赤外線検出装置
【課題】ファンを使用せずに検出精度の向上を図った赤外線検出装置を提供する。
【解決手段】光源７から赤外線が出力される。サーモパイル１４ａ、１４ｂが、赤外線のエネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力を発生する。演算増幅器Ａ１、Ａ２は、電源電圧Ｖｃｃを固定抵抗Ｒ１と可変抵抗ＤＰ１とで分圧した分圧を加算したサーモパイル１４ａ、１４ｂの起電力を増幅して、Ａ／Ｄ変換器３２に対して出力する。ＣＰＵ３３ａは、光源７から赤外線が出力されていないときの演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢが基準値になるように可変抵抗ＤＰ１の抵抗値を制御する。
【解決手段】光源７から赤外線が出力される。サーモパイル１４ａ、１４ｂが、赤外線のエネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力を発生する。演算増幅器Ａ１、Ａ２は、電源電圧Ｖｃｃを固定抵抗Ｒ１と可変抵抗ＤＰ１とで分圧した分圧を加算したサーモパイル１４ａ、１４ｂの起電力を増幅して、Ａ／Ｄ変換器３２に対して出力する。ＣＰＵ３３ａは、光源７から赤外線が出力されていないときの演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢが基準値になるように可変抵抗ＤＰ１の抵抗値を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出装置に係り、例えばガス濃度を検出するために用いられる赤外線検出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通過するフィルタと、フィルタを透過した赤外線の強度を検出する赤外線センサとを設けたガス濃度測定装置が提案されている。
【０００３】
上述した赤外線センサは、赤外線のエネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力が発生する温度センサとしてのサーモパイルから構成されている。サーモパイルの起電力は、増幅器で増幅された後に、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器でデジタル値に変換されて、マイクロコンピュータに出力される。マイクロコンピュータは、増幅された起電力のデジタル値に基づいてガス濃度を検出する。
【０００４】
しかしながら、上述したサーモパイルは、光源が赤外線を出力していないときの起電力であるオフセットが使用温度範囲で変動してしまうため、増幅器の増幅率を大きくすると大きいオフセットが発生したときに増幅器の出力がＡ／Ｄ変換器の変換範囲を超えてしまう。そこで、従来では、使用温度範囲において最も大きいオフセットが発生したときに増幅器の出力がＡ／Ｄ変換器の変換範囲を超えないように増幅器の増幅率を決定する必要があった。このように増幅器の増幅率を小さくしなければならないため、濃度に対する増幅器からの出力の変化量が少なく、検出精度が低下する、という問題があった。
【０００５】
また、オフセットの変動を低減するために、光源や電源部によって発生する熱をセル外に放出するためのファンを設ける赤外線分析計が特許文献１に記載されている。しかしながら、上記従来の赤外線分析計では、ファンをセル内に納めるために構造上大きくなる、という問題があった。また、ファンを動作させるので消費電力が大きい、という問題もあった。
【特許文献１】特開２００３−２７０１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、サーモパイルの起電力に加算する加算電圧を制御することにより、また、増幅器に入力する基準電圧を制御することにより、ファンを使わなくても検出精度の向上を図った赤外線検出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、赤外線を出力する光源と、前記赤外線のエネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力を発生するサーモパイルと、前記起電力に加算電圧を加算する加算手段と、前記加算電圧が加算された前記起電力を増幅する増幅器と、を有する赤外線検出装置において、前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように、前記加算電圧を制御するオフセットキャンセル手段が設けられていることを特徴とする赤外線検出装置に存する。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記加算手段が、所定電圧を分圧する複数の分圧抵抗で構成され、前記複数の分圧抵抗が、前記分圧を前記サーモパイルのマイナス側に供給することにより前記起電力に前記分圧を加算するように構成され、前記複数の分圧抵抗の少なくとも一つが可変抵抗で構成され、そして、前記オフセットキャンセル手段が、前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように前記可変抵抗の抵抗値を制御するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出装置に存する。
【０００９】
請求項３記載の発明は、赤外線を出力する光源と、前記赤外線のエネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力を発生するサーモパイルと、基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記起電力又は前記起電力に応じた値と前記基準電圧との差分を増幅する増幅器と、を有する赤外線検出装置において、前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように前記基準電圧を制御するオフセットキャンセル手段が設けられていることを特徴とする赤外線検出装置に存する。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記基準電圧発生手段が、所定電圧を分圧して当該分圧を基準電圧として出力する複数の分圧抵抗で構成され、前記複数の分圧抵抗の少なくとも一つが可変抵抗で構成され、そして、前記オフセットキャンセル手段が、前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように前記可変抵抗の抵抗値を制御するように設定されていることを特徴とする請求項３に記載の赤外線検出装置に存する。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、オフセットキャンセル手段が、光源から赤外線が出力されていないときの増幅器の出力が基準値になるように加算電圧を制御する。これにより、増幅器のオフセットを基準値に一定にすることができるため、増幅器の増幅率を大きく設定することができる。そして、増幅器の出力の変化率を大きくでき、ファンを使用しなくても検出精度の向上を図ることができる。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、オフセットキャンセル手段が、光源から赤外線が出力されていないときの増幅器の出力が基準値になるように可変抵抗の抵抗値を制御するように設定されているので、可変抵抗の抵抗値を制御するだけで簡単に増幅器のオフセットを基準値に一定にすることができる。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、オフセットキャンセル手段が、光源から赤外線が出力されていないときの増幅器の出力が基準値になるように基準電圧を制御する。これにより、増幅器のオフセットを基準値に一定にすることができるため、増幅器の増幅率を大きく設定することができる。そして、増幅器の出力の変化率を大きくでき、ファンを使用しなくても検出精度の向上を図ることができる。
【００１４】
請求項４記載の発明によれば、オフセットキャンセル手段が、光源から赤外線が出力されていないときの増幅器の出力が基準値になるように可変抵抗の抵抗値を制御するように設定されているので、可変抵抗の抵抗値を制御するだけで簡単に増幅器のオフセットを基準値に一定にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
