(57)【要約】【課題】簡単な構成で測定精度の低下を防止することができる濃度測定システムを提供する。【解決手段】光源２は濃度測定装置１０の光源制御手段１３の制御によって検出用赤外線と参照用赤外線を発する。そして、赤外線センサ４は測定セル１を通過して透過部材３を透過した検出用赤外線と参照用赤外線を検出し、その強度を示すセンサ出力を出力する。そして、濃度測定装置１０は、それらのセンサ出力を検出用出力及び参照用出力として検出用出力取込手段１１ａ１及び参照用出力取込手段１１ａ２によって取り込むと、検出用出力と参照用出力と連立方程式とに基づいて第１算出手段１１ａ３が検出用濃度と参照用濃度を算出し、検出用濃度と参照用濃度の比に濃度変換係数を乗じて第２算出手段１１ａ４が被検物質の濃度を算出する。【選択図】      図１
2005049171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源が発した赤外線が試料ガスを充填した測定セルに入射し、該測定セルを通過して出射した前記赤外線が、前記試料ガスを構成する被検物質が吸収する波長を示す検出用波長と大気中で吸収されずに前記検出用波長とは異なる参照用波長とのみを透過する透過部材を透過し、該透過した赤外線の強度を検出した赤外線センサが出力する前記強度を示すセンサ出力に基づいて、前記被検物質の濃度を測定する濃度測定装置であって、
前記光源は、前記検出用波長の検出用赤外線と前記検出用波長及び前記参照用波長の参照用赤外線を発することが可能な構成となっており、
前記検出用赤外線と前記参照用赤外線とを選択的に発するように前記光源を制御する光源制御手段と、
前記光源制御手段によって前記光源が発した前記検出用赤外線に対応して前記赤外線センサが出力したセンサ出力を検出用出力として取り込む検出用出力取込手段と、
前記光源制御手段によって前記光源が発した前記参照用赤外線に対応して前記赤外線センサが出力したセンサ出力を参照用出力として取り込む参照用出力取込手段と、
前記検出用出力及び前記参照用出力の各々が、前記被検物質の濃度を示す検出用濃度と前記検出用波長に基づいて予め定められた吸光係数と前記赤外線が前記測定セルに入射してから出射するまでの測定距離とを乗じた値に、前記参照用波長の濃度を示す参照用濃度と前記参照用波長に基づいて予め定められた参照用吸光係数と前記透過距離とを乗じた値を加算した値に等しいという関係を示す連立方程式と前記検出用出力取込手段が取り込んだ検出用出力と前記参照用出力取込手段が取り込んだ参照用出力とに基づいて、前記検出用濃度と前記参照用濃度を算出する第１算出手段と、
前記第１算出手段が算出した前記検出用濃度と前記参照用濃度の比を算出し、該算出した比に予め定められた濃度変換係数を乗じて前記被検物質の濃度を算出する第２算出手段と、を備えることを特徴とする濃度測定装置。
【請求項２】
前記光源制御手段は、前記光源が前記検出用赤外線若しくは前記参照用赤外線を発する第１電圧と発しない第２電圧を所定周期で繰り返すパルス信号によって前記制御を行い、
前記検出用出力取込手段及び前記参照用出力取込手段は、前記所定周期に同期して前記取り込みを行うことを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
【請求項３】
前記第１電圧は、前記光源の定格電圧よりも小さな電圧であることを特徴とする請求項２に記載の濃度測定装置。
【請求項４】
前記光源制御手段は、前記光源に前記第１電圧を印加する際に、該第１電圧よりも低く、かつ、前記検出用赤外線若しくは前記参照用赤外線を発する第３電圧と前記第１電圧を前記所定周期よりも短い周期で繰り返すパルス信号となるように前記制御を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の濃度測定装置。
【請求項５】
前記第２算出手段が算出した前記濃度が、前記第１電圧の印加時間を短くする判定条件を満たしているか否かを判定する印加時間判定手段をさらに備え、
前記光源制御手段は、前記印加時間判定手段が判定条件を満たしていると判定すると、前記所定周期における前記第１電圧の比率を小さくして前記制御を行うことを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の濃度測定装置。
【請求項６】
前記第２算出手段が前記試料ガスの測定中に算出した濃度を監視し、該濃度が急激に変化したことを検出する濃度監視手段をさらに備え、
前記光源制御手段は、前記濃度監視手段が濃度の変化を検出すると前記所定周期を短くすることを特徴とする請求項２〜５の何れかに記載の濃度測定装置。
【請求項７】
前記第２算出手段が算出した前記濃度が、前記第１電圧を低下させる低下条件を満たしているか否かを判定する電圧低下判定手段をさらに備え、
前記光源制御手段は、前記電圧低下判定手段が低下条件を満たしていると判定すると、前記第１電圧を低下させて前記制御を行うことを特徴とする請求項２〜６の何れかに記載の濃度測定装置。
【請求項８】
試料ガスを構成する被検物質の濃度を測定する濃度測定システムにおいて、
前記試料ガスが充填される測定セルと、
前記測定セルに入射させる波長の異なる赤外線を発する光源と、
前記測定セルから出射した前記赤外線のうち、前記試料ガス中の被検物質が吸収する波長を示す検出用波長と大気中で吸収されずに前記検出用波長とは異なる参照用波長とのみを透過する透過部材と、
前記透過部材を透過した前記赤外線の強度を検出すると、該検出した強度を示すセンサ出力を出力する赤外線センサと、
請求項１〜７の何れかに記載の濃度測定装置と、を備え、
前記光源は、前記濃度測定装置の光源制御手段の制御に応じて前記検出用赤外線と前記参照用赤外線を発し、
前記濃度測定装置の検出用出力取込手段及び前記参照用出力取込手段は、前記赤外線センサが出力したセンサ出力を取り込むことを特徴とする濃度測定システム。
【請求項９】
前記測定セルと前記透過部材との間に介在し、前記測定セルから出射した前記赤外線を、前記赤外線センサに集光させる集光部材をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の濃度測定システム。
【請求項１０】
前記測定セル中の温度に応じた温度信号を出力する温度センサをさらに備え、
前記濃度測定装置の光源制御手段は、前記温度センサが出力した温度信号に基づいて、前記光源が発する赤外線の光量を安定させるように、前記光源に印加させる電圧を定めることを特徴とする請求項８又は９に記載の濃度測定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、濃度測定装置及び濃度測定システムに関し、より詳細には、光源が発した赤外線が試料ガスを充填した測定セルに入射し、該測定セルを通過して出射した前記赤外線が、前記試料ガスを構成する被検物質が吸収する波長を示す検出用波長と大気中で吸収されずに前記検出用波長とは異なる参照用波長とのみを透過する透過部材を透過し、該透過した赤外線の強度を検出したセンサが出力する前記強度を示すセンサ出力に基づいて、前記被検物質の濃度を測定する濃度測定装置、及び濃度測定装置を備える濃度測定システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非分散型の赤外線測定機器は、通常、ガス濃度の測定に用いられる。そのような方法は、測定に使用される波長範囲を測定されるガスの特性吸収帯域に一致するように限定することにより、測定すべきガスに関して極めて選択的にすることができる。そして、非分散型赤外線吸収法（ＮＤＩＲ法）においては、波長範囲は一般に、帯域フィルタによって選択されており、また、ＮＤＩＲ測定装置の光学帯域フィルタと置き換えるのに適した、同調可能な干渉計が開示されている。
【０００３】
