(57)【要約】  【課題】  簡単かつ正確に複数種類の測定対象ガスを測定することが可能なガス測定装置およびガス測定方法を提供すること。  【解決手段】  大気ガス２を通過した赤外光源１からの赤外光を波長選択手段４０に通過させ、大気ガス２中に含まれるどの物質にも吸収されにくい波長を含むＮ種類の波長の光を選択して赤外線センサ１１〜１Ｎに投射する。赤外線センサ１１〜１Ｎは受光量に応じた測定出力を発生し、その測定出力を増幅器２１〜２Ｎが増幅して、演算処理部３３へ出力する。演算処理部３３は、どの物質にも吸収されにくい波長の赤外線センサの測定出力を用いて、他の赤外線センサの測定出力を正規化すると共に、温度センサ３１および気圧センサ３２が計測した赤外線測定時の温度と気圧により赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）の測定出力を補正し、記憶部３４に記憶された参照テーブルを用いて濃度変換を行って各ガスの濃度を求める。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長の赤外光を検出する基準赤外線センサを含み、赤外光源からの赤外光を、被測定ガスを介して複数の異なる波長の光をそれぞれ検出する複数の赤外線センサと、
前記複数の赤外線センサのうち、少なくとも、測定対象となるガスの固有赤外線吸収波長の赤外光を受光する赤外線センサの検出信号を、前記基準赤外線センサの検出信号に基づいて正規化する測定対象正規化手段と、
を備えるガス測定装置。
【請求項２】
前記複数の赤外線センサはそれぞれ異なる感度波長を有する請求項１記載のガス測定装置。
【請求項３】
前記赤外光源からの赤外光から複数の異なる波長を選択する波長選択手段をさらに備え、前記複数の赤外線センサは前記選択された複数の異なる波長の光をそれぞれ検出する請求項１または２記載のガス測定装置。
【請求項４】
前記波長選択手段は前記赤外光源からの赤外光を分光して前記異なる波長の光を出力する分光器を含む請求項３記載のガス測定装置。
【請求項５】
前記波長選択手段は、前記複数の赤外線センサに対応して設けられた複数の赤外線フィルタを含む請求項３記載のガス測定装置。
【請求項６】
前記赤外光源の発光波長出力特性、前記波長選択手段の各選択波長毎の波長選択特性、および前記複数の赤外線センサの各センサ毎の受光波長感度特性のうち、少なくとも一つの特性に基づいて、波長毎の発光出力、選択波長透過率および各検出波長毎の受光波長感度が略均一になるように前記赤外線センサからの出力信号を補正する受発光波長特性補正手段をさらに備える請求項３ないし５記載のガス測定装置。
【請求項７】
前記正規化される前の信号に関して、前記発光波長出力特性、前記波長選択特性および前記受光波長感度特性のうち少なくとも一つと、前記被測定ガスの赤外線センサ検出信号との相関に基づいて作成された受発光波長特性補正テーブルが記憶された受発光波長特性補正テーブル記憶手段をさらに備え、
前記受発光波長特性補正手段は、前記受発光波長特性補正テーブルを参照して前記正規化される前の信号の補正を行う請求項６に記載のガス測定装置。
【請求項８】
前記測定時の被測定ガスの温度を検出する温度センサ、および前記測定時の被測定ガスの圧力を検出する圧力センサのうち、少なくとも一方を有する測定環境検出手段と、
前記測定環境検出手段の検出結果に基づいて、前記正規化された信号が環境変化に依存しないように環境変化に対して補正する測定環境特性補正手段と、をさらに備える請求項１ないし７のいずれか一項記載のガス測定装置。
【請求項９】
前記正規化された信号に関して、前記温度および前記圧力のうち少なくとも一方と前記被測定ガスの濃度との相関に基づいて作成された測定環境特性補正テーブルが記憶された測定環境特性補正テーブル記憶手段をさらに備え、
前記測定環境特性補正手段は、前記測定環境特性補正テーブルを参照して前記正規化された信号の測定環境特性補正を行う請求項８に記載のガス測定装置。
【請求項１０】
前記正規化および前記補正がなされた信号を、前記測定対象ガス毎に濃度信号に変換する濃度変換手段をさらに備える請求項８または９に記載のガス測定装置。
【請求項１１】
前記測定対象ガス毎に、前記正規化された信号の特性と前記測定対象ガス濃度との相関を示す濃度変換テーブルが記憶された濃度変換テーブル記憶手段をさらに備え、
前記濃度変換手段は前記濃度変換テーブルを参照して前記濃度変換を行う請求項１０記載のガス測定装置。
【請求項１２】
前記所定の波長は、被測定ガス中の赤外線透過率が所定値以上となる波長である請求項１ないし１１のいずれか一項記載のガス測定装置。
【請求項１３】
前記複数の赤外線センサが、１次元または２次元のアレイ状に配置されてケースに格納された赤外線センサユニットを有する請求項１ないし１２のいずれか一項記載のガス測定装置。
【請求項１４】
前記複数の赤外線センサは、焦電型赤外線センサである請求項１ないし１３のいずれか一項記載のガス測定装置。
【請求項１５】
被測定ガスを通過させた赤外光源からの赤外光より所定の波長の光と、測定対象となるガスの固有赤外線吸収波長の赤外光を検出するステップと、
前記測定対象となるガスの固有赤外線吸収波長に対応した赤外線センサの検出信号を、前記基準赤外線センサの検出信号に基づいて正規化するステップと、
