CN101331391A - 废气分析方法和废气分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种废气分析方法，包括：向内燃发动机排出的废气施加激光束；接收穿过废气的激光束；以及基于所接收的激光束测量废气中所含成份的浓度。在用于分析的废气的方法中，根据所接收的激光束检测废气中吸收的激光束的吸收光谱(S1)。根据吸收光谱计算特定气体成份的浓度(S2)。根据吸收光谱计算废气温度(S3)。根据吸收光谱计算废气压力(S4至S6)。使用所计算的温度(S7)和所计算的压力(S8)校正所计算出的废气中所含的成份的浓度以输出真实的浓度值(S9)。用于分析废气的方法的优点在于，该分析可以不受废气压力波动和温度影响地进行，并且能够以准确、实时的方式计算废气中所含成份的浓度。

Description

废气分析方法和废气分析装置
技术领域
本发明涉及一种用于分析从汽车等的内燃发动机排出的废气的方法以及一种废气分析装置，具体地涉及用于准确、实时地计算、测量以及分析废气中所含成份的浓度、温度等的废气分析方法和废气分析装置。
背景技术
作为这种类型的传统废气分析装置，专利文献1披露了一种车内HC测量装置。该车内HC测量装置包括下列车内部件：NDIR(非色散红外线光谱法)型气体分析仪，其用于连续地测量流过连接到发动机的废气导管的废气中HC(碳氢化合物)的浓度；废气流量计，其用于连续地测量流过废气导管的废气的流量；以及运算处理电路，其用于计算NDIR气体分析仪和废气流量计的输出以连续计算废气中THC(总碳氢化合物)量。
当将基于红外激光束测量(红外线吸收法)应用于废气导管时会出现如下问题。即，在此测量方法中，使用激光束吸收光谱的形状计算和确定管内废气的浓度。另一方面，取决于发动机如何运转，废气管中的压力和浓度会突然改变。当压力变化时，一种称为加宽的现象改变了激光束吸收光谱的形状，使得所确定的浓度值变得不准确。
专利文献1
日本专利公报(公开)No.2004-117259
发明内容
通过吸收光谱的形状确定的废气中存在的任何气体成份的浓度会随着压力和温度变化。因此，为了获得准确的浓度值，必需测量废气压力。通常设置压力计来测量该压力。但是，在这种情况下，系统由于零件数量的增加而变得复杂。为了解决该问题，必需实时测量管内的废气压力，使得吸收光谱的形状得到校正，从而使得浓度也得到校正。在此过程中，使用吸收光谱的形状作为参数来确定浓度的计算需要反复计算，导致分析时间增加，从而难以执行实时测量。
鉴于这种问题，做出了本发明。本发明的目的是提供一种废气分析方法和一种废气分析装置，其基本上对废气的压力和温度变化不敏感，并且能够以准确、实时的方式计算、测量和分析废气中所含任何成份的浓度。
为了实现上述目的，根据本发明的废气分析方法包括：向内燃发动机排出的废气施加激光束；接收穿过所述废气的激光束；以及基于所接收的激光束测量所述废气中含有的任何成份的浓度。所述方法的特征在于所述方法进一步包括：使用所接收的激光束检测所述废气中吸收的激光束的吸收光谱；使用所述吸收光谱计算所述废气中含有的所述成份的浓度、废气温度以及废气压力；以及使用所述计算出的废气温度和所述废气压力校正所述废气中含有的所述成份的浓度。
在如此配置的本发明的废气分析方法中，使用穿过内燃发动机排放的废气后所接收的激光束来检测废气吸收的吸收光谱，并且基于吸收光谱的衰减量——即穿过废气的光的强度和未穿过废气的光的强度的比值——计算废气中所含的例如一氧化碳和氧化氮等特定气体成份的浓度。然后，使用吸收光谱来计算废气温度和废气压力，并且使用所计算的废气温度和废气压力来校正所计算的成份浓度。因此，可以高的测量准确度和对废气通道中的压力和温度改变具有高的保真度获得所述成份浓度。因此，能够进行准确分析。此外，不使用压力计就能够计算压力的能力允许实时测量、简单配置以及成本降低。
根据本发明的废气分析方法的另一方面，包括：向内燃发动机排出的废气施加激光束；接收穿过所述废气的激光束；以及基于所接收的激光束测量所述废气中含有的任何成份的浓度。所述方法的特征在于所述方法进一步包括：使用所接收的激光束检测所述废气中吸收的激光束的吸收光谱；使用所述吸收光谱计算所述废气中含有的所述成份的浓度、废气温度以及废气压力；计算浓度校正值，所述浓度校正值的计算不仅基于通过已经由所述吸收光谱计算出的所述废气温度、所述废气压力以及所述废气中含有的所述成份的浓度来确定的理论光谱，而且基于所检测的吸收光谱；以及使用所述校正值校正所计算出的所述废气中含有的所述成份的浓度。
特别地，将理论光谱叠加在吸收光谱上以通过对理论光谱积分计算第一积分(第一面积)、计算其中一个光谱的值大于另一光谱的值的部分的第二积分(第二面积)、计算另一光谱的值大于所述一个光谱的部分的第三积分(第三面积)。然后，使用如下方程计算校正值：(第一积分-第二积分+第三积分)/第一积分，并用校正值乘以所计算的浓度(第一面积)以进行校正。
在如此配置的废气分析方法中，将通过所计算的废气温度、废气压力和废气中所含成份的浓度唯一确定的理论光谱与所检测的吸收光谱比较，基于这两个光谱可以获得浓度校正值。特别地，通过计算由这两个光谱所限定的面积可以获得该校正值。然后，用校正值乘以所计算的浓度以提供废气特定成份的准确浓度。因此，能够进行准确的废气分析。
