JP6608514B2 - 光学式濃度測定装置および光学式濃度測定装置の制御方法 - Google Patents
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Description
[特許文献]
特許文献1 特開2014−173896号公報
特許文献2 特開2017−49190号公報
光源101は、光検出部102が感度を有する波長帯を含む光であって、測定対象分子が、吸収、回折、散乱等の作用を及ぼす波長帯を含む光を出力することができれば、種類または構造等は特に制限されない。
光検出部102は、光源101が出力する光の少なくとも一部を受光し、受光した光量に応じた信号を出力信号として出力することができれば、種類および構造等は特に制限されない。光検出部102としては、例えば、測定に用いる光に対応した光電変換素子を用いることができる。より具体的には、例えば、測定に赤外線を用いる場合、焦電センサ(Pyroelectricsensor)、サーモパイル(Thermopile)、ボロメータ(Bolometer)などの熱型赤外線センサや、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの量子型赤外線センサ等を用いることができる。また、例えば、測定に紫外線を用いる場合、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの量子型紫外線センサ等を用いることができる。また、例えば、測定にX線を用いる場合、各種半導体センサ等を用いることができる。
平滑化フィルタ103は、光検出部102の出力信号、または出力信号から濃度を算出する過程の値や、出力信号に基づいて算出された濃度値に適用可能であって、それらの信号を平滑化フィルタ103の入力信号として用いることで、それらの信号が時間領域において平滑化された信号(本明細書では、平滑化信号と称する場合がある)を出力することができ、すなわち、後述する熱雑音に代表されるようなノイズの影響を抑制することができ、且つ、そのフィルタ特性を後述のフィルタ制御部105により制御することができれば、種類および構造等は特に制限されない。
光源制御部104は、光源101への電力供給を、入力される第1変化量に基づいて制御することができれば、種類および構造等は特に制限されない。第1変化量は、光検出部102の出力信号に基づく取得値から選択される少なくとも二つの選択取得値から算出される変化量である。一例として第1変化量は、光検出部102の出力信号の異なる時刻における2つの値(選択取得値)の差分から算出できる。また、他の例として、第1変化量は、光検出部102の出力信号の異なる時刻における2つの値(選択取得値)の比から算出できる。
フィルタ制御部105は、平滑化フィルタ103のフィルタ特性を、入力される第2変化量に基づいて制御することができれば、種類および構造等は特に制限されない。第2変化量は、光検出部102の出力信号に基づく取得値から選択される少なくとも二つの選択取得値から算出される変化量である。一例として第2変化量は、光検出部102の出力信号の異なる時刻における2つの値(選択取得値)の差分から算出できる。また、他の例として、第2変化量は、光検出部102の出力信号の異なる時刻における2つの値(選択取得値)の比から算出できる。また、第2変化量は、第1変化量と同一の値であってよく、異なる値であってもよい。
一般に、光源101および光検出部102として上述のいずれを用いても、光検出部102から出力される出力信号は、理想的に出力されるべき信号の他に周波数依存のないノイズを含む。このノイズは、例えば、光源101自体や光源101に電力を供給するための駆動回路、光検出部102の光電変換素子や光電変換素子から出力される電気信号を処理する回路に由来する熱雑音(サーマルノイズ)である。よってこの出力信号は有限の信号雑音比(SNR)を有する。ここで、通常、熱雑音の大きさの分布は、正規分布になることが知られている。
信号変化量演算部106は、現在と過去の時刻における光検出部102の出力信号に基づく取得値から選択される少なくとも二つの選択取得値から、第1変化量(光源制御用に算出する信号変化量)および第2変化量(フィルタ制御用に算出する信号変化量)を算出し、光源制御部104並びにフィルタ制御部105にそれぞれ出力することができれば、種類および構造等は特に制限されない。第1変化量の算出に用いる選択取得値と第2変化量の算出に用いる選択取得値は、同じであってもよく、異なっていてもよい。
また、現在の時刻における出力信号の値と、過去の時刻における或いは当該出力信号が得られる直前の平滑化信号の値の差や比に基づく値を、信号変化量演算部106が第1および第2変化量(第1および第2非平滑化信号変化量と称する)として出力してもよい。
更にこのとき、非平滑化信号変化量があらかじめ定められた値より大きいとき、信号変化量演算部106は、平滑化信号変化量を参照することで、非平滑化信号変化量が大きいことが、環境温度が変わる等により出力信号が有するノイズが大きくなったことに由来するものであるのか、まさに測定対象分子濃度が変化することに依り出力信号が大きく変化したことに由来するものであるのかを判別してもよい。この場合の具体的な動作例は後述する。或いは、信号変化量演算部106は、第1および第2変化量として同じ値を用いてもよい。
上述したように光学式濃度測定装置100の測定精度、応答性、光源の省電力性或いは光源の寿命は互いにトレードオフの関係にある。従来の装置においては、求められる性能に合わせて光源およびフィルタ等の設計を行い、バランスを取っていた。すなわち、光源の長寿命化を図る場合には、相応の測定精度の低下および/または応答性の低下を伴う。
このようにすることによって、真に高速動作状態に移行すべき状態でない場合に、ノイズ等によって偶発的に、第1変化量または第2変化量の一方のみが基準値を上回ってしまったとしても、これによって高速動作状態に移行することを回避することができる。
