(57)【要約】  応答性が高くノイズが低いＮＤＩＲ式のガスセンサを提供する。ガスセンサ５は、赤外線を放射する放射部５０と、放射部５０により放射された赤外線を検出する検出部５１と、赤外線の経路に沿って放射部５０及び検出部５１間に渡って設けられ、赤外線の経路周り全体を覆う試料セル６と、を備える。試料セル６は、赤外線の経路に沿ってのびる複数のセル要素６０、６１からなる。隣り合うセル要素６０、６１の側部は、互いに間隔をあけて重なっている。
2016208424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス検出またはガス濃度測定のためのＮＤＩＲ式のガスセンサであって、
赤外線を放射する放射部と、
前記放射部により放射された前記赤外線を検出する検出部と、
前記赤外線の経路に沿って前記放射部及び前記検出部間に渡って設けられ、前記経路周り全体を覆う試料セルと、を備え、
前記試料セルは、前記経路に沿ってのびる複数のセル要素からなり、
隣り合う前記セル要素の側部は、互いに間隔をあけて重なっている、
ことを特徴とするＮＤＩＲ式のガスセンサ。
【請求項２】
前記試料セルは、前記放射部から前記検出部に向けて窄まる形状を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のＮＤＩＲ式のガスセンサ。
【請求項３】
前記各セル要素は、金メッキまたは鏡面加工された内面を有する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＮＤＩＲ式のガスセンサ。
【請求項４】
前記試料セルは、第１セル要素と第２セル要素とからなり、
前記第１セル要素の一方の側部及び前記第２セル要素の一方の側部が互いに間隔をあけて重なることにより、前記経路に沿ってのびる第１隙間が形成され、前記第１セル要素の他方の側部及び前記第２セル要素の他方の側部が互いに間隔をあけて重なることにより、前記経路に沿ってのびる第２隙間が形成されている、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＮＤＩＲ式のガスセンサ。
【請求項５】
測定葉の光合成速度の測定のために用いられるガス分析計であって、
前記測定葉で覆われる開口を有する密閉可能なチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、ガスを前記チャンバ内で循環させるファンと、
前記チャンバ内のＣＯ２濃度を測定する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＮＤＩＲ式のガスセンサと、を備える、
ことを特徴とするガス分析計。
【請求項６】
前記測定葉に光を放射する光源をさらに備える、ことを特徴とする請求項５に記載のガス分析計。
【請求項７】
前記チャンバの前記開口は、上向きであり、前記ファンは、前記チャンバの前記開口の真下に配置され、前記ガスセンサは、前記ファンの真下に配置されている、ことを特徴とする請求項５または請求項６のいずれか１項に記載のガス分析計。
【請求項８】
前記ファンは、前記チャンバの前記開口に向かう気流を発生させるように前記チャンバ内に配置されている、ことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のガス分析計。
【請求項９】
前記ファンは、前記チャンバの前記開口に対して反対方向に向かう気流を発生させるように前記チャンバ内に配置されている、ことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のガス分析計。
【請求項１０】
チャンバと、
試料ガスを前記チャンバに導入するために前記チャンバに接続された導入ラインと、
前記試料ガスを前記チャンバから排出するために前記チャンバに接続された排出ラインと、
前記チャンバに導入された前記試料ガス中の対象ガスを検出するまたは対象ガスの濃度を測定する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＮＤＩＲ式のガスセンサと、を備える、
ことを特徴とするガス分析計。
【請求項１１】
測定葉の光合成速度を測定するための光合成速度測定装置であって、
前記測定葉の光合成により減少していくＣＯ２濃度を測定する請求項５から請求項９のいずれかに１項に記載のガス分析計と、
前記ガス分析計で測定された前記ＣＯ２濃度の時間変化に基づいて前記測定葉の光合成速度を演算する速度演算部と、を備える、
ことを特徴とする光合成速度測定装置。
【請求項１２】
測定葉の光合成速度を測定する光合成速度測定方法であって、
請求項５から請求項９のいずれか１項に記載のガス分析計を準備し、
前記チャンバの前記開口を前記測定葉で閉じ、前記チャンバ内を密閉状態にし、
前記測定葉に光合成をさせるとともにガスを前記ファンによって前記チャンバ内で循環させながら、前記チャンバ内のＣＯ２濃度を前記ＮＤＩＲ式のガスセンサで測定し、
測定された前記ＣＯ２濃度の時間変化に基づき前記測定葉の光合成速度を演算する、
