(57)【要約】【課題】ベースガスによる校正が不要な濃度測定装置を得る。【解決手段】本濃度検出装置１０では、チョッパー型ミラー２４が一定速度で回転すると、開状態と閉状態とが所定の周期で切り替わる。ここで、開状態の間で光路上を通る赤外光Ａがガスセル１６を通過する回数と、開状態から閉状態に切り替わる直前にチョッパー型ミラー２４を通過して閉状態から開状態に切り替わった直後にチョッパー型ミラー２４を通過した赤外光Ａがガスセル１６を通過する回数とで異なる。このガスセル１６の通過回数が異なる赤外光Ａの各々の光強度に基づいてガスセル１６内の測定ガスの濃度を演算する。【選択図】図１
2020193960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
内側に気体が供給されると共に前記光源から発せられた光が通過する容器と、
前記光が入射されることによって前記光の光強度を検出する光強度検出手段と、
前記光の光路に設けられて、開状態では、前記光源にて発せられた前記光が通過して前記光を前記容器へ向かわせると共に、前記容器を通過した前記光が通過して前記光を前記光強度検出手段へ向かわせ、閉状態では、前記容器を含んだ閉光路を形成し、前記容器を通過した前記光を反射して前記閉光路内で前記光を往復又は周回させると共に、前記光源にて発せられた前記光を遮断して前記光が前記閉光路に入ることを阻止する開閉手段と、
前記光強度検出手段に入射される前記光の前記容器の通過回数を演算すると共に、前記容器をＮ回通過して前記光強度検出手段に入射された前記光の光強度をＩＮとし、前記容器をＭ（但し、Ｍ≠Ｎ）回通過して前記光強度検出手段に入射された前記光の光強度をＩＭとし、前記気体のモル吸光係数をεとし、前記開閉手段での前記光の反射率をＲとし、前記容器内の前記気体内における前記光の光路長をＬとした場合、以下の式（１）を満足する気体濃度ｃを演算する演算手段と、
【数１】
2020193960.tif 000016
を備える濃度測定装置。
【請求項２】
前記開閉手段は、回転可能とされ、回転速度に応じた周期で前記開状態と前記閉状態とを交互に発生させる回転鏡を含む請求項１に記載の濃度測定装置。
【請求項３】
前記回転鏡の一定速度の回転による前記開状態及び前記閉状態の発生周期は、一定とされ、１周期内での前記閉状態の時間は、前記回転鏡の一定速度の回転状態で一定とされる請求項２に記載の濃度測定装置。
【請求項４】
前記開状態では、前記光源から発せられて前記開閉手段を通過した前記光が前記容器を一定回数通過して前記光強度検出手段に入射される請求項１から請求項３の何れか１項に記載の濃度測定装置。
【請求項５】
前記回転鏡は、回転可能とされ、１回転で複数の前記開状態を発生させると共に、前記開状態の間で発生される複数の前記閉状態の時間が異なる請求項２に記載の濃度測定装置。
【請求項６】
前記演算手段は、時間が異なる複数の前記閉状態での前記光強度に基づいて前記気体濃度ｃを演算する請求項５に記載の濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体の濃度を測定するための濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスの濃度を測定するための濃度測定装置の一例が下記特許文献１に開示されている。この種の濃度測定装置は、ガスセルを備えており、ガスセルには、測定対象である測定ガスが供給されて封入される。この状態でガスセル内の測定ガスに干渉光、例えば、赤外光が照射され、ガスセルから出た干渉光の光強度が検出される。この光強度に基づいて、測定ガスの濃度が演算される。
【０００３】
ところで、この種の濃度測定装置では、測定ガスの濃度を測定する前に、アルゴンや窒素等の干渉光（赤外光）を吸収しないベースガスがガスセルに供給され、この状態でガスセルを通過した光の強度が検出される。濃度測定装置は、ベースガスが供給されたガスセルを通過した光の強度の検出結果に基づいて校正される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２７０３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮して、ベースガスによる校正が不要な濃度測定装置を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第一態様の濃度測定装置は、光源と、内側に気体が供給されると共に前記光源から発せられた光が通過する容器と、前記光が入射されることによって前記光の光強度を検出する光強度検出手段と、前記光の光路に設けられて、開状態では、前記光源にて発せられた前記光が通過して前記光を前記容器へ向かわせると共に、前記容器を通過した前記光が通過して前記光を前記光強度検出手段へ向かわせ、閉状態では、前記容器を含んだ閉光路を形成し、前記容器を通過した前記光を反射して前記閉光路内で前記光を往復又は周回させると共に、前記光源にて発せられた前記光を遮断して前記光が前記閉光路に入ることを阻止する開閉手段と、前記光強度検出手段に入射される前記光の前記容器の通過回数を演算すると共に、前記容器をＮ回通過して前記光強度検出手段に入射された前記光の光強度をＩＮとし、前記容器をＭ（但し、Ｍ≠Ｎ）回通過して前記光強度検出手段に入射された前記光の光強度をＩＭとし、前記気体のモル吸光係数をεとし、前記開閉手段での前記光の反射率をＲとし、前記容器内の前記気体内における前記光の光路長をＬとした場合、以下の式（１）を満足する気体濃度ｃを演算する演算手段と、
