(57)【要約】【課題】ガス濃度の検出感度を良好にしかつコストの安い気体サンプル室及びガス濃度測定装置を提供すること。【解決手段】筒状に形成されかつ乱反射防止処理が施されていない内周面を有し、被測定ガスが充填される気体セル（２）と、気体セル（２）の一端部に配置されて赤外線を放射する光源（８）と、気体セル（２）の他端部に配置され、気体セル（２）の他端部に接する開口部を有する収容室（６ａ）を有するセンサホルダー（６）と、センサホルダー（６）の収容室（６ａ）に開口部から間隔をおいた奥部へ収容され、光源（８）から気体セル（２）の内部を通じて導かれる赤外線を検出する赤外線センサ（１０）と、を備え、センサホルダー（６）の収容室（６ａ）の内面に、黒体処理が施されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状に形成されかつ乱反射防止処理が施されていない内周面を有し、被測定ガスが充填される気体セルと、
前記気体セルの一端部に配置されて赤外線を放射する光源と、
前記気体セルの他端部に配置され、前記気体セルの他端部に接する開口部を有する収容室を有するセンサホルダと、
前記センサホルダの前記収容室に前記開口部から間隔をおいた奥部へ収容され、前記光源から前記気体セルの内部を通じて導かれる前記赤外線を検出する赤外線センサと、
を備え、
前記センサホルダの前記収容室の内面に、黒体処理が施されていることを特徴とする気体サンプル室。
【請求項２】
請求項１記載の気体サンプル室において、
前記センサホルダはアルミニウムで形成されており、
前記収容室の内面に、黒アルマイト処理が施されていることを特徴とする気体サンプル室。
【請求項３】
請求項１または２に記載の気体サンプル室と、
前記赤外線センサが検出した前記赤外線の強さに基づいて、前記気体セル内の前記被測定ガスの濃度を算出する濃度算出部と、
を備えた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、例えば、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素などの被測定ガスの濃度を測定するために用いられる気体サンプル室及びこの気体サンプル室を備えるガス濃度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素などの被測定ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置には、従来、種々の気体サンプル室が用いられてきた。このような気体サンプル室は、内部が密閉された筒状の気体セルとしての中空チューブと、中空チューブの一端部に設けられた光源と、中空チューブの他端部に設けられた赤外線センサとを備えている。
【０００３】
中空チューブは、例えば、銅や鉄などの金属製の円柱体を円筒形状に切削加工した後、その内周面を平滑にするために機械研磨（バフ研磨など）が施されて形成されている。中空チューブには、その内部に、濃度が測定される所定の気体を含む雰囲気などが導入される気体導入孔、及び、該雰囲気などを排出する気体導出孔が設けられている。
【０００４】
光源は、白熱ランプであり、赤外線（即ち、赤外光）を放射する。赤外線センサは、受光素子と、この受光素子と光源との間に配置されて所定の波長の赤外線のみを透過する透過部材としての光学バンドパスフィルタ（以下、「フィルタ」という）と、を備えている。この赤外線センサは、赤外線の強さに応じた電圧を出力する。フィルタを透過する赤外線の波長は、濃度が測定される対象となる気体に応じて定められる。例えば、測定対象の気体の濃度が０ｐｐｍから数千ｐｐｍの比較的低濃度の範囲内であれば、フィルタを透過する赤外線の波長として、測定対象の気体によって最も減衰しやすい赤外線波長を選択するなどして、このフィルタは、測定対象の気体に応じて適切に選択される。
【０００５】
このような気体サンプル室即ちガス濃度測定装置は、気体導入孔を通じて中空チューブ内に雰囲気を供給し、フィルタを介して赤外線センサが受光した光源からの赤外線の強さを測定することで、この雰囲気に含まれる前述した測定対象の気体の濃度を測定していた。
【０００６】
しかしながら、上述したフィルタは、該フィルタ面に対して垂直又は垂直に近い角度で入射した赤外線を、その波長に応じて選別（通過又は遮断）するものであるところ、上述した気体サンプル室で用いられる中空チューブは、その内周面が機械研磨によって平滑にされているので、光学的にみると表面が粗く形成されており、赤外線を様々な方向に乱反射（拡散反射）してしまい、そのため、この乱反射された赤外線のうち中空チューブの軸方向に対して直角に近い角度に反射されたものが、上述したフィルタ面に対してななめ方向（フィルタ面と平行に近い方向、即ち、垂直でない方向）から入射してしまって、フィルタによる赤外線波長毎の選別が正常に機能せず、本来フィルタによって遮断される波長の赤外線がフィルタを通過して、濃度測定の精度が悪化してしまうという問題があった。
【０００７】
