JP4713227B2 - Exhaust gas analyzer and exhaust gas analysis method - Google Patents

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Description

本発明は、自動車等の排ガスの分析装置および排ガス分析方法に係り、特に、排気経路中に取り付けることで、排気経路中を通過する排ガスの成分濃度や温度を正確にリアルタイムに測定でき、低コストで排ガスを分析できる排ガス分析装置と、排ガス分析方法に関する。   The present invention relates to an exhaust gas analyzer for an automobile or the like and an exhaust gas analysis method, and in particular, by mounting in an exhaust path, the concentration and temperature of exhaust gas passing through the exhaust path can be accurately measured in real time, and the cost is low. TECHNICAL FIELD The present invention relates to an exhaust gas analysis apparatus capable of analyzing exhaust gas with a gas exhaust method and an exhaust gas analysis method.

従来、この種の排ガス分析装置として、特許文献1に記載の車載型HC測定装置がある。この測定装置は、エンジンに連なる排気管を流れる排ガス中のHC(炭化水素)濃度を連続的に測定するためのNDIR(非分散型赤外分光法)型ガス分析計と、排気管を流れる排ガスの流量を連続的に測定する排ガス流量計と、NDIR型ガス分析計および排ガス流量計のそれぞれの出力を演算処理して、排ガス中のTHC(全炭化水素)量を連続的に算出する演算処理回路を車両内に搭載可能としている。   Conventionally, as this type of exhaust gas analyzer, there is an in-vehicle HC measuring device described in Patent Document 1. This measuring apparatus includes an NDIR (non-dispersive infrared spectroscopy) gas analyzer for continuously measuring the concentration of HC (hydrocarbon) in exhaust gas flowing through an exhaust pipe connected to an engine, and exhaust gas flowing through the exhaust pipe. Exhaust gas flow meter that continuously measures the flow rate of gas, and calculation processing that calculates the THC (total hydrocarbons) amount in the exhaust gas continuously by calculating the output of each of the NDIR gas analyzer and the exhaust gas flow meter The circuit can be installed in the vehicle.

前記の特許文献1等に記載のNDIR(Non−Dispertive Infrared Analyzer)非分散型赤外分光法では、サンプルガスが供給されるセル内に、赤外光を照射する赤外光源が設けられている。   In the NDIR (Non-Dispersive Infrared Analyzer) non-dispersive infrared spectroscopy described in Patent Document 1 and the like, an infrared light source for irradiating infrared light is provided in a cell to which a sample gas is supplied. .

また、前記の非分散型赤外分光法や、FID(Flame Ionization Detector)法、CLD(Chemical Luminescence Detector)法等を用いた各種の排ガスの計測装置や分析装置があるが、これらの測定法は、すべての測定原理において、校正用の基準ガスや、分析に使用するための補助ガスが必要となる。さらに、赤外線吸収法による測定では、赤外レーザ光発生手段に印加される駆動パルスは、波長を掃引するため三角波の駆動パルスが使用されている。   In addition, there are various exhaust gas measurement devices and analysis devices using the non-dispersive infrared spectroscopy, FID (Frame Ionization Detector) method, CLD (Chemical Luminescence Detector) method, etc. In all measurement principles, a reference gas for calibration and an auxiliary gas for use in analysis are required. Further, in the measurement by the infrared absorption method, the driving pulse applied to the infrared laser light generating means uses a triangular driving pulse to sweep the wavelength.

特開2004−117259号公報JP 2004-117259 A

ところで、前記構造の車載型HC測定装置や、他の排ガス分析装置では、前記のとおり測定に際して基準ガスや補助ガスが必要であり、基準ガス等の設備を含めて分析装置全体が大掛かりになると共に、多大なランニングコストが必要である。また、これらの化学分析を実施するには、排ガス中の水分や汚れ(すす)を除去したあとに測定を行なう必要があり、分析する排ガスをサンプリングし、希釈等の処置を施して分析を行なうため、排ガスのリアルタイム分析ができない。   By the way, in-vehicle type HC measuring devices of the above structure and other exhaust gas analyzers require reference gas and auxiliary gas for measurement as described above, and the entire analyzer including facilities such as reference gas becomes large. A great running cost is necessary. In addition, in order to carry out these chemical analyses, it is necessary to perform measurement after removing moisture and dirt (soot) in the exhaust gas. The exhaust gas to be analyzed is sampled and subjected to analysis such as dilution. Therefore, real-time analysis of exhaust gas is not possible.

さらに、赤外線吸収法による測定では、レーザ光発生手段に印加される駆動パルスは通常、前記のとおり三角波が使用されている。この三角波状の駆動パルスPは、例えば図12に模式的に示されるような形状をしており、数Hz〜数10Hz程度の周波数帯のパルスを使用している。図12において、横軸は時間tを示し、縦軸は電流値Aを示している。この三角波の駆動パルスPをレーザ光発生手段に印加すると、所定の周波数帯にピークを有するレーザ光を発生させることができ、周波数帯を排ガス中の成分ガスに合わせることで成分ガス濃度を測定できる。   Furthermore, in the measurement by the infrared absorption method, the drive pulse applied to the laser light generating means usually uses a triangular wave as described above. For example, the triangular drive pulse P has a shape as schematically shown in FIG. 12, and a pulse having a frequency band of about several Hz to several tens Hz is used. In FIG. 12, the horizontal axis indicates time t, and the vertical axis indicates the current value A. When this triangular wave drive pulse P is applied to the laser light generating means, laser light having a peak in a predetermined frequency band can be generated, and the component gas concentration can be measured by matching the frequency band to the component gas in the exhaust gas. .

しかしながら、このようにして発生させたレーザ光は、ピークの光強度を一定にすることが難しく、排ガス分析を行うときにノイズによりピーク部分が埋もれて正確なガス濃度測定が行えない問題点がある。前記のノイズは、例えばエンジン始動の振動による光学的ノイズ、電気的ノイズ等が含まれる。また、レーザ光の光強度を一定化させるべく、レーザ光の光強度を測定してフィードバック制御することも行われているが、光強度のばらつきを一定化させることが難しいのが現状である。さらに、特許文献1に記載の測定装置は、HC以外の成分ガスの測定ができない。   However, the laser light generated in this way has a problem that it is difficult to make the peak light intensity constant, and when performing exhaust gas analysis, the peak portion is buried by noise and accurate gas concentration measurement cannot be performed. . The noise includes, for example, optical noise due to engine start vibration, electrical noise, and the like. In addition, in order to make the light intensity of the laser light constant, the light intensity of the laser light is measured and feedback controlled, but it is difficult to make the dispersion of the light intensity constant. Furthermore, the measuring apparatus described in Patent Document 1 cannot measure component gases other than HC.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、排ガス中を通過させるレーザ光の光強度が安定しており、ノイズを除去して排ガス分析の精度を向上させることができる排ガス分析装置および排ガス分析方法を提供することにある。また、基準ガス等を用いることなく、容易に排ガス分析をリアルタイムで行なえ、低コストで多種の成分ガスの分析が可能な排ガス分析装置と排ガス分析方法を提供することにある。さらに、構成が簡単で小型化でき、車載することもできる排ガス分析装置と、排ガス分析方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to stabilize the light intensity of the laser beam that passes through the exhaust gas, to eliminate noise and to improve the accuracy of exhaust gas analysis. It is an object to provide an exhaust gas analysis apparatus and an exhaust gas analysis method that can improve the quality of the exhaust gas. It is another object of the present invention to provide an exhaust gas analysis apparatus and an exhaust gas analysis method that can easily perform an exhaust gas analysis in real time without using a reference gas and can analyze various component gases at a low cost. It is another object of the present invention to provide an exhaust gas analyzing apparatus and an exhaust gas analyzing method that are simple in configuration, can be miniaturized, and can be mounted on a vehicle.

本発明者らは、排ガス分析装置に使用するレーザ光の光強度を一定化させるレーザ光発生手段につき鋭意研究を重ねた結果、以下の特徴を有する本発明を完成させるに至った。すなわち、本発明に係る排ガス分析装置は、エンジンから排出される排ガスに、レーザ光発生手段に駆動パルスを印加して発生させたレーザ光を照射し、排ガス中を透過したレーザ光を受光し、受光されたレーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度や温度を測定して排ガスを分析する装置であって、この装置はレーザ光発生手段から発生されるレーザ光の光強度を調整する光減衰器をさらに備え、光減衰器は受光されたレーザ光に基づいてフィードバック制御されるものであり、レーザ光発生手段に印加される駆動パルスは、電流値が経時変化する電流走査区間と、電流走査区間に連続し、電流値が一定となる電流一定区間とを備えていることを特徴としている。   As a result of intensive studies on laser light generating means for making the light intensity of the laser light used in the exhaust gas analyzer constant, the present inventors have completed the present invention having the following characteristics. That is, the exhaust gas analyzer according to the present invention irradiates the exhaust gas discharged from the engine with a laser beam generated by applying a drive pulse to the laser beam generating means, receives the laser beam transmitted through the exhaust gas, An apparatus for analyzing the exhaust gas by measuring the concentration and temperature of the components of the exhaust gas based on the received laser light, and this apparatus is an optical attenuator for adjusting the light intensity of the laser light generated from the laser light generating means The optical attenuator is feedback-controlled based on the received laser light, and the drive pulse applied to the laser light generating means includes a current scanning section in which a current value changes with time, and a current scanning section. And a constant current section where the current value is constant.

前記のごとく構成された本発明の排ガス分析装置は、レーザ光発生手段に供給される駆動パルスに電流値が一定の電流一定区間を形成し、この電流一定区間で波長を固定して得られた信号光と測定光の光バランスを一定に保てるように、例えば測定光側に挿入された光減衰器をフィードバック制御で調整するため、信号光と測定光のバランスを正確に保つことができる。このため、排ガスによる熱揺らぎやレーザ光と受光部分との光軸のずれ、レーザ光を反射させるミラー等の汚れによってバランスが崩れても、光減衰器を調整してレーザ光発生手段にフィードバックをかけることでバランスを初期状態に復帰させることができ、精度の良い排ガス分析が可能となる。また、この排ガス分析装置は、基準ガスを必要としないため、リアルタイムで容易に排ガスを分析できると共に、低コストで多種の成分ガスを分析することができる。   The exhaust gas analyzer of the present invention configured as described above is obtained by forming a constant current section having a constant current value in the drive pulse supplied to the laser light generating means, and fixing the wavelength in the constant current section. For example, the optical attenuator inserted on the measurement light side is adjusted by feedback control so that the optical balance between the signal light and the measurement light can be kept constant, so that the balance between the signal light and the measurement light can be accurately maintained. For this reason, even if the balance is lost due to thermal fluctuations caused by exhaust gas, deviation of the optical axis between the laser beam and the light receiving part, or dirt on the mirror that reflects the laser beam, the optical attenuator is adjusted to provide feedback to the laser beam generation means. By applying, the balance can be returned to the initial state, and the exhaust gas analysis with high accuracy becomes possible. Moreover, since this exhaust gas analyzer does not require a reference gas, it can easily analyze exhaust gas in real time and can analyze various component gases at low cost.

