JP2007285721A - 校正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの濃度や温度を測定し、該温度および濃度に関するデータを校正することのできる校正装置を提供する。
【解決手段】校正装置１００は、水蒸気（Ｈ_２Ｏガス）を提供するコンプレッサ１１、Ｈ_２Ｏガスを加湿する気化コイル１５、Ｈ_２Ｏガスの温度を調整する電気路４が配管にて連通された第１系統１と、排気ガスを構成する少なくとも１種のガスを提供する排ガスボンベ２１、加湿器２３、電気路４が配管にて連通された第２系統２と、生成されたＨ_２Ｏガスまたは排ガス成分ガスにレーザ光を照射し、ガスによってレーザが吸収された後の特定波長の光量を計測する計測手段６とから構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスの濃度や温度を測定し、該温度および濃度に関するデータを校正する校正装置に関する。

車両構成機器である排気管に連通する触媒の開発や内燃機関の燃焼機構等の開発に際し、触媒の排ガス浄化効率を計測するためにはその前後の排気管内のガス濃度の高精度な計測が重要であり、内燃機関の燃焼機構ではその内部の温度分布の高精度な計測が重要となる。

排ガス濃度の計測や、水蒸気（Ｈ_２Ｏガス）の温度計測に際しては、赤外線レーザのガス吸収性能を利用して濃度や温度を特定する方法が一般におこなわれている。これは、ガスの種類（任意のガス特有の波長分布）や温度、圧力等のパラメータの相違により、赤外線レーザのガスによる吸収量が相違し、かかるガスによってその一部が吸収された後の特定波長の光量に基づいてガスの濃度等を特定するものである。このガスのレーザ吸収性能を適用してなるガス濃度の検出方法に関する技術として、例えば特許文献１に開示の技術を挙げることができる。

ところで、上記する車両の排気管内のガス濃度や内燃機関内の温度に関しては、特定の圧力状態、湿度状態、温度状態において、ガスの種類（Ｈ_２Ｏ，ＣＯ，ＣＯ_２，ＮＯ_Ｘ，ＨＣなど）ごとにその濃度等に関する公知の資料（理論値）が存在することも知られるところである。

しかし、上記する触媒の開発や内燃機関の燃焼機構等の開発に際しては、公知の理論値と、模擬装置や実機を使用してなる試験時の計測結果とが異なることが多分にあることが発明者等によって特定されている。したがって、上記する触媒や内燃機関等の機器の開発に際しては、より高精度なガス濃度と内燃機関内の温度の計測をおこなうことが、今後の機器開発をおこなう上で極めて重要な課題となっている。

特開２０００−２０６０４１号公報

従来、車両の排気管内の特定の圧力、湿度および温度雰囲気下における各種ガスの濃度を計測する装置、および内燃機関内の温度（例えば燃焼機構の燃焼前の温度）を計測する装置は開発されておらず、単に特許文献１に開示のガス濃度の検出方法を適用するだけでは、実機における高精度なガス濃度計測や温度計測は実現できず、したがって、実機に適合するようにガス濃度や機器内温度に関する理論値の校正をおこなうことはできない。
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、特定の圧力、湿度および温度雰囲気下における各種ガスの濃度やガスの温度を高精度に計測することができ、データ（公知の理論値）を適宜に校正することのできる校正装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による校正装置は、排気ガス、水蒸気（Ｈ_２Ｏガス）を含むガスの濃度または温度を計測し、計測結果に基づいて該濃度または温度に関するデータを校正する校正装置であって、所定圧力のガスを提供する提供手段と、該提供手段に流路を介して連通するとともに該ガスに所定の湿度を付与する加湿手段と、該加湿手段に流路を介して連通するとともに該ガスの温度を調整する温度調整手段と、該温度調整手段に流路を介して連通するとともに前記各手段を介して生成されたガスを流入させ、流入されたガスにレーザ光を照射し、ガスを通過した後の特定波長の光量を計測する計測手段と、から構成されており、計測された光量に基づいて、ガスの濃度または温度が校正されることを特徴とする。

ここで、排気ガスとは、既述するＣＯ，ＣＯ_２，ＮＯ_Ｘ，ＨＣなど、例えば排気マニフォールド内に存在するガスなどを意味している。また、本発明が計測対象とするガスは、かかる排気ガスのほか、水蒸気（Ｈ_２Ｏガス）やオフィス内に存在する空気（を構成するガス成分）など、ガス全般をその対象とするものである。