【０００７】
【数１】
2020193960.tif 000003
を備える。
【０００８】
第一態様の濃度測定装置では、開閉手段の開状態で気体が供給された状態の容器を含んだ光路内に光源にて発せられた光が入ると、光は、開閉手段及び容器を通過する。また、光が光路内に入った状態で開閉手段が閉状態にされると、容器を含んだ閉光路が形成される。このため、開閉手段の閉状態では、光が閉光路内を往復又は周回する。このように、光が閉光路内を往復又は周回すると、往復回数の２倍、又は、周回回数だけ光が容器を通過する。
【０００９】
開閉手段が閉状態から開状態に切り替わると、閉光路が解消され、容器を通過した光路内の光は、光強度検出手段へ入射される。このように、光が光強度検出手段へ入射されると、光の光強度が光強度検出手段によって検出される。
【００１０】
したがって、開閉手段の開状態と閉状態とを切り替え、又は、開閉手段の閉状態の時間的な長さを変えることによって光が容器を通過する回数を変えることができ、演算手段では、光強度検出手段に入射される光の容器の通過回数が演算される。
【００１１】
ここで、容器の通過回数がＮ回の光の光強度をＩＮ、容器の通過回数がＭ（但し、Ｎ≠Ｍ）回の光の光強度をＩＭとすると、ランベルト・ベールの法則から光強度ＩＮ及び光強度ＩＭは、それぞれ以下の式（２）、式（３）で示される。なお、以下の式において、Ｉ０は、容器に入射される前の光の光強度、εは、気体のモル吸光係数、ｃは、気体の濃度、Ｌは、気体内における光の光路長（すなわち、容器内における光軸方向の長さ）である。
【００１２】
【数２】
2020193960.tif 000004
【００１３】
【数３】
2020193960.tif 000005
【００１４】
したがって、これらの式（２）及び式（３）から以下の式（１）を得ることができる。
【００１５】
【数４】
2020193960.tif 000006
【００１６】
ここで、演算手段では、この式（１）に基づいて気体の濃度ｃが演算される。これによって、本濃度測定装置では、気体の濃度が測定される際に、光源から発せられた光を吸収しないベースガスを容器に供給し、この状態で容器を通過した光の強度の検出結果に基づいた校正作業が不要になる。
【００１７】
第二態様の濃度測定装置は、第一態様の濃度測定装置において、前記開閉手段は、回転可能とされ、回転速度に応じた周期で前記開状態と前記閉状態とを交互に発生させる回転鏡を含む。
【００１８】
第二態様の濃度測定装置によれば、開閉手段が回転されると、開閉手段の回転速度に応じた周期で開状態と閉状態とが交互に発生される。したがって、開閉手段を回転させるだけで開状態と閉状態とを切り替えることができる。
【００１９】
第三態様の濃度測定装置は、第二態様の濃度測定装置において、前記回転鏡の一定速度の回転による前記開状態及び前記閉状態の発生周期は、一定とされ、１周期内での前記閉状態の時間は、前記回転鏡の一定速度の回転状態で一定とされる。
【００２０】
第三態様の濃度測定装置によれば、開閉手段の一定速度で回転されると開状態と閉状態とが一定の周期で発生される。しかも、この状態では、１周期内での閉状態の時間の時間的長さは、一定とされる。したがって、閉状態の時間が決まることで、光の容器の通過回数や、閉状態での容器内での光の光路長を容易に得ることができる。
【００２１】
第四態様の濃度測定装置は、第一〜第三の何れか１つの態様の濃度測定装置において、前記開状態では、前記光源から発せられて前記開閉手段を通過した前記光が前記容器を一定回数通過して前記光強度検出手段に入射される。
【００２２】
第四態様の濃度測定装置によれば、開閉手段の開状態では、光源から発せられて開閉手段を通過した光が、容器を一定回数通過して光強度検出手段に入射される。この開状態の間に光源から発せられて光強度検出手段に入射された光の光強度と、開閉手段が閉状態になることによって形成された閉光路を往復又は周回されて開閉手段が開状態になることで光強度検出手段に入射された光の光強度とから気体の濃度を演算手段によって演算できる。
【００２３】
第五態様の濃度測定装置は、第二態様の濃度測定装置において、前記回転鏡は、回転可能とされ、１回転で複数の前記開状態を発生させると共に、前記開状態の間で発生される複数の前記閉状態の時間が異なる。
【００２４】
第五態様の濃度測定装置によれば、回転鏡の１回転で複数の開状態が発生し、開状態の間で複数の閉状態が発生する。そして、複数の閉状態の時間が異なる。これにより、光が容器を通過する通過回数や、閉状態での容器内での光の光路長として、異なる値を得ることができ、光強度検出手段で検出される光強度としても、複数種類の光強度を検出できる。容器内の気体の濃度に応じて、光の通過回数や光路長として適切な値とすることで、気体の濃度による影響を少なくして、高精度に測定可能な濃度レンジを拡大できる。
【００２５】
第六態様の濃度測定装置は、第五態様の濃度測定装置において、前記演算手段は、時間が異なる複数の前記閉状態での前記光強度に基づいて前記気体濃度ｃを演算する。
