(57)【要約】【課題】測定環境が変動しても、ガス濃度をより精度よく算出するガス濃度算出装置を提供する。【解決手段】ガス濃度計測モジュール２は、サンプルガス５０が導入される昇温側導入空間１１を形成する昇温側ガスセル１０と、サンプルガス５０が導入される常温側導入空間６１を形成する常温側ガスセル６０と、赤外光源２１と、昇温側導入空間１１を通った赤外光を受光する参照光受光素子３１と、常温側導入空間６１を通った赤外光を受光する信号光受光素子３２と、昇温側導入空間１１内のサンプルガス５０の濃度と、常温側導入空間６１内のサンプルガス５０の濃度とを、互いに異なる濃度に変換する濃度変換手段と、を備える。算出回路３は、ガス濃度計測モジュール２の参照光受光素子３１が受光した光のエネルギー値と信号光受光素子３２が受光した赤外光のエネルギー値との比に基づき、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度を算出する。【選択図】図１
2011169636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス濃度計測モジュールおよびガス濃度算出モジュールを備え、対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置であって、
前記ガス濃度計測モジュールは、
前記対象ガスが導入される第１の導入空間を形成する第１のガスセルと、
前記対象ガスが導入される第２の導入空間を形成する第２のガスセルと、
前記第１のガスセルおよび第２のガスセルの一端に配置された光源と、
前記第１のガスセルの他端に配置され、前記光源から放射されて前記第１の導入空間を通った光を受光する参照光受光手段と、
前記第２のガスセルの他端に配置され、前記光源から放射されて前記第２の導入空間を通った光を受光する信号光受光手段と、
前記第１の導入空間内の前記対象ガスの濃度と、前記第２の導入空間内の前記対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に変換する濃度変換手段と、
を備え、
前記ガス濃度算出モジュールは、前記ガス濃度計測モジュールの前記信号光受光手段が受光した前記光のエネルギー値と前記参照光受光手段が受光した前記光のエネルギー値との比に基づき、前記対象ガスの前記濃度を算出する、
ことを特徴とするガス濃度算出装置。
【請求項２】
前記濃度変換手段は、
前記第１のガスセルに付設された第１のヒータを備え、前記第1のヒータによって、前記第１の導入空間内の前記対象ガスを昇温することにより、前記第１の導入空間内の前記対象ガスの濃度と、前記第２の導入空間内の前記対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に変換する、
ことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度算出装置。
【請求項３】
前記濃度変換手段は、
前記第１のガスセルに付設された第１のヒータと、前記第２のガスセルに付設された第２のヒータとを備え、前記第１の導入空間内の前記対象ガスと前記第２の導入空間内の前記対象ガスとを異なる温度に昇温することにより、前記第１の導入空間内の前記対象ガスの濃度と、前記第２の導入空間内の前記対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に変換する、
ことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度算出装置。
【請求項４】
前記ガス濃度計測モジュールは、前記第１のガスセルと、前記第２のガスセルと、の間に配置された断熱部材を更に備えることを特徴とする請求項２または３に記載のガス濃度算出装置。
【請求項５】
前記濃度変換手段は、前記光源から放射された光に対して不活性な不活性ガスを前記第１の導入空間内に導入する不活性ガス供給部を更に備え、
前記不活性ガス供給部から前記第１の導入空間内に前記不活性ガスを導入することにより、前記第１の導入空間内の前記対象ガスの濃度と、前記第２の導入空間内の前記対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に変換することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度算出装置。
【請求項６】
前記不活性ガスは、アルゴン、キセノン、窒素、酸素、水素の少なくともいずれかを含むものであることを特徴とする請求項５に記載のガス濃度算出装置。
【請求項７】
前記光源と前記受光手段との間の光路上に配置され、所定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタを更に備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
【請求項８】
前記光源は、赤外線を放射するものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
【請求項９】
前記対象ガスは二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
【請求項１０】
前記対象ガスの前記濃度と前記比との相関関係を示すデータベースまたは近似式を予め格納する格納手段を更に備え、
前記ガス濃度算出モジュールは、前記データベースまたは前記近似式に基づき、前記比に相応する前記濃度を算出する、
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
【請求項１１】
対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置におけるガス濃度計測モジュールであって、
前記対象ガスが導入される第１の導入空間を形成する第１のガスセルと、
前記対象ガスが導入される第２の導入空間を形成する第２のガスセルと、
前記第１のガスセルおよび第２のガスセルの一端に配置された光源と、
前記第１のガスセルの他端に配置され、前記光源から放射されて前記第１の導入空間を通った光を受光する参照光受光手段と、
前記第２のガスセルの他端に配置され、前記光源から放射されて前記第２の導入空間を通った光を受光する信号光受光手段と、
前記第１の導入空間内の前記対象ガスの濃度と、前記第２の導入空間内の前記対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に変換する濃度変換手段と、
を備えることを特徴とするガス濃度計測モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＤＩＲ（非分散型赤外線吸収）法を利用してガスの濃度算出を行うガス濃度算出装置およびガス濃度計測モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、二酸化炭素などのガスの濃度を算出するガス濃度算出装置が空調システムの分野などで導入されている。このガス濃度算出装置での算出結果に基づいて換気のＯＮ／ＯＦＦなどを制御することにより、空調システムを効率よく作動させ、消費電力の低減を図ることが行われている。このようなガス濃度算出装置にはＮＤＩＲ（非分散型赤外線吸収）法が用いられており、ＮＤＩＲ（非分散型赤外線吸収）法とは、赤外光が対象ガス中を通る際の減衰に基づいてガスの濃度を算出する手法である。
【０００３】
ＮＤＩＲ（非分散型赤外線吸収）法を用いたガス濃度算出装置として、例えば、特許文献１に記載されたものがある。このガス濃度算出装置は、単一光源からの光をガスセル内に照射し、ガスセル内を通った光を第１の検出器と第２の検出器によって検出している。第１の検出器は、被測定ガス領域と、測定ガス室内に封入された不活性ガス領域と、からなる光路を通過した光を検出している。第２の検出器は、被測定ガス領域と、比較ガス室内に封入された被測定ガスと同種のガス領域と、からなる光路を通過した光を検出している。また、照射光量の増減を第２の検出器で検出し、第１の検出器の出力を校正することが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、シリンダ内のサンプルガス濃度を検出するガス濃度算出装置が記載されている。ここでは、シリンダ内を往復動するピストンのヘッドに反射鏡を設けると共に、シリンダのヘッドにはシリンダ内に向けて光源と検出器とを配置する。このような構成により、光源から発せられ且つピストン上の反射鏡で反射された光が検出器で受光される。ピストンの往復動に伴って、反射鏡を経由する光源から検出器までの光路長が変化するため、検出器に受光されるエネルギーが変化する。そして、検出器から出力される出力値の変化に基づいて、サンプルガスの濃度が算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２５６２４２号公報