第１実施形態
以下、本発明に係る赤外線検出装置を組み込んだガス濃度測定装置１を、図１乃至図８に基づいて説明する。ガス濃度測定装置１は、図１及び図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、濃度演算回路３と、光源駆動回路５と、を備えている。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
図示例では、受光ユニット８には、二酸化炭素（ＣＯ2）受光器１２ａ、基準受光器１２ｂの２つが設けられている。ＣＯ2受光器１２ａは、サーモパイル１４ａと、フィルタ１５ａと、を備えている。基準受光器１２ｂは、サーモパイル１４ｂと、フィルタ１５ｂと、を備えている。サーモパイル１４ａ、１４ｂは、ユニット本体１１に取り付けられている。また、サーモパイル１４ａ、１４ｂは、同一平面上に配置されている。サーモパイル１４ａ、１４ｂは、光源７が発しかつフィルタ１５ａ、１５ｂを透過した赤外線の熱エネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力を発生する。サーモパイル１４ａ、１４ｂは、起電力を濃度演算回路３に出力する。
【００２０】
フィルタ１５ａ、１５ｂは、ユニット本体１１に取り付けられて、サーモパイル１４ａ、１４ｂと光源７との間に配置されている。フィルタ１５ａ、１５ｂは、同一平面上に配置されている。フィルタ１５ａ、１５ｂ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サーモパイル１４ａ、１４ｂまで導く。フィルタ１５ａ、１５ｂは、互いに透過する赤外線の波長が異なる。
【００２１】
フィルタ１５ａ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、フィルタ１５ａ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１２ａは、図５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１５ａがＣＯ2の吸収波長帯である４．３μｍの赤外線のみを透過する。
【００２２】
また、図示例では、基準受光器１２ｂは、基準として用いられ、そのフィルタ１５ｂが大気中で全く吸収されない非吸収波長帯（４．０μｍ）の赤外線のみを透過する。なお、図５は、ＣＯ2に対する赤外線の透過率を示しており、図５中の横軸は赤外線の波長（μｍ）を示し、図５中の縦軸は赤外線の透過率（％）を示している。図５によれば、波長が４．３μｍの赤外線のＣＯ2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、ＣＯ2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。
【００２３】
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１５ａ、１５ｂつまりサーモパイル１４ａ、１４ｂ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サーモパイル１４ａ、１４ｂ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。
【００２４】
濃度演算回路３は、図２に示すように、固定抵抗Ｒ１と、可変抵抗ＤＰ１と、演算増幅器Ａ１、Ａ２と、マルチプレクサ（以下ＭＵＸ）３１と、Ａ／Ｄ変換器３２と、μＣＯＭ３３と、を備えている。上記固定抵抗Ｒ１及び可変抵抗ＤＰ１は、電源電圧Ｖｃｃ（所定電圧）を分圧する分圧抵抗として働き、電源電圧Ｖｃｃ−グランド間に直列接続されている。上記可変抵抗ＤＰ１は、後述するμＣＯＭ３３によってその抵抗値が制御される。上記固定抵抗Ｒ１及び可変抵抗ＤＰ１の接続点は、サーモパイル１４ａ、１４ｂのマイナス側に接続されている。これにより、サーモパイル１４ａのプラス側電圧Ｖａは、下記の式（１）に示すように、サーモパイル１４ａに生じる起電力Ｅａに電源電圧Ｖｃｃを固定抵抗Ｒ１、可変抵抗ＤＰ１で分圧した分圧Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１）を加算した値となる。
Ｖａ＝Ｅａ＋Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１） …（１）
【００２５】
同様に、サーモパイル１４ｂのプラス側電圧Ｖｂは、下記の式（２）に示すように、サーモパイル１４ｂに生じる起電力Ｅｂに電源電圧Ｖｃｃを固定抵抗Ｒ１、可変抵抗ＤＰ１で分圧した分圧Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１）を加算した値となる。
Ｖｂ＝Ｅｂ＋Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１） …（２）
以上のことから明らかなように、電源電圧Ｖｃｃ、固定抵抗Ｒ１、可変抵抗ＤＰ１が請求項中の加算手段に相当する。
【００２６】
演算増幅器Ａ１には、＋入力端にプラス側電圧Ｖａが供給されると共に、−入力端がグランドに接地されている。演算増幅器Ａ１は、下記の式（３）に示すように、プラス側電圧Ｖａを増幅率Ｇ１で増幅した出力ＶＡをＭＵＸ３１に対して出力する。
ＶＡ＝Ｇ１×Ｖａ
＝Ｇ１×｛Ｅａ＋Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１）｝ …（３）
【００２７】
演算増幅器Ａ２には、＋入力端にプラス側電圧Ｖｂが供給されると共に、−入力端がグランドに接地されている。演算増幅器Ａ２は、下記の式（４）に示すように、プラス側電圧Ｖｂを演算増幅率Ａ２の増幅率Ｇ１と等しい増幅率Ｇ１で増幅した出力ＶＢをＭＵＸ３１に対して出力する。
ＶＢ＝Ｇ１×Ｖｂ
＝Ｇ１×｛Ｅｂ＋Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１）｝ …（４）
【００２８】
なお、上記演算増幅器Ａ１、Ａ２の増幅率Ｇ１は、基準温度例えば２０℃において出力ＶＡ、ＶＢがＡ／Ｄ変換器３２の変換範囲を超えないような値に設定されている。
【００２９】
ＭＵＸ３１は、演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢのうちμＣＯＭ３３によって選択された一つをＡ／Ｄ変換器３２に対して出力する。Ａ／Ｄ変換器３２は、出力ＶＡ、ＶＢをデジタル値に変換した後にμＣＯＭ３３に対して出力する。μＣＯＭ３３は、処理プログラムに従って各種の処理を行う中央演算処理ユニット（以下、ＣＰＵ）３３ａ、ＣＰＵ３３ａが行う処理のプログラムなどを格納した読出専用のメモリであるＲＯＭ３３ｂ、及び、ＣＰＵ３３ａでの各種の処理過程で利用するワークエリア、各種データを格納するデータ記憶エリアなどを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ３３ｃ、を有し、これらがバスラインによって接続されている。光源駆動回路５は、μＣＯＭ３３によって制御されていて、パルス状の駆動電圧を光源７に印加して、光源７を点滅させる。
【００３０】
上述した構成のガス濃度測定装置１の動作について、図６及び図７に基づいて説明する。まず、ガス濃度測定装置１の電源がオンすると、ＣＰＵ３３ａは処理を開始する。まず、ＣＰＵ３３ａは、光源７のオフ期間ＴOFF（図７（Ａ））が経過するのを待って（ステップＳ１でＹ）、出力ＶＡ、ＶＢの何れか一方のデジタル値をオフセット電圧ＶOFFSETとしてＡ／Ｄ変換器３２から取り込む（ステップＳ２）。このように光源７がオフ、即ち赤外線が出力されていないときの出力ＶＡ、ＶＢであるオフセット電圧ＶOFFSETは、赤外線の強さやガス濃度に影響されず、外気温度に影響された出力となる。なお、光源７がオフの間は出力ＶＡ＝ＶＢとなり、オフセット電圧ＶOFFSETとしては出力ＶＡ、ＶＢの何れでも良い。
【００３１】