を備えるガス測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を利用したガス測定装置およびガス測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガス測定装置として、赤外線の吸収率と被測定対象ガスの濃度とが密接に相関していることを利用して、ガス濃度を測定する赤外線式ガス検知装置があった。このような赤外線式ガス検知装置は被検知ガスを封入するガスセルを備え、赤外線を照射する光源から供給される赤外線を、ガスセルを介して赤外線センサが受光する。そして、赤外線センサの光源側には被検知ガスが吸収する赤外線に対してのみ高い透過率を有するバンドパスフィルタが設けられており、被検知ガスが存在しないときに得られる赤外線センサの検知信号（基準検知信号）を基準として、検知信号の減少割合に基づいて、被検知ガスの濃度を測定する（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６５２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来のガス測定装置にあっては、測定対象ガスが一種類の場合の単一ガス測定であるため、複数種類の測定対象ガスがある場合には、測定対象ガス毎にガス測定装置を設けるか、または測定対象ガス毎に赤外光源や赤外線センサを交換して、新たな測定対象ガスを注入し排出する等の処理を行う必要があり、測定に多くの労力と時間を要するという事情があった。また、被測定ガスが存在しない状態に測定された基準検知信号に基づいてガスの測定を行っていたが、実際にガスを測定するときの、赤外光源からの光量の変化等、測定環境の変化によって正確な測定を行うことができない場合があった。
【０００４】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、簡単かつ正確に複数種類の測定対象ガスを同時に測定することが可能なガス測定装置およびガス測定方法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】
【０００５】
本発明のガス測定装置は、所定の波長の赤外光を検出する基準赤外線センサを含み、赤外光源からの赤外光を、被測定ガスを介して複数の異なる波長の光をそれぞれ検出する複数の赤外線センサと、
前記複数の赤外線センサのうち、少なくとも、測定対象となるガスの固有赤外線吸収波長の赤外光を受光する赤外線センサの検出信号を、前記基準赤外線センサの検出信号に基づいて正規化する測定対象正規化手段と、
を備える。
【０００６】
この構成により、異なる波長の赤外光をそれぞれ検出する複数の赤外線センサの検出信号を、赤外光源の赤外線強度等の変化に左右されずに測定環境が同じ状態で測定可能な基準赤外線センサの検出信号に基づいて正規化するので、複数種類の測定対象ガスを簡単かつ正確に測定することができる。
【０００７】
また、本発明のガス測定装置において、前記複数の赤外線センサはそれぞれ異なる感度波長を有する。
【０００８】
この構成により、異なる波長にそれぞれ対応した複数の赤外線センサの検出信号を用いて検出するので、複数種類の測定対象ガスを簡単かつ正確に測定することができる。
【０００９】
また、本発明のガス測定装置は、前記赤外光源からの赤外光から複数の異なる波長を選択する波長選択手段をさらに備え、前記複数の赤外線センサは前記選択された複数の異なる波長の光をそれぞれ検出する。
【００１０】
この構成により、波長選択手段により、複数の赤外線センサを複数の異なる波長にそれぞれ対応するように波長を選択するので、複数種類の測定対象ガスを簡単かつ正確に測定することができる。
【００１１】
また、本発明のガス測定装置において、前記波長選択手段は前記赤外光源からの赤外光を分光して前記異なる波長の光を出力する分光器を含む。
【００１２】
この構成により、波長選択手段を簡単に且つ小型にすることができ、持ち運び可能なガス測定装置を提供することができる。
【００１３】
また、本発明のガス測定装置において、前記波長選択手段は、前記複数の赤外線センサに対応して設けられた複数の赤外線フィルタを含む。
【００１４】
この構成により、波長選択手段を簡単にすることができ、複雑な光学素子が不要なため保守が少なく堅牢なガス測定装置を提供することができる。
【００１５】
また本発明のガス測定装置は、前記赤外光源の発光波長出力特性、前記波長選択手段の各選択波長毎の波長選択特性、および前記複数の赤外線センサの各センサ毎の受光波長感度特性のうち、少なくとも一つの特性に基づいて、波長毎の発光出力、選択波長透過率および各検出波長毎の受光波長感度が略均一になるように前記赤外線センサからの出力信号を補正する受発光波長特性補正手段をさらに備える。
【００１６】
この構成により、赤外光源の発光波長出力特性および波長選択手段の各選択波長毎の波長選択特性および複数の赤外線センサの各センサ毎の受光波長感度特性のうちに少なくとも一つの特性に基づいて、波長毎の発光出力および選択波長透過率および各検出波長毎の受光波長感度が見掛け上、均一になるように赤外線センサ信号を補正するので、複数種類の測定対象ガスを簡単かつ正確に測定することができる。
【００１７】
また、本発明のガス測定装置は、前記正規化される前の信号に関して、前記発光波長出力特性、前記波長選択特性および前記受光波長感度特性のうち少なくとも一つと、前記被測定ガスの赤外線センサ検出信号との相関に基づいて作成された受発光波長特性補正テーブルが記憶された受発光波長特性補正テーブル記憶手段をさらに備え、
前記受発光波長特性補正手段は、前記受発光波長特性補正テーブルを参照して前記正規化される前の信号の補正を行う。
【００１８】
この構成により、容易に受発光波長特性に対する補正を行うことができる。
【００１９】
また、本発明のガス測定装置は、前記測定時の被測定ガスの温度を検出する温度センサ、および前記測定時の被測定ガスの圧力を検出する圧力センサのうち、少なくとも一方を有する測定環境検出手段と、
前記測定環境検出手段の検出結果に基づいて、前記正規化された信号が環境変化に依存しないように環境変化に対して補正する測定環境特性補正手段と、をさらに備える。
【００２０】
この構成により、被測定ガスの温度または圧力に起因する測定結果の変化にも追従することが可能となり、より正確な測定結果を得ることができる。
【００２１】
また、本発明のガス測定装置は、前記正規化された信号に関して、前記温度および前記圧力のうち少なくとも一方と前記被測定ガスの濃度との相関に基づいて作成された測定環境特性補正テーブルが記憶された測定環境特性補正テーブル記憶手段をさらに備え、
前記測定環境特性補正手段は、前記測定環境特性補正テーブルを参照して前記正規化された信号の測定環境特性補正を行う。
