(57)【要約】【課題】測定精度を向上させたガス濃度測定装置を提供する。【解決手段】赤外光源から放射された赤外線を、回転可能なチョッパ及びガス相関セルを介して、試料ガスが導入された試料セルに断続的に入射させ、試料セルを透過した赤外線の光量を検出器により検出して試料ガス中の測定対象ガス濃度を演算する赤外線吸収方式のガス濃度測定装置であり、チョッパ（回転セクタ）の回転位置検出信号が変化するタイミングを用いて検出器の出力信号の所定期間のデータを演算手段に取り込み、測定対象ガス濃度を求めるガス濃度測定装置に関する。チョッパ１２の回転位置を検出するためのフォトセンサＰを、チョッパ１２の回転軸Ｃと赤外光源の光軸Ｒとを結ぶ直線上であって、前記光軸Ｒに近接した位置に配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外光源から放射された赤外線を、回転可能なチョッパ及びガス相関セルを介して、試料ガスが導入された試料セルに断続的に入射させ、前記試料セルを透過した赤外線の光量を検出器により検出して前記試料ガス中の測定対象ガス濃度を演算する赤外線吸収方式のガス濃度測定装置であって、
前記チョッパの回転位置検出信号が変化するタイミングを用いて前記検出器の出力信号の所定期間のデータを演算手段に取り込み、測定対象ガス濃度を求めるようにしたガス濃度測定装置において、
前記チョッパの回転位置を検出するための位置検出器を、前記チョッパの回転軸と前記赤外光源の光軸とを結ぶ直線上であって、前記光軸に近接した位置に配置することを特徴とするガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス相関法による赤外線吸収方式のガス濃度測定装置に関し、詳しくは、ガス相関セル（ガス相関フィルタ）及びチョッパ（回転セクタ）の回転軸に対してチョッパの幾何学的な中心位置が偏芯している場合に生じるサンプリングタイミングのずれを解消するようにしたガス濃度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス相関法は、ＣＯ，ＣＯ２を始めとした各種のガス濃度の測定に使用されている。その原理は、ＣＯ等の測定対象ガスを含む試料ガスが導入される試料セルと、この試料セルに赤外光を入射させる赤外光源との間に、測定対象ガスを封入した測定対象ガスセルとＮ２等の不活性ガス（ゼロガス）を封入した比較ガスセルとを有するガス相関セルを配置し、このガス相関セルを回転させて、赤外光の光路上に測定対象ガスを介在させた時の試料セルの透過赤外光量と、不活性ガスを介在させた時の試料セルの透過赤外光量との差を測定することにより、試料ガス中の測定対象ガス濃度を測定するものである。
【０００３】
図４はこの種のガス濃度測定装置の一例を示す全体構成図であり、１１は赤外光源、１２はチョッパ、１３はチョッパ１２と一体的に回転するガス相関セル、１３ａは測定対象ガスセル、１３ｂは比較ガスセル、１４はバンドパスフィルタ、１５は試料セル、１６ａ〜１６ｃはミラー、２０は測定対象ガスセル１３ａまたは比較ガスセル１３ｂを経て試料セル１５を透過した赤外光を検出し、その透過赤外光量を電気信号に変換する検出器である。
検出器２０の出力信号は図示されていない増幅回路に送られ、その後、Ａ／Ｄ変換されてディジタル信号処理回路に送られる。このディジタル信号処理においては、比較ガスセル１３ｂを透過した時の透過赤外光量と測定対象ガスセル１３ａを透過した時の透過赤外光量との差分を演算することにより試料ガス中の測定対象ガス濃度が算出され、このガス濃度は記録計や表示装置等に出力されることになる。
【０００４】
ここで、上記チョッパ１２はノイズを低減するために赤外光をチョッピングして試料セル１５に導入するべく設けられている。
