JP2014238307A

JP2014238307A - ガス検出装置

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Publication number: JP2014238307A
Application number: JP2013120458A
Authority: JP
Inventors: 北原　晴生; Haruo Kitahara; 晴生北原; 藤田　雄三; Yuzo Fujita; 雄三藤田; 友子吉田; Tomoko Yoshida
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-12-18
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: JP6134207B2

Abstract

【課題】検出精度の高く、メンテナンスが容易な二酸化炭素検出装置を提供する。【解決手段】光を発する光源１と、光源１が発した光を反射する第１の反射鏡１１と、第１の反射鏡１１で反射された光を反射する第２の反射鏡１２と、第２の反射鏡１２で反射された光を反射する第３の反射鏡１３と、第３の反射鏡１３で反射された光を受光するデテクタ２と、デテクタ２で受光された光における赤外域における光量に基づき、光が通過した空間における二酸化炭素濃度を算出する濃度算出部と、を備え、第１の反射鏡１１が第１及び第２の焦点を有し、光源１の位置と、第１の反射鏡１１の第１の焦点と、が一致し、第２の反射鏡１２が焦点を有し、第１の反射鏡１１の第２の焦点と、第２の反射鏡１２の焦点と、が一致し、第３の反射鏡１３が、第２の反射鏡１２の非焦点位置に配置されている、二酸化炭素検出装置。【選択図】図１

Description

本発明は環境評価技術に関し、特にガス検出装置に関する。

例えば日本においては、ビルの中の人の居住空間の二酸化炭素濃度は１０００ｐｐｍ以下にすることとされている。また、工場等においても、二酸化炭素濃度を所定の値に管理する例がある。そのため、部屋に二酸化炭素検出装置が設けられ、部屋の内部の二酸化炭素濃度を監視する例がある。二酸化炭素検出装置は、例えば、非分散赤外線吸収法（ＮＤＩＲ：Ｎｏｎ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅＩｎｆｒａｒｅｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｍｅｔｈｏｄ）により、二酸化炭素濃度を計測する。この方法は、二酸化炭素が赤外域の特定の波長帯（４．３μｍ付近の波長帯）の光を吸収する特性を利用する。すなわち、二酸化炭素に吸収される赤外域の特定の波長帯を含む光を測定対象の気体に照射し、測定対象の気体に含まれる二酸化炭素によって吸収された赤外域の光の量を計測することによって、二酸化炭素濃度を計測する（例えば、特許文献１参照。）。なお、非分散赤外線吸収法が計測対象とするガス種は、二酸化炭素に限られない（例えば、特許文献２、３参照。）。一酸化炭素濃度を計測する際には、波長４．７μｍ付近における光の吸収を計測する。二酸化硫黄濃度を計測する際には、波長８．５〜８．８μｍの光の吸収を計測する。一酸化窒素を計測する際には、波長５．３μｍ付近における光の吸収を計測する。

特表２０００−５１７０５５公報特許第３９９０７３３号公報特許第４７２６９５４号公報

本発明は、検出精度の高いガス検出装置を提供することを目的の一つとする。

本発明の態様によれば、（ａ）光を発する光源と、（ｂ）光源が発した光を反射する第１の反射鏡と、（ｃ）第１の反射鏡で反射された光を反射する第２の反射鏡と、（ｄ）第２の反射鏡で反射された光を反射する第３の反射鏡と、（ｅ）少なくとも第３の反射鏡で反射された光を受光する検出器と、（ｆ）検出器で受光された光量に基づき、光が通過した空間における計測対象ガス種の濃度を算出する濃度算出部と、を備え、（ｇ）第１の反射鏡が第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円鏡であり、光源の位置と、第１の反射鏡の第１の焦点と、が一致し、（ｈ）第２の反射鏡が少なくとの一つの焦点を有する凹面鏡であり、第１の反射鏡の第２の焦点と、第２の反射鏡の少なくとの一つの焦点と、が一致し、（ｉ）第３の反射鏡が凹面鏡又は平面鏡であり、第２の反射鏡の非焦点位置に配置されている、ガス検出装置が提供される。なお、凹面鏡とは、楕円鏡及び放物面鏡等を含む、湾曲した曲面の内側を鏡面とした鏡のことを指し、回転体及び非回転体のいずれかに限定されるものではない。

