(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断続的な赤外線を発生する光源と、
この光源からの赤外線を測定対象物を介して照射される光伝導型赤外線検出素子を有し、この光伝導型赤外線検出素子の抵抗値に応じた電気信号を出力する信号出力手段と、
この信号出力手段の出力信号から交流成分を検出する交流成分検出手段と、
前記光伝導型赤外線検出素子について、暗抵抗と、所定の温度における感度を基準にして規格化した感度に関する固有のデータを記憶する記憶手段と、
この記憶手段が記憶したデータと、前記信号出力手段が出力する信号の直流成分とに基づいて前記交流成分検出手段が検出した交流成分を補正する補正手段と、
を具備する赤外線検出装置。
【請求項２】
測定対象物は炭酸ガスを含むガス体であ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】
光伝導型赤外線検出素子はＰｂＳｅ素子であ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４】
断続的な赤外線を発生する光源と、
この光源からの赤外線であって測定対象ガスを含むガス体を透過した光を照射される光伝導型赤外線検出素子を有し、この光伝導型赤外線検出素子の抵抗値に応じた電気信号を出力する信号出力手段と、
前記信号出力手段の出力信号から交流成分を検出する交流成分検出手段と、
前記光伝導型赤外線検出素子について、暗抵抗と、所定の温度における感度を基準にして規格化した感度に関する固有のデータを記憶する記憶手段と、
この記憶手段が記憶したデータと、前記信号出力手段が出力する信号の直流成分とに基づいて前記交流成分検出手段が検出した交流成分を補正する補正手段と、
この補正手段によって補正された前記交流成分に基づいて前記測定対象ガスの濃度を検出するガス濃度検出手段と、
を具備するガス分析装置。
【請求項５】
測定対象ガスは炭酸ガスであることを特徴とする請求項４に記載のガス分析装置。
【請求項６】
光伝導型赤外線検出素子はＰｂＳｅ素子であることを特徴とする請求項４に記載のガス分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝導型赤外線検出素子を用いた赤外線検出装置に関するものであり、また、その赤外線検出装置の構成を備えたガス分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
呼吸ガス中の炭酸ガス濃度を測定する装置として、非分散型赤外線分析装置が知られている。この原理を利用した炭酸ガス分析装置が、特願平８−２６２９５３号に示されている。この特願平８−２６２９５３号の装置のセンサ部の構造を図１１に示す。
【０００３】
この図に示すように、筐体１内には、呼吸ガスを導くエアウェイアダプタ２と、このエアウェイアダプタ２に赤外線を照射する光源３およびミラー４と、エアウェイアダプタ２を透過した赤外線の一部を透過させ、残りを反射させて他の方向に導くビームスプリッタ５とが設けられている。ビームスプリッタ５を反射した赤外線は、第１のＰｂＳｅ素子６に、ビームスプリッタ５を透過した赤外線は第２のＰｂＳｅ素子７にそれぞれ至るようにされている。第１のＰｂＳｅ素子６および第２のＰｂＳｅ素子７の前面にはいずれも波長  ４．３μｍを中心とする狭いバンド幅の赤外線を透過させるバンドパスフィルタ８、バンドパスフィルタ９がそれぞれ設けられている。波長  ４．３μｍは炭酸ガスに強く吸収される波長である。更に、ビームスプリッタ５と第２のＰｂＳｅ素子７との間には、光透過部を有する容器に高濃度の炭酸ガスが充填された炭酸ガスセル１０が設けられている。第１のＰｂＳｅ素子６および第２のＰｂＳｅ素子７は、それぞれ図１２に示すような検出回路に組み込まれている。ＰｂＳｅ素子は赤外線の照射によって抵抗値が変わる素子である。したがって、断続された赤外線が照射されたとき、これらの検出回路の出力電圧の交流信号は照射された赤外線量に応じている。
【０００４】