また、チョッパ１２の回転による遮光／通光に同期した信号を用いて、検出器２０の出力信号からゼロデータ／サンプルデータを取り出すために、チョッパ１２の回転位置を回転位置検出器としてのチョッパ用フォトセンサにより検出している。更に、検出器２０の出力信号をサンプル周期（赤外光が測定対象ガスセル１３ａを透過する期間）とリファレンス周期（赤外光が比較ガスセル１３ｂを透過する期間）とに区分する必要があるので、測定対象ガスセル１３ａと比較ガスセル１３ｂとの切り替えをガス相関セル用フォトセンサにより検出している。
このようなガス相関法を用いたガス濃度測定装置は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１８４５６２号公報（［０００１］〜［０００３］，図１，図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、図５は、チョッパ１２及びその中心位置（幾何学的中心位置）１２’、回転軸Ｃ、赤外光源の光軸Ｒ、チョッパ用フォトセンサＰの位置関係を示す図であり、１２ａは赤外光が透過するチョッパ１２の窓である。
なお、図４と図５とでは、チョッパ１２の形状、構造が異なっているが、図４はあくまでガス濃度測定装置の全体構成を説明するための概略図であって、例えばチョッパ１２の具体的形状、構造等を表したものではない。
【０００７】
図５（ａ）に示すように、チョッパ１２の中心位置１２’は、理想的にはチョッパ１２の回転軸Ｃ（ガス相関セル１３の回転軸と同一である）と一致させなくてはならない。すなわち、中心位置１２’と回転軸Ｃとが一致することにより、チョッパ用フォトセンサＰの出力信号が変化するタイミングと、チョッパ１２によって遮光／通光される赤外光の変化するタイミングとが一致するので、上記フォトセンサＰの出力信号を用いて、検出器２０の出力信号からゼロデータ、サンプルデータを取り込むタイミングを決定することができる。
【０００８】
しかしながら、チョッパ１２の取付誤差等に起因して、図５（ｂ）に示す如く中心位置１２’と回転軸Ｃとが一致せずに偏芯している場合、赤外光の遮光／通光がチョッパ１２の窓１２ａによって切り替わるタイミングと、フォトセンサＰによる回転位置検出光がチョッパ１２によって切り替わるタイミングとの間に時間的ずれが発生する。つまり、図６に示すように、検出器２０の出力信号とフォトセンサＰの出力信号との間に時間的ずれを生じる。
【０００９】
これを赤外光の遮光／通光がチョッパ１２の窓１２ａによって切り替わる瞬間に着目すると、図５（ｂ）に示すような位相差θとなって現れる。ここで、位相差θは、チョッパ１２の中心位置１２’と赤外光源の光軸Ｒとを結ぶ直線と、前記中心位置１２’とチョッパ用フォトセンサＰの光軸とを結ぶ直線と、の交差角度である。
【００１０】
図７（ａ）は、上述したチョッパ１２の偏芯がない正常時における検出器出力信号、チョッパ用フォトセンサ出力信号、ガス相関センサ用フォトセンサ出力信号を示し、図７（ｂ）は、チョッパ１２の偏芯がある場合の検出器出力信号、チョッパ用フォトセンサ出力信号を示している。なお、図７（ｂ）は、実質的に図６と同様のものである。
【００１１】
ガス濃度測定装置の検出器以降の演算手段では、図７（ａ）において、チョッパ用フォトセンサ出力信号の１周期を１セクタとし、リファレンス周期、サンプル周期のそれぞれについて、連続する複数セクタの範囲内で検出器出力信号を取り込むように構成されている。また、１セクタ内では、チョッパ用フォトセンサ出力信号が「Ｈ」レベル（通光）、「Ｌ」レベル（遮光）のそれぞれの期間で複数のサンプルデータ、ゼロデータを連続的に取り込んでいる。
そして、リファレンス周期、サンプル周期におけるすべてのサンプルデータ、ゼロデータを用いて、最終的に試料セル内の測定対象ガス濃度を演算処理により求めている。
【００１２】
