帯域通過フィルタを用いて放射体の温度を測定するガス・センサ
本発明は、フィルタ構成と、フィルタ構成の下流側に配置された検出器構成と、検出器構成に接続された評価デバイスとを有するセンサに関し、フィルタ構成は、第１の所定の帯域すなわち被疑帯域の通過を許す帯域通過フィルタとして構成された、少なくとも１つの第１のフィルタすなわち被疑フィルタと、第２の所定の帯域（１つまたは複数）すなわち基準帯域（１つまたは複数）の通過を許す帯域通過フィルタとして構成された、少なくとも１つの第２のフィルタすなわち基準フィルタ（１つまたは複数）とを有し、検出器構成は、フィルタの少なくとも１つに関連付けられた少なくとも１つの検出器を有する。センサは、放出源の温度を測定するために帯域通過フィルタを用いる。センサは有利にはＩＲ帯域内で利用することができ、有利にはＣＯ2を検出するために用いることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィルタ構成と、フィルタ構成の下流側に配置された検出器構成と、検出器構成に接続された評価デバイスとを有するセンサに関し、フィルタ構成は、第１の所定の帯域すなわち被疑帯域の通過を許す帯域通過フィルタとして構成された、少なくとも１つの第１のフィルタすなわち被疑フィルタと、第２の所定の帯域（１つまたは複数）すなわち基準帯域（１つまたは複数）の通過を許す帯域通過フィルタとして構成された、少なくとも１つの第２のフィルタすなわち基準フィルタ（１つまたは複数）とを有し、検出器構成は、フィルタの少なくとも１つに関連付けられた少なくとも１つの検出器を有する。センサは、放出源の温度を測定するために帯域通過フィルタを用いる。センサはＩＲ帯域内で利用することが好ましく、またセンサはＣＯ2を検出するために用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
ガス・センサとして構成されたこのようなセンサは、たとえば米国特許第５，０８１，９９８号により知られている。それには、フィルタ構成として合計４つの検出器に対して働く、ＩＲ放射源が示される。フィルタ構成は、異なる通過特性を有する２つのフィルタを有する。第１のフィルタは、ＣＯ2によって吸収されるＩＲ放射に対する通過帯域を有する。したがってこのフィルタはまた、「ＣＯ2フィルタ」と呼ばれる。下流側に配置された検出器は、ＣＯ2検出器と呼ばれる。他のフィルタは、それと異なる通過帯域を有し、基準量を求める働きをする。その基準フィルタの下流側に配置された検出器は、基準検出器と呼ばれる。ＩＲ源と２つのフィルタの間には、ナチュラル・デンシティ・フィルタと呼ばれ、第１のフィルタの半分と第２のフィルタの半分に重なる第３のフィルタが配置される。したがって２つのＣＯ2検出器の１つ、および基準検出器の１つは、ナチュラル・デンシティ・フィルタと、ＣＯ2フィルタまたは基準フィルタのいずれかとの両方を通過したＩＲ放射のみを受け取る。評価デバイスでは、２つのＣＯ2検出器の出力信号の差、および２つの基準検出器の差が形成される。これらの２つの差は、次いで互いに除算される。このようなＣＯ2センサは、たとえば、麻酔時に患者をより良く監視できるようにするために、患者の呼気内のＣＯ2を求めるために必要となる。
【０００３】
このようなセンサの欠点は、それらが比較的大きな電力要件を有することであり、もう１つの欠点は必要な検出器の数である。米国特許第５，０８１，９９８号により知られる構成は、放射の発生源を必要とし、長期の使用の場合には、電池式の使用には不向きとなる。さらにこのようなＩＲ源は一般に、一定の昇温期間を必要とし、ある程度の事前準備なしでは、必要なときに測定を行うことが常に可能ではない。
【０００４】
本発明の基礎をなす問題は、米国特許出願公開第２００８／０２８３７５３号に記載のセンサで紹介されるＩＲセンサの使用を簡単にすることであり、同明細書では、第１のフィルタの通過帯域は、第２のフィルタの通過帯域内に配置され、評価デバイスは、検出器の信号の差を形成し、それを検出器の信号に対して正規化する。
【０００５】
この構成は、大幅により多くのＩＲ放射を評価することを可能にする。したがってＩＲ放射は、各検出器が１つの領域しか検出しない２つの別々の領域に分割されない。代わりに、一方の検出器は、たとえばここではＣＯ2である求められるガスの吸収スペクトルも含む、予め設定されたスペクトル領域を有するＩＲ放射を検出する。他方の検出器はその部分領域からＩＲスペクトルを検出し、これは求められるガスの吸収スペクトルを含まない。したがってセンサの感度は大幅に増加し、すなわちセンサへのＩＲ放射の供給に対する要求は比較的低くなる。検出器の出力信号の差が形成されるので、たとえばバックグラウンドノイズなどの干渉信号は除去される。差を検出器の出力信号に対して正規化することにより、ＩＲ放射の強度の変動を補償することが可能となる。また、２つより多いセンサを用い、それに対応してフィルタの数を増やし、次いでそれにしたがって個々の通過幅を重ねることが可能である。このようなセンサを用いて、たとえば温度、室内の動き、室内の人数などに関係する他の情報を得ることも可能になる。大幅により多くの放射を検出することが可能であるので、電力消費を低減でき、それにより必要な電力を電池によって供給することもできる。それにより、構内の設置および使用の点から、より大きな自由度をもたらす。センサは、その信号を無線で送信することができる。
【０００６】
第１のフィルタの通過帯域は、第２のフィルタの通過帯域より大きいことが好ましい。したがって第１のフィルタは、第２のフィルタによって通過が許されるスペクトル領域を含むのに加えて、ＩＲ放射が吸収されるスペクトル領域も含む。
【０００７】
好ましくは、２つのフィルタは、共通の遮断波長を有する。それにより評価が簡単になる。その場合は、検出器の出力信号の間の差は、追加の計算ステップを必要とせずに容易に形成することができる。遮断波長は、通過帯域を規定する、すなわち制限する波長である。これらは、「下限波長」および「上限波長」と呼ばれる。
【０００８】
いかに知られた状況であっても、放射体の放射の大きさおよびスペクトル分布は、放射体の温度に対する依存性を有する。これは、良く知られた放射のプランクの分布によって与えられる。放射体の温度が与えられると、プランク曲線は波長に対する放射の依存性を与え、プランク曲線はある波長にて最大放射を有し、最大放射値、および最大放射の波長は温度に依存する。
【０００９】
たとえば、米国特許出願公開第２００８／０２８３７５３号で述べられるもののように、センサ・システムにおいて自然源を用いると、フィルタの通過帯域が、波長の帯域にわたってエネルギー（換言すれば、放射強度密度）において変化することになる。このような自然源の温度は、通常は既知ではなく、さらには可制御性が低い。
【００１０】
この構成は、光源の放射の強度の変化を補償することができるが、たとえば光源の温度変化に対応することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、発生源の温度を推定する方法を導入することにより、現在のセンサのこれらの問題点を解決する方法、およびその解決策を利用したセンサを導入することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
従って本発明の１つの目的は、放射体発生源の温度を少なくとも推定する方法を導入し、これを用いてセンサの測定値を補正または調整することである。
【００１３】
本発明は、被疑フィルタおよび基準フィルタ（１つまたは複数）が異なる遮断波長を有するということを導入することにより、これらの問題を解決する。「下限波長」は、そこからはフィルタが放射の通過を許す最も低い波長であり、「上限波長」は、下限波長より高く、そこからはフィルタが放射の通過を遮断する最も高い波長である。
【００１４】
被疑フィルタ（１つまたは複数）の許される波長の領域は、以下では「被疑帯域（１つまたは複数）」と呼ばれ、基準フィルタ（１つまたは複数）の許される波長は、以下では「基準帯域（１つまたは複数）」と呼ばれる。
【００１５】
上記のように、本発明における被疑下限波長は、基準下限波長（１つまたは複数）とは異なり、被疑上限波長は、基準上限波長（１つまたは複数）とは異なる。これは、たとえば発生源の温度変動によって引き起こされる、到来放射の強度のスペクトル分布などの変化は、基準帯域（１つまたは複数）を被疑帯域の上および下に分布させることによって補償することができるという利点を有する。本発明の好ましい一実施形態では、この分布によって、温度の変化により、基準帯域にわたる放射強度（または強度密度、またはエネルギー）の増加が、被疑帯域にわたる放射強度（または強度密度、またはエネルギー）の増加におよそ等しくなる。
