CN108226542A - 流体分析装置和流体分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供流体分析装置和流体分析方法，通过调节流入分析部的测量对象成分的分子数，实现降低导入通道的污染、电路基板的小型化和提高测量精度，所述流体分析装置包括：检测器(2)，用于测量流体所包含的测量对象成分的浓度；导入通道(3)，与检测器(2)连接，将流体导入检测器(2)；以及流量切换机构(4)，根据测量对象成分的浓度，切换导入检测器(2)的流量。

Description

流体分析装置和流体分析方法
技术领域
本发明涉及对例如从内燃机排出的排气所包含的成分的浓度进行分析的流体分析装置和流体分析方法。
背景技术
作为对例如从内燃机排出的排气所包含的碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOX)的浓度进行分析的装置，有使用氢火焰离子化分析法(FID)和化学发光分析法(CLD)的装置。
在像FID和CLD等那样所要求的测量对象成分的浓度的测量范围大的情况下，与其对应，在放大从检测器输出的模拟信号的放大器中，切换其放大率。例如，在测量对象成分为高浓度的情况下使用小的放大率，而在低浓度的情况下使用大的放大率。此外，由于在测量高浓度的测量对象成分的情况下，存在从检测器输出的模拟信号和浓度的直线性会失去的倾向，所以需要具有高次的校正曲线系数。
但是，在测量高浓度的测量对象成分的情况下，虽然可以考虑采用所述的应对方式，但是存在以下问题。
即，有时大量的测量对象成分(分子)流入检测器，导致去往检测器的导入通道产生污染而使背景上升。此外，需要使放大器具有多种放大率，从而成为妨碍电路基板小型化的弊病之一。此外，测量对象成分的浓度越高，越容易使从检测器输出的模拟信号和浓度的直线性失去，需要利用高次的校正曲线系数来确保直线性。
现有技术文献
专利文献1：日本专利公开公报特开平11-64339号
发明内容
本发明是用于解决所述的问题而做出的发明，本发明的主要目的在于通过调节流入检测器的测量对象成分的分子数，实现降低去往检测器的导入通道的污染、电路基板的小型化和提高测量精度。
即，本发明提供一种流体分析装置，其包括：检测器，用于测量流体所包含的测量对象成分的浓度；导入通道，与所述检测器连接，将所述流体导入所述检测器；以及流量切换机构，根据所述测量对象成分的浓度，切换导入所述检测器的流量。
按照所述的流体分析装置，由于根据测量对象成分的浓度，切换导入检测器的流量，所以能够起到以下的效果。
(1)通过以使流入检测器的流体所包含的测量对象成分的分子数变小的方式调节流量，能够防止因高浓度的测量对象成分产生的导入通道的污染。通过防止导入通道的污染，能够抑制背景上升。
(2)调节流入检测器的测量对象成分的分子数，可以使通过检测器得到的检测信号进入规定的范围。由此，能够使放大该检测信号的放大器的放大率的范围变小(优选为一个)，从而能够使电路基板小型化。
(3)由于能够使通过检测器得到的检测信号进入规定的范围，所以能够在确保了直线性的区域内进行浓度计算，从而能够从低浓度区域到高浓度区域高精度地进行测量。此外，能够扩大浓度测量范围。
(4)另外，由于可以不需要用于切换放大率的切换电路，所以不需要考虑放大率切换时起因于切换电路的噪声。此外，将流体分析装置应用于车辆搭载型排气分析装置时，在具有所述切换电路的装置中，因行驶时的振动在切换电路中产生噪声，但是在本发明中，由于不需要所述切换电路，所以不需要考虑因行驶时的振动在切换电路中产生的噪声。
作为导入通道和流量切换机构的具体实施方式，优选的是，所述导入通道具有第一导入通道和第二导入通道，所述流量切换机构包括：第一流量调节部，设置在所述第一导入通道上，将所述流体的流量调节为第一流量；第二流量调节部，设置在所述第二导入通道上，将所述流体的流量调节为比所述第一流量大的第二流量；流道切换部，在所述第一导入通道和所述第二导入通道之间切换与所述检测器连接的流道；以及切换控制部，对通过所述检测器得到的浓度与规定的阈值进行比较，控制所述流道切换部。
