(57)【要約】【課題】気体の濃度の測定精度の低下を抑制できる濃度測定装置を得る。【解決手段】本濃度測定装置１０では、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向他方の側の面は、反射面とされ、赤外光源１２から発せられた赤外光は、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向他方の側の面で反射されるとガスセル２０へ向かわず光強度検出器２６へ入射される。この赤外光の光強度が、光強度の要求精度の変動幅を超えた場合には、この赤外光が赤外光源１２から発せられる前に、赤外光源１２から発せられてチョッパー型ミラー２２の光通過部３４を通過して閉光路を周回した赤外光の光強度は、濃度測定に用いない。このため、濃度の測定精度の低下を抑制できる。【選択図】図１
2020165876.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の通過が可能な容器と、
前記光源から発せられた前記光の光強度を検出する光強度検出手段と、
前記光強度検出手段によって検出された前記容器を通過した前記光である通過光の光強度に基づいて前記容器内の前記気体の濃度を演算する濃度演算手段と、
前記容器を通過させない前記光を非通過光として前記光強度検出手段に入射させる直接入射手段と、
前記光強度検出手段によって検出された前記非通過光の光強度が予め設定された光強度の設定幅を超えているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって前記非通過光の光強度が予め設定された光強度の設定幅を超えていると判定された場合に、当該非通過光と同じタイミングで前記光源から発せられた光を含んだ前記通過光の光強度、当該非通過光を含んだ光が前記光強度検出手段に入射される直前に前記光強度検出手段に入射された通過光の光強度、当該非通過光を含んだ光が前記光強度検出手段に入射された直後に前記光強度検出手段に入射された通過光の光強度の少なくとも１つをキャンセルするキャンセル手段と、
を備える濃度測定装置。
【請求項２】
前記容器を通過した前記光と前記容器を通過しない前記光とを所定の周期で交互に前記光強度検出手段に入射させる切替手段と、
前記濃度演算手段での演算結果である前記気体の濃度を積算して記憶する記憶手段と、
を備える請求項１に記載の濃度測定装置。
【請求項３】
前記容器を含んだ前記光の光路中に設けられ、中心軸線周りに回転可能とされ、中心軸線方向両側の面で前記光を反射する光反射部と、中心軸線方向に前記光が通過する光通過部とが中心軸線周りに交互に形成された回転部材と、
前記回転部材の前記光通過部が前記光路中に配置された状態では、前記光源で発せられた前記光が前記容器へ向かうと共に、前記容器を通過した前記光が前記光強度検出手段へ向かい、前記回転部材の前記光反射部が前記光路中に配置された状態では、前記光反射部及び前記容器を含んだ光路で前記光が周回又は往復し、前記光源で発せられた前記光が前記光反射部によって反射されて前記容器へ向かわずに前記光強度検出手段へ向かう光学系と、
を備える請求項１又は請求項２に記載の濃度測定装置。
【請求項４】
前記回転部材の単位時間当たりの回転数の増減が可能な回転数調整手段を備える請求項３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。この濃度測定装置では、捕集管等の捕集手段がガスセルの前段に設けられる。測定対象のガスのガス成分は、捕集手段に吸着されて捕集され、更に、ヒータ等の加熱手段によって加熱される。これによって、ガスのガス成分が濃縮されて、ガスセルに供給されて封入される。この状態でガスセル内のガスに干渉光、例えば、赤外光が照射され、ガスセルから出た光の光強度が検出される。この光強度に基づいて、ガスの濃度が演算される。
【０００３】
ところで、干渉光の光源の出力が変動すると、干渉光の光強度が変動し、干渉光の光強度の変動が、測定精度の範囲を超えると、測定精度が低下する。
【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気体の濃度の測定精度の低下を抑制できる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】
請求項１に記載の濃度測定装置は、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の通過が可能な容器と、前記光源から発せられた前記光の光強度を検出する光強度検出手段と、前記光強度検出手段によって検出された前記容器を通過した前記光である通過光の光強度に基づいて前記容器内の前記気体の濃度を演算する濃度演算手段と、前記容器を通過させない前記光を非通過光として前記光強度検出手段に入射させる直接入射手段と、前記光強度検出手段によって検出された前記非通過光の光強度が予め設定された光強度の設定幅を超えているか否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって前記非通過光の光強度が予め設定された光強度の設定幅を超えていると判定された場合に、当該非通過光と同じタイミングで前記光源から発せられた光を含んだ前記通過光の光強度、当該非通過光を含んだ光が前記光強度検出手段に入射される直前に前記光強度検出手段に入射された通過光の光強度、当該非通過光を含んだ光が前記光強度検出手段に入射された直後に前記光強度検出手段に入射された通過光の光強度の少なくとも１つをキャンセルするキャンセル手段と、を備えている。
【０００７】
請求項１に記載の濃度測定装置では、光源から発せられた光は、気体が供給された状態の容器を通過することによって通過光とされる。この通過光が光強度検出手段に入射されると、容器内の気体を通過した光の光強度が光強度検出手段によって検出される。この光強度検出手段によって検出された通過光の光強度に基づいて濃度演算手段では、容器内の気体の濃度が演算される。
【０００８】
一方、光源から発せられた光は、直接入射手段によって容器を通過しない非通過光として光強度検出手段に入射される。光強度検出手段によって検出された非通過光の光強度は、判定手段において予め定められた設定幅を超えているか否かが判定される。
