(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流または電圧パルスを備えた少なくとも１個の放射源を動作するためのエネルギー供給装置と、赤外光線の経路に配置した少なくとも１個の測定部分と、少なくとも１個の波長選択素子と、電気的測定信号を送る少なくとも１個の検出素子と、該電流または電圧パルスのパルス持続時間を制御する１個のスイッチング素子とを備え、
該スイッチング素子が、少なくとも１個の検出素子の少なくとも１つの測定信号が最大に達するのに要する時間ｔ＝τＭＡＸよりパルス持続時間が短くなるように該電流または電圧パルスをオフにするようなやり方で該パルス持続時間を設定する手段を有し、
前記測定信号がパルス持続時間内で特定の値に達するという条件、または、前記測定信号の一次微分係数がパルス持続時間内で特定の値に達するという条件、または、前記測定信号の一次微分係数がパルス持続時間内で最大値に達するという条件、または、パルスがオンになる時間ｔ＝０から始まる時間区間にわたる前記測定信号の積分値がパルス持続時間内で特定の値に達するという条件、のいずれかの条件が満たされた時に、前記電流または電圧パルスがオフになることを特徴とする赤外ガスセンサー。
【請求項２】
少なくとも１個の検出素子が放射線検出器および／または圧力変換器、特にマイクロフォンであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線ガスセンサー。
【請求項３】
電流または電圧パルスがオンになる時間ｔ＝０と測定信号が最大に達するのに要する時間ｔ＝τＭＡＸの間にある特定の時間ｔ＝τ後に、該電流または電圧パルスがオフになることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線ガスセンサー。
【請求項４】
前記スイッチング素子が、パルス時間対パルス中断時間の比が０．０１以下に設定されるように動作することを特徴とする請求項１から３の少なくとも一項に記載の赤外線ガスセンサー。
【請求項５】
少なくとも１個の検出素子の測定信号が最大に達するのに用いられる時間ｔ＝τＭＡＸよりパルス持続時間が短くなるように電流または電圧パルスをオフにする、請求項１から４の少なくとも一項に記載の赤外線ガスセンサーの動作方法であって、
前記測定信号がパルス持続時間内で特定の値に達するという条件、または、前記測定信号の一次微分係数がパルス持続時間内で特定の値に達するという条件、または、前記測定信号の一次微分係数がパルス持続時間内で最大値に達するという条件、または、パルスがオンになる時間ｔ＝０から始まる時間区間にわたる前記測定信号の積分値がパルス持続時間内で特定の値に達するという条件、のいずれかの条件が満たされた時に、前記電流または電圧パルスがオフになることを特徴とする方法。
【請求項６】
電流または電圧パルスの時間ｔ＝０と測定信号が最大に達するのに用いられる時間ｔ＝τＭＡＸの間にある特定の時間ｔ＝τ後に、該電流または電圧パルスがオフになることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ガス濃度を求めるために、パルス持続時間より短い特定の時間τｍｅｓｓにおける測定信号の値を用いることを特徴とする請求項５または６の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項８】
ガス濃度を求めるために、パルス持続時間より短い特定の時間τｍｅｓｓにおける測定信号の一次微分係数の値を用いることを特徴とする請求項５または６の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項９】
ガス濃度を求めるために、パルス持続時間より短い特定の時間τｍｅｓｓにおける測定信号のＮ次微分係数（Ｎ＞１）の値を用いることを特徴とする請求項５から８の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１０】
ガス濃度を求めるために、パルスオンの時点ｔ＝０から始まりパルス持続時間より短い特定の時間τｍｅｓｓまでの時間にわたる前記測定信号の積分値を使用することを特徴とする請求項５から９の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１１】
ガス濃度を求めるために、前記測定信号の一次微分係数の最大値を使用することを特徴とする請求項５から１０の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１２】