【００１６】
１つの代替または追加の実施形態では、被疑帯域にわたる放射強度密度（または、エネルギー）の中間値、または平均は、基準帯域のそれぞれにわたる放射強度密度（または、エネルギー）の中間値、または平均におよそ等しい。
【００１７】
１つの代替または追加の実施形態では、被疑帯域にわたる放射強度密度（または、エネルギー）は、すべてを含めた基準帯域の全体にわたる放射強度密度（または、エネルギー）の中間値、または平均におよそ等しい（「基準フィルタ・システム帯域」は、すべての基準フィルタのすべてを含めた基準帯域である）。
【００１８】
他の代替または追加の実施形態では、被疑帯域にわたる放射強度密度（または、エネルギー）は、基準帯域の１つまたは基準帯域のそれぞれの放射強度密度（または、エネルギー）の中間値、または平均におよそ等しい。
【００１９】
他の代替または追加の実施形態では、放射強度密度（または、エネルギー）は基準帯域のそれぞれに対しておよそ同じである。
【００２０】
比較的狭い２つの波長の帯域にて平均放射を測定すれば、プランクの放射則により放射体の温度を推定することが可能になる。これはたとえば、言わば正しいプランク曲線を特定し、それにより温度を計算することによって行われる。
【００２１】
これは本発明の主要な概念であり、被疑および基準フィルタ（１つまたは複数）で共働して、または基準フィルタのみで温度推定のためにこのような帯域を形成することができる。温度測定は、ガス測定における温度依存性を補償するために用いることができ、それによってガス濃度の測定において、より精度が得られる。
【００２２】
本発明のフィルタは、直列のフィルタ素子によって、または被疑フィルタおよび基準フィルタ（１つまたは複数）として共に動作する単一のフィルタ素子によって形成することができる。２つ以上のフィルタが直列のフィルタ素子として構成されるときは、それらは放射方向に次々と、すなわち放射源（１つまたは複数）と検出器の間に配置される。
【００２３】
有利にはセンサは、任意の放射波長内で動作することができ、発生源は任意の放射源とすることができる。
【００２４】
以下の実施例では、ＩＲ源が好ましい光源となり得る環境でＣＯ2含有量を求めるためのセンサについて述べるが、本発明にはＣＯ2以外の任意の他の物質も当てはまり得ると共に、ＩＲ帯域内以外の任意の他の光源が当てはまり得る。
【００２５】
本発明の他の実施形態では、少なくとも１つの基準フィルタ（第１の基準フィルタと呼ばれる）は、被疑帯域より広い波長の広がりを有する第１の基準帯域と呼ばれる基準帯域を有し、この第１の基準フィルタの第１の基準下限波長は、被疑下限波長より低い波長にあり、この第１の基準フィルタの第１の基準上限波長は、被疑上限波長より高い波長を有する。このようにして被疑帯域は、第１の基準帯域に重なる。
【００２６】
この実施形態では、第１の基準帯域の中心波長（第１の中心基準波長）と、被疑帯域の中心波長は、同じでもよく、異なっていてもよい。
【００２７】
温度の変化に対しては、温度依存性を打ち消すためには、被疑帯域と基準帯域での強度の相対的な変化が等しくなければならない。
【００２８】
能動的に電力供給される放射源または自然の放射源を用いるときは、強度の相対的な変化は、帯域の範囲の波長に対して非線形的に依存する。したがって、温度ドリフトに対する安定性を改善するために、不一致の中心波長を導入することができる。
【００２９】
この実施例では有利には、基準フィルタ（１つまたは複数）は、被疑フィルタの通過帯域より０．２から１μｍ大きい通過帯域を有する。基本的に被疑フィルタは、放射スペクトルの比較的狭い波長領域またはスペクトル領域、たとえばＩＲ放射がＣＯ2によって吸収される領域のみをカバーすることが望ましい。示される領域は、このためには十分である。他のガスによる吸収が測定結果に悪影響を及ぼし、結果がゆがめられるリスクは小さく保たれる。
【００３０】
ここでは第１の基準フィルタは、４から４．５μｍの領域の通過帯域を有し、被疑フィルタは、４．１から４．４μｍの領域の通過帯域を有することが好ましい。もちろん検出されるガスまたは他の量に応じて、これらのスペクトル領域もシフトさせることができる。
【００３１】
本発明の別の好ましい実施形態では、システムは、それぞれ第１および第２の基準帯域（合わせて、すべてを含めた基準帯域を構成する）を有する第１および第２の基準フィルタを備え、第１および第２の基準帯域は重ならず、すなわち共通の波長には広がらない。これは環境内に、被疑帯域の近傍に吸収帯域を有する、関心のあるガス（１つまたは複数）以外の他のガスがある場合は、基準帯域がこのような「汚染」帯域と重なるのを避けるのは難しいという点で、測定に影響を及ぼし得るので、有利となり得る。このような「汚染」吸収帯域によって影響を受ける基準帯域が多くても１つとなることを確実にすることにより、少なくともその他は影響を受けないことが分かることになる。
【００３２】
この実施形態の１つの好ましいバージョンでは、第１または第２の基準帯域の少なくとも１つが被疑帯域と重なり、すなわち第１の基準上限波長は、被疑下限波長より高い波長にあり、かつ／または第２の基準下限波長は、被疑上限波長より低いが第１の基準上限波長より高い波長にあり、それにより第１および第２の基準帯域は、重なることなく被疑帯域の両側に延びるようになる。
【００３３】
この実施形態の別の好ましいバージョンでは、第１の基準上限波長は、被疑下限波長より低い波長にあり、第２の基準下限波長は、被疑上限波長より高い波長にあり、それにより第１および第２の基準帯域は、被疑帯域の両側に延びるようになる。
【００３４】
代替実施形態では、第１および第２の基準帯域は、少なくとも１つ共通の波長を有して重なる。
【００３５】
特に好ましい構成では、センサは、環境からのＩＲ放射などの自然放射を用いる。したがって別個の電源、およびそれにしたがって一定の電力要件を有する放射の発生源は必要ない。一般にＩＲ放射は、入射太陽光がないときでも、どこにも存在する。原理的にあらゆる物体は、一定量の熱放射を放出する。その場合、ＩＲ放射源が無くとも測定が可能であるので、「測定範囲」も広くなり、すなわち問題のガスの含有量に対して部屋の比較的大きなエリアを監視することが可能になる。これにより「個人用室内環境」または室内空気の質を監視し、正しい環境の実現が容易になる。始めに室内の空気をセンサに導き、そこでＩＲ放射源と、上流側フィルタを有する検出器との間に通す必要はない。センサを、監視すべき空気の容積を言わば「測量」することができる室内の点に配置すれば十分である。この場合、ガス・センサは、言わば平均のガス濃度を簡単に検出することができる。したがってこのセンサは、特に個人用室内環境に対して大幅に良好な測定結果となる平均値を求める。もちろん、このセンサを使用して、ランプまたは他の照明手段を用いて動作するセンサの技術を改善することも可能である。自然または周囲ＩＲ放射が用いられるときは、発光手段のエネルギーを低減することができる。その結果、より長い保守間隔、およびより長い耐用寿命が得られる。
【００３６】
好ましくは、評価デバイスは、差を第１の検出器の信号に対して正規化する。言い換えれば正規化のために、たとえばＣＯ2含有量を含んだ信号が用いられる。この手順により結果としてやや大きな動的性能が得られる。
【００３７】
センサが発生源の温度の変化に反応できることは、正規化のために特に関連性があり、なぜなら正規化はある温度においてのみ正しく機能し、フィルタ設定は通常、ある温度範囲に対してのみ行われるからである。補償ルーチンは、放射体の温度を正確に得ることによって実施される。さらに、得られた情報は、自然光源を用いないときに、放射体または光源の寿命を超えたか、超えそうであるかを推定するためにセルフチェックアルゴリズムにおいて用いることができる。
【００３８】
好ましくはフィルタは、ＣａＦ2、ゲルマニウム、またはシリコンを含む。フィルタおよびセンサ・デバイスの他の任意の部分は、意味がある場合は、透過を改善するために反射防止膜を有することが好ましい。
【００３９】
本明細書において以下では、図面と共に好ましい例示的実施形態を参照して本発明について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１−２】プランク曲線上の帯域を示す図である。
【図３】本発明の動作原理を説明するための線図である。
