JP2017009370A - 濃度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサごとの補正データがなくても広い動作温度範囲において高精度の測定ができる濃度センサを提供する。
【解決手段】測定対象物質１７中の赤外線の透過度合いを検出することにより測定対象物質中の特定の成分濃度を検出する濃度センサにおいて、検出用赤外線センサと補償用赤外線センサの特性バラつきによる濃度検出誤差を改善するため、第１の光学フィルタセット３と、第１の光学フィルタセットと対向する第２の光学フィルタセット４と第１、第２の赤外線光源１，２と赤外線量を検知する第１、第２の赤外線センサ９，１０とを有し、第１の空間１３に測定対象物質を配置し、第１の赤外線光源のみを点灯したときの第１の赤外線センサと第２の赤外線センサのそれぞれの信号値と第２の赤外線光源のみを点灯したときの第１の赤外線センサと第２の赤外線センサのそれぞれの信号値とを入力して成分濃度の値を出力する手段を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は濃度センサに関する。

気体中に含まれる特定のガス成分を検出するために、気体中を透過する赤外線の特定の波長成分が測定対象物の成分や濃度により吸収されることを利用し、透過後の赤外線のエネルギーを検出することにより、特定成分の濃度に換算する、ＮＤＩＲ （Ｎｏｎ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｇａｓ Ａｎａｌｙｚｅｒ）が知られている。ＮＤＩＲにもさまざまの方式があるが、測定精度を上げるための工夫としては、異なる透過条件を設定し、その条件による透過後の赤外線量の違いを比較する方式が一般的である。
設定される透過条件の違いとしては、ガス成分の吸収波長に相当する帯域のみを透過する光学フィルタを用いる、測定対象ガスそのものを封じ込めたものを特定波長吸収フィルタとして用いるなど、異なる通過・吸収特性を持つフィルタを用意し、透過赤外線量を比較する方法がある。

例えば、特許文献１の図２（表示せず）において、試料ガスを透過した赤外線を、異なる光学フィルタを通し、それぞれの光学フィルタに対して設けられた赤外線センサで赤外線量を検出すことにより濃度を測定する原理が説明されている。

特開２００７−２２５３８６号公報

ここで問題になるのは検出用赤外線センサと補償用赤外線センサの特性のばらつきである。２つの赤外線センサからの出力値の関係から濃度を決定しているのであるから、赤外線センサの特性のばらつきはそのまま測定値の誤差となって現れる。
検出用赤外線センサと補償用赤外線センサは共に濃度センサ動作時に赤外線を受けるため周囲より温度が上昇する。赤外線センサの動作温度は周囲温度から、赤外線を受けたことによる温度上昇分が上乗せされた温度となる。一般的にこれらの赤外線センサの感度は温度によって変わる、いわゆる感度特性を持つため、動作温度領域に渡っての感度較正データが必要となる。この感度較正データを得るためには、既知の濃度の気体を用いて測定を行い、その時の各赤外線センサからの出力値を記録し、個々の濃度センサごとに較正データを得る。この初期校正のための工程や濃度センサ一つ一つに対応した較正データを格納する手段などが必要となる。
このような個別の初期校正を簡易化するために、ある一点の温度でのみ初期校正を行う方法もあるが、動作温度が初期校正の温度から離れるほど、濃度センサとしての保証精度は低下する。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、検出用赤外線センサと補償用赤外線センサの特性のばらつきの影響を、動作時にその動作温度に応じて補正することが可能な構成をとることにより、センサごとの補正データがなくても広い動作温度範囲において高精度の測定ができる濃度センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明における濃度センサは、波長特性の異なる第１の光学フィルタと第２の光学フィルタからなる第１の光学フィルタセットと、
第１の空間を挟んで前記第１の光学フィルタセットと対向する第１の赤外線光源と
第３の光学フィルタと第４の光学フィルタからなる第２の光学フィルタセットと
第２の空間を挟んで第２の光学フィルタセットと対向する第２の赤外線光源と
第１の光学フィルタを通過した赤外線と第３の光学フィルタを透過した赤外線量を検知する第１の赤外線センサと
第２の光学フィルタを通過した赤外線と第４の光学フィルタ透過した赤外線量を検知する第２の赤外線センサと
を有し、
第１の空間に前記測定対象物質を配置し、
第１の赤外線光源のみを点灯したときの第１の赤外線センサと第２の赤外線センサのそれぞれの信号値と
第２の赤外線光源のみを点灯したときの第１の赤外線センサと第２の赤外線センサのそれぞれの信号値とを入力して成分濃度の値を出力する手段を有することを特徴とする。