本発明の校正装置は、上記する任意の試料ガスの濃度や温度を計測し、既述する公知の理論値を適宜に校正するための装置である。例えば内燃機関内の温度を計測する場合には、内燃機関内の温度状態、圧力状態、湿度状態のエアー（Ｈ_２Ｏガス）を生成し、また、内燃機関に連通する排気管（排気マニホールド）内に存在する１種類のガスもしくは複数種類のガス濃度を計測する場合には、排気マニホールド内の温度状態、圧力状態、湿度状態のガスを生成し、生成されたガスを計測手段に供給するように構成されている。

所望状態のガスを生成するために、圧力が調整されたガス（所定濃度の任意のガスで、例えば１０％濃度のＣＯ_２ガスなど）をガスの流路（配管やホース等）に提供するための提供手段と、この提供手段に流路を介して連通し、ガスの湿度を調整するための加湿手段と、この加湿手段に流路を介して連通し、ガスの温度を調整するための温度調整手段をガスが通過することにより、所望状態のガスを生成することが可能となる。ここでいう所望状態とは、排気マニホールド内のガスの状態や、内燃機関内のガスの状態など、試料ガスが実際に存在する機器内であって、かつ、計測したい機器内状態におけるガスの状態を意味している。なお、かかる各手段の配設順序は任意であり、提供手段、温度調整手段、加湿手段の順に各手段が連通された構成であってもよい。所望状態に生成されたガスは、次に、流路を介してその濃度や温度を計測するための計測手段に提供される。

計測手段は、特定のガス（試料ガス）が流入／充満するとともに計測用レーザが通過する分析セルと、該分析セルに赤外線レーザをはじめとするレーザ光を照射する発振器と、ガスによってその一部が吸収された後の特定波長の光量をセンシングするセンサ、分析セル内の温度を計測する熱電対をはじめとする熱計測センサから大略構成されている。ここで、センサのより具体的な構成の実施例としては、一定波長帯の赤外光を透過する光学フィルタと、光学フィルタを透過した赤外光を受光してその吸収量を検出する光センサとから構成することができる。なお、分析セルの対向面に反射ミラーを設置しておき、レーザ発振器から照射されたレーザ光を対向するミラー間で多重反射させることにより、比較的濃度の薄いガスの濃度測定を精度よくおこなうことが可能となる。

例えば内燃機関内の温度、特に、燃焼機構の燃焼前の内部温度を計測するための提供手段においては、高圧のエアーを提供するための例えばコンプレッサを適用することができる。この高圧エアーを加湿手段によって内燃機関の燃焼前段階の湿度状態とし、さらに温度調整手段によって所定の温度状態とされたエアー（Ｈ_２Ｏガス）を計測手段の分析セルに流入させる。なお、燃焼室内におけるガスの圧縮工程においてその内部温度、内部圧力は徐々に変化すること、燃焼機構の形態によってその温度分布も多様に変化することから、内燃機関の燃焼前の圧力と温度の組合せとしては、例えば４Ｍｐａで４００℃〜常圧で８００℃程度の範囲で多様な組合せのバリエーションを模擬することができる。この分析セルにおいては、セル内のＨ_２Ｏガスの温度（の変化）を熱計測センサにて秒オーダの分解能で計測し、レーザの光量をセンシングすることにより、数百ＭＨｚオーダの高い分解能でガスの温度（変化）を計測／特定することができる。

既述するように、任意の圧力、温度、湿度状態における特定のガス濃度等に関しては、公知の理論値が存在する。しかし、排気管の内部におけるガス濃度や内燃機関の燃焼前の温度に関しては、必ずしも公知の理論値が適用できるとは限らず、実際に誤差を生じることが発明者等によって実証されている。本発明の校正装置によれば、内燃機関や排気管等の内部の温度やガス濃度を高精度に計測し、それぞれの理論値との比較をおこなうとともに、かかる機器における温度やガス濃度の理論値を計測結果に基づいて適宜に校正することができるため、内燃機関（の燃焼機構等）の開発や排気管に連通する触媒の開発に際し、高精度な温度およびガス濃度のデータベースを構築することが可能となる。

また、本発明による校正装置の好ましい実施の形態は、前記計測手段にパージ用の不活性ガスを提供する第２の提供手段が流路を介して計測手段に連通されていることを特徴とする。