【図４Ａ−４Ｅ】示された放射強度の波長依存性のない、２つまたは３つのフィルタの通過帯域を線図の形で示す図である。
【図５】検出器によって検出することができるエネルギーの大きさを線図の形で示す図である。
【図６Ａ−６Ｄ】センサの構造の異なる実施形態を説明するブロック回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１は、波長λｍａｘにて最大放射を有し、波長がλｍａｘより上に増加すると共に連続して減少する放射を有し、それにより２つのこのような波長λ１とλ２の間の帯域Δλを用いる、一般のプランク曲線を示す。下限波長λ１での放射Ｒ１は、上限波長λ２での放射Ｒ２より大きい。
【００４２】
これはこのような帯域Δλを測定に用いるときに問題となり、なぜならその帯域の強度の変化は、単に到来する光の強度の変化による場合もあれば、放射体の温度の変化による場合もあるからである。
【００４３】
図２は、同じプランク曲線を示すが、２つの帯域Δλ１およびΔλ２が見られる。このような２つの帯域内の平均放射を知ることにより、検出器に到達する放射強度に影響を及ぼす吸収が起きないと仮定してこれら２つの帯域の信号の比を計算することにより、プランクの放射分布によって温度の推定を行うことが可能になる。
【００４４】
図３は、測定領域（３）内のたとえばＣＯ2含有量（二酸化炭素含有量）を求めるガス・センサ（１）の線図を示し、センサ（１）は検出部（２）を備える。測定領域は、たとえば、個人用室内環境が調節されるべき部屋または部屋の部分とすることができる。太陽の記号（４）は、たとえば自然ＩＲ源、受動的発生源、または任意の考えられ得る能動的発生源（太陽光、レーザ、光ダイオード、制御型熱源、その他）などの放射源を表す。太陽の記号（４）は、ここでは単に説明のためのものである。原理的にほとんどどの物体も熱を放射し、それによりＩＲ放射線を発生するので、ガス・センサ（１）は太陽光がなくても動作する。
【００４５】
この例では、測定領域（３）には多数のＣＯ2分子が存在し、ＣＯ2分子はここでは小さな円で表される。ガス分子は、丸印（５）によって表されるように、特定のスペクトル領域においてＩＲ放射線を吸収する。ＣＯ2の濃度が大きいほど、ガス・センサ（１）において検出できる特定のスペクトル領域内のエネルギーは低くなる。
【００４６】
図６Ａは線図の形で、ガス・センサ（１）の簡単な検出部（２）の構造を説明するためのブロック回路図を示す。検出部（２）は、フィルタ構成（６）、検出器構成（７）、および評価デバイス（８）を有する。本明細書ではハウジング、固定手段などの他の詳細は示されない。
【００４７】
図示のフィルタ構成は、第１の基準フィルタ（１０）および被疑フィルタ（９）を有し、２つのフィルタ（９）および（１０）は異なる通過特性を有し、一実施形態は図４Ａに示される。第１の基準フィルタ（１０）は、第１の基準帯域ＲＢ１内の波長の通過を許し、被疑フィルタ（１０）は、被疑帯域ＳＢ内の波長の通過を許す。以下の図では、波長の放射依存性は示されない。図４Ｂの実施形態は、被疑帯域ＳＢよりも広く広がる第１の基準帯域ＲＢ１を示すが、被疑帯域ＳＢは第１の基準帯域ＲＢ１に重なり、それにより第１の基準帯域ＲＢ１は被疑帯域ＳＢと同じ波長を含む。したがって、第１の基準下限波長ＲＬＷ１は、被疑下限波長ＳＬＷより低い波長にあり、第１の基準上限波長ＲＵＷ１は、被疑上限波長ＳＵＷより高い波長を有する。第１の基準帯域ＲＢ１は第１の中心波長ＲＣＷ１を有し、被疑帯域は被疑中心波長ＳＣＷを有する。図は、共通の中心波長ＲＣＷ１およびＳＣＷを有する２つの帯域を示す。
【００４８】
図４Ｂは、図４Ａのものに関連する実施形態を示し、この場合でのみ異なった中心波長ＲＣＷおよびＲＣＷ１を有する。温度の変化に対して、温度依存性を打ち消すためには、被疑帯域と基準帯域内の強度の相対的な変化が等しくなければならない。能動的に電力供給される放射源または自然の放射源を用いるときは、強度の相対的な変化は、帯域の範囲の波長に対して非線形的に依存する。したがって、温度ドリフトに対する安定性を改善するために、不一致の中心波長を導入することができる。
【００４９】
図４Ｃは別の実施形態を示し、システムには、第２の基準下限波長ＲＬＷ２から第２の基準上限波長ＲＵＷ２まで延びる第２の基準帯域ＲＢ２にわたって広がる、第２の基準フィルタ（２０）が導入されている。図示の実施形態はさらに、第１および第２の基準帯域ＲＢ１およびＲＢ２の両方に部分的にのみ重なる被疑帯域ＳＢを有し、それにより被疑下限波長ＳＬＷは、第１の基準下限波長ＲＬＷ１と第１の基準上限波長ＲＵＷ１の間にある。被疑上限波長ＳＵＷは、第２の基準下限波長ＲＬＷ２と第２の基準上限波長ＲＵＷ２の間にある。図示の実施形態は、第２の基準下限波長ＲＬＷ２より高い第１の基準上限波長ＲＵＷ１を有するが、他の実施形態では、第１および第２の基準帯域ＲＢ１およびＲＢ２が重ならないようにすることができる、すなわち第１の基準上限波長ＲＵＷ１が、第２の基準下限波長ＲＬＷ２より低くなるようにすることができる。
【００５０】
図４Ｄは、２つの基準フィルタ（１０）および（２０）を有する代替実施形態を示し、ここでは基準帯域ＲＢ１およびＲＢ２のいずれも少なくとも実質的に被疑帯域ＳＢに重なることはなく、少なくともその両側に延び、すなわち第１の基準上限波長ＲＵＷ１は被疑下限波長ＳＬＷより高くないが任意選択で同じでもよく、第２の基準下限波長ＲＬＷ２は被疑上限波長ＳＵＷより低くないが任意選択で同じでもよい。図は、波長の通過幅がほぼ同じである２つの基準帯域ＲＢ１およびＲＢ２を示すが、図２Ｅに示すようにそうでなくてもよく、２つの基準帯域ＲＢ１およびＲＢ２は波長の通過幅が非常に異なってもよい。
【００５１】
帯域の相対位置および大きさは、フィルタの端部の許容度、被疑帯域通過の幅、被疑帯域の吸収線の分布、および交差感度を引き起こし得るあらゆる他のガスの分布など、いくつかの要因に依存する。
【００５２】
ＣＯ2センサとして動作するセンサ（１）の実施例では、ＩＲ放射がＣＯ2によって吸収されるスペクトル領域λ（ＣＯ2）がある。このスペクトル領域は、約４．２から４．３μｍに位置する。したがって有利には、被疑帯域ＳＢは、被疑下限波長ＳＬＷを約４．０μｍに有し、被疑上限波長ＳＵＷを約４．５μｍに有することができ、またはさらにより狭い４．１μｍから４．４μｍの被疑帯域の領域を有することができ、またはＣＯ2のスペクトル領域をカバーする任意の他の帯域を有することができる。次いで基準開始および上限波長は、有利には、それぞれ被疑下限波長ＳＬＷおよび被疑上限波長ＳＵＷの上および下に約０．５μｍ延びることができる。
【００５３】
図５は、図３に見られる本発明の第１の実施形態の、第１の基準帯域ＲＢ１および被疑帯域ＳＢを示し、被疑帯域は参照文字Ａで示される減少していないエネルギーを有する。このエネルギーは、たとえばＣＯ2によって吸収される大きさＣだけ減少する。被疑帯域の両側に延びる、第１の基準帯域ＲＢ１の２つの部分は、それぞれ参照文字Ｂで示されるエネルギーを有する。このエネルギーは、たとえばＣＯ2によって影響されないので、実質的に一定である。
【００５４】
次いで、検出器構成（７）によって、異なるエネルギーが検出される。検出器構成（７）は、被疑フィルタ（９）を通過するたとえばＩＲ放射を検出する第１の検出器（１５）と、第１の基準フィルタ（１０）を通過するたとえばＩＲ放射を検出する第２の検出器（１６）とを有する。２つの検出器（１５）、（１６）は、「サーモパイル」としても知られる熱電素子の形とすることができる。現れるたとえばＩＲ放射に応じて各検出器は、電圧または電流、すなわち電気量を発生し、これはより多くのＩＲ放射が入射するほど大きくなる。それにしたがって、第１の検出器（１５）は信号Ｓ１を発生し、第２の検出器（１６）は信号Ｓ２を発生する。
【００５５】
サーモパイル・センサは、たとえばドイツ、ヴィースバーデンＤ−６５１９９、ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＧｍｂＨから入手可能である。
【００５６】
