JP2007256242A - 赤外線式ガス検知器 - Google Patents

Abstract

【課題】所要のガス検知を高い精度でかつ高い安定性で行うことができ、しかも、小型・軽量化および省電力化を図ることのできる赤外線式ガス検知器を提供すること。
【解決手段】被検ガスが導入されるガス導入空間を形成するサンプルセルを備え、このサンプルセル内の一端に点滅駆動される赤外線光源が配置されていると共に他端に赤外センサが配置されてなるガス検知部を有する赤外線式ガス検知器であって、サンプルセル内には、赤外線に対して不活性なガスが封入された測定ガス室および検知対象ガスと同種のガスが封入された比較ガス室を有するガスフィルタが設けられており、赤外線光源から測定ガス室を介して赤外センサに至る赤外線光路を有する測定光学系および赤外光源から比較ガス室を介して赤外センサに至る赤外線光路を有する測定光学系の２つの測定光学系が、共通のガス導入空間内に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばガスフィルタ相関分析法を利用してガス検知を行う赤外線式ガス検知器に関する。

現在、例えばＣＯなどのガス検知を行う方法として、赤外線が検知対象ガスによって吸収されることによる赤外線光量の減衰の程度に応じてガス濃度を検出する非分散型赤外線吸収法が知られており、高い精度でかつ安定的にガス検知を行うことができることから、赤外線光源から放射される赤外光をガス検知用相関セル（ガス相関フィルタ）を介して導入する、ガスフィルタ相関法が利用されている。このようなガスフィルタ相関法を利用したガス検知器としては、これまでに種々の構成のものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

図４は、ガスフィルタ相関法を利用した従来における赤外線式ガス検知器の一例における、ガス検知部の構成を概略的に示す説明図である。
この赤外線式ガス検知器におけるガス検知部は、内部空間に被検ガスが導入されるガス導入空間を形成するサンプルセル６０を備え、このサンプルセル６０の外部に、赤外線光源６１および赤外センサ６２が配置されていると共に、赤外線光源６１とサンプルセル６０との間に、例えばモータなどの駆動源６５によって回転駆動されて用いられる、２つのガス室７１，７２が回転中心軸Ｃに対照的に形成されてなる相関セル（ガス相関フィルタ）７０が配設されて、構成されている。このガス検知部のサンプルセル６０内の両端位置には、２つの反射ミラー６６，６７が互いに対向して配置されており、これにより、多重反射構造が採用されている。
相関セル７０の一方のガス室７１には、検知対象ガスと同種のガスが一定濃度で封入されており、他方のガス室７２には、赤外線に対して不活性なガスが封入されている。
このようなガス検知部を備えた赤外線式ガス検知器においては、相関セル７０が回転駆動されることにより２つのガス室７１，７２が赤外線光源６１からサンプルセル６０に至る赤外線光路上を交互に通過し、検知対象ガスと同種のガスが封入された一方のガス室７１を透過した赤外線についてのセンサ出力信号と、不活性ガスが封入された他方のガス室７２を透過した赤外線についてのセンサ出力信号とが得られ、これらのセンサ出力信号の信号比に基づいて、検知対象ガスの濃度が検出される。

特開平９−１７８６５５号公報

しかしながら、ガス検知用相関セルは概して大型のものであるため、ガス検知用相関セルを回転駆動させる例えばモータなどの駆動源も容量の大きい大型のものを用いることが必要とされ、その結果、ガス検知部全体が大型のものとなるばかりか、消費電流が大きくなると共に発熱量も大きくなり、所要のガス検知を行うためには大きな電力が必要となる、という問題がある。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、所要のガス検知を高い精度でかつ高い安定性で行うことができ、しかも、小型・軽量化および省電力化を図ることのできる赤外線式ガス検知器を提供することを目的とする。

本発明の赤外線式ガス検知器は、被検ガスが導入されるガス導入空間を形成するサンプルセルを備え、このサンプルセル内の一端に点滅駆動される赤外線光源が配置されていると共に他端に赤外センサが配置されてなるガス検知部を有する赤外線式ガス検知器であって、
サンプルセル内には、赤外線に対して不活性なガスが封入された測定ガス室および検知対象ガスと同種のガスが封入された比較ガス室を有するガスフィルタが設けられており、 赤外線光源から測定ガス室を介して赤外センサに至る赤外線光路を有する測定光学系および赤外光源から比較ガス室を介して赤外センサに至る赤外線光路を有する測定光学系の２つの測定光学系が、共通のガス導入空間内に形成されていることを特徴とする。

