JP6062704B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を検知するガス濃度検出装置に関する。

従来、試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を検知するガス濃度検出装置としては、測定対象ガスの濃度に応じて受光素子（受光センサ）から出力される信号（測定データ）に基づいて、測定対象ガスの濃度を検知するものがある。

つまり、受光素子の出力信号は、測定対象ガスの濃度に応じて変化するため、この出力信号（測定データ）を用いることで測定対象ガスの濃度を検知することができる。

特開２００４−１３８４９９号公報

しかし、上記従来のガス濃度検出装置では、ノイズなどの影響により受光素子の出力信号が変動することがあり、ガス濃度の検出精度が低下する虞がある。
例えば、ノイズなどの影響によって、受光素子の出力信号が変動した場合には、ガス濃度の検出結果も変動することになり、ガス濃度の検出精度が低下する。

そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、ノイズ等の影響により受光素子の出力信号が変動した場合であっても、ガス濃度の検出精度の低下を抑えることができるガス濃度検出装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を検知するガス濃度検出装置において、試料ガスが導入される測定セルと、測定セルに導入された試料ガスに赤外光を照射する光源と、それぞれ異なる波長領域を有し、光源より照射され試料ガスを通過した赤外光を検知する第１受光手段、および第２受光手段と、第１受光手段で得られる測定データおよび第２受光手段で得られる測定データに基づいて、試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出する検出手段と、を備えるガス濃度検出装置であって、検出手段は、第１受光手段による測定データおよび第２受光手段による測定データのそれぞれの移動平均値を演算する移動平均演算手段と、第１受光手段による測定データの移動平均値のうち光源による赤外光の照射期間における最大値である第１データ最大値と、第２受光手段による測定データの移動平均値のうち光源による赤外光の照射期間における最大値である第２データ最大値と、をそれぞれ演算する最大値演算手段と、第１受光手段による測定データの移動平均値のうち光源による赤外光の非照射期間における最小値である第１データ最小値と、第２受光手段による測定データの移動平均値のうち光源による赤外光の非照射期間における最小値である第２データ最小値と、をそれぞれ演算する最小値演算手段と、第１データ最大値と第１データ最小値との差分値である第１データ差分値と、第２データ最大値と第２データ最小値との差分値である第２データ差分値と、をそれぞれ演算する差分値演算手段と、第１データ差分値の移動平均値である第１データ差分平均値、および第２データ差分値の移動平均値である第２データ差分平均値をそれぞれ演算する差分平均演算手段と、第１データ差分平均値および第２データ差分平均値に基づいて、試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を演算する濃度演算手段と、を備えること、を特徴とするガス濃度検出装置である。

このガス濃度検出装置では、ガス濃度を演算するにあたり、第１受光手段による測定データおよび第２受光手段による測定データをそのまま利用するのではなく、第１受光手段による測定データおよび第２受光手段による測定データの移動平均値を用いてガス濃度を演算する点に特徴がある。

つまり、ノイズ（外乱因子）などの影響によって第１受光手段による測定データおよび第２受光手段による測定データが瞬時的に大きく変動した場合であっても、移動平均値に関しては、その変動範囲が測定データの瞬時的な変動範囲よりも小さくなるため、ガス濃度の演算に際して、ノイズ（外乱因子）などの影響を抑制できる。

そして、移動平均値の演算に関しては、第１受光手段による測定データおよび第２受光手段による測定データのみならず、第１データ差分値および第２データ差分値についても、移動平均値（第１データ差分平均値、第２データ差分平均値）をそれぞれ演算する。

このように、第１受光手段による測定データおよび第２受光手段による測定データに関して、複数段階にわたり移動平均値を演算することで、ノイズ（外乱因子）などの影響をより一層抑制でき、ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。

よって、本発明によれば、ノイズ等の影響により受光素子の出力信号が変動した場合であっても、ガス濃度の検出精度の低下を抑えることができる。
なお、光源による赤外光の照射状態および非照射状態は、不定期に切り替え制御してもよく、あるいは、一定周期毎に切り替えても良い。また、赤外光の照射期間と非照射期間とは、それぞれ異なる長さであっても良い。

そして、赤外光の照射状態および非照射状態を１サイクルとする照射制御を繰り返し実行する場合には、１サイクル毎に、第１データ最大値、第２データ最大値、第１データ最小値、第２データ最小値をそれぞれ演算し、複数のサイクルにわたる各演算値を用いて移動平均値（第１データ差分平均値および第２データ差分平均値）を演算しても良い。つまり、１サイクル毎に演算された第１データ差分値および第２データ差分値を用いて移動平均値（第１データ差分平均値および第２データ差分平均値）を演算し、測定対象ガスの濃度を演算する。

このように、複数のサイクルにわたる各演算値を用いて移動平均値を演算することで、瞬時的なノイズ（外乱因子）などが発生した場合でも移動平均値の大きな変化を抑制できるため、ノイズ（外乱因子）などの影響をより一層抑制でき、ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。

次に、上述のガス濃度検出装置においては、測定セルに導入された試料ガスの積算流量値が予め定められた流量判定値を超えたか否かを判定する積算流量判定手段を備えており、濃度演算手段は、積算流量判定手段にて積算流量値が流量判定値を超えたと判断された時点での最新の第１データ差分平均値および第２データ差分平均値に基づいて、試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を演算する、という構成を採ることができる。

このように、測定セルに導入された試料ガスの積算流量値が流量判定値を超えたか否かを判定することで、測定セルに対して試料ガスが十分に導入されたか否かを判定でき、測定セルへの試料ガスの導入が不十分な状況でガス濃度を演算するのを回避できる。

つまり、測定セルに導入された試料ガスの積算流量値が流量判定値を超えた時点での最新の第１データ差分平均値および第２データ差分平均値に基づいて、測定対象ガスの濃度を演算することで、測定セルに試料ガスが十分に導入された状態で測定対象ガスの濃度を演算できる。