第１の光学フィルタから第４の光学フィルタの４つの光学フィルタの特性の組み合わせ方としては、まず、第１の光学フィルタは第１の波長特性を有し、第２の光学フィルタは第２の波長特性を有し、第３の光学フィルタと第４の光学フィルタは同一の第３の波長特性を有し、第１の波長特性と第２の波長特性は異なるものとする。
例えば第１の特性を特定成分の濃度の影響を受ける波長特性（検出用波長特性）とし、第２と第３の特性は特定成分の濃度の影響を受けない波長特性（補償用波長特性）とする。
第１の赤外線光源のみ点灯したときは前節の説明と同様に、第１の赤外線センサ検出用赤外線センサ、第２の赤外線センサは補正用赤外線センサセンサとして機能する。
次に第２の赤外線光源のみを点灯したときは、第１の赤外線センサの第２の赤外線センサも同じ赤外線量を受け、温度も同じだけ上昇する。第１の赤外線光源のみを点灯したときの両赤外線センサの動作温度領域まで温度上昇が起これば、両赤外線センサそれぞれの信号から、その温度域における両赤外線センサの感度のばらつきが分かる。ばらつきがなければ両赤外線センサの信号値は同じ値になるはずなので、両信号値の差がその温度域でのばらつきを示すことになる。第１の赤外線光源のみ点灯したときに得られた両信号の差は特定成分の濃度を反映しているので、それに対して第２の赤外線光源を点灯したときの信号差を用いて両赤外線センサのばらつきの影響を補正する。

第１の空間と第２の空間が連結されている場合、そのそれらの空間に測定対象物質が導入されており、第１の空間と第２の空間に存在する特定成分の濃度は同じである。第１の赤外線光源から照射された赤外線は、特定成分特有の波長成分が特定成分の濃度に応じて吸収されたのち第１のフィルタセットに入射する。第２の赤外線光源から照射された赤外線も同じ濃度に応じた吸収ののち第２のフィルタセットに入射する。

第１の光学フィルタから第４の光学フィルタの４つの光学フィルタの特性の別の組み合わせ方としては、
前記第１の光学フィルタと前記第４の光学フィルタは同一の第４の波長特性を有し、
前記第２の光学フィルタと前記第３の光学フィルタは同一の第５の波長特性を有し、
前記第４の波長特性と前記第５の波長特性は異なるものとする。
例えば第４の特性を特定成分の濃度の影響を受ける波長特性（検出用波長特性）とし、第５の特性を特定成分の濃度の影響を受けない波長特性（補償用波長特性）とする
まず、第１の赤外線光源のみ点灯したときを考える。第１の赤外線センサおよび第２の赤外線センサの動作温度は共に周囲温度の上に、第１の赤外線光源からの受光による温度上昇分が加わったものになる。その動作温度において、第１の赤外線センサは検出用波長特性を持つ光学フィルタを透過した赤外線を受けるので特定成分の濃度を反映した信号を出力する検出用センサとして機能する。一方、第２の赤外線センサは、補償用波長特性を持つ光学フィルタを透過した赤外線を受けるので、特定成分の濃度に関係なく、動作温度だけを反映した信号を出力するので補正用赤外線センサとして機能する。
次に第２の赤外線光源のみを点灯したときは、第１の赤外線センサは補償用波長特性を持つ光学フィルタを透過した赤外線を受けるので、補正センサとして機能する。一方、第２の赤外線センサは検出用波長特性を持つ光学フィルタを透過した赤外線を受けるので検出用赤外線センサとして機能する。
このように、第１の赤外線光源のみを点灯したときと第２の赤外線光源のみを点灯したときでは、第１の赤外線センサと第２の赤外線センサとの役割は逆転するため、第１の赤外線光源のみを点灯したときと第２の赤外線光源のみを点灯したときのそれぞれの赤外線センサの信号値を平均することにより、素子感度ばらつきの影響を相殺できる。
本発明の濃度センサは、第１の赤外線光源と第２の赤外線光源はパルス点灯を行い、第１の赤外線センサ及び第２の赤外線センサのそれぞれにおいて、パルス点灯に同期した赤外線の変化量を信号値として用いるとよい。また、前記第１の赤外線センサと前記第２の赤外線センサは、それぞれ熱型赤外線センサであるとよい。更に、前記第１の赤外線センサと前記第２の赤外線センサは、それぞれ量子型赤外線センサであるとよい。

本発明の濃度センサによれば、第１の赤外線光源を点灯したときと第２の赤外線光源を点灯したときの、検出用赤外線センサおよび補正用赤外線センサにおける受光条件の差異から、ガス濃度を反映する信号値とそれを補正するための信号値を得ることができ、個々の濃度センサの初期校正を行なわなくても、広い動作温度範囲で高精度の濃度測定が可能となる。

本発明の第1の実施形態に係る構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る構成図である。 2つのセンサの出力値からＣＯ2濃度を決定する原理を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る構成図である。 本発明の第５の実施形態に係る構成図である。 本発明の第５の実施形態の動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の第６の実施形態に係る構成図である。