また、本発明に係る排ガス分析装置の好ましい具体的な態様としては、前記駆動パルスは、前記電流走査区間の始端側の電流値で一定となる開始電流一定区間と、この開始電流一定区間から直線的に電流が増加する前記電流走査区間とを備えることを特徴としている。この構成によれば、電流値が一定の開始電流一定区間から直線的に電流が増加する電流走査区間を有する駆動パルスをレーザ光発生手段に印加することで、オーバーシュートを防止してレーザ光を安定させて発生させることができる。すなわち、始端側に開始電流一定区間を設けることで、発振開始時に波形にノイズがのる可能性を除去できる。   Moreover, as a preferable specific aspect of the exhaust gas analyzer according to the present invention, the drive pulse has a constant start current section that is constant at the current value on the start end side of the current scanning section, and a straight line from the constant start current section. And the current scanning section in which the current increases. According to this configuration, by applying a drive pulse having a current scanning period in which the current increases linearly from a constant starting current constant section where the current value is constant to the laser light generating means, overshoot is prevented and laser light is emitted. It can be generated stably. That is, by providing a constant start current section on the start side, the possibility of noise on the waveform at the start of oscillation can be eliminated.

さらに、本発明に係る排ガス分析装置の好ましい具体的な他の態様としては、前記駆動パルスは、前記電流走査区間に連続し、電流走査区間の終端の電流値で電流を一定とした終了電流一定区間をさらに備えることを特徴としている。この構成によれば、電流値が経時変化する電流走査区間の前段に開始電流一定区間を有し、後段に終了電流一定区間を有しているため、中間の電流値を経時変化させることでレーザ光の波長を掃引し、吸収波長を含む波長域の前後を吸収の無い一定波長で固定でき、波長安定性を高めることができる。   Furthermore, as another preferred specific aspect of the exhaust gas analyzer according to the present invention, the drive pulse is continuous with the current scanning section, and the end current is constant with the current constant at the current value at the end of the current scanning section. It is characterized by further comprising a section. According to this configuration, since the start current constant section is provided in the front stage of the current scanning section in which the current value changes with time and the end current constant section is provided in the subsequent stage, the laser current can be changed by changing the intermediate current value over time. By sweeping the wavelength of light, the wavelength range including the absorption wavelength can be fixed at a constant wavelength without absorption, and the wavelength stability can be improved.

他の態様として、排ガスが通過する貫通孔に前記レーザ光を照射する照射部と、排ガス中を透過したレーザ光を受光する受光部とを備えるセンサ部を形成し、該センサ部を排ガスの排気経路中に設置し、前記照射部から排ガスにレーザ光を照射した後、前記受光部で排ガス中を透過したレーザ光を受光して排ガスを分析することが好ましい。特に、このセンサ部を排気経路中の複数箇所に設置することが好ましい。このように構成すると、エンジンから排出される排ガスの排気経路中の途中位置における排ガスの成分の濃度や温度を測定することができ、例えば触媒装置を通過する前後の排ガスの成分の濃度等をリアルタイムで検出することができる。また、装置構成を簡単にでき、小型化できるので車載することも可能となる。   As another aspect, a sensor unit is formed that includes an irradiation unit that irradiates the laser beam to the through-hole through which the exhaust gas passes, and a light receiving unit that receives the laser beam that has passed through the exhaust gas, and the sensor unit is configured to exhaust the exhaust gas. It is preferable to install in the path and irradiate the exhaust gas with laser light from the irradiation unit, and then receive the laser light transmitted through the exhaust gas with the light receiving unit to analyze the exhaust gas. In particular, it is preferable to install the sensor units at a plurality of locations in the exhaust path. With this configuration, it is possible to measure the concentration and temperature of the exhaust gas component at an intermediate position in the exhaust path of the exhaust gas discharged from the engine. For example, the concentration of the exhaust gas component before and after passing through the catalyst device can be measured in real time. Can be detected. In addition, since the device configuration can be simplified and the size can be reduced, the vehicle can be mounted on the vehicle.

本発明に係る排ガス分析方法は、レーザ光発生手段に、電流値が経時変化する電流走査区間と、該電流走査区間に連続し、電流値が一定となる電流一定区間とを備える駆動パルスを印加してレーザ光を発生させ、該レーザ光を信号用レーザ光と測定用レーザ光に分波し、該測定用レーザ光を光減衰器を介して排ガスに照射して排ガスを透過したレーザ光を受光し、受光された透過レーザ光と信号用レーザ光とに基づいて光減衰器を補正するフィードバック補正量を算出し、該フィードバック補正量を光減衰器に入力して測定用レーザ光の光強度を調整すると共に、信号用レーザ光と透過レーザ光とに基づいて排ガスの成分の濃度や温度を算出することを特徴とする。このフィードバック補正量は、透過レーザ光を差分型光検出器に入力し、透過レーザ光と信号用レーザ光との光バランスから算出することが好ましい。この構成によれば、排ガス中を透過したレーザ光に基づいてレーザ光発生手段から発生されるレーザ光の光強度を調整し、調整された光強度のレーザ光により信号用レーザ光と透過レーザ光との光バランスを制御することで、エンジン等の排気経路内の環境の変化に対応でき、精度の良い排ガス分析を行なうことができる。   In the exhaust gas analysis method according to the present invention, a driving pulse including a current scanning interval in which a current value changes with time and a constant current interval in which the current value is constant is continuous to the laser light generating unit. Laser light is generated, and the laser light is split into signal laser light and measurement laser light, and the measurement laser light is irradiated to the exhaust gas through an optical attenuator to transmit the laser light transmitted through the exhaust gas. Calculates a feedback correction amount for correcting the optical attenuator based on the received transmitted laser light and the signal laser light, and inputs the feedback correction amount to the optical attenuator to obtain the light intensity of the measurement laser light. And the concentration and temperature of exhaust gas components are calculated based on the signal laser beam and the transmitted laser beam. This feedback correction amount is preferably calculated from the optical balance between the transmitted laser beam and the signal laser beam by inputting the transmitted laser beam to the differential photodetector. According to this configuration, the light intensity of the laser light generated from the laser light generating means is adjusted based on the laser light transmitted through the exhaust gas, and the signal laser light and the transmitted laser light are adjusted by the laser light having the adjusted light intensity. By controlling the light balance, it is possible to cope with environmental changes in the exhaust path of the engine or the like, and to perform exhaust gas analysis with high accuracy.

本発明の排ガス分析装置および排ガス分析方法は、レーザ光を発生させる手段に印加する駆動パルスを、電流が直線的に変化する電流走査区間と、該電流走査区間に連続し、電流値が一定となる電流一定区間とを備える形状とすることで、オーバーシュートの無い状態でレーザ光を発生させることができ、レーザ光の波長安定性を高めることができる。また、この駆動パルスを用いてレーザ光発生手段から発生されるレーザ光の光強度を調整することで、信号光と測定光とのバランスが良くなり、精度の高い排ガス分析を行うことができる。さらに、この波長安定性の高いレーザ光を用いて、基準ガスを使用しないで排ガスの成分の濃度を正確に低コストで検出することができる。そして、排気パイプ末端からの最終形態の測定だけでなく、排気経路の途中位置での多種類の成分ガスの測定が行なえると共に、高温状態での測定が可能なため排出直後の高温の排ガスの成分の濃度測定も行なえる。   According to the exhaust gas analyzer and the exhaust gas analysis method of the present invention, the drive pulse applied to the means for generating the laser light has a current scanning interval in which the current changes linearly, the current scanning interval is continuous, and the current value is constant. By using a shape having a constant current section, laser light can be generated without overshoot, and wavelength stability of the laser light can be improved. Further, by adjusting the light intensity of the laser light generated from the laser light generating means using this drive pulse, the balance between the signal light and the measurement light is improved, and the exhaust gas analysis with high accuracy can be performed. Furthermore, the concentration of exhaust gas components can be accurately detected at low cost without using a reference gas by using the laser light having high wavelength stability. In addition to measuring the final form from the end of the exhaust pipe, various types of component gases can be measured in the middle of the exhaust path, and measurement at high temperatures is possible, so high-temperature exhaust gas immediately after discharge can be measured. It can also measure the concentration of components.

以下、本発明に係る排ガス分析装置の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る排ガス分析装置を車両に搭載した要部構成図、図2は、図1の排ガス分析装置をエンジンベンチに設置した状態の要部構成図、図3は、排ガス分析装置のセンサ部の要部構成を示す分解斜視図、図4は、レーザ発振・受光コントローラの要部構成および信号解析部としてパーソナルコンピュータを含む排ガス分析装置の全体構成を示すブロック図である。   Hereinafter, an embodiment of an exhaust gas analyzer according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a main part configuration diagram in which the exhaust gas analyzer according to the present embodiment is mounted on a vehicle, FIG. 2 is a main part configuration diagram in a state where the exhaust gas analyzer of FIG. 1 is installed on an engine bench, and FIG. FIG. 4 is a block diagram showing an overall configuration of an exhaust gas analyzer including a personal computer as a signal analysis unit and a main configuration of the laser oscillation / light reception controller.

図1において、本実施形態の排ガス分析装置10は、自動車1に設置されたエンジン2から排出される排ガスを分析する装置である。また、図2に示すように、エンジンベンチ1Aに設置されたエンジン2の排ガスを分析する装置である。エンジン2の各気筒から排出される排ガスは、エキゾーストマニホルド3で合流され、排気管4を通して第1触媒装置5に導入され、さらに第2触媒装置6に導入され、そのあとマフラー7を通して排気パイプ8から大気中に放出される。排気経路は、エキゾーストマニホルド3、排気管4、第1触媒装置5、第2触媒装置6、マフラー7、排気パイプ8を接合して形成され、エンジン2から排出された排ガスを第1触媒装置5で浄化し、さらに第2触媒装置6で浄化したあと、マフラー7により消音、減圧して大気中に放出する。なお、マフラーはメインマフラーとサブマフラーの2つを有するものでもよい。   In FIG. 1, an exhaust gas analyzer 10 of this embodiment is an apparatus that analyzes exhaust gas discharged from an engine 2 installed in an automobile 1. Moreover, as shown in FIG. 2, it is an apparatus which analyzes the exhaust gas of the engine 2 installed in the engine bench 1A. The exhaust gas discharged from each cylinder of the engine 2 is merged in the exhaust manifold 3, introduced into the first catalyst device 5 through the exhaust pipe 4, further introduced into the second catalyst device 6, and then through the muffler 7 to the exhaust pipe 8. From the atmosphere. The exhaust path is formed by joining the exhaust manifold 3, the exhaust pipe 4, the first catalyst device 5, the second catalyst device 6, the muffler 7, and the exhaust pipe 8, and the exhaust gas discharged from the engine 2 is converted into the first catalyst device 5. Then, after purifying with the second catalyst device 6, the muffler 7 mute and reduce the pressure and release it into the atmosphere. The muffler may have two main mufflers and sub mufflers.

排気経路を構成する複数の部材は基本的にはパイプ状の管部材であり、フランジ部同士を対接させてボルト等で接続されている。例えば、第1触媒装置5は大径の本体部の上流、下流側に排気パイプ部が連結され、これらの排気パイプ部の端部にフランジ部F,Fが溶接等により固着されている。また、第2触媒装置6も大径の本体部の上流、下流側に排気パイプ部が連結され、これらの排気パイプ部の端部にフランジ部F,Fが固着されており、フランジ部を接続して排気経路が構成されている。なお、末端の排気パイプ8はマフラー7に直接溶接等により固着されている。   The plurality of members constituting the exhaust path are basically pipe-like tube members, and are connected by bolts or the like with the flange portions in contact with each other. For example, the first catalyst device 5 has exhaust pipe portions connected upstream and downstream of a large-diameter main body portion, and flange portions F and F are fixed to the end portions of these exhaust pipe portions by welding or the like. The second catalyst device 6 also has an exhaust pipe connected to the upstream and downstream sides of the large-diameter main body, and flanges F and F are fixed to the ends of these exhaust pipes to connect the flanges. Thus, an exhaust path is configured. The exhaust pipe 8 at the end is fixed directly to the muffler 7 by welding or the like.