図６Ａは、フィルタ構成（６）の構造の１つの簡単な実施形態を示し、被疑フィルタ（９）は２つのフィルタ素子（１１）および（１２）を備え、第１の被疑フィルタ素子（１１）は被疑上限波長ＳＵＷを規定し、被疑下限波長ＳＬＷより低い下限波長を有する。第２の被疑フィルタ素子（１２）は、被疑下限波長ＳＬＷを規定し、被疑上限波長ＳＵＷより実質的に高い上限波長を有する。同様に、第１の基準フィルタ（１０）は、それぞれ第１の基準上限波長ＲＵＷ１および第１の基準下限波長ＲＬＷ１を規定する２つのフィルタ素子（１３）および（１４）を備える。システムに導入される（９）および（１０）のようなフィルタの数に応じて、任意の数のこのようなフィルタ素子（１１）、（１２）、（１３）、および（１４）の構造をフィルタ構成（６）に導入することができる。この実施形態および他のいずれの実施形態において、いくつかのフィルタ素子は、フィルタが同じ端部および／または下限波長を有するときは２つ以上のフィルタに共通とすることができ、これは図６Ｂに示され、そこでは２つの「上限」フィルタ素子（１１）および（１３）は、１つの共通のフィルタ素子である。
【００５７】
図６Ｃは、追加の基準フィルタである第２の基準フィルタ（２０）を有する同様なセンサを示し、各フィルタは、上限および下限波長の両方に対する所望の帯域通過特性を備える単一のフィルタ素子（２１、２２、２３）のみを有し、したがって被疑フィルタ（２１）は、被疑下限波長ＳＬＷおよび上限被疑波長ＳＵＷの両方を規定する。第１の基準フィルタ（２２）は、第１の基準上限および下限波長ＲＵＷ１およびＲＬＷ１の両方を規定し、第２の基準フィルタ（２３）は、第２の基準上限および下限波長ＲＵＷ２およびＲＬＷ２の両方を規定する。この図示の実施形態では、２つのフィルタ素子（２２、２３）は、同じ検出器（１６）に接続されているが、実際に行われることは、それらの信号をたとえば２つの別々のサーモパイルによって取得された後に数学的に加算することである。
【００５８】
図６Ｄは、図６Ｃの実施形態に関連する一実施形態を示し、この場合のみ第３の検出器（２４）は、第２の基準フィルタ（２０）に接続される。
【００５９】
たとえば図５Ａ〜５Ｄで開示されたようなフィルタ素子（１１、１２、１３、１４）の任意の組み合わせ、変形、個数、および配置が本発明に当てはまることが留意されるべきである。
【００６０】
一般にセンサは、１つ以上のガスを測定するためにも用いることができ、その場合は当業者には分かるように、単に必要数のセンサ、検出器などが含められる。
サーモパイル・センサでは、通常は、（出力信号が温度と共に変化するため）温度測定が行われるので、センサの周囲の温度の測定はすでに組み込まれている。部屋の放射温度もセンサを用いて入手可能であると考えられるので、同時にこれら２つの測定に基づいて動作温度を直接得ることが可能であり、次いでこれは室温または全く異なる何かを制御するために用いることができる。
【００６１】
ＩＲに関連して、室内の動きの測定がセンサを用いて直接可能であることも考えられ、次いでたとえばこれは、たとえば室内に誰かがいることを示す動きの事象においてのみ作動する換気システムを制御するのに用いることができる。様々な動きの測定に基づいて、室内の人数を推定できることも考えられ、このような推定はまた、室温または換気が室内の人数に応じて制御／変更されるように、制御目的に用いることができる。
【００６２】
図６Ａに見られるものなどの本発明の基本的なセンサは、２つの信号Ｓ１、Ｓ２が評価デバイス（８）に印加されることによって動作する。したがってそれにより、
【００６３】
【数１】
ただし、
【００６４】
【数２】
は、ＩＲ吸収に関係する情報を含む電気量、たとえば電流または電圧であり、Ｉrefは、ＩＲ吸収によって影響されない基準量である。Ｓ１とＳ２の差が形成されるとき（「実効基準」は基準帯域の、被疑帯域を含まない部分である）、そのために線図的に差分形成器（１７）を示しており、以下の量が得られる。
【００６５】
【数３】
【００６６】
この差Ｓ１−Ｓ２は、第１の検出器（１５）の出力信号Ｓ１に対して正規化され、それにより信号Ｓ３が得られる。
【００６７】
【数４】
【００６８】
本発明のセンサは、たとえば窒素、酸化窒素、酸素、またはＣＯなど、任意の種類のガスを測定するのに用いることができ、さらにはガスの測定に限定されず、液体および固体など他の形での被疑体を測定するためにも用いることもできる。被疑体をＣＯ2から変更するときは、それにしたがって通過帯域をシフトする必要があり、たとえばＨ２Ｏの吸収帯域は約２．７μｍである。
【００６９】
放射体、または光源の温度が分かることにより、ＩrefおよびＩnなどの量、および／またはＳ１およびＳ２などの信号に波形をつける（ｃｏｒｒｕｇａｔｅ）か、またはそれらを正規化することが可能になり、言わば温度を除去し、かつ／または正規化により被疑および基準帯域などの帯域の波長依存性を除去する。
【００７０】
本発明のセンサはさらに、任意の考えられる他の光学構成要素、たとえば追加の帯域通過フィルタとして動作するサファイア窓、反射器、たとえばＩＲ放射を集めるまたは焦点合わせをするデバイスである集光デバイス、たとえば、センサの上流側に配置されたコリメータなどを備えることができる。
【００７１】
またこのようなセンサは、廃ガス監視のために直接用いることが可能である。そのためにはセンサは、煙突または排気管内に設置される。特に加熱システムの場合は、次いでセンサ（または複数のセンサ）の出力信号を用いて燃焼を制御することができる。
【００７２】
本発明は上記の説明および図面に限定されず、被疑フィルタ（９）および基準フィルタ（１０、２０）などのフィルタ、フィルタ素子（２１、２２、２３）、検出器（１５、１６、２４）などの任意の数および変更を含む、上記の説明および図面の任意の変更も本発明に当てはまる。
【００７３】
さらに本発明は、ガスの測定に限定されず、センサは、一般に媒体の一部である物質の測定においても実施することができ、媒体はガス自体に限定されず、たとえば液体とすることもできる。
【図１】
【図２】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィルタ構成と、フィルタ構成の下流側に配置された検出器構成と、検出器構成に接続された評価デバイスとを有するセンサに関し、フィルタ構成は、第１の所定の帯域すなわち被疑帯域の通過を許す帯域通過フィルタとして構成された、少なくとも１つの第１のフィルタすなわち被疑フィルタと、第２の所定の帯域（１つまたは複数）すなわち基準帯域（１つまたは複数）の通過を許す帯域通過フィルタとして構成された、少なくとも１つの第２のフィルタすなわち基準フィルタ（１つまたは複数）とを有し、検出器構成は、フィルタの少なくとも１つに関連付けられた少なくとも１つの検出器を有する。センサは、放出源の温度を測定するために帯域通過フィルタを用いる。センサはＩＲ帯域内で利用することが好ましく、またセンサはＣＯ2を検出するために用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
ガス・センサとして構成されたこのようなセンサは、たとえば米国特許第５，０８１，９９８号により知られている。それには、フィルタ構成として合計４つの検出器に対して働く、ＩＲ放射源が示される。フィルタ構成は、異なる通過特性を有する２つのフィルタを有する。第１のフィルタは、ＣＯ2によって吸収されるＩＲ放射に対する通過帯域を有する。したがってこのフィルタはまた、「ＣＯ2フィルタ」と呼ばれる。下流側に配置された検出器は、ＣＯ2検出器と呼ばれる。他のフィルタは、それと異なる通過帯域を有し、基準量を求める働きをする。その基準フィルタの下流側に配置された検出器は、基準検出器と呼ばれる。ＩＲ源と２つのフィルタの間には、ナチュラル・デンシティ・フィルタと呼ばれ、第１のフィルタの半分と第２のフィルタの半分に重なる第３のフィルタが配置される。したがって２つのＣＯ2検出器の１つ、および基準検出器の１つは、ナチュラル・デンシティ・フィルタと、ＣＯ2フィルタまたは基準フィルタのいずれかとの両方を通過したＩＲ放射のみを受け取る。評価デバイスでは、２つのＣＯ2検出器の出力信号の差、および２つの基準検出器の差が形成される。これらの２つの差は、次いで互いに除算される。このようなＣＯ2センサは、たとえば、麻酔時に患者をより良く監視できるようにするために、患者の呼気内のＣＯ2を求めるために必要となる。
【０００３】
このようなセンサの欠点は、それらが比較的大きな電力要件を有することであり、もう１つの欠点は必要な検出器の数である。米国特許第５，０８１，９９８号により知られる構成は、放射の発生源を必要とし、長期の使用の場合には、電池式の使用には不向きとなる。さらにこのようなＩＲ源は一般に、一定の昇温期間を必要とし、ある程度の事前準備なしでは、必要なときに測定を行うことが常に可能ではない。
【０００４】
本発明の基礎をなす問題は、米国特許出願公開第２００８／０２８３７５３号に記載のセンサで紹介されるＩＲセンサの使用を簡単にすることであり、同明細書では、第１のフィルタの通過帯域は、第２のフィルタの通過帯域内に配置され、評価デバイスは、検出器の信号の差を形成し、それを検出器の信号に対して正規化する。
