(57)【要約】  所定のガスの濃度を測定するためのガスセンサは、光パルスを放射するように配置される光源（2）と、測定領域（10）と、測定領域（10）を通過した光を受けるように配置される検出器（4）と、光源（2）と検出器（4）との間に配置される調整可能フィルタ（6）とを備える。本ガスセンサは、ガスに吸収される少なくとも1つの波長帯域を通す測定状態と、前記波長帯域が測定状態よりも減衰される参照状態とを有する。調整可能フィルタ（6）は、各パルスの間に、前記測定状態および前記参照状態のうちの一方から他方へ少なくとも1回変わるように調整される。【選択図】  図5
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のガスの濃度を測定するためのガスセンサであって、光パルスを放射するように配置される光源と、測定領域と、前記測定領域を通過した光を受けるように配置される検出器と、前記光源と前記検出器との間に配置され、かつガスに吸収される少なくとも1つの波長帯域を通す測定状態および前記波長帯域が前記測定状態よりも減衰される参照状態を有する調整可能フィルタとを備え、前記調整可能フィルタは、前記測定状態および前記参照状態のうちの一方から他方へ各パルス中に少なくとも1回変わるように調整される、ガスセンサ。
【請求項２】
前記調整可能フィルタは、微小電子機械システム（MEMS）を備える、請求項1に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記調整可能フィルタは、静電位によって動くように調整される複数の格子帯域を有する回折光学素子を備える、請求項2に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記MEMSフィルタは、診断目的で内部キャパシタンスの変化を測定するための手段を備える、請求項2または3に記載のガスセンサ。
【請求項５】
単一の光源と、単一の検出器とを備える、先行する任意の請求項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
入力がない状態での前記検出器からの出力が経時的に変わる速度を測定するように調整される、先行する任意の請求項に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記調整可能フィルタは、複数の測定状態と各測定に対して少なくとも1つの参照状態とを含み、前記複数の測定状態ではその各々においてガスにより吸収される少なくとも1つの波長帯域を通し、前記参照状態では前記測定状態に対応する前記波長帯域が前記測定状態よりも減衰される、先行する任意の請求項に記載のガスセンサ。
【請求項８】
先行する任意の請求項に記載のガスセンサを備える、無線バッテリ作動式ガス検出器ユニット。
【請求項９】
所定のガスの濃度を測定する方法であって、光パルスを測定領域を通して光源と検出器との間に配置される調整可能フィルタを介して前記検出器へと至らせることと、パルス毎に少なくとも1回、ガスに吸収される少なくとも1つの波長帯域を通す測定状態と前記波長帯域が前記測定状態よりも減衰される参照状態との間で前記フィルタを切換えることを含み、前記方法は、前記測定状態および参照状態の各々において前記検出器が受ける光の差から、前記ガスの濃度を決定することを含む方法。
【請求項１０】
前記濃度を単一のパルスから決定することを含む、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記濃度を単一の光源および検出器を用いて測定することを含む、請求項9または10に記載の方法。
【請求項１２】
前記フィルタを前記測定状態および参照状態間で各パルス中に複数回繰り返し切換えることを含む、請求項9から11までの任意の請求項に記載の方法。
【請求項１３】
前記濃度を、前記検出器により検出される信号の変調振幅を用いて測定することを含む、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
入力がない状態での前記検出器からの出力が経時的に変わる速度を測定することを含む、請求項9から13までの任意の請求項に記載の方法。
【請求項１５】