よって、本発明によれば、測定セルへの試料ガスの導入が不十分であることに起因する検出誤差が発生しがたくなり、ガス濃度の検出精度の低下を抑えることができる。
次に、上述のガス濃度検出装置においては、第１受光手段および第２受光手段を加熱するヒータと、第１受光手段および第２受光手段の各温度が予め定められた正常範囲であるか否かを判定する温度判定手段と、を備えており、検出手段は、温度判定手段にて第１受光手段および第２受光手段の各温度が正常範囲であると判定されると、測定対象ガスの濃度の演算を実行する、という構成を採ることができる。

このように、ヒータおよび温度判定手段を備えることで、第１受光手段および第２受光手段が正常状態であることを確認した上で、検出手段による測定対象ガスの濃度演算を実行することができる。

例えば、第１受光手段および第２受光手段が結露しない温度範囲を正常範囲として予め定めておき、第１受光手段および第２受光手段の各温度がこの正常範囲である場合に測定対象ガスの濃度を演算することにより、第１受光手段および第２受光手段の結露による悪影響を抑えつつ、測定対象ガスの濃度を検出できる。つまり、結露の影響によって第１受光手段および第２受光手段における受光量が変動することを抑制でき、測定対象ガスの濃度の検出精度の低下を抑制できる。

よって、本発明によれば、第１受光手段および第２受光手段の温度が正常範囲であることを確認した上で測定対象ガスの濃度演算を実行できるため、ガス濃度の検出精度の低下を抑えることができる。

なお、検出手段は、温度判定手段にて第１受光手段および第２受光手段の各温度が正常範囲ではないと判定された場合には、測定対象ガスの濃度の演算を行わず、第１受光手段および第２受光手段の各温度が正常範囲になるまで待機する、という構成を採ることができる。

人の呼気に含まれるアルコールの濃度を検知するガス濃度検出装置の概略構成図である。 図１のガス濃度検出装置におけるＢ−Ｂ断面図である。 ガス濃度検出処理の処理内容を表したフローチャートである。 光源のＯＮ／ＯＦＦ状態、第１赤外線検知素子のセンサ出力（出力データ）、移動平均値の各状態の一例を表したタイミングチャートである。 赤外線検知素子の出力データの差分平均値（実施例）と、移動平均を用いることなく赤外線検知素子の出力データから算出した差分値（比較例）と、の測定結果である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
なお、以下に示す実施形態では、本発明を適用したガス濃度検出装置を例に挙げて説明する。

［１．第１実施形態］
［１−１．全体構成］
本実施形態のガス濃度検出装置１の全体構成について、図面を用いて説明する。

図１は、人の呼気に含まれるアルコールの濃度を検知するガス濃度検出装置１の概略構成図である。
本実施形態のガス濃度検出装置１は、非分散型赤外線吸収式（ＮＤＩＲ）ガス濃度検出装置である。

ガス濃度検出装置１は、人の呼気が吹き込まれる赤外線式ガスセンサ１１１と、ガス濃度検出処理を実行する制御部１５１と、を主に備えている。
図２は、赤外線式ガスセンサ１１１におけるＢ−Ｂ断面図である。

赤外線式ガスセンサ１１１は、先端側（図１左側）が閉塞された円筒形状の容器１１３と、容器１１３を取り囲むように配置されるヒータ１１４と、容器１１３の先端側に配置された白色光源１１５と、容器１１３の後端側に配置された基部１１７と、を主に備えている。

容器１１３は、測定対象である特定成分を含む試料ガスを充填する非透光性の材質（例えばアルミニウム合金）からなる容器であり、その側壁には、試料ガスの導入や排出を行う複数の通気孔１４１、１４３が形成されている。

通気孔１４１にはガス導入管１４４が接続され、通気孔１４３にはガス排出管１４５が接続されている。ガス導入管１４４には、流量センサ１４６が設けられている。流量センサ１４６は、ガス導入管１４４に流れるガス流量に応じた信号を制御部１５１に対して出力する。

ヒータ１１４は、シリコンラバーヒータであり、容器１１３を取り囲むように配置される。ヒータ１１４は、４０［℃］以上に設定された特定の制御目標温度（本実施形態では、５０［℃］に設定）で、容器１１３を加熱することで、容器１１３の内面が結露するのを抑制する。

このとき、ヒータ１１４による熱量は、容器１１３を介して基部１１７にも熱伝導する。これにより、後述する基部１１７の構成要素（第１波長選択フィルタ１３１、第２波長選択フィルタ１３３、第１赤外線検知素子１３５、第２赤外線検知素子１３７）の各表面が結露するのを抑制する。

基部１１７は、非透光性の例えばステンレスからなるキャップ１１９と、ＴＯパッケージ１２１とから構成されている。キャップ１１９は、円盤部１２３と筒状部１２５とから構成されている。

円盤部１２３には、２箇所に開口部１２７、１２９が設けられており、各開口部１２７、１２９にはそれぞれ第１波長選択フィルタ１３１、第２波長選択フィルタ１３３が配置されている。第１波長選択フィルタ１３１、第２波長選択フィルタ１３３は、それぞれ開口部１２７，１２９を覆う様に配置されており、それぞれ特定の帯域の赤外線のみを透過させる。

なお、第１波長選択フィルタ１３１および第２波長選択フィルタ１３３は、その材質については特に制限はなく、サファイア、石英ガラス、シリコン、ゲルマニウム、セレン化亜鉛などの赤外線透過材料からなる基板の表面に、複数の透明膜を積層したものを採用できる。

また、ＴＯパッケージ１２１の内側表面には、第１波長選択フィルタ１３１、第２波長選択フィルタ１３３に対応して、その後端側に、それぞれ第１赤外線検知素子１３５、第２赤外線検知素子１３７が配置されている。