本発明によれば、検出精度の高いガス検出装置を提供可能である。

本発明の第１の実施の形態に係るガス検出装置の模式図である。本発明の第１の実施の形態に係るガス検出装置の模式図である。本発明の第１の実施の形態の第２の変形例に係るガス検出装置の模式図である。本発明の第１の実施の形態の第３の変形例に係るガス検出装置の模式図である。本発明の第１の実施の形態の第４の変形例に係るガス検出装置の模式図である。本発明の第２の実施の形態に係るガス検出装置の模式図である。本発明の第２の実施の形態の第１の変形例に係るガス検出装置の模式図である。本発明の第２の実施の形態の第２の変形例に係るガス検出装置の模式図である。本発明の第３の実施の形態に係るガス検出装置の模式図である。本発明の第３の実施の形態の第１の変形例に係るガス検出装置の模式図である。本発明の第３の実施の形態の第２の変形例に係るガス検出装置の模式図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係るガス検出装置は、図１に示すように、光を発する光源１と、光源１が発した光を反射する第１の反射鏡１１と、第１の反射鏡１１で反射された光を反射する第２の反射鏡１２と、第２の反射鏡１２で反射された光を反射する第３の反射鏡１３と、少なくとも第３の反射鏡１３で反射された光を受光する検出器２と、検出器２で受光された光量に基づき、光が通過した空間における検出対象ガス種の濃度を算出する濃度算出部と、を備える。

第１の反射鏡１１は、第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円鏡である。光源１の位置と、第１の反射鏡１１の第１の焦点と、は、一致する。第２の反射鏡１２は、少なくとの一つの焦点を有する凹面鏡である。第１の反射鏡１１の第２の焦点と、第２の反射鏡１２の少なくとの一つの焦点と、は、一致する。第３の反射鏡１３は、第２の反射鏡１２の非焦点位置に配置されている。

図２に示すように、光源１、第１の反射鏡１１、第２の反射鏡１２、及び第３の反射鏡１３は、例えばセル３に覆われている。あるいは、第１の反射鏡１１、第２の反射鏡１２、及び第３の反射鏡１３が、セル３の一部をなしていてもよい。セル３の内部の空間における気体が、検出対象ガス種の濃度の測定対象となる。

第１の実施の形態に係るガス検出装置は、非分散赤外線吸収法により、検出対象ガス種の濃度を計測する。すなわち、ガス検出装置は、二酸化炭素等の検出対象ガス種が赤外域の特定の波長帯の光を吸収する特性を利用し、セル３内部の検出対象ガス種に吸収されることによる光の減衰量を計測することによって、検出対象ガス種の濃度を計測する。検出対象ガス種は、二酸化炭素に限られず、一酸化炭素、二酸化硫黄、及び一酸化窒素等も含む。

光源１は、少なくとも検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域を含む光を発する。光源１としては、赤外線ランプ及びＬＥＤ等が使用可能である。光源１は、参照用に、検出対象ガス種によって吸収されない波長帯の光を、検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域の光と共に発してもよい。なお、当該参照用の、検出対象ガス種によって吸収されない波長帯の光を発することは任意であり、光源１は、検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域を含む光のみを発してもよい。第１の反射鏡１１の反射面には、例えば、アルミニウム等の金属が蒸着されている。光源１は、第１の反射鏡１１の第１の焦点に配置されている。したがって、光源１が発した光は、拡散して第１の反射鏡１１で反射され、第１の反射鏡１１の第２の焦点に向けて集束される。

凹面鏡である第２の反射鏡１２は、例えば、第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円鏡である。第２の反射鏡１２の反射面には、例えば、アルミニウム等の金属が蒸着されている。第１の反射鏡１１と、第２の反射鏡１２と、は、第１の反射鏡１１の第２の焦点と、第２の反射鏡１２の第１の焦点と、が一致するよう、配置されている。そのため、第１の反射鏡１１の第２の焦点で集束された光は再び拡散し、第２の反射鏡１２で反射され、第２の反射鏡１２の第２の焦点に向けて集束される。

第３の反射鏡１３は、例えば、第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円鏡である。第３の反射鏡１３の反射面には、例えば、アルミニウム等の金属が蒸着されている。第２の反射鏡１２と、第３の反射鏡１３と、は、第２の反射鏡１２の第２の焦点と、第３の反射鏡１３の第１の焦点と、が一致するよう、配置されている。そのため、第２の反射鏡１２の第２の焦点で集束された光は再び拡散し、第３の反射鏡１３で反射され、第３の反射鏡１３の第２の焦点に向けて集束される。

検出器２は、例えば、第３の反射鏡１３の第２の焦点に配置されている。検出器２は、例えば、少なくとも検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域の光を検出可能な光検出器を備える。検出器２は、さらに、検出対象ガス種に吸収されない波長帯の光を検出可能な光検出器を備えていてもよい。なお、検出対象ガス種に吸収されない波長帯の光を検出可能な光検出器を備えることは任意であり、検出器２は、検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域の光を検出可能な光検出器のみを備えていてもよい。