その後、ＣＰＵ３３ａは、オフセットキャンセル手段として働き、取り込んだオフセット電圧ＶOFFSETと予め定めた基準値Ｖｒｅｆとを比較して、図７（Ｂ）に示すように、オフセット電圧ＶOFFSETが基準値Ｖｒｅｆと等しくなるように可変抵抗ＤＰ１の抵抗値を調整する（ステップＳ３）。例えば、オフセット電圧ＶOFFSETが基準値Ｖｒｅｆより小さければ、可変抵抗ＤＰ１を大きくして起電力Ｅａ又はＥｂに加算する分圧Ｖｃｃ×ＤＰ１／（ＤＰ１＋Ｒ１）を大きくする。これにより、オフセット電圧ＶOFFSETを大きくして、基準値Ｖｒｅｆに近づける。逆に、オフセット電圧ＶOFFSETが基準値Ｖｒｅｆより大きければ、可変抵抗ＤＰ１を小さくして起電力Ｅａ又はＥｂに加算する分圧Ｖｃｃ×ＤＰ１／（ＤＰ１＋Ｒ１）を小さくする。これにより、オフセット電圧ＶOFFSETを小さくして、基準値Ｖｒｅｆに近づける。なお、上記基準値Ｖｒｅｆは、基準温度、例えば２０℃のときのオフセット電圧ＶOFFSETを予め計測してその測定した値に設定する。
【００３２】
その後、ＣＰＵ３３ａは、光源駆動回路５を制御して光源７に駆動電圧を供給して光源７をオンする（ステップＳ４）。次に、ＣＰＵ３３ａは、所定のオン期間ＴON（図７（Ａ））が経過するのを待って（ステップＳ５でＹ）、演算増幅器Ａ１の出力ＶＡをＡ／Ｄ変換器３２に出力するようにＭＵＸ３１を制御した後に（ステップＳ６）、Ａ／Ｄ変換器３２から出力された出力ＶＡのデジタル値をセンサ出力として取り込む（ステップ７）。このように光源７がオン、即ち赤外線が出力されているときの出力ＶＡであるセンサ出力は、赤外線の強さ、ガス濃度、外気温度に影響された出力となる。
【００３３】
次に、演算増幅器Ａ２の出力ＶＢをＡ／Ｄ変換器３２に出力するようにＭＵＸ３１を制御した後に（ステップＳ８）、Ａ／Ｄ変換器３２から出力された出力ＶＢのデジタル値を基準出力として取り込む（ステップＳ９）。このように光源７がオンのときの出力ＶＢである基準出力は、ガス濃度に影響されず、赤外線の強さ、外気温度に影響された出力となる。その後、ＣＰＵ３３ａは、光源駆動回路５を制御して光源７をオフする（ステップＳ１０）。次に、ＣＰＵ３３ａは、基準出力に基づいてセンサ出力から光源７から発生する赤外線の強さの変動や外気温度の変動に起因する変動分をキャンセルして、ガス濃度を演算した後に（ステップＳ１１）、ステップＳ１に戻る。
【００３４】
上述したようにＣＰＵ３３ａが、オフセットキャンセル手段として働き、光源７から赤外線が出力されていないときの演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢであるオフセット電圧ＶOFFSETが基準値Ｖｒｅｆになるように起電力Ｅａ、Ｅｂに加算する分圧Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１）を制御する。これにより、演算増幅器Ａ１、Ａ２のオフセット電圧ＶOFFSETを基準値Ｖｒｅｆに一定にすることができるため、演算増幅器Ａ１、Ａ２の増幅率Ｇ１を大きく設定することができる。つまり、本発明においては、基準値Ｖｒｅｆのオフセット電圧ＶOFFSETが発生したときに出力ＶＡ、ＶＢがＡ／Ｄ変換器３２の変換範囲を超えないように演算増幅器Ａ１、Ａ２の増幅率を決定すればよく、従来のように使用温度範囲において最も大きいオフセット電圧ＶOFFSETが発生したときに出力ＶＡ、ＶＢがＡ／Ｄ変換器３２の変換範囲を超えないように演算増幅器Ａ１、Ａ２の増幅率を決定する必要がなくなった。そして、演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢの変化率を大きくでき、ファンを使用しなくても検出精度の向上を図ることができる。
【００３５】
また、ＣＰＵ３３ａが、光源７から赤外線が出力されていないときの演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢであるオフセット電圧ＶOFFSETが基準値Ｖｒｅｆになるように可変抵抗ＤＰ１の抵抗値を制御するように設定されているので、可変抵抗ＤＰ１の抵抗値を制御するだけで簡単に演算増幅器Ａ１、Ａ２のオフセット電圧ＶOFFSETを基準値Ｖｒｅｆに一定にすることができる。
【００３６】
なお、上述した第１実施形態では、サーモパイル１４ａ、１４ｂに共通の固定抵抗Ｒ１と可変抵抗ＤＰ１との接続点を接続していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、図８に示すように、サーモパイル１４ａ用の固定抵抗Ｒ１１、可変抵抗ＤＰ１１を設けると共にサーモパイル１４ｂ用の固定抵抗Ｒ１２、可変抵抗ＤＰ１２を設けて、μＣＯＭ３３によって、サーモパイル１４ａ、１４ｂのマイナス側に供給する電圧を可変抵抗ＤＰ１１、ＤＰ１２によってそれぞれ別々に制御できるようにしてもよい。
【００３７】
第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態と第１実施形態とで大きく異なる点は濃度演算回路３の構成である。図９に示すように、濃度演算回路３は、固定抵抗Ｒ２、Ｒ３と、固定抵抗Ｒ４と、可変抵抗ＤＰ２１と、固定抵抗Ｒ５と、可変抵抗ＤＰ２２と、第１実施形態と同様に、演算増幅器Ａ１、Ａ２と、ＭＵＸ３１と、Ａ／Ｄ変換器３２と、μＣＯＭ３３と、を備えている。固定抵抗Ｒ２、Ｒ３は電源電圧Ｖｃｃを分圧する分圧抵抗として働き、電源電圧Ｖｃｃ−グランド間に直列に接続されている。上記固定抵抗Ｒ２及び固定抵抗Ｒ３の接続点は、サーモパイル１４ａ、１４ｂのマイナス側に接続されている。これにより、サーモパイル１４ａのプラス側電圧Ｖａは、下記の式（５）に示すように、サーモパイル１４ａに生じる起電力Ｅａに電源電圧Ｖｃｃを固定抵抗Ｒ２、Ｒ３で分圧した分圧Ｖｃｃ×Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）を加算した値となる。
Ｖａ＝Ｅａ＋Ｖｃｃ×Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３） …（５）
上記プラス側電圧Ｖａは、演算増幅器Ａ１に入力される。
【００３８】
同様に、サーモパイル１４ｂのプラス側電圧Ｖｂは、下記の式（６）に示すように、サーモパイル１４ｂに生じる起電力Ｅｂに電源電圧Ｖｃｃを固定抵抗Ｒ２、Ｒ３で分圧した分圧Ｖｃｃ×Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）を加算した値となる。
Ｖｂ＝Ｅｂ×Ｖｃｃ×Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３） …（６）
上記プラス側電圧Ｖｂは、演算増幅器Ａ２に入力される。
【００３９】
固定抵抗Ｒ４と可変抵抗ＤＰ２１とは、電源電圧Ｖｃｃを分圧する分圧抵抗として働き、電源電圧Ｖｃｃ−グランド間に直列接続されている。上記可変抵抗ＤＰ２１は、μＣＯＭ３３によってその抵抗値が制御される。上記固定抵抗Ｒ４及び可変抵抗ＤＰ２１の接続点は、演算増幅器Ａ１の−入力端に供給される。これにより、演算増幅器Ａ１の−入力端には、下記の式（７）に示す基準電圧Ｖｒｅｆａが供給される。
Ｖｒｅｆａ＝Ｖｃｃ×ＤＰ２１／（Ｒ４＋ＤＰ２１） …（７）
そして、演算増幅器Ａ１の出力ＶＡは、下記の式（８）に示すように、サーモパイル１４ａのプラス側電圧Ｖａと基準電圧Ｖｒｅｆａとの差分を増幅率Ｇ２で増幅した電圧となる。
ＶＡ＝Ｇ２（Ｖａ−Ｖｒｅｆａ） …（８）
【００４０】
また、固定抵抗Ｒ５と可変抵抗ＤＰ２２とは、電源電圧Ｖｃｃを分圧する分圧抵抗として働き、電源電圧Ｖｃｃ−グランド間に直列接続されている。上記可変抵抗ＤＰ２２は、後述するμＣＯＭ３３によってその抵抗値が制御される。上記固定抵抗Ｒ５及び可変抵抗ＤＰ２２の接続点は、演算増幅器Ａ２のマイナス入力端に供給される。これにより、演算増幅器Ａ２のマイナス入力端には、下記の式（９）に示す基準電圧Ｖｒｅｆｂが供給される。
Ｖｒｅｆｂ＝Ｖｃｃ×ＤＰ２２／（Ｒ５＋ＤＰ２２） …（９）
そして、演算増幅器Ａ２の出力ＶＢは、下記の式（１０）に示すように、サーモパイル１４ｂのプラス側電圧Ｖｂと基準電圧Ｖｒｅｆｂとの差分を増幅率Ｇ２で増幅した電圧を出力する。
ＶＢ＝Ｇ２（Ｖｂ−Ｖｒｅｆｂ） …（１０）
【００４１】
以上のことから明らかなように、電源電圧Ｖｃｃ、固定抵抗Ｒ４、可変抵抗ＤＰ２１が請求項中の基準電圧発生手段を構成し、電源電圧Ｖｃｃ、固定抵抗Ｒ５、可変抵抗ＤＰ２２が請求項中の基準電圧発生手段を構成する。
【００４２】
なお、上記演算増幅器Ａ１、Ａ２の増幅率Ｇ２は、第１実施形態と同様に、基準温度例えば２０℃において出力ＶＡ、ＶＢがＡ／Ｄ変換器３２の変換範囲を超えないような値に設定されている。