【０００９】
判定手段によって非通過光の光強度が予め定められた設定幅を超えていると判定されると、キャンセル手段では、この非通過光と同じタイミングで光源から発せられた光を含んだ通過光の光強度、この非通過光を含んだ光が光強度検出手段に入射される直前に光強度検出手段に入射された通過光の光強度、この非通過光を含んだ光が光強度検出手段に入射された直後に光強度検出手段に入射された通過光の光強度の少なくとも１つが濃度演算手段での演算に用いられないようにキャンセル（除外）される。これによって、光源の出力変動に起因する気体濃度の測定精度の低下を抑制できる。
【００１０】
請求項２に記載の濃度測定装置は、請求項１に記載の濃度測定装置において、前記容器を通過した前記光と前記容器を通過しない前記光とを所定の周期で交互に前記光強度検出手段に入射させる切替手段と、前記濃度演算手段での演算結果である前記気体の濃度を積算して記憶する記憶手段と、を備えている。
【００１１】
請求項２に記載の濃度測定装置では、容器を通過した光（通過光）と容器を通過しない光（非通過光）とが切替手段によって所定の周期で交互に光強度検出手段に入射される。これによって、容器内の気体の濃度の演算結果と、光源での光の出力のばらつきの算出結果とが、交互に連続して得られる。
【００１２】
また、これによって、容器内の気体の濃度の演算結果が逐次得られる。このようにして逐次得られた容器内の気体の濃度の演算結果は、記憶手段によって積算されて記憶される。このように、逐次得られた容器内の気体の濃度の演算結果が積算されることによって光強度検出手段での検出結果におけるノイズの影響を軽減できる。
【００１３】
請求項３に記載の濃度測定装置は、請求項１又は請求項２に記載の濃度測定装置において、前記容器を含んだ前記光の光路中に設けられ、中心軸線周りに回転可能とされ、中心軸線方向両側の面で前記光を反射する光反射部と、中心軸線方向に前記光が通過する光通過部とが中心軸線周りに交互に形成された回転部材と、前記回転部材の前記光通過部が前記光路中に配置された状態では、前記光源で発せられた前記光が前記容器へ向かうと共に、前記容器を通過した前記光が前記光強度検出手段へ向かい、前記回転部材の前記光反射部が前記光路中に配置された状態では、前記光反射部及び前記容器を含んだ光路で前記光が周回又は往復し、前記光源で発せられた前記光が前記光反射部によって反射されて前記容器へ向かわずに前記光強度検出手段へ向かう光学系と、を備えている。
【００１４】
請求項３に記載の濃度測定装置では、容器を含んだ光の光路中に回転部材が設けられる。回転部材は、中心軸線周りに回転可能とされる。また、回転部材には、中心軸線方向両側の面で光を反射する光反射部と、中心軸線方向に光が通過する光通過部とが中心軸線周りに交互に形成されており、回転部材が回転されることによって光通過部と光反射部とが光路中に交互に配置される。
【００１５】
容器を含んだ光の光路を形成する光学系は、光路中に回転部材の光通過部が配置されると、光源で発せられた光は容器へ向かって容器を通過する。また、この状態では、容器を通過した光は、光強度検出手段へ向かう。これに対して、光学系は、光路中に回転部材の光反射部が配置されると、回転部材の光反射部及び容器を含んだ光路で光が周回又は往復される。さらに、この状態では、光源で発せられた光は、光反射部によって反射されて容器へ向かわずに光強度検出手段へ向かう。
【００１６】
したがって、回転部材が回転されることによって、容器を通過した光の光強度と、容器を通過しない光の光強度とを交互に連続的に検出できる。
【００１７】
請求項４に記載の濃度測定装置は、請求項３に記載の濃度測定装置において、前記回転部材の単位時間当たりの回転数の増減が可能な回転数調整手段を備えている。
【００１８】
請求項４に記載の濃度測定装置では、回転部材の単位時間当たりの回転数が回転数調整手段によって増減される。これによって回転部材の光反射部及び容器を含んだ光の光路での光の周回回数又は往復回数を増減でき、光が容器を通過する回数を増減できる。光が容器を通過する回数は、気体内における光の光路長であるため、光が容器を通過する回数を増減できることによって気体内における光の光路長を増減できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る濃度測定装置は、気体の濃度の測定精度の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施の形態の濃度測定装置の構成を示す概略図である。
【図２】（Ａ）はチョッパー型ミラーの正面図であり、（Ｂ）はチョッパー型ミラーの側面図である。
【図３】赤外光源からの赤外線が閉光路に入射される時の濃度測定装置の様子を示した説明図である。
【図４】赤外光源からの赤外線が閉光路に入射される時のチョッパー型ミラーの光通過部の位置を示した説明図である。
【図５】入射された赤外線が閉光路を何度も周回する様子を示した説明図である。
【図６】入射された赤外線が閉光路を何度も周回する時のチョッパー型ミラーの光反射部３２の位置を示した説明図である。
【図７】閉光路から出射した赤外線が光強度検出器に到達する様子を示した説明図である。
【図８】光強度検出器２６が検出した透過光強度を示す出力信号６４の一例を示した説明図である。
【図９】出力信号６４に含まれる周回光６０に係る信号（周回光信号）と１周光に係る信号（１周光信号）６８とを各々示した説明図である。
【図１０】気体の濃度と光強度との関係を示す図である。
【図１１】第２の実施の形態の濃度測定装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の各実施の形態を図１から図１１の各図に基づいて説明する。
【００２２】
＜第１の実施の形態の構成＞
図１に示すように、第１の実施の形態に係る濃度測定装置１０は、光源としての赤外光源１２を備えている。赤外光源１２は、所定方向（図１の紙面左側）へ赤外光を発光できる。赤外光源１２の所定方向側（図１の紙面左側）には、光学系１３が設けられている。
【００２３】