根据本发明的废气分析方法的特定的优选方面的特征在于计算所述废气中含有的所述成份的浓度包括：准备通过改变待分析废气的特定成份的理论光谱而获得的多个光谱图案，所述理论光谱的改变是根据所述废气浓度进行的；以及根据最接近的近似光谱图案的废气浓度计算所述浓度。在这种配置中，例如，可以通过如下计算所述浓度：选择与由根据废气浓度改变理论水蒸汽光谱所获得的多个光谱图案最近似的吸收光谱图案、并且根据最接近的近似吸收光谱图案的废气浓度确定所述浓度。
在根据本发明的废气分析方法中，优选地根据从H2O的吸收光谱选择的至少两个波长处的透射光强度之间的比值计算废气温度。在这种配置中，因为使用总是存在于废气所流过的废气通路中的H2O计算温度，所以能够准确地测量温度。因此，能够进行准确的废气分析。
另外，在根据本发明的废气分析方法中，优选地基于H2O的吸收光谱中峰值波长处的光谱宽度计算废气压力。特别地，通过如下步骤确定压力：检测吸收光谱中峰值波长的一半峰值处的光谱宽度，使用所计算的温度校正所检测的光谱宽度，以及使用所校正的光谱宽度计算压力。在这种配置中，通过使用总是存在于废气通路中的H2O，根据H2O的吸收光谱中峰值波长处的光谱宽度能够容易地以准确的方式计算压力。
根据本发明的废气分析装置是这样一种装置，其向内燃发动机排出的废气施加激光束发生装置中产生的激光束；接收穿过所述废气的激光束；并且基于所接收的激光束测量所述废气中含有的任何成份的浓度。所述废气分析装置的特征在于所述装置包括：检测装置，其用于使用所接收的激光束检测所述废气中吸收的激光束的吸收光谱；计算装置，其用于使用所述吸收光谱计算所述废气中含有的所述成份的浓度、废气温度以及废气压力；以及校正装置，其用于使用所述计算出的废气温度和废气压力校正计算出的所述废气中含有的所述成份的浓度。
这样配置的废气分析装置将激光束施加到废气，接收透射光，并且使用所接收的激光束检测废气中吸收的激光束的吸收光谱。然后，因为使用吸收光谱来计算废气中所含的成份的浓度、废气温度和废气压力，并且使用所计算的废气温度和废气压力来校正所计算的成份的浓度，所以可以计算废气中所含的成份的浓度而不会受到压力和温度变化的影响。因此，可以进行准确的废气分析。
根据本发明的废气分析装置的另一方面是这样一种装置，其向内燃发动机排出的废气施加激光束发生装置中产生的激光束；接收穿过所述废气的激光束；并且基于所接收的激光束测量所述废气中含有的任何成份的浓度。所述废气分析装置的特征在于所述装置包括：检测装置，其用于使用所接收的激光束检测所述废气中吸收的激光束的吸收光谱；计算装置，其用于使用所述吸收光谱计算所述废气中含有的所述成份的浓度、废气温度以及废气压力，所述计算装置进一步计算浓度校正值，所述浓度校正值的计算不仅基于通过所计算出的废气温度、废气压力和所述废气中含有的所述成份的浓度来确定的理论光谱，而且基于所检测的吸收光谱；以及校正装置，其用于使用所述校正值校正所计算出的所述废气中含有的所述成份的浓度。
这样配置的废气分析装置将激光束施加到废气，接收透射光，并且使用所接收的激光束检测废气中吸收的激光束的吸收光谱。因为使用吸收光谱计算废气中所含成份的浓度、废气温度和废气压力，不仅基于通过所计算的废气温度、废气压力和废气的成份的浓度确定的理论光谱而且基于所检测的吸收光谱进一步计算浓度校正值，并且使用该校正值来校正所计算出的废气中所含成份的浓度，所以可以计算浓度而不会受到压力和温度变化的影响。因此，可以进行准确的废气分析。
根据本发明的废气分析方法和废气分析装置，当通过发送穿过废气的激光束并且使用穿过废气的激光束的吸收光谱计算废气中特定成份的气体浓度来分析废气时，能够实时地校正所计算的气体浓度的温度相关的误差和压力相关的误差。因此可以计算、测量和分析准确的气体浓度值。此外，由于在压力检测过程中使用吸收光谱的形状计算压力而不需要压力计，因此简化了装置的配置，并且能够快速进行压力测量。
附图说明
图1是实施在车辆中的根据本发明的废气分析装置的实施方式的关键部件配置图；
图2是安装在发动机台架上的根据本发明的废气分析装置的另一实施方式的关键部件配置图；
图3是废气分析装置的关键部件配置图，其包括一个传感器单元的关键部件的分解立体图；
图4(a)是图3中传感器单元的前视图；
图4(b)是沿图4(a)中所示线A-A剖取的截面图；
图4(c)是沿图4(a)中所示线B-B剖取的截面图；
图4(d)是沿图4(c)中所示线C-C剖取的关键部件截面图；
图5是示出废气分析装置的整体配置的框图，其包括激光振荡/光接收控制器和信号分析装置的关键部件配置；
图6是示出根据本发明的废气分析方法的步骤的流程图；
图7示出温度如何影响吸收光谱，并且说明了吸收光谱如何随温度变化；
图8(a)、8(b)、8(c)、8(d)是分别示出在不同的设定压力情况下吸收光谱和理论光谱的峰值和光谱宽度的说明性视图；
图9(a)至9(c)是图6中的流程图中所使用的校正图：图9(a)是示出线宽校正量与温度(K)之间关系的校正图，图9(b)是示出线宽与压力(MPa)之间关系的校正图，以及图9(c)是示出另一实施方式中线宽校正量与H2O浓度之间关系的校正图；
图10说明在根据本发明的废气分析方法的另一实施方式中如何根据吸收光谱计算压力；以及
图11说明在根据本发明的废气分析方法的另一实施方式中如何校正气体浓度。