そこで、出願人は、気体セルの内周面を黒体処理することにより乱反射をなくして濃度測定の精度が悪化しないようにする技術を提案している（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−０６０４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、気体セルの内周面を黒体処理するものは、気体セルの内周面からの乱反射がなくなるが、赤外線センサの出力が減少してガス濃度の検出感度が下がりかつコスト高になるという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、ガス濃度の検出感度を良好にしかつコストの安い気体サンプル室及びガス濃度測定装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための請求項１記載の発明の気体サンプル室は、筒状に形成されかつ乱反射防止処理が施されていない内周面を有し、被測定ガスが充填される気体セル（２）と、前記気体セル（２）の一端部に配置されて赤外線を放射する光源（８）と、前記気体セル（２）の他端部に配置され、収容室（６ａ）を有するセンサホルダ（６）と、前記センサホルダ（６）の前記収容室（６ａ）に前記開口部から間隔をおいた奥部へ収容され、前記光源（８）から前記気体セル（２）の内部を通じて導かれる前記赤外線を検出する赤外線センサ（１０）と、を備え、前記センサホルダ（６）の前記収容室（６ａ）の内面に、黒体処理が施されていることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決するための請求項２記載の発明は、請求項１記載の気体サンプル室において、前記センサホルダはアルミニウムで形成されており、前記収容室（６ａ）の内面に、黒アルマイト処理が施されていることを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決するための請求項３記載の発明のガス濃度測定装置は、請求項１または２に記載の気体サンプル室（１）と、前記赤外線センサ（１０）が検出した前記赤外線の強さに基づいて、前記気体セル内の前記被測定ガスの濃度を算出する濃度算出部（２３）と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
なお、上述の課題を解決するための手段の説明における参照符号は、以下の、発明を実施するための形態の説明における構成要素の参照符号に対応しているが、これらは、特許請求の範囲の解釈を限定するものではない。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１、２、３に記載された発明によれば、気体セルは筒状に形成されかつ乱反射防止処理が施されていない内周面を有し、内部に赤外線センサを収容するセンサホルダは収容室の内面に黒体処理が施されているので、その内面において赤外線を吸収して乱反射を防ぐことができ、赤外線センサに到達するノイズが少なくなって乱反射による悪影響が軽減され、赤外線センサ１０に到達する赤外線が従来より増加するため、ゲイン、スパンを向上させ、検出感度、分解能を良くすることができる。また、長い円筒状の気体セルの内周面を黒体処理（乱反射防止処理）せずに、センサホルダーの収容室の内面を黒体処理するだけなので、安価なコストで製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る気体サンプル室の一実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の気体サンプル室の概略断面図である。
【図３】図１の気体サンプル室における赤外線センサの構成を示す概略断面図である。
【図４】二酸化炭素の吸収スペクトラムを示すグラフである。
【図５】本発明に係るガス濃度測定装置の一実施形態の構成を示す説明図である。
【図６】図５のガス濃度測定装置における受光回路の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の気体サンプル室の性能測定実験を行うための模式的構成図である。
【図８】性能測定実験で使用される光源供給電圧及びセンサ出力の波形図である。
【図９】測定実験結果としての黒アルマイト処理の有無による各波長の出力特性図である。
【図１０】測定実験結果としての黒アルマイト処理の有無による各センサ比特性図である。
【図１１】測定実験結果としての黒アルマイト処理の有無による４．０μｍ用赤外線センサのＬｏｗ出力比較特性図である。
【図１２】測定実験結果としての黒アルマイト処理の有無による４．０μｍ用赤外線センサのＨｉ出力比較特性図である。
【図１３】測定実験結果としての黒アルマイト処理の有無による４．３μｍ用赤外線センサのＬｏｗ出力比較特性図である。
【図１４】測定実験結果としての黒アルマイト処理の有無による４．３μｍ用赤外線センサのＨｉ出力比較特性図である。
【図１５】測定実験結果としての黒アルマイト／アルミ無垢赤外線センサの出力比の比較特性図である。
【図１６】測定実験結果としての４．０μｍ用赤外線センサ０−１０００ｐｐｍ出力差特性を示す図である。
【図１７】測定実験結果としての４．３μｍ用赤外線センサ０−１０００ｐｐｍ出力差特性を示す図である。
【図１８】測定実験結果としての４．３／４．０μｍ用赤外線センサ０−１０００ｐｐｍ出力差特性を示す図である。
【図１９】Beer-Lambertの法則を説明する説明図である。
【図２０】光学バンドパスフィルタの性質を説明する説明図である。