濃度算出部は、例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び記憶装置等で構成され、検出器２に電気的に接続されている。濃度算出部は、例えば検出対象ガス種が二酸化炭素である場合、０ｐｐｍ、２０００ｐｐｍ等、基準となるガス濃度の気体がセル３内部に存在する際、検出器２が受光する光の強度の値を基準値として記憶装置に記憶している。検出器２が受光する光の強度は、セル３内部に存在する気体に含まれる検出対象ガス種の濃度が上昇するにつれて低下する。したがって、濃度算出部は、検出器検出器２が受光した光の強度の実測値と、基準値と、の差分に基づいて、セル３内部の気体の検出対象ガス種の濃度を算出する。

なお、光源１が、参照用に、検出対象ガス種によって吸収されない波長帯の赤外域の光を、検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域の光と共に発した場合、濃度算出部は、検出器２による検出対象ガス種によって吸収されない波長帯の赤外域の光の受光強度によって、バックグラウンドノイズの除去や、検出対象ガス種の吸収による光の減衰以外の光の減衰（例えば、光源の発光量の減衰、及び反射鏡の反射率の低下）等を補正してもよい。

非分散赤外線吸収法においては、光路長が長くなるほど、ガス濃度の検出精度が高くなる。しかし、光路長が長くなるほど、ガス検出装置のサイズが大きくなり、また光の強度が低下する。これに対し、第１の実施の形態に係るガス検出装置によれば、第１乃至第３の反射鏡１１、１２、１３で光を折り返すため、セル３の限られたサイズの中で、光源１から検出器２までの光路長を確保することが可能となる。また、第１乃至第３の反射鏡１１、１２、１３が楕円鏡であるため、光源１から発せられた拡散光を集光し、光強度の低下を抑制することが可能となる。

さらに、第１の実施の形態に係るガス検出装置においては、第３の反射鏡１３が、第２の反射鏡１２の非焦点位置に配置されている。ここで、仮に、第３の反射鏡１３を、第２の反射鏡１２の焦点位置に配置した場合、第３の反射鏡１３が第２の反射鏡１２からの反射光を受ける部分の面積が極めて小さくなる。そのため、第３の反射鏡１３の鏡面の一部でも劣化した場合、劣化した箇所が反射鏡１２からの反射光を受けている箇所であれば、第３の反射鏡１３からの反射光は大きく減衰し、検出器２が受ける光量は大きく低下する。これに対し、第１の実施の形態に係るガス検出装置においては、第３の反射鏡１３が、第２の反射鏡１２の非焦点位置に配置されているため、第３の反射鏡１３が第２の反射鏡１２からの反射光を受ける部分の面積は広い。そのため、第３の反射鏡１３の鏡面の一部が劣化した場合においても第３の反射鏡１３からの反射光の減衰は小さく、検出器２が受ける光量の低下は小さい。そのため、反射鏡の劣化に伴う検出精度の低下を抑制することが可能となる。

（第１の実施の形態の第１の変形例）
図１及び図２では、検出器２が第３の反射鏡１３の第２の焦点に配置される例を説明したが、検出器２は、第３の反射鏡１３の非焦点位置に配置されていてもよい。例えば、光源１が、検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域の光と共に、参照用に、検出対象ガス種に吸収されない波長帯の光を照射する場合、例えば並列に配置された検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域の光を受光する受光部と、検出対象ガス種に吸収されない波長帯の光を受光する受光部と、を備える検出器２を第３の反射鏡１３の非焦点位置に配置することにより、検出器２が、所定の幅を有する光を受光することが可能となる。そのため、検出器２が、検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域の光と、検出対象ガス種に吸収されない波長帯の光と、を、効率的に受光することが可能となる。

（第１の実施の形態の第２の変形例）
図１及び図２では、ガス検出装置が３つの反射鏡を備える例を説明した。これに対し、図３に示すように、ガス検出装置は、第４の反射鏡１４をさらに備えていてもよい。第４の反射鏡１４は、例えば、第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円鏡である。第４の反射鏡１４の反射面には、例えば、アルミニウム等の金属が蒸着されている。第３の反射鏡１３と、第４の反射鏡１４と、は、第３の反射鏡１３の第２の焦点と、第４の反射鏡１４の第１の焦点と、が一致するよう、配置されている。そのため、第３の反射鏡１３の第２の焦点で集束された光は再び拡散し、第４の反射鏡１４で反射され、第４の反射鏡１４の第２の焦点に向けて集束される。