第１赤外線検知素子１３５および第２赤外線検知素子１３７は、それぞれ入射された赤外線の強度に応じた電圧を出力する。
なお、第１赤外線検知素子１３５および第２赤外線検知素子１３７は、その種類は特に制限はなく、焦電センサ、サーモパイルセンサ、フォトダイオード等、一般に用いられる赤外線センサを使用できる。

また、第１波長選択フィルタ１３１、第２波長選択フィルタ１３３、第１赤外線検知素子１３５、第２赤外線検知素子１３７のいずれかの表面が結露した場合、その結露によって赤外線が弱められるため、第１赤外線検知素子１３５または第２赤外線検知素子１３７に入射される赤外線の強度が低下する。このような結露の影響を抑えるために、ヒータ１１４による加熱が有効である。

なお、白色光源１１５は、少なくとも赤外線を含む光を出力するものであり、その種類は特に制限はなく、電球や発熱抵抗体を使用できる。
そして、本実施形態の赤外線式ガスセンサ１１１においては、白色光源１１５と第１波長選択フィルタ１３１と第１赤外線検知素子１３５とは、同一直線Ｌ１上に配置され、同様に、白色光源１１５と第２波長選択フィルタ１３３と第２赤外線検知素子１３７とは、他の同一直線Ｌ２上に配置されている。

つまり、白色光源１１５から照射された赤外線が、容器１１３の内部に導入された試料ガス中を透過し、第１波長選択フィルタ１３１および第２波長選択フィルタ１３３を介して、それぞれ第１赤外線検知素子１３５および第２赤外線検知素子１３７に入射するように配置される。

そして、第１波長選択フィルタ１３１は、通過できる光（即ち赤外線）の帯域（通過帯域）が、濃度を測定する対象である特定成分（例えば、エチルアルコール（ＥｔＯＨ））の吸収帯に合致するもので構成されている。第１波長選択フィルタ１３１に入射される光に関しては、この通過帯域に合致する波長の光のみが透過し、それ以外の波長の光は透過できない。

つまり、通過帯域に合致する波長の赤外線は特定成分によって吸収されるが、この吸収される赤外線のみを透過可能なように、第１波長選択フィルタ１３１の材質が選択されている。

従って、第１波長選択フィルタ１３１を透過する光の強度、すなわち、第１赤外線検知素子１３５の出力は、容器１１３の測定空間１４７に存在するガス種（特定成分）の濃度に依存する。つまり、第１赤外線検知素子１３５の出力（詳しくは素子出力を増幅したセンサ出力）に基づいて、測定空間１４７に存在する特定成分の濃度を測定することができる。

また、第２波長選択フィルタ１３３は、通過できる光（即ち赤外線）の帯域（通過帯域）が第１波長選択フィルタ１３１とは異なる帯域であり、試料ガス中に存在することが想定される何れのガスの吸収帯にも相当しない帯域に合致するもので構成されている。

このため、第２赤外線検知素子１３７を言わば参照素子として用い、第１赤外線検知素子１３５の出力に対するノイズ（外乱因子）を補償することが可能となる。
制御部１５１は、第１赤外線検知素子１３５の出力、第２赤外線検知素子１３７の出力などに基づいて、濃度測定対象である特定成分（例えば、エチルアルコール（ＥｔＯＨ））のガス濃度を演算する。

制御部１５１は、いわゆるマイクロコンピュータで構成されており、詳細は図示しないが、公知の構成を有し、演算を行うマイクロプロセッサ、プログラムやデータを一時記憶するＲＡＭ、プログラムやデータを保持するＲＯＭ、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路などを含んで構成されている。なお、Ａ／Ｄ変換回路は、ＡＤ入力端子ＡＤＣから入力されるアナログ信号を、マイクロプロセッサなどで使用可能なデジタル信号に変換する。

［１−２．ガス濃度検出］
次に、制御部１５１で実行されるガス濃度検出処理について説明する。図３は、ガス濃度検出処理の処理内容を表したフローチャートである。

なお、ガス濃度検出処理は、ガス濃度検出装置１が起動されるとともに処理が開始される。
ガス濃度検出処理が起動されると、まず、Ｓ１１０（Ｓはステップを表す。以下同様。）では、ＲＡＭ動作の初期化などを含む初期設定処理を行う。

なお、Ｓ１１０での初期設定処理では、ガス濃度検出処理の中で用いる各種パラメータの値や各種フラグの状態を初期値に設定する処理を行う。例えば、周期カウンタ変数ｎを初期値（ｎ＝１）に設定し、光源判定フラグＦをリセット状態（Ｆ＝０）に設定する。また、Ｓ１８０での処理に用いるＯＮ最大値に初期値を設定し、Ｓ２１０での処理に用いるＯＦＦ最小値に初期値を設定する。このとき、ＯＮ最大値の初期値としては、ＯＮ最大値がとりうる数値範囲のうち最小値を設定し、ＯＦＦ最小値の初期値としては、ＯＦＦ最小値がとりうる数値範囲のうち最大値を設定する。

次にＳ１２０では、ヒータ１１４を起動して、予め定められた制御目標温度となるようにヒータ１１４を制御する処理を実行する。なお、本実施形態では、制御目標温度が５０［℃］に設定されている。

次のＳ１３０では、第１赤外線検知素子１３５の温度および第２赤外線検知素子１３７の温度がいずれも正常範囲であるか否かを判定しており、肯定判定するとＳ１４０に移行し、否定判定すると同ステップを繰り返し実行することで待機する。

なお、本実施形態では、Ｓ１３０での正常範囲として、第１波長選択フィルタ１３１、第２波長選択フィルタ１３３、第１赤外線検知素子１３５、第２赤外線検知素子１３７の各表面が結露しない温度範囲が設定されている。具体的には、Ｓ１３０での正常範囲として「４５［℃］以上の温度範囲」が設定されており、ヒータ１１４の加熱により第１赤外線検知素子１３５の温度および第２赤外線検知素子１３７の温度がいずれも４５［℃］以上になると、Ｓ１３０で肯定判定される。