光学系１３は、第１反射鏡１４、第２反射鏡１６、第３反射鏡１８を備えている。第１反射鏡１４は、赤外光源１２の所定方向側に配置されており、赤外光源１２から発光された赤外光を赤外光源１２側とは異なる方向へ反射できる。第２反射鏡１６は、第１反射鏡１４での赤外光の反射方向側に配置されており、第１反射鏡１４にて反射された赤外光を第１反射鏡１４側とは異なる方向へ反射できる。第２反射鏡１６は、第１反射鏡１４での赤外光の反射方向側に配置されており、第１反射鏡１４にて反射された赤外光を第１反射鏡１４側とは異なる方向へ反射できる。第３反射鏡１８は、第２反射鏡１６での赤外光の反射方向側に配置されており、第２反射鏡１６にて反射された赤外光を第２反射鏡１６側とは異なる方向へ反射できる。
【００２４】
さらに、濃度測定装置１０は、容器としてのガスセル２０を備えている。ガスセル２０は、第１反射鏡１４と第２反射鏡１６との間の赤外光の光軸上に設けられている。ガスセル２０において少なくとも第１反射鏡１４側の赤外光入射部及び第２反射鏡１６側の赤外光出射部は、透明とされており、第１反射鏡１４で反射された赤外光は、ガスセル２０を通過する。
【００２５】
ガスセル２０には、赤外線非吸収ガス供給部及び測定ガス供給部の各々に接続されている。赤外線非吸収ガス供給部は、赤外光領域の光に対して透明なアルゴン、窒素、酸素等の赤外線非吸収ガスをガスセル２０に供給できる。これに対して、測定ガス供給部は、ガス濃度の測定対象の測定ガスをガスセル２０に供給できる。
【００２６】
一方、濃度測定装置１０は、光強度検出器２６を備えている。光強度検出器２６は、第３反射鏡１８によって反射された赤外光の光軸上における赤外光源１２から第１反射鏡１４へ向かう赤外光の光軸を挟んで第３反射鏡１８とは反対側に配置されており、入射された赤外光の光強度が検出される。
【００２７】
また、濃度測定装置１０は、チョッパー型ミラー２２を備えている。図２（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、チョッパー型ミラー２２は、略円板状に形成されており、厚さ方向の両面が反射面とされている。図１に示されるように、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向一方の側の反射面は、第３反射鏡１８での赤外光の反射方向側に配置されている。チョッパー型ミラー２２の厚さ方向一方の側の反射面は、赤外光源１２から第１反射鏡１４へ向かう赤外光の光軸と、第３反射鏡１８から光強度検出器２６へ向かう赤外光の光軸との交差位置を含むように配置されている。このため、第３反射鏡１８で反射された赤外光は、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向一方の側の反射面によって反射される。
【００２８】
このように、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向一方の側の反射面によって反射された赤外光の光軸は、赤外光源１２から第１反射鏡１４へ向かう際の赤外光の光軸に概ね一致する。したがって、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向一方の側の反射面で反射された赤外光は、第１反射鏡１４へ向かう。すなわち、第１反射鏡１４、第２反射鏡１６、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向一方の側の反射面によって閉光路が形成され、赤外光は、この閉光路で周回される。
【００２９】
これに対して、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向他方の側の反射面は、赤外光源１２にて発光された赤外光を光強度検出器２６へ向けて反射できる。このため、赤外光源１２にて発光された赤外光がチョッパー型ミラー２２の厚さ方向他方の側の反射面によって反射されると、上記の閉光路中のガスセル２０を通過しない赤外光の光強度が光強度検出器２６によって検出される。
【００３０】
また、図２（Ａ）に示されるように、チョッパー型ミラー２２は、複数の光反射部３２と複数の光通過部３４とを備えている。光通過部３４は、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向にチョッパー型ミラー２２を貫通した孔又はチョッパー型ミラー２２の外周部で開口した切欠きとされている。光通過部３４は、略扇形状とされており、概ね、略円板状のチョッパー型ミラー２２に対して同心とされている。チョッパー型ミラー２２の中心周りの複数の光通過部３４の各々の形成角度は、概ね、等しい。また、複数の光通過部３４は、チョッパー型ミラー２２の中心周りに略等間隔に形成されており、チョッパー型ミラー２２の中心周りに隣り合う光通過部３４の間が光反射部３２とされている。したがって、チョッパー型ミラー２２の中心周りの複数の光反射部３２の各々の形成角度は、概ね、等しい。
【００３１】
図３及び図４に示されるように、光通過部３４が赤外光源１２から第１反射鏡１４へ向かう際の赤外光の光軸上に配置された状態では、赤外光源１２にて発光された赤外光は、光通過部３４を通過して第１反射鏡１４へ向かう。また、この状態では、第３反射鏡１８にて反射された赤外光は、光通過部３４を通過して光強度検出器２６へ向かう。
【００３２】
これに対して、図５及び図６に示されるように、光反射部３２が赤外光源１２から第１反射鏡１４へ向かう際の赤外光の光軸上に配置された状態では、赤外光源１２にて発光された赤外光は、光反射部３２におけるチョッパー型ミラー２２の厚さ方向他方の側の反射面によって反射されて光強度検出器２６へ向かう。また、この状態で上記の閉光路中に入っている赤外光は、閉光路中で周回される。
【００３３】
このチョッパー型ミラー２２は、回転軸３０を備えている。回転軸３０は、略円板状のチョッパー型ミラー２２に対して同軸的且つ一体的に設けられている。回転軸３０は、駆動手段としてのモータ（図示省略）へ機械的に連結されており、回転軸３０は、モータの駆動力によって回転軸３０の中心軸線周りに回転される。モータは、回転数調整機構２４へ電気的に接続されている。回転数調整機構２４は、制御器２８へ電気的に接続されている。
【００３４】
