WO2015119127A1

WO2015119127A1 - ガス濃度検出装置

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Publication number: WO2015119127A1
Application number: PCT/JP2015/053034
Authority: WO
Inventors: 直輝大串
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2015-08-13

Abstract

　ガス濃度検出装置（１０）は、ガスの濃度に応じた濃度出力値を示す信号を出力する濃度検出部（３０）と、ガスの温度に応じた温度出力値を示す信号を出力するサーミスタ（２８）と、予め定められたガスの基準濃度において温度出力値に対応する基準出力値を算出し、濃度出力値を基準出力値で規格化した値と、規格化した値に対するガスの濃度との関係を示す第１検量線に基づいてガスの濃度を算出する濃度変換処理回路とを備える。第１検量線は、温度出力値に比例する補正係数を含む。

Description

ガス濃度検出装置

　本発明は、ガスによる赤外線の吸収量の温度特性を考慮してガスの濃度を検出するガス濃度検出装置に関する。

　たとえば、ＮＤＩＲ（Non-dispersive　Infrared　Analyzer）型（非分散型）のガス濃度検出装置を用いて、検出対象のガスの赤外線の吸収量から当該ガスの濃度を検出する技術が公知である。このようなガス濃度検出装置として、たとえば、特許第４１５４２７４号公報（特許文献１）には、検出温度と基準温度との間の温度領域における平均出力変化率の大きさによって定められる補正量を用いて検出出力値を補正してガス濃度を検出する技術が開示される。

特許第４１５４２７４号公報

　ところで、ガスによる赤外線の吸収量は温度によって変化するため、ガス濃度を精度高く検出するためには、そのような温度特性を考慮する必要がある。特許文献１においては、そのような温度特性を考慮してガス濃度の検出精度を向上させるために、複数の温度に対する複数の検量線データを用意している。そのため、検量線データの取得に長時間を要したり、あるいは、検量線データのデータ量が多いため処理時間に長時間を要したりするという問題があった。

　本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、予め必要なデータ量の増加を抑制するとともに、赤外線の吸収量の温度特性を考慮してガスの濃度を精度高く検出するガス濃度検出装置を提供することである。

　この発明のある局面に係るガス濃度検出装置は、ガスの濃度に応じた濃度出力値を示す信号を出力する濃度検出部と、ガスの温度に応じた温度出力値を示す信号を出力する温度検出部と、予め定められたガスの基準濃度において温度出力値に対応する基準出力値を算出し、濃度出力値を基準出力値で規格化した値、および規格化した値に対するガスの濃度の関係を示す第１検量線に基づいてガスの濃度を算出する算出部とを備える。第１検量線は、温度出力値に比例する補正係数を含む。

　このようにすると、第１検量線にガスの温度に比例する補正係数を含めることができるので、ガスによる赤外線の吸収量の温度特性を考慮して、ガスの濃度を精度高く算出することができる。また、複数の温度に対する検量線データを減少させることができるため、検量線データの作成時間、および検量線データのデータ量の増大を抑制できる。

　好ましくは、算出部は、ガスの温度変化に反比例して変化するガスによる光の吸収率に応じた補正係数を算出する。

　このようにすると、補正係数によって、ガスの温度の逆数に比例する赤外線の吸収量の変化によって生じる濃度の誤差を補正することができる。そのため、ガスの濃度を精度高く算出することができる。

　さらに好ましくは、算出部は、温度出力値、および温度出力値に対する基準出力値の関係を示す第２検量線に基づいて基準出力値を算出する。

　このようにすると、第２検量線に基づいて基準出力値を算出することができるため、算出された基準出力値を用いてガスの濃度をより精度高く算出することができる。

　さらに好ましくは、第２検量線は、基準濃度におけるガスの複数の温度の各々に対応した、予め取得された複数の濃度出力値に基づいて所定の次数の近似式を導出して設定される。

　このようにすると、第２検量線に基づいてガスの濃度をより精度高く算出することができる。

　さらに好ましくは、第１検量線は、基準温度におけるガスの複数の濃度の各々に対応した、予め取得された複数の濃度出力値に基づいて補正係数が乗算された所定の次数の近似式を導出して設定される。

　このようにすると、第１検量線に基づいてガスの濃度をより精度高く算出することができる。

　さらに好ましくは、濃度検出部は、検出対象のガスが導入される光路部と、赤外線を放射する光源と、光源から放射された赤外線を検出する受光センサと、受光センサと光源との間に設けられるバンドパスフィルタとを含む。