【００２２】
この構成により、容易に温度または圧力に対する補正を行うことができる。
【００２３】
また、本発明のガス測定装置は、前記正規化および前記補正がなされた信号を、前記測定対象ガス毎に濃度信号に変換する濃度変換手段をさらに備える。
【００２４】
この構成により、測定対象ガスの測定結果として、その濃度情報を得ることができる。
【００２５】
また、本発明のガス測定装置では、前記濃度変換手段は前記濃度変換テーブルを参照して前記濃度変換を行う。
【００２６】
この構成により、容易に濃度変換を行うことができる。
【００２７】
また、前記所定の波長は、被測定ガス中の赤外線透過率が所定値以上となる波長である。
【００２８】
この構成により、基準赤外線センサとして赤外線透過率が高い波長に対応したものを選択すれば、基準赤外線センサの出力は大気中に含まれるガスに起因して変化することが少ないので、安定して正確な測定結果を得ることができる。
【００２９】
また、前記複数の赤外線センサが、１次元または２次元のアレイ状に配置されてケースに格納された赤外線センサユニットを有する。
【００３０】
この構成により、前記複数の赤外線センサを整列して配置し、赤外ユニットとして筐体に収納するので、ガス測定装置を小型化することができる。
【００３１】
また、前記複数の赤外線センサは、焦電型赤外線センサである。
【００３２】
この構成により、赤外線センサが焦電型赤外線センサであるため、モジュール化等の小型化が可能となり、可搬型のガス測定器を実現することができる。
【００３３】
本発明のガス測定方法は、被測定ガスを通過させた赤外光源からの赤外光より所定の波長の光と、測定対象となるガスの固有赤外線吸収波長の赤外光を検出するステップと、
前記測定対象となるガスの固有赤外線吸収波長に対応した赤外線センサの検出信号を、前記基準赤外線センサの検出信号に基づいて正規化するステップと、
を備える。
【００３４】
この方法により、異なる波長の赤外光をそれぞれ検出する複数の赤外線センサの検出信号を、赤外光源の赤外線強度等の変化に左右されずに測定環境が同じ状態で測定可能な基準赤外線センサの検出信号に基づいて正規化するので、複数種類の測定対象ガスを簡単かつ正確に測定することができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、簡単かつ正確に複数種類の測定対象ガスを測定することが可能なガス測定装置およびガス測定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明のガス測定装置およびガス測定方法の実施形態として、大気ガス測定装置および大気ガス測定方法について、図面を用いて説明する。なお、本実施形態では、被測定ガスを大気ガスとし、測定対象ガスとして温室効果ガスや排気ガス等を測定する大気ガス測定装置および大気ガス測定方法を例にとって説明する。
【００３７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の大気ガス測定装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、大気ガス測定装置１０は、赤外光源１からの赤外線を、大気ガス２を介して測定するものである。赤外光源１としては、太陽光のほか、８００ｎｍから１２μｍ程度の広帯域の波長成分を持ち、各波長における出力がほぼ一定である赤外線等を発生する光源でもよく、また測定に必要な波長成分を持つ単独赤外発光源を寄せ集めたものでも良い。
【００３８】
まず、本実施形態の大気ガス測定装置および測定方法の原理について説明する。前述したようにガスの種類によって、そのガス毎に固有の波長の赤外線を吸収する特質をもっている。例えば、大気ガス２中に含まれる炭酸ガスやメタンガス等の地球温暖化の原因になっている温室効果ガスや、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯｘ等の排気ガス等では、例えば、メタンガスは約３．３１１μｍ、二酸化炭素は約４．３５μｍ、一酸化炭素は約４．６５μｍ、一酸化窒素は約５．２６μｍ、二酸化窒素は約６．２１μｍ等の波長の赤外線を吸収する特質を持っている。また、赤外光の吸収率は各被測定対象ガスの濃度に対して指数関数的に比例する関係にある。
【００３９】
このため、測定対象ガスを通過させた対象ガス固有の吸収波長の赤外光を赤外線センサで検出し測定した時の出力は、測定対象ガスの濃度の増加に対し指数関数的に減少する。各固有波長の赤外線を吸収する特質を持つ、つまり、ある固有波長の赤外線を吸収する測定対象ガスの濃度が高くなると、その測定対象ガスによりその固有波長の赤外線も多く吸収されるようになるので、その固有波長の赤外線を測定する赤外線センサの測定出力は低下する。一方、その測定対象ガスの濃度が低くなれば、その固有波長の赤外線を測定している赤外線センサの測定出力は高くなる関係にある。
【００４０】
本実施形態の大気ガス測定装置１０は、大気ガス２を通過した赤外光源１からの赤外光を受光する複数個の赤外線センサ１１〜１Ｎが、その受光量に応じた測定出力を発生し、測定時の測定環境に基づき調整処理をしてガスの濃度を求めるものである。
【００４１】
次に、この第１の実施形態の大気ガス測定装置１０の内部構成について説明する。本実施形態の大気ガス測定装置１０は、図１に示すように、異なるＮ（Ｎは２以上の任意の整数）個の波長の光を選択する波長選択手段４０と、波長選択手段４０により選択されたＮ個の波長に対応して設けられるＮ個の赤外線センサ１１〜１Ｎと、各赤外線センサ１１〜１Ｎからの測定出力を夫々増幅する増幅器２１〜２Ｎと、各赤外線センサ１１〜１Ｎの測定時の温度を測定する温度センサ３１と、その測定時の気圧を測定する気圧センサ３２と、演算処理部３３と、演算処理部３３に内蔵または隣接して設けられ、補正テーブルや濃度変換テーブル等の参照テーブル等が記憶されたＲＡＭやＲＯＭ等の記憶部３４とを有している。
【００４２】