ガス濃度を求めるために、前記測定信号のＮ次微分係数（Ｎ＞１）または前記測定信号の積分値の測定信号が特定の値に達した時間の少なくともひとつを使用することを特徴とする請求項５から１１の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１３】
ガス濃度を求めるために、前記測定信号の一次微分係数が最大値に達した時間を使用することを特徴とする請求項５から１２の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１４】
ガス濃度を求めるために、前記測定信号の二次微分係数が最初にゼロになる時間を使用することを特徴とする請求項５から１３の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１５】
請求項７から１４に記載の方法から選択される少なくとも２つの異なった方法により少なくとも２つの評価結果を得るための同一の測定信号が評価され、ガス濃度がこの少なくとも２つの評価結果から求められることを特徴とする赤外ガスセンサーの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野及び背景技術）
赤外ガスセンサーはガス類による赤外線の選択吸収の原理に基づいている。赤外ガスセンサーの作動原理および動作方法は良く知られたものとしてよい。
【０００２】
このようなガスセンサーは一般に、１個または複数の放射源、たとえば白熱灯のような熱放射体、１個または複数の波長選択素子（たとえば干渉フィルターなどの選択的放射線フィルター）である吸収部、および光信号を電気測定信号に変換する１個または複数の放射線検出器を含んでいる。このような検出器は従来技術から多くのものが知られている。もっとも良く使用されるタイプの検出器は、なかでも焦電性検出器、半導体（たとえばＰｂＳｅ基体上の）熱親和性検出器および空気式検出器である。
【０００３】
更に進んだタイプの実施形態は、測定部分のガス分子の加熱の結果生じた圧力変化に基づくものであり、この圧力変化はマイクロフォンによって検出される。この加熱は、測定対象の測定ガス分子による放射源の放射エネルギーの吸収によってもたらされる。従来技術に相当する実施形態は独国特許１９５  ２５  ７０３  Ａｌに開示されている。
このようにして、米国特許５６０８２１９は、試験すべきガスサンプルを含むセルと、赤外線放射源と、放射源用電源と、赤外線センサーとおよび該センサーに固定された測定値の評価装置を含む、赤外範囲に吸収帯を持つ少なくとも１種類のガスを検出する装置を教示している。
欧州特許５１２  ５３５は非分散型の赤外線測定により炭酸ガスを測定する携帯型の炭酸ガスモニターを教示している。
欧州特許５０３  ５１１は炭酸ガスおよび水を赤外線分析法によって分析値を求める装置を教示している。その特許では、ガス分析計は放射源、サンプルセルと参照セル、検出器およびガス供給を含んでいる。
米国特許５７３４１６５は、赤外線放射源が０．０１Ｈｚから１０Ｈｚのパルス周波数を備えた、小型ハウジング内に一体化した赤外線測光器について記載している。
米国特許４９１４７２０は、非分散型の赤外測光法に基づき、ガス混合物中の異なったガスを測定できるガス分析計について教示している。
【０００４】
光ガスセンサーにおいては、放射源は一般に（チョッパーと組み合わせて）連続的に、または電圧をパルス化して間欠的に動作される。どちらの場合も、信号は一般に位相を感知できる電子技術（ロックイン技術）またはそれぞれにＲＭＳ（自乗平均）変換器によって検出される。
【０００５】
本発明は、電流または電圧パルスを備える少なくとも１個の放射源、たとえば熱放射源または赤外線発光放射源（たとえばダイオード、レーザーダイオード、赤外線レーザー）を動作するためのエネルギー供給装置と、赤外光線の経路に配置した少なくとも１個の測定部分と、電気的測定信号を送る少なくとも１個の検出器と、電流または電圧パルスのパルス持続時間を制御する１個のスイッチ素子とを備える赤外ガスセンサーに関する。本発明はさらにこのようなセンサーの動作方法に関する。
【０００６】
独国特許３０  ４３  ３３２  Ａｌで知られるこのタイプのガスセンサーでは、熱放射体である放射源のパルス持続時間は、測定変換器の出口における放射線検出器の測定信号の最大値に従って制御される。本明細書では、センサーの応答曲線または測定変換器の測定信号の経過から経験的あるいは数学的にこの最大値を得ること、およびこの最大値が確実にパルス持続時間内にあるように熱放射体へのエネルギー供給を遮断することによってパルス持続時間を制御することを提案している。さらにこの応答曲線の経過を、応答曲線の最大値に達した時にエネルギー供給または電流パルスをそれぞれ遮断する最大値検出器によってモニターすることを提案している。このガスセンサーについては、エネルギー供給のパルス時間対パルス中断時間の比として１以下、好ましくは０．１から０．５の間の値が達成できる。