本実施形態の排ガス分析装置10は、前記の排気経路中の複数箇所に取り付けられた複数のセンサ部11〜14を備えて構成される。第1のセンサ部11は第1触媒装置5より上流側のエンジン側の排気管4との間に設置され、第2のセンサ部12は第1触媒装置5の下流側に設置され、第3のセンサ部13は第2触媒装置6の下流側に設置されている。そして、第4のセンサ部14はマフラー7の下流の排気パイプ8に設置されている。センサ部14は排気パイプの途中に設置されても、排気パイプの末端の開口部に挿入して設置するものでもよい。第1のセンサ部11は、エキゾーストマニホルド3で合流する前の1気筒毎の排気管に設置するように構成してもよい。   The exhaust gas analyzer 10 of the present embodiment includes a plurality of sensor units 11 to 14 attached to a plurality of locations in the exhaust path. The first sensor unit 11 is installed between the exhaust pipe 4 on the engine side upstream of the first catalyst device 5, the second sensor unit 12 is installed on the downstream side of the first catalyst device 5, and the third The sensor unit 13 is installed on the downstream side of the second catalyst device 6. The fourth sensor unit 14 is installed in the exhaust pipe 8 downstream of the muffler 7. The sensor unit 14 may be installed in the middle of the exhaust pipe or may be installed by being inserted into the opening at the end of the exhaust pipe. The first sensor unit 11 may be configured to be installed in the exhaust pipe of each cylinder before joining the exhaust manifold 3.

排気管4や第1触媒装置5、第2触媒装置6、マフラー7は、図3に示すように、フランジ部F,Fをボルト(図示せず)で締め付けることで連結されており、排気経路を構成する部材の間に設置されるセンサ部11,12,13は、フランジ部F,Fで挟まれた状態で設置されている。フランジ部F,Fは、排気経路を構成する部材の両端部に形成され、フランジ部同士の接合面は排気経路の中心線に対して直角に交差している。この結果、センサ部11〜13はフランジ部F,Fに挟まれて排気経路を横切るように設置される。第4のセンサ部14は排ガスが大気中に放出される直前の分析を行うものであり、マフラー7から突出する排気パイプ8の中間部にフランジ部F,Fで挟んで設置してもよい。なお、センサ部の設置数は任意に設定すればよい。   As shown in FIG. 3, the exhaust pipe 4, the first catalyst device 5, the second catalyst device 6, and the muffler 7 are connected by tightening flange portions F and F with bolts (not shown). The sensor parts 11, 12, 13 installed between the members constituting the are installed in a state of being sandwiched between the flange parts F, F. The flange portions F and F are formed at both end portions of the member constituting the exhaust path, and the joint surfaces of the flange portions intersect at right angles to the center line of the exhaust path. As a result, the sensor parts 11 to 13 are installed so as to cross the exhaust path between the flange parts F and F. The fourth sensor unit 14 performs analysis immediately before the exhaust gas is released into the atmosphere, and may be installed between the flanges F and F in the middle of the exhaust pipe 8 protruding from the muffler 7. In addition, what is necessary is just to set the number of installation of a sensor part arbitrarily.

排気経路中に取り付けられるセンサ部11〜14はほぼ同一構成であり、1つのセンサ部11について、図3,4を参照して詳細に説明する。センサ部は厚さが例えば5〜20mm程度の所定厚さの板材から形成されたセンサベース21を有し、中心部に排気パイプ部の内径と略同じ直径の貫通孔22が形成されている。貫通孔22は排気経路中を通過する排ガスが通過する。貫通孔22の形状は、排気流れを乱さないように排気パイプ部の内径とほぼ同じ直径の円形が好ましい。板材としては金属板材やセラミック製の板材を用いているが、材質については特に問わない。センサベース21には外周面から貫通孔に向けて貫通する2つのセンサ孔21a,21bが形成されている。一方のセンサ孔21aにはレーザ光を集光するコリメータ23が固定され、このコリメータにレーザ光を照射する光ファイバ24が接続され、他方の孔21bにはレーザ光を受光するフォトダイオード等のディテクタ25が固定されている。   The sensor units 11 to 14 attached in the exhaust path have substantially the same configuration, and one sensor unit 11 will be described in detail with reference to FIGS. The sensor portion has a sensor base 21 formed of a plate material having a predetermined thickness of, for example, about 5 to 20 mm, and a through hole 22 having a diameter substantially the same as the inner diameter of the exhaust pipe portion is formed in the center portion. The exhaust gas passing through the exhaust passage passes through the through hole 22. The shape of the through hole 22 is preferably a circle having the same diameter as the inner diameter of the exhaust pipe portion so as not to disturb the exhaust flow. A metal plate or a ceramic plate is used as the plate, but the material is not particularly limited. The sensor base 21 is formed with two sensor holes 21a and 21b penetrating from the outer peripheral surface toward the through hole. A collimator 23 for condensing laser light is fixed to one sensor hole 21a, an optical fiber 24 for irradiating the laser light is connected to the collimator, and a detector such as a photodiode for receiving the laser light is connected to the other hole 21b. 25 is fixed.

センサベース21の貫通孔22内には、対向して上下2枚の反射板26,27が固定されている。2枚の反射板は平行状態に固定され、照射側の光ファイバ24からコリメータ23を通して集光され出射される赤外レーザ光が先ず下方の反射板27により上方に向けて反射され、次いで上方の反射板26により下方に向けて反射され、2枚の反射板26,27により交互に反射されることで、受光側のディテクタ25に到達するように構成されている。このようにして、レーザ光の排ガス中の透過距離が長くなるように設定されている。   In the through hole 22 of the sensor base 21, two upper and lower reflecting plates 26 and 27 are fixed facing each other. The two reflecting plates are fixed in a parallel state, and the infrared laser light condensed and emitted from the irradiation-side optical fiber 24 through the collimator 23 is first reflected upward by the lower reflecting plate 27, and then the upper The light is reflected downward by the reflection plate 26 and is alternately reflected by the two reflection plates 26 and 27 so as to reach the detector 25 on the light receiving side. In this manner, the transmission distance of the laser light in the exhaust gas is set to be long.

反射板26,27は排ガスにより劣化しないもので形成されることが好ましく、ベースとなる板材に金やプラチナ等の薄膜が形成され、その上に保護層として、MgFやSiOの薄膜が形成されているものが好ましい。また、反射板は、赤外レーザ光を効率良く反射できるように反射率が高いことが望ましい。反射板はエンジンの起動中は排ガスに晒され、汚れが付着するため、必要に応じてフランジ部F,Fからセンサベース21を取外して清掃することが好ましい。反射面を覆う保護層を拭くことにより、付着した汚れを容易に清掃することができ、反射率を向上させることができる。 The reflectors 26 and 27 are preferably formed of materials that do not deteriorate due to exhaust gas. A thin film such as gold or platinum is formed on a base plate material, and a thin film of MgF 2 or SiO 2 is formed thereon as a protective layer. What is done is preferable. Further, it is desirable that the reflector has a high reflectance so that infrared laser light can be efficiently reflected. Since the reflector is exposed to exhaust gas during engine startup and becomes contaminated, it is preferable to remove the sensor base 21 from the flange portions F and F for cleaning as necessary. By wiping the protective layer covering the reflective surface, the attached dirt can be easily cleaned, and the reflectance can be improved.

センサベース21はフランジ部F,Fに挟まれた状態で固定され、フランジ部F,Fとセンサベース21との間にはガスケット28,28が挟まれた状態で図示していないボルト、ナット等により固定される。ガスケット28は石綿等で形成され、排気管の内径と同じ直径の貫通孔が開けられている。この構成により、フランジ部F,Fの間にセンサベース21を挟んで排気経路を接続しても、排ガスが途中で漏れることはなく、排気経路の長さの増加も少ない。図3では、排気管4の下流端に溶接されたフランジ部Fと、第1触媒装置5の上流側の排気パイプ部5aの端部に溶接されたフランジ部Fとの間に、ガスケット28,28を挟んでセンサベース21が固定される構成である。   The sensor base 21 is fixed in a state where it is sandwiched between the flange portions F, F, and a bolt, a nut, etc., not shown in the state where gaskets 28, 28 are sandwiched between the flange portions F, F and the sensor base 21. It is fixed by. The gasket 28 is made of asbestos or the like, and has a through hole having the same diameter as the inner diameter of the exhaust pipe. With this configuration, even if the exhaust path is connected with the sensor base 21 sandwiched between the flange portions F and F, the exhaust gas does not leak in the middle, and the increase in the length of the exhaust path is small. In FIG. 3, between the flange portion F welded to the downstream end of the exhaust pipe 4 and the flange portion F welded to the end portion of the exhaust pipe portion 5a on the upstream side of the first catalyst device 5, the gaskets 28, In this configuration, the sensor base 21 is fixed with 28 interposed therebetween.

センサ部11にレーザ光を供給する光ファイバ24と、センサ部11で排ガス中を透過したレーザ光を受光して電気信号を出力するディテクタ25はレーザ発振・受光コントローラ30に接続される。すなわち、レーザ発振・受光コントローラ30の後述するレーザダイオードから出射される赤外レーザ光が、光ファイバ24を通してセンサベース21のセンサ孔21aを通して貫通孔22内に照射され、反射面26,27で反射された赤外レーザ光がセンサ孔21bを通して受光側のディテクタ25で受光され、ディテクタ25から出力される電気信号がケーブル29を介してレーザ発振・受光コントローラ30に入力される構成となっている。   An optical fiber 24 that supplies laser light to the sensor unit 11 and a detector 25 that receives laser light that has passed through the exhaust gas by the sensor unit 11 and outputs an electrical signal are connected to a laser oscillation / light reception controller 30. That is, infrared laser light emitted from a laser diode (to be described later) of the laser oscillation / light reception controller 30 is irradiated into the through hole 22 through the sensor hole 21a of the sensor base 21 through the optical fiber 24 and reflected by the reflection surfaces 26 and 27. The infrared laser light thus received is received by the detector 25 on the light receiving side through the sensor hole 21 b, and an electric signal output from the detector 25 is input to the laser oscillation / light receiving controller 30 via the cable 29.

レーザ発振・受光コントローラ30から出射された赤外レーザ光の信号光の発光強度と、排ガス中を透過しディテクタ25で受光された測定光(透過レーザ光)の受光強度が信号解析部であるパーソナルコンピュータ45に供給され、パーソナルコンピュータで排ガスの成分の濃度や温度を測定して分析する構成となっている。このように、排ガス分析装置10は、複数のセンサ部11〜14と、レーザ発振・受光コントローラ30と、パーソナルコンピュータ45とを備えて構成される。そして、この排ガス分析装置10は、エンジンから排出される排ガスをセンサ部の貫通孔22に導入し、排ガスに光ファイバ24を通してレーザ光を照射し、排ガス中を透過したレーザ光をディテクタ25で受光し、受光されたレーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度や温度を測定して分析する装置である。   The signal analysis unit is a signal analysis unit in which the emission intensity of the signal light of the infrared laser light emitted from the laser oscillation / light reception controller 30 and the light reception intensity of the measurement light (transmission laser light) transmitted through the exhaust gas and received by the detector 25 The computer 45 is configured to measure and analyze the concentration and temperature of exhaust gas components with a personal computer. Thus, the exhaust gas analyzer 10 includes a plurality of sensor units 11 to 14, the laser oscillation / light reception controller 30, and the personal computer 45. The exhaust gas analyzer 10 introduces exhaust gas discharged from the engine into the through hole 22 of the sensor unit, irradiates the exhaust gas with laser light through the optical fiber 24, and receives the laser light transmitted through the exhaust gas with the detector 25. In this apparatus, the concentration and temperature of exhaust gas components are measured and analyzed based on the received laser beam.