ＮＤＩＲ測定装置に使用されるファブリ・ペロー干渉計を制御する方法として、参考文献１が提案されている。この参考文献１では、従来のＮＤＩＲ測定装置の概略構成を示した図のように、放射線源１から発生された信号が、サンプリングポイント（測定セル）２を通過する際に、特定ガスの吸収により減衰し、検知器５によって測定される。この際、光フィルタ３は、放射線源１よりの信号の波長領域をある程度に絞り込み、ファブリ・ペロー干渉計４によって何種類かの特定周波数へと帯域濾波される。そして、基準となる波長と、測定ガスの特定吸収波長との強度を比較し、その減衰量とサンプリングポイント２の長さから、単位体積当たりの測定ガス濃度を計測していた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３３３４５号公報  （第２−３頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようにファブリ・ペロー等の干渉計が必要な構成においては、その干渉計を制御するシステム等も必要となり、装置構成が複雑になるという問題があった。また、測定ガス濃度を計測する場合、測定セルの汚れ、センサの劣化、環境の変化、電源電圧の変動、ノイズ等が発生すると、それらの影響によって被検物質の濃度の測定精度が低下するという問題があった。そのため、定期的に点検を行ったり、部品を交換したりする必要があった。
【０００６】
よって本発明は、上述した問題点に鑑み、簡単な構成で測定精度の低下を防止することができる濃度測定装置及び濃度測定システムを提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項１記載の濃度測定装置は、図１の基本構成図に示すように、光源２が発した赤外線が試料ガスを充填した測定セル１に入射し、該測定セル１を通過して出射した前記赤外線が、前記試料ガスを構成する被検物質が吸収する波長を示す検出用波長と大気中で吸収されずに前記検出用波長とは異なる参照用波長とのみを透過する透過部材３を透過し、該透過した赤外線の強度を検出した赤外線センサ４が出力する前記強度を示すセンサ出力に基づいて、前記被検物質の濃度を測定する濃度測定装置１０であって、前記光源は、前記検出用波長の検出用赤外線と前記検出用波長及び前記参照用波長の参照用赤外線を発することが可能な構成となっており、前記検出用赤外線と前記参照用赤外線とを選択的に発するように前記光源２を制御する光源制御手段１３と、前記光源制御手段１３によって前記光源２が発した前記検出用赤外線に対応して前記赤外線センサ４が出力したセンサ出力を検出用出力として取り込む検出用出力取込手段１１ａ１と、前記光源制御手段１３によって前記光源２が発した前記参照用赤外線に対応して前記赤外線センサ４が出力したセンサ出力を参照用出力として取り込む参照用出力取込手段１１ａ２と、前記検出用出力及び前記参照用出力の各々が、前記被検物質の濃度を示す検出用濃度と前記検出用波長に基づいて予め定められた吸光係数と前記赤外線が前記測定セル１に入射してから出射するまでの測定距離とを乗じた値に、前記参照用波長の濃度を示す参照用濃度と前記参照用波長に基づいて予め定められた参照用吸光係数と前記透過距離とを乗じた値を加算した値に等しいという関係を示す連立方程式と前記検出用出力取込手段１１ａ１が取り込んだ検出用出力と前記参照用出力取込手段１１ａ２が取り込んだ参照用出力とに基づいて、前記検出用濃度と前記参照用濃度を算出する第１算出手段１１ａ３と、前記第１算出手段１１ａ３が算出した前記検出用濃度と前記参照用濃度の比を算出し、該算出した比に予め定められた濃度変換係数を乗じて前記被検物質の濃度を算出する第２算出手段１１ａ４と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記請求項１に記載した本発明の濃度測定装置によれば、光源制御手段１３の制御によって光源２が検出用赤外線を発すると、この検出用赤外線は測定セル１を透過し、透過部材３を透過した検出用赤外線の強度が赤外線センサ４によって検出される。そして、この検出に応じて赤外線センサ４が出力したセンサ出力は、検出用出力として濃度測定装置の記憶媒体等に検出用出力取込手段１１ａ１によって取り込まれる。また、光源制御手段１３の制御によって光源２が参照用赤外線を発すると、この参照用赤外線は測定セル１を透過し、透過部材３を透過した参照用赤外線の強度が赤外線センサ４によって検出される。そして、この検出に応じて赤外線センサ４が出力したセンサ出力は、参照用出力として濃度測定装置の記憶媒体等に参照用出力取込手段１１ａ２によって取り込まれる。そして、取り込んだ検出用出力と参照用出力と連立方程式とに基づいて検出用濃度と参照用濃度が第１算出手段１１ａ３によって算出され、この検出用濃度と参照用濃度の比に濃度変換係数を乗じて被検物質の濃度が第２算出手段１１ａ４によって算出される。
【０００９】
よって、光源２に検出用波長に対応する検出用赤外線と検出用波長及び参照用波長に対応する参照用赤外線とを発せさせ、測定セル１を通って透過部材３を透過した検出用赤外線と参照用赤外線を検出した赤外線センサ４が出力する検出用出力と参照用出力に対し、ランバート・ベールの法則を用いると、検出用出力及び参照用出力の各々が、検出用濃度と吸光係数と透過距離とを乗じた値に、参照用濃度と参照用吸光係数と透過距離とを乗じた値を加算した値に等しいという関係を示す連立方程式が成り立ち、この連立方程式中の被検物質の吸収がある検出用濃度とその吸収がない参照用濃度との比は、被検物質の濃度に比例することから、その比と被検物質との関係式等を示す濃度変換係数を予め定めておくことで、赤外線センサ４から取り込んだ検出用出力と参照用出力に基づいて被検物質の正確な濃度を算出することができる。しかも、光源２の劣化、赤外線センサ４の劣化、環境の変化、電源電圧の変動、ノイズ等はセンサ出力比率に影響するため、その比率は検出用濃度と参照用濃度に係るが、検出用濃度と参照用濃度の比を算出することで打ち消されるため、その影響を排除することができる。したがって、光源２の劣化、赤外線センサ４の劣化、環境の変化、電源電圧の変動、ノイズ等による測定精度の低下を防止することができる。
【００１０】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、図１の基本構成図に示すように、請求項１に記載の濃度測定装置において、前記光源制御手段１３は、前記光源２が前記検出用赤外線若しくは前記参照用赤外線を発する第１電圧と発しない第２電圧を所定周期で繰り返すパルス信号によって前記制御を行い、前記検出用出力取込手段１１ａ１及び前記参照用出力取込手段１１ａ２は、前記所定周期に同期して前記取り込みを行うことを特徴とする。
【００１１】
上記請求項２に記載した本発明の濃度測定装置によれば、光源制御手段１３によって第１電圧と第２電圧を所定周期で繰り返すパルス信号によって光源２が制御され、光源２は第１電圧が印加されたときに、検出用赤外線若しくは参照用赤外線を発する。そして、それらの赤外線は検出用出力取込手段１１ａ１若しくは参照用出力取込手段１１ａ２によって所定周期に同期して取り込まれる。よって、第１電圧及び第２電圧を所定周期で繰り返すパルス信号によって光源１を点滅制御し、その周期所定周期に同期して光源２が発した検出用赤外線若しくは参照用赤外線を取り込むようにしたことから、ノイズ等の影響を最小に抑えることができる。また、光源２を点滅制御することで、光源２による熱の揺らぎの発生を防止することができるとともに、測定セル１中の試料ガスが暖められて膨張し、濃度が変化することを防止することができるため、測定精度の向上と光源２の省電力を図ることができる。
【００１２】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載の発明は、図１の基本構成図に示すように、請求項２に記載の濃度測定装置において、前記第１電圧は、前記光源２の定格電圧よりも小さな電圧であることを特徴とする。
【００１３】
上記請求項３に記載した本発明の濃度測定装置によれば、光源２には光源制御手段１３によって光源２の定格電圧よりも小さな第１電圧が所定周期で印加される。よって、光源２を動作させる定格電圧よりも小さな電圧値となるように第１電圧を設定していることから、光源２の寿命を延ばすことができるため、光源２の経年変化による測定精度の低下を軽減することができる。
【００１４】
上記課題を解決するためになされた請求項４記載の発明は、図１の基本構成図に示すように、請求項２又は３に記載の濃度測定装置において、前記光源制御手段１３は、前記光源２に前記第１電圧を印加する際に、該第１電圧よりも低く、かつ、前記検出用赤外線若しくは前記参照用赤外線を発する第３電圧と前記第１電圧を前記所定周期よりも短い周期で繰り返すパルス信号となるように前記制御を行うことを特徴とする。
【００１５】