また、図１では図示を省略しているが、第１赤外線検知素子１３５および第２赤外線検知素子１３７の近傍には温度センサが備えられており、この温度センサからの温度検知信号に基づいて第１赤外線検知素子１３５の温度および第２赤外線検知素子１３７の温度を検出している。

Ｓ１３０で肯定判定されてＳ１４０に移行すると、Ｓ１４０では、白色光源１１５のＯＮ／ＯＦＦ制御を開始する。このＯＮ／ＯＦＦ制御では、白色光源１１５を０．２５［ｓｅｃ］間にわたりＯＮ状態（点灯状態）に制御した後、０．２５［ｓｅｃ］間にわたりＯＦＦ状態（消灯状態）に制御し、その後、再度、ＯＮ状態（点灯状態）に制御する。つまり、このＯＮ／ＯＦＦ制御では、ＯＮ状態（点灯状態）およびＯＦＦ状態（消灯状態）を１サイクルとする制御を０．５［ｓｅｃ］毎に繰り返し実行する。

次のＳ１５０では、第１赤外線検知素子１３５の出力データおよび第２赤外線検知素子１３７の出力データをそれぞれ取得し、保存する処理を開始する。
このときのサンプリング周期は１［ｍｓｅｃ］であり、各出力データは１［ｍｓｅｃ］毎に取得される。なお、Ｓ１５０で開始されるセンサ出力のデータ取得処理は、このあとバックグラウンド処理として実行され、ガス濃度検出処理が終了するまで継続して実行される。

次のＳ１６０では、センサ出力のデータ取得処理（Ｓ１５０）で保存したデータを用いて、第１赤外線検知素子１３５の出力データおよび第２赤外線検知素子１３７の出力データのそれぞれの移動平均値を演算する処理を開始する。

なお、Ｓ１６０では、第１赤外線検知素子１３５の出力データおよび第２赤外線検知素子１３７の出力データのそれぞれについて、センサ出力のデータ取得処理（Ｓ１５０）で保存したデータのうち最新の１５０個のデータを対象として平均値を演算することで、データの移動平均値を演算する。また、Ｓ１６０で開始される移動平均値の演算処理は、このあとバックグラウンド処理として実行され、ガス濃度検出処理が終了するまで継続して実行される。

Ｓ１７０では、白色光源１１５がＯＮ状態か否かを判定しており、肯定判定するとＳ１８０に移行し、否定判定するとＳ１９０に移行する。
Ｓ１７０で肯定判定されてＳ１８０に移行すると、Ｓ１８０では、移動平均値の演算処理（Ｓ１６０）で演算された移動平均値の最大値を比較演算により判定して、その判定結果に基づいて電源ＯＮ時の最大値（以下、ＯＮ最大値ともいう）を保存する処理を行う。

具体的には、最新の移動平均値と前回処理実行時に保存されたＯＮ最大値とを比較判定し、大きい値を今回のＯＮ最大値として保存する。つまり、最新の移動平均値が大きい場合には、最新の移動平均値を今回のＯＮ最大値として保存し、前回処理実行時に保存されたＯＮ最大値が大きい場合には、前回処理実行時に保存されたＯＮ最大値を今回のＯＮ最大値として保存する。なお、Ｓ１８０の初回実行時には、Ｓ１１０で設定されたＯＮ最大値の初期値と最新の移動平均値との比較を行うが、初期値としてＯＮ最大値がとりうる数値範囲の最小値が設定されているため、最新の移動平均値がＯＮ最大値として保存される。

このとき、Ｓ１８０では、第１赤外線検知素子１３５の出力データに関するＯＮ最大値Ｖ１max、および第２赤外線検知素子１３７の出力データに関するＯＮ最大値Ｖ２maxのそれぞれについて保存する。

Ｓ１７０で否定判定されてＳ１９０に移行すると、Ｓ１９０では、光源判定フラグＦがリセット状態（Ｆ＝０）であるか否か判定しており、肯定判定するとＳ２００に移行し、否定判定するとＳ２１０に移行する。

Ｓ１９０で肯定判定されてＳ２００に移行すると、Ｓ２００では、光源判定フラグＦをセット状態（Ｆ＝１）に設定する。
Ｓ２００の処理が完了するか、Ｓ１９０で否定判定されてＳ２１０に移行すると、Ｓ２１０では、移動平均値の演算処理（Ｓ１６０）で演算された移動平均値の最小値を比較演算により判定して、その判定結果に基づいて電源ＯＦＦ時の最小値（以下、ＯＦＦ最小値ともいう）を保存する処理を行う。

具体的には、最新の移動平均値を前回処理実行時に保存されたＯＦＦ最小値と比較判定し、小さい値を今回のＯＦＦ最小値として保存する。つまり、最新の移動平均値が小さい場合には、最新の移動平均値を今回のＯＦＦ最小値として保存し、前回処理実行時に保存されたＯＦＦ最小値が小さい場合には、前回処理実行時に保存されたＯＦＦ最小値を今回のＯＦＦ最小値として保存する。なお、Ｓ２１０の初回実行時には、Ｓ１１０で設定されたＯＦＦ最小値の初期値と最新の移動平均値との比較を行うが、初期値としてＯＦＦ最小値がとりうる数値範囲の最大値が設定されているため、最新の移動平均値がＯＦＦ最小値として保存される。

このとき、Ｓ２１０では、第１赤外線検知素子１３５の出力データに関するＯＦＦ最小値Ｖ１min、および第２赤外線検知素子１３７の出力データに関するＯＦＦ最小値Ｖ２minのそれぞれについて保存する。