【００２６】
第六態様の濃度測定装置によれば、演算手段は、閉状態において光強度検出手段で検出された光強度に基づいて、気体濃度ｃを演算する。光強度は、時間が異なる複数の閉状態に応じて、複数種類存在する。これら複数種類の光強度から、ノイズの影響を少なく且つ高感度で検出される光強度を用いて気体濃度ｃを演算するので、より高精度で気体濃度を測定できる。
【発明の効果】
【００２７】
以上、説明したように、本発明に係る濃度測定装置では、ベースガスによる校正が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第一実施形態の濃度測定装置の構成の開状態を示す概略図である。
【図２】本発明の第一実施形態の濃度測定装置の構成の閉状態を示す図１に対応する概略図である。
【図３】制御装置と制御装置に接続される各要素の概略を示すブロック図である。
【図４】本発明の第一実施形態の濃度測定装置のチョッパー型ミラーの平面図である。
【図５】本発明の第一実施形態の濃度測定装置におけるガス濃度を測定するフローの一例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第二実施形態の濃度測定装置のチョッパー型ミラーの平面図である。
【図７】本発明の第一実施形態の濃度測定装置におけるガス濃度を測定するフローの一例を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第二実施形態のチョッパー型ミラーにおける開状態と閉状態の時間を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、図１から図５の各図に基づいて本発明の第一実施形態について説明する。
【００３０】
＜第一実施形態の構成＞
図１に示されるように、第一実施形態の濃度測定装置１０は、光源１２を備えている。光源１２からは、光としての赤外光Ａが発光される。光源１２における赤外光Ａの発光側には、反射鏡１４が設けられている。反射鏡１４の反射面は、光源１２側へ向けられている。光源１２から発光された赤外光Ａの入射光Ａ１が、反射鏡１４の反射面に入射されると、反射鏡１４の反射面によって反射光Ａ２として反射される。なお、図１及び図２では、入射光Ａ１の光軸と反射光Ａ２の光軸とが図１及び図２の紙面左右方向にずれている。しかしながら、これは、本実施形態を説明するために便宜上ずらしたものであり、実際には、入射光Ａ１の光軸と、反射光Ａ２の光軸とはずれていない。
【００３１】
また、光源１２と反射鏡１４との間には、容器としてのガスセル１６が設けられている。ガスセル１６において少なくとも光源１２側の部分及び反射鏡１４側の部分は、透明とされている。したがって、ガスセル１６の光源１２側及び反射鏡１４側の一方の側からガスセル１６に入射した赤外光Ａは、光源１２側及び反射鏡１４側の他方の側へガスセル１６を通過できる。ガスセル１６には、測定ガス供給部１８に接続されている。測定ガス供給部１８からは、ガス濃度の測定対象となる測定ガスがガスセル１６に供給される。
【００３２】
さらに、光源１２とガスセル１６との間にはビームスプリッタ２０が設けられている。ビームスプリッタ２０は、例えば、２つのプリズムを備えている。これらのプリズムは、光源１２と反射鏡１４との間における赤外光Ａの光軸の方向に対して直交する所定方向から見て直角三角形の三角柱状に形成されている。
【００３３】
また、これらのプリズムの一方は、直角三角形の斜辺を除いた２つの辺の一方に対応する面が、光源１２と反射鏡１４との間における赤外光Ａの光軸の方向に光源１２と対向するように配置されている。また、両プリズムにおいて直角三角形の斜辺部分の面は、互いに当接されている。このため、ビームスプリッタ２０は、反射鏡１４にて反射された赤外光Ａを、光源１２とビームスプリッタ２０との間における赤外光Ａの光軸に対して交差する所定の方向へ反射できる。
【００３４】
さらに、ビームスプリッタ２０にて所定の方向へ反射された赤外光Ａの光軸上には、光強度検出装置２２が設けられている。ビームスプリッタ２０によって反射された赤外光Ａの光強度が光強度検出装置２２によって検出される。
【００３５】
一方、ガスセル１６とビームスプリッタ２０との間には、チョッパー型ミラー２４が配置されている。本願における開閉手段は、このチョッパー型ミラー２４と、反射鏡１４及びビームスプリッタ２０を有する構成である。図４に示されるように、チョッパー型ミラー２４は、円板形状である。チョッパー型ミラー２４の中心軸線方向（厚さ方向）は、光源１２から反射鏡１４への赤外光Ａ（入射光Ａ１）の光軸方向とされている。また、チョッパー型ミラー２４において中心よりも半径方向外側部分が、赤外光Ａ（入射光Ａ１及び反射光Ａ２）の光軸を横切っている。
【００３６】
チョッパー型ミラー２４には、複数の光通過部２６が形成されている。光通過部２６は、チョッパー型ミラー２４の半径方向に長く、チョッパー型ミラー２４の厚さ方向に貫通したスリットである。光通過部２６は、チョッパー型ミラー２４の周方向に所定角度毎に形成されている。光通過部２６が赤外光Ａの光軸を横切った『開状態』では、赤外光Ａは、光通過部２６（すなわち、チョッパー型ミラー２４）を通過できる。
【００３７】