【図２１】光学バンドパスフィルタの特性を説明する特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（気体サンプル室の実施形態）以下、本発明の一実施形態に係る気体サンプル室を、図１〜図３を参照して説明する。
【００１８】
気体サンプル室１は、図１及び２に示すように、気体セル２と、気体セル２の両端部に嵌合固定されたフランジ３及び４と、フランジ３に固定された光源ホルダー５と、フランジ４に固定されたセンサホルダー６と、を備えている。
【００１９】
気体セル２は、その内部を通じて一端部から他端部へ光源からの赤外線を導く導管である。気体セル２は、例えば、アルミニウムやジュラルミン等の金属管やガラス管などからなり、円筒状に形成されている。気体セル２の内周面には、黒体処理等の乱反射防止加工が施されていない。
【００２０】
光源ホルダー５の一端部には、図示しない気体導入孔が設けられ、センサホルダー６の一端部には図示しない気体導出孔が設けられている。上記気体導入孔には、図示しない気体供給源が接続されている。この気体供給源は、被測定ガスを含んだ雰囲気を気体導入孔から強制的に気体セル２内に送り込む。そして、気体セル２内に送り込まれた上記雰囲気は、気体導出孔から排出される。なお、気体導入孔及び気体導出孔を定めているが、入口、出口は逆でもよい。
【００２１】
光源ホルダー５には、光源ユニット７が収容されている。光源ユニット７は、光源８及びリフレクタ９を備えている。光源８は、電圧が印加されることで、光としての赤外線を気体セル２の一端部から他端部に向かって放射する。光源８として、例えば黒体炉、白熱ランプ等が用いられる。リフレクタ９は、光源８から出射された光を反射して、気体セル２の他端部へ向かう平行光にする。光源８は、例えば、点灯時間０．６秒、消灯時間２．４秒の所定間隔で点灯・消灯を繰り返すパルス点灯を行う。
【００２２】
センサホルダー６は、円筒状の気体セル２の内径に合うように位置決めされた同一内径の貫通孔６ａを有するアルミニウム製のホルダーである。貫通孔６ａは、気体セル（２）の他端部に接する開口部を有する。貫通孔６ａの内面には、赤外線が乱反射しないように黒体処理が施されている。黒体処理は、内面における赤外光の反射を無くす（即ち、放射率を１に近くする）無反射処理のことである。黒体処理は、例えば、黒アルマイト処理により行われる。黒アルマイト処理された貫通孔６ａは、赤外線センサ１０を収容する収容室として使用される。赤外線センサ１０は、貫通孔６ａにおける気体セル２に近い側の端部（開口部）から所定の間隔をおいた奥部、すなわち気体セル２から遠い側の端部（気体セル２から遠い側の開口部）付近、に収容され保持される。
【００２３】
赤外線センサ１０は、図３に示すように、センサ本体１１と、複数（この実施形態では２個）の受光素子１２ａ及び１２ｂと、複数（この実施形態では２個）の透過部材１３ａ及び１３ｂと、を備えている。センサ本体１１は、センサホルダー６の貫通孔６ａの内周面に沿う円筒状に形成されている。
【００２４】
受光素子１２ａ及び１２ｂは、熱電堆式赤外線センサを構成するサーモパイルからなる。サーモパイルは、複数の熱電対を直列に接続して出力電圧を高めた、周知の熱−電圧エネルギー変換素子である。サーモパイルの温接点は、光源からの赤外線を受光するように、透過部材１３ａ及び１３ｂと向かい合うように配設されており、また、サーモパイルの冷接点は、センサホルダー６と熱的に接続されている。受光素子１２ａ及び１２ｂは、センサ本体１１の底部の同一平面上に配置されている。透過部材１３ａ及び１３ｂは、センサ本体の開口部１１ａ及び１１ｂの外側の同一平面上に配置されている。赤外線センサ１０は、光源８が発しかつ透過部材１３ａ及び１３ｂを透過した赤外線を受光し、この赤外線の熱を電気エネルギーに変換する。赤外線センサ１０は、赤外線の熱を電気エネルギーに変換して、センサ出力として、後述するガス濃度測定装置２０のμｃｏｍ２３に出力する。
【００２５】
透過部材１３ａ及び１３ｂは、干渉フィルタ等の周知の光学バンドパスフィルタであり、センサ本体１１に取り付けられて、赤外線センサ１０と光源８との間に配置されている。透過部材１３ａ及び１３ｂは、それぞれ、光源８からの赤外線のうち予め定められた波長の赤外線のみを透過して、当該透過した波長の赤外線を赤外線センサ１０まで導く。透過部材１３ａ及び１３ｂは、透過する赤外線の波長が互いに異なっている。
【００２６】
透過部材１３ａ及び１３ｂが透過する赤外線の波長は、後述するガス濃度測定装置２０によって濃度を測定される被測定ガスの種類に応じて定められる。この実施形態では、被測定気体の濃度範囲が０ｐｐｍから数千ｐｐｍの範囲内の低濃度の検出を可能としたものであり、透過部材１３ａ及び１３ｂが透過する赤外線の波長は、被測定ガスに対する透過率が小さな赤外線の波長にされる。例えば、受光素子１２ａは、測定基準となるリファレンス用素子として用いられ、透過部材１３ａは、大気中で全く減衰しない、波長４．０μｍの赤外線のみを透過する。また、受光素子１２ｂは、例えば二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度を測定するために用いられ、その透過部材１３ｂは、前述した二酸化炭素（ＣＯ２）中で減衰しやすい、波長４．３μｍの赤外線のみを透過する。透過部材１３ａ及び１３ｂは、入射する赤外線の角度が入射面に対して垂直に近いと、予め定められた波長のみを精度良く透過し、入射する赤外線の角度がその面に対して水平に近いと、予め定められた波長以外の波長も透過してしまう性質を有する。
