JPH085552A - 非分散赤外ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非分散赤外ガス検出装置の周囲温度依存性を
小さくし、かつ装置の立ち上がり時間を短縮する。 【構成】 ランプ４と焦電素子６をヒータブロック２に
収容し、ヒータとサーミスタで温度を一定にする。セル
２４は内面を反射面とし、隔壁２６で往路と復路に分離
し、多重反射光を検出する。ヒータブロック２の周囲は
空気層４２，４４で周囲から断熱し温度の急変を避け
る。また焦電素子６のゲートにバイアスを加える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の利用分野】この発明はＮＤＩＲ（非分散赤外）
ガス検出装置に関し、特にＣＯ2やＣＯ，あるいはＮＯ
ｘ等のガスの検出に関する。

【０００２】

【従来技術】非分散赤外ガス検出装置の問題点の１つ
は、周囲温度への依存性が大きいことである。そしてこ
れに対する対策は、装置全体を恒温槽に収容することで
ある（例えば実公昭６０−２００４０号，特開平４−５
５４７号）。しかしながら装置全体を恒温槽に収容する
と、装置が大型化しかつ温度制御用のエネルギーが増加
する。これに対して発明者は、受光素子と光源のみを恒
温化しても、非分散赤外ガス検出装置の温度依存性を充
分小さくできることを見い出した。

【０００３】

【発明の課題】この発明の課題は、 1) ガス検出装置全体を恒温化せずに、その温度依存性
を小さくする（請求項１〜３）， 2) ガス検出装置を小型化する（請求項１〜３）， 3) 温度が急変した際の影響を小さくする（請求項
２）， 4) ガス検出装置の立ち上がり時間を短縮する（請求項
３）， 5) 出力をガス濃度に対して線形にする（請求項４），
ことにある。

【０００４】

【発明の構成と作用】この発明の非分散赤外ガス検出装
置では、光源と受光素子とを共通のヒータブロックに収
容するとともに、前記ヒータブロックには温度検出素子
と該温度検出素子の信号で駆動される恒温化用のヒータ
とを設けて前記ヒータブロックのみを恒温化し、前記ヒ
ータブロックの受光素子と光源とに面した側を一端と
し、少なくとも他端に反射面を設けたセルを設け、セル
の内部には隔壁を設けて光源から前記反射面までの往路
と反射面から前記受光素子までの復路とを分離する（請
求項１）。ここに受光素子には例えば焦電素子やサーモ
パイル等を用い、特に焦電素子を用いる。光源にはラン
プやヒータ等を用い、温度検出素子にはサーミスタや白
金測温抵抗体等を用いる。セルは少なくとも先端に反射
面を設けるが、実施例ではセルの内面全体を鏡面にしセ
ルの内面全体を反射面にする。

【０００５】発明者は受光素子と光源のみを恒温化して
も温度依存性を充分に小さくでき、例えば０℃〜４０℃
の周囲温度変動に対し検出誤差を±５％以下等にできる
ことを見い出した。非分散赤外ガス検出装置の温度依存
性には光源や受光素子に関係するもの以外に、セルのガ
ス密度が温度で変化することとガスの吸光係数が温度に
依存することとがある。しかし発明者はこれらのものの
寄与が小さく、受光素子と光源のみを恒温化すれば良い
ことを見い出したのである。そしてこの発明では光源と
受光素子を共通のヒータブロックに収容するので温度制
御は１系統となり、光源と受光素子を別々に温度制御す
る必要がない。次に光源と受光素子は共にヒータブロッ
ク内に有り、これらはセルから見て同じ側で、これに対
応してセルはヒータブロックの反対側に反射面を設けた
反射型のセルとする。セルには光の往路と復路とを分離
する隔壁を設けて、セルの先端の反射面まで達しなかっ
た光が受光素子に入射するのを防止する。