波長選択手段４０は、Ｎ個の波長フィルター４１〜４Ｎを有し、赤外光源１からの赤外光を、異なるＮ個の波長の光を出力する。
【００４３】
赤外線センサ１１〜１Ｎは、波長選択手段４０の波長フィルター４１〜４Ｎの近傍にそれぞれ設けられる。また、Ｎ個の赤外線センサ１１〜１Ｎのうち少なくとも１個以上の赤外線センサは基準となる検出信号を出力する赤外線センサであり、それに対応した波長選択手段４０の波長フィルターは被測定ガスの吸収波長以外の所定の波長選択特性を有する。本実施形態においては、この基準となる検出信号を出力する赤外線センサが、赤外線センサ１Ｎの１個の場合を例にとって説明する。
【００４４】
この所定の波長は、大気ガス２中に含まれるどのガスにも吸収されにくい波長が好ましい。この場合、大気ガスを測定する際に、大気ガス２中に含まれるガスによる影響がないため、安定して正確な測定を行うことが可能となる。
【００４５】
ここで、大気ガス２中に含まれるどのガスにも吸収されにくい波長としては、大気中の赤外線透過率が所定値、例えば７０％以上となる波長帯域である。具体的には、気温２５度、１気圧の条件で、赤外線透過率が７０％以上となる波長は、約１．５μｍ以上約１．７μｍ以下、約２．１μｍ以上約２．３μｍ以下、３．８μｍ以上約４．０μｍ以下、約８．４μｍ以上約９．３μｍ以下、約９．９μｍ以上約１２．７μｍ以下、等である。したがって、波長フィルター４Ｎの選択波長は、これらの波長に含まれていることが好ましい。また、各々の波長フィルター４１〜４Ｎの選択波長には帯域幅を有するがこの帯域幅はできるだけ不要な波長を含まないほうが好ましくその値は、０．１μｍ程度が好ましい。
【００４６】
演算処理部３３はＡ／Ｄ変換およびＤ／Ａ変換機能を有し、赤外光測定時の測定環境に基づいたリアルタイムの正規化処理や、赤外光源１の発光波長出力特性と波長選択手段４０の波長選択特性と各赤外線センサ１１〜１Ｎの受光波長感度特性とのうち少なくとも一つの特性に基づく受発光波長特性補正処理や、温度や気圧に基づく測定環境特性補正処理等の調整処理や、濃度変換処理を行って、複数種類の被測定対象ガスの濃度を求める。
【００４７】
記憶部３４には、接続されている各赤外線センサ１１〜１Ｎと、波長選択手段４０で選択された受光波長とが対応付けられて記憶されている。
【００４８】
次に、本実施形態の大気ガス測定装置１０の動作を説明する。
【００４９】
大気ガス２を通過した赤外光源１からの赤外光は、波長選択手段４０を通過する。波長選択手段４０は、大気ガス２中に含まれる複数種類の測定対象ガス夫々の固有吸収波長の光及び大気ガス２中に含まれるどの物質にも吸収されにくい波長の光とをＮ種類選択する。夫々の選択された波長の光は、その選択された波長と１対１で対応する複数個の赤外線センサ１１〜１Ｎに夫々投射される。
【００５０】
赤外線センサ１１〜１Ｎは、投射された夫々の波長の光の入射赤外光量を測定し、測定した値を電気信号に変換して増幅器２１〜２Ｎへ出力する。そして、増幅器２１〜２Ｎによって、各赤外線センサ１１〜１Ｎからの測定出力が所定の倍率で信号増幅して演算処理部３３へ出力される。また、温度センサ３１および気圧センサ３２は、それぞれ、赤外光量測定時の大気中の温度および気圧を検出して演算処理部３３へ出力する。
【００５１】
演算処理部３３は、先ず、増幅器２１〜２ＮのＮ個の出力信号をＡ／Ｄ変換する。そして、測定のハードウェアである赤外光源１、波長フィルター４１〜４Ｎ、および赤外線センサ１１〜１Ｎについて、各波長毎の個々の特性のばらつきによる誤差を最小限にするため受発光波長特性補正等の調整処理を行う。
【００５２】
この受発光波長特性補正は、たとえば、演算処理部３３が記憶部３４を利用することで行われる。記憶部３４には、予め、赤外光源１の波長別発光強度を示す発光波長出力特性、波長選択手段４０の各波長別透過率を示す波長選択特性、および各赤外線センサ１１〜１Ｎの波長別受光感度を示す受光波長感度特性における夫々のＮ個の波長別特性と、被測定ガスの赤外線センサ検出信号との相関に基づいて作成されたに受発光波長特性テーブルが記憶されている。そして、演算処理部３３は、この受発光波長特性テーブルに基づいて、これらの波長別特性、すなわち各ハードウェア毎に関して波長特性が見掛け上すべて均一になるようにＡ／Ｄ変換されたＮ個の出力に対してリアルタイムでＮ個の出力を補正する受発光波長特性補正等の調整処理を行う。なお、この受発光波長特性補正は、発光波長出力特性、波長選択特性、受光波長感度特性のうち少なくとも一つに基づいて行われればよい。
【００５３】
次に、赤外光源１の発光強度の変化や、大気ガス２中を通過する際の赤外線の透過強度の変化に対しても測定精度を向上させることができるように、測定環境変化に基づく補正処理の一つとして、固有ガスのセンシング信号である各赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）からの増幅および受発光波長特性補正がなされた後の値を、大気ガス２中に含まれるどの物質にも吸収されにくい波長の光を測定する赤外線センサ１Ｎからの信号を増幅した増幅器２Ｎの出力信号の特性補正後の値で除する等の処理を行って正規化処理をする。
【００５４】
さらに、ガスの濃度は温度および気圧に対し変化が大きいため、演算処理部３３では、測定環境変化に基づく補正処理の一つとして、温度センサ３１と気圧センサ３２のうち少なくとも一方の検出出力に基づいて、正規化した赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）の出力信号の値を、基準温度または基準気圧のときの値になるようにリアルタイムで測定環境特性補正等の調整処理を行う。
【００５５】