ここで、レーザ発振・受光コントローラ30について、図4を参照して説明する。レーザ発振・受光コントローラ30は、複数の波長の赤外レーザ光を発生するレーザ光発生手段として、複数のレーザダイオードLD1〜LD5にファンクションジェネレータ等の信号発生器31から複数の周波数の信号を供給し、レーザダイオードLD1〜LD5は各周波数に対応してそれぞれ複数の波長の赤外レーザ光を発生させる。レーザ発振・受光コントローラ30の信号発生器31から出力される複数の周波数の信号がレーザダイオードLD1〜LD5に供給されてレーザ光を発生し、例えばLD1は波長が1300〜1330nm程度、LD2は1330〜1360nmというように、検出しようとする成分ガスのピーク波長が存在する波長帯が連続するような波長帯の赤外レーザ光を発生させるように設定されている。   Here, the laser oscillation / light reception controller 30 will be described with reference to FIG. The laser oscillation / light reception controller 30 supplies a plurality of frequency signals from a signal generator 31 such as a function generator to a plurality of laser diodes LD1 to LD5 as a laser beam generating means for generating infrared laser beams having a plurality of wavelengths. The laser diodes LD1 to LD5 respectively generate infrared laser beams having a plurality of wavelengths corresponding to the respective frequencies. Signals of a plurality of frequencies output from the signal generator 31 of the laser oscillation / light reception controller 30 are supplied to the laser diodes LD1 to LD5 to generate laser light. For example, LD1 has a wavelength of about 1300 to 1330 nm, and LD2 has a wavelength of 1330 to It is set to generate an infrared laser beam having a wavelength band such that the wavelength band in which the peak wavelength of the component gas to be detected exists, such as 1360 nm, continues.

排ガス中を透過させる赤外レーザ光の波長は、検出する排ガス成分に合わせて設定され、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO)、アンモニア(NH)、メタン(CH)、水(HO)を検出する場合は、5つの波長の赤外レーザ光を使用する。例えば、アンモニアを検出するのに適した波長は1530nmであり、一酸化炭素を検出するのに適した波長は1560nmであり、二酸化炭素を検出するのに適した波長は1570nmである。また、メタンを検出するのに適した波長は1680nmであり、水を検出するのに適した波長は1350nmである。このように、排ガス中を透過させる赤外レーザ光は、複数種類の単波長レーザ光を合波したレーザ光を使用することが好ましい。さらに、他の排ガスの成分の濃度を検出する場合は、排ガス成分の数に合わせて異なる波長の赤外レーザ光を使用する。排ガスの成分の濃度の測定は、同じ成分でも異なる波長を用いて測定することができるため、適当な波長を選択して測定すればよい。このように、レーザダイオードLD1〜LD5は、複数種類の波長帯を有する単一のレーザ光発生手段(単一光源)を構成する。 The wavelength of the infrared laser beam that passes through the exhaust gas is set in accordance with the exhaust gas component to be detected. Carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), ammonia (NH 3 ), methane (CH 4 ), water When detecting (H 2 O), infrared laser beams having five wavelengths are used. For example, the wavelength suitable for detecting ammonia is 1530 nm, the wavelength suitable for detecting carbon monoxide is 1560 nm, and the wavelength suitable for detecting carbon dioxide is 1570 nm. The wavelength suitable for detecting methane is 1680 nm, and the wavelength suitable for detecting water is 1350 nm. As described above, it is preferable to use a laser beam obtained by combining a plurality of types of single wavelength laser beams as the infrared laser beam transmitted through the exhaust gas. Furthermore, when detecting the concentration of other exhaust gas components, infrared laser beams having different wavelengths are used in accordance with the number of exhaust gas components. Since the concentration of exhaust gas components can be measured using different wavelengths even with the same components, measurement may be performed by selecting an appropriate wavelength. Thus, the laser diodes LD1 to LD5 constitute a single laser light generating means (single light source) having a plurality of types of wavelength bands.

各レーザダイオードLD1〜LD5から発生されたレーザ光は光ファイバ32…により分波器33…を通して、信号光と測定光に分けられる。そして、5つの分波器33…で分けられた測定用レーザ光は途中に光減衰器34を設置した光ファイバ35Aを通して合波器36で合波され、光ファイバ24を通してセンサ部11〜14の照射部に導光され、コリメータ23を通して貫通孔22内に照射される。また、5つの分波器33…で分けられた信号用レーザ光は光ファイバ35Bを通して合波器37で合波される。測定用および信号用のレーザ光は、排ガスの複数の成分ガスに合わせて複数の波長のレーザ光を合波した赤外レーザ光となっている。   The laser light generated from each of the laser diodes LD1 to LD5 is divided into signal light and measurement light by optical fibers 32. The measurement laser beams divided by the five demultiplexers 33 are multiplexed by the multiplexer 36 through the optical fiber 35A in which an optical attenuator 34 is installed on the way, and the sensor units 11 to 14 pass through the optical fiber 24. The light is guided to the irradiating unit and irradiated into the through hole 22 through the collimator 23. Further, the signal laser light divided by the five demultiplexers 33 is multiplexed by the multiplexer 37 through the optical fiber 35B. The laser beam for measurement and signal is an infrared laser beam obtained by combining laser beams having a plurality of wavelengths in accordance with a plurality of component gases of exhaust gas.

本実施形態では、前記のように分波器33で分波された測定用レーザ光は光減衰器34を通して合波されるように構成されている。この光減衰器34は測定用レーザ光の光強度を制御して排ガス中を透過させる測定用レーザ光の強度を調整する機能を有している。すなわち、排ガス中を透過した透過レーザ光の光強度と信号用レーザ光の光強度とに基づいてフィードバック補正量を算出し、この補正量を光減衰器34に入力して測定用レーザ光の光強度を調整する。光減衰器34は、レーザ光の光路中に透過率を変更できるフィルタを置き、透過光量を変更して光強度を調整するもの、また光路中にミラーを置き、ミラーの反射角度を変更して光強度を調整するもの等、適宜の形態のものを使用できる。なお、光減衰器は分波された信号用レーザ光を調整するように構成してもよく、信号用レーザ光と測定用レーザ光の両方を調整するように構成してもよい。   In the present embodiment, the measurement laser light demultiplexed by the demultiplexer 33 as described above is configured to be multiplexed through the optical attenuator 34. The optical attenuator 34 has a function of adjusting the intensity of the measurement laser beam that transmits the exhaust gas by controlling the light intensity of the measurement laser beam. That is, a feedback correction amount is calculated based on the light intensity of the transmitted laser light that has passed through the exhaust gas and the light intensity of the signal laser light, and this correction amount is input to the optical attenuator 34 to input the light of the measurement laser light. Adjust the strength. The optical attenuator 34 is provided with a filter capable of changing the transmittance in the optical path of the laser light, adjusting the light intensity by changing the amount of transmitted light, and placing a mirror in the optical path, and changing the reflection angle of the mirror. The thing of appropriate forms, such as what adjusts light intensity, can be used. The optical attenuator may be configured to adjust the demultiplexed signal laser beam, or may be configured to adjust both the signal laser beam and the measurement laser beam.

信号発生器31から出力されレーザダイオードLD1〜LD5に供給される駆動パルス50は、図5,6に示されるような開始電流一定区間51と、この開始電流一定区間に連続する電流走査区間52と、さらにこの電流走査区間に連続する終了電流一定区間53とを備えて形成される。より詳細には、本実施形態の駆動パルス50は、電流値が経時変化する電流走査区間52の始端側の電流値で電流を一定とした開始電流一定区間51と、この開始電流一定区間に連続し、時間と共に電流値が直線的に増加する電流走査区間52と、この電流走査区間に連続し、この電流走査区間の終端の電流値で電流を一定とした終了電流一定区間53とを備えて構成される。一例として、1つのパルスの時間幅はおよそ30〜100μS程度に設定され、電流値は最大値で数100〜400mA程度に設定されている。   The driving pulse 50 output from the signal generator 31 and supplied to the laser diodes LD1 to LD5 includes a starting current constant section 51 as shown in FIGS. 5 and 6, and a current scanning section 52 continuous to the starting current constant section. In addition, a constant end current section 53 continuous with the current scanning section is formed. More specifically, the drive pulse 50 according to the present embodiment includes a start current constant section 51 in which the current is constant at the current value on the start end side of the current scanning section 52 in which the current value changes with time, and a continuous start current section. And a current scanning section 52 in which the current value increases linearly with time, and an end current constant section 53 that is continuous with the current scanning section and that makes the current constant at the current value at the end of the current scanning section. Composed. As an example, the time width of one pulse is set to about 30 to 100 μS, and the maximum current value is set to about several hundred to 400 mA.

図5はレーザダイオードを2つ使用する場合の駆動パルスを示しており、例えば上段の駆動パルスはレーザダイオードLD1に相当し、下段の駆動パルスはレーザダイオードLD2に相当する。レーザダイオードが5つの場合は、図示していないが5つの駆動パルスが順次、時間的にずらされて形成される。図5の横軸は時間tを示し、縦軸は電流値Aを示している。なお、図中の破線で示す三角波は、従来の駆動パルスである図12に示す三角波Pを重ねて示している。   FIG. 5 shows drive pulses when two laser diodes are used. For example, the upper drive pulse corresponds to the laser diode LD1, and the lower drive pulse corresponds to the laser diode LD2. In the case of five laser diodes, although not shown, five drive pulses are sequentially shifted in time. The horizontal axis in FIG. 5 indicates time t, and the vertical axis indicates the current value A. In addition, the triangular wave shown with the broken line in a figure has overlapped and shown the triangular wave P shown in FIG. 12 which is a conventional drive pulse.

このような駆動パルス50を用いてレーザダイオードを駆動すると、図6に示すように、T1〜T2の開始電流一定区間51では電流値が一定のため波長は一定波長λ1で固定され、発振開始時に波形にノイズがのる可能性を少なくすることができる。そして、T2〜T3の電流走査区間52では電流の変化に伴って波長が掃引され、吸収波長を含む波長域で排ガスの吸収強度がピーク波長λ2となって現れ、排ガスの成分の濃度を測定することができる。また、T3〜T4の終了電流一定区間53では電流値が一定のため波長が一定波長λ3に固定される。このように、電流値が一定の開始電流一定区間51と、終了電流一定区間53では波長が固定され光強度が一定となるため、ピーク波長の光強度が安定する。この結果、レーザ光強度バランスに基づいて後述する差分型光検出器40からフィードバック線41を介して光減衰器34をフィードバック制御して信号用レーザ光の光強度を安定した状態で調整することができる。そして、電流値が直線的に増加する電流走査区間52では排ガスの成分ガスに相当するピーク波長の光強度から排ガスの成分の濃度や温度を正確に測定することができる。   When the laser diode is driven using such a driving pulse 50, as shown in FIG. 6, since the current value is constant in the constant start current section 51 of T1 to T2, the wavelength is fixed at the constant wavelength λ1, and at the start of oscillation. The possibility of noise on the waveform can be reduced. In the current scanning section 52 of T2 to T3, the wavelength is swept with the change of the current, and the absorption intensity of the exhaust gas becomes the peak wavelength λ2 in the wavelength region including the absorption wavelength, and the concentration of the exhaust gas component is measured. be able to. Further, since the current value is constant in the end current constant section 53 from T3 to T4, the wavelength is fixed to the constant wavelength λ3. In this way, the light intensity at the peak wavelength is stabilized because the wavelength is fixed and the light intensity is constant in the constant start current section 51 and the constant end current section 53 where the current value is constant. As a result, the optical attenuator 34 is feedback-controlled via the feedback line 41 from the differential photodetector 40, which will be described later, based on the laser light intensity balance, and the light intensity of the signal laser light can be adjusted in a stable state. it can. In the current scanning section 52 where the current value increases linearly, the concentration and temperature of the exhaust gas component can be accurately measured from the light intensity at the peak wavelength corresponding to the exhaust gas component gas.

