CN108120693A

CN108120693A - 气体分析装置和气体分析方法

Info

Publication number: CN108120693A
Application number: CN201711127904.0A
Authority: CN
Inventors: 横田佳洋
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2018-06-05
Also published as: US20180149586A1; JP2018091827A; JP6951167B2; US10274422B2; EP3327423A1

Abstract

本发明提供气体分析装置和气体分析方法，即使在作为共存成分的第二气体成分的浓度时刻变动的情况下也能实时地修正第二气体对第一气体的影响。所述气体分析装置包括：第一气体分析部(2)，测量试样气体所含的第一气体成分的浓度；第二气体分析部(3)，测量所述试样气体所含的第二气体成分的浓度；修正系数存储部(41)，存储用于修正第二气体对第一气体的影响的修正系数；以及浓度修正部(43)，根据修正系数、用于第一气体分析部(2)的校准的校准气体的第二气体成分的浓度和通过第二气体分析部(3)得到的第二气体成分的浓度，修正通过第一气体分析部(2)得到的第一气体成分的浓度。

Description

气体分析装置和气体分析方法

技术领域

本发明涉及能修正气体的共存影响和干扰影响等影响的气体分析装置和气体分析方法。

背景技术

作为对例如内燃机的排气等试样气体所含的测量对象成分的浓度进行测量的气体分析装置，有使用红外吸收法的装置。

在使用所述红外吸收法对测量对象成分(例如一氧化碳(CO))的浓度进行测量的情况下，与所述测量对象成分一起共存在试样气体中的其它气体成分(例如二氧化碳(CO₂))会施加共存影响已被公众所知。

测量对象成分的红外线的吸收光谱由于共存成分的分子间相互作用而发生波数移动，其线的宽度变宽，因此变化为宽幅的形状(展宽现象)，由此产生所述共存影响。

以往，作为将所述共存影响除去的气体分析装置，有专利文献1所示的气体分析装置。该气体分析装置在校准时，使用实际试样中的共存成分的平均浓度决定灵敏度调整系数来进行校准。

可是，该气体分析装置在校准时，由于使用实际试样中的共存成分的平均浓度决定灵敏度调整系数来进行校准，所以在对共存成分的浓度与校准时不同的气体进行测量的情况下，会产生共存影响导致的误差。此外，在共存成分浓度时刻变化的测量中，也不能正确地排除共存成分的共存影响。

现有技术文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2000-356589号

发明内容

本发明是用于解决所述的问题而做出的发明，本发明的目的在于提供气体分析装置和气体分析方法，即使在作为共存成分的第二气体成分的浓度变动的情况下也能够实时地高精度地修正第二气体成分对第一气体成分的影响。

即，本发明的气体分析装置，其包括：第一气体分析部，测量试样气体所含的第一气体成分的浓度；第二气体分析部，测量所述试样气体所含的第二气体成分的浓度；修正系数存储部，存储用于修正所述第二气体对所述第一气体的影响的修正系数；以及浓度修正部，根据所述修正系数、用于所述第一气体分析部的校准的校准气体的第二气体成分的浓度以及通过所述第二气体分析部得到的第二气体成分的浓度，对通过所述第一气体分析部得到的第一气体成分的浓度进行修正。

此外，本发明的气体分析方法，其使用第一气体分析部和第二气体分析部，所述第一气体分析部测量试样气体所含的第一气体成分的浓度，所述第二气体分析部测量所述试样气体所含的第二气体成分的浓度，根据用于修正所述第二气体对所述第一气体的影响的修正系数、用于所述第一气体分析部的校准的校准气体的第二气体成分的浓度以及通过所述第二气体分析部得到的第二气体成分的浓度，对通过所述第一气体分析部得到的第一气体成分的浓度进行修正。

按照所述的构成，由于根据修正系数、用于第一气体分析部的校准的校准气体的第二气体成分的浓度以及通过第二气体分析部得到的第二气体成分的浓度，对通过第一气体分析部得到的第一气体成分的浓度进行修正，所以即使在作为共存成分的第二气体成分的浓度变动的情况下，也能够实时地高精度地修正第二气体成分对第一气体成分的影响。此外，即使在作为第一气体分析部的校准气体使用了至少包含第一气体成分和第二气体成分的混合气体的情况下，也能够实时地高精度地修正第二气体成分对第一气体成分的影响。