ことを特徴とする光合成速度測定方法。
【請求項１３】
前記測定葉が光合成を開始してから１０秒以内の前記チャンバ内のＣＯ２濃度の時間変化に基づいて、前記測定葉の光合成速度を測定する、ことを特徴とする請求項１２に記載の光合成速度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス検出またはガス濃度測定のためのＮＤＩＲ式のガスセンサ、ＮＤＩＲ式のガスセンサを備えるガス分析計、及び、ガス分析計を有する光合成速度測定装置に関する。さらに、本発明は、ガス分析計を用いた光合成速度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
植物はＣＯ２を吸収して光合成をするので、植物の光合成速度は、一般的に、測定対象の植物が存在する環境下のＣＯ２濃度に基づいて測定される（例えば、特許文献１等）。【０００３】
図１０に、従来の光合成速度の測定のための装置及び方法が示されている。大気がポンプ８１によって導入ライン８２に導入され、フィルタ８０を通過してから流路制御部８３へ送られる。流路制御部８３は、一定割合（例えば７５％）の大気を試料ガスとして試料ライン８４に、残り（２５％）の大気を参照ガスとして参照ライン８５に、一定流量で流入させる。【０００４】
試料ガスは、流量計８６、チャンバ８７、ガス分析計８８を順番に通過する。チャンバ８７では、光が光源から測定対称となる葉Ｌ（以下、測定葉とする）に放射され、測定葉Ｌは、チャンバ８７内の試料ガスのＣＯ２を吸収して光合成する。光合成によって減少されたＣＯ２濃度が、チャンバ８７の下流のガス分析計８８により測定される。【０００５】
参照ライン８５では、参照ガスがガス分析計８９を通過し、その際に参照ガスのＣＯ２濃度がガス分析計８９によって測定される。【０００６】
そして、参照ガスのＣＯ２濃度と試料ガスのＣＯ２濃度との差が演算され、この差に流量計８６で測定された試料ガスの流量をかけることにより光合成速度が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１７２９１３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６９６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光合成によって減少されたＣＯ２濃度は、試料ガスをチャンバ８７内に流しながら測定される。つまり、測定葉Ｌの裏面近傍の試料ガスのＣＯ２濃度が光合成により減少する一方で、大気がチャンバ８７内に流入し続けている状態である。それゆえ、ＣＯ２濃度の動的平衡が安定するまでには時間がかかる。これは、ガス分析計８８により測定されるＣＯ２濃度が安定するまでには時間がかかるということである。通常、大気のガス濃度が安定している場合でも少なくとも２分程が必要とされる。それゆえ、光合成速度を測定するためには、非常に長い時間が必要とされる。【０００９】
また、ガス分析計８８で測定されるＣＯ２濃度は、徐々に減少して安定するので、安定状態になったか否かが分かりにくいことも測定時間がかかる要因になっている。測定時間を短くする方法として、流量を多くする方法が考えられる。しかしながら、流量を多くすると、ＣＯ２濃度の変化が小さくなるので、測定精度が低下する。【００１０】
さらに、誤差要因が多く、測定精度が低い。２台のガス分析計８８、８９の応答速度を殆ど同じにしなければ正確な測定ができない。また、誤差要因として、大気濃度の不安定性によるベースライン誤差、２台のガス分析計８８、８９の性能誤差（ゼロドリフト、スパンドリフト、指示再現性等）、試料ガスを一定流量で送れない等の流量制御の不安定性による流量誤差が考えられる。【００１１】
大型のポンプ８１、流量制御部８３、流量計８４、２台のガス分析計８８、８９が必要とされるので、装置の大型化は避けることはできない。【００１２】
その他に、密閉されたチャンバ内のＣＯ２濃度を測定葉に吸収させ、減少していくチャンバ内のＣＯ２濃度を、ＮＤＩＲ（非分散型赤外線）式のガスセンサによってリアルタイムで測定し、それによって、光合成速度を演算する方法が考えられていた。しかしながら、この方法は、ガスセンサの低い応答性ゆえに実施することはできなかった。【００１３】
低い応答性の原因は、ガスセンサの試料セルの構造にある。試料セルは、特許文献２の通り、円筒形状の本体部と、本体部の円周壁に接続された２つの管部とからなる。試料ガスは、一方の管部を通って本体部内に導入され、他方の管部を通って外部へ排出される。試料ガスが本体部内を通過する間に、それに含まれる対象ガスの濃度が測定される。この構成では、チャンバ内のガスが試料セル内に瞬時に導入されないので、ＣＯ２の濃度は、リアルタイムにかつ正確に測定されない。【００１４】
特許文献２は、上記試料セルの他に、多数の穴が円周壁に形成された試料セルを開示している。この構成によれば、ガスが試料セル内に瞬時に導入されるので、高い応答性は得られる。しかしながら、試料セルはその穴ゆえに赤外線の経路周り全体を覆えないため、環境光が穴を通って試料セル内に容易に進入できる。それゆえ、ノイズは多く、正確な測定ができない。【００１５】