【００２７】
図４は、二酸化炭素（ＣＯ２）に対する赤外線の透過率を示しており、図４中の横軸は赤外線の波長（μｍ）を示し、縦軸は赤外線の透過率（％）を示している。図４によれば、波長４．３μｍの赤外線の二酸化炭素中の透過率が、ほぼ零であることが示されており、波長４．３μｍの赤外線は、二酸化炭素中を殆ど透過しない（殆ど吸収されてしまう）ことが示されている。
【００２８】
以上のような構成を有する気体サンプル室１では、気体セル２に被測定ガスとして例えば二酸化炭素（ＣＯ２）を含む雰囲気が充填されたとき、光源８から出射される赤外線は、気体セル（２）の内部を通じて赤外線センサ１０へ導かれる。このとき、気体セル２の内周面は乱射反射防止処理が施されていないので、気体セル２中を導かれる赤外線は、平行光と乱反射光が含まれる。しかしながら、センサホルダー６の貫通孔６ａの内面がアルマイト処理されているので、気体セル２から貫通孔６ａの開口部に達した赤外線のうち、気体セル２に近い側の貫通孔６ａの端部から赤外線センサ６が保持されている所までの所定間隔のアルマイト処理された内面に当たる乱反射光は、その内面で吸収される。したがって、気体セル２の軸方向とほぼ平行な赤外線のみが、貫通孔６ａの後方に配置された赤外線センサ１０の受光素子１２ａ及び１２ｂに導かれる。
【００２９】
このように、本発明による気体サンプル室によれば、センサホルダー６における赤外線センサ１０の収容室である貫通孔６ａの内面において赤外線を吸収して乱反射を防ぐことができ、赤外線センサ１０に到達するノイズ光が少なくなってそれによる悪影響が軽減されると共に、赤外線センサ１０に到達する赤外線が従来より増加するため、ゲイン、スパンを向上させ、検出感度、分解能を良くすることができる。また、長い円筒状の気体セル２の内周面を黒体処理（乱反射防止処理）せずに、センサホルダー６の貫通孔６ａ（収容室）の内面を黒アルマイト処理するだけなので、安価なコストで製作することができる。
【００３０】
（ガス濃度測定装置の実施形態）次に、本発明のガス濃度測定装置の一実施形態について、図５を参照して説明する。ガス濃度測定装置２０は、被測定ガスを含んだ雰囲気が充填される気体サンプル室１と、制御回路部２１と、受光回路部２２と、濃度算出部としてのマイクロコンピュータ（以下、μｃｏｍと記載する）２３と、を備えている。
【００３１】
制御回路部２１は、発振器２１ａ、クロック分周回路２１ｂ及び定電圧回路２１ｃを備えており、μｃｏｍ２３の命令通りに、所定の周波数で光源８を点滅（パルス点灯）させる。
【００３２】
受光回路部２２は、図６に示すように、アンプ２２１ａ及び２２１ｂと、切り換え器２２２と、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）２２３とを備えている。アンプ２２１ａは、赤外線センサ１０の対応する受光素子１２ａからのセンサ出力としてのアナログ出力信号を増幅して、切り換え器２２２を介してＡ／Ｄ変換器２２３へ出力する。アンプ２２１ｂは、赤外線センサ１０の対応する受光素子１２ｂからのセンサ出力としてのアナログ出力信号を増幅して、切り換え器２２２を介してＡ／Ｄ変換器２２３へ出力する。Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）２２３は、赤外線センサ１０の受光素子１２ａまたは１２ｂからのアナログ出力信号をデジタル信号に変換して、μｃｏｍ２３へ入力する。
【００３３】
μｃｏｍ２３は、制御回路部２１及び受光回路部２２と接続して、これらの動作を制御することで、ガス濃度測定装置２０全体の動作をつかさどる。μｃｏｍ２３は、予め定められたプログラムに従って動作するコンピュータである。このμｃｏｍ２３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）、ＣＰＵ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ＲＯＭ、各種のデータを格納するとともにＣＰＵ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ＲＡＭ等を有して構成されている。
【００３４】
また、μｃｏｍ２３には、図示しない不揮発性メモリ（例えば、ＥＥＰＲＯＭ）が接続されている。そして、この不揮発性メモリには、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データ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。
【００３５】
上述した構成のガス濃度測定装置２０は、気体セル２内に被測定ガスを含む雰囲気を供給して、気体セル２内を前記雰囲気で満たす。そして、ガス濃度測定装置２０は、光源８を点滅（パルス点灯）させて、この光源８からの赤外線を気体セル２の内部を通じて赤外線センサ１０で受光する。そして、ガス濃度測定装置２０のμｃｏｍ２３は、赤外線センサ１０で受光した赤外線の強さ（即ち、光源８の点灯時における赤外線センサ１０の出力電圧（Ｈｉ出力）と、消灯時における赤外線センサ１０の出力電圧（Ｌｏｗ出力）との電位差）に基づいて、気体サンプル室１内の被測定ガス（例えば、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素など）の濃度を測定する。具体的には、ガス濃度測定装置２０のμｃｏｍ２３は、基準素子として用いられる受光素子１２ａで受光した赤外線の強さと、被測定ガス（例えば、二酸化炭素）を測定するための受光素子１２ｂで受光した赤外線の強さとを比較して、被測定ガス（例えば、二酸化炭素）の濃度を測定する。