作为气体分析装置的修正的具体实施方式，可以考虑所述浓度修正部根据所述修正系数、以及所述校准气体的第二气体成分的浓度与通过所述第二气体分析部得到的第二气体成分的浓度的差，对所述第一气体成分的浓度进行修正。

作为气体分析装置的修正的具体实施方式，优选的是，气体分析装置还包括修正系数变更部，所述修正系数变更部根据用于所述第一气体分析部的校准的校准气体的第二气体成分的浓度，变更所述修正系数，所述浓度修正部使用通过所述修正系数变更部变更了的变更后的修正系数和通过所述第二气体分析部得到的第二气体成分的浓度，对通过所述第一气体分析部得到的第一气体成分的浓度进行修正。

优选的是，所述修正系数表示第二气体成分的浓度与该第二气体成分的浓度下的第一气体成分的浓度的相对误差的关系，所述修正系数变更部根据在所述修正系数中使所述第一气体成分的浓度的相对误差成为零的第二气体成分的浓度与用于所述第一气体分析部的校准的校准气体的第二气体成分的浓度的差，变更所述修正系数。

作为修正系数变更部的具体变更方法，可以考虑所述修正系数变更部以使所述第一气体成分的浓度的相对误差成为零的第二气体成分的浓度变成所述校准气体的第二气体成分的浓度的方式，移动所述修正系数。

优选的是，所述第一气体分析部和所述第二气体分析部，具有使用了NDIR法的检测器。特别是，在第一气体分析部和第二气体分析部由具有单个池的一个NDIR检测器构成的情况下，用于确定池长所能够使用的波长受到限制，容易受到共存影响等的影响。在这种结构的情况下，本发明的效果变得显著。

在试样气体中的测量对象成分为一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)的情况下，二氧化碳(CO₂)对一氧化碳(CO)的共存影响成为测量误差。在该情况下，所述第一气体成分是一氧化碳(CO)，所述第二气体成分是二氧化碳(CO₂)。

按照这样构成的本发明，即使在作为共存成分的第二气体成分的浓度时刻变动的情况下也能够实时地修正第二气体成分对第一气体成分的影响。

附图说明

图1是表示本实施方式的气体分析装置的结构的示意图。

图2是同实施方式的计算装置的功能结构图。

图3是表示同实施方式的变更前后的作为修正系数的关系式的图。

图4是表示同实施方式的修正前后的CO浓度的相对误差的图。

附图标记说明

100 气体分析装置

2 第一气体分析部

3 第二气体分析部

4 计算装置

41 修正系数存储部

42 修正系数变更部

43 浓度修正部

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的气体分析装置的一个实施方式。

<装置结构>

本实施方式的气体分析装置100对例如从发动机等排气源排出的排气所含的多个气体成分进行分析。在本实施方式中，使用对多成分气体同时进行测量的非分散红外吸收法(NDIR法)，所述多成分气体包含发动机排气所含的作为第一气体成分的一氧化碳(CO)和作为第二气体成分的二氧化碳(CO₂)。气体分析装置100也可以不是同时测量多成分气体的装置，也可以使用NDIR法以外的例如FTIR法等光吸收法。

另外，在NDIR法中，作为第二气体成分的CO₂对作为第一气体成分的CO施加共存影响。即，作为第一气体成分的CO的红外线的吸收光谱，由于CO₂的分子间相互作用而发生波数移动，由此在所述吸收光谱产生展宽。

具体地说，如图1所示，所述气体分析装置100包括：第一气体分析部2，连续测量发动机排气所含的CO的浓度；第二气体分析部3，连续测量发动机排气所含的CO₂的浓度；以及计算装置4，获得来自第一气体分析部2和第二气体分析部3各分析部的输出并计算发动机排气所含的CO的浓度和CO₂的浓度。

第一气体分析部2和第二气体分析部3具有NDIR检测器，使用共通的单个池(cell)构成。具体地说，所述的第一分析部2和第二分析部3包括：测量池10，导入导出发动机排气；红外线照射部11，向所述测量池10照射红外光，例如为红外光源等；以及红外线检测器12，检测通过了测量池10的红外线。