本発明は、応答性が高く及びノイズが少ないＮＤＩＲ式のガスセンサ、当該ガスセンサを有するガス分析計を提供する。さらに、本発明は、測定時間が短く、測定精度が高く、小型化可能な光合成速度測定装置を提供する。さらに、本発明は、測定時間が短く、測定精度が高い光合成速度測定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、ガス検出またはガス濃度測定のためのＮＤＩＲ式のガスセンサであって、赤外線を放射する放射部と、前記放射部により放射された前記赤外線を検出する検出部と、前記赤外線の経路に沿って前記放射部及び前記検出部間に渡って設けられ、前記経路周り全体を覆う試料セルと、を備える。前記試料セルは、前記経路に沿ってのびる複数のセル要素からなる。隣り合う前記セル要素の側部は、互いに間隔をあけて重なっている。【００１７】
前記試料セルは、前記放射部から前記検出部に向けて窄まる形状を有してもよい。前記各セル要素は、金メッキまたは鏡面加工された内面を有してもよい。【００１８】
一実施形態では、前記試料セルは、第１セル要素と第２セル要素とからなる。そして、前記第１セル要素の一方の側部及び前記第２セル要素の一方の側部が互いに間隔をあけて重なることにより、前記経路に沿ってのびる第１隙間が形成される。そして、前記第１セル要素の他方の側部及び前記第２セル要素の他方の側部が互いに間隔をあけて重なることにより、前記経路に沿ってのびる第２隙間が形成される。【００１９】
また、本発明は、測定葉の光合成速度の測定に用いられるガス分析計であって、前記測定葉で閉じられる開口を有する密閉可能なチャンバと、前記チャンバ内に配置され、ガスを前記チャンバ内で循環させるファンと、前記チャンバ内のＣＯ２濃度を測定する前記ＮＤＩＲ式のガスセンサと、を備える。【００２０】
ガス分析計は、前記測定葉に光を放射する光源をさらに備えてもよい。前記チャンバの前記開口は、上向きであり、前記ファンは、前記チャンバの前記開口の真下に配置され、前記ＮＤＩＲ式のガスセンサは、前記ファンの真下に配置されてもよい。【００２１】
前記ファンは、前記チャンバの前記開口に向かう気流を発生させるように前記チャンバ内に配置されてもよい。これに代えて、前記ファンは、前記チャンバの前記開口に対して反対方向に向かう気流を発生させるように前記チャンバ内に配置されてもよい。【００２２】
また、本発明に係るガス分析計は、光合成速度測定以外の用途に用いられてもよい。ガス分析計は、別の実施形態では、チャンバと、試料ガスを前記チャンバに導入するために前記チャンバに接続された導入ラインと、前記試料ガスを前記チャンバから排出するために前記チャンバに接続された排出ラインと、前記チャンバに導入された前記試料ガス中の対象ガスを検出するまたは対象ガスの濃度を測定する前記ＮＤＩＲ式のガスセンサと、を備える。【００２３】
また、本発明は、測定葉の光合成速度を測定するための光合成速度測定装置であって、前記の光合成速度測定用のガス分析計と、前記ガス分析計で測定された前記ＣＯ２濃度の時間変化に基づいて前記測定葉の光合成速度を演算する速度演算部と、を備える。【００２４】
また、本発明は、測定葉の光合成速度を測定する光合成速度測定方法であって、前記の光合成速度測定用のガス分析計を準備し、前記チャンバの前記開口を前記測定葉で閉じ、前記チャンバ内を密閉状態にし、前記測定葉に光合成をさせるとともにガスを前記ファンによって前記チャンバ内で循環させながら、前記チャンバ内のＣＯ２濃度を前記ＮＤＩＲ式のガスセンサで測定し、測定された前記ＣＯ２濃度の時間変化に基づき前記測定葉の光合成速度を演算する。【００２５】
上記方法において、光合成開始から１０秒以内の前記チャンバ内のＣＯ２濃度の時間変化に基づいて、前記測定葉の光合成速度を測定することが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、応答性が高くノイズが少ないＮＤＩＲ式のガスセンサ及びガス分析計を提供し、さらに、測定時間が短く、測定精度が高く、小型化可能な光合成速度測定装置を提供することができる。さらに、本発明は、測定時間が短く、測定精度が高い光合成速度測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１Ａは、一実施形態に係る光合成速度測定装置の正面図で、図１Ｂは、その使用方法を説明するための正面図である。
【図２】図２Ａは、一実施形態に係るガス分析計の正面断面図で、図２Ｂは、その側面断面図である。
【図３】図３は、チャンバ内に発生する対流の一例を説明するための図である。図３Ａは、ガス分析計の要部正面断面図で、図３Ｂは、その側面断面図である。
【図４】図４は、チャンバ内に発生する対流の他の例を説明する図である。図４Ａは、ガス分析計の要部正面断面図で、図４Ｂは、その側面断面図である。
【図５】図５Ａは、一実施形態に係る試料セルの赤外線の経路に直角な横断面図であり、図５Ｂは、他の実施形態に係る試料セルの赤外線の経路に直角な横断面図である。