Ｓ１８０またはＳ２１０の処理が完了してＳ２２０に移行すると、Ｓ２２０では、白色光源１１５がＯＮ状態であり、かつ光源判定フラグＦがセット状態（Ｆ＝１）であるか否か判定しており、肯定判定するとＳ２３０に移行し、否定判定するとＳ１７０に移行する。なお、Ｓ２２０は、白色光源１１５のＯＮ／ＯＦＦ制御の１サイクルが完了したか否かを判断するためのステップであり、１サイクルが完了する前の段階では否定判定してＳ１７０〜Ｓ２２０までの処理を繰り返し、１サイクルが完了すると肯定判定してＳ２３０に移行する。

Ｓ２２０で肯定判定されてＳ２３０に移行すると、Ｓ２３０では、光源判定フラグＦをリセット状態（Ｆ＝０）に設定する。
続くＳ２４０では、Ｓ１８０で保存された最新のＯＮ最大値とＳ２１０で保存された最新のＯＦＦ最小値との差分値を演算する。このとき、Ｓ２４０では、第１赤外線検知素子１３５の出力データに関する差分値ΔＶ１(n)（＝ＯＮ最大値Ｖ１max−ＯＦＦ最小値Ｖ１min）、および第２赤外線検知素子１３７の出力データに関する差分値ΔＶ２(n) （＝ＯＮ最大値Ｖ２max−ＯＦＦ最小値Ｖ２min）のそれぞれについて演算する。Ｓ２４０が実行される毎に、周期カウンタ変数ｎに応じた差分値ΔＶ１(n)および差分値ΔＶ２(n)が保存される。

続くＳ２５０では、周期カウンタ変数ｎを１加算する処理（ｎ＝ｎ＋１）を実行する。
次のＳ２６０では、ＯＮ最大値およびＯＦＦ最小値をそれぞれリセットする処理を行う。具体的には、Ｓ１１０での処理と同じ初期値をＯＮ最大値およびＯＦＦ最小値のそれぞれに設定する。これにより、白色光源１１５のＯＮ／ＯＦＦ制御の１サイクルが終了する毎に、ＯＮ最大値およびＯＦＦ最小値のそれぞれがリセットされる。

続くＳ２７０では、周期カウンタ変数ｎが６以上（ｎ≧６）であるか否かを判定しており、肯定判定するとＳ２８０に移行し、否定判定するとＳ１７０に移行する。
なお、Ｓ２７０は、Ｓ２４０で演算される差分値ΔＶ１(n)および差分値ΔＶ２(n)が、それぞれ少なくとも５個以上保存されたか否かを判定するステップであり、５個未満の場合には否定判定してＳ１７０〜Ｓ２７０までの処理を繰り返し、５個以上保存されると肯定判定してＳ２８０に移行する。

Ｓ２７０で肯定判定されてＳ２８０に移行すると、Ｓ２８０では、Ｓ２４０で演算された差分値の移動平均値（以下、差分平均値ともいう）を演算・保存する。Ｓ２８０では、Ｓ２４０で演算された最新の５個の差分値における平均値を差分平均値として演算・保存する。

このとき、Ｓ２８０では、第１赤外線検知素子１３５の出力データに関する差分平均値ΔＶ１ave(n-5)（＝（ΔＶ１(n-5)＋ΔＶ１(n-4)＋ΔＶ１(n-3)＋ΔＶ１(n-2)＋ΔＶ１(n-1))/５ ）、および第２赤外線検知素子１３７の出力データに関する差分平均値ΔＶ２ave(n-5) （＝（ΔＶ２(n-5)＋ΔＶ２(n-4)＋ΔＶ２(n-3)＋ΔＶ２(n-2)＋ΔＶ２(n-1))/５ ）のそれぞれについて演算・保存する。Ｓ２８０が実行される毎に、周期カウンタ変数ｎに基づいて差分平均値ΔＶ１ave(n-5)および差分平均値ΔＶ２ave(n-5)を演算・保存する。

続くＳ２９０では、容器１１３の測定空間１４７に対する呼気（試料ガス）の導入が開始されたか否かを判定しており、肯定判定するとＳ３００に移行し、否定判定すると再びＳ１７０に移行する。なお、本実施形態では、流量センサ１４６から出力される信号に基づいて、呼気（試料ガス）の導入が開始されたか否かを判定している。

つまり、Ｓ２９０は、容器１１３の測定空間１４７に対する呼気（試料ガス）の導入が開始されたか否かを判定するステップであり、呼気の導入が開始される前は否定判定してＳ１７０〜Ｓ２９０までの処理を繰り返し、呼気の導入が開始されると肯定判定してＳ３００に移行する。

Ｓ２９０で肯定判定されてＳ３００に移行すると、Ｓ３００では、ガス導入管１４４を通じて容器１１３に導入された呼気（試料ガス）の積算流量値が、予め定められた流量判定値ＴＨ１よりも大きいか否かを判定しており、肯定判定するとＳ３００に移行し、否定判定するとＳ１７０に移行する。

Ｓ３００は、ガス検出に必要な量の呼気（試料ガス）が容器１１３に導入されたか否かを判定するステップであり、必要量に満たない場合（積算流量値が流量判定値ＴＨ１以下の場合）には否定判定してＳ１７０〜Ｓ３００までの処理を繰り返し、必要量に達した場合（流量積算値が流量判定値ＴＨ１よりも大きい場合）には肯定判定してＳ３１０に移行する。

なお、本実施形態では、呼気１．０［Ｌ］に相当する値が流量判定値ＴＨ１として設定されている。
Ｓ３００で肯定判定されてＳ３１０に移行すると、Ｓ３１０では、Ｓ２８０で演算された最新の差分平均値（差分平均値ΔＶ１ave(n-5)および差分平均値ΔＶ２ave(n-5)）を用いて、呼気（試料ガス）に含まれるアルコール濃度（ガス濃度）を演算する。

具体的には、まず、第１赤外線検知素子１３５の出力データとガス濃度との相関関係を示すマップあるいは計算式を用いて、第１赤外線検知素子１３５の出力データの差分平均値ΔＶ１ave(n-5)に対応したガス濃度Ｃ(n-5)を演算する。なお、マップあるいは計算式については、実際の測定データに基づいて作製する。