上記請求項４に記載した本発明の濃度測定装置によれば、光源制御手段１３によって光源２に第１電圧を印加する際に、その第１電圧よりも低く、かつ、検出用赤外線若しくは参照用赤外線を発する第３電圧と第１電圧を所定周期よりも短い周期で繰り返すパルス信号となるように制御される。よって、光源２に検出用赤外線若しくは参照用赤外線を発せさせるために第１電圧を印加する場合に、第１電圧よりも低く、かつ、光源２がそれらの赤外線を発する第３電圧と第１電圧を所定周期よりも短い周期で繰り返すパルス信号となるように制御していることから、光源２に第１電圧を印加する時間が短くなるため、光源２の寿命をさらに延ばすことができ、光源２の経年変化による測定精度の低下を軽減することができる。
【００１６】
上記課題を解決するためになされた請求項５記載の発明は、図１の基本構成図に示すように、請求項２〜４の何れかに記載の濃度測定装置において、前記第２算出手段１１ａ４が算出した前記濃度が、前記第１電圧の印加時間を短くする判定条件を満たしているか否かを判定する印加時間判定手段１１ａ５をさらに備え、前記光源制御手段１３は、前記印加時間判定手段１１ａ５が判定条件を満たしていると判定すると、前記所定周期における前記第１電圧の比率を小さくして前記制御を行うことを特徴とする。
【００１７】
上記請求項５に記載した本発明の濃度測定装置によれば、第２算出手段１１ａ４によって濃度が算出されると、印加時間判定手段１１ａ５によってその濃度が判定条件を満たしているか否かが判定され、判定条件を満たしていると判定されると、光源制御手段１３によって所定周期における第１電圧の比率が小さくされて光源２の制御が行われる。よって、測定中に濃度が所定濃度以上になる等の第１電圧の印加時間を短くする判定条件を用意しておき、算出した濃度がその判定条件を満たすときに、所定周期における第１電圧の比率を小さくして光源２の制御を行うことから、光源２に第１電圧を印加する時間が短くなるため、光源２の寿命をさらに延ばすことができるとともに、消費電力を低減させることができる。
【００１８】
上記課題を解決するためになされた請求項６記載の発明は、図１の基本構成図に示すように、請求項２〜５に記載の濃度測定装置において、前記第２算出手段１１ａ４が前記試料ガスの測定中に算出した濃度を監視し、該濃度が急激に変化したことを検出する濃度監視手段１１ａ６をさらに備え、前記光源制御手段１３は、前記濃度監視手段１１ａ６が濃度の変化を検出すると前記所定周期を短くすることを特徴とする。
【００１９】
上記請求項６に記載した本発明の濃度測定装置によれば、第２算出手段１１ａ４によって算出された濃度は濃度監視手段１１ａ６によって監視され、その濃度が急激に変化したことが検出されると、光源制御手段１３によって所定周期が短くされて光源２の制御が行われる。よって、測定中に濃度の急激な変化を検出すると所定周期を短くして光源２を制御し、その所定周期に同期して光源２が発した赤外線を取り込むことから、濃度測定の応答を良くすることができるため、試料ガスの濃度が時間により変化する場合の測定精度を向上させることができる。
【００２０】
上記課題を解決するためになされた請求項７記載の発明は、図１の基本構成図に示すように、請求項２〜６の何れかに記載の濃度測定装置において、前記第２算出手段１１ａ４が算出した前記濃度が、前記第１電圧を低下させる低下条件を満たしているか否かを判定する電圧低下判定手段１１ａ７をさらに備え、前記光源制御手段１３は、前記電圧低下判定手段１１ａ７が低下条件を満たしていると判定すると、前記第１電圧を低下させて前記制御を行うことを特徴とする。
【００２１】
上記請求項７に記載した本発明の濃度測定装置によれば、第２算出手段１１ａ４によって濃度が算出されると、電圧低下判定手段１１ａ７によってその濃度が低下条件を満たしているか否かが判定され、低下条件を満たしていると判定されると、光源制御手段１３によって低下された第１電圧による光源２の制御が行われる。よって、濃度の変化が小さい、濃度が一定閾値以上となる等の低下条件を測定した濃度が満たすと、第１電圧を低下させて光源２を制御することから、濃度により電圧を抑えることができるため、より一層消費電力を低減させることができる。
【００２２】
上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項８記載の濃度測定システムは、図１の基本構成図に示すように、試料ガスを構成する被検物質の濃度を測定する濃度測定システムにおいて、前記試料ガスが充填される測定セル１と、前記測定セル１に入射させる波長の異なる赤外線を発する光源２と、前記測定セル１から出射した前記赤外線のうち、前記試料ガス中の被検物質が吸収する波長を示す検出用波長と大気中で吸収されずに前記検出用波長とは異なる参照用波長とのみを透過する透過部材３と、前記透過部材３を透過した前記赤外線の強度を検出すると、該検出した強度を示すセンサ出力を出力する赤外線センサ４と、請求項１〜７の何れかに記載の濃度測定装置１０と、を備え、前記光源は、前記濃度測定装置１０の光源制御手段１３の制御に応じて前記検出用赤外線と前記参照用赤外線を発し、前記濃度測定装置１０の検出用出力取込手段１１ａ１及び前記参照用出力取込手段１１ａ２は、前記赤外線センサ４が出力したセンサ出力を取り込むことを特徴とする。
【００２３】
上記請求項８に記載した本発明の濃度測定システムによれば、光源２は濃度測定装置１０の光源制御手段１３の制御によって検出用赤外線と参照用赤外線を発する。そして、赤外線センサ４は測定セル１を通過して透過部材３を透過した検出用赤外線と参照用赤外線を検出し、その強度を示すセンサ出力を出力する。そして、濃度測定装置１０は、それらのセンサ出力を検出用出力及び参照用出力として取り込むと、検出用出力と参照用出力と連立方程式とに基づいて検出用濃度と参照用濃度を算出し、検出用濃度と参照用濃度の比に濃度変換係数を乗じて被検物質の濃度を算出する。よって、測定セル１と光源２と透過部材３と赤外線センサ４と本発明の濃度測定装置１０によって濃度測定システムを構成することで、測定セル１が汚れたり、光源２、赤外線センサ４に経年変化等による劣化が発生しても、濃度測定装置１０によってそれらの影響を排除することができるため、従来のようにファブリ・ペロー干渉計等を用いる必要がなくなることから、システム構成を複雑化することなく、測定精度の低下を防止することができ、また、システムの点検や部品交換の頻度を低減することができる。
【００２４】
上記課題を解決するためになされた請求項９記載の発明は、図１の基本構成図に示すように、請求項８に記載の濃度測定システムにおいて、前記測定セル１と前記透過部材３との間に介在し、前記測定セル１から出射した前記赤外線を、前記赤外線センサ４に集光させる集光部材５をさらに備えることを特徴とする。
【００２５】
上記請求項９に記載した本発明の濃度測定システムによれば、測定セル１を通って出射した赤外線は、集光部材５によって赤外線センサ４に集光され、この赤外線を赤外線センサ４が検出する。よって、測定セル１を出射した赤外線を赤外線センサ４に集光させる集光部材５を設けていることから、赤外線センサ４に真っ直ぐに向かう赤外線の他に、反射した赤外線も赤外線センサ４に集光させることができるため、赤外線センサ４の感度の向上により、測定精度をより一層向上させることができる。
【００２６】
上記課題を解決するためになされた請求項１０記載の発明は、図１の基本構成図に示すように、請求項８又は９に記載の濃度測定システムにおいて、前記測定セル１中の温度に応じた温度信号を出力する温度センサ６をさらに備え、前記濃度測定装置１０の光源制御手段１３は、前記温度センサ６が出力した温度信号に基づいて、前記光源２が発する赤外線の光量を安定させるように、前記光源２に印加させる電圧を定めることを特徴とする。
【００２７】
上記請求項１０に記載した本発明の濃度測定システムによれば、温度センサ６によって測定セル１中の温度に応じた温度信号が出力されると、その温度信号に基づいて、光源２が発する赤外線の光量を安定させるように、光源２に印加させる電圧が光源制御手段１３によって定められ、光源制御手段１３はその電圧によって光源２の制御を行う。よって、測定セル１中の温度を温度センサ６によって測定し、その温度に基づいて光源２が発する赤外線の光量を安定させるように、光源２に印加させる電圧を定めていることから、温度が低いときは光源２に印加する電圧を上げるように設定することで、光源２の温度を速く安定させることができ、また、経年変化に伴う光源２の温度変化も安定させることができるため、光源２が発する赤外線の光量が安定することになり、測定精度をより一層向上させることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る濃度測定装置及び濃度測定システムによって二酸化炭素の濃度を測定する場合の一実施の形態を、図２〜図６の図面を参照して説明する。