【００３６】
このように、ガス濃度測定装置２０の気体サンプル室１は、光源８からの赤外線を、乱反射防止処理が施されていない気体セル２を通じて、センサホルダー６の貫通孔６ａ（収容室）に保持されている赤外線センサ１０に導くように形成されており、さらに、貫通孔６ａ（収容室）の内面が黒アルマイト処理されているので、光源８からの赤外線を貫通孔６ａ内で乱反射させることなく、気体セル２の軸方向とほぼ平行な赤外線のみを、受光素子１２ａ及び１２ｂに導くことができる。
【００３７】
以上より、本発明のガス濃度測定装置によれば、内部に赤外線センサ１０を保持するセンサホルダー６の貫通孔６ａ（収容室）の内面に黒アルマイト処理が施されているので、その内面において赤外線を吸収して乱反射を防ぐことができ、そのため、赤外線が透過部材１３ａ及び１３ｂに対してななめ方向から入射することを防いで、ゲイン、スパンを向上させ、検出感度、分解能を良くすることができる。
【００３８】
（気体サンプル室の性能測定実験）次に、本件発明の気体サンプル室の性能測定実験について説明する。この実験では、センサホルダー６の貫通孔６ａの内面に黒アルマイト処理を施した場合の赤外線センサ１０のセンサ出力を測定して確認した。また、比較として、黒アルマイト処理を施していないアルミ無垢状態でのセンサホルダー６（黒アルマイト無）を使用して、そのセンサ出力を測定し、黒アルマイト処理済みセンサホルダー６（黒アルマイト有）のセンサ出力との比較対象とした。実験での両者の構成上の違いは、センサホルダー６における黒アルマイトの有無のみである。
【００３９】
図７は、本発明の気体サンプル室の性能測定実験を行うための模式的構成図である。図７において、まず、ガス容器３１から一定濃度のＣＯ２ガスを、ＰＣ（パソコン）３５によりコントロールされた電磁弁３２により切り換え後、恒温槽３４内に配置された本発明の気体サンプル室１へ送る。気体サンプル室１における赤外線センサ１０のセンサ出力（４．０μｍ用（基準）受光素子１２ａのセンサ出力及び４．３μｍ（ＣＯ２ガス吸収）用受光素子１２ｂのセンサ出力）は、ＰＣ３５へ送られ、４．０μｍ用及び４．３μｍ用センサ出力データと、恒温槽３４内に設置された図示しない温度センサの温度出力データが収集される。赤外線センサ１０へ供給されるガス流量は、マスフローコントローラ３３にてコントロールされ定量化されている。また、恒温槽３４内の温度は、ＰＣ３５で監視され、恒温槽３４内が一定温度になるように制御されている。
【００４０】
上記の構成による性能測定実験における測定条件は以下の通りである。
（測定条件）
ＣＯ２ガス供給：０ｐｐｍ，４００ｐｐｍ及び１０００ｐｐｍの３段階切り換え
恒温槽内温度：０℃、３０℃及び５０℃の３段階
温度移行時間：２０分
恒温槽内温度安定時間：４０分
ガス温度安定時間：４分
濃度測定時間：４分
光源：ＩＮＴＥＸ社製ＩＲ光源
赤外線センサ：パーキンエルマ製ＩＲセンサ
【００４１】
（データ処理）
図８に示すように、光源８には、Ｌ（Ｌｏｗ）＝０Ｖ及びＨ（Ｈｉ）＝６．７５Ｖのパルス電圧を印加した。赤外線センサ出力は、図中のＬ（波形の最小出力値）とＨ（波形の最大出力値）間の電位差を演算し、赤外線センサのセンサ出力値とするデータ処理を行った。
【００４２】
上記の構成による性能測定実験における測定実験結果は以下の通りである。
【００４３】
（測定実験結果１）
図９は、測定実験結果としての黒アルマイト有無による各波長の出力特性を示す図である。図９において、縦軸のＡＤＣ値は、センサ出力をＡＤＣでデジタル信号に変換後の値である。出力特性Ａ〜Ｍは以下の通り、
Ａ；４．０μｍ波長、  ０℃、黒アルマイト無のセンサ（１２ａ）出力特性
Ｂ；４．０μｍ波長、３０℃、黒アルマイト無のセンサ（１２ａ）出力特性
Ｃ；４．０μｍ波長、５０℃、黒アルマイト無のセンサ（１２ａ）出力特性
Ｄ；４．０μｍ波長、  ０℃、黒アルマイト有のセンサ（１２ａ）出力特性
Ｅ；４．０μｍ波長、３０℃、黒アルマイト有のセンサ（１２ａ）出力特性
Ｆ；４．０μｍ波長、５０℃、黒アルマイト有のセンサ（１２ａ）出力特性
Ｇ；４．３μｍ波長、  ０℃、黒アルマイト無のセンサ（１２ｂ）出力特性
Ｈ；４．３μｍ波長、３０℃、黒アルマイト無のセンサ（１２ｂ）出力特性
Ｉ；４．３μｍ波長、５０℃、黒アルマイト無のセンサ（１２ｂ）出力特性
Ｊ；４．３μｍ波長、  ０℃、黒アルマイト有のセンサ（１２ｂ）出力特性
Ｋ；４．３μｍ波長、３０℃、黒アルマイト有のセンサ（１２ｂ）出力特性
Ｍ；４．３μｍ波長、５０℃、黒アルマイト有のセンサ（１２ｂ）出力特性
○図９から分かった事・・・黒アルマイト処理の有無にかかわらず、センサ出力の大小に変化はあるが、特性のカーブの傾向に関しては黒アルマイトの有無に関わらず類似しており、大きな変化はない。
【００４４】
（測定実験結果２）
図１０は、測定実験結果としての黒アルマイト有無による各センサ比特性を示す図である。図１０において、縦軸の４．３／４．０値は、４．３μｍ用センサ（１２ｂ）出力を４．０μｍ用センサ（１２ａ）出力で除算した値である。出力比特性Ａ〜Ｆは以下の通り、
