JP4027219B2

JP4027219B2 - Infrared gas detector

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Publication number: JP4027219B2
Application number: JP2002368361A
Authority: JP
Inventors: 鉄也飯島; 晋祐小▲暮▼
Original assignee: Riken Keiki KK
Current assignee: Riken Keiki KK
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: JP2004198300A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、非分散型赤外線吸収法を利用して被検知ガスの検出を行う赤外線式ガス検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、毒性ガスや可燃性ガスなどを検知して、その検知されたガスの濃度が予め定められた一定の濃度レベル以上であることが検出された場合に警報が発せられるガス検知装置として、例えば、赤外線が検知対象のガスによって吸収されることによる赤外線量の減衰の程度に応じてガス濃度を測定する、非分散型赤外線吸収法を利用した赤外線式ガス検知装置が知られている（例えば特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００３】
このような赤外線式ガス検知装置においては、例えば、目的とする被検知ガスについてのガス検知が行われるべき対象となる測定ガスが導入されるガスセルと、当該ガスセルの一端側に設けられた、所定の点滅周期で点滅駆動される赤外線光源と、当該ガスセルの他端側に設けられた赤外線センサとを有する検知部を備えており、赤外線光源より放射される赤外線が周期的（断続的）に赤外線センサに供給されることにより持続的な出力信号が得られ、被検知ガスが実質的に存在しない状態における赤外線センサによる出力信号の振幅に対する、被検知ガスの導入によって赤外線センサに受光される赤外線量が低下することによる出力信号の振幅の減少割合に応じて、被検知ガスの濃度が算出される。
【０００４】
而して、例えば、赤外線光源それ自体が点滅駆動されることによって赤外線センサによる持続的な出力信号が得られる、上記のような構成の赤外線式ガス検知装置においては、赤外線センサによる出力信号が、被検知ガスの導入により瞬時に大きく振れて擾乱が生じ、この擾乱状態を経て、振幅が一定の大きさ以下の範囲内にある安定状態に至る傾向となる場合があり、このような場合においては、被検知ガスの濃度の検出は、通常、安定した出力信号が得られる状態になってから行われていると共に、擾乱状態における出力信号は、異常信号として例えばソフトウェアなどによって除去されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−０１３０６７号公報
【特許文献２】
特開平９−０７９９８０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この為、ガス導入時に生ずることがある擾乱状態における出力信号が除去されるよう設定されている場合には、被検知ガスが導入されてからガス濃度の検出が完了するまでに長時間、具体的には、例えば、赤外線センサによる出力信号が安定するまでの時間（擾乱状態の継続時間）が１０秒程度、出力信号が安定化してからガス濃度を算出してその濃度についての判断が完了するまでのガス検知動作に要する時間が２０秒程度、合計３０秒程度の時間を要し、応答性がよくない、という問題がある。
特に、被検知ガスが毒性の高いガスである場合には、人体に対する危険性が高く、少なくとも被検知ガスの存在有無を瞬時に判別することが必要とされる場合も少なくない。
【０００７】
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、その目的は、被検知ガスについてのガス検知動作の応答性が高く、従って、環境雰囲気の空気の状態を瞬時に把握することができる赤外線式ガス検知装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の赤外線式ガス検知装置は、赤外線を発生させる赤外線光源と、この赤外線光源から放射される赤外線が、被検知ガスが導入されるガスセルを介して、周期的に受光される焦電型赤外線センサと、この焦電型赤外線センサによる検知信号に基づいて被検知ガスの存在の有無を判別する判別手段とを有してなり、
判別手段は、焦電型赤外線センサによる現時点における検知信号に係る出力値と、当該焦電型赤外線センサによる出力信号に係る出力波形における基準周期の半周期前の時点における検知信号に係る出力値とに基づいて中点出力値を算出し、算出される中点出力値が被検知ガスが実質的に存在しない場合における中点出力値のレベルより低下したことを検出することによりガス検出信号を発する機能を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明において、「被検知ガスが実質的に存在しない」とは、環境雰囲気の空気中に含まれる被検知ガスの濃度が０．１ｐｐｍ以下であることを示す。
【００１１】
本発明の赤外線式ガス検知装置においては、焦電型赤外線センサによる検知信号に係る中点出力値の算出処理が０．０１〜１０ｓｅｃ間隔毎に行われることが好ましい。
【００１３】
【作用】
上記構成の赤外線式ガス検知装置によれば、目的とする被検知ガスの存在の有無の判別を、被検知ガスが導入されてからきわめて短時間のうちに行うことができるので、ガス検知動作について高い応答性を有するものとなり、従って、例えば環境雰囲気の空気の状態を瞬時に把握することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る赤外線式ガス検知装置の一例における構成の概略を示す説明図である。
この赤外線式ガス検知装置は、検知されるべき被検知ガスについてのガス検知動作を行うガス検知機構１０と、例えばガス検知機構１０による検知信号などの種々の信号に基づいて、赤外線式ガス警報装置における各構成部に適宜の動作指令信号を発する制御機構２０と、被検知ガスを検知することにより警報を発する警報報知機構３０とを備えている。