【０００６】好ましくは、前記セルを収容した外側ケー
スと、前記ヒータブロックを収容した内側ケースとを設
け、該内側ケースを前記外側ケース内に収容し、さらに
前記セルと反対側の位置に第１または内側ケースへの蓋
を設け、外側ケースと内側ケースの間、及び内側ケース
と前記蓋との間に、それぞれ断熱層を設ける（請求項
２）。なお外側ケースとセルを物理的に同じ物としても
良く、例えばプラスチック製のケースの内面に無電解メ
ッキ等で金属メッキを施せば、外側ケースの内面の金属
メッキがセルの反射面となる。断熱層には例えば空気や
気孔率の高いゴム，スポンジ，ガラスウール等の無機断
熱材等を用いる。このようにすると温度の急変時の影響
が小さくなる。例えば室内から室外にガス検出装置を持
ち出すと、あるいは装置の使用場所を変えると、周囲温
度が急変する。周囲温度が急変するとヒータブロックの
温度が変動し、温度のフィードバック制御が終了するま
で出力が不安定となる。しかしヒータブロックと周囲と
を断熱すると、ブロック内での熱伝導率が高くかつ周囲
からの熱伝導率が小さいため、ブロック温度の変動を防
止でき出力への影響が小さくなる。

【０００７】また好ましくは、前記受光素子をＦＥＴを
内蔵した焦電素子とし、該焦電素子はソース，ゲート，
ドレインの少なくとも３端子を持ち、かつそのゲート端
子にバイアス電圧を加える（請求項３）。ＬａＴｉＯ3
等の焦電セラミック等を用いた焦電素子はＦＥＴを内蔵
し、ゲート，ソース，ドレインの３端子を備えている。
そして従来技術では焦電素子のゲート端子をアースして
いる。これに対して発明者は、ゲート端子にバイアス電
圧を加えると焦電素子の起動から安定化までの時間を短
縮できることを見い出した。このため非分散赤外ガス検
出装置の問題点の１つである焦電素子の立ち上がり時間
を、例えば１０分以下に短縮できる。

【０００８】また好ましくは、前記受光素子の出力を折
線増幅回路で増幅する（請求項４）。受光素子の出力は
ランバート・バールの法則に従うためガス濃度に非線形
で、高濃度域でガス濃度依存性が小さくなる。これに対
して折線増幅回路、特に折線伸張増幅回路を用いると、
ガス濃度にリニアな出力が得られ、表示が容易になる。

【０００９】

【実施例】図１〜図７に非分散赤外ガス検出装置の構成
を示し、図８〜図１１にその特性を示す。実施例は空調
用のＣＯ2検出を例とするが、これに限るものではな
い。図１において、２は例えばアルミダイガストのヒー
タブロックで、４は光源のランプ、６は受光素子の焦電
素子である。焦電素子６はＦＥＴを内蔵した３端子のも
ので、ＣＯ2検出用のバンドパスフィルタを内蔵してい
る。８，１０はほこり等の付着を防止するためのフィル
タで、例えばサファイヤ，シリコン，石英ガラス，マイ
カ等を用いる。ヒータブロック２はプラスチックの内側
ケース１２に収容し、２０は外側ケースである。ケース
１２，２０には熱伝導率を小さくするため各々プラスチ
ックを用いることが好ましい。２２はゴム等の断熱材
で、内側ケース１２を外側ケース２０に対して保持する
ために用いる。２４はセルで、その内面全体を鏡面とし
た多重反射型のセルであり、隔壁２６，２６を設けて往
路セル２８と復路セル３０とに分離する。セル２４の材
質には例えばアルミニウム板等を用いる。またセル２４
には穴３２を設け、セル２４の外側にテフロン膜等のガ
ス透過膜を貼り付けて、穴３２から周囲のガスを自然拡
散させる。なお装置を吸引式とする場合、往路セル２８
に穴３２を１個設け、復路セル３０に穴３２を１個設け
た構造とし、穴３２，３２を吸引口，排出口とする。