【図６】図６Ａ‐図６Ｃは、他の実施形態に係る試料セルの赤外線の経路に直角な横断面図である。
【図７】光合成により減少するチャンバ内のＣＯ２濃度の時間変化を示す。
【図８】図８Ａは、ガスセンサの応答速度を確認するための実験装置を概略的に示し、図８Ｂは、チャンバ内のＣＯ２濃度の時間変化を示す。
【図９】他の実施形態に係るガス分析計を概略的に示す。
【図１０】従来の光合成速度測定のための装置及び方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係るＮＤＩＲ式センサ、ガス分析計、光合成速度測定装置、及び、光合成速度測定方法について説明する。
【００２９】
図１、図２を参照して、ガス分析計は、光源ユニット１、チャンバユニット２、及び、操作ユニット３を備える。ガス分析計は、実施形態では、光合成速度の測定のためにＣＯ２の濃度を測定するためのものである。
【００３０】
図２Ａ、図２Ｂを参照して、光源ユニット１は、下向きで四角形の開口１０ａを有する上ケース１０を備える。パッキン１１が、上ケース１０の開口１０ａの縁に沿って設けられている。
【００３１】
光源ユニット１は、光合成のための光を測定葉Ｌに放射する光源１２を備える。光源１２は、複数のＬＥＤからなる。ＬＥＤ以外の光源が、採用されてもよい。光は、可視光である。光は、単色光でも白色光でもよい。光源１２は、上ケース１０内の上部に配置されて開口１０ａに向けて光を放射する。測定葉Ｌが、図２のように光源ユニット１とチャンバユニット２によって挟まれたとき、光が光源１２から測定葉Ｌに放射される。放熱フィン１３が、光源１２の背面に位置するように上ケース１０に取り付けられ、光源１２により発生する熱を放出する。
【００３２】
図２の通り、チャンバユニット２は、下ケース２０と、下ケース２０内に配置された密閉可能なチャンバ２１と、チャンバ２１内に配置されたファン２２と、チャンバ２１に対して設けられた、本発明に係るＮＤＩＲ（非分散型赤外線）式のガスセンサ５（以下、単にガスセンサとする）と、を備える。
【００３３】
チャンバ２１は、測定葉Ｌによって閉じられる上向きの開口２１ａを有する。開口２１ａは、光源ユニット１の開口１０ａと同じ四角形状である。パッキン２３が、開口２１ａの縁に沿って設けられている。光源ユニット１がチャンバユニット２上に配置されたときに、両パッキン１１、２３が互いに当接し、両開口１０ａ、２１ａが互いに向き合う。開口１０ａ、２１ａの大きさは、それぞれ、例えば２ｃｍ×３ｃｍである。
【００３４】
導入ライン２４が、大気等のガスを外部からチャンバ２１に導入するためにチャンバ２１に接続されている。不図示のポンプが設けられ、導入ライン２４を通じてガスをチャンバ２１に導入する。排出ライン２５が、ガスをチャンバ２１から外部へ排出するためのチャンバ２１に接続されている。さらに、導入ライン２４を開閉する電磁式のバルブ２６と、排出ライン２５を開閉する電磁式のバルブ２７とが設けられている。開口２１ａを測定葉Ｌによって閉じるとともに、両ライン２４、２５をバルブ２６、２７によって閉じることにより、チャンバ２１は密閉される。
【００３５】
ファン２２は、ガスをチャンバ２１内で循環させるためのものである。ファン２２は、開口２１ａの真下に配置されて、開口２１ａを閉じている測定葉Ｌの真下に位置する。図３の通り、ファン２２は、開口２１ａに向かう気流を発生させるように、即ち測定葉Ｌに向かう気流を発生させるように配置されてもよい。図４の通り、ファン２２は、開口２１ａに対して反対方向に向かう気流を発生させるように配置されてもよい。図４の配置によれば、開口２１ａの近傍のガス、即ち測定葉Ｌの直下のガスは、ファン２２に吸い込まれる。
【００３６】
ガスセンサ５は、実施形態では、チャンバ２１内のガス（試料ガス）に含まれるＣＯ２（対象ガス）の濃度を測定するためのものである。図３または図４を参照して、ガスセンサ５は、赤外線を放射する放射部５０と、放射部５０により放射された赤外線を検出する検出部５１と、を備えている。さらに、ガスセンサ５は、チャンバ２１内において赤外線の経路に沿って放射部５０と検出部５１との間に渡って設けられ、赤外線の経路の周り全体を覆う試料セル６と、を備える。
【００３７】
放射部５０は、赤外線を放射する例えばフィラメントヒータ等の赤外光源５００と、赤外光源５００を収容し、チャンバ２１の側壁を気密に貫通するケース５０１とを含む。ケース５０１には、赤外線が通過する円形状の通過口５０ａが形成されている。
【００３８】
検出部５１は、赤外光源５００から放射されて試料セル６を通過した赤外線を検出する検出器５１０と、検出器５１０を収容し、チャンバ２１の側壁を気密に貫通するケース５１１とを含む。ケース５１１には、赤外線が通過する円形状の通過口５１ａが形成されている。放射部５０と検出部５１とは、それらの通過口５０ａ、５１ａが互いに対向するように配置されている。
【００３９】