【００１５】
ガス検知機構１０は、目的とする被検知ガスについてのガス検知が行われるべき対象となる測定ガスが導入される例えば筒状のガスセル１１と、このガスセル１１の一端側（図１において左端側）に設けられた赤外線光源１２と、ガスセル１１の他端側（図１において右端側）に赤外線光源１２と対向するよう設けられた、光学フィルタ１３Ｂが一端側に設けられてなる赤外線センサユニット１３とを有してなる。
ガスセル１１には、ガス導入口１１Ａおよびガス排出口１１Ｂが互いに赤外線光源１２の光軸方向（図１において左右方向）に離間して並ぶよう形成されており、この例においては、被検知ガスの流過方向（他端側から一端側に向かう方向）と、図１において矢印で示されている赤外線光源１２による赤外線の放射方向とが対向する状態とされている。
【００１６】
赤外線光源１２は、後述する制御機構２０における光源駆動回路２１によって、点滅周期が制御された状態で、例えばパルス電流が供給されることにより点滅駆動され、これにより、赤外線が周期的に赤外線センサユニット１３に供給される。
赤外線光源１２の点滅周期は、赤外線センサユニット１３を構成する赤外線センサ１３Ａによる持続的な検知信号が確実に得られるという理由から、例えば１〜１０ｓｅｃとされる。
【００１７】
赤外線センサユニット１３を構成する赤外線センサ１３Ａは、焦電型赤外線センサにより構成されており、赤外線光源１２からの赤外線が供給される周期を基準周期とする検知信号を出力するものである。
赤外線センサユニット１３を構成する光学フィルタ１３Ｂは、被検知ガスのガス分子固有の吸収波長域の赤外線に対してのみ高い透過率を有するものであり、例えばバンドパス・フィルターにより構成されている。
【００１８】
制御機構２０は、赤外線光源１２を所定の周期で点滅駆動させる光源駆動回路２１と、赤外線センサ１３Ａによる検知信号を増幅させる増幅回路２２と、赤外線センサ１３Ａによる検知信号に基づいて被検知ガスの存在の有無を判別する機能を有するＣＰＵ２３と、ガス警報報知手段が接続されるべきガス警報接点出力端子２４と、例えば赤外線センサ１３Ａによる検知信号に係る出力波形を表示するオシロスコープなどの外部機器が接続されるべき外部出力端子２５とを備えており、ガス警報接点出力端子２４には、例えば警報報知機構３０を構成するガス警報用ブザー３１が接続されている。
【００１９】
制御機構２０におけるＣＰＵ２３は、例えば環境雰囲気の温度が急激に変化した場合やノイズが発生した場合などの赤外線センサ１３Ａによる検知信号を異常信号として検知し、故障警報接点出力端子２６に接続された、警報報知機構３０を構成する故障警報用ブザー３２に故障警報信号を発する機能を有する。
【００２０】
以上において、被検知ガスの種類は特に限定されるものではなく、例えばＣＨ₄、ｉ−Ｃ₄Ｈ₁₀、ＣＯ₂、ＣＯ、ＣＦ₄、ＩＰＡ、アセトン、メタノール、エタノール、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₂Ｈ₂、Ｃ₅Ｈ₁₂、ｎ−Ｃ₆Ｈ₁₄等を例示することができ、目的とする被検知ガスの種類に応じて光学フィルタ１３Ｂを適宜選択すればよい。
【００２１】
上記構成の赤外線式ガス検知装置の動作について説明する。
ガス検知動作を行うに際しては、赤外線光源１２がその点滅周期が制御された状態で光源駆動回路２１によって点滅駆動され、赤外線光源１２から放射された赤外線は、赤外線センサユニット１３における光学フィルタ１３Ｂにより被検知ガスにより吸収される特定の波長領域以外の赤外線が除去された状態で、赤外線センサ１３Ａに周期的に受光され、これにより、赤外線センサ１３Ａにより検出される赤外線量に応じた検知信号が出力され、この赤外線センサ１３Ａから出力された検知信号は、増幅回路２２によって出力電圧値が増幅された後、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によりデジタル信号に変換された状態でＣＰＵ２３に入力され、この状態において、例えば環境雰囲気の空気などの測定ガスがガスセル１１内に導入される。
【００２２】
図２に示されるように、被検知ガスがガスセル１１内に導入された測定ガス中に実質的に存在しない場合においては、赤外線センサ１３Ａにより検出される特定の波長領域の赤外線量は減少しないので、赤外線センサ１３Ａによる検知信号に係る出力電圧値は、センサ出力電圧波形（イ）が実質的に同一形状（実質的に同等の大きさの振幅）を有する安定した状態Ｓ１にある。ここに、安定状態Ｓ１におけるセンサ出力電圧波形（イ）の変動は、ガス検知動作中における微小な温度変化などの被検知ガスが存在すること以外の要因により生ずる出力電圧値の変動の大きさを含むものである。
【００２３】
而して、上記構成の赤外線式ガス検知装置においては、制御機構２０におけるＣＰＵ２３によって、赤外線センサ１３Ａによる検知信号に係る出力電圧値のセンサ出力電圧波形（イ）における中点出力電圧値を算出することが行われる。
具体的には、現時点（ａ）における出力電圧値Ｖａと、現時点（ａ）よりセンサ出力電圧波形（イ）における基準周期の半周期（１／２周期）前の時点（ｂ）における出力電圧値Ｖｂとに基づいて現時点（ａ）における中点出力電圧値Ｖｃが〔（Ｖａ＋Ｖｂ）／２〕により算出され、この中点出力電圧値の算出処理が所定時間間隔毎に順次に行われる。図２（ロ）は、このようにして得られる中点出力電圧波形を示す。
【００２４】
中点出力電圧値の算出処理は、例えば０．０１〜１０ｓｅｃ間隔毎に行われることが好ましい。これにより、被検知ガスの検知動作を高い信頼性をもって行うことができると共にガス検知動作に係る応答性が大幅に低下することを確実に防止することができる。
【００２５】
上述したように、被検知ガスが実質的に存在しない安定状態Ｓ１においては、赤外線センサ１３Ａによる検知信号に係るセンサ出力電圧波形（イ）は、その変動幅が実質的に同等の大きさである安定した状態であるため、算出される中点出力電圧値に係る中点出力電圧波形（ロ）は、その変動幅が一定の大きさの範囲内にある安定した状態となる。
【００２６】
そして、被検知ガスがガスセル１１内に導入されると、センサ出力電圧波形（イ）には、安定状態Ｓ１における変動とは互いに異なる特異的な変動（信号波形の乱れ）が生じ、中点出力電圧波形（ロ）が乱れた状態となる擾乱状態Ｔがある程度の時間の間続き、その後、センサ出力電圧値がセンサ出力電圧波形（イ）が同一形状を有する安定した状態Ｓ２に至る。