温度圧力等の測定環境変化に対する補正については、温度および圧力のうち少なくとも一方の値と、各ガスの濃度との関係を予め測定して、正規化された赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）を補正するための測定環境特性補正テーブルを作成して記憶部３４に記憶しておき、正規化した赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）の出力信号と、温度センサ３１および気圧センサ３２の少なくとも一方とからの検出出力を入力にして、測定環境特性補正テーブルの値を参照して、測定環境特性補正を行う。これにより、簡単に補正処理を行うことができる。
【００５６】
なお、温度や気圧が、大気ガス２中に含まれるどの物質にも吸収されにくい感度波長をもつ赤外線センサ１Ｎからの出力信号にも影響を与える場合には、前記正規化処理の前に赤外線センサ１Ｎからの出力信号の値も補正するか、正規化した赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）の出力信号の値にその影響がなくなるような補正を行うようにする。
【００５７】
ここで、被測定対象ガス毎にガス濃度に対する赤外線吸収量が異なる。また、上記の正規化および補正を行った信号のレベルは、固有のガス濃度が高いときには低く、固有のガス濃度が低いときには高くなる。そこで、演算処理部３３が各ガス毎に正規化および補正された信号を、要求された任意の精度の濃度信号に変換することで、より正確な濃度信号を出力することができる。
【００５８】
これは、演算処理部３３では、各ガス毎に濃度と赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）の測定出力との関係を予め測定して、各ガス毎に、濃度と、正規化および補正された赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）の出力との関係を対応付けた濃度変換テーブルを作成して、記憶部３４に記憶しておく。そして、濃度変換を行うときには、その濃度変換テーブルを参照して各測定対象ガス毎に濃度変換を行う。これにより、簡単に濃度変換処理を行うことができる。
【００５９】
演算処理部３３は、以上説明したような正規化や補正等の調整処理、および濃度変換処理を赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）の各測定出力に対して行ない、必要に応じて、各赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）による各測定対象ガスの測定濃度としてディジタル値で出力したり、また必要あればＤ／Ａ変換をしてアナログ値で出力したり、また必要に応じて数字表示等の出力を行う。
【００６０】
このような本発明の第１の実施形態の大気ガス測定装置および大気ガス測定方法によれば、被測定対象物である大気中のガス２を介し赤外光源１からの赤外光を、大気中のガスにより吸収されにくい波長を含めた複数個の吸収波長を選択する波長選択手段４０と、選択した波長に夫々対応した複数個の赤外線センサ１１〜１Ｎを設け、それら複数個の赤外線センサ１１〜１Ｎにより受光し、吸収されにくい波長の赤外線センサＮの測定出力を用いて、他の赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）の測定出力を正規化すると共に、参照テーブルを用いて発光波長出力特性、波長選択特性、受光波長感度特性により受発光赤外光測定条件を均一にするために測定出力を受発光波長特性補正し、さらに測定時の温度と気圧を計測してその値により測定出力を測定環境特性補正し、濃度換算を行うことにより、大気ガス２中に含まれる複数種類の被測定対象ガスの濃度を測定する場合でも、赤外光源１および波長選択手段４０および赤外線センサ１１〜１Ｎの夫々について個々の特性の違いや、測定環境の変化や赤外光源１の出力変化や、温度や気圧等の測定環境の変化に依存せず、簡単かつ正確に一度に測定することができる。
【００６１】
なお、上記第１の実施形態の説明では、説明の便宜上、大気ガス２中に含まれるどの物質にも吸収されにくい波長として１波長について説明したが、本発明では、これに限らず、２波長でも、３波長でも、少なくとも１波長以上であれば良い。このような大気ガス２中に含まれるどの物質にも吸収されにくい波長に対応した赤外線センサの測定出力は、上述したように、大気ガス２中に含まれる被測定対象ガスの濃度を測定する複数個の赤外線センサの測定出力を正規化するために使用するものであるので、このような正規処理のための赤外線センサを多く設けるほど、赤外光源１の発光強度の変化や、大気ガス２中を通過する際の赤外線の透過強度の変化をより正確に検出することが可能となり、各被測定対象ガスの濃度の測定精度をより向上させることが可能になる。
【００６２】
また、演算処理部は、全ての赤外線センサ入力を演算処理する必要はなく、複数個の基準センサ出力を平均、分散等の演算処理をして使用することにより正規化する選択された測定対象ガスの固有吸収波長を含むような波長に対応する赤外線センサからの入力のみを演算処理してもよい。また、予め測定対象ガスを決定している場合は、その測定対象ガスの固有吸収波長の波長選択手段とその波長に対応した赤外線センサのみを配置してもよい。
【００６３】
また、上記第１の実施形態の説明では、赤外光源１の波長別発光強度を示す発光波長出力特性、波長フィルター４１〜４Ｎを包含する波長選択手段４０の各波長別透過率を示す波長選択特性、各赤外線センサ１１〜１Ｎの波長別受光感度を示す受光波長感度特性、の波長別特性の受発光波長特性補正を正規化処理の前に行う場合について説明したが、正規化処理の後に行ってもよい。この場合は、発光波長出力特性、波長選択特性、受光波長感度特性、のそれぞれについて、被測定ガスの波長における特性が基準となる検出信号を出力する赤外線センサ１Ｎの受光波長である所定の波長における特性と同じになるように、正規化処理後の(Ｎ−１)個の信号に対し、受発光波長特性補正処理をする。
【００６４】