ガスセンサ５は、実施形態ではデュアルタイプであり、測定用と参照用の２つの検出器５１０（一方のみ図示されている）が設けられている。測定用のバンドパスフィルタ（不図示）が、測定用の検出器５１０の前段に配置され、対象ガスによって吸収される波長の赤外線を選択的に透過させる。測定用のバンドパスフィルタを透過した赤外線は、測定用の検出器５１０によって検出される。参照用のバンドパスフィルタ（不図示）が、参照用の検出器５１０の前段に配置され、対象ガスによって吸収されない波長の赤外線を透過させる。参照用のバンドパスフィルタを透過した赤外線は、参照用の検出器５１０によって検出される。
【００４０】
対象ガスがＣＯ２である本実施形態では、例えば、測定用の検出器５１０が４．３μｍの波長の赤外線を検出し、参照用の検出器５１０が４．０μｍの波長の赤外線を検出するように、測定用及び参照用のバンドパスフィルタは選択される。
【００４１】
ガスセンサ５は、検出部５１の検出結果に基づいて対象ガスの濃度を演算する濃度演算部４０（図１）を備えている。濃度演算部４０は、検出器５１０からの検出信号に基づきガス濃度を演算する濃度演算回路を含む。
【００４２】
赤外線は、試料セル６を通って測定用及び参照用の検出器５１０によって検出される。この際に、試料セル６内で、赤外線の一部が試料ガス中に含まれる対象ガスに吸収される。従って、測定用の検出器５１０から出力される検出信号は、対象ガスの濃度に依存して変化する。それによって、対象ガスを検出することができる。対象ガスの濃度は、濃度演算回路によって、測定用の検出器５１０からの検出信号と、参照用の検出器５１０からの検出信号とに基づき演算される。ＮＤＩＲ法によるガス濃度測定自体は周知のため、その詳細な説明は省略される。
【００４３】
試料セル６は、実施形態では、第１セル要素６０及び第２セル要素６１からなる。セル要素６０、６１は、赤外線の経路に沿ってのびる互いに同一の半円筒形状である。図３Ａ、図４Ａの通り、セル要素６０、６１のそれぞれの一端は、放射部５０の窓枠５０２に支持されており、それぞれの他端は、検出部５１の窓枠５１２に支持されている。窓枠５０２、５１２は、赤外線の通過を許容する。
【００４４】
図５Ａの通り、各セル要素６０、６１の赤外線の経路に直交する横断面は円弧状である。両セル要素６０、６１は、第１隙間６ａ及び第２隙間６ｂが形成されるように、互いに対向するようにかつ互いにずらして配置されている。第１隙間６ａは、第１セル要素６０の一方の側部と第２セル要素６１の一方の側部とが互いに間隔をあけて重なることによって、第１セル要素６０の内面と第２セル要素６１の外面との間に形成され、赤外線の経路に沿ってのびている。第２隙間６ｂは、第１セル要素６０の他方の側部と第２セル要素６１の他方の側部とが互いに間隔をあけて重なることによって、第１セル要素６０の外面と第２セル要素６１の内面との間に形成され、赤外線の経路に沿ってのびている。赤外線の経路周り全体は、第１セル要素６０及び第２セル要素６１によって覆われている。
【００４５】
各セル要素６０、６１は、ステンレスからなる。また、各セル要素６０、６１の内面は、赤外線の反射ロスを低減するために金メッキされている。内面への金メッキは、内面がホーニング研磨、電解研磨等の研磨処理された後に行なわれる。
【００４６】
試料セル６によれば、図３、図４のように、チャンバ２１内のガスは、第１隙間６ａ／第２隙間６ｂを通って試料セル６内に導入され、第２隙間６ｂ／第１隙間６ａを通って試料セル６外へ流れ出る。即ち、試料ガスは、試料セル６の周面の長手方向にのびる隙間からその内部に瞬時に導入されるようになっている。それによって、高い応答性が得られている。しかも、隙間６ａ、６ｂが形成されているにもかかわらず、赤外線の経路周りがセル要素６０、６１の組合せによって全体的に覆われているため、環境光は試料セル６内に非常に進入しづらくなっている。それゆえ、ノイズは少なく、測定精度は維持される。
【００４７】
図５Ａから明らかな通り、第１セル要素６０及び第２セル要素６１のずらしかたにより、重なり寸法及び隙間寸法を調整できることがわかる。試料セル６の隙間寸法、重なり寸法は、試料セル６の全長、チャンバ２１の体積、ファン２２の性能等に応じて適宜に選択されるものである。一例として、試料セル６の長さは８０ｍｍ〜９０ｍｍのときに間隔寸法は１ｍｍ〜３ｍｍで、重なり寸法は３ｍｍ〜５ｍｍである。
【００４８】
再び図２を参照して、操作ユニット３は、チャンバユニット２の下ケース２０に取り付けられたグリップ３０と、一端が光源ユニット１の上ケース１０に取り付けられたアーム３１と、アーム３１の他端に取り付けられたつまみ３２と、アーム３１と下ケース２０とに取り付けられた蝶つがい３３と、アーム３１の他端とグリップ３０との間に設けられたスプリング３４と、を備えている。
【００４９】
測定者により、グリップ３０が握られて、つまみ３２がスプリング３４に抗してアーム３１の他端とともに押し下げられると、光源ユニット１は、図１Ｂのようにチャンバユニット２から離れる。そして、測定葉Ｌが、これらのユニット１、２間に挿入される。それから、つまみ３２の押下げが解除されると、図１Ａのように測定葉Ｌがこれらのユニット１、２で挟まれる。このように、操作ユニット３によって、測定者は、片手で簡単に測定作業を行えるようになっている。