【００２７】
従って、被検知ガスの導入前後においてセンサ出力電圧波形（イ）は互いに大きく異なるものであるため、算出される中点出力電圧値が安定状態Ｓ１における中点出力電圧レベルＶＬより低下したことがＣＰＵ２３によって検知されること、具体的には、算出される中点出力電圧値が予め設定された値を越えて低下したことが検知されることにより、被検知ガスが測定ガス中に存在すると判定されてガス警報信号がガス警報用ブザー３１に出力され、これにより、警報が発せられる。ここに、ＣＰＵ２３によってガス検知信号が出力されるべき中点出力電圧値は、通常、被検知ガスの導入によって中点出力電圧値は現時点における中点出力電圧値に対して負側に変動するので、安定状態Ｓ１における中点出力電圧レベルＶＬより低い値のみを設定しておけばよい。
【００２８】
以上のように、上記構成の赤外線式ガス検知装置によれば、赤外線センサ１３Ａによる現時点（例えば図２における（ａ））における検知信号に係る出力電圧値Ｖａと、センサ出力電圧波形（イ）に係る基準周期の半周期前の時点（例えば図２における（ｂ））における検知信号に係る出力電圧値Ｖｂとにより中点出力電圧値Ｖｃを算出し、算出される中点出力電圧値Ｖｃが被検知ガスが実質的に存在しない場合における中点出力電圧レベルＶＬより低下したことを検出することによりガス検出信号が発せられる構成であることにより、被検知ガスについてのガス検知動作、すなわち環境雰囲気の空気中における被検知ガスの存在の有無の判別を、被検知ガスが導入されてからきわめて短時間のうちに行うことができるので、ガス検知動作に対して高い応答性が得られる。
【００２９】
すなわち、中点出力電圧値が予め設定された値を逸脱した最初の時点における検知信号を、ガス警報を発する契機として利用しているので、赤外線センサ１３Ａによる検知信号が無応答状態となる時間が生ずることがなく、環境雰囲気の空気の状態を瞬時に把握することができ、従って、警報によって被検知ガスの存在が報知されることにより、直ちに、適宜の防護手段を講ずることができる。
【００３０】
しかも、測定ガス中における被検知ガスの存在の有無の判別が、赤外線センサ１３Ａによる検知信号に係る出力電圧値ではなく、中点出力電圧値に基づいて行われることにより、ガス検知動作が例えばガス検知動作中における外来ノイズや温度変化などに起因する出力電圧値の誤差が補償された状態で行われるので、高い信頼性が得られる。
【００３１】
＜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装置は、赤外線光源を常時点灯させた状態で駆動し、赤外線を焦電型赤外線センサ（以下、単に「赤外線センサ」という。）に連続的に受光させて赤外線センサによる検知信号に係るセンサ出力電圧波形における変動幅が実質的に０Ｖに維持された状態において、被検知ガスの導入によるセンサ出力電圧波形の特異的な変動を検出することによりガス警報信号を発する構成のものであり、基本的な構成は、第１実施形態に係る赤外線式ガス検知装置と同様のものである。以下、図１を参照して説明する。
【００３２】
この赤外線式ガス検知装置においては、ガス検知動作を行うに際しては、赤外線光源１２が光源駆動回路２１によって常時点灯する状態で駆動され、赤外線光源１２から放射された赤外線は、赤外線センサユニット１３における光学フィルタ１３Ｂによって被検知ガスにより吸収される特定の波長領域以外の赤外線が除去された状態で、赤外線センサ１３Ａに連続的に受光され、これにより、赤外線センサ１３Ａにより検知される赤外線量に応じた検知信号が出力され、その後、増幅回路２２によって出力電圧値が増幅された状態でＣＰＵ２３に入力され、この状態において、例えば環境雰囲気の空気などの測定ガスがガスセル１１内に導入される。
【００３３】
図３に示されるように、ガスセル１１内に導入された空気中に被検知ガスが実質的に存在しない場合においては、赤外線センサ１３Ａにより検出される特定の波長領域の赤外線量は減少しないので、赤外線センサ１３Ａによる検知信号に係る出力電圧値のセンサ出力電圧波形（ハ）は、その変動幅が実質的に０Ｖとなる安定した状態Ｓ１が維持される。
【００３４】
そして、被検知ガスがガスセル１１内に導入されると、赤外線センサ１３Ａによる検知信号に係る出力電圧値が安定状態Ｓ１における基準出力電圧値Ｖ１に対して負側に大きく変動（基準出力電圧値Ｖ１より低下）し、センサ出力電圧波形（ハ）が乱れる擾乱状態Ｔがある程度の時間の間続き、その後、センサ出力電圧波形（ハ）の変動幅が実質的に０Ｖとなる安定した状態Ｓ２に至る。
【００３５】
而して、上記構成の赤外線式ガス検知装置においては、赤外線センサ１３Ａによる検知信号に係る出力電圧値が被検知ガスが実質的に存在しない場合における基準出力電圧値Ｖ１より低下したことがＣＰＵ２３によって検知されることにより、被検知ガスが測定ガス中に存在すると判定され、ガス警報信号がガス警報用ブザー３１に出力され、これにより、警報が発せられる。
【００３６】
このような構成の赤外線式ガス検知装置によれば、基本的には、第１実施形態にかかる赤外線ガス検知装置と同様の実用上十分な効果が得られ、しかも、赤外線光源１２を点滅駆動させるための駆動手段（光源駆動回路）を設けることが不要であるので、赤外線式ガス検知装置それ自体の構成を簡素化することができると共にガス検知動作以外の動作に係る動作制御プログラムを簡素化することができ、ガス検知動作の応答性が低下することを防止することができる。
【００３７】
以上のように、本発明の赤外線式ガス検知装置によれば、環境雰囲気の空気中における被検知ガスの存在有無の判別を、被検知ガスが導入されてからきわめて短時間のうちに行うことができるので、人に対する危険性が高いガスについてのガス検知を行うに際して極めて有用である。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の態様に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、ＣＰＵによってガス警報信号が出力されるべき、第１実施形態における中点出力電圧値および第２実施形態における出力電圧値は、いずれも、目的とする被検知ガスの種類および濃度、ガス検知動作を行うに際しての測定条件などにより、適宜設定することができる。