また、例えば、上述の例で光源101に投入する電力を標準動作状態よりも減らしつつ平滑化フィルタ103によるSNR向上の程度を強めるとき、平滑化フィルタ103によるSNR向上の程度を強めた後、あらかじめ定められた時間を空けてから光源101に投入する電力を減らしてもよい。このとき、平滑化フィルタ103によるSNR向上の程度を強めた後、光源101に投入する電力を減らす前に再び第1変化量があらかじめ定められた基準値より大きくなった場合、光源101に投入する電力の低減を取り消してもよい。このように制御することで、信号変化量演算部の変化量演算方法の不完全さに由来する、一時的な第1変化量の減少を補償することができる。このとき、平滑化フィルタ103によるSNR向上の程度を強めた後、光源101に投入する電力を減らすまでの間は測定対象分子濃度の測定サイクル10回分以内、あるいは経過時間10分以内が望ましい。間を開けすぎると光源の省電力性向上の効果が薄れてしまう。
次に、光学式濃度測定装置100の効果をより具体的に検証する。例えば、光学式濃度測定装置100は、二酸化炭素濃度測定向け赤外線LED(AK9700AE)および赤外線センサ(AK9710AE)を用いたCO2ガスセンサである。本例の光学式濃度測定装置100は、CO2ガスによる4.3μm近辺の波長の光の吸収量を検出することによって測定対象空間におけるCO2ガス濃度を算出する。光学式濃度測定装置100は、非分散形赤外(NDIR:Non―Dispersive Infrared)方式の濃度測定装置であるが、これに限られない。
Claims (13)
- 供給される電力に応じた量の光を出力する光源と、
前記光源が出力する光の少なくとも一部を受光し、受光量に応じた信号を出力信号として出力する光検出部と、
前記出力信号に基づく信号を平滑化する平滑化フィルタと、
現在または過去の時刻における前記出力信号に基づく取得値から選択される少なくとも2つの選択取得値の間の変化量に応じた第1変化量および第2変化量を算出する信号変化量演算部と、
前記第1変化量に基づいて、前記光源に供給する電力を制御する光源制御部と、
前記第2変化量に基づいて、前記平滑化フィルタの特性を制御するフィルタ制御部と
を備える光学式濃度測定装置。 - 前記出力信号および前記平滑化フィルタによって平滑化された前記出力信号に基づく信号の少なくとも一方に基づいて測定対象分子の濃度値を算出する濃度演算部を更に備える
請求項1に記載の光学式濃度測定装置。 - 前記取得値は前記濃度値である
請求項2に記載の光学式濃度測定装置。 - 前記平滑化フィルタによって平滑化される、前記出力信号に基づく信号は前記濃度値である
請求項2または3に記載の光学式濃度測定装置。 - 前記選択取得値の少なくとも1つは、前記平滑化フィルタによって平滑化された信号である
請求項1から4のいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。 - 前記第1変化量が第1基準値より小さく、且つ前記第2変化量が第2基準値より小さいとき、前記光源制御部は前記光源に供給する電力を減少させ、前記フィルタ制御部は前記平滑化フィルタの平滑化の程度を強める
請求項1から5のいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。 - 前記第1変化量が第3基準値より大きく、且つ前記第2変化量が第4基準値より大きいとき、前記光源制御部は前記光源に供給する電力を増加させ、前記フィルタ制御部は前記平滑化フィルタの平滑化の程度を弱める
請求項1から6のいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。 - 前記第1変化量と前記第2変化量は同一のものである
請求項1から7のいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。 - 前記光源に供給される電力の波形はパルス状であり、
前記光源制御部は前記電力の波形のパルス幅を制御することにより、前記光源に供給する電力を制御する
請求項1から8のいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。 - 前記光源に供給される電力の波形はパルス状であり、
前記光源制御部は前記電力の波形のパルス高さを制御することにより、前記光源に供給する電力を制御する
請求項1から9のいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。 - 前記平滑化フィルタは無限インパルス応答フィルタを含み、
前記フィルタ制御部は前記無限インパルス応答フィルタの時定数を制御することにより、前記平滑化フィルタの特性を制御する
請求項1から10のいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。 - 前記平滑化フィルタは移動平均化フィルタを含み、
前記フィルタ制御部は前記移動平均化フィルタの平均化点数および重み付けの少なくとも一方を制御することにより、前記平滑化フィルタの特性を制御する
請求項1から11のいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。 - 供給される電力に応じた量の光を光源により出力し、
前記光源が出力する光の少なくとも一部を受光し、受光量に応じた信号を出力信号として光検出部により出力し、
前記出力信号に基づく信号を平滑化フィルタにより平滑化し、
現在または過去の時刻における前記出力信号に基づく取得値から選択される少なくとも2つの選択取得値の間の変化量に応じた第1変化量および第2変化量を信号変化量演算部により算出し、
前記第1変化量に基づいて、前記光源に供給する電力を光源制御部が制御し、
前記第2変化量に基づいて、前記平滑化フィルタの特性をフィルタ制御部が制御する
光学式濃度測定装置の制御方法。
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