また、上記第１の実施形態の説明では、演算処理部３３における測定環境に基づく調整処理の一例として、大気ガス２中に含まれるどの物質にも吸収されにくい感度波長を波長選択手段により選択しその波長に対応した赤外線センサによって被測定対象ガスの濃度を測定する複数個の赤外線センサの測定出力を正規化することや、参照テーブルを用いて赤外光源１の波長別発光強度や波長フィルター４１〜４Ｎを包含する波長選択手段４０の各波長別透過率や各赤外線センサ１１〜１Ｎの波長別受光感度に対するばらつきの補正処理、および温度と気圧とによる補正処理等を全て行うように説明したが、本発明では、これらに限らず、測定環境によっては、正規化処理や、波長別特性の補正処理や、温度や気圧に基づく補正処理等の処理に不要な処理があれば、省略しても勿論よい。
【００６５】
また、本実施形態では、演算処理部３３において測定環境に基づく調整処理として、（Ｎ−１）個の赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）からの各測定出力全てに対し正規化処理や参照テーブルを用いての補正処理を一律に行うように説明したが、本発明では、これに限らず、例えば、（Ｎ−１）個の赤外線センサ１１〜１（Ｎ−１）からの測定出力毎に、測定環境に基づく調整処理を変えたり、さらには、各被測定対象ガス毎に基準温度や基準圧力等の測定環境の精度に対する要求が異なっている場合には、測定出力毎に演算精度を変えて演算するようにしても良い。要は、演算処理部３３は、被測定対象ガス毎に必要とされる、ないしは最適な測定環境に合わせて、適応的ないしは選択的に調整処理を行えばよい。このようにすれば、重要な被測定対象ガスに対しては、測定環境に基づく調整処理をより細かく行うことが可能となり、効率良く測定することが可能となる。なお、演算処理部３３は、図示しないプログラムにより動作するものであるが、半導体回路等を用いてハードウエアにより構成しても勿論よい。
【００６６】
また、本実施形態において、ある重要な測定対象ガスに対しては、複数個の赤外線センサを用いて濃度を測定するようにして勿論良い。このようにすれば、その重要な被測定対象ガスは、複数個の赤外線センサの測定出力を用いて平均や分散等をとることにより、より精度の高い濃度を測定することが可能となる。
【００６７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の大気ガス測定装置について説明する。本発明の第２の実施形態の大気ガス測定装置は、赤外線センサ１１〜１Ｎの具体的配置例を示すもので、図１と重複する部分には同一の符号を付す。
【００６８】
本発明の第２の実施形態の大気ガス測定装置おける赤外線センサの配列の一例を、図２および図３に示す。
【００６９】
図２は、Ｎ個の赤外線センサ１１〜１Ｎをアレイ状に配列して１つのケースに集積し、小型化したアレイ状赤外線センサユニット１Ａであり、図３は、Ｎ個の赤外線センサ１１〜１Ｎを面状に配列して１つのケースに集積し、小型化した面状赤外線センサユニット１Ｂである。
【００７０】
このような本発明の第２の実施形態の大気ガス測定装置によれば、複数個の赤外線センサ１１〜１Ｎを、図２に示す１次元のアレイ状、または図３に示す例えば面状を含む２次元のアレイ状に、整列して配列されるので、赤外線センサ全体の面積を減少させ、大気ガス測定装置の小型化を図ることが可能である。また、これらの赤外線センサをケースに格納して赤外線センサユニット１Ａ、１Ｂとして提供されるので、赤外線センサの取り扱いが簡単になる。
【００７１】
なお、前記第２の実施の形態の説明では、Ｎ個の赤外線センサ１１〜１Ｎを図２に示すようなアレイ状赤外線センサユニット１Ａ、または図３に示す面状赤外線センサユニット１Ｂとして配列して説明したが、本発明では、これらの配列は一例であり、これらの配列に限定されるものではなく、Ｎ個の赤外線センサ１１〜１Ｎを適当に並べても、正方状ではなく、長方形状や、円形状や、円周状等、被測定対象ガスの測定環境に合わせて任意の形状に配列するようにしても勿論良い。
【００７２】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態の大気ガス測定装置について説明する。本発明の第３の実施形態は第１の実施形態における波長選択手段４０を他の方法で具現化したものである。図４ないし図６は、本発明の第３の実施形態である大気ガス測定装置における波長選択手段４０を示す概略構成図である。なお、第１及び第２の実施形態図を示す図１〜図３と重複する部分には同一の符号を付す。
【００７３】
第１の実施形態の説明では、波長選択手段４０として波長フィルター４１〜４Ｎを用いた場合について説明したが、本実施形態では、波長選択手段４０としてプリズム、回折格子のような分散型の分光素子や、フーリェ分光素子のような２光測干渉型の分光素子やエタロンのような多重干渉分光素子で代表される干渉型分光素子等の分光器を用いた場合について説明する。
【００７４】
図４は、複数の赤外線センサ１１〜１Ｎと本実施形態の波長選択手段４０との関係を示す図であり、複数の赤外線センサとしてアレイ状赤外線センサユニット１Ａを用いた場合について示している。なお、図４において、アレイ状赤外線センサユニット１Ａは、図２に示されたアレイ状赤外線センサユニットのＸ−Ｙ断面図である。
【００７５】
図４に示すように、波長選択手段４０は透過型の波長選択手段であり、その中の結像レンズによりアレイ状赤外線センサユニット１Ａのセンサ間隔に応じて各センサ上に所望の波長の赤外光を投射することが可能なものである。
【００７６】
次に、本実施形態の波長選択手段の概略構成を説明する。図５は波長選択手段４０が分散型分光素子であるプリズムや透過型回折格子を含む場合の例を示し、図６は波長選択手段４０が分散型分光素子である反射型回折格子を含む場合の例を示す。
【００７７】
回折格子を用いた場合には、回折基板へのグレーティングを適切に行うことにより必要な波長のみを選択して分光することができ、また所望の方向、位置に分光した光を投射することが出来る。このような分光型の波長選択手段４０を用いたときは分光後の光を結像レンズ５４により受光素子のサイズに応じて所望の大きさに絞ることが出来るので受光素子である赤外線センサ１１〜１Ｎは第２の実施例で説明したようにコンパクトに、集積化できる。