【０００７】
（発明の開示）
本発明の目的は、測定精度が高く、エネルギー消費が少ないタイプのガスセンサーを作成することにある。
【０００８】
この目的はセンサーに関しては特許請求項１の特徴によって、方法に関しては特許請求項５の特徴によって達成される。従属請求項には有利な展開を挙げてある。
【０００９】
そのため、本発明によれば、スイッチング素子は、測定信号がτＭＡＸで最大に達するまでの時間よりパルス持続時間が短くなるように制御される。これは測定値として使用される検出器信号の最大勾配
0004663883.tif 000002
によってもたらされる。この信号の最大勾配には、実質的に最大値より早い時間τ´に到達し、τ´＜＜τＭＡＸである。そのためこの測定過程において放射源のパルスがオンになっている時間τ０はこれまでのものすべてより実質的に短くτ´≦τ０＜＜τＭＡＸにできる。したがって、実現可能なパルス時間対パルス中断時間の比は０．０１以下である。
【００１０】
個々の測定値間の間隔は、センサーの設計および応用の特性にしたがって２、３秒から数分の間で選択することができ、これによってバッテリー（たとえば、標準ＡＡバッテリー）を交換しなくとも半年以上の動作時間を達成することができる。
【００１１】
以下に提示する発明による方法のように、本発明によるこの方法は、検出器素子として放射線検出器とたとえばマイクロフォンのような音響検出器の両方を備えて行なうことができる。複数の検出器、たとえば放射線検出器とマイクロフォンで同時に、複数の信号を発生することができ、本発明にしたがった測定は、２つの信号の少なくとも１つに対して、または複数の信号に対して、あるいは信号すべてに対してそれぞれ実施される。複数の信号を発生する場合は、測定精度をさらに改良することができる。
【００１２】
赤外線の放射源として適切なのは、パルス化した赤外線放射源としても使用できる、たとえば白熱灯、熱薄膜放射体、発光ダイオードなどである。
【００１３】
放射源のパルスオンの時間を短くする他の方法は、放射源のパルスをオンにした後の特定の時間τにおける検出器信号の測定値をセンサー信号として使用しており、この時間τは検出器信号の最大値に達する時間τＭＡＸより短く、τ＜τＭＡＸとなる。このτは検出器信号の勾配が最大値に達する時間τ´とτＭＡＸの間にある、すなわち、τ´≦τ＜τＭＡＸであることが好ましい。時間τにおける測定値として、検出器信号ＵＤ（τ）の瞬時値とその一次微分係数の瞬時値
0004663883.tif 000003
の両方を使用することができる。
【００１４】
さらに、放射体のパルスをオフ（オフセット）にした場合、放射体のパルスオン後の、検出器信号Ｕ″が特定のレベルに到達する時間または検出器信号から特定の間隔に到達する時間を測定値として使用することも可能である。
【００１５】
検出器信号の勾配が一定の値に達するまでの時間を測定信号として使用することも可能である。
【００１６】
検出器信号の最大勾配
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もしくは勾配が最大値に達する時間τ´が測定信号として使用される場合は、このガスセンサーの動作方法は非常に有利である。本明細書では最大勾配は最大値検出器を利用して測定時間をとらずに測定することができる。
【００１７】
この時間τ´は、たとえば検出器信号の二次微分係数がゼロになる検出器を利用して求めることができる。
【００１８】
検出器信号の特定時点τ、たとえば検出器信号の最大勾配の時間τ´までの積分値の測定はさらに可能性のある測定方法である。
【００１９】
この積分は放射源のパルスオンの時点（ｔ＝０）から始まりパルス持続時間より短い（τ＜τ０）特定の時間τまでの時間区間にわたる積分値
0004663883.tif 000005
であることが好ましい。
【００２０】
当然のことながら、上記の複数の方法および測定値（たとえば、
0004663883.tif 000006
およびτ´）をお互いに結び付けて感度および信頼性を増加させることもできる。
【００２１】
本発明はまた上記で詳細に説明したような赤外ガスセンサーの動作方法に関する。
【００２２】
本発明による方法は、パルス持続時間が、放射検出器（１個または複数個）または音響検出器の測定信号が最大（τＭＡＸ）に達するのに要する時間より短くなるように電流または電圧パルスをオフにするようなやり方で行なわれる。この方法の好ましい実施形態は、ｔ＝０となる電流または電圧パルスの時間とτＭＡＸの間にある時間τに対し、電流または電圧パルスの時間ｔがτに等しくなった後でオフになる電流または電圧パルスの中にある。特に、電流または電圧パルスが、パルス持続時間内の測定信号の一次微分係数の最大値においてオフになる場合が好ましい。しかし、このセンサーに関連して前に説明した実施形態はすべて本発明による方法において使用することができる。