【００５０】
ガス分析計は、光源ユニット１の光源１２、チャンバユニット２のファン２２及びガスセンサ５へ電力を供給する不図示の電源ユニットを有している。電源ユニットは、バッテリ等を含む。
【００５１】
以下のこのガス分析計の使用について説明する。
操作ユニット３が測定者に操作され、測定葉Ｌが光源ユニット１とチャンバユニット２との間に挟まれる。このとき、測定葉Ｌの表面が光源ユニット１に向けられ、測定葉Ｌの裏面がチャンバユニット２に向けられる。さらに、開口１０ａ、２１ａが測定葉Ｌで閉じられる。
【００５２】
ガス分析計は、導入ライン２４及び排出ライン２５をバルブ２６、２７によって開き、外部から大気等のガスをポンプによってチャンバ２１内に導入し、ファン２２を作動させてチャンバ２１内を導入されたガスで満たす。それから、ガス分析計は、バルブ２６、２７によってこれらのライン２４、２５を閉じて、チャンバ２１を密閉する。
【００５３】
それから、ガス分析計は、光を光源ユニット１の光源１２から測定葉Ｌの表面に放射して測定葉Ｌに光合成をさせる。ガス分析計は、測定葉Ｌに光合成をさせつつファン２２によってガスをチャンバ２１内で循環させながら、ガスセンサ５によってチャンバ２１内のＣＯ２濃度を測定する。
【００５４】
測定葉Ｌは、光合成の際に、その裏面の気孔からチャンバ２１内のガス中のＣＯ２を吸収するため、チャンバ２１内のＣＯ２濃度が減少し始める。図３、図４の通り、ガスは、ファン２２によってチャンバ２１内を循環し、試料セル６内に瞬時に導入される。従って、測定葉Ｌの光合成により減少していく密閉空間内のＣＯ２濃度が、ガスセンサ５により実質的にリアルタイムで測定される。
【００５５】
以上の通り、ガス分析計は、試料セル６の構成ゆえに、光合成により変化していくＣＯ２濃度を実質的にリアルタイムでかつ高い精度で測定することができる。そして、以下の通り、光合成速度測定装置が、以下の光合成速度測定方法によりＣＯ２濃度の時間変化に基づいて光合成速度を測定する。
【００５６】
光合成速度測定装置は、図１の通り、上記した測定葉Ｌの光合成により減少するＣＯ２濃度を測定するガス分析計と、チャンバ２１内の温度を測定する温度センサ（不図示）とを備えている。さらに、光合成測定装置は、記録部４１と、速度演算部４２とを備えている。なお、上記の濃度演算部４０と、記録部４１と、速度演算部４２とによって演算ユニット４が構成されている。
【００５７】
記録部４１は、データロガーであり、濃度演算部４１により演算されたＣＯ２濃度の時間変化を測定データとして記録する。速度演算部４２は、速度演算回路または速度演算プログラムを含み、ガス分析計により測定されるＣＯ２濃度の時間変化と、温度センサにより測定されるチャンバ２１内の温度とに基づいて、測定葉Ｌの光合成速度を演算する。
【００５８】
ＣＯ２濃度は、ガスをチャンバ２１内に流入させながら測定されるのではなく、チャンバ２１を密閉状態にして測定される。それゆえ、チャンバ２１内のＣＯ２濃度（ｐｐｍ）は、図７のように測定葉Ｌの光合成開始とともに急激に減少する。光合成速度Ａ(ｍｏｌＣＯ２・ｍ−２・ｓ−１)は、ＣＯ２濃度の時間変化ｄ［ＣＯ２］／ｄｔ（ｐｐｍ・ｓ-1）と状態方程式とにより導き出される以下の数１によって求めることができる。
【００５９】
【数１】
2016208424.tif 000003
【００６０】
ＣＯ２濃度の時間変化ｄ［ＣＯ２］／ｄｔ（ｐｐｍ・ｓ-1）は、図７の曲線の導関数に相当する。数１において、Ｔ（℃）は、チャンバ２１内のセルシウス温度であり、温度センサによって測定される。Ｓ（ｃｍ２）は、測定葉Ｌで閉じられる開口２１ａの面積である。Ｖ（ｃｍ３）は、ファン２２、ガスセンサ５、温度センサ等を除いたチャンバ２１の実質体積である。Ｖ及びＳは、既知である。
【００６１】
測定葉Ｌの光合成により減少していくチャンバ内２１のＣＯ２濃度がガスセンサ５によって測定され、その測定データが記録部４１に記録される。ＣＯ２濃度は、具体的には光合成開始から約１０秒間は略直線的に減少する。それから、速度演算部４２が、光合成開始から約１０秒以内のある時点でのＣＯ２濃度の時間変化ｄ［ＣＯ２］／ｄｔを、記録部４１に記録された測定データから演算する。それから、速度演算部４２は、測定葉Ｌの光合成速度Ａを、演算されたＣＯ２濃度の時間変化ｄ［ＣＯ２］／ｄｔと、温度センサにより測定されたチャンバ２１内の温度Ｔとから、上記数１によって演算する。
【００６２】
以上のようにして、光合成速度測定装置は、測定開始（光合成開始）から１０秒ほどで光合成速度を測定する。測定された光合成速度は、ディスプレイに表示される。
【００６３】
以上のように、本発明に係る分析計は、ガスセンサ５の高い応答性と少ないノイズゆえに、測定葉Ｌの光合成により減少する密閉空間内のＣＯ２濃度を実質的にリアルタイムで精度よく測定することができる。それにより、本発明に係る装置及び方法は、光合成速度を精度よく測定できる。図１０の従来技術によれば、２台のガス分析計８８、８９が必要であることによりデメリットが多かった。これに対して、本発明では、１台のガス分析計だけでよく、流量制御は不要である。また密閉空間内で急激に減少するＣＯ２濃度の時間変化に基づき測定が行われるので、測定精度が高い。
