(57)【要約】【課題】低濃度でも正確に温度および圧力補正を行うことができる濃度測定装置を提供する。【解決手段】受光器１２で受光した光強度から、μｃｏｍ５において、光強度信号比（Ｉabs／Ｉref）を算出して、測定対象の気体分子の温度に依存する吸収断面積σ（Ｔ）を算出し、そして、温度補正した濃度Ｃx（Ｔ）を算出してから濃度Ｃx（Ｔ）を補正して圧力補正後の濃度Ｃx,calibを算出する。【選択図】図２
2010066209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源からの光を導く測定セルと、前記測定セルから導かれた前記光源からの光を受光するセンサが設けられた受光部と、前記測定セル内に雰囲気を供給する供給部と、前記測定セル内の雰囲気を排出する排出部と、前記センサが受光した光信号強度比に基づいて前記測定セル内の予め定められた気体の濃度を算出する濃度算出部と、を備えた濃度測定装置において、
前記測定セル内の温度を測定する温度測定部と、
前記測定セル内の圧力を測定する圧力測定部と、
前記予め定められた気体の吸収断面積をσ（Ｔ）、前記測定セルのセル長をＬ、予め定められる係数をＰc=0,T1、前記温度測定部が測定した前記測定セル内の温度をＴ、前記圧力測定部が測定した前記測定セル内の圧力をＰ、前記濃度算出部で算出された圧力補正前で温度補正した濃度をＣx（Ｔ）としたときに、圧力補正後の濃度Ｃx,calibを数１によって算出する圧力補正部と、
を備えたことを特徴とする濃度測定装置。
【数１】
2010066209.tif 000034
【請求項２】
前記センサが受光した光信号強度比を（Ｉabs／Ｉref）、予め定められる係数をＹc0（Ｔ）、Ａc（Ｔ）としたときに、前記濃度算出部が、前記圧力補正前で温度補正後の濃度Ｃx（Ｔ）を数２によって算出することを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
【数２】
2010066209.tif 000035
【請求項３】
予め定められる係数をａ0、ａ1、ａ2、ａ3、ａ4、ａ5としたときに、前記濃度算出部が、前記予め定められた気体の吸収断面積をσ（Ｔ）および前記予め定められる係数Ｙc0（Ｔ）、Ａc（Ｔ）を数３によって算出することを特徴とする請求項１または２に記載の濃度測定装置。
【数３】
2010066209.tif 000036
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素などの所定の気体の濃度を測定する濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、二酸化炭素などの所定の気体の濃度を測定する濃度測定装置は、光源と、光源からの光を導く気体サンプル室（測定セル）と、気体サンプル室から導かれた光源からの光を受光するセンサが設けられた受光部と、気体サンプル室内に雰囲気を供給する供給部と、気体サンプル室内の雰囲気を排出する排出部と、センサが受光した光源からの光の強さに基づいて気体サンプル室内の予め定められた気体の濃度を算出する濃度算出部と、を備えている。
【０００３】
光源は、例えば、赤外線を放射する。受光器は、赤外線センサと、前記赤外線センサと光源との間に配置されて所定の波長の赤外線のみを透過するフィルタとを備えている。フィルタを透過する赤外線の波長は、測定対象の気体の濃度により定められる。
【０００４】
そして、濃度測定装置は、気体サンプル室内に雰囲気をポンプなどによって供給部から供給し、フィルタを介して赤外線センサが受光した光源からの赤外線の強さを測定することで、前記雰囲気中の前述した測定対象の気体の分子数を測定し、その分子数をBeer-Lambertの法則より濃度に換算することで濃度を測定する（例えば特許文献１を参照）。
【０００５】
また、気体の分子数は、圧力によって変動するために、気体サンプル室内の圧力を測定してその圧力に基づいて濃度を補正する補正方法が特許文献２に記載されている。
【特許文献１】特開２００７−２１２３１５号公報
【特許文献２】特開２００３−１４６３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した特許文献２に示された補正方法は、ボイル＝シャルルの法則を適用して行っているために、低濃度（例えば二酸化炭素では数百ｐｐｍ以下）では、正確に圧力補正を行うことができないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、低濃度でも正確に温度および圧力補正を行うことができる濃度測定装置を提供すること課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、光源と、前記光源からの光を導く測定セルと、前記測定セルから導かれた前記光源からの光を受光するセンサが設けられた受光部と、前記測定セル内に雰囲気を供給する供給部と、前記測定セル内の雰囲気を排出する排出部と、前記センサが受光した光信号強度比に基づいて前記測定セル内の予め定められた気体の濃度を算出する濃度算出部と、を備えた濃度測定装置において、前記測定セル内の温度を測定する温度測定部と、前記測定セル内の圧力を測定する圧力測定部と、前記予め定められた気体の吸収断面積をσ（Ｔ）、前記測定セルのセル長をＬ、予め定められる係数をＰc=0,T1、前記温度測定部が測定した前記測定セル内の温度をＴ、前記圧力測定部が測定した前記測定セル内の圧力をＰ、前記濃度算出部で算出された圧力補正前で温度補正した濃度をＣx（Ｔ）としたときに、圧力補正後の濃度Ｃx,calibを数１によって算出する圧力補正部と、を備えたことを特徴とする濃度測定装置である。