計測手段を構成する分析セル内にエアーが充填されていると、該エアー内のＣＯ_２等が被計測対象のガスに混入されてしまい、高精度な濃度計測の障害となる。そこで、分析セル内をパージするために、Ｎ_２ガスをはじめとする不活性ガスを分析セル内に提供する第２の提供手段を備えた校正装置とすることにより、分析セル内からエアーを効率的に除去することが可能となる。

なお、レーザ発振器から照射されたレーザが分析セル内に入射する部位と、レーザが分析セル外に出ていく部位に不活性ガスを提供する構成であってもよい。

また、本発明による校正装置の他の実施の形態において、前記加湿手段は、気化コイルと加湿器とを具備するとともに、いずれか一方が選択自在に構成されており、被計測ガスが比較的低圧なガスの場合には前記加湿器が選択され、被計測ガスが比較的高圧なガスの場合には前記気化コイルが選択されることを特徴とする。

加湿手段は、ガスの圧力状態に応じて適当な加湿調整が可能な装置を使い分けることが望ましい。例えば、内燃機関内の温度を測定する際には、コンプレッサから圧送された比較的高圧のエアーを加湿することとなるが、かかる高圧のエアーは気化コイルに通すことが好ましい。この気化コイルに水タンク内の水を送液ポンプにて送り、エアーの量に応じた水分を該エアーに提供することにより、２Ｍｐａ程度ないしはそれ以上の高圧エアーに効率的に所望の湿度を付与することが可能となる。

一方、排気管内のガスの圧力は内燃機関（の燃焼前の状態）に比して極めて低いため、例えば温水内にガスを通してバブリングさせ、所定の湿度をガスに付与する加湿器を適用するのが好ましい。例えば１．５Ｍｐａ以下の低圧状態のガスにおいては、加湿器を適用することで、湿度の微調整が容易となる。

また、本発明による校正装置の他の実施の形態において、前記温度調整手段は、熱量を与える加熱手段であってスパイラル状の配管を備えた電気路からなることを特徴とする。

任意のガス、水蒸気を電気路を構成する高温のスパイラル配管に通すことで、効率的にガスを所定の温度状態とすることができる。なお、排ガス成分のガスやＨ_２Ｏガスが加湿器や気化コイルを通過する際にもガスの温度は高められるが、最終的に計測手段の分析セル内にガスを流入させる前段で電気路に通すことで、ガスの温度低下を防止するとともに、計測直前のガスを所望温度状態に維持することが可能となる。

さらに、本発明による校正装置の好ましい実施の形態において、前記温度調整手段は、さらに計測手段の内部に設けられたヒータを具備していることを特徴とする。

電気路を通過した排ガス成分のガスやＨ_２Ｏガスは、計測手段の分析セル内に流入した段階で実際には温度が低下することとなる。すなわち、所望の温度状態のガスを高精度に計測するためには、分析セル内においてその最終的な温度を調整することが望ましい。

そこで、本発明の校正装置では、計測手段の分析セルに例えばカートリッジヒータを装着し、このヒータで温度の最終微調整をおこなうものである。

なお、分析セルの外周をセラミックウール等で包囲させることにより、分析セル内のガスの温度を保温し易くした構成であってもよい。

以上の説明から理解できるように、本発明の校正装置によれば、所望の圧力、湿度および温度雰囲気下におけるガスの濃度や温度を高精度に計測することができ、かかる濃度や温度に関する理論値を実機に適応したデータに校正することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の校正装置の構成を示した回路図を、図２は、計測部の構成を示した模式図をそれぞれ示している。なお、図示する実施の形態は、車両の内燃機関内の温度または排気マニホールド内の排ガス成分の濃度の計測／校正を対象としているが、本発明の校正装置が図示する実施の形態に限定されるものでないことは勿論のことである。

図１は、本発明の校正装置の一実施の形態の回路図を示している。この校正装置１００は、内燃機関を模擬し、その内部温度、特に燃焼機構の燃焼前の状態における温度を計測するための第１系統１と、排気管（排気マニホールド）を模擬し、その内部の各種排ガスの濃度を計測するための第２系統２とから大略構成されている。なお、計測部６の分析セル内から計測誤差の要因となる空気をパージするために、または、赤外線レーザの分析セル内への入射／出射部から同様に空気をパージするための不活性ガスを分析セルに送る、不活性ガスボンベ３１とポンプ３２を備えた通気ルートも設けられている。

