(57)【要約】【課題】結露の発生を防止するガスセンサ構造を用いた、被計測物の存在及び被計測物の濃度の一方又は両方を計測する方法、及びそのガスセンサ構造の提供。【解決手段】ガスセンサ構造（１００）は、放射（１１６）を放出する放射源（１０２）、少なくとも１種類の被計測物を含む試験ガス（１１０）で充填され得るガス計測室（１０４）、及び被計測物の存在、被計測物濃度の関数として出力信号を生成する少なくとも１個の検出器（１０８）を具備する。ガス計測室（１０４）内で凝縮する結露の悪影響を低減するために、本発明のガス計測室（１０４）は、計測工程前にガス計測室（１０４）の壁（１１８）が試験ガス（１１０）の露点を超えるように加熱される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射を放出する少なくとも１個の放射源（１０２）、少なくとも１種類の被計測物を含む試験ガス（１１０）で充填され得るガス計測室（１０４）、及び前記被計測物の存在及び濃度の一方又は両方の関数として出力信号を生成する少なくとも１個の放射検出器（１０８）を具備するガスセンサ構造を用いて、前記被計測物の存在及び濃度の一方又は両方を計測する方法において、
前記ガス計測室（１０４）の壁（１１８）が、前記試験ガス（１１０）の露点よりも高い温度となるように、前記ガス計測室を加熱する工程と、
前記計測を実行する工程とを具備することを特徴とする計測方法。
【請求項２】
前記加熱工程は、前記ガス計測室を加熱する、放射を放出するための前記放射源（１０２）の駆動を具備することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記放射源は、前記ガス計測室を加熱するために放射パルスを放出することを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記加熱工程は、前記ガス計測室を加熱するための加熱装置の駆動を具備することを特徴とする請求項１記載の計測方法。
【請求項５】
前記計測の実行工程は、赤外線放射源による赤外線放射の放出を具備することを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記赤外線放射源は発光ダイオードであることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記赤外線放射源は広帯域光スペクトルを放出するランプであることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記加熱工程は、
前記ガス計測室の前記壁の温度を監視して前記試験ガスの温度と比較する工程と、
前記２つの温度差が所定の値に達すると、前記計測を開始する工程と
を具備することを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記加熱工程において、前記ガス計測室は所定期間、加熱されることを特徴とする請求項１ないし８のうちいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
ガス性被計測物が検出されるか、又は該ガス性被計測物の濃度が決定されることを特徴とする請求項１ないし９のうちいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
放射を放出する少なくとも１個の放射源（１０２）、少なくとも１種類の被計測物を含む試験ガス（１１０）で充填され得るガス計測室（１０４）、前記被計測物の存在及び濃度の一方又は両方の関数として出力信号を生成する少なくとも１個の放射検出器（１０８）、及び制御器（１２０）を具備するガスセンサ構造において、
前記ガス計測室の壁（１１８）が、前記試験ガス（１１０）の露点よりも高い温度となるように、前記ガス計測室を加熱するための加熱装置（１２２）を具備することを特徴とするガスセンサ構造。
【請求項１２】
前記加熱装置は前記放射源（１０２）により形成され、
前記制御器（１２０）は、前記ガス計測室を加熱する、放射を放出するための前記放射源を駆動するように構成されていることを特徴とする請求項１１記載のガスセンサ構造。
【請求項１３】
前記加熱装置（１２２）は少なくとも１個の加熱抵抗を具備することを特徴とする請求項１１記載のガスセンサ構造。
【請求項１４】
検出される前記放射（１１６）は赤外線放射であり、