【０００９】
【数１】
2010066209.tif 000003
【００１０】
請求項１に記載された本発明によれば、濃度・温度試験を行って定めた係数と、測定セル内の温度や圧力を用いた数１によって測定した光信号強度比から算出した濃度を補正する補正部を備えているので、測定セルの温度や圧力に応じた補正を行うことができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記センサが受光した光信号強度比を（Ｉabs／Ｉref）、予め定められる係数を、Ｙc0（Ｔ）、Ａc（Ｔ）としたときに、前記濃度算出部が、前記圧力補正前で温度補正後の濃度Ｃx（Ｔ）を数２によって算出することを特徴とするものである。
【００１２】
【数２】
2010066209.tif 000004
【００１３】
請求項２に記載された本発明によれば、センサが受光した光信号強度比および予め定めた係数を式２に代入することによって温度補正後の濃度Ｃx（Ｔ）を算出することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、予め定められる係数をａ0、ａ1、ａ2、ａ3、ａ4、ａ5としたときに、前記濃度算出部が、前記予め定められた気体の吸収断面積をσ（Ｔ）および前記予め定められる係数Ｙc0（Ｔ）、Ａc（Ｔ）を数３によって算出することを特徴とすることを特徴とするものである。
【００１５】
【数３】
2010066209.tif 000005
【００１６】
請求項３に記載された本発明によれば、温度測定手段で測定した温度を数３に代入することによって温度補正後の吸収断面積σ（Ｔ）を算出することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように請求項１に記載の発明は、圧力補正部が、数１によって濃度算出部で算出した温度補正した濃度を圧力補正しているので、低濃度でも正確に温度および圧力補正を行うことができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、濃度算出部が、数２によって濃度を算出しているので、光信号強度比から温度補正した濃度を算出することができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、濃度算出部が、数３によって吸収断面積を算出しているので、測定セルの温度に基づいた温度補正した吸収断面積を算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態に係る濃度測定装置を、図１乃至図１４を参照して説明する。
【００２１】
濃度測定装置１は、図１に示すように、濃度の測定対象の気体を含んだ雰囲気が充填される二酸化炭素モジュール２と、コントロールユニット４２と、圧力補正ユニット４３と、を備えている。
【００２２】
二酸化炭素モジュール２は図１や図２に示すように、測定セル６と、発光部４０と、受光部４１と、供給部としてのＩＮＬＥＴ４７と、排出部としてのＯＵＴＬＥＴ４８と、を備えている。
【００２３】
測定セル６は、円筒状に形成されて、後述する光源７からの赤外線を受光ユニット８に導くように形成されている。
【００２４】
発光部４０は、測定セル６の一端に備えられて例えば略箱状に形成され、内部に光源７が設けられている。光源７は、電圧が印加されることで、光としての赤外線を測定セル６の一端部から他端部に向かって放射する。光源として、例えば黒体炉、電球等が用いられる。また、光源７には、リフレクタ３０が取り付けられている。リフレクタ３０は、光源７から出射された光を反射させ、受光ユニット８へ平行光として向かわせる。
【００２５】
受光部４１は、測定セル６の他端に備えられて例えば略箱状に形成され、内部に受光ユニット８が設けられている。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１２と、集光部材１３と、を備えている。ユニット本体１１は、箱状に形成されている。
【００２６】
受光器１２は、図示例では、２つ設けられている。受光器１２は、それぞれ、センサとしての赤外線センサ１４と、透過部材１５とを備えている。赤外線センサ１４は、ユニット本体１１に取り付けられている。複数の受光器１２の赤外線センサ１４は、同一平面上に配置されている。赤外線センサ１４は、光源７が発しかつ透過部材１５を透過した赤外線を受光し、この赤外線の熱を電気エネルギーに変換する。赤外線センサ１４は、赤外線の熱を電気エネルギーに変換して、センサ出力として後述するコントロールユニット４２のμｃｏｍ５に向かって出力する。赤外線センサ１４として、例えばサーモパイル型のものが用いられる。
【００２７】
透過部材１５は、ユニット本体１１に取り付けられて、赤外線センサ１４と光源７との間に配置されている。複数の受光器１２の透過部材１５は、同一平面上に配置されている。透過部材１５は、それぞれ、光源７からの赤外線のうち予め定められた波長の赤外線のみを透過して、当該透過した波長の赤外線を赤外線センサ１４まで導く。複数の受光器１２の透過部材１５は、互いに透過する赤外線の波長が異なる。
【００２８】