【００４３】
上記濃度演算回路３を構成するＭＵＸ３１、Ａ／Ｄ変換器３２、及び、μＣＯＭ３３と、上記濃度演算回路３以外の部分は、第１実施形態と同様のため、その詳細な説明は省略する。上記構成のガス濃度測定装置１の動作について図６のフローチャートを参照して以下説明する。第２実施形態において、ＣＰＵ３３ａは、第１実施形態と同様にステップＳ１を行う。続く、ステップＳ２においてＣＰＵ３３ａは、ＭＵＸ３１を制御して、演算増幅器Ａ１の出力ＶＡのデジタル値をオフセット電圧ＶOFFSETAとして、演算増幅器Ａ２の出力ＶＢのデジタル値をオフセット電圧ＶOFFSETBとして順次取り込む。その後、ステップＳ３において、ＣＰＵ３３ａは、オフセットキャンセル手段として働き、オフセット電圧ＶOFFSETAと予め定めた基準値Ｖｒｅｆとを比較して、オフセット電圧ＶOFFSETAが基準値Ｖｒｅｆと等しくなるように可変抵抗ＤＰ２１の抵抗値を制御する。同時に、ＣＰＵ３３ａは、オフセット電圧ＶOFFSETBと予め定めた基準値Ｖｒｅｆとを比較して、オフセット電圧ＶOFFSETBが基準Ｖｒｅｆと等しくなるように可変抵抗ＤＰ２２の抵抗値を制御する。基準値Ｖｒｅｆも第１実施形態と同様に基準温度例えば２０℃のときのオフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBの何れかを予め測定してその測定した値に設定する。
【００４４】
ステップ３において、ＣＰＵ３３ａは、オフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBが基準値Ｖｒｅｆより大きければ、可変抵抗ＤＰ２１、ＤＰ２２を大きくして、基準電圧Ｖｒｅｆａ、Ｖｒｅｆｂを大きくする。これにより、オフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBが小さくなり基準値Ｖｒｅｆに近づく。逆に、オフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBが基準値Ｖｒｅｆより小さければ、可変抵抗ＤＰ２１、ＤＰ２２を小さくして、基準電圧Ｖｒｅｆａ、Ｖｒｅｆｂを小さくする。これにより、オフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBが大きくなり基準値Ｖｒｅｆに近づく。その後、ＣＰＵ３３ａは、第１実施形態と同様にステップＳ４〜Ｓ１１の処理を行う。
【００４５】
上述したように、ＣＰＵ３３ａが、光源７から赤外線が出力されていないときの演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢが基準値Ｖｒｅｆになるように基準電圧Ｖｒｅｆａ、Ｖｒｅｆｂを制御する。これにより、第１実施形態と同様に、演算増幅器Ａ１、Ａ２のオフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBを基準値Ｖｒｅｆに一定にすることができるため、演算増幅器Ａ１、Ａ２の増幅率Ｇ２を大きく設定することができる。そして、演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢの変化率を大きくでき、ファンを使用しなくても検出精度の向上を図ることができる。
【００４６】
また、ＣＰＵ３３ａが、光源７から赤外線が出力されていないときの演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢが基準値Ｖｒｅｆになるように可変抵抗ＤＰ２１、ＤＰ２２の抵抗値を制御するように設定されているので、可変抵抗ＤＰ２１、ＤＰ２２の抵抗値を制御するだけで簡単に演算増幅器Ａ１、Ａ２のオフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBを基準値Ｖｒｅｆに一定にすることができる。
【００４７】
なお、上述した第１及び第２実施形態では、吸収波長帯である波長４．３μｍの赤外線を受光するサーモパイル１４ａと、非吸収波長帯である波長４．０μｍの赤外線を受光するサーモパイル１４ｂと、を設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。検出精度的に問題がなければ、非吸収波長帯である波長４．０μｍの赤外線を受光するサーモパイル１４ｂについては設けなくても良い。
【００４８】
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】
【００４９】
【図１】本発明に係る赤外線検出装置を組み込んだガス濃度測定装置の気体サンプル室の構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】第１実施形態における赤外線検出装置を組み込んだガス濃度測定装置の濃度演算回路を示す回路図である。
【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】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。
【図６】図２に示すＣＰＵの処理手順を示すフローチャートである。
【図７】（Ａ）は光源のオンオフを示すタイムチャートであり、（Ｂ）出力ＶＡ及びＶＢのタイムチャートである。
【図８】他の実施形態における濃度演算回路を示す回路図である。
【図９】第２実施形態における濃度演算回路を示す回路図である。
【符号の説明】
【００５０】
７ 光源
１４ａ サーモパイル
１４ｂ サーモパイル
３３ａ ＣＰＵ（オフセットキャンセル手段）
Ａ１ 演算増幅器（増幅器）
Ａ２ 演算増幅器（増幅器）
ＤＰ１ 可変抵抗（加算手段、分圧抵抗）
ＤＰ１１ 可変抵抗（加算手段、分圧抵抗）
ＤＰ１２ 可変抵抗（加算手段、分圧抵抗）
ＤＰ２１ 可変抵抗（基準電圧発生手段、分圧抵抗）
ＤＰ２２ 可変抵抗（基準電圧発生手段、分圧抵抗）
Ｒ１ 固定抵抗（加算手段、分圧抵抗）
Ｒ１１ 固定抵抗（加算手段、分圧抵抗）
Ｒ１２ 固定抵抗（加算手段、分圧抵抗）
Ｒ４ 固定抵抗（基準電圧発生手段、分圧抵抗）
Ｒ５ 固定抵抗（基準電圧発生手段、分圧抵抗）
ＶＡ 出力（増幅器の出力）
ＶＢ 出力（増幅器の出力）
Ｖｒｅｆ 基準値
Ｖｒｅｆａ 基準電圧
Ｖｒｅｆｂ 基準電圧
Ｖｃｃ 電源電圧（所定電圧、加算手段、基準電圧発生手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出装置に係り、例えばガス濃度を検出するために用いられる赤外線検出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通過するフィルタと、フィルタを透過した赤外線の強度を検出する赤外線センサとを設けたガス濃度測定装置が提案されている。
【０００３】
上述した赤外線センサは、赤外線のエネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力が発生する温度センサとしてのサーモパイルから構成されている。サーモパイルの起電力は、増幅器で増幅された後に、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器でデジタル値に変換されて、マイクロコンピュータに出力される。マイクロコンピュータは、増幅された起電力のデジタル値に基づいてガス濃度を検出する。
【０００４】
しかしながら、上述したサーモパイルは、光源が赤外線を出力していないときの起電力であるオフセットが使用温度範囲で変動してしまうため、増幅器の増幅率を大きくすると大きいオフセットが発生したときに増幅器の出力がＡ／Ｄ変換器の変換範囲を超えてしまう。そこで、従来では、使用温度範囲において最も大きいオフセットが発生したときに増幅器の出力がＡ／Ｄ変換器の変換範囲を超えないように増幅器の増幅率を決定する必要があった。このように増幅器の増幅率を小さくしなければならないため、濃度に対する増幅器からの出力の変化量が少なく、検出精度が低下する、という問題があった。
【０００５】
また、オフセットの変動を低減するために、光源や電源部によって発生する熱をセル外に放出するためのファンを設ける赤外線分析計が特許文献１に記載されている。しかしながら、上記従来の赤外線分析計では、ファンをセル内に納めるために構造上大きくなる、という問題があった。また、ファンを動作させるので消費電力が大きい、という問題もあった。