前記少なくとも１個の放射源（１０２）は赤外線放射源により形成されていることを特徴とする請求項１１ないし１３のうちいずれか１項記載のガスセンセ構造。
【請求項１５】
前記ガス計測室の一壁の温度を監視するために、前記ガス計測室に少なくとも１個の温度プローブ（１２４）が設けられていることを特徴とする請求項１１ないし１４のうちいずれか１項記載のガスセンセ構造。
【請求項１６】
前記制御器（１２０）は、前記加熱装置（１２２）を制御するためにタイマ（１２６）を具備することを特徴とする請求項１１ないし１５のうちいずれか１項記載のガスセンセ構造。
【請求項１７】
前記ガス計測室の前記壁（１１８）は、前記放射源により放出される前記放射を反射するよう構成されていることを特徴とする請求項１１ないし１６のうちいずれか１項記載のガスセンセ構造。
【請求項１８】
前記ガス計測室の前記壁（１１８）は、金属コーティングを具備することを特徴とする請求項１７記載のガスセンセ構造。
【請求項１９】
前記金属コーティングは、スパッタリング、蒸着又は電気めっきにより付着した金コーティングであることを特徴とする請求項１８記載のガスセンサ構造。
【請求項２０】
前記ガスセンサ構造は、好適には二酸化炭素であるガス性被計測物を検出するために、又は前記ガス性被計測物の濃度を決定するために設けられていることを特徴とする請求項１１ないし１９のうちいずれか１項記載のガスセンサ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ構造により被計測物の存在、濃度を計測する方法、及び適当なガスセンサ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサ構造は、放射源、少なくとも１種の被計測物に含まれる計測ガスで充填されるガス計測室、及び被計測物の存在、濃度の関数として出力信号を生成する少なくとも１個の放射検出器を具備する。
【０００３】
例えばメタン又は二酸化炭素等の多くの異なる被計測物を検出するこの種のガスセンサ構造は公知である。例えば、特許文献１、特許文献２又は特許文献３に示されるような従来のガスセンサは、特に赤外線波長レンジで多原子ガスが放射を吸収するという性質に基づいている。この吸収は、関連するガスの特性波長で、例えば二酸化炭素の場合は4.24μｍで生ずる。従って、この種の赤外線ガスセンサを用いて、計測ガス中にガス成分の存在、ガス成分の濃度を検出することが可能である。このようなガスセンサは、放射源、吸収部すなわち計測室、及び放射検出器を具備する。放射検出器により計測される放射強度は、公知のランバートビア（Lambert-Beer）法に従った吸収性ガスの濃度の計測結果である。これに関して、いわゆるＮＤＩＲ（非分散赤外線）センサの場合にあるように、広帯域放射源を使用することができ、関連する波長は干渉フィルタ又は格子を介して設定することができる。或いは、発光ダイオード又はレーザ等の選択的放射源を、非波長選択的放射検出器と共に使用することができる。
【０００４】
今日、特に二酸化炭素の検出が多数の用途分野で非常に重要になってきている。例えば、室内空気の品質を監視することができ、自己浄化オーブンの浄化サイクルを監視することができ、温室内で植物への二酸化炭素の供給を管理することができる。例えば麻酔等の医療分野において、患者の呼吸気を監視することができ、例えば空調システム等の二酸化炭素が漏れるおそれがあるいかなる場所において、警報システム内に二酸化炭素センサを使用することができる。
【０００５】
熱及び空気調整のエネルギー効率を向上するために、自動車産業で二酸化炭素検出が使用され、必要なときのみ、すなわち二酸化炭素濃度の上昇がある場合に、対応する換気フラップ制御を介して新鮮な空気の供給を開始するように、室内空気の二酸化炭素含有量を監視する二酸化炭素検出を使用することができる。さらに、最新の自動車空調システムは冷媒として二酸化炭素を使用しているので、故障の場合に漏れる二酸化炭素と併せて、二酸化炭素ガスセンサもまた、自動車分野での監視機能を実現できる。特に自動車分野では、この種のセンサは、堅牢性、信頼性及び小型化に対して最高の要求事項を満足しなければならない。
【特許文献１】欧州特許出願公開第６１６２０７号明細書
【特許文献２】国際特許出願公開第００／５５６０３号明細書
【特許文献３】独国特許第１９９２５１９６号明細書
【特許文献４】米国特許第５３４０９８６号明細書
【特許文献５】米国特許第３９３５４６３号明細書