このような構成のセンサ部において、ビームスプリッタ５を透過した断続された赤外線量を測定する検出回路の交流信号の振幅をＶＲ  、ビームスプリッタ５を反射した光量を測定する検出回路の交流信号の振幅をＶｓ  とすると、その比Ｖｓ  ／ＶＲ  を計算することにより、光源の赤外線の変動等によるドリフトに影響されずに、ガス濃度を検出することができる。
【０００５】
しかしこのように比Ｖｓ  ／ＶＲ  を求めても、第１のＰｂＳｅ素子６および第２のＰｂＳｅ素子７のそれぞれは、感度の温度係数が異なるため、温度ドリフトの影響は残る。そこで従来は、ヒータとサーミスタを用いてＰｂＳｅ素子の温度コントロールを行っている。米国特許５，１５３，４３６  にその例が示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来は光伝導型赤外線検出素子の温度を一定にするために、ヒータ、サーミスタ、温度コントロール回路が必要であった。このため製造コストが高くなる、消費電力が大きくなる、ウォームアップ時間が長くなるといった問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、光伝導型赤外線検出素子の温度を一定にする手段を不要とし、光伝導型赤外線検出素子の温度ドリフトを補正する赤外線検出装置および、その赤外線検出装置の構成を備えたガス分析装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の赤外線検出装置は、断続的な光を発生する光源と、
この光源からの光を測定対象物を介して照射される光伝導型赤外線検出素子を有し、この光伝導型赤外線検出素子の抵抗値に応じた電気信号を出力する信号出力手段と、
この信号出力手段の出力信号から交流成分を検出する交流成分検出手段と、
前記光伝導型赤外線検出素子について、暗抵抗と、所定の温度における感度を基準にして規格化した感度に関する固有のデータを記憶する記憶手段と、
この記憶手段が記憶したデータと、前記信号出力手段が出力する信号の直流成分とに基づいて前記交流成分検出手段が検出した交流成分を補正する補正手段と、
を具備する
【０００９】
このような構成において、光伝導型赤外線検出素子は、照射される光の量に応じて抵抗値が変化する。信号出力手段は、この抵抗値に応じた電気信号を出力する。信号出力手段の出力信号のうち交流成分は交流成分検出手段によって検出される。この交流成分は測定対象物を介して断続的に照射される光の量に対応している。補正手段は、この交流成分を記憶手段が記憶したデータと、前記信号出力手段が出力する信号の直流成分とに基づいて補正する。
【００１０】
請求項２の赤外線検出装置は、請求項１の装置において、測定対象物は炭酸ガスを含むガス体であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の赤外線検出装置は、請求項１の装置において、光伝導型赤外線検出素子はＰｂＳｅ素子であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４のガス分析装置は、請求項１の赤外線検出装置の構成に、その補正手段によって補正された前記交流成分に基づいて前記測定対象ガスの濃度を検出するガス濃度検出手段を付加したものである。
【００１３】
このような構成において、補正手段が交流成分を補正するまでは請求項１の装置と同じであり、ガス濃度検出手段は、その補正手段によって補正された前記交流成分に基づいて前記測定対象ガスの濃度を検出する。
【００１４】
請求項５のガス分析装置は、請求項４の装置において、測定対象ガスは炭酸ガスであることを特徴とする。
【００１５】
請求項６のガス分析装置は、請求項４の装置において、光伝導型赤外線検出素子はＰｂＳｅ素子であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を説明する。まず、本実施の形態の原理的説明を行う。