【特許文献１】特開２００３−２７０１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、サーモパイルの起電力に加算する加算電圧を制御することにより、また、増幅器に入力する基準電圧を制御することにより、ファンを使わなくても検出精度の向上を図った赤外線検出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、赤外線を出力する光源と、前記赤外線のエネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力を発生するサーモパイルと、前記起電力に加算電圧を加算する加算手段と、前記加算電圧が加算された前記起電力を増幅する増幅器と、を有する赤外線検出装置において、前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように、前記加算電圧を制御するオフセットキャンセル手段が設けられていることを特徴とする赤外線検出装置に存する。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記加算手段が、所定電圧を分圧する複数の分圧抵抗で構成され、前記複数の分圧抵抗が、前記分圧を前記サーモパイルのマイナス側に供給することにより前記起電力に前記分圧を加算するように構成され、前記複数の分圧抵抗の少なくとも一つが可変抵抗で構成され、そして、前記オフセットキャンセル手段が、前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように前記可変抵抗の抵抗値を制御するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出装置に存する。
【０００９】
請求項３記載の発明は、赤外線を出力する光源と、前記赤外線のエネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力を発生するサーモパイルと、基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記起電力又は前記起電力に応じた値と前記基準電圧との差分を増幅する増幅器と、を有する赤外線検出装置において、前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように前記基準電圧を制御するオフセットキャンセル手段が設けられていることを特徴とする赤外線検出装置に存する。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記基準電圧発生手段が、所定電圧を分圧して当該分圧を基準電圧として出力する複数の分圧抵抗で構成され、前記複数の分圧抵抗の少なくとも一つが可変抵抗で構成され、そして、前記オフセットキャンセル手段が、前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように前記可変抵抗の抵抗値を制御するように設定されていることを特徴とする請求項３に記載の赤外線検出装置に存する。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、オフセットキャンセル手段が、光源から赤外線が出力されていないときの増幅器の出力が基準値になるように加算電圧を制御する。これにより、増幅器のオフセットを基準値に一定にすることができるため、増幅器の増幅率を大きく設定することができる。そして、増幅器の出力の変化率を大きくでき、ファンを使用しなくても検出精度の向上を図ることができる。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、オフセットキャンセル手段が、光源から赤外線が出力されていないときの増幅器の出力が基準値になるように可変抵抗の抵抗値を制御するように設定されているので、可変抵抗の抵抗値を制御するだけで簡単に増幅器のオフセットを基準値に一定にすることができる。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、オフセットキャンセル手段が、光源から赤外線が出力されていないときの増幅器の出力が基準値になるように基準電圧を制御する。これにより、増幅器のオフセットを基準値に一定にすることができるため、増幅器の増幅率を大きく設定することができる。そして、増幅器の出力の変化率を大きくでき、ファンを使用しなくても検出精度の向上を図ることができる。
【００１４】
請求項４記載の発明によれば、オフセットキャンセル手段が、光源から赤外線が出力されていないときの増幅器の出力が基準値になるように可変抵抗の抵抗値を制御するように設定されているので、可変抵抗の抵抗値を制御するだけで簡単に増幅器のオフセットを基準値に一定にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
第１実施形態
以下、本発明に係る赤外線検出装置を組み込んだガス濃度測定装置１を、図１乃至図８に基づいて説明する。ガス濃度測定装置１は、図１及び図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、濃度演算回路３と、光源駆動回路５と、を備えている。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
図示例では、受光ユニット８には、二酸化炭素（ＣＯ2）受光器１２ａ、基準受光器１２ｂの２つが設けられている。ＣＯ2受光器１２ａは、サーモパイル１４ａと、フィルタ１５ａと、を備えている。基準受光器１２ｂは、サーモパイル１４ｂと、フィルタ１５ｂと、を備えている。サーモパイル１４ａ、１４ｂは、ユニット本体１１に取り付けられている。また、サーモパイル１４ａ、１４ｂは、同一平面上に配置されている。サーモパイル１４ａ、１４ｂは、光源７が発しかつフィルタ１５ａ、１５ｂを透過した赤外線の熱エネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力を発生する。サーモパイル１４ａ、１４ｂは、起電力を濃度演算回路３に出力する。
【００２０】
フィルタ１５ａ、１５ｂは、ユニット本体１１に取り付けられて、サーモパイル１４ａ、１４ｂと光源７との間に配置されている。フィルタ１５ａ、１５ｂは、同一平面上に配置されている。フィルタ１５ａ、１５ｂ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サーモパイル１４ａ、１４ｂまで導く。フィルタ１５ａ、１５ｂは、互いに透過する赤外線の波長が異なる。
【００２１】
フィルタ１５ａ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、フィルタ１５ａ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１２ａは、図５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１５ａがＣＯ2の吸収波長帯である４．３μｍの赤外線のみを透過する。
【００２２】
また、図示例では、基準受光器１２ｂは、基準として用いられ、そのフィルタ１５ｂが大気中で全く吸収されない非吸収波長帯（４．０μｍ）の赤外線のみを透過する。なお、図５は、ＣＯ2に対する赤外線の透過率を示しており、図５中の横軸は赤外線の波長（μｍ）を示し、図５中の縦軸は赤外線の透過率（％）を示している。図５によれば、波長が４．３μｍの赤外線のＣＯ2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、ＣＯ2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。
【００２３】
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１５ａ、１５ｂつまりサーモパイル１４ａ、１４ｂ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サーモパイル１４ａ、１４ｂ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。
【００２４】