（第１実施形態）
図１は本発明による濃度センサの係る第１実施形態の基本構造を概略的に示す図である。
本実施形態においては、測定対象物質は気体であり、気体中に含まれる特定の成分はＣＯ２であり、気体中のＣＯ２濃度を測定する例を説明する。
特定の成分はＣＯ２を含有する測定対象気体１７が赤外線を透過するセル１０１に導入される。

検出ユニット１６の上面には第１の光学フィルタセット３、下面には第２の光学フィルタセット４が配置されている。
第１の光学フィルタセットは左側に第１の光学フィルタ５、右側に第２のフィルタ６が並置されている。
第１の光学フィルタ５はＣＯ２の吸収波長帯域のみを透過する波長特性を持つ。具体的には４．２μｍを中心波長とするバンドパスフィルタである。ＣＯ２を含む気体を透過した赤外線は、４．２μｍ近傍の波長成分がＣＯ２の濃度に応じて吸収されてしまうため、第１の光学フィルタを通すと赤外線量が減衰する。すなわち、第１の光学フィルタは検出用波長特性（ＣＯ２の濃度を反映するための特性）をもつ。
第２の光学フィルタ５はＣＯ２の吸収波長帯域の近傍でありがらＣＯ２の吸収波長帯域を含まない帯域のみを透過する波長特性を持つ。具体的には３．９μｍを中心波長とするバンドパスフィルタである。ＣＯ２を含む気体を透過した赤外線は、３．９μｍ近傍の波長成分がＣＯ２の濃度に関係なく吸収されないため、第２の光学フィルタを通しても赤外線量は変化しない。すなわち、第２の光学フィルタは補償用波長特性（ＣＯ２の濃度の影響を受けないような特性）を持つ。
これに対し第２の光学フィルタセット４は左右に同じ波長特性を持つ第３、第４の光学フィルタが左右に並置されている。これらの光学フィルタの波長特性は前述の補償用波長特性と同じでもよい。

検出ユニット内部中央には第１の赤外線センサ９と第２の赤外線センサ１０が並置されている。
第１の赤外線光源１のみが点灯すると、赤外線は第１の空間１３を通過してさらに第１の光学フィルタセット３を透過する。そのうち、第１の光学フィルタ５を透過した赤外線は第１の赤外線センサ９に入射し、第２の光学フィルタ６を透過した赤外線は第２の赤外線センサ１０に入射する。
従って第１の赤外線センサ９の信号はＣＯ２濃度を反映し、第２の赤外線センサ１０の信号はＣＯ２濃度に関係しない。第１の赤外線センサ９は検出用赤外線センサとして機能し、第２の赤外線センサ１０は補正用赤外線センサとして機能する。

本実施例において第１の赤外線センサ９および第２の赤外線センサ１０は、赤外線吸収フィルム１８の表面に設置された同じ特性の感温素子、例えばチップサーミスタであってよい。赤外線吸収フィルム１８は５０μm程度の厚みをもち、ポリイミドなどの高分子フィルムであり、表裏どちらからも赤外線を吸収し、上方から表面に入射した赤外線も下方から裏面に入射した赤外線も均等に吸収する構造になっている。従って、このフィルムは、第１から第４の光学フィルタのそれぞれの光学フィルタを透過した赤外線を受光して、その光学フィルタに対応した温度上昇を生じ、第１及び第２の赤外線センサはその温度に応じた信号電圧を出力する。
Ｔ°Ｋの温度に対して、第１の温度センサはＶ１（Ｔ）の信号電圧を発生し、第２の温度センサはＶ２（Ｔ）の信号電圧を発生するとする。

つぎに、ＣＯ２の濃度を決定する回路動作を説明する。
赤外線光源１のみが点灯すると、第１の光源のみ点灯したときの第１の赤外線センサと第２の赤外線センサの両方の温度が赤外線を受けて温度上昇するが、ＣＯ２の濃度を反映した差電圧ΔVpを発生する。
この差電圧は第２のＡＤ変換機２２によりディジタル化された数値Ｆｐとなり、レジスタ１０４に記憶される。
次に第１の赤外線光源１が消灯し第２の赤外線光源２のみが点灯しているとき、
第３の光学フィルタと第４の光学フィルタは同じ波長特性であるから、第１と第２の赤外線センサは同じ温度に上昇する。従って、第１と第２の赤外線センサが両方とも感度が揃っていれば、出力電圧は等しくなり、電圧差は０となるはずである。もし電圧差が現れれば２つの赤外線の感度オフセットを反映している。ＡＤ変換機２２は電圧差を数値化し、オフセット値Foを出力する。
光源１のみ点灯したとき電圧差の数値Fpはレジスタ１０４に蓄えられているので引き算器１０５によりFpからFoを差し引いた値Fqは、オフセットを補正した値となる。
オフセット電圧自体、動作温度によって変化するが、第１の光源のみ点灯したときと第２の光源のみ点灯したときの第２の赤外線センサの出力が同じになるようにすれば、第１の光源のみ点灯したときと第２の光源のみ点灯したとき第２の赤外線センサは同じ温度になるので、その動作温度でのオフセット値を補正できる。