制御器２８は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ディスプレイ等を備えたコンピュータにより構成されており、制御器２８のＣＰＵから出力された回転数制御信号が回転数調整機構２４に入力される。回転数調整機構２４は、回転数制御信号のレベル（例えば、電圧）に基づいてモータに供給する電力（例えば、電圧）を調整する。これによって、モータの回転軸の単位時間当たりの回転数（回転速度）、ひいては、チョッパー型ミラー２２の単位時間当たりの回転数が制御されて調整される。
【００３５】
また、制御器２８は、光強度検出器２６に電気的に接続されており、光強度検出器２６から出力された光強度検出信号が制御器２８のＣＰＵに入力される。制御器２８のＲＯＭには、濃度測定処理プログラムが記憶されている。ＲＯＭから読み出されてＲＡＭに展開された濃度測定処理プログラムは、ＣＰＵによって実行される。ＣＰＵは、濃度測定処理プログラムを実行すると、光強度検出器２６から出力された光強度検出信号のレベル（電圧等）に基づいてガスセル２０内のガスの濃度を演算する。
【００３６】
さらに、制御器２８のＲＯＭには、測定ガス及び赤外線非吸収ガスの各種ガスがガスセル２０に充填された状態で赤外光がガスセル２０を通過した際の赤外光の光強度と、赤外光のガスセル２０の通過回数との関係が記憶されている。図１０に示されるように、ガスを通過する前の光の光強度Ｉinとガスを通過した後の光の光強度Ｉoutとの関係は、ランベルト・ベールの法則によって以下の式（１）で示される。なお、以下の式（１）において、εは、ガスのモル吸光係数、ｃは、ガス濃度、Ｌは、ガス内における光の光路長（すなわち、ガスセル２０の内側における光軸方向の長さ）である。
【００３７】
【数１】
2020165876.tif 000003
【００３８】
このため、図１０において曲線Ｘで示されるように、ガスの濃度とガスを通過した後の光の光強度との間には、ガスの濃度の増加に伴いガスを通過した後の光の光強度が指数関数的に減少するという関係がある。本濃度測定装置１０において、ガス内における光の光路長は、ガスセル２０の内側における光軸方向の長さと、赤外光におけるガスセル２０の通過回数の積で決まる。このため、赤外光におけるガスセル２０の通過回数は、チョッパー型ミラー２２の回転数で決まり、チョッパー型ミラー２２の回転数は、制御器２８のＣＰＵから出力された回転数制御信号に基づいて回転数調整機構２４によって制御される。一方、赤外光源１２から発せられた直後の赤外光の光強度は、基本的に既知であり、光強度検出器２６に入射された赤外光の光強度は、光強度検出器２６によって検出される。
【００３９】
制御器２８のＣＰＵでは、チョッパー型ミラー２２の回転数、赤外光源１２から発せられた直後の赤外光の光強度、光強度検出器２６に入射された赤外光の光強度の各々に基づいて測定ガスの濃度が濃度測定処理プログラムによって演算される。
【００４０】
また、本濃度測定装置１０では、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向他方の側の面に反射された赤外光が光強度検出器２６に入射された際の赤外光の光強度と、チョッパー型ミラー２２の回転数との関係が制御器２８のＲＯＭに記憶されている。
【００４１】
さらに、制御器２８は、赤外線非吸収ガス供給部及び測定ガス供給部の各々に設けられた電磁弁等の弁装置に電気的に接続されている。ガスセル２０と赤外線非吸収ガス供給部との間、及び、ガスセル２０と測定ガス供給部との間の開閉を制御できる。
【００４２】
また、制御器２８は、赤外光源１２へ電気的に接続されており、制御器２８から出力された発光制御信号が赤外光源１２に入力される。赤外光源１２は、赤外光源１２に入力された発光制御信号のレベル（電圧等）に基づいて赤外光を発光又は消灯する。
【００４３】
＜第１の実施の形態の作用、効果＞
（チョッパー型ミラー２２の動作と赤外光の挙動の説明）
先ず、チョッパー型ミラー２２の動作と赤外光の挙動に関して説明する。
【００４４】
制御器２８のＣＰＵから出力された回転数制御信号が回転数調整機構２４に入力されると、回転数制御信号のレベルに基づいたレベルの電力がモータに供給され、これによって、モータが駆動される。モータが駆動されることによって、回転数制御信号のレベルに対応する回転数（回転速度）でチョッパー型ミラー２２が回転される。これによって、チョッパー型ミラー２２の光反射部３２及び光通過部３４がチョッパー型ミラー２２の回転数に応じたタイミングで交互に赤外光源１２から発せられた赤外光における赤外光源１２と光学系１３の第１反射鏡１４との間の光軸を横切る。
【００４５】
図５に示されるように、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４が赤外光源１２と第１反射鏡１４との間での赤外光の光軸上に配置された状態では、赤外光源１２から発せられた赤外光は、光通過部３４を通過して第１反射鏡１４へ向かう。第１反射鏡１４で反射された赤外光は、ガスセル２０を通過して第２反射鏡１６、第３反射鏡１８によって順番に反射される。
【００４６】
赤外光が第３反射鏡１８によって反射された状態で光通過部３４が赤外光源１２と第１反射鏡１４との間での赤外光の光軸上に配置されていると、赤外光は、光通過部３４を通過して光強度検出器２６へ入射される。但し、上述したように、チョッパー型ミラー２２は、モータの駆動力によって回転されている。
【００４７】
したがって、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４が赤外光源１２と第１反射鏡１４との間での赤外光の光軸上に配置された状態からチョッパー型ミラー２２が所定角度回転されると、チョッパー型ミラー２２の光反射部３２が赤外光源１２と第１反射鏡１４との間での赤外光の光軸上に配置される。このため、赤外光が第３反射鏡１８によって反射された状態で光反射部３２が赤外光源１２と第１反射鏡１４との間での赤外光の光軸上に配置されると、赤外光は、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向一方の側の反射面によって反射される。
【００４８】