【０００５】
この構成は、大幅により多くのＩＲ放射を評価することを可能にする。したがってＩＲ放射は、各検出器が１つの領域しか検出しない２つの別々の領域に分割されない。代わりに、一方の検出器は、たとえばここではＣＯ2である求められるガスの吸収スペクトルも含む、予め設定されたスペクトル領域を有するＩＲ放射を検出する。他方の検出器はその部分領域からＩＲスペクトルを検出し、これは求められるガスの吸収スペクトルを含まない。したがってセンサの感度は大幅に増加し、すなわちセンサへのＩＲ放射の供給に対する要求は比較的低くなる。検出器の出力信号の差が形成されるので、たとえばバックグラウンドノイズなどの干渉信号は除去される。差を検出器の出力信号に対して正規化することにより、ＩＲ放射の強度の変動を補償することが可能となる。また、２つより多いセンサを用い、それに対応してフィルタの数を増やし、次いでそれにしたがって個々の通過幅を重ねることが可能である。このようなセンサを用いて、たとえば温度、室内の動き、室内の人数などに関係する他の情報を得ることも可能になる。大幅により多くの放射を検出することが可能であるので、電力消費を低減でき、それにより必要な電力を電池によって供給することもできる。それにより、構内の設置および使用の点から、より大きな自由度をもたらす。センサは、その信号を無線で送信することができる。
【０００６】
第１のフィルタの通過帯域は、第２のフィルタの通過帯域より大きいことが好ましい。したがって第１のフィルタは、第２のフィルタによって通過が許されるスペクトル領域を含むのに加えて、ＩＲ放射が吸収されるスペクトル領域も含む。
【０００７】
好ましくは、２つのフィルタは、共通の遮断波長を有する。それにより評価が簡単になる。その場合は、検出器の出力信号の間の差は、追加の計算ステップを必要とせずに容易に形成することができる。遮断波長は、通過帯域を規定する、すなわち制限する波長である。これらは、「下限波長」および「上限波長」と呼ばれる。
【０００８】
いかに知られた状況であっても、放射体の放射の大きさおよびスペクトル分布は、放射体の温度に対する依存性を有する。これは、良く知られた放射のプランクの分布によって与えられる。放射体の温度が与えられると、プランク曲線は波長に対する放射の依存性を与え、プランク曲線はある波長にて最大放射を有し、最大放射値、および最大放射の波長は温度に依存する。
【０００９】
たとえば、米国特許出願公開第２００８／０２８３７５３号で述べられるもののように、センサ・システムにおいて自然源を用いると、フィルタの通過帯域が、波長の帯域にわたってエネルギー（換言すれば、放射強度密度）において変化することになる。このような自然源の温度は、通常は既知ではなく、さらには可制御性が低い。
【００１０】
この構成は、光源の放射の強度の変化を補償することができるが、たとえば光源の温度変化に対応することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、発生源の温度を推定する方法を導入することにより、現在のセンサのこれらの問題点を解決する方法、およびその解決策を利用したセンサを導入することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
従って本発明の１つの目的は、放射体発生源の温度を少なくとも推定する方法を導入し、これを用いてセンサの測定値を補正または調整することである。
【００１３】
本発明は、被疑フィルタおよび基準フィルタ（１つまたは複数）が異なる遮断波長を有するということを導入することにより、これらの問題を解決する。「下限波長」は、そこからはフィルタが放射の通過を許す最も低い波長であり、「上限波長」は、下限波長より高く、そこからはフィルタが放射の通過を遮断する最も高い波長である。
【００１４】
被疑フィルタ（１つまたは複数）の許される波長の領域は、以下では「被疑帯域（１つまたは複数）」と呼ばれ、基準フィルタ（１つまたは複数）の許される波長は、以下では「基準帯域（１つまたは複数）」と呼ばれる。
【００１５】
上記のように、本発明における被疑下限波長は、基準下限波長（１つまたは複数）とは異なり、被疑上限波長は、基準上限波長（１つまたは複数）とは異なる。これは、たとえば発生源の温度変動によって引き起こされる、到来放射の強度のスペクトル分布などの変化は、基準帯域（１つまたは複数）を被疑帯域の上および下に分布させることによって補償することができるという利点を有する。本発明の好ましい一実施形態では、この分布によって、温度の変化により、基準帯域にわたる放射強度（または強度密度、またはエネルギー）の増加が、被疑帯域にわたる放射強度（または強度密度、またはエネルギー）の増加におよそ等しくなる。
【００１６】
１つの代替または追加の実施形態では、被疑帯域にわたる放射強度密度（または、エネルギー）の中間値、または平均は、基準帯域のそれぞれにわたる放射強度密度（または、エネルギー）の中間値、または平均におよそ等しい。
【００１７】
１つの代替または追加の実施形態では、被疑帯域にわたる放射強度密度（または、エネルギー）は、すべてを含めた基準帯域の全体にわたる放射強度密度（または、エネルギー）の中間値、または平均におよそ等しい（「基準フィルタ・システム帯域」は、すべての基準フィルタのすべてを含めた基準帯域である）。
【００１８】
他の代替または追加の実施形態では、被疑帯域にわたる放射強度密度（または、エネルギー）は、基準帯域の１つまたは基準帯域のそれぞれの放射強度密度（または、エネルギー）の中間値、または平均におよそ等しい。
【００１９】
他の代替または追加の実施形態では、放射強度密度（または、エネルギー）は基準帯域のそれぞれに対しておよそ同じである。
【００２０】
比較的狭い２つの波長の帯域にて平均放射を測定すれば、プランクの放射則により放射体の温度を推定することが可能になる。これはたとえば、言わば正しいプランク曲線を特定し、それにより温度を計算することによって行われる。
【００２１】
これは本発明の主要な概念であり、被疑および基準フィルタ（１つまたは複数）で共働して、または基準フィルタのみで温度推定のためにこのような帯域を形成することができる。温度測定は、ガス測定における温度依存性を補償するために用いることができ、それによってガス濃度の測定において、より精度が得られる。
【００２２】
本発明のフィルタは、直列のフィルタ素子によって、または被疑フィルタおよび基準フィルタ（１つまたは複数）として共に動作する単一のフィルタ素子によって形成することができる。２つ以上のフィルタが直列のフィルタ素子として構成されるときは、それらは放射方向に次々と、すなわち放射源（１つまたは複数）と検出器の間に配置される。
【００２３】
有利にはセンサは、任意の放射波長内で動作することができ、発生源は任意の放射源とすることができる。
【００２４】
以下の実施例では、ＩＲ源が好ましい光源となり得る環境でＣＯ2含有量を求めるためのセンサについて述べるが、本発明にはＣＯ2以外の任意の他の物質も当てはまり得ると共に、ＩＲ帯域内以外の任意の他の光源が当てはまり得る。
【００２５】
本発明の他の実施形態では、少なくとも１つの基準フィルタ（第１の基準フィルタと呼ばれる）は、被疑帯域より広い波長の広がりを有する第１の基準帯域と呼ばれる基準帯域を有し、この第１の基準フィルタの第１の基準下限波長は、被疑下限波長より低い波長にあり、この第１の基準フィルタの第１の基準上限波長は、被疑上限波長より高い波長を有する。このようにして被疑帯域は、第１の基準帯域に重なる。
【００２６】
この実施形態では、第１の基準帯域の中心波長（第１の中心基準波長）と、被疑帯域の中心波長は、同じでもよく、異なっていてもよい。
【００２７】
温度の変化に対しては、温度依存性を打ち消すためには、被疑帯域と基準帯域での強度の相対的な変化が等しくなければならない。
【００２８】
能動的に電力供給される放射源または自然の放射源を用いるときは、強度の相対的な変化は、帯域の範囲の波長に対して非線形的に依存する。したがって、温度ドリフトに対する安定性を改善するために、不一致の中心波長を導入することができる。
【００２９】
この実施例では有利には、基準フィルタ（１つまたは複数）は、被疑フィルタの通過帯域より０．２から１μｍ大きい通過帯域を有する。基本的に被疑フィルタは、放射スペクトルの比較的狭い波長領域またはスペクトル領域、たとえばＩＲ放射がＣＯ2によって吸収される領域のみをカバーすることが望ましい。示される領域は、このためには十分である。他のガスによる吸収が測定結果に悪影響を及ぼし、結果がゆがめられるリスクは小さく保たれる。