【特許文献２】特開平５−１８０７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、引用文献１に記載されたガス濃度算出装置は、被測定ガスと同種のガスが封入された比較ガス室などを別途配置する必要がある。また、複数の被測定ガスを検出対象とする場合、被測定ガス毎に複数の比較ガス室が必要になる。またガスによっては比較ガス室に充填することが困難な場合もある。
【０００７】
また、引用文献２に記載されたガス濃度算出装置では、光路長を変化させるために、ピストンの往復動を用いているため、同時に異なる光路長の光を検出することは原理的に不可能である。また、ピストンの作動による振動等の影響により、ピストンが光路長方向に移動し、光路長が変化することによる測定誤差が発生してしまうといった問題がある。
【０００８】
そこで本発明は、多種多様なガス濃度をより精度よく算出することができるガス濃度算出装置およびガス濃度計測モジュール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】
本発明に係るガス濃度算出装置は、ガス濃度計測モジュールおよびガス濃度算出モジュールを備え、対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置であって、前記ガス濃度計測モジュールは、前記対象ガスが導入される第１の導入空間を形成する第１のガスセルと、前記対象ガスが導入される第２の導入空間を形成する第２のガスセルと、前記第１のガスセルおよび第２のガスセルの一端に配置された光源と、前記第１のガスセルの他端に配置され、前記光源から放射されて前記第１の導入空間を通った光を受光する参照光受光手段と、前記第２のガスセルの他端に配置され、前記光源から放射されて前記第２の導入空間を通った光を受光する信号光受光手段と、前記第１の導入空間内の前記対象ガスの濃度と、前記第２の導入空間内の前記対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に変換する濃度変換手段と、を備え、前記ガス濃度算出モジュールは、前記ガス濃度計測モジュールの前記信号光受光手段が受光した前記光のエネルギー値と前記参照光受光手段が受光した前記光のエネルギー値との比に基づき、前記対象ガスの前記濃度を算出する、ことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るガス濃度計測モジュールは、対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置におけるガス濃度計測モジュールであって、前記対象ガスが導入される第１の導入空間を形成する第１のガスセルと、前記対象ガスが導入される第２の導入空間を形成する第２のガスセルと、前記第１のガスセルおよび第２のガスセルの一端に配置された光源と、前記第１のガスセルの他端に配置され、前記光源から放射されて前記第１の導入空間を通った光を受光する参照光受光手段と、前記第２のガスセルの他端に配置され、前記光源から放射されて前記第２の導入空間を通った光を受光する信号光受光手段と、前記第１の導入空間内の前記対象ガスの濃度と、前記第２の導入空間内の前記対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に変換する濃度変換手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この発明では、参照光受光手段は、第１の導入空間を通った光を受光する。信号光受光手段は、第２の導入空間を通った光を受光する。また、濃度変換手段により、第１の導入空間内の対象ガスの濃度と、第２の導入空間内の対象ガスの濃度とは、互いに異なる濃度に変換される。このため、信号光受光手段および参照光受光手段によって、対象ガスの濃度が異なる導入空間内を通った光、即ち、対象ガスによる吸収量が異なる光を同時に測定することができる。
【００１２】
また、この発明では、引用文献１に記載されたガス濃度算出装置のように、被測定ガスと同種ではあるが飽和状態のため異なる変化特性を示すガスが封入された比較ガス室などを用いることなく、吸収量の異なる光を測定することができる構成である。特に、この発明では、第１のガスセルと第２のガスセルに同じ対象ガスを導入して互いに異なる濃度に変換したものであり、引用文献１のように、最初から異なる変化特性のガス（比較ガス室内のガス）を用意したものではない。そのため、光源の光量や温度等に変動があった場合であっても、第１のガスセルおよび第２のガスセル内の対象ガスは温度が異なるものの同じガスであるため、信号光受光手段および参照光受光手段における測定値の変化特性が同じとなる。このように、信号光受光手段および参照光受光手段における測定値の変化特性が同じであるため、これらの測定値に基づいて、光源の光量や温度等による測定値の変動を容易に相殺することができ、ガス濃度をより精度よく算出することが可能となる。
【００１３】
また、この発明では、光路長を変化させるために振動等を伴わず、当該振動による位置ずれや付加的なノイズなどが無いので、ガス濃度計測モジュールの光検出精度の低下を防止できる。
【００１４】
また、前記濃度変換手段は、前記第１のガスセルに付設された第１のヒータを備え、前記第1のヒータによって、前記第１の導入空間内の前記対象ガスを昇温することにより、前記第１の導入空間内の前記対象ガスの濃度と、前記第２の導入空間内の前記対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に変換する、ことが好ましい。
【００１５】
この発明では、第１のヒータによって、第１の導入空間内の対象ガスを昇温することにより、第１の導入空間内の対象ガスは、第２の導入空間内の対象ガスと比較して濃度が低くなる。このように、熱を加えることによって対象ガスが膨張することを利用して、第１の導入空間内の対象ガスの濃度と、第２の導入空間内の対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に容易に変換することができる。
【００１６】
また、前記濃度変換手段は、前記第１のガスセルに付設された第１のヒータと、前記第２のガスセルに付設された第２のヒータとを備え、前記第１の導入空間内の前記対象ガスと前記第２の導入空間内の前記対象ガスとを異なる温度に昇温することにより、前記第１の導入空間内の前記対象ガスの濃度と、前記第２の導入空間内の前記対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に変換する、ことが好ましい。
【００１７】
この発明では、第１のヒータと第２のヒータによって、第１の導入空間内の対象ガスと第２の導入空間内の対象ガスとを異なる温度に昇温することにより、第１の導入空間内の対象ガスと、第２の導入空間内の対象ガスとが、互いに異なる濃度となる。このように、熱を加えることによって対象ガスが膨張することを利用して、第１の導入空間内の対象ガスの濃度と、第２の導入空間内の対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に容易に変換することができる。
【００１８】
また、前記ガス濃度計測モジュールは、前記第１のガスセルと、前記第２のガスセルと、の間に配置された断熱部材を更に備えることが好ましい。
【００１９】
この発明では、断熱部材を備えることにより、第１のガスセルと第２のガスセルとの間での熱の伝わりが防止され、対象ガスを効率よく昇温することができるとともに、第１のガスセル内の対象ガスと第２のガスセル内の対象ガスとの温度差をより確実に保つことができる。
【００２０】
また、前記濃度変換手段は、前記光源から放射された光に対して不活性な不活性ガスを前記第１の導入空間内に導入する不活性ガス供給部を更に備え、前記不活性ガス供給部から前記第１の導入空間内に前記不活性ガスを導入することにより、前記第１の導入空間内の前記対象ガスの濃度と、前記第２の導入空間内の前記対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に変換することが好ましい。
【００２１】
この発明では、第１の導入空間内に不活性ガスを導入したので、第１の導入空間内の対象ガスは、第２の導入空間内の対象ガスと比較して濃度が低くなる。このように、不活性ガスを第１の導入空間内に導入することで、第１の導入空間内の対象ガスの濃度と、第２の導入空間内の対象ガスの濃度とを、互いに異なる濃度に容易に変換することができる。また、不活性ガスは、光源から放射された光に対して不活性であるため、光源の光量や温度等に変動があった場合であっても、参照光受光手段における測定値の変化特性に影響を与えない。このため、光源の光量や温度等に変動があった場合であっても、第１のガスセルおよび第２のガスセル内の対象ガスは濃度が異なるものの同じガスであるため、信号光受光手段および参照光受光手段における測定値の変化特性が同じとなる。よって、光源の光量や温度等による測定値の変動を容易に相殺して、ガス濃度をより精度よく算出することが可能となる。
【００２２】
また、前記不活性ガスは、アルゴン、キセノン、窒素の少なくともいずれかを含むものであることが好ましい。
【００２３】