１０６はオフセット０と仮定した理想的な濃度決定テーブルである。
第２の赤外線センサの出力電圧はＣＯ２濃度には影響されず動作温度だけに影響されるので、第１のＡＤ変換器２１により、動作温度に相当する数値Fsとなる。
このFsと、ＣＯ２の濃度を反映し赤外線センサのオフセットの影響を補正された値Fqの組み合わせにより、テーブル１０６は濃度値を決定する。従って赤外線センサの感度オフセットの影響を補正した濃度測定値が得られる。
図１は、以上の説明に従って第１の光源１が点灯してから消灯したあと第２の光源２が点灯している時点の状態を示す。

（第２実施形態）
図２は本発明による濃度センサの係る第２実施形態の基本構造を概略的に示す図である。
第１の赤外線センサ、第２の赤外線センサの出力をそれぞれ直接ＡＤ変換して、レジスタに記憶するようにしたものであり、上記に説明した、差動増幅器の機能、引き算器の機能をすべてテーブル１０７の中に取り込んだものである。
つまり、第１の光源のみ点灯したときの二つの赤外線センサの出力値をレジスタ１０８，１０９記憶しておき、第２の光源のみ点灯したときの２つ赤外線センサの出力値を合わせて、濃度決定テーブル１０７に入力する。
レジスタ１０８，１０９の値の差は図１における差動増幅器１０３の差電圧に相当し、第２の光源のみ点灯したときの２つの赤外線センサの出力値から、オフセットの情報と動作温度の情報が得られるので、第１の実施例と同じ原理により、オフセットの影響を補正した濃度値を得ることができる。
ＡＤ変換器を搭載したワンチッププロセッサ１１０を用いるばあいに適した構成であり、回路素子の数を減らすことができ、小型化、省電力化が可能になる。

（第３実施形態）
図３は本発明による濃度センサの係る第３実施形態の基本構造を概略的に示す図である。
本実施形態においては、測定対象物質は気体であり、気体中に含まれる特定の成分はＣＯ２であり、気体中のＣＯ２濃度を測定する例を説明する。
気体１５が赤外線を透過するセル１５に導入される。セル中央部に検出ユニット１６が配置されており、セル側壁との間に第１の空間１３と第２の空間１４が存在する。第１の空間１３と第２の空間１４は連結しているので気体１５は両空間に均等に分布し、両空間におけるＣＯ２の濃度も等しい。

検出ユニット１６の上面には第１の光学フィルタセット３、下面には第２の光学フィルタセット４が配置されている。
第１の光学フィルタセットは左側に第１の光学フィルタ５、右側に第２の光学フィルタ６が並置されている。
第１の光学フィルタ５はＣＯ２の吸収波長帯域のみを透過する波長特性を持つ。具体的には４．２μｍを中心波長とするバンドパスフィルタである。ＣＯ２を含む気体を透過した赤外線は、４．２μｍ近傍の波長成分がＣＯ２の濃度に応じて吸収されてしまうため、第１の光学フィルタを通すと赤外線量が減衰する。すなわち、第１の光学フィルタは検出用波長特性（ＣＯ２の濃度を反映するための特性）をもつ。
第２の光学フィルタ５はＣＯ２の吸収波長帯域の近傍でありがらＣＯ２の吸収波長帯域を含まない帯域のみを透過する波長特性を持つ。具体的には３．９μｍを中心波長とするバンドパスフィルタである。ＣＯ２を含む気体を透過した赤外線は、３．９μｍ近傍の波長成分がＣＯ２の濃度に関係なく吸収されないため、第２の光学フィルタを通しても赤外線量は変化しない。すなわち、第２の光学フィルタは補償用波長特性（ＣＯ２の濃度の影響を受けないような特性）を持つ。
これに対し第２の光学フィルタセット４は左側に補償用波長特性をもつ第３の光学フィルタ、右側に検出用波長特性も持つ第４の光学フィルタが左右に並置されている。つまり、第１のフィルタセットと比べて、光学フィルタの特性が左右逆になっている。