下面对图中的附图标记进行简要说明：附图标记1表示汽车。附图标记1A表示发动机台架。附图标记2表示发动机(内燃发动机)。附图标记3表示废气歧管(废气通路)。附图标记4表示废气导管(废气通路)。附图标记5表示第一催化转化器(废气通路)。附图标记6表示第二催化转化器(废气通路)。附图标记7表示消声器(废气通路)。附图标记8表示废气管(废气通路)。附图标记10表示废气分析装置(气体分析装置)。附图标记11至14表示传感器单元。附图标记20表示传感器基座。附图标记21表示废气通孔。附图标记23表示传感器孔(照射光通孔)。附图标记24表示传感器孔(照射光通孔)。附图标记25表示光纤(照射器)。附图标记26表示检测器(光检测器)。附图标记30和31表示反射镜。附图标记38表示光通孔。附图标记39表示狭缝(光通孔)。附图标记40表示激光振荡/光接收控制器。附图标记43表示分用器。附图标记44A至44C表示分用器。附图标记45A至45C和46A至46C表示复用器。附图标记50A至50C表示差分光学检测器(检测装置)。附图标记55表示个人电脑(信号分析装置、计算装置以及校正装置)。附图标记R表示激光束。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述根据本发明的气体分析装置应用于汽车用废气分析装置的实施方式。
图1是实施在汽车中的根据本发明的废气分析装置的关键部件配置图。图2是安装在发动机台架上的图1中的废气分析装置的关键部件配置图。图3是废气分析装置的关键部件配置图，其包括传感器单元的关键部件的分解立体图。图4(a)至4(d)分别是示出图3中传感器单元的细节的局部截面前视图、沿线A-A剖取的截面图、沿线B-B剖取的截面图以及沿线C-C剖取的关键部件截面图。图5是示出废气分析装置的整体配置的框图，其包括激光振荡/光接收控制器和信号分析装置的关键部件配置。
在图1至5中，本实施方式的废气分析装置是分析从置于汽车1中的发动机(内燃发动机)2排出的、作为待分析气体的废气的装置。可替代地，如图2中所示，废气分析装置是分析从安装在发动机台架1A上的发动机2排出的废气的装置。从发动机2的气缸排出的废气流在废气歧管3中汇集，通过废气导管4流到第一催化转化器5中，进一步流到第二催化转化器6中，并且通过消声器7和废气管8排出到大气中。形成废气所流过的通道(通路)的废气通路由废气歧管3、废气导管4、第一催化转化器5、第二催化转化器6、消声器7以及废气管8组成。两个催化转化器5和6净化从发动机2排出的废气，消声器7消除噪声并且降低压力。然后处理过的废气被排放到大气中。消声器可以由两个部件形成：主消声器和副消声器。
形成废气通路的多个构件用螺栓等连接，使得各构件的凸缘彼此抵接。例如，废气管连接到第一和第二催化转化器5和6中每一个的大直径本体的上游侧和下游侧，并且废气管的两端具有焊接或以其它方式连接到其上的凸缘F、F。类似地，废气管连接到消声器7的大直径本体的上游侧和下游侧，并且废气管的两端具有连接到其上的凸缘F、F。终端废气管8直接焊接或以其它方式连接到消声器7。从而，形成废气通路的多个构件通过凸缘连接并且形成供废气通过的、具有直径d的圆形截面形状。
本实施方式的废气分析装置10包括置于沿着废气通路的多个位置处的多个传感器单元11至14。第一传感器单元11置于第一催化转化器5和第一催化转化器5上游的发动机侧废气导管4之间。第二传感器单元12置于第一催化转化器5的下游，第三传感器单元13置于第二催化转化器6的下游。第四传感器单元14置于消声器7下游的废气管8中。传感器单元14可以置于沿着废气管的某处，或者插到废气管末端处的开口内。传感器单元还可以置于第一传感器单元11上游的每个气缸的废气导管内，并且处于废气导管汇集于废气歧管3之前。
废气导管4、第一催化转化器5、第二催化转化器6以及消声器7通过用螺栓拧紧各自的凸缘F、F进行连接，置于废气通路形成构件之间的传感器单元11、12以及13夹置于各自的凸缘F、F之间。凸缘F、F形成在每个废气通路形成构件的两端处，并且凸缘的连接表面垂直于废气通路的中心线。因此，传感器单元11至13中的每一个都夹置于凸缘F、F之间并且横穿废气通路设置。用于分析即将排放到大气之前的废气的第四传感器单元14可以夹置于从消声器7伸出的废气管8的中间部分内的凸缘F、F之间。要设置的传感器单元的数量可以任意设定。
传感器单元11至14的配置相同。因此，将参照图3和4描述一个传感器单元11。传感器单元11具有由矩形薄板形成的传感器基座20。在传感器基座的中部形成有废气通孔21，所述废气通孔21具有与圆形截面废气管的内径d相同的直径d，并且废气流过该废气通孔。板状传感器基座20的厚度优选为尽可能地薄到传感器基座20可以固定激光束照射器和激光束接收器的程度。特别地，传感器基座20的厚度优选地在例如从约5mm至20mm的范围内。大于20mm的厚度有可能会使废气流形成湍流，而小于5mm的厚度会使测量激光束照射器和用于接收透射过废气的激光束的光检测器的附接变复杂。传感器基座20可根据需要优选地设置在沿着废气通路的任意位置。应当注意，传感器基座20的厚度可以任意地设定。
如上所述，不仅形成在传感器基座20中的废气通孔21的形状是具有与废气管的内径相同直径的圆形使得废气流不会变成湍流，而且传感器基座20很薄。从而，沿着废气通路附接的传感器单元11至14不会使废气流形成湍流，而是使其平稳地排出并且压力损失很小。当废气通孔21的名义直径d为例如30mm时，实际直径优选为30±1至2mm，因为这样的直径差不会使废气流产生湍流。优选地，这种直径范围提供了基本相同的截面形状。虽然传感器基座20通常由金属板或陶瓷板形成，但是传感器基座20的材料不具体地限制于特定的材料。