この発明では、アルゴン、キセノン、窒素を光が通るときに減衰しない現象を用いて、対象ガスの特性を変化させることなく、希釈を行うことができる。
【００２４】
また、前記光源と前記受光手段との間の光路上に配置され、所定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタを更に備えることが好ましい。
【００２５】
この発明では、バンドパスフィルタにより信号光受光手段および参照光受光手段がそれぞれ受光する光を同一波長とすることができ、信号光受光手段および参照光受光手段がそれぞれ受光する光の波長が異なることによる光検出精度の低下を防止できる。
【００２６】
また、前記光源は、赤外線を放射するものであることが好ましい。
【００２７】
この発明では、赤外線が対象ガスを通るときにエネルギーが減衰する現象を用いて、対象ガスの濃度を算出することができる。
【００２８】
また、前記対象ガスは二酸化炭素であることが好ましい。
【００２９】
この発明では、光が二酸化炭素を通るときにエネルギーが減衰する現象を用いて、対象ガスの濃度を算出することができる。
【００３０】
また、前記対象ガスの前記濃度と前記比との相関関係を示すデータベースまたは近似式を予め格納する格納手段を更に備え、前記ガス濃度算出モジュールは、前記データベースまたは前記近似式に基づき、前記比に相応する前記濃度を算出する、ことが好ましい。
【００３１】
この発明では、予め用意したデータベースまたは近似式に基づき、対象ガスの濃度を精度よく算出することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、測定環境が変動しても、ガス濃度をより精度よく算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１の実施形態に係るガス濃度算出装置を示す概略断面図である。
【図２】濃度と比の相関関係を示すデータベースを表す図である。
【図３】濃度と比の相関関係を示すグラフを表す図である。
【図４】ガス濃度算出処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】第２の実施形態に係るガス濃度算出装置を示す概略断面図である。
【図６】第３の実施形態に係るガス濃度算出装置を示す概略断面図である。
【図７】濃度と比の相関関係を示すデータベースを表す図である。
【図８】濃度と比の相関関係を示すグラフを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照しつつ本発明に係るガス濃度算出装置およびガス濃度計測モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３５】
［第１の実施形態］
（ガス濃度算出装置１の全体構成）
まず、第１の実施形態に係るガス濃度算出装置１の全体構成について説明する。図１は、ガス濃度算出装置を示す概略断面図である。ガス濃度算出装置１は、赤外光源２１（特許請求の範囲の「光源」に相当）からの赤外光を受光し、そのエネルギーを測定するガス濃度計測モジュール２と、ガス濃度計測モジュール２による測定結果に基づいてガス濃度を算出する算出回路３（特許請求の範囲の「ガス濃度算出モジュール」に相当）と、算出回路３がガス濃度を算出する際の情報を格納している格納部４（特許請求の範囲の「格納手段」に相当）とを含んで構成され、対象ガスの濃度を算出するものである。算出回路３によって算出されたガス濃度は、図示しない制御装置などに出力され、例えば空調システムなどの制御に利用される。なお、本実施形態では、ガス濃度計測モジュール２に導入されるサンプルガス中の二酸化炭素を濃度算出の対象ガスとした場合の例について説明する。
【００３６】
ガス濃度計測モジュール２は、内部にサンプルガス５０が導入される昇温側導入空間１１（特許請求の範囲の「第１の導入空間」に相当）を形成する昇温側ガスセル１０（特許請求の範囲の「第１のガスセル」に相当）と、内部にサンプルガス５０がそのまま導入される常温側導入空間６１（特許請求の範囲の「第２の導入空間」に相当）を形成する常温側ガスセル６０（特許請求の範囲の「第２のガスセル」に相当）と、昇温側ガスセル１０および常温側ガスセル６０の一端に配置された光源部２０と、昇温側ガスセル１０および常温側ガスセル６０の他端に配置されて光源部２０から放射された光を受光する受光部３０（特許請求の範囲の「信号光受光手段および参照光受光手段」に相当）と、を含んで構成される。
【００３７】
また、ガス濃度計測モジュール２は、昇温側ガスセル１０に付設されたヒータ１５（特許請求の範囲の「第１のヒータ、濃度変換手段」に相当）と、昇温側ガスセル１０と常温側ガスセル６０との間に配置された断熱部材７０とを、更に備える。ヒータ１５は、昇温側導入空間１１内のサンプルガス５０を昇温させる。なお、第１の実施形態では、昇温側導入空間１１に導入されるサンプルガス５０（常温：例えば、２５度）を、ヒータ１５によって１０度昇温し、昇温後サンプルガス５１を得るものとする。従って、昇温側導入空間１１内の昇温後サンプルガス５１は、二酸化炭素の濃度を測定しようとするサンプルガス５０と同じガスである常温側導入空間６１内のサンプルガス５０よりも１０度高い温度となる。
【００３８】
昇温側ガスセル１０は、昇温側ガスセル１０の一端側において、昇温側導入空間１１内にサンプルガス５０を導入するためのガス導入部１２が設けれ、昇温側ガスセル１０の他端側において、昇温側導入空間１１内の昇温後サンプルガス５１を外部へ排出するためのガス排出部１３が設けられている。また、常温側ガスセル６０には、常温側ガスセル６０の一端側において、常温側導入空間６１内にサンプルガス５０を導入するためのガス導入部６２が設けれ、常温側ガスセル６０の他端側に、常温側導入空間６１内に導入されたサンプルガス５０を外部へ排出するためのガス排出部６３が設けられている。
【００３９】
なお、図示はしないが、ガス導入部１２およびガス導入部６２は、サンプルガス５０を導入するための同一の導入管に接続されており、昇温側ガスセル１０および常温側ガスセル６０内に同じサンプルガス５０が導入される。なお、図１において、昇温側ガスセル１０および常温側ガスセル６０内の点は、ガスの分子を示すものであり、点の密度が濃い部分は密度が薄い部分と比較してガスの濃度が濃いものとする。また、後述の図５，図６についても、図１と同様に、ガスセル内の点によってガスの濃度を示すものとする。
【００４０】
光源部２０は、昇温側ガスセル１０および常温側ガスセル６０に結合される筐体２５と、筐体２５内に配置された赤外光源２１と、筐体２５において赤外光源２１と対向する部位に形成されて赤外光源２１が放射する赤外光を筐体２５の外部へ導くための開口部２６と、開口部２６を覆う窓部材２３と、を含んで構成される。赤外光源２１から放射された赤外光は、窓部材２３を通って昇温側ガスセル１０内および常温側ガスセル６０内に導入される。ここで、赤外光源２１は、４．２μｍ〜４．３μｍの波長域の光を放射するものを用いる。また、窓部材２３は、赤外線に対して高い透過性を有する材料によって構成されている。
【００４１】
受光部３０は、基板３５上に配置された参照光受光素子３１（特許請求の範囲の「参照光受光手段」に相当）および信号光受光素子３２（特許請求の範囲の「信号光受光手段」に相当）と、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２を覆うキャップ３６と、キャップ３６から参照光受光素子３１と信号光受光素子３２の間の領域に延びる仕切壁３７と、キャップ３６における参照光受光素子３１および信号光受光素子３２と対向する部位にそれぞれ形成された開口部３８と、開口部３８を覆うバンドパスフィルタ３９と、を含んで構成される。参照光受光素子３１および信号光受光素子３２は、受光した赤外光のエネルギー値を、算出回路３へ出力する。バンドパスフィルタ３９は、４．２μｍ〜４．３μｍの波長域の光のみが透過するものを用いる。また、参照光受光素子３１は、昇温側ガスセル１０の他端と対向し、信号光受光素子３２は、常温側ガスセル６０の他端と対向している。
【００４２】
また、図示はしないが、バンドパスフィルタ３９を図１に示した位置に設けない場合には、図１の窓部材２３の場所にバンドパスフィルタを設けても良い。つまり、バンドパスフィルタの配置場所は、光源部２０と受光部３０との間の光路上に配置されるのであれば、特に限定はしない。
【００４３】
以上の構成により、赤外光源２１から放射された赤外光のうち、参照光受光素子３１に入射する赤外光は、昇温側導入空間１１内において１０度昇温された昇温後サンプルガス５１を通る。信号光受光素子３２に入射する赤外光は、常温側導入空間６１内のサンプルガス５０を通る。この様に、参照光受光素子３１によって受光される赤外光は、信号光受光素子３２によって受光される赤外光と比較して、熱膨張によって濃度が低くなった昇温後サンプルガス５１を通る。即ち、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２は、サンプルガス５０（５０，５１）の濃度が異なることにより、サンプルガス５０（５０，５１）中の二酸化炭素によって吸収される量が異なる赤外光を同時に受光することができる。なお、昇温後サンプルガス５１はサンプルガス５０に対して濃度が低く、赤外光が通った場合に、二酸化炭素による吸収量が少ない。そのため、参照光受光素子３１は、信号光受光素子３２と比較して、高いエネルギー値の赤外光を受光する。