本発明の赤外線式ガス検知器においては、サンプルセル内の一端に１つの赤外線光源が配置されていると共に他端に２つの赤外センサが並んで配置されており、
サンプルセル内の他端側の位置には、ガスフィルタが測定ガス室および比較ガス室の各々が赤外センサの各々に対向する状態で設けられており、ガス導入空間を透過した赤外線が測定ガス室を透過して一方の赤外センサに入射される測定光学系と、ガス導入空間を透過した赤外線が比較ガス室を透過して他方の赤外センサに入射される測定光学系とが形成された構成とすることができる。

また、本発明の赤外線式ガス検知器においては、サンプルセル内の一端に各々点滅駆動される２つの赤外線光源が並んで配置されていると共に他端に１つの赤外センサが配置されており、
サンプルセル内の一端側の位置には、ガスフィルタが測定ガス室および比較ガス室の各々が赤外線光源の各々に対向する状態で設けられており、一方の赤外線光源から照射される赤外線が測定ガス室を透過して赤外センサに入射される測定光学系と、他方の赤外線光源から照射される赤外線が比較ガス室を透過して赤外センサに入射される測定光学系とが形成された構成とすることができる。
このような構成のものにおいては、点滅駆動されるべき赤外線光源が一定周期毎に切り替えられる。

本発明の赤外線式ガス検知器によれば、赤外線に対して不活性なガスが封入された測定ガス室および検知対象ガスと同種のガスが封入された比較ガス室を有するガスフィルタがサンプルセル内に設けられており、赤外線光源から測定ガス室を介して赤外センサに至る赤外線光路を有する測定光学系（測定側）および赤外線光源から比較ガス室を介して赤外センサに至る赤外線光路を有する測定光学系（参照側）の２つの測定光学系が共通のガス導入空間内に形成されていることにより、基本的には、回転駆動される相関セルを備えた赤外線式ガス検知器と同様の、測定ガス室を透過した赤外線についてのセンサ出力信号および比較ガス室を透過した赤外線についてのセンサ出力信号を取得することができるので、これらのセンサ出力信号に基づいて、所要のガス検知を高い精度でかつ高い安定性で行うことができ、しかも、回転駆動される相関セルを備えたものであれば強度の異なる赤外線についてのセンサ出力信号を得るために必要とされる駆動源等の構成部材が、本発明の赤外線式ガス検知器によれば不要であるので、ガス検知部それ自体の小型・軽量化、並びに省電力化を図ることができる。

２つの測定光学系が１つの赤外線光源と２つの赤外センサとにより形成される構成のものにおいては、上記効果を得ることができることに加え、赤外線光源が共有されることにより、赤外センサ間の誤差が比較的小さいことから、測定光学系間における誤差を小さくすることができ、信頼性の高いガス検知を確実に行うことができる。

２つの測定光学系が２つの赤外線光源と１つの赤外センサとにより形成される構成のものにおいては、上記効果を得ることができることに加え、各々の赤外線光源が切り替えられて点滅駆動されることにより、個々の赤外線光源に所期の使用寿命が得られるので、所期のガス検知を長期間の間にわたって確実に行うことができる。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る赤外線式ガス検知器は、１つの赤外線光源および２つの赤外センサがサンプルセル内に配置されると共に、ガスフィルタが測定ガス室および比較ガス室の各々が赤外センサの各々に対向した状態で配置され、これにより、共通のガス導入空間内において２つの測定光学系が形成されてなるガス検知部を有するものである。

図１は、本発明の第１実施形態に係る赤外線式ガス検知器の一例における、ガス検知部の構成の概略を示す説明用断面図である。
この赤外線式ガス検知器におけるガス検知部は、被検ガスが導入されるガス導入空間Ｓを形成する、例えば断面矩形枠状の箱型のサンプルセル１０を備えてなり、点滅駆動型の赤外線光源２１とこれを囲むよう設けられた反射部材２２とからなる光源装置２０がサンプルセル１０内の一端に配置されていると共に、２つの赤外センサ１５，１６が、例えば赤外線光源２１から一方の赤外センサ１５に至る赤外線光路Ｌ１と、赤外線光源２１から他方の赤外センサ１６に至る赤外線光路とが同一の大きさの光路長となるよう、サンプルセル１０内の他端に並んで配置されている。２つの赤外センサ１５，１６は、以下に示すガスフィルター３０の筺体３１および隔壁１７によって互いに区画された空間内に配置されている。ここに、本発明においては、一方の赤外センサ１５に係る赤外線光路Ｌ１と他方の赤外センサ１６に係る赤外線光路Ｌ２とが同一の大きさの光路長を有する状態とされている必要はない。
図１において、１１は、被検ガスをガス導入空間Ｓに導入するためのガス導入口、１２は、ガス導入空間Ｓに導入された被検ガスを排出するためのガス排出口であり、２４は、赤外線に対して高い透過性を示す材料よりなる窓部材である。