一方、チョッパー型ミラー２４の厚さ方向において反射鏡１４側の面は、鏡面であり、特に、チョッパー型ミラー２４の周方向に互いに隣り合う光通過部２６の間の部分は、光反射部２８である。光反射部２８が赤外光Ａの光軸を横切った『閉状態』では、光源１２にて発せられた赤外光Ａは、チョッパー型ミラー２４を通過できない。また、この状態で、反射鏡１４にて反射されてガスセル１６を通過した赤外光Ａは、光反射部２８によって反射されてガスセル１６へ向かう。したがって、この状態では、チョッパー型ミラー２４の光反射部２８と反射鏡１４との間で赤外光Ａが往復する。
【００３８】
さらに、本実施形態では、光通過部２６におけるチョッパー型ミラー２４の周方向長さと、光反射部２８におけるチョッパー型ミラー２４の周方向長さとが等しく設定されている。このため、チョッパー型ミラー２４が中心軸線周りに一定の速度で回転すると、光通過部２６と光反射部２８とが一定時間毎に交互に赤外光Ａの光軸を横切る（すなわち、一定の周期で開状態と閉状態とが切り替わる）。
【００３９】
図１に示されるように、チョッパー型ミラー２４の中心部分には、回転軸３０が設けられている。回転軸３０は、回転力供給手段としてのモータ３２の出力軸３４に直接又は出力軸３４の回転を増速又は減速して回転軸３０に伝える変速装置３６を介して間接的に接続されている。
【００４０】
図１及び図２に示されるように、モータ３２は、ドライバ３８へ電気的に接続されている。ドライバ３８は、電源４０へ電気的に接続されている。さらにドライバ３８は、制御装置４２へ電気的に接続されている。図３に示されるように、制御装置４２は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)４４、ＲＯＭ(Read Only Memory)４６、ＲＡＭ(Random Access Memory)４８を備えている。ドライバ３８及び制御装置４２は、回転数調整手段の一例である。また、制御装置４２は演算手段の一例である。
【００４１】
制御装置４２のＲＯＭ４６には、モータ制御プログラムが記憶されている。ＲＯＭ４６から読み出されたモータ制御プログラムは、制御装置４２のＲＡＭ４８に展開され、制御装置４２のＣＰＵ４４によって実行される。ＣＰＵ４４は、モータ制御プログラムを実行すると、モータ制御信号がＣＰＵ４４（すなわち、制御装置４２）から出力される。制御装置４２から出力されたモータ制御信号は、ドライバ３８に入力され、ドライバ３８は、入力されたモータ制御信号の信号レベル（例えば、電圧値）に基づいてモータ３２へ電力を供給し、又は、モータ３２への電力供給を停止する。
【００４２】
ドライバ３８によってモータ３２へ電力が供給されると、モータ３２が駆動されて出力軸３４が回転され、この出力軸３４の回転力が回転軸３０へ伝わることによってチョッパー型ミラー２４が回転される。モータ３２の出力軸３４とチョッパー型ミラー２４の回転軸３０との間の所定箇所には、回転速度検出手段としての回転数検出装置５０が設けられている。回転数検出装置５０は、電磁ピックアップ、近接センサ、渦電流変位センサ、光電センサ、レーザセンサ等のセンサをいずれか１種又は複数種有しており、モータ３２の出力軸３４の回転数（回転速度）を検出できる。また、回転数検出装置５０は、モータ３２の出力軸３４の回転数（回転速度）に応じたパルス信号である回転数検出信号を出力する。
【００４３】
回転数検出装置５０は、制御装置４２へ電気的に接続されている。回転数検出装置５０から出力された回転数検出信号は、制御装置４２のＣＰＵ４４へ入力される。制御装置４２では、入力された回転数検出信号に基づいてモータ３２の出力軸３４の実際の回転数と、モータ３２の出力軸３４の回転数の目標値とが比較され、モータ３２の出力軸３４の回転数が、目標値に成るように、モータ制御信号の信号レベルを増減する。
【００４４】
一方、制御装置４２は、光強度検出装置２２へ電気的に接続されている。光強度検出装置２２から出力された光強度検出信号が制御装置４２のＣＰＵ４４へ入力される。ここで、制御装置４２のＲＯＭ４６には、濃度演算プログラムが記憶されている。ＲＯＭ４６から読み出されて制御装置４２のＲＡＭ４８に展開された濃度演算プログラムは、制御装置４２のＣＰＵ４４によって実行される。ＣＰＵ４４が濃度演算プログラムを実行することによってガスセル１６内の測定ガスの濃度が演算される。
【００４５】
＜第一実施形態の作用、効果＞
第一実施形態の濃度測定装置１０では、測定ガス（気体）の濃度が測定される際に、制御装置４２のＲＯＭ４６に記憶されているモータ制御プログラム及び濃度演算プログラムが読み出されてＲＡＭ４８に展開され、ＣＰＵ４４によって実行される。これによって、図５に示すフローに基づいて、測定ガスの濃度が検出される。
【００４６】
まず、ＣＰＵ４４は、ステップＳ１０２において、濃度測定の開始条件が成立しているか否かを判断する。開始条件が成立していない場合は、この処理を終了する。この開始条件としては、たとえば、光源１２の出力強度及び波長が所定範囲に維持可能であること、チョッパー型ミラー２４の回転数変動を所定範囲内に抑制可能であること、等である。
【００４７】
ステップＳ１０２において、濃度測定の開始条件が成立していると判断した場合は、ステップＳ１０４において、ガスセル１６に濃度測定の対象である測定ガスが供給される。
【００４８】