【００２３】
本発明による方法にはその他の利点がある。本発明による方法について別のやり方でガス濃度を求めることもできる。つまりガス濃度は、パルス持続時間より短い特定の時間τｍｅｓｓにおける測定信号の一次微分係数の値、またはパルス持続時間より短い特定の時間τｍｅｓｓにおける測定信号のＮ次微分係数（Ｎ＞１）の値から算出することができる。このガス濃度は、さらにパルスオンの時間ｔ＝０から始まりパルス持続時間より短い特定の時間τｍｅｓｓまでの時間にわたるこの測定信号の積分値から算出することができる。このガス濃度を求めるために測定信号の一次微分係数を使用することもできる。ガス濃度を求めるこの方法のさらに好ましい実施形態は、請求項１１から１４に記載した。
【００２４】
本発明による方法は、検出器の時定数が、使用する放射源の時定数より大きい場合にも使用することができる。本方法はさらに、検出器信号が最大に達する前に、ガス濃度に依存する測定信号が求められる測定方法およびその測定方法に適した測定装置を含む。特に同じように動作させるために放射源に印加された電圧パルスの長さを短く保って検出器の信号が最大に達しないようにすることができる。たとえば、焦電型検出器の場合、検出器出力信号の動的経過が、放射源の性質よりも検出器自体の、たとえば時定数のような性質によってよりしっかりと求められることがしばしばある。
【００２５】
以下に、本発明によるガスセンサーの本発明による方法の２、３の実施例を説明する。
【００２６】
図１に放射線検出器（本明細書では焦電型放射線検出器）に対する代表的な信号の形を示してある。
【００２７】
この放射源は本明細書では時間ｔ＝０でパルスがオンになる。曲線１はこの検出器の出力信号の経過を再現したものである（オフセットは差し引いてある）。曲線２および３は曲線１の一次または二次微分係数を示す。
【００２８】
図２は、パルス化された放射源（ＶＣＨ  Ｔｌ  ５Ｖ、６０ｍＡ）を照射した焦電型検出器（村田製ＩＲＡ４１０  ＱＷ１）の基本的な信号の形を示す。図２に一群の曲線が示してあるが、放射源の合計パルスオン時間をパラメーターとして使用している。図２では焦電型検出器の出力信号は、その最大に達するまでに放射源のスイッチング動作への反応として約２．５秒を必要としていることが認められる。しかしながら、その検出器信号の一次微分係数が最大値に達するのはせいぜい１２０ミリ秒後である（後述の図８と比較）。そのため、センサー信号を測定するためにこの一次微分係数の最大値を使用すれば、放射源のパルスはずっと早い時期にオフにすることができ、この結果、放射源のエネルギー消費もかなり低減される。さらに、検出器信号は、そのような通常のレベルよりずっと早い短い放射パルスの後に低下するが、このことはセンサーを著しく加熱することなくしたがってセンサーの加熱時間なしに高速スキャニングを行なえることを意味している。
【００２９】
図３は、センサー信号の一次微分係数の最大値を検出することのできる微分回路を示している。この微分回路においては、パルス発生器３が所定の時間にセンサー１の放射源をオンにするようにマイクロプロセッサー２がパルス発生器３を制御する。この時間は固定値として設定したりあるいはピーク値検出器６のマイクロプロセッサー２へのフィードバックによって変えることもできる。このセンサー１は放射線検出器によって測定出力信号を発生する。この出力信号は、高周波ノイズを抑制するためのローパス４および測定出力信号を電子工学的に微分するための微分回路５を通る。この信号はピーク値検出器６に入力され、ここで微分値のピーク値を格納し、場合によっては上に述べたようにピーク値到達に関するフィードバックをマイクロプロセッサー２へ送る。ピーク値検出器によって検出された微分ピーク値は、センサー信号の現在の微分係数最大値を変換し測定するアナログ−デジタル変換器７に送られる。さらに、センサー１に含まれる温度センサーの信号がアナログ−デジタル変換器７によって検出される。この両方の値はその後アナログ−デジタル変換器７によってマイクロプロセッサー２へ送られる。後者はその後ピーク値検出器をリセットし、該当する較正関数を利用して測定値から測定すべきガス濃度を計算する。その後、計算結果がマイクロプロセッサー２によって出力個所かまたはディスプレイ８上に表示される。
【００３０】