第１系統１では、内燃機関内の温度を計測するに際し、所定の温度、圧力、湿度状態の水蒸気（Ｈ_２Ｏガス）を生成し、このＨ_２Ｏガスを赤外線レーザを適用した計測部６に送る。各種ガスの赤外線レーザ吸収量は、ガスの温度、圧力、湿度によって多様に変化することから、かかる温度依存性、圧力依存性、湿度依存性を勘案し、所望状態に生成されたＨ_２Ｏガスを計測部６に送り、計測部６にてＨ_２Ｏガスにその一部が吸収された後の赤外線レーザのうち、Ｈ_２Ｏガスに対応した特定波長の光量をセンシングすることにより、計測部内における温度（内燃機関内の温度状態がＨ_２Ｏガスによって模擬されている）を計測することができる。

第１系統１のより具体的な構成は、まず、エアーを所定の圧力にて圧送するコンプレッサ１１（提供手段）と、エアーの温度を調整するドライヤ１２、送気量を調整するためのバッファタンク１３が配管を介して連通しており、流量計７１にてエアー流量を常時確認しながら、気化コイル１５（加湿手段）に圧送エアーが送られる。水タンク１６内の水分が送液ポンプ１７によって気化コイル１５に送られ、エアーは気化コイル１５内を通る過程で加湿される。なお、気化コイル１５の側方には露点計１４が設けられており、流量計７１によって計測されたエアー量に応じて、所定の加湿状態のエアーを生成するために送液ポンプ１７の送水量が適宜に調整されるようになっている。

所定の圧力、湿度状態となったＨ_２Ｏガスは、スパイラル配管を備えた電気路４（温度調整手段）内に配管を介して送られ、スパイラル配管内で所定温度のＨ_２Ｏガスが生成される。

なお、電気路４へ通じるルートとは別のルートで、現状分析機５に通じるルートにもＨ_２Ｏガスが送られるようになっている。現状分析機５は、市販のガスの温度や濃度を計測するための計測機であり、本発明を構成する計測部６における計測結果と市販の計測器との計測結果の比較をおこなうことができるようになっている。この現状分析機としては、例えば、ＦＴＩＲ ガス分析計 ＦＴ−７３０Ｇ（（株）堀場製作所製）を使用することができる。

電気路４を通り、所定の圧力、湿度、温度雰囲気状態となったＨ_２Ｏガスは計測部６に送られる。この計測部６の具体的な構成が図２に示されている。

図２において、電気路４内のスパイラル管に連通する通気管６７ａを流れてきたＨ_２ＯガスＧは分析セル６１内に入り（Ｘ方向）、計測後のガスＧは通気管６７ｂから放出される。

分析セル６１は、その外周をセラミックウール６６にて包囲され、内部のガス温度の保温性能を高めている。また、電気路４にて所定温度状態とされたＨ_２ＯガスＧが分析セル内で計測するまでの間に温度低下した場合に、さらに所定の温度状態まで温度を上げるためのカートリッジヒータ７が分析セル６１の外周に設けられている。

分析セル６１内の温度は、任意本数の熱電対６２，６２，…にて計測される。この熱電対６２，６２，…は、その先端が分析セル６１の中央付近や側方付近など、任意の位置に配設されており、これらの温度平均を採ることにより、内部のガス温度をより高精度に特定できるようになっている。

また、分析セル６１の対向面にはミラー６４，６５が設けられており、一方のミラー６４側には赤外線レーザを照射するレーザ発振器６３が取り付けられており、分析セル内をＺ方向に通過して（ミラー間で多重反射する場合もある）、ガスにてその一部が吸収された後の赤外線レーザのうち、排ガス種（第１系統１ではＨ_２Ｏガス）に応じた特定波長の光量を他方のミラー６５側に設けられたセンサ６８にてセンシングするようになっている。

なお、分析セル６１内における赤外線レーザの入射部位と出射部位に不活性ガスを提供するための通気管６９が二股に分岐配設されており、不活性ガスが分析セル内部に送られる（Ｙ方向）。