これによって、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向一方の側の反射面によって反射された赤外光は、概ね、赤外光源１２と第１反射鏡１４との間での赤外光の光軸上を通って第１反射鏡１４によって反射される。これにより、閉光路中の赤外光は、赤外光源１２と第１反射鏡１４との間での赤外光の光軸上の光反射部３２に対してチョッパー型ミラー２２の回転方向とは反対側で隣り合う光通過部３４が赤外光源１２と第１反射鏡１４との間での赤外光の光軸上に配置されるまで閉光路を周回する。
【００４９】
また、チョッパー型ミラー２２の光反射部３２が赤外光源１２と第１反射鏡１４との間での赤外光の光軸上に配置された状態では、赤外光源１２から発せられた赤外光がチョッパー型ミラー２２の厚さ方向他方の側の反射面で反射される。チョッパー型ミラー２２の厚さ方向他方の側の反射面で反射された赤外光は、光強度検出器２６へ入射される。
【００５０】
（ガス濃度の測定）
上述したように、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４が赤外光源１２と光学系１３の第１反射鏡１４との間における赤外光の光軸を横切ると、赤外光源１２にて発せられた赤外光は、光通過部３４を通過して第１反射鏡１４で反射される。これによって、赤外光は、ガスセル２０を通過する。ガスセル２０を通過した赤外光は、光学系１３の第２反射鏡１６、第３反射鏡１８によって反射され、光通過部３４を通過して光強度検出器２６へ入射される（図７参照）。
【００５１】
この状態でチョッパー型ミラー２２が所定角度回転されると、チョッパー型ミラー２２において赤外光源１２と光学系１３の第１反射鏡１４との間における赤外光の光軸を横切る部分が光通過部３４から光反射部３２に切り替わる。これにより、赤外光の光路が閉じられて閉光路が形成される。この状態では、光路が閉じられる前にチョッパー型ミラー２２の赤外光源１２とは反対側に入った赤外光が、第１反射鏡１４、第２反射鏡１６、第３反射鏡１８、チョッパー型ミラー２２の厚さ方向一方の側の反射面によって順番に反射され、閉光路を周回する。
【００５２】
このように赤外光が閉光路における第１反射鏡１４と第２反射鏡１６との間を通るたびに、赤外光は、ガスセル２０を通過し、ガスセル２０内のガス内を通過する。ガスセル２０内のガスが、濃度の測定対象である測定ガスであれば、赤外光の一部は、ガスセル２０を通過するたびにガスセル２０内の測定ガスによって吸収される。
【００５３】
この状態からチョッパー型ミラー２２が更に回転されると、図７に示されるように、チョッパー型ミラー２２において赤外光源１２と光学系１３の第１反射鏡１４との間における赤外光の光軸を横切る部分が光反射部３２から光通過部３４に切り替わる。この状態では、閉光路を周回してもガスセル２０内の測定対象ガスに吸収されなかった赤外光である周回光６０が、光通過部３４を通過して光強度検出器２６に入射される。光強度検出器２６は、入射された赤外光の光強度を検出し、この光強度に対応した電気信号である光強度信号が光強度検出器２６から出力され、制御器２８に入力される。
【００５４】
ところで、図７に示されるように、光強度検出器２６に入射される赤外光は、周回光６０のみではない。すなわち、赤外光源１２と光学系１３の第１反射鏡１４との間における赤外光の光軸をチョッパー型ミラー２２の光通過部３４が配置されると、赤外光源１２にて発せられた赤外光が、チョッパー型ミラー２２の光反射部３２に反射されない１周光６２が光強度検出器２６に入射する赤外光に含まれる。ここで、本実施の形態では、光強度検出器２６に入射した赤外光から、１周光６２が多く含まれる光を除外した光強度が求められる。
【００５５】
図８は光強度検出器２６が検出した透過光強度を示す出力信号６４の一例を示した説明図であり、図９は、図８が示す出力信号６４に含まれる周回光６０に係る信号（周回光信号）６６と１周光６２に係る信号（１周光信号）６８とを各々示した説明図である。
【００５６】
上述したように、光強度検出器２６に入射する赤外光には、周回光６０と１周光６２とが混在している。ここで、チョッパー型ミラー２２において赤外光源１２と光学系１３の第１反射鏡１４との間における赤外光の光軸を横切る部分が光反射部３２から光通過部３４に切り替わった際には周回光６０は、既に、閉光路内を周回している。これに対して、１周光６２は、光通過部３４が赤外光源１２と第１反射鏡１４との間の赤外光の光軸を横切ることによって、それまで閉光路とされていた光路内に入る。このため、周回光６０は、１周光６２よりも早く光強度検出器２６に入射される。
【００５７】
また、周回光６０は、ガスセル２０内の測定ガス内を複数回通過しているので、測定対象ガスによる吸光が１周光６２よりも大きく、しかも、周回光６０と１周光６２とでは、各反射鏡１４〜１８での反射回数等に起因して、光強度が異なる。
【００５８】
周回光６０及び１周光６２の各々が光強度検出器２６に到達する時間差を鑑みれば、入射状態になってから時間が経過するに従って周回光６０の強度は減衰する。これに対して、１周光６２は、周回せずに赤外光源１２から光強度検出器２６へ向かうため、１周光６２の強度は、増加又は一定値に維持される。したがって、光強度検出器２６によって検出される赤外光の光強度は、先ず、周回光６０が光強度検出器２６に到達した際に極大値になる。その後、極小値となり、更にその後、１周光６２が光強度検出器２６に到達したことにより、増大する。
【００５９】
図８に示したように、光強度検出器２６が検出した透過光強度の出力信号６４の曲線は、上に凸の態様で極大値を示した後、極小値Ａを示している。また、出力信号６４の曲線は極小値Ａを示した後、単調増加に転じている。
【００６０】
出力信号６４の成分は、図９に示されるようになる。図８の出力信号６４には、周回光信号６６と１周光信号６８とが含まれている。したがって、チョッパー型ミラー２２が反射状態から入射状態に切り替わった時間から透過光強度を示す出力信号６４が極小値Ａとなった時間までの出力信号６４を採用することにより、光強度検出器２６に入射した光から、１周光６２が多く含まれる光を除外して光強度を算出することが可能になる。その結果、ＳＮ比が高い出力信号による光強度の算出が可能になる。
【００６１】