また、以上においては、ＣＰＵよりのガス検出信号により警報が発せられる構成の赤外線式ガス検知装置について説明したが、本発明を単にガス検知動作の履歴を取得するための測定器などに適用することができる。
【００３９】
以下、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
＜実験例１＞
図１に示す構成に従って、試験用の赤外線式ガス検知装置を作製すると共に、外部出力端子にオシロスコープを接続し、赤外線センサによる検知信号をオシロスコープに出力する構成とした。各構成部の具体的な構成は、次に示す通りである。
〔１〕ガスセル；セル長が９０ｍｍの円筒状のもの、
〔２〕赤外線光源；０±０．８Ａのパルス電流が３．０ｓｅｃの周期で供給されて１．５ｓｅｃの周期で点滅駆動されるもの、
〔３〕赤外線センサ；焦電型赤外線センサ
〔４〕光学フィルタ；下記に示す実験用ガスを構成するガス分子固有の吸収波長域の赤外線を透過するものを適宜選択して用いた。
〔５〕実験用ガス；室内空気に、ＨＦＣ−１３４ａガスが５０３０ｐｐｍ、ＨＦＣ−３２ガスが９９９０ｐｐｍ、ＨＦＣ−４１ガスが４．９８体積％（ｖｏｌ％）の割合で含有されてなるもの
【００４０】
温度２７±１℃、相対湿度３２±２％の環境条件下において、室内空気を０．８±０．０２Ｌ／ｍｉｎの流量で１０秒間導入した後、実験用ガスを導入し、赤外線センサによる出力電圧値に基づいて中点出力電圧値を１．５ｓｅｃ間隔毎に算出した。ここに、室内空気が導入される安定状態にあるときのガスセンサによる検知信号に係る出力電圧のレベルは２．０Ｖであり、ガス警報信号が出力されるべき中点出力電圧値を１．９Ｖとし、算出される中点出力電圧値が設定された値より低下したことが検出された場合にガス警報信号が出力されるよう設定した。
【００４１】
以上において、ガスセル内に実験用ガスが導入されてから、ガス警報が発せられるまでに要する時間を計測したところ、実験用ガスを構成する被検知ガスのいずれのものについても、実験用ガスを導入してから約１ｓｅｃ程度経過した時点で、中点出力電圧値が閾値を越えて低下し、ガス警報が発せられることが確認された。
【００４２】
＜実験例２＞
赤外線光源が常時点灯する状態で駆動させると共に、赤外線センサによる検知信号が室内空気のみが導入される安定状態にあるとき基準出力電圧値より０．１Ｖ以上低下したことが検出された場合にガス警報信号が出力されるよう設定したことの他は、実験例１と同様の実験を行ったところ、実験用ガスが導入されてから１秒間程度経過した時点でガス警報が発せられることが確認された。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の赤外線式ガス検知装置によれば、被検知ガスの存在の有無の判別を、被検知ガスが導入されてからきわめて短時間のうちに行うことができるので、ガス検知動作について高い応答性を有するものとなり、従って、例えば環境雰囲気の空気の状態を瞬時に把握することができる。
【００４４】
また、本発明の赤外線式ガス検知装置によれば、赤外線センサによる現時点における検知信号に係る出力値と、センサ出力波形における基準周期の半周期前の時点における検知信号に係る出力値とにより中点出力値を算出し、算出される中点出力値が被検知ガスが実質的に存在しない場合における中点出力値のレベルより低下したことを検出することによりガス警報信号が発せられる構成であることにより、検知信号が無応答状態となる時間が生ずることがなく、例えば環境雰囲気の空気中における被検知ガスの存在の有無の判別を、被検知ガスが導入されてからきわめて短時間のうちに行うことができるので、ガス検知動作に対して高い応答性が得られ、これにより、環境雰囲気の空気の状態を瞬時に把握することができる。
しかも、被検知ガスの存在の有無の判別が、赤外線センサによる検知信号に係る出力値ではなく、中点出力値に基づいて行われることにより、ガス検知動作が、例えばガス検知動作中における温度変化などの外来ノイズに起因して生ずる出力値の誤差が補償された状態で、行われるので、高い信頼性が得られる。
【００４５】
さらに、本発明の赤外線式ガス検知装置によれば、焦電型赤外線センサによる検知信号に係る出力値が被検知ガスが実質的に存在しない場合における出力値より低下したことが検出されることによりガス検出信号が発せられる構成とされることにより、基本的には、中点出力値に基づいて被検知ガスの存在有無の判別が行われる構成のものと同様の実用上十分な効果が得られ、しかも、赤外線光源を点滅駆動させるための駆動手段を設けることが不要であるので、赤外線式ガス検知装置それ自体の構成を簡素化することができると共に、ガス検知動作以外の動作に係る動作制御プログラムの簡素化を図ることができ、ガス検知動作についての応答性が低下することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る赤外線式ガス検知装置の一例における構成の概略を示す説明図である。
【図２】第１実施形態に係る赤外線式ガス検知装置についての、ガス検知動作中における赤外線センサによる検知信号に係るセンサ出力電圧波形、および当該センサ出力電圧波形に基づいて算出された中点出力電圧波形を、概略的に示す説明図である。
【図３】第２実施形態に係る赤外線式ガス検知装置についてのガス検知動作中における赤外線センサによる検知信号に係るセンサ出力電圧波形を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０ガス検知機構
１１ガスセル
１１Ａガス導入口
１１Ｂガス排出口
１２赤外線光源
１３赤外線センサユニット
１３Ａ赤外線センサ
１３Ｂ光学フィルタ
２０制御機構
２１光源駆動回路
２２増幅回路
２３ＣＰＵ
２４ガス警報接点出力端子
２５外部出力端子
２６故障警報接点出力端子
３０警報報知機構
３１ガス警報用ブザー
３２故障警報用ブザー
ＶＬ中点出力電圧レベル
Ｖａ現時点における出力電圧値
Ｖｂ半周期前の時点における出力電圧値
Ｖｃ現時点における中点出力電圧値
Ｖ１基準出力電圧値[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an infrared gas detection apparatus that detects a gas to be detected using, for example, a non-dispersive infrared absorption method.