図４は、図３に示すようなマイクロプロセッサー２が、所定の時間にセンサー１の放射源をオンにするパルス発生器３を駆動するような加算回路を示している。センサー１の放射線検出器の出力信号は減算回路１０に送られ、センサー信号に存在する可能性があるオフセットがセンサー信号から減算される。減算する分の電圧はマイクロプロセッサー２によってデジタル−アナログ変換器１３を経由して減算回路１０に与えられる。このようにしてオフセットをなくしたセンサー信号は、信号をローパスフィルタリングするローパス１１に送られ、それから、アナログ−デジタル変換器１２で受信されてディジタル信号に変換され、ある個数以上の数値を合計するマイクロプロセッサー２に送られる。
【００３１】
このセンサー信号のオフセットが温度依存している場合は、さらに、減算回路１０で処理した後、放射源がオンになる前の段階で依然として存在するオフセットはすべてアナログ−デジタル変換器１２で検出することができる。このことは、放射源がオンになる前、アナログ−デジタル変換器１２が、センサー信号のローパスフィルターリングされたオフセットを受信してこれをディジタル信号に変換し、変換した信号も特定の個数以上の数値を合計するマイクロプロセッサー２に送ることによってもたらされる。このアナログ−デジタル変換器１２はさらにセンサー１に含まれる温度センサーの出力を測定し、この出力をマイクロプロセッサー２に送ることができる。マイクロプロセッサー２は、次に、該当する較正関数を利用して測定値から測定すべきガス濃度を計算する。
【００３２】
図５は、アナログ−デジタル変換器（ＭＡＸ１２４６）の２０４８個の測定値を加算することによってセンサー信号（検出器：村田製ＩＲＡ４１０  ＱＷ１）のオフセットを算出する測定値の加算処理の経過を示している。この実施例ではアナログ−デジタル変換器は測定値を１秒当たり１６０００個の速度で測定する。これらの測定結果は光源（ＶＣＨ  Ｔｌ  ５Ｖ、６０ｍＡ）がオンになる前にもたらされる。この光源がオンになった後、約１２５ミリ秒の休止期間があり、その後再び２０４８個の測定値がアナログ−デジタル変換器によって搬出され、マイクロプロセッサーによって合計される。これらの値はその後、赤外実測定値を構成する。求めるガス濃度を計算するために、これらの測定値からの差異およびオフセット測定値が較正関数を利用して評価される。
【００３３】
図６は、ＣＯ２の測定レンジが０ｐｐｍから２１００ｐｐｍの赤外ＣＯ２センサー（検出器：Ｈｅｉｍａｎｎ  ＬＨｉ  ８０７−ＴＣ−Ｇ２、放射源：ＶＣＨ  Ｔｌ  ５Ｖ、１２５ｍＡ、光路２５ｍｍ）の較正曲線を示す。本実施例では直線の較正関数は８００ｐｐｍと１２００ｐｐｍの間の範囲のＣＯ２に対して最適化されている。この較正曲線は図３に従って微分回路で記録された。信号強度がＣＯ２濃度と関係付けられ、その結果、非常に信頼性の高いＣＯ２センサーが実現されたことが分かる。
【００３４】
図７は、放射源のパルスオン時間に対する焦電型赤外線検出器（Ｈｅｉｍａｎｎ  ＬＨｉ  ８０７−ＴＣ−Ｇ２）の検出器信号の微分係数最大値の依存性を示す。この実施例では放射源として小型の白熱灯（ＶＣＨ  Ｔｌ  ５Ｖ、６０ｍＡ）が使用された。この図で分かるように、微分係数最大値は４０ミリ秒から１５０ミリ秒の間の範囲で増加し、パルス持続時間は１５０ミリ秒以上に変わることはない。したがって、放射源を１６０ミリ秒以上オンにすることはセンサーのエネルギー消費量を単に増加させるだけでなく、本発明によるガス濃度に依存する微分形の出力信号に対して寄与するものが何もない。
【００３５】
図８はパルスオン時間が非常に短い焦電型検出器（村田製ＩＲＡ４１０  ＱＷ１）の検出器信号の一次微分係数の経過を示す。図８は、グループパラメータとして使用される光源（ＶＣＨ  Ｔｌ  ５Ｖ、６０ｍＡ）のパルスオン時間について一群の曲線を示している。この時間は２０ミリ秒から６３０ミリ秒に及んでいる。この検出器信号の一次微分係数最大値は、光源のパルス持続時間に対し２０ミリ秒から１６０ミリ秒に増加していることが分かる。パルス幅を１６０ミリ秒より長くしても検出器信号の一次微分係数最大値はそれ以上増加しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は焦電型放射線検出器の代表的な信号の形である。
【図２】  図２はパルス化された放射源がある場合の焦電型検出器の基本的な信号の形である。
【図３】  図３は微分回路図である。
【図４】  図４は加算回路図である。
【図５】  図５は測定値の加算を表わす図である。
【図６】  図６は赤外ＣＯ２センサーの較正曲線である。
【図７】  図７は赤外ＣＯ２センサーの信号微分係数の最大値が放射源のパルスオン時間に依存する様子を表わす図である。
【図８】  図８は焦電型検出器の非常に短いパルスオン時間に対するセンサー信号微分係数の経過を表わす図である。
【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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