透過部材１５は、その透過する赤外線の波長は、濃度測定装置１が濃度の測定対象とする気体に応じて定められる。透過部材１５の透過する赤外線の波長は、濃度の測定対象の気体に対する透過率が小さな赤外線の波長にされる。図示例では、一方の受光器１２は、基準として用いられ、その透過部材１５が測定対象の気体により光強度が全く減衰しない波長（例えば４．０μｍ）の赤外線のみを透過する。他方の受光器１２は、測定対称の気体の濃度を測定するために用いられ、その透過部材１５が前述した測定対象の気体により光強度が減衰しやすい波長が（例えば４．３μｍ）付近の赤外線のみを透過する。
【００２９】
集光部材１３は、例えば３００度などの所定の角度の範囲の赤外線を集光して、透過部材１５つまり赤外線センサ１４に集中させる。すると、光源７から直接入射する赤外線以外にも、測定セル６の外壁の内面で反射す赤外線も赤外線センサ１４に集めることができるので、赤外線の受光効率を良くすることができる。なお、集光部材１３として、フレーネルレンズ等を用いることができる。
【００３０】
ＩＮＬＥＴ４７は、大気などの外部の雰囲気を二酸化炭素モジュール２内へ供給するための配管であり、筒状に形成され発光部４０もしくは受光部４１に接続されている。
【００３１】
ＯＵＴＬＥＴ４８は、二酸化炭素モジュール２内の雰囲気を外部へ排出するための配管であり、筒状に形成され受光部４１もしくは発光部４０に接続されている。
【００３２】
コントロールユニット４２は、図２に示したように、制御回路部３と、受光回路部４と、濃度算出部としてのマイクロコンピュータ（以下、μｃｏｍと記載する）５と、を備えている。
【００３３】
制御回路部３は、図２に示すように、発振器１６、クロック分周回路１７、定電圧回路１８などを備えており、μｃｏｍ５の命令とおりに、所定の周波数で光源７を点滅（パルス点灯）させる。
【００３４】
受光回路部４は、図５に示すように、複数のアンプ１９と、切り換え器２０と、Ａ／Ｄ変換器２１と、を備えている。アンプ１９は、それぞれ、赤外線センサ１４と１対１に対応して設けられている。アンプ１９は、対応する赤外線センサ１４からの信号を増幅して、切り換え器２０を介してＡ／Ｄ変換器２１に向かって出力する。Ａ／Ｄ変換器２１は、赤外線センサ１４からの信号をデジタル信号に変換して、μｃｏｍ５に向かって出力する。
【００３５】
μｃｏｍ５は、制御回路部３及び受光回路部４と接続して、これらの動作を制御することで、濃度測定装置１全体の動作をつかさどる。μｃｏｍ５は、予め定められたプログラムに従って動作するコンピュータである。このμｃｏｍ５は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）、ＣＰＵのためのプログラム等を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種のデータを格納するとともにＣＰＵの処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ等を有して構成している。
【００３６】
また、μｃｏｍ５には、濃度測定装置１自体がオフ状態の間も記憶内容の保持が可能な電気的消去／書き換え可能な読み出し専用のメモリが接続している。そして、このメモリには、濃度の算出に必要な吸光係数、測定距離、濃度変換係数等の各種情報を記憶するとともに、算出した濃度を外部から読出可能に時系列的に記憶する。
【００３７】
圧力補正ユニット４３は、通信ＩＣ４４と、μｃｏｍ４５と、圧力センサ４６と、を備えている。
【００３８】
通信ＩＣ４４は、μｃｏｍ５が算出した測定対象の気体の温度補正後の吸収断面積σ（Ｔ）、温度補正後の濃度Ｃx（Ｔ）と圧力センサ４６から出力された測定セル６内の圧力Ｐとをμｃｏｍ４５へ出力する。
【００３９】
圧力補正部としてのμｃｏｍ４５は、μｃｏｍ５が算出した測定対象の気体の吸収断面積σ（Ｔ）、温度補正後の濃度Ｃx（Ｔ）と、圧力センサ４６から出力された測定セル６内の圧力Ｐから圧力補正を行う。
【００４０】
圧力測定部としての圧力センサ４６は、測定セル６内の圧力を測定するセンサである。
【００４１】
また、濃度測定装置１は、測定セル６内の温度を測定する図示しない温度測定部としての温度センサを備えている。
【００４２】
前述した構成の濃度測定装置１は、光源７を点滅（パルス点灯）させて、この光源７からの赤外線を各赤外線センサ１４で受光する。そして、濃度測定装置１のμｃｏｍ５は、赤外線センサ１４に受光した赤外線の強さなどに基づいて、予め定められた測定対象の気体（例えば二酸化炭素）の雰囲気中の濃度を測定する。具体的には、濃度測定装置１のμｃｏｍ５は、基準として用いられる赤外線センサ１４で受光した赤外線の強さと、測定対象の気体を測定するための赤外線センサ１４で受光した赤外線の強さとを比較して（光信号強度比を求めて）、測定対象の気体の濃度を測定（後述する式により算出）する。また、μｃｏｍ５は、測定した濃度（大気中の測定対象の気体の混合比）を後述する式によって温度補正を行う。
【００４３】
次に、測定対象の気体の濃度を測定セルの圧力に基づいて補正する方法について説明する。
【００４４】
まず、Beer-Lambertの法則は数４で表される。
【００４５】
【数４】
2010066209.tif 000006
【００４６】
ここでＩabsは測定対象の気体により減衰させられた光強度である。同様にＩrefは測定対象の気体の非吸収波長における光強度である。ｎxは測定対象の気体分子の数密度であり、単位はmolecules cm-3，すなわち単位体積１立方センチメートルに存在する測定対象の気体の分子数である。σabsは吸収断面積，σscatは散乱断面積であり、単位はいずれもcm2 molecules-1である。それぞれ１個の測定対象の気体分子が光を吸収または散乱させる断面積を表している。Ｌは光路長であり、単位はｃｍである。