　この発明によると、第１検量線にガスの温度に比例する補正係数を含めることができるので、ガスによる赤外線の吸収量の温度特性を考慮して、ガスの濃度を精度高く算出することができる。また、複数の温度に対する検量線データを減少させることができるため、検量線データの作成時間、および検量線データのデータ量の増大を抑制できる。したがって、予め必要なデータ量の増加を抑制するとともに、赤外線の吸収量の温度特性を考慮してガスの濃度を精度高く検出するガス濃度検出装置を提供することができる。

本実施の形態に係るガス濃度検出装置の構成を示す図である。本実施の形態に係るガス濃度検出装置の回路構成図である。基準温度における第１検量線と、基準濃度における第２検量線とを説明するための図である。複数の温度環境下での濃度に対する第１検量線に基づく出力値を示す図である。赤外線の波長と二酸化炭素分子による赤外線の吸収率との関係を示す図である。図６（Ａ）は比較例に係る複数の温度環境下での濃度に対する検出値の誤差を示す図である。図６（Ｂ）は、本実施の形態における複数の温度環境下での濃度に対する検出値の誤差を示す図である。

　以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返されない。

　図１は、本実施の形態に係るガス濃度検出装置１０の構成を示す図である。なお、図１に示すガス濃度検出装置１０の構成は、一例であり、図１に示される構成に特に限定されるものではない。

　本実施の形態において、ガス濃度検出装置１０は、赤外線吸収方式（ＮＤＩＲ）のガスセンサである。本実施の形態におけるガス濃度検出装置１０による濃度の検出対象となる気体は、二酸化炭素であるものとして説明するが、検出対象となる気体は、二酸化炭素に特に限定されるものではない。

　ガス濃度検出装置１０は、たとえば、ＢＥＭＳ（Building　Energy　Management　System）において二酸化炭素の濃度に基づく換気量の制御や、植物の栽培施設等において屋内の二酸化炭素の濃度を所定の範囲内に収める制御等に用いられる。

　図１に示すように、ガス濃度検出装置１０は、ガスの濃度の検出動作を行う濃度検出部３０と、ガスの温度を検出する温度検出部であるサーミスタ２８と、光源２０の点灯制御、濃度検出部３０から出力されるガス濃度検出信号、およびサーミスタ２８から出力される温度検出信号に対して所定の処理を行うための駆動回路４０とを含む。濃度検出部３０の構成部品およびサーミスタ２８の各々は、回路基板１２の一方の面上の所定の位置に設けられる。駆動回路４０の構成部品は、回路基板１２の所定の位置に設けられる。

　濃度検出部３０は、光源２０と、保持台２２と、焦電センサ２４と、光学フィルタ２６とを構成部品として含む。

　光源２０は、焦電センサ２４と所定の距離だけ離隔した位置に設けられる。光源２０と焦電センサ２４との間には光路部１８が設けられる。光源２０は、焦電センサ２４に向けて赤外線を放射する。本実施の形態において、光源２０は、たとえば、フィラメントランプであるものとして説明するが、たとえば、ＬＥＤ（Light　Emitting　Diode）等の赤外線を放射する光源であってもよい。光源２０は、回路基板１２に固定された保持台２２によって保持される。光源２０は、所定の周期で点滅するように制御される。

　保持台２２の断面形状は、焦電センサ２４側に開いた半楕円形状を有する。半楕円形状の内側は、鏡面が形成される。すなわち、保持台２２は、楕円ミラーである。光源２０は、保持台２２の半楕円形状の焦点位置に設けられる。そのため、光源２０から放射された赤外線は、光路部１８を通過して焦電センサ２４に直接的に入射したり、あるいは、保持台２２に形成される鏡面を反射した後、光路部１８を通過して焦電センサ２４に入射したりする。

　焦電センサ２４は、バルクセラミックスを用いた焦電型赤外線センサである。焦電センサ２４には、光源２０から放射される赤外線を受光する部分である入射窓が光源２０に向けて設けられる。この入射窓には、光学フィルタ２６が設けられる。光学フィルタ２６は、たとえば、所定の波長帯の赤外線を通過するバンドパスフィルタである。所定の波長帯は、たとえば、二酸化炭素分子による吸収率の高い赤外線の波長である、４．２６μｍの近傍を含む波長帯である。所定の波長帯は、濃度の検出対象が二酸化炭素以外の気体である場合には、濃度の検出対象となる気体の種類に応じた波長（すなわち、濃度の検出対象となる気体の吸収率が高い波長）を基準とした波長帯が選択される。すなわち、焦電センサ２４は、光源２０から放射された赤外線のうち所定の波長帯の赤外線を受光する。