【００７８】
図５に示すように、本実施形態の大気ガス測定装置の波長選択手段４０において、大気ガス２を通過した赤外光源１からの赤外光は、集光レンズ５１でスリット板５２のスリットに集光される。スリット板５２のスリットを通過し発散した赤外光は、コリメートレンズ５３に入って平行光となり、プリズムや透過型回折格子等の透過型分散素子４１ＮＡに入射する。透過型分散素子４１ＮＡに入射した赤外光は透過型分散素子４１ＮＡにより波長スペクトラム状に分光される。分光の大きさを結像レンズ５４によって、赤外線センサ１１〜１Ｎが集積されたアレイ状赤外線センサユニット１Ａのセンサ間隔に合わせ、夫々の赤外線センサ１１〜１Ｎ上に集光される。
【００７９】
ここでは帯状の分光赤外光に対し、赤外線センサ１１〜１Ｎが集積されたアレイ状赤外線センサユニット１Ａは各センサが等間隔に配置された場合でもよく、この場合は基準信号に対応する所定の波長と被測定ガスの吸収波長とに対応させた赤外線センサの出力のみを取り出すようにすればよい。またセンサユニットを作製する時点で予め不要な波長に対応させた赤外線センサを設けないようにしてもよい。
【００８０】
また、回折格子を使用する場合は回折基板へのグレーティングを適切に行うことにより必要な波長のみを選択して分光し、所望の方向、位置に分光した光を投射することが出来るので、図２のような赤外線センサを等間隔に配置したアレイ状赤外線センサユニット１Ａや図３のような二次元に配置された面状赤外線センサユニット１Ｂにも対応できる。
【００８１】
図６は、コリメートおよび結像の光学素子としてコリメート鏡５７および結像鏡５８を用い、分散素子として反射型分散素子４１ＮＢを用いた場合を示している。このように、光学系にミラーを用いたことにより、レンズを用いた場合の収差の影響を軽減させることができる。
【００８２】
上述のように、第３の実施形態では、前記第２の実施形態のようにアレイ状赤外線センサユニット１Ａ等によりＮ個の赤外線センサ１１〜１Ｎを小型化しても、各赤外線センサに選択した波長の赤外光を投射させることができる。その結果、この第３の実施形態によれば、コンパクトに且つ効率よく入射光を集光させることができる。
【００８３】
このような本発明の第３の実施の形態の大気ガス測定装置によれば、波長選択手段４０にプリズムや回折格子で代表される分散型分光素子を用い赤外光を波長ごとにスペクトラム状に分解できるために、波長選択手段として小型になり、赤外線センサも小さくモジュール化できる。その結果、持ち運びのできる大気ガス測定装置を提供することができる。
【００８４】
なお、この第３の実施形態の説明では、分散型分光素子を用いた例について説明したが、エタロン等を用いた干渉型分光素子でも実現できる。
【００８５】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態の大気ガス測定装置における赤外線センサの概略構成を示す図である。
【００８６】
本発明の第４の実施形態の大気ガス測定装置における赤外線センサとして焦電型赤外線センサを用いた例を示すもので、図１〜図６と重複する部分には同一の符号を付す。
【００８７】
この焦電型赤外線センサは、赤外線の受光波長感度特性がほぼ均一で、安定しており、基板上に焦電材料を印刷等で塗布して形成できるので多くのセンサを集積できるために小型で比較的安価に作製でき、多種類の波長つまり多種類のガスを検出することができる。ただし、この焦電型赤外線センサは電荷蓄積型であり、雑音を除去するために入射光をチョッピングし、充放電を繰り返して使用する必要がある。
【００８８】
そのため、この第４の実施形態では、図７に示すように、入射光をチョッピングするためのチョッピング用孔６１ａが形成された円盤６１と、円盤６１を回転させるためのモータ７１と、波長選択手段４０の波長フィルター４１と、焦電型赤外線センサ１１Ｐｙと、焦電型赤外線センサ１１Ｐｙのセンサ信号を増幅する増幅器８１と、増幅器８１よりの矩形状の出力を正弦波に変換したり、あるいは積分して直流信号に変換する低域フィルター９１とを有している。なお、その他の図示していない構成は、図１に示す第１の実施形態の構成や、図２、図３に示す第２の実施形態の構成、さらには図４〜図６に示す第３の実施形態の構成が適用可能である。
【００８９】
次に動作を説明する、図７に示す本発明の第４の実施形態の大気ガス測定装置では、第１の実施形態で説明した赤外光源１からの赤外光は被測定対象物である大気ガス２を通過し、チョッピング用円盤６１に入射し、チョッピング用孔６１ａにより断続した光となる。
【００９０】
この断続的な光は波長選択手段４０の波長フィルター４１に入射し選択された波長の赤外光のみが焦電型赤外線センサ１１Ｐｙに入射される。焦電型赤外線センサ１１Ｐｙは選択された波長の光を断続的に受光しその赤外光強度に対応した信号を増幅器８１に出力する。増幅器８１は焦電型赤外線センサ１１Ｐｙからの赤外線の矩形状出力信号を増幅し、低域フィルター９１は増幅後の焦電型赤外線センサ１１Ｐｙの出力信号を直流信号にする。
【００９１】
なお、この低域フィルター９１からの直流信号は、本発明の第１の実施形態の大気ガス測定装置を示すブロック図である図１の増幅器２１の出力に対応するものであり、演算処理部３３に入力することにより、第１の実施の形態で示したと全く同じ方法で正規化や、補正、変換等を行って、大気ガス２中に含まれる複数個の被測定対象ガスの濃度を測定することができる。以上の例では波長選択手段および赤外線センサ毎にチョッパーが設けられている場合について説明した。
【００９２】
次に本発明の第２及び第３の実施形態で説明した図２〜図６に示すような集積化された焦電型赤外線センサの場合について、図８を用いて説明する。図８において４０は波長選択手段であり、第３の実施形態で説明した図４〜図６と同等のものである。１ＡＰｙは集積化し小型化された焦電型赤外線センサ１１Ｐｙ〜１ＮＰｙであり、第２の実施形態で説明した図２、図３のセンサユニットにおける赤外線センサの配置と同等のものである。