次に、ＣＰＵ４４は、ステップＳ１０６において、チョッパー型ミラー２４をあらかじめ定められた回転速度で回転させる。具体的には、モータ制御信号がＣＰＵ４４（すなわち、制御装置４２）から出力される。ＣＰＵ４４から出力されたモータ制御信号は、ドライバ３８に入力される。
【００４９】
ドライバ３８は、入力されたモータ制御信号の信号レベル（例えば、電圧値）に基づいてモータ３２へ電力を供給する。これによって、モータ３２が駆動され、モータ３２の出力軸３４が回転される。出力軸３４の回転は、変速装置３６を介してチョッパー型ミラー２４の回転軸３０へ伝えられ、これによって、チョッパー型ミラー２４が回転される。
【００５０】
このように、チョッパー型ミラー２４の回転が開始されると、モータ３２の出力軸３４の回転数（回転速度）、すなわち、チョッパー型ミラー２４の回転数（回転速度）に応じたパルス信号である回転数検出信号が回転数検出装置５０から出力される。回転数検出装置５０から出力された回転数検出信号は、制御装置４２のＣＰＵ４４に入力される。ＣＰＵ４４では、出力された回転数検出信号に基づくモータ３２の出力軸３４の実際の回転数（回転速度）と、モータ３２の出力軸３４の回転数（回転速度）の目標値とが比較される。ＣＰＵ４４では、モータ３２の出力軸３４の実際の回転数と、目標値との差に基づいて、ＣＰＵ４４から出力されるモータ制御信号のレベル（例えば、電圧値）が増減される。このようにして、モータ３２の出力軸３４の回転（すなわち、チョッパー型ミラー２４の回転）が目標値の回転数で安定される。
【００５１】
このようにしてチョッパー型ミラー２４の回転が目標値の回転数で安定されると、ＣＰＵ４４は、ステップＳ１０８において、まず光源１２を作動させる。赤外光Ａが光源１２にて発せられる。
【００５２】
図１に示されるように、チョッパー型ミラー２４の回転によってチョッパー型ミラー２４の光通過部２６が赤外光Ａの光軸を横切ると、光源１２にて発せられた赤外光Ａ（入射光Ａ１）が光通過部２６を通過する。光通過部２６を通過した赤外光Ａは、ガスセル１６を通過して反射鏡１４へ入射され、反射鏡１４によって反射される。反射鏡１４によって反射された赤外光Ａ（反射光Ａ２）は、ガスセル１６を通過してチョッパー型ミラー２４へ向かう。
【００５３】
この状態で、チョッパー型ミラー２４の光通過部２６が赤外光Ａの光軸を横切っていると（すなわち、開状態のままであると）、赤外光Ａ（反射光Ａ２）は、光通過部２６を通過して、ビームスプリッタ２０へ入射される。赤外光Ａがビームスプリッタ２０へ入射されると、ビームスプリッタ２０を構成する２つのプリズムの当接面で赤外光Ａが反射される。ビームスプリッタ２０にて反射された赤外光Ａは、光強度検出装置２２へ入射される。光強度検出装置２２では、入射された赤外光Ａの光強度に対応したレベル（例えば、電圧値）の光強度検出信号が出力され、光強度検出装置２２から出力された光強度検出信号は、制御装置４２のＣＰＵ４４へ入力される。
【００５４】
一方、図２に示されるように、赤外光Ａが反射鏡１４によって反射されてガスセル１６を通過し、チョッパー型ミラー２４へ向かった状態で、チョッパー型ミラー２４の光反射部２８が赤外光Ａの光軸を横切っていると、赤外光Ａ（反射光Ａ２）は、光反射部２８によって反射される。光反射部２８によって反射された赤外光Ａは、ガスセル１６を通過する。ガスセル１６を通過した赤外光Ａは、反射鏡１４によって反射され、反射鏡１４側からガスセル１６を通過する。このようにして、光反射部２８が赤外光Ａの光軸を横切っている閉状態では、光反射部２８と反射鏡１４とによって閉光路が形成され、赤外光Ａは、光反射部２８と反射鏡１４との間で往復される。
【００５５】
この状態でチョッパー型ミラー２４が回転されて、チョッパー型ミラー２４において赤外光Ａの光軸を横切る部分が光反射部２８から光通過部２６に切り替わり、閉光路が解消される。これにより、それまで閉光路内で往復して最終的に反射鏡１４によって反射された赤外光Ａが光通過部２６を通過する。このようにして光通過部２６を通過した赤外光Ａは、ビームスプリッタ２０によって光強度検出装置２２側へ反射されて、光強度検出装置２２に入射される。
【００５６】
ところで、赤外光Ａは、ガスセル１６を通過することによって、ガスセル１６内の測定ガスによって吸収される。このため、ガスセル１６を通過した後の赤外光Ａの光強度は、ガスセル１６を通過する前の赤外光Ａの光強度よりも低くなる。ここで、チョッパー型ミラー２４の光通過部２６が赤外光Ａの光軸を横切った状態（開状態）で光源１２側から光通過部２６を通過し、更に、反射鏡１４にて反射されて光通過部２６を通過した赤外光Ａのガスセル１６の通過回数は２回（ガスセル１６における赤外光Ａの往復数としては１往復）である。ステップＳ１０８では、ＣＰＵ４４は、ガスセル１６の往復数が１往復の場合の光強度を検出している。
【００５７】
これに対して、チョッパー型ミラー２４において赤外光Ａの光軸を横切る部分が光通過部２６から光反射部２８に切り替わり、更に、光反射部２８から光通過部２６に切り替わるまでの赤外光Ａのガスセル１６の通過回数は、ｍ回（但し、ｍ＞２）である。ステップＳ１１０において、ＣＰＵ４４は、ガスセル１６における赤外光Ａの往復数が複数の場合の光強度を検出している。
【００５８】