Ａ；  ０℃、黒アルマイト無の４．３μｍセンサ（１２ｂ）出力／４．０μｍセンサ（      １２ａ）出力の出力比特性
Ｂ；３０℃、黒アルマイト無の４．３μｍセンサ（１２ｂ）出力／４．０μｍセンサ（      １２ａ）出力の出力比特性
Ｃ；５０℃、黒アルマイト無の４．３μｍセンサ（１２ｂ）出力／４．０μｍセンサ（      １２ａ）出力の出力比特性
Ｄ；  ０℃、黒アルマイト有の４．３μｍセンサ（１２ｂ）出力／４．０μｍセンサ（      １２ａ）出力の出力比特性
Ｅ；３０℃、黒アルマイト有の４．３μｍセンサ（１２ｂ）出力／４．０μｍセンサ（      １２ａ）出力の出力比特性
Ｆ；５０℃、黒アルマイト有の４．３μｍセンサ（１２ｂ）出力／４．０μｍセンサ（      １２ａ）出力の出力比特性
○図１０から分かった事・・・４．３／４．０の値において、黒アルマイト有りの方が無しの状態より５〜７％程度大きい。
【００４５】
（測定実験結果３）
図１１は、測定実験結果としての黒アルマイト有無による４．０μｍ用センサ（１２ａ）のＬｏｗ出力（絶対値）の比較特性図である。特性Ａ、Ｂは以下の通り、
Ａ；黒アルマイト無の４．０μｍ用センサ（１２ａ）のＬｏｗ出力特性
Ｂ；黒アルマイト有の４．０μｍ用センサ（１２ａ）のＬｏｗ出力特性
【００４６】
（測定実験結果４）
図１２は、測定実験結果としての黒アルマイト有無による４．０μｍ用センサ（１２ａ）のＨｉ出力（絶対値）の比較特性図である。特性Ａ、Ｂは以下の通り、
Ａ；黒アルマイト無の４．０μｍ用センサ（１２ａ）のＨｉ出力特性
Ｂ；黒アルマイト有の４．０μｍ用センサ（１２ａ）のＨｉ出力特性
【００４７】
（測定実験結果５）
図１３は、測定実験結果としての黒アルマイト有無による４．３μｍ用センサ（１２ｂ）のＬｏｗ出力（絶対値）の比較特性図である。特性Ａ、Ｂは以下の通り、
Ａ；黒アルマイト無の４．３μｍ用センサ（１２ｂ）のＬｏｗ出力特性
Ｂ；黒アルマイト有の４．３μｍ用センサ（１２ｂ）のＬｏｗ出力特性
【００４８】
（測定実験結果６）
図１４は、測定実験結果としての黒アルマイト有無による４．３μｍ用センサ（１２ｂ）のＨｉ出力（絶対値）の比較特性図である。特性Ａ、Ｂは以下の通り、
Ａ；黒アルマイト無の４．３μｍ用センサ（１２ｂ）のＨｉ出力特性
Ｂ；黒アルマイト有の４．３μｍ用センサ（１２ｂ）のＨｉ出力特性
【００４９】
（測定実験結果７）
図１５は、測定実験結果としての黒アルマイト有無による４．０μｍ用センサ（１２ａ）及び４．３μｍ用センサ（１２ｂ）の黒アルマイト有絶対値を黒アルマイト無絶対値で除算した値の比較特性図である。特性Ａ〜Ｄは以下の通り、
Ａ；４．０μｍ用センサ（１２ａ）のＬｏｗ出力の黒アルマイト有絶対値／黒アルマイ      ト無絶対値の特性
Ｂ；４．０μｍ用センサ（１２ａ）のＨｉ出力の黒アルマイト有絶対値／黒アルマイ      ト無絶対値の特性
Ｃ；４．３μｍ用センサ（１２ｂ）のＬｏｗ出力の黒アルマイト有絶対値／黒アルマイ      ト無絶対値の特性
Ｄ；４．３μｍ用センサ（１２ｂ）のＨｉ出力の黒アルマイト有絶対値／黒アルマイ      ト無絶対値の特性
【００５０】
○図１１〜図１５より分かった事・・・・光源８の消灯時において、各センサの出力は、黒アルマイト処理の有無により大きく変化し、黒アルマイト無しの状態より黒アルマイト有りの状態では、絶対値出力において４０〜６０％の減少がある。また、光源８の点灯時において、各センサの出力は、光源消灯時より変化は少なく、黒アルマイト有りの出力は、無しより１０〜１５％程度の減少がある。
【００５１】
（測定実験結果８）
図１６は、測定実験結果としての縦軸：４．０μｍ用センサ（１２ａ）における濃度０ｐｐｍ時と濃度１０００ｐｐｍ時の出力差、横軸：温度を示す特性図である。特性Ａ及びＢは以下の通り、
Ａ；黒アルマイト無の４．０μｍ用センサ（１２ａ）の０−１０００ｐｐｍ出力特性
Ｂ；黒アルマイト有の４．０μｍ用センサ（１２ａ）の０−１０００ｐｐｍ出力特性
【００５２】
（測定実験結果９）
図１７は、測定実験結果としての縦軸：４．３μｍ用センサ（１２Ｂ）における濃度０ｐｐｍ時と濃度１０００ｐｐｍ時の出力差、横軸：温度を示す特性図である。特性Ａ及びＢは以下の通り、
Ａ；黒アルマイト無の４．３μｍ用センサ（１２ｂ）の０−１０００ｐｐｍ出力特性
Ｂ；黒アルマイト有の４．３μｍ用センサ（１２ｂ）の０−１０００ｐｐｍ出力特性
【００５３】
（測定実験結果１０）
図１８は、測定実験結果としての縦軸：４．３μｍ用センサ（１２Ｂ）における濃度０ｐｐｍ時と濃度１０００ｐｐｍ時の出力差を４．０μｍ用センサ（１２ａ）における濃度０ｐｐｍ時と濃度１０００ｐｐｍ時の出力差で除算した値のＡＤＣ値、横軸：温度を示す特性図である。特性Ａ及びＢは以下の通り、
Ａ；黒アルマイト無の４．３／４．０の０−１０００ｐｐｍ出力差の比
Ｂ；黒アルマイト有の４．３／４．０の０−１０００ｐｐｍ出力差の比
○図１６〜図１８より分かった事・・・黒アルマイトの有無により各センサのレンジアビリティは、黒アルマイト有りの方が１２％程度大きい。
【００５４】
（測定実験結果より分かった事のまとめ）
ａ）黒アルマイト処理の有無に関わらず、出力の大小に変化はあるが、カーブ特性に関しては大きな変化はなく、相対的な変化のみである。