【００１０】４０は蓋でセル２４とは反対側に設け、付
帯回路４６へのケーブルを引き出す。４２，４４は各々
断熱用の空気層でスポンジやゴム，ガラスウール等でも
良い。ヒータブロック２は熱伝導率の小さな内側ケース
１２に収容してあり、外側ケース２０との間には空気層
４４があり、蓋４０との間には空気層４２がある。そし
て内側ケース１２は熱伝導率の小さな断熱材２２で外側
ケース２０に保持してある。このため周囲からヒータブ
ロック２への熱伝導率は小さく、周囲温度が急変しても
ヒータブロック２の温度はあまり変化しない。４６は付
帯回路である。実施例において、恒温化するのはヒータ
ブロック２のみであり、ランプ４と焦電素子６の温度の
みを安定にする。

【００１１】図２〜図４に、ヒータブロック２の構成を
示す。図２はヒータブロック２をセル２４側から見た際
の平面図であり、図３はその断面図である。ヒータブロ
ック２の中央にランプ４と焦電素子６とがあり、その周
囲を３つのヒータＨ1〜Ｈ3が取り巻いている。ヒータＨ
1〜Ｈ3はセメント等でヒータブロック２に固定する。図
４はヒータブロックの断面図で、１４はヒータブロック
２の温度を検出するためのサーミスタである。図２〜図
４に示したように、ヒータブロック２では３つのヒータ
Ｈ1〜Ｈ3によりブロック２全体を均一に加熱し、その温
度をサーミスタ１４で検出して、ヒータＨ1〜Ｈ3にフィ
ードバック制御を加える。

【００１２】図５に付帯回路４６の構成を示す。ここで
は交流１００Ｖ電源を用いたが、これに替えてバッテリ
ード電源でも良い。図において、４８はトランス、５０
は表示用のＬＣＤ（液晶ディスプレー）で、Ｉ1は定電
圧回路、Ｉ2は例えば１Ｈｚの発振回路、Ｉ3はＬＣＤ５
０の駆動回路である。Ａ1〜Ａ5は各々演算増幅器等のア
ンプで、Ｒ1〜Ｒ26は抵抗、Ｄ1〜Ｄ7はダイオード、Ｃ1
〜Ｃ3はコンデンサ、Ｔ1，Ｔ2はＦＥＴトランジスタ等
のトランジスタ、Ｖ1，Ｖ2はボリュームである。付帯回
路４６は、定電圧回路Ｉ1を中心とした電源部、ランプ
４とその駆動回路、ヒータＨ1〜Ｈ3の駆動回路、焦電素
子６からＬＣＤ５０までの出力回路の４つの部分からな
っている。電源回路では定電圧回路Ｉ1を用いて、例え
ば５Ｖ等の電源を取り出す。ランプ４の駆動回路では発
振回路Ｉ2を用いて例えば１Ｈｚの方形波を取り出し、
トランジスタＴ1を介してランプ４を駆動する。ヒータ
Ｈ1〜Ｈ3の制御回路では、サーミスタ１４で検出した周
囲温度とボリュームＶ1で調整した基準電圧との差をア
ンプＡ1で作動増幅し、トランジスタＴ2を介してヒータ
Ｈ1〜Ｈ3に比例制御を加え、ヒータブロック２の温度を
一定にする。