濃度演算回路３は、図２に示すように、固定抵抗Ｒ１と、可変抵抗ＤＰ１と、演算増幅器Ａ１、Ａ２と、マルチプレクサ（以下ＭＵＸ）３１と、Ａ／Ｄ変換器３２と、μＣＯＭ３３と、を備えている。上記固定抵抗Ｒ１及び可変抵抗ＤＰ１は、電源電圧Ｖｃｃ（所定電圧）を分圧する分圧抵抗として働き、電源電圧Ｖｃｃ−グランド間に直列接続されている。上記可変抵抗ＤＰ１は、後述するμＣＯＭ３３によってその抵抗値が制御される。上記固定抵抗Ｒ１及び可変抵抗ＤＰ１の接続点は、サーモパイル１４ａ、１４ｂのマイナス側に接続されている。これにより、サーモパイル１４ａのプラス側電圧Ｖａは、下記の式（１）に示すように、サーモパイル１４ａに生じる起電力Ｅａに電源電圧Ｖｃｃを固定抵抗Ｒ１、可変抵抗ＤＰ１で分圧した分圧Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１）を加算した値となる。
Ｖａ＝Ｅａ＋Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１） …（１）
【００２５】
同様に、サーモパイル１４ｂのプラス側電圧Ｖｂは、下記の式（２）に示すように、サーモパイル１４ｂに生じる起電力Ｅｂに電源電圧Ｖｃｃを固定抵抗Ｒ１、可変抵抗ＤＰ１で分圧した分圧Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１）を加算した値となる。
Ｖｂ＝Ｅｂ＋Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１） …（２）
以上のことから明らかなように、電源電圧Ｖｃｃ、固定抵抗Ｒ１、可変抵抗ＤＰ１が請求項中の加算手段に相当する。
【００２６】
演算増幅器Ａ１には、＋入力端にプラス側電圧Ｖａが供給されると共に、−入力端がグランドに接地されている。演算増幅器Ａ１は、下記の式（３）に示すように、プラス側電圧Ｖａを増幅率Ｇ１で増幅した出力ＶＡをＭＵＸ３１に対して出力する。
ＶＡ＝Ｇ１×Ｖａ
＝Ｇ１×｛Ｅａ＋Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１）｝ …（３）
【００２７】
演算増幅器Ａ２には、＋入力端にプラス側電圧Ｖｂが供給されると共に、−入力端がグランドに接地されている。演算増幅器Ａ２は、下記の式（４）に示すように、プラス側電圧Ｖｂを演算増幅率Ａ２の増幅率Ｇ１と等しい増幅率Ｇ１で増幅した出力ＶＢをＭＵＸ３１に対して出力する。
ＶＢ＝Ｇ１×Ｖｂ
＝Ｇ１×｛Ｅｂ＋Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１）｝ …（４）
【００２８】
なお、上記演算増幅器Ａ１、Ａ２の増幅率Ｇ１は、基準温度例えば２０℃において出力ＶＡ、ＶＢがＡ／Ｄ変換器３２の変換範囲を超えないような値に設定されている。
【００２９】
ＭＵＸ３１は、演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢのうちμＣＯＭ３３によって選択された一つをＡ／Ｄ変換器３２に対して出力する。Ａ／Ｄ変換器３２は、出力ＶＡ、ＶＢをデジタル値に変換した後にμＣＯＭ３３に対して出力する。μＣＯＭ３３は、処理プログラムに従って各種の処理を行う中央演算処理ユニット（以下、ＣＰＵ）３３ａ、ＣＰＵ３３ａが行う処理のプログラムなどを格納した読出専用のメモリであるＲＯＭ３３ｂ、及び、ＣＰＵ３３ａでの各種の処理過程で利用するワークエリア、各種データを格納するデータ記憶エリアなどを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ３３ｃ、を有し、これらがバスラインによって接続されている。光源駆動回路５は、μＣＯＭ３３によって制御されていて、パルス状の駆動電圧を光源７に印加して、光源７を点滅させる。
【００３０】
上述した構成のガス濃度測定装置１の動作について、図６及び図７に基づいて説明する。まず、ガス濃度測定装置１の電源がオンすると、ＣＰＵ３３ａは処理を開始する。まず、ＣＰＵ３３ａは、光源７のオフ期間ＴOFF（図７（Ａ））が経過するのを待って（ステップＳ１でＹ）、出力ＶＡ、ＶＢの何れか一方のデジタル値をオフセット電圧ＶOFFSETとしてＡ／Ｄ変換器３２から取り込む（ステップＳ２）。このように光源７がオフ、即ち赤外線が出力されていないときの出力ＶＡ、ＶＢであるオフセット電圧ＶOFFSETは、赤外線の強さやガス濃度に影響されず、外気温度に影響された出力となる。なお、光源７がオフの間は出力ＶＡ＝ＶＢとなり、オフセット電圧ＶOFFSETとしては出力ＶＡ、ＶＢの何れでも良い。
【００３１】
その後、ＣＰＵ３３ａは、オフセットキャンセル手段として働き、取り込んだオフセット電圧ＶOFFSETと予め定めた基準値Ｖｒｅｆとを比較して、図７（Ｂ）に示すように、オフセット電圧ＶOFFSETが基準値Ｖｒｅｆと等しくなるように可変抵抗ＤＰ１の抵抗値を調整する（ステップＳ３）。例えば、オフセット電圧ＶOFFSETが基準値Ｖｒｅｆより小さければ、可変抵抗ＤＰ１を大きくして起電力Ｅａ又はＥｂに加算する分圧Ｖｃｃ×ＤＰ１／（ＤＰ１＋Ｒ１）を大きくする。これにより、オフセット電圧ＶOFFSETを大きくして、基準値Ｖｒｅｆに近づける。逆に、オフセット電圧ＶOFFSETが基準値Ｖｒｅｆより大きければ、可変抵抗ＤＰ１を小さくして起電力Ｅａ又はＥｂに加算する分圧Ｖｃｃ×ＤＰ１／（ＤＰ１＋Ｒ１）を小さくする。これにより、オフセット電圧ＶOFFSETを小さくして、基準値Ｖｒｅｆに近づける。なお、上記基準値Ｖｒｅｆは、基準温度、例えば２０℃のときのオフセット電圧ＶOFFSETを予め計測してその測定した値に設定する。
【００３２】
その後、ＣＰＵ３３ａは、光源駆動回路５を制御して光源７に駆動電圧を供給して光源７をオンする（ステップＳ４）。次に、ＣＰＵ３３ａは、所定のオン期間ＴON（図７（Ａ））が経過するのを待って（ステップＳ５でＹ）、演算増幅器Ａ１の出力ＶＡをＡ／Ｄ変換器３２に出力するようにＭＵＸ３１を制御した後に（ステップＳ６）、Ａ／Ｄ変換器３２から出力された出力ＶＡのデジタル値をセンサ出力として取り込む（ステップ７）。このように光源７がオン、即ち赤外線が出力されているときの出力ＶＡであるセンサ出力は、赤外線の強さ、ガス濃度、外気温度に影響された出力となる。
【００３３】
次に、演算増幅器Ａ２の出力ＶＢをＡ／Ｄ変換器３２に出力するようにＭＵＸ３１を制御した後に（ステップＳ８）、Ａ／Ｄ変換器３２から出力された出力ＶＢのデジタル値を基準出力として取り込む（ステップＳ９）。このように光源７がオンのときの出力ＶＢである基準出力は、ガス濃度に影響されず、赤外線の強さ、外気温度に影響された出力となる。その後、ＣＰＵ３３ａは、光源駆動回路５を制御して光源７をオフする（ステップＳ１０）。次に、ＣＰＵ３３ａは、基準出力に基づいてセンサ出力から光源７から発生する赤外線の強さの変動や外気温度の変動に起因する変動分をキャンセルして、ガス濃度を演算した後に（ステップＳ１１）、ステップＳ１に戻る。
【００３４】
上述したようにＣＰＵ３３ａが、オフセットキャンセル手段として働き、光源７から赤外線が出力されていないときの演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢであるオフセット電圧ＶOFFSETが基準値Ｖｒｅｆになるように起電力Ｅａ、Ｅｂに加算する分圧Ｖｃｃ×ＤＰ１／（Ｒ１＋ＤＰ１）を制御する。これにより、演算増幅器Ａ１、Ａ２のオフセット電圧ＶOFFSETを基準値Ｖｒｅｆに一定にすることができるため、演算増幅器Ａ１、Ａ２の増幅率Ｇ１を大きく設定することができる。つまり、本発明においては、基準値Ｖｒｅｆのオフセット電圧ＶOFFSETが発生したときに出力ＶＡ、ＶＢがＡ／Ｄ変換器３２の変換範囲を超えないように演算増幅器Ａ１、Ａ２の増幅率を決定すればよく、従来のように使用温度範囲において最も大きいオフセット電圧ＶOFFSETが発生したときに出力ＶＡ、ＶＢがＡ／Ｄ変換器３２の変換範囲を超えないように演算増幅器Ａ１、Ａ２の増幅率を決定する必要がなくなった。そして、演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢの変化率を大きくでき、ファンを使用しなくても検出精度の向上を図ることができる。
【００３５】