【００２９】
図２は二酸化炭素の吸収スペクトラムを示したグラフであり、縦軸はレベル、横軸は波長をそれぞれ示している。図２に示すように、二酸化炭素の吸収スペクトラムは、４．３μｍ付近で吸収があることが分かる。よって、本実施の形態では、４．３μｍ付近の吸収スペクトラムを測定することにより、二酸化炭素の濃度を測定する場合について説明する。
【００３０】
図３は本発明の濃度測定装置及び濃度測定システムの概略構成を示す構成図である。図３に示すように、濃度測定システムは、被検物質が充填される測定セル１と、該測定セル１に入射させる赤外線を発する光源２と、測定セル１から出射した赤外線のうち所定の波長のみを通す透過部材３と、該透過部材３を通過した赤外線の強度を検出する赤外線センサ４と、測定セル１と透過部材３との間に介在して赤外線を赤外線センサ４に集光させる集光部材５と、測定セル１中の温度を検出する温度センサ６と、赤外線センサ４が出力したセンサ信号に基づいて被検物質の濃度を測定する濃度測定装置１０と、を備える。
【００３１】
測定セル１は、中空円柱状に形成しており、その入射側は光源２と対向し、その出射側は集光部材５と対向するように配置している。この測定セル１は、入射側から出射側までの距離がＬとなるように形成していることから、この距離が請求項中の測定距離Ｌということになる。
【００３２】
光源２は、印加される電圧により赤外線（熱エネルギー）の波長が変わるものとし、例えば黒体炉、電球等を用いる。光源２に印可する電圧により発生する熱が変化すると、遠赤外線（熱エネルギー）の波長のピークが変化することから、光源２の温度は印加される電圧によって制御される。
【００３３】
図４は光源２が黒体炉の場合の波長と放射エネルギーとの関係を示すグラフである。図４において、縦軸は放射エネルギー［×１０３Ｗａｔｔ／ｃｍ３］、横軸は波長［μｍ］をそれぞれ示す。そして、光源２に黒体炉を用いた場合、光源２の温度が５００、７００、８００、９００、１０００、１１００℃となるように電圧が印加されると、放射エネルギーと波長の関係は、図４に示すように、温度が低くなるにしたがって、そのピークは波長が長くなる方向に移動することになる。
【００３４】
図５は大気中の波長と透過率との関係を示すグラフであり、縦軸は透過率［％］、横軸は波長［μｍ］をそれぞれ示している。図５に示すように、大気中の各波長は、例えば１．５、２．３、４．０μｍ等の波長帯域付近で透過率が高いことから、それらの帯域付近で波長の吸収がないことが分かる。よって、二酸化炭素の吸収波長が４．３μｍであることから、本実施の形態では、その波長からある程度離れた１．５μｍを参照波長としている。なお、参照波長については、フィルターの帯域幅を狭くして、３．８や３．９μｍとしてもよい。
【００３５】
透過部材３は、上述した二酸化炭素の吸収波長である４．２５７μｍと大気中に吸収波長を持たない１．５μｍの２波長を透過する光学フィルタを用いている。なお、透過部材３については、二酸化炭素の吸収波長である４．３μｍ付近に近い例えば４．０μｍを通す透過部材を選択することもできるが、この場合はお互いの波長帯域の裾野部分が重なるため、精度の高い検出ができない。また、透過部材３の帯域幅を狭くすることで、４．０μｍの透過部材３を選択することもできるが、そのような透過部材３は高価であるため、装置のコストアップに繋がってしまう。よって、精度の高い測定を行うには、被検物質である二酸化炭素の吸収波長から離れた帯域を選択するのが好ましい。
【００３６】
赤外線センサ４は、焦電型赤外線センサ等を用い、後述する濃度測定装置１０に接続している。この赤外線センサ４は、透過部材３を透過した赤外線の熱を電気エネルギーに変換するもので、熱の変化時に電気エネルギーに変換してセンサ出力として濃度測定装置１０に出力する。
【００３７】
集光部材５は、フレーネルレンズ等を用い、集光部材５の角度（例えば３００度）の範囲の赤外線を１点、つまり赤外線センサ４に集中させている。すると、直線での赤外線以外にも反射してくる赤外線があれば、それもセンサ５に集めることができので効率を良くすることができる。なお、集光部材５自身では、１００％透過せずに数１０％の劣化があるため、測定セル１の径が大きい場合に有効であるが、逆に小さい場合には効果が薄れるため、測定セル１の径が小さい場合は、集光部材５を構成から削除するようにしても差し支えない。
【００３８】
温度センサ６は、サーミスタ、熱電対等を用い、測定セル１を通過する赤外線の熱エネルギーを検出し、この熱エネルギーに応じた温度信号を濃度測定装置１０に出力する構成となっており、その温度信号により測定セル１中の温度を認識することができるようになっている。なお、温度センサ６の配置については、測定セル１の中、赤外線センサ４の近傍など種々異なる実施の形態とすることができる。
【００３９】
濃度測定装置１０は、予め定められたプログラムに従って動作するマイクロコンピュータ（μＣＯＭ）１１を有する。このμＣＯＭ１１は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）１１ａ、ＣＰＵ１１ａのためのプログラム等を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ１１ｂ、各種のデータを格納するとともにＣＰＵ１１ａの処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ１１ｃ等を有して構成している。
【００４０】
また、μＣＯＭ１１には、装置本体がオフ状態の間も記憶内容の保持が可能な電気的消去／書き換え可能な読み出し専用のメモリ１２を接続している。そして、このメモリ１２には、濃度の算出に必要な後述する吸光係数、測定距離、濃度変換係数等の各種情報を記憶するとともに、算出した濃度を外部から読出可能に時系列的に記憶する。
【００４１】
濃度測定装置１０はさらに、制御回路１３とインタフェース部１４を有し、それらはμＣＯＭ１１にそれぞれ接続している。この制御回路１３は、請求項中の光源制御手段に相当し、μＣＯＭ１１からの指示に応じて光源２に印加する電圧を制御する。
【００４２】
図６は図３の制御回路の一例を示す構成図であり、制御回路１３は、図６に示すように、電源１３Ａ，Ｂと、トランジスタ１３１，１３２と、可変抵抗１３３，１３４と、インバータ１３５と、発振器１３６を備える。トランジスタ１３１，１３２の各エミッタは光源２に接続している。そして、トランジスタ１３１のコレクタが可変抵抗１３３を介して電源１３Ａ、トランジスタ１３２のコレクタが可変抵抗１３４を介して電源１３Ｂにそれぞれ接続している。
【００４３】
図７は光源の制御の一例を説明するための図であり、図７に示すように、電源１３Ａは、光源２が赤外線を発しない程度の電圧（第２電圧）Ｖ１となっている。そして、電源１３Ｂは、光源２が赤外線を発する電圧（第１電圧）Ｖ２となっており、光源２の定格電圧Ｖよりも低く、かつ、電源１３Ａの電圧Ｖ１よりも高い電圧値となっている。
【００４４】
可変抵抗１３３は、電源１３Ａが光源２に電圧Ｖ１を印加するようにその抵抗値が設定されている。なお、本実施の形態では、電圧Ｖ１の電圧値を変更しないことから、可変抵抗１３３を通常の抵抗としても差し支えない。また、可変抵抗１３４は、μＣＯＭ１１からの指示に応じた光源２の設定温度となるように、光源２に印可する電源１３Ｂの電圧Ｖ２を変化させる。
【００４５】
よって、光源２を動作させる定格電圧Ｖよりも小さな電圧値となるように電圧（第１電圧）Ｖ２を設定していることから、光源２の寿命を延ばすことができるため、光源２の経年変化による測定精度の低下を軽減することができる。
【００４６】
また、トランジスタ１３１のベースはインバータ１３５を介して発振器１３６に接続しており、トランジスタ１３２のベースは発振器１３６に直に接続している。そして、発振器１３６は、例えば、１Ｈｚの振動数となるように所定周期Ｔの信号を発する。