次に、ＣＰＵ４４は、ステップＳ１１２において、赤外光Ａがガスセル１６を通過した回数ｍを求める。この赤外光Ａのガスセル１６の通過回数であるｍは、赤外光Ａの速度と、光反射部２８と反射鏡１４との間の距離と、チョッパー型ミラー２４の開状態が開始されて閉状態に至り、再び開状態が開始されるまでに要する周期（すなわち、チョッパー型ミラー２４の回転速度）とから求めることができる。赤外光Ａの速度及び光反射部２８と反射鏡１４との間の距離は、既知の値である。一方、上記の周期（周波数）は、チョッパー型ミラー２４の回転速度（回転数）から求めることができる。
【００５９】
具体的には、例えば、チョッパー型ミラー２４の一定速度での回転状態で、赤外光Ａの光軸方向にチョッパー型ミラー２４の光反射部２８と反射鏡１４とが対向する閉状態での赤外光Ａの進行距離Ｌｃ[ｍ]は、以下の式（４）によって表される。なお、以下の式（４）において赤外光Ａの光軸方向に沿ったチョッパー型ミラー２４と反射鏡１４との間隔をＤｃ[ｍ]とし、チョッパー型ミラー２４の回転による開状態と閉状態との切替周期（開状態の開始から閉状態を経て次の開状態が開始されるまでの時間）の周波数をｆｃ[Ｈｚ]とし、赤外光Ａの速度をＶｃ[ｍ／ｓ]とする（[]内は、単位）。
【００６０】
【数５】
2020193960.tif 000007
【００６１】
したがって、赤外光Ａのガスセル１６の通過回数ｍは、以下の式（５）で表され、更に、チョッパー型ミラー２４の光反射部２８と反射鏡１４との間での赤外光Ａの往復回数ｎは、ｍの１／２になる。
【００６２】
【数６】
2020193960.tif 000008
【００６３】
ところで、測定ガスを通過する前の赤外光Ａの光強度Ｉｉｎと、チョッパー型ミラー２４の光反射部２８と反射鏡１４との間を１往復した後の赤外光Ａの光強度Ｉｏｕｔとの間には、ランベルト・ベールの法則から以下の式（６）の関係がある。なお、以下の各式において、εは測定ガスのモル吸光係数、ｃは測定ガスの濃度、Ｌはガスセル１６内の測定ガス内での赤外光Ａの光路長の２倍の長さ（赤外光Ａが光反射部２８と反射鏡１４との間を１往復することによって、赤外光Ａは、ガスセル１６を２回通過するため）、Ｒは反射鏡１４及びチョッパー型ミラー２４の光反射部２８の反射面の反射率である。
【００６４】
【数７】
2020193960.tif 000009
【００６５】
したがって、ガスセル１６を最初に通過する前の光強度をＩ０、チョッパー型ミラー２４と反射鏡１４との間を１往復した赤外光Ａの光強度をＩ１、チョッパー型ミラー２４と反射鏡１４との間をｎ往復した赤外光Ａの光強度をＩＮ、チョッパー型ミラー２４と反射鏡１４との間を１往復した際の測定ガス内での赤外光Ａの光路長をＬ、反射鏡１４及びチョッパー型ミラー２４の光反射部２８の反射面の反射率をＲとすると、光強度Ｉ０と光強度Ｉ１との間、光強度Ｉ０と光強度ＩＮとの間の関係は、以下の式（７）及び式（８）のとおりである。
【００６６】
【数８】
2020193960.tif 000010
【００６７】
【数９】
2020193960.tif 000011
【００６８】
以上の式（７）及び式（８）からＩ０を消去することにより、以下の式（９）を得ることができる。
【００６９】
【数１０】
2020193960.tif 000012
【００７０】
すなわち、式（７）及び式（８）にはＩ０が含まれているが、式（９）には含まれていない。この式（９）において、測定ガスの濃度ｃ以外のパラメータは、既知又はチョッパー型ミラー２４の回転数等から演算によって求めることができる。したがって、ＣＰＵ４４は、ステップＳ１１４において、この式（９）に基づいて測定ガスの濃度ｃを演算によって求める。具体的には、制御装置４２のＲＡＭ４８に濃度演算プログラムが展開されて制御装置４２のＣＰＵ４４によって濃度演算プログラムが実行された状態では、上記の式（９）に基づいて測定ガスの濃度ｃが制御装置４２のＣＰＵ４４によって演算される。このようにして、本濃度測定装置１０では、測定ガスの濃度を測定できる。
【００７１】
このように、本濃度測定装置１０では、チョッパー型ミラー２４の光反射部２８と反射鏡１４との間の往復回数が異なる赤外光Ａ（すなわち、ガスセル１６内の測定ガスを通過する回数が異なる赤外光Ａ）の光強度に基づいてガスセル１６内の測定ガスの濃度を測定できる。このため、測定ガスの濃度を測定する前に、アルゴンや窒素等の赤外光Ａを吸収しないベースガスをガスセル１６に供給してガス濃度を測定し、この測定結果に基づいた校正をしなくてもよい。このように、校正のためのベースガスを用いての濃度測定作業が不要になる。
【００７２】
また、ベースガスの濃度測定には、測定ガスが供給されるガスセル１６とは別にベースガスが供給されるベースガス用ガスセルを用いることがある（このような例を比較例とする）。この場合、ベースガス用ガスセルと、測定ガス用ガスセル１６との交換作業が必要になる。これに対して、第一実施形態の濃度測定装置１０では、ベースガスの濃度測定を行なわないため、このような交換作業が不要になる。このようなベースガスのガス濃度測定やベースガス用ガスセルと測定ガス用ガスセル１６との交換作業が不要になることで、測定ガスの濃度測定時間を短くでき、濃度測定の作業効率を向上できる。
【００７３】