検出ユニット内部中央には第１の赤外線センサ９と第２の赤外線センサ１０が並置されている。
第１の赤外線光源１のみが点灯すると、赤外線は第１空間を通過してさらに第１の光学フィルタセット３を透過する。そのうち、第１の光学フィルタ透過した赤外線は第１の赤外線センサ９に入射し、第２の光学フィルタ透過した赤外線は第２の赤外線センサ１０に入射する。従って第１の赤外線センサ９の信号はＣＯ２濃度を反映し、第２の赤外線センサ１０の信号はＣＯ２濃度に関係しない。第１の赤外線センサ９は検出用赤外線センサとして機能し、第２の赤外線センサ１０は補正用赤外線センサとして機能する。
これとは逆に、第２の赤外線光源２のみが点灯する時は、第１の赤外線センサ９は補正用赤外線センサとして機能し、第２の赤外線センサ１０は検出用赤外線センサとして機能する。

本実施例において第１の赤外線センサ９および第２の赤外線センサ１０は、赤外線吸収フィルム１８の表面に設置された同じ特性の赤外線センサであるとする。赤外線吸収フィルム１８表裏どちらからも赤外線を吸収し、上方から表面に入射した赤外線も下方から裏面に入射した赤外線も均等に吸収する構造になっている。従って、第１から第４の光学フィルタのそれぞれの光学フィルタを透過した赤外線を受光して、その光学フィルタに対応した温度上昇を生じ、第１及び第２の赤外線センサはその温度に応じた信号電圧を出力する。
Ｔ°Ｋの温度に対して、第１の温度センサはＶ１（Ｔ）の信号電圧を発生し、第２の温度センサはＶ２（Ｔ）の信号電圧を発生するとする。

つぎに、ＣＯ２の濃度を決定する回路動作を説明する。
赤外線光源１のみが点灯しているときに、
第１の光学フィルタを透過した赤外線により第１の赤外線センサの温度Ｄ°Ｋになったとすると、第１の赤外線センサ９はＶ１（Ｄ）の電圧を生じ、この電圧は第１のＡＤ変換機２１によりディジタル化された数値Ｆ１（Ｄ）となり、第１のレジスタ２３に記憶される。
また、第２の光学フィルタを透過した赤外線により第２の赤外線センサの温度Ｃ°Ｋになったとすると、第２の赤外線センサ９はＶ２（Ｃ）の電圧を生じ、この電圧は第２のＡＤ変換機２２によりディジタル化された数値Ｆ２（Ｃ）となり、第２のレジスタ２４に記憶される。
次に第１の赤外線光源１が消灯し第２の赤外線光源２のみが点灯しているとき、
第２の光学フィルタと第３の光学フィルタは同じ波長特性であるから、第３の光学フィルタを透過した赤外線により第１の赤外線センサの同じくＣ°Ｋになり、第１の赤外線センサ９はＶ１（Ｃ）の電圧を生じ、この電圧は第１のＡＤ変換機２１によりディジタル化された数値Ｆ１（Ｃ）となる。
また第４の光学フィルタと第１の光学フィルタは同じ波長特性であるから、第４の光学フィルタを透過した赤外線により第２の赤外線センサ９は同じくＤ°ＫになりＶ２（Ｄ）の電圧を生じ、この電圧は第２のＡＤ変換機２２によりディジタル化された数値Ｆ２（Ｄ）となる。

図３は、以上の説明に従って第１の光源１が点灯してから消灯したあと第２の光源２が点灯している時点の状態を示す。
第１の平均計算器２５は、入力に第１のレジスタ２３の数値と第２のＡＤ変換器２２の数値が入力されるので、これら二つの平均値である平均検出用信号値
Ｆa（Ｄ）＝ （（Ｆ１（Ｄ）＋Ｆ２（Ｄ））／２ （１）
を出力する。
同様に、第２の平均計算器２６は、入力に第２のレジスタ２４の数値と第１のＡＤ変換器２１の数値が入力されるので、これら二つの平均値である平均補正用信号値
Ｆa（Ｃ）＝ （（Ｆ１（Ｃ）＋Ｆ２（Ｃ））／２ （２）
を出力する。

このように、検出用赤外線センサとしての役割と補正用赤外線センサとしての役割を交互に与え、各役割ごとの平均値である平均検出用信号値と平均補正用信号値とをもちいると赤外線センサの感度特性のばらつきを相殺できること説明するが、その前にまず比較の為、従来のように二つのセンサの役割の一方が検出用赤外線センサ、他方が補償用赤外線センサに固定されている場合について説明する。
図４は検出用赤外線センサ、補正用赤外線センサとも誤差のない理想的なものと仮定したときに、これら二つの赤外線センサの出力値からＣＯ２濃度を決定する原理を示したものであり、横軸は検出用赤外線センサの出力値ＦＤ（Ｔ）、縦軸は補正用赤外線センサの出力値ＦＣ（Ｔ）として、これら２つの値から決定される等濃度線を描いたものであるが、見易くするために例に用いる値の周辺部を拡大して表示している。
検出用赤外線センサの温度がＤ°Ｋであり補正用赤外線センサの温度がＣ°Ｋであるとき
ＦＤ（D）、ＦＣ（C）の交点２０１を通る等温度線は４００ｐｐｍのものである事あるからＣＯ２濃度を４００ｐｐｍと決定する。