【００４７】
吸収断面積σabsおよび散乱断面積σscatは測定対象の気体分子の光損失能率を表している。そこで数５のように測定対象の気体分子の光損失能率σを規定できる。
【００４８】
【数５】
2010066209.tif 000007
【００４９】
従って数４は，数６で表すことができる。
【００５０】
【数６】
2010066209.tif 000008
【００５１】
測定対象の気体分子の数密度ｎxと濃度Ｃxは，空気の数密度ｎaを用いると、次のように表される。なお空気の数密度ｎaは、空気１立方センチメートルに存在する空気分子数（molecules cm-3）である。
【００５２】
【数７】
2010066209.tif 000009
【００５３】
圧力Ｐ（Ｐａ），温度Ｔ（Ｋ）において、Ｎモルの空気を含んでいる体積Ｖ（ｍ3）の空気は、数８の理想気体の状態方程式で関係づけられることがわかっている。
【００５４】
【数８】
2010066209.tif 000010
【００５５】
ここでＲは気体定数であり、Ｒ＝８．３１４Ｊｍｏｌ-1Ｋ-1である。またアボガドロ定数Ａｖ＝６．０２２×１０23molecules mol-1を用いると、空気の数密度ｎaはモル数Ｎと体積Ｖcm3（ｃｍ3）と数９で関係づけることができる。
【００５６】
【数９】
2010066209.tif 000011
【００５７】
数７および数８、数９より、数１０が得られる。
【００５８】
【数１０】
2010066209.tif 000012
【００５９】
ＮＤＩＲ式（赤外線吸収式）ガスセンサ（すなわち濃度測定装置１）の目的は、測定対象の気体分子の大気中の濃度Ｃxを計測することである。そこで数１０を数６へ代入すると数１１が得られる。
【００６０】
【数１１】
2010066209.tif 000013
【００６１】
数１１は吸光度の圧力・温度依存性を表している。数１１より，濃度Ｃxは、数１２で得られることがわかる。
【００６２】
【数１２】
2010066209.tif 000014
【００６３】
なお、これまでは式の展開が簡単になるようＳＩ単位を用いていたので、温度Ｔはケルビン単位（Ｋ）であり、圧力Ｐもパスカル単位（Ｐａ）で定義していた。従って、通常、使用する場合には摂氏温度Ｔc（℃）およびキロパスカルＰk（ｋＰａ）単位を使用できように、数１２を変換すると数１３のように表すことができる。
【００６４】
【数１３】
2010066209.tif 000015
【００６５】
次に、本発明者らが開発中の二酸化炭素（以下ＣＯ2とする）センサを用いて圧力試験を行った。試験により得られた結果を用いてＣＯ2センサ出力の圧力依存性を調査し、ＣＯ2センサによって得られる濃度Ｃxの温度および圧力補正を行う方法を考案した。
【００６６】
チャンバー内をまず２０ｋＰａまで減圧し、ＣＯ2／Ｎ2標準ガス（ＣＯ2８０６ｐｐｍ）ボンベを用いて、ＣＯ2／Ｎ2標準ガス（ＣＯ2８０６ｐｐｍ）に置換した。次に、再度チャンバーを２０ｋＰａまで減圧し、徐々にＣＯ2８０６ｐｐｍガスを加えて圧力を変化させた。その時のＣＯ2センサおよび圧力センサ（横河電機製ＦＰ１０１Ａ）、温度センサ（ナショナルセミコンダクター製ＬＭ３５）の出力を測定した結果を図６に示した。図６において、(ａ) がＣＯ2センサ内蔵温度センサの温度出力、(ｂ)がＣＯ2吸収波長における光強度Ｉabs出力、(ｃ)がＣＯ2非吸収波長における光強度Ｉref出力、(ｄ)がＣＯ2センサによる圧力補正をしていない濃度出力、(ｅ)が４．３μｍにおける信号強度および４．０μｍにおける信号強度の強度比（Ｉabs／Ｉref）、（ｆ）が温度センサＬＭ３５の出力である。
【００６７】
その結果、各センサ出力は圧力に依存していることがわかった。特に光信号強度比（Ｉabs／Ｉref）は圧力に対して線形に比例することがわかった。しかし数１１で考えると、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）は圧力に対し、指数減衰関数で表される。
【００６８】
ＣＯ2／Ｎ2標準ガス（ＣＯ2８０６ｐｐｍ）ボンベを用いて、チャンバー内をＣＯ2８０６ｐｐｍガス１ａｔｍで満たし、温度および圧力が安定した条件で測定を行った結果を図７に示した。図７において、（ａ）はＣＯ2センサ内蔵温度センサの出力、（ｂ）がＣＯ2吸収波長における光強度Ｉabs出力、（ｃ）がＣＯ2非吸収波長における光強度Ｉref出力、（ｄ）がＣＯ2センサによる圧力補正をしていない濃度出力、（ｅ）が圧力センサＦＰ１０１Ａの出力、（ｆ）が圧力を連続的に加圧した時の圧力−ＣＯ2センサ濃度出力プロットである。
【００６９】
図７（ａ）、（ｅ）より温度および圧力は、概ね安定している。図７（ｄ）を見ると、実験に使用したＣＯ2センサは、１ａｔｍにおいて８０６ｐｐｍを出力するように検量線を作成しているはずであるが、約１０００ｐｐｍの濃度値を出力している。別途、測定した図７（ｆ）に示したＣＯ2センサの圧力−濃度プロットを見ると、０．８６ａｔｍにおいて約８００ｐｐｍを出力している。すなわち実験に使用したＣＯ2センサは０．８６ａｔｍにおいて濃度・温度試験を行い、検量線が作成されたことがわかった。
【００７０】