また、上述した比較例の濃度測定において、ベースガスの濃度測定と測定ガスの濃度測定とで同一のガスセル１６を用いる場合もある。この場合、測定ガスの成分がガスセル１６の内壁に付着する可能性がある。ベースガスの濃度の測定が、ガスセル１６の内壁に付着した測定ガスの成分の影響を受けると、結果的に測定ガスの濃度の測定も影響を受ける。これに対して、本濃度測定装置１０では、上記のようにベースガスの濃度の測定が不要であるため、測定ガスの濃度の測定の精度が低くなることを抑制できる。
【００７４】
さらに、第一実施形態の濃度測定装置１０では、チョッパー型ミラー２４を回転させるだけでチョッパー型ミラー２４の開状態と閉状態とを切り替えることができる。このため、開状態と閉状態とを切り替えるための特別な操作が不要で測定作業が容易である。しかも、チョッパー型ミラー２４を一定の速度で回転させるだけで閉状態での赤外光Ａのガスセル１６の通過回数（往復回数）を容易に得ることができ、上記の光強度Ｉ１とＩＮの双方を得ることができ、この意味でも測定作業が容易である。
【００７５】
なお、本実施形態では、閉状態でチョッパー型ミラー２４の光反射部２８と反射鏡１４との間が閉光路とされ、光反射部２８と反射鏡１４との間で赤外光Ａが往復する構成であった。しかしながら、複数の反射鏡１４を用い、閉状態では、これらの反射鏡１４、及びチョッパー型ミラー２４の光反射部２８によって赤外光Ａの光路が周回する閉光路が形成される構成であってもよい。すなわち、閉光路は、赤外光Ａが往復する構成であってもよいし、周回する構成であってもよい。
【００７６】
また、本実施形態では、開状態の間に光源１２から発せられて反射鏡１４にて反射され、更に、ビームスプリッタ２０に反射されて光強度検出装置２２に入射された赤外光Ａの光強度Ｉ１を測定ガスの濃度測定に用いた。しかしながら、例えば、チョッパー型ミラー２４の回転速度を変えることで、閉状態でのチョッパー型ミラー２４の光反射部２８と反射鏡１４との間での赤外光Ａの往復回数を変えることができる。
【００７７】
したがって、第１の回転速度でチョッパー型ミラー２４が回転された際に閉状態から開状態に切り替わった直後に光強度検出装置２２に入射した赤外光Ａの光強度ＩＮ（赤外光Ａがガスセル１６をＮ回通過した場合の赤外光Ａの光強度ＩＮ）と、第１の回転速度とは異なる第２の回転速度でチョッパー型ミラー２４が回転された際に閉状態から開状態に切り替わった直後に光強度検出装置２２に入射した赤外光Ａの光強度ＩＭ（赤外光Ａがガスセル１６をＭ回通過した場合の赤外光Ａの光強度ＩＭ）とによって測定ガスの濃度を測定する構成にしてもよい。
【００７８】
この場合、測定ガスを通過する前の赤外光Ａの光強度Ｉ０と光強度ＩＮとの間、光強度Ｉ０と光強度ＩＭとの間の各々には、それぞれ以下の式（１０）、式（１１）の関係がある。
【００７９】
【数１１】
2020193960.tif 000013
【００８０】
【数１２】
2020193960.tif 000014
【００８１】
この式（１０）と式（１１）とから以下の式（１２）を得ることができ、この式（１２）に基づいて測定ガスの濃度ｃを制御装置４２が演算する構成にしてもよい。
【００８２】
【数１３】
2020193960.tif 000015
【００８３】
＜第二実施形態の構成＞
次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態において、第一実施形態と同様の要素、部材等については、第一実施形態と同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。また、第二実施形態の濃度測定装置の全体的な構造は、第一実施形態の濃度測定装置１０と同様であるので、図示を省略する。
【００８４】
第二実施形態の濃度測定装置では、図６に示されるチョッパー型ミラー２１４が用いられる。
【００８５】
このチョッパー型ミラー２１４では、複数の光通過部２６が、周方向でそれぞれ異なる間隔をあけて形成されている。そして、隣接する２つの光通過部２６の間に、周方向の長さが異なる複数の光反射部２８が形成されている。一例として、図６及び図８に示すように、光通過部２６Ａ〜２６Ｆまで６つの光通過部２６が形成されており、これに対応して、隣同士の光通過部２６の間に、周方向の長さが段階的に長くなる６つの光反射部２８Ａ〜２８Ｆが形成されている。
【００８６】
ここで、それぞれの光反射部２８Ａ〜２８Ｆにおいて、チョッパー型ミラー２１４の中心角αを定義する。具体的には、光反射部２８Ａ〜２８Ｆのそれぞれについて、中心角αＡ〜αＦと表記する。これらの中心角αＡ〜αＦは、それぞれの光反射部２８の周方向両側に位置する２つの光通過部２６を半径とする扇形部分の中心角でもある。図６に示す例では、中心角αＡ及びαＢは（１／１６）π[rad]、中心角αＣは（１／８）π[rad]、中心角αＤは（１／４）π[rad]、中心角αＥは（１／２）π[rad]、中心角αＥはπ[rad]である。すなわち、中心角αＡ及びαＢは等しいが、図６における反時計回り方向に向かって、中心角αＢから中心角αＦまで順に２倍ずつ大きくなっている。
【００８７】
第二実施形態では、このように、周方向で異なる中心角αを有する複数の光反射部２８がチョッパー型ミラー２１４に形成されている。したがって、チョッパー型ミラー２１４を一定の角速度で回転させても、閉状態の時間として、複数の光反射部２８ごとに異なる時間が得られる。