前述のようにＰｂＳｅ素子は、赤外線の照射により抵抗値が変化する光伝導型赤外線検出素子である。その抵抗値は、また、温度によっても大きく変わり、それに伴って感度も変化する。一般にこの種の測定においては、２つの素子が用いられるが、一方は信号検出用（Ｓｉｇｎａｌ）素子とされ、他方は参照用（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ）素子とされる。これら各素子の暗抵抗（光が照射されていないときの抵抗値Ｒｄ１，Ｒｄ２）と、温度との関係は素子によって異なり、それぞれは図３に示すような一義的な関係にあるので、暗抵抗Ｒｄ１，Ｒｄ２を測定することにより、それぞれの素子の温度を知ることができる。ここで検出回路が図１２に示した構成であるとすると、例えばチョッパー等によって断続された赤外線がＰｂＳｅ素子に照射されたとき、その出力Ｖｏｕｔ  は図２に示すようになる。これによると赤外線が入射しないときは、その出力はＤＣ（直流）信号である。このＤＣ信号の値ＶＤＣを検出すれば、暗抵抗Ｒｄ  は、次の式より求めることができる。
Ｒｄ  ＝Ｖ×Ｒ／ＶＤＣ  （Ｖ；一定）……（１）
【００１７】
また、断続的に赤外線がＰｂＳｅ素子に照射されるので、図２に示すように赤外線量に比例した交流信号の振幅ＶＡＣが得られる。
【００１８】
赤外線量が一定の条件下での２つの検出回路の交流信号の振幅ＶS ，ＶR と温度との関係を図４に示す。また、暗抵抗と感度とは図５に示すような関係であり、各素子について予め測定しておく。ここで、感度は２０℃における交流信号の振幅を１としたときの交流信号である。このように所定温度における感度を基準にして規格化した感度を相対感度という。
【００１９】
従って、ＤＣ信号の値ＶDCを求めれば、暗抵抗Ｒd を求めることができ、これによって温度が分かり、この温度から相対感度を得ることができ、この相対感度によりＡＣ信号の値を素子が２０℃のときの値に補正することができる。
【００２０】
図１は上記の原理を用いた炭酸ガス分析装置のブロック図である。この図に示すように，本装置はセンサ部２０と本体部３０とからなる。図１に示すセンサ部２０には、電気回路部分のみが示されている。センサ部２０の機械的部分は、図１１に示した構成と同じであるので説明は省略する。
【００２１】
センサ部２０の電気回路部分を説明する。センサ部２０は、第１のＰｂＳｅ素子６を有する赤外線検出回路２１ａと、この赤外線検出回路２１ａの出力信号からその交流成分を検出する交流成分検出回路２２ａと、第２のＰｂＳｅ素子７を有する赤外線検出回路２１ｂと、この赤外線検出回路２１ｂの出力信号からその交流成分を検出する交流成分検出回路２２ｂと、光源３と、ＥＥＰＲＯＭ２３を備えている。
【００２２】
赤外線検出回路２１ａは、第１のＰｂＳｅ素子６と、オペアンプと、抵抗からなる。第１のＰｂＳｅ素子６の一端は一定電圧の−１５ボルトが与えられ、他端はオペアンプの反転入力端子に接続されている。オペアンプの非反転入力端子は接地されている。オペアンプの反転入力端子と出力端子は抵抗（抵抗値をＲ１  とする）を介して接続されている。赤外線検出回路２１ｂも同様の構成である（この回路で用いられる抵抗の抵抗値をＲ２  とする）。
【００２３】
交流成分検出回路２２ａおよび交流成分検出回路２２ｂはそれぞれ、コンデンサおよび抵抗から成るハイパスフィルタとそのフィルタの出力を増幅するアンプから成る。
【００２４】
ＥＥＰＲＯＭ２３には、本装置で用いるＰｂＳｅ素子すなわち第１のＰｂＳｅ素子６および第２のＰｂＳｅ素子７のそれぞれの温度、暗抵抗、相対感度の関係が書き込まれている。その一例を図６に示す。これらの値は、恒温槽等を用いて予め測定して得る。ＥＥＰＲＯＭ２３には、炭酸ガス濃度と２つの赤外線検出回路２１ａ、２１ｂの出力（素子の温度が２０℃のときの出力）の比に関する情報および式（１）に用いる抵抗値Ｒ１  ，Ｒ２  も書き込まれている。
【００２５】
光源３は赤外線を放射するランプである。
【００２６】