濃度の異なるＣＯ2／Ｎ2標準ガス（ＣＯ2２００．１、３９９、５９９、８０６ｐｐｍ）を用いて，圧力に対するＣＯ2センサ出力の変化を測定した。その結果を図８に示した。図８において、（ａ）は２００、４００、６００、８００ｐｐｍ における圧力に対する信号強度比（Ｉabs／Ｉref）のプロット、（ｂ）は各濃度を横軸とし各濃度に対する数１４に基づく１次回帰解析を行った結果、得られた傾きを縦軸としたプロットである。図８（ａ）より、これまでと同様に信号強度比（Ｉabs／Ｉref）は圧力に線形に比例することがわかった。よって圧力Ｐと信号強度比（Ｉabs／Ｉref）は、１次回帰式で関係づけられるので、数１４のように表すことができる。また異なる濃度Ｃxでは１次回帰解析の結果、得られたオフセットＹp0値は、ほぼ同じであった。また傾きＡpは濃度Ｃxにより異なっていた。
【００７１】
【数１４】
2010066209.tif 000016
【００７２】
次に１次回帰解析の結果、得られた濃度Ｃxに対する傾きＡpをプロットした結果を図８（ｂ）に示した。図８（ｂ）より、濃度に対して、傾きＡpは指数減衰的に比例することがわかった。ゆえに濃度Ｃxに対する傾きＡpは数１５で表すことができる。
【００７３】
【数１５】
2010066209.tif 000017
【００７４】
濃度Ｃxは圧力と温度に依存する。そのため信号強度比（Ｉabs／Ｉref）は濃度と圧力、温度に依存する。前述した圧力試験において、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）の圧力依存性を調べてきた結果、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）は圧力Ｐに比例することがわかった。しかし前述した理想気体の状態式より導かれる数１１で考えれば、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）は圧力Ｐに対して、指数減衰関数で表される。
【００７５】
信号強度比（Ｉabs／Ｉref）が数１１で示した指数減数関数で表せた場合は、見かけの濃度Ｃx,pが圧力に比例するということである。すなわちガスセンサが出力した見かけの濃度Ｃx,pと真の濃度Ｃxとの関係は，次の数１６で表すことができる。
【００７６】
【数１６】
2010066209.tif 000018
【００７７】
ここでＰstandardとは、検量線を作成するための濃度・温度試験を行ったときの基準圧力である。なお数１６は、数１７に示した特許文献２の補正式と全く同じである。
【００７８】
【数１７】
2010066209.tif 000019
【００７９】
前述したように、濃度Ｃxは圧力と温度に依存する。そのため信号強度比（Ｉabs／Ｉref）は濃度と圧力、温度に依存する。前述した圧力試験において、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）の圧力依存性を調べた。その結果、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）は圧力Ｐに比例することがわかった。また濃度依存性であるが、これまで行ってきた試験の結果から、Beer-Lambertの法則に則り、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）が濃度Ｃxの指数関数で表される。
【００８０】
次に信号強度比（Ｉabs／Ｉref）の温度依存性を次の図９に示した。図９において、（ａ）はセル長２０ｍｍ、（ｂ）はセル長３７ｍｍである。
【００８１】
図９より信号強度比（Ｉabs／Ｉref）は温度に比例することがわかった。以上の結果を式で表すと、数１８のようになる。数１８（ａ）は信号強度比の圧力依存性、数１８（ｂ）は信号強度比の濃度依存性、数１８（ｃ）は信号強度比の温度依存性をそれぞれ表す。
【００８２】
【数１８】
2010066209.tif 000020
【００８３】
ガスセンサの目的は，信号強度比（Ｉabs／Ｉref）から濃度Ｃxを求めることである。そこで数１８（ｂ）の係数σ（Ｔ）、 Ｙc0（Ｔ）及びＡc（Ｔ）の温度依存性を、図１０に示した。図１０において、（ａ）はセル長２０ｍｍ、（ｂ）はセル長３７ｍｍである。
【００８４】
図１０より、σ（Ｔ）、 Ｙc0（Ｔ）及び｛Ｙc0（Ｔ）＋Ａc（Ｔ）｝は温度Ｔに比例することが分かった。式で表すと数１９のようになる。
【００８５】
【数１９】
2010066209.tif 000021
【００８６】
ここでａ０、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５は濃度・温度試験から得ることができる。数１９を数１８（ｂ）に代入すれば、温度補正を行った濃度と信号強度比（Ｉabs／Ｉref）の関係が得られる。
【００８７】
次に圧力補正方法について説明する。信号強度比（Ｉabs／Ｉref）は圧力Ｐによって変化する。ここで濃度・温度試験を行った時の圧力Ｐstandardを基準圧力とする。数１８（ａ）より圧力Ｐにおいて測定した信号強度比（Ｉabs／Ｉref）を基準圧力Ｐstandardにおける信号強度比（Ｉabs／Ｉref）standardに換算する数２０が得られる。
【００８８】
【数２０】
2010066209.tif 000022
【００８９】