なお、駆動パルスは図7aの前記した駆動パルス50の代わりに、図7bの駆動パルス61のように、電流走査区間61bの始端側の電流値で電流を一定とした開始電流一定区間61aと、開始電流一定区間から連続して電流値が経時変化する電流走査区間61bとから構成してもよい。また、図7cの駆動パルス62のように、電流走査区間62bの始端側の電流値で電流を一定とした開始電流一定区間62aと、これに連続して電流値が直線的に減少する電流走査区間62bと、これに連続して終端の電流値で電流を一定とした終了電流一定区間62cとから構成してもよい。さらに、図7dの駆動パルス63のように、電流走査区間63bの始端側の電流値で電流を一定とした開始電流一定区間63aと、これに連続して電流値が直線的に減少する電流走査区間63bとから構成することもできる。駆動パルスは、前記のように電流走査区間と、この電流走査区間に連続する開始電流一定区間と終了電流一定区間との少なくとも一方を備えていれば、どのような形状でもよい。   The drive pulse is a start current constant section 61a in which the current is constant at the current value on the start end side of the current scanning section 61b, like the drive pulse 61 in FIG. 7b, instead of the drive pulse 50 in FIG. You may comprise from the current scanning area 61b from which a current value changes with time continuously from the starting current fixed area. Further, like the drive pulse 62 in FIG. 7c, a constant start current section 62a in which the current is constant at the current value on the start end side of the current scan section 62b, and a current scan in which the current value decreases linearly continuously. You may comprise from the area 62b and the end current constant area 62c which made the electric current constant with the electric current value of a termination | terminus succeeding this. Further, as in the drive pulse 63 of FIG. 7d, a constant start current section 63a in which the current is constant at the current value on the start end side of the current scan section 63b, and a current scan in which the current value decreases linearly continuously. It can also consist of the section 63b. As described above, the drive pulse may have any shape as long as it has at least one of the current scanning period and the constant starting current period and the constant ending current period continuous to the current scanning period.

前記のいずれの駆動パルス50,61,62,63も、電流値が一定の開始電流一定区間を有しているためレーザ光の波長をガス成分による吸収の無い一定波長で固定して発振開始時にノイズののる可能性を除去でき、レーザ光の光強度バランスの調整を精度良くフィードバック制御することができる。また、電流値が経時変化する電流走査区間で波長掃引させることができ、排ガスの成分ガスによる吸収に合わせたピーク波長の光強度を用いて排ガスの成分の濃度等を検出することができる。特に、電流値が一定の開始電流一定区間と終了電流一定区間が電流走査区間の両側にある場合は、光強度バランスをより安定させることができ、排ガスの成分の濃度等の測定精度を向上させることができる。   Since any of the drive pulses 50, 61, 62, and 63 has a constant start current section where the current value is constant, the wavelength of the laser light is fixed at a constant wavelength that is not absorbed by the gas component, and oscillation starts. It is possible to eliminate the possibility of noise and to perform feedback control of the adjustment of the light intensity balance of the laser light with high accuracy. Further, the wavelength can be swept in the current scanning section where the current value changes with time, and the concentration of the exhaust gas component can be detected using the light intensity of the peak wavelength matched to the absorption of the exhaust gas by the component gas. In particular, when there is a constant start current interval and a constant end current interval on both sides of the current scanning interval, the light intensity balance can be further stabilized and the measurement accuracy of the concentration of exhaust gas components and the like can be improved. be able to.

図4において、センサ部11の受光部に固定されたディテクタ25から出力される電気信号は、ケーブル29を介して差分型光検出器40に供給される。また、信号光用合波器37から光ファイバ38で供給された信号用レーザ光は差分型光検出器40に入力され、フォトダイオード等の光電変換器により電気信号に変換される。差分型光検出器40は、排ガス中を透過した測定用レーザ光の電気信号と、排ガス中を透過しない信号用レーザ光の電気信号とに基づいて、測定光の光強度を一定にするべくフィードバック補正量を算出し、フィードバック線41を通して測定光用合波器36の前段に配置された光減衰器34に入力する。   In FIG. 4, the electrical signal output from the detector 25 fixed to the light receiving unit of the sensor unit 11 is supplied to the differential photodetector 40 via the cable 29. The signal laser beam supplied from the signal light multiplexer 37 through the optical fiber 38 is input to the differential photodetector 40 and converted into an electric signal by a photoelectric converter such as a photodiode. The differential optical detector 40 provides feedback to make the light intensity of the measurement light constant based on the electrical signal of the measurement laser light that has passed through the exhaust gas and the electrical signal of the signal laser light that has not passed through the exhaust gas. The correction amount is calculated and input to the optical attenuator 34 disposed in front of the measuring light multiplexer 36 through the feedback line 41.

フィードバック補正量は成分ガスごとに算出され、成分ガスのピーク波長を発生させるレーザダイオードの測定光ごとに光減衰器34に供給され、測定光の光強度を調整制御する。また、差分型光検出器40は複数のセンサ部から出力された電気信号を、排ガスの成分の濃度や温度を算出する信号解析部としてのパーソナルコンピュータ45に入力する。なお、信号光は差分型光検出器に直接入力させず、フォトダイオード等を介して電気信号に変換してから入力してもよい。   The feedback correction amount is calculated for each component gas, supplied to the optical attenuator 34 for each measurement light of the laser diode that generates the peak wavelength of the component gas, and adjusts and controls the light intensity of the measurement light. The differential photodetector 40 inputs the electrical signals output from the plurality of sensor units to a personal computer 45 as a signal analysis unit that calculates the concentration and temperature of the exhaust gas components. Note that the signal light may not be directly input to the differential photodetector, but may be input after being converted into an electrical signal via a photodiode or the like.

光減衰器34では、供給されたフィードバック補正量に基づきレーザダイオードから発生されたレーザ光を減衰させて、信号光と測定光との光強度が一定となるように、レーザダイオードLD1〜LD5を制御する。差分型光検出器40で算出された信号光と測定光の差分に相当する電気信号は、例えば図示していないプリアンプで増幅され、A/D変換器を介して信号解析部であるパーソナルコンピュータ45に入力され、パーソナルコンピュータでは差分型光検出器からのデータを濃度値へ変換して排ガスの成分の濃度の算出や、排ガスの温度を算出する。   The optical attenuator 34 controls the laser diodes LD1 to LD5 so that the laser light generated from the laser diode is attenuated based on the supplied feedback correction amount so that the light intensity of the signal light and the measurement light becomes constant. To do. An electrical signal corresponding to the difference between the signal light and the measurement light calculated by the differential photodetector 40 is amplified by, for example, a preamplifier (not shown), and is passed through an A / D converter and is a personal computer 45 serving as a signal analysis unit. In the personal computer, the data from the differential photodetector is converted into a concentration value to calculate the concentration of the exhaust gas component and the exhaust gas temperature.

なお、センサ部11〜14の受光部としてセンサベース21に固定されたディテクタ25の代わりに、受光用の光ファイバをセンサベース21に固定し、受光されたレーザ光を分波器でガス成分ごとに分波して、フォトダイオード等でガス成分ごとの出力電圧を検出し、測定光と信号光とからパーソナルコンピュータ45で排ガスの成分の濃度を算出するように構成してもよい。   In place of the detector 25 fixed to the sensor base 21 as the light receiving part of the sensor parts 11 to 14, a light receiving optical fiber is fixed to the sensor base 21, and the received laser light is separated by a demultiplexer for each gas component. Alternatively, the output voltage for each gas component may be detected by a photodiode or the like, and the concentration of the exhaust gas component may be calculated by the personal computer 45 from the measurement light and the signal light.

本発明の排ガス分析装置10は、例えば赤外レーザ光を排ガス中に透過させ、入射光の強度と排ガス中を透過したあとの透過光の強度に基づいて排ガスの成分の濃度を算出し、排ガスを分析するものである。すなわち、排ガスの成分の濃度Cは、以下の数式(1)から算出される。   The exhaust gas analyzer 10 of the present invention transmits, for example, infrared laser light into exhaust gas, calculates the concentration of exhaust gas components based on the intensity of incident light and the intensity of transmitted light after passing through the exhaust gas, Is to analyze. That is, the concentration C of the exhaust gas component is calculated from the following formula (1).

C=−ln(I/I)/kL…(1) C = −ln (I / I 0 ) / kL (1)

この数式(1)において、Iは透過光強度、Iは入射光強度、kは吸収率、Lは透過距離である。したがって、信号光である入射光強度(I)に対する透過光強度(I)の比、シグナル強度(I/I)に基づいて排ガスの成分の濃度Cは算出される。透過光強度Iは、光ファイバ24を通して排ガス中を透過してディテクタ25から出力され、入射光強度Iは、合波器37から光ファイバ38を通して差分型光検出器40に入力され、図示していないフォトダイオード等から出力される。本実施形態では入射光強度Iとして排ガス中を透過しない信号光強度を用いている。 In Equation (1), I is the transmitted light intensity, I 0 is the incident light intensity, k is the absorptance, and L is the transmission distance. Therefore, the concentration C of the exhaust gas component is calculated based on the ratio of the transmitted light intensity (I) to the incident light intensity (I 0 ), which is signal light, and the signal intensity (I / I 0 ). The transmitted light intensity I passes through the exhaust gas through the optical fiber 24 and is output from the detector 25, and the incident light intensity I 0 is input from the multiplexer 37 through the optical fiber 38 to the differential optical detector 40 and is shown in the figure. Output from a non-photodiode. In the present embodiment, the signal light intensity that does not pass through the exhaust gas is used as the incident light intensity I 0 .