[0002]
[Prior art]
Currently, as a gas detection device that detects a toxic gas, a flammable gas, etc., and issues a warning when it is detected that the concentration of the detected gas is equal to or higher than a predetermined concentration level, for example, Infrared gas detectors using non-dispersive infrared absorption methods are known that measure gas concentration according to the degree of attenuation of the amount of infrared rays due to absorption of infrared rays by the gas to be detected (for example, patents) Reference 1 and Patent Reference 2).
[0003]
In such an infrared type gas detection device, for example, a gas cell into which a measurement gas to be subjected to gas detection for a target gas to be detected is introduced, and a predetermined cell provided on one end side of the gas cell. And a detector having an infrared light source that is driven to blink at a blinking period of time and an infrared sensor provided on the other end side of the gas cell, and infrared rays emitted from the infrared light source are periodically (intermittently) infrared rays. The amount of infrared light received by the infrared sensor by introducing the gas to be detected with respect to the amplitude of the output signal from the infrared sensor in a state where the gas to be detected is substantially not present, by supplying a continuous output signal to the sensor The concentration of the gas to be detected is calculated in accordance with the rate of decrease in the amplitude of the output signal due to the decrease.
[0004]
Thus, for example, in the infrared gas detection device having the above-described configuration, a continuous output signal from the infrared sensor can be obtained by blinking driving the infrared light source itself, and the output signal from the infrared sensor is Due to the introduction of the gas to be detected, a large fluctuation may occur instantaneously, resulting in a disturbance, and through this disturbance state, the amplitude may tend to reach a stable state within a certain range. The concentration of the gas to be detected is usually detected after a stable output signal is obtained, and the output signal in the disturbance state is removed as an abnormal signal by, for example, software.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-013067 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-079980
[Problems to be solved by the invention]
For this reason, when the output signal in the disturbance state that may occur at the time of gas introduction is set to be removed, it takes a long time until the detection of the gas concentration is completed after the gas to be detected is introduced. For example, the time until the output signal from the infrared sensor is stabilized (the duration of the disturbance state) is about 10 seconds, and after the output signal is stabilized, the gas concentration is calculated and the determination of the concentration is completed. There is a problem that the time required for the gas detection operation is about 20 seconds, which takes about 30 seconds in total, and the responsiveness is not good.
In particular, when the gas to be detected is a highly toxic gas, the danger to the human body is high, and it is often necessary to instantaneously determine the presence or absence of the gas to be detected.
[0007]
The present invention has been made based on the circumstances as described above, and the object thereof is high responsiveness of the gas detection operation with respect to the gas to be detected. Therefore, the state of the air in the environmental atmosphere is instantly grasped. An object of the present invention is to provide an infrared gas detection device that can perform the above-described process.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Infrared gas detector according to the present invention, an infrared light source for generating infrared radiation, infrared radiation emitted from the infrared light source, through a gas cell gas to be detected is introduced, a pyroelectric infrared radiation periodically received A sensor and a determining means for determining the presence or absence of the gas to be detected based on a detection signal from the pyroelectric infrared sensor;
The discriminating means includes an output value related to the detection signal at the present time by the pyroelectric infrared sensor, and an output value related to the detection signal at a time half a cycle before the reference period in the output waveform related to the output signal from the pyroelectric infrared sensor. A midpoint output value is calculated on the basis of the above, and a gas detection signal is generated by detecting that the calculated midpoint output value is lower than the level of the midpoint output value when the detected gas is substantially absent. It has a function.
[0009]
In the present invention, “substantially no detected gas” means that the concentration of the detected gas contained in the air in the environmental atmosphere is 0.1 ppm or less.
[0011]
In the infrared type gas detector of the present invention, it is preferable that the calculation process of the midpoint output value related to the detection signal by the pyroelectric infrared sensor is performed every 0.01 to 10 sec.
[0013]
[Action]
According to the infrared type gas detection device having the above configuration, the presence or absence of the target gas to be detected can be determined in a very short time after the gas to be detected is introduced. Therefore, the air condition of the ambient atmosphere can be grasped instantaneously, for example.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
<First Embodiment>
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a configuration in an example of an infrared gas detection device according to the first embodiment of the present invention.
This infrared type gas detection device is based on a gas detection mechanism 10 that performs a gas detection operation for a gas to be detected and an infrared gas alarm device based on various signals such as detection signals from the gas detection mechanism 10, for example. Are provided with a control mechanism 20 that issues an appropriate operation command signal to each component, and an alarm notification mechanism 30 that issues an alarm by detecting the gas to be detected.
[0015]
The gas detection mechanism 10 includes, for example, a cylindrical gas cell 11 into which a measurement gas to be subjected to gas detection for a target gas to be detected is introduced, and one end side (left end side in FIG. 1) of the gas cell 11. An infrared light source 12 provided on the other end side (right end side in FIG. 1) of the gas cell 11 so as to face the infrared light source 12, and an infrared sensor unit 13 provided with an optical filter 13B on one end side. It has.
In the gas cell 11, a gas inlet 11 </ b> A and a gas outlet 11 </ b> B are formed so as to be spaced apart from each other in the optical axis direction of the infrared light source 12 (left and right in FIG. 1). The flowing direction (the direction from the other end side toward the one end side) and the infrared radiation direction by the infrared light source 12 indicated by the arrow in FIG.
[0016]
The infrared light source 12 is driven to blink by supplying a pulse current, for example, in a state in which the blinking cycle is controlled by a light source driving circuit 21 in the control mechanism 20 described later. 13 is supplied.
The blinking cycle of the infrared light source 12 is set to, for example, 1 to 10 seconds because a continuous detection signal from the infrared sensor 13A constituting the infrared sensor unit 13 can be reliably obtained.