数２０より、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）の圧力補正を行うためには ＹP0（Ｔ）値が必要であるが、係数 ＹP0（Ｔ）を求めるために濃度・温度試験とは別に圧力依存試験を行う必要はない。数１８（ａ）より係数 ＹP0（Ｔ）は、測定セル６内を真空（０ａｔｍ）にした時の信号強度比（Ｉabs／Ｉref）p=0に等しい。従って一度、真空条件下で信号強度測定を行えば、係数ＹP0（Ｔ）を求めることができる。
【００９０】
【数２１】
2010066209.tif 000023
【００９１】
さらに係数ＹP0（Ｔ）を得るためには真空試験すら行う必要がない。ＹP0（Ｔ）は圧力Ｐが０ａｔｍにおける信号強度比（Ｉabs／Ｉref）p=0であり、測定対象の分子が完全に存在しないとした時の信号強度比に等しい。完全に測定対象の分子が存在しないと考えた時の信号強度比とは、数１８（ｂ）より濃度Ｃxが０ｐｐｍの時の信号強度比（Ｉabs／Ｉref）c=0に等しい。
【００９２】
数１８（ｂ）より濃度Ｃxが０の時、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）c=0は数２２で表すことができる。
【００９３】
【数２２】
2010066209.tif 000024
【００９４】
従って数２２より圧力補正のための１次回帰式の係数 ＹP0（Ｔ）は、数２３より得ることができる。
【００９５】
【数２３】
2010066209.tif 000025
【００９６】
数２３より係数 ＹP0（Ｔ）は温度依存性を有していることがわかるが、濃度・温度試験は必ず行われるので、温度依存性を考慮した Ｙc0（Ｔ）およびＡc（Ｔ）を得ることができる。以上のようにして、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）は数２０を用いれば圧力補正を行うことが可能である。また数２０で用いられる係数 ＹP0（Ｔ）を求めるために、数１８（ａ）の圧力依存に基づく検量線の作成や、数２１に基づく真空試験を行う必要はない。
【００９７】
数２０および数２３により圧力補正を行った信号強度比（Ｉabs／Ｉref）standardの数値を数１８（ｂ）を変形した数２４に代入すれば，温度および圧力補正を行った濃度Ｃx,calibを求めることができる。
【００９８】
【数２４】
2010066209.tif 000026
【００９９】
数２３および信号強度比（Ｉabs／Ｉref）より圧力補正を行った信号強度比（Ｉabs／Ｉref）standardから圧力補正を行った濃度Ｃx,calibを得るためには、圧力Ｐだけではなく、σ（Ｔ）、Ｙc0（Ｔ）、Ａc（Ｔ）の数値が必要であるが，各数値は必ず行われる濃度・温度試験および数１９によって得ることができる。数２０を数１８（ｂ）に代入すると、数２５が得られる。
【０１００】
【数２５】
2010066209.tif 000027
【０１０１】
数２５より信号強度比（Ｉabs／Ｉref）と温度および圧力補正した濃度Ｃx,calibとの関係は、数２６で表すことができる。数２６を用いることにより測定した信号強度比（Ｉabs／Ｉref）から温度および圧力補正を行った濃度Ｃx,calibを算出できる。
【０１０２】
【数２６】
2010066209.tif 000028
【０１０３】
数１８（ｂ）と数２０より数２７を得ることができる。
【０１０４】
【数２７】
2010066209.tif 000029
【０１０５】
数２７を用いれば、ガスセンサで測定した濃度Ｃxの圧力補正を行うことができる。この時、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）の圧力補正とは異なり、ＹP0（Ｔ）は不要であるが、σ（Ｔ）は必要である。
【０１０６】
前記数２０よりガスセンサによって測定した信号強度比（Ｉabs／Ｉref）の圧力補正を行うことができる。
【０１０７】
数２０により信号強度比（Ｉabs／Ｉref）を基準圧力Ｐstandardにおける信号強度比（Ｉabs／Ｉref）standardに補正した結果を図１１に示した。図１１より、補正結果の精度は各測定におけるガスセンサ精度とほぼ等しかった。
【０１０８】
次に圧力補正を行った信号強度比（Ｉabs／Ｉref）standardの数値を数２４に代入すると濃度Ｃx,standardを得ることができるが、そのためには、σ（Ｔ）、Ｙc0（Ｔ）、Ａc（Ｔ）が必要である。
【０１０９】
ここで温度２０度における濃度・温度試験の結果を解析した結果を図１２（ａ）に示した。図１２（ａ）より、σ（Ｔ）、Ｙc0（Ｔ）、Ａc（Ｔ）を得て，数２０および数２４に代入した。以上により圧力補正された濃度Ｃx,calibを得た結果を図１２（ｂ）に示した。図１２（ｂ）より±２０ｐｐｍの精度で圧力補正を行った濃度Ｃx, standardを得ることができた。±２０ｐｐｍの精度は使用したガスセンサの精度とほぼ等しかった。
【０１１０】
数２７を用いればガスセンサからの圧力補正していない濃度Ｃx値を直接、圧力補正を行うことができる。
【０１１１】
数２７よりガスセンサの濃度Ｃx出力を圧力補正した結果を図１３（ｃ）に示した。図１３において、（ａ）は２０℃における圧力に対する信号強度比（Ｉabs／Ｉref）のプロット。（ｂ）は圧力に対してガスセンサが出力した濃度Ｃxのプロット。（ｃ）は数２７によりガスセンサが出力した濃度Ｃxを圧力補正した結果である。
【０１１２】
図１３（ｃ）からわかるように、±２０ｐｐｍの精度で圧力補正を行った濃度Ｃx,calibを得ることができた。±２０ｐｐｍの精度は使用したガスセンサの精度とほぼ等しかった。