【００４４】
（格納部４の格納情報）
次に、格納部４が格納する情報について説明する。格納部４には、二酸化炭素の濃度と、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２が受光する赤外光のエネルギー値の比と、の相関関係を示す近似式が予め格納されている。
【００４５】
一般に、光源からの赤外線エネルギー値をＩ０、受光手段に到達する赤外線エネルギー値をＩ、光源から受光手段までの光路長さをｌ、対象ガスの濃度をＣ、吸収係数をμとすると、ランバート・ベールの法則により、以下の式（１）に示す関係が成り立つ。
Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ（−μ・Ｃ・ｌ）…（１）
【００４６】
上記関係に基づき、ランバート・ベールの法則を用いて、昇温側導入空間１１および常温側導入空間６１に導入されるサンプルガス５０内の二酸化炭素の濃度Ｃ毎に、参照光受光素子３１が受光するエネルギー値Ａと、信号光受光素子３２が受光するエネルギー値Ｂとを予め算出する。
【００４７】
まず、信号光受光素子３２が受光するエネルギー値Ｂを算出する場合には、既知のＩ０，μ，Ｃ，ｌを上記式（１）に代入し、Ｉを求めることにより、エネルギー値Ｂを算出する。ここで、上記式（１）において、濃度Ｃは、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度を表すものである。
【００４８】
次に、参照光受光素子３１が受光するエネルギー値Ａについても、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度Ｃ毎に、上記式（１）を用いて算出する。このとき、参照光受光素子３１が受光する赤外光は、昇温後サンプルガス５１を通る。従って、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度Ｃから、昇温後サンプルガス５１中の二酸化炭素の濃度Ｃ１を算出する。算出した濃度Ｃ１と、既知のＩ０，μ，ｌを上記式（１）に代入し、Ｉを求めることにより、エネルギー値Ａを算出する。これにより、二酸化炭素の濃度Ｃのサンプルガス５０を昇温側導入空間１１内に導入した場合において、参照光受光素子３１が受光するエネルギー値Ａを、式（１）を用いて算出することができる。なお、昇温後サンプルガス５１は、サンプルガス５０よりも１０度高い温度となっている。従って、例えば、気体の状態方程式ＰＶ＝ｎＲＴを用いることにより、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度Ｃから、昇温後サンプルガス５１中の二酸化炭素の濃度Ｃ１を計算によって求めることができる。または、濃度Ｃと濃度Ｃ１とを個別に測定した後に、式（１）をそれぞれ用いてエネルギー値Ａ，Ｂを求めてもよい。
【００４９】
更に、エネルギー値Ｂとエネルギー値Ａの比（Ｂ／Ａ）を算出する。これらの算出した値と、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度とを対応付け、図２に示すように、二酸化炭素の濃度とエネルギー値の比の相関関係を示すデータベースを作成する。更に、図２に示すデータベースより、図３に示す二酸化炭素の濃度とエネルギー値の比の相関関係を示すグラフを求め、エネルギー値の比（Ｂ／Ａ）と二酸化炭素の濃度との近似式（例えば、濃度＝ｆ（比））を算出する。算出した近似式は、格納部４に格納しておく。
【００５０】
なお、図２のデータベースでは、データベース作成の便宜上、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度がゼロｐｐｍの時のエネルギー値Ａ，Ｂが１となるように規格化してある。
【００５１】
参照光受光素子３１が受光するエネルギー値Ａと信号光受光素子３２が受光するエネルギー値Ｂの比と、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度とが対応していることにより、算出した近似式を用いて、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２が実際に受光した光のエネルギー値の比に基づいて、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。
【００５２】
（二酸化炭素の濃度算出処理）
次に、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２が受光した光のエネルギー値より、算出回路３が、二酸化炭素の濃度を算出する処理の流れについて説明する。なお、算出回路３は、ＣＰＵ等を含んで構成された回路である。図４は、二酸化炭素濃度算出処理の流れを示すフローチャートである。
【００５３】
ステップＳ１０１において算出回路３は、参照光受光素子３１で受光された光のエネルギー値Ａと信号光受光素子３２で受光された光のエネルギー値Ｂとを取得する。
【００５４】
次に、ステップＳ１０２において算出回路３は、取得したエネルギー値Ｂとエネルギー値Ａの比（Ｂ／Ａ）を算出する。ステップＳ１０３において算出回路３は、格納部４に格納された近似式を用いて、ステップＳ１０２で算出した比（Ｂ／Ａ）から二酸化炭素の濃度を算出する。近似式を用いて濃度を算出することにより、算出処理を容易に行うことができる。
【００５５】
ステップＳ１０４において算出回路３は、算出された二酸化炭素の濃度を示す信号を、図示しない制御装置などに出力する。二酸化炭素の濃度を示す信号は、例えば、制御装置において空調の制御等に利用される。
【００５６】
（第１の実施形態の作用・効果）
第１の実施形態において、参照光受光素子３１は、昇温側導入空間１１を通った赤外光を受光する。信号光受光素子３２は、常温側導入空間６１を通った赤外光を受光する。また、ヒータ１５により、昇温側導入空間１１内に導入されるサンプルガス５０の温度を所定の温度に昇温して昇温後サンプルガス５１を得る。これにより、昇温後サンプルガス５１内の二酸化炭素の濃度と、常温側導入空間６１内のサンプルガス５０内の二酸化炭素の濃度とは、互いに異なる濃度となる。このため、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２によって、二酸化炭素の濃度が異なる導入空間（昇温側導入空間１１，常温側導入空間６１）内を通った赤外光、即ち、二酸化炭素による吸収量が異なる赤外光を同時に測定することができる。
【００５７】
また、ガス濃度算出装置１は、引用文献１に記載されたガス濃度算出装置のように、被測定ガスと同種ではあるが飽和状態のため異なる変化特性を示すガスが封入された比較ガス室などを用いることなく、吸収量の異なる赤外光を測定することができる構成である。特に、昇温側ガスセル１０と常温側ガスセル６０に同じサンプルガス５０を導入して互いに異なる濃度に変換したものであり、引用文献１のように、最初から異なる変化特性のガス（比較ガス室内のガス）を用意したものではない。そのため、赤外光源２１の光量や温度等に変動があった場合であっても、昇温後サンプルガス５１とサンプルガス５０とは温度が異なるものの同じガスであるため、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２における測定値の変化特性が同じとなる。このように、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２における測定値の変化特性が同じであるため、これらの測定値に基づいて、赤外光源２１の光量や温度等による測定値の変動を容易に相殺することができ、ガス濃度をより精度よく算出することが可能となる。
【００５８】
また、光路長を変化させるために振動等を伴わず、当該振動による位置ずれや付加的なノイズなどが無いので、ガス濃度計測モジュールの光検出精度の低下を防止できる。
【００５９】
また、ガス濃度算出装置１は、ヒータ１５によって、昇温側導入空間１１に導入されたサンプルガス５０を昇温して昇温後サンプルガス５１を得ることにより、昇温側導入空間１１内の昇温後サンプルガス５１は、常温側導入空間６１内のサンプルガス５０と比較して濃度が低くなる。このように、熱を加えることによって気体が膨張することを利用して、昇温側導入空間１１内の昇温後サンプルガス５１中の二酸化炭素の濃度と、常温側導入空間６１内のサンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度とを、互いに異なる濃度に容易に変換することができる。
【００６０】