続くＳ３２０では、Ｓ３１０で得られたガス濃度が予め定められたガス濃度判定値ＴＨ２よりも大きいか否かを判定しており、肯定判定するとＳ３３０に移行し、否定判定するとＳ３４０に移行する。

Ｓ３２０で肯定判定されてＳ３３０に移行すると、Ｓ３３０では、検出したガス濃度の判定結果として「高濃度判定」を設定する。つまり、Ｓ３３０では、Ｓ３２０での判定結果に基づいて、「呼気（試料ガス）に含まれるアルコールの濃度が高濃度である」と判定する処理を行う。

Ｓ３２０で否定判定されてＳ３４０に移行すると、Ｓ３４０では、検出したガス濃度の判定結果として「低濃度判定」を設定する。つまり、Ｓ３４０では、Ｓ３２０での判定結果に基づいて、「呼気（試料ガス）に含まれるアルコールの濃度が低濃度である」と判定する処理を行う。

Ｓ３３０またはＳ３４０での処理が完了すると、続くＳ３５０では、Ｓ３３０またはＳ３４０で設定された判定結果を、図１では図示しない外部機器に対して出力する。
Ｓ３５０での処理が完了すると、本処理（ガス濃度検出処理）を終了する。

以上説明したように、ガス濃度検出処理が実行されると、まずは、ヒータ１１４が起動されて（Ｓ１２０）、第１赤外線検知素子１３５の温度および第２赤外線検知素子１３７の温度がいずれも正常範囲になると（Ｓ１３０で肯定判定）、白色光源１１５のＯＮ／ＯＦＦ制御が行われる（Ｓ１４０）。

その後、第１赤外線検知素子１３５の出力データおよび第２赤外線検知素子１３７の出力データの取得を開始し（Ｓ１５０）、各出力データの移動平均値の演算を開始し（Ｓ１６０）、ＯＮ最大値とＯＦＦ最小値との差分値を演算し（Ｓ２４０）、差分平均値を演算し（Ｓ２８０）、ガス濃度を演算する（Ｓ３１０）。

ここで、図４に、白色光源１１５のＯＮ／ＯＦＦ状態、第１赤外線検知素子１３５のセンサ出力（出力データ）、移動平均値の各状態の一例を表したタイミングチャートを示す。なお、図４では、周期カウンタ変数ｎがｎ＝１〜６である６個のサイクルにおける各状態（換言すれば、第１サイクルＴ１から第６サイクルＴ６までの６個のサイクルにおける各状態）を示している。

図４に示すように、例えば、第１サイクルＴ１（ｎ＝１）のうち光源ＯＮ期間Ｔ1aでは、時間経過と共にセンサ出力および移動平均値はいずれも値が増加しており、第１サイクルＴ１のうち光源ＯＦＦ期間Ｔ1bでは、時間経過と共にセンサ出力および移動平均値はいずれも値が減少している。

なお、光源ＯＮ期間Ｔ1aの期間中は、Ｓ２２０で否定判定されてＳ１７０〜Ｓ２２０の処理が繰り返し実行される中で、Ｓ１７０で肯定判定されて、Ｓ１８０が実行される毎に最新の移動平均値と前回処理実行時に保存されたＯＮ最大値との比較演算を行い、大きい値をＯＮ最大値（ＯＮ最大値Ｖ１maxおよびＯＮ最大値Ｖ２max）として保存する。また、光源ＯＦＦ期間Ｔ1bの期間中は、Ｓ２２０で否定判定されてＳ１７０〜Ｓ２２０の処理が繰り返し実行される中で、Ｓ１７０で否定判定されて、Ｓ２１０が実行される毎に最新の移動平均値と前回処理実行時に保存されたＯＦＦ最小値との比較演算を行い、小さい値をＯＦＦ最小値（ＯＦＦ最小値Ｖ１minおよびＯＦＦ最小値Ｖ２min）として保存する。

そして、移動平均値の波形のうち、光源ＯＮ期間での最大値がＳ１８０で取得されるＯＮ最大値Ｖ１maxの一例であり、光源ＯＦＦ期間での最小値がＳ２１０で取得されるＯＦＦ最小値Ｖ１minの一例である。また、図４に示すように、各サイクルにおいて、ＯＮ最大値Ｖ１maxとＯＦＦ最小値Ｖ１minとの差分値である差分値ΔＶ１(n)（＝ＯＮ最大値Ｖ１max−ＯＦＦ最小値Ｖ１min）が演算される。

このとき、第２赤外線検知素子１３７のセンサ出力（出力データ）に関しても、ＯＮ最大値Ｖ２maxとＯＦＦ最小値Ｖ２minとの差分値である差分値ΔＶ２(n)（＝ＯＮ最大値Ｖ２max−ＯＦＦ最小値Ｖ２min）が演算される。

そして、第１サイクルＴ１から第５サイクルＴ５までの期間（周期カウンタ変数ｎ＝１〜５）における第１赤外線検知素子１３５のセンサ出力（出力データ）に関して差分値ΔＶ１(n)の演算が行われると（Ｓ２７０で肯定判定）、５個の差分値ΔＶ１(n) の平均値である差分平均値ΔＶ１ave(1)が演算される（Ｓ２８０）。このとき、第２赤外線検知素子１３７のセンサ出力（出力データ）に関しても、５個の差分値ΔＶ２(n) の平均値である差分平均値ΔＶ２ave(1)が演算される。

このあと、容器１１３への呼気（試料ガス）の導入が開始されたか否かを判定する期間中（Ｓ２９０）、および、容器１１３に導入された呼気（試料ガス）がガス検出に必要な量に満たない期間中（流量積算値が流量判定値ＴＨ１以下の期間中。Ｓ３００で否定判定。）には、差分平均値ΔＶ１ave(n-5)および差分平均値ΔＶ２ave(n-5)が繰り返し演算される。