本实施方式的红外线检测器12是集电型红外检测器，具有CO测量用的检测器12a和CO₂测量用的检测器12b，此外还具有碳氢化合物(HC)测量用的检测器12c和比较信号用的检测器12d。在各检测器12a～12d和测量池10之间设置有滤光器13a～13d，各滤光器13a～13d各自的透过特性不同，与CO、CO₂、HC的吸收波长和不吸收它们的参照用波长分别对应。另外，作为红外线检测器12，除了集电型红外检测器以外，也可以采用气动型红外检测器、使用了硒化铅的检测器或热电堆型检测器等。

计算装置4是包括CPU、存储器、输入输出接口、AD转换器等的专用或通用的计算机，按照存储在存储器中的分析程序，计算CO浓度、CO₂浓度和HC浓度。

具体地说，计算装置4获得来自构成第一气体分析部2和第二气体分析部3的红外线检测器12的输出信号(光强度信号)，使用从各检测器12a～12d的光强度信号得到的吸收光谱，计算CO浓度、CO₂浓度和HC浓度。

此外，所述计算装置4具有对作为第二气体成分的CO₂对作为第一气体成分的CO的共存影响进行修正的功能，按照存储在存储器中的分析程序，如图2所示发挥浓度计算部40、修正系数存储部41、修正系数变更部42和浓度修正部43等的功能。

浓度计算部40使用从各检测器12a～12d的光强度信号得到的吸收光谱，计算CO浓度、CO₂浓度和HC浓度。

修正系数存储部41存储用于修正第二气体成分对第一气体成分的共存影响的修正系数。表示所述修正系数的修正系数数据，在产品出厂前和产品运转前预先输入修正系数存储部41。

在此，如图3所示，修正系数表示CO₂浓度与该CO₂浓度下的CO浓度的相对误差的关系。作为修正系数的保存形式，可以是表示所述关系的函数形式，也可以是查找表等表形式。

此外，CO₂浓度下的CO浓度的相对误差，如下式所示，是相对于没有CO₂的共存影响情况下的CO浓度(准确的值)的误差的比例。所述误差用没有CO₂的共存影响情况下的CO浓度与存在CO₂的共存影响情况下的CO浓度的差来表示。

相对误差＝((CO浓度__{存在共存影响}－CO浓度__{没有共存影响})/CO浓度__{没有共存影响})×100％

修正系数变更部42根据用于第一气体分析部2的校准的校准气体的第二气体成分的浓度，变更修正系数。另外，本实施方式的包括第一气体分析部2的红外线检测器12，使用浓度已知的CO和浓度已知的CO₂的混合气体作为校准气体进行校准。此外，用于第一气体分析部2的校准的校准气体的第二气体成分的浓度的数据，存储在修正系数存储部41或其它数据存储部中。

例如，修正系数在CO₂浓度为零时CO浓度的相对误差成为零的情况下，修正系数变更部42将用于第一气体分析部2的校准的校准气体的CO₂浓度作为参数，如下所述地变更修正系数。

当将浓度已知的CO和浓度已知(例如10％vol)的CO₂的混合气体作为校准气体用于第一气体分析部2的校准的情况下，对于CO₂的已知浓度(10％vol)，以使相对误差变成零的方式进行校准。因此，修正系数变更部42对于修正系数，根据CO浓度的相对误差成为零的CO₂浓度(0％vol)与用于第一气体分析部2的校准的校准气体的CO₂浓度(10％vol)的差，变更修正系数。即，修正系数变更部42对于用于校准的校准气体的CO₂浓度，以使CO浓度的相对误差变成零的方式移动修正系数来进行变更(参照图3)。另外，用于变更修正系数的、相对误差成为零的CO₂浓度(0％vol)，也可以是相对误差处于规定范围内的CO₂浓度(0％vol)。所述规定范围是用户选择的值。

例如，在变更前的修正系数中，在当CO₂浓度为0％vol时CO的相对误差为0％、当CO₂浓度为10％vol时，CO的相对误差为2.65％的情况下，在变更后的修正系数中，当CO₂浓度为0％vol时CO的相对误差为-2.65％，当CO₂浓度为10％vol时CO的相对误差成为0％。

浓度修正部43使用通过修正系数变更部42变更了的变更后的修正系数和使用来自第二气体分析部3的光强度信号由浓度计算部40计算出的CO₂浓度，对使用来自第一气体分析部2的光强度信号由浓度计算部40计算出的CO浓度进行修正。

具体地说，计算装置4基于修正系数变更部42和浓度修正部43的功能，按照以下的计算式修正CO浓度。

C(CO)_corr＝C(CO)/(1+f(C(CO₂)))