　サーミスタ２８は、焦電センサ２４の周辺に設けられ、回路基板１２に固定される。サーミスタ２８においては、駆動回路４０から電圧が印加されることにより定電流が流れ、定電流が流れたときに生じる電圧が出力電圧として駆動回路４０において検出される。

　カバー１４は、濃度検出部３０の構成部品およびサーミスタ２８を覆うように設けられ、回路基板１２に固定される。カバー１４には、カバー１４の外部からガスを取り入れたり、カバー１４の内部のガスを排出したりするための取入口１６が設けられる。取入口１６には、エアフィルターが設けられる。

　ガス濃度検出装置１０による二酸化炭素の濃度の検出は、取入口１６からカバー１４の内部に気体が取り入れられた状態で行われる。光源２０から焦電センサ２４に向けて赤外線が放射されると、放射された赤外線は、焦電センサ２４において受光される。焦電センサ２４は、赤外線の受光に応じて電圧を出力する。このとき、出力される電圧は、光路部１８における二酸化炭素の濃度と温度によって異なる。これは、光源２０から放射される赤外線が光路部１８上の二酸化炭素により吸収されるため、二酸化炭素の濃度により、光源２０から焦電センサ２４に到達する赤外線の量も変化するためである（Lambert-Beerの法則）。

　本実施の形態において、光学フィルタ２６は、二酸化炭素の吸収率が高い波長の赤外線を通過させるものであるため、焦電センサ２４の出力値から二酸化炭素の濃度に換算することが可能となる。

　図２は、本実施の形態に係るガス濃度検出装置１０の回路構成図である。図２に示すように、駆動回路４０は、増幅回路４２と、ＡＤ変換回路４４と、濃度変換処理回路４６とを含む。なお、濃度変換処理回路４６が本願請求項の算出部に相当する。また、図２に示すガス濃度検出装置１０の回路構成は、一例であり、図２に示される回路構成に限定されるものではない。

　増幅回路４２は、たとえば、アンプ等によって構成され、濃度検出部３０の濃度検出信号（出力電圧）の信号強度と、サーミスタ２８の温度検出信号（出力電圧）の信号強度とを増幅する。

　ＡＤ変換回路４４は、増幅回路４２において信号強度が増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。なお、信号強度の増幅やアナログ信号からデジタル信号への変換は、周知の技術を用いればよい。

　濃度変換処理回路４６は、ＡＤ変換回路４４において変換されたデジタル信号に対して所定の処理を実施することによってカバー１４の内部に取り入れられた気体に含まれる二酸化炭素の濃度Ｃを検出する。なお、本実施の形態において、濃度変換処理回路４６は、たとえば、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）によって実現される。ＣＰＵは、図示しない記憶部に記憶されたプログラムを実行することによって、所定の演算処理や制御処理を実行する。ＣＰＵは、たとえば、二酸化炭素の濃度を算出する演算処理に加えて、光源２０を点灯させる制御処理やサーミスタ２８に電圧を印加する制御処理を実行する。

　本実施の形態において、ガス濃度検出装置１０における二酸化炭素の濃度の検出は、以下のような手順で行われる。（１）サーミスタ２８から温度検出信号を取得する。（２）光源２０を点灯状態にする。（３）焦電センサ２４の出力値Ｖを取得する。（４）取得された焦電センサ２４の出力値Ｖに対して、所定の信号処理を実行する。

　なお、焦電センサ２４の出力値Ｖが本願発明の濃度出力値に相当する。また、サーミスタ２８の温度検出信号が本願発明の温度出力値に相当する。

　なお、所定の信号処理は、たとえば、焦電センサ２４の出力波形から移動平均法を用いてノイズを除去する処理と、増幅回路４２によって信号強度を増幅する処理と、ＡＤ変換回路４４によってデジタルデータに変換する処理とを含む。これらの処理は、温度検出信号に対しても行なわれる。また、温度検出信号からサーミスタ温度Ｔｈ［Ｋ］が算出される。サーミスタ温度Ｔｈの算出は、上記（１）において行なわれてもよい。

