JP5421148B2 - ガス濃度算出装置およびガス濃度計測モジュール - Google Patents
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Description
まず、本実施形態に係るガス濃度算出装置1の全体構成について説明する。図1は、ガス濃度算出装置1を示す概略断面図である。ガス濃度算出装置1は、光源20からの光を受光し、そのエネルギー値を測定するガス濃度計測モジュール2と、ガス濃度計測モジュール2による測定結果に基づいてガス濃度を算出する算出回路3(特許請求の範囲の「ガス濃度算出モジュール」に相当)と、算出回路3がガス濃度を算出する際に必要な情報を格納している格納部4(特許請求の範囲の「格納手段」に相当)とを含んで構成され、対象ガスの濃度を算出するものである。算出回路3によって算出されたガス濃度は、図示しない制御装置などに出力され、例えば空調システムなどの制御に利用される。なお、本実施形態では、ガス濃度計測モジュール2に導入されるサンプルガス60中の二酸化炭素を濃度算出の対象ガスとした場合の例について説明する。
図2は、本実施形態において、光路長や受光エネルギー値に差異を発生させるための仕組みを説明するための図である。図1同様、ガスセル10の中央部に配置された光源20から出発し受光部50に到達する光の光路長および受光エネルギー値の変更は、変調鏡30の反射率の変更によって行われる。この説明では、説明の便宜のため、変調鏡30が全反射(変調鏡30がON)または全透過(変調鏡30がOFF)することにより、反射率を調整するものとして説明する。
次に、格納部4が格納する情報について説明する。格納部4には、変調鏡30により反射率が電気的に調整された場合のそれぞれにおける、受光部50の受光エネルギー値の比と、対象ガスである二酸化炭素の濃度との相関関係を示すデータベースまたは近似式が予め格納されている。
I=I1(→)+I1(←)…(1)
I1(→)/I=x…(2)
I1(←)/I=1−x…(3)
ここで、Iは光源20から放射される赤外線のトータルのエネルギー値であり、I1(→)は直接光であって図3において光源20から右方向に放射される赤外線のエネルギー値であり、I1(←)は図3において光源20から左方向に放射される赤外線のエネルギー値であり、xはI1(→)とI1(←)の分配比率である。
I1(→)=xIexp(−KCL)…(4)
I1(←)=(1−x)Iexp(−KCL)…(5)
I2=(I1(←)Ron)exp(−2KCL)=(((1−x)Iexp(−KCL))Ron)exp(−2KCL)…(6)
Ion=I1(→)+I2=xIexp(−KCL)+(((1−x)Iexp(−KCL))Ron)exp(−2KCL)…(7)
ここで、Kは吸収係数であり、Cはガスセル10内に導入されたサンプルガス60中の二酸化炭素の濃度であり、Lは光源20から受光部50までの距離であり、2Lは変調鏡30から受光部50までの距離であり、I2は反射光であって光源20から左方向に放射され且つ変調鏡30により反射された赤外線のエネルギー値であり、Ronは変調鏡30のON状態における反射率であり、Ionは変調鏡30がONの状態に受光部50に到達する赤外線のトータルのエネルギーであって、直接光と反射光との合計エネルギー値である。
I1(→)=xIexp(−KCL)…(8)
I1(←)=(1−x)Iexp(−KCL)…(9)
I2=(I1(←)Roff)exp(−2KCL)=(((1−x)Iexp(−KCL))Roff)exp(−2KCL)…(10)
Ioff=I1(→)+I2=xIexp(−KCL)+(((1−x)Iexp(−KCL))Roff)exp(−2KCL)…(11)
ここで、Roffは変調鏡30がOFFの状態における反射率であり、Ioffは変調鏡30がOFFの状態に受光部50に到達する赤外線のトータルのエネルギーであって、直接光と反射光との合計エネルギー値である。
Ion/Ioff=[xIexp(−KCL)+(((1−x)Iexp(−KCL))Ron)exp(−2KCL)]/[xIexp(−KCL)+(((1−x)Iexp(−KCL))Roff)exp(−2KCL)] …(12)
Ion/Ioff=(1+(Ron)exp(−2KCL))…(13)
C=f(Ratio(透明鏡))…(14)
ここで、Ratio(透明鏡)はRoff=0且つx=0.5の場合のIonとIoffの比であり、fは関数であり、Ratio(透明鏡)と濃度Cとの相関関係を示す近似式である。格納部4はこの式(14)の近似式fを示す情報を格納している。
次に、受光部50が受光した光のエネルギー値より、算出回路3が二酸化炭素の濃度を算出する処理の流れについて説明する。算出回路3は、変調鏡30により反射率が電気的に調整された場合のそれぞれにおける、受光部50の受光エネルギー値の比(上記Ion/Ioff)に基づき、更に上記説明した近似式fや、図4のデータベース、または図5のグラフに基づき、当該比に相応する二酸化炭素の濃度を算出するものであって、CPU等を含んで構成された演算回路である。図6は、二酸化炭素濃度算出処理の流れを示すフローチャートである。
続いて、本実施形態にかかるガス濃度算出装置1の作用及び効果について説明する。本実施形態のガス濃度算出装置1によれば、受光部50が直接光および反射光の両方を受光するため、直接光および反射光をそれぞれ異なる受光部50で受光する場合や、変調鏡30により反射率が電気的に調整された場合のそれぞれにおける光を異なる受光部50で別々に受光する場合の、受光部50の個体差による不具合が防止される。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。