このような差分平均値の演算については、演算対象期間を１サイクル毎に移動させつつ繰り返し実行される（Ｓ１７０〜Ｓ３００）。つまり、第１サイクルＴ１から第５サイクルＴ５までの期間における差分平均値およびガス濃度の演算が完了すると、次いで、第２サイクルＴ２から第６サイクルＴ６までの期間（周期カウンタ変数ｎ＝２〜６）における演算が実行され、さらにその後、第３サイクルＴ３から第７サイクルＴ７までの期間（周期カウンタ変数ｎ＝３〜７）における演算が実行される。

そして、容器１１３に導入された呼気（試料ガス）がガス検出に必要な量に達すると（流量積算値が流量判定値ＴＨ１よりも大きい。Ｓ３００で肯定判定。）、最後に演算された差分平均値ΔＶ１ave(n-5)および差分平均値ΔＶ２ave(n-5) に基づいて、ガス濃度が演算される（Ｓ３１０）。

［１−３．測定結果］
ここで、本実施形態のガス濃度検出装置１を用いて得られる第１赤外線検知素子１３５の出力データの差分平均値ΔＶ１ave(n-5)と、移動平均を用いることなく赤外線検知素子の出力データから算出した差分値ΔＶと、を比較するために実施した測定結果について説明する。

図５に、第１赤外線検知素子１３５の出力データの差分平均値ΔＶ１ave(n-5)と、移動平均を用いることなく赤外線検知素子の出力データから算出した差分値ΔＶと、の測定結果を示す。

なお、図５では、第１赤外線検知素子１３５の出力データの差分平均値ΔＶ１ave(n-5)を実施例として示し、移動平均を用いることなく赤外線検知素子の出力データから算出した差分値ΔＶを比較例として示す。

図５から判るように、比較例の波形が大きく変動しているのに対して、実施例の波形は変動範囲が小さい。具体的には、図５に示す波形においては、比較例の波形における最大値と最小値との差が１２．６４［ｍＶ］であるのに対して、実施例の波形における最大値と最小値との差が１．５９［ｍＶ］である。

このことから、本実施形態のガス濃度検出装置１は、移動平均を用いない従来の検出装置に比べて、ノイズなどの影響を抑制できることが判る。
［１−４．効果］
以上説明したように、本実施形態のガス濃度検出装置１は、ガス濃度（アルコール濃度）を演算するにあたり、第１赤外線検知素子１３５の出力データおよび第２赤外線検知素子１３７の出力データをそのまま利用するのではなく、これら出力データの移動平均値を用いてガス濃度を演算する。

つまり、ノイズ（外乱因子）などの影響によって、第１赤外線検知素子１３５の出力データおよび第２赤外線検知素子１３７の出力データが瞬時的に大きく変動した場合であっても、移動平均値に関しては、その変動範囲が測定データの瞬時的な変動範囲よりも小さくなるため、ガス濃度の演算に際して、ノイズ（外乱因子）などの影響を抑制できる。

そして、移動平均値の演算に関しては、第１赤外線検知素子１３５の出力データおよび第２赤外線検知素子１３７の出力データのみならず、差分値ΔＶ１(n) および差分値ΔＶ２(n) についても移動平均値（差分平均値ΔＶ１ave(n-5)、差分平均値ΔＶ２ave(n-5)）を演算・保存する。

このように、第１赤外線検知素子１３５の出力データおよび第２赤外線検知素子１３７の出力データに関して、複数段階にわたり移動平均値を演算することで、ノイズ（外乱因子）などの影響をより一層抑制でき、ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。

よって、本実施形態のガス濃度検出装置１によれば、ノイズ等の影響により第１赤外線検知素子１３５の出力データおよび第２赤外線検知素子１３７の出力データが変動した場合であっても、ガス濃度の検出精度の低下を抑えることができる。

また、本実施形態のガス濃度検出装置１は、容器１１３に導入された呼気（試料ガス）の積算流量値が流量判定値ＴＨ１を超えたか否かを判定することから、容器１１３に対して呼気が十分に導入されたか否かを判定でき、容器１１３への呼気の導入が不十分な状況でガス濃度を演算するのを回避できる。

つまり、容器１１３に導入された呼気の積算流量値が流量判定値ＴＨ１を超えた時点での最新の差分平均値（差分平均値ΔＶ１ave(n-5)および差分平均値ΔＶ２ave(n-5)）に基づいて、アルコールガス濃度を演算することで、容器１１３に呼気が十分に導入された状態でアルコールガス濃度を演算できる。

さらに、移動平均値を用いてガス濃度を演算することから、容器１１３に導入される呼気の積算流量値が流量判定値ＴＨ１を超える時期がどのようなタイミングであろうとも、実際の試料ガス（呼気）の濃度に応じた適切な検出結果を得ることができ、ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。

よって、本実施形態によれば、容器１１３への呼気の導入が不十分であることに起因する検出誤差が発生しがたくなり、ガス濃度の検出精度の低下を抑えることができる。
また、本実施形態のガス濃度検出装置１は、ヒータ１１４を備えており、第１赤外線検知素子１３５の温度および第２赤外線検知素子１３７の温度が正常範囲と判定されると（Ｓ１３０で肯定判定）、第１赤外線検知素子１３５の出力データおよび第２赤外線検知素子１３７の出力データを用いたガス濃度の検出を実行する。

そして、Ｓ１３０での正常範囲は、「第１波長選択フィルタ１３１、第２波長選択フィルタ１３３、第１赤外線検知素子１３５、第２赤外線検知素子１３７の各表面が結露しない温度範囲」である。

このことから、第１波長選択フィルタ１３１、第２波長選択フィルタ１３３、第１赤外線検知素子１３５、第２赤外線検知素子１３７の各表面が結露しない正常状態であることを確認した上で、ガス濃度演算を実行することができる。つまり、結露の影響によって、第１赤外線検知素子１３５、第２赤外線検知素子１３７の受光量が変動することを抑制でき、測定対象ガスの濃度の検出精度の低下を抑制できる。