按照该结构，可以仅通过切换流道就能在第一流量和第二流量之间进行切换。此外，通过在测量对象成分为高浓度的情况下使流量成为第一流量，在测量对象成分为低浓度的情况下使流量成为第二流量，可以使流入检测器的测量对象成分的分子数的变化尽可能地进入窄的范围内。
另外，作为其它流量切换机构，可以考虑在导入通道上设置像质量流量控制器等这样地连续地切换流量的设备。
按照该结构，与切换所述流道的情况相比，可以使流入检测器的测量对象成分的分子数的变化进入更窄的范围内。另外，从质量流量控制器的控制响应速度和此后的浓度换算的简单化的观点出发，优选的是如上所述地切换流道的结构。
为了使电路基板小型化，优选的是，流体分析装置还包括放大器，所述放大器以被固定了的固定放大率放大通过所述检测器得到的检测信号。
优选的是，流体分析装置还包括计算部，所述计算部通过与所述流体的流量对应的浓度换算对由所述放大器放大了的输出信号进行计算，由此计算所述浓度。具体地说，计算部可以具有与流体的流量分别对应的浓度换算式，基于从流量切换机构取得的流量数据，选择浓度换算式，并且利用该选择的浓度换算式，计算测量对象成分的浓度。
为了降低用于计算部的浓度计算的输出信号所包含的噪声成分，可以对所述输出信号进行移动平均。在此，作为小流量的第一流量时的一方，置换时间(信号的上升时间)变长。由此，产生如下问题：在以相同的平均化时间对第一流量时的输出信号和第二流量时的输出信号进行移动平均的情况下，第一流量时的响应时间变长。
为了良好地解决该问题而使两者的响应时间一致，可以使所述第二导入通道一方的检测响应比所述第一导入通道一方的检测响应慢。特别优选的是，所述计算部使在所述第一流量中得到的输出信号的平均化时间比在所述第二流量中得到的输出信号的平均化时间短。
此外，本发明的流体分析方法，其使用流体分析装置，所述流体分析装置包括：检测器，用于测量流体所包含的测量对象成分的浓度；以及导入通道，与所述检测器连接，将所述流体导入检测器，所述流体分析方法根据通过所述检测器得到的浓度，切换导入所述检测器的流量。
按照如上所述构成的本发明，由于根据通过检测器得到的浓度，切换导入检测器的流量，所以通过调节流入检测器的测量对象成分的分子数，能够实现降低去往检测器的导入通道的污染、电路基板的小型化和提高测量精度。
附图说明
图1是表示本实施方式的流体分析装置的结构的示意图。
图2是表示同一实施方式的流体分析装置的动作流程的图。
图3是表示变形实施方式的流体分析装置的结构的示意图。
图4是表示计算部的信号处理的变形例的图。
图5是将本发明的流体分析装置作为车辆搭载型时的示意图。
图6是表示车辆搭载型流体分析装置的结构的示意图。
附图标记说明
100 流体分析装置(气体分析装置)
2 检测器
3 导入通道
3a 第一导入通道
3b 第二导入通道
4 流量切换机构
41 第一流量调节部
42 第二流量调节部
43 流道切换部
44 切换控制部
5 放大部
6 A/D转换部
7 计算部
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的流体分析装置的一种实施方式进行说明。
<装置结构>
本实施方式的流体分析装置100是排气分析装置，测量例如从内燃机E排出的排气所包含的成分的浓度。另外，本实施方式的流体分析装置100是直接取样方式的装置，不对采集到的排气进行稀释而直接进行浓度测量。
具体地说，如图1所示，所述流体分析装置100包括：检测器2，用于测量排气所包含的测量对象成分的浓度；导入通道3，与所述检测器2连接，将排气导入检测器2；以及流量切换机构4，根据测量对象成分的浓度，切换导入检测器2的流量。
在排气所包含的测量对象成分是碳氢化合物(HC)的情况下，检测器2可以使用采用对总碳氢化合物(THC)的浓度进行测量的氢火焰离子化分析法(FID)的FID检测器，在排气所包含的测量对象成分是氮氧化物(NOX(＝NO+NO2))的情况下，可以使用采用对氮化合物的浓度进行测量的化学发光分析法(CLD)的CLD检测器。此外，检测器2可以是与测量对象成分对应使用各种分析法的检测器，例如，可以使用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)和非分散型红外分析仪(NDIR)等。此外，FTIR和NDIR的光源可以使用量子级联激光(QCL)。
