(57)【要約】【課題】簡単な構成で、且つ高精度にＣＯ２ガスを検出することのできるＣＯ２センサを提供する。【解決手段】試料ガスが導入される測定セル１と、測定セル１内に導入された試料ガスに赤外光を照射する光源２と、それぞれ異なる波長領域のフィルタ３ｃ、３ｄを有し、試料ガスを通過した赤外光を検知する第１の受光素子３ａ、及び第２の受光素子と、第１の受光素子３ａで得られる測定データと、第２の受光素子３ｂで得られる測定データとを比較し、この比較結果に基づいて、試料ガス中に含まれる測定対象ガス（ＣＯ２ガス）の濃度を検出する検出部４と、を有し、測定セルの内面に、赤外光の反射による減衰を低減させる材料としての、金、或いは白金をメッキ処理する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を検知するガス濃度検出センサにおいて、
前記試料ガスが導入される測定セルと、
前記測定セルに導入された試料ガスに赤外光を照射する光源と、
それぞれ異なる波長領域を有し、前記光源より照射され前記試料ガスを通過した赤外光を検知する第１の受光手段、及び第２の受光手段と、
前記第１の受光手段で得られる測定データと、前記第２の受光手段で得られる測定データとを比較し、この比較結果に基づいて、前記試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出する検出手段と、を具備し、
前記測定セルの内面に、赤外光の反射による減衰を低減させる材料を形成したことを特徴とするガス濃度検出センサ。
【請求項２】
前記第１の受光手段は、第１の中心波長となるフィルタと第１の受光素子とからなり、前記第２の受光手段は、第２の中心波長となるフィルタと第２の受光素子とからなることを有することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出センサ。
【請求項３】
前記第１の中心波長は、略４．３μｍであり、第２の中心波長は、略４．０μｍであることを特徴とする請求項２に記載のガス濃度検出センサ。
【請求項４】
前記第１の受光素子の周囲温度、及び前記第２の受光素子の周囲温度を測定する温度検出手段を具備し、当該温度検出手段による測定データに基づいて、前記検出手段による検出データを補正することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のガス濃度検出センサ。
【請求項５】
前記測定セル内の、前記赤外光が伝搬する導波路面積が、前記第１の受光手段及び第２の受光手段による受光面積の合計と、ほぼ一致することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のガス濃度検出センサ。
【請求項６】
前記測定セル内を伝搬した赤外光を、２分割してそれぞれ異なる方向へと導く楔型反射板を有し、前記楔型反射板にて赤外光が反射する一方の方向に前記第１の受光手段を設置し、他方の方向に前記第２の受光手段を設置することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のガス濃度検出センサ。
【請求項７】
前記測定セル内を伝搬した赤外光の略半分を反射させ、残りの略半分を通過させるセパレータを具備し、前記第１の受光手段、及び前記第２の受光手段は、それぞれ赤外光が前記セパレータを透過する方向、及び赤外光が前記セパレータで反射する方向に設置されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のガス濃度検出センサ。
【請求項８】
前記セパレータは、格子型セパレータであることを特徴とする請求項７に記載のガス濃度検出センサ。
【請求項９】
前記セパレータは、中空部を有する平板円環形状をなし、前記中空部にて赤外光を透過させ、平板円環形状の周囲部にて赤外光を反射させることを特徴とする請求項７に記載のガス濃度検出センサ。
【請求項１０】
前記測定セル内を伝搬した赤外光の略半分を反射させる反射板を具備し、前記第１の受光手段、及び前記第２の受光手段は、それぞれ赤外光が前記反射板で反射する方向、及び前記反射板に導入されずに伝搬する方向に設置されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のガス濃度検出センサ。
【請求項１１】
前記赤外光の反射による減衰を低減させる材料として、金（Ａｕ）または、白金（Ｐｔ）のいずれかを用いることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載のガス濃度検出センサ。
【請求項１２】