【００６４】
光合成速度の測定時間は、約１０秒であり、従来の方式と比較して大幅に短縮される。測定者は、測定葉Ｌをユニット１、２によって挟んで１０秒ほど待つだけで光合成速度を測定できる。
【００６５】
密閉空間のＣＯ２濃度を測定するので、従来の方式で必要であった大型のポンプ、流路制御部、流量計は不要である。従って、光合成測定装置を小型化かつ軽量化でき、携帯に適したものにできる。さらに、装置を安価に提供できる。
【００６６】
日本をはじめとする各国では、食料の安定確保に向けて作物の多収化が求められている。本発明による光合成速度の測定作業の効率化によって、高い光合成能力を有する多収穫可能な品種の研究開発が加速することが期待される。
【００６７】
光合成速度測定装置は、現在では主に研究現場だけで利用されている。携帯に適し安価な光合成速度測定装置を提供できることにより、当該装置が研究現場だけでなく実際の生産現場へ普及し、圃場での作物育成診断に利用されることも期待される。さらに、近年の農業のＩＴ化の流れに沿う新たな農業像の契機になると考えられる。
【００６８】
［ガス分析計の応答性確認実験］
ガス分析計の応答性を確認するための実験を行った。図８Ａの通り、ファン及びＮＤＩＲ式のガスセンサがチャンバ内に配置された。ガスセンサの試料セルは、図５Ａの第１セル要素及び第２セル要素からなるものを用いた。光合成によってチャンバ内のＣＯ２濃度が減少するのと同じ状況を再現するために、大気がチャンバ内に充満された後、ＣＯ２を含まないガス（以下ゼロガスとする）が、シリンジからノズルを通じてチャンバ内に注入された。そして、ＣＯ２濃度の時間変化がガスセンサによって測定され、その測定データがデータロガーに記録された。記録データが解析されて、図８Ｂの通り、測定開始時刻ｔ０と、９０％応答した時刻ｔ１とから、９０％応答時間Ｔ９０が求められた。
【００６９】
試料セル長さは９０ｍｍであり、隙間寸法は約２ｍｍであり、重なり寸法は５ｍｍである。チャンバ内の実質体積は約９０ｍｌである。ゼロガスは１０ｍｌであり、注入時間を３．５秒としたときのＴ９０と、注入時間を７．０秒としたときのＴ９０がそれぞれ求められた。その結果が以下の表１に示される。
【００７０】
【表１】
2016208424.tif 000004
【００７１】
表１から明らかな通り、注入速度を変化させても注入時間と応答時間Ｔ９０とは近似しており、高い応答性が得られていることがわかった。密閉空間内で減少するＣＯ２濃度が実質的にリアルタイムで測定できることがわかった。この高い応答性は、ファンによるガスの循環と、試料セル側面の隙間からの試料ガスの迅速な導入によって達成されるものである。
【００７２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。
ガスセンサ５は、ＣＯ２濃度を測定するものであったが、他のガスの濃度を測定するものであってもよい。また、ガスセンサ５は、ガスの濃度測定のためだけでなく、ガス検出のために用いられてもよい。即ち、ガスセンサ５は、対象ガスが試料ガス中に含まれているか否かを検出するために用いられてもよい。対象ガスは、二酸化炭素以外のガス、例えば一酸化炭素、水蒸気、メタン、プロパン、エチレン、フロンガス、亜酸化窒素、六フッ化硫黄等でもよい。
【００７３】
ガスセンサ５は、デュアルタイプであったが、参照用の検出器５１０を含まないシングルタイプでもよい。ガスセンサ５は、複数の測定用の検出器を備え、２種類以上の対象ガスを検出するまたはそれらの濃度を測定するものでもよい。光合成によりチャンバ２１内に発生する水蒸気は、光合成速度の測定に影響を与える。従って、ガスセンサ５が、ＣＯ２濃度だけでなくＨ２Ｏ濃度も測定し、水蒸気の影響が、測定されたＨ２Ｏ濃度に基づいて補正されてもよい。
【００７４】
図５Ａに加え、図５Ｂ、図５Ｃの通り、試料セル６は、横断面が弧状のセル要素６０、６１からなり、赤外線の経路に沿ってのびる略円筒形状または略楕円筒形状を有してもよい。図５Ｂのセル要素６０、６１は、互いに同一の半楕円筒形状を有し、図５Ｃのセル要素６０、６１は、内径が互いに異なる円筒形状を有する。また、図６Ａ−図６Ｃの通り、試料セル６は、横断面が略弧状に屈曲したセル要素６０、６１からなり、赤外線の経路に沿ってのびる略多角筒形状を有してもよい。図６Ａ及び図６Ｂの試料セル６は、略四角筒形状であり、図６Ｃの試料セル６は、略八角筒形状である。多角筒形状の試料セル６は、図６Ａ、図６Ｃの通り、互いに同一形状のセル要素６０、６１から構成されても、図６Ｂの通り、互いに異なる形状のセル要素６０、６１から構成されてもよい。試料セル６は、図５、図６の例示に限定されるものではない。
【００７５】