この場合は、検出器２は、例えば、第４の反射鏡１４の第２の焦点に配置されており、第３の反射鏡１３で反射された後、第４の反射鏡１４で反射された光を受光する。なお、検出器２は、第４の反射鏡１４の非焦点位置に配置されていてもよい。反射鏡の数を増やすことによって、光路長が長くなり、セル３内部の気体に含まれるガスによる赤外域の光の吸収に対する感度を上昇させることが可能となる。

（第１の実施の形態の第３の変形例）
図４に示すガス検出装置は、第４の反射鏡１１４が、一つの焦点を有する放物面鏡である点で、図３に示すガス検出装置と異なる。図４に示すガス検出装置のその他の構成要素は、図３と同様である。図４に示す第４の反射鏡１１４の反射面には、例えば、アルミニウム等の金属が蒸着されている。第３の反射鏡１３と、第４の反射鏡１４と、は、第３の反射鏡１３の第２の焦点と、第４の反射鏡１４の焦点と、が一致するよう、配置されている。そのため、第３の反射鏡１３の第２の焦点で集束された光は再び拡散し、第４の反射鏡１４で平行光として反射される。

図４に示すガス検出装置は、さらに、第５の反射鏡１１５を備える。第５の反射鏡１１５は、平行光を反射して集束させる。検出器２は、集束された光を受光してもよいし、幅のある光を受光してもよい。図４に示すガス検出装置においても、反射鏡の数を増やすことによって、光路長が長くなり、セル３内部の気体に含まれる検出対象ガス種による赤外域の光の吸収に対する感度を上昇させることが可能となる。

楕円鏡の曲面の曲率の変化が小さい場合、代わりに円弧鏡又は球面鏡を用いても、楕円鏡を用いた場合と同様の効果が得られる。

（第１の実施の形態の第４の変形例）
例えば、図５に示すように、第３の反射鏡１１３に、円弧鏡又は球面鏡を用いても、図１に示した楕円鏡を用いた場合と同様の性能をガス検出装置は有することができる。

（第２の実施の形態）
図６に示すように、第２の実施の形態に係るガス検出装置においては、第３の反射鏡２３が一つの焦点を有する放物面鏡であり、第２の反射鏡１２の第２の焦点と、第３の反射鏡２３の一つの焦点と、が一致している。そのため、第２の反射鏡１２の第２の焦点で集束された光は再び拡散し、第３の反射鏡２３で平行光として反射される。検出器２は、第３の反射鏡２３で反射された平行光を受光する。例えば並列に配置された検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域の光を受光する受光部と、検出対象ガス種に吸収されない波長帯の光を受光する受光部と、を備える検出器２で、第３の反射鏡２３で反射された平行光を受光することにより、検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域の光と、検出対象ガス種に吸収されない波長帯の光と、を、効率的に受光することが可能となる。第２の実施の形態に係るガス検出装置のその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。

第２の実施の形態に係るガス検出装置によれば、放物面鏡である第３の反射鏡２３の焦点距離を変えることにより、検出器２が受光する光の幅を変えることが可能である。

放物面鏡の曲面の曲率の変化が小さい場合、代りに円弧鏡又は球面鏡を用いても、放物面鏡を用いた場合と同様の効果が得られる。

（第２の実施の形態の第１の変形例）
例えば、図７に示すように、第３の反射鏡１２３は、円弧鏡又は球面鏡を用いても、図６に示した放物面鏡を用いた場合と同様の性能をガス検出装置は有することができる。

（第２の実施の形態の第２の変形例）
図６では、検出器２が、第３の反射鏡２３で反射された平行光を受光する例を説明した。これに対し、図８に示すように、ガス検出装置は、第３の反射鏡２３で反射された平行光を収束光に変える第４の反射鏡２４をさらに備えていてもよい。この場合、検出器２は、収束光を受光する。光を収束させることにより、検出器２によって受光される光の強度を強めることが可能となる。

（第３の実施の形態）
図９に示すように、第３の実施の形態に係るガス検出装置においては、凹面鏡である第２の反射鏡３２が一つの焦点を有する放物面鏡であり、第３の反射鏡３３が平面鏡である。第１の反射鏡１１の第２の焦点と、第２の反射鏡３２の一つの焦点と、は、一致している。そのため、第２の反射鏡３２は、第１の反射鏡１１で反射された光を平行光として反射する。第３の反射鏡３３は、第２の反射鏡３２で反射された平行光を、平行光として反射する。この場合、例えば並列に配置された検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域の光を受光する受光部と、検出対象ガス種に吸収されない波長帯の光を受光する受光部と、を備える検出器２で、第３の反射鏡３３で反射された平行光を受光することにより、検出対象ガス種に吸収される特定の波長帯の赤外域の光と、検出対象ガス種に吸収されない波長帯の光と、を、効率的に受光することが可能となる。