また、断熱部材７０を備えることにより、昇温側ガスセル１０と常温側ガスセル６０との間での熱の伝わりが防止され、サンプルガス５０を効率よく昇温することができる。また、昇温後サンプルガス５１と常温側ガスセル６０内のサンプルガス５０の温度差をより確実に保つことができる。
【００６１】
また、バンドパスフィルタ３９により、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２がそれぞれ受光する光を同一波長とすることができ、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２がそれぞれ受光する光の波長が異なることによる光検出精度の低下を防止できる。
【００６２】
また、赤外光源２１が赤外線を放射することにより、赤外線がサンプルガス５０および昇温後サンプルガス５１を通るときに二酸化炭素によってエネルギーが減衰する現象を用いて、サンプルガス５０および昇温後サンプルガス５１中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。
【００６３】
また、赤外光がサンプルガス５０および昇温後サンプルガス５１中の二酸化炭素を通るときにエネルギーが減衰する現象を用いて、サンプルガス５０および昇温後サンプルガス５１中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。
【００６４】
また、予め、格納部４内に近似式を格納しておくことにより、近似式に基づいて対象ガスの濃度を精度よく算出することができる。
【００６５】
［第２の実施形態］
第２の実施形態は、参照光受光素子３１に入射する赤外光が通るサンプルガス５０と、信号光受光素子３２に入射する赤外光が通るサンプルガス５０と、を個別のヒータによって昇温させるものである。
【００６６】
（ガス濃度算出装置１Ａの全体構成）
まず、第２の実施形態に係るガス濃度算出装置１Ａの全体構成について説明する。図５は、ガス濃度算出装置を示す概略断面図である。ガス濃度算出装置１Ａは、赤外光源２１（特許請求の範囲の「光源」に相当）からの赤外光を受光し、そのエネルギーを測定するガス濃度計測モジュール２Ａと、ガス濃度計測モジュール２Ａによる測定結果に基づいてガス濃度を算出する算出回路３（特許請求の範囲の「ガス濃度算出モジュール」に相当）と、算出回路３がガス濃度を算出する際の情報を格納している格納部４（特許請求の範囲の「格納手段」に相当）とを含んで構成され、対象ガスの濃度を算出するものである。算出回路３によって算出されたガス濃度は、図示しない制御装置などに出力され、例えば空調システムなどの制御に利用される。なお、本実施形態では、ガス濃度計測モジュール２Ａに導入されるサンプルガス中の二酸化炭素を濃度算出の対象ガスとした場合の例について説明する。
【００６７】
ガス濃度計測モジュール２Ａは、内部にサンプルガス５０が導入される高温側導入空間１１Ａ（特許請求の範囲の「第１の導入空間」に相当）を形成する高温側ガスセル１０Ａ（特許請求の範囲の「第１のガスセル」に相当）と、内部にサンプルガス５０が導入される低温側導入空間６１Ａ（特許請求の範囲の「第２の導入空間」に相当）を形成する低温側ガスセル６０Ａ（特許請求の範囲の「第２のガスセル」に相当）と、高温側ガスセル１０Ａおよび低温側ガスセル６０Ａの一端に配置された光源部２０と、高温側ガスセル１０Ａおよび低温側ガスセル６０Ａの他端に配置されて光源部２０から放射された光を受光する受光部３０（特許請求の範囲の「信号光受光手段および参照光受光手段」に相当）とを含んで構成される。なお、図示はしないが、ガス導入部１２およびガス導入部６２は、サンプルガス５０を導入するための同一の導入管に接続されており、高温側ガスセル１０Ａおよび低温側ガスセル６０Ａ内に同じサンプルガス５０が導入される。
【００６８】
また、ガス濃度計測モジュール２Ａは、高温側ガスセル１０Ａに付設された高温側ヒータ１５Ａ（特許請求の範囲の「第１のヒータ、濃度変換手段」に相当）と、低温側ガスセル６０Ａに付設された低温側ヒータ６５Ａ（特許請求の範囲の「第２のヒータ、濃度変換手段」に相当）と、高温側ガスセル１０Ａと低温側ガスセル６０Ａとの間に配置された断熱部材７０とを、更に備える。高温側ヒータ１５Ａは、高温側ガスセル１０Ａの高温側導入空間１１Ａ内に導入されたサンプルガス５０を第１の所定温度まで昇温させる。これにより、常温状態のサンプルガス５０から、第１の所定温度の高温サンプルガス５１Ａを得ることができる。また、低温側ヒータ６５Ａは、低温側ガスセル６０Ａの低温側導入空間６１Ａ内に導入されたサンプルガス５０を、第１の所定温度よりも低い第２の所定温度まで昇温させる。これにより、常温状態のサンプルガス５０から、第２の所定温度の低温サンプルガス５２Ａを得ることができる。なお、第２の実施形態では、高温側導入空間１１Ａ内の高温サンプルガス５１Ａが、低温側導入空間６１Ａ内の低温サンプルガス５２Ａに対して１０度高い温度となるように、高温側ヒータ１５Ａと低温側ヒータ６５Ａとが制御されているものとする。
【００６９】
高温側ガスセル１０Ａは、高温側ガスセル１０Ａの一端側に、高温側導入空間１１Ａ内にサンプルガス５０を導入するためのガス導入部１２が設けれ、高温側ガスセル１０Ａの他端側に、高温側導入空間１１Ａの高温サンプルガス５１Ａを外部へ排出するためのガス排出部１３が設けられている。また、低温側ガスセル６０Ａには、低温側ガスセル６０Ａの一端側に、低温側導入空間６１Ａ内にサンプルガス５０を導入するためのガス導入部６２が設けられ、低温側ガスセル６０Ａの他端側に、低温側導入空間６１Ａ内の低温サンプルガス５２Ａを外部へ排出するためのガス排出部６３が設けられている。
【００７０】
なお、光源部２０および受光部３０の構成は、第１の実施形態と同様であるため、同一番号を付して説明を省略する。
【００７１】
以上の構成により、赤外光源２１から放射された赤外光のうち、参照光受光素子３１に入射する赤外光は、高温側導入空間１１Ａ内において第１の所定温度に昇温された高温サンプルガス５１Ａを通る。信号光受光素子３２に入射する赤外光は、低温側導入空間６１Ａ内において第２の所定温度に昇温された低温サンプルガス５２Ａを通る。即ち、参照光受光素子３１によって受光される赤外光は、信号光受光素子３２によって受光される赤外光と比較して、熱膨張によってより濃度が低くなった高温サンプルガス５１Ａを通る。従って、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２は、サンプルガス５０（５１Ａ，５２Ａ）の濃度が異なることにより、サンプルガス５０（５１Ａ，５２Ａ）中の二酸化炭素によって吸収量が異なる赤外光を同時に受光することができる。なお、高温サンプルガス５１Ａは、低温サンプルガス５２Ａよりも温度が高く、濃度が低いため、二酸化炭素による赤外光の吸収量が少ない。そのため、参照光受光素子３１は、信号光受光素子３２と比較して、高いエネルギー値の赤外光を受光する。
【００７２】
（格納部４の格納情報）
次に、格納部４が格納する情報について説明する。格納部４には、二酸化炭素の濃度と、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２が受光する赤外光のエネルギー値の比と、の相関関係を示す近似式が予め格納されている。
【００７３】
なお、高温側導入空間１１Ａおよび低温側導入空間６１Ａ内に導入されるサンプルガス５０は常温（例えば、２５度）とし、低温サンプルガス５２Ａは、低温側ヒータ６５Ａによって常温よりも１０度高い第２の所定温度（例えば、３５度）に昇温されており、また、高温サンプルガス５１Ａは、高温側ヒータ１５Ａによって低温サンプルガス５２Ａよりも１０度高い第１の所定温度（例えば、４５度）に昇温されているものとする。
【００７４】
なお、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、以下の式（１）に示すランバート・ベールの法則を用いて、高温側導入空間１１Ａおよび低温側導入空間６１Ａに導入されるサンプルガス５０内の二酸化炭素の濃度Ｃ毎に、参照光受光素子３１が受光するエネルギー値Ａと、信号光受光素子３２が受光するエネルギー値Ｂとを予め算出する。
Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ（−μ・Ｃ・ｌ）…（１）
【００７５】
まず、信号光受光素子３２が受光するエネルギー値Ｂを算出する場合について説明する。信号光受光素子３２が受光する赤外光は、サンプルガス５０よりも濃度が低い低温サンプルガス５２Ａ中を通る。そのため、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度Ｃから、低温サンプルガス５２Ａ中の二酸化炭素の濃度Ｃ２を算出する。ここでは、低温サンプルガス５２Ａは、サンプルガス５０（常温）よりも１０度高い温度となっている。従って、第１の実施形態と同様に、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度Ｃから、低温サンプルガス５２Ａ中の二酸化炭素の濃度Ｃ２を計算によって求める。または、濃度Ｃ２を別途測定してもよい。
【００７６】