次に、赤外線センサの感度に誤差があった場合を説明する。
検出用赤外線センサの温度がＤである時に出力数値に最大±ｄの範囲の誤差があるとすると温度Ｄに於ける検出用赤外線センサの出力は
最小 Ｆｄ（Ｄ）−ｄ
最大 Ｆｄ（Ｄ）＋ｄ
となる。
また、補償用赤外線センサの温度がＣである時に出力数値に最大±ｃの範囲の誤差があるとすると温度Ｃに於ける補償用赤外線センサの出力は
最小 Ｆｃ（Ｃ）−ｃ
最大 Ｆｃ（Ｃ）＋ｃ
となる。
この赤外線センサの感度誤差による濃度検出誤差が高濃度方向で最大になるのは、
Ｆｄ（Ｄ）−d、Ｆｃ（Ｃ）＋ｃの組み合わせとなるときであり、この組み合わせの交点２０２を通るのは４１２ｐｐｍ等濃度線であるため、ＣＯ２の濃度は４１２ｐｐｍと決定される。
また、濃度検出誤差が低濃度方向で最大になるのは、
Ｆｄ（Ｄ）＋d、Ｆｃ（Ｃ）−ｃの組み合わせとなるときであり、この組み合わせの交点２０３を通るのは３８８ｐｐｍ等濃度線であるため、ＣＯ２の濃度は３８８ｐｐｍと決定される。
結果的に濃度検出誤差は最大±１２ｐｐｍとなる。
以上は従来例のように二つのセンサの役割の一方が検出用赤外線センサ、他方が補償用赤外線センサに固定されている場合である。

次に、２つの赤外線センサに対し、検出用赤外線センサとしての役割と補正用赤外線センサとしての役割を交互に与え、各役割ごとの平均値である平均検出用信号値と平均補正用信号値とを用いると赤外線センサの感度特性のばらつきを相殺できることを次に説明する。

第１の温度センサがＤ°Ｋのときの誤差をｄ１、Ｃ°Ｋの時の誤差をｃ１
第２の温度センサがＤ°Ｋのときの誤差をｄ２、Ｃ°Ｋの時の誤差をｃ２
とすると

Ｆ１（Ｄ）=Ｆｄ（Ｄ）+ｄ１ （３）
Ｆ１（Ｃ）=Ｆc（Ｃ）+ｃ１ （４）

Ｆ2（Ｄ）=Ｆｄ（Ｄ）+ｄ2 （５）
Ｆ2（Ｃ）=Ｆc（Ｃ）+ｃ２ （６）


式（１）と式（３）、（５）より
Ｆa（Ｄ）＝ Ｆｄ（Ｄ）＋（ｄ１＋ｄ２）／２ （７）
式（２）と式（４）、（６）より
Ｆa（Ｃ）＝ Ｆｃ（Ｃ）＋（ｃ１＋ｃ２）／２ （８）

ここで、ｄ１とc１は同じ第１の赤外線センサから生じる誤差であるから同じ符号を持つ。つまり、式（３）（４）からわかるように、第１の赤外線センサが基準値より多めにずれたセンサであるならｄ１、ｃ１とも正であり、基準値より少なめにずれたセンサであるならｄ１、ｃ１とも負である。
同様にｄ２、c２も同符号となる。
このようにｄ１、ｃ１同士が同符号かつｄ２、ｃ２同士が同符号という条件で、
ｄ１、ｄ２のそれぞれの範囲を±ｄ（ｄ≧０）、
ｃ１、ｃ２のそれぞれの範囲を±ｃ（ｃ≧０）、
と規定すると、図４において、Ｆa（Ｄ）を横軸にＦa（Ｃ）を縦軸にとるとその交点の領域は２０４に示す範囲となる。
この領域内を通過する等濃度線のうちで、高濃度方向の限度は図４より交点２０５を通過する４０７ｐｐｍの等濃度線であり、低濃度方向で限度は図４より交点２０６を通過する３９３ｐｐｍの等濃度線であるので、濃度検出誤差は最大±７ｐｐｍとなり、平均をとらなかった場合の約半分となることがわかる。
しかし実際にはさらに誤差が小さくなることを説明する。
交点２０５は、ｄ１＝ｄ２＝０，かつ ｃ１＝ｃ２＝ｃ という極端な組み合わせの点である。つまり第1、第2の赤外線センサがともに温度Ｄ°Ｋでは誤差０（最少）であるのに温度Ｃ°Ｋでは誤差ｃ(正の最大)となっていることになる。現実にはこのような極端な例は存在しない。
同様に、交点２０６も、ｄ１＝ｄ２＝０，かつ ｃ１＝ｃ２＝‐ｃ という極端な組み合わせの点である。第1、第2の赤外線センサがともに温度Ｄ°Ｋでは誤差０（最少）であるのに温度Ｃ°Ｋでは誤差‐ｃ(負の最大)となっている。現実にはこのような極端な例も存在しない。
つまり、図示された領域２０４は現実にはもっと縮小されたものである。従って本実施形態によれば誤差は半分よりさらに小さくなる。