传感器基座20夹置于凸缘F、F之间并且用螺栓和螺母等(未图示)固定，使得设置在传感器基座20两侧的垫圈22、22夹置于凸缘F、F和传感器基座20之间。垫圈22由例如石棉制成，并且具有直径与废气导管的内径相同的废气通孔。在这种配置中，即使当连接的废气通路包括夹置于凸缘F、F之间的传感器基座20，沿着废气通路的某些地方也不会有废气泄漏，并且加到废气通路的额外长度很小。图3示出一种配置，其中传感器基座20及其两侧的垫圈22、22固定在焊接到废气导管4下游端的凸缘F和焊接到催化转化器5上游的废气管5a的端部的凸缘F之间。
传感器基座20具有两个传感器孔23和24，所述传感器孔从端面穿过板厚的中心部分到达废气通孔。传感器孔23与废气通孔21连通并且形成照射光通孔，照射激光束可以穿过所述照射光通孔横跨废气通孔21到达光检测器。传感器孔24与废气通孔21连通并且形成透射光通孔，激光束可以穿过所述透射光通孔到达光检测器。连通的传感器孔23和24垂直于废气流向。
传感器单元11配置为使得用作发射激光束的照射器的光纤25A固定在传感器孔23中，并且检测器26A——其用作接收从光纤25A发出并且穿过废气通孔21中存在的废气的激光束的光检测器——固定在传感器孔24中。即，传感器单元11配置为使得从照射侧光纤25A发射的横跨废气通路的激光束被两个反射镜30和31反射、通过废气衰减、并且由检测器26A接收。反射镜反射照射激光束并将其导向到检测器。
传感器孔23形成照射光通孔，其将废气通孔21连接到照射光纤25，并且如上所述从光纤发射的测量激光束穿过该照射光通孔。传感器孔24形成透射光通孔，其将废气通孔21连接到光接收检测器26，并且已经穿过废气的激光束穿过该透射光通孔到达检测器26。优选地，传感器孔23的内圆周表面具有散射激光束消除装置。作为散射光消除装置，优选地在传感器孔的内圆周表面上形成有阴螺纹。该阴螺纹可容易地通过对通孔攻螺纹来形成。
如图4中所详示，两个反射镜30和31附接在位于传感器基座20中部的圆形废气通孔21的外侧，并且位于废气通孔的相对侧。两个反射镜设置为使得反射镜的反射表面互相平行并且固定在上部和下部以反射测量激光束。即，反射镜30和31置于废气通孔21的外侧并且在废气通孔的相对侧上互相平行。反射镜30和31以可移除的方式固定在形成于废气通孔21外侧并且互相平行的两个插槽32和33中。反射镜30和31具有将从光纤25A向废气通孔21发射的激光束导向检测器26A的功能。每个反射镜30和31是矩形基片，其具有几毫米数量级的厚度，并且具有形成在基片一侧的作为反射表面的由金或铂制成的薄膜。作为保护层，反射表面上形成有由MgF2或SiO2制成的薄膜。应当注意，也可以省去该保护层。
形成在传感器基座20中的废气通孔21外侧的插槽32和33的尺寸确定为使得能够以松动的方式插设反射镜30和31。插槽32和33可以在两侧开口以穿透传感器基座20，或者可以在一侧开口而在另一侧封闭。反射镜30和31经由垫片37用紧固螺钉36固定在插槽32和33中。在反射镜由于热冲击等而破裂的情况下，可以通过松开紧固螺钉36移除破裂的反射镜并且用新反射镜进行更换。当反射镜变脏时，可以从传感器基座20移除反射镜以进行清洗。
因为反射镜30和31经由垫片37用紧固螺钉36固定，所以反射镜将不会由于发动机的振动和/或例如废气导管等废气通路的振动而振动。垫片37被插设以适应反射镜和紧固螺钉之间热膨胀差，从而起到缓冲器的作用。优选地，垫片对环境劣化和弹性变形具有极好的耐受力。例如，垫片优选地由云母基或碳基板或铜板形成。通过这样经由垫片用紧固螺钉固定反射镜，反射镜将不会振动，而且即使在例如大约800℃的高温时也会稳定地固定。
每个反射镜30和31都通过在例如石英、蓝宝石以及陶瓷等基底材料的表面涂敷反射材料来制造。涂敷材料优选地选自例如金和氧化钛等对激光波长具有高反射性能的材料。作为用于保护反射材料的涂层，优选地在上表面上形成例如SiO2等对热和环境劣化具有极好耐受性的透明涂层。具有极好耐热性的高反射性反射镜的使用使得可以进行准确的测量。当使用氧化钛作为反射材料时不必形成保护层，因为氧化钛自身就对环境劣化具有极好的耐受性并且作为防止污染光催化剂也有效。因此，涂敷有氧化钛的反射镜实际上优选地用于测量。
光通孔形成在废气通孔21的内圆周表面和其中固定有反射镜的插槽32、33之间，以允许测量激光束到达反射镜。光通孔可以为通透的狭缝、通透的光通孔等。在此实施方式中，光通孔38、38...每个都具有几毫米数量级的直径，并且从废气通孔21的内圆周表面延伸到插槽32、33，所述光通孔38、38...沿垂直于废气通路的方向形成。从而，光通孔从废气通孔21的内圆周表面延伸并且到达反射镜30和31。在此配置中，当测量红外激光束从作为照射器的光纤25发射并且进入废气通孔21时，激光束穿过下光通孔38到达下反射镜31、向上反射离开下反射镜、穿过上光通孔38到达上反射镜30、向下反射离开上反射镜，并且在反复地被上下反射镜反射之后被固定在上部的检测器26接收。
光纤25A和检测器26A连接到激光振荡/光接收控制器40。从激光振荡/光接收控制器40发射的红外激光束穿过光纤25A并且照射传感器基座20的废气通孔21。透过废气的红外激光束被光接收侧检测器26A接收，并且通过信号线28A输入到激光振荡/光接收控制器40。从光纤25A发射的照射光的强度、透过废气并由检测器26A等接收的光的强度供应到作为分析装置的个人电脑55。从而废气分析装置10由多个传感器单元11至14、激光振荡/光接收控制器40以及个人电脑55形成。