【００４７】
本実施の形態では、μＣＯＭ１１から光源２の温度が７００℃となる設定電圧（第１電圧）が指示されると、制御回路１３において、可変抵抗１３４の抵抗値が設定電圧に応じた値に変更され、発振器１３６がＯＮになると、電源１３Ｂからの電圧（第１電圧）Ｖ２が光源２に印加されることで、光源２は赤外線を発する。また、発振器１３６はＯＦＦになると、電源１３Ａからの電圧Ｖ１が光源２に印加されることで、光源２は赤外線を発しなくなる。
【００４８】
このようにμＣＯＭ１１から光源２の設定温度が指示されると、制御回路１３は、設定温度に上昇させる電圧Ｖ２と温度を減衰させる電圧Ｖ１とを、例えば１Ｈｚのサイクルで交互に光源２に印加させて、光源２の点滅を制御している。そして、μＣＯＭ１１から例えば９００℃への設定温度の変更するために次の設定電圧が指示されると、可変抵抗１３４の抵抗値がその設定電圧に応じた値に変更され、光源２が９００℃となるように光源２に電源１３Ｂの電圧Ｖ２が印加される。
【００４９】
よって、測定セル１中の温度を温度センサ６によって測定し、その温度に基づいて光源２が発する赤外線の光量を安定させるように、光源２に印加させる電圧Ｖ２を定めていることから、温度が低いときは光源２に印加する電圧を上げるように設定することで、光源２の温度を速く安定させることができ、また、経年変化に伴う光源２の温度変化も安定させることができるため、光源２が発する赤外線の光量が安定することになり、測定精度をより一層向上させることができる。
【００５０】
インタフェース部１４は、上述した赤外線センサ４との接続が可能な構成となっており、赤外線センサ４が出力してセンサ出力は、インタフェース部１４を介してμＣＯＭ１１に入力される。そして、μＣＯＭ１１は、赤外線センサ４からのセンサ出力を前記所定周期Ｔに同期して取り込み、そのセンサ出力をフーリエ変換し、各周波数の電圧に変換する。したがって、１Ｈｚ時のみの電圧を参照することにより、ノイズ等の影響を最小に抑えることができる。
【００５１】
よって、濃度測定装置１０は、光源２の定格電圧Ｖ以下の電圧で点滅制御を行っていることから、光源２による熱の揺らぎの発生を防止するとともに、測定セル１中のガスが暖められて膨張し、ガス濃度が変化することを防止することができるため、測定精度の向上と光源２の省電力を図ることができる。
【００５２】
なお、本実施の形態では、電源Ｖ１によって光源２が赤外線を発しない電圧を印加する構成としているが、本発明はこれに限定するものではなく、電源Ｖ１を構成から削除して０Ｖとする実施の形態としても差し支えない。
【００５３】
次に、上述した構成において、測定セル１に充填された試料ガスを通過した赤外線には、Ｂｅｅｒ−Ｌａｍｂｅｒｔの法則（以下、ランバート・ベールの法則という）を適用することができる。そして、測定距離Ｌ、ガス濃度Ｃ、その吸光係数αの測定セル１に波長λの入射光Ｉ０λが入射し、出射光Ｉλで出射する場合、そのときのセンサ出力をＶλとすると、ランバート・ベールの法則により以下の式が成り立つ。
Ｖλ＝ｌｎ（Ｉ０λ／Ｉλ）＝α＊Ｃ＊Ｌ  …（１）
【００５４】
そして、本実施の形態では、光源２を２つの温度に振ることにより、光源２が発する赤外線の波長を、２つの波長λ１、λ２とに可変させ、赤外線センサ４の出力は波長λ１、λ２の積分出力であるセンサ出力Ｖλ１、Ｖλ２となっているため、式（１）は二酸化炭素の波長４．３μｍと参照波長１．５μｍが加算された以下の式で表される。なお、測定セル１に入射する光を入射光Ｉ０λ１、Ｉ０λ２、その出射する光を出射光Ｉλ１、Ｉλ２（図３参照）とする
【００５５】
Ｖλ１＝ｌｎ（Ｉ０λ１／Ｉλ１）＝α１＊Ｃ＊Ｌ＋α２＊Ｄ＊Ｌ  …（２）
Ｖλ２＝ｌｎ（Ｉ０λ２／Ｉλ２）＝α３＊Ｃ＊Ｌ＋α４＊Ｄ＊Ｌ  …（３）
但し、α１，２，３，４：実験により求めた吸光係数
Ｃ：ＣＯ２濃度比例係数（検出用濃度）
Ｄ：参照波長（１．５μｍ）の参照濃度比例係数（参照用濃度）
Ｌ：測定距離（図３参照）
なお、上記式（２）では、α２の項（波長１．５ｍ）が含まれないために、α２＝０となる。
【００５６】
そして、光源２の温度を可変させ、各センサ出力Ｖλ１、Ｖλ２を赤外線センサ４で測定することで、式（２）、（３）の連立方程式によってＣＯ２濃度比例係数Ｃと参照濃度比例係数Ｄを算出することができる。また、吸光係数α１〜４は、上述した構成において対象波長に基づいて実験等により予め係数として算出しておく。
【００５７】
参照濃度比例計数Ｄは、上述したように大気中におけるガスによる熱吸収がない帯域を選択しているために固定数値となり、基準として使用している。そして、二酸化炭素の吸収がない基準濃度比例計数Ｄと吸収があるＣＯ２濃度比例係数Ｃの比（Ｃ／Ｄ）の値は、二酸化炭素の濃度と比例することから、この比（Ｃ／Ｄ）に濃度変換係数βを掛けることにより、比（Ｃ／Ｄ）から二酸化炭素の濃度を明確にすることができる。なお、この濃度変換係数βも、上述した構成において実験等により予め係数として算出しておく。
【００５８】
また、光源２の劣化、赤外線センサ４の劣化、環境の変化、電源電圧の変動、ノイズの発生等は、センサ出力の比率に影響することから、それらの比率をγとすると、次の濃度算出式が成り立つ。
ＣＯ２濃度＝β｛（γ＊Ｃ）／（γ＊Ｄ）｝＝β（Ｃ／Ｄ）…（４）
【００５９】
よって、式（４）における分母、分子の比率γはキャンセルされるため、式（４）の濃度算出式を用いて二酸化炭素の濃度を算出することで、光源２の劣化、赤外線センサ４の劣化、環境の変化、電源電圧の変動、ノイズの発生等の影響を受けない二酸化炭素の濃度を精度よく測定することができる。
【００６０】
したがって、濃度算出装置１０のメモリ１２に、上記式（２）〜（４）の吸光係数α１〜４、測定距離Ｌ、濃度変換係数β等のパラメータを記憶しておき、μＣＯＭ１１のＲＯＭ１１ｂに、光源２の温度を制御する制御プログラムや、赤外線センサ４から入力されるセンサ出力Ｖλ１、２に基づいて、上記式（２）、（３）からＣＯ２濃度比例係数Ｃと基準濃度比例計数Ｄを算出し、該算出した値を上記式（４）に代入して二酸化炭素の濃度を算出する濃度算出プログラム等を記憶しておく。
【００６１】
図８は濃度算出装置のＣＰＵが実行する本発明に係る濃度算出処理の一例を示すフローチャートであり、図８に示すフローチャートを参照して二酸化炭素の濃度の算出例を説明する。
【００６２】
ステップＳ１０において、温度センサ６から入力される温度信号を考慮して、光源２の温度が７００℃となる設定電圧が設定され、この設定電圧による電圧制御が制御回路１３に対して指示され、その後ステップＳ２０に進む。そして、制御回路１３によって、上述したように１Ｈｚのサイクルで所定期間に７００℃の温度に上昇させる電圧Ｖ２と温度を減衰させる電圧Ｖ１とが光源２に交互に印可されることで、前記所定周期Ｔに対応して光源２は赤外線を発する。
【００６３】
光源２の温度が７００℃のときに発せられた赤外線は、図４に示すように、１．５μｍ付近の波長はないことから、検出用波長に対応する検出用赤外線に相当する。そして、この検出用赤外線を検出した赤外線センサ４が出力するセンサ出力は、透過部材３を透過した４．２５７μｍの赤外線の強度がセンサ出力を支配していることから、センサ出力Ｖλ１は、透過部材３を透過した４．２５７μｍの赤外線に対応した値となる。
【００６４】
ステップＳ２０（検出用出力取込手段）において、光源２が７００℃で赤外線を発しているときに、赤外線センサ４が出力するセンサ出力Ｖλ１のサンプリングが行われ、それらをフーリエ変換した結果がセンサ出力Ｖλ１（検出用出力）としてメモリ１２に取り込まれて記憶され、その後ステップＳ３０に進む。このように、センサ出力Ｖλ１をサンプリングしてフーリエ変換することで、その精度を向上させているが、赤外線センサ４が出力したセンサ出力Ｖλ１をそのまま取り込むようにしても、差し支えない。
【００６５】
ステップＳ３０において、温度センサ６から入力される温度信号を考慮して、光源２の温度が９００℃となる設定電圧が設定され、この設定電圧による電圧制御が制御回路１３に対して指示され、その後ステップＳ４０に進む。そして、制御回路１３によって、上述したように１Ｈｚのサイクルで９００℃の温度に上昇させる電圧Ｖ２と温度を減衰させる電圧Ｖ１とが光源２に交互に印可されることで、前記所定周期Ｔに対応して光源２は赤外線を発する。
【００６６】