サンプルセル１０内の他端側の位置には、内部空間が隔壁３２によって区画されて２つのガス室が隔壁３２を中心に対照的に形成されてなるガスフィルタ３０が、各々のガス室が各々の赤外センサ１５，１６に対向する状態で設けられており、ガス導入空間Ｓを透過した、赤外線光源２１から照射される赤外線のうち、いずれか一方のガス室を透過した赤外線はこのガス室に対応する赤外センサのみに入射される構成とされている。
ガスフィルタ３０における一方のガス室には、赤外線に対して不活性なガス例えばＮ₂ ガスが封入されており、他方のガス室には、検知対象ガスと同種のガスが一定濃度で封入されている。

ガスフィルタ３０を構成する筺体３１は、赤外線に対して高い透過性を示す材料により構成されており、サンプルセル１０の内形形状に適合する形態を有する。
隔壁３２の内面には、例えば赤外線に対して高い反射性を有する反射膜（図示せず）が形成されている。
従って、この赤外線式ガス検知器においては、赤外線に対して不活性なガスが封入された測定ガス室３５を透過した赤外線を一方の赤外センサ１５によって検出する測定光学系（測定側）と、検知対象ガスと同種のガスが封入された比較ガス室３６を透過した赤外線を他方の赤外センサ１６によって検出する測定光学系（参照側）との２つの測定光学系が共通のガス導入空間Ｓ内に形成されている。

赤外線光源２１は、例えば１Ｈｚの周期で、すなわち０．５秒間の間点灯された後、０．５秒間の間消灯されるよう、点滅駆動される。

そして、上記ガス検知部を有する赤外線式ガス検知器においては、赤外線光源２１が所定の周期で点滅駆動されることにより、赤外線光源２１から照射される赤外線は、被検ガスが導入されたガス導入空間Ｓ内を透過した後、一部の赤外線がガスフィルタ３０の測定ガス室３５を透過して一方の赤外センサ１５に入射されると共に、実質的に他の全部の赤外線がガスフィルタ３０の比較ガス室３６を透過して他方の赤外センサ１６に入射される。これにより、各々の赤外センサ１５，１６によって赤外線光量に応じたセンサ出力信号が得られ、ガスフィルタ３０の測定ガス室３５を透過した赤外線についての、一方の赤外センサ１５からのセンサ出力信号と、比較ガス室３６を透過した赤外線についての、他方の赤外センサからのセンサ出力信号との信号比に基づいて、検知対象ガスの濃度が算出される。

而して、上記構成のガス検知部を具えた赤外線式ガス検知器によれば、点滅駆動される１つの赤外線光源２１に対して２つの赤外センサ１５，１６が配置されていると共に、ガスフィルタ３０が測定ガス室３５および比較ガス室３６が各々の赤外センサ１５，１６に対向する状態で設けられ、これにより、共通のガス導入空間Ｓ内において、２つの測定光学系が形成された構成とされていることにより、基本的には、回転駆動される相関セルを備えた赤外線式ガス検知器と同様の、測定ガス室３５を透過した赤外線についてのセンサ出力信号および比較ガス室３６を透過した赤外線についてのセンサ出力信号を取得することができるので、これらのセンサ出力信号に基づいて、所要のガス検知を高い精度でかつ高い安定性で行うことができ、しかも、回転駆動される相関セルを備えたものであれば強度の異なる赤外線についてのセンサ出力信号を得るために必要とされる駆動源等の構成部材が、本発明の赤外線式ガス検知器によれば不要であるので、ガス検知部それ自体の小型・軽量化、並びに省電力化を図ることができる。

しかも、２つの測定光学系において赤外線光源２１が共有されることにより、赤外センサ１５，１６間の誤差は比較的小さいことから、２つの測定光学系間における誤差を小さくすることができ、信頼性の高いガス検知を確実に行うことができる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る赤外線式ガス検知器は、各々点滅駆動される２つの赤外線光源および１つの赤外センサがサンプルセル内に配置されていると共に、ガスフィルタが測定ガス室および比較ガス室の各々が赤外線光源の各々に対向した状態で配置されて、これにより、共通のガス導入空間内において、２つの測定光学系が形成されてなるガス検知部を有するものである。