前記測定対象ガスは、ＣＯ２であることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載のガス濃度検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雰囲気中のＣＯ２ガス濃度を計測するＣＯ２センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より用いられるＣＯ２ガスセンサとして、例えば、特開平１０−８２７４０号公報（以下、従来例１という）に記載されたものが知られている。該従来例１では、ＮＤＩＲ式のセンサの構成として、１光源の構成で吸収波長の異なる２つの光学フィルタが取り付けられたチョッパで回転させ、参照信号を収集しながらＣＯ２濃度を計測する技術について記載されている。
【０００３】
また、他の従来例として、特開平１０−２８５７号公報（以下、従来例２という）には、１つの光源で、２つの受光素子を具備する構成とし、装置の小型化を図る内容について記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−８２７４０号公報（第２頁、図１）
【０００５】
【特許文献２】
特開平１０−２８５７号公報（第７頁、図４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来例１に記載された方法では、光源が１つであるため、検出精度を向上させることができるという利点があるものの、チョッパを用いる分、装置構成が大規模化し、且つ該チョッパを駆動させるためにモータ部などの周辺機器が必要となるので、コスト高になるという欠点がある。
【０００７】
また、従来例２に記載された方法では、光源の入射角が±１０°以内でなければ、高い検出精度を得ることができないという問題があり、加工が容易でなく、且つ、光源或いはビームを絞るための収束レンズ等に高い精度が要求されるという欠点があった。
【０００８】
この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で、且つ高精度にＣＯ２ガスを検出することのできるＣＯ２センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を検知するガス濃度検出センサにおいて、前記試料ガスが導入される測定セルと、前記測定セルに導入された試料ガスに赤外光を照射する光源と、それぞれ異なる波長領域を有し、前記光源より照射され前記試料ガスを通過した赤外光を検知する第１の受光手段、及び第２の受光手段と、前記第１の受光手段で得られる測定データと、前記第２の受光手段で得られる測定データとを比較し、この比較結果に基づいて、前記試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出する検出手段と、を具備し、前記測定セルの内面に、赤外光の反射による減衰を低減させる材料を形成したことが特徴である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記第１の受光手段は、第１の中心波長となるフィルタと第１の受光素子とからなり、前記第２の受光手段は、第２の中心波長となるフィルタと第２の受光素子とからなることを有することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記第１の中心波長は、略４．３μｍであり、第２の中心波長は、略４．０μｍであることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、前記第１の受光素子の周囲温度、及び前記第２の受光素子の周囲温度を測定する温度検出手段を具備し、当該温度検出手段による測定データに基づいて、前記検出手段による検出データを補正することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、前記測定セル内の、前記赤外光が伝搬する導波路面積が、前記第１の受光手段及び第２の受光手段による受光面積の合計と、ほぼ一致することを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、前記測定セル内を伝搬した赤外光を、２分割してそれぞれ異なる方向へと導く楔型反射板を有し、前記楔型反射板にて赤外光が反射する一方の方向に前記第１の受光手段を設置し、他方の方向に前記第２の受光手段を設置することを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、前記測定セル内を伝搬した赤外光の略半分を反射させ、残りの略半分を通過させるセパレータを具備し、前記第１の受光手段、及び前記第２の受光手段は、それぞれ赤外光が前記セパレータを透過する方向、及び赤外光が前記セパレータで反射する方向に設置されることを特徴とする。