前記の如く構成された本実施形態の排ガス分析装置10の動作について以下に説明する。排ガスの成分の濃度等を測定して排ガスを分析するときは、レーザ発振・受光コントローラ30の信号発生器31を作動させて各レーザダイオードLD1〜LD5に図5に示すような駆動パルス50を印加して各レーザダイオードLD1〜LD5から所定の波長の赤外レーザ光を発生させる。各レーザダイオードLD1〜LD5から発生された赤外レーザ光は、光ファイバ32…を通して分波器33…に至り、ここで測定光と信号光に分波される。各分波器で分波された測定光は光減衰器34、光ファイバ35Aを通して合波器36で合波されて測定用レーザ光となり、センサ部11〜14の照射部に光ファイバ24を通して導光される。また、各分波器33…で分波された信号光は光ファイバ35Bを通して合波器37で合波されて信号用レーザ光となり、差分型光検出器40で入射光強度Iとして計測される。 The operation of the exhaust gas analyzer 10 of the present embodiment configured as described above will be described below. When analyzing the exhaust gas by measuring the concentration of the components of the exhaust gas, the signal generator 31 of the laser oscillation / light receiving controller 30 is operated to apply the drive pulse 50 as shown in FIG. 5 to each of the laser diodes LD1 to LD5. Thus, infrared laser light having a predetermined wavelength is generated from each of the laser diodes LD1 to LD5. The infrared laser light generated from each of the laser diodes LD1 to LD5 reaches the splitters 33 through the optical fibers 32, where it is split into measurement light and signal light. The measurement light demultiplexed by each demultiplexer is multiplexed by a multiplexer 36 through an optical attenuator 34 and an optical fiber 35A to become a measurement laser beam, and is guided through the optical fiber 24 to the irradiation portions of the sensor units 11-14. To be lighted. Further, the signal light demultiplexed by each of the demultiplexers 33... Is multiplexed by the multiplexer 37 through the optical fiber 35B to become signal laser light, and is measured as the incident light intensity I 0 by the differential photodetector 40. The

信号発生器31から出力される駆動パルス50は図5に示されるような開始電流一定区間51と、電流値が直線的に増加する電流走査区間52と、さらに終了電流一定区間53とを有しており、前後の電流一定区間では発光するレーザ光の波長が変わらず、中間の電流走査区間でのみ波長が変化するため、ノイズの少ない安定したレーザ光を発生させることができる。すなわち、図6に示すように、開始電流一定区間51では吸収の無い一定波長λ1で固定し、中間の電流走査区間で電流値を経時変化させることで波長を掃引し、吸収波長を含む波長域でレーザ光の吸収強度を計測することによりピーク波長を安定させることができ、ノイズ成分を低減してS/N比を向上させることができる。また、終了電流一定区間53では一定波長λ3で波長を固定する。   The drive pulse 50 output from the signal generator 31 has a constant start current section 51 as shown in FIG. 5, a current scanning section 52 in which the current value increases linearly, and a constant end current section 53. In addition, since the wavelength of the emitted laser light does not change during the constant current period before and after, and the wavelength changes only during the intermediate current scanning period, stable laser light with less noise can be generated. That is, as shown in FIG. 6, the wavelength is swept by fixing the wavelength λ1 with no absorption in the constant starting current section 51 and changing the current value with time in the intermediate current scanning section to include the absorption wavelength. By measuring the absorption intensity of the laser beam, the peak wavelength can be stabilized, the noise component can be reduced, and the S / N ratio can be improved. In the constant end current section 53, the wavelength is fixed at a constant wavelength λ3.

そして、センサ部11〜14に光ファイバ24から照射された測定用レーザ光は、排ガスが通過している貫通孔22内に照射される。測定用レーザ光は反射面26,27で反射されることを繰り返して受光部のディテクタ25に到達する。排ガス中を通り減衰した測定用レーザ光は受光部であるディテクタ25で透過光強度Iとして受光され、電気信号に変換されて差分型光検出器40に入力される。測定用レーザ光は反射を繰り返されることにより排ガス中を透過する距離が大きくなり、前記数式(1)の透過距離Lが長くなることで減衰量が大きくなるため、精度の良い瞬時の排ガスの成分の濃度測定が可能となる。このように信号用レーザ光の光強度Iと、測定用レーザ光の透過光強度Iとの比(I/I)であるシグナル強度を算出し、このシグナル強度比に基づいて排ガスの成分の濃度を算出する。ディテクタ25で受光される光強度は、光ファイバ24から照射される光強度に対して30%以上となることが好ましい。30%を下回るとノイズとの判別が難しくなるからである。 And the laser beam for a measurement irradiated to the sensor parts 11-14 from the optical fiber 24 is irradiated into the through-hole 22 through which the exhaust gas passes. The measurement laser beam is repeatedly reflected by the reflecting surfaces 26 and 27 and reaches the detector 25 of the light receiving section. The measurement laser light attenuated through the exhaust gas is received as the transmitted light intensity I by the detector 25 which is a light receiving unit, converted into an electric signal, and input to the differential photodetector 40. The laser beam for measurement is repeatedly reflected to increase the distance transmitted through the exhaust gas, and the attenuation is increased by increasing the transmission distance L in the formula (1). It is possible to measure the concentration. Thus, the signal intensity which is the ratio (I / I 0 ) between the light intensity I 0 of the signal laser light and the transmitted light intensity I of the measurement laser light is calculated, and the component of the exhaust gas based on this signal intensity ratio The concentration of is calculated. The light intensity received by the detector 25 is preferably 30% or more with respect to the light intensity irradiated from the optical fiber 24. This is because if it is less than 30%, it is difficult to distinguish it from noise.

差分型光検出器40では、排ガス中を透過して減衰した測定用レーザ光からフィードバック補正量を算出して、各波長に対応するレーザダイオードLD1〜LD5の光強度を調整するべく光減衰器34をフィードバック制御する。光減衰器34はレーザダイオードごとに光強度を調整し、測定用レーザ光の校正を行う。例えば、外乱により測定光強度が低下した場合、自動的に検出して減衰率を下げることで光強度を上げ、初期状態と同等なバランスを保つことができる。なお。信号光はレーザ光の発生から受光までに外乱要素がなく、レーザ出力が変化しない限り信号用レーザ光強度は変化しないので、測定用レーザ光強度を光減衰器で調整し、バランスをとることが好ましい。   In the differential optical detector 40, an optical attenuator 34 is used to calculate a feedback correction amount from the measurement laser light that has been transmitted and attenuated through the exhaust gas and adjust the light intensity of the laser diodes LD1 to LD5 corresponding to each wavelength. Feedback control. The optical attenuator 34 adjusts the light intensity for each laser diode and calibrates the measurement laser light. For example, when the measurement light intensity decreases due to a disturbance, the light intensity can be increased by automatically detecting and reducing the attenuation rate, and a balance equivalent to the initial state can be maintained. Note that. The signal light has no disturbing elements from the generation to the reception of the laser light, and the signal laser light intensity does not change unless the laser output changes. Therefore, it is possible to adjust the measurement laser light intensity with an optical attenuator to achieve a balance. preferable.

また、差分型光検出器40では信号用レーザ光と測定用レーザ光との差を取り、信号解析を行うべくパーソナルコンピュータ45に信号を供給する。パーソナルコンピュータ45では、信号用レーザ光の光強度と、排ガス中を透過して減衰した測定用レーザ光のピーク波長の光強度との比(I/I)を算出し、センサ部が設置された排気経路中の位置における排ガスの成分の濃度を算出する。また、複数箇所に設置されたセンサ部11〜14により排気経路中の複数箇所の排ガスの成分の濃度の相対変化も分析できる。 Further, the differential photodetector 40 takes a difference between the signal laser beam and the measurement laser beam and supplies a signal to the personal computer 45 for signal analysis. The personal computer 45 calculates the ratio (I / I 0 ) between the light intensity of the signal laser light and the light intensity of the peak wavelength of the measurement laser light that has been transmitted and attenuated in the exhaust gas, and the sensor unit is installed. The concentration of the exhaust gas component at a position in the exhaust path is calculated. Moreover, the relative change in the concentration of the components of the exhaust gas at a plurality of locations in the exhaust path can be analyzed by the sensor units 11 to 14 installed at the plurality of locations.

本実施形態では、排気経路中に複数のセンサ部11〜14が設置されており、各センサ部の位置における排ガスの成分の濃度と温度が測定される。このため、エキゾーストマニホルド3の下流部分での排ガスの成分の濃度と温度や、第1触媒装置5の上流側および下流側での排ガスの成分の濃度や温度を測定できる。例えば、触媒装置5,6を通過したあとの温度と排ガスの成分の濃度と、触媒装置5,6で処理される前の温度と排ガスの成分の濃度により、触媒装置5,6の性能を評価できると共に、触媒装置の例えば経年変化による劣化等も検出することができる。   In this embodiment, the several sensor parts 11-14 are installed in the exhaust path, and the density | concentration and temperature of the component of the exhaust gas in the position of each sensor part are measured. For this reason, the concentration and temperature of the exhaust gas component in the downstream portion of the exhaust manifold 3 and the concentration and temperature of the exhaust gas component on the upstream side and downstream side of the first catalyst device 5 can be measured. For example, the performance of the catalyst devices 5 and 6 is evaluated based on the temperature after passing through the catalyst devices 5 and 6 and the concentration of the exhaust gas components, and the temperature before processing in the catalyst devices 5 and 6 and the concentration of the exhaust gas components. In addition, the deterioration of the catalyst device due to, for example, aging can be detected.

排ガスの成分の濃度や温度を測定するときに使用するディテクタ25の出力は、振動等の外乱によるノイズの影響を受けやすい。ノイズが出力パターンに重畳されると、正確な測定は不可能となる。図8は、排ガス分析装置のディテクタ25の出力パターン図を示しており、図8aは、本実施形態のディテクタから出力されたノイズが少ない安定した出力を示している。これに対して、図8bでは光学ノイズ等が重畳して信号が不安定な状態となっている。本実施形態の排ガス分析装置のディテクタ25の出力は、レーザ光発生手段を駆動する駆動パルスに、電流値が一定の区間を有する構成としているため、図8aに示すように安定した出力パターンを得ることができ、排気経路内の環境の変化に対応して正確な排ガスの成分の濃度測定や温度測定を可能とする。なお、図8の横軸は時間tを示し、縦軸は出力電圧Vを示している。   The output of the detector 25 used when measuring the concentration and temperature of the components of the exhaust gas is easily affected by noise due to disturbances such as vibration. If noise is superimposed on the output pattern, accurate measurement is not possible. FIG. 8 shows an output pattern diagram of the detector 25 of the exhaust gas analyzer, and FIG. 8a shows a stable output with little noise output from the detector of the present embodiment. On the other hand, in FIG. 8b, optical noise or the like is superimposed and the signal is unstable. The output of the detector 25 of the exhaust gas analyzer according to the present embodiment has a configuration in which the drive pulse for driving the laser light generating means has a constant current value, and thus a stable output pattern is obtained as shown in FIG. 8a. It is possible to accurately measure the concentration and temperature of exhaust gas components in response to environmental changes in the exhaust path. In FIG. 8, the horizontal axis indicates time t, and the vertical axis indicates output voltage V.

つぎに、本実施形態の排ガス分析装置を用いて温度の測定を行なう動作を説明する。気体は、それぞれ固有の吸収波長帯を持っており、その吸収波長帯には、例えば図9に示すように、多くの吸収線が存在している。図9aは低温のときのシグナル強度(=分子数割合)を示しており、図9bは高温のときのシグナル強度を示している。このように、シグナル強度は温度に依存して変化するため、シグナル強度比を計測することにより、測定時の排ガスの温度を算出することができる。なお、図9の横軸は波長λを示し、縦軸はシグナル強度を示している。このようにして算出した排ガスの温度も、排ガスに照射される赤外レーザ光が安定しているため、精度の良い測定が可能となる。   Next, the operation for measuring the temperature using the exhaust gas analyzer of the present embodiment will be described. Each gas has its own absorption wavelength band, and many absorption lines exist in the absorption wavelength band, for example, as shown in FIG. FIG. 9a shows the signal intensity at the low temperature (= number of molecules), and FIG. 9b shows the signal intensity at the high temperature. Thus, since the signal intensity changes depending on the temperature, the temperature of the exhaust gas at the time of measurement can be calculated by measuring the signal intensity ratio. In FIG. 9, the horizontal axis indicates the wavelength λ, and the vertical axis indicates the signal intensity. The temperature of the exhaust gas thus calculated can also be measured with high accuracy because the infrared laser light irradiated to the exhaust gas is stable.