光源２の温度が９００℃のときに発せられた赤外線は、図４に示すように、１．５、４．２５７μｍの波長を有することから、検出用波長及び参照用波長に対応する参照用赤外線に相当する。そして、この参照用赤外線を検出した赤外線センサ４が出力するセンサ出力は、透過部材３を透過した１．５、４．２５７μｍの赤外線の強度がセンサ出力を支配していることから、センサ出力Ｖλ２は、透過部材３を透過した１．５、４．２５７μｍの赤外線に対応した値となる。
【００６７】
ステップＳ４０（参照用出力取込手段）において、光源２が９００℃で赤外線を発しているときに、赤外線センサ４が出力するセンサ出力Ｖλ２のサンプリングが行われ、それらをフーリエ変換した結果がセンサ出力Ｖλ２（参照用出力）としてメモリ１２に取り込まれて記憶され、その後ステップＳ５０に進む。
【００６８】
ステップＳ５０（第１算出手段）において、上記式（２）、（３）の連立方程式にメモリ１２に記憶しているセンサ出力Ｖλ１、Ｖλ２と各種パラメータが代入されてＣＯ２濃度比例係数Ｃと参照濃度比例係数Ｄが算出され、該算出結果はメモリ１２に記憶され、その後ステップＳ６０に進む。
【００６９】
ステップＳ６０（第２算出手段）において、上記式（４）に示すように、算出したＣＯ２濃度比例係数Ｃと参照濃度比例係数Ｄの比を算出し、該算出した比にメモリ１２に記憶している予め定められた濃度変換係数βを乗じて二酸化炭素（被検物質）の濃度が算出され、該算出した濃度はメモリ１２に記憶され、その後処理を終了する。
【００７０】
以上の説明からも明らかなように、濃度測定装置１０のＣＰＵ１１ａが、特許請求の範囲に記載の検出用出力取込手段、参照用出力取込手段、第１算出手段、及び第２算出手段として機能している。
【００７１】
次に、上述した本発明に係る濃度測定装置１０を用いた濃度測定システムの本実施の形態の動作（作用）の一例を、以下に説明する。
【００７２】
濃度測定装置１０の制御回路１３によって光源２の温度が７００℃となるように電圧Ｖ２が印加されると、光源２は検出用赤外線を発する。そして、この検出用赤外線は測定セル１を透過し、透過部材３を透過した検出用赤外線の強度が赤外線センサ４によって検出される。そして、この検出に応じて赤外線センサ４が出力したセンサ出力Ｖλ１は、検出用出力として濃度測定装置のメモリ１２に取り込まれる。
【００７３】
また、濃度測定装置１０の制御回路１３によって光源２の温度が９００℃となるように電圧Ｖ２が印加されると、光源２は参照用赤外線を発する。そして、この参照用赤外線は測定セル１を透過し、透過部材３を透過した参照用赤外線の強度が赤外線センサ４によって検出される。そして、この検出に応じて赤外線センサ４が出力したセンサ出力Ｖλ２は、参照用出力として濃度測定装置のメモリ１２に取り込まれる。
【００７４】
濃度測定装置１０は、取り込んだセンサ出力Ｖλ１、Ｖλ２を上記式（２）、（３）の連立方程式に代入してＣＯ２濃度比例係数Ｃと参照濃度比例係数Ｄを算出し、このＣＯ２濃度比例係数Ｃと参照濃度比例係数Ｄの比（Ｃ／Ｄ）を算出する。そして、算出した比にメモリ１２の濃度変換係数βを乗じて二酸化炭素（被検物質）の濃度を算出してメモリ１２に記憶する。
【００７５】
よって、光源２に検出用波長に対応する検出用赤外線と検出用波長及び参照用波長に対応する参照用赤外線とを発せさせ、測定セル１を通って透過部材３を透過した検出用赤外線と参照用赤外線を検出した赤外線センサ４が出力するセンサ出力Ｖλ１（検出用出力）とセンサ出力Ｖλ２（参照用出力）に対し、ランバート・ベールの法則を用いると、センサ出力Ｖλ１がＣＯ２濃度比例係数Ｃと吸光係数α１と透過距離Ｌとを乗じた値に等しく、かつ、センサ注力Ｖλ２がＣＯ２濃度比例係数Ｃと吸光係数α３と透過距離Ｌとを乗じた値に、参照濃度比例係数Ｄと参照用吸光係数α４と透過距離Ｌとを乗じた値を加算した値に等しいという関係を示す連立方程式が成り立ち、この連立方程式中の二酸化炭素（被検物質）の吸収があるＣＯ２濃度比例係数Ｃ（検出用濃度）とその吸収がない参照濃度比例係数Ｄ（参照用濃度）との比は、二酸化炭素の濃度に比例することから、二酸化炭素との関係式等を示す濃度変換係数βを予め定めておくことで、赤外線センサ４から取り込んだセンサ出力Ｖλ１、Ｖλ２に基づいて二酸化炭素の正確な濃度を算出することができる。しかも、光源２の劣化、赤外線センサ４の劣化、環境の変化、電源電圧の変動、ノイズ等はセンサ出力比率に影響するため、その比率は検出用濃度と参照用濃度に係るが、検出用濃度と参照用濃度の比を算出することで打ち消されるため、その影響を排除することができる。したがって、光源２の劣化、赤外線センサ４の劣化、環境の変化、電源電圧の変動、ノイズ等による測定精度の低下を防止することができる。
【００７６】
また、測定セル１と光源２と透過部材３と赤外線センサ４と本発明の濃度測定装置１０によって濃度測定システムを構成することで、測定セル１、光源２、赤外線センサ４に経年変化等による劣化が発生しても、濃度測定装置１０によってそれらの影響を排除することができるため、従来のようにファブリ・ペロー干渉計等を用いる必要がなくなることから、システム構成を複雑化することなく、測定精度の低下を防止することができ、また、システムの点検や部品交換の頻度を低減することができる。
【００７７】
さらに、測定セル１を出射した赤外線を赤外線センサ４に集光させる集光部材５を設けていることから、赤外線センサ４に真っ直ぐに向かう赤外線の他に、反射した赤外線も赤外線センサ４に集光させることができるため、赤外線センサ４の感度の向上により、測定精度をより一層向上させることができる。
【００７８】
また、測定セル１中の温度を温度センサ６によって測定し、その温度に基づいて光源２が発する赤外線の光量を安定させるように、光源２に印加させる電圧Ｖ２を定めていることから、温度が低いときは光源２に印加する電圧を上げるように設定することで、光源２の温度を速く安定させることができ、また、経年変化に伴う光源２の温度変化も安定させることができるため、光源２が発する赤外線の光量が安定することになり、測定精度をより一層向上させることができる。
【００７９】
ところで、上述した本実施の形態では、試料ガスを構成する二酸化炭素の濃度を測定する場合について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、試料ガスを構成する複数の被検物質の濃度を測定することもできる。
【００８０】
例えば、上述した濃度測定システムで、試料ガスを構成する二酸化炭素と一酸化炭素の濃度を測定する場合について説明する。この場合、一酸化炭素は４．６６６μｍで熱の吸収が発生することから、図３に示す透過部材３を、１．５、４．２５、４．６６μｍの波長を透過するように構成する。そして、光源２が３種類の温度となるように濃度測定装置１０に制御させ、各々の赤外線センサ４の出力をセンサ出力Ｖλ１、Ｖλ２、Ｖλ３として取り込む。
【００８１】
また、温度を変化させたときに測定セル１に入射する光を入射光Ｉ０λ１、Ｉ０λ２、Ｉ０λ３、その出射する光を出射光Ｉλ１、Ｉλ２、Ｉλ３とすると、上記（２）、（３）で示した連立方程式は、次に示す連立方程式となる。
【００８２】
Ｖλ１＝α１１＊Ｃ＊Ｌ＋α１２＊Ｄ＊Ｌ＋α１３＊Ｅ＊Ｌ  …（５）
Ｖλ２＝α１４＊Ｃ＊Ｌ＋α１５＊Ｄ＊Ｌ＋α１６＊Ｅ＊Ｌ  …（６）
Ｖλ３＝α１７＊Ｃ＊Ｌ＋α１８＊Ｄ＊Ｌ＋α１９＊Ｅ＊Ｌ  …（７）
但し、α１１〜１９：実験により求めた吸光係数
Ｃ：ＣＯ２濃度比例係数（第１の検出用濃度）
Ｄ：参照波長（１．５μｍ）の参照濃度比例係数（参照用濃度）
Ｅ：ＣＯ濃度比例係数（第２の検出用濃度）
Ｌ：測定距離
【００８３】
そして、光源２の温度を可変させ、各センサ出力Ｖλ１、Ｖλ２、Ｖλ３を赤外線センサ４で検出することで、式（５）〜（７）の連立方程式によってＣＯ２濃度比例係数Ｃ、参照濃度比例係数Ｄ、ＣＯ濃度比例係数Ｅを算出することができる。また、吸光係数α１〜４は、上述した構成において対象波長に基づいて実験等により予め係数として算出しておく。
【００８４】
また、ＣＯ２濃度比例係数Ｃと参照濃度比例係数Ｄの比とＣＯ２濃度との関係式を実験等により予め定めておき、同様に、ＣＯ濃度比例係数Ｅと参照濃度比例係数Ｄの比とＣＯ濃度との関係式を実験等により予め定めておくことで、センサ出力Ｖλ１、Ｖλ２、Ｖλ３に基づいて試料ガスを構成する二酸化炭素と一酸化炭素の濃度を測定することができる。