図２は、本発明の第２実施形態に係る赤外線式ガス検知器の一例における、ガス検知部の構成の概略を示す説明用断面図である。
このガス検知部は、ガス導入空間Ｓを形成するサンプルセル４０内の一端に、各々、点滅駆動される赤外線光源５１，５６とこれを囲むよう設けられた反射部材５２とからなる２つの光源装置５０，５５が並んで配置されていると共に、サンプルセル４０内の他端に、赤外センサ４５が、例えば一方の赤外線光源５１から赤外センサ４５に至る赤外線光路Ｌ１と、他方の赤外線光源５６から赤外センサ４５に至る赤外線光路Ｌ２とが同一の大きさの光路長となるよう、配置されている。ここに、一方の赤外線光源５１に係る赤外線光路Ｌ１と他方の赤外線光源５６に係る赤外線光路Ｌ２とが同一の大きさの光路長を有する状態とされている必要はない。
図２において、４１はガス導入口、４２はガス排出口である。

サンプルセル４０内の一端側の位置には、上記ガスフィルタ３０が、その筺体３１の一面が各々の光源装置５０，５５における反射部材５２の開口端面に対接された状態で、設けられており、いずれか一方の赤外線光源から照射される赤外線が対応する一方のガス室のみに入射されるよう、測定ガス室３５および比較ガス室３６が各々の赤外線光源５１，５６に対向した状態とされている。
従って、この赤外線式ガス検知器におけるガス検知部においては、測定ガス室３５を透過する一方の赤外線光源５１から照射される赤外線を赤外センサ４５によって検出する測定光学系（測定側）と、比較ガス室３６を透過する他方の赤外線光源５６から照射される赤外線を赤外センサ４５によって検出する測定光学系（参照側）の２つの測定光学系が共通のガス導入空間Ｓ内に形成されている。

上記赤外線式ガス検知器においては、一方の赤外線光源５１および他方の赤外線光源５６が、一方が点滅駆動された状態にあるときに他方が消灯状態となるよう、一定周期毎に切り替えられて点滅駆動される。
２つの赤外線光源５１，５６の動作制御方法について具体的に説明すると、例えば図３に示すように、２つの赤外線光源５１，５６のうちのいずれか一方の赤外線光源例えば一方の赤外線光源５１が所定の周期Ｔで点滅駆動されると、一方の赤外線光源５１が所定時間の間継続して使用されると共に、他方の赤外線光源５６は消灯状態が維持される。
その後、使用される赤外線光源が他方の赤外線光源５６に切り替えられ、他方の赤外線光源５６が所定の周期Ｔで点滅駆動されて、所定時間の間継続して使用されると共に、一方の赤外線光源５１が消灯状態とされる。

ここに、各々の赤外線光源５１，５６は、例えば１Ｈｚの周期で、すなわち０．５秒間の間点灯された後、０．５秒間の間消灯されるよう、点滅駆動される。
点滅駆動されるべき赤外線光源の切り替えは、例えば点灯回数に基づいて行うことができ、例えば３回連続して点灯される毎に切り替えられる。

そして、上記ガス検知部を有する赤外線式ガス検知器においては、例えば一方の赤外線光源５１が所定回数連続して点灯されるよう点滅駆動されることにより、一方の赤外線光源５１から照射される赤外線は、ガスフィルタ３０の測定ガス室３５を透過し、被検ガスが導入されたガス導入空間Ｓ内を透過して赤外センサ４５に入射される。これにより、赤外線光量に応じたセンサ出力信号が得られる。
次いで、点滅駆動されるべき赤外線光源が切り替えられて、他方の赤外線光源５６が一方の赤外線光源５１と同様に所定回数連続して点灯されるよう点滅駆動されることにより、他方の赤外線光源５６から照射される赤外線は、ガスフィルタ３０の比較ガス室３６を透過し、被検ガスが導入されたガス導入空間Ｓを透過して赤外センサ４５に入射される。これにより、赤外線光量に応じたセンサ出力信号が得られる。
このようして得られた、ガスフィルタ３０の測定ガス室３５を透過した赤外線についてのセンサ出力信号と、比較ガス室３６を透過した赤外線についてのセンサ出力信号との信号比に基づいて、検知対象ガスの濃度が算出される。