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、前記セパレータは、格子型セパレータであることを特徴とする。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、前記セパレータは、中空部を有する平板円環形状をなし、前記中空部にて赤外光を透過させ、平板円環形状の周囲部にて赤外光を反射させることを特徴とする。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、前記測定セル内を伝搬した赤外光の略半分を反射させる反射板を具備し、前記第１の受光手段、及び前記第２の受光手段は、それぞれ赤外光が前記反射板で反射する方向、及び前記反射板に導入されずに伝搬する方向に設置されることを特徴とする。
【００１９】
請求項１１に記載の発明は、前記赤外光の反射による減衰を低減させる材料として、金（Ａｕ）または、白金（Ｐｔ）のいずれかを用いることを特徴とする。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、前記測定対象ガスは、ＣＯ２であることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係るガス濃度検出センサの位置実施形態の構成を示す説明図であり、本実施形態では、一例としてＣＯ２センサを例に挙げる。
【００２２】
同図に示すように、ＣＯ２センサ１００は、ＣＯ２ガスが導入される筒状の測定セル１と、該測定セル１の一端側から当該測定セル１中に赤外光を照射する光源２と、測定セル１の他端側に設置された受光部３と、この受光部３で検出された信号を検出する検出部（検出手段）４と、を具備している。
【００２３】
測定セル１は、側面の適所に設けられ試料ガスを導入するための導入口１ａと、やはり側面の適所に設けられ導入された試料ガスを外部へ排出する排出口１ｂとを有している。また、測定セル１の内面は、金（Ａｕ）或いは白金（Ｐｔ）（赤外光の反射による減衰を低減する材料）により、スパッタリング処理、真空蒸着処理、或いはメッキ処理が施されている。
【００２４】
また、受光部３は、第１の受光素子３ａと、第２の受光素子３ｂとを有しており、第１の受光素子３ａは、中心波長が４．３μｍ（第１の中心波長）となるフィルタ３ｃを備え、第２の受光素子３ｂは、中心波長が４．０μｍ（第２の中心波長）となるフィルタ３ｄを備えている。ここで、第１の受光素子３ａとフィルタ３ｃとにより、第１の受光手段が構成され、第２の受光素子３ｂとフィルタ３ｄとにより、第２の受光手段が構成される。
【００２５】
従って、第１の受光素子３ａでは、赤外光濃度に応じた赤外光を受光することができ、第２の受光素子３ｂでは、その他のガス濃度に応じた赤外光を受光することができる。更に、各受光素子３ａ、３ｂの温度を測定するためのサーモパイル（温度検出手段；図示省略）が設けられている。
【００２６】
図２は、検出部４の詳細な構成を示すブロック図であり、該検出部４は、中心波長が４．３μｍとなるフィルタ３ｃを備えた第１の受光素子３ａの検出信号から、電圧信号Ｖｓを得る検出器４ａと、中心波長が４．０μｍとなるフィルタ３ｄを備えた第２の受光素子３ｂの検出信号から電圧信号Ｖｒを得る検出器４ｂとを有している。更に、各検出器４ａ、４ｂより出力される電圧信号Ｖｓ、Ｖｒを増幅する増幅器４ｃ、４ｄと、各増幅器４ｃ、４ｄの出力信号の比率（Ｖｒ−Ｖｓ）／Ｖｒを求める演算器４ｅを備えている。
【００２７】
次に、上述の如く構成された本実施形態に係るＣＯ２センサ１００の、作用について説明する。図３は、図１に示したＣＯ２センサ１００の、動作を示すタイミングチャートであり、同図（ａ）は、光源２よりの赤外光の照射タイミングを示し、（ｂ）は受光素子３ａ，３ｂによる受光タイミングを示し、（ｃ）は、検出器４による検出タイミングを示し、（ｄ）は、検出タイミングのオフセットを示している。
【００２８】
まず、測定セル１の導入口１ａから、測定対象となる試料ガスを導入し、当該測定セル１内部に試料ガスを充填させる。この状態で、光源２より図３（ａ）に示した如くのタイミングで、赤外光を照射すると、該赤外光は、測定セル１の内面に形成されている金、或いは白金により、反射による減衰が抑制されながら、測定セル１内を進み、フィルタ３ｃを介して第１の受光素子３ａに受光され、且つ、フィルタ３ｄを介して第２の受光素子３ｂにて受光される。
【００２９】