つぎに、本発明の他の実施形態を図10に基づき詳細に説明する。図10は本発明に係る排ガス分析装置の他の実施形態のレーザ発振・受光コントローラ30Aの要部構成および信号解析部を含む全体構成を示すブロック図である。なお、この実施形態は前記した実施形態に対し、レーザ光発生手段から発生された信号用レーザ光を光検出器で検出し、この検出結果からレーザ光発生手段を校正することを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。   Next, another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 10 is a block diagram showing an overall configuration including a main configuration and a signal analysis unit of a laser oscillation / light reception controller 30A of another embodiment of the exhaust gas analyzer according to the present invention. In addition, this embodiment is characterized in that the signal laser light generated from the laser light generating means is detected by a photodetector and the laser light generating means is calibrated from the detection result. Other substantially equivalent configurations are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

この実施形態のレーザ発振・受光コントローラ30Aは、レーザ光発生手段を校正する構成装置70を備えている。校正装置70は、信号用レーザ光の合波器37から出力され差分型光検出器40に入力する光ファイバ38にビームスプリッタ等の分波器71を介して設置され、分波された信号用レーザ光の一部が供給される。校正装置70は信号用レーザ光の一部を2つに分波する分波器72と、分波器で分けられた一方のレーザ光が入力される検出器73と、他方のレーザ光がフィルタ74を通して入力される検出器75と、2つの検出器の結果に基づいてレーザ光発生手段の波長を制御する波長制御装置76とを備えており、この波長制御装置76からの出力を信号線77でレーザダイオードLD1〜LD5に各々供給して出力を制御する装置である。   The laser oscillation / light reception controller 30A of this embodiment includes a configuration device 70 that calibrates the laser light generation means. The calibration device 70 is installed on an optical fiber 38 that is output from the signal laser beam multiplexer 37 and input to the differential photodetector 40 via a splitter 71 such as a beam splitter, and is used for the split signal. A part of the laser light is supplied. The calibration device 70 includes a demultiplexer 72 that demultiplexes part of the signal laser beam into two, a detector 73 that receives one of the laser beams divided by the demultiplexer, and a filter that filters the other laser beam. A detector 75 input through 74 and a wavelength controller 76 for controlling the wavelength of the laser light generating means based on the results of the two detectors are provided. The laser diodes LD1 to LD5 are respectively supplied to control the output.

校正装置70で用いられるフィルタ74は波長依存性を有するフィルタが使用される。このフィルタ74は波長に対して光透過率がリニアに変更する特徴を有するものであり、例えば図11aに示すように、波長が長くなると共に透過率がリニアに減少するものが用いられる。一方の検出器73から出力されるレーザ光の波長と、フィルタ74を通して他方の検出器75から出力されるレーザ光の波長との比を常時モニタし、レーザダイオードLD1〜LD5をフィードバック制御する。なお、波長依存性を有するフィルタは、波長が長くなると透過率が増加するものを用いてもよい。   The filter 74 used in the calibration device 70 is a filter having wavelength dependency. The filter 74 has a characteristic that the light transmittance changes linearly with respect to the wavelength. For example, as shown in FIG. 11A, a filter whose transmittance increases linearly as the wavelength becomes longer is used. The ratio between the wavelength of the laser beam output from one detector 73 and the wavelength of the laser beam output from the other detector 75 through the filter 74 is constantly monitored, and the laser diodes LD1 to LD5 are feedback-controlled. In addition, you may use the filter which has a transmittance | permeability as the filter which has wavelength dependence becomes long when a wavelength becomes long.

すなわち、図11bのように、検出器73から出力される一方のレーザ光は所定の波長帯で一定の光強度I1に設定され、他方の検出器75から出力される他方のレーザ光は波長依存性のあるフィルタ74により所定の波長帯で光強度I2がリニアに変化する。光強度が一定の一方のレーザ光と光強度がリニアに変化する他方のレーザ光とは、モニタ上で交差するので、この交点が所定の波長λ5からλ6にずれた場合に、例えば駆動パルスの電流を増減することで所定の波長に合わせることができる。   That is, as shown in FIG. 11b, one laser beam output from the detector 73 is set to a constant light intensity I1 in a predetermined wavelength band, and the other laser beam output from the other detector 75 is wavelength-dependent. The light intensity I2 linearly changes in a predetermined wavelength band by the filter 74 having a characteristic. One laser beam with a constant light intensity and the other laser light with a linearly changing light intensity intersect on the monitor, so when this intersection is shifted from a predetermined wavelength λ5 to λ6, for example, the drive pulse It can be adjusted to a predetermined wavelength by increasing or decreasing the current.

このようにして校正装置70はレーザダイオードの光出力(発光量)を容易に校正できるため、排ガス分析装置10は排ガスの成分の濃度や温度を精度良く測定することができる。例えば、レーザダイオードを駆動する駆動パルスの電流を変化させ、レーザダイオードの出力を調整する。この校正装置70を使用すると、レーザダイオード等のレーザ光発生手段の検定器を用いた校正メンテナンスが不要となり、排ガス分析にかかる手間や費用を低減することができる。   Thus, since the calibration device 70 can easily calibrate the light output (light emission amount) of the laser diode, the exhaust gas analyzer 10 can accurately measure the concentration and temperature of the components of the exhaust gas. For example, the output of the laser diode is adjusted by changing the current of the driving pulse for driving the laser diode. When this calibration device 70 is used, calibration maintenance using a tester for laser light generation means such as a laser diode becomes unnecessary, and labor and cost for exhaust gas analysis can be reduced.

以上述べたように、本実施形態の排ガス分析装置10は、レーザ光発生手段に印加する駆動パルス50を電流走査区間と、これに連続する開始電流一定区間および終了電流一定区間の少なくとも一方とを備えるパターンとすることで、レーザ光のオーバーシュートを防止でき、電流一定区間で波長を固定することによって測定光と信号光との光バランスを検出し、フィードバック制御により光減衰器で測定用レーザ光を調整するため、精度の良い排ガス分析が可能となる。また、排気経路中の複数箇所で排ガスの成分の濃度や温度を測定し、排気経路中の途中の排ガスの成分の濃度の分析を行なうことができるため、触媒装置等の評価を行なうこともできる。   As described above, the exhaust gas analyzer 10 of the present embodiment performs the drive pulse 50 applied to the laser light generating means in the current scanning period and at least one of the continuous start current constant period and the constant end current period. By using the pattern, the laser beam overshoot can be prevented, the optical balance between the measurement light and the signal light is detected by fixing the wavelength in a constant current interval, and the measurement laser light is detected by the optical attenuator by feedback control. Therefore, it is possible to analyze the exhaust gas with high accuracy. In addition, since the concentration and temperature of exhaust gas components can be measured at a plurality of locations in the exhaust path and the concentration of exhaust gas components in the exhaust path can be analyzed, it is also possible to evaluate catalyst devices and the like. .

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、排ガスの成分ガスとして、窒素酸化物(NOx)の測定を行うこともできる。この場合は、排ガス中を透過させる赤外レーザ光として、NOxに適した波長(例えば1800nm)を用いることは勿論である。また、照射部から照射されるレーザ光は赤外レーザ光に限られず、可視レーザ光や紫外レーザ光でもよい。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed. For example, nitrogen oxide (NOx) can be measured as a component gas of exhaust gas. In this case, as a matter of course, a wavelength (for example, 1800 nm) suitable for NOx is used as the infrared laser beam that passes through the exhaust gas. The laser light emitted from the irradiation unit is not limited to infrared laser light, and may be visible laser light or ultraviolet laser light.

センサ部のセンサベースに光ファイバを介してレーザ光の照射部を取り付け、センサベースにフォトダイオードを固定して受光部とする例を示したが、センサベースに直接レーザダイオード等の照射部を装着してレーザ光の照射部としてもよい。また、センサベースに直接受光部であるディテクタを固定せず、光ファイバを固定してディテクタまで導光するように構成してもよい。光減衰器は測定用レーザ光側でなく、信号用レーザ光側に設置してもよい。   An example was shown in which a laser beam irradiation unit was attached to the sensor base of the sensor unit via an optical fiber, and a photodiode was fixed to the sensor base as a light receiving unit. However, an irradiation unit such as a laser diode was directly attached to the sensor base. And it is good also as a laser beam irradiation part. Alternatively, the detector that is the light receiving unit may not be directly fixed to the sensor base, but the optical fiber may be fixed and guided to the detector. The optical attenuator may be installed not on the measurement laser beam side but on the signal laser beam side.

また、反射面として、金やプラチナの薄膜を形成する例を示したが、酸化チタン等の薄膜を形成してもよく、耐熱性に優れ、鏡面加工できるものであれば材質は特定されない。反射面はミラー等の反射板を使用せず、排ガスが流れる貫通孔の内面に直接形成してもよい。この場合は、貫通穴の内周面を研磨してから、めっきや蒸着等の手法により反射面を形成すればよい。反射面はミラー等を使用せず、貫通孔の内周面を研磨して金やプラチナの薄膜を形成してもよく、その上に保護層として、MgFやSiOの薄膜を形成してもよい。これにより反射面の構成を簡略化することができる。 Moreover, although the example which forms the thin film of gold | metal | money or platinum as a reflective surface was shown, thin films, such as a titanium oxide, may be formed, and if it is excellent in heat resistance and can be mirror-finished, a material will not be specified. The reflecting surface may be formed directly on the inner surface of the through-hole through which the exhaust gas flows without using a reflecting plate such as a mirror. In this case, after reflecting the inner peripheral surface of the through hole, the reflecting surface may be formed by a technique such as plating or vapor deposition. The reflecting surface may be a gold or platinum thin film formed by polishing the inner peripheral surface of the through-hole without using a mirror or the like, and a MgF 2 or SiO 2 thin film is formed thereon as a protective layer. Also good. Thereby, the structure of a reflective surface can be simplified.

前記の実施形態ではセンサ部をエキゾーストマニホルドの下流側に設置した構成を示したが、エキゾーストマニホルドとエンジンのシリンダブロックとの間に設置してもよい。このように構成すると、エンジンの気筒ごとの排ガスの成分の濃度や温度を測定することができ、例えばエンジンの不調等の原因を気筒ごとに判断することができる。特に、本発明の排ガス分析装置は、基準ガス等を使用せずに、レーザ光の透過を用いて排ガスの成分の濃度を検出するため、高温でも測定できる特徴があり、エンジンから排出した直後の800℃程度の高温の排ガスの成分の濃度の測定も精度良く行なうことができる。   In the above-described embodiment, the configuration in which the sensor unit is installed on the downstream side of the exhaust manifold is shown, but the sensor unit may be installed between the exhaust manifold and the cylinder block of the engine. If comprised in this way, the density | concentration and temperature of the component of the exhaust gas for every cylinder of an engine can be measured, for example, the cause of engine malfunction etc. can be judged for every cylinder. In particular, since the exhaust gas analyzer of the present invention detects the concentration of exhaust gas components using laser light transmission without using a reference gas or the like, it has a feature that can be measured even at high temperatures. Measurement of the concentration of the exhaust gas component at a high temperature of about 800 ° C. can be performed with high accuracy.