（第３の実施の形態の第１の変形例）
図９では、検出器２が、第３の反射鏡３３で反射された平行光を受光する例を説明した。これに対し、図１０に示すように、ガス検出装置は、第３の反射鏡３３で反射された平行光を収束光に変える第４の反射鏡３４をさらに備えていてもよい。この場合、検出器２は、収束光を受光する。光を収束させることにより、検出器２によって受光される光の強度を強めることが可能となる。

（第３の実施の形態の第２の変形例）
図９では、検出器２が、第３の反射鏡３３で反射された平行光を受光する例を説明した。これに対し、図１１に示すように、ガス検出装置は、第３の反射鏡３３で反射された平行光を平行光として反射する第４の反射鏡１３４と、第４の反射鏡１３４で反射された平行光を収束光に変える第５の反射鏡１３５と、をさらに備えていてもよい。これにより、光路長が長くなり、セル３内部の気体に含まれる検出対象ガス種による赤外域の特定の波長帯の光の吸収に対する感度を上昇させることが可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、楕円鏡である第２の反射鏡で反射された光を、平面鏡である第３の反射鏡で反射してもよい。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

１光源
２検出器
３セル
１１第１の反射鏡
１２、３２第２の反射鏡
１３、２３、３３、１１３、１２３第３の反射鏡
１４、２４、３４、１１４、１３４第４の反射鏡
１１５、１３５第５の反射鏡

Claims

光を発する光源と、
前記光源が発した光を反射する第１の反射鏡と、
前記第１の反射鏡で反射された光を反射する第２の反射鏡と、
前記第２の反射鏡で反射された光を反射する第３の反射鏡と、
少なくとも前記第３の反射鏡で反射された光を受光するデテクタと、
前記デテクタで受光された前記光における赤外域における光量に基づき、前記光が通過した空間における二酸化炭素濃度を算出する濃度算出部と、
を備え、
前記第１の反射鏡が第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円鏡であり、前記光源の位置と、前記第１の反射鏡の第１の焦点と、が一致し、
前記第２の反射鏡が少なくとの一つの焦点を有し、前記第１の反射鏡の第２の焦点と、前記第２の反射鏡の少なくとの一つの焦点と、が一致し、
前記第３の反射鏡が、前記第２の反射鏡の非焦点位置に配置されている、
二酸化炭素検出装置。
前記第２の反射鏡が第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円鏡であり、前記第１の反射鏡の第２の焦点と、前記第２の反射鏡の第１の焦点と、が一致する、請求項１に記載の二酸化炭素検出装置。
前記第３の反射鏡が第１の焦点及び第２の焦点を有する楕円鏡であり、前記第２の反射鏡の第２の焦点と、前記第３の反射鏡の第１の焦点と、が一致する、請求項２に記載の二酸化炭素検出装置。
前記デテクタが、前記第３の反射鏡の第２の焦点に配置されている、請求項３に記載の二酸化炭素検出装置。
前記デテクタが、前記第３の反射鏡の非焦点位置に配置されている、請求項３に記載の二酸化炭素検出装置。
前記デテクタが、赤外域の受光部と、非赤外域の受光部と、を備える、請求項５に記載の二酸化炭素検出装置。
前記第３の反射鏡が一つの焦点を有する放物面鏡であり、前記第２の反射鏡の第２の焦点と、前記第３の反射鏡の一つの焦点と、が一致する、請求項２に記載の二酸化炭素検出装置。
前記第３の反射鏡が円弧鏡である、請求項２に記載の二酸化炭素検出装置。
前記第３の反射鏡が平面鏡である、請求項２に記載の二酸化炭素検出装置。
前記デテクタが、赤外域の受光部と、非赤外域の受光部と、を備える、請求項７ないし９のいずれか１項に記載の二酸化炭素検出装置。
前記第２の反射鏡が放物面鏡であり、前記第１の反射鏡の第２の焦点と、前記第２の反射鏡の焦点と、が一致する、請求項１に記載の二酸化炭素検出装置。
前記第３の反射鏡が平面鏡である、請求項１１に記載の二酸化炭素検出装置。
前記デテクタが、赤外域の受光部と、非赤外域の受光部と、を備える、請求項１２に記載の二酸化炭素検出装置。