試料セル６は、３以上のセル要素からなるものでもよい。３以上のセル要素によっても、高い応答性及び少ないノイズの双方が得られることは自明である。要するに、赤外線の経路周り全体が複数のセル要素によって覆われ、かつ、隣り合うセル要素の側部が互いに間隔をあけて重なり、赤外線の経路に沿ってのびる隙間がその一方のセル要素の外面／内面とその他方のセル要素の内面／外面との間に形成されるものであればよい。
【００７６】
より正確な濃度測定のために、赤外線を効率的に放射部５０から検出部５１へ伝達できることが好ましい。例えば、放射部５０は、赤外光源５００からの赤外線を検出器５１０の受光面に向けて集光するための集光レンズを備え、試料セル６での反射による赤外線のロスを抑えてもよい。各セル要素は、ステンレスに代えて、他の金属からなってもよいし、例えばプラスチック、ガラス等の他の材料からなってもよい。また、各セル要素は、金メッキされた内面に代えて、鏡面加工された内面またはアルミシートが付された内面を有してもよい。
【００７７】
検出器５１０の受光面の径が通過口５０ａ、５０ｂの径よりも小さいと、赤外線の一部は、検出器５１０の受光面からそれてしまう。このような赤外線のロスを低減するために、試料セル６は、放射部５０から検出部５１に向けて窄まる形状を有してもよい。このテーパー状の試料セル６は、放射部５０から検出部５１に向けて幅が次第に狭くなる複数のセル要素によって構成することができる。テーパー状の試料セル６と上記の集光レンズとを組み合わせるとさらに好ましい。
【００７８】
ガス分析計は、光合成速度測定以外の用途に用いられてもよい。図９に、ガスを検出するまたはガス濃度を測定するための他の実施形態に係るガス分析計が示されている。ガス分析計は、チャンバ７０と、試料ガスをチャンバ７０に導入するためにチャンバ７０に接続された導入ライン７１と、試料ガスをチャンバ７０から排出するためにチャンバ７０に接続された排出ライン７２と、を備える。さらに、ガス分析計は、試料ガスを、供給源から導入ライン７１を通じてチャンバ７０に導入するポンプ（不図示）と、チャンバ７０内に配置され、試料ガスをチャンバ７０内で循環させるファン７３と、を備える。さらに、ガス分析計は、少なくとも１つのＮＤＩＲ式のガスセンサ５を備える。ガスセンサ５の試料セル６は、チャンバ７０内に配置されている。ガスセンサ５は、チャンバ７０内の試料ガスに含まれる対象ガスを検出するまたは対象ガスの濃度を測定する。
【００７９】
この分析計において、ガスセンサ５による対象ガスの検出または濃度測定は、試料ガスを供給源からチャンバ７０に一定流量で導入しながら行なわれてもよい。これに代えて、対象ガスの検出または濃度測定は、試料ガスを供給源からチャンバ７０内に導入し、電磁式のバルブ７４、７５により両ライン７１、７２を閉じることでチャンバ７０を密閉した後、試料ガスをファン７３によってチャンバ７０内で循環させながら行なわれてもよい。後者の方法は、試料ガスが少量の場合に有効である。
【００８０】
以下のように光合成速度が測定されてもよい。図２Ｂを参照して、光合成は実際には測定葉Ｌの裏面だけでなく表面でも行なわれる。つまり、測定葉Ｌは、上ケース１０内のＣＯ２も吸収している。そこで、上ケース１０を上チャンバとし、チャンバ２１を下チャンバとし、これら１０、２１を連通する連通ラインが設けられ、１つの密閉可能なチャンバが上チャンバ１０、下チャンバ２１、及び連通ラインによって形成されてもよい。そして、測定葉Ｌに光合成をさせるとともにガスをファン２２によって連通ラインを通じて下チャンバ２１及び上チャンバ１０全体に循環させながら、チャンバ内のＣＯ２濃度が測定され、これに続いて光合成速度が測定される。このとき、上記の数１において、Ｓ（ｃｍ２）は、開口２１ａの面積と開口１０ａの面積との和となり、Ｖ（ｃｍ３）は、チャンバ２１、上ケース１０、及び連通ラインのそれぞれの実質体積の和になる。
【符号の説明】
【００８１】
１  光源ユニット
１２  光源
２  チャンバユニット
２１  チャンバ
２１ａ  開口
２２  ファン
３  操作ユニット
４  演算ユニット
４０  濃度演算部
４２  速度演算部
５  ガスセンサ
５０  放射部
５１  検出部
６  試料セル
６０  第１セル要素
６１  第２セル要素
６ａ  第１隙間
６ｂ  第２隙間
Ｌ  測定葉
【図１】
2016208424.tif 000005
【図２】
2016208424.tif 000006
【図３】
2016208424.tif 000007
【図４】
2016208424.tif 000008
【図５】
2016208424.tif 000009
【図６】
2016208424.tif 000010
【図７】
2016208424.tif 000011
【図８】
2016208424.tif 000012
【図９】
2016208424.tif 000013
【図１０】
2016208424.tif 000014
【国際調査報告】
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2016208424.tif 000016
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