本発明の活用例として、この排ガス分析装置を用いてボイラー等の燃焼装置の排ガス分析を行うことができ、自動車の排ガス分析の他に船舶等で使用する内燃機関の排ガス分析の用途にも適用できる。   As an application example of the present invention, this exhaust gas analyzer can be used for exhaust gas analysis of combustion devices such as boilers, and in addition to automobile exhaust gas analysis, it can also be applied to exhaust gas analysis applications of internal combustion engines used in ships and the like it can.

本発明に係る排ガス分析装置を車両に搭載した一実施形態の要部構成図。The principal part block diagram of one Embodiment which mounted the exhaust gas analyzer which concerns on this invention in the vehicle. 本発明に係る排ガス分析装置をエンジンベンチに搭載した実施形態の要部構成図。The principal part block diagram of embodiment which mounted the exhaust gas analyzer which concerns on this invention in the engine bench. センサ部の要部構成を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows the principal part structure of a sensor part. レーザ発振・受光コントローラの要部構成および信号解析部を含む排ガス分析装置の全体構成を示すブロック図。The block diagram which shows the whole structure of the exhaust gas analyzer containing the principal part structure and signal analysis part of a laser oscillation and light reception controller. 本発明の排ガス分析装置で用いられるレーザ光発生手段を駆動する駆動パルスの電流パターン図。The current pattern figure of the drive pulse which drives the laser beam generation means used with the exhaust gas analyzer of this invention. 図5の駆動パルスの動作説明図。FIG. 6 is an operation explanatory diagram of the drive pulse of FIG. 5. 駆動パルスの他の実施形態のパターン図。The pattern diagram of other embodiment of a drive pulse. レーザ光を受光したディテクタの出力を示し、(a)はノイズの少ない出力パターン図、(b)はノイズの多い出力パターン図。The output of the detector which received a laser beam is shown, (a) is an output pattern figure with little noise, (b) is an output pattern figure with much noise. 吸収スペクトルの温度の影響を示し、(a)は低温のときのシグナル強度の説明図、(b)は高温のときのシグナル強度の説明図。The influence of the temperature of an absorption spectrum is shown, (a) is explanatory drawing of signal intensity at the time of low temperature, (b) is explanatory drawing of signal intensity at the time of high temperature. 本発明に係る排ガス分析装置の他の実施形態のレーザ発振・受光コントローラの要部構成および信号解析部を含む全体構成を示すブロック図。The block diagram which shows the whole structure including the principal part structure and signal analysis part of the laser oscillation and light reception controller of other embodiment of the exhaust gas analyzer which concern on this invention. (a)は図10の実施形態で使用する校正装置のフィルタの特性を示す図、(b)は校正動作の説明図。(A) is a figure which shows the characteristic of the filter of the calibration apparatus used in embodiment of FIG. 10, (b) is explanatory drawing of calibration operation | movement. 従来の排ガス分析装置で用いられるレーザ光発生手段を駆動する駆動パルスの電流パターン図。The current pattern figure of the drive pulse which drives the laser beam generation means used with the conventional exhaust gas analyzer.

符号の説明Explanation of symbols

1:自動車、1A:エンジンベンチ、2:エンジン、3:エキゾーストマニホルド(排気経路)、4:排気管(排気経路)、5:第1触媒装置(排気経路)、6:第2触媒装置(排気経路)、7:マフラー(排気経路)、8:排気パイプ(排気経路)、10:排ガス分析装置、11〜14:センサ部、24:光ファイバ(照射部)、25:ディテクタ(受光部)、30,30A:レーザ発振・受光コントローラ、31:信号発生器、33:分波器、34:光減衰器、36,37:合波器、40:差分型光検出器、41:フィードバック線、45:パーソナルコンピュータ(信号解析部)、50:駆動パルス、51:開始電流一定区間、52:電流走査区間、53:終了電流一定区間、61,62,63:駆動パルス、61a,62a,63a:開始電流一定区間、61b,62b,63b:電流走査区間、62c:終了電流一定区間、LD1〜LD5:レーザダイオード(レーザ光発生手段)   1: automobile, 1A: engine bench, 2: engine, 3: exhaust manifold (exhaust path), 4: exhaust pipe (exhaust path), 5: first catalyst device (exhaust path), 6: second catalyst device (exhaust gas) Path), 7: muffler (exhaust path), 8: exhaust pipe (exhaust path), 10: exhaust gas analyzer, 11-14: sensor unit, 24: optical fiber (irradiation unit), 25: detector (light receiving unit), 30, 30A: Laser oscillation / light reception controller, 31: Signal generator, 33: Demultiplexer, 34: Optical attenuator, 36, 37: Multiplexer, 40: Differential photodetector, 41: Feedback line, 45 : Personal computer (signal analysis unit), 50: drive pulse, 51: constant start current interval, 52: current scan interval, 53: constant end current interval, 61, 62, 63: drive pulse, 61a, 62a, 63a Starting current constant interval, 61b, 62b, 63b: the current scan interval, 62c: End current constant interval, LD1 to LD5: a laser diode (laser light generating means)

Claims (6)

エンジンから排出される排ガスに、レーザ光発生手段に駆動パルスを印加して発生させたレーザ光を照射し、排ガス中を透過したレーザ光を受光し、前記受光された透過レーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度や温度を測定して排ガスを分析する装置であって、
前記駆動パルスは、電流値が一定となる開始電流一定区間と、該開始電流一定区間から直線的に電流が増加する電流走査区間とを備えて、前記開始電流一定区間の電流値は、レーザ光をガス成分による吸収の無い一定波長に固定する一定電流である駆動パルスであり、
前記装置は、前記レーザ光発生手段が発生したレーザ光を、信号用レーザ光と測定用レーザ光に分波する分波器と、前記測定用レーザ光の光強度を調整する光減衰器をさらに備え、前記開始電流一定区間の電流値で得られた信号用レーザ光と前記排ガスの透過レーザ光の光強度バランスの一定値を目標として、前記電流走査区間で得られた信号用レーザ光と排ガスの透過レーザ光の光強度バランスを前記一定値に保つように前記光減衰器を調整して前記透過レーザ光の光強度をフィードバック制御する排ガス分析装置。
The exhaust gas discharged from the engine is irradiated with laser light generated by applying a drive pulse to the laser light generating means, the laser light transmitted through the exhaust gas is received, and the exhaust gas based on the received transmitted laser light A device for analyzing exhaust gas by measuring the concentration and temperature of the components of
The drive pulse includes a start current constant section in which the current value is constant and a current scanning section in which the current increases linearly from the start current constant section. The current value in the constant start current section is a laser beam. Is a drive pulse that is a constant current that fixes the light to a constant wavelength without absorption by the gas component,
The apparatus further includes: a demultiplexer that demultiplexes the laser light generated by the laser light generation means into a signal laser light and a measurement laser light; and an optical attenuator that adjusts the light intensity of the measurement laser light. The signal laser light and the exhaust gas obtained in the current scanning section with the target of a constant value of the light intensity balance between the signal laser light obtained at the current value in the constant start current section and the transmitted laser light of the exhaust gas. An exhaust gas analyzer that feedback-controls the light intensity of the transmitted laser light by adjusting the optical attenuator so as to keep the light intensity balance of the transmitted laser light at the constant value .
前記駆動パルスは、前記電流走査区間に連続し、該電流走査区間の終端の電流値で電流を一定とした終了電流一定区間をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の排ガス分析装置。   2. The exhaust gas analyzer according to claim 1, wherein the driving pulse further includes an end current constant section that is continuous with the current scanning section and has a constant current at a current value at a terminal end of the current scanning section. 排ガスが通過する貫通孔に前記レーザ光を照射する照射部と、排ガス中を透過したレーザ光を受光する受光部とを備えるセンサ部を形成し、該センサ部を排ガスの排気経路中に設置し、前記照射部から排ガスにレーザ光を照射した後、前記受光部で排ガス中を透過したレーザ光を受光して排ガスを分析することを特徴とする請求項1又は2に記載の排ガス分析装置。   A sensor unit is formed that includes an irradiation unit that irradiates the laser beam to the through-hole through which the exhaust gas passes and a light receiving unit that receives the laser beam that has passed through the exhaust gas, and the sensor unit is installed in the exhaust gas exhaust path. 3. The exhaust gas analyzer according to claim 1, wherein the exhaust gas is analyzed by irradiating the exhaust gas from the irradiating unit with laser light transmitted through the exhaust gas in the light receiving unit. 4. 前記センサ部を排気経路中の複数箇所に設置することを特徴とする請求項3に記載の排ガス分析装置。   The exhaust gas analyzer according to claim 3, wherein the sensor unit is installed at a plurality of locations in the exhaust path. エンジンから排出される排ガス中を透過したレーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度や温度を測定して排ガスを分析する方法であって、
電流値が一定となる開始電流一定区間と、該開始電流一定区間から直線的に電流が増加する電流走査区間とを備えた駆動パルスであって、前記開始電流一定区間の電流値は、レーザ光をガス成分による吸収の無い一定波長に固定する一定電流である駆動パルスを、レーザ光発生手段に印加してレーザ光を発生させるステップと、
前記レーザ光を信号用レーザ光と測定用レーザ光に分波するステップと、
前記測定用レーザ光を光減衰器を介して前記排ガスに照射し、前記排ガス中を透過した透過レーザ光を受光するステップと、
前記開始電流一定区間の電流値で得られた信号用レーザ光と前排ガスの透過レーザ光の光強度バランスの一定値を目標として、前記電流走査区間で得られた信号用レーザ光と排ガスの透過レーザ光の光強度バランスを前記一定値に保つように前記光減衰器を補正するフィードバック補正量を算出するステップと、
前記フィードバック補正量を前記光減衰器に入力して前記測定用レーザ光の光強度を調整するステップと、
前記信号用レーザ光と前記透過レーザ光とに基づいて排ガスの成分の濃度や温度を算出するステップと、を備える排ガス分析方法。
A method of analyzing exhaust gas by measuring the concentration and temperature of exhaust gas components based on laser light transmitted through the exhaust gas exhausted from an engine,
A drive pulse having a start current constant section in which a current value is constant and a current scanning section in which current increases linearly from the start current constant section, wherein the current value in the start current constant section is a laser beam Applying a driving pulse, which is a constant current to fix the light to a constant wavelength without absorption by a gas component, to the laser light generating means, and generating laser light;
Demultiplexing the laser beam into a signal laser beam and a measurement laser beam;
Irradiating the exhaust gas with the measurement laser light via an optical attenuator and receiving the transmitted laser light transmitted through the exhaust gas; and
The goal of constant value of the light intensity balance of the transmitted laser beam of the signal laser light and before Symbol exhaust gas obtained by the current value of the starting current constant interval, the signal laser beam and an exhaust gas obtained in the current scan interval Calculating a feedback correction amount for correcting the optical attenuator so as to keep the light intensity balance of the transmitted laser light at the constant value;
Inputting the feedback correction amount into the optical attenuator and adjusting the light intensity of the laser beam for measurement;
Calculating the concentration and temperature of the components of the exhaust gas based on the signal laser beam and the transmitted laser beam.
前記フィードバック補正量は、前記信号用レーザ光と前記透過レーザ光の電気信号を差分型光検出器に入力し算出することを特徴とする請求項5に記載の排ガス分析方法。 The feedback correction amount, the exhaust gas analysis method according to claim 5, characterized in that calculated by inputting an electric signal of the transmitted laser light and the signal laser beam to the difference optical detector.
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