動分を除去した出力を第４差動増幅器５１９から出力させることができる。
【００４９】
また、コンパレータ５２０が、第４差動増幅器５１９からの第４差動出力及び警報設定値を比較して、第４差動出力が警報設定値を超えたときＨレベルの出力を警報端子Ｔ２に出力する。警報端子Ｔ２からＨレベルが出力されると、図示しない警報発生手段が警報を発生する。
【００５０】
上述したガス濃度測定装置によれば、第１Ｓ／Ｈ回路５０２がパルス状の赤外線がセル６に入射されているときのＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力をホールドし、第２Ｓ／Ｈ回路５０３がパルス状の赤外線がセル６に入射されていないときのＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力をホールドし、第１差動増幅器５０４が第１Ｓ／Ｈ回路５０２のホールド値及び第２Ｓ／Ｈ回路５０３のホールド値の差を出力してガス濃度に応じた値を出力するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、ＣＯ２受光器１２ｂのセンサ出力のオフセットやノイズを除いたガス濃度に応じた出力を第１差動増幅器５０４から出力させることができ、安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００５１】
また、上述したガス濃度測定装置によれば、第３Ｓ／Ｈ回路５０６がパルス状の赤外線がセル６に入射されているときの基準受光器１２ａのセンサ出力をホールドし、第４Ｓ／Ｈ回路５０７がパルス状の赤外線がセル６に入射されていないときの基準受光器１２ａセンサ出力をホールドし、第２差動増幅器５０８が第３Ｓ／Ｈ回路５０６のホールド値及び第４Ｓ／Ｈ回路５０７のホールド値の差を出力し、第１ログアンプ５０９が第１差動増幅器５０４からの第１差動出力を対数変換し、第２ログアンプ５１０が第２差動増幅器５０８からの第２差動出力を対数変換し、第３差動増幅器５１１が第１ログアンプ５０９の対数出力及び第２ログアンプ５１０の対数出力の差を出力するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、環境的な影響やノイズを除いたガス濃度に応じた出力を第３差動増幅器５１１から出力させることができ、より一層安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００５２】
また、上述したガス濃度測定装置によれば、ＡＤＣ５１４が温度センサ５１２の出力をデジタル値に変換し、ＲＯＭ５１５がＡＤＣ５１４の出力に応じた補正係数のデジタル値を出力し、ＤＡＣ５１６がＲＯＭ５１５から出力される補正係数をアナログ値に変換し、第４差動増幅器５１９が第３差動増幅器５１１からの第３差動出力及びＤＡＣ５１６から出力される補正係数の差を出力するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみで、温度の影響を除いたガス濃度に応じた出力を第４差動増幅器５１９から出力させることができ、より一層安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００５３】
また、上述したガス濃度測定装置によれば、コンパレータ５２０が第４差動増幅器５１９からの第４差動出力及び警報設定値を比較し、警報発生手段がコンパレータ５２０により第４差動出力が警報設定値を超えたとの比較結果が得られたときに警報を発生するので、マイクロコンピュータを使わずにアナログ回路のみでガス警報を発生することができ、より一層安価に精度良くガス濃度を測定することができる。
【００５４】
なお、上述した実施形態によれば、第４差動増幅器５１９の出力をＣＯ２濃度に応じた値として出力端子Ｔ１から出力させていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、温度センサ５１２が設けられていなければ、第３差動増幅器５１１の出力をＣＯ２濃度に応じた値として出力端子Ｔ１から出力させてもよいし、温度センサ５１２も基準受光器１２ａも設けられていなければ、第１差動増幅器５０４の出力をＣＯ２濃度に応じた値として出力端子Ｔ１から出力させてもよい。
【００５５】
また、上述した実施形態によれば、ＣＯ２濃度を測定していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、Ｈ２Ｏの吸収波長帯である１．９μｍの赤外線のみを透過するＨ２Ｏフィルタと、このＨ２Ｏフィルタを透過した赤外線を受光する赤外線センサとから構成されるＨ２Ｏ受光器を設けて、Ｈ２Ｏ濃度を測定できるようにしてもよい。また、ＣＯの吸収波長帯である４．６４μｍの赤外線のみを透過するＣＯフィルタと、このＣＯフィルタを透過した赤外線を受光する赤外線センサとから構成されるＣＯ受光器を設けて、ＣＯ濃度を測定できるようにしてもよい。同様に、ＮＯｘ、ＳＯｘ、Ｈ２Ｓ、Ｏ３、ＣＨ４、ＮＯなどのガス濃度を測定できるようにしてもよい。
【００５６】
また、上述した実施形態によれば、ＣＯ２の一種類のみのガス濃度を測定していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＮＯｘ、ＳＯｘ、Ｈ２Ｓ、Ｏ３、ＣＨ４、ＮＯなどの他のガスの吸収波長帯のみを透過するフィルタを設けた受光器を受光ユニット８内にさらに設けると共に、上記他のガスに対応する受光器のセンサ出力からガス濃度に応じた出力を算出する上述した実施形態と同様の濃度算出回路を設けて、複数のガスのガス濃度を測定するようにしてもよい。
【００５７】
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態にかかるガス濃度測定装置の気体サンプル室の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示されたガス濃度測定装置の構成を示す説明図である。
【図３】図１に示された気体サンプル室の受光ユニットの正面を模式的に示す説明図である。
【図４】図３中のＶＩ−ＶＩ線の断面を模式的に示す説明図である。
【図５】図２に示された濃度算出回路の構成を示す電気回路図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、光源への供給電圧、ホールドタイミング信号Ｓ１、Ｓ２、センサ出力のタイムチャートである。
【図７】二酸化炭素に対する赤外線の透過率を示したグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
６ セル
７ 光源
１５ フィルタ（第１フィルタ、第２フィルタ）
１４ 赤外線センサ（第１赤外線センサ、第２赤外線センサ）
５０２ 第１サンプルホールド回路
５０３ 第２サンプルホールド回路
５０４ 第１差動増幅器
５０６ 第３サンプルホールド回路
５０７ 第４サンプルホールド回路
５０８ 第２差動増幅器
５０９ 第１ログアンプ
５１０ 第２ログアンプ
５１１ 第３差動増幅器
５１２ 温度センサ
５１４ アナログ／デジタル変換器
５１５ ＲＯＭ（メモリ）
５１６ デジタル／アナログ変換器
５１９ 第４差動増幅器