【００３０】
ここでは第１の基準フィルタは、４から４．５μｍの領域の通過帯域を有し、被疑フィルタは、４．１から４．４μｍの領域の通過帯域を有することが好ましい。もちろん検出されるガスまたは他の量に応じて、これらのスペクトル領域もシフトさせることができる。
【００３１】
本発明の別の好ましい実施形態では、システムは、それぞれ第１および第２の基準帯域（合わせて、すべてを含めた基準帯域を構成する）を有する第１および第２の基準フィルタを備え、第１および第２の基準帯域は重ならず、すなわち共通の波長には広がらない。これは環境内に、被疑帯域の近傍に吸収帯域を有する、関心のあるガス（１つまたは複数）以外の他のガスがある場合は、基準帯域がこのような「汚染」帯域と重なるのを避けるのは難しいという点で、測定に影響を及ぼし得るので、有利となり得る。このような「汚染」吸収帯域によって影響を受ける基準帯域が多くても１つとなることを確実にすることにより、少なくともその他は影響を受けないことが分かることになる。
【００３２】
この実施形態の１つの好ましいバージョンでは、第１または第２の基準帯域の少なくとも１つが被疑帯域と重なり、すなわち第１の基準上限波長は、被疑下限波長より高い波長にあり、かつ／または第２の基準下限波長は、被疑上限波長より低いが第１の基準上限波長より高い波長にあり、それにより第１および第２の基準帯域は、重なることなく被疑帯域の両側に延びるようになる。
【００３３】
この実施形態の別の好ましいバージョンでは、第１の基準上限波長は、被疑下限波長より低い波長にあり、第２の基準下限波長は、被疑上限波長より高い波長にあり、それにより第１および第２の基準帯域は、被疑帯域の両側に延びるようになる。
【００３４】
代替実施形態では、第１および第２の基準帯域は、少なくとも１つ共通の波長を有して重なる。
【００３５】
特に好ましい構成では、センサは、環境からのＩＲ放射などの自然放射を用いる。したがって別個の電源、およびそれにしたがって一定の電力要件を有する放射の発生源は必要ない。一般にＩＲ放射は、入射太陽光がないときでも、どこにも存在する。原理的にあらゆる物体は、一定量の熱放射を放出する。その場合、ＩＲ放射源が無くとも測定が可能であるので、「測定範囲」も広くなり、すなわち問題のガスの含有量に対して部屋の比較的大きなエリアを監視することが可能になる。これにより「個人用室内環境」または室内空気の質を監視し、正しい環境の実現が容易になる。始めに室内の空気をセンサに導き、そこでＩＲ放射源と、上流側フィルタを有する検出器との間に通す必要はない。センサを、監視すべき空気の容積を言わば「測量」することができる室内の点に配置すれば十分である。この場合、ガス・センサは、言わば平均のガス濃度を簡単に検出することができる。したがってこのセンサは、特に個人用室内環境に対して大幅に良好な測定結果となる平均値を求める。もちろん、このセンサを使用して、ランプまたは他の照明手段を用いて動作するセンサの技術を改善することも可能である。自然または周囲ＩＲ放射が用いられるときは、発光手段のエネルギーを低減することができる。その結果、より長い保守間隔、およびより長い耐用寿命が得られる。
【００３６】
好ましくは、評価デバイスは、差を第１の検出器の信号に対して正規化する。言い換えれば正規化のために、たとえばＣＯ2含有量を含んだ信号が用いられる。この手順により結果としてやや大きな動的性能が得られる。
【００３７】
センサが発生源の温度の変化に反応できることは、正規化のために特に関連性があり、なぜなら正規化はある温度においてのみ正しく機能し、フィルタ設定は通常、ある温度範囲に対してのみ行われるからである。補償ルーチンは、放射体の温度を正確に得ることによって実施される。さらに、得られた情報は、自然光源を用いないときに、放射体または光源の寿命を超えたか、超えそうであるかを推定するためにセルフチェックアルゴリズムにおいて用いることができる。
【００３８】
好ましくはフィルタは、ＣａＦ2、ゲルマニウム、またはシリコンを含む。フィルタおよびセンサ・デバイスの他の任意の部分は、意味がある場合は、透過を改善するために反射防止膜を有することが好ましい。
【００３９】
本明細書において以下では、図面と共に好ましい例示的実施形態を参照して本発明について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１−２】プランク曲線上の帯域を示す図である。
【図３】本発明の動作原理を説明するための線図である。
【図４Ａ−４Ｅ】示された放射強度の波長依存性のない、２つまたは３つのフィルタの通過帯域を線図の形で示す図である。
【図５】検出器によって検出することができるエネルギーの大きさを線図の形で示す図である。
【図６Ａ−６Ｄ】センサの構造の異なる実施形態を説明するブロック回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１は、波長λｍａｘにて最大放射を有し、波長がλｍａｘより上に増加すると共に連続して減少する放射を有し、それにより２つのこのような波長λ１とλ２の間の帯域Δλを用いる、一般のプランク曲線を示す。下限波長λ１での放射Ｒ１は、上限波長λ２での放射Ｒ２より大きい。
【００４２】
これはこのような帯域Δλを測定に用いるときに問題となり、なぜならその帯域の強度の変化は、単に到来する光の強度の変化による場合もあれば、放射体の温度の変化による場合もあるからである。
【００４３】
図２は、同じプランク曲線を示すが、２つの帯域Δλ１およびΔλ２が見られる。このような２つの帯域内の平均放射を知ることにより、検出器に到達する放射強度に影響を及ぼす吸収が起きないと仮定してこれら２つの帯域の信号の比を計算することにより、プランクの放射分布によって温度の推定を行うことが可能になる。
【００４４】
図３は、測定領域（３）内のたとえばＣＯ2含有量（二酸化炭素含有量）を求めるガス・センサ（１）の線図を示し、センサ（１）は検出部（２）を備える。測定領域は、たとえば、個人用室内環境が調節されるべき部屋または部屋の部分とすることができる。太陽の記号（４）は、たとえば自然ＩＲ源、受動的発生源、または任意の考えられ得る能動的発生源（太陽光、レーザ、光ダイオード、制御型熱源、その他）などの放射源を表す。太陽の記号（４）は、ここでは単に説明のためのものである。原理的にほとんどどの物体も熱を放射し、それによりＩＲ放射線を発生するので、ガス・センサ（１）は太陽光がなくても動作する。
【００４５】
この例では、測定領域（３）には多数のＣＯ2分子が存在し、ＣＯ2分子はここでは小さな円で表される。ガス分子は、丸印（５）によって表されるように、特定のスペクトル領域においてＩＲ放射線を吸収する。ＣＯ2の濃度が大きいほど、ガス・センサ（１）において検出できる特定のスペクトル領域内のエネルギーは低くなる。
【００４６】
図６Ａは線図の形で、ガス・センサ（１）の簡単な検出部（２）の構造を説明するためのブロック回路図を示す。検出部（２）は、フィルタ構成（６）、検出器構成（７）、および評価デバイス（８）を有する。本明細書ではハウジング、固定手段などの他の詳細は示されない。
【００４７】
図示のフィルタ構成は、第１の基準フィルタ（１０）および被疑フィルタ（９）を有し、２つのフィルタ（９）および（１０）は異なる通過特性を有し、一実施形態は図４Ａに示される。第１の基準フィルタ（１０）は、第１の基準帯域ＲＢ１内の波長の通過を許し、被疑フィルタ（１０）は、被疑帯域ＳＢ内の波長の通過を許す。以下の図では、波長の放射依存性は示されない。図４Ｂの実施形態は、被疑帯域ＳＢよりも広く広がる第１の基準帯域ＲＢ１を示すが、被疑帯域ＳＢは第１の基準帯域ＲＢ１に重なり、それにより第１の基準帯域ＲＢ１は被疑帯域ＳＢと同じ波長を含む。したがって、第１の基準下限波長ＲＬＷ１は、被疑下限波長ＳＬＷより低い波長にあり、第１の基準上限波長ＲＵＷ１は、被疑上限波長ＳＵＷより高い波長を有する。第１の基準帯域ＲＢ１は第１の中心波長ＲＣＷ１を有し、被疑帯域は被疑中心波長ＳＣＷを有する。図は、共通の中心波長ＲＣＷ１およびＳＣＷを有する２つの帯域を示す。
【００４８】
図４Ｂは、図４Ａのものに関連する実施形態を示し、この場合でのみ異なった中心波長ＲＣＷおよびＲＣＷ１を有する。温度の変化に対して、温度依存性を打ち消すためには、被疑帯域と基準帯域内の強度の相対的な変化が等しくなければならない。能動的に電力供給される放射源または自然の放射源を用いるときは、強度の相対的な変化は、帯域の範囲の波長に対して非線形的に依存する。したがって、温度ドリフトに対する安定性を改善するために、不一致の中心波長を導入することができる。