【特許文献６】米国特許第３８６０３４４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自動車産業で特に生ずる問題は、吸収ガスセンサ内の結露である。一般的に知られているように、空気のいわゆる露点よりも温度が低い表面で空気が冷却されると、常に結露が生ずる。露点は、空気における水の飽和度及び温度に依存する。
【０００７】
例えば、自動車の室内の二酸化炭素を検出するために吸収ガスセンサが使用される場合、ガス計測室の壁の内面が計測ガスの露点と等しいか低い温度を示すと、ガス計測室の内面に結露が生ずるという問題が発生する。この結露は、計測方法を著しく悪化させ、ガスセンサ構造に損傷を与えるおそれもある。
【０００８】
従って、本発明は、ガスセンサ構造を用いた計測方法、及び結露による悪影響を低減するガスセンサ構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、請求項１に記載された特徴を有する方法、及び請求項９に記載された特徴を有するガスセンサ構造により達成される。
【００１０】
本発明の有利な発展形は複数の従属請求項の主題である。
【００１１】
本発明は、ガス計測室の壁が試験ガスの露点より上の温度になるようにガス計測室が計測工程前に加熱されると、試験ガスの結露が防止できるという技術思想に基づいている。このため、試験ガスに存在する水分はガス計測室の内壁に凝縮できないので、計測結果に対する結露の効果は、例えば衝突によるガスセンサ構造の個々の部品に対する損傷のおそれと同様に、防止できることが確保される。
【００１２】
本発明の有利な一実施形態によれば、既に存在する放射源は、実際の計測工程前に放射を放出するよう駆動できるので、熱散逸損失はガス計測室の加熱に使用される。この実施形態は、デバイスが特に容易に製造することができ、その製造には駆動に対する変更が必要なだけである。
【００１３】
加熱の特にエネルギーを節約する効果的な形態は、放射源のパルス化稼動である。
【００１４】
しかし、狭帯域放射源を使用する場合、放射源の利用可能な熱散逸損失は、露点を超えるガス計測室の内壁を加熱するには不十分である。この場合、さらに有利な一実施形態によれば、例えば抵抗等の付加的な加熱装置、任意であるがＰＴＣ（正温度特性）加熱素子を設けてもよい。
【００１５】
試験ガスを結露で干渉しない計測工程が可能な場合、ガス計測室の壁の温度を監視することができ、監視される試験ガスの温度と比較することができる。
【００１６】
或いは、又は付加的に、ガス計測室を特定時間だけ加熱することができるタイマを設けてもよい。経験値を使用して、干渉の無い計測工程を実行する前に、例えば被計測外部温度の関数として加熱エネルギーの供給の必要時間を決定することが可能である。
【００１７】
一方では実際の計測のエネルギー効率及び正確性を改善するために、他方でガス計測室の内壁の目標加熱を可能にするために、放射源により放出される放射を反射するようにガス計測室の壁を構成してもよい。これは、放射反射プラスチック材料の使用か、又は金属コーティングにより実行できる。典型的な一実施形態において、金コーティングをスパッタリング、蒸着又は電気めっきにより付着させてもよい。
【００１８】
特に二酸化炭素の検出のために、例えば自動車産業では漏れ点からの二酸化炭素の漏れを監視するため及び室内の空気の品質を監視するために、本発明に従ったガスセンサ構造の有利な特徴を使用することができる。しかし、当然のことながら、本発明に従ったガスセンサ構造も他のガスの検出に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面に図示される有利な実施形態を参照して、本発明をより詳細に説明する。本発明に従った主題の同様な又は対応する詳細には、同一の参照番号が付される。
【００２０】
本発明の典型的な実施形態に従ったガスセンサ構造の構造及び動作モードを、図面を参照して以下に詳細に説明する。
【００２１】
図１に示されるように、ガスセンサ構造１００は本実施形態の場合、広帯域赤外線放射源である放射源１０２を具備する。図示されているガスセンサ構造１００は原則的には、いわゆるＮＤＩＲセンサ（非分散赤外線センサ）である。最も簡素な場合ではランプである赤外線源１０２に加えて、主要な部品は、ガス計測室１０４、波長フィルタ１０６及び赤外線検出器１０８である。
【００２２】