チョッパ１２の偏芯がない正常時には、図７（ａ）のように、チョッパ用フォトセンサ出力信号の「Ｈ」レベル期間、「Ｌ」レベル期間に従って検出器出力信号のサンプルデータまたはゼロデータを最大限の期間にわたって取り込むことができるが、偏芯がある場合には、図７（ｂ）のように、前記「Ｈ」レベル期間、「Ｌ」レベル期間と検出器出力信号との間に時間的ずれが生じるため、サンプルデータまたはゼロデータを取り込む期間が短くなる。
従って、演算手段では、検出器出力信号の中から本来無効なデータを取り込んでしまい、これによって有効データ数が少なくなる等の弊害があり、その結果、目的とするガス濃度の測定精度が低下するという問題があった。
【００１３】
なお、前述した特許文献１には、ガス相関セル及びチョッパ駆動用のモータの回転数変動に伴う検出器出力の変動をなくすために、制御手段の基本パルスに同期させて前記モータを回転駆動すると共に、前記基本パルスに同期させて検出光の強度を積分するガス濃度測定装置が記載されているが、チョッパの偏芯による測定精度の低下という問題や、その解決手段については何ら開示されていない。
【００１４】
そこで本発明の解決課題は、チョッパの中心位置と回転軸との間に偏芯がある場合にも、検出器出力信号から取り込む有効データ数を増加させて測定精度を向上させたガス濃度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、赤外光源から放射された赤外線を、回転可能なチョッパ及びガス相関セルを介して、試料ガスが導入された試料セルに断続的に入射させ、前記試料セルを透過した赤外線の光量を検出器により検出して前記試料ガス中の測定対象ガス濃度を演算する赤外線吸収方式のガス濃度測定装置であって、
前記チョッパの回転位置検出信号が変化するタイミングを用いて前記検出器の出力信号の所定期間のデータを演算手段に取り込み、測定対象ガス濃度を求めるようにしたガス濃度測定装置において、
前記チョッパの回転位置を検出するためのフォトセンサ等の位置検出器を、前記チョッパの回転軸と前記赤外光源の光軸とを結ぶ直線上であって、前記光軸に近接した位置に配置したものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、チョッパ用フォトセンサの位置を適切に設定することにより、前記フォトセンサの中心位置と回転軸とが一致せずに偏芯している場合にも、検出器出力信号と前記フォトセンサの出力信号との時間的ずれを小さくすることができる。このため、チョッパ用フォトセンサの出力信号に基づいて検出器出力信号から演算手段等の信号処理系に取り込まれるデータを所要数だけ確保することが可能である。
従って、有効データ数の減少を防いでガス測定精度を従来よりも向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
前述したように、図６や図７（ｂ）に示した検出器出力信号とチョッパ用フォトセンサ出力信号との時間的ずれは、図５（ｂ）における位相差θに起因しているが、発明者は、赤外光源の光軸Ｒを中心としたチョッパ用フォトセンサＰの位置に応じた前記位相差θの挙動について考察した。
【００１８】
図１（ａ）,（ｂ）,（ｃ）は、赤外光源の光軸Ｒを中心としてチョッパ用フォトセンサＰの配置角度を０°，９０°，１８０°に変化させた場合の、チョッパの中心位置１２’、回転軸Ｃ、赤外光源の光軸Ｒ、チョッパ用フォトセンサＰの位置関係を示す図である。
なお、図１（ａ）の状態をフォトセンサＰの配置角度が０°の状態とし、図１（ｂ）が９０°、図１（ｃ）が１８０°の場合である。また、何れの場合も、チョッパの中心位置１２’と回転軸Ｃとの間の偏芯量をｄとしてある。
【００１９】
ここで、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）における位相差θ０，θ９０，θ１８０の大小関係を比較すると、θ０＜θ９０＜θ１８０となっていることが明らかである。