前記調整可能フィルタは、複数の測定状態と各測定に対して少なくとも1つの参照状態とを含み、前記複数の測定状態ではその各々においてガスにより吸収される少なくとも1つの波長帯域を通し、前記参照状態では前記測定状態に対応する前記波長帯域が前記測定状態よりも減衰され、前記方法は、前記測定状態の各々へ各パルス中に少なくとも1回切換えることを含む、請求項9から14までの任意の請求項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスセンサに関し、特に、ガスの濃度の測定を、そのガスによる赤外光の吸収量を測定することによって行うためのセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサをバッテリ電源で長期間、典型的には1年を超える期間にわたって作動させるためには、エネルギー消費量が小さくなければならない。エネルギー消費量を低くする1つの方法は、大部分の時間、センサをスリープモードまたは停止モードにしておき、センサを定期的にまたは不定期にオンにするというものである。赤外線センサを絶えず作動させておくための典型的な所要電力は、約0.1−1Wである。一例として、非連続動作式のセンサが1回の測定を完了するのに1秒を要し、かつ必要な応答時間が10秒であれば、デューティサイクルは10％となり、10−100mWのエネルギー消費量が対応して減少する。この範囲におけるローエンドでは、バッテリを運用する可能性がでてくる。応答所要時間は、アプリケーションが異なれば違ってくる。低いデューティサイクルで動作可能なガスセンサには、必要とされ得る動作モードが2つ存在する。その第1は、不連続使用または散発的使用である。この場合、ガスセンサは、要求に応じて不定期に起動される。手動で、または周囲の変化を監視しかつガスが存在する蓋然性を推定する第2のセンサによって、測定が引き起こされる可能性もある。このモードにおける不連続センサの応答時間は、ウェイクアップ時間が十分に短ければ連続センサとほとんど変わらず短い。
【０００３】
第2のモードは、周期的（または、独立型）使用である。周期的測定の場合、最大応答時間は、繰返し周期によって制限される。要求される周期／応答時間が1回の測定に要する時間より長ければ、周期的モードに要する電力は少なくなる。但し、この場合も、ウェイクアップ時間は十分に短いものでなければならない。
【０００４】
これらの双方のモードが効率的であるためには、センサを典型的な測定間隔より遙かに短い時間間隔において「低温起動」することができ、かつこのような短い起動時間の後に高信頼性かつ精確な測定を実現できることが必要である。本発明の目的は、これを可能にするセンサおよび方法を提供することにある。
【０００５】
単純なNDIR（非分散赤外線）ガスセンサは、単一の光源および単一の検出器を用いて濃度を測定する。これらは、概して、安全アプリケーションまたは再較正なしで良好な長期安定性を要求するアプリケーションには適さない。
【０００６】
高信頼性の既存のガスセンサは、誤差を補償するために様々な方法および構成、例えば、2つの光源と1つの検出器、または2つの検出器と1つの光源、または各々2つずつ（二重補償式）を用いる。ある最新技術の二重補償式センサでは、一方の光源にガスが吸収する「活性」波長帯域用のフィルタが装備され、もう一方の光源には、「参照」波長帯域を放射するようにフィルタ処理されている。これらの光源は、通常、1−100Hzの範囲内の周波数で変調される。参照検出器は光源輝度を監視し、一方、主検出器は、2つの光源から測定領域を介して送られた光を測定し、光がガスによって吸収されたか否かを検出する。この設定は、測定領域における光損失および光源輝度変動等の幾つかの誤差を補償する。しかしながら、優れた補償は、システムが十分に（熱的に）安定していることに依存する。これは、光源の変調周波数が低い場合、または光源表面の異なる部位が見えるように2つの検出器が取り付けられる場合に、特に重要である（熱赤外光源面上の温度は、極めて不均一である）。場合によっては、測定誤差が十分に低くなるまでに数分のウォームアップ時間を要する。
【発明の概要】
【０００７】
第1の態様の観点からすると、本発明が提供する、所定のガスの濃度を測定するためのガスセンサは、光パルスを放射するように配置される光源と、測定領域と、測定領域を通過した光を受けるように配置される検出器と、光源と検出器との間に配置され、かつガスに吸収される少なくとも1つの波長帯域を通す測定状態および前記波長帯域が測定状態よりも減衰される参照状態を有する調整可能フィルタとを備え、前記調整可能フィルタは、前記測定状態および前記参照状態のうちの一方から他方へと、各パルスの間に少なくとも1回は変わるように調整される。
【０００８】
本発明は、先に述べたようなガスセンサを備える無線バッテリ作動式ガス検出器ユニットまで及ぶ。
【０００９】
第2の態様の観点からすると、本発明が提供する、所定のガスの濃度を測定する方法は、光パルスを測定領域に通して光源と検出器との間に配置される調整可能フィルタを介して検出器へと至らせることと、パルス毎に少なくとも1回、ガスに吸収される少なくとも1つの波長帯域を通す測定状態と前記波長帯域が測定状態よりも減衰される参照状態との間で前記フィルタを切換えることを含み、本方法は、前記測定状態および参照状態の各々において検出器が受ける光の差から前記ガスの濃度を決定することを含む。