而して、上記構成のガス検知部を具えた赤外線式ガス検知器によれば、各々点滅駆動される２つの赤外線光源５１，５６に対して１つの赤外センサ４５が設けられると共に、ガスフィルタ３０が測定ガス室３５および比較ガス室３６が各々の赤外線光源５１，５６に対向する状態で設けられ、これにより、共通のガス導入空間Ｓ内において、２つの測定光学系が形成された構成とされていることにより、基本的には、上記第１実施形態に係るものと同様の効果を得ることができる。すなわち、所要のガス検知を高い精度でかつ高い安定性で行うことができると共に、ガス検知部それ自体の小型・軽量化並びに省電力化を図ることができる。
しかも、２つの赤外線光源５１，５６を備え、点滅駆動されるべき赤外線光源が切り替えられて用いられることにより、個々の赤外線光源５１，５６に所期の使用寿命が得られるので、所期のガス検知を長期間の間にわたって確実に行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、ガスフィルタの具体的な構成、赤外線光源の動作条件、赤外線光源から赤外センサ素子に至る赤外線光路の光路長の大きさなどの構成は、検知対象ガスの種類に応じて適宜に変更することができる。
また、検知対象ガスは一種のガス成分に限定されるものではなく、例えば測定ガス室に目的とするガス成分の混合ガスを封入することにより、複数種のガス成分を検出することもできる。

本発明の赤外線式ガス検知器は、上述したように、小型・軽量化並びに省電力化が図られたものであるので、ガス検知が必要あるいは要請されるポータブル機器に搭載する場合に、極めて有用なものとなることが期待される。

本発明の第１実施形態に係る赤外線式ガス検知器の一例における、ガス検知部の構成の概略を示す説明用断面図である。 本発明の第２実施形態に係る赤外線式ガス検知器の一例における、ガス検知部の構成の概略を示す説明用断面図である。 赤外線光源の駆動制御方法の一例を示すタイミングチャートである。 ガスフィルタ相関法を利用した従来の赤外線式ガス検知器の一例における、ガス検知部の構成を概略的に示す説明図である。

符号の説明

１０ サンプルセル
１１ ガス導入口
１２ ガス排出口
１５ 一方の赤外センサ
１６ 他方の赤外センサ
１７ 隔壁
２０ 光源装置
２１ 赤外線光源
２２ 反射部材
２４ 窓部材
３０ ガスフィルタ
３１ 筺体
３２ 隔壁
３５ 測定ガス室
３６ 比較ガス室
Ｓ ガス導入空間
Ｌ１，Ｌ２ 赤外線光路
４０ サンプルセル
４１ ガス導入口
４２ ガス排出口
４５ 赤外センサ
５０ 一方の光源装置
５１ 一方の赤外線光源
５２ 反射部材
５５ 他方の光源装置
５６ 他方の赤外線光源
６０ サンプルセル
６１ 赤外線光源
６２ 赤外センサ
６５ 駆動源
６６，６７ 反射ミラー
７０ 相関セル（ガス相関フィルタ）
７１ 一方のガス室
７２ 他方のガス室
Ｃ 回転中心軸

Claims (4)

1. 被検ガスが導入されるガス導入空間を形成するサンプルセルを備え、このサンプルセル内の一端に点滅駆動される赤外線光源が配置されていると共に他端に赤外センサが配置されてなるガス検知部を有する赤外線式ガス検知器であって、
   サンプルセル内には、赤外線に対して不活性なガスが封入された測定ガス室および検知対象ガスと同種のガスが封入された比較ガス室を有するガスフィルタが設けられており、 赤外線光源から測定ガス室を介して赤外センサに至る赤外線光路を有する測定光学系および赤外光源から比較ガス室を介して赤外センサに至る赤外線光路を有する測定光学系の２つの測定光学系が、共通のガス導入空間内に形成されていることを特徴とする赤外線式ガス検知器。
2. サンプルセル内の一端に１つの赤外線光源が配置されていると共に他端に２つの赤外センサが並んで配置されており、
   サンプルセル内の他端側の位置には、ガスフィルタが測定ガス室および比較ガス室の各々が赤外センサの各々に対向する状態で設けられており、ガス導入空間を透過した赤外線が測定ガス室を透過して一方の赤外センサに入射される測定光学系と、ガス導入空間を透過した赤外線が比較ガス室を透過して他方の赤外センサに入射される測定光学系とが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線式ガス検知器。
3. サンプルセル内の一端に各々点滅駆動される２つの赤外線光源が並んで配置されていると共に他端に１つの赤外センサが配置されており、
   サンプルセル内の一端側の位置には、ガスフィルタが測定ガス室および比較ガス室の各々が赤外線光源の各々に対向する状態で設けられており、一方の赤外線光源から照射される赤外線が測定ガス室を透過して赤外センサに入射される測定光学系と、他方の赤外線光源から照射される赤外線が比較ガス室を透過して赤外センサに入射される測定光学系とが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線式ガス検知器。
4. 点滅駆動されるべき赤外線光源が一定周期毎に切り替えられることを特徴とする請求項３に記載の赤外線式ガス検知器。