よって、本実施形態によれば、第１波長選択フィルタ１３１、第２波長選択フィルタ１３３、第１赤外線検知素子１３５、第２赤外線検知素子１３７の各表面が結露しない正常状態であることを確認した上でガス濃度演算を実行できるため、ガス濃度の検出精度の低下を抑えることができる。

［１−５．特許請求の範囲との対応関係］
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
人の呼気が試料ガスの一例に相当し、アルコールが測定対象ガスの一例に相当し、容器１１３が測定セルの一例に相当し、白色光源１１５が光源の一例に相当する。

第１波長選択フィルタ１３１および第１赤外線検知素子１３５が第１受光手段の一例に相当し、第２波長選択フィルタ１３３および第２赤外線検知素子１３７が第２受光手段の一例に相当する。

制御部１５１が検出手段の一例に相当し、Ｓ１７０を実行する制御部１５１が移動平均演算手段の一例に相当し、Ｓ１９０を実行する制御部１５１が最大値演算手段の一例に相当し、Ｓ２２０を実行する制御部１５１が最小値演算手段の一例に相当する。

Ｓ２５０を実行する制御部１５１が差分値演算手段の一例に相当し、Ｓ２８０を実行する制御部１５１が差分平均演算手段の一例に相当し、Ｓ２９０を実行する制御部１５１が積算流量判定手段の一例に相当し、Ｓ３００を実行する制御部１５１が濃度演算手段の一例に相当する。

ヒータ１１４がヒータの一例に相当し、Ｓ１３０を実行する制御部１５１が温度判定手段の一例に相当する。
［２．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態は、ヒータ１１４を備えており、ガス濃度検出処理ではＳ１３０で肯定判定された場合に、ガス濃度の演算を行う構成であるが、第１波長選択フィルタ１３１、第２波長選択フィルタ１３３、第１赤外線検知素子１３５、第２赤外線検知素子１３７の各表面が結露しない環境下で用いる場合には、ヒータを備えず、かつガス濃度検出処理でのＳ１２０およびＳ１３０を省略した構成としても良い。

また、ガス濃度検出処理で用いる各種パラメータの判定値（温度条件、時間条件など）は、上記数値に限定されることはなく、適切な判定処理が可能な範囲において用途に応じた任意の値を採ることができる。

さらに、Ｓ１７０での移動平均値の演算については、平均値の演算に用いるデータの個数は１５０個に限られることはなく、用途に応じた任意の値を採ることができる。
また、Ｓ２９０での流量判定値ＴＨ１は、「呼気１．０［Ｌ］に相当する値」に限られることはなく、用途や目的に応じた任意の値を設定できる。

１…ガス濃度検出装置、１１１…赤外線式ガスセンサ、１１３…容器、１１４…ヒータ、１１５…白色光源、１１７…基部、１３１…第１波長選択フィルタ、１３３…第２波長選択フィルタ、１３５…第１赤外線検知素子、１３７…第２赤外線検知素子、１５１…制御部。

Claims (3)

1. 試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を検知するガス濃度検出装置において、
   前記試料ガスが導入される測定セルと、
   前記測定セルに導入された試料ガスに赤外光を照射する光源と、
   それぞれ異なる波長領域を有し、前記光源より照射され前記試料ガスを通過した赤外光を検知する第１受光手段、および第２受光手段と、
   前記第１受光手段で得られる測定データおよび前記第２受光手段で得られる測定データに基づいて、前記試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出する検出手段と、
   を備えるガス濃度検出装置であって、
   前記検出手段は、
   前記第１受光手段による測定データおよび前記第２受光手段による測定データのそれぞれの移動平均値を演算する移動平均演算手段と、
   前記第１受光手段による測定データの移動平均値のうち前記光源による赤外光の照射期間における最大値である第１データ最大値と、前記第２受光手段による測定データの移動平均値のうち前記光源による赤外光の照射期間における最大値である第２データ最大値と、をそれぞれ演算する最大値演算手段と、
   前記第１受光手段による測定データの移動平均値のうち前記光源による赤外光の非照射期間における最小値である第１データ最小値と、前記第２受光手段による測定データの移動平均値のうち前記光源による赤外光の非照射期間における最小値である第２データ最小値と、をそれぞれ演算する最小値演算手段と、
   前記第１データ最大値と前記第１データ最小値との差分値である第１データ差分値と、前記第２データ最大値と前記第２データ最小値との差分値である第２データ差分値と、をそれぞれ演算する差分値演算手段と、
   前記第１データ差分値の移動平均値である第１データ差分平均値、および前記第２データ差分値の移動平均値である第２データ差分平均値をそれぞれ演算する差分平均演算手段と、
   前記第１データ差分平均値および第２データ差分平均値に基づいて、前記試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を演算する濃度演算手段と、
   を備えること、
   を特徴とするガス濃度検出装置。
2. 前記測定セルに導入された前記試料ガスの積算流量値が予め定められた流量判定値を超えたか否かを判定する積算流量判定手段、を備えており、
   前記濃度演算手段は、前記積算流量判定手段にて前記積算流量値が前記流量判定値を超えたと判断された時点での最新の前記第１データ差分平均値および第２データ差分平均値に基づいて、前記試料ガス中に含まれる測定対象ガスの濃度を演算すること、
   を特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置。
3. 前記第１受光手段および前記第２受光手段を加熱するヒータと、
   前記第１受光手段および前記第２受光手段の各温度が予め定められた正常範囲であるか否かを判定する温度判定手段と、
   を備えており、
   前記検出手段は、前記温度判定手段にて前記第１受光手段および前記第２受光手段の各温度が前記正常範囲であると判定されると、前記測定対象ガスの濃度の演算を実行すること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス濃度検出装置。