【００１０】
したがって、本発明によれば、単一光源からの単一の光パルスを用いて、かつ単一の検出器を用いて、十分に照らし合わされたガス濃度測定を行うことができる点が分かるであろう。これにより、低い電力消費、低温状態からの高速起動、および、短い測定周期における高信頼性の精確な測定が可能となる。したがって、これは、バッテリ寿命が長くしかもこれらの好適な実施形態では二重補償式システムの信頼性および安定性を有し得る、リモート式バッテリ電源無線センサユニットの可能性を開くものである。
【００１１】
本発明によれば、調整可能フィルタは、光源からの光を検出器上へ方向づける。調整可能フィルタが通す光の波長は、その状態の変更によって変えられる。好ましくは、調整可能フィルタは、微小電子機械システム（MEMS）を備える。これらは、通す光の波長を変更できるように製造され得る。変更は、1ミリ秒未満の時間スケールで実行することができる。これは、測定および参照期間の双方を与え、これにより、測定に伴う電力消費を制限しながらも、短い光パルスを使用できることを意味する。MEMSは、静電位によって動くように調整される複数の格子帯域を有する回折光学素子を備えてもよい。
【００１２】
MEMSソリューションは、センサシステムの「低温起動」、および単一の光パルスを用いる完全な測定を行う場合に特に便利である。これは、波長変調が高速であってドリフトまたは低周波ノイズをフィルタ処理されることに起因して、かつ「活性」および「参照」波長帯域が全く同じ光路を用いて測定されることに起因して実現可能である。ドリフト、不均一性および他の誤差原因は、2つの測定に等しく影響する。
【００１３】
本発明は、2つの状態のみを有する調整可能フィルタに限定されるものではなく、3つ以上の状態を有する場合もある。これは、例えば、異なる所定のガスの濃度を測定できるように、または特定の干渉ガスまたは別の既知のタイプのスペクトル外乱の存在を補償するために、複数の測定／参照状態を提供する可能性もある。
【００１４】
したがって、一連の実施形態において、調整可能フィルタは複数の測定状態と各測定に対して少なくとも1つの参照状態とを含み、複数の測定状態ではその各々においてガスにより吸収される少なくとも1つの波長帯域を通し、参照状態では測定状態に対応する波長帯域が前記測定状態よりも減衰される。センサは、各パルスにおいて各測定状態が使用されるように、または、異なるパルスにおいて異なる測定状態が使用され得るように、例えば、交互する光パルスにおいて異なるガスを測定できるように配置されることも可能である。
【００１５】
調整可能フィルタは、例えば、複数のポジションを有する単一構造体により構成されてもよく、各々が2つ以上の状態を有しかつ所望される全体的な状態を与えるように配置される複数のフィルタエレメントにより構成されてもよい。何れの場合も、MEMSが好ましい。
【００１６】
光に関連して本明細書で使用している「パルス」という用語は、光出力の一時的な放射または増加を意味する。推測されるべき特定のパルス形状は存在せず、また、必ずしも、パルスの外側に光放射が存在しないわけでもない。パルスの長さは、光が所定のしきい値を超えている時間の長さとして定義されてもよい。パルスの幅は、実施形態によっては、5ミリ秒から5秒までの間、例えば10ミリ秒から1000ミリ秒までの間であってもよい。
【００１７】
先に述べたように、測定が散発的または要求に応じたものである場合、パルス周波数は不規則であってもよい。あるいは、これは規則的であってもよく、例えば、10秒毎に1回未満、または30秒毎に1回未満、または1分間に1回未満、または1時間に1回未満、または1日に1回未満であってもよい。
【００１８】
光源は、白熱電球または熱膜等の熱源であってもよく、ダイオード等の固体源であってもよい。重要な点は、光源が光を測定波長帯域および参照波長帯域の双方で放射することにある。
【００１９】
調整可能フィルタを、その参照状態と測定状態との間を何れの方向でもパルス毎に1回だけ切換えることができる。好ましくは、これは、前記測定状態と参照状態との間を各パルスの間に複数回、定期的に切換えられる。実施形態によっては、これは、パルス毎に10回以上の回数、例えばパルス毎に25回以上の回数、または50回以上の回数切換えられてもよい。その切換回数は、要求される精度レベルを与えるように制御されてもよい。
【００２０】
一連の実施形態において、センサは、検出器の「ダークレベル」として知られる、入力がない状態での検出器からの出力が経時的に変わる速度を測定する。このような変化を続いて補償できるため、これにより、より精確なガス濃度測定値を得ることが可能になる。
【００２１】