　（５）サーミスタ温度Ｔｈと焦電センサ２４の出力値Ｖとから二酸化炭素の濃度Ｃを算出する。（６）光源２０を点灯停止状態にする。ガス濃度検出装置１０は、上記（１）～（６）の処理を、たとえば、一定間隔毎に行なう。

　以下に、本実施の形態に係るガス濃度検出装置１０がサーミスタ２８の温度Ｔｈと焦電センサ２４の出力値Ｖとから二酸化炭素の濃度Ｃを算出する方法について説明する。

　濃度変換処理回路４６は、焦電センサ２４の出力値Ｖと予め取得された第１検量線とサーミスタ温度Ｔｈと第２検量線とに基づいて二酸化炭素の濃度を算出する。

　第１検量線に関するデータおよび第２検量線に関するデータは、ガス濃度検出装置１０の製造時において予め取得されて、駆動回路４０に設けられるメモリ等の記憶媒体に記憶される。

　第１検量線は、予め定められた基準温度（たとえば、２５℃）における二酸化炭素の濃度Ｃと焦電センサ２４の出力値Ｖとの関係を示す。より具体的には、第１検量線は、焦電センサ２４の出力値Ｖを基準出力値Ｖ０で規格化した値（Ｖ／Ｖ０）と、二酸化炭素の濃度Ｃとの関係を示す。基準温度における二酸化炭素の複数の濃度の各々に対応した、焦電センサ２４の出力値が予め取得されており、第１検量線は、予め取得された複数の焦電センサ２４の出力値に基づいて、補正係数αが乗算された所定の次数の近似式を導出して設定される。

　この基準出力値Ｖ０は、二酸化炭素の濃度が予め定められた基準濃度（たとえば、０ｐｐｍ）である場合における、サーミスタ温度Ｔｈに対応した焦電センサ２４の出力値である。基準出力値Ｖ０は、サーミスタ温度Ｔｈに基づいて後述する第２検量線を用いて算出される。

　本実施の形態において、第１検量線は、以下の式で示される。
　Ｃ（二酸化炭素の濃度）＝α（補正係数）×ｆ１（Ｖ／Ｖ０）…（式１）
　上記（式１）におけるｆ１は、所定の次数の関数であって、たとえば、２次関数であってもよいし、３次関数であってもよい。ｆ１が３次関数である場合には、ガスの濃度Ｃは、以下の式で示される。

　Ｃ＝α×［ａ１×（Ｖ／Ｖ０）^３＋ａ２×（Ｖ／Ｖ０）^２＋ａ３×（Ｖ／Ｖ０）＋ａ４］…（式２）
　上記（式２）におけるａ１～ａ４は、基準温度において予め実験等により取得された複数種類の二酸化炭素の濃度と焦電センサ２４の出力値との組み合わせに基づいて算出される。たとえば、図３に示すように、基準温度における予め定められた複数の二酸化炭素の濃度（たとえば、０ｐｐｍ、４００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、２０００ｐｐｍの濃度）にそれぞれ対応した複数の焦電センサ２４の出力値が予め実験等により取得され、取得された出力値に基づいてａ１～ａ４が算出される。

　上記（式２）および算出されたａ１～ａ４の値は、駆動回路４０に設けられるメモリ等の記憶媒体に記憶される。

　補正係数αは、α＝Ｔｈ／Ｔｈ_２５の式より算出される。なお、Ｔｈ_２５は、２５℃時のサーミスタ温度［Ｋ］を示す。すなわち、補正係数αは、温度出力値に比例する。

　サーミスタ温度Ｔｈ［Ｋ］は、以下の式を用いて算出される。
　Ｔｈ＝１／（１／Ｔｈ_２５＋１／Ｂ×ｌｎ（Ｖｔｈ／（Ｖｃｃ－Ｖｔｈ）））…（式３）
　上記（式３）において、Ｂは、定数を示し、Ｖｔｈは、サーミスタ２８の出力電圧を示し、Ｖｃｃは、駆動回路４０からサーミスタ２８への印加電圧を示す。上記（式３）および定数Ｂは、駆動回路４０に設けられるメモリ等の記憶媒体に記憶される。