现在将参照图5描述激光振荡/光接收控制器40。激光振荡/光接收控制器40用作发射多束具有各种波长的红外激光束的照射装置，并且从例如函数发生器等信号发生器(未图示)向多个激光二极管LD1至LD5供应多个具有各种频率的信号。然后激光二极管LD1至LD5发射具有分别与上述频率对应的波长的红外激光束。从激光振荡/光接收控制器40中的信号发生器输出的多个频率信号被供应到激光二极管LD1和LD5，并且驱动这些激光二极管发射红外激光束，并且这些红外激光束的波长形成连续的波段，每个波段都包含用于待检测成份气体的峰值波长。例如，LD1发射具有近似为从1300到1330nm范围波长的光，LD2发射具有近似为从1330到1360nm范围波长的光。
将透过废气的红外激光束的波长设定为使得它们对应于待检测废气成份。为了检测一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氨(NH3)、甲烷(CH4)以及水(H2O)，使用了具有五种波长的红外激光束。例如，适于检测氨的波长是1530nm。适于检测一氧化碳的波长是1560nm。适于检测二氧化碳的波长是1570nm。适于检测甲烷的波长是1680nm。适于检测水的波长是1350nm。为了检测任何其它废气成份的浓度，则使用对应于废气成份的数量的具有不同波长的红外激光束。在一些情况下甚至使用不同的波长来检测同一成份的气体浓度，使得可以从各种波长中选择适当的波长。
从每个激光二极管LD1至LD5发射出的红外激光束通过光纤42...被导向到对激光束进行分用的分用器43...。分用的激光束的数量与信号单元的数量一致。在图5中，从每个激光二极管LD1至LD5发射出的激光束分用成对应于三个传感器单元11至13的三个激光束。由分用器43...中的分用操作产生的激光束由分用器44A...、44B...以及44C...分成信号光束和测量光束。分用器44A...、44B...以及44C...分别用于传感器单元11、12和13。由用于传感器单元11的五个分用器44A...的分离操作产生的信号光束由光纤承载并且由复用器45A进行复用。覆盖多个波段的复用后的信号光束通过光纤47A导向到将在后面描述的差分光学检测器50A。另一方面，通过五个分用器44A...中的分离操作产生的测量光束由光纤承载并且由复用器46A进行复用。复用后的测量光束通过光纤25A导向到传感器单元11的照射器。
类似地，通过分用器43...中的分用操作产生的红外激光束被用于传感器单元12的五个分用器44B...分成信号光束和测量光束。信号光束被复用器45B复用成覆盖多个波段的信号光束，并且复用后的信号光束通过光纤47B导向到差分光学检测器50B。由五个分用器44B...中的分离操作产生的测量光束通过复用器46B进行复用，并且复用后的测量光束通过光纤25B被导向到传感器单元12的照射器。另外，由分用器43...中的分用操作产生的红外激光束被用于传感器单元13的五个分用器44C...分成信号光束和测量光束。信号光束被复用器45C复用成覆盖多个波段的信号光束，复用后的信号光束通过光纤47C导向到差分光学检测器50C。由五个分用器44C...中的分离操作产生的测量光束被复用器46C进行复用，并且复用后的测量光束通过光纤25C导向到传感器单元13的照射器。
虽然图5中仅示出了三个传感器单元11至13，但是也能够设置更多的传感器单元14...。在这种情况下，每个分用器43将红外激光束分用成更多的激光束。更多分用器44...将分用后的激光束分用成信号光束和测量光束。每个复用器45...复用信号激光束，并且复用后的信号激光束被导向到相对应的其中一个差分光学检测器50...。每个复用器46...复用测量激光束，复用后的测量激光束被导向到更多传感器单元14...中相对应的一个。
本实施方式的废气分析装置10配置为使得测量红外激光束被反射镜30和31反射以透过废气行进一段长距离，并且被反射镜30和31反复反射的测量激光束被检测器接收。连接到传感器单元11至13的光检测器的接收侧检测器26A、26B以及26C经由信号线28A、28B以及28C连接到激光振荡/光接收控制器40中的差分光学检测器50A、50B以及50C。由复用器45A、45B以及45C中的复用操作产生的信号光束通过光纤47A、47B以及47C导向到差分光学检测器50A、50B以及50C。
三个差分光学检测器50A、50B以及50C中的每一个配置为计算通过废气衰减的透射激光束和未穿过废气的信号激光束之间的差。每个信号激光束输入到光电二极管等，并且转化成电信号。与通过差分光学检测器计算出的信号光束和测量光束之间的差相对应的电信号被例如前置放大器(未图示)等放大，并且经由A-D转换器输入到作为信号分析装置的个人电脑55。个人电脑55使用所输入的信号计算废气中所含的任何成份的浓度以及废气的温度、压力等以便分析废气。
例如通过发送透过废气的红外激光束并且基于入射光强度和穿过废气的透射光强度计算废气的任意成份的浓度，本发明的废气分析装置10对废气进行分析。即，废气的任何成份的浓度C使用下面的方程(1)进行计算：
C＝-ln(I/I0)/kL...(1)
其中I是透射光强度，I0是入射光强度，k是吸收率，L是透射传送长度。因此基于透射光强度(I)与作为信号光的入射光强度(I0)的比值——即信号强度(I/I0)——计算废气的任何成份的浓度C。透射光强度I通过各个检测器26A、26B以及26C输出，并且入射光强度I0从差分光学检测器50A、50B和50C中的例如光电二极管等每个光电转化器通过光纤47A、47B和47C输出。在此实施方式中，未穿过废气的信号光强度被用作入射光强度I0。