以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施形態を単に例示として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１ａ】図1aは、清浄な空気を測定する間の従来技術による二重補償式センサを示す略図である。
【図１ｂ】図1bは、かなりの量の所定のガスを測定する間の従来技術による二重補償式センサを示す略図である。
【図２ａ】図2aは、清浄な空気を測定する間の本発明に係るセンサを示す略図である。
【図２ｂ】図2bは、かなりの量の所定のガスを測定する間の本発明に係るセンサを示す略図である。
【図３】図3は、フィルタエレメントの2つの状態、およびこれらと、測定されているガスの吸収スペクトルとの関係を示すグラフである。
【図４】図4は、異なる状況において検出器により記録された出力を示す図である。
【図５】図5は、本発明に係るセンサシステムの構成を示すブロック図である。
【図６】図6は、MEMS調整フィルタの一部を描いたものである。
【図７】図7は、フィルタのより詳細な断面図である。
【図８】図8は、作動中の所定のパラメータの変動を示す一連のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
まず、図1および図2を参照すると、図1aおよび図1bにおける従来技術による二重補償式センサと、図2aおよび図2bにおける本発明の一実施形態とを比較することができる。図1aに示されている二重補償式システムは、典型的には、市販の安全アプリケーション用検出器に実装されている。この二重補償式システムにおいて、2つの光源A1、A2および2つの検出器B1、B2は、例えば光学素子の汚れ、光源のドリフト、温度、による測定値への影響を最小限に抑えることを保証している。2つの異なるフィルタ、C1、C2が使用される。一方のフィルタC1は、測定されているガスが吸収する波長帯域を透過する。もう一方のフィルタC2は、近傍の波長帯域を透過する参照フィルタである。
【００２４】
図1bから分かるように、一方の赤外光源A2からの光は、測定領域Dを通過してビームスプリッタEに至り、これにより双方のフィルタC1およびC2に当たる。対象のガスが存在すれば、このガスが所定の波長の光を吸収する。もう一方の赤外光源A1からの光は、測定領域Dを通過せずにビームスプリッタEへ直に入射し、かつフィルタC1およびC2の双方に入射する。
【００２５】
ガスによる吸収は、第1の検出器B1により検出される信号を減らすことになるが、参照検出器B2における信号には影響しない。個々の検出器における信号の差を用いれば、ガスの濃度を計算することができる。このような検出器は、概して、安全性が重視されるアプリケーションにおいて効果的かつ信頼性が高い。しかしながら、2つの光源および2つの検出器を設ければ、製造が比較的高価になり、かつ作動に際して比較的大量の電力を必要とする。また、高信頼性の測定に必要である、均一に光源温度が調節された定常状態に達するためには、所定のウォームアップ時間が必要である。
【００２６】
図2aおよび図2bには、本発明の一実施形態が示されている。ここには、単一の赤外光源2および単一の検出器4しか存在しない。光は、光源2からミラー8および調整MEMSフィルタ6を介して検出器4に至る。図2bが示すように、光は、測定領域10を2回通るが、これは必須ではない。使用に際して、フィルタエレメント6は、個々の状態に関連し得る2つの波長のうちの一方を出射光が有するように、2つの異なる状態間で繰り返し切換えられる。これらの波長のうちの一方は、対象ガスの吸収帯域内に存在し、もう一方は存在しない。したがって、既に述べたように、ガスの濃度は、2つの各状態に対応する検出器4の出力から計算することができる。しかしながら、従来技術の配置とは異なり、光路は参照および活性波長の双方で同一であり、ビームスプリッタは存在しない。光源が不均一な輝度を有し、光学表面に汚れがあり、または検出器の応答が変わるとしても、双方の測定が受ける影響は同じである。フィルタエレメント6はホログラフィックであり、よって、全ての光路が活性および参照測定の双方に寄与する。2状態間の切換は高速であり、よって変動／ドリフトする光源を許容することができる。
【００２７】
図3は、フィルタエレメント6のその2つの状態における反射スペクトルを示す。実線12は、測定状態におけるフィルタの反射スペクトルを示す。これから、この状態では、通過した波長に単一の中心ピークが存在し、これが炭化水素ガスの吸収スペクトル14のピーク（図3の上部に重ねて示されている）に一致することが分かるであろう。したがって、測定状態では、フィルタは、ガスに吸収される波長帯域を通す。したがって、この波長帯域における光はガスの濃度の影響を受けるが、その理由は、ガスの濃度が吸収される光の量に影響することにある。
【００２８】