【００１３】焦電素子６の構造やバイアス電圧を図６，
図７に示す。図６において、５２は窓、５４はバンドパ
スフィルタ、５６はＬａＴｉＯ3等の焦電セラミック、
５８はＦＥＴで、Ｓ，Ｄ，Ｇは焦電素子６のソース，ド
レイン，ゲートの３端子である。公知の焦電素子６の駆
動法では、図１６に示すようにＦＥＴ５８の内蔵ゲート
抵抗ＲGと焦電セラミック５６の一端をアースし、ゲー
ト端子Ｇをアースしている。これに対して実施例では図
７に示すように、ゲート端子Ｇに抵抗Ｒ4，Ｒ5を介して
バイアス電圧を加える。そしてゲート端子Ｇは内蔵抵抗
ＲGと焦電セラミック５６の並列片を介して、ＦＥＴ５
８のゲートに接続する。ゲートのバイアス電圧の値は焦
電素子６の駆動電圧ＶDDの１／３以下で１％以上が好ま
しく、最適範囲は焦電素子６の駆動電圧の１／５以下で
６％以上である。これらの値は経験的に割り出したもの
である。ここで焦電素子６の駆動電圧は抵抗Ｒ6の電源
側からアース側までの電圧を意味し、実施例では電源電
圧ＶDDに等しく、ＶDDはここでは５Ｖである。実施例で
はゲートの好ましいバイアス電圧は５０ｍＶ以上１.５
Ｖ以下で、最も好ましくは０.３Ｖ以上１Ｖ以下であ
り、ここでは０.５Ｖとした。

【００１４】図５に戻り、アンプＡ2とコンデンサＣ1，
Ｃ2で焦電素子６の出力を交流増幅し、アンプＡ3とダイ
オードＤ2で整流する。アンプＡ4は積分増幅用のアンプ
で、アンプＡ3で整流した出力を積分し、折線伸張増幅
用のアンプＡ5へ入力する。またガス検出装置のスパン
をボリュームＶ2で調整する。なおＣＯ2が検出対象なの
で出力は大きく、アンプＡ2〜Ａ5を１つ減らしてゲイン
を小さくしても良い。

【００１５】アンプＡ5は折線伸張増幅用のアンプで、
ここでは４点でゲインを変えて折線増幅し、このために
ダイオードＤ3〜Ｄ6と抵抗Ｒ18〜Ｒ26を用いる。ガス濃
度が低く出力の濃度依存性が大きい領域では、抵抗Ｒ15
からの入力電流をダイオードＤ3〜Ｄ6から流れ込む電流
で部分的に中和し、抵抗Ｒ17への出力電流を小さくす
る。このためアンプＡ5のゲインは低濃度域で小さくな
る。ガス濃度が増加すると、ダイオードＤ3〜Ｄ6は１つ
ずつ順にオフし、これに伴って中和電流が減少し、その
結果アンプＡ5のゲインは徐々に増加する。これらのた
めアンプＡ5のゲインは４点で変化し、出力は折線状に
伸張する。そして折線増幅回路の出力をＬＣＤ駆動回路
Ｉ3で処理し、ＬＣＤ５０にガス濃度を表示する。

【００１６】図８〜図１１に、装置の出力特性を示す。
図８に装置の周囲温度依存性を示す。図のように０℃〜
４０℃の間で周囲温度が変動しても、出力への影響は±
５％以下である。これはヒータブロック２でランプ４と
焦電素子６のみを温度制御すれば、周囲温度依存性を小
さくできることを示している。次に焦電素子６の出力は
ガス濃度に対して非線形であるが、折線増幅回路を用い
たためガス濃度に対してリニアな出力が得られる。

【００１７】図９に装置の日差変動を示す。この図は２
月４日にＣＯ2濃度４０００ｐｐｍでフルスパン調整
し、２月７日に４０００ｐｐｍのＣＯ2を測定した後再
度スパン調整した際のものである。そして２月７日以降
はスパン調整無しで連続使用し、２月１４日まで使用し
た。２月７日から２月１４日までの間、周囲の室温が様
々に変動したにもかかわらず、出力変動は±５％以下で
充分に安定している。

【００１８】図１０，図１１は焦電素子６のゲート端子
Ｇへのバイアス電圧の効果を示すもので、図１０は０.
５Ｖのバイアス電圧を加えた際のもので、図１１は抵抗
Ｒ4を除きゲート端子へのバイアス電圧を０にした際の
ものである。なお図１０，図１１において室温は２５℃
で、ヒータブロック２はサーミスタ１４の温度が５７℃
となるように比例制御し、これらは焦電素子６のゲート
端子へのバイアス電圧の有無を除いて同じ条件で測定し
た。