下面将描述如此配置的本实施方式的废气分析装置10的操作。当发动机运转时启动废气分析装置10。从发动机2排出的废气流在作为废气通路的废气歧管3中汇集、通过废气导管4流入到第一催化转化器5、进一步流到第二催化转化器6，并且通过消声器7和废气管8排出到大气中。在此过程中，废气穿过形成于沿废气通路设置的每个传感器单元11至14的传感器基座20中的废气通孔21。为了测量废气的特定成份的浓度等，向废气通孔21施加激光束，并且测量透过废气的激光束的光强度。
即，激光振荡/光接收控制器40中的信号发生器被致动以向激光二极管LD1和LD5供应信号，使得它们发射每个都具有预定波长的红外激光束。从每个激光二极管LD1至LD5发射的红外激光束通过光纤42传送到分用器43，并且分用成使得分用后的激光束的数量与传感器单元的数量一致。然后，分用后的红外激光束被分用器44A...、44B...和44C...进一步分用成测量光束和信号光束。
下面将参照一个传感器单元11进行详细的描述。由五个分用器44A中的分用操作产生的信号光束被复用器45A复用成信号激光束，其被导向到差分光学检测器50A。通过五个分用器44A中的分用操作产生的测量光束被复用器46A复用成测量激光束，其通过光纤25A导向到传感器单元11的照射器。类似地，对于其它传感器单元12和13，红外激光束被分用器43...分用。分用后的激光束进一步被分用器44B...和44C...分用成信号光束和测量光束。信号光束被复用器45B和45C复用并且导向到差分光学检测器50B和50C，测量光束被复用器46B和46C复用并且导向到传感器单元12和13。
然后，从传感器单元11至13中的每个光纤25A、25B和25C发射出的测量红外激光束经由作为照射光通孔的传感器孔23施加到废气所经过的废气通孔21。红外激光束穿过作为废气通路的废气通孔21，通过光通孔38到达反射镜31，被向上反射离开下反射镜31，通过光通孔38到达反射镜31，并且向下反射离开上反射镜30。这种反射反复进行，使得透射光通过废气的传送长度增加。最终，红外激光束穿过传感器孔24，并且被每个检测器26A、26B和26C检测。即，测量红外激光束通过废气衰减，并且衰减的透射光被作为光检测器的检测器接收。然后测量透射光(测量光)的强度。
通过废气衰减并且到达光检测器的测量红外激光束从检测器26A、26B和26C输出为电信号，并且输出的电信号通过信号线28A、28B和28C供应到差分光学检测器50A、50B和50C。另一方面，信号激光束供应到差分光学检测器50A、50B和50C，然后每个差分光学检测器对多个波长分量中的每一个计算透射光(测量光)和信号光之间的差，并且检测吸收光谱，从所述吸收光谱检测透射光中特定气体成份的峰值波长。来自差分光学检测器的输出被输入到作为信号分析装置的个人电脑55。基于输入的吸收光谱中多个频带中每一个的峰值波长，个人电脑55计算、测量以及分析废气的相应成份的浓度、温度和压力。
此实施方式的废气分析装置10根据图6中所示的流程图通过处理如此获得的透射激光束的吸收光谱来分析废气。在步骤S1中，已经穿过废气的测量激光束和未穿过废气的信号激光束被输入到差分光学检测器以检测吸收光谱。然后，穿过废气的测量激光束的光强度I与未穿过废气的信号激光束的光强度I0的比值被用来计算废气的特定成份的浓度(步骤S2)。此计算通过使用上述方程(1)进行。
然后，对所计算的特征成份的气体浓度进行校正。首先，在步骤S3中，计算废气温度以进行温度相关的校正。即，步骤S1中所检测的吸收光谱中的两个特定波长之间的比值被用来计算和测量流动的废气的温度。废气温度的计算如下：如图7中所示，每种气体都具有其独特的吸收波段，其中呈现了大量的吸收线。图7示出在300K、800K以及1000K处的信号强度(＝分子数的比例)。由于信号强度这样随着温度变化，所以通过测量信号强度比，能够计算测量时的废气温度。
即，已知穿过废气的透射光强度随着废气的浓度、温度以及压力改变，但是两个特定波长处的透射光强度I之间的比值不受浓度和压力的影响，而是取决于温度。因此，能够使用上述方程(1)计算特定λ1和λ2处的H2O浓度C1和C2，并且这两个浓度值相同的事实可以用来计算上述用于计算浓度的方程中的温度。特别地，方程(1)中的吸收率k用吸收线强度S(T)和气体压力Pabs的积表示，即，k＝S(T)×Pabs。吸收线强度S(T)表示如下：S(T)＝α×(Na/RT)，其中α是吸收率截面积，Na是阿伏加德罗数(Avogadro number)，R是气体常数，T是温度。总是存在于废气中的H2O(水蒸汽)适于温度计算。在图7中，使用1379nm附近的波段作为调制范围进行测量，并且竖轴定义为使得透射光强度沿向下的方向增加。废气温度不是必需使用两个特定波长来计算，而是可以使用至少两个选定的波长计算。
然后，为了进行压力相关的校正，在图6的实线矩形中包围的步骤S4至S6中，计算废气压力。实线矩形中的步骤通常使用置于废气通路中的压力传感器执行以测量压力。但是，在此实施方式中，基于所检测的吸收光谱计算压力，而不使用压力传感器。因此配置得到简化，因为能够省去压力传感器，并且能够使用所计算的压力实时地校正浓度。总是存在于待测量废气通路中的H2O，即水蒸汽，优选地用作压力计算中使用的特定气体成份。