　補正係数αは、サーミスタ温度Ｔｈに比例する係数である。補正係数αは、駆動回路４０に設けられるメモリ等の記憶媒体に記憶される。

　上記（式１）で示される第１検量線は、たとえば、図４の実線で示される。図４の横軸は、二酸化炭素の濃度Ｃを示し、図４の縦軸は、規格化した値（Ｖ／Ｖ０）を示す。図４に示されるように、濃度Ｃと規格化した値（Ｖ／Ｖ０）とは、濃度Ｃが高くなるほど、規格化した値（Ｖ／Ｖ０）が減少し、濃度Ｃが低くなるほど規格化した値（Ｖ／Ｖ０）は増加する関係がある。

　補正係数αは、二酸化炭素が赤外線を吸収する吸収量についての温度特性を考慮して設定される。

　カバー１４の内部の二酸化炭素の分子数によって赤外線の吸収量は異なる。そのため、カバー１４の内部の体積が同じで、圧力が同じであっても、二酸化炭素の分子の数が異なると、赤外線の吸収量が異なることから焦電センサ２４の出力値も変化することとなる。

　この二酸化炭素の分子数を意味するモル濃度ｎ（ｍｏｌ／ｌ）は、理想気体の場合、気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）に従うため、圧力Ｐおよび体積Ｖが一定の環境下では、温度の逆数に比例（温度に反比例）する。したがって、同じ二酸化炭素濃度の環境下であっても、二酸化炭素を含むガスの温度と赤外線の吸収量との間には、二酸化炭素を含むガスの温度が上昇するほど赤外線の吸収量は低下し、二酸化炭素を含むガスの温度が低下するほど赤外線の吸収量が増加する関係がある。

　温度上昇によりモル濃度ｎが低下するため、赤外線の吸収量が低下する場合には、焦電センサ２４の出力値Ｖは本来の出力値よりも高い値に変化する。そのため、焦電センサ２４の出力値Ｖは、本来の濃度よりも低い値に換算されることとなる。

　同様に、温度低下によりモル濃度ｎが増加するため、赤外線の吸収量が増加する場合には、焦電センサ２４の出力値Ｖは本来の出力値よりも低い値に変化する。そのため、焦電センサ２４の出力値Ｖは、本来の濃度よりも高い値に換算されることとなる。

　しかしながら、算出したい二酸化炭素の濃度は、カバー１４の内部の容積に対する二酸化炭素ガスの体積の比率であるため、温度と算出したい濃度の関係と、温度とモル濃度ｎの関係とは乖離がでる。

　図５に、光源から放射される赤外線の波長と、二酸化炭素分子による赤外線の吸収率との関係を示す。図５の縦軸は、赤外線の吸収率を示し、図５の横軸は、赤外線の波長を示す。なお、本実施の形態において、赤外線の吸収率は、特定の波長における赤外線の吸収量を示す。

　図５の太実線は、ガスの濃度が－５０℃である場合の吸収スペクトルである。図５の太破線は、ガスの濃度が０℃である場合の吸収スペクトルである。図５の細実線は、ガス温度が２５℃である場合の吸収スペクトルである。図５の細破線は、ガス温度が５０℃である場合の吸収スペクトルである。図５の一点鎖線は、ガス温度が１００℃である場合の吸収スペクトルである。

　図５に示す吸収スペクトルからも明らかなように、二酸化炭素分子による赤外線の吸収率が高い波長領域（吸収波長領域）において、二酸化炭素を含むガスの各温度における赤外線の吸収率の積分値（図５における各吸収スペクトルの波形の面積、すなわち、赤外線の吸収量）は、温度の逆数に比例する傾向がある。

　したがって、二酸化炭素が赤外線を吸収する吸収量の温度特性を考慮して補正係数αを設定することにより、二酸化炭素の濃度をより精度高く算出することができる。

　また、予め定められた基準温度Ｔａ（たとえば、２５℃）での赤外線の吸収量Ａと、温度Ｔｂでの赤外線の吸収量Ｂとの吸収量比Ｂ／Ａ（吸収量Ｂを吸収量Ａで規格化した値）は、温度の比の逆数Ｔａ／Ｔｂと類似する。すなわち、濃度Ｃの誤差は、Ｔａ／Ｔｂに比例して生じることとなる。そのため、本実施の形態においては、補正係数αを、α＝Ｔｈ／Ｔｈ_２５の式により設定するものとする。なお、補正係数αは、温度に比例する係数であればよく、特に上記式に限定されるものではなく、実験等により調整してもよい。