また一方、フィルタエレメントがその参照状態へ切換えられると、フィルタ特性は破線16が示すように変えられ、よって光は、吸収スペクトル14のピークの両側における2つの帯域を通され、先に測定状態において通過された波長帯域（中心ピークを有する）は、前記状態に比べて大幅に減衰される。参照状態では、測定状態からの通過帯域が減衰されることから、この場合、通過する光は、ガスによってさほど吸収されないことにより、ガスの濃度にはあまり影響されない。
【００２９】
図3に示されている吸収スペクトル14は単なる例示であって、ガスが異なれば変わる場合があり、例えば、2つ以上の吸収ピークを有することもある。
【００３０】
図4は、波長帯域の輝度の略図（左側）、および異なる状況で光検出器4により出力される信号（右側）を示す簡略図である。帯域Rは参照帯域であり、帯域Aは活性帯域である。したがって、空気中に炭化水素ガスが存在しなければ、活性帯域と参照帯域は同じであり、フィルタエレメント6が切換えられても光検出器の信号は変調されない。
【００３１】
炭化水素ガスが存在していれば、活性帯域における光は、ガスの吸収に起因して参照帯域よりも低減される。これは、2状態間の切換に対応する光検出器信号の変調として現れる。ガス濃度の計算には、光源をオンに切換える際の検出器出力の差と共に、この変調の振幅を用いることができる。
【００３２】
光源または光学素子が汚れていれば、両帯域での光透過は等しく低減され、よって光検出器信号に一定の低減はあるものの変調はない。
【００３３】
2つの測定間で光源温度が変われば、検出される絶対レベルに差が生じるとしても、やはり変調は存在せず、よって誤った読み取りは回避される。
【００３４】
最後に、光源の故障またはビームの遮断によって信号が存在しない場合でも、参照帯域および活性帯域に及ぶ影響は同じである。
【００３５】
図5は、システムをブロック図の形式で表したものである。「光学センサ」ブロックは、マイクロコントローラにより制御される光学センサハードウェアを表す。光源2から放射される光は、窓から出て測定セル10に至る。測定セル10から戻った光は、MEMSフィルタ6（フィルタモジュール）によってフィルタ処理され、光検出器4上へ集束される。左側にある複数のポートは、マイクロコントローラへ接続される。
【００３６】
光は、次のような段階を経て進む。第1の段階は、発生である。光源2は、フィラメント温度によって与えられる輝度およびスペクトル分布で広帯域放射線を放出する。レンズ（不図示）は、光を集めて測定セル10へ出力する。
【００３７】
第2の段階は、吸収である。放射線は、測定領域10を2回通過し、外側のミラー8で反射された後に窓および入口開口へ戻る。炭化水素が存在すれば、3.3μm付近の波長帯域において放射線が減衰するが、他のガス、汚染物質および汚れた光学素子の場合は、より広範な波長範囲にわたって減衰する。
【００３８】
第3の段階は、フィルタ処理である。電圧制御式MEMS光学フィルタは、3.3μm波長の測定帯域と、3.3μmの測定帯域の両側にピークを有する二重参照帯域とを交互に選択する。
【００３９】
第4の段階は、検出である。光検出器4は、フィルタ処理された光をフィルタ変調と同期して測定する。信号は、マイクロコントローラにより増幅されてサンプリングされる。
【００４０】
図6および図7は、MEMS調整フィルタをより詳細に示している。フィルタエレメント4の光学表面は、まず単一の波長帯域内の光を集束する回折光学素子（DOE）である。一方のフィルタ状態からもう一方のフィルタ状態へ変更するために、光学表面は、可動表面303および静止表面301の帯域に分割されている（これに関しては、図7を参照して詳述する）。これらの表面の高度差は、回折光の建設的干渉または相殺的干渉の度合いを決定する。3.3μmの中心波長における相殺的干渉の場合、830nmまたはλ/4の差が必要である。ばね305に接続されかつ基材304より上に懸垂された可動表面303の静電アクチュエーションによって、変位または高度差が得られる。臨界変位に達してフレーム305全体が基材304へと引き寄せられるまで、撓められたばね305からの復元力は静電力と釣り合う。次に、最終的な高度差が、基材内にエッチングされたくぼみの深度によって決定される。
【００４１】
図7は、フィルタの断面図である。交互に並ぶ静止梁102および可動梁103により、上述の静止および可動表面が設けられる。各梁の上には、回折格子レリーフ101が存在する。静止梁102は、例えば酸化珪素層106への融着によって基材105へ取り付けられているのに対して、可動梁103は、エッチングされたくぼみ107内を停止装置108まで移動することができる。
【００４２】