【０１１３】
ガスセンサの目的は、測定対象の分子の濃度Ｃxを測定することである。そこで温度および圧力の補正を行った濃度Ｃxを得るための手順を考案した。
【０１１４】
ガスセンサで測定した濃度Ｃxを温度センサおよび圧力センサで得られた温度Ｔおよび圧力Ｐにより補正を行うためには、まず濃度・温度試験を行う必要がある。濃度・温度試験を行い解析した結果、得られた検量線係数により、ガスセンサで測定した濃度Ｃxを温度補正および圧力補正を行うことが可能である。以下に検量線を得る手順を示す。
【０１１５】
（検量線１）圧力Ｐc=0を一定にし、ある温度Ｔ1において、濃度Ｃx＝０ｐｐｍにおける信号強度比（Ｉabs／Ｉcalib）c=0を測定する。また圧力センサにより、その時の圧力Ｐc=0, T1を測定する。この時、得られた信号強度比（Ｉabs／Ｉcalib）c=0をＹP0（Ｔ1）とする。
【０１１６】
（検量線２）圧力Ｐnを一定にし、ある温度Ｔ1において、別の濃度Ｃx,1、Ｃx,2、…、Ｃx,nにおける信号強度比（Ｉabs／Ｉcalib）c=nを測定する。圧力Ｐnを圧力センサにより測定する。手順（検量線１）で得られたＹP0（Ｔ1）および数２８により圧力補正を行い，（Ｉabs／Ｉref）c=n,pを得る。これにより圧力Ｐnが手順（検量線１）の圧力Ｐc=0と異なっても補正することができる。
【０１１７】
【数２８】
2010066209.tif 000030
【０１１８】
（検量線３）手順（検量線１）、（検量線２）における濃度Ｃx,nおよび信号強度比（Ｉabs／Ｉref）c=0と（Ｉabs／Ｉref）c=n,pより数２９を用いて、指数減衰回帰計算を行い、σ（Ｔ1）、Ｙc0（Ｔ1）、Ａc（Ｔ1）を得る。
【０１１９】
【数２９】
2010066209.tif 000031
【０１２０】
（検量線４）別の温度Ｔ2、Ｔ3、…、Ｔnにおいて手順（検量線１）、（検量線２）、（検量線３）を行い，各温度におけるσ（Ｔｎ）、Ｙc0（Ｔｎ）、Ａc（Ｔｎ）を得る。なお手順（検量線４）において圧力補正を行う時、数２８に代入する圧力Ｐc=0は温度Ｔ1における圧力Ｐc=0,T1を代入する。各温度Ｔnにおいて濃度Ｃx＝０ｐｐｍの信号強度比（Ｉabs／Ｉref）c=0,Tnを測定した時の圧力Ｐc=0,Tnではないことに注意する。
【０１２１】
（検量線５）手順（検量線４）で得た各温度におけるσ（Ｔn）、Ｙc0（Ｔn），Ａc（Ｔn）を数３０（ａ）（ｂ）（ｃ）に代入して、１次回帰を行い、｛ａ0，ａ1｝、｛ａ2，ａ3｝、｛ａ4，ａ5｝を得る。
【０１２２】
【数３０】
2010066209.tif 000032
【０１２３】
以上のようにして得た検量線係数ａ0、ａ1、ａ2、ａ3、ａ4、ａ5により、ガスセンサで測定した濃度Ｃxを温度および圧力補正した濃度Ｃx,calibに変換する手順を以下に示す。
【０１２４】
（補正１）ガスセンサにより信号強度比（Ｉabs／Ｉref）、温度Ｔ， 圧力Ｐを測定する。
【０１２５】
（補正２）手順（補正１）で得られた温度Ｔおよび手順（検量線１）〜（検量線５）によって得た｛ａ0，ａ1｝、｛ａ2，ａ3｝、｛ａ4，ａ5｝を数３０（ａ）（ｂ）（ｃ）に代入して、σ（Ｔ）、 Ｙc0（Ｔ）、Ａc（Ｔ）を計算する。
【０１２６】
（補正３）手順（補正１）で測定した信号強度比（Ｉabs／Ｉref）および手順（補正２）で計算したσ（Ｔ）、 Ｙc0（Ｔ）、Ａc（Ｔ）を数２９に代入して、温度補正した濃度Ｃx（Ｔ）を計算する。
【０１２７】
（補正４）手順（補正３）で算出した温度補正した濃度Ｃx（Ｔ）および手順（補正２）で算出したσ（Ｔ）、手順（補正１）で得られた圧力Ｐを数３１に代入し、温度および圧力補正を行った濃度Ｃx,calibを計算する。
【０１２８】
【数３１】
2010066209.tif 000033
【０１２９】
以上により、温度・圧力補正を行った濃度Ｃx,calibを得ることができる。
【０１３０】
分子の吸光・発光スペクトルにおいて、圧力によりピーク幅に広がりが生じることが知られている。そこでＨＩＴＲＡＮデータを用いて、３０〜１１０ｋＰａにおける圧力広がりを考慮したＣＯ2の吸収スペクトルのシミュレーションを行った。また、シミュレーション結果を用いて，ＮＤＩＲ式ＣＯ2センサのバンドパスフィルターが透過する帯域における信号強度比（Ｉabs／Ｉref）の計算を行った。その結果の１つであるＮＤＩＲ式ＣＯ2センサの測定セル６のセル長が１２０ｍｍとした時の計算結果を図１４に示した。
【０１３１】
図１４（ａ）は３０ｋＰａ（≒０．３ａｔｍ）における信号強度比（Ｉabs／Ｉref）を縦軸にしたスペクトルであり、図１４（ｂ）は１１０ｋＰａ（≒１．１ａｔｍ）におけるスペクトルである。図１４（ａ）及び（ｂ）を比べると、１１０ｋＰａでは圧力広がりによりピーク幅が広がっていることがわかる。次に図１４（ａ）、（ｂ）で示したような各圧力における各信号強度比（Ｉabs／Ｉref）スペクトルの各ピーク面積を積分し、その総和を計算した。各圧力における信号強度比（Ｉabs／Ｉref）の積分値を縦軸にしたプロットが図１４（ｃ）である。図１４（ｃ）を見ると、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）の積分値は圧力に対して、線形に比例していることがわかる。
【０１３２】