　第１検量線は、補正係数αにより補正される。たとえば、サーミスタ温度Ｔｈが５０℃である場合には、図４の破線に示すように、基準温度（２５℃）での第１検量線（図４の実線）よりも上方に第１検量線が位置するので、濃度は下方に補正される。また、サーミスタ温度Ｔｈが０℃である場合には、図４の一点鎖線に示すように、基準温度での第１検量線よりも下方に第１検量線が位置するので、濃度は上方に補正される。

　このように第１検量線に温度に比例する補正係数αを含めることにより、赤外線の吸収量の温度特性を考慮してガス濃度を精度高く算出することができる。

　また、濃度変換処理回路４６は、第２検量線を用いて基準出力値Ｖ０を算出する。第２検量線は、予め定められた基準濃度（たとえば、０ｐｐｍ）におけるサーミスタ温度Ｔｈと基準出力値Ｖ０との関係を示す。第２検量線は、基準濃度における二酸化炭素の複数の温度の各々に対応した、予め取得された複数の焦電センサ２４の出力値に基づいて所定の次数の近似式を導出して設定される。

　本実施の形態において、第２検量線は、以下の式で示される。
　Ｖ０＝ｆ２（Ｔｈ）…（式４）
　上記（式４）におけるｆ２は、所定の次数の関数であって、たとえば、３次関数であってもよいし、４次関数であってもよい。ｆ２が４次関数である場合には、基準出力値Ｖ０は、以下の式で示される。

　Ｖ０＝ｂ１×Ｔｈ^４＋ｂ２×Ｔｈ^３＋ｂ３×Ｔｈ^２＋ｂ４×Ｔｈ＋ｂ５…（式５）
　上記（式５）におけるｂ１～ｂ５は、基準濃度において予め実験等により取得された複数種類の温度（サーミスタ温度Ｔｈ）と焦電センサ２４の出力値との組み合わせに基づいて算出される。

　なお、ガス濃度検出装置１０は、基準濃度において予め実験等により取得された複数種類の温度（サーミスタ温度Ｔｈ）に代えて、基準濃度において予め実験等により取得された複数種類の温度の電圧値（サーミスタの出力電圧Ｖｔｈ）を用いてもよい。すなわち、基準出力値Ｖ０は、サーミスタの出力電圧Ｖｔｈから求められてもよい。したがって、上記（式４）、（式５）において、ＴｈをＶｔｈに置き換えてもよい。

　たとえば、図３に示すように、基準濃度における複数の温度（たとえば、０℃、１０℃、２５℃、４０℃および５０℃）にそれぞれ対応した複数の焦電センサ２４の出力値が予め実験等により取得され、取得された出力値に基づいてｂ１～ｂ４が算出される。

　上記（式５）および算出されたｂ１～ｂ５の値は、駆動回路４０に設けられるメモリ等の記憶媒体に記憶される。

　以下に実験例を示し、本実施の形態に係るガス濃度検出装置１０の作用効果について説明する。なお、実験例で用いられた焦電型赤外線センサは、村田製作所製Ｅ４７２ＳＷ１であるが、一般的にバルクの圧電セラミックスや、ＭＥＭＳ（Micro　Electro　Mechanical　Systems）を用いた赤外線センサであれば同様の効果が得られると予想される。

　以下に、上記（式１）で示される第１検量線における補正係数αの有無による温度特性の改善効果について図６を用いて説明する。

　比較例として、図６（Ａ）に、第１検量線において補正係数αが含まれない場合における複数の温度環境下での濃度の各々に対応する検出値の誤差を示す。図６（Ａ）の縦軸は、誤差を示し、０を基準として図６（Ａ）上方向をプラス方向、図６（Ａ）下方向をマイナス方向とする。図６（Ａ）の横軸は、二酸化炭素の濃度を示す。

　図６（Ａ）の破線は、温度（サーミスタ温度Ｔｈ）が０℃である場合の誤差と濃度との関係を示す。図６（Ａ）の実線は、温度が２５℃（基準温度）である場合の誤差と濃度との関係を示す。図６（Ａ）の一点鎖線は、温度が５０℃である場合の誤差と濃度との関係を示す。

　図６（Ａ）に示すように、温度が２５℃である場合には、複数の濃度の各々に対応する濃度の誤差は、ほぼゼロとなる。これは、第１検量線が基準温度における複数の濃度の各々に対応する焦電センサ２４の出力値（実測値）に基づいて設定されているためである。