【００１９】焦電素子６の立ち上げ時の安定化は一般に
遅いが、ゲート端子Ｇにバイアス電圧を加えて立ち上げ
ると、焦電素子６の安定化時間が著しく短縮する。図１
０は時刻０〜１７分までの焦電素子６の出力をフルスケ
ール５Ｖで表示し、時刻１７分以降の出力をフルスケー
ル１Ｖに拡大して表示したものである。電源を投入する
と焦電素子６から一旦パルス状の出力が生じ、その後時
刻３分程度まで過渡的なピークが生じる。焦電素子の出
力はその後時刻６分程度で安定化し、時刻１７分以降は
フルスケールを１Ｖに拡大しても変動はほとんど見られ
ない。これらのため電源の投入から例えば６分程度で、
ガスの検出を開始することができる。

【００２０】これに対してゲート端子Ｇにバイアス電圧
を加えない図１１の結果では、焦電素子６の出力は３０
分以上経過して安定化している。バイアス電圧の有無に
よって焦電素子６の立ち上がり期間が短縮する原因は不
明であるが、安定化時間を数分の１に短縮して、電源の
投入から測定の開始までの待ち時間を短縮できる。

【００２１】図１２〜図１５に変形例のセル６０を示
す。ＮＯｘ等の吸光係数の小さいガスの検出では光路長
を大きくする必要がある。そこでセルの長さを大きくせ
ずに、かつヒータブロックの直径を大きくせずに、光路
長を大きくしたのが、図１２〜図１５のセル６０であ
る。セル６０は金属板の板金加工等で製造し、用いる金
属板は表面を鏡面にして反射効率を増しておく。金属板
には例えばアルミニウム板を用いる。セル６０のヒータ
ブロックと反対側の端面に上下方向に光を反射するミラ
ー６２を設け、ヒータブロック側には横方向に光を反射
するミラー６４を設ける。またセル６０の内部には水平
方向の隔壁６６と垂直方向の隔壁６８を設け、隔壁６
６，６８は断面を十字にしてセル６０の内部を４つに分
割する。この結果セル６０内での光路は光路７０，７
２，７４，７６の４つとなり、これらの間でミラー６
２，６４により光の向きを変える。即ちランプ４から入
射した光は光路７０を進んで、ミラー６２により上向き
に反射され、光路７２に入る。光路７２を進んだ光はミ
ラー６４で横方向に反射されて光路７４に入り、次いで
ミラー６２で下向きに反射されて光路７６に入り、焦電
素子６へ入射する。セル６０の内面や隔壁６６，６８の
表面は鏡面で反射性があり、セル６０の物理的長さに対
して光路長はほぼ４倍になる。穴３２は例えば図１３の
ように光路７０，７６に面した位置に一対設け、一方の
穴３２からガスを吸引し、他方の穴３２から排出する。
ヒータブロック８０は例えば図１５のように配置し、セ
ル６０の横幅が小さいので、ヒータブロック８０の直径
を小さくできる。これ以外の点は図１の装置と同様であ
る。

【００２２】

【発明の効果】この発明では、 1) ガス検出装置全体を恒温化せずに、周囲温度依存性
を小さくする（請求項１〜３）。恒温化するのは受光素
子と光源とを収容したヒータブロックのみで、セルを恒
温化しないため装置が小形になり携帯に適するようにな
る。また恒温化する部分が限られるため、温度制御用ヒ
ータの消費電力が小さくなる。 2) 光源と受光素子を共通のヒータブロック内にまと
め、セルを反射型のセルとしたため、装置を小型化でき
る（請求項１〜３）。 3) 温度が急変した際の影響を小さくできる（請求項
２）。ヒータブロックは蓋との間の断熱層と外側ケース
との間の断熱層で周囲から断熱され、周囲温度が急変し
てもヒータブロックの温度変化が小さい。 4) ガス検出装置の立ち上がり時間を短縮できる（請求
項３）。焦電素子のゲートにバイアス電圧を加えると、
電源の投入から出力の安定化までの時間が短縮する。 5) ガス濃度に対して線形な出力が得られる（請求項
４）。非分散赤外ガス検出装置の出力はガス濃度に非線
形であるが、受光素子の出力を折線増幅回路で増幅する
と、出力はガス濃度に対して線形になり濃度表示が容易
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の非分散赤外ガス検出装置の構造を
示す断面図