使用吸收光谱的压力计算通过使用H2O吸收光谱的最大值一半处的总宽度进行。即，如图8中所示，吸收光谱的形状随压力改变。特别地，随着压力变高，峰值部分降低并且形状变得更平。因此，通过最大值一半处的总宽度近似计算平度以计算压力。在步骤S4中，检测吸收光谱的宽度(最大值一半处的总宽度)。然后，在步骤S5中，基于在步骤S3中计算的废气温度校正吸收光谱的宽度。通过使用图9(a)中所示的校正曲线执行校正。为了进行校正，乘以与横轴上的温度相对应的线宽校正量。基于如此校正的光谱宽度，可以使用图9(b)中所示的图计算压力(步骤S6)。
在此实施方式中，因为根据吸收光谱的形状计算压力而不使用压力传感器，所以可以实时地获得废气的压力数据。然后，在步骤S7中，在步骤S3中所计算的温度数据被用来校正在步骤S2中所计算的浓度。在步骤S8中，在步骤S6中所计算的压力数据被用来进一步校正前述步骤中校正过的浓度。在实践中，步骤S8和S9中的校正操作同时进行。通过将用于确定理论光谱的理论方程中的温度和压力项替换为实际计算的温度和压力值来校正理论光谱。校正结果以及实际测量和检测的吸收光谱之间的关系能够被用来确定真实浓度。
特别地，将数字值代入下面方程(2)中的温度和压力项以校正理论光谱。即，已知通常从分子发射的光的光谱不是纯粹的线状光谱，而是加宽的光谱。这种加宽被分成三类：自发加宽、碰撞加宽以及多普勒加宽。自发加宽由分子能量的不确定性产生。碰撞加宽由分子与分子的碰撞产生的扰动的分子振动产生。多普勒加宽由分子移位和光之间的多普勒效应产生。
通过考虑三种加宽建立用于计算预定温度、压力和气体浓度处的理论光谱的方程，可以得到下面称为Voigt函数的方程(2)：
[公式1]
Figure A20068004732400191
其中Iλ是波长λ处的吸收量，λc是吸收线波长，Adsb是吸收线处的光吸收量，WL是压力加宽的最大值一半处的总宽度，并且Wg是温度加宽的最大值一半处的总宽度。
Adbs＝[1-exp(-α×N×L)]
其中α是吸收率，L是透射传送长度，N是分子数。
WL＝P×(294/T)a1，Wg＝b1×Ta2
其中T是温度，P是压力，a1、a2、b1是分子相关的系数。在步骤S7和S8中的浓度校正操作中，通过将方程(2)中的温度和压力项替换为在步骤S3中计算的温度和步骤S6中计算的压力来校正理论光谱。然后在步骤S9中输出浓度的真实值。
基于存储在个人电脑55的内存中的数据和方程执行根据上述流程图的计算和信号分析，并且校正计算值。结果被输出并且显示在附带的显示结果中。即，在废气的分析中，废气中的每种特定气体成份的真实气体浓度显示在个人电脑55的用于多个传感器单元11至14中每一个的显示结果中。如上所述，差分光学检测器50形成用于检测所接收的激光束的吸收光谱的检测装置，并且个人电脑55不仅形成用于计算废气浓度、根据吸收光谱计算废气温度以及根据吸收光谱计算废气压力的计算装置，而且形成用于校正所计算的气体浓度的校正装置。
虽然没有图示，但在图6中所示的流程图中，在步骤S4和S5之间可以插入对吸收光谱的宽度进行浓度相关的校正的步骤。在这种情况下，基于在步骤S2中所计算的H2O浓度，使用如图9(c)中所示的校正图来确定线宽校正量，并且用上面确定的校正量乘以在步骤S4中检测的吸收光谱的宽度以进行校正。此步骤也作为一系列计算的一部分在个人电脑55中执行。
下面将参照图10描述本发明的另一实施方式。图10说明了在检测时如何使用所检测的吸收光谱计算废气中特定成份的气体浓度。执行此实施方式以替代上述实施方式中所使用的流程图(图6)的步骤S4至S6中对压力的计算。即，废气的浓度通过如下方式计算：在步骤S1中检测吸收光谱，在步骤S2中根据从吸收光谱获得的吸收比计算浓度，在步骤S3中根据两个波长之间的比值计算废气温度，以及使用将参照图10描述的基于图案匹配的拟合方法。
为了使用这种方法计算压力，将(b)中所示的大量预先计算的理论光谱的形状与在步骤(1)中所检测的示于(a)中的吸收光谱的形状相比较，以确定最接近的近似光谱。然后基于此光谱确定浓度。在示出的示例中，在测量时，用于1％、0.9％、0.8％...、1000PPM、900PPM、800PPM...、200PPM、150PPM、100PPM、50PPM...的气体浓度的预先计算的理论光谱与所测量的吸收光谱的形状进行比较，从而选择具有最接近形状的理论光谱并且确定气体的浓度。气体浓度的这种计算引起分析时间增加的问题，但是，这种问题能够通过增加运算处理器的处理能力来解决。
本发明的另一实施方式将参照图11进行描述。图11说明如何通过使用所检测的吸收光谱校正气体浓度。在图11中，横轴表示波长，竖轴表示光强度。此实施方式的特征在于通过校正上述实施方式中所使用的流程图(图6)的步骤S2中计算的气体浓度来输出真实的浓度值。即，通过校正浓度输出真实浓度值的此实施方式包括以下步骤：替代执行步骤S7和S8，将步骤S1中检测的吸收光谱与由步骤S2中计算的浓度、步骤S3中计算的温度以及步骤S4至S6中计算的压力唯一确定的理论光谱进行比较而计算浓度校正值，以及通过使用所计算的校正值校正浓度。
在此实施方式中，如图(a)中所示，理论光谱S1叠加在吸收光谱S2上，并且首先计算理论光谱的积分(第一面积A)。然后，计算理论光谱S1的值大于吸收光谱S2的值的部分的积分(第二面积B)以及吸收光谱S2的值大于理论光谱S1的值的部分的积分(第三面积C)。基于如此计算的三个面积A、B和C，使用如下的方程(3)计算校正值x。即，
校正值x＝(第一面积A-第二面积B+第三面积C)/第一面积A...(3)因此，当第二面积B等于第三面积C时，校正值x变成“1”。