在此，f(C(CO₂))是表示CO浓度的相对误差的函数(修正后的修正系数)，

f(C(CO₂))＝K₁×C(CO₂)×C(CO₂)+K₂×C(CO₂)－{K₁×C(CO₂_span)×C(CO₂_span)+K₂×C(CO₂_span)}

C(CO)_corr：修正后的实测时的CO浓度[％vol]

C(CO)：修正前的实测时的CO浓度[％vol]

C(CO₂)：实测时的CO₂浓度[％vol]

C(CO₂_span)：对CO计进行量程校准时的共存CO₂浓度[％vol]

K₁，K₂：通过实验求出的系数(在本实施方式中，是将CO₂浓度与CO浓度的相对误差的关系进行二次曲线拟合的情况下的系数。)

在图4中表示了将CO₂浓度为14％vol的混合气体作为校准气体进行NDIR检测器的量程校准时的修正前后的CO浓度的相对误差。

从图4可知，通过进行本实施方式的共存影响修正，被修正为修正后的CO浓度的相对误差落在±1％的范围内。

<本实施方式的效果>

按照如上所述构成的本实施方式的气体分析装置100，由于根据通过修正系数变更部42变更了的变更后的修正系数和通过第二气体分析部3得到的实测时的CO₂浓度，对通过第一气体分析部2得到的CO浓度进行修正，所以即使在作为共存成分的CO₂的浓度变动的情况下，也能够实时地高精度地修正CO₂对CO的共存影响。另外，在使用红外线检测器12的情况下，尽管也能想到由于CO₂的吸收光谱与CO的吸收光谱重叠而产生的干扰影响，但是所述干扰影响比所述共存影响小。为了进一步高精度地测量CO浓度，在本实施方式的基础上，也可以进一步修正CO₂对CO的干扰影响。关于干扰影响的修正，可以通过在修正系数存储部41中存储干扰影响修正用的修正系数，并使用和共存影响同样的方法进行修正。

<其它实施方式>

另外，本发明不限于所述实施方式。

例如，在所述实施方式中，计算装置4具有修正系数变更部42，通过所述修正系数变更部42变更修正系数，但是也可以无需变更修正系数而采用下述方式：浓度修正部43将修正系数的第一气体成分的浓度的相对误差成为零的第二气体成分的浓度与用于第一气体分析部2的校准的校准气体的第二气体成分的浓度的差作为参数，修正第一气体成分的浓度。即，在浓度修正部43中，可以根据未变更的修正系数和通过第二气体分析部3得到的第二气体成分的浓度，对通过第一气体分析部2得到的第一气体成分的浓度进行修正，并根据修正系数的第一气体成分的浓度的相对误差成为零的第二气体成分的浓度与用于第一气体分析部2的校准的校准气体的第二气体成分的浓度的差，进一步修正所述的修正后的第一气体成分的浓度。

例如，在通过第一气体分析部2得到的第一气体成分的浓度为5％vol、通过第二气体分析部3得到的第二气体成分的浓度为6％vol的情况下，浓度修正部43使用修正系数(例如所述实施方式的变更前的修正系数)，求出相对误差。在该情况下，相对误差约为+2％。此外，浓度修正部使用所述相对误差(约2％)，修正第一气体成分的浓度(5％vol)。随后，浓度修正部43使用根据修正系数的第一气体成分的浓度的相对误差成为零的第二气体成分的浓度(0％vol)与用于第一气体分析部2的校准的校准气体的第二气体成分的浓度(例如10％vol)的差(10％vol)将修正系数移动了的情况下的相对误差的变化部分(移动量：-2.65％)，对修正后的第一气体成分的浓度(约4.9％vol)进一步修正。在该情况下，进一步修正了的修正后的第一气体成分的浓度，成为约5.37％vol。

此外，在所述实施方式中，是分析发动机排气，但是此外，也可以分析环境气体等试样气体。

此外，在所述实施方式中，第一气体分析部2和第二气体分析部3使用单个池构成，但是第一气体分析部2和第二气体分析部3也可以分别构成为单成分计。

此外，在所述实施方式中，关于2成分(CO，CO₂)，修正了CO₂对CO的共存影响，但是也可以修正CO对CO₂的共存影响，还可以修正关于其它2成分(例如从CO₂、H₂O、HC、NO、SO₂等选择的2成分)的共存影响，还可以修正关于3成分以上(从CO、CO₂、H₂O、HC、NO、SO₂等选择的3成分以上)的共存影响。