本体部３０は、センサ部２０の赤外線検出回路２１ａおよび２１ｂから直接に与えられる信号、センサ部２０の交流成分検出回路２２ａおよび２２ｂからアンプを介して与えられる信号をそれぞれデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３１と、このＡ／Ｄ変換器３１から与えられる信号およびセンサ部２０のＥＥＰＲＯＭ２３に格納されているデータに基づいてデータの処理を行い、各部を制御するＣＰＵ（中央処理装置）３２を備えている。更に本体部３０は、ＣＰＵ３２がデータ処理の際に用いデータの書き込み読み出しを行うＲＡＭ３３と、ＣＰＵ３２が行ったデータ処理の結果を表示する表示器３４と、ＣＰＵ３２の指示に応じて光源３を駆動する光源駆動部３５と、この本体部３０の各部とセンサ部２０の各部に電力を供給するための電源回路３６を備えている。
【００２７】
センサ部２０と本体部３０を結ぶ各導線はまとめられて一本のケーブルにされている。
【００２８】
本実施の形態において、赤外線検出回路２１ａおよび２１ｂが信号出力手段に相当し、交流成分検出回路２２ａおよび交流成分検出回路２２ｂが交流成分検出手段に相当し、ＥＥＰＲＯＭ２３が記憶手段に相当し、ＣＰＵ３２が有する交流成分の補正機能が補正手段に相当し、ＣＰＵ３２が有する炭酸ガス濃度を求める機能がガス濃度検出手段に相当する。
【００２９】
次にこのように構成された本装置の動作を図７のフローチャートを参照して説明する。
【００３０】
電源が投入されると、ＣＰＵ３２はＥＥＰＲＯＭ２３に格納されているデータを読み出してＲＡＭ３３に書き込む（Ｓ１）。そしてＣＰＵ３２は光源駆動部３５に動作開始の指示を出して、光源３を３７Ｈｚでパルス点灯させる。
【００３１】
光源３から放射された赤外線は、エアウェイアダプタ２を通過し、ビームスプリッタ５で２つに分けられる。そのうち一方は、バンドパスフィルタ８を通過して第１のＰｂＳｅ素子６に入射し、他方は、炭酸ガスセル１０とバンドパスフィルタ９を通過した後、第２のＰｂＳｅ素子７に入射する。
【００３２】
赤外線検出回路２１ａの出力は一方ではそのまま直流信号ＤＣ１として、Ａ／Ｄ変換器３１に至り、他方では交流成分検出回路２２ａで交流成分が抽出されその交流信号ＡＣ１がＡ／Ｄ変換器３１に至る。赤外線検出回路２１ａの出力も同様にして処理され直流信号ＤＣ２と交流信号ＡＣ２がそれぞれＡ／Ｄ変換器３１に至る。Ａ／Ｄ変換器３１ではこれらの与えられた信号をデジタル化する（Ｓ２）。
【００３３】
次にＣＰＵ３２は、Ａ／Ｄ変換器３１によってデジタル化された交流信号ＡＣ１の振幅ＶＳ  および交流信号ＡＣ２の振幅ＶＲ  を読み取りＲＡＭ３３に格納する（Ｓ３）。
【００３４】
次にＣＰＵ３２は、Ａ／Ｄ変換器３１によってデジタル化された直流信号ＤＣ１の値ＶＤＣ１  および直流信号ＤＣ２の値ＶＤＣ２  を読み取り、これらの値と上記の式（１）から各ＰｂＳｅ素子の暗抵抗Ｒｄ１，Ｒｄ２をそれぞれ計算する（Ｓ４）。
【００３５】
次にＣＰＵ３２は、求めた暗抵抗から各ＰｂＳｅ素子の相対感度をＲＡＭ３３が記憶しているテーブルを参照して求める（Ｓ５）。
【００３６】
次にＣＰＵ３２は、求めた相対感度を用いて、ステップＳ３で読み取った交流信号の振幅ＶＳ  ，ＶＲ  を２０℃における値に補正する（Ｓ６）。
【００３７】
次にＣＰＵ３２は、補正したＶＳ  ，ＶＲ  の比を計算し、ＲＡＭ３３に格納しているデータに基づいて、炭酸ガス濃度を求める（Ｓ７）。
【００３８】
次にＣＰＵ３２は、求めた炭酸ガス濃度を表示器３４に表示する（Ｓ８）。この表示は数値や波形を用いて行う。
【００３９】
実際に本装置のセンサ部を室温（２６℃）から１０℃の恒温槽に入れると、図８〜図１０に示す結果が得られた。すなわち、センサ部を恒温槽に入れた直後から、素子の暗抵抗、交流信号がドリフトしていく（図８、図９）。しかし、補正後の交流信号はドリフトが小さくなっており（図９）、両者の比をとって炭酸ガス濃度に換算すると、温度ドリフトはほとんど除去されている（図１０）。これにより、ＰｂＳｅ素子の温度コントロールは不要となり、非常に安定した測定が可能であることが確認される。
【００４０】
本実施の形態では、直流信号値ＶＤＣ１  ，ＶＤＣ２  から式（１）を用いて素子の抵抗値（暗抵抗）Ｒｄ１，Ｒｄ２を求め、これによって素子の温度を特定し、図６のテーブルを参照してその温度の相対感度を求めている（図７に示すステップＳ４，Ｓ５）。これに対し、式（１）で用いる抵抗値Ｒ１，Ｒ２  は一定（既知）であるから、予め各温度における直流信号値ＶＤＣ１  ，ＶＤＣ２  と相対感度とを直接対応付けたテーブルを作成し、このテーブルをＥＥＰＲＯＭ２３に格納しておくようにしても良い。このテーブルが用いられるならば、直流信号値ＶＤＣ１  ，ＶＤＣ２  から直ちに相対感度が得られるので、測定中、式（１）を計算する必要がなく、迅速な処理を行うことができる。