【００９３】
各焦電型赤外線センサ１１Ｐｙ〜１ＮＰｙは夫々増幅器８１〜８Ｎに接続されており、増幅器８１〜８Ｎの出力は夫々低域フィルター９１〜９Ｎに接続されている。それ以外の円盤６１およびモータ７１は図７での例と同じである。なお、その他の図示していない構成は、図１に示す第１の実施形態の構成や、図２、図３に示す第２の実施形態の構成、さらには図４〜図６に示す第３の実施形態の構成が適用可能である。
【００９４】
図８においてモータ７１により回転する円盤６１のチョッピング用孔６１ａを通って断続的な赤外光が波長手段４０に入り、ここで選択された複数の波長の断続的な赤外光を夫々の波長に対応した焦電型赤外線センサ１１Ｐｙ〜１ＮＰｙへ入射する。焦電型赤外線センサ１１Ｐｙ〜１ＮＰｙは、夫々選択された波長の光を断続的に受光しその赤外光強度に対応した信号を増幅器８１〜８Ｎに出力する。増幅器８１〜８Ｎは焦電型赤外線センサ１１Ｐｙ〜１ＮＰｙからの赤外線の矩形状出力信号を増幅し、低域フィルター９１〜９Ｎは増幅後の焦電型赤外線センサ１１Ｐｙ〜１ＮＰｙの出力信号を直流信号にする。
【００９５】
なお、この低域フィルター９１〜９Ｎよりの直流信号は、本発明の第１の実施形態の大気ガス測定装置を示すブロック図である図１の増幅器２１〜２Ｎの出力に対応するものであり、演算処理部３３に入力することにより、第１の実施の形態で示したと全く同じ方法で正規化や、補正、変換等を行って、大気ガス２中に含まれる複数個の被測定対象ガスの濃度を測定することができる。
【００９６】
このような本発明の第４の実施形態の大気ガス測定装置によれば、焦電型赤外線センサとセンサ信号の正規化、補正、変換方法を用いるので、安定して、小型でかつ比較的安価に、簡単かつ正確により多くの種類の被測定対象ガスの濃度を一度に測定することができる。
【００９７】
なお本実施例では光を断続した後に波長選択手段４０のフィルター４１で赤外光を選択する例について説明したが、図７においてフィルター４１をチョッピング用孔６１ａが形成された円盤６１の左側に設け、選択された赤外光のみを断続してもよい。また本実施例では入射光をチョッピングする手段としてチョッピング用孔６１ａが形成された円盤６１と、円盤６１を回転させるためのモータ７１とを用いた例について説明したが、液晶による光の断続、つまり液晶チョッパーや圧電を用いた圧電チョッパーを用いても実現でき、これを用いることによりさらに小型化できる。
【００９８】
なお、上記第１〜第４の実施の形態の受光素子である赤外線センサ１１〜１Ｎとしては熱型と量子型に大別されるが本発明ではどちらの赤外線センサでも適用できる。
【００９９】
また上記第１〜第４の実施の形態の説明では、本発明のガス測定装置の実施形態として、大気ガス２中に含まれる炭酸ガス等の地球温暖化ガスや、ＮＯｘ等の排気ガス等の複数種類の被測定対象ガスの濃度を測定する大気ガス測定装置について説明したが、本発明では、このような大気ガス２に含まれる複数種類の被測定対象ガスのガス測定装置に限られるものではなく、それ以外の複数種類の被測定対象ガスの濃度を測定するガス測定装置であっても良い。要は、選択された複数個の波長に対応して設けられた複数個の赤外線センサにより複数種類の被測定対象ガスを測定して、当該複数種類の被測定対象ガスの濃度を測定するものであれば、いかなる複数種類の被測定対象ガスの濃度測定にも本発明は適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
以上のように、本発明は、簡単かつ正確に複数種類の測定対象ガスを測定することが可能な効果を有し、大気ガス測定装置および方法等のガス測定装置およびガス測定方法等に好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の第１の実施形態の大気ガス測定装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第２の実施形態の大気ガス測定装置における赤外線センサユニットの例を示す構成図
【図３】本発明の第２の実施形態の大気ガス測定装置における赤外線センサユニットの他の例を示す構成図。
【図４】本発明の第３の実施形態の大気ガス測定装置の波長選択手段の概略構成を示すブロック図
【図５】本発明の第３の実施形態の大気ガス測定装置の波長選択手段の概略構成を示すブロック図
【図６】本発明の第３の実施形態の大気ガス測定装置の他の波長選択手段の概略構成を示すブロック図
【図７】本発明の第４の実施形態の大気ガス測定装置おける焦電型赤外線センサの構成を示す構成図
【図８】本発明の第４の実施形態の大気ガス測定装置おける焦電型赤外線センサの他の例を示す構成図
【符号の説明】
【０１０２】
１  赤外光源
２  大気ガス
１０  大気ガス測定装置（ガス測定装置）
１１〜１Ｎ  赤外線センサ
２１〜２Ｎ  増幅器
３１  温度センサ
３２  気圧センサ
３３  演算処理部（処理部）
３４  記憶部
１Ａ  アレイ状赤外線センサユニット
１Ｂ  面状赤外線センサユニット
４０  波長選択手段
４１〜４Ｎ  フィルター等の波長選択素子
４１ＮＡ  プリズム等の透過型分散素子
４１ＮＢ  反射型回折格子等の反射型分散素子
５１  集光光学系
５２  スリット板
５３、５７  コリメート光学系
５４、５８  結像光学系
６１  円盤
７１  モータ
１１Ｐｙ〜１ＮＰｙ  焦電型赤外線センサ
１ＡＰｙ  アレイ状焦電型赤外線センサユニット
８１〜８Ｎ  増幅器
９１〜９Ｎ  低域フィルター
【図１】
2005257358.tif 000003
【図２】
2005257358.tif 000004
【図３】
2005257358.tif 000005
【図４】
2005257358.tif 000006
【図５】
2005257358.tif 000007
【図６】
2005257358.tif 000008
【図７】
2005257358.tif 000009
【図８】
2005257358.tif 000010