ｂ）４．３μｍ用センサ（１２ｂ）出力値と４．０μｍ用センサ（１２ａ）出力値の比において、黒アルマイト有りの方が無しの状態より５〜７％程度大きく、濃度換算に使用する比が大きくなるため、検出感度が良くなっている。
ｃ）各センサの絶対値の出力において、光源の消灯時には黒アルマイト無しより有りの方が４０％程度小さくなっているが、光源の点灯時においては黒アルマイト無しより有りの方が１０〜１５％程度の減少しかない。
ｄ）黒アルマイト有無により各センサのレンジアビリティは、黒アルマイト有りの方が１２％程度大きくなり、ガス濃度の分解能が上がったことがいえる。
【００５５】
（考察）
ＣＯ２濃度を検出する原理は、赤外線を媒体層（検出ガス等）を通すと，通過した赤外線は、Ｂｅｅｒ−Ｌａｍｂｅｒｔの法則が適用される。図１９に示す厚さｌ（エル）、ガス濃度Ｃ、その吸収係数αλの媒体層に波長λの入射光Ｉ0λが入射した場合、入射光Ｉ0λと透過光Ｉλとの透過率の比Ｄλを自然対数で表すと、下記の式（１）が成り立つ。
Ｄλ＝ｌｏｇn（Ｉ0λ／Ｉλ）＝ｌｏｇn（４．０μｍ用センサ出力／４．３μｍセン        サ出力）＝αλ・Ｃｌ・・・・（１）
【００５６】
前述の図４のＣＯ２吸収スペクトラムでは、４．３μｍ付近で吸収があることが分かる。したがって、４．３μｍの吸収スペクトラムを測定することにより、上記式（１）において、入射光Ｉ0λと透過光Ｉλとの透過率が分かれば、ガス濃度が分かる。
【００５７】
本発明で使用している赤外線センサの構造図は図３に示されている。その構造は、一つのパッケージに、ある半値幅を持った中央値４．０μｍバンドパスフィルター（透過部材１３ａとそのフィルターに対になるサーモパイルセンサ（受光素子１２ａ）と、ある半値幅を持った中央値４．３μｍバンドパスフィルター（透過部材１３ｂ）とそのフィルターに対になるサーモパイルセンサ（受光素子１２ｂ）から成る。４．０μｍバンドパスフィルター（透過部材１３ａ）は、一般大気中には赤外線を吸収するガスがなく、リファレンス用として使用している。４．３μｍバンドパスフィルター（透過部材１３ｂ）は、ＣＯ２ガスにより赤外線吸収が起き、熱の変化がガス濃度の変化に応じて起きる。
【００５８】
図３に示す構造のフィルタ片側のみ（例えば、透過部材１３ａ）を注目すると、図２０となる。図中の光学バンドパスフィルター（透過部材１３ａ）の特性は、Ａ光のように、赤外光がフィルタ面に対して垂直に入ってきた場合に対して仕様のバンドパスを示す。垂直以外の赤外光、例えば、Ｂ光のような、フィルター面に対して角度を持った赤外光では、バンドパスフィルターの厚さが大きくなり、バンドパスフィルターの特性が変化する。
【００５９】
例えば、図２１（Ａ）に示すように、フィルターの中心波長Ａが、波長の短い方（Ａ′）、長い方（Ａ′′）にシフトする現象、または、図２１（Ｂ）に示すように、フィルタの半値幅が広がる（Ｄ１→Ｄ２）現象など、バンドパスフィルター特性が変化する幾つかの現象が考えられる。
【００６０】
これにより、４．０μｍ用光学フィルター（透過部材１３ａ）特性が変化し、必要としない波長まで検出してしまい、ノイズとなる。また、４．３μｍ用光学フィルター（透過部材１３ｂ）特性も同様であり、必要としない波長がノイズとなり、赤外線センサより出力される。
【００６１】
この対策として、図２に示すように、センサホルダー６の収容室である貫通孔６ａの内面を赤外反射しない黒アルマイト処理を施し、センサホルダー６内での乱反射をなくす。このように、センサホルダー６の内面を赤外反射しない構造とすることにより、余分なノイズがなくなり、４．３μｍセンサ（受光素子１２ｂ）と４．０μｍセンサ（受光素子１２ａ）の出力比（センサ比は、ＣＯ２濃度演算に使用するために使う要素）である下記の式（２）の値は、α：フィルター（透過部材１３ａ）面に対して垂直以外から入射する赤外光による出力ノイズ係数、β：フィルター（透過部材１３ｂ）面に対して垂直以外から入射する赤外光による出力ノイズ係数とすれば、α、β項が赤外無反射（黒アルマイト処理）を行うことにより、１に近くなるため、式（２）の値が大きくなる。
４．３μｍセンサ（受光素子１２ｂ）出力×β／４．０μｍセンサ（受光素子１２ａ）出力×α・・・・（２）
この式（２）の値は、性能測定実験では図１０に示される。
【００６２】
また、ガス濃度０−５０００ｐｐｍ間のレンジアビリティは、下記の式（３）で表される。
４．３μｍセンサ（受光素子１２ｂ）出力×β／４．０μｍセンサ（１２ａ）出力×α−４．３μｍセンサ出力（受光素子１２ｂ）×γ×β／４．０μｍセンサ出力（受光素子１２ａ）×α
＝４．３センサ（受光素子１２ｂ）出力×（β−γ・β）／４．０μｍセンサ（１２ａ）出力×α・・・（３）
（ただし、４．３μｍセンサ（１２ｂ）出力：ガス濃度０ｐｐｍ時のセンサ出力、γ：ＣＯ２ガス濃度０ｐｐｍと比較した場合の５０００ｐｐｍ時のセンサ出力減衰量を示す。）
式（３）のα、β項は、ノイズが小さくなると１に近くなり、式（４）になる。
４．３μｍセンサ（１２ｂ）出力／４．０μｍセンサ（１２ａ）出力−４．３μｍセンサ（１２ｂ）出力×γ／４．０μｍセンサ（１２ａ）出力
＝４．３μｍセンサ（１２ａ）出力×（１−γ）／４．０μｍセンサ（１２ａ）出力・・・（４）
式（４）より、余分なノイズが消され、レンジアビリティが広くなることが分かる。この式（４）の値は、性能測定実験では図１８に示される。