算出または測定した濃度Ｃ２と、既知のＩ０，μ，ｌを上記式（１）に代入し、Ｉを求めることにより、エネルギー値Ｂを算出する。これにより、二酸化炭素の濃度Ｃのサンプルガス５０を低温側導入空間６１Ａ内に導入した場合において、信号光受光素子３２が受光するエネルギー値Ｂを、式（１）を用いて算出することができる。
【００７７】
次に、参照光受光素子３１が受光するエネルギー値Ａを算出する場合には、エネルギー値Ｂを算出した場合と同様に、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度Ｃから、高温サンプルガス５１Ａ中の二酸化炭素の濃度Ｃ３を算出する。または、濃度Ｃ３を別途測定してもよい。算出または測定した濃度Ｃ３と、既知のＩ０，μ，ｌを上記式（１）に代入し、Ｉを求めることにより、エネルギー値Ａを算出する。
【００７８】
更に、エネルギー値Ａとエネルギー値Ｂの比（Ｂ／Ａ）を算出する。そして、第１の実施形態と同様に、これらの算出した値と、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度Ｃとを対応付け、図２に示すような、二酸化炭素の濃度とエネルギー値の比の相関関係を示すデータベースを作成する。更に、図２に示すデータベースより、図３に示すような二酸化炭素の濃度とエネルギー値の比の相関関係を示すグラフを求め、エネルギー値の比（Ｂ／Ａ）と二酸化炭素の濃度との近似式（例えば、濃度＝ｆ（比））を算出する。算出した近似式は、格納部４に格納しておく。
【００７９】
参照光受光素子３１が受光するエネルギー値Ａと信号光受光素子３２が受光するエネルギー値Ｂの比と、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度とが対応していることにより、算出した近似式を用いて、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２が実際に受光した光のエネルギー値の比に基づいて、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。
【００８０】
（二酸化炭素の濃度算出処理）
参照光受光素子３１および信号光受光素子３２が受光した光のエネルギー値より、算出回路３が、二酸化炭素の濃度を算出する処理については、第１の実施形態において図４を用いて説明した処理と同様であるため、説明を省略する。
【００８１】
（第２の実施形態の作用・効果）
第２の実施形態では、参照光受光素子３１は、高温側導入空間１１Ａを通った赤外光を受光する。信号光受光素子３２は、低温側導入空間６１Ａを通った赤外光を受光する。また、低温側ヒータ６５Ａにより、低温側導入空間６１Ａ内に導入されるサンプルガス５０を第２の所定温度に昇温して低温サンプルガス５２Ａを得る。また、高温側ヒータ１５Ａにより、高温側導入空間１１Ａ内に導入されるサンプルガス５０を第２の所定温度よりも高い第１の所定温度に昇温して高温サンプルガス５１Ａを得る。これにより、高温サンプルガス５１Ａ内の二酸化炭素の濃度と、低温サンプルガス５２Ａ内のサンプルガス５０内の二酸化炭素の濃度とは、互いに異なる濃度となる。このため、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２によって、二酸化炭素の濃度が異なる導入空間（高温側導入空間１１Ａ，低温側導入空間６１Ａ）内を通った赤外光、即ち、二酸化炭素による吸収量が異なる赤外光を同時に測定することができる。
【００８２】
また、ガス濃度算出装置１Ａは、引用文献１に記載されたガス濃度算出装置のように、被測定ガスと同種ではあるが飽和状態のため異なる変化特性を示すガスが封入された比較ガス室などを用いることなく、吸収量の異なる赤外光を測定することができる構成である。特に、高温側ガスセル１０Ａと低温側ガスセル６０Ａに同じサンプルガス５０を導入して互いに異なる濃度に変換したものであり、引用文献１のように、最初から異なる変化特性のガス（比較ガス室内のガス）を用意したものではない。そのため、赤外光源２１の光量や温度等に変動があった場合であっても、高温サンプルガス５１Ａと低温サンプルガス５２Ａとは温度が異なるものの同じガスであるため、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２における測定値の変化特性が同じとなる。このように、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２における測定値の変化特性が同じであるため、これらの測定値に基づいて、赤外光源２１の光量や温度等による測定値の変動を容易に相殺することができ、ガス濃度をより精度よく算出することが可能となる。
【００８３】
また、光路長を変化させるために振動等を伴わず、当該振動による位置ずれや付加的なノイズなどが無いので、ガス濃度計測モジュールの光検出精度の低下を防止できる。
【００８４】
また、ガス濃度算出装置１Ａは、高温側ヒータ１５Ａおよび低温側ヒータ６５Ａによって、サンプルガス５０を異なる温度に昇温することにより、高温サンプルガス５１Ａと低温サンプルガス５２Ａとが異なる濃度となる。このように、熱を加えることによって気体が膨張することを利用して、高温側導入空間１１Ａ内の高温サンプルガス５１Ａ中の二酸化炭素の濃度と、低温側導入空間６１Ａ内の低温サンプルガス５２Ａ中の二酸化炭素の濃度とを、互いに異なる濃度に容易に変換することができる。
【００８５】
また、断熱部材７０を備えることにより、高温側ガスセル１０Ａと低温側ガスセル６０Ａとの間での熱の伝わりが防止され、サンプルガス５０を効率よく昇温することができる。また、高温サンプルガス５１Ａと低温サンプルガス５２Ａの温度差をより確実に保つことができる。
【００８６】
また、バンドパスフィルタ３９により、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２がそれぞれ受光する光を同一波長とすることができ、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２がそれぞれ受光する光の波長が異なることによる光検出精度の低下を防止できる。
【００８７】
また、赤外光源２１が赤外線を放射することにより、赤外線が高温サンプルガス５１Ａおよび低温サンプルガス５２Ａを通るときに二酸化炭素によってエネルギーが減衰する現象を用いて、高温サンプルガス５１Ａおよび低温サンプルガス５２Ａ中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。
【００８８】
また、赤外光が高温サンプルガス５１Ａおよび低温サンプルガス５２Ａ中の二酸化炭素を通るときにエネルギーが減衰する現象を用いて、高温サンプルガス５１Ａおよび低温サンプルガス５２Ａ中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。
【００８９】
また、予め、格納部４内に近似式を格納しておくことにより、近似式に基づいて対象ガスの濃度を精度よく算出することができる。
【００９０】
なお、第２の実施形態において、低温側導入空間６１Ａ内に導入されたサンプルガス５０を、低温側ヒータ６５Ａによって常温よりも高い第２の所定温度に昇温するものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、低温側ヒータ６５Ａを、低温側導入空間６１Ａ内に導入されたサンプルガス５０を、常温（例えば、２５度）に保つために用いることもできる。
【００９１】
［第３の実施形態］
第３の実施形態は、希釈ガスを用いてサンプルガス５０を希釈することにより、参照光受光素子３１に入射する赤外光と信号光受光素子３２に入射する赤外光とを異なる濃度のサンプルガス中を通るようにしたものである。
【００９２】
（ガス濃度算出装置１Ｂの全体構成）
まず、第３の実施形態に係るガス濃度算出装置１Ｂの全体構成について説明する。図６は、ガス濃度算出装置を示す概略断面図である。ガス濃度算出装置１Ｂは、赤外光源２１（特許請求の範囲の「光源」に相当）からの赤外光を受光し、そのエネルギーを測定するガス濃度計測モジュール２Ｂと、ガス濃度計測モジュール２Ｂによる測定結果に基づいてガス濃度を算出する算出回路３（特許請求の範囲の「ガス濃度算出モジュール」に相当）と、算出回路３がガス濃度を算出する際の情報を格納している格納部４（特許請求の範囲の「格納手段」に相当）とを含んで構成され、対象ガスの濃度を算出するものである。算出回路３によって算出されたガス濃度は、図示しない制御装置などに出力され、例えば空調システムなどの制御に利用される。なお、本実施形態では、ガス濃度計測モジュール２Ｂに導入されるサンプルガス中の二酸化炭素を濃度算出の対象ガスとした場合の例について説明する。
【００９３】