フィルタエレメントは、典型的には当初の100pFから300pFまでの範囲から電圧印加に伴って増加するキャパシタンスを有する電圧依存キャパシタと電気的に等価である。マイクロコントローラは、0Vと24Vとの間で交互に出力を行う単極双投スイッチを制御するデジタル方形波を発生する。ステップアップレギュレータによって24Vが発生する。自己診断テストを目的として、キャパシタに出入りする電流を測定するために、検出抵抗器が使用される。これは、フィルタエレメントが機能していない場合の測定を可能にするという理由で有益である。本明細書に開示する実施形態では、フィルタエレメントが機能しなければ、ガスが存在していても誤った負信号が生じることから、これは、安全上の観点から重要である。
【００４３】
図8は、光学センサの動作を示す。横方向の時間軸に沿って見ると、時点Iにおいて、光学センサがオンに切換えられる。時点Iから時点IIまでの期間中に、光源が余熱される。次の時点IIIまでの段階の間に、「ダーク」レベルおよび勾配が測定される。この後、時点IVまで、光源が加熱される。時点IVから時点Vまでの最終段階において、変調が測定される。
【００４４】
プロットAは、光検出器信号を示す。アルファと付されているプロットは、ガスが存在しない場合の信号である。ベータと付されているプロットは、高濃度のガスが検出されている場合に受信された信号である。ガンマと付されているプロットは、外挿されたダーク信号であって、後に詳述するS_SRC（光が測定領域を透過する結果として受信される信号の増加）およびS_MOD（測定モードでのガスによる光吸収に対応する受信信号の変調の振幅）の補正値を計算するために使用される。
【００４５】
プロットBは、フィルタエレメントの動作を制御するためにマイクロコントローラにより発生される信号を示す。フィルタの制御信号が「ｈｉｇｈ」であるとき、フィルタは参照状態にあり、制御信号が「ｌｏｗ」になれば、フィルタは測定状態に切換わる。
【００４６】
プロットCは、信号のサンプリングを示す。まず、プロットAに示されているガンマ曲線のレベルおよび勾配を計算するために、ダーク信号がサンプリングされる。次に、信号は、フィルタの切換と同期してサンプリングされる。各サイクルには3つ以上のサンプルが存在することがあるが、単純化のために、1サイクル当たり1対のサンプルのみを示す。S_SRCおよびS_MODの値は、サンプリングされた電圧および外挿されたダーク信号から計算される。S_SRCおよびS_MODは、図示されている測定の間は一定であるが、光源電力が一定でなければ変わることがある。平均値のS_SRCおよびS_MODが使用されていれば、この変動は測定にほとんど影響しない。
【００４７】
最後に、プロットDは、光源を制御するマイクロコントローラからの信号を示す。まず、先に述べたように、光源が、検出器により測定されない低温にまで余熱される。この余熱段階は、ランプアップ時間である時点IIIから時点IVまでの時間を短縮し、測定精度および電力消費にとって有益である。ダーク信号の測定後、光源電圧は、段階的にまたは連続的に変更され、最終的に光源が適温に達する。図示されている例では、変調測定の間に一定の電圧が印加されている。しかしながら、原則的には、光源電力電圧は、変調測定中に制御されてもよい。
【００４８】
ガス濃度を計算するためには、次のような変数、即ち光パルスの輝度（S_SRC）、および光変調の振幅（S_MOD）、が必要である。加えて、当然ながら、測定領域における光路長さ、変調フィルタの特性、近似光源スペクトルおよび光検出器のスペクトル応答等のシステム情報も必要である。システム情報の一部は、設計によって与えられ、かつ一部は較正測定値から見出される。
【００４９】
測定された信号からガス濃度を決定する好適な方法は、割合S_NORM=S_MOD/S_SRCによるものである。S_MODの符号は、これが、プロットBにおけるフィルタ制御信号に一致するか否かに依存する。ガスが存在しなければ、S_MOD（延ては、S_NORMも）はゼロに接近する。次に、較正信号S_CALが、S_CAL=GAIN_S(T)*(S_NORM-S_0(T))として計算される。但し、S_0(T)およびGAIN_S(T)は、温度ドリフトおよびフィルタ間の個々の変動を補償するために使用される。この係数は、ある温度範囲にわたる既知の混合ガスを用いる較正測定値から決定される。ガス濃度は、S_CALの非線形関数である。
【００５０】
光検出器のダークレベルS_DETは、測定中にかなりドリフトすることがあり、これにより、S_SRCおよびS_MODの双方に測定誤りが生じる。これを補償するために、この実施形態では、S_DETの変化率が測定され、かつS_SRCの計算に際して外挿値が使用される。
【００５１】
説明した実施形態では、フィルタが1つの測定状態しか有していないが、フィルタは、複数のこのような状態を有して複数のガスの濃度を測定できるようにする可能性もある。
【図１ａ】
2015500477.tif 000003