　一方、温度が５０℃である場合には、二酸化炭素による赤外線の吸収量は、温度が２５℃である場合の赤外線の吸収量よりも低下するため、焦電センサ２４の出力値は、本来の出力値（温度が２５℃である場合の同一の濃度に対する焦電センサ２４の出力値）よりも高い側に変化する。このため、温度が２５℃である場合の濃度の誤差よりも低い側に濃度の誤差が生じることとなる。

　また、温度が０℃である場合には、赤外線の吸収量は、温度が２５℃である場合の赤外線の吸収量よりも増加するため、焦電センサ２４の出力値は、本来の出力値よりも低い側に変化する。このため、温度が２５℃である場合の濃度の誤差よりも高い側に濃度の誤差が生じることとなる。

　図６（Ｂ）に、第１検量線において補正係数αが含まれる場合における複数の温度環境下での濃度の各々に対応する検出値の誤差を示す。図６（Ｂ）の縦軸は、誤差を示し、０を基準として図６（Ｂ）上方向をプラス方向、図６（Ｂ）下方向をマイナス方向とする。図６（Ｂ）の横軸は、二酸化炭素の濃度を示す。なお、図６（Ａ）の縦軸のスケールと図６（Ｂ）の縦軸のスケールとは同一であるものとする。

　図６（Ｂ）の破線は、温度（サーミスタ温度Ｔｈ）が０℃である場合の誤差と濃度との関係を示す。図６（Ｂ）の実線は、温度が２５℃である場合の誤差と濃度との関係を示す。図６（Ｂ）の一点鎖線は、温度が５０℃である場合の誤差と濃度との関係を示す。

　図６（Ｂ）に示すように、温度が２５℃である場合には、図６（Ａ）を用いて説明したとおり、複数の濃度の各々に対応する誤差は、ほぼゼロとなる。

　一方、温度が５０℃である場合には、二酸化炭素による赤外線の吸収量は、温度が２５℃である場合の赤外線の吸収量も低下する。しかしながら、補正係数αは、温度が２５℃である場合（α＝１）よりも大きい値になる。そのため、二酸化炭素の濃度Ｃの誤差は、図６（Ａ）に示される温度が５０℃である場合の誤差と比較して、濃度の誤差は、プラス方向に是正されることとなる。そのため、図６（Ａ）の温度が５０℃である場合と比較して、濃度の誤差の大きさが小さくなる。

　同様に、温度が０℃である場合には、二酸化炭素による赤外線の吸収量は、温度が２５℃である場合の赤外線の吸収量よりも増加する。しかしながら、補正係数αは、温度が２５である場合（α＝１）よりも小さい値になる。そのため、二酸化炭素の濃度Ｃの誤差は、図６（Ａ）に示される温度が０℃である場合の誤差と比較して、濃度の誤差は、マイナス方向に是正されることとなる。そのため、図６（Ａ）の温度が０℃である場合と比較して、濃度の誤差の大きさが小さくなる。

　以上のようにして、本実施の形態に係るガス濃度検出装置１０によると、第１検量線にサーミスタ温度Ｔｈに比例する補正係数αを含めることができるので、サーミスタ温度Ｔｈの逆数に比例する赤外線の吸収量の変化によって生じる濃度の誤差を補正することができる。そのため、二酸化炭素による赤外線の吸収量の温度特性を考慮して、二酸化炭素の濃度Ｃを精度高く算出することができる。また、複数の温度に対する検量線データを減少させることができるため、検量線データの作成時間、および検量線データのデータ量の増大を抑制することができる。したがって、予め必要なデータ量の増加を抑制するとともに、赤外線の吸収量の温度特性を考慮してガスの濃度を精度高く検出するガス濃度検出装置を提供することができる。

　さらに、サーミスタ温度Ｔｈの変化に反比例して変化するガスによる赤外線の吸収量に応じた値、具体的には、サーミスタ温度Ｔｈを基準温度（２５℃）のサーミスタ温度Ｔｈ_２５で規格した値Ｔｈ／Ｔｈ_２５を補正係数αとして算出することにより、二酸化炭素による赤外線の吸収量の温度特性を考慮して、二酸化炭素の濃度Ｃを精度高く算出することができる。

　さらに、第２検量線に基づいてサーミスタ温度Ｔｈに応じた基準出力値Ｖ０を算出することができるため、第１検量線と、算出された基準出力値Ｖ０とを用いて二酸化炭素の濃度Ｃを精度高く算出することができる。