ガス濃度計測モジュール２Ｂは、内部にサンプルガス５０が導入される希釈側導入空間１１Ｂ（特許請求の範囲の「第１の導入空間」に相当）を形成する希釈側ガスセル１０Ｂ（特許請求の範囲の「第１のガスセル」に相当）と、内部にサンプルガス５０がそのまま導入される非希釈側導入空間６１Ｂ（特許請求の範囲の「第２の導入空間」に相当）を形成する非希釈側ガスセル６０Ｂ（特許請求の範囲の「第２のガスセル」に相当）と、希釈側導入空間１１Ｂに希釈ガス（特許請求の範囲の「不活性ガス」に相当）を導入する希釈ガス供給部８０（特許請求の範囲の「不活性ガス導入部、濃度変換手段」に相当）と、希釈側ガスセル１０Ｂおよび非希釈側ガスセル６０Ｂの一端に配置された光源部２０と、希釈側ガスセル１０Ｂおよび非希釈側ガスセル６０Ｂの他端に配置されて光源部２０から放射された光を受光する受光部３０（特許請求の範囲の「信号光受光手段および参照光受光手段」に相当）と、を含んで構成される。なお、図示はしないが、ガス導入部１２およびガス導入部６２は、サンプルガス５０を導入するための同一の導入管に接続されており、希釈側ガスセル１０Ｂおよび非希釈側ガスセル６０Ｂ内に同じサンプルガス５０が導入される。
【００９４】
希釈側ガスセル１０Ｂは、希釈側ガスセル１０Ｂの一端側において、希釈側導入空間１１Ｂ内にサンプルガス５０を導入するためのガス導入部１２が設けられ、更に、ガス導入部１２の近傍に希釈ガス導入部１４が設けられている。希釈ガス供給部９０から供給される希釈ガスは、希釈ガス導入部１４を通って希釈側導入空間１１Ｂ内に導入される。希釈側導入空間１１Ｂ内に希釈ガスを導入することによって、サンプルガス５０が希釈されて希釈後サンプルガス５１Ｂを得る。また、希釈側ガスセル１０Ｂは、希釈側ガスセル１０Ｂの他端側において、希釈側導入空間１１Ｂ内の希釈後サンプルガス５１Ｂを外部へ排出するためのガス排出部１３が設けられている。
【００９５】
なお、第３の実施形態において、サンプルガス５０を希釈率２０％で希釈して希釈後サンプルガス５１Ｂを得るものとする。また、希釈ガスは、赤外光に対して不活性なガスが用いられ、例えば、アルゴン、キセノン、窒素などを用いることができる。
【００９６】
非希釈側ガスセル６０Ｂには、非希釈側ガスセル６０Ｂの一端側において、非希釈側導入空間６１Ｂ内にサンプルガス５０を導入するためのガス導入部６２が設けられ、非希釈側ガスセル６０Ｂの他端側に、非希釈側導入空間６１Ｂ内に導入されたサンプルガス５０を外部へ排出するためのガス排出部６３が設けられている。
【００９７】
光源部２０は、希釈側ガスセル１０Ｂおよび非希釈側ガスセル６０Ｂに結合される筐体２５と、筐体２５内に配置された赤外光源２１と、筐体２５において赤外光源２１と対向する部位に形成されて赤外光源２１が放射する赤外光を筐体２５の外部へ導くための開口部２６と、開口部２６を覆う窓部材２３と、を含んで構成される。赤外光源２１から放射された赤外光は、窓部材２３を通って希釈側ガスセル１０Ｂ内および非希釈側ガスセル６０Ｂ内に導入される。ここで、赤外光源２１は、４．２μｍ〜４．３μｍの波長域の光を放射するものを用いる。また、窓部材２３は、赤外線に対して高い透過性を有する材料によって構成されている。
【００９８】
受光部３０は、基盤３５上に配置された参照光受光素子３１（特許請求の範囲の「参照光受光手段」に相当）および信号光受光素子３２（特許請求の範囲の「信号光受光手段」に相当）と、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２を覆うキャップ３６と、キャップ３６から参照光受光素子３１と信号光受光素子３２の間の領域に延びる仕切壁３７と、キャップ３６における参照光受光素子３１および信号光受光素子３２と対向する部位にそれぞれ形成された開口部３８と、開口部３８を覆うバンドパスフィルタ３９と、を含んで構成される。参照光受光素子３１および信号光受光素子３２は、受光した赤外光のエネルギー値を、算出回路３へ出力する。バンドパスフィルタ３９は、４．２μｍ〜４．３μｍの波長域の光のみが透過するものを用いる。また、参照光受光素子３１は、希釈側導入空間１１Ｂの他端と対向し、信号光受光素子３２は、非希釈側ガスセル６０Ｂの他端と対向している。
【００９９】
また、図示はしないが、バンドパスフィルタ３９を図６に示した位置に設けない場合には、図６の窓部材２３の場所にバンドパスフィルタを設けても良い。つまり、バンドパスフィルタの配置場所は、光源部２０と受光部３０との間の光路上に配置されるのであれば、特に限定はしない。
【０１００】
以上の構成により、赤外光源２１から放射された赤外光のうち、参照光受光素子３１に入射する赤外光は、希釈側導入空間１１Ｂ内において希釈された希釈後サンプルガス５１Ｂを通る。信号光受光素子３２に入射する赤外光は、非希釈側導入空間６１Ｂ内のサンプルガス５０を通る。この様に、参照光受光素子３１によって受光される赤外光は、信号光受光素子３２によって受光される赤外光と比較して、希釈ガスによって濃度が希釈された希釈後サンプルガス５１Ｂを通る。即ち、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２は、サンプルガス５０（５０，５１Ｂ）の濃度が異なることにより、サンプルガス５０（５０，５１Ｂ）中の二酸化炭素によって吸収される量が異なる赤外光を同時に受光することができる。なお、希釈後サンプルガス５１Ｂはサンプルガス５０に対して濃度が低く、赤外光が通った場合に、二酸化炭素による吸収量が少ない。そのため、参照光受光素子３１は、信号光受光素子３２と比較して、高いエネルギー値の赤外光を受光する。
【０１０１】
（格納部４の格納情報）
次に、格納部４が格納する情報について説明する。格納部４には、二酸化炭素の濃度と、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２が受光する赤外光のエネルギー値の比と、の相関関係を示す近似式が予め格納されている。
【０１０２】
一般に、光源からの赤外線エネルギー値をＩ０、受光手段に到達する赤外線エネルギー値をＩ、光源から受光手段までの光路長さをｌ、対象ガスの濃度をＣ、吸収係数をμとすると、ランバート・ベールの法則により、以下の式（１）に示す関係が成り立つ。
Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ（−μ・Ｃ・ｌ）…（１）
【０１０３】
上記関係に基づき、ランバート・ベールの法則を用いて、希釈側導入空間１１Ｂおよび非希釈側導入空間６１Ｂに導入されるサンプルガス５０内の二酸化炭素の濃度Ｃ毎に、参照光受光素子３１が受光するエネルギー値Ａと、信号光受光素子３２が受光するエネルギー値Ｂとを予め算出する。
【０１０４】
信号光受光素子３２が受光するエネルギー値Ｂを算出する場合には、既知のＩ０，μ，Ｃ，ｌを上記式（１）に代入し、Ｉを求めることにより、エネルギー値Ｂを算出する。ここで、上記式（１）において、濃度Ｃは、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度を表すものである。
【０１０５】
次に、参照光受光素子３１が受光するエネルギー値Ａについても、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度Ｃ毎に、上記式（１）を用いて算出する。このとき、参照光受光素子３１が受光する赤外光は、希釈後サンプルガス５１Ｂを通る。従って、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度Ｃから、希釈後サンプルガス５１Ｂ中の二酸化炭素の濃度Ｃ４を算出する。算出した濃度Ｃ４と、既知のＩ０，μ，ｌを上記式（１）に代入し、Ｉを求めることにより、エネルギー値Ａを算出する。これにより、二酸化炭素の濃度Ｃのサンプルガス５０を希釈側導入空間１１Ｂ内に導入した場合において、参照光受光素子３１が受光するエネルギー値Ａを、式（１）を用いて算出することができる。なお、第３の実施形態において、希釈後サンプルガス５１Ｂは、サンプルガス５０を希釈率２０％で希釈したものである。そのため、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度Ｃも希釈率２０％で希釈される。このように、希釈率を用いることにより、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度Ｃから、希釈後サンプルガス５１Ｂ中の二酸化炭素の濃度Ｃ４を計算によって求めることができる。
【０１０６】
更に、エネルギー値Ｂとエネルギー値Ａの比（Ｂ／Ａ）を算出する。これらの算出した値と、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度とを対応付け、図７に示すように、二酸化炭素の濃度とエネルギー値の比の相関関係を示すデータベースを作成する。更に、図７に示すデータベースより、図８に示す二酸化炭素の濃度とエネルギー値の比の相関関係を示すグラフを求め、エネルギー値の比（Ｂ／Ａ）と二酸化炭素の濃度との近似式（例えば、濃度＝ｆ（比））を算出する。算出した近似式は、格納部４に格納しておく。
【０１０７】
なお、図７のデータベースでは、データベース作成の便宜上、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度がゼロｐｐｍの時のエネルギー値Ａ，Ｂが１となるように規格化してある。