通过所述检测器2得到的检测信号(电流信号或电压信号(模拟信号))向放大器5输出。所述放大器5使用运算放大器，以被固定的固定放大率对所述检测信号进行放大。
此外，由放大器5放大了的输出信号(模拟信号)向A/D转换器6输出，通过A/D转换器6转换为数字信号。所述数字信号向计算部7输出，通过计算部7换算为浓度。
导入通道3的一端设置于排气流动的排气管(尾气管)E1，另一端与检测器2连接。另外，导入通道3的一端设置于排气管E1是指导入通道3的一端设置在排气管E1的排出口附近或其内部，并且设置在能够对排气进行采集的位置上。
具体地说，导入通道3包括：取样口31，设置于一端，对排气进行采集；以及抽吸泵32，设置在所述取样口31的下游。此外，在导入通道3上设置有防尘过滤器33、34和压力调节阀35等。另外，图1中表示了防尘过滤器33设置于取样口31的情况，但是并不限于此。
此外，导入通道3具有从防尘过滤器34的下游分路的第一导入通道3a和第二导入通道3b。所述第一导入通道3a和第二导入通道3b在下游合流，在所述合流点的下游与检测器2连接。
流量切换机构4阶段性(本实施方式中为两阶段)地切换导入检测器2的排气的流量。
具体地说，流量切换机构4包括：第一流量调节部41，设置在第一导入通道3a上，将排气的流量调节为第一流量Q1；第二流量调节部42，设置在第二导入通道3b上，将排气的流量调节成比第一流量Q1更大的第二流量Q2(>Q1)；流道切换部43，在第一导入通道3a和第二导入通道3b之间切换与检测器2连接的流道；以及切换控制部44，对排气所包含的测量对象成分的浓度与规定的阈值进行比较，控制流道切换部43。在此，通过切换控制部44与规定的阈值进行比较的测量对象成分的浓度不仅可以是浓度值，也可以是检测器2的检测信号(电流信号或电压信号(模拟信号))、由放大部5放大了的信号、以及来自A/D转换器6的数字信号等与浓度关联的值。
第一流量调节部41和第二流量调节部42使用例如毛细管或节流孔等恒定流量器构成。在本实施方式中，例如第一流量调节部41调节为10cc/min的固定流量，第二流量调节部42调节为100cc/min的固定流量。
流道切换部43包括：第一开关阀431，设置在第一导入通道3a的第一流量调节部41的下游；以及第二开关阀432，设置在第二导入通道3b的第二流量调节部42的下游。所述第一开关阀431和第二开关阀432是电磁阀，根据来自切换控制部44的控制信号进行开关控制。另外，流道切换部43可以通过三通电磁阀使第一导入通道3a和第二导入通道3b合流，并且控制该三通电磁阀来切换流道。
切换控制部44对通过计算部7得到的测量对象成分的浓度与规定的阈值(例如1000ppm)进行比较，当浓度为阈值以上时，使第一开关阀431打开，使第二开关阀432关闭，将排气从第一导入通道3a导入检测器2。另一方面，当浓度小于阈值时，切换控制部44使第一开关阀431关闭，使第二开关阀432打开，将排气从第二导入通道3b导入检测器2。另外，可以基于测量对象成分的浓度和导入检测器2的流量的关系(即测量对象成分的分子量)，任意确定规定的阈值。在此，例如通过使所述规定的阈值为低浓度侧，能够提高低浓度侧的分辨率并能高精度地进行测量。另外，切换控制部44可以对从检测器2输出的电压信号或电流信号、或者从放大部5输出的输出信号和与其对应的阈值进行比较，控制第一开关阀431和第二开关阀432的开闭，切换第一导入通道3a和第二导入通道3b。
此外，在本实施方式中，以使由放大部5放大时的电压信号成为0～1V的方式设定将排气从第一导入通道3a导入检测器2时从检测器2得到的检测信号、以及将排气从第二导入通道3b导入检测器2时从检测器2得到的检测信号。即，以使输入A/D转换部6的模拟信号(来自放大部5的输出信号)成为0～1V的方式进行设定。