その結果、各受光素子３ａ，３ｂでは、図３（ｂ）に示す如くの、赤外光の照射タイミングに同期した信号が受光される。そして、検出器４では、同図（ｃ）に示すタイミングで各受光素子３ａ，３ｂより出力された信号から電圧Ｖｓ、Ｖｒを生成し、こららの比率（Ｖｒ−Ｖｓ）／Ｖｒを求める処理を行う。
【００３０】
ここで、各受光素子３ａ，３ｂの出力信号は、周囲温度に依存して変化する。図４は、周囲温度毎に得られる各受光素子３ａ、３ｂの出力電圧を示す特性図であり、同図（ａ）は受光素子３ｂ（中心波長が４．０μｍのフィルタ３ｄを有する受光素子）の出力電圧Ｖｒ、同図（ｂ）は受光素子３ａ（中心波長が４．３μｍのフィルタ３ｃを有する受光素子）の出力電圧Ｖｓを示している。なお、横軸はＣＯ２の濃度［ｐｐｍ］を示している。
【００３１】
同図より、周囲温度が高いほど、出力電圧が低くなっていることが理解され、受光素子３ａ，３ｂの出力電圧は、周囲温度に大きく影響されることが分かる。
【００３２】
ここで、各出力電圧Ｖｓ、及びＶｒは、以下の（１）、（２）式に示す関数で示すことができる。
【００３３】
Ｖｓ＝Ｇ１・Ｐ・ｅ−αＬ・｛（１−ｋ１（Ｔ−Ｔ０）｝　　・・・（１）
Ｖｒ＝Ｇ２・Ｐ・｛１−ｋ２（Ｔ−Ｔ０）｝　　・・・（２）
但し、Ｇ１、Ｇ２はゲイン、ＬはＣＯ２ガスの濃度、ｋ１、ｋ２は温度係数、Ｔ０は２５℃、Ｔは現在の温度、αは定数である。
【００３４】
本実施形態では、各受光素子３ａ，３ｂの周囲温度を測定するためにサーモパイルを設置しており、上述の（１）、（２）式により、温度補正を行うことができるので、周囲温度に影響されないデータ（補正した電圧Ｖｓ、Ｖｒ）を求めることができる。
【００３５】
また、図５は、検出部４の出力信号と、ＣＯ２ガスの濃度表示値との関係を示す特性図であり、同図に示す特性曲線を用いることにより、ＣＯ２ガスの濃度を求めることができる。即ち、（Ｖｒ−Ｖｓ）／Ｖｒの演算結果を、図５に示す特性曲線の横軸に当てはめることにより、ＣＯ２ガスの濃度を求めることができる。
【００３６】
そして、このような構成によれば、光源２より照射される赤外光の、測定セル１の内面での反射による減衰が抑制されるので、光源２より照射される赤外光の、導波路進行方向に対する入射角が若干大きめになっても、各受光素子３ａ，３ｂは高い受光精度を維持することができる。
【００３７】
図６、図７は、受光素子３ａ，３ｂの受光感度を示す説明図であり、図６は、測定セル１の内面に金、白金等、反射による減衰を低減する材料をメッキしていないときのデータを示しており、図７は、測定セル１の内面に金メッキした場合のデータを示している。図６、図７より、測定セル１の内面に金メッキすることにより、受光感度が２倍以上になっていることが理解され、本実施形態の効果が顕著に現れていることが分かる。
【００３８】
このようにして、本実施形態に係るＣＯ２センサ１００では、試料ガスが充填された測定セル１に、光源２より照射される赤外光を照射し、該測定セル１内を進む赤外光を２つの受光素子３ａ，３ｂで検出する構成とし、且つ測定セル１の内面に金、白金等の、赤外光の反射による減衰を低減する材料をメッキ（或いは、スパッタリング、真空蒸着）しているので、装置規模を大きくすることなく、且つ、高精度にＣＯ２ガスの濃度を検出することができる。
【００３９】
また、サーモパイルを設けることにより、受光素子３ａ，３ｂの周囲温度を測定し、この測定結果に基づいて、周囲温度による出力信号の変動を補正しているので、周囲温度に関わらず、高精度なＣＯ２濃度の検出が可能となる。
【００４０】
更に、２つの電圧信号Ｖｓ、Ｖｒを同時に測定し、これらの測定結果からＣＯ２濃度を求めるようにしているので、タイムラグが発生せず、瞬間的な濃度変化に対して追従することができる。
【００４１】
次に、本実施形態の変形例について説明する。上述した実施形態では、図１に示したように、測定セル１の端面に２つの受光素子３ａ，３ｂを設ける例について説明したが、図８に示すように、楔型反射板１１を用いて、測定セル１内を伝搬する赤外光を２方向に分離し、分離された各赤外光をそれぞれ第１の受光素子３ａ、及び第２の受光素子３ｂへと導くように構成とすることも可能である。
【００４２】
このような構成とすれば、２つの受光素子３ａ，３ｂの受光面積の合計を、導波路面積（測定セル１の断面積）に近づけることができるので、より高精度なＣＯ２ガスの測定が可能となる。
【００４３】
また、図９に示すように、測定セル１の端面に格子型セパレータ１２を設置して、伝搬した赤外光を２方向に分離し、各赤外光をそれぞれ第１の受光素子３ａ、及び第２の受光素子３ｂへと導く構成とすることもできる。格子型セパレータ１２は、格子状に複数の孔１２ａが穿設されており、孔１２ａを通過する光量と、孔を通過せず、９０度方向に反射する光量とが同量となるように、格子の孔面積が設定されている。このような構成において、図８の場合と同様に、２つの受光素子３ａ，３ｂの受光面積の合計を、導波路面積（測定セル１の断面積）に近づけることができるので、より高精度なＣＯ２ガスの測定が可能となる。