ＮＤＩＲ式ＣＯ2センサは、バンドパスフィルターの透過帯域全ての信号光の積分値を信号強度として得る。そのためレーザーのような狭帯域の光源を用いた場合と異なり、圧力広がりによる信号強度の減少が大きく影響する。そのため信号強度比（Ｉabs／Ｉref）の圧力依存性は、Beer-Lambertの法則およびボイル＝シャルルの法則の２つだけを考えただけでは不足であり、圧力広がりを考慮する必要があることがわかった。また圧力広がりを考慮すれば、圧力に対して信号強度比（Ｉabs／Ｉref）が比例するという圧力試験の結果を説明できることがわかった。
【０１３３】
ＮＤＩＲ式であることに起因する信号強度比（Ｉabs／Ｉref）が圧力Ｐに比例する場合、通常これまで考えられてきた特許文献２で書かれたような補正方法では、圧力補正を行うことはできない。しかし今回、前記において提案した圧力補正方法を用いれば、信号強度比（Ｉabs／Ｉref）が圧力Ｐに比例するような場合でも、ガスセンサが出力する濃度Ｃxの温度圧力補正が可能である。すなわち，ガスセンサにより実際に測定対象の気体分子の濃度計測を行う際、同時に温度および圧力を測定していれば、濃度・温度試験で得た検量線により常に温度および圧力の補正を可能にすることができる。
【０１３４】
ただし補正を行うためには，検量線を求めるための濃度・温度試験において，次の３つの条件を必ず満たす必要がある。
・最初の濃度・温度試験において、温度Ｔおよび圧力Ｐが一定に保持される。
・全ての濃度・温度試験において、定めた温度Ｔが一定に保持される。
・全ての濃度・温度試験の測定中において、圧力Ｐを測定する。
【０１３５】
以上の２つの条件を満たした装置で濃度・温度試験を行えば、濃度Ｃxの温度補正および圧力補正を行うための検量線係数を得ることができる。また、得られた各係数を用いることにより、濃度Ｃxの温度および圧力の補正が可能である。
【０１３６】
本実施形態によれば、受光器１２で受光した光強度から、μｃｏｍ５において、光強度信号比（Ｉabs／Ｉref）を算出し、数３０で測定対象の分子の吸収断面積σ（Ｔ）を算出し、数２９で温度補正した濃度Ｃx（Ｔ）を算出して、数３１で算出した濃度Ｃx（Ｔ）を圧力補正して補正後の濃度Ｃx,calibを算出しているので、低濃度でも正確に温度および圧力補正を行うことができる。
【０１３７】
また、本実施形態では、光強度信号比（Ｉabs／Ｉref）は、４．３μｍと４．０μｍとしていたが、それに限定するものではない。
【０１３８】
なお、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】
【０１３９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる濃度測定装置の構成を示す説明図である。
【図２】図１に示された二酸化炭素モジュールとコントロールユニットの構成を示す説明図である。
【図３】図２に示された二酸化炭素モジュールの受光ユニットの正面を模式的に示す説明図である。
【図４】図３中のＶＩ−ＶＩ線の断面を模式的に示す説明図である。
【図５】図１に示された濃度測定装置の受光回路の構成を示す説明図である。
【図６】温度２６〜２７℃において圧力を変化させた時のセンサ出力の変化を示すグラフである。
【図７】ＣＯ2／Ｎ2標準ガス（８０６ｐｐｍ）、圧力１ａｔｍ、温度２６〜２７℃における各センサ出力の経時変化を示すグラフである。
【図８】温度２６〜２７℃において、異なるＣＯ2濃度における圧力依存性の変化を示すグラフである。
【図９】温度に対するＣＯ2センサの信号強度比（Ｉabs／Ｉref）プロットである。
【図１０】温度に対するＣＯ2センサの信号強度比（Ｉabs／Ｉref）プロットである。
【図１１】数１９により測定した信号強度比（Ｉabs／Ｉref）を１ａｔｍ（１０１．３２５ｋＰａ）における信号強度比（Ｉabs／Ｉref）standardに換算した結果のプロットである。
【図１２】２０℃における濃度・温度試験の結果およびは圧力補正された濃度Ｃx,calibを得た結果である。
【図１３】２０℃における濃度・温度試験の結果およびは圧力に対して出力した濃度Ｃxのプロット並びに圧力試験より得た濃度Ｃxを圧力補正した結果である。
【図１４】ＣＯ2センサのセル長を１２０ｍｍとした時の、圧力広がりを考慮したＣＯ2分子の４．３μｍ帯における吸収スペクトルおよび信号強度比（Ｉabs／Ｉref）の変化のシミュレーション結果である。
【符号の説明】
【０１４０】
１  濃度測定装置
２  二酸化炭素モジュール
５  μｃｏｍ（濃度算出部）
６  測定セル
７  光源
１４  赤外線センサ（センサ）
４０  発光部
４１  受光部
４７  ＩＮＬＥＴ（供給部）
４８  ＯＵＲＬＥＴ（排出部）
４５  μｃｏｍ（圧力補正部）
【図１】
2010066209.tif 000037
【図２】
2010066209.tif 000038
【図３】
2010066209.tif 000039
【図４】
2010066209.tif 000040
【図５】
2010066209.tif 000041
【図６】
2010066209.tif 000042
【図７】
2010066209.tif 000043
【図８】
2010066209.tif 000044
【図９】
2010066209.tif 000045
【図１０】
2010066209.tif 000046
【図１１】
2010066209.tif 000047
【図１２】
2010066209.tif 000048
【図１３】
2010066209.tif 000049
【図１４】
2010066209.tif 000050