【００６３】
（結果）
センサホルダー６の収容室である貫通孔６ａの内面に無反射処理（黒アルマイト処理）を施したものと、処理をしていないもの（アルミ無垢のもの）を比較した結果、以下のことが分かった。
ａ）４．３μｍセンサ（１２ｂ）出力値と４．０μｍセンサ（１２ａ）出力値の比において、黒アルマイト有りの方が、無しの状態より５〜７％程度出力（ゲイン）が大きくなった。
ｂ）黒アルマイト有無により、各センサのレンジアビリティは、黒アルマイト有りの方が、スパンが１２％程度大きくなった。
【００６４】
このように、赤外無反射処理（黒アルマイト処理）は、ノイズの低減が図られ、スパンを向上させ、検出感度、分解能を良くしていることがいえる。
【００６５】
以上の通り、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。かかる変形、応用によってもなお本発明の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇にふくまれるものである。
【００６６】
例えば、センサホルダー６は、上述の実施形態ではアルミ製としたが、アルミ製でなく他の金属又はガラス製でもよい。この場合は、センサホルダー６の材質に合う適宜な黒体処理を施す。黒体処理は、例えば、一般的な黒体塗装用カーボンブラック塗料などを塗布することにより施される。黒体処理の塗料としては、顔料としてカーボンブラック、バインダとしてセラミック系アルミナを含んだ黒体塗装用の塗料などが用いられるが、放射率が概ね０．９以上となるものであれば、他の黒体塗装用の塗料を用いても良く、また、黒体塗装用の塗料を塗布する以外の方法でも良い。
【００６７】
また、収容室である貫通孔６ａの内面全部を黒アルマイト処理するのではなく、開口部から赤外線センサ１０の保持位置までの所定間隔の内面のみを黒アルマイト処理してもよい。また、黒アルマイト処理は、貫通孔６ａの内面だけでなく、内面及び外面を含むセンサホルダー６全体に施しても良く、この場合は処理がし易くなる。
【００６８】
また、センサホルダーの貫通孔６ａの径は、上述の実施形態では気体セル２の内径と同一としたが、気体セル２の内径より大きくても良い。また、センサホルダー６の収容室として、貫通孔６ａではなく底部のある穴としてもよく、この場合は、センサホルダー６は、穴の開口部から挿入されて底部に保持される。
【００６９】
また、上述の実施形態では、被測定ガスの濃度が低濃度である場合の透過部材１３ａ及び１３ｂの透過する赤外線の波長を示しているが、本発明では、測定対象の気体が低濃度から高濃度（０ｐｐｍから数％）の範囲内にある場合には、気体セル２の長さを変更したり、透過部材１３ａ及び１３ｂが被測定ガス中での赤外線の吸収量が少ない波長の赤外線のみを透過するようにしたりしてもよい。
【００７０】
さらに、上述の実施形態では、ガス濃度測定装置２０が二酸化炭素の濃度を測定しているが、本発明のガス濃度測定装置２０は、一酸化炭素、水蒸気、ＮＯｘ、ＳＯｘ、Ｈ２Ｓ、Ｏ３、ＣＨ４、ＮＯなどの種々のガスの濃度を測定することもできる。また、本発明では、気体セル２は、円筒状以外の種々の筒状に形成されても良い。
【００７１】
また、上述の実施形態では、赤外線センサとして熱電堆式赤外線センサを備えるものであったが、これに限定するものではなく、例えば、赤外線センサとして、光導電効果などを利用した周知の量子型赤外線センサなど、他の種類の赤外線センサを用いても良い。このような量子型赤外線センサにおいても、調熱部材によって、それ自身を周囲の温度に素早く合わせることで測定の誤差などを解消することができる。この種の量子型赤外線センサには、室温での測定に適したものとして、光導電素子の材料にＰｂＳｅを用いたもの、低温での測定に適したものとして、光導電素子の材料にＰｂＳを用いたものなどがある。
【符号の説明】
【００７２】
１    気体サンプル室
２    気体セル
６    センサホルダー
６ａ  貫通孔（収容室）
８    光源
１０  赤外線センサ
２３  μｃｏｍ（濃度算出部）
【図１】
2013205052.tif 000003
【図２】
2013205052.tif 000004
【図３】
2013205052.tif 000005
【図４】
2013205052.tif 000006
【図５】
2013205052.tif 000007
【図６】
2013205052.tif 000008
【図７】
2013205052.tif 000009
【図８】
2013205052.tif 000010
【図９】
2013205052.tif 000011
【図１０】
2013205052.tif 000012
【図１１】
2013205052.tif 000013
【図１２】
2013205052.tif 000014
【図１３】
2013205052.tif 000015
【図１４】
2013205052.tif 000016
【図１５】
2013205052.tif 000017
【図１６】
2013205052.tif 000018
【図１７】
2013205052.tif 000019
【図１８】
2013205052.tif 000020
【図１９】
2013205052.tif 000021
【図２０】
2013205052.tif 000022
【図２１】
2013205052.tif 000023