例えば、上記実施形態では、ガス濃度算出装置1によって二酸化炭素の濃度を算出する場合について説明したが、測定に使用する光の波長を変えることで、これ以外のガスの濃度を算出可能であることはいうまでもない。また、濃度を測定しようとするガスの種類や測定レンジ、更に測定精度等に応じて、光源の種類やガスセルの形状について適宜最適化を行うことができる。
図7および図8に複数種類のガスが混在したサンプルガス60のガス濃度を一括した処理として検出する為の変形例を示す。上述のように種類の異なるガスの濃度を算出するには、異なる光の波長を用いて、夫々ガス濃度を測定する必要があるが、本願のガス濃度測定モジュールにおいては、受光手段を複数用いることと、受光手段ごとにガス濃度算出モジュールを設けることで、複数種類のガスに対する濃度測定を一括した処理として実現可能となる。つまり、図7および図8に示すように、対象ガスの異なる受光手段50A,50B,50C,50Dを複数備えるガス濃度計測モジュール2と、複数の受光手段50A,50B,50C,50Dに対応する複数のガス濃度算出モジュール(算出回路3A,3B,3C,3Dおよび格納部4A,4B,4C,4D)を備えることにより、複数種類のガスが混在したサンプルガス60における複数のガス濃度を同時に検出することができる。
また、ガス濃度算出装置1を、変調鏡30が全反射(Ron=1)及び全透過(Roff=0)するように構成しても良く、この場合には、以下の数式が成立する。
Ion=I1(→)+I2=xIexp(−KCL)+(((1−x)Iexp(−KCL)))exp(−2KCL)…(15)
Ioff=I1(→)=xIexp(−KCL)…(16)
また、上記実施形態では、特許請求の範囲の「前記反射率調整手段により前記反射率が電気的に調整された場合」に対して、変調鏡30がON/OFFされる場合を例示したが、これに限らず、変調鏡30がONの状態を維持しながらも反射率を異ならせる場合を、特許請求の範囲の「前記反射率調整手段により前記反射率が電気的に調整された場合」の一例としても良い。
また、ガス濃度算出装置1で算出されたガスの濃度は、空調の制御以外にも、ガスの濃度を算出する様々な機器に適用することができる。
Claims (9)
- ガス濃度計測モジュールおよびガス濃度算出モジュールを備え、対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置であって、
前記ガス濃度計測モジュールは、
前記対象ガスが導入される導入空間を形成するガスセルと、
前記ガスセル内に配置された光源と、
前記ガスセルの一端に配置され、前記光源から放射された光に対する反射率を電気的に調整する反射率調整手段と、
前記ガスセルの他端に配置され、前記光源から直接放射される直接光、および前記光源から放射され且つ前記反射率調整手段により反射される反射光を受光する受光手段と、
を備え、
前記ガス濃度算出モジュールは、前記反射率調整手段により前記反射率が電気的に調整された場合のそれぞれにおける、前記受光手段の受光エネルギー値の比に基づき、前記対象ガスの前記濃度を算出する、
ことを特徴とするガス濃度算出装置。 - 前記反射率調整手段は電気光学デバイスであることを特徴とする請求項1に記載のガス濃度算出装置。
- 前記反射率調整手段は液晶光学素子であることを特徴とする請求項1に記載のガス濃度算出装置。
- 前記光源と前記受光手段との間の光路上に配置され、所定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
- 前記光源は、赤外線を放射するものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
- 前記対象ガスは二酸化炭素であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。
- 前記対象ガスの前記濃度と前記比との相関関係を示すデータベースまたは近似式を予め格納する格納手段を更に備え、
前記ガス濃度算出モジュールは、前記データベースまたは前記近似式に基づき、前記比に相応する前記濃度を算出する、
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。 - 前記対象ガスの異なる前記受光手段を複数備える前記ガス濃度計測モジュールと、複数の前記受光手段に対応する複数の前記ガス濃度算出モジュールを備える、
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のガス濃度算出装置。 - 対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出装置におけるガス濃度計測モジュールであって、
前記対象ガスが導入される導入空間を形成するガスセルと、
前記ガスセル内に配置された光源と、
前記ガスセルの一端に配置され、前記光源から放射された光に対する反射率を電気的に調整する反射率調整手段と、
前記ガスセルの他端に配置され、前記光源から直接放射される直接光、および前記光源から放射され且つ前記反射率調整手段により反射される反射光を受光する受光手段と、
を備えることを特徴とするガス濃度計測モジュール。
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