　補正係数αを含む上記（式１）で示される第１検量線および上記（式４）で示される第２検量線を用いて二酸化炭素の濃度Ｃの算出が可能となるため、予め取得するデータ量の増加を抑制するとともに、演算の負荷を低減することができる。また、予め取得するデータの増加の抑制や演算の負荷の低減により、製品の製造コストや設計コストの増加を抑制することができる。

　本実施の形態において、基準温度である場合に、０ｐｐｍ、４００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、および、２０００ｐｐｍの４点の濃度を測定ポイントとして、各濃度に対応する焦電センサ２４の出力値を予め取得し、取得された出力値を用いて第１検量線のａ１～ａ４を算出するものとして説明したが、たとえば、４点以上の濃度に対応する焦電センサ２４の出力値を予め取得してもよいし、上記４点以外の測定ポイントの濃度に対応する焦電センサ２４の出力値を予め取得してもよいし、２０００ｐｐｍよりも大きい濃度あるいは小さい濃度を上限値とする複数の濃度に対応する複数の焦電センサ２４の出力値を予め取得してもよい。

　さらに、本実施の形態においては、基準濃度である場合に、０℃、１０℃、２５℃、４０℃、および、５０℃の５点の温度を測定ポイントとして、各温度に対応する焦電センサ２４の出力値を予め取得し、取得された出力値を用いて第２検量線のｂ１～ｂ５を算出するものとして説明したが、たとえば、５点以上の温度に対応する焦電センサ２４の出力値を予め取得してもよいし、上記５点以外の測定ポイントの温度に対応する焦電センサ２４の出力値を予め取得してもよいし、５０℃よりも大きい温度あるいは小さい温度を上限値とする複数の温度に対応する複数の焦電センサ２４の出力値を予め取得してもよいし、０℃よりも低い値あるいは高い値を下限値とする複数の温度に対応する複数の焦電センサ２４の出力値を予め取得してもよい。

　なお、好ましくは、濃度の測定ポイントの各々は、測定範囲が０～Ｒである場合、０、Ｒ／４、Ｒ／２、Ｒとすることが望ましい。

　なお、上述の実施の形態では、補正係数αは、温度出力値に比例するとしたが、これに限るものではない。補正係数αは、温度出力信号のべき乗に比例してもよい。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１０　ガス濃度検出装置、１２　回路基板、１４　カバー、１６　取入口、１８　光路部、２０　光源、２２　保持台、２４　焦電センサ、２６　光学フィルタ、２８　サーミスタ、３０　濃度検出部、４０　駆動回路、４２　増幅回路、４４　ＡＤ変換回路、４６　濃度変換処理回路。

Claims

　ガスの濃度に応じた濃度出力値を示す信号を出力する濃度検出部と、
　前記ガスの温度に応じた温度出力値を示す信号を出力する温度検出部と、
　予め定められた前記ガスの基準濃度において前記温度出力値に対応する基準出力値を算出し、前記濃度出力値を前記基準出力値で規格化した値、および前記規格化した値に対する前記ガスの濃度の関係を示す第１検量線に基づいて前記ガスの濃度を算出する算出部とを備え、
　前記第１検量線は、前記温度出力値に比例する補正係数を含む、ガス濃度検出装置。
　前記算出部は、前記ガスの温度変化に反比例して変化する前記ガスによる光の吸収率に応じた前記補正係数を算出する、請求項１に記載のガス濃度検出装置。
　前記算出部は、前記温度出力値、および前記温度出力値に対する前記基準出力値の関係を示す第２検量線に基づいて前記基準出力値を算出する、請求項１または２に記載のガス濃度検出装置。
　前記第２検量線は、前記基準濃度における前記ガスの複数の温度の各々に対応した、予め取得された複数の濃度出力値に基づいて所定の次数の近似式を導出して設定される、請求項３に記載のガス濃度検出装置。
　前記第１検量線は、基準温度における前記ガスの複数の濃度の各々に対応した、予め取得された複数の濃度出力値に基づいて前記補正係数が乗算された所定の次数の近似式を導出して設定される、請求項１～３のいずれかに記載のガス濃度検出装置。
　前記濃度検出部は、
　検出対象のガスが導入される光路部と、
　赤外線を放射する光源と、
　前記光源から放射された前記赤外線を検出する受光センサと、
　前記受光センサと前記光源との間に設けられるバンドパスフィルタとを含む、請求項１～５のいずれかに記載のガス濃度検出装置。