また、ＣＰＵ３３ａが、光源７から赤外線が出力されていないときの演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢであるオフセット電圧ＶOFFSETが基準値Ｖｒｅｆになるように可変抵抗ＤＰ１の抵抗値を制御するように設定されているので、可変抵抗ＤＰ１の抵抗値を制御するだけで簡単に演算増幅器Ａ１、Ａ２のオフセット電圧ＶOFFSETを基準値Ｖｒｅｆに一定にすることができる。
【００３６】
なお、上述した第１実施形態では、サーモパイル１４ａ、１４ｂに共通の固定抵抗Ｒ１と可変抵抗ＤＰ１との接続点を接続していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、図８に示すように、サーモパイル１４ａ用の固定抵抗Ｒ１１、可変抵抗ＤＰ１１を設けると共にサーモパイル１４ｂ用の固定抵抗Ｒ１２、可変抵抗ＤＰ１２を設けて、μＣＯＭ３３によって、サーモパイル１４ａ、１４ｂのマイナス側に供給する電圧を可変抵抗ＤＰ１１、ＤＰ１２によってそれぞれ別々に制御できるようにしてもよい。
【００３７】
第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態と第１実施形態とで大きく異なる点は濃度演算回路３の構成である。図９に示すように、濃度演算回路３は、固定抵抗Ｒ２、Ｒ３と、固定抵抗Ｒ４と、可変抵抗ＤＰ２１と、固定抵抗Ｒ５と、可変抵抗ＤＰ２２と、第１実施形態と同様に、演算増幅器Ａ１、Ａ２と、ＭＵＸ３１と、Ａ／Ｄ変換器３２と、μＣＯＭ３３と、を備えている。固定抵抗Ｒ２、Ｒ３は電源電圧Ｖｃｃを分圧する分圧抵抗として働き、電源電圧Ｖｃｃ−グランド間に直列に接続されている。上記固定抵抗Ｒ２及び固定抵抗Ｒ３の接続点は、サーモパイル１４ａ、１４ｂのマイナス側に接続されている。これにより、サーモパイル１４ａのプラス側電圧Ｖａは、下記の式（５）に示すように、サーモパイル１４ａに生じる起電力Ｅａに電源電圧Ｖｃｃを固定抵抗Ｒ２、Ｒ３で分圧した分圧Ｖｃｃ×Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）を加算した値となる。
Ｖａ＝Ｅａ＋Ｖｃｃ×Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３） …（５）
上記プラス側電圧Ｖａは、演算増幅器Ａ１に入力される。
【００３８】
同様に、サーモパイル１４ｂのプラス側電圧Ｖｂは、下記の式（６）に示すように、サーモパイル１４ｂに生じる起電力Ｅｂに電源電圧Ｖｃｃを固定抵抗Ｒ２、Ｒ３で分圧した分圧Ｖｃｃ×Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）を加算した値となる。
Ｖｂ＝Ｅｂ×Ｖｃｃ×Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３） …（６）
上記プラス側電圧Ｖｂは、演算増幅器Ａ２に入力される。
【００３９】
固定抵抗Ｒ４と可変抵抗ＤＰ２１とは、電源電圧Ｖｃｃを分圧する分圧抵抗として働き、電源電圧Ｖｃｃ−グランド間に直列接続されている。上記可変抵抗ＤＰ２１は、μＣＯＭ３３によってその抵抗値が制御される。上記固定抵抗Ｒ４及び可変抵抗ＤＰ２１の接続点は、演算増幅器Ａ１の−入力端に供給される。これにより、演算増幅器Ａ１の−入力端には、下記の式（７）に示す基準電圧Ｖｒｅｆａが供給される。
Ｖｒｅｆａ＝Ｖｃｃ×ＤＰ２１／（Ｒ４＋ＤＰ２１） …（７）
そして、演算増幅器Ａ１の出力ＶＡは、下記の式（８）に示すように、サーモパイル１４ａのプラス側電圧Ｖａと基準電圧Ｖｒｅｆａとの差分を増幅率Ｇ２で増幅した電圧となる。
ＶＡ＝Ｇ２（Ｖａ−Ｖｒｅｆａ） …（８）
【００４０】
また、固定抵抗Ｒ５と可変抵抗ＤＰ２２とは、電源電圧Ｖｃｃを分圧する分圧抵抗として働き、電源電圧Ｖｃｃ−グランド間に直列接続されている。上記可変抵抗ＤＰ２２は、後述するμＣＯＭ３３によってその抵抗値が制御される。上記固定抵抗Ｒ５及び可変抵抗ＤＰ２２の接続点は、演算増幅器Ａ２のマイナス入力端に供給される。これにより、演算増幅器Ａ２のマイナス入力端には、下記の式（９）に示す基準電圧Ｖｒｅｆｂが供給される。
Ｖｒｅｆｂ＝Ｖｃｃ×ＤＰ２２／（Ｒ５＋ＤＰ２２） …（９）
そして、演算増幅器Ａ２の出力ＶＢは、下記の式（１０）に示すように、サーモパイル１４ｂのプラス側電圧Ｖｂと基準電圧Ｖｒｅｆｂとの差分を増幅率Ｇ２で増幅した電圧を出力する。
ＶＢ＝Ｇ２（Ｖｂ−Ｖｒｅｆｂ） …（１０）
【００４１】
以上のことから明らかなように、電源電圧Ｖｃｃ、固定抵抗Ｒ４、可変抵抗ＤＰ２１が請求項中の基準電圧発生手段を構成し、電源電圧Ｖｃｃ、固定抵抗Ｒ５、可変抵抗ＤＰ２２が請求項中の基準電圧発生手段を構成する。
【００４２】
なお、上記演算増幅器Ａ１、Ａ２の増幅率Ｇ２は、第１実施形態と同様に、基準温度例えば２０℃において出力ＶＡ、ＶＢがＡ／Ｄ変換器３２の変換範囲を超えないような値に設定されている。
【００４３】
上記濃度演算回路３を構成するＭＵＸ３１、Ａ／Ｄ変換器３２、及び、μＣＯＭ３３と、上記濃度演算回路３以外の部分は、第１実施形態と同様のため、その詳細な説明は省略する。上記構成のガス濃度測定装置１の動作について図６のフローチャートを参照して以下説明する。第２実施形態において、ＣＰＵ３３ａは、第１実施形態と同様にステップＳ１を行う。続く、ステップＳ２においてＣＰＵ３３ａは、ＭＵＸ３１を制御して、演算増幅器Ａ１の出力ＶＡのデジタル値をオフセット電圧ＶOFFSETAとして、演算増幅器Ａ２の出力ＶＢのデジタル値をオフセット電圧ＶOFFSETBとして順次取り込む。その後、ステップＳ３において、ＣＰＵ３３ａは、オフセットキャンセル手段として働き、オフセット電圧ＶOFFSETAと予め定めた基準値Ｖｒｅｆとを比較して、オフセット電圧ＶOFFSETAが基準値Ｖｒｅｆと等しくなるように可変抵抗ＤＰ２１の抵抗値を制御する。同時に、ＣＰＵ３３ａは、オフセット電圧ＶOFFSETBと予め定めた基準値Ｖｒｅｆとを比較して、オフセット電圧ＶOFFSETBが基準Ｖｒｅｆと等しくなるように可変抵抗ＤＰ２２の抵抗値を制御する。基準値Ｖｒｅｆも第１実施形態と同様に基準温度例えば２０℃のときのオフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBの何れかを予め測定してその測定した値に設定する。
【００４４】
ステップ３において、ＣＰＵ３３ａは、オフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBが基準値Ｖｒｅｆより大きければ、可変抵抗ＤＰ２１、ＤＰ２２を大きくして、基準電圧Ｖｒｅｆａ、Ｖｒｅｆｂを大きくする。これにより、オフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBが小さくなり基準値Ｖｒｅｆに近づく。逆に、オフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBが基準値Ｖｒｅｆより小さければ、可変抵抗ＤＰ２１、ＤＰ２２を小さくして、基準電圧Ｖｒｅｆａ、Ｖｒｅｆｂを小さくする。これにより、オフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBが大きくなり基準値Ｖｒｅｆに近づく。その後、ＣＰＵ３３ａは、第１実施形態と同様にステップＳ４〜Ｓ１１の処理を行う。
【００４５】
上述したように、ＣＰＵ３３ａが、光源７から赤外線が出力されていないときの演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢが基準値Ｖｒｅｆになるように基準電圧Ｖｒｅｆａ、Ｖｒｅｆｂを制御する。これにより、第１実施形態と同様に、演算増幅器Ａ１、Ａ２のオフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBを基準値Ｖｒｅｆに一定にすることができるため、演算増幅器Ａ１、Ａ２の増幅率Ｇ２を大きく設定することができる。そして、演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢの変化率を大きくでき、ファンを使用しなくても検出精度の向上を図ることができる。
【００４６】
また、ＣＰＵ３３ａが、光源７から赤外線が出力されていないときの演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力ＶＡ、ＶＢが基準値Ｖｒｅｆになるように可変抵抗ＤＰ２１、ＤＰ２２の抵抗値を制御するように設定されているので、可変抵抗ＤＰ２１、ＤＰ２２の抵抗値を制御するだけで簡単に演算増幅器Ａ１、Ａ２のオフセット電圧ＶOFFSETA、ＶOFFSETBを基準値Ｖｒｅｆに一定にすることができる。