此外，在本实施方式中，计算部7通过与排气的流量对应的浓度换算，对来自A/D转换部6的数字信号进行计算，从而计算浓度。具体地说，计算部7具有与第一流量对应的第一浓度换算式和与第二流量对应的第二浓度换算式，基于从切换控制部44等取得的流量数据来选择浓度换算式，并且利用选择的浓度换算式，计算测量对象成分的浓度。
接着，参照图2，说明本实施方式的流体分析装置100的从测量开始起的动作。
排气的分析开始时，切换控制部44使第一开关阀431打开，使第二开关阀432关闭，将排气(第一流量Q1)从第一导入通道3a导入检测器2(步骤S1)。在该状态下，判断通过计算部7得到的浓度是否小于规定的阈值(步骤S2)。此外，如果浓度小于阈值，则使第一开关阀431关闭，使第二开关阀432打开，切换为第二导入通道3b(第二流量Q2)(步骤S3)。另一方面，如果浓度为阈值以上，则使第一开关阀431打开，使第二开关阀432维持关闭，维持从第一导入通道3a的导入(步骤S4)。另外，最初也可以将排气从第二导入通道3b导入检测器2，以与所述同样的步骤切换流道。
此外，在任意一种情况下，都在用放大部5以固定的放大率对通过检测器2得到的检测信号进行放大之后(步骤S5)，通过A/D转换部6进行数字转换(步骤S6)。此外，计算部7利用与流入检测器2的排气的流量对应的浓度换算式，根据数字信号计算浓度(步骤S7)。
另外，分析开始后，当测量对象成分发生变动而与阈值的大小关系发生了变化时，根据与阈值的大小关系控制第一开关阀431和第二开关阀432的开关，切换流入检测器2的排气的流量，并且利用与所述流量对应的浓度换算式来计算浓度。
<本实施方式的效果>
按照如上所述构成的本实施方式的流体分析装置100，由于根据通过检测器2得到的浓度或与浓度关联的浓度关联值，切换导入检测器2的流量，所以能够起到以下的效果。
(1)通过以使流入检测器2的排气所包含的测量对象成分的分子数变小的方式调节流量，可以防止因高浓度的测量对象成分产生的导入通道3的污染。即，由于在高浓度侧，流入检测器2的排气的流量少，所以能够抑制测量对象成分的分子量从而能够防止流道污染。由于在低浓度侧，虽然流入检测器2的排气的流量变多，但是高浓度气体未流动，所以能够抑制测量对象成分的分子量从而能够防止流道污染。由此，能够抑制背景的上升。
(2)由于通过调节流入检测器2的测量对象成分的分子数，能够使通过检测器2得到的检测信号进入规定的范围，所以能够使对该检测信号进行放大的放大部5的放大率为一个，从而能够使电路基板小型化。
(3)由于能够使通过检测器2得到的检测信号进入规定的范围，所以能够在确保直线性的区域内进行浓度计算，从而能够从低浓度区域到高浓度区域高精度地进行测量。此外，还可以扩大浓度测量范围。
(4)由于可以不需要用于切换放大率的切换电路，所以不需要考虑在放大率的切换时起因于切换电路的噪声。
<其它实施方式>
另外，本发明并不限定于所述实施方式。
例如，在所述实施方式中，对从排气管E1排出的排气进行取样、分析，但是也可以如图3所示，在排气管E1的催化剂E2的上游和/或下游使一端与导入通道3连接，分析通过催化剂E2前的排气或通过催化剂E2后的排气。
所述实施方式的导入通道具有第一导入通道和第二导入通道，但是也可以具有三个以上的导入通道。在这种情况下，由设置在各导入通道上的流量调节部调节的流量相互不同，流道切换机构切换三个以上的导入通道。
此外，为了降低用于浓度计算的数字信号所包含的噪声成分，计算部7可以对数字信号进行移动平均。在这种情况下优选的是，与在第二流量中得到的输出信号的平均化时间相比，计算部7使在第一流量中得到的输出信号的平均化时间变短。由此，可以通过使平均化时间不同来消除第一流量的置换时间(信号的上升时间)和第二流量的置换时间(信号的上升时间)的不同，从而使两者的响应时间一致。
此外，为了通过物理结构使第一流量的置换时间和第二流量的置换时间一致，可以在第二导入通道3b上利用缓冲容器等形成死区容积。可以使第二导入通道比第一导入通道长。此外，也可以在第二流量的置换时间上加上规定的时间来与第一流量的置换时间一致。