【０１０８】
参照光受光素子３１が受光するエネルギー値Ａと信号光受光素子３２が受光するエネルギー値Ｂの比と、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度とが対応していることにより、算出した近似式を用いて、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２が実際に受光した光のエネルギー値の比に基づいて、サンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。
【０１０９】
（二酸化炭素の濃度算出処理）
次に、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２が受光した光のエネルギー値より、算出回路３が、二酸化炭素の濃度を算出する処理の流れについて説明する。なお、算出回路３は、ＣＰＵ等を含んで構成された回路である。図４は、二酸化炭素濃度算出処理の流れを示すフローチャートである。
【０１１０】
ステップＳ１０１において算出回路３は、参照光受光素子３１で受光された光のエネルギー値Ａと信号光受光素子３２で受光された光のエネルギー値Ｂとを取得する。
【０１１１】
次に、ステップＳ１０２において算出回路３は、取得したエネルギー値Ｂとエネルギー値Ａの比（Ｂ／Ａ）を算出する。ステップＳ１０３において算出回路３は、格納部４に格納された近似式を用いて、ステップＳ１０２で算出した比（Ｂ／Ａ）から二酸化炭素の濃度を算出する。近似式を用いて濃度を算出することにより、算出処理を容易に行うことができる。
【０１１２】
ステップＳ１０４において算出回路３は、算出された二酸化炭素の濃度を示す信号を、図示しない制御装置などに出力する。二酸化炭素の濃度を示す信号は、例えば、制御装置において空調の制御等に利用される。
【０１１３】
（第３の実施形態の作用・効果）
第３の実施形態では、参照光受光素子３１は、希釈側導入空間１１Ｂを通った赤外光を受光する。信号光受光素子３２は、非希釈側導入空間６１Ｂを通った赤外光を受光する。また、希釈ガス導入部１４より希釈ガスを希釈側導入空間１１Ｂ内に導入してサンプルガス５０を希釈し、希釈後サンプルガス５１Ｂを得る。これにより、希釈後サンプルガス５１Ｂ内の二酸化炭素の濃度と、非希釈側導入空間６１Ｂ内のサンプルガス５０内の二酸化炭素の濃度とは、互いに異なる濃度となる。このため、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２によって、二酸化炭素の濃度が異なる導入空間（希釈側導入空間１１Ｂ，非希釈側導入空間６１Ｂ）内を通った赤外光、即ち、二酸化炭素による吸収量が異なる赤外光を同時に測定することができる。
【０１１４】
また、ガス濃度算出装置１Ｂは、引用文献１に記載されたガス濃度算出装置のように、被測定ガスと同種ではあるが飽和状態のため異なる変化特性を示すガスが封入された比較ガス室などを用いることなく、吸収量の異なる赤外光を測定することができる構成である。特に、希釈側ガスセル１０Ｂと非希釈側ガスセル６０Ｂに同じサンプルガス５０を導入して互いに異なる濃度に変換したものであり、引用文献１のように、最初から異なる変化特性のガス（比較ガス室内のガス）を用意したものではない。そのため、赤外光源２１の光量や温度等に変動があった場合であっても、希釈後サンプルガス５１Ｂとサンプルガス５０とは濃度が異なるものの同じガスであるため、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２における測定値の変化特性が同じとなる。このように、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２における測定値の変化特性が同じであるため、これらの測定値に基づいて、赤外光源２１の光量や温度等による測定値の変動を容易に相殺することができ、ガス濃度をより精度よく算出することが可能となる。
【０１１５】
なお、希釈ガスは、赤外光源２１から放射された赤外光に対して不活性であるため、光源の光量や温度等に変動があった場合であっても、参照光受光素子３１における測定値の変化特性に影響を与えない。
【０１１６】
また、光路長を変化させるために振動等を伴わず、当該振動による位置ずれや付加的なノイズなどが無いので、ガス濃度計測モジュールの光検出精度の低下を防止できる。
【０１１７】
また、希釈側導入空間１１Ｂ内に希釈ガスを導入したので、希釈側導入空間１１Ｂ内の希釈後サンプルガス５１Ｂは、非希釈側導入空間６１Ｂ内のサンプルガス５０と比較して二酸化炭素の濃度が低くなる。このように、希釈ガスを希釈側導入空間１１Ｂ内に導入することで、希釈側導入空間１１Ｂ内の希釈後サンプルガス５１Ｂ中の二酸化炭素の濃度と、非希釈側導入空間６１Ｂ内のサンプルガス５０中の二酸化炭素の濃度とを、互いに異なる濃度に容易に変換することができる。
【０１１８】
また、希釈ガスとして、アルゴン、キセノン、窒素を用いることにより、これらのガス中を赤外光が通るときに減衰しない現象を用いて、サンプルガス５０の特性を変化させることなく、希釈を行うことができる。
【０１１９】
また、バンドパスフィルタ３９により、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２がそれぞれ受光する光を同一波長とすることができ、参照光受光素子３１および信号光受光素子３２がそれぞれ受光する光の波長が異なることによる光検出精度の低下を防止できる。
【０１２０】
また、赤外光源２１が赤外線を放射することにより、赤外線がサンプルガス５０および希釈後サンプルガス５１Ｂを通るときに二酸化炭素によってエネルギーが減衰する現象を用いて、サンプルガス５０および希釈後サンプルガス５１Ｂ中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。
【０１２１】
また、赤外光がサンプルガス５０および希釈後サンプルガス５１Ｂ中の二酸化炭素を通るときにエネルギーが減衰する現象を用いて、サンプルガス５０および希釈後サンプルガス５１Ｂ中の二酸化炭素の濃度を算出することができる。
【０１２２】
また、予め、格納部４内に近似式を格納しておくことにより、近似式に基づいて対象ガスの濃度を精度よく算出することができる。
【０１２３】
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。
【０１２４】
例えば、図４のステップＳ１０３において、算出回路３は近似式を用いて二酸化炭素の濃度を算出するものとしたが、近似式を用いずに二酸化炭素の濃度を算出してもよい。この場合、予め、図２，図７に示すデータベースをテーブル化したものを格納部４に格納しておく。算出回路３は、取得したエネルギー値Ａとエネルギー値Ｂを、格納部４に格納されたテーブルと比較し、該テーブルより濃度を直接算出してもよい。この場合には、図２，図７に示すデータベースよりエネルギーの比（Ｂ／Ａ）と二酸化炭素の濃度との間の近似式を算出するまでもなく、テーブルを用いて濃度を算出することができる。
【０１２５】
なお、上記各実施形態では、ガス濃度算出装置１，１Ａ，１Ｂによって二酸化炭素の濃度を算出する場合について説明したが、これ以外のガスの濃度を算出可能であることはいうまでもない。また、濃度を測定しようとするガスに応じて、光源やバンドパスフィルタの種類や希釈ガスの種類などを適宜変更することにより、ガスの濃度を算出することができる。また、第１，第２の実施形態におけるヒータによって昇温する温度や、第３の実施形態におけるサンプルガス５０を希釈する希釈率などは、濃度を測定しようとするガスの測定レンジや精度などから適宜最適化を行うことができる。
【０１２６】
また、ガス濃度算出装置１，１Ａ，１Ｂで算出されたガスの濃度は、空調の制御以外にも、ガスの濃度を算出する様々な機器に適用することができる。
【０１２７】
また、第１の実施形態および第２の実施形態では、ヒータ（１５，１５Ａ，６５Ａ）を用いてサンプルガス５０を昇温し、サンプルガス５０の濃度を変換するものとしたが、これ以外にも例えばサンプルガス５０をクーラーによって冷却して濃度を変換してもよい。
【符号の説明】
【０１２８】
１，１Ａ，１Ｂ…ガス濃度算出装置、２…ガス濃度計測モジュール、３…算出回路、４…格納部、１０…昇温側ガスセル，１０Ａ…高温側ガスセル、１０Ｂ…希釈側ガスセル、１１…昇温側導入空間、１１Ａ…高温側導入空間、１１Ｂ…希釈側導入空間、１５…ヒータ，１５Ａ…高温側ヒータ、２０…光源部、２１…赤外光源、３０…受光部、３１…参照光受光素子、３２…信号光受光素子、３９…バンドパスフィルタ、６０…常温側ガスセル、６０Ａ…低温側ガスセル、６０Ｂ…非希釈側ガスセル、６１…常温側導入空間、６１Ａ…低温側導入空間、６１Ｂ…非希釈側導入空間、６５Ａ…低温側ヒータ、７０…断熱部材、８０…希釈ガス供給部。
【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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