【００４７】
なお、上述した第１及び第２実施形態では、吸収波長帯である波長４．３μｍの赤外線を受光するサーモパイル１４ａと、非吸収波長帯である波長４．０μｍの赤外線を受光するサーモパイル１４ｂと、を設けていたが、本発明はこれに限ったものではない。検出精度的に問題がなければ、非吸収波長帯である波長４．０μｍの赤外線を受光するサーモパイル１４ｂについては設けなくても良い。
【００４８】
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】
【００４９】
【図１】本発明に係る赤外線検出装置を組み込んだガス濃度測定装置の気体サンプル室の構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】第１実施形態における赤外線検出装置を組み込んだガス濃度測定装置の濃度演算回路を示す回路図である。
【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】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。
【図６】図２に示すＣＰＵの処理手順を示すフローチャートである。
【図７】（Ａ）は光源のオンオフを示すタイムチャートであり、（Ｂ）出力ＶＡ及びＶＢのタイムチャートである。
【図８】他の実施形態における濃度演算回路を示す回路図である。
【図９】第２実施形態における濃度演算回路を示す回路図である。
【符号の説明】
【００５０】
７ 光源
１４ａ サーモパイル
１４ｂ サーモパイル
３３ａ ＣＰＵ（オフセットキャンセル手段）
Ａ１ 演算増幅器（増幅器）
Ａ２ 演算増幅器（増幅器）
ＤＰ１ 可変抵抗（加算手段、分圧抵抗）
ＤＰ１１ 可変抵抗（加算手段、分圧抵抗）
ＤＰ１２ 可変抵抗（加算手段、分圧抵抗）
ＤＰ２１ 可変抵抗（基準電圧発生手段、分圧抵抗）
ＤＰ２２ 可変抵抗（基準電圧発生手段、分圧抵抗）
Ｒ１ 固定抵抗（加算手段、分圧抵抗）
Ｒ１１ 固定抵抗（加算手段、分圧抵抗）
Ｒ１２ 固定抵抗（加算手段、分圧抵抗）
Ｒ４ 固定抵抗（基準電圧発生手段、分圧抵抗）
Ｒ５ 固定抵抗（基準電圧発生手段、分圧抵抗）
ＶＡ 出力（増幅器の出力）
ＶＢ 出力（増幅器の出力）
Ｖｒｅｆ 基準値
Ｖｒｅｆａ 基準電圧
Ｖｒｅｆｂ 基準電圧
Ｖｃｃ 電源電圧（所定電圧、加算手段、基準電圧発生手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を出力する光源と、前記赤外線のエネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力を発生するサーモパイルと、前記起電力に加算電圧を加算する加算手段と、前記加算電圧が加算された前記起電力を増幅する増幅器と、を有する赤外線検出装置において、
前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように、前記加算電圧を制御するオフセットキャンセル手段が設けられている
ことを特徴とする赤外線検出装置。
【請求項２】
前記加算手段が、所定電圧を分圧する複数の分圧抵抗で構成され、
前記複数の分圧抵抗が、前記分圧を前記サーモパイルのマイナス側に供給することにより前記起電力に前記分圧を加算するように構成され、
前記複数の分圧抵抗の少なくとも一つが可変抵抗で構成され、そして、
前記オフセットキャンセル手段が、前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように前記可変抵抗の抵抗値を制御するように設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出装置。
【請求項３】
赤外線を出力する光源と、前記赤外線のエネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力を発生するサーモパイルと、基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記起電力又は前記起電力に応じた値と前記基準電圧との差分を増幅する増幅器と、を有する赤外線検出装置において、
前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように前記基準電圧を制御するオフセットキャンセル手段が設けられている
ことを特徴とする赤外線検出装置。
【請求項４】
前記基準電圧発生手段が、所定電圧を分圧して当該分圧を基準電圧として出力する複数の分圧抵抗で構成され、
前記複数の分圧抵抗の少なくとも一つが可変抵抗で構成され、そして、
前記オフセットキャンセル手段が、前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように前記可変抵抗の抵抗値を制御するように設定されている
ことを特徴とする請求項３に記載の赤外線検出装置。
【請求項１】
赤外線を出力する光源と、前記赤外線のエネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力を発生するサーモパイルと、前記起電力に加算電圧を加算する加算手段と、前記加算電圧が加算された前記起電力を増幅する増幅器と、を有する赤外線検出装置において、
前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように、前記加算電圧を制御するオフセットキャンセル手段が設けられている
ことを特徴とする赤外線検出装置。
【請求項２】
前記加算手段が、所定電圧を分圧する複数の分圧抵抗で構成され、
前記複数の分圧抵抗が、前記分圧を前記サーモパイルのマイナス側に供給することにより前記起電力に前記分圧を加算するように構成され、
前記複数の分圧抵抗の少なくとも一つが可変抵抗で構成され、そして、
前記オフセットキャンセル手段が、前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように前記可変抵抗の抵抗値を制御するように設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出装置。
【請求項３】
赤外線を出力する光源と、前記赤外線のエネルギによって上昇する周囲温度に応じた起電力を発生するサーモパイルと、基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記起電力又は前記起電力に応じた値と前記基準電圧との差分を増幅する増幅器と、を有する赤外線検出装置において、
前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように前記基準電圧を制御するオフセットキャンセル手段が設けられている
ことを特徴とする赤外線検出装置。
【請求項４】
前記基準電圧発生手段が、所定電圧を分圧して当該分圧を基準電圧として出力する複数の分圧抵抗で構成され、
前記複数の分圧抵抗の少なくとも一つが可変抵抗で構成され、そして、
前記オフセットキャンセル手段が、前記光源から前記赤外線が出力されていないときの前記増幅器の出力が基準値になるように前記可変抵抗の抵抗値を制御するように設定されている
ことを特徴とする請求項３に記載の赤外線検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１０９３４４（Ｐ２００９−１０９３４４Ａ）
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８１９２９（Ｐ２００７−２８１９２９）
【出願日】平成１９年１０月３０日（２００７．１０．３０）
【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２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月３０日（２００７．１０．３０）
【出願人】（０００００６８９５）矢崎総業株式会社 (7,019)
【Ｆターム（参考）】
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