此外，如图4所示，例如可以利用切换前后稳定时的浓度，对第一导入通道3a和第二导入通道3b切换时产生的检测信号的过渡响应进行直线性插补。
此外，作为流量调节部可以使用质量流量控制器。在这种情况下，导入通道可以是一个。
此外，如图5所示，本发明的流体分析装置100可以是搭载于在例如实际道路上行驶的车辆V上的车辆搭载型排气分析装置。在这种情况下，可以利用设置在安装管(尾气管附加配管)10上的取样管11，对导入流体分析装置100的排气进行采集，所述安装管安装在排气管(尾气管)E1上。另外，取样管11与导入通道3的一端连接。另外，如图6所示，在与分析仪2下游连接的下游流道12上设置有抽吸泵32，分析仪2在减压下使用。另外，作为用于车辆搭载型排气分析装置100的分析仪2可以使用氢火焰离子化分析仪(FID)、化学发光分析仪(CLD)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)或非分散型红外分析仪(NDIR)等。此外，FTIR和NDIR的光源可以使用量子级联激光(QCL)。
由此，在将流体分析装置100应用于车辆搭载型排气分析装置的情况下，在具有用于切换放大率的切换电路的装置中，因行驶时的振动导致在切换电路中产生噪声，但是在本发明中，由于不需要所述的切换电路，所以不需要考虑因行驶时的振动在切换电路中产生的噪声。
所述实施方式的流体分析装置是对排气等气体所包含的测量对象成分进行分析的气体分析装置，但是也可以是对液体所包含的测量对象成分进行分析的液体分析装置。
此外，本发明并不限定于所述实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内，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 (9)

1.一种流体分析装置，其特征在于，
所述流体分析装置包括：
检测器，用于测量流体所包含的测量对象成分的浓度；
导入通道，与所述检测器连接，将所述流体导入所述检测器；以及
流量切换机构，根据所述测量对象成分的浓度，切换导入所述检测器的流量。
2.根据权利要求1所述的流体分析装置，其特征在于，
所述导入通道具有第一导入通道和第二导入通道，
所述流量切换机构包括：
第一流量调节部，设置在所述第一导入通道上，将所述流体的流量调节为第一流量；
第二流量调节部，设置在所述第二导入通道上，将所述流体的流量调节为比所述第一流量大的第二流量；
流道切换部，在所述第一导入通道和所述第二导入通道之间切换与所述检测器连接的流道；以及
切换控制部，对通过所述检测器得到的浓度与规定的阈值进行比较，控制所述流道切换部。
3.根据权利要求2所述的流体分析装置，其特征在于，所述流体分析装置还包括放大器，所述放大器对通过所述检测器得到的检测信号进行放大。
4.根据权利要求3所述的流体分析装置，其特征在于，所述流体分析装置还包括计算部，所述计算部通过与所述流体的流量对应的浓度换算对由所述放大器放大了的输出信号进行计算，由此计算所述浓度。
5.根据权利要求4所述的流体分析装置，其特征在于，所述第二导入通道一方的检测响应比所述第一导入通道一方的检测响应慢。
6.根据权利要求4所述的流体分析装置，其特征在于，所述计算部对所述输出信号进行移动平均来进行浓度换算，在所述第一流量中得到的输出信号的平均化时间比在所述第二流量中得到的输出信号的平均化时间短。
7.根据权利要求1所述的流体分析装置，其特征在于，所述流体是从内燃机排出的排气。
8.根据权利要求7所述的流体分析装置，其特征在于，所述流体分析装置搭载在车辆上对所述排气进行分析。
9.一种流体分析方法，其使用流体分析装置，所述流体分析装置包括：检测器，用于测量流体所包含的测量对象成分的浓度；以及导入通道，与所述检测器连接，将所述流体导入所述检测器，
所述流体分析方法的特征在于，
根据所述测量对象成分的浓度，切换导入所述检测器的流量。
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