また、本実施の形態では、測定ガスがガスセル２０に供給される前に、アルゴンガスや窒素ガス等の赤外線非吸収ガスがガスセル２０に供給され、この状態でチョッパー型ミラー２２を回転させ、赤外光の光強度が測定される。この赤外線非吸収ガスがガスセル２０に供給された状態での光強度と、測定ガスがガスセル２０に供給された状態での光強度とに基づいて測定ガスの濃度が制御器２８のＣＰＵで実行された濃度測定処理プログラムによって演算される。なお、濃度測定処理プログラムによる具体的な演算方法に関しては既知であるので、その詳細についての説明は、省略する。
【００６２】
このようにして、ガスセル２０内の測定対象ガスの濃度が高い場合は、図８及び図９に示した、周回光信号６６に起因する極大値は、低下するが、前述のように、周回光信号６６は、ＳＮ比が高いので、光強度検出器２６で検出した周回光信号６６の極大値が低下しても、測定対象ガスの濃度をより正確に測定できる。
【００６３】
また、測定対象ガスの濃度に応じてチョッパー型ミラー２２の回転速度を制御することによっても、測定対象ガスの濃度を正確に測定できる。
【００６４】
さらに、チョッパー型ミラー２２の回転速度が小さくなると、閉光路が形成される時間が長くなり、赤外線がガスセル２０を通過する回数が多くなる。これに対して、チョッパー型ミラー２２の回転速度が大きくなると、閉光路が形成される時間が短くなり、赤外線がガスセル２０を通過する回数が少なくなる。
【００６５】
したがって、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度が低い場合には、高い場合より、ガスセル２０に供給された測定ガスを通過する赤外線の回数を多くすることにより、測定ガスによる赤外線の吸収を顕著にできる。一方、ガスセル２０に供給されたガスの想定される濃度が高い場合には、ガスセル２０に供給されたガスを通過する赤外線の回数をより少なくすることにより、ガスによる赤外線の吸収が過剰になることを抑制できる。このように、チョッパー型ミラー２２の回転速度を調整することによって、測定対象ガスの濃度を精度よく測定することができる。
【００６６】
チョッパー型ミラー２２の回転数が変更されると、測定ガスに代わりアルゴンガスや窒素ガス等の赤外線非吸収ガスがガスセル２０に供給される。この状態で、光強度検出器２６に入射される赤外光の光強度が測定される。赤外線非吸収ガスは、基本的に赤外光を吸収しない。しかしながら、赤外光が第１〜第３反射鏡１４〜１８及びチョッパー型ミラー２２で反射された際に赤外光の光強度が変化する。チョッパー型ミラー２２の回転数が変更された際に、赤外光源１２から発せられた直後と、光強度検出器２６に入射された赤外光の光強度に基づいて補正データが制御器２８のＣＰＵによって演算される。ガスセル２０に測定ガスが供給された状態での測定ガスのガス濃度の演算結果は、補正データに基づいて補正される。これによって、測定対象ガスの濃度をより更に正確に測定できる。
【００６７】
また、本濃度測定装置１０では、所定の時間、チョッパー型ミラー２２の回転数が維持される。これによって、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４及び光反射部３２が、赤外光源１２と第１反射鏡１４との間における赤外光の光軸上に交互に複数回配置される。このため、光強度検出器２６には、チョッパー型ミラー２２が同じ回転数で回転された状態での赤外光が複数回入射される。制御器２８のＣＰＵでは、光強度検出器２６に入射された各赤外光の光強度の算出結果が積算され、この積算結果に基づいて測定ガスの濃度が演算される。これによって、ノイズ比が低減され、測定対象ガスの濃度をより更に正確に測定できる。
【００６８】
（赤外光源１２の出力の変動に関する作用、効果）
また、本実施の形態では、チョッパー型ミラー２２が一定の回転数で回転されている状態で赤外光の光強度の測定が成される。これによって得られた複数の測定結果は、積算された値の平均値が、チョッパー型ミラー２２のその回転数での赤外光の光強度とされる。ところで、赤外光源１２の出力がノイズ等によって変動し、これによって、赤外光源１２から発せられた直後の赤外光の光強度が変化すると、光強度検出器２６での検出結果、すなわち、チョッパー型ミラー２２のその回転数での赤外光の光強度が変化する。
【００６９】
ここで、本実施の形態では、赤外光が、光学系１３の閉光路に入って周回している状態では、チョッパー型ミラー２２の光反射部３２における厚さ方向他方の側の面で赤外光源１２から発せられた赤外光が反射されて光強度検出器２６に入射される。この状態で光強度検出器２６からは光強度検出信号が出力され、この光強度検出信号が入力された制御器２８のＣＰＵでは、光検出信号に基づく赤外光の光強度が算出される。
【００７０】
さらに、制御器２８では、ＲＯＭに記憶されているチョッパー型ミラー２２の厚さ方向他方の側の面に反射された赤外光が光強度検出器２６に入射された際の赤外光の光強度と、チョッパー型ミラー２２の回転数との関係がＲＡＭに展開される。さらに、制御器２８のＣＰＵでは、光強度検出器２６に入射された際の赤外光の光強度と、ＲＡＭに展開された光強度とチョッパー型ミラー２２の回転数との関係とが対比される。制御器２８のＣＰＵでは、この対比の結果、光強度検出器２６に入射された際の赤外光の光強度が測定ガスの測定に要求される精度に対応する変動幅を超えているか否かが判定される。
【００７１】
制御器２８のＣＰＵにおいて光強度検出器２６に入射された際の赤外光の光強度が測定ガスの測定に要求される精度に対応する変動幅を超えていると判定されると、その直後にチョッパー型ミラー２２の光通過部３４が赤外光源１２と第１反射鏡１４の間での赤外光の光軸上に配置され、これによって、光学系１３の閉光路に入った赤外光に基づく光強度検出器２６での光強度は、測定ガスの濃度測定に供されない（上記の積算に供されない）。これによって、必要な光強度の積算回数が多くなることを抑制でき、時間分解能の向上を図ることができる。
【００７２】
また、本濃度測定装置１０では、ガスセル２０を通過した赤外光の光強度を検出するための光強度検出器２６と、ガスセル２０を通過しない赤外光の光強度を検出するための光強度検出器２６とが共用されている。さらに、ガスセル２０を通過させる赤外光の赤外光源１２と、ガスセル２０を通過させない赤外光の赤外光源１２とが共用されている。このため、濃度測定装置１０の構成機器の増加を抑制でき、濃度測定装置１０の大型化を抑制できると共にコストを安価にできる。