試験ガス１１０は、入口１１２及び出口１１４で記号化されるように、ガス計測室１０４内にポンプで送り込まれ、又はガス計測室１０４内で拡散する。試験ガスの濃度は、赤外線レンジの特定波長の吸収により電光的に決定できる。これに関して、放出される赤外線放射１１６は、ガス計測室１０４を通って検出器１０８に運ばれる。検出器１０８は、被検出ガス分子が吸収する波長レンジを通して許容するのみである光フィルタ１０６を具備する。他のガス分子は一般的にこの波長の光を吸収しないので、検出器１０８に到達する放射量に影響を与えない。従来、放射源からの赤外線信号は、所望の信号から熱的な背景信号（ノイズ）を除去できるようにするために、チョップされるか又は変調される。
【００２３】
制御器１２０は、一方で放射源１０２を駆動し、他方で検出器１０８から出力信号を受信すると共にその出力信号をさらに処理する。
【００２４】
結露の発生に関連して、２つの温度、すなわち一方は例えば自動車の室内温度である試験ガスの温度T2、他方はガス計測室１０４の内壁１１８の温度T1が極めて重要である。
【００２５】
ガス計測室１０４の内壁１１８の温度T1が、一方では試験ガスの水分量により他方では試験ガスの温度T2により決定される試験ガス１１０の露点を下回ると、ガス計測室１０４の内壁上で水分が凝縮し、試験結果に敏感に干渉する。
【００２６】
従って、本発明に従ったガスセンサ構造１００は、ガス計測室１０４を加熱するために加熱装置１２２を具備する。制御器１２０を介して駆動されるこの加熱装置１２２は、ガス計測室１０４の内壁１１８の温度T1が試験ガス１１０の露点の十分上になるまで、ガス計測室１０４を加熱する。例えばレーザダイオードを加熱するための放射源として使用されるタイプの抵抗加熱（例えば独国特許出願第１９７１７１４５号明細書を見よ）は、加熱装置として使用することができる。或いは、ＰＴＣ素子として公知の正温度特性を有する抵抗も使用可能である。
【００２７】
図２を参照してより詳細に後述される加熱装置１２２の駆動は、制御器に配置されたタイマの使用によると共に、計測された温度T1及びT2の一方又は両方の評価により調整することができる。
【００２８】
ＮＤＩＲセンサと併せて特に容易に製造できる特定の一実施形態は、図２に示されている。ここでは、放射源１０２自体がガス計測室１０４の加熱に使用される。
【００２９】
本発明によれば、例えばパルスモードにおいて、放射源１０２は、実際の計測工程が事項される前に、特定に時間だけオンに切り換えられる。放射源の熱散逸損失は、特に赤外線ランプが放射源１０２として使用される場合、及びガス計測室１０４の内壁１１８の鏡めっきの場合、結露を防止するには十分である。また、ガス計測室の内壁１１８の温度T1を決定すると共に制御器１２０に対応する信号を出力する温度プローブ１２４を設けてもよい。この情報、及び任意であるが試験ガス１１０の温度T2に関する付加情報に基づいて、制御器１２０は、内壁１１８が試験ガス１１０の露点を上回る温度となるように放射源１０２を制御する。
【００３０】
或いは、又は付加的に、制御器１２０は、ガス計測室を特定の期間だけ加熱することを可能にするタイマ１２６を具備してもよい。一方では信号の歩留まりを向上するために、他方では放射源１０２を介してガス計測室の加熱を加速するために、有利な一実施形態に従った内壁１１８は赤外線放射を反射するよう構成されてもよい。
【００３１】
単一の赤外線放射源のみを上述したが、本発明に従った方法はまた、複数の放射源、検出器を具備するガスセンサ構造にも好適である。特に、本発明に従った方向はまた、計測放射源及び基準放射源が設けられたガスセンサ構造にも拡張することができる。
【００３２】
また、本発明の詳細な説明では、試験ガスとして空気が、凝縮する液体として水分がそれぞれ言及された。しかし、本発明に従った解説策の原理は、他の試験ガス及び他の可能な凝縮液体にも適用可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態に従ったガスセンサ構造の概略図である。
【図２】本発明の第２実施形態に従ったガスセンサ構造の概略図である。
【符号の説明】
【００３４】
１００  ガスセンサ構造
１０２  放射源
１０４  ガス計測室
１０８  検出器
１１０  試験ガス
１１６  放射
１１８  内壁
１２０  制御器
１２２  加熱装置
１２４  温度プローブ
１２６  タイマ
【図１】
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【図２】
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