【００８８】
＜第二実施形態の作用、効果＞
第二実施形態の濃度測定装置では、測定ガス（気体）の濃度が測定される際に、第一実施形態と同様に、制御装置４２（図３参照）のＲＯＭ４６に記憶されているモータ制御プログラム及び濃度演算プログラムが読み出されてＲＡＭ４８に展開され、ＣＰＵ４４によって実行される。ここで、一例として、図７に示すフローに基づいて、測定ガスの濃度が検出される場合を示す。
【００８９】
このフローでは、ステップＳ２０２からＳ２１２までは、第一実施形態において図５に示したフローのステップＳ１０２からＳ１１２までと同様の処理を行う。
【００９０】
図７に示すフローでは、さらに、ＣＰＵ４４は、ステップＳ２１２の次に、ステップＳ２１４に移行する。ステップＳ２１４では、ＣＰＵ４４は、ステップＳ２１０において検出した光強度（ガスセル１６を複数回往復した光の強度）と、ステップＳ２１２において得た往復回数を、ＲＡＭ４８等のメモリに記憶する。
【００９１】
そして、ステップＳ２１６では、ＣＰＵ４４は、ステップＳ２１２で得た往復回数とは異なる往復回数と異なる往復回数で、複数の多重往復した光の光強度を検出する。
【００９２】
次に、ステップＳ２１８において、ＣＰＵ４４は、ステップＳ２１２で得た往復回数による光強度と、ステップＳ２１６で得た往復回数による光強度のうち、光強度検出装置２２において、より適切に光強度を検出できている光強度を選択する。
【００９３】
そして、ステップＳ２２０において、ＣＰＵ４４は、ステップＳ２１８で選択した光強度に基づいて、測定ガスの濃度ｃを演算によって求める。なお、図７に示すフローにおいて、ステップＳ２１８を複数回行ってもよく、この場合には、結果的に３つ以上の往復回数に対応する光強度が検出される。ステップＳ２２０では、これら３つ以上の光強度から、１つの光強度を選択する。
【００９４】
第二実施形態では、図６に示されるように、周方向で異なる中心角αを有する複数の光反射部２８がチョッパー型ミラー２１４に形成されている。したがって、図８にも示すように、チョッパー型ミラー２１４を一定の角速度で回転させても、閉状態の時間（光反射部２８Ａ〜２８Ｆとして示す時間参照）として、複数の光反射部２８ごとに異なる時間が得られる。そしてこれにより、光強度検出装置２２において、より高感度で、且つノイズ等の外乱の少ない測定レンジで光強度を測定できる。
【００９５】
たとえば、ガスセル１６内の測定ガスの濃度が低い場合には、閉状態の時間が長くなるように、換言すれば、ガスセル１６への赤外光の通過回数が多くなる（光路長が長くなる）ように、中心角が相対的に大きい光反射部２８で反射された赤外光から、吸光度を算出する。これにより、光強度の測定にあたってのＳＮ比を高くできる。また、これにより、測定ガスに対する検出可能な下限濃度を低くできる（濃度の薄い測定ガスでも測定可能となる）。
【００９６】
これに対し、ガスセル１６内の測定ガスの濃度が高い場合には、閉状態の時間が短くなるように、換言すれば、ガスセル１６への赤外光の通過回数が少なくなる（光路長が短くなる）ように、中心角が相対的に小さい光反射部２８で反射された赤外光から、吸光度を算出する。これにより、たとえば、測定ガスの濃度を測定するにあたって、高感度の吸光度を得て濃度を測定できる。また、ガスセル１６内の測定ガスの濃度が高い場合であっても、光強度検出装置２２において測定不能な程度に光が弱くなってしまうという事態を抑制し、測定ガスに対する確実な濃度測定が可能となる。
【００９７】
第二実施形態では、このように、ガスセル１６への赤外光の通過回数（光路長）を変更するにあたって、チョッパー型ミラー２１４の回転速度（回転角速度）を変更する必要がない。このため、チョッパー型ミラー２１４の回転速度を一定に維持すればよいので、制御装置４２において、チョッパー型ミラー２１４の回転制御を簡素化できる。
【００９８】
特に、第二実施形態では、チョッパー型ミラー２１４の回転速度（回転角速度）は一定なので、ガスセル１６への赤外光の通過回数（光路長）を変更するにあたって、チョッパー型ミラー２１４の回転速度（回転角速度）に起因するズレが生じない。換言すれば、複数の光反射部２８で中心角αを異ならせる構造を採ることで、ランベルト・ベールの法則で得た光強度からガス濃度を算出する場合には、光強度としてより正確な値を得ることで、ガス濃度を高精度で算出できる。
【符号の説明】
【００９９】
１０    濃度測定装置
１２    光源
１６    ガスセル（容器）
２２    光強度検出装置（光強度検出手段）
２４    チョッパー型ミラー（開閉手段）
４２    制御装置（演算手段）
２１０        濃度測定装置
２２４        チョッパー型ミラー（開閉手段）
Ａ    赤外光（光）
【図１】
2020193960.tif 000017
【図２】
2020193960.tif 000018
【図３】
2020193960.tif 000019
【図４】
2020193960.tif 000020
【図５】
2020193960.tif 000021
【図６】
2020193960.tif 000022
【図７】
2020193960.tif 000023
【図８】
2020193960.tif 000024