【００７３】
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態について説明する。図１１に示されるように、本実施の形態では、赤外光源１２と第１反射鏡１４の反射面とが赤外光源１２から発せられた赤外光の光軸の方向に互いに対向されている。また、本実施の形態では、ガスセル２０が赤外光源１２と第１反射鏡１４との間に配置されている。
【００７４】
さらに、本実施の形態では、チョッパー型ミラー２２が赤外光源１２とガスセル２０との間に配置されている。本実施の形態では、チョッパー型ミラー２２の光反射部３２における厚さ方向一方の側の反射面は、第１反射鏡１４の反射面に対して赤外光源１２から発せられた赤外光の光軸の方向に互いに対向されている。
【００７５】
また、本実施の形態に係る濃度測定装置１０は、ビームスプリッタ４２を備えている。ビームスプリッタ４２は、２つのプリズムによって構成されている。これらのプリズムは、赤外光源１２と第１反射鏡１４との間における赤外光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状の三角柱状に形成されている。
【００７６】
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、赤外光源１２と第１反射鏡１４との間における赤外光の光軸の方向に赤外光源１２と対向するように配置されている。また、両プリズムは、直角三角形の斜辺部分の面が互いに当接されている。このため、ビームスプリッタ４２は、第１反射鏡１４にて反射された赤外光を、赤外光源１２とビームスプリッタ４２との間における赤外光の光軸に対して交差する所定の方向へ反射できる。
【００７７】
さらに、本実施の形態では、ビームスプリッタ４２にて所定の方向へ反射された赤外光の光軸上に光強度検出器２６が配置されている。
【００７８】
以上の構成の本実施の形態では、チョッパー型ミラー２２が回転されることによって、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４と光反射部３２とが交互に第１反射鏡１４とビームスプリッタ４２との間での赤外光の光軸上に配置される。このため、光通過部３４が第１反射鏡１４とビームスプリッタ４２との間での赤外光の光軸上に配置された状態では、赤外光は、光通過部３４を通過できる。したがって、この状態で赤外光源１２から発せられた赤外光は、ビームスプリッタ４２及び光通過部３４を通過してガスセル２０へ向かう。また、この状態で第１反射鏡１４によって反射されてガスセル２０を通過した赤外光は、光通過部３４を通過してビームスプリッタ４２へ入射される。チョッパー型ミラー２２側からビームスプリッタ４２へ入射された赤外光は、ビームスプリッタ４２によって光強度検出器２６側へ反射される。このようにして赤外光が光強度検出器２６に入射されることによって、ガスセル２０を通過した赤外光の光強度を検出できる。
【００７９】
一方、光反射部３４が第１反射鏡１４とビームスプリッタ４２との間での赤外光の光軸上に配置された状態では、光反射部３４と第１反射鏡１４との間が閉光路となる。このため、この状態では、光反射部３４と第１反射鏡１４との間の赤外光は、光反射部３４と第１反射鏡１４との間で繰り返し反射される。これに対して、この状態で赤外光源１２から発せられた赤外光は、ビームスプリッタ４２を通過してチョッパー型ミラー２２の光反射部３２における厚さ方向他方の側（ビームスプリッタ４２側）の面で反射される。光反射部３２におけるチョッパー型ミラー２２の厚さ方向他方の側の面で反射された赤外光は、チョッパー型ミラー２２側からビームスプリッタ４２に入射される。このようにしてビームスプリッタ４２に入射された赤外光は、光強度検出器２６側へ反射される。このようにして赤外光が光強度検出器２６に入射されることによって、ガスセル２０を通過しない赤外光の光強度を検出できる。
【００８０】
このように、本実施の形態では、ガスセル２０を通過した赤外光の光強度及びガスセル２０を通過しない赤外光の光強度の双方を検出できる。このため、前記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８１】
＜第３の実施の形態＞
次に、本濃度測定装置１０でのガス濃度の演算方法の変形例を第３の実施の形態として説明する。また、本実施の形態を説明するにあたり、本実施の形態で説明するガス濃度の演算方法を前記第１の実施の形態の濃度測定装置１０の構成に適用したものとして説明する。
【００８２】
本実施の形態における制御器２８のＲＯＭに記憶されているガス濃度演算プログラムでは、前記第１の実施の形態で説明した１周光６２の光強度がガス濃度演算に用いられる。例えば、チョッパー型ミラー２２の回転状態で、チョッパー型ミラー２２の光通過部３４が赤外光源１２と光学系１３の第１反射鏡１４との間における赤外光の光軸上に配置された状態をガス濃度の測定開始とする。この測定開始状態で光強度検出器２６に入射した赤外光の光強度が光強度検出器２６に検出されることによって１周光６２の光強度は、容易に算出できる。次いで、前記第１の実施の形態で説明したように、周回光６０の光強度が算出される。
【００８３】
ここで、１周光６２の光強度と、周回光６０の光強度との間には、ランベルト・ベールの法則によって以下の式（２）、式（３）の関係がある。なお、以下の式（２）、式（３）においてεは、ガスのモル吸光係数、ｃは、ガス濃度である。また、ｎは、赤外光のガスセル２０の通過回数で、周回光６０の周回回数になる。なお、光学系１３が第２の実施の形態と同じ態様であれば、第１反射鏡１４とチョッパー型ミラー２２との間での赤外光の往復回数の２倍（すなわち、１往復は、２回とカウントする）になる
。さらに、Ｌは、ガスセル２０内における光の光路長（すなわち、ガスセル２０内における光軸方向の長さ）、Ｒは、第１〜第３反射鏡１４〜１８及びチョッパー型ミラー２２の光反射部３２におけるチョッパー型ミラー２２の厚さ方向一方の側の反射面の反射率である。
【００８４】
【数２】
2020165876.tif 000004