此外，所述实施方式的修正系数，是在CO₂浓度为0％vol时使CO的相对误差成为0％的修正系数，但是也可以是在其它CO₂浓度时使CO的相对误差成为0％的修正系数。

此外，也可以采用下述方式：不求出通过修正系数变更部变更了的修正后的修正系数，而在修正系数存储部41中预先存储根据校准气体的第二气体成分的浓度预先移动了的修正系数，浓度修正部使用存储在所述修正系数存储部41中的变更后的修正系数。

可以将所述气体分析装置装载在车辆上，构成用于分析从行驶中的车辆的排气管排出的排气的车辆装载型装置。在所述车辆装载型的气体分析装置中也将浓度已知的CO、CO₂、丙烷等的混合气体作为校准气体使用来进行校准。此外，气体分析装置也可以具有水分计，使用通过所述水分计得到的H₂O浓度修正CO浓度和CO₂浓度。

在所述实施方式中，是修正CO₂对CO的共存影响，但是取代共存影响的修正，也可以修正干扰影响。干扰影响修正也可以通过在修正系数存储部41中存储干扰影响修正用的修正系数，使用和共存影响同样的方法来进行修正。

此外，本发明不限于所述实施方式，在不脱离本发明技术思想的范围内可以进行各种变形。

可以相互组合本发明的各个实施方式(实施例)中所记载的技术特征形成新的技术方案。

Claims

1.一种气体分析装置，其特征在于，

所述气体分析装置包括：

第一气体分析部，测量试样气体所含的第一气体成分的浓度；

第二气体分析部，测量所述试样气体所含的第二气体成分的浓度；

修正系数存储部，存储用于修正所述第二气体对所述第一气体的影响的修正系数；以及

浓度修正部，根据所述修正系数、用于所述第一气体分析部的校准的校准气体的第二气体成分的浓度以及通过所述第二气体分析部得到的第二气体成分的浓度，对通过所述第一气体分析部得到的第一气体成分的浓度进行修正。

2.根据权利要求1所述的气体分析装置，其特征在于，所述浓度修正部根据所述修正系数、以及所述校准气体的第二气体成分的浓度与通过所述第二气体分析部得到的第二气体成分的浓度的差，对所述第一气体成分的浓度进行修正。

3.根据权利要求1所述的气体分析装置，其特征在于，

所述修正系数表示第二气体成分的浓度与该第二气体成分的浓度下的第一气体成分的浓度的相对误差的关系，

所述气体分析装置还包括修正系数变更部，所述修正系数变更部以使所述第一气体成分的浓度的相对误差成为零的第二气体成分的浓度变成所述校准气体的第二气体成分的浓度的方式，移动并变更所述修正系数，

所述浓度修正部使用通过所述修正系数变更部变更了的变更后的修正系数和通过所述第二气体分析部得到的第二气体成分的浓度，对通过所述第一气体分析部得到的第一气体成分的浓度进行修正。

4.根据权利要求1所述的气体分析装置，其特征在于，使用至少包含所述第一气体成分和所述第二气体成分的混合气体对所述第一气体分析部进行校准。

5.根据权利要求1所述的气体分析装置，其特征在于，所述第一气体分析部和所述第二气体分析部具有使用了NDIR法的检测器。

6.根据权利要求1所述的气体分析装置，其特征在于，

所述第一气体成分或所述第二气体成分的一方是一氧化碳(CO)，

所述第一气体成分或所述第二气体成分的另一方是二氧化碳(CO₂)。

7.根据权利要求1所述的气体分析装置，其特征在于，所述试样气体是从内燃机排出的排气。

8.一种气体分析方法，其使用第一气体分析部和第二气体分析部，所述第一气体分析部测量试样气体所含的第一气体成分的浓度，所述第二气体分析部测量所述试样气体所含的第二气体成分的浓度，

所述气体分析方法的特征在于，

根据用于修正所述第二气体对所述第一气体的影响的修正系数、用于所述第一气体分析部的校准的校准气体的第二气体成分的浓度以及通过所述第二气体分析部得到的第二气体成分的浓度，对通过所述第一气体分析部得到的第一气体成分的浓度进行修正。