（第４実施形態）
図５は本発明による濃度センサの係る第４実施形態の基本構造を概略的に示す図である。第１の赤外線センサ、第２の赤外線センサの出力をそれぞれ直接ＡＤ変換して、レジスタに記憶するようにしたものであり、上記に説明した、原理的には第３実施形態と同じであるが、平均計算器の機能を濃度決定テーブル５０１に含めたものである。
ＡＤ変換器を搭載したワンチッププロセッサ１１０を用いる場合に適した構成であり、回路素子の数を減らすことができ、小型化、省電力化が可能になる。

（第５実施形態）
これまでの説明においては、単に光源を点灯したときに得られる赤外線量を信号値として用いてきたが、このときの赤外線量には他周囲の熱源からの放射など、光源以外からの成分、すなわち背景ノイズが含まれている可能性がある。本実施形態においては、光源をパルス点灯し、点灯に同期して変化する赤外線量、すなわち点灯前の赤外線量と点灯後の赤外線量の増量分を信号値として用いる。
光源の点灯に起因する赤外線量だけを検知することにより、これ以外の赤外線の影響、つまりノイズ成分を排除することができる。
このための構成を図６に、動作のタイミングチャートを図７に示す。
図７において光源１，２の点灯・滅灯のタイミングは L1 On, L2 Onに示される。それぞれの光源が交互に点灯するごとに、動作ステージを順番に区切って Stage 1,2,3…とステージ番号704を定義する。またステージ番号が奇数・偶数により０、１となる信号Ｏ／Ｅを定義する（７０５）。
Tmp 1は第１の赤外線センサからの信号電圧、Tmp 2は第２の赤外線センサからの信号電圧を示す。
Stage 1 において、光源１点灯前の第１の感温センサの信号値はトリガパルストリガパルス７０１でレジスタＲ１にラッチされる。次に光源１点灯後のトリガパルス７０２により、Ｒ１の内容がＲ２にシフトすると同時に、Ｒ１には、点灯後の第１の感温センサの信号値がラッチされる。
この時点で引き算器Sub.1の出力にはＲ１とＲ２の内容の差が現れるのでこれはStage1における第１の赤外線センサの温度上昇 1-1D をであり、次のトリガパルス７０６によりＲ３にラッチされる。つまり第１の赤外線センサが検出用センサとして動作したときの信号値がＲ３にラッチされた。
同様にこのタイミングにおいて、第２の赤外線センサが補償用センサとして動作したときの信号値がＲ５にラッチされる。
このようなパルスシークエンスにより次のトリガパルス７０７のタイミングでは、Ｒ４とＲ７には、Stage1,2においてそれぞれ第１と第２の赤外線センサが検出用赤外線センサとして動作したときの信号値 (1-1 D, 2-2 D) が蓄えられるので、平均値計算器Av1により、この平均が計算される(Av 1,2 D)。
同様にこのタイミングで、Ｒ３とＲ８には、それぞれ第１と第２の赤外線センサが補償用赤外線センサとして動作したときの信号値 (1-2 C, 2-1C) が蓄えられるので、平均値計算器Av２により、この平均 (Av 1,2C) が計算される。
このようにして、各ステージにおいて、第１の感温センサと第２の感温センサがそれぞれ検出用赤外線センサの役割と補償用赤外線センサの役割を交代して割り当てられたときの平均の信号値が得られる。
また図７からわかるように、Av1, Av2には検出用感温センサとして値と補償用感温そしてとしての値が交互に現れるので、切換器６０１はステージの奇数・偶数によりAv1, Av2の信号を上下切替えて出力することにより、常に濃度決定テーブルの上位アドレスには補償用温度センサとしての信号値を、下位アドレスには検出用温度センサとしての信号値が現れるようにしている。
これらの上位、下位のアドレス入力により温度決定テーブルは濃度決定を行い濃度値Gを出力する。
このようにして、本実施例によれば、赤外線のノイズ成分が除去されかつ、第１、第２の温度センサの感度バラつきの影響が平均化された濃度値がパルス点灯のタイミング毎に得られる。