【００８５】
次に、上述した濃度測定システムにおいて、試料ガスの濃度を連続して測定する場合に好適な実施の形態を以下に説明する。
【００８６】
図９は濃度測定装置１０のＣＰＵ１１ａが実行する本発明に係る処理概要の一例を示すフローチャートであり、図１０は光源２の印加時間の変更例を説明するための図であり、図１１は光源２の制御を行う所定周期の変更例を説明するための図である。
【００８７】
濃度測定装置１０は起動すると、図９に示すステップＳ１において、上述した図８に示す濃度算出処理が実行され、メモリ１２に算出された濃度が記憶されると、ステップＳ２（印加時間判定手段）において、その濃度が電圧（第１電圧）Ｖ２の印加時間を短くする判定条件である判定閾値以上であるか否かが判定される。判定閾値よりも小さいと判定された場合は（Ｓ２でＮ）、ステップＳ４に進む。一方、判定閾値以上であると判定された場合は（Ｓ２でＹ）、ステップＳ３に進む。
【００８８】
ステップＳ３において、図１０に示すように、所定周期Ｔにおける印加時間Ｒ１を、その印加時間Ｒ１よりも短い印加時間Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）に変更する指示が制御回路１３に対して行われ、その後ステップＳ４に進む。そして、指示された制御回路１３は、発振器１３６の所定周期ＴにおけるＯＮ時間（印加時間）の比率を低下させることで、光源２に印加する時間を短くする。
【００８９】
ステップＳ４（濃度監視手段）において、メモリ１２に今回算出した濃度と過去に算出した濃度とが比較され、その比較結果に基づいて濃度が急激に変化したか否かが判定される。急激に変化したと判定された場合は（Ｓ４でＹ）、ステップＳ５に進む。
【００９０】
ステップＳ５において、図１１に示すように、所定周期Ｔを所定周期Ｔ−αに短くする変更が制御回路１３に対して指示され、その後ステップＳ９に進む。そして、指示された制御回路１３は、発振器１３６の所定周期Ｔを所定周期Ｔ−αに変更させることで、短い所定周期Ｔ−αで光源２の制御を行う。
【００９１】
また、ステップＳ４で濃度が急激に変化していないと判定された場合は（Ｓ４でＮ）、ステップＳ６（濃度監視手段）において、濃度が安定したか否かが判定される。濃度が安定していないと判定された場合は（Ｓ６でＮ）、ステップＳ９に進む。一方、濃度が安定していると判定された場合は（Ｓ６でＹ）、ステップＳ７に進む。
【００９２】
ステップＳ７において、所定周期Ｔ、若しくは、所定周期Ｔ−αの変更が必要であるか否かが判定される。変更が必要ではないと判定された場合は（Ｓ７でＮ）、ステップＳ９に進む。一方、変更が必要であると判定された場合は（Ｓ７でＹ）、ステップＳ８に進む。
【００９３】
ステップＳ８において、図１１に示すように、所定周期Ｔを所定周期Ｔ＋αに長くする変更が制御回路１３に対して指示される、若しくは、変更した所定周期Ｔ−αを所定周期Ｔに戻す変更が制御回路１３に対して指示され、その後ステップＳ９に進む。そして、指示された制御回路１３は、ステップＳ５のときと同様に、変更した所定周期Ｔ若しくは所定周期Ｔ＋αで光源２の制御を行う。
【００９４】
ステップＳ９において、終了要求を受けたか否かが判定される。終了要求を受けていないと判定された場合は（Ｓ９でＮ）、ステップＳ１に戻り、一連の処理が繰り返される。一方、終了要求を受けたと判定された場合は（Ｓ９でＹ）、処理が終了される。
【００９５】
以上の説明からも明らかなように、濃度測定装置１０のＣＰＵ１１ａはさらに、特許請求の範囲に記載の印加時間判定手段及び濃度監視手段として機能している。
【００９６】
次に、上述した図９に示す処理を行う濃度測定装置１０を用いた濃度測定システムの本実施の形態の動作（作用）の一例を、以下に説明する。
【００９７】
濃度測定装置１０において、測定セル１中の試料ガスの濃度が算出されると、その濃度が判定閾値（判定条件）以上となっているか否かが判定され、判定閾値以上になっていると判定されると、制御回路（光源制御手段）１３によって所定周期Ｔにおける第１電圧の比率である印加時間Ｒ１が印加時間Ｒ２に短くされて光源２の制御が行われる。
【００９８】
よって、測定中に濃度が所定濃度以上になる等の電圧（第１電圧）Ｖ２の印加時間を短くする判定閾値（判定条件）をＲＯＭ１１ｂ等に予め用意しておき、算出した濃度がその判定条件を満たすときに、所定周期Ｔにおける電圧Ｖ２の比率を小さくして光源２の制御を行うことから、光源２に第１電圧を印加する時間が短くなるため、光源２の寿命をさらに延ばすことができるとともに、消費電力を低減させることができる。
【００９９】
また、濃度測定装置１０において、算出された濃度は監視され、その濃度が急激に変化したことが検出されると、μＣＯＭ１１から指示された制御回路（光源制御手段）１３によって所定周期Ｔが所定時間Ｔ−αに短くされて光源２の制御が行われる。
【０１００】
よって、測定中に濃度の急激な変化を検出すると所定周期Ｔから所定周期Ｔ−αに短くして光源２を制御し、その所定周期Ｔ−αに同期して光源２が発した赤外線を取り込むことから、濃度測定の応答を良くすることができるため、試料ガスの濃度が時間により変化する場合の測定精度を向上させることができる。
【０１０１】
次に、光源２に電圧Ｖ２を印加する際の他の実施の形態を、図１２に示す光源２に印加する第１電圧の他の制御例を説明するための図を参照して以下に説明する。
【０１０２】
上述した実施の形態では、光源２に電圧（第１電圧）Ｖ２を印加時間Ｒ１に渡って継続的に印加する場合について説明したが、図１２に示しように、印加時間Ｒ１において、電圧Ｖ２よりも低く、かつ、光源２が検出用赤外線若しくは参照用赤外線を発する電圧（第３電圧）Ｖ３と電圧（第１電圧）Ｖ２を所定周期Ｔよりも短い周期で繰り返すパルス信号となるように、制御回路１３によって制御することもできる。
【０１０３】
このように光源２に検出用赤外線若しくは参照用赤外線を発せさせるために電圧Ｖ２を印加する場合に、電圧Ｖ２より低く、かつ、光源２がそれらの赤外線を発する電圧Ｖ３と電圧Ｖ２を所定周期Ｔよりも短い周期で繰り返すパルス信号となるように制御することで、光源２に電圧（第１電圧）Ｖ２を印加する時間を短くすることができるため、光源２の寿命を延ばすことができ、光源２の経年変化による測定精度の低下を軽減することができる。
【０１０４】
次に、濃度測定装置１０において、光源２に印可させる電圧を算出した濃度に応じて変化させる場合の他の実施の形態を、図１３に示す光源２に印加する第１電圧を低下させる一例を説明するための図である。
【０１０５】
濃度測定装置１０のＣＰＵ１１ａが、電圧Ｖ２を印可させることで光源２が発した検出用赤外線若しくは参照用赤外線に基づいて測定セル１中の試料ガスの濃度を算出すると、その濃度が、ＲＯＭ１１ｂ等に予め記憶している、電圧（第１電圧）Ｖ２を低下させる低下条件を満たしているか否かを判定する。そして、判定条件を満たしているときに、所定周期Ｔを変更せずに、電圧Ｖ２を電圧Ｖ２’に低下させるように制御回路１３に対して指示を行う。そして、指示された制御回路１３は、可変抵抗１３４を変更して電圧Ｖ２’を光源２に印加する制御を行う。
【０１０６】
以上説明したように、濃度測定装置１０のＣＰＵ１１ａを特許請求の範囲に記載の電圧低下判定手段として機能させるようにすることで対応が可能であり、そのように濃度測定装置１０を変更することで、濃度の変化が小さい、濃度が一定閾値以上となる等の低下条件を測定した濃度が満たすと、電圧（第１電圧）Ｖ２を電圧（第３電圧）Ｖ２’に低下させて光源２を制御することから、濃度により電圧Ｖ２を抑えることができるため、より一層消費電力を低減させることができる。
【０１０７】
また、上述した本実施の形態では、透光部材３と赤外線センサ４が一対一の場合について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、検出用波長と参照用波長のそれぞれに対応する透光部材３を用いる場合は、その複数の透光部材３の各々に対応するように赤外線センサ４を用いるようにしても差し支えない。
【０１０８】
例えば、センサ出力をＳ、二酸化炭素濃度をＣ、１．５μｍ波長の濃度をＤ、二酸化炭素の係数をα、１．５μｍ波長の係数をβ、温度をＴとし、２つの赤外線センサ４を直列で逆接続すると、センサ出力はＳ＝（α＊Ｃ＋Ｔ）−（β＊Ｄ＋Ｔ）＝α＊Ｃ−β＊Ｄとなり、温度項が消えることから、センサ出力の温度特性を向上させることができる。