通过如此计算浓度校正值x并用校正值x乘以对应于上述理论光谱的面积A的气体浓度，可以获得真实气体浓度值。真实气体浓度值通过使用下面的方程(4)进行计算。即，
真实气体浓度值＝理论光谱S1的面积(第一面积A)×校正值x...(4)
在此实施方式中，因为根据理论光谱的形状计算的气体浓度通过基于理论光谱和吸收光谱的形状计算的校正值进行校正，所以基本上能够降低用于获取真实气体浓度值的计算时间。因此，能够迅速执行废气分析，其有助于发动机等的研制中的废气分析。这些计算操作在个人电脑55中执行。不像上述实施方式，在此实施方式中，因为气体浓度通过计算校正值校正而不执行图案匹配，所以可以提高计算速度，并且因此可以实时测量气体浓度。
虽然上面详细地描述了本发明的实施方式，但是本发明并不局限于此，而是可以在不偏离权利要求书中所阐述的本发明的精神的程度上做出各种设计变型。例如，虽然已经描述了废气任何成份的浓度计算的几个示例，包括通过使用方程(1)进行计算，通过确定吸收光谱的形状的面积计算，以及通过比较吸收光谱的形状和由温度、压力以及气体浓度唯一确定的理论光谱的形状并且执行图案匹配以确定气体浓度的计算，但是也可以使用其它方法计算气体浓度。
此外，虽然通过示例的方式示出了传感器单元的配置，但是其并不局限于上述的配置。例如，激光束照射器和激光束接收器可以置于气体通孔的相对侧上，并且激光束可以直接接收而不使用例如反射镜等反射构件。可替代地，可使用一个反射镜使来自照射器的激光束仅反射一次，然后接收反射光。
另外，反射镜上可形成有光催化剂层，该光催化剂层可以用例如氧化钛(TiO2)等制成的薄膜形成。薄膜用以吸收例如紫外线光等使光催化剂活化的光线，使得粘到表面的污染物浮起。然后，废气的流动带走浮起的污染物，并且从废气通路将其排出到外界。因此，反射镜的表面能够得到清洁，并且因从能够以优选的方式加强其反射性能。
工业实用性
作为本发明申请，废气分析装置能够用来分析来自例如锅炉等燃烧装置的废气，或者能够应用于来自用于船舶和发电机的内燃发动机的废气的分析以及来自汽车的废气的分析。另外，还可以分析来自柴油发动机的废气以及来自汽油发动机的废气。此外，废气分析装置能够应用于分析来自其它类型内燃发动机的废气。

Claims (7)

1.一种废气分析方法，包括：向内燃发动机排出的废气施加激光束；接收穿过所述废气的激光束；以及基于所接收的激光束测量所述废气中含有的任何成份的浓度，所述废气分析方法的特征在于
所述方法进一步包括：使用所接收的激光束检测所述废气中吸收的激光束的吸收光谱；使用所述吸收光谱计算所述废气中含有的所述成份的浓度、废气温度以及废气压力；以及使用所述废气温度和所述废气压力校正所述废气中含有的所述成份的浓度。
2.一种废气分析方法，包括：向内燃发动机排出的废气施加激光束；接收穿过所述废气的激光束；以及基于所接收的激光束测量所述废气中含有的任何成份的浓度，所述废气分析方法的特征在于所述方法进一步包括：
使用所接收的激光束检测所述废气中吸收的激光束的吸收光谱；
使用所述吸收光谱计算所述废气中含有的所述成份的浓度、废气温度以及废气压力；
计算浓度校正值，所述浓度校正值的计算不仅基于通过已经由所述吸收光谱计算出的所述废气温度、所述废气压力以及所述废气中含有的所述成份的浓度来确定的理论光谱，而且基于所检测的吸收光谱；以及
使用所述校正值校正所计算出的所述废气中含有的所述成份的浓度。
3.如权利要求1或2所述的废气分析方法，其特征在于计算所述废气中含有的所述成份的浓度包括：准备通过改变待分析废气的特定成份的理论光谱而获得的多个光谱图案，所述理论光谱的改变是根据所述成份的浓度进行的；以及根据最接近的近似光谱图案的废气浓度计算所述浓度。
4.如权利要求1或2所述的废气分析方法，其特征在于根据从H2O的吸收光谱选择的至少两个波长处的透射光强度之间的比值来计算所述废气温度。
5.如权利要求1或2所述的废气分析方法，其特征在于基于H2O的吸收光谱中峰值波长处的光谱宽度来计算所述废气压力。
6.一种废气分析装置，其向内燃发动机排出的废气施加激光束发生装置中产生的激光束；接收穿过所述废气的激光束；并且基于所接收的激光束测量所述废气中含有的任何成份的浓度，所述废气分析装置的特征在于所述装置包括：
检测装置，其用于使用所接收的激光束检测所述废气中吸收的激光束的吸收光谱；
计算装置，其用于使用所述吸收光谱计算所述废气中含有的所述成份的浓度、废气温度以及废气压力；以及
校正装置，其用于使用所述计算出的废气温度和废气压力校正计算出的所述废气中含有的所述成份的浓度。
7.一种废气分析装置，其向内燃发动机排出的废气施加激光束发生装置中产生的激光束；接收穿过所述废气的激光束；并且基于所接收的激光束测量所述废气中含有的任何成份的浓度，所述废气分析装置的特征在于所述装置包括：
检测装置，其用于使用所接收的激光束检测所述废气中吸收的激光束的吸收光谱；
计算装置，其用于使用所述吸收光谱计算所述废气中含有的所述成份的浓度、废气温度以及废气压力，所述计算装置进一步计算浓度校正值，所述浓度校正值的计算不仅基于通过所计算出的废气温度、废气压力和所述废气中含有的所述成份的浓度来确定的理论光谱，而且基于所检测的吸收光谱；以及
校正装置，其用于使用所述校正值校正所计算出的所述废气中含有的所述成份的浓度。
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