【００４９】
図４Ｃは別の実施形態を示し、システムには、第２の基準下限波長ＲＬＷ２から第２の基準上限波長ＲＵＷ２まで延びる第２の基準帯域ＲＢ２にわたって広がる、第２の基準フィルタ（２０）が導入されている。図示の実施形態はさらに、第１および第２の基準帯域ＲＢ１およびＲＢ２の両方に部分的にのみ重なる被疑帯域ＳＢを有し、それにより被疑下限波長ＳＬＷは、第１の基準下限波長ＲＬＷ１と第１の基準上限波長ＲＵＷ１の間にある。被疑上限波長ＳＵＷは、第２の基準下限波長ＲＬＷ２と第２の基準上限波長ＲＵＷ２の間にある。図示の実施形態は、第２の基準下限波長ＲＬＷ２より高い第１の基準上限波長ＲＵＷ１を有するが、他の実施形態では、第１および第２の基準帯域ＲＢ１およびＲＢ２が重ならないようにすることができる、すなわち第１の基準上限波長ＲＵＷ１が、第２の基準下限波長ＲＬＷ２より低くなるようにすることができる。
【００５０】
図４Ｄは、２つの基準フィルタ（１０）および（２０）を有する代替実施形態を示し、ここでは基準帯域ＲＢ１およびＲＢ２のいずれも少なくとも実質的に被疑帯域ＳＢに重なることはなく、少なくともその両側に延び、すなわち第１の基準上限波長ＲＵＷ１は被疑下限波長ＳＬＷより高くないが任意選択で同じでもよく、第２の基準下限波長ＲＬＷ２は被疑上限波長ＳＵＷより低くないが任意選択で同じでもよい。図は、波長の通過幅がほぼ同じである２つの基準帯域ＲＢ１およびＲＢ２を示すが、図２Ｅに示すようにそうでなくてもよく、２つの基準帯域ＲＢ１およびＲＢ２は波長の通過幅が非常に異なってもよい。
【００５１】
帯域の相対位置および大きさは、フィルタの端部の許容度、被疑帯域通過の幅、被疑帯域の吸収線の分布、および交差感度を引き起こし得るあらゆる他のガスの分布など、いくつかの要因に依存する。
【００５２】
ＣＯ2センサとして動作するセンサ（１）の実施例では、ＩＲ放射がＣＯ2によって吸収されるスペクトル領域λ（ＣＯ2）がある。このスペクトル領域は、約４．２から４．３μｍに位置する。したがって有利には、被疑帯域ＳＢは、被疑下限波長ＳＬＷを約４．０μｍに有し、被疑上限波長ＳＵＷを約４．５μｍに有することができ、またはさらにより狭い４．１μｍから４．４μｍの被疑帯域の領域を有することができ、またはＣＯ2のスペクトル領域をカバーする任意の他の帯域を有することができる。次いで基準開始および上限波長は、有利には、それぞれ被疑下限波長ＳＬＷおよび被疑上限波長ＳＵＷの上および下に約０．５μｍ延びることができる。
【００５３】
図５は、図３に見られる本発明の第１の実施形態の、第１の基準帯域ＲＢ１および被疑帯域ＳＢを示し、被疑帯域は参照文字Ａで示される減少していないエネルギーを有する。このエネルギーは、たとえばＣＯ2によって吸収される大きさＣだけ減少する。被疑帯域の両側に延びる、第１の基準帯域ＲＢ１の２つの部分は、それぞれ参照文字Ｂで示されるエネルギーを有する。このエネルギーは、たとえばＣＯ2によって影響されないので、実質的に一定である。
【００５４】
次いで、検出器構成（７）によって、異なるエネルギーが検出される。検出器構成（７）は、被疑フィルタ（９）を通過するたとえばＩＲ放射を検出する第１の検出器（１５）と、第１の基準フィルタ（１０）を通過するたとえばＩＲ放射を検出する第２の検出器（１６）とを有する。２つの検出器（１５）、（１６）は、「サーモパイル」としても知られる熱電素子の形とすることができる。現れるたとえばＩＲ放射に応じて各検出器は、電圧または電流、すなわち電気量を発生し、これはより多くのＩＲ放射が入射するほど大きくなる。それにしたがって、第１の検出器（１５）は信号Ｓ１を発生し、第２の検出器（１６）は信号Ｓ２を発生する。
【００５５】
サーモパイル・センサは、たとえばドイツ、ヴィースバーデンＤ−６５１９９、ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＧｍｂＨから入手可能である。
【００５６】
図６Ａは、フィルタ構成（６）の構造の１つの簡単な実施形態を示し、被疑フィルタ（９）は２つのフィルタ素子（１１）および（１２）を備え、第１の被疑フィルタ素子（１１）は被疑上限波長ＳＵＷを規定し、被疑下限波長ＳＬＷより低い下限波長を有する。第２の被疑フィルタ素子（１２）は、被疑下限波長ＳＬＷを規定し、被疑上限波長ＳＵＷより実質的に高い上限波長を有する。同様に、第１の基準フィルタ（１０）は、それぞれ第１の基準上限波長ＲＵＷ１および第１の基準下限波長ＲＬＷ１を規定する２つのフィルタ素子（１３）および（１４）を備える。システムに導入される（９）および（１０）のようなフィルタの数に応じて、任意の数のこのようなフィルタ素子（１１）、（１２）、（１３）、および（１４）の構造をフィルタ構成（６）に導入することができる。この実施形態および他のいずれの実施形態において、いくつかのフィルタ素子は、フィルタが同じ端部および／または下限波長を有するときは２つ以上のフィルタに共通とすることができ、これは図６Ｂに示され、そこでは２つの「上限」フィルタ素子（１１）および（１３）は、１つの共通のフィルタ素子である。
【００５７】
図６Ｃは、追加の基準フィルタである第２の基準フィルタ（２０）を有する同様なセンサを示し、各フィルタは、上限および下限波長の両方に対する所望の帯域通過特性を備える単一のフィルタ素子（２１、２２、２３）のみを有し、したがって被疑フィルタ（２１）は、被疑下限波長ＳＬＷおよび上限被疑波長ＳＵＷの両方を規定する。第１の基準フィルタ（２２）は、第１の基準上限および下限波長ＲＵＷ１およびＲＬＷ１の両方を規定し、第２の基準フィルタ（２３）は、第２の基準上限および下限波長ＲＵＷ２およびＲＬＷ２の両方を規定する。この図示の実施形態では、２つのフィルタ素子（２２、２３）は、同じ検出器（１６）に接続されているが、実際に行われることは、それらの信号をたとえば２つの別々のサーモパイルによって取得された後に数学的に加算することである。
【００５８】
図６Ｄは、図６Ｃの実施形態に関連する一実施形態を示し、この場合のみ第３の検出器（２４）は、第２の基準フィルタ（２０）に接続される。
【００５９】
たとえば図５Ａ〜５Ｄで開示されたようなフィルタ素子（１１、１２、１３、１４）の任意の組み合わせ、変形、個数、および配置が本発明に当てはまることが留意されるべきである。
【００６０】
一般にセンサは、１つ以上のガスを測定するためにも用いることができ、その場合は当業者には分かるように、単に必要数のセンサ、検出器などが含められる。
サーモパイル・センサでは、通常は、（出力信号が温度と共に変化するため）温度測定が行われるので、センサの周囲の温度の測定はすでに組み込まれている。部屋の放射温度もセンサを用いて入手可能であると考えられるので、同時にこれら２つの測定に基づいて動作温度を直接得ることが可能であり、次いでこれは室温または全く異なる何かを制御するために用いることができる。
【００６１】
ＩＲに関連して、室内の動きの測定がセンサを用いて直接可能であることも考えられ、次いでたとえばこれは、たとえば室内に誰かがいることを示す動きの事象においてのみ作動する換気システムを制御するのに用いることができる。様々な動きの測定に基づいて、室内の人数を推定できることも考えられ、このような推定はまた、室温または換気が室内の人数に応じて制御／変更されるように、制御目的に用いることができる。
【００６２】
図６Ａに見られるものなどの本発明の基本的なセンサは、２つの信号Ｓ１、Ｓ２が評価デバイス（８）に印加されることによって動作する。したがってそれにより、
【００６３】
【数１】
ただし、
【００６４】
【数２】
は、ＩＲ吸収に関係する情報を含む電気量、たとえば電流または電圧であり、Ｉrefは、ＩＲ吸収によって影響されない基準量である。Ｓ１とＳ２の差が形成されるとき（「実効基準」は基準帯域の、被疑帯域を含まない部分である）、そのために線図的に差分形成器（１７）を示しており、以下の量が得られる。
【００６５】
【数３】
【００６６】
この差Ｓ１−Ｓ２は、第１の検出器（１５）の出力信号Ｓ１に対して正規化され、それにより信号Ｓ３が得られる。
【００６７】
【数４】
【００６８】
本発明のセンサは、たとえば窒素、酸化窒素、酸素、またはＣＯなど、任意の種類のガスを測定するのに用いることができ、さらにはガスの測定に限定されず、液体および固体など他の形での被疑体を測定するためにも用いることもできる。被疑体をＣＯ2から変更するときは、それにしたがって通過帯域をシフトする必要があり、たとえばＨ２Ｏの吸収帯域は約２．７μｍである。