【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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【図４】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年8月5日(2014.8.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のガスの濃度を測定するためのガスセンサであって、光パルスを放射するように配置される光源と、測定領域と、前記測定領域を通過した光を受けるように配置される検出器と、前記光源と前記検出器との間に配置され、かつガスに吸収される少なくとも1つの波長帯域を通す測定状態および前記波長帯域が前記測定状態よりも減衰される参照状態を有する調整可能フィルタとを備え、前記調整可能フィルタは、前記測定状態および前記参照状態のうちの一方から他方へ各パルス中に少なくとも1回変わるように調整される、ガスセンサ。
【請求項２】
前記調整可能フィルタは、微小電子機械システム（MEMS）を備える、請求項1に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記調整可能フィルタは、静電位によって動くように調整される複数の格子帯域を有する回折光学素子を備える、請求項2に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記MEMSフィルタは、診断目的で内部キャパシタンスの変化を測定するための手段を備える、請求項2または3に記載のガスセンサ。
【請求項５】
単一の光源と、単一の検出器とを備える、請求項1から4までのいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
入力がない状態での前記検出器からの出力が経時的に変わる速度を測定するように調整される、請求項1から5までのいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記調整可能フィルタは、複数の測定状態と各測定に対して少なくとも1つの参照状態とを含み、前記複数の測定状態ではその各々においてガスにより吸収される少なくとも1つの波長帯域を通し、前記参照状態では前記測定状態に対応する前記波長帯域が前記測定状態よりも減衰される、先請求項1から6までのいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項８】
請求項1から7までのいずれか一項に記載のガスセンサを備える、無線バッテリ作動式ガス検出器ユニット。
【請求項９】
所定のガスの濃度を測定する方法であって、光パルスを測定領域を通して光源と検出器との間に配置される調整可能フィルタを介して前記検出器へと至らせることと、パルス毎に少なくとも1回、ガスに吸収される少なくとも1つの波長帯域を通す測定状態と前記波長帯域が前記測定状態よりも減衰される参照状態との間で前記フィルタを切換えることを含み、前記方法は、前記測定状態および参照状態の各々において前記検出器が受ける光の差から、前記ガスの濃度を決定することを含む方法。
【請求項１０】
前記濃度を単一のパルスから決定することを含む、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記濃度を単一の光源および検出器を用いて測定することを含む、請求項9または10に記載の方法。
【請求項１２】
前記フィルタを前記測定状態および参照状態間で各パルス中に複数回繰り返し切換えることを含む、請求項9から11までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記濃度を、前記検出器により検出される信号の変調振幅を用いて測定することを含む、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
入力がない状態での前記検出器からの出力が経時的に変わる速度を測定することを含む、請求項9から13までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記調整可能フィルタは、複数の測定状態と各測定に対して少なくとも1つの参照状態とを含み、前記複数の測定状態ではその各々においてガスにより吸収される少なくとも1つの波長帯域を通し、前記参照状態では前記測定状態に対応する前記波長帯域が前記測定状態よりも減衰され、前記方法は、前記測定状態の各々へ各パルス中に少なくとも1回切換えることを含む、請求項9から14までのいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2015500477.tif 000013
2015500477.tif 000014
2015500477.tif 000015