【０１０９】
このように２つの赤外線センサ４の電極を反対に接続することで（１つのセンサのプラスともう１つのセンサのマイナスを接続）、センサ出力は温度項を含まないものとすることができる。よって、濃度測定装置１０は、温度項を含まないセンサ出力を取り込み、そのセンサ出力に基づいて濃度を算出するので、温度変化等の影響を排除することができ、測定精度を向上させることができる。
【０１１０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載した本発明の濃度測定装置によれば、光源に検出用波長に対応する検出用赤外線と検出用波長及び参照用波長に対応する参照用赤外線とを発せさせ、測定セルを通って透過部材を透過した検出用赤外線と参照用赤外線を検出したセンサが出力する検出用出力と参照用出力に対し、ランバート・ベールの法則を用いると、検出用出力及び参照用出力の各々が、検出用濃度と吸光係数と透過距離とを乗じた値に、参照用濃度と参照用吸光係数と透過距離とを乗じた値を加算した値に等しいという関係を示す連立方程式が成り立ち、この連立方程式中の被検物質の吸収がある検出用濃度とその吸収がない参照用濃度との比は、被検物質の濃度に比例することから、その比と被検物質との関係式等を示す濃度変換係数を予め定めておくことで、センサから取り込んだ検出用出力と参照用出力に基づいて被検物質の正確な濃度を算出することができる。しかも、光源の劣化、センサの劣化、環境の変化、電源電圧の変動、ノイズ等はセンサ出力比率に影響するため、その比率は検出用濃度と参照用濃度に係るが、検出用濃度と参照用濃度の比を算出することで打ち消されるため、その影響を排除することができる。したがって、光源の劣化、センサの劣化、環境の変化、電源電圧の変動、ノイズ等による測定精度の低下を防止することができる。
【０１１１】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、第１電圧及び第２電圧を所定周期で繰り返すパルス信号によって光源１を点滅制御し、その周期所定周期に同期して光源が発した検出用赤外線若しくは参照用赤外線を取り込むようにしたことから、ノイズ等の影響を最小に抑えることができる。また、光源を点滅制御することで、光源による熱の揺らぎの発生を防止することができるとともに、測定セル中の試料ガスが暖められて膨張し、濃度が変化することを防止することができるため、測定精度の向上と光源の省電力を図ることができる。
【０１１２】
請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の効果に加え、光源を動作させる定格電圧よりも小さな電圧値となるように第１電圧を設定していることから、光源の寿命を延ばすことができるため、光源の経年変化による測定精度の低下を軽減することができる。
【０１１３】
請求項４に記載の発明によれば、請求項２又は３に記載の発明の効果に加え、光源に検出用赤外線若しくは参照用赤外線を発せさせるために第１電圧を印加する場合に、第１電圧よりも低く、かつ、光源がそれらの赤外線を発する第３電圧と第１電圧を所定周期よりも短い周期で繰り返すパルス信号となるように制御していることから、光源に第１電圧を印加する時間が短くなるため、光源の寿命をさらに延ばすことができ、光源の経年変化による測定精度の低下を軽減することができる。
【０１１４】
請求項５に記載の発明によれば、請求項２〜４の何れかに記載の発明の効果に加え、測定中に濃度が所定濃度以上になる等の第１電圧の印加時間を短くする判定条件を用意しておき、算出した濃度がその判定条件を満たすときに、所定周期における第１電圧の比率を小さくして光源の制御を行うことから、光源に第１電圧を印加する時間が短くなるため、光源の寿命をさらに延ばすことができるとともに、消費電力を低減させることができる。
【０１１５】
請求項６に記載の発明によれば、請求項２〜５の何れかに記載の発明の効果に加え、測定中に濃度の急激な変化を検出すると所定周期を短くして光源を制御し、その所定周期に同期して光源が発した赤外線を取り込むことから、濃度測定の応答を良くすることができるため、試料ガスの濃度が時間により変化する場合の測定精度を向上させることができる。
【０１１６】
請求項７に記載の発明によれば、請求項２〜６の何れかに記載の発明の効果に加え、濃度の変化が小さい、濃度が一定閾値以上となる等の低下条件を測定した濃度が満たすと、第１電圧を低下させて光源を制御することから、濃度により電圧を抑えることができるため、より一層消費電力を低減させることができる。
【０１１７】
以上説明したように請求項８に記載した本発明の濃度測定システムによれば、測定セルと光源と透過部材とセンサと本発明の濃度測定装置によって濃度測定システムを構成することで、測定セルが汚れたり、光源、センサに経年変化等による劣化が発生しても、濃度測定装置１０によってそれらの影響を排除することができるため、従来のようにファブリ・ペロー干渉計等を用いる必要がなくなることから、システム構成を複雑化することなく、測定精度の低下を防止することができ、また、システムの点検や部品交換の頻度を低減することができる。
【０１１８】
請求項９に記載の発明によれば、請求項８に記載の発明の効果に加え、測定セルを出射した赤外線をセンサに集光させる集光部材を設けていることから、センサに真っ直ぐに向かう赤外線の他に、反射した赤外線もセンサに集光させることができるため、センサの感度の向上により、測定精度をより一層向上させることができる。
【０１１９】
請求項１０に記載の発明によれば、請求項８又は９に記載の発明の効果に加え、測定セル中の温度を温度センサによって測定し、その温度に基づいて光源が発する赤外線の光量を安定させるように、光源に印加させる電圧を定めていることから、温度が低いときは光源に印加する電圧を上げるように設定することで、光源の温度を速く安定させることができ、また、経年変化に伴う光源の温度変化も安定させることができるため、光源が発する赤外線の光量が安定することになり、測定精度をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の濃度測定装置及び濃度測定システムの基本構成を示す図である。
【図２】二酸化炭素の吸収スペクトラムを示したグラフである。
【図３】本発明の濃度測定装置及び濃度測定システムの概略構成を示す構成図である。
【図４】光源が黒体炉の場合の波長と放射エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図５】大気中の波長と透過率との関係を示すグラフである。
【図６】図３の制御回路の一例を示す構成図である。
【図７】光源の制御の一例を説明するための図である。
【図８】濃度算出装置のＣＰＵが実行する本発明に係る濃度算出処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】濃度測定装置のが実行する本発明に係る処理概要の一例を示すフローチャートである。
【図１０】光源の印加時間の変更例を説明するための図である。
【図１１】光源の制御を行う所定周期の変更例を説明するための図である。
【図１２】光源に印加する第１電圧の他の制御例を説明するための図である。
【図１３】光源に印加する第１電圧を低下させる一例を説明するための図である。
【符号の説明】
１            測定セル
２            光源
３            透過部材
４            赤外線センサ
５            集光部材
６            温度センサ
１０          濃度測定装置
１１ａ１      検出用出力取込手段（ＣＰＵ）
１１ａ２      参照用出力取込手段（ＣＰＵ）
１１ａ３      第１算出手段（ＣＰＵ）
１１ａ４      第２算出手段（ＣＰＵ）
１１ａ５      印加時間判定手段（ＣＰＵ）
１１ａ６      濃度監視手段（ＣＰＵ）
１１ａ７      電圧低下判定手段（ＣＰＵ）
１３          光源制御手段（制御回路）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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