なお、位相差を具体的に定義すると、チョッパ１２の中心位置１２’と赤外光源の光軸Ｒとを結ぶ直線と、中心位置１２’とチョッパ用フォトセンサＰの光軸とを結ぶ直線と、の交差角度から、チョッパ用フォトセンサＰの配置角度（図１（ａ），（ｂ），（ｃ）ではそれぞれ０°，９０°，１８０°）を減じた角度である。
【００２０】
従って、図１（ａ）のようにチョッパ用フォトセンサＰの配置角度を０°にすること、言い換えれば、チョッパ用フォトセンサＰを、回転軸Ｃと赤外光源の光軸Ｒとを結ぶ直線上に配置することが望ましく、更には、赤外光源の光軸Ｒにできるだけ近接した位置に配置することにより、上記位相差を最小にすることができる。
これによって、図６や図７（ｂ）における、検出器出力信号とチョッパ用フォトセンサＰの出力信号との時間的ずれを小さくすることができ、チョッパ用フォトセンサＰの出力信号が変化するタイミングに基づいて決定される検出器出力信号の有効期間を長くして、この有効期間を対象として演算手段に取り込まれるサンプルデータ、リファレンスデータ（図７参照）を所要数だけ確保することが可能になる。
【００２１】
図２は、この実施形態に係るガス濃度測定装置の主要部を示す構成図であり、赤外光源１１、チョッパ１２、ガス相関セル１３、チョッパ用フォトセンサＰ、ガス相関セル用フォトセンサＱ等からなる検出ユニット３０の側面図である。なお、図２において、Ｍはチョッパ１２及びガス相関セル１３を駆動するためのモータ、１５は試料セル、３１は赤外光が透過する窓、Ｒは赤外光源の光軸を示す。
【００２２】
また、図３は、図２の右側面図に相当するものであり、チョッパ用フォトセンサＰは回転軸Ｃと赤外光源の光軸Ｒとを結ぶ直線上であって、前記光軸Ｒに比較的近い位置に配置されている。なお、図３では、赤外光源１１の位置を明確にするために、赤外光源１１及びその支持部材を便宜的に実線で示してあるが、図２からも明らかなように、赤外光源１１は、実際には図３におけるチョッパ１２の背後に配置されている。
図３から明らかなように、この例は、図１（ａ）のようにチョッパ用フォトセンサＰの配置角度を０°とした例であり、前述した如く、位相差の最小化すなわち時間的ずれの最小化が可能な例である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態におけるチョッパの中心位置、回転軸、赤外光源の光軸、チョッパ用フォトセンサの位置関係を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るガス濃度測定装置の検出ユニットの側面図である。
【図３】図２の右側面図である。
【図４】ガス濃度測定装置の一例を示す全体構成図である。
【図５】ガス濃度測定装置におけるチョッパ、その中心位置、回転軸、赤外光源の光軸、チョッパ用フォトセンサの位置関係を示す図である。
【図６】チョッパが偏芯している場合の検出器出力信号及びチョッパ用フォトセンサ出力信号を示す図である。
【図７】検出器出力信号、チョッパ用フォトセンサ出力信号、ガス相関センサ用フォトセンサ出力信号を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１１：赤外光源
１２：チョッパ（回転セクタ）
１２’：チョッパの中心位置
１２ａ：チョッパの窓
１３：ガス相関セル
１３ａ：測定対象ガスセル
１３ｂ：比較ガスセル
１４：バンドパスフィルタ
１５：試料セル
１６ａ〜１６ｃ：ミラー
２０：検出器
３０：検出ユニット
３１：窓
Ｃ：回転軸
Ｍ：モータ
Ｐ：チョッパ用フォトセンサ
Ｑ：ガス相関セル用フォトセンサ
Ｒ：赤外光源の光軸
θ，θ０，θ９０，θ１８０：位相差
【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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