【００４１】
また、以上の例ではテーブルを用いて相対感度を求めたが、暗抵抗Ｒｄ１，Ｒｄ２と相対感度の関係を示す近似式、あるいは直流信号値ＶＤＣ１  ，ＶＤＣ２  と相対感度の関係を示す近似式をＥＥＰＲＯＭ２３に格納し、この近似式を用いて相対感度を求めるようにしても良い。
【００４２】
また、本実施の形態では、ビームスプリッタで２つに分けられた赤外線の一方は炭酸ガスセルを透過させ、２つの赤外線検出回路は同じ波長の赤外線を検出するようにした。このため、エアウェイアダプタの窓に水分の層が形成されても測定結果は影響を受けないので、エアウェイアダプタの窓に防曇膜を用いることができ、サファイアなどの高価な部材が不要となり、製造コストの低下を図ることができる等の効果を有する。
【００４３】
これに対し、米国特許５，１５３，４３６  で開示されているように、ビームスプリッタで２つに分けられた赤外線の一方は測定対象ガスの吸収率が極めて高い波長のバンドパスフィルタを介して検出し、他方は測定対象ガスの吸収率が極めて低い波長のバンドパスフィルタを介して検出するような２波長の赤外線を用いる装置にあっても、本発明は同様にして適用できる。すなわち、この場合においても、２つの光伝導型赤外線検出素子が用いられるが、それぞれの素子が組み込まれた検出回路の出力を同様にして補正すれば同様の補正の効果が得られる。この場合、２つの光伝導型赤外線検出素子を一定の温度に保つ手段は不要となる。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項３の赤外線検出装置によれば、光伝導型赤外線検出素子について暗抵抗と、所定の温度における感度を基準にして規格化した感度に関する固有のデータを用いて検出信号の補正を行うので、光伝導型赤外線検出素子を一定の温度に保つための手段が不要となる。また、このような構成によれば、光伝導型赤外線検出素子の暗抵抗から温度を検出しているので、別に温度センサを設ける必要がない。また、温度センサを用いた場合、光伝導型赤外線検出素子と温度センサとの間に温度差が生じる可能性があるが、光伝導型赤外線検出素子から温度を検出すると素子自身の温度を反映しているので、本装置によれば、簡単な構成で精度の高い温度補正を行うことができる。
【００４５】
請求項４乃至請求項６のガス分析装置によれば、上記赤外線検出装置と同様の効果を有し、そのため構成が簡単であり、かつ正確にガス濃度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した赤外線検出回路２１ａおよび２１ｂの出力信号を示す図。
【図３】温度とＰｂＳｅ素子の暗抵抗との関係を示す図。
【図４】ＰｂＳｅ素子を用いた赤外線検出回路の素子の温度とＡＣ出力との関係を示す図。
【図５】ＰｂＳｅ素子を用いた赤外線検出回路の素子の暗抵抗と感度との関係を示す図。
【図６】図１に示したＥＥＰＲＯＭ２３の内容の例を示す図。
【図７】本発明の実施の形態の動作を説明するための図。
【図８】本発明の実施の形態の効果を説明するための図。
【図９】本発明の実施の形態の効果を説明するための図。
【図１０】本発明の実施の形態の効果を説明するための図。
【図１１】本発明の実施の形態のセンサ部の構成を示す図。
【図１２】ＰｂＳｅ素子を用いた赤外線検出回路の例を示す図。
【符号の説明】
３  光源
６  第１のＰｂＳｅ素子
７  第２のＰｂＳｅ素子
２１ａ、２１ｂ  赤外線検出回路
２２ａ、２２ｂ  交流成分検出回路
２３  ＥＥＰＲＯＭ
３１  Ａ／Ｄ変換器
３２  ＣＰＵ３２
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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