【００４４】
更に、図１０に示すように、中空部を有する平板円環形状のセパレータ１４を設け、該セパレータ１４の中空部１４ａにて赤外光を透過させ、周囲部１４ｂにて赤外光を９０度方向に反射させるように構成することも可能である。
【００４５】
また、図１１に示すように、測定セル１内を伝搬した赤外光の略半分を反射させる反射板１３を設け、この反射板１３にて９０度方向に進路が変更された赤外光を第２の受光素子３ｂに導く構成とすることも可能である。このような構成においても、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
以上、本発明のガス濃度検出センサを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【００４７】
例えば、本実施形態では、測定対象となるガスをＣＯ２として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、赤外光吸収特性を有するガスであれば、適用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るガス濃度検出センサでは、測定セルの内面に金、或いは白金等の、反射による減衰を低減する材料を、スパッタリング、真空蒸着、或いはメッキ処理により形成するので、測定セル内を伝搬する赤外光の減衰を抑制することができ、測定対象ガスの濃度検知の精度を著しく向上させることができる。
【００４９】
また、楔型反射板、セパレータ（格子型、平板円環形状型）、反射板を用いて、測定セル内を伝搬した赤外光の向きを変更して、赤外光を受光する構成とすることにより、赤外光が伝搬する導波路面積と、第１，第２の受光手段による受光面積とを略同一とすることができるので、より一層測定精度を向上させることができる。
【００５０】
更に、温度検出手段にて測定された温度データに基づいて、出力信号を補正することにより、周囲温度に影響されない高精度な濃度測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るＣＯ２センサを示す構成図である。
【図２】検出部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るＣＯ２センサの、測定手順を示すタイミングチャートである。
【図４】受光素子の周囲温度と検出信号との関係を示す特性図であり、（ａ）は第２の受光素子の検出信号、（ｂ）は第１の受光素子の検出信号を示している。
【図５】検出部の出力信号と、ＣＯ２濃度との関係を示す特性図である。
【図６】測定セルの内面に金メッキを施していないときの、受光素子の感度を示す特性図である。
【図７】測定セルの内面に金メッキを施したときの、受光素子の感度を示す特性図である。
【図８】本実施形態の変形例に係り、楔形反射板を用いて赤外光を分離する例を示している。
【図９】本実施形態の変形例に係り、格子型セパレータを用いて赤外光を分離する例を示している。
【図１０】本実施形態の変形例に係り、平板円環形状のセパレータを用いて赤外光を分離する例を示している。
【図１１】本実施形態の変形例に係り、反射板を用いて赤外光を分離する例を示している。
【符号の説明】
１　　　測定セル
１ａ　　導入口
１ｂ　　排出口
２　　　光源
３　　　受光部
３ａ　　第１の受光素子
３ｂ　　第２の受光素子
４　　　検出部
４ａ、４ｂ　検出器
４ｃ、４ｄ　増幅器
４ｅ　　演算器
１１　　楔型反射板
１２　　格子型セパレータ
１２ａ　孔
１３　　反射板
１４　　平板円環形状のセパレータ
１４ａ　中空部
１４ｂ　周囲部
１００　ＣＯ２センサ（ガス濃度検出センサ）
【図１】
2004138499.tif 000003
【図２】
2004138499.tif 000004
【図３】
2004138499.tif 000005
【図４】
2004138499.tif 000006
【図５】
2004138499.tif 000007
【図６】
2004138499.tif 000008
【図７】
2004138499.tif 000009
【図８】
2004138499.tif 000010
【図９】
2004138499.tif 000011
【図１０】
2004138499.tif 000012
【図１１】
2004138499.tif 000013