[0017]
The infrared sensor 13 </ b> A constituting the infrared sensor unit 13 is configured by a pyroelectric infrared sensor, and outputs a detection signal whose reference cycle is a cycle in which infrared rays from the infrared light source 12 are supplied.
The optical filter 13B constituting the infrared sensor unit 13 has a high transmittance only with respect to infrared rays in an absorption wavelength range unique to gas molecules of the gas to be detected, and is constituted by, for example, a bandpass filter.
[0018]
The control mechanism 20 includes a light source drive circuit 21 that drives the infrared light source 12 to blink at a predetermined cycle, an amplification circuit 22 that amplifies the detection signal from the infrared sensor 13A, and the presence of a gas to be detected based on the detection signal from the infrared sensor 13A. A CPU 23 having a function of determining the presence or absence of gas, a gas alarm contact output terminal 24 to which a gas alarm notification means is to be connected, and an external device such as an oscilloscope for displaying an output waveform related to a detection signal by the infrared sensor 13A are connected The gas alarm contact output terminal 24 is connected to, for example, a gas alarm buzzer 31 that constitutes an alarm notification mechanism 30.
[0019]
The CPU 23 in the control mechanism 20 detects a detection signal from the infrared sensor 13A as an abnormal signal, for example, when the temperature of the environmental atmosphere changes suddenly or when noise occurs, and is connected to the failure alarm contact output terminal 26. It has a function of issuing a failure alarm signal to the failure alarm buzzer 32 constituting the alarm notification mechanism 30.
[0020]
In the above, the kind of gas to be detected is not particularly limited. For example, CH ₄ , i-C ₄ H ₁₀ , CO ₂ , CO, CF ₄ , IPA, acetone, methanol, ethanol, C ₃ H ₈ , C ₂ H ₂ , C ₅ H ₁₂ , n-C ₆ H _{14 and the} like can be exemplified, and the optical filter 13B may be appropriately selected according to the type of target gas to be detected.
[0021]
The operation of the infrared gas detection apparatus having the above configuration will be described.
When performing the gas detection operation, the infrared light source 12 is driven to blink by the light source drive circuit 21 with its blinking period controlled, and the infrared light emitted from the infrared light source 12 is covered by the optical filter 13B in the infrared sensor unit 13. The infrared sensor 13A periodically receives light in a state where infrared rays other than the specific wavelength region absorbed by the detection gas are removed, and thereby a detection signal corresponding to the amount of infrared detected by the infrared sensor 13A is output. The detection signal output from the infrared sensor 13A is input to the CPU 23 after the output voltage value is amplified by the amplifier circuit 22 and then converted into a digital signal by an A / D converter (not shown). In this state, for example, a measurement gas such as air in an environmental atmosphere is introduced into the gas cell 11.
[0022]
As shown in FIG. 2, when the gas to be detected does not substantially exist in the measurement gas introduced into the gas cell 11, the amount of infrared rays in the specific wavelength region detected by the infrared sensor 13A does not decrease. The output voltage value related to the detection signal by the infrared sensor 13A is in a stable state S1 in which the sensor output voltage waveform (A) has substantially the same shape (substantially the same magnitude amplitude). Here, the fluctuation of the sensor output voltage waveform (A) in the stable state S1 indicates the magnitude of fluctuation of the output voltage value caused by factors other than the presence of the gas to be detected such as a minute temperature change during the gas detection operation. Is included.
[0023]
Thus, in the infrared gas detection device having the above-described configuration, the CPU 23 in the control mechanism 20 calculates the midpoint output voltage value in the sensor output voltage waveform (A) of the output voltage value related to the detection signal from the infrared sensor 13A. Is done.
Specifically, the output voltage value Va at the present time (a), and the output voltage value at the time point (b) before the current cycle (a) and a half cycle (1/2 cycle) of the reference cycle in the sensor output voltage waveform (A). Based on Vb, the midpoint output voltage value Vc at the present time (a) is calculated by [(Va + Vb) / 2], and this midpoint output voltage value calculation process is sequentially performed at predetermined time intervals. FIG. 2B shows the midpoint output voltage waveform obtained in this way.
[0024]
The midpoint output voltage value calculation process is preferably performed, for example, every 0.01 to 10 sec. As a result, the detection operation of the gas to be detected can be performed with high reliability, and the responsiveness related to the gas detection operation can be reliably prevented from significantly decreasing.
[0025]
As described above, in the stable state S1 in which the gas to be detected does not substantially exist, the fluctuation range of the sensor output voltage waveform (A) related to the detection signal from the infrared sensor 13A is substantially the same. Since it is in a stable state, the midpoint output voltage waveform (b) related to the calculated midpoint output voltage value is in a stable state in which the fluctuation range is within a certain range.
[0026]
When the gas to be detected is introduced into the gas cell 11, the sensor output voltage waveform (A) has a specific variation (disturbance in the signal waveform) that is different from the variation in the stable state S <b> 1. The disturbance state T in which the voltage waveform (B) is disturbed continues for a certain period of time, and then the sensor output voltage value reaches a stable state S2 in which the sensor output voltage waveform (A) has the same shape.
[0027]
Therefore, since the sensor output voltage waveforms (A) before and after the introduction of the gas to be detected are greatly different from each other, it is the CPU 23 that the calculated midpoint output voltage value is lower than the midpoint output voltage level VL in the stable state S1. Specifically, it is determined that the gas to be detected exists in the measurement gas by detecting that the calculated midpoint output voltage value has dropped below a preset value. Thus, a gas alarm signal is output to the gas alarm buzzer 31, and an alarm is generated. Here, the midpoint output voltage value at which the gas detection signal is to be output by the CPU 23 is normally changed to the negative side with respect to the midpoint output voltage value at the present time due to the introduction of the gas to be detected. Only a value lower than the midpoint output voltage level VL in the stable state S1 may be set.