【００８５】
【数３】
2020165876.tif 000005
【００８６】
以上の式（２）、式（３）によって以下の式（４）を得ることができる。
【００８７】
【数４】
2020165876.tif 000006
【００８８】
制御器２８のＲＯＭに記憶されている濃度演算プログラムでは、１周光６２の光強度と、周回光６０の光強度とに基づいて上記の式（４）を満足する測定ガスのガス濃度ｃが演算される。
【００８９】
このようにして測定ガスのガス濃度を演算する本実施の形態では、アルゴンガスや窒素ガス等の赤外線非吸収ガスを用いて補正データを演算しなくてもよい。上述したように、チョッパー型ミラー２２の回転数を変更するたびに補正データの演算が必要である。このため、このような補正データの演算が不要な本実施の形態では、ガス濃度の測定時間を短くできる。
【００９０】
また、このように、本実施の形態では、補正データの演算が不要であるため、赤外線非吸収ガスをガスセル２０へ供給するための赤外線非吸収ガス供給部が不要である。このため、濃度測定装置１０の構成を簡単にできる。これによって、濃度測定装置１０の小型化が可能になり、コストを安価にできる。
【００９１】
また、ガスセル２０に供給するガスを測定ガスから赤外線非吸収ガスに切り替えた際に、ガスセル２０の内壁に測定ガスが吸着されていると、赤外線非吸収ガスを用いた補正データの演算結果に測定ガスの影響が及ぶ可能性がある。しかしながら、本実施の形態では、上記のように赤外線非吸収ガスを用いた補正データの演算を行なわない。このため、精度が低い補正データを用いて測定ガスのガス濃度の補正を行なうことがない。したがって、本実施の形態では、測定ガスのガス濃度の精度が低くなることを抑制できる。
【００９２】
なお、本実施の形態では、本実施の形態のガス濃度の演算方法を前記第１の実施の形態に適用したものとして説明した。しかしながら、本実施の形態のガス濃度の演算方法を前記第２の実施の形態に係る濃度測定装置１０の構成に適用することも可能である。更には、前記第１の実施の形態及び前記第２の実施の形態は、ガスセル２０を通過しない赤外光の光強度を測定する構成であった。しかしながら、本実施の形態のガス濃度の演算方法は、ガスセル２０を通過しない赤外光の光強度を測定しない構成であっても適用できる。
【００９３】
さらに、本実施の形態では、１周光６２の光強度と周回光６０の光強度とを用いてガス濃度を演算していた。しかしながら、周回回数の異なる周回光の光強度を用いてガス濃度を演算することもできる。このような方法を適用する場合には、例えば、チョッパー型ミラー２２を回転方向に光通過部３４を挟んで隣り合う光反射部３２のチョッパー型ミラー２２を回転周方向の範囲を変えればよい。また、このように周回回数の異なる周回光の光強度を用いてガス濃度を演算する場合には、上記の式（４）に代わり、以下の式（７）を用いてガス濃度ｃが演算される。
【００９４】
すなわち、Ｎ周回の周回光６０の光強度をＩＮ、Ｍ周回の周回光６０の光強度をＩｍ（但し、Ｎ≠Ｍ）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（５）、式（６）で示される。
【００９５】
【数５】
2020165876.tif 000007
【００９６】
【数６】
2020165876.tif 000008
【００９７】
したがって、これらの式（５）及び式（６）から以下の式（７）を得ることができる。
【００９８】
【数７】
2020165876.tif 000009
【００９９】
この式（７）を用いてガス濃度ｃを演算することによって、周回光６０の任意の周回回数Ｎ、Ｍでガス濃度ｃを演算できる。
【０１００】
また、上記の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、光強度検出器２６に入射された際の赤外光の光強度が測定ガスの測定に要求される精度に対応する変動幅を超えていると判定された場合、その直後にチョッパー型ミラー２２の光通過部３４が赤外光源１２と第１反射鏡１４の間での赤外光の光軸上に配置され、これによって、光学系１３の閉光路に入った赤外光に基づく光強度検出器２６での光強度は、測定ガスの濃度測定に供されない（上記の積算に供されない）構成とされていた。
【０１０１】
しかしながら、光強度検出器２６に入射された際の赤外光の光強度が測定ガスの測定に要求される精度に対応する変動幅を超えていると判定された場合、その直前にチョッパー型ミラー２２の光通過部３４が赤外光源１２と第１反射鏡１４の間での赤外光の光軸上に配置され、これによって、光学系１３の閉光路に入った赤外光に基づく光強度検出器２６での光強度は、測定ガスの濃度測定に供されない（上記の積算に供されない）構成としてもよい。
【０１０２】
また、ハーフミラー等を用いて、赤外光源１２から発せられた赤外光を、ガスセル２０側と光強度検出器２６側とに分けることができる構成とした場合には、上記の変動幅を超えていると判定された赤外光と同じタイミングで赤外光源１２から発せられた赤外光に基づく光強度を測定ガスの濃度測定に用いない構成とすることも可能である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０    濃度測定装置
１２    赤外光源（光源）
１３    光学系
２０    ガスセル（容器）
２２    チョッパー型ミラー（回転部材）
２４    回転数調整機構（回転数調整）
２６    光強度検出器（光強度検出手段）
２８    制御器（濃度演算手段、判定手段、キャンセル手段、切替手段、記憶手段）
【図１】
2020165876.tif 000010
【図２】
2020165876.tif 000011
【図３】
2020165876.tif 000012
【図４】
2020165876.tif 000013
【図５】
2020165876.tif 000014
【図６】
2020165876.tif 000015
【図７】
2020165876.tif 000016
【図８】
2020165876.tif 000017
【図９】
2020165876.tif 000018
【図１０】
2020165876.tif 000019
【図１１】
2020165876.tif 000020