上記する第１系統１にて内燃機関内の温度を模擬するための所定の圧力、湿度、温度状態のＨ_２Ｏガスを生成し、計測部６にてＨ_２Ｏガスに対応する特定波長の光量をセンシングし、内部の温度や温度変化、温度分布を特定する。この操作を、内燃機関内で形成され得る多様な湿度、圧力状態における温度を逐次計測し、公知の理論値と比較しながら理論値を校正していく。多様な湿度、圧力条件下の内燃機関内部の状態を模擬し、それぞれの条件における温度（変化、分布）を計測してデータベース化することにより、内燃機関の燃焼機構等の開発時の高精度な基礎データベースを構築できる。

一方、排気管内の各種排ガスの濃度を計測し、理論値を校正するルートが、図１における第２系統２である。

まず、排ガスボンベ２１内には、排気ガスの構成成分である任意のガス（ＣＯ，ＣＯ_２，ＮＯ_Ｘ，ＨＣ）を所定濃度含んだガスが収容されている。なお、被計測対象のガスは、所定濃度の１種の標準ガスであってもよいし、２種以上の所定濃度の標準ガスが混合してなるガスであってもよい。

図１において、この排ガスは流量計７１にて流量を確認されながらポンプ２２にて吸引され、加湿器２３に送られる。加湿器２３にて加湿された排ガスは、電気路４を通り、計測部６の分析セル６１内に送られる。なお、校正装置１００の構成をより簡易にするために、加湿器２３にて加湿された排ガスが気化コイル１５を通過して電気路４に送られるようになっているが、排ガス濃度の計測の際には、気化コイル１５が作動しないように制御されている。

計測部６の分析セル６１内に送られた排ガスＧは、既述するＨ_２Ｏガスと同様に、所定の温度状態に維持され、赤外線レーザを照射されて、レーザ光量がセンシングされ、ガス濃度が計測される。

本発明の校正装置１００によれば、１つの装置で内燃機関と排気管を模擬することができ、実機に応じたそれぞれの内部温度または排ガス濃度を高精度に計測し、校正することができ、今後の機器開発の基礎データベースの構築に繋がる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。例えば、車両の車室内やオフィスビル内における空気を構成する各種成分ガスを計測／校正する場合等にも適用することができる。

本発明の校正装置の構成を示した回路図。 計測部の構成を示した模式図。

符号の説明

１…第１系統、１１…コンプレッサ、１２…ドライヤ、１３…バッファタンク、１４…露点計、１５…気化コイル、１６…水タンク、１７…送液ポンプ、２…第２系統、２１…排ガスボンベ、２２…ポンプ、２３…加湿器、３１…不活性ガスボンベ、３２…ポンプ、４…電気路、５…現状分析機、６…計測部、６１…分析セル、６２…熱電対、６３…レーザ発振器、６４，６５…ミラー、６６…セラミックウール、６８…センサ、７…カートリッジヒータ、１００…校正装置、Ｇ…Ｈ_２Ｏガス、排ガス

Claims (5)

1. 排気ガス、水蒸気（Ｈ_２Ｏガス）を含むガスの濃度または温度を計測し、計測結果に基づいて該濃度または温度に関するデータを校正する校正装置であって、
   所定圧力のガスを提供する提供手段と、該提供手段に流路を介して連通するとともに該ガスに所定の湿度を付与する加湿手段と、該加湿手段に流路を介して連通するとともに該ガスの温度を調整する温度調整手段と、該温度調整手段に流路を介して連通するとともに前記各手段を介して生成されたガスを流入させ、流入されたガスにレーザ光を照射し、ガスを通過した後の特定波長の光量を計測する計測手段と、から構成されており、
   計測された光量に基づいて、ガスの濃度または温度が校正されることを特徴とする校正装置。
2. 前記計測手段にパージ用の不活性ガスを提供する第２の提供手段が、流路を介して該計測手段に連通されていることを特徴とする請求項１に記載の校正装置。
3. 前記加湿手段は、気化コイルと加湿器とを具備するとともに、いずれか一方が選択自在に構成されており、
   被計測ガスが比較的低圧なガスの場合には前記加湿器が選択され、被計測ガスが比較的高圧なガスの場合には前記気化コイルが選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の校正装置。
4. 前記温度調整手段は、熱量を与える加熱手段であってスパイラル状の配管を備えた電気路からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の校正装置。
5. 請求項４に記載の校正装置において、
   前記温度調整手段は、さらに前記計測手段の内部に設けられたヒータを具備していることを特徴とする校正装置。

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