[0028]
As described above, according to the infrared gas detection device having the above configuration, the output voltage value Va related to the detection signal at the present time (for example, (a) in FIG. 2) by the infrared sensor 13A and the sensor output voltage waveform (A). The midpoint output voltage value Vc is calculated from the output voltage value Vb related to the detection signal at a time point (for example, (b) in FIG. 2) half a cycle before the reference cycle, and the calculated midpoint output voltage value Vc is The gas detection signal is generated by detecting that the detection gas is substantially lower than the midpoint output voltage level VL in the absence of the detection gas, so that the gas detection operation for the detected gas, that is, the environmental atmosphere The presence or absence of the gas to be detected in the air can be determined in a very short time after the gas to be detected is introduced. High response can be obtained by.
[0029]
That is, since the detection signal at the first time when the midpoint output voltage value deviates from a preset value is used as a trigger for issuing a gas alarm, the time during which the detection signal from the infrared sensor 13A is in a no-response state is used. Therefore, it is possible to instantly grasp the state of the air in the environmental atmosphere, and accordingly, the presence of the gas to be detected is notified by an alarm, so that appropriate protective measures can be taken immediately.
[0030]
Moreover, the presence / absence of the gas to be detected in the measurement gas is determined based on the midpoint output voltage value rather than the output voltage value related to the detection signal from the infrared sensor 13A, so that the gas detection operation is performed, for example, Since it is performed in a state where an error of the output voltage value caused by external noise or temperature change during the detection operation is compensated, high reliability can be obtained.
[0031]
Second Embodiment
The infrared gas detection device according to the second embodiment of the present invention is driven in a state in which an infrared light source is always turned on, and infrared rays are continuously supplied to a pyroelectric infrared sensor (hereinafter simply referred to as “infrared sensor”). Gas is detected by detecting a specific fluctuation in the sensor output voltage waveform due to the introduction of the gas to be detected in a state where the fluctuation width in the sensor output voltage waveform related to the detection signal from the infrared sensor is substantially maintained at 0 V. The alarm signal is generated, and the basic configuration is the same as that of the infrared gas detector according to the first embodiment. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
[0032]
In this infrared gas detection device, when performing a gas detection operation, the infrared light source 12 is driven in a state in which the light source drive circuit 21 is always lit, and the infrared rays emitted from the infrared light source 12 are optically transmitted to the infrared sensor unit 13. Infrared light outside the specific wavelength region absorbed by the gas to be detected is removed by the filter 13B and continuously received by the infrared sensor 13A, thereby detecting the amount of infrared light detected by the infrared sensor 13A. A signal is output, and thereafter, the output voltage value is amplified by the amplifier circuit 22 and then input to the CPU 23. In this state, a measurement gas such as air in an ambient atmosphere is introduced into the gas cell 11, for example.
[0033]
As shown in FIG. 3, in the case where the gas to be detected is not substantially present in the air introduced into the gas cell 11, the amount of infrared rays in the specific wavelength region detected by the infrared sensor 13A does not decrease. The sensor output voltage waveform (c) of the output voltage value related to the detection signal by the infrared sensor 13A is maintained in a stable state S1 in which the fluctuation range is substantially 0V.
[0034]
When the gas to be detected is introduced into the gas cell 11, the output voltage value related to the detection signal from the infrared sensor 13A greatly fluctuates on the negative side with respect to the reference output voltage value V1 in the stable state S1 (reference output voltage value V1). The disturbance state T in which the sensor output voltage waveform (c) is disturbed continues for a certain period of time, and then reaches a stable state S2 in which the fluctuation range of the sensor output voltage waveform (c) is substantially 0V. .
[0035]
Thus, in the infrared type gas detection device having the above configuration, the CPU 23 indicates that the output voltage value related to the detection signal from the infrared sensor 13A is lower than the reference output voltage value V1 when the gas to be detected is substantially absent. By being detected, it is determined that the gas to be detected is present in the measurement gas, and a gas alarm signal is output to the gas alarm buzzer 31, thereby generating an alarm.
[0036]
According to the infrared gas detection device having such a configuration, basically, a practically sufficient effect similar to that of the infrared gas detection device according to the first embodiment can be obtained, and the infrared light source 12 is driven to blink. Since it is not necessary to provide a driving means (light source driving circuit) for this purpose, the configuration of the infrared gas detection device itself can be simplified and the operation control program related to operations other than the gas detection operation can be simplified. It is possible to prevent the responsiveness of the gas detection operation from being lowered.
[0037]
As described above, according to the infrared gas detection device of the present invention, the presence / absence of the gas to be detected can be determined in a very short time after the gas to be detected is introduced in the air of the environmental atmosphere. Therefore, it is extremely useful when performing gas detection for a gas that is highly dangerous to humans.
[0038]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to said aspect, A various change can be added.
For example, the middle point output voltage value in the first embodiment and the output voltage value in the second embodiment to which a gas alarm signal should be output by the CPU are both the type and concentration of the target gas to be detected, gas detection It can be set as appropriate depending on the measurement conditions when performing the operation.
In the above description, the infrared type gas detection device configured to issue a warning by the gas detection signal from the CPU has been described. However, the present invention is simply applied to a measuring instrument or the like for acquiring a history of gas detection operations. Can do.
[0039]
Hereinafter, experimental examples performed for confirming the effects of the present invention will be described.
<Experimental example 1>
In accordance with the configuration shown in FIG. 1, an infrared gas detection device for testing was prepared, and an oscilloscope was connected to the external output terminal to output a detection signal from the infrared sensor to the oscilloscope. The specific configuration of each component is as follows.
[1] Gas cell: cylindrical cell with a cell length of 90 mm,
[2] Infrared light source; a pulse current of 0 ± 0.8 A is supplied at a cycle of 3.0 sec and is driven to blink at a cycle of 1.5 sec;
[3] Infrared sensor; pyroelectric infrared sensor [4] optical filter; one that transmits infrared rays in the absorption wavelength range specific to gas molecules constituting the experimental gas shown below was appropriately selected and used.
[5] Experimental gas; indoor air containing 5030 ppm of HFC-134a gas, 9990 ppm of HFC-32 gas, and 4.98 volume% (vol%) of HFC-41 gas.