５２０ コンパレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを充填するセルと、前記セルにパルス状の赤外線を入射する光源と、前記セルを通った前記赤外線のうち前記ガスの吸収波長帯のみを透過する第１フィルタと、前記第１フィルタを透過した赤外線の強度を検出する第１赤外線センサとを有するガス濃度測定装置において、
前記赤外線が前記セルに入射されているときに前記第１赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドする第１サンプルホールド回路と、
前記赤外線が前記セルに入射されていないときに前記第１赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドする第２サンプルホールド回路と、
前記第１サンプルホールド回路のホールド値及び前記第２サンプルホールド回路のホールド値の差を出力する第１差動増幅器と、
が設けられていることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記セルを通った前記赤外線のうち大気中では吸収されない非吸収波長帯のみを透過する第２フィルタと、
前記第２フィルタを透過した赤外線の強度を検出する第２赤外線センサと、
前記赤外線が入射されているときに前記第２赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドする第３サンプルホールド回路と、
前記赤外線が入射されていないときに前記第２赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドする第４サンプルホールド回路と、
前記第３サンプルホールド回路のホールド値及び前記第４サンプルホールド回路のホールド値の差を出力する第２差動増幅器と、
前記第１差動増幅器からの第１差動出力を対数変換する第１ログアンプと、
前記第２差動増幅器からの第２差動出力を対数変換する第２ログアンプと、
前記第１ログアンプの対数出力及び前記第２ログアンプの対数出力の差を出力する第３差動増幅器と、
が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記セル外の雰囲気温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの出力をデジタル値に変換するアナログ／デジタル変換器と、
前記アナログ／デジタル変換器の出力に応じた補正係数のデジタル値を出力するメモリと、
前記メモリから出力される前記補正係数をアナログ値に変換するデジタル／アナログ変換器と、
前記第３差動増幅器からの第３差動出力及び前記デジタル／アナログ変換器から出力される前記補正係数の差を出力する第４差動増幅器と、
が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
前記第４差動増幅器からの第４差動出力及び警報設定値を比較するコンパレータと、前記コンパレータにより前記第４差動出力が前記警報設定値を超えたとの比較結果が得られたときに警報を発生する警報発生手段と、が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のガス濃度測定装置。
【請求項１】
ガスを充填するセルと、前記セルにパルス状の赤外線を入射する光源と、前記セルを通った前記赤外線のうち前記ガスの吸収波長帯のみを透過する第１フィルタと、前記第１フィルタを透過した赤外線の強度を検出する第１赤外線センサとを有するガス濃度測定装置において、
前記赤外線が前記セルに入射されているときに前記第１赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドする第１サンプルホールド回路と、
前記赤外線が前記セルに入射されていないときに前記第１赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドする第２サンプルホールド回路と、
前記第１サンプルホールド回路のホールド値及び前記第２サンプルホールド回路のホールド値の差を出力する第１差動増幅器と、
が設けられていることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記セルを通った前記赤外線のうち大気中では吸収されない非吸収波長帯のみを透過する第２フィルタと、
前記第２フィルタを透過した赤外線の強度を検出する第２赤外線センサと、
前記赤外線が入射されているときに前記第２赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドする第３サンプルホールド回路と、
前記赤外線が入射されていないときに前記第２赤外線センサから出力されるセンサ出力をホールドする第４サンプルホールド回路と、
前記第３サンプルホールド回路のホールド値及び前記第４サンプルホールド回路のホールド値の差を出力する第２差動増幅器と、
前記第１差動増幅器からの第１差動出力を対数変換する第１ログアンプと、
前記第２差動増幅器からの第２差動出力を対数変換する第２ログアンプと、
前記第１ログアンプの対数出力及び前記第２ログアンプの対数出力の差を出力する第３差動増幅器と、
が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記セル外の雰囲気温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの出力をデジタル値に変換するアナログ／デジタル変換器と、
前記アナログ／デジタル変換器の出力に応じた補正係数のデジタル値を出力するメモリと、
前記メモリから出力される前記補正係数をアナログ値に変換するデジタル／アナログ変換器と、
前記第３差動増幅器からの第３差動出力及び前記デジタル／アナログ変換器から出力される前記補正係数の差を出力する第４差動増幅器と、
が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
前記第４差動増幅器からの第４差動出力及び警報設定値を比較するコンパレータと、前記コンパレータにより前記第４差動出力が前記警報設定値を超えたとの比較結果が得られたときに警報を発生する警報発生手段と、が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のガス濃度測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２９２３２１（Ｐ２００８−２９２３２１Ａ）
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３８３６８（Ｐ２００７−１３８３６８）
【出願日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【出願人】（０００００６８９５）矢崎総業株式会社 (7,019)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【出願人】（０００００６８９５）矢崎総業株式会社 (7,019)
【Ｆターム（参考）】
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