【図２】 実施例で用いたヒータブロックの平面図

【図３】 図２の横方向断面図

【図４】 図２の縦方向断面図

【図５】 実施例の付帯回路を示すブロック図

【図６】 実施例に用いた焦電素子の断面図

【図７】 実施例に用いた焦電素子の付帯回路を示す
回路図

【図８】 実施例の出力特性と温度特性を示す特性図

【図９】 実施例の日差変動特性を示す特性図

【図１０】 実施例の立ち上がり特性を示す特性図

【図１１】 焦電素子にバイアスを加えない実施例での
特性図

【図１２】 変形例のセルの斜視図

【図１３】 図１２のセルの水平方向断面図

【図１４】 図１２のセルの垂直方向断面図

【図１５】 図１２のセルにヒータブロックを結合した
状態の平面図

【図１６】 従来例での焦電素子の付帯回路を示す回路
図

【符号の説明】

２ ヒータブロック Ｈ1〜Ｈ3
ヒータ ４ ランプ Ｉ１
定電圧回路 ６ 焦電素子 Ｉ２
発振回路 ８，１０ フィルタ Ｉ３
ＬＣＤ駆動回路 １２ 内側ケース Ａ1〜Ａ5
アンプ １４ サーミスタ Ｒ1〜Ｒ26
抵抗 ２０ 外側ケース Ｄ1〜Ｄ7
ダイオード ２２ 断熱材 Ｃ1〜Ｃ3
コンデンサ ２４ セル Ｔ1〜Ｔ2
トランジスタ ２６ 隔壁 Ｖ1，Ｖ2
ボリューム ２８ 往路セル ３０ 復路セル ３２ 穴 ４０ 蓋 ４２，４４ 空気層 ４６ 付帯回路 ４８ トランス ５０ ＬＣＤ ５２ 窓 ５４ バンドパスフィルタ ５６ 焦電セラミック ５８ ＦＥＴ ６０ セル ６２，６４ ミラー ６６，６８ 隔壁 ７２，７４，７６，７８ 光路 ８０ ヒータブロック

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と受光素子とを共通のヒータブロッ
   クに収容するとともに、前記ヒータブロックには温度検
   出素子と該温度検出素子の信号で駆動される恒温化用の
   ヒータとを設けて前記ヒータブロックのみを恒温化する
   ように構成し、 前記ヒータブロックの受光素子と光源とに面した側を一
   端とすると共に、少なくとも他端に反射面を設けたセル
   を設け、セルの内部には隔壁を設けて光源から前記反射
   面までの光路と反射面から前記受光素子までの光路とを
   分離した、非分散赤外ガス検出装置。
2. 【請求項２】 前記セルを収容した外側ケースと、前記
   ヒータブロックを収容した内側ケースとを設け、該内側
   ケースを前記外側ケース内に収容し、さらに前記セルと
   反対側の位置に第１または内側ケースへの蓋を設け、 外側ケースと内側ケースの間、及び内側ケースと前記蓋
   との間に、それぞれ断熱層を設けたことを特徴とする、
   請求項１の非分散赤外ガス検出装置。
3. 【請求項３】 前記受光素子はＦＥＴを内蔵した焦電素
   子で、該焦電素子はソース，ゲート，ドレインの少なく
   とも３端子を持ち、かつそのゲート端子にバイアス電圧
   を加えるようにしたことを特徴とする、請求項１の非分
   散赤外ガス検出装置。
4. 【請求項４】 前記受光素子の出力側に折線増幅回路を
   設けたことを特徴とする、請求項１の非分散赤外ガス検
   出装置。