【００６９】
放射体、または光源の温度が分かることにより、ＩrefおよびＩnなどの量、および／またはＳ１およびＳ２などの信号に波形をつける（ｃｏｒｒｕｇａｔｅ）か、またはそれらを正規化することが可能になり、言わば温度を除去し、かつ／または正規化により被疑および基準帯域などの帯域の波長依存性を除去する。
【００７０】
本発明のセンサはさらに、任意の考えられる他の光学構成要素、たとえば追加の帯域通過フィルタとして動作するサファイア窓、反射器、たとえばＩＲ放射を集めるまたは焦点合わせをするデバイスである集光デバイス、たとえば、センサの上流側に配置されたコリメータなどを備えることができる。
【００７１】
またこのようなセンサは、廃ガス監視のために直接用いることが可能である。そのためにはセンサは、煙突または排気管内に設置される。特に加熱システムの場合は、次いでセンサ（または複数のセンサ）の出力信号を用いて燃焼を制御することができる。
【００７２】
本発明は上記の説明および図面に限定されず、被疑フィルタ（９）および基準フィルタ（１０、２０）などのフィルタ、フィルタ素子（２１、２２、２３）、検出器（１５、１６、２４）などの任意の数および変更を含む、上記の説明および図面の任意の変更も本発明に当てはまる。
【００７３】
さらに本発明は、ガスの測定に限定されず、センサは、一般に媒体の一部である物質の測定においても実施することができ、媒体はガス自体に限定されず、たとえば液体とすることもできる。
【図１】
【図２】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルタ構成と、前記フィルタ構成の下流側に配置された検出器構成と、前記検出器構成に接続された評価デバイスとを有するセンサであって、前記フィルタ構成は第１の基準フィルタと第２の基準フィルタとを備え、前記２つのフィルタはそれぞれ第１の基準帯域および第２の基準帯域を有し、前記センサは、前記第１の基準帯域および第２の基準帯域での測定された強度密度が放射放出源の温度を推定するために用いられることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記センサは、少なくとも被疑帯域内の波長を有する放射を通過させる被疑帯域をさらに有する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
第１および第２の基準が基準システムを構成し、それらの基準帯域が基準帯域システムを構成し、前記基準帯域システムは前記被疑帯域の両側に分布する、請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記被疑帯域は、前記基準システム帯域に少なくとも部分的に重なる、請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記被疑帯域と前記第１の基準帯域は異なる中心波長を有する、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記被疑帯域は、前記第１の基準帯域および前記第２の基準帯域の両方に少なくとも部分的に重なる、請求項４に記載のセンサ。
【請求項７】
前記被疑帯域、前記第１の基準帯域、および前記第２の基準帯域のいずれも、共通の波長を含まない、請求項３に記載のセンサ。
【請求項８】
前記第１および前記第２の基準帯域の平均または中間強度密度（または、エネルギー）は同じである、前記請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ。
【請求項９】
前記被疑帯域の平均または中間強度密度（または、エネルギー）は、前記第１および第２の基準帯域の平均または中間強度密度と同じである、前記請求項１〜８のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１０】
前記センサは、任意の数の異なる物質の測定のために、それぞれ任意の数の被疑通過帯域を有する任意の数の被疑フィルタ、およびまたは、それぞれ任意の数の基準通過帯域を有する基準フィルタを備えることができる、前記請求項１〜９のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１】
フィルタ構成と、前記フィルタ構成の下流側に配置された検出器構成と、前記検出器構成に接続された評価デバイスとを有するセンサであって、前記フィルタ構成は第１の基準フィルタと第２の基準フィルタとを備え、前記２つのフィルタはそれぞれ第１の基準帯域および第２の基準帯域を有し、前記センサは、前記第１の基準帯域および第２の基準帯域での測定された強度密度が放射放出源の温度を推定するために用いられることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記センサは、少なくとも被疑帯域内の波長を有する放射を通過させる被疑帯域をさらに有する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
第１および第２の基準が基準システムを構成し、それらの基準帯域が基準帯域システムを構成し、前記基準帯域システムは前記被疑帯域の両側に分布する、請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記被疑帯域は、前記基準システム帯域に少なくとも部分的に重なる、請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記被疑帯域と前記第１の基準帯域は異なる中心波長を有する、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記被疑帯域は、前記第１の基準帯域および前記第２の基準帯域の両方に少なくとも部分的に重なる、請求項４に記載のセンサ。
【請求項７】
前記被疑帯域、前記第１の基準帯域、および前記第２の基準帯域のいずれも、共通の波長を含まない、請求項３に記載のセンサ。
【請求項８】
前記第１および前記第２の基準帯域の平均または中間強度密度（または、エネルギー）は同じである、前記請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ。
【請求項９】
前記被疑帯域の平均または中間強度密度（または、エネルギー）は、前記第１および第２の基準帯域の平均または中間強度密度と同じである、前記請求項１〜８のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１０】
前記センサは、任意の数の異なる物質の測定のために、それぞれ任意の数の被疑通過帯域を有する任意の数の被疑フィルタ、およびまたは、それぞれ任意の数の基準通過帯域を有する基準フィルタを備えることができる、前記請求項１〜９のいずれかに記載のセンサ。
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【公表番号】特表２０１２−５２４２４５（Ｐ２０１２−５２４２４５Ａ）
【公表日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０５０５０（Ｐ２０１２−５０５０５０）
【出願日】平成２２年４月１６日（２０１０．４．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＫ２０１０／００００４７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１１８７５０
【国際公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【出願人】（５１０３０１２８６）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１６日（２０１０．４．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＫ２０１０／００００４７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１１８７５０
【国際公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【出願人】（５１０３０１２８６）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]