After introducing room air at a flow rate of 0.8 ± 0.02 L / min for 10 seconds under an environmental condition of temperature 27 ± 1 ° C. and relative humidity 32 ± 2%, an experimental gas is introduced and output from an infrared sensor. Based on the voltage value, the midpoint output voltage value was calculated every 1.5 sec. Here, the level of the output voltage related to the detection signal by the gas sensor when the room air is in a stable state is 2.0V, and the midpoint output voltage value at which the gas alarm signal should be output is 1.9V. The gas alarm signal is set to be output when it is detected that the calculated midpoint output voltage value is lower than the set value.
[0041]
In the above, when the time required from the introduction of the experimental gas into the gas cell until the gas alarm is issued is measured, the experimental gas is introduced for any of the detected gases constituting the experimental gas. It was confirmed that when about 1 sec passed, the midpoint output voltage value decreased beyond the threshold and a gas alarm was issued.
[0042]
<Experimental example 2>
When the infrared light source is driven in a constantly lit state and the detection signal from the infrared sensor is in a stable state where only indoor air is introduced, a gas alarm is detected when it is detected that the reference output voltage value has dropped by 0.1 V or more. Except that the signal was set to be output, an experiment similar to Experimental Example 1 was performed, and it was confirmed that a gas alarm was issued when about 1 second had elapsed after the introduction of the experimental gas. .
[0043]
【The invention's effect】
According to the infrared type gas detection device of the present invention, the presence / absence of the gas to be detected can be determined in a very short time after the gas to be detected is introduced. Therefore, for example, the state of the air in the environmental atmosphere can be grasped instantaneously.
[0044]
Further, according to the infrared gas detection device of the present invention, the midpoint is determined by the output value related to the detection signal at the present time by the infrared sensor and the output value related to the detection signal at a time point half a cycle before the reference period in the sensor output waveform. The gas alarm signal is generated by calculating the output value and detecting that the calculated midpoint output value is lower than the level of the midpoint output value when the detected gas is substantially absent. Therefore, the time when the detection signal is not responsive does not occur. For example, the presence / absence of the detection gas in the air in the ambient atmosphere is determined within a very short time after the detection gas is introduced. Therefore, high responsiveness can be obtained with respect to the gas detection operation, whereby the state of air in the environmental atmosphere can be grasped instantaneously.
In addition, the presence or absence of the gas to be detected is determined based on the midpoint output value instead of the output value related to the detection signal from the infrared sensor, so that the gas detection operation is performed, for example, at a temperature change during the gas detection operation. Since the process is performed in a state where an error in the output value caused by external noise such as is compensated, high reliability can be obtained.
[0045]
Furthermore, according to the infrared gas detection device of the present invention, by detecting that the output value related to the detection signal from the pyroelectric infrared sensor is lower than the output value when the gas to be detected is substantially absent. By adopting a configuration in which a gas detection signal is generated, basically a practically sufficient effect similar to the configuration in which the presence / absence of the gas to be detected is determined based on the midpoint output value can be obtained. In addition, since it is not necessary to provide a driving means for driving the infrared light source to blink, the configuration of the infrared gas detection device itself can be simplified and operation control related to operations other than the gas detection operation can be achieved. It is possible to simplify the program and prevent the responsiveness of the gas detection operation from being lowered.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a configuration of an example of an infrared gas detection device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a sensor output voltage waveform related to a detection signal from an infrared sensor during a gas detection operation and a midpoint output calculated based on the sensor output voltage waveform in the infrared gas detection device according to the first embodiment. It is explanatory drawing which shows a voltage waveform roughly.
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing a sensor output voltage waveform related to a detection signal from an infrared sensor during a gas detection operation of the infrared gas detection device according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas detection mechanism 11 Gas cell 11A Gas introduction port 11B Gas discharge port 12 Infrared light source 13 Infrared sensor unit 13A Infrared sensor 13B Optical filter 20 Control mechanism 21 Light source drive circuit 22 Amplification circuit 23 CPU
24 Gas alarm contact output terminal 25 External output terminal 26 Fault alarm contact output terminal 30 Alarm notification mechanism 31 Gas alarm buzzer 32 Fault alarm buzzer VL Midpoint output voltage level Va Current output voltage value Vb Output at the time before half cycle Voltage value Vc Current midpoint output voltage value V1 Reference output voltage value

Claims

赤外線を発生させる赤外線光源と、この赤外線光源から放射される赤外線が、被検知ガスが導入されるガスセルを介して、周期的に受光される焦電型赤外線センサと、この焦電型赤外線センサによる検知信号に基づいて被検知ガスの存在の有無を判別する判別手段とを有してなり、
判別手段は、焦電型赤外線センサによる現時点における検知信号に係る出力値と、当該焦電型赤外線センサによる出力信号に係る出力波形における基準周期の半周期前の時点における検知信号に係る出力値とに基づいて中点出力値を算出し、算出される中点出力値が被検知ガスが実質的に存在しない場合における中点出力値のレベルより低下したことを検出することによりガス検出信号を発する機能を有することを特徴とする赤外線式ガス検知装置。An infrared light source that generates infrared rays, and a pyroelectric infrared sensor in which infrared rays emitted from the infrared light source are periodically received via a gas cell into which a gas to be detected is introduced , and the pyroelectric infrared sensor. A determination means for determining the presence or absence of the gas to be detected based on the detection signal;
The discriminating means includes an output value related to the detection signal at the present time by the pyroelectric infrared sensor, and an output value related to the detection signal at a time half a cycle before the reference period in the output waveform related to the output signal from the pyroelectric infrared sensor. A midpoint output value is calculated on the basis of the above, and a gas detection signal is generated by detecting that the calculated midpoint output value is lower than the level of the midpoint output value when the detected gas is substantially absent. An infrared type gas detector characterized by having a function.

焦電型赤外線センサによる検知信号に係る中点出力値の算出処理が０．０１〜１０ｓｅｃ間隔毎に行われ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装置。 The infrared gas detection apparatus according to claim 1, wherein the calculation process of the midpoint output value related to the detection signal by the pyroelectric infrared sensor is performed every 0.01 to 10 seconds .