（第６実施形態）
これまでの説明においては、わかりやすく原理を説明するために、光源１は上方から赤外線を放射、光源２は下方から赤外線を放射する配置で説明した。
図８は本発明の第６実施形態を示すものであり、第１、第２の光源と同じ側（上方）から赤外線を放射する。第１のセルと第２のセルは隣り合っており、光学フィルタ群も赤外線センサの上方に配置されている。
これは、例えば図１に示す第１実施形態を検出ユニットを境に上下に折り返したものと同等であり、原理的にはこれまでの実施形態ものと同一である。
赤外線センサは、上方のみから赤外線を受光できればよいので、一般的なサーモパイル素子などを使うこともできる特徴を持つ。

以上の実施形態では、第１、第２の赤外線センサは、赤外線吸収フィルム上に配置された赤外線センサ、例えばサーミスタ、焦電素子、金属測温体、熱電対などの熱型赤外線センサとして説明したが、このほかに、上下両面から均等に赤外線を受光できるサーモパイルのようなセンサでもよい。また、熱型赤外線センサではなく、光電子効果を用いた量子型赤外線センサでもよい。

以上説明した通り、本発明の濃度センサは個別の較正をしなくても広い温度範囲で高精度な濃度測定を行うことができる。

１…第1の光源、２…第２の光源、３…第1の光学フィルタセット、４…第２の光学フィルタセット、５…第1の光学フィルタ、６…第２の光学フィルタ、７…第３の光学フィルタ、８…第４の光学フィルタ、９…第1の赤外線センサ、１０…第２の赤外線センサ、１１…第1の光源用制御信号、１２…第２の光源用制御信号、１３…第1の空間、１４…第２の空間、１５…セル、１６…検出ユニット、２１，２２…ＡＤ変換器、２３，２４…レジスタ、１０１…第1のセル、１０２…第２のセル、１０３…差動増幅器、１０４…レジスタ、１０５…引き算器、１０６，１０７，５０１…濃度決定テーブル、１０８，１０９…レジスタ、１１０…ワンチッププロセッサ、６０１…切換器、７０１，７０２，７０６，７０７…トリガパルス、７０４…ステージ番号、７０５…信号Ｏ／Ｅ

Claims (8)

1. 測定対象物質中の赤外線の透過度合いを検出することにより前記測定対象物質中の特定の成分濃度を検出する濃度センサであって、
   波長特性の異なる第１の光学フィルタと第２の光学フィルタからなる第１の光学フィルタセットと、
   第１の空間を挟んで前記第１の光学フィルタセットと対向する第１の赤外線光源と
   第３の光学フィルタと第４の光学フィルタからなる第２の光学フィルタセットと
   第２の空間を挟んで前記第２の光学フィルタセットと対向する第２の赤外線光源と
   前記第１の光学フィルタを通過した光と前記第３の光学フィルタを透過した赤外線量を検知する第１の赤外線センサと
   前記第２の光学フィルタを通過した赤外線と前記第４の光学フィルタ透過した赤外線量を検知する第２の赤外線センサとを有し、
   前記第１の空間に前記測定対象物質を配置し、
   前記第１の赤外線光源のみを点灯したときの前記第１の赤外線センサと前記第２の赤外線センサからのそれぞれの信号値と
   前記第２の赤外線光源のみを点灯したときの前記第１の赤外線センサと前記第２の赤外線センサからのそれぞれの信号値とを入力して前記成分濃度の値を出力する手段を有する、
   濃度センサ。
2. 前記第１の光学フィルタは第１の波長特性を有し、
   前記第２の光学フィルタは第２の波長特性を有し、
   前記第３の光学フィルタと前記第４の光学フィルタは同一の第３の波長特性を有し、
   前記第１の波長特性と前記第２の波長特性は異なる請求項１に記載の濃度センサ。
3. 前記第１の空間と前記第２の空間は連結している請求項１又は２に記載の濃度センサ。
4. 前記第１の光学フィルタと前記第４の光学フィルタは同一の第４の波長特性を有し、
   前記第２の光学フィルタと前記第３の光学フィルタは同一の第５の波長特性を有し、
   前記第４の波長特性と前記第５の波長特性は異なる請求項１に記載の濃度センサ。
5. 前記第１の赤外線光源と前記第２の赤外線光源はパルス点灯を行い、前記第１の赤外線センサ及び前記第２の赤外線センサのそれぞれにおいて、パルス点灯に同期した赤外線の変化量を信号値として用いる、請求項１乃至４の何れか１項に記載の濃度センサ。
6. 前記第１の赤外線センサと前記第２の赤外線センサは、それぞれ熱型赤外線センサである請求項１乃至５の何れか１項に記載の濃度センサ。
7. 前記第１の赤外線センサと前記第２の赤外線センサは、それぞれ赤外線吸収フィルムと前記赤外線吸収フィルム上に配置された感温素子とからなる請求項６に記載の濃度センサ。
8. 前記第１の赤外線センサと前記第２の赤外線センサは、それぞれ量子型赤外線センサである請求項１乃至５の何れか１項に記載の濃度センサ。

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